CN102753883B - 包括磷光体、辐射源、光学系统和散热器的灯 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种灯，包括例如由紫外线辐射，由通常包括激光二极管和聚光器(101，111)的源照射(46)的磷光体(105，113)的薄层。这引起磷光体(105，113)以朗伯型发射图案发射可见光。诸如反射器(102，115)之类的光学系统会聚来自磷光体(105，113)的光。磷光体(105，113)例如由蓝宝石玻璃的板(114)热连接至散热器(103，116)，以散发由磷光体(105，113)产生的热量。磷光体(105)可以安装在平面反射器(104)上，平面反射器设置在散热器(103)上或包括散热器(103)并面对弯曲反射器(102)和辐射源。可替换地，光学系统可以具有光轴，并且磷光体(113)可以为大致平的并相对于所述光轴倾斜。

Description

包括磷光体、辐射源、光学系统和散热器的灯
技术领域
本发明涉及灯。这种灯可以用作照明或汽车灯，并且可以将作为激励系统的激光器或LED与作为主发光体的远的磷光体结合。这种灯可以允许较高的效率或较小的尺寸或较轻的灯，以满足汽车规定。
背景技术
附图中的图1a图示简化的照明系统，说明由透镜12会聚以满足照明区域13上的目标亮度的光源11。附图中的图1b还示出了用于与目标13相遇但具有反射器14的类似系统。接下来的描述还适用于包括反射器和/或透镜的组合或更复杂的系统，虽然在此没有图示这些系统。
为了减小这些系统的尺寸，可以进行两种改进。图2a和2b图示了这些改进中的第一种。第一种改进涉及将透镜21或反射器22简单地形成为较小。这种改进的效果在于将减小来自光源11的光的受光角。因此将减少目标区域13上的照明。源光必须形成得更亮(效率降低)或者光源的角发射必须更加准直23以与目标13相遇。
图3a和3b图示第二种改进，其将增加透镜31和反射器32的光学聚焦度并移动光源33更靠近光学元件以维持目标上的聚焦(或在远场中准直)。受光角被维持，但该系统的放大倍率现在由于光源距离的减小而已经增加。然而，目标或远场上的源象34已经增大，使得亮度降低。为了维持目标亮度13，源光必须形成得更亮(效率降低)，或者光源的尺寸35必须形成得更小。
这说明源尺寸和角发射宽度的乘积主要地决定针对满足照明目标所需要的给定效率的最终尺寸。用于真实光源的实际分析更加复杂，但适用相同的本质结果，并且对于所有线性几何的光学系统都是如此。
该乘积称为“集光率(etendue)”，并且通常是这些光学系统的恒量。
因此，对于其效率和准直度是重要的实际灯和前灯系统，尺寸根本上由灯泡或LED尺寸决定，在次要程度上由角分布决定。最小尺寸由物理极限决定，并且对于明亮的灯，热因数可能优先。可以采用集成反射器系统稍微控制角分布；然而，这些系统在本质上是使光重新循环返回通过光源。这种做法的效果是产生可能降低效率改善的吸收和恶化光源周围的热环境。
例如，LED前灯的典型远光部可以具有超过8000mm2的系统前部面积。
JP2005/331468(Sharp，2005年12月2日公布)说明了一种用于通过将光源结合在反射杯中并将光源向回引向抛物面反射器而改善角分布的方法。这种系统说明了使光再循环和改变光源发射的角分布的方法。
JP2004/241142(KoitoManufacturing，2004年8月24日公布)说明了一种不同的系统，其中单色LED被聚焦在磷光体源上，其随后由反射器/透镜结构准直。磷光体的尺寸由LED的聚焦性质决定，因此集光率根本上仍然由LED和磷光体发射决定。
实现较小源尺寸的一种方式是采用激光器的出色聚焦性质，其中束焦点可以非常小。如果小的磷光体放置在焦点处，则可以产生集光率非常低的光源。这种方法在现有技术中是已知的。
JP7-318998(Mitsubishi，1995年12月8日公布)公开了通过光纤传递至灯并入射在磷光体珠子上的激光束。抛物面反射器随后对光进行准直。
JP2004-354495(NECViewTechnology，2004年12月16日公布)公开了对这种系统的改进，其中磷光体放置在次反射器，并且激光束被准直在磷光体上，并且将发射向回引导至较大的主反射器上，用于准直。
JP2003-295319(NittoKogaku，2003年10月15日公布)公开了可替换的系统，其中激光直接由光学系统准直，并且通过磷光体聚焦光束，弯曲的次反射器位于磷光体之外以重新聚焦穿过磷光体的激光。
这些系统具有多个基本问题，包括需要将磷光体支撑在反射器上方和支撑方法将降低效率的事实。此外，磷光体的有效冷却非常困难，限于采用空气或水的对流方法，这些对流方法复杂且实现费用高。所述系统仍然还具有各向同性或涉及重新循环的光穿过磷光体，这将涉及一定的吸收损失。
WO2009/115976(2009年9月24日公布)提出了一种汽车前光，包括嵌入常见散热器中的横向分布的磷光体元件。在一些实施例中，磷光体的输出侧与形成在散热器中的圆锥形反射器连通。
WO2009/024952(2009年2月26日公布)提出了一种聚光灯，其中蓝色或紫外线LED光源通过光学板将光引导至安装在该板上的黄色磷光体上，散热器安装在磷光体的上方。
US2009/0322205(2009年12月31日公布)提出了一种装置，其中蓝色LED照射黄色磷光体以产生白光。以嵌入磷光体中并连接至外部散热器的二维网格的形式设置散热器结构。不存在用于会聚来自磷光体的光的光学系统。
US2009/322197(2009年12月31日公布)提出了一种装置，非常类似于US2009/0322205的装置，除了省略了嵌入磷光体内的网格和磷光体热连接金属壳体之外，该金属壳体热连接至散热器。
US2004/0159900(2004年8月19日公布)提出了一种装置，其中蓝色LED激发黄色或红色和绿色磷光体以产生白光，或者其中紫外线LED激发红色、绿色和蓝色磷光体。LED和磷光体都可以被安装为在散热器上共面，并且紫外线反射器可以设置在二者的上方以将来自LED的紫外线辐射反射到磷光体上。
发明内容
根据本发明，提供了一种灯，包括磷光体、被设置为用激发磷光体的光辐射照射磷光体以产生可见光的辐射源、被设置为会聚由磷光体产生的光的光学系统、和热连接至磷光体并被设置为散发由磷光体产生的热量的散热器；其中磷光体设置在平面反射器上，该平面反射器设置在所述散热器上或包括所述散热器并面对弯曲反射器和所述辐射源。
根据本发明的第二方面，提供了一种灯，包括磷光体、被设置为用激发磷光体的光辐射照射磷光体以产生可见光的辐射源、被设置为会聚由磷光体产生的光的光学系统、和热连接至磷光体并被设置为散发由磷光体产生的热量的散热器；其中光学系统具有光轴，并且其中磷光体为大致平的并相对于所述光轴倾斜。
磷光体可以远离散热器。
散热器可以设置在光学系统的外面。
磷光体可以安装在导热构件上，所述散热器安装在所述导热构件上。
导热构件可以包括玻璃和蓝宝石玻璃中的一种。
导热构件可以对于所述光辐射和可见光中的至少一种是透明的。
磷光体可以包括通过沉积形成的层。
磷光体可以具有相对于磷光体的横向长度的厚度，使得磷光体具有大致朗伯光发射图案。
磷光体的厚度可以小于磷光体的半横向长度的10％。
所述灯可以包括第一滤光器，该第一滤光器设置在磷光体和辐射源之间并被设置为使所述光辐射通过并反射可见光。
所述灯可以包括第二滤光器，该第二滤光器被设置为通过可见光并衰减或阻挡所述光辐射，磷光体设置在辐射源和第二滤光器之间。
所述或每个滤光器可以为干涉滤光器。
所述光辐射可以为电磁辐射。
所述光辐射可以至少部分地在可见光谱内。
此外或可替换地，所述光辐射可以至少部分地在不可见光谱内。所述不可见光谱可以包括紫外线光谱。
辐射源可以包括辐射发射器和传播路径。
辐射发射器可以包括激光器、激光二极管和发光二极管中的一种。
所述传播路径可以包括聚焦光学元件、光纤和聚光器中的至少一种。
在第一方面的灯中，光学系统可以具有穿过磷光体的光轴。
在第二方面的灯中，光学系统的光轴可以穿过磷光体。
传播路径可以至少部分地沿着所述光轴。
光学系统可以包括反射器。
所述传播路径可以穿过所述反射器。
光学系统可以包括透镜。
因此可行的是提供一种灯，其适合多种应用，包括灯光源(如，聚光灯)，汽车应用(如，前灯)和手持照明装置(手电筒)。典型的实施例关注与LED光或激光至不在LED或激光器本地的磷光体的传输相关的照射。反射器和/或透镜系统随后可以用来将磷光传输至照明区域。
能够产生来自光学系统的较高的准直度，以便较低的功率可以用来操作该系统，并且此外，该系统可以被制造得明显更小。这随后将采用较少的材料，使制造进程便宜，并且可以用在其中重量和效率是重要的问题的车辆上，如电动车辆。
一旦考虑本发明的接下来结合附图进行的详细描述，将更容易理解本发明的前述和其它目标、特征和优点。
附图说明
图1a和1b图示典型的准直光学照明系统。
图2a和2b图示该典型系统的具有较小的聚焦元件的较小形式。
图3a和3b图示该典型系统具有更强功效的光学元件的较小形式。
图4图示灯的示例。
图5图示包括反射器和透镜结构的可替换示例。
图6图示具有位于激光器和磷光体之间的干涉滤光器的可替换示例。
图7图示具有磷光体的顶部上的第二激光阻挡滤光器的可替换示例。
图8a和8b图示滤光器的可替换配置。
图9图示具有颠倒磷光体的可替换示例。
图10图示本发明的具有半反射器的实施例。
图11图示具有倾斜磷光体的可替换实施例。
具体实施方式
在图4中图示了灯的示例。其示出了一种灯，包括磷光体、被设置为用激发磷光体的光辐射照射磷光体以产生可见光的辐射源、被设置为会聚由磷光体产生的光的光学系统、和热连接至磷光体并被设置为散发由磷光体产生的热量的散热器。
图4的灯包括诸如自由空间的激光传输方法、传输来自光源(如，来自发光二极管(LED)、激光二极管或激光器)的光46的光纤或聚光器结构(图示)41、和其上已经沉积磷光体43的薄层的导热玻璃层(如蓝宝石)42。该薄层具有明显小于(优选远小于)宽度(横向长度)或长度的厚度。被设置为会聚由磷光体产生的光的光学系统例如可以为反射光学系统44(例如弯曲反射器)和/或可以包括用于准直或聚焦来自磷光体的透镜系统的光学系统。导热玻璃层连接至与该系统分开的散热器45。
导热玻璃层可替换地可以包括代替蓝宝石玻璃的常规玻璃。
光辐射可以是电磁辐射。它可以至少部分地在可见光谱中，和/或它可以至少部分地在不可见光谱内(例如它可以至少部分地在紫外线光谱内)。
磷光体层更容易制造，能够采用电化学方法沉积。不需要树脂混合物，并且该层的成形以及不同磷光体的图案化是可能的。磷光体与散热器传导接触，散热器为高效散热器。薄层允许来自该表面的朗伯发射，其具有比各向同性低的集光率且因此具有改善的准直度。该薄层还减少发射的光的吸收并改善性能。
该光源的集光尺寸由磷光体的宽度和高度决定，并且因此需要尽可能地小，由聚光器前部面积或光源焦点限制，并且磷光体示出为具有关于反射器44的扩大尺寸。
磷光体的薄的性质是指自然发射分布是朗伯而不是各向同性，并且由于减少的角分布宽度，这进一步改善了光源的集光率。
磷光体层的制造可以包括电沉积，其意味着磷光体可以为纯净的并且可以不包括不同于可能的封装层的树脂。
磷光体沉积在诸如蓝宝石之类的高导热透明玻璃42上，蓝宝石可以层叠在普通玻璃(未示出)上。该玻璃连接至散热器45，散热器45允许远离磷光体的导热路径，这允许有效冷却。这还可以通过诸如散热器或磷光体(未示出)的空气或水冷却之类的普通对流冷却得以改善。用“透明”是指玻璃42对于由磷光体产生的可见光和来自辐射源的光学辐射中的至少一种是透明的。
该灯可以具有已知类型的前置滤光器，其大体上防止激光或LED光从灯射出。
磷光体可以为一个或多个磷光体的结构，以获得白光源。磷光体可以为铈YAG磷光体，或者可以下述磷光体Ca-α-SiAlON:Ce(蓝-绿)、Ca-α-SiAlON:Eu(黄)、CaAlSiN3:Eu(红)或β-SiAlON:Eu(绿)的混合物或其它磷光体。可以使用任何合适的磷光体或磷光体混合物。
入射激发束可以被设计为从磷光体上散射并形成光发射的一部分以平衡颜色，例如成白色。
在图5中示出的灯中，反射器51和透镜52用来形成准直系统。透镜被定位为使得它将来自磷光体的光准直或聚焦到目标上或到远场中。
由于磷光体的发射现在以近朗伯分布更加向前定向，因此当试图完全优化系统时，透镜是希望的。
在图6中示出的灯中，干涉滤光器61示出为位于蓝宝石玻璃42和磷光体43之间。还可行的是将滤光器放置在光源和磷光体之间的任何位置处(如，在玻璃42的另一侧或在聚光器41的端部上)。然而，建议的是它靠近磷光体。
来自磷光体的发射是朗伯分布，但该发射沿两个方向。所发射的光的大部分将被向回向着光源发射，这通常将不被有效地再循环，并且因此可以被认为是系统的损失。
该滤光器可以为允许光源光46通过但反射来自磷光体的白光发射的干涉滤光器。这种系统是优选的，其中光源光46未形成白光发射的一部分，如405nm激光器。
在图7中示出的灯中，另一个干涉滤光器71设置在磷光体层上并被设计为传输白光和阻挡光源光46。这可以用作安全措施，例如，如果光源光为激光束时。
在另一种灯中，可以引入第二透明层，以使得多种滤光器的制造是更简单的装配事情。图8a示出了一种布置，其中滤光器71设置在单独的玻璃层81b上，而磷光体43和白光反射滤光器61设置在导热玻璃81a上。图8b示出了可替换布置，其中白光反射滤光器61设置在聚光器41上，并且磷光体43单独地设置在导热玻璃81a上。在后一种情况中，制造更简单，因为仅一层存在于每个玻璃表面上。
在图9中示出的灯中，磷光体层43进一步沿着系统的光传输方向设置，并且被直接照射。支撑导热玻璃91进一步远离光源。反射器92可以设置在磷光体后面，但不是必要的。
在该情况中，从磷光体两侧发射的光被更加有效地利用。此外，磷光体的电沉积将需要导电路径，如氧化铟锡(ITO)层。这些层可能吸收一些光，因此它们将需要非常薄，由于它们的表面电阻，这会减慢沉积技术。在该实施例中，当传输不重要时，可以使用较厚的ITO层。
这个示例对于没有玻璃聚光器的自由空间光46传输方法是优选的。
在本发明的在图10中示出的实施例中，磷光体层105安装在反射器(例如平面反射器)上，该反射器设置在散热器上或包括散热器并面对弯曲反射器和辐射源。例如，如图10所示，磷光体层105设置在反射器层104(例如平面反射器层)和散热器103上。平面反射器层104应当包括允许热量从磷光体传输至散热器的导热材料。例如，反射器层104可以为涂敷至散热器103(其可以由具有低反射率的材料形成，例如铜)的银涂层。
该弯曲反射器，在该示例中为半反射器102，与平面反射器层104一起形成用于准直由磷光体发射的光的光学系统。该光学系统的光轴可以穿过磷光体105，虽然这不是必要的，因为在该实施例中，光学系统保持相似的效率/准直度，无论其光轴是否穿过磷光体。入射光可以由聚光器101传输通过反射器102，但也可以由聚焦束在自由空间传输通过反射器中的小孔，发射束照射磷光体。通过这种布置，激发照明在与来自磷光体的所产生的荧光发射相同的一侧入射在磷光体上。该实施例可以在其中入射光为最终白光源的一部分的情况中工作得最好。通过将磷光体安装在反射层或散热器的顶部上，从磷光体发射的光可以容易地从反射器出射，不存在变为由在反射器腔内部的散热器捕获的可能性。
如果图10的散热器103具有足够高的反射率，则可以省略图10的反射层104，使得磷光体105安装在散热器103的上部反射表面上。在该情况中，用于会聚由磷光体105发射的光的光学系统由弯曲反射器102和散热器103的上表面形成。
在本发明的在图11中示出的实施例中，用于会聚由磷光体产生的光的光学系统包括反射器115，其例如可以为半球形反射器、抛物面反射器、或回转体的表面的形式的另一种反射器。磷光体113相对于反射器115的对称轴倾斜，该对称轴构成用于会聚由磷光体产生的光的该光学系统的光轴。任选地，光学系统的光轴穿过磷光体113。任选地，磷光体113也可以相对于聚光器系统111的对称轴倾斜，这样-并且在该情况中，聚光器端112也可以相对于聚光器系统111的对称轴倾斜，以改善磷光体上的传输。实施例可以与自由空间传输方法(如，直接聚焦束)合作。
在该情况中，从磷光体的两侧沿两个方向的发射是倾斜的(117)以减少回传至光源的光并且因此减少损失；代替的是，它被传输并准直118。磷光体113设置在连接至散热器116的高导热玻璃114上。
图11图示本发明的另一个特征。在该实施例中，来自照射磷光体的光46沿着传播路径传播，在该示例中，该传播路径包括聚光器111。如在图11的示例中一样，该传播可以至少部分地沿着用于会聚由磷光体产生的光的光学系统的光轴(如，至少部分地沿着图11的示例中的反射器115的光轴)。
上述实施例涉及白光输出，但可以根据磷光体和入射光选择提供任何颜色输出。事实上，通过改变入射激光/LED光的波长或混合波长可以控制颜色。
如上所述，优选的是磷光体层形成为相对于其面积足够薄，使得来自磷光体的发射基本上为朗伯分布(例如，使得来自磷光体的强度随着观看角度(关于磷光体的法线)以更接近朗伯分布而不是各向同性分布的方式变化)。优选地，磷光体层的厚度应当形成为使得磷光体层的顶部发光表面的面积与磷光体层的侧发光表面的面积之比为至少5∶1-这应当给出实质上的朗伯发射，假设光发射在磷光体的整个发射表面上是均匀分布的。
例如，在具有半径r和厚度t的圆形磷光体层的情况中，磷光体层的顶部发光表面的表面积为πr2，磷光体层的侧发光表面的表面积为2πr×t。为了确保磷光体层的顶部发光表面的面积与磷光体层的侧发光表面的面积之比为至少5∶1，因此需要半径与厚度之比至少为10(即，r/t＞10)。还可以显示的是，这适用于方形磷光体层，即磷光体的半宽度与厚度之比应当为至少10，以使得磷光体层的顶部发光表面的面积与磷光体层的侧发光表面的面积之比为至少5∶1。因此，作为一般原则，磷光体的厚度优选小于其半横向长度的10％。磷光体典型地可以具有在30-100μm的范围内的厚度，并且典型地可以具有2mm或更大的宽度。
虽然已经关于某些实施例示出和描述了本发明，但明显的是，一旦阅读和理解本说明书，本领域技术人员将想到多种等同物和修改。本发明包括所有这种等同物和修改，并且仅由接下来的权利要求的保护范围限制。
例如，虽然附图示出了包括聚光器(如图10或11的聚光器101或111)的传播路径，但照射磷光体的光46的传播路径还可以或可替换地包括聚焦光学元件和/或光纤。
而且，虽然仅在图6-8b中示出了用于阻挡光源光46的白光反射滤光器61和滤光器71，但在其它实施例中可以设置这些滤光器。例如，图9、10和11中的任一个的实施例可以设置有用于阻挡光源光46的白光反射滤光器61和/或滤光器71。

Claims (20)

1.一种灯，包括：
磷光体；
辐射源，被设置为用激发磷光体的光辐射照射磷光体以产生可见光；
光学系统，被设置为会聚由磷光体产生的光；和
散热器，热连接至磷光体并被设置为散发由磷光体产生的热量，
其中磷光体安装在平面反射器上，该平面反射器设置在所述散热器上或包括所述散热器并面对弯曲反射器和所述辐射源，并且
其中所述光学系统由所述弯曲反射器和所述平面反射器形成，来自所述辐射源的入射光由聚光器结构传输通过所述弯曲反射器并直接照射在所述磷光体上。
2.一种灯，包括：
磷光体；
辐射源，被设置为用激发磷光体的光辐射照射磷光体以产生可见光；
光学系统，被设置为会聚由磷光体产生的光；和
散热器，热连接至磷光体并被设置为散发由磷光体产生的热量，
其中所述光学系统具有光轴，并且其中磷光体为大致平的并相对于所述光轴倾斜，并且
其中来自所述辐射源的入射光由聚光器结构传输至磷光体，该磷光体相对于所述聚光器结构的对称轴倾斜。
3.根据权利要求1所述的灯，其中磷光体远离散热器。
4.根据权利要求3所述的灯，其中散热器设置在光学系统的外面。
5.根据权利要求1所述的灯，其中磷光体安装在导热构件上，所述散热器安装在所述导热构件上。
6.根据权利要求5所述的灯，其中导热构件包括玻璃和蓝宝石玻璃中的一种。
7.根据权利要求5所述的灯，其中导热构件对于所述光辐射和可见光中的至少一种是透明的。
8.根据权利要求1所述的灯，包括第一滤光器，该第一滤光器设置在磷光体和辐射源之间并被设置为使所述光辐射通过并反射可见光。
9.根据权利要求1所述的灯，包括第二滤光器，该第二滤光器被设置为通过可见光并衰减或阻挡所述光辐射，磷光体设置在辐射源和第二滤光器之间。
10.根据权利要求1所述的灯，其中辐射源包括辐射发射器和传播路径。
11.根据权利要求10所述的灯，其中辐射发射器包括激光器。
12.根据权利要求10所述的灯，其中辐射发射器包括激光二极管。
13.根据权利要求10所述的灯，其中辐射发射器包括发光二极管。
14.根据权利要求10所述的灯，其中所述传播路径包括光纤和聚光器中的至少一种。
15.根据权利要求10所述的灯，其中所述传播路径包括聚焦光学元件。
16.根据权利要求10所述的灯，其中光学系统具有穿过磷光体的光轴。
17.根据权利要求2所述的灯，其中光学系统的光轴穿过磷光体。
18.根据权利要求16所述的灯，其中传播路径至少部分地沿着所述光轴。
19.根据权利要求10所述的灯，其中所述传播路径穿过所述弯曲反射器。
20.根据权利要求1所述的灯，其中光学系统包括透镜。
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