CN102971581B - 具有荧光体元件的光源单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光源单元，包括：发射泵浦光（2）的泵浦光源（1）、转换泵浦光（2）的荧光体元件（3）和将转换光（4）传输到例如用作投影系统的成像仪的出射孔（5）以备进一步使用的光学系统（6）。其中，泵浦光（2）耦合到光学系统（6）并通过光学系统（6）传输到荧光体元件（3）。

Description

具有荧光体元件的光源单元

技术领域

本发明涉及一种光源单元，包括：发射泵浦光的泵浦光源和把泵浦光转换成转换光的荧光体元件。

背景技术

从投影系统和高速工业检测到外壳内窥镜的光纤耦合照明应用，对于高发光度光源有不断增长的需求。其中，光亮放电灯是目前广泛使用的工艺。目前发展的方向是固态光源的组合，尤其是发光二极管(LED)和光转换荧光体元件。其中，常见的基于固态的蓝色或紫外线光通过穿过荧光体元件而转换成能量少波长长的光。

本发明要解决的问题是提供具有泵浦光源和荧光体元件的改进光源单元。

发明内容

通过除了具有泵浦光源和荧光体元件还包括传输至少一部分转换光以备进一步使用的光学系统的光源单元解决了上述问题，其中，至少一部分泵浦光与该光学系统耦合并通过光学系统传输到荧光体元件进行转换。

因此，一方面，此光学系统用来传输转换光以备进一步使用，比如通过桥接荧光体元件之间的空间距离并调整光束的横截面或其角度范围。另一方面，根据本发明的光学系统还用于把泵浦光传输到荧光体元件，因此，有利的是，其具有双重功能。

此功能集成可缩小光源单元所需的空间，这样，比如可简化生产过程中光源单元的操作，还可以降低运输和储存成本。此外，对于最终产品来说，比如：消费者用作投影系统，尤其期望能够缩小尺寸。

如上所述，光学系统具有以备进一步使用的多种功能。可以是成像光学系统，包括：成像光学元件，比如：透镜，但是，光学系统还可以包括非成像光学元件，比如：复合聚光镜或光导。

荧光体元件通过吸收泵浦光和发射低能量波长长的光来转换泵浦光，其中，主要采用自发发射，而不是受激发射。可以说明而非限制本发明的荧光体类型有Ce或Eu掺杂的钇铝石榴石(YAG)。

优选地，光学系统把转换光从荧光体元件传输到光源单元的出射孔，出射孔比如可以用作投影设备的成像器或光纤的输入。其中，根据一实施例，光学系统能把一部分或整个荧光体元件的图像传输到出射孔，或者，根据另一实施例，光学系统能把另外一个收集荧光体元件光的非成像光学元件的表面图像传输到出射孔。

从下面的描述可得知优选实施例，其中，详细信息涉及本发明的所有方面，并且表示单独公开。此外，本发明并不限于装置类，还可以根据应用本申请公开的特征的方法或各个光源单元或照明系统的使用公开。

根据第一实施例，光源单元的光学系统为至少一侧是远心的(telecentric)。优选的，两侧都远心，一个物体侧和一个成像侧。这样，可确保相对光轴对称的光束的高传输效率，这样，可优化转换光或泵浦光的传输。

更优选的是，远心光学系统包括两个透镜和透镜之间的孔平面，其中，泵浦光在透镜之间的区域(称为孔区域)耦合到光学系统。透镜可以是单透镜元件，即，单独的透镜，或包括两个或多个透镜元件的透镜系统。因为泵浦光根据其角度范围可优选均匀化从而使得荧光体元件的照明均匀，因此把泵浦光耦合到孔区域是有利的。

这样，在孔径阑(aperture stop)或隔膜的情况下，从物理角度来说，此孔平面不必限制光束的横截面，但是其是远光光学系统内的一个区域，物体的平行光在此区域聚焦，并且物点发出的光在此准直。

另一优选实施例涉及具有光学系统的光源单元，光学系统具有孔平面并且与孔平面平行。

在本发明的背景下，与光的主传播方向尤其是其孔平面垂直的区域内光学系统的横截面比荧光体区域大，优选地，比荧光体元件在同一区域的投影大，以使采集的光量最大。由于守恒定律，孔平面内或孔区域内光的角度范围(下面称为孔角)比其在荧光体元件的原始发射角小得多。

泵浦光耦合到孔区域内的光学系统是有利的，因为孔区域内的任何阴影不会切割图像的具体部分，而是均匀降低出射孔内的亮度。

因此，结合另一优选实施例，泵浦光耦合到光学系统的孔区域是非常有利的，根据这个实施例，光学系统包括反射镜，其中，泵浦光耦合到光学系统内的反射镜。

优选地，反射镜设置在光学系统的孔区域内并通过一部分光学系统朝荧光体元件反射至少一部分泵浦光。在这样的情况下，甚至可在透镜间设置除了泵浦光还反射转换光的反射镜，因为足够小的反射镜只能降低比如传输到出射孔的由光学系统传输的转换光的亮度。

此外，还可通过二向色反射镜把泵浦光耦合到光学系统，二向色反射比如反射泵浦光并传输转换光。有利的是，在孔区域内设置二向色反射镜，因为上述孔角度为转换光角度方位的最小值。此外，二向色反射镜的性能取决于入射角，这样，孔区域内小角度范围的入射角可获得好的性能。

这样，一优选实施例涉及通过二向色反射镜的耦合，二向色反射镜比如可以是具有层体系的干涉镜。

在一实施例中，本发明涉及使用成像光学系统直接采集转换光，从而比如把荧光体成像到光源单元的出射孔。

根据本发明一不同实施例，在荧光体元件和光学系统之间设置非成像光学元件，这样，作为成像系统的光学系统优选把非成像光学元件的出射面成像到光源单元的出射孔。设置有采集荧光体元件的光并把采集的光传输到光学系统的非成像光学元件。比如，可设计成内表面具有反射涂层的空心光管或介质光导，从而通过折射率比镀层或周围介质(比如：空气)高的内芯内的全内反射导光。

优选地，相对光的传播方向，光管或光导的形状可以是拉长的，还可在于该传输方向垂直的区域内具有圆形或矩形的横截面。此外，光导或光管可以是漏斗状的，入射面位于荧光体元件的位置处，出射面比入射面大并通过光学系统成像到比如其出射孔。漏斗状和矩形横截面的组合在包括主传输方向的区域内形成梯形横截面。与只设置成像光学系统相比，通过额外使用非成像光学元件可提高荧光体元件光的采集，因为接收角接近90°的成像系统(荧光体为朗伯发射体)很难实现或效率非常低。

在这种情况下，更优选地，在介质非成像光学元件的入射角和荧光体元件之间设置有气隙。从折射率大约为1的空气过渡到折射率大约为1优选大于1.4的二向色非成像光学元件(比如：玻璃材料)使转换光朝入射面上的法线折射，从而朝光管或光导内的主传播方向折射。因此，通过非成像光学元件能更有效地采集光。

设置非成像光学元件更有优势，因为这样启用完全对称的远心光学系统，远心光学系统把非成像元件出射面的图像传输到光源单元的出射孔，并且大小不变。这样，可避免像差，比如：扭曲和横向颜色，从而确保光的高效传输。

优选地，泵浦光沿主传播方向入射到荧光体元件上，并且主传播方向与转换光的主转播方向相反。这样，荧光体元件以反射模式工作，其中，与180°偏离+/-45°也被认为是“相反方向”。其中，比如在发散或汇聚光束的情况下，主传播方向可以是传播的平均(mean)或中值(average)方向(这涉及全部公开的内容)。

因此，根据另一优选实施例，荧光体元件可设置在对于泵浦光来说不是半透明(translucent)的热沉上。热沉把比如在转换过程中由于斯托克司频移在荧光体中产生的热排出。因此，热沉优选采用导热性很好的材料，比如：金属(铜、铝或其合金)。此外，热沉优选具有较大的表面把热量传输到周围的介质(比如：空气)，因此，还可设置散热片。这样，以反射模式运行荧光体元件可使用笔直式热沉设计。

本发明的另一方面涉及泵浦光的耦合，通过具有光轴和孔角的光学系统，泵浦光优选耦合到光轴，这样，耦合后，其与光轴的最大角小于或等于系统的孔角，光角的光学设计取决于其中的值，与光轴的最大角为泵浦光束的角度范围。结合泵浦光束的横截面，其中，泵浦光束的横截面优选小于或等于与主传播方向垂直的区域内孔区域的横截面，光束角度范围小于或等于光学系统孔角比如可确保只有荧光体位置受激，这样，转换光能够通过光学系统传输。

不利的是，通过上述反射镜把比如受激辐射式光放大器的高准直泵浦光反射到光学系统内会在荧光体元件或非成像光学元件的入射面(转换光的出射面)上形成密集的泵浦光点。因此，优选在保持生成的角度范围小于光学系统的孔角的同时稍微散焦任何高准直泵浦光。在荧光体元件和光学系统之间存在非成像光学元件的情况下，发明人发现，有利的是，让进入光学系统的孔区域的泵浦光稍微分散。这样，焦点从荧光体元件或入射面朝内部区域移动。并且，在非成像光学元件内的混合泵浦光变得非常有效率，从而使荧光体元件上的泵浦光分布均匀。

根据一优选实施例，转换光具有第一光谱分布，并且还提供发射具有第二光谱分布的额外光的额外光源，其中，额外光耦合到光学系统与转换光叠加。第二光谱分布比如可通过增加单独的线甚至是光谱范围来补充第一光谱分布。这样，如果输入了光谱最小值，产生的光谱比如分布更均匀，或者，如果增加了光谱区域，分布更广。这样，转换光可适合应用的具体要求。

本发明一实施例提供了发光二极管(LED)或受激辐射式光放大器(LASER)设备作为泵浦光源。泵浦光源还可以是独立LASER或LED器件阵列，从而各自提供所需量的泵浦光功率。

在本发明一实施例中，光学系统具有孔平面，其中设置有掩膜。

即，光学系统优选包括限定孔平面的透镜(透镜元件或透镜系统)，孔平面到透镜有一定距离(孔距离)。在这种情况下，不用在孔平面中设置掩膜，但是可设置在孔距离内(沿着光轴的两个方向上)。掩膜比如可以是图形光学挡板(遮光板)并优选覆盖孔平面的内侧部分。在该实施例中，泵浦光比如可耦合到光学系统内，并通过在孔区域内遮光板区域外的单个小反射镜或多个小反射镜朝荧光体元件传输。这样，荧光体元件传输的转换光照亮掩膜或遮光板，其中，光学系统的二级部分(secondary part)则用作投影透镜。

本发明的另一方面涉及照明系统，包括：至少两个如上所述的光源单元和至少部分反射转换光的反射镜，其中，通过反光镜元件叠加转换光。这样，可叠加光谱属性相同的转换光从而增加发光度。同理，也可叠加光谱分布不同的转换光从而补充产生的光谱。

还可叠加比如在红、绿、蓝三种光谱范围内发射的三种不同荧光体类型的光，其中，控制和反馈控制各个光源能调整产生的颜色。其中，可通过泵浦光控制光源，比如，通过控制电源或光学切换元件来按时序运行光源单元。

此外，上述二向色反射镜可以是具有内反射面的光管(光管x)或具有内反射面的棱镜。

对于叠加比如几何属性相同的各个光源单元的转换光来说，有利的是，设计这种光学系统以使各个孔区域的大小足够放置两个二向色反射镜。这样，一个反射镜可用于把泵浦光耦合到各个光学系统内，另一个反射镜可用于组合不同的转换光束。因此，比如设置在孔平面和出射孔之间的光学系统的二级部分优选可只设置一次，并把组合光束传输到照明系统的出射孔。

因此，本发明还涉及照明系统，包括：至少两个光源单元或一个上述具有光学系统的照明系统，此光学系统的光源单元为远心光学系统，其中，光学系统共用一个可以是单个透镜元件或透镜系统的透镜，然后透镜把光传输到比如照明系统的出射孔。当然，三个包括三种不同荧光体类型的光源单元同样也可以共用光学系统的二级部分，这样，上述颜色混合是可能的。

本发明还涉及光源单元、照明系统或在光纤照明中同时应用两者，比如在内窥镜检查的应用或在投影系统中的应用。

附图说明

图1为作为第一实施例具有远心光学系统和二向色反射镜的光源单元示意图。

图2为作为第二实施例具有远心光学系统和小型传统反射镜的光源单元示意图。

图3为作为第三实施例通过激光泵浦的光源单元示意图。

图4为作为第四实施例三个光源单元的组合示意图。

图5为作为第五实施例成像荧光体元件的成像光学系统示意图。

图6为作为第六实施例成像光学系统和掩膜(遮光板gobo)的组合示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明具有发射泵浦光2的泵浦光源1的光源单元。泵浦光2被传导到荧光体元件3以转换成转换光4，其中，转换光4通过光学系统6传输以备进一步使用。光学系统6是由第一透镜系统7和第二透镜系统8组成的远心光学系统，这样，分别从物体平面内一个点产生的光线9被准直在透镜系统7/8之间的光学系统6的孔区域11内。然后，物体平面成像到第二透镜系统8后面的出射孔5。

这样，远心光学系统6对非成像光学元件13的出射面12即上述物体平面进行成像，非成像光学元件13采集荧光体元件3的转换光并通过在其侧壁14上的全内反射将转换光传输到远心光学系统6。其中，在非成像光学元件13的入射面15和荧光体元件3之间设置气隙，这样，从空气过渡到非成像光学元件13的玻璃材料使转换光4朝光轴10折射。

根据本发明，泵浦光2通过设置在光学系统内的二向色反射镜16耦合到光学系统6，并通过光学系统6，即，透镜系统7，和非成像光学元件13传输到荧光体元件3(图中未示出)。二向色反射镜16被设计用于反射泵浦光2并同时传输转换光4。因此，设置了具有多层介电材料的系统，同样，由于干扰效应，该系统具有依赖于波长的反射率和透射率，干扰效应取决于层之间的距离和层各自的折射率。既然二向色反射镜16的选择性与入射角有关，当这里光束的角度范围，即光线的发散度最小时，入射角可通过在孔区域11中设置二向色反射镜16来减少意外反射/传输所带来的损失从而改变层之间的”有效”距离。

泵浦光2沿主传播方向17(与左侧成轴向)入射到荧光体元件3，荧光体元件将转换光发射到半球内(向右侧)，这样，其平均值可以提供转换光4的一个主传播方向18，转换光4的主传播方向18与泵浦光2的主传播方向17相反。这样，荧光体元件3以反射模式工作。因此，其可设置在热沉19上，并通过从荧光体元件传递热量来优化。

图2为图1的修改，其中，具有相同功能的部件用相同的数字表示(下同)。在该实施例中，泵浦光2通过传统反射镜21耦合到光学系统6，传统反射镜21反射泵浦光2以及转换光4。然而，因为反射镜21的尺寸相对于光学系统6的孔区域或孔平面的横截面来说较小，即，其在与光轴10垂直的平面内的投影，所以转换光的损失不大。因此，反射镜21部分遮挡转换光4使出射孔5的转换光4的亮度稍微降低，但并不切割图像的具体部分。

如图1所述，图3所示实施例包括由透镜系统7/8和非成像光学元件13组成的远心光学系统。此外，这里的泵浦光源1为单激光装置31，同理，可在该装置设置激光阵列。激光束32通过透镜系统33散焦，这样，在小扩散角度范围耦合到光学系统6。这样，因为激光束32的角度范围小于光学系统6的孔角，所以光束32的横截面小于孔5的图像34。因此，透镜8的焦点35从非成像光学元件13的入射面12(与转换光的出射面12相同)移动到非成像光学元件13。焦点35从入射面12移动防止其上面形成热点，这样，可避免表面上的残余(residuals)的燃烧。另外，泵浦光在非成像元件13内更有效地混合并均匀地照亮荧光体元件。

另外，设置额外的光源36，其发射光谱分布与转换光4的光谱分布不同的光37。如图2所示，为了清晰起见，转换光4在图中未示出，但从左到右传播。其中，转换光4穿过第二二向色反射镜38，第二二向色反射镜38可投射转换光4并反射额外的光37。这样，额外的光37通过二向色反射镜38与转换光4叠加并通过透镜系统8从光学系统6射出。

图4示出了具有三个泵浦光源1a/1b/1c的设置，每个泵浦光源分别向荧光体元件3a/3b/3c提供泵浦光2a/2b/2c。其中，荧光体元件3a/3b/3c设计用于在红(c)、绿(b)、蓝(a)光谱范围内发射转换光4a/4b/4c，这样，通过叠加转换光4a/4b/4c可以分别实现提供白光和混合颜色的可能性。

其中，第一二向色反射镜16a适于反射紫外泵浦光2a(泵浦蓝色荧光体)和传输蓝色转换光4a。蓝色转换光4a再通过另一个二向色反射镜16c反射到透镜系统8，透镜系统8也采集其他转换光束4b/4c。二向色反射镜16c还把泵浦光2c(泵浦红色荧光体)反射到第三二向色反射镜16b，第三二向色反射镜16b可反射泵浦光2c以及红色转换光4c。因此，泵浦光2被传导至红色荧光体元件3c，然后，通过二向色反射镜16b反射红色转换光4c。然后，通过二向色反射镜16c传输并通过透镜系统8采集。此外，二向色反射镜16b反射泵浦光2b(泵浦绿色荧光体)并传输绿色转换光3b。绿色转换光3b在二向色反射镜16b与红色转换光4c叠加，然后，因为二向色反射镜16c可传输红色和绿色转换光3b/4c，所以三种颜色在二向色反射镜16c叠加并同时传输到组合光源单元的出射孔5。

图5示出了成像光学元件，其为光学系统6的“左边”/主要部分，用于采集荧光体元件3的光。因此，设置了由两个透镜元件52/53组成的透镜系统7。通过这样的设置，荧光体元件表面上各个点的光遍布在整个孔平面54上。该设置对应于图1和2的设置，而且在光学系统6和荧光体元件3之间没有设置非成像光学元件13。

图6示出了掩膜61和透镜系统51的组合。掩膜61为置于透镜系统51的孔平面54内的遮光板(gobo图形光学挡板)，这样，通过转换光4照明。通过该实施例，泵浦光2在遮光板区域外的外周部内耦合到光学系统6，这样，基本绕过遮光板61并不被其图案挡住。泵浦光2的边缘耦合可以如图2所示。此外，可提供投影透镜(未示出)以将遮光板成像到屏幕。

Claims (17)

1.一种光源单元，包括：

发射泵浦光(2)的泵浦光源(1)，

把所述泵浦光(2)转换成转换光(4)的荧光体元件(3)，

传输至少一部分所述转换光(4)以备进一步使用的光学系统(6)，其中，至少一部分所述泵浦光(2)耦合到所述光学系统(6)并通过所述光学系统(6)传输到所述荧光体元件(3)进行所述转换，

其中，所述光学系统(6)至少一侧为远心的，

其中，所述光学系统(6)包括两个透镜(7，8)和所述两个透镜(7，8)之间的孔平面(5)，其中，所述泵浦光(2)耦合到所述光学系统(6)的所述两个透镜(7，8)之间，其中，所述光学系统(6)还包括反射镜(16，21)，并且所述泵浦光(2)耦合到所述光学系统(6)内的所述反射镜(16，21)，其中，所述反射镜设置在所述光学系统的孔区域内，其中，来自物体的平行光在所述孔平面中聚焦，并且所述泵浦光耦合到所述透镜之间的所述孔平面中。

2.根据权利要求1所述的光源单元，其中，所述光学系统(6)具有孔平面(5)并相对于所述孔平面(5)对称。

3.根据权利要求1或2所述的光源单元，其中，所述光学系统(6)是成像光学系统(6)，在所述荧光体元件(3)和所述成像光学系统(6)之间设置非成像光学元件(13)以采集所述转换光(4)，所述成像光学系统(6)成像所述非成像光学元件(13)的出射面(12)。

4.根据权利要求3所述的光源单元，所述非成像光学元件(13)由半透明电介质设计而成，在所述非成像光学元件(13)的入射面(15)和所述荧光体元件(3)之间设置气隙。

5.根据权利要求1或2所述的光源单元，所述泵浦光(2)沿第一主传播方向(17)入射到所述荧光体元件(3)上，在所述荧光体元件(3)处的所述转换光(4)具有第二主传播方向(18)，其中，两个传播方向(17，18)相反。

6.根据权利要求4所述的光源单元，所述泵浦光(2)沿第一主传播方向(17)入射到所述荧光体元件(3)上，在所述荧光体元件(3)处的所述转换光(4)具有第二主传播方向(18)，其中，两个传播方向(17，18)相反。

7.根据权利要求1或2所述的光源单元，其中，所述荧光体元件(3)设置在对于所述泵浦光(2)不是半透明的热沉(19)上。

8.根据权利要求6所述的光源单元，其中，所述荧光体元件(3)设置在对于所述泵浦光(2)不是半透明的热沉(19)上。

9.根据权利要求1或2所述的光源单元，所述光学系统(6)具有光轴和孔角，其中，所述泵浦光(2)在耦合后具有与所述光轴(10)的最大角，该最大角小于所述光学系统(6)的所述孔角。

10.根据权利要求8所述的光源单元，所述光学系统(6)具有光轴和孔角，其中，所述泵浦光(2)在耦合后具有与所述光轴(10)的最大角，该最大角小于所述光学系统(6)的所述孔角。

11.根据权利要求1或2所述的光源单元，所述转换光(4)具有第一光谱分布，其中，设置用于发射具有与第一光谱分布不同的第二光谱分布的额外光(37)的额外光源(36)，所述额外光(37)耦合到所述光学系统(6)以用所述转换光(4)叠加所述额外光(37)。

12.根据权利要求10所述的光源单元，所述转换光(4)具有第一光谱分布，其中，设置用于发射具有与第一光谱分布不同的第二光谱分布的额外光(37)的额外光源(36)，所述额外光(37)耦合到所述光学系统(6)以用所述转换光(4)叠加所述额外光(37)。

13.根据权利要求1或2所述的光源单元，所述光学系统具有孔平面(5)，其中，在所述光学系统的孔平面(5)内设置有掩膜(61)。

14.根据权利要求12所述的光源单元，所述光学系统具有孔平面(5)，其中，在所述光学系统的孔平面(5)内设置有掩膜(61)。

15.一种照明系统，包括：至少两个根据前述权利要求中任一项所述的光源单元，反射镜反射至少部分转换光，其中，通过所述反射镜叠加转换光。

16.一种照明系统，包括：至少两个根据权利要求1到14其中一项所述的光源单元或根据权利要求15所述照明系统，其中，所述光源单元的所述光学系统是远心光学系统，每个远心光学系统具有两个透镜，所述远心光学系统共用一个透镜。

17.一种根据权利要求1到14其中一项所述的光源单元的用途或根据权利要求15或16所述的照明系统的用途，用于光纤照明或在投影系统中的应用。