KR20190014066A - 광 변환 디바이스 - Google Patents

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KR20190014066A
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울리히 헤흐트피셔
토마스 디데리히
마티아스 하이데만
닐스 예로엔 반 더 빈
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루미리즈 홀딩 비.브이.
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Abstract

본 발명은 광 변환기(134) 및 반투명체(136)를 설명하고, 반투명체(136)의 제1 표면은 광 변환기(134)의 상부 표면에 결합되고, 광 변환기(134)의 하부 표면은 반사 하부 층(132)에 결합되고, 광 변환 디바이스(130)는 광 결합 구조체(125)를 포함하고, 광 결합 구조체(125)는 광 가이드(120)를 수용하기 위해 반사 하부 층(132) 내에 홀 및 광 변환기(134) 내에 적어도 슬롯을 포함하고, 광 결합 구조체(125)는 광 가이드(120)를 통해 레이저 피크 방출 파장을 갖는 레이저 광(10)을 수신하기 위해 광 결합 표면(127)을 포함하고, 광 결합 표면(127)은 광 결합 표면(127)을 통과하는 레이저 광(10)의 적어도 80%가 반투명체(136)에 의해 수신되도록 배열되고, 반투명체(136)는 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 포함하고, 반투명체(136)의 제2 표면은 레이저 광(10)의 적어도 일부를 광 변환기(134)에 다시 반사시키기 위한 반사 상부 층(138)에 결합되고, 광 변환기(134)는 반사된 레이저 광(11)을 변환된 광(20)으로 변환하도록 적응되고, 변환된 광(20)의 피크 방출 파장은 레이저 피크 방출 파장보다 긴 파장 범위에 있고, 반사 하부 층(132)은 변환된 광(20)의 적어도 80%가 반투명체(136) 및 반사 상부 층(138)을 통해 방출되도록 적응된다. 본 발명은 이러한 광 변환 디바이스(130)를 포함하는 레이저-기반 광원(100), 및 차량 헤드라이트를 추가로 설명한다.

Description

광 변환 디바이스
본 발명은 광 변환 디바이스, 이러한 광 변환 디바이스를 포함하는 레이저-기반 광원, 및 차량 헤드라이트에 관한 것이다.
WO 2010/049875 A1은 파장 변환 재료에 의해 제1 파장의 레이저 광을 상이한 파장을 갖는 제2 광으로 변환하는 파장 변환기를 개시하고 있다. 레이저 광이 파장 변환 재료에 들어가는 파장 변환 재료의 표면은 투명한 재료와 양호하게 열 접촉한다. 다른 측 상의 투명한 재료는 레이저 광이 파장 변환 재료에 들어가기 전에 레이저 광을 통과시키는 윈도우를 갖는, 히트싱크와 양호하게 열 접촉한다. 파장 변환기에 의해 방출된 광의 색점은 넓은 범위에서 변화할 수 있다.
본 발명의 목적은 개선된 색 안정성을 갖는 광 변환 디바이스를 제공하는 것이다. 본 발명은 독립 청구항들에 의해 정의된다. 종속 청구항들은 유리한 실시예들을 정의한다.
제1 양태에 따르면 광 변환 디바이스가 제공된다. 광 변환 디바이스는 광 변환기 및 반투명체를 포함한다. 반투명체의 제1 표면은 광 변환기의 상부 표면에 결합된다. 광 변환기의 하부 표면은 반사 하부 층에 결합된다. 광 변환 디바이스는 광 결합 구조체를 포함한다. 광 결합 구조체는 광 가이드를 수용하기 위해 반사 하부 층 내에 홀 및 광 변환기 내에 적어도 슬롯을 포함한다. 광 결합 구조체는 광 가이드를 통해 레이저 피크 방출 파장을 갖는 레이저 광을 수신하기 위해 광 결합 표면을 포함한다. 광 결합 표면은 광 결합 표면을 통과하는 레이저 광의 적어도 80%가 반투명체에 의해 수신되도록 배열된다. 반투명체는 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 포함한다. 반투명체의 제2 표면은 레이저 광의 적어도 일부를 광 변환기에 다시 반사시키기 위한 반사 상부 층에 결합된다. 광 변환기는 반사된 레이저 광을 변환된 광으로 변환하도록 적응된다. 변환된 광의 피크 방출 파장은 레이저 피크 방출 파장보다 긴 파장 범위에 있다. 반사 하부 층은 변환된 광의 적어도 80%가 반투명체 및 반사 상부 층을 통해 방출되도록 적응된다.
광 결합 구조체는 레이저 광의 변환의 분리 및 반사 상부 층을 통한 레이저 광의 일부의 투과를 가능하게 한다. 변환된 광의 세기는 레이저의 레이저 피크 방출 파장의 변화들에 덜 민감할 수 있다(도 2 및 대응하는 설명 참조). 또한, 핫스팟이 반사 상부 층에 의해 레이저 광을 수신하는 광 변환기의 표면을 증가시킴으로써 피해질 수 있다.
레이저 광은 바람직하게는 청색 파장 범위에 있다. 반투명체는 유리 플레이트, Al2O3, 사파이어 또는 레이저 광의 변환 중에 조건들(광 세기, 열 등)에 견딜 수 있는 기타 반투명 재료 또는 재료 조성물로 이루어진 바디를 포함할 수 있다. 반사 상부 층은 레이저 광의 파장 범위에서 적어도 부분적으로 반사하고 변환된 광의 파장 범위에서 본질적으로 투명한 이색성 필터일 수 있다. 광 변환기 내의 슬롯은 광 결합 표면과 반투명체 사이의 광 변환 재료의 얇은 층을 갖는 캐비티일 수 있다. 층은 레이저 광의 20% 미만, 바람직하게는 10% 미만 그리고 가장 바람직하게는 5% 미만이 이 층에서 변환되도록 매우 얇다.
반투명체는 광 변환기를 냉각시키도록 배열될 수 있다. 히트싱크는 이 경우에 필요하지 않을 수 있다. 대안적으로, 히트싱크가 또한 사용될 수 있다. 이것은 더 많은 레이저 광이 광 변환 재료에 의해 변환될 수 있도록 광 변환기를 구성하는 광 변환 재료의 더 두꺼운 층들을 가능하게 할 수 있다. 반투명체는 예를 들어, 사파이어로서 높은 열 전도율을 갖는 반투명 재료를 포함할 수 있다.
광 결합 구조체는 광 변환기를 통하는 홀을 포함할 수 있다. 광 결합 표면은 이 경우에 반투명체의 표면을 포함할 수 있다. 광 변환기 내의 슬롯은 반투명체의 표면에서 끝날 수 있다. 광 결합 표면은 바람직하게는 광 변환기와 반투명체 사이의 계면의 부분(제1 표면의 부분)일 수 있다. 대안적으로, 광 결합 구조체는 광 결합 표면이 광 변환기와 반투명체 사이의 계면과 동일한 레벨에 있지 않도록 반투명체 내에 캐비티를 포함할 수 있다.
광 변환기는 광 변환기에 들어가는 레이저 광의 적어도 80%, 바람직하게는 적어도 85%, 가장 바람직하게는 적어도 90%를 변환 또는 흡수하도록 배열될 수 있다.
레이저 피크 방출 파장은 보통 상이한 레이저들에 대해 변화하고 레이저 또는 레이저들의 동작 온도 및 구동 전류에 추가로 의존한다. 또한, 광 변환기의 광 변환 재료에서의 레이저 광의 흡수 및 변환은 레이저 피크 방출 파장에 의존하고 온도에 따라 변화할 수 있다. 광 변환기에 들어가는 다시 반사된 레이저 광의 대부분은 그러므로 광 변환기에 들어간 후에 광 변환기 내에서 변환 또는 흡수되지 않은 레이저 광의 영향을 감소시키기 위해 변환 또는 흡수되어야 한다. 광 변환 디바이스에 의해 발생될 수 있는 광의 색 또는 백색점의 안정성은 그러므로 증가될 수 있다.
변환 디바이스는 변환된 광의 세기가 레이저 피크 방출 파장(예를 들어, 450㎚) 주위의 예를 들어, ±10㎚, 바람직하게는 ±5㎚의 미리 결정된 파장 범위 내의 레이저 피크 방출 파장과 본질적으로 독립이도록 배열될 수 있다. 광 변환기에 들어가는 본질적으로 모든 레이저 광은 광 변환 재료에 의해 변환 및/또는 흡수되는 것이 바람직할 수 있다. 완전한 변환은 예를 들어, 광 변환 재료의 두께 및/또는 도펀트(예를 들어, 세륨)의 농도에 의해 가능해질 수 있다. 반사 하부 층은 예를 들어, 피크 방출 파장들에서 레이저 광의 흡수를 가능하게 하도록 배열될 수 있지만, 변환된 광을 반사시키도록 배열될 수 있다. 반사 하부 층은 예를 들어, 변환된 광은 반사시키지만 레이저 광에 대해서는 투명한 이색성 필터일 수 있다. 광 변환 디바이스는 예를 들어, 광 변환기에 대향하는 반사 하부 층의 하부 측에 결합된 흡수 층 또는 바디를 추가로 포함할 수 있다. 광 변환 디바이스는 레이저 광 및 변환된 광을 반사시키도록 배열되는 측면 코팅들을 추가로 포함할 수 있다.
반사 상부 층은 광 결합 표면을 통해 수신된 레이저 광의 적어도 10%이고 50% 이하, 바람직하게는 레이저 광의 적어도 15%이고 45% 이하, 그리고 더 바람직하게는 레이저 광의 적어도 18%이고 40% 이하를 투과시키도록 적응될 수 있다.
반사 상부 층의 투과율은 광 변환 디바이스에 의해 발생될 수 있는 혼합된 광의 색점을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 혼합된 광은 투과된 레이저 광 및 변환된 광을 포함한다. 광 변환기에 들어가는 레이저 광의 거의 완전한 변환과의 조합에서의 정의된 투과율은 위에 설명된 것과 같이 활성 피드백 없이 혼합된 광의 안정한 색점을 가능하게 할 수 있다.
광 변환 디바이스는 예를 들어, 450㎚의 레이저 피크 방출 파장에서 레이저 광을 방출하는 하나 이상의 레이저를 포함하는 자동차 헤드라이트에서 사용될 수 있다. 청색 레이저 광의 약 21%가 투과될 수 있고 나머지 청색 레이저 광은 광 변환기에 다시 반사되고 황색 변환된 광으로 변환된다. 광 변환기는 이 경우에 황색 인광체 가넷(예를 들어, Y(3-0.4)Gd0.4,Al5O12:Ce)을 포함하거나 그것으로 구성될 수 있다. 이것은 예를 들어 인광체 내의 스토크스(Stokes) 손실들을 고려함으로써 헤드라이트에 의해 방출된 혼합된 광에서의 26%의 청색 레이저 광과 74%의 황색 변환된 광의 비율을 가능하게 한다.
반투명체는 레이저 광을 산란시키도록 배열될 수 있다. 레이저 광은 레이저 광의 방출 콘이 넓혀지도록 산란될 수 있다. 광 가이드에 의해 전달된 레이저 광의 출사 각도는 광 가이드의 개구수에 의해 결정된다. 광 가이드가 2개 이상의 클래딩(예를 들어, 2개의 클래딩을 갖는 광 섬유)을 포함하면 광 가이드는 하나보다 많은 개구수를 포함할 수 있다. 반투명체 내의 레이저 광의 분배 또는 출사 각도는 산란에 의해 증가될 수 있다. 출사 각도를 증가시키면 반사된 레이저 광으로 본질적으로 광 변환기의 전체 표면을 조명할 수 있다. 광 결합 표면에 의해 변환된 영역에 의해 발생된 손실들은 줄어들 수 있다. 또한, 광 변환기 내의 에너지 밀도는 전체 광 변환기에 걸쳐 레이저 광을 분배함으로써 감소될 수 있다. 예를 들어, 히트싱크에 의한 광 변환기의 냉각은 더 간단할 수 있고 광 변환기를 구성하는 광 변환 재료의 변환 효율은 증가될 수 있다.
반투명체는 예를 들어, 산란 입자들과 같은 산란 구조들을 포함할 수 있다. 반투명체 내의 산란은 광 변환 디바이스를 포함하는 레이저-기반 광원에 의해 조명될 수 있는 미리 정해진 입체 각도 내에서 혼합된 광의 거의 일정한 색점을 가능하게 하기 위해 레이저 광과 변환된 광을 혼합하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 부가하여, 반사 상부 층은 광을 산란시키도록 배열될 수 있고 또는 추가의 층 또는 바디가 혼합된 광을 산란시키기 위해 반투명체로부터 멀리 있는 반사 상부 층의 외부 층에 결합될 수 있다.
반투명체는 광 변환기의 상부 표면에 결합된 하부 반투명 층 및 반사 상부 층에 결합된 상부 반투명 층을 포함할 수 있다. 광 결합 표면으로부터 멀리 향하는 하부 반투명 층의 표면은 레이저 광의 출사 각도를 증가시키기 위해 거칠어질 수 있다. 대안적으로 또는 부가하여, 반사 상부 층으로부터 멀리 떨어진 상부 반투명 층의 표면은 레이저 광의 출사 각도를 증가시키기 위해 거칠어질 수 있다. 하부와 상부 반투명 층 사이에는 공기 갭이 있을 수 있다. 상부 반투명 층은 이 경우에 캐리어에 의해 보유될 수 있다. 대안적으로 또는 부가하여, 결합 재료는 광 변환 중에 광 변환 디바이스 내의 광 및 온도에 견딜 수 있는 상부와 하부 층 사이에 배열될 수 있다.
반투명체는 하부 반투명 층과 상부 반투명 층 사이에 배열된 편향 층을 추가로 포함할 수 있다. 편향 층은 위에 설명된 것과 같이 레이저 광의 출사 각도를 증가시키도록 배열될 수 있다.
광 변환 디바이스는 광 변환기와 반투명체 사이에 배열된 반사 방지 층을 포함할 수 있다. 반사 방지 층은 레이저 광의 반사를 억제하도록 적응될 수 있다. 반사 방지 층은 레이저 광이 광 변환기와 반투명체 사이의 계면에 의해 반사 상부 층의 방향으로 반사될 가능성을 감소시킬 수 있다. 반사 방지 층은 광 변환 디바이스에 의해 발생될 수 있는 광의 색점, 및 특히 백색점의 안정성을 증가시킬 수 있다.
반사 상부 층은 대안적으로 레이저 광의 적어도 95%, 더 바람직하게는 레이저 광의 적어도 98% 그리고 가장 바람직하게는 레이저 광의 적어도 99.5%를 반사시키도록 적응될 수 있다.
광 변환 디바이스에 의해 방출될 수 있는 광의 색점은 이 경우에 변환된 광에 의해 주로 또는 심지어 전적으로 결정된다. 이러한 광 변환 디바이스는 원색들인 녹색, 호박색 및 적색을 발생하기 위해 투사 응용들에서 사용될 수 있다. 광 변환 디바이스는 청색 광을 녹색, 호박색 및 적색 광으로 완전히 변환하는, 광 변환기에서 청색 광, 특히 청색 레이저 광을 변환하도록 특별히 배열될 수 있다. 광 변환기는 이 경우에 예를 들어, 루미라믹 바디를 형성하기 위해 치밀한 세라믹들로 소결될 수 있는 광 변환 재료를 포함할 수 있다.
녹색, 황색, 호박색 및 적색 광을 위한 전형적인 광 변환 재료들은 다양한 (옥소-) 질화물, 산화물, 또는 실리케이트 재료들에서 Ce3+ 또는 Eu2+ 이온들을 사용한다.
예들은 다음과 같다:
(Ca1-x-y-zSrxBayMgz)1-nAl1-a+bBaSi1-bN3-bOb:Mn이고 여기서 0 ≤ x,y,z ≤　1,　0 ≤ a ≤　1,　0 ≤ b ≤　1,　0 ≤ n ≤　1이고 M은 Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 또는 그들의 혼합물들뿐만 아니라 세라믹 처리 중에 첨가될 수 있는 첨가제들을 갖는 이들 재료의 혼합물을 포함하는 그룹 중에서 선택된 금속.
일반 화학식 EA2-zSi5-aAlaN8-bOb:Euz의 유로퓸(Ⅱ)-활성화된 옥소니트리도알루미노실리케이트, 여기서 0 < a ≤　4,　0 < b ≤　4 및　0 < z ≤0.2이고; EA는 칼슘, 바륨 및 스트론튬의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 알칼리 토금속.
일반 화학식 (Sr1-a-b-c-d-e-fCabBacMgdZneCef)Six-gGeg NyOz:Eua의 유로퓸(Ⅱ)-활성화된 옥소니트리도실리케이트, 여기서 0.001 ≤ a ≤　0.2, 0.0　≤ b ≤　1,　0.0 ≤ c ≤　0.　5,　0.0 ≤ d ≤　0.25,　0.0 ≤ e ≤　0.25,　0 ≤ f ≤　0,2, 0　<　g　<　1,　1.5 ≤ x ≤　2.5,　1.5 ≤ y ≤　2.5 및　1.5 < z <　2.5.
세륨(Ⅲ)-활성화된 가넷 재료들.
광 변환기를 구성할 수 있는 다른 광 변환 재료들 또는 인광체 재료들은 다음과 같다:
(Ba1-xSrx)2SiO4:Eu 녹색
SrGa2S4:Eu 녹색
SrSi2N2O2:Eu 녹색
SrS:Eu 적색
(Sr1-x-yCaxBay)2Si5N8:Eu 적색/호박색
(Sr1-x-yCaxBay)2Si5-aAlaN8-aOa:Eu 적색
CaS:Eu 적색
(Sr1-xCax)S:Eu 적색
광 변환 디바이스는 위에 설명된 것과 같이 광 변환기와 반투명체 사이에 배열된 반사 방지 층을 포함할 수 있다. 반사 방지 층은 예를 들어, 반사 상부 층이 레이저 광의 파장 범위에 대해 완전히 반사성이 아니면 색 포화를 개선시킬 수 있다.
광 변환 디바이스는 반투명체에 대향하는 반사 상부 층에 결합된 광 흡수 층을 포함할 수 있다. 광 흡수 층은 반사 상부 층을 통과한 후에 투과된 레이저 광을 흡수하도록 적응된다. 광 흡수 층은 반사 상부 층을 통과한 후에 변환된 광의 적어도 90%를 투과시키도록 추가로 적응된다.
광 흡수 층은 광 변환 디바이스에 의해 방출될 수 있는 방출 색의 포화도 저하를 방지하기 위해 예를 들어, 청색 레이저 광을 흡수하도록 흡수 색 필터로서 배열된 하나 이상의 서브 층을 포함할 수 있다.
추가 양태에 따르면 레이저-기반 광원이 제공된다. 레이저-기반 광원은 위에 설명된 것과 같은 광 변환 디바이스, 광 가이드 및 레이저를 포함한다. 광 가이드는 광 결합 구조체에 결합된다. 광 가이드의 광 출사 표면은 광 가이드를 통해 레이저에 의해 방출된 레이저 광이 광 결합 표면에 의해 수신되도록 배열된다.
레이저-기반 광원은 예를 들어, 청색 레이저 광을 방출하는 2개, 3개, 4개 이상의 레이저(예를 들어, 어레이의 형태)를 포함할 수 있다. 광 가이드는 예를 들어, 1개, 2개 이상의 클래딩을 포함하는 광 섬유일 수 있다. 광 가이드는 광 변환기에 침투하기 전에 선택적인 히트싱크에 침투할 수 있다. 그것은 또한 반투명체의 부분에 침투할 수 있다.
추가 양태에 따르면 차량 헤드라이트가 제공된다. 차량 헤드라이트는 위에 설명된 것과 같은 적어도 하나의 레이저-기반 광원을 포함한다. 차량 헤드라이트는 위에 설명된 것과 같은 2개, 3개, 4개 이상의 레이저-기반 광원을 포함할 수 있다.
차량 헤드라이트, 및 특히 전방 조명을 위해 사용되는 자동차 헤드라이트의 백색점은 바람직하게는 5700K의 상관된 색 온도(CCT), 또는 약 0.48의 v' 색점을 특징으로 한다. 백색 광 영역들은 표준들에서 정의된다. 예를 들어, ANSI C78.377은 미국 표준 협회(American National Standards Institute)에 의해 명시된 색도를 위한 표준이다. 대부분의 자동차 헤드라이트들은 위에 설명된 것과 같은 5700K 범위들을 사용한다. 대안적으로, 청색 광의 몫이 증가하도록 6000K의 색 온도를 사용하는 것이 또한 가능할 수 있다.
본 발명의 레이저-기반 광원은 특히, 위에 제공된 설명들에서 뿐만 아니라 종속 청구항들 및 그들의 조합들에서 정의된 것과 같은 유사한 및/또는 동일한 실시예들을 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 양호한 실시예는 또한 각각의 독립 청구항과의 종속 청구항들의 임의의 조합일 수 있다는 것을 이해할 것이다.
추가의 유리한 실시예들이 아래에 정의된다.
본 발명의 이들 및 다른 양태들이 이후 설명되는 실시예들로부터 분명해질 것이고 그들을 참조하여 자세히 설명될 것이다.
본 발명이 이제 첨부 도면을 참조한 실시예들에 기초하여, 예로서 설명될 것이다.
도 1은 제1 레이저-기반 광원의 주요 스케치를 도시한다.
도 2는 황색 인광체 가넷의 흡수 계수를 도시한다.
도 3은 제2 레이저-기반 광원의 주요 스케치를 도시한다.
도 4는 제3 레이저-기반 광원의 주요 스케치를 도시한다.
도 5는 제4 레이저-기반 광원의 주요 스케치를 도시한다.
도 6은 제5 레이저-기반 광원의 주요 스케치를 도시한다.
도면에서, 유사한 번호들은 전체에 걸쳐 유사한 물체들을 참조한다. 도면 내의 물체들은 반드시 축척에 맞게 그려지지 않았다.
본 발명의 다양한 실시예들이 이제 도면으로 설명될 것이다.
도 1은 광 변환 디바이스(130), 광 가이드(120) 및 레이저(100)를 포함하는 제1 레이저-기반 광원(100)의 주요 스케치를 도시한다. 광 변환 디바이스(130)는 이 경우에 황색 인광체 가넷(YAG:Ce)의 직사각형 블록(대안적으로 원통형 바디 또는 기타 적합한 형상이 사용될 수 있음)인 광 변환기(134)에 부착된 반사 하부 층(132)을 포함한다. 광 변환기(134)는 광 변환기(134)에 대한 냉각을 제공하기 위해 높은 열전도율을 갖는 사파이어로 이루어진 반투명체(136)에 부착된다. 반투명체(136)의 상부 위에는 반사 상부 층(138)이 제공된다. 광 가이드(120)는 광 결합 구조체(125)에 결합된다. 광 결합 구조체(125)는 반사 하부 층(132) 내에 홀 및 광 변환기(134) 내에 캐비티의 형태로 슬롯을 포함한다. 광 가이드(120)의 광 출사 표면은 광 가이드(120)를 통해 레이저(110)에 의해 방출된 레이저 광(10)이 광 결합 표면(127)에 의해 수신되도록 배열된다. 450㎚의 파장을 갖는 레이저 광(10)은 광 변환기(134)의 얇은 층을 통과하여야 한다. 광 결합 표면(127)과 반투명체(136) 사이의 층의 두께는 레이저 광(10)의 5% 미만이 광 변환기(134)의 레이저 피크 방출 파장 또는 온도의 변화들의 영향을 제한하기 위해 변환된 광(20)으로 변환되도록 배열된다. 레이저 광(10)의 나머지 95%는 반투명체(136)를 통해 반사 상부 층의 방향으로 방출된다. 반사 상부 층(138)에 도달한 레이저 광(10)의 25%는 반사 상부 층을 통과한다(투과된 레이저 광(12)). 레이저 광(10)의 나머지는 광 변환기(134)의 방향으로 다시 반사 상부 층(138)에서 반사된다(반사된 레이저 광(11)). 광 변환기(134)는 반사된 레이저 광(11)의 본질적으로 모두를 변환된 광(20)으로 변환한다. 황색 인광체 가넷 내에 발생된 변환된 광(20)은 반사 상부 층(138)의 방향으로 반사 하부 층(132)에서 반사된다. 반사 상부 층(138)은 반사 상부 층(138)에 도달한 모든 변환된 광(20)이 층을 통과할 수 있도록 배열된다. 반사 상부 층(138)은 이 경우에 레이저 광(10)의 일부만이, 그러나 본질적으로 모든 변환된 광이 투과되도록 배열되는 다수의 서브 층을 포함하는 이색성 필터이다. 레이저-기반 광원(100)은 그러므로 투과된 레이저 광(12)과 변환된 광(20)의 혼합을 포함하는 백색 광을 방출한다.
광 변환 재료의 시트는 바람직하게는 20㎛ 내지 100㎛의 두께를 갖는다. 광 가이드(120)는 보통 50㎛ 내지 100㎛의 직경을 갖는 원형 단면을 갖는다. 반투명체(136)의 두께는 램프 배열 내의 레이저-기반 광원과 결합될 수 있는 광학 디바이스들(예를 들어, 하나 이상의 렌즈, 반사기 등)의 수용 콘을 채우는 투과된 레이저 광(12)을 실현하도록 선택된다.
전형적인 수들을 갖는 예들:
광 가이드의 개구수(NA): 0.22.
광 가이드(120)의 직경: 100㎛(이것은 50㎛ 코어를 갖는 멀티모드 섬유의 클래딩 층의 직경임)
반투명체(136)의 두께: 200㎛
광 변환기(134)(루미라믹 플레이트렛)의 두께: 50㎛
플레이트렛 크기: 500 × 500㎛2
광 가이드(120)의 출사 표면과 이색성 필터 사이의 반투명체 또는 매체의 굴절률(nr)에 따라, 청색 광이 광 변환기(134) 상의 소정의 영역에 걸쳐 분배될 것이다.
nr=1:
광 가이드(120)의 영역이 없는 광 변환기(134)의 조명된 영역과 광 가이드(120)를 포함하는 전체 영역의 비율은 87%일 것이다(광 결합 표면(127)과 반사 상부 층(138) 사이의 200㎛ 거리에 대해). 이 비율은 본질적으로 변환된 광이 광 결합 표면(127)과 반투명체(136) 사이의 층에 발생되지 않는다는 것을 고려한다(특히 광 결합 표면(127)이 반투명체(136)의 표면인 경우에: 하기의 도 3 내지 6 참조). 비율이 크면 클수록 광 가이드(120)를 통해 더 적은 광이 손실될 수 있다. 조명된 영역의 직경은 이 경우에 280㎛일 것이다.
nr=1.5인 경우:
광 가이드(120)의 영역이 없는 광 변환기(134)의 조명된 영역과 광 가이드(120)를 포함하는 전체 영역은 79%일 것이다(광 가이드와의 완벽한 광 결합을 가짐). 조명된 영역의 직경은 이 경우에 219㎛일 것이다.
도 2는 황색 인광체 가넷의 흡수 계수(55)를 도시한다. 세로 좌표(51)는 흡수 계수를 표시하고 가로 좌표(52)는 파장을 표시한다. 파장에 걸친 흡수 계수의 스펙트럼은 최근의 자동차 전방 조명 응용들(자동차 헤드라이트)에서 사용되는 것과 같은 황색 인광체 가넷 (Y(3-0.4)Gd0.4,Al5O12:Ce)의 전형적인 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 청색 레이저(다이오드) 방출에 대한 전형적인 파장 범위인 440 내지 460㎚에서, 흡수 계수는 2배보다 더 증가하고, 이는 CIE 1976 v' 색점에서 레이저-기반 광원의 약 0.067만큼의 큰 색점 전이(color point shift)에 이르게 할 수 있다. 백색 광에 대해 필요한 청색 레이저 광(10)은 광 변환기(134) 내의 변환 전에 변환되어야 하는 레이저 광(10)의 대부분과 분리된다. 레이저-기반 광원(100)의 광 변환 디바이스(130)는 변환된 광(20)의 방출이 예를 들어, 하기 도 1 및 도 3 내지 6에 도시한 레이저(110)에 의해 방출된 레이저 광(10)의 피크 방출 또는 파장 범위와 본질적으로 독립이도록 배열된다.
도 3은 제2 레이저-기반 광원(100)의 주요 스케치를 도시한다. 기본 배열은 도 1과 관련하여 설명된 것과 동일하다. 광 결합 표면(127)은 본 실시예에서 광 변환기(134)와 반투명체(136) 사이의 계면에 배열된다. 레이저 광(10)은 광 변환기(134)의 어떤 재료도 통과하지 않고 반투명체(136)에 직접 들어간다. 광 변환 디바이스(130)는 히트싱크(131)를 추가로 포함한다. 히트싱크(131)의 표면은 광 변환기(134)에 실리콘에 의해 접착된 반사 하부 층(132)으로서 배열된다. 발광 방향에 본질적으로 수직인 광 변환기(134) 및 이 경우에 또한 반투명체(136)의 측면들은 광이 측면들을 통해 빠져 나갈 수 있는 것을 방지하는 측면 코팅(134a)에 의해 덮힌다. 히트싱크(131)와 유리 또는 대안적으로 사파이어를 포함하는 반투명체(136)의 조합은 100㎛보다 큰 두께를 갖는 광 변환기(134)가 반사 레이저 광(11)의 본질적으로 완전한 광 변환을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있도록 광 변환기(134)를 보다 효율적으로 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 추가적인 냉각은 루미라믹 광 변환기(134)의 온도가 150℃ 위로 훨씬 증가하는 것을 방지하고 심각한 열적 급냉을 피한다. 열적 급냉은 광 변환기(134)를 쉽게 파손시킬 수 있다.
도 4는 제3 레이저-기반 광원(100)의 주요 스케치를 도시한다. 기본 배열은 히트싱크(131)를 갖는 도 2와 관련하여 설명된 것과 동일하다. 광 결합 표면(127)은 본 실시예에서 광 결합 구조체(125)가 반투명체(136) 내에 캐비티를 포함하도록 반투명체(136) 내에 약간 배열된다. 반투명체(136)는 유리로 이루어진 하부 반투명 층(136a) 및 유리로 이루어진 상부 반투명 층(136c)을 포함하고 하부 반투명 층(136a)은 광 변환기(134)에 부착되고 상부 반투명 층(136c)은 반사 상부 층(138)에 부착된다. 상부 반투명 층(136c)은 반투명 간격(136b)이 하부 반투명 층(136a)과 상부 반투명 층(136c) 사이에 만들어지도록 캐리어(139)에 추가로 부착된다. 또한, 편향 층(137)이 하부 반투명 층(136a)과 상부 반투명 층(136c) 사이에 배열된다. 편향 층(137)은 이 경우에 레이저 광의 출사 콘이 레이저 광(10)을 편향시킴으로써 넓혀지도록 구조화된 하부 반투명 층(136a)의 표면이다. 광 변환 디바이스(130)의 측면들을 통해 광 손실들을 방지하기 위해 광 변환기(134)의 측면 코팅(134a)뿐만 아니라 캐리어(139)는 반사성이다. 반사 하부 층(132)은 이 경우에 히트싱크(131)와 광 변환기(134) 사이에 배열되고 변환된 광(20)에 대해 반사성이지만 반사된 레이저 광(11)에 대해 본질적으로 투명한 이색성 필터이다. 광 변환기(134)에서 변환되지 않은 반사된 레이저 광(11)은 반사 하부 층(132)을 통과하고 히트싱크(131)에 의해 흡수된다.
도 5는 투사 응용들을 위한 광원으로서 사용될 수 있는 제4 레이저-기반 광원(100)의 주요 스케치를 도시한다. 기본 배열은 히트싱크(131)를 갖는 도 2와 관련하여 설명된 배열과 매우 유사하다. 반사 상부 층(138)은 본질적으로 단지 변환된 광(20)이 반사 상부 층(138)을 통과하도록 레이저 광(10)의 적어도 99%를 반사한다. 광원의 색점은 그러므로 변환된 광(20)의 파장 범위에 의해 결정된다. 광 변환 디바이스(130)는 광 변환기(134)와 반투명체(136) 사이에 배열된 반사 방지 층(135)을 추가로 포함한다. 반사 방지 층(135)은 반투명체(136)와 광 변환기(134) 사이의 계면에서의 반사 레이저 광(11)의 반사를 억제한다.
전형적인 수들로 위에 제공된 예들은 또한 하기 도 5 또는 도 6에 따른 레이저-기반 광원(100)에도 적용된다.
도 6은 제5 레이저-기반 광원(100)의 주요 스케치를 도시한다. 기본 배열은 도 5와 관련하여 설명된 배열과 동일하지만 광 변환 디바이스(130)는 광 변환기(134)와 반투명체(136) 사이에 반사 방지 층(135)을 포함하지 않는다. 광 흡수 층(133)은 투과된 레이저 광(12)이 레이저-기반 광원(100)에 의해 방출된 변환된 광(20)의 양호한 색 포화를 가능하게 하기 위해 반사 상부 층(138)을 통과한 후에 광 흡수 층(133) 내에 흡수되도록 반사 상부 층(138)의 상부 측에 부착된다.
광 흡수 층(133) 또는 색 필터 층은 레이저-기반 광원(100)의 의도된 색 방출에 따라 선택된다. 색 필터 층들은 바람직하게는 다음과 같은 무기 색소 재료들이다:
청색: CoO-Al2O3
군청색
녹색: TiO2-CoO-NiO-ZrO2
CeO-Cr2O3-TiO2- Al2O3
TiO2-ZnO-CoO-NiO
황색: Bi-바나듐산염
Pr,Z,Si 산화물
Ti,Sb, Cr 산화물
Ta 산화질화물
적색: Fe2O3
Zn,Cr,Fe -산화물
CdS-CdSe
Ta ON
이들 재료는 바람직하게는 광의 후방산란으로 인한 광 손실들을 피하기 위해, 입자 직경들<200㎚인 것으로 사용된다.
부가적으로, 금속 프탈로시아닌들 또는 페릴린들의 그룹으로부터 선택될 수 있는 온도 안정 유기 색소가 적용될 수 있다.
광 결합 구조체(125) 및 특히 광 결합 표면(127)의 위치는 램프(예를 들어, 차량 헤드라이트, 투사 램프...)의 전체적인 배열에 적응될 수 있다. 그러므로 광 변환기(120)는 도 1 및 도 3-6에 도시한 것과 같은 광 변환기(134)의 중심 내에 배열될 필요는 없다. 또한, 광 가이드(120) 및 광 변환기(134)는 도 1 및 도 3-6에 도시한 90°와 상이한 각도를 둘러쌀 수 있다.
본 발명이 도면 및 전술한 설명에서 상세히 예시되고 설명되었지만, 이러한 예시 및 설명은 설명적이거나 예시적인 것이지 제한적인 것으로 고려되지 않는다.
본 개시내용을 읽고 난 다음에, 다른 수정들은 본 기술 분야의 기술자들에게 분명해질 것이다. 이러한 수정들은 본 기술 분야에 이미 공지되고 여기에 이미 설명된 특징들 대신에 또는 그들 외에 사용될 수 있는 다른 특징들을 포함할 수 있다.
개시된 실시예들에 대한 변화들이 도면, 개시내용 및 첨부된 청구범위를 연구한다면 본 기술 분야의 기술자들에 의해 이해되고 실행될 수 있다. 청구범위에서, 단어 "포함하는"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 단수 표현은 복수의 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 소정의 수단들이 상호 상이한 종속 청구항들에 나열된 사실만으로 이들 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.
청구범위 내의 임의의 참조 부호들은 그 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
10 레이저 광
11 반사된 레이저 광
12 투과된 레이저 광
20 변환된 광
51 흡수
52 파장
55 YAG:Ce 인광체의 흡수 계수
100 레이저-기반 광원
110 레이저
120 광 가이드
125 광 결합 구조체
127 광 결합 표면
130 광 변환 디바이스
131 히트싱크
132 반사 하부 층
133 광 흡수 층
134 광 변환기
134a 측면 코팅
135 반사 방지 층
136 반투명체
136a 하부 반투명 층
136b 반투명 간격
136c 상부 반투명 층
137 편향 층
138 반사 상부 층
139 캐리어

Claims (12)

  1. 광 변환기(134) 및 반투명체(translucent body)(136)를 포함하는 광 변환 디바이스(130)로서, 상기 반투명체(136)의 제1 표면은 상기 광 변환기(134)의 상부 표면에 결합되고, 상기 광 변환기(134)의 하부 표면은 반사 하부 층(132)에 결합되고, 상기 광 변환 디바이스(130)는 광 결합 구조체(125)를 포함하고, 상기 광 결합 구조체(125)는 광 가이드(120)를 수용하기 위해 상기 반사 하부 층(132) 내에 홀(hole) 및 상기 광 변환기(134) 내에 슬롯을 포함하고, 상기 광 결합 구조체(125)는 상기 광 가이드(120)를 통해 레이저 피크 방출 파장을 갖는 레이저 광(10)을 수신하기 위해 광 결합 표면(127)을 포함하고, 상기 광 결합 표면(127)은 상기 광 결합 표면(127)을 통과하는 상기 레이저 광(10)의 적어도 80%가 상기 반투명체(136)에 의해 수신되도록 배열되고, 상기 반투명체(136)는 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 포함하고, 상기 반투명체(136)의 상기 제2 표면은 상기 레이저 광(10)의 적어도 일부를 상기 광 변환기(134)에 다시 반사시키기 위한 반사 상부 층(138)에 결합되고, 상기 광 변환기(134)는 반사된 레이저 광(11)을 변환된 광(20)으로 변환하도록 적응되고, 상기 변환된 광(20)의 피크 방출 파장은 상기 레이저 피크 방출 파장보다 긴 파장 범위에 있고, 상기 반사 하부 층(132)은 상기 변환된 광(20)의 적어도 80%가 상기 반투명체(136) 및 상기 반사 상부 층(138)을 통해 방출되도록 적응되는 광 변환 디바이스(130).
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 결합 구조체(125)는 상기 광 변환기(134)를 통하는 홀을 포함하고, 상기 광 결합 표면(127)은 상기 반투명체(136)의 표면을 포함하는 광 변환 디바이스(130).
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 변환기(134)는 상기 광 변환기(134)에 들어가는 상기 레이저 광(10)의 적어도 80%, 바람직하게는 적어도 85%, 가장 바람직하게는 적어도 90%를 변환 또는 흡수하도록 배열되는 광 변환 디바이스(130).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 상부 층(138)은 상기 광 결합 표면(127)을 통해 수신된 상기 레이저 광(10)의 적어도 10%이고 50% 이하, 바람직하게는 상기 레이저 광(10)의 적어도 15%이고 45% 이하, 그리고 더 바람직하게는 상기 레이저 광(10)의 적어도 18%이고 40% 이하를 투과시키도록 적응되는 광 변환 디바이스(130).
  5. 제4항에 있어서, 상기 반투명체는 상기 레이저 광(10)을 산란시키도록 배열되는 광 변환 디바이스(130).
  6. 제5항에 있어서, 상기 반투명체(136)는 상기 광 변환기(134)의 상기 상부 표면에 결합된 하부 반투명 층(136a) 및 상기 반사 상부 층(138)에 결합된 상부 반투명 층(136c)을 포함하는 광 변환 디바이스(130).
  7. 제6항에 있어서, 상기 반투명체(136)는 상기 하부 반투명 층(136a)과 상기 상부 반투명 층(136c) 사이에 배열된 편향 층(deflection layer)(137)을 추가로 포함하는 광 변환 디바이스(130).
  8. 제4항에 있어서, 상기 광 변환 디바이스(130)는 상기 광 변환기(134)와 상기 반투명체(136) 사이에 배열된 반사 방지 층(anti-reflection layer)(135)을 포함하고, 상기 반사 방지 층(135)은 상기 레이저 광(10)의 반사를 억제하도록 적응되는 광 변환 디바이스(130).
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 상부 층(138)은 상기 레이저 광(10)의 적어도 95%, 더 바람직하게는 상기 레이저 광(10)의 적어도 98%, 그리고 가장 바람직하게는 상기 레이저 광(10)의 적어도 99.5%를 반사시키도록 적응되는 광 변환 디바이스(130).
  10. 제9항에 있어서, 상기 광 변환 디바이스(130)는 상기 반투명체(136)에 대향하는 상기 반사 상부 층(138)에 결합된 광 흡수 층(133)을 포함하고, 상기 광 흡수 층(133)은 상기 반사 상부 층(138)을 통과한 후에 투과된 레이저 광(12)을 흡수하도록 적응되고, 상기 광 흡수 층(133)은 상기 반사 상부 층(138)을 통과한 후에 상기 변환된 광(20)의 적어도 90%를 투과시키도록 추가로 적응되는 광 변환 디바이스(130).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 광 변환 디바이스(130), 광 가이드(120) 및 레이저(110)를 포함하는 레이저-기반 광원(100)으로서, 상기 광 가이드는 상기 광 결합 구조체(125)에 결합되고, 상기 광 가이드(20)의 광 출사 표면은 상기 광 가이드(120)를 통해 상기 레이저(110)에 의해 방출된 상기 레이저 광(10)이 상기 광 결합 표면(127)에 의해 수신되도록 배열되는 레이저-기반 광원(100).
  12. 제1항 내지 제8항을 참조한 제11항에 따른 적어도 하나의 레이저-기반 광원(100)을 포함하는 차량 헤드라이트.
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