CN103068301A

CN103068301A - 荧光装置以及包括其的照明设备

Info

Publication number: CN103068301A
Application number: CN2010800687381A
Authority: CN
Inventors: 马蒂亚斯·布吕默尔; 乌尔里希·哈特维格; 尼科·摩根布罗德; 马蒂亚斯·莫尔克; 亨宁·伦恩
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2013-04-24
Also published as: WO2012025147A1; US9341343B2; US20140153214A1; DE112010005749T5; TW201214015A

Abstract

一种荧光装置（1）包括载体部件（2）、荧光层（3）以及设置在载体部件（2）的上表面上的反射区域（33）。荧光层（3）包括至少一个荧光区域（R、G）。光传输部件（4）的第一端面（7）覆盖每个区域（R、G、33）的至少一个子区域（8）。通过其第二端面（9）进入光传输部件（4）的激发光照射在荧光层（3）和反射区域（33）上。由荧光层的荧光体进行波长转换之后，反射一部分照射光。另一部分照射光直接由反射区域（33）反射。由光传输部件（4）收集和混合这两部分光。通过调节激发光所照射的区域（R、G、33）的子区域（8）的比例，可调节波长转换的混合光的性能。

Description

荧光装置以及包括其的照明设备

技术领域

本发明涉及一种荧光装置。而且，本发明涉及一种包括这种荧光装置的照明设备以及一种操作包括所述荧光装置的照明设备的方法。

背景技术

荧光装置用于照明设备内，其中，荧光体（元件或混合物）远离激发光源，荧光体即为具有波长转换特性的物质，比如，荧光或发光物质。因此，也称为远程荧光装置。远程荧光装置可用于各种照明应用内，比如，用于RGB投影设备内，生成红色（R）、绿色（G）、和蓝色（B）光，用于彩色视频投影。其他可能的照明应用包括通过彩色或白色光进行医疗、建筑或娱乐照明。

在现有技术的远程荧光装置内，比如，荧光轮，荧光体涂覆在载体板上。荧光体由照射在荧光层上的激发光激发，比如，可见的蓝色激光（450nm）。激发激光由荧光体波长转换，以便生成波长更长的光（比如，绿光具有较宽的光谱分布，其峰值大约为520nm）。

荧光体波长转换的光由设置在荧光体前面的光传输部件收集，比如，光学准直器，比如，由玻璃制成的透镜。

发明内容

本发明的一个目标在于，提供一种替换的荧光装置。本发明的另一个目标在于，提供一种性能增强的荧光装置，用于定制所述荧光装置所发射的波长转换的光的光谱性能。

根据本发明的一个方面，提供调节波长转换的光的颜色。

本发明的另一个方面在于，提供调节波长转换的白光的色温。

本发明的另一个方面在于，提供调节波长转换的白光的显色性。

本发明的目标通过一种荧光装置实现，荧光装置包括：载体部件，其具有上表面和下表面；荧光层，其设置在载体部件的上表面上，其中，荧光层包括至少一个荧光区域；反射区域，其设置为与所述至少一个荧光区域相邻；光传输部件，其具有第一端面和第二端面，所述光传输部件设置在荧光层的和相邻的反射区域的顶部，其中，光传输部件的第一端面覆盖所述至少一个荧光区域和反射区域中的每个的至少一个子区域。

在从属权利要求书内限定优选实施例的额外特征。

而且，请求保护照明设备，其包括根据本发明的荧光装置。最后，也请求保护一种操作照明设备的方法，该照明设备包括根据本发明的荧光装置。

根据本发明，荧光层包括至少一个荧光区域。而且，反射区域设置成与至少一个荧光区域相邻。至少一个荧光区域用于波长转换照射在荧光体上的激发光。然而，反射区域反射激发光，而不转换其波长。换言之，由于反射区域，一部分激发光直接可用于与波长转换的光混合，即，在混合之前，无需进行波长转换。激发光可为可见的电磁辐射（VIS）（比如，蓝光以及紫外线（UV）或红外线照射（IR））。

所述至少一个荧光区域包括荧光元件，比如，用于发射红光（R）、绿光（G）、或黄光（Y）的荧光体，或者包括荧光混合物，比如，发射白光的荧光混合物。而且，荧光混合物的性能可在荧光区域内变化。

荧光层可细分为两个或多个荧光区域。在这种情况下，荧光区域通过分隔杆彼此分离，防止单独的荧光区域之间的光发生串扰。通过将每个单独的荧光区域分别嵌入载体部件内，也可实现这个目标。优选地，如果存在，分隔杆就尽可能地窄，以便将该装置的光学效率最大化。

通过调节荧光区域（R、G）和激发光所照射的反射区域的子区域的比例，可调节通过混合波长转换的光和直接反射的激发光所获得的光的光谱性能。

在设计成用于通过蓝光（B）（比如，450nm的激光）进行激发的一个实施例中，荧光层为单个荧光区域，其包括发射黄光（Y）的荧光体。波长转换的黄光与光传输部件内部直接反射的蓝光混合，产生白光（BY）。本实施例特别适合于白光照明应用。

在设计成用于通过蓝光（B）（比如，450nm的激光）进行激发的另一个实施例中，荧光层包括第一荧光区域和第二荧光区域，第一荧光区域包含发射红光（R）的荧光体，第二荧光区域包含发射绿光（G）的荧光体。波长转换的红光和绿光与光传输部件内部直接反射的蓝光混合，产生白光（RGB）。本实施例特别适合于RGB投射应用以及适合于其他白光照明应用。

优选地，光传输部件的第一端面的面积小于荧光层和反射区域的总面积。从光传输部件的第一端面中照射的激发光由荧光层的那个特定的局部区域的荧光体波长转换，由激发光照射该荧光层。而且，一部分照射的激发光由反射区域的那个特定的局部区域直接反射，由激发光照射该发射区域。优选地，第一端面尽可能地靠近荧光层和反射区域的表面，以便将光学损耗最小化。因此，由激发光照射的荧光层和反射区域的局部区域的总和几乎等于荧光层上投射的光传输部件的第一端面的区域。

仅仅激发荧光层和反射区域的局部区域，允许通过在荧光层和反射区域上选择光传输部件的第一端面的适当位置，调节荧光装置的光谱性能。通过覆盖荧光层和反射区域的子区域，可限定一个适当的位置，从而获得具有某种特定颜色的混合的波长转换的光。通过覆盖区域的子区域，比如，包括具有蓝色激发光或白光荧光体混合物的红光和绿光荧光体，可限定另一个适当的位置，从而获得混合的波长转换的白光的某个特定的色温或CRI值。

而且，优选地设计荧光区域和反射区域，从而由光传输部件的第一端面覆盖的区域的各个子区域在荧光层和光传输部件之间的相对运动的至少一个方向变化。这个概念允许调节光传输部件的第一端面所覆盖的子区域的相对比例，并且因此调节混合光的光谱性能。混合的光包括由荧光区域的激发子区域波长转换的光以及由反射区域的照射的子区域直接反射的激发光。比如，区域可形成为在相对运动的方向为锥形或台阶式的条纹。后文中参看视图更详细地描述这个概念。

优选地，荧光装置配置成能够在光传输部件的第一端面和包括反射区域的荧光区域之间进行相对横向运动。光传输部件在荧光层和反射区域上进行平移和/或旋转运动，可进行这种横向运动，或者反之亦然。这就允许不仅在制造的过程中预先设置荧光装置的有利的光谱性能，而且在操作的过程中调节另一个光谱性能或者甚至重新调节，以便补偿荧光装置的荧光体的退化。为此，通过检测所产生的光色，可控制和调节相对位置，以便实现特定的目标值。

光传输部件收集和混合由所述或每个荧光区域的激发子区域波长转换的光以及从反射区域中直接反射的光。光传输部件设计成传输光，通过折射和/或（内部）反射的作用，穿过一个端面进入并且穿过另一个端面离开。优选地，光传输部件为细长型并且具有多边形剖面，尤其是三角形或矩形。光传输部件的这种形状允许空间上适当地混合从各个区域的照射的子区域中收集的光。相反，圆形剖面或者同样具有多个角从而接近圆形剖面的多边形剖面可产生较差的光混合，即，发送给目标区域时，产生彩色边缘，或者甚至察觉这些区域的照射图案。通过将同一种转换颜色的多个荧光区域设置成与另一种转换颜色的荧光区域交替，比如，RGRGR、或RGGBRGGB等等，可进一步提高波长转换的光的混合。

载体部件可为固体，比如，板块、区块等等。尤其地，载体部件可由具有适当的冷却性能的材料制成，比如，铜、铝等金属，有助于消散激发光在荧光层上照射时所产生的热量。由于固体，从荧光装置中反射出波长转换的光，并且该光与直接反射的光一起由光传输部件收集和混合。可提高（比如，完善）荧光层下面载体部件的表面的光反射率，以便增强波长转换的效率。这同样适用于反射区域的表面，以便增强直接反射的激发光的效率。载体部件的基底区域可具有各种形状，比如，矩形或圆形。而且，载体部件的表面可为平面或曲面，荧光层和反射区域设置在该表面上。

根据本发明的荧光装置可为照明设备的一部分，进一步包括激发光源，比如，激光，优选地为激光二极管或激光二极管阵列，用于发射激发光。激发光通过光传输部件的第二端面进入荧光装置。穿过光传输部件的第一端面之后，第一部分激发光照射在荧光层的荧光区域上，并且其他部分激发光照射在反射区域上。由荧光区域的照射的荧光体波长转换之后，第一部分激发光被反射回。由反射区域直接反射回其他部分激发光。

进入其第一端面之后，光传输部件收集和混合这两部分反射光。随后，混合光通过第二端面离开光传输部件。而且，由额外的光学装置引导混合光并且将其成形，以便进一步用于各种应用中。在附图说明中会进一步详细地进行解释。

附图说明

现在参看附图，通过实例，描述本发明的实施例，其中：

图1a为根据本发明的荧光装置的一个实施例的侧视图；

图1b为图1a中所示的实施例的顶视图；

图2a为具有图1a、1b中所示的荧光层和反射区域的载体部件的顶视图；

图2b为图2a中所示的载体部件的剖视图；

图3为包括图1a、1b中所示的荧光装置的照明设备的示意图；

图4为根据本发明具有荧光层和反射区域的载体部件的另一个实施例的顶视图。

具体实施方式

在附图中，显示本发明的不同实施例时，相同的参考数字用于相同或相似的特征。

如图1a和1b中所示，构成荧光装置1的第一实施例，其具有由铝制成的载体部件2、嵌入载体部件2的上表面的荧光层3、在与荧光层3相邻的表面区域上抛光的反射区域33以及光传输部件4，光传输部件由光学玻璃制成，优选地由石英玻璃或BK7（折射率分别为1.46和1.52）制成，光传输部件设置在荧光层3的顶部上。由于铝的较好的冷却性能，载体部件2也用作冷却部件。荧光层3和相邻的反射区域33共同具有大约2x10mm²的矩形底面积。如果在荧光层的顶部使用浸没层，那么光学有效长度都被减小（除以浸没层的折射率）。荧光层和浸没层的厚度的普通值大约为0.1mm，以便在激发光的两次过渡之后，根据反射模式进行完全转换。将嵌入的荧光层3下面的载体部件2的上表面的表面部分抛光，以便增强其反射率。在以下描述中，也参看图2a、2b，为了清晰起见，沿着切割平面AA，仅仅分别显示了包括荧光层3和反射区域33的载体部件2的顶视图和剖视图。将荧光层3细分成两个荧光区域R、G，像瓷砖一样由较细的分隔杆6分离。第一荧光区域R包括用于发射红光的荧光体，比如，掺杂了铕的YAG（钇铝石榴石）。第二荧光区域G包括用于发射绿光的荧光体，比如，掺杂了铈的YAG（钇铝石榴石）。荧光层3的这种配置设计成通过蓝光进行照射，比如，450nm的激光，其中，一部分蓝光由反射区域33直接反射。光传输部件4的第一端面7的不同侧边位置与荧光层3和反射区域33的顶部的局部区域8紧密接触并且覆盖该局部区域，通过蓝色激发光可照射荧光区域R、G和反射区域33的子区域的不同比例。根据所照射的子区域的比例，可实现通过混合波长转换的红色和绿色光以及直接反射的蓝光获得的不同颜色的光。而且，所产生的混合的白光RGB可具有不同校正色温CCT和显色指数CRI。以下表格显示了各种相应的色温CCT、实现CCT值所需要的子区域R、G、B（B：所反射的450nm的激光）的比例、以及所产生的CRI值（忽略荧光体转换效率）：

CCT[K]	R[%]	G[%]	B[%]	CRI
					2700	69,28	24,33	6,39	74
3000	65,27	26,06	8,67	76
					3500	59,48	28,05	12,47	79
4000	54,68	29,27	16,05	82
					4500	50,72	29,98	19,31	84
5000	47,45	30,36	22,20	85
					5500	44,73	30,52	24,75	87

6000	42,46	30,56	26,98	87
					6500	40,54	30,51	28,95	88
8000	36,36	30,15	33,50	89

而且，由于具有矩形剖面的锥形光传输部件4具有优越的混合性能，所以穿过光传输部件4的第二端面9的混合光的颜色分布非常均匀。图1a、1b中示意性显示的荧光装置1可进一步包括额外的装置，其用于能够在一方面的光传输部件和另一方面的荧光层和反射区域之间进行相对横向运动并且控制这种运动，但是为了清晰起见，未显示这种额外的装置。

整个设置设计成用于进行投射，照明接受角为12°（半角）的0.55''数字微镜器件（DMD，也被Texas Instruments称为数字光处理单元-

）。因此，离开光传输部件的波长转换的光应具有12°以下的角分布。通过具有矩形剖面并且长度大约为50到80mm的圆锥形传输部件完成这个目标。光传输部件4的第一端面7具有大约为2.32x1.74mm²（纵横比4:3）的矩形底面积。然后，根据展度守恒定理，确定传输部件的另一个端面的尺寸，得出11.2x8.4mm²。

对于其他照明应用而言，该设置必须适合于特定的光学要求。比如，对于使用直径为4.8mm的纤维束的医疗内窥镜检查而言，接受角为22°（半角），并且孔径为18.1mm²。在对波长转换的光进行朗伯分布的情况下，对于入射面而言，这会转换成最大可用的面积2.53mm²。这对应于具有方形剖面的光传输部件的第一端面的面积1.4x1.4mm²。光传输部件的长度可为25到50mm。对于使用接受角为30°（半角）的直径为4.8mm的光导的应用而言，比如，对于汽车头灯而言，入射面的最大可用面积为4.5mm²。这对应于光传输部件的方形第一端面的面积1.75x1.75mm²。具有圆形第二端面的光传输部件的长度可为20到40mm。

图3显示了照明设备20的示意图，其包括图1a、1b中所示的荧光装置1。照明设备20可用于投射应用中。照明设备20进一步包括至少一个激光二极管22以及二向色镜24，激光二极管发射波长大约为450nm的激发光23，二向色镜设置在激光二极管22和荧光装置1之间的光轴上。对于高功率应用而言，激发光源可为具有1W以上的激光阵列。由于激光功率密度过大，所以荧光层退化可限制最大可用的激光功率。激发光23穿过二向色镜24，通过光传输部件4的第二端面9进入荧光装置1，并且由设置在载体部件2的上表面上的荧光层和反射区域（未显示）接收。根据荧光层和反射区域上光传输部件4的第一端面的位置，光传输部件4收集和混合由荧光区域R、G的激发的子区域波长转换的光和由反射区域直接反射的光，产生具有特定的光谱性能的混合光。若需要，通过相对移动光传输部件和包括反射区域的荧光层，可调节混合光的光谱性能。混合的光离开光传输部件4的第二端面9，并且传输到二向色镜24。二向色镜24倾斜，以便从二极管激光22的光束所限定的光轴中反射出混合的波长转换的光。根据特定的应用，可包括其他光学部件。

图4中示意性显示了荧光装置1的一个替换实施例的顶视图（为了清晰起见，未显示光传输部件）。载体部件2的上表面上嵌入的荧光层3包括仅仅一个荧光区域Y，其由荧光体制成，用于发射黄光，比如，YAG:Ce。荧光层3的这种配置也设计成使用蓝光进行照射，比如，450nm的激光，其中，一部分蓝光直接由反射区域33反射。光传输部件（未显示）收集和混合由荧光区域Y的荧光体波长转换的黄光以及由反射区域33直接反射的蓝光，产生白光（BY）。光传输部件的第一端面对应于荧光区域Y和反射区域33的总面积，这是因为本实施例设计成用于光传输部件的固定位置。

Claims

1.一种荧光装置（1），包括：

载体部件（2），具有上表面和下表面；

荧光层（3），设置在所述载体部件（2）的上表面上，其中所述荧光层（3）包括至少一个荧光区域（R、G、Y）；

反射区域（33），设置为与所述至少一个荧光区域（R、G、Y）相邻；

光传输部件（4），具有第一端面（7）和第二端面（9），所述光传输部件（4）设置在所述荧光层（3）的和所述反射区域（33）的顶部，其中所述光传输部件（4）的所述第一端面（7）覆盖所述至少一个荧光区域（R、G、Y）和所述反射区域（33）中的每个的至少一个子区域（8）。

2.根据权利要求1所述的荧光装置，其中，所述至少一个荧光区域（R、G、Y）包括荧光元件或荧光混合物。

3.根据权利要求2所述的荧光装置，其中，所述荧光元件为以下组中的任何一个部件：用于发射红光（R）的荧光体、用于发射绿光（G）的荧光体、用于发射黄光（Y）的荧光体。

4.根据权利要求2或3所述的荧光装置，其中，所述荧光混合物适合于发射白光。

5.根据前述权利要求中任一项所述的荧光装置，包括两个或两个以上的荧光区域（R、G），其中，所述荧光区域（R、G）通过分隔杆（6）彼此分离。

6.根据权利要求5所述的荧光装置，其中，所述荧光区域（R、G）单独嵌入所述载体部件（2）内。

7.根据前述权利要求中任一项所述的荧光装置，其中，所述荧光装置配置成使得所述光传输部件的所述第一端面和所述至少一个荧光区域以及所述反射区域之间能进行相对横向运动。

8.根据权利要求7所述的荧光装置，其中，所述至少一个荧光区域（R、G）和所述反射区域（33）设计为使得所述区域的由光传输部件（4）的所述第一端面（7）所覆盖的所述子区域（8）的比例在相对运动的方向变化。

9.根据前述权利要求中任一项所述的荧光装置，其中，所述光传输部件（4）为细长型并且具有多边形剖面，尤其是三角形或矩形。

10.一种照明设备（20），包括：

根据前述权利要求中任一项所述的荧光装置（1）；

激发光源（22），用于发射激发光（23）；

其中所述荧光装置（1）和所述激发光源（22）设置为能够允许激发光通过所述光传输部件（4）的所述第二端面（9）进入所述荧光装置（1）。

11.根据权利要求10所述的照明设备，其中，所述激发光源（22）包括激光光源。

12.一种操作根据权利要求10或11所述的照明设备（20）的方法，包括以下步骤：

定位所述光传输部件（4），从而所述荧光层（3）的所述至少一个荧光区域（R、G、Y）和相邻的所述反射区域（33）的至少子区域由所述光传输部件（4）的所述第一端面（7）覆盖；

引导所述激发光（23），以便通过其所述第二端面（9）进入所述光传输部件（4）内，并且通过其所述第一端面（7）照射在所述荧光层（3）和所述反射区域（33）上。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括以下步骤：通过所述光传输部件（4）收集和混合由所述荧光层（3）的区域波长转换的光以及由所述反射区域（33）直接反射的激发光，其中所述荧光层由所述激发光（23）照射。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤：在所述荧光层（3）的和相邻的所述反射区域（33）的表面上移动所述光传输部件（4），用于调节混合光的性能，从而覆盖所述荧光层（3）的所述荧光区域（R、G）的和所述反射区域（33）的不同所述子区域（8），分别产生所述荧光区域（R、G）和所述反射区域（33）的照射的子区域的不同比例。

15.根据权利要求12到14中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：检测所产生的光色或校正的色温，并且如果有需要，控制和调节所述光传输部件的相对位置，以便实现目标值。