CN105324608B - 发光设备 - Google Patents

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Abstract

发光设备(1)包括：光源(2)，适于在操作中发射具有第一光谱分布的光(13)；第一光导(3)，包括被设置为与彼此相对的第一光输入表面(31)和第一光出射表面(32)，并且进一步包括关于第一光输入表面(31)垂直延伸的端部表面(35)；以及第二光导(4)，包括关于彼此垂直延伸的第二光输入表面(41)和第二光出射表面(42)。第一光导(3)适于在第一光输入表面(31)处接收来自光源(2)的具有第一光谱分布的光，将具有第一光谱分布的光引导到第一光出射表面(32)和端部表面(35)，并且将具有第一光谱分布的光的一部分从第一光出射表面(32)耦合到第二光导(4)中，并且将具有第一光谱分布的光的另一部分耦合出端部表面(35)。第二光导(4)适于在第二光输入表面(41)处接收从第一光导(3)耦合的具有第一光谱分布的光，将光引导到第二光出射表面(42)，将具有第一光谱分布的光(13)的至少一部分转换为具有第二光谱分布的光(14)，并且将具有第二光谱分布的光耦合出第二光出射表面(42)。

Description

发光设备
技术领域
本发明涉及包括光源和光导的发光设备，光源适于在操作中发射具有第一光谱分布的光，并且光导适于将具有第一光谱分布的光转换为具有第二光谱分布的光。
背景技术
高强度光源，并且特别地白色高强度光源，受到包括聚光照明(spots)和数字光投影的各种应用的关注。对于这种用途，可能利用所谓的光集中器，其中在高透明发光材料中将较短波长的光转换为较长波长。这种透明发光材料被LED照射以在发光材料内产生较长波长。被转换的光(其将在发光材料中被导波)从表面被提取从而导致强度增益。
文件WO 2012/056382 A1在一个实施例中描述了用于这种用途的照明设备，该照明设备包括多于一个波导，这些波导中的一个或者多个可以被提供有发光材料，该发光材料被设置在波导上或者波导中并且被配置为将来自光源的光转换为发光材料发射。
然而，在这种照明设备中，未耦合进入波导的被转换的光从侧表面逃逸，并且这一光被损失掉，从而导致效率降低。
文件WO 2006/054203描述了具有转换结构的发光设备，该转换结构吸收来自(通常为蓝色)LED的光，将其转换为具有更长波长的光，并且将其引导到出射表面。在转换结构中，几乎所有的蓝光都被转换为更长波长的光。任何未被转换的光，即仍然为蓝色的光，被透射并且未被引导到光出射表面，从而导致光损失和效率降低。
然而，对于白色光源，也期望存在蓝光作为来自光出射表面的发射的一部分。
即提到的现有技术文件两者都描述了如下设备，其中发生过量的光损失，从而折损所发射的光的强度。此外，对于这两种现有技术的设备，所发射的光的光谱分布覆盖的波长区域过窄，并且因此是不适当的，特别是当用于白色光源时。
WO2012/146960A1描述了接收并且引导纵向方向上的初级光的光纤。光纤中的散射结构将在横向方向上离开光纤的初级光改向到光致发光层中，该光致发光层将初级光转换为具有与初级光不同的波长的次级光，从而产生离开光致发光层的白光。
US2008/0232084A1描述了包括聚束透镜并且减少了亮度不均匀性的白色光源设备，该聚束透镜将从蓝色LED源发射的光聚束以进入光在其中传播的条形透镜的进入面。在条形透镜的出射表面设置了荧光材料，这产生了白光。
发明内容
本发明的目的是克服这一问题，并且提供发光设备，使用该发光设备，光损失最小化，并且特别地，所发射的光的光谱分布覆盖更宽的波长区域，并且未转换的光(特别地为蓝光)被收集并且引导向发光设备的光出射表面。
根据本发明，这一目的和其它目的借助于发光设备实现，该发光设备包括：光源，适于在操作中发射具有第一光谱分布的光；第一光导，包括彼此相对设置的第一光输入表面和第一光出射表面，并且进一步包括关于第一光输入表面垂直延伸的端部表面；以及第二光导，包括关于彼此垂直延伸的第二光输入表面和第二光出射表面；第一光导适于在第一光输入表面处接收来自光源的具有第一光谱分布的光，将具有第一光谱分布的光引导到第一光出射表面和端部表面，并且将具有第一光谱分布的光的一部分从第一光出射表面耦合到第二光导中，并且将具有第一光谱分布的光的另一部分耦合出端部表面，并且第二光导适于在第二光输入表面处接收从第一光导耦合的具有第一光谱分布的光，将光引导到第二光出射表面，将具有第一光谱分布的光的至少一部分转换为具有第二光谱分布的光，并且将具有第二光谱分布的光耦合出第二光出射表面。
设置在光源和转换第二光导之间的第一光导的提供导致转换第二光导被设置为次级层，该次级层至少吸收从第一光导的第一光出射表面逃逸的光并且将该光转换为具有另一光谱分布的光。以这一方式，否则将会损失的光可以被用于产生第二颜色，该第二颜色则可以从第二波导的关于光输入表面垂直的光出射表面提取。因此，提供了具有另一颜色和具有高强度的经集中的光。以这一方式，可以产生具有改进的效率的多色高强度光源。因此，提供了如下发光设备，其中光损失被最小化或者甚至被完全消除。
第一光导的提供还提供了用于收集未转换的光(特别地为蓝光)并且将该光引导向第一光导的端部表面的元件。因此，提供了发射其中包括了蓝光的光谱分布的光的照明设备。这转而提供了发射具有改进的和更宽的光谱分布的光的发光设备，并且该发光设备特别适合作为白色光源使用。
在实施例中，第一光导为透明光导。因此，提供了如下发光设备，利用该发光设备进一步改进了未转换的光(特别地为蓝光)的收集，因为更少的光或者甚至没有光在第一光导中被吸收。
在这方面术语“透明光导”意指包含由具有至少85％的透明度、备选地至少90％的透明度、备选地至少95％的透明度、或者备选地至少99％的透明度的材料制成的光导。
在实施例中，第一光导为透明基板，在该基板中或者在该基板上制造了诸如LED之类的固态光源。该固态光源可以以本领域已知的任何可行的方式制造，诸如通过化学或者物理沉积方法或者通过液相外延(LPE)，固态发光设备的制造或者生长直接执行到透明基板上。固态光源被设置为与透明基板直接物理和光学接触，优选地通过提供例如固态发光设备的有源层直接生长到透明基板上，并且直接在透明基板上进行处理(例如刻蚀)。换句话说，透明基板为在其上制造固态光源(即固态光源的有源层)的基板。应用合适的制造技术以提供相邻或者邻近固态光源之间的间隔或者间隙。用于透明基板的特别优选的材料为掺杂或者非掺杂的蓝宝石。透明基板可以备选地由掺杂或者非掺杂石榴石制成，合适的石榴石在上面进行了描述。此外，透明基板可以是发光的、光集中的、或者是它们的组合，合适的材料在上面进行了描述。
在实施例中，第一光导适于将具有第一光谱分布的光的至少一部分转换为具有第三光谱分布的光，并且将具有第三光谱分布的光引导到第一光出射表面和端部表面，并且将具有第三光谱分布的光的一部分从第一光出射表面耦合到第二光导中，并且将具有第三光谱分布的光的另一部分耦合出端部表面，并且第二光导适于在第二光输入表面处接收从第一光导耦合的具有第三光谱分布的光的至少一部分，将该光引导到第二光出射表面，将具有第三光谱分布的光的至少一部分转换为具有第二光谱分布的光，并且将具有第二光谱分布的光耦合出第二光出射表面。
因此，提供了发射其中包括了附加颜色的光的光谱分布的光的照明设备。特别地，这转而向发光设备提供了进一步拓宽的并且因此改进了的光谱分布的发射光，并且该发光设备因此特别适合作为白色光源。
在实施例中，第一光导和第二光导中的一个光导至少部分地由第一光导和第二光导中的相应另一个光导包围。因此，提供了如下发光设备，利用该发光设备，以特别高效率的方式从第一或者第二光导(根据具体情形)的多于一个表面收集未转换的光(特别地为蓝光)。
在实施例中，发光设备进一步包括一个或者多个其它光导，该一个或者多个其它光导被设置在第二光导上并且包括关于彼此垂直延伸的其它光输入表面和其它光出射表面，一个或者多个其它光导适于在其它光输入表面处接收和耦合进来自第二光导的入射光，将入射光引导到其它光出射表面，将入射光的至少一部分转换为具有与入射光的光谱分布不同的光谱分布的转换光，并且将转换光耦合出其它光出射表面。例如，其它光导耦合进从第二光导的除第二光出射表面之外的表面逃逸的光。因此，向发光照明设备提供了其中可以选择包括一个或者多个其它附加颜色的光的光谱分布。这转而向发光设备提供了改进的光谱分布的发射光，并且该发光设备因此特别适合用作白色光源或者备选地用作具有高强度的多色光源。此外，这一实施例使得能够基于光导在发光设备中的设置顺序调谐不同颜色的强度。
在实施例中，发光设备进一步包括其它光导，该其它光导设置在光源和第一光导之间，并且包括关于彼此垂直延伸的其它光输入表面和其它端部表面、和与其它光输入表面相对的其它光出射表面，其它光导适于接收和耦合进来自光源的入射光，将入射光的至少一部分转换为具有与入射光的光谱分布不同的光谱分布的转换光，将入射光和/或转换光引导到其它光出射表面和其它端部表面，将入射光和/或转换光从其它光出射表面耦合到第一光导中并且耦合出其它端部表面。因此，向发光设备提供了调谐由发光设备发射的相应颜色的光的强度的其它可能性。
在实施例中，第一光导的第一光输入表面包括耦合结构，用于更高效率地入耦合光。在实施例中，耦合结构为折射结构和衍射结构中的任何一种。因此，提供了如下发光设备，使用该发光设备，未转换的光(特别地为蓝光)被收集，并且以特别高效率且工作良好的方式被引导向发光设备的光出射表面，并且使用该发光设备可以调谐耦合到第一光导中的光量。
在实施例中，发光设备进一步包括设置在第一光导和第二光导之间的层，该层是具有如下折射率的材料的，该折射率低于第一光导和第二光导两者的折射率。因此，提供了如下发光设备，使用该发光设备，通过进一步降低或者甚至消除在第一和第二光导之间的光耦合过程/传输中出现的光损失，以特别高效率的方式实现第一和第二光导之间的光耦合。
在实施例中，第二光导包括发光材料。因此，提供了具有特别良好并且高效率的光转换性质的发光设备。
在实施例中，发光设备进一步包括设置在光源和第一光导之间的耦合介质。因此，提供了如下发光设备，使用该发光设备，由光源发射的光可以以特别高效率的方式耦合到第一光导中，并且具有特别低的耦合损失或者可能没有耦合损失。
在实施例中，第一光导和第二光导中的任何一个或者多个包括至少一个散射元件。因此，提供了如下发光设备，使用该发光设备可以以特别高效率的方式从相应光导提取光，并且使用该发光设备，如观看者所感知的可以获得均匀的光分布。
在实施例中，第一光导和第二光导中的任何一个或者多个分别在第一光出射表面和第二光出射表面处包括用于更高效率地将光出耦合的耦合结构。因此，提供了如下发光设备，使用该发光设备，可以以特别高效率的方式从相应光导提取光，并且具有特别低的耦合损失或者甚至可能没有耦合损失。
在实施例中，第一光导和第二光导彼此至少部分地处于光学接触和机械接触中的一种或者多种。因此，提供了如下发光设备，使用该发光设备，通过进一步降低或者甚至消除在耦合过程中出现的光损失，以特别高效率的方式实现第一和第二光导之间的光耦合。
在实施例中，第一光导和/或第二光导的剩余表面覆盖有反射材料。这改进了光输出并且减少了从光导的不旨在于光出射的表面的光损失。光导的剩余表面为除了旨在于光输入的表面或者光出射表面之外的表面。
本发明还涉及数字投影设备，该数字投影设备包括根据本发明的实施例中的任何一个实施例的发光设备。
注意，本发明涉及在权利要求中记载的特征的所有可能组合。
附图说明
现在将参照示出了本发明的(多个)实施例的附图更详细地描述本发明的这一方面和其它方面。
图1示出了包括出射磷光体的发光设备的三维透视图。
图2示出了在出射表面处被提供有光学元件的光导的侧视图。
图3示出了贯穿其长度成形以便提供成形光出射表面的光导的透视图。
图4示出了在其长度的一部分之上成形以便提供成形光出射表面的光导的侧视图。
图5示出了具有光导和附加的光源并且被提供有滤波器和二色性光学元件的照明系统的侧视图。
图6A和图6B示出了被提供有设置为邻近光导的表面的散热元件的光导。
图7A至图7D示出了被提供有设置为邻近光导的光出射表面的偏振元件的光导。
图8示出了具有渐窄出射表面的发光设备的透视图。
图9示出了根据本发明的第一实施例的发光设备的透视图。
图10示出了根据本发明的第二实施例的发光设备的截面侧视图。
图11示出了根据本发明的第三实施例的发光设备的截面侧视图。
图12示出了根据本发明的第四实施例的发光设备的截面侧视图。
图13示出了根据本发明的第五实施例的发光设备的截面侧视图。
图14示出了根据本发明的第六实施例的发光设备的截面侧视图。
图15示出了根据本发明的第七实施例的发光设备的截面端视图。
图16示出了根据本发明的第八实施例的发光设备的截面端视图。
如图所示，层、元件以及区域的尺寸为了说明性目的而被夸大，并且因此被提供为图示本发明的实施例的一般结构。自始至终，相同的附图标记指代相同的元件，使得例如根据本发明的发光设备通常表示为1，而通过将01、02、03等添加到一般附图标记来表示其不同的具体实施例。对于示出了若干特征和元件的图1至图8，其中图2、6A、6B、7A-7D和8中的特征和元件可以被添加到如下面进一步阐述的根据本发明的发光设备的任何一个实施例，通常已经将“00”添加到除了特定于这些图之一的那些元件之外的所有元件。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以很多不同的形式体现并且不应被解释为限制于本文中阐述的实施例；更确切地说，这些实施例被提供用于透彻性和完整性，并且向技术人员充分传达本发明的范围。
以下描述将从关于针对根据本发明的发光设备的各种元件和特征的应用、合适的光源、以及合适的材料的一般考虑开始。为此目的，将参照图1至图8描述若干特征和元件，其中图2、6A、6B、7A-7D和8中的特征和元件可以被添加到如下面进一步阐述的根据本发明的发光设备的实施例中的任何一个实施例。将参照图9至图16详细描述根据本发明的发光设备的具体实施例。
根据本发明的发光设备可以用于包括但不限于以下项的应用中：灯、光模块、灯具、聚光灯、闪光灯、投影仪、数字投影设备、诸如例如机动车辆的头灯或者尾灯之类的汽车照明、舞台照明、剧场照明、以及建筑照明。
其是如下面阐述的根据本发明的实施例的一部分的光源适于在操作中发射具有第一光谱分布的光。此光随后耦合到光导或者波导中。光导或者波导可以将第一光谱分布的光转换为另一光谱分布，并且将光引导到出射表面。光源原则上可以是任何类型的点光源，但是在实施例中是固态光源，诸如发光二极管(LED)、激光二极管或者有机发光二极管(OLED)、多个LED或者激光二极管或者OLED、或者LED或者激光二极管或者OLED的阵列。LED原则上可以是任何颜色的LED，但是在实施例中是蓝色光源，该蓝色光源产生在蓝颜色范围内的光源光，该蓝颜色范围被限定为380nm和495nm之间的波长范围。在另一实施例中，光源为UV光源或者紫色光源，即在420nm以下的波长范围内发射。在多个LED或者激光二极管或者OLED或者其阵列的情形下，LED或者激光二极管或者OLED原则上可以是两个或者更多不同颜色(诸如但不限于UV、蓝色、绿色、黄色或者红色)的LED或者激光二极管或者OLED。
光源可以是红色光源，即在例如600nm和800nm之间的波长范围内发射。这种红色光源可以为例如直接发射红光或者被提供有适合于将光源光转换为红光的磷光体的任何上述类型的光源。这一实施例特别有利于与适于将光源光转换为红外(IR)光(即具有大于大约800nm的波长并且在合适的实施例中在从810nm到850nm的范围内具有峰值强度的光)的光导组合。在实施例中，这种光导包括发射IR的磷光体。具有这些特性的发光设备特别有利于在夜视系统中使用，但是还可以被用于任何上述应用中。
根据本发明的实施例中的如下面阐述的光导通常可以是包括在互相垂直的方向上延伸的高度H、宽度W以及长度L的杆状的或者条状的光导，并且在实施例中是透明的、或者透明且发光的。光通常在长度L方向上被引导。高度H优选地<10mm，更优选地<5mm，最优选地<2mm。宽度W优选地<10mm，更优选地<5mm，最优选地<2mm。长度L优选地大于宽度W和高度H，更优选地是宽度W的至少2倍或者高度H的至少2倍，最优选地是宽度W的至少3倍或者高度H的至少3倍。高度H:宽度W的纵横比通常为1:1(对于例如一般光源应用)或者1:2、1:3或者1:4(对于例如诸如头灯之类的特殊光源应用)或者4:3、16:10、16:9或者256:135(对于例如显示应用)。光导通常包括未设置在平行平面中的光输入表面和光出射表面，并且在实施例中光输入表面垂直于光出射表面。为了实现高亮度、集中的光输出，光出射表面的面积可以小于光输入表面的面积。光出射表面可以具有任何形状，但是在实施例中被成形为正方形、长方形、圆形、卵形、三角形、五边形或者六边形。
大体上杆状的或者条状的光导可以具有任何横截面形状，但是在实施例中，具有正方形、长方形、圆形、卵形、三角形、五边形或者六边形的横截面形状。通常，光导是长方体，但是可以被提供有除长方体之外的不同形状，其中光输入表面具有一定程度的梯形形状。通过这样做，光通量可以进一步增强，这可能对于某些应用有利。
光导还可以是圆柱状的杆体。在实施例中，圆柱状的杆体具有一个沿着杆体的纵向方向的平化表面，并且光源可以定位在该表面处以用于由光源发射的光高效率地入耦合到光导中。平化表面还可以用于放置散热器。圆柱体光导还可以具有两个平化表面，例如与彼此相对定位或者垂直于彼此定位。在实施例中，平化表面沿着圆柱体杆体的纵向方向的一部分延伸。
根据本发明的实施例中的如下面阐述的光导还可以在长度方向上折叠和/或弯曲，使得光导不是直的、线状的条体或者杆体，而是可以包括例如90或者180度弯曲形式的圆角或者直角，或者可以具有U形、圆形或者椭圆形形状、环形状或者具有多个环的三维螺旋形状。这提供了紧凑的光导，其总长度(光通常沿着长度被引导)相对大，从而导致相对高的流明输出，但是同时可以被设置到相对小的空间中。例如，光导的发光部分可以是刚性的，而光导的透明部分是柔性的，以便提供沿着其长度方向的波导成形。光源可以被放置在沿着折叠和/或弯曲的光导的长度的任何合适的位置上。
用于根据本发明的实施例的如下面阐述的光导的合适材料是蓝宝石、多晶氧化铝和/或诸如具有n＝1.7的折射率的YAG、LuAG之类的非掺杂透明石榴石。这一材料(胜于例如玻璃)的附加优点是，其具有良好的热传导性，从而减少局部发热。其它合适材料包括但不限于玻璃、石英以及透明聚合物。在其它实施例中，光导材料是铅玻璃。铅玻璃是玻璃的变种，其中铅代替典型钾玻璃中的钙成分，并且以此方式可以增加折射率。普通玻璃具有n＝1.5的折射率，而铅的添加产生了范围高达1.7的折射率。
根据本发明的实施例的如下面阐述的光导可以包括用于将光转换到另一光谱分布的合适发光材料。合适的发光材料包括诸如掺杂YAG、LuAG之类的无机磷光体、有机磷光体、有机荧光染料、以及高度适合于如下面阐述的本发明的实施例的目的的量子点。
量子点是半导体材料的小晶体，通常具有仅几个纳米的宽度或者直径。当被入射光激发时，量子点发射由晶体的尺寸和材料确定的颜色的光。因此通过适配点的尺寸，可以产生特定颜色的光。大多数已知的具有在可见范围内的发射的量子点基于具有诸如硫化镉(CdS)和硫化锌(ZnS)之类的壳的硒化镉(CdSe)。还可以使用诸如磷化铟(InP)以及铜铟硫(CuInS2)和/或银铟硫(AgInS2)之类的无镉量子点。量子点示出非常窄的发射带，并且因此它们示出饱和颜色。此外，发射颜色可以通过适配量子点的尺寸被容易地调谐。本领域已知的任何类型的量子点可以用于如下面阐述的本发明的实施例中。然而，由于环境安全和关注的原因，可能优选使用无镉量子点或者至少具有非常低的镉含量的量子点。
也可以使用有机荧光染料。可以设计分子结构，使得光谱峰位置可以被调谐。合适的有机荧光染料材料的示例是基于苝衍生物的有机发光材料，例如由BASF出售的名为的化合物。合适的化合物的示例包括但不限于Red F305、Orange F240、Yellow F083以及F170。
发光材料还可以是无机磷光体。无机磷光体材料的示例包括但不限于铈(Ce)掺杂的YAG(Y3Al5O12)或者LuAG(Lu3Al5O12)。Ce掺杂的YAG发射淡黄色的光，而Ce掺杂的LuAG发射淡黄绿色的光。发射红光的其它无机磷光体材料的示例可以包括但不限于ECAS和BSSN；ECAS是Ca1-xA1SiN3:Eux，其中0<x≤1，优选地0<x≤0.2；并且BSSN是Ba2-x-zMxSi5-yA1yN8-yOy:Euz，其中M表示Sr或者Ca，0≤x≤1、0<y≤4并且0.0005≤z≤0.05，并且优选地0≤x≤0.2。
在如下面阐述的本发明的实施例中，发光材料由从包括以下项的组中选择的材料制成：(M<I>(1-x-y)M<II>x M<III>y)3(M<IV>(1-z)M<V>z)5O12，其中M<I>从包括Y、Lu或者其混合物的组中选择，M<II>从包括Gd、La、Yb或者其混合物的组中选择，M<III>从包括Tb、Pr、Ce、Er、Nd、Eu或者其混合物的组中选择，M<IV>是A1，M<V>从包括Ga、Sc或者其混合物的组中选择，并且0<x≤1、0<y≤0.1、0<z<1；(M<I>(1-x-y)M<II>x M<III>y)2O3，其中M<I>从包括Y、Lu或者其混合物的组中选择，M<II>从包括Gd、La、Yb或者其混合物的组中选择，M<III>从包括Tb、Pr、Ce、Er、Nd、Eu、Bi、Sb或者其混合物的组中选择，并且0<x≤1、0<y≤0.1；(M<I>(1-x-y)M<II>x M<III>y)S(1-z)Se，其中M<I>从包括Ca、Sr、Mg、Ba或者其混合物的组中选择，M<II>从包括Ce、Eu、Mn、Tb、Sm、Pr、Sb、Sn或者其混合物的组中选择，M<III>从包括K、Na、Li、Rb、Zn或者其混合物的组中选择，并且0<x≤0.01、0<y≤0.05、0≤z<1；(M<I>(1-x-y)M<II>xM<III>y)O，其中M<I>从包括Ca、Sr、Mg、Ba或者其混合物的组中选择，M<II>从包括Ce、Eu、Mn、Tb、Sm、Pr或者其混合物的组中选择，M<III>从包括K、Na、Li、Rb、Zn或者其混合物的组中选择，并且0<x≤0.1、0<y≤0.1；(M<I>(2-x)M<II>x M<III>2)O7，其中M<I>从包括La、Y、Gd、Lu、Ba、Sr或者其混合物的组中选择，M<II>从包括Eu、Tb、Pr、Ce、Nd、Sm、Tm或者其混合物的组中选择，M<III>从包括Hf、Zr、Ti、Ta、Nb或者其混合物的组中选择，并且0<x≤1；(M<I>(1-x)M<II>x M<III>(1-y)M<IV>y)O3，其中M<I>从包括Ba、Sr、Ca、La、Y、Gd、Lu或者其混合物的组中选择，M<II>从包括Eu、Tb、Pr、Ce、Nd、Sm、Tm或者其混合物的组中选择，M<III>从包括Hf、Zr、Ti、Ta、Nb或者其混合物的组中选择，并且M<IV>从包括Al、Ga、Sc、Si或者其混合物的组中选择，并且0<x≤0.1、0<y≤0.1；或者其混合物。
其它合适的发光材料是Ce掺杂的钇铝石榴石(YAG，Y3Al5O12)和镥铝石榴石(LuAG)。发光光导可以包括在蓝颜色范围内或者绿颜色范围内或者红颜色范围内的中心发射波长。蓝颜色范围被限定在380nm和495nm之间，绿颜色范围被限定在495nm和590nm之间，并且红颜色范围被限定在590nm和800nm之间。
可以用于实施例中的磷光体的选择连同最大发射波长在下面的表1中给出。
磷光体 最大发射波长[nm]
CaGa<sub>2</sub>S<sub>4</sub>:Ce 475
SrGa<sub>2</sub>S<sub>4</sub>:Ce 450
BaA1<sub>2</sub>S<sub>4</sub>:Eu 470
CaF<sub>2</sub>:Eu 435
Bi<sub>4</sub>Si<sub>3</sub>O<sub>12</sub>:Ce 470
Ca<sub>3</sub>Sc<sub>2</sub>Si<sub>3</sub>O<sub>12</sub>:Ce 490
表1
根据本发明的实施例的如下面阐述的光导可以包括具有不同密度的用于将光转换为另一光谱分布的合适发光材料的区域。在实施例中，透明光导包括彼此邻近的两个部分，并且其中的仅一个部分包括发光材料，而另一个部分是透明的或者具有相对低浓度的发光材料。在另一实施例中，光导包括邻近第二部分的又一第三部分，第三部分包括不同的发光材料或者不同浓度的相同发光材料。不同的部分可以一体形成，从而形成整体式或者一个光导。在实施例中，部分反射元件可以被设置在光导的不同部分之间，例如在第一部分和第二部分之间。部分反射元件适于透射具有一个特定波长或者光谱分布的光，并且反射具有另一不同特定波长或者光谱分布的光。部分反射元件因此可以是诸如二色性镜之类的二色性元件。
在另一实施例中(未示出)，发光材料的多个波长转换区域被设置在诸如LED之类的多个光源的上方或者顶部上的透明光导的光输入表面处。因此，多个波长转换区域中的每个波长转换区域的表面区域对应于多个光源中的每个光源的表面区域，使得来自光源的光经由发光材料区域耦合到透明光导中。被转换的光然后耦合到光导的透明部分中，并且随后被引导到光导的光出射表面。波长转换区域可以被设置在光输入表面上，或者它们可以形成在光导中。波长转换区域可以形成设置在光导上或者光导中在光输入表面处的均匀层的一部分。在两个相邻波长转换区域之间延伸的均匀层的部分可以是透明的，并且可以另外地或者备选地具有与波长转换区域相同的折射率。不同的波长转换区域可以包括互相不同的发光材料。光源和发光区域之间的距离可以低于2mm、低于1mm、或者低于0.5mm。
在如下面阐述的根据发明的发光设备的实施例中，耦合结构或者耦合介质可以被提供用于将由光源发射的光高效率地耦合到光导中。耦合结构可以是具有诸如例如形成波形结构的突出和凹部之类特征的折射结构。耦合结构的特征的典型尺寸是5μm到500μm。特征的形状可以是例如半球形(透镜)、棱柱形、正弦曲线形或者随机的(例如喷砂的)。通过选择适当的形状，可以调谐耦合到光导中的光的量。折射结构可以通过机械手段制作，诸如通过镌刻、喷砂等。备选地，折射结构可以通过在诸如例如聚合物或者溶胶凝胶材料之类的适当材料中的复制来制作。备选地，耦合结构可以是衍射结构，其中衍射耦合结构的特征的典型尺寸是0.2μm到2μm。光导内的衍射角θin由光栅方程λ/Λ＝nin·sinθin-nout·sinθout给出，其中λ是LED光的波长，Λ是光栅周期，nin和nout分别是光导内和光导外的折射率，θin和θout分别是光导内的衍射角和光导外的入射角。如果我们为低折射率层和耦合介质假设相同的折射率nout＝1，通过全内反射条件nin sinθin＝nout，我们发现以下条件：λ/Λ＝1-sinθout，即对于法线入射θout＝0，Λ＝λ。通常，不是所有其它角θout都被衍射到光导中。仅如果其折射率nin足够高，这才会发生。从光栅方程得出如果Λ＝λ，则对于条件nin≥2，所有角都被衍射。还可以使用其它周期和折射率，从而导致更少的光被衍射到光导中。此外，一般透射大量的光(0阶)。衍射的光的量依赖于光栅结构的形状和高度。通过选择适当的参数，可以调谐耦合到光导中的光的量。这种衍射结构最容易通过从已经通过例如电子束光刻或者全息术制成的结构的复制来制作。复制可以通过像软纳米压印光刻那样的方法来完成。耦合介质可以例如是空气或者另一合适的材料。
现在转到图1，示出了发光设备1000的三维透视图，该发光设备包括适于将具有第一光谱分布的传入光转换为具有第二不同光谱分布的光的光导4000。图1所示的光导4000包括或者被构建为波长转换器结构6000，该波长转换器结构具有UV到蓝色波长转换器形式的第一转换部分6110和适于基于来自第一转换部分6110的蓝光输入发射白光1400的磷光体形式的第二转换部分6120。因此，图1所示的发光设备1000包括发射在UV到蓝色波长范围内的光的多个LED 2100、2200、2300形式的光源。LED 2100、2200、2300被设置在基底或者基板1500上。特别地，第一转换部分6110包括掺杂有稀土离子(在实施例中为铕和/或铽)的多晶立方钇铝石榴石(YAG)，而第二转换部分6120包括黄色磷光体。这一实施例的优势在于，光出射表面的表面积小于建立包括直接发光LED的光源所需要的表面积。因此，可以实现光学扩展量的增益。
用于使用蓝色或者UV光源生成白光的备选包括但不限于：LED发射蓝光，该光在第一转换部分6110中被转换为绿/蓝光，绿/蓝光转而由设置为红色磷光体的第二转换部分转换为白光；和LED发射蓝光，该光在第一转换部分6110中被转换为绿光，绿光转而与红光和蓝光混合以生成白色LED源，其中混合通过前方设置有漫射器的红色磷光体形式的第二转换部分的方式来实现。
图2示出了包括光学元件8010的光导4020，该光学元件设置有与光导4020的光出射表面4200光学连接的光输入小面8060。光学元件8010由具有高折射率(在实施例中该折射率等于或者大于光导4020的折射率)的材料制成，并且包括四边形横截面和两个渐窄侧面8030和8040。渐窄侧面8030和8040自光导4020的光出射表面4200向外倾斜，使得光学元件8010的光出射小面8050具有比光输入小面8060和光导4020的光出射表面4200两者更大的表面积。光学元件8010可以备选地具有多于两个(特别地，四个)渐窄侧面。在备选方案中，光学元件8010具有圆形横截面和一个圆周渐窄侧面。使用这种装置，光将在倾斜侧面8030和8040处被反射，并且如果其射中光出射小面8050则具有大的机会逃逸，因为与光输入小面8060相比，光出射小面8050是大的。侧面8030和8040的形状还可以是弯曲的，并且被选择为使得所有光都通过光出射小面8050逃逸。
光学元件还可以从光导4020一体形成，例如通过将光导的一部分成形，使得预定的光学元件在光导的端部之一处形成。光学元件可以例如具有准直器形状，或者可以具有梯形横截面形状并且在实施例中梯形形状的外表面被提供有反射层。因此，可以将所接收的光成形，以便包括更大的光斑尺寸，而同时将通过除了光出射表面之外的其它表面的光损失最小化，因此还提高了所发射光的强度。在另一实施例中，光学元件具有透镜阵列的形状，例如凸透镜或者凹透镜或者其组合。因此，可以将所接收的光成形以便形成聚焦的光、散焦的光、或者其组合。在透镜阵列的情形下，还可行的是，所发射的光可以包括两个或者更多分立光束，每个分立光束由阵列的一个或者多个透镜形成。更一般地，光导因此可以具有不同尺寸的不同形状的部分。因此，提供了光导，使用该光导可以将光成形，因为自光出射表面的任何一个或者多个光发射方向、从光出射表面发射的光的光束尺寸和光束形状可以以特别简单的方式调谐，例如通过更改光出射表面的尺寸和/或形状。因此，光导的一部分作为光学元件起作用。
光学元件还可以是设置在光导的光出射表面处的光集中元件(未示出)。光集中元件包括四边形横截面和两个向外弯曲的侧面，使得光集中元件的光出射表面具有比光导的光出射表面更大的表面积。光集中元件可以备选地具有多于两个(特别地，四个)渐窄侧面。光集中元件可以是具有抛物形弯曲侧面的复合抛物形光集中元件(CPC)。在备选方案中，光集中元件具有圆形横截面和一个圆周渐窄侧面。如果在备选方案中光集中元件的折射率被选择为低于光导的折射率(但是大于空气的折射率)，则仍然可以提取可观的光量。这允许与由具有高折射率的材料制成的光集中元件相比，制造容易和廉价的光集中元件。例如，如果光导具有n＝1.8的折射率，并且光集中元件具有n＝1.5的折射率(玻璃)，可以实现光输出中为2的增益因子。对于具有n＝1.8的折射率的光集中元件而言，该增益将高大约10％。实际上，不是所有光都将被提取，因为在光学元件或者光集中元件和外部介质(一般为空气)之间的界面处将存在菲涅耳(Fresnel)反射。可以通过使用适当的抗反射涂层(即四分之一λ电介质堆叠或者蛾眼结构)减少这些菲涅耳反射。假设作为光出射小面之上的位置的函数的光输出不均匀，则利用抗反射涂层的覆盖可以变化，例如通过变化涂层的厚度。
CPC的兴趣特征之一是光的光学扩展量(＝n2x面积x立体角，其中n是折射率)守恒。CPC的光输入小面的形状和尺寸可以适于光导的光出射表面的形状和尺寸和/或反之亦然。CPC的一大优势是传入光分布被变换为最佳地适配于给定应用的可接受光学扩展量的光分布。CPC的光出射小面的形状根据期望可以例如为长方形或者圆形。例如，对于数字投影仪，将对光束的尺寸(高度和宽度)以及发散度有要求。CPC中的对应光学扩展量将守恒。在这一情形下，使用具有长方形光输入和出射小面的CPC将是有益的，长方形光输入和出射小面具有所使用的显示面板的期望高/宽比。对于聚光灯应用而言，要求较不严格。CPC的光出射小面可以是圆形的，但是还可以具有另一形状(例如长方形)以照射特定形状的区域或者照射期望的图案以将这种图案投影在屏幕、墙壁、建筑、基础设施等上。虽然CPC提供了很多设计上的灵活性，但是其长度可能相当大。一般，可能设计具有相同性能的更短的光学元件。为此，表面形状和/或出射表面可以适于例如具有更弯曲的出射表面以便将光集中。一个附加优势是，CPC可以被用于克服当光导的大小受到LED的尺寸限制并且光出射小面的大小由后续光学部件确定时的可能纵横比失配。此外，可能放置部分覆盖CPC的光出射小面的镜(未示出)，例如使用在其中心或者附近具有“孔”的镜。以这一方式，CPC的出射平面变窄，光的一部分被反射回到CPC和光导中，并且因此光的出射光学扩展量将减少。这将自然地减少从CPC和光导提取的光量。然而，如果这一镜具有高的反射率，像例如Alanod 4200AG，则光可以有效地被注入回到CPC和光导中，在这里其可以通过TIR再循环。这将不会改变光的角分布，但是它将更改在再循环之后光会射中CPC出射平面的位置，从而增加光通量。以此方式，通常将被牺牲以减少系统光学扩展量的光的部分可以被重新获得并且用于增加例如均匀性。如果系统被用于数字投影应用中，则这是极其重要的。通过以不同的方式选择镜，同一套CPC和光导可以被用于处理使用不同面板尺寸和纵横比的系统，而无须牺牲大量的光。以这一方式，单个系统可以被用于各种数字投影应用。
通过使用参照图2描述的以上结构中的任何一个结构，解决了与将光从高折射率光导材料提取到低折射率材料(如空气)相关(特别是涉及提取效率)的问题。
参照图3和图4，将描述用于提供具有特定形状的光分布的不同可能。图3示出了光导4040的透视图，贯穿该光导的长度成形以便提供成形光出射表面4200。光导4040可以是透明光导或者适于将具有第一光谱分布的光转换为具有第二光谱分布的光的光导。光导4040的贯穿光导4040的长度延伸的部分4501(特别地，邻近表面4500并且与光输入表面4100相对)已经被移除，以便提供具有与光出射表面4200处的光分布的期望形状对应的形状的光导4040，该形状贯穿光导4040的整个长度从光出射表面4200延伸到相对的表面4600。
图4示出了光导4050的侧视图，该光导在其长度的一部分之上被成形以便提供成形光出射表面4200。光导4050可以是透明光导或者适于将具有第一光谱分布的光转换为具有第二光谱分布的光的光导。光导4050的在光导4050的长度的一部分之上延伸的部分4501已经被移除(特别地，邻近表面4500并且与光输入表面4100相对)，以便提供具有与光出射表面4200处的光分布的期望形状对应的形状的光导4050，该形状在光导4050的长度的邻近光出射表面4200的部分之上延伸。
光导的另一部分或者多于一个部分可以被移除，以便提供其它形状的光出射表面。以这一方式可以获得任何可行形状的光出射表面。此外，光导可以被部分或者完全划分为具有不同形状的几个部分，使得可以获得更复杂的形状。从光导移除的一个或者多个部分可以通过例如锯切、切割等方式移除，接着对移除一个或者多个部分之后暴露的表面进行抛光。在另一备选方案中，可以移除光导的中心部分，例如通过钻孔，以便在光出射表面中提供孔。
在备选实施例中，还可以通过将光导的光出射表面的一部分进行表面处理(例如粗糙化)，而使光出射表面的其余部分光滑，来获得具有特定形状的光分布。在这一实施例中，没有光导的部分需要移除。同样地，用于获得具有特定形状的光分布的以上可能的任何组合是可行的。
图5示出了照明系统(例如数字投影仪)的侧视图，该照明系统具有光导4070，该光导适于转换入射光1300，使得所发射的光1700在黄色和/或橙色波长范围内，即大致在560nm到600nm的波长范围内。光导4070可以例如被提供为由诸如掺杂Ce的(Lu,Gd)3Al5O12、(Y,Gd)3Al5O12、或者(Y,Tb)3Al5O12之类的陶瓷材料制成的透明石榴石。利用更高的Ce含量和/或以Ce取代例如Gd和/或Tb的更高的替代水平，由光导发射的光的光谱分布可以位移到更高的波长。在实施例中，光导4070完全透明。
在光出射表面4200处，提供了光学元件9090。光学元件9090包括：滤波器9091，用于对从光导4070发射的光1700进行滤波，以便提供被滤波的光1701；至少一个其它光源9093、9094；以及光学部件9092，适于组合被滤波的光1701和来自至少一个其它光源9093、9094的光，以便提供共同光输出1400。滤波器9091可以是吸收滤波器或者反射滤波器，其可以是固定的或者可切换的。可切换滤波器可以例如通过提供反射式二色性镜和可切换镜并且将可切换镜放置在光传播方向上所见的二色性镜的上游来获得，该反射式二色性镜根据期望的光输出可以是低通、带通或者高通的。此外，组合两个或者更多滤波器和/或镜以便选择期望的光输出也是可行的。滤波器9091是可切换滤波器，从而使得能够根据滤波器9091的切换状态透射未滤波的黄色和/或橙色光或者被滤波的光(特别地并且在示出的实施例中为被滤波的红色光)。被滤波的光的光谱分布依赖于所采用的滤波器9091的特性。如所示的光学部件9092可以是十字二色性棱镜(cross dichroic prism)(还称为X-cube)，或者在备选方案中其可以是合适的单独二色性滤波器的集。
在所示的实施例中，提供了两个其它光源9093和9094，其它光源9093是蓝色光源并且其它光源9094是绿色光源。其它颜色和/或更大数目的其它光源也可以是可行的。其它光源中的一个或者多个还可以是如下面阐述的根据本发明的实施例的光导。又一选项是使用由滤波器9091滤除的光作为其它光源。共同光输出1400因此是由光导4070发射的并且由滤波器9091滤波的光1701和由相应两个其它光源9093和9094发射的光的组合。有利地，共同光输出1400可以是白光。
图5所示的解决方案是有利的，原因在于其是可伸缩的、有成本效益的、以及根据对于根据本发明的实施例的发光设备的给定应用的要求容易适配的。
图6A和图6B分别示出了光导4090A和光导4090B的侧视图，光导4090A和光导4090B分别包括散热元件7000A、7000B，散热元件7000A、7000B分别设置在光导4090A、4090B的不同于光输入表面的表面之一上，优选地在离该表面大约30μm或者更小的距离处。不论实施例，相应散热元件7000A、7000B包括用于改善的散热的翅片(fin)7100、7200、7300，然而翅片是可选元件。不论实施例，相应散热元件7000A、7000B适于能够与光导的表面形状适形，并且因此适于在与光导的整个接触区域之上提供适形热接触。因此，获得增加的热接触区域和因此改善的光导冷却，并且现有的对于散热元件的定位的容许限变得不太关键。
图6A示出，散热元件7000A包括多个散热部分，此处是四个散热部分7001、7002、7003以及7004，其中的一个或者多个(此处是全部四个)可以被提供有翅片。明显地，散热元件7000A包括的散热部分越多，散热元件7000可以越精确地与光导的表面适形。每个散热部分7001、7002、7003、7004适于在与光导的整个接触区域之上提供适形热接触。散热部分可以被设置为与光导的表面相距互相不同的距离。此外，散热元件7000A包括共同载体7050，散热部分7001、7002、7003以及7004分别借助于附接元件7010、7020、7030以及7040单独附接到共同载体7050。备选地，每个散热部分可以被分配其自己的载体。注意，这些元件是可选的。
图6B示出，散热元件7000B包括底部部分7060，底部部分7060适于能够与其将被设置在的光导4090B的表面的形状适形。底部部分7060是柔性的并且可以例如是诸如铜层之类的热传导金属层。散热元件7000B进一步包括设置在底部元件7060和散热元件7000B的其余部分之间的热传导层7070，以用于改善散热元件7000B的柔性和适形性。热传导层7070可以例如是热传导流体或者膏。热传导层7070在实施例中是高度反射的，和/或包括高度反射涂层。散热元件7000B进一步包括设置在散热元件7000B内部的流体蓄存器7080，以用于生成用于改善散热的流体流动。在备选方案中，流体蓄存器7080还可以被外部设置在散热元件7000B上，例如沿着散热元件7000B的部分或者整个外部外围延伸。流体流动可以借助于泵来增强。注意，传导层7070和流体蓄存器7080是可选元件。
不论实施例，散热元件7000A、7000B可以由从以下项中选择的材料制成：铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、铝碳化硅、氧化铍、硅-碳化硅、铝碳化硅、铜钨合金、铜碳化钼、碳、金刚石、石墨、以及其中两个或者更多的组合。此外，组合上述实施例的特征的散热元件是可行的。还可行的是，将根据以上实施例中的任何实施例的散热元件设置在光导4090A或者4090B的不止一个表面处。
最后注意，在采用在红色波长范围内发射和/或例如通过包括发射IR的磷光体适于在红外波长范围内发射光的光源的发光设备中，提供如上面描述的散热元件是特别有利的。
图7A至图7D分别示出了光导4010A、4010B、4010C、以及4010D的侧视图，光导4010A、4010B、4010C、以及4010D包括：光偏振元件9001，被设置为邻近相应光导4010A、4010B、4010C、4010D的光出射表面4200；以及反射元件7400，被设置在相应光导4010A、4010B、4010C、4010D的与光出射表面4200相对延伸的表面4600处。因此，可以获得具有高亮度和高效率的偏振光源。不论实施例，偏振元件9001可以是反射式线偏振器和反射式圆偏振器中的任何一种。线栅偏振器、基于包括双折射层的聚合物层的堆叠的反射式偏振器是反射式线偏振器的示例。可以使用所谓的胆甾液晶相的聚合物制作仅透射一个偏振和特定光谱分布的光的所谓的胆甾偏振器，来获得圆偏振器。备选地或者除反射式偏振器之外，还可以采用偏振分束器。此外，还可以使用散射偏振器。在另一实施例中，可以使用通过反射的偏振，例如借助于由像玻璃那样的材料制成的楔形体形式的偏振元件，其中光接近布儒斯特(Brewster)角入射。在又一实施例中，偏振元件9001可以是诸如WO 2007/036877A2中所描述的之类的所谓的偏振背光。在又一实施例中，偏振元件9001可以是偏振结构。
图9A示出了其中偏振元件9001被设置在光导4010A的光出射表面4200上的实施例。光源2100、2200、2300发射具有第一光谱分布的第一光1300，第一光1300在光导4010A中被转换为具有第二光谱分布的第二光1400。由于偏振元件9001，仅第一偏振的光(在这一情形下为p偏振光1400PA)被透射并且从光出射表面4200发射，而第二偏振的光(在这一情形下为s偏振光1400S)被反射回到光导4010A中。被反射的s偏振光1400S被反射元件7400反射。当被反射时，被反射的s偏振光1400S的至少一部分被更改为由偏振元件9001透射的p偏振光1400PB。因此，获得了仅包括具有第一偏振的光的光输出，在这一情形下为p偏振光1400PA、1400PB。
此外，在这一示例中，光导4010A包括设置在光出射表面4200和表面4600之间延伸的表面之一处的四分之一λ板9002，在所示的实施例中板9002部分覆盖表面4500。备选地，四分之一λ板可以完全覆盖表面4500，或者其可以包括两个或者更多分立的分段。备选地或者除此之外，其它四分之一λ板可以被设置在光出射表面4200和相对的表面4600之间延伸的表面中的一个或者多个其它表面处。在又一实施例中，四分之一λ板9002可以被设置在光导和反射元件7400之间，使得间隙被提供在四分之一λ板和光导之间。四分之一λ板9002可以被用于将具有第一偏振的光转换为具有第二偏振的光，特别地用于将圆偏振光转换为线偏振光。然而注意，不论实施例，四分之一λ板9002是可选元件，并且因此例如在根据本发明的如下面阐述的实施例中，其还可以被省略。
图7B示出了其中偏振元件9001关于光出射表面4200成角度设置的实施例，如示出的相对于光出射表面4200成45°角，虽然原则上任何角度都是可行的。此外，堆叠在彼此顶部上的四分之一λ板9002和反射元件9003被设置在偏振元件9001下游的光束路径中，使得它们与偏振元件9001基本平行地延伸。因此，具有第一偏振的反射光被耦合出光导4010B，并且随即由偏振元件9001更改为具有第二偏振的光。随后，具有第二偏振的光被反射元件9003改向，并且被四分之一λ板9002进一步偏振。
图7C示出了与图9A所示的实施例非常相似的实施例，但是根据该实施例，作为备选方案的光导4010C包括与光出射表面4200相对的渐窄表面4600。渐窄表面4600被提供有由二分之一λ板9004形式的嵌件分开的反射元件4701、4702。
图7D示出了如下实施例，其中两个光导4010D和5010被堆叠为使得光导4010D的表面4500和光导5010的光输入表面5100面对彼此，并且其中其它偏振元件9005被设置在光导4010D和5010之间并且与它们光学接触。偏振元件9001被设置在光导4010D和5010的光出射表面4200和5200上，并且反射元件7400被设置在光导4010D和5010的与相应光出射表面4200、5200相对的表面4600和5600上。其它偏振元件9005透射具有与由偏振元件9001透射的光的偏振垂直的偏振的光。四分之一λ板9002可以被应用于光导5010的表面5500的至少一部分。
在其它备选实施例中，偏振元件9001可以被提供为设置在光导的光出射表面4200处的光学元件的一部分。在一个特定实施例中，偏振元件9001则被设置以定位在光学元件的安装位置中与光出射表面4200相对。通过示例的方式，这种光学元件可以例如是光学元件、复合抛物形光集中元件(CPC)、或者如上面描述的光学元件。备选地，这种光学元件可以是光混合腔室。特别地，在CPC的情形下，四分之一λ板可以被设置在CPC中与偏振元件9001相对。
图8示出了包括光源2100和光导4095的发光设备1020，光源2100包括多个LED。光源2100在这一示例中被设置在散热器7000形式的基底或者基板(优选地由诸如铜、铁、或者铝之类的金属制成)上。注意，在其它实施例中，基底或者基板不需要是散热器。将光导4095示出为总体上被成形为杆体或者条体，该杆体或者条体具有关于彼此成不为零的角(在这一特定情形下垂直)延伸的光输入表面4100和光出射表面4200，使得光出射表面4200为光导4095的端部表面。光输入表面4100和光出射表面4200可以具有不同的尺寸，优选地使得光输入表面4100大于光出射表面4200。光导4095进一步包括平行于光出射表面4200延伸并且与其相对的其它表面4600，其它表面4600因此同样是光导4095的端部表面。光导4095进一步包括侧表面4300、4400、4500。光导4095还可以是板状的，例如作为正方形板或者长方形板。
发光设备1020进一步包括设置在光导4095的其它表面4600处的第一镜元件7600以及设置在光导4095的光出射表面4200处的第二镜元件7400。如图所示，第一镜元件7600被设置为与光出射表面4200光学接触，并且第二镜元件7600被设置为与其它表面4600光学接触。备选地，可以在第一镜元件7600和第二镜元件7400中的一个或者两者与其它表面4600和光出射表面4200之间分别提供间隙。这种间隙可以用例如空气或者光学粘合剂填充。
光导4095的光出射表面4200进一步被提供有四个向内渐窄壁和与其它表面4600平行延伸的中心平坦部分。如本文中使用的“渐窄壁”意指光出射表面4200的壁分段，该壁分段设置为与光出射表面的(多个)剩余部分和邻近于光出射表面延伸的光导表面两者都成不同于零度的角度。壁向内渐窄，从而意指光导的横截面朝向出射表面逐渐减小。在这一实施例中，第二镜元件7400被设置在光出射表面4200的渐窄壁处并且与渐窄壁光学接触。因此，第二镜元件被提供有对应于并且覆盖光出射表面4200的渐窄壁中的每个渐窄壁的四个分段7410、7420、7430和7440。对应于光出射表面4200的中心平坦部分的穿通开口7520限定了光出射表面4200的透明部分，光可以通过该透明部分离开，以从发光设备1020发射。
以此方式，提供了发光设备，其中射中第二镜元件的光线改变角方向，使得更多的光线指向光出射表面4200，并且之前由于TIR会留在光导4095内的光线由于角方向的改变现在以小于反射临界角的角度射中光出射表面4200，并且因此可以通过光出射表面4200的穿通开口7520离开光导。因此，由发光设备发射的通过光导4095的光出射表面4200的光的强度进一步增加。特别地，当光导是长方形条体时，将有光线在出射表面处垂直射中第二镜元件，并且因此由于它们保持在两个镜元件之间反弹而不能离开该条体。当一个镜元件向内倾斜时，光线在该镜元件处反射之后改变方向，并且可以经由第二镜元件的透明部分离开光导。因此，这一配置通过从渐窄壁反射的手段，提供朝着光出射表面4200的中心平坦部分并且因此朝着第二镜元件7400中的穿通孔7520的改善的光引导。
在备选实施例中，可以提供其它数目的渐窄壁，诸如小于或者大于四个，例如一个、两个、三个、五个或者六个渐窄壁，并且相似地，不是所有渐窄壁都需要被提供有第二镜元件或者其分段。在其它备选方案中，渐窄壁中的一个或者多个渐窄壁可以未被第二镜元件7400覆盖，和/或中心平坦部分可以部分地或者完全地被第二镜元件7400覆盖。
现在转到图9，示出了根据本发明的发光设备1的第一实施例。
在下面并且参照图9，将描述根据本发明的发光设备1的所有实施例共同的特征。
发光设备1包括光源2、第一光导3、以及第二光导4。
光源2适于在操作中发射具有第一光谱分布的光13。光源类型的示例在上面进行了描述。
示出第一光导3总体上被成形为杆体或者条体，该杆体或者条体具有被设置为彼此相对的第一光输入表面31和第一光出射表面32、以及成对设置为彼此相对并且在第一光输入表面31和第一光出射表面32之间延伸的其它侧表面33、34、35、36。第一光导3还可以为板状的，例如作为如上面描述的正方形板或者长方形板。
第一光导3适于或者被配置为在第一光输入表面31处接收来自光源2的光13，将光13引导到第一光出射表面32，并且将光13耦合出第一光出射表面32并且进入第二光导4。
图9所示的第一光导3是透明光导。在实施例中，透明的第一光导3具有相对高的折射率，这意味着其折射率大于例如1.5，或者特别地大于下面要描述的可选层6的折射率，并且可能还大于第二光导4的折射率。在实施例中，透明的第一光导3还具有良好的热量传导性质。合适的透明材料在上面进行了描述。
通常，但是特别地在透明的第一光导3的情形下，光源2在实施例中被设置在第一光导3上，第一光导3因此在这一情形下充当基板。光源可以是诸如LED之类的固态光源，其以本领域已知的任何可行方式直接制造在透明基板上，诸如通过化学或者物理沉积方法或者通过液相外延(LPE)，固态光源的制造或者生长直接执行到透明光导或者基板3上。固态光源被设置为与在这一实施例中充当第一光导3的透明基板直接物理和光学接触，优选地通过被提供为，例如固态发光设备的有源层直接生长到透明基板上并且直接在透明基板上进行处理(例如刻蚀)。换句话说，透明基板是固态光源(即固态光源的有源层)制造在其上的基板。合适的制造技术被应用于提供相邻或者邻近的固态发光设备之间的间隔或者间隙。用于透明基板的特别优选的材料为掺杂或非掺杂的蓝宝石。透镜基板可以备选地由掺杂或者非掺杂石榴石制成，合适的石榴石在上面进行了描述。此外，透明基板可以是发光的、光集中的、或者其组合，合适的材料在上面进行了描述。如将在下面进一步描述的那样，光源2还可以被设置在基底15上。
同样地将第二光导4示出为总体上被成形为杆体或者条体，该杆体或者条体具有第二光输入表面41、作为第二光导4的端部表面并且垂直于第二光输入表面41延伸的第二光出射表面42、以及其它侧表面43、44、45、46。第二光导4还可以为板状的，例如作为如上面描述的正方形板或者长方形板。
第二光导4包括第二光输入表面41和第二光出射表面42。第二光导4适于或者被配置为在第二光输入表面41处接收耦合出第一光导3的光13，将光13转换为具有第二光谱分布的光14，将光13和转换的光14引导到第二光出射表面42，并且将光13和转换的光14耦合出第二光出射表面42。
在实施例中，第二光导3是由发光材料制成的发光光导。合适的发光材料包括有机磷光体、有机磷光体染料、以及高度适合于本发明的目的的量子点。示例和其它合适的发光材料在上面进行了描述。
在实施例中，耦合到第二光导4中的具有第一光谱分布的所有光13被转换为具有第二光谱分布的光14。备选地，具有第一光谱分布的光13中的一些光可以保持未被转换并且通过第二光出射表面42耦合出第二光导4。
在实施例中并且如图9所示，具有第一光谱分布的光13的一部分(由于与第一光出射表面32的入射角，其未通过第一光出射表面32发射)通过第一光导3的端部表面35发射，端部表面35在第一光输入表面31和第一光出射表面32之间并且垂直于它们延伸，并且此外如图9所示，平行于第二光导4的第二光出射表面42延伸。因此，根据本发明的发光设备可以发射包括不同光谱分布的组合的光，即在图9所示的实施例中，具有第一光谱分布的光13和具有第二光谱分布的转换的光14的组合。
第一光导3的剩余表面33、34、以及36可以被提供有诸如金属涂层或镜之类的反射材料，以便保证没有光通过这些表面发射。在备选实施例中，端部表面35可以同样地使用诸如金属涂层或者镜之类的反射材料覆盖，以便保证所有光都通过光出射表面32发射。
第二光导4的剩余表面43、44、45以及46可以被提供有诸如金属涂层或镜之类的反射材料，以便保证所有光都通过光出射表面42发射。
反射材料可以被设置为与相应光导表面直接接触，但是在实施例中被设置为使得空气间隙被提供在反射材料和相应光导表面之间。
仍然参照图9，所示的发光设备1包括若干其它特征和元件，它们是可选的并且将在下面进行描述。
光从光源2到第一光导3中的耦合可以借助于在第一光导的光输入表面31上提供的适当耦合结构7和/或借助于设置在光源2和第一光导之间的耦合介质8进行改进。原则上，可以提供多于一个耦合结构和/或耦合介质。合适的耦合结构7和耦合介质8在上面进行了描述。
第一光导3和第二光导4借助于具有相对低的折射率(意味着该折射率低于两个波导的折射率)的层6连接到彼此。层6可以是空气，在这种情形下，可以使用间隔物维持空气间隙，或者层6可以由像例如硅树脂(n＝1.4-1.5)或者基于硅酸盐的溶胶凝胶材料(n＝1.3-1.6)那样的材料制成。
现在转到图10，示出了根据本发明的发光设备101的第二实施例。在这一实施例中，光源包括在诸如印刷电路板(PCB)之类的基底15上以阵列设置的多个LED 21、22、23。
此外，在这一实施例中，第一光导3适于将由LED 21、22、23发射的具有第一光谱分布的光转换为具有第三光谱分布的光，第三光谱分布与第一光谱分布和第二光谱分布(光被第二光导4转换到第二光谱分布)两者不同。
通过非限制性示例的方式，LED可以发射蓝光，而第一和第二光导3、4适于将传入光分别转换为绿光和红光。因此，在这一示例中，蓝光耦合到第一光导3中，在这里其被转换为绿光，并且来自第一光导3的绿光耦合到第二光导4中，在这里其被转换为红光。因此，绿光通过端部表面35发射，而红光通过第二光出射表面42发射。在实施例中，所有耦合到光导之一中的光被转换。在其中一些光保持未被转换的备选方案中，未被转换的光可以分别通过例如上述端部表面35和第二光出射表面发射。
在这一实施例中，第一光导3和第二光导4两者都是发光光导。
图11示出了根据本发明的发光设备102的第三实施例。在这一实施例中，光源包括在诸如PCB之类的基底15上以阵列设置的多个LED 21、22、23。
此外，第一光导3适于将由LED 21、22、23发射的具有第一光谱分布的光转换为具有第三光谱分布的光，第三光谱分布与第一光谱分布和第二光谱分布(光被第二光导4转换到第二光谱分布)两者不同。
图11中示出的发光设备102还包括其它光导5，其它光导5包括其它光输入表面51和其它光出射表面52。其它光导5适于在其它光输入表面51处接收和耦合进入射光，将入射光转换为具有与入射光的光谱分布不同的光谱分布的转换光，将转换光和/或入射光引导到其它光出射表面52，并且将转换光和/或入射光耦合出其它光出射表面52。当然，可以提供多于一个的其它光导。
其它光导5同样地大体上被成形为杆体或者条体，该杆体或者条体具有其它光输入表面51、作为其它光导5的端部表面并且垂直于其它光输入表面51延伸的其它光出射表面52、以及四个其它表面，四个其它表面中的表面53、55、以及56在图10中的侧视图中示出，然而平行于表面53延伸并且与其相对的表面在图10中不可见。其它光导5还可以为板状的，例如作为正方形板或者长方形板。
图11所示的通过其它光输入表面51耦合到其它光导5中的光是通过第二光导4的表面45发射或者逃逸的光。
在实施例中，其它光导5是发光光导，其吸收入射光并且将入射光转换为具有在实施例中与上面描述的第一、第二、以及第三光谱分布不同的光谱分布的光。即，第一光导3、第二光导4、以及其它光导5都具有不同的发光性质，例如它们由诸如不同的磷光体之类的不同发光材料制成，合适的示例在上面进行了描述。
在示例中，第一光导3是透明光导，而第二光导4和其它光导5是将传入光分别转换为绿光和红光的发光光导。备选地，所有三个光导3、4、以及5可以是发光光导，例如将传入光分别转换为黄光、绿光、以及红光。
一个或者多个其它光导5的剩余表面53、55和56以及与表面53相对的不可见表面可以被提供有诸如金属涂层或者镜之类的反射材料，以便保证所有光都通过光出射表面52发射。反射材料可以被设置为与相应光导表面直接接触，但是在实施例中被设置为使得空气间隙被提供在反射材料和相应光导表面之间。
在包括多于一个其它光导5(例如作为发光波导)的实施例中，每个其它光导将入射光转换为具有与从发光设备的任何其它光导发射的光的光谱分布不同并且与由光源发射的光的第一光谱分布不同的光谱分布的光。
然而，还可行的是，提供发射具有相同光谱分布的光的两个或者更多光导，从而增加所发射的具有该特定光谱分布的光的强度。
图12示出了根据本发明的并且与图9所示的并且在上面进行了描述的发光设备非常相似的发光设备103的第四实施例。
图12所示的发光设备103与本文中描述的剩余实施例的不同在于第一光导3包括散射元件10。散射元件10可以例如是诸如TiO2、Al2O3、或者BaSO4之类的材料的粒子，并且旨在改进光从第一光导3的提取。这样提取的光接着可以被第二光导4吸收并且被转换为具有第二光谱范围的光。
第二光导4和(如果存在的话)任何其它光导5可以同样地被提供有散射元件10。
图13示出了根据本发明的并且与图9所示的并且在上面进行了描述的发光设备非常相似的发光设备104的第五实施例。
图13所示的发光设备104与本文中描述的剩余实施例的不同在于第一光导3包括诸如光栅或者光子晶体之类的耦合结构9，用于将光耦合出第一光导3。这样提取的光接着可以被第二光导4吸收并且被转换为具有第二光谱范围的光。耦合结构在实施例中被设置在第一光导3的第一光出射表面32上。备选地，耦合结构9可以被嵌入在第一光导中邻近第一光出射表面32。
第二光导4和(如果存在的话)任何其它光导5可以同样地被提供有耦合结构9，耦合结构9在实施例中被设置在其相应光出射表面上或者被嵌入在其相应光出射表面中。
图14示出了根据本发明的并且与图9所示的并且在上面进行了描述的发光设备非常相似的发光设备105的第六实施例。
图14所示的发光设备105与本文中描述的剩余实施例的不同在于第一光导3被设置为以便部分地与第二光导4光学和/或机械接触。如图14所示，第一光导3在两个特定点11、12处与第二光导4光学和/或机械接触。因此，获得了光从第一光导3到第二光导4的经改进的耦合，这转而降低或者甚至消除光损失。
在备选方案中，第一光导3可以被设置为以便在相应邻接表面的区域之上部分地与第二光导4光学和/或机械接触。在另一备选方案中，第一光导3被设置为以便在相应邻接表面的全部区域之上与第二光导4光学和/或机械接触。
当提供一个或者多个其它光导5时，第二光导4和其它光导5、和/或相邻的相应其它光导可以同样地被设置为以便至少部分地与彼此光学和/或机械接触。
图15示出了根据本发明的并且与图9所示的并且在上面进行了描述的发光设备非常相似的发光设备106的第七实施例。
图15所示的发光设备106与本文中描述的剩余实施例的不同在于第一光导3被第二光导4部分包围。因此，可以从多于一个表面(特别地并且如图14所示，第一光导3的表面31、33和34)收集从第一光导3发射的光，因此进一步降低或者甚至消除光损失。
在备选实施例中，第一光导3还可以被第二光导4完全包围。在其它备选实施例中，第二光导4可以被第一光导3部分或者完全包围。此外，在包括其它光导5的实施例中，类似的实施例是可行的，例如第一光导3和第二光导4可以被其它光导5部分或者完全包围。
图16示出了根据本发明的并且与图9所示的并且在上面进行了描述的发光设备非常相似的发光设备107的第八实施例。
图16所示的发光设备107与本文中描述的剩余实施例的不同在于，其它光导5被提供在光源2和第一光导3之间，并且包括其它光输入表面51和其它光出射表面54。换句话说，第一光导3被夹在其它光导5和第二光导4之间。
在这一实施例中，其它光导5和第二光导4是例如相同的光导，但是原则上还可以是不同的光导。
其它光导5适于在其它光输入表面51处接收和耦合进由光源2发射的入射光，将入射光转换为具有与入射光的光谱分布不同的光谱分布的转换光，将转换光和/或入射光引导到其它光出射表面54，并且将转换光和/或入射光耦合出其它光出射表面54并且通过第一光输入表面31进入第一光导3。当然，多于一个其它光导可以被提供在光源2和第一光导3之间。
在实施例中，其它光导5是发光光导，其吸收入射光并且将其转换为具有例如与上面描述的第一、第二以及第三光谱分布不同的光谱分布的光。
在实施例中，光还经由其它端部表面52离开其它光导。一个或者多个其它光导5的剩余表面可以被提供有诸如金属涂层或者镜之类的反射材料，以便保证所有光都通过(多个)光出射表面发射。
根据本发明的发光设备的光导可以配备有如上面参照图2描述的合适的光学元件。
此外，或者备选地，合适的散热元件可以被设置在根据本发明的发光设备的光导处，例如如上面参照图6A和图6B描述的那样，因此改进了发光设备的热量移除。
在实施例中，发光设备可以被设置为发射偏振光，诸如上面参照图7A至图7D描述的那样，这例如对于在数字投影仪中使用是有用的。
为了进一步增加所发射的光的强度，根据本发明的发光设备的光导可以具有诸如在上面参照图8描述的之类的渐窄出射表面。
本领域技术人员要意识到，本发明决不限于上面描述的实施例。相反地，在所附权利要求的范围内，很多修改和变化是可能的。
特别地，本文中描述的各种实施例的各种元件和特征可以自由组合。
此外，对所公开的实施例的变化可以由技术人员在实践所要求保护的发明中通过学习附图、公开内容以及所附权利要求而理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或者步骤，并且不定冠词“一(a)”或者“一个(an)”不排除多个。仅凭在互相不同的从属权利要求中记载某些措施的事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (15)

1.一种发光设备(1)，包括：
光源(2)，适于在操作中发射具有第一光谱分布的光(13)，
第一光导(3)，包括被设置为彼此相对的第一光输入表面(31)和第一光出射表面(32)，并且进一步包括关于所述第一光输入表面(31)垂直延伸的端部表面(35)，以及
第二光导(4)，包括关于彼此垂直延伸的第二光输入表面(41)和第二光出射表面(42)，
所述第一光导(3)适于在所述第一光输入表面(31)处接收来自所述光源(2)的具有所述第一光谱分布的所述光，将具有所述第一光谱分布的所述光引导到所述第一光出射表面(32)和所述端部表面(35)，并且将具有所述第一光谱分布的所述光的一部分从所述第一光出射表面(32)耦合到所述第二光导(4)中，并且将具有所述第一光谱分布的所述光的另一部分耦合出所述端部表面(35)，并且
所述第二光导(4)适于在所述第二光输入表面(41)处接收从所述第一光导(3)耦合的具有所述第一光谱分布的光，将所述光引导到所述第二光出射表面(42)，将具有所述第一光谱分布的所述光(13)的至少一部分转换为具有第二光谱分布的光(14)，并且将具有所述第二光谱分布的所述光耦合出所述第二光出射表面(42)。
2.根据权利要求1所述的发光设备，其中所述第一光导(3)是透明光导。
3.根据权利要求1或者2所述的发光设备，其中所述第一光导(3)是透明基板，并且所述光源(2)是制造在所述透明基板上或者所述透明基板中的固态光源。
4.根据权利要求1所述的发光设备，所述第一光导(3)进一步适于将具有所述第一光谱分布的所述光的至少一部分转换为具有第三光谱分布的光，并且将具有所述第三光谱分布的所述光引导到所述第一光出射表面(32)和所述端部表面(35)，并且将具有所述第三光谱分布的所述光的一部分从所述第一光出射表面(32)耦合到所述第二光导(4)中，并且将具有所述第三光谱分布的所述光的另一部分耦合出所述端部表面(35)，并且
所述第二光导(4)适于在所述第二光输入表面(41)处接收从所述第一光导(3)耦合的具有所述第三光谱分布的所述光的至少一部分，将所述光引导到所述第二光出射表面(42)，将具有所述第三光谱分布的所述光的至少一部分转换为具有所述第二光谱分布的光，并且将具有所述第二光谱分布的所述光耦合出所述第二光出射表面(42)。
5.根据权利要求1-2和4中的任一项所述的发光设备，其中所述第一光导(3)和所述第二光导(4)中的一个光导至少部分地由所述第一光导(3)和所述第二光导(4)中的相应另一个光导包围。
6.根据权利要求1-2和4中的任一项所述的发光设备，进一步包括一个或者多个其它光导(5)，其被设置在所述第二光导(4)上并且包括关于彼此垂直延伸的其它光输入表面(51)和其它光出射表面(52)，
所述一个或者多个其它光导(5)适于在所述其它光输入表面(51)处接收和耦合来自所述第二光导(4)的入射光，将所述入射光引导到所述其它光出射表面(52)，将所述入射光的至少一部分转换为具有与所述入射光的光谱分布不同的光谱分布的转换光，并且将所述转换光耦合出所述其它光出射表面(52)。
7.根据权利要求1-2和4中的任一项所述的发光设备，进一步包括其它光导(5)，其被设置在所述光源(2)和所述第一光导(3)之间，并且包括关于彼此垂直延伸的其它光输入表面(51)和其它端部表面(52)、以及与所述其它光输入表面(51)相对的其它光出射表面(54)，
所述其它光导(5)适于接收和耦合来自所述光源(2)的入射光，将所述入射光的至少一部分转换为具有与所述入射光的光谱分布不同的光谱分布的转换光，将所述入射光和/或所述转换光引导到所述其它光出射表面(54)和所述其它端部表面(52)，将所述入射光和/或所述转换光从所述其它光出射表面(54)耦合到所述第一光导(3)中并且耦合出所述其它端部表面(52)。
8.根据权利要求1-2和4中的任一项所述的发光设备，其中所述第一光导(3)的所述第一光输入表面(31)包括耦合结构(7)。
9.根据权利要求8所述的发光设备，其中所述耦合结构(7)是折射结构和衍射结构中的任何一个。
10.根据权利要求1-2和4中的任一项所述的发光设备，进一步包括设置在所述第一光导(3)和所述第二光导(4)之间的层(6)，所述层(6)是具有折射率的材料，所述折射率低于所述第一光导(3)和所述第二光导(4)两者的折射率。
11.根据权利要求1-2、4和9中的任一项所述的发光设备，其中所述第二光导(4)包括发光材料。
12.根据权利要求1-2和4中的任一项所述的发光设备，其中所述第一光导(3)和所述第二光导(4)中的任何一个或者多个包括至少一个散射元件(10)。
13.根据权利要求1-2和4中的任一项所述的发光设备，其中所述第一光导(3)和所述第二光导(4)中的任何一个或者多个包括分别在所述第一光出射表面(32)和所述第二光出射表面(42)处的耦合结构(9)。
14.根据权利要求1-2和4中的任一项所述的发光设备，其中所述第一光导(3)和所述第二光导(4)彼此至少部分地处于光学和机械接触中的一种或者多种。
15.一种数字投影设备，包括根据以上权利要求中的任一项所述的发光设备。
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