JP2004342405A

JP2004342405A - 線状発光体とそれを含む照明装置および表示装置

Info

Publication number: JP2004342405A
Application number: JP2003136005A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Morioka; 達也森岡; Mototaka Tanetani; 元隆種谷
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】光の損失が小さくかつ容易に形成し得る線状導光体を含む線状発光体を提供するとともに、その線状発光体を含む照明装置と表示装置を提供する。
【解決手段】線状発光体は、発光素子１００と線状の導光体１０２を含み、その線状導光体１０２はコアとそのコアを覆うクラッドを含むとともに、その導光体内を伝播する光を部分的に散乱させる光拡散構造をさらに含み、線状導光体１０２の一方端面には発光素子１００が光学的に結合されており、その一方端面上において発光素子１００からの光入射領域以外の領域には導光体１０２内を伝播する光を反射する光学膜２０４が形成されており、線状導光体１０２の他方端面上においても導光体内を伝播する光を反射する光学膜１０３が形成されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子と線状の導光体とを含む線状発光体に関するとともに、その線状発光体とそこから放射される光の波長を変換し得る蛍光体とを含む照明装置および表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の線状またはファイバ状の導光体構造を用いた照明装置の一例が、特許文献１の特開２００２−１４８４４２号公報に開示されている。この線状導光体構造においては、図９の模式的な断面図に示されているように、中心のコア部９００を同心円状に包むようにクラッド部９０１が形成され、さらにその周りが同心円状の被覆部９０２で覆われている。そして蛍光物質９０３がこの被覆部９０２中に分散されている。このような光ファイバの１端面に接続されている半導体レーザ素子に通電すれば、そのファイバ内に導入されたレーザ光によって被覆部９０２内の蛍光物質９０３が励起されて、その蛍光物質から蛍光が空間に放射される。
【０００３】
さらに、特許文献１において、このような線状発光体の柔軟性を生かして、フレキシブルで自由な形状を有する照明装置を形成し得ることも示唆されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１４８４４２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、発光素子から導入された光を伝播させかつ部分的に空間へ放射する線状導光体を含む線状発光体と、その線状発光体から放射される光の波長を変換し得る蛍光体を含む照明装置および表示装置に関して、光の損失が大きいことを見出した。
【０００６】
したがって、本発明では、光の損失が小さくかつ容易に形成し得る線状導光体を含む線状発光体を提供するとともに、その線状発光体を含む照明装置および表示装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様によれば、線状発光体は発光素子と線状の導光体を含み、その線状導光体はコアとそのコアを覆うクラッドを含むとともに、その導光体内を伝播する光を部分的に散乱させる光拡散構造をさらに含み、線状導光体の一方端面には発光素子が光学的に結合されており、その一方端面上において発光素子からの光入射領域以外の領域には導光体内を伝播する光を反射する光学膜が形成されており、線状導光体の他方端面上においても導光体内を伝播する光を反射する光学膜が形成されていることを特徴としている。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、線状発光体は２つの発光素子と線状の導光体を含み、その線状導光体はコアとそのコアを覆うクラッドを含むとともに、その導光体内を伝播する光を部分的に散乱される光拡散構造をさらに含み、線状導光体の両端面の各々に１つの発光素子が光学的に結合され、それら両端面の各々上において発光素子からの光入射領域以外の領域には導光体内を伝播する光を反射する光学膜が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
なお、線状導光体は機械的な機構により着脱可能な複数の線分状部分が光学的に結合されて構成されてもよい。発光素子としては、発光ダイオードまたは半導体レーザが利用され得る。
【００１０】
本発明のさらに他の態様によれば、線状の照明装置は上述の線状発光体を含み、発光素子が生じる光の波長を異なる波長に変換する蛍光体が線状導光体の周囲に配置されていることを特徴としている。
【００１１】
本発明のさらに他の態様によれば、面状の照明装置は上述の線状発光体を含み、発光素子が生じる光の波長を異なる波長に変換する蛍光体が導光体からの散乱光を受けるように平板状に配置されていることを特徴としている。
【００１２】
本発明のさらに他の態様によれば、表示装置は発光素子が生じる光の波長を異なる波長に変換する蛍光体が前述の導光体からの散乱光を受けるようにピクセル状に配置され、その蛍光体に入射する光と蛍光体から放射される蛍光との少なくとも一方の光強度を変調する光変調手段を含むことを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１の模式的な斜視図と図２の模式的な断面図を参照して、本発明の実施形態１による線状の発光体が説明される。なお、本願の図面中で、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。
【００１４】
図１において、線状導光体１０２は樹脂からなる。そして、この左方端面側には波長６５０ｎｍの赤色で発光するＩｎＧａＡｌＰ系発光ダイオード素子１００がレンズ１０１を介して光学的に結合され、この発光ダイオード素子１００からの光が線状導光体１０２内に導入される。
【００１５】
図２（ａ）と（ｂ）には、線状導光体１０２の断面図と端面図がそれぞれ示されている。線状導光体１０２はアクリル樹脂のコア２００とそのコアより低い屈折率のフッ素系樹脂のクラッド２０１とを含み、コア２００内の一部には伝播する光を散乱させるための例えばＴｉＯ_２粒子の光拡散体２０２が分散されており、これによってコア２００内を伝播する光の一部が拡散光１０６として周囲へ散乱される。
【００１６】
散乱されずに残っている光は、線状導光体１０２のコア２００内で高い光強度分布１０４（図１参照）を有しながら伝播し、この導光体の右方端面上に設けられたアルミニウム膜１０３により反射される。そして反射された光は、同様にコア２００内で高い光強度分布１０５（図１参照）を有しながら左方向に伝播する。
【００１７】
発光ダイオード素子１００が光学的に結合されている線状導光体１０２の左方端面上において、その発光ダイオード素子からの光が入射される領域２０３以外の領域にアルミニウム膜２０４が設けられている（図１、図２（ｂ）参照）。したがって、線状導光体１０２の右端面のアルミニウム膜１０３により反射されて戻ってきた光の大部分は、左端面のアルミニウム膜２０４によって再び右方向に反射される（図１参照）。以上の構成により、発光ダイオード素子１００が光学的に結合されている導光体１０２の左端面から光が放射されて損失となることを抑制し得る。
【００１８】
なお、本実施形態１では赤色で発光するＩｎＧａＡｌＰ系発光ダイオード素子１００を利用する場合について説明されたが、緑色または青色のように他の色で発光する発光ダイオード素子が利用されてもよいことは言うまでもない。さらに、線状導光体１０２中の光拡散構造としては、コア２００とクラッド２０１の界面に微細な凹凸構造を設けて、その屈折率変動分布による光散乱を利用することもできる。
【００１９】
（実施形態２）
図３の模式的斜視図においては、本発明の実施形態２による線状の照明装置が示されている。なお、本実施形態２が実施形態１に比べて特徴的な点は、線状導光体３０１の構成が異なるとともに、この導光体３０１の両端面の各々に波長４００ｎｍで発振するＧａＮ系半導体レーザ素子３００が樹脂３０２により直接結合されていることである。
【００２０】
図４には、図３中の線状導光体３０１の模式的断面図が示されている。この線状導光体３０１は、アクリル樹脂からなるコア２００と、このコアより低い屈折率のフッ素系樹脂のクラッド２０１とを含み、このクラッドの外周面は赤色（Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ^３＋）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）、および青色（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）_１０（ＰＯ_４）_６の蛍光体が分散された透明アクリル樹脂層４００で覆われている。そして、レーザ素子３００から導入された光はコア２００内の一部に設けられた光拡散体２０２によって散乱され、この散乱光を吸収する各蛍光体粒子から放射される各蛍光色の混色によって白色照明光４０１が得られる。
【００２１】
なお、ＧａＮ系半導体レーザ素子３００が結合されている線状導光体３０１の端面上においては、実施形態１の場合と同様に、ＧａＮ系半導体レーザ素子のＮＦＰ（近視野像）の領域を除いて、導光体内を伝播する光を反射するアルミニウム膜（図示せず）が形成されている。
【００２２】
ところで、照明装置用として使用される線状導光体３０１においては、光通信用として使用される光ファイバにおいて問題となるような導波モード間の干渉ノイズを抑制する必要がない。したがって、照明装置用線状導光体３０１としては、発光素子などとの光学的結合の容易さや機械的強度の観点から、一般的に大口径（数１００μｍから数ｍｍ）のものが用いられる。
【００２３】
他方、ＧａＮ系半導体レーザ素子３００の光射出領域は、せいぜい数μｍ程度でしかない。したがって、ＧａＮ系半導体レーザ素子３００からのレーザ光は、そのレーザ素子が結合されている線状導光体３０１の端面における表面反射などによる損失を除いて、ほぼ１００％がその導光体内に導入される。そして、この導入されたレーザ光は光拡散体２０２によって部分的に蛍光体４００へ散乱放射されながら、残りの光は線状導光体内を伝播する。このとき、入射されたレーザ光の強度分布１０４（図３参照）は線状導光体３０１内を伝播するにつれて、ＧａＮ系半導体レーザ素子の光射出領域の大きさから導光体３０１内のコア２００の径の大きさに広がる。
【００２４】
これらの理由から、ＧａＮ系半導体レーザ素子３００が結合されている線状導光体３０１の端面上に光反射用アルミニウム膜を設けることによって、レーザ光の損失を効果的に抑制することができ、良好な効率の線状照明装置を実現することができる。
【００２５】
なお、導光体３０１の端面上において、ＧａＮ系半導体レーザ素子のＮＦＰ（近視野像）の領域に、レーザ入射光の反射を防止するような光学膜を形成しておいてもよい。また、ＧａＮ系半導体レーザ素子３００は、レンズを介して線状導光体３０１と光学的に結合されていてもよい。
【００２６】
（実施形態３）
図５の模式的な斜視図を参照して、本発明の実施形態３による線状発光体を用いた照明装置が説明される。前述の実施形態に比べて本実施形態３における特徴的な点は、発光素子にＧａＮ系半導体レーザ素子３００を用いて、部分導光体３０１と部分導光体５００とが組み合わされていることである。
【００２７】
部分導光体５００においては、アクリル樹脂からなるコアが、そのコアより低い屈折率のフッ素系樹脂のクラッドで覆われている。そして、この部分導光体５００の一方端面には、ＧａＮ半導体レーザ素子３００が樹脂３０２によって固定されている。この端面上において、ＧａＮ半導体レーザ素子３００からレーザ光が入射される領域以外の領域には、導光体内を伝播するレーザ光を反射するアルミニウム膜（図示せず）が設けられている。
【００２８】
他方の部分導光体３０１においては、アクリル樹脂からなるコアがそのコアより低い屈折率のフッ素系樹脂のクラッドで覆われ、さらにその外周面は蛍光体が分散された透明アクリル樹脂層で覆われている。そして、この部分導光体３０１の一方端面上には、光反射用のアルミニウム膜１０３が設けられている。なお、この部分導光体３０１のコアの一部には、実施形態２の場合と同様にレーザ光を散乱させる拡散体が設けられている。
【００２９】
さらに、これらの部分導光体３０１と部分導光体５００とが、プラスチック樹脂の射出形成により作製されたネジ機構５０１によって、互いに光学的に結合されている。
【００３０】
以上の構成により、ＧａＮ半導体レーザ素子３００から部分導光体３０１内へ導入されたレーザ光が蛍光体層に照射され、その蛍光体層からの各蛍光色の混色によって白色照明光４０１が得られる。また、ＧａＮ半導体レーザ素子３００が結合されている端面においてレーザ光の損失を抑制できるので、良好な効率の線状照明装置を実現することができる。さらに、このような本実施形態３の構成により、ＧａＮレーザ素子３００が結合された部分導光体５００を取り替えることによって、半導体レーザ素子の取替えを容易に行うこともできる。
【００３１】
（実施形態４）
図６の模式的な斜視図を参照して、本発明の実施形態４による線状発光体を用いた照明装置が説明される。実施形態３に比べて本実施形態４における特徴的な点は、部分導光体３０１の一方端面にＧａＮ半導体レーザ素子３００が樹脂３０２によって結合され、もう一つの部分導光体５００の一方端面上に光反射用アルミニウム膜１０３が設けられていることである。そして、これら２つの部分導光体３０１、５００が、プラスチック樹脂の射出形成により作製されたネジ機構５０１によって、互いに光学的に結合されている。
【００３２】
以上の構成により、ＧａＮ半導体レーザ素子３００から部分導光体３０１内へ導入されたレーザ光が蛍光体層に照射され、その蛍光体層からの各蛍光色の混色によって白色照明光４０１が得られる。また、ＧａＮ半導体レーザ素子３００が結合されている導光体の端面においてレーザ光の損失を抑制できるので、良好な効率の線状照明装置を実現することができる。
【００３３】
（実施形態５）
図７を参照して、本発明の実施形態５による線状導光体を用いた面状の照明装置が説明される。図７（ｂ）は、この面状照明装置の模式的な平面図を示している。実施形態１と同様の断面構造を有する線状導光体１０２の一方端面にはＧａＮ系半導体レーザ素子３００が結合され、その他方端面には光反射用アルミニウム膜１０３が形成されている。なお、ＧａＮ系半導体レーザ素子３００が結合されている線状導光体１０２の端面上においては、他の実施形態の場合と同様にＧａＮ系半導体レーザ素子３００の光が入射される領域以外の領域に、光反射用アルミニウム膜（図示せず）が形成されている。
【００３４】
図７（ａ）においては、図７（ｂ）の面状照明装置の模式的な断面図が示されている。線状導光体１０２は、台座７０１を介して面状照明装置の本体フレーム７０２に固定されている。ＧａＮ系半導体レーザ素子３００から線状導光体１０２中に導入されたレーザ光は、その導光体のコア内の光拡散体で散乱されて周りに放射される。そして、この放射されたレーザ光は蛍光体が分散された透明アクリル樹脂板４００に照射され、各蛍光体から放射される各蛍光色の混色によって白色照明光４０１が得られる。
【００３５】
蛍光体板４００上には、人間の目に対する安全性の観点からＧａＮ系半導体レーザ素子からのコヒーレントなレーザ光がそのまま空間に放射されるのを防ぎ、かつ蛍光体からの蛍光が上方空間に放射されるような光学特性を有するシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜からなる光学膜７００が形成されている。なお、このような光学積層膜の膜厚や構成は、膜中での光干渉の原理を用いた一般的な設計手法を用いて設計することができる。
【００３６】
以上のような構成において、線状導光体１０２の長さと配置形状を必要に応じて適宜に変更することによって、容易に任意の大きさを有する良好な効率の面状照明装置を実現することができる。
【００３７】
（実施形態６）
図８を参照して、本発明の実施形態６による線状導光体を用いた表示装置が説明される。図８（ｂ）は、この表示装置の模式的な平面図を示している。この平面構造は、実施形態５の場合と同様のものである。すなわち、線状導光体１０２の一方端面にはＧａＮ系半導体レーザ素子３００が結合され、その他方端面には光反射用アルミニウム膜１０３が形成されている。また、ＧａＮ系半導体レーザ素子３００が結合されている線状導光体１０２の端面上においては、他の実施形態の場合と同様にＧａＮ系半導体レーザ素子３００の光が入射される領域以外の領域に、光反射用アルミニウム膜（図示せず）が形成されている。
【００３８】
図８（ａ）においては、図８（ｂ）の表示装置の模式的な断面図が示されている。線状導光体１０２は、台座７０１を介して表示装置の本体フレーム７０２に固定されている。そして、ＧａＮ系半導体レーザ素子３００から線状導光体１０２中に導入されたレーザ光は、その導光体のコア内の光拡散体で散乱されて周りに放射される。
【００３９】
この散乱放射されたレーザ光の光強度を制御するように、偏光板に挟まれたアクティブマトリクス駆動型ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を含む液晶光変調素子８００が設けられている。
【００４０】
さらに、この液晶光変調素子８００上には、赤、緑、および青のそれぞれの色を発光する蛍光体が分散された透明アクリル樹脂片８０１、８０２、８０３がピクセル状に設けられている。そして液晶光変調素子８００を制御することにより赤、緑、青の蛍光が選択的に空間に放射され得る。
【００４１】
実施形態５の場合と同様に本実施形態６においても、蛍光体８０１、８０２、８０３上には、人間の目に対する安全性の観点からＧａＮ系半導体レーザ素子からのコヒーレントなレーザ光がそのまま空間に放射されるのを防ぎ、かつ蛍光体からの蛍光が上方空間に放射されるような光学特性を有するシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜からなる光学膜７００が形成されている。
【００４２】
以上のような構成において、線状導光体１０２の長さと配置形状を必要に応じて適宜に変更することによって、容易に任意の大きさを有する良好な効率の表示装置を実現することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光の損失が小さくかつ容易に形成し得る線状導光体を含む線状発光体を提供し得るとともに、その線状発光体を含む照明装置および表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１による線状の発光体を示す模式的な斜視図である。
【図２】（ａ）は実施形態１における線状発光体に含まれる線状導光体の模式的断面構成図であり、（ｂ）はその導光体の一方端面図である。
【図３】本発明の実施形態２によるの線状照明装置を示す模式的な斜視図である。
【図４】実施形態２の線状照明装置に含まれる線状導光体の模式的な断面図である。
【図５】本発明の実施形態３による線状照明装置を示す模式的な斜視図である。
【図６】本発明の実施形態４による線状照明装置を示す模式的な斜視図である。
【図７】（ａ）は本発明の実施形態５による面状照明装置を示す模式的な断面図であり、（ｂ）はその面状照明装置の模式的な平面図である。
【図８】（ａ）は本発明の実施形態６による表示装置を示す模式的な断面図であり、（ｂ）はその表示装置の模式的な平面図である。
【図９】従来の線状照明装置に含まれる線状導光体の模式的な断面図である。
【符号の説明】
１００ＩｎＧａＡｌＰ系発光ダイオード素子、１０１レンズ、１０２線状導光体、１０３アルミニウム膜、１０４、１０５光強度分布、１０６拡散光、２００コア、２０１クラッド、２０２光拡散体（ＴｉＯ_２）、２０３光入射領域、２０４アルミニウム膜、３００ＧａＮ系半導体レーザ素子、３０１導光体、３０２樹脂、４００蛍光体が分散された透明アクリル樹脂、４０１白色照明光、５００部分導光体、５０１ネジ機構、７００光学膜、７０１台座、７０２本体フレーム、８００液晶光変調素子、８０１赤色蛍光体、８０２緑色蛍光体、８０３青色蛍光体、９００コア、９０１クラッド、９０２被覆部、９０３蛍光体。

Claims

発光素子と線状の導光体を含み、
前記線状導光体はコアとそのコアを覆うクラッドを含むとともに、その導光体内を伝播する光を部分的に散乱させる光拡散構造をさらに含み、
前記線状導光体の一方端面には前記発光素子が光学的に結合されており、
前記一方端面上において前記発光素子からの光入射領域以外の領域には前記導光体内を伝播する光を反射する光学膜が形成されており、
前記線状導光体の他方端面上においても前記導光体内を伝播する光を反射する光学膜が形成されていることを特徴とする線状発光体。
２つの発光素子と線状の導光体を含み、
前記線状導光体はコアとそのコアを覆うクラッドを含むとともに、その導光体内を伝播する光を部分的に散乱させる光拡散構造をさらに含み、
前記線状導光体の両端面の各々に１つの前記発光素子が光学的に結合され、
前記両端面の各々上において前記発光素子からの光入射領域以外の領域には前記導光体内を伝播する光を反射する光学膜が形成されていることを特徴とする線状発光体。
前記線状導光体は機械的な機構により着脱可能な複数の線分状部分が光学的に結合されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の線状発光体。
前記発光素子は発光ダイオードまたは半導体レーザであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の線状発光体。
請求項１から４のいずれかに記載された線状発光体を含む照明装置であって、前記発光素子が生じる光の波長を異なる波長に変換する蛍光体が前記線状導光体の周囲に配置されていることを特徴とする線状の照明装置。
請求項１から４のいずれかに記載された線状発光体を含む照明装置であって、前記発光素子が生じる光の波長を異なる波長に変換する蛍光体が前記導光体からの散乱光を受けるように平板状に配置されていることを特徴とする面状の照明装置。
請求項１から４のいずれかに記載された線状発光体を含む表示装置であって、前記発光素子が生じる光の波長を異なる波長に変換する蛍光体が前記導光体からの散乱光を受けるようにピクセル状に配置され、前記蛍光体に入射する光と蛍光体から放射される蛍光との少なくとも一方の光強度を変調する光変調手段を含むことを特徴とする表示装置。