JP2018517249A - 高輝度光を作り出す光学デバイス - Google Patents

Abstract

光学デバイス（２２０）が提供される。光学デバイス（２２０）は、入来する第１の波長の光を少なくとも部分的に第２の波長の光へと変換し、前記第２の波長の光を放出し、且つ前記第１の波長の光の少なくとも一部を反射するように構成された光変換部材（２２６）と、光入口（２２３）及び光出口（２２４）を有する光ガイド（２２２）であり、光入口（２２３）から入来する第１の波長の光を光変換部材（２２６）へと導き、且つ光変換部材（２２６）から放出及び／又は反射された光を光出口（２２４）へと導くように構成された光ガイド（２２２）とを有する。光変換部材（２２６）及び光出口（２２４）は、光ガイド（２２２）の対向する表面にある。光変換部材（２２６）及び光出口（２２４）は、光ガイド（２２２）の主光軸（ＯＡ）に沿って配置され、光入口（２２３）は、光ガイド（２２２）の主光軸（ＯＡ）を取り囲む幾何学的包絡面（２２１）に配置される。

Description

本発明は、高輝度光を作り出す光学デバイスに関する。本発明はまた、そのような光学デバイスを有する照明システムに関する。

高い輝度の照明を生成する照明システムは、スポット照明、ステージ照明、ヘッドランプ、及びデジタル光投影を含む様々な用途で興味深いものである。

望ましいスペクトル分布を有する高輝度光は、例えば発光ダイオードＬＥＤ又はレーザなどの明るい光源１０を用いるシステム１（図１参照）によって得ることができ、そこでは、光源によって発せられた第１の波長の高強度の光ビーム１５（例えば、青色光）が、静止したヒートシンク３０上に置かれた光変換部材２０を有する光学デバイスに向けられる。ダイクロイックリフレクタ４０が、第１の波長の光１５を選択的に光学デバイスに向けて反射するように構成される。従って、光変換部材２０は、第１の波長の集束されたビームで照らされる。第１の波長の光１５は、光変換部材２０によって、部分的に第２波長の光２５（例えば、黄色光）に変換される。第１及び第２の波長の光が混合されるときに白色光が得られる。

このようなセットアップにおいて、高い発光効率と組み合わせて蛍光体光変換部材からの良好な放熱を達成するために、ＵＳ２０１４０１６６９０２Ａ１（特許文献１）は、蛍光体にモノリシックに接続された導光体を有する波長変換体を開示している。そのような構成を更なる放熱改善のために拡張して、ＵＳ２００５０２７０７７５Ａ１（特許文献２）は、変換された光が光源に戻ることを阻止するために、例えば図のダイクロイックリフレクタ４０のような色分離素子によって光源を蛍光体から空間的に隔てることにおいて図１に示したものと同様のシステムを開示している。

しかしながら、そのようなダイクロイックリフレクタ４０は、システムによって放射される第１の波長の光１５の強度を低下させる。また、ダイクロイックリフレクタは、組み合わされた光の色にも影響を及ぼす。さらに、この構成では、変換された光２５を集めて焦点を合わせるために使用されるレンズ３５が、放射される全ての光を集めるのに十分に効率的ではない。

米国特許出願公開第２０１４／０１６６９０２号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２７０７７５号明細書

本発明の１つの目的は、上述の問題の一部を少なくとも部分的に克服すること、及び改善された光出力を持つ光学デバイスを提供することである。

第１の態様によれば、高輝度光を作り出す光学デバイスが提供される。当該光学デバイスは、入来する第１の波長の光を少なくとも部分的に第２の波長の光へと変換し、第２の波長の光を放出し、且つ第１の波長の光の少なくとも一部を反射するように構成された光変換部材と、光入口及び光出口を有する光ガイドであり、光入口から入来する第１の波長の光を光変換部材へと導き、且つ光変換部材から放出及び／又は反射された光を光出口へと導くように構成された光ガイドとを有する。光変換部材及び光出口は、光ガイドの対向する表面に配置される。

光変換部材は波長変換素子を有する。波長変換素子なる用語は、第１の波長の光を第２の波長の光に変換する任意の要素として理解されるべきである。波長変換は、発光、蛍光発光及び／又は燐光発光によるものとすることができ、照射光の波長に対する、変換された放射光の波長におけるストークスシフトの発生をもたらす。

光ガイドなる用語は、好ましくは光ガイドの表面上で光を反射することによって、空間内の１つの部分から空間内の別の１つの部分へと光を導くように構成された任意の要素として理解されるべきである。

この光ガイドは、第１の波長の光の効率的なインカップリングと、インカップリングされた光を光変換素子上に集めることとの双方を提供する。この光ガイドは更に、出て行く第１及び第２の波長の光をコリメートすることを提供する。

光変換部材及び光出口は、光ガイドの主光軸に沿って配置される。光入口は、光ガイドの主光軸を取り囲む幾何学的包絡面に配置される。従って、第１の波長の光は、光ガイドの側面から光ガイド内に結合され得る。

光ガイドの主光軸を取り囲む幾何学的包絡面に光入口を配置することによって、第１の波長の光を光変換部材に導くときにしばしば生じるシャドーイング効果を回避し得る。

光入口は光出口から離隔される。

光変換部材は、光ガイドの焦点に配置され得る。これにより、光変換部材のサイズ、ひいては、全体としての光学デバイスのサイズが、最小限に保たれ得る。さらに、波長変換の効率が最適化され得る。

光変換部材は、光の集中度合い、すなわち、表面積当たりのパワーが光ガイド内で最も高いポイントに配置され得る。

光ガイドは放物面（パラボラ）形状を有し得る。これは、入って来る第１の波長の光の、光変換部材に向けての効率的な誘導と、出て行く第１及び第２の波長の光の、光変換部材からの効率的な誘導とを提供する。光ガイドの放物面形状はまた、出て行く光の効率的なコリメーションを提供する。

光ガイドは複合放物面型集光器（ＣＰＣ）であってもよい。従って、光変換部材内で生成された熱が、光変換部材から効率的に運び去られ得る。これは、光変換部材における光変換の効率を高める。ＣＰＣは、高熱伝導材料で作製され得る。そのような材料の例は、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、サファイア、又はＣａＦ_２である。従って、良好な熱マネジメントが達成される。

光ガイドは放物面リフレクタであってもよい。放物面リフレクタは、金属、セラミック材料、又はガラス材料を有し得る。放物面リフレクタは、Ａｌ、Ａｇ、又は多層構造を有する反射表面を有し得る。また、全反射（ＴＩＲ）を利用してもよい。光ガイドが放物面リフレクタである場合、当該光学デバイスは好ましくはまた、光変換部材に入って来る光及びそれから出て行く光が光変換部材に到着し、そして去っていくように、また、光変換部材内で生成された熱が光変換部材から効率的に運び去られるように、光変換部材の上に配置され透明な熱伝導素子を有する。従って、良好な熱マネジメントが達成される。

光学デバイスはまた、反射性の熱伝導素子を有していてもよい。反射性の熱伝導素子は、光変換部材の下に配置され得る。ヒートシンクとして働く要素を光変換部材の上及び下の双方に配置することにより、光変換部材から熱を運び去る効率が更に向上され得る。従って、良好な熱マネジメントが達成される。

光入口はミラーを有し得る。それに代えて、又は組み合わせて、光入口は回折格子を有して位いてもよい。光ガイドへの光の効率的なインカップリングが達成され得る。

光ガイドは、複数の光入口を有していてもよい。これは、パワー及び光出力を高め得る。これはまた、当該光学デバイスから出て行く光のビームプロファイルの均一性を向上させ得る。

第２の態様によれば、照明システムが提供される。当該照明システムは、以上に従った光学デバイスと、第１の波長の光を発するように構成された光源とを有する。光源は単色とし得る。光源は、レーザダイオード及び／又は発光ダイオード（ＬＥＤ）を有し得る。光源は、高輝度光源とし得る。光学デバイスは、高い輝度を持つように構成される。光学デバイスからの輝度は、好ましくは０．５ＧＣｄ／ｍ^２よりも高く、より好ましくは１ＧＣｄ／ｍ^２よりも高く、もっと好ましくは３ＧＣｄ／ｍ^２よりも高い。

当該照明システムは更に、光源からの光を光学デバイスの光入口へと導くように構成された更なる光ガイドを有し得る。更なる光ガイドは、例えば、光ファイバの形態にあるとし得る。

本発明の更なる適用範囲が、以下に与えられる詳細な説明から明らかになる。しかしながら、理解されるべきことには、この詳細な説明から、本発明の範囲内での様々な変形及び変更が当業者には明らかになるのであるから、これら詳細な説明及び具体例は、本発明の好適実施形態を示すものであるが、単に提示の目的で与えられる。

従って、理解されるべきことには、この発明は、説明されるデバイスの特定のコンポーネント部分又は記載される方法のステップに限定されるものではない。というのは、そのようなデバイス及び方法は様々であり得るからである。これまた理解されるべきことには、ここで使用される用語は、単に特定の実施形態を説明する目的でのものであり、限定することを意図するものではない。留意しなければならないことには、本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるとき、冠詞“ａ”、“ａｎ”、“ｔｈｅ”、及び“ｓａｉｄ”は、文脈が別のことを明瞭に述べていない限り、それらの要素が１つ以上存在することを意味することを意図している。従って、例えば、“ユニット”又は“前記ユニット”への言及は、複数のデバイス及びそれに類するものを含み得る。また、用語“有する”、“含む”、“包含する”、及び同様の用語は、その他の要素又はステップを排除するものではない。

以下、本発明の以上の態様及びその他の態様を、本発明の実施形態を示す添付図面を参照して更に詳細に説明する。図は、本発明を特定に実施形態に限定するものと見なされるべきでなく、その代わりに、発明を説明及び理解するために使用されるものである。
高輝度光を作り出す従来技術の照明システムの模式的な側断面図である。 高輝度光を作り出す本発明の照明システムの模式的な側断面図である。 高輝度光を作り出す本発明の他の照明システムの模式的な側断面図である。 高輝度光を作り出す本発明のいっそう他の照明システムの模式的な側断面図である。 高輝度光を作り出す本発明の更なる他の照明システムの模式的な側断面図である。 これらの図に示されるように、層及び領域のサイズは、図示の目的で誇張されており、故に、本発明の実施形態の概略構造を示すために提供されている。全体を通して、似通った参照符号は同様の要素を指している。

以下、現時点で好適な本発明の実施形態を示す添付図面を参照して、本発明をいっそう十分に説明する。しかしながら、この発明は、数多くの異なる形態で具現化され得るものであり、ここに説明される実施形態に限定されるように解釈されるべきでなく、むしろ、これらの実施形態は、徹底さ及び完全さのために提供されるものであり、また、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるものである。

図２には照明システム２００を例示する。照明システム２００は、光源２１０及び光学デバイス２２０を有している。

光源２１０は、第１の波長の光を発するように構成される。光源２１０は単色光源とすることができ、例えば、青色光を発し得る。光源２１０は、レーザダイオード及び／又は発光ダイオード（ＬＥＤ）を有し得る。光源２１０は、高輝度光源とし得る。光源からの輝度は、好ましくは０．５ＧＣｄ／ｍ^２よりも高く、より好ましくは１ＧＣｄ／ｍ^２よりも高く、もっと好ましくは３ＧＣｄ／ｍ^２よりも高い。

光学デバイスからの輝度は、好ましくは０．５ＧＣｄ／ｍ^２よりも高く、より好ましくは１ＧＣｄ／ｍ^２よりも高く、もっと好ましくは３ＧＣｄ／ｍ^２よりも高い。

光学デバイス２２０は、光入口２２３及び光出口２２４を有する光ガイド２２２と、光変換部材２２６とを有している。光入口２２３は、光ガイド２２２と周囲すなわち環境との間の、光が光ガイド２２２に結合され得るインタフェースである。光出口２２４は、光ガイド２２２と周囲すなわち環境との間の、光が光ガイド２２２から外に結合され得るインタフェースである。光変換部材２２６及び光出口２２４は、光ガイド２２２の主光軸ＯＡに沿って配置されている。光入口２２３は、光ガイド２２２の主光軸ＯＡを取り囲む幾何学的包絡面２２９（図３も参照）に配置されている。光入口２２３は、光出口２２４から物理的に離隔されている。

光入口２２３は、光ガイド２２２内の溝又は開口を有し得る。光を光ガイド２２２内に結合するために、光入口２２３にミラーが配置され得る。ミラーは湾曲していてもよい。ミラー表面は、誘電体又は金属の反射層でコーティングされ得る。それに代えて、又は組み合わせて、光を光ガイド２２２内に結合するために、光入口２２３に回折格子が配置されてもよい。回折格子は湾曲していてもよい。

照明システム２００は、光源２１０が光入口２２３を介して第１の波長の光を光ガイド２２２内に放つように構成される。この目的のため、第１の波長の光のビームを光入口２２３へと導くように、光源２１０の下流に光源光学素子２３０が配置され得る。これに関連し、下流なる用語は、光源によって放たれた光のビーム内の位置を意味する。他の例では、光源光学素子２３０を使用する代わりに、更なる光ガイド２４０（図３参照）によって、第１の波長の光が光入口２２３へと導かれてもよい。

図３は、光源２１０によって放たれた第１の波長の光が、そのような更なる光ガイド２４０によって光入口２２３へと導かれる照明システムの他の一実施形態を示している。図３に例示されるように、更なる光ガイド２４０は、別個の要素とし得る。それに代えて、更なる光ガイド２４０は、光ガイド２２２の一体部分であってもよい。後者の場合、更なる光ガイド２４０と光ガイド２２２との間に、光入口２２３を形成する実際上のインタフェースが得られる。更なる光ガイド２４０は、例えば光ファイバとし得る。従って、光源２１０から放たれた第１の波長の光は、更なる光ガイド２４０を介して光ガイド２２２内に導かれ得る。上述及び後述の全ての実施形態において、光源２１０から放たれた第１の波長の光は、更なる光ガイド２４０を介して光ガイド２２２へと導かれてもよい。光入口２２３での光ビームは、反射ミラー又は回折格子によって、光変換部材２２６の方に向け直され得る。

光変換部材２２６は、入来する第１の波長の光を少なくとも部分的に第２の波長の光へと変換するように構成される。例えば、光変換部材２２６は、入って来る青色光を黄色光に変換するように構成され得る。光変換部材２２６は更に、第２の波長の光を放出するように構成される。光変換部材２２６は更に、第１の波長の光の少なくとも一部を反射するように構成される。従って、光変換部材２２６は、反射性の光変換部材として参照されることがある。反射性の光変換部材で意味するものは、その正面に光を照射されて、その入来光の少なくとも一部を反射するように構成された光変換部材である。光ガイド２２２は好ましくは放物面形状を有する。しかしながら、光を導くための他の好適形状も使用され得る。光変換部材２２６は、光ガイド２２２の焦点に配置され得る。

光ガイド２２２は、入来する第１の波長の光を光入口２２３から光変換部材２２６へと導き、且つ光変換部材２２６から放出及び／又は反射された光を光出口２２４へと導くように構成される。従って、光ガイド２２２は、第１及び第２の波長の光を伝送するように構成される。

光変換部材２２６は、波長変換素子２２７と反射性の熱伝導素子２２８とを有している。波長変換素子２２７は、入来する第１の波長の光を少なくとも部分的に第２の波長の光へと変換するように構成される。例えば、波長変換素子２２７は、入来する青色光を黄色光へと変換するように配置され得る。

波長変換素子２２７は、反射性の熱伝導素子２２８と光ガイド２２２との間に挟まれている。

波長変換素子２２７は、例えばセラミック蛍光体などの蛍光体材料を有し得る。セラミック蛍光体は、高い熱伝導率を有した、例えばＬｕｍｉｒａｍｉｃ（登録商標）などのＣｅドープされたＹＡＧ又はＬｕＡｇセラミックとし得る。光変換部材２２６は、それに代えて、あるいは、また、有機蛍光染料又は量子ドットを有していてもよい。

量子ドットは、一般に数ナノメートルの幅又は直径を持つ半導電性材料の小さい結晶である。入射光によって励起されるとき、量子ドットは、結晶の大きさ及び材料によって決定される色の光を発する。故に、ドットの大きさを適応させることによって、特定の色の光を生み出すことができる。可視域での発光を持つ最もよく知られた量子ドットは、例えば硫化カドミウム（ＣｄＳ）及び硫化亜鉛（ＺｎＳ）などのシェルを有するセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）に基づいている。例えばインジウム燐（ＩｎＰ）、及び硫化銅インジウム（ＣｕＩｎＳ_２）及び／又は硫化銀インジウム（ＡｇＩｎＳ_２）などの、カドミウムを含まない（カドミウムフリー）量子ドットも使用され得る。量子ドットは非常に狭い発光バンドを示し、故に、それらは飽和色を示す。さらに、量子ドットの大きさを適応させることによって、発光色を容易に調整することができる。本発明においては、技術的に知られる如何なるタイプの量子ドットが使用されてもよい。しかしながら、環境上の安全性及び懸念の理由から、カドミウムフリーの量子ドットを使用すること、又は少なくとも、非常に低いカドミウム含有量を有する量子ドットを使用することが好ましいことがある。

波長変換素子２２７は、それに加えて、又は代えて、無機蛍光体を有していてもよい。無機蛍光体材料の例は、以下に限られないが、セリウム（Ｃｅ）ドープＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）又はＬｕＡＧ（Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）を含む。ＣｅドープＹＡＧは黄色光を発し、ＣｅドープＬｕＡＧは黄緑色光を発する。赤色光を発する他の無機蛍光体材料の例は、以下に限られないが、ＥＣＡＳ及びＢＳＳＮを含むことができ、ＥＣＡＳは、Ｃａ_１−ｘＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ_ｘ（ただし、０＜ｘ≦１、好ましくは０＜ｘ≦０．２）であり、ＢＳＳＮは、Ｂａ_{２−ｘ−ｚ}Ｍ_ｘＳｉ_５−ｙＡｌ_ｙＮ_８−ｙＯ_ｙ：Ｅｕ_ｚ（ただし、ＭはＳｒ又はＣａを表し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦４、且つ０．０００５≦ｚ≦０．０５であり、そして好ましくは、０≦ｘ≦０．２）である。

従って、波長変換素子２２７のルミネセント材料は、基本的に、（Ｍ＜Ｉ＞_{１−ｘ−ｙ}Ｍ＜ＩＩ＞_ｘＭ＜ＩＩＩ＞_ｙ）_３（Ｍ＜ＩＶ＞_１−ｚＭ＜Ｖ＞_ｚ）_５Ｏ_１２（ただし、Ｍ＜Ｉ＞は、Ｙ、Ｌｕ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＩ＞は、Ｇｄ、Ｌａ、Ｙｂ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞は、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＶ＞はＡｌであり、Ｍ＜Ｖ＞は、Ｇａ、Ｓｃ又はこれらの混合物を有する群から選択され、そして、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦１である）、（Ｍ＜Ｉ＞_{１−ｘ−ｙ}Ｍ＜ＩＩ＞_ｘＭ＜ＩＩＩ＞_ｙ）_２Ｏ_３（ただし、Ｍ＜Ｉ＞は、Ｙ、Ｌｕ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＩ＞は、Ｇｄ、Ｌａ、Ｙｂ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞は、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｂｉ、Ｓｂ又はこれらの混合物を有する群から選択され、そして、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．１である）、（Ｍ＜Ｉ＞_{１−ｘ−ｙ}Ｍ＜ＩＩ＞_ｘＭ＜ＩＩＩ＞_ｙ）Ｓ_１−ｚＳｅ_ｚ（ただし、Ｍ＜Ｉ＞は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＩ＞は、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｓｂ、Ｓｎ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞は、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｒｂ、Ｚｎ又はこれらの混合物を有する群から選択され、そして、０≦ｘ≦０．０１、０≦ｙ≦０．０５、０≦ｚ≦１である）、（Ｍ＜Ｉ＞_{１−ｘ−ｙ}Ｍ＜ＩＩ＞_ｘＭ＜ＩＩＩ＞_ｙ）Ｏ（ただし、Ｍ＜Ｉ＞は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＩ＞は、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞は、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｒｂ、Ｚｎ又はこれらの混合物を有する群から選択され、そして、０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦０．１である）、（Ｍ＜Ｉ＞_２−ｘＭ＜ＩＩ＞_ｘＭ＜ＩＩＩ＞_２）Ｏ_７（ただし、Ｍ＜Ｉ＞は、Ｌａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｂａ、Ｓｒ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＩ＞は、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｍ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞は、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ又はこれらの混合物を有する群から選択され、そして、０≦ｘ≦１である）、（Ｍ＜Ｉ＞_１−ｘＭ＜ＩＩ＞_ｘＭ＜ＩＩＩ＞_１−ｙＭ＜ＩＶ＞_ｙ）Ｏ_３（ただし、Ｍ＜Ｉ＞は、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｌａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＩ＞は、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｍ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞は、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ又はこれらの混合物を有する群から選択され、Ｍ＜ＩＶ＞は、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｃ、Ｓｉ又はこれらの混合物を有する群から選択され、そして、０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦０．１である）、又はこれらの混合物、を有する群から選択された材料からなり得る。

波長変換素子２２７の特に好適なルミネセント材料は、Ｃｅドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）及び／又はルテチウムアルミニウムガーネット（ＬｕＡＧ）である。

波長変換素子２２７の熱伝導率は、好ましくは２Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１よりも高く、より好ましくは６Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１よりも高く、もっと好ましくは２０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１よりも高い。

波長変換素子２２７は好ましくは、第１の波長の光のスポットと同じ大きさのものである。典型的なサイズは、直径で２００μｍ、４００μｍ、及び６００μｍである。

波長変換素子２２７は、反射性の熱伝導素子２２８と直に熱接触している。波長変換素子２２７は、反射性熱伝導素子２２８に化学的に結合され得る。従って、高強度の光スポットで燃焼する有機接着剤又はその他の材料は不要である。

波長変換素子２２７は、光ガイド２２２に面するように配置された正面を有する。波長変換素子２２７は、正面とは反対側にある背面を有する。反射性熱伝導素子２２８は、波長変換素子２２７の背面に配置されている。

反射性熱伝導素子２２８は反射性の表面を有する。反射性熱伝導素子２２８は、第１の波長の光を反射するように構成される。反射性熱伝導素子２２８は、第２の波長の光を反射するように構成される。反射性熱伝導素子２２８は、回折格子、ミラー、又はその他の好適なリフレクタを有し得る。それにより、光の効率的な再分配が達成され、光学デバイス２２０からの発光が大幅に増加される。

反射性熱伝導素子２２８は更に、波長変換素子２２７内で生成された熱を分配するように構成される。反射性熱伝導素子２２８は、銀、アルミニウム、窒化ホウ素、微孔形成ポリエチレンテレフタレート（ＭＣＰＥＴ）、半透明の多結晶アルミナセラミックス（ＰＣＡ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、又はこれらの組み合わせ、を有する材料の群から選択された材料を有し得る。反射性熱伝導素子２２８は、例えばアルミニウム又は銀などの、鏡面反射材料又は拡散反射材料を有し得る。この反射素子はまた、反射と、熱マネジメント改善のための熱伝導率向上と、を提供する窒化ホウ素又は酸化アルミニウムを有していてもよい。反射性熱伝導素子２２８の熱伝導率は、好ましくは２Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１よりも高く、より好ましくは６Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１よりも高く、もっと好ましくは２０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１よりも高い。波長変換素子２２７は、反射性熱伝導素子２２８と熱接触している。

波長変換素子２２７は、反射性熱伝導素子２２８と直に熱接触し得る。これは、波長変換素子２２７を反射性熱伝導素子２２８に化学的に結合することによって達成され得る。従って、高強度の光スポットで燃焼する有機接着剤又はその他の材料は不要である。それにより、熱の効率的な再分配及び放射が達成され、照明システム２００からの発光が増加され得る。これは、波長変換素子２２７上の熱負荷を低減させることになる。故に、波長変換素子２２７の量子効率が上昇される。

図２、３及び４の実施形態によれば、光ガイド２２２は複合放物面型集光器（ＣＰＣ）である。ＣＰＣは、中空でない塊である。波長変換素子２２７は、ＣＰＣの形態をした光ガイド２２２と直に熱接触している。

ＣＰＣは、高い熱伝導率を持つ材料を有する。従って、ＣＰＣは、波長変換素子２２７内で生成された熱を分配するように構成される。これは、波長変換素子２２７上の熱負荷を低減させることになる。故に、波長変換素子２２７の量子効率が上昇される。それにより、熱の効率的な再分配及び放射が達成され、照明システム２００からの発光が増加され得る。

波長変換素子２２７は、ＣＰＣに化学的に結合され得る。従って、高強度の光スポットで燃焼する有機接着剤又はその他の材料は不要である。それに代えて、波長変換素子２２７はＣＰＣに埋め込まれてもよい。波長変換素子２２７をＣＰＣに埋め込むことにより、波長変換素子２２７から遠ざかる方向の熱伝導率が高められ得る。さらに、これはまた、波長変換素子２２７の側面冷却を可能にする。

ＣＰＣの熱伝導率は、好ましくは２Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１よりも高く、より好ましくは６Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１よりも高く、もっと好ましくは２０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１よりも高い。

ＣＰＣは、セラミック材料、ＣａＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ダイヤモンド、及び／又はガラスで作製され得る。上述したように、波長変換素子２２７は、例えばイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）又はルテチウムアルミニウムガーネット（ＬｕＡＧ）といったセラミック材料のドープされた部分を有し得る。そうである場合、それぞれ、ＣＰＣは好ましくはＹＡＧ又はＬｕＡＧである。

照明システム２００は更に、光学デバイス２２０から放射された光を集めるように構成された光学素子２５０を有し得る。光学素子２５０は、図２ではレンズとして示されているが、当業者が気付くことには、その他のレンズ若しくはミラー、及びレンズ若しくはミラー系が使用されてもよい。例えば、光学素子２５０は、光ガイド２２２の一体部分として形成されてもよい。

光学素子２５０は更に、集めた光を混合素子２６０内に集束させるように構成され得る。混合素子２６０は、混合素子２６０に入る光を混合するように構成される。混合素子２６０に入る光は、光学デバイス２２０を起源とし、空間的に変化するスペクトル組成を有することができ、すなわち、第１及び第２の波長の光が空間的に分離されていてもよい。混合素子２６０に入る光は、例えば多重反射及び／又は回折によって空間的に混合される。それにより、混合素子２６０を去る光は、混合素子２６０に入る光よりも空間的にいっそう均一なスペクトル分布を有し得る。それにより、空間的にいっそう均一な光出力を提供する照明システム２００を得ることができ得る。混合素子２６０は、光ファイバ又は光ガイドとし得る。混合素子２６０の光学機能は、別の位置への光の輸送とし得る。

上述したように、第１の波長の光は青色光であることができ、第２の波長の光は、例えば黄色光など、第１の波長よりも長い波長を持つことができる。青色光と黄色光との組み合わせが白色光を生み出し得る。青色光及び黄色光を混合素子２６０で混ぜ合わせることにより、照明システム２００は、より均一なスペクトル分布を持つ白色光を提供し得る。

混合素子２６０は光ファイバとし得る。それにより、単純でコスト効果のあるフレキシブル混合素子２６０が達成され得る。混合素子２６０に入る光は更に、全反射によって光ファイバのコア内を効率的に伝播し得る。混合素子２６０は、それに代えて、透明なロッドであってもよい。ロッド又は光ファイバの断面は、円形でなくてもよく、例えば、光の混合を改善するために、正方形、六角形又は八角形の断面を有していてもよい。

当業者が気付くことには、本発明は決して、上述の好適実施形態に限定されるものではない。それどころか、添付の請求項の範囲内で数多くの変更及び変形が可能である。

反射性熱伝導素子２２８は、光ガイド２２２と直接に熱接触することができる。これは、反射性熱伝導素子２２８と光ガイド２２２との間に挟まれている波長変換素子２２７から遠ざかる方向の熱伝導率を高めることになる。

波長変換素子２２７及びＣＰＣは、単一素子へと焼結されてもよい。

反射性熱伝導素子２２８及びＣＰＣは、同様の材料で作製されてもよい。

図４に例示するように、光ガイド２２２は、複数の光源２１０からの光を受ける複数の光入口２２３を有していてもよい。これは、照明システムのパワー及び光出力を高め得る。これはまた、光学デバイスから出て行く光のビームプロファイルの均一性を向上させ得る。

図２−４に関連して上述した実施形態では、光ガイド２２２はＣＰＣの形態をしていた。しかしながら、ＣＰＣを使用する代わりに、放物面リフレクタを使用することも可能である。これは、図５に例示されている。上述及び後述の全ての実施形態で、ＣＰＣの代わりに、放物面リフレクタの形態をした光ガイドが使用されてもよい。放物面リフレクタは、金属、セラミック材料、又はガラス材料を有する。放物面リフレクタは更に、Ａｌ、Ａｇ、又は多層構造を有する反射表面を有する。それはまた、全反射（ＴＩＲ）を利用してもよい。さらに、放物面リフレクタを使用するとき、波長変換素子２２７の頂面に透明な熱伝導素子２２９が配置され得る。これは、反射性熱伝導素子２２８と透明熱伝導素子２２９との間に挟まれている波長変換素子２２７から遠ざかる方向の熱伝導率を高めることになる。

また、光入口は、光ガイドの、光出口と同じ表面に配置されてもよい。従って、この実施形態によれば、光入口は、光変換部材に対して反対側の光ガイドの表面に配置される。この実施形態によれば、入来する第１の波長の光は、回折格子を介して光ガイドに結合され得る。回折格子は、それが第１の波長の光を回折するように構成され得る。回折格子は、第２の波長の光の伝播には実質的に影響を与えないように構成され得る。

また、開示した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、請求項に係る発明を実施する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”は複数であることを排除するものではない。複数の特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組み合わ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。

光変換部材及び光出口は、光ガイドの主光軸に沿って配置される。光入口は、光ガイドの主光軸を取り囲む幾何学的包絡面に配置される。従って、第１の波長の光は、光ガイドの側面から光ガイド内に結合される。

Claims (14)

1. 入来する第１の波長の光を少なくとも部分的に第２の波長の光へと変換し、前記第２の波長の光を放出し、且つ前記第１の波長の光の少なくとも一部を反射するように構成された光変換部材と、
   光入口及び光出口を有する光ガイドであり、前記光入口から入来する前記第１の波長の光を前記光変換部材へと導き、且つ前記光変換部材から放出及び／又は反射された光を前記光出口へと導くように構成された光ガイドと
   を有し、
   前記光変換部材及び前記光出口は、前記光ガイドの対向する表面に配置され、
   前記光変換部材及び前記光出口は、前記光ガイドの主光軸に沿って配置され、前記光入口は、前記光ガイドの前記主光軸を取り囲む幾何学的包絡面に配置される、
   光学デバイス。
2. 前記光ガイドは放物面形状を有する、請求項１に記載の光学デバイス。
3. 当該光学デバイスからの輝度は０．５ＧＣｄ／ｍ^２よりも高い、請求項１又は２に記載の光学デバイス。
4. 前記光ガイドは複合放物面型集光器である、請求項１又は２に記載の光学デバイス。
5. 前記光ガイドは、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、サファイア、又はＣａＦ_２を有する、請求項１又は２に記載の光学デバイス。
6. 前記光ガイドは放物面リフレクタである、請求項１又は２に記載の光学デバイス。
7. 前記放物面リフレクタは、金属、セラミック材料、又はガラス材料を有する、請求項６に記載の光学デバイス。
8. 前記放物面リフレクタは、Ａｌ、Ａｇ、又は多層構造を有する反射表面を有する、請求項６に記載の光学デバイス。
9. 前記光入口はミラーを有する、請求項１又は２に記載の光学デバイス。
10. 前記光出口は回折格子を有する、請求項１又は２に記載の光学デバイス。
11. 反射性の熱伝導素子を更に有する請求項１又は２に記載の光学デバイス。
12. 前記光ガイドは、複数の光入口を有する、請求項１又は２に記載の光学デバイス。
13. 請求項１又は２に記載の光学デバイスと、
    第１の波長の光を発するように構成された光源と、
    を有する照明システム。
14. 前記光源からの光を前記光学デバイスの前記光入口へと導くように構成された更なる光ガイド、を更に有する請求項１３に記載の照明システム。

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