CN108026446B - 具有陶瓷石榴石的照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种照明设备(1)，该照明设备包括多个固态光源(10)和具有第一面(141)和第二面(142)的细长陶瓷体(100)，该第一面(141)和第二面(142)限定细长陶瓷体(100)的长度(L)，细长陶瓷体(100)包括辐射出射窗口(112)和一个或多个辐射输入面(111)，其中所述第二面(142)包括上述辐射出射窗口(112)，其中多个固态光源(10)被配置为向一个或多个辐射输入面(111)提供蓝色光源光(11)，其中蓝色光源光(11)具有峰最大值(λex1)，其中细长陶瓷体(100)包括被配置为将蓝色光源光(11)的至少一部分波长转换成转换器光(101)的陶瓷材料(120)，其中陶瓷材料(120)包括A3B5O12:Ce3+陶瓷材料，其中A包括钇(Y)和钆(Gd)，并且其中B包括铝(Al)，其中A包括在10原子％至50原子％的范围内的Gd，并且其中陶瓷材料(120)包括0.5摩尔％至3.5摩尔％的Ce，其中陶瓷材料(120)包括具有吸收峰最大值(λa)的吸收光谱，其中峰最大值(λex1)不等于吸收峰最大值(λa)。

Description

具有陶瓷石榴石的照明设备
技术领域
本发明涉及一种诸如用于在投影仪中使用的照明设备。
背景技术
发光棒在本领域中是已知的。例如，WO2006/054203描述了一种发光设备，该发光设备包括：至少一个LED，该LED发射在>220nm至<550nm的波长范围内的光；以及朝向至少一个LED放置而没有光学接触的至少一个转换结构，该转换结构将来自至少一个LED的光至少部分地转换为在>300nm至≤1000nm的波长范围内的光，该发光设备的特征在于，至少一个转换结构具有＞1.5且＜3的折射率n，以及比率A:E>2:1且<50000:1，其中A和E如下限定：至少一个转换结构包括由至少一个LED发射的光可以进入转换结构的至少一个入射表面和光可以离开至少一个转换结构的至少一个出射表面，至少一个入射表面中的每一个具有入射表面面积，(一个或多个)入射表面面积被编号为A1...An，并且至少一个出射表面中的每一个具有出射表面面积。(一个或多个)出射表面面积被编号为E1...En并且至少一个入射表面的(一个或多个)面积中的每一个的总和A为A＝A1+A2...+An，并且至少一个出射表面的(一个或多个)面积中的每一个的总和E为E＝E1+E2...+En。
发明内容
掺杂有Ce3+(三价铈)的发光陶瓷石榴石可以用于将蓝光转换成具有更长波长的光，例如在绿色至红色波长区域内，诸如在约500nm至750nm的范围内。为了在期望的方向上获得足够的吸收和光输出，使用透明棒(特别地基本上被成形为束)是有利的。这样的棒可以用作光集中器，将来自诸如LED(发光二极管)的光源的光源光集中在它们的长度上，将该光源光转换成转换器光并且在出射表面处提供大量的转换器光。基于光集中器的照明设备例如对于投影仪应用而言可能是令人感兴趣的。
对于投影仪，红色和绿色发光集中器是令人感兴趣的。基于石榴石的绿色发光棒可能是相对高效的。这种集中器特别地基于YAG:Ce(即Y3Al5O12:Ce3+)或LuAG(Lu3Al5O12:Ce3 +)。可以通过用Gd来掺杂YAG-石榴石(“YGdAG”)来制成“红色”石榴石。然而，Gd的掺杂导致较低的热稳定性(热淬灭)。红移也可以使用高Ce浓度获得，这对热稳定性的不利后果小得多。红移对铈含量的增加比对钆的增加敏感得多。对于具有足够的红色光谱强度和可接受的热淬灭性质的光集中器来说，看起来铈增加和钆增加(相对于绿色集中器)均是必要的。
然而，令人惊讶的是，当增加铈浓度且增加Gd浓度时，光转换器(特别是光集中器)的效率基本上低于例如基于粉末样品所预期的效率，该粉末样品具有分别导致绿色偏移光和基本上红色偏移光的相同组成。除了斯托克斯位移损失之外，效率基本上更小(距预期效率30％至70％或更低)。术语“效率”在此特别地涉及功率输出/功率输入的关系，其中“功率输出”指代从光出射窗口逸出的光，特别是在陶瓷体的端部处(参见下文)逸出的光，并且“功率输入”涉及用于照射陶瓷体的光源的功率。
因此，本发明的一个方面是提供一种替代性的照明设备，其优选地进一步至少部分地消除了上述缺点中的一个或多个，并且其可以以高效率具有显著的红色发射。本发明的另一个方面是提供一种替代性的投影仪或投影仪设备，其优选地进一步至少部分地消除了上述缺点中的一个或多个。
令人惊讶地发现，当光源的激发波长没有被调谐到最大吸收(其通常是用于得到最高输出的默认模式)而是从激发最大值偏移时，效率基本上可以被提高。因此，例如假设铈掺杂石榴石发射的激发最大值在约450nm处，当调谐波长从450nm偏移时，例如在460nm-470nm或430nm-440nm的范围内，效率增加。因此，令人惊讶的是选择这样的光源是有益的：该光源的发射最大值不在红色发射石榴石的激发最大值(蓝色)处。
因此，在第一方面中，本发明提供了一种照明设备(“设备”)，该照明设备包括多个固态光源(诸如至少10个，如至少50个)和陶瓷体，特别是具有第一面和第二面的细长陶瓷体(在本文中也被指示为“光集中器”)，这些第一面和第二面特别地限定了细长陶瓷体(在本文中也被指示为“陶瓷体”)的长度(L)，细长陶瓷体包括辐射出射窗口和一个或多个辐射输入面，其中第二面包括上述辐射出射窗口，其中多个固态光源被配置为向一个或多个辐射输入面提供(蓝色)光源光，其中蓝色光源光具有峰最大值(λex1)，其中细长陶瓷体包括陶瓷材料，该陶瓷材料被配置为将蓝色光源光的至少一部分波长转换成转换器光，其中陶瓷材料包括A3B5O12:Ce3+陶瓷材料，其中A包含钇(Y)和钆(Gd)，并且其中B包含铝(Al)，其中A特别地包括在10-50原子％的范围内的Gd，甚至更特别地包括在20-40原子％的范围内的Gd，其中A还特别地包括在50-90原子％的范围内的Y，甚至更特别地包括在60-80原子％的范围内的Y，并且其中陶瓷材料特别地包括0.4-3.5摩尔％的Ce，甚至更特别地0.5-3.5摩尔％的Ce，特别地至少1摩尔％，其中陶瓷材料包括具有吸收峰最大值(λa)的吸收光谱，其中峰最大值(λex1)不等于吸收峰最大值(λa)。
利用偏移激发以及Gd和Ce的特定浓度，获得照明设备，即特别是光集中器设备，其至少发射红色并且具有相对高的效率，高于在吸收最大值处激发时的效率。选择更低或更高浓度的Gd或Ce会导致不能提供足够的红色发射(即效率较低)和/或随温度升高而显著降低强度的转换器。目前的条件看起来提供了强度、效率、热稳定性和光谱分布之间的良好折衷。
光源可能具有稍微不同的峰最大值(分仓(binning))。如果是这种情况，可以应用峰最大值的平均作为峰最大值。如果强度也在光源之间变化，则可以应用强度平均的峰最大值作为峰最大值(λex1)。
峰最大值(λex1)被选择与吸收峰最大值(λa)相差在10nm-35nm的范围内，特别地在10nm-30nm的范围内，更特别地在15nm-30nm的范围内，甚至更特别地在15nm-25nm的范围内。小于约10nm的差可能与最大值没有足够的差以影响效率，而大于约30nm的差可能不会对效率具有实质性附加价值，并且就光源强度(或光源数目)的大幅增加是必要的意义而言，可能进一步导致相对低效率的设备。特别地，差至少为15nm。利用偏移激发以及Gd和Ce浓度，效率可以大幅提高，更接近理论估计值。特别地，利用λex1<λa可以获得良好的结果。
本文使用术语“光集中器”，因为多个光源照射光转换器的相对大的表面(面积)，并且转换器光中的许多从光转换器的相对小的面积(出射窗口)中逸出。因此，光转换器的具体配置提供了其光集中器性质。
下面阐述与陶瓷体有关的一些方面。特别地关于诸如陶瓷棒的细长陶瓷体来描述这些方面。然而，这些方面也可以与其他形状的陶瓷体相关。
特别地，细长陶瓷体包括陶瓷材料，该陶瓷材料被配置为将(蓝色)光源光的至少一部分波长转换成呈红色的转换器光，该转换器光至少部分地从辐射出射窗口逸出。
陶瓷材料特别地包括A3B5O12:Ce3+陶瓷材料(“陶瓷石榴石”)，其中A包括钇(Y)和钆(Gd)，并且其中B包括铝(Al)。如下文进一步指示的，A还可以指代其他稀土元素，并且B可以仅包括Al，但是可以可选地还包括镓。式A3B5O12:Ce3+特别地指示化学式，即不同类型的元素A、B和O的化学计量(3:5:12)。然而，如本领域已知的那样，由这样的式指示的化合物还可以可选地包括与化学计量的小偏差。
在又一方面中，本发明还提供了这种细长陶瓷体本身，即具有第一面和第二面的细长陶瓷体，这些面特别地限定了细长陶瓷体的长度(L)，细长陶瓷体包括辐射出射窗口和一个或多个辐射输入面，其中第二面包括上述辐射出射窗口，其中细长陶瓷体包括陶瓷材料，该陶瓷材料被配置为将(蓝色)光源光的至少一部分波长转换成转换器光，诸如(至少)红色转换器光(当用蓝色光源光照射细长陶瓷体时转换器光至少部分地从辐射出射窗口逸出)，其中陶瓷材料包括如本文所限定的A3B5O12:Ce3+陶瓷材料。因此这种陶瓷体可以用作光转换器。特别地，这种陶瓷体具有长方体的形状。
如上文所指示的，陶瓷材料包括石榴石材料。因此，细长体特别地包括发光陶瓷。石榴石材料，特别是陶瓷石榴石材料，在本文中也被指示为“发光材料”。发光材料包括A3B5O12:Ce3+(石榴石材料)，其中A特别地从由Sc、Y、Tb、Gd和Lu组成的组中选择(特别地至少Y和Gd)，其中B特别地从由Al和Ga组成的组中选择(特别地至少Al)。更特别地，A(实质上)包括钇(Y)和钆(Gd)，并且B(实质上)包括铝(Al)。这种石榴石可以掺杂有铈(Ce)，并且可选地掺杂有诸如镨(Pr)的其它发光物质。
如上文所指示的，元素A可以特别地从由钇(Y)和钆(Gd)组成的组中选择。因此，A3B5O12:Ce3+特别地指代(Y1-xGdx)3B5O12:Ce3+，其中特别地x在0.1-0.5的范围内，甚至更特别地在0.2-0.4的范围内，又甚至更特别地在0.2-0.35的范围内。因此，A可以包括在50-90原子％的范围内的Y，甚至更特别地至少60-80原子％的Y，又甚至更特别地至少65-80原子％的Y。另外，A因此特别低包括至少10原子％的Gd，诸如在10-50原子％的范围内(如20-40原子％)的Gd，又甚至更特别地20-35原子％的Gd。
特别地，B包括铝(Al)，然而，B也可以部分地包括镓(Ga)和/或钪(Sc)和/或铟(In)，特别地高达约20％的Al、更特别地高达约10％的Al可以被代替(即，A离子实质上由90或更多摩尔％的Al以及10或更低摩尔％的Ga、Sc和In中的一个或多个组成)；B可以特别地包括高达约10％的镓。因此，B可以包括至少90原子％的Al。因此，A3B5O12:Ce3+特别地指代(Y1-xGdx)3Al5O12:Ce3+，其中特别地x在0.1-0.5的范围内，甚至更特别地在0.2-0.4的范围内。
在另一变型中，B(特别地Al)和O可以至少部分地由Si和N代替。可选地，高达约20％的Al-O可以有诸如高达10％的Si-N代替。
对于铈的浓度，n摩尔％的Ce的指示表示n％的A由铈代替。因此，A3B5O12:Ce3+也可以被限定为(A1-nCen)3B5O12，其中n在0.005-0.035的范围内。因此，基本上包括Y和摩尔Ce的石榴石实际上可以指代((Y1-xGdx)1-nCen)3B5O12,，其中x和n如上所限定。
特别地，陶瓷材料可通过烧结工艺和/或热压工艺获得，烧结工艺和/或热压工艺可选地跟随有在(稍)氧化气氛中的退火。术语“陶瓷”特别涉及可通过在减压、大气压或高压(诸如在10-8至500MPa的范围内、诸如特别地至少0.5MPa、如特别地至少1MPa、例如1至约500MPa、诸如至少5MPa或至少10MPa)下，特别地在单轴压或等静压下(尤其在等静压下)，在至少500℃(特别是至少800℃、诸如至少1000℃、如至少1400℃)的温度加热(多晶)粉末获得的无机材料。获得陶瓷的具体方法是热等静压(HIP)，而HIP工艺可以是如在上述温度和压力条件下的后烧结HIP、胶囊HIP或组合烧结HIP工艺。通过这种方法可获得的陶瓷可以原样使用，或者可以进一步加工(如抛光)。陶瓷特别地具有为理论密度(即，单晶的密度)的至少90％(或更高，参见下文)、诸如至少95％、如在97％-100％的范围内的密度。陶瓷可以仍然是多晶的，但是在晶粒(受压颗粒或受压附聚颗粒)之间具有减小的或大幅减小的体积。在诸如HIP的在升高的压力下加热可以例如在诸如包括N2和氩(Ar)中的一种或多种的惰性气体中进行。特别地，在升高的压力下加热是通过在从1400℃-1900℃的范围中选择的温度(诸如1500℃-1800℃)下的烧结工艺进行的。这样的烧结可以减压下(诸如在10-2Pa或更低的压力下)被执行。这种烧结可能已经导致量级为理论密度的至少95％、甚至更特别地至少99％的密度。在预烧结和加热两者之后，尤其是在诸如HIP的升高的压力下，陶瓷体的密度可以接近于单晶的密度。然而，不同之处在于，陶瓷体中存在晶界，因为陶瓷体是多晶的。这样的晶界可以例如通过光学显微镜或SEM来检测。因此，在本文中陶瓷体特别地指代具有与(相同材料的)单晶基本相同的密度的烧结多晶体。这样的陶瓷体因此可以对可见光而言高度透明(除了被诸如特别是Ce3+的光吸收物质吸收之外)。
在获得陶瓷体之后，可以抛光陶瓷体。在抛光之前或之后(特别是在抛光之前)，可以执行退火工艺(在氧化气氛中)。在另外的具体实施例中，上述退火工艺持续至少2小时，诸如在至少1200℃持续至少2小时。此外，特别地，氧化气氛包括例如O2。
陶瓷体具有光导或波导特性。因此，陶瓷体在本文中也被指示为波导或光导。由于陶瓷体用作光集中器，所以陶瓷体在本文中也被指示为光集中器。陶瓷体将通常在垂直于陶瓷体长度的方向上具有可见光的(一些)透射。在没有诸如三价铈的活化剂的情况下，可见光的透射可以接近100％。
在本文中，术语“可见光”特别地涉及具有从380nm-780nm范围内选择的波长的光。可以通过以下来确定透射：在垂直辐射的情况下向陶瓷体提供在特定波长处具有第一强度的光，并且将在透射通过材料之后测量的该波长处的光的强度与在该特定波长处向材料提供的光的第一强度相关联(另参见CRC Handbook of Chemistry and Physics的E-208和E-406，第69版，1088-1989)。
陶瓷体可以具有任何形状，例如梁状或棒状，然而特别是梁状(长方体状)。然而，陶瓷体也可以是盘状等。本发明不限于形状的特定实施例，本发明也不限于具有单个出射窗口或出耦面的实施例。下文更详细地描述了一些具体实施例。如果陶瓷体具有圆形截面，那么宽度和高度可以相等(并且可以被限定为直径)。然而，特别地，陶瓷体具有长方体状的形状并且还被配置为提供单个出射窗口。
在一个具体实施例中，陶瓷体可以特别地具有大于1的纵横比，即长度大于宽度。一般而言，陶瓷体是棒或条(梁)，然而陶瓷体不一定具有正方形、矩形或圆形横截面。一般而言，光源被配置为照射较长面(侧边缘)之一，其在本文中被指示为辐射输入面，并且辐射从在前部(前边缘)处的面(在本文中被指示为辐射出射窗口)逸出。特别地，在一些实施例中，固态光源或其他光源不与陶瓷体物理接触。物理接触可能导致不期望的出耦合并且因此导致集中器效率的降低。此外，一般而言，陶瓷体包括两个基本上平行的面，辐射输入面以及与其相对的相对面。这两个面在本文中限定陶瓷体的宽度。一般而言，这些面的长度限定陶瓷体的长度。然而，如上所述以及下文所述，陶瓷体可以具有任何形状，并且还可以包括形状的组合。特别地，辐射输入面具有辐射输入面面积(A)，其中辐射出射窗口具有辐射出射窗口面积(E)，并且其中辐射输入面面积(A)是辐射出射窗口面积(E)的至少1.5倍，甚至更特别地至少两倍，特别地至少5倍大，诸如在2-50000的范围内，特别地5-5000倍大。因此，特别地，细长陶瓷体包括被限定为辐射输入面的面积与辐射出射面的面积之比的几何集中因子，该几何集中因子至少为1.5，诸如至少为2，如至少为5，或者更大得多(见上文)。这允许例如使用多个固态灯源(另见下文)。对于典型应用，如汽车或数字投影仪，期望小而高强度的发射表面。这不能用单个LED来获得，但是可以利用本照明设备获得。特别地，辐射出射窗口具有从1mm2-100mm2的范围中选择的辐射出射窗口面积(E)。利用这样的尺寸，发射表面可以是小的，然而却可以实现高强度。如上文所指示的，陶瓷体通常具有(长度/宽度的)纵横比。这允许小的辐射出射表面，但大的辐射输入表面，例如用多个固态光源照射的辐射输入表面。在一个具体实施例中，陶瓷体具有从0.5mm-100mm的范围内选择的宽度(W)。因此，陶瓷体特别是具有本文指示的面的整体。
通常为棒形或条形的陶瓷体可以具有任何横截面形状，但是在一些实施例中具有正方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形、五边形或六边形形状的横截面。陶瓷体通常是立方体，但是可以被设置成具有与立方体不同的形状，其中光输入表面具有稍微为梯形的形状。通过这样做，可以均匀地增强光通量，这对于一些应用而言可能是有利的。因此，在一些实例中(另见上文)，术语“宽度”还可以指代直径，诸如在具有圆形横截面的陶瓷体的情况下。因此，在一些实施例中，细长陶瓷体还具有宽度(W)和高度(H)，其中特别地L>W并且L>H。特别地，第一面和第二面限定了长度，即这些面之间的距离是细长陶瓷体的长度。这些面可以特别地被平行地布置。此外，在一个具体实施例中，长度(L)为至少2cm，诸如10cm-20cm。
特别地，陶瓷体具有被选择为吸收多于95％的光源光的宽度(W)。在一些实施例中，陶瓷体具有从0.05cm-4cm(特别地0.1cm-2cm，诸如0.2cm-1.5cm)的范围中选择的宽度(W)。利用本文所指示的铈浓度，这样的宽度足以吸收基本上所有由光源生成的光。
陶瓷体还可以是柱形的棒。在一些实施例中，柱形的棒沿着棒的纵向方向具有一个平坦表面，并且光源可以被定位在该平坦表面处，以使由光源发射的光高效地耦入到陶瓷体中。平坦表面还可以用于放置散热器。柱形的陶瓷体也可以具有两个平坦表面，例如彼此相对定位或彼此垂直定位的两个平坦表面。在一些实施例中，平坦表面沿着柱形棒的纵向方向的一部分延伸。然而，特别地，边缘是平面的并且被配置为彼此垂直。
下文在根据本发明的实施例中所阐述的陶瓷体也可以在长度方向上折叠、弯曲和/或成形，使得陶瓷体不是直的线性条或棒，而是可以包括例如以90度或180度弯曲形式的圆形拐角、U形、环形或椭圆形、环或具有多个环的3维螺旋形状。这提供了一种紧凑的陶瓷体，通常沿着该陶瓷体的总长度引导光，该总长度是相对大的，导致相对高的流明输出，但是同时可以被布置到相对小的空间中。例如，陶瓷体的发光部分可以是刚性的，而陶瓷体的透明部分是柔性的，以提供陶瓷体沿其长度方向的成形。固态光源可以沿着折叠的、弯曲的和/或成形的陶瓷体的长度被放置在任何地方。
陶瓷体不用作光耦入区域或光出射窗口的部分可以被设置有反射器。因此，在一个实施例中，照明设备还包括反射器，该反射器被配置为将发光材料光反射回陶瓷体中。因此，照明设备还可以包括一个或多个反射器，该一个或多个反射器特别地被配置为将从辐射出射面以外的一个或多个其他面逸出的光反射回陶瓷体中。特别地，与辐射出射窗口相对的面可以包括这样的反射器，然而在一个实施例中这样的反射器不与其物理接触。因此，反射器可以特别地不与陶瓷体物理接触。因此，在一个实施例中，照明设备还包括光学反射器，该光学反射器(至少)被配置在第一面的下游并且被配置为将光反射回细长陶瓷体中。备选地或附加地，光学反射器还可以被布置在不用于将光源光耦入或者将发光光耦出的其他面和/或面的其他部分处。特别地，这样的光学反射器可以不与陶瓷体物理接触。此外，这样的(一个或多个)光学反射器可以被配置为将发光和光源光中的一个或多个光反射回陶瓷体中。因此，基本上所有的光源光都可以被保留，以用于由发光材料(即，诸如特别是Ce3+的活化剂元素)来转换，并且发光的大部分可以被保留，以用于从辐射出射窗口耦出。术语“反射器”也可以指代多个反射器。
术语“耦入”及类似术语和“耦出”及类似术语指示光从介质改变(分别是从陶瓷体外部到陶瓷体中，以及反之亦然)。一般而言，光出射窗口将是如下的面(或面的一部分)，即，该面(或面的一部分)被配置为(基本上)垂直于波导的一个或多个其他面。一般而言，陶瓷体将包括一个或多个主体轴线(诸如长度轴线、宽度轴线或高度轴线)，其中出射窗口被配置为(基本上)垂直于这样的轴线。因此，一般而言，(一个或多个)光输入面将被配置为(基本上)垂直于光出射窗口。因此，辐射出射窗口特别地被配置为垂直于一个或多个辐射输入面。因此，特别地，包括光出射窗口的面不包括光输入面。
可选地，可以在辐射出射窗口的下游配置滤光器。这种滤光器可以用于去除不期望的辐射。例如，当照明设备应当提供红光时，除红色之外的所有光可以被去除。因此，在另一实施例中，照明设备还包括滤光器，该滤光器被配置在辐射出射窗口的下游并且被配置为减少转换器光(辐射出射窗口的下游)中的非红光的相对贡献。为了滤除光源光，可选地可以应用干涉滤光片。同样，当期望除绿色和红色以外的颜色时，这可能适用于另一颜色。
在又一实施例中，照明设备还包括准直器，该准直器被配置在辐射出射窗口的下游并且被配置为准直转换器光。如例如CPC(复合抛物面集中器)的这样的准直器可以用于准直从辐射出射窗口逸出的光并且用于提供准直的光束。
此外，照明设备可以包括散热器，该散热器被配置为促进固态光源和/或发光集中器的冷却。散热器可以包括以下项或者由以下项组成：铜、铝、银、金、碳化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅铝、氧化铍、硅-碳化硅、碳化硅铝、铜钨合金、铜钼碳化物、碳、金刚石、石墨、以及其中的两种或更多种的组合。照明设备还可以包括被配置为冷却陶瓷体的一个或多个冷却元件。
特别地，光源是这样的光源，其在操作期间至少发射(光源光)处于从200nm-490nm范围选择的波长的光，这样的光源特别地在操作期间至少发射处于从400nm-490nm范围选择的波长的光、甚至更特别地在440nm-490nm范围内的波长的光。该光可以部分地由发光材料使用。因此，在一个具体实施例中，光源被配置为生成蓝光。在一个具体实施例中，光源包括固态LED光源(诸如LED或激光二极管)。术语“光源”也可以涉及多个光源，诸如例如2个到20个(固态)LED光源，然而可以应用更多的光源。因此，术语LED也可以指代多个LED。因此，如本文所指示的，术语“固态光源”也可以指代多个固态光源。在一个实施例中(也参见上文)，这些是基本相同的固态光源，即，提供基本相同的光谱分布的固态光源辐射。在一些实施例中，固态光源可以被配置为照射陶瓷体的不同面。
照明设备包括多个光源。特别地，多个(m)光源的光源光具有光谱重叠，甚至更特别地，它们是相同类型的并且提供基本相同的光(因此具有基本相同的光谱分布)。因此，光源可以基本上具有相同的发射最大值(“峰最大值”)，诸如在10nm的带宽内，特别地在8nm内，诸如在5nm内(分仓)。
光源特别地被配置为向陶瓷体(即，向辐射输入面)提供至少0.2瓦特/mm2的蓝色光功率(Wopt)。蓝光功率被限定为在被限定为光谱的蓝色部分的能量范围内的能量(另见下文)。特别地，光子通量平均至少为4.5*1017光子/(s.mm2)，诸如至少6.0*1017光子/(s.mm2)。假设蓝色(激发)光，这可以例如对应于提供给辐射输入面中的至少一个的分别平均至少为0.067瓦特/mm2和0.2瓦特/mm2的蓝色功率(Wopt)。这里，术语“平均”特别地指示在(辐射输入表面中的至少一个的)面积上的平均。当照射多于一个辐射输入表面时，则特别地这些辐射输入表面中的每一个接收这样的光子通量。此外，特别地，所指示的光子通量(或者当应用蓝色光源光时的蓝光功率)也是随时间的平均。
在又一实施例中，特别地对于投影仪应用，多个光源以具有从10％-80％的范围中选择的占空比(诸如25％-70％)的脉冲操作来操作。
在又一方面中，本发明提供了一种被配置为提供可见光的照明单元，其中照明单元包括如本文所限定的至少一个照明设备。例如，这样的照明单元还可以包括一个或多个(附加的)光学元件，如滤光器、准直器、反射器、波长转换器等中的一个或多个。照明单元可以是例如用于在汽车应用中使用的照明单元，如前灯。因此，本发明还提供了一种被配置为提供可见光的汽车照明单元，其中该汽车照明单元包括如本文所限定的至少一个照明设备和/或包括如本文所限定的至少一个照明设备的数字投影仪单元。特别地，照明设备可以被配置为(在这样的应用中)提供红光。汽车照明单元或数字投影仪单元还可以包括如本文所述的多个照明设备。
照明设备可以是以下项的一部分或者可以被应用在以下项中，例如：办公室照明系统、家庭应用系统、商店照明系统、家用照明系统、重点照明系统、聚光照明系统、剧院照明系统、光纤应用系统、投影系统、自点亮显示系统、像素化显示系统、分段显示系统、警示标志系统、医疗照明应用系统、指示器标志系统、装饰性照明系统、便携式系统、汽车应用、温室照明系统、园艺照明或LCD背光。
在又一方面中，本发明还提供了一种包括如本文所限定的照明设备的投影仪。如上文所指示的，当然光投影仪还可以包括多个这样的照明设备。
术语“上游”和“下游”涉及项或特征相对于来自光生成装置(这里特别是第一光源)的光的传播的布置，其中相对于来自光生成装置的光束内的第一位置，光束中更靠近光生成装置的第二位置是“上游”，并且光束内更远离光生成装置的第三位置是“下游”。
在本文中的术语白光是本领域的技术人员已知的。它特别地涉及具有如下相关色温(CCT)的光：在约2000K与20000K(特别是2700K至20000K)之间，对于一般照明特别是在约2700K至6500K范围内，并且对于背光照明用途特别是在约7000K至20000K范围内，并且特别是在距离BBL(黑体轨迹，black body locus)约15SDCM(颜色匹配标准偏差)内，特别是在距离BBL约10SDCM内，甚至更特别是在距离BBL约5SDCM内。
在一个实施例中，光源还可以提供具有约5000K与20000K之间的相关色温(CCT)的光源光，例如直接磷光体转换的LED(用于例如获得10000K的具有磷光体薄层的蓝色发光二极管)。因此，在一个具体实施例中，光源被配置为提供具有在5000K至20000K范围内、甚至更特别地在6000K至20000K(诸如8000K至20000K)范围内的相关色温的光源光。相对较高的色温的优点可以是：在光源光中可以存在相对较高的蓝色分量。
术语“紫光”或“紫色发射”特别地涉及波长在约380nm至440nm范围内的光。术语“蓝光”或“蓝色发射”特别地涉及波长在约440nm至495nm范围内的光(包括一些紫色和青色色调)。术语“绿光”或“绿色发射”特别地涉及波长在约490nm至560nm范围内的光。术语“黄光”或“黄色发射”特别地涉及波长在约560nm至570nm范围内的光。术语“橙光”或“橙色发射”特别地涉及波长在约570nm至600nm范围内的光。术语“红光”或“红色发射”特别地涉及波长在约600nm至780nm范围内的光。术语“粉光”或“粉色发射”指代具有蓝色和红色成分的光。术语“可见”、“可见光”或“可见发射”指代波长在约380nm至780nm范围内的光。
附图说明
现在将仅通过示例的方式、参考所附的示意图，来描述本发明的实施例，在示意图中对应的参考标记指示对应的部分，并且其中：
图1a至图1d示意性地描绘了本发明的一些方面；以及
图2示出了用于处于Gd和Ce的不同浓度的陶瓷体的一些发光材料的吸收和发射光谱，其中吸收和发射光谱归一化为1；“a.u.”指示任意单元。
示意图不一定按比例。
具体实施方式
根据本发明的发光设备可以用在如下应用中：包括但不限于灯、光模块、灯具、聚光灯、闪光灯、投影仪、(数字)投影设备、诸如机动车的前灯或尾灯之类的汽车照明、竞技场照明、剧院照明和建筑照明。
如下文所阐述的是根据本发明的实施例的一部分的光源可以适于在操作中发射具有第一光谱分布的光。随后该光被耦合到光导或波导中；在此是陶瓷体。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的光，并且将光引导至出射表面。
在图1a中示意性地描绘了如本文所限定的照明设备的一个实施例。图1a示意性地描绘了包括细长陶瓷体100和多个固态光源10的照明设备1，该细长陶瓷体100具有第一面141和第二面142，该第一面141和第二面142限定了细长陶瓷体100的长度L。细长陶瓷体100包括一个或多个辐射输入面111，这里通过示例的方式是用附图标记143和144指示的两个相对布置的面(其限定例如宽度W)。此外，陶瓷体100包括辐射出射窗口112，其中第二面142包括上述辐射出射面112。整个第二面142可以被用作或者被配置为辐射出射窗口。多个固态光源10被配置为向一个或多个辐射输入面111提供(蓝色)光源光11。如上文所指示的，它们特别地被配置为向辐射输入面111中的至少一个提供平均至少0.067瓦特/mm2的蓝色功率Wopt。
细长陶瓷体100可以包括陶瓷材料120，陶瓷材料120被配置为将(蓝色)光源光11的至少一部分波长转换成转换器光101，诸如，绿色和红色转换器光101中的至少一个或多个。如上文所指示的，陶瓷材料120包括A3B5O12:Ce3+陶瓷材料，其中A包括例如钇(Y)、钆(Gd)和镥(Lu)中的一个或多个，并且其中B包括例如铝(Al)。附图标记20和21分别指示滤光器和反射器。滤光器可以例如在期望绿光时减少非绿光，或者可以在期望红光时减少非红光。反射器可以用于将光反射回陶瓷体或波导中，从而提高效率。注意，可以使用比示意性描绘的反射器更多的反射器。
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，诸如发光二极管(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、或者这些中的任何的组合。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UV和/或蓝色范围内的光源光的蓝色光源，UV和/或蓝色范围被限定为380nm与490nm之间的波长范围。在另一实施例中，光源是UV或紫色光源，即在低于420nm的波长范围内发射。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的LED或激光二极管或OLED，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。
图1a至图1b示意性地描绘了照明设备的类似实施例。此外，照明设备可以包括与波导分开的和/或被集成在波导中的另外的光学元件，如，例如光集中元件，诸如复合抛物面聚光元件(CPC)。图1b中的照明设备1还包括诸如CPC的准直器24。
图1c示意性地描绘了作为波导或发光集中器的可能的陶瓷体的一些实施例。用附图标记141至146来指示各个面。第一变型的板状或梁状陶瓷体具有面141-146。未示出的光源可以被布置在面143-146中的一个或多个面处。第二变型是具有第一面141和第二面142以及圆周面143的管状棒。未示出的光源可以被布置在围绕陶瓷体的一个或多个位置处。这种陶瓷体将具有(基本上)环形或圆形的横截面。第三变型基本上是前两种变型的组合，其具有两个弯曲的侧面和两个平坦的侧面。图1c示出的变型不是限制性的。更多的形状是可能的，即，例如参考WO2006/054203，其通过引用并入本文。被用作光导的陶瓷体通常可以是包括在相互垂直的方向上延伸的高度H、宽度W和长度L的棒状或条状光导，并且在一些实施例中是透明的或者是透明且发光的。光通常被引导在长度L方向上。高度H在一些实施例中<10mm，在其他的一些实施例中<5mm，在又一些其他的实施例中<2mm。宽度W在一些实施例中<10mm，在其他的一些实施例中<5mm，在又一些实施例中<2mm。长度L在一些实施例中大于宽度W和高度H，在其他的一些实施例中至少为宽度W的2倍或高度H的2倍，在又一些其他的实施例中至少为宽度W的3倍或高度H的3倍。因此，(长度/宽度)的纵横比特别地大于1，诸如等于或大于2，诸如至少为5，如甚至更特别地在10-100的范围内，诸如在10-60的范围内，如在10-20的范围内。除非另有指示，否则术语“纵横比”指代比率长度/宽度。
高度H:宽度W的纵横比通常为1:1(对于例如一般的光源应用)或者1:2、1:3或1:4(对于例如诸如前灯的特殊光源应用)或者4:3、16:10、16:9或256:135(对于例如显示应用)。光导通常包括不被布置在平行面中的光输入表面和光出射表面，并且在一些实施例中，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，但是在一个实施例中被成形为正方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形、五边形或六边形。
图1d非常示意性地描绘了包括如本文所限定的照明设备1的投影仪或投影仪设备2。作为示例，这里的投影仪2包括至少两个照明设备1，其中第一照明设备(1a)被配置为提供例如绿光101，并且其中第二照明设备(1b)被配置为提供例如红光101。光源5被配置为提供蓝光。这些光源可以用于提供投影3。
图2示出了可以很好地用作用于生成绿光的光集中器的YAG:Ce(具有0.4％Ce)([Gd]＝0；[Ce]＝0.004)的激发光谱和伴随的发射光谱，以及如本发明中所限定的三个示例的激发光谱和伴随的发射光谱，本发明中所限定的三个示例具有20％或40％的Gd(两个示例)以及具有1.5％的Ce和3％的Ce。看起来有益的是，基于这种发光材料(具有Gd)的陶瓷体的集中器在具有最大吸收的约30％至70％的波长处被激发。这种有利的效果并未被认识到的(或对于基于YAG:Ce的用于绿光的发光集中器而言，基本上忽略不计)。
本文中，诸如在“基本上所有光”或“基本上由…组成”中的术语“基本上”，将被本领域的技术人员所理解。术语“基本上”也可以包括具有“完全地”、“完整地”、“所有”等的实施例。因此在实施例中，也可以去掉形容词基本上。在适用的情况下，术语“基本上”还可以涉及90％或更高，诸如95％或更高，特别是99％或更高，甚至更特别是99.5％或更高，包括100％。术语“包括”也包括其中术语“包括”意为“由…组成”的实施例。术语“和/或”特别地涉及在“和/或”之前或者之后所提到的项中的一个或多个项。例如，短语“项1和/或项2”以及类似的短语可以涉及项1和项2中的一个或多个。术语“包括”在一个实施例中可以指的是“由…组成”，但是在另一实施例中也可以指的是“至少包含所限定的物种并且可选地包含一个或多个其他物种”。
此外，在说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分类似要素，并且不一定用于描述序列顺序或时间顺序。要理解的是，在合适的情形下，这样使用的术语是可交换的，并且本文描述的本发明的实施例能够按照除了本文描述或图示的顺序之外的其他顺序操作。
除其他之外，本文的设备在操作期间被描述。如本领域技术人员将清楚的，本发明不限于操作方法或操作中的设备。
应当注意的是，上述实施例说明本发明而不是限制本发明，并且本领域的技术人员将能够在不脱离所附权利要求范围的情况下，设计许多备选的实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应当被解释为限制权利要求。动词“包括”及其变形的使用不排除在权利要求中陈述的那些要素或步骤之外的要素或步骤的存在。在要素之前的冠词“一”或“一个”不排除多个这种要素的存在。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件、并且借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的几个装置可以由同一硬件项来实施。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实并不表示这些措施的组合不可以被有利地使用。
本发明还适用于包括在说明书中所描述和/或在附图中所示出的特征化特征中的一个或多个特征化特征的设备。本发明还涉及包括在说明书中所描述和/或在附图中所示出的特征化特征中的一个或多个特征化特征的方法或过程。
可以组合在本专利中讨论的各个方面，以便提供附加的优点。此外，特征中的一些特征可以形成一个或多个分案申请的基础。

Claims (11)

1.一种照明设备(1)，包括多个固态光源(10)和具有第一面(141)和第二面(142)的细长陶瓷体(100)，所述第一面(141)和所述第二面(142)限定所述细长陶瓷体(100)的长度(L)，所述细长陶瓷体(100)包括辐射出射窗口(112)和一个或多个辐射输入面(111)，其中所述第二面(142)包括所述辐射出射窗口(112)，其中所述多个固态光源(10)被配置为向所述一个或多个辐射输入面(111)提供蓝色光源光(11)，其中所述蓝色光源光(11)具有峰最大值(λex1)，其中所述细长陶瓷体(100)包括被配置为将所述蓝色光源光(11)的至少一部分波长转换成转换器光(101)的陶瓷材料(120)，其中所述陶瓷材料(120)包括A3B5O12:Ce3+陶瓷材料，其中A包括钇(Y)和钆(Gd)，并且其中B包括铝(Al)，其中A包括在10原子％至50原子％的范围内的Gd，并且其中所述陶瓷材料(120)包括0.5摩尔％至3.5摩尔％的Ce，其中所述陶瓷材料(120)包括具有吸收峰最大值(λa)的吸收光谱，其中所述峰最大值(λex1)被选择为与所述吸收峰最大值(λa)相差在10nm至35nm的范围内。
2.根据权利要求1所述的照明设备(1)，其中所述峰最大值(λex1)被选择为与所述吸收峰最大值(λa)相差在10nm至25nm的范围内。
3.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(1)，其中所述陶瓷体(100)包括多晶陶瓷材料(120)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(1)，其中A包括在60原子％至80原子％的范围内的Y，并且其中B包括至少90原子％的Al。
5.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(1)，其中所述陶瓷体(100)具有被选择为吸收多于95％的所述光源光(11)的宽度(W)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(1)，其中所述陶瓷体(100)具有从0.1cm至2cm的范围中选择的宽度(W)、至少10的纵横比，并且其中A包括在20原子％至40原子％的范围内的Gd，并且其中所述陶瓷材料(120)包括0.5摩尔％至3.0摩尔％的Ce。
7.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(1)，还包括光学反射器(21)，所述光学反射器(21)被配置在所述第一面(141)的下游并且被配置为将光反射回所述细长陶瓷体(100)中，其中所述辐射出射窗口(112)被配置为垂直于所述一个或多个辐射输入面(111)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(1)，还包括滤光器(20)，所述滤光器(20)被配置在所述辐射出射窗口(112)的下游并且被配置为减少所述转换器光(101)中的非红光的相对贡献。
9.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(1)，其中所述长度(L)为至少20mm，并且其中所述多个光源(10)被配置为向所述辐射输入面(111)中的至少一个辐射输入面提供至少1.0*1017光子/(s.mm2)的光子通量。
10.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(1)，其中所述细长陶瓷体(100)包括至少为2的几何集中因子，所述几何集中因子被定义为所述辐射输入面(111)的面积与所述辐射出射窗口(112)的面积之比，并且其中所述照明设备(1)还包括准直器(24)，所述准直器(24)被配置在所述辐射出射窗口(112)的下游并且被配置为准直所述转换器光(101)。
11.一种投影仪(2)，包括根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(1)。
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