JP7154280B2 - 高輝度光変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、光変換装置と、そのような光変換装置を含むレーザベースの光源と、そのようなレーザベースの光源を含む車両用ヘッドライトとに関する。

高輝度光源では、しばしば、例えば、レーザによって放射される青色光によって励起される、光変換装置が使用される。光変換装置の光変換器（例えば、セラミック蛍光体）は、ヒートシンクと蛍光体との間に設けられる接着剤又ははんだの層によってヒートシンクに接着される。特に青色レーザ光の高強度及び蛍光体による光変換によって引き起こされる高温は、信頼性の問題を引き起こすことがある。

ＵＳ２０１６／０３８０１６１Ａ１は、光変換器へのレンズのような光学系(optic)の接合を開示している。光変換器からの熱伝達(heat transfer)を向上させるためのオプションとして、ワイヤ、導体、ネットワーク、又はグリッドの形態の金属層又はダイヤモンド層が、コンバータの底側、コンバータの頂側及び／又はコンバータ内に一体化されることがある。

ＵＳ２０１５／０１８４８３０Ａ１は、ヒートシンクのための或いは光変換器と接触するヒートシンクの層のための材料としてダイヤモンドを開示している。

ＤＥ１０２０１２２０４７８６Ａ１は、反射構成において、光入射側／出射側で光変換器を覆って、そのような側に沿って光変換器から熱を伝達する、ダイヤモンド小板を開示している。

例えば、数Ｇｃｄ／ｍ^２のオーダの、非常に高い輝度を提供することができる、光変換装置を提供することが、本発明の目的である。

本発明は、独立項によって定義される。従属項は、有利な実施形態を定義する。

本発明の第１の態様によれば、光変換装置が提供される。光変換装置は、接合層スタックを含む。接合層スタックは、光変換器とダイヤモンド層とからなるか、或いはそれらを含む。ダイヤモンド層は、ダイヤモンド層と光変換器との間の熱伝達係数が最大にされるような方法において、光変換器の接合表面に接合される。好ましくは、両方の層の間に熱接触抵抗がない。光変換器は、レーザ光を変換光に変換するように構成され、変換光のピーク放射波長は、レーザ光のレーザピーク放射波長よりも長い波長範囲内にある。ダイヤモンド層の屈折率（例えば、４５０ｎｍでｎ＝２．４）は、光変換器の屈折率（例えば、４５０ｎｍでｎ＝１．８）よりも大きい。光取出し構造が、接合層スタックの第１の表面に取り付けられる。接合層スタックの第２の表面が、レーザ光を受け取るように構成される光入射表面である。接合表面は、接合層スタックの第１の表面と第２の表面との間に配置される。光取出し構造の屈折率は、光変換器の屈折率の少なくとも９０％であり、好ましくは、光変換器の屈折率の少なくとも９５％であり、最も好ましくは、光変換器の屈折率と少なくとも同じである。光取出し構造は、光入射表面から光取出し構造への放射経路を横断する光の全反射が低減されるように、接合層スタックの第１の表面に光学的に結合される。

上述のような光変換装置を含むレーザベースの白色光源は、特定の領域において、例えば、自動車用ヘッドライトにおいて非常に魅力的である。レーザベースの光源の利点は、例えば、青色レーザダイオードによって放射されるレーザ光を、青色ＬＥＤよりも光変換器（又は「蛍光体」）上のより一層小さなスポットに集束させ得ることである。従って、レーザベースの光源は、これまでは短アークガス放電ランプでのみ到達し得た範囲である、Ｇｃｄ／ｍ^２のオーダの非常に高い輝度を供給することができる。

レーザ励起蛍光体の着想は単純であるが、熱的な理由から実施するのは困難である。蛍光体は、効率的なままであるために、低温（＜２００℃）に維持されなければならない。温度が上昇すると、効率が低下し、熱損失が増大すると、温度はより一層上昇する。この悪循環（「熱ロールオーバー(thermal rollover)」）は、蛍光体の完全な「クエンチング(quenching)」につながる。即ち、その場合、光変換は、非常に非効率的であり、蛍光体は、非常に高温（例えば、３００℃）になる。

今日知られている着想は、全て、最大熱負荷、よって、生成される輝度が、約１Ｇｃｄ／ｍ^２に制限されるという欠点を有する。なぜならば、光変換器（蛍光体）内の活性領域と隣のヒートシンクとの間の熱抵抗Ｒｔｈが大きすぎるからである。所与の輝度Ｌを有する白色光源を依然として可能にする最大熱抵抗Ｒｔｈが以下の不等式を満たすことを示すことができる。

ここで、Ｌは、ｃｄ／ｍｍ^２で与えられ、光変換器の表面積Ａはｍｍ^２で与えられ、Ｒｔｈは、Ｋ／Ｗで与えられ、ΔＴｍａｘは、Ｋで与えられる。その場合、ΔＴｍａｘは、ヒートシンク温度に対する蛍光体の最大許容温度上昇である。例えば、Ｌ＝１０００ｃｄ／ｍｍ^２及びΔＴｍａｘ＝５０Ｋより下で機能しなければならない表面積Ａ＝０．２５ｍｍ^２を備える光変換器は、５０μｍの光変換器小板（例えば、セラミック蛍光体）（Ｒｔｈ＝１２．５Ｋ／Ｗ）より下で１μｍの厚さの接着剤層（Ｒｔｈ＝２０Ｋ／Ｗ）で依然として実現可能である、５０Ｋ／ＷまでのＲｔｈを有することができる。

対照的に、Ｌ＝１００００ｃｄ／ｍｍ^２を有する極端な光源を作り、蛍光体を低温（ΔＴｍａｘ＜５０Ｋ）に依然として維持するために、積Ａ×Ｒｔｈは１０ｘだけより小さいことが必要である。ポンプパワー及び総流量が以前と同じままであると仮定すると、これは面積Ａが１０ｘだけより小さくなることを必要とすることを意味する。これはＲｔｈが以前と同じままであることを可能にする、即ち、５０Ｋ／Ｗ程の大きさになることを可能にする。しかしながら、１０ｘだけより小さい面積Ａであることを考えれば、これは実現するのが極めて困難である。具体的には、たとえ２０μｍの厚さに過ぎない極めて薄いセラミック蛍光体小板であるとしても、そのような０．０２５ｍｍ^２の小さな表面積サイズは、５０Ｋ／Ｗの最大許容熱抵抗Ｒｔｈの１００％に既に寄与しており、それは界面に起因する並びにヒートシンクに起因するＲｔｈの更なる上昇が許容され得ないことを意味する。

従って、光変換器に表面接合された薄いダイヤモンド層が、ヒートスプレッダ(heat spreader)として使用される。（バルクダイヤモンドについては２０００Ｗ／（ｍ×Ｋ）である並びに薄層構成については約１０００Ｗ／（ｍ×Ｋ）である）ダイヤモンドの極めて高い熱伝導率は、光変換器とダイヤモンド層との間の界面（接合）が無視できる熱接触抵抗を有するならば、光変換器の熱抵抗を光変換器の不可避な内部熱抵抗にまで低減させる。光変換器（例えば、蛍光体セラミック）とダイヤモンド層との間のそのような接合は、例えば、熱接合(thermal bonding)によって得ることがある。代替的に、ダイヤモンド層は、光変換材料（例えば、セラミック蛍光体）からなる基板上での化学蒸着によって堆積されることがある。光変換器基板は、その後、必要な厚さに研磨されてよい。

ダイヤモンド層及び光変換器によって形成されるサンドイッチ構造内の特に変換光の誘導を避けるために、光変換器の材料の屈折率の少なくとも９０％である屈折率を有する光取出し構造が使用される。光取出し構造は、ダイヤモンド層と光取出し構造との間の任意の界面での全反射が低減されるように、ダイヤモンド層に結合される。光取出し構造は、例えば、如何なる中間接着層も用いないでダイヤモンド層に接合（例えば、熱接合）されることができる材料を含んでよい。

ダイヤモンド層は、レーザ光の変換中に生成される熱を、例えば、レーザ光を用いて照らされる領域よりも一層大きい領域に亘って、黄色の変換光に広げるように構成される。従って、光取出し構造材料の熱伝導率は、幾分小さくてよい（例えば、１Ｗ／（ｍ×Ｋ）未満でよい）。従って、十分な熱放散を可能にするために、３０Ｗ／Ｋよりも大きい熱伝導率を有するサファイアのような材料を使用する必要はない。光取出し構造は、例えば、ドームの平坦な表面が接合層スタックに結合される、（例えば、半球形）ドームのような形状であってよい。

（光は光入射表面を介して接合層スタックに入り、接合層スタックの反対側の表面を介して接合層スタックから出る）透過変換アプローチにおいて如何なる光取出し構造も有さない接合層スタックを使用することは、一見すると有利であるように思われる。光取出し構造は、照明源（光変換器の励起されたスポット(pumped spot)）のサイズがより大きく見え、よって、輝度を減少させるという効果を有する。倍率は、光取出し構造の屈折率と、光が光取出し構造から取り出されなければならない隣接する物質（通常は空気）の屈折率との間の比に依存する。倍率は、光取出し構造の１．８の屈折率及び空気中への取出しの場合に、

である。

この効果は、光取出し構造を介して変換される（例えば、黄色の）光の光出力を、光取出し構造を用いない約５０％に比べて９０％に増加させることによって、部分的にのみ補償される。これは、輝度減少を１．８の因数だけ減少させる。

しかしながら、シミュレーションは、光取出し構造を用いずに、レーザ光及び特に変換光が誘導され、よって、全反射によって接合層スタック内に捕捉されることを示した。数回のそのような反射の後に、接合層スタック内の光分布を不鮮明にして(smearing)初めて、光は接合層スタックから最終的に出ることができる。実際には、そのようなスメアリング(smearing)は、光取出し構造による上記で議論した見かけの倍率よりも一層厳しい、光変換器のレーザ励起スポット(laser pumped spot)の見かけの倍率をもたらす。よって、上記で議論した一見した考えとは異なり、光取出し構造で得られる輝度は、そのような光取出し構造を具備しない接合層スタックのみを使用するよりも一層高い。

光取出し構造は、例えば、眼鏡のレンズのために使用されるランタン緻密フリント又は何らかの緻密フリント又は高ｎプラスチック材料のような、高屈折率ｎガラスで構成されてよい。１．６５よりも大きい、特に１．７よりも大きい屈折率を有するプラスチック材料は、接合層スタックを光取出し構造に接着するために中間光学取込み層が必要とされないように、２００℃未満の中程度の温度で接合層スタックを光取出し構造に容易に取り付けることができるという利点を有する。

接合層スタックの第１の表面は、光変換器の接合表面に接合されるダイヤモンド層の表面とは反対側のダイヤモンド層の表面であってよい。

代替的に、接合層スタックの第１の表面は、光変換器の接合表面とは反対側の光変換器の表面であってよい。シミュレーションは、この構成が、光取出し構造の隣にあるダイヤモンド層を備える構成と比較して、前方取出し（光取出し構造を介した光取出し）を約１０％だけ更に増加させ得ることを示した。

光取出し構造は、光学取込み層を用いて接合層スタックの第１の表面に取り付けられてよい。光学取込み層の屈折率は、光変換器の屈折率の少なくとも９０％であり、より好ましくは、光変換器の屈折率の少なくとも９５％であり、最も好ましくは、光変換器の屈折率と同じである。しかしながら、光取出し構造の屈折率は、必ずしも光学取込み層の屈折率以上である必要がない。光学取込み層は、接合層スタックを光取出し構造に付着又は接着させるために使用される。光取出し構造と接合層スタックとを機械的に結合するための（少なくともレーザ光及び変換光の波長範囲内で）光学的に透明な接着剤の適切な選択は、さもなければそれらの接触界面での反射によって引き起こされることがある光学損失を減少させることがある。

光学取込み層は、好ましくは、１０μｍよりも薄く、より好ましくは、５μｍよりも薄く、最も好ましくは、１μｍよりも薄い。一般的に、光学取込み層の厚さは、光取出し構造の厚さと比較して小さくなければならない。光学取込み層の厚さは、半球形の光取出し構造（厚さ＜ｒ／１００）の場合、光取出し構造の半径ｒと比較して特に小さくなければならない。光学取込み層は、例えば、１．７以上の屈折率１．７を有する光学接着剤であってよい。

ダイヤモンド層は、細長くてよく、ダイヤモンド層の長さは、ダイヤモンド層の幅の少なくとも２倍である。光変換器は、特に光変換器の表面を光取出し構造に取り付ける場合には、ダイヤモンド層と同じ寸法（長さ及び幅）によって特徴付けられてよい。代替的に、光変換器の一部が取り除かれてよい。

ダイヤモンド層の幅は、好ましくは、５００μｍ未満であり、好ましくは、４００μｍ未満であり、最も好ましくは、３００μｍ未満であってよい。接合層スタック及び特にダイヤモンド層の細長い形態は、光変換中に生成される熱の放散のために十分である。従って、細長い形態は、接合層スタックのために必要とされる材料、従って、コストを低減させる。更に、細長い形状は、３方向におけるレーザ光及び変換光の誘導を低減させる。従って、光変換装置を用いて提供することができる輝度が増加されることがある。

ダイヤモンド層又は接合層スタックは、光取出し構造の光学軸(optical axis)に対して非対称的に配置されてよい。非対称な構成は、ヒートシンクへの熱結合(thermal coupling)を単純化するために使用されてよい。

光変換器は、細長い接合層スタックの場合、光取出し構造の光学軸に対して対称的に配置されてよい。この場合、細長い接合層スタックは、光取出し構造の光学軸に対して対称的又は非対称的に配置されてよい。光変換器の一部は、例えば、光取出し構造又は追加的なヒートシンクへの良好な熱結合を可能にするために、非対称ダイヤモンド層が光取出し構造の一方の側に延びるように取り除かれてよく、光変換器の残余の部分は、光学軸の周りに対称的に配置される。この実施形態において、ダイヤモンド層の長さ方向に平行な光変換器の延伸(extension)は、ダイヤモンド層の長さよりも小さい。

接合表面に対して垂直な光変換器の厚さは、６０μｍ未満であり、好ましくは、４０μｍ未満であり、最も好ましくはｋ２５μｍ未満である。

接合表面に対して垂直なダイヤモンド層の厚さは、６０μｍ未満であり、好ましくは、４０μｍ未満であり、最も好ましくは、２５μｍ未満である。

光取出し構造は、半球体であってよい。半球体の直径は、半球体の光学軸に対して垂直な光変換器の最長の延伸の少なくとも５倍であってよい。半球体のサイズは収差を低減させ、加えて、接合層スタックのエッジからの光の全反射が低減される。光学軸は、この場合、接合層スタックが円形断面の中心を通じて取り付けられる半球体の円形断面に対して垂直に配置される。光取出し構造の延伸は、総光出力を増加させることがある。

接合層スタックは、ヒートシンクに熱的に結合されてよい。接合層スタックは、例えば、熱結合層を用いてヒートシンクに結合されてよい。

ダイヤモンド層は、熱結合層を用いてヒートシンクに取り付けられてよい。ダイヤモンド層の表面とヒートシンクの表面との間に熱結合層の他に中間層がないようにダイヤモンド層を配置することは、ダイヤモンド層とヒートシンクとの間の熱伝達係数を増加させることがある。熱結合層は、光変換器の改良された冷却を提供するために、比較的高い熱伝導率を有する材料で構成されてよい。

接合層スタックは、光入射表面に取り付けられる反射防止被膜を含んでよい。反射防止被膜は、レーザ光の反射を減少させるように配置される。反射防止被膜は、ピークレーザ波長の周りのレーザ光の反射を減少させる、或いは回避さえする。反射防止被膜は、ダイヤモンド層の表面が光入射表面である場合、青色レーザ光の波長範囲（例えば、約４５０ｎｍ）において約２．４のダイヤモンド層の高い屈折率の故に特に有用なことがある。

接合層スタックは、光入射表面に取り付けられる反射被膜を更に含んでよい。反射被膜は、変換光を反射するように配置される。反射被膜は、レーザ光のピーク放射波長を含む波長範囲内で透明である。反射被膜は、光入射表面を介する変換光の損失を回避させるように或いは少なくとも減少させるように配置される。反射被膜は、上述の反射防止被膜と同一であってよい。

光変換装置は、例えば、４５０ｎｍのレーザピーク放射波長でレーザ光を放射する１つ又はそれよりも多くのレーザを含む自動車用ヘッドライトに使用されてよい。光変換器は、この場合、黄色の蛍光体ガーネット（例えば、Ｙ_{（３－０．４）}Ｇｄ_０．４，Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ）を含んでよく、或いはそれで構成されてよい。青色レーザ光と黄色の変換光との混合物を使用して白色光を生成してよい。そのような黄色の蛍光体ガーネットは、約１．８の屈折率によって特徴付けられる。従って、上記で議論した屈折率と本質的に同じ屈折率を有する或いはより高い屈折率さえも有する光取出し構造を使用することさえも可能である。

更なる態様によれば、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、上述のような光変換装置と、レーザとを含む。

レーザベースの光源は、例えば、青色レーザ光を放射する２つ、３つ、４つ又はそれよりも多くの（例えば、アレイに配列された）レーザを含んでよい。

更なる態様によれば、車両用ヘッドライトが提供される。車両用ヘッドライトは、少なくとも１つの上述のようなレーザベースの光源を含む。車両用ヘッドライトは、２つ、３つ、４つ又はそれよりも多くの上述のようなレーザベースの光源を含んでよい。

本発明の好ましい実施形態は、それぞれの独立クレームと従属項との任意の組み合わせであり得ることを理解されたい。

更なる有利な実施形態を以下に定義する。

本発明のこれらの態様及び他の態様は、以下に記載する実施形態から明らかであり、それらを参照して解明されるであろう。

次に、添付の図面を参照して、実施形態に基づいて、本発明を一例として記載する。

本発明の光変換装置の第１の実施形態の主な概略図を示している。 第１の実施形態に関して議論した光変換装置と類似する光変換装置を用いた光分布のシミュレーション結果を示している。 本発明の光変換装置の第２の実施形態の断面の主な概略図を示している。 光変換装置の第２の実施形態の底面図の主な概略図を示している。 第２の実施形態に関して議論した光変換装置と類似する光変換装置を用いた光分布のシミュレーション結果を示している。 図２に関して議論した実施形態と図５に関して議論した実施形態とを比較したシミュレーション結果を示している。 図２に関して議論した実施形態と図５に関して議論した実施形態とを比較したシミュレーション結果の別の評価を示している。

図において、同等の番号は、本明細書を通じて同等の物体を指している。図中の物体は、必ずしも縮尺通りに描かれていない。

次に、図を用いて、本発明の様々な実施形態を記載する。

図１は、レーザベースの光源１００によって構成される本発明の光変換装置１３０の第１の実施形態の主な概略図を示している。光変換装置１３０は、ダイヤモンド層１３５と、ダイヤモンド層１３５に熱的に接合された(bonded)光変換器１３４とを含む、接合層スタック(接合層積重ね)(bonded layer stack)を含む。ダイヤモンド層１３５は、この実施形態において、２５μｍの厚さを有し、光変換器１３４は、４０μｍの厚さを有する。接合層スタックは、光取出し構造１３６の光学軸(optical axis)に対して円形を有し、光取出し構造１３６は、この場合、接合層スタックによって構成される光変換器１３４に（例えば、熱接合によって）取り付けられたガラスからなる（例えば、直径４ｍｍの）半球体である。接合層スタックへの光取出し構造１３６の熱接合は、光学損失を引き起こすことがある追加的な中間層がないという利点を有することがある。更に、光取出し構造１３６が（ヒートシンクとして作用する）熱放散を支援する(support)ように、光取出し構造１３６と接合層スタックとの間の熱抵抗が低減されることがある。光変換器１３４は、レーザ１１０によって放射される青色レーザ光１０の一部を黄色の変換光２０(変換された光)に変換するように構成される蛍光体(phosphor)（例えば、ＹＡＧ：Ｃｅ）を含む。従って、光変換装置１３０は、白色光（青色透過レーザ光１２と黄色の変換光２０との混合物）を放射するように構成される。光取出し構造１３６から離れて配置される接合層スタックのダイヤモンド層１３５の表面の少なくとも一部は、レーザ１１０によって放射されるレーザ光１０を受け取るために使用される。光入射表面として使用されるダイヤモンド層１３５の表面の一部は、レーザ光１０の反射を回避するために或いは少なくとも減少させるために、反射防止被膜（図示せず）によって覆われてよい。光入射表面又は窓の周囲のダイヤモンド層１３５の表面は、熱結合層１３２を用いてヒートシンク１３１に熱的に結合される。ヒートシンク１３１は、この場合、円形穴を備える長方形のアルミニウムブロックであり、レーザ光１０は、円形穴を通じて接合層スタックに衝突する。

図２は、図１に示すような光取出し構造１３６と光変換器１３４との間の界面（無限小距離(infinitesimal distance)）の直ぐ上にある光取出し構造１３６に亘るシミュレーション平面１４０におけるレーザ光１０の放射方向に対して垂直なマイクロメートルで表された水平方向２１０及びマイクロメートルで表された垂直方向２２０に沿う光分布(light distribution)のシミュレーション結果を示している。光変換装置は、図１の第１の実施形態に関して議論した光変換装置１３０に類似する。接合層スタックの外側光変換器表面は、この場合、接着剤を用いて光取出し構造１３６に取り付けられる。接合層スタックは、１２ｍｍの直径によって特徴付けられ、ダイヤモンド層１３５及び光変換器１３４は、それぞれ、２５μｍの厚さを有する。光取出し構造１３６は、再び、接合層スタックの光変換器１３４（ＹＡＧ：Ｃｅ）の屈折率と同じである１．８の屈折率（例えば、ランタン緻密フリント(lanthanum dense flint)からなるガラス）を備える半球体ドーム(half sphere dome)である。接着剤も、この計算において、屈折率１．８によって特徴付けられる。青色レーザー光１０は、ドームの光学軸に対して垂直な２００μｍ×２００μｍの領域(面積)(area)に注入される。この領域の中心は、ドームの光学軸と整列させられる。従って、黄色の光（シミュレーションにおいて想定された１Ｗの黄色の光）も、本質的にこの小さなゾーン内で生成される。ドーム形状の光取出し構造１３６は、光が本質的にドームの方向にのみ取り出される(coupled out)という効果を有する。前方取出し(forward outcoupling)（レーザ１０によって提供される光に対して光取出し構造１３６を介して放射される光）は、９０％よりも良好である。光の約５０％が、光学軸の周りの２５０μｍ×２５０μｍの領域によって放射される。強度２３０は、１０^７Ｗ／ｍ^２において与えられ、最大値は、シミュレートされた光分布（水平方向２１０において０μｍ及び垂直方向２２０において０μｍ）の中心での約１．４×１０^７Ｗ／ｍ^２である。

図３は、レーザベースの光源１００によって構成される本発明の光変換装置１３０の第２の実施形態の断面の主な概略図を示している。光変換装置１３０は、ダイヤモンド層１３５と光変換器１３４とを含む接合層スタックを含む。ダイヤモンド層１３５は、光変換器１３４上の化学蒸気位置を用いて堆積された。ダイヤモンド層１３５は、この実施形態において、２５μｍの厚さを有し、光変換器１３４も、２５μｍの厚さを有する。接合層スタックのダイヤモンド層１３５は、この場合、光変換器１３４の接合表面から離れて位置付けられた接合層スタックのダイヤモンド表面に光学取込み層１３７を用いて接着された、１．７４の屈折率を備えるプラスチック半球体（例えば、Mitsui Chemicalsによって供給される超薄膜レンズ用の高屈折率レンズ材料）である、光取出し構造１３６の光学軸に対する細長い形状によって特徴付けられる。光学取込み層１３７は、約１．７の屈折率を備える光学接着剤（例えば、Norland Optical Adhesive 170）である。光変換器１３４は、レーザ光１０の一部を変換光２０に変換するように構成される（例えば、１．７又は１．８の屈折率を備える）蛍光体材料を含む。光変換装置１３０は、透過レーザ光１２と変換光２０との混合物を放射するように構成される。光変換器１３４の一部は、２５０μｍの直径を備える円形の変換領域のみが存在するように、ダイヤモンド層１３５から取り除かれ、レーザ光１０は、レーザ１１０によって、円形の変換領域に放射される。光変換器１３４によって覆われない細長いダイヤモンド層１３５の表面の一部（２５０μｍの幅及び２ｍｍの長さ）は、熱結合層１３２によってヒートシンク１３１に熱的に結合される。ヒートシンク１３１は、この場合、長方形の金属ブロックである。シミュレーションは、驚くべきことに、光が、２５０μｍの幅と比較して、５０μｍの実質的な高さを有する接合層スタックの側面を介して失われないことを示す。光取出し構造１３６は、そして、この場合、適切に適合させられた光学取込み層１３７は、光の大部分が、透過経路接合層スタック、光学取込み層１３７、そして、最終的に、光取出し構造１３６を介して取り出される他の表面と比較して、この界面での全反射の可能性を減少させる。

図４は、光変換装置１３０の第２の実施形態の底面図の主な概略図を示している。この点に関して、底面図は、光変換装置１３０が図３に示すレーザ１１０の位置から見て示されることを意味する。細長いダイヤモンド層１３５は、ドーム形状の光変換器１３６の光学軸に対して円対称に配置された光変換器１３４の円形残部に接合される。細長いダイヤモンド層１３５の一部が、光取出し構造１３６とヒートシンク１３１との間に挟装されている。ダイヤモンド層１３５の約１０００Ｗ／（ｍ×Ｋ）の熱伝導率は、ダイヤモンド層１３５の厚さ及び幅との組み合わせにおいて、光変換器の照明中に生成される熱を消散することができるように構成される。光変換器１３４の温度は、光変換装置１３０によって５Ｇｃｄ／ｍ^２の輝度を提供することができるという事実にも拘わらず、１５０℃を超えない。

図５は、上記の図３及び図４の第２の実施形態に関して議論した光変換装置と類似する光変換装置１３０を用いた光分布のシミュレーション結果を示している。シミュレーション結果は、図１に示すように、シミュレーション平面１４０について計算される。接合層スタックは、細長い、この場合には、長方形の形状（舌状のストライプ(tongue like stripe)）を有し、２５０μｍの幅と、２ｍｍの長さとを備える。光変換器１３４の接合表面から離れて配置されたダイヤモンド層１３５の表面は、光学接着剤を用いて光取出し構造１３６に接合される。光取出し構造及び光学接着剤の材料は、光変換器１３４と同じ屈折率（ｎ＝１．８）を有する。図２に関して議論したばかりのように、２００μｍ×２００μｍの光生成領域がレーザ１１０によって照らされる。光生成領域は、光取出し構造の光学軸と整列させられる。細長い長方形の形状は、光学軸の周りの強度が図２に関して議論した強度分布と比較してより一層高いように、光取出し構造１３６の光学軸に対して垂直な３方向におけるレーザ光１０及び変換光の誘導を回避する。光分布の中心における最大強度２３０は、約１．６×１０^７Ｗ／ｍ^２である。従って、細長い形状を使用して、光変換装置１３０を含むレーザベースの光源１００の強度又は輝度を更に増大させることができる。同時に、光変換器１３４の十分な冷却が、ヒートシンク１３１への（並びに光取出し構造１３６への）ダイヤモンド層１３５の熱結合を用いて可能にされる。

図６は、図２に関して議論した実施形態と図５に関して議論した実施形態とを比較したシミュレーション結果を示している。図６は、強度分布の中心を通じる断面に沿う強度分布を示している。水平軸は、中心からの距離がマイクロメートルで与えられる水平方向２１０を示している（光取出し構造１３６の光学軸は中心を通じて延びている）。垂直軸は、２３０Ｗ／ｍ２の強度を示している。線２３４は、図５に関して議論したようなストライプ状の又は舌状の細長い接合層スタックの強度分布を示している。

線２３２は、図２に関して議論したような拡張された接合層スタックの強度分布を示している。比較は、細長い接合層スタックを備える実施形態の場合の光分布の中心の周りの約±１２５μｍの範囲内のより高い強度を示している。

図７は、図２に関して議論した実施形態と図５に関して議論した実施形態とを比較したシミュレーション結果の別の評価を示している。水平軸は、光学軸の周りの発光ゾーン２４０の半径をマイクロメートルで示している。垂直軸は、収集された前方パワー２５０の割合を示している。グラフは、図３の細長い接合層スタックが、約６００μｍの発光ゾーンの半径までの図１からの拡張された接合層スタック（線２３２）と比較して、より小さな発光ゾーン（線２３４）からより多くの光を提供することを確認する。従って、ストライプ状の細長い接合層スタックは、光変換装置１３０を用いて提供することができる輝度を更に増加させるのに役立つ。

図面及び前述の記述中に本発明を詳細に例示及び記載したが、そのような例示及び記述は、例示的又は説明的であると考えられるべきであり、限定的であると考えられてならない。

本開示を読むことから、他の修正が当業者に明らかであろう。そのような修飾は、当該技術分野において既に知られている並びに本明細書に既に記載した構成の代わりに或いはそれらに加えて使用されてよい他の構成を含んでよい。

当業者は、図面、本開示及び請求項の研究から、開示の実施形態に対する変形を理解して実施することができる。請求項において、「含む」という用語は、他の要素又はステップを排除せず、単数形の表現は、複数の要素又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項に列挙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利用し得ないことを示さない。

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解釈されてならない。

１０ レーザ光 (laser light)
１２ 伝達レーザ光 (transmitted later light)
２０ 変換光 (converted light)
１００ レーザベースの光源 (laser-based light source)
１１０ レーザ (laser)
１３０ 光変換装置 (light converting device)
１３１ ヒートシンク (heat sink)
１３２ 熱結合層 (thermal coupling layer)
１３４ 光変換器 (light converter)
１３５ ダイヤモンド層 (diamond layer)
１３６ 光取出し構造 (light outcoupling structure)
１３７ 光学取込み層 (optical coupling layer)
１４０ シミュレーション平面 (simulation plane)
２１０ 水平方向（マイクロメートル） (horizontal direction)
２２０ 垂直方向（マイクロメートル） (vertical direction)
２３０ 強度（１０^７Ｗ／ｍ^２） (intensity)
２３２ 円形の変換器構造に関する（図１） (relates to circular converter structure)
２３４ 舌状の変換器構造に関する（図３） (relates to tongue like converter structure)
２４０ 放射ゾーンの半径（マイクロメートル） (radius of emitting zone)
２５０ 集められた前方パワーの割合 (percentage of collected forward power)

Claims (14)

1. 光変換器と、
   ダイヤモンド層と、
   光取出し構造とを含み、
   前記光変換器は、レーザ光を変換光に変換するように構成され、前記変換光のピーク放射波長は、前記レーザ光のピーク放射波長よりも長い波長範囲内にあり、前記光変換器は、外側光変換器表面と、該外側光変換器表面とは反対側の接合表面とを有し、
   前記ダイヤモンド層は、前記光変換器の屈折率よりも大きい屈折率を備え、前記ダイヤモンド層は、連続的な構造を有し、前記接合表面の領域全体に亘って前記光変換器の前記接合表面に接合され、前記光変換器及び前記ダイヤモンド層は、そのような接合によって、接合層スタックを形成し、
   前記光取出し構造は、前記接合層スタックの第１の表面に取り付けられ、前記接合層スタックの第２の表面は、前記レーザ光を受け取るように構成される光入射表面であり、前記接合表面は、前記接合層スタックの前記第１の表面と前記第２の表面との間に配置され、前記光取出し構造の屈折率は、前記光変換器の屈折率の少なくとも９０％であり、前記光取出し構造は、前記光入射表面から前記光取出し構造への放射経路を横断する光の全反射が減少させられるように、前記接合層スタックの前記第１の表面に光学的に結合される、
   光変換装置。
2. 前記接合層スタックの前記第１の表面は、前記光変換器の前記接合表面に接合される前記ダイヤモンド層の第１の表面とは反対側の前記ダイヤモンド層の第２の表面である、請求項１に記載の光変換装置。
3. 前記接合層スタックの前記第１の表面は、前記外側光変換器表面である、請求項１に記載の光変換装置。
4. 前記光取出し構造は、光学取込み層を用いて前記接合層スタックの前記第１の表面に取り付けられ、前記光学取込み層の屈折率は、前記光変換器の前記屈折率の少なくとも９０％である、請求項１又は２に記載の光変換装置。
5. 前記ダイヤモンド層は、細長い形状を有し、前記ダイヤモンド層の長さは、前記ダイヤモンド層の幅の少なくとも２倍である、請求項１又は２に記載の光変換装置。
6. 前記光変換器は、前記光取出し構造の光学軸に対して対称的に配置される、請求項５に記載の光変換装置。
7. 前記接合層スタックの前記第１の表面は、前記光変換器の前記接合表面に接合される前記ダイヤモンド層の第１の表面とは反対側の前記ダイヤモンド層の第２の表面であり、前記ダイヤモンド層の長さ方向に平行な前記光変換器の延伸は、前記ダイヤモンド層の前記長さよりも短い、請求項６に記載の光変換装置。
8. 前記接合層スタックは、ヒートシンクに熱的に結合される、請求項１又は２に記載の光変換装置。
9. 前記接合層スタックは、熱結合層を用いて前記ヒートシンクに結合される、請求項８に記載の光変換装置。
10. 前記ダイヤモンド層は、前記ヒートシンクの表面に面する、請求項９に記載の光変換装置。
11. 前記光変換器の一部が、前記ダイヤモンド層から取り除かれ、前記接合表面とは反対側の前記ダイヤモンド層の前記第２の表面は、前記光取出し構造に面する、請求項１０に記載の光変換装置。
12. 前記接合層スタックは、前記光入射表面に取り付けられる反射防止被膜を含み、該反射防止被膜は、前記レーザ光の反射を減少させるように構成される、請求項１又は２に記載の光変換装置。
13. 請求項１乃至１２のうちのいずれか１項に記載の光変換装置と、
    少なくとも１つのレーザとを含み、
    該少なくとも１つのレーザは、前記光入射表面に前記レーザ光を放射するように構成される、
    レーザベースの光源。
14. 少なくとも１つの請求項１３に記載のレーザベースの光源を含む、車両用ヘッドライト。

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