JP3240266U - ガリウムと窒素とを含有するレーザ光源で構成された特殊モバイルデバイス - Google Patents

ガリウムと窒素とを含有するレーザ光源で構成された特殊モバイルデバイス Download PDF

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ルディー，ポール
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Abstract

携帯用照明器具は、ガリウムと窒素とを含むレーザダイオードに基づく白色光源と、これに組合せられた赤外線照明光源とが設けられており、それぞれが、コンパクトなハウジングに囲まれたプリント回路基板アセンブリに配置され、前記ハウジング内のポータブル電源によって駆動される。ポータブル照明装置は、白色発光および赤外線発光を出力するように構成された第１の波長変換器を含む。前記白色発光および前記赤外線発光をポータブル照明デバイスのコンパクトなハウジングの前面開口部に導くビーム整形器が構成されてもよい。光送信ユニットは、ターゲットを照明するための白色発光および／または赤外線発光の指向性光ビームを投射する、またはドライバによって生成されたパルス状の感知信号または変調されたデータ信号を送信する。また、深度感知や可視光・赤外線通信のための検出器が含まれる構成もある。ポータブル照明デバイスは、移動機の一部であってもよい。【選択図】 図１４Ｅ

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１９年１２月２３日に出願された米国出願第１６／７２５，４１０号の一部継続出願であり、その内容全体は、すべての目的のために参照によりここに援用される。
１８００年代後半、電球がトーマス・エジソンによって発明された。過去十年間で、ソリッドステート照明は、従来の照明技術に比べていくつかの重要な利点があることから、その重要性が高まっている。レーザダイオード（ＬＤ）などの代替的なソリッドステートレーザ光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）と比較して、効率的なスペクトルフィルタリングを可能にするスペクトルの狭さ、高い変調率、および短いキャリア寿命、小型化、およびはるかに大きな表面輝度により、可視光源としてより好ましいことがある。
本発明は、表面実装デバイスにおいてガリウムと窒素とを含有するレーザダイオードベースの白色光および／または赤外線（ＩＲ）照明光源を備えた携帯型装置を提供する。可視スペクトルおよび赤外線スペクトルの両方において光を出射する能力を有する携帯型装置は、任意選択的に一方または両方が距離測定および／または光通信に適用されるデュアルバンド発光光源である。いくつかの実施形態では、ガリウムと窒素とを含有するレーザダイオード（以下ＧａＮ含有ダイオードと称す）は、ガリウムと窒素とを含有する層を転写する工程と、その製造方法および使用方法によって作成される。いくつかの実施形態では、携帯型装置は、コントローラ／ドライバ、送信機、およびセンサ／検出器を含むコンパクトで、ポータブル、またはハンドヘルドパッケージとして構成されるハウジングを含んでおり、赤外線照明光源および／またはレーザベースの白色光照明光源を作動させて、特定の入力データに基づいてこれらの光源から送信された光信号を変調し、様々な用途におけるフィールドからの戻り光信号を検出することのできるフィードバックループを形成する。単なる例として、本発明は、スポットライティング、検出、撮像、投影表示、空間的に動的な照明装置および方法、深度計測、赤外線測量、および可視光／赤外線通信デバイスおよび方法、ならびに一般照明、商業照明およびディスプレイ、自動車照明および通信、防衛およびセキュリティ、捜索および救助、工業処理、インターネット通信、農業または園芸の用途における上記の様々な組合せのための赤外線および可視照明能力を備えた集積型スマートレーザ照明デバイスおよび方法を提供する。本発明によるポータブル集積型光源は、小型化することで、各機能を懐中電灯、手持ち式照明光源、セキュリティ光源、探索光源または防御光源、ならびに光忠実度（ＬｉＦｉ）通信装置、植物成長を最適化するための園芸目的のデバイス、または多くの他の用途に組み込むことができる。
一態様において、本発明は、デュアルスペクトルスポットライティング、撮像、感知、および調査用途に展開可能な、赤外線照明用に構成された照明システムにおけるＧａＮ含有ダイオードの新規の用途および構成を提供する。レーザベースの白色光源および赤外線光源を用いて構成される本発明は、可視波長帯域および赤外線波長帯域の両方の光を照明可能であり、一方の帯域または両方の帯域で同時に選択的に動作するように構成される。このデュアルバンド発光源は、Ｌｉ－Ｆｉシステム等の可視光通信システム、ＭＥＭＳ走査ミラーまたはデジタル光処理ユニット等のビーム成形素子を使用する静的または動的空間パターニングを伴う照明およびディスプレイの収束を使用する通信、ならびに集積型センサフィードバックによってトリガされる通信等の通信システムに展開することができる。本発明の具体的な実施形態は、従来の作成技術を超える利点を可能にするレーザダイオード作成用に加工された材料を含む転写ガリウムと窒素、または別のＧａＮ含有デバイスを使用する。
本発明は、可視光発光と赤外光発光の両方に対応できるように構成されている。可視光の必要性と有用性はよく理解されているが、可視光以外の照明波長帯域を提供することが望ましい場合もある。一例として、赤外線照明は暗視に使用される。暗視または赤外線検出デバイスは、民間部門と地方自治体または政府部門の両方で、防衛、セキュリティ、捜索救助、レクリエーション活動において重要な役割を果たす。暗視技術は、周囲光のない状態または低い環境下でも視認できる機能を提供することにより、狩猟、ゲーム、運転、位置特定、検出、個人保護などのいくつかの用途で消費者市場に広く導入されている。生物学的手段であろうと技術的手段であろうと、暗視や赤外線検出は、十分なスペクトル範囲と十分な強度範囲の組み合わせによって可能になる。このような検出は、二次元撮像、あるいは測距などの三次元距離計測、あるいはＬＩＤＡＲなどの三次元撮像に対応することができる。
一態様において、本発明は、可視および赤外線照明を提供することができる照明光源を形成するために、白色光および赤外光のようなレーザベースの可視光を発光させるように構成されたポータブル光源を提供する。ポータブル光源は、ハンドヘルド懐中電灯と同じくらい小さく構成されたハウジング構造に封入されたコンパクトな電源を含む。ポータブル光源は、光学キャビティを備えたガリウムと窒素とを含有するレーザダイオード励起源を駆動するためにハウジング内に配置された集積型プリント回路基板アセンブリを含む。光学キャビティは、光導波領域と一つ以上のファセット領域を含む。光学キャビティは、ガリウムと窒素含有材料に第１の駆動電流を供給するための電極を備えて構成される。第１の駆動電流は、ガリウムと窒素含有材料の光導波領域内を伝搬する電磁放射に光利得をもたらす。電磁放射は、紫外線、青、緑、または赤の波長領域における第１のピーク波長によって特徴付けられる指向性電磁放射として、一つ以上のファセット領域のうちの少なくとも一つを介して出力される。さらに、光源は、経路に光学的に結合された蛍光部材などの波長変換器を含んでおり、励起源から指向性電磁放射を受ける。波長変換器は、第１のピーク波長を有する指向性電磁放射の少なくとも一部を、第１のピーク波長よりも長い少なくとも第２のピーク波長に変換するように構成されている。好ましい実施形態では、出力は、本発明によるレーザベースの可視光スペクトル成分を形成する少なくとも第２のピーク波長および部分的に第１のピーク波長を有する白色スペクトルからなる。一例では、第１のピーク波長は青色の波長であり、第２のピーク波長は黄色の波長である。光源は、必要に応じて、ターゲットまたは関心領域を照明するために白色スペクトルを方向付けるように構成されたビーム整形器を含む。
一つの好ましい実施形態では、本発明は、レーザベースの白色発光成分に加えて、赤外線発光成分を形成するために、赤外線発光レーザダイオードまたは発光ダイオードを含むデュアルバンド発光光源を提供する。赤外線発光レーザダイオードは、第２の駆動電流を供給するための電極を備えた光学キャビティを含む。第２の駆動電流は、光導波領域内を伝搬する赤外線電磁放射に光利得を提供する。電磁放射は、赤外線領域における第３のピーク波長によって特徴付けられる指向性電磁放射として、一つ以上のファセット領域のうちの少なくとも一つを介して出力される。１つの構成では、指向性赤外線発光は、励起源からの指向性電磁放射を受信するために、波長変換器部材が赤外線発光の光路内にあるように、波長変換器部材に光学的に結合される。波長変換部材に入射すると、第３のピーク波長を有する赤外線発光は、波長変換器部材から少なくとも部分的に反射され、第１および第２のピーク波長を有する白色発光と同じ光路にリダイレクトされる。赤外線発光は、可視光とほぼ同じターゲットまたは関心領域を照明するために出力赤外光を向けるように構成された任意選択のビーム整形器を介して向けられる。本実施形態では、第１および第２の駆動電流は独立に作動させることができ、装置は、第１の駆動電流のみを作動させて可視光源を提供することができ、第２の駆動電流を作動させて赤外線光源を提供することができ、または可視光源と赤外線光源の両方を同時に提供することができる。用途によっては、赤外線検出に赤外線照明光源のみを使用することが望ましい場合もある。物体を検知すると、可視光源を作動させることができる。
単なる例として、本発明は、白色照明、白色スポット照明、フラッシュライト、自動車ヘッドライト、全地形車両照明、バイク、サーフィン、ランニング、レーシング、ボートなどのレクリエーションスポーツで使用される光源、ドローン、飛行機、ロボット、他のモバイルまたはロボット用途に使用される光源、安全、防衛用途における対抗手段、多色照明、フラットパネル用照明、医療、計測、ビームプロジェクタおよび他のディスプレイ、高輝度ランプ、分光、娯楽、劇場、音楽およびコンサート、分析不正検出および／または認証、ツール、水処理、レーザ眩惑、ターゲティング、通信、ＬｉＦｉ、可視光通信（ＶＬＣ）、感知、検出、距離検出、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）、変換、伝達、レベリング、硬化および他の化学処理、加熱、切断および／またはアブレーション、他の光学デバイスのポンピング、他の光電子デバイスおよび関連用途、ならびに光源照明などの用途に適用することができる。本発明による集積型光源は、光忠実度（ＬｉＦｉ）通信装置として、植物成長を最適化するための園芸目的や他の多くの用途のために、自動車のヘッドライト、一般照明光源、セキュリティ光源、探索光源、防御光源に組み込むことができる。
以下の図面は、開示された様々な実施形態による単なる例示であり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
紫外線または青色ポンプレーザと、可視波長変換素子と、および赤外線発光レーザダイオードとを含む赤外線照明光源と一体化された本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。
紫外線または青色ポンプレーザと、可視光発光蛍光部材と、および赤外線発光レーザダイオードとを含む赤外線照明光源と一体化された、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。
赤外線照明用の赤外線発光レーザダイオードによって構成された本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の一例の光スペクトルである。
本発明の一実施形態による反射モード動作用に構成された単結晶赤外線発光蛍光体の概略図である。
本発明の一実施形態による反射モード動作用に構成されたガラス部材中の赤外線発光蛍光体の概略図である。
本発明の一実施形態による反射モード動作用に構成された焼結粉末またはセラミック赤外線発光蛍光体の概略図である。
紫外線または青色ポンプレーザ、赤色又は近赤外発光レーザダイオード、可視光発光蛍光部材、および赤外線発光蛍光体を含む赤外線照明光源と一体化された、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。
紫外線または青色ポンプレーザダイオード、ビーム操縦要素、可視光発光蛍光部材、および赤外線発光蛍光体を含む赤外線照明光源と一体化された、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。
本発明の一実施形態による反射モード動作用に構成された可視発光蛍光体および赤外線発光蛍光体から構成される積層蛍光体部材の概略図である。
共通の体積領域に組み合わされ、反射モード動作用に構成された可視発光蛍光体要素および赤外線発光蛍光体要素からなる、本発明の一実施形態による複合蛍光体部材の概略図である。
可視光発光および赤外線発光の両方のために構成された蛍光部材と、紫外線または青色ポンプレーザダイオードを含む赤外線照明光源と一体化された、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。
赤外線照明を提供するために、赤外線発光波長変換器で構成された、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の光スペクトルの例である。
可視光発光および赤外線発光の両方のために構成された蛍光部材と、紫外線または青色ポンプレーザと、赤外線または近赤外発光レーザダイオードとを含む赤外線照明光源と一体化された、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。
赤外線発光波長変換器を励起して赤外線照明を提供するために、赤色または近赤外発光レーザダイオードで構成された、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の一例の光スペクトルである。
伝送モードで動作し、ＴＯキャニスタ形態のパッケージに収容された赤外線照明能力を有する、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の概略図である。
伝送モードで動作し、キャップの透明窓で構成された赤外線発光波長変換器部材を有するＴＯキャニスタ形態のパッケージ内に収容された、赤外線照明能力を有する、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の概略側面図である。
伝送モードで動作し、キャップの透明窓で構成された赤外線および可視光発光ベースの波長変換器部材を有するＴＯキャニスタ形態のパッケージ内に収容された、赤外線照明能力を有する、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の概略側面図である。
キャップの透明窓によって構成された、本発明の一実施形態による赤外線および可視光発光ベースの波長変換器部材の概略側面図である。
反射モードで動作し、ＴＯキャニスタ形態のパッケージに収容された、本発明の別の実施形態によるレーザベースの白色光源の概略図である。
反射モードで動作する赤外線照明能力を有する、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の概略図である。
反射モードで動作する赤外線照明能力を有する、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の概略図である。
表面実装パッケージにおいて反射モードで動作する赤外線照明能力を有する、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の概略図である。
表面実装パッケージにおいて反射モードで動作する赤外線照明能力を有する、本発明の別の実施形態によるレーザベースの白色光源の概略図である。
本発明の別の実施形態による表面実装パッケージ内の側面ポンピング蛍光体で動作する赤外線照明能力を有するレーザベースの白色光源の概略図である。
密閉型表面実装パッケージにおいて反射モードで動作する赤外線照明能力を有する、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の概略側面図である。
密閉型パッケージにおいて反射モードで動作する赤外線照明能力を有する、本発明の一実施形態によるファイバ結合レーザベースの白色光源の概略側面図である。
紫外線または青色ポンプレーザと、可視波長変換素子と、赤外線発光レーザダイオードと、センサフィードバックに基づいて照明を作動させるように構成されたセンサ部材とを含む赤外線照明光源と一体化された、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。
可視光通信を可能にする、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。
可視光通信を可能にする、本発明の別の実施形態によるレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。
本発明のいくつかの実施形態によるレーザベースのスマート照明システムの機能ブロック図である。
本発明のいくつかの実施形態による動的なレーザベースのスマート照明システムの機能図である。
本発明のいくつかの実施形態による深度感知システムおよびレーザベースの可視光源の両方を含む装置の概略図を示す。
本発明のいくつかの実施形態による深度感知システムと一体化されたレーザ光照明システムの簡略化された概略図である。
本発明のいくつかの代替的な実施形態による深度感知システムと一体化されたレーザ光照明システムの簡略化された概略図である。
本発明の別の代替的な実施形態による深度感知システムと一体化された、ＧａＮ含有レーザ光、およびまたは赤外線発光レーザ照明システムの組み合わせの簡略化された概略図である。
本発明の別の代替的な実施形態による深度感知システムと一体化された、ＧａＮ含有レーザ光、および／または赤外線発光レーザ照明システムの組み合わせの簡略化された概略図である。
本発明の別の代替的な実施形態による深度感知システムと一体化された、ＧａＮ含有レーザ光、および／または赤外線発光レーザ照明システムの組み合わせの簡略化された概略図である。
本発明のさらに別の実施形態によるデータ通信システムと一体化された、ＧａＮ含有レーザ光と赤外線発光レーザ照明システムの組み合わせの簡略化された概略図である。
本発明のさらに別の実施形態によるデータ通信システムと一体化された、ＧａＮ含有レーザ光と赤外線発光レーザ照明システムの組み合わせの簡略化された概略図である。
本発明のいくつかの実施形態によるガリウムおよび窒素含有レーザ源を用いて構成されたスマート可視／赤外光デバイスのコンパクトパッケージの断面図である。
本発明のいくつかの実施形態による可視光／赤外光照明、深度感知、および通信のために構成された取り付け可能な照明モジュールの簡略図である。
考案の詳細な説明
本発明は、表面実装デバイスにおいてガリウムと窒素とを含有するレーザダイオードベースの白色光および／または赤外線（ＩＲ）照明光源を備えた携帯型装置を提供する。可視スペクトルおよび赤外線スペクトルの両方において光を出射する能力を有する携帯型装置は、任意選択的に一方または両方が距離測定および／または光通信に適用されるデュアルバンド発光光源である。いくつかの実施形態では、ＧａＮ含有レーザダイオード（以下ＧａＮ含有ダイオードと称す）は、ガリウムと窒素とを含有する層を転写する工程と、その製造方法および使用方法によって作成される。いくつかの実施形態では、携帯型装置は、コントローラ／ドライバ、送信機、およびセンサ／検出器を含むコンパクトで、ポータブル、またはハンドヘルドパッケージとして構成されるハウジングを含んでおり、赤外線照明光源および／またはレーザベースの白色光照明光源を作動させて、特定の入力データに基づいてこれらの光源から送信された光信号を変調し、様々な用途におけるフィールドからの戻り光信号を検出することのできるフィードバックループを形成する。単なる例として、本発明は、スポットライティング、検出、撮像、投影表示、空間的に動的な照明装置および方法、深度計測、赤外線測量、および可視光／赤外線通信デバイスおよび方法、ならびに一般照明、商業照明およびディスプレイ、自動車照明および通信、防衛およびセキュリティ、捜索および救助、工業処理、インターネット通信、農業または園芸の用途における上記の様々な組合せのための赤外線および可視照明能力を備えた集積型スマートレーザ照明デバイスおよび方法を提供する。本発明によるポータブル集積型光源は、小型化することで、各機能を懐中電灯、手持ち式照明光源、セキュリティ光源、探索光源または防御光源、ならびに光忠実度（ＬｉＦｉ）通信装置、植物成長を最適化するための園芸目的のデバイス、または多くの他の用途に組み込むことができる。
一態様において、本発明は、デュアルスペクトルスポットライティング、撮像、感知、および調査用途に展開可能な、赤外線照明用に構成された照明システムにおけるＧａＮ含有ダイオードの新規の用途および構成を提供する。レーザベースの白色光源および赤外線光源を用いて構成される本発明は、可視波長帯域および赤外線波長帯域の両方の光を照明可能であり、一方の帯域または両方の帯域で同時に選択的に動作するように構成される。このデュアルバンド発光源は、Ｌｉ－Ｆｉシステム等の可視光通信システム、ＭＥＭＳ走査ミラーまたはデジタル光処理ユニット等のビーム成形素子を使用する静的または動的空間パターニングを伴う照明およびディスプレイの収束を使用する通信、ならびに集積型センサフィードバックによってトリガされる通信等の通信システムに展開することができる。本発明の具体的な実施形態は、従来の作成技術を超える利点を可能にするレーザダイオード作成用に加工された材料を含む転写ガリウムと窒素、または別のＧａＮ含有デバイスを使用する。
本発明は、可視光発光と赤外光発光の両方に対応できるように構成されている。可視光の必要性と有用性はよく理解されているが、可視光以外の照明波長帯域を提供することが望ましい場合もある。一例として、赤外線照明は暗視に使用される。暗視または赤外線検出デバイスは、民間部門と地方自治体または政府部門の両方で、防衛、セキュリティ、捜索救助、レクリエーション活動において重要な役割を果たす。暗視技術は、周囲光のない状態または低い環境下でも視認できる機能を提供することにより、狩猟、ゲーム、運転、位置特定、検出、個人保護などのいくつかの用途で消費者市場に広く導入されている。生物学的手段であろうと技術的手段であろうと、暗視や赤外線検出は、十分なスペクトル範囲と十分な強度範囲の組み合わせによって可能になる。このような検出は、二次元撮像、あるいは測距などの三次元距離計測、あるいはＬＩＤＡＲなどの三次元撮像に対応することができる。
単なる例として、本発明は、白色照明、白色スポット照明、フラッシュライト、自動車ヘッドライト、全地形車両照明、カメラフラッシュなどのフラッシュ光源、バイク、サーフィン、ランニング、レーシング、ボートなどのレクリエーションスポーツで使用される光源、ドローン、飛行機、ロボット、他のモバイルまたはロボット用途に使用される光源、安全、捜索救助、感知、距離測定、防衛用途における対抗手段、多色照明、フラットパネル用照明、医療、計測、ビームプロジェクタおよび他のディスプレイ、高輝度ランプ、分光、娯楽、劇場、音楽およびコンサート、分析不正検出および／または認証、ツール、水処理、レーザ眩惑、ターゲティング、通信、ＬｉＦｉ、可視光通信（ＶＬＣ）、感知、検出、距離検出、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）、変換、伝達、レベリング、硬化および他の化学処理、加熱、切断および／またはアブレーション、他の光学デバイスのポンピング、他の光電子デバイスおよび関連用途、ならびに光源照明などの用途に適用することができる。
本発明のいくつかの実施形態では、ガリウムと窒素とを含有する発光デバイス（ＧａＮ含有発光デバイス）は、レーザデバイスでなくてもよく、代わりに、スーパールミネッセントダイオードまたはスーパールミネッセント発光ダイオード（ＳＬＥＤ）デバイスとして構成されてもよい。本発明の目的のために、ＳＬＥＤ装置とレーザダイオード装置を交換可能に用いることができる。ＳＬＥＤは、電流が供給されると光学的に作動し、増幅自発発光（ＡＳＥ）が発生し、広範囲の波長にわたって利得を得る電気駆動接合に基づくことから、レーザダイオードに類似している。光出力がＡＳＥに支配されると、光出力対電流（ＬＩ）特性にニーが生じ、単位注入電流あたりの光出力が急激に大きくなる。ＬＩ曲線におけるこのニーは、レーザダイオードの閾値に似ているが、はるかに緩やかである。ＳＬＥＤデバイスの利点は、ＳＬＥＤがレーザダイオードの高い発光パワーと非常に高い空間輝度という独自の特性を組み合わせることができ、これにより、場合によっては改善された目の安全性および画質を提供する広いスペクトル幅（＞５ｎｍ）を有する高効率のロングスロー照明および高輝度蛍光体励起用途に理想的なものとなる。スペクトル幅が広いと、ＬＥＤと同様にコヒーレンス長が短くなる。コヒーレンス長が短いため、目の安全性が向上するなど、安全性の向上が期待できる。さらに、広いスペクトル幅により、ディスプレイまたは照明用途での光学歪みを大幅に低減することができる。例えば、「スペックル（ｓｐｅｃｋｌｅ）」と称される歪みパターンは、表面や視野面内の波面の相互干渉によって生じる強度パターンであることが知られている。スペックルの度合いを定量化するために一般的に用いられる式は、スペクトル幅に反比例している。本明細書では、レーザダイオード（ＬＤ）デバイスとスーパールミネッセント発光ダイオード（ＳＬＥＤ）デバイスの両方を単に「レーザデバイス」と称することがある。
本発明によるいくつかの実施形態では、複数のレーザダイオードソースが、同一の蛍光体又は蛍光体ネットワークを励起するように構成される。本発明によれば、複数のレーザ光源を組み合わせることにより、多くの潜在的な利点を提供することができる。まず、ビーム合成によって励起出力を増加させ、より強力な励起スピットを提供し、より明るい光源を生成することができる。いくつかの実施形態では、別個レーザチップがそれぞれ、レーザ－蛍光体光源内に構成される。１Ｗ、２Ｗ、３Ｗ、４Ｗ、５Ｗ以上のパワーを放出する複数のレーザを含むことにより、励起出力を増加させることができ、従って、光源の輝度を増加させることができる。例えば、同じ蛍光体領域を励起する二つの３Ｗレーザを含めることにより、励起出力を６Ｗに上げて、白色光の輝度を２倍にすることができる。レーザ励起出力１Ｗあたり約２００ルーメンの白色を生成する例において、白色光の出力は６００ルーメンから１２００ルーメンに増加する。各単一レーザダイオードエミッタのパワーのスケーリングを超えて、白色光源の全光束は、レーザダイオードの総数を増加させ続けることによって増加させることができ、レーザダイオードエミッタの数を数十から数百、さらには数千の範囲で増加させることで、数十から数百ｋＷのレーザダイオード励起出力をもたらす。レーザダイオードエミッタの数をスケーリングするには、コパッケージに複数のレーザを組み込んだり、従来の屈折光学系による空間ビームの合成したり、または偏波結合するなど、さまざまな方法で実現することができる。さらに、各レーザチップが多くの隣接するレーザダイオードエミッタを含む場合、レーザダイオードバーまたはアレイ、およびミニバーを利用することができる。例えば、バーには、約１０ミクロンから約４００ミクロンの間隔で配置された２～１００個のレーザダイオードエミッタを含めることができる。同様に、より低い駆動条件で複数のソースを使用して、より高い電流および電圧のようなより厳しい条件で駆動される単一のソースと同じ励起出力を達成することによって、ソースの信頼性を向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態は、白色光および赤外光のようなレーザベースの可視光を発光させるように構成された光源を提供し、可視および赤外線照明を提供することができる照明光源を形成する。光源は、光学キャビティによって構成された、ＧａＮ含有レーザダイオード励起源を含む。光学キャビティは、光導波領域と一つ以上のファセット領域を含む。光学キャビティは、ガリウムと窒素含有材料に第１の駆動電流を供給するための電極を備えて構成される。第１の駆動電流は、ガリウムと窒素含有材料の光導波領域内を伝搬する電磁放射に光利得をもたらす。電磁放射は、紫外線、青、緑、または赤の波長領域における第１のピーク波長によって特徴付けられる指向性電磁放射として、一つ以上のファセット領域のうちの少なくとも一つを介して出力される。さらに、光源は、電磁石放射経路に光学的に結合された蛍光部材などの波長変換器を含んでおり、励起源から指向性電磁放射を受ける。波長変換器は、第１のピーク波長を有する指向性電磁放射の少なくとも一部を、第１のピーク波長よりも長い少なくとも第２のピーク波長に変換するように構成されている。好ましい実施形態では、出力は、本発明によるレーザベースの可視光スペクトル成分を形成する少なくとも第２のピーク波長および部分的に第１のピーク波長を有する白色スペクトルからなる。一例では、第１のピーク波長は青色の波長であり、第２のピーク波長は黄色の波長である。光源は、必要に応じて、ターゲットまたは関心領域を照明するために白色スペクトルを方向付けるように構成されたビーム整形器を含む。
本発明の一実施形態では、第３のピーク波長を有するレーザダイオードまたは発光ダイオードが含まれており、デュアルバンド発光光源の赤外線発光成分を形成する。赤外線レーザダイオードは、赤外線レーザダイオードに構成された第２の駆動電流を供給するための電極によって構成された光学キャビティを含む。第２の駆動電流は、赤外線レーザダイオード材料の光導波領域内を伝播する赤外線電磁放射に光利得を提供する。電磁放射は、赤外線領域における第３のピーク波長によって特徴付けられる指向性電磁放射として、一つ以上のファセット領域のうちの少なくとも一つを介して出力される。１つの構成では、指向性赤外線発光は、励起源からの指向性電磁放射を受信するために、波長変換器部材が赤外線発光の光路内にあるように、波長変換器部材に光学的に結合される。波長変換部材に入射すると、第３のピーク波長を有する赤外線発光は、波長変換器部材から少なくとも部分的に反射され、第１および第２のピーク波長を有する白色発光と同じ光路にリダイレクトされる。赤外線発光は、可視光とほぼ同じターゲットまたは関心領域を照明するために出力赤外光を向けるように構成された任意選択のビーム整形器を介して方向づけられる。本実施形態では、第１および第２の駆動電流は独立に作動させることができ、装置は、第１の駆動電流のみを作動させて可視光源を提供することができ、第２の駆動電流を作動させて赤外線光源を提供することができ、または可視光源と赤外線光源の両方を同時に提供することができる。用途によっては、赤外線検出に赤外線照明光源のみを使用することが望ましい場合もある。物体を検知すると、可視光源を作動させることができる。
図１Ａは、本発明の実施形態による、ガリウムと窒素とを含有する紫色または青色ポンプレーザ（以下、ＧａＮ含有紫色／青色ポンプレーザ）と、白色発光を生じさせる波長変換素子と、赤外線発光レーザダイオードを含むレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。図１Ａに示されるように、中心点波長が３９０～４８０ｎｍのスペクトルを放射する紫色または青色のレーザデバイスが提供されている。紫色または青色レーザデバイスからの光は、波長変換素子に入射し、波長変換素子は、青色光を部分的または全体的により広い波長の光のスペクトルに変換し、白色光スペクトルを生じさせる。いくつかの実施形態では、ＧａＮ含有レーザダイオードは、４８０ｎｍ～５４０ｎｍの範囲で動作する。いくつかの実施形態では、レーザダイオードは、約２７０ｎｍ～約３９０ｎｍの波長を有する紫外線領域において放射されるＩＩＩ族窒化物材料からなる。ＧａＮ含有レーザデバイスに電力を供給して、可視発光波長部材を励起するレーザドライバが提供される。いくつかの実施形態では、白色光スペクトルの整形または集束用に、一つ以上のビーム整形光学素子が提供されてもよい。さらに、赤外線照明を生成するための赤外線発光レーザデバイスが含まれる。レーザダイオードからの指向性赤外線電磁放射は、波長変換素子に入射し、白色発光と同じ光路をたどるように、波長変換素子から反射されるかまたは波長変換素子を透過する。赤外線発光は、近赤外線照明用のガリウムとヒ素材料系（例えばＧａＡｓ）に基づく７００ｎｍ～１１００ｎｍ範囲のピーク波長、または目に安全な波長の赤外線照明用のインジウムとリン含有材料系（例えばＩｎＰ）に基づく１１００ｎｍ～２５００ｎｍ範囲のピーク波長、または中間赤外線熱画像用の量子カスケードレーザ技術に基づく２５００ｎｍ～１５０００ｎｍ波長範囲のピーク波長を含むんでいてもよい。例えば、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ量子カスケードレーザは、室温で３μｍ～８μｍの波長範囲において動作する。赤外線発光レーザダイオードに電力を供給し、赤外線レーザダイオードを動作させるのに十分な高電圧で制御された量の電流を供給するレーザドライブが含まれている。必要に応じて、一つ以上のビーム整形光学素子は、遅軸コリメートレンズ、速軸コリメートレンズ、非球面レンズ、ボールレンズ、全内部反射（ＴＩＲ）光学系、放物線型レンズ光学系、屈折光学系、またはこれらの組み合わせから選択されるものであってもよい。他の実施形態では、一つ以上のビーム整形光学素子は、波長変換素子に入射するレーザ光よりも前に配置されてもよい。
いくつかの実施形態では、光源からの可視および／または赤外線発光は、ガラス光ファイバまたはプラスチック光ファイバであり得る光ファイバなどの光導波路に結合される。
直接レーザダイオード赤外線照明光源を含む本実施形態の追加的な構成において、赤外線照明は、反射および／または透過される波長変換素子と相互作用するのではなく、光学ビーム整形素子に直接光学的に結合される。図１Ｂは、本発明の実施形態による、ＧａＮ含有紫色／青色ポンプレーザと、白色発光を生じさせる波長変換素子と、赤外線発光レーザダイオードを含むレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。いくつかの実施形態では、白色光源は、ＶＬＣまたはスマート照明用途のための「光エンジン」として用いられる。図１Ｂに示されるように、中心点波長が３９０～４８０ｎｍのスペクトルを放射する青色または紫色のレーザデバイスが提供されている。紫色または青色レーザデバイスからの光は、波長変換素子に入射し、波長変換素子は、青色光を部分的または全体的により広い波長の光のスペクトルに変換し、白色光スペクトルを生じさせる。
本発明による図１Ａおよび１Ｂに記載された実施形態から得られるスペクトルは、ＧａＮ含有レーザダイオードからの発光スペクトルであって、紫外線または青色波長領域の比較的狭い帯域（約０．５～３ｎｍ）の発光スペクトルと、波長変換器からの発光であって、紫外線または青色レーザダイオードよりも長いピーク波長を有する可視スペクトルの広帯域（約１０～１００ｎｍ）発光と、赤外線レーザダイオードからの比較的狭い帯域（約１～１０ｎｍ）の発光であって、可視蛍光部材からのピーク発光波長よりも長い波長を有する発光とを含む。図１Ｃは、本発明による光スペクトルの例を示す。この図では、ＧａＮ含有レーザダイオードは約４４０ｎｍ～４５５ｎｍの青色領域で発光し、可視光波長変換器部材は黄色領域で発光し、含まれる赤外線照明レーザダイオードは８７５ｎｍで発光する。もちろん、本発明には、異なる波長の発光を行うＧａＮ含有レーザダイオード、異なる波長の可視光蛍光体発光、および異なる波長の赤外線レーザダイオードのピーク発光波長を含む、多くの他の構成が存在し得る。例えば、赤外線レーザダイオードは、７００ｎｍ～３μｍの間のピーク波長で動作できる。
本発明による赤外線レーザは、７００ｎｍ～２．５μｍの波長で発光するように構成することができる。赤外線レーザダイオードは、赤外線照明機能、ＬｉＦｉ／ＶＬＣ通信機能、または両方の機能の組み合わせを提供するために使用することができる。例えば、近赤外暗視照明、測距およびＬＩＤＡＲ感知、および通信用のＧａＡｓに基づく７００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で発光するレーザダイオードを含めることができる。別の例では、目に安全な波長の赤外線照明、距離検出、ＬＩＤＡＲ感知、および通信のためのＩｎＰに基づく１１００～２５００ｎｍの範囲で動作するレーザダイオードを含めることができる。さらに別の例では、中間赤外線熱画像、感知、および通信のための量子カスケードレーザ技術に基づいて、２５００ｎｍ～１５０００ｎｍの波長範囲で動作するレーザダイオードを含めることができる。例えば、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ量子カスケードレーザは、室温で３μｍ～８μｍの波長範囲において動作する。本発明による赤外線レーザダイオードデバイスは、ＩｎＧａＡｓＰ材料系を用いてＩｎＰ 基板上に形成することができ、またはＩｎＡｌＧａＡｓＰを用いてＧａＡｓ基板上に形成することができる。量子カスケードレーザを赤外線発光に含めることができる。一実施形態では、本発明によるエピタキシー転写技術を使用して、可視紫色または青色ＧａＮレーザダイオードソースと同じキャリアウエハ上に一つ以上の赤外線レーザデバイスを形成することができる。このようなデバイスは、低コストでコンパクトであり、可視レーザダイオードと同様の発光開口位置を有し、赤外線発光と可視光発光を効果的に重ね合わせることができるので、赤外線照明に有用である。さらに、赤外線レーザダイオードは、光エンジンの発光効率に寄与しないものの、通信用の非可視チャネルを提供するため、このようなデバイスは通信用途に有用である。これにより、より広い範囲の条件下でデータ転送を継続することができる。例えば、映画館やプレゼンテーション中の会議室、雰囲気のある照明のレストランやバー、夜の寝室など、光源をオフにした状態で、可視エミッタのみを使用するＶＬＣ対応光エンジンは、効果的にデータを送信することができない。別の例では、非変換レーザデバイスは、３９０～４８０ ｎｍの中心波長を有する青色または紫色光に対応するスペクトルを放射し得る。いくつかの実施形態では、ＧａＮ含有レーザダイオードは、４８０ｎｍ～５４０ｎｍの範囲で動作するか、または約２７０ｎｍ～３９０ｎｍの紫外線範囲で動作することができる。別の実施形態では、非変換の青色または紫色レーザは、波長変換素子に入射することがない、またはビーム整形および結合光学系で白色光スペクトルと結合されるかのいずれかである。
本発明の第２の実施形態では、第２の波長変換素子部材が含まれ、第３のピーク波長で赤外線領域の発光を提供し、デュアルバンド発光光源の赤外線発光成分を提供する。蛍光部材などの赤外線波長変換器部材は、レーザ誘起ポンプ光を受けて吸収し、より波長の長い赤外光を出射するように構成されている。本実施形態では、デュアルバンド光源は、可視光を出射する第１の波長変換器部材と、赤外光を出射する第２の波長変換器部材とで構成されている。
レーザベースの照明に使用可能な波長範囲を拡張することにより、赤外線ダウンコンバート蛍光体を使用して、ＮＩＲ（０．７～１．４μｍ）および中赤外線（１．４～３．０μｍ）スペクトル、または３．０μｍを超えるより深い赤外線を出射することができる。用途に応じて、純粋な赤外線発光、あるいは可視光と赤外線発光の組み合わせが考えられる。赤外蛍光体の候補は数多く存在するが、その適否は、適用される波長や、可視光から赤外光への変換に関する蛍光体固有の性質に依存する。いくつかの実施形態において、蛍光体発光は、Ｅｒ＋３イオン４ｆ－４バンド内遷移に関連する１５５０ｎｍのフォトルミネッセンスピーク波長発光によって特徴付けられる。
赤外光発光を生じさせる蛍光体材料の例としては、５００ｎｍ～８５０ｎｍの範囲で発光するＬｕ３Ａｌ５Ｏ１２： ０．０５ Ｃｅ３＋、０．５％ Ｃｒ３＋、６００ｎｍ～１２００ｎｍの範囲で発光するＬａ３Ｇａ４．９５ＧｅＯ１４：０．０５ Ｃｒ３＋、１０００ ｎｍ～１６００ ｎｍの範囲で発光するＢｉドープＧｅＯ２ガラス、６５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲で発光するＣａ２ＬｕＺｒ２Ａｌ３Ｏ１２：０．０８ Ｃｒ３＋、７００ｎｍ～９５０ｎｍの範囲で発光するＳｃＢＯ３：０．０２ Ｃｒ３＋、６５０ｎｍ～８５０ｎｍおよび９８０ｎｍの範囲で発光するＹＡｌ３（ＢＯ３）４：０．０４ Ｃｒ３＋、０．０１Ｙｂ３＋、および７５０ｎｍ～９５０ｎｍの範囲で発光するＮａＳｃＳｉ２Ｏ６： ０．０６ Ｃｒ３＋が挙げられる。
さらに、赤外蛍光体の研究は、Ｃｒ３＋材料の使用を中心に行われてきた。例えば、６５０ｎｍ～７５０ｎｍの範囲で発光するＺｎＧａ２Ｏ４、６７５ｎｍ～８００ｎｍの範囲で発光するＺｎ（Ｇａ１－ｘＡｌｘ）２Ｏ４、６５０ｎｍ～７５０ｎｍの範囲で発光するＺｎｘＧａ２Ｏ３＋ｘ、６５０ｎｍ～７７０ｎｍの範囲で発光するＭｇＧａ２Ｏ４、６５０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲で発光するＺｎ３Ｇａ２Ｇｅ２Ｏ１０、６５０ｎｍ～８００ｎｍの範囲で発光するＺｎ１＋ｘＧａ２－２ｘ（Ｇｅ，Ｓｎ）ｘＯ４、６００ｎｍ～８００ｎｍの範囲で発光するＺｎ３Ｇａ２Ｇｅ２Ｏ１０、６００ｎｍ～８００ｎｍの範囲で発光するＺｎ３Ｇａ２Ｓｎ１Ｏ８、６７０ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で発光するＣａ３Ｇａ２Ｇｅ３Ｏ１２、６５０ｎｍ～７５０ｎｍの範囲で発光するＣａ１４Ｚｎ６Ａｌ１０Ｏ３５、５００ｎｍ～８００ｎｍの範囲で発光するＹ３Ａｌ２Ｇａ３Ｏ１０、 ６５０ｎｍ～８００ｎｍの範囲で発光するＧｄ３Ｇａ５Ｏ１０、５００ｎｍ～８５０ｎｍの範囲で発光するＬｕ３Ａｌ５Ｏ１２、６００ｎｍ～１２００ｎｍの範囲で発光するＬａ３Ｇａ５ＧｅＯ１４、６５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲で発光するＬｉＧａ５Ｏ８、６５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲で発光するβ－Ｇａ２Ｏ３、および、６５０ｎｍ～９５０ｎｍの範囲で発光するＳｒＧａ１２Ｏ１９が挙げられる。
本発明によるいくつかの実施形態では、赤外線波長変換器部材は、半導体材料からなる。一例では、赤外光を出射するように構成された半導体バルク材料構造、量子井戸構造、または量子細線構造を使用する固体構造が含まれる。赤外線電磁放射を放射することができる固体構造物の例としては、７００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲で発光するＳｉ、８００ｎｍ～２０００ｎｍの範囲で発光するＧｅ、８００ｎｍ～９００ｎｍの範囲で発光するＧａＡｓ、８００ｎｍ～９００ｎｍの範囲で発光するＩｎＰ、９００ｎｍ～１７００ｎｍの範囲で発光するＩｎＧａＡｓ、２０００ｎｍ～３０００ｎｍの範囲で発光するＩｎＡｓ、９００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲で発光するＩｎＡｌＡｓ、７００ｎｍ～９００ｎｍの範囲で発光するＡｌＧａＡｓ、６００ｎｍ～８００ｎｍの範囲で発光するＡｌＩｎＧａＰ、１２００ｎｍ～１８００ｎｍの範囲で発光するＩｎＧａＡｓＰ、１８００ｎｍ～３５００ｎｍの範囲で発光するＩｎＧａＡｓＳｂ、１０００ｎｍ～１３００ｎｍの範囲のＧａＳｂ、１６００ｎｍ～１９００ｎｍの範囲で発光するＧａＩｎＳｂ、２５００ｎｍ～３０００ｎｍの範囲で発光するＩｎＳｂ、７００ｎｍ～８００ｎｍの範囲で発光するＣｄＴｅ、３８００ｎｍ～５０００ｎｍの範囲で発光するＨｇＴｅ、７００ｎｍ～５０００ｎｍの範囲で発光する［ＨｇｘＣｄ１－ｘ］Ｔｅ、が挙げられる。
あるいは、本発明における波長変換器部材として、適切なサイズの赤外線発光量子ドット材料を組み込むことも可能である。赤外線発光の量子ドットの材料としては、７００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲で発光するＳｉ、８００ｎｍ～２０００ｎｍの範囲で発光するＧｅ、８００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲で発光するＧｅＳｎ、７００ｎｍ～２０００ｎｍの範囲で発光するＰｂＳ、８００ｎｍ～５０００ｎｍの範囲で発光するＰｂＳｅ、９００ｎｍ～３０００ｎｍの範囲で発光するＰｂＴｅ、７５０ｎｍ～３０００ｎｍの範囲で発光するＩｎＡｓ、１０００ｎｍ～２５００ｎｍの範囲で発光するＩｎＳｂ、１０００ｎｍ～５０００ｎｍの範囲で発光するＨｇＴｅ、７００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲で発光するＡｇ２Ｓ、９００ｎｍ～２０００ｎｍの範囲で発光するＡｇ２Ｓｅ、６５０ｎｍ～１５００ｎｍの範囲で発光するＣｕＩｎＳｅ２、６００ｎｍ～９００ｎｍの範囲で発光するＡｇＩｎＳｅ２、および、６５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲で発光するＣｓ１－ｘＦＡｘＰｂＩ３、などが挙げられ、もちろん他にもあり得る。
青色／近紫外線レーザベースのデバイスに赤外線発光蛍光体を組み込むためには、いくつかの条件を満たすことが必要である。
・赤外蛍光体は、近紫外線および／または青色（例えば、３８０ｎｍ～４８０ｎｍ）のレーザ発光波長下で蛍光する。
・赤外蛍光体は、デバイス内の可視発光蛍光体（例えば、４８０ｎｍ～７００ｎｍ）からの二次発光下で蛍光を蛍光する。これにより、直接レーザ蛍光と比較してストークスシフトロスが減少し、赤外蛍光体の発熱を抑えることができる。
・赤外蛍光体は、単結晶、焼結、ハイブリッド、またはガラス構造中の蛍光体などの固体素子に組み込むことができる。この構造は、可視光と赤外線発光蛍光体材料で構成することも、別々の構造として構成することも可能である。
赤外蛍光部材は、異なる固体または粉末の微細構造で構成され、レーザダイオード励起源によって励起されるように構成可能である。いくつかの実施形態では、蛍光体は、励起光の反射率を修正する、および／または赤外蛍光体発光の反射率を修正する、および／または可視蛍光体の反射率を修正するようにコーティング層で構成される。本発明による一実施例では、蛍光体は、励起ビームの反射率を低下させるように構成された励起表面上に反射防止コーティング層を含むことにより、蛍光部材内の赤外線または可視光により効率的に変換することができる。このようなコーティング層は、二酸化珪素、五酸化タンタル、ハフニア、酸化アルミニウム、窒化珪素等の誘電体層から構成することができる。いくつかの実施形態では、蛍光体表面は、反射率を低下させ、光散乱効果を促進させるために意図的に粗面化またはパターン化されている。
本発明による別の例では、蛍光体は、伝送モード動作用に構成され、励起表面および発光面は、蛍光体の反対側または面にある。この構成では、蛍光体は、発光面に、発光面からの有用な赤外線発光として蛍光部材からの出射をより効率的に行えるように、赤外蛍光体発光の反射率を低減するように構成された反射防止コーティング層を有していてもよい。このようなコーティング反射率低減層は、二酸化珪素、五酸化タンタル、ハフニア、酸化アルミニウム、窒化珪素等の誘電体層から構成することができる。いくつかの実施形態では、蛍光体表面は、反射率を低下させ、光散乱効果を促進させるために意図的に粗面化またはパターン化されている。
本発明による別の例では、蛍光体は、反射モード動作用に構成され、蛍光体の発光および励起が蛍光部材の同じ側または面上で行われるように、励起ビームが発光面に入射する。この構成では、蛍光体は、発光面上に、赤外線蛍光体発光の出射をより効率的に行えるように赤外線蛍光体発光の反射率を低下させる、および／または、励起光が、当該励起光を有用な赤外線発光に変換可能な蛍光体をより効率的に貫通するように励起光の反射率を低下させる反射防止コーティング層を有していてもよい。このようなコーティング層は、二酸化珪素、五酸化タンタル、ハフニア、酸化アルミニウム、窒化珪素等の誘電体層から構成することができる。さらに、反射モード蛍光体からなるいくつかの実施形態において、蛍光部材の裏面または底部は、高反射コーティングまたは高反射コーティング層を有するように構成される。反射コーティングは、頂部または正面側発光面を介して有用な発光が行えるように、蛍光体で生じた赤外線発光を裏面から反射するように機能する。反射コーティングは、励起光を反射するように構成することもできる。このような反射コーティング層は、Ａｇ、Ａｌ、またはその他の金属で構成されてよく、または分散型ブラッグ反射（ＤＢＲ）スタックなどの誘電体層で構成されてもよい。
図２Ａ～２Ｃは、さまざまな赤外蛍光部材の概略図を示している。図２Ａにおいて、単結晶蛍光部材は反射モード動作用に構成されている。単結晶蛍光体は、高い熱伝導率などの性能上の利点を提供し、高温および高励起密度での動作を可能にする。図２Ａの単結晶蛍光体は、蛍光体の裏面または底部に反射鏡が設けられている。また、ミラースタックは、単結晶赤外蛍光部材をパッケージまたは支持部材に取り付ける際にミラー層への損傷を防ぐために拡散バリア層を含むはんだ付けプロセス用に設計することができる。図２Ａの反射モード単結晶蛍光体は、頂部発光面に反射防止コーティング、および／または粗面化またはパターン化されて構成されている。
図２Ｂにおいて、ガラス部材内の蛍光体が反射モード動作用に構成されている。このようなガラス構造内の蛍光体は、励起発光と蛍光体発光の高い光散乱により発光領域を制御して閉じ込めるなどの性能を発揮する一方、高温、高励起密度での動作に耐える熱伝導率を提供することができる。図２Ａのガラス部材内の蛍光体は、蛍光体の裏面または底部に反射鏡が設けられている。また、ミラースタックは、ガラス赤外蛍光部材内の蛍光体をパッケージまたは支持部材に取り付ける際にミラー層への損傷を防ぐために拡散バリア層を含むはんだ付けプロセス用に設計することができる。図２Ｂのガラス構造内の反射モード蛍光体は、頂部発光面に反射防止コーティング、および／または粗面化またはパターン化されて構成されている。
図２Ｃにおいて、焼結粉末またはセラミック蛍光体が反射モード動作用に構成されている。このような焼結粉末またはセラミック蛍光体の構造は、励起発光と蛍光体発光の高い光散乱により発光領域を制御して閉じ込めるなどの性能を発揮する一方、高温、高励起密度での動作を許容する熱伝導率を提供することができる。図２Ｃの焼結粉末またはセラミック蛍光体は、蛍光体の裏面または底部に反射鏡が設置されている。また、ミラースタックは、はんだ付けプロセス用に設計し、焼結粉末またはセラミック赤外蛍光部材をパッケージまたは支持部材に取り付ける際に、ミラー層が損傷するのを防ぐ拡散バリア層を含むようにしてもよい。図２Ｃの反射モード焼結粉末またはセラミック蛍光体構造は、頂部発光面に反射防止コーティング、および／または粗面化またはパターン化されて構成されている。
赤外線発光蛍光部材をレーザベース白色光照明光源と一体化させる場合、可視光発光蛍光部材と赤外線発光蛍光部材の互いに対する配置は複数ある。本願で提示される例は、そのような配置をすべて網羅することを意図したものではなく、他の配置やアーキテクチャがあり得ることは言うまでもなく、本発明の範囲を限定するものではない。蛍光体配置として最も簡素な例は、恐らく、第１の波長変換器部材からの白色発光が第２の波長変換器部材からの赤外線発光とは別の空間位置から出射されるように、第１および第２の波長変換器部材を並列にまたは隣接して配置する構成であろう。この例では、第１および第２の波長変換器部材は、別個のレーザダイオード部材によって励起され得る。一実施形態では、第１の波長変換器部材は、紫色、青色、または緑色のレーザダイオードなどのガリウムと窒素を含有する第１のレーザダイオードによって励起され、第２の波長変換器部材は、紫色、青色、または緑色のレーザダイオードなどのガリウムと窒素を含有する第２のレーザダイオードによって励起される。この例の第二の実施形態では、第１の波長変換器部材は、紫色または青色レーザダイオードなどのガリウムと窒素を含有する第１のレーザダイオードによって励起され、第２の波長変換器部材は、ガリウムとヒ素とを含有する材料またはインジウムとリンを含有する材料などの赤または赤外線波長領域で動作する異なる材料系から形成される第２のレーザダイオードによって励起される。これらの実施形態において、第１のレーザダイオードは、第１の駆動電流によって励起され、第２のレーザダイオードは、第２の駆動電流によって励起される。第１の駆動電流および第２の駆動電流を独立して作動させることができ、デュアルバンド発光源は、第１の駆動電流のみを作動させて可視光源を提供することができ、第２の駆動電流のみを作動させて赤外線光源を提供することができ、または第１の駆動電流および第２の駆動電流の両方を作動させて可視光源および赤外線光源の両方を同時に提供することができる。用途によっては、赤外線検出に赤外線照明光源のみを使用することが望ましい場合もある。物体が赤外線照明で検出されると、可視光源を作動させて、ターゲットを可視的に照明することができる。
図３Ａは、本発明の実施形態による、ＧａＮ含有紫色／青色ポンプレーザと、白色発光を生じさせる波長変換素子と、赤外線発光波長変換器部材を含むレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。図３Ａに示されるように、ガリウムと窒素とを含有する材料（ＧａＮ含有材料）から形成された青色または紫色のレーザデバイスが提供され、中心点波長が３９０～４８０ｎｍのスペクトルを出射する。紫色または青色レーザデバイスからの光は、波長変換素子に入射し、波長変換素子は、青色光を部分的または全体的により広い波長の光のスペクトルに変換し、白色光スペクトルを生じさせる。青色レーザデバイスからの光は、波長変換素子に入射し、波長変換素子は、青色光を部分的または完全により広い波長の光のスペクトルに変換し、白色光スペクトルを生成する。赤外線波長変換器を励起し、赤外線照明発光を生じさせる第２のレーザデバイスが含まれる。
上記例の別の実施形態では、隣接する、または並列に配置された波長変換素子は、紫色または青色の波長範囲のピーク波長を有する同一のＧａＮ含有レーザダイオードによって励起される。これは、いくつかの方法で達成することができる。このような方法の一つは、出力されたレーザ励起ビームが、第１の可視光発光波長変換部材と第２の赤外線発光蛍光体の両方に入射するように配置することである。この構成では、所望の可視光発光用に適切な割合の光が第１の波長変換部材に入射し、所望の赤外光発光用に適切な割合の光が第２の波長変換器部材に入射するように設計することが可能である。別の例として、ＭＥＭＳ走査ミラーなどのビーム操縦素子をシステムに含めることができる。ビーム操縦素子は、所望の時点で可視光が生じるように、励起レーザビームを操縦して第１の波長変換素子に入射させ、またビームを操縦して所望の時点で赤外線発光蛍光体に入射するようにプログラムまたは手動で調整されてもよい。この構成では、デュアルバンド照明光源は、可視スペクトルまたは赤外線スペクトルのいずれかで選択的に、または両スペクトルで同時に照明を行うことができる。
図３Ｂは、本発明の実施形態による、ＧａＮ含有紫色／青色ポンプレーザと、白色発光を生じさせる波長変換素子と、赤外線発光波長変換器部材を含むレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。図３Ｂに示されるように、ＧａＮ含有材料から形成された青色または紫色のレーザデバイスが提供され、中心点波長が３９０～４８０ｎｍのスペクトルを出射する。紫色または青色レーザデバイスからの光は、ＭＥＭＳ走査ミラーなどのビーム操縦素子に入射する。ビーム操縦素子は、必要に応じて、励起ビームを第１の波長変換素子に操縦して青色光を部分的または全体的により長波長光の広いスペクトルに変換して白色光スペクトルを生じさせるか、第２の波長変換素子に操縦して赤外線発光を生じさせるように機能させることができる。
本発明による別の例では、第１の波長変換器部材と第２の波長変換器部材を組み合わせることが可能である。一つの組合せ構成では、可視発光波長変換器と赤外線発光波長変換器は垂直方向に積層配置されている。好ましくは、第１の波長変換器部材は、第２の波長変換器部材から放射された赤外光が、さほど吸収されることなく第１の波長変換器部材を通過できるように、積層波長変換器の主発光面と同じ側に配置される。すなわち、反射モード構成では、可視光を発光する第１の波長変換器部材は、赤外光を発光する第２の波長変換器部材の頂部に配置され、第１の波長変換器部材の発光面から出射される可視光及び赤外線発光を有用な光として集光する。すなわち、第３のピーク波長を有する赤外線発光は、第１および第２のピーク波長を有する白色発光と同じ光路に出射される。
図４Ａは、反射モード動作用に構成された積層蛍光体の概略図の一例であり、赤外線発光蛍光部材が可視発光蛍光体の下に配置されている。図４Ａの積層蛍光部材は、蛍光体の裏面または底部に反射鏡が設置されている。また、ミラースタックは、はんだ付けプロセス用に設計し、積層蛍光部材をパッケージまたは支持部材に取り付ける際に、ミラー層が損傷するのを防ぐ拡散バリア層を含むようにしてもよい。図４Ａの積層蛍光部材は、頂部発光面に反射防止コーティング、および／または粗面化またはパターン化されて構成されている。
また、別の組み合わせ構成では、可視発光波長変換器および赤外線発光波長変換器は、単一の体積領域に一体化され、単一のハイブリッド波長変換器部材を形成する。これは、蛍光体などの波長変換器素子の混合物を単一の固体に焼結するなどの様々な方法で達成することができる。例えば、ＹＡＧ系の蛍光体などの可視光発光蛍光部材を赤外線発光蛍光体と混合して、複合蛍光部材または波長変換器部材を形成する。この複合波長変換器の構成では、ＧａＮ含有レーザダイオード部材を共通の励起源として、可視光と赤外光の両方を生じさせる構成が考えられる。この構成では、レーザダイオード部材を第１の駆動電流でさせると、可視光と赤外光の両方が励起され、可視光と赤外光を独立して発光制御することが困難となる。
図４Ｂは、赤外線発光蛍光体素子が可視発光蛍光体素子と同じ体積領域に焼結されている、反射モード動作用に構成された複合体の例示的な概略図である。図４Ｂの複合蛍光部材は、蛍光体の裏面または底部に反射鏡が設置されている。また、ミラースタックは、はんだ付けプロセス用に設計し、複合蛍光部材をパッケージまたは支持部材に取り付ける際に、ミラー層が損傷するのを防ぐ拡散バリア層を含むようにしてもよい。図４Ｂの複合蛍光部材は、頂部発光面に反射防止コーティング、および／または粗面化またはパターン化されて構成されている。
この複合波長変換器の構成では、ＧａＮ含有レーザダイオード部材を第１の波長部材と第２の波長部材の両方の共通の励起源として構成することができる。赤外光と可視光の発光は、積層された波長変換器部材の同一面、ほぼ同一の領域から出射されるので、集光光学系やコリメーション光学系などの簡単な光学系で、可視光発光と赤外線発光を同一のターゲットエリアに投射、誘導することが可能である。この構成では、レーザダイオード部材を第１の駆動電流でさせると、可視光と赤外光の両方が励起され、可視光と赤外光を独立して発光制御することが困難となる。垂直に積層された他の波長変換器部材も可能であり、例えば、第１の波長変換器部材からの可視光発光が、第２の波長変換器部材からの赤外線発光を励起するように、積層体の発光側に赤外線発光する第二の波長変換部材を配置してもよい。
図５Ａは、本発明の実施形態による、波長変換素子を励起して白色発光を生じさせ、波長変換素子を励起して赤外線発光を生じさせるように構成されたＧａＮ含有紫色／青色ポンプレーザを含むレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。図５Ａに示されるように、ＧａＮ含有材料から形成された青色または紫色のレーザデバイスが提供され、中心点波長が３９０～４８０ｎｍのスペクトルを出射する。紫色または青色レーザデバイスからの光は、可視光発光素子と赤外線発光素子を積層体または複合体として構成された波長変換素子に入射する。蛍光体などの可視光波長変換素子は、青色光を部分的または全体的により広い波長の光のスペクトルに変換し、白色光スペクトルが生じる。さらに、レーザダイオードからの青色光および／または可視発光波長変換器部材からの可視光により、赤外線発光蛍光体が励起されて赤外線照明が生じる。
本発明による図５Ａに記載された実施形態から得られるスペクトルは、ＧａＮ含有レーザダイオードからの発光スペクトルであって、紫外線または青色波長領域の比較的狭い帯域（約０．５～３ｎｍ）の発光スペクトルと、波長変換器からの発光であって、紫外線または青色レーザダイオードよりも長いピーク波長を有する可視スペクトルの広帯域（約１０～１００ｎｍ）発光と、波長変換器からの発光であって、可視光蛍光部材からのピーク発光波長よりも長いピーク波長を有する赤外線スペクトルの比較的広い帯域（約１０～１００ｎｍ）の発光とを含む。図５Ｂは、本発明による光スペクトルの例を示す。この図では、ＧａＮ含有レーザダイオードは約４４０ｎｍ～４５５ｎｍの青色領域で発光し、可視光波長変換器部材は黄色領域で発光し、含まれる赤外線発光波長変換器部材は約８５０ｎｍ～９００ｎｍのピーク波長で発光する。もちろん、本発明には、異なる波長の発光を行うＧａＮ含有レーザダイオード、異なる波長で発光する可視蛍光部材、および異なる波長で発光する赤外蛍光部材を含む、多くの他の構成が存在し得る。例えば、赤外線発光蛍光部材は、７００ｎｍ以上３μｍ以下のピーク波長で発光することができる。
波長変換器部材の組合せを有するこの例の別の実施例では、第１および第２の波長変換器部材は、別個のレーザダイオード部材によって励起され得る。一実施形態では、第１の波長変換器部材は、紫色または青色レーザダイオードなどの第１のＧａＮ含有レーザダイオードによって励起され、第２の波長変換器部材は、緑色発光またはより長い波長のレーザダイオードなどの第２のＧａＮ含有レーザダイオードによって励起される。この例の第二の実施形態では、第１の波長変換器部材は、紫色、青色、または緑色のレーザダイオードなどの第１のＧａＮ含有レーザダイオードによって励起され、第２の波長変換器部材は、ガリウムとヒ素とを含有する材料またはインジウムとリンとを含有する材料などの赤または赤外線波長領域で動作する異なる材料系から形成される第２のレーザダイオードによって励起される。本実施形態において考慮すべき重要な点は、第１の波長変換器部材では実質的に吸収されることなく第２の波長変換器部材で吸収される動作波長の第２のレーザダイオードを選択することであり、これによって第２のレーザダイオードが作動すると、発光が第１の波長変換器を通過し、第２の波長変換器を励起して赤外線発光を生じさせる。その結果、第１のレーザダイオード部材が主に第１の波長変換器部材を作動させて可視光を生じさせ、第２のレーザダイオード部材が主に第２の波長変換器を作動させて赤外光を生じさせることができる。この積層波長変換器構成の利点は、第１のレーザダイオードを第１の駆動電流で励起し、第２のレーザダイオードを第２の駆動電流で励起するので、第１と第２の波長変換器部材を独立して作動させることができ、デュアルバンド発光源は、第１の駆動電流のみを作動させて可視光源を提供することができ、第２の駆動電流のみを作動させて赤外線光源を提供することができ、または第１と第２の駆動電流の両方を作動させて可視光源と赤外線光源の両方を同時に提供できることである。用途によっては、赤外線検出に赤外線照明光源のみを使用することが望ましい場合もある。なお、第１の波長変換器部材からの可視光発光は、第２の波長変換器部材からの赤外線発光を少なくとも部分的に励起し得ることを理解されたい。この場合、可視光線が作動すると、光源は可視光発光と赤外線発光の両方を同時に行うことができる。したがって、可視光と赤外線発光の両方を行うデュアル発光のために、本発明による一実施形態では、紫色または青色領域で動作する、第１のＧａＮ含有レーザダイオードのみが必要とされていてもよい。しかしながら、非常に重要な点は、より長い波長のレーザダイオードが作動して、赤外線発光波長変換器部材を励起すると、実質的な可視光発光は行われない。これにより、照明光源の存在を明らかにすることなく、ターゲットの赤外線照明が可能になる。物体を検知すると、可視光源を作動させることができる。
あるいは、可視光発光は、紫色または青色レーザダイオードなどの第１のＧａＮ含有レーザダイオードによって励起され、赤外線発光は、ガリウムとヒ素とを含有する材料またはインジウムとリンとを含有する材料などの、赤色または赤外線波長領域で動作する異なる材料系で形成される第２のレーザダイオードによって励起可能である。本実施形態において考慮すべき重要な点は、複合波長変換器部材の可視光発光素子で実質的に吸収されず、複合波長変換器部材の赤外線発光素子で吸収される動作波長を有する第２のレーザダイオードを選択することであり、これにより第２のレーザダイオードが作動した際に、可視光発光の励起を実質的に行わず、赤外線発光を励起する。その結果、第１のレーザダイオード部材が主に第１の波長変換器部材を作動させて可視光を生じさせ、第２のレーザダイオード部材が主に第２の波長変換器を作動させて赤外光を生じさせることができる。第３のピーク波長を有する赤外線発光は、第１および第２のピーク波長を有する可視発光と同一の表面および空間位置から出射されるため、赤外線発光は、第１および第２のピーク波長を有する白色発光と同一の光路に容易に誘導される。赤外線発光と白色発光は、目的となる標的を照明するために出力光を方向づけるように構成された任意のビーム整形器を介して指示され得る。本実施形態では、第１および第２の駆動電流は独立に作動させることができ、装置は、第１の駆動電流のみを作動させて可視光源を提供することができ、第２の駆動電流を作動させて赤外線光源を提供することができ、または可視光源と赤外線光源の両方を同時に提供することができる。用途によっては、赤外線検出に赤外線照明光源のみを使用することが望ましい場合もある。物体が赤外線照明で検出されると、可視光源を作動させて、ターゲットを可視的に照明することができる。
この積層波長変換器構成の利点は、第１のレーザダイオードを第１の駆動電流で励起し、第２のレーザダイオードを第２の駆動電流で励起するので、第１と第２の波長変換器部材を独立して作動させることができ、デュアルバンド発光源は、第１の駆動電流のみを作動させて可視光源を提供することができ、第２の駆動電流のみを作動させて赤外線光源を提供することができ、または第１と第２の駆動電流の両方を作動させて可視光源と赤外線光源の両方を同時に提供できることである。なお、第１の波長変換器部材からの可視光発光は、第２の波長変換器部材からの赤外線発光を少なくとも部分的に励起し得ることを理解されたい。この場合、可視光線が作動すると、光源は可視光発光と赤外線発光の両方を同時に行うことができる。したがって、可視光と赤外線発光両方のデュアル発光を行うために、本発明による一実施形態では、紫色または青色領域で動作する第１のＧａＮ含有レーザダイオードのみが必要とされていてもよい。しかしながら、非常に重要な点は、より長い波長のレーザダイオードが作動して、赤外線発光波長変換器部材を励起すると、実質的な可視光発光は行われない。これにより、照明光源の存在を明らかにすることなく、ターゲットの赤外線照明が可能になる。用途によっては、赤外線検出に赤外線照明光源のみを使用することが望ましい場合もある。物体を検知すると、可視光源を作動させることができる。
図６Ａは、本発明の実施形態による、波長変換素子を励起して白色発光を生じさせるように構成されたＧａＮ含有紫色／青色ポンプレーザと、赤外線波長変換素子を励起して赤外線発光を生じさせるように構成された赤外線発光レーザダイオードとを含むレーザベースの白色光源の機能ブロック図である。図６Ａに示されるように、ＧａＮ含有材料から形成された青色または紫色のレーザデバイスが提供され、中心点波長が３９０～４８０ｎｍのスペクトルを出射する。紫色または青色レーザデバイスからの光は、可視光発光素子と赤外線発光素子を積層体または複合体として構成された波長変換素子に入射する。蛍光体などの可視光波長変換素子は、青色光を部分的または全体的により広い波長の光のスペクトルに変換し、白色光スペクトルが生じる。いくつかの実施形態では、レーザダイオードからの青色光および／または可視光発光波長変換器部材からの可視光により、赤外線発光蛍光体が励起されて赤外線照明を生じさせることができる。第２のレーザダイオードが含まれる。第２のレーザダイオードは、第１の波長変換器部材からの可視光よりも長いが、赤外線発光波長変換器部材のピーク波長よりも短いピーク波長で動作する。第２のレーザドライバは、第２のレーザダイオード部材を駆動するように構成される。第２のレーザダイオード部材からの出力電磁放射は、可視光蛍光部材を実質的に励起することなく、赤外線発光蛍光部材を優先的に励起するように構成される。
本発明による図６Ａに記載された実施形態から得られるスペクトルは、ＧａＮ含有レーザダイオードからの発光スペクトルであって、紫外線または青色波長領域の比較的狭い帯域（約０．５～３ｎｍ）の発光スペクトルと、波長変換器からの発光であって、紫外線または青色レーザダイオードよりも長いピーク波長を有する可視スペクトルの広帯域（約１０～１００ｎｍ）発光と、第２のレーザダイオードからの比較的狭い帯域（約１～１０ｎｍ）発光であって、可視光発光蛍光体のピーク波長よりも長いピーク波長を有する発光と、波長変換器からの発光であって、第２のレーザダイオードからのピーク発光波長よりも長いピーク波長を有する赤外線スペクトルの比較的広い帯域（約１０～１００ｎｍ）の発光とを含む。図６Ｂは、本発明による光スペクトルの例を示す。この図では、ＧａＮ含有レーザダイオードは約４４０ｎｍ～４５５ｎｍの青色領域で発光し、可視光波長変換器部材は黄色領域で発光し、第２のレーザダイオード部材は、９００ｎｍのピーク波長で発光し、含まれる赤外線発光波長変換器部材は約１１００ｎｍのピーク波長で発光する。もちろん、本発明には、異なる波長の発光を行うＧａＮ含有レーザダイオード、異なる波長で発光する可視蛍光部材、および異なる波長で発光する赤外蛍光部材を含む、多くの他の構成が存在し得る。例えば、赤外線発光蛍光部材は、７００ｎｍ以上３μｍ以下のピーク波長で発光することができる。
いくつかの実施形態では、深紫外線レーザが含まれ、深紫外線レーザは、紫外線蛍光素子を励起して紫外線を出射するように構成される。この構成により、紫外線発光を紫外線撮像のための紫外線照明光源として展開することができる。本実施形態のさらなる一例では、深紫外線レーザは、可視光発光波長変換器部材、および／または赤外線発光波長変換器部材を励起するように構成されていてもよい。
いくつかの実施形態では、光エンジンは、波長変換素子の第１の表面に入射する複数の青色または紫色ポンプレーザを備える。複数の青色または紫色ポンプレーザは、各ポンプレーザが波長変換素子の第１の表面の異なる領域を照明するように構成される。具体的な実施形態では、ポンプレーザによって照明される領域は重複しない。具体的な実施形態では、ポンプレーザによって照明される領域は部分的に重複する。具体的な実施形態では、ポンプレーザのサブセットは、波長変換素子の第１の表面において完全に重複する領域を照明し、一つ以上の他のポンプレーザは、波長変換素子の第１の表面において重複しない領域または部分的に重複する領域のいずれかを照明するように構成される。この構成によれば、ポンプレーザを互いに独立して駆動することにより、得られる光源のサイズと形状を動的に調整することができ、移動機構を必要とすることなく、適切な光学素子を介して投影される白色光のスポットを動的に異なるサイズや形状に構成することができる点で有用である。
図７Ａは、伝送モードで動作する赤外線照明能力を有し、ＴＯキャニスタ型パッケージに収容されるように構成された、本発明の一実施形態によるレーザベース白色光源の概略図である。図７Ａに示されるように、ＴＯキャニスタパッケージは、ベース部材１００１と、成形された台座１００５と、ピン１００２とを含む。ベース部材１００１は、銅、銅タングステン、アルミニウム、または鋼などの金属で構成することができる。ピン１００２は、ベースに接地されているか、ベースから電気的に絶縁されており、レーザデバイスに電気的にアクセするための手段を提供する。台座部材１００５は、台座からベース部材１００１に熱を伝えるように構成され、当該熱はその後ヒートシンクに伝達される。キャップ部材１００６は、密閉された窓１００７を備えている。また、キャップ部材１００６自体もベース部材１００１に密閉されており、ＴＯキャニスタパッケージにレーザベース白色光源を封入している。
台座１００５には、レーザデバイス１００３と波長変換部材１０４が搭載されている。いくつかの実施形態では、レーザダイオードと台座の間、および／または、波長変換器部材と台座の間に、中間サブマウント部材が含まれる。
レーザデバイス１００３から発光されたレーザ光は、波長変換素子１００４を透過して、完全にまたは部分的により長い波長の光に変換される。そして、ダウンコンバートされた光と残りのレーザ光が波長変換素子１００４から出射する。図７Ａに示すような缶型パッケージに構成された、レーザによって作動される蛍光部材の白色光源は、ベース部材１００１上の白色光源周囲に密閉構造を形成するための追加のキャップ部材１００６を含む。
レーザデバイスは、波長変換素子１００４を照明し、非変換ポンプ光は波長変換素子１００４を透過してキャップ部材１００６の窓１００７からキャニスタを出るように構成される。波長変換素子からの、ダウンコンバートされた光も同様に、窓１００７を介してＴＯキャニスタから出射する。
本発明のいくつかの構成では、ＴＯ缶型パッケージを使用して、レーザベースの赤外線照明光源をパッケージ化することができる。図７Ｂは、伝送モードで動作可能であり、キャップの透明窓で構成された赤外線発光波長変換器部材を有するＴＯキャニスタ型パッケージに収容された、本発明の一実施形態によるレーザベースの赤外線照明光源の概略側面図を示す。図７Ｂに示されるように、ＴＯ缶は、パッケージ内で発生した熱をヒートシンク部材へ伝達するように構成されたベース部材を含んで構成されている。外部電源からレーザダイオードの負極および正極に電流を供給するための電気的フィードスルーピンが構成されている。ＴＯ缶パッケージ内の台座部材にレーザダイオードを搭載し、キャップ部材でパッケージを密封する。キャップ部材は、透明窓部材を備えており、可視光および赤外光が当該窓を通って外部環境に通過することを可能にするように構成されている。透明窓部材は、赤外線発光波長変換部材を備えており、レーザダイオード励起ビームが窓部材に入射した際に赤外線照明を発光するように構成されている。いくつかの実施形態において、波長変換器部材は、窓部材として機能する。
本発明のいくつかの構成では、ＴＯ缶型パッケージを使用して、赤外線照明光源で構成されたレーザベースの白色光源をパッケージ化することができる。図７Ｃは、伝送モードで動作し、キャップの透明窓で構成され、可視光および赤外線発光波長変換器部材を有するＴＯキャニスタ型パッケージ内に収容された、赤外線照明可能な、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の概略側面図を示す。図７Ｃに示されるように、ＴＯ缶は、パッケージ内で発生した熱をヒートシンク部材へ伝達するように構成されたベース部材を含んで構成されている。外部電源からレーザダイオードの負極および正極に電流を供給するための電気的フィードスルーピンが構成されている。ＴＯ缶パッケージ内の台座部材にレーザダイオードを搭載し、キャップ部材でパッケージを密封する。キャップ部材は、透明窓部材を備えており、可視光および赤外光が当該窓を通って外部環境に通過することを可能にするように構成されている。透明窓部材は、レーザダイオード励起ビームが窓部材に入射すると白色光および赤外線照明等の可視光を出射するように構成された可視光および赤外線発光波長変換部材を備える。いくつかの実施形態において、波長変換器部材は、窓部材として機能する。
図７Ｄは、キャップの透明窓によって構成された、本発明の一実施形態による赤外線および可視光発光ベースの波長変換器部材の概略側面図である。本実施形態では、波長変換器部材は、積層赤外線発光波長変換器と可視光発光波長変換器から構成されている。本実施例によれば、紫外線または青色レーザダイオードの励起照明がまず可視光発光波長変換器に入射し、当該励起光と可視光発光により赤外線発光蛍光体が励起される。他の実施形態では、青色レーザダイオード励起ビームの紫外線は、赤外線照明蛍光体を貫通した光が可視発光波長変換器部材に入射して可視光を励起するように、まず赤外線波長変換器部材に入射されてもよい。他の構成では、複合波長変換器構造が可視光と赤外光を生成するように構成されている。
一実施形態において、赤外線照明光源で構成されたレーザベースの白色光源は、ポンプおよびダウンコンバートされた光の全体または一部を透過する窓を有するＴＯキャニスタ型にパッケージ化され、波長変換素子は反射モードで照明される。図７Ｅは、反射モードで動作し、ＴＯキャニスタ型パッケージに収容された、本発明の別の実施形態によるレーザベースの白色光源の概略図である。キャニスタのベースは、ヘッダ１１０６、楔形部材１１０２、ヘッダを通過する電気的に絶縁されたピンで構成されている。レーザデバイス１１０１と波長変換素子１１０５は、それぞれ楔形部材１１０２と台座に、銀エポキシなどの熱伝導性接着媒体を用いて、あるいは、好ましくはＡｕＳｎ、ＡｇＣｕＳｎ、ＰｂＳｎ、Ｉｎから選ばれる一つ以上のはんだ材料によって搭載されている。波長変換素子１１０５により出射するダウンコンバートされた光も同様に、窓１１０４を介してキャニスタから出射する。
別の実施形態では、反射モードが統合された白色光源は、レンズ部材を備えたフラット型パッケージに構成され、コリメート白色ビームを生成する。フラット型パッケージは、ベースまたはハウジング部材を有し、コリメート白色光源がベースに搭載され、コリメート白色ビームが、ベースまたはハウジング部材の側面に構成された窓から出射するようにコリメート白色ビームを生成するように構成されている。
本発明の一実施形態では、透過モードが統合された白色光源は、レンズ部材を備えたフラット型のパッケージに構成され、コリメート白色ビームを生成する。本実施形態の一例では、白色発光はコリメートされて、フラット型パッケージ上に構成された窓に向けて投影される。コリメート白色ビームは、透明窓から出射して、ターゲット対象またはエリアへの自由空間光路またはファイバ結合光路によってガイドされる。
一つ以上のレーザダイオード励起源を用いて、蛍光体材料の遠隔ポンピングを可能にするいくつかの構成がある。一実施形態では、一つ以上のレーザダイオードは、自由空間光学系によって一つ以上の蛍光部材に遠隔的に結合される。すなわち、レーザダイオードの出射から蛍光部材までの光路が少なくとも部分的に自由空間光学系セットアップで構成されている。このような自由空間光学系の構成では、速軸コリメータ、遅軸コリメータ、非球面レンズ、ボールレンズ、またはガラス棒などの他の素子を含むコリメートレンズなどの光学素子を使用して、レーザダイオードからの光学ビームを整形してもよい。自由空間光ポンピングの他の実施形態では、ビームは整形せずに、単に蛍光体に直接結合してもよい。別の実施形態では、導波素子を用いて一つ以上のレーザダイオードからの光励起出力を蛍光部材に結合する。導波素子は、Ｓｉ、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＰ、酸化物等から選ばれた一つ以上の材料を含む。
別の実施形態では、導波素子として光ファイバが使用される。光ファイバの一端では、一つ以上のレーザダイオードからの電磁放射がインカップリングされてファイバに入る。光ファイバの他端では、電磁放射がアウトカップリングされてファイバから出射し、蛍光部材に入射する。光ファイバは、シリカなどのガラス材料、ポリマー材料などで構成され、１００μｍから約１００ｍ以上の長さになることもある。
一実施形態では、レーザダイオード部材はレーザバーで構成され、レーザバーは、リッジ構造によって形成されたキャビティ部材を有する多数のエミッタを含み、キャビティ部材は電極によって互いに電気的に結合されている。それぞれキャビティ部材を介した電気的接点を有するレーザダイオードは、共通のｎ側電極を有している。用途に応じて、ｎ側電極とキャビティ部材は異なる構成で電気的に結合させることができる。好ましい実施形態では、共通のｎ側電極は、基板の底部側に電気的に結合されている。特定の実施形態では、ｎ接点は基板の頂部にあり、基板を頂部から深くエッチングし、その後金属接点を堆積することによって接点が形成される。例えば、レーザダイオードは、互いに電気的に並列に結合されている。この構成では、電極に電流を流すと、すべてのレーザキャビティを比較的均等にポンピングすることができる。さらに、リッジ幅が１．０～５．０μｍの範囲と比較的狭いため、電流の集中や不均一な通電が緩和されるように、キャビティ部材の中心はリッジ縁部（例えば、ビア）に近接している。レーザバーを含む追加的な実施形態では、レーザバーを構成する個々のレーザダイオードは、直列に電気的に結合される。レーザバーを含むさらに別の実施形態では、レーザバーを構成する個々のレーザダイオードは、個別にアドレス指定可能である。例えば、電極を個別にエミッタに結合し、エミッタを選択的にオン／オフすることが可能である。
本発明のいくつかの実施形態では、マルチチップレーザダイオードモジュールが利用される。例えば、本発明に従って、延長されたデリバリファイバ＋蛍光体変換器を備えた密閉型自由空間ビーム複合マルチチップレーザモジュールを含むことができる。密閉型自由空間のマルチチップレーザモジュールは、紫色または青色光スペクトルのレーザ光ビームを生成し、必要に応じて赤外線発光レーザダイオードが含まれている。パッケージ内の複数のレーザチップは、多くの新しい用途に望まれる光源用に実質的に高い輝度を提供する。さらに、特定の用途において、光ファイバの一端を延長して導光出力に結合して、レーザ光ビームをさらに最大１００ｍ以上の所望の距離まで導く。必要に応じて、光ファイバはまた、平面構造に組み込まれた複数の導波路に置き換えてシリコンフォトニクスデバイスと統合することができる。光ファイバの他端には、蛍光材料ベースの波長変換器が配置されており、レーザ光を受光し、紫色または青色レーザ光を白色光に変換して、開口部またはコリメーションデバイスから出射させることができる。その結果、小型化、遠隔ポンピング、柔軟なセットアップが可能な白色光源を提供することができる。
別の実施形態では、レーザデバイスは、波長変換素子とともに共通基板上にコパッケージ化される。レーザデバイスまたは波長変換素子のいずれかを共通基板から分離する成形部材を設け、ポンプ光が波長被覆部材の表面法線に対して平行とならない角度で波長変換素子に入射するようにしてもよい。パッケージの開口部に面していない波長変換素子の側面にレーザ光を入射させる伝送モードの構成も可能である。また、パッケージには、その他の光学素子、機械素子、電気素子などが含まれていてもよい。
一実施形態では、波長変換素子は、一つ以上のレーザダイオードの各々に整列した幾何学的特徴を含む。一例では、波長変換素子は、共通基板および一つ以上のレーザダイオードに垂直な縁部の主要部分に光学反射材料をさらに含んでおり、各レーザダイオードに整列された幾何学的特徴は光学反射材料を含まない。一例では、共通基板は光学的に透明である。一例では、波長変換素子は透明な共通基板に部分的に取り付けられている。一例では、波長変換光は、共通基板を介して方向付けられる。一例では、波長変換器は少なくとも頂部に光学反射材料を含んでいる。一例では、一つ以上のレーザダイオードと波長変換素子は、周囲環境への露出を減らすために、封止素子内に収容される。一例では、一つ以上のレーザダイオードと波長変換素子は、周囲環境への露出を減らすために、封止素子内に収容される。
図８Ａは、本発明による統合型レーザ蛍光体白色光源の軸外反射モードの実施形態を示す概略図である。また、この例では、レーザビームの速軸に対して蛍光体が角度ω １で傾斜している。
図８Ｂは、本発明による統合型レーザ蛍光体白色光源の二つのレーザダイオードデバイスの実施形態を有する軸外反射モード蛍光体を示す概略図である。レーザベースの白色光源は、転写されたガリウムと窒素とを含有するエピタキシャル層１４０３に形成された二つのレーザダイオード１４０２の支持部材としての支持部材１４０１を含む二つ以上のレーザダイオードからなる。蛍光材料１４０６は、支持部材４０８に取り付けられており、支持部材１４０１および１４０８は、表面実装パッケージなどのパッケージ部材の表面などの共通の支持部材に取り付けられることになる。複数のレーザビーム１４０７は、出力レーザファセットの前に配置された蛍光材料１４０６を励起する。
図８Ｂに示されるように、レーザダイオード励起ビーム１４０７は、第１のビームの速軸が第２のビームの遅軸と整列して、より円形の励起スポットを形成するように互いに対して回転されている。
図９Ａは、本発明の実施形態による、反射モードで動作し、表面実装パッケージに収容されたレーザベースの白色光源の一例を示す概略図である。図９Ａに示されるように、反射モード白色光源は、表面実装デバイス（ＳＭＤ）型のパッケージで構成されている。ＳＭＤ型パッケージは、共通支持ベース部材１６０１を有する。反射モード蛍光部材１６０２は、ベース部材１６０１に取り付けられている。必要に応じて、蛍光部材１６０２とベース部材１６０１との間に、中間サブマウント部材が含まれてもよい。レーザダイオード１６０３は、角度付き支持部材１６０４に取り付けられており、角度付き支持部材１６０４は、ベース部材１６０１に取り付けられている。ベース部材１６０１は、熱を白色光源からヒートシンクに伝導するように構成されている。ベース部材１６０１は、銅、銅タングステン、アルミニウム、ＳｉＣ、鋼、ダイヤモンド、複合ダイヤモンド、ＡｌＮ、サファイアまたは他の金属、セラミックス、半導体などの熱伝導性材料で構成されている。
レーザダイオードの電極は、ワイヤーボンド１６０５を用いて電極部材１６０６に電気的に接続される。ワイヤーボンド１６０７、１６０８は、内部フィードスルー１６０９、１６１０に形成されている。フィードスルーは外部リードと電気的に結合されている。外部リードは、電源に電気的に結合されて、白色光源を帯電させ、白色発光を生じさせることができる。
ベース部材１６０１の頂部表面は、下向きの光または反射光に関する損失を防止または軽減するために、反射層で構成、反射層で被覆、または反射層が充填されてもよい。さらに、レーザダイオードとサブマウント部材を含むパッケージ内の表面はすべて反射率を高めて、有用な白色光の出力を向上させてもよい。
図９Ｂは、本発明による二つのレーザダイオードチップを含むパッケージ型白色光源の代替例である。この例では、反射モード白色光源もＳＭＤ型のパッケージで構成されている。ＳＭＤパッケージは、反射モード蛍光部材１６０２が取り付けられたベース部材１６０１を支持部材またはベース部材に備えている。第１のレーザダイオードデバイス１６１３は、第１の支持部材１６１４またはベース部材１６０１に取り付けられてもよい。第２のレーザダイオードデバイス１６１５は、第２の支持部材１６１６またはベース部材１６０１に取り付けられてもよい。支持部材およびベース部材は、蛍光部材１６０２およびレーザダイオードデバイス１６１３、１６１５から熱を伝導するように構成されている。
外部リードは、第１のレーザダイオードデバイス１６１３から第１のレーザビーム１６１８、および第２のレーザダイオードデバイス１６１５から第２のレーザビーム１６１９を出射するためにレーザダイオードソースを帯電させる電源に電気的に結合させることができる。レーザ光は蛍光部材１６０２に入射して励起スポットを形成し、白色光を発光させる。レーザビームは、最適化された形状および／またはサイズの励起スポットを形成するために、蛍光部材１６０２に重ねることが好ましい。例えば、第１および第２のレーザダイオードからのレーザビームは、第１のレーザビーム１６１８の遅軸が第２のレーザビーム１６１９の速軸と整列するように、互いに対して９０度回転される。
図９Ｃは、本発明によるパッケージ型白色光源の代替例である。この例では、反射モード白色光源もＳＭＤ型のパッケージで構成されている。ＳＭＤパッケージは、サブマウントまたは支持部材１６２３に取り付けられた側面ポンピング蛍光部材１６２２と、サブマウントまたは支持部材１６２５に取り付けられたレーザダイオードデバイス１６２４との共通の支持部材として機能するベース部材１６０１を備えている。いくつかの実施形態において、レーザダイオード１６２４および／または蛍光部材１６２２は、パッケージのベース部材１６０１に直接取り付けられてもよい。支持部材およびベース部材１６０１は、蛍光部材１６２２およびレーザダイオード装置１６２４から熱を伝導するように構成される。ベース部材１６０１は、図９Ａおよび図９ＢのＳＭＤ型パッケージと実質的に同じ型である。
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示した白色光源は、様々な方法で封入して光エンジンを形成することができる。必要に応じて、光エンジンは、成形されたエポキシまたはプラスチックカバー（図示せず）に封止される。成形されたカバーは、平らな頂部を有してもよく、または光抽出を補助するために湾曲した表面または球面を有するように成形されてもよい。カバーはあらかじめ成形して接着剤で固定することも可能であり、液体やゲルの前駆体から成形することも可能である。ポリマカバーや成形された封止材料は、レーザ光や波長変換素子からのダウンコンバート光を吸収することができるため、加熱や光吸収により封止材料が劣化する危険性が大きい。このような材料劣化によって、より光学的に吸収されるようになり、暴走プロセスにつながり、必然的にデバイスの故障につながる。非常に高い輝度と光束で発光するレーザベースのレーザデバイスにおいて、この経年劣化の影響がかなり深刻になると予想される。したがって、ポリマカバーが、レーザの発光面近くの領域、ならびにレーザデバイスと波長変換素子との間のレーザビームの経路に存在しないことが好ましい。必要に応じて、成形されたカバーは、レーザデバイスまたは波長変換素子に接触せず、レーザ光ビームが波長変換素子と交差する前にレーザ光ビームと交差することもない。必要に応じて、成形されたカバーは、レーザデバイスおよび波長変換素子の一部又は大部分に重なり接触しているが、レーザの発光面や波長変換素子の表面を覆うことはなく、レーザデバイスと波長変換素子との間のレーザ光のビーム経路を交差することもない。必要に応じて、封止材料は、レーザデバイスのワイヤ接合後にデバイスに対して成形され、エアギャップまたはボイドを含まない。
別の実施形態では、光エンジンは、セラミックまたは金属ハウジングなどの剛性の高い、部材を使用して封止されている。例えば、プレスされた金属壁には、共通基板の外縁部に近い寸法にすることができる。共通基板に壁を取り付け、エポキシなどの接着剤、金属はんだ、封着用ガラスフリット、摩擦圧接などの接合技術を使って、気密シールを形成することができる。壁の上端は、例えば、透明カバーを付けて密閉してもよい。透明カバーは、シリカ含有ガラス、サファイア、スピネル、プラスチック、ダイヤモンド、その他各種鉱物など、任意の透明材料で構成することができる。カバーは、エポキシ、接着剤、金属はんだ、封着用ガラスフリット、摩擦圧接など、カバーの素材に適した接合方法で壁に取り付けることができる。
いくつかの実施形態では、筐体は、ＭＥＭＳデバイスの処理で使用されるものと同様の標準リソグラフィ技法を使用して、共通基板上に直接作成されてもよい。レーザダイオードのような光エミッタの多くは、共通基板上に作成した後、ソーイングやレーザスクライビングなどの工程を経て、別々のデバイスに分割することが可能である。
図１０Ａは、密閉型表面実装パッケージにおいて反射モードで動作する赤外線照明能力を有する、本発明の一実施形態によるレーザベースの白色光源の概略側面図である。一つ以上のレーザダイオード部材は、蛍光体プレートが取り付けられる取付表面とは平行でない高さのある取付表面に構成される。その結果、レーザ励起ビームの蛍光体プレートへの入射角が変化する。
図１０Ｂは、密閉型パッケージにおいて反射モードで動作する赤外線照明能力を有する、本発明の一実施形態によるファイバ結合レーザベースの白色光源の概略側面図である。蛍光体プレートは、支持部材に重なり、一つ以上のレーザダイオードからの励起発光をパッケージ内に伝達する１つ以上の光ファイバ部材からの発光光路に構成される。ファイバは、ファイバを励起する励起ビームが蛍光体の頂部表面に入射するように、蛍光体プレートに対してオフノーマル角度で配置される。
図８Ａ、８Ｂ、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、１０Ａ、および１０ Ｂに示されるように、ＳＭＤ型のパッケージ内の赤外線照明光源で構成されたレーザベースの白色光源のいくつかの実施形態を示す。必要に応じて、ＳＭＤパッケージ内の楔形部材１４０１、１６０４、１６１４、および１６１６は、複数のレーザデバイスのそれぞれからのレーザ光が波長変換素子の上部の平面から波長変換素子１４０６または１６０２に、１０°～４５°の角度で入射するように構成される。必要に応じて、ＳＭＤパッケージ化された白色光源内の複数のレーザデバイスのうちの１つのみが、４０５～４７０ｎｍの中心波長を有する青色ポンプ光源である。必要に応じて、第１の波長変換素子は、ＹＡＧベースの蛍光体プレートである。ＹＡＧベースの蛍光体プレートは、ポンプ光を吸収し、黄緑色光のより広いスペクトルを発光することにより、ポンプ光スペクトルと蛍光体光スペクトルの組み合わせが白色光スペクトルを生じさせる。
いくつかの実施形態では、赤外線照明光源で構成されたレーザベースの白色光源は、赤外線センサまたは赤外線撮像システムで構成されている。本発明の赤外線照明光源は、ターゲットエリアまたは対象に向けて赤外線電磁放射を誘導するために使用され、赤外線センサまたは撮像システムは、照明エリア内の目標物または物体の存在、移動、または他の特性を検出するために展開される。特定の特性が赤外線センサによって検出されると、応答がトリガされ得る。一例では、可視レーザベースの白色光がトリガされて作動し、ターゲットを可視白色光で照明する。本発明によるいくつかの実施形態では、赤外線追尾としても知られる赤外線トラッキングが含まれ、ターゲットから放射される赤外線電磁放射は、物体の動きを追跡するために使用される。赤外線は、人、車両及び航空機のような熱い物体から強く放射される。
赤外線は一般的に０．７５～１０００μｍの波長を有する。赤外線スペクトルは近赤外線、中赤外線、遠赤外線に分けることができる。０．７５～３μｍの波長領域は近赤外領域と呼ばれている。３～６μｍの領域を中赤外線、６μｍ以上の波長を有する赤外線放射は遠赤外線と呼ばれている。
熱画像化システムは、中波長または長波長の赤外線エネルギを使用し、熱の差のみを感知する受動型と考えられている。この熱信号は、スクリーンやモニタなどの読み取りデバイスに表示される。熱画像装置は反射光を見ないため、近づいてくるヘッドライトなどの周囲の光源による影響を受けない。
暗視などの低照度カメラは、月明かりや星明りなど環境光の反射に依存している。暗視は、光が強すぎる場合は効果がないが、薄明かりの時間帯など肉眼で確認できるほどの光量がない場合には効果的である。おそらく、反射光に依存するあらゆる物の結像性能は、反射される光の量および強度によって制限されるので、利用可能な周囲可視光が十分でない場合、暗視結像技術の感度は制限される。洞窟、トンネル、地下室などでは、自然光による照明が得られない場合が多い。このような状況では、人間の目では検出不能の赤外線源によるアクティブ照明、暗視ゴーグル、またはシリコンカメラを使用して、エリアまたはターゲットを照明することができる。これらのアクティブ撮像システムは、近赤外エネルギビームを投射し、物体から反射された光を装置で検出することで、自ら反射光を生じさせる赤外線照明光源を備えている。このようなアクティブ赤外線システムは、短波長の赤外光を使用して関心領域を照明し、赤外線エネルギの一部がカメラに反射して解釈され、画像が生成される。可視光撮像技術を含む一般的な撮像技術から検出されない、このような「秘密の」照明が有利になることがある。いくつかの実施形態では、アクティブ赤外線システムは、中赤外線または深赤外線照明光源を使用することができる。
この技術は、ＬＥＤ照明光源などの従来の赤外線照明光源で反射した赤外光を利用して画像を作るため、撮像システムの撮像範囲やコントラストが制限されている。本発明による赤外線照明光源で構成されたレーザベースの白色光システムは、これらの課題である範囲とコントラストを克服できる優れた照明光源を提供するものである。赤外線照明は、指向性の高い赤外線発光レーザダイオードから直接、またはレーザダイオードで励起した赤外線発光波長変換器部材から発せられるため、従来のＬＥＤ赤外線発光に比べて桁違いに明るい赤外線発光を実現することができる。レーザベースの赤外線照明光源を使用して、輝度を１０～１０，０００倍上させることにより、ＬＥＤ源よりも１０～１０００倍の範囲を増大させ、優れたコントラストを提供することができる。
赤外線検出器は、収集された放射線を検出するために使用される。いくつかの実施形態では、検出器からの電流または電圧出力が非常に小さいため、受信した信号をさらに処理する回路と結合したプリアンプが必要となる。赤外線検出器には、大きく分けて「熱検出器」と「受光器」がある。フォトニック検出器は、応答速度や感度を大幅に向上させることができるが、熱雑音を低減させるために冷却する必要がある場合が多い。これらの材料は、狭いバンドギャップを有する半導体である。入射した赤外線光子は、電子励起を引き起こす。光導電検出器では、検出素子の抵抗値をモニタする。光電検出器にはｐ－ｎ接合やｐ－ｉ－ｎ接合があり、光を当てると光電変換が引き起こされる。
一実施の形態では、得られた画像を生成するために使用される検出器技術は、赤外線照明光源によって発せられるのと同じ波長の赤外光に高い感度を有する赤外線フォトダイオードであってもよい。反射した赤外光がフォトダイオードに入射すると、光電流が発生し、受光した赤外光の大きさに比例した電圧が出力される。これらの赤外線カメラは、高い感度または応答性を備えた高い信号対雑音比を持つ必要がある。一例では、ＩｎＧａＡｓ系フォトダイオードを赤外線検出器として使用する。他の例では、ＩｎＡｓ系フォトダイオード、ＩｎＳｂ系フォトダイオード、ＩｎＡｓＳｂ系フォトダイオード、ＰｂＳｅ系フォトダイオード、またはＰｂＳ系フォトダイオードが含まれてもよい。本発明によるいくつかの構成では、赤外線検出のためにフォトダイオードアレイが含まれる。さらに、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）も本発明に含まれる。検出器は、光電変換導体または光導電導体として動作するように構成することができる。本発明によるいくつかの例では、前述した検出器技術の一部の組み合わせが二つのカラー検出器を含んでいる。一部の例では、アンプや光電子増倍管が含まれている。
入射した赤外放射線の熱影響は、多くの温度依存性現象を介して追跡することができる。ボロメーターとマイクロボロメーターは、抵抗値の変化を利用したものである。熱電対やサーモパイルは、熱電効果を利用している。ゴレイセルは熱膨張を追跡する。赤外分光器では焦電式検出器が最も普及している。
赤外線照明光源を含むレーザベースの白色光源のいくつかの好ましい実施形態では、通信用に構成されている。通信は、歩行者、消費者、スポーツ選手、警察官などの公務員、軍人、旅行者、運転者、通勤者、レクリエーション活動などの人間、または動物、植物、その他の生物などの生体メディアを対象とすることができる。通信はまた、自動車または自動運転型のものを含むあらゆるタイプの自動車、飛行機、ドローンまたは他の自律可能航空機、道路標識、道路、トンネル、橋、建物などの幅広いオブジェクト、オフィスや住宅の内部空間およびこれに含まれるオブジェクト、作業エリア、アリーナやフィールド、スタジアム、娯楽領域を含むスポーツエリア、および他の任意のオブジェクトまたはエリアを対象とし得る。いくつかの好ましい実施形態では、スマートライト光源は、モノのインターネット（ＩｏＴ）で使用され、レーザベースのスマート光は、家電製品（すなわち、冷蔵庫、オーブン、ストーブなど）、照明、冷暖房システム、電子機器、カウチ、椅子、テーブル、ベッド、ドレッサーなどの家具、灌漑システム、セキュリティシステム、オーディオシステム、ビデオシステムなどの物体との通信に使用されている。レーザベースのスマートライトは、コンピュータ、スマートフォン、タブレット、スマートウォッチ、拡張現実（ＡＲ）コンポーネント、仮想現実（ＶＲ）コンポーネント、ゲーム機を含むゲーム、テレビ、および他の任意の電子デバイスと通信可能に構成することができることは明らかである。
本発明のいくつかの実施形態によれば、レーザ光源は、様々な方法で通信することができる。好ましい一方法では、スマートライトは、ＬｉＦｉシステムなどの可視光通信（ＶＬＣ）システムとして構成されており、光によるデータ伝送を行うために、光源内の電磁放射の少なくとも一つのスペクトル成分を、変調してデータを符号化する。いくつかの例では、可視スペクトルの一部が変調され、他の例では、通信用の赤外線または紫外線源などの非可視光源が含まれる。変調パターンまたはフォーマットは、デジタルフォーマットまたはアナログフォーマットであってもよく、物体またはデバイスによって受信されるように構成される。いくつかの実施形態では、通信は、レーザベースのスマートライトシステムからの発光の空間的パターニングを使用して実行され得る。一実施形態では、マイクロディスプレイを使用して光を画素化化またはパターン化し、これを迅速かつ動的に行い、連続的に流れる情報を伝達するか、またはパターンを定期的に静的パターンに変更し、更新され得る静的メッ一つ以上ージを伝達する。通信の例としては、今後のイベント、店内の様子、特別なプロモーション、指示、教育、販売、および安全性を個人または群衆に知らせることが挙げられる。他の実施形態では、発光ビームの形状または発散角度は、マイクロディスプレイまたは液晶レンズなどの調整可能なレンズを使用して、拡散光からスポットライトに変更されるか、またはその逆に変更される。通信の例としては、個人や群衆に指示を与えること、危険を警告すること、教育すること、宣伝することなどが挙げられる。レーザ光ベースの通信のさらに別の実施形態では、スマート照明システムの色をクールホワイトからウォームホワイトに、あるいは赤、緑、青、黄色などの単一色に変更することも可能である。
実施形態において、ＶＬＣ光エンジンは、特定の数のレーザデバイスに限定されないことが理解される。具体的な実施形態では、光エンジンは、「ポンプ」光源として機能する単一のレーザデバイスを含み、当該レーザデバイスは、３９０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲の中心波長で発光するレーザダイオードまたはＳＬＥＤデバイスのいずれかである。ここで、「ポンプ」光源とは、波長変換素子として照明を行うレーザダイオードまたはＳＬＥＤデバイスのことであり、これによりレーザダイオードやＳＬＥＤデバイスからのレーザ光の一部または全部を当該波長変換素子でより長い波長の光に変換する。ポンプ光源のスペクトル幅は２ｎｍ以下が好ましいが、２０ｎｍ程度までなら許容される。別の実施形態では、ＶＬＣ光エンジンは、３８０ｎｍ～４８０ｎｍの中心波長で発光する二つ以上のレーザまたはＳＬＥＤ「ポンプ」光源からなり、個々のポンプ光源の中心波長は少なくとも５ｎｍ離れている。レーザ光源のスペクトル幅は、２ｎｍ以下が好ましいが、中心波長分離の７５％までの幅が許容される。ポンプ光源は蛍光体を照射し、蛍光体はポンプ光を吸収してより広いスペクトルの長波長光を再出射する。各ポンプ光源は個別に指定可能であり、互いに独立して動作し、独立した通信チャンネルとして機能する。
レーザやＳＬＥＤによる通信のための情報のエンコーディングは、さまざまな方法で実現することができる。最も基本的なことは、ＬＤやＳＬＥＤの強度を変化させて、音声信号、動画や写真など、任意の種類の情報をアナログまたはデジタルで表現することである。アナログ表現としては、ＬＤやＳＬＥＤの強度の振幅や変動周波数が、元のアナログ信号の値に比例するものであってもよい。
ＬｉＦｉまたはＶＬＣ用途に適用する場合、レーザダイオードベースまたはＳＬＥＤベースの照明システムを含む本発明の主な利点は、レーザダイオードおよびＳＬＥＤの両方が誘導放出光により動作し、直接変調率は、自発発光で動作するＬＥＤなどのキャリア寿命によって左右されないことである。具体的には、ＬＥＤの変調率や周波数応答は、キャリア寿命に反比例し、ダイオードやデバイス構造の電気寄生（例えば、ＲＣ時定数）に比例する。ＬＥＤはキャリア寿命がナノ秒オーダであるため、周波数応答はＭＨｚ範囲に限定され、通常１００ＭＨｚ台（すなわち、３００～５００ＭＨｚ）である。キャパシタンスまた、一般的に照明に使用される高出力や中出力のＬＥＤは、０．２５～２ｍｍ２程度の大きなダイオード面積を必要とするため、ダイオードの固有容量が過大となり、変調率がさらに制限される可能性がある。一方、レーザダイオードは、変調率がピコ秒オーダの光子寿命に支配される誘導放出光で動作し、レーザ構造の種類、差動利得、作動領域の体積、光の閉じ込め係数、電気寄生に依存して、約１～３０ＧＨｚのＧＨｚ範囲で変調率を実現することが可能である。結果として、レーザダイオードベースのＶＬＣシステムは、ＬＥＤベースのＶＬＣシステムと比較して、１０倍、１００倍、および潜在的に１０００倍高い変調率、ひいてはデータレートを提供することができる。ＶＬＣ（例えば、ＬｉＦｉ）システムは一般的にＷｉＦｉシステムよりも高いデータレートを提供することができるため、レーザベースのＬｉＦｉシステムは従来のＷｉＦｉシステムと比べて１００倍から１０，０００倍のデータレートを可能にし、多数のユーザがいる場合（例えば、スタジアム）、および／または転送するデータの性質が大量のビットを必要とする場合（例えば、ゲーム）など大量のデータ量が求められる用途でのデータ配信に大きな利点を提供する。
デジタル符号化は、送信されるデータを数値情報で表現し、その情報の様々な値に対応するようにＬＤやＳＬＥＤの強度を変化させる一般的な符号化方式である。例えば、ＬＤやＳＬＥＤは、２進数値に相関するオン・オフ状態に応じて完全にオン・オフされたり、２進数値を表す高強度状態および低強度状態となったりする可能性がある。後者では、レーザダイオードのオン遅延が回避されるため、より高い変調率が可能になる。ＬＤまたはＳＬＥＤは、ある基本レベルの出力で動作することができ、送信されたデータを表す出力の小さな変動は、基本レベルの出力に重畳される。これは、無線周波数またはオーディオ信号にＤＣオフセットまたはバイアスを有することに類似している。小さな変動は、１ビット以上のデータを表す出力の離散的な変化の形であってもよいが、この符号化方式では、ビットをより効率的に符号化するために多くのレベルの出力を使用するとエラーが発生しやすい。例えば、一つの２進数字またはビットを表す２つのレベルを使用することができる。これらのレベルは、光出力の何らかの差によって区別される。より効率的な符号化は、ベースレベルと比較して４つの別個の光出力レベルを使用し、光出力の１つの値が、２進数字またはビットの任意の組み合わせを表すことを可能にする。光出力レベル間の区別は、光出力レベルの数をｎとすると、ｎ－１に比例する。このようにして符号化の効率を高めると、符号化された値を区別する信号の差が小さくなり、符号化された値を測定する際の誤差率が高くなる。
ある実施形態では、レーザダイオード部材と波長変換素子の間にビーム整形器を追加して、ポンプ光ビームを蛍光体に入射させる前に前処理をする。例えば、好ましい実施形態では、レーザまたはＳＬＥＤの発光は、波長変換器への入射前にコリメートされ、レーザ光の励起スポットが特定の制御されたサイズと位置を有するようになる。その後、光信号は光エンジンを離れ、自由空間を通って、または光ファイバなどの導波路を介して伝播される。実施形態では、非変換レーザ光は波長変換素子１５２７に入射するが、非変換レーザ光は、波長変換素子１５２７によって効率的に散乱又は反射されるので、波長変換素子１５２７による吸収で失われる入射光は１０％未満になる。
同じ波長のレーザを複数台使用することで、一台のポンプレーザで白色光スペクトルの射出を一定の出力で行う場合よりも低い出力で各レーザを動作させることができる。変換されていない赤色と緑色のレーザを追加することで、発光スペクトルの色点を調整することができる。単一の青色エミッタが与えられると、波長変換素子の変換効率がポンプレーザ強度で飽和しない限り、白色光スペクトルの色点は、青色レーザの色、波長変換素子によって放出されるダウンコンバートされたスペクトル、ならびにダウンコンバート効率および波長変換素子によって散乱されるポンプレーザ光の量によって決定される２つのスペクトルのパワーの比によって決定される色空間内の単一の点に固定される。独立して制御される緑色レーザを加えることで、スペクトルの最終的な色点を、点のプランキアン黒体軌跡より上に引き寄せることができる。独立制御の赤色レーザを加えることで、スペクトルの最終的な色点を、点のプランキアン黒体軌跡より下に引き寄せることができる。波長変換素子によって効率的に吸収されない波長を有する独立制御された紫色またはシアン色レーザを加えることで、色域の青色側に向かって色点を調整することができる。各レーザは独立して駆動するため、各レーザの時間平均送信電力を調整することで、最終的な白色光スペクトルの色点やＣＲＩを細かく調整することが可能である。
必要に応じて、４２０、４３０、および４４０ｎｍのそれぞれの中心波長を有する複数の青色ポンプレーザを使用することができ、非変換緑色および赤色レーザデバイスを使用して、デバイススペクトルの色点を調整する。場合によっては、非変換レーザデバイスは、赤色光および緑色光に対応する中心波長を有する必要はない。例えば、非変換レーザデバイスは、８００ｎｍから２ミクロンの波長の赤外線領域で発光することができる。このような光エンジンは、白色光源の発光効率を上げることはないものの、赤外線デバイスとして、通信用の非可視光チャンネルを有する可視光源として通信を行う場合に有利である。これにより、より広い範囲の条件下での継続的なデータ転送を可能にし、データ送信のために構成された不可視レーザが、電気通信レーザまたは垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの高速変調により最適化されている場合、より高いデータレートを可能にする。通信のために不可視レーザダイオードを使用する別の利点は、何らかの理由で可視光源が使用中にオフにされた場合でも、ＶＬＣ対応の白色光源が、データを効果的に送信可能な不可視エミッタの使用を可能にすることである。
いくつかの実施形態では、白色光源は、ビーム整形光学素子を有するスマートライト光源として構成される。必要に応じて、ビーム整形光学素子は、発光の８０％超が３０度の発光角度内に含まれる光学ビームを提供する。必要に応じて、ビーム整形素子は、発光の８０％超が１０度の発光角度内に含まれる光学ビームを提供する。必要に応じて、白色光源は、既存のＭＲ、ＰＡＲ、およびＡＲ１１１ランプの一般に許容される標準形状およびサイズ内に形成されてもよい。必要に応じて、白色光源は、レーザベースの光モジュールに電気的に通電するための統合された電子電源をさらに含む。必要に応じて、白色光源は、一般に許容される規格内の入力電力を有する統合された電子電源をさらに含む。もちろん、これ以外の変形、修正、代替案も可能である。
いくつかの実施形態では、少なくともレーザベースの光モジュールを含むスマートライト光源は、通信を可能にするために、一つ以上のビーム操縦素子を有する。必要に応じて、ビーム操縦素子は、発光されたレーザ光の伝播方向を動的に制御することができる反射素子を提供する。必要に応じて、ビーム操縦素子は、発光されたレーザ光および波長変換素子から放出された光の伝播の方向を動的に制御することができる反射素子を提供する。必要に応じて、スマートライト白色光源は、ビーム操縦素子に電気的に通電するための統合された電子電源をさらに含む。必要に応じて、スマートライト白色光源は、ビーム操縦素子の機能を動的に制御するための統合された電子コントローラをさらに含む。
一実施形態によれば、本発明は、動的ビーム操縦、ビームパターン化、またはビーム画素化効果を可能にするマイクロディスプレイ素子を含む動的レーザベースの光源または光投影装置を提供する。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）走査ミラー、またはフライングミラー、デジタル光処理（ＤＬＰ）チップ、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）などのマイクロディスプレイを含むことで、発光する光の空間パターンおよび／または色を動的に変化させることができる。一実施形態では、光は特定の画素を作動させ、他の画素が作動しないように画素化され、白色光の空間パターンまたは画像を形成する。別の例では、動的光源は、光ビームの操縦またはポインティングを行うように構成されている。操縦やポインティングは、ダイヤル、スイッチ、ジョイスティック機構から構成されるユーザ入力によって達成することができ、センサを含むフィードバックループによって指示することができる。
一実施形態では、レーザドライバモジュールが提供される。特に、レーザドライバモジュールは、レーザダイオードに供給される電力の量を調整するように適合されている。例えば、レーザドライバモジュールは、画像のフレームなどのデジタル信号から画素に基づいて駆動電流を生成し、駆動電流は、レーザダイオードを駆動するために適合されている。具体的な実施形態では、レーザドライバモジュールは、約５０～１００ＧＨｚの周波数範囲でパルス変調された光信号を生成するように構成されている。
代替的な実施形態では、ＤＬＰまたはＤＭＤマイクロディスプレイチップがデバイスに含まれ、画素に対応するマイクロミラーの２次元アレイからの光を所定の角度で反射させて各画素をオンまたはオフにすることにより、光線を操縦、パターン化、および／または画素化するように構成されている。一例では、ＤＬＰまたはＤＭＤチップは、一つ以上のレーザダイオードからのレーザ励起光のコリメートビームを操縦して、波長変換部材または蛍光部材に励起光の所定の空間および／または時間パターンを生成するように構成されている。次いで、蛍光部材からの波長変換光の少なくとも一部を、光学系のようなビーム整形素子を用いて再コリメートまたは整形することができる。この例では、マイクロディスプレイは、光路内の波長変換器部材の上流にある。第２の例では、ＤＬＰまたはＤＭＤマイクロディスプレイチップは、少なくとも部分的に波長変換光のコリメートビームを操縦して、変換された光の所定の空間および／または時間パターンをターゲット表面上またはターゲット空間内に生成するように構成される。この例では、マイクロディスプレイは、光経路内の波長変換器部材の下流にある。ＤＬＰまたはＤＭＤマイクロディスプレイチップは、動的空間変調のために構成され、画像は、シリコンチップなどの半導体チップ上のアレイに配置された小型ミラーによって作成される。ミラーは、レンズなどの光学ビーム整形素子を介して、またはビームダンプに光を反射させるために、急速な速度で位置的に変調することができる。各小型ミラーは一つ以上の画素を表し、ピッチは５．４μｍ以下としてもよい。ミラーの数は、投影画像の解像度に対応または相関している。このようなＤＬＰマイクロディスプレイチップの一般的な解像度は、８００×６００、１０２４×７６８、１２８０×７２０、１９２０×１０８０（ＨＤＴＶ）、さらにそれ以上である。
一実施形態によれば、本発明は、開口部を有するハウジングを含む動的レーザベースの光源または光投射装置を提供する。本装置は、光源の動的機能を起動するための信号を受信するための入力インターフェースを含むことができる。本装置は、映像または信号処理モジュールを含むことができる。さらに、本装置は、レーザ光源に基づく光源を含む。レーザ光源は、紫色レーザダイオードや青色レーザダイオードを含む。動的光機能の出力は、レーザダイオードの出力ビーム、またはレーザダイオードと蛍光部材の組み合わせによって励起される蛍光体発光からなる。紫色または青色レーザダイオードは、極性、非極性または半極性に配向されたＧａ含有基板上に作成される。本装置は、レーザ光源に結合されたレーザドライバモジュールを含むことができる。本装置は、デジタルミラーデバイスを構成するデジタル光処理（ＤＬＰ）チップを含むことができる。デジタルミラーデバイスは、複数のミラーを含み、ミラーの各々は、画像フレームの画素に対応する。本装置は、レーザ光源およびデジタル光処理チップに電気的に結合された電源を含む。
本装置は、レーザ光源に結合されたレーザドライバモジュールを含むことができる。本装置は、レーザ光源の近傍に設けられた光学部材を含み、光学部材は、レーザビームをデジタル光処理チップに導くように適合されている。本装置は、レーザ光源およびデジタル光処理チップに電気的に結合された電源を含む。一実施形態では、光源の動的特性は、装置のユーザによって開始されてもよい。例えば、ユーザは、スイッチ、ダイヤル、ジョイスティック、またはトリガを作動させて、光出力を静的モードから動的モードへ、ある動的モードから別の動的モードへ、またはある静的モードから別の静的モードへ変更することができる。
代替的な実施形態では、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）マイクロディスプレイチップがデバイスに含まれ、画素に対応する液晶ミラーの２次元アレイからの光を所定の角度で反射または吸収することによって、光束を操縦、パターン化、および／または画素化するように構成され、各画素をオンまたはオフにする。一例では、ＬＣＯＳチップは、一つ以上のレーザダイオードからのレーザ励起光のコリメートビームを操縦して、波長変換部材または蛍光部材に励起光の所定の空間および／または時間パターンを生成するように構成されている。次いで、蛍光部材からの波長変換光の少なくとも一部を、光学系のようなビーム整形素子を用いて再コリメートまたは整形することができる。この例では、マイクロディスプレイは、光路内の波長変換器部材の上流にある。第２の例では、ＬＣＯＳマイクロディスプレイチップは、少なくとも部分的に波長変換光のコリメートビームを操縦して、変換された光の所定の空間および／または時間パターンをターゲット表面上またはターゲット空間内に生成するように構成される。この例では、マイクロディスプレイは、光経路内の波長変換器部材の下流にある。ＬＣＯＳチップは偏光に影響されやすく、レーザダイオードの出力の偏光は、例えば７０％、８０％、９０％、または９５％以上と高いため、前者の例が好ましい例である。このようにレーザ光源からの直接発光の偏光比が高いため、偏光のないＬＥＤや従来の光源のように、光の約半分が無駄となる光源と比較して、レーザ励起光の高い光スループット効率を実現できる。
ＬＣＯＳマイクロディスプレイチップは、シリコンチップ上に配列された微小な能動素子によって画像を形成する空間光変調方式を採用している。素子の反射率を高速で変調させ、レンズなどの光学ビーム整形素子を介して選択的に光を反射させる。素子の数は、投影画像の解像度に対応または相関している。このようなＬＣＯＳマイクロディスプレイチップの一般的な解像度は、８００×６００、１０２４×７６８、１２８０×７２０、１９２０×１０８０（ＨＤＴＶ）、さらにそれ以上である。
必要に応じて、波長変換素子から発光される部分的に変換された光は、外観が白色である色点となる。必要に応じて、白色光の色点は、点のプランキアン黒体軌跡に位置する。必要に応じて、白色光の色点は、点のプランキアン黒体軌跡の０．０１０未満のｄｕ’ｖ’内に位置する。必要に応じて、白色光の色点は、好ましくは、点のプランキアン黒体軌跡の０．０３未満のｄｕ’ｖ’内に位置する。必要に応じて、ポンプ光源は、白色光の色点および演色評価数（ＣＲＩ）を動的に変更し、それらの相対強度が変化するように、独立して動作する。
いくつかの好ましい実施形態では、一つ以上のビーム整形素子が本発明に含まれる。このようなビーム整形素子を含み、蛍光体または波長変換部材に入射する前に、光路における一つ以上のレーザダイオード励起ビームを構成してもよい。いくつかの実施形態では、ビーム整形素子は、光路内のレーザダイオードの励起光の少なくとも一部が蛍光体または波長変換部材によって変換される後に含まれる。追加的な実施形態では、ビーム整形素子は、非変換レーザダイオード光の光路に含まれる。もちろん、多くの好ましい実施形態において、各ビーム整形素子の一つ以上の組み合わせが本発明に含まれる。
いくつかの実施形態では、レーザダイオード出力ビームは、蛍光体を励起するために蛍光材料に入射するように構成されている必要がある。ある実施形態では、レーザビームは蛍光体に直接入射してもよく、他の実施形態では、レーザビームは、蛍光体に入射する前に、光学系、反射物、または他の物体と相互作用してビームを操作または成形してもよい。このような光学系部材の例としては、ボールレンズ、非球面コリメータ、非球面レンズ、速軸または遅軸コリメータ、ダイクロイックミラー、回転ミラー、光アイソレータなどがあるが、これらに限定されるものではなく、他のものであってもよい。いくつかの実施形態では、光学ビームの整形、コリメート、方向付け、フィルタリング、または操作のために、他の光学系を様々な組み合わせで含めることができる。そのような光学系部材の例としては、再撮像反射物、ボールレンズ、非球面コリメータ、ダイクロイックミラー、回転ミラー、光アイソレータが挙げられるが、これらに限定されない。
いくつかの実施形態では、白色光源などの変換された光は、生成された白色光を操作するために、一つ以上の光学系部材と組み合わされる。例えば、白色光源などの変換された光源は、懐中電灯、スポットライト、自動車のヘッドランプなどのスポットライトシステムや、特定の場所やエリアに光を向ける必要がある方向指示灯の用途に使用することができる。一実施形態では、反射物が白色光源に結合される。具体的には、放物線型（またはパラボロイド、パラボロイダル）反射物を配備して白色光を投射する。白色光源を放物線型反射物の焦点に配置すると、平面波は反射され、放物線型反射物の軸に沿ってコリメートビームとして伝播することになる。別の例では、レンズを使用して、白色光を投影ビームにコリメートする。一例では、単純な非球面レンズを蛍光体の前に配置して、白色光をコリメートする。別の例では、コリメートするために全内部反射器光学系が使用される。他の実施形態では、球面レンズや非球面レンズなど、他のタイプのコリメート光学系を使用することができる。いくつかの実施形態では、光学系の組み合わせが使用される。
ある実施形態では、装置は、投影光の特定の品質を動的に調整する手段を介して、ユーザまたは他の観察者に情報を伝えることが可能である。このような品質には、スポットのサイズ、形状、色相、色点、およびスポットの独立した動きによるものが含まれる。例えば、装置は、スポットの形状を動的に変化させることで情報を伝達することができる。例えば、装置は、フラッシュライトや自転車用ライトとして使用し、ユーザの前を照らしながら、ペアリングしたスマートフォンのアプリから受信した道順や情報を伝えることもできる。情報を伝えることができるスポットの形状の変化には、特に、スポットを、ユーザが所定の経路に沿って進むべき方向を示す矢印の形状に形成すること、およびスポットを、電子メール、テキストメッ一つ以上ージ、電話、または他のプッシュ通知の受信を示すアイコンに形成することが含まれる。また、白色光スポットに文字を描画して情報伝達することもできる。例えば、ユーザが受信したテキストメッ一つ以上ージは、スポットで表示することができる。別の例として、発光された光スペクトルの色相または色点を変化させる機構を含む装置の実施形態は、これらの品質の変化を介してユーザに情報を伝達することができる。例えば、ユーザに指示を与える前述の自転車用ライトは、発光スペクトルの色相を白色から赤色に急速に変化させ、ユーザがランプの範囲を超える交差点または停止標識に近づいていることを知らせることができる。
可視波長帯域と赤外線波長帯域の発光が可能なデュアルバンド光源を含む本発明の具体的な実施形態では、光源からの一つ以上の発光帯が、センサを含むフィードバックループによって活性化され、照明帯の活性化を交互に行うことができる動的照明光源が作成される。このようなセンサは、赤外線カメラまたはフォーカルプレーンアレイを含む赤外線イメージングユニット、マイクロフォン、ジオフォン、ハイドロフォン、水素センサ、ＣＯ２センサ、または電子鼻センサなどの化学センサ、流量センサ、水計、ガス計、ガイガーカウンタ、高度計、対気速度センサ、速度センサ、測距装置、圧電センサ、ジャイロスコープ、慣性センサ、加速度計、ＭＥＭＳセンサ、ホール効果センサ、金属検出器、電圧検出器、光電センサ、光検出器、フォトレジスタ、圧力センサ、歪みゲージ、サーミスタ、熱電対、パイロメータ、温度計、動き検出器、受動型赤外線センサ、ドップラーセンサ、バイオセンサ、容量センサ、映像センサ、トランスデューサ、画像センサ、赤外線センサ、レーダ、ソナー、ライダ、その他、などから選択できるがそれだけに限定されない。
一例では、動的な照明機能は、赤外線センサを備えたフィードバックループを含み動きまたは物体を検出する。動的光源は、動きの空間位置を感知し、出力ビームをその位置に操縦することにより、動きが検出された物体または場所に可視照明を生成する。別の例では、加速度計などのセンサとのフィードバックループを含む動的光機能が含まれる。加速度計は、レーザ光源装置がどこに移動しているかを予測し、装置のユーザが所望の位置に光源を移動する前に出力ビームをその位置に操縦する。もちろん、これらは動的光源とセンサを含むフィードバックループの実装例に過ぎない。動的光源とセンサの組み合わせを含む本発明の概念において、他にも多くの実装が可能である。
図１１は、本発明の実施形態による、ＧａＮ含有紫色／青色ポンプレーザと、白色発光を生じさせる波長変換素子と、赤外線発光レーザダイオードを含むレーザベースの白色光源の機能ブロック図であり、フィードバックループを形成するセンサで構成される。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。図１１に示されるように、中心点波長が３９０～４８０ｎｍのスペクトルを放射する青色または紫色のレーザデバイスが提供されている。青色レーザデバイスからの光は、波長変換素子に入射し、波長変換素子は、青色光を部分的または完全により広い波長の光のスペクトルに変換し、白色光スペクトルを生成する。可視発光波長部材を励起するようにＧａＮ含有レーザデバイスに電力を供給する第１のレーザドライバが提供される。さらに、赤外線照明を生成するための赤外線発光レーザデバイスが含まれる。レーザダイオードからの指向性赤外線電磁放射は、波長変換素子に入射し、白色発光と同じ光路をたどるように、波長変換素子から反射されるかまたは波長変換素子を透過する。赤外線発光レーザダイオードに電力を供給し、赤外線レーザダイオードを動作させるのに十分な高電圧で制御された量の電流を供給するための第２のレーザドライバが含まれている。
本発明による、図１１に示す可視光および赤外線発光照明光源は、第１および／または第２のレーザドライバに入力を提供するセンサを備える。一例では、第１のレーザドライバは、赤外線センサで構成されており、赤外線照明光源を使用して動きや物体を検出する。赤外線照明光源を使用して検出がトリガされると、第１のレーザドライバは、第１のレーザダイオードを作動させて、白色光を生成して、物体またはターゲットに可視光を照射する。動物や人間に気づかれないように、赤外線照明で密かに物体を検出することができれば、さまざまな場面で役に立つ。
図１１に示すこの実施形態によれば、赤外線発光は、近赤外線照明のためのガリウムとヒ素材料系（例えばＧａＡｓ）に基づく７００ｎｍ～１１００ｎｍ範囲のピーク波長、または目に安全な波長の赤外線照明のためのインジウムとリン含有材料系（例えばＩｎＰ）に基づく１１００ｎｍ～２５００ｎｍ範囲のピーク波長、または中間赤外線熱画像のための量子カスケードレーザ技術に基づく２５００ｎｍ～１５０００ｎｍ波長範囲のピーク波長を含む。
もちろん、どのような種類のセンサでも、本発明を構成することができ、センサがトリガまたはトリップされたときに可視光または赤外線の照明反応を誘発する。本発明には、センサを含み、さらなる要素を組み込むことが可能である。一実施形態では、ＭＥＭＳミラーやＤＬＰなどのビーム操縦素子を使用して、光をパターン化したり、特定のエリアや、移動する特定の物体に照射したりする。モーションセンサや赤外線センサを使用することで、ビーム操縦素子を含む照明光源は、可視光および／または赤外線照明で物体を追跡することができる。ユーザは、ターゲットに自分の存在を意識させたくない場合、赤外線照明で追跡することができる。また、ユーザは、被写体に自分の存在を意識させたい場合は、可視光で被写体を追跡することも可能である。多くの法域では、可視光での写真やその他の画像が重要であり、その場合、可視光照明光源で照らされる。いくつかの実施形態では、フィルタは、可視光を選択的にフィルタリングし、赤外線照明を選択的にフィルタリングし、および／または可視光および赤外線照明の両方を選択的にフィルタリングする。
本発明による一実施形態では、ＬｉＦｉまたはＶＬＣ機能が、レーザベースの可視光および赤外線照明光源に含まれる。一例として、ＬｉＦｉ機能は、特定の検出またはセンサへの刺激がトリガされると、その視野内のターゲット対象にデータを送信することができる。データの対象は、赤外線センサの入力や、可視光／赤外線カメラなどの他のセンサ入力に基づくことができる。別の例では、ＬｉＦｉまたはＶＬＣ機能は、ユーザまたは別の個人にデータを送信することに使用される。一例では、送信されるデータは、装置によって取得された赤外線または可視画像データである。もちろん、ＬｉＦｉやＶＬＣの機能を含む、本発明の他の用途や実施例もあり得る。
本発明による一実施形態では、ＧａＮ含有レーザダイオードおよび／または、含まれる赤外線発光レーザダイオードを使用する空間感知システムは、レーザベースの可視光源および赤外線照明光源で構成される。一例として、空間感知能力は、飛行時間計算を用いた深度検出器として構成することができる。２０１７年１２月１３日に出願された米国出願第１５／８４１０５３号を参照し、その内容は参照によりここに援用される。
いくつかの実施形態では、本発明は、双方向通信用の可視光通信送受信機として適用することができる。必要に応じて、送受信機は、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管、または光信号を電気エネルギに変換する他の手段を含む検出器も含んでいる。検出器はモデムに接続されている。本実施形態では、モデムは、検出した光信号を２進数データに復号し、そのデータをコンピュータ、携帯電話、腕時計などの電子装置などの制御システムに中継する機能も有している。
いくつかの実施形態において、本発明は、車両の外部環境を照明し、自動車車両に使用されるスマート白色光源を提供する。具体的な用途としては、パーキングライト、ヘッドライト、フォグライト、シグナルライト、スポットライトなどが挙げられている。一実施形態では、開口部を有するハウジングを含む照明装置が提供される。さらに、照明装置は、一以上の青色レーザまたは青色ＳＬＥＤ光源を含む一つ以上のポンプ光源を含む。個々の青色レーザまたはＳＬＥＤは、４００～４８０ｎｍの範囲に中心波長を有する発光スペクトルを備える。青色の波長範囲で発光するポンプ光源のうち、一つ以上は波長変換素子を照射し、ポンプ光の一部を吸収し、より長い波長光のより広いスペクトルを再出射する。各ポンプ光源は、波長変換素子からの光と、一つ以上の光源から直接発光される光の両方を白色光スペクトルとして合成する。照明装置は、白色光を集束・コリメートし、白色光スポットを整形する光学素子をさらに含む。
このスマート照明装置では、各ポンプ光源は独立して指定可能であり、１０ＭＨｚ～１００ＧＨｚの周波数範囲でパルス変調された光信号を生成するレーザドライバモジュールによって制御される。レーザドライバは、センサや電子コントローラからデジタルまたはアナログ信号を受信して、ポンプレーザ光源の変調を制御して、データを送信する入力インターフェースを備えている。照明装置は、青色または紫色のレーザまたはＳＬＥＤ光源の変調を介して、当該照明装置が取り付けられている車両または固定具に関するデータを、適切に設定されたＶＬＣ受信機を有する他の車両に送信することができる。例えば、白色光源は対向車を照らすことができる。必要に応じて、同じ方向に走行する車両を後方や側方から照らすことも可能である。例えば、照明装置は、ＶＬＣ受信機に対応した道路標識や道路標示、信号機、高速道路やその周辺に設置された専用のＶＬＣ受信機などを照明することができる。そして、照明装置は、受信車両および放送車両に関するインフラストラクチャに情報を配信する。必要に応じて、照明装置は、信号灯の変化を効率的にスケジュールする目的で、または自律型車両間で車両を護送するなどの協調行動を調整する目的で、車両の位置、速度、および向きに関する情報、ならびに自律型車両または半自律型車両の場合には、車両の目的地または経路に関する情報を送信することができる。
いくつかの実施形態において、本発明は、直感的に照準を合わせることができる通信装置を提供する。通信装置の使用例としては、峡谷の向こう側、峡谷の中、山の頂上の間、遠く離れた建物の間、水中などの遠隔地に高帯域幅の一時的なネットワークを作成する場合が挙げられる。このような場所では、標準的な無線ネットワークでは距離が大きすぎたり、水中の場合、電波が水に吸収されるため、無線周波数通信が困難な場合がある。ドライバモジュールは、センサや電子コントローラからデジタルまたはアナログ信号を受信して、レーザ光源の変調を制御して、データを送信する入力インターフェースを備えている。
通信装置は、ＶＬＣ受信機として機能する一つ以上の光検出器と、レーザまたはＳＬＥＤの二つ以上の光源を区別する一つ以上のバンドパスフィルタを含む。必要に応じて、ＶＬＣ受信機は、約５０ＭＨｚ～１００ＧＨｚの周波数範囲でパルス変調された光信号を測定可能な複数のアバランシェフォトダイオードを使用してＶＬＣ信号を検出することができる。必要に応じて、通信装置は、ミラーまたはレンズなどの一つ以上の光学素子を含み、光の発散があまり好ましくない場合で５度未満、最も好ましい場合には２度未満のビームに集束させコリメートする。この装置を二つ用いれば、それぞれ１００～３００メートルの距離で、直径約３～１０メートルのスポットサイズが得られ、集束された白色光スポットは、オペレータが、サーチライトで相手を照らすだけで、長い距離でも互いのＶＬＣトランシーバに照準を合わせることができる。
いくつかの実施形態では、本発明で開示される通信装置は、データ情報を搬送するカメラのフラッシュなどのフラッシュ光源として利用することができる。フラッシュを介してデータを送信し、撮影した画像の情報を伝えることができる。例えば、個人が、この発明の実施形態によるＶＬＣ対応ソリッドステート光源で構成されたカメラ付き電話を用いて、会場で写真を撮影することができる。この電話は、バーに設けられたＶＬＣ受信機に参照番号を送信し、参照番号によって、特定の時間や場所で撮影されたソーシャルメディア上の画像を識別する方法を提供する。
いくつかの実施形態において、本発明は、投影装置を提供する。投影装置は、開口部を有するハウジングを含む。また、本装置は一つ以上の画像フレームを受信する入力インターフェースを含む。本装置は、映像処理モジュールを含む。さらに、本装置は、ハウジング内に配置された一つ以上の青色レーザまたは青色ＳＬＥＤ光源を含む。個々の青色レーザまたはＳＬＥＤは、４００～４８０ｎｍの範囲に中心波長を有する発光スペクトルを備える。青色の波長範囲で発光する光源のうち、一つ以上は波長変換素子を照射し、ポンプ光の一部を吸収し、より長い波長光のより広いスペクトルを再出射する。光源は、波長変換素子からの光と複数の光源からの光の両方が、白色光スペクトルとして出射されるように構成される。
ファイバスキャナは、動的光源におけるビーム操縦光学素子として、走査ミラーに対して一定の性能上の利点と欠点がある。ディスプレイや撮像用途では、走査ミラーの方が著しく多くの利点がある。例えば、走査ミラーの場合、ファイバスキャナよりもはるかに高い走査周波数を実現することができる。ミラースキャナは１０００ｋＨｚ付近でより高い解像度（＜１μｍ）のラスタリングが可能であり、２Ｄスキャンに制限はない。一方、ファイバスキャナは５０ｋＨｚまでしかスキャンできず、２Ｄスキャンに制限がある。また、ミラースキャナはファイバスキャナよりはるかに高い光強度を扱うことができる。ミラースキャナは、白色光やＲＧＢ光に最適化された光と画像用光検出器を内蔵し、物理的に設置しやすく、ファイバスキャナに比べて衝撃や振動に弱いという特徴がある。光ビーム自体はミラースキャナで直接スキャンされるため、ファイバスキャナでスキャンされるファイバ自体が曲面上で特定のコリメーション損失とＡＲ損失を導くのとは異なり、コリメーション損失、ＡＲ損失、ターン制限は存在しない。もちろん、ファイバスキャナは、ミラースキャナの角度変位（約±２０度）よりもはるかに大きな角度変位（８０度近く）が得られるという利点がある。
本発明によるこの白色光または多色動的画像投影技術は、ユーザまたは観察者にスマート照明の利点を提供することができる。本発明の実施形態は、レーザベースの光源がユーザ、アイテム、または物体と通信するため、第１にシステム内の電磁搬送波の高速アナログまたはデジタル変調を使用するＬｉＦｉなどのＶＬＣ技術と、第２に光の動的空間パターニングとの二つの異なる方法によって、見る人に視覚的な標識とメッ一つ以上ージを作成する。これらの二つのデータ通信方法は、別々に使用されて、喫茶店またはオフィスなどの場面で２つの異なる通信機能を実行することができ、ＶＬＣ／ＬｉＦｉ機能は、ユーザのスマートフォンおよびコンピュータにデータを提供して、作業またはインターネット探索を支援し、一方、投影された標識または動的ライト機能は、メニュー、リスト、方向、または優先照明などの情報を通信して、会場でのユーザエクスペリエンスを通知、支援または強化する。
別の態様において、本発明は、色の調整が可能で、一般的な照明用途の白色光源として機能できる動的光源または「光エンジン」を提供する。
一実施の形態では、光エンジンは、二つ以上のレーザまたはＳＬＥＤ光源からなる。本実施形態は、特定の色点を達成する多くの蛍光体について、レーザ光源の波長と蛍光体によって出射されるスペクトルの最短波長との間に大きなギャップが存在するという点で有利である。波長が大きく異なる複数の青色レーザを搭載することにより、ギャップを埋め、演色性を向上させた類似する色点を実現することができる。
一実施形態では、緑色および赤色レーザ光ビームは、伝送モードで波長変換素子に入射し、波長変換素子で散乱される。本実施形態では、赤色および緑色レーザ光は、波長変換素子に強く吸収されない。
一実施形態では、波長変換素子は、組成または色変換特性が変化する複数の領域からなる。例えば、波長変換素子は、蛍光体の交互に組成された複数の領域によって構成することができる。第一の組成物は、３８５～４５０ｎｍの波長範囲の青色または紫色のレーザ光を吸収し、４３０～４８０ｎｍの波長範囲の青色光の長波長に変換する。第二の組成物は、青色または紫色のレーザ光を吸収し、４８０～５５０ｎｍの波長範囲の緑色の光に変換する。第三の組成物は、青色または紫色のレーザ光を吸収し、５５０～６７０ｎｍの波長範囲の赤色光に変換する。レーザ光源と波長変換素子の間には、ＭＥＭＳミラー、回転多面鏡、ミラーガルバノメータなどのビーム操縦機構が設けられている。ビーム操縦素子は、紫色または青色のレーザスポットを波長変換素子の領域のアレイに沿って走査し、レーザの強度を波長変換素子のスポットの位置に同期させて、波長変換素子によって発光または散乱される赤色、緑色、青色光を波長変換素子の領域で変化させることができる。
別の実施形態では、波長変換素子を構成する複数の波長変換領域は、青色光または緑色光を生成するＩｎＧａＮ、ＧａＮ単量子井戸または多量子井戸、黄赤色光または赤外光を生成する各種組成のＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる単量子井戸および多量子井戸構造などの半導体素子のアレイで構成するが、単なる例示であり、請求項の範囲を不当に制限するものではない。当業者であれば、他の半導体材料や光変換構造を認識できるだろう。
別の実施形態では、波長変換素子を構成する複数の波長変換領域は、青色光、赤色光または緑色光を生成するためのＩｎＧａＮ ＧａＮ量子ドット、黄色および赤色の光を生成する各種組成のＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる量子ドットなどの半導体素子のアレイで構成されるが、単なる例示であり、請求項の範囲を不当に制限するものではない。当業者であれば、他の半導体材料や光変換構造を認識できるだろう。
必要に応じて、スマート照明システムで使用されるセンサは、圧力センサ、熱電対、サーミスタ、抵抗温度計、クロノメータまたはリアルタイムクロック、湿度センサ、環境光計、ｐＨセンサ、赤外線温度計、溶存酸素計、磁気計およびホール効果センサ、測色計、土壌水分センサおよびマイクロフォンなどの大気および環境条件を測定するセンサを含むことができる。
必要に応じて、スマート照明システムで使用されるセンサは、紫外線センサ、赤外光センサ、赤外線カメラ、赤外線動き検出器、ＲＦＩＤセンサ、および赤外線近接センサなどの非可視光および電磁放射を測定するセンサを含むことができる。
必要に応じて、スマート照明システムで使用されるセンサは、特に歪みゲージ、ロードセル、力感受性抵抗器、圧電変換器などの力を測定するセンサを含むことができる。
必要に応じて、スマート照明システムで使用されるセンサは、特に指紋スキャナ、パルスオキシメータ、心拍モニタ、心電図センサ、脳波センサ、筋電センサなど、生体面を測定するセンサを含むことができる。
スマート照明システムの一例では、例えばモーションセンサなどのセンサが設けられ、フィードバックループで構成された動的光源を含んでいる。動的光源は、白色光ビームの出力を検出された動きの方向に操縦することにより、特定の場所を照明する。別の例では、加速度計、センサとのフィードバックループを含む動的光機能が提供される。加速度計は、光源の動き方向を測定する。そして、システムは、出力されたビームを動き方向へ操縦する。このようなシステムは、例えば、懐中電灯や手持ちのスポットライト、ヘッドマウント型のセキュリティライトとして使用することができる。もちろん、これらは動的光源とセンサを含むフィードバックループの実装例に過ぎない。動的光源とセンサの組み合わせを含む本発明の概念において、他にも多くの実装が可能である。
一実施形態によれば、本発明は、空間的に調整可能な動的レーザベース光源または光投射装置を提供する。本装置は、光源を保持し、開口部を有するハウジングを含み、光源の動的機能を起動し、信号を受け取る入力インターフェースを有する。必要に応じて、本装置は、映像または信号処理モジュールを含むことができる。さらに、本装置は、開口部を有するハウジング内に配置されたレーザ光源を含む。レーザ光源は、一つ以上の紫色レーザダイオードや青色レーザダイオードを含む。動的光源は、レーザダイオードの光スペクトルからの出力と、レーザダイオードの出力ビームによって励起される蛍光体発光とで構成されている。紫色または青色レーザダイオードは、極性、非極性または半極性に配向されたＧａ含有基板上に作成される。装置は、レーザ光またはレーザによってポンピングされた蛍光体白色光を外界の特定の場所に投影するミラーガルバノメータ、または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）走査ミラー、または「フライングミラー」を含むことができる。ＭＥＭＳミラーを使用してレーザビームをラスタリングすることによって、２次元の画素を形成して、パターンまたは画像を作成することができる。また、本装置は、レーザ光またはレーザによってポンピングされた蛍光体白色光を外界の特定の場所に投射するように、装置を動的に方向付けるアクチュエータを含むことが可能である。
必要に応じて、白色光源が発光する光の性質は、一つ以上のセンサからの入力に基づいて調整されてもよい。信号に応じて調整可能な光の性質としては、光源の全光束、中心波長が異なる複数の青色レーザ光源の相対強度を調整して制御する長波長および短波長の青色光の相対割合、赤色レーザ光源と緑色レーザ光源の相対強度を調整して白色光源の色点などがあるが、限定されない。このような光の性質の動的な調整は、光の性質を作業条件に合わせることで、作業者の生産性や健康状態を向上させることができる。
必要に応じて、白色光源から出射される白色光の性質は、部屋にいる人数を検出するセンサからの入力に基づいて調整される。このようなセンサには、赤外線モーションセンサ、マイク、ビデオカメラ、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）受信機、個人のＲＦＩＤ対応バッジを監視するものなどがある。
必要に応じて、白色光源によって放射されるスペクトルの色点は、緑色および赤色光源の強度に対する青色「ポンプ」レーザ光源の強度を動的に調整することによって調整される。光源の全光束と相対的な比率は、クロノメータ、温度センサ、環境光センサ測定からの入力によって制御され、日中の太陽の見かけの色に合わせて色点を調整し、日中の環境光量の変化を補償して光源の輝度を調整する。環境光センサは、位置や向きによって、主に窓からの入力を測定するか、あるいは、光源出力が減少または停止している短時間に環境光を測定する。測定期間は人間の目が気づかないほど短くすることができる。
必要に応じて、白色光源によって放射されるスペクトルの色点は、緑色および赤色光源の強度に対する青色「ポンプ」レーザ光源の強度を動的に調整することによって調整される。光源の全光束および相対的な割合は、クロノメータ、温度センサ、および環境光センサ測定からの入力によって制御され、周囲環境照明の不足を補償して色点を調整する。例えば、白色光源は、自動的に全光束を調整して、曇り空による太陽からの環境光の減少を補償することができる。別の例では、白色光源は、放射されるスペクトルに過剰な青色光を追加して、曇り空による太陽光の減少を補償することができる環境光センサは、位置や向きによって、主に窓からの入力を測定するか、あるいは、光源出力が減少または停止している短時間に環境光を測定する。測定期間は人間の目が気づかないほど短くすることができる。
具体的な実施形態では、白色光源は、４２０～４７０ｎｍの範囲にわたる異なる中心波長を有するスペクトルを放射する複数の青色レーザデバイスを含む。例えば、光源は４２０、４４０、４６０ｎｍで発光する三つの青色レーザデバイスを含んでいる。別の例では、光源は約４２０、４４０、４５０、４６０、４７０ｎｍで発光する五つの青色レーザデバイスを含む場合がある。光源の全光束と長波長および短波長の青色光の割合は、クロノメータと環境光センサからの入力によって制御され、朝や曇りの日には、放射される白色光スペクトルが４４０～４７０ｎｍの中間波長の青色光をより多く含むようになり、健康な概日リズムを促進して生産性の高い作業環境を推進する。環境光センサは、位置や向きによって、主に窓からの入力を測定するか、あるいは、光源出力が減少または停止している短時間に環境光を測定する。測定期間は人間の目が気づかないほど短くすることができる。
必要に応じて、白色光源は、複数の白色光源がＶＬＣメッシュネットワークを形成できるように、ＶＬＣ受信機を備える。このようなネットワークは、白色光源が様々なセンサからの測定値を配信することができる。例えば、ＶＬＣ対応白色光源を含むＶＬＣメッシュネットワークは、ワークスペースやビル全体のフォトセンサによる環境光の状態や動き検出器による部屋の占有状況を監視し、隣接する光源がこれらの測定を妨害しないように環境光の強度の測定を調整することができる。例えば、ＲＴＤやサーミスタなどの温度センサを使用して、局所的な温度を監視することができる。
一実施形態では、白色光源は、コンピュータ制御のビデオカメラを備えている。白色光源は、４２０～４７０ｎｍの範囲にわたる異なる中心波長を有するスペクトルを出射する複数の青色レーザデバイスを含む。例えば、白色光源は４２０、４４０、４６０ｎｍで発光する三つの青色レーザデバイスを含んでいる。別の例では、白色光源は約４２０、４４０、４５０、４６０、４７０ｎｍで発光する五つの青色レーザデバイスを含む場合がある。白色光源の全光束と長波長および短波長の青色光の割合は、顔認識と機械学習ベースのアルゴリズムからの入力によって制御され、コンピュータ制御によって部屋にいる個人の資質が判断される。例えば、居住者数を測定する。別の例では、居住者は、タイプ、性別、サイズ、衣服の色などの差別化可能な身体的特徴によって分類されることができる。また、居住者の動きの量や種類によって、居住者の気分や活動レベルを定量化することもできる。
図１２Ａは、一般的な照明及びディスプレイ用途の白色光源、およびＬｉＦｉなどの可視光通信のための送信機として機能できる基本的なレーザベースのＶＬＣ対応レーザ光源または「光エンジン」の機能ブロック図を示す。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。図１２Ａに示されるように、白色光源は、三つのサブシステムを含む。第１のサブシステムは、光エミッタ１５０９であり、単一のレーザデバイスまたは複数のレーザデバイス（１５０３、１５０４、１５０５、１５０６）からなる。レーザデバイスは、各レーザデバイスからのレーザ光が、一つ以上のレーザデバイスからのレーザ光の一部または全部を吸収して、より広いスペクトルの低エネルギ光子に変換する蛍光体などの波長変換素子１５０７に入射するように構成される。第２のサブシステムは、制御ユニット１５１０であり、少なくともレーザドライバ１５０２とＶＬＣモデム１５０１とを含む。レーザドライバ１５０２は、すべてのレーザデバイス（１５０３、１５０４、１５０５、１５０６）に電力を供給し、変調し、可視光通信を可能にする。必要に応じて、レーザドライバ１５０２は、少なくとも一つのレーザデバイスを残りのレーザドライバから独立して駆動することができる。ＶＬＣモデム１５０１は、一つ以上のデータソース（有線または無線）からデジタル符号化データを受信し、デジタル符号化データをレーザドライバ１５０２の出力を決定するアナログ信号に変換する。符号化されたデータに基づくレーザドライバによるレーザ光の変調は、レーザの出射パワーを二つ以上の離散的なレベルの間で変化させるデジタル方式と、振幅、周波数、位相、二つ以上の正弦波変動の和の間の位相シフトなどの変化によりデータを信号に符号化する時変パターンによるレーザ強度の変化に基づく方式とがある。
一例では、本明細書では、「モデム」という用語は、通信装置を指す。また装置は、無線、有線、ケーブル、光通信リンク、および任意の組み合わせの他の様々なデータ受信および転送デバイスを含むことができる。一例として、装置は、送信機を備えた受信機、または適切なフィルタ、およびアナログフロントエンドを有する送受信機を含むことができる。一例として、デバイスは、Ｚｉｇｂｅｅ、Ｚｅｅｗａｖｅなどを含むメッシュ型ネットワークなどの無線ネットワークに結合させることができる。一例として、無線ネットワークは、８０２．１１無線規格または均等物に基づくことができる。一例として、無線デバイスは、３Ｇ、ＬＴＥ、５Ｇなどの電気通信ネットワークとのインターフェースともなり得る。一例として、デバイスはイーサネットなどの物理層に対するインターフェースとして機能できる。また、駆動デバイスに結合されたレーザ、またはアンプを含む光通信とのインターフェースにもなり得る。もちろん、これ以外の変形、修正、代替案も可能である。
いくつかの好ましい実施形態では、レーザドライバの出力は、デジタル信号用に構成されている。第３のサブシステムは、任意のビーム整形器１５０８である。波長変換素子１５０７（入射したレーザ光を吸収した）から出射した光、および吸収されずに散乱したレーザ光は、ビーム整形器１５０８を通過し、光の指向、コリメート、焦点、または光の角度分布が変更される。ビーム整形器１５０８の後、光は通信信号として定式化され、自由空間または光ファイバなどの導波路を経由して伝搬される。ＶＬＣ対応光源として、光エンジン、すなわちレーザベースの白色光源が提供されている。必要に応じて、ビーム整形器１５０８は、波長変換素子１５０７に入射する光よりも前に配置されてもよい。必要に応じて、波長変換素子１５０７の前後の光路に代替的なビーム整形器が配置される。
単一レーザベースのＶＬＣ光源では、レーザによりポンピングされる蛍光体と、レーザからの変換されずに残った青色光の組み合わせで白色光を生成できる利点がある。レーザが著しく散乱されると、レーザは、波長変換素子によって出射された光に類似するランバーシアン分布を有することになる。その結果、投影された光のスポットは、角度および位置にわたって均一な色を有し、白色光の強度に比例して拡大縮小する、照射されたレーザ光のパワーを有する。レーザ光を強く散乱させない波長変換素子の場合、ビーム整形素子は、ポンピングされダウンコンバートされた光が同様の面積と発散角で集められるように構成することができる。その結果、角度にわたって均一な色を有する光の投影スポット、スポット内の位置にわたって均一な色を有する光の投影スポット、および白色光に比例して拡大縮小する送出されたレーザ光のパワーが得られる。本実施形態は、複数のポンプレーザ光を備える構成で実施する場合にも、複数のレーザからのポンプレーザ光を波長変換素子で空間的に重ね合わせて最小の大きさのスポットを形成することができる点で有利である。この実施形態は、すべてのレーザを波長変換素子のポンピングに使用できる点（波長変換素子のポンピングに有効な波長で射出するレーザが提供されると仮定）でも有利であり、その結果、一つのレーザに求められるパワーは低く、同じ総白色光出力を得る安価な低出力レーザを使用するか、システムの信頼性と寿命を改善する高出力レーザを低駆動することが可能になる。
図１２Ｂは、一般照明やディスプレイの用途、また可視光通信の送信機としての基本的なレーザベースのＶＬＣ対応光源に関する別の機能図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。図１２Ｂに示されるように、白色光源は、三つのサブシステムを含む。第１のサブシステムは、光エミッタ１５３０であり、波長変換素子１５２７と、単一のレーザデバイスまたは複数のレーザデバイス１５２３、１５２４、１５２５、１５２６とからなる。レーザデバイスは、レーザデバイス１５２３および１５２４のサブセットからのレーザ光が、波長変換素子１５２７によって部分的にまたは全体的に、より低いエネルギの光子のより広いスペクトルに変換されるように構成される。レーザデバイス１５２５、１５２６の別のサブセットは、波長変換素子に入射することがあるが、変換されない。第２のサブシステムは、少なくともレーザドライバ１５２２とＶＬＣモデム１５２１を含む制御ユニット１５２０である。レーザドライバ１５２２は、レーザデバイスに電力を供給し、変調する。必要に応じて、レーザドライバ１５２２は、複数のレーザデバイス（例えば、１５２３、１５２４、１５２５及び１５２６）のうち、少なくとも一つのレーザデバイスを残りのレーザデバイスと独立して駆動する。ＶＬＣモデム１５２１は、デジタルデータソースと（有線または無線で）結合し、デジタル的に符号化されたデータを、レーザドライバ１５２２の出力を決定するアナログ信号に変換するように構成される。第３のサブシステムは、任意のビーム整形光学素子１５４０である。波長変換素子１５２７から出射された光、および吸収されずに散乱したレーザ光は、光の角度分布を整え、コリメートし、集束し、またはその他の方法で偏光するビーム整形光学素子１５４０を通過し、可視光信号へと変化される。
ある実施形態では、レーザダイオード部材と波長変換素子の間にビーム整形器を追加して、ポンプ光ビームを蛍光体に入射させる前に前処理をする。例えば、好ましい実施形態では、レーザまたはＳＬＥＤの発光は、波長変換器への入射前にコリメートされ、レーザ光の励起スポットが特定の制御されたサイズと位置を有するようになる。その後、光信号は光エンジンを離れ、自由空間を通って、または光ファイバなどの導波路を介して伝播される。実施形態では、非変換レーザ光は波長変換素子１５２７に入射するが、非変換レーザ光は、波長変換素子１５２７によって効率的に散乱又は反射されるので、波長変換素子１５２７による吸収で失われる入射光は１０％未満になる。
本実施形態では、データ送信用レーザの一つ以上が波長変換素子で変換されないという利点がある。これは、一つ以上のレーザが素子に入射しないように構成されているためか、レーザが波長変換素子で効率的に変換される波長で発光していないためと考えられる。いくつかの例では、非変換光は、シアン、緑色、または赤色であり、データ送信のためのチャネルを提供しながら、白色光スペクトルの演色評価数を向上させるために使用することができる。これらのレーザからの光は波長変換素子で変換されないため、より低出力のレーザを使用することができ、デバイスのコストを下げることができるとともに、マルチモードレーザよりもさらに狭いスペクトルを持つ単一の横方向の光モードデバイスを実現することが可能である。レーザのスペクトルを狭くすれば、ＶＬＣ光源の波長分割多重化をより効率的に行うことができる。
また、波長変換素子を迂回するレーザが、ＶＬＣ対応光源から高飽和なスペクトルを出射できるという利点もある。例えば、波長変換素子の材料および構成によっては、より長い波長の光に部分的に変換されない青色レーザを波長変換素子に入射させることができない場合がある。つまり、この光源を使用して高飽和の青色スペクトルを生成することは不可能であり、長波長光からなる発光スペクトルの成分が常に存在する。波長変換素子に入射しない青色レーザ光源を追加することで、白色光スペクトルと飽和青色スペクトルの両方を発光させることができる。緑色および赤色の発光レーザを追加することにより、光源は、青色または紫色ポンプレーザのダウンコンバージョンおよび飽和した色調節可能なスペクトルによって白色光スペクトルを出射でき、色域の広範囲に及ぶ色点を有する複数のスペクトルを生成することができる。
図１３Ａは、本発明のいくつかの実施形態によるレーザベースのスマート照明システムの機能ブロック図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。示されるように、スマート照明システムは、３８０～４８０ｎｍの範囲の中心波長を有するスペクトルを出射する青色レーザデバイス２００５を含む、レーザベースの動的白色光源を含む。本システムは、レーザデバイス２００５によって放射されたビームをコリメート、集束、またはその他の方法で整形する任意のビーム整形光学素子２００６を含む。レーザデバイス２００５からのレーザ光は、波長変換素子２００７に入射する。さらに、本システムは波長変換素子２００７から出射した白色光を整形し、操縦する素子２００８を含む。センサ１ ２００２、センサ２ ２００２、センサＮ ２００４までの一つ以上のセンサが設けられ、センサのデジタルまたはアナログ出力がレーザドライバ２００１で受信され、レーザドライバ出力がセンサからの入力によって変調される機構を提供する。
図１３Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による動的なレーザベースのスマート照明システムの機能図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。図示のように、一つ以上のレーザデバイス２１０６は、ビーム整形光学素子２１０７と共に提供される。レーザデバイス２１０６とビーム整形光学素子２１０７は、レーザ光の一部または全体を吸収し、より長い波長スペクトルの光を出射する波長変換素子２１０８にレーザ光が入射するように構成される。波長変換素子２００８からの光を残りのレーザ光とともに集めて光源の外に導くビーム整形・操縦素子２１１０が設けられている。光源は、一つ以上のレーザデバイス２００６に制御された電流と電圧を供給するレーザドライバ２００５を備えている。レーザドライバ２１０５の出力は、マイクロコントローラ（または他のデジタルまたはアナログ制御回路）２１０１のデジタルまたはアナログ出力により決定される。また、光源は、ビーム操縦光学素子２１１０を制御する操縦素子ドライバ２１０９を備えている。操縦素子ドライバ２１０９の出力は、制御回路からの入力により決定される。一つ以上のセンサ２１０２、２１０３、２１０４が設けられている。センサのデジタルまたはアナログ出力は、マイクロコントローラ２１０１によって読み取られ、その後、光源の出力がセンサの出力によって動的に制御されるように、制御回路からレーザドライバ２１０５および操縦素子ドライバ２１０９への出力の所定の変化または変調に変換される。
一部の実施形態では、ビーム操縦光学素子は、走査ミラーを含む。一例では、一つ以上のレーザデバイスのうち、少なくとも一つのレーザデバイスは、３８０～４８０ｎｍの範囲に中心波長を有するスペクトルを出射し、紫色または青色光源として機能する。波長の青色の範囲が波長変換素子に照射され、ポンプ光の一部を吸収して、より広いスペクトルの長波長光を再射出する。波長変換素子と一つ以上のレーザデバイスからの光は、いずれも白色光として出射する。必要に応じて、レーザまたはＳＬＥＤドライバモジュールが、外部ソースからの入力に基づいて一つ以上のレーザデバイスを動的に制御し、動的な光源を形成する。例えば、レーザドライバモジュールは、一つ以上の信号に基づいて、駆動電流を生成し、駆動電流は、一つ以上のレーザダイオードを駆動する。動的光源は、走査ミラーと、出射された白色光スペクトルを集め、走査ミラーに方向づけて、コリメートまたは集光するビーム操縦用の他の光学素子を備えている。外部からの入力に基づき走査ミラーを動的に制御することができる走査ミラードライバを提供する。例えば、走査ミラードライバは、駆動電流または駆動電圧を生成し、駆動電流または駆動電圧は、一つ以上の信号に基づいて、走査ミラーを特定の方向または特定の可動範囲に駆動する。
図１４Ａは、本発明のいくつかの実施形態による深度感知システムおよびレーザベースの可視光源の両方を含む装置の概略図を示す。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。一般に、本装置は深度感知または測距、またはＬＩＤＡＲ用のポータブル照明デバイスである。ここでは、簡略化のため、深度感知システムと呼ぶ。必要に応じて、ポータブル照明デバイスは、レクリエーション、防衛、セキュリティ、捜索、および救助など用の懐中電灯、スポットライト、屋外セキュリティライトなどの照明装置となり得る。図示のように、モバイル機械などの装置２８００は、レーザ光照明システム２８１０と深度感知システム２８２０の両方のエネルギ源として機能する少なくとも一つの電源２８０１を含む。レーザ光照明システム２８１０は、青色の波長領域（４２０～４８５ｎｍ）または紫色波長領域（３９０～４２０ｎｍ）の第１の電磁放射出力で動作するＧａＮ含有レーザダイオード２８１１を含む。第１の出力電磁放射は、蛍光材料などの波長変換部材に入射し、第１の青色または紫色のピーク波長の少なくとも一部が第２のピーク波長に変換されて、第１のピーク波長と第２のピーク波長とが混合した出力光として白色光を生じさせるビームである。いくつかの好ましい実施形態では、波長変換部材または蛍光材料は、入射ビームに対して出力ビームを生成するために反射モードで動作する。その他の好ましい実施形態では、波長変換部材または蛍光材料は、入射ビームに対して出力ビームを生成するために伝送モードで動作する。生成された白色光は、コリメート光学系などの光学部材を介して結合され、出力ビームを整形する。
深度感知システム２８２０は、少なくともレーザを含む送信モジュール２８２２を有するレーザサブシステムを含み、送信機２８２２は、レーザ光パルスを一つ以上の感知光信号として生成して、周囲環境に方向づけるように構成される。深度感知システム２８２０はまた、少なくとも周囲環境からの反射後の一つ以上の感知光信号の戻り時に光信号を検出する受信モジュール２８２３を有する検出サブシステムを含む。さらに深度感知システム２８２０は、送信機２８２２と受信機２８２３を同期させ、送信レーザ光パルスと反射光信号の両方を処理し、飛行時間の計算を行って周囲すべての物体までの距離を判定し、３次元マップを生成するプロセッサ２８２１を含んでいる。
レーザ光照明システム２８１０は、必要に応じて、深度感知システム２８２０から提供されるフィードバック、または情報に基づいてレーザ光照明システムを制御する信号プロセッサおよび／または生成器２８０２を介して深度感知システム２８２０に結合可能である。一例では、深度感知システム２８２０は、対向する移動体を検知する。対向物体へのグレアを防止するため、処理ユニット２８０２は、レーザ光照明システム２８１０への電流を調整し、レーザ光照明システム２８１０の輝度を低下させ、グレアハザードを防止する。代替的な例では、深度感知システム２８２０は、移動機械のオペレータが気付かない可能性のある移動物体を検出し、衝突の危険などの安全上の危険を防止することができる。この場合、処理ユニット２８０２は、レーザ光照明システム２８１０に信号を生成し、移動物体にスポットライト機能を作動させて操縦者の注意を引くなど、光特性を変更させる。さらに、レーザ光照明システム２８１０は、移動物体をスポットライトで動的に追跡できるように、ビーム角度および／または光出力の空間パターン／位置を動的に変更する能力を有する動的光源であってもよい。
本実施形態の一例では、レーザベース照明システム２８１０および深度感知システム２８２０の部品は、統合システム２８００として、または別々のシステムとして、共通のパッケージ内に収容されてもよい。例えば、深度感知システム２８２０およびレーザベース照明システム２８１０は、自律型車両のような自動車のヘッドランプ内に収容されてもよい。別の例では、レーザベース照明システムと深度感知システムは、ドローンの照明ハウジングに収容されてもよい。
一例として、レーザベース照明システムと深度感知システムが自律型車両やドローンなどの移動機械に搭載されており、ＬＩＤＡＲシステムは走査とナビゲーションに使用され、レーザベース照明システムは物体や地形をスポット照射して通信や警告に使用される。好ましい一実施形態では、深度感知機能および照明機能は、ループを介して接続され、深度感知結果は、動的レーザベースの照明パターンにフィードバックするセンサ信号として機能する。例えば、範囲マッピングによって道路脇に動物が検出された場合、当該動物にレーザ照明光源が優先的にスポットライトを当てるように構成することができる。別の例では、範囲マッピングによって対向車が検出された場合、レーザベースの照明パターンは、対向車にビームを表示にしたり暗くするように構成することができる。もちろん、自動車、レクリエーション、商業、宇宙および防衛など多くの用途で、動的照明パターンと動的深度走査パターンを併用することで、機能性や安全性を高められる例は数多くある。
図１４Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による深度感知システムと一体化されたレーザ光照明システムの簡略化された概略図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。一般に、本装置は深度感知または測距、またはＬＩＤＡＲ用のポータブル照明デバイスである。必要に応じて、ポータブル照明デバイスは、レクリエーション、防衛、セキュリティ、捜索、および救助など用の懐中電灯、スポットライト、屋外セキュリティライトなどの照明装置となり得る。図に示すように、統合システム２９００は、深度感知システムとレーザ光照明システムムの両方に電力を供給する電源２９０１を備える。必要に応じて、別個のまたは複数の電源２９０１が、電源２９０１から電力を受け取り、深度感知システムの受信部品２９３１からデータまたは信号を受け取るプロセッサおよびいくつかの駆動電子機器を含むコントローラ２９０２とともに使用されてもよい。指定された機能を提供するユーザ入力または所定入力などの外部入力２９９０と、電源２９０１から供給される電力に基づいて、コントローラ２９０２は、一つ以上のＧａＮ含有レーザダイオード２９０３に送信される適切な駆動信号を決定する。駆動信号は、レーザダイオード２９０３の電流及び電圧特性を駆動し、レーザダイオードから適切な強度パターンを生成し、青色または紫色ピーク波長などの第１のピーク波長を特徴とする第１の電磁放射を提供する。一実施形態では、駆動信号は、深度感知システムが感知光信号に基づいて反射光信号を感知し、感知光信号および反射光信号の両方に基づいて飛行時間の計算を実行するため、所望の感知光信号またはレーザパルスを有する深度感知走査機能のレーザ放射と共に、所望の輝度および光束を有するレーザ照明光源において必要とされるレーザ光の適切なパターンを生成するように構成される。別の実施形態では、光変調器が含まれ、深度感知システム用またはレーザ光照明光源用の光に信号を別々に符号化することができる。
図１４Ｂに示すように、レーザダイオード２９０３からの第１のピーク波長の第１の電磁放射は、次に、二つの別々の光路に分割される。第１の光路は、波長変換部材２９１１（例えば、蛍光体）に入射し、第１のピーク波長を有する第１の電磁放射の少なくとも一部が第２のピーク波長を有する第２の電磁放射（励起蛍光体からの発光）に変換される。必要に応じて、第２のピーク波長は、黄色の範囲である。好ましい実施形態では、第２の電磁放射は、第１の電磁放射の一部と混合され、白色光としてレーザベースの照明システムの出力電磁放射を生成する。得られた出力電磁放射は、次に、一つ以上のビーム整形素子２９１２で調整され、所定のコリメーション、発散、およびパターンを提供する。必要に応じて、ビーム操縦素子をレーザベースの照明システムに追加して、空間的に動的な照明を作成することができる。いくつかの実施形態では、波長変換部材２９１１に入射する前に、コリメート光学系などの追加のビーム整形素子を使用して、レーザ光をコリメートすることができる。さらに、レーザダイオード２９０３から波長変換部材２９１１にレーザ光を伝達するため、ガラスやポリマファイバなどの光ファイバや導波素子を用いて、遠隔でポンプ変換を行うことができる。
図１４Ｂによれば、第２の光路は、第１のピーク波長を有する電磁放射を、他の送信機部品と組み合わせることができる深度感知送信モジュール２９２１に向ける。いくつかの実施形態では、レンズなどのコリメート光学系が、深度感知システムの送信モジュール２９２１に入る前にレーザ光をコリメートする。さらに、ガラスファイバやポリマファイバなどの光ファイバや他の導波素子を使用して、レーザダイオード２９０３から深度感知送信モジュール２９２１にレーザ光を伝達することができる。前述したように、この第２の光路内に光変調器を含めて、所望の深度感知機能に必要な感知光信号として光パルスなどを生成することができる。外部環境に出る前に、ＬＩＤＡＲシステムの感知光信号は、感知光信号を周辺環境の所望のターゲットエリア上に走査するために、適切な発散および方向で深度感知システム用の送信光学系２９２２によって適切に調整され得る。深度感知システムによって、所望のターゲットエリアのマップを、ＭＥＭＳ走査ミラーなどの動的スキャナを用いた感知光信号の走査、ＤＬＰ、またはＬＣＯＳなどのマイクロディスプレイを用いた画像の記録、および／またはレンズ、ミラー、および拡散素子などの基本的な光学系２９３２を用いたビームの単純な拡大または整形を含む様々な方法で捕捉することができる。送信光学系２９２２によって信号処理とビーム調整のすべてが完了すると、深度感知光ビームは、ターゲットエリアに外部投影され、周辺環境の様々な遠隔ターゲット物体から反射、散乱し、深度感知システムの受信モジュール２９３１に部分的に戻る。受信モジュール２９３１は、一部の受信光学部品と信号プロセッサ（アナログ－デジタル変換器など）、フォトダイオード、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤアレイ、アンテナアレイ、走査ミラーまたはフォトダイオードと結合したマイクロディスプレイなどの検出部材２９３２、遠隔ターゲット物体からの反射または散乱光信号を検出し電気信号に変換する構成などを含んでいる。検出部材２９３２によって検出された電気信号は、受信モジュール２９３１によって受信されており、感知光ビームなどの送信および検出された深度感知信号の飛行時間の計算に使用される。必要に応じて、遠隔ターゲット物体の空間マップは、受信モジュール２９３１に関連する信号プロセッサによって生成することができる。飛行時間や空間マップを決定する計算や処理は、受信機２９３１で直接行うことができる。あるいは、空間マップの生成は、別のプロセッサユニット２９０２で行われる。
もちろん、本実施形態の新規の構成は多数実現可能である。例えば、レーザベースの照明システムの光源は、複数のＧａＮ含有レーザダイオードで構成することができ、複数のレーザダイオードのうちの一つ以上が深度感知スキャン機能に使用される。一例では、３９０～５５０ｎｍの範囲で動作する複数のＧａＮ含有レーザダイオードは、マルチ波長（マルチスペクトル）またはハイパースペクトル深度感知照明走査用の深度感知システムで使用されている。このような波長の多様性は、対応する信号の調整および検出と結合され、感度の増加を可能にし、および／または深度感知ユーザに、環境風景に関するより多くの情報を提供することができる。代替的な実施形態では、ＧａＮ含有レーザダイオードから、紫外、シアン、緑色、黄色、オレンジ色、または赤色などの他の波長範囲を発生させることができる。さらに、ＤＬＰ、ＬＣＯＳ、スキャニングファイバなど、走査、ラスタリング、イメージ生成の技術をいくつでも含めることができる。
代替的な実施形態では、ＧａＮ含有レーザダイオードの波長が深度感知照明に使用されるレーザベースの照明システムは、９０５ｎｍ、１０００ｎｍ、１０６４ｎｍ、１５５０ｎｍ、またはその他の標準深度感知波長を利用する従来の深度感知システム内に構成される。ＧａＮ含有レーザダイオードの３９０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲の青色などの波長と、従来の深度感知システムの赤外線波長を組み合わせることで、感度や機能を向上させることができる。このように感度と機能を向上させるためには、振幅、飛行時間、位相などの戻り信号やエコの差分分析に基づいて、別々の波長を使用して環境の異なる特性を感知することが必要である。いくつかの実施形態では、ＧａＡｓまたはＩｎＰベースのレーザダイオードを含むシステムにおいて、より長い波長で発光するＧａＮ含有レーザダイオードは使用されていない。
別の実施の形態では、レーザ光照明システムの波長変換部材から反射および／または散乱されたレーザ光励起ビームは、深度感知機能を実現するために使用され得る。本実施形態では、ビームスプリッタなどのコンポーネントを除外し、波長変換器部材を励起する前に、深度感知用の直接レーザビームの一部を「選択」する。例えば、ＧａＮ系レーザダイオードからの３９０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲の第１の波長の紫色から青色レーザは、蛍光体などの波長変換器部材を励起してより長い第２の波長の発光を生じさせることができる。一例として、第２の波長は黄色系の発光であり、ＧａＮ系レーザダイオードの残りの紫色系または青色系の発光と混合して白色発光となる。この白色発光は、ランバートパターンを持ち、コリメートされ、走査型ＭＥＭＳミラーなどの１次元または２次元スキャナに結合される。そして、スキャナの走査部材は、環境と周囲の間でコリメートビームをスウィープし、深度感知走査照明部材として機能する。コリメートされた白色光ビーム内の紫色または青色の第１の波長は、環境を横切ってスウィープし、戻ってきた（散乱／反射された）レーザビームを感知して、飛行時間法により散乱物体からの距離を計算し、３次元マップを生成する。
本実施形態の共通の構成では、レーザ光源および／または走査部材は、周期的な短い光パルスまたは変調された強度スキームを生成し、送信および検出された信号の同期を可能にするように動作する。また、励起源の紫色や青色の波長などのレーザ発光波長を中心とした狭い帯域（２～２０ｎｍまたは２０～１００ｎｍ）の波長のみを受け入れるように設計されたノッチパスフィルタで検出器を構成することが可能である。このような構成は、ＭＥＭＳ走査ミラーなどのマイクロディスプレイとレーザベースの照明／照射技術を組み合わせる本発明を通じて説明した、空間的に動的なレーザベースの光の実施形態に最適であると考えられる。
図１４Ｃは、本発明のいくつかの代替的な実施形態による深度感知システムと一体化されたレーザ光照明システムを含む装置の簡略化された概略図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。一般に、本装置は深度感知または測距、またはＬＩＤＡＲ用のポータブル照明デバイスである。必要に応じて、本装置は、レクリエーション、防衛、セキュリティ、捜索、救助などのための懐中電灯、スポットライト、屋外セキュリティライトとして構成することができる。図に示すように、装置３０００は、電源３００１から電力を受け取るように構成されたプロセッサおよび制御ユニット３００２と共に、深度感知システムおよび照明システムの両方に電力を供給するための電源３００１と、深度感知システムの受信部３０３１からのデータまたは信号とを備える。プロセッサおよび制御ユニット３００２は、指定された機能を提供するためのユーザ入力または所定の入力などの外部入力３０９０および電源３００１から供給される電力に基づいて、ＧａＮ含有青色レーザダイオードおよび赤外線発光レーザダイオードを含む一つ以上のレーザダイオード３００３を駆動するための適切な駆動信号を外部入力３０９０に基づいて決定する。駆動信号はレーザダイオード３００３の電流および電圧特性を決定し、青色、紫色、または赤外線のピーク波長などの第１のピーク波長を有する電磁放射として提供される適切な強度パターンを生成するするように構成される。一実施形態では、駆動信号は、深度感知と飛行時間の計算用の所望の信号またはレーザパルスと深度感知走査機能用のレーザ発光とともに、所望の輝度と光束を有するレーザ照明光源に必要なレーザ光の適切なパターンの両方を生成するように構成されている。別の実施形態では、光変調器が含まれ、深度感知システム用または光照明光源用の光に信号を別々に符号化することができる。
図１４Ｃに示すように、レーザダイオード３００３からの第１のピーク波長の一次電磁放射は、入射光として波長変換部材３００４に向けられる。必要に応じて、波長変換器部材３００４は、ある波長の入射光によって励起されてより長い波長を有する光を再出射する蛍光材料である。したがって、第１のピーク波長を有する一次電磁放射の少なくとも一部は、黄色のピーク波長などの第２のピーク波長を有する二次電磁放射に変換される。必要に応じて、第２のピーク波長を有する二次電磁放射は、一つ以上のビーム整形素子３００５によって、第１のピーク波長を有する電磁放射の少なくとも一部と結合または混合されて、白色光を生成する。必要に応じて、複合発光としての白色光は、少なくとも紫色または青色領域の第１のピーク波長と黄色領域の第２のピーク波長とを含む。必要に応じて、赤外線波長範囲の第３のピーク波長を含む赤外光発光が別に提供される。さらに、一つ以上のビーム整形素子３００５は、可視光／赤外線照明と深度感知の両方に、結合された白色発光または別々に赤外光放射を導く所定のコリメーション、発散、およびパターンを提供するように構成される。
図１４Ｃに見られるように、合成された発光の少なくとも一部は、深度を感知する走査発光として出力され、整形される。一実施形態において、一つ以上のビーム整形素子３００５によって生成された深度感知走査発光は、第１のピーク波長を有する第１の感知光信号と、受信したレーザベースの白色光に基づく第２のピーク波長を有する第２の感知光信号、または第３のピーク波長が赤外線範囲外にある第３の感知光とを含んでいる。一方で、深度感知走査放射が、第１の感知光信号および第２の感知光信号のビームを、深度感知信号送信モジュール３０２２を介して、ターゲットオブジェクトとその周囲を含む遠隔エリア上を走査するための環境内に投影する前に、深度感知送信部品３０２１を介して信号整形、フィルタリング、波長依存性送信、ビーム操縦（ＭＥＭＳなどでアクティブビーム操縦とすることができる）などのために供給され得る。一方、可視光または赤外線発光を合成した残りの部分は、照明用のビームとして提供される。
代替的な実施形態では、レーザダイオードからの一次発光と波長変換部材３００４からの二次発光との組合せ発光として、一つ以上のビーム整形素子３００５から出力される白色光は、照明システム用の第１のビームと、深度感知システム用の第２のビームとでそれぞれ個別に調整および操縦を可能にするために、二つの光路に分けられる。他の実施形態では、深度感知システムとレーザ照明システムは、照明領域と深度感知システムからの３Ｄスキャン領域がほぼ同じになるように、同一の光路をたどることができる。
別の代替実施形態では、信号処理、フィルタリング、ビーム成形、コリメーション、投影、増幅、操縦、走査、第１のピーク波長を有する第１の感知光信号、前記第２のピーク波長を有する第２の感知光信号と、必要に応じて第３のピーク波長を有する第３の感知光信号と、照明のための白色光および／または赤外線の光線を生成するための変調といった複数の作業を達成するために、一つ以上のビーム整形素子３００５から白色光出力は、単一の光路を介して深度感知送信素子３０２１と、深度感知信号送信モジュール３０２２と、ビーム整形光学部品３０１１と、ビーム操縦素子３０１２と、を含むビームプロジェクタに供給される。あるいは、ビームプロジェクタにハイブリッドコリメータを搭載して、複合発光を処理することもできる。ハイブリッドコリメータは、白色光または赤外光の一部を深度感知光ビームとしてコリメートするように構成されたセンターコリメータと、白色光または赤外光の残りの一部を照明ビームとしてコリメートするように構成されたアウターコリメータを含む。具体的には、白色光または赤外光のうち、深度感知光ビームとしてコリメートされた部分には、一次レーザダイオード３００３からの第１のピーク波長を有する第１の感知光信号と、波長変換部材３００４の二次発光からの第２のピーク波長を有する第２の感知光信号と、赤外領域の第３のピーク波長を有する第３の感知光信号であって、赤外線発光レーザダイオードから供給される第３の感知光信号とを含んでいる。センターコリメータは、第１の感知光信号、第２の感知光信号、および／または第３の感知光信号のビームを１度または２度未満にコリメートするように構成されており、一つ以上のターゲットオブジェクトと周辺環境について指向性の高いビームで深度感知光走査および戻り光検出を行うのに好適である。外側コリメータは、白色光または赤外光のビームを１５度未満にコリメートして、一つ以上のターゲットオブジェクトを単純に照明するように構成されている。
前述のように、深度感知システムと統合されたレーザ光照明システムは、所望の深度感知機能に必要なパルス信号を生成するように構成された光変調器を含む。深度感知や範囲マッピングの対象領域は、深度感知光信号を走査する方法や、レンズ、ミラー、拡散素子などの基本光学系を用いて高度にコリメートされたビームを単に拡大または整形する方法など、さまざまな方法で捉えることができる。光変調器は、ＧａＮ含有レーザダイオードを駆動して、第２のレートで中断される第１のピーク波長を有する第１の光を出射させる第１のレートの変調信号を提供するように構成され、第２のレートは、波長変換器部材から再出射される黄色の第２の光の遅延変調率と実質的に同期される。波長変換部材からの黄色パルスに関連する遅延変調率は、レーザダイオードからの励起青色パルスの割合と相関する。遅い変調率では、パルスは多かれ少なかれ同期しており、これは問題とはならないかもしれない。しかし、例えば、ＧＨｚなどの高速変調率では、１つの黄色パルスの下に数百から数千の青色パルスが存在することになる。２次の黄色発光は基本的に消えないので、バックグラウンドノイズのように見える。これは、励磁信号にパルス中断を含めることで克服することができる。これら中断は、黄色の色信号のビット長を設定することになる。
すべての信号送信およびビーム調整が完了すると、深度感知システム用の第１の感知光信号および第２の感知光信号の両方を含むコリメートされた深度感知光ビームは、様々なターゲットオブジェクトおよび周囲環境を含む設定された投影領域に向けて外部へ投影される。必要に応じて、深度感知光ビームは、少なくとも第１のピーク波長および第２のピーク波長を有する一連の光パルスとして各走査サイクルに提供される。第１の感知光信号と第２の感知光信号は、それぞれ投影領域内の様々なターゲットオブジェクトで反射および散乱する。反射／散乱光信号の少なくとも一部は、深度感知システムの受信モジュール３０３１によって受信される。受信モジュール３０３１は、フォトダイオード、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤアレイ、アンテナアレイ、フォトダイオードに結合した走査ミラーまたはマイクロディスプレイなどの一つ以上の光検出器を含むいくつかの光受信コンポーネント３０３２に結合し、反射／散乱光信号を検出し電気信号へ変換する。受信モジュール３０３１は、電気信号をデジタルフォーマットに処理し、さらに、送信された第２の感知光信号とデジタルフォーマットの検出信号の両方に基づいて飛行時間を計算するための少なくとも信号プロセッサをさらに含む。飛行時間情報を使って、ターゲットオブジェクトとその周辺の空間マップや画像を生成することができる。
必要に応じて、受信モジュール３０３１は、第１の感知光信号の反射信号を検出して一つ以上のターゲットオブジェクトの第１の画像を生成するように構成された第１の信号受信機と、第２の感知光信号の反射信号を検出して一つ以上のターゲットオブジェクトの第２の画像を生成するように構成された第２の信号受信機とを含む。必要に応じて、第１の信号受信機によって生成された第１の画像は、第２の信号受信機によって生成された第２の画像と同期して、一つ以上のターゲットオブジェクトの色差画像を得ることができる。青色光と黄色光の減衰の違いから、光信号が通過する空気などの空間や、光信号が反射する物質などの環境情報を得ることができる。同様に、青色と黄色の信号光の戻り時間の違いから、光が分散によってどのような物質を通過しているのかという情報を得ることができる。必要に応じて、飛行時間およびターゲットオブジェクト／エリアの空間マップまたは画像を決定するための計算または処理は、受信モジュール３０３１で直接または代替的にプロセッサおよび制御ユニット３００２で行うことができる。
本例のメリットは多岐にわたる。上述したように、マイクロディスプレイを利用するレーザベースのスマート照明システムと深度感知システムとの統合は、既にレーザ光源および走査システムを必要とするスマート照明構成の優れた付加的利点である。この構成では、動的なレーザベースの光源は、照明機能と深度感知またはＬＩＤＡＲ機能の両方で使用されている。スマート照明のような深度感知機能とレーザ照明機能を共通のデバイスに搭載することで、高機能化、低コスト化、小型化を実現できるとともに、信頼性を向上させることができる。これらの利点は、自律型車両、航空機、船舶などのいくつかの先進技術への応用、軍事、防衛、自動車、商業、およびサイズ、重量、およびスタイルが主要な設計パラメータとなり、コストが常に重要となる特殊な用途において非常に重要となる。
可視光ＧａＮ含有レーザダイオードを一つ以上採用するこれらの実施形態に記載の深度感知またはＬＩＤＡＲシステムの重要な違いおよび利点は、深度感知でより一般的に用いられる赤外線波長と比較して、水中での吸収が減少していることである。そのため、特定の条件下において、可視光は赤外線（ＩＲ）波長よりも霧や雨、水などの水分をより自在に通過でき、水を含む動作環境では深度感知の感度が高くなる。このように、散乱現象は波長の逆４乗に比例するにもかかわらず、水の吸収は赤外線よりも可視光の方が劇的に低いため、霧や雨など水が存在するような条件下では高い効率を発揮することができる。例えば、４５０ｎｍの光と９０５ｎｍの光を比較すると、散乱は１６倍になり、６％の光が透過する。しかし、９０５ｎｍの水の吸収は４５０ｎｍの青に比べ１００倍以上あり、５倍以上の信号が得られる。一例として、レーザ励起源からの青色波長により、湿った状態や濡れた状態で運転する自律型車両の視認性と安全性を向上させることができる。湿った状態での視認性が向上することで、車両や車内の乗客の安全性を高めることができると考えられる。
図１４Ｄは、本発明の別の代替的な実施形態による深度感知システムと一体化された、ＧａＮ含有レーザと赤外線発光レーザ照明システムの組み合わせを含む装置の簡略化された概略図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。一般に、本装置は深度感知または測距、あるいはＬＩＤＡＲ用途のポータブル照明デバイスである。必要に応じて、本装置は、レクリエーション、防衛、セキュリティ、捜索、救助などのための懐中電灯、スポットライト、屋外セキュリティライトとして構成することができる。図に示すように、装置３１００は、レーザベースの照明システムと深度感知システムの両方に電力を供給する内部電源３１０１を含む。必要に応じて、内部電源３１０１は、外部入力３１９０から充電された電力を受け取ることができる充電可能な電源である。例えば、外部入力３１９０は、充電ポートを含む。必要に応じて、内部電源３１０１は充電可能なバッテリであり、充電ポートはＵＳＢ－Ｃポートである。実施形態では、装置３１００は、内部電源３１０１から電力を受け取るプロセッサおよび駆動電子機器を含む制御ユニット３１０２を含む。制御ユニット３１０２は、ＧａＮ含有レーザダイオードおよび赤外線発光レーザダイオード３１０３、波長変換部材３１０４、ビーム整形光学系３１０５、および可視／赤外線光深度感知信号を投射する光学系３１１０に結合されて、装置３１００の可視／赤外光照明システムを支援する。同時に、制御ユニット３１０２は、装置３１００の深度感知システムを支援するために、可視／赤外光深度検出信号を投射および受信する光学系３１１０と結合される。
外部入力３１９０に基づいて、制御ユニット３１０２は、一つ以上のＧａＮ含有レーザダイオードおよび／またはＩＲ発光レーザダイオード３１０３を駆動するために適切な駆動信号を決定する。必要に応じて、駆動信号は、レーザダイオード３１０３の各々の電流および電圧特性を決定するように構成されており、放出されるレーザ光に特定の周波数のパルスを生成する。ＧａＮ含有レーザダイオードの場合、レーザ発光は青色または紫色のスペクトル範囲に第１のピーク波長を持つ。赤外線発光レーザダイオードの場合、レーザ発光は青色または赤外線スペクトル範囲に第３のピーク波長を持つ。一実施形態では、駆動信号は、所望の輝度および光束を有する空間変調レーザパルスまたは時間変調レーザパルスの両方を生成するように構成される。パルスレーザ光は、走査機能と飛行時間の計算を行うための深度感知信号を生成するための基礎となるものである。代替的な実施形態では、深度感知システム用のパルスレーザ信号または光照射システム用の空間的に変調された光を別々に符号化するために、光変調器が制御ユニット３１０２に含まれる。
図１４Ｄに示すように、ＧａＮ含有レーザダイオード３１０３からの第１のピーク波長の一次電磁放射は、入射光として波長変換部材３１０４に向けられる。必要に応じて、波長変換器部材３１０４は、ある波長の入射光によって励起され、第１のピーク波長よりも長い第２の波長を有する光を再出射する蛍光材料である。したがって、第１のピーク波長を有する一次電磁放射の少なくとも一部は、第２のピーク波長を有する二次電磁放射に変換される。例えば、第１のピーク波長は青色の波長であり、第２の波長は黄色の波長である。必要に応じて、第２のピーク波長を有する二次電磁放射は、波長変換部材３１０４によって結合または混合され、白色光を生成する。また、赤外線発光レーザダイオード３１０３からの第３のピーク波長での一次電磁放射も、入射する赤外線発光として波長変換部材３１０４に導かれる。波長変換部材３１０４は、赤外線発光を実質的にほとんど吸収することなく主に透過・再射出するように構成された蛍光材料を含む。白色光または赤外線発光のいずれか一方が、波長変換部材３１０４から出力されるビームを形成する。必要に応じて、ビームは、青色または紫色領域の第１の波長または赤外線領域の第３の波長を有する一次電磁放射で生成されたパルス信号を伝送する。
一実施形態において、ビーム整形光学系３１０５によって生成された白色光および／または赤外光のビームは、深度感知のためにパルス信号を伝送する白色光／赤外光のビームを投影するために、装置３１００内の光学系３１１０に提供される。一方、光学系３１１０は、白色／赤外光のビームの少なくとも一部を指向性深度感知信号としてフィールド内の任意のターゲットに向けて導くために、走査、集束、偏向、増幅、投射、及び送信を含むビームス操縦機能を実行するように構成された一つ以上の光学送信素子を含んでいる。必要に応じて、可視光線を操縦する光学系は、赤外光線を照射するための光学系とは別のものである。必要に応じて、可視光線と赤外光線のどちらか一方または両方がパルス状の深度感知信号を伝送し、単一または二重スペクトルの深度感知検出を行うことができる。装置３１００は、光学系３１１０を用いて、ターゲットから反射されたパルス光信号を検出し、制御ユニット３１０２にフィードバックするように構成される。必要に応じて、制御ユニット３１０２は、送信されたパルス光信号とターゲットからの反射後の再捕捉とを処理するように構成されたプロセッサを含み、これに基づいて、ターゲットに関する深度感知結果を推論することができる。必要に応じて、光学系３１１０は、検出機能を実行するように構成された一つ以上の光学的受信素子を含む。必要に応じて、追加の光学素子は、センサ、フィルタ、光検出器、フォトレジスタなどを含み、これらは、一つ以上の光送信素子用の光学部品３１１０の同じパッケージ内に設置することができる。一方、光学系３１１０は、照明用光源としての白色光／赤外光ビームの少なくとも残りの部分を導くための一つ以上のビーム操縦／投影素子を含む。具体的には、この光源は、白色光照明に加え、赤外線照明能力も有している。必要に応じて、照明用のビームは、指向性を高め、減衰を抑えて、１５度以下の３次元角度にさらに整形し、コリメートすることができる。必要に応じて、白色／赤外光ビームを追加で使用し、ターゲットの空間的に動的な照明を作成する。必要に応じて、パルス信号伝送用に変調されたＧａＮ含有レーザダイオードと赤外線発光レーザダイオードから出るレーザ光は、ハンドヘルドＬＩＤＡＲシステムのプローブとして直接使用することができる。
図１４Ｅは、本発明の別の代替的な実施形態による深度感知システムと一体化された、ＧａＮ含有レーザ光、および／または赤外線発光レーザ照明システムの組み合わせの簡略化された概略図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。図示されるように、深度感知機能を統合したＧａＮ含有レーザ、および／または、赤外線発光レーザベースの照明機能は、携帯型装置、スポットライト装置、自転車ライト装置、アクセサリーカーライト装置、ドローンライト装置等として構成され得るポータブル照明デバイス３１５０に提供される。実施形態において、ポータブル照明デバイス３１５０は、ビーム整形光学系３１０５が可視光整形、投影、及び感知信号の受信のための光学系３１０６に統合されていることを除いて、図１４Ｄに示される装置３１００と実質的に同じである。必要に応じて、図１４Ｄの波長変換器部材３１０４に結合されるビーム整形光学系は、照明のための可視光の投射と、深度感知信号を伝送する光をターゲットへ伝送することの両方を行い得るビーム整形光学系を有するようにも構成される。必要に応じて、可視光整形、投影、および感知信号受信のための光学系３１０６は、投影機能を実行するために、駆動電子機器を備えた制御ユニット３１０２によって制御される。必要に応じて、可視光整形、投影、および感知信号を受信する光学系３１０６は、（ターゲットから）戻ってきた感知信号を受信または検出し、検出した感知信号を制御ユニット３１０２に送り返すように構成される。制御ユニット３１０２は、深度感知プロセスを完了するために、送信された感知信号と戻された感知信号の両方を処理するように構成されたプロセッサを含む。必要に応じて、制御ユニット３０１２は、深度感知結果をエクスポート用のデータポートまたはポータブル照明デバイス３１５０の表示インターフェースに提供することが可能である。必要に応じて、ポータブル照明デバイス３１５０は、赤外線照明のための赤外光ビームを投影するための別のビーム整形ユニットと、可視光を用いた深度感知に加えて代替の深度感知を行うための赤外線検出ユニットを含む。
図１４Ｆは、本発明の別の代替的な実施形態による深度感知システムと一体化された、ＧａＮ含有レーザ光、および／または赤外線発光レーザ照明システムの組み合わせの簡略化された概略図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。図示されるように、深度感知機能を統合したＧａＮ含有レーザ、および／または、赤外線発光レーザベースの照明機能は、携帯型装置、スポットライト装置、自転車ライト装置、アクセサリーカーライト装置、ドローンライト装置等として構成され得るポータブル照明デバイス３１６０に提供される。一実施形態において、ポータブル照明デバイス３１６０は、可視光整形および感知信号を投射するための光学系３１０７が、戻された感知信号を受信するための光学系３１０８から分離されていることを除いて、図１４Ｅに示される装置３１５０と実質的に同じである。必要に応じて、可視光整形・感知信号投影用光学系３１０７は、波長変換器部材３１０４に結合されて可視（白色）光ビームを受信し、制御ユニット３１０２の制御下で処理して、照明用の可視光ビームを整形・投影することができる。必要に応じて、同じ光学系３１０７は、深度感知信号を運ぶ可視光ビームをフィールド内のターゲットに伝送するために投影または走査機能を実行するように構成された駆動電子機器を有する制御ユニット３１０２によって制御されてもよい。必要に応じて、戻ってきた感知信号を受信する光学系３１０８は、（ターゲットから）戻ってきた感知信号を受信または検出し、検出した感知信号を制御ユニット３１０２に送り返すように構成される。制御ユニット３１０２は、深度感知プロセスを完了するために、送信された感知信号と戻された感知信号の両方を処理するように構成されたプロセッサを含む。必要に応じて、制御ユニット３０１２は、深度感知結果をエクスポート用のデータポートまたはポータブル照明デバイス３１６０の表示インターフェースに提供することが可能である。必要に応じて、ポータブル照明デバイス３１６０は、赤外線照明のための赤外光ビームを投影するための別のビーム整形ユニットと、可視光を用いた深度感知に加えて代替の深度感知を行うための赤外線検出ユニットを含む。
図１４Ｇは、本発明のさらに別の実施形態によるデータ通信システムと一体化された、ＧａＮ含有レーザ光と赤外線発光レーザ照明システムの組み合わせを含む装置の簡略化された概略図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。一般に、本装置は可視光／赤外光のデータ通信を行うポータブル照明デバイスである。必要に応じて、本装置は、レクリエーション、防衛、セキュリティ、捜索、救助などための可視光／赤外光通信を含む懐中電灯、スポットライト、屋外セキュリティ光源などのポータブル通信デバイスとすることができる。一般的に、ポータブル通信デバイスは、内部電源が配置された一つのコンパクトなハウジングに各構成要素が含まれており、コンパクトなハウジングの表面には一つ以上の制御スイッチと入力ポートが含まれている。図に示すように、装置３２００は、レーザベースの照明システムとデータ通信システムの両方に電力を供給する内部電源３２０１を含む。必要に応じて、内部電源３２０１は、外部入力３２９０から充電された電力を受け取ることができる充電可能な電源である。例えば、外部入力３２９０は、任意の家庭用または商業用電気ソケットに接続される充電ポートを含む。必要に応じて、内部電源３２０１は充電可能なコンパクトバッテリであり、充電ポートはＵＳＢ－Ｃポートである。
実施形態において、装置３２００は、共通の支持部材を有する表面実装デバイス（ＳＭＤ）パッケージにおいてレーザデバイスと一体化されるように構成された波長変換部材３２０４をさらに含む。波長変換部材３２０４は、蛍光材料で構成され、第１の波長のレーザ光の発光を受光する。蛍光材料は、第１の波長のレーザ光の発光を吸収し、第１の波長よりも長い第２の波長の蛍光体発光を再射出する適切な化学成分を含む。必要に応じて、蛍光体発光は、レーザ光の発光（入射部または散乱部のいずれか）と部分的に混合され、白色光ビームを生じさせる。一実施形態では、波長変換部材３２０４は、赤外線発光が大きな電力損失や波長の変化なく波長変換部材から出力されるように、吸収が少なく実質的に通過するようにも構成された蛍光材料で構成されている。必要に応じて白色ビーム、赤外線発光ビーム、またはその両方を組み合わせたビームがＳＭＤパッケージから出力される。必要に応じて、白色／赤外線発光ビームは、制御ユニット３２０２で実行される変調によって生成されるデータ信号を伝送する。
必要に応じて、光学系３２１０は、当該光学系に変調されたデータを伝送する光信号を送信するように構成された光送信デバイスも含む。白色／赤外光発光で伝送される変調データは、入力データに基づいて制御ユニット３２０２によって変調されたレーザ光に由来する。必要に応じて、光学系３２１０によって送信される白色／赤外光発光は、ＬｉＦｉ又はインターネット接続を含む一つ以上の異なる変調及び送信プロトコルに基づく可視光／赤外光通信を提供するために使用される。
図１４Ｈは、本発明のさらに別の実施形態によるデータ通信システムと一体化された、ＧａＮ含有レーザ光と赤外線発光レーザ照明システムの組み合わせを含む装置の簡略化された概略図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。図示のように、装置３２５０は、レーザベースの照明とデータ通信機能を有する一体型の照明デバイスである。必要に応じて、装置３２５０は、ビーム整形光学系３２０５が可視光／赤外光データ通信信号を送受信するための光学系３２１０に完全に吸収されていることを除いて、図１４Ｇに示される装置３２００と実質的に同じである。実施形態では、光学系３２１０は、波長変換部材３２０４からの白色発光および／または赤外線発光を受けて光ビームを形成し、通信データを運ぶ光ビームをフィールド受信機に投射するように構成されている。いくつかの実施形態では、装置３２５０は、レクリエーション、防衛、セキュリティ、捜索、および救助などのための可視光／赤外光通信を実行するためのコンパクトなハウジングで構成された懐中電灯、スポットライト、屋外セキュリティ光源、ウェアラブル光源、自転車／車載光源、またはドローン光源などのポータブル通信デバイスに構成することが可能である。
特定の態様において、本開示は、一部の実施形態において、レーザベースの白色光源を、赤外線照明、深度感知、及び光通信の一つ以上の機能ユニットと統合するポータブル照明デバイスを提供する。具体的には、以下の図１５にその一例を示す。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。図示されるように、このポータブル照明デバイス２４００は、実質的に円柱形状のコンパクトなハウジング２４１０、例えば懐中電灯のようなモジュールを備え、前面開口部２４７２から一つ以上の光ビームを照明光ビーム、感知光ビーム、通信信号を伝送する光ビームのいずれかとして、相対的に狭い３次元角度範囲で出力させることができる。必要に応じて、照明光ビームは、レーザベースの白色光源によって生成された白色光ビームである。必要に応じて、照明光ビームは、赤外線発光レーザダイオードによって生成された赤外光ビームを含む。必要に応じて白色光と赤外光のいずれかまたは両方を感知用光ビームとして、または可視光／赤外光通信用として採用することができる。
必要に応じて、コンパクトハウジング２４１０は、広い３Ｄ角度範囲で照明光ビーム、感知光ビーム、または通信信号を運ぶ光ビームのいずれかとして一つ以上の光ビームを出力するために、前面開口部２４７２を有する漏斗形状、例えば、スポットライト状モジュールに構成される。必要に応じて、コンパクトハウジング２４１０は、様々なセキュリティライトの設定のために、ボックス、キューブ、ボール、ハーフドーム、三角ピラミッドのような他の様々な形状で構成される。
一実施形態において、ポータブル照明デバイス２４００は、表面実装装置（ＳＭＤ）パッケージ２４３２（例えば、図８Ａ、８Ｂ、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、１０Ａ、及び１０Ｂに示す）において光導波領域および一つ以上のファセット領域を有する光学キャビティを用いて構成された、ガリウムと窒素と（ＧａＮ）を含有するレーザダイオードを含む第１のポンプ光デバイスを含んでいる。ポータブル照明デバイス２４００は、第１のポンプ光デバイスからの指向性電磁放射を受信するために経路に光学的に結合された第１の波長変換器をさらに含む。
必要に応じて、ポータブル照明デバイス２４００は、約８５０ｎｍ～９００ｎｍの赤外線範囲、または７６０ｎｍ～３μｍの間のより広い範囲における第３のピーク波長を有する第２の経路における赤外線発光を生成するために、第１のポンプ光デバイスからの指向性電磁放射の一部分を変換するように構成された蛍光部材によって作られた第２の波長変換器を含む。必要に応じて、第２の波長変換器は、赤外線電磁放射を最小限の吸収で透過および／または散乱させるように構成される。必要に応じて、第１の波長変換器と第２の波長変換器は、広帯域波長変換材料を積層または複合して構成された同一の蛍光部材であり、第２の経路は第１の経路と実質的に重なっている。
必要に応じて、ポータブル照明デバイス２４００は、ガリウムとヒ素とを含有する材料またはインジウムとリンとを含有する材料などの赤色または赤外線波長領域で動作する材料から形成された赤色または近赤外線発光レーザダイオードを含む第２のポンプ光デバイスを含んでいる。第２のポンプ光デバイスから出力される電磁放射は、可視光蛍光部材を実質的に励起せずに、赤外線発光蛍光部材を優先的に励起するように構成される。必要に応じて、第２のポンプ光デバイスは、第１のポンプ光デバイスと同じＳＭＤパッケージ２４３２に形成される。
一実施形態では、ポータブル照明デバイス２４００は、コンパクトなハウジング２４１０の内部に完全に設置された携帯用電源２４４０を含む。プリント回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）２４５０は、一つ以上のドライバを含むコントローラ２４５２を支持するために、コンパクトハウジング２４１０内に配置される。少なくともドライバは、ポータブル電源２４４０からの電力を調整して、ＳＭＤパッケージ２４３２内の第１または第２のポンプ光デバイスを駆動するための駆動電流／電圧を提供するために使用される。
必要に応じて、コントローラ２４５２は、データストリームを生成するために、第１のポンプ光デバイスおよび第２のポンプ光デバイスのいずれか又は任意選択の両方から放射される光の振幅又は位相を変調するように構成された変調器を含む。データストリームを運ぶ変調された光は、フィールドに降りている任意の受信機との可視光／赤外光通信のために、前面開口部２４２２から送信される。必要に応じて、データストリームは、ＰＣＢＡ２４５０上に配置されたコントローラ２４５２内の変調器に接続されている入力ポート２４６４を介して入力されたデータに基づいている。
必要に応じて、コントローラ２４５２は、ＳＭＤパッケージ２４３２に形成されたレーザデバイスから放出される可視光または赤外線レーザを変調し、コンパクトハウジング２４１０の前面開口部２４２２を介して出力される感知信号として構成された光パルスを生成するパルス生成器を含んでいる。感知信号は、前面開口部２４２２の内部に設置された一つ以上のセンサ２４３４によって、感知信号の反射を検出することができる特定のターゲットに投影されることを意図している。センサには、フォトダイオード、フォトレジスタ、赤外線センサ、カメラ、カラーセンサ、電圧センサなどがある。必要に応じて、センサ２４３４は、深度感知、測距、フィールドマッピング、画像キャプチャ、動作感知、身元確認などを含む指定された感知用途に応じて、検出結果をもたらすための様々な計算を実行する、またはポンプ光デバイスの発光を調整するためのドライバを制御するフィードバック信号を生成するプロセッサを含むコントローラ２４５２に接続された回路にある。
いくつかの実施形態では、ポータブル照明デバイス２４００は、前面開口部２４２２の近くのコンパクトハウジング２４１０内部に配置された一つ以上の光学素子２４２４を含む。光学素子２４２４は、一般に、一つ以上のビーム整形光学素子と、一つ以上のビーム操縦光学素子と呼ばれる。必要に応じて、ポータブル照明デバイス２４００は、照明されたターゲットの赤外線マッピング画像を捕捉するために、前面開口部近くに配置された赤外線カメラのような適切なセンサまたは検出器２４３４も含む。好ましい実施形態では、赤外線照明と白色光照明の発光は、白色光と赤外線電磁放射の照明領域をほぼ重ね合わせることができるように、少なくとも共通のビーム整形素子を共有する。ポータブル照明デバイス２４００が深度感知装置として使用される場合、一つ以上の光学素子２４２４は、白色発光および／または赤外線発光ビームを整形、集束、または方向付けるように構成されてもよい。同時に、反射した感知信号を検出するための一つ以上のセンサまたは検出器２４３４は、前面開口部２４２２の近くに配置されることが望ましく、コントローラ２４５２は、深さ、地形、ターゲット識別などの情報を推論するために反射された感知信号を受信するセンサに接続されたプロセッサを含む。
一実施形態において、ポータブル照明デバイス２４１０は、コンパクトハウジング２４１０の表面上に配置され、かつ携帯電源２４４０に接続されている一つ以上のスイッチ２４７０を含んでおり、白色光または赤外光の照明、感知、または通信を選択するためにＧａＮレーザダイオードおよび赤外線発光レーザダイオードを作動させるる。
別の具体的な態様において、本開示は、いくつかの実施形態において、可視光／赤外線照明、深度感知、及び光通信を行うために携帯型装置又は移動機械に取り付け又は統合することができる取り付け可能な照明モジュールを提供する。図１６は、本発明のいくつかの実施形態による可視光／赤外光照明、深度感知、および通信のために構成された取り付け可能な照明モジュールの簡略図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、多くの変形、代替案、および修正案を認識するであろう。図示のように、取り付け可能な照明モジュール４０１０は、携帯型装置または移動機４１００に取り付けられ、可視光／赤外線照明、深度感知、および光通信の機能を実行するための移動照明機４０００を形成する。必要に応じて、取り付け可能な照明モジュール４０１０は、少なくともドライバによって駆動され、少なくとも光路に青色又は紫色スペクトルの第１のピーク波長を有する指向性電磁放射という観点からレーザ光を放出する少なくとも１つのガリウムと窒素を含有するレーザダイオードと、光路と結合して指向性電磁放射の少なくとも一部分を第１の波長よりも長い黄色スペクトルなどの第２のピーク波長を有する蛍光体発光に変換するよう構成された波長変換器とを有するポンプ光デバイスをベースとしている。蛍光体発光がレーザ光と結合し、白色発光を発生させる。必要に応じて、携帯型装置または移動機械４１００は、陸上走行自動車、ドローン、海洋／潜水艦車両、水中工具、空飛ぶ車、飛行機、ヘリコプター、ＡＴＶを含むが、これらに限定されるものではない。必要に応じて、取り付け可能な照明モジュール４０１０は、単一のプロジェクタを有するフラッシュライト型、または複数のプロジェクタが連続するライトバー型に構成することができる（図１６参照）。一般に、取り付け可能な照明モジュール４０１０は、携帯型装置又は移動機械４１００から電力を引き出すように構成され、その電力に基づいて制御ユニット内のドライバが白色発光の生成を駆動することができる。
図１６に示すように、取り付け可能な照明モジュール４０１０は、細長いハウジング４００１と、携帯型装置または移動機械４１００と取り付けるように構成された一つ以上の取り付け部材４０２０とを有するライトバー構成となるように構成されている。必要に応じて、取り付け可能な照明モジュール４０１０は、カスタム設計された移動式照明機械４０００内の組み込み部材とすることができる。必要に応じて、取り付け可能な照明モジュール４０１０自体は、移動照明機４０００から任意の携帯型装置または移動機４１００の本体に自由に取り付けることができる大量生産されたモジュールである。
一実施形態では、図１６に示すように、ハウジング４００１は、ポンプ光デバイス４００４がその中に設置されていることを示すために、キャップ部材４００１Ａが持ち上げられている。必要に応じて、ポンプ光デバイス４００４は、表面実装デバイス（ＳＭＤ）パッケージ内の共通の支持部材上に配置された光導波領域及び一つ以上のファセット領域を含む光学キャビティを備えるように構成される。ポンプ光デバイスは、ＳＭＤパッケージにおいて、ファセット領域の少なくとも１つを通じて第１のピーク波長を特徴とする指向性電磁放射を出力するように構成された少なくとも１つのガリウムと窒素を含有するレーザダイオードを含む。必要に応じて、ポンプ光デバイス４００４は、少なくとも経路を通って波長変換器に向けられた赤外線発光を出力し、実質的に最小の吸収でそれを通過させて赤外線放射を出射させるように同じＳＭＤパッケージに構成された少なくとも一つの赤外線発光レーザダイオードをさらに含む。
一実施形態では、ハウジング４００１はまた、ポンプ光デバイス４００４に関する波長変換器から出力される白色発光又は赤外線発光を受信、方向づけ／再方向づけ、焦点、コリメート、分割するように構成された少なくともビーム整形ユニット４００５を囲むように構成されている。必要に応じて、ビーム整形ユニット４００５は、ハウジング４００１の前面開口部４００９に構成された複数の出射口への一つ以上のビームを生成することができる。例えば、前面開口部４００９には、実質的に８つの独立したソースとなるように構成された８つの出口が存在する。必要に応じてポンプ光デバイス４００４は、ビーム整形ユニット４００５が照明機能を実行するために十分な強度の輝度を有する８つの出口にそれぞれ１つの白色発光を分割できるように、一般的なＬＥＤよりもはるかに明るい輝度を有するレーザ光を生成するように、１つのレーザダイオードを含む。必要に応じて、ポンプ光デバイス４００４は、複数のレーザダイオードを含む。必要に応じて、ポンプ光デバイス４００４は、可視光／赤外光デュアル照明を可能にするために、ＧａＮベースのレーザダイオードおよび赤外線レーザダイオードのような２つのタイプのレーザダイオードを含む。例えば、白色光源ヘッド４０１１と赤色光源ヘッド４０１２は、各出口に設けられている。
一実施形態では、取り付け可能な照明モジュール４０１０は、白色発光又は赤外線発光ビームを投射又は透過するように前面開口部４００９の各出口を用いて構成されたビーム操縦ユニット４０１５を含む。必要に応じて、ビーム操縦ユニット４０１５は、単一波長照明のための白色発光又は赤外線発光のいずれかのビームをそれぞれターゲットに投影するための一つ以上の光学素子を含む。必要に応じて、ビーム操縦ユニット４０１５は、デュアル波長照明を実現するために、白色発光ビームと赤外線発光ビームの両方を投射するように構成された一つ以上の光学素子を含む。
いくつかの実施形態では、取り付け可能な照明モジュール４０１０のハウジング４００１に封入された制御ユニット（明示的に示されていない）は、ＧａＮ含有レーザダイオード又は赤外線発光レーザダイオードから出射されるレーザ光を変調して変調信号を生成するように構成される。これらの変調信号は、前面開口部４００９に向けられた白色発光および／または赤外線発光によって運ばれる。制御ユニットのスイッチにより、可視光照射のための白色発光と赤外線照射のための赤外線発光のどちらかを選択できるようになっている。
一実施形態において、制御ユニットは、レーザ光からパルス信号を生成するように構成される。ビーム操縦ユニット４０１５は、パルス信号を搬送する白色発光のビームおよび／または赤外線発光のビームを、深度感知のターゲットに伝送する一つ以上の光送信素子を含む。必要に応じて、取り付け可能な照明モジュール４０１０は、前面開口部４００９に複数の出口を有し、各出口は、パルス信号を伝送する少なくとも１つのビームを送信するために一つ以上の光送信素子で構成される。図１６に示すように、取り付け可能な照明モジュール４０１０は、戻されたパルス信号を受信するために、前面開口部４００９近くに配置された一つ以上の検出器４０１６をさらに含む。必要に応じて、各検出器４０１６は、前面開口部４００９の対応する出口における光送信素子の近くに配置され、対応するターゲットからの戻りパルス信号を検出するように構成される。検出器４０１６は、送信されたパルス信号と戻されたパルス信号の両方に基づいて深度情報を推論するように構成された制御ユニットに、検出された信号を戻すことができる。必要に応じて、検出器４０１６は、白色発光のみに基づく単一検出を有するように構成される。必要に応じて検出器４０１６は、白色発光及び赤外線発光の両方に基づく二重検出を有するように構成される。制御ユニットのスイッチにより、白色発光と赤外線発光のどちらかを選択して深度感知を行うことができる。
別の実施形態では、制御ユニットは、通信データを伝送するために、レーザ光から位相変調信号または強度変調信号を生成するように構成される。ビーム操縦ユニット４０１５は、白色発光のビーム及び／又は赤外線発光のビームを送信してフィールド受信機に通信データを届けるように構成された一つ以上の光送信素子を含む。必要に応じて、制御ユニットは、可視光通信のための白色発光のビームを生成するためにＧａＮ含有レーザダイオードを動作させることを選択するか、または赤外光通信のための赤外線発光のビームを生成するために赤外線発光レーザダイオードを動作させることを選択するように構成されたスイッチ（明示的に示されていない）を含んでいる。
このようなポータブル照明装置の用途としては、スポットライト、深度検出、測距、赤外光撮像、投影ディスプレイ、空間的動的照明、ＬＩＤＡＲ、ＷｉＦｉ、ＬｉＦｉ、可視光／赤外線光通信、一般照明、商業照明とディスプレイ、インターネット接続、防衛とセキュリティ、捜索と救助、産業処理、インターネット通信、または農業や園芸のように個別に実行可能な動作が含まれる。いくつかの実施形態では、用途にはまた一つ以上のセンサからの入力に基づいて動的に制御されるスポットライトの色点、位置または形状に美的、情報的または芸術的価値があらゆる場面への適用が含まれる。このような用途に対する本装置の主な利点は、本装置が複数の構成間で移行でき、それぞれの構成が異なる可能性のある状況に応じて最適な照明を提供できることである。例えば、一般照明、部屋の中の特定の物体を強調する照明、動いている人や物体を追跡するスポット照明、時間帯に合わせて色調を変える照明、外光や環境照明など、異なる品質の照明を必要とする場合がある。
使用例として、装置は、美術館や博物館の美術品を照らす光源として使用することができる。モーションセンサによって、発光されるスポットの形状や強度の偏光がトリガされ、一般照明用の空間や色から、モーションセンサに対応した、作品を美しく引き立てる形状に変化させることができる。このような構成は、店舗において、トリガ入力により販売用の一つ以上の商品を優先的に照らすまで、装置が全体的な照明を提供する場合にも有利である。
本装置は、センサからの入力に基づき情報の送信がトリガされる必要のある照明の用途に有利である。例示的な用途として、自動車のヘッドライトとして装置を利用することができる。ＬＩＤＡＲまたは画像認識システムからの測定値は、車体前方の他の車両の存在を検出し、当該車両の位置、進行方向、および速度のＶＬＣを介した他の車両への送信をトリガする。
空間内の特定の場所やセンサで特定した物体だけにデータを送信する選択的エリアＶＬＣ、受信者の位置を追跡して継続的にデータを提供できる空間選択的ＷｉＦｉ／ＬｉＦｉなどの用途がある。ビーム操縦デバイスの変調により、複雑なデータストリームを異なるユーザやオブジェクトに順次送信する時空間分割多重化も可能である。これにより、ユーザの位置情報を追跡でき、非常に安全なエンドユーザ・データリンクを提供することができる。
一実施形態では、装置の視野内の個人の位置を決定するためのセンサまたは他の電子システムからの入力に基づいて、ユーザの位置に関する情報が装置に提供される。センサには、モーション検出器、デジタルカメラ、超音波距離計、あるいは電子機器から発せられる無線周波数を検知して人の位置を三角測量するＲＦ受信機などがある。本装置は、動的に制御可能な白色光スポットを介して可視光通信を提供するとともに、白色光スポットのサイズと位置を制御し、さらに白色光スポットを高速ラスター処理して、一定の照明の広いスポットを形成するように見せることが可能である。装置に対するユーザの決定された位置を使用して、特定のユーザのために意図されたＶＬＣデータ伝送を、特定のユーザが占有する視野領域内のみに局所化することができる。このような構成は、複数のＶＬＣ送信機が干渉を抑えて室内で使用するためのビーム操縦機構を提供する点で有利である。例えば、部屋の中で互いに隣接して配置された２つの従来のＬＥＤ光球ベースのＶＬＣ送信機は、ユーザのＶＬＣ受信機に入射する両方のＶＬＣ送信機から放射された電力が類似する、または同等である部屋の領域に高い干渉領域を生成する。このような実施形態は、このような２つの光源が互いに隣接している場合、第１の装置のＶＬＣデータ伝送を含む領域が、第２の装置からのＶＬＣデータが伝送されていない領域と重なる可能性が高くなる点で有利となる。受信した光パワーにおけるＤＣオフセットは、ＶＬＣ送信をフィルタリングすることが容易であるため、これにより、複数のＶＬＣ対応の光源をより密に詰め込むことができ、同時に複数のユーザに高い伝送速度を提供することができる。
いくつかの実施形態では、装置は、ＲＦ受信機からユーザの位置に関する情報を受信する。例えば、ユーザはＶＬＣを使用してデータを受信し、低帯域幅のＷｉＦｉ接続を使用してデータを送信することができる。三角測量やビーム形成技術を使い、複数のＷｉＦｉ送信機のアンテナにおけるユーザのＷｉＦｉ送信強度を分析することで、部屋内のユーザの位置をピンポイントで特定することができる。
いくつかの実施形態では、ユーザはＶＬＣまたはＷｉＦｉのいずれかでデータを送信し、ユーザの位置は、ユーザの装置からのＶＬＣ信号強度を測定し、そのデータをユーザのＶＬＣ対応デバイスからＷｉＦｉまたはＶＬＣを介して装置に送信し直すことによって判定される。これにより、本装置はＶＬＣ通信スポットで室内をスキャンし、ユーザが最大ＶＬＣ信号を検出した時間とスポット位置を関連付け、ユーザにＶＬＣビームを照射することができる。
一実施形態では、本装置はラジコンや自律型無人航空機に取り付けられる。無人航空機は、ドローン、すなわち、パイロットなどを乗せるために構成されていないミニチュアヘリコプター、クアッドコプターなどのマルチローターまたはシングルローターの垂直離着陸機、飛行機などの小型の乗り物であり得る。無人航空機は、無線操縦や自動操縦システムを搭載した実物大の航空機であることもある。無人航空機は、小型軟式飛行船、飛行船、ヘリウム気球、水素気球など、浮力によって揚力が得られる機体であり得る。
ＶＬＣに、対応したレーザベースの動的白色光源を無人航空機に適用することは、インフラがほとんどない場所でもターゲットを絞って照明を提供する必要がある場合に、非常に有利な構成となる。例示的な実施形態として、無人航空機に一つ以上の装置が設けられる。本装置の電力は、バッテリ、発電機、航空機に設けられたソーラーパネル、航空機に設けられた風力発電機などによる内部電力や、送電線を含むテザーによる外部電力など、一つ以上の手段によって供給される。航空機へのデータ送信は、航空機への専用無線接続、またはテザー内に含まれる伝送線を介して行うことができる。このような構成は、インフラがほとんど、または全くない地域において照明を提供シなければならず、照明が指向性を有し、当該指向性を変更できることが重要となる用途に有利である。本装置は小型であること、かつ本装置における、白色光スポットの形状やサイズを動的に変更できる能力と、無人航空機が、ユーザによる遠隔操作または内部プログラムによって自身の位置を変更できる能力によって、これら航空機の一つ以上が、固定されたインフラの設置を必要とすることなく、位置に照明とＶＬＣ通信とを提供することができる。このことが有用となる状況としては、建築現場や道路工事現場、夜間に人が集まるイベント会場、スタジアム、コロシアム、駐車場などが挙げられるがこれらに限定されない。無人航空機に指向性の高い光源を組み合わせることにより、より少ないインフラでより大きな領域に照明を提供するために、使用する光源を少なくすることができる。このような装置は、赤外線画像や画像認識アルゴリズムと組み合わせることで、無人航空機が歩行者や移動する車両を識別して選択的に照明し、その周辺に一般照明やＶＬＣによるネットワーク接続を提供することが可能になる。
いくつかの好ましい実施形態では、スマートライト光源は、モノのインターネット（ＩｏＴ）で使用され、レーザベースのスマート光は、家電製品（すなわち、冷蔵庫、オーブン、ストーブなど）、照明、冷暖房システム、電子機器、カウチ、椅子、テーブル、ベッド、ドレッサーなどの家具、灌漑システム、セキュリティシステム、オーディオシステム、ビデオシステムなどの物体との通信に使用されている。レーザベースのスマートライトは、コンピュータ、スマートフォン、タブレット、スマートウォッチ、拡張現実（ＡＲ）コンポーネント、仮想現実（ＶＲ）コンポーネント、ゲーム機を含むゲーム、テレビ、および他の任意の電子デバイスと通信可能に構成することができることは明らかである。
いくつかの実施形態において、装置は、拡張現実用途に使用される。このような用途の１つは、拡張現実メガネまたはヘッドセットと相互作用してユーザの環境に関するより多くの情報を提供することができる動的光源を提供可能な光源である。例えば、装置は、可視光通信（ＬｉＦｉ）を介して拡張現実ヘッドセットと通信できるほか、光のスポットを高速スキャンしたり、光のパターンを部屋の中の物体に投影したりすることができる。この動的に調整された光のパターンまたはスポットは、人間の目が独立したスポットとして知覚するにはあまりにも速くなるように調整される。拡張現実ヘッドセットには、物体に投影される光のパターンを画像化し、部屋の中の物体の形状や位置などの情報を推測するカメラが搭載される。そして、拡張現実システムは、部屋の中の物体とより統合するように設計されたシステムディスプレイから画像を提供することができ、その結果、ユーザにより没入感のある体験を提供することができる。
空間的に動的な実施形態では、レーザ光またはその結果として得られる白色光を動的に照準合わせする必要がる。ＭＥＭＳミラーは最も小型で汎用性の高い方法であるが、本テキストではＤＬＰやＬＣＯＳなど、他にも使用可能なものを取り上げている。回転ポリゴンミラーは過去には一般的であり、二つ以上の方向をスキャンするには、モータと複数のミラーを備えた大規模なシステムが必要である。一般に、走査ミラーには高反射率のコーティングが施される。コーティングには、銀、アルミニウム、金などのメタリック・コーティングを含むことができる。銀やアルミニウムは、幅広い波長範囲で比較的高い反射率を有するため、好ましいメタリック・コーティングである。また、屈折率の異なる層で構成されるダイクロイックコーティングが含まれてもよい。このようなコーティングは、比較的狭い波長範囲で非常に高い反射率を得ることができる。いくつかの波長範囲をターゲットとする複数のダイクロイックフィルムスタックを組み合わせることによって、広域スペクトル反射フィルムを形成することができる。ある実施形態では、ダイクロイックフィルムと金属反射物の両方が利用される。例えば、鏡面にアルミニウムフィルムを先に堆積し、６５０～７５０ｎｍの範囲で反射率の高いダイクロイックフィルムを重ねることができる。アルミニウムはこれらの波長では反射率が低いため、組み合わされたフィルムスタックは、可視スペクトルのすべての波長で比較的一定の反射率を持つ表面を生成する。例えば、走査ミラーに銀のフィルムをコーティングする。この銀フィルムに、４００～５００ｎｍの波長範囲で５０％以上の反射率を有するダイクロイックフィルムスタックを重ねている。
いくつかの実施形態では、走査ミラードライバは、ジャイロスコープや加速度計などのモーションセンサからの入力に応答する。一例として、白色光源はスポットライトとして機能し、狭く発散する白色光ビームを提供する。走査ミラードライバは、一つ以上の加速度計からの入力に応答し、光源の動きを導くように光線の角度を調整する。一例では、光源は手持ち式の懐中電灯として用いられる。懐中電灯が弧を描くように照射されると、走査ミラーは光源の出力を懐中電灯の動き方向に対して角度をつけて照射する。一例として、白色光源はスポットライトとして機能し、狭く発散する白色光ビームを提供する。走査ミラードライバは、一つ以上の加速度計とジャイロスコープからの入力に応答し、光源の位置に関係なく同じスポットを照らすようにビームを誘導する。このような装置の用途としては、ヘリコプターや自動車などの乗り物に搭載される自己照準スポットライトのような用途が考えられる。
一実施形態では、動的白色光源は、自動車用の動的ヘッドライトを提供するために使用される。車内の各種センサからの入力に応じて、投影するビームの形状、強度、色点を変更する。一例として、走行中の車速を測定するために速度計が使用される。ある臨界閾値速度以上では、ヘッドランプの投影ビームの輝度と形状を変化させ、速度が上がるにつれて遠くを照らすことに重点を置いている。また、車両の走行経路に隣接する道路標識や歩行者の存在を検知するためのセンサを使用する例もある。このようなセンサには、前方視赤外線、赤外線カメラ、ＣＣＤカメラ、カメラ、ＬＩＤＡＲシステム、超音波測距装置などがある。
例えば、センサを使用して、近くの車両のフロントウィンドウ、リアウィンドウ、サイドウィンドウの存在を検出する。投影する光の形状、強さ、色点を変更し、他の車の乗員や操縦者に光が当たりにくくなるようにしている。このようなグレア低減技術は、夜間の用途において、エリアをどの程度照らすかを最適化した車両のランプ配置と、グレアを低減して他のドライバの安全性を向上させるビーム配置の間で妥協しなければならない場合に有利になる。
現在、ハイビームとロービームはヘッドライトで併用されており、運転者は手動で切り替えなければならず、デメリットは周知のとおりである。ヘッドライトの水平旋回については、一部の車種で採用されているが、現在はアセンブリ全体の機械的な回転で実装されている。この発明で開示された動的光源に基づき、接近する車両、歩行者、自転車、障害物の距離に敏感な簡単なセンサに基づいて、ビームをハイビームからロービームに徐々に自動的に移動させることが可能である。このようなセンサからのフィードバックにより、自動的にビームを動かして最高の視界を確保すると同時に、反対方向に進む運転者の目を眩ませないようにする。２Ｄスキャナと簡易センサで、水平、垂直方向に走査可能なレーザベースのヘッドライトを実現することができる。
必要に応じて、後続車輌、障害物等との距離や霧のレベルを様々な方法で感知することができる。センサは、暗中で感知する赤外線カメラ、光学距離センサ、単純レーダ、光散乱センサなどを含む単純カメラを備えることができる。この距離は、垂直ビームの位置決めの信号を提供し、その結果、最高の視認性を提供し、後続車輌の運転者の目を眩ませない最適なビーム高となる。
別の実施形態では、動的白色光源は、マシンビジョンに基づいてレストランで動的な照明を提供することに使用することができる赤外線カメラや可視光カメラを使って、食事をする人のいるテーブルを撮影する。テーブルの人数や位置は、コンピュータ、マイクロコントローラ、ＡＳＩＣなどの演算装置によって特定される。そして、マイクロコントローラがレーザドライバと走査ミラーに協調信号を出力し、食事中に動的に変化する空間的に局所化された照明効果を実現する。白色光のスポットを高速で走査することで、人間の目には静的照明のように見える。例えば、白色光源に赤色レーザと緑色レーザを搭載し、個々の食事客の服の色に合わせて白色光の色点を変調することができる。動的白色光源は、料理や飲み物を優先的に照らすことができる。動的白色光源は、近紫外線レーザ光源を備え、近紫外線を優先的に照射することで、テーブル上の特定の物体を蛍光を介して強調することが可能である。白色光源は、テーブルの占有時間やテーブル上の食材の数を計測し、食事の時間帯ごとに照明の輝度や色点を調整することができる。
このような白色光源は、他の会場でも応用することができる。別の使用例では、動的白色光源は、劇場や倉庫などの暗い部屋の中を移動する人々を優先的に照らすことに使用することができる。
別の代替的な実施形態では、動的白色光源をワークスペースの照明に使用することができる。例えば、工場では、光の空間分布を動的に変化させながら、光の色点を変化させることで、作業環境と作業に関する情報を作業者に提供し、ヒューマンマシンインタラクションを支援することができる。例えば、作業者が近づいたときに、所定の色点のあるライトスポットで危険な装置を強調表示することができる。別の例として、個々の占有者の位置に基づいてカスタマイズされた緊急脱出方向を、建物の床または他の表面に投影することができる。
他の実施形態では、ＲＦＩＤバッジの三角測量、Ｗｉ－Ｆｉ送信の三角測量、またはスマートフォン、スマートウォッチ、ノート型コンピュータ、または任意のタイプのデバイスに含まれ得る他の手段を使用して、個人が追跡されることになる。
必要に応じて、マイクロミラーの２次元アレイは、入力情報に基づいてマイクロコントローラからビーム操縦ドライバによって受信された一つ以上の制御信号のうちのいくつかによって活性化されるように構成され、ターゲットエリアの表面上に、またはターゲット空間の方向に、色および輝度のパターンを提供するように動的に調整される各色点で複数の出力光ビームを操作する。

本発明による図５Ａに記載された実施形態から得られるスペクトルは、ＧａＮ含有レーザダイオードからの発光スペクトルであって、紫外線または青色波長領域の比較的狭い帯域（約０．５～３ｎｍ）の発光スペクトルと、波長変換器からの発光であって、紫外線または青色レーザダイオードよりも長いピーク波長を有する可視スペクトルの広帯域（約１～１０ｎｍ）発光と、波長変換器からの発光であって、可視光蛍光部材からのピーク発光波長よりも長いピーク波長を有する赤外線スペクトルの比較的広い帯域（約１０～１００ｎｍ）の発光とを含む。図５Ｂは、本発明による光スペクトルの例を示す。この図では、ＧａＮ含有レーザダイオードは約４４０ｎｍ～４５５ｎｍの青色領域で発光し、可視光波長変換器部材は黄色領域で発光し、含まれる赤外線発光波長変換器部材は約８５０ｎｍ～９００ｎｍのピーク波長で発光する。もちろん、本発明には、異なる波長の発光を行うＧａＮ含有レーザダイオード、異なる波長で発光する可視蛍光部材、および異なる波長で発光する赤外蛍光部材を含む、多くの他の構成が存在し得る。例えば、赤外線発光蛍光部材は、７００ｎｍ以上３μｍ以下のピーク波長で発光することができる。
本発明による図６Ａに記載された実施形態から得られるスペクトルは、ＧａＮ含有レーザダイオードからの発光スペクトルであって、紫外線または青色波長領域の比較的狭い帯域（約０．５～３ｎｍ）の発光スペクトルと、波長変換器からの発光であって、紫外線または青色レーザダイオードよりも長いピーク波長を有する可視スペクトルの広帯域（約１０～１００ｎｍ）発光と、第２のレーザダイオードからの比較的狭い帯域（約１～１０ｎｍ）発光であって、可視光発光蛍光体のピーク波長よりも長いピーク波長を有する発光と、波長変換器からの発光であって、第２のレーザダイオードからのピーク発光波長よりも長いピーク波長を有する赤外線スペクトルの比較的広い帯域（約１～１０ｎｍ）の発光とを含む。図６Ｂは、本発明による光スペクトルの例を示す。この図では、ＧａＮ含有レーザダイオードは約４４０ｎｍ～４５５ｎｍの青色領域で発光し、可視光波長変換器部材は黄色領域で発光し、第２のレーザダイオード部材は、９００ｎｍのピーク波長で発光し、含まれる赤外線発光波長変換器部材は約１１００ｎｍのピーク波長で発光する。もちろん、本発明には、異なる波長の発光を行うＧａＮ含有レーザダイオード、異なる波長で発光する可視蛍光部材、および異なる波長で発光する赤外蛍光部材を含む、多くの他の構成が存在し得る。例えば、赤外線発光蛍光部材は、７００ｎｍ以上３μｍ以下のピーク波長で発光することができる。
図８Ｂは、本発明による統合型レーザ蛍光体白色光源の二つのレーザダイオードデバイスの実施形態を有する軸外反射モード蛍光体を示す概略図である。レーザベースの白色光源は、転写されたガリウムと窒素とを含有するエピタキシャル層１４０３に形成された二つのレーザダイオード１４０２の支持部材としての支持部材１４０１を含む二つ以上のレーザダイオードからなる。蛍光材料１４０６は、支持部材１４０８に取り付けられており、支持部材１４０１および１４０８は、表面実装パッケージなどのパッケージ部材の表面などの共通の支持部材に取り付けられることになる。複数のレーザビーム１４０７は、出力レーザファセットの前に配置された蛍光材料１４０６を励起する。
レーザダイオードの電極は、ワイヤーボンド１６０５を用いて電極部材１６０６に電気的に接続される。ワイヤーボンド１６０７、６０８は、内部フィードスルー１６０９、１６１０に形成されている。フィードスルーは外部リードと電気的に結合されている。外部リードは、電源に電気的に結合されて、白色光源を帯電させ、白色発光を生じさせることができる。
レーザ光照明システム２８１０は、必要に応じて、深度感知システム２８２０から提供されるフィードバック、または情報に基づいてレーザ光照明システムを制御する信号プロセッサおよび／または生成器２８０２を介して深度感知システム２８２０に結合可能である。一例では、深度感知システム２８２０は、対向する移動体を検知する。対向物体へのグレアを防止するため、処理ユニットは、レーザ光照明システム２８１０への電流を調整し、レーザ光照明システム２８１０の輝度を低下させ、グレアハザードを防止する。代替的な例では、深度感知システム２８２０は、移動機械のオペレータが気付かない可能性のある移動物体を検出し、衝突の危険などの安全上の危険を防止することができる。この場合、処理ユニットは、レーザ光照明システム２８１０に信号を生成し、移動物体にスポットライト機能を作動させて操縦者の注意を引くなど、光特性を変更させる。さらに、レーザ光照明システム２８１０は、移動物体をスポットライトで動的に追跡できるように、ビーム角度および／または光出力の空間パターン／位置を動的に変更する能力を有する動的光源であってもよい。
本実施形態の一例では、レーザ光照明システム２８１０および深度感知システム２８２０の部品は、統合システム２８００として、または別々のシステムとして、共通のパッケージ内に収容されてもよい。例えば、深度感知システム２８２０およびレーザ光照明システム２８１０は、自律型車両のような自動車のヘッドランプ内に収容されてもよい。別の例では、レーザ光照明システムと深度感知システムは、ドローンの照明ハウジングに収容されてもよい。
一例として、レーザ光照明システムと深度感知システムが自律型車両やドローンなどの移動機械に搭載されており、ＬＩＤＡＲシステムは走査とナビゲーションに使用され、レーザ光照明システムは物体や地形をスポット照射して通信や警告に使用される。好ましい一実施形態では、深度感知機能および照明機能は、ループを介して接続され、深度感知結果は、動的レーザベースの照明パターンにフィードバックするセンサ信号として機能する。例えば、範囲マッピングによって道路脇に動物が検出された場合、当該動物にレーザ照明光源が優先的にスポットライトを当てるように構成することができる。別の例では、範囲マッピングによって対向車が検出された場合、レーザベースの照明パターンは、対向車にビームを表示にしたり暗くするように構成することができる。もちろん、自動車、レクリエーション、商業、宇宙および防衛など多くの用途で、動的照明パターンと動的深度走査パターンを併用することで、機能性や安全性を高められる例は数多くある。

Claims (22)

  1. 可視光発光と赤外光線発光とで照明を行うように構成されたポータブル照明デバイスであって、前記ポータブル照明デバイスは、
    パッケージ内に配置された光導波領域と一つ以上のファセット領域とを含む光学キャビティで構成された、第１のポンプ光デバイスであって、
    少なくとも１つの前記ファセット領域を介して、第１のピーク波長によって特徴づけられた指向性電磁放射を出力するように構成されたガリウムと窒素を含有するレーザダイオードを少なくとも１つ含む、第１のポンプ光デバイスと、
    前記パッケージ内の、前記指向性電磁放射を受信する経路に構成され、前記第１のピーク波長を有する前記指向性電磁放射の少なくとも一部を前記第１のピーク波長よりも長い少なくとも第２のピーク波長に変換し、少なくとも前記第２のピーク波長からなる白色発光を生成する第１の波長変換器と、
    赤外線発光レーザダイオードをパッケージに搭載し、赤外線電磁放射を前記経路に供給する第２のポンプ光デバイスと、
    前記第１のポンプ光デバイス、前記第１の波長変換器、および前記第２のポンプ光デバイスを囲む表面構造と、前記白色発光および／または前記赤外線電磁放射を出力する前面開口部とを有するコンパクトなハウジング部材と、
    前記コンパクトなハウジング部材に収納された電源と、前記表面構造に配置された充電ポートと、
    前記前面開口部から出力された白色発光および／または赤外線電磁放射をコリメート又は投影するビーム整形器と、を備えることを特徴とする。
  2. 前記ガリウムと窒素とを含有するレーザダイオードは、３９０ｎｍ～４２０ｎｍの紫色波長領域、または４２０ｎｍ～４８０ｎｍの青色波長領域で、第１のピーク波長によって特徴付けられる指向性電磁放射をレーザ照射することを特徴とする請求項１に記載のポータブル照明デバイス。
  3. 前記第１の波長変換器は、前記第１のポンプ光デバイスからの前記第１の波長を有する前記指向性電磁放射が前記第１の波長変換器の励起表面に入射する反射モードで動作し、前記波長変換器からの前記第２の波長の一次発光は、同一の励起表面から出射されることを特徴とする請求項１記載のポータブル照明デバイス。
  4. 前記第１の波長変換器は、前記第２のポンプ光デバイスの前記赤外線発光レーザダイオードからの赤外線電磁放射を受信する前記経路に光学的に結合され、前記第１の波長変換器は、最小限の吸収で赤外線電磁放射を反射および／または散乱するように構成され、前記赤外線電磁放射と前記白色発光が同一空間領域内で重なり合う、ことを特徴とする請求項３に記載のポータブル照明デバイス。
  5. 前記第１の波長変換器は、前記第１のポンプ光デバイスからの前記第１の波長を有する前記指向性電磁放射が前記第１の波長変換器の励起表面に入射する透過モードの動作によって特徴づけられ、前記第１の波長変換器からの前記第２の波長の前記一次発光は、前記励起表面の反対側にある発光面から放射されることを特徴とする請求項１記載のポータブル照明デバイス。
  6. 前記第１の波長変換器は、前記第２のポンプ光デバイスからの前記赤外線電磁放射を受信する前記経路に光学的に結合されており、前記第１の波長変換器は、最小限の吸収で前記赤外線電磁放射を透過および／または散乱し、前記赤外線電磁放射と前記白色発光は同一空間領域内で重なり合うことを特徴とする請求項５に記載のポータブル照明デバイス。
  7. 前記第１の波長変換器は、蛍光材料を含み、前記蛍光材料はＣｅをドープしたセラミックイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、またはＣｅをドープした単結晶ＹＡＧ、または結合材を含む粉末ＹＡＧからなり、蛍光材料が光変換効率５０ルーメン／光学ワット以上であることを特徴とする請求項１記載のポータブル照明デバイス。
  8. 前記赤外線発光レーザダイオードは、７００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲の第３の波長、１１００ｎｍ～２５００ｎｍの範囲の波長、または２５００ｎｍ～１５０００ｎｍの範囲の波長によって特徴付けられる前記赤外線電磁放射をレーザ照射するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のポータブル照明デバイス。
  9. 前記赤外線発光レーザダイオードは、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、またはこれらの組み合わせからなる材料系に基づくことを特徴とする請求項１に記載のポータブル照明デバイス。
  10. 前記赤外線発光レーザダイオードは、量子井戸レーザダイオードなどのバンド間電子ホール組換えに基づくか、バンド内もしくはバンド間遷移で動作する量子カスケードレーザダイオードに基づくか、または、縁部発光空洞設計もしくは垂直空洞発光設計に基づく、ことを特徴とする請求項９に記載のポータブル照明デバイス。
  11. 内部構造体に固定され、前記パッケージを支持するヒートシンクをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のポータブル照明デバイス。
  12. 前記ガリウムと窒素を含有するレーザダイオードと前記赤外線発光レーザダイオードの前記パッケージは、ＴＯ缶型、フラットパッケージ型、バタフライ型から選択されるレーザパッケージが利用されることを特徴とする請求項１に記載のポータブル照明デバイス。
  13. 前記ビーム整形器は、前記白色発光および／または前記赤外線電磁放射を誘導、コリメート、集束し、その角度分布を少なくとも修正するように構成された、遅軸コリメートレンズ、速軸コリメートレンズ、非球面レンズ、ボールレンズ、全内部反射（ＴＩＲ）光学系、放物線型レンズ光学系、屈折光学系、および微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーのリストから選択される１つ以上の光学素子の１つまたは組み合わせを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のポータブル照明デバイス。
  14. 前記前面開口部に組み合わされたビーム操縦ユニットであって、少なくとも前記白色発光の前記指向性ビームを、または独立して、ビーム角２度以下で赤外線電磁放射を投射するための全内部反射（ＴＩＲ）光学系およびレンズとを少なくとも含むビーム操縦ユニットをさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載のポータブル照明デバイス。
  15. 前記コンパクトなハウジング部材の表面構造上に配置され、当該ハウジング部材内の電源に結合され、前記白色発光に基づく可視光照明用に前記第１のポンプ光デバイスを、または前記赤外線電磁放射に基づく赤外線照明用に前記第２のポンプ光デバイスをそれぞれ独立して作動させる、またはデュアル検出用に前記第１のポンプ光デバイスおよび前記第２の第１のポンプ光デバイスの両方を作動させるように構成されたスイッチをさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載のポータブル照明デバイス。
  16. 内部構造体に固定されたプリント回路基板アセンブリに配置され、前記指向性電磁放射および／または前記赤外線電磁放射を駆動して深度感知用のパルス信号を生成するパルス生成器をさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載のポータブル照明デバイス。
  17. 前記ビーム整形器は、前記前面開口部近傍に配置され、ターゲットにパルス信号を伝送する前記白色発光および／または赤外線発光を送信する光送信素子を備え、前記ポータブル照明デバイスは、前記前面開口部近傍に配置され、前記ターゲットから戻ってくる前記パルス信号を検出して、深度情報を推定する検出器をさらに備える、ことを特徴とする請求項１６に記載のポータブル照明デバイス。
  18. 変調器を含むことにより、入力データに基づいて、前記第１のポンプ光デバイスから出射される前記指向性電磁放射を変調してデータ信号を生成し、当該データ信号を伝送する白色発光のビームを送信する可視光通信機能をさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載のポータブル照明デバイス。
  19. 前記電源は、過充電保護、過放電保護、及び短絡保護を有する回路を含み、負の温度係数保護を含む充電可能なバッテリを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のポータブル照明デバイス。
  20. 前記充電ポートは、前記充電可能なバッテリを充電するためのＵＳＢ型ポートを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のポータブル照明デバイス。
  21. 自動車、ボート、オートバイ、ドローン、およびロボットから選択されており、請求項１に記載のポータブル照明デバイスを備えることを特徴とする移動機械。
  22. 照明デバイスを備える移動機械であって、前記照明デバイスは、
    パッケージ内に配置された光導波領域と一つ以上のファセット領域とを含む光学キャビティで構成された、第１のポンプ光デバイスであって、
    少なくとも１つの前記ファセット領域を介して、第１のピーク波長によって特徴づけられた指向性電磁放射を出力するように構成されたガリウムと窒素を含有するレーザダイオードを少なくとも１つ含む、第１のポンプ光デバイスと、
    前記パッケージ内の、前記指向性電磁放射を受信する経路に構成され、前記第１のピーク波長を有する前記指向性電磁放射の少なくとも一部を前記第１のピーク波長よりも長い少なくとも第２のピーク波長に変換し、少なくとも前記第２のピーク波長からなる白色発光を生成する 第１の波長変換器と、
    赤外線発光レーザダイオードをパッケージに搭載し、赤外線電磁放射を前記経路に供給する第２のポンプ光デバイスと、
    前記第１のポンプ光デバイス、前記第１の波長変換器、および前記第２のポンプ光デバイスを囲む表面構造と、前記白色発光および／または前記赤外線電磁放射を出力する前面開口部とを有するコンパクトなハウジング部材と、
    前記コンパクトなハウジング部材に収納された電源と、前記表面構造に配置された充電ポートと、
    前記前面開口部から出力された白色発光および／または赤外線電磁放射をコリメート又は投影するビーム整形器と、を備えることを特徴とする移動機械。

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