JP7154228B2 - レーザベース光源用の信頼性の高い光変換デバイス - Google Patents

レーザベース光源用の信頼性の高い光変換デバイス Download PDF

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Description

本発明は、光変換装置及びその光変換装置を含むレーザベース光源に関する。本発明はさらに、レーザベース光源を含む車両ヘッドライトに関する。
例えば、自動車ヘッドライトのような白色レーザベース光源（white
laser-based light sources）に対する光変換器の信頼性は、当該光変換器の効果的な冷却に強く依存する。したがって、光変換器(例えば、蛍光体)と熱放散構造(ヒートシンク)との間の信頼性のある効果的な熱結合を可能にすることが必要である。さらに、変換器の温度を上昇させて光変換器の効率を低下させる光学的損失を回避すべきである。
本発明の一目的は、光変換器とヒートシンクとの間の信頼性の高い熱的及び光学的結合を可能にする光変換装置を提供することである。本発明は独立クレームに記載されている。従属クレームは、好ましい実施態様を含む。
第１の態様に従った光変換装置が提供される。当該光変換装置は、光変換器を備える。光変換器は、一次光（primary light）を変換された光（converted light）に変換するように構成されている。変換された光（変換光）のピーク放射波長は、一次光のピーク放射波長よりも長い波長範囲にある。光変換装置は、光変換器の結合表面の少なくとも一部に結合された反射構造をさらに備える。反射構造は、反射構造に衝突する一次光の少なくとも55%、より好ましくは少なくとも70%、最も好ましくは少なくとも90%を反射するように構成された狭帯域反射器である。
例えば、自動車ヘッドランプ用のレーザ用途は、典型的には、所望の全体的な白色光色を達成するために、蛍光体のような光変換器を用いて部分的に黄色光に変換される青色レーザ光(一次光の一例)に基づく。これらの場合、典型的には、1W以上のエネルギーを有するレーザビームが、ヒートシンク上にボンディングされた比較的小さな蛍光体領域(<1mm2)を打つ。ヒートシンクは、反射アプローチにおいて(例えば、青色光が一方側から光変換器／ヒートシンク接合に入射し、同じ側で白色光が得られる)、反射層のようなミラー構造を含む。反射層は、例えば、変換光(例えば、黄色)及び一次光(例えば、青色)の損失を回避するために、銀層を含む。
一つの主要な課題は、青色光の変換中に生成された熱を効果的に消散させ(ストークス損失、蛍光体パッケージにおける吸収損失など)、従って過熱による光変換器全体の破局的な故障を防止することができる光変換器／ヒートシンク接合を作ることである。接合部の特に感熱性の部分は、光変換器とヒートシンクとの間の界面であり、これは、例えば、レーザパッケージの他の構成要素よりも高温及び青色レーザ光による照射に対して頑強でない薄い接着剤層であり得る。
シリコーン接着剤が、例えば、そのような接着接合部に使用することができる。材料の分子構造の適切な最適化により、シリコーンの温度安定性を、蛍光体が熱的に消光し始める点(～150～200℃)に近い温度まで増加させることができる。しかしながら、実験により示されたことは、シリコーンの温度安定性にもかかわらず、時間の経過に伴う光劣化、従って、蛍光体パッケージの早期劣化を避けることができない(蛍光体パッケージを更なる用途に使用するのに役立たない)ことである。予備的な実験結果は、例えば100℃以上の相対的な高温と組み合わせた、集中的な青色光が、ミラー又は接着剤の光学性能の劣化を引き起こす可能性が最も高いことを示唆している。1つの可能性のある説明は、例えば、銀原子又は銀鏡からのイオンが接着剤層中に拡散することである。銀原子又はイオンは、強い青色光が光学劣化を引き起こすため、周囲の接着剤層又はガスの材料と反応すると考えられる。したがって、銀鏡は、強い青色光に関して感度が高いように見える。
狭帯域反射構造と組み合わされた光変換装置は、青色光、又は一般に閾値強度を超える一次光がミラー構造に到達しないようにし、狭帯域反射器の位置に応じて接着層に到達するのも防ぐ。拡散プロセスを抑制するために必要な光変換器の結合表面における反射構造の反射率(実験結果のこの分析が正しい場合)は、レーザ光の初期強度、光変換器の厚さ、ドーピング及び散乱特性、並びに一次光のビームと光変換器との間の入射角（ビームに対する光変換器の有効厚さ）に依存する。予備実験が、ヒートシンクのミラー構造に衝突する一次光の強度は、特に青色一次光の場合は、１W／mm２未満、より好ましくは0.1 W／mm２未満、最も好ましくは0.01 W／mm２未満でなければならないことを示している。狭帯域反射構造の反射率は、それに応じて強度を減少させるために、上述の要因(初期強度、厚さ、ドーピングなど)に従って構成されなければならない。
強い青色光によってトリガーされ或いは引き起こされる接着剤層中の他のメカニズム及び特に他の反応メカニズムが光学性能の劣化の原因であるということは、実験結果に基づいて排除できない。しかし、本発明者らの実験結果は、狭帯域反射器が光学性能の劣化を遅延させる、或いは阻害することを明確に証明している。
一次光は、例えば、450nmのレーザピーク放射波長を有するレーザ光であってもよい。
反射構造は狭帯域反射器であり、主に一次光のみが(部分的に)反射され、変換された光は(主に)透過される。このことは、反射構造上に衝突する変換された光の少なくとも50%、好ましくは少なくとも70%、より好ましくは少なくとも90%が反射構造を透過することを意味する。
好ましくは、光変換器は、高密度に焼結されたセラミック本体から作られる。例えば、(Lu, Y, Gd, Ce)3(Al, Ga)5 O12である。青色光の吸収と発光はセリウム(III)イオンで起こる。Ceの濃度は0.1～0.5原子パーセントである。
セラミック光変換器の厚さは、40μmから150μmの間であってよい。
好ましい実施形態では、セラミック光変換器は、混合酸化物出発材料から過剰のAl2O3で焼結され、多結晶セラミック光変換器へと焼結される。結晶サイズは直径3μm～30μmである。好ましい態様において、セラミック光変換器は、ガーネット微結晶とAl2O3微結晶とのランダムな混合物からなり、Al2 O3微結晶の体積分率は、セラミック本体の1体積パーセントから80体積パーセントの範囲である。焼結後、セラミック光変換プレートを両側から研磨し、Ra
<300nm、より好ましくはRa <150nm、最も好ましくはRa <30nmの表面粗さをもたらすようにする。セラミック光変換器は、焼結された「細孔密度（pore-dense）」であり、少なくとも1つの表面上で、高屈折率材料と低屈折率材料が交互になったダイクロイックコーティング（dichroic coating）で被覆されてもよい。ダイクロイック層は、一方側で、入射一次光の反射を減少させ、入射一次光に対する反射防止コーティングを生成する一方、光変換器の他方の側では、ダイクロイック層は、一次光の反射を増加させ、光変換器の結合表面上に本発明の狭帯域反射器を生成するように構成される。
光変換器は、結合層の手段によって、ヒートシンクに機械的に結合することができる。ヒートシンクは、上述のようなミラー構造を備える。ミラー構造は、ミラー構造に衝突する変換光の少なくとも90%、好ましくは少なくとも95%、最も好ましくは少なくとも98%を反射して光変換器に戻すように構成される。狭帯域反射構造は、上述のように、ミラー構造に衝突する一次光の強度を低減するために、光変換器の結合表面とミラー構造との間に配置される。
結合層は、例えば、上述のような高温及び光学的安定性を有するシリコーン接着剤又は他の接着剤又は結合剤の層であってよい。
第1の実施形態によれば、狭帯域反射構造は、結合表面上に堆積された少なくとも1つの層を含んでもよく、それにより、結合層が狭帯域反射構造とミラー構造との間に配置される。結合層上に衝突する一次光の強度が減少するように狭帯域反射構造を配置することは、一次光によってトリガされるか、或いは少なくとも増強される結合層の他のエージング機構が抑制され得るという付加的な効果を有し得る。
狭帯域反射構造は、他の実施形態によれば、ミラー構造の頂部に堆積された少なくとも1つの層を含むことができ、それにより結合層が狭帯域反射構造と光変換器との間に配置される。ミラー構造と結合層との間の直接的な接触が回避されるように狭帯域反射構造を配置することは、狭帯域反射構造がミラー構造と結合層との間の拡散を抑制するか、少なくとも妨害する、すなわち拡散障壁（diffusion barrier）をもたらす効果を有し得る。そのような実施形態では、次いで、ミラー構造によって構成される粒子(特に銀イオン)の生成及び／又は拡散が遅延されるか、或いは抑制されることさえある。結合層とミラー構造との間に、一次光に対する反射特性を伴わないで、拡散障壁のみを設けることで十分であり得る。次いで、拡散障壁は、一次光の波長範囲においても本質的に透明であってもよい。拡散障壁は、上述のように、ミラー構造によって構成される粒子の拡散を遅延させるか、或いは抑制することさえできる。この場合、狭帯域反射構造及び／又は拡散障壁は、光変換装置、特に結合層の劣化を遅延させるように構成された保護層として、として機能する。
結合表面は、光変換器の光放射表面と反対側に配置してもよい。この場合、一次光は、光変換器に入射する前に、光放射表面を通過してもよい。
狭帯域反射構造は、誘電体ミラーを含んでもよい。誘電体ミラーは、異なる屈折率を有する多数の層を含む。反射率は、層の数、層の厚さ、及び層の屈折率によって調整され、一次光、光変換器の材料及びその光学特性、又は光変換器に対する衝突する一次光の間の幾何学的配置(例えば、入射角)に依存する所要の反射率を提供する。また、誘電体ミラーの多層構造は、改良された拡散障壁を提供することができる。このような拡散障壁は、ミラー構造が、光変換器の隣のヒートシンクの一方側又は側面（side）に堆積された銀層又は他の反射性金属層を含む場合には、特に有用である。
本発明の第２の態様によれば、レーザベースの光源が提供される。レーザベースの光源は、以下を含む。レーザ光を放射するように構成された少なくとも1つのレーザ、及び上記実施形態のいずれかに記載の光変換装置。
レーザベース光源はまた、例えば青色レーザ光を放射する2つ、3つ、4つ以上のレーザ(例えば、アレイの形態)を含んでもよい。レーザは、好ましくは、青色レーザ光を放射する半導体レーザであってもよい。
さらなる態様によれば、車両ヘッドライトが提供される。車両ヘッドライトは、上述のような少なくとも1つのレーザベース光源を含む。車両ヘッドライトは、上述のように、2つ、3つ、4つ又はそれ以上のレーザベース光源を含んでもよい。
前方照明に使用される自動車ヘッドライトのような車両ヘッドライトの白色ポイント（white point）は、好ましくは、5700 Kの相関色温度（correlated color temperature）、又は約0.48のv'座標（v’ coordinate）によって特徴付けられる。白色光領域は、標準で定義されている。例えば、ANSI C78.377は、American National Standards
Instituteによって規定された色度の規格である。ほとんどの自動車ヘッドライトは、上記のように5700 Kレンジを使用している。或いは、6000 Kの色温度を使用することも可能である。上述のようなレーザベース光源を含む車両ヘッドライトは、高品質の白色光の提供を支持することができる。
本発明の好ましい実施形態は、従属クレームとそれぞれの独立クレームとの任意の組み合わせであり得ることを理解されたい。
さらに有利な実施形態を以下に定義する。
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載する実施形態から明らかであり、以下に記載する実施形態を参照して解説する。
本発明は、例として、添付の図面を参照して実施形態に基づいて以下に説明する。
図において、同様の数字が、全体を通して同様の対象を指す。図中の対象は、必ずしも縮尺通りに描かれているわけではない。
第１光変換装置を備えるレーザベース光源の第１実施形態の主な概略図を示す。 第２光変換装置を備えるレーザベース光源の第２実施形態の主な概略図を示す。
以下、本発明の様々な実施形態について、図面を用いて説明する。
図１は、レーザ110及び第1光変換装置130を含むレーザベース光源100の第1実施形態の主な図を示す。第1光変換装置130は、光放射表面131を有する光変換器132と、光変換器132の結合表面(この場合は光放射表面131とは反対側の光変換器132の裏面)に取り付けられた狭帯域反射構造134とを備える。光変換器132は、結合層136の手段によってヒートシンク140に機械的に結合(接着)され、それにより結合層136が狭帯域反射構造134とヒートシンク140との間に配置される。ヒートシンク140の表面の少なくとも一部が、少なくとも変換された光20の波長範囲において、反射性であり、好ましくは高反射性である。レーザ110は、一次光10 (例えば青色レーザ光)を光変換装置130へ放射する。青色レーザ光は、光放射表面131を介して光変換器132に入射する。青色レーザ光の一部は、光変換器132の光変換材料の手段によって黄色に変換された光20に変換される。変換された光20の一部は、狭帯域反射構造134及び結合層136を横断した後、ヒートシンク140によって構成されるミラー構造138に衝突する。ミラー構造138に衝突する変換された光20の本質的に全てが、光変換器132に反射される。ゆえに、結合層136は、少なくとも変換された光20の波長範囲において透明であるべきである。光変換器132内で変換されない一次光10は、狭帯域反射構造134に入射することができる。この場合、狭帯域反射構造134は、狭帯域反射構造134に衝突する一次光10の98～99%を反射する層を含み、それにより反射された一次光12が変換された光20と共に光放射表面131を介して出射される。
狭帯域反射構造134は、変換された光20の波長範囲内で本質的に透明である。狭帯域反射構造134は、狭帯域反射構造134の背後の青色一次光10の強度を減少させ、それにより、結合層136の劣化が抑制されるか、少なくとも遅延される。光変換装置130は、光放射表面131を介して26%の青色レーザ光と74%の黄色変換光を放射するように構成され、実質的に白色光が光放射表面131から放射されるようになっている。
図２は、レーザ110及び第２光変換装置130を含むレーザベース光源100の第２実施形態の主な概略図を示す。一般的な構成は、図1に関して説明した実施形態と非常に類似している。光変換デバイス130はまた、光変換器132の結合表面に結合されたヒートシンク140を備える。ヒートシンク140は、ヒートシンク上に堆積された銀層であるミラー構造138を備える。しかし、図1とは異なり、ここでは、ヒートシンク140は、狭帯域反射構造134を備える。
狭帯域反射構造134は、銀層の頂部に堆積され、高屈折率薄層及び低屈折率薄層を交互にしたスタックを含み、狭帯域反射構造の表面の法線に対して＋／－60°の入射角の範囲内で、一次光の波長範囲において97%の反射率を有する誘電体ミラーをもたらす。狭帯域反射構造134は、変換された光20の波長範囲において本質的に透明であってもよい。
光変換器132は、狭帯域反射構造134の頂部上の結合層136によって結合される黄色蛍光ガーネット（YAG:Ce）であり、それにより光変換器132と狭帯域反射構造134との間に結合層136が配置される。この場合、結合層136は、一次光10の波長範囲及び変換された光20の波長範囲において透明である。銀層138の頂部に堆積された誘電体ミラー134は、銀原子又はイオンの結合層136への拡散も阻害する可能性が最も高く、銀原子は、一次光によってイオン化されている可能性がある。変換された光20は、銀層138によってほぼ100%反射されるが、狭帯域反射構造134によってほぼ完全に透過される。
本発明は、図面及び前述の説明において詳細に図示及び説明されてきたが、このような図示及び説明は、図例的又は例示的であり、限定的ではないとみなされるべきである。
本開示を読んで、他の修正は当業者に明らかであろう。このような修正は、当該技術分野で既に知られている特徴を含み得、本明細書中に既に記載されている特徴の代わりに、又はそれに加えて使用され得る他の特徴を含み得る。
開示された実施形態の変形例は、図面、開示及び添付の特許請求の範囲の研究から、当業者によって理解され、実施され得る。クレームにおいて、語「含む」は、他の要素又は工程を除外せず、不定冠詞「a」又は「an」は、複数の要素又は工程を除外しない。特定の構成要素が相互に異なる従属クレームに記載されているという単なる事実は、これらの構成要素の組み合わせが有利に利用できないことを示すものではない。
クレーム中の参照符号は、その範囲を限定するものと解釈してはならない。

参照番号のリスト:
10 一次光
12 反射一次光
20 変換光
100 レーザベース光源
110 レーザ
130 光変換装置
131 光放射表面
132 光変換器
134 狭帯域反射構造
136 結合層
138 ミラー構造
140 ヒートシンク

Claims (9)

  1. 光変換装置であって：
    光放射表面と該光放射表面の反対側に結合表面とを有し、一次光を変換光へと変換するように構成された光変換器であり、前記変換光のピーク放射波長が前記一次光のピーク放射波長よりも長い波長範囲にある、光変換器；及び
    前記光変換器の前記結合表面の少なくとも一部に結合された反射構造であり、前記光変換器の前記光放射表面を通過する当該光変換装置外部への透過のために当該反射構造に衝突する前記一次光の少なくとも55%を反射し、当該反射構造に衝突する前記変換光の少なくとも50%を透過するように構成された狭帯域反射器である、反射構造；
    を含む光変換装置。
  2. 前記光変換器は結合層によってヒートシンクに機械的に結合され、前記ヒートシンクはミラー構造を有し、前記ミラー構造は該ミラー構造に衝突する前記変換光の少なくとも90%を前記光変換器へと反射するように構成され、前記反射構造は前記光変換器の前記結合表面と前記ミラー構造との間に配置される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光変換装置。
  3. 前記反射構造は、前記結合層が前記反射構造と前記ミラー構造との間に配置されるように、前記結合表面上に堆積された少なくとも１つの層を有することを特徴とする請求項２に記載の光変換装置。
  4. 前記反射構造は、前記結合層が前記反射構造と前記光変換器との間に配置されるように、前記ミラー構造の頂部に配置される少なくとも１つの層を備えることを特徴とする請求項２に記載の光変換装置。
  5. 前記結合表面は、前記光変換器の光放射表面と反対側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変換装置。
  6. 前記反射構造は誘電体ミラーを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変換装置。
  7. 前記ミラー構造は、前記光変換器の隣の前記ヒートシンクの一方側上に堆積された銀層を含む、請求項２に記載の光変換装置。
  8. レーザベース光源であり：
    前記一次光を放射するように構成された少なくとも1つのレーザ；及び
    請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光変換装置；
    を含む、レーザベース光源。
  9. 請求項８に記載のレーザベース光源を含む車両ヘッドライト。
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