JP4197109B2

JP4197109B2 - Lighting device

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Publication number: JP4197109B2
Application number: JP2002229110A
Authority: JP
Inventors: 達也森岡; 真也石田; 大介花岡; 元隆種谷; 茂夫藤田; 静雄藤田; 養一川上
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2022-08-06
Also published as: JP2004071357A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一次光を発する光源と、一次光を吸収して二次光を発する波長変換部とを備えた照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
低消費電力、小型、且つ高輝度が期待される次世代の照明装置として、ナノ結晶の蛍光体と、その蛍光体を励起する一次光を発する光源とからなる照明装置の開発が盛んに行われている。蛍光体にナノ結晶を用いることにより、従来の蛍光体と比較して発光効率の向上が期待されている。更に、このようなナノ結晶は、従来の蛍光体を励起するために必要とされる吸収帯幅（エネルギー幅）と比較して吸収帯幅が広いので、光源の波長幅に対する許容度が高い。そのため、光源としては半導体発光素子等を使用できる。
【０００３】
このような照明装置の一例として特開平１１−３４０５１６号公報がある。この公報では、ナノ結晶からなる青色蛍光体を混在させた白色蛍光体を有する波長変換部と、その波長変換部を励起する光源とからなる照明装置が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この公報に記載されている照明装置は、赤色、緑色、青色蛍光体を混在させて白色光を発しているので、均一な白色光を発光させるためには波長変換部となる領域全面に均一に赤色、緑色、青色蛍光体を混在させなければならず、非常に困難である。
【０００５】
また、青色蛍光体の上に緑色或いは赤色蛍光体が形成されると、青色蛍光体から発光された青色光は緑色或いは赤色蛍光体に吸収され、緑色光或いは赤色光が発光される。同様に、緑色蛍光体の上に赤色蛍光体が形成されると、緑色蛍光体から発光された緑色光は赤色蛍光体に吸収され、赤色光が発光される。従って、照明装置の色バランスは設定した色からずれてしまい、設定色に対する輝度が低下する。
【０００６】
更に、光源として発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記すことがある）を使用した場合は、ＬＥＤ表面からの発光成分しか蛍光体を励起せず、その他の方向に放射される光のほとんどは損失光となってしまう。従って、ＬＥＤに入力される電流に対して蛍光体を介して出力される光強度、即ち電気光変換効率は非常に低いものであった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑み、色バランスの設定が容易であり、且つ電気光変換効率及び輝度の高い照明装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、一次光を発する少なくとも１つの光源と、一次光の少なくとも一部を吸収して、一次光のピーク波長よりも長い或いは同等のピーク波長を有する二次光を発する波長変換部とを備えた照明装置において、前記波長変換部は複数の蛍光体からなり、各蛍光体は吸収帯域が異なり、少なくとも１つの蛍光体で発せられた二次光が他の蛍光体で吸収される吸収帯を有することを特徴とするものである。
【０００９】
この構成によると、設定した色バランスを容易に得ることができ、且つ設定色の輝度が高い照明装置を得ることができる。
【００１０】
上記の照明装置において、前記複数の蛍光体は、光路順に、二次光のピーク波長の長い蛍光体順に積層することができる。また、前記複数の蛍光体は、粒径の異なるナノ結晶を用い、光路順に、粒径の大きい蛍光体順に積層することができる。また、前記複数の蛍光体は、光路方向に互いに重ならないような、面状に配設された複数のセルからなるようにしてもよい。
【００１１】
これらの構成によると、各蛍光体から発光した二次光は他色を発光する蛍光体に再度吸収されることがなくなる。
【００１２】
また上記の照明装置において、前記波長変換部の光路方向の両面に導光体を設けることにより、照明装置の光源に近い部分が明るく、光源から離れるに従って暗くなることを回避でき、均一な発光を得ることができる。更に、ＧａＮ系半導体レーザを光源に用いた場合は、出射光の放射角度は３０°程度しかないため、照明装置の照射範囲を大きくするには光源と波長変換部との距離を大きくする必要があるが、導光体を用いることによりその距離を短くすることができ、照明装置を小型化することができる。
【００１３】
また、前記波長変換部の一次光の入射面に、一次光を前記波長変換部へ導く導光体を設けてもよい。そして、この導光体には光を拡散する拡散材を添加することが好ましい。更に、導光体の前記波長変換部と反対面に、光を反射する凹凸形状の金属膜を設けることが好ましい。更に、前記光源と前記導光体との間に、３９０ｎｍ以下の波長の光を遮蔽する第１の光学膜を設けることにより、紫外光成分によって生じる樹脂の劣化を防止できる。更に、導光体の前記光源側の側面を除いた側面の少なくとも一部に、光を反射する第１の反射板を設けることにより、導光体から波長変換部以外に放射される損失光を低減することができ、電気光変換効率の高い照明装置を得ることができる。
【００１４】
また上記の照明装置において、前記光源と前記波長変換部との間に、前記一次光を透過し、且つ前記二次光を遮蔽する第２の光学膜を設けることにより、光損失を低減でき、電気光変換効率の高い照明装置を得ることができる。そして、前記波長変換部の二次光出射面上に又は該面と空間を有して、前記二次光を透過し、且つ前記一次光を遮蔽する第３の光学膜を設けることにより、励起光（一次光）の再利用が可能となり、電気光変換効率の高い照明装置を得ることができる。また、光学膜は膜中の干渉により光の反射を生じるので励起光成分中の特に目に対する安全性の低い紫外光を効果的に反射し、目に対する安全性を向上させることができる。更に、所望する光の照射方向と反対側に、光を反射する第２の反射板を設けることにより、照明装置から放出される光の損失を抑制して有効に利用することができる。なお、放熱性の観点から、前記光源は前記第２の反射板に直接又は熱伝導性材を介して固定することが好ましい。
【００１５】
以上の照明装置は、前記光源を駆動する駆動回路を備え、該駆動回路はパルス電流発生部を有し、前記光源はパルス光を発振することにより、ＣＷ（連続）駆動と比較して熱による影響を受けにくく、大光量を放射することもできる。また、信頼性を良好にすることもできる。従って、光源の信頼性を良好に保ちながら光出力を向上させることができ、輝度の高い照明装置を提供することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、同一又は対応する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。本明細書において、「ナノ結晶」とは結晶サイズを励起子ボーア半径程度まで小さくし、量子サイズ効果による励起子の閉じこめやバンドギャップの増大が観測される結晶を指すものとする。
【００１７】
〈第１の実施形態〉
図１は、第１の実施形態の照明装置の要部の側面図である。照明装置１０は、一次光を発する光源１１と、一次光の少なくとも一部を吸収して、一次光のピーク波長よりも長いピーク波長を有する二次光を発する波長変換部１２とを備えている。
【００１８】
光源１１としては、例えば、４３０ｎｍにピーク波長を有するＧａＮ系発光ダイオード、ＺｎＯ系発光ダイオード、ダイヤモンド系発光ダイオード等を用いることができる。また、波長変換部１２としては、ＩｎＮ系のナノ結晶を用いることができる。ＩｎＮはバルク構造では２．０５ｅＶのバンドギャップを有しているという説と０．６〜０．８ｅＶのバンドギャップを有しているという説があるが、その何れにおいても、粒径を小さく（ナノ結晶化）していくと、量子効果によってバンドギャップを青色から赤色の範囲で制御することができる。
【００１９】
波長変換部１２は、赤色発光する粒径を有し、最も粒径の大きいＩｎＮ系ナノ結晶である赤色蛍光体１３と、緑色発光する粒径を有し、中間の粒径のＩｎＮ系ナノ結晶である緑色蛍光体１４と、青色発光する粒径を有し、最も粒径の小さいＩｎＮ系ナノ結晶である青色蛍光体１５とがアクリル樹脂中に積層されたものである。それら蛍光体は光源１１に近い順に、赤色蛍光体１３、緑色蛍光体１４、青色蛍光体１５と積層されている。蛍光体１３〜１５の種類としては、Ｓｉ、Ｚｎ_1-xＣｄ_xＳｅ等、バルクで青色から近紫外領域に少なくとも吸収帯があるような材料を用いることができる。
【００２０】
この粒径の異なる波長変換部１２は、化学合成法やイオン注入法等により作成することができる。なお、この波長変換部１２は、各蛍光体１３〜１５を直接積み上げたもの或いは各蛍光体１３〜１５を直接積み上げたものをアクリル樹脂等で埋め込んだもの、各蛍光体１３〜１５をアクリル樹脂だけでなく他の有機物や無機物に埋め込んだものの積層体としてもよい。
【００２１】
各蛍光体１３〜１５は、各バンドギャップより大きいエネルギーを有した光を全て吸収し、バンドギャップに相当する二次光を発色する。この為、図２の模式図に示すように、バンドギャップＥｇ₁の大きい蛍光体（例えば青色）で発光した二次光は、バンドギャップＥｇ₂の小さい蛍光体（例えば赤色）に吸収されてしまう。最終的に、これら蛍光体から放射された各二次光が混色することによって、設定した所望の発色を生じる。
【００２２】
本実施形態の照明装置１０においては、光源１１から出射された励起光（一次光）の一部が、まず赤色蛍光体１３に吸収されて赤色光（二次光）が放射される。次に、励起光の残りの成分が緑色蛍光体１４に吸収されて緑色光（二次光）が放射される。このとき、赤色光（二次光）は緑色蛍光体１４のバンドギャップより小さいので、緑色蛍光体１４に吸収されることなく透過する。更に、励起光の残りの成分が青色蛍光体１５に吸収されて青色光（二次光）が放射される。このとき、赤色光（二次光）或いは緑色光（二次光）は青色蛍光体１５のバンドギャップより小さいので、青色蛍光体１５に吸収されることなく透過する。最終的に、これら蛍光体から放射された各二次光が混色することによって、白色光が発せられる。
【００２３】
上記のような順で各蛍光体を積層することにより、各蛍光体から発光した二次光は他色を発光する蛍光体に再度吸収されることがなく、設定した色バランスを容易に得ることができ、且つ設定色の輝度が高い照明装置を得ることができる。また、色バランスの設定は各蛍光体の膜厚又は密度を変えるだけで容易に且つ独立に制御することができる。
【００２４】
なお、波長変換部１２は、赤色蛍光体１３と緑色蛍光体１４との積層体とし、青色の発光源としては光源１１の励起光を用いるようにしてもよい。また、波長変換部１２は、上記の蛍光体１３〜１５と他の蛍光体とを組み合わせてもよい。
【００２５】
また、波長変換部１２において、赤色蛍光体１３と緑色蛍光体１４との間に、緑色光を反射して赤色光を透過する膜を設けてもよい。これにより、緑色光が赤色蛍光体１３を励起するのを抑制することができ、緑色光の輝度を低下させずに色バランスを良好に保つことができる。また、緑色蛍光体１４と青色蛍光体１５との間に、青色光を反射して赤色光及び緑色光を透過する膜を設けても同様の効果を得ることができる。
【００２６】
また、波長変換部１２の構成は、光源１１に近い順に、青色蛍光体１５、緑色蛍光体１４、赤色蛍光体１３と積層してもよい。この場合は、青色光（二次光）が緑色蛍光体１４或いは赤色蛍光体１３で吸収される割合、所謂吸収係数を考慮して各蛍光体１３〜１５の厚みを設定すればよい。このように、色バランスは各蛍光体１３〜１５の厚みを制御することで行うことができ、従来例の各蛍光体をランダムに混在させた場合と比較して色バランスの設定を容易に行うことができる。更に、従来例よりも色バランスの面内均一性を良好にすることができる。
【００２７】
〈第２の実施形態〉
図３は第２の実施形態の照明装置の要部の側面図、図４は図３の平面図である。赤色蛍光体１３、緑色蛍光体１４、青色蛍光体１５のセルが順に平面状に敷き詰められており、その平面は光路方向に重ならないように設けられている。それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。
【００２８】
このように、各セルは光路方向に重なっていないので各蛍光体から発光した二次光は他色を発光する蛍光体に再度吸収されることがほとんどなく、設定した色バランスを容易に得ることができ、且つ設定色の輝度が高い照明装置を得ることができる。また、色バランスの設定はセルの表面積を変えるだけで容易に且つ独立に制御することができる。
【００２９】
なお、セルの配置や表面積は本実施形態に限定されるものではなく、各セルで発光した二次光が混色して所望の色となるような任意の配置や表面積とすることができる。
【００３０】
また、波長変換部１２は、赤色蛍光体１３と緑色蛍光体１４とを用い、青色の発光源としては光源１１の励起光を用いるようにしてもよい。また、波長変換部１２は、上記の蛍光体１３〜１５と他の蛍光体とを組み合わせてもよい。
【００３１】
〈第３の実施形態〉
第３の実施形態の照明装置１０は、光源１１としてＧａＮ系半導体レーザを使用するものである。照明装置１０の他の構成は第１又は第２の実施形態と同様である。
【００３２】
半導体発光素子は、電気光交換効率が比較的良好であり、素子が小さいという特徴がある。従って、照明装置１０の光源１１として用いることにより、低消費電力、小型化を実現できる。このような半導体発光素子の例として、発光ダイオードと半導体レーザが挙げられる。発光ダイオードは素子の全方向に発光するので、集光するために、例えば光を反射させる形状の金属フレームに素子を載せ、更にこの金属フレームを樹脂で包み、樹脂表面をレンズ加工する必要がある。
【００３３】
しかしながら、このような構成としても素子からは抗される光を全て集光するのは困難であり、また、素子を金属フレームに載せる必要があるので小型化することも困難である。
【００３４】
一方、半導体レーザは、共振器端面からほとんどの光が発光される。従って、共振器方向に波長変換部１２を設けるだけで発光ダイオードを使用した場合と比較して容易に励起光の利用効率を向上させることができる。その結果、照明装置１０の光電気変換効率を向上させることができる。
【００３５】
なお、半導体レーザとしては、電極ストライプ構造（不図示）を用いることができる。この電極ストライプ構造を有する半導体レーザはワットクラスの光出力をだすことが可能であり、照明装置１０の光源１１として適している。更に、ＧａＮ系半導体レーザは結晶構造が強く、発光領域が劣化しにくいのでワットクラスの光出力をだす光源として適している。
【００３６】
また、ポリカーボネート等の樹脂中にナノ結晶の蛍光体が埋め込まれているような波長変換部の場合は、励起光（一次光）に３９０ｎｍ以下の紫外光成分が含まれていると、樹脂による吸収が生じる。更に、励起光強度が強い場合は、吸収によって樹脂が変質するとともに、電気光変換効率が低下してしまう。
【００３７】
図５に、半導体レーザ及び発光ダイオードの波長スペクトルを示す。半導体レーザは発光ダイオードと比較して波長のスペクトル幅が狭く、積分光強度としてみると３９０ｎｍ以下の光強度は小さい。このため半導体レーザでは青色蛍光体１５を励起できるように約４３０ｎｍ以下の波長で、且つアクリルでの吸収が防止できるような３９０ｎｍ以上の波長領域の発振波長を設定することが望ましい。これにより、樹脂の変質による電気光変換効率の低下を抑制することができる。なお、発振波長の制御方法としては発光領域の幅や混晶比を適宜調整することによって容易に実現することができる。
【００３８】
以上の結果、光源１１としてＧａＮ系半導体レーザを使用することで、輝度の高い照明装置１０を得ることができる。なお、半導体レーザと波長変換部１２との間に３９０ｎｍ以下の光を遮蔽する遮蔽膜を設けることによって、樹脂に対する紫外線の影響を抑制することができる。この遮蔽膜としては、酸化シリコン、酸化ジルコニア、フッ化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン等の誘電体膜の単層或いは多層膜やＣｄＳ、ＣｄＳＳｅコロイドをガラス中に分散させた色ガラスフィルター（シャープカットフィルター）を用いることができる。
【００３９】
なお、半導体レーザの素子構造としては、上記以外に活性層が複数アレイ状に並んだ構造を用いることもできる。
【００４０】
〈第４の実施形態〉
図６は、第４の実施形態の照明装置の要部の側面図である。波長変換部１２における各蛍光体は、光源１１に近い順に、赤色蛍光体１３、緑色蛍光体１４、青色蛍光体１５が形成されている。そして、この波長変換部１２を挟むように、光を拡散する拡散材が添加されたアクリル樹脂が光学膜として形成され、導光体１６をなしている。
【００４１】
また、赤色蛍光体１３の側面方向には、ＧａＮ系半導体レーザからなる光源１１が設けられている。光源１１は、発光領域１７と、単層又は多層膜からなる反射率が約８０〜９５％の反射膜１８（図６では３層）とを備えている。この反射膜１８により、波長変換部１２と反対側に励起光が出射されることを防止し、光損失による半導体レーザの消費電力を抑制することができる。
【００４２】
なお、波長変換部１２と反対方向の反射膜側に、光源１１の光出力がモニターできるような光モニター用の受光素子（不図示）及び光出力を安定化するためのフィードバック回路（不図示）を設けてもよい。
【００４３】
本実施形態の照明装置１０において、光源１１から出射された励起光（一次光）は、各蛍光体１３〜１５で吸収・発光され、導光体１６を透過して図６の矢印の方向に放射され、混色されて白色光となる。
【００４４】
上記のような構成とすることにより、設定した色バランスを容易に得ることができ、且つ電気光変換効率及び設定色の輝度が高い照明装置を得ることができる。また、色バランスの設定は各蛍光体の体積又は密度を変えるだけで容易に且つ独立に制御することができる。
【００４５】
第１又は第２の実施形態のように導光体１６を設けない構成では、光源１１の出射光の強度分布がガウシアン分布であるため、照明装置１０の光源１１に近い部分が明るく、光源１１から離れるに従って暗くなってしまうが、本実施形態によれば均一な発光を得ることができる。
【００４６】
更に、ＧａＮ系半導体レーザを光源１１に用いた場合は、出射光の放射角度は３０°程度しかないため、照明装置１０の照射範囲を大きくするには光源１１と波長変換部１２との距離を大きくする必要があるが、導光体１６を用いることによりその距離を短くすることができ、照明装置１０を小型化することができる。
【００４７】
〈第５の実施形態〉
図７は、第５の実施形態の照明装置の要部の側面図である。波長変換部１２における各蛍光体は、光源１１に近い順に、赤色蛍光体１３、緑色蛍光体１４、青色蛍光体１５が繰り返し形成されている。そして、この波長変換部１２の下面には導光体１６が形成され、光を波長変換部１２へ拡散する拡散材が添加されている。この拡散材としては、金属微粒子等を用いることができる。
【００４８】
また、赤色蛍光体１３の側面方向には、発光領域１７を有するＧａＮ系半導体レーザからなる光源１１が設けられている。
【００４９】
本実施形態の照明装置１０において、光源１１から出射された励起光（一次光）は、導光体１６で拡散され、各蛍光体１３〜１５で吸収・発光され、混色されて白色光となる。
【００５０】
上記のような構成とすることにより、設定した色バランスを容易に得ることができ、且つ電気光変換効率及び設定色の輝度が高い照明装置を得ることができる。また、色バランスの設定は各蛍光体の体積又は密度を変えるだけで容易に且つ独立に制御することができる。
【００５１】
第１又は第２の実施形態のように導光体１６を設けない構成では、光源１１の出射光の強度分布がガウシアン分布であるため、照明装置１０の光源１１に近い部分が明るく、光源１１から離れるに従って暗くなってしまうが、本実施形態によれば均一な発光を得ることができる。
【００５２】
〈第６の実施形態〉
図８は、第６の実施形態の照明装置の要部の側面図である。第５の実施形態と異なる点は、導光体１６に拡散材を添加する代わりに、導光体１６の底面に光を反射する凹凸形状の金属膜１９を設けたことと、光源１１の導光体１６側の側面に３９０ｎｍ以下の波長の励起光を反射又は吸収する光学膜２０を設けたことである。
【００５３】
本実施形態の照明装置１０において、光源１１から出射される励起光（一次光）は光学膜２０で３９０ｎｍ以下の波長が遮蔽され、透過した励起光は導光体１６に入射し、金属膜１９で反射され、各蛍光体１３〜１５で吸収・発光され、混色されて白色光となる。
【００５４】
上記のような構成とすることにより、設定した色バランスを容易に得ることができ、且つ電気光変換効率及び設定色の輝度が高い照明装置を得ることができる。また、色バランスの設定は各蛍光体の体積又は密度を変えるだけで容易に且つ独立に制御することができる。
【００５５】
また、光学膜２０を設けることにより、紫外光成分によって生じる樹脂の劣化を防止できる。
【００５６】
図９に、第６の実施形態の他の照明装置の要部の側面図を示す。図８と異なる点は導光体１６の構造であり、それ以外の構成は図８と同様である。導光体１６の表面には略台形の凹凸形状が形成されている。この凹凸形状は光源１１に近い領域ではなだらかな台形とし、光源から遠くなるに従って急斜面の台形とする。
【００５７】
ここで、導光体１６を透過する光のうち凹凸形状に対して入射角が大きい成分は凹凸形状を透過して波長変換部１２へ進み、一方、凹凸形状に対して入射角が小さい成分は凹凸形状で反射する。この原理により、導光体１６の光源１１に近い領域では凹凸形状で反射しやすく、導光体１６の光源１１から遠い領域では凹凸形状を透過しやすい。
【００５８】
また、導光体１６内部の光強度は光源１１に近い方が強い。従って、導光体１６において、光源１１に近い部分では光強度は強いが波長変換部１２へ透過しにくく、光源１１から遠い部分では光強度は弱いが波長変換部１２へは透過しやすいので、光源１１からの距離に関係なく波長変換部１２へ入射する光強度を均一に保つことができる。
【００５９】
なお、導光体１６の構造としては、コア層とクラッド層が設けられたような光導波路構造としてもよい。
【００６０】
〈第７の実施形態〉
図１０は第７の実施形態の照明装置の要部の側面図、図１１は図１０の平面図である。光源１１側の側面を除いた導光体１６の各面に単層又は多層の反射板２１（図１０、１１では２層）を設けた以外の構成は、図８に示した第６の実施形態と同じ構成である。なお、反射板２１の材料としては、誘電体膜、樹脂、金属膜等を用いることができる。
【００６１】
このように、反射板２１を設けることにより、導光体１６から波長変換部１２以外に放射される損失光を低減することができ、電気光変換効率の高い照明装置１０を得ることができる。
【００６２】
〈第８の実施形態〉
図１２は第８の実施形態の照明装置の要部の側面図である。導光体１６と波長変換部１２との間に、光源１１の励起光（一次光）を透過し、波長変換部１２から発光した二次光を反射する光学膜２２（図１２では４層）を設けた以外の構成は、図８に示した第６の実施形態と同じ構成である。なお、光学膜２２の材料としては、酸化シリコン、酸化ジルコニア、フッ化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン等の誘電体膜の単層或いは多層膜等を用いることができる。
【００６３】
これらの二つの誘電体を選び出し，それら材料の屈折率をもとに各膜厚を設計して，それに基づき二つの誘電体を交互に積層させ多層膜とすることで、任意の波長域に高い反射率を有しそれ以外の波長域において高い透過率を有するような光学膜２２（フィルター）を実現することができる。
【００６４】
図１３は、上記原理に基づいて作製された光学膜２２の光透過性を示す図である。ここで、光学膜２２としては、導光体１６に近い順に酸化チタン、フッ化マグネシウム、酸化チタンを積層したものを用いた。図１３に示すように、光学膜２２は、青色蛍光体１５を励起するのに必要な４３０ｎｍ以下の波長の励起光はほぼ１００％透過し、各蛍光体から発光された二次光はほとんど透過しない。
【００６５】
このように、光学膜２２を設けることにより、波長変換部１２から全方位に発光される二次光のうち、導光体１６側に放射される二次光を反射するので、光損失を低減でき、電気光変換効率の高い照明装置１０を得ることができる。
【００６６】
更に、光学膜２２に３９０ｎｍ以下の励起光を反射・吸収する特性を付加すると、紫外光成分によって生じる樹脂の劣化を防止できる。
【００６７】
〈第９の実施形態〉
図１４は、第９の実施形態の照明装置の要部の側面図である。波長変換部１２の上面に、光源１１の励起光（一次光）を反射し、波長変換部１２から発光した二次光を透過する光学膜２３（図１４では４層）を設けた以外の構成は、図１２に示した第８の実施形態と同じ構成である。なお、光学膜２３の材料としては、誘電体等の無機材や有機材を用いることができる。
【００６８】
このように、光学膜２３を設けることにより、波長変換部１２で波長変換されていない励起光（一次光）を反射して再度波長変換部１２へ入射させることにより、励起光（一次光）の再利用が可能となり、電気光変換効率の高い照明装置１０を得ることができる。また、光学膜２３は膜中の干渉により光の反射を生じるので励起光成分中の特に目に対する安全性の低い紫外光を効果的に反射し、目に対する安全性を向上させることができる。
【００６９】
〈第１０の実施形態〉
図１５は、第１０の実施形態の照明装置の要部の側面図である。照明装置１０から放射される光を反射する反射板２４を設け、光源１１と反射板２４との間に熱伝導性材２５を設けた以外の構成は、図１４に示した第９の実施形態と同じ構成である。なお、反射板２４としては金属或いはガラス表面にＡｌ等の金属コートを施した材料を用いることができる。また、反射板２４の形状には特に限定はなく、照明装置の用途に合わせて設計することができる。また、熱伝導性材２５は熱伝導性が良く光源１１の熱膨張係数に近い材料を用いるのが好ましく、例えば、ダイヤモンド、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ等を用いることができる。
【００７０】
このように、反射板２４を設けることにより、照明装置１０から放出される光の損失を抑制して有効に利用することができる。
【００７１】
また、一般に室内照明用の照明装置は高輝度が要求される。例えば、白色照明の光量として１０Ｗ必要な場合、光学系及び蛍光体の光損失を５０％とすると光源１１は２０Ｗ必要になる。そして、光源１１の変換損失を３０％とすると光源１１には約６６Ｗ入力する必要がある。このとき、約７０％の約４６Ｗが熱として放出される。この熱を熱伝導性材２５を介して反射板２４へ伝達することにより、光源１１の出力や寿命の低下を抑制することができる。なお、光源１１は反射板２４に直接接触させても同様の効果を得ることができる。
【００７２】
なお、明るい照明を得るために、一つの反射板２４上に複数の光源１１及び波長変換部１２を配設してもよい。
【００７３】
〈第１１の実施形態〉
第１１の実施形態は光源１１の駆動回路に関する実施形態である。図１６は、光源１１の駆動回路２６の構成を示すブロック図である。駆動回路２６は、パルス電流発生部２７と、光源１１に直流電流を印加するバイアス電圧部２８と、電流電圧変換部２９とを備えている。
【００７４】
パルス電流発生部２７は、パルス周期が遅いと光のちらつきが生じやすく、速いと回路構成が複雑になる。従って、５０Ｈｚ〜５０ＭＨｚ程度のパルス周期が好ましい。
【００７５】
図１７（ａ）は光源を駆動する駆動電流を示す図、図１７（ｂ）は駆動電流で駆動される光源１１の励起光の波形を示す図、図１７（ｃ）は波長変換部１２から放射される発光波形を示す図である。図１７（ｃ）において波長変換部１２から放射される発光波形は励起光で発生するキャリアの発光寿命の影響で光パルスの立下りに裾が発生する。このような立下りの裾は、波長変換部１２の発光寿命が短ければ短く、長ければ長い。
【００７６】
このような特性を利用して、波長変換部１２の発光寿命が比較的長く、光のちらつきが許容でき、且つ消費電力を低くすることが要求される場合にはデューティーを５０％以下と短めに設定することができる。なお、パルス周期とデューティーは、用途に応じて様々な値を設定することができる。
【００７７】
このように、光源１１をパルス駆動すると、ＣＷ（連続）駆動と比較して熱による影響を受けにくく、大光量を放射することもできる。また、信頼性を良好にすることもできる。従って、光源１１の信頼性を良好に保ちながら光出力を向上させることができ、輝度の高い照明装置を提供することができる。
【００７８】
また、励起光が強い場合は波長変換部１２の変換効率の非線形効果が発生するので、電気光変換効率を向上させることもできる。更に、光源１１を変調することにより、発振波長のチャーピングが生じる。波長のチャーピングによって、光源１１の可干渉性は低下するので、照明装置１０から照射された励起光自体の目に対する安全性を高めることができる。
【００７９】
更に、第４の実施形態の導光体１６には拡散材が添加されているので、光源２２の干渉性の影響により、拡散材内で多重干渉を起こす結果、発光パターンにムラが発生する可能性がある。そこで、上記のように光源１１を変調することにより、可干渉性が低下するので発光パターンのムラを防止できる。
【００８０】
なお、上記の各実施形態は可能であればそれらのいくつかを組み合わせても何の問題もない。なお、本発明において光源１１は複数設けてもよい。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によると、波長変換部を複数の蛍光体で構成し、各蛍光体の吸収帯域が異なり、少なくとも１つの蛍光体で発せられた二次光が他の蛍光体で吸収される吸収帯を有し、各蛍光体の間で二次光の再吸収が起きないように各蛍光体を配列することにより、色バランスの設定が容易であり、且つ電気光変換効率及び輝度の高い照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の照明装置の要部の側面図である。
【図２】本発明の蛍光体の発光のメカニズムを示す模式図である。
【図３】第２の実施形態の照明装置の要部の側面図である。
【図４】図３の平面図である。
【図５】半導体レーザ及び発光ダイオードの波長スペクトルを示す図である。
【図６】第４の実施形態の照明装置の要部の側面図である。
【図７】第５の実施形態の照明装置の要部の側面図である。
【図８】第６の実施形態の照明装置の要部の側面図である。
【図９】第６の実施形態の他の照明装置の要部の側面図を示す。
【図１０】第７の実施形態の照明装置の要部の側面図である。
【図１１】図１０の平面図である。
【図１２】第８の実施形態の照明装置の要部の側面図である。
【図１３】第８の実施形態の光学膜の光透過性を示す図である。
【図１４】第９の実施形態の照明装置の要部の側面図である。
【図１５】第１０の実施形態の照明装置の要部の側面図である。
【図１６】本発明の光源の駆動回路の構成を示すブロック図である。
【図１７】（ａ）光源を駆動する駆動電流を示す図である。
（ｂ）駆動電流で駆動される光源の励起光の波形を示す図である。
（ｃ）波長変換部から放射される発光波形を示す図である。
【符号の説明】
１０照明装置
１１光源
１２波長変換部
１３赤色蛍光体
１４緑色蛍光体
１５青色蛍光体
１６導光体
１９金属膜
２０光学膜（第１の光学膜）
２１反射板（第１の反射板）
２２光学膜（第２の光学膜）
２３光学膜（第３の光学膜）
２４反射板（第２の反射板）
２５熱伝導性材
２６駆動回路
２７パルス電流発生部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an illumination device including a light source that emits primary light and a wavelength conversion unit that absorbs primary light and emits secondary light.
[0002]
[Prior art]
As a next-generation lighting device that is expected to have low power consumption, small size, and high brightness, a lighting device comprising a nanocrystalline phosphor and a light source that emits primary light that excites the phosphor has been actively developed. ing. The use of nanocrystals for the phosphor is expected to improve the light emission efficiency as compared with conventional phosphors. Furthermore, since such a nanocrystal has a broad absorption band width compared to the absorption band width (energy width) required for exciting a conventional phosphor, the tolerance for the wavelength width of the light source is high. Therefore, a semiconductor light emitting element or the like can be used as the light source.
[0003]
There exists Unexamined-Japanese-Patent No. 11-340516 as an example of such an illuminating device. This publication discloses an illumination device including a wavelength conversion unit having a white phosphor mixed with a blue phosphor made of nanocrystals, and a light source that excites the wavelength conversion unit.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the illumination device described in this publication emits white light by mixing red, green, and blue phosphors, in order to emit uniform white light, the entire area that becomes the wavelength conversion unit is emitted. It is very difficult to uniformly mix red, green and blue phosphors.
[0005]
Further, when a green or red phosphor is formed on the blue phosphor, the blue light emitted from the blue phosphor is absorbed by the green or red phosphor, and green light or red light is emitted. Similarly, when the red phosphor is formed on the green phosphor, the green light emitted from the green phosphor is absorbed by the red phosphor and the red light is emitted. Accordingly, the color balance of the lighting device is deviated from the set color, and the luminance for the set color is lowered.
[0006]
Furthermore, when a light-emitting diode (hereinafter sometimes referred to as LED) is used as the light source, only the light-emitting component from the LED surface excites the phosphor, and most of the light emitted in the other direction is lost light. turn into. Therefore, the light intensity output through the phosphor with respect to the current input to the LED, that is, the electro-optical conversion efficiency, is very low.
[0007]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an illumination device that can easily set a color balance and has high electro-optical conversion efficiency and high luminance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides at least one light source that emits primary light, and secondary light that absorbs at least part of the primary light and has a peak wavelength longer than or equivalent to the peak wavelength of the primary light. The wavelength conversion unit includes a plurality of phosphors, each phosphor has a different absorption band, and secondary light emitted from at least one phosphor is another fluorescence. It has an absorption band that is absorbed by the body.
[0009]
According to this configuration, it is possible to easily obtain a set color balance and obtain a lighting device having a high brightness of the set color.
[0010]
In the illuminating device, the plurality of phosphors can be stacked in the order of the light path, in the order of the phosphors having the long peak wavelength of the secondary light. The plurality of phosphors can be stacked using nanocrystals having different particle sizes, in the order of the light paths, and in the order of the phosphors having the larger particle sizes. The plurality of phosphors may be composed of a plurality of cells arranged in a planar shape so as not to overlap each other in the optical path direction.
[0011]
According to these configurations, the secondary light emitted from each phosphor is not absorbed again by the phosphors emitting other colors.
[0012]
Further, in the above illuminating device, by providing light guides on both surfaces of the wavelength conversion unit in the optical path direction, it is possible to avoid a portion near the light source of the illuminating device being bright and becoming darker as it is away from the light source, and to emit uniform light. Obtainable. Furthermore, when a GaN-based semiconductor laser is used as the light source, since the emission angle of the emitted light is only about 30 °, it is necessary to increase the distance between the light source and the wavelength conversion unit in order to increase the irradiation range of the illumination device. However, the distance can be shortened by using the light guide, and the lighting device can be downsized.
[0013]
In addition, a light guide that guides the primary light to the wavelength conversion unit may be provided on the primary light incident surface of the wavelength conversion unit. And it is preferable to add the diffusion material which diffuses light to this light guide. Furthermore, it is preferable to provide an uneven metal film that reflects light on the surface of the light guide opposite to the wavelength conversion section. Furthermore, by providing a first optical film that shields light having a wavelength of 390 nm or less between the light source and the light guide, it is possible to prevent deterioration of the resin caused by the ultraviolet light component. Furthermore, by providing a first reflecting plate that reflects light on at least a part of the side surface excluding the side surface on the light source side of the light guide, loss light emitted from the light guide other than the wavelength conversion unit can be reduced. The lighting device can be reduced and the electro-optical conversion efficiency is high.
[0014]
Further, in the above illumination device, by providing a second optical film that transmits the primary light and shields the secondary light between the light source and the wavelength conversion unit, light loss can be reduced, A lighting device with high electro-optical conversion efficiency can be obtained. Further, excitation is provided by providing a third optical film on the secondary light emission surface of the wavelength conversion unit or having a space with the surface to transmit the secondary light and shield the primary light. Light (primary light) can be reused, and an illumination device with high electro-optical conversion efficiency can be obtained. In addition, since the optical film causes light reflection due to interference in the film, it is possible to effectively reflect ultraviolet light having low safety for the eyes in the excitation light component, and to improve the safety for the eyes. Furthermore, by providing the second reflecting plate that reflects the light on the side opposite to the desired light irradiation direction, the loss of light emitted from the illumination device can be suppressed and used effectively. Note that, from the viewpoint of heat dissipation, the light source is preferably fixed to the second reflecting plate directly or via a heat conductive material.
[0015]
The above lighting device includes a drive circuit that drives the light source, the drive circuit includes a pulse current generator, and the light source emits pulsed light, so that heat is generated compared to CW (continuous) drive. It is less affected and can emit a large amount of light. In addition, reliability can be improved. Therefore, the light output can be improved while maintaining the reliability of the light source, and a lighting device with high luminance can be provided.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is the same or respond | corresponds, and the detailed description is abbreviate | omitted. In this specification, “nanocrystal” refers to a crystal in which the crystal size is reduced to about the exciton Bohr radius, and exciton confinement and band gap increase due to the quantum size effect are observed.
[0017]
<First Embodiment>
FIG. 1 is a side view of a main part of the illumination device according to the first embodiment. The illumination device 10 includes a light source 11 that emits primary light, and a wavelength conversion unit 12 that absorbs at least part of the primary light and emits secondary light having a peak wavelength longer than the peak wavelength of the primary light. .
[0018]
As the light source 11, for example, a GaN-based light-emitting diode, a ZnO-based light-emitting diode, a diamond-based light-emitting diode having a peak wavelength at 430 nm can be used. Further, as the wavelength conversion unit 12, InN-based nanocrystals can be used. There are theories that InN has a band gap of 2.05 eV in the bulk structure, and the theory that it has a band gap of 0.6 to 0.8 eV. When nanocrystallization is performed, the band gap can be controlled in the range from blue to red by the quantum effect.
[0019]
The wavelength conversion unit 12 has a red phosphor 13 having a particle size that emits red light, and a red phosphor 13 that is an InN nanocrystal having the largest particle size, and an InN nanocrystal having a particle size that emits green light and having an intermediate particle size. And a blue phosphor 15 which is an InN-based nanocrystal having the smallest particle diameter and emitting blue light is laminated in an acrylic resin. These phosphors are laminated with a red phosphor 13, a green phosphor 14, and a blue phosphor 15 in the order from the light source 11. The types of phosphors 13 to 15 include Si and Zn _1-x Cd _x A material such as Se that has at least an absorption band in the blue to near-ultraviolet region in bulk can be used.
[0020]
The wavelength converters 12 having different particle diameters can be created by a chemical synthesis method, an ion implantation method, or the like. In addition, this wavelength conversion part 12 has what each phosphor 13-15 was directly piled up, or what each phosphor 13-13 was directly piled up with acrylic resin etc., and each phosphor 13-15 is acrylic resin. It is good also as a laminated body of what was embedded not only in another organic substance or an inorganic substance.
[0021]
Each phosphor 13 to 15 absorbs all light having energy larger than each band gap, and develops secondary light corresponding to the band gap. For this reason, as shown in the schematic diagram of FIG. ₁ Secondary light emitted by a phosphor having a large diameter (for example, blue) is a band gap Eg. ₂ Is absorbed by a small phosphor (for example, red). Eventually, each secondary light emitted from these phosphors is mixed to produce a desired color setting.
[0022]
In the illuminating device 10 of this embodiment, a part of excitation light (primary light) emitted from the light source 11 is first absorbed by the red phosphor 13 to emit red light (secondary light). Next, the remaining components of the excitation light are absorbed by the green phosphor 14, and green light (secondary light) is emitted. At this time, since the red light (secondary light) is smaller than the band gap of the green phosphor 14, it is transmitted without being absorbed by the green phosphor 14. Further, the remaining components of the excitation light are absorbed by the blue phosphor 15 and blue light (secondary light) is emitted. At this time, red light (secondary light) or green light (secondary light) is smaller than the band gap of the blue phosphor 15, and thus is transmitted without being absorbed by the blue phosphor 15. Finally, white light is emitted by mixing each secondary light emitted from these phosphors.
[0023]
By laminating each phosphor in the above order, the secondary light emitted from each phosphor is not absorbed again by the phosphors emitting other colors, and the set color balance can be easily obtained. And a lighting device with high brightness of the set color can be obtained. The color balance can be easily and independently controlled by changing the film thickness or density of each phosphor.
[0024]
The wavelength converter 12 may be a laminate of the red phosphor 13 and the green phosphor 14, and the excitation light of the light source 11 may be used as a blue light source. Moreover, the wavelength conversion part 12 may combine said fluorescent substance 13-15 and another fluorescent substance.
[0025]
In the wavelength conversion unit 12, a film that reflects green light and transmits red light may be provided between the red phosphor 13 and the green phosphor 14. Thereby, it can suppress that green light excites the red fluorescent substance 13, and can maintain a favorable color balance, without reducing the brightness | luminance of green light. The same effect can be obtained by providing a film that reflects blue light and transmits red light and green light between the green phosphor 14 and the blue phosphor 15.
[0026]
Further, the configuration of the wavelength conversion unit 12 may be laminated with the blue phosphor 15, the green phosphor 14, and the red phosphor 13 in the order closer to the light source 11. In this case, the thickness of each of the phosphors 13 to 15 may be set in consideration of the rate at which blue light (secondary light) is absorbed by the green phosphor 14 or the red phosphor 13, that is, the so-called absorption coefficient. As described above, the color balance can be performed by controlling the thicknesses of the phosphors 13 to 15, and the color balance can be easily set as compared with the case where the phosphors of the conventional example are randomly mixed. be able to. Furthermore, the in-plane uniformity of color balance can be made better than in the conventional example.
[0027]
<Second Embodiment>
FIG. 3 is a side view of the main part of the illumination device of the second embodiment, and FIG. 4 is a plan view of FIG. The cells of the red phosphor 13, the green phosphor 14, and the blue phosphor 15 are laid in a plane in order, and the planes are provided so as not to overlap in the optical path direction. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
[0028]
In this way, since each cell does not overlap in the optical path direction, the secondary light emitted from each phosphor is hardly absorbed again by the phosphors emitting other colors, and the set color balance can be easily obtained. And a lighting device with high brightness of the set color can be obtained. The color balance can be easily and independently controlled by changing the cell surface area.
[0029]
Note that the arrangement and the surface area of the cells are not limited to those in the present embodiment, and any arrangement or surface area can be used such that the secondary light emitted from each cell is mixed to give a desired color.
[0030]
Further, the wavelength conversion unit 12 may use the red phosphor 13 and the green phosphor 14, and may use the excitation light of the light source 11 as a blue light source. Moreover, the wavelength conversion part 12 may combine said fluorescent substance 13-15 and another fluorescent substance.
[0031]
<Third Embodiment>
The illumination device 10 according to the third embodiment uses a GaN-based semiconductor laser as the light source 11. The other structure of the illuminating device 10 is the same as that of 1st or 2nd embodiment.
[0032]
The semiconductor light emitting device is characterized in that the electro-optical exchange efficiency is relatively good and the device is small. Therefore, by using it as the light source 11 of the illumination device 10, low power consumption and downsizing can be realized. Examples of such a semiconductor light emitting device include a light emitting diode and a semiconductor laser. Since the light emitting diode emits light in all directions of the element, it is necessary to place the element on, for example, a metal frame that reflects light, wrap the metal frame with resin, and process the lens on the resin surface in order to collect light. .
[0033]
However, even with such a configuration, it is difficult to collect all the light resisted from the element, and it is also difficult to reduce the size because the element needs to be mounted on a metal frame.
[0034]
On the other hand, the semiconductor laser emits most of the light from the cavity end face. Therefore, it is possible to easily improve the utilization efficiency of the excitation light as compared with the case where the light emitting diode is used only by providing the wavelength conversion unit 12 in the resonator direction. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the lighting device 10 can be improved.
[0035]
Note that an electrode stripe structure (not shown) can be used as the semiconductor laser. The semiconductor laser having this electrode stripe structure can produce a watt-class light output and is suitable as the light source 11 of the illumination device 10. Furthermore, since the GaN-based semiconductor laser has a strong crystal structure and the light emitting region is unlikely to deteriorate, it is suitable as a light source that produces a watt-class light output.
[0036]
In addition, in the case of a wavelength conversion unit in which a nanocrystalline phosphor is embedded in a resin such as polycarbonate, if the excitation light (primary light) contains an ultraviolet light component of 390 nm or less, absorption by the resin Occurs. Furthermore, when the excitation light intensity is high, the resin is altered by absorption and the electro-optical conversion efficiency is lowered.
[0037]
FIG. 5 shows wavelength spectra of the semiconductor laser and the light emitting diode. The semiconductor laser has a narrower spectral width of the wavelength than the light emitting diode, and the light intensity below 390 nm is small as the integrated light intensity. For this reason, in the semiconductor laser, it is desirable to set an oscillation wavelength in a wavelength region of about 430 nm or less and a wavelength region of 390 nm or more so that absorption by acrylic can be prevented so that the blue phosphor 15 can be excited. Thereby, the fall of the electro-optical conversion efficiency by quality change of resin can be suppressed. The oscillation wavelength control method can be easily realized by appropriately adjusting the width of the light emitting region and the mixed crystal ratio.
[0038]
As a result, by using a GaN-based semiconductor laser as the light source 11, it is possible to obtain the illumination device 10 with high luminance. In addition, the influence of the ultraviolet-ray with respect to resin can be suppressed by providing between the semiconductor laser and the wavelength conversion part 12 the shielding film which shields the light of 390 nm or less. As this shielding film, a single layer or multilayer film of dielectric films such as silicon oxide, zirconia oxide, magnesium fluoride, aluminum oxide, titanium oxide, or a color glass filter (sharp cut) in which CdS or CdSSe colloid is dispersed in glass. Filter) can be used.
[0039]
As the element structure of the semiconductor laser, in addition to the above, a structure in which a plurality of active layers are arranged in an array can be used.
[0040]
<Fourth Embodiment>
FIG. 6 is a side view of the main part of the illumination device of the fourth embodiment. As for each fluorescent substance in the wavelength conversion part 12, the red fluorescent substance 13, the green fluorescent substance 14, and the blue fluorescent substance 15 are formed in the order near the light source 11. FIG. An acrylic resin to which a diffusing material for diffusing light is added is formed as an optical film so as to sandwich the wavelength conversion unit 12, thereby forming a light guide 16.
[0041]
A light source 11 made of a GaN-based semiconductor laser is provided in the side surface direction of the red phosphor 13. The light source 11 includes a light emitting region 17 and a reflective film 18 (three layers in FIG. 6) having a reflectivity of about 80 to 95% made of a single layer or a multilayer film. The reflection film 18 can prevent the excitation light from being emitted to the side opposite to the wavelength conversion unit 12 and suppress power consumption of the semiconductor laser due to light loss.
[0042]
A light receiving element for light monitoring (not shown) that can monitor the light output of the light source 11 and a feedback circuit (not shown) for stabilizing the light output on the side of the reflective film opposite to the wavelength conversion unit 12. May be provided.
[0043]
In the illumination device 10 of the present embodiment, the excitation light (primary light) emitted from the light source 11 is absorbed and emitted by the phosphors 13 to 15, passes through the light guide 16, and is directed in the direction of the arrow in FIG. 6. Radiated and mixed to white light.
[0044]
With the above configuration, a set color balance can be easily obtained, and an illuminating device with high electro-optical conversion efficiency and high brightness of the set color can be obtained. The color balance can be easily and independently controlled by changing the volume or density of each phosphor.
[0045]
In the configuration in which the light guide 16 is not provided as in the first or second embodiment, since the intensity distribution of the emitted light of the light source 11 is a Gaussian distribution, a portion near the light source 11 of the illumination device 10 is bright, and the light source 11 However, according to the present embodiment, uniform light emission can be obtained.
[0046]
Further, when a GaN-based semiconductor laser is used as the light source 11, the radiation angle of the emitted light is only about 30 °. Therefore, in order to increase the irradiation range of the illumination device 10, the distance between the light source 11 and the wavelength conversion unit 12 is set. Although it is necessary to increase the distance, the distance can be shortened by using the light guide 16, and the lighting device 10 can be downsized.
[0047]
<Fifth Embodiment>
FIG. 7 is a side view of a main part of the illumination device of the fifth embodiment. As for each fluorescent substance in the wavelength conversion part 12, the red fluorescent substance 13, the green fluorescent substance 14, and the blue fluorescent substance 15 are repeatedly formed in the order close to the light source 11. FIG. And the light guide 16 is formed in the lower surface of this wavelength conversion part 12, The diffusing material which diffuses light to the wavelength conversion part 12 is added. As this diffusing material, fine metal particles or the like can be used.
[0048]
A light source 11 made of a GaN-based semiconductor laser having a light emitting region 17 is provided in the side surface direction of the red phosphor 13.
[0049]
In the illumination device 10 of the present embodiment, excitation light (primary light) emitted from the light source 11 is diffused by the light guide 16, absorbed and emitted by the phosphors 13 to 15, and mixed to become white light. .
[0050]
With the above configuration, a set color balance can be easily obtained, and an illuminating device with high electro-optical conversion efficiency and high brightness of the set color can be obtained. The color balance can be easily and independently controlled by changing the volume or density of each phosphor.
[0051]
In the configuration in which the light guide 16 is not provided as in the first or second embodiment, since the intensity distribution of the emitted light of the light source 11 is a Gaussian distribution, a portion near the light source 11 of the illumination device 10 is bright, and the light source 11 However, according to the present embodiment, uniform light emission can be obtained.
[0052]
<Sixth Embodiment>
FIG. 8 is a side view of the main part of the illumination device of the sixth embodiment. The difference from the fifth embodiment is that, instead of adding a diffusing material to the light guide 16, an uneven metal film 19 that reflects light is provided on the bottom surface of the light guide 16, and the light source 11 is guided. The optical film 20 that reflects or absorbs excitation light having a wavelength of 390 nm or less is provided on the side surface on the light body 16 side.
[0053]
In the illuminating device 10 of the present embodiment, the excitation light (primary light) emitted from the light source 11 is shielded at a wavelength of 390 nm or less by the optical film 20, and the transmitted excitation light enters the light guide 16 and the metal film 19. And is absorbed and emitted by each of the phosphors 13 to 15 and mixed to become white light.
[0054]
With the above configuration, a set color balance can be easily obtained, and an illuminating device with high electro-optical conversion efficiency and high brightness of the set color can be obtained. The color balance can be easily and independently controlled by changing the volume or density of each phosphor.
[0055]
Further, by providing the optical film 20, it is possible to prevent deterioration of the resin caused by the ultraviolet light component.
[0056]
In FIG. 9, the side view of the principal part of the other illuminating device of 6th Embodiment is shown. A different point from FIG. 8 is the structure of the light guide 16, and the structure other than that is the same as that of FIG. A substantially trapezoidal uneven shape is formed on the surface of the light guide 16. This uneven shape is a gentle trapezoid in a region close to the light source 11, and a trapezoid with a steep slope as the distance from the light source increases.
[0057]
Here, the component having a large incident angle with respect to the concavo-convex shape in the light transmitted through the light guide 16 passes through the concavo-convex shape and proceeds to the wavelength conversion unit 12, while the component having a small incident angle with respect to the concavo-convex shape is Reflects in an uneven shape. Based on this principle, the light guide 16 is likely to be reflected in the uneven shape in the region near the light source 11, and is easily transmitted through the uneven shape in the region far from the light source 11 of the light guide 16.
[0058]
Further, the light intensity inside the light guide 16 is stronger when closer to the light source 11. Therefore, in the light guide 16, the light intensity is strong at the portion close to the light source 11, but is difficult to transmit to the wavelength conversion unit 12, and the light intensity is weak at the portion far from the light source 11, but easily transmits to the wavelength conversion unit 12. Irrespective of the distance from the light source 11, the light intensity incident on the wavelength conversion unit 12 can be kept uniform.
[0059]
The light guide 16 may have an optical waveguide structure in which a core layer and a clad layer are provided.
[0060]
<Seventh embodiment>
FIG. 10 is a side view of the main part of the illumination device of the seventh embodiment, and FIG. 11 is a plan view of FIG. The configuration of the sixth embodiment shown in FIG. 8 is the same as that of the sixth embodiment shown in FIG. 8 except that a single-layer or multilayer reflector 21 (two layers in FIGS. 10 and 11) is provided on each surface of the light guide 16 excluding the side surface on the light source 11 side. It is the same configuration as the form. In addition, as a material of the reflecting plate 21, a dielectric film, resin, a metal film, etc. can be used.
[0061]
Thus, by providing the reflecting plate 21, the loss light radiated | emitted from the light guide 16 other than the wavelength conversion part 12 can be reduced, and the illuminating device 10 with high electro-optical conversion efficiency can be obtained.
[0062]
<Eighth Embodiment>
FIG. 12 is a side view of a main part of the illumination device of the eighth embodiment. An optical film 22 that transmits the excitation light (primary light) of the light source 11 and reflects the secondary light emitted from the wavelength conversion unit 12 (four layers in FIG. 12) between the light guide 16 and the wavelength conversion unit 12. The configuration other than that is the same as that of the sixth embodiment shown in FIG. As the material of the optical film 22, a single layer or a multilayer film of a dielectric film such as silicon oxide, zirconia oxide, magnesium fluoride, aluminum oxide, and titanium oxide can be used.
[0063]
By selecting these two dielectrics, designing each film thickness based on the refractive index of those materials, and then stacking the two dielectrics alternately to form a multilayer film, it is high in any wavelength range An optical film 22 (filter) having reflectivity and high transmittance in other wavelength regions can be realized.
[0064]
FIG. 13 is a diagram showing the light transmittance of the optical film 22 produced based on the above principle. Here, as the optical film 22, a layer in which titanium oxide, magnesium fluoride, and titanium oxide are stacked in order from the light guide 16 is used. As shown in FIG. 13, the optical film 22 transmits almost 100% of the excitation light having a wavelength of 430 nm or less necessary for exciting the blue phosphor 15 and transmits almost all the secondary light emitted from each phosphor. do not do.
[0065]
Thus, by providing the optical film 22, the secondary light emitted from the wavelength conversion unit 12 in all directions to the secondary light emitted toward the light guide 16 side is reflected, thereby reducing light loss. The illuminating device 10 with high electro-optical conversion efficiency can be obtained.
[0066]
Furthermore, if the optical film 22 is added with a characteristic of reflecting / absorbing excitation light of 390 nm or less, it is possible to prevent the deterioration of the resin caused by the ultraviolet light component.
[0067]
<Ninth embodiment>
FIG. 14 is a side view of the main part of the illumination device of the ninth embodiment. Configuration other than providing the optical film 23 (four layers in FIG. 14) that reflects the excitation light (primary light) of the light source 11 and transmits the secondary light emitted from the wavelength conversion unit 12 on the upper surface of the wavelength conversion unit 12 The configuration is the same as that of the eighth embodiment shown in FIG. As a material for the optical film 23, an inorganic material such as a dielectric or an organic material can be used.
[0068]
As described above, by providing the optical film 23, the excitation light (primary light) that has not been wavelength-converted by the wavelength conversion unit 12 is reflected and incident on the wavelength conversion unit 12 again, so that the excitation light (primary light) is reflected. Reuse is possible, and the lighting device 10 with high electro-optical conversion efficiency can be obtained. In addition, since the optical film 23 reflects light due to interference in the film, it can effectively reflect ultraviolet light, which is particularly low in safety for eyes, in the excitation light component, and can improve safety for eyes.
[0069]
<Tenth embodiment>
FIG. 15 is a side view of the main part of the illumination device of the tenth embodiment. The configuration of the ninth embodiment shown in FIG. 14 is the same as that of the ninth embodiment shown in FIG. 14 except that the reflection plate 24 that reflects the light emitted from the illumination device 10 is provided and the heat conductive material 25 is provided between the light source 11 and the reflection plate 24. It is the same composition as. As the reflector 24, a metal or a material obtained by applying a metal coating such as Al on the glass surface can be used. Moreover, there is no limitation in particular in the shape of the reflecting plate 24, It can design according to the use of an illuminating device. In addition, it is preferable to use a material having a good thermal conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of the light source 11, for example, diamond, Si, SiC, AlN, or the like.
[0070]
Thus, by providing the reflecting plate 24, the loss of the light emitted from the illumination device 10 can be suppressed and used effectively.
[0071]
In general, a lighting device for indoor lighting is required to have high luminance. For example, when 10 W is required as the amount of white illumination, the light source 11 needs 20 W if the optical loss of the optical system and the phosphor is 50%. If the conversion loss of the light source 11 is 30%, it is necessary to input about 66 W to the light source 11. At this time, about 46% of about 70% is released as heat. By transmitting this heat to the reflecting plate 24 via the heat conductive material 25, it is possible to suppress the output of the light source 11 and the lifetime from being reduced. The same effect can be obtained even when the light source 11 is brought into direct contact with the reflecting plate 24.
[0072]
In order to obtain bright illumination, a plurality of light sources 11 and wavelength converters 12 may be provided on one reflector 24.
[0073]
<Eleventh embodiment>
The eleventh embodiment relates to a drive circuit for the light source 11. FIG. 16 is a block diagram showing the configuration of the drive circuit 26 of the light source 11. The drive circuit 26 includes a pulse current generation unit 27, a bias voltage unit 28 that applies a direct current to the light source 11, and a current-voltage conversion unit 29.
[0074]
The pulse current generator 27 tends to cause light flicker when the pulse period is slow, and the circuit configuration becomes complicated when it is fast. Therefore, a pulse period of about 50 Hz to 50 MHz is preferable.
[0075]
17A shows a drive current for driving the light source, FIG. 17B shows a waveform of the excitation light of the light source 11 driven by the drive current, and FIG. It is a figure which shows the emitted light emission waveform. In FIG. 17C, the emission waveform radiated from the wavelength converter 12 has a tail at the falling edge of the optical pulse due to the influence of the emission lifetime of the carriers generated by the excitation light. Such a trailing edge is short if the light emission lifetime of the wavelength conversion unit 12 is short, and is long if it is long.
[0076]
By utilizing such characteristics, the wavelength conversion unit 12 has a relatively long light emission life, can permit light flickering, and if it is required to reduce power consumption, the duty is shortened to 50% or less. Can be set. Various values can be set for the pulse period and the duty depending on the application.
[0077]
As described above, when the light source 11 is pulse-driven, it is less affected by heat than the CW (continuous) drive and can emit a large amount of light. In addition, reliability can be improved. Therefore, the light output can be improved while maintaining the reliability of the light source 11, and an illumination device with high luminance can be provided.
[0078]
In addition, when the excitation light is strong, a nonlinear effect of the conversion efficiency of the wavelength conversion unit 12 is generated, so that the electro-optical conversion efficiency can be improved. Furthermore, by modulating the light source 11, chirping of the oscillation wavelength occurs. Since the coherency of the light source 11 is reduced by the wavelength chirping, the safety of the excitation light itself emitted from the illumination device 10 to the eyes can be increased.
[0079]
Furthermore, since a light diffusing material is added to the light guide 16 of the fourth embodiment, the light emission pattern may be uneven as a result of causing multiple interference in the light diffusing material due to the interference of the light source 22. There is sex. Therefore, by modulating the light source 11 as described above, the coherence is reduced, so that unevenness of the light emission pattern can be prevented.
[0080]
It should be noted that each of the above embodiments has no problem even if some of them are combined if possible. In the present invention, a plurality of light sources 11 may be provided.
[0081]
【The invention's effect】
According to the present invention, the wavelength conversion unit is composed of a plurality of phosphors, the absorption bands of the respective phosphors are different, and an absorption band in which secondary light emitted by at least one phosphor is absorbed by another phosphor. By arranging the phosphors so that secondary light reabsorption does not occur between the phosphors, it is easy to set the color balance, and the illumination device has high electro-optical conversion efficiency and high brightness. Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a main part of a lighting device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic view showing a light emission mechanism of the phosphor of the present invention.
FIG. 3 is a side view of a main part of a lighting device according to a second embodiment.
4 is a plan view of FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing wavelength spectra of a semiconductor laser and a light emitting diode.
FIG. 6 is a side view of a main part of a lighting device according to a fourth embodiment.
FIG. 7 is a side view of a main part of a lighting device according to a fifth embodiment.
FIG. 8 is a side view of a main part of a lighting device according to a sixth embodiment.
FIG. 9 shows a side view of a main part of another illumination device of the sixth embodiment.
FIG. 10 is a side view of a main part of a lighting device according to a seventh embodiment.
FIG. 11 is a plan view of FIG. 10;
FIG. 12 is a side view of a main part of an illumination device according to an eighth embodiment.
FIG. 13 is a view showing light transmittance of an optical film according to an eighth embodiment.
FIG. 14 is a side view of a main part of a lighting device according to a ninth embodiment.
FIG. 15 is a side view of a main part of a lighting device according to a tenth embodiment.
FIG. 16 is a block diagram showing a configuration of a light source driving circuit according to the present invention.
FIG. 17A is a diagram showing a drive current for driving a light source.
(B) It is a figure which shows the waveform of the excitation light of the light source driven with a drive current.
(C) It is a figure which shows the light emission waveform radiated | emitted from a wavelength conversion part.
[Explanation of symbols]
10 Lighting device
11 Light source
12 Wavelength converter
13 Red phosphor
14 Green phosphor
15 Blue phosphor
16 Light guide
19 Metal film
20 Optical film (first optical film)
21 Reflector (first reflector)
22 Optical film (second optical film)
23 Optical film (third optical film)
24 reflector (second reflector)
25 Thermally conductive material
26 Drive circuit
27 Pulse current generator

Claims

A wavelength conversion unit comprising at least one light source that emits primary light and a plurality of phosphors that absorb at least part of the primary light and emit secondary light having a peak wavelength longer than or equivalent to the peak wavelength of the primary light A lighting device comprising :
The wavelength conversion unit possess an absorption band which secondary light emitted by one phosphor even without least is absorbed by other phosphors, the plurality of phosphors, the light path order, the peak wavelength of the secondary light The lighting device is characterized in that the phosphors are stacked in the order of long phosphors .

The lighting device according to claim 1, wherein the plurality of phosphors are nanocrystals having different particle sizes.

The lighting device according to claim 2, wherein the plurality of phosphors are stacked in the order of the light paths, in the order of the phosphors having the larger particle diameters.

The illumination device according to claim 1, wherein light guides are provided on both surfaces of the wavelength conversion unit in the optical path direction.

The illumination device according to claim 1, wherein a light guide member that guides the primary light to the wavelength conversion unit is provided on an incident surface of the primary light of the wavelength conversion unit.

The lighting device according to claim 5, wherein a diffusion material that diffuses light is added to the light guide.

The illumination device according to claim 5, wherein an uneven metal film that reflects light is provided on a surface of the light guide opposite to the wavelength conversion unit.

The lighting device according to claim 5, wherein a first optical film that shields light having a wavelength of 390 nm or less is provided between the light source and the light guide.

The lighting device according to claim 5, wherein a first reflecting plate that reflects light is provided on at least a part of a side surface of the light guide body excluding a side surface on the light source side.

The second optical film that transmits the primary light and shields the secondary light is provided between the light source and the wavelength conversion unit. Lighting equipment.

A third optical film is provided on the secondary light exit surface of the wavelength conversion unit or having the surface and a space, and transmits the secondary light and shields the primary light. The illuminating device in any one of Claims 1-10.

The lighting device according to claim 1, further comprising a second reflecting plate that reflects light on a side opposite to a desired light irradiation direction.

The lighting device according to claim 12, wherein the light source is fixed to the second reflecting plate directly or via a heat conductive material.

The lighting device according to claim 1, further comprising a drive circuit that drives the light source, the drive circuit including a pulse current generation unit, and the light source oscillates pulsed light.

An illumination device comprising: at least one light source that emits primary light; and a wavelength conversion unit that absorbs at least part of the primary light and emits secondary light having a peak wavelength longer than or equivalent to the peak wavelength of the primary light. Because
The wavelength conversion unit is composed of a plurality of phosphors, and has an absorption band in which secondary light emitted by at least one phosphor is absorbed by other phosphors,
The lighting device, wherein the plurality of phosphors are nanocrystals having different particle sizes.

The lighting device according to claim 15, wherein the plurality of phosphors are stacked in the order of the light paths, in the order of the phosphors having the larger particle diameters.