(57)【要約】  本発明は、白色光を生成する装置１であって、少なくとも１つの光源１０と少なくとも１つの変換媒体４０とを備え、少なくとも１つの光源１０は、青色スペクトル範囲及び／又は紫外スペクトル範囲の光を発光し、少なくとも１つの光源からの光は、レーザーによって生成され、光学系３０によって変換媒体４０上に集光し、変換媒体４０は、入射光２０を少なくとも部分的に異なるスペクトル範囲６０に変換する、白色光を生成する装置に関する。【選択図】図１ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色光を生成する装置（１）であって、少なくとも１つの光源（１０）と少なくとも１つの変換媒体（４０）とを備え、前記少なくとも１つの光源（１０）は、青色スペクトル範囲及び／又は紫外スペクトル範囲の光を発光し、前記少なくとも１つの光源からの前記光は、レーザーによって生成され、光学系（３０）によって前記変換媒体（４０）上に集光し、そのため、光の焦点が前記変換媒体（４０）にあり、該変換媒体（４０）は、入射光の少なくとも一部を異なるスペクトル範囲（６０）に変換する、白色光を生成する装置。
【請求項２】
前記光源（１０）は、少なくとも１つの半導体レーザーによって形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記変換媒体（４０）の上流の光路内に配置される、前記少なくとも１つの光源（１０）からの光ビームの強度分布を変えるビーム整形素子を備える、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記光学系（３０）は、屈折光学素子、反射光学素子、回折光学素子又はそれらの組合せを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記光学系（３０）の開口数は、０．４５よりも大きく、好ましくは０．６よりも大きく、最も好ましくは０．８よりも大きい、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
光伝搬方向において前記変換媒体の下流のオプティクス（１４０）であって、前記焦点から出る変換光の開き角を小さくするオプティクス（１４０）を備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記光学系（３０）と、前記光伝搬方向において前記変換媒体（４０）の下流の前記オプティクス（１４０）とは、前記変換媒体（４０）に対して同じ面側に配置され、前記変換媒体の反対の面側には反射手段が配置され、該反射手段は、前記光源（１０）の前記光と、前記変換媒体において変換された光とを前記変換媒体（４０）から反射する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記光学系（３０）と、前記光伝搬方向において前記変換媒体（４０）の下流の前記オプティクス（１４０）とは、共通の集光光学素子、好ましくはレンズ（３１）を含み、該レンズ（３１）の光軸は、前記変換媒体（４０）の、前記レンズ（３１）に面する表面に対して垂直に配向される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記変換スペクトル範囲（６０）は、黄色スペクトル域内にあり、重心が５５０ｎｍ乃至６２０ｎｍの範囲にあり、半値幅が好ましくは５０ｎｍよりも大きく、より好ましくは１００ｎｍよりも大きく、最も好ましくは１５０ｎｍよりも大きい、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記光源（１０）からの前記光ビームに対して前記変換媒体（４０）を移動させる手段を更に備える、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記変換媒体（４０）は交換可能である、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記変換媒体（４０）は、前記レーザーの波長よりも大きい波長のために、前記レーザーに面する面がミラーコーティングされる、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
自己冷却式変換プレート（４０）を備える、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記白色光を生成する装置（１）は、ファイバー及び／又はファイバー束（１３０）に供給するようになっている、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記白色光を生成する装置（１）は、色変化を生じさせるようになっている、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記色変化又は色温度変化は、前記変換媒体（４０）の様々なトラックに集光させることによって生じる、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記変換媒体（４０）の前記表面に対して垂直に測定した場合の前記変換媒体（４０）の厚さ（４１）は、前記焦点（５０）の横寸（５１）に対して最大で３倍大きい、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括的には、白色光を生成することに関する。本発明はより詳細には、スペクトル範囲の変換によって、レーザー光源から、エテンデュー又は導光係数が小さい白色系光を生成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
数多くの用途に、中心照明素子として白色光源が必要である。そのような光源は、特に医療診断、非接触測定法、白色光干渉法、光干渉断層撮影法、距離計測に必要とされるが、基礎研究における広帯域光源としても必要とされる。
【０００３】
また、高性能な白色光源は、自動車分野又は例えば建築照明において有用であり得る。加えて、映像投影の分野を挙げる必要がある。この場合は特に、三次元画像用の高解像度映像システム及び装置の導入により、コンパクトで、効率的、かつ強力な白色光源の需要が増え続けるであろうことから、高需要が見込まれている。その上、光ファイバー又は光ファイバー束を更に使用することによって、多様な上記の用途分野に関して、柔軟性が高く革新的な照明コンセプトが実現可能である。
【０００４】
白色光を生成することに関して、特に熱光源が知られている。これらの光源は、非常に高い光束を作り出すことを可能にするが、様々な欠点を有する。例えば、そのようにして生成される放射光のうちの僅かな部分しか可視スペクトル範囲にない。大部分は熱放射として発せられる。この不所望な排熱はたいていの用途の場合に消散させる必要があるが、この消散は複雑であり費用がかかる。また、これらの光源が頻繁な切換え操作を受ける場合、その動作寿命はかなり短くなる。さらに、これらの光源は高価かつ嵩高であり、その低効率に起因して多くのエネルギーを消費する。
【０００５】
代替法は、ＬＥＤ又は他の半導体光源を使用することである。ＬＥＤ又は他の半導体光源は、白色光を直接発することはできないが、いわゆる変換層又は発光層の使用が打開策を与える。そのような変換層又は変換物質は数十年間知られてきており、これに対応してその利用可能性及び開発レベルが高くなっている。そのような変換層では、照射光をより長い波長の放射光に変換する。このように、適した半導体光源を使用する場合、種々の変換材、例えば赤色、緑色及び青色を照射及び混合することによって、比較的強力な白色光源を作り出すことができる。
【０００６】
特許文献１が、変換層を使用して白色光を生成するこの種の装置を記載している。用途分野は映像投影の領域にある。ここでは、青色スペクトル範囲で発光する光源からの光が、変換層を介して緑色スペクトル範囲に変換される。同様に緑色で発光する別の光源とともに、青色光源及び赤色光源を用いて、映像投影に必要とされる白色光が混色によって生成される。それぞれの個々の光源は、集光レンズによって光平滑化ユニットに導光される。この場合の不都合点は、変換媒体における拡散に起因してエテンデューが増大することである。
【０００７】
特許文献２が、変換層を用いて白色光を生成する別の装置を記載している。ここでも同様に、用途分野は映像投影の領域にある。この場合、青色スペクトル範囲で発光する光源を使用することによって、光がセグメントディスクに照射される。このディスク上には、少なくとも２つの変換層がある。一方が赤色スペクトル範囲に変換し、他方が緑色スペクトル範囲に変換する。青色光は変換される必要はなく、拡散層のみが使用される。ディスクを回転させることによって、赤色変換光、緑色変換光及び青色拡散光が立て続けに生成される。この場合の不都合点は、視覚の持続性に起因して、見る者の眼では時間平均でしか白色光がもたらされないことである。さらに、青色光が、赤色光及び緑色光の発光特性に調和するように拡散される。そのことは、光源のエテンデューが増大することを意味する。
【０００８】
特許文献３もまた、変換光を生成する装置を記載している。この場合、光が半導体ベースの光源（レーザー又はＬＥＤ）からファイバーを通じて変換媒体に供給される。この場合の不都合点は、ファイバーから出る光が概ね平行であることである。したがって、変換媒体における拡散に起因して、エテンデューが著しく増大する。
【０００９】
適度な効率により、比較的大きな光束をこのように作り出すことができるが、そのような光源の、導光係数とも呼ばれるエテンデューは、たいていの用途の場合に許容できないほど高い。しかしながら、この値は、光束及び効率の他に、光源の別の基本的な品質判定基準を表す。エテンデューを計算する式には、発光表面の面積及び開口数、すなわち放射の角度分布しか含まれないため、この値は所与の発光特性を有する光源に関して一定である。この値は最良の場合、後続する光学系によって維持され得る。
【００１０】
光学系は以下で、例えばレンズ、ミラー、回折素子、ライトガイド等のような、光にその伝搬方向において影響を及ぼす任意の系を指す。換言すれば、光学系は最良の場合、自身のエテンデューを転送する可能性がある。したがって、光路内の光学系におけるエテンデューの変化は、或る点から別の点まで規則的に光を伝達する能力の測度である。しかしながら、一般的に、光学系は完全ではなく、エテンデューを増大させる。
【００１１】
光学系のエテンデューが光源のエテンデューよりも小さい場合、光エネルギーは損失する。このことは、画像面、例えばスクリーンでもあり得る検出器への悪影響、又はファイバー若しくはファイバー束への悪影響を示唆するが、その理由は、利用可能な光エネルギー全体が検出器又はファイバー若しくはファイバー束にもはや供給されることができないからである。特に、ファイバー若しくはファイバー束に供給する場合、エテンデューは可能な限り最も小さく達成する必要がある。この値が小さいほど、より単純な光学系を、光透過に関してその効率に悪影響を及ぼすことなく構成することができる。
【００１２】
しかしながら、変換媒体における拡散は、変換光の円錐角が照射光の円錐角よりも実質的に大きいためにエテンデューを増大させ、それによって、ビーム品質が損なわれる。この増大したエテンデューに起因して、小さな表面又は小さな角度又はそれらの双方の最も好適な組合せに対する変換光の再現がもはや実現可能ではないか、又は制限された程度でしかない。したがって、光源のエテンデューは、多大な損失を被ることなく大部分の放射光が光源から検出器まで伝達されることができるようにするために、可能な限り最も小さいものでなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０，２６２，３０８号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０，２８４，１４８号
【特許文献３】米国特許第７，４４２，３５６号
【発明の概要】
【００１４】
したがって、本発明の目的は、エテンデューが小さいと同時に白色系光の光束が高い白色光源を提供することである。
【００１５】
この目的は、独立請求項の主題によって達成される。有利な実施の形態がそれぞれの従属請求項に記載される。
【００１６】
従って、本発明は、白色光を生成する装置であって、少なくとも１つの単色光源と少なくとも１つの変換媒体とを備え、少なくとも１つの光源は、青色スペクトル範囲及び／又は紫外スペクトル範囲の光を発光し、少なくとも１つの単色光源からの光は、レーザーによって生成され、光学系によって変換媒体上に集光し、変換媒体は、入射単色光の少なくとも一部を異なるスペクトル範囲に変換する、白色光を生成する装置を提供する。本明細書における集光とは、光の焦点が変換媒体にあることを意味する。変換媒体における拡散及び変換そのものにより、非指向性放射、したがって、角度分布の増加が得られるため、集光を有利に用いることができる。放射光が変換前に集光する場合、一次近似では、入射放射の角度分布が独立しているため、理想的な場合では角度分布がそれ以上低減しない。しかしながら、集光によって、発光面積、ひいてはエテンデューがより小さくなっている。換言すれば、エテンデューは、空間ドメイン及び角度ドメインにおける分布の積である。しかしながら、変換媒体は通常、等方放射するか又は少なくとも大きな立体角で放射するため、変換は主として角度ドメインに影響を与える。したがって、集光によって、変換前の大部分の乱れが角度ドメインに伝達される。このように、悪影響を最小限に抑えることができる。
【００１７】
その場合、変換媒体の下流のオプティックスを使用することにより、焦点から出る変換光の開き角が再び小さくなることが可能になる。このように、本発明の一実施の形態によれば、開き角は、変換光を促すライトガイドの開口数に適合させることができる。
【００１８】
この場合、単色光源が発する放射光の青色スペクトル範囲及び／又は紫外スペクトル範囲は、重心が好ましくは５００ｎｍ未満、より好ましくは４８０ｎｍ未満、最も好ましくは４７０ｎｍ未満の範囲であるものと理解される。
【００１９】
考慮する変換媒体として、特に蛍光体、及び蛍光変換する物質が挙げられる。特に、種々の蛍光物質を組み合わせてもよい。適切には、少なくとも混合成分として、例えば、白色光ＬＥＤにおいて青色光から白色光を生成するのにも利用される蛍光物質がある。
【００２０】
特に好ましい実施の形態では、単色光源は、少なくとも１つの半導体レーザー又は１つのレーザーダイオードによって形成されるが、その理由は、これにより、非常に高い出力密度を生成することができるようになるとともに、より多くの光をより小さなファイバー束に供給することができるようになるからである。
【００２１】
レーザーの強度分布をその断面又はビームプロファイルにわたって均質化するには、少なくとも１つの単色光源からの光ビームの強度分布を変えるビーム整形素子を変換媒体の上流の光路内に設ける場合が特に有利である。適した光学素子として、ビーム整形器及び回折光学素子が挙げられる。適切には、光学素子は、変換媒体の上流に、又は、光源と変換媒体との間の光路内に配置される。強度プロファイルを変えることにより、下流の光学素子に対する調整が可能になる。例えば、強度プロファイルは、ファイバー束への供給の際に各ファイバーが同じ光エネルギーを受けるように調整することができる。
【００２２】
特に好ましい実施の形態では、光学系は、レンズ等の屈折素子、ミラー等の反射素子、フレネルレンズ等の回折素子、又はホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）又はそれらの組合せによって形成される。
【００２３】
光学系が、好ましくは０．３よりも大きいか、より好ましくは０．４５よりも大きいか、又は更により好ましくは０．６よりも大きい開口数を有する場合、光は、それに対応して小さい焦点スポットに集光する。０．８よりも大きい開口数が最も好ましい。したがって、光は、オプティクス又は光学系によって好ましくは大きな開き角で変換媒体上に集光する。好ましくは、オプティクスは、変換媒体に入射する光の開き角が少なくとも３５度、より好ましくは少なくとも５５度、最も好ましくは少なくとも７０度であるように構成される。０．８の開口数であれば、開き角は１０６度よりも大きい。その場合、光が、変換前に既に、それに対応して広い角度範囲にわたって分布するため、ビーム品質は、開口数がより低いか又はコリメート光を有する照明の場合ほど強い影響を変換及び拡散によって及ぼされない。
【００２４】
特に好ましい実施の形態では、変換光は、黄色スペクトル域内にあり、重心が５５０ｎｍ乃至６２０ｎｍの範囲にあり、半値幅が好ましくは５０ｎｍよりも大きく、より好ましくは１００ｎｍよりも大きく、最も好ましくは１５０ｎｍよりも大きく、そのため、単色光源からの直接透過する光である青色光と混合することによって、白色系光が生成される。
【００２５】
特に有利な実施の形態では、変換媒体が、例えばその長手方向軸回りに回転するように取り付けられているが、他の可能性、例えば揺動するように取り付けりことも考えられる。このように、変換媒体としての蛍光体の、強集光に起因する劣化を、出力及び結果として得られる熱がより大きな面積にわたって分布するため、回避させることができるか又は有意に遅らせることができる。
【００２６】
通常、非輻射遷移の数は温度上昇に伴い増加する。この移動は蛍光体の出力密度を減少させる。このことは、蛍光体物質が通常、熱伝導率の悪いマトリックス（例えば、シリコーン、エポキシ又はガラス）中に埋め込まれているため、冷却を可能にする重要な対策である。
【００２７】
したがって、本発明の有利な変更形態によれば、光源からの光ビームに対して変換媒体を移動させる手段が設けられる。
【００２８】
冷却を達成する別の有利な方法は、高熱伝導性材料を使用することである。このため、特に１つ又は複数の蛍光体等の変換媒体を、光学セラミックス中に埋め込むことが可能である。好ましい光学セラミックスとして、少なくとも５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を示す光学セラミックス、例えば、約１０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するオプトセラミックスが挙げられる。比較のため、有機基板は一般的に１Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を示す。ガラスは一般的に約１Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。好ましくはオプトセラミックス等の高熱伝導性基板材料を使用する場合、非移動性変換素子であっても十分に冷却することができる。しかしながら、変換素子の高熱伝導性基板又は高熱伝導性マトリックスはまた、熱負荷を更に低減させるか又は劣化を概ね防ぐ、適した手段によって移動させることができることを理解されたい。
【００２９】
特に好ましい実施の形態では、変換媒体は交換可能である。したがって、欠損した変換媒体を、機能する変換媒体、又は異なるスペクトル範囲に変換する変換媒体と交換することができる。
【００３０】
さらに、有利には、変換媒体は、光の混合に悪影響を及ぼさないようにするとともに効率を高めるようにするために、変換材がレーザー光によって励起されたときに発する、レーザー光の波長よりも長い波長である波長のために、レーザーに面する面がミラーコーティングされるように構成される。したがって、同様に逆方向に発せられる変換光が損失しないことを達成することができる。そのようなミラーコーティングによって、変換光は前進方向に再び反射され、そのため、照明に再び利用可能となる。
【００３１】
特に有利には、変換プレートが自己冷却するように構成される。このことは例えば、蛍光体支持体（ラジアルファン）の回転軸を軸とするインペラーにより達成することができる。このように、回転によって空気の流れが生じ、この空気の流れにより熱が周囲に放散する。しかしながら、他の変形形態もまた可能である。
【００３２】
特に好ましい実施の形態では、白色光を生成する手段が、光ライトガイド、特にファイバー及び／又はファイバー束に供給するようになっているか、又は、ライトガイドが、白色光を生成する手段の一部である。このように、利用可能な光出力を複数の二次光源に分割することができる。
【００３３】
別の特に好ましい実施の形態では、白色光を生成する手段は、色変化又は色温度変化によって様々な色を生成するようになっている。
【００３４】
色変化は、特に有利には変換媒体上の種々のトラックに集光させることによってもたらすことができる。これらのトラックは、例えば、変換プレートの様々な軸方向距離に位置付けることができる。しかしながら、揺動変換媒体のストライプ等の他の構成も考えられる。
【００３５】
別の実施の形態では、色変化は、紫外スペクトル範囲及び／又は赤色スペクトル範囲で発光するＬＥＤからの光を重畳することによって達成することができる。
【００３６】
特に有利には、この重畳はダイクロイック的に又は混合によってもたらすことができる。
【００３７】
ここで本発明を例示的な実施形態によって添付の図面を参照しながら説明する。図面中、同じ参照符号は同じ要素又は同様の要素を指す。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１ａ】従来技術の白色光源の概略図である。
【図１ｂ】本発明による白色光源の概略図である。
【図１ｃ】図１ｂの白色光源の変更形態を示す図である。
【図２】直接透過する青色放射光と変換された黄色系放射光との混合により白色光を生成する方法を概略的に示す図である。
【図３】変換材を回転させることによる、本発明による白色光源の例示的な実施形態を示す図である。
【図４】ファイバー束に供給する、本発明によるレーザーベースの白色光源の別の例示的な実施形態を示す図である。
【図５】レーザーベースの白色光源の細部を示す図である。
【図６】変換光が変換媒体において反射して入射レーザービームの面側に戻る、本発明による別の実施形態を示す図である。
【図７】図６に示されている実施形態の変更形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１ａは、従来技術による白色光源の全体図を示す。この場合、ＬＥＤ光源１０’が、単色光２０’を変換媒体４０’に照射する。散乱により、単色光が、異なる波長の光線束６０’に変換される（２１’）。散乱に起因して、光源１０’のエテンデューが更に増大する（図１ａでは、大きな面積と増加している開口数とによって分かる）。後続の光学系が、ビーム品質を犠牲にすることなくこの光源の全光を捕捉し通過させるために高品質要件を満たす必要があることは即座に明らかである。エテンデューが大きすぎる場合、優れた光学系であっても、低損失でエテンデューをより小さく保ちながら光をファイバー束に供給するには役立たない。
【００４０】
図１ｂは、本発明による白色光源１を示す。この場合、レーザー光源１０からの青色単色光２０が、光学素子又は光学系３０を介して変換媒体４０における焦点５０に集光し、黄色系光の光ビーム６０に変換される。比例的に直接透過する青色放射光７０とともに、エテンデューが小さい白色光８０が生成される（図１ｂでは、変換放射光６０は重なっている破線で示されている）。図１ａと比較すると、ファイバー、ファイバー束又は包括的に光学系への供給が大幅に単純化していることが分かる。
【００４１】
図１ｃは、図１ｂに示されている実施形態の変形形態又は変更形態を示す。図１ｃに示されているこの例では、変換媒体４０は、レーザー１０に面する表面側のレーザー発振波長よりも長い波長のためにミラーコーティングされている。このために、誘電体反射層５が変換媒体４０のこの表面に塗布されており、この誘電体反射層５は、レーザー１０からの光を透過させるが、より長いほうの波長の変換光を反射する。したがって、レーザー１０側へ発せられる変換光が、変換媒体の、誘電体層５とは反対の面から出るように反射される。
【００４２】
図２は、混色によって白色系光を生成することができる方法を概略的に示す。このために、出力１１０対波長１２０のグラフが示されている。青色単色レーザー放射光７０の直接透過する部分が、図２においてここでも同様に破線で示されている、変換媒体４０によって黄色スペクトル範囲６０に変換された部分と混合して、白色系光８０が得られる。白色系光になるように混合される青色レーザー放射光から黄色光を生成する、適した蛍光物質として、白色光ＬＥＤに使用される蛍光物質が挙げられる。そのような蛍光物質の一例は、セリウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネットである。
【００４３】
図３は、本発明による白色光源１の一実施形態を示す。その動作は、図１ｂにおけるものと本質的に同じであるが、ただし、この場合は、変換媒体４０が軸９０回りに回転するように取り付けられており、変換媒体を移動させる手段によって回転する。これにより、集光と焦点における高光強度とに起因する熱に関する問題が低減又は排除される。同時に、青色光のスペックルが減少する。しかしながら、変換された黄色系放射光６０はスペックルがなく、そのため、スペックルのない白色光が生成される。
【００４４】
図４は、本発明による白色光源１の別の例示的な実施形態を示す。この場合、生成された白色系光８０が、光学系１４０によってファイバー束１３０に供給される。図１ｂ及び図３とは対照的に、この場合は、輝度を更に高めるために２つの単色レーザー光源１０が使用される。上述した本発明の他の実施形態も好ましくは、変換媒体４０から出る光をコリメートする光学系１４０を含む。したがって、一般的に、図に示されている本発明の特定の実施形態に限定されることなく、本発明の一実施形態は、変換光をコリメートするオプティクス又は光学系１４０を含む。本発明に関連して、コリメーションとは、より包括的には、変換媒体４０から出る光の開き角を小さくすることを指す。したがって、光学系１４０は、光伝搬方向に変換媒体の下流に配置されるオプティクスを表し、これにより、焦点から出る変換光の開き角が小さくなる。好ましくは、この光学系は、コリメート光を特に光ファイバー又は光ファイバー束のファイバー端等のライトガイドに方向付ける。
【００４５】
変換媒体４０は好ましくは、前述の図においても示されているような薄層又は薄シートとして形成される。特に、エテンデューの増大を可能な限り少なくする本発明の目的から、光学系３０によって生じる焦点の寸法と同じ程度の大きさの、変換媒体４０の厚さを選択することが概ね好適である。概して、図に示されている本発明の実施形態に限定されることなく、本発明の一実施形態では、変換媒体は、０．３ミリメートル未満、好ましくは約０．２ミリメートルの厚さを有する。
【００４６】
特に好ましくは、変換媒体の厚さ及び光学系３０の厚さは、変換媒体の表面に対して垂直に測定した場合の変換媒体の厚さが焦点の横寸に対して最大で３倍大きくなるようになっている。円形の焦点５０の場合、横寸は焦点の直径である。変換媒体４０の層厚が薄いことは、実際の焦点５０の面積外のレーザーからの入射青色光及び／又は入射紫外光を可能な限り少なく変換するのに有利である。これにより、変換光が生成される面積が空間的に増大する。
【００４７】
例示的な目的から、図５は、変換媒体における焦点５０を示す。この例では、光学系３０によって発生する青色光２０の焦点５０が、変換媒体４０の表面に対して垂直に測定した場合の、すなわち、この例では光入射の方向に測定した場合の変換媒体４０の厚さ４１のおよそ半分の大きさである直径５１を有する。径方向に対称なビームの場合の焦点５０の横寸、すなわち、より具体的には直径は、強度が最大値の半分にあたるビーム断面の寸法と理解される。換言すれば、焦点の横寸は、焦点の半値幅と理解される。変換媒体４０内の或る地点に集光する２つ以上のレーザーを使用する際、半値幅はそれに従い、個々のレーザーの重畳強度の強度分布に起因する。
【００４８】
上述した本発明の別の実施形態では、入射青色単色光２０の大きな開き角２１は、焦点５０の小径５１を得るために意図されている。したがって、高開口数を有する光学系３０が使用される。好ましくは、開口数は少なくとも０．６であり、この０．６は、入射青色レーザービームが平行ビームである場合の７３度を上回る開き角に相当する。図５に示されている例では、光学系３０によってもたらされる開き角２１は９０度より大きくさえもある。０．８よりも大きい開口数が特に好ましいが、この０．８は１０６度を上回る開き角に相当する。
【００４９】
上述した実施形態では、レーザー光は変換媒体の一方の面側に照射され、反対の面から出るレーザー光と、変換光とが光学系１４０によって捕捉される。
【００５０】
しかしながら、この装置は、反射配置として構成することも可能である。この目的から、例示的な実施形態のいかなる限定も伴うことなく、本発明の一変更形態では、光学系３０と、光伝搬方向において変換媒体４０の下流のオプティクス１４０とが、変換媒体４０に対して同じ面側に配置される。変換媒体４０の反対の面側には反射手段が配置され、この反射手段は、光源１０からの光と、変換媒体４０において変換された光とを変換媒体４０から反射する。変換媒体４０から反射されて出た光は次いで、オプティクス１４０によって捕捉され、例えば光ライトガイドに供給される。白色光を生成するそのような装置１の一例は図６に示されている。
【００５１】
図６に示されている実施形態では、レーザー光源１０からの青色レーザー光又は青色単色光２０が照射され、変換媒体４０の表面上に斜角で集光され、そのため、上述した実施形態におけるように、焦点５０が変換媒体４０に位置する。変換媒体４０の、青色レーザー光２０が照射される面とは反対の表面には、反射手段として反射層６が配置されている。この目的から、例えば、変換媒体のこの表面上に金属反射層又は広帯域反射誘電体コーティングを設けることができる。直接透過するレーザー光７０と、変換媒体４０において生成されるとともに反射層に向かって発せられる変換光６０とが、反射層６で反射され、それによって、これらの放射光の混合から生じる白色光８０が、変換媒体４０の、青色レーザー放射光２０が照射される同じ面から出る。当然のことながら、変換光６０は、変換媒体のレーザー側表面に隣接した半空間全体に発せられる。
【００５２】
したがって、光伝搬方向又は光入射方向において変換媒体４０の下流のオプティクス１４０は、変換媒体４０の、光学系３０と同じ面側に配置される。図４に示されている例と同様に、オプティクス１４０は、白色光８０の開き角を、光ファイバー束１３０等のライトガイドに供給するためにその開口数に調整するように小さくする。図示の例では、オプティクス１４０及び光学系３０は変換媒体４０の表面に対して斜めに配置されている。
【００５３】
図６の例に示されているような反射配置により、より良好な冷却を達成するために変換媒体４０の後面が冷却装置に接続されることが可能になる。
【００５４】
図１ｂ、図１ｃ、図３及び図４に示されているような透過系は、透過を適正に調整することによって、白色光を生成するために、意図した割合の青色光を変換せずに透過させるという点で、より単純である。しかしながら、この微調整は場合によっては困難である可能性があり、そのため、反射系を扱うことの方が、反射系の初めの見た目のより複雑な構成にもかかわらず容易な場合がある。
【００５５】
図７は、図６に示されている例示的な実施形態の変更形態を示す。この変形形態では、光学系３０及び光学系１４０の双方又はこれらの光学系の少なくとも一部を形成するレンズ３１が設けられている。概して、図示の特定の例示的な実施形態に限定されることなく、本発明の一実施形態によれば、光学系３０と、光伝搬方向において変換媒体４０の下流のオプティクス１４０とが、変換媒体４０に対して同じ面側に配置され、変換媒体の反対の面側には反射手段が配置され、この反射手段は、光源１０からの光と、変換媒体において変換された光とを変換媒体４０から反射し、光学系３０と、レーザー１０から光伝搬方向において変換媒体４０の下流のオプティクス１４０とが、共通の集光光学素子、好ましくはレンズ３１を有し、このレンズ３１はその光軸が、変換媒体４０の、レンズ３１に面する表面に対して好ましくは垂直に配向されている。レンズ３１の代わりに、例えば凹面ミラーを使用することができる。
【００５６】
この場合、光学系３０、１４０の光軸でもある、レンズ３１の光軸は、変換媒体４０の表面に対して垂直に延びている。これにより、焦点距離が短く、これに対応して光学系３０、１４０の開口数が高い、レンズ３１を使用することが可能になる。図６に示されている実施形態と同様に、レンズ３１によって焦点５０において生成される変換光６０は、一部がレンズ３１に向かって発せられ、一部が反射層６において反射され、レンズ３１に向かってそのように方向付けられる。レンズ３１は次いで、変換光から、入射レーザー光２０に対して非平行に伝搬する変換光の光ビームを生成する。この光ビームは、光学系１４０の部品としてのダイクロイックミラー１４１によって偏向され、それによって、例えばここでも同様に光ファイバー束１３０であるライトガイドに供給することができる。ダイクロイックミラー１４１は、変換放射光を反射するがレーザー光２０を透過させるように構成されている。
【００５７】
白色光を生成するために、ここでは様々な可能性がある。１つの可能性は、変換光が白色であるように変換媒体４０を選択することである。このことは、紫外放射光を発光するレーザー１０を使用する場合に特に単純となり、その際、変換媒体において、青色光を変換放射光６０の一部として発生させ、ダイクロイックミラー１４１において反射させる。この場合、ミラー１４１は、紫外レーザー光２０を透過させるとともに青色光を反射するように構成される。
【００５８】
別の可能性は、白色光中の青色成分を得るために、別のレーザー又は青色光源、例えば青色発光ダイオードを利用することであり、また、そこからの光をライトガイドに別個に供給することである。適切に配置された更なるレーザー１０及びその光ビーム２０が、図７において破線で示されている。この可能性の利点は、白色光の色又は色温度を、更なる光源の強度、したがって青色成分の強度を調整することによって容易に変えることができることである。
【００５９】
更に別の可能性は、レーザー光２０の一部を偏向し、それによって部分ビーム２００を発生させる、ビームスプリッター３２を使用することである。次いで、レーザー光のこの部分を、ミラー３３又は適したプリズムによって、ダイクロイックミラー１４１において反射した変換光６０に対して同一直線上の方向に偏向することができ、したがって、ライトガイドに供給することができる。この場合、ここでも同様に、色又は色温度は、レーザー１０からの同一直線上の部分ビームの強度を変えることによって変更することができる。このことは、例えば、分割したレーザービームの強度の調整可能な割合がライトガイド１３０を通じてルーティングされるようにミラー３３又はビームスプリッターを調整することによって達成することができる。同様に、レーザー１０の偏光方向に対して調整可能なグレーウェッジ又は偏光子３４等の調整可能な光減衰素子を、部分ビーム２００の光路内に配置することができる。
【００６０】
当業者には、本発明は上述した例示的な実施形態に限定されず、多くの方法で変更することができることが明らかであろう。特に、本発明は、導入部分において言及したもの以外の他の照明用途、導光用途又は画像用途において適用することもできる。
【符号の説明】
【００６１】
１  白色光源
５  誘電体反射層
６  反射層
１０  レーザー光源
１０'  ＬＥＤ光源
２０  青色単色光
２１  開き角
２０'  単色光
２１'  変換されるステップ
３０、１４０  光学系
３１  レンズ
３２  ビームスプリッター
３３  ミラー
３４  偏光子
４０  変換媒体
４１  ４０の厚さ
５０  焦点
５１  ５０の直径
６０  変換光
６０'  異なる波長の光線束
７０  直接透過する青色放射光
８０  白色系光
１３０  ファイバー束
１４１  ダイクロイックミラー
２００  ２０の部分ビーム
【図１ａ】
2013535797.tif 000003
【図１ｂ】
2013535797.tif 000004
【図１ｃ】
2013535797.tif 000005
【図２】
2013535797.tif 000006
【図３】
2013535797.tif 000007
【図４】
2013535797.tif 000008
【図５】
2013535797.tif 000009
【図６】
2013535797.tif 000010
【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年4月11日(2013.4.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色光を生成する装置（１）であって、少なくとも１つの光源（１０）と蛍光変換する物質の形態である少なくとも１つの変換媒体（４０）とを備え、前記少なくとも１つの光源（１０）は、青色スペクトル範囲及び／又は紫外スペクトル範囲の光を発光し、前記少なくとも１つの光源からの前記光は、レーザーによって生成され、光学系（３０）によって前記変換媒体（４０）上に集光し、そのため、光の焦点が前記変換媒体（４０）にあり、該変換媒体（４０）は、入射光の少なくとも一部を異なるスペクトル範囲（６０）に変換する、白色光を生成する装置。
【請求項２】
前記光源（１０）は、少なくとも１つの半導体レーザーによって形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記変換媒体（４０）の上流の光路内に配置される、前記少なくとも１つの光源（１０）からの光ビームの強度分布を変えるビーム整形素子を備える、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記光学系（３０）は、屈折光学素子、反射光学素子、回折光学素子又はそれらの組合せを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記光学系（３０）の開口数は、０．４５よりも大きく、好ましくは０．６よりも大きく、最も好ましくは０．８よりも大きい、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
光伝搬方向において前記変換媒体の下流のオプティクス（１４０）であって、前記焦点から出る変換光の開き角を小さくするオプティクス（１４０）を備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記光学系（３０）と、前記光伝搬方向において前記変換媒体（４０）の下流の前記オプティクス（１４０）とは、前記変換媒体（４０）に対して同じ面側に配置され、前記変換媒体の反対の面側には反射手段が配置され、該反射手段は、前記光源（１０）の前記光と、前記変換媒体において変換された光とを前記変換媒体（４０）から反射する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記光学系（３０）と、前記光伝搬方向において前記変換媒体（４０）の下流の前記オプティクス（１４０）とは、共通の集光光学素子、好ましくはレンズ（３１）を含み、該レンズ（３１）の光軸は、前記変換媒体（４０）の、前記レンズ（３１）に面する表面に対して垂直に配向される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記変換スペクトル範囲（６０）は、黄色スペクトル域内にあり、重心が５５０ｎｍ乃至６２０ｎｍの範囲にあり、半値幅が好ましくは５０ｎｍよりも大きく、より好ましくは１００ｎｍよりも大きく、最も好ましくは１５０ｎｍよりも大きい、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記光源（１０）からの前記光ビームに対して前記変換媒体（４０）を移動させる手段を更に備える、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記変換媒体（４０）は交換可能である、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記変換媒体（４０）は、前記レーザーの波長よりも大きい波長のために、前記レーザーに面する面がミラーコーティングされる、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
自己冷却式変換プレート（４０）を備える、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記白色光を生成する装置（１）は、ファイバー及び／又はファイバー束（１３０）に供給するようになっている、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記白色光を生成する装置（１）は、色変化を生じさせるようになっている、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記色変化又は色温度変化は、前記変換媒体（４０）の様々なトラックに集光させることによって生じる、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記変換媒体（４０）の前記表面に対して垂直に測定した場合の前記変換媒体（４０）の厚さ（４１）は、前記焦点（５０）の横寸（５１）に対して最大で３倍大きい、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の装置。
【国際調査報告】
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