JP6929850B2 - 光変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光変換モジュール、そのような光変換モジュールを有するレーザベース光源、及び光変換モジュールを製造する方法に関する。

最新の自動車のヘッドライト照明においては、光分布を動的に変化させることができる適応システムへの強い傾向がある。例えば、ハイビームパターンではあるが、眩しさを避けるために対向車を外すように明確に定められて動く暗い部分を持つものを有することが望まれる。あるいは、例えば車のカメラが検出した、所与の道路標識又は障害物を照らすことが望まれる。

技術的に、そのようなシステムは、切り換え可能な機械的アパーチャ、ＬＥＤマトリクスライト、（プロジェクタにおけるような）マイクロディスプレイ、又はレーザスキャナといった、性能が向上しているが複雑さも伴う様々なアプローチで実現されることができる。レーザスキャナの原理は、典型的にはＭＥＭＳ（微小電気機械システム）である小型ミラーによって電子的に切り換え及び方向制御されることが可能な強い青色レーザビームを有する。斯くして、それが、光変換モジュールの変換器又は蛍光体表面上に素早く操舵され、そこで、それが部分的に黄色光に変換され、該黄色光が残りの青色光と足し合わさって白色光を形成する。蛍光体上の白色光スポットの動きが十分に速い場合、それは動かない白色光分布又は像として知覚される。そして、この像が、レンズを通して道路上に投影される。レーザビームの適切な切り換え（オンとオフ、異なる強度）と同期されたミラー動作の適切な制御によって、蛍光体上の多種多様な像ひいては道路上の光分布を作り出すことができる。

本発明の１つの目的は、改善されたコントラストを持つ光変換モジュールを提供することである。

第１の態様によれば、光変換モジュールが提供される。光変換モジュールは、透明な基板と、該透明な基板の光出射面に取り付けられた変換層とを有する。変換層は、光入射面を介して基板に入る第１の波長域のレーザ光を、第１の波長域とは異なる第２の波長域の変換レーザ光へと変換するように構成される。基板は、基板に入って基板の光入射面で全反射される変換レーザ光が、光入射面での一回の全反射の後に変換層に当たらないように、光出射面に垂直な基板の厚さを設定することによって、光出射面を介して基板に入る変換レーザ光が光出射面を介して変換層に再び入ることが抑制されるように構成される。

基板は、少なくとも第１の波長域において透明でなければならない。第１の波長域は、好ましくは青色光を有する。基板の透明性は、第１の波長域の光の透過率が８０％よりも高く、より好ましくは９０％よりも高く、そして非常に好ましくは９５％よりも高いことを意味する。青色レーザ光の強度は、最初に変換層に当たるときに当初の強度Ｉ_０の少なくとも８０％であるべきであり、強度Ｉ_０は、例えば基板に入るときに青色レーザ光を発するレーザから受け取られる強度である。透明性は更に、好ましくは、第１の波長域においてレーザ光の散乱が存在しないことを意味する。例えば、青色レーザ光の散乱は、変換モジュールによって放たれる光のコントラストを低下させてしまい得る。青色レーザ光は、ほとんど制御不能に変換層に入り得る。

光変換モジュールは、基板と変換層との間に配置された反射層を有していてもよい。反射層は、第２の波長域内の光が反射され、第１の波長域内の光が透過されるように構成される。第２の波長域は、例えば、第１の波長域及び第２の波長範囲の光の混ざり合いが基本的に白色光をもたらすように黄色光を有し得る。反射層は、蛍光体又は変換器と基板との間の、基板上の多層干渉層構成を有し得る。この層構成が、例えば、青色レーザ光を透過するとともに黄色光を蛍光体の中に反射し返すように設計される場合、基板誘起の光リークが大幅に減少されることになる。しかしながら、干渉層構成は全ての角度で黄色を反射しなければならないことになり、それは干渉フィルタでは不可能である。黄色光が部分的に透過され、なおも基板に入って最終的にコントラストを悪化させることになる角度範囲又はスペクトル範囲が常に存在する。

基板の厚さは、変換されたレーザ光及び第２の波長域が全反射後に基本的に変換層に当たらないように、故に、変換層に再び入らないように、好ましくは少なくとも１０ｍｍ、より好ましくは少なくとも１４ｍｍ、そして非常に好ましくは少なくとも１６ｍｍである。基板の厚さは、変換層によって覆われた基板の領域にわたって均一な厚さである必要はない。例えば、基板の片面（例えば、光入射面及び／又は光出射面）が、基板の厚さが変換層に対して垂直に変化するような曲率を有していてもよい。

基板の厚さは、基板に入って裏面で全反射される第２の波長域の光が、基板の厚さを二回通った後に変換層に当たらないように設定される。基板の厚みは、基板の裏面又は光入射面で部分的に反射される第２の波長域の光が変換層に再び入る可能性を更に低下させる。

変換層は、例えば、セリウムドープされたＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）のような蛍光体又は変換器材料を有し得る。

基板は、第２の波長域の光を吸収するように構成された材料を有し得る。基板は、例えば、黄色光が基板内又はその一部内で少なくとも部分的に吸収されるように構成され得る。基板は、例えば、黄色光の少なくとも一部を吸収するが、青色光（第１の波長域）の少なくとも８０％を透過させる着色ガラスを有し得る。全反射後に、光出射面で基板に入る第２の波長域内の光の強度の減少は、第２の波長域内の光が基板を二回通る場合に、少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％、そして非常に好ましくは少なくとも９０％とし得る。この強度低下は、基板又は基板の一部のそれぞれの吸収係数及び厚さによって制御され得る。第２の波長域内の光を吸収する材料を有する基板は、後述する各実施形態と組み合わされ得る。

基板は、反射防止コーティングを有していてもよい。反射防止コーティングは、光出射面を介して基板に入る変換されたレーザ光の変換層への逆反射が抑制されるように、光出射面とは異なる基板の表面における反射率を低下させるように構成される。

第２の波長域内の光は、基板の他の面で部分的に反射され得る。光出射面を介して基板に入射する第２の波長域の光は、特に、基板の光入射面で部分的に反射されることがある（全反射の角度よりも小さい反射角）。この部分的な反射は、広帯域の反射防止コーティングによって回避され又は少なくとも低減されることができる。第２の波長域内の光（例えば、黄色光）は、基本的に完全に、光入射面で基板を出て行くことができる。故に、変換層へのこの光の逆反射が回避され又は少なくとも低減される。反射防止コーティングは好ましくは、第２の波長域内の光が、反射防止コーティングによって覆われた基板の面における基板材料の全反射の角度と０°との間の角度で、反射防止コーティングによって覆われた基板の面に当たる場合に、この光が基板を出て行くことができるように構成される。広帯域反射防止コーティングは、好ましくは更に、（基板の光入射面又は裏面での部分反射又は全反射の直後の）基板の光入射面における第１波長域の光の反射を最小化するように構成される。広帯域反射防止コーティングは、この場合、さらに、変換器に戻る第１の波長域の光の反射を回避し又は少なくとも低減し得る。光は、例えば、基板の光出射面で（部分的に）反射され得る。故に、第１の波長域の光（例えば、青色レーザ光）による変換器の望ましくない照明を回避することによって、光変換モジュールによって放たれる光のコントラストが改善され得る。

基板は、少なくとも１０Ｗ／（ｍＫ）、より好ましくは少なくとも２０Ｗ／（ｍＫ）、そして非常に好ましくは少なくとも３０Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を持つ熱伝導材料を有し得る。

熱伝導材料は、例えば、およそ４０Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を持つサファイアとし得る。熱伝導材料を有する基板は、上述又は後述の各実施形態と組み合わされ得る。

基板は、上記熱伝導材料の層を有していてもよい。この層の第１の面が光出射面として構成される。この層の第２の面は、この層の第１の面に平行である。第１の面に垂直なこの層の厚さｔ１は、少なくともｔ１＝ｄ／（２ｔａｎ（α１））であり、ただし、ｄは、レーザ光を受けることができる光出射面に平行な変換層の最大の（横方向の）延在長である。角度α１は、熱伝導材料の屈折率とこの層の第２の面に接する材料の屈折率とに関しての、第２の波長域での全反射の角度である。

光変換モジュールは、基板と変換層との間に配置され得るアパーチャを有していてもよい。アパーチャは、第１の波長域内のレーザ光が変換層のうち規定された領域のみを照らすことができるように構成され得る。アパーチャは、例えば、レーザ光が変換層を通ることなく基板を出て行くことを回避するために使用され得る。アパーチャによって、例えばＭＥＭＳミラーのようなスキャナの誤動作によって引き起こされ得る眼の安全上の問題が抑制され得る。上記層の第２の面は、基板の光入射面として構成され得る。基板は、この場合、例えばサファイアのような熱伝導材料の均一な層を有し得る。代替材料は、青色光に対して８０％よりも高い透過率と４５Ｗ／（ｍＫ）よりも高い熱伝導率とを持つＭｇＯ（特に、単結晶）、又はおよそ１５Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を持つＭｇＡｌ_２Ｏ_４を有し得る。

熱伝導材料の前記層は、他の一実施形態によれば、第１の基板層とし得る。基板は、この実施形態において、第１の基板層の第２の面に取り付けられた第２の基板層を有する。第２の基板層は、第１の基板層に取り付けられた第２の基板層の面とは反対側に配置された光入射面を有する。光出射面に垂直な第２の基板層の厚さが、基板に入って基板の光入射面で全反射される変換レーザ光が光入射面での反射後に直ちに変換層に当たらないように設定される。

第１の基板層の厚さは、変換層の中心と基板の側面との間の温度差が３５℃未満、より好ましくは２５℃未満、そして非常に好ましくは２０℃未満であるように選定される。故に、第１の基板層の厚さは、熱伝導材料の熱伝導率に依存する。第２の基板層は、第１の波長域において透明であるが第２の波長域において吸収性である材料とし得る。

より高い温度では、変換層の材料の変換効率が低下し得る。故に、変換層を出て行く第１の波長域及び第２の波長域の光の混ざり合いの色温度のバラつきを回避する又は少なくとも制限するために、変換層にわたる温度バラつきは、規定の温度範囲内にあるべきである。温度は、第１の波長域の光の第２の波長域の光への変換によって生じる変換損失に起因して上昇する。

第１の基板層は、例えば、サファイアを有し得る。第１の基板層の厚さは、変換層にわたる温度バラつきを制限するために、少なくとも０．５ｍｍ、より好ましくは少なくとも１ｍｍ、そして非常に好ましくは少なくとも２ｍｍである。

第１の基板層及び第２の基板層は、第１の基板層の第２の面が第２の基板層と接触するように互いに取り付けられる。熱伝導材料の屈折率と第２の基板層が有する材料の屈折率との差は、０．１未満、より好ましくは０．０５未満、そして非常に好ましくは０．０２未満である。

第２の基板層の材料の屈折率は、好ましくは、第１の基板層の材料の屈折率と基本的に同じである。第１の基板層及び第２の基板層は、熱接合によって共に結合され得る。共に結合されるべき表面が研磨され、７００℃以上のいっそう高い温度で接合され得る。熱接合中に使用される温度は、第１及び第２の基板層の材料に依存し得る。

第１の基板層及び第２の基板層は、他の一実施形態によれば、中間の機械的結合層によって互いに取り付けられる。機械的結合層の屈折率は、熱伝導材料の屈折率と第２の基板層が有する材料の屈折率との間の範囲内にある。

中間の機械的結合層の屈折率は、好ましくは、熱伝導材料の屈折率よりも低く、第２の基板層の材料の屈折率よりも高いとし得る。中間の機械的結合層として、光学接着材又は接着剤が使用され得る。１．６５に至る屈折率を有する光学接着材が商業的に入手可能である。１．７を超える更に高い値が文献に記載されている。故に、例えば、１．７８の屈折率を持つサファイアを、例えば１．５５の屈折率を持つガラス材料（第２の基板層）に接合することが可能である。この場合、これらの屈折率間の小さい差により、全反射の角度はかなり大きくなる。さらに、１つ以上の境界層で部分的に反射される第２の波長域の光の量が少ないものとなる。さらに、境界での部分反射を抑制するために、これらの基板層に反射防止コーティングを追加する選択肢が存在する。

基板は、光出射面に隣接する少なくとも１つの側面を有し得る。基板は、上記少なくとも１つの側面の少なくとも一部上に配置された反射抑制構造を有する。基板は、例えば、円筒形または直方体の形状を有し得る。円筒形の基板形状の場合に、円筒状の側面が光出射面に隣接する。直方体の場合、４つの側面が光出射面に隣接する。

反射抑制構造は、例えば、光入射面及び／又は光出射面の表面粗さと比較しての、１つ以上の側面の粗面化を有し得る。１つ以上の側面の粗さは、該１つ以上の側面における部分反射又は全反射の確率が低減されるように構成される。該１つ以上の側面は、例えば、サンドブラストされ得る。

反射抑制構造は、それに代えて又は加えて、第２の波長域の光を吸収するように構成された吸収層を有していてもよい。さらに、第１の波長域の不所望の光（例えば、反射された青色レーザ光）も好ましくは吸収される。

例えば、カーボン粒子を有する透明なシリコン系材料が、１つ以上の側面に取り付けられ得る。シリコン系材料の屈折率は、好ましくは、基板とシリコン材料との間の境界層における反射を回避する又は少なくとも低減するために、基板材料と基本的に同じであるように選定される。

基板は、基板の中心線に垂直な円形の断面を有することができ、この中心線は基板の光出射面の中心に対して垂直に配置される。基板は、例えば、上述のように円筒状の側面を持つ円筒形の形状を有し得る。

光変換モジュールは、一実施形態によれば、基板を有することができ、光入射面は凹状の湾曲を有する。

この湾曲は、光入射面を介して基板に入る第１の波長域内の光に対する基板による光学歪みが最小化されるように構成される。光入射面の凹状の湾曲は、例えば、第１の波長域内の光を放つ光源がその中に配置され得る焦点が存在するように構成され得る。

基板は更に、光出射面に湾曲を有していてもよい。基板の湾曲した光出射面に、薄い変換層（例えば、５０μｍの厚さを持つ）が取り付けられ得る。この湾曲は、特に、光変換モジュールを有する光源内で光変換モジュールと組み合わされることができるレンズ又はリフレクタのような光学素子と組み合わさって、光学効果を生成するために使用され得る。

更なる一態様によれば、レーザベース光源が提供される。レーザベース光源は、上述の光変換モジュールと、レーザモジュールと、光学デバイスとを有する。光変換モジュールは、レーザモジュールと光学デバイスとの間に配置される。レーザベース光源は、レーザモジュールによって放たれた第１の波長域のレーザ光が、光入射面を介して基板に入り、且つ光出射面を介して基板を出て行くように構成され、レーザベース光源は更に、変換されたレーザ光の少なくとも一部と変換層を通り抜ける透過レーザ光とが、光学デバイスによって標的に結像されるように構成される。

第１の波長域のレーザ光は、基板によって透過され、変換層内で部分的に変換される。変換層は、黄色光が順方向に結合されるように構成され得るとともに、第２の波長域の光と混合される第１の波長域の光のいっそう広い角度の光分布を提供するために、レーザ光が散乱されるように構成され得る。

更なる一態様によれば、自動車用ヘッドライトが提供される。この自動車用ヘッドライトは、上述のレーザベース光源を有する。

更なる一態様によれば、光変換モジュールを製造する方法が提供される。この方法は、
透明な基板を用意するステップと、
透明な基板の光出射面に変換層を取り付けるステップであり、該変換層は、光入射面を介して基板に入る第１の波長域のレーザ光を、第１の波長域とは異なる第２の波長域の変換レーザ光へと変換するように構成される、ステップと、
基板を、基板に入って基板の光入射面で全反射される変換レーザ光が、光入射面での一回の全反射の後に変換層に当たらないように、光出射面に垂直な基板の厚さを設定することによって、光出射面を介して基板に入る変換レーザ光が光出射面を介して変換層に再び入ることが抑制されるように、構成するステップと、
を有する。

この方法のこれらのステップは必ずしも、上に提示された順序で実行される必要はない。基板の厚さは、例えば、変換層を取り付けた後に、研削によって、あるいはそれに代えて付加的な基板層を接着することによって設定され得る。

理解されるべきことには、請求項１乃至１２のいずれか一項に従った光変換モジュール及び請求項１５の方法は、特に、従属項に規定されるような、同様及び／又は同質の実施形態を有する。

理解されるべきことには、それぞれの独立項との従属項の如何なる組み合わせも本発明の一好適実施形態とすることができる。

更なる有利な実施形態が以下に規定される。

本発明のこれら及びその他の態様が、以下に記載される実施形態を参照して明らかになる。

ここに、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。図面は以下を示す。
第１の光変換モジュールの断面の主要略図を示している。 第２の光変換モジュールの正面図の主要略図を示している。 第３の光変換モジュールの断面の主要略図を示している。 第４の光変換モジュールの断面の主要略図を示している。 第５の光変換モジュールの断面の主要略図を示している。 光変換モジュールを有するレーザベース光源の主要略図を示している。 光変換モジュールを製造する方法の主要略図を示している。 図面においては、全体を通して、似通った参照符号が同様のオブジェクトを表す。図中のオブジェクトは必ずしも縮尺通りに描かれていない。

以下、本発明の様々な実施形態を図面により説明する。

図１は、第１の光変換モジュール１００の断面の主要略図を示している。第１の光変換モジュール１００は、特に、第１の波長域内のレーザ光１０（例えば、青色レーザ光）を、第１の波長域とは異なる第２の波長域内の変換レーザ光２０（例えば、黄色光）へと変換する変換層１１０を有している。変換層１１０内で変換されないレーザ光１０の一部は、変換層１１０内で散乱され、それ故に、透過レーザ光１５は、レーザ光１０が変換層１１０に当たるときよりも広い光分布によって特徴付けられる。第１の光変換モジュール１００は更に、厚さｔ０を持つ基板１２０と、基板１２０と変換層１１０との間に配置された反射層１１１とを有している。反射層１１１は、第２の波長域において反射性であり、それ故に、所定の角度範囲内で反射層１１１に当たる変換レーザ光２０は、基板１２０に入ることができない。第１の光変換モジュール１００は更に、基板の光入射面（レーザ光１０が基板１２０に入る側）に配置された反射防止コーティング１３０を有しており、それ故に、反射層１１１及び基板の光出射面を介して基板１２０に入る変換レーザ光２０は、それに平行な基板１２０の光入射面を介して基板１２０を出て行くことができる。特に、反射防止コーティング１３０によって、光入射面での変換レーザ光２０の部分的な反射が回避され又は少なくとも低減され得る。さらに、広帯域の反射防止コーティング１３０によって、基板１２０の光入射面でのレーザ光１０の反射が回避され得る。

第１の面に垂直な層の厚さｔ０は、少なくともｔ０＝ｄ／（２ｔａｎ（α１））であり、ただし、ｄは、レーザ光１０を受け取ることができる光出射面に平行な変換層１１０の最大又は最長の延在長である。角度α１は、基板材料の屈折率及び基板１２０の光入射面に接する材料の屈折率に関しての、第２の波長域における全反射の角度である。厚さｔ０は、基板１２０の光入射面で全反射された変換レーザ光２０が、変換層１１０によって覆われた光出射面の領域に当たらないように選定される。変換層１１０は、基板１２０の正面、より正確には、基板１２０の光出射面に、例えば透明なシリコーン接着剤によって接着された薄い蛍光体層（例えば、２５μｍ厚）を有する。厚い基板１２０の材料は、好ましくはサファイアである。空気に対する全反射の臨界角α１は３３．７°である。１０×２０ｍｍ^２の横方向寸法を有する蛍光体層又は変換層１１０は、２２．４ｍｍの対角線を持つ。すると、上の式は、最小基板厚としてｔ０＝１６．７３ｍｍを与える。安全マージンを含めて、ｔ０＝２０ｍｍの厚さが選択され得る。基板１２０は、この実施形態において、直方体の形状を有している。この断面は２２．４ｍｍの対角線に沿って取られている。

変換層１１０は、定められた標的又は標的領域の照明を可能にし得る如何なる形状を有していてもよい（必ずしも上述のような矩形ではない）。

図２は、第２の光変換モジュール１００の正面図の主要略図を示している。基板１２０は、この場合、厚さｔ０＝１７ｍｍの円筒形の形状を有している。基板１２０と変換層１１０との間で、円筒の上に反射層１１１が設けられている。変換層１１０は、基板１２０の光出射面に平行な、レーザ光１０を受け取ることができる変換層１１０の最大延在長ｄを有している。円筒形の基板１２０の横方向サイズは、２５ｍｍの直径によって特徴付けられる。この例における基板の円筒形状は、単に、標準的な光学機械ホルダ内にマウントすることの容易さのために選択されたものである。余分な体積は実際には必要とされない。この横方向寸法が蛍光体層よりも大きい必要はない。

図３は、第３の光変換モジュール１００の断面の主要略図を示している。第３の光変換モジュール１００の構成は、図１に関して説明した構成とほぼ同じである。基板１２０は、第２の波長域で吸収性であるサファイアで構成されている。この場合、青色レーザ光１０を透過させるが、黄色に変換されたレーザ光を吸収するブルーサファイア材料を提供するために、サファイア材料にクロムが添加され得る。基板１２０は、基板１２０の光出射面に垂直な２２ｍｍの厚さｔ０を持つ矩形ブロックであり、光入射面及び光出射面のサイズは１２×２２ｍｍ^２である。基板１２０の４つの側面は、１．５の屈折率を持つ透明樹脂を有する反射抑制構造１４０によって覆われている。反射抑制構造１４０に入る黄色光、又はより正確には、第２の波長域内の光を吸収するために、樹脂に炭素フレークが添加される。第１の波長域の光が制御不能に変換層１１０に入る可能性を回避する又は少なくとも低減するために、青色光又は第１の波長域の光は吸収される。

図４は、第４の光変換モジュール１００の断面の主要略図を示している。第４の光変換モジュールは、２０Ｗ／（ｍＫ）よりも高い熱伝導率及び厚さｔ１を有する熱伝導材料の第１の基板層１２０ａと、第１の基板層１２０ａに熱接合された第２の基板層１２０ｂとを有する基板１２０を含んでいる。基板１２０の総厚はｔ０である。厚さｔ１は、第１の基板層１２０ａと第２の基板層１２０ｂとの間の境界面で全反射された変換レーザ光２０が変換層１１０に当たらないように設定される。屈折率の差が、第１の基板層１２０ａの厚さを減少させる。１．７８というサファイアの屈折率、及び１．４６という第２の基板層の屈折率（シリカの屈折率）を採ると、全反射の角度はおよそ５６．５°である。図１に関して説明した１０×２０ｍｍ^２という変換層１１０の延在長を採ると、サファイア層の厚さが少なくとも７．５ｍｍであれば、変換層１１０への逆反射をもたらすこれら二層間の界面における全反射が回避される。

最小厚さｔ０は、上述したように、第１の基板層１２０ａの材料の屈折率及び第２の基板層１２０ｂの材料の屈折率に依存する。基板１２０の総厚ｔ０は、この場合も、基板１２０の光出射面から逸れて基板１２０の光入射面で全反射された変換レーザ光２０が変換層１１０に当たらないように設定される。変換層１１０は、この場合も、変換層１１０と基板１２０との間に配置された反射層１１１に取り付けられている。第１の基板層１２０ａは、例えば、１．７８の屈折率を持つサファイアを有し得る。第２の基板層１２０ｂは、例えば、１．４６の屈折率を持つシリカを有し得る。シリカ層は、黄色変換されたレーザ光２０を吸収するために吸収性とし得る。

第２の基板層１２０ｂは、他の一実施形態において、サファイアの屈折率にほぼ等しい屈折率を持つガラス（ＳＦ−１１）を有していてもよい。この場合、サファイア層の厚さは、変換層１１０に十分な冷却を提供するために必要とされる絶対的な最小値（例えば、１ｍｍの厚さ）まで低減され得る。この場合、基板は１つの屈折率によって特徴付けられるので、基板の総厚は上述したものと同じとなる（少なくとも１６．７３ｍｍのｔ０）。

レーザは、例えば、２０Ｗの青色レーザ光でレーザ光１０を放射し、２０Ｗのレーザ光１０のうち１０．５Ｗが熱に変換され得る。２ｃｍ^２の大きさを持つ変換層１１０の面積、及び２５μｍの変換層１１０の厚さを採ると、第１の基板層１２０ａが１ｍｍの厚さ及び４０Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を持つサファイアを有する場合に、これは、薄い変換層１１０の横方向の中心と基板１２０の側面との間に２０℃の温度差を生じさせることになる。第２の基板層１２０ｂは、この例では、２０ｍｍの厚さ及び１．３８Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を持つシリカ層とした。このシミュレーションでは、レーザスポットが変換層１１０を横切って高速に移動して、変換層からサファイア層への熱流が基本的に一定であると仮定している。サファイア層の熱伝導率は、控えめに３０Ｗ／（ｍＫ）と仮定している。

図５は、第５の光変換モジュール１００の断面の主要略図を示している。第５の光変換モジュール１００は、図２に関して説明したように、基板１２０、反射層１１１、及び変換層１１０を有している。基板１２０は、円筒形の形状を持ち、光入射面が湾曲している。光入射面の湾曲は、第１の波長域の光を放射する光源（例えば、１つ以上のレーザ又は対応するスキャナ）をその中に配置することができる焦点を光入射面が画成するように選定される。故に、基板１２０の光入射面での第１の波長域の光の反射が低減され得る。

図６は、例えば図２に関して上述したような光変換モジュール１００を有するレーザベース光源２００の主要略図を示している。レーザベース光源２００は、第１の波長域内のレーザ光１０を発するレーザモジュール２１０を有している。光変換モジュール１００の基板１２０は、変換プロセスによって生成された熱を広げるように構成されたヒートシンク２２０によって取り囲まれている。レーザベース光源２００は更に、レンズ、リフレクタ、及びこれらに類するもののような１つ以上の光学素子を有し得る光学デバイス２３０を有している。光学デバイス２３０は、透過レーザ光１５及び変換レーザ光２０を標的領域に結像するように構成される。レーザモジュール２１０は、強い青色レーザビームを放つ少なくとも１つのレーザを有し得る。該少なくとも１つのレーザは、電子的に切り換えられることができ、変換層１１０にわたってレーザビームを移動させるために、レーザビームの方向が、典型的にはＭＥＭＳ（微小電気機械システム）である小型ミラーによって制御され得る。

代替的に、レーザモジュール２１０は、２つ、３つ、若しくはそれより多くの切り換え可能なレーザ、又は更にはレーザアレイを有していてもよい。

図６に示すレーザベース光源２００は、好ましくは、道路及びその周囲を照らす自動車用ヘッドライトである。対向する交通又はその他の交通参加者の眩しさを最小限にして高輝度を可能にする適応光パターンを提供するために、レーザの制御が使用される。

図７は、光変換モジュールを製造する方法の主要略図を示している。ステップ３１０にて、上述のような透明基板１２０が用意される。ステップ３２０にて、透明基板１２０の光出射面に変換層１１０が取り付けられる。変換層１１０は、光入射面を介して基板に入る第１の波長域のレーザ光１０を、第１の波長域とは異なる第２の波長域の変換レーザ光２０に変換するように構成される。ステップ３３０にて、光出射面を介して基板に入った変換レーザ光が光出射面を介して変換層に再び入るのが抑制されるように、基板が構成される。

追加の製造工程にて、基板１２０と変換層１１０との間に反射層１１１が配置されてもよい。

本発明の基本的な思想は、レーザベース光源２００の中で使用されるときに最大限のエッジコントラストを可能にする光変換モジュール１００を提供することである。レーザベース光源２００は好ましくは自動車用ヘッドライトである。変換層１１０に直接的又は間接的に取り付けられる基板１２０の厚さが、変換層１１０が第１の波長域内のレーザ光１０（例えば、青色レーザ光）によって部分的にのみ照らされるときに最大のエッジコントラストに達するように増加される。変換層１１０又は蛍光体を部分的に暗くすることは、例えば、対向交通を外すように、ヘッドランプビーム又はバンドル内に完全に暗いゾーンを作り出すために必要である。コントラストを最大にすることは、変換層１１０のレーザ照射領域から暗領域への光のリーク又は拡がりを基本的に防止することを意味する。この光リークの一部は、変換層１１０又は蛍光体それ自体に起因し得る。第２の波長領域内の変換されたレーザ光２０（例えば、黄色光）は、先ず等方的に放出され、黄色光が変換層１１０内に広がるのを防止するための注意が払われなければならない。故に、材料内での散乱が増大され得る。それに代えて又は加えて、変換層１１０は可能な限り薄くされ得る。

しかしながら、変換層がこのようにして最適化されるとき、有意な光リーク源として残るのは透明基板１２０である。基板１２０の存在は必須である。それがないと、薄い変換層１１０又は蛍光体層は機械的に安定でなく、また、基板１２０への熱伝導によって冷えたままにすることもできない。基板が引き起こす光リークは、以下のメカニズムに起因する：青色レーザ走査ビームのスポットにて生成される黄色光は、基板１２０に向かう方向を含む全方向に放射される。それは、変換層１１０と基板１２０との間の光学的接触のため、透明基板１２０の裏面又は光入射面に全反射の角度の下で当たることができ、スポットから距離を置いて変換層１１０に反射され返すことになる。全反射された変換レーザ光２０も変換層１１０を出ることができ、斯くして、変換層１１０の非照射部分に望ましくない光を生み出してしまい得る。本発明は、基板の裏面で全反射された変換レーザ光２０が照明に使用可能な変換層１１０のエリア要素に当たらないように、スポットと逆反射された変換レーザ光２０との間の距離を増大させる厚さｔ０を持つ基板１２０を提供することを提案する。故に、変換層１１０の非照射部分は暗いままである。

図面及び以上の記載にて本発明を詳細に図示して説明してきたが、これらの図示及び説明は、限定的なものではなく、例示的あるいは典型的なものとみなされるべきである。

本開示を読むことにより、その他の変更が当業者に明らかになる。それらの変更は、技術的に既知であり且つここで既に述べた特徴に代えて又は加えて使用され得るような、その他の特徴を含んでいてもよい。

開示の実施形態への変形が、図面、本開示及び添付の請求項の検討から、当業者によって理解されて実現され得る。請求項において、用語“有する”はその他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数の要素又はステップを排除するものではない。特定の複数の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組合せが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。

請求項中の如何なる参照符号も、その範囲を限定するものとして解されるべきでない。

１０ レーザ光
１５ 透過されたレーザ光
２０ 変換されたレーザ光
１００ 光変換モジュール
１１０ 変換層
１１１ 反射層
１２０ 基板
１２０ａ 第１の基板層
１２０ｂ 第２の基板層
１３０ 反射防止コーティング
１４０ 反射抑制構造
２００ レーザベース光源
２１０ レーザモジュール
２２０ ヒートシンク
２３０ 光学デバイス
３１０ 基板を用意するステップ
３２０ 変換層を取り付けるステップ
３３０ 基板を構成するステップ
ｔ０ 基板厚さ
ｔ１ 第１の基板層の厚さ
α１ 全反射の角度
ｄ 変換層の最大横方向延在長

Claims (13)

1. 透明な基板と、
   前記基板の光出射面に取り付けられた変換層であり、
   光入射面を介して前記基板に入る第１の波長域のレーザ光の一部を、前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の変換レーザ光へと変換するように、及び
   前記レーザ光の別の部分を透過させるように
   構成されて、前記透過されたレーザ光と前記変換レーザ光の一部との混ぜ合わせが、当該変換層が前記基板の前記光出射面に取り付けられている側とは反対向きの順方向に、当該変換層を出て行くようにする変換層と、
   を有し、
   前記基板は、
   前記基板に入って前記基板の前記光入射面で全反射される変換レーザ光が、前記光入射面での一回の全反射の後に前記変換層に当たらないように、前記光出射面に垂直な前記基板の厚さを設定することによって、前記光出射面を介して前記基板に入る変換レーザ光が前記光出射面を介して前記変換層に再び入ることが抑制されるように、
   構成されており、
   前記基板は、少なくとも１０Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を持つ熱伝導材料の層を有し、該層の第１の面が前記光出射面として構成され、該層の第２の面は、該層の前記第１の面に平行であり、前記第１の面に垂直な該層の厚さｔ１は、少なくともｔ１＝ｄ／（２ｔａｎ（α１））であり、ただし、ｄは、レーザ光を受けることができる前記光出射面に平行な前記変換層の最大延在長であり、α１は、前記熱伝導材料の屈折率と該層の前記第２の面に接する材料の屈折率とに関しての、第２の波長域での全反射の角度である、
   光変換モジュール。
2. 前記基板は、前記光入射面での全反射の後に、前記光出射面で前記基板に入る前記第２の波長域内の光の強度が、前記第２の波長域内の光が基板を二回通る場合に少なくとも５０％低減されるように、前記第２の波長域内の光を吸収するように構成された材料を有する、請求項１に記載の光変換モジュール。
3. 前記基板は反射防止コーティングを有し、前記反射防止コーティングは、前記光出射面を介して前記基板に入る変換レーザ光の、前記変換層への逆反射が抑制されるように、前記光出射面とは異なる前記基板の表面における反射率を低下させるように構成されている、請求項１又は２に記載の光変換モジュール。
4. 前記反射防止コーティングは、前記基板の前記光入射面上に配置されている、請求項３に記載の光変換モジュール。
5. 前記熱伝導材料の前記層は第１の基板層であり、前記基板は、前記第１の基板層の前記第２の面に取り付けられた第２の基板層を有し、前記第２の基板層は、前記第１の基板層に取り付けられた前記第２の基板層の面とは反対側に配置された前記光入射面を有し、前記光出射面に垂直な前記第２の基板層の厚さが、前記基板に入って前記基板の前記光入射面で全反射される前記変換レーザ光が前記光入射面での反射後に直ちに前記変換層に当たらないように、設定されている、請求項１に記載の光変換モジュール。
6. 前記第１の基板層及び前記第２の基板層は、前記第１の基板層の前記第２の面が前記第２の基板層と接触するように互いに取り付けられており、前記熱伝導材料の屈折率と前記第２の基板層が有する材料の屈折率との差が０．１よりも小さい、請求項５に記載の光変換モジュール。
7. 前記第１の基板層及び前記第２の基板層は、中間の機械的結合層によって互いに取り付けられ、前記機械的結合層の屈折率は、前記熱伝導材料の屈折率と前記第２の基板層が有する材料の屈折率との間の範囲内にある、請求項６に記載の光変換モジュール。
8. 前記熱伝導材料の前記層はサファイアを有する、請求項１に記載の光変換モジュール。
9. 透明な基板と、
   前記基板の光出射面に取り付けられた変換層であり、
   光入射面を介して前記基板に入る第１の波長域のレーザ光の一部を、前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の変換レーザ光へと変換するように、及び
   前記レーザ光の別の部分を透過させるように
   構成されて、前記透過されたレーザ光と前記変換レーザ光の一部との混ぜ合わせが、当該変換層が前記基板の前記光出射面に取り付けられている側とは反対向きの順方向に、当該変換層を出て行くようにする変換層と、
   を有し、
   前記基板は、
   前記基板に入って前記基板の前記光入射面で全反射される変換レーザ光が、前記光入射面での一回の全反射の後に前記変換層に当たらないように、前記光出射面に垂直な前記基板の厚さを設定することによって、前記光出射面を介して前記基板に入る変換レーザ光が前記光出射面を介して前記変換層に再び入ることが抑制されるように、
   構成されており、
   前記基板は、前記光出射面に隣接する少なくとも１つの側面を有し、前記基板は、前記少なくとも１つの側面の少なくとも一部上に配置された反射抑制構造を有する、
   光変換モジュール。
10. 前記基板は、前記基板の中心線に垂直な円形の断面を有し、前記中心線は前記基板の前記光出射面の中心に対して垂直に配置される、請求項９に記載の光変換モジュール。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光変換モジュールと、レーザモジュールと、光学デバイスとを有するレーザベース光源であって、前記光変換モジュールは、前記レーザモジュールと前記光学デバイスとの間に配置され、当該レーザベース光源は、前記レーザモジュールによって放たれた前記第１の波長域のレーザ光が、前記光入射面を介して前記基板に入り、且つ前記光出射面を介して前記基板を出て行くように構成され、当該レーザベース光源は更に、前記変換レーザ光の少なくとも一部と前記変換層を通り抜ける透過レーザ光とが、前記光学デバイスによって標的領域に結像されるように構成される、レーザベース光源。
12. 請求項１１に記載のレーザベース光源を有する自動車用ヘッドライト。
13. 光変換モジュールを製造する方法であって、
    透明な基板を用意するステップと、
    前記基板の光出射面に変換層を取り付けるステップと、
    前記変換層を、
    光入射面を介して前記基板に入る第１の波長域のレーザ光の一部を、前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の変換レーザ光へと変換するように、及び
    前記レーザ光の別の部分を透過させるように
    構成して、前記透過されたレーザ光と前記変換レーザ光の一部との混ぜ合わせが、前記変換層が前記基板の前記光出射面に取り付けられている側とは反対向きの順方向に、前記変換層を出て行くようにするステップと、
    前記基板を、
    前記基板に入って前記基板の前記光入射面で全反射される変換レーザ光が、前記光入射面での一回の全反射の後に前記変換層に当たらないように、前記光出射面に垂直な前記基板の厚さを設定することによって、前記光出射面を介して前記基板に入る変換レーザ光が前記光出射面を介して前記変換層に再び入ることが抑制されるように、
    構成するステップと、
    を有し、
    前記基板は、少なくとも１０Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を持つ熱伝導材料の層を有し、該層の第１の面が前記光出射面として構成され、該層の第２の面は、該層の前記第１の面に平行であり、前記第１の面に垂直な該層の厚さｔ１は、少なくともｔ１＝ｄ／（２ｔａｎ（α１））であり、ただし、ｄは、レーザ光を受けることができる前記光出射面に平行な前記変換層の最大延在長であり、α１は、前記熱伝導材料の屈折率と該層の前記第２の面に接する材料の屈折率とに関しての、第２の波長域での全反射の角度である、
    方法。

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