CN103328885B - 具有内部冷却装置的发光材料设备和具有所述发光材料设备的反射灯设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有两个盘状的载体元件（2，3）的双发光材料轮（1），所述载体元件借助于翼状的散热片（8）彼此连接。如果双发光材料轮（1）旋转，那么空气穿过载体元件中的一个（2）中的轴向的开口（6）流入，径向地穿过载体元件（2，3）之间的中间空间或翼状的散热片（8）并且在边缘处流出。通过所述空气流改进热量的导出，所述热量在借助激发激光器辐照设置在两个外面上的环形的发光材料带（4，5）时产生。

Description

具有内部冷却装置的发光材料设备和具有所述发光材料设备的反射灯设备
技术领域
本发明涉及一种用于将激发激光辐射转换为转换光的发光材料设备。此外，本发明涉及一种具有这种发光材料设备的反射灯设备。
背景技术
由于设为用于转换的发光材料上的激发激光光束光斑的高的面功率密度或者在波长转换时出现的斯托克斯位移效应，所述发光材料设备通常以自由旋转的“发光材料轮”的形式构成。在此，发光材料被涂覆在旋转的盘的侧部上。由此，在发光材料的持久的局部损坏或者甚至毁坏出现之前，被暂时辐照的发光材料子区域转向激发激光光束光斑下方。由于发光材料轮的旋转，被辐照的区域在每次完全转动之后描绘出环形带。因此，发光材料通常以环形带的形式施加在发光材料轮的侧部上。发光材料的在运行时间期间通过激发激光辐射造成的加热此外经由发光材料轮的背侧而输出到周围环境中(辐射冷却和转换冷却)。这种发光材料设备进而所配设的反射灯设备适合于许多应用，所述应用需要具有高的照明强度的光源，如视频投影、借助于光导体的医学的和工业的内窥镜检查法、效果照明、汽车前照灯等，并且所述应用迄今为止是基于卤素白炽灯或者放电灯的反光灯的工作范围。
文献WO2009/112961A1描述了一种激光光源，所述激光光源具有至少一个发射激光的元件、至少一个光源输出元件(所述光源输出元件设计为将激光对准到预定的位置上)、至少一个转换元件和反射器设备。所述至少一个转换元件包括发光材料，所述发光材料将激光至少部分地转换为波长转换的或转换的光。反射器设备将转换光与激光组合为输出混合光。
文献US2009284148A1公开了一种用于投影器的光源设备，所述光源设备具有激发光源和旋转的发光材料轮。发光材料轮具有透明的圆形的盘。在盘的侧部上设置分段的环形带。所述带划分为三个等大的区段，更确切地说划分为在红色的波长范围中发射的发光材料(R)、在绿色的波长范围中发射的发光材料(G)和漫射透明的区域(135)。激发光射到旋转的发光材料轮的背侧上、经过透明的盘并且在其另一侧部上激发环形带的发光材料。因此，发光材料轮应用在所谓的透射模式中。在射入的激发光的轴线中，在环形带的对面设置光导体，所述光导体转发转换光。
在迄今为止的发光材料轮中，特别在激发激光功率增加时，为了阻止或者至少足够长地延缓借助于激发激光辐射而激发的发光材料的退化，不足的冷却是不利的。这个问题在两侧覆层的发光材料轮中加剧，更确切地说，不仅因为经由发光材料轮的背侧的散热显著减少，相反地，而且也还因为激发激光辐射射到覆层有发光材料的背侧上，包括与其关联的附加的加热。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种用于激发激光辐射的改进的发光材料设备。
所述目的的另一个方面在于，提出一种具有所述发光材料设备的改进的反射灯设备。
所述目的通过根据本发明的一种具有内部冷却装置的发光材料设备来实现。优选的实施形式尤其能够从下文中推出。
所述目的通过具有内部冷却装置的发光材料设备来实现，所述发光材料设备包括：各具有两个侧部的两个盘状的载体元件，所述侧部以相互的间距设置成，使得一个载体元件的一个侧部朝向另一个载体元件的一个侧部从而限定发光材料设备的两个彼此朝向的内面，其中这两个载体元件的相应的两个另一侧部指向外从而限定发光材料设备的两个外面；至少一个转换区域，所述转换区域包含发光材料并且设置在两个外面中的至少一个上；至少一个开口，所述开口设置在两个载体元件中的至少一个中，机构，所述机构设计为用于两个所述载体元件中的至少一个的旋转并且与两个所述载体元件中的一个相对于所述载体元件中的另一个中的所述开口轴向地连接。
基本思想在于，提出具有作为强制冷却装置的内部通风装置的发光材料轮，并且所述发光材料轮借助“双发光材料轮”形式的发光材料设备来实现。因此，根据本发明的发光材料设备在下文中也被称为“双发光材料轮”。为此设有两个盘状的载体元件，所述载体元件以一定的间距彼此平行地设置进而基本上形成双发光材料轮的基本支架。发光材料在双发光材料轮的两个盘形的外面中的一个或两个上设置在优选为环形的转换区域中，也就是说设置在圆形的发光材料带中。为了在双发光材料轮旋转时确保足够的冷却空气流动，在这两个盘状的载体元件中的至少一个中设置至少一个开口，优选靠近轴或者与轴同心地设置。环境空气或者必要时另一种冷却介质在双发光材料轮旋转时穿过至少一个开口流入到这两个盘状的载体元件之间的中间空间中并且基本上径向向外流动，由此通过流经的冷却空气主动地冷却内面。对于所述强制的流动使用开口中的抽吸效果，所述抽吸效果由于压力差而产生，因为空气在中间空间的边缘区域中与在其中心相比更快地旋转。盘状的载体元件优选由具有良好导热性的材料构成，例如由铜构成，使得借助所述“内部冷却装置”最终实现将通过激发激光辐射引入到发光材料中的热量良好地导出。
在双发光材料轮的内面之间的中间空间中能够设有散热片，以便改进散热。优选地，散热片是翼状的并且以从内面到内面基本上径向地在朝向盘状的载体元件的边缘的方向上延伸的方式构成，以便有助于从开口到中间空间的边缘的径向的空气流动。在两个盘状的载体元件能够彼此分开地转动的双轮中，这两个载体元件中的每一个能够具有相关联的一组散热片。此外，散热片优选地以有利于流动的方式与旋转方向相反地被弯曲，以便进一步地改进在旋转的中间空间中的径向的空气流动进而也进一步改进冷却效果。就这方面而言，散热片也得到翼状的流动元件的功能。
作为冷却介质，除了环境空气也可以考虑其它的、优选为气态的介质。对此能够有利的是，冷却循环是闭合的，例如其中整个发光材料设备被封装在适合的容器中。此外，冷却介质也能够被预冷却，例如经由热交换器。
为了旋转，双发光材料轮如同通常在发光材料轮中常见地那样设有适当的旋转机构，例如设有适当的转动轴承或者转动轴。用于旋转的机构与两个盘状的载体元件中的至少一个优选地相对于设置在这两个载体元件中的一个中的开口轴向地连接。这两个盘状的载体元件能够牢固地彼此连接、或者彼此分离从而能够彼此无关地转动。在后一种情况下能够设有，在运行中，仅这两个盘状的载体元件中的一个旋转或者这两个盘状的载体元件以不同的转数旋转(两个驱动轴)。如已经提到的，在此，这两个载体元件也能够分别具有相关联的一组散热片。
位于盘状的载体元件的转换区域中的发光材料用于将通常紫外的或者蓝色的激发激光辐射(例如400至450nm)的波长转换为具有通常更长波长的更宽带宽的光(降频转换)。因此，根据需要能够产生不同的光色，例如红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)，但是也能够产生其它的光色，例如黄色。适合的发光材料类型例如是用于绿光(G)的掺杂铈的YAG和用于红光(R)的掺杂有铕的YAG。通过除了至少一个转换区域之外也设有至少一个散射区域，在附加的色彩混合中通常用于白光的蓝色的光部分(B)必要时能够从蓝色的激发激光辐射自身中被提取，所述散射区域同样设置在双发光材料轮的两个外面中的至少一个上。散射区域不具有发光材料，而是具有以反射的方式散射的表面，借此能够直接使用蓝色的激发激光辐射，也就是说不需要通过发光材料进行转换。通过以反射的方式散射的表面，有利地消除或者至少降低对直接应用、特别是对投影目的造成干扰的斑点效应(通过激发激光辐射的空间的相干特性造成)。
转换区域和散射区域或者必要时不同的发光材料类型能够连续地设置在共同的环形区域之内或者设置成同心设置的多个环形区域。但是，不同的发光材料类型不必分段地设置，相反地，而是也能够作为发光材料混合物存在于环形的转换区域之内。所述转换区域也能够在需要时散布有以反射的方式散射的表面。对此其它的细节在实施例的描述中。
为了产生转换光，根据本发明的发光材料设备，也就是说具有内部冷却装置的双发光材料轮连同设计为用于发射激发激光辐射的至少一个激发激光器和至少一个反射器补充于根据本发明的反射灯设备。根据本发明的反射灯设备设计为用于：使激发激光辐射落到发光材料设备的至少一个旋转的转换区域上，再由至少一个转换区域的发光材料进行波长转换，并且被波长转换的光的至少一部分落到至少一个反射器上。
对此，至少一个反射器设有至少一个开口，至少一个激发激光光束穿过所述开口落到转换区域上并且必要时也至少暂时地落到旋转的双发光材料轮的散射区域上。至少一个激发激光光束优选地借助相同的或不同的波长的一个或多个激光二极管产生。多个激光二极管设置成使得其穿过至少一个反射器开口射入到双发光材料轮上。优选地，激光光束射到转换面的相同的部位上。因此，来自于反射器的有用光(转换光和必要时以反射的方式散射的激发光)能够根据应用领域输送给其它的光学的和/或光电子的部件，特别是用于光学积分器中的彩色的光部分的混合。
特别为了投影目的，对于色彩范围的扩展能够有利的是，使用具有不同的激光线的两个或多个激发激光器。同样能够有利的是，设有具有二色性过滤层的反射器，以便实现限定的反射、改善双发光材料轮的发射光谱或者提高光学的系统效率。
优选地，至少一个反射器构成为具有至少一个焦点。对此，反射器例如能够具有抛物线形的或者椭圆的形状或者适合的自由形状。此外，反射器和双发光材料轮彼此设置成，使得至少一个转换区域的至少一部分旋转穿过至少一个焦点。这具有下述优点，由转换区域或者散射区域在焦点附近发射的光束至少大部分以相同的方式由反射器成像，例如成像到椭圆的反射器的次焦点中。为了所述目的，将反射灯设备设计成，使得激发激光光束以理想的方式在反射器的(主)焦点中落到转换区域或散射区域上。
在根据本发明的反射灯设备的一个特别优选的实施形式中，双发光材料轮的两个载体元件的两个外面都设有至少一个转换区域。反射器由各具有至少一个焦点的两个半壳反射器构成，其中反射灯设备设计成，使得这两个转换区域中的每一个都旋转穿过半壳反射器的焦点。借助该实施形式，根据本发明的双发光材料轮被特别有利地使用，因为使用两侧的转换区域用于光转换。
在一个优选的改进形式中，两个半壳反射器分别具有主焦点和次焦点，其中载体元件的两个外面上的转换区域旋转经过相应的主焦点，并且两个次焦点重叠成共同的焦点。对此，这两个半壳反射器适当地彼此倾斜。该改进形式特别好地适合于将所产生的光耦合输入到光学积分器、例如光导体中。对此的其它的细节在实施例的描述中。此外，能够有利的是，将双发光材料轮相对于反射器设备移动，以便例如能够为激发激光辐射而触发不同的发光材料带。反射器半壳能够不同地成形——例如在应用不同宽度的发光材料带的情况下。这例如在汽车前照灯中是有利的，以便能够实现不同的照明功能如远光和近光。环形的发光材料带能够具有不同的半径从而也不必设置在彼此相对置的两个外面上。
附图说明
在下文中能够根据实施例详细阐明本发明。附图示出：
图1a示出根据本发明的具有内部冷却装置的发光材料设备的一个实施例(双发光材料轮)的侧视图，
图1b沿方向A示出图1a的发光材料设备的正视图，
图1c沿剖面线BB示出图1a的发光材料设备的剖面图，
图2示出根据本发明的反射灯设备的一个实施例，
图3示出根据本发明的具有多个环形带的发光材料设备的另一个实施例的相应于图1b的俯视图，
图4示出根据本发明的具有分段的环形带的发光材料设备的另一个实施例的相应于图1b的俯视图。
具体实施形式
图1a至1c示意性地示出具有内部冷却装置的发光材料设备的一个实施例(双发光材料轮)的侧视图、对此旋转90°的沿方向A的正视图和沿线B-B的剖面图。发光材料设备1包括各具有两个侧部2a、2b或者3a、3b的两个盘状的载体元件2、3。这两个载体元件2、3由具有良好导热性的材料、例如由铜或者铝构成并且以相互的间距设置成，使得一个载体元件2的一个侧部2b朝向另一个载体元件3的一个侧部3b，也就是说限定发光材料设备1的两个彼此面对的内面2b、3b。这两个载体元件2、3的相应的两个另一侧部2a、3a指向外，因此背离通过两个内面2b、3b限界的中间空间，也就是说限定发光材料设备的两个外面2a、3a。在这两个外面2a、3a上分别设置由发光材料构成的环形的转换区域4、5。发光材料在此在一个侧部上是在激发时发射绿光(G)的由掺杂有Ce的YAG构成的层，在另一个侧部上是在激发时发射红光(R)的由掺杂有Eu的YAG构成的层。以该方式，通过借助于发光材料设备1对激发激光辐射进行转换，能够产生具有两个不同颜色的光。但是，根据需要，用于设置在两侧的转换区域的发光材料也能够是相同的。例如可以考虑的是，也通过单独的发光装置产生不同的光色并且将各个光色部分适当地聚集在一起。在图1a中右侧的载体元件2在其中央具有圆形的开口6。转动轴7远离在图1a中左侧的载体元件3的外面3a相对于所述孔轴向地延伸，所述转动轴在发光材料设备1运行时能够实现这两个载体元件2、3的旋转。这两个载体元件2、3借助于八个翼状的散热片8彼此连接，所述散热片设置在这两个载体元件2、3的两个内面2b、3b之间的中间空间中。翼状的散热片8垂直于这两个内面2b、3b取向，并且首先径向地从开口6开始延伸并且随后再以有利于流动的方式以借助箭头表示的旋转方向相反地弯曲至外边缘。在运行中，环境空气通过旋转轴向地流入到开口6中，基本上径向地流经内面2b、3b之间的中间空间和彼此相邻的翼状的散热片8，并且在双发光材料轮的边缘区域中又向外流出。以该方式，借助于主动的空气流动实现将通过激发激光辐射引入到两侧的环形的转换区域4、5的发光材料中的热量以改进的方式导出。在需要时，散热还能够通过散热片8的优化流动的造型来进一步改进。
图2示意性地示出根据本发明的具有在图1a至1c中示出的发光材料设备1(双发光材料轮)的反射灯设备20的一个实施例的纵剖面图。剖平面在此穿过发光材料设备1的转动轴。除了发光材料设备1之外，反射灯设备20还具有两个椭圆的半壳反射器21、22和两个激发激光器23、24。这两个激发激光器23、24是两个不同的激光二极管，所述激光二极管发射具有大约450nm或者405nm的波长的激发激光光束。这两个椭圆的半壳反射器21、22关于发光材料设备1设置成，使得设置在两侧的环形的转换区域4、5旋转经过所朝向的半壳反射器21、22的相应的主焦点FA、FC(为了更好的概括而没有示出通常用于双发光材料轮1的旋转的机构、如转动轴、电马达等)。此外，这两个半壳反射器21、22彼此倾斜，使得其次焦点FB、FD在反射灯设备20的光学轴L上重叠成共同的焦点FB,D。这两个半壳反射器21、22中的每一个分别具有圆形的开口25、26，穿过所述开口，激发激光器23、24的激发激光光束27、28在相应的主焦点FA、FC的区域中辐照环形的转换区域4、5。由于载体元件2、3的旋转，激发激光光束27、28连续地扫过环形的转换区域4、5。由此，这两个环形的转换区域4、5中的每一个中的发光材料的子区域分别通过相应的激发激光光束27、28始终仅被短暂地加热。此外，由激发激光光束27、28引入的热量经由载体元件2、3并且尤其经由强制的冷却空气流而被有效地导出，所述冷却空气流穿过轴向的开口6流入到双发光材料轮中并且在其边缘处基本上径向地流出。由此，能够在转换区域4、5上实现高的激发激光功率密度，而发光材料不会过快地退化或者完全毁坏。通过相应的发光材料进行波长转换的光束必要时与未进行波长转换而是仅以反射的方式散射的蓝色(B)的激发激光光束的部分一起经由相应的半壳反射器21、22反射到共同的第三焦点FB,D。在那定位有光导体29的入射面。光导体29用作为用于混合和转发来自于这两个半壳反射器21、22的具有光色部分R、G、B的光束的光学积分器。RGB混合光例如能够输送给用于视频投影的成像器(LCD、DLP或者LCoS等)(未示出)。
在一个未示出的变型形式中，反射灯设备设计成，使得两个半壳反射器的主焦点不在关于光学轴的相同部位上，相反地，而是目的明确地以一定间距沿着光学轴错开。这能够实现：在两个侧部上辐照关于双发光材料轮的特定的转动角而具有不同的半径进而不同的长度的环形的发光材料区域和/或反射的散射区域。以该方式能够目的明确地设定转换的混合光的色度坐标。如果期望共同的次焦点，那么两个半壳反射器能够以适当的方式倾斜和移动。
图3示出具有内部冷却装置的发光材料设备的另一个实施例的正视图，相应于图1b中的描述。在此，发光材料设备30当然具有两个环形的转换区域31、32，所述转换区域同心地设置在盘状的载体元件33的外面33a上。外部的环形的转换区域31由掺杂Ce的YAG(G)构成，内部的环形的转换区域32由掺杂Eu的YAG(R)构成。此外，在这两个环形的转换区域31、32之间设置环形的散射区域34。所述散射区域用于直接地使用激发激光辐射，所述激发激光辐射在这种情况下尤其位于蓝光的波长范围中(例如450nm)(B)。环形的散射区域34构成为以反射的方式散射的表面，由此，有利地消除了或者至少减小了直接使用的激发激光辐射对投影目的造成干扰的斑点效应。激发激光光束大约辐照在图3中借助矩形35限界的区域，所述区域包括所有三个所述环形的区域31、32、34的部分。对此，激发激光光束借助于光学元件适当地成形。此外，这三个环形带实施成是彼此紧密相邻的。以该方式，已经能够借助外面33a实现三个光色分量红(R)、绿(G)和蓝(B)。因此，在相对侧部(在图3中不可见)上的其它的外面在此与所示出的外面33a构成为是相同的。在一个未示出的变型形式中，多个具有不同的发光材料类型的环形的转换区域同心地构成并且设置成，使得通过发光材料双轮的移动，在反射器中，优选地始终仅在一个发光材料带上出现激发激光光束光斑。由此，能够通过移动来选择性地选出用于转换的所期望的光色。
图4示出具有内部冷却装置的发光材料设备40的另一个实施例的正视图，相应于图1b中的描述。一方面为了能够将用于激发激光辐射的两侧的辐照面保持为更靠近两个半壳反射器的相应的焦点，并且另一方面为了提供三种基本光色红、绿、蓝，在两个盘状的载体元件41中的每一个的相应的外面41a(其它的外面在图4中被遮住)上连续交替地在唯一的环形带45之内设置发射红色的发光材料区段42或者发射绿色的发光材料区段43以及反射的散射区段44。为了概括，在图4中在每个四分之一圆中仅分别示出一个发射红色的发光材料区段42、一个发射绿色的发光材料区段43和一个反射的散射区段44。但是，在实践中，特别是为了投影目的，也能够在每四分之一圆中设有更多个区段。无论如何，通过光色部分的视觉平均而引起附加的光色混合，所述光色部分在相应的区段42至44旋转穿过激发激光光束光斑(在图4中未示出)时产生。最后，发光材料也能够在环形的转换区域之内混合(未示出)，使得在静态情况下已经存在光色混合，在需要时也与激发激光的按比例的以反射的方式进行的散射相结合。

Claims (8)

1.一种反射灯设备(20)，具有
至少一个反射器，
至少一个激发激光器(23，24)，所述激发激光器(23，24)设计为用于发射激发激光辐射(27，28)，和
具有内部冷却装置的发光材料设备(1)，所述发光材料设备包括：
两个盘状的载体元件(2，3)，所述载体元件(2，3)各具有两个侧部，所述侧部以相互的间距设置成，使得一个所述载体元件的一个侧部朝向另一个所述载体元件的一个侧部，从而限定所述发光材料设备(1)的相互面对的第一和第二内面(2b，3b)，其中两个所述载体元件的相应的两个另一侧部指向外，从而限定所述发光材料设备(1)的两个外面(2a，3a)，
至少一个转换区域(4，5)，所述转换区域(4，5)包含发光材料并且设置在两个所述外面(2a，3a)中的至少一个上，
至少一个开口(6)，所述开口(6)设置在两个所述载体元件中的至少一个中，
机构(7)，所述机构(7)设计为用于两个所述载体元件(2，3)中的至少一个的旋转并且与两个所述载体元件中的一个相对于所述载体元件中的另一个中的所述开口(6)轴向地连接，
其中所述反射灯设备(20)设计为用于：使所述激发激光辐射(27，28)落到所述发光材料设备(1)的所述至少一个转换区域(4，5)上，再由所述至少一个转换区域(4，5)的发光材料进行波长转换，并且已进行波长转换的光的至少一部分落到所述至少一个反射器上。
2.根据权利要求1所述的反射灯设备，所述反射灯设备设计为用于：所述激发激光辐射(27，28)的至少一部分也至少暂时地落到所述发光材料设备的至少一个散射区域(34)上，再由所述散射区域(34)的以反射的方式散射的表面以反射的方式散射，并且已经以反射的方式散射的光的至少一部分落到所述至少一个反射器上。
3.根据权利要求1或2所述的反射灯设备，所述反射灯设备设计为用于：两个盘状的所述载体元件(2，3)中的至少一个旋转，并且冷却介质穿过所述载体元件中的一个(2)中的所述至少一个开口(6)进入，再流经两个盘状的所述载体元件(2，3)的所述内面(2b，3b)之间的内部空间并且在所述载体元件的边缘区域处流出。
4.根据权利要求3所述的反射灯设备，其中基本上径向地在两个盘状的所述载体元件(2，3)的所述内面(2b，3b)之间的中间空间中延伸的散热片(8)与所述发光材料设备的旋转方向相反地被弯曲。
5.根据权利要求3所述的反射灯设备，其中所述冷却介质是闭合冷却循环的组成部分。
6.根据权利要求1或2所述的反射灯设备，所述反射灯设备设计成：使得所述至少一个反射器具有至少一个焦点，并且使得所述至少一个转换区域(4，5)的至少一部分旋转穿过所述至少一个焦点。
7.根据权利要求1或2所述的反射灯设备，其中所述发光材料设备(1)的两个所述载体元件(2，3)的两个外面(2a，3a)设有转换区域(4，5)，并且其中所述反射器包括各具有至少一个焦点的两个半壳反射器(21，22)，其中所述反射灯设备设计成：使得两个所述转换区域(4，5)中的每一个旋转穿过半壳反射器(21，22)的焦点。
8.根据权利要求7所述的反射灯设备，所述反射灯设备设计成：使得两个半壳反射器(21，22)分别具有主焦点(FA，FC)和次焦点(FB，FD)，其中所述载体元件(2，3)的两个所述外面(2a，3a)上的所述转换区域(4，5)旋转穿过相应的所述主焦点(FA，FC)，并且两个所述次焦点(FB，FD)重叠成共同的焦点(FB,D)。
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