JP2004266030A - Lighting apparatus and display apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は照明装置および表示装置に関し、とくに半導体レーザ素子から放射される光の波長を変換して様々な色の蛍光を発光し得るように母体結晶に発光中心が添加された蛍光体を含む照明装置および表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体レーザ素子から放射されるレーザ光を吸収して可視光を発光し得る蛍光体を利用した照明装置が、特許文献1の特開平7−282609号公報に開示されている。また、半導体レーザ素子に光学的に接続された光ファイバーのクラッド部の外側においてレーザ光を吸収して可視光を発光し得る蛍光体を用いた発光装置が、特許文献2の特開2002−148442号公報に開示されている。
【0003】
このように基礎光源として半導体レーザ素子を用いる場合には、発光ダイオードを用いる場合に比べて、(1)電力・光変換効率がよく、(2)高光出力化が可能で、(3)放射される光は強い指向性を有するので光径を細く絞ることができるという利点が得られる。すなわち、半導体レーザ素子は、蛍光体に向かう所定方向への励起光放射が望まれる特許文献1の照明装置や、特許文献2におけるように径が小さい光ファイバーなどの導光体に励起光を入射するための基礎光源として適している。
【0004】
さらに、レーザ素子と蛍光体とを利用した表示装置の一例が、特許文献3の特開平7−20818公報に開示されている。
【0005】
以上の先行技術文献に示されているように、基礎光源としての半導体レーザ素子から放射されるレーザ光の波長を変換して様々な色の蛍光を発し得る蛍光体を利用する光学的構成は、照明装置および表示装置に好ましく適用することができる。
【0006】
【特許文献1】
特開平7−282609号公報
【0007】
【特許文献2】
特開2002−148442号公報
【0008】
【特許文献3】
特開平7−20818公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上述のように半導体レーザ素子とそのレーザ光の波長を変換して様々な色の蛍光を発し得る蛍光体とを組み合わせて含む照明装置および表示装置において、これらの装置から放射される蛍光量の環境温度依存性が大きいことを見出した。
【0010】
このような問題に鑑み、本発明は、環境温度に影響されることなくほぼ一定の蛍光量を放射し得る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。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様による照明装置は、誘導放出光を放射する半導体レーザ素子と、その誘導放出光を吸収して自然放出光を放射する半導体を含む層と、その自然放出光を吸収して異なる波長の蛍光を放射するように母体結晶に発光中心が添加された蛍光体を含む層とを備えていることを特徴としている。
【0012】
なお、半導体レーザ素子はフレーム上に実装することができ、自然放出光を放射する半導体は半導体レーザ素子を覆う第1のキャップ材に含ませることができ、そして蛍光体は第1のキャップ材を覆う第2のキャップ材に含ませることができる。また、照明装置は、誘導放出光を伝播させてその光の少なくとも1部を半導体に照射するための導光体をさらに含んでいてもよい。こうして、蛍光体からの蛍光量の環境温度依存性が少ない点状または面状の照明装置を得ることができる。
【0013】
本発明の他の態様による表示装置は、誘導放出光を放射する半導体レーザ素子と、その誘導放出光を吸収して自然放出光を放射する半導体を含む層と、その自然放出光を吸収して異なる波長の蛍光を放射するようにマトリクス状に配置された母体結晶に発光中心が添加された蛍光体を含む層と、それら自然放出光と蛍光の少なくとも1方の光強度を変調する光変調手段とを含むことを特徴としている。
【0014】
なお、表示装置は、誘導放出光を伝播させてその光の少なくとも1部を半導体に照射するための導光体をさらに含んでいてもよい。また、誘導放出光を吸収して自然放出光を放射する半導体は粒子状または板状であり得る。こうして、蛍光体からの光量の環境温度依存性が少ない表示装置を得ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
本発明の実施形態1による照明装置について、図1から図3を参照しつつ説明する。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わしている。
【0016】
図1の模式的な断面図に示された照明装置においては、一対のリードフレーム104のうちの左側のフレームの先端に凹部が形成されている。その凹部の底面に、波長400nmの光を発するGaN系半導体レーザ素子100が実装されている。このGaN系半導体レーザ素子の上面と右側のリードフレームとの間には、配線105が接続されている。そして、この半導体レーザ素子100は、そのレーザ光を吸収して自然放出光を放射するInxGa1−xN粒子102が分散された第1の透明アクリル樹脂101のドームによって覆われている。ここで、このInxGa1−xN粒子の混晶比xは、半導体レーザ素子から放射される波長400nmの誘導放出光を吸収しかつ蛍光体に対する励起光となる波長430nmの自然放出光を放射するように設定されている。
【0017】
さらに、この第1透明アクリル樹脂101のドームは、赤色(Y2O2S:Eu3+)、緑色(ZnS:Cu,Al)、および青色((Sr、Ca、Ba、Mg)10(PO4)6Cl2:Eu2+)の蛍光体が分散された第2の透明アクリル樹脂103のドームによって覆われている。そして、これらの蛍光体に励起光が照射されてそこから放射される蛍光の混色によって、砲弾型の白色照明装置を得ることができる。ここで、母体の結晶(Y2O2S)中に発光中心(Eu3+)として遷移金属などが添加された一般的な蛍光体に対する基礎光源として半導体レーザ素子を用いた場合に、その蛍光体から放射される蛍光量の環境温度依存性について、図2の模式的グラフを用いて説明する。
【0018】
図2のグラフは、蛍光体の吸収スペクトルとその蛍光体を励起する半導体レーザ素子の発振スペクトルとの関係を示している。グラフの横軸は波長(nm)を示し、右の縦軸は半導体レーザ素子の光強度(arb.:任意単位)を示し、そして左の縦軸は蛍光体の光吸収係数(%)を示している。またグラフ中の実線の曲線(a)は半導体レーザ素子の発振スペクトルを表わし、矢印(b)はその発振スペクトルの変動幅を表わし、そして一点鎖線の曲線(c)は蛍光体の吸収スペクトルを表わしている。
【0019】
母体の結晶(Y2O2)中に発光中心(Eu3+)が添加された蛍光体では、発光中心の4f電子軌道とその他の軌道との準位間で多数のバンド構造が形成される。そして、このようなバンド構造に起因して、蛍光体の吸収スペクトルは一点鎖線(c)で示されているように波長に対してフラットな領域がほとんどない形状となり、またこの吸収スペクトルに温度依存性はほとんど存在しない。
【0020】
他方、半導体レーザ素子の発振波長のスペクトル幅は、実線(a)で示すように通常は数nm程度である。そして、この半導体レーザ素子の発振波長は、0.3〜0.5nm/℃程度の温度依存性で変化する。したがって、一般的な使用状態での環境温度範囲幅80℃(−20℃〜60℃)において、その発振波長は30〜40nm程度変化し得る。
【0021】
このような半導体レーザ素子の発振波長の変動により、励起光として蛍光体に吸収されるレーザ光量(蛍光体の吸収スペクトルと半導体レーザの発振スペクトルの重なりの積分量に相当)が20%程度まで減少し得る。この結果、蛍光体から放射される蛍光量も、蛍光体に吸収される励起光量に応じて20%程度まで減少してしまう。
【0022】
他方、図3のグラフは図2に類似しているが、本実施形態1による照明装置における作用効果を図解している。すなわち、図3においても、横軸は波長(nm)を示し、右の縦軸は半導体レーザ素子の光強度(arb.:任意単位)を示し、そして左の縦軸はと蛍光体の吸収係数(%)を示している。また、グラフ中の実線の曲線(a)は半導体レーザの発振スペクトル、一点鎖線の曲線(c)は蛍光体の吸収スペクトル、二点鎖線の曲線(d)は半導体から放射される自然放出光のスペクトル、そして矢印(e)はその半導体から放射される自然放出光スペクトルの変動幅を表わしている。
【0023】
このグラフから分かるように、半導体レーザ素子からのレーザ光(a)を吸収してInxGa1−xN粒子から放射される自然放出光(d)のスペクトル幅(e)は、そのレーザ光のスペクトル幅に比べて遥かに広くなっている。そして、この自然放出光(d)のスペクトル幅は、蛍光体の吸収スペクトル(c)の幅よりも広い。したがって、レーザ光を吸収する半導体からの自然放出光スペクトルのピーク波長が環境温度に依存して変化しても、蛍光体に吸収されるその光量は約10%程度しか変化しないので、蛍光体から放射される蛍光量の変動を最大でも約10%程度に抑制することができる。
【0024】
すなわち、図2に図解された従来技術におけるようにレーザ光を蛍光体に直接吸収させる場合に比べて、図1に示された本実施形態1の照明装置においては、レーザ光を一旦半導体に吸収させてそこからの自然放出光を蛍光体に吸収させるので、図3に図解されているように蛍光体からの蛍光量変化の環境温度依存性を顕著に小さくすることができる。
【0025】
なお、レーザ光を吸収して自然放出光を放射する半導体材料としてはInxGa1−xNに限られず、蛍光体が励起光として吸収し得る光を放射するバンドギャップを有する半導体であればよく、ZnMgSSe系混晶などを用いることも可能である。また、照明装置の形態としては、図1の砲弾型の素子をアレイ状に多数並べた構成を有していてもよく、それによって面状照明装置が得られる。さらに、青、緑、および赤の蛍光を発する蛍光体を個別に含むことによってそれぞれの単色で発光する複数の素子をマトリクス状に配列するとともに、各素子の発光強度を制御する調光手段を備えることによって、表示装置を得ることもできる。
【0026】
(実施形態2)
図4(a)の模式的な透視的斜視図とそれに対応する図4(b)の模式的な断面図において、本発明の実施形態2による線状照明装置の一例が図解されている。この照明装置は、ポリメチルメタクリレートのコア400、このコアを覆うフッ素系ポリマーのクラッド401、このクラッドを覆いかつInxGa1−xN半導体粒子403が分散されたフッ素系ポリマー層405、さらにこのポリマー層を覆いかつ赤、緑、および青の蛍光を放射する蛍光体が分散されたフッ素系ポリマー層402を含むプラスチックファイバー構造を備えている。
【0027】
このプラスチックファイバーの一方端面には、半導体レーザ素子(図示せず)が光学的に結合されている。プラスチックファイバー内に入射されたレーザ光が図4(a)中の矢印で示されているようにコア400内を伝播するにつれて、そのレーザ光の1部はコア400内の1部に設けたアルミナなどの金属酸化粒子を含む光散乱構造404によって散乱される。この散乱光は、InxGa1−xN半導体粒子403で吸収されて自然放出光に変換された後に、蛍光体を含むポリマー層402に放射される。そして、各蛍光体から放射される蛍光の混色によって、図4(b)中の矢印で示されているように、白色光がファイバー外に放射される。
【0028】
このようなファイバー状の発光体を例えば室内の天井部に設置することによって、線状の室内照明装置を実現することができる。
【0029】
図5(a)の模式的な透視的斜視図とそれに対応する図5(b)の模式的な断面図においては、実施形態2による線状照明装置の他の例が図解されている。この照明装置は、InxGa1−xN半導体粒子403を含むポリメチルメタクリレートのコア400、このコアを覆うフッ素系ポリマーのクラッド401、そのクラッドを覆いかつ赤、緑、および青の蛍光を発する蛍光体が分散されたフッ素系ポリマー層402を備えている。
【0030】
この照明装置においても、プラスチックファイバーの一方端面には、半導体レーザ素子(図示せず)が光学的に結合されている。プラスチックファイバー内に入射されたレーザ光がコア400中を伝播するにつれて、その光の1部はInxGa1−xN半導体粒子403によって吸収されかつ自然放出光に変換されて放射される。そして、この自然放出光が蛍光体含有ポリマー層402に照射され、各蛍光体から放射される蛍光の混色による白色光がファイバー外に放射される。
【0031】
なお、図5におけるInxGa1−xN半導体粒子403は、それらの粒子から放射される自然放出光を散乱させる散乱構造の機能をも兼ね備えている。
【0032】
図6の模式的な断面図は、実施形態2による線状照明装置のさらに他の例を図解している。この照明装置は、ポリメチルメタクリレートのコア400、そのコアから伝播光の1部がしみ出している近接場光(エバネッセント光)領域(破線で図示)にInxGa1−xN半導体粒子403が分散されているフッ素系ポリマーのクラッド401、さらにそのクラッドを覆いかつ赤、緑、および青の蛍光を発する蛍光体を含むフッ素系ポリマー層402を備えている。
【0033】
図6の場合は、プラスチックファイバーのコア400内を伝播するレーザ光のうちでクラッド401内(破線で図示された領域内)にしみ出している比較的小さい光成分のみがInxGa1−xN半導体粒子と相互作用する。したがって、コア400内にInxGa1−xN半導体粒子403が分散されている図5のファイバーに比べて、図6のファイバーはレーザ光の伝播損失を低くし得るので、より長い線状の照明装置に適している。
【0034】
本実施形態2におけるようなプラスチックファイバーを利用することによって、蛍光体から放射される蛍光量変動の環境温度依存性が少ない線状の照明装置を実現することができる。なお、ファイバーの種類としては、プラスチックファイバーに限られず、石英ファイバーなどを用いることもできる。
【0035】
(実施形態3)
図7の模式的な斜視図は、本発明の実施形態3による面状照明装置の一例を図解している。この照明装置は、InxGa1−xN半導体粒子403が分散されかつテーパ状に厚さが変化しているアクリル樹脂板からなる導光体701と、この導光体の厚い方の側端面に接合された半導体レーザ素子700と、導光体の底面においてレーザ光および半導体粒子からの自然放出光が放射されて損失になることを防止するアルミニウム反射膜702と、導光体701の上面上において実施形態1と同様の蛍光体が分散されたフッ素系ポリマー層402を備えている。
【0036】
図7の照明装置においては、アクリル樹脂の導光体701内に入射されたレーザ光がその導光体中を伝播するにつれて、その光の1部は導光体中に分散されたInxGa1−xN半導体粒子403で吸収される。そして、このInxGa1−xN半導体粒子からの自然放出光が蛍光体含有ポリマー層402に放射され、各蛍光体から放射される蛍光の混色による白色光が上方に放射される。なお、このInxGa1−xN半導体粒子403は、導光体701内を伝播するレーザ光やInxGa1−xN半導体粒子からの自然放出光を散乱させる機能を兼ね備えている。
【0037】
図8の模式的な斜視図は、本発明の実施形態3による面状照明装置の他の例を図解している。この照明装置は、曲面の底面を有していて厚さが連続的に変化するアクリル樹脂板からなる導光体701と、導光体内を伝播する光の1部を上方に散乱させかつ導光体からレーザ光が下方に放射されて損失となることを防止するように導光体の底面に設けられたアルミニウム反射膜702と、導光体の上面上に設けられたInxGa1−xN半導体層800と、このInxGa1−xN半導体層上において実施形態1と同様の蛍光体が分散されたフッ素系ポリマー層402を備えている。そして、この導光体701の厚い方の側端面には、半導体レーザ素子700が光学的に結合されている。
【0038】
アクリル樹脂の導光体701内に入射されたレーザ光がその導光体中を伝播するにつれて、その光の1部がアルミニウム反射膜701により反射されてInxGa1−xN半導体層800に照射される。このレーザ光はInxGa1−xN半導体層により吸収され、自然放出光に変換されて蛍光体含有ポリマー層402に照射される。その結果、各蛍光体から放射される蛍光の混色による白色光が、蛍光体含有ポリマー層402から上方に放射される。
【0039】
本実施形態3におけるようにInxGa1−xN半導体層を用いる場合でも、InxGa1−xN半導体粒子を用いる場合と同様に、蛍光体から放射される蛍光量変動の環境温度依存性が少ない面型の照明装置を得ることができる。
【0040】
(実施形態4)
図9の模式的な斜視図は、本発明の実施形態4による面状照明装置を図解している。この照明装置は、エポキシ樹脂のコア層901と、このコア層を挟みかつコアと屈折率の異なるエポキシ樹脂のクラッド900、902とからなる導波路構造を含む導光体を備えている。この導光体において、垂直方向の光成分は、コア層901とクラッド層900、901とで形成される屈折率分布によってコア層内部に閉じ込められる。そして、下側のクラッド層900の底面には、この導光体部からレーザ光が放射されて損失になることを防止するアルミニウム反射膜702が設けられている。導光体の上面上においては、InxGa1−xN半導体層703と、この上に実施形態1と同様の蛍光体が分散されたフッ素系ポリマー層402が設けられている。そして、この導光体の1端面において、半導体レーザ素子700がコア層901へ光学的に結合されている。
【0041】
エポキシ樹脂からなる導光体中のコア901内に入射されたレーザ光がそのコア内を伝播するにつれて、その光の1部はコア下面に設けられている凹凸形状による屈折率分布によってInxGa1−xN半導体層703に照射される。そして、このレーザ光はInxGa1−xN半導体層703に吸収され、自然放出光に変換されて放射される。この自然放出光が蛍光体含有ポリマー層402に照射されて、各蛍光体から放射される蛍光の混色による白色光が上方に放射される。
【0042】
このような実施形態4においても、実施形態1と同様の理由により、蛍光体から放射される蛍光量変動の環境温度依存性が少ない面状の照明装置を得ることができる。
【0043】
なお、本実施形態4における導光体中に含まれる導波路構造は3層スラブ構造に限られず、様々な構造のものを用いることが可能である。また、コア内にInGaN粒子を分散させることによって、そのコア内を伝播するレーザ光がそのInGaN粒子に吸収されて自然放出光に変換されるような導波路構造を含む照明装置を作製することも可能である。
【0044】
(実施形態5)
図10と図11は、本発明の実施形態5による表示装置を模式的に図解している。図10(a)はその表示装置の断面図であり、図10(b)はそれに含まれる光ファイバの上面図であり、そして図11はそのファイバの断面図を示している。この表示装置において、一端に半導体レーザ素子700が接続されたプラスチックファイバー1000はレーザ光が伝播するコア400とそれを覆うクラッド401とを含み、伝播する光成分の内でクラッドに光がしみ出している領域(破線で図示)にはInxGa1−xN半導体粒子403が分散されている。そしてこのプラスチックファイバーが図10(a)および図10(b)で示されるように配置され、台座1003によって筐体部に固定されている。
【0045】
このようなプラスチックファイバー1000を伝播するレーザ光はこのInxGa1−xN半導体粒子403で吸収され、このInxGa1−xN半導体粒子403からの自然放出光が蛍光体の励起光として放射される。そして、図10(a)に示されているように、プラスチックファイバー1000から放射される励起光の光強度が各画素に対応して制御されるように、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層1001が設けられている。
【0046】
さらに、この液晶光変調素子層1001上には、実施形態1と同様の赤、緑、および青の蛍光を発する各々の蛍光体1002が、各画素に対応してピクセル状に配置されている。このように赤、緑、および青の各蛍光体に照射される励起光の光強度が液晶光変調素子層1001で制御されることによって、表示装置が動作させられる。そして、この実施形態5の構成によって、実施形態1と同様の理由で、蛍光体から放射される蛍光量変動の環境温度依存性が少ない表示装置を得ることができる。
【0047】
(実施形態6)
図12は本発明の実施形態6による表示装置の一例を模式的な斜視図で図解している。この表示装置は、実施形態3の図7で示された導光体と、この導光体上においてInxGa1−xN半導体粒子から放射された励起光の光強度を各画素に対応して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層1001とを備えている。さらに、この液晶光変調素子層1001上には、実施形態1と同様の赤、緑、および青の蛍光を発する各々の蛍光体1002が、各画素に対応してピクセル状に配置されている。そして半導体レーザ素子700が、この導光体701の厚い方の側端面に光学的に結合されている。
【0048】
図13は本発明の実施形態6による表示装置の他の例を模式的な斜視図で図解している。この表示装置では、実施形態4の光導波路構造を含む導光体の上面上に設けられたInxGa1−xN半導体層703と、このInxGa1−xN半導体膜からの自然放出光の強度を各画素に対応して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層1001が設けられている。さらに、この液晶光変調素子層1001上には、実施形態1と同様の赤、緑、および青の蛍光を発する各々の蛍光体1002が、各画素に対応してピクセル状に配置されている。そして半導体レーザ素子700が、この導光体の端面において、コア層901へ光学的に結合されている。
【0049】
このように赤、緑、および青の各蛍光体に照射される励起光の光強度を液晶光変調素子層1001で制御することによって、表示装置を動作させることができる。そして、実施形態6の構成によっても、実施形態1と同様の理由で、蛍光体からの蛍光量変動の環境温度依存性が少ない表示装置を得ることができる。
【0050】
なお、この液晶光変調素子層1001の光学的な配置箇所は本実施形態のようにInxGa1−xN半導体層703と蛍光体層1002の間に限られず、上方クラッド902とInxGa1−xN半導体層703との間や蛍光体層1002上に設けられてもよい。
【0051】
(実施形態7)
図14は本発明の実施形態7による表示装置を模式的な断面図で図解している。この表示装置は、各画素に対応してピクセル状に配置された赤、緑、および青の蛍光を発する各々の蛍光体が個別的に分散されたアクリル樹脂層1002と、これらの個々の蛍光体に対応した複数の半導体レーザ素子700を備えている。さらに、蛍光体1002と半導体レーザ素子700との間には、InxGa1−xN半導体粒子が分散されたアクリル樹脂層703が配置されている。そして、これらの半導体レーザ素子700の注入電流を変調するために、制御回路1400が設けられている。
【0052】
このように、InxGa1−xN半導体粒子に照射される半導体レーザ素子700の光量を制御回路1400によって直接制御して、InxGa1−xN半導体粒子から赤、緑、および青の各蛍光体に照射される励起光の光強度を制御することによって、表示装置を動作させることができる。また、実施形態7の構成により、実施形態1と同様の理由で、蛍光体からの蛍光量変動の環境温度依存性が少ない表示装置を得ることができる。
【0053】
なお、半導体レーザ素子700としては端面発光型や垂直共振器型のいずれをも用いることができるが、本実施形態7の表示装置においては垂直方向に光が放射される垂直共振型のレーザ素子がより好ましい。
【0054】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、半導体レーザ素子と蛍光体を用いた照明装置および表示装置において、環境温度変動により生じる半導体レーザ素子の共振波長変動に起因する蛍光体からの蛍光量変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1による照明装置を示す模式的な断面図である。
【図2】半導体レーザを基礎光源に用いた時の半導体レーザの発振スペクトルと蛍光体の吸収スペクトルとの関係を示す模式的グラフである。
【図3】半導体レーザからの誘導放出光をInGaNに吸収させ、InGaNから放射する自然放出光を蛍光体の励起光源とした場合におけるInGaNの放射光スペクトルと蛍光体の吸収スペクトルとの関係を示す模式的グラフである。
【図4】(a)は本発明の実施形態2による照明装置の一例を示す模式的な斜視図であり、(b)は(a)に対応する模式的な断面図である。
【図5】(a)は本発明の実施形態2による照明装置の他の例を示す模式的な斜視図であり、(b)は(a)に対応する模式的な断面図である。
【図6】本発明の実施形態2による照明装置のさらに他の例を示す模式的な断面図である。
【図7】本発明の実施形態3による照明装置の一例を示す模式的な斜視図である。
【図8】本発明の実施形態3による照明装置の他の例を示す模式的な斜視図である。
【図9】本発明の実施形態4による照明装置を示す模式的な斜視図である。
【図10】(a)は本発明の実施形態5による照明装置を示す模式的な断面図であり、(b)は(a)に含まれるファイバーを示す模式的な平面図である。
【図11】図10(b)中の光ファイバーの模式的な断面図である。
【図12】本発明の実施形態6による表示装置の一例を示す模式的な斜視図である。
【図13】本発明の実施形態6による表示装置の他の例を示す模式的な斜視図である。
【図14】本発明の実施形態7による表示装置を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
100 半導体レーザ素子、101 アクリル樹脂、102 InxGa1−xNN粒子、103 蛍光体を含むアクリル樹脂、104 リードフレーム、105配線、400 コア、401 クラッド、402 フッ素系ポリマー部、403 InxGa1−xN半導体粒子、404 光散乱構造、405 フッ素系ポリマー部、700 半導体レーザ素子、701 導光体、702 アルミニウム反射膜、800 InxGa1−xN半導体膜、900、902 クラッド、901 コア、1000 プラスチックファイバー、1001 液晶光変調素子、1002
蛍光体が含有されたアクリル樹脂、1003 台座、1400 回路。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a lighting device and a display device, and more particularly to a lighting device including a phosphor in which a luminescent center is added to a host crystal so as to convert the wavelength of light emitted from a semiconductor laser element to emit fluorescence of various colors. The present invention relates to a device and a display device.
[0002]
[Prior art]
An illuminating device using a phosphor capable of absorbing visible light by absorbing laser light emitted from a semiconductor laser element is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-282609 of
[0003]
As described above, when a semiconductor laser element is used as a basic light source, (1) power / light conversion efficiency is better, (2) high light output is possible, and (3) radiation Since such light has strong directivity, the advantage is obtained that the light diameter can be narrowed down. That is, in the semiconductor laser device, the excitation light is incident on a lighting device of
[0004]
Further, an example of a display device using a laser element and a phosphor is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-20818 of Patent Document 3.
[0005]
As shown in the above prior art documents, the optical configuration using a phosphor that can emit a fluorescent light of various colors by converting the wavelength of the laser light emitted from the semiconductor laser element as a basic light source, The present invention can be preferably applied to a lighting device and a display device.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-7-282609
[0007]
[Patent Document 2]
JP-A-2002-148442
[0008]
[Patent Document 3]
JP-A-7-20818
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The inventor of the present invention has disclosed a lighting device and a display device which include a combination of a semiconductor laser element and a phosphor capable of emitting a fluorescent light of various colors by converting the wavelength of the laser light as described above. It was found that the environmental temperature dependence of the amount of fluorescence was large.
[0010]
In view of such a problem, an object of the present invention is to provide a lighting device and a display device that can emit a substantially constant amount of fluorescence without being affected by the environmental temperature.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A lighting device according to one embodiment of the present invention is a semiconductor laser element that emits stimulated emission light, a layer that includes a semiconductor that absorbs the stimulated emission light and emits spontaneous emission light, and absorbs the spontaneous emission light. And a layer containing a phosphor in which an emission center is added to a base crystal so as to emit fluorescence of different wavelengths.
[0012]
Note that the semiconductor laser device can be mounted on a frame, a semiconductor that emits spontaneous emission light can be included in a first cap material that covers the semiconductor laser device, and the phosphor has a first cap material. It can be included in the covering second cap material. Further, the lighting device may further include a light guide for propagating the stimulated emission light and irradiating the semiconductor with at least a part of the light. In this way, it is possible to obtain a point-like or planar lighting device in which the amount of fluorescence from the phosphor is less dependent on the environmental temperature.
[0013]
A display device according to another aspect of the present invention includes a semiconductor laser element that emits stimulated emission light, a layer that includes a semiconductor that absorbs the stimulated emission light and emits spontaneous emission light, and a layer that absorbs the spontaneous emission light. A layer containing a phosphor in which a luminescent center is added to a matrix crystal arranged in a matrix so as to emit fluorescence of different wavelengths, and a light modulation means for modulating the light intensity of at least one of the spontaneous emission light and the fluorescence And is characterized by including.
[0014]
Note that the display device may further include a light guide for propagating the stimulated emission light and irradiating the semiconductor with at least a part of the light. Further, a semiconductor that absorbs stimulated emission light and emits spontaneous emission light may be in the form of particles or a plate. Thus, it is possible to obtain a display device in which the amount of light from the phosphor is less dependent on the environmental temperature.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
A lighting device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the drawings of the present application, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.
[0016]
In the lighting device shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1, a concave portion is formed at the tip of the left frame of the pair of
[0017]
Further, the dome of the first transparent
[0018]
The graph of FIG. 2 shows the relationship between the absorption spectrum of the phosphor and the oscillation spectrum of the semiconductor laser device that excites the phosphor. The horizontal axis of the graph indicates the wavelength (nm), the right vertical axis indicates the light intensity (arb .: arbitrary unit) of the semiconductor laser device, and the left vertical axis indicates the light absorption coefficient (%) of the phosphor. ing. In the graph, the solid curve (a) represents the oscillation spectrum of the semiconductor laser device, the arrow (b) represents the fluctuation range of the oscillation spectrum, and the dashed-dotted curve (c) represents the absorption spectrum of the phosphor. ing.
[0019]
Parent crystal (Y 2 O 2 ) During the emission center (Eu 3+ In the phosphor to which is added, a number of band structures are formed between the levels of the 4f electron orbital of the emission center and other orbitals. Due to such a band structure, the absorption spectrum of the phosphor has a shape having almost no flat region with respect to the wavelength as shown by the dashed line (c). Sex is almost nonexistent.
[0020]
On the other hand, the spectrum width of the oscillation wavelength of the semiconductor laser device is usually about several nm as shown by the solid line (a). The oscillation wavelength of the semiconductor laser device changes with a temperature dependency of about 0.3 to 0.5 nm / ° C. Therefore, in an environmental temperature range of 80 ° C. (−20 ° C. to 60 ° C.) in a general use state, the oscillation wavelength can change by about 30 to 40 nm.
[0021]
Due to such fluctuations in the oscillation wavelength of the semiconductor laser element, the amount of laser light absorbed by the phosphor as excitation light (corresponding to the integral of the overlap between the absorption spectrum of the phosphor and the oscillation spectrum of the semiconductor laser) decreases to about 20%. I can do it. As a result, the amount of fluorescence emitted from the phosphor also decreases to about 20% according to the amount of excitation light absorbed by the phosphor.
[0022]
On the other hand, the graph of FIG. 3 is similar to FIG. 2, but illustrates the operation and effect of the lighting device according to the first embodiment. That is, also in FIG. 3, the horizontal axis indicates the wavelength (nm), the right vertical axis indicates the light intensity (arb .: arbitrary unit) of the semiconductor laser device, and the left vertical axis indicates the absorption coefficient of the phosphor. (%). In the graph, the solid line curve (a) is the oscillation spectrum of the semiconductor laser, the one-dot chain line curve (c) is the absorption spectrum of the phosphor, and the two-dot chain line curve (d) is the spontaneous emission light emitted from the semiconductor. The spectrum and the arrow (e) represent the fluctuation range of the spectrum of the spontaneous emission emitted from the semiconductor.
[0023]
As can be seen from this graph, the laser light (a) from the semiconductor laser element is absorbed and In x Ga 1-x The spectral width (e) of the spontaneous emission light (d) emitted from the N particles is much wider than the spectral width of the laser light. The spectrum width of the spontaneous emission light (d) is wider than the width of the absorption spectrum (c) of the phosphor. Therefore, even if the peak wavelength of the spontaneous emission light spectrum from a semiconductor that absorbs laser light changes depending on the environmental temperature, the amount of light absorbed by the phosphor changes by only about 10%. Fluctuations in the amount of emitted fluorescent light can be suppressed to a maximum of about 10%.
[0024]
That is, compared with the case where the laser light is directly absorbed by the phosphor as in the prior art illustrated in FIG. 2, the illumination device of the first embodiment shown in FIG. Then, the spontaneous emission light therefrom is absorbed by the phosphor, so that the environmental temperature dependency of the change in the amount of fluorescence from the phosphor can be remarkably reduced as illustrated in FIG.
[0025]
The semiconductor material that absorbs laser light and emits spontaneous emission light is In x Ga 1-x The semiconductor is not limited to N, and may be any semiconductor having a band gap that emits light that the phosphor can absorb as excitation light, and a ZnMgSSe-based mixed crystal may be used. In addition, the illumination device may have a configuration in which a large number of the shell-shaped elements shown in FIG. 1 are arranged in an array, whereby a planar illumination device is obtained. In addition, a plurality of elements that emit light of a single color are arranged in a matrix by individually including phosphors that emit blue, green, and red fluorescent light, and a dimming unit that controls light emission intensity of each element is provided. Thus, a display device can be obtained.
[0026]
(Embodiment 2)
An example of the linear lighting device according to the second embodiment of the present invention is illustrated in the schematic perspective view of FIG. 4A and the corresponding schematic cross-sectional view of FIG. 4B. This lighting device comprises a
[0027]
A semiconductor laser device (not shown) is optically coupled to one end face of the plastic fiber. As the laser light incident on the plastic fiber propagates through the
[0028]
By installing such a fibrous light-emitting body, for example, on a ceiling in a room, a linear indoor lighting device can be realized.
[0029]
Another example of the linear lighting device according to the second embodiment is illustrated in the schematic perspective view of FIG. 5A and the schematic cross-sectional view of FIG. 5B corresponding thereto. This lighting device is x Ga 1-x A polymethyl methacrylate
[0030]
Also in this lighting device, a semiconductor laser element (not shown) is optically coupled to one end face of the plastic fiber. As the laser light incident into the plastic fiber propagates through the
[0031]
In addition, In in FIG. x Ga 1-x The
[0032]
The schematic sectional view of FIG. 6 illustrates still another example of the linear lighting device according to the second embodiment. This illuminating device includes a
[0033]
In the case of FIG. 6, of the laser light propagating in the
[0034]
By using the plastic fiber as in the second embodiment, it is possible to realize a linear lighting device in which the variation in the amount of fluorescent light emitted from the fluorescent material is less dependent on the environmental temperature. The type of fiber is not limited to plastic fiber, and quartz fiber or the like can be used.
[0035]
(Embodiment 3)
The schematic perspective view of FIG. 7 illustrates an example of the planar lighting device according to Embodiment 3 of the present invention. This lighting device is x Ga 1-x A
[0036]
In the lighting device of FIG. 7, as the laser light incident on the
[0037]
The schematic perspective view of FIG. 8 illustrates another example of the planar lighting device according to the third embodiment of the present invention. This illuminating device has a
[0038]
As the laser light incident on the
[0039]
As in the third embodiment, In x Ga 1-x Even when an N semiconductor layer is used, In x Ga 1-x As in the case where the N semiconductor particles are used, a planar illumination device in which the variation in the amount of fluorescent light emitted from the phosphor is less dependent on environmental temperature can be obtained.
[0040]
(Embodiment 4)
The schematic perspective view of FIG. 9 illustrates a planar lighting device according to Embodiment 4 of the present invention. This lighting device includes a light guide including a waveguide structure including an epoxy
[0041]
As the laser light incident on the
[0042]
Also in the fourth embodiment, for the same reason as in the first embodiment, it is possible to obtain a planar lighting device in which the variation in the amount of fluorescent light emitted from the phosphor is less dependent on the environmental temperature.
[0043]
Note that the waveguide structure included in the light guide according to the fourth embodiment is not limited to the three-layer slab structure, and various structures can be used. In addition, by dispersing InGaN particles in the core, a lighting device including a waveguide structure in which laser light propagating in the core is absorbed by the InGaN particles and converted into spontaneous emission light may be manufactured. It is possible.
[0044]
(Embodiment 5)
10 and 11 schematically illustrate a display device according to Embodiment 5 of the present invention. FIG. 10A is a cross-sectional view of the display device, FIG. 10B is a top view of an optical fiber included therein, and FIG. 11 is a cross-sectional view of the fiber. In this display device, a
[0045]
The laser light propagating through such a
[0046]
Further, on the liquid crystal light
[0047]
(Embodiment 6)
FIG. 12 is a schematic perspective view illustrating an example of a display device according to Embodiment 6 of the present invention. This display device has a light guide shown in FIG. 7 of the third embodiment and In on the light guide. x Ga 1-x A liquid crystal light
[0048]
FIG. 13 illustrates another example of the display device according to Embodiment 6 of the present invention in a schematic perspective view. In this display device, In provided on the upper surface of the light guide including the optical waveguide structure of the fourth embodiment. x Ga 1-x
[0049]
As described above, the display device can be operated by controlling the light intensity of the excitation light applied to each of the red, green, and blue phosphors by the liquid crystal light
[0050]
Note that the optically disposed portion of the liquid crystal light
[0051]
(Embodiment 7)
FIG. 14 illustrates a display device according to Embodiment 7 of the present invention in a schematic sectional view. This display device includes an
[0052]
Thus, In x Ga 1-x The
[0053]
The
[0054]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a lighting device and a display device using a semiconductor laser element and a phosphor, the amount of fluorescence from the phosphor caused by the resonance wavelength fluctuation of the semiconductor laser element caused by the environmental temperature fluctuation is reduced. Can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a lighting device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic graph showing a relationship between an oscillation spectrum of a semiconductor laser and an absorption spectrum of a phosphor when the semiconductor laser is used as a basic light source.
FIG. 3 shows the relationship between the emission spectrum of InGaN and the absorption spectrum of the phosphor when the stimulated emission light from the semiconductor laser is absorbed by InGaN and the spontaneous emission emitted from InGaN is used as the excitation light source of the phosphor. It is a schematic graph.
4A is a schematic perspective view illustrating an example of a lighting device according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 4B is a schematic cross-sectional view corresponding to FIG.
5A is a schematic perspective view showing another example of the illumination device according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 5B is a schematic sectional view corresponding to FIG.
FIG. 6 is a schematic sectional view showing still another example of the lighting device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic perspective view showing an example of a lighting device according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 8 is a schematic perspective view showing another example of the lighting device according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 9 is a schematic perspective view showing a lighting device according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 10A is a schematic cross-sectional view illustrating a lighting device according to Embodiment 5 of the present invention, and FIG. 10B is a schematic plan view illustrating a fiber included in FIG.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the optical fiber in FIG.
FIG. 12 is a schematic perspective view showing an example of a display device according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 13 is a schematic perspective view showing another example of the display device according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 14 is a schematic sectional view showing a display device according to Embodiment 7 of the present invention.
[Explanation of symbols]
Acrylic resin containing phosphor, 1003 pedestal, 1400 circuits.
Claims (7)
前記誘導放出光を吸収して自然放出光を放射する半導体を含む層と、
前記自然放出光を吸収して異なる波長の蛍光を放射するように母体結晶に発光中心が添加された蛍光体を含む層とを備えたことを特徴とする照明装置。A semiconductor laser device that emits stimulated emission light,
A layer containing a semiconductor that absorbs the stimulated emission light and emits spontaneous emission light,
A layer containing a phosphor in which an emission center is added to a base crystal so as to absorb the spontaneous emission light and emit fluorescence of a different wavelength.
前記誘導放出光を吸収して自然放出光を放射する半導体を含む層と、
前記自然放出光を吸収して異なる波長の蛍光を放射するようにマトリクス状に配置された母体結晶に発光中心が添加された蛍光体を含む層と、
前記自然放出光と前記蛍光の少なくとも1方の光強度を変調する光変調手段とを含むことを特徴とする表示装置。A semiconductor laser device that emits stimulated emission light,
A layer containing a semiconductor that absorbs the stimulated emission light and emits spontaneous emission light,
A layer containing a phosphor to which a luminescent center is added to a host crystal arranged in a matrix so as to absorb the spontaneous emission light and emit fluorescence of a different wavelength,
A display device comprising: a light modulating unit that modulates the intensity of at least one of the spontaneous emission light and the fluorescence.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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- 2003-02-28 JP JP2003053588A patent/JP2004266030A/en not_active Withdrawn
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