JP2020502572A - 角度および波長選択コーティングを備えた光変換デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、光変換デバイス（１３０）であって：‐一次光（１０）を変換光（２０）に変換するように構成された光変換器（１３２）であって、変換光（２０）のピーク発光波長が一次光（１０）のピーク発光波長よりも長い波長範囲にある、光変換器（１３２）と、‐光変換器（１３２）の前面の少なくとも一部に取り付けられた反射構造（１３４）であって、前面は、光変換デバイス（１３０）の発光面（１３１）を画定し、反射構造（１３４）は、変換光（２０）の規定された部分を反射するように構成され、変換光（２０）の規定された部分は、閾値波長を超える波長によって特徴付けられる、反射構造（１３４）と、を有し、‐光変換デバイス（１３０）は、発光面（１３１）を介して放射される光の色点が、そのような部分の発光なしで得られるよりも長い波長範囲にシフトされるように、変換光（２０）の規定された部分の少なくとも一部を発光面（１３１）を介して放射するように構成される、光変換デバイス（１３０）を記載する。本発明は、さらに、そのような光変換デバイス（１３０）を有するレーザベースの光源（１００）および少なくとも１つのそのようなレーザベースの光源（１００）を有する車両のヘッドライトを記載する。

Description

本発明は、光変換デバイスおよび光変換デバイスを有するレーザベースの光源に関する。本発明は更に、レーザベースの光源を有する車両のヘッドライトに関する。

特許文献１は、蛍光体がレーザによって励起され、限られた円錐角で光を通過させるとともに送達される光の輝度を高めるために使用されることになる高角度光（high-angled light）を反射する回折光学素子が使用される、高輝度蛍光体ベースの光源を開示している。

蛍光体（光変換器（light converter））ベースの白色光源の色は、蛍光体の（黄色）発光スペクトルおよびポンプ源の（青色）スペクトルに基づいている。混合は、これらの２つの色点の間にのみ適用できる。従って、蛍光体の色点は、白色光源によって放射される白色光の質を決定する。さらに、蛍光体の熱特性は、蛍光体の色点の順応を制限することがある。

米国特許出願公開第２０１１００４４０４６号

本発明の目的は、光変換デバイス（light conversion device）からなる光変換器の色点補正（color point correction）を可能にする光変換デバイスを提供することである。本発明は、独立請求項に記載されている。従属請求項は、好ましい態様を含む。

第１の態様によれば、光変換デバイスが提供される。光変換デバイスは、光変換器を有する。光変換器は、一次光を変換光に変換するように構成され、変換光のピーク発光波長は、一次光のピーク発光波長よりも長い波長範囲にある。光変換デバイスは、光変換器の前面の少なくとも一部に取り付けられた反射構造をさらに有する。前面は、光変換デバイスの発光面を画定する。反射構造は、変換光の規定された部分を反射するように構成される。変換光の規定された部分は、閾値波長を超える波長によって特徴付けられる。光変換デバイスは、発光面を介して変換光の規定された部分の少なくとも一部を放射するように構成され、その結果、発光面を介して放射された光の色点が、そのような部分の放射なしで得られるよりも長い波長範囲にシフトされる。

光変換器ベースの白色光源の色は、蛍光体の（黄色）発光スペクトルおよびポンプ源の（青色）スペクトルに基づいている。混合は、これらの２つの色点の間にのみ適用できる。一部の蛍光体の色点はあまりに緑がかっている（too
greenish）。同様に、より良い色点を持つ蛍光体の熱的挙動は、しばしばそれほど良くない。光変換器の近くの光学素子として半球（ドーム）が使用される多くの用途において、使用されるさらなる光学系の制限（コリメーションレンズおよびリフレクタが限られた開口を有する）のために、半球の中心部分に放射される光のみが照明目的に使用される。半球の中心部分で直接放射されない光の一部が蛍光体に反射される場合、それは半球の使用された中心部分の発光出力（luminous
output）を増加させるように「リサイクル」されることができる。反射して蛍光体に戻るこの光のスペクトルの一部は、光変換構造によって放射される光の色点に影響を及ぼすように使用されることができる。長波長（赤色）部分のみがリサイクルされる場合、例えば、緑色蛍光体の色は、例えば、そのような光源によって放射される白色光の質を改善するために、より黄色の方向にシフトされることができる。

ポンプ源は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザ、特に第１の波長範囲の光を発する半導体レーザであり得る。第１の波長範囲は、青色波長範囲であることが好ましい。光変換器は、青色光を黄色光に変換するように構成された黄色ガーネット蛍光体ＹＡＧ:Ｃｅ（例えば、Ｙ_{（３０．４）}Ｇｄ_０．４Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ）のような光変換材料を含む。反射構造は、主として、変換光の長波長（例えば、赤色）部分の少なくとも一部を光変換器に反射して戻す。変換光の後方反射長波長部分は、発光面を介して光変換器を離れる第２（第３、第４など）の機会を得る。発光面を介して放射されるより長い波長における追加のまたはリサイクルされた光は、光変換デバイスによって放射される光の色点をより長い（例えば、より赤い）波長範囲にシフトさせる。反射構造の反射特性は、ポンプ光源の発光スペクトルおよび光変換デバイスによって構成される光変換器の光変換特性に適合され得る。

変換光の規定された部分は、発光面に垂直な光軸に対して少なくとも閾値角の角度を囲むことができる。

反射構造の波長依存反射率は、変換光が反射構造で受光される角度に依存し得る。本質的に、開口に依存して、下流の光学デバイスまたは照明アプリケーションの要素によって受光されることができる全ての光は、本質的に光が失われないように、反射することなく反射構造を通過し得る。光軸に対して少なくとも閾値角を囲む閾値波長以上の光は、その閾値角が好ましくは光学系の開口と一致し、主に反射される。閾値波長未満の光は、たとえ閾値角より大きい角度で受光されたとしても、主として反射構造を通過し得る。

反射構造は、例えば、閾値波長における反射率が、変換光と光軸との間に囲まれた角度が増加するにつれて増加するように構成され得る。

この場合、反射構造の反射率は、規定された波長の衝突光が反射構造で受光される角度に依存する。

反射構造は、例えば、閾値波長を超える波長範囲内の変換光の反射率が閾値波長における反射率よりも速く（faster）増加するように構成され得る。

この場合、反射構造の反射率は衝突光の波長に依存する。入射光の波長が長いほど、反射率は速く増加する。

反射構造は、例えば、閾値波長未満の波長範囲内の変換光の反射率が閾値波長における反射率よりも遅く（slower）増加するように構成され得る。

閾値波長未満の波長の光は、閾値波長の光よりゆるやかな（easier）閾値角よりも大きい角度で光変換デバイスを出る。従って、この光は、上述のように、下流の照明システムにおいて使用され得る半球の部分内で発光面を出る第２の又は更なる機会を得ることはない。

反射構造は、例えば、閾値波長において少なくとも５０％を反射するように構成されることができ、閾値波長は６５０ｎｍであり、閾値角は６０°である。

反射構造は、例えば、ダイクロイックミラーを有し得る。異なる屈折率を持つ多数の層を有するダイクロイックミラーが、上述の波長または角度依存反射率を提供するために使用され得る。反射率は、ポンプ光源によって放射される光、光変換器の材料または光変換器に対するポンプ光の幾何学的配置に依存する必要な反射率を提供するために、層の数、層の厚さおよび層の屈折率によって適合され得る。

反射構造は、代替的には、変換光の少なくとも一部が、反射構造を横切ることなく光変換器の前面を介して放射されるように構成され得る。

反射構造は、例えば、開口部を有し得る。開口部は、それを通って変換光が反射構造を横切ることなく光変換器を出ることができる発光面の窓を画定し得る。

反射構造は、閾値波長未満の波長範囲内の変換光が第１の反射率で反射されるように構成され得る。反射構造は、閾値波長を超える波長範囲内の変換光が、第１の反射率より大きい第２の反射率で反射されるようにさらに構成される。

第１の反射率は、例えば、５０％より小さく、第２の反射率は５０％より大きい。反射構造は、例えば、上述のような窓を画定する開口部があるように、光変換器の前面上に設けられた金層のような薄い金属層であり得る。金の反射率は波長の増加と共に増加する。金の反射率は、約５２０ｎｍの波長で５０％であり、少なくとも１２００ｎｍの波長まで波長が増加するにつれて増加する。５２０ｎｍ未満の波長での金の反射率は３２０ｎｍにおいて約３２％に減少する。

上述のいずれかの実施形態による光変換デバイスは、反射器をさらに有し得る。反射器は、一次光の一部を反射するように構成され得る。

一次光は、例えば、４５０ｎｍのレーザピーク発光波長のレーザ光であり得る。反射器は、青色レーザ光の約２１％を反射するように構成され得る。残りの青色レーザ光は、この場合、黄色蛍光ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）を含む変換デバイスによって黄色変換光に変換される。これは、例えば、蛍光体におけるストークス損失を考慮に入れた２６％の青色レーザおよび７４％の黄色変換光の意図された比を可能にする。反射器は、反射された一次光が光変換器に入らないように、光変換器の前面に配置され得る。反射器は、代替的にまたはそれに加えて、反射された一次光が発光面を介して光変換器を出るように、光変換器の裏面に配置され得る。

光変換デバイスは、反射側面構造（reflective side structure）をさらに有し得る。反射側面構造は、閾値波長を超える波長によって特徴付けられる変換光を反射するように構成され得る。反射側面構造は、光変換デバイスによって適合された色点を提供するために、反射構造を支持するように構成され得る。反射側面構造は、代替的には、側面（複数可）を介した光損失を制限または減少させるために、光スペクトルの可視範囲内のすべての光を反射するように構成され得る。

光変換デバイスは、散乱構造を有し得る。散乱構造は、変換光の規定された部分の一部が発光面を介して放射されるよう、変換光の規定された部分を散乱するように構成される。

散乱構造は、例えば、反射構造に関して反射構造によって反射される変換光の入射角が変化して、変換光の規定された部分が、照明用途に使用され得る半球内で光変換デバイスを出ることができるように、変換光の一部のリダイレクト（redirection）をサポートし得る。散乱構造は、光変換器の１つまたは複数の側面または裏面に設けられ得る、光変換器または散乱層内の散乱要素（例えば、粒子）を有し得る。

反射構造は、代替的にまたは加えて、変換光を拡散的に反射するように構成され得る。

第２の態様によれば、レーザベースの光源が提供される。レーザベースの光源は：
少なくとも１つのレーザであって、レーザ光を放射するように構成される、少なくとも１つのレーザ、
上述のようにレーザ光を変換するように構成された、上述のいずれかの実施形態による光変換デバイス、
を有する。

レーザベースの光源は、例えば、青色レーザ光を放射する（例えば、アレイの形態の）２、３、４個以上のレーザを有し得る。

レーザベースの光源は、反射されたレーザ光が発光面から放射されるように、レーザ光の一部を反射するように配置された反射器をさらに有し得る。発光面を介して放射される変換光の規定された部分の一部は、反射されたレーザ光と変換光とを含む光の白色点（white point）を補正するように構成される。

レーザベースの光源は、光学デバイスをさらに有してもよく、光学デバイスの開口は、閾値角を画定する。

さらなる態様によれば、車両のヘッドライトが提供される。車両のヘッドライトは、上述したような少なくとも１つのレーザベースの光源を有する。車両のヘッドライトは、上述したような２、３、４、またはそれ以上のレーザベースの光源を有し得る。

前方照明に使用される自動車用ヘッドライトの白色点は、好ましくは、５７００Ｋの相関色温度（ＣＣＴ）、または約０．４８のｖの色点（v’ color point）によって特徴付けられる。白色光領域は、規格に規定されている。例えば、ＡＮＳＩ Ｃ７８．３７７は、米国規格協会によって規定された色度の標準である。ほとんどの自動車用ヘッドライトは、上記のように５７００Ｋの範囲を使用している。代替的には、６０００Ｋの色温度を使用することも可能である。上述のレーザベースの光源を有する車両のヘッドライトは、高品質の白色光を提供することをサポートし得る。

本発明の好ましい実施形態は、従属請求項とそれぞれの独立請求項との任意の組み合わせであることができることを理解されたい。

さらなる有利な実施形態は、以下に定義される。

本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかであり、それらを参照して説明される。

次に、添付の図面を参照して、実施形態に基づいて、例として本発明を説明する。
第１の光変換デバイスを有するレーザベースの光源の第１の実施形態の主要な概略図を示す。 第２の光変換デバイスを有するレーザベースの光源の第２の実施形態の主要な概略図を示す。 ダイクロイックミラーの角度依存反射率を示す。 第３の光変換デバイスを有するレーザベースの光源の第３の実施形態の主要な概略図を示す。

図面において、同様の数字は、全体を通して同様の物を指す。図中の物は、必ずしもスケールに合わせて描かれているわけではない。

ここで、本発明の種々の実施形態を、図面を用いて説明する。

図１は、レーザ１１０および第１の光変換デバイス１３０を有するレーザベースの光源１００の第１の実施形態の主要な概略図を示す。第１の光変換デバイス１３０は、裏面１３５を持つ光変換器１３２と、光変換器１３２の前面に取り付けられた反射構造１３４とを有する。レーザ１１０は、光変換デバイス１３０に一次光１０（青色レーザ光）を放射する。青色レーザ光の一部は、反射構造１３４によって反射され、その結果、反射された一次光１２は、光変換デバイス１３０の発光面１３１から放射される。発光面１３１は、反射構造１３４の外側表面であり、反射構造１３４の他の表面は、光変換器１３２の前面に取り付けられる。青色レーザ光の一部が光変換器に入り、変換光２０に変換される。変換光２０は、様々な角度で反射構造１３４に到達する。閾値波長を超える（例えば、６５０ｎｍを超える）変換光の一部は、発光面１３１に垂直な光軸３０に対して（例えば、５５°の）閾値角５よりも大きい角度で反射構造１３４に到達する。閾値角５より大きい角度で反射構造１３４に到達する閾値波長を超える変換光の相当の部分２２（例えば、６０％）が、反射構造１３４によって反射される。同じ角度で反射構造１３４に衝突する閾値波長未満の変換光２０の相当の部分（例えば、７０％）は、反射構造１３４を通過する。従って、閾値波長を超える反射された変換光２２は、光軸３０の周りの閾値角５によって画定された発光面１３１より上の半球（図示せず）の一部内で、発光面１３１を出る第２のまたはさらなる機会を得る。可能性（likelihood）は、光変換器１３２内または光変換器１３２の表面の１つにおいて光を散乱することによって増大し得る。

図２は、レーザ１１０および第２の光変換デバイス１３０を有するレーザベースの光源１００の第２の実施形態の主要な概略図を示す。一般的な構成は、図１に関して説明した実施形態と非常に類似している。この場合、反射構造１３４は、高屈折率および低屈折率を交互の順序で持つ薄い層のスタック（stack）を有するダイクロイックミラーである。反射構造１３４は、本質的に、一次光１０の波長範囲において透過性である。光変換デバイス１３０は、さらに、光変換器１３２の裏面に取り付けられたヒートシンク１４０と、光変換器１３２の側面に取り付けられた反射側面構造１３８とを有する。光変換器１３２に取り付けられたヒートシンク１４０の表面及び反射側面構造１３８は、可視波長範囲内の光を拡散的に反射するように構成される。レーザベースの光源１００は、光学デバイス１５０、例えば収束レンズをさらに有し、光学デバイス１５０の光軸は、光変換デバイス１３０の発光面１３１に垂直な光軸１３０と一致する。収束レンズ１５０の開口は、この場合、閾値角５を画定する。反射構造１３４は、図１に関して説明したように、閾値波長を超える変換光２０を反射するように構成される。

図３は、ダイクロイックまたは誘電体ミラーの角度依存反射率を示す。ダイクロイックミラーは、図１または図２に関して議論されるような反射構造１３４である。縦座標２１０は、反射率（平均反射率）を示し、横座標２２０は、光軸３０に対する角度を示す。曲線２２２は、４５０ｎｍの波長における平均反射率を示す。曲線２２４は、６３０ｎｍの波長における平均反射率を示す。６３０ｎｍの波長における反射率または平均反射率は、５０°から８５°の間の角度に関して、４５０ｎｍの波長における反射率または平均反射率よりも実質的に高い。従って、ダイクロイックミラーは、６３０ｎｍの波長で実質的により多くの光を反射して光変換器１３２に戻すので、その結果、再生されたより長い波長の光（変換光）が、光変換デバイス１３０によって放射される光の色点をより長い波長範囲にシフトさせるように使用されることができる。この場合、ダイクロイックミラーは、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）とニオブ酸化物（Ｎｂ_２Ｏ_５）の薄い層を有する１７層のスタックを有する。交互の層の順序は表１の通りである：

表１：左の列は層の順序番号を示し、第１の層は光変換器１３２に取り付けられる；中央の列は材料を示す；右の列はそれぞれの層の厚さを示す。

より長い波長において高い反射率を得るための同様の角度依存性及び増加する入射角は、例えば、対応して適合される層厚を持つ酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）及び酸化チタン（ＴｉＯ_２）の交互の層の層順序によって生成することができる。このような多層スタックを製造するために、多数の他の材料の組み合わせを使用することができる。層の材料および厚さは、光変換器１３２の材料に依存し得る。

図４は、レーザ１１０及び第３の光変換デバイス１３０を有するレーザベースの光源１００の第３の実施形態の主要な概略図を示す。第３の光変換デバイス１３４は、光変換器１３２の裏面に取り付けられた反射裏面構造（reflective back structure）１３６を持つＹＡＧ：Ｃｅ光変換器１３２を有する。第３の光変換デバイス１３０は、光変換器１３２の前面に取り付けられた反射構造１３４をさらに有する。レーザ１１０は、光変換デバイス１３０に一次光１０（青色レーザ光）を放射する。青色レーザ光１０の一部は、反射された一次光１２が、光変換器１３２を通過した後、発光面１３１から放射されるように、反射裏面構造１３６によって反射される。青色レーザ光は、光変換器１３２の前面を介して光変換器１３２に入射し、変換（黄色）光２０に変換される。反射構造１３４は、変換光２０および反射された一次光１２が、反射構造１３４と相互作用することなく光変換器１３２を出ることができる開口部があるように、光変換器１３２の前面の一部に取り付けられた薄い金層を有する。例えば、円形の開口部であり得る、反射構造１３４の開口部は、発光面１３１を画定する。（例えば、６００ｎｍの）閾値波長を超える変換光２０は、薄い金層１３４に到達し、その結果、この光の９０％超が反射して光変換器１３２に戻る。反射構造１３４に衝突する例えば、５００ｎｍの閾値波長を下回る変換光２０の約６５％が吸収され得る。従って、閾値波長を超える反射された変換光２２は、発光面１３１を出る第２のまたはさらなる機会を得る。

図に示されるレーザ１１０は、例えばＬＥＤのような別のポンプ光源で置き換えられ得る。レーザ１１０またはより一般的にはポンプ光源は、一次光１０が光変換器１３２の側面または裏面を介して光変換器１３２によって受光されるように配置されてもよい。例えば、レーザ１１０は、レーザ１１０によって放射された一次光１０が、その裏面を介して（例えば、ヒートシンク１４０の孔を介して）光変換器１３２に入射し、一次光１０（例えば、青色レーザ光）の一部が、光変換器１３２を横断して、光変換器１３２の前面に取り付けられた反射構造１３４を介して放射されるように、図２に配置されてもよい。

本発明は、図面および前述の説明において詳細に図示および説明されているが、かかる図示および説明は、説明的または例示的とみなされるべきであってり、限定的ではない。

本開示を読むことにより、他の修正形態が当業者には明らかであろう。このような修正形態は、当技術分野で既知であり且つ本明細書に既に記載された特徴の代わりにまたはそれに加えて使用することができる他の特徴を含むことができる。

開示された実施形態に対する変形形態は、図面、開示、および添付の特許請求の範囲の研究から、当業者によって理解され、実施されることができる。請求項において、「有する、含む」という語は、他の要素またはステップを排除せず、また、不定冠詞“ａ”または“ａｎ”は、複数の要素またはステップを排除しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用することができないことを示すものではない。

請求項中の参照符号は、範囲を限定するものと解釈してはならない。

５ 閾値角
１０ 一次光
１２ 反射された一次光
２０ 変換光
２２ 閾値波長を超える変換光
３０ 光軸
１００ レーザベースの光源
１１０ レーザ
１３０ 光変換デバイス
１３１ 発光面
１３２ 光変換器
１３４ 反射構造
１３６ 反射裏面構造
１３８ 反射側面構造
１４０ ヒートシンク
１５０ 光学デバイス
２１０ 反射率を表す縦座標
２２０ 光軸３０に対する角度を表す横座標
２２２ ４５０ｎｍにおける平均反射率
２２４ ６３０ｎｍにおける平均反射率

Claims (15)

1. 光変換デバイスであって：
   ‐ 一次光を変換光に変換するように構成された光変換器であって、前記変換光のピーク発光波長が前記一次光のピーク発光波長よりも長い波長範囲にある、光変換器と、
   ‐ 前記光変換器の前面の少なくとも一部に取り付けられた反射構造であって、前記前面は、前記光変換デバイスの発光面を画定し、前記反射構造は、前記変換光の規定された部分を反射するように構成され、前記変換光の前記規定された部分は、閾値波長を超える波長によって特徴付けられる、反射構造と、
   を有し、
   ‐ 前記光変換デバイスは、前記発光面を介して前記変換光の前記規定された部分の少なくとも一部を放射するように構成され、その結果、前記発光面を介して放射された光の色点が、そのような部分の放射なしで得られるよりも長い波長範囲にシフトされる、
   光変換デバイス。
2. 前記変換光の前記規定された部分は、前記発光面に垂直な光軸に対して少なくとも閾値角の角度を囲む、
   請求項１に記載の光変換デバイス。
3. 前記反射構造は、前記閾値波長における反射率が、前記変換光と光軸との間に囲まれた角度が増加するにつれて増加するように構成される、
   請求項１又は２に記載の光変換デバイス。
4. 前記反射構造は、前記閾値波長を超える波長範囲内の反射率が前記閾値波長における前記反射率よりも速く増加するように構成される、
   請求項３に記載の光変換デバイス。
5. 前記反射構造は、前記閾値波長未満の波長範囲内の反射率が前記閾値波長における前記反射率よりも遅く増加するように構成される、
   請求項３に記載の光変換デバイス。
6. 前記反射構造は、前記閾値波長において少なくとも５０％を反射するように構成され、前記閾値波長は６５０ｎｍであり、前記閾値角は６０°である、
   請求項２に記載の光変換デバイス。
7. 前記反射構造は、ダイクロイックミラーを有する、
   請求項１又は２に記載の光変換デバイス。
8. 前記反射構造は、前記変換光の少なくとも一部が、前記反射構造を横切ることなく前記光変換器の前記前面を介して放射されるように構成される、
   請求項１又は２に記載の光変換デバイス。
9. 前記反射構造は開口部を有し、前記開口部は、それを通って前記変換光が前記反射構造を横切ることなく前記光変換器を出る前記発光面の窓を画定する、
   請求項８に記載の光変換デバイス。
10. 前記反射構造は、前記閾値波長未満の波長範囲内の前記変換光が第１の反射率で反射されるように構成され、前記反射構造はさらに、前記閾値波長を超える波長範囲内の前記変換光が、前記第１の反射率より大きい第２の反射率で反射されるように構成される、
    請求項８に記載の光変換デバイス。
11. 前記第１の反射率は５０％より小さく、前記第２の反射率は５０％より大きい、
    請求項１０に記載の光変換デバイス。
12. 前記光変換デバイスは散乱構造を有し、前記散乱構造は、前記変換光の前記規定された部分の前記一部が前記発光面を介して放射されるよう、前記変換光の前記規定された部分を散乱するように構成される、
    請求項１又は２に記載の光変換デバイス。
13. ‐ 前記一次光を放射するように構成された少なくとも１つのレーザと、
    ‐ 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光変換デバイスと、
    を有する、
    レーザベースの光源。
14. ‐ 光学デバイスであって、前記光学デバイスの開口が前記閾値角を画定する、光学デバイスをさらに有する、
    請求項１３に記載のレーザベースの光源。
15. 少なくとも１つの請求項１３又は１４に記載のレーザベースの光源を有する車両のヘッドライト。

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