JP2006040843A

JP2006040843A - 照明装置

Info

Publication number: JP2006040843A
Application number: JP2004223423A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Morioka; 達也森岡
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】蛍光の光強度が温度により変動することを抑制でき、また白色の色度図の座標（色温度）の変動を抑制できる照明装置を提供する。
【解決手段】照明装置は、半導体レーザ素子１００と、その半導体レーザ素子１００の外部に設けられた、閾値利得に波長選択性を有する構成部材と、半導体レーザ素子１００からの光を吸収し蛍光を放射する蛍光体が分散された蛍光体層とを備えている。これにより、この照明装置においては、蛍光強度の変動の抑制や色温度の抑制を制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源に半導体レーザ素子と蛍光体を用いた照明装置に関し、特に色温度を良好に保ちうる照明装置の構成に関するものである。

従来、半導体レーザ素子を励起光源とし、この光源により励起される蛍光体からなる発光装置の構成がたとえば特開平７−２８２６０９号公報に開示されている。

また、半導体レーザ素子と光ファイバー型導光体からなり、光ファイバー導光体のクラッド部よりも外側に半導体レーザ素子からのレーザ光によって可視光が発光可能な蛍光物質が備えられている発光装置の構成がたとえば特開２００２−１４８４４２号公報に開示されている。

これらの発光装置の特徴は、従来の様に励起光源として発光ダイオードを用い、これに蛍光体が組み合わされたものに対して、高出力化が可能な半導体レーザ素子を蛍光体の励起光源として用いている点である。

また他の特徴は、出射光を絞ることが可能な半導体レーザ素子の特徴を生かすことができる導光体として、比較的狭いコア領域を有し、且つ、点状光源を線状光源に容易に変換でき、更に、赤色、緑色、青色で発色できうる蛍光物質が周りに構成されている光ファイバー型導光体を用いていることにある。この構成は液晶のバックライト、液晶プロジェクター用の光源や家庭などで使用される一般照明や各種表示板などに適応することができる。
特開平７−２８２６０９号公報特開２００２−１４８４４２号公報

本発明者が上記の構成について、詳細に検討したところ、単色（赤色、緑色、青色などの単色）で発色する蛍光物質により発光装置が構成されている場合は、これらの色の光強度が温度により著しく変動することが解った。更に、白色（赤色、緑色、青色の混色）を発色する蛍光体から発光装置が構成されている場合には、白色の色度図上の座標（色温度）が変動してしまうことも解った。

これらの理由を詳細に調べたところ、蛍光体を励起する半導体レーザ素子と蛍光体の吸収スペクトルとの関係により上記現象が生じることがわかった。

これについて図８の半導体レーザ素子のスペクトル（ｉ）と例えば青色の蛍光体の吸収スペクトル（ｉｉ）及び発光スペクトル（ｉｉｉ）のそれぞれを用いて説明を行う。

通常、半導体レーザ素子の発振スペクトル幅は数nm程度である。又、蛍光体の励起光の吸収スペクトルは蛍光体を構成する母体結晶などの影響により波長依存性を有する。

更に、半導体レーザ素子の発振波長は温度により０．１〜０．２ｎｍ／Ｋ程度変化する。この結果、蛍光体に吸収される半導体レーザ素子の光量が変わり、その結果、蛍光体から発光される蛍光の光強度が変わってしまう。この蛍光の光強度の温度による変動はスペクトル幅の狭い半導体レーザ素子の場合に、特に顕著に表れる。

また図９を参照して、（ａ）青色、（ｂ）緑色、（ｃ）赤色で発色する蛍光体は母体結晶などが異なるため、各々の吸収スペクトルでの波長依存性が異なる。このため、半導体レーザ素子の発振波長の変化によって、蛍光体から発光する光強度比がそれぞれの蛍光体に応じて変わってしまう（図９の実線から点線へ変わってしまう）。この結果、これらの混色により決まる白色の色度図の座標（色温度）も変動してしまう。

それゆえ本発明の目的は、蛍光の光強度が温度により変動することを抑制でき、また白色の色度図の座標（色温度）の変動を抑制できる照明装置を提供することである。

本発明の照明装置は、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の外部に設けられた、閾値利得に波長選択性を有する構成部材と、半導体レーザ素子からの光を吸収し蛍光を放射する蛍光体が分散された蛍光体層とを備えている。

本発明の照明装置によれば、閾値利得に波長選択性を有する構成部材が半導体レーザ素子の外部に設けられているため、半導体レーザ素子から放射された光において、ある特定の波長のみが強め合いスペクトルの広がりを少なくでき、安定した単一モード発振を得ることができる。これにより、発振波長の変動を抑制できるため、蛍光の光強度が温度により変動することを抑制でき、また白色の色度図の座標（色温度）が変動することを抑制できる。

上記の照明装置において好ましくは、閾値利得に波長選択性を有する構成部材は、半導体レーザ素子の光が放射される一方の端面と、その一方の端面に半導体レーザ素子から放射された光を反射させる反射体とを有する外部共振器により構成されており、反射体は外部共振器の長さが半導体レーザ素子の共振器長さより短くなるような位置に配置されている。

この外部共振器の共振器長を半導体レーザ素子の共振器長で決まる軸モードの間隔より狭く設定しているので、温度の変動に対しレーザの利得分布がシフトしても、外部共振器で決まる発振軸モード間隔が広いため、この発振軸モードのモードホップ（波長変動）を抑制することができる。

上記の照明装置において好ましくは、閾値利得に波長選択性を有する構成部材は、半導体レーザ素子の一方の端面側に配置されており、かつ一方の端面側の活性層から放射される光の波長の１つを選択する回折格子と、この選択された光を活性層に反射させる反射体とを有する。

この構成により、半導体レーザ素子の発振軸モードはレーザの利得分布とこの回折格子で決まる軸モード要因により選択されるため、温度などの変動に対してモードホップ（波長変動）を抑制することができる。

上記の照明装置において好ましくは、閾値利得に波長選択性を有する構成部材は、半導体レーザ素子の一方の端面側に配置されており、かつコアとクラッドを含み、かつコアの少なくとも一部分にコアを伝播する光の一部を反射する回折格子が形成された光ファイバー型導光体により構成されている。

この構成において理想的な状態では、発振波長はこの回折格子で決まるブラッグ波長で発振する。そしてこのブラッグ波長は温度変動の影響を受けにくいことからモードホップ（波長変動）を抑制することができる。

上記の照明装置において好ましくは、半導体レーザ素子から放射された光が入射し、この光がコア内を伝播しつつ一部が外部に散乱するようなコアとクラッドとを有し、かつクラッドの周りに形成されコアからの散乱光を吸収して蛍光を放射する蛍光体が分散された蛍光体層を有する線状光源形成用光ファイバー型導光体を有する。

これにより線状光源を実現することができる。

上記の照明装置において好ましくは、コア内には、そのコア内を伝播する光を散乱する散乱体が形成されている。

上記の照明装置において好ましくは、半導体レーザ素子から放射された光が入射し、この光がコア内を伝播しつつ一部が外部に散乱するようなコアとクラッドとを有し、かつクラッドの光が存在する領域にこの光を吸収あるいは散乱し蛍光を放射する蛍光体が分散された蛍光体層を含む線状光源形成用光ファイバー型導光体を有する。

これにより線状光源を実現することができる。

以上説明したように、本発明によれば、光源として固体発光素子、特に半導体レーザ素子と蛍光体を用いた照明装置において、蛍光の光強度または色温度が良好な液晶のバックライトや一般照明に適した照明装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明による照明装置の実施の形態１の構成を模式的に示した図である。図１を参照しつつ、本実施の形態による照明装置の説明を行う。なお、本願の図面において、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。また、図面における長さ、厚さ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。

半導体レーザ素子１００は、ＧａＮ基板上にｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層、ｎ型ＧａＮガイド層、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ量子井戸層／ＧａＮ障壁層からなる多重量子井戸活性層、ｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＮ保護層、ｐ型ＧａＮガイド層、ｐ型Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層がＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、積層されて構成されている（積層構造は図示せず）。

なお、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ量子井戸層の混晶比は、蛍光体によるストークス損失を抑え、効率良く励起できうる例えば４０５ｎｍ程度の波長となるように選択される。また、活性層上方のｐ型Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層の領域には数十μｍのストライプ幅となるようなリッジ構造が形成され、更に、このリッジ上面と基板側にはｐ型とｎ型電極がそれぞれ形成されている。

この半導体レーザ素子１００の共振器端面の両面には、端面を保護するためのＡｌ₂Ｏ₃からなるλ／２ｎ（用いられる波長λｎｍと屈折率ｎ）ｎｍ膜厚の光学膜１０１が構成されている。

さらに、半導体レーザ素子１００（共振器長さ４００μｍ）の片側の端面から半導体レーザ素子１００の共振器長さ以下（例えば２００μｍ）の位置に、このレーザ光を反射するよう、表面にアルミニウム膜がコーティングされた反射鏡１０２が配置されている。

この反射鏡１０２により、半導体レーザ素子１００から放射された光に対し半導体レーザ素子１００の端面とこの反射鏡１０２との間に外部共振器構造が形成される。

このため発振軸モードは、レーザの利得分布とレーザ軸モードに加えて、この外部共振器による波長選択の要因により選択される。このように、この外部共振器構造は閾値利得に波長選択性を有している。

この外部共振器の共振器長を半導体レーザ素子１００の共振器長で決まる軸モードの間隔より狭く設定しているので、温度の変動に対しレーザの利得分布がシフトしても、外部共振器で決まる発振軸モード間隔が広いため、この発振軸モードのモードホップ（波長変動）を抑制することができる。

また半導体レーザ素子１００のもう１方の端面から放射される光は、赤色（Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）、および青色（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ^2＋の蛍光体（図示せず）が所望とされる色温度となるような割合で分散されたアクリル樹脂板（蛍光体層）１０３に照射され、この中に分散された各蛍光体で吸収され、それぞれの蛍光体より放射される蛍光１０４の混色により、白色の面状照明装置を構成することができる。

なお、用いられる蛍光体の種類としては上述した構成のものに限らず様々なものを適応することができることは言うまでもない。また、１種類の蛍光体、例えば赤色の蛍光体のみを用いた場合に生じる、蛍光の光強度の温度依存性を防ぐ事もできる。

つまり、半導体レーザー素子１００からの光を吸収し、異なる波長の蛍光を放射する複数の蛍光体のうち少なくとも１つの蛍光体が蛍光体層１０３に分散されていればよい。

（実施の形態２）
図２は、本発明による照明装置の実施の形態２の構成を模式的に示した図である。図２を参照しつつ、本実施の形態による照明装置の説明を行う。

本実施の形態においては、半導体レーザ素子１００及び、蛍光体が分散されたアクリル樹脂板１０３については実施の形態１と同じ構成のものが用いられている。

実施の形態１との構成上の相違点は、半導体レーザ素子１００の１方の光学膜２０２の反射率を数％程度以下となるよう設定している点と、この光学膜２０２から放射される光をレンズ２００でコリメート光とし、この光を回折格子２０１に照射し、回折格子によって反射された光が反射鏡１０２で反射され、再度、この半導体レーザ素子１００の活性層内に入射するような光学構成としている点である。

尚、このような光学膜の膜厚、材質の設定は膜中における光の伝播における反射率、透過率の原理を用いることで容易に計算することが可能である。

ここで、半導体レーザ素子１００の発振波長λと回折格子２０１のピッチｄとの間には次の関係がある。尚、入射光に対する回折格子の間の角度をθとする。

ｄ＝ｍλ／（２sｉｎθ）（ｍ＝１、２、３、・・・）
以上の関係を用いて所望とされる光の波長が得られるよう角度θ、回折格子のピッチｄを選択することができる。ここで回折格子の溝の深さはピッチｄと同程度またはそれ以下であれば特に限定はされない。このような構成により、半導体レーザ素子１００の発振軸モードはレーザの利得分布とこの回折格子で決まる軸モード要因により選択される。このように、この構成は閾値利得に波長選択性を有している。このため、温度などの変動に対してモードホップ（波長変動）が抑制された半導体レーザ素子１００が実現される。

なお、本実施の形態で説明を行った回折格子２０１、反射鏡１０２の各部品が配置された光学構成以外に、半導体レーザ素子１００が作製されている基板上に回折格子、反射鏡などの光学部品がモノリシックに集積された光学構成をとることも可能である。

以上の構成においても色温度の変動の少ない白色の照明装置が構成できる。

（実施の形態３）
図３は、本発明による照明装置の実施の形態３の構成を模式的に示した図である。また図４は、図３における半導体レーザ素子と光ファイバー部分との詳細を示した断面構造図である。図３と図４とを参照しつつ、本実施の形態による照明装置の説明を行う。

半導体レーザ素子１００が実装されたパッケージ３００から放射された光はレンズ２００で集光され、光ファイバー３０１に入射される。

ここで半導体レーザ素子１００の端面には、端面反射率が数％程度以下となるような光学膜２０２が形成されている。また、この光が入射する光ファイバー３０１はＧｅが添加された石英系のコア４００とクラッド４０１とからなり、その少なくとも１部分のコア４００の屈折率が周期的に変化している回折格子４０２の構造を含んでいる。

このような屈折率変調構造の作製方法としては、波長２４０ｎｍの光を２分割し２光束干渉法と呼ばれる手法で形成された干渉縞のパターンによるＧｅドープファイバーの光誘起屈折率変化を用いて、ファイバ内に屈折率分布を形成することができる。

ここで回折格子によるブラッグ波長λＢは伝播モードの実効屈折率ｎｅｆｆとグレーティング周期Λにより、次式のように表される。

λＢ＝２ｎｅｆｆ・Λ
この時の発振軸モードは、レーザの利得分布とレーザ軸モードに加えて、このブラッグ波長λＢによる波長選択の要因により選択される。このように、この構成は閾値利得に波長選択性を有している。

理想的な状態では、発振波長はこの回折格子で決まるブラッグ波長λＢで発振する。そしてこのブラッグ波長λＢは温度変動の影響を受けにくいことからモードホップ（波長変動）が抑制された半導体レーザ素子１００が実現される。

この光ファイバー３０１の端面より放射される光が所望とされる色温度となるような割合で分散されたアクリル樹脂板１０３に照射され、この中に分散されている各蛍光体で吸収され、それぞれの蛍光体より放射される蛍光１０４の混色により色温度の変動の少ない白色の照明装置が構成できる。

（実施の形態４）
図５は、本発明による照明装置の実施の形態４の構成を模式的に示した図である。また図６は、図５における光ファイバー導光体の断面構造を示す図である。図５と図６とを参照しつつ、本実施の形態による照明装置の説明を行う。

本実施の形態の構成は、実施の形態３の構成と対比して、コアに回折格子が印刻された光ファイバー３０１の端面に光ファイバー導光体５００が結合されており、半導体レーザ素子１００より放射される点状光源が線状光源に変換される構成からなる点である。

この光ファイバー導光体５００は、ポリメチルメタクリレートのコア６００と、フッ素ポリマーのクラッド６０２とからなり、コア６００の一部にはこのコア６００を伝播する光を散乱する例えばＴｉＯ₂粒子６０１が分散されている。また、この光ファイバー導光体５００の半導体レーザ素子１００と結合していない側の端面には光ファイバー導光体５００内を伝播する光を反射するためのアルミニウム金属膜５０１が形成されている。

更に、このクラッド６０２の周りは、赤色、緑色、および青色の蛍光体が所望とされる色温度となるような割合で分散されたアクリル樹脂６０３（蛍光体層）により覆われている。

光ファイバー３０１からの光１０４がこの線状の光ファイバー導光体５００に結合されることによって線状光源が実現できる。

なお、本実施の形態の図５で示されるよう回折格子が形成された光ファイバー３０１とコアを伝播する光を散乱する散乱構造が含まれる光ファイバー導光体５００とが、１つの光ファイバー導光体の各領域部に形成される構成をとることも可能である。

このような線状の光ファイバー導光体は、長さや形状を任意にすることが可能であることから、様々な形状の光源を容易に実現でき、例えば、液晶のバックライトや一般照明である蛍光灯などの置き換えに用いることが可能な構成である。

図７には、図５における光ファイバー導光体５００の別の断面構造図を示している。図７の光ファイバー導光体５００は、コア６００とクラッド６０２とからなり、コア６００から漏れ出た光が存在する領域７００（エバネッセント領域）の一部は、赤色、緑色、および青色の蛍光体が所望とされる色温度となるような割合で分散されている蛍光体層７０１からなる。

このような光ファイバー型導光体５００においても、クラッド６０２に存在する光によって蛍光体層７０１が励起され蛍光１０４が外部に放射されることにより線状の発光体が実現できうる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、光源に半導体レーザ素子と蛍光体を用いた照明装置であって、色温度を良好に保ちうる照明装置の構成に特に有利に適用され得る。

本発明による照明装置の実施の形態１の構成を模式的に示した図である。本発明による照明装置の実施の形態２の構成を模式的に示した図である。本発明による照明装置の実施の形態３の構成を模式的に示した図である。図３における半導体レーザ素子と光ファイバー部分との詳細を示した断面構造図である。本発明による照明装置の実施の形態４の構成を模式的に示した図である。図５における光ファイバー導光体の断面構造を示す図である。図５における光ファイバー導光体の別の断面構造を示す図である。従来の課題を示すための半導体レーザ素子と蛍光体の吸収スペクトルと発光スペクトルの模式図である。半導体レーザ素子（励起光）の波長変動による蛍光の強度変動を示した模式図である。

符号の説明

１００半導体レーザ素子、１０１光学膜、１０２反射鏡、１０３蛍光体が分散された樹脂板、１０４蛍光、２００集光レンズ、２０１回折格子、２０２光学膜（低反射率）、３００パッケージ、３０１光ファイバー（一部に回折格子が形成）、４００コア、４０１クラッド、４０２回折格子、５００光ファイバー型導光体（蛍光体が形成）、５０１アルミニウム金属膜、６００コア、６０１光拡散体（ＴｉＯ２）、６０２クラッド、６０３蛍光体が分散されたアクリル樹脂、７００光分布が存在する領域（エバネッセント領域）、７０１蛍光体が分散された蛍光体層。

Claims

半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の外部に設けられた、閾値利得に波長選択性を有する構成部材と、
前記半導体レーザ素子からの光を吸収し蛍光を放射する蛍光体が分散された蛍光体層とを備えた、照明装置。
前記閾値利得に波長選択性を有する構成部材は、前記半導体レーザ素子の光が放射される一方の端面と、前記一方の端面に前記半導体レーザ素子から放射された光を反射させる反射体とを有する外部共振器により構成されており、
前記反射体は前記外部共振器の長さが前記半導体レーザ素子の共振器長さより短くなるような位置に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
前記閾値利得に波長選択性を有する構成部材は、前記半導体レーザ素子の一方の端面側に配置されており、かつ前記一方の端面側の活性層から放射される光の波長の１つを選択する回折格子と、この選択された光を前記活性層に反射させる反射体とを有することを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
前記閾値利得に波長選択性を有する構成部材は、前記半導体レーザ素子の一方の端面側に配置されており、かつコアとクラッドを含み、かつ前記コアの少なくとも一部分に前記コアを伝播する光の一部を反射する回折格子が形成された光ファイバー型導光体により構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
前記半導体レーザ素子から放射された光が入射し、この光がコア内を伝播しつつ一部が外部に散乱するようなコアとクラッドとを有し、かつ前記クラッドの周りに形成され前記コアからの散乱光を吸収して蛍光を放射する蛍光体が分散された前記蛍光体層を有する線状光源形成用光ファイバー型導光体を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置。
前記コア内には、前記コア内を伝播する光を散乱する散乱体が形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の照明装置。
前記半導体レーザ素子から放射された光が入射し、この光がコア内を伝播しつつ一部が外部に散乱するようなコアとクラッドとを有し、かつ前記クラッドの光が存在する領域にこの光を吸収あるいは散乱し蛍光を放射する蛍光体が分散された蛍光体層を含む線状光源形成用光ファイバー型導光体を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置。