CN103574347A

CN103574347A - 具有发光材料轮的照明设备

Info

Publication number: CN103574347A
Application number: CN201310316661.0A
Authority: CN
Inventors: 奥利弗·梅尔
Original assignee: Osram Co Ltd
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: US9175829B2; US20140029237A1; DE102012213036A1; CN103574347B

Abstract

本发明提出一种具有激光设备（2）和发光材料轮（5）的照明设备（102），其中发光材料轮（5）除了用于发光材料转换（具有第一主波长的彩色光）的至少一个发光材料区域之外还具有用于光源（6）、特别是LED的具有更大的第二主波长的彩色光的至少一个透射区域。优选地，光源（6）的和激光设备（2）的光束路径共线地设置，其中发光材料轮（5）转动到激光设备（2）的和光源（6）的共同的光学轴中。通过混合具有更大的主波长的彩色光，彩色光通道的需要用于投影应用的主波长也能够通过借助于有效的发光材料所转换的具有极其小的主波长的彩色光来实现。

Description

具有发光材料轮的照明设备

技术领域

本发明涉及一种具有激光设备和发光材料轮的照明设备，所述发光材料轮设置在激光设备的光路中。此外，本发明涉及一种用于运行相应的照明设备的方法。

本发明尤其能够用于投影设备，例如用于电影投影和视频投影，用在工业的和医学的图像识别中，用在工程的和医学的内窥镜检查法中，用于娱乐行业中的灯光效果，用于医学的辐照以及用在汽车领域中，特别是用于车辆的前照灯。

背景技术

具有高的光通量和高的亮度的光源用在不同的领域中，例如同样如同在投影设备中那样用在内窥镜检查法中，其中为此当前最广泛地推广气体放电灯。在照明应用中，例如在投影和内窥镜检查法中，基于原则上已知的LARP（“Laser Activated Remote Phosphor”,激光激发远程磷光）技术，发光材料由远离其设置的激光器激发。在此，射到发光材料上的激光辐射由发光材料借助于波长转换而至少部分地转换为被波长转换的有效光。

对于发光材料通常使用旋转的发光材料轮，以便将平均时间中射中的激光辐射的激光辐射功率分布到较大的面积上，从而降低发光材料退化。发光材料轮具有用发光材料覆层的至少一个扇形区。扇形区能够是圆形扇形区或者圆环形扇形区。多个扇形区能够连续地、径向地和/或在周向方向上设置在发光材料轮的一侧上。扇形区通常用不同的发光材料覆层，所述发光材料将射中的激光辐射、例如将紫外（UV）辐射或者蓝紫光转换为其它波长范围中的辐射，例如转换为红色的（红色发光材料）、黄色的（黄色发光材料）、绿色的（绿色发光材料）或者蓝色的（蓝色发光材料）的波长范围中的光。借助于旋转的彩色轮的相继的彩色发光材料扇形区也能够产生对于视频投影必要的在时间上连续的彩色光通道以用于供给图像产生单元。

由发光材料波长转换的光通常借助光学设备，例如借助反射器、聚光透镜或者TIR透镜（TIR：Total Internal Reflection，全内反射；例如，锥形玻璃棒）聚集并且继续用于相关的应用。

缺点在于，红色发光材料在其由更高的面功率密度的激光辐射辐照时（例如10-50W/mm²）与黄色和绿色发光材料相比具有更低的转换效率。由此，尤其对于红光而言能够借助LARP技术实现的光通量和亮度受到限制。此外，一些有效的发光材料具有对于一些应用、特别是对于视频投影不是最佳的主波长。一种光色的光（彩色光）的主波长（也被称为主要波长）在CIE色表（标准比色表）中通过从白点经由彩色光的已测定的色度坐标延伸的直线与CIE色表的最近的边缘的光谱轨迹的交点来限定。例如，有效的红色发光材料仅具有大约600nm的主波长。而对于投影应用而言，相反通常需要主要波长在大约600至620nm的范围中的红光。

发明内容

本发明的目的是改进这种照明设备。在此，一个方面是，也在应用有效的发光材料时实现彩色光通道的对于投影应用而言所需要的主波长。

所述目的通过一种照明设备来实现，所述照明设备具有：发光材料轮，所述发光材料轮具有第一侧部和第二侧部，其中第一侧部具有发光材料区域，并且其中发光材料轮具有透射区域；激光设备，所述激光设备用于用激光辐射照射发光材料轮的第一侧部上的发光材料区域的至少一部分，其中发光材料区域具有下述发光材料，所述发光材料能够通过激光辐射辐照并且所述激光辐射以至少部分地波长转换成具有第一主波长的彩色光的方式又继续放射；光源，所述光源用于用第二主波长的彩色光来照射透射区域，并且其中第二主波长大于第一主波长。

特别有利的设计方案存在于从属权利要求中。

此外，所述目的关于其用于运行根据本发明的设备的方面通过具有权利要求15的特征的方法来实现。

本发明基于下述知识，用于产生彩色光的具有高的转换效率的一些发光材料、特别是红色发光材料具有尤其对于投影运用而言过小的主波长。

本发明的基本思想目前在于，激光激发的发光材料的、特征在于其主波长的彩色光借助光源的、特别是LED的其它彩色光来补充，其中所述彩色光的主波长大于借助于发光材料转换所产生的光的主波长。

通过目的明确地混合具有比有效的发光材料的彩色光的主波长更大的主波长的彩色光，产生具有比有效的发光材料的初始的彩色光的主波长更大的主波长的混合光。此外，以所述方式，具有本身极其小的主波长的有效的发光材料也能够用于投影应用。混合光的主波长通过混合具有适当大的主波长的彩色光而设定成适合于相应的应用。在本文中证实为有利的是，混合的彩色光的主波长比相关的、借助于发光材料转换而产生的彩色光的主波长大至少1nm和至多50nm，优选大至少10nm和至多30nm。对于借助于红色发光材料转换而产生的红光，例如发射波长为618nm的LED的光适合用于混合。替选地，也能够使用发射波长为638nm的LED。

时间上在发光材料转换之后，直接在结束时或者在中间阶段之后进行混合。通过发光材料转换（彩色光具有第一主波长的阶段）的持续时间与混合的彩色光（彩色光具有第二主波长的阶段）的持续时间和强度的关系能够对于人眼而言控制该混合对光通量或者波长校正的影响。

为了该目的，根据本发明的照明设备包括发光材料轮，所述发光材料轮除了用于发光材料转换（彩色光具有第一主波长的阶段）的至少一个发光材料区域之外附加地具有用于混合的彩色光（彩色光具有第二主波长的阶段）的至少一个透射区域。为具有第二主波长的彩色光设有相应的光源，特别是LED。所述光源设置成，使得由其放射的彩色光能够辐射穿过发光材料轮的透射区域。

在根据本发明的照明设备的一个优选的设计方案中，设有二向色镜以用于耦合输出借助于发光材料转换产生的彩色光（第一主波长）。为此，二向色镜对于具有第一主波长的彩色光（借助于发光材料转换产生的彩色光）具有高的反射率，但是对于激光辐射具有高的透射率。此外，二向色镜在由激光设备发射的辐射的光路中设置在激光设备和发光材料轮之间。优选地，二向色镜设置成，使得由激光设备发射的激光辐射的入射角在30°和60°之间、优选为45°。以该方式能够实现根据本发明的照明设备的特别紧凑的结构形式。

优选地，设为用于混合的光源设置成，使得由其放射的具有第二主波长的彩色光穿过发光材料轮的透射区域而射到所提到的二向色镜上。为此，光源和激光设备设置在共同的光学轴中，发光材料轮伸入到所述光学轴中。在激光设备辐射到发光材料轮的第一侧部上、也就是辐射到具有发光材料区域的侧部上时，光源辐射到发光材料轮的相反的第二侧部上。这种共线的光学设置具有下述优点：所提到的二向色镜不仅能够用于通过发光材料转换所产生的彩色光（第一主波长）的耦合输出，而且能够用于光源的彩色光（第二主波长）的耦合输出。为此，二向色镜设计成对于混合的彩色光（第二主波长）也具有高的反射。

透射区域能够通过对于光源的彩色光而言透明的材料来构成，或者也通过发光材料轮中的留空部、例如细长开口状的开口来构成。优选地，留空部具有圆环部段的形状。透射区域也能够是多段的。

用于混合具有更大主波长的彩色光的光源优选为至少一个LED（Light Emitting Diode，发光二极管）。没有发光材料转换的LED具有下述优点：所述LED以相对窄带的方式（除了超发光二极管之外）放射，也就是说所述LED的主波长大约相应于其发射波长。LED能够极其紧密于发光材料轮设置成，使得由所述LED放射的具有第二主波长的彩色光能够辐射穿过转动经过的留空部。替选地，能够在光源和发光材料轮之间设有光学系统，所述光学系统将光源的发射光的面投影到发光材料轮的平面中。

激光设备尤其能够包括至少一个半导体激光器，特别是二极管激光器或者激光二极管。多个相同类型的和/或不同的激光二极管也能够被成组地一起运行，例如作为堆栈（“laser stack，激光器堆栈”）或者矩阵。

在由激光设备发射的激光辐射的光路中优选地设有聚焦设备，所述聚焦设备设置在二向色镜和发光材料轮之间。聚焦设备一方面将激光设备的激光辐射会聚到发光材料轮的转动经过的发光材料区域上。另一方面，聚焦设备聚集由发光材料区域的发光材料进行波长转换并且散射回的彩色光并且将其输送给二向色镜以用于耦合输出。发光材料轮也能够具有带有彼此不同的发光材料的一个或多个另外的发光材料区域，以便能够借助于发光材料转换产生具有其它光色的光。此外，多个各为单色的照明设备能够借助适当的混合以模块化的方式并联，以便产生多色的光。

对于用于混合与借助于发光材料转换产生的彩色光的主波长相比具有更大主波长的彩色光的其它的细节和设计方案可参见下面的实施例。在此针对根据本发明的照明设备所描述的设计方案可能性、特征和其优点，只要能够应用，就以类似的方式适用于根据本发明的方法。

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1示出具有能够转动的发光材料轮的根据第一实施形式的照明设备，

图2示出图1的照明设备的发光材料轮的一个可能的实施形式的俯视图，

图3示出图1的照明设备的发光材料轮的发光材料部段的和红光的、蓝色的激光辐射的时间变化，

图4示出图1的照明设备的一个变型形式，

图5示出图1的照明设备的另一个变型形式，

图6示出图5的照明设备的一个变型形式，

图7示出图6的照明设备的发光材料轮的一个可能的实施形式的俯视图。

具体实施方式

在不同的实施例中相同的附图标记在下文中表示相同的或相同类型的特征。

图1作为示意图在侧视图中示出根据本发明的照明设备1的第一实施例。所述照明设备包括激光设备2，例如为由具有各1瓦的激光辐射功率的4×5个激光二极管组成的激光二极管矩阵，所述激光二极管矩阵放射发射波长例如大约为460nm的蓝色的激光辐射b。蓝色的激光辐射b辐射穿过二向色镜3，所述二向色镜对于小于475nm的波长具有高的透射，而对于大于475nm的波长具有高的反射。在经过二向色镜3之后，激光辐射b射到聚焦设备4、例如聚光透镜上，所述聚焦设备将激光辐射b聚集到发光材料轮5上。

图2以俯视图示出发光材料轮5的一个可能的实施形式。发光材料轮5能够围绕转动轴W如同通过弯曲的箭头所表示的那样转动（具有转动轴承的对此必要的马达等为了概括而没有示出）并且简单地由薄的圆形的金属盘构成。在朝向激光设备2的侧部上，发光材料轮5具有三个发光区域51、52和53，所述发光区域构成为与转动轴W同心的环上的相邻的环部段。所述环通过以细长开口形式的透射区域54来补充完整。第一发光区域51由第一发光材料层Y覆盖，第二发光区域52由第二发光材料层G覆盖并且第三发光区域53由第三发光材料层R覆盖。相应的发光材料层51至53以例如为大于95%的高的转换率通过“降频转换”将激光设备2的蓝色的激光辐射b转换为黄光（黄色发光材料Y）、绿光（绿色发光材料G）或者红光（红色发光材料R）。在发光材料轮5的背离激光设备2的侧部上以尽可能小的间距（典型地几毫米）设置红色的LED6（Light Emitting Diode，发光二极管）。在此是InGaAlP类型的主波长为618nm的LED Q6WP（欧司朗公司）。红色的LED6设置成，使得红光在发光材料轮5的适合的转动阶段中能够辐射穿过细长开口54并且射在二向色镜3上。为此，红色的LED6的主辐射方向定向为与蓝色的激光辐射的光路共线从而限定照明设备1的光学轴。二向色镜3设置为以45°倾斜于所述光学轴。由此，二向色镜3根据应用将红色的LED6的红光针对其它的应用而垂直于光学轴反射到光学积分器7、例如TIR棒或者其它的光学系统中。对于运行照明设备1的进一步的阐述在下文中也参考图3。

图3示出转动的发光材料轮5关于转动穿过光学轴的圆环扇形区S（细长开口54）、Y（黄色发光材料区域51）、G（绿色发光材料区域52）和R（红色发光材料区域53）的时间次序。上方的信号变化示出红色的LED6的红光r的与此在时间上相关联的归一化的强度变化I_r。其下方示出蓝色的激光辐射b的相应的信号变化I_b。在细长开口扇形区S转动穿过光学轴期间，仅红色的激光二极管6被接通（I_r=1）。相反地，蓝色的激光二极管矩阵2在所述阶段期间被关断（I_b=0），因此激光辐射不能够穿过细长开口54射到红色的LED6上并且可能损坏所述LED。在随后三个发光材料扇形区Y、G、R依次转动穿过光学轴时，红色的LED6出于能量效率原因优选地被关断（I_r=0）并且仅蓝色的激光二极管矩阵2被接通（I_b=1）。蓝色的激光辐射b通过三个发光材料扇形区Y、G、R的相应的发光材料被依次转换为黄光、绿光或者红光。作为发光材料例如可以考虑：

红色发光材料（R）：CaAlSiN₃:Eu，

绿色发光材料（G）：YAG:Ce(Y_0.96Ce_0.04)₃Al_3.75Ga_1.25O₁₂，

黄色发光材料（B）：(Y_0.96Ce_0.04)₃Al_3.75Ga_1.25O₁₂。

相应的被波长转换的彩色光（黄色、绿色、红色）由聚光透镜4会聚并且经由二向色镜3耦合输入到光学积分器7中（可能经由另一个在二向色镜3下游接入的聚光透镜而聚焦到其中）。通过用红色的LED的红光来补充红色发光材料转换的红光，由于人眼的惯性，对于红色的光谱部分实现时间上平均的光通量的增加。此外，这两个红光部分的总和的主波长超过600nm，如同尤其对于视频投影时需要的。此外，该实施例的特征在于其简单性，因为仅需要相对少量的部件。

尽管上面的实例根据红色发光材料和发射红光的LED来阐明，但是本发明也可用于其它的彩色光发光材料，例如用于与发射蓝光的光源（第二主波长）组合的蓝色发光材料（第一主波长），与发射绿光的光源（第二主波长）组合的绿色发光材料（第一主波长）等等。在产生白光方面适合的组合例如还有具有黄色发光材料的发光材料区域连同具有蓝色发光材料的发光材料区域（第一主波长）和蓝色的LED（第二主波长）。

图4示出在图1中示出的、具有附加的蓝光通道照明设备的一个变型形式101。为此补充地设有蓝色的LED8。蓝色的LED8的蓝光经由准直透镜9被聚集到二向色镜3上。二向色镜3允许蓝色的LED8的蓝光经过，因为所述二向色镜针对蓝色光谱范围中高的透射来设计。此后，蓝光到达光学积分器7中。蓝色的LED8以时钟脉冲的方式运行，为此在发光材料轮2的每次完整的旋转之内插入用于蓝光的中间阶段。在所述“蓝色”的阶段中能够关断蓝色的激光二极管矩阵2和/或在发光材料轮2上设有不含发光材料的扇形区。该实施例例如适合作为照明设备用于具有图像产生单元的视频投影器，所述图像产生单元具有色彩通道红色（r）、黄色（y）、绿色（g）和蓝色（b）。

在图5中示意性示出的照明设备102与在图1中示出的变型形式的不同仅在于，在红色的LED6和发光材料轮2之间将光学系统接入其之间，所述光学系统将红色的LED6的发射光的面投影到发光材料轮2的平面中。对此，在红色的LED6的下游接入准直透镜10，所述准直透镜将LED6的红光变换为准平行的光束，所述光束由聚光透镜11聚集到发光材料轮2的平面中。相对于图1的简单的变型形式，该变型形式具有下述优点：LED6的红光能够精确地成形从而以较低的损耗穿过细长开口54并且经由随后的聚光透镜4和二向色镜3耦合输入到光学积分器7中。

图6最后示出在图5中示出的照明设备的一个改进形式103。所述照明设备附加地具有用于将蓝色的激光用作蓝光通道的所谓的“环绕”分支。为了该目的，在用于投影红色的LED6的光学系统的两个透镜9、10之间以倾斜于光学轴45°的方式插入另一个二向色镜11。二向色镜11对于蓝色的激光辐射具有高的反射并且对于LED6的红光具有高的透射。由此可能的是，蓝色的激光辐射垂直于光学轴耦合输出，并且经由两个45°的镜子围绕发光材料轮60，并且转回到第一二向色镜3上（“环绕”）。因为第一二向色镜3对于蓝色的激光辐射是可穿透的，所述蓝色的激光辐射穿过第一二向色镜3到达光学积分器7中。在下文中对于运行方式的进一步的阐述也参考图7，图7示出发光材料轮60的一个可能的设计方案。发光材料轮60被划分为五个彼此相连的圆环扇形区61至65。第一细长开口扇形区63跟随两个发光材料扇形区61、62，随后跟随有发光材料扇形区64并且最后跟随有第二细长开口扇形区65。蓝色的激光二极管矩阵2仅在第一细长开口扇形区63期间被关断，因为这个阶段如同在图5中所描述的那样设为用于LED6的红光。发光材料扇形区61、62和64覆层有红色发光材料（R）、黄色发光材料（Y）和绿色发光材料（G），并且如同在图5中那样用于产生红光、黄光或者绿光。第二细长开口扇形区65用于通过环绕分支辐射蓝色的激光辐射从而产生蓝色的（激光）光部分。因此，在发光材料轮60完整旋转时，依次产生红光（发光材料转换）、黄光（发光材料转换）、红光（LED）、绿光（发光材料转换）和蓝光（激光器）。此外，所述彩色光顺序也考虑到下述知识，在彩色光变化为亮-暗-亮-暗的情况下，与在亮-亮-暗-暗的情况下相比对于人眼而言出现出现更低的闪烁效果。

Claims

1.一种照明设备（1），具有：

发光材料轮（5），所述发光材料论（5）具有第一侧部和第二侧部，其中所述第一侧部具有发光材料区域（51-53），并且其中所述发光材料轮（5）具有透射区域（54），

激光设备（2），所述激光设备（2）用于借助激光辐射照射所述发光材料轮（5）的所述第一侧部上的所述发光材料区域（51-53）的至少一部分，

-其中所述发光材料区域（51-53）具有下述发光材料，所述发光材料能够由所述激光辐射辐照并且所述激光辐射以至少部分地波长转换成具有第一主波长的彩色光的方式又继续放射，

光源（6），所述光源（6）用于借助第二主波长的彩色光照射所述透射区域（54），并且

-其中所述第二主波长大于所述第一主波长。

2.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述第二主波长大于所述第一主波长至少1nm和至多50nm，优选至少10nm和至多30nm。

3.根据权利要求1或2所述的照明设备，其中所述光源（6）设置成，使得由所述光源（6）放射的彩色光能够辐射到所述发光材料轮（5）的所述第二侧部上并且穿过所述发光材料轮（5）的所述透射区域（54）。

4.根据上述权利要求之一所述的照明设备，所述照明设备具有二向色镜（3），所述二向色镜（3）在由所述激光设备（2）发射的辐射（b）的光路中设置在所述激光设备（2）和所述发光材料轮（5）之间，其中所述二向色镜（3）对于所述激光辐射（b）具有高的透射率并且对于具有所述第一主波长的彩色光具有高的反射率。

5.根据权利要求4所述的照明设备，其中所述二向色镜（3）设置成，使得由所述激光设备（2）发射的所述辐射（b）的入射角在30°和60°之间，优选为45°。

6.根据权利要求4或5所述的照明设备，其中所述二向色镜（3）对于具有所述第二主波长的彩色光具有高的反射率并且所述光源（6）设置成，使得由所述光源放射的彩色光能够穿过所述发光材料轮（5）的所述透射区域（54）射到所述二向色镜（3）上。

7.根据上述权利要求之一所述的照明设备，其中所述光源（6）包括至少一个LED。

8.根据上述权利要求之一所述的照明设备，其中所述透射区域（54）对于所述光源（6）的彩色光是透明的。

9.根据上述权利要求之一所述的照明设备，其中所述透射区域（54）构成为所述发光材料轮（5）中的留空部。

10.根据上述权利要求之一所述的照明设备，其中所述透射区域是多段的。

11.根据上述权利要求之一所述的照明设备，所述照明设备具有聚焦设备（4），所述聚焦设备（4）在由所述激光设备（2）发射的所述激光辐射的光路中设置在所述二向色镜（3）和所述发光材料轮（5）之间。

12.根据上述权利要求之一所述的照明设备，所述照明设备具有至少一个另外的发光材料区域（52），所述另外的发光材料区域（52）具有与其它的所述发光材料区域（53）的发光材料（R）不同的发光材料（G）。

13.根据上述权利要求之一所述的照明设备，所述照明设备具有在光源（6）和发光材料轮（5）之间的光学系统（9，10）以用于将所述光源（6）投影到所述发光材料轮（5）的平面上。

14.根据上述权利要求之一所述的照明设备，所述照明设备具有在所述发光材料轮（5）和所述光源（6）之间的二向色镜（11），其中所述二向色镜（11）对于所述激光辐射（b）具有高的反射率并且对于由所述光源（6）放射的具有所述第二主波长的彩色光具有高的透射率。

15.一种用于运行根据上述权利要求之一所述的照明设备的方法，具有下述方法步骤：

-借助所述激光设备（2）的所述激光辐射照射所述发光材料区域（53），以用于产生借助于发光材料转换产生的具有所述第一主波长的彩色光，

-通过运行所述光源（6）产生具有所述第二主波长的彩色光。