CN106662305B - 具有泵浦辐射源的照射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种照射装置(50)，具有：用于发射泵浦辐射(2)的泵浦辐射源(51)；转换元件(3)，用于将泵浦辐射(2)转换成长波的转换辐射(16，18)；以及对于转换辐射(16，18)来说反射的反射面(11)，反向散射转换辐射(16)投射到该反射面上，转换元件(3)在与所述转换辐射发射面(9，72)相对的反向散射发射面(8)处发射该反向散射转换辐射，该反射面(11)相关于转换元件(3)这样地凹进弯曲，即至少一个由反向散射发射面(8)的面心(15)发散地输出的反向散射转换辐射(16a)以最高20°的入射角投射到反射面(11)上。

Description

具有泵浦辐射源的照射装置
技术领域
本发明涉及一种照射装置，具有用于发射泵浦辐射的泵浦辐射源和用于将泵浦辐射至少部分地转换成长波转换辐射的转换元件。
背景技术
转换元件例如能够与激光器共同作为泵浦辐射源使用并且转换其短波的并进而高能的泵浦辐射。该泵浦辐射例如可以是UV辐射或者蓝色光，转换辐射的波长优选地处于可见的光谱范围中。相应的转换元件也被描述为发光材料元件并且以所谓的远程荧光布置相对于泵浦辐射源布置。如果转换/发光材料元件在运行中被照射泵浦辐射，那么其发射转换辐射，例如可见的转换光线，并且然后例如可以被作为较高的光密度的光源使用。
发明内容
本发明基于以下的技术问题，给出一种相对于现有技术来说优选的具有泵浦辐射源和转换元件的照射装置。
根据本发明，该目的通过一种照射装置实现，该照射装置具有：用于发射泵浦辐射的泵浦辐射源；转换元件，用于将泵浦辐射至少部分地转换成长波的转换辐射，该转换元件具有转换辐射发射面；以及对于转换辐射来说至少部分反射的反射面，反向散射转换辐射投射到反射面上，转换元件在与转换辐射发射面相对的反向散射发射面处发射该反向散射转换辐射，反射面相关于转换元件这样地凹进弯曲，即至少整体上在反向散射发射面的面心中发散地输出的反向散射转换辐射以最高20°的相应的入射角投射到反射面上。
优选的设计方案在说明书中给出，其中，在附图中并不总是在细节上对装置方面和方法和使用方面进行区分。
在一个优选的设计方案中，转换元件的泵浦辐射入射面和转换辐射发射面处于转换元件的彼此相对的侧面上，也就是说以透射方式运行(例如参考图1)。泵浦辐射在此投射到泵浦辐射入射面上，并且其使用在相对放置的转换辐射发射面上输出的转换辐射，例如作为用于照明的转换光线。然而，转换辐射的发射在原理上全向地实现(并进而也“向后”发射)。“向前”、向着转换辐射发射面输出的光线此外例如也可以通过散射原理在转换元件的内部“向后”偏转。
结果在透射运行中在任何情况中不仅仅在转换辐射发射面上而且还在泵浦辐射入射面上输出转换辐射。另一方面，转换元件也反射地运行，也就是说泵浦辐射入射到泵浦辐射入射面上并且转换辐射从相同的面上输出(在上述的意义上使用)；泵浦辐射入射面此时即与转换辐射发射面相同。在该种情况中，在与转换辐射发射面相对的面上出于所述原因输出转换辐射。
与转换辐射发射面(照明光线从该面上输出)的透射运行还是反射运行无关，转换元件的相对的面都被描述为“反向散射发射面”。在透射运行的情况中，反向散射发射面与泵浦辐射入射面相同，在反射运行的情况中，其位于泵浦辐射入射面的对面。
简而言之，在任何情况中，在反向散射发射面上转换辐射输出到错误的方向上。因此，设置有反射面，从而提高“向前”输出的转换辐射的份额。当前，在反向散射发射面上输出的转换辐射的部分被描述为“反向散射转换辐射”，其投射到反射面上。
由于向着转换元件的向回反射，反向散射转换辐射然后具有向前的方向分量，也就是说提高了转换辐射的向前输出的份额。“向前”意味着具有沿着在转换辐射发射面上的法线的方向分量，“向后”意味着具有相反的方向分量(在透射和反射的情况中是相同的)。考虑到所产生的转换辐射的极可能高效的应用，例如至少60％的，优选至少80％的，进一步优选地至少90％的在反向散射发射面上输出的转换辐射可以为反向散射转换辐射。
如接下来进一步详细描述的那样，反射层在透射运行中优选是二色性的层，其对于泵浦辐射是透射的，然而对于转换辐射是反射的。该二色性层然后优选地设置在对于泵浦辐射而言在转换元件上游安置的透镜上。从泵浦辐射源出发，泵浦辐射穿过透镜和反射层并且投射到泵浦辐射入射面上。与之相反的是，在其上输出的反向散射转换辐射在该反射面上并不是透射的，而是反射的，在任何情况中都是尽可能反射的。
在根据本发明的照射装置中，现在反射面这样地凹进弯曲，即至少在反向散射入射面的中心发散地(也就是以不同的空间角度)输出的反向散射转换辐射以一个入射角投射到反射面上，该入射角最高20°，在该顺序中逐渐最高优选15°，10°，5°或者3°。在此考虑以下数值，即入射角的数值函数(绝对值)。
“入射角”作为在相应的入射辐射和在相应的入射点中的泵浦辐射入射面上的相应面法线之间的最小角度；不同的表达为，反射散射转换辐射优选(不仅在透射的运行中而且还有在反射的运行中基本上垂直入射到反射面上(平行于相应的面法线，入射角为0°))。反射面“相关于”转换元件是凹进弯曲的，也就是从转换元件看远离转换元件地弯曲(从反射面的边缘向内)。
随着弯曲，不仅仅入射角的平均值减小，而且其方差也减小。与之相比，例如在平面的、相对于反向散射发射面平行的反射面的情况中，反向散射辐射以在0°和例如70°(或者更多，视布置和间距而定)之间的整体入射角投射到反射面上。转换辐射在反向散射发射面上的发射以典型的方式实现为朗伯式(Lambertsch)。在可比较的情况中，转换辐射也可能以极其不同的入射角入射。这例如是有缺点的，只要二色性反射层的反射特性会表现出对入射角的偶尔很强的依赖性，参见图4。
因此，例如构造为电介质多层系统的二色性的反射层例如可以向着垂直的辐射入射(入射角为0°)方向优化。如果现在随着入射角的增大，反射窗口推移，那么例如可以传输无意的转换辐射，这使效率变差。通过根据本发明地减小入射角的方差，相应地多个辐射能够以对于相应的反射面来说合适的入射角度入射。
另一方面，相应的凹进弯曲然而也在反射面的情况中具有优点，其也反射了泵浦辐射(也被描述为全镜面反射)。这一方面在(转换元件的)反射运行中是可行的。另一方面，该反射面对于透射运行来说例如可以具有相对于其面积来说小的光阑，通过该光阑，泵浦辐射从泵浦辐射源到达泵浦辐射入射面(可替换地，泵浦辐射也可以从反射面的旁边引导经过)。在这样的全镜面反射的情况中，凹进的弯曲此时例如也可以在关于反向散射泵浦辐射的反射时提供优点，也就是涉及非转换地在反向散射发射面上再次发射的泵浦辐射。
反向散射泵浦辐射可以在反向散射转换辐射的反向散射发射面上相对分散地输出，同样是朗伯的。相应的是，反向散射泵浦辐射也大约垂直地入射到根据本发明弯曲的反射面上。来路和去路因此大约是相同的，反向散射泵浦辐射因此向回引导至转换元件，这然后可以提高整体转换的部分并进而改善效率。
此外，凹进弯曲通常也是有利的，即不仅在二色性的反射层的情况中而且在全镜面反射的情况中，还有在向回引导反向散射转换辐射的情况中都提供优点。利用反向散射转换辐射的基本上垂直的入射，来路和去路差不多重叠，反射的反向散射转换辐射的很大部分投射到反向散射发射面上。如果该反向散射转换辐射然后穿过转换元件，那么其就可以在该转换元件下游与原始在转换辐射发射面上输出的转换辐射共同被使用。在转换元件下游布置的光学元件因此例如不必特意地考虑在转换元件“旁”经过引导的反向散射转换辐射。
通常，转换辐射发射面优选地可以对应于用于“收集”在那里输出的转换辐射的光学元件，例如成像的光学元件，像透镜或者反射器，或者非成像的光学元件，像复合抛物面聚光器(CPC)。在(转换元件的)反射运行的情况中，该光学元件或者其一部分可以有利地同时将泵浦辐射引向转换元件。
回到反射面：入射角条件涉及到面心，也就是说相对于面心间隔开地输出的反向散射转换辐射例如也能够以(大约)强烈变化的入射角投射到反射面上。然而相对于平面反射面的参照情况，通过相关于面心的优化，也为相对于面心间隔地输出的反向散射转换辐射减小了入射角方差。
“面心”例如可以在矩形的反向散射发射面的优选情况中对应于对角线的交点或者在圆形的反向散射发射面的情况中对应于圆心。有利的是，透镜的光学轴线穿过面心。在反向散射发射面上的面法线通常例如也能够相对于透镜的光学轴线倾斜；然而优选的是，该面法线和透镜的光学轴线彼此平行。
在有利的设计方案中，反射面这样地凹进弯曲，即全部的反向散射转换辐射的至少80％，优选至少90％，特别优选的是至少95％以这样的入射角投射到反射面上，该入射角不超过20°(在进一步优选的最大入射角方面参阅之前的公开文件)。通过将曲率相应地向着整个反向散射发射面优化，入射角的方差在整体上被降低，也就是说对相对于面心间隔地发射的反向散射转换辐射而言。
如已经描述的那样，在一个优选的设计方案中，转换元件透射地运行，也就是说反向散射发射面与泵浦辐射入射面相同(可用转换辐射在相对的侧面上输出)。也就是说在本公开物中“反向散射发射面”也就是“泵浦辐射入射面”。只要通常谈及透射/反射运行，其在整个公开物中就涉及转换元件，也就是涉及在其哪个面上输出可用转换辐射。
在透射运行的情况中，优选的是透镜布置在泵浦辐射源和转换元件之间，该透镜具有反射面；例如也可以将二色性的涂层设置在透镜的入射或者出射面上。
具有反射面的透镜布置在泵浦辐射源和转换元件“之间”，这涉及到泵浦辐射的路径。如果泵浦辐射路径例如通过镜子偏转，那么很大程度上在泵浦辐射源和转换元件之间布置的透镜也可以处于泵浦辐射源至转换元件的(几何)连接直线的外部。“透镜”是在其体积上(从也许可能的反射面看)对于泵浦和转换辐射来说的透射体，其中优选的是至少泵浦辐射入射面或者出射面是弯曲的，优选的是二者都是弯曲的(参见接下来的详细描述)。
在一个优选的设计方案中，透镜如此地布置和设置，即其将泵浦辐射聚焦到转换元件上，优选的是聚焦到其泵浦辐射入射面上。换句话说，透镜具有正焦距并且转换元件的泵浦辐射入射面布置在焦点中。通常，泵浦辐射例如也可以非准直地投射到透镜上，例如在平面凸出透镜的情况中，聚焦的泵浦辐射入射到该透镜上(参见以下)。在本公开物的范畴中，转换元件的整个侧面被描述为“泵浦辐射入射面”，泵浦辐射穿过该侧面入射，也就是说不仅仅是侧面的通过泵浦辐射照亮的区域。在方形的转换元件的情况中，泵浦辐射入射面因此例如可以是直角平行六面体的矩形的侧面，并且在圆柱形的转换元件的情况中例如是圆柱体的圆形基面。
在优选的设计方案中，在反射面和转换元件之间布置有起光学作用的气体容积，例如惰性气体溶剂后者优选的空气腔。这尤其适用于透射地运行的转换元件的情况。在此“之间”涉及到反向散射转换辐射的路径。该气体容积不必填充在反射面和转换元件之前的整个区域，而是例如也可以附加地设置有在反射面和转换元件之间的在接下来详细描述的载体板。“起光学作用”意味着，即气体容积在总体上改变辐射路径，也就是例如不仅仅是在粘接材料层中的微小的气体包含物。
优选的是，该气体容积与反射面相邻(该反射面在该种情况中在透射运行时设置在透镜的泵浦辐射出射面上)。气体容积例如可以提供相关于曲率的调节性的优点，也就是在设计可行性方面。
通常，在透射运行时，透镜相反例如可能也设置为平面凸出透镜，在其凸出的侧面上布置反射层(凸出的侧面此时远离转换元件，反射面相关于转换元件仍然是凹进的)；转换元件也许例如可以也设置成与平面的侧面直接光学接触，也就是例如粘接。泵浦辐射因此例如可以入射到具有反射层的凸出的泵浦辐射入射面上，泵浦辐射这样地聚焦，即其垂直地穿过(凸出的)泵浦辐射入射面。
在反射地运行的转换元件的情况中，在优选的设计方案中平面凸出透镜同样能够具有反射面；例如该平面凸出透镜的凸出侧面也配设有形成反射面的反射层，例如金属膜。该平面凸出透镜和转化元件然后例如被如此地布置，即转换元件的反向散射发射面朝向平面凸出透镜的平面侧，优选的是，该转换元件固定在平面侧上，例如通过粘接材料层。
平面凸出透镜也可以表现为用于转换元件的载体并且该转换元件也以确定的程度冷却。在反向散射发射面上输出的反向散射转换辐射然后在任何情况中都穿过平面凸出透镜并且在凸出的反射面上回反射至转换元件，在任何情况中都至少部分地回反射。这同样适用于非转换的泵浦辐射。
在一个优选的设计方案中，反射面如此的设置，即其至少区域性地具有球面的形状。“至少区域性地”例如意味着，即反射面的至少70％，优选至少80％，进一步优选的是至少90％的在其上投射有反向散射转换辐射的区域具有球面的形状。优选的是，反向散射辐射投射到整个反射面上，百分比因此与反射面的全部相关。
“球面”有利地以唯一的球体为基础，其具有半径R。优选的是，反射面是球部段的表面，也就是球面截形。在面积方面看可以优选的是，球形的反射面具有这样的面积，该面积在接下来顺序中逐渐增大地优选至少为整个球面(理论上以整个球为基础)的面积的20％，30％，40％或者50％。可能的上限例如可以为最高70％，60％或者55％。
反向散射发射面具有平均延伸x，其通过定义作为最小和最大的延伸的平均值给出；在平面的反向散射发射面的优选的情况中，相应的(最小和最大)延伸沿着相应的、在反向散射发射面的平面中的直线获得。在圆形的反向散射发射面的情况中，平均延伸作为相应的圆直径给出(在矩形的情况中作为从最小的边长和对角线获得的平均值得出)。
在优选的设计方案中，在具有球面的形状的反射面时，该作为基础的球体的半径R如此选择，即其大于/等于平均延伸x的一半(R≥x/2)。对于R的进一步有利的下限例如可以在该序列中逐渐增大地优选至少为3x/4，x，5x/4，3x/2，7x/4或者2x；不取决于此，可能的上限例如可以最为10x，8x，6x，4x或者3x。下限的设置可以是有利的，因为反向散射发射面随着增大的半径R而逐渐显现出“点状”，也就是说在比例上较小，由此能够良好地达到入射角条件。另一方面，上限可以例如在紧凑的构造形式方面也与材料要求利害相关。
反向散射发射面的面心具有沿着面法线(在面心中)获得的至反射面的间距d。在优选的设计方案中，该间距d选择为大于/等于球形反射面所基于的球体的半径R。可能的上限例如可以为d≤3R或者d≤2R。如果反向散射转换辐射在反向散射发射面和反射面之间无折射地传播，那么也就是说例如没有设置以下进一步阐述的载体板，优选地适用d＝R。换句话说，也就是说球心处于反向散射发射面上。
与具体选择的间距d无关，球形的反射面优选地这样地布置，即其所基于的球体的中心点位于一直线上，该直线垂直于反向散射发射面穿过其面心延伸。
在优选的设计方案中，在转换元件和透镜之间设置有透射的载体，优选是平面平行的板。在载体上固定有至少一个转换元件，在透射的运行中，优选还有透镜。在此(透射的运行)，转换元件利用其与载体面对的泵浦辐射入射面与之连接，优选地通过接合连接层，特别优选地通过粘接材料层。在此范畴，根据本发明的构造的优点例如还可以在于，即转换元件不直接地粘接在反射层上。这例如可能在二色性的反射层的情况中(或者通常在非常光滑的反射面的情况中)导致粘附问题。
“转换元件”通常是具有转换材料的本体，其转换泵浦辐射，优选利用发光材料，其将泵浦辐射转换成可见光线。转换元件例如可以设置为发光材料单晶体，这例如可以在YAG或LuYAG发光材料的情况中是优选的(其例如从熔化物中获得种晶)。
替换发光材料单晶体，例如也可以将发光材料陶瓷作为转换元件，转换元件也就是说例如可以通过烧结来制造。另外的、同样对于高温应用来说适用的转换元件例如可以由提高热传导能力的、具有在其中置入的转换材料的基体材料制成；“提高的热传导能力”例如能够意味着至少0.5W/mK，优选至少1W/mK，进一步优选至少1.5W/mK的热传导能力。(可能的基体材料例如是玻璃)。
现在回到在其上固定有转换元件的载体(透射运行)。优选的是，透镜也固定在载体上，并进而固定在其与转换元件相对的侧面上。优选的是在透镜和载体之间仍然布置有气体容积(鉴于反向散射转换辐射的路径)。反射面也就是说例如可以设置在透镜的泵浦辐射发射面上，其从载体上拱顶式地隆起(在透镜和载体之间的固定部可以围绕该拱顶环绕地延伸)。
在优选的设计方案中，载体由蓝宝石制成，这例如在考虑到其上固定的转换元件的热排导方面来说可以是有利的。
如所述的那样，载体优选地是平面平行的板。其具有垂直于平面方向，也就是垂直于平面延伸的方向获取的厚度t。与其折射系数m一同(在转换辐射的主波长时获得)，在优选的设计方案中对于在反向散射发射面(＝泵浦辐射入射面)和反射面之间的间距d来说给出：
d≥0.7(R+t(1-1/n)) (等式1)
以及
d≤1.3(R+t(1-1/n)) (等式2)
对于d来说进一步优选的下限例如为(R+t(1-1/n))的0.8倍或者0.9倍并且进一步优选的上限为(R+t(1-1/n))的1.2倍或者1.1倍。下限的设置应该明确地不取决于上限(等式2)的设置而公开。
间距d然后这样地与平面平行的板相匹配(厚度t和折射系数n)，即尽管错位，也就是说尽管在平面平行的板上有折射，反向散射转换辐射都尽可能垂直地投射到反射面上。
在优选的设计方案中，反射面或者设置在透镜的泵浦辐射入射面上或者设置在透镜的泵浦辐射出射面上，其中后者是优选的，相应的泵浦辐射穿透面此时相关于转换元件是凹进弯曲的-朝向转换元件的泵浦辐射出射面此时因此考虑到透镜本身时是凹进的，相反，相对的并且进而远离转换元件的泵浦辐射入射面在考虑到透镜本身时是凸出的(并进而参考转换元件是凹进的)。
通常，“透镜”(透射地运行)例如可能也是由多个例如通过粘接材料彼此连接在一起的单个透镜构成的透镜系统(粘和组)。反射面也可能设置在单个透镜之一的以下穿透面上，该穿透面此时在组合之后处于透镜系统的内部。优选的是，“透镜”然而意味着单个透镜并且反射面设置在泵浦辐射入射面上或者同样优选的出射面上。
泵浦辐射入射面在泵浦辐射路径方面看面对泵浦辐射源，并且相对的泵浦辐射出射面同样在泵铺辐射路径方面看是面对转换元件的。
如果反射面在一个优选的设计方案中布置在泵浦辐射出射面上，那么泵浦辐射入射面就进一步优选地相关于转换元件同样是凹进弯曲的，也就是在考虑到透镜本身时是凸出的。换句话说，透镜优选具有弯月形的形状并且进而是正弯月形的形状，其对泵浦辐射进行对焦。
优选的是，泵浦辐射出射面(具有反射面)具有比泵浦辐射入射面更大的弯曲半径R。在不仅仅是泵浦辐射入射面而且还有出射面都弯曲的透镜中的优点例如可以在优化的时候获得。简单地说，反射面的弯曲可以不取决于泵浦辐射的对焦来优化，并且此时在对泵浦辐射进行对焦的泵浦辐射入射面进行优化时仅仅考虑在泵浦辐射出射面上的错位。
优选的是，正弯月形和转换元件这样地相对彼此布置，即正弯月形的光学轴线穿过泵浦辐射入射面的面心；特别优选的是，同样在其之间设置有平面平行的载体板，光学轴线垂直于其上。
如开头所述的那样，反射面在透射运行中在优选的设计方案中是二色性的反射层，其对于泵浦辐射是透射的，也就是透过泵浦辐射的至少70％，优选至少80％，进一步有利的是至少90％。透射率在此作为相关于在照射装置中的照射状态(在穿过角度方面)的泵浦辐射的关于光谱范围的平均值。在该方面，相关于转换元件弯曲的反射面提供优点，也就是说例如减小穿过角度的方差。
相应的二色性反射层优选设置作为多层系统，该系统由至少有两个相应的层材料构造；层材料在此在其折射系数上进行区分。第一层材料例如可以是二氧化硅并且第二层材料例如是二氧化钛。对于多层系统来说，相应地由每种层材料形成多个层并且如此布置，即不同的层材料彼此交替地叠加。
不取决于详细的构造，二色性反射层在此(由技术决定)不必强制性地反射全部的转换辐射。因此可以测定出在转换辐射的光谱范围上的反射率，例如在以下序列中逐渐增大地优选至少为30％，40％，50％，60％，70％或者80％，再次与照射装置中的具体状态(涉及入射角)相关。
在二色性的反射面的情况中进一步优选的是，该反射面覆盖整个泵浦辐射入射面或者出射面，优选的是后者。当前，相应的、由泵浦辐射穿过的透镜的侧面被描述为“泵浦辐射入射面”或者“出射面”；透镜的侧面例如可以是外表面的相应的部分，其具有恒定的弯曲半径R(或者是平面的)。
同样如开头所述的，在透射运行时替代二色性的反射面也可以设置全镜面反射。泵浦辐射然后可以例如引导穿过在反射面或者优选在反射面上的孔；泵浦辐射可以穿过透镜，也就是尤其相对与其光学轴线错位(偏轴配置)。
如开头已经描述的那样，泵浦辐射源优选是激光器(Light Amplification byStimulated Emission of Radiation)，例如激光二极管。在此，“激光器”例如也可以是多个激光器光源，例如是由激光二极管构成的阵列。
本发明还涉及一种当前公开的照射装置作为用于照明光源的应用。尽管转换辐射通常例如也可以是红外辐射，在此优选地可以是可见光线。因此使用在转换辐射发射面上输出的转换光线用于进行照明，例如出于投影目的(作为投影设备的光源)或者用于机动车的外部照明。优选的应用例如可以是机动车前大灯的光源。通常不必强制性地转换全部的泵浦辐射(全转换)，而是也可以仅仅转换一部分并且然后例如也使用由泵浦辐射(泵浦光线)和转化光线构成的混合光(部分转换)；优选的是全转换。
附图说明
接下来，根据实施例对本发明进一步说明，其中，各个特征在另外的组合中也可以对于本发明来说是重要的并且进一步地也不总是在细节上在不同的要求保护的范畴上进行区分。
图中示出：
图1在示意性的截面图中示出了具有二色性反射面的根据本发明的第一照明装置的一部分；
图2是在设计根据图1的二色性反射面时的边界条件；
图3在示意性的截面图中示出了具有对泵浦辐射来说反射的反射面的根据本发明的第二照明装置的一部分；
图4是二色性反射层的反射率与入射角的相关性；
图5是具有转换元件，透镜和泵浦辐射源的根据本发明的照明装置；
图6在示意性的截面图中示出了具有二色性反射面的根据本发明的第三照明装置的一部分；
图7是根据本发明的第四照明装置，其中，转换元件与根据图1至6的转换元件相比反射地运行；
图8是根据图7的照射装置的细节图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的照射装置的一部分，即透镜1，其将泵浦辐射2聚焦到转换元件3上。泵浦辐射2在该种情况中准直地入射到透镜1的泵浦辐射入射面4上，从而聚焦地在泵浦辐射出射面5处出射。
透镜1固定在平面平行的载体板6上，即固定粘接。在泵浦辐射出射面5和载体板6之间，泵浦辐射2穿过气体容积，即在该种情况中是空气腔7，从而穿过载体板6射到转换元件3的泵浦辐射入射面8上。
转换元件3是发光材料元件，并且进而是发光材料陶瓷，其将泵浦辐射2(当前为蓝色的泵浦光线)转换成较长波长的转换辐射，其当前处于可见的光谱范围中并且接下来描述为转换光线。发光材料例如可以是YAG：Ce-发光材料，其发射黄色转换光线。在与泵浦辐射入射面8相对的转换辐射发射面9上输出的转换光线然后被使用。
然而，转换光线的发射在原理上全向地实现，也就是说其不仅仅在转换辐射发射面9上，而且也在泵浦辐射入射面8上发射转换光线(其也是反向散射出射面，然而接下来进一步被描述为泵浦辐射入射面)。
为了提高效率，从而也就是说能够使用在泵浦辐射入射面8上输出的转换光线以至少部分地用于照明，在透镜1的泵浦辐射出射面5上设置有反射层10。在所属的反射面11上，在泵浦辐射入射面8上输出的转换光线的很大部分被向回反射至转换元件3。该反向散射转换光线的使用提高了效率。
为了使泵浦辐射2能够穿过反射层10，后者设计为二色性的。反射层10也就是说对于泵浦辐射2是透射的，然而反向散射转换辐射在该处是反射的。为了实现该取决于波长的透射/反射，反射层10构造成由彼此重叠的二氧化硅/二氧化钛层构成的多层系统。
图3示出了这种层系统的取决于波长的反射率，该层系统对于黄色的转换光线是反射的，然而蓝色的泵浦辐射可以透射。在图4中，示出了在波长(x轴)上的反射率(y轴)，确切说对于相对于面法线的五个不同的入射角AoI(Angle of Incidence)。随着入射角逐渐增大，极限波长(多层系统在该极限波长之下是透射的)向左推移逐渐增大，也就是推移向较小的波长。此外，也能识别出在反射窗口中的变化，也就是说在大约520和580nm之间的较大入射角时导致反射率的崩溃。
如图1所示，透镜1的泵浦辐射出射面5并且进而具有反射面11的反射面10这样地凹进弯曲，使得至少在泵浦辐射入射面8的面心15中输出的反向散射转换光线16a基本上垂直地入射到反射面上。相应的入射角，也就是在相应的面法线和相应的入射的辐射之间的角度，以技术上通常的精度范畴而言为0°。
然而，在整个泵浦辐射入射面8上输出反向散射转换光线16，而不仅仅是在面心15中。相对于面心15间隔开地输出的反向散射转换光线16b然而同样几乎垂直地入射到反射面11上，即使对于在泵浦辐射入射面8的边缘处输出的反向散射转换光线来说，入射角最大为几度(小于3°)。
与具有平面的、垂直于光学轴线17指向的反射面11的参考情况相比较，入射角一方面明显地变小并且平均入射角也明显较小。由此，反射层10对于全部反向散射转换光线16的反射率基本上是相同的，多层系统也因此可以被相应地优化并且反向散射转换光线16由此被高效地使用。结果是多个转换光线18被输出给转换辐射发射面9(出于清晰的原因，仅仅示出了在其面心中输出的转换光线18，发射相应地在整个发射面9上朗伯地实现)。
图2示出了由透镜1，载体板6和转换元件3构成的相应布置的设计。由蓝宝石构成的载体板6是平面平行的并且具有垂直于平面延伸的方向获得的厚度t；其折射系数n为大约1.8。
泵浦辐射入射面8的面心15具有沿着面法线21获得的相对于反射面11的间距d。反射面11的曲率具有半径R，其相当于泵浦辐射入射面8的平均延伸x的大约1.2倍。当前，泵浦辐射入射面8是方形的并且平均延伸x作为由边长和对角线的平均值来产生。泵浦辐射入射面8在该实例中具有垂直于光学轴线17获得的面积1×1mm2，x因此为x≈1.2mm。半径R为0.7mm并且d大约为d≈0.83mm。载体板6的厚度为0.5mm，并且其具有折射系数n＝1.78。
在泵浦辐射2准直地投射到透镜1的泵浦辐射入射面4上的情况中，泵浦辐射入射面4的半径REF例如在沿着光学轴线17获得的至反射面11的间距为2mm时例如为1.08mm(透镜的折射系数：1.62)。如果泵浦光线2例如轻微聚焦到泵浦辐射入射面4上，那么半径REF在至反射面11的间距为2mm时为1.2mm(透镜的折射率：1.62)。
现在，以反射面11作为基础的具有半径R的球体的中心点22首先位于沿着面法线21的直线上。此外，间距d如此地匹配，即其对应于半径R和t(1-1/n)之和。如下地考虑通过载体板6限定的错位，即作为结果反向散射转换光线16垂直地入射到反射面11上。
图3示出了在具有反射面32的反射层31的反射/透射特性方面相对于根据图1和2的设计方案的替换设计方案。也就是说在该种情况中，设置全镜面反射，在该反射面32上因此不仅仅反射反向散射转换光线(出于清晰性原因没有示出)，而且还反射向回散射的反向散射泵浦辐射33。
为了使得来自泵浦辐射源的泵浦辐射2还是能够穿过透镜1到达转换元件3，泵浦辐射出射面5在该种情况中没有全部被反射层31覆盖。泵浦辐射2相对于透镜的光学轴线17错置地穿过透镜1并且因此经过反射层31。
通过在反射层31的区域中除了反射反向散射转换光线之外还反射反向散射泵浦辐射33，照射装置的效率被进一步提高。反射面32即类似于之前的描述那样凹进地弯曲，从而使反向散射泵浦辐射33以及反向散射转换光线基本上垂直地入射到反射面32上。也就是说，不仅仅反向散射转换光线而且还有反向散射泵浦辐射33在泵浦辐射入射面上朗伯地并进而以相同的角度分布被发射。
反向散射泵浦辐射33因此基本上垂直地入射到反射面32上并且因此向着其在泵浦辐射入射面8上的源位置向回反射，也就是说再次投射到转换元件3上并且能够被转换。因此，不仅仅通过使用反向散射转换光线提高效率，而且还通过改进地使用泵浦辐射来提高效率。
图5从根据图1和2的透镜出发，也就是说对于二色性反射层11的情况来说在整体上示出了照射装置50的构造。
泵浦辐射2(出于清晰性原因仅仅示出了主辐射)由激光二极管51发射并且由平面凸出的聚光透镜52准直。在其下游设置有叠加光学元件53，其将激光二极管51发射的泵浦辐射2与另外的激光二极管的泵浦辐射叠加。也就是说，当前设置有由激光二极管51构成的阵列，其垂直于绘图面排成行地设置。具体地，其是三个激光二极管，其中除了示出的激光二极管51之外还存在后面的和在绘图面前面的二极管。
叠加光学元件53将三束激光辐射聚集在一起，并进而通过反射引导到楔板53a中以及下游布置的平面凸出透镜53b中。通过镜子54，泵浦辐射2然后被偏转到透镜1的泵浦辐射入射面4上，穿过透镜1和下游布置的载体板6并且最后投射到转换元件3的泵浦辐射入射面8上。关于透镜(具有当前没有示出的二色性反射层10)和在泵浦辐射入射面8上输出的反向散射转换光线的进一步共同作用方面参阅前面的描述。
图6示出了作为另外的实施例的照射装置的一部分，也就是平面凸出的透镜1，其将泵浦辐射2聚焦到转换元件3上。在该种情况中，泵浦辐射2由上游布置(未示出)的透镜聚焦地投射到透镜1的凸出的(相对于转换元件3是凹进的)泵浦辐射入射面4上。泵浦辐射2这样地聚焦，即其垂直地投射到泵浦辐射入射面4上。
反射面10设置在凸出的泵浦辐射入射面4上。由转换元件3(再次为YAG:Ce)在泵浦辐射入射面8(＝反向散射发射面)上输出的反向散射转换光线16a，b再次以较小的入射角(基本上垂直地)投射到相关于转换元件3凹进的反射面11上并且向回反射至转换元件3，这提高了在转换辐射发射面9上输出的转换光线18的份额。
具有反射面11的弯曲的反射层10在该种情况中设置在凸出的泵浦辐射入射面4上。转换元件3直接(直接的光学接触)地布置、即粘接在平面的泵浦辐射出射面5上。
在该种情况中，反射面11在具有垂直于光学轴线获得的(方形的)面积1×1mm2(x≈1.2)的转换元件3的情况中在透镜1的折射系数为1.78时具有2mm曲率半径。
根据图1，2，3，5和6的至此为止的实施例分别针对于透射运行的转换元件3，也就是说其中反向散射发射面8与泵浦辐射入射面8相同或者换句话说，泵浦辐射输送至一个侧面上(泵浦辐射入射面)并且转换光线在相对的侧面上(转换辐射发射面)输出。
相反，转换元件在根据图7和8的实施例中反射地运行，也就是说泵浦辐射输送至一个侧面并且转换光线在相同的侧面上输出。泵浦辐射入射面71在该种情况中与转换辐射发射面72相同，并且反向散射发射面8位于二者71，72对面(详细视图参见图8)。
图7在俯视图中示出了一个构造，转换元件3利用该构造反射地运行。再次由激光二极管51输出的泵浦辐射2利用平面凸出的聚光透镜52来准直(准直透镜)。在其下游布置有具有二色性反射层76的分光器75，在该反射层上反射泵浦辐射2，该反射层然而对于转换光线是透射的。通过由平面凸出透镜77a和弯月形透镜77b构成的透镜系统77，泵浦辐射2聚焦到转换元件3的泵浦辐射入射面71上。
因此产生的转换光线部分地(～50％)在转换辐射发射面72上发射，另外的部分(～50％)作为反向散射转换辐射16在反向散射发射面8上输出。为此在细节上还参看图8。
在转换辐射发射面72上输出的转换光线通过(还为了耦合输入泵浦辐射而使用的)透镜系统77进一步准直，穿过二色性层76和分光器75并且接下来由耦合输出透镜78聚焦并且提供用于照射应用。出于清晰的原因，转换光线的光路在图7中并未示出。
图8以放大图示出了转换元件3，其具有在该种情况中鉴于泵浦辐射2的路径布置在下游的平面凸出透镜79。在该种情况中，没有示出泵浦辐射，而是示出了转换光线，确切说利用唯一的示例性的射线轨迹模拟获得的射线。在此，不仅示出了原始地在转换辐射发射面73上输出的转换光线而且还示出了在反向散射发射面8上输出的反向散射转换光线16。
转换元件3被粘接到透镜7上，反向散射转换光线16因此(经由基本上可忽略的粘接材料层)投射到平面凸出透镜79中并且然后投射到反射层82(金属膜)的反射面81上并且反射回转换元件3。该回反射的反向散射转换光线然后穿过转换元件3并且在任何情况中都很大部分地在转换辐射发射面72上出射。其能够共同与原始地在那里输出的转换光线18一同使用。
另一方面，也不是全部的泵浦辐射2在第一次穿过转换元件3时被转换，而是其中的一部分也在反向散射发射面8上出射，确切说基于散射过程也相对于光学轴线17角度倾斜。出于清晰的目的，泵浦辐射在图8中并未示出，然而在反向散射发射面8上输出的泵浦辐射能参照反向散射转换光线16在弯曲的反射面81上反射回转换元件3。全镜面反射不仅对于泵浦辐射是反射的，而且对于转换光线也是反射的。
反射回转换元件3的泵浦辐射然后(在再次穿过转换元件3时)很大部分被转换，这提高了效率。弯曲的反射面81因此不仅鉴于转换光线(与原始地在转换辐射发射面72处输出的转换光线一同使用)是有利的，而且转换辐射也提供了优点，因为其最后被反射到转换元件3上。

Claims (28)

1.一种照射装置(50)，具有：用于发射泵浦辐射(2)的泵浦辐射源(51)；转换元件(3)，用于将所述泵浦辐射(2)至少部分地转换成长波的转换辐射(16，18)，所述转换元件(3)具有转换辐射发射面(9)；以及对于所述转换辐射(16，18)来说至少部分反射的反射面(11)，反向散射转换辐射(16)投射到所述反射面上，所述转换元件(3)在与所述转换辐射发射面(9，72)相对的反向散射发射面(8)处发射该反向散射转换辐射，所述反射面(11)相关于所述转换元件(3)凹进弯曲，从而至少整体上在所述反向散射发射面(8)的面心(15)中发散地输出的所述反向散射转换辐射(16a)以最高20°的相应的入射角投射到所述反射面(11)上，其中，所述反向散射发射面(8)布置在所述转换辐射发射面(9)与所述泵浦辐射源(51)之间。
2.根据权利要求1所述的照射装置(50)，其中，所述反射面凹进弯曲，使得全部的所述反向散射转换辐射(16)的至少80％以小于20°的入射角投射到所述反射面(11)上。
3.根据权利要求1或2所述的照射装置(50)，其中，在所述反射面(11)和所述转换元件(3)之间布置有起光学作用的气体容积。
4.根据权利要求1或2所述的照射装置(50)，其中，所述反射面(11)至少区域性地具有球面的形状。
5.根据权利要求3所述的照射装置(50)，其中，所述反射面(11)至少区域性地具有球面的形状。
6.根据权利要求4所述的照射装置(50)，其中，以所述球面为基础的球体具有半径R并且所述反向散射发射面(8)具有平均延伸x，其中R≥x/2。
7.根据权利要求5所述的照射装置(50)，其中，以所述球面为基础的球体具有半径R并且所述反向散射发射面(8)具有平均延伸x，其中R≥x/2。
8.根据权利要求4所述的照射装置(50)，其中，所述反向散射反射面(8)的所述面心(15)具有沿着面法线(21)的至所述反射面(11)的间距d，并且基于所述球面的球体具有半径R，其中d≥R。
9.根据权利要求7所述的照射装置(50)，其中，所述反向散射反射面(8)的所述面心(15)具有沿着面法线(21)的至所述反射面(11)的间距d，并且基于所述球面的球体具有半径R，其中d≥R。
10.根据权利要求1或2所述的照射装置(50)，其中，所述反向散射发射面(8)与泵浦辐射入射面(8)相同，所述转换元件(3)因此以透射方式运行。
11.根据权利要求9所述的照射装置(50)，其中，所述反向散射发射面(8)与泵浦辐射入射面(8)相同，所述转换元件(3)因此以透射方式运行。
12.根据权利要求10所述的照射装置(50)，其中，所述反射面(11)是透镜的一部分，所述透镜布置在所述泵浦辐射源(15)和所述转换元件(3)之间，所述透镜(1)设置和布置成，使得所述透镜将所述泵浦辐射(2)聚焦到所述转换元件(3)上。
13.根据权利要求11所述的照射装置(50)，其中，所述反射面(11)是透镜的一部分，所述透镜布置在所述泵浦辐射源(15)和所述转换元件(3)之间，所述透镜(1)设置和布置成，使得所述透镜将所述泵浦辐射(2)聚焦到所述转换元件(3)上。
14.根据权利要求12所述的照射装置(50)，具有对于所述泵浦辐射(2)和所述转换辐射(16，18)来说透射的载体(6)，所述载体是平面平行的板，所述板布置在所述透镜(1)和所述转换元件(3)之间并且固定在至少一个所述转换元件(3)上。
15.根据权利要求13所述的照射装置(50)，具有对于所述泵浦辐射(2)和所述转换辐射(16，18)来说透射的载体(6)，所述载体是平面平行的板，所述板布置在所述透镜(1)和所述转换元件(3)之间并且固定在至少一个所述转换元件(3)上。
16.根据权利要求15所述的照射装置(50)，其中，所述载体(6)是平面平行的板，所述板具有厚度t和折射系数n，其中，0.7(R+t(1-1/n))≤d≤1.3(R+t(1-1/n))。
17.根据权利要求12所述的照射装置(50)，其中，所述透镜(1)具有泵浦辐射入射面(4)和泵浦辐射出射面(5)并且所述反射面(11)设置在该泵浦辐射入射面和该泵浦辐射出射面中的一个上。
18.根据权利要求16所述的照射装置(50)，其中，所述透镜(1)具有泵浦辐射入射面(4)和泵浦辐射出射面(5)并且所述反射面(11)设置在该泵浦辐射入射面和该泵浦辐射出射面中的一个上。
19.根据权利要求18所述的照射装置(50)，其中，所述反射面(11)设置在所述泵浦辐射出射面(5)上。
20.根据权利要求17所述的照射装置(50)，其中，所述反射面(11)设置在所述泵浦辐射出射面(5)上，并且所述泵浦辐射入射面(4)也相关于所述转换元件(3)是凹进弯曲的，即所述透镜(1)具有正弯月形的形状。
21.根据权利要求18所述的照射装置(50)，其中，所述反射面(11)设置在所述泵浦辐射出射面(5)上，并且所述泵浦辐射入射面(4)也相关于所述转换元件(3)是凹进弯曲的，即所述透镜(1)具有正弯月形的形状。
22.根据权利要求12所述的照射装置(50)，其中，二色性反射层(10)提供所述反射面(11)，该二色性反射层(10)对于所述泵浦辐射(2)来说是尽可能透射的。
23.根据权利要求21所述的照射装置(50)，其中，二色性反射层(10)提供所述反射面(11)，该二色性反射层(10)对于所述泵浦辐射(2)来说是尽可能透射的。
24.根据权利要求22所述的照射装置(50)，其中，所述透镜(1)具有泵浦辐射入射面(4)和泵浦辐射出射面(5)并且所述反射层(10)由该泵浦辐射入射面和该泵浦辐射出射面中的一个完全覆盖。
25.根据权利要求23所述的照射装置(50)，其中，所述透镜(1)具有泵浦辐射入射面(4)和泵浦辐射出射面(5)并且所述反射层(10)由该泵浦辐射入射面和该泵浦辐射出射面中的一个完全覆盖。
26.根据权利要求12所述的照射装置(50)，其中，所述反射面(11)对于所述泵浦辐射(2)来说是反射的，并且所述泵浦辐射(2)从所述反射面(11)旁穿引过所述透镜(1)。
27.根据权利要求23所述的照射装置(50)，其中，所述反射面(11)对于所述泵浦辐射(2)来说是反射的，并且所述泵浦辐射(2)从所述反射面(11)旁穿引过所述透镜(1)。
28.一种根据前述权利要求中任一项所述的照射装置(50)作为用于照明的光源的应用，其中，在所述转换辐射发射面(9)处输出的转换光线(18)被用于照明。
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