CN104204897B - 具有内反射的反射层的透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有内反射的反射层的透镜。透镜(12)具有透明基体(13)，其中基体表面(14，15)至少部分地敷设有内反射的反射层(17)，透镜具有至少一个第一焦点(F1)和至少一个第二焦点(F2)，至少第一焦点至少部分地处在基体(15)的未敷设的表面区域上，并且基体上的至少一个荧光材料元件(18)贴靠在具有至少一个第一焦点的接触区域(19)处。发光装置(11)具有至少一个透镜和至少一个光源(21)，以使初级光(P)穿过透镜的基体照射到至少一个第一焦点上，其中布置在至少一个第一焦点处的至少一个荧光材料元件设置用于，使初级光至少部分地转换为不同波长的次级光(S)。透镜特别地能应用在车辆探照灯、投影仪、工业化的图像处理或医疗照明以及诊断应用中。

Description

具有内反射的反射层的透镜
技术领域
本发明涉及一种具有透明的基体的透镜，其中基体的表面至少部分地敷设有内反射的反射层，并且透镜具有至少一个第一焦点和至少一个第二焦点。本发明特别地能应用在车辆照明中、特别是利用探照灯的车辆照明中，以及用于图像投影(例如用于影像投影仪等等)，用于工业化的图像处理以及用于医疗照明和诊断应用中。
背景技术
WO 2011/127286 A1公开了一种发光设备，其应用初级光或激发光以及用于发光的转换波长的荧光材料，其中荧光材料由多个激发光源在两侧激发，以便达到增高的亮度。入射到两侧的激发光可以具有相同的颜色或不同的颜色。光分离结构设置在荧光材料的两侧上，以便分离激发光和由荧光材料转换波长的(次级)光。在一个设计方案中，可以存在具有小窗口的椭圆形的空心反射器的形式的第二光分离结构。荧光材料布置在空心反射器的焦点处或在其附近，并且光汇集元件布置在空心反射器的另一焦点处或在其附近。激发光经过该窗口射到荧光材料上。经过转换的光借助于空心反射器反射到光汇集元件上。
US 2007/019408 A1公开了一种发光装置，其具有用于制造彩色光的、敷设有荧光材料的色轮。在一个设计方案中，发光装置除了色轮之外具有反射器、光源和光汇集元件。反射器能够构造为例如由玻璃或塑料构成的、具有第一和第二弯曲的表面的光学上能穿透的元件。第一表面能够具有用于容纳光源的凹槽，而第二个、例如椭圆形的表面是反射表面，其对于光源的(初级)光是反射的，但是对于由色轮的荧光材料转换的(次级)光而言是可穿透的。为此，由光源穿过反射器射出的光反射到在光学上可穿透的光学元件下方有间距的旋转色轮上。
发明内容
本发明的目的在于，至少部分地克服了现有技术的缺点。
该目的通过具有透明的主体(“基体”)的透镜来实现，其中基体的表面至少部分地敷设有内反射的反射层。内反射的反射层可以特别地理解为以下的层，即其具有至少一个在基体的方向上反射的表面。在这种关联下，光学上透明特别地意味着，透明的基体至少不仅对于初级射线而言，而且也对于次级射线(转换射线)而言是光学上可穿透的。基体例如可以由玻璃(例如BK7玻璃，石英玻璃或蓝宝石玻璃)或者由塑料构成。
反射层可以是单层的或多层的层，例如单层的银涂层或铝涂层或多层的银涂层和/或铝涂层(例如MIRO或MIRO-SILVER)或多层的干涉层叠。
透镜(特别是作为透明的基体的和反射层的组合)还具有至少一个第一焦点和至少一个第二焦点。“至少一个焦点”特别地可以理解为单个的焦点或多个(两个或多个)焦点。焦点特别地可以理解为(至少近似)点状的焦点。但是，焦点也可以理解为一维伸展的聚焦区域，例如封闭的或不封闭的线。这种线也可以理解为可能的点状焦点的连续的依次排列。(焦)线例如能够在旋转对称设计的透镜中出现，而且作为由围绕旋转轴线转动得到的可能的焦点的环状线。焦点在此可以理解为二维伸展的聚焦区域，例如焦斑。透镜具有至少一个焦点，特别地可以意味着，这个至少一个焦点是能够借助透镜来实现的，但是在与使用透镜的发光装置的相互作用中不必强制性地实现。
此外，至少一个第一焦点至少部分地处在基体的未(由反射层)敷设的表面区域上。此外，透镜具有至少一个荧光材料元件，其在接触区域处(因此，特别是平面地)抵靠在基体上，该接触区域具有至少一个第一焦点。因此，接触区域的至少一个焦点特别地置于基体和荧光材料元件之间的界面中。由此得出以下的优点，第一荧光材料元件的废热能够有效地通过此时也作为热膨胀元件或冷却体起作用的透镜来输出，并且避免在界面处(特别是空气处)的第二个多重的、含损耗的光反射，例如其他情况下在色轮中出现的这种光反射。
荧光材料元件特别地可以理解为以下的固体，其具有一种或多种荧光材料。荧光材料特别地可以使指定波长的或指定的波长范围(例如蓝光)的入射(激发或初级)光转换为具有典型的更大波长的次级光(例如红光或绿光)，其中废热以所谓的斯托克斯热的形式产生，其在此能通过基体导出。荧光材料元件可以例如是粘接到基体上的固体、例如是陶瓷的荧光材料薄板、或者是具有作为透明的矩阵材料(例如硅树脂)的填充材料的荧光材料的薄板。荧光材料元件还可能是或具有金属磷酸盐。
荧光材料元件例如可以烧结到、挤水(aufgesprengt)、借助氢键连接施加到、借助EPD方法(例如通过使用光学透明的、有传导能力的中间涂层，如ITO涂层)施加到、喷镀到、加印到(例如通过刮涂)等方式加到基体上。荧光材料元件还可能是一个集成到基体中的区域，其中荧光材料在该区域中作为混合物而存在，这例如能借助溶胶/凝胶方法来实施。
由荧光材料元件发射的次级光经过基体，至少部分地射到反射层上并且在那里，因为接触区域具有至少一个第一焦点，而接着聚焦到至少一个第二焦点上。由于初级光针对性的照射到至少一个荧光材料元件上，因此在第二焦点处(或在其附近)至少能够使次级光脱耦。
因此，一种设计方案是，反射层至少对于由至少一个荧光材料元件产生的次级光而言是反射的。
反射层可能原则上对于初级光而言是透过的，例如对于使初级光完全转换为次级光的情况(全转换)，其中初级光特别地大面积地照射到透镜上。替代地，反射层能够对于初级光是反射的，以使得待脱耦的初级光部分也是能够精准地调节的。
荧光材料元件可以使入射的初级光例如至少基本完全地(例如具有高于95％的转换率)转换(全转换)为次级光。在存在多个荧光材料的情况下，次级光可以具有多个波长。然而，荧光材料元件仅能使入射的初级光部分地转换为次级光(部分转换)。未经转换的初级光典型地由荧光材料元件再次发射，例如漫射。如果反射层对于初级光而言是可穿透的，初级光可能特别是未利用地再此从透镜中出射。如果反射层对于初级光而言是反射的，由初级光和次级光构成的混合光能够在第二焦点处脱耦。
还有一种设计方案是，基体的表面具有或者是具有为椭圆的基本形状的、敷设有反射层的罩面。由此能简单实现提供至少一个第一和第二焦点。然而形状并不局限于此，并且也可能是球截面形状或任意形状。
还有一种设计方案是，基体的表面具有在主平面中延伸的平坦的平面(“基面”)，焦点置于该基面中。这种透镜是能特别简单地制造的。基面也可以视为沿着椭圆的、特别是旋转椭圆的主平面的平坦的截面。
另一种设计方案是，基体的表面具有部分地在主平面中延伸的、切割的基面，在该基面中，至少一个焦点在其边缘(称为“切割边缘”，即使其无需由切割过程制造时)上或在其边缘的附近。如此实现了基体中在光延伸方向上的更高的灵活性。切入的基面也可以视为沿着椭圆、特别是旋转椭圆的主平面的平坦的截面，在该主平面上至少一个、优选地两个其他的截面形成到剩余的椭圆中。
对其的一种改进方案是，至少一个第一焦点和一个第二焦点、特别是全部焦点位于边缘的附近或切割边缘上。
此外，一种设计方案是，基体的表面具有倾斜的基面，该基面中，互补的或相关的第一和第二焦点位于彼此相对倾斜的区域中。这也实现了基体中在光延伸方向上的更高的灵活性，并且能避免在切割边缘上部安装荧光材料元件。
倾斜的区域例如可以在(“切割”)边缘处彼此嵌入。替代性地，倾斜基面能够具有例如具有尖的、或钝的锥形壳的基本形状。
此外，一种设计方案是，基体具有用于光脱耦的脱耦区域，其具有至少一个第二焦点。这实现了小面积的脱耦区域，其能实现已脱耦的光的高的光密度。在脱耦区域处能安置脱耦光学件，例如光传导元件、透镜、集中器等等。脱耦光学件可以集成到基体中。
另一种设计方案是，反射层具有至少一个窗口，其使光照射到至少一个第一焦点上。由此能够以简单的方式特别是通过基体的罩面使初级光入射到至少一个荧光材料元件上。特别是如此能够简单地(例如不区分波长地)设计反射层。
一种能特别简单地使用的改进方案是，窗口是清晰的窗口，即光直接透射到基体上。因而在窗口的区域中，基体特别地是暴露的或者说未涂覆的。
一种特别有效的改进方案是，窗口具有增透膜。
还有一种设计方案是，透镜在至少一个窗口的区域中具有与窗口的周围的基本形状局部偏离的聚焦区域，以便使入射光聚焦到第一焦点上。由此，例如为了调节焦点处的光斑的大小和/或形状，能够使穿过聚焦区域射到荧光材料元件上的(初级)光束灵活地成形。特别是在基体中延伸的光束能够根据从外界入射到聚焦区域上的光的入射角来取向。聚焦区域可能特别地向外突出地或者增高地成形，特别是凸出地成形。
透镜不局限于设置一个焦点或设置一个荧光材料元件，并且能够例如具有多个第一焦点和/或多个荧光材料元件。
因此，一种设计方案是，透镜具有多个荧光材料元件，其中多个荧光材料元件旋转对称地围绕着透镜的旋转轴分布，例如围绕长轴或对称轴线在基面上成角度错开的。荧光材料元件在此特别地可以环扇形地成形和/或分布。由此能提高光通量。
还有一种改进方案是，透镜具有至少一个荧光材料元件，其能够具有多个、特别是空间上分离的第一焦点，即特别地也能够由多个、特别是空间上分离的(初级)光束照射。这种改进方案例如能够是例如能特别简单地制造的。例如至少一个荧光材料元件可能恰好是一个荧光材料元件，其例如环扇形地、特别是半圆形地布置，例如布置在基面上。
多个入射到基体上的光束能够具有相同波长的和/或不同的波长的(初级)光或光谱上的组合。
还有一种设计方案是，透镜具有多个第一焦点和多个荧光材料元件，其中荧光材料元件抵靠到接触区域上，接触区域具有至少一个相应的第一焦点。由此，光能够在多个脱耦区域处脱耦，这提高了光通量和/或通过照射具有不同的荧光材料的荧光材料元件使得能够选择性地选择已脱耦的光的颜色的或颜色组合。
基体的材料可以具有均匀的折射系数。替代地，基体的材料可以具有随位置变化的折射系数。此时，基体的材料特别地可以是梯度材料，并且基体特别地能够是所谓的GRIN体或梯度光学件。
该目的还通过一种发光装置来实现，其具有至少一个如上所述的透镜和至少一个光源、特别是半导体光源，以用于使初级光穿过透镜的基体透射到至少一个第一焦点上，其中，布置在该至少一个第一焦点处的至少一个荧光材料元件设置用于，初级光至少部分地(即部分转换地或全转换地)转换为具有不同波长的次级光。
发光装置显示了与透镜相同的优势并且可以类似地设计。穿过基体延伸的至少一个(初级或激发)光束特别地聚焦到相应的第一焦点上(包括到可能的焦斑上)，荧光材料元件位于该第一焦点处。该焦点特别地可以是从由透镜在结构上提供的可能的焦点组中选择的或实现的焦点。
例如多个不同的(例如空间上分离的和/或不同取向的)(初级)光束能入射到透镜的基体上，并且因而穿过该基体瞄准到多个空间上分离的第一焦点。这些焦点能归属于不同的荧光材料元件，和/或至少成组地归属于共同的荧光材料元件。例如，多个第一焦点可以在共同的伸展的发光元件处产生或实现。多个不同的(初级)光束能够特别地穿过相应的或一个至少每组共有的窗口入射到基体上。
一种设计方案是，发光装置具有多个、特别是矩阵状布置的透镜。如此能产生光通量的提高。替代地或附加地，如此则提供了用于产生具有不同颜色的分别脱耦的光的简单可行性，例如通过设置至少两个具有带不同的荧光材料的荧光材料元件的透镜。因此，也提供了用于入射具有不同光谱宽度或不同波长的初级光的特别简单的可行性(然而，这原则上也能在唯一的透镜中实现)。
一种具有透镜的发光装置的设计方案特别是，该发光装置具有带脱耦区域的基体，该脱耦区域具有至少一个第二焦点，即在至少一个脱耦区域处布置脱耦光学件。至少一个脱耦光学件能与透镜、特别是其基体间隔开。对于可能无损耗的从透镜中的光射出或光脱耦来说，至少一个脱耦光学件位于基体上或者是与基体相接触。对于特别地无损耗的光脱耦以及稳定且简单的操作来说，至少一个脱耦光学件集成到透镜中、特别是其基体中。这种集成例如能够由共同的玻璃的或塑料的浇注模来实现。
附图说明
上面描述的本发明的属性、特征和优点以及如何实现这些的方式和方法结合以下借助附图详细阐述的对实施例的示意性说明变得更清楚易懂。在此，为了清晰起见，相同的或起相同作用的元件设有相同的参考标号。
图1示出了具有根据第一实施例的透镜的第一发光装置的侧视剖面图；
图2示出了具有根据第二实施例的透镜的第二发光装置的侧视剖面图；
图3示出了具有根据第三实施例的透镜的第三发光装置的侧视剖面图；
图4示出了根据第四实施例的透镜的基体的侧视剖面图。
具体实施方式
图1示出了具有根据第一实施例的透镜12的第一发光装置11。透镜12具有构造为由固态透明的材料、例如玻璃或塑料制成的实心体的基体13。
基体13具有两个构思不同的表面，即具有椭圆的基本形状的罩面14和平坦的基面15。基面15在罩面14的椭圆的基本形状的主平面H中延伸。基体13因而具有旋转对称的对称轴线A。
罩面14最大部分地、即除了窗口16之外敷设了内反射的反射层17，其构造成在基体13的方向上是反射的。相反的，基面15未敷设反射层17并且因此是暴露的。第一焦点F1和第二焦点F2位于基面15中或者在基面上。第一焦点F1和第二焦点F2在基面15上的准确位置不仅由反射层17的形状而且例如由基体13的折射属性来确定。
此外，在基面15上还平面地施加了荧光材料薄板18的形式的荧光材料元件，更确切地说安装在具有第一焦点F1的接触区域19中。荧光材料薄板18例如可以是粘贴的。替代地，荧光材料元件例如可以是加印的或喷涂的等等。
此外，在基面15上，脱耦光学件20施加在脱耦区域20a处、更确切地说在第二焦点F2的位置处。脱耦光学件20用于脱耦并引导在第二焦点F2处存在的光。脱耦光学件20、例如光导体或光学集中器可以接触到基面15，例如压紧或粘贴在其上，或者可以构造成与基体13集成的或一体的，例如形成基体13的区域。
发光装置11还具有半导体光源21(包括例如至少一个激光器或发光二极管)形式的初级光源，其设置且布置用于，使由其发出的或射出的(初级)光P从外界穿过窗口16射入到基体13中。初级光例如可以是蓝色光。为此，在半导体光源21的下游可以连接特别是进行准直的光学件O。
初级光P从透镜状的基体13中聚焦到第一焦点F1上。因为荧光材料薄板18无空隙地贴靠在基体13上，其尽可能无损耗地由初级光照射。荧光材料薄板18使初级光P至少部分地转换为至少一个具有更大波长的次级光，例如转换为黄色的次级光S。
由荧光材料薄板18转换的次级光S和可能的未转换的初级光P至少原则上未瞄准地直接射入到基体13中。反射层17在此是反射的，不仅对于次级光S而言也对于初级光P而言构造成反射的，从而由荧光材料薄板18发出的光、特别是混合光P，S反射到第二焦点F2上，并且在该处借助脱耦光学件20脱耦。脱耦的混合光P，S特别地可以是白色混合光。特别对于下述情况，即荧光材料薄板18也具有蓝红转换的荧光材料，混合光可能是暖白色的混合光。
基体13和/或透镜12能够与形状有关地构造成围绕对称轴线A旋转对称的。发光装置11可以仅具有一个窗口16、仅具有一个半导体光源21并且仅具有一个荧光材料薄板18。
替代地，基体13和/或透镜12例如能够构造成围绕对称轴线A以180°或更小的角度旋转对称(即连续的)的。例如荧光材料薄板18能够构造为以180°或更小的角度伸展的、环扇形的荧光材料薄板18。此外，透镜12还能够具有围绕对称轴线A布置的、相应地旋转对称地伸展的窗口16或多个旋转对称的(即在角间距中间隔地布置的)窗口16。由此在相应的第一焦点F1处能产生多个初级光束，并且在多个第二焦点F2处能够脱耦光S，P。这能够例如与实现的第一焦点F1的数量成正比地、特别是如果应用多个半导体光源21，提高光通量。
在另一个替换方案中，基体13和/或透镜12例如能够构造成围绕对称轴线A以180°或更小的角度旋转对称的。此时，发光装置11能够特别地具有多个围绕对称轴线A间隔地布置的荧光材料薄板18，其具有相同的或不同的荧光材料(例如在荧光材料薄板18中蓝-黄转换的荧光材料并且在另一个荧光材料薄板18中的黄-红转换的荧光材料)。
发光装置11可能具有多个、特别是矩阵形状布置的透镜12和所属的元件、例如20，21。透镜21等能够特别是在共同的平面中(这里例如在垂直于图像平面的并且与基面15一致的平面中)相邻地布置。这实现了光通量的提高。
图2示出了具有根据第二实施例的透镜32的第二发光装置31的侧视剖面图。发光装置31示出与发光装置11类似的基本构造。然而在发光装置11中，初级光P穿过至少大约布置在第一焦点F1上方的窗口16至少大约垂直地入射，初级光P在发光装置31中穿过至少大约布置在第二焦点F2上方的窗口16至少大约水平地入射。
图3示出具有根据第三实施例的透镜42的第三发光装置41的侧视剖面图。第三发光装置41与发光装置11类似地构造，但是现在具有基体43，其基面不是平坦的而是锥状倾斜的。在本图中，位于基面45中的焦点F1，F2位于基面45的彼此相对倾斜的区域45a或45b上。由此，能够使由荧光材料薄板18发出的光S，P的路线更灵活地成形，特别是朝向脱耦光学件20的方向。
为此，基体43在窗口46的区域中具有与椭圆的基本形状局部不同的聚焦区域47，以便使入射的初级光P聚焦到第一焦点F1上。聚焦区域47构造为凸出的、透镜形的凸起并且在此为了提高光输出量涂覆了增透膜。
图4示出根据第四实施例的透镜52的基体53。此外，基体53具有椭圆的罩面54。基面55多倍地倾斜并且具有位于主平面H中的子区域55a。基面55还造型为切割的并且具有切割边缘K1和K2，在该边缘处子区域55a过渡到相对该子区域倾斜的子区域55b或55c中。子区域55b和55c具有与主平面H不同的角度。焦点F1和F2和因而的荧光材料薄板18和脱耦光学件位于切割边缘K1和K2上。
尽管通过示出的实施例在细节上详尽地阐述以及描述本发明，但本发明并不局限于此，并且本领域技术人员能够由此推导出其他变体，而不脱离本发明的保护范畴。

Claims (14)

1.一种具有透明的基体(13；43；53)的透镜，其中
-所述基体(13；43；53)的表面至少部分地敷设有内反射的反射层(17)，
-所述透镜具有至少一个第一焦点(F1)和至少一个第二焦点(F2)，
-至少所述第一焦点(F1)至少部分地位于所述基体的未经敷设的表面区域上，并且
-至少一个荧光材料元件(18)贴靠在接触区域(19)处的所述基体(13；43；53)上，所述接触区域具有至少一个第一焦点(F1)。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述反射层(17)至少对于由至少一个所述荧光材料元件(18)产生的次级光(S)是反射的。
3.根据权利要求1或2所述的透镜，其中，所述基体的所述表面具有敷设有所述反射层(17)的、带有椭圆的基本形状的罩面(14)，并且具有在主平面(H)中延伸的平坦的基面(15)，所述第一焦点(F1)和所述第二焦点(F2)位于所述基面(15)中。
4.根据权利要求1或2所述的透镜，其中，所述基体的所述表面具有敷设有所述反射层(17)的、带有椭圆形的基本形状的罩面(54)，并且具有部分在主平面中延伸的、切割的基面(55)，至少一个焦点(F1，F2)在所述基面中位于切割边缘(K1，K2)上或位于切割边缘(K1，K2)的附近。
5.根据权利要求1或2所述的透镜，其中，所述基体的所述表面具有敷设有所述反射层(17)的、带有椭圆形的基本形状的罩面(14)，并且具有倾斜的基面(45)，在所述基面(45)中，互补的第一焦点(F1)和第二焦点(F2)位于彼此相对地倾斜的区域(45a，45b)上。
6.根据权利要求1或2所述的透镜，其中所述基体(13；43；53)具有脱耦区域(20a)，所述脱耦区域具有至少一个第二焦点(F2)。
7.根据权利要求1或2所述的透镜，其中所述反射层(17)具有至少一个窗口(16；46)，所述窗口能够使光照射到至少一个第一焦点(F1)上。
8.根据权利要求7所述的透镜，其中所述透镜在至少一个所述窗口的区域中具有与所述窗口的周围的基本形状局部偏离的、用于使入射的光(P)聚焦到第一焦点(F1)上的聚焦区域(47)。
9.根据权利要求1或2所述的透镜，其中，所述透镜(12；32；42；52)具有多个所述第一焦点(F1)和多个所述荧光材料元件(18)，其中所述荧光材料元件(18)贴靠在所述接触区域(19)上，所述接触区域具有至少一个相应的第一焦点(F1)。
10.一种发光装置(11；31；41；51)，具有
-至少一个根据前述权利要求中任一项所述的透镜，以及
-至少一个光源，用于使初级光(P)贯穿过所述透镜的基体照射到至少一个第一焦点(F1)上，
-其中，布置在至少一个所述第一焦点处的至少一个所述荧光材料元件(18)设置用于，使所述初级光(P)至少部分地转换为具有不同波长的次级光(S)。
11.根据权利要求10所述的发光装置(11；31；41；51)，其中，所述光源是半导体光源(21)。
12.根据权利要求10所述的发光装置(11；31；41；51)，其中，所述发光装置(11；31；41；51)具有多个所述透镜(12；32；42；52)。
13.根据权利要求12所述的发光装置(11；31；41；51)，其中，多个所述透镜是矩阵状布置的透镜。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的发光装置(11；31；41；51)，具有至少一个所述透镜，所述透镜的基体具有脱耦区域(20a)，所述脱耦区域具有至少一个第二焦点(F2)，其中，在至少一个所述脱耦区域(20a)处布置脱耦光学件(20)。
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