JP2018525799A - 車両ヘッドライトのための照明デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、特に車両ヘッドライトのための照明デバイスに関する。本照明デバイスは少なくとも、第１の波長又は波長範囲の光（２ａ）を発する１個又は数個の光源（２）； 前記第１の波長又は波長範囲の前記光の少なくとも一部を第２の波長又は波長範囲の光（６）に変換する波長変換部材（４）； 第１導光素子（１）及び第２導光素子（３）であり、前記第１導光素子（１）が前記１個又は数個の光源（２）と前記第２導光素子（３）との間に配置され、前記第２導光素子（３）が前記第１導光素子（１）と前記波長変換部材（４）との間に配置されている、第１導光素子（１）及び第２導光素子（３）；並びに 前記第２の波長又は波長範囲の光（６）を前記波長変換部材（４）を通って前記第２導光素子（３）へと反射するように、前記第２導光素子とは反対側の前記波長変換部材（４）の側部に取り付けられた反射部材（５）を有する。前記第２導光素子（３）は、前記１個又は数個の光源（２）により発光されて前記第１導光素子（１）を通り前記波長変換部材（４）へと通過する光（２ａ）をガイドし、前記反射部材（５）において前記第１導光素子（１）へと反射される前記第２の波長又は波長範囲の光（６）をガイドするように、設計されている。前記第１導光素子（１）は、前記１個又は数個の光源（２）により前記第２導光素子（３）へと発光された光をガイドする少なくとも１個の第１ガイド構造体（１ａ）と、前記反射部材（５）において反射され、前記第２導光素子（３）を通り前記第１導光素子（１）の出力結合表面へと通過する前記第２の波長又は波長範囲の光（６）をガイドする少なくとも１個の第２ガイド構造体（１ｂ、１ｃ）と、を有する。本照明デバイスによって、高輝度光源の使用がコンパクトな方式で実現される。

Description

本発明は、１個又は数個の光源の光が波長変換部材によって異なる波長又は波長範囲の光に変換される照明デバイス、特に車両用ヘッドライトに関する。このような照明デバイスは、例えば、車両の前方の道路の照明のような照明目的のために、１個又は数個の発光ダイオード又はレーザーダイオードから発する青色光を実質的に白色光に変換するために使用される。

青色レーザ光を用いて光変換部材を照射し、異なる波長スペクトルの光を生成する一般的な原理が知られている。日本特許出願公開公報JP2015008048Aは、少なくとも1個のレーザ光源と、光繊維束と、波長変換部材とを備える車両用ヘッドライト用照明デバイスを開示している。そこでは、レーザ光は繊維束を通じて導光され、繊維束の端面で波長変換部材によって変換され、異なる波長の光を創成する。異なる波長の光は、続く光学システムにより投射される。この照明デバイスのアーキテクチャでは、光変換素子が透過構成で使用され、入射レーザ光及び変換光が光変換部材の2つの対向する表面に入射して出射する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開公報第102013207841号明細書には、いくつかのレーザーダイオードと、いくつかの導光構造からなる導光素子と、波長変換部材とを備える車両照明デバイスが開示されている。導光素子は、レーザ源からの光を波長変換部材に導くために使用される。導光素子内の導光構造の1つが、光変換部材によって放射された変換光の僅かな部分を、光変換を監視するための制御ユニットに導くために使用される。この文献の実施形態の大部分は、波長変換部材を透過構成で使用するが、この文献はまた、導光素子とは反対側の波長変換部材の側に反射素子が取り付けられる例をも開示する。光変換部材を備えた反射素子は適切に方向付けられ、それによりレーザーダイオードからの光が面法線に対してある角度で光変換部材に入射し、変換された光が反射素子によって反射され、導光部材を一方の側で通過する。その例によれば、反射素子付き光変換部材を放熱用のヒートシンクに取り付けることができる。

本発明の一目的は、車両のヘッドライトに用いるのに特に適切な、小型設計の照明デバイスをもたらすことであり、そのような照明デバイスは、高輝度（＞500Mcd/m²）の光を創り出すためにも用いうる。

上記目的は、請求項１に従った照明デバイスにより達成される。本照明デバイスの有利な実施形態は、従属請求項の主題であり、明細書の以下の部分に開示されている。

提案された照明デバイスは、少なくとも第1の波長又は波長範囲の光を放射する1個又は複数個の光源と、第1の波長又は波長範囲の光の少なくとも一部を第2の波長又は波長範囲の光に変換する波長変換部材と、前記1個又は複数個の光源と前記波長変換部材との間の第1導光素子及び第2導光素子と、前記波長変換部材の側方に取り付けられる反射部材とを備える。第1導光素子は、1個又は複数個の光源と第2導光素子との間に配置される。第2導光素子は、第1導光素子と波長変換部材との間に配置される。反射部材は、第2の導光素子とは反対側の波長変換部材の側部に取り付けられ、第2の波長又は波長範囲の光を波長変換部材を介して第2導光素子へと反射する。第2導光素子は、1個又は複数個の光源から発せられ第1導光素子を通過した光を波長変換部材へと導き、反射部材で反射された第2の波長又は波長範囲の光を第1導光素子へと導くように設計される。第1の導光素子は、以下で第1導光サブユニットとも呼ばれる少なくとも1つの第1導光構造体を備え、1個又は複数個の光源によって放射された光を第2導光素子へと導く。第1導光素子はまた、以下で第2導光サブユニットとも呼ばれる少なくとも1つの第2導光構造体を含み、反射部材で反射され第2導光素子を通過してきた第2の波長又は波長範囲の光を第1導光素子の出射表面へと導く。第2の波長又は波長範囲の光は、第1の導光素子を出射表面から出て、所望の照明目的のために使用することができる。

提案された照明デバイスは、反射部材を有する光変換部材に対して、反射部材の側において、適切な熱除去素子、すなわち適切なヒートシンクを取り付けることが可能である。このことにより、高輝度を発生させる高出力の光源を有する照明デバイスを使用することが可能になる。変換された光は、第2導光素子及び第1導光素子へと逆反射され、これらの素子内で導光されるので、装置全体をコンパクトな寸法で実現することができる。レーザーダイオード、特に青色波長範囲内で発光するレーザーダイオードの典型的な高発光（high radiance）のために、１個又は数個の第１光源の光を導光するために、第1導光素子の断面積のごくわずかしか必要としない。すなわち、対応する第1導光構造体又はサブユニットは、第1導光素子の非常に小さな断面のみを占める。こうして、第2の波長又は波長範囲の光は、第１導光素子の残る断面内で、導光されうる。このことは、例えば、実質的により大きな断面積の第2導光構造体又はより多数の第2導光構造体又はサブユニットを組み込むことにより達成される。デバイスがいくつかの光源を備える場合、これらの光源の光は、共通の第1導光構造体内で導光されてよく、また、これらの光源の各々に対応するいくつかの第1導光構造体においてそれぞれ導光されてもよい。

好ましい実施形態において、数個の第2導光構造体が第1導光素子内に形成され、少なくとも１個の第2導光構造体又はサブユニットは、第2の波長又は波長範囲の光の一部を、光の強度を検出する制御ユニットへと導く。こうして、この制御ユニットは、第2の波長又は波長範囲の光の生成を監視して、光生成又は光変換のあらゆる障害を検出することができる検出器システムを備える。さらに、第2の波長又は波長範囲の光の色及び強度を監視することにより、経年変化の影響を補償することができる。

第1導光素子は、第1導光素子の第1導光構造体及び第2導光構造体又はサブユニットを形成する光繊維束（optical fiber bundle）から形成することができる。それにもかかわらず、第1導光素子は、他の方法でも形成できる。例えば、第1及び第2の波長又は波長領域の光を導光する複数の導波路が一体化された、光学的に透明なバルク材料によって形成されてもよい。

第2導光素子は、複合放物面集光素子、円錐形ロッド、TIR光学（TIR：全反射）又は第1導光素子側に大きな断面端面を有し光変換部材側に小さな断面端面を有する同様の光学系として形成することができる。こうして、この実施形態の第2導光素子は、1個又は複数個の光源の光を光変換部材の表面に集中させ、第2の波長又は波長範囲の光を第1導光素子の端面に集中させる。この変換された光は、典型的には広い範囲の方向に光変換部材から離れるからである。

第1導光素子及び第2導光素子は、好ましくは、光がこれらの素子間に空隙から一方の素子に入るときに生じる光損失を回避するために、互いに取り付けられる。同様の理由から、第2導光素子は、光変換部材の表面に接触していることが好ましい。変形的には、第1導光素子と第2導光素子との間及び／又は第2導光素子と光変換部材との間に隙間が存在してもよい。いくつかのタイプの第2導光素子では、適切な動作のために、変換素子への空隙を必要とすることがある。このような隙間における光の損失を避けるために、対応する表面をAR被覆（AR：反射防止（antireflective））することができる。

反射部材は、光変換部材が取り付けられる光反射面を有する基板から形成されてもよい。反射部材は、光変換部材上に反射性表面層で形成されていてもよい。

1個又は複数個の光源は、好ましくは、発光ダイオード又はレーザーダイオードである。これらの光源から放射される光は、好ましくは青色波長領域の光、特に波長450nm付近の光である。

光変換部材は、好ましくは、第1の波長又は波長範囲の光を第2の波長又は波長範囲の光に変換するための蛍光体を含む。光は、部分的にのみ変換されてもよく、そして変換されていない光は、好ましくは、第2の波長又は波長領域の光と同じように散乱され、反射され、導光される。照明目的に依存して、両方の波長又は波長範囲の混合物を照明目的に使用することができ、或いは第1の波長又は波長領域の非変換光を用途への途中でフィルターアウトすることができる。例えば、青色光を実質的に白色光に変換する蛍光体は、YAG：Ce蛍光体であってもよい。蛍光体は、光変換部材全体を形成してもよく、或いはこの光変換部材の一部、例えば基板の表面層であってもよく、表面層を有する基板が光変換部材を形成してもよい。

提案されている照明デバイスは、例えば、車両のヘッドライトなどの自動車照明用の高輝度光源として使用することができる。しかしながら、本照明デバイスの用途はこの用途に限定されない。本照明デバイスは、例えば、従来の照明のための遠隔光源として、又はビデオ投影若しくはデータ投影のために使用することもできる。

本発明が添付図面を参照して例示的方式により以下に記載される。
本提案の照明デバイスの一例の概略断面図である。 本提案の照明デバイスの第２導光素子として用いうる集光器（optical concentrator）の一例である。 照明デバイスの第１導光素子として用いうる溶融型繊維束（fused fiber bundle）の概略正面図である。

以下に、本提案の照明デバイスの一例を図１を参照して記述する。本実施形態における本提案の照明デバイスは青色レーザ光２ａを放射する青色レーザ光源２を有し、青色レーザ光２ａは光変換部材４により黄色光６に変換される。青色レーザ光源2によって放射された青色レーザ光2aは、第1導光素子1の第1導光構造体1aに結合され、この第１導光構造体1aによって第2導光素子3へと導かれる。青色レーザ光源2が高発光（high radiance）であるので、青色レーザ光２ａの導光のために第1導光素子1の断面積のごくわずかしか必要とされない。このことは、図1の断面図にも示されている。第１導光素子1の出射表面において、第2導光素子3を通じて青色レーザ光2aが光変換部材4へと導かれている。この光変換部材4は、青色レーザ光2aを黄色光6に変換するための適切な蛍光体で形成されている。光変換部材4は反射部材５へ取り付けられている。反射部材５は、光変換部材4を通過した後の変換された光６を、変換部材４を通って第2導光素子3へと反対方向に反射する。第2導光素子３は、反射光を第1導光素子1へと導く。変換された光6の一部は、次に、第1導光素子1の例示的な第2導光構造体1b、1cを介して、図示するように第1導光素子1の出射（出力結合（outcoupling））表面へと導かれる。変換された光6は、この出射面を通って第1導光素子1を離れ、照明用途に使用される。

追加的な第2導光構造体を第1導光素子1に組み込んで、変換された光6の一部を分析及び監視目的のための検出器システムへと導くことができる。さらに、第2導光構造体は、より大きな断面積を占めることができ、或いはより多くのこのような構造体で形成することができ、変換された光のより大きな部分を第1導光素子1の出射表面に導く。反射部材5の後側にヒートシンクを取り付けることにより、光変換部材4において高出力レーザ光により発生した熱を除去することができる。

図1の実施例において、第2導光素子3は、第1導光素子1の側でより大きい断面を有し、光変換部材4の側でより小さい断面を有し、集光器として作用する。図2は、第2導光素子3として使用することができるそのような集光器の他の実施例を示す。従来技術から知られているこの光学集光器は、TIR表面7、球表面8及び屈折表面9を備え、この集光装置を通過する光を導光する。そして、光変換部材4は球面8の側に配置され、第1導光素子1は球面の反対側に配置される。このような光学集光器を使用するときに形成される空隙での損失を回避するために、対応する表面を適切な反射防止層で被覆してもよい。

第1導光素子1は、好ましくは、溶融繊維束（fused fiber bundle）で形成される。図３は、そのような繊維束の一方側の概略図を示しており、この実施例では、出射表面を示している。この図から分かるように、個々の繊維10を有する繊維束は、特別な断面形状、この実施例では二次曲面形状（quadratic shape）を示すように形成することができる。この繊維束の形状は、第2導光素子3の側では異なっていてもよい。

本発明は、図面及び前述の説明に詳細に記載されているように例示されているが、そのような図示及び説明は、例示的又は例であって限定的ではないと解釈されるべきである。本発明は開示された実施形態に限定されることはない。開示された実施形態に対する他の変形は、図面、開示及び添付の特許請求の範囲の研究から、請求の範囲に記載の発明を実施する際に当業者によって理解され、達成できる。特許請求の範囲において、「含む、有する、備える（comprising）」という単語は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「a」又は「an」は複数を排除しない。特定の手段が相互に異なる従属請求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使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

参照符号のリスト
1 第１導光素子
1a 第１導光構造体
1b 第２導光構造体
1c 第２導光構造体
2 青色レーザ光源
2a 青色レーザ光
3 第２導光素子
4 光変換部材
5 反射部材
6 変換された黄色光
7 TIR表面
8 球表面
9 反射性表面
10 繊維束の遷移

Claims (10)

1. 車両用ヘッドライトのための照明デバイスであって：少なくとも
   第１の波長又は波長範囲の光（２ａ）を発する１個又は数個の光源（２）；
   前記第１の波長又は波長範囲の前記光の少なくとも一部を第２の波長又は波長範囲の光（６）に変換する波長変換部材（４）；
   第１導光素子（１）及び第２導光素子（３）であり、前記第１導光素子（１）が前記１個又は数個の光源（２）と前記第２導光素子（３）との間に配置され、前記第２導光素子（３）が前記第１導光素子（１）と前記波長変換部材（４）との間に配置されている、前記第１導光素子（１）及び前記第２導光素子（３）；並びに
   前記第２の波長又は波長範囲の光（６）を前記波長変換部材（４）を通って前記第２導光素子（３）へと反射するように、前記第２導光素子とは反対側の前記波長変換部材（４）の側部に取り付けられた反射部材（５）；
   を有し、
   前記第２導光素子（３）が、前記１個又は数個の光源（２）により発光されて前記第１導光素子（１）を通り前記波長変換部材（４）へと通過する光（２ａ）をガイドし、前記反射部材（５）において前記第１導光素子（１）へと反射される前記第２の波長又は波長範囲の光（６）をガイドするように、設計され；かつ
   前記第１導光素子（１）が、前記１個又は数個の光源（２）により前記第２導光素子（３）へと発光された光をガイドする少なくとも１個の第１ガイド構造体（１ａ）と、前記反射部材（５）において反射され、前記第２導光素子（３）を通り前記第１導光素子（１）の出力結合表面へと通過する前記第２の波長又は波長範囲の光（６）をガイドする少なくとも１個の第２ガイド構造体（１ｂ、１ｃ）と、を有する、
   照明デバイス。
2. 請求項１に記載の照明デバイスであり、
   前記１個又は数個の光源（２）が発光ダイオード又はレーザーダイオードである、
   照明デバイス。
3. 請求項２に記載の照明デバイスであり、
   前記１個又は数個の光源（２）が、前記第１の波長又は波長範囲の前記光（２ａ）として、青色波長範囲の光を発光する発光ダイオード又はレーザーダイオードである、
   照明デバイス。
4. 請求項１に記載の照明デバイスであり、
   前記第１導光素子（１）が光学繊維束により形成されている、
   照明デバイス。
5. 請求項４に記載の照明デバイスであり、
   前記光学繊維束が少なくとも一端において溶融されている、
   照明デバイス。
6. 請求項１に記載の照明デバイスであり、
   前記第２導光素子（３）が、前記波長変換部材（４）に向かって集光器として作用する光学素子により形成されている、
   照明デバイス。
7. 請求項６に記載の照明デバイスであり、
   前記第２導光素子（３）が、複合放物集光器、円錐形ロッド又は全反射光学器により形成されている、
   照明デバイス。
8. 請求項１に記載の照明デバイスであり、
   前記反射部材（５）が、前記波長変換部材（４）上の反射層として形成されている、
   照明デバイス。
9. 請求項１に記載の照明デバイスであり、
   前記第１導光素子（１）及び前記第２導光素子（３）が互いに取り付けられている、
   照明デバイス。
10. 請求項１に記載の照明デバイスであり、
    前記第１導光素子（１）が数個の第２ガイド構造体（１ｂ、１ｃ）を有し、前記第２ガイド構造体の少なくとも１個が前記第２の波長又は波長範囲の光（６）の一部を光学検出器へとガイドする、
    照明デバイス。

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