CN102822712B - 具有荧光体元件和光学系统的荧光体组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有荧光体元件（1）和光学系统（2）的荧光体组件。所述荧光体元件（1）用于将泵浦光转换成被转换光，所述光学系统（2）用于透射被转换光和/或泵浦光。其中，在荧光体元件（1）和光学系统（2）之间的间隙（6）中设置有液态浸泽材料，其中，过量的浸泽材料（23）使间隙（6）中的材料能够持续交换，因此提供冷却。
Description
技术领域
本发明涉及荧光体组件，该荧光体组件包括用于将泵浦光转换为被转换光的荧光体元件和用于透射所述被转换光和/或泵浦光的至少一部分的光学系统。
背景技术
从投影系统到内窥镜中的光纤耦合照明的多种应用中，对高亮度照明光源的需求日益增长。其中，明亮的放电灯是现在普遍使用的现有技术。最新开发的是把具有高功率密度的光源（如LASER（激光）源(例如激光二极管)）和远离激发光源的光（这里还包括不可见的紫外线和红外线）转换荧光体元件结合在一起。以这种方式，紫外泵浦光或蓝色泵浦光通常能够被荧光体转换为具有更长波长的光（降频转换）。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于转换泵浦光的改进的荧光体组件。
本发明的一个目的是提供一种具有荧光体元件和用于透射泵浦光和/或被转换光的光学系统的荧光体组件，其中，可以在所述荧光体元件和所述光学系统之间设置液态浸泽材料。其中，在荧光体组件操作期间，液态浸泽材料的总体积适合于过量，使得每次所述总体积的至多50%被光穿透，优选总体积的至多45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、5%、0.5%、0.05%被光穿透。所述光通过光学系统透射到荧光体元件（泵浦光）和/或由光学系统向离开荧光体元件的方向透射（被转换光）。因此，这些百分比与荧光体元件和光学系统之间的、被已由光学系统引导的泵浦光和/或将由光学系统引导的被转换光所穿透的那部分体积有关，在本申请的上下文中该部分体积被称为“间隙”。如果被转换光和泵浦光所限定的体积不同，那么指的是较大的那个。
通过在光学系统和荧光体元件之间设置液态浸泽材料，可避免在所述光学路径中的空气间隙。因此，可以初步减少在具有不同折射率的介质之间出现的菲涅尔（Fresnel）损失。并且，光在从具有较高折射率的介质传播到空气中时会向离开光轴的方向来折射，这会导致额外的损失。通过提供浸泽材料，这些折射损失可被减少，或者，例如，在浸泽材料的折射率选择在荧光体元件的折射率np和光学系统的折射率nos之间的情形下，这些折射损失甚至可被减少到0。对于最佳的结果，浸泽材料的折射率例如可以选择为等于折射率np和nos的乘积的平方根。结果可以提高荧光体组件的光收集效率。
根据本发明，提供过量的浸泽材料，即提供比充满光学系统和荧光体元件之间的间隙所需要的浸泽材料更多的浸泽材料。以这种方式，在使用中（转换光时）最简单地可以通过对流来进行浸泽材料的持续交换。发明者发现，浸泽材料的交换消耗热量，该热量可能是因例如可能由晶格缺陷或辅助结晶相（auxiliary crystallographic phase）引起的荧光体的潜在寄生吸收和斯托克司频移（stokes shift）而在荧光体内部产生的。因此，过量的浸泽材料具有冷却的效果，扩散进而冷却例如可以随温度梯度的增加而增加，这是自动调节的。除了对流机制以外，过量的浸泽材料通常还可以作为热容或散热器。
并且，发明者观察到在温度升高和高辐射强度时液态浸泽材料会老化。因此，过量的浸泽材料可以有利地减少其平均损坏，因此增加整个组件的寿命。
在此上下文中，本发明还涉及用于转换光的方法，其中，在荧光体元件和光学系统之间提供液态浸泽材料，并且该液态浸泽材料在泵浦光转换过程中持续交换。
大体上，所述光学系统可以具有双重功能，并且被设置来收集和引导被转换光和/或引导泵浦光。其中，所述光学系统可以是或包括非成像光学元件，例如在内表面处具有反射涂层的空心光导管或电介质光导（dielectriclight guide），该非成像光学元件通过在具有比包层或周围介质（如空气）更高的折射率的芯部内的全内反射来引导光。同样地，所述光学系统可以是或包括成像光学元件，例如透镜或透镜系统。
荧光体元件至少吸收部分泵浦光，并且发射具有更长波长的被转换光，其中，自发发射占主导地位。所说明的但非限制本发明的荧光体类型是：AxByCzA15O12(A、B、C来自Y、A1、Lu、Ga等等)形式的石榴石型荧光体，例如Ce掺杂的YAG（Yttrium Aluminum Garnet，钇铝石榴石）；可包含Sr、Ba、Ca等的正硅酸盐，例如Eu掺杂的正硅酸锶（StrontiumOrthosilicate）、氧氮化硅铝（Silicone-Aluminum-Oxy-Nitrides）或纯氮化物荧光体（pure Nitridic phosphors）。
从属权利要求和下述的说明中公开了优选实施例，其中，细节提到了本发明的所有特点，并且被视为个别公开，本发明不限于设备类别，并且还在方法或使用方面进行了公开。
在第一实施例中，光学系统的至少一部分以密封的方式共同限定体积，所述体积包含液态浸泽材料。“共同限定”意指荧光体元件与其他边界装置如壁部一起限定体积的外表面。因此，浸泽材料可以直接接触光学系统，这样，优选地不需要额外要求折射率匹配的夹层或胶。
根据另一个实施例，提供包含液态浸泽材料的体积，所述体积包含荧光体元件或者被荧光体元件的至少一部分以密封的方式共同限定。在前一情形下，荧光体元件设置在所述体积内，并且限定了体积的内表面，而在后一情形下，其限定了外表面。这样，比如可以保证浸泽材料和荧光体元件之间的直接接触，这导致良好的热传导。
在优选的实施例中，所述体积的至少5%，更优选的至少10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%，45%，50%，55%，60%，65%，70%，75%，80%，85%，90%，95%被液态浸泽材料所填充。当然，所述体积还可被液态浸泽材料完全充满，即100%被充满。液态浸泽材料例如可以是浸油，例如可以是卡尔·蔡司（Carl Zeiss)公司市售的518F或者Immersionsglycerin(浸泽甘油，Immersion glycerine)。
根据另一个实施例，所述组件包括贮液器和管道，其中，液态浸泽材料可以从贮液器经过管道供给至荧光体元件。有效地供给浸泽材料时，或者在荧光体元件被液体以任何方式覆盖的情形下可以支持所述交换，或者可使未被一直浸入在浸泽材料中因而未被一直覆盖的荧光体元件湿润。
可在光学系统自身中提供所述管道，例如，作为通向所述间隙或者在所述间隙附近的通孔。
在另外一个优选的实施例中，所述组件适于将液态浸泽材料传送到荧光体元件，并且适于收集从荧光体元件中排出的液态浸泽材料，以使液态浸泽材料回流到荧光体元件。优选地，荧光体元件设置在密封的体积中或共同限定密封体积，在该密封的体积中，液态浸泽材料在重力作用下沿荧光体元件流过后，被收集。
在另外一个实施例中，光学系统和荧光体元件可相对于彼此进行移动。同样地，泵浦光的焦点可位于荧光体元件上，这减少了泵浦光相互作用的平均时间。发明者观察到，可移动的配置的荧光体元件的寿命会增加，特别是红色荧光体类型，所述红色荧光体类型在激发和发射之间具有非常大的波长差，从而遭受剧烈的加热。
有利地，即使荧光体元件和光学系统相对彼此移动时，过量供应的浸泽材料也允许持续的湿润；另一方面，该移动支持间隙中的浸泽材料的持续交换。
更优选地，荧光体元件可旋转的安装，并且可以在围绕旋转轴的圆上移动。其中，荧光体元件例如可以按轮状配置，即在圆盘形状或环状的基底上或作为单片发光轮来设置。例如可在包含液态浸泽材料的体积外部设置用于驱动所述旋转的电动机，其中，可依靠所述体积来密封一轴，或者可应用电磁离合器。
更优选地，在密封的体积内设置电动机。同样地，没必要密封转动轴，也没必要应用磁性离合器，这简化了配置。有利地，用于匹配折射率而提供的浸油又可作为润滑剂。
由于在密封的体积中设置的电动机优选是无刷电机，可避免碳电极的磨损，而碳电极的磨损可导致所述浸泽材料的污染。
在另外一个实施例中，液态浸泽材料的通路在圆形路径内放射状地设置在可旋转的荧光体元件处以使浸泽材料沿旋转轴流动。因此，荧光体元件例如没有设置在无通孔的圆盘上，替代地，荧光体元件例如可以通过转动轴的辐条而隔开，其中，在辐条之间设置通路。同样地，可减少在轮和浸泽液体之间的摩擦力以及湍流，所述摩擦力和湍流可影响光透射。
更优选地，在这些通路处设置用于引导浸泽材料流动的引导装置。因此，所述流动可适于特定的应用，其中，增加荧光体元件周围的流动速率将提高冷却，而减少流动速率可避免湍流，从而稳定光输出。
本发明还涉及光源部件，该光源部件包括根据本发明的荧光体组件以及用于发射泵浦光的泵浦光源，例如LASER(激光)或LED(发光二极管)设备。
并且，本发明还涉及根据本发明的各光源或荧光体组件在光纤照明中的使用或在数据投影系统中的应用。
附图说明
图1示出了具有荧光体元件和非成像光学系统的现有技术的荧光体组件。
图2示出了具有以密封方式容纳液态浸泽材料的体积的荧光体组件。
图3示出了集成到液态浸泽材料的容器的侧壁内的非成像光学系统。
图4示出了具有成像光学系统的如图3的配置。
图5示出了根据图2的结合了可旋转地安装的荧光体轮的配置。
图6示出了使用中的荧光体轮的顶视图。
图7示出了在顶视图中的具有辐条的荧光体轮。
图8示出了荧光体轮以及用于把液态浸泽材料供给到荧光体元件和光学系统之间的间隙的管子。
图9示出了具有集成管道结构的非成像光学元件。
具体实施方式
图1示出了具有荧光体元件1和光学系统2的现有技术的荧光体组件，光学系统由光学玻璃组成，优选地由在可见光谱范围内具有折射率1.46和1.52的石英玻璃或BK7组成。因此，在面3、4中的一个面处进入光学系统2的光通过其侧壁5处的全内反射而引导到相应的相对面4、3。
其中，只有落在光学系统2的接收角内的被转换光线可以被收集；未投射到面3上的光线丢失。因此，侧壁5不是以线性的方式形成的，而是形成为贝塞尔曲线（Bezier curve）(剖面侧视图)，据此，面3的接收角会增加。一般来说，接收损失随荧光体元件1和光学系统2之间的间隙6的增加而增加。
在散热器7上设置荧光体元件1，并且荧光体元件1工作在反射模式，非成像光学系统2将泵浦光引导到荧光体元件1，并且还从荧光体元件1收集被转换光，从而沿相反方向引导被转换光以进一步使用。
图2a示出了具有荧光体元件1、非成像光学系统2和散热器7的荧光体组件，其中，光学系统2连同容器22的壁部21共同限定体积，容器22填充有浸油23，并被盖子24所密封。
另外，将非成像光学系统2安装在右侧壁21的凹部内，使得光学系统2的面4与壁部21的外表面齐平。或者，可以例如通过折射率相匹配的胶将出射面4连接到半透明壁部21的内表面（并且光学系统仍然限定液体体积的外表面，因此，“共同限定”体积）。
浸油的折射率为1.63，该折射率对于由石英玻璃（nos=1.46）制成的非成像光学系统2和具有np=1.83的折射率的石榴石型荧光体元件1而言是最佳值，从而减少了菲涅耳（Fresnel）和折射损失。对于具有约2.1的折射率的氮化物荧光体，浸油的最佳折射率例如为约1.75（指在整段可见光谱范围内）。
在操作过程中，只有在间隙6中的浸油被光穿透，所述光已由光学系统2透射（泵浦光，参见图2b）或将由光学系统2透射（被转换光，参见图2c）。由于荧光体元件1是以半球形式发射的朗伯源（Lambertiansource），被转换光通常不能被完全收集。然而，间隙6通常是具有液态浸泽材料23的区域，该区域具有最高的光功率密度，使得例如在间隙6中观察到大于90％的总光功率。提供过量的浸泽材料23，是为了在间隙中实现对流驱动的持续浸油交换，从而实现对流冷却。
图2b示出了泵浦光27经过光学系统2和间隙6到达荧光体元件1的传播，其中绘出了定义光束的光线27。
图2c示出了从荧光体元件1发射且由光学系统2收集的被转换光。其中，只有位于光学系统2的接收角内的被转换光线28可以被收集。未投射到面3的光线29丢失。假设荧光体元件1和光学系统2之间的距离为约50μm到0.5mm，并且发射区域的直径为约0.25mm至4mm，则所收集的被转换光线28所限定的间隙6例如可以具有约0.002mm3到7mm3的体积。容器22具有约4500mm3到15000mm3的体积，使得总浸油体积与间隙6的体积之比可在600:1到7,500,000:1之间，比值取决于容器22的填充百分比（在这种情况下，假定为100％）和特定的配置。
图3示出了容纳液态浸油23的容器22的配置，其中，右壁部分21中的凹部适于容纳光学系统2的荧光体侧的一端，使得光学系统的表面3与壁部21的内表面齐平。这样，容纳浸油的体积减小接近2000mm3，仍然存在显著过量的油。在这种情况下，总的浸油的体积与间隙的体积之比可以在285:1至1,000,000:1之间。
图4示出了与图3中的配置类似的配置，其中，光学系统2是成像透镜系统，该成像透镜系统包括聚焦泵浦光并且校准被转换光的主透镜41和副透镜42。在壁部21的凹部中设置主透镜41，并且主透镜41与壁部21的内表面齐平。或者，透镜41还可以例如通过折射率相匹配的胶与半透明的壁部21的内表面或外表面相连。
图5示出了根据图2所说明的容器22，其中，荧光体元件没有设置在固定散热器7上，而是设置在可旋转地安装的轮51上。在浸油23内部设置有无刷电动机52，从而仅静止（非移动）线缆53需要依靠盖子24来密封。旋转轴53位于浸油23内，浸油23还起到润滑剂的作用。
荧光体元件具有环状的形状，其中，只有在光学系统2的焦点中的部分转换光，各个转换部分通过转动轮51来变换。
图6示出了各个环形荧光体元件1的顶视图，该环形荧光体元件1设置在铝制盘62上，泵浦光束的焦点61布置在下部，从而在浸油23内。该配置说明，由于光学系统2以及因而焦点61被配置在下部，因此容器22不必完全被浸油充满，而仍然保证间隙6的湿润。
图7示出了替代的荧光体轮，其中，环状的荧光体元件1与转动轴71被辐条72隔开。以这种方式来减小浸油和轮之间的摩擦力。
例如可以用铝盘冲出辐条结构。其中，叶片73可以保持在辐条处并且可以制成相对于荧光体元件1调节浸油23的流动的形状。
图8示出了荧光体轮51和在其上的环形荧光体元件1的配置。其中，浸油可从贮液器经过管81供给，并由喷嘴分配给间隙6。电动泵驱动浸泽材料的供给，电动泵的操作与荧光体轮51的转动同时开始。除了改善光学性能以外，浸油23还可以作为润滑剂。该配置例如可以设置在结合图2所说明的容器22中。
图9示出了一个类似的配置，其中，将浸油23供给到荧光体元件1的管道91设置为非成像光学系统2中的通孔。浸油23被供给到间隙6，沿荧光体元件1流动，并且从荧光体元件排出后在容器22的底部被收集。泵92与该贮液器流体连接，并将浸油23回收和抽吸（即，循环）至荧光体元件1。
Claims (12)
1.一种荧光体组件，包括：
荧光体元件(1)，所述荧光体元件(1)用于将泵浦光转换成被转换光，
光学系统(2)，所述光学系统(2)用于透射所述被转换光和所述泵浦光中的至少一个的至少一部分，
液态浸泽材料(23)，所述液态浸泽材料(23)能够设置在所述荧光体元件(1)和所述光学系统(2)之间，
其特征在于，所述荧光体组件和所述液态浸泽材料(23)的总体积适于过量的液态浸泽材料(23)，从而实现在荧光体组件操作期间液态浸泽材料(23)的交换，使得所述总体积的至多50％被所述光学系统(2)透射的光穿透；以及
所述光学系统(2)和所述荧光体元件(1)能够相对于彼此移动，所述荧光体元件(1)以可旋转的方式安装以便在围绕旋转轴(71)的圆形路径上运动，所述液态浸泽材料(23)的通路在所述圆形路径内放射状地设置在所述荧光体元件(1)处以使液态浸泽材料(23)沿着所述旋转轴(71)流动，在所述通路处设置用于相对于所述荧光体元件(1)引导所述液态浸泽材料(23)的流动的引导装置(73)。
2.如权利要求1所述的荧光体组件，其中，所述光学系统(2)的至少一部分以密封的方式共同限定体积，所述体积容纳所述液态浸泽材料(23)。
3.如权利要求1或2所述的荧光体组件，其具有容纳所述液态浸泽材料(23)的体积，其中，所述体积为以下情形之一：容纳所述荧光体元件(1)和被所述荧光体元件的至少一部分以密封的方式共同限定。
4.如权利要求1或2所述的荧光体组件，其中，所述体积的至少5％被所述液态浸泽材料(23)填充。
5.如权利要求1或2所述的荧光体组件，其具有贮液器和管道(81,91)，其中，所述液态浸泽材料(23)能够从所述贮液器经过所述管道(81,91)供给至所述荧光体元件(1)。
6.如权利要求5所述的荧光体组件，其适于将液态浸泽材料(23)从所述贮液器传送到所述荧光体元件(1)，所述液态浸泽材料(23)通过重力作用或强制对流而沿着所述荧光体元件(1)流动，并且之后循环。
7.如权利要求6所述的荧光体组件，其中，所述循环在容纳所述液态浸泽材料(23)的密封体积中进行。
8.如权利要求1所述的荧光体组件，其中，在以密封方式容纳所述液态浸泽材料(23)的体积内设置用于驱动所述旋转运动的电动机(52)。
9.如权利要求8所述的荧光体组件，其中，所述电动机为无刷电动机。
10.一种光源部件，包括根据前述权利要求中的任一项所述的荧光体组件和用于发射泵浦光的泵浦光源。
11.一种转换光的方法，包括：
装备荧光体元件(1)，并由所述荧光体元件将泵浦光转换成被转换光，
装备光学系统(2)，并由所述光学系统透射所述被转换光和所述泵浦光中的至少一个的至少一部分，
在所述荧光体元件(1)和所述光学系统(2)之间设置液态浸泽材料(23)，
在所述转换过程中，持续交换在所述荧光体元件(1)和所述光学系统(2)之间的所述液态浸泽材料(23),
其特征在于，所述光学系统(2)和所述荧光体元件(1)能够相对于彼此移动，所述荧光体元件(1)以可旋转的方式安装以便在围绕旋转轴(71)的圆形路径上运动，所述液态浸泽材料(23)的通路在所述圆形路径内放射状地设置在所述荧光体元件(1)处以使液态浸泽材料(23)沿着所述旋转轴(71)流动，在所述通路处设置用于相对于所述荧光体元件(1)引导所述液态浸泽材料(23)的流动的引导装置(73)。
12.一种根据权利要求1到9中的任一项所述的荧光体组件或根据权利要求10所述的光源部件在光纤照明中的使用或在数字投影系统中的应用。
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