CN103403438A - 具有荧光元件的照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种照明设备（1），其包括：用于发射激励光（3、6）的激励光源（2）例如蓝色激光二极管阵列；荧光元件（11），其包括用于将激励光至少部分地转换为黄光（12）的荧光物质（9）；用于发射蓝光（13）的固态光源（14）例如蓝色LED；光学系统，其用于将激励光引导至荧光元件上并且对蓝光（13）和所转换的黄光（12）进行引导和混合。光学系统可包括用于反射蓝光（3；13）和透射黄光（12）的分色镜（5）。

Description

具有荧光元件的照明设备
技术领域
本发明涉及一种照明设备，其包括用于将激励光转换为转换的光的荧光元件。
背景技术
对于采用导光器的许多照明应用，特别是对于内窥镜检查术、显微检查术和医疗头灯的照明应用，具有高显色指数（CRI）和光通输出以及高亮度的光源是必需的。传统上，已使用嵌入反光镜中的具有几百瓦输入功率的氙短弧放电灯（例如，欧司朗的XBO
Figure BDA0000374087980000011
）。由于相对较高的输入功率、有限的寿命、发光特性不断变化、以及对照明目标的不利的热冲击，因此对替代的、更节能的光源的需求已经不断增长。对于一般的照明应用，例如发光二级管（LED）的固态光源越来越受欢迎。然而，白色LED仍然不能提供特别的照明应用所需的高光通输出和亮度。
US7,494,228B2公开了一种用于对来自不同LED或激发荧光物质的不同光色进行混合的光生成系统。图7示出了包括蓝色或紫外线LED的阵列的系统，蓝色或紫外线LED通过分色镜（dichroic mirror）82激发绿色荧光物质74。所转换的绿色光由分色镜反射到混合管道90中。此外，由蓝色LED阵列92发射的蓝光和由红色LED阵列98发射的红光由相应的分色镜96、102反射到混合管道90中。相应地，绿光、蓝光和红光在混合管道90中混合并且引导至混合管道90的输出端104。输出端开口匹配至导光器52。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于至少一个固态光源适合用于需要高亮度白光的照明应用的照明设备。
本发明的方面还在于提供一种适合用于技术和医疗的导光器应用的固态照明设备。
本发明的目的通过一种照明设备实现，其包括：用于发射激励光的激励光源；荧光元件，其包括用于将激励光至少部分地转换为黄光的荧光物质；用于发射蓝光的固态光源；光学系统，其用于将激励光引导至荧光元件上并且对蓝光和所转换的黄光进行引导和混合。
优选实施方式的附加特征在从属权利要求中限定。
根据本发明，由荧光物质层在受到激励光激励时发射的转换的黄光与由至少一个固态光源发射的蓝光混合从而形成白光，该至少一个固态光源例如为激光二极管或诸如蓝色高功率多芯片LED之类的发光二极管（LED）。
在本发明的背景下，术语“荧光物质”指任何的波长转换物质，例如荧光性材料或磷光性材料。此外，荧光物质还可包括多于一种荧光物质成分，即，荧光物质可为具有两种或更多种荧光物质成分的混合物。
为了获得尽可能高的光通输出，激励光源可包括至少一个激光光源、优选地为激光二极管、激光二极管堆或激光二极管阵列。在多个激光光源的情形中，每个激光光源均可发射具有相同的特定中心波长（例如，450nm、445nm或405nm）的激光，即，所有的激光光源为相同类型。替代性地，激励光可包括具有不同中心波长的激光的混合物，即，可采用不同类型的多个激光光源。
依据所使用的荧光物质的类型，激励光可为要转换为黄光即具有更长波长（“向下转换”）的光的蓝光或紫光或甚至是紫外光。根据优选实施方式，激光二极管阵列发射具有大约450nm波长的激励光（蓝光）。蓝色激光通过适当的荧光物质例如YAG:Ce或(Y0.96Ce0.04)3Al3.75Ga1.25O12至少部分地转换波长至具有近似570nm峰值的宽光谱分布的黄光。可使用发射黄光的任何其他适当的荧光物质，或者甚至可使用作为整体发射黄光的具有两种或更多种荧光物质成分的混合物。转换波长的黄光与例如具有近似为470nm的波长的蓝色LED光混合，从而产生白光。
从照明设备发出的混合光的特别是CRI的发光特性可通过将红光和/或绿光叠加至黄光和蓝光而进一步提高。出于此目的，照明设备还可包括发射红光的和/或发射绿光的LED和/或辅助荧光元件，其包括发射红光的荧光物质例如(Sr，Ba，Ca)2Si5N8或CaAlSiN3:Eu，和/或发射绿光荧光物质例如(Ba0.40Eu0.60Mn0.30)MgAl10O17。辅助的发射红光和/或发射绿光荧光物质可与发黄光荧光物质混合以发射转换的混合光，转换的混合光包括黄光和红光和/或绿光。最终，转换的混合光与由至少一个固态光源发射的蓝光混合，从而产生具有提高的CRI的混合白光。
优选地，通过对激励光源和至少一个蓝色LED的相应输出功率进行调节和控制，可获得混合白光的相关色温（corresponding color temperature，CCT）的预调节值例如5000 k或6000k，以及显色指数（CRI）的预调节值例如最小值为60、优选地最小值为70、更优选地最小值为80。
根据优选实施方式，荧光元件包括具有前面的承载构件，由此将荧光物质例如作为荧光物质层布置在承载构件的前面上。有利地，承载构件由具有适当冷却特性的金属材料例如铜、铝等制成，从而便于消散当激励光撞击在荧光物质层上时产生的热量。为了进一步改善冷却，荧光元件还可布置在旋转装置上。如果承载构件包括固体本体，则转换波长的光由光学系统反射离开荧光元件并且进行收集和混合（“反射模式”）。然而，承载构件还可包括用于对转换波长的光进行透射的透光片（“透射模式”）。
光学系统可包括分色镜，分色镜具有后侧和前侧，前侧和后侧中的每一者例如均可包括干涉层。后侧适于将激励光反射到荧光元件上并且对从荧光元件射出的转换的黄光进行透射。前侧适于对蓝色LED光进行反射并且对所转换的黄光进行透射。因此，所转换的黄光通过分色镜透射，但激励光受到阻断。这在使用激光来激励荧光物质时特别有利，这是由于合成的混合白光不含激光，这对于某些应用、特别是医疗应用是有意义的。优选地，照明设备的所有元件布置并调节成使透射的黄光和反射的蓝色LED光在相同的方向离开照明设备，从而产生用于进一步的利用的混合白光，例如，用于联接到例如玻璃纤维的导光器中。
光学系统还可以包括布置在荧光元件的前方的第一光学元件，其用于将激励光引导至荧光物质层上。这特别是在使用高功率的激光来激励荧光物质时可有助于避免荧光物质层上的热点。所转换的黄光在分色镜的后侧的方向上由第一光学元件收集和引导。此外，第二光学元件可布置在蓝色LED的前方，以在分色镜的前侧方向上引导蓝色LED光。光学元件中的每一个均可呈长形并且设计成沿其纵向轴线通过全内反射（TIR）对光进行透射。例如准直透镜的附加的光学元件对于形成照明设备的各种光束可为有益的。进一步的细节将在对附图的说明中进行解释。
此外，两个或更多个混合白光束——每个混合白光束均从根据本发明的独立的照明设备发出——可以以模组化方式混合以增强光通输出。
附图说明
现在将参照附图通过示例对本发明的优选实施方式进行描述，附图中：
该图示出了根据本发明的照明设备的实施方式的俯视示意图。
具体实施方式
该唯一的附图示意性地示出了根据本发明的照明设备1的优选实施方式，其设计用以代替例如在内窥镜检查术、显微检查术和医疗头灯的照明应用中的300W的氙灯。
包括6乘7的单独的蓝色激光二极管（未示出）的激光二极管阵列2输送大约42W的总激光输出功率。包括布置成形成6乘7的激光束矩阵阵列的42个单独的激光束（未示出）的蓝色激光束3由分色镜5的后侧4反射。出于此目的，分色镜5的后侧4包括用于反射蓝光但透射黄光的干涉覆层。分色镜5倾斜成使入射蓝色收集激光束3的入射角大约为45°。因此，入射收集激光束3和反射收集激光束6之间的角度大约为90°。反射收集激光束6穿过透镜7，透镜7将42个单独的激光束聚焦在第一TIR光学元件（全内反射光学元件）8的4mm2的入口上。第一TIR光学元件8通过全内反射将单独的激光束引导至荧光物质层9上，因此避免了荧光物质层9上的热点。TIR光学元件8呈长形的且渐缩的形状，由此，TIR光学元件8的较小端部面对荧光物质层9。荧光物质层9涂覆在承载构件10上，从而构成荧光元件11。由于铝的合适的热性能，承载构件10由铝制成。荧光物质层9具有大约40μm的厚度并且由发射黄光的荧光物质(Y0.96Ce0.04)3Al3.75Ga1.25O12组成。荧光物质层9将几乎所有（大于95%）的撞击蓝色收集激光束6转换为黄光，黄光由TIR光学元件8收集和引导。黄色光束12越过TIR光学元件8并且通过透镜7平行化，因而避免了与分色镜5的指定入射角的不可接受的偏差，从而确保通过其干涉覆层的最大透射。被往回散射的剩下的少数未透射的蓝色激光束6由分色镜5的后侧4阻断，因此避免了对人眼的危害。此外，从蓝色LED14（来自OSRAM OptoSemiconductor（欧司朗光电半导体）公司的LE B Q6WP）射出的蓝色光束13受引导通过第二TIR光学元件15，该第二TIR光学元件15与第一TIR光学元件8类似。蓝色LED14安装在冷却板16上。在穿过第二透镜17并由第二透镜17平行化后，蓝色光束13由分色镜5的前侧18反射。出于此目的，分色镜5的前侧18包括用于透射黄色光束12但反射蓝色LED光13的干涉覆层。包括蓝色LED14、第二TIR光学元件15以及第二透镜17的LED光支路关于倾斜的分色镜5对准成使得蓝色光束13在透射的黄色光束12的方向上反射，从而产生混合的白色光束19。混合的白色光束19经由第三透镜20聚焦在导光器（未示出）的入口孔上。由该照明设备1获得的光通输出大约为2600lm。
此外，为了对混合的白色光束的相关色温（CCT）和显色指数（CRI）进行调节和控制，可设置用于对激光二极管阵列2和蓝色LED14的相应输出进行调节和控制的装置（未示出）。对此，可布置传感器元件（未示出），用以检测从两个TIR光学元件散射的光。可使用传感器的信号分别对激光二极管阵列2和蓝色LED14的输入功率进行调节。

Claims (13)

1.一种照明设备（1），包括：
用于发射激励光（3、6）的激励光源（2）；
荧光元件（11），所述荧光元件（11）包括用于将所述激励光（2）至少部分地转换为黄光（12）的荧光物质；
用于发射蓝光（13）的固态光源（14）；
光学系统，所述光学系统用于将所述激励光（3、6）引导至所述荧光元件（11）上并且对所述蓝光（13）和所转换的黄光（12）进行引导和混合。
2.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述光学系统包括分色镜（5），所述分色镜（5）具有后侧（4）和前侧（18），所述后侧（4）适于将所述激励光（3）反射到所述荧光元件（11）上并且透射从所述荧光元件（11）射出的所转换的黄光（12），所述前侧（18）适于反射从所述固态光源（14）发出的所述蓝光（13）并且透射所转换的黄光（12）。
3.根据权利要求2所述的照明设备，其中，所述光学系统还包括布置在所述荧光元件（11）的前方的第一光学元件（8），所述第一光学元件（8）用于将所述激励光（6）引导至所述荧光元件（11）上并且在所述分色镜（5）的后侧（4）的方向上收集和引导所转换的黄光（12）。
4.根据权利要求2或3所述的照明设备，其中，所述光学系统还包括布置在所述固态光源（14）的前方的第二光学元件（15），所述第二光学元件（15）用于在所述分色镜（5）的前侧（18）的方向上引导从所述固态光源发出的所述蓝光（13）。
5.根据权利要求3或4所述的照明设备，其中，所述光学元件（8；15）呈长形并且设计成沿其纵向轴线通过全内反射（TIR）对光进行透射。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中，所述荧光元件（11）的荧光物质包括(Y0.96Ce0.04)3Al3.75Ga1.25O12。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中，所述荧光元件的荧光物质还包括发射红光的荧光物质和/或发射绿光的荧光物质。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中，所述激励光为蓝光（3、6）。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中，所述激励光源（2）包括激光光源，特别是激光二极管、激光二极管堆体或激光二极管阵列。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中，所述固态光源包括蓝色发光二极管（LED）。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中，所述荧光元件（11）包括承载构件（10），所述承载构件（10）具有前面，由此将所述荧光物质布置在所述承载构件（10）的所述前面上。
12.根据权利要求11所述的照明设备，其中，所述承载构件包括旋转装置。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，还包括控制系统，所述控制系统用于通过对所述激励光源和所述固态光源的相应的输出功率进行控制和调节而获得预调节的CRI。
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