CN1789795B - 发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光装置,由以下各部分构成:射出激发光的激发光源;波长变换部件,对于从所述激发光源射出的激发光至少部分地吸收、波长变换,放出规定波长区域的光;光导管,在一端具有所述激发光源,在另一端具有所述波长变换部件,使断面中心部即芯的折射率大于周边部即包层的折射率,将从所述激发光源射出的激发光导出给波长变换部件;与所述波长变换部件接触的导热性透光膜。
Description
技术领域
本发明涉及发光装置,具体涉及主要具有激发光源、波长变换部件、光导管(light guide)的发光装置。
背景技术
以往,在内视镜装置、纤维镜等中,要求以高亮度正确再现色信息的光。
为此,作为上述光源,提出代替氙灯等,采用发光二极管(LED)、激光二极管元件(LD)等半导体发光元件(例如,特开2002-95634号公报及特表2003-515899号公报)。
半导体发光元件,小型、电力效率高、以鲜艳的颜色发光,不用担心球切等。尤其,由于半导体激光器的发光强度大大高于发光二极管,所以能够实现照度高的光源。
一般,为了能够采用半导体发光元件正确地再现色信息,需要组合多种波长的光来得到白色的光。
为此,通常,在半导体发光元件中组合采用由荧光物质及树脂等构成的波长变换部件。
但是,由于半导体发光元件的光密度非常高,所以构成波长变换部件的树脂及荧光物质等因高密度的激发光而发热、劣化。因此,还存在导致发光装置本身的寿命降低,或不能向外部充分放出来自半导体发光元件的光等问题。
另外,由于激光二极管与发光二极管相比半辐值窄,因此在采用红、绿、蓝色激光二极管实现白色光源的以往的内视镜装置中,因各激光二极管的强度不同,容易产生色调偏差,导致色再现性差的问题。此外,由于以往的内视镜装置至少需要3种激光二极管,所以要得到规定的白色光,必须控制各个激光二极管的输出,出现其调整困难的问题。此外,激光二极管与发光二极管相比,由于视野角窄,正面方向的发光强度极高,所以即使是白色光,也出现因激光二极管的稍微的配置偏移而具有不同色调的问题。
发明内容
本发明的目的是,提供一种高寿命的发光装置,能够采用发光效率良好的半导体发光元件,防止构成发光装置的部件的劣化。
此外,本发明的另一目的是,提供一种能够发极高亮度的光的满足高发光效率的高性能的发光装置。
本发明提供一种发光装置,其构成包括:
射出激发光的激发光源;
波长变换部件,至少部分吸收、波长变换从该激发光源射出的激发光,放出规定波长区域的光;
光导管,在一端具有所述激发光源,在另一端具有所述波长变换部件,比周边部(包层)增加断面的中心部(芯)的折射率,将从该激发光源射出的激发光导出给波长变换部件;
与所述波长变换部件接触的导热性透光膜。
此外,本发明提供一种发光装置,由射出激发光的激发光源、可弯曲地长度方向延长的用于传送从所述激发光源射出的激发光的光导管、和经由所述光导管吸收、波长变换从所述激发光源射出的激发光,放出规定波长区域的光的波长变换部件构成,其中:
所述光导管,在射出激发光的一侧,具有比与在长度方向垂直相交的横断面积更大的面积的端面,并且由光导管前端部件支撑;
所述光导管和光导管前端部件的至少一部分,被波长变换部件被覆。
另外,本发明提供一种发光装置,具有发光元件、具备入射来自发光元件的光的入射端部及出射光的出射端部并且可弯曲地延伸的光导管、透射从光导管出射的光的透光性部件,所述发光装置具有光导管前端部件,该光导管前端部件被覆光导管的出射端部侧的侧面,同时成为以光导管的出射端部的至少一部作为底部的凹部的侧壁,
所述透光性部件延伸设在所述凹部上。
根据本发明的发光装置,由于与波长变换部件接触,具备导热性透光膜,所以能够十分容易排出在波长变换部件产生的热,能够有效防止发热造成的劣化。即,通常,因起因于激发光源本身的发热的热,波长变换部件等的荧光物质或树脂等劣化。但是,在本发明的发光装置中,采用高输出的激发光源,连续地照射高光密度的光,但通过采用光导管,能够在与激发光源充分分离的位置设置波长变换部件。此外,通过与波长变换部件接触,具备导热性透光膜,能够通过该膜有效地除去在波长变换部件产生的热,能够防止构成波长变换部件的荧光物质本身的发热及劣化。
此外,根据本发明的发光装置,能够有效地防止构成波长变换部件的材料的发热造成的劣化,并且能够大幅度提高光输出。认为这是由通过光导管的光射出侧端面具有比与长度方向垂直相交的横断面积宽的面积,降低光密度,和通过波长变换部件覆盖光导管前端部件的至少一部分,有效地向光导管前端部件排出在波长变换部件产生的热,并且波长变换的光的至少一部分在光导管前端部件的端部被反射的相乘效果形成的。
附图说明
图1是用于说明本发明的发光装置的结构的简要构成图。
图2是用于说明本发明的发光装置中的光导管前端部件的结构的简要构成图。
图3是表示本发明的发光装置中的光导管和光导管前端部件的简要构成图。
图4是用于说明本发明的发光装置中的透光性部件或波长变换部件的配置的简图。
图5是用于说明本发明的发光装置中的波长变换部件的结构的简要构成图。
图6是用于说明本发明的发光装置中的光导管前端部件的结构的简要构成图。
图7是表示实施方式中的光导管的出射端部附近的结构的剖面图。
图8是表示实施例的发光装置中的相对强度和光输出的关系曲线图。
图9是用于说明实施例中的发光装置的光导管端部的构成的简要构成 图。
图10是表示实施例中的发光装置的光束-投入电流的关系的曲线图。
图11是表示实施例中的发光装置的光束-投入电流的关系的曲线图。
图12是表示实施例中的发光装置的光束-投入电流的关系的曲线图。
图13是表示实施例中的发光装置的光束-驱动电流的关系的曲线图。
图14是用于说明本发明的发光装置中的单元的组合结构的简要构成图。
具体实施方式
本发明的发光装置,例如,如图1所示,主要由激发光源10(发光元件11)、光导管(light guide)20、透光性部件300(波长变换部件30)构成。
激发光源
激发光源,如图1所示,具有发光元件11等,以能够将从发光元件11射出的光从射出部12导出给光导管20的方式构成。
激发光源是射出激发光的光源。此处的激发光,通常,只要是能激发后述的荧光物质的光,哪种光都可以。作为激发光源,能够使用以半导体发光元件、灯等、以及电子束、等离子、EL等为能源的器件。其中,优选采用半导体发光元件。由于半导体发光元件发光强度高,所以能够得到小型、电力效率高发光装置。此外,能够得到初期驱动特性优异的、抗振动或耐点灯·熄灯的重复操作的发光装置。半导体发光元件,可列举发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等,其中优选是激光二极管。由此,能够得到具有极高发光输出的发光装置。例如,优选能够出射在350nm~550nm的范围具有主发光峰值波长的光的元件。由此,如后述,能够使用波长变换效率良好的荧光物质,其结果,能够得到发光输出高的发光装置,同时能够得到多种色调的光。另外,能够防止后述的波长变换部件的劣化,能够得到高寿命及高可靠性的发光装置。
半导体发光元件,通常通过在基板上叠层半导体层而构成。
作为基板,为了高批量性地形成结晶性良好的氮化物半导体,优选采用以C面、R面或A面为主面的蓝宝石基板。此外,例如,也可以采用以 C面、R面或A面的任何一面为主面的尖晶石(MgAl2O4)这样的绝缘性基板、SiC(包括6H、4H、3C)、ZnS、ZnO、GaAs、Si、GaN及与氮化物半导体晶格整合的氧化物基板等,可生长氮化物半导体的以往所知与氮化物半导体不同的材料。此外,基板也可以实施偏角(off angle),在此种情况下如果采用阶段状偏角的基板,由于能够高结晶性地生长由氮化镓构成的衬底层,因此优选采用。
在采用与氮化物半导体不同的基板的情况下,当在该异种基板上生长成为元件结构形成前的衬底层的氮化物半导体(缓冲层、衬底层等)后,通过利用研磨等方法除去异种基板,也可以作为氮化物半导体(例如,GaN)的单体基板,此外,也可以在元件结构形成后除去异种基板。
通过在异种基板上形成缓冲层(低温生长层)及/或由氮化物半导体(优选GaN)等构成的衬底层,能够良好地生长构成元件结构的氮化物半导体,通过由如此的氮化物半导体构成的pn结,能够高效率地发光紫外区域的光。
作为缓冲层,例如,可列举低温生长GaN、AlN、GaAlN等而成为非单晶的层。
作为设在异种基板上的衬底层(生长基板),也可以进行ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)。例如,能够通过在异种基板上任意生长氮化物半导体层,利用难在其表面上生长氮化物半导体的保护膜(例如,SiO2等),形成条纹状等的掩模区域(例如,与基板的オリフラ面大致垂直地),同时形成用于生长氮化物半导体的非掩模区域,在该保护膜上生长氮化物半导体层来实现。通过从非掩模区域生长氮化物半导体,根据有选择地生长,即除向膜厚方向生长外,也向横向生长,在掩模区域也生长氮化物半导体,能够形成大致平坦的半导体层。或者,能够通过在生长在异种基板上的氮化物半导体层上形成开口部,在包括该开口部的基板上形成氮化物半导体来实现。即,进行从开口部侧面向横向的氮化物半导体的生长,结果能够形成大致平坦的半导体层。
形成在如此的基板上的半导体层,能够举例BN、SiC、ZnSe、GaN、InGaN、InAlGaN、AlGaN、BAlGaN、BInAlGaN等多种半导体。同样,通过在这些元素中作为杂质元素含有Si、Zn等,也能够作为发光中心。
尤其,作为能够从可高效率激发荧光物质的紫外区域使可视光的短波长(例如,蓝色系)高效率发光的发光层的材料,有氮化物半导体,其中更适合举例III氮化物半导体(例如,含有Al、Ga的氮化物半导体,含有In、Ga的氮化物半导体,InxAlYGa1-X+YN、0≤X、0≤Y、X+Y≤1)。此外,也可以用B、P置换氮化镓系化合物半导体的一部。通过适宜设定半导体的种类或其混晶比,能够调整得到的发光元件的发光波长。例如,通过根据活性层的组成,在350~550nm范围,优选350~500nm范围,更优选360~500nm范围,变化活性层的In的含量,能够在420~490nm范围内得到具有主发光峰值波长的光。
半导体层也可以是单层结构,但适合采用具有MIS接合、PIN接合、PN结等的同质结构、异质结构或双异质结构的。另外,也可以是多层的叠层结构、超点阵结构,也可以是产生量子效应的叠层在薄膜上的单一量子阱结构或多重量子阱结构。
作为半导体层,例如,可举例依次叠层由n型氮化镓形成的第1接触层,由n型氮化铝·镓形成的第1包层,多层叠层由氮化铟·铝·镓或InGaN形成的阱层和由氮化铝·镓或GaN形成的阻挡层而形成的多重量子阱结构的活性层,由p型氮化铝·镓形成的第2包层,由p型氮化镓形成的第2接触层的双异质结构等。
这些半导体层,例如,能够利用金属有机化学气相生长法(MOCVD)、卤化物气相外延法(HVPE)、分子束外延生长法(MBE)等公知的技术形成。半导体层的膜厚度不特别限定,能够采用多种膜厚度。
另外,氮化物半导体,以不掺杂杂质的状态显示n型导电性。为提高发光效率等,在形成n型氮化物半导体时,作为n型掺杂剂,优选适宜导入Si、Ge、Se、Te、C等。另外,在形成p型氮化物半导体时,作为p型掺杂剂,优选掺杂Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等。例如,作为杂质浓度,可列举1015~1021/cm3的范围,尤其作为接触层可列举1017~1020/cm3 范围。由于只是氮化物半导体掺杂p型掺杂剂,很难p型化,所以优选在掺杂p型掺杂剂后,利用炉加热或等离子照射等,使其低电阻化。
例如,在基板上,任意地经由缓冲层,形成n型氮化物半导体层即n型接触层、裂纹防止层、包层、n型包层及n型光波导层。除n型包层以 外的其它层,也可根据元件省略。n型氮化物半导体层,需要至少在与活性层接触的部分,具有比活性层宽的能带隙,因此,优选包含Al的组成。例如,可举例n型AlyGa1-yN(0≤y<1)层(在每个层y值也可以不同)。各层,也可以一边掺杂n型杂质一边生长,形成n型,也可以不掺杂地生长,形成n型。
在n型氮化物半导体层上形成活性层。活性层,优选具有按阻挡层/阱层/阻挡层的顺序,适当次数地交替重复叠层Inx1Aly1Ga1-x1-y1N阱层(0≤x1≤1、0≤y1≤1、0≤x1+y1≤1)和Inx2Aly2Ga1-x2-y2N阻挡层(0≤x2≤1、0≤y1≤1、0≤x1+y1≤1、x1>x2)的MQW结构,通常,活性层的两端都成为阻挡层。
无掺杂地形成阱层。另外,除与p型氮化物半导体层邻接的最终阻挡层外,在全部的阻挡层上掺杂Si、Sn等n型杂质(优选1×1017~1×1019cm-3),无掺杂地形成最终阻挡层。另外,在最终阻挡层上,从邻接的p型氮化物半导体层扩散Mg等p型杂质(例如,1×1016~1×1019cm-3)。通过在除去最终阻挡层的阻挡层上掺杂n型杂质,活性层中的初期电子浓度增大,向阱层注入电子的效率提高,从而提高激光器的发光效率。另外,由于最终阻挡层都位于p型氮化物半导体层侧,因此不能寄予向阱层注入电子。因此,索性不向最终阻挡层掺杂n型杂质,通过利用从p型氮化物半导体层的扩散,实质上掺杂p型杂质,也能够提高向阱层的空穴注入效率。此外,通过不向最终阻挡层掺杂n型杂质,能够防止在阻挡层中混合存在不同型的杂质,以免降低载流子的移动度。但是,在生长最终阻挡层的时候,也可以按1×1019cm-3以下的浓度一边掺杂一边生长。由于最终阻挡层抑制生长p型氮化物半导体层时的气体刻蚀对含有In的活性层的分解的影响,因此优选比其它阻挡层加厚地形成。例如,优选是其它阻挡层的1.1~10倍,更优选是1.1~5倍。
在最终阻挡层上,作为p型氮化物半导体层,形成p型电子封闭层、p型光导层、p型包层、p型接触层。除p型包层以外的层,也可根据元件省略。p型氮化物半导体层,至少在与活性层接触的部分需要具有比活性层宽的能带隙,因此,优选包含Al的组成。例如,可举例p型AlzGa1-zN(0≤z<1)层(在每个层z值也可以不同)。由此,形成所谓的双异质结 构。此外,各层,也可以一边掺杂p型杂质一边生长,形成p型,也可以通过从邻接的其它层扩散p型杂质来形成p型。
p型电子封闭层,由Al的混晶比比p型包层高的p型氮化物半导体层构成,优选具有由AlxGa1-xN(0.1<x<0.5)构成的组成。此外,以高浓度,优选以5×1017~1×1019cm-3的浓度掺杂Mg等p型杂质。由此,p型电子封闭层能够有效地在活性层中封闭电子,降低激光的阈值。此外,p型电子封闭层,只要按30~200 范围的薄膜生长就可以,只要是薄膜就能够在比p型光波导层或p型光包层低的低温下生长。因此,通过形成p型电子封闭层,与直接在活性层上形成p型光波导层等时相比,能够抑制包含In的活性层的分解。
此外,作为半导体发光元件,也可以采用在活性层的上方(到p型光波导层的途中)形成脊形条纹,用光波导层夹持活性层,同时设置谐振器端面的半导体激光元件。另外,也可以形成保护膜、p电极、n电极、p块状电极、n块状电极等。
尤其,形成在第2接触层上的第2电极,作为欧姆接触电极,优选大致形成在整面上。此外,优选第2电极调节成其片状电阻Rp与第1接触层例如n型接触层的片状电阻Rn成为Rp≥Rn的关系。通常,由于n型接触层例如按膜厚3~10μm、进而按4~6μm形成,因而其片电阻Rn估计为10~15Ω/□,所以优选Rp以具有其以上的片状电阻值的方式形成在薄膜上。具体可举例150μm以下。
如此,在p电极和n型接触层是Rp≥Rn的关系时,为了在p电极上使电流向p层整体扩散,使整个活性层高效率地发光,优选设置具有延长传导部的p侧块状电极。由此,能够进一步谋求外部量子效应的提高。延长传导部的形状不特别限定,例如可举例直线状、曲线状、格子状、分支状、钩状、网状等。由于如果采用这些形状,能够减小遮光的面积,所以优选。P侧块状电极,由于与其总面积成正比地增大遮光作用,所以优选以遮光作用不超过发光增强效果的方式设计线宽及长度。
另外,优选利用透光性材料形成第2电极。例如,可举例ITO、ZnO、In2O3、SnO2、含有从金及铂族元素的组中选择的1种的金属或合金的单层膜或多层膜。尤其在用由含有从金及铂族元素的组中选择的1种的金属或合金和至少1种其它元素构成的多层膜或合金形成的情况下,能够根据所含的金及铂族元素的含量,调整p电极的片状电阻Rp,能够提高电极的稳定性及再现性。但是,金或白金金属元素,由于300~550nm的波长区域域的吸收系数高,所以通过减小它们的添加量可提高透过性。Rp和Rn的关系,可从发光元件的发光时的光强度分布的状态判断。
作为基板,在采用绝缘性基板的情况下,从第2接触层的表面侧刻蚀,使第1接触层露出,在第1及第2接触层上分别形成第1及第2电极,通过切割成芯片状,能够形成由氮化物半导体构成的发光元件。此外,在除去绝缘性基板或采用导电性基板的情况下,不需要为露出第1接触层而从第2接触层表面侧的刻蚀,也可以在第2接触层的表面上形成第2电极,在基板的背面形成第1电极。
光导管
光导管,具备入射光的入射端部和出射光的出射端部,具有规定的长度,用于将从激发光源(发光元件)出射的光导给透光性部件或波长变换部件。
光导管,由于能够自由地变更其长度,同时能够自由地变更其形状,尤其能够使其直角折弯或弯曲,所以能够向规定的位置导出光。因此,只要是能够如此进行的,采用哪种材料及构成都可以。尤其,从能源效率的观点考虑,优选是不减衰地传送从激发光源出射的光的光导管。
作为光导管,例如,可举例在传送光时用作光传送路的极细的玻璃纤维,能够采用组合具有高折射率的玻璃纤维和具有低折射率的玻璃纤维的光导管,或采用反射率高的部件的光导管。其中,优选是用周边部(包层)围住断面的中心部的双重结构的光导管,从能够不减衰光信号地传送的观点考虑,更优选芯的折射率比包层的折射率高的光导管。光导管,从降低在光导管端面的光密度的观点出发,优选芯的占有率高于包层的占有率。此外,从防止向光导管返回光的观点考虑,优选包层径小。例如,可举例芯径1000μm以下,包层径(包含芯径)1200μm以下,优选芯径400μm以下,包层径(包含芯径)450μm以下。具体,举例芯/包层=114/125(μm)、72/80(μm)等的光导管。
光导管,可以是单根纤维,也可以是多根纤维,但优选是单根纤维。 此外,也可以是单一模式的纤维,但优选是多模式纤维。
光导管的材料不特别限定,例如,可举例石英玻璃、塑料等。其中,优选芯的材料由纯二氧化硅(纯石英)构成。由此,能够抑制传送损失。
光导管的入射端部及出射端部的形状不特别限定,能够设定成平面、凸镜状、凹镜状、局部设置凹凸的形状等多种形状。尤其,光导管,也可以在配置后述的透光性部件或波长变换部件的端部,从光导管前端部件突出芯或包层和芯的双方。由此,由于能够在光导管端部增大光的出射面积,所以能够更加降低光密度。另外,即使在芯和包层的双方向长度方向露出时,由于从包层发出一部分光,因此光密度也减小。要露出包层的一部分,或从包层露出芯,例如可用湿法刻蚀或干法刻蚀、研磨等公知的方法进行。
另外,在本说明书中,所谓光导管的出射端部,不一定局限地指端部上的出射光的部分,始终指出射光的一侧的端部。具体是,例如,在作为光导管采用以包层在内部覆盖芯的方式构成的光纤维的情况下,出射光的部分主要是芯,但在本说明书中,将包含芯及包层的出射光的一侧的端部规定为出射端部。入射端部也同样。
此外,光导管,从降低光导管端的光密度的观点出发,如图2(a)及图2(b)所示,举例只在光导管20、120的端部芯径比芯20a、120a的中心部宽的光导管,例如TEC纤维(包层20b的径固定)、锥形纤维(包层120b的径为锥形状)等,在端部具有中心部的芯径的1.05~2.0倍程度的芯径的光导管。由此,能够防止配置在光导管端部上的纤维本身的劣化。进而,能够防止配置在光导管端部上的透光性部件或波长变换部件等的劣化,同时能够均匀地高效率向透光性部件或波长变换部件照射光。
此外,也可以采用称为分度导向、光子能带隙、空穴加速等的,在其芯或包层具有1个以上的空气孔即空气空穴的光子纤维(参照,远山修.“光子晶体纤维”第31届光波传感技术研究会(Proc.of 31st Meeting onLightwave Sensing Technology),LST31-14,pp.89-96,2003年6月6日;光子晶体纤维DIAGUIDEORPCF,三菱电线株式会社产生目录,No.6-184(2003.01)等)。光子晶体纤维,为了防止水分等浸入空气空穴,用规定的部件被覆端部。因此,传送给光导管的光,在其端部容易比芯宽地放出。总之,由于都能够在光导管端部降低光密度,所以更容易得到采用本发明的效果。
另外,即使在芯及/或包层具有一定径的通常的光导管上,通过用光导管前端部件被覆端部,与光子晶体纤维等同样,能够在光导管端部比芯宽地放出光,能够降低光密度。此处,光导管前端部件的膜厚及材料,只要不阻碍光的放出,就不特别限定。
此外,从其它观点出发,光导管在配置透光性部件或波长变换部件的一端部,即在出射激发光的一侧,具有面积与长度方向垂直相交的横断面积宽的断面。即,在光导管端面的局部或全部,能够设定具有相对于光导管的横断面X°(0<X≤90)倾斜的面(例如,参照图3(a)~(g)、(r)、(t)、(u)的20)的构成、具有曲面(例如,参照图3(h)、(j)、(l)(q)的20等)的构成、长度方向具有缺口的构成(例如,参照图3(s)的20等)等。具体是,优选相对于横断面,以5%以上、10%以上、15%以上、20%以上、30%以上,增大一端部的端面的表面积的方式具有倾斜、屈弯、凹凸等。
透光性部件/波长变换部件
透光性部件,是透过来自激发光(发光元件)的光的部件。例如,适合采用无机玻璃、低熔点玻璃、结晶化玻璃、三氧化二钇溶胶、氧化铝溶胶、二氧化硅溶胶等无机物质,聚烯系树脂、聚碳酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、环氧树脂、丙烯树脂、丙烯酸酯树脂、甲基丙基树脂、(PMMA等)、聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、聚原菠烷树脂、氟树脂、硅树脂、变性硅树脂、编成环氧树脂等1种或2种以上等树脂、液晶聚合物等有机物质。其中优选耐热性、耐光性、透光性等优异的物质。由于氟树脂、硅树脂(尤其二甲基环己硅氧烷系、甲基聚环己硅氧烷系的树脂等)等具有某种程度的相对于光和热的耐久性和形成的容易性,所以优选该系树脂。通过采用透光性部件,能够控制光的指向性。
在透光性部件中,作为波长变换材料,也能够含有荧光物质、颜料等,以及填充物等。
波长变换部件,例如由荧光物质、颜料等构成,吸收来自激发光源(发光元件)的光的至少一部分,将波长变换成不同的波长区域域,能放出在红色、绿色、蓝色等具有发光光谱的光。尤其,通过采用荧光物质,能够得到在发光亮度及显色性双方都良好的发光装置。
波长变换部件,作为波长变换材料也可以实质上只由荧光物质构成。在此种情况下,能够将照射高光密度的激发光造成的劣化控制在最小限。此外,也可以含有上述的透光性部件,进而也可以含有填充物。
在透光性部件含有波长变换材料(或波长变换部件)时,通过合成来自激发光源(发光元件)的光和来自1以上的波长变换材料的光,或合成来自2以上的波长变换材料的光,也能够设定成白色的光。为得到显色性,优选由照射光的平均显色评价数(Ra)为70以上、进而80以上的材料构成。
此处,所谓的显色性,表示控制用某光源照射的物体的颜色的外观的该光源的性质,所谓显色性良好,一般表示非常接近太阳光照射的物体的颜色的外观的性质(参照,(株)欧姆公司,“荧光体手册”,p429)。显色性能够通过在发光元件中组合采用荧光体层来提高。此外,所谓平均显色评价数(Ra),是以通过试样光源及基准光源各自照明8种比色图表时的色差的平均值为基础求出的。
所得光的色调,例如能够通过组合三基色(蓝色、绿色、红色)的光进行调整。此外,也能够通过组合具有补色关系的蓝色和红色、青绿色和红色、绿色和红色或青紫色和黄绿色等2色的光进行调整。此处,所谓补色,表示按色度图插入白色点,相互位于相反侧的2个色。此外,在本发明中,光的色和波长的关系依据JIS Z8110。
透光性部件是使来自发光元件的光透过的部件,但一部分光被不透射地吸收,变成热。此外,在透光性部件含有波长变换材料时,波长变换材料吸收的一部分光未波长变换而成为热。另外,光导管,由于导出光,同时细到可弯曲的程度,所以光集中在配置在出射端部的透光性部件或波长变换部件上,随之的发热显著。所以,本发明,在采用细到具有优选3000μm以下,更优选1000μm以下,最优选400μm以下,最最优选200μm以下的直径的可弯曲程度的光导管的构成中,非常有效。
此外,由于光形成的波长变换材料的热量通常远大于透光性部件的热量,所以本发明在透光性部件具有波长变换材料的情况下特别有效。
另外,在透光性部件含有波长变换材料地构成的情况下,优选按0.1~ 10∶1的重量比的范围,进而按0.5~10∶1、1~3∶1、1.5~2.5∶1的重量比的范围,混合波长变换材料(荧光物质等)和透光性部件(树脂)。但是,如后述,在用叠层结构形成含有波长变换材料时,各层上的荧光物质等和树脂的比例也不一定相同。例如,考虑到荧光物质、树脂等本身的耐热性、耐光性、折射率等性质,能够适宜调整所用的材料及其比例。
透光性部件或波长变换部件的形状不特别限定,能够设定成凸镜状等多种形状。透光性部件或波长变换部件,优选以不仅被覆光导管,而且也被覆后述的光导管前端部件的至少一部分的方式配置。例如,如图4(a)~图4(1)所示,能够设定成多种形状。另外,优选通过透光性部件及波长变换部件被覆光导管前端部件及光导管的整个端面等,尽量增大与透光性部件或波长变换部件的接触面积。由此,能够更容易得到本发明的效果。
(荧光物质)
作为荧光物质,只要是能用激发光源激活的,不特别限定,但是优选相对于各激发光,至少组合采用1种以及2种荧光物质。例如,可列举:
(i)碱土金属卤磷灰石、
(ii)碱土金属硼酸卤、
(iii)碱土金属铝酸盐荧光物质、
(iv)氮氧化物或氮化物、
(v)碱土硅酸盐、碱土氮化硅、
(vi)硫化物、
(vii)碱土硫代酸盐、
(viii)锗烷酸盐、
(ix)稀土铝酸盐、
(x)稀土硅酸盐、
(xi)主要用Eu等镧系元素激活的有机或有机络合物等多种荧光物质。
作为(i)碱土金属卤磷灰石荧光物质,优选主要用Eu等镧系、Mn等过渡金属系的元素激活的,例如可举例:
M5(PO4)3X:RE
(M,可举例从Sr、Ca、Ba、Mg、Zn中选择的至少1种以上。X, 是从F、Cl、Br、I中选择的至少1种以上。RE,是Eu及/或Mn。)等。
例如,举例钙氯磷灰石(CCA)、钡氯磷灰石(BCA)等,具体举例Ca10(PO4)6Cl2:Eu、(Ba、Ca)10(PO4)6Cl2:Eu等。
作为(ii)碱土金属硼酸卤荧光物质,例如,可举例:
M2B5O9X:RE
(M、X及RE与上述同义。)等。
例如,例示钡氯磷灰石(BCA)等,具体举例Ca2B5O9Cl:Eu等。
作为(iii)碱土金属铝酸盐荧光物质,可举例铕激活锶铝酸盐(SAE)、铕激活钡镁酸盐(BAM)、或
SrAl2O4:RE、
Sr4Al14O25:RE、
CaAl2O4:RE、
BaMg2Al16O27:RE、
BaMgAl10O17:RE
(RE与上述同义。)等。
作为(iv)氮氧化物或氮化物,优选主要用稀土元素激活的,含有至少1种第II族元素、和至少1种第IV族元素。这些元素的组合不特别限定,例如,可举例由以下的组成表示的组合:
LxJyOzN((2/3)x+(4/3)y-(2/3)z):R或
LxJyQtOzN((2/3)x+(4/3)y+t-(2/3)z):R
(L,可举例从由Be、Mg、Ca、Ba、Zn构成的组中选择的至少1种第II族元素。J,是从由C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、Hf构成的组中选择的至少1种第IV族元素。Q,是从由B、Al、Ga、In构成的组中选择的至少1种第III族元素。R,是从由Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Lu、Sc、Yb、Tm构成的组中选择的至少1种稀土元素。0.5<x<1.5、1.5<y<2.5、0<t<0.5、1.5<z<2.5。)
式中,在x、y、z在上述的范围的情况下,显示高亮度,尤其,由于用x=1、y=2及z=2表示的氮氧化物荧光物质显示出高的亮度,因此更优选。但也不限定在上述范围,能够使用任意的范围。
具体是,以α硅铝氧氮耐热陶瓷作为母体材料的氮氧化物荧光物质、 以β硅铝氧氮耐热陶瓷作为母体材料的氮氧化物荧光物质、用CaAlSiN3:Eu的组成式表示的Eu激活氮化铝硅酸钙等。
氮化物荧光物质,优选利用稀土元素激活的。该荧光物质,是含有上述至少1种第II族元素、上述至少1种第IV族元素和N的氮化物荧光物质,可举例按1~10000ppm的范围含有B的氮化物荧光物质。或者,在氮化物荧光物质的组成中也可以含有氧。
其中,由Ca及/或Sr、Si和N构成的氮化物荧光物质,例如氮化硅酸钙(CESN)、氮化硅锶(SESN)、氮化硅锶酸钙(SCESN)、尤其,优选用Eu激活的,按1~10000ppm的范围含有B的。也可以用上述至少1种稀土元素置换部分Eu。Ca及/或Sr的一部,也可以用上述至少1种第II族元素置换。也可以用上述至少1种第IV族元素置换部分Si。
具体,是用
LxJyN((2/3)x+(4/3)y):R或
LxJyOzN((2/3)x+(4/3)y-(2/3)z):R
(L、J及R与上述同义。x、y、z为0.5≤x≤3、1.5≤y≤8、0<z≤3。)表示的氮化物荧光物质,优选按1~10000ppm的范围含有B的荧光物质。
(v)作为碱土硅酸盐、碱土氮化硅,可列举:
M2si5N8:Eu、
Msi7N10:Eu、
M1.8si5O0.2N8:Eu、
M0.9si7O0.1N10:Eu
(M与上述同义。)等。
作为(vi)硫化物,除CaS:Eu、SrS:Eu等碱土硫化物外,还可列举La2O2S:Eu、Y2O2S:Eu、Gd2O2S:Eu、ZnS:Eu、ZnS:Mn、ZnCdS:Cu、ZnCdS:Ag,Al、ZnCdS:Cu、Al等。
作为(vii)碱土硫代酸盐,可列举:
MGa2S4:Eu
(M与上述同义。)等。
作为(viii)锗烷酸盐,可列举3.5MgO·0.5MgF2·GeO2:Mn、Zn2GeO4:Mn等。
作为(xi)稀土铝酸盐,优选主要用Ce等镧系元素激活的,例如,钇铝石榴石(YAG)、镥铝石榴石(LAG),具体,除Y3Al5O12:Ce、(Y0.8Gd0.2)3Al5O12:Ce、Y3(Al0.8Ga0.2)5O12:Ce、(Y、Gd)3(Al、Ga)5O12:Ce、Y3(Al、Sc)5O12:Ce、Lu3Al5O12:Ce(也包括用Lu部分或全部置换Y的,用Tb部分或全部置换Ce的。)外,还可列举Tb3Al5O12:Ce、Gd3(Al、Ga)5O12:Ce等。
作为(x)稀土硅酸盐,可举例Y2SiO5:Ce、Y2SiO5:Tb等。
作为(xi)有机或有机络合物,不特别限定,也可以采用任何公知的。优选是主要用Eu等镧系元素激活的,但也可以采用从由上述稀土元素以及Cu、Ag、Au、Cr、Co、Ni、Ti及Mn构成的组中选择的至少1种,任意地代替Eu或添加。
其中,优选,主要用(ix)的Ce等镧系元素激活的稀土铝酸盐荧光物质、尤其Y3Al5O12:Ce、(Y、Gd)3Al5O12:Ce的组成式表示的YAG系荧光物质(也包括用Lu部分或全部置换Y的,用Tb部分或全部置换Ce的。)、主要用(iv)稀土元素激活的氮氧化物或氮化物荧光物质,更优选以下一般式
LxJyN((2/3)x+(4/3)y):R或
LxJyOzN((2/3)x+(4/3)y-(2/3)z):R
(L、J及R、x、y、z与上述同义。)。
由于稀土铝酸盐荧光物质具有高的耐热性,所以能够放出稳定的光,由于波长变换效率高,所以能够高效率地取出光。此外,由于氮化物荧光物质被从紫外到可视光的短波长侧的光激发,能够放出可视光的长波长侧的光,所以能够谋求提高显色性。另外,通过组合采用这些荧光物质,例如能够得到平均显色评价数(Ra)在80以上、显色性高的光。
此外,优选以下组合:
(i)CCA、(ii)CCB及(iii)BAM中的至少1种和(ix)YAG的组合、
(iii)SAE和(i)CCA:Mn的组合、
(iii)SAE和(iv)SESN的组合、
(iii)SAE和(iv)SCESN的组合、
(iii)SAE和(iv)CESN的组合、
(i)CCA、(ix)LAG和(iv)SESN的组合、
(i)CCA、(ix)LAG和(iv)SCESN的组合、
(i)CCA、(ix)LAG和(iv)CESN的组合、
(i)CCA、(ix)LAG和(iv)CaAlSiN3:Eu的组合、
(ix)LAG和(iv)SESN的组合、
(ix)LAG和(iv)SCESN的组合、
(ix)LAG和(iv)CESN的组合、
(ix)LAG和(iv)CaAlSiN3:Eu的组合等。
由此,能够实现高效率及高显色性的双方。
此外,从另一观点考虑,优选至少含有1种温度特性良好的荧光物质。此处,所谓“温度特性良好的荧光物质”,表示与波长变换部件的室温(25℃)时的亮度相比较,即使激光照射造成的波长变换部件的温度上升,亮度也不显著降低的意思。具体,波长变换部件可举例,在200℃时的亮度维持率,相对于室温时的亮度维持率在50%以上、优选60%以上、65%以上或70%以上的。此外,波长变换部件在300℃时的亮度维持率,相对于室温时的亮度维持率,举例在30%以上、优选35%以上、40%以上、45%以上或70%以上的。更优选举例,在200℃时的亮度维持率,相对于室温在50%以上、优选55%以上、60%以上或70%以上的,并且在300℃时的亮度维持率,相对于室温时在30%以上、优选35%以上、40%以上、45%以上或50%以上的。作为如此的荧光物质,可有代表性地举例LAG、BAM、YAG、CCA、SCA、SCESN、SESN、CESN及CaAlSiN3:Eu等。其中,优选LAG、BAM、BAM:Mn、CaAlSiN3:Eu等。由此,能够实现更高的亮度。
对于上述荧光物质以外的荧光物质,也能够使用具有同样的性能、效果的荧光物质。
另外,在组合采用2种以上的荧光物质的情况下,如后述,例如也可以单独在光导管前端部件中添加各荧光物质,也可以组合2种以上添加在光导管前端部件中。在此种情况下,能够通过所用的激发光源的波长、发光强度、要得到的光的色调等,适宜调整组合的荧光物质的使用比例。
例如,在采用LAG和SESN、SCESN或CaAlSiN3:Eu的组合的情况下,优选按50∶1~1∶50范围的重量比,进而按30∶1~1∶30、50∶1~1∶1、30∶1~1∶1范围的重量比组合。此外,在采用LAG、CCA和SESN、SCESN或CaAlSiN3:Eu的组合的情况下,LAG和CCA,优选按1∶10~10∶1范围的重量比,进而按1∶5~5∶1、10∶1~1∶1、5∶1~1∶1范围的重量比组合。LAG和SESN、SCESN或CaAlSiN3:Eu,可举例与上述同等程度的范围。
作为本发明中的波长变换部件的具体的方式,例如,优选组合使用LAG(绿色发光)和SCESN或SESN(红色发光)。由此,通过组合蓝色的激发光(例如,在430~500nm的范围具有发光峰的发光元件),能够确保色彩的三基色,能够得到显色性良好的发白色光的光。
优选,组合(Sr、Ca)5(PO4)3Cl:Eu(蓝色发光)、LAG或CaAlSiN3:Eu(从绿色发黄色光)、SCESN(红色发光),或组合CCA、CCB、BAM(蓝色发光)、和YAG(黄色发光),或从入射光侧依次配置使用CCA、CCB或BAM等(蓝色发光)、LAG(绿色发光)和SCESN(红色发光)。由此,如果组合具有可视光的短波长区域域的360~420nm范围的发光峰值波长的发光元件,能够得到显色性良好的发白色光的光。
另外,各色的光,通过变化所用的荧光物质的配合比,能够实现所希望的白色光。尤其,在组合CCA等(蓝色发光)和YAG(黄色发光)的情况下,例如优选采用1~20∶1的重量比,更优选5~10∶1,由此能够增大发光效率。
此外,优选组合采用LAG(绿色发光)、SESN、SCESN或CaAlSiN3:Eu(红色发光)。由此,通过组合在450nm附近(例如,420~460nm)具有发光峰值波长的发光元件,能够更加提高发光效率。
另外,在组合采用发黄色光的荧光物质及发红色光的荧光物质时,通过与在可视光的短波长区域域上的450nm附近具有发光峰值波长的发光元件组合,从发光元件射出的激发光和从荧光物质放出的光的混色光,从波长变换部件,作为光向外部导出。该光为透着红色的白色光。
此外,在采用从绿色发黄色光的荧光物质时,优选与在可视光的短波长区域域上的450nm附近(440~470nm)例如445nm具有发光峰值波长 的发光元件组合采用。由此,能够组合从发光元件射出的激发光和从激发光变换的黄色光,从而光成为白色光。如此,通过利用激发光的一部,能够回避在波长变换时的光的吸收,能够提高发光效率。
在组合采用从发蓝色光的荧光物质及发黄色光的荧光物质时,通过与在紫外线区域上的375nm附近具有发光峰值波长的发光元件组合,从波长变换部件放出的白色光成为光。由于人眼睛看不见紫外线,所以只有从波长变换成可视光的荧光物质放出的光才成为光。
此外,在组合(1)在可视光的短波长区域域上的400nm附近(例如,370~420nm)具有发光峰值波长的发光元件、(2)利用来自该发光元件的光,发蓝色光(例如,440~460nm)的荧光物质、(3)被蓝色光激发,发绿色光(例如,520~540nm)的荧光物质、(4)被蓝色光激发,发黄色光(例如,550~580nm)的荧光物质、(5)被蓝色光激发,发红色光(例如,640~660nm)的荧光物质时,从波长变换部件放出的光主要为白色光。尤其,优选从入射光侧按此顺序配置上述荧光物质。通过该组合,能够提高发光效率。其中,在组合采用(1)、(2)及(4)的情况下,能够更加提高发光效率。此外,在组合采用(1)~(3)及(5)时,能够提高显色性。另外,在此种情况下,由于作为光的色成分不利用发光元件的激发光,只用被荧光物质变换的光得到白色,所以不通过发光元件的光输出变化色温度、色度坐标,能够调整白色强度。
作为颜料,例如,可举例染料、二萘嵌苯等荧光染料。
如此的荧光物质、颜料等,由于不形成凝集体,最大限度地发挥光的吸收率及变换效率,所以通常采用粒径在1μm~20μm范围的,优选2μm~8μm,更优选5μm~8μm的范围。此外,如此,通过采用粒径相对较大的荧光物质等,能够提高发光装置的批量生产性。此处,粒径指的是用空气透过法得到的平均粒径。具体是,在气温25℃、湿度70%的环境下,称取1cm3程度的试样,在装入专用的管状容器后,流动一定压力的干燥空气,从差压计读取比表面积,换算成平均粒径的值。
(填充物)
填充物,用于使从外部照射的光反射、散乱。由此,能够使光散乱地取出。此外,能够均匀地向荧光物质撞击激发光,能够提高混色,同时降 低色不均。此外,由于能够调整透光性部件或波长变换部件的粘度,因此能够容易粘接在光导管20或光导管前端部件上。
作为填充物,可列举二氧化硅(烟尘二氧化硅、沉降性二氧化硅、熔融二氧化硅、晶体二氧化硅、超微粉无定形二氧化硅、无水硅酸等)、石英、氧化钛、氧化锡、氧化锌、一氧化锡、氧化钙、氧化镁、氧化铍、氧化铝、氮化硼、氮化硅、氮化铝等金属氮化物、SiC等金属碳化物、碳酸钙、碳酸钾、碳酸钠、碳酸镁、碳酸钡等金属碳酸盐、氢氧化铝、氢氧化镁等金属氢化物、硼酸铝、钛酸钡、磷酸钙、硅酸钙、粘土、石膏、硫酸钡、云母、硅藻土、石膏粉、无机尿、滑石、锌钡白、沸石、埃洛土、荧光物质、金属片(银粉等)等。此外,为了得到强度,也可以采用钛酸钾、硅酸钡、玻璃纤维等针状的填充物。其中,优选钛酸钡、氧化钛、氧化铝、氧化硅等。
填充物的粒径不特别限定,例如,中心粒径1μm以上低于5μm的填充物使来自荧光物质等的光良好地乱反射,通过采用大粒径的荧光物质等,能够抑制容易产生的色不均。中心粒径1nm以上低于1μm的充填物,对来自发光元件的光波长的干涉效果小,但不降低光度,能够提高光导管前端部件,例如树脂的粘度。由此,能够使荧光物质等大致均匀地分散在树脂中,能够维持该状态,即使在采用难使用的粒径比较大的荧光物质等的时候,也能够高成品率地批量生产。中心粒径5μm以上100μm以下的充填物,如果含在光导管前端部件例如树脂中,通过光散乱作用能够改善发光元件的色度偏差,同时能够提高树脂的耐热冲击性。另外,填充物,考虑到分散性或反射性等,能够设定成球状、针状、片状等多种形状。
填充物,优选具有与荧光物质等同等程度的粒径及/或形状。此处,所谓同等程度的粒径,说的是各粒子的各自的中心粒径的差低于20%时,所谓同等程度的形状,说的是表示与各粒径的正圆近似程度的圆形度(与圆形度=粒子的投影面积相等的正圆的圆周长度/粒子的投影的圆周长度)的值的差低于20%时。通过采用如此的填充物,荧光物质等和填充物相互作用,例如,能够在树脂中良好地分散荧光物质等,能够更加抑制色不均。
填充物,例如,能够按透光性部件或波长变换部件总体量的0.1~80重量%,进而按50重量%以下、50重量%以下、40重量%以下、30重量%以下含有。
透光性部件或波长变换部件,例如,优选任意地与填充物及适当的溶剂一同混合上述的荧光物质等,通过任意一边加热一边烧成形成,或利用加压成型,或电镀等,实质上只由荧光物质等,任意采用填充物形成。即,优选作为透光性部件不采用有机物质。此处,所谓实质上只由荧光物质等构成,表示在透光性部件中,95重量%以上含有荧光物质等,换句话讲,只5重量%以下含有作为透光性部件的有机物质的意思。由此,即使连续地照射光密度高的光,也能够将起因于该光的劣化控制在最小限。
但是,在透光性部件即树脂中混合,只要根据需要采用适当的溶剂就可以,也可以利用浇注法、喷涂法、丝网印刷法、模绘版印刷法等,进而利用注模法、压缩法、连续法、注射法、挤压法、叠层法、压延法、喷射注塑法等塑料的成型法等、真空被覆法、粉末喷涂被覆法、静电堆积法、电泳堆积法等,形成所希望的形状。
波长变换部件或透光性部件,可以单层形成1种荧光物质等,也可以形成均匀地混合2种以上的荧光物质等的单层,也可以2层以上地叠层含有1种荧光物质等的单层,也可以2层以上地叠层分别均匀混合2种以上的荧光物质等的单层。另外,在2层以上叠层单层的情况下,各层含有的荧光物质等,也可以将同程度的波长的入射光波长变换成同程度的波长的出射光,也可以将同程度的波长的入射光波长变换成不同波长的出射光,但优选将不同的波长的入射光波长变换成同程度或不同的波长的出射光。由此,能够波长变换入射在波长变换部件的、应变换的全部光,能够更加有效地进行波长变换。
波长变换部件或透光性部件,如图5(a)所示,也可以通过重叠含有相互不同种类的荧光物质31a、31b的片状物而构成,如图5(b)所示,也可以通过以完全被覆含有与荧光物质31a不同的荧光物质31b的下层的方式,叠层含有荧光物质31b的上层而构成。另外,波长变换部件30,优选是在出射侧突出的碗状。通过如此形状能够更加提高亮度。
波长变换部件或透光性部件的厚度不特别限定,能够根据使用的材料适宜调整。例如,在以厚膜形成荧光物质或树脂等的情况下,能够提高变换效率,结果能够提高发光效率,但另一方面,由于有时因光的吸收等,也损失发光效率,所以优选考虑到此问题地选择适当的膜厚度。
如图1所示,透光性部件300(波长变换部件30),优选安装在用于导出激发光1的光导管20的前端部,即出射端部上,但也可以安装在激发光源10和光导管20的连接部分即激发光1的射出部12上。在是后者的情况下,即使在光导管的前端有脏的地方也能使用。此外,容易更换透光性部件或波长变换部件。因而,通过在多个位置设置透光性部件或波长变换部件,能够谋求提高生产性。
此外,如后述,在组合多个激发光源(发光装置)的情况下,也可以通过光导管导出来自各激发光源的激发光束在该光出射侧,全部整体地以单层或多层,或局部整体地以单层或多层,形成含有透光性材料的透光性部件。由此,能够简化分别形成波长变换部件的工序。
另外,在后述的光导管内的一部,例如,也可以在芯材料中含有荧光物质等。
透镜
在本发明的发光装置中,例如,如图1所示,优选在激光元件11和射出部12的之间设置透镜13。
透镜,只要从激光元件射出的光能聚光在光导管的入射部,可以是任何形状,也可以在激光元件和射出部的之间并排地配置多个。透镜,能够由无机玻璃、树脂等形成,其中优选无机玻璃。在激发光源和光导管的之间具有透镜,在通过透镜将从激发光源射出的激发光导出给光导管的情况下,通过聚光从激发光源射出的激发光,能够更高效率地利用激发光,能够进一步提高亮度。
另外,在透镜上,也可以含有可作为荧光物质等的波长变换部件的材料。由此,由于利用透镜功能,将波长变换的激发光确实聚光在射出部,所以能够消除色偏差,由于通过制造透镜,也能够同时制造波长变换部件,所以能够抑制波长变换部件的制造成本。
光导管前端部件
在本发明的发光装置中,如图1所示,优选光导管20的前端,即不与激发光源10连接的端部(出射端部),由通常称为管嘴的光导管前端部 件70支撑。通过如此的光导管前端部件,容易固定来自光导管的出射光。此外,容易根据其材料或形状提高发光效率,同时容易进行作为发光装置的组装。因此,光导管前端部件,只要是能够支持光导管,用哪种材料及形状构成都可以。
光导管前端部件,优选用相对于激发光及/或波长变换的光反射率高、光的折射率高、导热性高的其中任何一种材料或2种以上具有它们的性质的材料形成。由此,提高光导管的前端的发光效率、散热等,同时容易进行作为发光装置的组装。尤其,优选以光导管前端部件的导热率高于透光性部件的导热率的方式构成。由此,能够更积极地在光导管前端部件散热,减轻透光性部件的热造成的不良影响。
例如,相对于激发光及/或波长变换的光的峰值波长,对于80%以上的反射率、350~500nm范围的光,优选具有n∶1.4以上的折射率及/或0.1W/m·℃以上的导热性。具体可举例Ag、Al、ZrO2、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、硼硅玻璃、不锈钢(SUS)、碳、铜、硫酸钡等。其中,在采用ZrO2的情况下,由于容易维持抗拉强度,所以优选由ZrO2、不锈钢(例如,SUS303等)形成。此外,由于氧化铝对可视光全区的反射率高且导热率高,所以在设定发白色系的发光色的发光装置的时候,更优选氧化铝。
光导管前端部件,例如,也可以是围住光导管的外周的圆筒形状,或者为了对光导管的端面赋予多种功能,也可以是一体地或单个安装各种功能膜/部件等的形状,或者是一体地或单个安装用于覆盖光导管的端面或各种功能膜/部件的盖或罩等的形状。另外,在光导管前端部件是圆筒形状的情况下,例如,优选直径在3mm以下。
关于光导管前端部件,配置波长变换部件一侧的端面,也可以原状露出与长度方向垂直相交的光导管前端部件的横断面(参照,图3(I)~图3(p)的70),但优选以达到比与长度方向垂直相交的横断面宽的面积的方式,具有倾斜、弯曲、凹凸等。具体是,在光导管前端部件的端面的局部或全部上,能够形成具有相对于横断面X°(0<X≤90)倾斜的面的构成(例如,参照图3(a)~(g)、(r)~(u)的70)及具有曲面(例如,参照图3(h)、(p)的70等)的构成。由此,能够更加提高增加光输出及降低波长变换部件的劣化的2种效果。
此外,优选光导管前端部件为在其一端部上倒角边缘部的一部分的形状。即,优选局部或全部缺口光导管前端部件的边缘部上的比光导管突出的部分(例如,参照图3(b)及图3(e)的70)。由此,能够更加提高光输出,同时能够更加抑制波长变换部件的劣化。另外,认为光输出的提高,是由于能够在光导管前端部件的边缘部,减少遮断从光导管前端部件附近照射的光的部分之故。认为抑制波长变换部件的劣化,是由于通过减少遮断光的部分,能够高效率地向外部取出光,由此抑制发热之故。
此外,光导管前端部件,如图6所示,优选在其侧面形成凹凸(参照图6中的80)。由此,能够增大光导管前端部件的表面积,增加从光导管或波长变换部件的散热。
光导管前端部件,也可以以其端面与光导管的一端面形成一面的方式支撑光导管(例如,参照图3(a)~(h)、(q)及(t)),也可以以光导管从光导管前端部件的前端部的主端面突出的方式支撑(例如,参照图3(k)、(l)、(n)、(o)及(r)等)。此外,如图3(s)所示,也能够形成除去光导管的周边部(例如包层)的形状。另外,作为光导管,在采用在其端部向长度方向只露出芯的光导管的情况下,也可以从光导管前端部件的前端部只突出光导管的芯。
此外,从另一观点考虑,光导管前端部件,也可以以成为将光导管的出射端部的至少一部分作为底部的凹部的侧壁的方式构成。该凹部的侧壁,能够设定为优选0.3μm以上、更优选0.6μm以上、最优选1、2μm以上。由此,能够更容易得到本发明的效果。用光导管20和光导管前端部件30形成的凹部的底部,不仅能形成平面,而且也能够形成曲面状等多种形状。凹部的侧部高度及凹部的深度,例如,能够采用激光显微镜、探针显微镜、段差计等测定。
凹部的底部,由于不需要只由光导管的出射端部构成,因此只要至少包括光导管的出射端部就可以。例如,也能够以光导管的出射端部和光导管前端部件的一部大致为一面的方式形成凹部的底部。即使在如此的构成中,也能够得到本发明的效果。要更有效地并且高再现性地得到本发明的效果,优选凹部的底部实质上只由光导管的出射端部构成。此外,优选凹部的侧壁与底部大致垂直,但也可以倾斜。
延伸在由光导管前端部件和光导管构成的凹部内的透光性部件,优选不仅延伸在凹部,而且也配置在光导管前端部件的端部的至少一部分上。例如,如图7所示,通过在光导管前端部件70的整个端部上配置透光性部件300(或波长变换部件30,下同),不仅从光导管前端部件的凹部侧壁的部分,而且也能够从光导管前端部件的端部排出在透光性部件产生的热。另外,在不由光导管前端部件和光导管形成凹部的时候,例如,即使在光导管前端部件和光导管在端部为一面的情况下,通过不仅将透光性部件配置在光导管的端部,而且也配置在光导管前端部件的端部的至少一部分上,也能够从光导管前端部件的端部排出在透光性部件产生的热。即,即使在不由光导管前端部件和光导管形成凹部的时候,也能够减轻透光性部件的劣化。但是,如图7所示,由于通过使透光性部件300延伸存在凹部,并且配置在光导管前端部件70的端部的至少一部分上,能够更有效地减轻透光性部件300的劣化,所以优选如此配置。
另外,只要成为凹部的侧壁的光导管前端部件和透光性部件形成热连接就可以,光导管前端部件和透光性部件也不一定直接并且完全连接。例如,在凹部侧壁上,也能够形成光导管前端部件和透光性部件局部连接的构成,或者形成在光导管前端部件和透光性部件的之间,例如经由导热部件间接连接的构成。对于光导管前端部件的端部和透光性部件,也是同样的。
此外,光导管前端部件,由于不需要是单一的部件,所以也能够由多个部件构成。例如,也可以由覆盖光导管的出射端部侧的侧面的第1部件、和成为以光导管的出射端部的至少一部作为底部的凹部的侧壁的第2部件构成光导管前端部件。在此种情况下,优选,第2部件是导热率比第1部件高的部件。由此,能够更加提高从透光性部件向光导管前端部件的散热性。
此外,光导管前端部件,优选配置波长变换部件的端面,也进行安装反光镜,使镜面反射或形成规定的凹凸,使其乱反射等的加工。由此,在一旦从光导管照射的激发光及/或波长变换的光,通过反射返回到光导管侧的情况下,通过由光导管前端部件再度反射,能够有效地向外部取出激 发光及波长变换的光,所以光输出提高。而且,当在端面形成凹凸的情况下,能够提高波长变换部件在光导管前端部件上的密合性,提高波长变换部件的散热性,同时能够防止波长变换部件的剥离或劣化。另外,优选具有镜面反射及/或凹凸的面,不仅形成在光导管前端部件的端面上,而且也形成在光导管的端面上。
导热性透光膜
在本发明的发光装置中,优选在与波长变换部件接触的位置上形成导热性透光膜。由此,在因对波长变换部件照射光密度非常高的激发光,荧光物质等发热的情况下,能够通过导热性透光膜有效并且迅速地散热。
例如,如图5(a)、(b)所示,优选导热性透光膜32配置在光导管20和波长变换部件30之间的光出射面的局部或全部上,如图5(c)所示,配置在与存在光导管的一侧不同的波长变换部件的光出射面的局部或全部上。尤其,更优选在光导管和波长变换部件的之间,以覆盖光导管上的整个激发光出射区域的方式形成。如此,在来自光导管的激发光通过导热性透光膜,导入波长变换部件的情况下,能够根据透光膜的性质,不导致光强度下降地,根据导热性的性质,有效除去在光密度最高的区域传给透光性部件或波长变换部件内的热,同时也排出在透光性部件或波长变换部件内产生的热。具体是,通常,由于光导管在出射部上具备后述的光导管前端部件,因此在光导管前端部件的出射侧配置导热性透光膜。
导热性透光膜,例如可举例ITO、ZnO、In2O3、SnO2、MgO、Al2O3、LaF3、CeF3等的至少1种单层膜或多层膜。其中,优选ITO、ZnO、In2O3、SnO2或MgO的单层膜。此外,更优选由单晶形成这些膜。由此,在透光性部件或波长变换部件上的密合性或粘接性更好,能够提高热在导热性透光膜上的移动。该膜的厚度,例如适合在1000~10000 的范围。
导热性透光膜,能够按以往公知的方法形成。例如,能够利用溅射法、反应性溅射法、真空蒸镀法、离子束加速器法、激光磨蚀法、CVD法、喷涂法、旋涂法、浸渍法、或这些方法和热处理的组合等多种方法。
另外,导热性透光膜,只要具有上述功能,能够发挥上述功能,也可以与后述的功能膜或功能部件等兼用。
功能膜/部件
不局限于安装在上述的光导管前端部件上,在本发明的发光装置中,优选在适当的位置安装各种功能膜/部件。作为此处的功能膜/部件,例如,可举例波长变换光反射膜、激发光反射膜、扩散防止部件、扩散部件等。
波长变换光反射膜,能够用于防止被波长变换部件波长变换的光返回到激发光入射侧,同时通过使返回到激发光入射侧的光反射,可作为光向外部取出。因此,波长变换光反射膜,优选由只使特定波长的光通过的、能反射特定波长即被波长变换的光的材料形成。由此,能够反射返回到激发光入射侧的光,能够谋求提高发光效率。此外,波长变换光反射膜,优选配置在波长变换部件的至少激发光导入部分上。
激发光反射膜,能够用于防止激发光直接向外部照射,和防止激发光从非想要的部分漏泄等。由此,例如,通过使经过波长变换部件内的、但未被荧光物质等波长变换的激发光再次返回到波长变换部件内,能够提高发光效率。所以,优选激发光反射膜由只通过被波长变换的特定波长的光的、能反射激发光的材料形成。此外,优选激发光反射膜配置在波长变换部件的至少波长变换的光的导出部分上。由此,能够减少激发光向外部的照射,能够提高发光效率。
扩散防止部件,能够用于防止激发光及/或被波长变换的光向非想要的方向扩散。所以,优选扩散防止部件由90%以上遮断激发光及/或被波长变换的光的材料及形状构成。例如,也可以以夹持在光导管和波长变换部件之间的方式,配置在光导管和波长变换部件的之间、连接点等上,也可以以围住光导管和波长变换部件的边界部分的方式配置,也可以以覆盖波长变换部件的波长变换光照射部分以外的外表面的方式配置。
扩散部件,主要用于通过扩散激发光,利用波长变换部件的荧光物质等使更多的激发光照射,提高发光效率。因此,扩散部件,优选配置在光导管的光的出射口和波长变换部件的之间。扩散部件,例如能够采用上述树脂中的折射率比较高的、上述树脂中含有所述添加物的材料。其中,优选硅树脂。由此,由于能够降低照射在波长变换部件上的光的输出,能够减轻单位面积的波长变换部件的负担,因此能够提高发光效率及线性度。
例如,扩散部件的膜厚,能够根据光导管的芯径、任意所用的扩散部 件的折射率及厚度、波长变换部件的径等适宜调整。
遮断部件
在本发明的发光装置中,也可以安装遮断部件。优选遮断部件是90%以上遮断来自激发光源的光的部件。例如,在采用放出对人体有害的紫外线的发光元件的情况下,为遮断该紫外线,作为遮断部件,能够采用紫外线吸收剂或反射剂等,使其含在光导出部。由此,能够抑制紫外线等的照射。其中,从能够更加提高发光效率的观点考虑,优选采用反射剂。
另外,由于遮断部件还具有所述激发光反射膜、扩散防止膜等的功能,因此也可以不与它们严格区别地利用。
发光装置的方式
本发明的发光装置,如图1所示,由1个激发光源10(发光元件11)、1根光导管20、1个透光性部件300或波长变换部件30构成的发光装置,作为单元,如图14所示,也可以至少组合2个以上地构成发光装置。单元的组合个数,能够根据显色性和输出决定。另外,在该发光装置中,如上所述,也可以一体地形成各单元的波长变换部件。
本发明的发光装置,优选具有120流明/mm2以上的亮度。
发光装置的用途
本发明的发光装置,能够用于多种用途。例如,也可以用作普通的照明器具、车辆搭载用的照明(具体是,前照灯用光源、尾灯用光源等),或也可以用于如内视镜装置,观察生体内部,或一边观察一边治疗的装置。此外,也可以用于观察非常窄或非常暗的空间,例如原子能炉内部、遗迹的封闭空间等的纤维式观测器。另外,也能够用作各种真空装置的腔室内等要避免电流的漏泄或发热等的部件上的各种产业用、工业用、家庭用的光源。此外,也能够用作在要求点光源的场所或光源更换困难的场所等处使用的发光装置。
因此,本发光装置,能够与摄像部件(即,将光学图像变换成电信号的电子部件(受光部件)),具体是利用CCD(charge-coupled device)、CMOS(CMOS image sensor)等的摄像元件、将电信号变换成图像信号的图像信号处理装置、表示电信号或测定值等的指示器、输出图像信号并映出图像的显示器、进行各种处理及计算的电脑等一同使用。尤其,在作为摄像部 件采用摄像元件的情况下,能够将被写入体的光学像设定为易于处理的图像。
例如,受光元件(例如,发光二极管等),也可以作为单体设计成发光装置,但也可以设在激发光源中的激光元件的附近、光波导的周围或光波导前端部件内中的任何上。由此,能够通过受光元件观测从激光元件发出的光量,在一定光量以下的情况下,通过调整投入到激光元件中的电流等,能够维持一定的光量。
本发明的发光装置,由于亮度高、色调偏差小、非常富于色再现性、显色性非常高,因此如内视镜装置,在与要求鲜明的摄像等装置的并用中,可发挥极为优异的效果。
此外,本发明的发光装置还可用于可视光通信。即,利用由上述的发光装置得到的可视光,例如通过在发光装置中附加通信功能,能够构筑无线电环境。由此,由于作为激发光源采用激光元件,所以能够实现几百MHz的调谐速度。
另外,本发明的发光装置,能够用于在图像显示部(屏幕)显示彩色图像的图像显示装置。在本发明的发光装置中,由于能够以高发光效率发光极高亮度的光,因此能够作为图像显示装置的光源发挥优异的效果。
以下,基于附图详细说明本发明的发光装置的具体实施例。
实施例1
如图1所示,本实施例的发光装置,其构成具有激发光源10、导向管20、导热性透光膜(未图示)、波长变换部件30。
在激发光源10中作为在405nm附近具有发光峰值波长的发光元件11采用激光二极管。激光二极管是GaN系的半导体元件。
光导管(light guiqde)20,其一端与激发光源10的光的出射部12连接,另一端与输出部21连接。作为光导管20,采用石英制的例如SI型114(μm:芯径)/125(μm:包层径)。
在光导管20的前端部装有SUS制造的套圈(ferrule)。
此外,在套圈的端面,即在光导管20的光出射面的整面上按膜厚3000 配置ITO膜。另外,由于在套圈及光导管的端面上直接形成ITO膜困难,所以利用溅射法在膜厚150μm的盖玻璃(cover glass)上形成ITO 膜,配置在光导管20的光出射面。
在输出部21的ITO膜的光出射面侧,安装实质上只由荧光物质构成的波长变换部件30。
作为荧光物质,混合2g发蓝色光的Ca10(PO4)6Cl2:Eu,混合2g乙基纤维素和萜品醇的混合液(重量比=12∶88),通过在80℃烧成30分钟,在200℃烧成10分钟,在500℃烧成1小时,烧结荧光物质。波长变换部件30的膜厚例如规定为500μm左右。
在该发光装置10中,在半导体发光元件11的前面配置有用于聚光来自激光二极管的激发光1的透镜13。
在该发光装置中,用多种输出对激发光源进行驱动,测定相对于光输出的光的相对强度。
图8中的实线表示其结果。
此外,为了比较,准备除不配置ITO膜以外与上述发光装置相同的发光装置,与上述同样,用多种输出对激发光源进行驱动,图8中的虚线表示结果。
根据图8可确认,相对于光输出的光的相对强度,通过配置导热性透光膜,显示了良好的线性度。
另外,关于双方的发光装置,在以100mW连续振荡激发光源时,通过配置导电性透光膜,确认抑制了波长变换部件的温度。此外,通过防止波长变换部件上的荧光物质的发热,确认能够抑制波长变换部件的劣化,能够得到高寿命的发光装置。
另外,为了研究套圈的端面上的盖玻璃的影响,除不在套圈的端面上配置ITO膜及盖玻璃以外,准备与上述实施例中的发光装置相同的发光装置,与上述相同地测定其特性。
相对于光输出的相对强度与只配置盖玻璃的用于上述比较的发光装置大致相同。
实施例2
该实施例的发光装置,作为荧光物质,除分别采用LAG、BAM、YAG、SCA、SCESN、SESN、CESN及CaAlSiN3:Eu以外,实质上是与实施例 1相同的发光装置。
如果对这些发光装置进行同样的评价,在相对于光输出的光的相对强度及寿命方面,结果大致相同。
实施例3
该实施例的发光装置,作为荧光物质,除混合10g发蓝色光的Ca10 (PO4)6Cl2:Eu,混合100g异丙醇、20g氧化铝溶胶及10g丙酮,外加50V的电压,然后干燥,电镀荧光物质以外,实质上是与实施例1相同的发光装置。
如果对这些发光装置进行同样的评价,在相对于光输出的光的相对强度及寿命方面,结果大致相同。
实施例4
如图1所示,本实施例的发光装置,其构成具有激发光源10、导向管20、波长变换部件30、光导管前端部件70。
激发光源10,作为发光元件11,采用由在405nm附近具有发光峰值波长的GaN系的半导体构成LD。在LD的前面配置用于聚光来自LD的激发光1的透镜13。
光导管20,其一端与激发光源10的光的出射部12连接,另一端与输出部21连接。作为光导管20,采用石英制的SI型114(μm:芯径)/125(μm:包层径),作为支撑光导管的光导管前端部件70,采用氧化锆(ZrO2)制的直系2.5mm的部件。另外,如图9(b)所示,本实施例的光导管20及光导管前端部件70的端面,以包含光导管20的面相对于横断面具有60°的倾斜角度,同时作为另一面,不突出其边缘部,在其边缘部具有与横断面平行的端面70a的方式进行加工。
光导管20及光导管前端部件70的端面,通过最初粗研磨,最终用粒度#15000的磨片细研磨而形成。
波长变换部件30,以在树脂中均匀分散荧光物质的方式成型,安装在输出部21上。即,遍及光导管20和光导管前端部件70双方的整个端面地按一层结构配置波长变换部件30。
荧光物质,使用0.9g发蓝色光的Ca10(PO4)6Cl2:Eu、0.1g发黄色的Y3Al5O12:Ce(YAG)。在1.1g硅树脂中均匀混合这些荧光物质,利用浇注制作波长变换部件30。
另外,作为比较例,除将光导管及光导管前端部件的一端面,作为如图9(c)所示与光导管的长度方向直交的横断面以外,制作构成与上述实施例相同的发光装置。
在这些发光装置中,用70~280mA驱动激发光源,评价特性。
结果,如图10所示,本实施例的发光装置,与比较例的发光装置相比较,光束的最高值提高30%左右,确认提高光输出。
另外,根据图10,比较例的发光装置,投入电流以大约170mA为界,光束急剧下降。其主要理由是由于波长变换部件劣化、变色。而在本实施例的发光装置中,投入电流到大约230mA也不饱和,光束提高。以上结果表明,在本实施例的发光装置中,波长变换部件更难劣化。
实施例5
本实施例的发光装置,除通过用粒度#200的磨片研磨光导管及光导管前端部件,设置粗面即凹凸以外,制作构成与实施例1相同的发光装置。
对于该实施例的发光装置,在与实施例1相同地评价时,如图11所示,与比较例的发光装置相比,光束的最高值提高50%左右,确认光输出提高。
通过将光导管及光导管前端部件和波长变换部件的界面形成粗面,大幅度提高光束的最高值,同时降低波长变换部件的劣化。另外,通过与相同地形成粗面的后述的实施例6相比,得知,由于本实施例的输出高,所以图9(b)所示的本实施例的形状,优于图9(a)所示的实施例6的形状。
实施例6
本发光装置,如图9(a)所示,在光导管20、光导管前端部件70及波长变换部件30的构成中,不除去边缘部的突出地,单一形成全面60°倾斜的面的发光装置。另外,通过用粒度#200的磨片研磨光导管及光导管前端部件,设置粗面即凹凸。
对于该发光装置,在与实施例1相同地评价时,如图12所示,与比较例的发光装置相比,光束的最高值提高30%左右,确认得到高亮度发光装置。
实施例7
本实施例的发光装置,如图1所示,主要由发光元件11、导向管20、光导管前端部件70、透光性部件30构成。在发光元件11的前面,设置用于聚光来自发光元件11的光1的透镜2。
采用作为发光元件11由在445nm附近具有发光峰值波长的GaN系的半导体构成LD、作为光导管20采用石英制的SI型114(μm:芯径)/125(μm:包层径),作为光导管前端部件70采用由氧化锆(ZrO2)构成的直系2.7mm的部件。另外,在波长变换部件30中,作为透光性部件,相对于1.1g硅树脂,含有0.54g发绿色光的Lu3Al5O12:Ce、0.2g发红色的(Sr、Ca)2Si5N8:Eu等2种荧光物质。另外,在本实施例中,氧化锆与硅树脂相比具有3倍左右高的导热率。
如图7所示,在本实施例中,设置以光导管20的整个出射端部作为一平面的底部,以光导管前端部件70作为侧壁的凹部。要形成凹部,例如,能够通过利用由不同的材料构成的光导管20和光导管前端部件70,采用研磨剂等有选择地研磨光导管20而形成。此处,形成从光导管前端部件30的端部大致凹下1.6μm的凹部。
在如此设置凹部后,利用浇注在光导管20及光导管前端部件70的出射端部侧配置波长变换部件30。此处,为了更完全地使波长变换部件30延伸在凹部内,在浇注后实施减压处理。
作为比较例,在出射端部侧,除光导管20和光导管前端部件70为一平面即为一面以外,制作相同构成的发光装置。
在图13中,对本实施方式的发光装置和比较例的发光装置,用80~430mA驱动LD,评价其特性。如图13所示,本实施例的发光装置,与比较例的发光装置相比,光束的最高值提高20%左右,确认发光输出提高。根据图13,比较例的发光装置,驱动电流大约以370mA为界,光束急剧 下降。其主要理由是由于透光性部件因热而劣化、变色。而在本实施例中,驱动电流到大约420mA也不饱和,确认光束提高。
以上结果表明,在本实施例的发光装置中,与比较例相比较,透光性部件更难劣化。
Claims (5)
1.一种发光装置,其特征是由以下各部分构成:
射出激发光的激发光源;
波长变换部件,对于从所述激发光源射出的激发光至少部分地吸收、波长变换,放出规定波长区域的光;
光导管,在一端具有所述激发光源,在另一端具有所述波长变换部件,使该光导管的断面中心部即芯的折射率大于周边部即包层的折射率,将从所述激发光源射出的激发光导出给波长变换部件;
与所述波长变换部件接触的导热性透光膜,
所述波长变换部件由含有荧光物质的透光性部件构成,且所述透光性部件与导热性透光膜接触,
在所述透光性部件和所述导热性透光膜之间存在界面,
所述导热性透光膜由ITO、ZnO、In2O3、SnO2、MgO、Al2O3、LaF3、CeF3的至少1种单层膜或多层膜来构成。
2.如权利要求1所述的发光装置,其特征是:所述导热性透光膜夹隔安装在所述光导管和波长变换部件之间。
3.如权利要求1所述的发光装置,其特征是:此外在激发光源和光导管的之间具有透镜,经由该透镜将从所述激发光源射出的激发光导入光导管。
4.如权利要求1所述的发光装置,其特征是:所述发光装置向外部导出的光显示80以上的平均显色评价数Ra。
5.如权利要求1所述的发光装置,其特征是:
所述光导管,在射出激发光的一侧,具有比与其长度方向垂直相交的横断面积更大的面积的端面,且由光导管前端部件支撑;
所述光导管和光导管前端部件的至少一部分,被波长变换部件被覆。
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