JP2004071357A

JP2004071357A - Lighting device

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Publication number: JP2004071357A
Application number: JP2002229110A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Morioka; 森岡　達也; Shinya Ishida; 石田　真也; Daisuke Hanaoka; 花岡　大介; Mototaka Tanetani; 種谷　元隆; Shigeo Fujita; 藤田　茂夫; Shizuo Fujita; 藤田　静雄; Yoichi Kawakami; 川上　養一
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-06
Also published as: JP4197109B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lighting device capable of setting a color balance easily with high electro-optical conversion efficiency and high brightness. <P>SOLUTION: A lighting device 10 includes a light source 11 emitting a primary light, and a wavelength conversion portion 12 which absorbs the primary light and then emits a secondary light having a longer peak wavelength than that of the primary light. The wavelength conversion portion 12 is laminated in order of an optical direction from red 13, green 14, and blue phosphor 15. Thus, every secondary light emitted from respective phosphors 13 to 15 is not absorbed by the other phosphors emitting the other colors, so that white light produced by mixing the three colors is emitted from the lighting device 10. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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Ｅｇ_１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Ｅｇ_２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]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a lighting 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 including a nanocrystal phosphor and a light source that emits primary light that excites the phosphor is actively developed. ing. The use of nanocrystals for the phosphor is expected to improve the luminous efficiency as compared with conventional phosphors. Further, such a nanocrystal has a wide absorption band width (energy width) as compared with a conventional absorption band width (energy width) required for exciting a phosphor, and thus has a high tolerance to the wavelength width of the light source. Therefore, a semiconductor light emitting element or the like can be used as the light source.
[0003]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-340516 is an example of such a lighting device. This publication discloses a lighting device including a wavelength conversion unit having a white phosphor mixed with a blue phosphor made of nanocrystals, and a light source for exciting the wavelength conversion unit.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the illumination device described in this publication emits white light by mixing red, green, and blue phosphors, so that uniform white light is emitted over the entire area serving as a wavelength conversion unit. It is very difficult to mix red, green, and blue phosphors uniformly, which is very difficult.
[0005]
When a green or red phosphor is formed on the blue phosphor, blue light emitted from the blue phosphor is absorbed by the green or red phosphor, and green or red light is emitted. Similarly, when a red phosphor is formed on a green phosphor, green light emitted from the green phosphor is absorbed by the red phosphor and red light is emitted. Therefore, the color balance of the lighting device is shifted from the set color, and the luminance for the set color is reduced.
[0006]
Further, when a light emitting diode (hereinafter, sometimes referred to as an LED) is used as a light source, only a light emitting component from the LED surface excites the phosphor, and most of the light emitted in other directions is lost light. turn into. Therefore, the intensity of light output through the phosphor with respect to the current input to the LED, that is, the electro-optical conversion efficiency is very low.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a lighting 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 a secondary light that absorbs at least a part of the primary light and has a peak wavelength longer than or equal to the peak wavelength of the primary light. And a wavelength conversion unit that emits light. The wavelength conversion unit includes a plurality of phosphors, each of the phosphors has a different absorption band, and the secondary light emitted by at least one of the phosphors emits another fluorescent light. It has an absorption band that is absorbed by the body.
[0009]
According to this configuration, it is possible to easily obtain the set color balance, and to obtain an illuminating device in which the luminance of the set color is high.
[0010]
In the above-described lighting device, the plurality of phosphors can be stacked in the order of the optical path and in the order of the phosphor having the longer peak wavelength of the secondary light. In addition, the plurality of phosphors can be stacked in the order of the optical path and in the order of the phosphors having the larger particle diameters using nanocrystals having different particle diameters. Further, the plurality of phosphors may include a plurality of cells arranged in a plane 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 phosphor emitting another color.
[0012]
Further, in the above lighting device, by providing light guides on both surfaces of the wavelength conversion unit in the optical path direction, a portion near the light source of the lighting device is bright, and it is possible to avoid darkening as the distance from the light source increases, and uniform light emission is obtained. Obtainable. Furthermore, when a GaN-based semiconductor laser is used as the light source, the emission angle of the emitted light is only about 30 °, so that it is necessary to increase the distance between the light source and the wavelength converter in order to increase the irradiation range of the illumination device. However, by using a light guide, the distance can be reduced, and the size of the lighting device can be reduced.
[0013]
Further, a light guide that guides the primary light to the wavelength converter may be provided on the primary light incident surface of the wavelength converter. And it is preferable to add a diffusing material for diffusing light to this light guide. Further, it is preferable to provide a metal film having an uneven shape for reflecting light on a surface of the light guide opposite to the wavelength conversion portion. Further, by providing a first optical film between the light source and the light guide for blocking light having a wavelength of 390 nm or less, deterioration of the resin caused by ultraviolet light components can be prevented. Furthermore, by providing a first reflector that reflects light on at least a part of a side surface of the light guide except for the side on the light source side, loss light radiated from the light guide to portions other than the wavelength conversion portion is reduced. Thus, a lighting device with high electric-to-light conversion efficiency can be obtained.
[0014]
Further, in the above lighting 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 light-to-light conversion efficiency can be obtained. Then, by providing a third optical film that transmits the secondary light and shields the primary light on the secondary light emission surface of the wavelength conversion unit or on the surface with the space and the space, Light (primary light) can be reused, and a lighting device with high electro-optical conversion efficiency can be obtained. In addition, the optical film reflects light due to interference in the film, so that the ultraviolet light in the excitation light component, which is particularly low for the eye, can be effectively reflected, and the safety for the eye can be improved. Furthermore, by providing a second reflector that reflects light on the side opposite to the desired light irradiation direction, loss of light emitted from the lighting device can be suppressed and used effectively. In addition, it is preferable that the light source be fixed to the second reflection plate directly or via a heat conductive material from the viewpoint of heat dissipation.
[0015]
The above lighting device includes a driving circuit for driving the light source, the driving circuit includes a pulse current generating unit, and the light source oscillates pulsed light, so that the light source generates heat compared to CW (continuous) driving. It is hardly affected and can emit a large amount of light. Further, the reliability can be improved. Therefore, the light output can be improved while the reliability of the light source is kept good, and a lighting device with high luminance can be provided.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding portions are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In this specification, the term “nanocrystal” refers to a crystal whose crystal size is reduced to about the exciton Bohr radius, and in which confinement of an exciton and an increase in a band gap due to a quantum size effect are observed.
[0017]
<First embodiment>
FIG. 1 is a side view of a main part of the lighting device according to the first embodiment. The lighting device 10 includes a light source 11 that emits primary light, and a wavelength conversion unit 12 that absorbs at least a 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 having a peak wavelength at 430 nm, a ZnO-based light-emitting diode, a diamond-based light-emitting diode, or the like can be used. Further, as the wavelength conversion section 12, InN-based nanocrystals can be used. There are theories that InN has a bandgap of 2.05 eV and a theory that it has a bandgap of 0.6 to 0.8 eV in the bulk structure. With nano-crystallization, the band gap can be controlled in the range from blue to red by the quantum effect.
[0019]
The wavelength conversion section 12 has a red phosphor 13 which has a particle diameter that emits red light and has the largest particle diameter, and an InN nanocrystal that has a particle diameter that emits green light and has an intermediate particle diameter. And a blue phosphor 15, which is an InN-based nanocrystal having the smallest particle size 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 close to the light source 11. Phosphors 13 to 15 include Si, Zn _1-x Cd _x It is possible to use a material such as Se that has at least an absorption band in a blue to near-ultraviolet region in bulk.
[0020]
The wavelength converters 12 having different particle diameters can be formed by a chemical synthesis method, an ion implantation method, or the like. The wavelength conversion unit 12 is formed by directly stacking the phosphors 13 to 15 or embedding the stack of the phosphors 13 to 15 directly with an acrylic resin or the like. Not only that, it is also possible to form a laminate of one embedded in another organic or inorganic substance.
[0021]
Each of the phosphors 13 to 15 absorbs all light having energy larger than each band gap, and emits secondary light corresponding to the band gap. For this reason, as shown in the schematic diagram of FIG. ₁ The secondary light emitted from a phosphor having a large (eg, blue) has a band gap Eg. ₂ Is absorbed by a phosphor having a small size (for example, red). Finally, the respective secondary lights emitted from these phosphors are mixed to produce a desired desired color development.
[0022]
In the illumination device 10 of the present embodiment, a part of the 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, the red light (secondary light) is smaller than the band gap of the green phosphor 14 and is transmitted without being absorbed by the green phosphor 14. Further, the remaining component of the excitation light is absorbed by the blue phosphor 15 and blue light (secondary light) is emitted. At this time, since the red light (secondary light) or the green light (secondary light) is smaller than the band gap of the blue phosphor 15, the red light (secondary light) is transmitted without being absorbed by the blue phosphor 15. Finally, white light is emitted by mixing the secondary lights emitted from these phosphors.
[0023]
By stacking the respective phosphors in the above order, the secondary light emitted from each phosphor is not re-absorbed by the phosphor emitting another color, and the set color balance can be easily obtained. And an illuminating device having high luminance of the set color can be obtained. The setting of the color balance can be easily and independently controlled simply 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 the blue light source. Further, the wavelength conversion section 12 may combine the above-mentioned phosphors 13 to 15 with another phosphor.
[0025]
In the wavelength converter 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 is possible to suppress the green light from exciting the red phosphor 13, and it is possible to maintain a good color balance without lowering the luminance of the 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]
In addition, the configuration of the wavelength conversion unit 12 may be such that the blue phosphor 15, the green phosphor 14, and the red phosphor 13 are stacked in the order close 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 thickness of each of the phosphors 13 to 15, and the color balance can be easily set as compared with the conventional case where each of the phosphors is randomly mixed. be able to. Further, the in-plane uniformity of the color balance can be improved as compared with the conventional example.
[0027]
<Second embodiment>
FIG. 3 is a side view of a main part of the lighting device according to 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 sequentially laid in a plane, and the planes are provided so as not to overlap in the optical path direction. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
[0028]
As described above, since the cells do not overlap in the optical path direction, the secondary light emitted from each phosphor is hardly re-absorbed by the phosphor emitting another color, and the set color balance can be easily obtained. And an illuminating device having high luminance of the set color can be obtained. The setting of the color balance can be easily and independently controlled only by changing the surface area of the cell.
[0029]
Note that the arrangement and surface area of the cells are not limited to the present embodiment, and may be any arrangement and surface area such that the secondary light emitted from each cell is mixed to give a desired color.
[0030]
Further, the wavelength conversion section 12 may use the red phosphor 13 and the green phosphor 14 and use the excitation light of the light source 11 as the blue light source. Further, the wavelength conversion section 12 may combine the above-mentioned phosphors 13 to 15 with another phosphor.
[0031]
<Third embodiment>
The lighting device 10 of the third embodiment uses a GaN-based semiconductor laser as the light source 11. Other configurations of the lighting device 10 are the same as those of the first or second embodiment.
[0032]
The semiconductor light emitting device is characterized in that the electric light exchange efficiency is relatively good and the device is small. Therefore, by using the light source 11 of the lighting 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, in order to collect light, it is necessary to mount the element on a metal frame having a shape that reflects light, for example, wrap the metal frame with resin, and process the resin surface with a lens. .
[0033]
However, even with such a configuration, it is difficult to collect all the light resisted by 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, in a semiconductor laser, most light is emitted from the end face of the resonator. Therefore, only by providing the wavelength conversion section 12 in the resonator direction, the utilization efficiency of the excitation light can be easily improved as compared with the case where the light emitting diode is used. 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 the electrode stripe structure can produce a watt-class light output, and is suitable as the light source 11 of the lighting device 10. Further, a GaN-based semiconductor laser has a strong crystal structure and is hardly deteriorated in a light-emitting region, so that it is suitable as a light source producing a watt-class light output.
[0036]
Further, in the case of a wavelength conversion section 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, the absorption by the resin will occur. Occurs. Further, when the excitation light intensity is high, the resin is deteriorated by absorption, and the electro-optical conversion efficiency is reduced.
[0037]
FIG. 5 shows wavelength spectra of the semiconductor laser and the light emitting diode. Semiconductor lasers have a narrower spectral width than wavelengths of light emitting diodes, and the integrated light intensity is lower than 390 nm. For this reason, it is desirable to set the oscillation wavelength of the semiconductor laser to a wavelength of about 430 nm or less so as to excite the blue phosphor 15 and a wavelength range of 390 nm or more so that absorption by acrylic can be prevented. As a result, it is possible to suppress a decrease in the electro-optical conversion efficiency due to deterioration of the resin. The oscillation wavelength can be easily controlled 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, the lighting device 10 with high luminance can be obtained. In addition, by providing a shielding film between the semiconductor laser and the wavelength conversion section 12 for shielding light of 390 nm or less, the influence of ultraviolet rays on the resin can be suppressed. As the shielding film, a monolayer or multilayer film of a dielectric film 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]
In addition, as the element structure of the semiconductor laser, a structure in which a plurality of active layers are arranged in an array may be used in addition to the above.
[0040]
<Fourth embodiment>
FIG. 6 is a side view of a main part of the lighting device according to the fourth embodiment. As for each phosphor in the wavelength converter 12, a red phosphor 13, a green phosphor 14, and a blue phosphor 15 are formed in the order close to the light source 11. Then, 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 portion 12, thereby forming the light guide 16.
[0041]
Further, a light source 11 made of a GaN-based semiconductor laser is provided in the side 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 can suppress power consumption of the semiconductor laser due to light loss.
[0042]
A light-receiving element for light monitoring (not shown) for monitoring the light output of the light source 11 and a feedback circuit for stabilizing the light output (not shown) are provided on the reflection film side opposite to the wavelength converter 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 each of the phosphors 13 to 15, passes through the light guide 16, and moves in the direction of the arrow in FIG. The light is emitted and mixed to become white light.
[0044]
With the above-described configuration, it is possible to easily obtain the set color balance, and to obtain an illuminating device with high electro-optical conversion efficiency and high brightness of the set color. The setting of the color balance can be easily and independently controlled only 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 light emitted from the light source 11 is a Gaussian distribution, a portion close to 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]
Furthermore, when a GaN-based semiconductor laser is used for the light source 11, the emission 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 converter 12 must be increased. Although the distance needs to be increased, the distance can be shortened by using the light guide 16, and the size of the lighting device 10 can be reduced.
[0047]
<Fifth embodiment>
FIG. 7 is a side view of a main part of the lighting device according to the fifth embodiment. In each of the phosphors in the wavelength converter 12, a red phosphor 13, a green phosphor 14, and a blue phosphor 15 are repeatedly formed in the order closer to the light source 11. A light guide 16 is formed on the lower surface of the wavelength converter 12, and a diffusing material for diffusing light to the wavelength converter 12 is added. As the diffusing material, metal fine particles or the like can be used.
[0048]
Further, a light source 11 made of a GaN-based semiconductor laser having a light emitting region 17 is provided in the side direction of the red phosphor 13.
[0049]
In the illumination device 10 of the present embodiment, the excitation light (primary light) emitted from the light source 11 is diffused by the light guide 16, absorbed and emitted by each of the phosphors 13 to 15, and mixed to become white light. .
[0050]
With the above-described configuration, it is possible to easily obtain the set color balance, and to obtain an illuminating device with high electro-optical conversion efficiency and high brightness of the set color. The setting of the color balance can be easily and independently controlled only 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 light emitted from the light source 11 is a Gaussian distribution, a portion close to 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 a main part of the lighting device according to 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 for reflecting light is provided on the bottom surface of the light guide 16, and the light guide of the light source 11 is not provided. 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 side of the optical body 16.
[0053]
In the illumination device 10 of the present embodiment, the excitation light (primary light) emitted from the light source 11 is shielded by the optical film 20 at a wavelength of 390 nm or less, 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 form white light.
[0054]
With the above-described configuration, it is possible to easily obtain the set color balance, and to obtain an illuminating device with high electro-optical conversion efficiency and high brightness of the set color. The setting of the color balance can be easily and independently controlled only by changing the volume or density of each phosphor.
[0055]
In addition, by providing the optical film 20, deterioration of the resin caused by the ultraviolet light component can be prevented.
[0056]
FIG. 9 shows a side view of a main part of another lighting device according to the sixth embodiment. 8 is different from FIG. 8 in the structure of the light guide 16, and other configurations are the same as those in FIG. 8. The surface of the light guide 16 has a substantially trapezoidal uneven shape. This uneven shape is a gentle trapezoid in a region close to the light source 11, and a steep trapezoid as the distance from the light source 11 increases.
[0057]
Here, of the light transmitted through the light guide 16, a component having a large incident angle with respect to the uneven shape passes through the uneven shape and proceeds to the wavelength conversion unit 12, while a component having a small incident angle with respect to the uneven shape is Reflects in uneven shape. According to this principle, the light guide 16 is easily reflected in an uneven shape in a region near the light source 11, and is easily transmitted through the uneven shape in a region of the light guide 16 far from the light source 11.
[0058]
The light intensity inside the light guide 16 is higher near the light source 11. Therefore, in the light guide 16, the light intensity is strong in a portion close to the light source 11 but is hardly transmitted to the wavelength conversion unit 12, and the light intensity is weak in a portion far from the light source 11 but easily transmitted to the wavelength conversion unit 12, Irrespective of the distance from the light source 11, the light intensity incident on the wavelength converter 12 can be kept uniform.
[0059]
The structure of the light guide 16 may be 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 a main part of the lighting device of the seventh embodiment, and FIG. 11 is a plan view of FIG. Except for providing a single-layer or multilayer reflector 21 (two layers in FIGS. 10 and 11) on each surface of the light guide 16 except for the side surface on the light source 11 side, the sixth embodiment shown in FIG. It has the same configuration as the form. In addition, as a material of the reflection plate 21, a dielectric film, a resin, a metal film, or the like can be used.
[0061]
By providing the reflection plate 21 in this manner, loss light radiated from the light guide 16 to portions other than the wavelength conversion section 12 can be reduced, and the lighting 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 lighting device according to the eighth embodiment. An optical film 22 (four layers in FIG. 12) between the light guide 16 and the wavelength converter 12 that transmits the excitation light (primary light) of the light source 11 and reflects the secondary light emitted from the wavelength converter 12. The configuration other than that provided is the same as that of the sixth embodiment shown in FIG. In addition, as the material of the optical film 22, a single-layer or multilayer film of a dielectric film such as silicon oxide, zirconia, 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 alternately laminating the two dielectrics based on the two materials to form a multilayer film, it is possible to increase the wavelength in any wavelength range. An optical film 22 (filter) having a reflectance and a high transmittance in other wavelength ranges can be realized.
[0064]
FIG. 13 is a diagram illustrating light transmittance of the optical film 22 manufactured based on the above principle. Here, as the optical film 22, a film in which titanium oxide, magnesium fluoride, and titanium oxide are laminated 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 to excite the blue phosphor 15, and almost transmits the secondary light emitted from each phosphor. do not do.
[0065]
As described above, by providing the optical film 22, of the secondary light emitted in all directions from the wavelength conversion unit 12, the secondary light emitted to the light guide 16 is reflected, so that the optical loss is reduced. As a result, it is possible to obtain the lighting device 10 having high electro-optical conversion efficiency.
[0066]
Further, if the optical film 22 is provided with a property of reflecting and absorbing excitation light of 390 nm or less, it is possible to prevent deterioration of the resin caused by the ultraviolet light component.
[0067]
<Ninth embodiment>
FIG. 14 is a side view of a main part of the lighting device of the ninth embodiment. Configuration other than that an optical film 23 (four layers in FIG. 14) that reflects excitation light (primary light) of the light source 11 and transmits secondary light emitted from the wavelength conversion unit 12 is provided on the upper surface of the wavelength conversion unit 12. Has the same configuration as the eighth embodiment shown in FIG. In addition, as a material of 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 Reuse becomes possible, and the lighting device 10 with high electro-optical conversion efficiency can be obtained. Further, the optical film 23 reflects light due to interference in the film, so that the ultraviolet light in the excitation light component, which is particularly low for the eye, is effectively reflected, and the safety for the eye can be improved.
[0069]
<Tenth embodiment>
FIG. 15 is a side view of a main part of the lighting device according to the tenth embodiment. The ninth embodiment shown in FIG. 14 is the same as the ninth embodiment shown in FIG. 14 except that a reflector 24 that reflects light emitted from the lighting device 10 is provided, and a heat conductive material 25 is provided between the light source 11 and the reflector 24. It has the same configuration as. In addition, as the reflection plate 24, a metal or a material in which a glass surface is coated with a metal such as Al can be used. The shape of the reflection plate 24 is not particularly limited, and can be designed according to the use of the lighting device. Further, as the heat conductive material 25, it is preferable to use a material having good heat conductivity and a coefficient close to the thermal expansion coefficient of the light source 11, and for example, diamond, Si, SiC, AlN or the like can be used.
[0070]
By providing the reflection plate 24 in this manner, loss of light emitted from the lighting device 10 can be suppressed and used effectively.
[0071]
In general, a lighting device for indoor lighting requires high luminance. For example, when 10 W is required as the light amount of white illumination, the light source 11 needs 20 W when the optical loss of the optical system and the phosphor is 50%. If the conversion loss of the light source 11 is assumed to be 30%, it is necessary to input about 66 W to the light source 11. At this time, about 70% of about 46 W is released as heat. By transmitting this heat to the reflection plate 24 via the heat conductive material 25, it is possible to suppress a decrease in the output of the light source 11 and the life. Note that the same effect can be obtained even when the light source 11 is brought into direct contact with the reflection plate 24.
[0072]
In addition, in order to obtain bright illumination, a plurality of light sources 11 and the wavelength conversion unit 12 may be provided on one reflector 24.
[0073]
<Eleventh embodiment>
The eleventh embodiment is an embodiment relating to a drive circuit of the light source 11. FIG. 16 is a block diagram illustrating a configuration of the drive circuit 26 of the light source 11. The drive circuit 26 includes a pulse current generator 27, a bias voltage unit 28 for applying a DC current to the light source 11, and a current-voltage converter 29.
[0074]
In the pulse current generation unit 27, when the pulse cycle is slow, light flicker easily occurs, and when the pulse cycle is fast, the circuit configuration becomes complicated. Therefore, a pulse period of about 50 Hz to 50 MHz is preferable.
[0075]
FIG. 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. FIG. 3 is a diagram showing a light emission waveform emitted. In FIG. 17C, the emission waveform radiated from the wavelength conversion unit 12 has a tail at the falling edge of the optical pulse due to the influence of the emission lifetime of carriers generated by the excitation light. Such a tail of the fall is short if the emission life of the wavelength conversion unit 12 is short, and long if the emission life is long.
[0076]
Utilizing such characteristics, when the emission life of the wavelength conversion unit 12 is relatively long, flicker of light can be tolerated, and low power consumption is required, the duty should be shortened to 50% or less. Can be set. Note that the pulse cycle and the duty can be set to various values depending on the application.
[0077]
As described above, when the light source 11 is pulse-driven, the light source 11 is hardly affected by heat as compared with the CW (continuous) driving, and can emit a large amount of light. Further, the reliability can be improved. Therefore, the light output can be improved while maintaining the reliability of the light source 11 satisfactorily, and a lighting device with high luminance can be provided.
[0078]
Further, when the excitation light is strong, a non-linear effect of the conversion efficiency of the wavelength conversion unit 12 occurs, so that the electro-optical conversion efficiency can be improved. Further, by modulating the light source 11, chirping of the oscillation wavelength occurs. Since the coherence 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 improved.
[0079]
Further, since the diffusing material is added to the light guide 16 of the fourth embodiment, multiple interference occurs in the diffusing material due to the coherence of the light source 22, which may cause unevenness in the light emission pattern. There is. Therefore, by modulating the light source 11 as described above, the coherence is reduced, so that it is possible to prevent unevenness of the light emission pattern.
[0080]
The above embodiments have 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 section is constituted by a plurality of phosphors, and the absorption band of each phosphor is different, and the absorption band in which the secondary light emitted by at least one phosphor is absorbed by another phosphor is used. By arranging the respective phosphors so that secondary light is not re-absorbed between the respective phosphors, it is easy to set a color balance, and a lighting device having high electro-optical conversion efficiency and high brightness is provided. 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.
FIG. 4 is a plan view of FIG. 3;
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 is a side view of a main part of another lighting device according to 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 a lighting device according to an eighth embodiment.
FIG. 13 is a diagram illustrating 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 of the present invention.
FIG. 17A is a diagram showing a drive current for driving a light source.
(B) is a diagram showing a waveform of excitation light of a light source driven by a drive current.
(C) is a diagram illustrating a light emission waveform radiated from a wavelength conversion unit.
[Explanation of symbols]
10 Lighting equipment
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 Thermal conductive material
26 Drive circuit
27 Pulse current generator

Claims

A lighting device comprising: at least one light source that emits primary light; and a wavelength conversion unit that absorbs at least a part of the primary light and emits secondary light having a peak wavelength longer than or equal to the peak wavelength of the primary light. At
The wavelength conversion unit is composed of a plurality of phosphors, each phosphor has a different absorption band, and has an absorption band in which secondary light emitted by at least one phosphor is absorbed by another phosphor. Lighting equipment.

The lighting device according to claim 1, wherein the plurality of phosphors are stacked in the order of the optical path and in the order of the phosphor having the longer peak wavelength of the secondary light.

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

The lighting device according to claim 3, wherein the plurality of phosphors are stacked in the order of the optical path and the phosphor having a larger particle size.

The lighting device according to claim 1, wherein the plurality of phosphors include a plurality of cells arranged in a planar shape so as not to overlap each other in an optical path direction.

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

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

The lighting device according to claim 7, wherein a diffusing material that diffuses light is added to the light guide.

The lighting device according to claim 7, wherein a metal film having an uneven shape for reflecting light is provided on a surface of the light guide opposite to the wavelength converter.

The lighting device according to claim 7, wherein a first optical film that blocks 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 7, wherein a first reflector that reflects light is provided on at least a part of a side surface of the light guide except a side 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 that transmits the secondary light and shields the primary light is provided on the secondary light exit surface of the wavelength conversion unit or on the secondary light exit surface or having a space with the surface. The lighting device according to claim 1.

The lighting device according to any one of claims 1 to 13, wherein a second reflecting plate that reflects light is provided on a side opposite to a desired light irradiation direction.

The lighting device according to claim 14, wherein the light source is fixed to the second reflector directly or via a heat conductive material.

The lighting device according to any one of claims 1 to 15, further comprising a driving circuit that drives the light source, the driving circuit having a pulse current generating unit, and the light source oscillating pulse light.