JP2006071776A

JP2006071776A - 光ファイバ型発光体およびこれを備える照明装置

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Publication number: JP2006071776A
Application number: JP2004252496A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Morioka; 達也森岡
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】光ファイバの全体において均一な蛍光量を得ることができる光ファイバ型発光体を提供する。
【解決手段】本発明は、励起光を放射する励起光源と、所定の屈折率を有するコアと、該コアの外周に設けられ、該コアより小さい屈折率を有する内クラッドと、該内クラッドの外周に設けられ、該内クラッドより小さい屈折率を有する外クラッドと、を含み、前記コアと前記内クラッドとからなる領域に、前記励起光を吸収して蛍光を発光する蛍光物質が分散され、前記励起光は、前記コアと前記内クラッドとからなる領域中を導波し、前記蛍光は、前記コアと前記内クラッドと前記外クラッドとからなる領域中を導波することを特徴とする光ファイバ型発光体を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ型発光体およびこれを備える照明装置に関し、より詳細には、励起光を吸収して蛍光を発する蛍光物質を光ファイバに含有させた光ファイバ型発光体およびこれを備える照明装置に関する。

近年、蛍光体およびこの蛍光体を励起する励起光源に固体発光素子を用いて、白色やその他の色を発光させる、いわゆる固体照明分野（半導体照明分野）が急速に発展しつつある。

このような固体発光素子の構成例として、青色発光素子とこの青色発光素子の青色光を吸収して黄色を発光する蛍光体とを組み合わせたもの、紫外発光素子とこの紫外光を吸収して赤色、緑色または青色のいずれかを発光する蛍光体とを組み合わせたものなどがある。

前者は赤色の成分が少なく演色性に欠しいが色変換に関する損失（ストークス損失）が低く高発光効率が期待できる。一方、後者は良好な演色性を有すると言った特長がある。

現在、これらの一般的な光学形態は、いわゆる白色ＬＥＤに代表される砲弾型や表面実装型といった点状光源が主流となっている。

一方、これらの固体照明分野の応用範囲は、スポット照明や携帯電話のバックライトといった点状光源または点状光源を並べて実装する形態により比較的狭い範囲を照明する応用分野から、液晶バックライト、更には、ネオンなどの特殊照明分野、一般照明分野といった広い範囲を照明する応用分野へとその用途が広がりつつある。

広い範囲を照明するのに用いることができる構成の１つとして、下記特許文献１に開示される光ファイバー型の導光体構造の断面図を図７に示す。

図７において、コア７００の周りにクラッド７０１が形成されており、このクラッド７０１の外周には蛍光体７０２が分散された層７０３が形成されている。

この光ファイバー型導光体において、コア７００の一方の端部より、半導体レーザなど励起光源の光が入射する。その際、蛍光体７０２が分散された層７０３の領域に漏れている励起光（エバネッセント波）が蛍光体７０２により吸収され、この蛍光体７０２の発光により、線状の発光体が実現するという構成である。

しかしながら、図７の構成の光ファイバー型導光体において、励起光源側の励起光量が強いため、これを吸収して発光する蛍光量は強くなる。そして、光ファイバにおいて励起光源から遠ざかるに従って、励起光は伝播しながら蛍光体に吸収されるため、励起光量が弱くなりこれを吸収して発光する蛍光量も弱くなる。この結果、線状方向において蛍光量の不均一が生じうる。

一方、光ファイバーと励起光の光源と蛍光物質とを用いた構成例として、幹線系光通信において使用される波長１．５５μｍ帯の微弱信号光を電気信号に変換することなく光増幅するダブルクラッド型のファイバーアンプの斜視図を図８に示す。

この構成はコア８００とコア８００の外周に第１のクラッド８０１、その外周に第２のクラッド８０２が形成されており、このコア８００にはＥｒ、Ｔｂなどの希土類元素が添加されている。

図８において、コア８００および第１のクラッド８０１中を伝播するよう励起光８０４を入射させることによって、コア８００内の希土類元素が励起される。そして、コア８００内を伝播している信号光８０３の相互作用により光増幅が行われる。

しかしながら、図８の構成は微弱な信号光を増幅させる目的の構造であるため、希土類元素で発光した光を周りに取り出す構成ではない。
特開２００２−１４８４４２号公報

本発明は上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、光ファイバの全体において均一な蛍光量を得ることができる光ファイバ型発光体を提供することである。

本発明の１つの局面によれば、励起光を放射する励起光源と、所定の屈折率を有するコアと、該コアの外周に設けられ、該コアより小さい屈折率を有する内クラッドと、該内クラッドの外周に設けられ、該内クラッドより小さい屈折率を有する外クラッドと、を含み、前記コアと前記内クラッドとからなる領域に、前記励起光を吸収して蛍光を発光する蛍光物質が分散され、前記励起光は、前記コアと前記内クラッドとからなる領域中を導波し、前記蛍光は、前記コアと前記内クラッドと前記外クラッドとからなる領域中を導波することを特徴とする光ファイバ型発光体が提供される。

好ましくは、前記蛍光物質は、前記励起光を吸収して赤、緑または青のいずれかを発光する物質を１つ以上含む。

好ましくは、前記蛍光物質は、希土類元素である。

好ましくは、前記蛍光物質は、遷移金属元素である。

本発明の別の局面によれば、上記のいずれかに記載の光ファイバ型発光体を備える照明装置が提供される。

本発明の光ファイバ型発光体によれば、光ファイバ全体において均一な蛍光量を得ることができる。

本発明の光ファイバ型発光体は、励起光を放射する励起光源と、所定の屈折率を有するコアと、該コアの外周に設けられ、該コアより小さい屈折率を有する内クラッドと、該内クラッドの外周に設けられ、該内クラッドより小さい屈折率を有する外クラッドと、を含み、前記コアと前記内クラッドとからなる領域に、前記励起光を吸収して蛍光を発光する蛍光物質が分散され、前記励起光は、前記コアと前記内クラッドとからなる領域中を導波し、前記蛍光は、前記コアと前記内クラッドと前記外クラッドとからなる領域中を導波することを特徴とする。

これにより、光ファイバの線状方向において蛍光の強度分布の均一性を良好にすることができる光ファイバ型発光体を得ることができ、これを備える照明装置は優れた発色特性を示すことができる。

以下本発明を、図を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の光ファイバ型発光体の一端部を示す斜視図であり、図２は、図１において線Ｘ−Ｘ’で切断した断面図である。

図１において、本発明の光ファイバ型発光体は、励起光を放射する励起光源１００と、屈折率ｎ１を有するコア１０１と、該コア１０１の外周に設けられ、屈折率ｎ２を有する内クラッド１０３と、該内クラッド１０３の外周に設けられ、屈折率ｎ３を有する外クラッド１０４とを備える。ここで、屈折率は、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３の関係を有する。また、コア１０１中には、励起光を吸収して蛍光を発光する蛍光物質１０２が分散している。

本発明において、蛍光物質１０２は、コアおよび内クラッド中に分散しているが、コアにおける特定の一領域に分散させてもよく、コア全体に分散させてもよく、内クラッドにおける特定の一領域に分散させていてもよく、コアおよび内クラッドの全体に分散させていてもよい。すなわち、励起光が伝播する領域の一部または全体に分散させることで、励起光の吸収が可能となり、所望の蛍光を得ることができる。

次に、本発明の光ファイバ型発光体において、励起光の導波経路および蛍光の導波経路について図２を用いて説明する。

励起光源１００から放射される励起光１０７は、レンズまたはバットジョイントの手法によりコア１０１および内クラッド１０３に入射される。入射された励起光１０７は、コア１０１および内クラッド１０３を合せた領域からなる導波構造内を伝播する。この際、励起光１０７の一部は、コア１０１中に分散されている蛍光物質１０２により吸収される。励起光１０７の一部を吸収した蛍光物質１０２は、所定の発光プロセスを経て蛍光１０６を発光する。

ここで、蛍光物質１０２により発光される蛍光のうち、外クラッドの界面に対し全反射以下の角度で入射する成分１０６は、一部はコア１０１方向に反射され、またその他は光ファイバ発光体の外部に放射される。この外部に放射される成分が、照明の光成分となる。

本発明の光ファイバ型発光体において、励起光源に近い部分では、励起光量が多いので、それに対応して蛍光が多く発生する。このため、光ファイバ発光体を伝播する蛍光の成分が増加する。発生した当該蛍光は、蛍光物質に散乱されつつ、励起光の伝播方向と同方向に伝播していく。ここで、光ファイバ型発光体において、励起光源から遠方にいくに従って、励起光の光量が減少することになり、したがって遠方において発生する蛍光が減少することになるが、本構造によれば励起光源側で発生した蛍光の一部は、コアと内クラッドおよび外クラッドで形成される屈折率構造によって光ファイバ型発光体を伝播する。このように伝播した蛍光の一部は、コアまたは内クラッドの蛍光物質によって散乱されて外部に取り出される。以上の構成によって、発光分布が略均一となり得る。

なお、この発光分布の均一性の評価方法は、ある開口角の角度の光しか受光しないように開口制限された受光素子をファイバの長さ方向にスキャンすることによって測定することができ得る。

本発明はまた、上記で説明した光ファイバ型発光体を備える照明装置を提供する。たとえば、上記光ファイバ型発光体において、所望の色を発光する蛍光物質を導入しておき、当該所望の色を発光する蛍光物質を励起する波長を励起光源から放射させるようにする。このような構成の光ファイバ型発光体を、所望する色の数準備し、それぞれを組み合わせて照明装置とすることができる。これにより、それぞれの光ファイバ型発光体を駆動する励起光源の光強度を変調することにより、任意の色を発光する照明装置を得ることができる。

代表的には、図３に示すように、光の三原色である、赤、緑および青の励起光を発光する励起物質がそれぞれ導入された、光ファイバ型発光体３００，３０１，３０２をそれぞれ準備し、これらのそれぞれを駆動する励起光源３１０，３１１，３１２の光強度を変調することで、所望する光を発光可能な照射装置を得ることができる。

また、本発明の照射装置において、光ファイバ型発光体中に励起物質が導入されてない部分を設けて、光の照射が必要な部分と必要でない部分とを分割することができる。このような構成は、たとえば、励起光源を駆動する回路と、照明の場所とを距離をあける必要がある場合に有用である。このような場合には、防爆構造が必要となれる箇所などが挙げられる。また、液晶バックライトやネオン管などにも用いることができる。

本発明において、励起光を放射する励起光源は、半導体レーザ素子や発光ダイオードを用いることができるが、細い光を放射可能な観点から、半導体レーザ素子が好ましい。半導体レーザ素子としては公知のものを用いることができるが、たとえば、ＺｎＯや窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）などが挙げられる。発振する波長は、用いる蛍光物質や所望する色によって適宜調整することが好ましい。

本発明において、光ファイバの材料としては、光通信分野や光ファイバ照明の分野において公知のものを用いることができ、目的に応じて種々の材料を選択することができる。具体的に、コアおよびクラッドの材料としては、多成分系ガラス材や透光性重合体などを用いることができ、一例を挙げると、Ｂ_２Ｏ_３を主成分とするホウ酸塩ガラスなどが挙げられる。また、プラスチックファイバ材料は、耐曲げ特性に優れ、耐振動特性に優れている点から好ましい。また、クラッドには、屈折率調整用のフッ素が添加されたシリカ系材料を用いてもよい。

本発明の光ファイバ型発光体において、屈折率は、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３の関係する。ここで、ｎ１はコアの屈折率であり、ｎ２は内クラッドの屈折率であり、ｎ３は外クラッドの屈折率である。

このような屈折率の関係を有するように調整するためには、屈折率調整用の酸化物をそれぞれの材料中に添加することにより調整することができる。当該酸化物としては、ＣａＯ、ＳｉＯ_２などが挙げられる。

本発明の光ファイバ型発光体において、励起光を吸収して蛍光を発光する蛍光物質は、半導体レーザ素子または発光ダイオードから放射される光を吸収して、蛍光を発光可能なものを用いることができる。また、蛍光物質は蛍光を発光するのに寄与する発光中心元素を含む。

本発明における蛍光物質の材料としては、珪酸塩系蛍光物質、リン酸塩系蛍光物質、アルミン酸系蛍光物質、希土類系蛍光物質、酸希土類系蛍光物質、硫化亜鉛系蛍光物質などを用いることができる。

具体的には緑色系発光蛍光物質としては、Ｙ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ，Ｔｂ、ＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９：Ｃｅ，Ｔｂ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｍｎ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ、ＺｎＳ：Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、青色系発光蛍光体では（ＳｒＣａＢａ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、（ＢａＣａ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ、Ｓｒ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、Ｓｒ_２Ｐ_２Ｏ_７：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ａｇ、Ａｌ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ（ｐｉｇｍｅｎｔｅｄ）、ＺｎＳ：ＡｇＣｌ、ＺｎＳ：ＡｇＣｌ（ｐｉｇｍｅｎｔｅｄ）、赤色系発光蛍光体ではＹ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ（ｐｉｇｍｅｎｔｅｄ）、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ、３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ_２・ＧｅＯ_２：Ｍｎ、Ｙ（ＰＶ）Ｏ_４：Ｅｕ、５ＭｇＯ・３Ｌｉ_２Ｏ・Ｓｂ_２Ｏ_５：Ｍｎ、Ｍｇ_２ＴｉＯ_４：Ｍｎ等が挙げられる。比較的発光効率が高いものとしては、緑色系発光蛍光体ではＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、青色系発光蛍光体ではＳｒ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、赤色系発光蛍光体ではＹ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕが挙げられる。

このような蛍光物質は、本発明の光ファイバ型発光体において、コアの一領域または全体内に分散されていることが好ましい。また、コアおよび内クラッドの両方に分散されていてもよい。励起光がコアおよび内クラッド中を伝播するためである。

このような蛍光物質をコアおよび／または内クラッド中に分散させる手法としては、希土類化合物をアルコールまたは水に溶解させ、これにコア用母材を浸漬する。次にこの母材中のアルコールを室温にて蒸発させ、コア用母材中に希土類化合物を沈着させ、各種ガス雰囲気条件にて焼結および透明ガラス化を行い、光ファイバ母材を得て、これを引き伸ばしファイバ形状とする一般的な手法を用いることができる。

また、本発明において、蛍光物質とコアの材質とを異なる材質で形成してもよい。これにより、蛍光物質とコアとの屈折率差および蛍光物質の大きさによって発生する蛍光に対する光散乱断面積を制御することができ、伝播方向に対する光の散乱状態（発光強度）を制御することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されることを意図しない。

（実施例１）
図１に示すような、本発明の光ファイバー型発光体を製造した。まず、コアとして直径１ｍｍ程度の多成分系ガラス材であるＢ_２Ｏ_３を主成分とする屈折率１．５程度のホウ酸塩ガラスからなる材料を用い、コアの一領域（斜線部分）には発光中心としてＭｎを含む蛍光物質を分散した。

当該コアの外周に、屈折率調整用の酸化物ＣａＯを添加して、コアより屈折率が低くなるよう混合比が調整された多成分系ガラス材（屈折率１．４８程度）の内クラッドを形成し、この内クラッド１０３の外周に、屈折率調整用の酸化物（ＣａＯ）を添加して屈折率が低くなるよう混合比が調整されたシリカ系をベースにした多成分系ガラス材（屈折率１．４５程度）の外クラッドを形成した。

なお、励起光源としては、ＧａＮ系材料からなる半導体レーザ素子を用いた。

次に、このような構造の光学特性について解析した。半導体レーザ素子から放射される例えば波長４０５ｎｍ帯の励起光が、レンズ或いはバットジョイントの手法により光ファイバー発光体のコアおよび内クラッドに入射された。

入射された励起光は、コアおよび内クラッドで形成される導波構造内を、図４に示す光分布１０８で伝播しつつ、コア内の一領域（斜線部分）に分散されている発光中心として作用するＭｎからなる蛍光物質により吸収され、このＭｎから波長６５０〜６６０ｎｍ程度の赤色の蛍光が放射された。

ここでＭｎより放射される蛍光の一部のうち、外クラッド界面に対し全反射角以下の角度で入射する光成分１１０については、コア、内クラッドおよび外クラッドで形成される導波構造によって伝播された。

そして、残りの蛍光成分のうち外クラッド界面に対し全反射角以上の角度で入射する光成分１０６については、その角度に応じ一部はコア方向に反射されるとともに、残りの成分はファイバー型発光体の外部に放射され照明光成分となった。

以上の構成によって、蛍光の放射分布の均一性が良好な赤色の光ファイバー発光体を実現できた。

（実施例２）
本実施例２においては、コア１０１に石英系材料である屈折率１．５４程度のシリカ系ガラスを用い、このコア１０１の一領域（斜線部分）にＢ_２Ｏ_３を主成分とするホウ酸塩ガラスに発光中心となるＭｎが添加された蛍光物質５０２を分散した。

さらに、このコア１０１の外周には、弗素が添加され屈折率が１．５２程度のシリカ系ガラスからなる内クラッド１０３および屈折率１．５０程度の外クラッド１０４を形成した。なお、励起光源としては、ＧａＮ系材料からなる半導体レーザ素子を用いた。

これら以外は実施例１と同様に光ファイバ型発光体を作製した。なお、図１におけるＸ−Ｘ’による断面を図５に示す。

実施例２における光ファイバ型発光体の構成においても励起光をシリカ系ガラスのコアと内クラッドに入射することにより実施例１と同様に、蛍光の発光分布の均一性が良好で、発光分布を制御できた光ファイバー発光体を提供することができた。

（実施例３）
本実施例３において、コア１０１にＢ_２Ｏ_３を主成分とするホウ酸塩ガラスを用い、当該コア１０１の一領域（斜線部分）に発光中心となる青色を発光するＥｕ、緑色を発光するＴｂ、赤色を発光するＭｎを含む蛍光物質６００，６０１，６０２を、白色を得ることができるような割合で添加した。実施例３において、図１における線Ｘ−Ｘ’で切断したときの断面図を図６に示す。なお、励起光源としては、ＧａＮ系材料からなる半導体レーザ素子を用いた。これら以外は、実施例１と同様に光ファイバ型発光体を作製した。以上の構成により、白色を発光する光ファイバー型発光体が実現できた。

今回開示された実施の形態および実施例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。

本発明の光ファイバ型発光体の一端部を示す斜視図である。図１の線Ｘ−Ｘ’で切断した断面図である。本発明の照明装置の模式図である。上側は、図１の光ファイバに垂直な方向で切断したときの断面図であり、下側は、上側に対応する各層の屈折率および光の分布を示す。実施例において、図１の線Ｘ−Ｘ’で切断した断面図である。実施例において、図１の線Ｘ−Ｘ’で切断した断面図である。従来の光ファイバー型の導光体構造の断面図である。ダブルクラッド型のファイバーアンプの斜視図である。

符号の説明

１００，３１０，３１１，３１２励起光源、１０１，７００，８００コア、１０２，５０２，６００，６０１，６０２蛍光物質、１０３内クラッド、１０４外クラッド、１０５，１０６，１１０蛍光、１０７，８０４励起光、１０８励起光の光分布、１０９蛍光の光分布、３００，３０１，３０２光ファイバ型発光体、７０１クラッド、７０３層、８０１第１クラッド、８０２第２クラッド、８０３信号光。

Claims

励起光を放射する励起光源と、
所定の屈折率を有するコアと、
該コアの外周に設けられ、該コアより小さい屈折率を有する内クラッドと、
該内クラッドの外周に設けられ、該内クラッドより小さい屈折率を有する外クラッドと、を含み、
前記コアと前記内クラッドとからなる領域に、前記励起光を吸収して蛍光を発光する蛍光物質が分散され、
前記励起光は、前記コアと前記内クラッドとからなる領域中を導波し、前記蛍光は、前記コアと前記内クラッドと前記外クラッドとからなる領域中を導波することを特徴とする、光ファイバ型発光体。
前記蛍光物質は、前記励起光を吸収して赤、緑または青のいずれかを発光する物質を１つ以上含むことを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバ型発光体。
前記蛍光物質は、希土類元素であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光ファイバ型発光体。
前記蛍光物質は、遷移金属元素であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光ファイバ型発光体。
請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバ型発光体を備える照明装置。