CN102482576A - 用于激光应用的灯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种灯和一种方法，优选适于在激光应用中产生高功率。该灯(1)包括：光源(3)，其适于沿光路发射光辐射，和支座(5)，其包括荧光体(4)，其中，该支座(5)设置在光路中，收集单元(8)，其设置成适于将由荧光体(4)发射的光辐射的至少一部分传送到灯(1)的输出，以及，该荧光体(4)包括在预定方向上伸长的形状。通过这种方法，可提供小光点和轻微发散，结合良好热耗散，产生高光学特性。

Description

用于激光应用的灯
发明领域
本发明涉及适于激光应用的灯的领域。本发明还涉及适于激光应用的方法的领域。本发明优选适于高功率激光应用和/或照明应用。
背景技术
US7165871B2公开了一种用于产生光的灯，其包括用于发射光的半导体发光元件；荧光材料，其远离半导体发光元件而设置；第一光学元件，可操作用于将半导体发光元件产生的光聚焦到荧光材料上；以及，第二光学元件，其在设置荧光材料的位置上具有光学中心，可操作用于基于由该光学元件聚焦的光将光从荧光材料发射到灯的外部。该灯用作汽车的前照灯，且第二光学元件将光从荧光材料发射到灯的外部，从而第二光学元件形成限定前照灯的亮区和暗区之间的边界的截止线中的至少一部分。该文献进一步公开了激光器、磷光体和反射器的组合，该组合整合在用于汽车前照灯应用的发光模块中。该激光器通常发出源于一小光点并少许发散的笔形光束。在荧光材料中产生非常局部的热消散，并从而限制该灯的亮度。
在最近数十年，发光二极管，简称为LED，由于半导体技术的进步而在照明应用中变得越来越重要。高功率LED已催生出新的照明理念，包括光学元件的小型化、寿命、效率和可持续度。
激光比LED发出的亮度高出许多。可以得到显示几瓦范围内输出功率的半导体激光器，并从而可产生高流明输出。当前正在研究用于不同潜在照明应用的激光泵浦光学灯。期望它们显示出用于专用照明应用，如汽车聚光灯、建筑室内外和重点照明的巨大潜力。
但是，需要利用激光的高性能，包括其高亮度，和在解决上述提到的发热问题的同时，尽可能高的保持其光学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可能，其在解决上述提到的发热问题以减轻荧光体内的热累积且从而通过包含荧光体的透明体促进热传输的同时，提高激光应用的光学性能。
该目的通过独立权利要求的主题而达到。优选实施例在从属权利要求中限定。
根据本发明的第一方面，该目的通一种灯实现，该灯包括：光源，其适于沿一路发射光辐射；支座(holder)，其包括荧光体，其中，该支座设置在光路上，收集单元，设置成适于将由荧光体发出的光辐射的至少一部分传送到灯的输出，以及该荧光体包括在预定方向上伸长的形状。
需要注意的是，该透明体在下文中也称作支座(holder)。本发明重要的构思在于，可通过支座改进热传输。
根据本发明的一个优选实施例，该支座附着于或靠近该荧光体设置，并从而靠近热点。支座和荧光体的布置优选与光纤相对应。优选地，该支座包括在预定方向上伸长的形状，该预定方向等于由该荧光体包括的伸长形状的预定方向。优选地，该收集单元(collecting unit)包括设置在支座上的光学中心。优选地，提供聚焦单元，其适于将从该光源发射的光辐射聚焦到该荧光体的至少一部分上。更优选地，所述光源对应于至少两个光源，该至少两个光源的每一个发射的光辐射被组合。
根据本发明的另一优选实施例，该灯进一步包括设置于该支座的散热器(heat-spreader)，其中，该散热器适于将从该荧光体辐射出的热量传递到热沉上。优选地，该支座包括透射率，优选光透射率≥80％，更优选地≥90％，最优选地≥95％。优选地，该支座包括热传导率≥10W/mK，更优选地≥40W/mK，最优选地≥100W/mK。根据本发明的另一优选实施例，该支座包含传导率≥800W/mK。优选地，该支座包含壁厚≥0.5mm，和/或≤10mm。
根据本发明的再一个优选实施例，该支座的材料包括钻石、蓝宝石、陶瓷和/或至少一部分陶瓷材料。优选地，该支座包括的形状对应杆(rod)、光纤、金属丝和/或圆柱。其他形状像是球形、非球面形、菲涅尔形、衍射形，例如周期结构，或非周期结构的形状。也可以是这些形状的组合。
优选地，该支座包括收集单元内的整个空间。优选地，该杆包含直径≥1mm和/或≤10mm。优选地，该杆包含长度≥0.3mm和/或≤100mm。优选地，该杆对应薄的伸长Lumiramic材料，术语“Lumiramic”描述了申请人的一项磷光体技术，且其涉及一种陶瓷和磷光体的材料组合。该Lumiramic材料优选地由透明散热器(heat spreader)封装。
根据本发明的又一个优选实施例，该荧光体包括荧光材料，该荧光材料包括预定直径，和长度(≥该预定直径的3倍，更优选地≥该预定直径的5倍，更优选地≥该预定直径的10倍)。优选地，被荧光体所包含的该荧光材料，包括Lumiramic材料。
根据本发明再又一个优选实施例，该光源适于在荧光体包含的荧光材料的预定长度上激发荧光辐射。通过该方法可实现不同的光束形状。该光源优选适于调整沿该光路发射的光辐射。优选地，该光源包括发光二极管和激光器中的至少一个。发光二极管优选包括无机材料和/或有机材料。激光器优选包括半导体激光器和固态激光器中的至少一种，更优选地包括光纤激光器。
根据本发明的第二方面，其目的通过一方法达到，该方法包括以下步骤：a)沿光路发射光辐射，b)将由设置在该光路上的荧光体发射的光辐射的至少一部分，传送到根据本发明的第一方面的灯的输出。该方法优选地适于在一装置的输出处产生高功率。
值得注意的是，本发明提供一种适于产生光的灯，包括光源，例如半导体发光元件，优选LED或激光器，荧光体基本上封装在透明体内，且远离该光源，从而该灯显示出高光学性能。该聚焦单元优选适于将该光源产生的光或光辐射聚焦到该荧光体上。根据本发明另一优选实施例，该聚焦单元适于将该光源产生的光或光辐射聚焦通过该支座。该支座附着于该荧光体是有利的，从而该布置包括对应于低接触热阻的良好热界面。支座和荧光体之间的附着优选通过熔融玻璃、陶瓷胶水实现，更优选地通过透明压力陶瓷或硅热界面材料实现。所述荧光材料优选包括Lumiramic材料，其特征在于，有效而高的光转化率，高热传导率，例如室温下k≥6W/mK，高热稳定性和/或高度散射的可见光。需要注意的是，根据本发明的一个优选实施例，荧光体内分布的激光能量的部分包含一值≥300mW，更优选≥800mW，以及最优选≥1.3W。
在通过单个和/或多个激光泵浦光束激励的时候，荧光材料优选特征在于，在不同于激励波长的波长下的均匀径向发射，优选在垂直于荧光体的伸长方向的平面内。优选地，透明体与热沉热连接，例如通过热管、通过热传导材料、或通过散热器。热沉优选设置在收集单元的对面，收集单元以下也称之为反射器。最优选地，反射器的外壳用作热沉。反射器优选为抛物线形反射器或抛物线形反射镜。
值得注意的是，通过使用由该光源发射的光辐射扫描该荧光体，或通过动态调整灯光点的扫描区域和/或焦点，就可实现动态可调的光点(light spot)。根据本发明另一优选实施例，聚焦单元优选适于弯曲和/或扫描由该光源产生的光。优选地，灯可调整以在荧光材料的不同部分或长度上激励荧光辐射。因此，可实现不同的光束形状。最优选地，灯丝状的Lumiramic发射器包括多个段，其中，每一段包括大约300μm至1mm的长度。换言之，分段的发光体和/或扫描激光束优选被用来实现适于产生可变束宽的灯。所以，当使用相对简单的机械结构时，可实现适于不同应用的不同光束形状。
分段Lumiramic发射器设置在反射器的光轴上，所述反射器包括抛物线形状、贝塞尔曲线型形状或任何其他可有益利用的形状。灯丝状的Lumiramic发射器优选包括多个段，所述多个段优选被高度散射的材料分隔，例如二氧化钛，适于防止所述多个段之间的光学串扰。这些段可通过熔融玻璃、陶瓷胶水或其他技术连接起来。通过这种方法，可补偿由激光的高功率密度造成的损害。所述多个段中的每一段优选单独激励，其适于通过蓝光或UV泵浦激光器发射可见光。根据本发明的另一优选实施例，发射白光。优选地，激光束照射例如Lumiramic圆柱体的4个分开的部分，其从而产生4个不同的光束大小。优选地，Lumiramic圆柱体的总长度和直径分别对应为4mm和0.2mm。根据本发明再又一优选实施例，扫描激光器分别包括扫描反射镜或步进电机。
本发明的原理特别适于用在车辆应用中，特别是前照灯，其分别需要远近光束。关于这些，特别地也可实现在左转或右转时的转动光束和“侧视”光。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将是显而易见的并得到了阐明。
在附图中：
图1示出根据本发明的第一优选实施例的激光泵浦灯；
图2示出根据本发明的第二优选实施例的包括2个泵浦激光器的灯；
图3图表式地说明根据本发明的第三优选实施例的伸长灯丝；
图4示出根据本发明的第四优选实施例的荧光体内的各向同性磷光体密度和逐渐增加的磷光体密度；
图5示出根据本发明的第五优选实施例的将荧光体封装在透明支座内的不同可能；
图6示出根据本发明的第六优选实施例的灯，其包括透明支座，该透明支座基本上充满了荧光体和收集单元之间的整个空间；
图7示出根据本发明的第七优选实施例的激光泵浦灯，其包括小激光点模式；
图8示出根据本发明的第八优选实施例的激光泵浦灯，其包括宽激光点模式；
图9示出根据本发明的第九优选实施例的灯，其包括2个泵浦激光器；
图10示出根据本发明的第十优选实施例的分段Lumiramic发射器(右)，其设置在抛物线形反射器(左)的光轴上。
具体实施方式
图1图表式的说明了根据本发明的第一优选实施例的激光泵浦灯1。灯1产生辐射，例如光2，并包括源3。荧光体4基本上嵌入在支座5中，其中支座5对应透明体，并远离光源3而设置。光源3适于沿光路发射光辐射，且所述支座5包括荧光体4，其中，支座5设置在光路上。提供收集单元8，其适于将由荧光体4发出的光辐射的至少一部分传送到灯1的输出。根据本发明的第一优选实施例，收集单元8对应抛物线形反射器。如图1所示，荧光体4包括在预定方向上伸长的形状。根据本发明的第一优选实施例，提供聚焦单元6，其适于将从光源3发出的光辐射7聚焦到荧光体4上。根据本发明的另一优选实施例，聚焦单元6适于聚焦辐射7通过支座5。进一步，支座5包括在与荧光体4的伸长形状相同的预定方向上伸长的形状。收集单元8包括设置在支座5上的光学中心。根据本发明的第一优选实施例，收集单元8在荧光体4设置的位置上具有光学中心。收集单元8可操作用于将来自荧光体4的辐射2发出，并通过支座5辐射到灯1的输出。
图2图表式的说明了根据本发明的第二优选实施例的灯1，其包括2个泵浦激光器。支座5显示的光透射率大于80％。进一步，支座5的特征在于k＞10W/mK的高热传导率。根据本发明的第二优选实施例，支座5附着于包括良好的热界面的荧光体4，换言之，荧光体4和支座5之间的附着包括低接触热阻(low thermal contact resistance)。这种布置通过熔融玻璃、陶瓷胶水、透明压力陶瓷或硅热界面材料实现。根据本发明的另一优选实施例，荧光材料烧结在透明支座5内部。换言之，由于支座5用作散热器，因此支座5是良好的热导体。
图3示出根据本发明的第三优选实施例的支座5，其包括荧光体4。支座5的材料包括钻石。荧光体4为Lumiramic圆柱体。根据本发明的另一优选实施例，优选地，在照明应用中，激光辐射须根据特殊应用的需要而重新整形为一分布。根据本发明的又一优选实施例，优选在汽车前照灯应用中，实现利用灯1的高亮度的保持系统是有益的。
图3示出根据本发明的第三优选实施例的伸长灯丝。图3也示出了与散热器9的连接，该散热器9被设置并适于将热量从灯丝，特别是从支座5的传导至热沉。换言之，支座5通过散热器9与热沉热连接，其中，散热器9设置在收集单元8的对面。根据本发明的另一优选实施例，收集单元8的外壳用作热沉。
图4示出根据本发明的第四优选实施例的荧光体4内的各向同性磷光体密度和荧光体4内的逐渐增加的磷光体密度。根据本发明的第四优选实施例，荧光体4包括的材料具有诱发材料内部的实质光散射的成分。在通过单个或多个激光泵浦光束激励的时候，荧光材料进一步特征在于，在不同于激励波长的波长下，在垂直于荧光材料的伸长方向的平面上的实质均匀径向发射。根据本发明的第四优选实施例，耗散到荧光体4中的激光功率的部分大于300mW。如图4的第一幅图所示，荧光体内的磷光体密度各向同性地分布。图4的第二幅图示出荧光体4中的磷光体密度在荧光体4的伸长方向上以密度梯度分布。如果光源3从底部耦合入，则该配置非常合适。该梯度优选通过产生的荧光辐射强度基本上符合一线性方程的方式实现。根据本发明的另一优选实施例，产生的荧光辐射强度为常数。根据本发明的再一优选实施例，荧光材料的散射存在梯度，该梯度在光源3发出的激光束的方向上增加。这些通过逐渐增加材料中的二氧化钛粒子的浓度而实现。图4的第三幅图示出荧光材料的径向上取得的密度梯度，其包括在荧光体4的外缘上的最高密度。如果将激光从外部通过透明支座5聚焦荧光体4上，则该配置非常合适。根据本发明的第四优选实施例，支座5非常靠近热点，这允许良好热传输。图4的第四幅图示出荧光材料的径向上取得的密度梯度，其包括在荧光体4中心的最高密度。
根据本发明的另一优选实施例，具有二向色涂层。二向色涂层设置在荧光体4的一侧，以防止波长不同于激励波长的光向泵浦激光器方向返回。该激光，另一方面，通过二向色涂层，该涂层设置在如图4所示的荧光体4的较低侧。这是激光束进入的一侧。二向色涂层的使用通常可与本发明的任何其他实施例结合。
图5示出根据本发明的第五优选实施例的将荧光体4封装在支座5内的不同例子。
图6示出根据本发明的第六优选实施例，透明支座5基本上充满荧光体4和收集单元8之间的空间。支座5的形状不是伸长的。根据本发明的另一优选实施例，在收集单元8上波长不同于激励波长的光或辐射的反射通过全内反射，简称TIR，或反射器、或二向色涂层实现。后者优选可通过将要被传输的900nm以上的IR辐射来反射可见光。可选地，也可在反射器和杆后设置额外的透镜。根据本发明的第六优选实施例，收集单元8对应抛物线形反射器，其适于将辐射的至少一部分收集，并将这部分辐射反射到预定方向。
图7、图8和图9示出本发明的几个优选实施例。图7示出激光泵浦灯1，其工作于小激光点模式，产生灯1的第一预定光束形状。根据本发明的第七优选实施例，光束形状对应窄束。图8示出激光泵浦灯1，其工作在宽激光点模式，产生灯1的第二预定光束形状。根据本发明的第八优选实施例，光束形状对应染色灯束(washbeam)。图9示出根据本发明的第九优选实施例的灯1，其包括2个泵浦激光器3、3b。
图10的右半部分示出根据本发明的第十优选实施例的分段Lumiramic发射器(右)，其设置在抛物线形反射器的光轴上。根据本发明的另一优选实施例，反射器的形状包括贝塞尔曲线型形状。灯丝状的Lumiramic发射器包括多个段，每一段包括大约300μm的长度。所述多个段被高度散射的材料分隔，例如二氧化钛，以防止多个段之间的光学串扰。多个段中的每一段单独激励，以通过蓝色泵浦激光器发射可见光。根据本发明的另一优选实施例，发射白光。对于抛物线形反射器几何形状，如图10左半部分所示，进行光束形状的计算。该计算基于分段Lumiramic发射器位于该反射器的光轴上，且不同的段在发射的假设。图10的右半部分示出激光束照射Lumiramic圆柱体的4个分开部分的情况，其产生4个不同的光束大小。Lumiramic圆柱体的总长度和直径分别对应4mm和0.2mm。图10的左半部分示出扫描激光器分别包括扫描反射镜或步进电机的情况。也可使用位于旋转圆盘上的透镜，即偏心透镜。根据本发明的第十优选实施例，具有Lumiramic圆柱体光源的反射器示出为抛物线形。
不言而喻，通过本发明的灯可实现均匀的宽光束。也可在Lumiramic灯丝上扫描或扩展激光束，产生光束轮廓上的细微改变。
虽然已经在附图中和前面的描述中详细地示出并描述了本发明，但是说明和描述都被认为是说明性或示例性而不是限制性的。本发明并不局限于公开的实施例。
本领域的技术人员在根据对附图、公开内容和权利要求的研究实现所要保护的发明时，可以理解并实现对所公开实施方式的变形。在权利要求中，词语“包括”不排斥其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”不排斥多个。在互不相同的从属权利要求中列举某些技术措施这一的事实并不意味着不能利用这些措施的组合来改进。权利要求中的任何附图标记不应当被视为对保护范围的限制。

Claims (15)

1.一种灯(1)，包括：
光源(3)，其适于沿光路发射光辐射，和
支座(5)，其包括荧光体(4)，其中，该支座(5)设置在该光路上，
收集单元(8)，其设置成适于将由荧光体(4)发射的光辐射的至少一部分传送到灯(1)的输出，以及，
该荧光体(4)包括在预定方向上伸长的形状。
2.根据权利要求1所述的灯，其中，该支座(5)包括在预定方向上伸长的形状，该预定方向等于该荧光体(4)的伸长形状的预定方向。
3.根据上述权利要求之一的灯，其中，聚焦单元(6)，其设置成适于将从该光源(3)发射的光辐射聚焦到该荧光体(4)的至少一部分上。
4.根据上述权利要求之一的灯，其中，进一步包括设置在该支座(5)上的散热器(9)，其中，该散热器(9)适于将从该荧光体(4)辐射的热量传导到热沉。
5.根据上述权利要求之一的灯，其中，该支座(5)包括光透射率≥80％，优选≥90％，更优选≥95％。
6.根据上述权利要求之一的灯，其中，该支座(5)包括热传导率≥10W/mK，优选≥40W/mK，更优选≥100W/mK，最优选≥800W/mK。
7.根据上述权利要求之一的灯，其中，该支座(5)包括壁厚≥0.5mm，和/或≤10mm。
8.根据上述权利要求之一的灯，其中，该支座(5)的材料包括钻石、蓝宝石、和/或陶瓷材料。
9.根据上述权利要求之一的灯，其中，该支座(5)包括的形状对应杆、光纤和/或圆柱。
10.根据权利要求9的灯，其中，该杆包括直径≥1mm和/或≤10mm。
11.根据权利要求9或10的灯，其中，该杆包括长度≥0.3mm和/或≤100mm。
12.根据权利要求9至11之一的灯，其中，该杆对应薄的伸长Lumiramic材料。
13.根据上述权利要求之一的灯，其中，该荧光体(4)包括荧光材料，该荧光材料包括预定直径和长度，该长度≥该预定直径的3倍，优选≥该预定直径的5倍，更优选≥该预定直径的10倍。
14.根据权利要求13的灯，其中，该荧光体(4)所包含的荧光材料包括Lumiramic材料。
15.一种方法，包括以下步骤：
a)沿光路发射光辐射，以及，
b)将由设置在该光路上的荧光体(4)发射的光辐射的至少一部分，传送到根据权利要求1至14之一的灯的输出。
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