JP6964611B2 - 熱伝導性の蛍光取り出しドームを備えたレーザベース光源 - Google Patents

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Description

本発明は、熱伝導性の蛍光取り出しドームを備えたレーザベース光源、及び車両ヘッドライトに関する。
国際公開第２００７／０４４４７２号（特許文献１）には、光透過性ヒートシンクを備えたＬＥＤアセンブリが開示されている。そのＬＥＤアセンブリは、第１の面及び第２の面を備えた高出力ＬＥＤチップから形成され、第１の面は基板に取り付けられ、第２の面は、３０ワット毎メートル・ケルビン（Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも大きい熱伝導率を持った光透過性ヒートシンクと密に熱的に接触している。光透過性ヒートシンクを設けることは、ＬＥＤ第からの熱伝導を２倍にし、それによって、寿命、若しくは効率、若しくは輝度、又はそれらのバランスを高めることができる。更には、レーザダイオードがＬＥＤの代わりに光生成デバイスとして使用されてよいことが述べられている。
米国特許出願公開第２０１６０１３１３３６（Ａ１）号（特許文献２）には、特に、波長変換器をその上に形成する基板として機能しながら優れた熱伝導性能を備えた半球レンズを使用するレーザベース光源が示されている。そのような構成によって、波長変換器において波長変換時に生成される熱は、レンズによって有利に放散され得る。
ＬＥＤ又はレーザアセンブリの全体の効率は、低い可能性がある。
国際公開第２００７／０４４４７２号 米国特許出願公開第２０１６０１３１３３６（Ａ１）号
本発明の目的は、発光効率又は冷却が改善されたレーザベース光源を提供することである。本発明は、独立請求項によって定義される。従属請求項は、有利な実施形態を定義する。
第１の態様に従って、レーザベース光源が提供される。レーザベース光源は、
レーザピーク発光波長でレーザ光を発するよう構成されるレーザと、
前記レーザ光の一部を変換光に変換するよう構成され、該変換光のピーク発光波長が、前記レーザピーク発光波長よりも長い波長範囲にある、セラミック光コンバータと、
２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも大きい熱伝導率を持った物質を含む少なくとも２．５×１０５μｍ２のベース領域を有する光取り出しドームであり、少なくとも８×１０３μｍ２の前記光取り出しドームの前記ベース領域の接合領域が、前記セラミック光コンバータへ接着剤なしで接合され、前記ベース領域が、前記レーザによって照らされるよう構成される前記セラミック光コンバータの面積よりも少なくとも２５倍大きい、前記光取り出しドームと、
前記光取り出しドームへ熱的に結合される基板と
を有する。
それにおいて、前記光取り出しドームは反射構造体を有する。該反射構造体は、前記光取り出しドームの光軸に対してα＝６５°よりも大きい、望ましくはα＝６０°よりも大きい、そして最も望ましくはα＝５５°よりも大きい角度で発せられた前記変換光が前記セラミック光コンバータの方向に反射され返すように配置される。
前記セラミック光コンバータは、この場合に、該セラミック光コンバータの中心が本質的に前記光軸上に配置されるように、前記光取り出しドームへ接合される。前記反射構造体は、前記変換光の波長範囲において反射する反射コーティング（例えば、ダイクロックフィルタ）を有してよい。前記反射構造体は、前記接合領域を含む前記光取り出しドームのベース領域の周囲の該光取り出しドームの周縁を覆う。前記反射構造体は、前記光取り出しドームが半球である場合に特に有利である。その半球の直径は、この場合に、望ましくは、前記光取り出しドームに接合された前記セラミック光コンバータの表面の最大拡張よりも少なくとも５倍大きい。
前記反射構造体は、前記光軸に対して大きい角度で前記変換光を捕らえ、それを前記セラミック光コンバータへ返送する。前記セラミック光コンバータで、前記変換光は、前記光取り出しドームの中心開口部に向け直される機会を有している。これは、前記光取り出しドームの開口部内の角度について当該レーザベース光源の輝度を高めることができる。前記セラミック光コンバータは、反射された変換光が前記光取り出しドームの開口部（ドーム開口角度αについて以下を参照。）の方向に散乱される機会を増やすために、例えば、ポア（pores）として散乱中心を有してよい。ポアは、例えば、青色レーザ光の発光コーンを広げるよう更に構成されてよい。
前記光取り出しドームへの前記セラミック光コンバータの、例えば、熱的接合としての、接着剤なしの接合は、優れた熱的結合を可能にする。限られた熱伝導率を有する接着剤又は粘着剤の中間層は、前記セラミック光コンバータと前記光取り出しドームとの間に必要とされない。更に、前記セラミック光コンバータによって構成される物質及び前記光取り出しドームによって構成される物質の屈折率は、本質的にレーザ光及び特に変換光の反射が前記セラミック光コンバータと前記光取り出しドームとの間のインターフェイスで起こらないように選択され得る。レーザによって照射されるよう配置される前記セラミック光コンバータの領域のサイズと比較して前記光取り出しドームのベース領域のより大きいサイズは、前記光取り出しドームの湾曲した発光面（例えば、後述される半球表面）での全内反射が低減されるので、光学効率を特に増大させる。前記セラミック光コンバータは、レーザによって完全に照射されてよく、あるいは、前記セラミック光コンバータの一部しか照射されなくてもよい。当該レーザベース光源の熱的及び／又は光学的特性は、このようにして改善され得る。
前記セラミック光コンバータの形状、前記光取り出しドームの接合領域及び形状は、望ましくは、前記変換光の少なくとも５０％が前記光取り出しドームを介して発せられるように配置される。
前記光取り出しドームは、例えば、その光軸周りで円対称であってよく、前記光取り出しドームの光取り出し面は、前記光軸上にその頂点を有する凸形状を特徴とする。前記セラミック光コンバータの中心は、前記光取り出しドームのこの場合に円形のベース領域上の該光取り出しドームの前記光軸上に又はその近くに配置されてよい。
前記セラミック光コンバータは、例えば、セラミック蛍光体材料の長方形又は円形シートであってよい。前記セラミック光コンバータは、レーザ光の全部又は一部を変換光に変換してよい。前記変換光のピーク発光波長は、前記セラミック光コンバータによって構成される物質によって決定され、緑色、黄色、又は赤色波長範囲にあってよい。前記セラミック光コンバータは、前記接合領域と反対にある前記セラミック光コンバータの側に配置される反射層を有してよい。該反射層は、レーザピーク発光波長に近い波長範囲で透過であり、変換光のピーク発光波長に近い波長範囲で反射する。前記光取り出しドームの光軸に平行な方向における前記セラミック光コンバータの厚さは、１０から１００μｍの間であってよい。
前記基板は、前記光取り出しドームへ熱的に結合可能である如何なる適切な材料も有してよい。前記基板は、望ましくは、高い熱伝導率を持った銅のような金属を含むヒートシンクであってよい。前記基板は、熱伝導接着剤又は粘着剤のような結合又は接合材料によって前記光取り出しドームへ熱的に結合されてよい。前記基板はホールを有してよく、該ホールを通ってレーザ光は前記セラミック光コンバータへ発せられる。前記ホールのサイズは、光変換によって熱が生成される前記セラミック光コンバータ内の容量から、前記セラミック光コンバータと前記基板との間の熱的結合までの間の距離が最小限にされるように、前記セラミック光コンバータのサイズに適応されてよい。
レーザは、２つ、３つ、４つ又はそれ以上のレーザデバイスを（例えば、アレイの形で）有してよい。
前記光取り出しドームは、サファイアの半球を有してよく、前記セラミック光コンバータは、前記光取り出しドームへ熱接合又は焼結接合される。レーザは、前記変換光の少なくとも５０％が前記光取り出しドームを介して発せられるように、青色レーザピーク発光波長を持ったレーザ光を前記基板の開口を通って前記セラミック光コンバータへ発するよう構成されてよい。
サファイアは、３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも大きい熱伝導率を特徴とする。サファイアの屈折率はｎＳ＝１．７８であり、これは、ｎＣ＝１．８の範囲にあるセラミック光コンバータの典型的な屈折率に極めて近い。当該レーザベース光源は、前記変換光の少なくとも６０％、より望ましくは前記変換光の少なくとも７０％が前記光取り出しドームを介して発せられるように、望ましくは構成される。熱接合又は焼結接合は、前記光取り出しドームと前記セラミック光コンバータとの間に境界層が本質的に存在しないように、前記光取り出しドーム及び前記セラミック光コンバータが８００℃を越える高温で接合されることを意味する。
前記セラミック光コンバータは、Ｙ（３−０．４）Ｇｄ０．４Ａｌ５Ａ１２：Ｃｅ（ＹＡＧ：Ｃｅ）のような黄色蛍光体ガーネットであってよい。当該レーザベース光源は、前記セラミック光コンバータを通って伝えられる透過レーザ光の少なくとも一部及び前記変換光の少なくとも一部を有する白色光を発するよう構成されてよい。青色レーザ光のおよそ２１％は、黄色蛍光体ガーネットを透過し、残りの青色レーザ光は黄色光に変換される。これは、例えば、蛍光体におけるストークス損失を考慮することによって、当該レーザベース光源によって発せられる混合光における２６％の青色レーザ光及び７４％の黄色変換光の比率を可能にする。ＹＡＧ：Ｃｅは、ＹＡＧ：Ｃｅとサファイアドームとの間にほぼ完ぺきな光学的対応が存在するように、約１．８４の屈折率を有する。
当該レーザベース光源は、前記セラミック光コンバータの側面に付着された側面コーティングを有してよく、前記セラミック光コンバータの前記側面は前記接合領域に対して傾斜する。前記セラミック光コンバータは、前記接合領域に垂直な１つの側面を備えた円形シートであってよい。前記セラミック光コンバータは、代替的に、前記接合領域に垂直な４つの側面を備えた長方形シートであってよい。また、前記接合領域及び１つ以上の前記側面が９０°とは異なる角度を囲むことも可能であってよい。前記側面コーティングは、例えば、１つ以上の側面を介した変換光の損失を回避する白色層であってよい。生成された変換光の順イールド（生成された変換光に対する、前記光取り出しドームを介して発せられた変換光の比）は、追加の側面コーティングにより９０％よりも大きくなり得る。
レーザ光の発光コーンは、前記光取り出しドームを介して発せられた前記変換光及び前記透過レーザ光が前記光軸の周りの角度α内で重なり合うように、前記反射構造体によって画定された又は設けられた前記角度αに適応されてよい。
レーザ光は、前記セラミック光コンバータを介して伝えられた前記レーザ光が、前記反射構造体によって決定された前記変換光の発光コーンと本質的に一致するように、広げられてよい。
当該レーザベース光源は、例えば、レーザからのレーザ光を前記セラミック光コンバータへ導くよう構成される光導波路を有してよい。該光導波路は、前記セラミック光コンバータと接するか、又はそれと接着されてよい。代替的に、前記光導波路と前記セラミック光コンバータとの間には、レンズが配置されてよい。
前記光導波路は、任意に、前記透過レーザ光の発光コーンを画定するか又は適応させるよう適応される開口数（numerical aperture）を有してよい。前記光導波路又は光ファイバの開口数は、この場合に、前記光導波路から出るレーザ光の発光コーンが、前記光取り出しドームから出る前記変換光の発光コーンと本質的に一致するように配置されてよい。
当該レーザベース光源は、代替的に、前記セラミック光コンバータへ結合された光偏向層を有してよい。該光偏向層は、特に、前記反射構造体に関して上述されたように、前記透過レーザ光の所定の発光コーンを設けるよう構成される。
当該レーザベース光源は、前記光取り出しドームへ結合された部分反射構造体を有してよい。該部分反射構造体の光透過率は、前記変換光の一部及び前記レーザ光の一部を有する混合光のカラーポイントが安定化されるように、前記レーザピーク発光波長に所定の波長範囲内で従属する。
前記光透過率は、本質的に、意図又は定義されたレーザピーク発光波長の上回ると一定であり、所定の波長範囲においてこの定義されたレーザピーク発光波長を下回ると低下する。それにより、定義されたレーザピーク発光波長を下回ると、透過されるレーザ光は少なくなる。前記光透過率は、前記セラミック光コンバータの吸収及び波長依存変換に適応される。
前記部分反射構造体は、前記光取り出しドームの外面（例えば、半球表面）上の干渉被膜であってよい。当該レーザベース光源は、望ましくは、白色光を発するよう構成されてよい。前記部分反射構造体又は干渉被膜は、この場合に、本質的に全ての黄色変換光が前記部分反射構造体を透過されるように構成される。少しの青色レーザ光は、その波長が前記セラミック光コンバータによって吸収される機会を減少させるようなものである場合に、反射される。前記部分反射構造体は、青色レーザ光の波長から青色波長範囲にある基準波長までの距離に応じて、青色レーザ光の一部を前記セラミック光コンバータへ返送する。前記セラミック光コンバータで、青色レーザ光は、吸収され、黄色光へ変換される他の機会を有している。このようにして、青色光のほんの一部は、前記セラミック光コンバータの吸収スペクトルに応じて変換光の部分を増大させることによって安定化され得る。例えば、レーザ光の青色励起波長が通常よりもわずかに低いように起こり、前記セラミック光コンバータの吸収が意図された（通常の）レーザピーク発光波長でよりも少ない場合に、青色光の最終的な部分は高すぎることがある。反射フィルタは、意図されたレーザピーク発光波長と実際のレーザピーク発光波長との間の距離に応じて、いくらかの青色光を返送する。これは、青色光部分が同じままであることができるように、青色出力を下げ、黄色出力を上げることになる。
前記光取り出しドームの湾曲面の一部にのみ信頼できる部分反射構造体又は干渉被覆を設けることが好まれ得る。前記部分反射構造体は、上述されたように前記光取り出しドームの周縁を覆う前記反射構造体と組み合わされてよい。前記部分反射構造体は、従って、（上記のように、α以下の角度で）前記反射構造体によって覆われない前記光取り出しドームの表面の部分に配置されてよい。
前記光取り出しドームは、サファイアの半球を有してよい。前記セラミック光コンバータは、前記光取り出しドームへ焼結接合された黄色蛍光体ガーネットを有してよい。レーザは、青色レーザピーク発光波長を持ったレーザ光を前記光取り出しドームを通って前記セラミック光コンバータへ発するよう構成される。当該レーザベース光源は、前記変換光の少なくとも一部及び前記レーザ光の少なくとも一部を有する白色光を発するよう構成される。
レーザ光は、この場合に、該レーザ光が前記セラミック光コンバータに入る前に、前記光取り出しドームを透過する。当該レーザベース光源は、前記接合領域と反対にある前記セラミック光コンバータの側で該セラミック光コンバータに結合されて、前記光取り出しドームの方向にレーザ光を反射し返すよう構成される反射層又は構造体を有してよい。該反射構造体は、前記レーザピーク発光波長に近い波長範囲で、及び望ましくは、前記変換光のピーク発光波長に近い波長範囲で反射し得る。前記セラミック光コンバータは、前記レーザ光のほんの一部が変換されるように構成される。前記セラミック光コンバータは、前記レーザ光を散乱させるよう更に構成されてよい。
前記セラミック光コンバータは、接合層によって前記基板へ直接に接合されてよい。前記接合層は、前記レーザ光及び望ましくは前記変換光を反射するよう構成されてよい。
当該レーザベース光源は、上述されたように前記部分反射構造体を更に有してよい。前記レーザ光は、前記部分反射構造体の窓を介して前記セラミック光コンバータへ発せられてよい。
当該レーザベース光源は、前記セラミック光コンバータが前記光取り出しドームから取り除かれる場合に前記レーザ光が遮られるように前記光取り出しドームに取り付けられるシールドを有してよい。
レーザ光の強さは、セラミック光コンバータが間にない場合には高すぎる可能性がある。前記セラミック光コンバータは、散乱又は偏向構造体へ結合されてよく、あるいは、前記光取り出しドームの光軸の周りのレーザ光の放出角を広げるよう配置される散乱粒子を有してよい。レーザ光は、レーザ光の発光面（例えば、光導波路の出口小面）と前記光取り出しドームとの間にセラミック光コンバータがない場合に、前記光取り出しドームの光軸の周りの極めて狭い立体角でしか発せられ得ない。従って、レーザ光を発光面の方向にこの狭い立体角で反射し返し得る前記光取り出しドームに、シールドが設けられてよい。前記シールドは、前記セラミック光コンバータが光取り出しドームから剥離する場合に、狭い立体角で非常に強いレーザ光が前記光取り出しドームから出ることができることを回避する。
更なる態様に従って、車両ヘッドライトが提供される。当該車両ヘッドライトは、上述されたレーザベース光源を少なくとも１つ有する。前記車両ヘッドライトは、上述されたレーザベース光源を２つ、３つ、４つ又はそれ以上有してよい。
車両の、及び特に、前方照明のために使用される自動車ヘッドライトの白色点は、望ましくは、５７００Ｋの相関色温度（ＣＣＴ）（correlated color temperature）、又は約０．４８のｖ’カラーポイントを特徴とする。白色光領域は規格において定義されている。例えば、ＡＮＳＩ Ｃ７８．３７７は、米国国家規格協会（American National Standards Institute）によって仕様を定められた色度のための規格である。ほとんどの自動車ヘッドライトは、上述された５７００Ｋ範囲を使用する。代替的に、青色光のシェアを増やすように６０００Ｋの色温度を使用することも可能であり得る。
本発明の好適な実施形態は、従属請求項と各々の独立請求項とのあらゆる組み合わせであることもできる点が理解されるべきである。
更なる有利な実施形態は、以下で定義される。
本発明のそれら及び他の態様は、以降で記載される実施形態か明らかであり、それらを参照して説明される。
本発明は、これより、一例として、添付の図面を参照して実施形態に基づき記載される。
第１のレーザベース光源の原理スケッチを示すが、本発明の全ての特徴を未だ示していない。 セラミック光コンバータの半径Ｒｉの関数としてサファイア光取り出しドームのシミュレーションされた熱抵抗を示す。 セラミック光コンバータの熱抵抗を示す。 本発明の全ての特徴を含む第２のレーザベース光源の原理スケッチを示す。 本発明のいくつかの特徴を省略しながら第３のレーザベース光源の原理スケッチを示す。 黄色蛍光体ガーネットの吸収係数を示す。 部分反射構造体の透過曲線を示す。 第３のレーザベース光源のスペクトル特性を示す。 本発明のいくつかの特徴を省略しながら第４のレーザベース光源の原理スケッチを示す。
図中、同じ参照符号は、全体通して同じ対象を参照する。図中の対象は、必ずしも実寸通りではない。
本発明の様々な実施形態は、これより、図を用いて記載される。
図１は、第１のレーザベース光源１００の原理スケッチを示すが、角度αを画定する反射構造体を未だ示していない。レーザベース光源１００はセラミック光コンバータ１３４を有する。セラミック光コンバータ１３４は、半径Ｒｏ＝５００μｍを有する半球サファイア光取り出しドーム１３６に焼結接合されている。光取り出しドーム１３６は、半径Ｒｃ＝２５０μｍのホールを有する基板１３１に熱的に接合されている。セラミック光コンバータ１３４は、この場合に、２０μｍの厚さ及び半径Ｒｉ＝１５０μｍを有し、基板１３１内のホールの中心に配置されたＹＡＧ：Ｃｅの円筒シートである。レーザベース光源１００は、４５０ｎｍのレーザピーク発光波長を持ち、基板１３１のホールを通ってセラミック光コンバータ１３４へ向かうレーザ光を発するレーザ１１０を更に有する。セラミック光コンバータ１３４の中心は、半球サファイアドームのベース領域の中心点及びドームの頂点を通って延在している光取り出しドーム１３６の光軸上に配置される。レーザ光１０の一部は、黄色変換光２０に変換される。レーザ光１０の一部は、セラミック光コンバータ１３４を透過して、黄色変換光２０と青色透過レーザ光１２との結合がサファイアドームの半球面を介して発せられるようにする。結合光の放出の方向は、レーザ光１０がレーザ１１０から受光される方向と本質的に反対である（透過型配置）。セラミック光コンバータ１３４は、光取り出しドーム１３６へ接合されているセラミック光コンバータ１３４の面と反対にある円筒シートの側に、変換光２０を反射する反射面を有してよい。
セラミック光コンバータ１３４と光取り出しドーム１３６との間の優れた熱的結合は、セラミック光コンバータ１３４の熱消光のリスクを下げる。光取り出しドーム１３６の半球形状は、光の大部分が夫々の表面点での半球面の法線に対して微小角度で半球面に達するので、光取り出しドーム１３６の半球面での全内反射の可能性を低下させる。
図２は、図１で記載されたＹＡＧ：Ｃｅセラミック光コンバータ１３４の半径Ｒｉ６２の関数として、サファイア光取り出しドーム１３６のシミュレーションされた熱抵抗６１（Ｋ／Ｗ）を示す。シミュレーションでは、円形対称な構成が考えられた。結果は、原理上、例えば、長方形セラミック光コンバータ１３４及び図１に関連して上述された基板１３１における対応する長方形ホールとしての他の構成についても有効である。セラミック光コンバータ１３４内の耐熱性は、それらのシミュレーションでは無視された。それらのシミュレーションは、従って、光取り出しドーム１３６の熱抵抗、及び光取り出しドーム１３６と基板１３１との間の接着剤のみを考慮する。光取り出しドーム１３６の半径Ｒｏは少なくとも５００μｍである。基板１３１は、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を持った放熱グリース又は接着剤によって光取り出しドーム１３６に接着されている、５０μｍの厚さを持った銅板である。レーザ光１０は、セラミック光コンバータ１３４が一様に照射されるように配置される。レンズ配置としての追加の光学デバイスが、レーザ光１０の幅をセラミック光コンバータ１３４の直径に適応させるために使用されてよい。
線６４は、基板１３１におけるホールの半径Ｒｃがセラミック光コンバータ１３４の半径Ｒｉと同じである場合のシミュレーションの結果を示す。線６５は、基板１３１におけるホールの半径Ｒｃがセラミック光コンバータ１３４の半径Ｒｉよりも１００μｍ大きい場合のシミュレーションの結果を示す。線６６は、基板１３１におけるホールの半径Ｒｃがセラミック光コンバータ１３４の半径Ｒｉと同じであるが、基板１３１とサファイア光取り出しドーム１３６との間の接着剤の厚さが１０μｍではなく１μまで低減される場合のシミュレーションの結果を示す。線６７は、基準として１／ｒ依存関係を示す。シミュレーションは次のことを教示する：
・基板１３１におけるホール開口Ｒｃを広げることは、熱抵抗をわずかに上昇させる；
・基板１３１と光取り出しドーム１３６との間のインターフェイスは、線６４と線６６との間に本質的に差がないので、重要でない；
・熱抵抗は、１／ｒに近似的に比例する。
光取り出しドーム１３６の半径Ｒｏを増大させた更なるシミュレーションは、ドームの半径Ｒｏが少なくとも５００μｍである限りは問題とならないことを示す。熱性能は、光取り出しドーム１３６の半径が、例えば、５００μｍから１０００μｍに増大する場合には、改善しない。しかし、熱性能は、セラミック光コンバータ１３４の半径Ｒｉと光取り出しドーム１３６の半径Ｒｏとの間の比に依存する。光取り出しドーム１３６の半径Ｒｏは、望ましくは、セラミック光コンバータ１３４の半径Ｒｉよりも少なくとも５倍大きく、より望ましくは、少なくとも７倍大きい。
図３は、セラミック光コンバータ１３４内の追加の熱抵抗を考慮している更なるシミュレーション結果を示す。基本構成は、図２の場合と同じであるが、セラミック光コンバータ１３４（蛍光体）の厚さは５０μｍ（線７４）及び２５μｍ（線７５）である。線７６は、セラミック光コンバータ１３４と光取り出しドーム１３６との間の１μｍの厚さを持った接着剤層の追加の熱抵抗を示す。熱的接合又は焼結接合、及び薄いセラミック光コンバータ１３４は、明らかに熱抵抗を下げ、従って、セラミック光コンバータ１３４の熱消光のリスクを下げる。そのため、セラミック光コンバータ１３４の厚さは、望ましくは、５０μｍよりも小さく、より望ましくは、３０μｍよりも小さく、最も望ましくは、２０μｍよりも小さい。
図２及び図３に示されるシミュレーション結果は、表１に関連して説明されるように、セラミック光コンバータ１３４及び光取り出しドーム１３６の種々のアーキテクチャについて総熱抵抗を近似することを可能にする。
Figure 0006964611
 上記の表は、いくつかの対象タイプについての計算された熱抵抗（Ｋ／Ｗ）を示す。２種類の対象が存在する。第１の対象は、セラミック光コンバータ１３４とアルミニウムミラーとの組み合わせである。セラミック光コンバータ１３４は、アルミニウムミラーへ接着又ははんだ付けされてよい。表は、５００２μｍ２（Ｒｉ＝２８２μｍと等価。）のセラミック光コンバータ１３４が使用される場合に、焼結アプローチが、１μの厚さを持った接着剤層による最適な場合における接着アプローチ（４４Ｋ／Ｗ）に匹敵する（Ｒｔｈ＝４３Ｋ／Ｗ）ことを示す。対象がより小さいや否や、焼結アプローチは接着よりもよい。半径Ｒｉ＝１５０μｍの場合に、焼結アプローチは、８０Ｋ／Ｗの熱抵抗をもたらし、一方、アルミニウムミラーに対する接着は、１１６Ｋ／Ｗの熱抵抗をもたらす。はんだ付けは、より一層良く、Ｒｉ＝１００μｍで、焼結による１４２Ｋ／Ｗと比較して５３Ｋ／Ｗの熱抵抗を生じさせる。しかし、はんだ付けは、反射性の対象を必要とする。すなわち、セラミック光コンバータ１３４によって発せられた変換光２０は、レーザ１１０が取り付けられている同じ側へ発せられる（図９を参照。）。透過性の対象（図１、４及び５の構成を参照。）の場合には、焼結により得られる総熱抵抗Ｒｔｈは十分に低い。更に、接着剤層に基づくインターフェイスの場合のように、青色レーザ光１０又は光変換中に発生した熱によってインターフェイスが損傷を受ける可能性がある、というリスクがない。
図４は、第２のレーザベース光源１００の原理スケッチを示す。基板１３１は、基板１３１と光取り出しドーム１３６との間の強い熱的結合によってセラミック光コンバータ１３４の熱負荷を更に減らすヒートシンクとして構成される。強い熱的結合は、図２に関連して説明されたように、薄い接合層１３５によってもたらされる。セラミック光コンバータ１３４、光取り出しドーム１３６及び基板１３１の配置の一般的な構成は、図１に関連して説明されたのと同じである。レーザ光１０は、光導波路１２０によってセラミック光コンバータ１３４へ導かれる。半球形の光取り出しドーム１３６の周縁は、反射構造体１３７によって覆われている。それにより、変換光２０及び透過レーザ光１２は、光取り出しドーム１３６のベース領域の中心及び頂点を通って光軸１３６ａ周りのドーム開口角度α内でしか光取り出しドーム１３６から出ることができない。光軸１３６ａに対するαよりも大きい角度で発せられる変換光２０は、反射構造体１３７によってセラミック光コンバータ１３４へ反射される。より大きい角度で発せられた変換光２０は、従って失われるが、セラミック光コンバータ１３４で反射又は散乱され、最終的にドーム開口角度αにより発せられてよい。レーザベース光源１００の効率は、従って、高められ得る。
第２のレーザベース光源１００は、シールド１４０を更に有する。シールド１４０は、光取り出しドーム１３６の頂部に配置されている。シールド１４０は、光取り出しドーム１３６の頂部の周りの円形コーティングであってよい。このシールド１４０は、セラミック光コンバータ１３４が除去される場合に、レーザ光１０がシールド１４０によって反射又は吸収されるように位置付けられている。シールド１４０は、レーザ光１０がセラミック光コンバータ１３４による広がり又は光変換なしで光取り出しドーム１３６を通過するというリスクを下げる。シールドのサイズ及び形状は、従って、光取り出しドーム１３６に入るレーザ光１０の発光コーンのサイズ及び形状に適応されてよい。
第２のレーザベース光源１００は、側面コーティング１３２を更に有する。側面コーティング１３２は、セラミック光コンバータ１３４の側面による変換光の損失が低減されるように変換光２０を反射するよう構成される。
αよりも大きい角度で発せられた本質的に全ての変換光が、セラミック光コンバータ１３４が光取り出しドーム１３６に接合されている接合領域へ反射し返されるように、セラミック光コンバータ１３４の半径Ｒｉと比較して光取り出しドーム１３６の半径Ｒｏのサイズが配置される場合に、反射構造体１３７は最も有効である。光取り出しドーム１３６の半径Ｒｏは、望ましくは、セラミック光コンバータ１３４の半径Ｒｉよりも少なくとも５倍大きい。
シミュレーション結果は、図１及び図４に示されているレーザベース光源１００の効率の良さを立証する。２５０μｍの半径Ｒｉ及び５０μｍの厚さを有し、３０００μｍの半径Ｒｏを有するサファイア光取り出しドーム１３６に焼結されたＹＡＧ：Ｃｅセラミック光コンバータ１３４が、側面コーティング１３２の有無によりシミュレーションされた。セラミック光コンバータ１３４と光取り出しドーム１３６との間の完ぺきな光学的接触は、屈折率のほぼ完ぺきな一致のために、考慮されている。シミュレーション結果は、側面コーティング１３２がない場合に、変換光２０の８０％が光取り出しドーム１３６を介して発せられることを示す。上述されたように側面コーティング１３２がある場合に、変換光２０の実に９０％が光取り出しドーム１３６を介して発せられる。セラミック光コンバータ１３４の側面によって引き起こされる損失は、厚さを低減されたセラミック光コンバータ１３４を使用することによって、側面コーティング１３２がない場合でも低減され得る。高い光学効率は、変換光２０が全内反射によって光取り出しドーム１３６及びセラミック光コンバータ１３４の背面で本質的に完全に反射されるという事実による。変換光２０は、本質的に全ての変換光が光取り出しドーム１３６を介して結合されるように、夫々の表面点で法線に本質的に平行な光取り出しドーム１３６の表面に到達する。光取り出しドーム１３６から出た後の変換光２０の角度分布は、たいてい、光取り出しドーム１３６の光軸１３６ａに対して大きい角度にある。角度分布は、例えば、ドーム開口角度αによって与えられる予め定義された発光コーンにおいて変換光２０を集めるために、反射構造体１３７が光取り出しドーム１３６に取り付けられていない場合には、例えば、変換光２０を集めるための放物面鏡を必要としうる。
図５は、第３のレーザベース光源１００の原理スケッチを示すが、先と同じく、角度αを画定する反射構造体を示していない。基本構成は、図４に関連して説明された構成とよく似ている。第３のレーザベース光源１００は、図４に関連して記載された光導波路１２０、反射構造体１３７及びシールド１４０を有さない。レーザ光１０は、代わりに、光学デバイス１１５によって光偏向層１３３に焦点を合わせられる。光偏向層１３３は、透過レーザ光１２の発光コーンを広げるよう構成される。それにより、透過レーザ光は、同様に、図４に記載された光軸１３６ａに対するより大きい角度で発せられる。第３のレーザベース光源１００は、部分反射構造体１３８を更に有する。部分反射構造体１３８は、光取り出しドーム１３６の半球面に取り付けられている。部分反射構造体１３８は、半球の表面上で干渉フィルタコーティングを有する。このコーティングは、全ての変換された黄色光２０と、青色レーザ光１０の大部分とを伝える。それは、青色レーザ光１０がセラミック光コンバータ１３４によって吸収及び変換される機会がほとんどないような青色レーザ光１０の波長の場合に、青色レーザ光１０の定義された部分が反射し返されるように配置される（以下の図６に関する説明を参照。）。干渉フィルタコーティングは、上述されたように変換光２０の部分を増大させるように、この青色レーザ光１０をセラミック光コンバータ１３４のコンバータ物質内に送り返す。
図６は、黄色蛍光体ガーネットの吸収係数５５を示す。縦座標５１は吸収係数を示し、横座標５２は波長を示す。波長にわたる吸収係数のスペクトルは、今日の自動車フロント照明用途で使用される黄色蛍光体ガーネット（Ｙ（３−０．４）Ｇｄ０．４，Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ）の典型的な吸収スペクトルを示す。青色レーザ（ダイオード）発光についての典型的な波長範囲である４４０から４６０ｎｍまでで、吸収係数は、２倍よりも大きく増大し、このことは、ＣＩＥ１９７６ｖ’カラーポイントにおいて約０．０６７だけのレーザベース光源１００の大きなカラーポイントシフトを引き起こしうる。レーザベース光源１００は、変換光２０の放出が、例えば、先に図５で示されたレーザ１１０によって発せられるレーザ光１０のピーク発光又は波長範囲と本質的に無関係であるように、構成される。
図７は、第３のレーザベース光源の白色点を安定化させるために必要とされる部分反射構造体１３８の透過曲線５６を示す。部分反射構造体１３８の透過率５３は、線５６によって説明される。部分反射構造体１３８は、４５５ｎｍ（から７００ｎｍまで（図示せず。））を上回ると全透過を有し、それを下回ると特別なエッジを有する特殊な種類のエッジフィルタである。実際には、≒４４０ｎｍを下回る部分は、レーザ波長がそのように低くないので、無関係である。動作点（Ｔ＝１００％の点から）は４５５ｎｍであり、これは、蛍光体材料の吸収極大（図６を参照。）よりもわずかに低い。透過率は、４４３ｎｍで、すなわち、約１０ｎｍ内で、５０％まで下がる。これは急勾配のエッジであるが、極端に急というわけではない。そのような透過率特性は、今日利用可能な多層コーティング技術により実現可能である。他方で、エッジの位置は、数ｎｍ、例えば、２ｎｍ内で正確でなければならず、５ｎｍでは不十分である。これは、ち密なコーティング方法を必要とする。図７の透過率プロファイルを引き出すことは、フィルタが、図５に示される光取り出しドーム１３６の半球配置で使用される場合に、法線入射の下でのみ動作すべきであるという事実によって、著しく簡略化されることになる。反射構造体１３７は、ドーム開口角度α内で部分反射構造体１３８の設計及び製造を簡略化するために、図４に関連して説明されたようなより大きい角度のために加えられてよい。
図８は、図７に関連して説明された透過率を持った部分反射構造体１３８を設計するために考慮に入れられるべき第３のレーザベース光源１００のスペクトル特性を示す。
・線９２は、青色レーザ光１０の波長５２の関数として、セラミック光コンバータ１３４のコンバータ物質のスペクトル吸収曲線を（１／長さの任意単位で）示す。コンバータ物質は、ＹＡＧ：Ｃｅ物質であると仮定される。
・線９３は、この物質から作られた実際のセラミック光コンバータ１３４（ある厚さを有する。）の相対吸収である。ここで、このコンバータは、レーザ光１０が４５５ｎｍの波長（動作波長９１）を有している場合に、入力される青色光のうちの０．８３＝８３％が吸収され変換されるように、設計されている。線９３は、第３のレーザベース光源１００から出る混合光の黄色部分と同じである。
・線９４は、例えば、４５５ｎｍの青色レーザ光１０で伝えられる残りの青色部分、すなわち、０．１７＝１７％である。物質吸収（線９２）、ひいては、黄色部分（線９３）及び青色部分は、青色レーザ光の波長に応じて変化する。これは、透過レーザ光１２及び変換光２０の混合として得られる白色光のカラーポイントを強く変化させることになる。
・線９５は、全ての入力波長について１．０＝１００％である、部分反射構造体１３８なしの全出力である。
これより、部分反射構造体１３８（多層コーティング）が、調整されたスペクトル透過率（線５６；更に図７を参照。）を有して加えられると考えられる。それにより、４５５ｎｍを上回ると、全てのレーザ光１０が透過されるが、４５５ｎｍを下回ると、反射されるレーザ光１０の部分がますます増える。４２０ｎｍでは、ほんの５％しか依然として透過されず、９５％が反射される。この反射されたレーザ光１０は、それがセラミック光コンバータ１３４に帰着するときに黄色光に部分的に変換されることになる。
光取り出しドーム１３６の半球面を覆う部分反射構造体１３８によれば、青色部分及び黄色部分は異なるように振る舞うことになる。結果として現れる青色部分（［出力される青色］＋［出力される黄色］によって除される青色出力）はフラットになることが示され得る（線９７）。これは、レーザ光１０がどのような波長を有していようとも、それが４５５ｎｍを下回らない限りは、カラーポイントが変化しないことを意味する。
しかし、反射された青色レーザ光１０は、セラミック光コンバータの実際的制限に起因して、黄色変換光２０に完全に変換され得ず、部分的に失われる。従って、安定した色の代償は、全放射束の低減である（線９６）。この効果は許容される。例えば、青色レーザ光１０が４４０ｎｍの波長を有している、すなわち、動作波長を１５ｎｍ下回っている場合に、総束は０．９まで、すなわち、１０％だけ低減される。これは、同時に、さもなければ許容されないカラーシフトを回避することによって、受け入れられる。部分反射構造体１３８によらないと、レーザベース光源１００によって発せられた混合光の青色部分は、１７％から４１％まで増大する（線９４）。
図９は、反射配置を備えた第４のレーザベース光源１００の原理スケッチを示すが、角度αを画定する反射構造体を示していない。セラミック光コンバータ１３４及び、部分反射構造体１３８を備えた光取り出しドーム１３６の構成は、図５に関連して説明された構成とよく似ている。しかし、レーザ１１０は、反射レーザ光１１及び変換光２０が部分反射構造体１３８を通って伝えられる基板１３１の同じ側に配置されている。光取り出しドーム１３６及びセラミック光コンバータ１３４は、接合層１３５によって基板１３１に接合されている。基板１３１は、この場合にヒートシンクとして構成され、高い熱伝導率を持った材料を有する。同じ接合材料は、光取り出しドーム１３６及びセラミック光コンバータ１３４を基板１３１に接合するために使用されてよい。代替的に、異なった接合材料が使用されてもよい。光取り出しドーム１３６を基板１３１に接合するために使用される接合層１３５は、接着剤であってよい。セラミック光コンバータ１３４を基板１３１に接合するために使用される接合層１３５は、セラミック光コンバータ１３４と基板１３１との間の熱伝導率を高めるために、はんだであってよい。セラミック光コンバータ１３４は、レーザ光１０及び任意に変換光２０を反射するために、はんだと光変換材との間に反射層を有してよい。レーザ光１０は、レーザ光１０の一部の反射を回避するために、部分反射構造体１３８にある窓１３９を通ってセラミック光コンバータ１３４へ伝えられる。セラミック光コンバータ１３４は、反射レーザ光１１の発光コーンを広げるために、散乱粒子を有してよい。レーザベース光源１００は、図４に関連して記載された反射構造体１３７を任意に有してよい。反射構造体１３７は、窓１３９と同様の窓を有してよく、それにより、レーザ光１０は光取り出しドーム１３６に入ることができる。反射構造体１３７は、部分反射構造体１３８の上又は下に配置されてよい。代替的に、反射構造体１３７は、図４に関連して説明されたドーム開口角度αよりも大きい角度で部分反射構造体１３８に取って代わってよい。
本発明は、図面及び前述の説明において詳細に例示及び記載されてきたが、そのような例示及び記載は、限定ではなく実例又は事例と見なされるべきである。
本開示を読むことで、他の変更が当業者に明らかだろう。そのような変更は、当該技術で既に知られており、ここで既に記載されている特徴に代えて又はそれに加えて使用され得る他の特徴を伴ってよい。
開示されている実施形態に対する変形は、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から当業者によって理解及び達成され得る。特許請求の範囲において、語“有する”（comprising）は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞（“a”又は“an”）は、複数の要素又はステップを除外しない。特定手段が相互に異なる従属請求項で挙げられているという単なる事実は、それらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示すわけではない。
特許請求の範囲における如何なる参照符号も、その適用範囲を制限するものと解釈されるべきではない。
１０ レーザ光
１１ 反射レーザ光
１２ 透過レーザ光
２０ 変換光
５１ 吸収
５２ 波長
５３ スペクトル透過率
５５ ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の吸収係数
５６ 部分反射構造体の透過率
６１ 熱抵抗（Ｋ／Ｗ）
６２ 蛍光体半径Ｒｉ（μｍ）
６４ Ｒｃ＝Ｒｉ及び１０μｍ接着剤についての熱抵抗
６５ Ｒｃ＝Ｒｉ＋１００μｍについての熱抵抗
６６ Ｒｃ＝Ｒｉ及び１μｍ接着剤についての熱抵抗
６７ １／ｒ依存関係
７４ ５０μｍの蛍光体厚さでの熱抵抗
７５ ２５μｍの蛍光体厚さでの熱抵抗
７６ １μｍの接着剤層の熱抵抗
９１ ４５５ｎｍの動作波長
９２ 物質吸収（任意単位）
９３ サンプル変換
９４ 青色部分（部分反射構造体なし）
９５ 全出力（部分反射構造体なし）
９６ 全出力（部分反射構造体あり）
９７ 青色部分（部分反射構造体あり）
１００ レーザベース光源
１１０ レーザ
１１５ 光学デバイス
１２０ 光導波路
１３１ 基板
１３２ 側面コーティング
１３３ 光偏向層
１３４ セラミック光コンバータ
１３５ 接合層
１３６ 光取り出しドーム
１３６ａ 光軸
１３７ 反射構造体
１３８ 部分反射構造体
１３９ 窓
１４０ シールド
α ドーム開口角度
Ｒｉ 蛍光体半径
Ｒｃ 基板開口の半径
Ｒｏ ドームの半径

Claims (12)

  1. レーザピーク発光波長でレーザ光を発するよう構成されるレーザと、
    前記レーザ光の一部を変換光に変換するよう構成され、該変換光のピーク発光波長が、前記レーザピーク発光波長よりも長い波長範囲にある、セラミック光コンバータと、
    ２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも大きい熱伝導率を持った物質を含む少なくとも２．５×１０５μｍ２のベース領域を有する光取り出しドームであり、少なくとも８×１０３μｍ２の前記光取り出しドームの前記ベース領域の接合領域が、前記セラミック光コンバータへ接着剤なしで接合され、前記ベース領域が、前記レーザによって照らされるよう構成される前記セラミック光コンバータの面積よりも少なくとも２５倍大きい、前記光取り出しドームと、
    前記光取り出しドームへ熱的に結合される基板と
    を有し、
    前記光取り出しドームは、前記ベース領域の中心点を通って且つ前記光取り出しドームの頂点を通って延在する光軸を有し、
    前記セラミック光コンバータの中心は、前記光取り出しドームの前記光軸上に又はその近くに配置され、
    前記光取り出しドームは、前記ベース領域の周りの前記光取り出しドームの周縁を覆う反射構造体を有し、
    前記反射構造体は、前記光取り出しドームの前記光軸に対してα＝６５°よりも大きい角度で前記光取り出しドーム内に発せられた前記変換光が前記セラミック光コンバータの方向に反射され返すように配置される、
    レーザベース光源。
  2. 前記光取り出しドームは、サファイアの半球を有し、
    前記セラミック光コンバータは、前記光取り出しドームへ熱接合され、
    前記レーザは、前記変換光の少なくとも５０％が前記光取り出しドームを介して発せられるように、青色レーザピーク発光波長を持ったレーザ光を前記基板の開口を通って前記セラミック光コンバータへ発するよう構成される、
    請求項１に記載のレーザベース光源。
  3. 前記セラミック光コンバータは、黄色蛍光体ガーネットを有し、
    当該レーザベース光源は、前記変換光の少なくとも一部と、前記セラミック光コンバータを通って伝えられる透過レーザ光の少なくとも一部とを有する白色光を発するよう構成される、
    請求項２に記載のレーザベース光源。
  4. 当該レーザベース光源は、前記セラミック光コンバータの側面に付着された側面コーティングを有し、
    前記セラミック光コンバータの前記側面は、前記接合領域に対して傾斜する、
    請求項１又は２に記載のレーザベース光源。
  5. 前記レーザから発せられた前記レーザ光の一部は、前記セラミック光コンバータを透過して透過レーザ光となり、
    前記レーザ光の発光コーンは、前記光取り出しドームを介して発せられた前記変換光及び前記透過レーザ光が前記光軸の周りの角度α内で重なり合うように、前記反射構造体によって画定された前記角度αに適応される、
    請求項１又は２に記載のレーザベース光源。
  6. 当該レーザベース光源は、前記レーザからの前記レーザ光を前記セラミック光コンバータへ導くよう構成される光導波路を有し、該光導波路は、前記透過レーザ光の発光コーンを画定するよう適応される開口数を有する、
    請求項５に記載のレーザベース光源。
  7. 当該レーザベース光源は、前記セラミック光コンバータへ結合された光偏向層を有し、該光偏向層は、前記透過レーザ光の発光コーンを画定するよう構成される、
    請求項５に記載のレーザベース光源。
  8. 当該レーザベース光源は、前記光取り出しドームへ結合された部分反射構造体を有し、該部分反射構造体の光透過率は、前記変換光の一部及び前記レーザ光の一部を有する混合光のカラーポイントが安定化されるように、前記レーザピーク発光波長に所定の波長範囲内で従属する、
    請求項１又は２に記載のレーザベース光源。
  9. 前記光取り出しドームは、サファイアの半球を有し、
    前記セラミック光コンバータは、前記光取り出しドームへ熱接合された黄色蛍光体ガーネットを有し、
    前記レーザは、青色レーザピーク発光波長を持ったレーザ光を前記光取り出しドームを通って前記セラミック光コンバータへ発するよう構成され、
    当該レーザベース光源は、前記変換光の少なくとも一部及び前記レーザ光の少なくとも一部を有する白色光を発するよう構成される、
    請求項１に記載のレーザベース光源。
  10. 前記セラミック光コンバータは、接合層によって前記基板へ直接に接合される、
    請求項９に記載のレーザベース光源。
  11. 前記セラミック光コンバータが前記光取り出しドームから取り除かれる場合に前記レーザ光が遮られるようにシールドが前記光取り出しドームに取り付けられる、
    請求項１又は２に記載のレーザベース光源。
  12. 請求項１乃至１１のうちいずれか一項に記載のレーザベース光源を少なくとも１つ有する車両ヘッドライト。
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