JPWO2019230936A1 - 光学素子、車両用前照灯具、光源装置、および投影装置 - Google Patents

Abstract

照射される励起光のエネルギー密度を調整し、蛍光発光強度の向上を実現する。光源から出射した励起光に励起されて蛍光光を出射する蛍光体層を備え、前記蛍光体層は、前記励起光が照射する第１の面を有し、前記第１の面の励起光照射領域は、第１の領域と第２の領域とを含み、前記第１の領域は、前記励起光の伝搬方向に対して垂直でない角度となるように加工されており、前記第１の領域と前記第２の領域とは非平行である。

Description

本発明は、光源装置、車両用前照灯具、光源装置、並びに、投影装置に用いる光学素子に関する。
本願は、２０１８年５月３１日に日本に出願された特願２０１８−１０４９０３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

青色レーザなどの励起光を蛍光体に照射した際に、蛍光体が蛍光を発光させることが従来技術として知られている。

特開２０１２−３２６７号公報（平成２４年１月５日公開）

しかしながら、上述のような従来技術は、高エネルギー密度励起光が蛍光体へ入射する際に発熱することで温度消光が生じるという問題がある。つまり、青色レーザなどにより蛍光体を発光させた場合、高出力照射時に所望の蛍光発光強度を得ることができないという問題がある。

本発明の一態様は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、照射される励起光のエネルギー密度を調整し、蛍光発光強度の向上を実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光学素子は、光源から出射した励起光に励起されて蛍光光を出射する蛍光体層を備え、前記蛍光体層は、前記励起光が照射する第１の面を有し、前記第１の面の励起光照射領域は、第１の領域と第２の領域とを含み、前記第１の領域は、前記励起光の伝搬方向に対して垂直でない角度となるように加工されており、前記第１の領域と前記第２の領域とは非平行である構成である。

本発明の一態様によれば、蛍光体表面がフラットな場合に比べ、照射領域の照射面積が大きくなることにより照射エネルギー密度が低下し、励起エネルギー密度依存性による発光効率低下を防ぐことができるという効果を奏する。

本発明の一態様によれば、蛍光層に照射される励起光のエネルギー密度を調整し、蛍光発光強度の向上に資することができる。

従来技術に係る波長変換素子を示す概略図である。 ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体のピーク強度のエネルギー密度依存性を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る光学素子を示す概略図である。 本発明の実施形態２に係る光学素子を示す概略図である。 本発明の実施形態３に係る光学素子を示す概略図である。 本発明の実施形態４に係る励起光のビーム特性を示す概略図である。 本発明の実施形態４に係る光学素子を示す概略図である。 本発明の実施形態５に係る光源装置を示す概略図である。 本発明の実施形態６に係る光源装置を示す概略図である。 本発明の実施形態７に係る光源モジュールを示す概略図である。 本発明の実施形態７に係る光源モジュールを示す概略図である。

図１に一般的な波長変換素子１０の構成を示す。基板１１の上に蛍光体層１２が堆積された構成が一般的である。反射型の光学系では、蛍光体層１２に励起光源１３から発した励起光１４が照射され、蛍光体層１２は蛍光発光する。青色レーザなどにより蛍光体を発光させた場合、高出力照射時に所望の蛍光発光強度を得ることができないという問題がある。つまり蛍光体の発光効率の照射エネルギー密度依存性を検討する必要がある。

〔発光効率の照射エネルギー密度依存性〕
蛍光体の発光効率の照射エネルギー密度依存性について、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の外部量子効率に基づいて説明する。図２（ａ）に示す通り、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）にドーパントとしてＣｅ（セリウム）をドープした蛍光体材料について、Ｃｅのドープ濃度の違いにより発光効率の照射エネルギー密度依存性が相違する様子が確認できる。

蛍光体に励起光を照射した場合、蛍光発光が得られると同時に、励起光の一部は熱エネルギーに変換されるため、蛍光体の照射スポット部は高温になる。熱放射については、一般的に下記の式で説明することができる。

Ｑ＝Ａ・ε・σ・（Ｔ_Ａ＾４−Ｔ_Ｂ＾４）
ここで、Ｑは放射熱量、Ａは放射部面積、εは放射率、σはステファン・ボルツマン定数、Ｔ_Ａは放射部の温度、Ｔ_Ｂは周囲の温度を示す。

蛍光体の発光効率は蛍光体の温度による影響を受け、図２（ａ）に示すように、照射エネルギー密度の増加に従って発光効率が低下することが知られている。より強い（明るい）蛍光発光を得るためには励起光１４の照射強度を強める必要があり、この場合、冷却状況によっては蛍光体層１２の温度上昇抑制が十分に行えなくなる場合がある。

また、蛍光体の温度特性は発光中心元素（本実施形態ではＣｅ）の濃度により変化することが知られている（図２（ａ））。一般的に市販されているＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体のＣｅ濃度は、常温使用時の発光効率が高い濃度（例えば１．４〜１．５ｍｏｌ％程度）が用いられることが多い。これはＣｅの濃度が低いＹＡＧ蛍光体では、内部量子効率は高くなるが、励起光の吸収率が低いため、波長変換素子として重要な外部量子効率は、Ｃｅ濃度１．５ｍｏｌ％付近が最適値となるためである。高エネルギー密度、高強度の励起光照射によって照射スポットの蛍光体温度が２５０℃を超える領域になるような場合、一般的なＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体（Ｃｅ濃度１．４ｍｏｌ％）では発光効率が低下する。ここでは、Ｃｅ濃度が低いＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体（例えば０．５〜１．０ｍｏｌ％程度）についてより詳細に検討する。図２（ａ）を参照すると、Ｃｅ濃度１．０ｍｏｌ％以上だと、照射エネルギー密度１０Ｗ／ｍｍ^２以上で輝度が低下するのが確認できる。一方、Ｃｅ濃度が０．５〜０．７ｍｏｌ％程度であれば、照射エネルギー密度１６Ｗ／ｍｍ^２程度までは輝度低下は確認できない。これにより、Ｃｅ濃度１．０ｍｏｌ％以上だと、励起光により高温になり温度特性の優れていない蛍光体は輝度が低下することが理解できる。

図２（ｂ）に蛍光体層の厚みの相違による温度依存性を示す。いずれもＣｅ濃度が０．７ｍｏｌ％、平均粒径Ｄ５０が１１．１μｍの蛍光体をサンプルとして用いている。蛍光体層の厚みが２０μｍから４０μｍの場合、少なくとも照射エネルギー密度１６Ｗ／ｍｍ^２程度までは輝度低下は確認できない。これに対し、蛍光体層の厚みが７０μｍの場合、照射エネルギー密度１２Ｗ／ｍｍ^２以上で輝度低下が確認される。蛍光体層の厚みが１００μｍの場合には、照射エネルギー密度５．５Ｗ／ｍｍ^２以上で大幅な輝度低下が確認される。蛍光体層が厚い場合、基板への放熱が間に合わず、表面温度が高温になり輝度が低下することが確認できる。

いずれの場合においても、照射する光のエネルギー密度［Ｗ／ｍｍ^２］の増加に伴い、ピーク強度が低下するため、照射する光のエネルギー密度（本明細書では、照射エネルギー密度ともいう）［Ｗ／ｍｍ^２］を増加させない態様を検討する必要がある。以下、これらの傾向に鑑みて本発明を実施形態ごとに説明する。

〔実施形態１〕
〔光学素子の構成〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図３（ａ）〜（ｅ）に本発明の実施形態１にかかる光学素子３０ａ〜３０ｅの概略図を示す。図１に示した一般的な波長変換素子１０の構成と比べ、蛍光体層１２の構成が異なる。実施形態１にかかる光学素子３０ａ〜３０ｅは、図１における基板１１の上に堆積される蛍光体層１２に対応する蛍光体層３２ａ〜３２ｅに凹凸の加工を施したものである。

蛍光体層３２ａ〜３２ｅの励起光１４が照射される面は、励起光がスポット照射される領域付近に凹凸加工が施されているのが好ましい。好ましい実施形態では、スポット照射領域よりも広い領域に凹凸加工されてもよい。凹凸加工を施すことにより、励起光のスポット照射領域の表面積が増大する。別の好ましい実施形態では、スポット照射領域よりも狭い領域に凹凸加工されてもよい。この場合、スポット照射がされる領域のうち凹凸加工された領域（第１の領域）と凹凸加工されていない領域（第２の領域）は平行でないのが好ましい。凹凸加工されていない領域（第２の領域）は図１における蛍光体層１２の表面と同様の形状であり、一般的には励起光１４の伝搬方向（進行方向）に対して垂直である。したがって、凹凸加工された領域（第１の領域）は、励起光１４の伝搬方向（進行方向）に対して垂直ではない角度を備えるのが好ましい。垂直でない角度とは、後述する通り、凹凸加工が三角形の場合は、励起光１４の伝搬方向（進行方向）に対して加工面が傾斜していることを意味する。凹凸加工が円形など曲面の場合は、励起光１４の伝搬方向（進行方向）に対して加工面が曲面を備える態様を意味する。

凹凸加工されていない領域（第２の領域）が、励起光１４の伝搬方向（進行方向）に対して垂直でない場合、すなわち、励起光が傾斜して照射される場合、加工面は、励起光１４の伝搬方向（進行方向）に対して更に大きな傾斜角度で凹凸加工されるのが好ましい。励起光が傾斜して照射される場合であっても、凹凸加工されていない領域（第２の領域）と凹凸加工された領域（第１の領域）が平行であれば表面積が増大しない。このため、第２の領域と第１の領域が非平行であり、且つ、励起光１４の伝搬方向（進行方向）に対して垂直でない傾斜角度を備えた加工表面を施すのが好ましい。

照射エネルギー密度［Ｗ／ｍｍ^２］は、単位面積当たりの光の仕事率（パワー）であるため、同じ量の光の仕事率（パワー）であれば、照射面積が大きいほど照射エネルギー密度［Ｗ／ｍｍ^２］は小さくなる。上述のように、蛍光体層３２ａ〜３２ｅに凹凸加工を施すことにより、励起光のスポット照射領域の表面積が増大し、照射エネルギー密度［Ｗ／ｍｍ^２］が小さくなる。

励起光のスポット照射領域の表面積を増大させるために施される凹凸加工の加工面は、励起光の伝搬方向（進行方向）に対して垂直でない角度となるように加工されるのが好ましい。伝搬方向（進行方向）に対して垂直であれば、表面積が増大しないため、加工される角度が大きいほど表面積が増大して効果が高くなる。

図３（ａ）に示した光学素子３０ａのように蛍光体層３２ａの表面に逆二等辺三角形の形状の凹部を設けるのが好ましい。また、図３（ｂ）に示した光学素子３０ｂのように蛍光体層３２ｂの表面に半円形状の凹部を設けるのも好ましい。別の好ましい実施形態では、図３（ｅ）に示した光学素子３０ｅのように蛍光体層３２ｅの表面に逆三角形の形状の凹部を設けることもできる。凹部を形成する逆三角形は、光学素子３０ａのような二等辺三角形に限定されない。これらのような凹部の加工は、蛍光体層３２ａ、３２ｂ、３２ｅを堆積後、種々の形状のスタンパによって形成することができる。三角形状のような凹凸パターンでは、励起光の伝搬方向（進行方向）に対して傾斜した角度（垂直でない角度）で凹凸加工を施すのが好ましい。

一方、図３（ｃ）に示した光学素子３０ｃのように蛍光体層３２ｃの表面に三角形の形状の凸部を設けてもよい。別の好ましい実施形態では、図３（ｄ）に示した光学素子３０ｄのように蛍光体層３２ｄの表面に半円形状の凸部を設けてもよい。半円形状のような直線でない凹凸パターンでは、曲率が大きいほど、加工前の同じ照射断面積に対して表面積が増大するので効果が高くなる。半円形状のような凹凸パターンでは、励起光の伝搬方向（進行方向）に対して曲面を備えた形状で凹凸加工を施すのが好ましい。

蛍光体層３２ａ〜３２ｅは、ＣｅがドープされたＹＡＧ蛍光体層から構成されるのが好ましい。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

〔光学素子の構成〕
図４（ａ）に示した光学素子４０ａのように蛍光体層４２ａの表面に複数の逆二等辺三角形の形状の凹部を設けるのが好ましい。また、図４（ｂ）に示した光学素子４０ｂのように蛍光体層４２ｂの表面に複数の半円形状の凹部を設けるのも好ましい。凹部を形成する逆三角形は、光学素子４０ａのような二等辺三角形に限定されない。このような凹部の加工は、蛍光体層４２ａ、４２ｂを堆積後、種々の形状のスタンパによって形成することができる。

一方、図４（ｃ）に示した光学素子４０ｃのように蛍光体層４２ｃの表面に複数の三角形の形状の凸部を設けてもよい。別の好ましい実施形態では、図４（ｄ）に示した光学素子４０ｄのように蛍光体層４２ｄの表面に複数の半円形状の凸部を設けてもよい。

更に、図４（ｅ）に示した光学素子４０ｅのように蛍光体層４２ｅの表面に複数の三角形の形状の凸部と凹部とを設けてもよい。別の好ましい実施形態では、図４（ｆ）に示した光学素子４０ｆのように蛍光体層４２ｆの表面に半円形状の凹凸部を設けてもよい。これらの凹凸部は複数設けることも可能である。

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

〔光学素子の構成〕
上述した実施形態２および実施形態３に示す通り、励起光スポットにより励起光が照射される表面積が大きい方が、照射エネルギー密度を小さくすることができる。従って、同じ凹凸の形態であれば、凹部の深さや、凸部の高さを高くした方が表面積が大きくなって好ましい。

図５（ａ）は、図３（ａ）に相当する単一の逆三角形による凹部の表面積の相違を模式的に示す。逆三角形の深さが浅い場合（光学素子５０ａ）は、蛍光体層５２ａの凹部の表面積は小さい。蛍光体層５２ｂの厚さに相当する深さになった場合（光学素子５０ｂ）が、凹部の表面積は最大となる。しかし、蛍光体層５２ｂの厚さと同じ深さの場合、凹部の最底部には蛍光体層５２ｂが存在しないため、発光効率が低下する。発光効率が低下しないよう凹部の最底部に蛍光体層が存する程度に凹部の深さを深くするのが好ましい。逆三角形の深さが蛍光体層５２ｃの厚さよりも深い場合（光学素子５０ｃ）、励起光が照射される蛍光体層５２ｃの表面積は、光学素子５０ｂの蛍光体層５２ｂよりも小さくなる。

図５（ｂ）は、図４（ａ）に相当する複数の逆三角形による凹部の表面積の相違を模式的に示す。図５（ａ）と同様に、光学素子５０ｄでは蛍光体層５２ｄの表面積が最も小さく、光学素子５０ｅで蛍光体層５２ｅの表面積が最大となる。光学素子５０ｆでは蛍光体層５２ｆの表面積が光学素子５０ｅの蛍光体層５２ｅよりも小さくなる。光学素子５０ｅの場合、発光効率が低下しないよう凹部の最底部に蛍光体層５２ｅが存する程度に凹部の深さを深くするのが好ましい。

〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

〔励起光プロファイル〕
図６（ａ）は、励起光スポットのビーム半径にわたる相対強度を示すグラフである。図６（ａ）のグラフのとおり、励起光はスポットの中心が最も強度が高く、中心から離れるに従って強度が低くなる。励起光の強度分布は、ガウス分布であるのが好ましい。励起光がガウス分布の場合、ガウシアンビームのスポット半径（ガウシアンビーム半径：ω₀）は、ピーク値の１／ｅ^２となる値で定義される。

図６（ｂ）は、励起光スポットの場所によって強度に差がある態様を示す。励起光スポットの中心部の強度が最も高いため、光学素子７０ａのように、３つの逆三角形の凹部が蛍光体層７２ａに形成されている場合、中央の逆三角形の凹部の深さを深くするのが好ましい。

好ましい実施形態では、励起光スポットの強度が半分になるまでの半径内の領域を励起光の中心部とし、それ以外の領域を励起光の周辺部とすることができる。励起光の強度分布が、ガウス分布である場合、励起光の中心部を形成する領域の半径は、約０．５９ω₀（＝{(√(ｌｎ２))／(√２)}×ω₀）となる。励起光の中心から約０．５９ω₀より外側の領域を励起光の周辺部とすることができる。励起光の中心部／周辺部は、かかる実施形態に限定されず任意に設定することができる。例えば、励起光のピーク値より１０％低下する半径である０．２３ω₀までの領域を励起光の中心部とし、励起光の中心から０．２３ ω₀より外側の領域を励起光の周辺部とすることもできる。

〔光学素子の構成〕
図７は、励起光スポットの強度分布を考慮して構成された蛍光体層に形成された凹凸部を示す。図７（ａ）は、上述した蛍光体層７２ａに凹部を備える光学素子７０ａを示す。図７（ｃ）は、蛍光体層７２ｃに光学素子７０ａとは上下対称の凸部を備える光学素子７０ｃを示す。かかる凸部では、スポットの中央部の強度が高いため、中央の三角形の高さを高くするのが好ましい。半円の凸部を利用した態様では、図７（ｂ）に示す蛍光体層７２ｂを備える光学素子７０ｂや、図７（ｄ）に示す蛍光体層７２ｄを備える光学素子７０ｄのような態様が好ましい。いずれも、強度の高いスポットの中央部において表面積が大きくなる態様となるのが好ましい。凹凸の組み合わせでは、図７（ｅ）に示す蛍光体層７２ｅを備える光学素子７０ｅや、図７（ｆ）に示す蛍光体層７２ｆを備える光学素子７０ｆのような態様が好ましい。いずれも、強度の高いスポットの中央部において表面積が大きくなる態様となるのが好ましい。

〔波長変換素子の製造プロセス〕
上述した実施形態１〜４に用いられる波長変換素子の基板１１はアルミ基板を用いることができる。蛍光発光強度を高める為に、アルミ基板上には銀などの高反射膜がコーティングされているのが好ましい。他の実施形態では、高反射のアルミナ基板、白色完全散乱基板などを用いてもよい。基板１１の材質は金属など熱伝導率の高いものが好ましく、特に上述した材料に限定されない。

基板１１の上にＣｅドープＹＡＧ蛍光体層を塗布する。製造方法は沈降塗布に限定されず他の方法を用いてもよい。ＹＡＧにＣｅをドープした黄色蛍光体の一例として、Ｃｅ濃度が１．４ｍｏｌ％のＹＡＧ蛍光体を塗布することができる。好ましい実施形態では、蛍光体層の厚さは５０μｍ〜１５０μｍ程度であってよい。

〔実施形態５〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

〔反射型車両用前照灯の構成〕
図８に本発明の実施形態５に係る光源装置８０の概略図を示す。光源装置８０は好ましくは反射型レーザヘッドライト（車両用前照灯）である。励起光源１３は、波長変換素子８１の蛍光体層を励起する波長の励起光１４を出射する青色レーザ光源であるのが好ましい。リフレクタ１１１は、半放物面ミラーから構成されるのが好ましい。放物面をｘｙ平面に平行に上下に２分割して半放物面とし、その内面はミラーになっているのが好ましい。リフレクタ１１１には励起光１４が通過する透孔がある。波長変換素子８１は、青色の励起光１４によって励起され、可視光の長波長域（黄色波長）の光を蛍光発光１１７する。また、励起光１４は、波長変換素子８１に当たって拡散反射光１１８ともなる。波長変換素子８１は、放物面の焦点の位置に配置される。波長変換素子８１が、放物面ミラーの焦点の位置にあるので、波長変換素子８１から出射された蛍光発光１１７、拡散反射光１１８はリフレクタ１１１へ当たって反射すると、一様に出射面１１２に直進する。蛍光発光１１７と拡散反射光１１８とが混ざり合った白色光が平行光として出射面１１２から出射する。

実施形態５では、波長変換素子８１の蛍光体層として、実施形態１の３２ａ〜３２ｅ、実施形態２の４２ａ〜４２ｆ、実施形態３の５２ｂ，５２ｅ、並びに、実施形態４の７２ａ〜７２ｆを採用することができる。

〔実施形態６〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

〔透過型車両用前照灯の構成〕
本願発明の実施形態６では、励起光１４を透過性基板７１の下側から照射させる透過型光源装置とするのが好ましい。透過性基板７１をヒートシンク構造とするのも好ましい。別の好ましい実施形態では、透過性基板７１を透過性ヒートシンク（図示せず）と固定接触させることで冷却することもできる。

蛍光体層９１を透過性基板７１の下側（照射面側）に堆積させるのが好ましい。励起光１４を蛍光体９１に照射すると、透過性基板７１の反対側から蛍光発光が出射し、リフレクタ１１１で反射された光は平行光線として出射面９０から出射する。

かかる光源装置は、透過型レーザヘッドライト（車両用前照灯）への実装が好ましい（特許文献２（国際公開第２０１４／２０３４８４号））。特許文献３（特開２０１２−１１９１９３号公報）に開示されているように、透過性のヒートシンク基板に蛍光膜が堆積している場合、ヒートシンク側から励起光が入射すると、ヒートシンク側は放熱性が高いとことが知られている。

実施形態６では、蛍光体層９１として、実施形態１の３２ａ〜３２ｅ、実施形態２の４２ａ〜４２ｆ、実施形態３の５２ｂ，５２ｅ、並びに、実施形態４の７２ａ〜７２ｆを採用することができる。

〔実施形態７〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

〔光源モジュールの構成〕
図１０（ｃ）に示す光源モジュール１０１は、好ましくはプロジェクタなどに用いられ得る。光源モジュール１０１では、励起光源１３は、蛍光体層１４８を励起する波長の励起光１４を出射する青色レーザ光源であるのが好ましい。好ましい実施形態では、ＹＡＧ、ＬｕＡＧ等の蛍光体を励起する青色レーザダイオードが用いられる。

蛍光体層１４８は蛍光ホイール１４１上に堆積される。図１０（ｂ）に、蛍光ホイール１４１の平面図（ｘｙ平面）を示す。好ましい実施形態では、蛍光ホイール１４１の表面上の周辺部に蛍光体層１４８が堆積される。蛍光ホイール１４１はホイール固定具１４６で、駆動装置１４２の回転軸１４７に固定される。駆動装置１４２は好ましくはモータであり、モータの回転シャフトである回転軸１４７に固定具１４６で固定された蛍光ホイール１４１がモータの回転に伴い回転する。

蛍光ホイール１４１の表面上の周辺部に堆積された蛍光体層１４８が、励起光を受けて蛍光発光を出射する。蛍光体層１４８は、蛍光ホイール１４１の回転に伴い回転するため随時回転しながら、蛍光発光を出射する。

蛍光体の外部量子収率が低い状態で励起すると、励起光に対して蛍光発光が弱くなり色味のバランスが悪くなるという課題がある。これを避けるために励起光をフィルターで減衰させたり、時分割で出力を低下させるといった調整があるが、明るさの低減となり好ましくない。かかる問題を解消すべく、蛍光ホイールを周方向に複数のセグメントに分割し、蛍光体をセグメント毎に塗り分けることにより、外部量子収率を高い水準に維持することが可能となる。これにより、明るさを維持しつつ様々な色を作り出すことができる。

図１０（ｂ）は、蛍光ホイール１４１を複数のセグメントに分割し、励起光が通過する周方向の少なくとも一部に複数の異なる蛍光体層１４８をセグメント毎に堆積した態様を示す概略図である。好ましい実施形態では、励起光１４の照射により蛍光体層１４８ａは、赤色に相当する波長を蛍光発光し、蛍光体層１４８ｂは、緑色に相当する波長を蛍光発光するのが好ましい。蛍光ホイール１４１は通常は励起光１４を反射するのが好ましいが、セグメントの一部を励起光１４が透過する透過部１４３とすることができる。好ましい実施形態では、透過部１４３はガラスからなることが好ましい。かかるセグメント構成とすることにより、励起光１４を１つの蛍光ホイールで複数の波長に変換させることが可能となる。

図１１に別の好ましい実施形態を示す。図１１（ａ）は、図１０（ｂ）にて透過部１４３としたセグメントを反射部とする構成を示す。更に、蛍光体層１４８ａを塗布したセグメントでは、蛍光体層１４８ａに凹凸部１を設けるのが好ましい。好ましい実施形態では、蛍光体層１４８ａは、ｘｚ平面における断面形状が凹凸部となり、周方向に凹凸部１が連続して形成されるのが好ましい。蛍光体層１４８ａは、実施形態１の３２ａ〜３２ｅ、実施形態２の４２ａ〜４２ｆ、実施形態３の５２ｂ，５２ｅ、並びに、実施形態４の７２ａ〜７２ｆを採用することができる。

図１１（ｂ）は、図１０（ａ）の反射部としたセグメントを透過部１４３とする構成を示す。更に、蛍光体層１４８ｂを塗布したセグメントでは、蛍光体層１４８ｂに凹凸部２を設けるのが好ましい。図１１（ａ）の１４８ａと同様に、好ましい実施形態では、蛍光体層１４８ｂは、ｘｚ平面における断面形状が凹凸部となり、周方向に凹凸部２が連続して形成されるのが好ましい。蛍光体層１４８ｂは、実施形態１の３２ａ〜３２ｅ、実施形態２の４２ａ〜４２ｆ、実施形態３の５２ｂ，５２ｅ、並びに、実施形態４の７２ａ〜７２ｆを採用することができる。

図１１（ｃ）は、更に別のセグメントを設けた蛍光ホイールを示す。更に別のセグメントには蛍光体層１４８ｃが堆積されるのが好ましい。励起光１４の照射により蛍光体層１４８ｃは、黄色に相当する波長を蛍光発光するのが好ましい。図１１（ａ）の１４８ａと同様に、好ましい実施形態では、蛍光体層１４８ｃは、ｘｚ平面における断面形状が凹凸部となり、周方向に凹凸部３が連続して形成されるのが好ましい。蛍光体層１４８ｃは、実施形態１の３２ａ〜３２ｅ、実施形態２の４２ａ〜４２ｆ、実施形態３の５２ｂ，５２ｅ、並びに、実施形態４の７２ａ〜７２ｆを採用することができる。

〔投影装置の構成〕
図１０（ａ）に実施形態７にかかる光源モジュール１０１を利用した投影装置１００の概略図を示す。

蛍光ホイール１４１のセグメントの一部に透過部１４３を設けた場合（図１１（ｂ）参照）、青色発光の励起光１４は透過部１４３を介して蛍光ホイール１４１を透過する。蛍光体層１４８を照射する励起光１４は、光路上にて光源側光学系１０６、ミラー１０９ａ〜１０９ｃを通ることができる。光源側光学系１０６はダイクロイックミラーであるのが好ましい。好ましいダイクロイックミラーは、４５度で入射した青色の光は反射させ、赤色および緑色の光は透過させることができる。

より詳細に検討すると、上記光学特性を備えたダイクロイックミラーを光源側光学系１０６に採用することにより、ダイクロイックミラーに入射する励起光１４による青色の光は反射されて蛍光ホイール１４１に向けられる。蛍光ホイール１４１の回転のタイミングにより、青色の光は透過部１４３を介して蛍光ホイール１４１を透過する。蛍光ホイール１４１の回転のタイミングにより、透過部１４３以外のセグメントに照射された励起光１４は、蛍光体層１４８を照射することにより蛍光発光する。セグメント毎に蛍光体層１４８ａでは赤色波長帯域の蛍光が発光され、蛍光体層１４８ｂでは緑色波長帯域の蛍光が発光される。蛍光発光された赤色および緑色の光は、ダイクロイックミラーを透過して表示素子１０７に入射する。透過部１４３を透過した青色の光は、ミラー１０９ａ〜１０９ｃを介して再度ダイクロイックミラーに入射し、ダイクロイックミラーで再度反射されて表示素子１０７に入射する。

好ましい実施形態では、プロジェクタ（投影装置１００）は、上記光源モジュール１０１と、表示素子１０７と、光源側光学系１０６（ダイクロイックミラー）と、投影側光学系１０８と、を備えることができる。光源側光学系１０６（ダイクロイックミラー）は、光源モジュール１０１からの光を上記表示素子１０７まで導光し、投影側光学系１０８は、上記表示素子１０７からの投影光をスクリーン等に投影することができる。好ましい実施形態では、表示素子１０７はＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）であるのが好ましい。投影側光学系１０８は投影部レンズの組み合わせからなるのが好ましい。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る光学素子（３０ａ〜３０ｅ、４０ａ〜４０ｆ、５０ａ〜５０ｆ、７０ａ〜７０ｆ）は、光源（１３）から出射した励起光（１４）に励起されて蛍光光を出射する蛍光体層（３２ａ〜３２ｅ、４２ａ〜４２ｆ、５２ａ〜５２ｆ、７２ａ〜７２ｆ、９１、１４８、１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ）を備え、前記蛍光体層（３２ａ〜３２ｅ、４２ａ〜４２ｆ、５２ａ〜５２ｆ、７２ａ〜７２ｆ、９１、１４８、１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ）は、前記励起光（１４）が照射する第１の面を有し、前記第１の面の励起光照射領域は、第１の領域と第２の領域とを含み、前記第１の領域は、前記励起光の伝搬方向に対して垂直でない角度となるように加工されており、前記第１の領域と前記第２の領域とは非平行である構成である。

上記の構成によれば、蛍光体表面がフラットな場合に比べ、照射領域の照射面積が大きくなることにより照射エネルギー密度が低下し、励起エネルギー密度依存性による発光効率低下を防ぐことができる。

本発明の態様２に係る光学素子（３０ａ〜３０ｅ、４０ａ〜４０ｆ、５０ａ〜５０ｆ、７０ａ〜７０ｆ）は、上記の態様１において、前記第１の領域が、前記第１の面に少なくとも１つ以上の凹部を形成することにより構成され、前記凹部の深さが前記蛍光体層（３２ａ〜３２ｅ、４２ａ〜４２ｆ、５２ａ〜５２ｆ、７２ａ〜７２ｆ、９１、１４８、１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ）の厚さよりも浅い、構成としてもよい。

上記の構成によれば、照射面積を大きくするための凹部加工領域の底部にも蛍光体が存在することにより発光効率低下を防ぐことができる。

本発明の態様３に係る光学素子は、上記の態様１または２において、前記第１の領域が、前記第１の面の上に少なくとも１つ以上の凸部を形成することにより構成される構成としてもよい。

上記の構成によれば、励起光照射スポットの態様に合わせて凹凸を組み合わせることにより、照射領域の照射面積を大きくすることができ、発光効率低下を防ぐことができる。

本発明の態様４に係る光学素子（７０ａ〜７０ｆ）は、上記の態様１から３のいずれかにおいて、前記励起光の中心部が照射される第１の領域の照射面積より、励起光の周辺部が照射される第１の領域の照射面積が、小さい構成としてもよい。

上記の構成によれば、励起光照射スポットの強度プロファイルに対応して照射領域の照射面積を変化させることができ、発光効率低下を防ぐことができる。

本発明の態様５に係る車両用前照灯具（８０）は、上記の態様１〜４のいずれかに記載の光学素子（３０ａ〜３０ｅ、４０ａ〜４０ｆ、５０ａ〜５０ｆ、７０ａ〜７０ｆ）と、前記光学素子（３０ａ〜３０ｅ、４０ａ〜４０ｆ、５０ａ〜５０ｆ、７０ａ〜７０ｆ）に励起光（１４）を照射する光源（１３）と、前記光学素子（３０ａ〜３０ｅ、４０ａ〜４０ｆ、５０ａ〜５０ｆ、７０ａ〜７０ｆ）から出射した蛍光光を反射させる反射面を有するリフレクタ（１１１）と、を備え、前記リフレクタ（１１１）の反射面が、入射した光を一定方向に平行に出射するように反射させる形状を有することを特徴とする構成としてもよい。

本発明の態様６に係る車両用前照灯具は、上記の態様１〜４のいずれかに記載の光学素子（３０ａ〜３０ｅ、４０ａ〜４０ｆ、５０ａ〜５０ｆ、７０ａ〜７０ｆ）と、前記光学素子（３０ａ〜３０ｅ、４０ａ〜４０ｆ、５０ａ〜５０ｆ、７０ａ〜７０ｆ）に励起光（１４）を照射する光源（１３）と、透過性基板（７１）と、を備え、前記蛍光体層（９１）は、前記第１の面と対向する第２の面を有し、前記光学素子（３０ａ〜３０ｅ、４０ａ〜４０ｆ、５０ａ〜５０ｆ、７０ａ〜７０ｆ）が、前記透過性基板（７１）に前記第２の面が面するように敷設され、前記蛍光体層（９１）の第１の面から励起光（１４）が照射され、前記第２の面から前記透過性基板（７１）を介して蛍光光を出射する構成としてもよい。

本発明の態様７に係る光源装置（１０１）は、上記の態様１から４の何れかにおいて、励起光（１４）を射出する光源（１３）と、前記光源（１３）から出射された励起光（１４）が通過する周方向の少なくとも一部に、上記の態様１から４の何れかに記載の光学素子（３０ａ〜３０ｅ、４０ａ〜４０ｆ、５０ａ〜５０ｆ、７０ａ〜７０ｆ）が敷設された蛍光ホイール（１４１）と、前記蛍光ホイール（１４１）を回転させる駆動装置（１４２）と、を備え、前記蛍光体層（１４８、１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ）は、前記第１の面と対向する第２の面を有し、前記蛍光ホイール（１４１）の表面に前記蛍光体層（１４８、１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ）の第２の面が面するように蛍光ホイール（１４１）上に敷設され、前記光学素子（３０ａ〜３０ｅ、４０ａ〜４０ｆ、５０ａ〜５０ｆ、７０ａ〜７０ｆ）の第１の領域が、前記蛍光ホイール（１４１）の周方向に環状に形成され、前記蛍光ホイール（１４１）の回転に伴い、少なくとも前記光学素子（３０ａ〜３０ｅ、４０ａ〜４０ｆ、５０ａ〜５０ｆ、７０ａ〜７０ｆ）の前記第１の領域に励起光（１４）が入射した際に、蛍光光を出射する構成としてもよい。

本発明の態様８に係る投影装置は、上記の態様７にかかる光源装置（１０１）と、表示素子（１０７）と、前記光源装置（１０１）からの光を前記表示素子まで導光する光源側光学系（１０６）と、前記表示素子（１０７）からの投影光をスクリーン等に投影する投影側光学系（１０８）と、を備えることを特徴とする。

本発明の態様９に係る投影装置は、光源（１３）から出射された励起光（１４）が通過する周方向の少なくとも一部に、上記の態様１から４のいずれかに記載の光学素子（３０ａ〜３０ｅ、４０ａ〜４０ｆ、５０ａ〜５０ｆ、７０ａ〜７０ｆ）が周方向に複数セグメントに分割されて敷設された蛍光ホイール（１４１）を備えた上記態様７に記載の光源装置（１０１）と、前記蛍光ホイール（１４１）の回転位置を取得する回転位置センサ（１０３）と、前記回転位置センサ（１０３）からの出力情報に基づいて光源を制御する光源制御部（１０４）と、表示素子（１０７）と、前記光源装置（１０１）からの光を前記表示素子（１０７）まで導光する光源側光学系（１０６）と、前記表示素子（１０７）からの投影光をスクリーン等に投影する投影側光学系（１０８）と、を備え、前記回転位置センサ（１０３）により取得された前記蛍光ホイール（１４１）の回転位置の情報により光源（１３）の出力を制御する構成としてもよい。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

Claims (9)

1. 光源から出射した励起光に励起されて蛍光光を出射する蛍光体層を備え、
   前記蛍光体層は、前記励起光が照射する第１の面を有し、
   前記第１の面の励起光照射領域は、第１の領域と第２の領域とを含み、
   前記第１の領域は、前記励起光の伝搬方向に対して垂直でない角度となるように加工されており、
   前記第１の領域と前記第２の領域とは非平行である
   ことを特徴とする光学素子。
2. 前記第１の領域が、前記第１の面に少なくとも１つ以上の凹部を形成することにより構成され、
   前記凹部の深さが前記蛍光体層の厚さよりも浅い、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１の領域が、前記第１の面の上に少なくとも１つ以上の凸部を形成することにより構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
4. 前記励起光の中心部が照射される第１の領域の照射面積より、励起光の周辺部が照射される第１の領域の照射面積が、小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子と、
   前記光学素子に励起光を照射する光源と、
   前記光学素子から出射した蛍光光を反射させる反射面を有するリフレクタと、
   を備えたことを特徴とする車両用前照灯具であって、
   前記リフレクタの反射面が、入射した光を一定方向に平行に出射するように反射させる形状を有することを特徴とする車両用前照灯具。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子と、
   前記光学素子に励起光を照射する光源と、
   透過性基板と、
   を備え、
   前記蛍光体層は、前記第１の面と対向する第２の面を有し、
   前記光学素子が、前記透過性基板に前記第２の面が面するように敷設され、
   前記蛍光体層の第１の面から励起光が照射され、前記第２の面から前記透過性基板を介して蛍光光を出射することを特徴とする車両用前照灯具。
7. 励起光を射出する光源と、
   前記光源から出射された励起光が通過する周方向の少なくとも一部に、請求項１から４の何れか１項に記載の光学素子が敷設された蛍光ホイールと、
   前記蛍光ホイールを回転させる駆動装置と、
   を備え、
   前記蛍光体層は、前記第１の面と対向する第２の面を有し、前記蛍光ホイールの表面に前記蛍光体層の第２の面が面するように蛍光ホイール上に敷設され、
   前記光学素子の第１の領域が、前記蛍光ホイールの周方向に環状に形成され、
   前記蛍光ホイールの回転に伴い、少なくとも前記光学素子の前記第１の領域に励起光が入射した際に、蛍光光を出射することを特徴とする光源装置。
8. 請求項７に記載の光源装置と、
   表示素子と、
   前記光源装置からの光を前記表示素子まで導光する光源側光学系と、
   前記表示素子からの投影光をスクリーン等に投影する投影側光学系と、
   を備えることを特徴とする投影装置。
9. 光源から出射された励起光が通過する周方向の少なくとも一部に、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子が周方向に複数セグメントに分割されて敷設された蛍光ホイールを備えた請求項７に記載の光源装置と、
   前記蛍光ホイールの回転位置を取得する回転位置センサと、
   前記回転位置センサからの出力情報に基づいて光源を制御する光源制御部と、
   表示素子と、
   前記光源装置からの光を前記表示素子まで導光する光源側光学系と、
   前記表示素子からの投影光をスクリーン等に投影する投影側光学系と、
   を備え、
   前記回転位置センサにより取得された前記蛍光ホイールの回転位置の情報により光源の出力を制御することを特徴とする投影装置。

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