JP2008023262A

JP2008023262A - 発光装置、レーザディスプレイ、内視鏡

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Publication number: JP2008023262A
Application number: JP2006202422A
Authority: JP
Inventors: Takuji Sugiyama; 卓史杉山
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】色調範囲が広げることが可能な発光装置、レーザディスプレイ、内視鏡を提供することを目的とする。
【解決手段】光源１と、光源１からの光を伝播する光ファイバ２と、を備えた発光装置において、光源１は、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有し、光ファイバ２は、光源１からの光により励起し発光する、２種以上の希土類元素がドープされ、且つ、希土類元素からの光をレーザ発振させることなく出射する光ファイバ２である、ことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置、レーザディスプレイ、および内視鏡に関し、特に、光ファイバを用いた発光装置、レーザディスプレイ、および内視鏡に関する。

従来、光ファイバを用いてレーザ発振させるファイバレーザが発表された（非特許文献１参照）。このファイバレーザでは、半導体レーザを励起光源とし、希土類元素を光ファイバのコアガラス中にドープし、励起光源からの光で希土類元素を励起して発光させ、この希土類元素の発光を光ファイバ中において発振させ、光ファイバから出射するというものである。
"住田光学ガラス・・ニュース"、［online］、平成１８年５月１日、インターネット〈URL：http://www.sumita-opt.co.jp/ja/press.htm〉

しかしながら、かかる従来のファイバレーザでは、光ファイバから出射される光の波長スペクトルにピークが生じて、このピーク以外の波長を有する光の出力が小さくなり、光ファイバから出射される光の色調範囲が狭くなってしまうという問題があった。
そこで、本発明は、色調範囲が広げることが可能な発光装置、レーザディスプレイ、内視鏡を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記課題は、次の手段により解決される。

本発明は、光源と、前記光源からの光を伝播する導光部材と、を備えた発光装置において、前記光源は、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有し、前記導光部材は、前記光源からの光により励起し発光する、２種以上の希土類元素がドープされ、且つ、前記希土類元素からの光をレーザ発振させることなく出射する導光部材である、ことを特徴とする発光装置である。
本発明においては、希土類元素がドープされた導光部材が、希土類元素からの光をレーザ発振させることなく出射する。したがって、導光部材から出射される光の波長スペクトルにピークが生じ難くなり、発光ピークとなる波長以外の波長を有する光の出力が小さくなることが防止される。よって、本発明によれば、導光部材から出射される各波長域の光出力について均等化が図られるため、色調範囲を広げることが可能となる。

本発明において、前記希土類元素は、Ｐｒ及びＨｏ、Ｐｒ及びＥｒ、Ｐｒ及びＴｍ、または、Ｅｒ及びＨｏであることが好ましい。ただし、その他の希土類元素を用いることもできる。
Ｐｒは、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光に励起されて、４７０ｎｍ〜５６０ｎｍ及び５９０ｎｍ〜７４０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光を発するが、本発明によれば、この４７０ｎｍ〜５６０ｎｍ及び５９０ｎｍ〜７４０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光の半値幅が広げることが可能となる。
また、Ｈｏは、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光に励起されて、６１０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光を発するが、本発明によれば、この６１０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光の半値幅が広げることが可能となる。したがって、本発明によれば、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光と、４７０ｎｍ〜５６０ｎｍ及び５９０ｎｍ〜７４０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する半値幅が広げられた光と、６１０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する半値幅が広げられた光とが導光部材から出射され、導光部材から出射される色調範囲を広げることが可能となる。
また、Ｅｒは、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光に励起されて、５００ｎｍ〜５７０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光を発するが、本発明によれば、この５００ｎｍ〜５７０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光の半値幅が広げることが可能となる。したがって、本発明によれば、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光と、４７０ｎｍ〜５６０ｎｍ及び５９０ｎｍ〜７４０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する半値幅が広げられた光と、５００ｎｍ〜５７０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する半値幅が広げられた光と、が導光部材から出射され、色調範囲を広げることが可能となる。
さらに、Ｔｍは、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光に励起されて、４５０ｎｍ〜５１０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光を発するが、本発明によれば、この４５０ｎｍ〜５１０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光の半値幅が広げることが可能となる。したがって、本発明によれば、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光と４７０ｎｍ〜５６０ｎｍ及び５９０ｎｍ〜７４０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する半値幅が広げられた光と、４５０ｎｍ〜５１０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する半値幅が広げられた光と、が導光部材から出射され、色調範囲を広げることが可能となる。

本発明において、前記希土類元素がドープされる量は、９００ｐｐｍ〜３００００ｐｐｍであることが好ましい。
希土類元素がドープされた導光部材が、希土類元素からの光をレーザ発振させることなく出射する場合は、希土類元素からの光の出力が小さくなってしまうという問題がある。しかしながら、希土類元素のドープされる量が９００ｐｐｍ〜３００００ｐｐｍであれば、希土類元素が導光部材中で励起される確率が上昇するため、希土類元素からの光の出力を大きくすることが可能となる。

本発明において、前記導光部材は、フッ化物ガラス系の光ファイバであることが好ましい。例えば、導光部材に石英系光ファイバを用いた場合、石英系光ファイバに高濃度で希土類元素をドープすることが困難である。また、低濃度で希土類元素をドープした光ファイバでは、充分な励起光を得るために、長距離の光ファイバが必要となるからである。一方、フッ化物系ガラスファイバには、高濃度で希土類をドープすることが可能であるため、光ファイバ長さが短くても、充分な励起光を得ることが可能である。
本発明においては、前記フッ化物ガラス系の導光部材における出射端側の部位または前記フッ化物ガラス系の導光部材の出射端に、特定波長の光のみを通過させるフィルタが設けられていることが好ましい。
このようにすれば、導光部材から出射する光の波長を変化させることが可能となるため、色調範囲を環境に応じて調整することが可能となる。

本発明においては、さらに、前記フッ化物ガラス系の導光部材からの光を伝播する光導波路を備え、この光導波路における部位に特定波長の光のみを通過させるフィルタが設けられていることが好ましい。
このようにすれば、導光部材にフィルタを設けなくても、導光部材から出射する光の波長を変化させることが可能となるため、導光部材にフィルタを設けることが困難である場合でも、色調範囲を環境に応じて調整することが可能となる。

本発明においては、さらに、前記フッ化物ガラス系の導光部材は、その入射端側における希土類元素のドープ量が、その出射端側の希土類元素のドープ量よりも大きいことが好ましい。
このようにすれば、入射端側でより多くの希土類元素が励起されるため、出射端側で希土類元素を励起する必要性が低減し、フッ化物ガラス系の導光部材の長さを短くすることが可能となる。

本発明に係る発光装置は、センサー用光源や、一般照明又は特殊照明用の光源として利用することもできる。特殊照明として例えばレーザディスプレイや内視鏡に好適に利用することができる。

以上説明した本発明によれば、色調範囲が広げることが可能な発光装置、レーザディスプレイ、内視鏡を提供することが可能となる。

以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。だたし、本発明は、この実施の形態及び実施例に限定されない。

図１は、本発明の実施の形態に係る発光装置の概略を示す図である。
図１に示すように、この発光装置は、光源１と、光源１からの光を伝播する光ファイバ２と、を備えている。光源１は、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有し、光ファイバ２は、光源１からの光により励起し発光する、２種以上の希土類元素がドープされ、且つ、希土類元素からの光をレーザ発振させることなく出射する光ファイバである。光ファイバ２としてフッ化物ガラス系の光ファイバを用いる。
実施の形態に係る発光装置においては、上記したように、希土類元素がドープされたフッ化物ガラス系の光ファイバ２が、希土類元素からの光をレーザ発振させることなく出射する。したがって、光ファイバ２から出射される光の波長スペクトルにピークが生じ難くなり、ピーク以外の波長を有する光の出力が小さくなることが防止される。よって、実施の形態に係る発光装置によれば、光ファイバ２から出射される各波長域の光出力について均等化が図られるため、色調範囲を広げることが可能となる。
なお、光ファイバ２については、断面の中心部（コア）の屈折率を周辺部（クラッド）より高くして、シングルクラッドファイバやダブルクラッドファイバやトリプルクラッドファイバなどとすると、光の減衰量が小さくなる。このようにすると、光源１からの励起光や励起された蛍光物質から発せられる光とが、光ファイバ２において、希土類元素がドープされたコアのみならずクラッドをも伝播するようになるため、希土類元素がドープされたコアのみを伝播する場合と比較して、発熱や励起などによるエネルギー損失が比較的抑えられるからである。

＜光源１＞
光源１は、半導体発光素子やランプ、電子ビーム、プラズマ、ＥＬなどをエネルギー源とするものでも使用できる。特に限定されないが、小型で発光強度が高いため、発光素子を用いることが好ましい。発光素子としては、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）やレーザダイオード素子（ＬＤ）などを用いることができる。

＜導光部材＞
導光部材として、光ファイバを利用することが好ましいが、導光板なども利用することができる。光ファイバは高密度に希土類元素がドープされているため、光源１からの光を有効に利用することができるからである。
＜光ファイバ２＞
光ファイバ２にドープされる、２種以上の希土類元素は、特に限定されないが、Ｐｒ及びＨｏ、または、Ｐｒ及びＥｒ、Ｐｒ及びＴｍ、Ｅｒ及びＨｏであることが好ましい。
Ｐｒは、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光に励起されて、４７０ｎｍ〜５６０ｎｍ及び５９０ｎｍ〜７４０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光を発するが、実施形態に係る発光装置によれば、この４７０ｎｍ〜５６０ｎｍ及び５９０ｎｍ〜７４０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光の半値幅が広げることが可能となる。
また、Ｈｏは、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光に励起されて、６１０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光を発するが、実施形態に係る発光装置によれば、この６１０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光の半値幅が広げることが可能となる。したがって、実施形態に係る発光装置によれば、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光と、４７０ｎｍ〜５６０ｎｍ及び５９０ｎｍ〜７４０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する半値幅が広げられた光と、６１０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する半値幅が広げられた光とが光ファイバ２から出射され、色調範囲を広げることが可能となる。
また、光ファイバ２にドープされる希土類元素をＥｒとすることも好ましい。Ｅｒは、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光に励起されて、５００ｎｍ〜５７０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光を発するが、実施形態に係る発光装置によれば、この５００ｎｍ〜５７０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光の半値幅が広げることが可能となる。したがって、実施形態に係る発光装置によれば、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光と、４７０ｎｍ〜５６０ｎｍ及び５９０ｎｍ〜７４０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する半値幅が広げられた光と、５００ｎｍ〜５７０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する半値幅が広げられた光と、が光ファイバ２から出射され、色調範囲を広げることが可能となる。
さらに、光ファイバ２にドープされる希土類元素をＴｍとすることも好ましい。Ｔｍは、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光に励起されて、４５０ｎｍ〜５１０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光を発するが、実施の形態に係る発光装置によれば、この４５０ｎｍ〜５１０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する光の半値幅が広げることが可能となる。したがって、実施の形態に係る発光装置によれば、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有する光と４７０ｎｍ〜５６０ｎｍ及び５９０ｎｍ〜７４０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する半値幅が広げられた光と、４５０ｎｍ〜５１０ｎｍの波長域に発光ピーク波長を有する半値幅が広げられた光と、が光ファイバ２から出射され、色調範囲を広げることが可能となる。

希土類元素がドープされる量は、９００ｐｐｍ〜３００００ｐｐｍであることが好ましく、少なくとも１０ｐｐｍ以上ドープすることが好ましい。希土類元素がドープされたフッ化物ガラス系の光ファイバ２が、希土類元素からの光をレーザ発振させることなく出射する場合は、希土類元素からの光の出力が小さくなってしまうという問題がある。しかしながら、希土類元素のドープされる量が２０００ｐｐｍであれば、希土類元素が光ファイバ２中で励起される確率が上昇するため、希土類元素からの光の出力を大きくすることが可能となる。

さらに、フッ化物ガラス系の光ファイバ２は、その入射端側における希土類元素のドープ量が、その出射端側の希土類元素のドープ量よりも大きいことが好ましい。このようにすれば、入射端側でより多くの希土類元素が励起されるため、出射端側で希土類元素を励起する必要性が低減し、フッ化物ガラス系の光ファイバ２の長さを短くすることが可能となる。

図２は、光ファイバ２または光導波路３にフィルタを設けた様子を説明する図である。
図２（ａ）、（ｂ）に示す例では、フッ化物ガラス系の光ファイバ２における出射端側の部位（図２（ａ））にフィルタの一例であるグレーティング４を設け、また、フッ化物ガラス系の光ファイバ２の出射端（図２（ｂ））にフィルタの一例である誘電体多層膜５を設けている。ここで、グレーティング４や誘電体多層膜５は、特定波長の光のみを通過させる。このようにすれば、光ファイバ２から出射する光の波長を変化させることが可能となるため、色調範囲を環境に応じて調整することが可能となる。
また、図２（ｃ）に示す例では、フッ化物ガラス系の光ファイバ２からの光を伝播する光導波路３を備え、この光導波路３における部位にフィルタの一例であるグレーティング４を設けている。ここで、グレーティング４は、特定波長の光のみを通過させる。このようにすれば、光ファイバ２にグレーティング４や誘電体多層膜５を設けなくても、光ファイバ２から出射する光の波長を変化させることが可能となるため、光ファイバ２にグレーティング４や誘電体多層膜５を設けることが困難である場合でも、色調範囲を環境に応じて調整することが可能となる。ここで、光導波路３は、フッ化物ガラス系の光ファイバ２からの光を伝播するものであれば特に限定されず、たとえば、石英ガラス系の光ファイバや、プラスチック光ファイバや、導波路型光平面回路などで構成することができる。
なお、フィルタは、１つだけ設けることもできるし、複数設けることもできる。

なお、本発明の実施の形態に係る発光装置において、レンズなどの任意の光学系を任意の箇所に設けることができることはいうまでもない。また、各種の用途に合わせて、フィラーなどの部材を任意の位置に設けることができることもいうまでもない。

なお、本明細書において、光ファイバの「出射端側」とは、光ファイバを仮に２等分した場合における２等分線から出射端に向けた方向を意味し、光ファイバの「入射端側」とは、光ファイバを仮に２等分した場合における２等分線から入射端に向けた方向を意味する。なお、本発明においては、フッ化物ガラス系の光ファイバ２の出射端側に設けられたフィルタを、出射端側の中でも、出射端近傍に設けるとするこができる。また、本発明においては、フッ化物ガラス系の光ファイバ２の出射端側に設けられたフィルタを、出射端側の中でも、２等分線の近傍に設けるとするこができる。

光源に波長：３７５ｎｍ、出力：１０ｍＷを用い、Ｐｒ及びＨｏをドープしたフッ化物ダブルクラッドファイバ（コア径：６．８±０．５μｍ（Ｐｒ及びＨｏドープフッ化物ガラス）、１ｓｔクラッド径：１２３±３μｍ（ノンドープフッ化物ガラス）、２ｎｄクラッド径：２００±２０μｍ（ＵＶ樹脂）、バッファ径：４５０± ２０μｍ、ドープ濃度：２００００ｐｐｍｂｙｗｔ、長さ：１ｍ、両端ＳＣフェルール）を用いることができる。

実施例１の光ファイバに代えて、Ｅｒ及びＨｏをドープしたフッ化物ダブルクラッドファイバ（コア径：６．８±０．５μｍ（Ｅｒ及びＨｏドープフッ化物ガラス）、１ｓｔクラッド径：１２３±３μｍ（ノンドープフッ化物ガラス）、２ｎｄクラッド径：２００±２０μｍ（ＵＶ樹脂）、バッファ径：４５０± ２０μｍ、ドープ濃度：２００００ｐｐｍｂｙｗｔ、長さ：１ｍ、両端ＳＣフェルール）を用いることができる。

（実施例１、２について）
励起光に青色や紫色の光を用いると、これらの光が光ファイバの出射端から強く出射されてしまうため、励起光に青色や紫色の光を用いる場合よりも、励起光に紫外線を用いる場合の方が、色調範囲が広がると考えられる。なお、グレーティングや誘電体多層膜を用いれば、光ファイバからの出射光を選択できるため、光ファイバからの出力される光の色調範囲を調整することが可能になると考えられる。また、励起光に紫外線を用いた場合には、グレーティングや誘電体多層膜を用いて紫外線をカットすることにより、光ファイバから人体などに紫外線が照射されることを防止することができる。

本発明は、発光装置を利用するすべての装置（たとえば、照明器具、レーザディスプレイ、内視鏡など）に利用することができる。

本発明の実施の形態に係る発光装置の概略を示す図である。光ファイバ２または光導波路３にフィルタを設けた様子を説明する図である。

符号の説明

１光源
２フッ化物ガラス系の光ファイバ
３光導波路
４グレーティング
５誘電体多層膜

Claims

光源と、前記光源からの光を伝播する導光部材と、を備えた発光装置において、
前記光源は、５００ｎｍ未満の波長域に発光ピーク波長を有し、
前記導光部材は、前記光源からの光により励起し発光する、２種以上の希土類元素がドープされ、且つ、前記希土類元素からの光をレーザ発振させることなく出射する導光部材である、
ことを特徴とする発光装置。
前記希土類元素は、Ｐｒ及びＨｏ、Ｐｒ及びＥｒ、Ｐｒ及びＴｍ、または、Ｅｒ及びＨｏであることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記希土類元素がドープされる量は、９００ｐｐｍ〜３００００ｐｐｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
前記導光部材は、フッ化物ガラス系の光ファイバであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。
前記導光部材における出射端側の部位または前記導光部材の出射端に、特定波長の光のみを通過させるフィルタが設けられている、ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発光装置。
前記導光部材からの光を伝播する光導波路を備え、この光導波路における部位に特定波長の光のみを通過させるフィルタが設けられている、ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の発光装置。
前記導光部材は、その入射端側における希土類元素のドープ量が、その出射端側の希土類元素のドープ量よりも大きい、ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の発光装置。
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の発光装置を具備することを特徴とするレーザディスプレイ。
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の発光装置を具備することを特徴とする内視鏡。