JP2018185542A - 高輝度用光変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度の白色光または有色光を生成するための変換器を提供する。
【解決手段】青色の励起光（４）から有色光または白色光を生成するための光変換器。この変換器は、散乱された青色の光部分と、散乱された変換された黄色の光部分（５）とから、ほぼ白色の光を作り出せるよう、良好な変換だけでなく優れた散乱特性も有している。変換材料は、強散乱性のＹＡＧセラミックスまたはＬｕＡＧセラミックスまたはマグネシウム・アルミニウム・セラミックスである。
【選択図】図１

Description

本発明は、短波の励起光を変換媒質でより長波の変換光に変換し、有色光または白色光を生成するための光変換器に関する。

変換材料中での吸収プロセスおよび放射プロセスにより、短波長の励起光は、波長がより大きな拡散反射光に変換される。

本発明の意味において変換器とは、光変換装置のうち変換が行われる部分のことである。この変換器は変換材料から成る。変換材料は発光物質を内包しており、この発光物質が光活性媒質として変換を引き起こす。変換材料の発光物質密度は様々であることができる。この「発光物質密度」という表現は、変換材料中の発光物質つまり発光物質粒子の分布に関する。したがって、パッシブマトリックスにおける変換材料中に発光物質を存在させることができる。しかしながら変換材料全体が発光物質として機能する変換材料も可能である。

光変換の際には常に、いわゆるストークス損失により変換器中では熱も発生する。ストークス損失は、励起光と放射光の光子エネルギーの差から生じる。こうして典型的には、供給された光出力の２０〜３０％が熱に変換される。このことは、量子効率が１の変換材料にさえ当てはまる。変換器中への入熱は変換材料の温度を上昇させる。

変換材料中の温度が高いと、複数の理由から変換が弱まり、または制限され、したがって達成可能な輝度が制限される。そして高い温度により変換材料が損傷する可能性がある。損傷温度Ｔ_ｆａｉｌは材料固有の特性である。つまり様々な材料がそれぞれ異なる損傷温度を有し得る。損傷温度は、最高変換器温度Ｔ_ｋｏｎｖ、つまり変換器が動作し得る最高温度に決定的に影響を及ぼす。

このことは、なかでもシリコーンまたはその他の有機バインダーから成るマトリックス中に発光物質が埋め込まれている変換器系で、達成可能な輝度を制限するように作用する。いわゆる「蛍光体イン・シリコーン（ｐｈｏｓｐｈｏｒ−ｉｎ−ｓｉｌｉｃｏｎ）」変換器、ＰＩＳの場合、Ｔ_ｆａｉｌによる損傷閾値は１００〜１２０℃の範囲内である。

それぞれ使用される変換材料の損傷閾値とは関係なく、温度消光効果により量子効率が低下する。これに加え、比較的高い温度では吸収帯が比較的長い波長にシフトする可能性があり、このシフトは自己吸収の上昇を引き起こし、したがって輝度の低下も引き起こす。

それでもなお高輝度の変換器を得るために、現況技術からは回転するディスク上に変換材料が存在する構造が知られている。例えば米国特許出願公開第２００９／００７３５９１（Ａ１）号には、回転する支持ホイール上に取り付けられた変換材料を備えた変換器が記載されている。この動的な構造方式により、熱出力を比較的大きな面に分散することができ、こうして温度制限を守ることができる。

類似の構造が米国特許出願第２００９０３４２８４（Ａ）号にも記載されている。しかしながらこの手法の欠点は、支持ホイールの使用が絶対に必要なこと、および支持ホイールが変換器のサイズに不利に影響を及ぼすことである。これに加え大きな支持ホイールは、例えば静的構造の場合より多くの材料の使用を必要とする。さらに可動部品は、不快な騒音放射の原因となる可能性があり、または摩耗する可能性がある。

したがってＷＯ０９１１５９７６Ａは放熱体の使用を規定している。この場合、変換材料は静的に放熱体上に取り付けられている。これに関しこの設計は、拡散反射型で動作する変換器に限定される。これに加え、達成可能な熱放散は、使用する変換材料の熱伝導度に左右される。

一般的には、例えばシリコーンまたはガラスまたは量子ドットに埋め込まれた発光物質をベースとする材料が、変換材料として使用される。なかでもシリコーンベースの変換材料は、約１００〜１２０℃という低い損傷温度および低い熱伝導度を示す。これに加え、マトリックス中の発光物質粒子を使用する場合、屈折率差は、発光物質粒子のドーピングおよび粒径を介して限定的に変えられるだけである。これは、励起光の吸収および変換体中での散乱を、それぞれ独立には調整できないということである。

変換材料の散乱特性は、変換された光の散乱にも励起光の散乱にも影響を及ぼし、つまり重要な光パラメータである。

高輝度の生成に有利なのは、変換された光ができるだけ完全にデカップリングされると同時に放射点が空間的に小さい場合である。放射点は、励起光の光線束断面によって決定され、輝度は、変換器表面のピクセル当たりの放射される光束によって決定される。放射点は、励起光の最終的な侵入深度および変換材料中での光散乱の結果として、励起光源の光線束断面より大きくなる。放射点は、弱散乱性の変換材料の場合より強散乱性の変換材料の場合の方が小さく、ただし変換器の厚さおよび変換器表面の反射特性にも左右される。

高輝度は、強散乱性の材料によって達成することができる。ただし材料が、吸収される前の励起光も拡散反射するほど強く散乱する場合には、変換される光の割合が減少する。

米国特許出願公開第２００９／００７３５９１（Ａ１）号 米国特許出願第２００９０３４２８４（Ａ）号 ＷＯ０９１１５９７６Ａ

本発明の課題は、高輝度の白色光または有色光を生成するための変換器を提供することである。

本発明の課題は独立請求項の対象によって解決され、従属請求項の特徴によって形成され、さらに発展される。

本発明による変換器は、ドープされたＹＡＧセラミックスまたはＬｕＡＧセラミックスから成り、これらのセラミックスは、包摂された粒状構造を有するオプトセラミックスであり、このオプトセラミックスは、変換中心を直接的にセラミックス材料中で形成している。ＹＡＧセラミックスはイットリウム・アルミニウム・ガーネットであり、ＬｕＡＧセラミックスはルテチウム・アルミニウム・ガーネットである。特に有利なのは、セリウム化合物、例えばＣｅ_２Ｏ_３によるドーピングである。

変換材料として本発明によるオプトセラミックスを使用することにより、好ましくは１００ｃｄ／ｍｍ^２超、特に好ましくは５００ｃｄ／ｍｍ^２超の高輝度を達成することができる。

高輝度の生成に有利なのは、変換された光ができるだけ完全にデカップリングされると同時に放射点が空間的に小さい場合である。これは、強散乱性の変換材料によって達成することができる。本発明による粒状構造は、短波の励起光も長波の放射光も良好に散乱させる。変換器中で生成された放射光の強い散乱は、なかでも、優れた光閉じ込めを達成するために、つまり小さな放射点のために有利である。

しかしながら励起光が変換器によって拡散反射されると、変換器中に侵入してそこで変換に寄与し得る励起光の割合が減少する。したがって散乱は他方ではまた、所与の吸収長の場合に、励起光の拡散反射が所望のレベルを超えるほど強くてはならない。これに関し変換効率は、励起光の吸収、つまり量子効率によっても、励起光の拡散反射によっても影響を及ぼされる。

ただし予測では、強散乱性の試料、つまり拡散反射Ｒ_{Ｅｍｉｓｓｉｏｎ}が高い試料の場合には変換効率は低下する。この依存性は、光不活性マトリックス中に発光物質粒子が存在する変換材料で知られている。例えばシリコーンマトリックス中の発光物質粒子のような変換材料の場合、シリコーンマトリックス中の高い発光物質粒子密度は、高い拡散反射をもたらす。しかしながら高い発光物質密度は、励起光の拡散反射を増大させる。励起光の所望の吸収を維持するには、発光物質をより強くドープしなければならない。これは結果としていわゆる濃度消光を引き起こし、よって量子収率、したがって変換効率が低下する。それ故これまでは、高い変換効率と高い拡散反射Ｒ_{Ｅｍｉｓｓｉｏｎ}とを同時に達成することは不可能であった。驚くべきことに本発明によるオプトセラミックスは、変換効率にまだ不都合に影響を及ぼさない高い散乱つまり拡散反射Ｒ_{Ｅｍｉｓｓｉｏｎ}を示す。

なかでも、拡散反射Ｒ_{Ｅｍｉｓｓｉｏｎ}は好ましくは少なくとも６０％、特に好ましくは少なくとも８０％である。これは有利である。なぜなら十分な光閉じ込めには、したがって高い放射輝度には、強い散乱が必要だからである。

さらにこの変換材料は、励起光の吸収の量子効率ＱＥが好ましくは８０％超、特に好ましくは９０％超である。これは特に有利である。なぜなら高い量子収率により、入射したエネルギーの比較的少ない部分しか熱の形態で放出されないからである。したがって本発明による変換材料の優れた量子効率により、一方では加熱が最小限に抑えられる。

他方で、光強度が比較的低い光源を用いることができ、これはエネルギー消費に関して有利である。

高輝度の達成には、励起光の高い吸収も、変換された放射光の高い拡散反射も必要なので、拡散反射Ｒ_{Ｅｍｉｓｓｉｏｎ}と量子効率の積は、いずれの場合にも０．６超、好ましくは０．７超である。

現況技術に従えば、特に優れた量子効率をもつセラミックス材料には、低い散乱（したがって低い拡散反射Ｒ_{Ｅｍｉｓｓｉｏｎ}）が予測されるであろう。

これに対し本発明による変換材料は、非常に驚くべきことに、量子効率に既に不都合に影響を及ぼしてはいない高い散乱（したがって高い拡散反射Ｒ_{Ｅｍｉｓｓｉｏｎ}）を示す。したがって本発明による変換器の、
ＦＯＭ_ｏｐｔ＝ＱＥ＊Ｒ_{ｅｍｉｓｓｉｏｎ}
として定義された変換器性能指数または光学的フィギュアオブメリットＦＯＭ_ｏｐｔは、０．６超、好ましくは０．７超、特に好ましくは０．８超である。これに関し量子効率は０．８超であるべきである。現況技術に基づいて予測され得るＦＯＭ_ｏｐｔは、これに対しこれより明らかに低い。

この異例で非常に有利なＦＯＭ_ｏｐｔは、本発明による変換材料の内在的な特徴である。

本発明の有利な一変形形態では、できるだけすべての励起光を変換することを目指す。この場合、変換効率の指数として、積ＱＥ＊（１−Ｒ_{ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ}）＊Ｒ_{ｅｍｉｓｓｉｏｎ}を選択することができる。よって本発明のこの有利な変形形態では、この指数は０．４超、好ましくは０．６超、特に好ましくは０．７５超である。本発明のこの変形形態での高い指数は、変換材料による励起光の吸収が、驚くべきことに、散乱特性にほぼ関係なく調整できることで可能にされている。つまり本発明による変換器の吸収長を、典型的な散乱長より短く選択することができる。

すなわち変換材料として本発明によるオプトセラミックスを使用することで、適切なプロセス操作により、活性化剤濃度に関係なく、材料の散乱能力を高い透明性〜高い不透明性の間で調整することができる。

これに加え、出発組成および／またはドーピング度を介して光学特性に狙い通りに影響を及ぼすこともできる。したがって、オプトセラミックスの秀でた熱特性および熱・光特性と共に、高輝度を可能にするオーダーメイドの特性を備えた変換器を入手することができる。

本発明による変換器は、静的動作において、１０００ｌｍ超の光束で、少なくとも１００ｃｄ／ｍｍ^２、好ましくは少なくとも５００ｃｄ／ｍｍ^２の高輝度を示す。

変換材料の熱・光特性は、熱的性能指数、フィギュアオブメリット、ＦＯＭ、
ＦＯＭ_{ｔｈｅｒｍ}＝熱伝導係数＊（熱容量／体積）＊ｍｉｎ（Ｔ_ｆａｉｌ、Ｔ^０．８ _{ｑｕｅｎｃｈ}）
にまとめることができる。熱的ＦＯＭは、変換材料の熱伝導度および最大限許容される温度負荷を考慮の対象とする。

損傷温度Ｔ_ｆａｉｌは、変換材料が損傷する温度である。

温度が上昇すると、温度消光により量子効率が低下する。制限温度Ｔ^０．８ _{ｑｕｅｎｃｈ}は、量子効率が室温での量子効率値の８０％になる温度と定義する。

したがって、変換材料が高い熱的ＦＯＭを有する変換器は比較的高い温度で動作することができる。

変換器の最大限達成可能なポンピング能力は、最高変換器温度によって制限されるので、熱的ＦＯＭから最大ポンピング能力を逆推定することができる。

本発明の有利な一変形形態によれば、変換材料の熱的ＦＯＭは５００（Ｗ／ｍＫ）＊（Ｊ／ｃｍ^３Ｋ）＊Ｋ超、好ましくは８００（Ｗ／ｍＫ）＊（Ｊ／ｃｍ^３Ｋ）＊Ｋ超である。

この異例に高い熱的ＦＯＭは、変換材料として使用したオプトセラミックスの光・熱特性によって可能にされている。

こうしてオプトセラミックスが高い熱伝導度、高い熱損傷閾値、および高い制限温度を有することが分かった。オプトセラミックスは非常に有利な熱伝導度を示し、なかでも、５Ｗ／ｍ＊Ｋ超、好ましくは８Ｗ／ｍ＊Ｋ超、特に好ましくは１０Ｗ／ｍ＊Ｋ超の熱伝導度である。

対応するオプトセラミックスの制限温度は２００℃超、特に２５０℃超である。これに対し、シリコーン中の発光物質のような従来の変換材料の制限温度は約１００〜１２０℃である。

セラミックスの変換器の場合、変換器の晶子の熱伝導度が変換器全体の熱伝導度を決定している。したがって粒界および／または空孔は、散乱には影響を及ぼすが、変換器の熱伝導度には影響を及ぼさない。

つまり本発明のこの形態によれば、熱伝導度が少なくとも５Ｗ／ｍＫ、特に少なくとも８Ｗ／ｍＫ、とりわけ少なくとも１０Ｗ／ｍ＊Ｋの変換材料を得ることができる。

好ましい一実施形態では、変換材料が自立するよう形成されている。これに関し、本発明の意味における自立している変換材料とは、その強度が、支持材料としての土台をなくし得るに十分な材料のことである。

これは特に有利である。なぜならこれにより、変換器の両方の外面をコーティングできるからである。しかもこれは、並はずれて高い熱安定性に基づき比較的高い温度でさえ可能である。

本発明の有利な一変形形態では、透過型として用いられる変換材料が、励起側を、エッジフィルターとして働くダイクロイックフィルターでコーティングされている。このフィルターは、励起光に対してはできるだけ低い反射を示すと同時に、変換された光のスペクトル領域に対しては高い鏡面反射性を有している。

ここで透過型の使用とは、励起光が一方の側で試料中に入射し、変換された光が反対側で利用される（出射側）ことを意味している。エッジフィルターは、励起光に対してはＡＲ作用を示すが変換された光に対してはミラーとして作用するＡＲフィルター（反射防止フィルター）であることができる。これにより、フレネル反射損失および変換された光の背面への損失の発生を減らすことができる。出射側には、さらなる広帯域ＡＲフィルターを施すことができる。

さらなる一実施形態では、拡散反射型として使用するための変換材料が、放射側にＡＲ要素を備えている。これに関してはなかでも、励起光に対しても変換された光に対してもＡＲ作用を示す広帯域ＡＲコーティングまたは例えばモスアイ構造のようなＡＲ構造が使用される。

この実施形態の変換材料の厚さは、輝度を最大化するため、好ましくは０．１〜１ｍｍ、特に好ましくは０．２〜０．８ｍｍ、とりわけ好ましくは０．３〜０．６ｍｍである。輝度は、励起光の吸収に比例し、放射点の大きさに反比例する。薄い変換器は放射点の拡張を最小化する。

変換器は、散乱点の拡張を最小化するために十分に薄く選択される。この変換器の厚さは、励起光の効果的な吸収を保証するために十分である。

本発明の一変形形態は、変換器の静的な利用を規定している。これは特に有利である。なぜなら変換器の静的な利用では、大きな変換器ホイールの使用が必要ないからである。小さな変換器リングの場合、１つには材料使用量が少なく、もう１つには変換器の比較的コンパクトな構造方式が可能になる。なかでも変換器が固体から作製される場合、変換器の静的な利用では、後加工の手間も比較的少ない。

静的動作における変換器が＞＞１００ｃｄ／ｍｍ^２の輝度を示すことが好ましい。静的動作は、材料への励起光の局所的な作用時間が、回転する変換器ホイールの場合にそうであるより著しく長いので、変換材料への要求が高くなる。なかでも、用いられる変換材料は効果的に熱を導出するため高い熱伝導度を有さなければならない。これに対し熱伝導度が低い材料は、短い作用時間後に既に熱によって損傷する可能性があり、静的変換器での使用には適していない。これに当てはまるのが、例えばガラスまたはシリコーンから成るパッシブマトリックスに光活性成分が埋め込まれている変換材料である。

この問題点は、変換材料として本発明によるオプトセラミックスを使用することによって解決される。こうして本発明による変換材料は、高い熱伝導度および高い熱損傷閾値を有している。これに加えオプトセラミックスが、放熱体に最適に連結されるように土台に取り付けられることが好ましい。オプトセラミックスは放熱体上に直接結合することができる。この設計は、拡散反射型で動作する変換器の場合に有利である。

もう１つの設計は、オプトセラミックスの横側での放熱体の結合を規定している。この場合、変換器の横側は、変換器がその光路を妨害することなく最適に放熱体に連結されるように寸法を定められており、かつフレームで囲まれている。この設計は、透過型で動作する変換器で放熱体を使用することも可能にする。なかでも熱負荷が小さい場合には、支持されていない変換器ディスクの使用も有利であり得る。

本発明の有利な一変形形態では、透過型の変換材料の励起が行われる。つまり背面から励起される変換器である。透過型で動作する変換器は、拡散反射型で動作する変換器より単純な光学設計を可能にする。なぜなら、入口の放射線経路と変換された光の出口の放射線経路が互いに入り組んでおらず、かつ／または部分的に一致していないからである。ただし、励起放射線の強度は変換材料の透過により弱められる。したがって使用される光源が十分な光束を供給しなければならない。その結果として生じる高い出力は、最高損傷温度が高い変換材料を必要とする。本発明によるオプトセラミックスはその有利な熱特性に基づき、透過型で働く変換器での使用にも適している。

本発明の有利な一変形形態によれば、変換材料が可動の支持体上に取り付けられている。

新式のプロジェクターでは、変換材料を備えたカラーホイールが使用される。これに関し、これらのカラーホイールには放射波長の異なる材料セグメントを敷き詰めることができ、またはこれらのカラーホイールを１種の波長の光を放射するために設計することができる。カラーホイールは、高反射性の金属から成るのが好ましい。これにより、残りの励起光および放射光の拡散反射が補助される。

ただし、カラーホイールの構造はなかでも拡散反射および色多重化を保証すべきなので、回転するカラーホイールの冷却作用は限定的である。したがって典型的にはカラーホイールを冷却するため、冷却空気流を生成する追加的な通風器が使用される。

この実施形態の可動の支持体は、スラット要素および／または換気要素を備えていることが好ましい。これによりホイールの冷却を改善することができる。これに加え、ホイールが自力で空気流を発生させる。この空気流は、他のコンポーネントの冷却とは関係なく案内することができる。特に、ホイールはオプトセラミックスが敷き詰められていない領域に上述の要素を備えている。こうして例えばスラットをホイールの中心に、および／または換気セグメントをカラーホイールの縁に配置することができる。両方の要素を組み合わせて使用してもよい。スラットは、なかでも径方向のスラットまたは径方向のねじれたスラットとして形成することができる。通風器の羽根または市販の通風器に、オプトセラミックスの反射板を取り付けて使用してもよい。自己換気式の支持ホイールの使用は、変換材料が円形リングとしてではなく円形ディスクとして形成されている場合に特に有利である。円形ディスクは、なかでも変換要素が色彩変化を保証しなくてよい場合に用いることができる。例えばＬＣＤプロジェクター、ＬＣＯＳプロジェクター、または３チップＤＬＰプロジェクターの場合に使用することができる。ハイブリッド形式での使用も可能である。ハイブリッド機器では、蛍光変換による光生成が、直接的に放射する半導体光源と組み合わされる。

自己換気式ホイールは、カラーホイールとイメージングの同期化が必要ない用途で使用されるのが特に有利である。この場合、同期化されていない通風器モータを使用することができる。ただし自己換気式ホイールの構造を、セグメントに分割され同期化されたカラーホイール内で用いてもよい。

本発明の別の一形態では、オプトセラミックスのドーピング度により、拡散反射光スペクトル内に励起光が存在しているように、励起光の拡散反射を調整する。

すなわち励起光の拡散反射と二次的な放射の混合により、それぞれ放射光の特定の色感覚を生成することができる。これにより、とりわけ白色光も生成することができる。高いドーピング度、つまりオプトセラミックス中の変換中心の高い密度は、散乱長に比べて吸収長を短くする。高いドーピング度は吸収長を短くする。これは、例えばセリウムの含有率によって調整することができ、散乱長に対する特定の関係をもたらすことができる。吸収長が散乱長より明らかに短い場合、主として変換された光が放射される。しかしながら吸収長が散乱長より長い場合は、主として励起光が拡散反射される。例えば励起光が青色で二次光が黄色の場合、放射された変換光と拡散反射された励起光とが混合により白色の色感覚を生じさせる体系に調整することができる。

本発明による変換器は、プロジェクター、例えばＤＬＰ、３チップＤＬＰ、またはＬＣＤ技術を用いたプロジェクターで使用することができる。さらなる使用可能性は、高輝度ランプ、例えば舞台用投光器または自動車用ヘッドライトでの使用である。例えば分光器で使用されるような高輝度でスペクトル密度の高いランプでの使用も可能である。

以下に、本発明を例示的実施形態に基づき、添付した図面を参照しながらより詳しく説明する。

第１の例示的実施形態としての拡散反射型変換器の構造概略図である。 ダイクロイックフィルターを備えた第１の例示的実施形態の一変形形態の構造概略図である。 第３の例示的実施形態としての透過型変換器でのオプトセラミックスの使用の概略図である。 第４の例示的実施形態としての改善されたフレームを備えた透過型変換器の概略図である。 オプトセラミックスがディスクとして形成されている拡散反射型の動的な、つまり回転する変換器の構造概略図である。 オプトセラミックス１がリングとして形成されている拡散反射型の動的な、つまり回転する変換器の構造概略図である。 透過型で動作する動的変換器の構造概略図である。 量子効率と拡散反射の依存性に関するグラフである。 組成Ｌｕ_３（Ｇａ、Ａｌ）_５Ｏ_１２−Ｃｅのオプトセラミックスの焼結温度に対する拡散反射および量子効率の依存性に関する複合グラフである。 組成Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２−Ｃｅのオプトセラミックスの焼結温度に対する拡散反射および量子効率の依存性に関する複合グラフである。 セリウム含有率に対する拡散反射の依存性に関するグラフである。 色の位置のグラフにおける白色エリア付近の点を生成するために励起光の規定の割合が調整された変換器を示す図である。

以下に、本発明の例示的実施形態を図に基づいて説明する。

図１は、第１の例示的実施形態としての拡散反射型で動作する変換器の構造の概略側面図を示している。

この変換器は、オプトセラミックスとして形成された変換体１およびミラー３を含んでおり、変換体とミラーは接着層２によって相互に結合されている。変換材料のオプトセラミックスは、ドープされたＹＡＧセラミックスまたはＬｕＡＧセラミックスであり、強散乱性の構造である。

矢印で示唆したように上の励起側から、出力密度の高い、つまり光線束断面が小さい青色の励起光４が変換体１の励起面に入射し、それからオプトセラミックス中に侵入することで、変換により長波の光５が生成され、そして散乱により外に放出される。

接着層２は、例えば１０μｍの厚さｄ_Ｋｌｅｂを有している。ミラー３は、励起光４をオプトセラミックス１中に反射し、これにより、変換された比較的長波の光５の光収率を上昇させる。

例えば、変換面Ａが４ｍｍ^２であり、変換器の厚さｄ_ｋｏｎｖが２００μｍである。最大ポンピング能力は下式で査定することができ、
Ｐ^ｍａｘ _ｏｐｔ≒４（Ｔ^ｍａｘ _Ｋｏｎｖ−Ｔ_ＲＴ）／Ｒ^ｔｈ
この場合、下式が適用され、
Ｔ^ｍａｘ _Ｋｏｎｖ＝Ｔ_ＲＴ＋Ｑ／Ａ＊ｄ／λ
さらに変換器の熱抵抗Ｒ^ｔｈ＝ｄ／（Ａλ）および熱伝導度λで、Ｒ^ｔｈ＝ｄ／（Ａλ）である。
オプトセラミックスの熱伝導度λ_ＯＣ＝１０Ｗ／ｍＫ
接着剤の熱伝導度λ_Ｋｌｅｂ＝０．３Ｗ／ｍＫ

変換器の熱抵抗は、変換材料および使用した接着剤の絶対的な熱抵抗Ｒ^ｔｈから分かる。

したがって、オプトセラミックスの熱抵抗Ｒ^ｔｈ _ＯＣ＝５Ｋ／Ｗおよび接着層の熱抵抗Ｒ^ｔｈ _Ｋｌｅｂ＝８．３Ｋ／Ｗでは、変換器に関し熱抵抗Ｒ^ｔｈ _Ｋｏｎｖは１３．３Ｋ／Ｗである。この場合は、接着層２がオプトセラミックス１より高い熱抵抗を示しており、したがって熱抵抗、つまりこの場合には熱抵抗の下限を決定的に規定している。

つまりオプトセラミックスの損傷閾値Ｔ^ｍａｘ _ＯＣ＝２５０℃の場合、最大ポンピング能力Ｐ^ｍａｘ _ｏｐｔは６８Ｗである。接着層は制限的にしか作用しない。

それでも接着剤の損傷閾値が１００℃の場合、最大光ポンピング能力Ｐ^ｍａｘ _ｏｐｔ＝３６Ｗである。

この驚くほど高いポンピング能力は、例えば４ｍｍ^２に１０Ｗで照射した場合に、輝度２００ｃｄ／ｍｍ^２および光束６００ｌｍを可能にする。

これに比べ、現況技術で知られているシリコーン中の発光物質、蛍光体イン・シリコーン（ＰＩＳ）をベースとする変換器では、実現可能な最大光ポンピング能力Ｐ^ｍａｘ _ｏｐｔは約３Ｗである。これは、なかでも約１００Ｋ／Ｗの高い熱抵抗Ｒ^ｔｈ _ＰＩＳおよびＰＩＳ変換材料の低い損傷閾値のせいである。

図２は、第２の例示的実施形態の構造を概略的に示している。これは第１の例示的実施形態の一形式であり、この形式では追加的に、オプトセラミックス１上に反射防止コーティング６が施された。これにより、オプトセラミックス１の表面での励起放射線４の反射が低減され、散乱された変換光５の放出が改善される。

図３は、第３の例示的実施形態の構造を示しており、背面励起、つまり透過性励起での変換器を示している。励起光４は、励起側１１でオプトセラミックス１に当たる。放射側１２では、変換された比較的長波の光５が出ていく。オプトセラミックス１の厚さは２００マイクロメートルである。これにより、優れた量子効率での十分に高い透過が保証される。このオプトセラミックス１は、励起光の光スポットの横側で、つまり左および右でしか、金属のフレーム７０によって固定されていない。したがってオプトセラミックス１の主な部分はこれらのフレームの間で宙に浮いている。この設計は、オプトセラミックス１が自立していることで初めて可能にされる。これとは異なりＰＩＳのような現況技術から知られている系は、土台、支持材料が必要であり、したがって背面励起は不可能である。フレーム７０は放熱体として形成されており、２ｍｍの直径を有している。放射点の大きさを小さくするため、オプトセラミックス１は放射側１２でエッジフィルター９１によりコーティングされている。励起側１１も、オプトセラミックス１は広帯域のＡＲコーティングでコーティングされている。

図４に概略的に示した構造は、第３の例示的実施形態の一変形形態である。ここでのオプトセラミックス１は、励起光４の光スポットが入射する面を除いてオプトセラミックス１の下面の大部分がフレーム７１で覆われるようにフレームで囲まれている。フレーム７１は金属であり、励起光４および変換光５を含むオプトセラミックス１中で散乱された光を反射する。これによりオプトセラミックス中の光収率が上昇する。したがってここでは、励起側１１でのオプトセラミックス１の追加的なコーティングをなくすことができる。

第１の例示的実施形態の場合と同じ材料データを採用する場合、５５Ｋ／Ｗの効果的な熱抵抗Ｒ^ｔｈ _ｅｆｆが生じる。これは、最大１６Ｗの光ポンピング能力Ｐ^ｍａｘ _ｏｐｔを可能にする。

この場合、第１の例示的実施形態の光ポンピング能力との差は、構造によって生み出されている。

これに関し性能は、動作構成に応じて、例えば幾何学的要因にも左右される。このことが、透過型の最大ポンピング能力を拡散反射型より低くしている。

下の表は、本発明による変換材料ＯＣ１およびＯＣ２の、ならびにシリコーンまたはガラス／ガラスセラミックスに基づく変換材料の、静的変換器の熱的ＦＯＭに関する重要なデータの概要を示している。

静的に動作する変換器に関する熱的ＦＯＭは、最大限許容される温度と熱伝導度の積である。

本発明による変換器は最大７３２２Ｗ／ｍのＦＯＭ_ｓｔａｔを示し、これに対し類似の構造でのシリコーン中の発光物質による現況技術の変換器は９５Ｗ／ｍのＦＯＭしかない。

最後の欄ではＦＯＭに蓄熱量を付け加えた。この蓄熱量とは熱容量と密度の積である。このように追補されたＦＯＭ、ＦＯＭ_ｄｙｎは、回転するホイール上の変換器の挙動を表し、つまり動的変換器に関している。

本発明によるオプトセラミックスＯＣ１およびＯＣ２は、並はずれて高いＦＯＭを示している。

両方のオプトセラミックスＯＣ１およびＯＣ２は、そのドーピングに違いがある。オプトセラミックスＯＣ１はＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）を含有しており、オプトセラミックスＯＣ２はＭｇ_３Ａｌ_８［ＳｉＯ］_３を含有している。

ただし両方のオプトセラミックスのＦＯＭの差は、なかでも密度の違いが原因と考えられる。

表に挙げた材料は、ＦＯＭに関して３つのグループに分けることができる。シリコーンマトリックスをベースとする変換器の低いＦＯＭは、なかでも熱伝導度の低さが原因と考えられる。

ガラスまたはガラスセラミックスをベースとする材料は、シリコーンマトリックスの、つまり有機系のＦＯＭより明らかに高いＦＯＭを示している。しかしながら本発明によるオプトセラミックスのＦＯＭは、ガラスセラミックスをベースとする変換器のＦＯＭの５倍超である。

なかでも、オプトセラミックスが格別に高い熱伝導度λを示すことが有利である。

図５に示した第５の例示的実施形態は、拡散反射型で動作する動的変換器の断面を概略的に示している。オプトセラミックス１は円形のディスクとして形成されており、接着層２により支持体３上に施されている。オプトセラミックス１の表面はエッジフィルター９でコーティングされている。支持体３は中心でハブ８と結合している。励起は、局所的に変換器の一部位に制限されて行われる。ハブ８により、支持体３はオプトセラミックス１と一緒に回転する。したがって、オプトセラミックス１の所定の局所的な一領域は、短時間しか励起光４で照射されない。局所的な照射時間は、ハブ８の回転周波数を介して調整することができる。短く局所的な照射時間により、２５Ｗをはるかに超える高い励起出力を実現することができる。

図６に概略的に図示した例示的実施形態では、オプトセラミックス１がリングとして形成されており、接着層２により円形の支持体３上に取り付けられている。リング状のオプトセラミックス１の使用は、比較的少ない材料消費を可能にし、それでも変換器の光学特性には影響を及ぼさない。これが可能なのは、この実施形態ではどのみち励起放射線４が当たらない領域だけを除去しているからである。

図７は、透過型の動的な、つまり回転する変換器の概略図を示している。ディスク状の支持体３にリング状のオプトセラミックス１が固定されており、この支持体は反射性のフレームとして形成されている。この場合、支持体３は、オプトセラミックスを固定するのに必要なだけしかオプトセラミックス１の下面によって覆われていない。オプトセラミックスの下面の主な部分は支持体３に覆い隠されておらず、したがって変換に利用することができる。

オプトセラミックス１はここでも、励起側、つまりオプトセラミックスの下面にＡＲコーティング１０を、およびオプトセラミックスの上面にはエッジフィルター９１を備えている。

図８は、量子効率と拡散反射の関係を示している。ただし変換器の散乱特性を定量化するため、散乱と拡散反射の関係を利用できることが有利である。このため励起波長より長い波長で拡散反射を測定する。この場合、１ｍｍ厚の変換材料の試料の拡散反射を６００ｎｍの波長で測定した。分光計として積分球を備えた分光計を利用した。以下では、この測定ルールに基づいて測定した拡散反射Ｒ_{Ｅｍｉｓｓｉｏｎ}を、散乱特性の光学測定の代わりとする。ここでは１ｍｍ厚の試料に基づき、波長６００ｎｍでの拡散反射を決定した。この場合、強散乱性の材料は高い拡散反射を示す。

予測では、強散乱性の試料の場合には量子効率は低下する。この予測された挙動がグラフに直線で示されている。

しかしながら非常に驚くべきことに、試料が高い拡散反射を示す場合に量子効率が有意に低下しない体系１４を確定することができた。

つまり、６００ｎｍでの拡散反射が０．７〜０．９５で、量子効率が０．８５を上回るオプトセラミックスが形成された。

これに関し本発明によるオプトセラミックスのこの異例の特性は、出発混合物の特殊な組成および製造条件の結果である。驚くべきことに、オプトセラミックスの散乱は、焼結温度の選択により調整できることが分かった。これを以下に図９および図１０に示した例に基づいて説明する。図９および図１０は、２種の異なる組成のセリウムドープされたオプトセラミックスの拡散反射、量子効率、および拡散反射と量子効率の積の依存性を示している。

これに関し図９は、組成Ｌｕ_３（Ｇａ、Ａｌ）_５Ｏ_１２−Ｃｅのオプトセラミックスの複合グラフを示しており、図１０でのオプトセラミックスの組成はＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２−Ｃｅである。

両方の場合に、拡散反射は焼結温度に依存しており、その一方でこの依存性が量子効率の場合には弱くしか現れていない。これは、特に図９で明らかである。

すなわち焼結温度の１００℃の上昇は、拡散反射を半減させ、その一方で量子効率はほぼ一定のままである。

図１０に示したように、この効果は第２のオプトセラミックスではかなり弱く現れている。

効果の現れは、なかでも出発材料の組成に依存し得る。つまり両方の値の関係は、変換中心の密度、つまりドーピング度に依存している。

図１１は、Ｃｅ_２Ｏ_３のドーピング度が異なる本発明によるオプトセラミックスの、吸収効率と拡散反射つまり散乱の間の依存性を示している。

吸収効率は、入射した励起光に対する吸収された励起光の割合を表す。吸収効率は、青色の励起光の拡散反射から、１−Ｒ＿Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎに基づいて算出される。青色の励起光の拡散反射は、量子効率の測定場所で１ｍｍ厚の試料に対して測定した。

高いドーピング度（０．２ｗｔ％ Ｃｅ_２Ｏ_３）でのオプトセラミックスは、吸収効率と拡散反射の強い依存性を示している。なかでも０．８以上の高い拡散反射値では、吸収効率が急激に低下している。

青色の光の吸収効率つまり青色の拡散反射Ｒ＿Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎは、散乱つまり黄色の拡散反射Ｒ＿Ｅｍｉｓｓｉｏｎの調整により、広い範囲内で調整できることが分かる。

量子効率にほとんど依存しない散乱の調整により、一方では優れた光閉じ込め、したがって高輝度を達成することができる。

もう一方で、拡散反射された励起放射Ｒ＿Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎと変換された光の放射の混合が色の位置のグラフにおける変換直線上の特定の色感覚を生じさせるように、散乱を調整することができる。変換直線とは、励起光の色の位置と放射スペクトルの色の位置の間を結ぶ線である。

図１２に基づき、色スペクトルのグラフにおける白色エリア付近の点の調整を可能にするさらなる１つの例示的実施形態を説明する。拡散反射型動作のため、変換器１がミラー３１を備えているとする。色スペクトルのグラフにおける変換直線上の白色エリアの付近に達するには、青色の励起光の２０％を拡散反射し、８０％を吸収するように、変換器１の散乱特性を選択する。励起光の吸収された部分は大部分が黄色の光に変換され、直接的に、またはミラー３１で反射された後に、散乱ローブ（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｌｏｂｅ）５１として放射される。

青色の拡散反射光は、フレネル反射４０および散乱ローブ４１から構成されている。この散乱ローブ４１はランベルトの放射特性を示している。

ここで変換器厚さの調整により、白色エリア付近の点のシフトを行う。この変換器厚さが、励起光がミラー３１で反射されて表面で再び出ていくほど小さければ、第２の散乱ローブ４２が生じる。この第２の散乱ローブ４２は、変換器厚さおよび散乱に応じ、多かれ少なかれ指向性の放射特性を有している。励起光の散乱ローブ４０、４１、４２および変換された光の散乱ローブ５１が重なることにより、色感覚の角度依存性が生じる。

この角度依存性は、変換器表面を粗面化することで低減させることができる。

代替策として、白色エリア付近の点に達するための精密適合を、変換器１の励起側で薄い散乱層を塗布することにより行うことができる。この散乱層は、例えばＴｉＯ_２またはドープされていないオプトセラミックス材料から成ることができる。両方の場合に、放射光の青色割合が黄色割合に対して上昇される。色の位置のグラフの白色エリア内に達するため、緑色部分での黄色の光をフィルタリングによって取り除くことができる。これは、例えばダイクロイックミラーによって達成することができ、このダイクロイックミラーは、青色の光は反射するが、緑色の光が当たると通過させ、したがって緑色の光は変換器の利用側では出ていかない。

本発明による変換材料は、オーダーメイドの熱特性、熱・光特性、および光特性を示す。

これらの特性の相乗作用が、１００ｃｄ／ｍｍ^２超の非常に高い輝度を可能にする。

Claims (17)

1. 光線束として供給される青色の出力密度の高い励起光（４）と、好ましくは、拡散反射された比較的長波の光（５）とから、高輝度の有色光または白色光を生成するための変換器であって、前記励起光（４）が前記変換器上で小さな輝点を生成する変換器において、該変換器が、
   励起面および反対側の面を有する変換体（１）を備え、前記面の間隔が前記変換体（１）の厚さを規定しており、前記厚さが好ましくは、拡散反射された励起光（４）および拡散反射された長波の光（５）の割合の精密適合に利用され、
   ドープされたＹＡＧセラミックスまたはＬｕＡＧセラミックスまたはマグネシウム・アルミニウム・セラミックスとしての前記変換材料が、包摂された粒状構造を有するオプトセラミックスであり、前記オプトセラミックスが、前記励起光（４）の光線束断面とほぼ同じ大きさの放射点を達成するために強散乱性である、変換器。
2. ＹＡＧセラミックスとして、セリウムがドープされたＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２が用いられる、請求項１に記載の変換器。
3. ＬｕＡＧセラミックスとして、セリウムがドープされたＬｕ_３（Ｇａ、Ａｌ）_５Ｏ_１２が用いられる、請求項１に記載の変換器。
4. マグネシウム・アルミニウム・セラミックスとして、セリウムがドープされたＭｇ_３Ａｌ_８［ＳｉＯ］_３が用いられる、請求項１に記載の変換器。
5. 前記変換材料が、セリウムでドーピングされており、該ドーピングの量が０．０１〜２％、好ましくは０．３〜１％、特に好ましくは０．１〜０．５％の範囲内である、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の変換器。
6. １ｍｍ厚の変換器での強い散乱が、波長６００ｎｍの長波光の拡散反射係数、拡散反射Ｒ_{ｅｍｉｓｓｉｏｎ}＞０．６を生じさせる、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変換器。
7. 量子効率ＱＥが０．８０よりも大きい、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の変換器。
8. 光学的な変換器性能指数ＱＥ・Ｒ_{ｅｍｉｓｓｉｏｎ}＞０．６が達成され、同時に量子効率が０．８０超である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の変換器。
9. 前記セラミックス材料が、熱的性能指数（ＦＯＭ_{ｔｈｅｒｍ、ｓｔａｔ}）＞１０００（Ｗ／ｍ）を有しており、前記熱的性能指数が、ＦＯＭ_{ｔｈｅｒｍ}＝熱伝導係数＊ｍｉｎ（Ｔ_ｆａｉｌ、Ｔ^０．８ _{ｑｕｅｎｃｈ}）から算出される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の変換器。
10. 前記変換材料の前記熱伝導度が、少なくとも５Ｗ／ｍ＊Ｋ、好ましくは少なくとも１０Ｗ／ｍ＊Ｋ、特に好ましくは少なくとも１２Ｗ／ｍ＊Ｋである、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の変換器。
11. 静的動作における前記変換器が＞＞１００ｃｄ／ｍｍ^２の輝度を示す、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の変換器。
12. 前記変換体（１）の前記反対側の面にミラーが固定されており、前記ミラーが光収率を上昇させる、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の変換器。
13. 前記変換材料が、前記励起面でダイクロイックフィルターによりコーティングされている、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の変換器。
14. 前記励起光の１０％〜３０％の間を拡散反射するための散乱特性を有する前記変換器が形成されており、前記励起光および前記変換光の混合による光放射の精密適合が観察者に白色の色感覚をもたらす、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の変換器。
15. 前記励起光の１０％〜３０％の間を拡散反射するための散乱特性を有する前記変換器が形成されており、白色光付近の領域を達成するための励起光放射の精密適合が、前記変換器の前記励起側での散乱層または粗面化によって行われる、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の変換器。
16. 変換器上で小さな輝点を生成する青色の出力密度の高い励起光から、高輝度の有色光または白色光を生成するための変換器であって、
    励起面および反対側の面を有する変換体を含んでおり、前記面の間隔が前記変換体の厚さを規定しており、ドープされたＹＡＧセラミックスまたはＬｕＡＧセラミックスとしての前記変換材料が、包摂された粒状構造を有するオプトセラミックスであり、前記オプトセラミックスが、前記励起光の光線束断面とほぼ同じ大きさの放射点を達成するために強散乱性である、変換器。
17. 前記変換材料（１）の光学的フィギュアオブメリットＦＯＭ_ｏｐｔ＝ＱＥ＊Ｒ_{ｅｍｉｓｓｉｏｎ}が、０．５超、好ましくは０．７よりも大きく、特に好ましくは０．８よりも大きいことを特徴とする、セラミックスの変換材料（１）を備えた変換器。

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