JPWO2018021108A1 - 発光装置及び照明装置 - Google Patents
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Abstract
励起光(101)を出射する光源部(3)と、励起光(101)を偏向する光偏向部(140)と、光偏向部(140)により偏向された励起光(101)が照射され、励起光(101)を波長の異なる波長変換光に変換して出射する波長変換部(160)と、波長変換部(160)に励起光(101)を集光する集光部(10)とを備え、集光部(10)は、光源部(3)と光偏向部(140)との間に配置された第一光学系(11)と、光偏向部(140)と波長変換部(160)との間に配置された第二光学系(12)とからなり、励起光(101)の進行方向に垂直な断面において、励起光(101)のビームパラメータ積が最小となる方向の軸をAx軸とし、Ax軸に直交する方向の軸をAy軸とした場合、第二光学系(12)において、Ay軸方向の焦点距離は、Ax軸方向の焦点距離よりも小さい。
Description
本開示は、光源部が出射する励起光を波長変換部に照射し、波長変換部から励起光と異なる光を発生させる発光装置、及び、当該発光装置を備える照明装置に関する。
半導体発光素子(半導体レーザー素子)などのレーザー光源を利用した照明装置には、スポット照明、車両前照灯、プロジェクター、内視鏡照明などがある。これらの照明装置においては、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)に代表される蛍光体からなる波長変換部に、波長が400nm近傍、又は、450nm近傍のレーザー光を照射し、蛍光体が励起されることにより発生する蛍光、又は、蛍光と励起光の散乱成分とからなる出射光を照明光として利用している。このような照明装置においては、集光光学系を使用することで蛍光体上の励起光スポットサイズを小さく絞ることができるため、発光ダイオード(LED)を利用した照明に比べて蛍光が発生する発光領域のサイズを小さくすることができる。このため、出射光を前方に照射するための光学系を小型にすることが可能となる。
発光装置として、レーザー光源に加えて、レーザー光を集光する集光光学系と、蛍光体からなる波長変換部と、レーザー光源から波長変換部に至る光路の途中に配置された光偏向部とを備える発光装置がある。この発光装置では、レーザー光を、集光光学系を使って蛍光体に集光照射し、光偏向部によってレーザー光を偏向する。また、この発光装置では、光偏向部の反射ミラー角度を揺動制御することによって、レーザー光の光路を周期的に偏向する。ここで、反射ミラー角度の揺動制御の周期は、発光装置からの出射光のちらつきを人間の視覚が感知できない程度に短い周期に設定される。この発光装置によれば、蛍光体上のレーザー光の照射位置を周期的に変化させることによって、蛍光体上の発光領域形状を自由に形成できる。この発光装置に、波長変換部から発生する波長変換光、及び励起光の散乱成分を発光装置の前方に投射するための光学系を付加することで、蛍光体上の励起光走査座標領域に対応した配光角度分布を前方に投射する照明装置となる。以下、この種の発光装置及び照明装置を、それぞれ走査型発光装置及び走査型照明装置と呼ぶことがある。走査型照明装置は、例えば車両用の配光可変ヘッドランプシステム(ADB:Adaptive Driving Beam)に適用可能である。具体的には、傾倒可能な反射ミラーの周期的な角度制御により、投射したい配光分布に応じた蛍光体上の座標領域をレーザー光で走査させる。これにより、例えば対向車の搭乗者又は歩行者の眩惑防止の目的で、当該搭乗者又は歩行者の顔の領域を照射しないように、当該領域に対応した蛍光体の座標領域をレーザー光が通過する際、レーザー光源を停止する制御を行う。このように、蛍光体上のレーザー光走査領域を変えることで、車両の運転状況に合わせた配光分布を実現することができる。
走査型照明装置では、蛍光体を走査する励起光のスポットサイズが小さいほど蛍光体の発光単位面積が小さくなり、励起光の位置制御によって解像度の高い描画パターン(つまり、投射パターン)で前方を照らすことができる。また、蛍光体の発光面積が小さいほど、投射光学系を小さく構成することができるため、照明装置を小型化できる。このため、蛍光体への照射光を、集光光学系を用いて小さなスポットに絞るタイプの走査型照明装置が多く提案されている。
この内、特許文献1においては、光源と光偏向部との間に集光光学系を備え、特許文献2においては、光偏向部と蛍光体との間に、励起光を集光するための凸レンズが配置されている構成例が提案されている。
蛍光体を半導体レーザーで励起することで照明用の大きな光束を得るためには、一般的に高出力の水平マルチモードレーザー光源が使用される。水平マルチモードレーザー光源とは、スロー軸方向(水平方向)において、マルチモードでレーザー発振し、スロー軸方向と垂直なファスト軸方向において、シングルモードでレーザー発振するレーザー光源である。水平マルチモードレーザー光源から出射されたレーザー光を1枚の軸対称なレンズで集光した場合、マルチモードで発振しているスロー軸方向においては、シングルモードで発振しているファスト軸方向に比べてビーム品質が悪いため、スポット径が大きくなるという問題がある。
この問題に対し、スロー軸方向における蛍光体上でのスポット径を縮小する方法として、集光光学系の焦点距離を短くし、蛍光体の近くに配置する方法がある。
この方法を実現するために、特許文献1に記載された構成のように光源と光偏向部との間に集光光学系を配置する場合には、集光光学系の焦点距離が短くなると、光偏向部から蛍光体までの光路長も同時に短くなる。このため、蛍光体が平面上に形成され、且つ励起光の走査領域を一定サイズとした場合に、励起光の走査両端に近づくに従い光路長変化率が増大するために励起光が十分に集光されず、蛍光体上でのスポット径が拡大される。さらに、蛍光体への入射角が大きな光学系構成の場合、励起光の走査位置が両端に近づくに従いスポットが大きく傾くといった問題が発生する。また一定距離を走査するために、光偏向部の偏向角度を大きくする必要が生じ、可動ミラーを磁気回路で駆動する方式では、電流の増大によるコイルの耐熱性、及び、ミラーを保持するばねの耐久性が問題となり得る。また、光偏向部の偏向角度の増大は走査光路上にある光学素子に励起光が当たる範囲(有効範囲)の増大を招き、装置の寸法増大、光学部品のコスト上昇等の問題に繋がる。
一方で、特許文献2のように、光偏向部と蛍光体の間に集光光学系を置く場合には、偏向したビームに対するレンズの屈折効果によりビームが集光光学系の焦点方向に曲げられてしまうため、偏向角に対する蛍光体上の変位感度(つまり、変位量)が低下する。したがって、光偏向部による偏向角度を大きく設計する必要が生じ、この場合も前述した課題に繋がる。
以上の課題を解決するため、本開示は、波長変換部において十分に励起光を十分に集光でき、かつ、小型化可能な走査型の発光装置及びそれを備える照明装置を提供する。
本開示の一形態に係る発光装置は、励起光を出射する光源部と、前記励起光を偏向する光偏向部と、前記光偏向部により偏向された前記励起光が照射され、前記励起光を波長の異なる波長変換光に変換して出射する波長変換部と、前記波長変換部に前記励起光を集光する集光部とを備え、前記集光部は、前記光源部と前記光偏向部との間に配置された第一光学系と、前記光偏向部と前記波長変換部との間に配置された第二光学系とからなり、前記励起光の進行方向に垂直な断面において、前記励起光のビームパラメータ積が最小となる方向の軸をAx軸とし、前記Ax軸に直交する方向の軸をAy軸とした場合、前記第二光学系において、Ay軸方向の焦点距離は、Ax軸方向の焦点距離よりも小さい。
このような構成の発光装置では、第二光学系におけるAy軸方向の集光機能はAx軸方向の集光機能より大きいため、Ay軸方向におけるビーム径は、第二光学系において十分に絞ることが可能である。このため、Ay軸方向におけるビーム径の大きさへの影響を抑制しながら、光偏向部と波長変換部との間の距離を長く取ることができる。これにより光偏向部の偏向角を小さくすることができるため、光偏向部の小型化及び耐久性向上が可能となる。また、波長変換部の励起光の走査領域端部におけるスポットの拡大及び傾きを抑制できる。
また、本開示の一形態に係る発光装置において、前記第二光学系は、シリンドリカルレンズ又はシリンドリカルミラーを備えてもよい。
このような構成の発光装置により、Ax軸方向のビーム径に影響を与えず、Ay軸方向のビーム径を自由に調整できる第二光学系を実現できる。
また、本開示の一形態に係る発光装置は、前記集光部のAx軸及びAy軸の各々に対する合成焦点距離fx及びfyが、fx>fyの関係にあってもよい。
このような構成の発光装置では、最小のビームサイズが集光部の合成焦点距離に比例することを利用し、ビーム品質(BPP)が良いAx軸側に比べ、ビーム品質(BPP)が悪いが故にスポットサイズが大きくなるAy軸側のスポットを縮小することができる。また、Ax軸及びAy軸の各軸に対応した集光光学素子の各焦点距離を適宜設定することにより、所望の長短軸比(楕円率)を持った楕円形スポットを波長変換部に形成することができる。
また、本開示の一形態に係る発光装置において、前記波長変換部において前記励起光は、前記Ax軸の方向に走査されてもよい。
このような構成の発光装置では、Ay軸方向よりもビーム径を縮小できるAx軸方向を走査方向にすることで、走査によって得られる描画パターンの解像度を向上できる。結果、この発光装置を照明装置として利用したときに、投影パターンのキレ(コントラスト比)が良くなる。また光偏向部と蛍光体との間にある第二光学系は、励起光の走査方向に対して集光機能が小さいため、波長変換部での位置感度の低下を抑制できる。
また、本開示の一形態に係る発光装置において、前記波長変換部において前記励起光は、前記Ax軸の方向及び前記Ay軸の方向に走査され、前記Ax軸の方向において、前記Ay軸の方向より広範に走査されてもよい。
このような構成の発光装置では、ビーム品質が良い側のAx軸方向に走査することで、ビーム品質が悪いAy軸方向に走査する場合に比べてより細かい描画パターンを表示できる。また、波長変換部と光偏向部との間に配置した第二光学系での集光機能が小さいAx軸をより広範な範囲を走査する方向にすることで、走査方向が第二光学系の影響が小さい方向に一致させることができる。このため、Ax軸方向において、光偏向部の傾倒角度を大きくすることなく広範な照射エリアを走査することができる。
また、本開示の一形態に係る発光装置において、前記波長変換部は、蛍光体であってもよい。
このような構成の発光装置では、蛍光体において、励起光を波長変換することができる。
また、本開示の一形態に係る照明装置は、上記発光装置と、前記励起光が照射された波長変換部から出射される前記波長変換光、及び、前記波長変換部により散乱される前記励起光を、照明対象に向けて照射するための投射光学系とを備える。
このような構成の照明装置では、励起光を光偏向部によって偏向させることで波長変換部上を走査させることにより、車両前照灯、スポット照明などの特定の配光分布を必要とする各種照明装置として利用できる。また、本構成を有する照明装置は、配光を自在に変化させることができる。
本開示によれば、本開示は、波長変換部において十分に励起光を十分に集光でき、かつ、小型化可能な走査型の発光装置及びそれを備える照明装置を提供できる。
以下、本開示の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。
(実施の形態1)
図1及び図2は、それぞれ本実施の形態に係る発光装置1及び照明装置2の最も単純な光学系構成を示す側面図及び上面図である。図1及び図2において、照明装置2から投射される投射光190の光軸方向をz軸方向とし、当該光軸方向に垂直で互いに直交する二つの方向をx軸方向及びy軸方向としている。
図1及び図2は、それぞれ本実施の形態に係る発光装置1及び照明装置2の最も単純な光学系構成を示す側面図及び上面図である。図1及び図2において、照明装置2から投射される投射光190の光軸方向をz軸方向とし、当該光軸方向に垂直で互いに直交する二つの方向をx軸方向及びy軸方向としている。
本実施の形態に係る照明装置2は、投射光190を出射する装置であり、図1及び図2に示すように、発光装置1と、投射光学系170とを備える。発光装置1は、光源部3と、光偏向部140と、波長変換部160と、集光部10とを備える。
光源部3は、励起光101を出射する光源であり、半導体レーザー光源100を備える。半導体レーザー光源100は、励起光101を出射するレーザー光源である。半導体レーザー光源100は、主に、半導体発光素子110と、半導体発光素子110が固定されるサブマウント111とを備える。
半導体発光素子110は、レーザー光である励起光101を出射する半導体レーザー素子である。以下、半導体発光素子110について、図面を用いて説明する。
図3は、本実施の形態に係る発光装置1で用いられる半導体発光素子110の概略構成と、半導体発光素子110から出射されるレーザー光の放射パターンとを示す斜視図である。図3にはx軸、y軸及びz軸の三次元直交座標軸が示されているが、図1及び図2に示した三次元直交座標軸と一致する方向に、半導体発光素子110が半導体レーザー光源100の内部に実装されている。この時、x軸、及びy軸は、軸が平行であれば、その向きは正負逆に実装しても構わない。
以下、図3を使用して、半導体発光素子110の構造について説明する。
半導体発光素子110は、例えばGaN等の半導体基板113上に、AlGaN等からなるn型クラッド層114、InGaN井戸層とGaN障壁層等からなる多重量子井戸の活性層115、及び、AlGaN等からなるp型クラッド層116がエピタキシャル成長によって積層されている。p型クラッド層116には、リッジ部117が形成されている。p型クラッド層116の上面のリッジ部117が形成されていない平坦面及びリッジ部117の側面には絶縁層118が形成され、リッジ部117の上面にはp側電極119が形成されている。半導体基板113の下面にはn側電極112が形成されている。
n側電極112及びp側電極119は、Auをベースとした合金等の蒸着などによって形成されている。p側電極119からn側電極112に電流が流れるようにp側電極119及びn側電極112に電圧を加えることにより、リッジ部117の下方の活性層115の領域で光の誘導放出が発生する。このとき、n型クラッド層114とp型クラッド層116の屈折率は、その間に形成された活性層115の屈折率より低いため、光は薄い活性層115の中に閉じ込められる。また、p型クラッド層116の外側に形成されるp側電極119は、ストライプ状に形成されており、また、それ以外の領域に絶縁層118が形成されているため、電流が流れる範囲がp側電極119のストライプ幅の範囲に限定される構造になっている。この結果、発光領域の水平方向の大きさが限定される。これら垂直及び水平の両方向に限定された空間で発生する光が、活性層115の前後の壁開端面の間で無数に反射を繰り返すことで、光が増幅されてレーザー光となり、外部に放出される。
本実施の形態では、半導体発光素子110を備える半導体レーザー光源100は、波長450nm近傍の青色のレーザー光を出射する。図3のリッジ部117の下方に楕円で示された領域(後述するニアフィールドパターン301に対応する領域)がレーザー光を出射する発光領域である。一般に半導体発光素子110の活性層115に垂直な方向はファスト軸、活性層115に平行な方向はスロー軸と呼ばれるが、半導体発光素子110の発光領域に十分に近い位置では、スロー軸方向に延びる長軸を有する楕円となるニアフィールドパターン301を形成する。一方、レーザー光は活性層115から出射された後、回折によって徐々に楕円のスロー軸方向及びファスト軸方向の径が拡大する。ここで、ファスト軸方向において、スロー軸方向より急激に径が拡大する。このため、ファスト軸方向に長軸が位置する楕円となるファーフィールドパターン302が形成される。以下、レーザー光のファスト軸方向をAx軸、スロー軸方向をAy軸という。
本実施の形態に係る発光装置1は、図3に示す半導体発光素子110のx軸、y軸及びz軸の向きが、図1及び図2に示されるx軸、y軸及びz軸の向きと一致するようにサブマウント111上に固定される。このとき、x軸、y軸の正負の向きは、逆方向でも構わない。つまり、半導体発光素子110のファスト軸及びスロー軸がそれぞれx軸方向及びy軸方向に平行になるよう配置される。
励起光101は、集光部10によってファスト軸方向及びスロー軸方向に集光される。これにより、励起光101は、ニアフィールドパターン301を像として再現した焦点位置近傍のビームスポットを形成し、波長変換部160に照射される。
集光部10は、第一光学系11と、第二光学系12とを備える。本実施の形態では、第一光学系11は、非球面レンズ120と、シリンドリカルレンズ130とを備える。第二光学系12は、シリンドリカルレンズ155を備える。
非球面レンズ120は、半導体発光素子110から出射されるレーザー光を平行光に変換するコリメーターレンズであり、レーザー光の球面収差が最小となるように最適化されている。
シリンドリカルレンズ130は、半導体発光素子110のファスト軸に対して曲率を持ち、かつ、波長変換部160の位置に焦点があるレンズである。
シリンドリカルレンズ155は、半導体発光素子110のスロー軸に対して曲率を持ち、かつ、波長変換部160の位置に焦点があるレンズである。
例えば、励起光101は、半導体レーザー光源100近傍に配置された非球面レンズ120によってコリメートされる。続いて、励起光101は、半導体レーザー光源100と光偏向部140との間に配置されたシリンドリカルレンズ130によってファスト軸方向に集光される。さらに、励起光101は、光偏向部140で偏向された後、光偏向部140と波長変換部160との間に配置されたシリンドリカルレンズ155によってスロー軸方向に集光される。また、互いに焦点距離が異なるシリンドリカルレンズ130及び155は、それぞれ波長変換部に焦点位置が合致するように配置されるため、ニアフィールドパターン301を像として再現した焦点位置近傍のビームスポットと同様のパターンで波長変換部160に照射される。
光偏向部140は、励起光101を偏向する機器である。光偏向部140は、励起光101が所定の光軸で入射する1つの偏向光学素子144を有する。本実施の形態では、偏向光学素子144は、例えば、磁気回路によって回動軸Amを中心に周期的に往復傾倒しながら入射光を偏向する透過型の光学素子である。偏向光学素子144として、例えば透過型のプリズムや、回折を利用した音響光学素子などを用いることができる。なお、本実施の形態では、光偏向部140として、偏向光学素子144を備える透過型の構成を用いたが、磁気回路又は圧電効果によって往復傾倒する可動ミラーを備える反射型の構成を用いてもよい。
波長変換部160は、光偏向部140により偏向された励起光101が照射され、励起光101を波長の異なる波長変換光に変換して出射する部材である。本実施の形態では、波長変換部160は蛍光体162と、蛍光体162が表面に積層形成される透明基板161とを備える。蛍光体162は、励起光101を波長変換光である蛍光に変換する。蛍光体162は、例えば、Ce賦活A3B5O12(AはSc、Y、Sm、Gd、Tb、Luのいずれか一つを含む。BはAl、Ga、Inのいずれか一つを含む。)で表されるYAG系蛍光体であるガーネット結晶蛍光体を含む。より具体的には、蛍光体162として、Ce賦活Y3Al5O12の単結晶体の他に、Ce賦活Y3Al5O12の多結晶体、又は、Ce賦活Y3Al5O12粒子とAl2O3粒子とが混合され焼成されたセラミックYAG蛍光体などを用いることができる。
投射光学系170は、励起光101が照射された波長変換部160から出射される波長変換光、及び、波長変換部160により散乱される励起光101を、照明対象に向けて照射するための光学系である。本実施の形態では、投射光学系170は、波長変換部160からランバーシアン分布で放出される波長変換光(蛍光)、及び、励起光101の散乱成分を集光し、かつ、投射するためのレンズである。本実施の形態では、投射光学系170は、第一レンズ171及び第二レンズ172を備える。第一レンズ171及び第二レンズ172からなる2枚組みの投射光学系170は、その合成焦点位置が蛍光体表面に一致するように配置されている。これにより、投射光学系170からコリメートされた光を投射できる。
次に励起光101が波長変換部160の蛍光体162に至る光路について、図1及び図2を用いて説明する。
半導体レーザー光源100から出射された励起光101は、その前方近くに配置された非球面レンズ120に入射し、平行光に変換される。次に、励起光101はx軸方向(半導体発光素子110のファスト軸方向)に対して曲率を有するシリンドリカルレンズ130に入射し、励起光101のファスト軸方向の成分が収束光に変換される。ここで、励起光101のスロー軸方向の成分はシリンドリカルレンズ130の影響を受けないため、平行光のまま進行する。その後、励起光101は光偏向部140に入射する。光偏向部140によって進行方向を変えられた励起光は、その偏向方向に配置されたシリンドリカルレンズ155に入射する。シリンドリカルレンズ155は、スロー軸方向(y軸方向)に対して曲率を有するため、励起光101のコリメートされたスロー軸方向の成分を収束光に変換する。このとき、励起光101のファスト軸方向の成分はシリンドリカルレンズ155の影響を受けず、シリンドリカルレンズ130によって変換された収束角度のまま波長変換部160へ向けて進行する。これらシリンドリカルレンズ130及び155によって収束光に変換された励起光101は、蛍光体162を積層形成した透明基板161を透過し、各シリンドリカルレンズの焦点位置近傍に配置された蛍光体162に入射する。
蛍光体162は励起光101の一部をより大きな波長の分布をもった波長変換光である蛍光に変換し、外部に放出する。また蛍光に変換されなかった励起光101の残り成分も、蛍光体162に含まれる蛍光体粒子及び蛍光体のバインダー、並びに、必要に応じて蛍光体162に混入される粒子によって散乱され、蛍光体162の外部に放出される。蛍光も、励起光101の散乱成分も、透明基板161の蛍光体形成面(投射光学系170に対向する面)に対して垂直な方向にランバーシアン分布で放出される。人の視覚は目に入る蛍光と励起光101の散乱光との混合光を、蛍光と散乱光との比率に応じた色の光として認識するため、その比率を蛍光体の厚さ、蛍光体粒子の密度などを適切に調整することで、白色、又は任意の色に見える波長分布を形成することができる。
図4は、本実施の形態に係る蛍光体162から外部に放出される光の波長分布を示すグラフである。本実施の形態では、励起光101として450nm程度である青色光を用い、蛍光体162として、励起光101により励起され黄色い蛍光を発するYAG蛍光体を使用している。図4において、波長450nm近傍における光強度のピークは蛍光体162で蛍光に変換されずに散乱された励起光101によるもので、そのピークよりも大きな波長における光強度は、蛍光体162で蛍光に変換された光成分の強度を表す。そして、図4に示すスペクトル分布の光が人の視覚では白色と認識される。
なお、本実施の形態で、励起光101は蛍光体162の蛍光放出面(投射光学系170に対向する面)の逆側の面から照射されることから、蛍光体162が形成されている透明基板161のいずれかの表面には、励起光101の波長帯を除く可視光を反射するダイクロイック膜が発光効率を高めるために成膜されている。
さらに、発光装置1を照明装置2として利用するために、蛍光体162の中心位置を合成焦点位置とする投射光学系170が、蛍光体162に対して投射方向側に配置されている。蛍光体162を励起光101が走査することで、蛍光体からランバーシアン分布で放出された蛍光、及び励起光101の散乱成分が投射光学系170に入射し、混合されて装置前方に投射される。これにより、蛍光の色と励起光の色とが混色された白色の投射光が得られる。
なお、蛍光体162からの出射光をできるだけ投射光学系170に入射するために、投射光学系170の光取り込みNAは0.9以上を確保した設計になっている。
ここで、投射光学系170から出射される投射光190について図面を用いて説明する。
図5A及び図5Bは、それぞれ本実施の形態に係る投射光学系170の焦点距離fpと投射光190のx軸方向及びy軸方向における放射角θpx及びθpyとの関係を示す図である。図5A及び図5Bにおいては、投射光学系170は一つのレンズとして簡略化されて示されている。
図5A及び図5Bに示すように、投射光学系170の焦点距離をfpとし、その焦点位置に配置した蛍光体162のx軸方向及びy軸方向における発光幅をdx、dyとしたとき、前方に投射される投射光190の放射角θpx及びθpyは、それぞれ以下のように表される。
本実施の形態に係る発光装置1及び照明装置2が、それぞれ走査型発光装置及び走査型照明装置として機能する際、励起光101が入射する偏向光学素子144は、図2に示す回動軸Amを中心に周期的に一定角度範囲内を往復回動する。これに伴い、励起光101は、偏向光学素子144の傾倒角度に応じて進行方向を変化させながら、蛍光体162の表面をx軸の方向に走査する。このとき、照明装置2に要望される照射角度範囲に対する発光幅、つまり走査範囲は、式1−1及び式1−2に基づき決定することができる。
図6A〜図6Cは、それぞれ本実施の形態に係る発光装置1において、励起光101が入射する側の蛍光体162表面における励起光101の位置及び形状の第一〜第三の例を示した図である。図6A〜図6Cにおいて、白い領域が励起光101の照射スポット又は照射領域を示す。図6Aは、偏向光学素子144の回動角に対する、励起光101の照射スポット位置の変化を示した例である。図6Bは、半導体レーザー光源100を連続点灯した状態で、偏向光学素子144を高速で往復傾倒させた場合に往復移動する励起光101の照射スポットを時間重畳したときの励起光101の照射領域の形状を示した図である。つまり、図6Bは、励起光101によって励起される励起エリアを示している。図6Cは、偏向光学素子144の傾倒(回動)動作に同期して半導体レーザー光源100の発光を一時的に停止することで、蛍光体162における励起光101が走査し得る領域(図6Bの励起エリアに相当する領域)の一部において励起を停止した状態(つまり、発光装置1を消灯した状態)を示した例である。このように、偏向光学素子144の傾倒動作と同期して、半導体レーザー光源のON/OFFを制御することで、蛍光体162の非発光領域を作り出すことができる。さらに、式1−1及び式1−2から、この非発光領域に対応した前方の角度範囲が非照射エリアとなることで、ADBのような可変配光を実現できる。
以下、本実施の形態に係る発光装置1及び照明装置2によって得られる効果について説明する。
一般に、レーザー光のビーム品質を表すビームパラメータ積(BPP:Beam Parameter Products)は、x軸方向及びy軸方向におけるBPPを、それぞれ、BPPx及びBPPy、発散角(全角)をθx[mrad]及びθy[mrad]、ビームウエスト半径をrx[mm]及びry[mm]とすると以下のように定義される。
このBPPは保存量であり、収差の無い理想的な光学系で伝送される仮定の下で、不変である。
また、シリンドリカルレンズ130の焦点距離をfx、シリンドリカルレンズ155の焦点距離をfy、x軸方向及びy軸方向(つまり、ファスト軸方向及びスロー軸方向)における入射ビーム径をDx及びDy、x軸方向及びy軸方向におけるビーム品質を示すビームパラメータ積をBPPx及びBPPyとしたとき、ビームウエストにおける各軸のスポット径dx、dyは、レンズなどの光学系の収差が無いとすれば、以下の式で表すことができる。
これらの式から、ビームウエストのスポット径は、ビーム品質と、集光レンズの焦点距離に比例することが理解できる。
本実施の形態で使用する高出力の半導体レーザー素子である半導体発光素子110は、活性層115の厚さ方向であるファスト軸方向においてシングルモードでレーザー発振しており、光閉じ込め幅が活性層115の厚さよりも大きくなるスロー軸方向においてマルチモードでレーザー発振している。このため、励起光101は、回折の効果でθx>θyの関係にあるファーフィールドパターンを形成する。また、発振モードの影響で、BPPx<BPPyである。つまり、ファスト軸がビーム品質の良い側のAx軸となり、スロー軸がビーム品質の悪い側のAy軸となる。一方、半導体発光素子110から出射した励起光101は、軸対称なコリメーターレンズである非球面レンズ120によって平行光に変換する。このため、シリンドリカルレンズ130への入射ビーム径は、θx、θyに比例し、Dx>Dyの関係にある。従って、(BPPx/Dx)<(BPPy/Dy)となり、仮にこのビームを同じ焦点距離、fx=fyの1枚の軸対称なレンズで絞った場合には、式3−1及び式3−2からスポット径dxとdyとの関係は、dx<dyになり、このビーム径比は一定である。
一般に、マルチモード半導体レーザー素子の(BPPy/Dy)は、(BPPx/Dx)の数倍〜数十倍になるため、ファスト軸方向はスロー軸方向に比べ、集光性が非常に高い。仮に、本実施の形態のように集光光学系を2軸に分けることで、fx>fyとしても、装置スペースの関係からスポット径dxとスポット径dyとの大小関係を逆転させることは難しい。従って、一次元走査する場合には、ビーム品質が良い側のAx軸方向、つまりx軸方向に走査することで、ビーム品質が悪いAy軸方向に走査する場合に比べてより細かい描画パターンを表示できる。つまり、Ay軸方向よりもビーム径を縮小できるAx軸方向を走査方向にすることで、走査によって得られる描画パターンの解像度を向上できる。結果、この発光装置1を照明装置2として利用したときに、投影パターンのキレ(コントラスト比)が良くなる。また光偏向部140と蛍光体162との間にある第二光学系12は、励起光101の走査方向に対して集光機能が小さいため、波長変換部160での位置感度の低下を抑制できる。
これに対し、励起光101を一次元に走査し、蛍光体162に非走査方向から大きな入射角で励起光101を入射するとき、又は、励起光101を二次元に走査して直交する各方向の解像度を高めたいときに、ビーム品質が良いAx軸方向のスポット径だけでなく、ビーム品質が悪いAy軸方向のスポット径もできるだけ小さく絞ることを求められる場合がある。これを実現するために、1枚の軸対称なレンズで集光する構成でビーム品質が悪いAy軸を小さく絞る場合には、レンズの焦点距離を小さくし、蛍光体にできるだけ近づける必要がある。このとき、レンズと光偏向部との位置関係について、二つの配置構成が考えられる。一方は、レンズを光源部と光偏向部との間に配置する構成であり、他方は、レンズを光偏向部と蛍光体との間に配置する構成である。
前者の構成を用いる場合、レンズの焦点距離を短くすると、それに合わせて光偏向部と蛍光体の距離も短縮する必要がある。その結果、蛍光体上で一定の走査距離を確保するためには、光偏向部の偏向角度を大きくしなければならず、光偏向部を構成するコイル、ばねなどの耐久性の問題が生じる。また、往復走査時の走査端において、スポットのボケがより顕著になる等の問題も生じるため、レンズを蛍光体に大幅に近づけることは難しい。
一方、後者の構成を用いる場合、光偏向部で偏向された励起光が蛍光体上で焦点を結ぶよう、励起光を当該偏向方向と同じ方向に集光パワーを有するレンズに入射することで、偏向された励起光が再び焦点位置方向に戻るように曲げられる。このため、偏向角に対する蛍光体上での励起光のスポット変位感度が低下する問題が生じる。このため、励起光を光偏向部でより大きな角度で偏向しなければならなくなり、前者の構成の場合と同一の問題が生じる。
これらの問題を解決するために、本実施の形態に係る発光装置1では、励起光101を集光するためのレンズを直交する二方向のうち一方向にのみ曲率を有する2枚のシリンドリカルレンズで構成している。そして、x軸方向における焦点距離がfxである1枚目のシリンドリカルレンズ130を光源部3と光偏向部140との間に配置し、y軸方向における焦点距離がfyである2枚目のシリンドリカルレンズ155を光偏向部140と波長変換部160との間に配置している。x軸方向及びy軸方向のいずれも方向においても、波長変換部160の蛍光体162上に励起光101の焦点位置があるため、fx>fyである。このとき、1枚目のシリンドリカルレンズ130は、励起光101のうちビーム品質が良いAx軸方向の成分を集光し、2枚目のシリンドリカルレンズ155はビーム品質が悪いAy軸方向の成分を集光するように構成する。この結果、前述した1枚の軸対称なレンズで集光する構成の問題を解決し、Ay軸方向にも絞った励起光スポットを形成することが可能となる。なお、Ax軸及びAy軸の各軸に対応した集光光学素子の各焦点距離を適宜設定することにより、所望の長短軸比(楕円率)を持った楕円形スポットを波長変換部160に形成することができる。
また、波長変換部160と光偏向部140との間に配置した第二光学系12での集光機能が小さいAx軸をより広範な範囲を走査する方向にすることで、走査方向が第二光学系12の影響が小さい方向に一致させることができる。このため、Ax軸方向において、光偏向部140の傾倒角度を大きくすることなく広範な照射エリアを走査することができる。
また、マルチモード発振する半導体発光素子110のAx軸方向においては、Ay軸方向に比べてビーム品質が大幅に良いため、蛍光体162までの焦点距離が多少長くなってもAy軸方向のスポット径以下に絞ることができる。本実施の形態はそのような条件を満たす焦点距離fx及びfyを有するシリンドリカルレンズ130及び155を用いている。
以上のように、本実施の形態に係る発光装置1では、第二光学系12において、Ay軸方向の焦点距離fyは、Ax軸方向の焦点距離(無限大)よりも小さい。このように、第二光学系12におけるAy軸方向の集光機能はAx軸方向の集光機能より大きいため、Ay軸方向におけるビーム径は、第二光学系12において十分に絞ることが可能である。このためAy軸方向のビーム径への影響を抑制しながら、光偏向部140と波長変換部160との間の距離を長く取ることができる。これにより光偏向部140の偏向角を小さくすることができるため、光偏向部140の小型化及び耐久性向上が可能となる。また、波長変換部160の励起光101の走査領域端部におけるスポットの拡大及び傾きを抑制できる。なお、上述の例では、Ax軸方向及びAy軸方向の各々において、一つの集光光学素子を用いて集光したが、二つ以上の集光光学素子を用いて集光してもよい。この場合、Ax軸方向及びAy軸方向における各焦点距離fx及びfyとして、それぞれ、二つ以上の集光光学素子の合成焦点距離を用いればよい。
また、本実施の形態に係る照明装置2は、励起光101を光偏向部140によって偏向させることで波長変換部160上を走査させることにより、車両前照灯、スポット照明などの特定の配光分布を必要とする各種照明装置として利用できる、また、照明装置2は、配光を自在に変化させることができる。
なお、本実施の形態では、第二光学系12はシリンドリカルレンズ155を備えるが、シリンドリカルミラーを備えてもよい。第二光学系12がシリンドリカルレンズ又はシリンドリカルミラーを備えることにより、Ax軸方向のビーム径に影響を与えず、Ay軸方向のビーム径を自由に調整できる第二光学系12を実現できる。
なお、上記のシリンドリカルレンズ130及び155の構成を、励起光101を二次元走査する発光装置に適用する場合、Ay軸方向にも励起光101が走査される。この場合、当該走査方向が光偏向部140と波長変換部160との間に配置されたシリンドリカルレンズ155の曲率を有する方向と一致することに起因して、光偏向部140の偏向角に対する蛍光体162上でのスポット変位感度が低下する。このためAy軸方向における走査範囲は狭まるものの、解像度が高まるため、本構成を採用する意義は大きい。例えばADBの用途に於いては、車両前方水平方向よりも、垂直方向は狭い範囲を照らせばよいため、照射角度範囲が狭い方向、つまり蛍光体走査範囲が狭い方向にAy軸を割り当てるとよい。
また、本実施の形態では、半導体発光素子110からの励起光の波長として450nm近傍の青色光を採用したが、蛍光体162の励起波長であれば他の波長の可視光、又は紫外光を採用してもよい。ただし、紫外光の場合は、照明装置2の要求仕様に応じた可視領域のスペクトルを蛍光のみで生成する必要がある。そこで、当該スペクトルを生成するために複数の波長分布が必要となる場合は、二種類以上の蛍光体を混合、又は、積層して使用してもよい。
(実施の形態2)
実施の形態2に係る発光装置及び照明装置について説明する。本実施の形態は、二つの半導体レーザー光源を用いる点において、実施の形態1と相違する。以下、本実施の形態について、実施の形態1との相違点を中心に図面を用いて説明する。
実施の形態2に係る発光装置及び照明装置について説明する。本実施の形態は、二つの半導体レーザー光源を用いる点において、実施の形態1と相違する。以下、本実施の形態について、実施の形態1との相違点を中心に図面を用いて説明する。
図7及び図8は、それぞれ本実施の形態に係る発光装置1a及び照明装置2aの光学系構成を示す側面図及び斜視図である。
図7及び図8に示すように、本実施の形態に係る照明装置2aは、発光装置1aと、投射光学系170とを備える。
発光装置1aは、図7に示すように、光源部3aと、集光部10aと、光偏向部140aと、波長変換部160aとを備える。発光装置1aは、さらに、固定ミラー180、280及び281を備える。
本実施の形態では、光源部3aは、二つの半導体レーザー光源100及び200を備える。半導体レーザー光源200は、実施の形態1に係る半導体レーザー光源100と同様の構成を有する。つまり、半導体レーザー光源200は、主に、半導体発光素子210と、半導体発光素子210が固定されるサブマウント211とを備える。なお、本実施の形態では、半導体レーザー光源100及び200から出射される励起光をそれぞれ第一励起光101及び第二励起光201と呼ぶ。
集光部10aは、第一光学系11aと、第二光学系12aとを備える。本実施の形態では、第一光学系11aは、非球面レンズ120及び220と、シリンドリカルレンズ130及び230とを備える。第二光学系12aは、シリンドリカルミラー150及び250を備える。本実施の形態では、シリンドリカルミラー150及び250は、シリンドリカル凹面ミラーである。
非球面レンズ220及びシリンドリカルレンズ230は、それぞれ、非球面レンズ120及びシリンドリカルレンズ130と同様の構成を有する。
シリンドリカルミラー150及び250は、それぞれ半導体発光素子110及び210のスロー軸に対して曲率を持ち、かつ、波長変換部160aの位置に焦点があるミラーである。
光偏向部140aは、第一励起光101及び第二励起光201を偏向する機器である。光偏向部140aは、第一励起光101と第二励起光201とが互いに異なる光軸で入射する1つの可動ミラー142を有する。本実施の形態では、可動ミラー142は、例えば、磁気回路によって回動軸Amを中心に周期的に往復傾倒しながら入射光を偏向するミラーである。
波長変換部160aは、光偏向部140aにより偏向された第一励起光101及び第二励起光201が照射され、第一励起光101及び第二励起光201を波長の異なる波長変換光に変換して出射する。本実施の形態では、波長変換部160aは蛍光体162を備える。蛍光体162は、第一励起光101及び第二励起光201を波長変換光である蛍光に変換する。
固定ミラー180、280及び281は、第一励起光101及び第二励起光201の光路上に配置され、第一励起光101及び第二励起光201の光路のスロー軸方向における位置及び進行方向を調整するために用いられる。
次に第一励起光101及び第二励起光201が波長変換部160a(つまり、蛍光体162)に至る光路について図7及び図8を用いて説明する。
半導体レーザー光源100から出射された第一励起光101は、その前方近くに配置された非球面レンズ120に入射し、平行光に変換される。次に、第一励起光101はx軸方向(半導体発光素子110のファスト軸方向)に対して曲率を有するシリンドリカルレンズ130に入射し、第一励起光101のファスト軸方向の成分が収束光に変換される。ここで、第一励起光101のスロー軸方向の成分はシリンドリカルレンズ130の影響を受けないため、平行光のまま進行する。本実施の形態では、シリンドリカルレンズ130から出射した第一励起光101の光路を偏向するために、固定ミラー180を光路上に挿入している。これにより、図8に示すように第一励起光101の光路を偏向し、第一励起光101を1つの可動ミラー142の回動軸Am上に入射する。光偏向部140aにおいて反射した第一励起光101は、その反射方向に配置されたシリンドリカルミラー150に入射する。シリンドリカルミラー150は、第一励起光101のスロー軸方向に対して曲率を有し、第一励起光101のスロー軸方向の成分を収束光に変換する。このとき、第一励起光101のファスト軸方向の成分はシリンドリカルミラー150の影響を受けず、シリンドリカルレンズ130によって変換された収束角度のまま波長変換部160aへ向けて進行する。シリンドリカルレンズ130及びシリンドリカルミラー150によって収束光に変換された第一励起光101は、シリンドリカルレンズ130及びシリンドリカルミラー150の焦点位置近傍に配置された波長変換部160aに入射する。
半導体レーザー光源200から出射された第二励起光201は、その前方近くに配置された非球面レンズ220に入射し、平行光に変換される。次に、第二励起光201はx軸方向(半導体発光素子210のファスト軸方向)に対して曲率を有するシリンドリカルレンズ230に入射し、第二励起光201のファスト軸方向の成分を収束光に変換する。ここで、第二励起光201のスロー軸方向の成分はシリンドリカルレンズ230の影響を受けないため、平行光のまま進行する。本実施の形態では、シリンドリカルレンズ230から出射した第二励起光201の光路を偏向するために、固定ミラー280を光路上に挿入している。これにより、図8に示すように第二励起光201の光路を偏向し、第二励起光201を1つの可動ミラー142の回動軸Am上に、第一励起光101と同一の方向から同一の入射角で、第一励起光101とは異なる位置に入射する。つまり、第二励起光201は、第一励起光101の光路とは異なり、かつ、平行な光路で、可動ミラー142の回動軸Am上に入射する。さらに言い換えると、第一励起光101及び第二励起光201は、可動ミラー142の回動軸Amを含む平面を通り、互いに同一の入射角で可動ミラー142に入射する。
可動ミラー142によって反射した第二励起光201は、その反射方向に配置された固定ミラー281に入射し、第一励起光101とは、波長変換部160aに対して反対側に偏向される。続いて、第二励起光201は、波長変換部160aの第二励起光201が入射する入射面の走査中心を通る法線に対して、シリンドリカルミラー150と対称な位置に配置されたシリンドリカルミラー250に入射する。ここで、走査中心とは、第一励起光101及び第二励起光201の波長変換部160aの入射面における入射位置の軌跡の重心となる位置である。
シリンドリカルミラー250は、第二励起光201のスロー軸方向に対して曲率を有し、第二励起光201のスロー軸方向の成分を収束光に変換する。このとき、第二励起光201のファスト軸方向の成分はシリンドリカルミラー250の影響を受けず、シリンドリカルレンズ230によって変換された収束角度のまま波長変換部160aへ向けて進行する。シリンドリカルレンズ230及びシリンドリカルミラー250によって収束光に変換された励起光は、シリンドリカルレンズ230及びシリンドリカルミラー250の焦点位置近傍に配置された波長変換部160aに入射する。
波長変換部160aを構成する蛍光体162は第一励起光101及び第二励起光201の一部をより大きな波長の分布を持った波長変換光である蛍光に変換し、外部に放出する。また蛍光に変換されなかった各励起光の残り成分も、蛍光体162に含まれる蛍光体粒子及び蛍光体のバインダー、並びに、必要に応じて蛍光体162に混入された粒子によって散乱され蛍光体162の外部に放出される。蛍光も、各励起光の散乱成分も、蛍光体162の各励起光が入射する入射面に対して垂直な方向にランバーシアン分布で出射される。人の視覚は目に入る蛍光と各励起光の散乱成分との混合光を、蛍光と散乱光との比率に応じた色の光として認識するため、その比率を蛍光体の厚さ、密度などを適切に調整することで、白色、又は任意の色に見える波長分布を形成することができる。
以上の構成によって、半導体レーザー光源100及び200からそれぞれ出射した励起光101及び201は、同一の可動ミラー142の一つの回動軸Am上の異なる2つの位置に同一の方向から同一の入射角度で入射する。つまり、第一励起光101及び第二励起光201は、可動ミラー142の回動軸Amを含む平面を通り、互いに同一の入射角で可動ミラー142に入射する。さらに、シリンドリカルレンズ130及び230、シリンドリカルミラー150及び250の作用により、第一励起光101及び第二励起光201は蛍光体162の同一座標に集光される。ここで、可動ミラー142から、蛍光体162における各励起光が集光される位置の座標までの各励起光の光路長が等しくなるように、シリンドリカルミラー150及び250、蛍光体162などが配置されている。
本実施の形態に係る発光装置1a及び照明装置2aが、それぞれ走査型発光装置及び走査型照明装置として機能する際、第一励起光101及び第二励起光102が入射する可動ミラー142は、図8に示す可動ミラーの回動軸Amを中心に周期的に一定角度範囲内を往復回動する。これに伴い、各励起光は、可動ミラー142の傾倒角度に応じて反射方向を変化させながら、蛍光体162の表面をx軸の方向に走査する。図8中の一点鎖線で示す光路の範囲が走査される範囲である。このとき、照明装置に要望される照射角度範囲に対する発光幅、つまり走査範囲は、式1−1及び式1−2に基づき決定することができる。本実施の形態に係る光学系は、第一励起光101と第二励起光201との間で、蛍光体162上のx軸座標が、時間的にも位置的にも一致するよう光路設計されている。
図9は、本実施の形態に係る発光装置1aにおいて、可動ミラー142の回動角と、蛍光体162表面における励起光101の照射スポット形状との関係の一例を示す図である。図9の画像(a)は、半導体レーザー光源100が出射した第一励起光101によって形成された照射スポット形状を示し、画像(b)は、半導体レーザー光源200が出射した第二励起光201によって形成された照射スポット形状を示す。また、画像(c)は、第一励起光101及び第二励起光201によって形成された照射スポット形状を示す。
図9に示すように、第一励起光101及び第二励起光201の走査の時間と位置とを一致させることで、両励起光によって形成される合成照射スポットは、一つの照射スポットとして蛍光体162を走査する。したがって、可動ミラー142の回動角と同期して、それに入射する複数の励起光のON/OFF(つまり点灯及び消灯)を同時に制御することで、蛍光体162上の複数の励起光を走査できる領域において、発光及び非発光、並びに、発光タイミングを制御することができる。さらに、式1−1及び式1−2から、蛍光体162の非発光領域に対応した前方の角度範囲に非照射エリアを形成できるため、ADBのような可変配光を実現できる。
さらに、本実施の形態に係る発光装置1aを照明装置2aとして利用するために、蛍光体162の走査中心位置を合成焦点位置とする投射光学系170が、蛍光体に対して投射方向側に配置されている。蛍光体上において、各励起光が走査されることで、蛍光体162からランバーシアン分布で放出された蛍光、及び、各励起光の散乱成分が投射光学系170に入射し、混合されて装置前方に投射される。これにより、蛍光の色と励起光の色とが混色された白色の投射光が得られる。
なお、蛍光体162から出射された光をできるだけ多く取り込むために、投射光学系170の入射面を蛍光体162に近づける必要があり、一方で蛍光体162に入射される各励起光が投射光学系170に当たらないようにするため、各励起光を大きな入射角で蛍光体162に照射し、投射光学系170の不要な部分をカットしている。本実施の形態では、図7及び図8に示すように、投射光学系170の第一レンズ171の蛍光体162に対向する面のうち、周縁部に面取り部171cが形成されている。つまり、第一レンズ171の蛍光体162に対向する面の周縁部の各励起光と干渉し得る部分が除去されることによって、傾斜面が形成されている。なお、面取り部171cの形成方法は、面取り部を有さないレンズの一部をカットする方法に限定されない。例えば、予め面取り部171cを有する形状に第一レンズ171を成形してもよい。本実施の形態では、蛍光体162への入射角θinは70度以上80度以下程度に設計される。これにより、投射光学系170において、0.9以上の光取り込みNAを実現できる。
本実施の形態では、各励起光は、蛍光体162の入射面に対して斜めに照射される。つまり、各励起光の入射角は、0度より大きい。このため、各励起光の光軸に垂直な断面におけるビーム径をdyとすると、蛍光体162上のビームサイズは、dy/cosθinになる。例えば、70度〜80度程度の入射角で入射する場合、dyからの拡大率は、およそ2.9倍〜5.8倍になる。投射光の配光制御を精度良く行うためには、照射スポット径は小さいほど良いため、各励起光のスロー軸方向におけるビーム径を、できる限り小さく絞ることが望ましい。
実施の形態2では、半導体発光素子110及び210のビーム品質が良い側であるファスト軸がx軸、ビーム品質が悪い側であるスロー軸がy軸になるよう配置してある。従って、第一励起光101も、第二励起光102も、半導体レーザー光源100及び200と光偏向部140aとの間に配置したシリンドリカルレンズ130及び230によってファスト軸方向の成分が集光され、光偏向部140aを経てその後方、つまり波長変換部160aに近い側に配置したシリンドリカルミラー150及び250によってスロー軸方向の成分が集光される配置になっている。
車両前照灯のADBでは、照射光による対向車や歩行者の眩惑防止の目的で、車の進行方向に向かって照射される光のうち、水平方向における一部を消灯することによって光が照射されない消灯領域を形成することが求められる。さらに、車両走行中に時々刻々と変化する運転状況に合わせ、できるだけ細かいピッチで滑らかに消灯領域の位置及び寸法を変化させることが望まれている。このため、スポット径が小さい側の軸方向、つまりx軸方向を、励起光走査方向である水平側に一致させる構成がADBに適している。このため、本実施の形態において一次元走査する水平方向をx軸とし、この方向を半導体発光素子のビーム品質が良い側の軸であるAx軸に一致させている。
以上のように、本実施の形態では、(i)複数の励起光が可動ミラー142の回動軸Am上に照射され、かつ、(ii)複数の励起光が一つの可動ミラー142に対して同じ方向から同じ入射角で入射され、かつ、(iii)可動ミラー142から蛍光体162に至る光路長が複数の励起光間で等しい。これら3つの特徴を備えた発光装置1a及び照明装置2aにおいては、可動ミラー142の単位回動角度あたりの、蛍光体162における照射スポット移動量が、複数の励起光間で等しくなる。このため、複数の励起光が同時に蛍光体162上の走査軸上の同一座標に到達する。この結果、複数の半導体レーザー光源から出射された複数の励起光の蛍光体162への照射位置及び照射タイミングを一致させながら、複数の励起光を走査することが可能となる。
なお、本実施の形態では二つの半導体レーザー光源100及び200を用いたが、一つの可動ミラー142に複数の励起光が入射する条件を満たせば、光源は二つより多くてもよい。また、複数の励起光をあらかじめ同軸に重畳することによって生成した励起光を複数本入射する場合も同様の効果が得られる。
また、本実施の形態で使用した集光レンズは、ファスト軸側の集光レンズをシリンドリカルレンズ、スロー軸側の集光レンズをシリンドリカルミラーとしたが、片側の軸方向に集光パワーを有する光学素子であれば、レンズ及びミラーのいずれの形態でもよい。また、光路上には垂直方向の一定範囲内に光路が収まるように励起光の進行方向を適宜変えるため、固定ミラー180、280及び281が配置されているが、使用する数量の大小は問わない。これらは、配置可能な空間の状態や、筐体サイズへの制約、投射光学系の形態に合わせ、適宜選択すればよい。
(変形例など)
以上、本開示に係る発光装置及び照明装置について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記の各実施の形態に限定されるものではない。
以上、本開示に係る発光装置及び照明装置について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記の各実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施の形態1では、第一光学系11として非球面レンズ120とシリンドリカルレンズ130とを用いたが、本開示の構成はこれに限定されない。第一光学系として、一つの非球面レンズだけを用いてもよい。このような構成について図面を用いて説明する。
図10及び図11は、それぞれ変形例1に係る発光装置1b及び照明装置2bの構成を示す側面図及び上面図である。
図10及び図11に示すように、本変形例に係る発光装置1bは、集光部10bを備える。集光部10bは、第一光学系11bと第二光学系12bとを備える。第一光学系11bは、一つの非球面レンズ120bを備える。これにより、励起光101をx軸方向及びy軸方向ともに収束させる。これに伴い、第二光学系12bが備えるシリンドリカルレンズ155bのy軸方向における焦点距離を調整し、波長変換部160に励起光101のビームウエストが位置するようにしている。このような構成を備える発光装置1b及び照明装置2bにおいても上記実施の形態1に係る発光装置1及び照明装置2と同様の効果を奏する。
また、上記実施の形態2では、第一励起光101及び第二励起光201をファスト軸方向に集光するために、ファスト軸方向に曲率を有する二つのシリンドリカルレンズ130及び230を用いたが、一つのシリンドリカルレンズ330を用いてもよい。このような構成を有する変形例2について図面を用いて説明する。
図12は、本変形例に係る発光装置1c及び照明装置2cの光学系構成を示す側面図である。本変形例に係る発光装置1cは、集光部10cを備える。集光部10cは、第一光学系11cと、第二光学系12aとを備える。第一光学系11cは、非球面レンズ120及び220と、シリンドリカルレンズ330とを備える。シリンドリカルレンズ330は、第一励起光101及び第二励起光201をファスト軸方向に集光する。本変形例においては、両励起光がシリンドリカルレンズ330の同一入射面の異なる位置に、同一の角度で入射するよう設計し、入射ビーム位置とビームサイズから必要となるシリンドリカルレンズ330の有効径を設定する。このように、一つのシリンドリカルレンズ330によって、第一励起光101及び第二励起光201を集光することにより、発光装置1c及び照明装置2cの構成を簡素化することができる。また、発光装置1c及び照明装置2cにおいては、光軸調整などの作業負担を軽減できる。
また、半導体レーザー光源100及び200から出射した励起光は、蛍光体162上の同一の場所に集光されているとしたが、走査するx軸方向(ファスト軸)の座標が一致していれば、y軸方向(スロー軸)方向の座標は、ずれていてもよい。この場合、2つの励起光スポットの合成長さに対応した放射角度範囲に、また合成強度分布に対応した光度分布の前方投射配光分布が得られる。この場合、蛍光体162に照射される光密度は、同じ位置に集光している場合に比べて低下するため、投射光190の輝度は低下するものの、蛍光体162の光飽和、熱飽和、熱消光及び熱破損の発生を抑制できる。
また、シリンドリカルレンズはその焦点位置に蛍光体162があるように配置されるが、蛍光体162に照射されるスポットがニアフィールドパターンを像として再現する領域にあれば、多少ずれていても構わない。このずれを利用し、楕円ビームの縦横比の微妙な形状補正をすることができる。
また、第一励起光101及び第二励起光201は、その前方近くに配置された非球面レンズ120に入射し、平行光に変換されるとしたが、弱収束光、又は、弱発散光としてもよい。この場合、各軸のシリンドリカルレンズとの合成焦点となる位置に蛍光体162を配置すればよい。
また、上記実施の形態2では、蛍光体162の励起光入射面と照射光出射面とを同一としたが、照射光出射面とは逆側の面側から励起光を入射する構成、つまり、励起光透過型の構成としてもよい。その場合は、投射光学系170を避けるために蛍光体162への入射角を大きくする必要は無いため、入射角の設計自由度が高まり、構成を単純化することができる。
また、上記実施の形態で可動ミラー142をx軸(ファスト軸)方向のみ線状に走査する一次元走査型としたが、同時にy軸方向も走査できる二次元走査型としても構わない。その場合は、より精細な走査を必要とする方向、又は、照射範囲がより広範になる方向、例えばADBでは水平照射方向がレーザーのビーム品質が良い側の軸、つまりレーザー光のファスト軸側になるよう配置すればよい。
また、上記各実施の形態の照明装置の投射光学系170は、2枚のレンズ群としたが、色収差や像面湾曲を補正する目的で枚数を増やしても構わないし、逆に利用効率が低く、多少照射光がボケてもよい場合には、1枚としても構わない。またリフレクター(反射ミラー)を使用しても構わない。例えばリフレクターの形状を回転放物面とし、その焦点位置に蛍光体162を配置することで、蛍光体162からランバーシアン分布で発生した蛍光、及び励起光の散乱成分を、略平行光として所定方向の遠方に放出することが可能となる。
また、本実施の形態では、光偏向部を磁気回路で駆動する可動ミラーとしたが、圧電効果で駆動するMEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラーや、モーターを使用したポリゴンミラーやガルバノミラーなど、可動ミラーを往復傾倒させることが可能であれば、別の手段を使用しても構わない。
また、上記実施の形態では、波長変換部において蛍光体162を用いたが、蛍光体162以外の波長変換素子を用いてもよい。
以上、本開示の発光装置及び照明装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲内に含まれる。
本開示により、ADB機能を備えた車両前照灯、照射対象物を追尾するスポット照明やサーチライトなど、対象物の動きに合わせ、特定の照射領域を照射、又は非照射する機能を有する高輝度かつ解像度の高い可変配光照明装置を実現することができる。
1、1a、1b、1c 発光装置
2、2a、2b、2c 照明装置
3、3a 光源部
10、10a、10b、10c 集光部
11、11a、11b、11c 第一光学系
12、12a、12b 第二光学系
100、200 半導体レーザー光源
101 励起光(第一励起光)
110、210 半導体発光素子
111、211 サブマウント
112 n側電極
113 半導体基板
114 n型クラッド層
115 活性層
116 p型クラッド層
117 リッジ部
118 絶縁層
119 p側電極
120、220 非球面レンズ
130、155、155b、230、330 シリンドリカルレンズ
140、140a 光偏向部
142 可動ミラー
144 偏向光学素子
150、250 シリンドリカルミラー
160、160a 波長変換部
161 透明基板
162 蛍光体
170 投射光学系
171 第一レンズ
172 第二レンズ
180、280、281 固定ミラー
190 投射光
201 第二励起光
301 ニアフィールドパターン
302 ファーフィールドパターン
Am 回動軸
2、2a、2b、2c 照明装置
3、3a 光源部
10、10a、10b、10c 集光部
11、11a、11b、11c 第一光学系
12、12a、12b 第二光学系
100、200 半導体レーザー光源
101 励起光(第一励起光)
110、210 半導体発光素子
111、211 サブマウント
112 n側電極
113 半導体基板
114 n型クラッド層
115 活性層
116 p型クラッド層
117 リッジ部
118 絶縁層
119 p側電極
120、220 非球面レンズ
130、155、155b、230、330 シリンドリカルレンズ
140、140a 光偏向部
142 可動ミラー
144 偏向光学素子
150、250 シリンドリカルミラー
160、160a 波長変換部
161 透明基板
162 蛍光体
170 投射光学系
171 第一レンズ
172 第二レンズ
180、280、281 固定ミラー
190 投射光
201 第二励起光
301 ニアフィールドパターン
302 ファーフィールドパターン
Am 回動軸
Claims (7)
- 励起光を出射する光源部と、
前記励起光を偏向する光偏向部と、
前記光偏向部により偏向された前記励起光が照射され、前記励起光を波長の異なる波長変換光に変換して出射する波長変換部と、
前記波長変換部に前記励起光を集光する集光部とを備え、
前記集光部は、前記光源部と前記光偏向部との間に配置された第一光学系と、前記光偏向部と前記波長変換部との間に配置された第二光学系とからなり、
前記励起光の進行方向に垂直な断面において、前記励起光のビームパラメータ積が最小となる方向の軸をAx軸とし、前記Ax軸に直交する方向の軸をAy軸とした場合、
前記第二光学系において、Ay軸方向の焦点距離は、Ax軸方向の焦点距離よりも小さい
発光装置。 - 前記第二光学系は、シリンドリカルレンズ又はシリンドリカルミラーを備える
請求項1に記載の発光装置。 - 前記集光部のAx軸及びAy軸の各々に対する合成焦点距離fx及びfyが、
fx>fy
の関係にある
請求項1又は2に記載の発光装置。 - 前記波長変換部において前記励起光は、前記Ax軸の方向に走査される
請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記波長変換部において前記励起光は、前記Ax軸の方向及び前記Ay軸の方向に走査され、前記Ax軸の方向において、前記Ay軸の方向より広範に走査される
請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記波長変換部は、蛍光体である
請求項1〜5のいずれか1項に記載の発光装置。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の発光装置と、
前記励起光が照射された前記波長変換部から出射される前記波長変換光、及び、前記波長変換部により散乱される前記励起光を、照明対象に向けて照射するための投射光学系とを備える
照明装置。
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-
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