CN104160204B - 具有泵浦激光器列的发光装置和用于运行该发光装置的方法 - Google Patents

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Abstract

借助一种泵浦激光器列(2)和单轴的倾斜镜(20)使泵浦激光光斑列在荧光物质结构(4)的带状的荧光物质图形(R，G，B)上运动。以这种方式在时间上顺序地产生不同波长转换的颜色光部分，所述颜色光部分在时间上平均化并且通过TIR镜组(3)在空间上平均地得出混合光。

Description

具有泵浦激光器列的发光装置和用于运行该发光装置的方法
技术领域
本发明涉及一种具有泵浦激光器列和荧光物质结构的发光装置，该荧光物质结构由泵浦激光器列来照射。此外本发明涉及一种用于运行该发光装置的方法。
泵浦激光器列的概念在本发明的语境中这样来理解，即至少两个、更好地为多个泵浦激光器并排串联地布置。这种泵浦激光器列的目的在于，产生由多个泵浦光斑列成的用于照射荧光物质的列或行。本发明特别是能够在工业的和医学的图像识别中、在技术上的和医学上的内窥镜检查法中用于投影装置、例如用于影像和视频投影机、用于在娱乐行业中的照明效果、用于医学的照明以及使用在车辆领域中、特别是用于车辆的前灯。
背景技术
高亮度的光源应用在不同的领域、例如在内窥镜检查法中同样例如在投影机中，其中目前气体放电灯应用最为广泛。在照明应用、例如投影或内窥镜检查法中，基于原则上已知的LARP(“Laser Activated Remote Phosphor(激光激发远程荧光体)”)技术由激光器照射荧光物质。借助波长转换，射到荧光物质上的激光束组分地由荧光物质转换成波长转换的有效光束并且部分地在没有波长转换的情况下被散射。
特别是对于视频投影机而言，用于投影仪彩色通道红、绿和蓝的发光物质通常涂覆在旋转的轮上，以便激光功率在时间上平均地分配在较大的面积上并且因此减少荧光物质降解。
虽然目前通常在LARP技术中使用激光束。但是在本发明的范围内，概念LARP应该概括如下，即也包括其他适用于激发荧光物质的泵浦射束源，例如是可能具有或没有后接镜组的超级发光二极管，该泵浦射束源具有类似于激光器的照射特性、特别是其微小的照射发散量。
出版物US 2011/0249460 A1公开了一种用于汽车的前灯，利用该前灯可以产生在道路上的不同的光分布。为此设置两个激光器，所述激光器通过各个所属的微机电系统(MEMS)镜(MEMS：Micro Electro Mechanical System)照射在矩形的荧光物质板上。每个MEMS镜可以在两个轴中摆动，因此这两个激光束原则上可以激发在荧光物质板上的每个点用于发光。根据期望的光分布、例如远光、行驶光或转向光，这两个激光器中的至少一个照射在相应的照射图形中的荧光物质板。借助投影镜组，荧光物质板将由照射图形产生的发光图形投射到道路上。对于确定的照明氛围，两个激光器也可以利用所述激光器的所属的镜来同时运行，例如用于具有附加的转向光的行驶光。在一个激光器-镜对有故障时，剩余的激光器-镜对至少也可以单独地执行基本功能。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种基于LARP技术的发光装置。在此，一方面是尽可能紧凑的结构。另一方面是取消转动的构件。还有另一方面是能够改变由发光装置产生的光的颜色。
该目的通过一种具有泵浦激光器列和荧光物质结构的发光装置来实现，其中泵浦激光器列设计用于射出用于照射荧光物质结构的泵浦激光束，荧光物质结构具有至少两种不同的荧光物质，所述荧光物质能够利用泵浦激光束来照射，并且至少部分地且分别不同波长转换地再次射出泵浦激光束，并且能运动的镜设计用于根据镜的位置有针对性地把泵浦激光器列的泵浦激光束反射到荧光物质上。
此外该目的在关于运行方法方面通过具有权利要求11的特征的方法来实现。
在相应的从属权利要求中有非常有利的设计方案。
本发明的主要构思在于，多个泵浦激光光斑并排成行地投射到由至少两种不同的荧光物质组成的荧光物质图形的部分区域上，并且这个泵浦激光光斑列借助能运动的镜在荧光物质图形上运动，以便以这种方式产生由时间上连续不同的波长转换的泵浦激光束组分组成的混合光。
通过适当数量的泵浦激光光斑可以实现用于开头所述应用的典型的光通量以及亮度。因为在激光光斑中的面积功率密度从该激光光斑的中心向外不是突然下降而是通常连续下降的，所以出于效率的原因有利的是，每个泵浦激光光斑与其两侧的相邻列光斑略微地重叠，以便沿着泵浦激光光斑列，在被照射的荧光物质上实现尽可能均匀的面积功率密度。然而与所有的泵浦激光光斑的非常显著的或甚至完全的重叠相对的是，分别照射的荧光物质有过强的负荷或者甚至被损坏。更确切地说，出于效率的原因优选的是，泵浦激光光斑列具有纵向延展，该纵向延展与荧光物质图形的相应的纵向延展基本相同。此外这具有的优点是，即与由现有技术已知的、根据行列跃变方法利用单个激光光斑扫过荧光物质面不同地，替代两个倾斜轴，根据本发明对于倾斜镜仅需要一个倾斜轴，用于利用泵浦激光光斑列扫过整个的发光物质图形。
利用这个方案可以实现发光装置，所述发光装置特别是也适用于不仅基于DLP(Texas Instruments公司的Digital Light processing(数字光处理))而且也基于LCD(Liquid Crystal Display液晶显示器)图像生成单元的投影的应用，并且与通常的具有荧光轮的LARP系统相比是非常紧凑的并且没有旋转的部件。
在镜运动或倾斜时，由泵浦激光器列、例如激光二极管列发射并且由镜反射的泵浦激光束因此扫过荧光物质结构的不同发光物质。
在一个优选的实施方式中，荧光物质结构的不同发光物质优选地以荧光物质带的形式来构造并且并排布置，即所述荧光物质构成带状的荧光物质图形。陶瓷荧光物质特别适用于此。通过将镜倾斜，使泵浦激光光斑列在荧光物质带上运动，所述荧光物质带相应地对泵浦激光束进行波长转换。
优选地，泵浦激光器列这样来取向，即泵浦激光器列的泵浦激光束在荧光物质带上形成泵浦激光光斑列，即泵浦激光光斑列平行于荧光物质带取向。
除了带状的荧光物质图形，原则上其他的荧光物质图形也是适合的。然而对于快速颜色控制而言，带状的荧光物质图形具有优点，因为其在几何形状上与似乎同样“带状的”泵浦激光光斑列相匹配。
此外有利的是，泵浦激光器列的各个泵浦激光器这样来布置，即在镜上，该泵浦激光器的相应的泵浦激光光斑在空间上尽可能遮盖全等地重叠。这具有优点，即替代整个泵浦激光光斑列的尺寸，镜则只需大约具有单个的泵浦激光光斑的尺寸。因此镜的最小尺寸由此与泵浦激光器列的各个泵浦激光器的数量无关。镜可以优选地设计为微机电系统(MEMS)镜(MEMS：Micro Electro Mechanical System)。由于MEMS镜的尺寸小并且因此重量低，数千赫兹的倾斜频率毫无疑问是可能的。对于与该最大频率相比非常迟钝的人眼而言，以这种方式产生时间上平均的混合光。因此通过倾斜角度和/或倾斜频率的适当调制也可以实现快速颜色变化。
优选地，光学混光器、例如基于全内反射(TIR)的镜组设置用于混合由荧光物质分别不同波长转换的泵浦激光束、即通过荧光物质转化产生的彩色光束组分。在此，当荧光物质图形设计用于使用在反射中时，光学混光器在此布置在泵浦激光器列和荧光物质图形之间，优选地非常接近地布置在荧光物质图形之上。在此，由荧光物质图形散射回的或漫反射的并且波长转换的泵浦激光束组分用于产生叠加的混合光。因此在这种情况下在荧光物质图形的同一侧上实现了泵浦激光束的射入以及对通过波长转换产生的彩色光束组分的汇集。通过光学混光器的空间接近确保的是，典型地以Lambert(朗伯)分布散射的并且波长转换的彩色光束组分有效地由这个混光器汇集，并且在彩色光束组分的路径上通过混光器完全混合或空间上完全均匀化。这个所谓的反射模式的优点是，例如通过将荧光物质图形布置在冷却体上，可以毫无问题地冷却荧光物质图形的背面。
可替换地，荧光物质图形也可以设计用于使用在透射中。光学混光器则布置在该荧光物质图形的背面上、即在荧光物质图形的与射入的泵浦激光束相对的面上。在此，穿过荧光物质的并且通过这个荧光物质至少部分地波长转换的光束组分由光学混光器来汇聚和混合。在这种情况下-不考虑对流和热辐射-，荧光物质图形可以仅仅通过环绕的框架或例如空气流来冷却。与之相反，如在反射模式中的冷却装置是不可能的。
泵浦激光束优选地处于紫外线的(UV)或蓝色(B)的光谱范围中。因此通过适合的和本身已知的荧光物质，可以产生典型地具有较长波长的转化光束(down conversion)以及相对于泵浦激光束较大的光谱带宽，特别是根据需要产生红色的(R)、绿色的(G)和蓝色(B)的光束，例如以便和它们一起产生白色的混合光。
根据本发明的方法用于运行具有泵浦激光器列、能运动的镜以及荧光物质结构的发光装置，其中荧光物质结构具有至少两种不同的荧光物质，所述荧光物质适用于把泵浦激光器列的泵浦激光束至少部分地且分别不同波长转换地再次射出，该方法包括下述方法步骤：
-利用泵浦激光器列的泵浦激光束照射镜，
-使镜运动到一个位置上，该位置适用于利用在镜上反射的泵浦激光束有针对性地照射荧光物质结构的部分区域，从而使泵浦激光束在部分区域上形成泵浦激光光斑列。
此外，在该方法的一个有利的设计方案中，使镜这样运动，即泵浦激光光斑列扫过荧光物质结构的不同的荧光物质。
在另一个有利的构造方案中，不同的发光物质优选地构成荧光物质带。此外泵浦激光光斑列平行于荧光物质带地取向。优选地，泵浦激光光斑列的数量、直径和布置这样与荧光物质带相匹配，即荧光物质带至少在该荧光物质带的纵向延展上看完全覆盖着泵浦激光光斑列。因此倾斜镜必须仅仅在一个轴中运动，以便完全扫过荧光物质带。通过对镜的倾斜角度和/或倾斜频率和/或对泵浦激光器列的功率进行调制，因此可以实现对混合光实现快速颜色控制。
附图说明
下面应该根据实施例详细地说明本发明。附图示出：
图1是根据本发明的发光装置的一个实施例，
图2是图1中的泵浦激光器列和MEMS倾斜镜，
图3是图1中的荧光物质层，
图4是根据本发明的发光装置的第二实施例，
图5是根据本发明的发光装置的第三实施例。
下面不同的实施例的相同的或同种的特征以相同的标号标出。
具体实施方式
在图1中示意性地示出根据本发明的发光装置1的简化的实施例。发光装置1具有泵浦激光器列2、可运动的单轴的MEMS倾斜镜20、长形的光学混光器3以及荧光物质结构4。泵浦激光器列2包括载体5，九个蓝色激光二极管6(辐射波长大约为405nm)成行地布置在该载体上。在图1中所示的视图中，泵浦激光器列2在附图面中向内延伸，因此仅仅看出该列中的第一个激光二极管6。在此也参考图2，该附图在垂直于该泵浦激光器列的面上示出泵浦激光器列2。然而为了简化，在图2中仅仅示出所有九个激光二极管中的三个。尽管如此可以看出的是，激光二极管以这种方式朝向MEMS倾斜镜20定位，即各个激光二极管6的激光光斑在MEMS倾斜镜20上叠加成共同的激光光斑21。也就是说，激光二极管6从中心向外部这样递增倾斜地布置，即所述激光二极管彼此倾斜地投射的激光束7(在图2中由三个箭头符号表示)射到MEMS倾斜镜20上。这具有的优点是，与当九个激光二极管6在激光束彼此平行导向时在镜上形成九个分离的激光光斑列相比，MEMS倾斜镜20可以构造得明显较小。因为通过激光光斑的叠加因此仅仅需要小的镜面面积，所以MEMS倾斜镜20的质量可以保持较小，这特别是在快速倾斜运动中是有利的。在MEMS倾斜镜20上反射之后，激光束7根据光学反射定律再次彼此分离地射出，从而激光光斑与MEMS倾斜镜20间距递增地继续分离开(未示出)。如在图1中可以看出的，九个激光二极管6的激光束7在第一端部8上射入长形的混光器3中，并且在其另一端部9上再次射出。在混光器3的另一端部9之后是大约40μm厚的成段的荧光物质层10，该荧光物质层布置在具有散热片的冷却部件11上并且因此共同构成荧光物质结构4。冷却部件11例如包括铝、铜、银、石墨、蓝宝石(Al2O3)、金刚石、碳化硅、镁和/或铁。此外冷却体也能够具有例如AlN的陶瓷和/或合金、例如铝合金或黄铜。根据MEMS倾斜镜20的倾斜角度，激光束7在经过混光器3之后射到荧光物质层10的相应的区域上并且在那里形成激光光斑列(在图1中不能看出，因为在图1中所示的视图中，荧光物质层10类似于激光器列2那样在附图中向内延伸)。图3以俯视图示意性地相应于MEMS倾斜镜20的中间位置示出具有激光光斑列12的荧光物质层10。荧光物质层10包括三个带状的荧光物质R，G，B，所述荧光物质彼此平行地并排布置。在此涉及红色荧光物质(R)、例如Calsin：
CaAlSiN3：Eu，
涉及绿色荧光物质(G)、例如：
YAG：Ce(Y0.96Ce0.04)3Al3.75Ga1.25O12，
以及蓝色荧光物质(B)、例如：
BaMgAl10O17：Eu2+。
前述的荧光物质仅仅理解为示例性的，此外可以使用多个其他的适合的用于本发明的荧光物质。根据使用考虑这些具有可对比的、例如所述地即红色、绿色、蓝色的转换光谱的荧光物质，然而或者也考虑这些具有其他的例如黄色、薄荷绿色等的转化光谱的荧光物质，其中可以产生白色混合光或也可以产生彩色混合光。
相应于MEMS倾斜镜20的中间的位置，在中间的荧光物质带G上产生激光光斑列12。为此，激光器列2在空间上匹配于荧光物质R，G，B地来布置，从而激光光斑列平行于荧光物质带定位。此外，激光光斑列的各个激光光斑的直径以及激光光斑列的纵向延展这样与荧光物质带的几何尺寸相匹配，即激光光斑列基本覆盖相应的荧光物质带。在对于激光二极管而言典型的激光光斑直径(通常定义为直径，以该直径获得总激光功率的大约86％)在几百微米的范围内、例如600μm的情况下，根据使用在激光二极管列中的激光二极管的数量，荧光物质带的长度在典型的几毫米的范围内。当需要具有明显更大的纵向延展的照明时，也可以模块化地成列布置更多个这种发光装置。激光光斑无需必然地如在图3中所示地直接彼此邻接，而是也可以例如在相应多个激光二极管中略微地重叠(未示出)，以便实现沿着激光光斑列的较均匀的面功率密度分布。对于各个泵浦激光束的适当成型而言，可以使用初级和/或次级镜组(未示出)。在MEMS倾斜镜的上部和下部位置上，激光光斑列相应地产生在上部的荧光物质带R或下部的荧光物质B上-在图1中通过虚线表示的激光束7′，7″示出或者在图3中通过点组成的激光光斑列12′，12″示出。在每种情况中，激光束由相应的荧光物质带R，G，B来进行波长转换。在一个有利的运行实例中，MEMS倾斜镜20以在千赫兹范围内的频率在上部和下部位置之间摆动，从而激光光斑列12再次从上向下扫过三个荧光物质带R，G，B。因此对于人眼而言-由于人眼的迟钝-，产生时间上平均的混合光。本发明也适用于在提供图像的装置(未示出)中的再处理，这是因为数千赫兹(kHz)的可能的行频率远远高于25Hz或50/60Hz的典型的图像刷新率。因此根据使用的荧光物质和对MEMS倾斜镜20的准确的驱控，可以例如产生不同色温的白色的混合光或也产生彩色光。光学混光器3除了用于汇集由荧光物质散射回的或漫反射的且波长转换的泵浦激光束组分以外，还用于将该泵浦激光束组分在空间上均匀化。出于这个目的，光学混光器3构造为TIR镜组，并且主要包括具有八角横截面的锥状的玻璃棒。由荧光物质带R，G，B在时间上连续地散射回的彩色光组分在混光器3内部在界面上多次全反射到周围环境并且因此在空间上均匀化。为了避免由于大约居中地在光学混光器3的第一端部8之前布置的MEMS倾斜镜对输出的混合光的干扰，借助倾斜地布置在激光器组2和混光器3之间的二向色性镜面(未示出)可以使混合光输出至该侧。为此以干涉层涂覆朝向混光器的侧面，该干涉层反射混合光并且透射蓝色的窄频带的激光束。
在图4中示出根据本发明的发光装置的一个可替换的、优选的实施例。发光装置101仅仅通过以下方式区别于在图1中所示的发光装置1，即MEMS倾斜镜20没有居中地布置在光学混光器3的第一端部8之前，而是在该第一端部之外横向地偏移。由此波长转换的混合光不受阻碍地从光学混光器3的第一端部8输出。在此不需要如同在图1中所示的实施例中的二向色性输出镜面。另一方面，MEMS倾斜镜20的横向偏移的布置起作用，即泵浦激光束在倾斜角度下射到光学混光器3的第一端部8上。所以泵浦激光束不再直接地而是通过在TIR光混合器3内部的一次或多次内反射来射到荧光物质层10上。然而在适合的设计中可以实现的是，由激光器组2产生的激光光斑列借助MEMS倾斜镜20扫过荧光物质带R，G，B。
图5最后示出第三实施例。在发光装置102中，具有三个荧光物质带R，G，B的荧光物质层10不是穿过光学混光器3被照射，而是从该荧光物质层的“背面”被照射。为此，MEMS倾斜镜20布置在荧光物质层10的背向混光器3的一侧上。也就是说，荧光物质层10在此不是如同在根据图1和图4的实施例中起反射作用，而是起透射作用。然而在此必须强制地取消在荧光物质层“背面”上的冷却体。也就是说，由激光器组2产生的激光光斑列经过倾斜镜20射到透明的荧光物质层10的“背面”上。波长转换的彩色光经过荧光物质层10的“正面”射出，在那里由光学混光器3汇集并且空间上均匀化。安装在透明的荧光物质层10的“背面”上的二向色性过滤器防止了泵浦激光束7的反向散射。

Claims (21)

1.一种具有泵浦激光器列(2)和荧光物质结构(4)的发光装置(1)，其中
-所述泵浦激光器列(2)设计用于射出用于照射所述荧光物质结构(4)的泵浦激光束(7)，
-所述荧光物质结构(4)具有至少两种不同的荧光物质，所述荧光物质能够利用所述泵浦激光束(7)来照射并且至少部分地且分别不同波长转换地再次射出所述泵浦激光束，并且
-能运动的镜(20)设计用于根据所述镜的位置有针对性地把所述泵浦激光器列(2)的所述泵浦激光束反射到所述荧光物质上，
其中，所述泵浦激光器列(2)被取向为使得所述泵浦激光器列的泵浦激光束形成泵浦激光光斑列，并且所述泵浦激光光斑列具有与所述荧光物质的相应延展相同的延展。
2.根据权利要求1所述的发光装置，所述发光装置如下设计，即在运动所述镜(20)时，所述泵浦激光束(7)依次扫过不同的所述荧光物质。
3.根据权利要求1或2所述的发光装置，其中，所述荧光物质结构(4)的不同的所述荧光物质以荧光物质带的形式构成并且并排布置。
4.根据权利要求3所述的发光装置，其中，所述镜(20)能够关于射入的所述泵浦激光束(7)倾斜，并且通过倾斜所述镜(20)能将所述泵浦激光束(7)偏转到所述荧光物质结构(4)的所述荧光物质上。
5.根据权利要求4所述的发光装置，其中，所述泵浦激光器列(2)如下地取向，即所述泵浦激光器列(2)的所述泵浦激光束(7)在所述荧光物质带上构成泵浦激光光斑列(12)。
6.根据权利要求5所述的发光装置，其中，所述泵浦激光器列(2)的各个泵浦激光器(6)如下地布置，即在所述镜(20)上，所述泵浦激光器的相应的泵浦激光光斑(21)在空间上自身覆盖地重叠。
7.根据权利要求1或2所述的发光装置，其中，所述镜(20)仅仅对于一个倾斜轴来设置。
8.根据权利要求6所述的发光装置，其中，所述镜(20)仅仅对于一个倾斜轴来设置。
9.根据权利要求1或2所述的发光装置，其中，所述镜(20)设计为微机电系统镜。
10.根据权利要求8所述的发光装置，其中，所述镜(20)设计为微机电系统镜。
11.根据权利要求1或2所述的发光装置，其中，所述泵浦激光器列(2)的各个泵浦激光器(6)设计为激光二极管。
12.根据权利要求10所述的发光装置，其中，所述泵浦激光器列(2)的各个泵浦激光器(6)设计为激光二极管。
13.根据权利要求1或2所述的发光装置，所述发光装置具有光学混光器(3)，所述光学混光器用于混合由所述荧光物质分别不同波长转换的射束。
14.根据权利要求12所述的发光装置，所述发光装置具有光学混光器(3)，所述光学混光器用于混合由所述荧光物质分别不同波长转换的射束。
15.一种用于运行具有泵浦激光器列(2)、能运动的镜(20)以及荧光物质结构(4)的发光装置(1，101，102)的方法，其中所述荧光物质结构(4)具有至少两种不同的荧光物质，所述荧光物质适用于将所述泵浦激光器列(2)的泵浦激光束至少部分地且分别不同波长转换地再次射出，所述方法包括下述方法步骤：
-利用所述泵浦激光器列(2)的所述泵浦激光束(7)照射所述镜(20)，
-使所述镜(20)运动到一个位置上，所述位置适用于利用在所述镜(20)上反射的所述泵浦激光束(7)有针对性地照射所述荧光物质结构(4)的部分区域，从而使所述泵浦激光束(7)在所述部分区域上形成泵浦激光光斑列(12)，其中，所述泵浦激光光斑列具有与所述荧光物质的相应延展相同的延展。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法具有附加的方法步骤：使所述镜(20)运动，用于利用所述激光光斑列(12，12′，12″)扫过所述荧光物质结构(4)的不同的所述荧光物质。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，不同的所述荧光物质构成荧光物质带，并且所述荧光物质带和所述泵浦激光光斑列(12，12′，12″)彼此平行取向。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，对所述镜(20)的倾斜角度和/或倾斜频率和/或对所述泵浦激光器列(2)的功率进行调制。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，对所述镜(20)的倾斜角度和/或倾斜频率和/或对所述泵浦激光器列(2)的功率进行调制。
20.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述镜仅仅在一个倾斜轴中倾斜。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述镜仅仅在一个倾斜轴中倾斜。
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