高亮度光转换装置的制作方法

本发明涉及一种光转换装置、一种包括这种光转换装置的基于激光器的光源以及一种包括这种基于激光器的光源的车辆前灯。

背景技术：

在高亮度光源中，通常使用通过例如由激光器发射的蓝光激发的光转换装置。光转换装置的光转换器（例如陶瓷磷光体）借助于在散热器和磷光体之间提供的胶或焊料层粘附到散热器。特别是蓝色激光的高强度和由借助于磷光体的光转换引起的高温可能引起可靠性问题。

us20160380161a1公开了光学器件（比如透镜）到光转换器的结合。作为改善来自光转换器的热量传递的选项，以线路、导体、网络或栅格形式的金属或金刚石层可以集成在转换器的底侧上、转换器的顶侧上和/或转换器中。

us20150184830a1公开了作为用于与光转换器接触的散热器的层或散热器的材料的金刚石。

de102012204786a1以反射设置公开了一种金刚石薄片，其覆盖光入射/出射侧上的光转换器，以沿着这种侧传递来自光转换器的热量。

技术实现要素：

本发明的一目的是提供一种光转换装置，其可以提供例如几gcd/m²的量级的非常高的亮度。

本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定了有利的实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种光转换装置。该光转换装置包括结合层堆叠。结合层堆叠由光转换器和金刚石层组成或包括光转换器和金刚石层。金刚石层以使得金刚石层和光转换器之间的热量传递系数最大化的方式结合到光转换器的结合表面。两层之间优选没有热接触电阻。光转换器被适配为将激光转换成转换光，其中转换光的峰值发射波长比激光的激光峰值发射波长处于更长的波长范围内。金刚石层的折射率（例如，在450nm处n=2.4）大于光转换器的折射率（例如，在450nm处n=1.8）。光耦出结构被附接到结合层堆叠的第一表面。结合层堆叠的第二表面是被布置成接收激光的光入射表面。结合表面布置在结合层堆叠的第一表面和第二表面之间。光耦出结构的折射率是光转换器的折射率的至少90%，优选地是光转换器的折射率的至少95%，以及最优选地至少与光转换器的折射率相同。光耦出结构光学耦合到结合层堆叠的第一表面，使得穿过从光入射表面到光耦出结构的发射路径的光的全内反射减少。

包括如上所述的光转换装置的基于激光器的白光源在某些领域中（例如在汽车前灯中）非常有吸引力。基于激光器的光源的优点在于，由例如蓝色激光二极管发射的激光可以比蓝色led聚焦到光转换器（或“磷光体”）上的小得多的点。因此，基于激光器的光源可以提供gcd/m²量级（到目前为止，只有通过短弧气体放电灯才能达到的范围）的非常高的亮度。

尽管激光器泵浦磷光体的概念很简单，但由于热原因，其很难实现。磷光体必须保持冷却（<200℃）以保持高效。如果温度升高，则效率下降并且增加的热损耗使温度升高得更多。这种恶性循环（“热翻转”）导致磷光体的完全“淬灭”：光转换随后非常低效并且磷光体变得非常热（例如300℃）。

当今已知的概念都具有缺点，即最大热负荷以及由此产生的亮度受限于大约1gcd/m²，因为光转换器（磷光体）中的有源区和紧邻的散热器之间的热阻rth太大。可以示出，仍然能够实现具有给定亮度l的白光源的最大热阻rth满足不等式

l/256*a*rth<δtmax

其中，l以cd/mm²给出，光转换器的表面积a以mm²给出，rth以k/w给出，以及δtmax以k给出。其中，δtmax是磷光体相对于散热器温度的最大允许温升。例如，必须在低于δtmax=50k工作的具有l=1000cd/mm²和表面积a=0.25mm²的光转换器可以具有高达50k/w的rth，这对于在50μm光转换器薄片（例如陶瓷磷光体）（rth=12.5k/w）下的1μm厚胶层（rth=20k/w）仍然是可行的。

相比之下：为了构建具有l=10000cd/mm²的极端光源，并且仍然保持磷光体低温（δtmax<50k），则需要乘积a*rth减小10倍（10xsmaller）。假设泵浦功率和总通量保持与以前相同，则这意味着面积a需要变小10倍。这允许rth保持和以前相同，即达到和50k/w一样大。但是考虑到减小10倍的面积a，这是很难实现的。特别是，即使仅具有20μm的厚度且具有0.025mm²的如此之小表面积尺寸的非常薄的陶瓷磷光体薄片，也已经贡献了50k/w的最大允许热阻rth的100%，这意味着不能容忍由于界面和散热器所致的rth的进一步升高。

因此，表面结合到光转换器的薄金刚石层被用作热量扩散器。金刚石的极高热导率（对于块状金刚石为2000w/（m*k），并且对于薄层配置约为1000w/（m*k））将光转换器的热阻降低到光转换器的不可避免的内部热阻，条件是光转换器和金刚石层之间的界面（结合）具有可忽略的热接触电阻。光转换器（例如磷光体陶瓷）和金刚石层之间的这种结合可以例如通过热结合获得。可替代地，金刚石层可以通过化学气相沉积沉积在由光转换材料（例如陶瓷磷光体）组成的基底上。光转换器基底可以随后被研磨到所需的厚度。

使用具有至少是光转换器材料的折射率的90%的折射率的光耦出结构，以便避免在由金刚石层和光转换器形成的夹层结构内特别是对转换光的引导。光耦出结构耦合到金刚石层，使得金刚石层和光耦出结构之间的任何界面处的全内反射减少。光耦出结构可以例如包括可以在没有任何中间粘合剂层的情况下结合（例如热结合）到金刚石层的材料。

金刚石层被布置成扩散在跨比借助于激光照射的区域大得多的区域将激光转换成例如黄色转换光期间生成的热量。因此，光耦出结构材料的热导率可以相当小（例如小于1w/（m*k））。因此，为了能够实现充分的热量耗散，没有必要使用具有大于30w/k的热导率的材料（比如蓝宝石）。光耦出结构可以例如被成形为类似于（例如半球形）圆顶，其中圆顶的平坦表面耦合到结合层堆叠。

在透射转换方案中（光经由光入射表面进入结合层堆叠，并经由结合层堆叠的相对表面离开结合层堆叠）使用没有任何光耦出结构的结合层堆叠，乍一看似乎是有利的。光耦出结构具有照射源（光转换器的泵浦点）的尺寸显得更大从而降低亮度的效果。放大率取决于光耦出结构的折射率和光应该从光耦出结构耦出到达的相邻材料（通常是空气）的折射率之间的比率。放大率在光耦出结构的折射率为1.8并且耦出进入到空气中的情况下为3.24=（n耦出结构/n空气）²。

与在没有光耦出结构的情况下大约50%相比，通过将经由光耦出结构的转换（例如黄色）光的光输出增加到90%，仅部分补偿了这种效果。这仅将亮度减小降低至1/1.8。

但是模拟已经示出，在没有光耦出结构的情况下，激光以及尤其是转换光通过全内反射被引导并且因此被困在结合层堆叠内。只有在几次这样的反射之后，模糊了结合层堆叠内的光分布，光才能最终逸出结合层堆叠。实际上，这种模糊也导致了光转换器的激光泵浦点的明显放大，比上面讨论的通过光耦出结构所致的明显放大严重得多。因此，与上面讨论的乍一看想法相反，利用光耦出结构获得的亮度比单独使用结合层堆叠而没有这种光耦出结构高得多。

光耦出结构可以由高折射率n玻璃组成，比如例如镧致密燧石或某些致密燧石或者用于眼镜镜片的高n塑料材料。具有大于1.65、并且特别是大于1.7的折射率的塑料材料可以具有以下优点：在低于200℃的中等温度下，结合层堆叠可以容易地附接到光耦出结构，使得不需要中间光学耦合层来将结合层堆叠胶粘到光耦出结构。

结合层堆叠的第一表面可以是金刚石层的与结合到光转换器的结合表面的金刚石层的表面相对的表面。

可替代地，结合层堆叠的第一表面可以是光转换器的与光转换器的结合表面相对的表面。模拟已经示出，与金刚石层紧邻光耦出结构的配置相比，这种配置可以进一步将正向耦出（经由光耦出结构的光耦出）增加大约10%。

光耦出结构可以借助于光学耦合层附接到结合层堆叠的第一表面。光学耦合层的折射率是光转换器的折射率的至少90%，更优选地是光转换器的折射率的至少95%，并且最优选地是与光转换器的折射率相同。光耦出结构的折射率可以但不一定必须是等于或大于光学耦合层的折射率。光学耦合层用于将结合层堆叠粘附或胶粘到光耦出结构。用于机械耦合光耦出结构和结合层堆叠的光学透明（至少在激光和转换光的波长范围内）粘合剂的适当选择可以减少光学损耗，否则该光学损耗可能由它们的接触界面处的反射引起。

光学耦合层优选地薄于10μm，更优选地薄于5μm，并且最优选地薄于1μm。通常，与光耦出结构的厚度相比，光学耦合层的厚度必须小。在半球形光耦出结构的情况下，与光耦出结构的半径r相比，光学耦合层的厚度必须尤其得小（厚度<r/100）。光学耦合层可以例如是具有1.7或更高的折射率的光学胶。

金刚石层可以是细长的，其中金刚石层的长度至少是金刚石层的宽度的两倍。光转换器的特征可以在于与金刚石层具有相同的尺寸（长度和宽度），特别是在将光转换器的表面附接到光耦出结构的情况下。可替代地，可以移除光转换器的一部分。

金刚石层的宽度可以优选地小于500μm，优选地小于400μm，并且最优选地小于300μm。结合层堆叠以及尤其是金刚石层的细长形式足以耗散光转换期间生成的热量。因此，细长形式减少了结合层堆叠所需的材料，并因此减少了成本。此外，细长形状减少了激光和转换光在三个方向上的引导。因此，可以增加可以借助于光转换装置提供的亮度。

金刚石层或结合层堆叠可以相对于光耦出结构的光轴不对称地布置。不对称布置可以用于简化到散热器的热耦合。

在细长结合层堆叠的情况下，光转换器可以相对于光耦出结构的光轴对称地布置。在这种情况下，细长结合层堆叠可以相对于光耦出结构的光轴对称或不对称地布置。光转换器的一部分可以例如被移除，使得不对称的金刚石层延伸到光耦出结构的一侧，以便能够实现与光耦出结构或附加散热器的良好的热耦合，其中光转换器的剩余部分围绕光轴对称地布置。在该实施例中，平行于金刚石层长度方向的光转换器的延伸小于金刚石层的长度。

垂直于结合表面的光转换器的厚度小于60μm，优选地小于40μm，并且最优选地小于25μm。

垂直于结合表面的金刚石层的厚度小于60μm，优选地小于40μm，并且最优选地小于25μm。

光耦出结构可以是半球。半球的直径可以是光转换器垂直于半球光轴的最长延伸的至少五倍。半球的尺寸减小了像差，并且另外，减小了来自结合层堆叠的边缘的光的全内反射。在这种情况下，光轴垂直于半球的圆形截面布置，结合层堆叠通过圆形截面的中心附接到该半球。光耦出结构的延伸可以增加总光输出。

结合层堆叠可以热耦合到散热器。结合层堆叠可以例如借助于热耦合层耦合到散热器。

金刚石层可以借助于热耦合层附接到散热器。布置金刚石层使得在金刚石层的表面和散热器的表面之间除了热耦合层之外没有中间层，这可以增加金刚石层和散热器之间的热量传递系数。热耦合层可以由具有相对高热导率的材料组成，以便提供对光转换器的改进的冷却。

结合层堆叠可以包括附接到光入射表面的抗反射涂层。抗反射涂层被布置成减少激光的反射。抗反射涂层减少或甚至避免峰值激光波长附近的激光的反射。在金刚石层的表面是光入射表面的情况下，抗反射涂层可以是特别有用的，因为金刚石层在蓝色激光的波长范围内（例如大约450nm）具有大约2.4的高折射率。

结合层堆叠还可以包括附接到光入射表面的反射涂层。反射涂层被布置成反射转换光。反射涂层在包括激光的峰值发射波长的波长范围内是透明的。反射涂层被布置成避免或至少减少经由光入射表面的转换光的损耗。反射涂层可以与上述抗反射涂层相同。

光转换装置可以例如用于包括一个或多个激光器的汽车前灯中，该激光器发射在450nm的激光峰值发射波长处的激光。在这种情况下，光转换器可以包括黄色磷光体石榴石（例如y(3-0.4)gd0.4，al5o12:ce）或由其组成。蓝色激光和黄色转换光的混合物可以用来生成白光。这种黄色磷光体石榴石的特征在于约为1.8的折射率。因此，甚至有可能使用具有如上讨论的基本相同或甚至更高折射率的光耦出结构。

根据另一方面，提供了一种基于激光器的光源。基于激光器的光源包括如上所述的光转换装置和激光器。

基于激光器的光源可以包括发射例如蓝色激光的两个、三个、四个或更多个激光器（例如布置成阵列）。

根据另一方面，提供了一种车辆前灯。车辆前灯包括至少一个如上所述的基于激光器的光源。车辆前灯可以包括两个、三个、四个或更多个如上所述的基于激光器的光源。

应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求和相应独立权利要求的任何组合。

下面定义了其他有利实施例。

附图说明

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得清楚明白并得以阐明。

现在将参考附图，基于实施例，通过示例的方式来描述本发明。

在附图中：

图1示出了发明的光转换装置的第一实施例的主要简图

图2示出了利用与关于第一实施例讨论的相似的光转换装置的光分布的模拟结果

图3示出了发明的光转换装置的第二实施例的截面的主要简图

图4示出了光转换装置的第二实施例的仰视图的主要简图

图5示出了利用与关于第二实施例讨论的相似的光转换装置的光分布的模拟结果

图6示出了比较关于图2讨论的实施例和关于图5讨论的实施例的模拟结果

图7示出了比较关于图2讨论的实施例和关于图5讨论的实施例的模拟结果的另一评估

在附图中，相同的数字始终指代相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

现在将借助于附图描述本发明的各种实施例。

图1示出了由基于激光器的光源100包括的发明的光转换装置130的第一实施例的主要简图。光转换装置130包括结合层堆叠，该结合层堆叠包括金刚石层135和热结合到金刚石层135的光转换器134。在该实施例中，金刚石层135具有25μm的厚度，并且光转换器134具有40μm的厚度。结合层堆叠相对于光耦出结构136的光轴确实具有圆形形状，在这种情况下，光耦出结构136是由附接（例如，通过热结合）到由结合层堆叠包括的光转换器134的玻璃组成的半球（例如，直径为4mm）。光耦出结构136到结合层堆叠的热结合可以具有以下优点：不存在可能导致光学损耗的附加中间层。此外，可以降低光耦出结构136和结合层堆叠之间的热阻，使得光耦出结构136支持热量耗散（充当散热器）。光转换器134包括磷光体（例如yag:ce），该磷光体被布置成将由激光器110发射的蓝色激光10的一部分转换成黄色转换光20。光转换装置130因此被布置成发射白光（蓝色传输激光12和黄色转换光20的混合物）。结合层堆叠的金刚石层135的远离光耦出结构136布置的表面的至少一部分用于接收由激光器110发射的激光10。金刚石层135的用作光入射表面的表面的一部分可以被抗反射涂层（未示出）覆盖，以便避免或至少减少激光10的反射。金刚石层135的光入射表面或窗口周围的表面借助于热耦合层132热耦合到散热器131。在这种情况下，散热器131是具有圆孔的矩形铝块，激光10通过该圆孔照射结合层堆叠。

图2示出了在跨光耦出结构136的模拟平面140中沿垂直于激光10的发射方向的水平方向210（以微米给出）和竖直方向220（以微米给出）的光分布的模拟结果，模拟平面140直接在光耦出结构136和光转换器134之间的界面之上（无限小的距离），如图1中指示的。光转换装置与关于图1中第一实施例讨论的光转换装置130相似。在这种情况下，结合层堆叠的外部光转换器表面借助于胶附接到光耦出结构136。结合层堆叠的特征在于直径为12mm，并且金刚石层135和光转换器134各自具有25μm的厚度。光耦出结构136同样是具有1.8的折射率的半球形圆顶（例如，由镧致密燧石组成的玻璃），该折射率与结合层堆叠的光转换器134（yag:ce）的折射率相同。在这种计算中，胶的特征也在于1.8的折射率。蓝色激光10被注入到垂直于圆顶的光轴的200μm×200μm的区域中。该区域的中心与圆顶的光轴对齐。因此，黄光（模拟中假设的1w的黄光）也基本上在这个小区中生成。圆顶形耦出结构136确实具有光基本上仅在圆顶方向上耦合出去的效果。正向耦合（经由光耦出结构136发射的光相对于由激光器10提供的光）优于90%。大约50%的光通过光轴周围250μm×250μm的区域发射。强度230以10⁷w/m²给出，在模拟光分布的中心（水平方向210上为0μm，并且竖直方向220上为0μm）处具有约为1.4*10⁷w/m²的最大值。

图3示出了由基于激光器的光源100包括的发明的光转换装置130的第二实施例的截面的主要简图。光转换装置130包括结合层堆叠，该结合层堆叠包括金刚石层135和光转换器134。金刚石层135借助于化学气相位置沉积在光转换器134上。在该实施例中，金刚石层135具有25μm的厚度，并且光转换器134也具有25μm的厚度。结合层堆叠的金刚石层135的特征在于相对于光耦出结构136的光轴的细长形状，在这种情况下，该光耦出结构136是具有1.74的折射率的塑料半球（由例如mitsui化学提供的用于超薄透镜的高折射率透镜材料），其借助于光学耦合层137胶粘到结合层堆叠的远离光转换器134的结合表面定位的金刚石表面。光学耦合层137是具有大约1.7的折射率的光学胶（例如norland光学粘合剂170）。光转换器134包括磷光体材料（例如，具有1.7或1.8的折射率），该磷光体材料被布置成将激光10的一部分转换成转换光20。光转换装置130被布置成发射传输的激光12和转换光20的混合物。光转换器134的一部分被从金刚石层135移除，使得仅存在具有250μm的直径的圆形转换区域，激光10被激光器110发射到该圆形转换区域。细长金刚石层135（宽度250μm和长度2mm）的未被光转换器134覆盖的表面的一部分借助于热耦合层132热耦合到散热器131。在这种情况下，散热器131是矩形金属块。模拟示出，与250μm的宽度相比，光经由具有基本上50μm的高度的结合层堆叠的侧表面意外地没有损耗。与大部分光经由传输路径结合层堆叠、光学耦合层137以及最后光耦出结构136耦合出去的其他表面相比，光耦出结构136以及在这种情况下适当适配的光学耦合层137大大降低了在该界面处全内反射的可能性。

图4示出了光转换装置130的第二实施例的仰视图的主要简图。在这方面，仰视图意味着从图3中示出的激光器110的位置看去示出光转换装置130。细长金刚石层135结合到光转换器134的圆形剩余部分，该圆形剩余部分相对于圆顶形光转换器136的光轴圆形对称地布置。细长金刚石层135的一部分夹在光耦出结构136和散热器131之间。金刚石层135的大约1000w/(m*k)的热导率与金刚石层135的厚度和宽度相组合被布置成使得在光转换器的照射期间生成的热量可以被耗散。尽管借助于光转换装置130可以提供5gcd/m²的亮度，但是光转换器134的温度不超过150℃。

图5示出了光分布的模拟结果，其中光转换装置130类似于上面关于图3和4中的第二实施例所讨论的。针对如图1中指示的模拟平面140计算模拟结果。在这种情况下，结合层堆叠具有细长的矩形形状（舌状条），具有250μm的宽度和2mm的长度。金刚石层135的远离光转换器134的结合表面布置的表面借助于光学胶结合到光耦出结构136。光耦出结构和光学胶的材料具有与光转换器134相同的折射率（n=1.8）。就如关于图2所讨论的，200μm×200μm的光生成区域被激光器110照射。光生成区域与光耦出结构的光轴对齐。细长的矩形形状避免了激光10和转换光在垂直于光耦出结构136的光轴的三个方向上的引导，使得光轴周围的强度与关于图2讨论的强度分布相比甚至更高。光分布的中心处的最大强度230约为1.6*10⁷w/m²。因此，细长形状可以用于进一步增加包括光转换装置130的基于激光器的光源100的强度或亮度。同时，借助于金刚石层135到散热器131（以及到光耦出结构136）的热耦合，能够实现光转换器134的充分冷却。

图6示出了比较关于图2讨论的实施例和关于图5讨论的实施例的模拟结果。图6示出了沿着穿过强度分布的中心的截面的强度分布。水平轴示出了水平方向210，其中距中心的距离（光耦出结构136的光轴延伸穿过中心）以微米给出。竖直轴以w/m²示出了强度230。线234示出了如关于图5讨论的条状或舌状细长结合层堆叠的强度分布。线232示出了如关于图2讨论的延伸的结合层堆叠的强度分布。比较示出，在具有细长结合层堆叠的实施例的情况下，在光分布中心附近大约+/-125μm的范围内具有更高的强度。

图7示出了比较关于图2讨论的实施例和关于图5讨论的实施例的模拟结果的另一评估。水平轴以微米示出了围绕光轴的发光区240的半径。竖直轴示出了收集的正向功率250的百分比。该曲线图证实，直到约为600μm的发光区的半径，与来自图1的延伸的结合层堆叠（线232）相比，图3的细长结合层堆叠（线234）从更小的发光区提供了更多的光。因此，条状的细长结合层堆叠确实有助于进一步增加可以借助于光转换装置130提供的亮度。

虽然已经在附图和前面的描述中详细地说明和描述了本发明，但是这种说明和描述应被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的。

通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员来说将是清楚明白的。这种修改可以涉及本领域中已知的并且可以代替本文已经描述的特征或除了本文已经描述的特征之外而被使用的其他特征。

通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员可以理解和实现对所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。

权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制其范围。

附图标记列表：

10激光

12传输的激光

20转换光

100基于激光器的光源

110激光器

130光转换装置

131散热器

132热耦合层

134光转换器

135金刚石层

136光耦出结构

137光学耦合层

140模拟平面

210水平方向（微米）

220竖直方向（微米）

230强度（10⁷w/m²）

232与圆形转换器结构相关（图1）

234与舌状转换器结构相关（图3）

240发射区半径（微米）

250收集的正向功率的百分比