JP2000275444A - 発光装置 - Google Patents
発光装置Info
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- JP2000275444A JP2000275444A JP11081897A JP8189799A JP2000275444A JP 2000275444 A JP2000275444 A JP 2000275444A JP 11081897 A JP11081897 A JP 11081897A JP 8189799 A JP8189799 A JP 8189799A JP 2000275444 A JP2000275444 A JP 2000275444A
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- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
- G02B6/0003—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being doped with fluorescent agents
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- Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 輝度の高いインコヒーレントな光源を提供す
る。 【解決手段】 ファイバ１２中に添加された蛍光体１７
をレーザ光で励起することによって、高効率でかつ高輝
度の光源の実現を可能とする。
る。 【解決手段】 ファイバ１２中に添加された蛍光体１７
をレーザ光で励起することによって、高効率でかつ高輝
度の光源の実現を可能とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光源に用いる発光
装置に関する。
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ディスプレイ装置や交通信号等の光源と
して発光ダイオード（ＬＥＤ）を始めとする固体発光素
子が用いられている。このような応用では素子の高信頼
性と共に、高効率および低価格な素子が必要とされてい
る。従来の電球や蛍光菅に比べ、ＬＥＤは高い信頼性を
持っているが、以下のような問題点がある。すなわち、
樹脂パッケージにモールドされたＬＥＤを光源として見
た場合に、発光部の面積は比較的大きく、また出射光の
平行性は悪い。このため、光学系を用いてＬＥＤ光をコ
リメートしたり、あるいは極小スポットに絞ろうとする
場合に、出射光全部を利用することができず、利用でき
る光出力が大幅に低下してしまうと言う問題がある。こ
れに対して例えば半導体レーザを用いれば、高効率のコ
リメート光または極小スポットを得ることが可能である
が、半導体レーザの場合はコヒーレント光であるため、
ディスプレイ装置等の光源に用いるには安全性等の問題
がある。
して発光ダイオード（ＬＥＤ）を始めとする固体発光素
子が用いられている。このような応用では素子の高信頼
性と共に、高効率および低価格な素子が必要とされてい
る。従来の電球や蛍光菅に比べ、ＬＥＤは高い信頼性を
持っているが、以下のような問題点がある。すなわち、
樹脂パッケージにモールドされたＬＥＤを光源として見
た場合に、発光部の面積は比較的大きく、また出射光の
平行性は悪い。このため、光学系を用いてＬＥＤ光をコ
リメートしたり、あるいは極小スポットに絞ろうとする
場合に、出射光全部を利用することができず、利用でき
る光出力が大幅に低下してしまうと言う問題がある。こ
れに対して例えば半導体レーザを用いれば、高効率のコ
リメート光または極小スポットを得ることが可能である
が、半導体レーザの場合はコヒーレント光であるため、
ディスプレイ装置等の光源に用いるには安全性等の問題
がある。
【０００３】また、ＬＥＤのもう一つの問題は大面積で
の高出力発光が難しいことである。ＬＥＤの駆動電流は
通常２０ｍＡ程度と小さく、ＬＥＤ１個では高出力光源
は得られない。ＬＥＤチップを大面積にするとある程度
の高出力発光は得られるが、チップ内での温度上昇が著
しく、大面積化には限度がある。
の高出力発光が難しいことである。ＬＥＤの駆動電流は
通常２０ｍＡ程度と小さく、ＬＥＤ１個では高出力光源
は得られない。ＬＥＤチップを大面積にするとある程度
の高出力発光は得られるが、チップ内での温度上昇が著
しく、大面積化には限度がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このようにＬＥＤ等の
固体発光素子を光源として用いる場合に、輝度の高い点
光源を得ることが難しく、また大面積での高出力発光を
得ることが困難という問題があった。
固体発光素子を光源として用いる場合に、輝度の高い点
光源を得ることが難しく、また大面積での高出力発光を
得ることが困難という問題があった。
【０００５】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、輝度の高いインコヒー
レントな光源を提供することにある。
ので、その目的とするところは、輝度の高いインコヒー
レントな光源を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、ファイ
バ中に添加された蛍光体をレーザ光で励起することによ
って、高効率でかつ高輝度の光源の実現を可能とするこ
とにある。
バ中に添加された蛍光体をレーザ光で励起することによ
って、高効率でかつ高輝度の光源の実現を可能とするこ
とにある。
【０００７】即ち本発明は、半導体レーザと、蛍光体を
添加したファイバ型光導波路とからなり、該ファイバ型
光導波路を導波される半導体レーザ光によって蛍光体を
励起し、蛍光体による発光をファイバ型光導波路外部に
取り出すことを特徴とする。
添加したファイバ型光導波路とからなり、該ファイバ型
光導波路を導波される半導体レーザ光によって蛍光体を
励起し、蛍光体による発光をファイバ型光導波路外部に
取り出すことを特徴とする。
【０００８】また本発明は、前記ファイバ型光導波路の
出射端面に半導体レーザ光の波長に対して高反射、蛍光
体による発光波長に対して低反射となる反射鏡が設けら
れていることを特徴とする。
出射端面に半導体レーザ光の波長に対して高反射、蛍光
体による発光波長に対して低反射となる反射鏡が設けら
れていることを特徴とする。
【０００９】また本発明は、前記ファイバ型光導波路の
半導体レーザ光入射端面に蛍光体による発光波長に対し
て高反射となる反射鏡が設けられていることを特徴とす
る。
半導体レーザ光入射端面に蛍光体による発光波長に対し
て高反射となる反射鏡が設けられていることを特徴とす
る。
【００１０】また本発明は、前記半導体レーザが窒素を
含む化合物半導体を材料とすることを特徴とする。
含む化合物半導体を材料とすることを特徴とする。
【００１１】本発明によれば、発光部面積の小さい高出
力インコヒーレント光が得られる。また、本発明によれ
ば大面積で発光する高出力インコヒーレント光が得られ
る。
力インコヒーレント光が得られる。また、本発明によれ
ば大面積で発光する高出力インコヒーレント光が得られ
る。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。
形態によって説明する。
【００１３】図１は本発明の第１の実施形態に関わる発
光装置の概略構成を示す図である。図中１０は半導体レ
ーザ、１１はレンズ、１２は光ファイバである。半導体
レーザ１０から出射した光はレンズ１１によって、光フ
ァイバ端面に集光され、コア部１３に導波される。レン
ズ１１の形態は各種あり得るが、例えばサファイア球レ
ンズ等を用いることができる。光ファイバ１２の端面に
は反射膜１４、１５が形成されている。光ファイバのク
ラッド１４中には蛍光体１７が添加されている。光ファ
イバ中に導波されている半導体レーザ光（波長λ１）の
一部はクラッド１４中にしみ出しているため、この光を
励起光として蛍光体１７が発光する（発光中心波長
λ２）。この光は光ファイバ１２の出射端面（図右側）
から外部に取り出される。
光装置の概略構成を示す図である。図中１０は半導体レ
ーザ、１１はレンズ、１２は光ファイバである。半導体
レーザ１０から出射した光はレンズ１１によって、光フ
ァイバ端面に集光され、コア部１３に導波される。レン
ズ１１の形態は各種あり得るが、例えばサファイア球レ
ンズ等を用いることができる。光ファイバ１２の端面に
は反射膜１４、１５が形成されている。光ファイバのク
ラッド１４中には蛍光体１７が添加されている。光ファ
イバ中に導波されている半導体レーザ光（波長λ１）の
一部はクラッド１４中にしみ出しているため、この光を
励起光として蛍光体１７が発光する（発光中心波長
λ２）。この光は光ファイバ１２の出射端面（図右側）
から外部に取り出される。
【００１４】励起光としてに半導体レーザ１０の発振波
長λ１と蛍光体の発光波長λ２とは次の関係を満たして
いる必要がある。
長λ１と蛍光体の発光波長λ２とは次の関係を満たして
いる必要がある。
【数１】 半導体レーザとしては、例えばＩｎＧａＮを活性層とす
る青色レーザ（波長λ１＝３９０〜４３０ｎｍ）あるい
はＧａＮを活性層とする紫外レーザ（波長λ１＝３６０
〜３８０ｎｍ）を用いることができる。またさらに短波
長のＧａＡｌＢＮ系レーザを用いてもよい。
る青色レーザ（波長λ１＝３９０〜４３０ｎｍ）あるい
はＧａＮを活性層とする紫外レーザ（波長λ１＝３６０
〜３８０ｎｍ）を用いることができる。またさらに短波
長のＧａＡｌＢＮ系レーザを用いてもよい。
【００１５】添加する蛍光体としては、赤、緑、青に発
光ピーク波長を持つ蛍光体のいずれかを添加してもよい
し、３種類を同時に添加してもよい。前者の場合はスペ
クトル幅の狭い、すなわち色純度の優れた単色発光が得
られ、後者の場合には白色光源が得られる。
光ピーク波長を持つ蛍光体のいずれかを添加してもよい
し、３種類を同時に添加してもよい。前者の場合はスペ
クトル幅の狭い、すなわち色純度の優れた単色発光が得
られ、後者の場合には白色光源が得られる。
【００１６】本実施形態では、蛍光体は光ファイバのク
ラッド部に添加されているが、励起光の閉じ込め係数が
大きいコア部に添加してもよいし、コアとクラッドの両
方に添加してもよい。
ラッド部に添加されているが、励起光の閉じ込め係数が
大きいコア部に添加してもよいし、コアとクラッドの両
方に添加してもよい。
【００１７】ここで反射膜１４、１５の励起光波長λ１
に対する反射率をそれぞれ、ｒ１、ｒ２、蛍光体の発光
波長λ２に対する透過率をそれぞれｔ１、ｔ２とする
と、入射励起光出力Ｐ１と出射可視光出力Ｐ２との間に
は次の関係がある。
に対する反射率をそれぞれ、ｒ１、ｒ２、蛍光体の発光
波長λ２に対する透過率をそれぞれｔ１、ｔ２とする
と、入射励起光出力Ｐ１と出射可視光出力Ｐ２との間に
は次の関係がある。
【数２】
【数３】
【数４】 ここで、ηは励起光の光ファイバへの結合効率、γは励
起光から蛍光体による可視波長への変換効率、ａは可視
波長への変換以外の損失の割合である。
起光から蛍光体による可視波長への変換効率、ａは可視
波長への変換以外の損失の割合である。
【００１８】反射膜１５の反射率は励起光に対して高
く、出射可視波長に対して低いことが望ましい。最も望
ましい状態はλ１に対して完全反射、λ２に対して完全
透過である。すなわち、
く、出射可視波長に対して低いことが望ましい。最も望
ましい状態はλ１に対して完全反射、λ２に対して完全
透過である。すなわち、
【数５】 また、反射膜１４の反射率は出射可視波長に対して高い
ことが望ましい。最も望ましくは
ことが望ましい。最も望ましくは
【数６】 である。各反射膜の反射率を２つの波長λ１、λ２に対
して独立に設定することは、多層膜を用いれば容易であ
る。
して独立に設定することは、多層膜を用いれば容易であ
る。
【００１９】ｒ１が０に近い場合、すなわち励起光に対
して無反射膜の場合には、レーザと光ファイバとでレー
ザ光に対する共振器が形成される。またｒ１が０と１の
間の値の場合には、光ファイバが半導体レーザ光に対す
る外部共振器として働く。この場合の外部共振器として
のインピーダンス整合条件（反射が０となる条件）は次
式で与えられる。
して無反射膜の場合には、レーザと光ファイバとでレー
ザ光に対する共振器が形成される。またｒ１が０と１の
間の値の場合には、光ファイバが半導体レーザ光に対す
る外部共振器として働く。この場合の外部共振器として
のインピーダンス整合条件（反射が０となる条件）は次
式で与えられる。
【数７】 （５）、（７）が成り立っている場合には、（２）、
（３）式よりＰ２は次式で与えられる。
（３）式よりＰ２は次式で与えられる。
【数８】 例えばη＝０．５、γ＝０．５、ａ＝０．１とすると、
Ｐ２＝０．３１Ｐ１となり、全体として約３０％の変換
効率が得られることになる。
Ｐ２＝０．３１Ｐ１となり、全体として約３０％の変換
効率が得られることになる。
【００２０】本実施形態の特長は、インコヒーレントな
可視発光を極小領域から取り出すことができることであ
る。これは、図１において、λ２の光がファイバ端面か
ら出射される構成となっているためである。
可視発光を極小領域から取り出すことができることであ
る。これは、図１において、λ２の光がファイバ端面か
ら出射される構成となっているためである。
【００２１】図２は本発明の第２の実施形態に関わる発
光装置の概略構成を示す図である。図中２０は半導体レ
ーザ、２１はレンズ、２２は光ファイバである。本実施
形態の基本部分は図１の場合と同様なので、説明は省略
する。図１の場合と異なる点は、光ファイバのコアが２
３および２４の２重になっていることである。これらの
屈折率の関係は図右に示されている。蛍光体２８は外側
のコアに添加されている。これにより、蛍光体による可
視光はコア２４内を導波されて端面より出射するため、
第１の実施形態よりさらに小さい領域からインコヒーレ
ント可視光を出射させることができる。
光装置の概略構成を示す図である。図中２０は半導体レ
ーザ、２１はレンズ、２２は光ファイバである。本実施
形態の基本部分は図１の場合と同様なので、説明は省略
する。図１の場合と異なる点は、光ファイバのコアが２
３および２４の２重になっていることである。これらの
屈折率の関係は図右に示されている。蛍光体２８は外側
のコアに添加されている。これにより、蛍光体による可
視光はコア２４内を導波されて端面より出射するため、
第１の実施形態よりさらに小さい領域からインコヒーレ
ント可視光を出射させることができる。
【００２２】このような出射光は、レンズを用いれば容
易に平行光にコリメートしたり、あるいは極小スポット
に集光することが可能である。
易に平行光にコリメートしたり、あるいは極小スポット
に集光することが可能である。
【００２３】図３は本発明の第３の実施形態に関わる発
光装置の概略構成を示す図である。図中３０は半導体レ
ーザ、３１はレンズ、３２は蛍光体を添加した光ファイ
バ、３３はコリメーションレンズである。本実施形態で
は反射膜の替わりに回折格子３４、３５を用いている。
このファイバグレーティングにより、励起光（波長
λ １）に対する共振器が形成されている。
光装置の概略構成を示す図である。図中３０は半導体レ
ーザ、３１はレンズ、３２は蛍光体を添加した光ファイ
バ、３３はコリメーションレンズである。本実施形態で
は反射膜の替わりに回折格子３４、３５を用いている。
このファイバグレーティングにより、励起光（波長
λ １）に対する共振器が形成されている。
【００２４】図４は本発明の第４の実施形態に関わる発
光装置の概略構成を示す断面図である。この図は蛍光体
を添加した光ファイバの断面を示している。図中４０は
光ファイバ、４１は反射膜である。反射膜には金属膜あ
るいは誘電体多層膜等を用いることができる。
光装置の概略構成を示す断面図である。この図は蛍光体
を添加した光ファイバの断面を示している。図中４０は
光ファイバ、４１は反射膜である。反射膜には金属膜あ
るいは誘電体多層膜等を用いることができる。
【００２５】本実施形態では蛍光体による可視光をファ
イバ側面から出射させるようにした構成となっている。
また反射膜４１を設けることにより、光は片側へのみ出
射される。
イバ側面から出射させるようにした構成となっている。
また反射膜４１を設けることにより、光は片側へのみ出
射される。
【００２６】図５は本発明の第５の実施形態に関わる発
光装置の概略構成を示す図である。図中５０は半導体レ
ーザ、５１はレンズ、５２は光ファイバ結合器（スター
カプラ）、５３は蛍光体を添加したファイバアレイであ
る。
光装置の概略構成を示す図である。図中５０は半導体レ
ーザ、５１はレンズ、５２は光ファイバ結合器（スター
カプラ）、５３は蛍光体を添加したファイバアレイであ
る。
【００２７】本実施形態において、半導体レーザ５１か
ら出射した光はレンズ５１で集光され光ファイバ結合器
５２によってファイバアレイに分岐される。ファイバア
レイの各ファイバの断面は例えば図４の実施形態のよう
になっており、可視光はファイバ側面から上側へ出射す
るようになっている。
ら出射した光はレンズ５１で集光され光ファイバ結合器
５２によってファイバアレイに分岐される。ファイバア
レイの各ファイバの断面は例えば図４の実施形態のよう
になっており、可視光はファイバ側面から上側へ出射す
るようになっている。
【００２８】本実施形態では、可視光の面光源が得られ
るので、例えば蛍光体として赤、緑、青の３種類を用い
て白色光を出射させるようにしておけば、液晶のバック
ライトとして用いることができる。
るので、例えば蛍光体として赤、緑、青の３種類を用い
て白色光を出射させるようにしておけば、液晶のバック
ライトとして用いることができる。
【００２９】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
発光部面積の小さい高出力インコヒーレント光が得られ
る。また、本発明によれば大面積で発光する高出力イン
コヒーレント光が得られる。
発光部面積の小さい高出力インコヒーレント光が得られ
る。また、本発明によれば大面積で発光する高出力イン
コヒーレント光が得られる。
【図１】第１の実施形態に係わる発光装置の概略構造を
示す断面図。
示す断面図。
【図２】第２の実施形態に係わる発光装置の概略構造を
示す断面図。
示す断面図。
【図３】第３の実施形態に係わる発光装置の概略構造を
示す斜視図。
示す斜視図。
【図４】第４の実施形態に係わる発光装置の概略構造を
示す断面図。
示す断面図。
【図５】第５の実施形態に係わる発光装置の概略構造を
示す斜視図。
示す斜視図。
１０，２０，３０，５０−−−−−半導体レーザ １１，２１，３１，３３，５１−−−−−レンズ １２，２２，３２，４０−−−−−光ファイバ １３，２３−−−−−コア １４，２５−−−−−クラッド １５，１６，２６，２７−−−−−反射膜 １７，２８，４２−−−−−蛍光体 ５３−−−−−ファイバアレイ
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体レーザと、蛍光体を添加したファ
イバ型光導波路とからなり、該ファイバ型光導波路を導
波される半導体レーザ光によって蛍光体を励起し、蛍光
体による発光をファイバ型光導波路外部に取り出すこと
を特徴とする発光装置。 - 【請求項２】 前記ファイバ型光導波路の出射端面は半
導体レーザ光の波長に対して高反射、蛍光体による発光
波長に対して低反射となる反射鏡が設けられていること
を特徴とする請求項１に記載の発光装置。 - 【請求項３】 前記ファイバ型光導波路の半導体レーザ
光入射端面は蛍光体による発光波長に対して高反射とな
る反射鏡が設けられてい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。 - 【請求項４】 前記半導体レーザは窒素を含む化合物半
導体を材料とすることを特徴とする請求項１ないし３に
記載の発光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08189799A JP3434726B2 (ja) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | 発光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08189799A JP3434726B2 (ja) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | 発光装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000275444A true JP2000275444A (ja) | 2000-10-06 |
| JP3434726B2 JP3434726B2 (ja) | 2003-08-11 |
Family
ID=13759244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08189799A Expired - Fee Related JP3434726B2 (ja) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | 発光装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3434726B2 (ja) |
Cited By (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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