CN102292837A - 包括光回收器件的光源以及相应的光回收器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括发光器件（3）和光回收器件（5）的光源（1），所述光回收器件（5）位于发光器件（3）的光路（7）上。光回收器件（5）包括至少一个用于改变通过它的光的至少一个物理特性的光回收部件（9），以及至少一个能够传导光回收部件（9）中产生的热的导热部件（10，11），所述导热部件（10，11）与光回收部件（9）和至少一个散热器（12）热接触。本发明还涉及相应的光回收器件（5）。
Description
技术领域
本发明涉及包括发光器件和光回收（recycling）器件的光源，所述光回收器件位于发光器件的光路上。
背景技术
包括发光器件和光回收器件的光源例如作为包括发射蓝色光和/或紫外光的发光二极管（LED）以及LED的光路上的包含磷光体板的光回收器件的光源是已知的，所述磷光体板用于将光的一部分的波长转换成黄色光以便产生白色光。所述光源的亮度受限于光回收器件内使用的材料的热导率。
在电子器件冷却的管理中，广泛使用复合材料以改善热导率。它们可以用来制造散热器或者包含在封装中或者作为半导体器件、印刷电路板中的层等等。在本领域中，光回收材料必须足以回收甚至在高亮度发光器件的焦点处的光。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种包括发光器件和光回收器件的具有增强的热应用范围的光源，所述光回收器件设置在发光器件的光路上。
为了实现这个目的，光回收器件包括至少一个用于改变通过它的光的至少一个物理特性的光回收部件，以及至少一个能够传导光回收部件中产生的热的导热部件，所述导热部件与光回收部件和至少一个散热器热接触。
优选地，发光器件是具有不小于1·107cd/m2（≥10坎德拉每平方毫米（等效于10兆尼特：10Mcd/m2））的亮度的高亮度发光器件和/或激光器（激光器：通过辐射的受激发射进行光放大）。激光的视亮度（亮度）至少为利用常规LED可达到的视亮度的100倍（~109cd/m2对~107cd/m2）。激光器优选地为固态激光器和/或激光二极管。
在本发明的一个实施例中，光的物理特性的改变是光的波长转换和/或光的偏振状态的改变。用于改变光的偏振状态的光回收部件特别地为延迟（retard）部件或者消偏振部件。
依照另一个实施例，光回收部件是磷光体板和/或磷光体膜。磷光体板和/或磷光体膜是公知的波长转换光回收部件。同时，磷光体板和/或磷光体膜是改变光的偏振状态的光回收部件。发光器件发射的光或光束用于泵浦所述磷光体板和/或磷光体膜。该磷光体板和/或磷光体膜优选地由铈掺杂钇铝石榴石磷光体或陶瓷磷光体制成，尤其是由具有附加掺杂元素（例如铈或铒）的“lumiramic”陶瓷磷光体制成。
尽管这些部件能够经受高温，但是最近的实验表明，磷光体陶瓷转换特性对温度敏感。高温可以在高亮度发光器件和/或其中功率密度达到数kW/cm2的激光器的焦斑中达到。该焦斑通常位于光回收器件的磷光体板或磷光体膜内。在该实验中在150℃附近观察到CECAS类型陶瓷的光强度降低的发射，从350℃开始衰减时间强烈减小。当加热陶瓷时，效率强烈降低，例如1瓦的激光器将发生该情形。
焦斑中这种与温度的依赖性降低了这种光源的最终效率并且可能是一个强烈的技术限制。最近确认了主要原因之一是磷光体材料的非常低的热导率。陶瓷的热导率对于最大热斑温度具有非常强烈的影响。
在本发明的另一个实施例中，发光器件是发射蓝色光和/或紫外光的发光器件。发光器件发射的蓝色光和/或紫外光用于泵浦优选地由铈掺杂钇铝石榴石磷光体和/或陶瓷磷光体制成的磷光体板或磷光体膜以便产生离开磷光体板或磷光体膜的白色光。
在又一个实施例中，导热部件是光偏振部件。光偏振部件基于吸收偏振器（比如线栅偏振器）和/或分束偏振器（比如反射偏振器、双折射偏振器和/或薄膜偏振器）。特别地，光偏振部件覆盖光回收部件的一个完整表面。
其中使用偏振光的典型应用是LCD背光和LCD投影（LCD：液晶显示器）以及用于LC光束操控器件的选项，在所述操控器件中，LED点源发射的光束利用LC晶胞（LC：液晶）来操纵。此外，偏振光在室内和室外照明中均产生优势，因为线性偏振光影响表面上的反射，其允许抑制眩光并且随后影响受照明环境在视觉锐度、观察的对比度和颜色饱和度方面的观察结果。由于该影响，偏振荧光照明器作为商业产品而存在，其在视觉知觉方面具有所述益处。
依照本发明的一个优选的实施例，光偏振部件是线栅偏振器。使用高级平版印刷技术，可以制成使可见光偏振的间距非常紧密的金属栅格。
在另一个实施例中，光回收器件的导热部件形成为设置在光回收部件的表面上和/或设置在光回收部件的两个不同部分之间的导热层。特别地，将两个导热层设置在光回收部件的两个表面上，所述表面彼此相对。
依照一个优选的实施例，导热层为至少部分反射层。特别地，设置在彼此相对的两个表面上的所述两个导热层之一是形成为光偏振层的光偏振部件并且另一层为至少部分反射层。
依照另一个优选的实施例，导热部件为金刚石部件和/或蓝宝石部件。特别地，导热部件或者所述导热部件中的至少一个为金刚石层和/或蓝宝石层。该金刚石层优选地为通过CVD金刚石生长而产生的金刚石层（CVD：化学气相沉积）。金刚石的高热导率使得薄膜金刚石涂层或层金刚石涂层能够改善光子和微电子器件的热管理。
形成为金刚石层的导热层通过增大材料的局部热导率解决了热问题。它提出插入具有最佳厚度的层材料，这将足以将等效的全局热导率增大到2倍（高达1400W/mK）。
该实施例提出了一种解决方案，使得形成为磷光体陶瓷（Ce:YAG）的光回收器件可以被热增强以便允许产生具有高达16kW/cm2的功率密度的光。在这种情况下，最热的斑达到310℃，其应当是合理的以便允许在材料中实现最大的光转换。陶瓷可以是所有不同种类的陶瓷，尤其是强烈散射或透明的聚合物陶瓷（poly ceramic）和/或单晶陶瓷。
优选地，所述光源进一步包括设置在发光器件与光回收器件之间的光学元件。该光学元件位于发光器件的光路上。特别地，该光学元件为将发光器件发射的光聚焦到光回收部件内的光聚焦元件。
在另一个实施例中，光回收器件进一步包括散热器。具有包括光回收部件、导热部件和散热器的光回收器件的光源是非常紧凑的。此外或者在另一个实施例中，光回收器件进一步包括用于冷却导热部件，尤其是冷却线栅偏振器的线的热电元件和/或珀耳帖元件。
依照另一个优选的实施例，光回收部件和导热部件构成光回收器件的复合材料。
本发明还涉及一种光回收器件，其用于改变通过它的光的至少一个物理特性。该光回收器件包括至少一个光回收部件以及至少一个能够传导光回收部件中产生的热的导热部件，其中所述导热部件与光回收部件和散热器热接触。
光的物理特性的改变优选地为颜色的改变和/或偏振的改变。更优选地，光回收部件形成为优选地由铈掺杂钇铝石榴石磷光体或陶瓷磷光体制成的磷光体板或磷光体膜，以便当光回收部件位于发射蓝色光和/或紫外光的发光器件的光路上时产生离开磷光体板或磷光体膜的白色光。
在另一个实施例中，导热部件为光偏振部件。依照本发明的一个优选的实施例，该光偏振部件为线栅偏振器。
依照另一个优选的实施例，导热部件为金刚石部件和/或蓝宝石部件。
特别地，所述光回收器件进一步包括散热器。
附图说明
本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。
在附图中：
图1A为依照本发明第一实施例的用于发射偏振光的光源的侧视图，该光源包括发光器件和光回收器件；
图1B为依照图1A的用于发射偏振光的光源的顶视图；
图2为依照本发明第二实施例的光源的光回收器件的侧视图；以及
图3为依照本发明第三实施例的光源的光回收器件的侧视图。
具体实施方式
图1A示出了光源1，其形成为用于发射偏振光的光源2。光源1包括形成为发射光（激光）的激光器（通过辐射的受激发射进行光放大）4的发光器件3、光回收器件5以及光学元件6。光回收器件5和光学器件6设置在发光器件3的光路7上，其中光学元件6为设置在发光器件3与光回收器件5之间的凸透镜。光路7具有主轴8。
光回收器件5包括用于改变通过它的光的至少一个物理特性的光回收部件9、两个能够传导光回收部件9中产生的热的导热部件10、11以及形成为围绕光回收部件9的框架的散热器12。导热部件之一10位于光回收部件9的第一表面上；所述第一表面面向光学器件6和发光器件3。另一导热部件11位于光回收部件9的第二表面上；所述第二表面位于光回收部件9的与第一表面相对的侧面上。两个导热部件10、11都设置成垂直于光路7的主轴8。
导热部件10、11形成为光偏振部件13，尤其是线栅偏振器14。图1A和图1B中所示实施例的光回收部件9为磷光体膜15。磷光体膜15是用于通过它的光的波长转换的光回收部件9。
激光器4发射蓝色光和/或紫外光。激光器4发射的蓝色光和/或紫外光用于泵浦优选地由铈掺杂钇铝柘榴石磷光体（YAG磷光体）或陶瓷磷光体制成的磷光体膜15以便产生离开磷光体膜15的白色光（箭头16）。在光路7的焦斑17内产生热斑。该热斑位于光回收部件9中。
本发明的这个实施例的必要特征是使用沉积在磷光体膜15（或磷光体板）的表面上的光偏振部件13（形成为线栅偏振器14）以允许发光器件3发射的蓝色光和/或紫外光创建的热斑的冷却和散热。取决于采用的配置，如果向后反射且未转换的光返回到发光器件3，则可以获得偏振光输出的增益。在该实施例预期回收的情况下，为了允许反射的偏振再次通过形成为线栅偏振器14的光偏振部件13。通常，偏振光必须利用延迟层进行延迟。在该实施例中，延迟层作用已经由磷光体膜15（或磷光体板）实现。在这种情况下，与具有太多吸收（最多50-55%）的光的单次通过相比，提高了效率。
线栅偏振器14由金属制成，尤其是由铝或银或金制成，具有非常高的传导性并且允许热量非常高效地流向其中线栅偏振器14的线19与较大的散热器10热接触的侧面18。图1B示出了图1A的用于发射偏振光的光源的顶视图。
30 x 30微米的激光焦斑17聚焦在磷光体板或磷光体膜15内，所述激光器4具有1瓦的总功率。由于磷光体板或磷光体膜15的表面上的线栅偏振器14的原因，在第二表面上激光束的中心处光回收器件的温度从345℃降低到177℃（200mW的热功耗）。第二表面（图1A中的顶部表面）是光吸收最强烈的地方，并且因而该表面处温度的降低将引起最高的光转换增益。利用线栅偏振器14，最热的斑进一步沿着YAG陶瓷移动。线栅偏振器14仅位于覆盖激光斑（32μm宽）的表面上。附加的线19将稍微改善冷却。
这些结果表明，线栅偏振器14的添加将改善热斑的温度。在该特定情况下，其将造成完全高效的光转换和受温度限制的转换（对于CECAS，当温度达到大约350℃时效率下降）之间的区别。
重要的是认识到光路7之外的线栅偏振器14的线19具有不同的厚度，尤其是比在光路上的区域中更厚（未示出）并且与焊接带和/或其他紧固件接合在一起。这使得光回收器件5易于制造。
图2为依照本发明第二实施例的光源1的光回收器件5的侧视图。导热部件10形成为设置在光回收部件9的两个不同部分21、22之间的导热层20。导热层20形成为金刚石部件23，尤其是金刚石层24。
用于产生光回收器件5的方法包括以下步骤：
- 将金刚石层24施加到光回收部件9的第一部分21的表面，特别地，第一部分21形成为磷光体板25，
- 将第二部分22、尤其是磷光体膜15施加到金刚石层24的表面上，
- 将第一部分21、金刚石层24和第二部分22的复合器件切割成光回收部件9中使用的最终形式，以及
- 装配该复合器件和散热器12。
特别地，金刚石层24通过CVD沉积到磷光体板25上，尤其是沉积到YAG陶瓷磷光体板上。接下来，在金刚石层24上形成薄磷光体膜15沉积。这可以利用从10微米至50微米的厚度完成。然后，使用切割工具切割复合器件并且将其插入到铜散热器12中。
该实施例通过提高光回收材料的局部热导率来解决热问题。它提出插入具有最佳厚度的金刚石层24，这将足以将等效的全局热导率增大到2倍。
在100 x 100微米和150微米厚的陶瓷磷光体板25以及30微米斑尺寸的激光束和16kW/cm2的功率密度（在最热的斑中）的特定情况下，插入10微米厚、100 x 100微米宽的金刚石层24（使得该层与散热器12接触）。该金刚石层24在材料中被定位成与图2中所示的顶部表面相距20微米。
考虑特定的散装（bulk）磷光体板25，其尺寸可以变化（例如Ce:YAG）并且具有3W/mK的热导率。板23的该磷光体材料15、25被特别地由铜制成的散热器12包围（除了顶部之外，以便允许激光束相互作用且允许提取光）。
在不同的配置（未示出）中，其中六个10 x 10微米金刚石簇通过磷光体材料均匀地散布。通过这种方式，实现了复合材料。这些簇中只有两个接触散热器12的壁（这对于冷却是重要的）。在这种情况下，改进是不显著的。然而，按照这种方式模仿真实的复合材料实际上是不可能的。尤其是在纳米尺寸颗粒范围内，存在颗粒形状与尺寸的强依赖性。复合材料的热导率也依赖于体积分数。可以假设相似的数量级可以与现有的复合材料（比如金刚石-铜）比较。在这些类型的复合材料中，热导率可能几乎翻倍（至742W/mK）。但是这种情况需要相当高体积比的金刚石。该比值从50%开始至90%。这对于波长转换可能太高，因为磷光体材料用来产生白色光；这意味着磷光体应当尽可能地保持相同。太多的其他颗粒可能降低光子特性。
图3示出了依照本发明第三实施例的光源1的光回收器件5的侧视图。金刚石层24沉积在100-150微米厚的磷光体板25上。金刚石层24上的薄胶层26连接另一磷光体板27（足够厚以便在机械上是坚固的）。之后，研磨另一磷光体板27的另一侧以便得到20微米厚的磷光体膜15（YAG层）。
该方法不同于上面提到的方法，因为第二部分22的施加是第二部分的粘合剂结合并且随后通过研磨产生磷光体膜15。
可替换地，不将金刚石层23夹在中间，而是将其沉积到陶瓷的顶部表面上（未示出）。为了具有足够的热传递，应当增大金刚石层24和散热器12的表面接触。这可以通过进行陶瓷的CVD工艺来实现。然后，可以切割各陶瓷件并且将其插入适当尺寸的铜块中以优化表面接触。
总之，该技术可以用于处理磷光体材料15、25中的高温激光热斑。建议是使用金刚石层24，因为在金刚石的情况下，制造工艺将是类似的并且热导率的改进要高得多且尤其是高得足以这样做。在该设置中，可以使高强度激光器4聚焦到磷光体板并且可以以非常小的斑产生白色光。该解决方案本身是足够的，并且无需任何附加的主动冷却。这是可以在磷光体材料中创建微米斑处的高强白色光的最安全的方式。这将拓宽白色光的应用领域。
依照本发明第二和第三实施例的光回收器件5（图2和图3）可以用于光源1的反射式组装以及光透射式组装。在透射式组装内，散热器12包括允许激光束透照散热器12的通道和/或可替换地包括像蓝宝石散热器那样的透明散热器12。
尽管在所述附图和前面的描述中已经详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。
本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所附权利要求书的研究，应当能够理解并实施所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。在相互不同的从属权利要求中列出特定技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。权利要求中的任何附图标记都不应当被视为对范围的限制。
Claims (14)
1.包括发光器件（3）和光回收器件（5）的光源（1），所述光回收器件（5）位于发光器件（3）的光路（7）上，其中光回收器件（5）包括至少一个用于改变通过它的光的至少一个物理特性的光回收部件（9），以及至少一个能够传导光回收部件（9）中产生的热的导热部件（10，11），所述导热部件（10，11）与光回收部件（9）和至少一个散热器（12）热接触。
2.依照权利要求1的光源，其中发光器件（3）是具有等于或大于1·107cd/m2的亮度的高亮度发光器件和/或激光器（4）。
3.依照权利要求1的光源，其中光的物理特性的改变是光的波长转换和/或光的偏振状态的改变。
4.依照权利要求1的光源，其中光回收部件（9）是磷光体板（25，27）和/或磷光体膜（15）。
5.依照权利要求1的光源，其中发光（3）器件是发射蓝色光和/或紫外光的发光器件。
6.依照权利要求1的光源，其中导热部件（10，11）为光偏振部件（13）。
7.依照权利要求6的光源，其中光偏振部件（13）为线栅偏振器（14）。
8.依照权利要求1的光源，其中光回收器件（5）的导热部件（10，11）形成为设置
- 在光回收部件（9）的表面上和/或
- 在光回收部件（9）的两个不同部分（21，22）之间
的导热层（20）。
9.依照权利要求8的光源，其中导热层（20）为至少部分反射层。
10.依照权利要求1的光源，其中导热部件（10，11）为金刚石部件（23）和/或蓝宝石部件。
11.依照权利要求1的光源，其中光回收器件（5）进一步包括散热器（12）。
12.依照权利要求1的光源，其中该光源（1）进一步包括设置在发光器件（3）与光回收器件（5）之间的光学元件（6）。
13.依照权利要求1的光源，其中光回收部件（9）和导热部件（10，11）构成光回收器件（5）的复合材料。
14.光回收器件（5），用于改变通过它的光的至少一个物理特性，其中该光回收器件（5）包括至少一个光回收部件（9）、至少一个能够传导光回收部件（5）中产生的热的导热部件（10，11），其中所述导热部件（10，11）与光回收部件（9）和散热器（12）热接触。
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