CN102844895B

CN102844895B - 照明设备

Info

Publication number: CN102844895B
Application number: CN201180019270.1A
Authority: CN
Inventors: R·R·德伦坦; M·J·J·范德卢贝
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2031-04-11
Also published as: TW201144661A; JP2013526019A; WO2011128826A1; EP2559077A1; EP2559077B1; JP6087809B2; US9194558B2; US20130128492A1; CN102844895A

Abstract

本发明提供了高亮度的照明设备(10)，包括用于提供高亮度相干光的激光器1，以及配置用于接收来自激光器的光的光散射元件2。光散射元件包括适于转换提供的光的一部分为不同波长的发光材料。光散射元件还配置为发射和散射所述提供的光的一部分而不进行转换。这样，在接收到相干光之后，由于输出光包括提供闪耀照明效果的源于转换的光的高亮度相干光，并且包括提供散斑照明效果的相干光，因此从光散射元件输出的光具有双照明效果。另外，提供了包括这样的照明设备的相应的灯(30，40)。

Description

照明设备

技术领域

本发明构思总体上涉及照明领域，并且具体涉及一种利用光源和包括有产生光的发光材料的光散射元件的照明设备以及相应的灯。

背景技术

近些年，以在不同照明应用中取代传统的白炽灯的替换照明设备的发展，导致了大量结合发光材料利用发光二极管(LED)而提供白光的解决方案。发光材料，诸如荧光体，是在外部能量激发下发光(红外到紫外)的材料。以高能量电子、光子、或电场的形式的入射能量然后能够以电磁辐射的形式重新发射。以电磁光谱的第一波长范围内的辐射的形式的入射能量通过发光材料在电磁光谱的第二波长范围内重新发射。对于照明目的，至少在电磁光谱的可见范围内选择第二波长范围。另外，在公知的照明设备中，为了提供高效率的光能量转换，利用紫色光和蓝色光激发发光材料。这在美国专利申请公开2009/0176430A1中已示出，其中公开了一种通过在紫色LED上安排合适数量的荧光材料制作白色光源的方法，其中荧光材料被安排为在吸收紫色光后发射黄色光。另外，黄色光与紫色光混合，这样使得观看者感知蓝色光和黄色光的混合为具有高显色指数的白光。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有替代照明效果的替代的和改进的照明设备和灯。

根据本发明的第一方面，这个和其它目的是通过一种照明设备实现的，该照明设备包括用于提供光的光源，以及配置为接收来自光源的光的光散射元件。光散射元件包括适于将提供的光的一部分转换为不同波长的发光材料。光散射元件配置为没有转换而发射和散射提供的光的一部分。光源是配置为提供高亮度的相干光的激光器，从而在接收到相干光之后，从光散射元件输出的光包括提供闪耀照明效果的源于转换的光的高亮度的非相干光，以及提供散斑照明效果的相干光。

因此，提供了一种照明设备，其用于照明的输出光具有双照明效果。通过利用诸如激光器的相干光源，集中光输入并因此高亮度泵浦辐射被提供到光散射元件，光散射元件于是输出非常明亮的闪耀的光，其源于由所述发光材料转换并在所有方向上重新发射的高亮度的激光器的光。入射到光散射元件和从光散射元件发射的光分布的大小决定输出光的亮度，并因此决定输出光中高亮度的(闪耀的)光的量。根据光散射元件的特性，使用非常小的却仍然非常明亮和闪耀的光散射元件可以是有益的，但在许多情况下光散射元件本身可以相对大(出于在制造中容易处理和散热的原因)，并仍然提供非常明亮和闪耀的光。

输出的光的特征还在于源于散斑照明效果的离开光散射元件的光束的尖峰。激光的一部分从光散射元件输出而没有转换，因此保留其相干性质并由于通过不同光路前进的相干光之间的干扰而提供散斑照明效果。这里，相干性也可以指时间一致性，其与激光的频谱宽度相关。当频谱宽度窄(这是激光的典型特征)时，由于干涉现象产生散斑图案。

提供闪耀照明效果和散斑照明效果可适用于加强吊灯中的烛灯设备或其它类型的环境光的照明效果。散斑在表面(墙壁、天花板)上创造新的氛围效果，并使得设计人员能够在房间里创造新的气氛。

根据照明设备的一个实施方式，透射相干光的程度通过配置光散射元件，以具有预定的光散射程度、在发光材料中的预定的掺杂剂浓度以及预定的光散射设备的厚度中的至少一个来进行控制。

因此，照明设备获得的照明效果的范围可以在高闪耀照明效果和低散斑照明效果，和低闪耀照明效果(亮度)和高散斑照明效果之间变化。这种对照明设备的光发射的控制允许了很大的自由度给环境光的设计和设置。

根据照明设备的一个实施方式，光源和光散射元件彼此间隔预定的距离，当利用高功率光源以从照明设备提供高亮度的输出光时这是有利的。光源和光散射元件可以被配置为具有不同的冷却(通过例如有源或无源的散热器)。

另外，当光源(即激光器)和光散射元件(例如，荧光体)是分开的(远程)时，与荧光体直接层叠在LED上的LED源相比，给出了从照明设备输出飘浮光的印象。使用激光器作为光源，可以将其光输出有效地收集并聚焦在光散射元件上。这可以增大在激光器源和荧光体材料之间的远程距离，从而提供设计自由度。设计自由度有一个特点，当光散射元件放置在某个距离时，可以从多个方向看见该光散射元件，其具有的优点是(a)有效地利用较大部分的发射光，以及(b)灯将具有“独特的感官”。

根据照明设备的一个实施方式，该照明设备还包括配置在光源和光散射元件之间的透镜。因此，来自光源的相干光束可以有利地通过配置在光束路径的透镜而控制。聚焦光束到光散射元件上对于照明设备的一些实施方式来说可以是有利地的，因为这提供了在预定区域内所有光能量进入光散射元件，从而提供了非常亮的点。另外，透镜可以替换地使用来散焦光束，使得选择具有提供的光的期望的光强度的期望的光束区域。

另外，在照明设备的其它实施方式中通过透镜控制光束可以是有利的，其中在这些实施方式中，可以选择光散射元件的形状，使得可期望具有某一大小的光点面积的相干光束。

根据照明设备的一个实施方式，输出光的亮度由透镜通过聚焦或决定进入光散射元件的光的散焦程度而控制。

激光束的聚焦/散焦主要决定了光散射元件中的光分布的亮度(坎德拉/平方米)。因此，当利用透镜以控制从照明设备输出的光的亮度时，光源(例如激光器)可以保持在恒定的功率电平，提供相同的相干光的量。

根据照明设备的一个实施方式，发光材料是荧光体。

根据照明设备的一个实施方式，荧光体可在从380到520nm的波长范围内的紫外-蓝-绿区域中激发。

根据照明设备的一个实施方式，光散射元件是陶瓷板，其包括YAG:Ce，LuAG:Ce，SSONe和eCAS荧光体粉末中的至少一个。

根据照明设备的一个实施方式，陶瓷板是多晶的，并且陶瓷板的散射程度通过在制造过程中施加预定的烧结条件而选定。

根据照明设备的一个实施方式，陶瓷板是Lumiramic体。因为Lumiramic体(即烧结荧光体)的高热导率，所以它是有利的。光散射元件中产生的高亮度需要良好的冷却，其可以通过例如适当地安装在金属或陶瓷散热器上而得到。

根据照明设备的一个实施方式，光散射元件是U字形或管形，或者与板、立方体以及矩形固体中之一的相似的形状。

根据照明设备的一个实施方式，光源提供蓝色光、紫外光、或绿色光。

根据本发明的第二方面，提供了一种灯，包括根据本发明构思的照明设备，用于提供电力给光源的插口，其上安装有光散射元件的散热器，与插口啮合并涵盖照明设备的灯泡。灯插口可以进一步改造使得灯可以取代现有灯具的白炽灯泡。

根据灯的一个实施方式，该灯还包括用于在空间上限制来自灯的光的分布的遮挡。

根据灯的一个实施方式，该灯还包括反射元件。

值得注意的是，本发明涉及权利要求中记载的特征的所有可能组合。

附图说明

现在将参考附图示出的本发明的一个或多个实施方式，更详细地描述本发明的这个方面和其它方面。

图1是根据本发明构思的照明设备的实施方式的示意性示例的侧视图；

图2是根据本发明构思的照明设备的实施方式的示意性示例的侧视图。

图3a至3c示出了根据本发明构思的照明设备的实施方式的、是进入光散射元件的光束的不同散焦的函数的、在前向方向上的强度分布的示例；

图4a和4b是根据本发明构思的灯的实施方式的部分切开侧视图；

图5a至5d是根据本发明构思的照明设备的实施方式中不同形状的光散射元件的示意性横截面侧视图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明构思的实施方式，其中在附图中示出了本发明的一些实施方式。然而，本发明可以以多种不同形式具体实现，并且不应解释为限于此处给出的实施方式；相反，这些实施方式是作为示例提供的，以使得本公开将是完整和彻底的，并且将向本领域技术人员全面地传达本发明的范围。贯穿本发明，相同的附图标记表示相同的元件。

参照图1，其是根据本发明构思的照明设备10的实施方式的示意性示例，相干光源1(诸如蓝色激光器)和光散射元件2(诸如涂有荧光体的透明基板)位于合适的支撑(未示出)上。透明基板可以是玻璃、塑料、或陶瓷板。此外，可以在透明基板内嵌入或分散荧光体材料。光散射元件2的荧光体材料选择为将来自光源的光从最初的一个或多个波长转换到一个或多个更长波长的光。这就是说荧光体材料吸收从光源提供的光的至少一部分，并随后在更长的且优选的可见光的波长范围内发射光。这里输出的一个或多个波长取决于利用的荧光体材料的特性和数量，并进一步取决于利用的荧光体材料的组分。荧光体材料可以仅包括单一荧光体，或者包括两种或多种荧光体的组分，以获得所需的输出光的颜色。

在附图中，由光源1发射的光由光束I_L表示。为简单起见，在下面示例中假定光源发射单独的紫外-蓝色波长λ_L。激光束的光散度是椭圆形的5/25度全角(取决于激光器的类型)。如果选定光散射元件2到激光源1的距离是较长的距离，则由于这种发散，相干光束斑点变大。随着入射光束的斑点(mm²)变大，亮度(cd/mm²)变得更小。光束I_L入射到光散射元件2上，并且光散射元件2所接收到的光的一部分由荧光体材料转换到更长的波长λ_P，以提供来自发光材料的闪耀照明效果。转换后的光在所有方向上发射，并由图1中的虚线箭头示出。此外，光束I_L的一部分作为波长是λ_L的蓝色光在所有方向上散射，如图1中的实线箭头示出。散射光是混合的并且当选择荧光体使得λ_P是黄色时，黄色光和蓝色光的合适组合对观看者来说感知为白色光。此外，光散射元件2配置成使得入射光束I_L的一部分(即蓝色波长λ_L的光)透射通过光散射元件2，并保持其相干性质，使得在一个表面上(例如通过在前向方向上输出的光而照亮的屏幕100上)，可以看见散斑图案。

散斑通过相干成像方式表现并且是不同相位的多个光波相干叠加的结果。散斑图案的外观是粒状或斑驳状的外观。散斑图案是光散射元件2体内(和/或表面)的在前向方向中的多光波的低散射的结果。散斑图案给从照明设备10输出的光提供散斑照明效果，增加观看者的观看体验。另外，由于光散射元件可以在所有方向上散射相干光，散斑照明效果也可以实现在其它方向上。散斑照明效果在发射的光分布的尖峰(相对于角)时发生。散斑照明效果可以由于激光光源的窄光谱宽度引起。

在照明设备的实施方式中，可以适用的是，可在从380到520nm的波长范围内的紫外-蓝-绿区域中激发荧光体材料。

另外，如将在下文描述的，涂有荧光体物质或分散有荧光体的透明基板可以替换为透明或半透明的发光陶瓷，特别是所谓的Lumiramic体。Lumiramic体是陶瓷荧光体转换器板，其将蓝色LED的蓝色光转换为另一种颜色，例如，黄色或红色。Lumiramic体通过将高纯度荧光体粉烧结成坚固的陶瓷而制造。在此过程中Lumiramic体的流明输出和色点是固定的。烧结过程可以非常精确地控制，使得在制造过程中可获得转换光的离子浓度(例如，材料中的掺杂剂的程度)和在板中的光的散射的微调。发光陶瓷表现为紧密包装的独立荧光体颗粒，以通过位于不同的荧光体粒子的界面处的小的光学的不连续性提供光的散射。Lumiramic体的更多信息，请参见美国专利申请公开US2005/0269582A1。

因为Lumiramic体的高热导率，利用Lumiramic体作为光散射元件是优选的。光散射元件2产生的高亮度需要良好的冷却，即适当地安装在金属上或陶瓷散热器上，其具有所提到的良好热传导性。

另外，Lumiramic体的厚度将决定在体中通过光致发光透射、吸收和发射的光的量，以及体内散射的光的量。明亮程度即闪耀照明效果与从光散射元件实现的散斑照明效果的选择必须根据灯所需的应用区域选择。此外，低亮度不会产生强烈的闪耀照明效果，但在短距离观看时过高的亮度可以是刺激的。

适用于本发明构思的Lumiramics体的示例是包括掺铈钇铝石榴石，YAG:Ce(黄/白)，掺铈镥铝石榴石，LuAG:Ce(绿/黄/白)，Sr_0.98Si₂O₂N₂IEu_0.02，SSONe(绿色)，或eCAS(红色)的体。

发光设备的光源原则上可以由任何适合提供相干光的技术实现。它优选的是相干紫外、蓝色或绿色光源。激光器关于亮度(cd/m²)的特性是激光器的光集中在非常小的表面上，并且比具有相同输出功率的激光器LED，具有高约100倍的相对于输出功率的亮度。由于这样高的亮度，Lumiramic的输出光是闪耀的。

一种诸如半导体激光器(例如，侧发射激光器或VCSEL)的光源通常产生发散输出光束。可以使用透镜以将发散光束转换成平行或会聚光束。通过选择透镜设计(例如，焦距f和像差)及其与光源(激光器)以及光散射元件的距离，可以控制入射在光散射元件的光(相干光)分布的大小和形状，例如，从非常明亮和集中变化到更多扩展和更小亮度(根据入射W/M²，或者测量为发射自光散射元件的亮度cd/m²)。当入射光的亮度增加或减少时，来自光散射元件的发光(即非相干光)的亮度也将相应地增加或减少。另外，向后和向前发射的发光和泵浦辐射产生的亮度不仅由透镜的设计和位置决定，而且由用作光散射元件的Lumiramic/荧光体的厚度、散射、和掺杂浓度决定。

如图2示出，照明设备20的实施方式，除了光源1和光散射元件2，还包括透镜4，其中光源1是蓝色激光器，光的波长为445nm，光散射元件2是设计用于波长转换相干蓝色光的1mm²x120μmYAG:CeLumiramic体，透镜4诸如是飞利浦光学(现在Anteryon)的AC-296(焦距＝3mm)。为了控制当光束I_L到达光散射元件2时其亮度，配置透镜4来塑造光束的形状并将其聚焦在光散射元件2上。

对于相同的光散射元件2，光束I_L的聚焦和散焦给出了实现不同的散斑图案的效果。在图2中，配置屏幕100与照明设备20间距2米，并且配置透镜4的距离等于其焦距减去光散射元件2的厚度，即光束相对于光散射元件轻微散焦。通过重新定位透镜4，可以允许光束不同程度的散焦。图3a示出当来自照明设备20的输出光投影到屏幕100时产生的光分布，当配置透镜4以将激光束I_L聚焦到光散射元件2上时，激光束的散焦为0。

通过选择透镜设计和透镜到光源和光散射元件的距离，不但可以影响亮度，而且可以影响(透射和反射)的散斑图案的特性。这在图3a到3c中示出。当已经选择了透镜设计及其相对于光源和Lumiramic/荧光体的位置以产生高亮度时，散斑图案是相对粗糙的(图3a)。但是，当产生较低的亮度时散斑图案是相对精细的(图3c)。在图3b中，配置透镜使得激光束I_L从光散射元件2散焦5mm，其中每个输入区域的激光能量减少，并且在屏幕上所产生的散斑图案比图3a更精细。另外，图3C示出了当激光束I_L散焦50毫米时如何实现更精细散斑图案。这种效果由光束在光散射元件中的衍射引起。

在角度θ观看输出光的观看者，按照本发明构思将在不同视角下，经历输出光的变化颜色。相对于光束的前向方向从光散射元件2向后扩散的光，典型地是源自转换后的光和激光的散射而产生的光，即当激光是蓝色并且转换后的光是黄色时而产生的白光，而在前向方向的光，根据透射相干光的程度，是蓝色的。根据Lumiramic的类型，或多或少的相干光在Lumiramic中散射。具有低散射行为的Lumiramic通过更多相干蓝色光，该光在前向方向上被观察。根据观看角度，散射光束的影响接管并且观看者经历进一步黄/白的光。该效果被称为颜色随角度变化。

在较高的散射Lumiramic材料的情况下，较少的相干蓝色光经过，导致产生低前向相干蓝色光束。在这种情况下，只可以观看黄色/白色光束。

现在参照图4a，在灯30中配置根据本发明构思的照明设备。光源1，诸如λ_L445nm激光器固定在铝外壳中，该外壳作为用于激光器的散热器。灯30包括用于将灯30连接到电力网的主电压的插口16。灯还包括用于将主电压转换成适合光源1的电压和电流的驱动器(未示出)，使得当激活灯30时给光源1提供电力。另外，在激光器1前面的近似3毫米的距离放置了AC296聚焦透镜4，并且在作为散热器15的10mm铜固定板中定位Lumiramic体2。散热器15厚度为0.5mm并且配置在透镜4前面距离25mm处。配置透镜4将由激光器1产生的光束聚焦到Lumiramic体2上。散热器15具有0.5mm直径的空以通过由激光器1提供的激光束。

玻璃灯泡19包括上述的布局，并且是CFL烛灯，正如插口16是E14适合。

配置光散射元件2在散热器15上，使得由于激光照射光散射元件2而产生的热可以消散。配置散热器15在支撑件14上，并进一步配置支撑件14以使得光散射元件位于相距光源1和透镜4预定距离的位置。光散射元件2和激光器1是分离的，使得从光散射元件输出的光，可以散射到和向后发射到激光器1。

配置反射元件17以定向在前向方向上向后散射的光，因此，增加在前向方向上的光的量。

当在具有窄的通孔的散热器中配置光散射元件时，通常大部分的反向散射光由散热器屏蔽。如果对于特定的照明应用，需要进一步限制在后向方向上的光(诸如在仅需要高亮度而不需要蓝色散斑效果的聚光照明的情况下)，可选地可以提供额外的屏蔽层18，如图4b所示。根据特定的应用，可以配置屏蔽层在任何期望限制灯的光分布的方向上屏蔽掉从照明设备输出的光。

光散射元件2是LumiramicYAG:Ce。利用活性掺杂剂(在YAG:Ce的情况下是Ce)的浓度、由烧结条件决定的散射的程度以及Lumiramic体的厚度控制从灯输出的透射光、散射光、和转换后的光的程度。正如先前所描述的，蓝色激光束的一部分透射通过光散射元件2。可以以低散射度、低掺杂度、和/或光散射元件的低厚度，或者它们三者的组合实现高程度的透射相干光。

光散射元件2可以配置具有高散射度，这导致在前向方向上较少的透射相干光以及更同质的黄色或白色的光的外观。透射相干光的较低程度是高散射度、高掺杂剂浓度、和/或高厚度，或者它们三者的组合的结果。

图5a至5d是根据本发明构思的照明设备的实施方式中不同形状的光散射元件的示意性横截面的侧视图。这些形状提供了用于后向散射光束的第二入口点。

相干光束的一部分在Lumiramic体中被吸收，而相干光束的另一部分穿过Lumiramic体。另外，由Lumiramic体将相干光束的又一部分反射回其来源，仅在180°角度上(背向散射)。背向散射相干光可以再次使用来加强发光的光点(闪耀点)。使用U形立方体(图5c)首先将光聚焦在Lumiramic体的顶点，在该顶点由Lumiramic体主要吸收相干光束。背向散射相干光遇见U形立方体的垂直墙，在所述垂直墙相干光束可以形成到Lumiramic体的第二次进入，以转换成所需的波长。在这种情况下，可以提高在光散射元件2中蓝色相干激光的转换效率。具有相同目的的其他形状也是适用的(图5b和图5d)。管状/圆筒形状(图5d)可以提供从白炽灯已知更像灯丝的形状。管状产生更大的设计自由度。

另外，参照图5a至5d，上面已例证的光散射元件的几何形状可以选择为选择肉眼可见的亮度(cd/m²)，并优选地避免太高亮度，太高亮度感知为“眩光”，而不是闪耀，后者是本发明构思实现的一个目的。在如吊灯的应用中希望在照明设备或烛灯中使用闪耀照明效果。

在本领域的技术人员认识到，本发明绝不限于上述优选实施方式。与此相反，在所附权利要求的范围内的许多修改和变化都是可能的。

Claims

1.一种照明设备(10)，包括：

光源(1)，用于提供光；以及

光散射元件(2)，配置为接收来自所述光源的光；

所述光散射元件包括适于转换所述提供的光的一部分为不同波长的发光材料；

其中所述光散射元件配置为发射和散射所述提供的光的一部分而不进行转换，

其中所述光源是配置为提供高亮度的相干光的激光器，从而在接收到所述相干光之后，从所述光散射元件输出的光包括源于转换的光的提供闪耀照明效果的高亮度的非相干光，以及提供散斑照明效果的相干光。

2.根据权利要求1所述的照明设备，其中传输的相干光的程度通过配置所述光散射元件(2)，以具有预定的光散射程度、在所述发光材料中的预定的掺杂剂浓度以及预定的光散射设备的厚度中的至少一个而控制。

3.根据权利要求1或2所述的照明设备，其中所述光源(1)和所述光散射元件(2)彼此间隔预定的距离。

4.根据权利要求1或2所述的照明设备，还包括透镜(4)，配置在所述光源和所述光散射元件之间。

5.根据权利要求4所述的照明设备，其中所述输出的光的亮度由所述透镜(4)通过决定进入所述光散射元件的光的散焦程度而控制。

6.根据权利要求1或2所述的照明设备，其中所述发光材料是荧光体。

7.根据权利要求6所述的照明设备，其中所述荧光体在从380到520nm的波长范围内的紫外-蓝-绿区域中可激发。

8.根据权利要求1或2所述的照明设备，其中所述光散射元件(2)是陶瓷板，包括YAG:Ce，LuAG:Ce，SSONe和eCAS中的至少一个。

9.根据权利要求8所述的照明设备，其中所述陶瓷板是多晶的，并且所述陶瓷板的散射程度通过在制造过程中施加预定的烧结条件而选定。

10.根据权利要求8所述的照明设备，其中所述陶瓷板是Lumiramic体。

11.根据权利要求1或2所述的照明设备，其中所述光散射元件是U字形或管形，或者板的形状。

12.根据权利要求1或2所述的照明设备，其中所述光散射元件是立方体的形状。

13.根据权利要求1或2所述的照明设备，其中所述光散射元件是矩形固体的形状。

14.根据权利要求1或2所述的照明设备，其中所述光源提供蓝色光、紫外光、或绿色光。

15.一种灯(30，40)，包括：

根据权利要求1至14中任一项所述的照明设备；

插口(16)，用于提供电力给所述光源；

散热器(15)，其上安装有所述光散射元件；以及

灯泡(19)，与所述插口接合并包含所述照明设备。

16.根据权利要求15所述的灯，还包括遮挡(18)，用于在空间上限制来自灯的光的分布。

17.根据权利要求15到16中任一项所述的灯，还包括反射元件(17)。