CN104141924B - 荧光材料轮和具有该荧光材料轮和泵浦光源的照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种荧光材料轮和一种具有泵浦光源(2)和荧光材料轮(4)的照明装置(1)。荧光材料轮(4)具有至少两个分区段的荧光材料层。荧光材料层的前侧表面不形成共同的平面而是相反形成一种形貌，其中荧光材料层的表面在不同的假想平面中延伸。当荧光材料轮(4)旋转经过泵浦光的光束腰时，以该方式调整泵浦光在相应的荧光材料层上的泵浦光斑的大小进而还有功率密度分布。

Description

荧光材料轮和具有该荧光材料轮和泵浦光源的照明装置
技术领域
本发明基于一种照明装置，其具有泵浦光源和用于将泵浦光的至少一部分转换成转换光的荧光材料轮。
这种照明装置尤其能够用作为投影器中产生光的单元，这种投影器例如用于视频投影或数据投影。
背景技术
从现有技术、例如参考文献US2010/0245777A1中已知用于投影应用的照明装置，所述照明装置具有带有一种或多种荧光材料的荧光材料轮。所述照明装置在此包括泵浦光源，所述泵浦光源激发荧光材料以发射波长不同于泵浦光波长的光(借助于荧光材料进行泵浦光的波长转换)。通常，荧光材料在荧光材料轮的旋转方向上彼此紧随地布置，使得时间上连续地产生由相应的荧光材料所发射的光(转换光)并且输送给投影系统。
优选地使用激光器、例如激光二极管作为泵浦光源。在该情况下，该技术也根据名称LARP(“Laser Activated RemotePhosphor”激光激发远程磷光)所已知。
荧光材料的转换效率(＝相对于泵浦光辐射功率的转换光辐射功率)与荧光材料的温度相关进而与泵浦光在荧光材料上的强度相关。荧光材料的转换效率随着温度和强度上升而下降。因为荧光材料的温度分布与泵浦光在该荧光材料上的强度分布相关，所以原则上存在荧光材料的转换效率与泵浦光在荧光材料上的强度分布的至少一种间接相关性。将荧光材料的转换效率随泵浦强度或荧光材料温度上升而下降的情况称作淬灭(Quenching)。
例如在LARP投影应用中荧光材料上的光分布通常是在荧光材料的转换效率和光学装置的几何效率之间的协调，所述光学装置收集荧光材料的转换光并且为了应用而传播，其在下面也称作收集光学装置。泵浦光强度越低，荧光材料效率就越高。在另一方面，当通过孔径越来越多地切去由收集光学装置产生的泵浦光面图像时，随着荧光材料上的用泵浦光照射的面积(泵浦光面积)扩大，收集光学装置的效率下降。因此，泵浦光面的大小是一种协调，以便使总效率(这是荧光材料转换效率和收集光学装置的效率的乘积)最大化。
不同的荧光材料均具有不同的淬灭特性。由此对于荧光材料上的泵浦光分布存在不同的要求，以便使总效率最大化。如果荧光材料位于平坦的荧光材料轮上，那么对于非时间变化的泵浦光源而言，至今以相同的泵浦光分布照射全部的荧光材料。在此，由于荧光材料转换效率和荧光材料轮上的每种荧光材料的几何效率的乘积不同，因此会造成系统总效率损失。
发明内容
本发明的目的在于，至少部分地克服现有技术的缺点并且尤其是提出一种用于照明装置的、尤其是用于投影应用的照明装置的荧光材料轮，所述荧光材料轮也适合用于更高的泵浦功率，尤其是也在应用具有在泵浦光率密度过高时降低的转换效率的荧光材料的情况下适合于更高的泵浦功率。
所述目的通过根据独立权利要求的特征来实现。优选的实施形式尤其能够由从属权利要求中得出。
所述目的通过照明装置的用于将泵浦光转换成转换光的荧光材料轮来实现，所述荧光材料轮设计用于围绕旋转轴线旋转，所述荧光材料轮具有承载基底和至少两个设置在其上的荧光材料区域，其中第一荧光材料区域包括具有第一荧光材料的第一荧光材料层以用于发射第一光色的转换光，第二荧光材料区域包括具有第二荧光材料的第二荧光材料层以用于发射第二光色的转换光，第一荧光材料层的设置用于利用泵浦光进行照明的前侧的表面这样平坦地设计，即，使得表面限定假设的第一平面，第二荧光材料层的设置用于利用泵浦光进行照明的前侧的表面这样平坦地设计，即，使得表面限定假设的第二平面，并且其中第一平面和第二平面彼此相对地平行移动了间距D。
本发明的基本思想在于：在具有不同的转换效率相关性的、尤其具有不同的泵浦光功率相关的转换效率的荧光材料上设有不同的泵浦光分布。为此，将荧光材料轮这样设计，即，使得将不同的荧光材料层的至少前侧(即朝向所出现的泵浦光射束的)表面相对于所出现的泵浦光射束布置在不同的平面中。因此，荧光材料层的前侧表面仿佛形成一种形貌(Relief)。荧光材料的后侧表面整体上能够设计为平坦的或者也形貌状的，其中在后一种情况下，相应的荧光材料层的厚度也会是不同的。
能够这样进行光学设计，即，使得泵浦激光焦点位于荧光材料的前侧表面之前、之中或之后。在后一种情况下，(假设的)泵浦激光焦点尤其也能够位于荧光材料层内。
在相应的光学设计的情况下，泵浦光射束例如射到荧光材料层在聚焦光学装置的焦平面中的前侧表面上，并且射到另一荧光材料层在焦平面之前或之后的前侧表面上。因为荧光材料层的由泵浦光所照射的面积(＝泵浦光面积)随距离焦平面的间距而扩大(更确切地说在远离焦平面的两个方向上在光束腰之内)，被照射的荧光材料层上的泵浦光强度(＝相对于被照射的面积的泵浦光功率)的泵浦光强度相应地降低进而荧光材料的局部温度负荷降低。
通常，借助于光学装置对转换光进行收集和准直。当以反射模式进行荧光材料转换时，前述聚焦光学装置也能够用于此。转换光然后以与射入的泵浦光相反的方向经过光学装置。当荧光材料轮设计用于透射模式时，借助于单独的装置光学装置对转换光进行收集和准直，所述单独的准直光学装置在荧光材料轮的另一侧上设置为聚焦光学装置。
此外，转换光、可能地连同泵浦光的一部分能够为了空间上的均匀化而耦合输入到光学集合器中。为此，荧光材料的基于转换光发射而发光的区域(转换发光斑)投影到光学集成器的输入孔径中，所述发光区域尽可能地与泵浦射束斑一致。典型地在投影应用中，投影比为2:1至4:1。因此能够通过集成器孔径有效地引导由发光区域所发射的转换光，发光区域的尺寸必须受最大尺寸限制。该最大尺寸相应于集成器孔径在荧光材料层的表面上的光学投影图像面积。如果扩大泵浦射束斑并且进而发光斑超出在该面积，那么光学效率下降。
另一方面，在具有强淬灭的荧光材料中，转换效率尤其强地随着泵浦功率下降而上升。在这种荧光材料中能够是有利的是扩大泵浦射束斑，更确切地说当荧光材料的转换效率的上升超过光学效率的下降时总是这样扩大。如能够从在图6中示出的实例中得出的，对于不同的荧光材料(在此为红色R和黄色Y)得到不同的协调，以用于使耦合输入到集成器孔径中的输出功率PA最大化。因为红色荧光材料R与黄色Y相比更强地随着泵浦强度淬灭，所以在此有利的是，应用更大的泵浦射束斑直径Φ。此外，在实施例中在进一步在下面应用的发绿色的荧光材料(“绿色荧光材料”)示出与图6中示出的黄色荧光材料类似的性能，尤其是淬灭性能。
此外，能够通过所属的假设平面的间距D来影响在两个荧光材料层的相应的前侧表面上的相应泵浦光斑的尺寸之间的区别。间距D以下述顺序优势递增地位于0.1mm和2mm之间的范围中、0.1mm和1mm之间的范围中、0.1mm和0.5mm之间的范围中。
通过将不同厚度的两个荧光材料层安置在荧光材料轮的承载基底的平坦地或形貌状地成型的一侧上，由此能够实现两个荧光材料层的前侧表面之间的间距D。
也能够借助承载基底和荧光材料层中的至少一个之间的间隔层实现间距D。特别地，在所述实施形式中，荧光材料层也能够是厚度相同的。由此能够节省荧光材料。
荧光材料表面之间的间距D也能够由此来实现，即承载基底的具有第一荧光材料区域的区域和承载基底的具有第二荧光材料区域的区域彼此非平坦地成型。特别地，荧光材料层也能够在该实施形式中是厚度相同的，即间距D仅仅能够通过适当的造型来实现。
在任何情况下，荧光材料层的前侧表面并不形成共同的平面而是相反地形成一种形貌，其中荧光材料层的表面在不同的假想平面中延伸。优选地，假设的平面垂直于荧光材料轮的旋转轴线延伸。
荧光材料轮的承载基底上的区域优选地设计为圆形或圆环形的区段，在所述区域中设置有荧光材料层。
所述目的还通过一种照明装置来实现，其具有如上描述的至少一个荧光材料轮和至少一个泵浦光源，尤其是半导体光源，以用于利用泵浦光对荧光材料轮进行照射，所述泵浦光能借助于荧光材料轮的至少两个荧光材料区域至少部分地波长转换成转换光。
在一个改进形式中，光学装置布置在泵浦光源和荧光材料轮之间，其中光学装置设计用于，一方面将泵浦光源的泵浦光射束聚焦到荧光材料轮上，另一方面对转换光进行收集和准直。
优选地，光学装置包括彩色物镜。将彩色物镜的对于不同光波长不同的焦距目的明确地用于荧光材料层的在不同平面中延伸的、并且因此远离距物镜程度不同的前侧表面。优选地，一个荧光材料层的前侧表面布置为比另一荧光材料层的前侧表面离彩色物镜远了间距D，彩色物镜对于这个荧光材料层的转换光焦距比对于另一荧光材料层的转换光焦距长。
在收集转换光的效率方面，彩色物镜这样设计并且第一荧光材料层这样布置，即，使得在荧光材料轮旋转时，第一荧光材料层的前侧表面旋转经过彩色物镜的对于来自第一荧光材料层的转换光而言的焦点。同样优选的是，第二荧光材料层的前侧表面旋转经过彩色物镜的对于来自第二荧光材料层的转换光而言的焦点。
为了分离泵浦光和转换光，能够在荧光材料轮和泵浦光源之间、优选在泵浦光源和聚集及收集光学装置之间设有二向色性镜元件。由此，从荧光材料轮到达的并且在该区域中相反于泵浦光方向传播的转换光在不同于泵浦光方向的方向上偏转。
此外，设有用于馈入和空间上均匀化转换光并且附加可选地馈入泵浦光的光学集成器。
前述照明装置例如能够引用在投影器中。为此，从光学集成器中到达的光被转向到成像单元上。为了连续地产生彩色子图像而将成像单元与荧光材料轮同步。彩色子图像借助于投影光学装置投影到投影面上。
附图说明
下面，应当根据实施例详细阐明本发明。附图示意地示出：
图1示出根据本发明的照明装置的一个实施例，其具有根据本发明的荧光材料轮，
图2示出根据图1的荧光材料轮，
图3示出荧光材料轮的一个替选的实施形式，
图4示出荧光材料轮的另一替选的实施形式，
图5示出荧光材料轮的又一替选的实施形式，
图6示出与所涉及的荧光材料层上的泵浦光斑直径相关的黄色或红色转换光的耦合输入到集成器中的功率的测量曲线。
具体实施方式
相同的或同类的特征在下面为了简单性也能够设有相同的附图标记。
图1示出根据本发明的一个实施例的照明装置1的示意图。
照明装置1具有激光装置2作为泵浦光源。激光装置2设计用于发射蓝色光谱范围中的激光，因为这一方面对于大多数荧光材料而言是适当的激发波长。另一方面，这能够将未转换的蓝色激光用作蓝光通道(B)，例如用于RGB投影单元。蓝色激光射束IB的发射波长优选地位于例如大约400-470nm的范围中。泵浦光源2例如能够设计为激光二极管矩阵，所述激光二极管矩阵具有多个激光二极管。
蓝色激光IB(＝泵浦光)借助于光学透镜系统3聚焦到荧光材料轮4上。荧光材料轮4具有圆盘形的承载基底5，所述承载基底具有与其垂直并且设置在中央的转动轴线6。
现在，在下面也参考图2a、2b，所述附图示出荧光材料轮4的示意图，更确切地说示出俯视图以及沿着切线AA的剖面图。荧光材料轮4的承载基底5的朝向激光装置2的平面侧具有圆环形的区域，所述区域被划分成两个半圆形的区段。第一区段7涂覆有绿色荧光材料G，并且第二区段8涂覆有红色荧光材料R。两种荧光材料的层厚度d是不同的，即绿色荧光材料G的层厚度为dG＝250μm并且红色荧光材料R的层厚度为dR＝100μm。绿色荧光材料层和红色荧光材料层的朝向激光装置2的(＝前侧的)相应的表面因此位于不同的假想平面AG和AR中，所述平面彼此间具有D＝dG-dR＝150μm的间距。为了更好地可识别，在图2b中加粗地示出荧光材料层。相反在图1中无法识别荧光材料轮4上的荧光材料层。
荧光材料轮原则上也能够具有两个以上的荧光材料区段，特别是带有不同的彩色荧光材料的荧光材料区段，其例如具有附加的黄色荧光材料也或者附加的色差，例如不同的红色荧光材料。此外，荧光材料轮也能够具有一个或多个透光区段，所述透光区段至少对于泵浦光是透明的。因此，例如能够为泵浦光和转换光的在时间上连续的组合实现绕排支路(Wrap-Around-Zweig)(例如参见参考文献US2010/0245777A的图6)。
荧光材料轮4相对于光学透镜系统3这样设置，即，使得激光IB的聚焦平面位于绿色荧光材料G的该层的平面AG中。因此，绿色荧光材料层7的前侧表面旋转经过蓝色激光IB的聚焦斑bG。因此，激光束在绿色荧光材料层7的前侧表面上(对应于聚焦平面)具有最小的直径ΦR(＝聚焦斑)。红色荧光材料R的该层的平面AG相反地以间距D位于聚焦平面之后。因此，红色荧光材料层8的前侧表面旋转经过蓝色激光IB的、具有ΦR>ΦG的斑直径的较大的光斑bR。因此，激光在红色荧光材料层R上的(局部)强度比在绿色荧光材料层G上的小。
此外，透镜系统3收集由相应的荧光材料R，G在泵浦光斑bR，bG内发射的转换光(在此是红色的或绿色的)，因此对于转换光而言用作收集光学装置。为了该目的，将透镜系统3设计为具有两个收集透镜31，32的彩色物镜。彩色物镜3优选地出于效率原因而这样设计，即，使得其对于红色或绿色的光的焦距差至少大致对应于这两个平面AG或AR的间距D。因为红光的焦距长于绿光的焦距，所以彩色物镜3尤其优选地收集由以间距D远离设置的红色荧光材料层8所发射的红光或者由相应靠近布置的绿色荧光材料层7所发射的绿光。
由根据泵浦光斑bR，bG旋转绕过的相应荧光材料层R或G射回的、波长转换的彩色光(＝转换光)被彩色透镜系统3(透镜31和透镜32)收集、准直，并且经由二向色性镜9借助于反射从泵浦光光路中耦合输出。为此，二向色性镜9在泵浦光源2和透镜系统3之间以相对于泵浦光光路或相反的转换光光路成45°的倾斜位置布置。此外，二向色性镜9尽管设计用于使蓝色光谱范围(即尤其是蓝色泵浦光IB)中的光透射，但相反地也设计用于反射在非蓝色光谱范围中的光(即尤其是转换光)。由此，蓝色泵浦光IB一方面能够穿过二向色性镜9到达荧光材料轮4，另一方面，二向色性镜9将时间上连续发射的转换光、即绿光IG或红光IR垂直地从泵浦光光路中耦合输出。因此，二向色性镜9在此用作波长选择性的射束偏转器，所述射束偏转器将泵浦光透射并且反射转换光。转换光例如经由另一聚焦透镜系统10聚焦到投影模块的光学集成器11中。
根据对于光学结构的几何形状的要求，也能够将泵浦光源2的位置与耦合输出的光的输出端交换。为此，仅改变二向色性镜，使得其反射蓝色的泵浦光IB并且将转换光透射。此外，二向色性镜也能够以不同于45°的倾角布置。
在图3a，3b中，示意地示出图2a，2b中的荧光材料轮的替选的实施形式。其区别在于，绿色荧光材料层7和红色荧光材料层8甚至具有相同的厚度。当然，在承载衬底5和绿色荧光材料层7之间设置有厚度为D的间隔层12。以该方式，能够节约绿色荧光材料G进而将绿色荧光材料层和红色荧光材料层的相应的表面以间距D布置在不同的假设平面中。优选地，间隔层的材料具有高热导率和低吸收效果。
荧光材料轮的另一替选的实施形式在图4a，4b中示意地示出。在此，荧光材料轮的承载基底5’在红色荧光材料层8的半圆环形的区域中以向后偏移的方式、即远离泵浦光源2地成型。承载基底5’的剩余部分是平坦的，即还有半圆环形的区域，在所述半圆环形的区域上安置有绿色荧光材料层7。以该方式，这两个荧光材料R，G的表面也在层厚度相同的情况下以间距D布置在不同的假设平面中。在此能够放弃如在上面的实例中的附加的间隔层。
图5a，5b最后示出荧光材料轮的前述实施形式的一个变型形式的示意图。荧光材料轮的承载基底5’相同地成型。当然，在此没有用红色荧光材料7涂覆半圆环形的成形件的向后偏移的侧面，而是用绿色荧光材料8涂覆向前偏移的另外的侧面。半圆环形的绿色荧光材料层7安置在荧光材料轮的承载基底5’的平坦的区域上。以该方式，两个相同厚度的荧光材料层7，8的前侧的表面同样以间距D设置在不同的假设平面中。
本发明提出具有泵浦光源和荧光材料轮的照明装置。荧光材料轮具有至少两个分区段的荧光材料层。荧光材料层的前侧表面并不形成共同的平面而是相反地形成一种形貌，其中荧光材料层的表面在不同的假想平面中延伸。当荧光材料轮旋转经过泵浦光的光束腰时，以该方式调整泵浦光在相应的荧光材料层上的泵浦光斑的大小进而还有功率密度分布。

Claims (23)

1.一种用于照明装置(1)的荧光材料轮(4)，用于将泵浦光转换成转换光，所述荧光材料轮设计用于围绕旋转轴线(6)旋转，所述荧光材料轮具有承载基底(5)和设置在所述承载基底上的至少一个第一荧光材料区域(7)和至少一个第二荧光材料区域(8)，其中
第一荧光材料区域(7)包括具有第一荧光材料的第一荧光材料层(G)以用于发射第一光色的转换光，
第二荧光材料区域(8)包括具有第二荧光材料的第二荧光材料层(R)以用于发射第二光色的转换光，
所述第一荧光材料层(G)的设置用于利用所述泵浦光进行照明的前侧的表面平坦地构成，使得所述表面限定了假设的第一平面(AG)，
所述第二荧光材料层(R)的设置用于利用所述泵浦光进行照明的前侧的表面平坦地构成，使得所述表面限定了假设的第二平面(AR)，
所述第一平面(AG)和所述第二平面(AR)彼此相对地平行移动了间距D，
其中，所述承载基底的具有所述第一荧光材料区域(7)的区域和所述承载基底的具有所述第二荧光材料区域(R)的区域彼此非平坦地成形。
2.根据权利要求1所述的荧光材料轮，其中，假设的所述第一平面(AG)和所述第二平面(AR)垂直于所述荧光材料轮的旋转轴线(6)。
3.根据权利要求1或2所述的荧光材料轮，其中，所述间距D位于0.1mm和2mm之间的范围中。
4.根据权利要求3所述的荧光材料轮，其中，所述间距D位于0.1mm和1mm之间的范围中。
5.根据权利要求4所述的荧光材料轮，其中，所述间距D位于0.1mm和0.5mm之间的范围中。
6.根据权利要求1或2所述的荧光材料轮，其中，所述第一荧光材料层(G)和所述第二荧光材料层(R)设计为彼此厚度是不同的。
7.根据权利要求5所述的荧光材料轮，其中，所述第一荧光材料层(G)和所述第二荧光材料层(R)设计为彼此厚度是不同的。
8.根据权利要求1或2所述的荧光材料轮，其中，所述荧光材料轮具有在所述承载基底(5)和所述荧光材料层中的至少一个荧光材料层(G)之间的间隔层(12)。
9.根据权利要求7所述的荧光材料轮，其中，所述荧光材料轮具有在所述承载基底(5)和所述荧光材料层中的至少一个荧光材料层(G)之间的间隔层(12)。
10.根据权利要求1或2所述的荧光材料轮，其中，所述第一荧光材料区域(7)和第二荧光材料区域(8)设计为圆形的或圆环形的区段。
11.根据权利要求9所述的荧光材料轮，其中，所述第一荧光材料区域(7)和第二荧光材料区域(8)设计为圆形的或圆环形的区段。
12.一种照明装置(1)，具有至少一个根据权利要求1至11中的任一项所述的荧光材料轮(4)和至少一个泵浦光源(2)以用于利用泵浦光(IB)对所述荧光材料轮(4)进行照射，所述泵浦光能借助于所述荧光材料轮(4)的至少一个第一荧光材料区域(7)和至少一个第二荧光材料区域(8)至少部分地波长转换成转换光。
13.根据权利要求12所述的照明装置(1)，其中，所述泵浦光源(2)是半导体光源。
14.根据权利要求12所述的照明装置(1)，其中，所述照明装置具有光学装置(3)，所述光学装置布置在所述泵浦光源(2)和所述荧光材料轮(4)之间，其中所述光学装置(3)设计用于，一方面将所述泵浦光源(2)的所述泵浦光(IB)的射束聚焦到所述荧光材料轮(4)上，另一方面对转换光(IG，IR)进行收集和准直。
15.根据权利要求14所述的照明装置(1)，其中，所述光学装置(3)包括彩色物镜，并且一个荧光材料层(R)的前侧表面布置为比另一荧光材料层(G)的前侧表面离所述彩色物镜远了间距D，所述彩色物镜对于所述一个荧光材料层的转换光焦距比对于所述另一荧光材料层(G)的转换光焦距长。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的照明装置(1)，其中，所述彩色物镜设计并且所述第一荧光材料层(G)布置使得在所述荧光材料轮(4)旋转时，对于来自所述第一荧光材料层(G)的转换光而言，所述第一荧光材料层(G)的所述前侧表面旋转经过所述彩色物镜的的焦点。
17.根据权利要求12至15中的任一项所述的照明装置(1)，其中，所述彩色物镜设计并且所述第二荧光材料层(R)布置使得在所述荧光材料轮(4)旋转时，对于来自所述第二荧光材料层(R)的转换光而言，所述第二荧光材料层(R)的所述前侧表面旋转经过所述彩色物镜的焦点。
18.根据权利要求16所述的照明装置(1)，其中，所述彩色物镜设计并且所述第二荧光材料层(R)布置使得在所述荧光材料轮(4)旋转时，对于来自所述第二荧光材料层(R)的转换光而言，所述第二荧光材料层(R)的所述前侧表面旋转经过所述彩色物镜的焦点。
19.根据权利要求12至15中的任一项所述的照明装置(1)，其中，所述照明装置具有在所述荧光材料轮(4)和所述泵浦光源(2)之间的二向色性镜元件(9)，以将所述泵浦光(IB)与转换光(IG，IR)分离。
20.根据权利要求18所述的照明装置(1)，其中，所述照明装置具有在所述荧光材料轮(4)和所述泵浦光源(2)之间的二向色性镜元件(9)，以将所述泵浦光(IB)与转换光(IG，IR)分离。
21.根据权利要求12至15中的任一项所述的照明装置(1)，其中，所述照明装置具有用于馈入所述转换光并且馈入所述泵浦光的光学集成器(11)。
22.根据权利要求20所述的照明装置(1)，其中，所述照明装置具有用于馈入所述转换光并且馈入所述泵浦光的光学集成器(11)。
23.一种根据权利要求1至11中的任一项所述的荧光材料轮或根据权利要求12至22中的任一项所述的照明装置在投影器中的应用。
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