CN106922178B - 发光设备 - Google Patents

发光设备 Download PDF

Info

Publication number
CN106922178B
CN106922178B CN201480083451.4A CN201480083451A CN106922178B CN 106922178 B CN106922178 B CN 106922178B CN 201480083451 A CN201480083451 A CN 201480083451A CN 106922178 B CN106922178 B CN 106922178B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
exit surface
emitting device
light guide
spectral distribution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480083451.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106922178A (zh
Inventor
R·A·M·希克梅特
D·K·迪杰肯
T·范博梅尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Signify Holding BV
Original Assignee
Philips Lighting Holding BV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Philips Lighting Holding BV filed Critical Philips Lighting Holding BV
Publication of CN106922178A publication Critical patent/CN106922178A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106922178B publication Critical patent/CN106922178B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0003—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being doped with fluorescent agents
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0015—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0023—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed between the light guide and the light source, or around the light source
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/005—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed on the light output side of the light guide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0066—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form characterised by the light source being coupled to the light guide
    • G02B6/0068—Arrangements of plural sources, e.g. multi-colour light sources
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0081—Mechanical or electrical aspects of the light guide and light source in the lighting device peculiar to the adaptation to planar light guides, e.g. concerning packaging
    • G02B6/0085—Means for removing heat created by the light source from the package

Abstract

一种发光设备，包括：被适配用于在操作时发射具有第一光谱分布的光(13)的多个光源(211、221、231、241)、包括至少三个侧光输入表面(41、43、44、45)和光出射表面(42)的光导(4)，至少三个侧光输入表面和光出射表面相对于彼此以不同于零的角度延伸，光导被适配用于：在至少三个侧光输入表面处从多个光源接收具有第一光谱分布的光、将光引导到光出射表面、将具有第一光谱分布的光的至少一部分转换成具有第二光谱分布的光(14)、以及将具有第二光谱分布的光的至少一部分耦合出光出射表面，光出射表面(42)具有面积(A)和周长(C)，至少三个侧光输入表面(41、43、44、45)具有以不同于零的角度延伸到光出射表面(42)在其中延伸的平面的高度(Hi)，光出射表面的周长(C)大于侧输入表面的高度(Hi)的四倍，并且至少三个侧光输入表面(41、43、44、45)的面积小于光出射表面(42)的面积(A)的四倍。

Description

发光设备
技术领域
本发明涉及发光设备，发光设备包括被适配用于在操作时发射具有第一光谱分布的光的光源和被适配用于将具有第一光谱分布的光转换成具有第二光谱分布的光的光导。
背景技术
高强度光源、特别是白色高强度光源对于包括聚光灯、头灯、舞台照明和数字光投影的各种应用是有意义的。为此目的，可以使用所谓的发光聚光器，其中较短波长的光在高度透明的发光材料中被转换成较长波长。这种透明的发光材料被LED照射，以在发光材料内产生更长的波长。将在发光材料中被波导的转换光从导致强度增益(或者换言之，亮度的增加)的表面被提取。
文献WO2012/056382 A1描述了用于这种目的的照明设备，该照明设备包括波导和布置在波导的表面处的两个光源。波导可以被提供具有发光材料，发光材料被布置在波导上或波导中，并且可以被配置为将来自光源的光转换成发光材料发射。光从波导发射并且通过与其上布置有光源的表面平行且相对地延伸的表面。
然而，在这种配置中，并不是所有的光都保持在波导模式以从光导的光出射表面发射，而是至少部分地从光导的其他表面逸出，这大大降低了发光设备的效率。此外，在现有技术的配置中，不可能提供光再循环，例如用于使偏振或准直光离开系统。
发明内容
本发明的目的是克服这个问题，并且提供具有提高的效率并允许光的再循环的发光设备。
根据本发明的第一方面，该目的和其他目的通过发光设备来实现，该发光设备包括被适配用于在操作时发射具有第一光谱分布的光的多个光源、包括至少三个侧光输入表面和光出射表面的光导，至少三个侧光输入表面和光出射表面相对于彼此以不同于零的角度延伸，光导被适配用于：在至少三个侧光输入表面处从多个光源接收具有第一光谱分布的光、将光引导到光出射表面、将具有第一光谱分布的光的至少一部分转换成具有第二光谱分布的光、以及将具有第二光谱分布的光的至少一部分耦合出光出射表面，光出射表面具有面积A和周长C，至少三个侧光输入表面具有以不同于零的角度延伸到光出射表面在其中延伸的平面的高度Hi，光出射表面的周长C大于侧输入表面的高度Hi的四倍，并且至少三个侧光输入表面的面积小于光出射表面的面积A的四倍。
如本文中所使用的、通常是指特定区域或几何图形的边界的术语“周长”旨在表示光导的光出射表面的边界。
通过提供具有光导的发光设备，光导被适配用于将耦入(incoupled)光的至少一部分转换成具有不同光谱分布的转换光，提供了光导，其中特别大量的转换光将停留在光导中，其随后可以从表面中的一个表面提取，这进而导致特别高的强度增益。
通过提供发光设备，其中发光波导具有：接收来自多个光源(例如，在至少三个侧光输入表面中的每一个处布置有至少一个光源)的光的至少三个光输入表面；以及光出射表面，光出射表面具有大于至少三个侧光输入表面的高度的4倍的周长，而至少三个侧光输入表面的面积小于光出射表面的面积的4倍，将以其他方式通过光导的其他表面而不是光出射表面逸出的光被部分地反射回到光导中，并且因此可以被再循环并且最终通过光出射表面发射。这增加了离开出射表面的光量，并且导致明显改善的亮度。将光反射回到设备中，然后光从出射表面逸出，导致提高的效率。
在一个实施例中，光导包括长度L、宽度W和高度H，光导的长度L和宽度W在光出射表面在其中延伸的平面中垂直于彼此延伸，光导的高度H等于至少三个侧光输入表面的高度Hi，并且光导的高度H小于光导的长度L和宽度W中的每一个。
保持光导的高度并且从而保持侧光输入表面的高度小于光导的宽度和长度，减少了从不是光出射表面的其他表面损失的光量，并且因此提高了系统效率。
在一个实施例中，光导包括四个或更多个侧光输入表面，并且四个或更多个侧光输入表面的总面积小于光出射表面的面积A的四倍。
除了与侧光输入表面的面积和光出射表面的面积之间的关系有关的上述优点之外，这样的实施例使得可以使用甚至更大数目的光源来泵送(pump)光导，这又提供了光输出中的增加的增益并且因此提供了增加的强度增益，并且此外提供了由发光设备发射的光的特别高的亮度。例如，在一个实施例中，光导是板形的，并且在所有四个侧表面中的每一个上布置有至少一个光源。
在一个实施例中，发光设备还包括被适配用于在操作时发射具有第一光谱分布的光的至少一个另外的光源，光导还包括平行于光出射表面延伸的底部光输入表面，光导被适配用于：在至少一个底部光输入表面处从至少一个另外的光源接收具有第一光谱分布的光、将光引导到光出射表面、将具有第一光谱分布的光的至少一部分转换成具有第二光谱分布的光、以及将具有第二光谱分布的光的至少一部分耦合出光出射表面。
因此，可以在光导上提供更多数目的光源，利用这些光源可以泵送光导，因为可用于此目的的总面积增加。利用比适合出射表面的数目更多数目的光源泵送透明的发光光导提供了增加的光输入，从而提供了离开出射表面的转换光的增加的量，从而提供了由发光设备发射的光的增加的亮度以及光输出的增加的量。
光导可以是平行六面体，其侧表面的面积不大于出射表面的面积的四倍，并且平行六面体可以是盒状或立方体。
在一个实施例中，至少三个侧光输入表面的高度Hi小于10mm并且大于0.5mm。
在一个实施例中，出射表面的面积小于100mm2并且大于0.25mm2。
在一个实施例中，光导的长度L和宽度W中的至少一个小于25mm并且大于2mm。
通过提供包括具有上述尺寸中的任何一个或多个的透明发光光导的发光设备，提供了光导，利用该光导，将以其他方式通过光导中不是光出射表面的其他表面逸出的特别大量的光被至少部分地反射回到光导中，并且因此可以被再循环并且最终通过光出射表面发射。这进而导致增加的光输出，并且因此导致强度增益。
在一个实施例中，至少三个侧光输入表面和光出射表面垂直于彼此延伸。由此提供了具有特别简单的几何形状的发光设备，并且其易于简单和快速地制造并且与光源适当地对准。
在一个实施例中，发光光导是石榴石。石榴石是优选的，因为它们显示了高的光化学稳定性并且因此提供特别耐用的发光设备。
在一个实施例中，发光设备还包括与光导相邻的散热器。
通过提供与光导相邻的散热元件，获得了使热量远离光导的散热的显著改进，因此显著地提高了发光设备的最大可获得的输出光强度。此外，由于例如热淬火(thermalquenching)而导致的对光学性能的不利影响被显著降低或甚至消除，这提供了具有改进的光学性能的相当更加可靠的发光设备。例如，散热器可以被布置在侧表面处，而在剩余的至少三个侧部表面中的每一个上布置至少一个光源。
在一个实施例中，光导包括在光出射表面处的耦出(outcoupling)结构。通过提供这种耦出结构，提供了发光设备，利用该发光设备，由光源发射的光可以以特别有效的方式耦合出光导，并且具有特别低的耦合损失或可能没有耦合损失。
在一个实施例中，耦出结构被布置成与散热器热接触。由此，提供了具有以下配置的发光设备：该配置提供了使热量远离光导的进一步改善的散热，从而进一步提高了发光设备的最大可获得的输出光强度。
在一个实施例中，光导包括选自包括以下各项的组的截面形状：三角形、矩形、正方形、梯形、多边形形状及其组合。该实施例提供了可用于获得发光设备的不同几何构造和/或由发光设备发射的光束的尺寸和形状的参数。
在一个实施例中，由光源发射的光的第一光谱分布被包括在从200nm到500nm的范围中。由此提供了特别适合于提供高质量和强度的白光输出的发光设备。
本发明还涉及包括根据本发明的发光设备的灯、照明装置、汽车照明设备或数字投影设备。
注意，本发明涉及权利要求中记载的特征的所有可能的组合。
附图说明
现在将参考示出本发明的实施例(一个或多个)的附图更详细地描述本发明的这个方面和其他方面。
图1示出了在出射表面处提供有光学元件的光导的侧视图。
图2示出了具有光导和附加光源的、并且提供有滤光器和分色光学元件的照明系统的侧视图。
图3A和图3B示出了提供有邻近光导的表面布置的散热器元件的光导。
图4示出了根据本发明的发光设备的第一实施例的透视图。
图5示出了根据图4的发光设备的俯视图。
图6示出了根据图4的发光设备的沿线XI-XI的截面视图。
图7示出了根据图4的发光设备的沿线XII-XII的截面视图。
图8示出了根据本发明的发光设备的一个实施例的侧视图。
图9示出了根据本发明的发光设备的一个实施例的侧视图。
图10示出了在实际经验中使用的根据本发明的发光设备的一个实施例的俯视图。
图11示出了图示作为根据本发明的发光设备中提供的LED的数目的函数的光输出的增益的曲线图。
如图所示，为了说明的目的，层、元件和区域的尺寸被夸大，并且因此被提供以示出本发明的实施例的一般结构。相同的附图标记始终指代相同的元件，使得例如根据本发明的发光设备通常表示为1，而其不同的具体实施例通过将01、02、03等添加到总体附图标记来表示。关于示出了可以添加到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一个的若干特征和元件的图1至图3，通常“00”被添加到特定于这些附图中的一个附图的元件之外的所有元件。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应当被解释为限于本文中所阐述的实施例；相反，这些实施例被提供用于彻底性和完整性，并且将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
以下描述将开始于关于用于根据本发明的发光设备的各种元件和特征的应用、合适的光源和合适的材料的一般考虑。为了这个目的，将参考图1至图3描述可以添加到如下面进一步阐述的根据本发明的发光设备的任一个实施例的若干特征和元件。将参考图4至图11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各种应用，包括但不限于灯、光模块、照明装置、聚光灯、闪光灯、投影仪、数字投影设备、汽车照明(例如，机动车辆的头灯或尾灯)、舞台照明、剧院照明和建筑照明。
作为如下文所述的根据本发明的实施例的一部分的光源被适配用于在操作时发射具有第一光谱分布的光。该光随后被耦合到光导或波导中。光导或波导可以将第一光谱分布的光转换成另一光谱分布，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，但在一个实施例中是固态光源，例如发光二极管(LED)、激光二极管或有机发光二极管(OLED)、多个LED或激光二极管或OLED或者LED或激光二极管或OLED的阵列、或这些的任何组合。LED原则上可以是任何颜色的LED、或这些的组合，但在一个实施例中是产生在蓝色范围中的光源光的蓝光源，蓝色范围被定义为在380nm和495nm之间的波长范围nm。在另一实施例中，光源是UV或紫光源，即，在低于420nm的波长范围中发射。在多个LED或激光二极管或OLED、或者LED或激光二极管或OLED的阵列的情况下，LED或激光二极管或OLED原则上可以是两个或更多个不同颜色(例如但不限于UV、蓝色、绿色、黄色或红色)的LED或激光二极管或OLED。
光源可以是红光源，即，在例如600nm和800nm之间的波长范围中发射。这样的红光源可以是例如直接发射红光或提供有适合用于将光源光转换成红光的磷光体的上述任何类型的光源。该实施例特别有利于与被适配用于将光源光转换成红外(IR)光(即，具有大于约800nm的波长的、并且在合适的实施例中具有从810nm到850nm的范围中的峰值强度的光)的光导组合。在一个实施例中，这种光导包括IR发射磷光体。具有这些特性的发光设备特别有利于在夜视系统中使用，但也可以用于上述任何应用中。
另一示例是发射480nm和800nm之间的波长范围中的光并且将该光耦合到发光杆(luminescent rod)或波导中的第一红光源、以及发射蓝光或UV光或紫光(即，具有小于480nm的波长)并且还将其发射的光耦合到发光波导或发光杆中的第二光源的组合。第二光源的光被发光波导或发光杆转换到480nm和800nm之间的波长范围，并且被耦合到发光波导或发光杆中的第一光源的光将不被转换。换言之，第二光源发射UV光、紫光或蓝光，并且随后被发光聚光器转换成在绿-黄-橙-红色光谱区中的光。在另一实施例中，第一光源在500nm和600nm之间的波长范围中发射，并且第二光源的光由发光波导或发光杆转换到500nm和600nm之间的波长范围。在另一实施例中，第一光源在600nm和750nm之间的波长范围中发射，并且第二光源的光被发光波导或发光杆转换到600nm和750nm之间的波长范围。在一个实施例中，第一光源的光在另一表面(例如，与光的出射表面相对的表面，而非第二光源的光在其中被耦合到发光波导或发光杆的表面)处被耦合到发光波导或发光杆中。这些实施例提供了在红光范围中发射的、具有增加的亮度的发光波导或发光杆。
在实施例中，透明光导可以包括透明衬底，在透明衬底上外延生长有多个光源(例如，LED)。在实施例中，衬底是单晶衬底，例如，蓝宝石衬底。在这些实施例中，光源的透明生长的衬底是聚光光导。
用于根据本发明的实施例的下面阐述的光导的合适的材料是蓝宝石、多晶氧化铝和/或未掺杂的透明石榴石(例如，具有折射率n＝1.7的YAG、LuAG)。该材料(上述的，例如，玻璃)的附加优点是其具有良好的导热性，因此减少了局部发热。其他合适的材料包括但不限于：玻璃、石英和透明聚合物。在其他实施例中，光导材料是铅玻璃。铅玻璃是其中铅代替了典型的钾碱玻璃中的钙含量的、并且以这种方式可以增加折射率的各种玻璃。普通玻璃具有n＝1.5的折射率，而铅的添加产生高达1.7的折射率。
根据本发明的实施例的下面阐述的光导可以包括用于将光转换成另一光谱分布的合适的发光材料。合适的发光材料包括非常适合用于如下所述的本发明的实施例的目的的无机磷光体(例如，掺杂的YAG、LuAG)、有机磷光体、有机荧光染料和量子点。
量子点是通常具有仅仅几纳米的宽度或直径的半导体材料的小晶体。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，可以通过适应点的尺寸来产生特定颜色的光。具有在可见范围中的发射的大多数已知的量子点基于具有壳层(shell)(例如，硫化镉(CdS)和硫化锌(ZnS))的硒化镉(CdSe)。也可以使用无镉量子点，例如，磷化铟(InP)和铜铟硫化物(CuInS2)和/或银铟硫化物(AgInS2)。量子点示出非常窄的发射带，并且因此示出饱和的颜色。此外，通过调整量子点的尺寸可以容易地调整发射颜色。本领域已知的任何类型的量子点可以用于如下所述的本发明的实施例。然而，出于环境安全和考虑的原因，优选使用无镉的量子点或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，使得可以调节光谱峰值位置。合适的有机荧光染料材料的示例是基于二萘嵌苯衍生物的有机发光材料，例如，由BASF以名称销售的化合物。合适的化合物的示例包括但不限于
Figure BDA0001295856810000092
Red F305、
Figure BDA0001295856810000093
Orange F240、
Figure BDA0001295856810000094
Yellow F083和
Figure BDA0001295856810000095
F170。
发光材料也可以是无机磷光体。无机磷光体材料的示例包括但不限于铈(Ce)掺杂的YAG(Y3Al5O12)或LuAG(Lu3Al15O12)。Ce掺杂的YAG发射淡黄光，而Ce掺杂的LuAG发射黄绿光。发射红光的其他无机磷光体材料的示例可以包括但不限于ECAS和BSSN；ECAS为Ca1- xAlSiN3：Eux，其中0<x≤1，在其他实施例中，0<x≤0.2；以及BSSN为Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy：Euz，其中M表示Sr或Ca，0≤x≤1，0≤y≤4且0.0005≤z≤0.05，在实施例中，0≤x≤0.2。
在如下所述的本发明的实施例中，发光材料由选自包括以下各项的组的材料制成：(M<I>(1-x-y)M<II>xM<III>y)3(M<IV>(1-z)M<V>z)5O12，其中M<I>选自包括Y、Lu或其混合物的组，M<II>选自包括Gd、La、Yb或其混合物的组，M<III>选自包括Tb、Pr、Ce、Er、Nd、Eu或其混合物的组，M<IV>是Al，M<V>选自包括Ga、Sc或其混合物的组，并且0<x≤1，0<y≤0.1，0<z≤1；(M<I>(1-x-y)M<II>xM<III>y)2O3，其中M<I>选自包括Y、Lu或其混合物的组，M<II>选自包括Gd、La、Yb或其混合物的组，M<III>选自包括Tb、Pr、Ce、Er、Nd、Eu、Bi、Sb或其混合物的组，并且0<x≤1，0<y≤0.1；(M<I>(1-x-y)M<II>xM<III>y)S(1-z)Se，其中M<I>选自包括Ca、Sr、Mg、Ba或其混合物的组，M<II>选自包括Ce、Eu、Mn、Tb、Sm、Pr、Sb、Sn或其混合物的组，M<III>选自包括K、Na、Li、Rb、Zn或其混合物的组，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>选自包括Ca、Sr、Mg、Ba或其混合物的组，M<II>选自包括Ce、Eu、Mn、Tb、Sm、Pr或其混合物的组，M<III>选自包括K、Na、Li、Rb、Zn或其混合物的组，并且0≤x≤0.1，0≤y≤0.1；(M<I>(2-x)M<II>xM<III>2)O7，其中M<I>选自包括La、Y、Gd、Lu、Ba、Sr或其混合物的组，M<II>选自包括Eu、Tb、Pr、Ce、Nd、Sm、Tm或其混合物的组，M<III>选自包括Hf、Zr、Ti、Ta、Nb或其混合物的组，并且0≤x≤1；(M<I>(1-x)M<II>xM<III>(1-y)M<IV>y)O3，其中M<I>选自包括Ba、Sr、Ca、La、Y、Gd、Lu或其混合物的组，M<II>选自包括Eu、Tb、Pr、Ce、Nd、Sm、Tm或其混合物的组，M<III>选自包括Hf、Zr、Ti、Ta、Nb或其混合物的组，并且M<IV>选自包括Al、Ga、Sc、Si或其混合物的组，并且0≤x≤0.1，0≤y≤0.1；或其混合物。
其他合适的发光材料是Ce掺杂的钇铝石榴石(YAG，Y 3 Al 5 O 12)和镥铝石榴石(LuAG)。发光光导可以包括蓝色范围内或绿色范围内或红色范围内的中心发射波长。蓝色范围限定在380纳米到495纳米之间，绿色范围限定在495纳米到590纳米之间，红色范围限定在590纳米到800纳米之间。
可以在实施例中使用的磷光体的选择在下表1中与最大发射波长一起给出。
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
BaAl<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下面阐述的光导可以包括具有用于将光转换成另一光谱分布的不同密度的合适的发光材料的区域。在一个实施例中，透明光导包括彼此相邻的两个部分，其中仅一个部分包括发光材料，而另一部分是透明的或具有相对低浓度的发光材料。在另一实施例中，光导包括与第二部分相邻的又一第三部分，第三部分包括不同的发光材料或不同浓度的相同发光材料。不同的部分可以一体地形成，从而形成一件或一个光导。在一个实施例中，部分反射元件可以被布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。部分反射元件被适配用于透射具有一个特定波长或光谱分布的光并且被适配用于反射具有另一不同的特定波长或光谱分布的光。因此，部分反射元件可以是分色元件，例如分色镜。
在另一实施例(未示出)中，发光材料的多个波长转换区域被布置在多个光源(例如，LED)上方或顶部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一个的表面面积对应于多个光源中的每一个的表面面积，使得来自光源的光经由发光材料区域耦合到透明光导中。然后，转换的光被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布置在光输入表面上，或者它们可以形成在光导中。波长转换区域可以形成在光输入表面处被布置在光导上或光导中的均匀层的一部分。在两个相邻的波长转换区域之间延伸的均匀层的部分可以是透明的，并且可以附加地或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相互不同的发光材料。光源和发光区域之间的距离可以小于2mm，小于1mm或小于0.5mm。
在如下所述的根据本发明的发光设备的实施例中，可以提供耦合结构或耦合介质用于将由光源发射的光有效地耦合到光导中。耦合结构可以是具有各种特征(例如，形成波状结构的突起和凹陷)的折射结构。耦合结构的特征的典型尺寸为5μm至500μm。特征的形状可以是例如半球形(透镜)、棱柱形、正弦形或任意形状(例如，喷砂)。通过选择适当的形状，可以调节耦合到光导中的光量。折射结构可以通过机械方法制成，例如通过凿孔、喷砂等。备选地，折射结构可以通过在合适的材料(例如，聚合物或溶胶-凝胶材料)中复制而制成。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为0.2μm至2μm。光导内部的衍射角θin由光栅方程给出：λ/Λ＝nin·sinθin-nout·sinθout，其中λ是LED光的波长，Λ是光栅周期，nin和nout是光导内部和外部的折射率，θin和θout分别是光导内部的衍射角和外部的入射角。如果针对低折射率层和耦合介质假设相同的折射率nout＝1，发现，利用全内反射条件ninsinθin＝nout，有以下条件：λ/Λ＝1-sinθout，即，对于法线入射θout＝0，存在Λ＝λ。通常，不是所有其他角度θout都被衍射到光导中。这将仅在其折射率nin足够高的情况下发生。从光栅方程可以得出，对于条件nin≥2，如果Λ＝λ，则所有角度都被衍射。也可以使用其他周期和折射率，导致较少的光被衍射到光导中。此外，通常透射大量的光(第0级)。所衍射的光的量取决于光栅结构的形状和高度。通过选择适当的参数，耦合到光导中的光量可以被调节。这种衍射结构最容易通过根据由电子束光刻或全息术做出的结构进行复制来得到。复制可以通过类似软纳米压印光刻的方法进行。耦合介质可以例如是空气或另一种合适的材料。
在一个实施例中，发光设备包括可旋转磷光体轮，并且其还包括被布置在如下根据本发明的实施例所阐述的光导和磷光体轮之间的耦合元件。以围绕旋转轴线的旋转方向旋转的磷光体轮用于将从光导出射的光转换成具有另一光谱分布的光，例如红光和/或绿光。应当注意，原则上，从光导出射的光和由磷光体轮转换的光的颜色的任何组合是可行的。
在实施例中，磷光体轮以透明模式使用，即，入射光在一侧进入磷光体轮、透射通过磷光体轮并且从形成光出射表面的其相对侧发射。备选地，磷光体轮可以以反射模式使用，使得光从与其进入磷光体轮的表面相同的表面发射。
磷光体轮可以仅包括一个磷光体。备选地，磷光体轮还可以包括没有任何磷光体的片段，使得一部分光可以被透射而不被转换。以这种方式，可以顺序生成其他颜色。在另一备选方案中，磷光体轮还可以包括多个磷光体片段，例如，分别发射黄光、绿光和红光的磷光体的片段，以创建多色光输出。在又一备选方案中，发光设备可以被适配用于通过在磷光体轮上使用像素化磷光体反射器图案来生成白光。
在一个实施例中，耦合元件是适合用于对入射在磷光体轮上的光进行准直的光学元件，但它也可以是耦合介质或耦合结构(例如，上述耦合介质或耦合结构)。发光设备还可以包括附加的透镜和/或准直器。
图1示出了包括光学元件8010的光导4020，光学元件8010被布置具有与光导4020的光出射表面4200光学连接的光输入面8060。光学元件8010由具有高折射率的材料制成，折射率在一个实施例中等于或高于光导4020的折射率，并且光学元件8010包括四边形截面和两个锥形侧面8030和8040。锥形侧面8030和8040从光导4020的光出射表面4200向外倾斜，使得光学元件8010的光出射面8050具有比光导4020的光输入面8060和光出射表面4200二者都大的表面面积。备选地，光学元件8010可以具有多于两个、特别是四个的锥形侧面。在一个备选方案中，光学元件8010具有圆形截面和一个周向渐缩侧面(circumferentialtapered side)。利用这种布置，光将在倾斜的侧面8030和8040处反射，并且如果其撞击光出射面8050，则具有很大的逸出机会，因为光出射面8050与光输入面8060相比较大。侧面8030和8040的形状也可以是弯曲的并且被选择使得所有的光通过光出射面8050逸出。
例如通过将光导的一部分成形，使得在光导的一端处形成预定的光学元件，光学元件还可以由光导4020整体形成。光学元件可以例如具有准直器的形状，或者可以具有梯形的截面形状，并且在一个实施例中，梯形形状的外表面被提供有反射层。由此，所接收的光可以被成形为使得包括更大的光点尺寸，同时使通过不是光出射表面的其他表面的光的损失最小化，因此也改善了发射光的强度。在另一实施例中，光学元件具有透镜阵列的形状，例如凸透镜或凹透镜或其组合。由此，所接收的光可以被成形为使得形成聚焦光、散焦光或其组合。在透镜阵列的情况下，进一步可行的是，发射的光可以包括两个或更多个单独的光束，每个光束由阵列中的一个或多个透镜形成。更一般地，光导因此可以包括具有不同尺寸的不同形状的部分。由此，提供光导，光通过其可以被成形为使得来自光出射表面的光的发射方向中的任何一个或多个、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(例如，通过改变光出射表面的尺寸和/或形状)被调节。因此，光导的一部分用作光学元件。
光学元件还可以是布置在光导的光出射表面处的聚光元件(未示出)。聚光元件包括四边形截面和两个向外弯曲的侧面，使得聚光元件的光出射表面具有比光导的光出射表面大的表面面积。备选地，聚光元件可以具有多于两个、特别是四个的锥形侧面。聚光元件可以是具有抛物线弯曲侧面的复合抛物面聚光元件(CPC)。在一个备选方案中，聚光元件具有圆形截面和一个周向渐缩侧面。如果在备选方案中，聚光元件的折射率被选择为低于光导的折射率(但是高于空气的折射率)，则仍然可以提取相当大量的光。这允许与由具有高折射率的材料制成的聚光元件相比，制造容易且便宜的聚光元件。例如，如果光导具有n＝1.8的折射率并且聚光元件具有n＝1.5的折射率(玻璃)，则可以实现光输出中的为2的增益因子。对于具有n＝1.8的折射率的聚光元件，增益将是大约多于10％。实际上，不是所有的光都将被提取，因为在光学元件或聚光元件与外部介质(通常是空气)之间的界面处将存在菲涅尔反射。这些菲涅耳反射可以通过使用适当的抗反射涂层(即，四分之一λ介电堆叠或蛾眼结构)来减少。在作为光出射面之上的位置的函数的光输出不均匀的情况下，例如通过改变涂层的厚度，具有抗反射涂层的覆盖可以变化。
CPC的有趣特征之一是光的光学扩展量(etendue)(＝n2×面积×立体角，其中n是折射率)是守恒的。CPC的光输入面的形状和尺寸可以适应于光导的光出射表面的形状和尺寸，和/或反之亦然。CPC的一个大的优点是，入射光分布被转换成最佳地适合于给定应用的可接受光学扩展量的光分布。根据需要，CPC的光出射面的形状可以是例如矩形或圆形。例如，对于数字投影仪，存在对光束的尺寸(高度和宽度)以及发散度的要求。对应的光学扩展量在CPC中是守恒的。在这种情况下，使用具有矩形光输入以及具有所使用的显示面板的期望的高度/宽度比的出射面的CPC将是有益的。对于聚光灯应用，要求不太严格。CPC的光出射面可以是圆形，但是也可以具有另一形状(例如，矩形)，以照亮特别成形的区域或期望的图案，来将这种图案投影在屏幕、墙壁、建筑物、基础设施等上。虽然CPC提供大量的设计灵活性，但是它们的长度可以相当大。通常，可以设计具有相同性能的较短的光学元件。为此，表面形状和/或出射表面可以被适配成例如具有更弯曲的出射表面，以聚集光。一个附加的优点是，在光导的尺寸受LED的尺寸约束并且光出射面的尺寸由后续光学部件确定时，CPC可以用于克服可能的长宽比失配。此外，可以放置部分地覆盖CPC的光出射面的反射镜(未示出)，例如，使用在其中心附近或中心中具有“孔”的反射镜。以这种方式，CPC的出射平面变窄，部分光被反射回到CPC和光导中，并且因此光的出射光学扩展量将减小。这当然会减少从CPC和光导提取的光的量。然而，如果该反射镜具有高反射率(例如，Alanod4200AG)，则光可以被有效地注入回到CPC和光导中，在那里它可以通过TIR被回收。这不会改变光的角分布，但是将改变在再循环之后光撞击CPC出射平面的位置，从而增加光通量。以这种方式，可以重新获得通常被牺牲以减少系统光学扩展量的光的一部分并且将其用于增加例如均匀性。这在该系统用于数字投影应用中的情况下是非常重要的。通过以不同的方式选择反射镜，CPC和光导的相同集合可以用于使用不同的面板尺寸和长宽比来对系统寻址，而不必牺牲大量的光。以这种方式，一个单个系统可以用于各种数字投影应用。
通过使用参考图1描述的上述结构中的任何一个，解决了与从高折射率光导材料到低折射率材料(例如，空气)的光提取有关的、特别是与提取效率相关的问题。
图2示出了具有光导4070的照明系统(例如，数字投影仪)的侧视图，光导4070被适配用于以使得发射的光1700处于黄色和/或橙色波长范围(即大致在560nm至600nm的波长范围)中的方式来转换入射光1300。光导4070可以被提供作为由诸如Ce掺杂的(Lu,Gd)3Al5O12、(Y,Gd)3Al5O12或(Y,Tb)3Al5O12等的陶瓷材料制成的透明石榴石。利用较高的Ce含量和/或例如Gd和/或Tb替代Ce的较高的替代水平，由光导发射的光的光谱分布可以偏移到更高的波长。在一个实施例中，光导4070是完全透明的。
在光出射表面4200处，提供光学元件9090。光学元件9090包括：用于过滤从光导4070发射的光1700以提供经过滤的光1701的滤光器9091、至少一个另外的光源9093、9094、和光学部件9092，光学部件9092被适配用于将经过滤的光1701与来自至少一个另外的光源9093、9094的光组合，以提供公共光输出1400。滤光器9091可以是吸收滤光器或反射滤光器，其可以是固定的或可切换的。可切换滤光器可以例如通过以下方式来获得：提供根据期望的光输出可以是低通、带通或高通的反射分色镜和可切换镜，并且将可切换镜置于从光传播方向上看分色镜的上游。此外，还可以组合两个或更多个滤光器和/或反射镜，以选择期望的光输出。图2所示的滤光器9091是可切换滤光器，其使得能够根据滤光器9091的切换状态来透射未经过滤的黄光和/或橙光或经过滤的光(特别是在实施例中示出的经滤光的红光)。经过滤的光的光谱分布取决于所采用的滤光器9091的特性。所示的光学部件9092可以是也被称为X立方体的十字分色棱镜，或者可以是单独的分色滤光器的合适的集合。
在所示的实施例中，提供了两个另外的光源9093和9094，另外的光源9093是蓝光源，另外的光源9094是绿光源。其他颜色和/或更多数目的其他光源也是可行的。另外的光源中的一个或多个也可以是根据如下所述的本发明的实施例的光导。另一选择是使用由滤光器9091滤出的光作为另一光源。因此，公共光输出1400是由光导4070发射的并被滤光器9091过滤的光1701与由相应的两个另外的光源9093和9094发射的光的组合。公共光输出1400可以有利地是白光。
图2所示的解决方案的优点在于，其根据对根据本发明实施例的发光设备的给定应用的要求是可扩展的、成本有效的并且易于适配。
图3A和图3B分别示出了光导4090A和光导4090B的侧视图，光导4090A和光导4090B分别包括分别布置在光导4090A、4090B的不同于光输入表面的表面(在实施例中与光输入表面距离约30μm或更小)之一上的散热器元件7000A、7000B。不管实施例如何，相应的散热器元件7000A、7000B包括用于改善散热的翅片7100、7200、7300，然而翅片是可选元件。不管实施例如何，相应的散热器元件7000A、7000B被适配用于与光导的表面形状一致，并且因此被适配用于在与光导接触的整个接触面积上提供共形的(conformal)热接触。由此获得增加的热接触面积并且因此获得光导的改善的冷却，并且对于散热器元件的定位的现有公差限制变得不太关键。
图3A示出了散热器元件7000A包括多个散热器部件，这里是四个散热器部件7001、7002、7003和7004，其中的一个或多个(这里是全部四个)可以被提供有翅片。显然，散热器元件7000A包括的散热器部件越多，则散热器元件7000可以越精确地符合光导的表面。每个散热器部件7001、7002、7003、7004被适配用于在与光导接触的整个接触面积上提供共形的热接触。散热器部件可以被布置在与光导的表面相距不同的距离处。此外，散热器元件7000A包括公共载体7050，散热器部件7001、7002、7003和7004分别通过附接元件7010、7020、7030和7040单独地附接到公共载体7050。备选地，每个散热器部件可以被分配有其自己的载体。注意，这些元件是可选的。
图3B示出了散热器元件7000B包括底部部件7060，底部部件7060被适配以与其将被布置在此的光导4090B的表面的形状一致。底部部件7060是柔性的，并且可以是诸如铜层的导热金属层。散热器元件7000B还包括布置在底部元件7060和散热器元件7000B的其余部分之间的导热层7070，用于改善散热器元件7000B的柔性和适应性。导热层7070可以是例如导热流体或糊剂。导热层7070在一个实施例中是高反射的和/或包括高反射涂层。散热器元件7000B还包括被布置在散热器元件7000B内部的流体贮存器7080，用于生成流体流以改善散热。在一个备选方案中，流体贮存器7080还可以被布置在散热器元件7000B外部，例如，沿着散热器元件7000B的部分或整个外周延伸。流体流可以通过泵来增强。注意，传导层7070和流体贮存器7080是可选元件。
不管实施例如何，散热器元件7000A、7000B可以由选自铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅碳化硅、铝碳化硅、铜钨合金、铜钼碳化物、碳、金刚石、石墨及其两个或更多个的组合的材料制成。此外，结合上述实施例的特征的散热器元件是可行的。此外，可以在光导4090A或4090B的多于一个表面处布置根据任何上述实施例的散热器元件。
最后，应当注意，提供如上所述的散热器元件在采用红色波长范围中发射的光源的发光设备中和/或被适配用于发射在红外波长范围中的光(例如，通过包括IR发射磷光体)的发光设备中是特别有利的。
图4示出了根据本发明的第一通用实施例的发光设备1的透视图。图5示出了根据图4的发光设备1的俯视图。发光设备1通常包括多个光源211、212、221、222、231、232、241、242和光导4，每个光源包括至少一个固态光源(例如，LED或激光二极管)，光导4具有至少一个侧光输入表面41和光出射表面42。上面描述了合适类型的LED或激光二极管。
光导4被示出为大体上成形为具有四个侧光输入表面(即，第一、第二、第三和第四光输入表面41、43、44和45)以及光出射表面42的方形板，光出射表面42相对于四个侧光输入表面41、43、44和45中的每一个以不同于零的角度延伸，使得光出射表面42是第二光导4的顶部表面。第二光导4还包括平行于光出射表面42并与光出射表面42相对延伸的底部表面46。
注意，侧光输入面41与光出射表面42之间的角度小于90°、等于90°以及大于90°的实施例都是可行的。
在该实施例中，四个侧光输入表面41、43、44和45中的每一个与两个光源相关联，使得第一侧光输入表面41与光源211和212相关联，第二侧光输入表面43与光源231和232相关联，第三侧光输入表面44与光源221和222相关联，并且第四侧光输入表面45与光源241和242相关联。相应的光源被布置为与光导4的相关联的侧光输入表面相邻并且与其光学接触。
在备选实施例中，每个光输入表面原则上可以与任何其他数目的光源或甚至与光源阵列相关联。此外，相应的光输入表面不必一定与相同数目的光源相关联，而是可以与一个或多个不同数目的光源相关联。
在备选实施例中，并且取决于光导的几何形状，光导4可以包括不同于四个侧光输入表面的另一数目的侧光输入表面，例如，三个、五个或甚至更多个侧光输入表面。
光导4中除了光出射表面42之外的、并且不与任何光源相关联的、并且因此不用作光输入表面的表面可以被提供有反射层以消除可能以其他方式通过这些表面的光损失，和/或可以被提供有散热器。
光导4也可以是棒状或杆状，或者成形为矩形板。此外，光导4原则上可以具有任何可行的截面形状，包括但不限于三角形、矩形、方形、梯形、多边形及其组合。
根据本发明的发光设备的备选配置也是可行的，其中光出射表面42和表面46是彼此相对的侧表面，并且侧光输入表面41是顶部表面或底部表面。
此外，光导4包括透明材料、发光材料、石榴石、聚光材料或其组合，合适的材料和石榴石如上所述。例如，光导可以包括具有至少50％、至少60％和至少70％中的任何一个的透明度的材料。然而，优选地，光导4是包括被适配用于将具有一个光谱分布的光转换成具有另一光谱分布的光的材料的透明光导。被适配用于将具有一个光谱分布的光转换成具有另一光谱分布的光的材料可以被布置在光导4的表面处，或者其可以嵌入或并入光导4中。
例如通过光学胶粘剂，光源211、212、221、222、231、232、241、242被分别直接布置在相应的第一、第二、第三和第四侧光输入表面41、43、44、45上。在其他实施例中(例如，参见图10)，光源可以被布置在基底或衬底151、152、153、154上。基底或衬底151、152、153、154可以以散热器的形式来提供，优选地由诸如铜、铁或铝的金属制成。散热器可以包括用于改善散热的翅片(未示出)。注意，在其他实施例中，基底或衬底不需要是散热器。此外，由于基底或衬底不是必需的，因此在其他实施例中甚至可以被省略。
现在转到图6和图7，示出了在图4所示的两个相互垂直的方向XI-XI和XII-XII上看到的根据图4的发光设备1的截面视图。
从图6和图7中均可以看出，在底部表面46上布置有与底部表面46光学连接的四个另外的光源251、252、253和254。在与底部表面相关联的四个另外的光源251、252、253和254中，在图中可见其中的三个，即另外的光源251、252和253。因此，在实施例中，底部表面46被示出为平行于光出射表面42延伸的光输入表面。
此外，光出射表面42具有面积A和周长C，并且侧光输入表面具有与光出射表面42在其中延伸的平面呈不同于零的角度(特别是垂直于光出射表面42在其中延伸的平面)延伸的高度Hi。光出射表面42的周长C的尺寸被设定为大于高度Hi的4倍。
一般地，侧光输入表面的面积的尺寸通常被设定为小于光出射表面的面积A的四倍。在所示的实施例中，其中光导4包括四个侧光输入表面41、42、43、44，第一、第二、第三和第四侧光输入表面41、42、43、44的面积之和(或换言之，总面积)的尺寸被设定为小于光出射表面42的面积A的四倍。特别地，光导4的尺寸被设定为使得光出射表面的面积A小于100mm2并且大于0.25mm2，并且使得高度Hi小于10mm并且大于0.5mm。
光导4还具有长度L、宽度W和高度H。更具体地，光导4被配置为使得长度L和宽度W在公共平面中垂直于彼此延伸，公共平面是光出射表面42的平面，而高度H与侧光输入表面的高度Hi相同(或者换言之，等于侧光输入表面的高度Hi)，并且通常以不同于零的角度延伸，并且在图4-图7所示的实施例中，垂直于光导4的宽度W和长度L二者。
从图6和图7中可以看出，光导4被配置为使得高度H小于长度L和宽度W二者。优选地，光导4被配置为使得高度H被包括在0.5mm到10mm的间隔中和/或长度L被包括在2mm到25mm的间隔中和/或宽度W被包括在2mm到25mm的间隔中。在实施例中，长度L、宽度W和高度H均具有落入相应的上述间隔内的尺寸。
在所示实施例中，所有四个侧光输入表面41、43、44、45均具有相同的高度，该高度在相应的侧光输入表面的纵向方向上恒定。在备选实施例中，侧光输入表面41、43、44、45可以具有两个或更多个相互不同的高度，优选地全部具有落入0.5mm到10mm的间隔内的尺寸，每个侧光输入表面的高度仍然在相应侧光输入表面的纵向方向上恒定。在侧光输入表面41、43、44、45包括两个或更多个相互不同的高度的备选实施例中，光导被配置为使得至少一个侧光输入表面的高度(但是优选地，多个或所有侧光输入表面的高度)小于长度L和宽度W。在另外其他的备选或附加实施例中，一个或多个侧光输入表面的高度可以在相应的侧光输入表面的纵向方向上变化，但是优选地仍然落入0.5mm至10mm的间隔内。
参考图6，根据本发明的发光设备通常如下工作。具有第一光谱分布的光13由至少一个光源211、212、221、222、231、232、241和242中的每一个以及另外的光源251、252、253和254中的每一个发射。通过由211表示的光源发射的光所示，具有第一光谱分布的光13然后在第一侧光输入表面41处耦合到光导4中。具有第一光谱分布的光13的至少一部分由光导4转换成具有第二光谱分布的光14。具有第二光谱分布的光14然后在光出射表面42处被耦合出光导4，并且由此通过发光设备1被发射。
优选地并且与实施例无关，第一光谱分布(即，由光源发射的光的光谱分布)被包括在200nm到500nm之间的范围中，并且第二光谱分布被包括在400nm到800nm之间的范围中。由此提供了特别适合于提供具有高质量和强度的白光输出的发光设备。
在所示的实施例中，所有光源发射具有基本相同的光谱分布的光。然而在备选实施例中，光源可以发射具有两个或更多个不同光谱分布的光是可行的。
不管实施例如何，具有第一光谱分布的光13和具有第二光谱分布的光14可以具有相同或基本完全重叠的光谱分布。备选地并且仍然与实施例无关，具有第一光谱分布的光13和具有第二光谱分布的光14可以具有不同的、例如部分重叠或基本上不交叠的光谱分布。
在实施例(未示出)中，发光设备还包括散热器，散热器优选地由被布置在例如光导的侧表面上的诸如铜、铁或铝的金属制成。散热器包括用于改善散热的翅片。注意，在包括其上安装有光源的基底或衬底的其他实施例(参见图10)中，基底或衬底可以用作散热器。通过提供散热器，由光源产生的热可以以有效的方式被消散，从而远离光导。这又提供了发光设备的最大可获得输出光强度的提高，并且提供了由光导中的过多热量引起的、对发光设备的光学性能的不利影响的降低或甚至消除。然而，散热器不是必要元件，因此在其他实施例中可以被省略。
图8以类似于图6和图7的侧视图示出了根据本发明的发光设备102的第三实施例。在该实施例中，光导4的底部光输入表面46与四个光源251-254相关联。光导4还包括用于将光耦合出光导4的耦出结构9，耦出结构9是被布置在光出射表面42处的反射偏振器91的形式。因此，在该实施例中，发光设备1被适配用于发射偏振光。
图9以类似于图8的侧视图示出了根据本发明的发光设备103的第四实施例。在该实施例中，光导4的底部光输入表面46与四个光源251-254相关联。光导4还包括用于将光耦合出光导4的耦出结构9，耦出结构9是被布置在光出射表面42处的亮度增强膜(BEF)92的形式。在该实施例中，BEF结构提供被适配于发射准直光的发光设备1。
在备选实施例中，用于将光耦合出光导4的耦出结构9可以是光栅或光子晶体，和/或耦出结构可以被成形或嵌入在光出射表面42中。在其他实施例中，包括用于将光耦合出光导4的耦出结构9和散热器，耦出结构和散热器可以布置成彼此热接触。
在下文中，将参考图10和图11描述说明本发明的一个示例。示例1
在实验中，研究根据本发明的第五实施例且如图10所示的发光设备104。在该实施例中，发光设备104包括光导4和布置在相应的基底151、152、153和154上的四个光源21、22、23和24。为了所进行的实验的目的，在光导4的(竖直)侧表面处没有布置光源，这样的实施例是下面进一步描述的计算的对象。
光源21、22、23和24是具有1.4×1.4mm2的尺寸并且发射波长为450nm的光的高功率LUMILED(LUMILEDS)DOSC LED。光导4以磷光体掺杂的YAG:Ce板的形式提供，其具有3×4mm(即，长度L乘以宽度W)的光出射表面积，并且被适配用于将蓝光转换成绿光。光导4利用透明硅胶接合在光源21、22、23和24的顶部上。
在1A、1.4A和2A的连续电流下测量光输出。结果在表2中示出。所使用的DOSC LED被指定为在1A下运行，但是在汽车应用中，这些LED在1.4A下运行。在1.4A下，对于从光导4的顶部表面提取的光，测量的流明光输出为1165Lm。
注意，对于薄的高磷光体浓度掺杂的YAG:Ce板，当从顶部表面和(竖直)侧表面提取光时，流明光输出原则上可以高达1665Lm。然而，如从下表中将显而易见的，通过替代地使用侧表面作为由本发明提出的光输入表面，可以进一步增加流明光输出。
Figure BDA0001295856810000241
表2：光输出测量
基于图10所示的实施例的发光设备104，开发了分析光再循环模型，用于计算不同数目的光源的预期流明光输出。当仅四个光源21、22、23、24光学地接合到光导4的底侧时，光导4的厚度接近于零。在这种情况下，如上所述，流明光输出接近1665Lm。为了在分析模型中使用，将该值归一化为1。
光源数目和光输出增益之间的关系如图11所示，并且被示出为对数函数。为了计算，将两个光源(未示出)添加到光导4的(竖直)侧表面中的每一个。光导4的高度H与单个光源的长度和宽度相同，即1.4mm，使得高度H小于光导4的顶部表面的长度L(3mm)和宽度W(4mm)二者。在这种情况下，发光设备104包括4+4×2＝共12个光源。如图11的曲线图所示，使用分析光再循环模型，计算出从光导的顶部表面输出的归一化流明光输出为2。这对应于3330Lm的双倍光输出。
对于具有20个光源的一个实施例，4个在底部处和4×4个在四个侧表面处，归一化的光输出为2.5，其对应于4163Lm的流明光输出。例如对于数字投影，这仍然是一个现实和有意义的解决方案。
对于具有45个光源(9个在底部，4x9个在四个侧表面处)的一个实施例，流明光输出将为9367Lm。
对于具有28个光源的一个实施例，4个在底部处并且4×6在四个侧表面处，归一化的光输出是2.75，其对应于4579Lm的流明光输出。
因此清楚的是，额外光源的积极效果最初非常大，然后逐渐变小，从而在添加另外的光源时产生减小的投资回报。当应用很多光源时，整体效率降低。相对地，由光源产生的越来越多的热量必须被冷却。
本领域技术人员意识到，本发明绝不限于上述优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内，可以进行很多修改和变化。
另外，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括/包含”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (14)

1.一种发光设备，包括：
多个光源(211、221、231、241)，被适配用于在操作时发射具有第一光谱分布的光(13)，
光导(4)，包括光出射表面(42)和至少三个侧光输入表面(41、43、44、45)，所述至少三个侧光输入表面和所述光出射表面相对于彼此以不同于零的角度延伸，
所述光导被适配用于：在所述至少三个侧光输入表面中的每一个处，从所述多个光源接收具有所述第一光谱分布的所述光(13)；将所述光(13)引导到所述光出射表面(42)；将具有所述第一光谱分布的所述光(13)的至少一部分转换成具有第二光谱分布的光(14)；以及将具有所述第二光谱分布的所述光(14)的至少一部分耦合出所述光出射表面(42)，
所述光出射表面(42)具有面积(A)和周长(C)，
所述至少三个侧光输入表面(41、43、44、45)具有高度(Hi)，所述高度以不同于零的角度延伸到所述光出射表面(42)在其中延伸的平面，
所述光出射表面(42)的周长(C)大于所述侧光输入表面的所述高度(Hi)的四倍，并且所述至少三个侧光输入表面(41、43、44、45)的总面积小于所述光出射表面(42)的所述面积(A)的四倍，并且
所述光出射表面(42)的所述面积(A)小于100mm2并且大于0.25mm2。
2.根据权利要求1所述的发光设备，其中所述光导(4)包括长度(L)、宽度(W)和高度(H)，所述光导(4)的所述长度(L)和所述宽度(W)在所述光出射表面(42)在其中延伸的平面中垂直于彼此延伸，所述光导(4)的所述高度(H)等于所述至少三个侧光输入表面(41、43、44、45)的所述高度(Hi)，并且所述光导(4)的所述高度(H)小于所述光导(4)的所述长度(L)和所述宽度(W)中的每一个。
3.根据权利要求1或2所述的发光设备，其中所述光导(4)包括四个或更多个侧光输入表面(41、43、44、45)，并且所述四个或更多个侧光输入表面(41、43、44、45)的总面积小于所述光出射表面(42)的所述面积(A)的四倍。
4.根据权利要求1或2所述的发光设备，还包括被适配用于在操作时发射具有所述第一光谱分布的光(13)的至少一个另外的光源(251)，
所述光导(4)还包括平行于所述光出射表面(42)延伸的底部光输入表面(46)，
所述光导被适配用于：在所述底部光输入表面(46)处，从所述至少一个另外的光源(251)接收具有所述第一光谱分布的所述光；将所述光引导到所述光出射表面(42)；将具有所述第一光谱分布的所述光(13)的至少一部分转换成具有所述第二光谱分布的光(14)；以及将具有所述第二光谱分布的所述光(14)的至少一部分耦合出所述光出射表面(42)。
5.根据权利要求1或2所述的发光设备，其中所述至少三个侧光输入表面(41、43、44、45)的所述高度(Hi)小于10mm并且大于0.5mm。
6.根据权利要求2所述的发光设备，其中所述光导(4)的所述长度(L)和所述宽度(W)中的至少一个小于25mm并且大于2mm。
7.根据前述权利要求1、2和6中任一项所述的发光设备，其中所述至少三个侧光输入表面(41、43、44、45)和所述光出射表面(42)垂直于彼此延伸。
8.根据前述权利要求1、2和6中的任一项所述的发光设备，其中所述光导(4)包括石榴石。
9.根据前述权利要求1、2和6中的任一项所述的发光设备，还包括与所述光导(4)相邻的散热器。
10.根据前述权利要求1、2和6中任一项所述的发光设备，其中所述光导(4)包括在所述光出射表面(42)处的耦出结构(9)。
11.根据前述权利要求1、2和6中任一项所述的发光设备，其中在所述光输入表面中的每一个处，布置有两个或更多个光源。
12.根据前述权利要求1、2和6中任一项所述的发光设备，其中所述光导(4)包括截面形状，所述截面形状选自包括以下各项的组：三角形、矩形、正方形、梯形、多边形形状及其组合。
13.根据前述权利要求1、2和6中任一项所述的发光设备，其中由所述光源发射的所述光(13)的所述第一光谱分布被包括在从200nm到500nm的范围中。
14.一种灯、照明装置、汽车照明设备或数字投影设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的发光设备(1)。
CN201480083451.4A 2014-11-19 2014-11-19 发光设备 Active CN106922178B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2014/074949 WO2016078700A1 (en) 2014-11-19 2014-11-19 A light emitting device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106922178A CN106922178A (zh) 2017-07-04
CN106922178B true CN106922178B (zh) 2020-01-31

Family

ID=51905085

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480083451.4A Active CN106922178B (zh) 2014-11-19 2014-11-19 发光设备

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20170307798A1 (zh)
EP (1) EP3221637B1 (zh)
JP (1) JP6501370B2 (zh)
CN (1) CN106922178B (zh)
WO (1) WO2016078700A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3782843A4 (en) 2018-07-23 2021-12-08 Toyo Electric MFG. Co., Ltd. COLLECTORS
US11256019B2 (en) * 2019-06-14 2022-02-22 Wuhan China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd. Backlight module and display device
CN111193914A (zh) * 2020-01-10 2020-05-22 厦门卓旭智能科技有限公司 一种便于校准投影位置且稳定性好的投影机
CN113363368B (zh) * 2021-05-19 2022-05-10 厦门镌纹科技有限公司 二维周期非对称光栅光学器件及电子设备

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101151908A (zh) * 2005-03-29 2008-03-26 3M创新有限公司 体荧光光源
CN101435893A (zh) * 2007-11-15 2009-05-20 住友化学株式会社 导光板、面光源装置以及液晶显示装置
CN103168260A (zh) * 2010-10-28 2013-06-19 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有波导板的照明设备

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5667289A (en) * 1989-05-18 1997-09-16 Seiko Epson Corporation Background lighting apparatus for liquid crystal display
JP2002350846A (ja) * 2001-05-22 2002-12-04 Yazaki Corp Ｌｅｄバックライト
JP2008305713A (ja) * 2007-06-08 2008-12-18 Fujifilm Corp 面状照明装置
JP2012043617A (ja) * 2010-08-18 2012-03-01 Fujifilm Corp 面状照明装置
US20120140436A1 (en) * 2010-12-02 2012-06-07 Intematix Corporation Solid-state lamps with light guide and photoluminescence material
WO2012172858A1 (ja) * 2011-06-17 2012-12-20 日本電気株式会社 光学素子、光源装置及び投射型表示装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101151908A (zh) * 2005-03-29 2008-03-26 3M创新有限公司 体荧光光源
CN101435893A (zh) * 2007-11-15 2009-05-20 住友化学株式会社 导光板、面光源装置以及液晶显示装置
CN103168260A (zh) * 2010-10-28 2013-06-19 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有波导板的照明设备

Also Published As

Publication number Publication date
EP3221637B1 (en) 2018-05-23
JP6501370B2 (ja) 2019-04-17
CN106922178A (zh) 2017-07-04
WO2016078700A1 (en) 2016-05-26
EP3221637A1 (en) 2017-09-27
JP2018503211A (ja) 2018-02-01
US20170307798A1 (en) 2017-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3047527B1 (en) A light emitting device
EP2947484B1 (en) A light emitting device
US9952377B2 (en) Light emitting device with spectral conversion element
US9462650B2 (en) Light emitting device and a method for dimming a light emitting device
JP2016531381A (ja) 発光素子
US20160218260A1 (en) A light emitting device
CN105074944A (zh) 包括波长转换器的发光设备
CN105829797B (zh) 发光设备
CN106922178B (zh) 发光设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: The city of Eindhoven in Holland

Patentee after: PHILIPS LIGHTING HOLDING B.V.

Address before: The city of Eindhoven in Holland

Patentee before: PHILIPS LIGHTING HOLDING B.V.