JP2005235841A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率が高く、かつ出力された光を人間が直視することのできる発光装置を提供する。
【解決手段】レーザ素子２の出力方向に拡散反射板３を配置し、レーザ素子２が出力した光を拡散反射板３で反射してから発光装置の外部へ出力する。この構成により、レーザ素子２が出力した光は拡散反射板３で間接光に変換されてから外部へ出力されるので、人間の目に比較的安全な拡散光として取り出すことができる。また、レーザ素子２を用いたことで、発光ダイオードよりも高い発光効率を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ素子を内蔵し、レーザ素子が発した光を外部へ出力する発光装置に関する。

人間の目で直視できる光を出力する発光装置としては、電球や発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）がある。図６は、発光ダイオードの基本構成を示す斜視図である。同図の発光ダイオードは、ｎ型半導体基板１０の上層に、発光層よりもバンドギャップが小さいｎ型クラッド層２０が形成され、その上層に発光層３０が形成され、さらにその上層に発光層３０よりもバンドギャップが小さいｎ型クラッド層４０が形成される。このｎ型クラッド層４０の上面にｐ電極１００が配置され、ｎ型半導体基板１０の下面にｎ電極１１０が配置される。ｐ電極１００は外部電源の一方の端子に接続された金製のワイヤ１２０を介して通電され、ｎ電極１１０は外部電源の他方の端子に接続された平面状電極の表面に接触配置される。

同図に示すように、発光層３０が発した光は全方向へ向かう。ただし、ｎ型半導体基板１０が不透明の場合には、発光層３０から下方向へ向かう光はｎ型半導体基板１０により吸収される。

一般に、クラッド層２０，４０の屈折率ｎは３．２程度であり、空気の屈折率よりも相当に高いため、クラッド層を介して外部へ取り出すことのできる光は少ない。屈折率ｎが１．５程度のエポキシなどの透明樹脂でクラッド層２０を囲うようにした場合には、屈折率の関係により、発光層３０の任意の位置から発した光のうち、その任意位置からクラッド層２０とエポキシとの界面へ向かう方向に対して４１°以内の角度で界面に入射した光は、クラッド層２０からエポキシへ透過するが、４１°を超える角度で入射した光は、界面で全反射してクラッド層２０へと戻る。すなわち、任意位置を頂点とする頂角が８２°の円錐６の範囲内の光については、外部へ取り出すことができるが、この円錐６の範囲外に発せられた光については、外部へ取り出すことができないため、発光ダイオードの外部に対する発光効率は１０％程度と非常に低いものとなっている。

一方、レーザダイオード等のレーザ素子は、電流を光に変換する効率が高く、しかも発光層が発した光は全方向へは向かわず、その照射範囲が発光ダイオードよりも狭いので、光学設計が容易である。レーザ素子を用いた発光装置については、例えば特許文献１，２に記載のものが知られている。

図７は、レーザダイオードの構成を示す斜視図である。この基本的な構成は、発光ダイオードのものと似ている。すなわち、ｎ型半導体基板１０の上層に、発光層よりもバンドギャップが小さいｎ型クラッド層２０が形成され、その上層に発光層３５が形成され、さらにその上層に発光層３５よりもバンドギャップが小さいｎ型クラッド層４０が凸状に形成される。このｎ型クラッド層４０の凸部上面にｐ電極１００が配置され、ｎ型半導体基板１０の下面にｎ電極１１０が配置される。ｐ電極１００は外部電源の一方の端子に接続されたワイヤ１２０を介して通電され、ｎ電極１１０は外部電源の他方の端子に接続された平面状電極の表面に接触配置される。ただし、発光層３５は、一般に発光ダイオードのものよりも薄く、平面形状が長方形であり、一方向のみに長く励起されたストライプ構造である。すなわち、発光層３５は、この長手方向へだけ光を出力する導波路になっている。レーザダイオードの長手方向の両端に位置する端面５０，６０は鏡面となっており、発光層３５が長手方向へ発した光をこれらの端面５０，６０で反射して発光層３５の内部へ戻し、反射を繰り返させることで発振させる。レーザダイオードは、一定のしきい値以上の電流が流れるとレーザ光が発振し、端面５０，６０から外部へ放射される。レーザダイオードは、電流のほとんどがレーザ光に変換されるので効率がよい。ここで、一方の端面５０からのみ光を取り出したい場合には、他方の端面６０の表面全体に高反射膜７０をコーティングして反射率を上げることで、端面６０から外に光が逃げないようにする。

レーザダイオードにおける発光層３５が発する光の照射範囲は、照射方向に対して２０°〜３０°程度と狭く、光学設計が容易であるとともに、発光層３５が発した光は、クラッド層２０，４０を介することなく端面５０，６０から外部へ放射されるので、発光ダイオードに比較すると発光効率が高い。
特開平９−３０７１７４号公報 特開２００２−３４１２４６号公報

このように、発光ダイオードを用いた発光装置では、出力した光を人間の目で直視できる一方で発光効率が低いという問題があり、レーザダイオードを用いた発光装置では、発光効率が高い一方で出力したレーザ光を直視することが人間の目にとっては有害であるため実用に耐えないという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発光効率が高く、かつ出力された光を人間が直視することのできる安全な発光装置を提供することにある。

第１の本発明に係る発光装置は、レーザ素子の出力方向に拡散反射板が配置され、レーザ素子から出力された光を拡散反射板の表面で反射させてから外部へ出力することを特徴とする。

本発明にあっては、レーザ素子の出力方向に拡散反射板を配置し、レーザ素子が出力した光を拡散反射板で反射してから発光装置の外部へ出力することで、レーザ素子が出力した光を拡散反射板で間接光に変換し、人間の目に比較的安全な拡散光として取り出せるようにしている。また、レーザ素子を用いたことで、発光ダイオードよりも高い発光効率が得られるようにしている。

第２の本発明に係る発光装置は、前記拡散反射板をすり鉢状に形成したことを特徴とする。

本発明にあっては、拡散反射板をすり鉢状に形成したことで、拡散反射板で拡散反射して光出力口へ向かわなかった光を２次反射させて外部へ取り出せるようにして、発光効率をさらに高めるようにしている。

第３の本発明に係る発光装置は、複数のレーザ素子を備え、各レーザ素子が出力した光をそれぞれ拡散反射板の表面で反射させることを特徴とする。

本発明にあっては、複数のレーザ素子が出力した光をそれぞれ拡散反射板の表面で反射させることで、レーザ素子を１つだけ用いた場合と比較して、より多くの光出力が得られるようにしている。

第４の本発明に係る発光装置は、前記複数のレーザ素子が出力する光の波長をそれぞれ異なる波長としたことを特徴とする。

本発明にあっては、複数のレーザ素子が出力する光の波長をそれぞれ異なる波長としたことで、同一波長のレーザ光同士が衝突して互いに干渉することがないようにしている。

第５の本発明に係る発光装置は、前記拡散反射板の内側表面で囲まれた空間を透明材料で封止したことを特徴とする。

本発明にあっては、拡散反射板の内側表面で囲まれた空間を透明材料で覆うことで、一定の強度を与え、すり鉢状の拡散反射板およびレーザ素子を保護するようにしている。

第６の本発明に係る発光装置は、前記透明材料を光出力口においてレンズ状に盛り上げたことを特徴とする。

本発明にあっては、透明材料を光出力口でレンズ状に盛り上げたことで、光出力の広がりを抑え、指向性を向上させるようにしている。

本発明に係る発光装置によれば、発光ダイオードを用いた場合よりも発光効率を高くできると共に、出力光を人間が直視することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における発光装置の概略的な構成を示す断面図である。同図の発光装置は、レーザ素子２のレーザの出力方向に拡散反射板３を配置し、拡散反射板３の表面で反射された間接光を外部へ出力するようにした構成である。レーザ素子２と拡散反射板３との間ではレーザの通路が確保されている。レーザ素子２の基本的な構成は、一例として図７を用いて説明したものと同様とする。なお、図１では、図７と同一物には同一の符号を付すものとし、ここでは重複した説明は省略する。

このレーザ素子２は、本発光装置において図示しない電源の一方の端子に接続された平面状の電極４の上に搭載され、レーザ素子２の底辺に位置するｎ電極１１０が電極４に接続される。また、レーザ素子２の上部に位置するｐ電極１００は、ワイヤ１２０を介して上記電源の他方の端子に接続された電極５に接続される。拡散反射板３は、安価なポリフタルアミド（ＰＰＡ）白色樹脂からなる。

この拡散反射板３により、拡散反射板３の表面に照射された光は、全方向に等価的に反射される。本発光装置の光出力口を同図の上方に配置し、拡散反射板３の傾斜角度を０〜９０°の範囲で適切に設定することで、より多くの拡散反射光を上方へ取り出せるようにする。

レーザ素子２の後方端面には、９９％以上の反射率を有する高反射膜７０が配置されており、この高反射膜７０により光はレーザ素子内部に反射され、レーザ素子２の後方に対してはほとんど出力されない。なお、レーザ素子２の後方に出力される１％の光については、レーザ素子２の後方にも拡散反射板３を配置することで、拡散反射させた後の間接光を発光素子の外部へ取り出すことができる。

したがって、本実施の形態によれば、レーザ素子２の出力方向に拡散反射板３を配置し、レーザ素子２が出力した光を拡散反射板３で反射してから発光装置の外部へ出力することで、レーザ素子２が出力した光が間接光に変換されるので、人間の目に比較的安全な拡散光として外部へ取り出すことができる。また、レーザ素子を用いたことで、発光ダイオードよりも高い発光効率を得ることができる。

［第２の実施の形態］
図２は、第２の実施の形態における発光装置の構成を示す斜視図である。同図の発光装置は、拡散反射板３の形状をすり鉢状とし、レーザ素子２を拡散反射板３の一部に設けた切り欠き部分に配置した構成である。レーザ素子２の出力方向は、その切り欠き部分に対向する拡散反射板表面に向いており、レーザ素子２と拡散反射板３との間では光の通路が確保されている。

レーザ素子２が出力したレーザ光は、対向する位置の拡散反射板の表面で拡散反射する。拡散反射した光のうち、上方の光出力口へ向かわなかった光は、すり鉢状の拡散反射板３の表面で２次反射することになる。

本実施の形態によれば、拡散反射板３をすり鉢状としたことで、拡散反射板３で拡散反射して光出力口へ向かわなかった光を２次反射させて外部へ取り出すことができ、発光効率をさらに高めることができる。

［第３の実施の形態］
図３は、第３の実施の形態における発光装置の構成を示す斜視図である。同図の発光装置は、複数のレーザ素子を備えた構成である。ここでは、一例として３個のレーザ素子２ａ乃至２ｃを用いる。各レーザ素子２ａ乃至２ｃは、出力方向を発光装置の内側へ向けた状態で、すり鉢状の拡散反射板３に対称性をもって均等間隔で設けられた３つの切り欠き部にそれぞれ配置される。すなわち、各レーザ素子２ａ乃至２ｃの出力先には、全体としてすり鉢状を形成する拡散反射板３ａ乃至３ｃがそれぞれ配置された構成である。各レーザ素子２ａ乃至２ｃと各拡散反射板３ａ乃至３ｃとの間ではレーザ光の通路が確保されている。

本実施の形態によれば、複数のレーザ素子２ａ乃至２ｃの出力先に、全体としてすり鉢状となる拡散反射板３ａ乃至３ｃをそれぞれ配置したことで、各レーザ素子２ａ乃至２ｃから出力され拡散反射板３ａ乃至３ｃで反射した光のうち、光出力口へ向かわなかった光をすり鉢状の拡散反射板で２次反射させることができ、レーザ素子２を１つだけ用いた場合と比較してより多くの光出力を得ることができ、発光効率をさらに高めることができる。

また、各レーザ素子２ａ乃至２ｃを対称性をもって等間隔で配置したことで、レーザ素子２を１つだけ用いた場合と比較して、対称性に優れた光の出力パターンを得ることができる。

ところで、レーザ光が複数ある場合、同一波長のレーザ光は、衝突した部分でお互いに打ち消しあうなどの干渉を起こし易い。そこで、各レーザ素子２ａ乃至２ｃが出力する光の波長が重ならないように、それぞれ異なる波長とすることが望ましい。また、各レーザ素子２ａ乃至２ｃの波長を適切に設定することで、発光装置が出力する光の色合いを微妙に調整することも可能である。さらに、各レーザ素子２ａ乃至２ｃが出力する光の波長を光の３原色である赤，緑，青とすることで、出力光を白色化することも可能である。

［第４の実施の形態］
図４は、第４の実施の形態における発光装置の構成を示す斜視図である。同図の発光装置は、図３に示した発光装置において、複数のレーザ素子２ａ乃至２ｃが配置されたすり鉢状の拡散反射板３の内側表面で囲まれた空間を透明材料６で封止した構成である。透明材料６としては、例えば安価なエポキシ等を用いる。なお、その他、図３と同一物には同一の符号を付すものとし、ここでは重複した説明は省略する。

本実施の形態によれば、拡散反射板３の内側表面で囲まれた空間を透明材料６で覆うことで、一定の強度を与えることができ、すり鉢状の拡散反射板３ａ乃至３ｃおよびレーザ素子２ａ乃至２ｃを保護することができる。

なお、本実施の形態では、複数のレーザ素子２ａ乃至２ｃが示された図面を用いて説明したが、レーザ素子は１つであっても構わない。

［第５の実施の形態］
図５は、第５の実施の形態における発光装置の構成を示す斜視図である。同図の発光装置は、図４に示した発光装置において、透明材料６を光出力口においてレンズ状に盛り上げた構成である。同図では透明材料を符号７で示す。その他、図４と同一物には同一の符号を付すものとし、ここでは重複した説明は省略する。

本実施の形態によれば、透明材料を光出力口においてレンズ状に盛り上げたことで、光出力の広がりを抑えることができ、指向性を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、複数のレーザ素子２ａ乃至２ｃが示された図面を用いて説明したが、レーザ素子は１つであっても構わない。

第１の実施の形態における発光装置の概略的な構成を示す断面図である。 第２の実施の形態における発光装置の構成を示す斜視図である。 第３の実施の形態における発光装置の構成を示す斜視図である。 第４の実施の形態における発光装置の構成を示す斜視図である。 第５の実施の形態における発光装置の構成を示す斜視図である。 発光ダイオードの構成を示す斜視図である。 レーザダイオードの構成を示す斜視図である。

符号の説明

２，２ａ〜２ｃ…レーザ素子
３，３ａ〜３ｃ…拡散反射板
４，５…電極，６，７…透明材料
１０…ｎ型半導体基板
２０，４０…ｎ型クラッド層
３０，３５…発光層
５０，６０…端面，７０…高反射膜
１００…ｐ電極，１１０…ｎ電極
１２０…ワイヤ

Claims (6)

1. レーザ素子の出力方向に拡散反射板が配置され、レーザ素子から出力された光を拡散反射板の表面で反射させてから外部へ出力することを特徴とする発光装置。
2. 前記拡散反射板をすり鉢状に形成したことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 複数のレーザ素子を備え、各レーザ素子が出力した光をそれぞれ拡散反射板の表面で反射させることを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
4. 前記複数のレーザ素子が出力する光の波長をそれぞれ異なる波長としたことを特徴とする請求項３記載の発光装置。
5. 前記拡散反射板の内側表面で囲まれた空間を透明材料で封止したことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の発光装置。
6. 前記透明材料を光出力口でレンズ状に盛り上げたことを特徴とする請求項５記載の発光装置。
   

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