CN102946787B - 照明设备 - Google Patents

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Abstract

照明设备(20)，包括荧光剂装置(21)。荧光剂装置包括：具有上表面和下表面的载体构件(1)；具有侧表面部和底部的反射构件(2)，其设置在载体构件的上表面处；嵌在反射构件中的荧光剂层(3)；具有第一和第二端面的透射构件(4)，透射构件设置在荧光剂层上，使得其第一端面(8)完全地覆盖荧光剂层的顶部(7)。照明设备还包括发出激励光(23)的激励光源(22)，激励光源布置在荧光剂装置的外部。荧光剂层接收通过透射构件的第二端面(9)而进入荧光剂装置的激励光以产生波长被转换的光(25)。透射构件的第一端面(8)与荧光剂层的顶部基本直接接触。

Description

照明设备
技术领域
本发明涉及包括荧光剂装置的照明设备。
背景技术
荧光剂装置用在照明设备中，其中荧光剂远离激励光源，即荧光剂和激励光源之间不存在直接接触。因此，所述荧光剂装置也被称作远程荧光剂装置。远程荧光剂装置能够用在各种各样的照明应用中，例如用在RGB(红绿蓝)投射设备中，产生用于彩色影像投射的红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)。其他可能的照明应用包括医学、建筑或娱乐上的照明。
在现有技术中，例如为荧光剂色轮的远程荧光剂装置，荧光剂涂覆在载体板上。荧光剂由撞击在所述荧光剂上的激励光——如可见的蓝色激光(450nm)——所激励。激励激光被荧光剂改变波长，以产生波长更长的光(例如，峰值为属于绿光的大约520nm的广泛的光谱分布)。由于波长转换的物理性质，一部分激励光能量转换为热量(Stokes损耗)。激励光和波长被转换的光之间的频率差越大，Stokes损耗越高，并且因此对荧光剂造成的热影响越大。其他的效应，例如光吸收，也额外地加热荧光剂。荧光剂色轮的转动有助于移除在荧光剂中产生的热。
来自荧光剂的波长被转换的光由设置在荧光剂色轮前面的透射构件会集，透射构件例如为光学元件，如由玻璃制成的透镜。由于荧光剂色轮的转动，必须保持荧光剂色轮与透射构件之间的特定距离。然而，所述间隙引起光学损耗。首先，存在反射损耗(Fresnel损耗)，这是因为空气(间隙)和玻璃(透射构件)的不同的折射率造成的，与间隙的尺寸无关。反射损耗随着入射角的增大而增加。其次，在透射构件的接收角之外的波长被转换的光的光线、即未触及透射构件的入射面的光线，被损耗掉。接收损耗随着荧光剂表面与透射构件的入射面之间的间隙的增大而增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改进的光学效率的荧光剂装置。
本发明的另一方面是移除在荧光剂装置中产生的热量。
所述目的借助于荧光剂装置来实现，所述荧光剂装置包括：具有上表面和下表面的载体构件；具有侧表面部和底部的反射构件，所述反射构件设置在载体构件的上表面处；嵌在反射构件中的荧光剂层；具有第一端面和第二端面的透射构件，所述透射构件设置在荧光剂层上，使得透射构件的第一端面完全覆盖荧光剂层的顶部。
从属权利要求记载了优选的实施方式的附加特征。
此外，请求保护包括根据本发明的荧光剂装置的照明设备。
根据本发明，荧光剂层嵌在反射构件中，所述荧光剂层可包括至少一种荧光剂或荧光剂混合物，其呈粉末、糊状物、浆状物或液体的形式。所述荧光剂或荧光剂混合物可借助于例如浆化、电流沉积法、旋转涂布等合适的技术而嵌入。荧光剂层的合适厚度取决于成份及其吸收性能，并且典型地在50μm至1mm之间的范围中。荧光剂设计成将蓝光或紫外光(即450nm、405nm或更短的波长)转换成比激励光波长更长的可见光或近红外光。根据期望的应用，荧光剂层可具有合适的形状，例如用于影像投射的矩形形状或用于内窥镜的圆形形状。
此外，透射构件完全地覆盖荧光剂层的顶部并且基本上接触荧光剂层，所述透射构件可为由例如石英玻璃、光学玻璃(例如BK7)或丙烯酸玻璃等玻璃或者纤维束制成的光学元件。由于反射构件、荧光剂层和透射构件的这种布置，尤其由于透射构件完全地覆盖荧光剂层，所以被荧光剂层转换的光的光线有效地耦合到透射构件中。
为了进一步降低激励光以及波长被转换的光的反射损耗，透射构件可与荧光剂层的顶部基本直接接触，从而尽可能地降低荧光剂层的顶部与透射构件之间的间隙。
为了更进一步地降低光学损耗，所述基本直接接触可由透射构件的第一端面与荧光剂层的顶部之间的浸渍层来提供。所述浸渍层可由液体的或固体的浸渍材料构成。浸渍材料的折射率优选地小于透射构件的折射率。
改进荧光剂装置的光学效率的另一个重要方面是将荧光剂层嵌入到反射构件中。反射构件的底部以及侧表面部将波长被转换的光线反射回去，从而提高荧光剂装置的光学效率。因此，优选地，至少反射构件的底部具有反射表面。反射表面可磨光或涂覆有高反射的层。反射表面的反射率优选地大于75％，更好地大于80％甚至大于90％。尤其优选地，反射构件的侧表面部也具有反射表面。与带有涂覆荧光剂层的平板的荧光剂装置相比，这显著改进了光学效率。在理想状态下，能够将完全地转换激励光所需要的荧光剂厚度降低到在没有反射表面的情况下所需要的厚度的一半。所述降低又改进了荧光剂的冷却，因为荧光剂层的热阻随着层厚度的降低而减小。
为了进一步地改进从荧光剂层移除热量，所述荧光剂层与载体构件热传导地接触。优选地，载体构件由具有合适的冷却性能的材料制成，例如，诸如铜、铝等金属，从而促进了由激励光在撞击荧光剂层时所产生的热量的消散。
为了所述目的，反射构件可凹进载体构件的顶表面中。凹部的深度可以或者等于荧光剂层的厚度，即当嵌入到凹部中时，荧光剂层的顶部与凹部的边缘齐平。或者凹部的深度超过荧光剂层的厚度，即荧光剂层在凹部的边缘之下终止。在后一种情况中，透射构件延伸进入到凹部中，即进入到反射构件中，以便直接接触已嵌入的荧光剂层的顶部。
在替选的实施方式中，反射构件至少部分地从载体构件的顶表面突出。这意味着，反射构件的侧表面部由从载体构件的顶表面突出的围绕部的内表面形成。
在各种情况下，反射构件可为载体构件的集成部件或与载体构件连接的独立部件。例如，以下可能是有利的：首先用荧光剂层涂覆金属支承件的反射性的正面，并且随后将已涂覆的杆安装到载体构件的合适的凹部中。
透射构件的与荧光剂层的顶部接触的第一端面的面积至少与荧光剂层的顶部的面积相同，因此覆盖荧光剂表面层的整个区域。除透射构件延伸进入到反射构件中的情况之外，透射构件甚至可超出荧光剂层的顶部。在各种情况下，透射构件完全覆盖荧光剂层的顶部是有利的，这是因为荧光剂被安全地容纳在装置中，即使所述荧光剂是浆状物或液体也如此。此外，如果所述荧光剂以适当的方式密封，其将免于受腐蚀性环境或湿度的侵害。
此外，根据本发明，荧光剂装置可包括冷却构件。所述冷却构件可为由具有适当的冷却性能的材料——例如，诸如铜、铝、铝合金等金属——所制成的实心块。此外，所述冷却构件可包括带有冷却片的散热器。此外，冷却构件可包括汽化腔，其通过蒸发来促进冷却。在替选的实施方式中，冷却构件可包括有源冷却装置，尤其为强制空气冷却装置、液体冷却装置或热电冷却装置，例如珀尔帖冷却装置。冷却构件也以还起到载体构件的作用。换言之，在这种情况下，冷却构件和载体构件可为一体化结构的元件。替选地，冷却装置和载体构件可为独立结构的元件。
附图说明
现在，将参照附图以示例方式来说明本发明的实施方式，其中：
图1a为根据本发明的荧光剂装置的实施方式的侧视剖面图；
图1b为图1a中示出的实施方式的贯穿线AA的剖面图；
图2为根据本发明的荧光剂装置的另一个实施方式的侧视剖面图；
图3为根据本发明的荧光剂装置的另一个实施方式的侧视剖面图；
图4为包括根据本发明的荧光剂装置的照明设备的示意图；
图5为根据本发明的荧光剂装置的另一个实施方式的侧视剖面图。
具体实施方式
在示出本发明的不同实施方式的附图中，相同的参考数字用于相同的或相似的特征。
如同在图1a和1b中示意性示出的，荧光剂装置21的第一实施方式构造成具有由铝制成的载体构件1、在载体构件1中凹进的反射构件2、嵌在反射构件2中的荧光剂层3、以及透射构件4，所述透射构件4由优选为石英玻璃或BK7(折射率分别为1.46和1.52)的光学玻璃制成，设置在荧光剂层3的顶部上。由于铝良好的冷却性能，载体构件1也用作冷却构件。凹进的反射构件2成形到载体构件1的上表面中。凹部具有大约为1.6×1.2mm2的矩形的底部5。如果使用浸渍层，两个长度都减小(通过浸渍层的折射率来划分)。侧表面部6的深度取决于嵌入到反射构件中的荧光剂以及浸渍层的吸收率和散射性能。荧光剂层和浸渍层的厚度的典型值分别为大约0.5mm和0.1mm。在形成凹部之后，对底部5以及侧表面部6进行磨光以增强凹进的反射构件2的反射率。荧光剂层3由用以产生期望色彩(优选地：红色、绿色或蓝色)的光的单组份荧光剂制成。替选地，可使用多组分荧光剂，例如三种不同类型的荧光剂组分的混合物，使得当由合适的激励光源所激励时发出白光。所述至少一种荧光剂组分或荧光剂混合物被填充到所述凹部中以形成荧光剂层3，直到荧光剂层3的顶部7与载体构件1的顶表面齐平。透射构件4的第一端面8与荧光剂层3的顶部是同等的，并且与后者紧密接触。由于该设置，光学损耗较小。借助于浸渍剂，例如设置在荧光剂层3的顶部和透射构件4的第一端面8之间的硅(silicon)，可进一步地降低所述光学损耗。硅具有大约为1.42的折射率，这低于透射构件的折射率。虽然折射率刚好匹配可最优地降低Fresnel损耗，但是较小的数值是优选的，这是因为光线被朝向光轴折射，因此增强了透射构件的透射率。透射构件是渐缩形的，第二端面9大于第一端面8。
整个装置设计为用于照亮0.55”数字微镜装置(DMD，也称为数字光处理单元由Texas Instruments提供)的投射目的。因此，离开透射构件的波长被转换的光应具有低于12°的角分布。这通过圆锥形的透射构件来实现。那么，根据光束扩展值(Etendue)保持定理来确定透射构件的另一个端面的尺寸，得到11.2×8.4mm2。
在图2中示出荧光剂装置的替选的实施方式。该实施方式与图1a、1b中示出的第一实施方式的不同仅在于，反射构件2没有凹进到载体构件1的顶表面中，而是从所述顶表面突出。因此，反射构件2的侧表面部由从载体构件的顶表面突出的围绕部10的内表面形成。围绕部10齐平地填充有荧光剂混合物，从而形成荧光剂层3。渐缩形透射构件4的第一端面7与磷光层3的顶部直接接触。在该实施方式中，渐缩形透射构件4的第一端面7的区域略微超过荧光剂层3的顶部的区域。然而，渐缩形透射构件4的第一端面7的区域也可以刚好覆盖荧光剂层3的顶部，与图1a、1b中示出的实施方式相似。此外，透射构件4的边缘形成为贝塞尔曲线而不是直线，从而改善对波长被转换的光的接收角。替选地，透射构件4可分段为近似于贝塞尔曲线的边缘。
图3中示出的替选的实施方式与图1a、1b中示出的第一实施方式的不同主要在于，用于反射构件2的凹部显著地深于荧光剂层3的厚度。此外，冷却片12形成在载体构件1的下表面上，以改善散热。透射构件11伸入到凹部中以确保透射构件11的第一端面7与荧光剂层3的顶部接触。为了简明的目的，透射构件11不是渐缩形的。然而，如果适合，也可以通过使凹部的位于荧光剂层3之上的上部分渐缩而使用渐缩形透射构件11。替选地，透射构件在凹部内的部分可以是直的，而仅位于凹部外的部分是渐缩形的。
图4示出包括如同图1a、1b中示出的荧光剂装置21的照明设备20的示意图。所述照明设备20可用于投射应用。照明设备20还包括：至少一个激光二极管22、该激光二极管22发出波长大约为450nm的激励光23；以及分光镜24，分光镜24设置在激光二极管22与荧光剂装置21之间的光轴上。激励光23穿过分光镜24，通过透射构件4的第二端面9进入荧光剂装置21，并且由嵌在载体构件1中的荧光剂层3(没有示出)接收。荧光剂层由将激励激光(450nm)转换成期望的波长被转换的光的荧光剂构成。用于波长转换的典型的荧光剂是分别对应于绿色和红色的掺杂铈的钇铝石榴石和掺杂铕的钇铝石榴石。通过荧光剂层产生的波长被转换的光25由透射构件4会集并且透射到分光镜24。分光镜24倾斜以将波长被转换的光反射偏离由二极管激光器22的光束所限定的光轴。
在图5中示出荧光剂装置的替选的实施方式。所述实施方式与图1a、1b中示出的第一实施方式的不同在于，荧光剂层3具有圆形形状，因此，透射构件30成形为圆形透镜。此外，凹部的深度的尺寸确定成不仅覆盖荧光剂层3，而且覆盖荧光剂层3顶部上的浸渍层31。透镜30具有平面32，所述平面32与载体构件1的平坦的上表面接触。出于实用性的目的，透镜30的平面32的区域延伸超出荧光剂层3的区域，从而覆盖整个荧光剂表面层。浸渍层31填充荧光剂层3的顶部与透镜3的平面32的相应区域之间的间隙。透镜30的另一个面33是外凸的。
按照所发生的情况，在以上实施方式中公开的多种特征的任何其他的组合都可能是合适的。

Claims (14)

1.照明设备(20)，包括：
荧光剂装置(21)，所述荧光剂装置(21)包括：
具有上表面和下表面的载体构件(1)；
具有侧表面部和底部的反射构件(2)，所述反射构件(2)设置在所述载体构件(1)的所述上表面处；
嵌在所述反射构件(2)中的荧光剂层(3)；
具有第一端面和第二端面的透射构件(4)，所述透射构件(4)设置在所述荧光剂层(3)上，使得所述透射构件(4)的所述第一端面(8)完全地覆盖所述荧光剂层(3)的顶部(7)；
所述照明设备还包括发出激励光(23)的激励光源(22)，所述激励光源(22)布置在所述荧光剂装置的外部；
由此，所述荧光剂层接收通过所述透射构件(4)的所述第二端面(9)而进入所述荧光剂装置(21)的所述激励光(23)以产生波长被转换的光(25)；
并且其中，所述透射构件(4)的所述第一端面(8)与所述荧光剂层(3)的所述顶部(7)基本直接接触。
2.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述基本直接接触由位于所述透射构件的所述第一端面与所述荧光剂层的所述顶部之间的浸渍层来提供。
3.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述反射构件在所述载体构件的所述上表面中凹进。
4.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述反射构件至少部分地从所述载体构件的所述上表面突出。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的照明设备，其中，所述透射构件的所述第一端面的区域超出所述荧光剂层的所述顶部的区域。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的照明设备，其中，所述透射构件延伸进入到所述反射构件(2)中。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的照明设备，其中，所述反射构件(2)的至少所述底部(5)具有反射表面。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的照明设备，其中，所述荧光剂层(3)包含至少一种荧光剂或荧光剂混合物。
9.根据权利要求8所述的照明设备，其中，所述至少一种荧光剂或荧光剂混合物是粉末、糊状物、浆状物或液体。
10.根据权利要求1至4中的任一项所述的照明设备，其中，所述载体构件(1)包括冷却构件(12)。
11.根据权利要求10所述的照明设备，其中，所述冷却构件包括汽化腔。
12.根据权利要求10所述的照明设备，其中，所述冷却构件包括有源冷却装置。
13.根据权利要求10所述的照明设备，其中，所述冷却构件包括强制空气冷却装置、液体冷却装置或热电冷却装置。
14.根据权利要求1至4中的任一项所述的照明设备，其中，所述激励光源包括激光光源。
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