(57)【要約】【課題】長さが変更されても発光強度の均一性を維持し得るファイバ状の発光体を提供する。【解決手段】発光体は発光素子（１００）とファイバ状導光体を含み、その発光素子がファイバ状導光体の１方の端面に光学的に結合され、ファイバ状導光体の他方の端面においてその導光体内を伝播する光を反射する光学膜（１０４）が形成され、ファイバ状導光体は光を導波するコア（１０１）とそのコアを覆うクラッド（１０３）とを含むとともに少なくとも１部の領域には導波光を部分的に散乱させる光散乱部（１０２）が形成され、その光散乱部の長さＬ（ｃｍ）と散乱係数ｓ（１／ｃｍ）とがＬ≦１／ｓの関係を満たすことを特徴としている。【選択図】        図１
2004341128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子とファイバ状導光体を含み、
前記発光素子が前記ファイバ状導光体の１方の端面に光学的に結合され、
前記ファイバ状導光体の他方の端面においてその導光体内を伝播する光を反射する光学膜が形成され、
前記ファイバ状導光体は光を導波するコアとそのコアを覆うクラッドとを含むとともに、少なくとも１部の領域には導波光を部分的に散乱させる光散乱部を含み、
前記光散乱部の長さＬ（ｃｍ）と散乱係数ｓ（１／ｃｍ）とが
Ｌ  ≦  １／ｓ
の関係を満たすことを特徴とする発光体。
【請求項２】
ファイバ状導光体とその両端面の各々に光学的に結合された発光素子を含み、
前記ファイバ状導光体は光を導波するコアとそのコアを覆うクラッドとを含むとともに、少なくとも１部の領域には導波光を部分的に散乱させる光散乱部を含み、
前記光散乱部の長さＬ（ｃｍ）と散乱係数ｓ（１／ｃｍ）とが
Ｌ  ≦  １／ｓ
の関係を満たすことを特徴とする発光体。
【請求項３】
前記発光素子が光学的に結合されている前記ファイバ状導光体の端面上において、前記発光素子からの光が入射する領域以外の領域には導波光を反射させる光学膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光体。
【請求項４】
前記光散乱部として、コアの少なくとも１部領域に光散乱体が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光体。
【請求項５】
前記光散乱部として、コアの少なくとも１部領域に屈折率分布が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光体。
【請求項６】
前記光散乱部として、クラッド内でかつコア外周近傍でエバネッセント波が存在する領域の少なくとも１部に光散乱体が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光体。
【請求項７】
前記発光素子は発光ダイオード素子と半導体レーザ素子のいずれかであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の発光体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載された発光体を含む照明装置であって、前記発光体から放射される光を吸収して異なる波長の蛍光を放射する蛍光体が分散された媒体をさらに含むことを特徴とする照明装置。
【請求項９】
請求項１から７のいずれかに記載された発光体を含む表示装置であって、前記発光体から放射される光を吸収して異なる波長の蛍光を放射する蛍光体が分散された媒体と、前記発光体から放射される光および蛍光体から放射される蛍光のいずれかの光強度を変調する光強度変調手段とを含むことを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子からの光を導波しつつ部分的に放射するファイバ状導光体を含む発光体に関し、特に、そのファイバ状導光体からの光放射強度の均一性の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、数十ｃｍから数ｍ程度の長さにわたる発光が得られる発光体として、ネオン管が用いられている。しかしながら、このように長いネオン管は高電圧を必要とし、また感電や漏電などに対して危険性がある場所では使用できず、さらにガラス管で形成されているので耐衝撃性が小さいという問題がある。
【０００３】
このような問題点を解決するために、外周面から指向性を伴って高輝度で発光しかつ量産性に優れた安価な光伝送チューブ（ファイバ状導光体）が、特許文献１の特開２０００−３９５１９号公報において提案されている。
【０００４】
図１１は、特許文献１に開示された光伝送チューブを模式的な斜視図で示している。この光伝送チューブは、コア１１００と、このコアを覆いかつ相対的に低い屈折率を有するクラッド１１０２とを含み、これらのコアとクラッドとの間に長さ方向に沿って帯状の反射層１１０１が形成されている。そして、この帯状の反射層１１０１の幅が長さ方向の位置に依存して変化させられることによって、散乱効率が制御されて光放射強度の均一性が改善される。図１１の例では、帯状反射層１１０１の幅は、その長さ方向の距離の増大に比例して増大させられている。
【０００５】
図１１のような光伝送チューブの左端面に発光素子のような光源を設置することによって、ネオン管における問題が解消された好ましい代替品となり得る発光体が実現され得る。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３９５１９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示されているような光伝送チューブにおいては、そのチューブの所望とされる長さに合わせて反射層１１０１の幅を制御する必要がある。したがって、その光伝送チューブでは、種々の長さにわたって光強度の均一性が必要とされる分野において汎用性に欠けるという問題がある。
【０００８】
このような先行技術による光伝送チューブにおける課題に鑑み、本発明は、長さが変更されても発光強度の均一性を維持し得るファイバ状の発光体を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様によれば、発光体は発光素子とファイバ状導光体を含み、その発光素子がファイバ状導光体の１方の端面に光学的に結合され、ファイバ状導光体の他方の端面においてその導光体内を伝播する光を反射する光学膜が形成され、ファイバ状導光体は光を導波するコアとそのコアを覆うクラッドとを含むとともに少なくとも１部の領域には導波光を部分的に散乱させる光散乱部を含み、その光散乱部の長さＬ（ｃｍ）と散乱係数ｓ（１／ｃｍ）とがＬ≦１／ｓの関係を満たすことを特徴としている。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、発光体はファイバ状導光体とその両端面の各々に光学的に結合された発光素子を含み、ファイバ状導光体は光を導波するコアとそのコアを覆うクラッドとを含むとともに少なくとも１部の領域には導波光を部分的に散乱させる光散乱部を含み、その光散乱部の長さＬ（ｃｍ）と散乱係数ｓ（１／ｃｍ）とがＬ≦１／ｓの関係を満たすことを特徴としている。
【００１１】
なお、発光素子が光学的に結合されているファイバ状導光体の端面上において、発光素子からの光が入射する領域以外の領域には導波光を反射させる光学膜が形成されていることが好ましい。
【００１２】
光散乱部としては、コアの少なくとも１部領域に光散乱体が形成され得る。また、光散乱部として、コアの少なくとも１部領域に屈折率分布が設けられてもよい。さらに、光散乱部として、クラッド内でかつコア外周近傍でエバネッセント波が存在する領域の少なくとも１部に光散乱体が形成されてもよい。発光素子としては、発光ダイオード素子と半導体レーザ素子のいずれを利用してもよい。
【００１３】
以上のような発光体を含む照明装置を得るために、発光体から放射される光を吸収して異なる波長の蛍光を放射する蛍光体が分散された媒体をさらに含むことができる。
【００１４】
以上のような発光体を含む表示装置を得るために、発光体から放射される光を吸収して異なる波長の蛍光を放射する蛍光体が分散された媒体と、発光体から放射される光および蛍光体から放射される蛍光のいずれかの光強度を変調する光強度変調手段とをさらに含むことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１、図２、および図３において、本発明の実施形態１による発光体が概略的に図解されている。図１は発光体の斜視図であり、図２はその発光体に含まれるファイバ状導光体の断面図であり、そして図３は発光体の光強度分布を示すグラフである。なお、本願の図面において、同一符号は同一部分または相当部分を表している。
【００１６】
図１の発光体は、ファイバ状導光体とその左側端面へ樹脂１０５を介して光学的に結合された赤色発光ダイオード素子１００とを含んでいる。赤色発光ダイオード素子１００は、ＩｎＧａＡｌＰ系発光層を含んでいる。ファイバ状導光体は、発光ダイオード素子１００から導入された光を導波するように、ポリスチレンまたはポリカーボネートなどからなるコア１０１とアクリル系ポリマーからなるクラッド１０３を含んでいる。そして、このコア１０１内の一部には、導波光を散乱させるＴｉＯｘ粒子１０２が分散されている（図２をも参照）。
【００１７】
さらに、図１中のファイバ状導光体の右側端面上には、その導光体内を伝播する光がその右側端面から放射されて損失となることを防止するために、例えばアルミニウム金属膜からなる高反射膜１０４が形成されている。すなわち、図１および図２に示されているように、発光ダイオード素子１００からファイバ状導光体内に導入された光は、コア１０１内を伝播しながらＴｉＯｘ粒子によって部分的に放射光１０６として散乱される。
【００１８】
ここでＴｉＯｘ粒子などの散乱体による散乱係数は、次のような関係式で表される。すなわち、ファイバ状導光体の長さ方向に沿った距離をｘで表せば、ｄｘの微小長さ領域で散乱されて失われる光量−ｄＰ（ｘ）は、ｘ点における光強度Ｐ（ｘ）と微小長さｄｘに比例する。
【００１９】
ｄＰ（ｘ）／ｄｘ＝−ｓＰ（ｘ）
Ｐ（ｘ）＝Ｐ（０）Ｅｘｐ（−ｓｘ）
赤色発光ダイオード素子１００からファイバ状導光体の左方端内へ導入された光は、部分的に散乱させられながらコア１０１内を右方端まで伝播し、その右方端においてアルミニウム金属膜１０４によって反射される。この反射された光は部分的に散乱させられながら導光体内を逆方向に左方端へ伝播し、発光ダイオード素子１００において半導体チップが実装された金属リードフレームによって反射される。このような光の伝播と反射の繰り返しによって、ファイバ状導光体の両端間で光多重反射が生じる。
【００２０】
図３においては、散乱係数ｓ（１／ｃｍ）によって規格化されたファイバ状導光体の長さとその光強度分布状態（ｍｉｎ／ｍａｘ：最小値／最大値の比）との関係を算出した結果が示されている。このようなファイバ状導光体における光強度分布状態（ｍｉｎ／ｍａｘ）の均一性は、液晶のバックライト用の照明として用いられる場合に少なくとも６５％程度が必要とされている。
【００２１】
このことから、散乱係数がｓ（１／ｃｍ）になるように散乱体を分散させている場合には、光散乱部の長さＬ（図１参照）は１／ｓ（ｃｍ）以下の範囲内で任意の長さに設定され得る。また、光散乱部長さＬとして１／ｓ（ｃｍ）以下の任意の長さが望まれる場合には、散乱係数をｓ（１／ｃｍ）以下に設定すればよい。すなわち、本発明による発光体においては、特許文献１の場合のように異なる長さの光伝送チューブごとに個別に散乱係数ｓ（１／ｃｍ）の設計を行う必要がなく、長さが変更されても均一な光強度分布を有するファイバ状発光体を容易に実現することができる。このような効果は、以後の他の実施形態による発光体においても同様に得ることができる。
【００２２】
なお、前述の赤色発光ダイオード素子１００の代わりに、青色や緑色などで発光する発光ダイオード素子が用いられてもよいことは言うまでもない。
【００２３】
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２による発光体を模式的な斜視図で図解している。実施形態１に比べて本実施形態２に特徴的なことは、ＩｎＧａＮ発光層を含む青色半導体レーザ素子４００が、ファイバ状導光体の両端面の各々において樹脂１０５によって光学的に結合されていることである。
【００２４】
図４において、左側のレーザ素子４００からファイバ状導光体内に導入されたレーザ光は、コア１０１内を右方向へ伝播しながらＴｉＯｘ粒子１０５によって部分的に散乱されて、その導光体の周りへ散乱光１０６として放射される。そして、コア１０１内で導波されて導光体の右側端面に至った光は、そこに設置されたもう一つのレーザ素子４００における半導体チップが実装された金属ステムの端面で反射される。この反射光はコア１０１内で逆方向に導波され、左側端面に設置されたレーザ素子４００の半導体チップが実装された金属ステムの端面にて反射される。このようなコア１０１内の光導波と左右のレーザ素子４００内の金属ステムにおける反射の繰り返しによって、ファイバ状導光体の両端間で部分的な光散乱を伴いながらレーザ光の多重反射が生じる。同様に、右側のレーザ素子４００からからファイバ状導光体内に導入されたレーザ光に関しても、部分的な光散乱を伴いながら、そのファイバ状導光体の両端間でレーザ光の多重反射が生じる。
【００２５】
本実施形態２においても、実施形態１の場合と同様に光散乱部長さＬを１／ｓ（１／ｃｍ）以下に設定することによって、光強度分布状態（ｍｉｎ／ｍａｘ）の均一性を改善することができる。
【００２６】
なお、前述の青色半導体レーザ素子４００の代わりに、赤色などの波長で発振する半導体レーザ素子が用いられてもよいことは言うまでもない。
【００２７】
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３による発光体を模式的な斜視図で図解している。実施形態１に比べて本実施形態３に特徴的なことは、ファイバ状導光体の光伝播方向に沿ってコア１０１中の長さ方向の１部のみにおいて導波光を散乱させるＴｉＯｘ粒子１０２が分散されていることである。
【００２８】
このような本実施形態３の発光体においても、実施形態１の場合と同様に光散乱部長さＬを１／ｓ（ｃｍ）以下に設定することによって、その光散乱部長さＬにわたって均一な光強度分布を得ることができる。
【００２９】
（実施形態４）
図６は、本発明の実施形態４による発光体を模式的な斜視図で図解している。この発光体においては、実施形態１におけるような光散乱部を含まなくて伝播光が漏洩しないファイバ状導光体６００の一方端へ、青色半導体レーザ素子４００が樹脂１０５を介して結合されている。そして、この導光体６００の他端には、実施形態１の場合と同様な光散乱部を含むファイバ状導光体６０１の一方端が、射出形成されたプラスチックネジ構造６０２によって結合されている。さらに、導光体６０１の他方端面には、この導光体内を伝播する光を反射させるアルミニウム金属膜からなる高反射膜１０４が形成されている。本実施形態４の発光体においても、その光散乱部長さＬにわたって均一な光強度分布を得ることができる。
【００３０】
また、本実施形態４では、半導体レーザ素子４００が劣化してその光出力が低下した場合でも、そのレーザ素子が結合されている導光体６００の部分をネジ構造６０２から取り外すことによって、容易にそのレーザ素子の取替えを行うことができる。さらに、光散乱部を含む導光体６０１を発光素子４００から離れた場所に設置するような場合においても、光を漏洩しない導光体６００を長くすることによって対応することができる。
【００３１】
（実施形態５）
図７は、本発明の実施形態５の発光体に含まれるファイバ状導光体を模式的な断面図で図解している。実施形態１に比べて本実施形態５において特徴的なことは、ファイバ状導光体に含まれるの光散乱部の構造が変更されていることである。
【００３２】
すなわち、図７（ａ）のファイバ状導光体はコア１０１とこのコアを覆うクラッド１０３を含み、それらのコアとクラッドとの界面の１部に凹凸構造７００が設けられている。そして、このファイバ状導光体内を伝播する光は、その凹凸構造７００による屈折率分布によって、部分的に周囲へ放射される。この場合、凹凸構造における高低差やピッチなどを変えることによって、導波光に関する散乱係数ｓ（１／ｃｍ）を制御することができる。
【００３３】
図７（ｂ）は、ファイバ状導光体に含まれる光散乱部の構造が変更された他の例を示している。このファバ状導光体はコア１０１とこのコアを覆うクラッド１０３を含み、クラッド内の領域であって導波光がコアから滲み出したエバネッセント波が存在する領域（点線の領域）７０２内の１部には、例えばＴｉＯ２粒子からなる散乱体７０１が分散されている。そして、このような導光体では、導波光のうちでクラッド１０３内に存在するエバネッセント波成分のみが、このＴｉＯ２粒子からなる散乱体７０１によって周囲に散乱放射される。この場合に、散乱体７０１の粒子の径、形状、および／または分散状態を変えることによって散乱係数ｓ（１／ｃｍ）を制御することができる。
【００３４】
以上のように、図７（ａ）または（ｂ）に示されているような散乱体を含むファイバ状導光体においても、光散乱係数の制御が可能な導光体を実現し得る。
【００３５】
（実施形態６）
図８は、本発明の実施形態６による発光体に含まれるファイバ状導光体の一方端面を模式的に示している。実施形態１に比べて本実施形態６が異なる特徴は、ファイバ状導光体の両端面のうちで発光ダイオード素子が光学的に結合される端面の部分的領域に光反射膜８００が形成されていることである。なお、この実施形態６における導光体も、実施形態１の場合と同様に、コア１０１とこのコアを覆うクラッド１０３を含み、このコア内の１部には光散乱体が形成されている。
【００３６】
すなわち、図８に示された端面上において、発光ダイオード素子からの光が入射する領域以外の領域には、導波光を反射するように例えば酸化物の多層誘電体膜からなる高反射膜８００が形成されている。したがって、本実施形態６においては、実施形態１の場合のように導光体端面から漏れる光を発光ダイオード素子の金属リードフレーム上で反射させる替わりに、導光体端面に設けている高反射膜８００で光を反射させることができる。この実施形態６の場合、リードフレーム表面の凹凸形状による乱反射の影響を回避することができるので、光のロス防止の観点から実施形態１に比べてより好ましい。
【００３７】
（実施形態７）
図９は、本発明の実施形態７による照明装置に含まれるファイバ状導光体の断面を模式的に示している。この導光体は、コア１０１とこのコアを覆うクラッド１０３を含み、このコア内の１部にはＴｉＯ２粒子からなる光散乱体１０２が形成されている。さらに、クラッド１０３の外周面は、赤色（Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ）、および青色（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）１０（ＰＯ４））６：Ｅｕ３＋の蛍光体が分散されたアクリル樹脂層９００によって覆われている。
【００３８】
本実施形態７において、この図９の導光体の一方端面にはＩｎＧａＮ発光層を含んでいて波長３８０ｎｍ〜４３０ｎｍで発振する青色半導体レーザ素子（図示せず）が光学的に結合されており、他方端面にはアルミニウム金属膜からなる高反射膜（図示せず）が形成されている。そして、その青色半導体レーザ素子からのレーザ光が蛍光体含有樹脂層９００に照射され、各蛍光体から放射される各色蛍光の混色によって白色の照明装置が実現され得る。
【００３９】
以上のように、本実施形態７では、均一な光強度分布を有する白色照明光を放射し得る照明装置を実現することができる。なお、このようなファイバ状の照明装置は、例えば天井に配置される蛍光灯の好ましい代替品になり得る。
【００４０】
（実施形態８）
図１０は、本発明の実施形態８による表示装置を模式的に図解している。図１０（ｂ）は表示装置を模式的な斜視図で示し、図１０（ａ）はその表示装置に含まれるファイバ状導光体を模式的な断面図で示している。
【００４１】
図１０に示されたファイバ状導光体１００６は、コア１０１とこのコアを覆うクラッド１０３を含み、このコア内の１部にはＴｉＯ２粒子からなる散乱体１０２が形成されている。またこの導光体１００６の一方端面には、ＩｎＧａＮ発光層を含みかつ波長３８０ｎｍ〜４３０ｎｍで発振する半導体レーザ素子２００が配置されている。さらに、この導光体の外周面上には、直線状の１領域のみから光が放射されるようにスリット状開口が設けられたアルミニウム膜１０００が形成されている。
【００４２】
このファイバ状導光体１００６は、そこから放射される線状光を面状光に変換させるための概略板状の導光体１００１に結合されている。そして、この板状導光体１００１に導入された光は、その板状導光体中を伝播しながら部分的に上面方向に放射される。この板状導光体１００１の上面上には、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１００２が設けられており、導入されたレーザ光の光強度がこの液晶光変調素子１００２によって変調される。
【００４３】
さらに、この変調されたレーザ光は、液晶光変調素子１００２上の各画素に対応してピクセル状に配置された樹脂片中に分散されている赤色、緑色、および青色の蛍光を発する各蛍光体１００３、１００４、１００５に照射される。
【００４４】
以上のような本実施形態８においても、ファイバ状導光体１００６から均一な光強度分布を有する線状光が得られるので、板状導光体１００１の主面内光強度分布の均一性を向上させることが可能となる。
【００４５】
なお、液晶光変調素子１００２の代わりとして、各ピクセル状蛍光体から放射される蛍光に対する光強度制御手段を用いてもよく、例えば蛍光体から放射される蛍光を光電界吸収効果で吸収する手段を用いることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、長さが変更されても発光強度の均一性を維持し得るファイバ状の発光体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１によるファイバ状の発光体を示す模式的な斜視図である。
【図２】図１の発光体に含まれるファイバ状導光体の模式的な断面図である。
【図３】散乱係数で規格化された発光領域長さと光強度分布との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態２によるファイバ状発光体を示す模式的な斜視図である。
【図５】本発明の実施形態３によるファイバ状発光体を示す模式的な斜視図である。
【図６】本発明の実施形態４によるファイバ状発光体を示す模式的な斜視図である。
【図７】本発明の実施形態５による発光体に含まれるファイバ状導光体の模式的な断面図である。
【図８】本発明の実施形態６による発光体に含まれるファイバ状導光体の端面図である。
【図９】本発明の実施形態７による照明装置に含まれるファイバ状導光体の模式的な断面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の実施形態８による表示装置に含まれるファイバ状導光体の模式的断面図であり、（ｂ）はその表示装置を示す模式的斜視図である。
【図１１】先行技術によるファイバ状導光体を図解する模式的な斜視図である。
【符号の説明】
１００  発光ダイオード素子、１０１  コア、１０２  散乱体、１０３  クラッド、１０４  高反射膜（アルミニウム金属膜）、１０５  樹脂、１０６  散乱放射光、４００  青色半導体レーザ素子、６００  ファイバ状導光体（非漏光）、６０１  ファイバ状導光体、６０２  プラスチックネジ機構、７００  凹凸構造、７０１  散乱体、７０２  エバネッセント波領域、８００  高反射膜、９００  蛍光体が分散されたアクリル樹脂層、１０００  アルミニウム膜、１００１板状導光体、１００２  液晶光変調素子、１００３  赤色蛍光体、１００４  緑色蛍光体、１００５  青色蛍光体、１００６  ファイバ状導光体、１１００  コア、１１０１  拡散体、１１０２  クラッド。
【図１】
2004341128.tif 000003
【図２】
2004341128.tif 000004
【図３】
2004341128.tif 000005
【図４】
2004341128.tif 000006
【図５】
2004341128.tif 000007
【図６】
2004341128.tif 000008
【図７】
2004341128.tif 000009
【図８】
2004341128.tif 000010
【図９】
2004341128.tif 000011
【図１０】
2004341128.tif 000012
【図１１】
2004341128.tif 000013