JP2021028907A - 光変換装置および照明装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、高輝度を有する二次光を提供する照明装置に関する。【解決手段】照明装置は、光変換素子を含み、光変換素子は、その前面が一次光で照明され、一次光に応じて同じ前面が異なる波長および／または異なる波長範囲の二次光を放出するように構成されており、照明装置は、光変換素子の前面を照明するための一次光を提供するように構成された光源を有する光出力ユニットを含み、光変換素子は、入射した一次光の散乱、吸収および／または変換を用いて二次光を発光する材料を含み、二次光は、一次光よりも長い波長または１つの波長範囲を含み、光変換素子は、光出力ユニットの光路に配置されており、一次光は、その内部で光変換素子が一次光で照明される前面上の一次光受光面に偏向され、光変換素子が一次光で照明される場合に、前面上に一次光放出面が生じ、前面上にその内部で光変換素子が二次光を放出する二次光放出面が生じる。【選択図】なし
Description
本発明は、照明装置、光変換装置、ならびにこれらを製造する方法に関する。
照明装置は、さまざまな実施形態で、例えば、いわゆる放電ランプおよびハロゲンランプで公知である。ただし、例えばエネルギー効率を高めるために、あるいは所要スペースがわずかで好適にはそれと同時に輝度の高い照明装置を提供するためになどのさまざまな理由からレーザー光源に基づく照明装置への関心がますます高まっている。これらの照明装置は、通常、例えばレーザーダイオードなどの少なくとも１つのレーザー光源ならびに光変換素子を含むように構成されている。
光変換素子は、レーザー光源の光を受光し、他の波長で再び放出するために用いられる。なぜなら、１つ以上のレーザー光源から出射された光は、通常は、所望の例えば中立色の「白色」色座標を有していないからである。光変換素子は、概して単色である１つ以上のレーザー光源の光で照射した後、これを部分的または完全に１つ以上の他の波長にもしくは特定の波長スペクトルに変換することができる。例えば、青色レーザーの場合、４５０ｎｍの波長を有する光が使用されてもよい。この場合は、散乱光および変換光の加法混色により、所望のもしくは特定の色座標を有する光画像が生成される。
光変換素子は、例えば、Ｃｅ：ＹＡＧ、発光素子または「蛍光体」（英語表記；ｐｈｏｓｐｈｏｒ）などの変換器とも称され、この場合、「蛍光体」という用語は、ここでは同名の化学元素の意味で理解されるべきではなく、それどころかむしろこれらの物質の発光特性に関係している。それゆえ、本開示の目的において、「蛍光体」という用語は、特に明記しない限り、常に発光物質を意味するものとして理解されるべきであり、同名の化学元素として理解されるべきではない。
それゆえ、特に、そのようなレーザー光源に基づく照明装置は特に重要である。なぜなら、このようにして高いルミナンスもしくは輝度（英語表記；ｌｕｍｉｎａｎｃｅ）を達成することができるからであり、このことは、特に自動車分野の用途に関連し得る。
高い輝度を達成するだけでなく、エネルギー消費も可及的に低く維持するために、まさに低いレーザー出力の場合でも特に高い輝度を達成することは本発明の課題である。このことは、光スポットが、ごくわずかな寸法にもかかわらず、例えば５００マイクロメートル未満の例えばごくわずかな直径にもかかわらず、相応に高い輝度で生成されることによって達成することができる。
使用される蛍光体は、一方では透過モードで、他方では緩和（反射）モードで動作することもできる。緩和用途では、蛍光体は後面から冷却することができる。
公知のレーザー白色光源の場合、実現される色座標はしばしば「ブルーシフト」され、そのため、実現された色座標値が時折使用できなかったり、もしくは所望の色座標値を実現できなかったりする。
独国特許出願公開第１０２０１２２２３８５４号明細書には、リモート蛍光体変換装置が記載されており、このリモート蛍光体変換装置は、保持部、ならびにこの保持部によって保持された変換素子、ならびに一次光放射素子を含み、この一次光放射素子は、そこから発光された一次光が変換素子に配向できるように構成されている。
米国特許出願公開第２０１７／０２１０２７７号明細書には、ルミナンスが長手方向でわずかに減少する半導体ＬＥＤ装置を記載している。
米国特許出願公開第２０１７／０２１０２８０号明細書には、異なる配光パターンを設定できるように構成された車両用前照灯装置が記載されている。
米国特許出願公開第２０１７／０１９８８７６号明細書には、湾曲した光変換素子を備えた照明装置、ならびにそのような照明装置を含む車両用前照灯が記載されている。
自動車用前照灯を制御する方法および対応する自動車用前照灯は、欧州特許出願公開第３１８４８８４号明細書に開示されている。この自動車用前照灯は、少なくとも１つのレーザーダイオードと、該レーザーダイオードに割り当てられた光変換素子素と、を含む。光画像の異なる領域に対応する光変換素子の領域は、レーザーダイオードの光ビームによって周期的にかつ異なる強度で照明可能であり、そのため、光画像の異なる領域の照明強度は、これらの領域におけるレーザーダイオードの相対的な照明持続時間および／または異なる光強度によって設定可能である。
国際公開第２０１７／１３３８０９号には、照明光を発光するための照明装置が記載されている。この照明装置は、ＬＥＤビームを発光するためのＬＥＤおよびレーザービームを発光するためのレーザー、ならびにＬＥＤおよびレーザービームを変換光に少なくとも部分的に変換するための蛍光体素子を含む。照明装置の動作中、ＬＥＤ光もしくはレーザー光で照明される領域は、少なくとも部分的に蛍光体素子上で重なる。
欧州特許出願公開第３２０３１４０号明細書には、車両用の照明装置および関連する動作方法が記載されている。この照明装置は、ピクセル光源、ならびに該ピクセル光源からの配光によって少なくとも部分的に照明可能なアナモルフィック素子を含む。
中国特許出願公開第１０６９３９９９１号明細書には、レーザーモジュール、光ファイバー、および光蛍光ファイバーを含む、光蛍光ファイバーのレーザー励起に基づく車両用前照灯が記載されている。このようにして、コンパクトな構造の車両用前照灯が提供される。
国際公開第２０１７／１１１４０５号には、蛍光体プレートアレイ、光を放出するためのアレイ、ならびにこれらのアレイを含んだ車両用前照灯が記載されている。
国際公開第２０１７／１０４１６７号には、照明装置および車両用前照灯が記載されている。この照明装置は、レーザー素子の光によって励起された場合に光を放出する蛍光体によって光を放出するための装置、ならびに可動式でかつ予め定められたルーチンに従って連続的に動くミラーを含んでいる。
しかしながら、これらの従来技術において見付けることのできる照明装置は、十分に高い輝度を実現できないことが判明した。それゆえ、これらの公知の照明装置は、少なくとも達成可能な輝度に関して、さらなる改善が望ましい。
それゆえ、本発明の課題は、従来技術を改善することである。ここでは、発光効率もしくは効率を向上させ、それとともに照明装置のエネルギー消費を低減し、かつ／または放出される利用可能な光量を増加させることを可能にする、照明装置、もしくはそれに適した光変換装置が提供されるべきである。その際、照明装置は、好適には、白色光の放出を可能にすべきであり、さらにより好適には、ＥＣＥ色座標フィールド内の放出すべき光を可能にすべきである。
この目的のために、高輝度もしくはより高い輝度を有する照明スポットを生成もしくは提供する考察が追求される。
高輝度を有する二次光を提供する本発明による照明装置は、光変換素子を有する光変換装置を含み、ここで、光変換素子は、前面を有し、かつ前面が一次光で照明され、かつ一次光に応じて同じ前面が、異なる波長および／または異なる波長範囲の二次光を放出するように構成されている。換言すれば、光変換素子は、緩和モードで動作する。つまり、この光変換素子は、特に、緩和モード（反射モード）用に設計されている。この緩和アレイは、構造的な観点からも利点を有する。というのも、それにより、光変換素子は、例えば、冷却体として構成された基体により後面から冷却することができるからである。
さらに、照明装置は、光変換素子の前面を照明するための一次光を提供するように構成された、少なくとも１つの光源を有する光出力ユニットを含む。好適な例では、この光出力ユニットは、相応に調整され、光変換素子に配向されるダイオードレーザーを含む。
光変換素子は、入射された一次光の散乱、吸収、および／または変換を用いて二次光を発光する材料を含む。ここでは、二次光は、一次光よりも長い波長を含む。つまり、二次光は、例えば、一次光よりも長い波長の光である。二次光は、１つの波長範囲も含むことができ、ここでは、二次光の波長範囲は、一次光の波長範囲より広くてもよい。換言すれば、光変換素子では、一次光の変換は、例えばより長い波長に向けて、あるいは特にレーザーなどの単色光源との組み合わせでは、波長範囲の拡散に向けて行われる。この光変換素子は、この目的のための材料として特にＹＡＧを含む。
光変換素子は、光源の光路に配置されている。すなわち、光源は、一次光と光軸を形成し、光源からの光は、光軸に沿って光変換素子に照射される。光源が点状でない場合、光源からの光は、一次光が光変換素子に照射される角度範囲を含むこともできる。
つまり、一次光は、その内部で光変換素子が一次光で照明される前面上の一次光受光面に偏向される。換言すれば、一次光受光面は、一次光が光変換素子に入射する面を表す。
前面は、一次光による照明に応じて一次光放出面を提供する。これは、光変換素子が、例えば光変換素子の前面における反射によって、入射した一次光の一部を再び放出することを意味する。つまり、一次光放出面からは、典型的には、一次光の波長と同じ波長の光が放出され、あるいは一次光の波長範囲と同じ波長範囲の光が放出される。この一次光放出面は、一次光受光面より大きくてもよい。
前面は、さらに、その内部で光変換素子が二次光を放出する二次光放出面も提供する。換言すれば、二次光放出面からは二次光が放出される。つまり、この二次光放出面は、典型的には、一次光の波長よりも長い波長の光を提供するか、もしくは二次光放出面は、１つの波長範囲の光を提供し、ここで、二次光の波長範囲の波長は、典型的には、一次光の一次波長よりも長い。二次光放出面は、一次光放出面より大きくてもよい。
一次光受光面は、直径を有し、例えば、一次光受光面は、丸みを帯びているかまたは楕円形である。光変換素子は、さらに、厚さを有する。次いで、本発明から導出される範囲内では、一次光受光面の直径と、光変換素子の厚さと、の好適な比は、２：１以下、より好適には１：２以下、好適には１：３以下、より好適には１：４以下であるのが有利であることが判明した。すなわち、換言すれば、一次光受光面の直径は、光変換素子の厚さの半分以下であり、好適には光変換素子の厚さの３分の１以下、より好適には４分の１以下である。
一次光受光面の直径と光変換素子の厚さとの間の関係が関連していることは、発明を開発している過程で見出された。そのため、このように輝度を高めるために、一次光受光面の直径を任意に縮小することはできない。このことは、一部では、所望の達成すべき高輝度の場合に、光変換素子が熱加熱を受け、これが場合によっては熱消光をもたらす可能性があるということに基づいている。蛍光消光とも称されるこの過程は、場合によっては、フルオロフォア、つまり光変換素子の蛍光の強度の低下という結果を引き起こす。この場合は、動的消光もしくは衝撃消光が誘発されることを想定することができる。この望ましくない強度の低下を防ぐために、光変換素子を冷却することが有利である。したがって、光変換素子の冷却が改善されると、結果を特に好適にさらに改善することができる。そのため、本発明の範囲において、光変換素子の発光効率と加熱との間の比率は（およびそれに関連付けられるその冷却についても）、一次光受光面の直径と光変換素子の厚さとの間の前述の比率が、好適には２：１以下の範囲にある場合に特に有利であることが見出された。
換言すれば、達成可能な冷却能力は、例えば、一次光受光面の直径のサイズに依存し、この場合、一次光受光面の直径が大きい場合、より小さな冷却能力が達成可能である。その際、一次光受光面が丸みを帯びていない形状の場合（例えば一次光受光面が楕円形の場合）、面積を算出することができ、そこから、同面積の丸みを帯びた円形面の場合に存在する「等価的直径」を算出することができる。つまり、達成可能な冷却能力は、一次光受光面の表面のサイズに依存していることは、物理的に見てより正確である。達成可能な冷却能力は、さらに、例えば、光変換素子が一定の厚さを有していないケースでは、特に、一次光受光面の領域もしくは場所における光変換素子の厚さに依存する。ここでは、例えば、一次光受光面の直径（もしくは等価的直径）と光変換素子の厚さとの比が２：１以下、好適には１：１以下、１．２以下、１：３以下、より好適には１：４以下に設定することが好適であることが示されている。次いで、例えば、それにより達成可能な輝度をさらに増加させるが、例えば熱消光などの損失を増加させる潜在的なメカニズムを防止するために、例えば、十分な冷却能力を提供することができる。その際、一次光受光面を、その中央領域で熱消光が既に発生するくらいに小さく選択することが可能であり、この場合は、まさに開始される熱消光が一次光受光面の中央領域で誘発されると、可及的に高い輝度を得ることができる。
照明装置からの二次光の放出は、二次光放出面の部分面のみを含む有効光スポットに制限することができる。換言すれば、有効光ビームの形成のためにすべての二次光が使用されるわけではない。このことは、二次光がより大きな放射角度範囲で光変換素子から出射し、例えば二次光学系が有効光ビームの形成のために使用される場合に有利であり得る。したがって、二次光学系は、二次ビームの立体角の部分領域を受容することができる。
光変換素子からの特に高い強度もしくは発光効率を生成するために、好適には、二次光の輝度が、少なくとも１０００ｃｄ／ｍｍ２以上、好適には少なくとも１１００ｃｄ／ｍｍ２以上、より好適には少なくとも１２００ｃｄ／ｍｍ２以上であることが判明している。ここで、以下では、二次ビームの輝度を、そのように高いこれまでに達成されなかった１０００ｃｄ／ｍｍ２を超える値まで高めることがどのように可能であるかについて、さまざまな構成も提示する。
光変換素子は、好適には、当該光変換素子への入射方向もしくは当該変換素子からの出射方向に依存して、異なる反射率を有するように構成されており、好適には波長に依存している。
さらに、照明装置は、光変換素子が自身の前面で青色一次光を受光し、この青色一次光を白色二次光に変換し、自身の前面で白色二次光を二次光放出面から放出するように構成することができる。青色一次光は、特に、約４５０ｎｍの狭幅な波長範囲、例えば４５０±１０ｎｍまたは４５０±５ｎｍの波長範囲で提供することができる。
照明装置の光出力ユニットは、少なくとも１つのレーザー光源、特にダイオードレーザーをさらに含むことができる。そのようなダイオードレーザーは、例えば０．１〜１０ワット、好適には１〜１０ワット、より好適には５〜８ワットのレーザー出力を有し得る。
照明装置の光出力ユニットは、少なくとも１つのさらなるレーザー光源またはレーザー光源アレイ、好適にはダイオードレーザーアレイをさらに含むことができる。換言すれば、同時に光変換素子に配向されてともに光受光領域を照明する複数のレーザー光源が形成されてもよい。少なくとも２つ以上のレーザー光源またはレーザー光源アレイは、好適には、０．１〜１００ワットの間の範囲、例えば０．１〜１０ワットの間の範囲の総レーザー出力を有する。
照明装置は、光出力ユニットと光変換素子との間に光学素子または光学部品をさらに含むことができる。光学素子は、少なくとも２つのレーザー光源またはレーザー光源アレイからの一次光を、光学素子を用いて集束し、光変換素子上の一次光受光面を形成または縮小するために、レンズを含むことができる。
光出力ユニットの一次光は、一次光受光面をともに形成するために、もしくは共通の一次光受光面に配向するために、複数のレーザービームに分割されてもよく、さらにさまざまな方向から光変換素子に配向され、導入され、または案内されてもよい。
光出力ユニットは、１つ以上の光導波路、特に光ファイバー導波路を含むことができる。この光導波路は、光変換素子を照明するために一次光を放出するように構成されてもよい。換言すれば、レーザー光源は、光を、一次光受光領域に配向された１つ以上の光導波路に入力結合させる。複数の異なる光源からの一次光または単一の光源から分割された一次光の複数のビームの場合、光導波路は、一次光受光面を照明するために、特に一次光受光面を縮小するために、一次光の複数のビームを１つの光導波路に結び付けることができる。
照明装置は、好適には、特に少なくとも１つの冷却要素を有する冷却体として構成された基体を含む。この基体は、前面を有し、光変換素子は、基体の前面に被着されている。基体は、例えば、光変換装置を照明装置に取り付けるもしくは固定するために用いることができ、この目的のための取り付け手段を有することができる。
基体は、好適な実施形態では、自身の後面に反射器、特に金属製反射器を含むことができる。後面にある反射器を用いて、照明装置の熱放出を改善することができ、したがって光出力ユニットの動作温度を低減することができる。換言すれば、基体は、後面にある反射器を用いて効率的に冷却することができる。この目的のために、基体の後面にある反射器は、さらにヒートシンク、例えば銅ヒートシンクに素材結合されていてもよい。反射器は、光変換素子からの熱放散を改善するために流体を通流させることもできる。
光変換素子は、基体上に直接的または間接的に配置されてもよい。光変換素子が基体上に間接的に被着されている場合、例えば、光変換装置は、基体上に被着された介在要素を含むことができ、この介在要素上に光変換素子も配置されている。そのような介在要素は、それによって、一次光に対する光変換素子の配向および／または下流側に配置された光学系に対する二次光の配向が可能になるような配向要素として形成されてもよい。
照明装置は、二次光を捕捉、特に成形し、放出するために光変換素子の下流側に配置された二次光学系をさらに含むことができる。
照明装置の光出力ユニットは、一次光が側方から光変換素子に入射するように配置されてもよい。換言すれば、一次光は、照明装置の前面に入射し、詳細には、光変換素子の法線軸に対して０とは異なる角度で入射する。したがって、光出力ユニットは、二次光の光路から側方にずらされて配置されてもよく、つまり、二次光の光路は、光出力ユニットによって妨げられないにもかかわらず、光変換素子の前面での一次光の入射を達成することができる。
一次光は、特に、光変換素子の法線軸および／または二次光の光軸に対して、２０度以上、好適には３０度以上、より好適には４５度以上、特に好適には約６０度以上の角度を、場合によっては光軸周りの散乱範囲もしくは角度範囲を伴って有している光軸に沿って入射する。ここで、一次光の光軸周りの一次光の散乱範囲もしくは角度範囲は、特に、光軸周りで最大±５度、より好適には一次光の光軸周りで最大±１０度であり得る。
二次光は、例えば、光軸周りで±１０度以上、より好適には±３０度以上、特に好適には一次光の光軸周りで±６０度以上の角度範囲で出射することができる。その際、一次光の入射角と二次光の出射角とが交差する可能性もある。
光変換素子の法線軸に対して所定の角度で光出力ユニットを配置すること、もしくは二次光の放射角度とは異なる角度で一次光を光変換素子の前面に入射させることは、光変換素子における反射が、光変換素子からの二次光と一致もしくは類似する角度または同じ角度で放射されるのではなく、二次光の放射角度とは異なる角度で放射されるというさらなる利点を有する。例えば、光変換素子の前面への一次ビームの入射角が光変換素子の法線軸に対して６０度の場合、反射ビームも光変換素子から６０度の角度で放射することができ、それに対して、光変換素子に浸透した一次ビームによって生成される変換された二次ビームは、放射円錐内で光変換素子から出射する。したがって、二次ビームの出射方向におけるビームパケットの構成がさらに改善され、それによって、二次ビームの割合が増加する。
複数の光出力ユニットの場合、これらは、例えば、光軸変換素子の法線軸に対して回転対称に配置されてもよく、例えば、法線軸に対して同じもしくは類似の入射角で２つ以上の側方から入射するように配置されてもよい。前面での反射率は、入射角に依存するため、したがって、前面での反射が小さくなるように選択することができ、二次ビームを生成するための一次ビームにおける効率を高めることができる。他方では、複数の光出力ユニットは、相互に隣接して配置することができ、例えば、法線軸に対して類似しているが厳密には異なる入射角で入射させることができる。
その際、複数の光出力ユニットは、好適には、前面上で同じ一次光受光面に配向されており、そのため、各ビーム強度は加算される。また、１０００ｃｄ／ｍｍ２を超える輝度を達成するために、複数の光出力ユニットを同じ一次光受光面に配向することにより、得られる二次ビームの輝度をさらに高めることができる。
その内部で光変換素子が一次光で照明される前面上の一次光受光面は、好適には１平方ミリメートル未満、好適には０．５平方ミリメートル未満、特に好適には０．２平方ミリメートル未満である。
一次光放出面は、さらに好適には、一次光受光面よりも１．１倍以上大きく、特に１．２倍以上大きい。二次光放出面は、好適には、一次光受光面および／または一次光放出面よりも大きく、特に、１．１倍以上大きく、好適には、１．２倍以上大きい。一例では、二次光放出面は、光変換素子の総前面を含む。換言すれば、光変換素子は、一例では、その前面に一次光受光面を有し、一次光受光面の面を含みかつ一次光受光面よりも大きい一次光放出面と、一次光放出面を含みかつこの一次光放出面よりも大きい第３番目の二次光放出面と、を有する。
例えば、二次光放出面は、一次光受光面を包含することができる。二次光放出面は、このケースでは、少なくとも一次光受光面と同じ大きさであり、一次光受光面と同じ箇所に配置されている。この場合、二次光放出面の一部は、一次光受光面の周囲に配置されてもよい。
光出力ユニットは、好適には、例えば約４５０ｎｍ、例えば４５０±１０ｎｍの範囲の波長を有する単色のもしくはコヒーレントな一次光を提供する。光変換素子は、自身が光出力ユニットによって照明される場合に、二次光を提供し、この場合、この二次光は、例えば４４０〜７００ｎｍまたは５００〜７００ｎｍの波長範囲の可視光の波長範囲を含む。
照明装置の特に高温の動作状態において放出される二次光は、放出された波長に関して、特に好適にはＥＣＥ範囲内にあり得る。
光出力ユニットは、例えば、少なくとも１８００ｍＡ、好適には少なくとも２０００ｍＡ、より好適には少なくとも２２００ｍＡの電流で動作させることができる。光出力ユニットは、換言すれば、１８００〜２７００ｍＡの間の範囲の電流で動作させることができ、このことは、二次光の高輝度という所望の結果にとって特に有利であることが判明している。
光出力ユニットは、好適には、当該光出力ユニットからの光出射面が、光変換素子の前面から距離ｄをおいて配置されている。次いで、この距離ｄは、少なくとも２００μｍ、より好適には少なくとも２３０μｍ、さらに好適には少なくとも２５０μｍである。さらに、この距離ｄは、５００μｍ未満、好適には４５０μｍ未満、より好適には４００μｍ未満であり得る。最後に、光出力ユニットからの光出射面は、２００〜５００μｍの間、好適には２３０〜４５０μｍの間、より好適には２５０〜４００μｍの間の距離ｄをおいて配置されてもよい。
このようにして、前述した手段もしくは前述した手段の組み合わせを用いることにより、従来技術の照明装置に比べて、わずかなエネルギー消費と、１０００ｃｄ／ｍｍ２を超える非常に高い輝度と、を達成することができる。したがって、この照明装置は、特に、自動車分野、航空機分野、医療用照明分野、ならびに舞台照明やサーチライトなどの一般照明分野での用途に適している。
本発明の枠組みでは、高輝度を有する二次光を提供する照明装置を製造する方法も存在し、この方法は、入射した一次光の散乱、吸収、および／または変換を用いて二次光を発光する材料を含む光変換素子を提供するステップを含み、ここで、二次光は、一次光よりも長い波長を含み、または二次光は、１つの波長範囲を含み、少なくとも１つの光源を有する光出力ユニットを、当該光出力ユニットが、光変換素子の前面を照明するための光軸に沿って光変換装置に入射する一次光を提供できるように配置するステップを含み、ここで、光出力ユニットは、一次光が、その内部で光変換素子が一次光で照明される光変換素子の前面上の一次光受光面に偏向されるように配置され、ここで、光変換素子が一次光で照明される場合に、前面上に、一次光放出面が生じ、さらに前面上に、その内部で光変換素子が二次光を放出する二次光放出面が生じる。
以下では本発明を、複数の図面に基づきより詳細に説明する。
図１は、透過モード用に設計された公知の照明装置１０を示す。この照明装置１０は、一次光２５が光変換素子３０の後面３２に照射される光出力ユニット２０を含む。したがって、光変換素子３０は、一次光２５を後面３２で受光し、前面３１から二次光３５を放出する。
図２は、緩和モードもしくは反射モード用に設計された他の照明装置１００を示す。光出力ユニット２００は、一次光２５０を光変換素子３００の前面３１０に照射し、この場合、一次光受光面３３０の領域内の前面が照明される（例えば図４参照）。光変換素子３００は、好適には総前面３１０の領域内のもしくは二次光放出面３４０の領域内の前面３１０から二次光３５０を放出する（例えば図４参照）。
図３は、基体１２０に配置された光変換素子３００を有する照明装置１００を示す。この基体１２０は、その後面に冷却リブの形態の冷却要素１２２を有する。この光出力ユニット２００は、光変換素子３００の前面３１０上の一次光受光面３３０に入射することができる一次光２５０を提供する。光出力ユニット２００、つまり例えば、レーザー光源は、前面３１０上の法線１１０に対して所定の角度で、例えば法線１１０に対して６０度の角度で配置されている。例えば、光も、光変換素子３００の前面上の法線１１０に対して所定の角度で、例えば６０±１０度の角度範囲で入射する。
図４は、スケッチされた一次光受光面３３０、一次光放出面３３２、および二次光放出面３４０を有する光変換素子３００の平面図を示す。一次光放出面３３２は、わずかに大きく、さらに、この一次光放出面３３２は、一次光受光面３３０を完全に包含するように構成されている。このことは、必ずしも必要な要件ではなく、単に理解のしやすい実施形にすぎない。一次光放出面３３２の領域では、一次光が、光変換素子３００の表面３１０から出射する。例えば、一次光放出面３３２から出射される光は、一次光受光面３３０に入射する一次光２５０と同じ波長の光であり、これは、例えば、前面３１０における反射に基づいて放射される。例えば、光変換素子３００の前面３１０は、６０±５度の想定された角度で入射する一次光２５０に関して２％の反射率を有する。
さらに、光変換素子３００上には、光変換素子３００内で生成もしくは変換された二次光３５０が出射される二次光放出面３４０が配置されている。３つで示されているこれらの領域の、一次光受光面３３０、一次光放出面３３２、および二次光放出面３４０は、典型的には重なり合い、一例では、図４に示されているように、一次光放出面３３２が一次光受光面３３０を含み、該一次光受光面３３０に対してほぼ同心的な配置となるように配置されている。さらに、図４にも示されるように、二次光放出面３４０は、一次光受光面３３０および／または一次光放出面３３２を含むかもしくは取り囲むことができる。
光変換素子３００または蛍光体は、典型的には、イットリウム−アルミニウム−ガーネットＹＡＧとして提供される。
図５は、一次光受光面３３０をともに照明する複数の光源２０２，２０４，２０６を有する光出力ユニット２００を備えた照明装置１００の一実施形態を示す。各光源２０２，２０４，２０６は、この例では、ダイオードレーザーを含む。第２のダイオードレーザー２０４は、第１のダイオードレーザー２０２に隣接して配置され、わずかに変化した入射角で光変換素子３００に入射する。この第２のダイオードレーザー２０４も、第１のダイオードレーザー２０２の後方に立体的に配置されてもよく、したがって、このことが有利である場合、同じ角度で光変換素子３００に入射することができることは明らかである。第３のダイオードレーザー２０６は、この例では任意選択的であり、それゆえ、破線で示され、これは第１のダイオードレーザー２０２とは反対側に配置されている。立体的な配置では、すべての光源２０２，２０４，２０６は、すべてが同じ角度もしくは類似の角度で一次光受光面３３０に入射するように配置することができる。なぜなら、入射角、場合によっては前面３１０の反射率に依存するからであり、そのため、異なる入射角の場合には反射率が増加する可能性があり、したがって、二次ビーム３５０の生成のために利用可能な一次ビーム２５０のビーム出力がより多く失われるかもしくはより少なくなりかねない。
図６は、照明装置１００のさらなる実施形態を示す。この場合、この出願のすべての図面のように、同じ参照符号は、同じ対象か少なくとも類似の対象を示すことが有効である。光出力ユニット２００の３つの光源２０２，２０４，２０６は、相互に隣接して配置され、光導波路２１０に入力結合される。この例では、３つの光源２０２，２０４，２０６は、自由ビームで入力結合されるが、３つの個別の光導波路を介した入力結合と光導波路２１０内部の集束も技術的には実現可能である。つまり、光源２０２，２０４，２０６の各々は、部分的な一次光２４４，２４６，２４８を放出し、この部分的な一次光は、光導波路２１０内でもしくは光導波路２１０によって集束された一次光２５０に集束される。この集束された一次光２５０は、光出力ユニット２００もしくは光導波路２１０によって一次光受光面３３０に配向される。光導波路２１０を用いることにより、光導波路２１０の出射開口部２１２の間隔を、さらにより正確に、特に、光変換素子３００の前面３１０のより近くに配置することが可能になる。そのため、この光導波路２１０は、例えば、光源２０２，２０４，２０６よりも小さな直径を有し、それゆえ、二次ビーム３５０の出射領域における障害が少ない。光導波路２１０を用いることにより、場合によっては自動調整可能な距離を有していたとしても、光導波路２１０の出射開口部２１２と一次光受光面３３０との間の調整可能な距離を設定することが可能になる。そのため、出射開口部２１２と一次光受光面３３０との間の距離ｄの可変の設定により、カラーシフトまたは出力シフトもしくは劣化を場合によっては補償することができるようになる。距離ｄと光変換素子の放出能力との間のこの関係は、図９に基づいてさらにより明確に説明される。
さらに、図６は、基体１２０の後面にある冷却要素１２２の代替的実施形態を示す。ここでは、光変換素子３００に導入された熱を導出もしくは放出するために、全面的な銅基板１２４が配置されている。さらに、光変換素子３００からの熱を放出するために、他の形態の冷却部１２２が、例えば流体冷却や、例えば液体冷却として基体１２０の後面に配置されてもよい。
図７は、照明装置１００のさらなる実施形態を示す。この場合、光出力ユニット２００は、第１、第２、および第３の光源２０２，２０４，２０６を含み、これらの光源は、それぞれ部分一次光２４４，２４６，２４８を光導波路２１０に入力結合する。一次光２５０の光路における光導波路の出射開口部２１２に続いて、光学素子２２０が配置されており、このケースでは、レンズもしくは集束レンズが配置されている。この光学素子２２０は、一次光２５０を集束し、それによって、光変換素子３００上の一次光受光面３３０のサイズを適合化もしくは縮小することができる。一次光受光面３３０を縮小することにより、二次光放出面３４０も縮小することができる。これにより、二次光放出面３４０を離れた二次光３５０の光束が濃密になる。したがって、二次光３５０のより高い輝度を実現することができる。
しかしながら、一次光受光面３３０のサイズに依存した二次光放出面３４０のサイズの設定は、例えば、光変換素子３００から光出力ユニット２００の出射開口部２１４もしくは出射開口部２１２までの距離が適合化もしくは変更される、前述した図３、図５、図６、および図８の実施形態によって実現することもできる。さらに、出射開口部２１２，２１４からの一次光２５０の出射角も、照射される一次光受光面３３０を設定するために確定することもしくは影響を与えることができる。二次光放出面のサイズは、とりわけ、材料組成、密度、厚さ、散乱特性、および温度によっても決定される。例えば、光放出面は、材料の散乱の増加に伴って増加する。
図８は、光変換素子３００上に高輝度の一次光スポット３３０を提供するために、レーザー光源２０２と光学素子２２０とを含んだ光出力ユニット２００を有する照明装置１００のさらなる一実施形態を示す。レーザー光源２０２は、図８では、それが一次光２５０を、法線１１０に対して６０度の角度で光変換素子３００に照射するように配置されている。
二次光３５０は、光変換素子３００から大きな立体角で出射し、例えば、法線１１０を３０度の角度で同心的に取り囲み、例えば４５度の角度でも同心的に取り囲む円錐立体角で出射する。つまり、例えば、法線１１０に対して６０度あるいは法線１１０に対して８０度も有し得るこの円錐では、光変換素子３００から放出される二次ビーム３５０の光出力はほぼ均等に分割される。この例では、出射ビーム３５４に成形するために、例えば自動車用前照灯の灯光に成形するために、放出された二次ビーム３５０の光出力の一部のみが、光を後続処理できる二次光学系３５２に入射する。換言すれば、二次光放出面３４０で生成された光量３５０の一部のみが二次光学系３５２に入射し、したがって、ここでは、二次光３５０の一部のみが、出射ビーム３５４の生成のために使用される。さらにより正確には、二次光３５０は、二次光放出面３４０の一部のみから二次光学系３５２に配向され、それに対して、二次光放出面３４０の残りの部分は、二次光３５０を、二次光学系３５２によって受光も転送もされない他の方向に出射する。
図９は、２５℃の動作温度で使用される光出力ユニット２００の異なる動作電流ごとの、光変換素子３００によって生成可能な二次光３５０の達成可能な輝度を、一次光受光面３３０から出射開口部２１２，２１４までの距離にわたって示す。これらの動作電流は、５００ｍＡ、１０００ｍＡ、１５００ｍＡ、２０００ｍＡ、２１００ｍＡ、２２００ｍＡ、２３００ｍＡ、２４００ｍＡ、２５００ｍＡ、２６００ｍＡ、および２７００ｍＡである。図示されているすべての経過曲線において、最初に、それらは、距離が増加するにつれて輝度が低下することを示すことが見て取れる。このことは、一次光ビーム２５０の拡散により、一次光受光面３３０から出射開口部２１２，２１４までの距離が増加するにつれて、より広大な一次光受光面３３０が照明されことによって説明することができる。これにより、生成される二次光３５０の輝度は低下する。しかしながら、距離が減少する場合、２１００ｍＡの動作電流以上で、距離がより短くなる方向に、不規則な曲線経過が生じ、それに応じて、距離が減少するにつれて輝度が低下する。
これは、入射したエネルギーが熱に変換され、二次光３５０のための光度として利用できない消光の発生によって説明することができる。そのため、光源２０２のさまざまな動作電流については、さらなる距離の減少に伴い消光が発生する直前に、それぞれの輝度の最大値を汲み取ることができる。したがって、図９に基づけば、簡単な方法で、光源２０２の動作電流の任意の増加、ならびに一次光受光面３３０から出射開口部２１２，２１４までの距離のさらなる減少が、それ自体で、独創的な介入なしで二次光３５０の輝度のさらなる増加につながるのではなく、むしろこれは、かえって独創的な方法で拡張もしくは研究すべき必要のあった物理的限界の影響を受けるという関係を説明することができる。そのため、一次光出力ユニット２００、光変換素子３００の厚さ、光変換素子３００の冷却の改善、および一次光受光面３３０のサイズの設定からなる十分に精巧な実施形態において、適切なパラメータを用いることにより、公知の照明システムと比較して輝度の大幅な増加を設定することができた。例えば、本願で説明したように構成された照明装置を用いれば、２０００ｃｄ／ｍｍ２以上、好適には５００ｃｄ／ｍｍ２以上、８００ｃｄ／ｍｍ２以上の範囲の輝度が実現可能となり、ここではほぼ１６００ｃｄ／ｍｍ２の輝度が達成されている。３００ｃｄ／ｍｍ２以上の範囲の輝度は、シリアルモードでは現実的である。
上記の実施形態は例示的なものとして理解されるべきであり、本発明はこれらに限定されるものではなく、むしろ特許請求の範囲の権利範囲から逸脱することなく多岐の方法で変更が可能なものであることは当業者にとって明らかである。さらに、本発明の特徴は、それらが明細書、特許請求の範囲、図面またはその他の形態で開示されているかどうかに関係なく、たとえそれらが他の特徴と一緒に説明され、したがって、相互に独立して開示されているように見える場合であっても、本発明の本質的な構成要素を個別に定義していることは明らかである。すべての図面において、同じ参照符号は同じ対象を表しており、そのため、場合によっては１つだけの図面にしか言及されていない対象、あるいは少なくともすべての図面に関しては言及されていない可能性のある対象の説明も、当該対象の説明が明示的に記載されていないそれらの図面に転用することができる。実施例の特徴の説明は、それぞれ他の実施例についても同様に有効である。
１０ 照明装置
２０ 光出力ユニット
２５ 一次光
３０ 光変換素子
３１ 前面
３２ 後面
３５ 二次光
１００ 照明装置
１１０ 法線
１２０ 基体
１２２ 冷却要素もしくは冷却リブ
１２４ 銅基板
２００ 光出力ユニット
２０２ 第１の光源
２０４ 第２の光源
２０６ さらなる光源
２１０ 光導波路
２１２ 光導波路の出射開口部
２１４ 光出力ユニットの出射開口部
２２０ 光学素子
２４４ 部分一次光
２４６ 部分一次光
２４８ 部分一次光
２５０ 一次光
３００ 光変換素子
３１０ 前面
３３０ 一次光受光面
３３２ 一次光放出面
３４０ 二次光放出面
３５０ 二次光
３５２ 二次光学系
３５４ 出射ビーム
２０ 光出力ユニット
２５ 一次光
３０ 光変換素子
３１ 前面
３２ 後面
３５ 二次光
１００ 照明装置
１１０ 法線
１２０ 基体
１２２ 冷却要素もしくは冷却リブ
１２４ 銅基板
２００ 光出力ユニット
２０２ 第１の光源
２０４ 第２の光源
２０６ さらなる光源
２１０ 光導波路
２１２ 光導波路の出射開口部
２１４ 光出力ユニットの出射開口部
２２０ 光学素子
２４４ 部分一次光
２４６ 部分一次光
２４８ 部分一次光
２５０ 一次光
３００ 光変換素子
３１０ 前面
３３０ 一次光受光面
３３２ 一次光放出面
３４０ 二次光放出面
３５０ 二次光
３５２ 二次光学系
３５４ 出射ビーム
Claims (22)
- 高輝度を有する二次光を提供する照明装置（１００）であって、前記照明装置（１００）は、光変換素子（３００）および光出力ユニット（２００）を含み、
前記光変換素子は、前面（３１０）を有し、前記前面が一次光（２５０）で照明され、前記一次光に応じて同じ前記前面が、異なる波長および／または異なる波長範囲の二次光（３５０）を放出するように構成されており、
前記光出力ユニット（２００）は、前記光変換素子の前記前面を照明するための一次光を提供するように構成された、少なくとも１つの光源（２０２，２０４，２０６）と出射開口部（２１２，２１４）とを有し、
前記光変換素子は、入射した前記一次光の散乱、吸収および／または変換を用いて二次光を発光する材料を含み、前記二次光は、前記一次光よりも長い波長を含むかまたは前記二次光は、１つの波長範囲を含み、
前記光変換素子は、前記光出力ユニットの光路に配置されており、
前記一次光は、その内部で前記光変換素子が前記一次光で照明される前記前面（３１０）上の一次光受光面（３３０）に配向または偏向され、
前記光変換素子が前記一次光で照明される場合に、前記前面上に、一次光放出面（３３２）が生じ、
前記前面上に、その内部で前記光変換素子が前記二次光を放出する二次光放出面（３４０）が生じる、
照明装置（１００）。 - 前記一次光放出面（３３２）から、前記一次光（２５０）の波長と同じ波長の光が放出され、前記一次光放出面は、前記一次光受光面（３３０）よりも大きく、
ならびに／または
前記二次光放出面（３４０）は、前記一次光（２５０）の波長よりも長い波長の光を放出し、前記二次光放出面は、前記一次光放出面よりも大きい、
請求項１記載の照明装置（１００）。 - 前記一次光受光面（３３０）は、直径を有し、前記光変換素子（３００）は、厚さを有し、前記一次光受光面の直径と、前記光変換素子の厚さと、の比は、２：１以下、好適には、１：１以下、より好適には１：２以下、１：３以下、より好適には１：４以下である、
請求項１または２記載の照明装置（１００）。 - 前記照明装置からの前記二次光（３５０）の放出は、前記二次光放出面（３４０）の部分面のみを含む有効光スポットに制限される、
請求項１から３までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記照明装置、特に前記光出力ユニット（２００）は、少なくとも１０００ｃｄ／ｍｍ２以上、好適には少なくとも１１００ｃｄ／ｍｍ２、より好適には少なくとも１２００ｃｄ／ｍｍ２以上の前記二次光（３５０）の輝度を提供するように構成されている、
請求項１から４までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記光変換素子（３００）は、前記光変換素子への入射方向もしくは前記光変換素子からの出射方向に依存して、異なる反射率を有するように構成されており、好適には波長に依存している、
請求項１から５までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記光変換素子（３００）は、自身の前面（３１０）の前記一次光受光面（３３０）で青色一次光（２５０）を受光し、前記青色一次光を白色二次光（３５０）に変換し、前記自身の前面で前記白色二次光を前記二次光放出面（３４０）から放出するように構成されており、前記青色一次光は、特に約４５０ｎｍの狭幅な波長範囲、さらに特に４５０±１０ｎｍの波長範囲で提供可能である、
請求項１から６までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記光出力ユニット（２００）は、少なくとも１つのレーザー光源（２０２，２０４，２０６）、特に０．１〜１０ワット、好適には１〜１０ワット、より好適には５〜８ワットのレーザー出力を有するダイオードレーザーをさらに含む、
請求項１から７までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記光出力ユニット（２００）は、少なくとも１つのさらなるレーザー光源（２０４，２０６）またはレーザー光源アレイ、特に０．１〜１０ワットの間の範囲、より好適には０．１〜１００ワットの間の範囲の総レーザー出力を有する、特にダイオードレーザーアレイをさらに含む、
請求項８記載の照明装置（１００）。 - 前記光出力ユニット（２００）は、光学素子（２２０）または前記光源（２０２，２０４，２０６）と前記光変換素子（３００）との間の光学的部品をさらに含む、
請求項１から９までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記光学素子（２２０）は、少なくとも２つのレーザー光源（２０２，２０４，２０６）またはレーザー光源アレイからの一次光（２５０）を、前記光学素子を用いて集束し、前記光変換素子（３００）上の前記一次光受光面（３３０）を形成または縮小するためにレンズを含み、
ならびに／または
前記光出力ユニット（２００）の前記一次光（２５０）は、前記一次光受光面（３３０）をともに形成するために、複数のレーザービーム（２４４，２４６，２４８）に分割され、さまざまな方向から前記光変換素子（３００）に配向され、導入され、または案内される、
請求項９または１０記載の照明装置（１００）。 - 前記光出力ユニット（２００）は、１つ以上の光導波路（２１０）、特にファイバー光導波路を含み、前記光導波路（２１０）は、前記光変換素子（３００）を照明するために一次光（２５０）を放出するように構成されており、
ならびに／または
前記一次光（２５０）の前記複数のレーザービーム（２４４，２４６，２４８）は、前記一次光受光面（３３０）を縮小するために１つの光導波路（２１０）に結び付けられる、
請求項１から１１までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記照明装置は、特に、少なくとも１つの冷却要素（１２２，１２４）を有する冷却体として構成された基体（１２０）をさらに含み、前記基体は、前面を有し、前記光変換素子（３００）は、前記基体の前記前面に被着されている、
請求項１から１２までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記基体（１２０）は、自身の後面に反射器（１２４）、特に金属製反射器を含み、
ならびに／または
前記基体（１２０）の後面にある前記反射器は、ヒートシンク、例えば、銅ヒートシンクに素材結合されている、
請求項１３記載の照明装置（１００）。 - 前記照明装置は、前記二次光を捕捉、特に成形し、放出する（３５４）ために前記光変換素子（３００）の下流側に配置された二次光学系（３５２）をさらに含む、
請求項１から１４までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記光出力ユニット（２００）は、前記一次光（２５０）が側方から前記光変換素子（３００）に入射するように配置されており、
前記一次光（２５０）は、特に、前記光変換素子の法線（１１０）および／または前記二次光（３５０）の光軸に対して、３０度を超える角度、好適には４５度を超える角度、特に好適には約６０度の角度を、好適には光軸周りの散乱範囲を伴って有している光軸に沿って入射し、前記散乱範囲は、特に、前記光軸周りで±５度、より好適には前記光軸周りで±１０度である、
請求項１から１５までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - その内部で前記光変換素子（３００）が前記一次光（２５０）で照明される前記前面（３１０）上の前記一次光受光面（３３０）は、１平方ミリメートル未満、好適には０．２５平方ミリメートル未満、特に好適には０．１平方ミリメートル未満であり、
ならびに／または
前記一次光放出面は、前記一次光受光面よりも１．１倍大きく、
ならびに／または
前記二次光放出面は、前記一次光受光面および／または前記一次光放出面よりも大きく、特に、前記二次光放出面（３４０）は、前記光変換素子（３００）の総前面を含む、
請求項１から１６までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記光出力ユニット（２００）は、約４５０ｎｍ、例えば４５０±１０ｎｍの範囲の波長を有するコヒーレントな一次光（２５０）を提供し、
ならびに／または
前記光変換素子（３００）は、自身が前記光出力ユニット（２００）によって照明される場合に、二次光（３５０）を提供し、前記二次光は、例えば４４０〜７００ｎｍまたは５００〜７００ｎｍの波長範囲の可視光の波長範囲を含む、
請求項１から１７までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記照明装置の特に高温の動作状態で放出される前記二次光（３５０）は、ＥＣＥ範囲内にある、
請求項１から１８までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記光出力ユニット（２００）は、少なくとも１８００ｍＡ、好適には少なくとも２０００ｍＡ、より好適には少なくとも２２００ｍＡの電流で動作し、
ならびに／または
前記光出力ユニット（２００）は、１８００〜２７００ｍＡの間の範囲の電流で動作する、
請求項１から１９までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 前記光出力ユニット（２００）は、前記光出力ユニットからの光出射面（２１２，２１４）が、前記光変換素子（３００）の前記前面（３１０）から距離（ｄ）をおいて配置されており、
前記距離（ｄ）は、少なくとも２００μｍ、より好適には少なくとも２３０μｍであり、
ならびに／または
前記距離（ｄ）は、５００μｍ未満、好適には４５０μｍ未満、より好適には４００μｍ未満であり、
ならびに／または
前記光出力ユニット（２００）からの前記光出射面は、２００〜５００μｍの間、好適には２３０〜４５０μｍの間、より好適には２５０〜４００μｍの間の距離（ｄ）をおいて配置されている、
請求項１から２０までのいずれか１項記載の照明装置（１００）。 - 高輝度を有する二次光（３５０）を提供する照明装置（１００）を製造する方法であって、
前記方法は、入射した一次光（２５０）の散乱、吸収および／または変換を用いて二次光を発光する材料を含む光変換素子（３００）を提供するステップを含み、前記二次光は、前記一次光よりも長い波長を含み、かつ／または、前記二次光は、１つの波長範囲を含み、
前記方法は、少なくとも１つの光源（２０２，２０４，２０６）を有する光出力ユニット（２００）を、前記光出力ユニットが前記光変換素子の前面を照明するための光軸に沿って光変換装置に入射する一次光を提供できるように配置するステップを含み、
前記光出力ユニットは、前記一次光がその内部で前記光変換素子が一次光で照明される前記光変換素子の前記前面（３１０）上の一次光受光面（３３０）に偏向されるように配置され、
前記光変換素子が前記一次光で照明される場合に、前記前面上に、一次光放出面が生じ、
前記前面上に、その内部で前記光変換素子が前記二次光を放出する二次光放出面（３４０）が生じる、
方法。
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