JP2013211252A - 固体照明装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型、軽量、低発熱であり、安全性が高められた固体照明装置を提供する。
【解決手段】固体照明装置は、光源部10と、導光部20と、発光部30と、を有する。光源部10は、半導体レーザー11と、駆動回路12と、を有する。また、光源部10は、青色〜青紫色の波長範囲の複数のレーザー光を放出する。導光部20は、複数のレーザー光をそれぞれ導光する複数の導波路を有する。発光部10は、第1の面を有する熱伝導部34と、第1の面の中央部に設けられた波長変換層32と、光学部30と、を有する。複数のレーザー光G1を吸収した波長変換層32から放出された波長変換光と、複数のレーザー光と、は、光学部30の上面から放出される。
【選択図】図1
【解決手段】固体照明装置は、光源部10と、導光部20と、発光部30と、を有する。光源部10は、半導体レーザー11と、駆動回路12と、を有する。また、光源部10は、青色〜青紫色の波長範囲の複数のレーザー光を放出する。導光部20は、複数のレーザー光をそれぞれ導光する複数の導波路を有する。発光部10は、第1の面を有する熱伝導部34と、第1の面の中央部に設けられた波長変換層32と、光学部30と、を有する。複数のレーザー光G1を吸収した波長変換層32から放出された波長変換光と、複数のレーザー光と、は、光学部30の上面から放出される。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、固体照明装置に関する。
固体発光素子を用いた白色固体照明(SSL: Solid-State Lighting)装置は、LED(Light Emitting Diode)が主流である。
しかし、蛍光体を有する白色発光部とLEDチップとは近接して設けられることが多い。このため、LEDチップと蛍光体層からの放熱とLEDのチップへの給電のための基板が必要である。
また、高輝度LEDは、チップサイズが0.5mm×0.5mm以上であり、かつ、ランバート(Lambert)分布であり発光放射角が広い。このため、光が発散しやすく、離れた蛍光体層を効率よく照射することが困難である。
液晶プロジェクタ、舞台照明、街路灯、サーチライト、ヘッドライト、などの照明装置には、高輝度大光量光源が必要である。しかしながら、小型、軽量、低発熱量である発光部を、LEDで構成することは困難である。
小型、軽量、低発熱であり、安全性が高められた固体照明装置を提供する。
実施形態の固体照明装置は、光源部と、導光部と、発光部と、を有する。前記光源部は、半導体レーザーと、前記半導体レーザーを制御する駆動回路と、を有する。また、前記光源部は、青色〜青紫色の波長範囲の複数のレーザー光を放出する。前記導光部は、前記複数のレーザー光をそれぞれ導光する複数の導波路を有する。前記発光部は、第1の面を有する熱伝導部と、前記第1の面の中央部に設けられた波長変換層と、光学部と、を有する。前記光学部は、前記波長変換層と、前記第1の面および前記波長変換層の上に設けられ、上面と側面と下面とを有する。前記複数の導波路の一方の端部は上方からみて前記中央部の外側にそれぞれ配置され、前記一方の端部から前記光学部にそれぞれ入射した前記複数のレーザー光は導光されたのち前記波長変換層を照射する。前記複数のレーザー光を吸収した前記波長変換層から放出された波長変換光と、前記複数のレーザー光と、は、前記光学部の前記上面から放出される。
小型、軽量、低発熱であり、安全性が高められた固体照明装置が提供される。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、第1の実施形態にかかる固体照明装置の構成を示す模式斜視図である。
固体照明装置は、光源部10と、導光部20と、発光部30と、を有している。
図1は、第1の実施形態にかかる固体照明装置の構成を示す模式斜視図である。
固体照明装置は、光源部10と、導光部20と、発光部30と、を有している。
光源部(ライトエンジン)10は、半導体レーザー11と、駆動回路12と、を有する。半導体レーザー11は、窒化物系半導体材料からなり、青色〜青紫色の波長範囲のレーザー光を放出する。固体発光素子を半導体レーザーとすると、光ファイバーなどに高輝度で効率良く結合させることができる。半導体レーザーのチップの端面の発光点は10μm以下のサイズであり、その放射角(ビーム広がり角:beam divergence)も25度×40度程度と狭いからである。
駆動回路12は、半導体レーザー11に所定の電圧または電流を供給する。また、所定の光出力となるような制御回路を有することもできる。さらに、戻り光を検出し、たとえば、異常を検出した場合に半導体レーザー11の駆動を停止する機能を有することもできる。
また、光源部10は、半導体レーザー11からのレーザー光を、伝送する光ファイバー14と、レーザー光を光ファイバー14の端部に集光するためのレンズなどの光結合部13を有することができる。さらに、放出光の異常検出のための戻り光RL1を検出する光センサーを有することができる。
レーザー光は、複数のビームを含む。複数のビームは、1つの半導体レーザーの出力を分岐してもよいし、独立のビームでもよい。複数の半導体レーザー11から放出される複数のビームを用いると、より高い出力とすることができる。
導光部20は、複数の導波路を有することができる。それぞれの導波路は、複数のレーザー光G1のうちのそれぞれを発光部30へ伝送する。
発光部30は、熱伝導部34と、波長変換層32と、光学部39と、を有する。波長変換層32は、熱伝導部34の第1の面34aの中央部に設けられる。光学部39は、第1の面34aおよび波長変換層32の上に設けられ、上面と側面と下面とを有する。複数の導波路のそれぞれの一方の端部は、上方からみて中央部の外側に配置される。また、それぞれの一方の端部から光学部39に入射した複数のレーザー光G1のそれぞれは導光されたのち波長変換層32を照射する。
レーザー光の波長よりも長い波長を有する波長変換光は、複数のレーザー光を吸収した波長変換層32から放出される。複数のレーザー光と、波長変換光と、の混合光は、光学部39の上面から放出される。
なお、図1に示す第1の実施形態では、導波路が光ファイバーを含むものとし、導光部20が多芯光ファイバーであるものとするが本発明はこれに限定されない。また、レーザー光は、光学部39の裏面側から入射するものとする。
また、導光部20は、発光部の側のコネクタ26と、コネクタ26と嵌合されるコネクタ23と、光源部10と嵌合されるコネクタ22と、をさらに有することができる。このようにすると、発光部30と、光源部10と、の距離が変わった場合、この距離に応じた光ファイバー25の長さとすればよい。導波路は、第1のファイバーフェルール29からなる一方の端部と、第2のファイバーフェルール28と、光ファイバー24と、を有する。第1のファイバーフェルール29と第2のファイバーフェルール28とは光結合する。
コネクタ26は、嵌合部27と、嵌合部27を囲むように設けられた複数の開口部26aと、を有する。開口部26aには、第2のファイバーフェルール28がそれぞれ挿入されている。
複数の第2のファイバーフェルール28は、コネクタ26の周辺領域に同心円状に等間隔で配置される。また、複数の第1のファイバーフェルール29も同心円状に等間隔で配置される。第1のファイバーフェルール29のそれぞれの直径を第2のファイバーフェルール28のそれぞれの直径よりも大きくするとレーザー光は第1のファイバーフェルール29に高い効率で入射する。なお、第1のファイバーフェルール29の位置は、ストッパなどで制御可能である。その固定には、耐熱性接着剤やレーザー溶接などを用いることができる。
発光部30は、波長変換光層(蛍光体層)32と、熱伝導部34と、光学部39と、を有する。波長変換層32は、熱伝導部34の第1の面34aの中央部に設けられる。また、第1のファイバーフェルール29が挿入される開口部34cが、波長変換層32の周囲に等間隔で配置される。たとえば、レーザー光が、青〜青紫光の波長範囲である場合、波長変換層32を黄色蛍光体からなるものとすると、波長変換光として黄色光を得ることができる。この結果、混合光を白色光近傍とすることができる。
熱伝導部34は、たとえば、高熱伝導率を有する金属などからなる。また、その第1の面34aは、青色光波長において、反射率が80%以上、好ましくは90%以上と高いことが好ましい。
図2は、第1のコネクタと熱伝導部との嵌合を説明する模式斜視図である。
熱伝導率が高い金属などからなる熱伝導部34の第2の面34bの側には、嵌合部34dが設けられる。本図では、コネクタ26が、凸状の嵌合部27を有しており、熱伝導部34は凹状の嵌合部34dを有している。このため、コネクタ26と、熱伝導部34cと、の間で容易に着脱可能である。嵌合部の凹凸は逆に設けられてもよく、凹凸ではなく、たとえば、バネを用いてもよい。
熱伝導率が高い金属などからなる熱伝導部34の第2の面34bの側には、嵌合部34dが設けられる。本図では、コネクタ26が、凸状の嵌合部27を有しており、熱伝導部34は凹状の嵌合部34dを有している。このため、コネクタ26と、熱伝導部34cと、の間で容易に着脱可能である。嵌合部の凹凸は逆に設けられてもよく、凹凸ではなく、たとえば、バネを用いてもよい。
第1の面34aの中央部には、円形の薄い反射材料とYAG(Yttrium Aluminum Garnet)などからなる波長変換層32が形成されている。第1のファイバーフェルール29から出射するレーザー光G1をこの波長変換層32に照射すると、高輝度白色発光層として作用する。
第1の実施形態では、複数の導波路の一方の端部である第1のファイバーフェルール29のそれぞれが、高輝度白色発光領域の外側に配置されることと、高輝度白色発光層が熱伝導部34の母材に直接形成されることと、が特徴である。すなわち、第1のファイバーフェルール29を波長変換層32の外側に多数配置することで、一領域発光の大光量化が図れる。
また、蛍光体の発熱は高輝度化に伴い無視できなくなる。発熱量を低減するには、薄い蛍光体層を高熱伝導性母材に直接形成する必要がある。ところが、蛍光体の発光方向と、ファイバーフェルールからの出力方向と、が同じなので、青色光を波長変換層32に効率よく照射できない。このため、光学部39を設ける。
光学部39は、側面に全反射の斜面を形成し、さらに上面で全反射させて、波長変換層32に複数の青色レーザー光を集中照射する構造を有する。もし、導光した青色レーザー光を直接蛍光体に当てて透過させると、せっかく変換した白色光が導光方向に戻ってしまい、効率が低下する。すなわち、波長変換光と青色散乱光とは、指向性がないので、光ファイバーに戻らないように制御することが難しいからである。現実的な省エネルギーを考慮すると、少なくとも、戻り光を全白色光の10%以下に抑える必要がある。
また、導光部20に光ファイバーを用いると、その直径が小さいので、いったん拡散された白色光のほんの一部しか戻らない。ただし、高輝度大光量光源では、複数の光ファイバーを使うので、光ファイバーの断面積に本数を乗じた面積が戻り光の入光面積になり、その分、戻り光の割合が増える。それでもしかし、中央での拡散白色発光に対して、その外周に光ファイバー開口を配置するので、距離を離すことができる。距離が離れれば、拡散光に対しては、入射光量は大幅に低減できる。すなわち、指向性の高い青色レーザー光は、狭い導波路で波長変換層32を照射するように導光し、いったん、白色光に変換されれば、導波路には戻りにくい。このため、第1の実施形態では、白色光の取り出し効率を向上できる。
図3(a)は発光部の模式斜視図、図3(b)はA−A線に沿った模式断面図、図3(c)は発光部の変形例の模式斜視図、である。
図3(a)、(b)のように、光学部39には、上面39dと、側面と、下面39eと、を有する。さらに、側面は、外側の第1の斜面39bと、内側の第2の斜面39cと、を含む。第1の斜面30bは、第1のファイバーフェルール29から出射したレーザー光g1を反射し、波長変換層32に向けて導光する。また、第2の斜面39は、第1の斜面30bで反射されたレーザー光を導光し効率よく波長変換層32を照射する。青色レーザー光は、第2の斜面39cで形成された空隙39aを通って、波長変換層32を集中的に照射する。
図3(a)、(b)のように、光学部39には、上面39dと、側面と、下面39eと、を有する。さらに、側面は、外側の第1の斜面39bと、内側の第2の斜面39cと、を含む。第1の斜面30bは、第1のファイバーフェルール29から出射したレーザー光g1を反射し、波長変換層32に向けて導光する。また、第2の斜面39は、第1の斜面30bで反射されたレーザー光を導光し効率よく波長変換層32を照射する。青色レーザー光は、第2の斜面39cで形成された空隙39aを通って、波長変換層32を集中的に照射する。
他方、波長変換層32に青色レーザー光を照射して発生した青色散乱拡散光と波長変換された黄色光g2の配光の主要部分は、波長変換層32の上の平略坦な上面39dから取り出される(GT)。この内部の空隙39aの形状は、必要に応じて種々変形が可能である。
また、光学部39がガラスからなる場合、不活性ガス雰囲気内で、光学部39と熱伝導部34とを共晶金属などからなるハンダ材55などを用いて接着することができる。このようにすると、空隙39aの内部に不活性ガスを満たし、波長変換層32を気密封止できる。この構造により、波長変換層32の劣化を防止できる。つまり、機械的強度も含め、ロバストで高い信頼性を有する発光部30を実現できる。
さらに、図3(c)のように、光学部39、あるいは、熱伝導部34は多角形とすることもできる。発光部30は円形でも、光学部39や母材は平面部が多い方が部品自身の加工が楽であり、コストを低減できる。また、他の部品との組み合わせる場合も、アセンブリが楽である。この点でも、製造コストを低減できる。
もし、LED、ハロゲン電球、HID(High Intensity Discharge)などの高輝度大光量光源を用いる灯具およびプロジェクタなどの照明装置は、その光源の発熱のため、筐体のサイズが大きくなる。特に、プロジェクタは、冷却ファンなどを含み、液晶やレンズなどの光学部品、および、回路などが筐体に一体的に内蔵している。これらの高価な部品の放熱対策も必要になる。また、机の上にプロジェクタを置いた場合、冷却ファンからの排熱が不快であり、ファンの音がうるさい。これに対して、第1の実施形態では、放熱が容易で、小型軽量の大光量高輝度照明装置を提供することができる。
また、第1の実施形態の固体照明装置は、1000ルーメンを超える光束を数mm以下の直径で発光し、大光量高輝度白色光源を実現できる。発光部30における発熱領域は、蛍光体層32のみであり、小型で軽量な白色発光領域を実現できる。
図4(a)は第2の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図4(b)はB−B線に沿った発光部近傍の模式断面図、である。
第2の実施形態では、導波路は、光ファイバー24を含み、導光部20は、多芯ファイバー束を含むものとする。レーザー光g3は、導波路の一方の端部から光学部49の側面49dへ導入される。側面入射構造は、光学部49の設計が容易であり、波長変換層32からの放熱が効率的である特徴を有する。すなわち、第1の実施形態の裏面入射構造では、第1のファイバーフェルール29の延在する方向と波長変換層32における発生熱の排出方向が同一であるため、放熱性を低下させる。
第2の実施形態では、導波路は、光ファイバー24を含み、導光部20は、多芯ファイバー束を含むものとする。レーザー光g3は、導波路の一方の端部から光学部49の側面49dへ導入される。側面入射構造は、光学部49の設計が容易であり、波長変換層32からの放熱が効率的である特徴を有する。すなわち、第1の実施形態の裏面入射構造では、第1のファイバーフェルール29の延在する方向と波長変換層32における発生熱の排出方向が同一であるため、放熱性を低下させる。
また、図3(b)のように、光学部49は、屈折率の高いコア部49aを屈折率の低いガラスからなるクラッド部49bで上下から挟んだ構造とする。このため、指向性の高いレーザー光はコア部49aを伝搬し、ハンダ材55や光学部49の上面49eの傷や汚れの影響を受けない。また、平面構造のため、量産化および低コスト化が容易である。
本実施形態では、空隙側の内部斜面の代わりに、コア部49aの先端部にテーパ部49cを設けている。テーパ部49cを設けることにより、レーザー光が上下の異なる屈折率界面において全反射して導光し、波長変換層32の上面のテーパ部49cで、下向きとなり、波長変換層32に効率的に照射される。このテーパ部49cの形状によって照射の分布を制御できる。したがって、微小発光面の輝度を制御できる。クラッド部49aとコア部49bとの屈折率差は、比較的小さくて済むため、波長変換層32での白色発光の配光には、ほとんど影響がない。
図5は、固体照明装置の応用例の一例であるプロジェクタの構成を示す模式図である。
発熱の大きい半導体レーザーと、駆動回路と、は、光源部10に収納されている。光ファイバー24などの導光部20により、光源部10と接続された発光部30は、大光量高輝度発光が可能であるにもかかわらず、小型軽量で低発熱とできる。光源部10を、たとえば、机の下などに設置すれば、机上は広くなり、冷却ファンによる排熱や騒音を抑制できる。
発熱の大きい半導体レーザーと、駆動回路と、は、光源部10に収納されている。光ファイバー24などの導光部20により、光源部10と接続された発光部30は、大光量高輝度発光が可能であるにもかかわらず、小型軽量で低発熱とできる。光源部10を、たとえば、机の下などに設置すれば、机上は広くなり、冷却ファンによる排熱や騒音を抑制できる。
映像をスクリーン64に投影する投影部60には、発光部の前に液晶デバイスやデジタルミラーデバイスなどからなるシャッターが設けられる。液晶デバイスは、消費電力が低いので、発熱は少ない。また、マイクロ波でワイアレス給電する場合、光ファイバー24には光信号伝送用のコネクタを設ければよい。もちろん、電気信号伝送用のコネクタを設けることもできる。発光部30は自在に首の角度を調整できるように、自在パイプの中に光ファイバー束を通すと、照射位置の調整がワンタッチで可能である。
図6は、プロジェクタの機能を示すブロック図である。
プロジェクタは、投影部60と、固体照明装置5と、掃引信号駆動部71と、戻り光センサー部73と、映像信号駆動部72と、を有する。投影部60は、映像部63と、掃引光学部61と、外部信号センサー部62と、を有する。また、映像部63は、液晶シャッターやデジタルミラーデバイスを有してもよい。
プロジェクタは、投影部60と、固体照明装置5と、掃引信号駆動部71と、戻り光センサー部73と、映像信号駆動部72と、を有する。投影部60は、映像部63と、掃引光学部61と、外部信号センサー部62と、を有する。また、映像部63は、液晶シャッターやデジタルミラーデバイスを有してもよい。
光源部10から放出されたレーザー光G1は、導光部20を伝搬し、発光部30へ入射する。発光部30から放出された白色光WLは、映像部63に対するプロジェクション用のバックライトとして作用する。あるいは、光源部10は、掃引光学部61へレーザー光G2を伝送することもできる。
光学部30からの戻り光RL1は、導光部20を通り、戻り光センサー部73へ入射する。戻り光RL1は、光学部39で反射されたレーザー光および波長変換光を含む。たとえば、戻り光の黄色光成分の強度が、青色光成分の強度に対して低下した場合、戻り光センサー部73がこの低下を検出し、半導体レーザー11の駆動を停止することができる。すなわち、固体照明装置5は、放出光が異常モードになったことを検出する自己診断機能を有するので、青色光などが過剰に放出されことを防ぎ安全を確保することができる。
映像部63には、映像信号駆動部72からの映像信号S1が入力され、スクリーン64に向けて映像を投影する。あるいは、掃引光学部61へは、掃引信号駆動部71からの掃引信号S2が入力される。
また、信号伝送系を光のみにする場合、高出力レーザーの出力の一部を利用して発光ヘッド側で光発電を行い、制御信号用電力も光ファイバーなどで伝送することも可能である。
第1および第2の実施形態にかかる固体照明装置5は、小型、軽量、低発熱であり、安全性を高めることが容易である。また、光ファイバーケーブルでレーザー光を発光部まで導光させる照明システムとしたことで、LEDや、フィラメント電球・HIDランプなどを用いた照明システムと異なり照明の発光部近傍に電気配線する必要がなくなる。また、固体照明装置の応用は、プロジェクタに限定されない。舞台照明、街路灯、サーチライト、ヘッドライト、水中照明、などに広く用いることができる。たとえば、舞台照明の場合、プロジェクションやスポット照明に使用できる。この場合、微小発光部のローカル部分の色や輝度を調光でき、分解能は低いが演出としては大きな効果が得られる。また、固体照明装置は、防水防爆対策や特殊装備の着用などを必要とする環境箇所・電気配線が困難な箇所にも設置することができる。
発光部の発熱が大きい照明装置の場合、スポットやプロジェクション型の舞台照明とレーザー光掃引による演出とは、別の大型装置を用いる必要があった。これに対して、第1および第2の実施形態によれば、1台の小型ヘッドを用いて、両方の機能を実現することができる。このため、舞台やスタジオのコンセプトを大きく変えることができ、その効果は大きい。
また、外部信号光センサー部62が赤外線などの外部光信号を検出すると、光源部10に向けて、赤外線や電気などの信号RL2を伝送し、半導体レーザー11のオンまたはオフに制御することができる。このような固体照明装置は、防爆設備用照明や画像録画可能な防犯照明などとして用いることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
5 固体照明装置、10 光源、11 半導体レーザー、12 駆動回路、20 導光部、30 発光部、32 波長変換層、34 熱伝導部、34c 開口部、39 光学部、39d (光学部の)上面、39e (光学部の)下面、49 光学部、49d (光学部)の側面、49e (光学部の)上面、49f (光学部)の下面、55 半田材
Claims (7)
- 半導体レーザーと、前記半導体レーザーを制御する駆動回路と、を有する光源部であって、青色〜青紫色の波長範囲の複数のレーザー光を放出する光源部と、
前記複数のレーザー光をそれぞれ導光する複数の導波路を有する導光部と、
第1の面を有する熱伝導部と、前記第1の面の中央部に設けられた波長変換層と、前記第1の面および前記波長変換層の上に設けられ上面と側面と下面とを有する光学部と、を有する発光部であって、前記複数の導波路の一方の端部は上方からみて前記中央部の外側にそれぞれ配置され、前記一方の端部から前記光学部にそれぞれ入射した前記複数のレーザー光は導光されたのち前記波長変換層を照射する発光部と、
を備え、
前記複数のレーザー光を吸収した前記波長変換層から放出された波長変換光と、前記複数のレーザー光と、は、前記光学部の前記上面から放出される固体照明装置。 - 前記熱伝導部の前記第1の面には、前記波長変換層を囲む複数の開口部が設けられ、
前記一方の端部のそれぞれは、前記複数の開口部の内部にそれぞれ配置され、
前記複数のレーザー光は、前記光学部の前記下面の側へそれぞれ入射する請求項1記載の固体照明装置。 - 前記光学部に入射した前記複数のレーザー光は、前記光学部の前記側面のうち、傾斜した領域で反射されたのち前記波長変換層をそれぞれ照射する請求項2記載に固体照明装置。
- 前記複数の導波路の前記一方の端部は、前記光学部の前記側面の側にそれぞれ配置され、
前記複数のレーザー光は、前記光学部の内部へそれぞれ入射する請求項1記載の固体照明装置。 - 前記発光部からの戻り光を検出する光センサーをさらに備え、
前記戻り光は、前記複数の導波路のうちの少なくとも1つを伝搬したのち前記光センサーに入射し、
前記戻り光を構成する前記波長変換光と前記複数のレーザー光との強度比率が所定の範囲外となると、前記駆動回路は前記半導体レーザーの駆動を停止する請求項1〜4のいずれか1つに記載の固定照明装置。 - 前記熱伝導部の前記第1の面は、高反射面である請求項1〜5のいずれか1つに記載の固体照明装置。
- 前記熱伝導部の前記第1の面のうち前記中央部の外側の領域と、前記光学部の前記下面と、を接着する半田層をさらに備え、
前記光学部の下面は、前記波長変換層と対向する領域に凹部を有する請求項1〜6のいずれか1つに記載の固体照明装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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US10705280B2 (en) | 2018-11-28 | 2020-07-07 | Sharp Kabushiki Kaisha | Light source module and light source device |
-
2012
- 2012-11-19 JP JP2012253650A patent/JP2013211252A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN104734000A (zh) * | 2015-03-30 | 2015-06-24 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 激光发射器 |
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