JPWO2018021108A1 - 発光装置及び照明装置 - Google Patents

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。

特開２０１４−２９８５８号公報 特開２０１５−１８４５９１号公報

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。

図１は、実施の形態１に係る発光装置及び照明装置の最も単純な光学系構成を示す側面図である。 図２は、実施の形態１に係る発光装置及び照明装置の最も単純な光学系構成を示す上面図である。 図３は、実施の形態１に係る発光装置で用いられる半導体発光素子の概略構成と、半導体発光素子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４は、実施の形態１に係る蛍光体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。 図５Ａは、実施の形態１に係る投射光学系の焦点距離と投射光のｘ軸方向における放射角との関係を示す図である。 図５Ｂは、実施の形態１に係る投射光学系の焦点距離と投射光のｙ軸方向における放射角との関係を示す図である。 図６Ａは、実施の形態１に係る発光装置において、励起光が入射する側の蛍光体表面における励起光の位置及び形状の第一の例を示した図である。 図６Ｂは、実施の形態１に係る発光装置において、励起光が入射する側の蛍光体表面における励起光の位置及び形状の第二の例を示した図である。 図６Ｃは、実施の形態１に係る発光装置において、励起光が入射する側の蛍光体表面における励起光の位置及び形状の第三の例を示した図である。 図７は、実施の形態２に係る発光装置及び照明装置の光学系構成を示す側面図である。 図８は、実施の形態２に係る発光装置及び照明装置の光学系構成を示す斜視図である。 図９は、実施の形態２に係る発光装置において、可動ミラーの回動角と、蛍光体表面における励起光の照射スポット形状との関係の一例を示す図である。 図１０は、変形例１に係る発光装置及び照明装置の構成を示す側面図である。 図１１は、変形例１に係る発光装置及び照明装置の構成を示す上面図である。 図１２は、変形例２に係る発光装置及び照明装置の光学系構成を示す側面図である。

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。

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Ａ_３Ｂ_５Ｏ_１２（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Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２の単結晶体の他に、Ｃｅ賦活Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２の多結晶体、又は、Ｃｅ賦活Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２粒子とＡｌ_２Ｏ_３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。

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。

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

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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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