JP5677293B2 - 目に安全なレーザに基づく照明 - Google Patents

Description

本発明は、レーザに基づく光源の分野、及び、前記光源を動作させる方法に関し、特に、目に安全なレーザに基づく照明に関する。

これまでの数十年において、半導体技術の進化の恩恵により、ＬＥＤ（発光ダイオード）は、照明応用例において益々重要になっている。高出力ＬＥＤにおける技術的なブレイクスルーは、小型化、寿命、効率及び持続性によって駆られる新しい照明の概念への新しい扉を開けた。

ＬＥＤと比較されると、レーザの有利な点は、そのかなりより高い輝度である。半導体レーザは、数ワットの出力電力で利用可能になってきており、したがって、高ルーメンス出力を可能にする。レーザ光それ自体は、照明に関してあまり有用にはなり得ないが、その理由は、レーザビームは、明るすぎて目に安全ではなく、忠実な色再現性に関して単色的過ぎであり、そして、干渉性により煩わしいスペックル（斑点）を生じさせ得る。これらの課題を解決する便利な手法は、蛍光体変換により、レーザ光の一部を広帯域光へ変換することによって光源を生み出すことである。

ほとんど全ての白色発光ＬＥＤにおいて、青色発光体は、黄色発光蛍光体と組み合わせられる。黄色蛍光体を青色光を用いて励起させることによって、青色光の一部は、広帯域黄色光へ変換される。この黄色光は、残りの青色光と組み合わされて、白色光を生成する。色温度は、蛍光体組成を調整することによって、及び、蛍光体変換光及び残りの青色励起光の比率を調整することによって、調整され得る。

同様に、青色発光レーザダイオードは、白色光を生成するために、黄色蛍光体を励起させるのに使用され得る。代替的に、近紫外線ダイオードレーザは、白色光又は特定の色の光を発する蛍光体を励起させるために使用され得る。更に別の代替態様は、白色光又は特定の色の光を生成するために、赤又は近赤外レーザダイオードを、非変換蛍光体と組み合わせて使用することである。

蛍光体変換に頼るこのようなレーザに基づく光源は、ＬＥＤを用いて達成可能な輝度よりかなり明るくあり得るという有利な点を有し、レーザを用いると、ＬＥＤを用いるよりも蛍光体におけるかなり高い光学出力密度を達成し得る。このような光源は、自動車用ヘッドランプ及びスポットライトに関して理想的である。しかし、レーザに基づく照明に伴う１つの重大な課題は、光源は、厳格な法規制を厳守し、改造された場合であっても、全ての状況下において目に安全であるべきであるという事実である。

本発明の目的は、信頼性のある目に対する安全性が簡単な手法で達成させられる、レーザに基づくレーザに基づく光源、及び、前記光源を動作させる方法を提供することである。

この目的は、レーザに基づく光源であって、
所定のレーザ波長のレーザ光を生成し、このレーザ光をレーザビームとして発するように適合されるレーザ装置と、
前記レーザ光の少なくとも一部を変換光へ変換する光変換装置と、
前記レーザ装置によって発されるレーザ光の出力と相関化されるレーザ出力信号を決定するレーザ出力センサと、
前記光変換装置によって発される変換光の出力と相関化される変換光信号を決定する変換光センサと、
前記レーザ出力信号及び前記変換光信号を受け取り、前記レーザ出力信号及び前記変換光信号に基づき、動作安全(safe-to-operate)パラメータを決定し、前記動作安全パラメータと少なくとも１つの所定のしきい値との間の比較に基づき前記レーザに基づく光源の動作を制御するように適合される制御器と、
を含む、レーザに基づく光源によって達成される。

本発明は、異なる種類の光変換装置に関しても適用可能である。特に、光変換装置として、上述の蛍光体だけでなく、すなわち、光を別の波長の光へと変換する装置であるアップコンバージョン材料も好ましい。しかし、波長を交換しないが、ビーム特性を変換する、例えば散乱装置などの材料も好ましい。特に、散乱装置の使用は、散乱装置がビームの干渉性の低減を可能にさせ、したがって、スペックル（斑点）を低減させるので、有利である。

したがって、本発明は、レーザ出力と相関化される信号と、変換光の量と相関化される信号と、を監視することに基づく。信号と、レーザ出力及び／又は変換光の量との間の相関性は、線形的、指数関数的、又は対数関数的などであり得る。これらの信号に基づき、所定の動作安全パラメータが、所定のしきい値下回る又は越えることが検出される場合、レーザに基づく光源の動作は、自動的に適宜適合される。レーザに基づく光源が動作するのに安全ではなくあり得る状況は、光源のパッケージが開かれる場合、光源の光学コンポーネントが取り除かれる場合、蛍光体劣化又は蛍光体除去が発生する場合、いずれかのコンポーネント又は光変換装置の位置が所定の許容値を超えて動いた場合、又は、光ファイバなどの光ガイド部品が切断又は損傷を受ける場合など、である。

一般的に、異なる種類のセンサが、レーザ出力センサ又は変換光センサとして使用され得る。しかし、本発明の好ましい実施例に従うと、前記レーザ出力センサは、前記レーザ光の少なくとも一部を受け取るように適合されるレーザ光フォトダイオードによって形成される。この点に関して、レーザ装置によって発されるレーザ光の一部をレーザ光フォトダイオードへ方向付けるために、ビームスプリッタを使用することが好ましい。このようにして、レーザ出力の直接の測定が達成され得る。追加的に又は代替的に、前記レーザ出力センサは、好ましくは、レーザ駆動電流を監視するように適合されるレーザ駆動電流監視器によって形成される。この点について、しきい値電流とは別に、レーザ出力に通常比例的であるレーザ駆動電流を監視することが特に好ましい。

更に、前記変換光センサは、前記変換光の少なくとも一部を受け取るように適合されることが好ましい。変換光センサは、フォトダイオードなどで有り得る。この理由に関して、レーザへ戻る方向へ光変換装置によって発される光が使用されることが好ましい。更に、光変換装置によって発される光の一部を変換光センサへ方向付けるために、好ましくはレーザ光に関して使用されるのと同一のビームスプリッタなどの、ビームスプリッタを使用することが好ましい。

一般的に、レーザ光は、光変換装置へ直接結合され得る。しかし、本発明の好ましい実施例に従うと、少なくとも一つの光ファイバは、前記レーザ光を前記光変換装置へガイドするように適合される。このことは、光変換装置をレーザ装置からより遠くの距離に配置させることを可能にする。更に、前記光変換装置から前記変換光センサへと戻る方向に前記変換光の少なくとも一部をガイドするように適合される光ファイバが設けられることが好ましい。特に、同一の光ファイバは、光を光変換装置へガイドするように使用され得、逆行の、すなわち又は別個の戻りファイバは、戻り道に関して使用され得る。より更に、単一の又は複数のファイバは、１つのファイバを形成するのに使用され得る。

変換光センサは、様々な位置に配置され得る。本発明の好ましい実施例に従うと、前記変換光センサは、前記光変換装置から離れた前記ファイバの端部において構成される。代替的に、本発明の実施例に従うと、前記変換光センサは、前記光ファイバに沿う位置に構成され、アウトカップリング装置は、前記変換光を前記光ファイバから出して前記変換光センサへと結合させるように設けられる。より更に、レーザ光をファイバに沿った少なくとも１点において分岐させ、この光を遠隔光変換装置へガイドすることが好ましい。

更に、光ファイバが使用される場合、本発明の好ましい実施例に従うと、前記光ファイバは、前記光ファイバの損傷を検出する電気配線を備えられる。この点に関して、伝導性配線は、光ファイバの周囲に巻かれることが特に好ましく、配線が切断される又は容量が変化する場合に、ファイバが故障しているかもしれないと検出され得る。この場合、警告が与えられる、及び／又は、レーザ装置及びしたがって光源全体は好ましくは停止される。

最後に、本発明の好ましい実施例に従うと、光源は、日光又はアーチファクト光などの外部迷光が入射し、レーザ出力センサ及び変換光センサの出力信号に影響を与えることを可能な限り防ぐために、及び、改造を防ぐために、封止されることが好ましいことを強調される。

上述の目的は、更に、レーザに基づく光源を動作させる方法であって、当該方法は、
所定のレーザ波長のレーザ光を生成し、このレーザ光をレーザビームとして発するステップと、
前記レーザ光の少なくとも一部を変換光へ変換するステップと、
発されるレーザ光の出力と相関化されるレーザ出力信号を決定するステップと、
変換光の出力と相関化される変換光信号を決定するステップと、
前記レーザ出力信号及び前記変換光信号に基づき、動作安全パラメータを決定するステップと、
前記動作安全パラメータを少なくとも１つの所定のしきい値と比較するステップと、
前記動作安全パラメータと前記所定のしきい値との間の比較に基づき前記レーザに基づく光源の動作を制御するステップと、
を含む、方法によって更に対処される。

本発明の好ましい実施例に従うと、変換光は、別の波長の光、及び／又は、他のビーム特性を有する光である。

本発明の好ましい実施例に従うと、この方法は、更に、前記動作安全パラメータを第２の所定のしきい値と比較するステップを含む。言い換えると、本発明のこの好ましい実施例に従うと、動作安全パラメータが所定の範囲に含まれる又はその外にあるのかを確認する。

更に、前記方法は、前記動作安全パラメータを、前記レーザ出力信号及び前記変換光信号の間の比率に基づき決定するステップを含むことが好ましい。更に、前記動作安全パラメータを決定するステップは、前記レーザ出力信号及び前記変換光信号の間の比率の時間に関する導関数に基づくことが好ましい。これらの比率を使用すると、光源が動作させるのに安全であるかを、簡単で及び信頼性のある手法で確認され得る。

一般的に、レーザ光は、一定な及び連続的な手法で発され得る。しかし、本発明の好ましい実施例に従うと、当該方法は、前記発されるレーザ光を時間において変調するステップと、前記動作安全パラメータを、異なる時間点における前記レーザ出力信号及び前記変換光信号の比率に基づき決定するステップと、を含む。

本発明の別の好ましい実施例に従うと、前記動作安全パラメータと前記所定のしきい値との間の比較に基づき前記レーザに基づく光源の動作を制御するステップは、レーザ放射を停止させるステップ、及び／又は警告を発するステップ、を含む。このようにして、光源のユーザは、損傷を受けた光源を取り扱うことは危険で有り得ること、及び、レーザ放射が停止される場合、レーザビームによる目損傷の危険性はもはや無くなくなることを少なくとも注意を受ける。

本発明に従うと、レーザ出力信号及び変換光信号が決定されるので、レーザに基づく光源の光出力は決定されたレーザ出力信号及び／又は決定された変換光信号に基づき安定化されることが特に好ましい。このことは、特に、決定されたレーザ出力信号及び／又は決定された変換光信号、すなわち変換率、に依存してレーザ出力を制御するための閉制御ループを使用して実行され得る。

最後に、レーザ装置がダイオードレーザであることが特に好ましいことを言及されるべきである。より更には、多くのダイオードレーザがレーザ出力を監視するために内蔵フォトダイオードを有するので、この内蔵フォトダイオードは、好ましくは、レーザ出力センサとして使用されることが好ましく、このことは、何の追加のセンサも、この目的に関して必要とされないことを意味する。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載の実施例から明らかであり、これらを参照にして説明される。

図１は、本発明に従う実施例を概略的に示す。 図２は、本発明の別の実施例を概略的に示す。 図３は、本発明の別の実施例に従うレーザ出力の変換及び対応する変換光を示す。 図４は、本発明の別の実施例を概略的に示す。 図５は、本発明の実施例に従うブロック図を概略的に示す。

本発明に従う第１の実施例は、図１において概略的に示されている。レーザ光は、レーザ装置１、すなわちダイオードレーザなど、によって、エッジ放射形態又は垂直共振器型面発光形態（vertical-cavity surface-emitting geometry :VCSEL）で発生される。このレーザ光は、光学系３を介して、粉末状又は結晶状態、好ましくは多結晶状態にある光変換装置２の蛍光体材料の容量立体へ方向付けられる。レーザ装置１は、好ましくは約445nmの青色光を発する。光変換装置２は、青色光を広帯域の黄色光へ変換する。この黄色光及び青色光の残り部分の組み合わせは、白色光を生じさせる。このように生成される白色光は、コリメート光学系４を用いてビームへ形成される。

光変換装置２によって生成される光の一部及びレーザ光の一部は、レーザ装置１へ再方向付けされる。45°の角度にあるビームスプリッタが、この光の一部分をフォトダイオードによって形成される変換光センサ６へ方向付けるために使用される。青色レーザ光の少ない部分は、別のフォトダイオードによって形成されるレーザ出力センサ７へ方向付けられる。ビームスプリッタ５は、光変換装置２によって生成される黄色光を反射し、レーザ装置１の青色光を透過させる、ガラスの単純な薄片又はダイクロイックフィルタで有り得る。また、フォトダイオードは、レーザ変換光又は蛍光体変換光のいずれかに関する選択性を強化するために、色フィルタを具備され得る。

好ましくは更にフィルタリング及び増幅させるステップの後に、変換光センサ６及びレーザ出力センサ７によって生成される信号を監視することによって、光源が動作させるのに安全かそうでないかが決定される。例えば、蛍光体出力及びレーザ出力の比率が所定の下位及び上位しきい値のそれぞれ内に含まれる限りは、レーザ装置１は、動作させるのに安全として考慮され得る。同様に、蛍光体出力及びレーザ出力の比率の時間に対する導関数の係数が所定のしきい値を超える場合、レーザ装置１は、動作させるのに安全ではないと考慮され、オフに切り替えられる。

本発明に従う別の実施例は、図２に概略的に示される。この場合、レーザ光生成の位置は、光変換の位置からデカップル（分離）される。光ファイバ８は、レーザ光を遠隔光変換装置２へ移送させるのに使用される。遠隔光変換装置２によって生成される光の一部は、ファイバを通じて変換光センサ６へ送って戻される。代替的に、別個の戻りファイバ（図示せず）が使用され得る。

更に別の実施例の動作の原理は、図３を参照にして以下に説明される。レーザ出力センサ７によって測定されるレーザ装置１からの光出力は、時間において変調され、このことは、点線（図３における信号S₂）によって示される。蛍光体出力検出器によって測定される信号は、蛍光体が減衰時間によって与えられる有限応答時間を有するので、図３における実線（信号S₁）のように表れる。検出される蛍光体出力は、生成される蛍光体変換黄色光に比例的であり、青色レーザ光の一部を含み得る。例えば、図３に示されるように、レーザ出力の強度cに対して、異なる時間点における信号強度a及びbを監視することによって、光源が動作させるのに安全かが確認され得る。

代替的に、レーザ出力は、周期的な形式で変調され得る。蛍光体の有限応答時間により、変換光センサ６によって測定される信号は、レーザ出力センサ６によって測定される信号に対して位相に関して遅延される。検出信号の変調深さ及びそれら間の位相遅延を監視することは、光源が動作させるのに安全かを確認するのに十分な情報を提供する。

本発明に従う更に別の実施例は、図４に示される。この実施例において、変換光センサ６を形成する１つのフォトダイオードのみが設けられる。上述の実施例における他のフォトダイオードの役割は、レーザ装置１の駆動電流を監視することによって引き継がれる。この電流は、しきい値電流とは別に、レーザ出力に比例的である。

最後に、本発明に従うレーザに基づく光源の一般的な概略ブロック図が図５に示される。レーザ装置１によって発される光の一部及び光変換装置２によって変換される光の一部は、上述されるように、レーザ出力センサ７及び変換光センサ６のそれぞれによって検出される。これらの信号は、レーザ装置１０を制御する制御器９によって読まれる。レーザ駆動装置１０は、レーザ出力を設定し、ビームをオン及びオフに切り替え得る、又は、目に安全な中間状態へビームを切り替え得る。

本発明は、図面及び上述の説明において詳細に例示及び説明されてきたが、このような例示及び説明は、例示的又は例証的であり、制限的ではないとみなされるべきであり、本発明は、開示される実施例に制限されない。

開示される実施例に対する他の変形態様は、図面、説明、及び添付の請求の範囲の検討から、請求項の発明を実施することにおいて、当業者によって理解及び実行され得る。請求項において、「有する・備える」という動詞及びその活用形の使用は、請求項に記載される以外の要素又はステップの存在を排除しない。単数形の構成要素は、複数個の斯様な構成要素の存在を排除しない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用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なるように使用されていることができないと示すものではない。

Claims (15)

1. レーザに基づく光源であって、
   所定のレーザ波長のレーザ光を生成し、このレーザ光をレーザビームとして発するレーザ装置と、
   前記レーザ光の少なくとも一部を変換光へ変換する光変換装置と、
   前記レーザ装置によって発されるレーザ光の出力と相関化されるレーザ出力信号を決定するレーザ出力センサと、
   前記光変換装置によって発される変換光の出力と相関化される変換光信号を決定する変換光センサと、
   前記レーザ出力信号及び前記変換光信号を受け取り、前記レーザ出力信号及び前記変換光信号の間の比率の時間に関する導関数に基づき、動作安全パラメータを決定し、前記動作安全パラメータと少なくとも１つの所定のしきい値との間の比較に基づき前記レーザに基づく光源の動作を制御するように適合される制御器と、
   を含む、レーザに基づく光源。
2. 請求項１に記載のレーザに基づく光源であって、前記レーザ出力センサは、前記レーザ光の少なくとも一部を受け取るように適合されるレーザ光フォトダイオードによって形成される、レーザに基づく光源。
3. 請求項１に記載のレーザに基づく光源であって、前記レーザ出力センサは、レーザ駆動電流を監視するように適合されるレーザ駆動電流監視器によって形成される、レーザに基づく光源。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザに基づく光源であって、前記変換光センサは、前記変換光の少なくとも一部を受け取るように適合される、レーザに基づく光源。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザに基づく光源であって、前記レーザ光を前記光変換装置へガイドするように適合される少なくとも一つの光ファイバが設けられる、レーザに基づく光源。
6. 請求項５に記載のレーザに基づく光源であって、前記光変換装置から前記変換光センサへと戻る方向に前記変換光の少なくとも一部をガイドするように適合される光ファイバが設けられる、レーザに基づく光源。
7. 請求項６に記載のレーザに基づく光源であって、前記変換光センサは、前記光変換装置から離れた前記光ファイバの端部において構成される、レーザに基づく光源。
8. 請求項６に記載のレーザに基づく光源であって、前記変換光センサは、前記光ファイバに沿う位置に構成され、デカップリング装置は、前記変換光を前記光ファイバから出して前記変換光センサへと結合させるように設けられる、レーザに基づく光源。
9. 請求項５乃至８に従うレーザに基づく光源であって、前記光ファイバは、前記光ファイバへの損傷を検出する電気配線を備えられる、レーザに基づく光源。
10. レーザに基づく光源を動作させる方法であって、当該方法は、
    所定のレーザ波長のレーザ光を生成し、このレーザ光をレーザビームとして発するステップと、
    前記レーザ光の少なくとも一部を変換光へ変換するステップと、
    発されるレーザ光の出力と相関化されるレーザ出力信号を決定するステップと、
    変換光の出力と相関化される変換光信号を決定するステップと、
    前記レーザ出力信号及び前記変換光信号の間の比率の時間に関する導関数に基づき、動作安全パラメータを決定するステップと、
    前記動作安全パラメータを少なくとも１つの所定のしきい値と比較するステップと、
    前記動作安全パラメータと前記所定のしきい値との比較に基づき前記レーザに基づく光源の動作を制御するステップと、
    を含む、方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記動作安全パラメータを第２の所定のしきい値と比較するステップを含む、方法。
12. 請求項１０又は１１に記載の方法であって、
    前記発されるレーザ光を時間において変調するステップと、
    前記動作安全パラメータを、異なる時間点における前記レーザ出力信号及び前記変換光信号の間の比率に基づき決定するステップと、
    を含む、方法。
13. 請求項１０又は１１に記載の方法であって、前記動作安全パラメータと前記所定のしきい値との間の比較に基づき前記レーザに基づく光源の動作を制御するステップは、レーザ放射を停止させるステップ、レーザ放射を安全中間レベルへ切り替えるステップ、及び／又は警告を発するステップ、を含む、方法。
14. 請求項１に記載のレーザに基づく光源であって、前記レーザ光の少なくとも一部を前記レーザ出力センサへ、前記変換光の少なくとも一部を前記変換光センサへ方向付けるためのビームスプリッタをさらに有する、レーザに基づく光源。
15. 請求項１に記載のレーザに基づく光源であって、前記制御器がレーザ放射を停止させること、レーザ放射を安全中間レベルへ切り替えること、及び警告を発することの少なくとも一つを実行する、レーザに基づく光源。

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