CN102121571B - 具有侧面支撑波长转换元件的散热器的照明设备 - Google Patents

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Abstract

照明设备(100)，包括光源(104)，如安排成阵列的一个或多个发光二极管，光源产生具有第一波长范围的光。安装分开的波长转换元件(110)以接收光源(104)发射的光。波长转换元件(110)在物理上沿光路与光源(104)分开。波长转换元件(110)把具有第一波长范围的光转换成具有第二波长范围的光。在一个实施例中，颜色分离元件(112)直接耦合到波长转换元件。颜色分离元件(112)在物理上也与光源(104)分开。在另一个实施例中，波长转换元件(110)通过侧面由散热器(130)支撑。

Description

具有侧面支撑波长转换元件的散热器的照明设备
本申请是下述申请的分案申请：
申请日：2007年8月6日
申请号：200780029467.7
发明名称：具有侧面支撑波长转换元件的散热器的照明设备
技术领域
本发明涉及照明设备，更特别地，本发明涉及由强辐射光源产生的光的波长转换，所述的光源包括半导体发光器件。
背景技术
使用发光二极管(LED)的照明设备在许多照明应用中越来越普通。在一般情况下，发光二极管使用初级发射的磷光体转换来产生白光，但磷光体还可用于产生更加饱和的颜色，如红色、绿色和蓝色。
常规的放置磷光体使之与发光二极管物理接触的设备有许多缺点，如粘结温度范围有限。而且，粘结材料的选择可能影响成本以及可靠性，其例如由热产生的机械应力而引起。因此，希望有所改进。
发明内容
按照本发明的一个方面，照明设备包括与波长转换元件直接耦合的颜色分离元件，二者沿光路都与光源分离开来。光源例如可以是安排成阵列的一个或多个发光二极管，其产生具有第一波长范围的光。波长转换元件被安装成接收光源发出的光并且与光源在物理上分开。波长转换元件部分地或者完全地将具有第一波长范围的光转换成具有第二波长范围的光。在本发明的另一方面，波长转换元件由散热器通过至少一侧支撑，从而初级光或次级光都不透过散热器。
附图说明
图1表示按照本发明的一个实施例的照明设备；
图2是示意性地表示发光陶瓷的制备的流程图；
图3表示二向色滤光器涂层的一个合适的实施例的透射特性在不同入射角下随波长的变化而发生的变化；
图4表示二向色滤光器涂层的一个合适的实施例关于蓝泵光的透射随朗伯光源的波长的变化而发生的变化的性能；
图5表示二向色滤光器涂层的一个合适的实施例关于波长转换光的反射的性能；
图6表示针对诸如波长转换元件之类的n＝2.5的介质中550纳米-660纳米之间的波长的平均反射与角度的关系；
图7表示使用远距离(remote)波长转换元件的照明设备；
图8表示第二个二向色滤光器涂层的一个合适的实施例的透射特性在不同入射角的平均值下随波长的变化而发生的变化；
图9A、9B表示具有成一定角度的侧面的波长转换元件的实施例；
图10表示具有粗糙化表面的波长转换元件的实施例；
图11A和11B表示散热器的不同的可能实施例，它们利用侧面支撑波长转换元件；
图12表示支撑波长转换元件的散热器的另一个可能的实施例的透视图；
图13表示波长转换元件的热传导图示；
图14表示按照本发明的一个实施例的另一个照明设备；
图15表示波长转换元件的近观特写图；
图16表示聚光本领(étendue)有限的出射孔径的顶视图；
图17表示使用远距离的波长转换元件和孔径(聚光本领)循环利用光的照明设备；
图18表示图17的照明设备的长方形出射孔径的顶视图。
具体实施方式
按照本发明的一个实施例，波长转换元件与光源在物理上分隔开，波长转换元件直接涂敷颜色分离涂层。在这个实施例中，不需要单独的颜色分离元件，因此通过循环利用向后发射的波长转换光明显地改善了提取效率，并且还增加了外部偏振和孔径循环利用，这是因为没有来自额外的元件的任何损耗的缘故。在另一个实施例中，使用高效的边缘冷却系统来支撑波长转换元件。
图1表示按照本发明的一个实施例的照明设备100。图1包括光源102，光源102例如可以是半导体发光器件，例如发光二极管(LED)或发光二极管104阵列，或者是可以产生短波长光的其他类型的光源，例如氙灯或汞灯。例如，发光二极管104是蓝色或紫外(UV)的发光二极管，并且可以是强辐射器件，如在Frank Wall等人于2003年8月29日提交的序列号为10/652348、公开号为2005/0045901的美国专利申请“Package for a Semiconductor Light Emitting Device(用于半导体发光器件的封装)”中所描述的那种类型的器件，该申请与本发明的公开属同一个受让人，其通过引用合并于此。发光二极管104的角度发射模式可以是朗伯式的或者是使用诸如晶格结构之类的光子晶体进行控制的。图中所示的发光二极管104安装在散热器106上。在某些实施例中，可以将发光二极管104安装在分支架(submount)105上，所述分支架安装在散热器106上。
照明设备100包括波长转换元件110，波长转换元件110沿光路(用箭头103大致表示)与光源102在物理上分隔开，即波长转换元件110的输入侧111不与光源102直接接触。光源102和波长转换元件110可以通过介质114(如空气、气体、硅树脂或真空)分隔开。于是，光源102发出的光必须穿过介质114后才能在波长转换元件110的输入侧111接收到该光。在光源102和波长转换元件110之间的物理分隔长度可以变化，但是在一个实施例中这个长度在50微米-250微米的范围内。在一个实施例中，光源102和波长转换元件110之间的物理间隔足以防止由光源102引起的对于波长转换元件110的主要传导加热。在另一个实施例中，可以使用填充物或粘结材料来分隔光源102和波长转换元件110。
波长转换元件110可以由陶瓷板形成，陶瓷板在这里有时称之为“发光陶瓷”。陶瓷板在一般情况下是自支撑层，对于特定的波长可以是半透明的或者是透明的，这可以减小与非透明的波长转换层(如保形层)有关的散射损耗。发光的陶瓷层可以比薄膜或保形磷光体层更加牢固。在某些实施例中，可以使用除发光陶瓷以外的材料作为波长转换元件110，例如使用在粘结剂材料中的磷光体。
可以形成发光陶瓷层的磷光体的例子包括铝石榴石磷光体，它的通式是(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb，其中0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z≤0.1，0＜a≤0.2，0＜b≤0.1，例如Lu3A15012:Ce3+和Y3Al5O12:Ce3+，它们发出的光在黄绿色范围；还有，(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa:Euz 2+，其中0≤a＜5，0＜x≤1，0≤y≤1，0＜z≤1，例如Sr2Si5N8:Eu2+，它们发出的光在红色范围。合适的Y3Al5O12:Ce3+陶瓷板可以从Charlotte，N.C.的Baikowski国际公司买到。其它的发射绿色、黄色和红色的磷光体也可能是合适的，包括(Sr1-a-bCabBac)SixNyOz:Eua 2+(a＝0.002-0.2，b＝0.0-0.25，c＝0.0-0.25，x＝1.5-2.5，y＝1.5-2.5，z＝1.5-2.5)，例如包括SrSi2N202:Eu2+；(Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4):Eu2+，例如包括SrGa2S4:Eu2+；Sr1-xBaxSiO4:Eu2+；和(Ca1-xSrx)S:Eu2+，其中0＜x≤1，例如包括CaS:Eu2+和SrS:Eu2+。
形成发光陶瓷的方法是在高压下加热粉末磷光体，一直到磷光体颗粒表面开始烧结在一起，从而形成坚硬的颗粒团。薄膜的光学行为是单个的大型磷光体颗粒，没有光学间断；与薄膜不同，发光陶瓷的行为是紧密填塞的一个个磷光体颗粒，因此在不同磷光体颗粒之间的介面上存在小的光学间断。于是，发光陶瓷在光学上几乎是均匀的，并且具有与形成发光陶瓷的磷光材料相同的折射率。与保形磷光体层或设置在透明材料(如树脂)中的磷光体层不同，发光陶瓷在一般情况下不需要磷光体本身之外的任何粘结剂材料(如有机树脂或环氧树脂)，因此在一个个磷光体颗粒之间存在不同折射率的空间或材料很少，几乎没有。结果，发光陶瓷是透明的或半透明的，与保形磷光体层不同。对于有关可以与本发明一起使用的发光陶瓷的更多信息，参见美国专利出版物N0.2005/0269582，该文献通过引用合并于此。
在一个实施例中，发光陶瓷是eCAS，它是从5.436克Ca3N2(＞98％纯度)、4.099克AlN(99％)、4.732克Si3N4(＞98％纯度)和0.176克Eu2O3(99.99％纯度)合成的Ca0.99AlSiN3:Eu0.01。通过行星式球磨机混合这些粉末，并在H2/N2(5/95％)气氛中在1500℃的温度下烧结4个小时。在5千牛顿的压力下将颗粒状的粉末单轴地压制成小球，并且在3200巴(bar)的气压下进行冷均衡压制(CIP)。在H2/N2(5/95％)气氛中在1600℃的温度下将所述的小球烧结4个小时。得到的小球显示出闭合的多孔结构，并且随后在2000巴和1700℃下进行热均衡压制，从而获得具有＞98％的理论密度的致密的陶瓷。
在一个实施例中，发光陶瓷是BSSNE，它是Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz(M＝Sr、Ca；0≤x≤1，0≤y≤4，0.0005≤z≤0.05)。在图2中描述的流程图示意性地表示了Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz(M＝Sr、Ca；0≤x≤1，0≤y≤4，0.0005≤2≤0.05)陶瓷是如何制备的。首先，将Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz(M＝Sr、Ca；0≤x≤1，0≤y≤4，0.0005≤z≤0.05)制成粉末形式。为此可以使用几种方法。图2表示的是通过碳高温还原制备的一个例子，其包括通过使用2-丙醇作为分散剂进行行星式球磨来混合60克的BaCO3、11.221克的SrCO3和1.672克的Eu2O3(全部都是99.99％纯度)(框182)。烘干之后，在形成气体气氛中在1000℃的温度下将所述的混合物烧制4个小时(框184)，并且将10克这样获得的Ba0.8Sr0.2O:Eu(2％)与5.846克的Si3N4(＞98％纯度)、0.056克的AlN(99％纯度)和1.060克的石墨(微晶级)混合(框186)。通过20分钟的行星式球磨彻底混合所述的粉末，并且在形成气体气氛中在1450℃的温度下将所述的粉末烧制4个小时(框188)，从而获得Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz(M＝Sr、Ca；0≤x≤1，0≤y≤4，0.0005≤z≤0.05)的前体粉末(precursor powder)(框190)。用HCl清洗所述的粉末，并且对其再次研磨(框192)。然后，在1550℃和80兆帕热压所获得的前体粉末，从而产生致密的陶瓷体(框194)。将这些陶瓷体切片、抛光、切块，以获得期望的形状和光学表面性质(框196)。如果必要，可以在氮气中在1300℃的温度下进行退火以消除缺陷(框198)。
在一个实施例中，发光陶瓷是SSONE，它是通过混合80.36克的SrCO3(99.99％纯度)、20.0克的SiN4/3(＞98％纯度)和2.28克的Eu2O3(99.99％纯度)，并且在N2/H2(93/7)的气氛中在1200℃的温度下烧制4个小时而制造出来的。在清洗以后，在10千牛顿的压力下单轴地压制所述的前体粉末，并且随后在3200巴进行冷均衡压制。在一般情况下，在1550℃和1580℃之间的温度下，在H2/N2(5/95)的气氛中或在纯氮气氛中进行烧结。
现在回到图1，在一个实施例中，用颜色分离元件116直接覆盖波长转换元件110的输入侧111。颜色分离元件116透射蓝泵光并且反射由波长转换元件110转换的光的范围内的波长。颜色分离元件116可以是大角度的接收涂层，其直接施加到波长转换元件110的输入侧111，面对光源102。换言之，颜色分离元件116位于光源102和波长转换元件110之间。如图1所示，颜色分离元件116与光源102也不直接接触，即颜色分离元件116和波长转换元件110这两者与光源102都在物理上分开。
颜色分离元件116例如可以是具有大角度接收能力的直接施加的二向色涂层。尤其是在例如从具有光子晶体的发光二极管减小了光源102的角度发射的地方，如果希望的话，可以使用其它的颜色分离材料，例如胆甾醇薄膜、衍射或全息滤光器。图3表示：对于可用作颜色分离元件116的直接施加的二向色涂层的一个合适实施例，透射特性在的不同入射角下随波长的变化而发生的变化。为此目的，可以专门设计具有大角度接收能力的滤光器。例如，可以使用包括更高和更低折射材料的多层的叠层在波长转换元件110上形成二向色涂层。在一般情况下，通过适当地选择具有较高折射率和优化的厚度的不同涂层材料，可期望滤光器具有大角度接收能力。这样一种滤光器的设计和制造完全在本领域的普通技术人员的能力之内。对于颜色分离元件116，使用具有大角度接收能力的二向色涂层是有益的，因为在颜色分离元件之前，不需要额外的光学元件来准直所述的光，从而减小了所述设备的成本和尺寸。
如图3所示，颜色分离元件116具有蓝泵波长的高的透射性，所述波长例如从415纳米到465纳米。于是，光源102发出的光将透过颜色分离元件116进入波长转换元件110。波长转换元件110在内部各向同性地发光。前向发射的光，即向波长转换元件110的输出侧112发出的光，具有直接逃逸的机会。但是，由波长转换元件110发出的大部分光或者向回发射，即在输入侧111的方向发射，或者向前发射但在波长转换元件110的输出侧112向回反射，这是因为在波长转换元件110(例如n＝1.7-2.6)和所发射的光进入的介质(例如n＝1.0)之间的折射率差别很大的缘故。在图3中可以看出，在所转换的光的波长中，例如大于500纳米的波长中，颜色分离元件116具有低透射性，即高的反射率。于是，颜色分离元件116防止了后向发射的或后向反射的光从波长转换元件110向光源102逸出。
如以上所讨论的，照明设备100的性能的两个重要的标准包括蓝泵波长(例如从415纳米到465纳米的任一波长)的透射，和波长转换光(如橙色、绿色或红色转换光)的反射。图4表示颜色分离元件116的一个合适的实施例关于蓝泵光的透射随朗伯光源的波长的变化而发生的变化的性能。为了进行参照，图4分别表示了60°的朗伯和整个半球(±90°)的朗伯这两者的透射曲线152、154。为了进行比较，将裸发光陶瓷的透射表示为曲线156，将蓝泵光的光谱表示为曲线158。虽然小于60°的锥体可能是感兴趣的，例如其中光子晶格结构在较小的圆锥角中发射较多的光，但图4表明：即使在±90°，透射性能仍旧可以明显好于未经涂敷的发光陶瓷。如在图4中可能看到的，由颜色分离元件116有效透过的波长应该覆盖很大的范围，从而可以包括蓝泵波长范围，这样一来就减少了通过波长来分选或容纳(bin)发光二极管104的需要，尤其是当波长转换元件110的吸收光谱都类似很宽的时候更是如此。
图5表示颜色分离元件116的一个合适的实施例在波长转换光的反射方面的性能。图5将用颜色分离元件116涂敷的介质内的各向同性反射表示为曲线162，并且将利用朗伯的外部空气介质曲线表示为曲线164，即曲线164表示在550-660纳米上平均的±90°圆锥的平均外部朗伯反射。图5还将来自CaAlSiN磷光体的饱和的红色发射表示为曲线166，并且将用CIE-Y眼睛亮视敏感(photopic sensitivity)曲线加权的红色光谱发射表示为曲线168。提供曲线166和168是为了表示哪一个波长带对于大多数应用是最重要的。主要的设计意图是为了在波长转换元件110内反射提供正确的色点和最大流明的彩色光。
图6表示针对n＝2.5的介质(如波长转换光110)中550纳米-660纳米之间的波长的平均反射与角度的关系。在波长转换元件110内发射的光具有各向同性的角分布。如图6所示，较大角度的光将被全内反射(TIR)并且在规则的逃逸圆锥之内，反射的光将由大角度接收能力的颜色分离元件116进行控制。具有这些性质的照明设备100将在波长转换元件110的输入侧的每次底部反射中反射来自波长转换元件110的向回发射的光的98％以上，从而提供从波长转换元件110的输出侧发射所述的光的另一个机会。
为了进行比较，图7表示一个照明设备800，在Gerard Harbers等人的美国专利申请出版物2005/0270775“Remote WavelengthConversion in an Illumination Device(在照明设备中的远距离波长转换)”中更加详细地描述了这个照明设备800，这个申请与本申请是同一个受让人，其通过引用全部合并于此。照明设备包括产生光的蓝色/紫外发光二极管光源802，所产生的光由准直器808准直并由二向色镜810反射，并且由另一个准直器814向磷光体元件812会集。磷光体元件812安装在反射基板815和散热器816上。辐射加强结构822(和/或偏振恢复部件)如图所示安装在磷光体元件812上。磷光体转换光由准直器814准直并且透过二向色镜810。未经转换的光经过反射离开反射基板815和二向色镜810，由发光二极管802循环利用。在另一个实施例中，二向色镜810可由二向色滤光器代替，这个二向色滤光器透过蓝色/紫外泵光并且反射磷光体转换光，如图17所示。磷光体元件发出离开系统的前向发射光，后向发射光再一次地得到准直并且由二向色滤光器进行反射。在Serge J.Bierhuizen等人于2005年10月11日提交的序列号为11/248945的美国专利申请“Illumination System With Optical Concentrator And WavelengthConverting Element(具有光学会聚器和波长转换元件的照明系统)”中更加详细地描述了这样一个实施例，这个美国专利申请与本申请有同一个受让人，其通过引用全部合并于此。在这两个实施例中，在通过二向色镜/滤光器进行波长滤波之前和之后，使用准直/会聚光学器件。因此，这样一种照明设备的效率在很大程度上取决于光学准直和会聚部件的效率。
与照明设备800相比，按照本发明的一个实施例的照明设备100减小了成本和尺寸，同时改善了被循环利用的后向发射光或前向发射光的循环利用。而且，所述的光在照明设备100中的滤色元件之前不需要准直。此外，照明设备100不需要将磷光体粘结到光源上，与图7中所示的设备相比，这减小了不利的影响，例如由CTE失配引起的热致应力。
现在返回到图1，应该理解，取决于波长转换元件110中波长转换材料的厚度和浓度，不是所有的蓝泵光都能够被转换。可以允许未经转换的蓝泵光通过波长转换元件110的输出侧112逸出。然而，在一个实施例中，使用第二颜色分离元件118来反射未经转换的蓝泵光，使其返回波长转换元件。如图1所示，波长转换元件110的输出侧112可以直接涂以二向色滤光器，以便用作第二颜色分离元件118。图8表示：对于用作第二颜色分离元件118的二向色涂层的一个合适的实施例，透射特性在不同入射角的平均值下随波长的变化而发生的变化。如图8所示，在此例中，将第二颜色分离元件118配置成反射大部分蓝光并且透过橙色/红色转换光。如以上所讨论的，产生期望透射特性的适当颜色分离元件118的制造完全在本领域的普通技术人员的知识范围内。但应该理解，如果希望，可以不必使用第二颜色分离元件118。
此外，如果希望，波长转换元件110的侧面120可涂敷保护性的反射涂层122，如银或铝，以便反射击中侧面120后返回波长转换元件110的任何光，从而改进提取效率。还可以将侧面120粗糙化以便散射所反射的光。在另一个实施例中，波长转换元件110内部的光可由内部散射区散射，内部散射区例如是在波长转换元件110内有意设置的一些孔或微型腔，其在波长转换元件110内引起MIE散射。在某些实施例中，波长转换元件110的侧面120可以是成角度的，使波长转换元件的输入侧111和输出侧112具有不同的面积。图9A和图9B分别表示具有成角度的侧面的波长转换元件110a和110b的实施例。如图9A所示，侧面120a向外倾斜，所以波长转换元件110a的输入侧111a的面积小于波长转换元件110a的输出侧112a的面积。相反，如图9B所示，侧面120b向内倾斜，所以波长转换元件110b的输入侧111b的面积大于波长转换元件110b的输出侧112b的面积。侧面的最佳角度(向里或向外)取决于应用，因为侧面的最佳角度有可能增加或减小发射表面的面积，从而增加或减小光源的亮度。
在另一个实施例中，波长转换元件110的输出侧112可以具有粗糙化的表面，以强化光在波长转换元件的输出侧的提取。图10借助实例表示波长转换元件110’的一个实施例，波长转换元件110’在波长转换元件110’的输入侧111具有颜色分离元件116，输出侧112’是粗糙化的表面。可以使用众所周知的加工方法，如湿化学蚀刻、干化学技术和相关技术实现波长转换元件110’的输出侧112表面的粗糙化。
如图1所示，波长转换元件110可以通过一个或多个侧面120热耦合到散热器130上并且由散热器130支撑，以便提供紧凑的低成本的冷却。波长转换元件110的输出侧112或输入侧111(或两者)的一部分(即小于约30％的部分)也可以与散热器130接触，例如为了稳定。于是，波长转换元件110的输入区域，即接收来自光源102的光的输入侧111的区域，和波长转换元件110的输出区域，即从波长转换元件110向外部发射光的输出侧112的区域，未受到散热器130的支撑。在某些实施例中，在由散热器130覆盖的输出侧112(或输入侧111)的部分上还可以淀积反射涂层122以协助循环利用。可替换地，例如在从反射材料制造散热器130的情况下，在散热器130上可以淀积反射涂层122，或者反射涂层122可以是散热器130本身的一部分。散热器130和/或在波长转换元件110输出侧112上的反射涂层122可用来控制输出区域，并且由此控制系统的聚光本领。可用作波长转换元件110的发光陶瓷板得到侧面120的支撑是很容易的。而且，发光陶瓷具有良好的热传导性，大约大于10W/(mK)。使用只通过至少一个侧面120(可能还有输出侧112和/或输入侧111的一小部分)来支撑波长转换元件110的散热器是有益的，因为它减小了由常规的散热器引起的光损耗，所说的常规的散热器是在整个输出侧或输入侧上支撑波长转换元件的。况且，因为常规的与波长转换元件一起使用的散热器是用蓝宝石或其它类似材料制造的，所以利用散热器130减小了成本。
此外，散热器130提供机械定位波长转换元件110使之靠近光源102的能力，同时控制波长转换元件110的温度以改善波长转换元件110的效率。如图1所示，散热器130可以耦合到光源102和散热器106上。可替换地，散热器130和散热器106可以是单个的散热器。按照另一种方式，散热器130可以与散热器106分开。此外，散热器130可以包括冷却元件，如鳍状物131。如果希望，还可以使用其它的冷却或传热元件，如热管。
可以例如使用铜或其它传导材料(如铝或石墨)来制造散热器130。例如铜具有大约390W/(mK)的大的热传导性。石墨在基础平面的热传导性(＞1000W/(mK))远大于石墨在横越基础平面的热传导性(＜100W/(mK))。因此，利用石墨制造的散热器130应该是与指向离开波长转换元件110的基础平面有关。图11A和图11B分别表示散热器132、134的不同可能的实施例的侧视图，散热器132、134通过侧面支撑波长转换元件110。在由石墨制造散热器132、134的情况下，用箭头133、135表示基础平面。图12表示散热器136的另一个可能的实施例的透视图，该散热器通过侧面支撑波长转换元件110。
图13表示图表，其说明波长转换元件110的热传导，波长转换元件110是20mm×20mm的厚1mm的发光陶瓷，它的热传导率是14W/(mK)，并且由与图12所示类似的铜制造的散热器包围。石墨内的中央长方形表示的是热源的位置，即被光源102加热的波长转换元件110的区域，它相对于所述波长转换元件居中，尺寸为7mm×4mm，产生7W的热量。如在图13中所看见的，发光陶瓷的波长转换元件110有效地向侧面传导了所吸收的能量，在侧面，这些热量可以由散热器130吸走。
如图1所示，照明设备100还可以包括反射光学器件140，反射光学器件140可用于准直和/或循环利用所述的光。反射光学器件140与Gerard Harbers等人于2005年4月11日提交的序列号为11/104220的美国专利申请“Illuminators Using Reflective Optics WithRecycling and Color Mixing(使用具有循环利用和颜色混合功能的反射光学器件的照明器)”中描述的器件类似，该申请与本公开具有同一个受让人，其通过引用全部合并于此。反射光学器件140包括侧部142，侧部142例如形成抛物面形的反射体，用于准直由光源102发射的通过反射光学器件140的入口的光，该反射体光学耦合到波长转换元件110的输出侧112。如果需要，侧部142可以具有除抛物面外的其它形状。反射体在一般情况下具有圆形的或长方形的截面。抛物面形的反射体的侧部142由反射材料制成或涂敷反射材料，如铝、银或3M ESR反射薄膜或任何其它合适的反射材料。可替换地，反射光学器件140可以是固态透明材料，如塑料或玻璃，利用由材料和空气之间的折射率之差对于准直光引起的全内反射(TIR)来反射和准直所说的光。
反射光学器件140还可以包括反射孔径，反射孔径是由反射盘144形成的，反射盘144确定了开口146形式的出口。反射盘144可以和反射光学器件140是整体式的，或者可以是与反射光学器件140耦合的单独的物件。开146可以是圆形的、方形的或任何其它期望的形状。没有通过开口146的任何光都被反射回来进入反射光学器件140。于是，反射光最终再次向开口146反射，从而产生会聚的准直的光束。开146可以包括偏振镜，因而只有具有一定偏振状态的光才能透过，而其它偏振状态的光都被反射回去，进入反射光学器件140。
图14表示按照本发明的一个实施例的另一个照明设备200。与照明设备100类似，照明设备200包括光源202，光源202例如可以是安装在散热器206上的一个或多个蓝色或紫外发光二极管204。在某些实施例中，发光二极管204可以安装在分支架(未示出)上，所述分支架安装在散热器206上。发光二极管204的角度发射模式可以是朗伯式的，或者是例如使用光子晶格结构进行控制的。会聚器元件210的位置使会聚器元件210的入口或输入侧212保持靠近光源202，以俘获整个角分布的大部分。大角度接收能力的颜色分离元件214可以直接地或间接地施加到会聚器元件210的输入侧212。颜色分离元件214可以与以上所述的颜色分离元件116类似。
会聚器元件210可以用侧面216构成，侧面216由反射材料制成，或者涂以反射材料，例如铝、银或是3M ESA反射薄膜或任何其它合适的反射材料。可替换地，会聚器元件210可以是固态透明材料，如塑料或玻璃，会聚器元件210利用由材料和空气之间的折射率之差对于准直光引起的全内反射(TIR)来反射和准直所述的光。会聚器元件210将所述光反射和会聚到定位在会聚器元件210的出口或输出侧218的波长转换元件220上，由此增加进入波长转换元件220的光的辐照度水平(W/mm2)。波长转换元件220可以与参照图1讨论的波长转换元件110类似。
图15表示波长转换元件220的近观特写图。如图15所看见的，波长转换元件220的侧面涂以反射涂层222，如银或铝，其提供孔径(聚光本领)循环利用。反射涂层222反射所述的光，使其回到波长转换元件220和会聚器元件210以便循环利用，如图15中的箭头所示。散热器230通过侧面支撑波长转换元件220。此外，散热器230和反射涂层222在波长转换元件220的输出侧上延伸以便用作反射孔径。而且，散热器230在波长转换元件的输出侧上的延伸增加了有效的冷却面积，由于在波长转换元件220上的能量密度增加了所以这是有益的。图16表示长方形的出口孔径的顶视图，这个长方形的出口孔径是由会聚器元件210、波长转换元件220和散热器230形成的，其限制了系统的发射面积和聚光本领，以与系统的接收能力和后续的光学器件的设计紧密匹配。
取决于波长转换元件220中波长转换材料的厚度和浓度，不是所有的光都能得到转换。第二颜色分离元件224可以直接涂敷在波长转换元件220的输出侧上，或者按照另一种方式，可以将波长转换元件220的输出侧的表面粗糙化。在另一个实施例中，第二颜色分离元件224可以定位在波长转换元件220的附近，但不是直接涂敷在波长转换元件220上。在图8中表示的是，对于用作第二颜色分离元件224的二向色涂层的一个合适的实施例，透射特性在不同入射角的平均值下随波长的变化而发生的变化。
为了进行比较，图17表示照明设备850，照明设备850在SergeJ.Bierhuizen等人于2005年10月11日提交的序列号为11/248945的美国专利申请“Illumination System With Optical Concentrator AndWavelength Converting Element(具有光学会聚器和波长转换元件的照明系统)”和Gerard Harbers等人于2005年4月11日提交的美国序列号11/104220“Illuminators Using Reflective Optics WithRecycling and Color Mixing(使用具有循环利用和颜色混合功能的反射光学器件的照明器)”中作了更加详细的描述，这两个专利申请与本公开具有相同的受让人，其通过引用全部合并于此。照明设备850包括产生光的蓝色/紫外LED光源852，所产生的光由准直器854准直并透过二向色滤光器856，并通过固态会聚器858向磷光体元件862会聚，磷光体元件862安装在锥形的涂有银/铝的蓝宝石盘860上，盘860用于冷却磷光体元件862。磷光体转换光从系统透射出去，或者经过二向色滤光器856被循环利用。从系统透射出的转换光的一部分通过具有反射孔径866的准直器864循环利用，反射孔径866形成长方形的孔径，以便针对系统的接收能力来限制聚光本领。图18表示长方形孔径的顶视图，长方形孔径是通过反射孔径866和循环利用准直器864形成的。
与照明设备850相比，按照本发明的一个实施例的图14的照明设备200减少了成本和尺寸，同时改善了后向发射光或次级循环利用光的循环利用。此外，照明设备200的效率提高了，因为孔径(聚光本领)循环利用的光没有开始时被准直，随后像在照明设备850中那样被外部孔径反射，而是直接地在波长转换元件220的界面上被循环利用。再有，散热器230主要通过侧面支撑波长转换元件，利用这个散热器230就可以省去在输入表面上支撑磷光体元件862的蓝宝石盘860，从而改善了成本和效率。
因此，通过在波长转换元件220上的孔径(聚光本领)直接循环利用代替使用准直器864导致不期望损耗的次级循环利用，照明设备200提高了亮度并且减小了尺寸和成本。在波长转换元件220上的孔径直接循环利用还能实现改善的和较低成本的热设计，其通过有效增加冷却表面面积而不需要涂敷银的蓝宝石盘860。
虽然为了教导的目的结合特定的实施例说明了本发明，但本发明不限于此。在不偏离本发明的范围的情况下还可以进行各种各样的调节和修正。因此，所附的权利要求书的构思和范围不应限于以上的描述。

Claims (14)

1.照明设备，包括：
沿光路发光的光源，所述光具有第一波长范围；
安装在光路内的波长转换元件，用于接收具有第一波长范围的发射光，波长转换元件将具有第一波长范围的光转换成具有第二波长范围的光；
直接耦合到波长转换元件上的颜色分离元件，其中波长转换元件和颜色分离元件沿光路不与光源直接接触，和
散热器，散热器热耦合到波长转换元件并且支撑波长转换元件，散热器被配置成通过至少一个侧面支撑波长转换元件，从而使接收来自光源的具有第一波长范围的光的波长转换元件的输入区域和发射具有第二波长范围的光的波长转换元件的输出区域不由散热器支撑，
其中散热器耦合到波长转换元件的输出侧，散热器限定了波长转换元件的输出区域。
2.权利要求1的照明设备，其中颜色分离元件是施加到波长转换元件上的涂层。
3.权利要求1的照明设备，其中颜色分离元件定位在波长转换元件和光源之间。
4.权利要求1的照明设备，其中波长转换元件具有输入侧和输出侧，输入侧接收来自光源的具有第一波长范围的光，从所述输出侧发射具有第二波长范围的光，所述照明设备进一步包括第二颜色分离元件，所述颜色分离元件直接耦合到输入侧，所述第二颜色分离元件耦合到输出侧。
5.权利要求1的照明设备，其中散热器通过至少一个侧面支撑波长转换元件。
6.权利要求1的照明设备，其中光源热耦合到散热器。
7.权利要求1的照明设备，其中光源包括至少一个发光二极管。
8.权利要求1的照明设备，其中波长转换元件具有接收来自光源的具有第一波长范围的光的输入侧和发射具有第二波长范围的光的输出侧，波长转换元件具有在输入侧和输出侧之间的侧面，其中照明设备进一步包括位于波长转换元件的至少一侧上的反射涂层。
9.权利要求8的照明设备，其中反射涂层是银和铝之一。
10.权利要求8的照明设备，其中将波长转换元件的侧面粗糙化。
11.权利要求8的照明设备，其中所述侧面是成角度的，从而使输入侧和输出侧具有不同的面积。
12.权利要求1的照明设备，其中波长转换元件具有接收来自光源的具有第一波长范围的光的输入侧和发射具有第二波长范围的光的输出侧，波长转换元件的输出侧被粗糙化。
13.权利要求1的照明设备，进一步包括光学准直器，该光学准直器具有入口和出口，入口光学耦合到波长转换元件，以便从波长转换元件接收具有第二波长范围的光，光学准直器粗略准直在入口接收的来自波长转换元件的光。
14.权利要求1的照明设备，进一步包括：
光学会聚器，它具有入射表面和出射表面，入射表面光学耦合到光源以接收来自光源的具有第一波长范围的光，光学会聚器会聚在入射表面接收的光到出射表面，出射表面小于入射表面，波长转换元件安装在出射表面；和
第二颜色分离元件，它耦合到光学会聚器的入射表面。
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