JP6688810B2 - 温度無依存の色点を有する高輝度光源 - Google Patents

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Description

本発明は、光源光を生成するように構成された光源と、光源光の少なくとも一部をルミネセント材料光へと変換するように構成されたルミネセント材料と、を有する照明ユニットを有する照明デバイスに関する。本発明はまた、そのような照明デバイスのうちの１つ以上を有する含む照明装置に関する。さらに、本発明は、特定の用途における該照明デバイス又は該照明装置の使用に関する。
特定の蛍光体の発光強度の温度依存性が技術的に知られている。例えば、特許文献１（ＵＳ８１０５５０２）は、ＬＥＤランプ（発光ダイオード）用の赤色ルミネセント材料としてＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕに言及している。このようなルミネセント材料は、広い（紫外から青色の）波長範囲で励起されるときに、橙色領域から赤外領域の範囲のルミネセンスを示す。多くのルミネセント材料の中で、特許文献１（ＵＳ８１０５５０２）によれば、このＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕは、比較的優れた温度特性を有する。更に示されていることには、ＬＥＤランプの電力が増大されるにつれてデバイスの温度が更に上昇され、そして、それに従って、より優れた温度特性を有するルミネセント材料が必要とされることが推定される。
高輝度光源は、例えばヘッドランプなどの自動車照明を含む様々な用途において興味深いものである。高輝度光を得る一方法は、レーザを使用することに基づいており、高強度のレーザビームが、回転する蛍光体ホイール上に集束される。また、高輝度の白色光を得るために、静止したヒートシンク上に蛍光体（すなわち、ルミネセント材料）を配設し、それを集束レーザビームで照らすことも可能である。このような構成では、例えば、青色光が蛍光体セラミックによって部分的に黄色光に変換されるときに白色光が得られる。変換される光と変換されない光との比が制御されるように、厚さ及び活性剤濃度を調節することができる。斯くして、所望の色点（カラーポイント）を得ることができる。しかしながら、光源の使用中に、例えば調光中などに、蛍光体の温度が変化し得る。蛍光体、特に、所謂ガーネット蛍光体は、温度依存の吸光度を示すので、デバイスの色点がこの温度変化の結果として変化を示すことがあり、これは望ましくない効果である。
従って、従来技術の照明デバイスは、ルミネセント材料の発光（ルミネセンス）の温度依存性に悩まされており、これは特に、このようなルミネセント材料をハイパワー励起に曝すときに問題となる。
米国特許第８１０５５０２号明細書
従って、本発明の一観点は、代わりの照明デバイスを提供することであり、それは好ましくは更に、上述の欠点のうちの１つ以上を少なくとも部分的に取り除くものである。
ルミネセント材料の発光の温度依存性を抑制するためのソリューションが、とりわけ、ルミネセント材料を冷却すること、特定のタイプのルミネセント材料（以上を参照）を選択すること、他のタイプの光源を選択すること、ルミネセント材料の使用を差し控えることなどから選択され得る。
我々は、驚くべくことに、少なくともガーネットタイプの蛍光体では、吸光度が実質的に温度依存でない点（ポイント）があることを見出した。我々は、故に、実質的に温度無依存の発光強度を得るために、そこでは蛍光体の吸光度が（広い温度範囲にわたって）温度依存性を殆ど示さない蛍光体の吸収波長と、レーザ又はその他の特に狭帯域光源の発光ピークを一致させることを提案する。故に、特定の実施形態において、例えば５０−２００℃の範囲などで、実質的に温度無依存の色点を有する白色照明デバイスが提供される。
従って、第１の態様において、本発明は、照明ユニットを有する照明デバイス（“デバイス”）を提供し、照明ユニットは、（ｉ）光源光を生成するように構成された光源、特に、半導体ベースの光源と、（ｉｉ）光源光の少なくとも一部をルミネセント材料光（ここでは、“発光”又は“ルミネセンス”としても指し示される）へと変換するように構成されたルミネセント材料とを有し、照明デバイスは、ルミネセント材料光の少なくとも一部を有する照明デバイス光（“デバイス光”）を生成するように構成され、ルミネセント材料は、当該ルミネセント材料の励起帯域（excitation band；ＥＸ）内での光源光による励起を受けてルミネセント材料光を提供するように構成され、光源は、３０ｎｍ以下の、特に２０ｎｍ以下の、より特には１０ｎｍ以下の、よりいっそう特には５ｎｍ以下の、例えば特に２ｎｍ以下などの、半値全幅（ＦＷＨＭ）を持つ光源光を提供するように構成され、且つ、光源は、励起帯域（ＥＸ）の等吸収点（isosbestic point；ＩＰ）においてルミネセント材料を励起するように構成される。
このような照明デバイスでは、例えば、５０−１００℃のルミネセント材料温度範囲にわたって、又は５０−１５０℃の範囲にわたって、又は５０−２００℃の範囲にわたって、又は更にはもっと高い温度まで、その色点がルミネセント材料温度とは実質的に独立であり得る白色光が生成され得る。白色光に関して実質的に独立な色温度が、セリウム含有ガーネットがそれらの等吸収（励起）点において励起されたときに、５０−２５０℃の温度範囲にわたって見出された。このような照明デバイスでは、光源及びルミネセント材料は、特定の一実施形態において、互いに物理的に接触せず、例えば、それらの間にスリット又は間隔が存在し得る。故に、ルミネセント材料の温度は、光源の温度よりも遥かに高くなり得る。ルミネセント材料がＬＥＤダイの頂面上に置かれ、且つルミネセント材料の吸収ピークがＬＥＤ（すなわち、励起放射）の発光ピークに実質的に対応するものである従来の白色ＬＥＤの動作においては、温度に大きな変動は存在しないとし得る。従って、色温度は実質的に同じままであり得る。しかしながら、少なくとも、光源とルミネセント材料との間に非ゼロの距離が存在するデバイスでは、例えばレーザなどの（ソリッドステート）光源からの出力が、ルミネセント材料の温度がかなりの温度範囲にわたって変動することが見出されることをもたらし得る。ここでは、温度は特に、（故に）光源の温度よりも実質的に高いとし得るものであるルミネセント材料の温度を指す。ルミネセント材料が（ソリッドステート）光源と熱的に接触しないように、ルミネセント材料を光源から離して（すなわち、非ゼロの距離で）構成することが有利であると思われる。従って、特に、好ましくは光源とルミネセント材料とが物理的に接触しない。とりわけ、好ましくは光源の光出射面とルミネセント材料とが物理的に接触しない（更に以下も参照）。
分光法において、等吸収点は、サンプルの化学反応又は物理的変化の間にサンプルのトータルでの吸光度が変化しない特定の波長、波数又は周波数である。ここで、物理的変化は、ルミネセント材料が励起光に曝され、それによって、例えばセリウムドープされたガーネット（以下も参照）の場合の三価のセリウムイオンなどの、ルミネセント材料の発光種の一部が励起状態に持ち込まれて、ルミネセンス（ここでは発光としても示される）を提供することによって減衰することを指し示す。従って、等吸収点は、ここでは、等吸収励起点としても示され得る。
各発光材料が発光スペクトル及び励起スペクトルを有する。発光は、対応する励起スペクトルを有し得る。従って、発光帯域は、対応する励起帯域を有し得る。ここでは、励起は特に、エネルギー的に発光帯域に最も近い励起帯域で起こるとし得る。特に、発光帯域は発光帯域に対してストークスシフトされる。従って、励起は一般に、最も低いエネルギー励起帯域で起こる。“ルミネセント材料の励起帯域内での光源光による励起”という言い回しは、ルミネセント材料のルミネセント材料光に対応する励起帯域での光源光による励起として読まれてもよい。ルミネセント材料光は、光源光による励起を受けてルミネセント材料から発する光である。用語“ルミネセント材料光”は“発光”として示されることもあり、また、用語“光源光”は励起光として示されることもある。
ここで、等吸収点は特に、同じ波長での励起下で、積分した発光強度が、５０−１００℃の間で（５０℃での積分発光強度に対して）５％未満、特に２％未満しか変化しない励起波長を指す。特に、等吸収点は、同じ波長での励起下で、積分発光強度が、５０−１５０℃の間で（５０℃での積分発光強度に対して）１０％未満、特に５％未満、更に特には２％未満しか変化しない励起波長を指す。更にいっそう特には、等吸収点は、同じ波長での励起下で、積分発光強度が、５０−２００℃の間で（５０℃での積分発光強度に対して）１０％未満、特に５％未満、更に特には２％未満しか変化しない励起波長を指す。従って、ルミネセント材料の温度は、例えば光源のパワーに依存して、５０−１００℃の範囲で変動し得るが、それにもかかわらず、照明デバイス光の色点は、それとは実質的に独立であり得る。
また、ここに記載されるルミネセント材料の励起は、例えば室温（“ＲＴ”；２０℃と定義する）で５ｎｍ未満のスペクトル幅を持つ励起などの、線励起（吸収）に特に基づくものではない。特に、ルミネセント材料の励起は、例えばＲＴで少なくとも４０ｎｍなど、少なくとも２０ｎｍのＦＷＨＭを持つバンド励起である（例えば、図２ａも参照）。従って、従来技術のシステムとは対照的に、光源は、そのような励起帯域のスペクトル最大値で励起するように構成されるのでなく、一方のウィングで励起するように構成される。等吸収点の位置はルミネセント材料に依存し得るが、概して、（ＲＴでの）励起最大値のピーク高さの約３０−４５％に見出される。ルミネセント材料、より正確にはその励起帯域は、該励起帯域の高エネルギー側の１つと、該励起帯域の低エネルギー側の１つとの、２つの等吸収（励起）点を有し得る。室温でのそれらの高さは必ずしも同じでない。
ルミネセント材料は、少なくとも１つの等吸収点がスペクトルの可視部分にあるように選択され得る。これは有利なことに可視波長域での励起を可能にし、それにより、励起光の一部、すなわち、特に光源光の一部が、ルミネセント材料光に変換されるが、光源光の一部が、照明デバイス光の一部としても使用され得る。従って、照明デバイスは、ルミネセント材料光の少なくとも一部を有し及びオプションで光源光の一部をも有する照明デバイス光を生成するように構成される。故に、一実施形態において、ルミネセント材料は、可視スペクトルの青色波長域内に等吸収点（ＩＰ）を有する。それに代えて、あるいは加えて、ルミネセント材料は、可視スペクトルの緑色波長域内に等吸収点（ＩＰ）を有する。それに代えて、あるいは加えて、ルミネセント材料は、特に、ルミネセント材料が、例えば１００ｎｍ以下、特に５０ｎｍ以下などの、比較的小さいストークスシフトを持つとき、可視スペクトルの赤色波長域内に等吸収点（ＩＰ）を有する。それに代えて、あるいは加えて、ルミネセント材料は、スペクトルの可視部のうちの別の部分に等吸収点を有する。
ルミネセント材料が青色内に等吸収（励起）点を有すると仮定すると、特に、青色ＬＥＤ又は青色レーザのような青色発光光源が適用され得る。従って、一実施形態において、光源は青色光源光を生成するように構成される。
特に、光源は、動作中に少なくとも、２００−４９０ｎｍの範囲から選択される波長の光（光源光）を放つ光源であり、特に、動作中に少なくとも、４００−４９０ｎｍの範囲、更に特には４４０−４９０ｎｍの範囲内から選択される波長の光を放つ光源である。この光が、波長コンバータすなわちルミネセント材料によって、部分的に使用され得る。従って、特定の一実施形態において、光源は青色光（光源光）を生成するように構成される。特定の一実施形態において、光源はソリッドステートＬＥＤ光源（例えばＬＥＤ又はレーザダイオードなど）を有する。用語“光源”はまた、例えば２−２０個の（ソリッドステート）ＬＥＤ光源などの、複数の光源に関係し得る。従って、ＬＥＤなる用語は、複数のＬＥＤを指すこともある。
光源光は、ルミネセント材料に放射結合される。用語“放射結合される”は特に、光源によって放たれた放射の少なくとも一部がルミネセント材料によって受けられる（そして、少なくとも部分的にルミネセンスに変換される）ように、光源とルミネセント材料とが互いに結合されることを意味する。ルミネセント材料は、光源から非ゼロの距離に構成されてもよいし、又は光源と物理的に接触していてもよい。前者の実施形態は更に近傍又は遠隔として区別されることができ、前者は、ルミネセント材料を光源の近くに有し、後者は、ルミネセント材料を光源から遠くに有する。ここでは、一実施形態において、光源は、ルミネセント材料から１ｍｍ以下の距離に構成された発光表面を有する。従って、特別な一実施形態において、この距離は比較的小さく、又はゼロでさえある。従って、より更なる一実施形態において、光源は、ルミネセント材料と物理的に接触した発光表面を有する。しかしながら、この距離はまた、例えば少なくとも０．１ｍｍなど、少なくとも０．２ｍｍ、若しくは少なくとも０．５ｍｍのように、少なくとも１ｍｍ、特に少なくとも２ｍｍ、若しくは少なくとも５ｍｍのように、０．１−２０ｍｍの範囲内のように、例えば特に０．５−２０ｍｍなど、非ゼロであってもよい。ここで、この距離は特に、光射出表面（例えばソリッドステート光源ダイなど）とルミネセント材料との間の最短距離を指す（更に以下も参照）。
従って、より一般的には、照明デバイスは、光コンバータ又は波長コンバータを有する。コンバータは、ルミネセント材料それ自体であってもよい。更なる他の一実施形態において、コンバータは、ルミネセント材料が埋め込まれる（例えば分散されるなど）マトリクスを有する。
従って、特定の一実施形態において、照明デバイスは、ルミネセント材料を有するコンバータを有し、コンバータはコンバータ表面を有し、光源は光出射表面を有し、コンバータ表面は、少なくとも０．５ｍｍ、又は少なくとも１ｍｍ、又は少なくとも２ｍｍ、例えば０．５−２０ｍｍの範囲内などの最短距離（ｄ）にて構成される。従って、特には、光源及びルミネセント材料は、物理的に接触しておらず、特に熱的に接触していない。特に、光源とルミネセント材料との間に、（空気のような）気体、又は真空、又は低熱導材料のうちの１つ以上が存在し、特に、気体又は真空が存在する。
ルミネセント材料は特に、例えば量子ドットベースのルミネセント材料又は無機蛍光材料などの、無機ルミネセント材料とし得る。用語“ルミネセント材料”は実施形態において２つ以上の異なるルミネセント材料の組み合わせを指すこともあるが、ここでは、用語“ルミネセント材料”又は“光源に放射結合されたルミネセント材料”は特には、実質的に単一のルミネセント材料を指す。一実施形態において、ルミネセント材料は、少なくとも９０重量パーセント（“ｗｔ％”）の、特に少なくとも９５ｗｔ％の、単一の発光種（例えば量子ドット、有機色素、又は無機蛍光体など）を有する。例えば、ルミネセント材料（埋め込まれているか否かにかかわらず）は、少なくとも９０ｗｔ％の、例えばロッド（シェル）内のドット（コア）などの、ＣｄＳ／ＺｎＳコア／シェル量子ドットを有し得る。
特に、ルミネセント材料は、Ａ３Ｂ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋型のルミネセント材料を有し、Ａは、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ及びＬｕからなる群から選択され、Ｂは、Ａｌ、Ｇａ及びＳｃからなる群から選択される。ルミネセント材料は（故に）ガーネット材料を有し得る。従って、一実施形態において、ルミネセント材料は、セリウムドープされたＡ３Ｂ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋のクラスのガーネット材料を有する。特に、ルミネセント材料は、ルミネセントセラミックを有し得る。ガーネット材料、特に、セラミックガーネット材料は、ここでは、“ルミネセント材料”としても指し示される。このルミネセント材料は、Ａ３Ｂ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋（ガーネット材料）を有し、Ａは特に、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｂ、Ｇｄ及びＬｕからなる群から選択され、Ｂは特に、Ａｌ、Ｓｃ及びＧａからなる群から選択される。更に特には、Ａは、イットリウム（Ｙ）、ガドリニウム（Ｇｄ）及びルテチウム（Ｌｕ）のうちの１つ以上を有し、Ｂはアルミニウム（Ａｌ）を有する。このようなガーネットは、セリウム（Ｃｅ）でドープされ、及びオプションで、例えばプラセオジム（Ｐｒ）などの他のルミネセント種でドープされ得る。特定の一実施形態において、Ｂは、約４０％以上のＡｌ及び６０％以下のＧａからなる。特に、Ｂはアルミニウム（Ａｌ）を有するが、Ｂはまた部分的にガリウム（Ｇａ）及び／又はスカンジウム（Ｓｃ）及び／又はインジウム（Ｉｎ）を有していてもよく、特に、約２０％までのＡｌ、より具体的には、約１０％までのＡｌが置換されてもよく（すなわち、Ａイオンは基本的に、９０モル％以上のＡｌと、１０モル％以下の、Ｇａ、Ｓｃ及びＩｎのうちの１つ以上とで構成される）；Ｂは特に、約１０％までのガリウムを含み得る。他の一変形例では、Ｂ及びＯが、少なくとも部分的にＳｉ及びＮで置き換えられてもよい。“Ａは、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ及びＬｕからなる群から選択される”のような言い回し及び同様の言い回しは、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ及びＬｕのうちの１つ以上をＡが有し得ることを指し示す。
上述のように、元素Ａは特に、イットリウム（Ｙ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）及びルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選択され得る。
特に、Ａは、Ｙ、Ｇｄ及びＬｕのうちの少なくとも１つ以上、更に特にはＹ及びＬｕのうちの少なくとも１つ以上を有する。また、特に、Ｂの少なくとも９０モル％はＡｌである。一実施形態において、ルミネセント材料は、（Ｙ，Ｌｕ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅを有し、ここで、“Ｙ，Ｌｕ”は、ＡがＹ及びＬｕのうちの１つ以上を有し得ることを示す。
ここに記載されるルミネセント材料は特に、その化学式で示される。元素が示されているとしても、不純物及び／又は他の相の存在が排除されるわけではない。ルミネセント材料（“蛍光体”）はまた、ハロゲン不純物及び金属不純物のうちの１つ以上のような不純物を含み得る。ルミネセント材料はまた、ここに規定される１つ以上のルミネセント材料とは別に、既に示された（残存する）、フラックス材料、残存出発材料、及び１つ以上の（それぞれの）ルミネセント材料の合成中にこれまた形成される１つ以上の相、のうちの１つ以上のような他の相を含む。一般に、このような（１つ以上の）他の相の重量パーセンテージは、（ルミネセント材料の総重量に対して）約１０ｗｔ％未満になるであろう。これは技術的に知られたことである。
従って、励起光すなわち光源光のピーク最大値と、ルミネセント材料の（１つ以上の）等吸収点とが、特に、それらが実質的に重なり合うように選定される。特定の一実施形態において、光源は、ピーク最大値（ＭＸ２）を持つ光源光を提供するように構成され、ピーク最大値（ＭＸ２）は、等吸収点（ＩＰ）の５ｎｍ以内で選択される。さらに特に、光源は、２０ｎｍ以下のＦＷＨＭを持つ発光帯域を持つ光源光（すなわち、ルミネセント材料にとっての励起光）を提供する。しかし、特には、この帯域幅は実質的にもっと小さく、例えば、（例えばレーザの場合などで）５ｎｍ以下のように、１０ｎｍ以下などである。ここでは、光源光の帯域幅は、最大パワーでの動作との関連で指し示される。
また、上述のように、本発明の利点は、光源がハイパワー光源であり且つ／或いはその光が比較的集束されるときに、よりいっそう意味を帯び得る。従って、更なる一実施形態において、照明デバイスは、ルミネセント材料を有するコンバータを有し、コンバータはコンバータ表面を有し、光源は、コンバータの照射表面上に少なくとも１Ｗ／ｃｍ２の放射照度をもたらすパワーで、コンバータ表面に光源光を提供するように構成される。従って、従って、特定の一実施形態において、照明デバイスは、ルミネセント材料を有するコンバータを有し、コンバータはコンバータ表面を有し、光源は、コンバータ表面に光源光を提供するように構成される。特に、光源は、コンバータの照射表面上に、例えば少なくとも５Ｗ／ｃｍ２、更に特には少なくとも１０Ｗ／ｃｍ２、よりいっそう特には２５Ｗ／ｃｍ２など、少なくとも１Ｗ／ｃｍ２の放射照度をもたらすパワーで、コンバータ表面に光源光を提供するように構成される。放射照度又は照射は、ルミネセント材料の小さい面積がレーザによって照らされるときに更に高くなることがあり、その場合、放射照度は、例えば１０００Ｗ／ｃｍ２又はそれより高くなど、少なくとも１００Ｗ／ｃｍ２となり得る。
特定の一実施形態において、照明デバイスは、少なくとも２Ｗ／（ｓｒ．ｍｍ２）の放射輝度を持つ照明デバイス光を提供するように構成される。単位“ｓｒ”はステラジアン（立体角）を表す。また、例えば５−５０Ｗ／（ｓｒ．ｍｍ２）の範囲内など、ルミネセント材料に対して例えば少なくとも５Ｗ／（ｓｒ．ｍｍ２）などの更に高い放射輝度が達成されてもよい。
上述のように、このコンバータ表面は、例えばコーティングなどのルミネセント材料層の表面であってもよい。故に、特定の一実施形態において、光源は、ピーク最大値（ＭＸ２）を持つ光源光を提供するように構成され、ピーク最大値（ＭＸ２）は、等吸収点（ＩＰ）の５ｎｍ以内で選択され、光源光は、１０ｎｍ以下の半値全幅（ＦＷＨＭ）を持ち、照明デバイスは、ルミネセント材料を有するコンバータを有し、コンバータはコンバータ表面を有し、光源は、コンバータの照射表面上に少なくとも１Ｗ／ｃｍ２の放射照度をもたらすパワーで、コンバータ表面に光源光を提供するように構成される。上述のように、特に、光源は比較的狭い帯域の光源である。故に、更なる一実施形態において、光源は、例えばソリッドステートレーザなどのレーザを有する。
ルミネセント材料は、例えば、ルミネセント層として設けられ得る。
さらに、照明デバイスは、ソリッドステート光源の冷却を支援するように構成されたヒートシンクを含み得る。ヒートシンクは、銅、アルミニウム、銀、金、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、アルミニウムシリコンカーバイド、酸化ベリリウム、シリコン−シリコンカーバイド、アルミニウムシリコンカーバイド、銅タングステン合金、銅モリブデンカーバイド、炭素、ダイヤモンド、グラファイト、及びそれらの２つ以上の組み合わせを有し、又はそれから構成され得る。
上述のように、本発明は、小面積の蛍光体を照らすように適用され得る。故に、更なる一実施形態において、照明デバイスは、スポット状のルミネセント材料を有し、このスポットは、例えば最大で１ｍｍ２など、最大で４ｍｍ２の面積を持つ。このような小面積の又は小さいスポット状の蛍光体の例は、最大で０．２５ｍｍ２、例えば特に最大で０．０４ｍｍ２など、更に特には最大で０．０１ｍｍ２のようなものである。最小面積は、例えば、約０．００１ｍｍ２の域であるとし得る。小面積の蛍光体は、例えば、自動車用途で、光を光ファイバ内にカップリングするために使用され得る。故に、光源光で照らされる領域は、コンバータ表面としても指し示され得る。従って、一実施形態において、照明デバイスは、スポット状のルミネセント材料を有し、このスポットは最大で１ｍｍ２の面積を持つ。
ルミネセント材料、又は特に小面積の蛍光体は、光源光の少なくとも一部を変換するように構成される。
上述のように、照明デバイス光は、（ｉ）ルミネセント材料光の少なくとも一部、又は（ｉｉ）ルミネセント材料光の少なくとも一部と光源光の一部、で構成される。
しかしながら、照明デバイスは更に、オプションで更なるルミネセント材料と放射結合された、別の光源を含んでいてもよい。このような光源とルミネセント材料との組み合わせも、オプションで、上述の組み合わせとして構成され得る。従って、一実施形態において、照明デバイスは、（ｉ）光源光を生成するように構成された光源、特に、半導体ベースの光源と、（ｉｉ）励起波長及び等吸収点に関して上で規定したような、光源光の少なくとも一部をルミネセント材料光へと変換するように構成されたルミネセント材料とを有し、オプションで更に、オプションで更なるルミネセント材料に放射結合された更なる光源を有した、単一の照明ユニットを有する。その場合、照明デバイス光は、ルミネセント材料光及び更なるルミネセント材料光のうちの少なくとも１つ以上を有し得るとともに、オプションで、光源光及び更なる光源光のうちの１つ以上を有し得る。例えば、斯くして白色照明デバイスが生成され得る。
しかしながら、照明デバイスはまた、複数の照明ユニットを有することができ、それらのうち１つ以上が同じであってもよいが、それらのうち１つ以上は異なり得る。従って、より更なる一実施形態において、照明デバイスは更に、複数の上記照明ユニットを有し、各照明ユニットが、対応するルミネセント材料光を提供するように構成され、照明デバイス光は、これらのルミネセント材料光のうちの１つ以上を有する。例えば、やはり斯くして、例えば白色照明デバイス光が生成され得る。
従って、特定の一実施形態において、照明デバイスは、白色照明デバイス光を提供するように構成される。なお、照明デバイスはまた、色付きの照明デバイス光を提供するように構成されてもよい。さらに、照明デバイスが２つ以上の（異なる）光源及び／又は２つ以上の（異なる）ルミネセント材料を有するとき、色付きの光を提供する（１つ以上の）光源及び（１つ以上の）ルミネセント材料の構成が選択されてもよい。
さらに、照明デバイスはまた、光源光の強度を制御するように構成された制御ユニットを有し得る。それにより、照明デバイス光の強度が制御され得るとともに、オプションで照明デバイス光の色も制御され得る。
特に、照明デバイス光の色点は、故に、ルミネセント材料の温度とは実質的に独立である。従って、特定の一実施形態において、照明デバイスは、５０−１００℃の範囲にわたる、又は５０−１５０℃の範囲にわたる、又は更には５０−２００℃の範囲にわたるルミネセント材料温度で、（５０℃でのルミネセント材料の色点に対して）｜Δｘ｜≦０．０５及び／又は｜Δｙ｜≦０．０５の範囲内の、特に｜Δｘ｜≦０．０３及び／又は｜Δｙ｜≦０．０３の範囲内の、（照明デバイス光の）色点変化を持ち得る。従って、照明デバイス光の色点は、ルミネセント材料の温度とは実質的に独立であり得る。従って、等吸収（励起）点にある光源で励起することによって、実質的にルミネセント温度無依存の、照明デバイス光の色点を得ることができる。当然ながら、照明デバイスが、例えば１つ以上の他の光源を含むとき、オプションでまた、色点が変化されてもよい。
本発明はまた、更なる一態様において、ここに規定される照明デバイスを有する照明装置（“装置”）を提供する。従って、照明装置の更なる一実施形態において、この装置は更に、１つ以上の更なる照明デバイスを有し、上記照明デバイス及び上記１つ以上の更なる照明デバイスは、白色照明デバイス光を提供するように構成される。特に、上記１つ以上の更なる照明装置は、ここに規定される１つ以上の照明デバイスを有する。例えば、青色光を生成する照明デバイスと、緑色光を生成する照明デバイスと、赤色光を生成する照明デバイスとが組み合わされ得る。それに代えて、あるいは加えて、青色光を生成するここに規定の照明デバイスが、黄色蛍光体を照らすように使用され得る。
照明デバイスは、例えば、光ファイバ応用システム、警告標識システム、インジケータ標識システム、可搬式システム、又は自動車応用などの一部であるか、それに適用されるかし得る。特に、ここに規定される照明デバイス、又はここに規定される照明装置は、自動車照明で使用され得る。従って、用途のうちの１つは、例えば乗用車、トラック、バス、オートバイ、電車、都市型電車などのヘッドライトにおけるなどの、自動車におけるものとし得る。従って、一実施形態において、本発明はまた、ここに規定される照明デバイスを有する自動車用ランプを提供する。
用語“紫色光”又は“紫色発光”は、特に、約３８０−４４０ｎｍの範囲内の波長を持つ光に関する。用語“青色光”又は“青色発光”は、特に、約４４０−４９５ｎｍの範囲内（一部の紫色及び青緑色の色相を含む）の波長を持つ光に関する。用語“緑色光”又は“緑色発光”は、特に、約４９５−５７０ｎｍの範囲内の波長を持つ光に関する。用語“黄色光”又は“黄色発光”は、特に、約５７０−５９０ｎｍの範囲内の波長を持つ光に関する。用語“橙色光”又は“橙色発光”は、特に、約５９０−６２０ｎｍの範囲内の波長を持つ光に関する。用語“赤色光”又は“赤色発光”は、特に、約６２０−７８０ｎｍの範囲内の波長を持つ光に関する。用語“桃色光”又は“桃色発光”は、青色成分及び赤色成分を持つ光を表す。用語“可視”、“可視光”又は“可視発光”は、約３８０−７８０ｎｍの範囲内の波長を持つ光を表す。
次いで、以下の図を含む添付の模式的な図面を参照して、単に例として、本発明の実施形態を説明する。図面において、対応し合う参照符号は、対応し合う部分を指し示している。
本発明の一態様を模式的に描いている。 本発明の一態様を模式的に描いている。 本発明の一態様を模式的に描いている。 本発明の一態様を模式的に描いている。 本発明の幾つかの態様を模式的に描いている。 ＹＡＧの異なる温度での吸収（励起）特性を示している。 ＹＡＧの異なる波長での吸収（励起）特性を示している。 これらの模式図は必ずしも縮尺通りではない。
図１ａは、照明デバイス光１０１を生成するように構成された照明デバイス１００の一実施形態を模式的に描いている。照明デバイス１００は、光源光１１を生成するように構成された光源１０と、光源光１１の少なくとも一部をルミネセント材料光２１へと変換するように構成されたルミネセント材料２０とを有している。照明デバイス１００の下流の光が、参照符号１０１で指し示されている。光１０１は少なくとも、ルミネセント材料２０の発光又はルミネセンス、すなわち、ルミネセント材料光２１を有する。オプションで、光源光１１の一部も、照明デバイス光１０１に含まれ得る。これは、光源光及びルミネセント材料光の波長が実質的に同じであり得るとき、及び／又は所望の色（例えば、黄色のルミネセント材料光を伴う青色光源光など）を有し得るとき、問題ではないとし得る。
光源１０は、ルミネセント材料２０の上流に構成され、ルミネセント材料光２１はルミネセント材料から下流に生じる。特に、ここでは透過構成が適用されている。用語“上流”及び“下流”は、光生成手段（ここでは特に光源１０）からの光の伝播に対するアイテム又は機構の配置に関係し、光生成手段からの光ビーム内の第１の位置に対して、光生成手段にいっそう近い光ビーム内の第２の位置が“上流”であり、光生成手段から更に離れた光ビーム内の第３の位置が“下流”である。ここでは例として透過構成が描かれている。しかしながら、後述のように、反射構成が選択されてもよい。
図１ａは、スポット状のルミネセント材料２０を有する照明デバイス１００の一実施形態を模式的に描いており、このスポットは、例えば、最大で１ｍｍ２又は更に小さい面積を持つ。スポットの寸法は、例として、何が当てはまろうと長さ及び幅又は直径を示すＬ／Ｗ／Ｄで指し示される。スポットは、例えば円形、正方形、長方形、楕円形など、如何なる（断面）形状を有していてもよいが、特に、円形（寸法Ｄを有する）又は正方形（寸法Ｌ＝Ｗを有する）を有し得る。参照符号２００は、ルミネセント材料２０を有するコンバータ、又はルミネセント材料２０を有するスポットを指し示しており、参照符号２０１は、コンバータ表面、すなわち、光源１０がその光１１を照射し得るコンバータ２００の表面を指し示している。
図１ｂは、ルミネセント材料の発光ＥＭ又はルミネセント材料光２１を模式的に描いている。例えば発光ＥＭ又はルミネセント材料光２１の発光最大値ＭＭ３（ピーク波長）でルミネセント材料の発光をモニタするときなどの、対応する励起。これは、最大値ＭＸ１（ピーク波長）を有する対応する励起曲線ＥＸを生成する。この励起は、ＩＰ（１）で指し示された、高エネルギー側である短かめの波長にある１つと、ＩＰ（２）で指し示された、低エネルギー側である長めの波長にある１つとの、２つの等吸収点ＩＰを有するように見える。ストークスシフトは、励起最大値ＭＸ１と発光最大値ＭＭ３との間の（エネルギー）差である。なお、ＩＰ（１）及びＩＰ（２）は必ずしも同じ高さにはない。ルミネセント材料は、故に、ここでは例としてＩＰ（１）である等吸収点において光源光１１で励起されて、ルミネセント材料光２１又は発光ＥＭをもたらす。
従って、光源は特に、等吸収点ＩＰにある励起帯域内でルミネセント材料を励起するように構成される。これは、励起光又は光源光１１が、実質的にここでは高エネルギー等吸収点ＩＰ（１）である等吸収点のみにおいて励起帯域ＥＸと重なる（狭い）帯域として示されている点で、図１ｂに反映されている。光源光１１の最大値であるＭＸ２は、ＩＰ（１）とほぼ同じ波長にある。
例えば、これらの等吸収点のうちの１つ、ここでは特にＩＰ（１）、は青色域内にあり得る。所望のとき、発光ＥＭが黄色域内にあるとして、白色照明デバイス光が提供され得る。
例えば自動車用ヘッドランプなどの様々な用途において、高輝度光源を有することが望ましい。
そのような光源はレーザ光に基づき得る。しかしながら、レーザを用いる場合、コヒーレンス及び眼の安全性が問題となる。その理由から、レーザ光を他の波長に変換することが望ましい。変換において、小さい体積内で多量の熱が生成され、それが温度上昇につながる。
一実施形態において、我々は、レーザダイオードと蛍光体材料とを有する照明デバイスを提案する（例えば図１ａも参照）。蛍光体材料は、レーザ光を吸収し、変換されたレーザ光を放つ。
狭帯域エミッタは、反射性のヒートシンク７７によって部分的に包囲され得る（図１ｃ）。他の一構成において、我々は、反射モードでのコンバータ２００の使用を提案する（図１ｄ）。他の一実施形態において、我々は、（ソリッドステート光源１０として）複数のレーザを使用して同一のコンバータ２００（又はルミネセント素子）をポンピングすることを提案する。
光源は、原理上、如何なるタイプの点光源であってよいが、一実施形態において、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、複数のＬＥＤ若しくはレーザダイオード若しくはＯＬＥＤ、アレイ状のＬＥＤ若しくはレーザダイオード、又はこれらの何らかの組み合わせなどの、ソリッドステート光源である。
また、照明デバイスは、例えば、複合放物面型集光素子（ＣＰＣ）などの集光素子のような、導波路とは別個の及び／又は導波路に一体化された、更なる光学素子を含み得る。
図１ｅは、照明デバイス及び／又は照明装置の幾つかの更なる態様を模式的に描いている。とりわけ、この模式図は、複数の上記照明ユニット７０（１）、７０（２）、・・・を有する照明デバイス１００の一実施形態を示しており、各照明ユニット７０（１）、７０（２）、・・・は、対応するルミネセント材料光２１（１）、２１（２）、・・・を提供するように構成されている。照明デバイス光１０１は、これらのルミネセント材料光２１（１）、２１（２）、・・・のうちの１つ以上を有する。なお、光源は同じであってもよいし、異なっていてもよい。同様に、ルミネセント材料は同じであってもよいし、異なっていてもよい。表示“・・・”は、オプションでもっと多くのそのようなアイテム（例えば７０（１）、７０（２）、７０（３）等々）が利用可能であり得ることを指し示している。また、上述のように、各照明ユニットが、光源１０と、該光源１０に放射結合されたルミネセント材料２０とを有し得る。
さらに、この図はまた、ここでは例として少なくとも２つの照明ユニット７０を有する照明デバイス１００であるここに規定の照明デバイス１００を有した照明装置１０００の一実施形態を模式的に描いている。さらに、例として、照明装置１０００は、１つ以上の更なる照明デバイス１１００を有している。これら１つ以上の更なる照明デバイス１１００は、更なる照明デバイス光１１０１を生成するように構成される。照明デバイス１００及びこれら１つ以上の更なる照明デバイス１１００は、一実施形態において、白色照明装置光１００１を提供するように構成される。
ここに規定される発光デバイスを有するランプ、照明器具、及び照明システムが、以下の用途のうちの１つ以上、すなわち、自動車照明、光ファイバ照明、警告照明システムのうち１つ以上で使用され得る。更なる他の一実施形態において、我々は、ランプ、照明器具又は照明システムにおける照明デバイスの使用を提案する。更なる他の一実施形態において、我々は、例えばヘッドランプなどの自動車用ランプにおける照明デバイスの使用を提案する。
例えば量子ドット（ＱＤ）又はセリウム含有ガーネットなどの材料を使用することができる。
白色ＬＥＤの製造に使用される最も一般的な蛍光体のうちの１つは、Ｃｅ：ＹＡＧ（すなわち、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋）である。このような蛍光体は、図１ｃ及び１ｄにそれぞれ示される透過モード又は反射モードで使用されることができる。この例では、青色光の７５％がＣｅ：ＹＡＧによって変換され、且つ所謂ストークスシフト損失以外の損失は存在しないと仮定する。しかしながら、Ｃｅ活性剤を有するこのような蛍光体セラミック中での温度の関数としての透過率は、図２ａに示されるように温度依存性である。この図は、透過率が温度上昇に伴って上昇を示すことを示している。このような板が例えばレーザ光源によって照射されるとき、部分的吸収及び青色光から黄色光への変換によって白色光を作り出すことができる。しかしながら、温度が変化するにつれて、黄色に対する青色の比率が変化して、トータルの光の色点を変えることになる。４３０ｎｍでは、他の波長とは異なり、温度の関数として吸収依存性が殆ど存在しないことが見て取れる（図２ｂ）。
照明デバイス光の色点を、２つの温度（６０℃及び２５０℃）で、様々な励起波長について測定した。光源光のピーク波長として４３０ｎｍを使用したものを除いて、照明デバイス光の色座標におけるシフト（少なくとも｜Δｘ｜＝０．０５及び／又は｜Δｙ｜＝０．０５のオーダー）が観察された。我々は故に、温度無依存の色点の白色光源を得るために、例えばレーザなどの光源の発光ピークを、そこでは蛍光体の吸光度が温度依存性を殆ど示さない蛍光体の吸収波長と一致させることを提案する（図２ａによれば、この蛍光体の場合、それは４３０ｎｍ付近及び４９０ｎｍ付近である）。
また、例えばＬｕＡＧ ２％Ｃｅ（ＩＰ：４２１ｎｍ及び４７８ｎｍ）、（Ｙ，Ｇｄ）ＡＧ ０．２％Ｃｅ１０％Ｇｄ（ＩＰ：４２５ｎｍ及び４９８ｎｍ）、ＹＡＧ ２％Ｃｅ（ＩＰ：４３０ｎｍ及び４９３ｎｍ）、ＹＡＧ ０．４％Ｃｅ（ＩＰ：４２９ｎｍ及び４９０ｎｍ）などの、他のタイプのガーネットも測定した。概して、これらのガーネットは全て、２００−３００℃の範囲内の温度に至るまで、色点の変動が実質的にない安定した色点を提供するようである。ここで、“ＩＰ”は等吸収点を示し、これらの波長は、実験において２つそれぞれの等吸収点が見出された波長を示している。
例えば“実質的に全ての光”又は“実質的に構成される”などにおける、ここでの用語“実質的に”は、当業者によって理解されるものである。用語“実質的に”はまた、“全体的に”、“完全に”、“全て”などを持つ実施形態をも含み得る。従って、実施形態において、実質的にという形容詞は除去されてもよいことがある。適用可能な場合、用語“実質的に”はまた、９０％以上に関係し、例えば、９５％以上、特には９９％以上、より特には、１００％を含め、９９．５％以上などに関係し得る。用語“有する”は、用語“有する”が“からなる”を意味する実施形態をも含む。用語“及び／又は”は、特に、“及び／又は”の前後に述べられるアイテムのうちの１つ以上に関係する。例えば、“アイテム１及び／又はアイテム２”なる言い回し及び同様の言い回しは、アイテム１とアイテム２との一方又は双方に関係し得る。用語“有している”は、一実施形態において、“からなっている”を表し得るが、他の一実施形態においてはまた、“規定される種を少なくとも含んでいるとともにオプションで１つ以上のその他の種を含んでいる”をも表し得る。
さらに、本明細書中及び請求項中の第１、第２、第３などの用語は、同様の要素同士の間で区別するために使用されており、必ずしも順次的又は時間的な順番を記述するものではない。理解されるべきことには、そのように使用される用語は、適当な状況下で相互に交換可能であり、ここに記載される本発明の実施形態は、ここに記載あるいは図示されるもの以外の順序での操作が可能である。
ここでのデバイスは、とりわけ、動作において記述されている。当業者に明らかなように、本発明は、動作の方法又は動作中のデバイスに限定されない。
なお、上述の実施形態は、本発明を限定ではなく例示するものであり、当業者は、添付の請求項の範囲を逸脱することなく、数多くの他の実施形態を設計することができるであろう。請求項において、括弧内に置かれた何れの参照符号も、請求項を限定するものとして解されるべきでない。動詞“有する”及びその活用形の使用は、請求項中に述べられるもの以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素を前置する冠詞“ａ”又は“ａｎ”は、複数のそれら要素の存在を排除するものではない。本発明は、幾つかの別個の要素を有するハードウェアによって実装されることができ、また、好適にプログラムされたコンピュータによって実装され得る。幾つかの手段を列挙するデバイスクレームにおいて、それらの手段のうちの幾つかが、同一のハードウェアアイテムによって具現化されてもよい。特定の複数の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組合せが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。
本発明は更に、本明細書に記載され且つ／或いは添付の図面に示された特徴的フィーチャのうちの１つ以上を有するデバイスに当てはまる。本発明は更に、本明細書に記載され且つ／或いは添付の図面に示された特徴的フィーチャのうちの１つ以上を有する方法又はプロセスに関する。
更なる利点を提供するために、本開示にて説明される様々な態様が組み合わされ得る。また、これらのフィーチャのうちの一部は、１つ以上の分割出願の基礎を形成し得る。

Claims (14)

  1. 照明ユニットを有する照明デバイスであって、前記照明ユニットは、（ｉ）光源光を生成するように構成された光源と、（ｉｉ）前記光源光の少なくとも一部をルミネセント材料光へと変換するように構成されたルミネセント材料とを有し、当該照明デバイスは、前記ルミネセント材料光の少なくとも一部を有する照明デバイス光を生成するように構成され、前記ルミネセント材料は、前記ルミネセント材料の励起帯域内での前記光源光による励起を受けて前記ルミネセント材料光を提供するように構成され、前記光源は、３０ｎｍ以下の半値全幅を持つ前記光源光を提供するように構成され、且つ、前記光源は、前記励起帯域の等吸収点において前記ルミネセント材料を励起するように構成される、照明デバイス。
  2. 前記ルミネセント材料は、可視スペクトルの青色波長域内に等吸収点を有する、請求項１に記載の照明デバイス。
  3. 前記光源は、青色光源光を生成するように構成される、請求項１又は２に記載の照明デバイス。
  4. 当該照明デバイスは、前記ルミネセント材料を有するコンバータを有し、該コンバータはコンバータ表面を有し、前記光源は光出射表面を有し、前記コンバータ表面は、前記光出射表面と物理的に接触しないように構成される、請求項１又は２に記載の照明デバイス。
  5. 前記光源は、ピーク最大値を持つ前記光源光を提供するように構成され、前記ピーク最大値は、前記等吸収点の５ｎｍ以内で選択され、前記光源光は、５ｎｍ以下の半値全幅を持ち、当該照明デバイスは、前記ルミネセント材料を有するコンバータを有し、該コンバータはコンバータ表面を有し、前記光源は、前記コンバータの前記コンバータ表面上に少なくとも１Ｗ／ｃｍ２の放射照度をもたらすパワーで、前記コンバータ表面に前記光源光を提供するように構成される、請求項１又は２に記載の照明デバイス。
  6. 前記光源はレーザを有する、請求項１又は２に記載の照明デバイス。
  7. 当該照明デバイスは、スポット状のルミネセント材料を有し、前記スポットは最大で１ｍｍ２の面積を持つ、請求項１又は２に記載の照明デバイス。
  8. 前記ルミネセント材料は、Ａ３Ｂ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋のクラスのセリウムドープされたガーネット材料を有し、Ａは、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ及びＬｕからなる群から選択され、Ｂは、Ａｌ、Ｇａ及びＳｃからなる群から選択されている、請求項１又は２に記載の照明デバイス。
  9. 前記照明デバイス光は、（ｉ）前記ルミネセント材料光の少なくとも一部、又は（ｉｉ）前記ルミネセント材料光の少なくとも一部と前記光源光の一部、で構成される、請求項１又は２に記載の照明デバイス。
  10. 当該照明デバイスは更に、複数の前記照明ユニットを有し、各照明ユニットが、対応するルミネセント材料光を提供するように構成され、前記照明デバイス光は、前記ルミネセント材料光のうちの１つ以上を有する、請求項１又は２に記載の照明デバイス。
  11. 当該照明デバイスは、５０−２００℃の範囲にわたるルミネセント材料温度で｜Δｘ｜≦０．０３及び／又は｜Δｙ｜≦０．０３の範囲内の色点変化を持つ白色照明デバイス光を提供するように構成される、請求項１又は２に記載の照明デバイス。
  12. 請求項１又は２に記載の照明デバイスを有する照明装置。
  13. 当該照明装置は更に、１つ以上の更なる照明デバイスを有し、前記照明デバイス及び前記１つ以上の更なる照明デバイスは、白色照明デバイス光を提供するように構成される、請求項１２に記載の照明装置。
  14. 請求項１又は２に記載の照明デバイスを有する自動車用ランプ。
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