(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光（３，６）を放出する励起光源（２）と、
前記励起光（２）の少なくとも一部を黄色光（１２）に変換するための蛍光体を含む蛍光体エレメント（１１）と、
青色光（１３）を放出する固体光源（１４）と、
前記励起光（３，６）を前記蛍光体エレメント（１１）に導光し、変換後の前記黄色光（１２）および前記青色光（１３）を導光して混合するための光学系と
を有し、
前記光学系は、背面（４）と前面（１８）とを有するダイクロイックミラー（５）を備えており、
前記背面（４）は、前記励起光（３）を前記蛍光体エレメント（１１）へ反射し、当該蛍光体エレメント（１１）から出てきた変換後の前記黄色光（１２）を透過させるように構成されており、
前記前面（１８）は、前記固体光源（１４）から出てきた前記青色光（１３）を反射し、変換後の前記黄色光（１２）を透過させるように構成されている
ことを特徴とする、照明装置（１）。
【請求項２】
前記光学系はさらに、
前記蛍光体エレメント（１１）の前に配置されており、前記励起光（６）を前記蛍光体エレメント（１１）に導光し、変換後の前記黄色光（１２）を前記ダイクロイックミラー（５）の背面（４）の方向に集光および導光するための第１の光学部品（８）
を有する、
請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
前記光学系はさらに、
前記固体光源（１４）の前に配置されており、当該固体光源から出てきた前記青色光（１３）を前記ダイクロイックミラー（５）の前面（１８）の方向に導光するための第２の光学部品（１５）
を有する、
請求項１または２記載の照明装置。
【請求項４】
前記光学部品（８；１５）は細長く、かつ、当該光学部品（８，１５）の長手軸に沿って内部全反射（ＴＩＲ）を利用して光を透過させるように構成されている、
請求項２または３記載の照明装置。
【請求項５】
前記蛍光体エレメント（１１）の蛍光体は、（Ｙ０．９６Ｃｅ０．０４）３Ａｌ３．７５Ｇａ１．２５Ｏ１２を含む、
請求項１から４までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項６】
前記照明装置はさらに、赤色光を放出する蛍光体および／または緑色光を放出する蛍光体を含む補助蛍光体エレメントを含む、
請求項１から５までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項７】
前記励起光は青色光（３，６）である、
請求項１から６までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項８】
前記励起光源（２）はレーザ光源を、とりわけレーザダイオードまたはレーザダイオードアレイを有する、
請求項１から７までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項９】
前記固体光源は青色発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する、
請求項１から８までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項１０】
前記蛍光体エレメント（１１）は、前面を有する基材（１０）を備えており、
前記蛍光体は、前記基材（１０）の前記前面に配置されている、
請求項１から９までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項１１】
前記蛍光体エレメント（１１）は回転装置上に配置されている、
請求項１から９までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項１２】
前記照明装置はさらに、
前記励起光源および前記固体光源の各出力パワーを制御および調整することにより、事前設定されたＣＲＩを実現するための制御システム
を有する、
請求項１から１１までのいずれか１項記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光を変換光に変換するための蛍光体エレメントを有する照明装置に関する。
【０００２】
本発明の背景技術
導光体を使用する数多くの照明用途では、特に内視鏡、顕微鏡および医療用ヘッドランプでは、高演色性（ＣＲＩ）、高ルーメン出力かつ高輝度の光源が必要とされる。伝統的には、入力電力が数百Ｗになるキセノンショートアーク放電ランプ（たとえばＯＳＲＡＭ ＸＢＯ（登録商標））が使用され、これは光反射器に埋め込まれている。入力電力は比較的高く、寿命は制限され、この寿命中に発光特性はシフトし、熱による悪影響が照明対象に及ぼされるため、従来技術に代わるより高いエネルギー効率の光源の必要性が高まっている。一般照明用途では、たとえば発光ダイオード（ＬＥＤ）等である固体光源がますます広く普及してきているが、白色ＬＥＤは未だ、特殊な照明用途に必要とされる高ルーメン出力や高輝度を実現することができない。
【０００３】
ＵＳ７４９４２２８Ｂ２に、複数の異なるＬＥＤまたは複数の励起された蛍光体からの異なる光色を混合するための光生成装置が開示されている。図７に、ダイクロイックミラー８２を介して緑色蛍光体７４を励起する青色ＬＥＤまたは紫外ＬＥＤのアレイ７６を含むシステムが示されている。この変換後の緑色光は、ダイクロイックミラーによって混合トンネル９０内へ向かって反射される。さらに、青色ＬＥＤ９２のアレイによって放出された青色光と、赤色ＬＥＤ９８によって放出された赤色光とが、それぞれ対応するダイクロイックミラー９６，１０２によって前記混合トンネル９０内へ向かって反射される。このようにして、前記混合トンネル９０において緑色光と青色光と赤色光とが混合され、当該混合トンネル９０の出力ポート１０４へ導かれる。この出力ポート開口は、導光体５２に適合されている。
【０００４】
本発明の開示
本発明の課題は、少なくとも１つの固体光源をベースとして、高輝度の白色光を必要とする照明用途に適した照明装置を実現することである。
【０００５】
また本発明は、工業用または医療用の導光体用に適した固体照明装置を実現することも対象とする。
【０００６】
本発明の前記課題は、
励起光を放出する励起光源と、
前記励起光の少なくとも一部を黄色光に変換する蛍光体を含む蛍光体エレメントと、
青色光を放出する固体光源と、
前記励起光を前記蛍光体エレメントへ導光し、変換後の前記黄色光および前記青色光を導光および混合するための光学系と
を有する照明装置によって解決される。
【０００７】
従属請求項に、有利な実施形態の更なる他の特徴が特定されている。
【０００８】
本発明では、蛍光体層が励起光によって励起されたときに放出する、変換された黄色光が、少なくとも１つの固体光源によって放出された青色光と混合されることにより、白色光が生成される。前記固体光源は、たとえばレーザダイオードまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）等であり、たとえば青色高出力マルチチップＬＥＤ等である。
【０００９】
本発明では蛍光体との用語は、すべての波長変換物質を指し、たとえば蛍光材料またはリン光材料等を指す。さらにこの蛍光体は、蛍光体成分を１つより多く含むことができる。すなわち、２つ以上の蛍光体成分を混合したものを前記蛍光体とすることができる。
【００１０】
ルーメン出力を可能な限り高くするためには、前記励起光源は少なくとも１つのレーザ光源を含むことができる。このレーザ光源は有利には、レーザダイオード、レーザダイオードスタックまたはレーザダイオードアレイである。レーザ光源が複数である場合、各レーザ光源はそれぞれ、各固有の中心波長が等しいレーザ光を放出することができる（たとえば４５０ｎｍ、４４５ｎｍまたは４０５ｎｍ）。すなわち、すべてのレーザ光源を同型とする。上記実施形態に代えて択一的に、前記励起光は、複数の異なる中心波長を混合したものとすることができる。すなわち、複数の異なる型のレーザ光源を使用することができる。
【００１１】
使用される蛍光体の種類に依存して、黄色光すなわちより長波長の光に変換される（「ダウンコンバート」）前記励起光を、青色光または紫色光とするか、または紫外光とすることもできる。有利な実施形態では、レーザダイオードのアレイが、約４５０ｎｍの波長を有する励起光（青色光）を放出する。この青色レーザ光の少なくとも一部が、適切な蛍光体によって、約５７０ｎｍにピークを有する広幅のスペクトル分布を有する黄色光に波長変換される。前記適切な蛍光体は、たとえばＹＡＧ：Ｃｅまたは（Ｙ０．９６Ｃｅ０．０４）３Ａｌ３．７５Ｇａ１．２５Ｏ１２である。黄色光を放出するのに適したものであれば、他の任意の蛍光体を使用することができ、また、全体として黄色光を放出するように２つ以上の蛍光体成分を混合したものを使用することもできる。波長変換後の黄色光は青色ＬＥＤ光と、たとえば約４７０ｎｍの波長を有するＬＥＤ光と混合され、これにより白色光が生成される。
【００１２】
前記黄色光および青色光に赤色光および／または緑色光を追加すると、前記照明装置から出力される混合光の発光特性、とりわけＣＲＩをさらに改善することができる。こうするためには、前記照明装置はさらに、赤色発光ＬＥＤおよび／または緑色発光ＬＥＤを含み、および／または、赤色光を放出する蛍光体および／または緑色を放出する蛍光体を含む補助蛍光体エレメントを含むことができる。前記赤色光を放出する蛍光体はたとえば、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）２Ｓｉ５Ｎ８またはＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ等であり、前記緑色光を放出する蛍光体はたとえば、（Ｂａ０．４０Ｅｕ０．６０Ｍｎ０．３０）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７等である。黄色光と赤色光および／または緑色光とを含む変換された混合光を放出するために、前記赤色光を放出する補助的な蛍光体および／または緑色光を放出する補助的な蛍光体と、前記黄色光を放出する蛍光体とを混合することができる。最後に、この変換された混合光と、前記少なくとも１つの固体光源によって放出された青色光とを混合することにより、ＣＲＩが改善された混合白色光を生成する。
【００１３】
有利には、前記励起光源および前記少なくとも１つの青色ＬＥＤの各出力パワーを調整および制御することにより、混合により生成される前記白色光の相応の色温度（ＣＣＴ）および演色性（ＣＲＩ）の値を、事前調整された値にすることができる。前記相応の色温度（ＣＣＴ）はたとえば５０００Ｋまたは６０００Ｋであり、前記演色性（ＣＲＩ）はたとえば最低６０，有利には最低７０，さらに有利には８０である。
【００１４】
有利な実施形態では前記蛍光体エレメントは、前面を有する基材を有する。これにより、前記蛍光体は前記基材の前面に、たとえば蛍光体層として配置される。有利には前記基材は、前記励起光が前記蛍光体層に当たったときに生じさせる熱の散逸を促進するための適切な冷却特性を有する材料から成る。この材料はたとえば、銅またはアルミニウム等である金属である。冷却をさらに改善するためには、前記蛍光体エレメントを回転装置上に配置することも可能である。前記基材が固体を含む場合、波長変換された光は前記蛍光体エレメントから反射され、光学系によって集光および混合される（「反射モード」）。しかし、前記波長変換された光を透過させる透光性シートを前記基材が含むことも可能である（「透過モード」）。
【００１５】
前記光学系は、背面と前面とを有するダイクロイックミラーを含むことができる。この背面および前面はそれぞれ、たとえば干渉層を有することができる。前記背面は、前記蛍光体エレメントに前記励起光を反射させ、前記蛍光体エレメントから出てきた変換後の黄色光を透過させるように構成されている。前記前面は、青色ＬＥＤ光を反射し、前記変換後の黄色光を透過させるように構成されている。したがって、前記変換後の黄色光は前記ダイクロイックミラーによって透過されるが、前記励起光は阻止される。このことはとりわけ、蛍光体を励起するためにレーザ光を使用する場合に有利である。というのも、混合により生成される白色光はレーザ光を含まず、このことは特定の用途において、特に医療用途において重要だからである。混合白色光をさらに利用するために、たとえばガラスファイバ等の導光体に入力結合させるために有利なのは、混合白色光を生成するために、透過された前記黄色光が前記照明装置から出て行く方向と、反射された前記青色ＬＥＤ光が当該照明装置から出て行く方向とが同じになるように、前記照明装置のすべての構成要素が配置および調整されることである。
【００１６】
前記光学系は、前記励起光を前記蛍光体層に導光するために、さらに、前記蛍光体エレメントの前に配置された第１の光学部品を有することができる。とりわけ、蛍光体を励起するために高出力レーザ光を使用する場合、上述の構成により、蛍光体層にホットスポットが形成されるのを回避することができる。変換後の黄色光は前記第１の光学部品により、前記ダイクロイックミラーの背面の方向に集光および導光される。さらに、前記青色ＬＥＤ光を前記ダイクロイックミラーの前面の方向に導光するため、前記青色ＬＥＤの前に第２の光学部品を配置することができる。長手軸に沿って内部全反射（ＴＩＲ）を利用して光を透過させるように、前記各光学部品をそれぞれ細長くして構成することができる。前記照明装置の種々の光ビームを成形できるようにするためには、さらに別の光学部品を、たとえばコリメートレンズを設けるのが有利である。さらに具体的な構成については、図面の説明において説明する。
【００１７】
さらに、２つ以上の混合白色光ビームを、それぞれ別個の本発明の照明装置から出力して、モジュール方式で混合することにより、ルーメン出力を向上させることもできる。
【００１８】
以下、添付の図面を一例として参照して、本発明の有利な実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態の照明装置の概略的な上面図である。
【００２０】
本発明の有利な実施形態
唯一の図である図１には、本発明の有利な実施形態の照明装置１を概略的に示している。この照明装置１は、たとえば内視鏡、顕微鏡および医療用ヘッドランプ等である照明用に、３００Ｗキセノンランプの代替品として構成されたものである。
【００２１】
６×７個の個別の青色レーザダイオード（図示されていない）を含むレーザダイオードアレイ２が、約４２Ｗの総レーザ出力パワーを出力する。６×７マトリクスアレイのレーザビームを形成するように配列された４２個の個別のレーザビーム（図示されていない）を含む青色レーザビーム３は、ダイクロイックミラー５の背面４によって反射される。こうするためには、前記ダイクロイックミラー５の背面４には、青色光を反射するが黄色光を透過させる干渉コーティングが施されている。前記ダイクロイックミラー５は、入射する青色集合レーザビーム３の入射角が約４５°になるように傾斜されている。したがって、入射する集合レーザビーム３と反射される集合レーザビーム６との間の角度は約９０°になる。反射された前記集合レーザビーム６はレンズ７を通過する。このレンズ７は、前記４２個の個別レーザビームを第１のＴＩＲ光学系８の４ｍｍ２の入射部分に集束させるものである。前記第１のＴＩＲ光学系８は内部全反射により、前記個別レーザビームを蛍光体層９に導光する。これにより、この蛍光体層９にホットスポットが形成されるのが回避される。前記ＴＩＲ光学系８の形状は細長く、前記蛍光体層９の方を向いた、ＴＩＲ光学系８の端面の方が小さくなるように、当該ＴＩＲ光学系８の形状はテーパ状にされている。前記蛍光体層９は基材１０の表面にコーティングされ、これらが蛍光体エレメント１１を構成する。アルミニウムの熱的特性が適しているので、基材１０はアルミニウムから成る。蛍光体層９の厚さは約４０μｍであり、この蛍光体層９は、黄色光を放出する蛍光体である（Ｙ０．９６Ｃｅ０．０４）３Ａｌ３．７５Ｇａ１．２５Ｏ１２から成る。前記蛍光体層９は、入射した青色集合レーザ光６のほぼ全てを（９５％以上）黄色光に変換し、この黄色光は、ＴＩＲ光学系８によって集光および導光される。ＴＩＲ光学系８を通過した後、前記黄色光ビーム１２はレンズ７を通って当該レンズによって平行化される。これにより、ダイクロイックミラー５の特定の入射角からの偏差が許容範囲を超えることが回避され、これにより、当該ダイクロイックミラー５の干渉コーティングにおいて最大限の透過が保証される。青色レーザビーム６のうち、変換されずに後方散乱された少量の残りの部分は、ダイクロイックミラー５の背面４によって阻止される。このことにより、人間の眼に対するリスクが回避される。さらに、青色ＬＥＤ１４（OSRAM Opto Semiconductor社のLE B Q6WP）から出力された青色光ビーム１３が第２のＴＩＲ光学系１５によって、第１のＴＩＲ光学系と同様に導光される。青色ＬＥＤ１４は冷却板１６に実装されている。この青色光ビーム１３は、第２のレンズ１７を通過して当該第２のレンズ１７により平行化された後、前記ダイクロイックミラー５の前面１８によって反射される。こうするためには、前記ダイクロイックミラー５の前面１８には、黄色光ビーム１２を透過させるが青色ＬＥＤ光１３を反射する干渉コーティングが施されている。透過された前記黄色光ビーム１２の方向に前記青色光ビーム１３が反射することにより混合白色光ビーム１９が生成されるように、前記青色ＬＥＤ１４と第２のＴＩＲ光学系１５と第２のレンズ１７とを含むＬＥＤ光路は、傾斜さ��た前記ダイクロイックミラー５を基準としてアラインメントされている。前記混合白色光ビーム１９は、第３のレンズ２０を介して導光体（図示されていない）の入射開口に集束される。このような照明装置１によって実現されるルーメン出力は、約２，６００ｌｍとなる。
【００２２】
さらに、前記混合白色光ビームの相応の色温度（ＣＣＴ）および演色性（ＣＲＩ）を調整および制御するために、前記レーザダイオードアレイ２および前記青色ＬＥＤ１４の各出力パワーを調整および制御するための手段を設けることもできる（図示されていない）。最後に、前記２つのＴＩＲ光学系から散乱した光を検出するためのセンサ素子（図示されていない）を配置することもできる。このセンサの信号は、レーザダイオードアレイ２および青色ＬＥＤ１４の各入力電力を調整するために使用することができる。
【図１】
0005631509.tif 000002