(57)【要約】【課題】半導体レーザ素子と蛍光体を利用する照明装置および表示装置において、環境温度の変動の影響による発光強度の変動を抑制する。【解決手段】照明装置および表示装置は、複数の共振波長のレーザ光を放射する複数の半導体共振器（１００）と、レーザ光を吸収して蛍光を放射する蛍光体（１０２）とを少なくとも含み、それら複数の半導体共振器（１００）は環境温度が変動してもいずれか１以上の共振器（１００）の共振波長が蛍光体（１０２）の吸収帯内に存在するように設定されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の共振波長のレーザ光を放射する複数の半導体共振器と、レーザ光を吸収して蛍光を放射する蛍光体とを含み、
前記複数の半導体共振器は、環境温度が変動してもいずれか１以上の共振器の共振波長が前記蛍光体の吸収帯内に存在するように設定されていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記半導体共振器から放射されるレーザ光を伝播させてその光の少なくとも１部を蛍光体に照射させる導光体を含むことを特長とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記半導体共振器は同一基板上に構成されていることを特長とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
複数の共振波長のレーザ光を放射する複数の半導体共振器と、レーザ光を吸収して蛍光を放射する蛍光体と、前記レーザ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み、
前記複数の半導体共振器は、環境温度が変動してもいずれか１以上の共振器の共振波長が前記蛍光体の吸収帯内に存在するように設定されていることを特徴とする表示装置。
【請求項５】
前記半導体共振器から放射されるレーザ光を伝播させてその光の少なくとも１部を蛍光体に照射させる導光体を含むことを特長とする請求項４に記載の表示装置。
【請求項６】
前記半導体共振器は同一基板上に構成されていることを特長とする請求項４または５に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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光を発光し得る蛍光体を含む照明装置および表示装置の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水銀放電蛍光ランプに比べて、半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた照明装置や表示装置は小型化や低消費電力化に適している。したがって、これらの装置の開発が盛んに試みられている。
【０００３】
例えば、特許文献１の特開平７−２８２６０９号には、発光ダイオードに比べて光電変換効率が良好で高出力化が可能な半導体レーザ素子と蛍光体とを用いた照明装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２の特開２００２−９４０２号には、半導体レーザアレイ素子と蛍光体とを用いた照明装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２８２６０９号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００２−９４０２号公報
【０００７】
【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光を発光し得る蛍光体とを組み合わせた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。
【０００８】
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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による照明装置は、複数の共振波長のレーザ光を放射する複数の半導体共振器と、レーザ光を吸収して蛍光を放射する蛍光体とを含み、それら複数の半導体共振器は環境温度が変動してもいずれか１以上の共振器の共振波長が蛍光体の吸収帯内に存在するように設定されている。したがって、本発明による照明装置においては、環境温度が変動しても、その発光強度の変動を抑制することができる。
【００１０】
なお、本発明の照明装置は、半導体共振器から放射されるレーザ光を伝播させてその光の少なくとも１部を蛍光体に照射させる導光体をさらに含んでいてもよい。また、本発明の照明装置に含まれる複数の半導体共振器は、同一基板上に形成されていてもよい。
【００１１】
本発明による表示装置は、複数の共振波長のレーザ光を放射する複数の半導体共振器と、レーザ光を吸収して蛍光を放射する蛍光体と、それらのレーザ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み、複数の半導体共振器は環境温度が変動してもいずれか１以上の共振器の共振波長が蛍光体の吸収帯内に存在するように設定されている。したがって、本発明による表示装置においては、環境温度が変動しても、その発光強度の変動を抑制することができる。
【００１２】
なお、本発明の表示装置は、半導体共振器から放射されるレーザ光を伝播させてその光の少なくとも１部を蛍光体に照射させる導光体をさらに含んでいてもよい。また、本発明の表示装置に含まれる半導体共振器は、同一基板上に形成されていてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による照明装置を模式的な断面図で示している。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している。
【００１４】
図１の照明装置において、一対のリードフレーム１０３のうちで左側のリードフレームの先端には凹部が設けられている。その凹部の底面に５個のＧａＮ系半導体レーザ素子１００（図面には２個の素子のみが現れている）が実装されており、リードワイヤ１０４はそれらのレーザ素子と右側のリードフレームとを接続している。これら５個のＧａＮ系半導体レーザ素子は、互いに異なる混晶比の活性層を含み、波長４２０ｎｍ、４２５ｎｍ、４３０ｎｍ、４３５ｎｍ、および４４０ｎｍにおいて発振するように設計されている。
【００１５】
これらの半導体レーザ素子１００は、透明アクリル樹脂１０１のドームによって覆われている。透明アクリル樹脂１０１中には、半導体レーザ素子１００から放射されたレーザ光（励起光）を吸収する赤色（Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）、および青色（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋の蛍光体１０２が分散されている。
【００１６】
図２のグラフは、母体結晶（Ｙ２Ｏ２Ｓ）中に発光中心（Ｅｕ３＋）が添加されているような一般的な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波長スペクトルとの関係を示している。このグラフにおいて、横軸は波長（ｎｍ）を表わし、左の縦軸は励起光に関する蛍光体の吸収係数（％）を表わし、そして右の縦軸は半導体レーザの光強度（ａｒｂ．：任意単位）を表わしている。また、グラフ中における実線の曲線（ａ）は半導体レーザの発振スペクトルを表わし、矢印（ｂ）は半導体レーザの発振スペクトルにおける環境温度に依存する変動幅を表わし、そして鎖線の曲線（ｃ）は蛍光体の吸収スペクトルを表わしている。
【００１７】
このような蛍光体では、母体の結晶中に添加された発光中心によってバンド構造が形成されるので、この蛍光体の吸収スペクトルは図中の鎖線（ｃ）で示されるようにフラットな領域がほとんどない形状であり、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。
【００１８】
他方、半導体レーザ素子の発振波長のスペクトル幅は、図中の実線（ａ）で示されているように通常数ｎｍ程度であり、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動する。したがって、一般的な使用状態での環境温度の変動範囲８０℃（−２０℃〜６０℃）において、発振波長は３０〜４０ｎｍ程度の範囲内で変化し得る。
【００１９】
この半導体レーザ素子の発振波長の変動により、蛍光体で吸収される励起光となるレーザ光の光量（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との重なり部分の積分量に相当）は２０％程度にまで減少し得る。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％程度にまで減少し得る。
【００２０】
図２に類似した図３のグラフは、本実施形態１における半導体レーザ素子の発振波長と蛍光体の吸収スペクトルとの関係を図解している。この図３においても、図２の場合と同様に、実線の曲線（ａ）は半導体レーザ素子の発振スペクトル、矢印（ｂ）は半導体レーザの発振スペクトル中心の変動幅、そして鎖線の曲線（ｃ）は蛍光体の吸収スペクトルを表している。
【００２１】
すなわち、発振波長が異なる５個の半導体レーザ素子から、蛍光体を励起するレーザ光が放射される。そして、これらの半導体レーザ素子の５つの発振スペクトル（ａ）のうちで少なくとも１つ以上の発振スペクトルが環境温度の変動にかかわらず蛍光体の吸収スペクトル（ｃ）内に位置する（蛍光体で吸収される）ように、半導体レーザ素子の個数と各半導体レーザ素子の発振波長の間隔が設定されている。
【００２２】
図３に示されているような条件を満たすことにより、半導体レーザ素子からの励起光を吸収する蛍光体から蛍光が空間に放射される照明装置において、環境温度が変動して半導体レーザ素子の発振波長が変動しても、放射される蛍光量の変動を抑制し得る砲弾型の点状照明装置を得ることができる。
【００２３】
なお、個々の半導体レーザ素子の発振スペクトルを調整する方法としては、上述のようにレーザ素子の活性層中の混晶比を調整する方法以外に、発振波長が同じ半導体レーザ素子に対してそれらの活性層に注入する駆動電流を変えて発振波長を制御する方法や、発振波長が同じ半導体レーザ素子に対して個別に熱を印加して発振波長を制御する方法などを用いることもできる。
【００２４】
また、例えば赤、緑、または青を発色するどれか１種の蛍光体が分散された樹脂を用いた砲弾型の点状発光装置をアレイ状に配置して、それらの発光状態を独立に制御することによって表示装置を得ることもできる。
【００２５】
（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２による光ファイバを含む照明装置の模式的な斜視図を示し、図５はその光ファイバの模式的な断面図を示している。この光ファイバ４００においては、伝播する光を散乱するためのＴｉＯ２粒子５０１がコア５００の１部領域に混入され、このコアの周りにクラッド５０２が形成されている。さらに、このクラッドの周りには、実施形態１と同様の蛍光体５０３が透明アクリル樹脂中に分散されている。そして、このような光ファイバ４００において、コア５００中を伝播する励起光の１部がＴｉＯ２粒子５０１によって散乱され、この散乱光が蛍光体５０３に照射される。
【００２６】
図４に示されているように、３つの光ファイバ４００の端面には発振波長が異なる３個の半導体レーザ素子１００が配置されている。これらの光ファイバ４００が１本に結合されることによって、３つの半導体レーザ素子１００から放射された各レーザ光が合波される。その合波されたレーザ光が蛍光体５０３に照射されることにより、図４中の矢印で示されているように、光ファイバ４００から白色の蛍光が放射される。
【００２７】
このような光ファイバ４００を例えば室内の天井部に設置することによって、水銀蛍光灯の代替となる線状の照明装置を実現し得る。そして、このような線状照明装置においても、半導体レーザ素子１００から放射される発振波長が環境温度の変動に依存して変動しても、蛍光体５０３から放射される光量の変動を抑制することができる。
【００２８】
なお、光ファイバ４００の構成は図５の形態に限られず、コア５００の全領域に散乱体５０１が分散されていてもよく、コア５００を伝播する光の１部がクラッド５０２内に漏洩している近接場光（エバネッセント光）領域に散乱体５０１が形成されていてもよい。
【００２９】
（実施形態３）
図６は、本発明の実施形態３による照明装置を模式的な断面図で示している。この図６の照明装置が図１の装置と異なる点は、個別の複数の半導体レーザ素子１００を配置する代わりに、図７の模式的断面図に示された半導体レーザアレイ素子を用いていることである。
【００３０】
この半導体レーザアレイ素子６００においては、ＧａＮ基板７００上に、ｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層７０１（膜厚０．５μｍ）、その上に形成されていてｎ型ＧａＮ光導波層（膜厚０．１μｍ）、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ｎ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ３多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層（膜厚各４ｎｍ／８ｎｍ×３ＭＱＷ）、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（膜厚２００ｎｍ）、およびｐ型ＧａＮ光導波層（膜厚０．１μｍ）を含む活性領域７０２、ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層７０３（膜厚０．５μｍ）、およびｐ型ＧａＮコンタクト層７０４（膜厚０．２μｍ）が順次積層されている。
【００３１】
さらに、活性領域７０２の上方構造の一部には、幅２μｍのストライプ状リッジ（凸）構造が複数形成されている。そしてストライプ状凸構造部の側面を覆うように例えばシリコン酸化膜からなる絶縁層７０６が設けられ、それらの凸部上には電極７０５が形成されている。以上のように、複数の発光（共振器）領域７０７を有する半導体レーザアレイ素子６００が構成され得る。
【００３２】
ここで、これらのストライプ状リッジ（凸）構造直下の活性領域７０２のＩｎｘＧａ１−ｘＮ混晶比は各ストライプ毎に所望の発振波長（例えば４２５ｎｍ、４３０ｎｍ、および４３５ｎｍ）が得られるように変調される。
【００３３】
なお、この発振波長を変えるためのＩｎｘＧａ１−ｘＮ混晶比の変調方法は、例えば活性領域形成時に幅の異なる誘電体ストライプ上へのＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いた選択成長による活性層中へのＩｎの取り込み率を制御する公知技術（特開平５−２５１７３８参照）により行うことができる。
【００３４】
このような半導体レーザアレイ素子６００は、左のリードフレーム１０３の先端における凹部の底面に実装されている。そして、この半導体レーザアレイ素子６００は、そこから放射された励起光を吸収する赤色（Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）、および青色（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋の蛍光体１０２が透明アクリル樹脂１０１中に分散されたドームに覆われている。
【００３５】
以上のように、複数の共振器を含む１チップの半導体レーザアレイ素子６００を用いる本実施形態３によっても、複数の個別のレーザ素子１００を用いる実施形態１と同様に、砲弾型の点状照明装置を得ることができる。
【００３６】
なお、半導体レーザアレイ素子中の個々の共振器における発振スペクトルを変調させる手法は、上述のように活性層中の混晶比を局所的に変調する方法に限られず、活性領域のＩｎｘＧａ１−ｘＮ混晶比が同じ各共振器に個別にヒータを設けて温度制御により発振スペクトルを制御する方法や、各共振器の駆動電流を変えることにより発振スペクトルを制御する方法などを用いることもできる。
【００３７】
（実施形態４）
図８は、本発明の実施形態４による照明装置を模式的な斜視図で示している。この図８の照明装置においては、図４の光ファイバ４００の端面に図７の半導体レーザアレイ素子６００が配置されている。すなわち、半導体レーザアレイ素子６００から放射される励起光により蛍光体５０３が励起され、図８中の矢印で示されているように光ファイバ４００の周りから蛍光が放射される。
【００３８】
このような実施形態４の構成においても、環境温度が変動して半導体レーザ素子の発振波長が変動しても、蛍光体から放射される光量の変動を抑制し得る線状照明装置を得ることができ、それは水銀蛍光灯に代替可能である。
【００３９】
なお、ウエハプロセスにて作製された半導体レーザアレイ素子６００は、個別の半導体レーザ素子の複数をアレイ状に並べたものに比べて各共振器の発光点の間隔を狭くし得るので、本実施形態４のように励起光を入射させる対象であるコア５００の径が小さい光ファイバ型の導光体構造用の光源として好適である。
【００４０】
（実施形態５）
図９は、本発明の実施形態５による照明装置を模式的な斜視図で示している。この図９の照明装置は、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９００と、この導光体上において実施形態１と同様の蛍光体が分散されたアクリル樹脂層９０２を含んでいる。また、導光体９００の厚さの大きい方の側端面には共振器アレイ毎に発振波長が異なる半導体レーザアレイ素子６００が光学的に結合されている。さらに、導光体９００の底面には半導体レーザアレイ素子６００からのレーザ光および蛍光体からの蛍光が放出されて損失となることを防ぐために、アルミニウム反射膜９０１が配置されている。
【００４１】
すなわち、図９の照明装置において、半導体レーザアレイ素子６００から放射されるレーザ光は導光体部９００を伝播し、そのレーザ光の１部が導光体の底面に設けられたアルミニウム反射膜９０１で反射または散乱されて蛍光体層９０２に照射され、その蛍光体層から白色の蛍光が上方空間に放射される。
【００４２】
このような実施形態５によっても、環境温度が変動して半導体レーザアレイ素子６００の発振スペクトルが変動しても、蛍光体層９０２から放射される蛍光量の変動を抑制し得る面型の照明装置を得ることができる。
【００４３】
（実施形態６）
図１０は、本発明の実施形態６による表示装置を模式的な斜視図で示している。この図１０の表示装置は、図９の面型照明装置に類似して、半導体レーザアレイ素子６００、アクリル樹脂板からなる導光体９００、およびアルミニウム反射膜９０１を含んでいる。
【００４４】
しかし、本実施形態６の表示装置においては、導光体９００を伝播するレーザ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１０００が設けられている。そして、この液晶光変調素子層１０００上には、実施形態１と同様の赤、緑、および青の光を放射する各々の蛍光体が個別に分散されたアクリル樹脂層１００１が、各画素に対応してピクセル状に配置されている。
【００４５】
このように赤、緑、および青の各蛍光体領域に照射されるレーザ光の光強度を液晶光変調素子層１０００で制御することによって、図１０の表示装置を動作させることができる。そして、このような実施形態６の表示装置においても、実施形態１と同様の理由によって、蛍光体から放射される光量変動の環境温度依存性を少なくすることができる。
【００４６】
なお、液晶光変調素子層１０００の配置箇所は、図１０のように導光体９００と蛍光体層１００１との間に限られず、蛍光体層１００１上に設けられていてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数の半導体共振器から放射される複数の波長を含むレーザ光と蛍光体を利用することによって、環境温度の変動による共振波長変動に起因して蛍光体から放射される光量が変動することを抑制し得る照明装置および表示装置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による砲弾型照明装置を示す模式的な断面図である。
【図２】先行技術における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波長スペクトルとの関係を模式的に示すグラフである。
【図３】本発明における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波長スペクトルとの関係を模式的に示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態２による光ファイバを用いた線状照明装置を示す模式的な斜視図である。
【図５】図４の線状照明装置において用いられている光ファイバの模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施形態３による砲弾型照明装置を示す模式的な断面図である。
【図７】図６の照明装置において用いられている半導体レーザアレイ素子を示す模式的な断面図である。
【図８】本発明の実施形態４による線状照明装置を示す模式的な斜視図である。
【図９】本発明の実施形態５による面状照明装置を示す模式的な斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態６による表示装置を示す模式的な斜視図である。
【符号の説明】
１００  半導体レーザ素子、１０１  アクリル樹脂、１０２  蛍光体、１０３リードフレーム、１０４  ワイヤー、４００  光ファイバ、５００  コア、５０１  ＴｉＯ２粒子、５０２  クラッド、５０３  蛍光体が分散されたアクリル樹脂層、６００  半導体アレイレーザ素子、７００  ＧａＮ基板、７０１  ｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層、７０２  ｎ型ＧａＮ光導波層（膜厚０．１μｍ）、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ｎ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ３多重量子井戸活性層（膜厚各４ｎｍ／８ｎｍ×３ＭＱＷ）、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（膜厚２００ｎｍ）、およびｐ型ＧａＮ光導波層（膜厚０．１μｍ）を含む活性層、７０３  ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層、７０４  ｐ型ＧａＮコンタクト層、７０５  電極、７０６  絶縁層、７０７  発光（共振器）領域、９００  導光体、９０１  アルミニウム反射膜、９０２  蛍光体が分散されたアクリル樹脂層、１０００  液晶光変調素子層、１００１  各色の蛍光体が個別的に分散されたアクリル樹脂層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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