CN107208853A - 高强度白光源 - Google Patents

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Abstract

白光源(100)包括适于发出第一光的第一光源(102)，被布置为接收来自第一光源(102)的第一光并至少部分地将其转换成转换光的反射波长转换元件(108)，以及适于发出蓝光的第二光源(104)，该蓝光在使用中与转换光组合以生成白光。白光源还包括光束整形元件(116)，其适于将由第二光源(104)发出的蓝光的强度轮廓调整到与转换光的强度轮廓相匹配。由此，提供了生成具有所期望的颜色分布的高强度的均一白光的白光源(100)。

Description

高强度白光源
技术领域
本发明涉及白光源及用于生成白光的方法。
背景技术
高强度白光源对于包括聚光照明、舞台照明、前照灯及数字光投影的各种应用是令人感兴趣的。提供高强度白光源的一种方式是利用所谓的光集中器，在光集中器中较短波长的光在高度透明的发光材料中被转换成较长的波长。这样的透明发光材料的棒被例如LED照射，以在棒内产生更长的波长。停留在诸如掺杂石榴石的发光材料中的转换光然后可以从棒的一个表面被提取出，从而引起强度增益。然而，这样的基于发光转换器的光源可能是低效的，且不容易获得极高的强度。获得高强度光的另一方法是使用聚焦在旋转磷光体轮上的高强度激光束。然而，机械运动部分降低了系统的可靠性。另外，为了提供高强度白光，可能需要附加的蓝光分量。
美国专利申请2013/308332公开了一种用于生成白光的设备，该设备包括至少一个光源及至少一个转换介质。光源发出在蓝色和/或紫外光谱范围中的光。来自光源的光由激光生成，并且来自光源的光通过光学系统聚焦到转换介质上。转换介质将入射光的至少一部分转换成不同的光谱范围。在US 2013/308332的图7中，转换光通过二向色镜转向，使得其可以被送入光导中。二向色镜被配置为反射转换的辐射，而不是透射来自所述光源的光。为了产生白光，采用另一激光或蓝光源，并且来自其的光被单独送入光导中，以获得白光中的蓝光分量。
发明内容
本发明的一般目的是提供一种改进的白光源。
根据本发明的第一方面，这一及其他目的通过以下的一种白光源来实现，该白光源包括适于发出第一光的第一光源、被布置为接收来自第一光源的第一光并至少部分地将其转换成转换光的反射波长转换元件以及适于发出蓝光的第二光源，该蓝光在使用中与转换光组合以生成白光。白光源进一步包括光束整形元件，光束整形元件适于将由第二光源发出的蓝光的强度轮廓调整到与转换光的强度轮廓相匹配。
反射波长转换元件应当被理解为接收来自第一光源的第一光，并至少部分地将第一光波长转换成具有不同波长的转换光。从第一光源发出的第一光可以是UV、紫外或蓝光。转换光和来自第二光源的蓝光的组合产生白光。波长转换通常将第一光转换为具有更长波长的转换光，诸如黄光。光束整形元件适于将由第二光源发出的蓝光的强度轮廓调整到与转换光的强度轮廓相匹配。光的强度轮廓是在光束的垂直于光束方向的横截面上的强度分布。通过使由第二光源发出的蓝光的强度轮廓与转换光的强度轮廓相匹配，获得均一的白光。特别地，可以获得具有基本上均一的色点的白光，以提供均匀的白光束。期望提供具有基本上均一的色点的白光，以便提供高强度白光，而没有所照射区域的表面上的颜色偏差。
本发明基于以下实现：生成具有所期望的颜色分布的高强度均一白光的白光源通过包括光束整形元件的白光源提供，光束整形元件适于将由第二光源发出的蓝光的强度轮廓调整到与转换光的强度轮廓相匹配。由此，获得作为转换光和来自第二光源的束状蓝光的组合的白光。由白光源生成的白光具有基本上均一的色点，并且因此可以在被白光照射的区域的表面上没有实质颜色偏差的情况下提供照明。另外，由白光源生成的白光的颜色由转换光的与来自第二光源的蓝光的量相组合的量来确定。因此，通过调整转换光的量，通过调整来自第一光源的光或来自第二光源的蓝光相对于彼此的强度，还提供了颜色可调的白光源。
第一光源可以发出在350nm-480nm的波长范围中的光，而第二光源可以出发在430nm-480nm的波长范围中的光。
反射波长转换元件的尺寸可以被配置为与入射的第一光的尺寸相匹配。将反射波长转换元件的尺寸配置为与入射光相匹配减小了光可以在其中被转换的可用体积。由此，可以避免白光源中光学扩展量(etendue)的增加。光学扩展量是对光源的尺寸及来自光源的光的分布的度量。低的光学扩展量是有利的，以便获得白光源的高亮度。
在本发明的一个实施例中，白光源可以进一步包括光出射设备，以及适于重定向第一光和蓝光并透射转换光的光学元件。光束整形元件可以被布置在第二光源与光学元件之间的光路中。白光源可以被布置为使得：在使用中，由第一光源发出的第一光被光学元件重定向到反射波长转换元件，转换光通过光学元件透射到光出射设备，而由第二光源发出的蓝光被光学元件重定向到光出射设备。
在备选的实施例中，白光源可以进一步包括光出射设备，以及适于重定向转换光并透射第一光和蓝光的光学元件。光束整形元件可以被布置在第二光源与光学元件之间的光路中。白光源可以被布置为使得：在使用中，由第一光源发出的第一光通过光学元件透射到反射波长转换元件，转换光被光学元件重定向到光出射设备，而由第二光源发出的蓝光通过光学元件透射到光出射设备。
因此，通过使光学元件适于重定向或透射蓝光，或者适于重定向或透射转换光，实现了白光源的不同布置。
光学元件的尺寸可以被设定为使得来自反射波长转换元件的蓝光被光学元件阻挡而不到达光出射设备。来自反射波长转换元件的蓝光可以是反射的蓝光或经转换的蓝光。通过阻挡来自反射波长转换元件的蓝光，被定向到光出射设备的光仅包括来自反射波长转换元件的转换光及来自第二光源的蓝光。所得到的光组合的颜色更易于通过阻挡由反射波长转换元件反射或转换的蓝光来控制。然而，光学元件的尺寸还可以被设定为小于一般尺寸，使得由反射波长转换元件反射或转换的蓝光中的一些可以经过光学元件。
光学元件可以是波长选择性或偏振选择性的，或者在至少一些实例中，既为波长选择性也为偏振选择性的。光学元件可以例如从由以下各项构成的组中选择：二向色反射器，多层反射器，镜面滤光片，光栅，闪耀光栅，光子晶体反射器，胆甾相反射器，线栅偏振器，反射偏振器和偏振分束器。
白光源可以被布置为使得：在使用中，由第一光源发出的光被定向到光学元件的第一侧，而由第二光源发出的蓝光被定向到光学元件的第二相对侧。
光束整形元件可以从由以下各项构成的组中选择：透镜，环形透镜，与光束整形棱镜组合的透镜，衍射光栅结构，闪耀衍射光栅结构，漫射体板和全息漫射体板。
白光源可以在所生成的白光的横截面上提供小于40sdcm的色点变化，优选小于20sdcm，更优选小于5sdcm(SDCM代表颜色匹配标准偏差)。
白光源可以提供所生成的白光的至少40的显色指数(CRI)。
白光源可以提供所生成的白光的在3000K-8000K范围中的相关色温(CCT)。
在本发明的一个实施例中，第一光源可以包括多个第一光源，并且白光源还包括用于组合由多个第一光源发出的光的装置。通过提供多个第一光源，来自第一光源的光的量可以得以增加。由此，由反射波长转换元件波长转换为转换光的光的量可以得以增加。
用于组合光的装置可以包括布置在多个第一光源与光学元件之间的光路中的分支光纤。分支光纤允许第一光源中的每一个彼此分开放置，以便分别冷却它们中的每一个。备选地，用于组合光的装置可以包括布置在多个第一光源与光学元件之间的光路中的第一中继透镜和第二中继透镜。由多个第一光源在使用中发出的光耦合到第一中继透镜中，第一中继透镜将光定向到第二中继透镜，第二中继透镜使光朝向光学元件准直。
白光源还可以包括与反射波长转换元件热接触的散热器。在光转换成转换光的过程期间，生成热量。散热器避免了在转换过程期间反射波长转换元件中过高的温度增加。
在本发明的一个实施例中，白光源还可以包括适于测量来自第二光源的蓝光的强度和转换光的强度的检测器，以及用于基于所检测的强度来调整来自第二光源的蓝光的强度和/或转换光的强度的装置。光源可能随着时间的推移而退化，因此通过检测和调整由光源发出的光的强度，所生成的白光的色点可以在光源的寿命期内保持恒定。
白光源可以被包含在汽车前照灯中。备选地，白光源可以例如被包含在体育场灯(例如，泛光灯)、投影仪、舞台灯、灯具或路灯中。
根据本发明的另一方面，还提供了一种用于生成白光的方法。该方法包括以下步骤：将第一光从第一光源发射到反射波长转换元件；利用反射波长转换元件至少部分地将来自第一光源的第一光波长转换成转换光；从第二光源发出蓝光；以及对来自第二光源的蓝光进行光束整形，以将由第二光源发出的蓝光的强度轮廓调整到与转换光的强度轮廓相匹配。该方法还包括将转换光与来自第二光源的束状蓝光组合以生成白光的步骤。
本发明的这一方面可以展现出与第一方面相同或相似的特征和/或技术效果。
当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的进一步特征和优点将变得明显。本领域技术人员认识到，本发明的不同特征可以组合以产生除了下面所描述的那些实施例之外的实施例，而不脱离本发明的范围。
附图说明
现在将参考示出本发明的不同实施例的附图来更详细地描述本发明的这些及其他方面。
图1是根据本发明的一个实施例的白光源的示意图；
图2是根据本发明的另一实施例的白光源的示意图；
图3是根据本发明的又一实施例的白光源的示意图；
图4是根据本发明的又一实施例的白光源的示意图；以及
图5是示出了根据本发明的实施例的一种使用白光源来生成白光的方法的流程图。
具体实施方式
在本详细描述中，主要参考示出了根据本发明的不同实施例的白光源的示意图来讨论根据本发明的白光源的实施例。应当注意，这绝不限制本发明的范围，本发明也适用于例如具有除了附图中所示的实施例之外的其他布置的其他情况。另外，结合本发明的一个实施例提及具体部件不意味着这些部件不可以有利地与本发明的其他实施例一起使用。现在将参考附图来描述本发明，在附图中将首先注意结构，然后是功能。相同的附图标记始终指代相同的元件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的白光源100的示意图。白光源100包括第一光源102、第二光源104、光学元件106、反射波长转换元件108、光出射设备110及光束整形元件116。图1的白光源100基本上具有十字形配置，其中第一光源102和第二光源104被布置在十字形的第一(竖立)线的相应端部处，反射波长转换元件108和光出射设备110被布置在十字形的垂直的第二线的相应端部处，光学元件106被布置在十字形的中心，而光束整形元件116被布置在第二光源104的前面。
第一光源102和第二光源104优选地是固态光源，诸如发光二极管或二极管激光器。第一光源102发出在350nm-480nm的波长范围中的紫外光、紫光或蓝光，而第二光源104发出在430nm-480nm的波长范围中的蓝光。
光学元件106适于重定向来自第一和第二光源102、104的光，并透射具有不同波长的转换光。光学元件106具有第一侧105及与第一侧相对的第二侧107。光学元件106被布置在第一光源102与第二光源104之间，使得由第一光源102发出的第一光124被定向到第一侧105，而由第二光源104发出的蓝光130被定向到第二侧107。光学元件将来自第一光源102的第一光124重定向到反射波长转换元件108，来自第一光源102的重定向的第一光由图1中的线128指示。光学元件106还将来第二光源104的蓝色光130重定向到光出射设备110。图1所示的光学元件106是选择性地反射比预定波长小的光的二向色反射器。在这种情况下，二向色反射器106反射波长小于500nm的光，例如由第一光源102和第二光源104在使用中发出的光。波长大于500nm的光基本上不受二向色反射器106的影响，并且从而从第一侧105通过二向色反射器106透射到第二侧107，或者相反地。当然也可以使用诸如闪耀光栅、镜面滤光片或偏振分束器的其他光学元件来选择性地重定向来自第一和第二光源102、104的光并允许具有更长波长的光透过。
应当注意，来自第一光源102的第一光124和来自第二光源104的蓝光130也可能被光学元件106的相同侧反射或重定向。在这种情况下，来自第一光源102的第一光124将被第一侧105直接反射，而来自第二光源104的光130从第二侧107透过二向色反射器106，此后其将被侧面105反射。备选地，来自第二光源104的蓝光130将被侧面107直接反射，而来自第一光源102的第一光透过侧面105然后被侧面107反射。
反射波长转换元件108被布置为接收由第一光源102发出并由二向色反射器106重定向的第一光128。反射波长转换元件108布置为与光出射设备110相对，使得二向色反射器106被布置在反射波长转换元件108与光出射设备110之间。另外，反射波长转换元件108被配置为至少部分地将第一光128转换成转换光126并反射未转换的光128。措辞“反射”在本申请的上下文中应当被解释为反射波长转换元件108发出转换光126或反射未转换的蓝光128。因此，来自第一光源102的重定向的蓝光和未转换的光两者都由图1中的线128指示。在使用中，来自第一光源102的重定向的光128进入反射波长转换元件108并至少部分地被转换成具有不同波长的光，诸如黄光。转换光126和未转换的光128从反射波长转换元件108在光学元件106的方向上被反射回。反射波长转换元件108优选为磷光体。反射波长转换元件108的厚度和/或活性成分的浓度被配置为使来自第一光源102的光到转换光的转换最大化。另外，反射波长转换元件108的尺寸被配置为与入射的第一光128的尺寸相匹配，以便防止波长转换元件108的发出转换光的表面变得大于第一光128的聚焦区域的尺寸。在来自第一光源102的光是蓝色的情况下，来自反射波长转换元件108的反射蓝光128被二向色反射器106朝向第一光源102重定向。在其中UV或紫光由第一光源102发出的情况下，转换光126中也可以存在蓝色分量。在这样的情况下，转换光126的蓝色分量也由二向色反射体106朝向第一光源102重定向。反射波长转换元件108的厚度和活化剂浓度确定了来自第一光源102的光被转换的程度。在较大程度上将来自第一光源102的第一光转换，使得几乎没有第一光剩余是有利的。在这种所谓的完全转换状态系统中，效率可以更高。
用于反射波长转换元件108的合适材料包括：诸如掺杂YAG、LuAG的无机磷光体，有机磷光体，有机荧光染料和量子点。量子点是半导体材料的通常仅具有几纳米的宽度或直径的小晶体。当被入射光激发时，量子点发出由晶体的尺寸和材料确定的颜色的光。因此，特定颜色的光可以通过调整点的尺寸来产生。具有在可见光范围中的发射的大多数已知量子点基于具有诸如硫化镉(CdS)和硫化锌(ZnS)的壳体的硒化镉(CdSe)。也可以使用无镉量子点，诸如磷化铟(InP)及硫化铜铟(CuInS2)和/或硫化银铟(AgInS2)。量子点显示非常窄的发射谱带，因此它们显示饱和的颜色。此外，发射颜色可以通过调整量子点的尺寸来容易地调节。本领域已知的任何类型的量子点可以用在本发明中。然而，出于环境安全和关注的原因，优选使用无镉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。分子结构可以被设计为使得光谱峰位置可以调节。合适的有机荧光染料材料的示例是基于苝系衍生物的有机发光材料，例如由BASF以名称出售的化合物。合适的化合物的示例包括但不限于：Red F305，Orange F240，Yellow F083和F170。
反射波长转换元件108还可以包括无机磷光体。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(Lu3Al5O12)。Ce掺杂的YAG发出淡黄色的光，而Ce掺杂的LuAG发出黄绿色的光。发出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是Ca1-xAlSiN3：Eux，其中0＜x≤1，优选0＜x≤0.2；BSSN是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，并且优选为0≤x≤0.2。
另外，波长转换元件108材料可以由从包括以下各项的组中选择的材料制成：(M<I>1-x-yM<II>xM<III>y)3(M<IV>1-zM<V>z)5O12，其中M<I>从包括Y、Lu或其混合物的组中选择，M<II>从包括Gd、La、Yb或其混合物的组中选择，M<III>从包括Tb、Pr、Ce、Er、Nd、Eu或其混合物的组中选择，M<IV>是Al，M<V>从包括Ga、Sc或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-yM<II>x,M<III>y)2O3，其中M<I>从包括Y、Lu或混合物的组中选择，M<II>从包括Gd、La、Yb或其混合物的组中选择，M<III>从包括Tb、Pr、Ce、Er、Nd、Eu、Bi、Sb或其混合物的组中选择，且0≤x≤1、0≤y≤0.1；(M<I>1-x-yM<II>xM<III>y)S1-zSez，其中M<I>从包括Ca、Sr、Mg、Ba或其混合物的组中选择，M<II>从包括Ce、Eu、Mn、Tb、Sm、Pr、Sb、Sn或其混合物的组中选择，M<III>从包括K、Na、Li、Rb、Zn或其混合物的组中选择，且0≤x≤0.01、0≤y≤0.05、0≤z≤1；(M<I>1-x-yM<II>xM<III>y)O，其中M<I>从包括Ca、Sr、Mg、Ba或其混合物的组中选择，M<II>从包括Ce、Eu、Mn、Tb、Sm、Pr或其混合物的组中选择，M<III>从包括K、Na、Li、Rb、Zn或混合物的组中选择，且0≤x≤0.1、0≤y≤0.1；(M<I>2-xM<II>xM<III>2)O7，其中M<I>从包括La、Y、Gd、Lu、Ba、Sr或其混合物的组中选择，M<II>从包括Eu、Tb、Pr、Ce、Nd、Sm、Tm或其混合物的组中选择，M<III>从包括Hf、Zr、Ti、Ta、Nb或其混合物的组中选择，且0<＝x<＝1；(M<I>1-xM<II>xM<III>1-yM<IV>y)O3，其中M<I>从包括Ba、Sr、Ca、La、Y、Gd、Lu或其混合物的组中选择，M<II>从包括Eu、Tb、Pr、Ce、Nd、Sm、Tm或其混合物的组中选择，M<III>从包括Hf、Zr、Ti、Ta、Nb或其混合物的组中选择，M<IV>从包括Al、Ga、Sc、Si或其混合物的组中选择，且0≤x≤0.1、0≤y≤0.1；或以上项的混合物。
然而，特别合适的发光材料可以是Ce掺杂的钇铝石榴石(YAG，Y3Al5O12)和镥铝石榴石(LuAG)。
光在反射波长转换元件108内的波长转换期间，消耗能量并产生热量。因此，白光源100还包括被布置为与反射波长转换元件108处于热接触的散热器122，以便避免温度升高。散热器122可以与反射波长转换元件108的后表面和/或反射波长转换元件108的侧表面处于热接触，以便提供更大的面积来高效地冷却反射波长转换元件108。热接触在本文中通常指代热传导。因此，散热器122与反射波长转换元件108之间的热接触可以通过三种可能的场景来实现。第一种场景是两个实体处于物理接触，即散热器122和反射波长转换元件108被布置为处于直接的物理接触。第二种场景是两个实体被布置为通过其间的热界面材料的中间薄层处于间接直接物理接触。热界面材料可以是布置在散热器122与反射波长转换元件108之间的例如胶或另一类型的材料，以便例如将两种材料彼此连结。第三种场景是在散热器122与反射波长转换元件108之间布置有薄的空气间隙。空气间隙应当比约0.2mm薄，以便提供热传导而不是形成热屏障。
在本文中由光纤110实现的光出射设备110被布置为接收由二向色反射器106重定向的来自第二光源104的蓝光130，以及透过二向色反射器106的转换光126。
注意，二向色反射器106还被配置为具有如下尺寸：该尺寸使得来自反射波长转换元件108的未转换的光128被二向色反射器106阻挡而不到达光出射设备110。如先前所提到的，二向色反射器106被布置在反射波长转换元件108与光出射设备110之间，且在反射波长转换元件108与光出射设备110之间的光路中，并且光学元件106的尺寸被配置为使得来自反射波长转换元件108的未转换的光128被重定向回到第一光源102。与蓝色光128不被阻挡的情况相比，这使得更易于将来自第二光源104的蓝光130的强度轮廓与透过光学元件106的转换光126的强度轮廓相匹配。然而，也可以提供一个较小的光学元件106，且仍然与源自第二光源104与光束整形元件116的组合的蓝色光130的强度轮廓相匹配。
白光源100还包括布置在第一光源102与光学元件106之间的光路中的第一准直透镜112。第一准直透镜112将由第一光源102在使用中发出的第一光124准直到二向色反射器106。白光源100还包括布置在第二光源104与二向色反射器106之间的光路中的第二准直透镜114。第二准直透镜114将从第二光源104发出的蓝光130准直到二向色反射器106。准直来自第一光源102和第二光源104的光实现二向色反射器106的正常工作的改进。
白光源100还包括布置在反射波长转换元件108与二向色反射器106之间的光路中的聚焦透镜118。聚焦透镜118被配置为将定向到反射波长转换元件108的光聚焦，并将转换光126和反射的未转换的光128准直到二向色反射器106。
白光源100还包括布置在光学元件106与光出射设备110之间的光路中的聚焦透镜120。聚焦透镜120被布置成聚焦定向到光出射设备110的光，使得光耦合到光出射设备110中。
在光出射设备110是光纤的情况下，光纤的低弯曲半径是有利的。光纤的最小弯曲半径大体上与其芯或包层直径成比例。最小弯曲半径是芯或包层直径的100至500倍的数量级。光纤的直径实际上在0.5mm到1mm的量级。在光纤前面的光束的直径尤其由聚焦透镜120确定。聚焦透镜可能引入色差或其他光学赝像，从而导致进入光纤的光束的直径的增加(相对于理想的聚焦透镜)。进入光纤的光束的直径的这种增加应当优选地小于光纤直径的一半，更优选地小于光纤直径的四分之一，并且最优选地小于光纤直径的十分之一，以便提供进入光纤的光的高效耦入。执行光学模拟，以计算聚焦透镜120的(最大)光学直径与光纤110的直径之间的关系，其提供了光从聚焦透镜120进入光纤110的最佳耦入。光学模拟表明，为了光进入光纤的最佳耦入，光纤110的直径与聚焦透镜120的光学直径之比应当优选地小于21，更优选地小于10，以及最优选地小于4.2。
白光源100还包括布置在第二光源104与光学元件106之间的光路中的光束整形元件116。特别地，光束整形元件116被布置在第二光源104与第二准直透镜114之间。光束整形元件116适于将由第二光源104发出的蓝光130的强度轮廓调整到与透过二向色反射器106的转换光126的强度轮廓相匹配。图1所示的光束整形元件116是具有高斯强度轮廓的全息漫射体板。全息漫射体板的半高全宽FWHM被配置为提供匹配的强度轮廓。例如，FWHM可以被配置为15°、20°、30°或40°。实验已经表明，15°的FWHM可以提供来自第二光源104的蓝光130的强度轮廓与透过光学元件106的转换光126的强度轮廓相匹配。将由第二光源104在使用中发出的蓝光130的强度轮廓与透过光学元件106的转换的黄光126的强度轮廓相匹配产生具有基本均一的色点的均一的白光。在本发明的范围内也可以有利地使用其他类型的光束整形元件，例如透镜、环形透镜、与光束整形棱镜组合的透镜、衍射光栅结构、闪耀衍射光栅结构、漫射体板，或诸如全息漫射体板的全息光束整形元件。
在使用中，第一光源102发出第一光124，第一光124由第一准直透镜112准直并被定向到二向色反射器106的第一侧105。二向色反射器106在该情况中通过第一侧105处的反射将来自第一光源102的准直的第一光124经由聚焦透镜118重定向到反射波长转换元件108。来自第一光源102的光通过聚焦透镜118聚焦到反射波长转换元件108上。光至少部分地通过反射波长转换元件108被转换成转换光。转换光126经由聚焦透镜118从反射波长转换元件108发射到光学元件的第一侧105。转换光然后透过光学元件106并通过聚焦透镜120聚焦到光出射设备110上。来自反射波长转换元件108的蓝色的未转换的光128也经由聚焦透镜118反射回到光学元件106的第一侧105。光学元件106然后重定向未转换的光128。未转换的光128因此被二向色反射器106阻挡而不到达光出射设备110。如果转换光126包括蓝色分量，则这些分量也被光学元件106重定向并被阻挡而不到达光出射设备110。
另外，第二光源104同时发出蓝光130。从第二光源104发出的蓝光130通过光束整形元件116进行光束整形，由第二准直透镜114准直，并被定向到二向色反射器106的第二侧107。二向色反射器106通过第二侧107处的反射，将来自第二光源104的束状且准直的蓝光130经由聚焦透镜120重定向到光出射设备110。来自反射波长转换元件108的转换光126与来自第二光源104的束状且准直的蓝光130组合，并生成进入光出射设备110的均一的白光。因为由第二光源104发出的束状且准直的蓝光130的强度轮廓与转换光126的强度轮廓相匹配，所以进入光出射设备110的由白光源100生成的白光具有基本均一的色点。
然后，光出射设备110在使用中将由白光源100生成的白光导向白光的应用，诸如例如聚光照明、舞台照明、前照灯和数字光投影。
在一个备选的布置(未示出)中，光学元件106适于重定向转换光并透射第一光和蓝光。因此，与图1所示的白光源100的部件的布置相比，第二光源104连同光束整形元件116和准直透镜114与反射波长转换元件108和聚焦透镜118交换位置。通过这样的备选布置，由第一光源102发出的光124通过光学元件106透射到反射波长转换元件108。来自反射波长转换元件108的转换光被光学元件106重定向到光出射设备110。由第二光源104发出的蓝光130通过光学元件106透射到光出射设备110。
图2示出了根据本发明的另一实施例的白光源200的示意图。图2所示的白色光源200类似于图1所示的白色光源100，且大体上包括相同的部件。然而，图2中的白光源200与图1中的白光源100之间的差异在于：适于重定向蓝光并透射黄光的光学元件206由闪耀光栅206实现。闪耀光栅206具有第一侧205及与第一侧205相对的第二侧207。闪耀光栅的闪耀波长被配置为对应于由第一和第二光源102、104发出的光的波长。闪耀光栅206的光栅被布置在第一侧205上。
注意，第一光源102被布置为使得由第一光源102发出的光基本上平行于闪耀光栅206的第一侧205的法向入射在第一侧205上。同样地，第二光源104被布置为使得由第二光源104发出的蓝光基本上平行于闪耀光栅206的第二侧207入射在第二侧207上。
在使用中，第一光源102发出由第一准直透镜102准直并被定向到闪耀光栅206的第一侧205的光。来自第一光源102的光经由聚焦透镜118被闪耀光栅206重定向到反射波长转换元件108。光被重定向的角度对应于闪耀光栅206的闪耀角度。因此，闪耀光栅206及第一光源102被布置为使得：来自第一光源102的光的重定向导致光被重定向到反射波长转换元件108，并且来自第二光源104的蓝光的重定向导致蓝光被重定向到光出射设备110。
来自第一光源102的光至少部分地通过反射波长转换元件108被转换成转换光。转换光经由聚焦透镜118从反射波长转换元件108反射回闪耀光栅206的第二侧207。转换光从第二侧207通过闪耀光栅206透射到第一侧205，并经由聚焦透镜120透射到光出射设备110。蓝光也被反射、经由聚焦透镜118回到闪耀光栅206的第二侧207。闪耀的光栅206然后将来自反射波长转换元件108的蓝光朝向第一光源102重定向。来自反射波长转换元件108的未转换的或从反射波长转换元件108发出的蓝光因此被闪耀光栅206阻挡而不到达光出射设备110。
第二光源104同时发出蓝光，该蓝光通过光束整形元件116进行光束整形，并由第二准直透镜114准直，并被定向到闪耀光栅206。闪耀光栅206在这一情况中通过使蓝光从第二侧207透射到第一侧205并将来自第二光源104的蓝光经由聚焦透镜120重定向到光出射设备110而进行重定向。来自反射波长转换元件108的转换光与来自第二光源104的蓝光组合，以生成进入光出射设备110的具有基本均一的色点的均一白光。
图3示出了根据本发明的又一实施例的白光源300的示意图。图3所示的白光源大体上类似于图1所示的白光源100，且大体上包括类似的部件。然而，图3所示的光学元件106是镜面滤光片，其允许波长大于500nm的光透过镜面滤光片106，并通过反射重定向波长小于500nm的光。镜面滤光片具有第一侧105和相对的第二侧107。
另外，白光源300包括多个第一光源302，图3示出为三个光源302。应当注意，当然也可以使用两个光源或多于三个光源。白光源300还包括用于组合由多个光源302发出的光的装置，其在图3中由布置在多个第一光源302与镜面滤光片106之间的光路中的分支光纤306来实现。分支光纤306包括多个光入射端305及与光入射端305相对的共同光出射端307。白光源300还进一步耦合透镜304，耦合透镜304布置在第一光源302中的每一个与光入射端305中的每一个之间的光路中。耦合透镜304将从第一光源302中的每一个发出的光耦合到分支光纤306的对应光入射端305中。分支光纤306具有三个光入射端305，以便组合来自第一光源302中的每一个的光，并将组合的光从光出射端307经由准直透镜112发射到光学元件106。分支光纤306的光入射端305可以通过将其熔接(splicing)或耦接在一起而组合。
具有分离的光入射端305的分支光纤306允许第一光源302中的每一个彼此分开放置。由此，第一光源302中的每一个可以单独冷却，并且降低白光源300中发热部件的聚集。
白光源300还包括布置在第二光源104与光束整形元件116之间的光路中的光纤308。另外，耦合透镜310被布置为将由第二光源104在使用中发出的光耦合到光纤308中。光纤308被布置为使得：在使用中由第二光源104发出的蓝光被耦合到光纤308中并被第二光纤308定向到光束整形元件116。以这种方式，光纤308允许第二光源104相对于光束整形元件116的备选放置。
在使用中，多个第一光源302发出由耦合透镜304耦合到分支光纤306的光入射端305中的光。分支光纤306组合来自多个第一光源302的光，并将组合的光从光出射端307经由第一准直透镜112发射到镜面滤光片106的第一侧105。第一准直透镜112准直来自第一光纤306的组合的光。组合且准直的光被镜面滤光片106反射、经由聚焦透镜118到反射波长转换元件108。来自多个第一光源302的组合且准直的光通过聚焦透镜118聚焦到反射波长转换元件108上。来自多个第一光源302的光至少部分地通过反射波长转换元件108被转换为转换光，并被反射，通过聚焦透镜118回到镜面滤光片106。转换光通过镜面滤光片106经由聚焦透镜120透射到光出射设备110。因为镜面滤光片106反射来自反射波长转换元件108的蓝光，所以来自反射波长转换元件108的蓝光被阻挡而不到达光出射设备110。
另外，第二光源104同时发出蓝光。从第二光源104发射的蓝光通过耦合透镜310而耦合到光纤308中，光纤308将来自第二光源104的蓝光定向到光束整形元件116。来自第二光源104的蓝光通过光束整形元件116进行光束整形，以提供与透过镜面滤光片106的转换光的强度轮廓相匹配的强度轮廓。然后，来自第二光源104的束状蓝光由第二准直透镜114准直，并被定向到镜面滤光片106的第二侧107。来自第二光源104的束状且准直的蓝光在镜面滤光片106的第二侧107处被反射，经由聚焦透镜120到光出射设备110。来自反射波长转换元件108的转换光从而与来自第二光源104的束状蓝光组合，以生成进入光出射设备110的均一白光。
图4示出了根据本发明的另一实施例的白光源400的示意图。图4所示的白光源400大体上类似于图3所示的白光源300，且包括多个第一光源402及用于组合来自多个第一光源402的光的装置。然而，在白光源400中，用于组合来自多个第一光源402的光的装置是布置在多个第一光源402与元件106之间的光路中的第一中继透镜404和第二中继透镜406。另外，图4所示的光学元件106是偏振分束器106(PBS)，其重定向具有第一线偏振的光并透射具有垂直于第一偏振的第二线偏振的光，并且还可以具有颜色选择性。颜色选择性可以通过设计带有附加层的偏振分束器408来提供，附加层具有波长选择特性。因此，由第一和第二光源102、104在使用中发出的光被配置为基本上包括第一相同的线偏振态，并因此将通过偏振分束器106中的反射而重定向。另外，白光源400的光束整形元件116是光束整形棱镜116。
白光源400还包括多个准直透镜403，其被配置为准直由第一光源402中的每一个发出的光，并将光定向到第一中继透镜404。
在使用中，多个第一光源402发出由准直透镜403准直并被定向到第一中继透镜404的光。第一中继透镜404将来自第一光源402的光定向到第二中继透镜406，第二中继透镜406对光进行准直，以将平行光束定向到偏振分束器408。偏振分束器408将来自第一光源402的光经由聚焦透镜118重定向到反射波长转换元件108。
来自多个第一光源402的光通过聚焦透镜118聚焦到反射波长转换元件108上。光至少部分地通过反射波长转换元件108而被转换，并被反射，通过聚焦透镜118回到偏置分束器408。转换光不具有与来自第一和第二光源402、104的光相同的偏振，并且因此通过偏振分束器408经由聚焦透镜120透射到光出射设备110，因为偏振分束器具有颜色选择性并且反射蓝光而同时透射转换光中不是蓝光的分量。因为偏振分束器408由于其偏振敏感性再次重定向具有与蓝光相同的偏振态的部分光，所以来自反射波长转换元件108的蓝光将被部分地阻挡而不到达光出射设备110。
第二光源104同时发出蓝光。从第二光源104发出的蓝光由准直透镜114准直并被定向到光束整形棱镜410。来自第二光源104的蓝光通过光束整形棱镜410进行光束整形，以提供与透过偏振分束器408的转换光的强度轮廓相匹配的强度轮廓。偏振分束器408将来自第二光源104的蓝光经由聚焦透镜120重定向到光出射设备110。由此，转换光和来自第二光源104的束状蓝光被组合，以生成均一白光。
图5是示出了根据本发明的实施例的用于生成白光的方法的步骤的流程图。该方法可以例如在诸如图1-图4所示的白光源100、200、300、400之类的白光源中实现。
步骤S1包括将第一光从第一光源102发射到反射波长转换元件108。
步骤S2包括利用反射波长转换元件108将来自第一光源102的第一光至少部分地波长转换成转换光。转换光具有不同的波长，通常大于在步骤S1中从第一光源102发出的光。例如，转换光可以是黄光。
步骤S3包括从第二光源104发出蓝光。
步骤S4包括对来自第二光源104的蓝光进行整形成束，以将由第二光源104发出的蓝光的强度轮廓调整到与转换光的强度轮廓相匹配。来自第二光源104的蓝光可以通过适当的光束整形元件116进行光束整形，光束整形元件116诸如是透镜、与光束整形棱镜组合的透镜、衍射光栅结构、闪耀衍射光栅结构、漫射体板或全息漫射体板。
步骤S1-S2与步骤S3-S4同时发生。
步骤S5包括将转换光与来自第二光源104的束状蓝光组合，以生成白光。因此，根据本发明构思生成的白光包括转换光的分量及已被光束整形为将强度轮廓调整到与转换光的强度轮廓相匹配的蓝光的分量。由此，该方法生成均一白光。特别地，该均一白光可以具有基本均一的色点，并且在照明区域的表面上基本没有颜色偏差的情况下提供照明。
根据上文所描述的实施例的白光源可以在所生成的白光的横截面上提供小于40sdcm的色点变化，优选小于20sdcm，或更优选小于5sdcm(SDCM代表颜色匹配标准偏差)。
根据上文所描述的实施例的白光源可以提供所生成的白光的至少40的显色指数(CRI)。
根据上文所描述的实施例的白光源可以提供所生成的白光的在3000K-8000K范围中的相关色温(CCT)。
根据上文所描述的实施例的白光源还可以包括适于测量来自第二光源的蓝光的强度和转换光的强度的检测器，以及用于基于所检测的强度来调整来自第二光源的蓝光的强度和/或转换光的强度的装置。光源可能随着时间的推移而退化，因此通过检测和调整由光源发出的光的强度，所生成的白光的色点可以在光源的寿命期内保持恒定。
白光源可以被包含在汽车前照灯中。备选地，白光源可以例如被包含在体育场灯(例如，泛光灯)、(数字)投影仪、舞台灯、灯具或路灯中。
此外，本领域技术人员通过研究附图、本公开及所附权利要求，在实践所要求保护的发明中可以理解和实现对所公开的实施例的变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”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仅有事实并不表示组合不可以被有利地使用。

Claims (15)

1.一种白光源(100、200、300、400)，包括：
第一光源(102)，适于发出第一光；
反射波长转换元件(108)，被布置为接收来自所述第一光源(102)的第一光并至少部分地将所述第一光转换成转换光；以及
第二光源(104)，适于发出蓝光，所述蓝光在使用中与所述转换光组合以生成白光；
其中所述白光源进一步包括光束整形元件(116)，所述光束整形元件(116)适于将由所述第二光源(104)发出的所述蓝光的强度轮廓调整到与所述转换光的所述强度轮廓相匹配。
2.根据前述权利要求中的任一项所述的白光源(100、200、300、400)，其中所述反射波长转换元件(108)的尺寸被配置为与入射的所述第一光的尺寸相匹配。
3.根据权利要求1或2所述的白光源(100、200、300、400)，进一步包括：
光学元件(106、206)，适于重定向第一光和蓝光，并透射转换光；以及
光出射设备(110)，
其中所述光束整形元件(116)被布置在所述第二光源(104)与所述光学元件(106)之间的光路中，并且
其中所述白光源被布置为使得：在使用中，由所述第一光源(102)发出的所述第一光被所述光学元件(106)重定向至所述反射波长转换元件(108)，所述转换光通过所述光学元件(106)透射到所述光出射设备(110)，并且由所述第二光源(104)发出的所述蓝光被所述光学元件(106)重定向到所述光出射设备(110)。
4.根据权利要求3所述的白光源(100、200、300、400)，其中所述光学元件(106)的尺寸被设计为使得来自所述反射波长转换元件(108)的蓝光被所述光学元件(106)阻挡而不到达所述光出射设备(110)。
5.根据权利要求3或4所述的白光源(100、200、300、400)，其中所述光学元件(106)从由以下各项构成的组中选择：二向色反射器、多层反射器、镜面滤光片、光栅、闪耀光栅、光子晶体反射器、胆甾相反射器、线栅偏振器、反射偏振器和偏振分束器。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的白光源(100、200、300、400)，被布置为使得：在使用中，由所述第一光源(102)发出的光被定向到所述光学元件(106)的第一侧(105、205)，而由所述第二光源(104)发出的所述蓝光被定向到所述光学元件(106)的与第一侧相对的第二侧(107、207)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的白光源(100、200、300、400)，其中所述光束整形元件(116)从由以下各项构成的组中选择：透镜、环形透镜、与光束整形棱镜组合的透镜、衍射光栅结构，闪耀衍射光栅结构、漫射体板和全息漫射体板。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的白光源(100、200、300、400)，其中生成的所述白光的横截面上的色点变化小于40sdcm，优选小于20sdcm，更优选小于5sdcm。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的白光源(100、200、300、400)，其中生成的所述白光的显色指数至少是40。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的白光源(100、200、300、400)，其中生成的所述白光的相关色温在3000K-8000K的范围中。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的白光源(100、200、300、400)，其中所述第一光源包括多个第一光源(302)，并且其中所述白光源进一步包括用于组合由所述多个第一光源(302)发出的光的装置。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的白光源(100、200、300、400)，进一步包括与所述反射波长转换元件(108)处于热接触的散热器(122)。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的白光源(100、200、300、400)，进一步包括：
检测器，适于测量来自所述第二光源(104)的所述蓝光的强度及所述转换光的强度；以及
用于基于所检测的强度来调整来自所述第二光源(104)的所述蓝光的强度和/或所述转换光的强度的装置。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的白光源(100、200、300、400)，被包含在汽车前照灯中。
15.一种用于生成白光的方法，包括以下步骤：
将第一光从第一光源(102)发射(S1)到反射波长转换元件(108)；
利用所述反射波长转换元件(108)，至少部分地将来自所述第一光源(102)的所述第一光波长转换(S2)成转换光；
从第二光源(104)发出(S3)蓝光；
对来自所述第二光源(104)的所述蓝光进行光束整形(S4)，以将由所述第二光源(104)发出的所述蓝光的强度轮廓调整到与所述转换光的强度轮廓相匹配；以及
将所述转换光与来自所述第二光源(104)的束状的所述蓝光组合(S5)，以生成所述白光。
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