JP5606634B2 - 蛍光要素と光学システムとを伴う蛍光アセンブリ、蛍光アセンブリを備えた光源ユニット、蛍光アセンブリを用いて光を変換するための方法、および、蛍光アセンブリまたは光源ユニットの使用 - Google Patents
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Description
本発明は、蛍光アセンブリに関し、この蛍光アセンブリは、ポンプ光を変換光へと変換するための蛍光要素と、この変換光の少なくとも一部および／またはこのポンプ光の少なくとも一部を伝達するための光学システムとを備えている。
投影システムから内視鏡内の光ファイバ結合された照明まで変化する用途において、高輝度照明源に対する必要性が増加している。この点において、明るい放電灯は、今日最先端技術を用いて広く使用されている。最近の開発は、高出力密度を有する光源（例えば、レーザ源（例えば、レーザダイオード））を、励起光源から離れている蛍光要素によって変換される光（本明細書では、不可視の紫外線および赤外線をも包含する）と結びつけているものである。このようにして、典型的には、紫外ポンプ光または青色ポンプ光は、蛍光体によって、より長い波長を有する光へと変換（下方変換）される。
本発明の目的は、ポンプ光を変換するための、改善された蛍光アセンブリを提供することである。
本発明の目的は、蛍光要素と、ポンプ光および／または変換光を伝達するための光学システムとを伴う蛍光アセンブリを提供することであり、この蛍光アセンブリにおいて、液浸材料が、前記蛍光要素と前記光学システムとの間に配置される。この蛍光アセンブリにおいては、液浸材料の全体積（容量、容積）が蛍光アセンブリの動作中の超過分に適応（適用）され、その結果、一時に、この全体積の５０％以下、好ましくは、４５％以下、４０％以下、３５％以下、３０％以下、２５％以下、２０％以下、１５％以下、１０％以下、５％以下、０．５％以下、０．０５％以下が、蛍光要素に向かって（ポンプ光）、および／または、蛍光要素から離れるように（変換光）、前記光学システムによって伝達される光によって通過される。従って、これらのパーセンテージは、光学システムによって誘導されてきたポンプ光、および／または、光学システムによって誘導される予定の変換光が通過する、前記蛍光要素と前記光学システムとの間の全体積の部分に関係するものであって、その部分を、本願においては「ギャップ」と呼ぶ。変換光によって特定される体積と、ポンプ光によって特定される体積とが異なる場合には、より大きな体積について言及している。
光学システムと蛍光要素との間に液浸材料を配置することによって、光学経路中の空気のギャップが回避される。従って、異なる屈折率を有する媒体間で発生するフレネル損失は最初に低減される。さらに、光は、より高い屈折率を有する媒体から空気への移行において光学軸から離れるように屈折され、このことが追加の損失を引き起こす。浸漬材料を配置することによって、例えば、浸漬材料の屈折率が、蛍光要素の屈折率ｎｐと光学システムの屈折率ｎｏｓとの間で選択される場合には、これらの屈折損失が低減されるか、または、ゼロにまで減少する。最適な結果のために、浸漬材料の屈折率は、例えば、屈折率ｎｐとｎｏｓとの積の平方根に等しくなるように選択される。結果として、蛍光アセンブリの光収集効率が改善される。
本発明に従うと、浸漬材料の超過分、すなわち、光学システムと蛍光要素との間のギャップを充填するために必要な浸漬材料より多くの浸漬材料が配置される。このようにして、使用中（光の変換中）の浸漬材料の連続的な循環が、最も単純には対流によって可能になる。本発明者らは、浸漬材料の循環によって、ストロークシフトによって蛍光要素内で生成される熱を消散させ、かつ、例えば、格子欠陥または補助的な結晶学的相によって引き起こされる、蛍光体で起こり得る寄生的吸収を消散させることを発見した。従って、浸漬材料の超過分が冷却効果を有し、拡散およびそれに伴う冷却は、例えば、温度上昇の勾配が大きくなるほど増加するという自己調整である。対流メカニズムの他に、浸漬材料の超過分は、一般的に熱容量またはヒートシンクとしても動作する。
さらに、本発明者らは、増大した温度においては高い放射強度のため液浸材料の経年劣化があることを発見した。結果として、浸漬材料の超過は、浸漬材料の平均的損傷を有利に低減し、結果として、アセンブリ全体の寿命を増大する。
この点に関して、本発明は、また、光を変換するための方法にも関連し、ここでは、液浸材料が、蛍光要素と光学システムとの間に配置され、ポンプ光変換中に連続的に循環される。
一般的に、光学システムは、二重の機能を有し、変換光を収集および誘導するため、および／またはポンプ光を誘導するために配置される。ここでは、光学システムが、非画像光学要素、例えば、内面に反射性コーティングを有する中空光導体であるか、または、例えば外装または空気のような周囲媒体よりも大きい屈折率を有するコア内での全反射によって光を誘導するライトガイドであるか、または、それらを有する。同様に、光学システムは、例えばレンズまたはレンズシステムなどの画像光学要素であるか、または、画像光学要素を備えている。
蛍光要素は、ポンプ光の少なくとも一部を吸収し、より長い波長を有する変換光を放出し、ここでは、自然放出が卓越している。本発明を例示するが限定するものではない蛍光体の種類は、ＡｘＢｙＣｚＡｌ５Ｏ１２（Ａ、Ｂ、Ｃは、Ｙ、Ａｌ、Ｌｕ、Ｇａなどから選択される）（例えば、ＣｅドープＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット））であるか、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａなどを含むオルトシリケート（例えば、Ｅｕドープオルトシリケート）であるか、シリコーンアルミニウムオキシニトリドであるか、または純粋な窒化物蛍光体である。
好ましい実施形態が、従属請求項と以下の説明とから明らかであり、ここでは、詳細が、本発明の全ての局面を言及し、個別に開示されているものと考えられる。本発明は、装置のカテゴリーに制限されず、方法または使用に関しても開示される。
第一の実施形態において、光学システムの少なくとも一部が、液浸材料を収容する体積を密閉するように共同で特定する（ｃｏ−ｄｅｆｉｎｅ）。「共同で特定する」とは、蛍光要素が、体積の外面をさらなる境界手段（例えば壁部分）と共に特定することを意味する。それゆえ、好ましくは、追加の屈折率整合を必要とする中間層または接着剤を必要としないように、浸漬材料が光学システムに直接接触する。
さらなる実施形態に従うと、液浸材料を収容する体積が配置され、この体積は、蛍光要素を収容するか、または、蛍光要素の少なくとも一部によって密閉するように共同で特定されるかのいずれかである。前者の場合、蛍光要素は、体積内部に配置され、体積の内面を特定し、一方で、後者の場合においては体積が外面を特定する。このようにして、浸漬材料と蛍光要素との間の直接接触が、例えば、保証され、このことは、良好な熱輸送を結果として生じる。
好ましい実施形態において、体積の少なくとも５％、さらに好ましくは体積の少なくとも１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％が液浸材料で充填される。当然のこととして、体積はまた、液浸材料で、完全に、すなわち１００％まで充填される。例えば、液浸材料は、企業Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓから市販されている浸漬オイル（例えば、Ｉｍｍｅｒｓｏｌ（登録商標）５１８ ＦまたはＩｍｍｅｒｓｉｏｎｓｇｌｙｃｅｒｉｎ（Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｇｌｙｃｅｒｉｎｅ））である。
さらなる実施形態に従うと、アセンブリはリザーバとチャネルとを備え、ここでは、液浸材料が、リザーバからチャネルを通って蛍光要素まで供給される。浸漬材料を活動的に供給することは、蛍光要素が何らかの方法で被覆される場合に循環をサポートするか、または、浸漬材料に常に浸されているわけではない、すなわち常に覆れているわけではない蛍光要素に湿潤状態を提供する。
チャネルは、例えば、ギャップにつながる貫通孔として、光学システム自体の内部に配置されるか、または、代替的にはギャップに隣接して配置される。
さらなる実施形態において、アセンブリは、液浸材料を蛍光要素に輸送することと、液浸材料を蛍光要素に再循環するために、蛍光要素から排出される液浸材料を収集することとを行うように構成されている。好ましくは、蛍光要素が、密閉された体積内に配置されるか、または、密閉された体積を共同で特定し、この密閉された体積において，液浸材料が、蛍光要素が重力によって蛍光要素に沿って流れた後に収集される。
さらなる実施形態において、光学システムと蛍光要素とは、互いに対して可動である。したがって、ポンプ光の焦点は、蛍光要素上で移動可能であり、このことが、ポンプ光との相互作用の平均時間を低減する。本発明者らは、可動構成における蛍光体要素、特に赤色蛍光体の種類に対する増加した寿命を観察し、この増加した寿命は、励起と放出との間の大きな波長差を有し、その結果、強い加熱を被る。
有利なことに、超過して配置された浸漬材料は、蛍光要素および光学システムは互いに対して可動である場合でさえ、連続的に湿潤状態であることが可能であり、一方で、この運動はギャップ間の浸漬材料の連続的な交換をサポートする。
さらに好ましくは、蛍光要素が回転可能に装着され、回転軸の周りで円上に動く。ここで、蛍光要素は、例えば、ホイール状構成（すなわち円盤形状またはリング形状基板）で、またはモノリシックな蛍光ホイールとして配置される。回転を駆動するためのモータが、例えば、液浸材料を収容している体積の外側に配置され、ここでは、シャフトが体積に対して密閉されるか、または、磁気クラッチが適用される。
好ましくは、モータが密閉された体積内部に配置される。同様に、回転シャフトが密閉される必要がなく、または、磁気クラッチが適用されることもなく、このことが構成を単純化する。有利なことに、屈折率整合のために配置される浸漬オイルが、潤滑油としてさらに作用する。
密閉された体積内に配置されるモータが好ましくはブラシレスモータであることにより、浸漬オイルの汚染につながる炭素電極の摩耗が回避される。
さらなる実施形態において、回転軸に沿って浸漬材料が流れることを可能にするように、円状経路の内側の回転可能な蛍光要素に、液浸材料のための通路が放射方向に配置される。従って、蛍光要素は、例えば、貫通孔なしで円盤状に配置されず、その代わりに、蛍光要素が、例えば、スポークによって回転軸に対して離間され、ここで通路がスポーク間に配置される。同様に、光の伝達に影響するホイールと浸漬液体との間の摩擦力ならびに擾乱が低減される。
さらに好ましくは、誘導手段が、浸漬材料の流れを誘導するために、これらの通路に配置される。従って、その流れは特定用途に適応され、ここで、蛍光要素の周りの流量を増加させることは冷却を改善し、他方で、流量を減少させることは擾乱を回避し、結果として光の出力を安定化させる。
本発明は、また、光源ユニットに関しており、この光源ユニットは、本発明に従う蛍光アセンブリと、ポンプ光の放出のためのポンプ光源（例えば、レーザまたはＬＥＤデバイス）とを備えている。
さらに、本発明は、また、光ファイバ照明またはデータ投影システムにおける用途のための本発明に従うそれぞれの光源または蛍光アセンブリの使用に関している。
図１は、蛍光要素１と光学システム２とを伴う最先端の蛍光アセンブリを示しており、光学システム２は、光学ガラス、好ましくは、可視光範囲において１．４６および１．５２の屈折率を有する石英ガラスまたはＢＫ７で作製されている。従って、面３、面４のうちの一つの面において光学システム２に進入する光は、側壁５における全反射によって、それぞれの対向する面４、面３に誘導される。
ここでは、光学システム２の受光角度内に在る変換された光線のみが収集され、面３に到達しない光線は損なわれる。そのため、側壁５は、直線状には形成されず、ベジエ曲線（断面側面図）として形成され、これにより、面３における受光角を大きくできる。一般的に、受光の損失は、蛍光要素１と光学システム２との間のギャップ６が増加するにつれ増加する。
蛍光要素１は、ヒートシンク７上に配置され、反射モードで動作される。非画像光学システム２は、ポンプ光を蛍光要素１まで誘導し、同様に、さらなる使用のために変換光を反対方向に導くために、蛍光要素１からの変換光を収集する。
図２ａは、蛍光要素１、非画像光学システム２、およびヒートシンクを伴う蛍光アセンブリを示しており、ここでは、光学システム２は、体積と、容器２２の壁部分２１とを共同で特定し、この体積は、浸漬オイル２３で充填され、蓋２４を用いて密閉される。
ここに、非画像光学システム２は、光学システム２の面４が壁部分２１の外面と平坦になるように右側の側壁２１内のくぼみにはめ込まれる。代替的に、出口面４は、例えば、屈折率整合された接着剤によって、半透明の壁部分２１の内面に取り付けられ（そして、光学システムは、依然として、液体のための体積の外面を特定し、結果として「共同で特定する」）。
浸漬オイルは、１．６３の屈折率を有し、この屈折率は、石英ガラス（ｎｏｓ＝１．４６）で作製された非画像光学システム２と、ｎｐ＝１．８３の屈折率を有するガーネットタイプ蛍光要素１とに対して最適であり、この結果、フレネル損失および屈折率損失が低減される。約２．１の屈折率を有する窒化物蛍光体に対して、浸漬オイルの最適な屈折率は、例えば、約１．７５である（この段落では可視スペクトル範囲に対し言及したものである）。
動作中、ギャップ６内の浸漬オイルは、伝達された光（ポンプ光、図２ｂ参照）、または、光学システム２によって伝達される予定の光（変換光、図２ｃ参照）のいずれかの光によって通過される。蛍光要素１が半球内に放出するランベルト光源であるので、変換光は、通常、全体的には収束されない。にもかかわらず、ギャップ６は、典型的に、液浸材料２３の領域であり、この領域は、全光出力の例えば９０％を超える光がギャップ６内で観察されるように、最も高い光出力密度を有する。浸漬材料２３の超過分は、ギャップ内の浸漬オイルの対流により発生する連続的な交換と、その結果として起こる対流性冷却とを可能にするために提供される。
図２ｂは、光学システム２およびギャップ６を通る蛍光要素１までのポンプ光２７の伝達を示しており、ここでは、光ビームを特定する光線２７が描かれている。
図２ｃは、蛍光要素１から放出され、光学システム２によって収集された変換光を示している。ここでは、光学システム２の受光角度内にある変換光線２８のみが収集される。面３に到達しない光線２９は損なわれる。収集された変換光線２８によって特定されたギャップ６は、例えば、蛍光要素１と光学システム２との間の５０μｍ〜０．５ｍｍの距離と、約０．２５ｍｍ〜４ｍｍの放射領域の直径とを仮定して、約０．００２ｍｍ３〜７ｍｍ３の体積を有する。容器２２は、ギャップ６の体積に対する全浸漬オイル体積の比が、容器２２の特定の構成と充填％（この場合には１００％を仮定）とに依存して、６００：１〜７，５００，０００：１になるように、約４５００ｍｍ３〜１５０００ｍｍ３の体積を有する。
図３は、液浸オイル２３のための容器２２を伴う構成を示しており、ここでは、右側の壁部分のくぼみが、光学システム２の面３が壁部分２１の内面と平坦になるように、光学システムの蛍光体側の端部を受容するように構成されている。同様に、浸漬オイルを収容するための体積がこのようにして、ほぼ２０００ｍｍ３まで低減され、依然として、有意なオイルの超過が存在する。この場合には、ギャップの体積に対する全浸漬オイル体積は、２８５：１〜１，０００，０００：１である。
図４は、図３の構成と類似の構成を示しており、ここでは、光学システム２が一次レンズ４１と二次レンズ４２とを備えている画像レンズであり、一次レンズ４１と二次レンズ４２とは、ポンプ光を焦点に合わせ、変換光を平行にする。一次レンズ４１は、壁部分２１のくぼみに配置され、壁部分２１の内面と平坦である。代替的に、レンズ４１は、また、例えば屈折率整合接着剤によって、半透明の壁部分２１の内面または外面に取り付けられる。
図５は、図２に沿って説明された容器２２を示し、ここでは、蛍光要素が静止型のヒートシンク７上ではなく、回転可能に装着されたホイール５１上に配置されている。ブラシレスモータ５２が、浸漬オイル２３内部に配置されることにより、静止した（非移動式の）ケーブル５３のみが、蓋２４に対して密閉される必要がある。回転シャフト５３は、液浸オイル２３内部にあり、液浸オイル２３は潤滑油として作用する。
蛍光要素は、リング状の形状を有しており、ここでは、光学システム２の焦点内にある区画のみが光を変換し、変換する区画が、ホイール５１を回転することによってそれぞれ変更される。
図６は、アルミニウムで作製された円盤６２上に配置された、それぞれのリング形状蛍光要素１の上面図を示している。ポンプビームの焦点６１は、下部に配置され、結果として、浸漬オイル２３内部に配置される。この構成は、容器２２が、必ずしも浸漬オイルで完全に充填される必要がないことを例示しており、光学システム２およびその焦点６１が底部に配置されているので、完全に充填されないにもかかわらず、ギャップ６の湿潤状態が保証される。
図７は、代替的な蛍光体ホイールを示し、ここでは、リング形状蛍光要素１は、スポーク７２によって回転軸に対し離間されている。このようにして、浸漬オイルとホイールとの間の摩擦力が低減される。
スポークの構造は、例えば、アルミニウム円盤から、抜き打ち形成される。ここでは、ブレード７３は、スポークに残すことが可能で、蛍光要素１に対する浸漬オイル２３の流れを調節するための形状にされる。
図８は、蛍光ホイール５１と、蛍光ホイール５１上のリング形状蛍光要素１とを伴う構成を示している。ここでは、浸漬オイルが、チューブ８１を通ってリザーバから供給され、ノズルによってギャップ６に供給される。浸漬材料の供給は、電気ポンプによって駆動され、電気ポンプの動作は、蛍光体ホイール５１の回転に同時に設定される。光学特性を改善することに加えて、浸漬オイル２３は、また、潤滑油として作用する。その構成は，例えば、図２に対して説明されたように容器２２内に配置される。
図９は、同様の構成を例示しており、ここでは、浸漬オイル２３を蛍光要素１に供給するためのチャネル９１が、非画像光学システム２内の貫通孔として配置される。浸漬オイル２３はギャップ６に供給され、蛍光要素１に沿って流れ、蛍光要素１から排出された後に容器２２の底部において収集される。ポンプ９２は、このリザーバと流体接続し、浸漬オイル２３を再利用し、蛍光要素１にポンプ送出（すなわちリサイクル）する。
Claims (11)
- ポンプ光を変換光へと変換するための蛍光要素（１）と、
前記変換光と前記ポンプ光とのうちの少なくとも一方の光の少なくとも一部を伝達するための光学システム（２）と、
前記蛍光要素（１）と前記光学システム（２）との間に配置される液浸材料（２３）と
を備えている蛍光アセンブリであって、
前記蛍光アセンブリと前記液浸材料（２３）の全体積とは、蛍光アセンブリの動作中の前記液浸材料（２３）の循環を可能にするように、前記液浸材料（２３）の超過分に適応され、その結果、前記全体積の５０％以下が、前記光学システム（２）によって伝達される光によって通過される、蛍光アセンブリにおいて、
前記光学システム（２）と前記蛍光要素（１）とは、互いに対して可動であり、
前記蛍光要素（１）は、回転軸（７１）の周りの円状経路上を動くようにするために回転可能に配置されており、
前記回転軸（７１）に沿って前記液浸材料（２３）が流れることを可能にするために、前記円状経路の内側の前記蛍光要素（１）において、前記液浸材料（２３）のための通路が放射方向に配置されている、蛍光アセンブリ。 - 前記光学システム（２）の少なくとも一部が、前記液浸材料（２３）を収容している空間を密閉するように共同で特定する、請求項１記載のアセンブリ。
- 前記液浸材料（２３）を収容している空間を有し、前記空間は、前記蛍光要素（１）を収容しているか、または、前記蛍光要素（１）の少なくとも一部によって、密閉するように共同で特定されている、請求項１または２記載の蛍光アセンブリ。
- 前記空間の少なくとも５％が、前記液浸材料（２３）で充填されている、請求項２または３記載の蛍光アセンブリ。
- リザーバとチャネル（８１、９１）とを有し、前記液浸材料（２３）は、前記リザーバから前記チャネル（８１、９１）を通って前記蛍光要素（１）まで供給される、請求項１から４のうちのいずれか１項記載の蛍光アセンブリ。
- 前記液浸材料（２３）を前記リザーバから前記蛍光要素（１）まで輸送するよう構成されており、前記液浸材料（２３）は、前記液浸材料（２３）を収容する密閉された空間内で、前記蛍光要素（１）に沿って、重力または強制対流によって流され、その後再循環される、請求項５記載の蛍光アセンブリ。
- 前記回転運動を駆動するためのモータ（５２）が、前記液浸材料（２３）を密閉して収容する空間内部に配置される、請求項１から６のうちのいずれか１項記載の蛍光アセンブリ。
- 誘導手段（７３）が、前記蛍光要素（１）に対して前記液浸材料（２３）の前記流れを誘導するために、前記通路に配置される、請求項１から７のうちのいずれか１項記載の蛍光アセンブリ。
- 請求項１から８のうちのいずれか１項記載の蛍光アセンブリと、ポンプ光の放出のためのポンプ光源とを備えている、光源ユニット。
- 光を変換するための方法であって、
蛍光要素（１）を提供し、前記蛍光要素（１）によってポンプ光を変換光に変換する、ステップと、
光学システム（２）を提供し、前記光学システム（２）によって前記変換光と前記ポンプ光とのうちの少なくとも一方の光の少なくとも一部を伝達する、ステップと、
前記蛍光要素（１）と前記光学システム（２）との間に、液浸材料（２３）を提供するステップと、
前記変換の間に、前記蛍光要素（１）と前記光学システム（２）との間で前記液浸材料（２３）を連続的に循環するステップと
を包含する、方法において、
前記光学システム（２）と前記蛍光要素（１）とは、互いに対して可動であり、
前記蛍光要素（１）は、回転軸（７１）の周りの円状経路上を動くようにするために回転可能に配置されており、
前記回転軸（７１）に沿って前記液浸材料（２３）が流れることを可能にするために、前記円状経路の内側の前記蛍光要素（１）において、前記液浸材料（２３）のための通路が放射方向に配置されている、方法。 - 光ファイバ照明またはデータ投影システムにおける適用のための、請求項１から８のうちのいずれか１項記載の蛍光アセンブリまたは請求項９記載の光源ユニットの使用。
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