JP2020502569A

JP2020502569A - 光変換装置

Info

Publication number: JP2020502569A
Application number: JP2019531646A
Authority: JP
Inventors: ゾズゴルニク，シュテフェン; ヘクトフィッシャー，ウルリヒ
Original assignee: ルミレッズホールディングベーフェー
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2037-12-07
Also published as: CN110050223A; JP6991216B2; EP3555689A1; EP3555689B1; US20190383456A1; CN110050223B; US10781987B2; WO2018108709A1

Abstract

本発明は光変換装置(130)であって：レーザ光(10)を変換光(20)へと変換する光変換器(134)であり、光入射面と、光入射面と反対側の接合面と、側面とを備える光変換器(134)と；光変換器(134)を担持する基板(131)であり、レーザ光(10)及び変換光(20)を反射する反射性構造体(137)を備える基板と；光変換器(134)の側面に光学的に結合され、レーザ光(10)及び変換光(20)を反射する反射性側部構造体(132)と；反射性側部構造体(132)を冷却するためにそこに取り付けられた冷却素子(139)であり、レーザ光(10)の波長域及び変換光(20)の波長域において透明である材料を含み、レーザ光(10)の光路、反射されたレーザ光(11)の光路及び変換光(20)の光路上に配置された冷却素子と；光変換器(134)と冷却素子(139)との間にあり、冷却素子(139)内において反射レーザ光(11)と変換光(20)の導光を回避するデカップリング構造体(138)と；を含む。本発明は、さらに、発光素子、そのような光変換装置(130)又は発光素子を含むレーザベースの光源(100)、及び1つ以上のレーザベースの光源(100)を含む車両ヘッドライトを含む。

Description

本発明は、光変換装置、発光素子、そのような光変換装置又はそのような発光装置を含むレーザベースの光源、及びそのようなレーザベースの光源を含む車両ヘッドライトに関する。

高輝度光源では、レーザーによって放射される例えば青色光によって励起される光変換装置が使用されることが多い。光変換装置の蛍光体は、ヒートシンクと蛍光体との間に設けられたハンダ又は接着剤の層の手段によってヒートシンクに結合される。特に青色レーザ光の高い強度、及び蛍光体による光変換による高温が、信頼性問題を引き起こす場合がある。

WO2015121089A1、EP282211A1、US20130335989A1及びWO2009095662A1が、蛍光体に対する特定の冷却構造を提案した。

本発明の目的は、改良された光変換装置を提供することである。本発明は独立クレームによって定義される。従属特許請求の範囲は、有利な実施形態を定義する。

第1の態様に従って光変換装置が提供される。光変換装置は、光変換器を備える。光変換器は、レーザ光を変換された光（変換光）に変換するように構成されている。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にある。光変換器は、光入射面と、光入射面と反対側の接合面と、側面とを備える。光変換装置は、反射性構造体を含む基板をさらに備える。光変換器は、レーザ光及び変換光が反射性構造体によって反射されるように基板上に配置される。光変換装置は、光変換器の側面に光学的に結合された反射性の側面構造体をさらに備える。反射性側部構造体は、レーザ光及び変換光を反射するように配置される。光変換装置は、反射性側部構造体を冷却するために、反射性側部構造体に取り付けられた冷却素子をさらに備える。冷却素子は、レーザ光の波長域と変換光の波長域において透明な材料から構成される。冷却素子は、レーザ光の光路、反射されたレーザ光の光路、及び変換光の光路上に配置される。冷却素子は、冷却素子におけるレーザ光及び変換光の導光（light guiding）が回避されるように、反射性側部構造体に取り付けられる。

例えば、青色レーザ光及び変換光は、反射性構造体又は反射性構造体と対応する散乱素子との組合せによって、例えば光変換器内で拡散的に反射されることが好ましい。反射光の一部が反射性側部構造体に当たることがある。反射性側部構造体に当たる光の一部は吸収され、反射性側部構造体の望ましくない局所加熱を引き起こすことがある。この局所的な加熱は、反射性側部構造体を損傷し、それにより光変換器における青色レーザ光の特に逆反射を減少させてしまうことがある。このことは、光変換装置によって放射され得る光の強度及び／又は色点に影響を与え得る。冷却素子は、反射性側部構造体と熱的に接触しており、好ましくは10 W/K以上、より好ましくは20 W/K以上、最も好ましくは30 W/K以上の熱コンダクタンス（thermal conductance）を有する。冷却素子の寸法及び形状は、反射性側部構造体で発生する熱量に適合されなければならない。サファイアの熱伝導率は約40W/K (熱伝導率は約40W/ (mK))である。したがって、冷却素子は、反射性側部構造体の損傷が低減されるように、反射性側部構造体内又は反射性側部構造体で発生する熱の実質的な部分を除去又は消散させることができる。したがって、反射側面構造体によって構成される材料のエージングを遅延させることができる。光変換器は、例えば、薄い(例えば、50μmの)長方形又は円形のプレートであってもよい。光変換器の薄い側面は、反射性側部構造体で覆われてもよい。

光変換装置は、デカップリング構造体を備える。デカップリング構造体は、光変換器と冷却素子との間に配置される。デカップリング構造体は、冷却素子内における反射されたレーザ光（反射レーザ光）及び変換光の導光を回避するように配置される。デカップリング構造体の屈折率は、光変換器に対向する冷却素子の表面と反対側の冷却素子の表面における材料の屈折率と同じ又はそれ未満であってもよい。導光は、例えば、冷却素子と光変換器との間の直接的なインターフェースを低減するか、又は回避することによって回避することができる。冷却素子及び光変換器は、対向面の僅かな部分のみが互いに接触するように構成されてもよい。光変換器の表面及び／又は冷却素子の表面の表面粗さは、例えば、光変換器及び冷却素子の表面の５%未満、好ましくは３%未満、最も好ましくは１%未満が互いに接触するように構成することができる。代替的なアプローチでは、冷却素子と光変換器との間にエアギャップが存在してもよい。デカップリング構造体は、光変換器からの方向で冷却素子に入射する本質的に全ての光が反対側の透明な冷却素子を離れるように配置されることが好ましい。冷却素子は、例えば、サファイアのシートを含むことができる。

冷却素子は、好ましくは、反射性側部構造体によって基板に接合（又は接着）される。

反射性側部構造体は、レーザ光の波長範囲及び変換光の波長範囲において透明であるマトリクス材を含んでもよい。マトリクス材は、マトリクス材中に分散された反射性粒子を含んでもよく、該反射性粒子は、レーザ光の波長範囲及び変換光の波長範囲において反射性である。反射性粒子を含むマトリクス材は、光変換器の側面に配置されてもよい。冷却素子は、マトリクス材によって基板に接合されてもよい。

マトリクス材は、反射性光構造体の最大伸長に沿ったレーザ光及び変換光の波長範囲内で99%を超える透過率の手段によって特徴付けることができる。マトリックス材料の透明性が高いと、マトリックス材料内の吸収が減少し、したがって、対応する加熱が減少する。マトリクス材は、シリコーン、ガラス又は反射性の側面構造体を提供するために側面コーティングとして使用することができる他の適切な材料を含むことができる。反射性粒子は、例えば、金属酸化物粒子、特に酸化チタン粒子を含んでもよい。

透明な冷却素子は、レーザ光及び変換光に対するその反射率を減少させるための反射防止コーティングを含むことができる。反射防止コーティングは、特に、透明冷却素子の両シート表面、すなわち光変換器に面する表面及び反対側の表面に平坦なシート状が好ましく設けられた透明冷却素子の場合に用いられる。あるいは、透明冷却素子は、例えば、変換光及び反射レーザ光を集束させるための湾曲した表面を含んでもよい。この場合、透明冷却素子は、１つの反射防止コーティングのみを含んでもよい。反射防止コーティングは、例えば、光変換器を照射するために使用される青色レーザ光の反射を避けるように構成され、光変換器によって放射される(又は、光変換器の方向から透明な冷却素子をより正確に照射する)本質的に全ての光が入射し、その後透明な冷却素子を離れることができるように構成される。

冷却素子は、支持構造体を含んでもよい。支持構造体は、光変換器の光入射面と光入射面に垂直な冷却素子との間の距離を定めるように構成されてもよい。

支持構造体は、冷却素子の一体化された部分であってもよいし、分離され得る部分であってもよい。支持構造体は、冷却素子の残りの部分とは異なる材料を含んでもよい。支持構造体は、基材及び／又は冷却素子の残りに接着又は結合されてもよい。

さらなる態様に従って発光素子が提供される。発光素子は、上述のような光変換装置を備える。発光素子は、光学素子をさらに含む。光学素子は、結合層又は接着層によって冷却素子に機械的に結合又は接着される。接着層は、デカップリング構造体の屈折率と同じか又はそれよりも大きい屈折率を有する。デカップリング構造体は、上述のようなエアギャップ、又は光学素子を接着するために使用される接着剤又は接着剤と同じ又はより低い屈折率を有する光変換器と冷却素子との間に配置されるデカップリング材料(例えば、シリコーン)を含む。

さらなる態様によれば、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又は発光装置と、レーザ光を放射するように適合された少なくとも１つのレーザーとを備える。

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つ以上のレーザー(例えば、アレイの形態)を含んでもよい。

さらなる態様によれば、車両ヘッドライトが提供される。車両ヘッドライトは、上述のように、少なくとも１つのレーザベースの光源を含む。車両ヘッドライトは、上述のように、２つ、３つ、４つ又はそれ以上のレーザベースの光源を含んでもよい。この場合、光変換器は、黄色の蛍光体ガーネット(例えば、Y_(3-0.4) Gd_0.4，Al₅ O₁₂ :Ce)を含むか、又は、黄色の蛍光体ガーネットからなることができる。青色レーザ光と黄色に変換された光の混合光を使用して、白色光を生成することができる。青色レーザ光の約21%が反射され、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、蛍光体中のストークス損失を考慮することによって、レーザベースの光源によって放射される混合光における26%の青色レーザ光と74%の黄色に変換された光の比を可能にする。

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

さらに有利な実施形態を以下に定義する。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載する実施形態を参照して明らかになり説明される。

本発明を、添付の図面を参照した実施形態に基づいて、以下に例示として説明する。

光変換装置を備えたレーザベース光源の第１実施形態の主な概略図を示す。光変換装置を備えたレーザベース光源の第２実施形態の主な概略図を示す。光変換装置を備えたレーザベース光源の第３実施形態の主な概略図を示す。

図において、同様の数字は、全体を通して、同様の対象物を指す。図中の対象物は、必ずしも縮尺通りに描かれているわけではない。

以下、本発明の様々な実施形態について、図面を用いて説明する。

図１は、光変換装置130を含むレーザベース光源100の第１の実施形態の主な概略図である。サファイア板を含む透明な冷却素子139が、ヒートシンクとして作用する基板131に、反射性側部構造体132の手段によって接着される。反射性側部構造体132は、光変換器134の側面又は複数の表面を覆い、透明冷却素子139のための接着剤として作用するシリコーンを含む。接着剤は、例えば、散乱粒子で「充填」される。散乱粒子は、例えば、粒子直径が約100nmから数μmに達するTiOxである。接着剤は、光変換器134(蛍光体)の周囲に分配され、光変換器134と透明冷却素子139との間にデカップリング構造体（decoupling structure）138が存在するように、適所に硬化される。本実施形態においてデカップリング構造体138は、光変換器134によって放射される光に対する、透明冷却素子139内における光学的ガイドを回避するギャップである。レーザ110は、青色レーザ光10を放射するように構成されている。青色レーザ光10は、サファイア板139を介して光変換器134(黄色蛍光ガーネット)に入射する。サファイア板139は、レーザ光10及び変換光20の波長範囲内の光の反射を避ける反射防止コーティング140を含む。青色レーザ光10の一部は、変換されて、黄色変換光20になる。基板131の研磨された表面である反射性構造体137で反射された反射青色レーザ光11と変換光20との混合光が、サファイア板139を介して放射される。かくして、レーザベースの光源100は、反射レーザ光11と変換光20とのこのような混合光を含む白色光を放射するように構成される。サファイア板139のサイズは、反射性側部構造体132の損傷又は劣化が回避されるように、反射性側部構造体132内で又はそこで発生する熱の実質的な部分が消散されるように構成される。

図２は、光変換装置130を備えたレーザベースの光源100の第2の実施形態の主な概略図である。光変換装置130は、再びヒートシンクとして作用する基板131を備える。基板131はさらに反射性構造体137を備え、反射性構造体137は、基板131を構成する伝熱金属シートと光変換器134との間に配置される。反射性構造体137は、レーザ光10及び変換光20の波長範囲内で反射性の多層ダイクロイックフィルター（multilayer dichroic filter）と、ダイクロイックフィルターと金属シートとの間の銀層との組み合わせである。光変換器134は、反射性構造体137に接着される。反射性側部構造体132は、光変換器134の側面に堆積される。反射性側部構造体132は、透明な冷却素子139を基板131に直接的に(冷却素子139と基板131との間の直接的な結合)又は間接的に(光変換器134を介した結合)結合又は接着する。冷却素子139は、支持構造体139aを含む。支持構造体139aは、光変換器134の光入射表面と冷却素子139との間の、光入射表面に対して垂直な距離を定めるように構成される。それにより、光変換器134と冷却素子139との間に分離構造体138(エアギャップ)が存在する。レーザ110は、透明な冷却素子139を通して光変換器134へとレーザ光10を放射する。レーザ光10の一部は、光変換器134の手段によって変換光20へと変換される。変換は、反射されたレーザ光11と変換光20との混合光が、透明な冷却素子139を通して放射されるように行われる。

図３は、光変換装置130を備えたレーザベースの光源100の第３の実施形態の主な概略図である。光変換装置130は、図２に関して説明した光変換装置130と異なり、支持構造体139aが別の構造である。光変換装置130はさらに、発光素子を構築するために光学素子151と組み合わされる。例えばサファイアドームである光学素子151は、接着層150によって冷却素子139に接着される。接着層150は、冷却素子139と光学素子151との間に配置される接着剤（adhesive）又は接着剤層（a layer of glue）であってもよい。デカップリング構造体138は、接着層150の材料の屈折率と同じ又はより小さい屈折率を有するシリコーン材料を含む。それにより、透明冷却素子139によって受け取られた変換光20及び反射レーザ光11の実質的に全てが接着層150を経由して透明冷却素子139を離れ、光学素子151によってコリメートされる。光学素子151(サファイアドーム)は、光変換器134よりも大きな直径(例えば、5倍又は10倍以上)を有し、それにより、本質的に全ての反射レーザ光11及び変換レーザ光20がサファイアドームを通過する。レーザ110によって放射されたレーザ光10は、光学素子151(サファイアドーム)、接着層150、冷却素子139及びデカップリング構造体138を通過した後に光変換器134に入射する。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に描画され及び説明されてきたが、このような描画及び説明は、例示的又は具体例的であり、限定的ではないとみなされるべきである。

本開示を読んで、当業者に他の変形が明らかであろう。そのような変形は、当該技術分野で既に知られており、本明細書中に既に記載されている特徴の代わりに、又はそれに加えて使用できる他の特徴を含み得る。

図面、開示及び添付の特許請求の範囲の研究から、開示された実施形態に対する変形が当業者によって理解され実施され得る。請求項において、語「含む」は、他の要素又は工程を除外せず、不定冠詞「a」又は「an」は、複数の要素又は工程を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属クレームに記載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できないことを示すものではない。

クレーム中の引用符号は、その範囲を限定するものと解釈してはならない。
参照符号のリスト:
10 レーザ光
11 反射レーザ光
20 変換光
100 レーザベースの光源
110 レーザ
130 光変換装置
131 基板
132 反射性側部構造体
134 光変換器
137 反射性構造体
138 デカップリング構造体
139 冷却素子
139a 支持構造体
140 反射防止コーティング
150 接着層
151 光学素子

Claims

光変換装置であって：
レーザ光を変換光へと変換するように構成された光変換器であり、前記変換光のピーク放射波長は前記レーザ光のレーザピーク放射波長よりも長い波長範囲にあり、当該光変換器は、光入射面、前記光入射面と反対側の接着面、及び側面を備える光変換器;
反射性構造体を備える基板であり、前記反射性構造体によって前記レーザ光及び前記変換光を反射するように前記光変換器が前記基板上に配置される、基板;
前記レーザ光及び前記変換光を反射するために、前記光変換器の側面に光学的に結合された反射性側部構造体；
前記反射性側部構造体を冷却するために前記反射性側部構造体に取り付けられた冷却素子であり、前記レーザ光の波長域及び前記変換光の波長域において透明である材料を含み、前記レーザ光の光路、反射レーザ光の光路及び前記変換光の光路上に配置された冷却素子；及び
デカップリング構造体であり、前記光変換器と前記冷却素子との間に配置され、前記冷却素子における前記反射レーザ光及び前記変換光の導光を回避するように配置されたデカップリング構造体；
を含む光変換装置。
前記デカップリング構造体は、互いに向き合う前記光変換器の表面と前記冷却素子の表面のうち少なくとも一方に表面粗さを有し、これらの互いに向き合う表面の５％未満の表面が互いに接触する、請求項1に記載の光変換装置。
前記デカップリング構造体は前記光変換器と前記冷却素子との間にエアギャップ又はデカップリング材料を有し、前記エアギャップ又はデカップリング材料の屈折率は、前記光変換器に対向する前記冷却素子の表面とは反対側の前記冷却素子の表面に隣接する材料の屈折率以下であることを特徴とする、請求項1に記載の光変換装置。
前記反射性側部構造体は前記レーザ光の波長範囲及び前記変換光の波長範囲で透明であるマトリクス材を含み、前記マトリクス材は当該マトリクス材中に分散された反射性粒子を含み、前記反射性粒子は前記レーザ光の波長範囲及び前記変換光の波長範囲において反射性であり、前記マトリクス材は前記光変換器の側面に配置され、前記冷却素子は前記マトリクス材によって前記基板に接着されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光変換装置。
前記マトリクス材はシリコーン材であり、前記反射性粒子は酸化チタンであることを特徴とする、請求項４記載の光変換装置。
前記冷却素子は、サファイアシートを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の光変換装置。
前記冷却素子は、前記レーザ光及び前記変換光に対する反射率を低下させるための反射防止コーティングを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の光変換装置。
前記冷却素子は支持構造体を有し、前記支持構造体は、前記光変換器の前記光入射面と前記光入射面に垂直な前記冷却素子との間の距離を定めるように構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光変換装置。
請求項３に記載の光変換装置を備えた発光素子であって：
さらに、光学素子を含み、
前記光学素子は、接着層によって前記冷却素子に機械的に結合され、前記接着層は、前記エアギャップの屈折率又は前記デカップリング材料の屈折率以上の屈折率を有することを特徴とする、発光素子。
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光変換装置又は請求項9に記載の発光素子と；
前記レーザ光を放射するように構成されたレーザと；
を含むレーザベースの光源。
請求項１０に記載の少なくとも1つのレーザベースの光源を含む、車両用ヘッドライト。