(57)【要約】  スペクトル分析装置用の既知の半導体ベースのＵＶ光源は、ハウジングを含んでおり、このハウジング内には少なくとも１つの、ＵＶ光を放射する半導体ベースのエミッタが収容されており、このハウジング内には、半導体ベースのエミッタと作動ビーム用のビーム出射箇所との間にビーム路が形成されている。これに基づいて、半導体ベースのエミッタを備える光源を提示する。これは、自身の発光によって、少なくとも、２００〜４００ｎｍのＵＶスペクトルの大部分をカバーすることができる。半導体ベースのエミッタが、１５０〜２７０ｎｍの範囲において平均波長を有するＵＶ励起光を放射するように設計されていること、ビーム路内に蛍光材料が設けられており、この蛍光材料が、次のように、ＵＶ励起光を部分的に吸収し、この際に蛍光材料ビームを放出すること、すなわち、ＵＶ励起光と蛍光材料ビームとが重なり合い、２００〜４００ｎｍの波長領域において、少なくとも５０ｎｍのスペクトル帯域幅を有する作動ビームになるように吸収および放出を行うことを提案する。
2020534705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペクトル分析装置用の半導体ベースのＵＶ光源であって、
前記半導体ベースのＵＶ光源は、前記光源はハウジング（１）を備え、前記ハウジング（１）内に、ＵＶ光を放射するための少なくとも１つの半導体ベースのエミッタ（３）が収容されており、さらに前記ハウジング（１）内に、前記エミッタ（３）と作動ビーム（９）のためのビーム出射箇所（８；２８；４８）との間にビーム路が形成されているＵＶ光源において、
前記エミッタ（３）は、１５０〜２７０ｎｍの領域の平均波長を有する励起光（６；３６；４６；５６）を放射するように設計されており、
蛍光材料（５；２５；３５；４５；５５）は、前記ビーム路内に設けられており、前記蛍光材料は、次のように前記励起光（６；３６；４６；５６）を部分的に吸収して、この際に蛍光材料ビームを放出する、すなわち、前記励起光（６；３６；４６；５６）と前記蛍光材料ビームとが重なり合い、２００〜４００ｎｍの波長領域において、少なくとも５０ｎｍのスペクトル帯域幅を有する作動ビーム（９）になるように前記吸収および放出を行うことを特徴とする、
半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項２】
前記作動ビーム（９）は、少なくとも２６０〜３１０ｎｍの波長領域を含むスペクトルを有している、
請求項１記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項３】
前記作動ビーム（９）の前記スペクトル帯域幅に対する前記励起光（６；３６；４６；５６）のスペクトル寄与は、５０％未満である、
請求項１または２記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項４】
前記ビーム路内の蛍光材料の量および分布は、前記作動ビーム（９）のビームフローに対する前記励起光（６；３６；４６；５６）の割合が５０％を下回り、有利には５〜３５％の範囲にあるように調整されている、
請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項５】
前記エミッタ（３）と前記ビーム出射箇所（８；２８；４８）との間に、前記励起光および／または前記作動ビームを誘導するための１つまたは複数の手段（７；２７；３７；４７）が設けられている、
請求項１から４までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項６】
前記蛍光材料は、蛍光材料を含む層（５；２５；３５；４５；５５）の形態で前記ビーム路に導入されている、
請求項１から５までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項７】
前記励起光（６；３６；４６；５６）は、部分的に、前記蛍光材料を含む層（５；２５；３５；４５；５５）を透過する、
請求項６記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項８】
前記蛍光材料を含む層（５；２５；３５；４５；５５）は、５〜１００μｍの範囲の層厚、有利には５〜３０μｍの範囲の層厚を有している、
請求項６または７記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項９】
前記半導体ベースのエミッタは、前記励起光（６；３６；４６；５６）用の出射面を有しており、前記蛍光材料を含む層（５；２５；３５；４５；５５）は、前記励起光用の入射面を有しており、
前記出射面と前記入射面との間の最短間隔は、５ｍｍを下回る、
請求項６から８までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項１０】
前記エミッタは、前記蛍光材料を含む層によって被覆されている、かつ／または、前記蛍光材料を含む層によって部分的に取り囲まれている、
請求項６から９までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項１１】
前記エミッタ（３）は、前記蛍光材料を含む層（５）によって被覆されている、前記励起光（６）用の出射窓を備えたエミッタハウジング（４）を有している、
請求項６から１０までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項１２】
前記ビーム出射箇所（８；２８；４８）は、前記ハウジング（１）の光出射開口部（８）として構成されており、ＵＶ透過性材料から作製されたウィンドウで覆われており、前記ウィンドウは、前記蛍光材料を含む層によって被覆されている、
請求項６から１１までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項１３】
前記蛍光材料を含む層（５５）は、支持体（５７）上に設けられており、前記支持体は、前記エミッタ（３）と前記ビーム出射箇所（８；２８；４８）との間に配置されており、前記励起光および前記作動ビームに対して透過性であり、有利には、少なくとも７０％／ｍｍ−１の内部透過率を有している、
請求項６から１２までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項１４】
前記ビーム路は、少なくとも部分的に光ファイバー（２７）を通り、
前記蛍光材料を含む層（３５）は、前記光ファイバー（２７）の少なくとも１つの端面に設けられている、
請求項６から１３までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項１５】
前記エミッタ（３）は、前記蛍光材料が導入されているエミッタハウジング（２４）を有している、
請求項１から１４までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項１６】
前記ビーム路は、少なくとも部分的に、キャピラリー（４７）または中空コアファイバの中空空間を通り、
前記蛍光材料（５；２５；３５；４５；５５）は、前記中空空間に含まれている、
請求項１から１５までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項１７】
前記蛍光材料は、励起ビームがそこで反射および／または散乱されるように前記ビーム路内に配置されている、
請求項１から１６までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項１８】
前記蛍光材料は、有利にはアルミン酸ストロンチウムマグネシウム、リン酸イットリウムおよび／またはリン酸ガドリニウムを含むＣｅドープされた混合酸化物である、
請求項１から１７までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【請求項１９】
前記半導体ベースのエミッタ（３）は、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードであり、２００〜２７０ｎｍの範囲の平均波長を有する励起光（６；３６；４６；５６）を放射するように設計されており、
前記作動ビーム（９）は、少なくとも１００ｎｍのスペクトル帯域幅を有している、
請求項１から１８までのいずれか１項記載の半導体ベースのＵＶ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトル分析装置用の半導体ベースのＵＶ光源に関し、このＵＶ光源はハウジングを備え、このハウジング内に、ＵＶ光を放射するための少なくとも１つの半導体ベースのエミッタが収容されており、さらにこのハウジング内で、半導体ベースのエミッタと作動ビームのためのビーム出射箇所との間にビーム路が形成されている。
【背景技術】
【０００２】
キセノンフラッシュランプおよび重水素ランプ等の、ＵＶ領域のスペクトル分析用の、数十年にわたって確立されてきた光源は、約２００ｎｍ〜４００ｎｍの領域のＵＶビームを放出する。どちらのタイプのランプも、最大数百ボルトの必要な電圧を生成するために、点火および動作に対して、特別なバラストを必要とする。特に重水素ランプの場合、パーミル領域における効率が比較的低いため、通常約３０Ｗの入力電力のほとんどが熱の形で排出されてしまう。したがって、重水素ランプの典型的な動作温度は２５０〜３００℃の範囲である。そのため、ランプおよび電子機器には、可能な用途と可動性とを制限するような機器のサイズと電力消費とが必要となる。
【０００３】
これとは異なり、半導体ベースの光源、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザーダイオードは、小さいサイズ、コンパクトな電源および高い効率によって、新たな、より柔軟な、可能な用途を切り開く。これは例えば、携帯可能で、場所に依存しない分析装置における用途の可能性である。電磁スペクトルの近赤外（ＮＩＲ；典型的に７８０〜１，１００ｎｍ）の領域および可視（ＶＩＳ；３８０〜７８０ｎｍ）の領域に加えて、現在、紫外（ＵＶ）領域における約２３０〜４００ｎｍの種々の発光波長を伴うＬＥＤも製造可能であり、市販されている。これは特に、ＵＶに反応する分析方法およびコントロール方法における光源として使用できる可能性を切り開く。これは例えば高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）、ＵＶ／ＶＩＳ分光法、環境分析または分子分光法である。
【０００４】
典型的に、約１０〜３０ナノメートルの、中心発光波長を中心とした、制限されたスペクトル半値幅が原因で、分析用途における個々のＬＥＤは、相応する制限された波長領域内での検出および調査にのみ適している。特定の既知の化合物または特性についてのみ、分析サンプルがテストされるべき場合には、これで十分なことがある。この場合には、このような既知のデータに従って、ＬＥＤ波長を先験的に選択することができる。しかし、未知のサンプルまたは複雑な問題設定の場合にはしばしば、格段に広いスペクトル領域にわたった測定しか、サンプル評価に必要な情報を提供することができない。
【０００５】
これまで、いくつかの波長のＬＥＤを組み合わせて、２００〜４００ｎｍのＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂ、およびＵＶ−Ｃ領域のより広いスペクトルが生成されてきた。例えば米国特許出願公開第２０１１／０１３２０７７号明細書では、高速液体クロマトグラフィー用の広帯域スペクトルを生成するために、異なる波長のＬＥＤをこのように組み合わせることが記載されている。ここでＬＥＤは、放出された光ビームが自身の波長に応じて特定の角度で、回折格子配列に入射し、回折格子配列において回折されて、共通の出力光ビームになるように配置されている。これによって、所望のスペクトル構成または所望のスペクトルプロファイルを有する出力光ビームを生成するまたは設計することができる。
【０００６】
２５０〜３５５ｎｍ（１５ｎｍの間隔）の平均発光波長を有する８個のＬＥＤに基づいた、別の広帯域のＵＶ−ＬＥＤ光源が、Ｋｒａｉｃｚｅｋ等著の論文「ＵＬＴＲＡ  ＨＩＧＨ  ＦＬＥＸＩＢＬＥ  ＵＶ−ＶＩＳ  ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ  ＳＯＵＲＣＥ  ＡＮＤ  ＮＯＶＥＬ  ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ  ＳＣＨＥＭＥＳ  ＦＯＲ  ＳＰＥＣＴＲＯＰＨＯＴＯＭＥＴＲＩＣ  ＨＰＬＣ  ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ（１７ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｌｉｆｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ（２０１３年１０月２７日〜３１日），ドイツ、フライブルク）」に記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、約２５０〜４００ｎｍの波長領域を連続的にカバーするためには、少なくとも１０個のＬＥＤが必要である（１５ｎｍの帯域幅から開始）。これによって、機器のコストが高まるだけでなく、さらに放射スペクトル間の相互の調整と手間のかかる機器設計とが必要になる。スペクトル分析機器では通常、点光源が必要であるので、個々のスペクトルを１つのビーム路において組み合わせる必要がある。さらに、機器の寿命にわたって、異なる動作条件下で発光スペクトルの安定性が保証されるべきである。
【０００８】
ＵＶ光をより高い波長領域に変換する別の既知の、しかし同様に手間のかかる技術は、いわゆる量子ドット（ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔｓ）である。
【０００９】
２００〜４００ｎｍのＵＶスペクトルの少なくとも大部分をその発光でカバーすることができる半導体ベースのエミッタ、例えば発光ダイオードを備えた光源が望ましいだろう。これは、サイズおよび動作に関するＬＥＤの利点を、従来の重水素ランプの広帯域スペクトルと組み合わせるだろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題は、冒頭で述べたタイプの半導体ベースのＵＶ光源に基づいて、本発明に相応して、次のことによって解決される。すなわち、半導体ベースのエミッタが、１５０〜２７０ｎｍの領域の平均波長を有するＵＶ励起光を放射するように設計されていること、蛍光材料がビーム路内に設けられていることによって解決される。この蛍光材料は、次のようにＵＶ励起光を部分的に吸収して、この際に蛍光材料ビームを放出する。すなわち、ＵＶ励起光と蛍光材料ビームとが重なり合い、２００〜４００ｎｍの波長領域において、少なくとも５０ｎｍのスペクトル帯域幅を有する作動ビームになるように吸収および放出を行う。
【００１１】
ここおよび以降では、ビームフローが分布の最大値の少なくとも１０％である波長スパンがスペクトル帯域幅と称される。
【００１２】
本発明のＵＶ光源では、半導体ベースのＵＶエミッタは、１つの蛍光材料またはいくつかの異なる蛍光材料と組み合わされる。１つまたは複数の蛍光材料は例えば、１つまたは複数の層に含まれている。１つのＵＶエミッタの代わりに、いわゆる「アレイ」として構成された複数のＵＶエミッタが設けられていてもよい。ＵＶエミッタは有利には、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードである。
【００１３】
蛍光材料は、半導体ベースのエミッタのＵＶ励起光による励起時に、ルミネセンスに適しており、１５０〜２７０ｎｍの領域の平均波長、特に有利には２００〜２７０ｎｍの領域の平均波長を有するＵＶ励起光が、蛍光材料の励起波長領域にある。これは、ＵＶ励起光によって照射されるように、ビーム路内に配置されている。１５０〜２７０ｎｍの波長領域の短波ＵＶ励起光の一部はここで吸収され、蛍光材料によって、ＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂおよび／またはＵＶ−Ｃ−ＦＵＶ波長領域のより長い波長の蛍光材料ビームに変換される。通常は、３１５〜４００ｎｍの波長領域がＵＶ−Ａ領域として定義され、２８０〜３１５ｎｍの波長領域がＵＶ−Ｂ領域として定義され、２００〜２８０ｎｍの波長領域がＵＶ−Ｃ−ＦＵＶとして定義される。
【００１４】
ビーム路内の蛍光材料の量および分布は、ＵＶ励起光が完全にはその中に吸収されないように設計されているため、ＵＶ励起光の一部は変えられずに、ビーム路を通ってビーム出射箇所に到達する。このようなＵＶ光成分を、放出された蛍光材料ビームと重ね合わせることによって作動ビームが得られ、この作動ビームの、２００〜４００ｎｍのＵＶ波長領域における全スペクトルは、少なくとも５０ｎｍのスペクトル帯域幅、有利には少なくとも１００ｎｍのスペクトル帯域幅を有し、これによって、組み合わされたＵＶ−Ａ、ＵＶ−ＢおよびＵＶ−Ｃ−ＦＵＶ領域をカバーし、これは有利には少なくとも、２６０〜３１０ｎｍの波長領域を含む。
【００１５】
ＵＶ励起光は、広帯域の波長スペクトルを有する作動ビームを生成するために使用される。しかし、作動ビームのスペクトル帯域幅に対するＵＶ励起光のスペクトル寄与は比較的小さく、有利には５０％未満である。ここで、「スペクトル寄与」という用語は、ＵＶ励起光のスペクトル帯域幅と作動ビームの全帯域幅との比を意味すると理解される。「スペクトル帯域幅」という用語は、ビームフローが最大値の１／１０に低下した波長依存のビームフロー経過の幅も示す。
【００１６】
できるだけ広帯域の作動ビームを生成するために、蛍光材料ビームへＵＶ励起光の大部分がエネルギー変換されるのは有利である。したがって、ビーム路内の蛍光材料の量および分布が、作動ビームの全ビームフローに対するＵＶ励起光の割合が５０％を下回り、有利には５〜３５％の範囲にあるように調整されている、半導体ベースのＵＶ光源の実施形態は有利である。
【００１７】
蛍光材料によって吸収されるＵＶ励起光の割合は、ビーム路内の蛍光材料の種類、量および分布によって異なる。蛍光材料は、ビーム路の１つの箇所または複数の箇所に設けられていてよい。短波のＵＶ励起光は蛍光材料に衝突して、ルミネセンス状態にされ、さらに部分的に蛍光材料を透過する。
【００１８】
蛍光材料が、蛍光材料を含む層の形態でビーム路に導入されている、本発明の半導体ベースのＵＶ光源の有利な実施形態では、ＵＶ励起光は部分的に、蛍光材料を含む層を透過する。
【００１９】
場合によって生じ得る散乱成分または反射成分は別として、層の厚さに応じて、蛍光材料はＵＶ励起光を完全に吸収または散乱する作用を有していないので、吸収されないＵＶ励起光の残りの割合を、通過すべき蛍光材料層の厚さを設定することによって簡単に設定することができる。蛍光材料層の平均的な厚さは、典型的には５〜１００μｍの範囲にあり、５〜３０μｍの厚さの範囲が特に有利である。蛍光材料を含む層の層厚が薄いと、ＵＶ励起光が完全にはその中に吸収されず、一部分が変えられずに、蛍光材料を含む層を通過することができることが保証される。
【００２０】
本発明による半導体ベースのＵＶ光源は、スペクトル分析装置において使用するために設計されている。このために、できるだけ低いビーム発散とわずかな割合の指向性散乱または拡散散乱とを備えた正確なビーム誘導が求められている。
【００２１】
したがって、ＵＶ光源の特に有利な実施形態は、励起光および／または作動ビームを誘導するための１つまたは複数の手段が、エミッタとビーム出射箇所との間に設けられていることを特徴とする。
【００２２】
特にＵＶ−ＬＥＤの放射角（最大値の５０％のもとで）は１２０°以上であってよい。ＵＶ発光ダイオードと蛍光材料との間の領域において、ビーム直径の広がりが既に最初から小さいということを考慮して、ＵＶ発光ダイオードと蛍光材料との間の間隔が可能な限り小さい、またはＵＶ発光ダイオードと蛍光材料との中間スペースにビーム誘導のための手段が配置されている、半導体ベースのＵＶ光源の実施形態が有利である。
【００２３】
これに関して特に適した実施形態では、半導体ベースのエミッタは、ＵＶ励起光用の出射面を有しており、蛍光材料を含む層はＵＶ励起光用の入射面を有しており、ここで出射面と入射面との間の最短間隔は５ｍｍを下回る。
【００２４】
最も単純で最も有利な場合には、ＵＶ励起光用の出射面と蛍光材料を含む層の入射面とが直接的に相互に接している。これによって、ＵＶ励起光ビームはほとんど広がらないまたはまったく広がらない。
【００２５】
出射面が入射面から離れており、この間隔が５ｍｍを下回る場合にも、有利かつ正確なビーム誘導が実現される。
【００２６】
散乱の結果として、蛍光材料を含む層から放出される作動ビームも、ある程度の角度分布を有し得る。この点に関して、蛍光材料を含む層とビーム出射箇所との間に、作動ビームを誘導するための１つまたは複数の手段が設けられていることが有用であることが判明している。
【００２７】
例えば、光学レンズ、反射器、ファイバー、またはキャピラリーが、作動ビームを誘導する手段として適している。
【００２８】
蛍光材料を含む層と組み合わせた半導体ベースのＵＶ光源の以降の実施形態が有利であることが判明している。
【００２９】
・蛍光材料を含む層によって被覆されている、ＵＶ光ビーム用の出射窓を備えたエミッタハウジングを半導体ベースのエミッタが有している実施形態
・蛍光材料が粉末またはキャスティングコンパウンドとして導入されているエミッタハウジングを半導体ベースのエミッタが有している実施形態
・ビーム出射箇所が出射開口部として構成されており、かつ蛍光材料を含む層によって被覆されている、ＵＶ透過性材料から作製されたウィンドウで覆われている実施形態。ここで、ビーム出射箇所を閉じるウィンドウは、特に集光レンズとして構成されていてよい。
・ビーム路が少なくとも部分的に光ファイバーによって形成され、蛍光材料が光ファイバーの少なくとも１つの端面に設けられている実施形態。光ファイバーは例えばビーム出射箇所で始まってよい。光ファイバーはビーム出射箇所で終了してよい、または光ファイバーはビーム出射箇所から、ハウジングの外に導かれてよい。光ファイバーは、コアとコアを囲んでいるクラッドとを有している。コアにおける光誘導はよく知られているように、クラッドでの全反射に基づいている。コアに入力されたＵＶ励起光および／またはコアに入力された作動ビームは、光誘導の結果として、減衰および散乱による大きな損失なしに、ビーム出射箇所に正確に導かれ得る。
・蛍光材料を含む層が、ＵＶ透過性支持体上に設けられている実施形態。このＵＶ透過性支持体は、半導体ベースのエミッタとビーム出射箇所との間に配置されており、ＵＶ励起光および作動ビームに対して透過性である。ＵＶ透過性支持体は通常、プレート状に構成されており、ここで蛍光材料を含む層は、発光ダイオードに面するプレート表面および／または反対側のプレート表面に形成される。ＵＶ励起光および作動ビームに対する支持体、例えばガラスの材料固有の透過率は、ここで少なくとも７０％／ｍｍの透過率として定義される。
【００３０】
本発明によるＵＶ光源の別の有利な実施形態では、蛍光材料を含む層としての蛍光材料は、ＵＶ励起ビームが反射および／または散乱されるようにビーム路内に配置されている。
【００３１】
蛍光材料を含む層はここで、長波長ビームとして再放射されるＵＶ励起ビームの一部を吸収し、これは、その層表面または蛍光材料を含む層がその上に設けられている基板の表面のいずれかで直接的に、ＵＶ励起ビームの一部を反射する。長波長ビームとして再放射された部分とＵＶ励起ビームの反射された部分とが作動ビームを形成する。
【００３２】
本発明による半導体ベースのＵＶ光源のこのような実施形態では、例えば、少なくとも部分的に、キャピラリーまたは中空コアファイバの中空空間をビーム路が通り、ここで蛍光材料がキャピラリー中空空間またはファイバー中空空間に含まれていることが有利であることが判明している。
【００３３】
ＵＶ励起ビームはここで、キャピラリー長手方向軸またはファイバー長手方向軸の方向に延在し、ここで蛍光材料はキャピラリー中空空間またはファイバー中空空間を完全もしくは部分的に満たすか、または中空空間壁部にのみ設けられていてよい。
【００３４】
中空空間壁部はここで、ＵＶ励起ビームを反射する、蛍光材料を含む層用の基板として用いられてよい。蛍光材料を含む層は、必然的に、ＵＶ励起ビームおよび放出されたより長い波長のビームのある程度の散乱を引き起こす。半導体ベースのＵＶ光源のこのような実施形態では、キャピラリー中空空間またはファイバー中空空間内の散乱光成分は光出射箇所に誘導されるので、有用な光はそれほど失われない。
【００３５】
特に日焼け用ランプに対して、ＵＶ−Ａ領域およびＵＶ−Ｂ領域において放出する蛍光材料が知られている。例えば、３５１ｎｍで最大発光する、鉛によって活性化される二ケイ酸バリウム（ＢａＳｉ２Ｏ５：Ｐｂ）ならびに３７１ｎｍで最大発光する、ユーロピウムによって活性化されるホウ酸ストロンチウム（ＳｒＢ４Ｏ７：Ｅｕ）等であり、これらによって、ＣｅＭｇＡｌ１１Ｏ１９、ＬａＰＯ４：Ｃｅおよび（Ｓｒ，Ｂａ）ＭｇＳｉ２Ｏ７：Ｐｂ等の他の蛍光材料と組み合わせて、日焼け用ランプの仕様パラメーターが、紫外線スペクトル領域内の特定の所望の発光スペクトルに近づくように調整される。
【００３６】
他の既知のこの種の蛍光材料は、例えば、３０６ｎｍで最大発光する、Ｃｅ活性化アルミン酸ストロンチウムマグネシウム（Ｓｒ（Ａｌ，Ｍｇ）１２Ｏ１９：Ｃｅ）およびＣｅ活性化リン酸イットリウム（ＹＰＯ４：Ｃｅ）である。
【００３７】
しかし、その使用目的に基づいて、放射器スリーブの典型的に大面積の、蛍光材料によるコーティングおよび相応に大きい発光面のため、このタイプの放射器は、分析装置には適さない。分析装置では通常は、点状の光源が有利である。しかし、ここで使用される蛍光材料は基本的に、２００〜４００ｎｍの波長領域における発光のために、１５０〜２７０ｎｍの波長領域におけるＵＶビームによって励起され得る限りは、このような適用にも適している。
【００３８】
本発明の半導体ベースのＵＶ光源ではさらに、有利には、その励起波長が２００〜２７０ｎｍの範囲にあり、できるだけ幅の広い発光スペクトルを有している蛍光材料が使用される。これに関して、有利にはアルミン酸ストロンチウムマグネシウム、リン酸イットリウムおよび／またはリン酸ガドリニウムを含むＣｅドープされた混合酸化物である蛍光材料が有用であることが判明している。
【００３９】
実施例
本発明を、実施例および図面に基づいて以降でより詳細に説明する。これは個別に概略的な表示で示される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】ＬＥＤハウジング上に蛍光材料が設けられている、本発明による半導体ベースのＵＶ光源の第１の実施形態を示している。
【図２】ＬＥＤハウジング内に蛍光材料が含まれている、本発明による半導体ベースのＵＶ光源の第２の実施形態を示している。
【図３】光ファイバーの端面に蛍光材料が設けられている、本発明による半導体ベースのＵＶ光源の第３の実施形態を示している。
【図４】キャピラリーホールの内壁に蛍光材料が設けられている、本発明による半導体ベースのＵＶ光源の第４の実施形態を示している。
【図５】石英ガラス基板がビーム路内に位置づけられ、石英ガラス基板上に蛍光材料が設けられている、本発明による半導体ベースのＵＶ光源の第５の実施形態を示している。
【図６】２５６ｎｍでの最大発光を伴う、従来技術によるＬＥＤの発光スペクトルを示している。
【図７】図１に示されているような、半導体ベースのＵＶ光源において、第１の蛍光材料と組み合わせて使用される場合の、図６に示されたＬＥＤの発光スペクトルを示している。
【図８】図５に示されるような、半導体ベースのＵＶ光源において、第２の蛍光材料と組み合わせて使用される場合の、図６に示されたＬＥＤの発光スペクトルを示している。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１において概略的に示された、本発明によるＵＶ−ＬＥＤ光源の構造は、アルミニウム製のランプハウジング１を有しており、このランプハウジング１内には、プリント回路基板２上に取り付けられたＬＥＤ３が挿入されている。ＬＥＤ３は、２５６ｎｍの波長での主要発光ラインを伴うＵＶ光を放出する。これは、石英ガラス製のドーム状のカバー４によって囲まれており、その外面には、平均層厚１５μｍの、蛍光材料層５が設けられている（見やすくするために厚さは縮尺通りではない）。
【００４２】
ＬＥＤ３から放出されたＵＶビーム６は蛍光材料層５を通過し、この際に部分的に吸収されて、より長い波長のビームに変換され、集束反射器７を介して、ハウジング１のビーム出射窓８に到達する。ＵＶビームは、放出された作動ビーム９としてハウジングから出る。作動ビーム９は、ＬＥＤ３から放出されたＵＶ励起ビーム６の波長領域からの第１のビーム成分と、蛍光材料から放出された、より長い波長の波長領域からの第２のビーム成分と、を含む。
【００４３】
ＬＥＤ３の光出射面と蛍光材料を含む層５との間の最大間隔「ｄ」は２ｍｍであり、集束反射器７は、正確なビーム誘導のための手段としても用いられる。
【００４４】
図１に示された実施形態の変化形態では、蛍光材料層５は、ドーム状のカバー４上の層に加えて、またはドーム状のカバー４上の層の代わりに、光出射窓８の内面に、１５μｍの層厚で設けられている。
【００４５】
図１〜図５は、本発明によるＵＶ−ＬＥＤ光源の種々の実施形態を示している。ここで、それぞれ同じまたは同等の部品および構成部分には同じ参照符号が付けられている。
【００４６】
図２に示された、本発明によるＵＶ−ＬＥＤ光源の実施形態では、プリント回路基板２上に取り付けられたＬＥＤ３は、包囲容器２４によって取り囲まれており、この包囲容器２４はＵＶ透過性シリコンおよび蛍光材料からなるキャスティングコンパウンドによって満たされている。キャスティングコンパウンドは、本発明が意図するところの蛍光材料層２５を形成する。包囲容器２４は平坦な外面２２を有しており、この外面の上に光ファイバー２７がその端面でもって載置されている。光ファイバー２７の他方の端面は、ＵＶ−ＬＥＤ光源のビーム出射箇所２８を形成している。
【００４７】
ＬＥＤ３から放出されたＵＶ励起ビームは、包囲容器２４内の蛍光材料キャスティングコンパウンド２５によって部分的に吸収され、その際に、より長い波長のビームに変換され、光ファイバー２７を介してビーム出射箇所２８に到達する。ビーム出射箇所から出る作動ビーム９は、ＬＥＤ３から放出されたＵＶ励起ビームの波長領域からの第１のビーム成分と、蛍光材料から放出された、より長い波長の波長領域からの第２のビーム成分と、を含む。
【００４８】
ここではＬＥＤ３の光出射面は、蛍光材料層２５に直接接しているので、蛍光材料層２５に入射するまでの、ＬＥＤ３から放出されたＵＶ光ビームの広がりは最小化される。包囲容器２４から出る作動ビームは、光ファイバー２７のコアにおいて光出射箇所２８へと誘導される。したがって、光ファイバー２７は、蛍光材料層２５を通じた放出後の正確なビーム誘導のための手段として用いられる。
【００４９】
図３に示された、本発明のＵＶ−ＬＥＤ光源の実施形態でも、ハウジング１から突出している、光ファイバー２７の遠位端は、ＵＶ光源のビーム出射箇所２８を形成している。光ファイバー２７の近位端、すなわち意図した通りの使用時にＬＥＤ３に面する終端部は、２５μｍの厚さの蛍光材料層３５によって被覆されている。ＬＥＤは、いわゆる「パッケージされたＬＥＤ」として、すなわち包囲容器を伴って構成され、プリント回路基板２上に取り付けられている。放出された励起ビーム３６は、収束レンズ３７によって、蛍光材料層３５に結像され、作動ビーム９は、光ファイバー２７を通って、ハウジング１から導出される。
【００５０】
ＬＥＤ３から放出されたＵＶ励起ビーム３６は、蛍光材料層３５を部分的に透過し、他方で、より長い波長のビームに変換される。影響を受けなかったＵＶ励起ビーム３６の部分と、蛍光材料層３５において変えられたビームの部分とから構成されるビーム全体は、作動ビーム９としてビーム出射箇所２８から出射する。
【００５１】
収束レンズ３７は、蛍光材料層３５に入射する前のＵＶ励起ビーム３６の正確なビーム誘導のための手段として用いられ、光ファイバー２７は、蛍光材料層３５から出射した後の作動ビームの正確なビーム誘導のための手段として用いられる。
【００５２】
図４に示された、本発明によるＵＶ−ＬＥＤ光源の実施形態では、プリント回路基板２およびその上に取り付けられているＬＥＤ３は図３の実施形態に対応する。ＵＶ励起ビーム４６は、キャピラリー４７の、近位端、すなわち意図した通りの使用時にＵＶ−ＬＥＤ３に面する終端部４４に入射する。キャピラリー中空空間は、本発明が意図するところの蛍光材料層４５を形成する蛍光材料で満たされている。
【００５３】
ＵＶ−ＬＥＤ３から放出された励起ビーム４６は、直接的にキャピラリー中空空間に到達し、蛍光材料層４５内に固定されている蛍光材料と相互作用し、ビーム出射箇所４８、すなわちキャピラリー４７の遠位端から、作動ビーム９として、ハウジング１から出射する。作動ビーム９は、影響されていないＵＶ励起ビーム４６の部分と、蛍光材料層４５において変えられたビームの部分とから構成される。
【００５４】
ＬＥＤ３の光出射面とキャピラリー４７（すなわち蛍光材料層４５）の端面側の終端部４４との間の間隔「ｄ」は、４ｍｍである。
【００５５】
作動ビーム９への、ＵＶ励起ビーム４６のスペクトル変換は、キャピラリー４７内の蛍光材料層４５において行われる。これは、ＵＶ励起ビーム４６の正確なビーム誘導も、光出射箇所４８への作動ビームの正確なビーム誘導も行う手段として用いられる。
【００５６】
図５に概略的に示された、本発明のＵＶ−ＬＥＤ光源の実施形態では、プリント回路基板２およびその上に取り付けられたＬＥＤ３は、図３の実施形態に対応する。ハウジング１から突出している、光ファイバー２７の遠位端は、ＵＶ光源のビーム出射箇所２８を形成する。近位端とＬＥＤ３との間には、ＵＶ励起ビーム５６のビーム路において、厚さ２０μｍの蛍光材料を含む層５５がその上に析出されている、石英ガラス製の基板５７が位置している。
【００５７】
ＬＥＤ３から放出されたＵＶ励起ビーム５６は、基板５７を貫通し、部分的に蛍光材料層５５に吸収され、他の部分はより長い波長のビームに変換される。影響されていないＵＶ励起ビーム５６の部分と、蛍光材料層５５において変えられたビームの部分とから構成されるビーム全体は、ビーム出射箇所２８から作動ビーム９として出射する。
【００５８】
ＬＥＤ３の光出射面と蛍光材料層５５との間の間隔「ｄ」は、４ｍｍである。
【００５９】
蛍光材料層５５から出射する作動ビームは、光ファイバー２７のコアにおいて、光出射箇所２８へと誘導される。したがって、光ファイバー２７は、蛍光材料層５５を通じた放出後の正確なビーム誘導のための手段として用いられる。
【００６０】
図６〜図８の放射スペクトルでは、放出された、最大値に正規化されたビームフローＰ（相対単位）が波長λ（ｎｍ）に対してプロットされている。
【００６１】
図６は、ＬＥＤ３の発光スペクトルを示している。発光の最大値は２５６ｎｍであり、スペクトル幅（最大値の１０分の１までの波長領域）は２４５〜２７３ｎｍまでであり、すなわち２８ｎｍの波長領域にわたっている。
【００６２】
図７は、これと比較すると、図１に概略的に示されているように、平均層厚１５μｍのカバー４の外側コーティング５として構成されている、第１のＵＶ蛍光材料５と組み合わせてＬＥＤ３を使用する場合に、出射窓８から放出される作動ビーム９を示している。蛍光材料は、組成式（Ｓｒ，Ｍｇ）Ａｌ１２Ｏ１９を有するＣｅドープされたアルミン酸ストロンチウムマグネシウムから構成される。
【００６３】
最大値の１０％を下回る低下がスペクトル幅の制限として使用される場合、ここでは、２４５〜３９０ｎｍの合計スペクトルが得られ、すなわち１４５ｎｍの波長領域にわたっている。これは、図６の発光スペクトル（２８ｎｍ）と比較して５倍を超える帯域幅の増加に対応する。したがって、作動ビーム９のスペクトル帯域幅に対する励起光のスペクトル寄与は約１９％であり、作動ビーム９の全ビームフローに対するＵＶ励起光の割合は約３２％である。
【００６４】
図８は、ＬＥＤ３が、別のＵＶ蛍光材料からなる蛍光材料層５５と組み合わせて使用される場合に放出される作動ビーム９を示している。これは、図５に概略的に示されているように、石英ガラス製のＵＶ透過性支持体のコーティングとしての２０μｍの平均層厚を有している。蛍光材料は、Ｃｅドープされたアルミン酸ストロンチウムマグネシウムとアルミン酸バリウムマグネシウム（ＢＡＭ）との９対１の混合物から構成されている。
【００６５】
より幅の広い波長領域にわたって放出するこのような蛍光材料を使用すると、２４６〜４９０ｎｍのスペクトルを有する作動ビーム９が得られる。すなわち、図６に示されているようなＬＥＤ３の元来の放射スペクトルの帯域幅（２８ｎｍ）の８倍を上回るスペクトルを有する作動ビーム９が得られる。ここでは、作動ビーム９のスペクトル帯域幅に対する励起光のスペクトル寄与はわずか約１０％である。
【００６６】
したがって、本発明の半導体ベースのＵＶ光源は、キャピラリー電気泳動および薄層クロマトグラフィーにおける液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣおよびＵＨＰＬＣ）等のスペクトル分析装置における放射源としての使用に特に適している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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