CN109416169A - 光发射设备 - Google Patents

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H·J·科尼利森
J·J·维瑞恩
J·G·博埃瑞坎普
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Abstract

一种光发射设备(1)，包括：发光元件(3)，包括第一面(31)和第二面(32)，第一面包括光输入表面并且第一面和第二面中的一个面包括光出射表面，发光元件(3)适于：在光输入表面处接收由至少一个激光光源(21、22、23)发射的具有第一光谱分布的第一光(4)、将具有第一光谱分布的第一光的至少一部分转换为具有第二光谱分布的第二光(5)、将具有第二光谱分布的第二光引导至光出射表面、并且将具有第二光谱分布的第二光的至少一部分从光出射表面耦出，以及散热器元件(7)，设置为与在第一面(31)和第二面(32)之间延伸的发光元件(3)的至少一部分热接触，其中第一面(31)包括截面面积A，并且发光元件(3)还包括：长度L，该长度L被限定为第一面和第二面之间的最短距离；以及截面面积A的特征长度B，特征长度B被限定为截面面积A的平方根，并且其中长度L和截面面积A的特征长度B被选择，使得它们满足如下关系中的任何一个关系：对于λTHC<6W/mK，L/B≥2*Ells/44(W/mm2)，对于6W/mK≤λTHC≤8W/mK，L/B≥1.3*Ells/44(W/mm2),以及对于8W/mK<λTHC，L/B≥0.85*Ells/44(W/mm2)，其中Ells是以W/mm2测量的至少一个激光光源的辐照度，并且λTHC是室温下发光元件的热学上的热系数。

Description

光发射设备
技术领域
本发明涉及一种包括发光元件的光发射设备，该发光元件包括第一面和第二面，第一面包括光输入表面，并且第一面和第二面中的一个包括光出射表面，发光元件适于：用于接收具有由光输入表面处的至少一个激光光源发射的第一光谱分布的第一光，将具有第一光谱分布的第一光的至少一部分转换为具有第二光谱分布的第二光，引导具有第二光谱分布的第二光到光出射表面并且将具有第二光谱分布的第二光的至少一部分从光出射表面耦出。
如本文所用，术语“发光元件”旨在包括通常为杆状的发光元件，其具有相对的第一面和第二面以及在第一面和第二面之间延伸的周向表面，并且还具有：限定为在相对的第一面和第二面之间的最短距离的长度L，第一面的任意形状的截面面积A和横截面面积A的特征长度B，特征长度B限定为截面面积A的平方根。横截面积A的可能形状包括但不限于四边形、三角形、六边形、圆形，环形和椭圆形截面形状。对于四边形截面面积A的特定情况，特征长度B将与横截面积A的几何平均长度相同。
背景技术
用于数字投影的传统激光系统通常由蓝色激光器的阵列组成，这些蓝色激光器在旋转的磷光体轮上聚焦到诸如2mm2的几mm2的光斑尺寸。磷光体轮以60Hz的典型速度旋转。磷光体部分地涂覆在旋转盘上。来自磷光体的反射光用于投影仪的绿色通道。旋转盘可包括透明区段，该透明区段用于透射蓝色激光用于投影仪的蓝色通道。投影仪的红色通道可以用红色LED模块制作。这种投影仪被称为混合LED激光投影仪，与DLP显示器相关地按时间顺序驱动。
利用磷光体轮的另一示例，磷光体以反射模式使用并涂覆到金属基底上以改善冷却。
还存在不包含LED光源的全激光磷光体投影仪。在这种情况下，荧光体轮用于透射模式以生成白光，随后用分色镜将其分成R、G和B，用于LCD投影(具有3个LCD面板)。
采用荧光体轮的解决方案利用轮的运动来分配入射的激光并冷却磷光体。这有几个缺点，包括：
-系统包括可能磨损且对故障敏感的移动部件。当轮旋转失效时，冷却功能丧失，设备将发生故障，从而带来可靠性和/或安全风险。
-在所有应用中都不允许移动部件，例如在具有诸如娱乐灯/图案投影仪的移动灯的应用中，以防止陀螺效应。
-磷光体轮增加了系统的尺寸。常见的轮尺寸具有3-4cm的直径。
-很难将提取光学系统添加到磷光体层，从而限制了小光斑尺寸内的效率。
-磷光体沿旋转方向不受限制，由于荧光体内的光扩散，荧光体的尺寸增大。这增加了光学扩展量。
-磷光体轮是一种昂贵的制造部件。100美元的轮成本并不罕见。
-磷光体轮的可靠性也很敏感，容易降解。这是由于有限的散热能力和涂覆的磷光体的光热降解灵敏度。可以通过在磷光体轮上使用陶瓷磷光体而不是在结合剂中涂覆粉末磷光体来进行改进，但是已知这是一种非常昂贵的方法。
作为旋转磷光体轮的替代方案，已经提出了静态解决方案，其中(一个或多个)激光器激发磷光体层，通常是附着到散热器主体的陶瓷磷光体。
这种解决方案例如是从US2013/0314893A1中已知一种照明系统，该照明系统包括激光光源和波长转换模块，以用于通过光致发光生成高亮度照明。波长转换模块包括：光学元件，包括波长转换介质，波长转换介质设置在用于散热的安装件中，以及光学聚光器。在特定实施例中，光学元件包括等于其直径的长度。
此外，特别是在投影中，源光学扩展量非常重要。光学扩展量是源面积乘以发射光分布的立体角的乘积。光学扩展量限定了当与显示面板的接受光学扩展量匹配时从光源产生的可用光。因此，太大的源光学扩展量可能会产生大量的光，但这不能通过投影仪的光学系统来收获。太小的源光学扩展量会给光源带来不必要的高热负荷并限制光学效率。0.67”DLP显示面板的目标光学扩展量的示例是17mm2sr的源光学扩展量。
因此，仍然需要提供一种静态解决方案，其中避免了波长转换模块的过热，并且利用该静态解决方案提高了可靠性和效率并且增加了发光器件的输出光通量。此外，需要提供一种静态解决方案，其更通用，结构更简单，更坚固和安全，并且制造成本更低。最后，鉴于上述考虑，需要提供具有光输出的静态解决方案，该光输出具有合适的光学扩展量。
发明内容
本发明的一个目的是克服这个问题，并提供一种包括发光元件的光发射设备，其中避免了发光元件的过热，并且利用该发光元件提高了可靠性和效率。此外，本发明的目的是提供这样一种光发射设备，其更通用，结构更简单，更鲁棒和安全，并且制造成本更低。最后，鉴于上述考虑，本发明的另一个目的是提供一种具有光输出的光发射设备，该光输出鉴于如上考虑具有合适的光学扩展量。
根据本发明的第一方面，该目的和其他目的凭借一种光发射设备实现，该光发射设备包括：发光元件，该发光元件包括第一面和第二面，第一面包括光输入表面并且第一面和第二面中的一个包括光出射表面，发光元件适于接收第一光，第一光具有由光输入表面处的至少一个激光光源发射的第一光谱分布，将具有第一光谱分布的第一光的至少一部分转换为具有第二光谱分布的第二光，引导具有第二光谱分布的第二光到光出射表面并且将具有第二光谱分布的第二光的至少一部分从光出射表面耦出；以及散热器元件，被布置为与在第一面和第二面之间延伸的发光元件的至少一部分热接触，其中第一面包括截面积A，并且发光元件还包括：长度L，其被定义为第一面和第二面之间的最短距离以及截面积A的特征长度B，特征长度B被限定为截面积A的平方根，并且其中选择横截面积A的长度L和特征长度B使得它们满足关系中的任何一个：
对于λTHC<6W/mK，L/B≥2*Ells/44(W/mm2)，
对于6W/mK≤λTHC≤8W/mK，L/B≥1.3*Ells/44(W/mm2),以及
对于8W/mK<λTHC，L/B≥0.85*Ells/44(W/mm2)，
其中Ells是以W/mm2测量的至少一个激光光源的辐照度，并且λTHC是室温下发光元件的热学上的热系数。
通常，对于根据本发明的光发射设备，已经显示太小的发光元件长度经由适用的表面提供不充分的冷却，并且因此可能遭受不可接受的加热。另一方面，太大的发光元件长度已经显示出当转换光通过出射窗逸出的路径长度增加时提供过多的光学损耗。
通过提供具有满足上述关系尺寸的发光元件的光发射设备，发光元件关于截面面积变厚，以便通过散热器元件提供足够的冷却，但仍然足够光学透明以用于激光光源光穿透发光元件的大部分体积。
此外，具有满足上述关系的尺寸的发光元件和提供散热器的组合提供了一种光发射设备，其中避免了发光元件的过热，从而提高了可靠性和效率并且鉴于上述考虑光输出具有增加的光通量和合适的光学扩展量。
而且，由此提供的光发射设备更通用，结构非常简单，更鲁棒，耐用且安全并且制造成本更低，这特别是因为可以避免所有移动的部件并且组件的数目非常少并且部件构造和结构简单。最后，组件的低数目和简单性也提供了非常紧凑的光发射设备。
在一个实施例中，发光元件是散射发光元件，其散射水平使得已经行进了对应于发光元件的长度L的路径的具有第一光谱分布的第一光的透射率T如下中的任何一个：T<0.3,0.01<T<0.1以及T≈0.02。
上述定义的散射水平可以通过体积散射，表面散射或其组合的发光元件获得。
表面散射发光元件可以例如以下列方式中的一种或多种提供：
-可以提供未抛光的发光元件，例如研磨尺寸但未抛光的发光元件，从而降低加工成本。
-可以提供散热器元件的粗糙表面，诸如接地/平坦的散热器元件表面。但是，必须注意不要使发光元件或散热器元件过于粗糙，因为这会显着增加热阻。在粗糙的散热器元件上的高反射率涂层也倾向于具有较低的反射系数。
-在发光元件和散热器元件之间使用结合界面材料的实施例中，可以向该材料添加散射颗粒。
在一个实施例中，发光元件是体积散射发光元件，其中发光元件内部的散射水平相对于发光元件的长度L是这样的，具有第一光谱分布的第一光的平均自由程MFP是如下中的任何一个：发光元件长度L的1到1/10之间，发光元件长度L的1/2和1/5之间，以及对于L≤6mm长度L的约1/4，以及大于发光元件长度L的1/10，大于发光元件长度L的1/5，对于L>6mm大于长度L的1/2中的任何一个。
通常，对于根据本发明的发光器件，需要足够高的散射值以防止在长度L的方向上过度的光引导，特别是当发光元件相对于横向尺寸非常厚/长时(即长发光元件)。然而，也不允许太高的散射值，因为这将阻止尤其是蓝光的足够的激光光源光穿透，限制激光光源光转换或导致发光元件的过强局部加热，热量不足扩散到可用的发光元件体积上。而且，靠近用作发光元件的光出射表面的面的散射是优选的，以最大化光反向散射的机会，这提高了光学提取效率。低散射增加了光的穿透深度，使得发光元件的加热更均匀，但是由于光反射回光出射表面逃逸所需的更长的路径长度将导致更多的损失。
通过涉及散射水平上述实施例中的任何一个，提供了一种光发射设备，其中考虑了散射水平的上述两个要求，从而为光发射设备提供了在长度L的方向上的光导之间的最佳折衷，获得了足够的光穿透和足够的散热，并且通过这种方式可以显著或甚至避免所提到的问题。
发光元件包括掺杂剂，并且考虑发光元件的长度L来选择掺杂剂浓度，使得具有第一光谱分布的第一光的吸收长度是这样的长度：具有第一光谱分布的第一光已经行进了与发光元件的长度L相对应的路径以后剩余第一光谱分布的第一光的10％或更少。
在一个实施例中，发光元件是YAG发光元件或LuAG发光元件，并且掺杂剂是铈。其他掺杂剂也是可行的。
通常，对于根据本发明的发光器件，如果掺杂剂浓度与发光元件长度相比太低，则转换效率将受到限制。另一方面，如果掺杂剂浓度与发光元件长度相比太高，则光在发光元件的太小尺寸区域中被吸收，这导致强烈的局部加热和不充分的热扩散。
通过提供上述掺杂剂浓度，提供了一种光发射设备，其中考虑了掺杂剂浓度的上述两个要求，从而提供了在高转换效率和足够低的局部热量之间具有最佳折衷的光发射设备。获得了足够的散热并且可以显著减少或甚至避免所述问题。
在提供上述掺杂剂浓度时，还要考虑的其他要点以及解决的相关问题是：
-所需的光转换水平，即完全转换与部分转换。完全转换，例如从蓝色到黄色或蓝色到绿色或蓝色到红色需要更高的掺杂剂浓度，使得没有蓝光或仅有蓝光的一小部分可以以反射或透射模式离开系统。部分转换需要从光出射表面提取受控量的蓝光。这通常在要制作白光时使用，例如蓝光+转换黄光的组合。
-作为发光元件内部散射的发光元件的散射水平将进一步增加光的平均自由程长度，这又增加了转换。因此，对于更高的散射水平，需要更小的掺杂剂浓度。
-激光光源发出的光的光谱分布。为了与发光元件的吸收带正确匹配，需要蓝光。因此，如果使用太高的波长(通常为绿蓝色)或低波长(诸如深蓝色/紫色)，则吸收系数大大降低。因此，可以应用最佳入射波长范围。
-所需平均自由程长度的大小。其中发光元件的光输入表面和光出射表面是同一面的实施例需要比其中发光元件的光输入表面和光出射表面是相对面的实施例更长的平均自由程长度并因此需要更低的掺杂剂浓度。
在一个实施例中，光发射设备还包括光学元件，该光学元件布置成与发光元件的光输入表面光学连接，并且适于将具有第一光谱分布的光耦合到发光元件中和/或用于将具有第二光谱分布的光从发光元件耦出。
由此提供一种光发射设备，其中光学元件改善光的耦入和耦出，以避免光损失。光学元件还可以为发射的光提供附加的特性，例如，通过准直和/或聚焦光，和/或提供附加的散热效果。
在一个实施例中，光学元件还适于在发光元件的光输入表面处提供具有第一光谱分布的光的均匀分布。
发光元件上的入射激光光通量分布可能强烈地影响局部温度。理想地，激光在入射窗上可以是完全均匀的，但实际上激光在中心区域中可能更强烈地尖峰化。提供高水平的均匀性因此最小化热学上的热点的出现。
在一个实施例中，光学元件包括折射率，其在0.02内或0.01内或等于发光元件的折射率。当使用结合材料时，结合材料包括折射率，其在0.02内或0.01内或等于发光元件的折射率和光学元件的折射率两者。这两个实施例中的任何一个都允许发光元件和光学元件之间的改善的光传输，使反射最小化并防止发光元件和光学元件之间的全内反射，使光输出最大化。这可能导致提取增益高达约20％。
在一个实施例中，光发射设备还包括布置在发光元件的第二面上的反射元件。
由此提供一种光发射设备，其中发光元件的第一面包括光出射表面和光输入表面两者。这又提供了更简单和更紧凑的光发射设备。此外，这使得具有发光元件的光发射设备能够具有掺杂浓度低至其他情况所需浓度的一半的发光元件，这又提供了更具成本效益的发光器件。
在一个实施例中，光发射设备还包括布置在发光元件的光输入表面上的二向色元件。
由此提供一种光发射设备，其中未转换的光由二向色元件透射并进入发光元件，而转换的光可以由二向色镜反射并从光发射设备的相对面发射。这又提供了发射光的更均匀的光谱分布和发光元件内的更高程度的转换。
在一个实施例中，在二向色元件和发光元件的光输入表面之间提供界面层，界面层具有小于1.5的折射率。
由此，即使对于光的高入射角，也可以利用二向色元件的特性，同时提供紧凑且鲁棒的光发射设备。
在一个备选实施例中，通过在二向色元件和发光元件的光输入表面之间提供气隙，即使对于光的高入射角，也可以利用二向色元件的特性。
在一个实施例中，发光元件的第一面包括光出射表面和光输入表面两者，并且其中散热元件还布置成与发光元件的第二面热接触。
这提供了由散热器提供的进一步提高的散热效率。
在一个实施例中，发光元件和散热器元件通过夹持连接，使得在发光元件和散热器元件之间存在小于5μm的气隙。
通过夹持的这种连接的优点在于，发光元件内部的超过临界角的光入射角被全内反射，并且因此不会在非理想的反射散热器元件处丢失。以小于临界角的角度入射的光从发光元件中提取并与散热器表面相互作用以主要被反射。
在一个实施例中，发光元件和散热器元件通过结合材料连接。
由此可以获得与通过夹持获得的优点类似的优点，同时可以省略提供更紧凑和鲁棒的光发射设备，因为可以省略夹持元件的设置。
在一个实施例中，结合材料包括散射颗粒，由此可以获得如上所述的与表面散射有关的优点。
本发明还涉及一种灯、照明器材或照明系统，其包括根据前述权利要求中任一项所述的光发射设备，灯、照明器材和照明系统用于以下应用中的一个或多个：数字投影、汽车照明、舞台照明、商店照明、家居照明、重点照明、聚光灯照明、剧院照明、光纤照明、显示系统、警示照明系统、医疗照明应用、装饰照明应用。
注意，本发明涉及权利要求中记载的特征的所有可能组合。
附图说明
现在将参考示出本发明的实施例的附图更详细地描述本发明的这个和其他方面。
图1示出了根据本发明第一实施例的光发射设备的剖视图。
图2示出了根据图1的光发射设备的透视图。
图3示出了根据本发明第二实施例的光发射设备的剖视图。
图4示出了根据本发明第三实施例的光发射设备的剖视图。
图5至图12示出了说明在通常根据本发明的第一实施例并且包括发光元件但是具有相关参数的变化的示例性光发射设备上进行的各种模拟的图。关于光发射设备的进一步细节在下面进一步给出。更具体地说：
图5是针对发光元件的以W/mK为单位的传热系数THC的不同值，作为比率L/B的函数的发光元件的最高温度的图，其中L是发光元件的长度，并且B是发光元件的截面积A的特征长度。
图6是针对发光元件的以W/mK为单位的传热系数THC的不同值，作为比率L/B的函数的发光元件的平均温度的图，其中L是发光元件的长度，B是发光元件的截面积A的特征长度。
图7是针对发光元件的以W/mK为单位的传热系数THC的不同值，作为比率L/B的函数的平均温度Tav除以发光元件的散热功率Qheat图，其中L是发光元件的长度，B是发光元件的截面积A的特征长度。
图8是针对发光元件的以mm为单位的长度L的不同值的体积散射发光元件(值示于图的右侧)，作为平均自由程(MFP)的函数的转换的黄光与未转换的蓝光的比率图，该图说明了体积散射发光元件的转换效率。添加的圆圈突出显示了最佳散射MFP，其为发光元件的长度L的大约1/4。
图9是针对体积散射发光元件的以mm为单位的平均自由程MFP的不同值(值示于图的右侧)，作为发光元件的长度L的函数的转换的黄光与未转换的蓝光的比率的图，该图示出了体积散射发光元件的转换效率和添加CPC形式的光学元件的效果。实线表示当以最大效率操作时发光元件的最高温度。
图10是作为发光元件的以mm为单位的长度L的函数的体积散射发光元件的平均自由程MFP或散射长度的图，颜色说明了相对于在图的右手侧的标度的转换效率。两条虚线指示最小散射长度和最大散射长度，使得与由图9中的圆圈突出显示的值相交的线将放置在这两条虚线之间并与这两条虚线等距。
图11是针对体积散射发光元件的发光元件的以mm为单位的长度L的不同值(值示于图的右侧)，作为以度为单位的表面散射高斯角的函数的转换的黄光与未转换的蓝光的比率的图，该图说明了表面散射发光元件的转换效率。
图12是针对发光元件的以W/mK为单位的传热系数THC的不同值，作为比率L/B的函数的光发射设备的以流明为单位的输出通量的图，其中L是发光元件的长度，并且B是发光元件的界面面积A的特征长度，该图示出了由220℃(Ce掺杂石榴石基发光材料的典型值)的发光元件的最大温度确定的最大通量。对于其他类型的发光材料，此最高温度将不同，并且在大多数情况下低于220℃。
如图所示，为了说明的目的，夸大了层和区域的尺寸，因此，提供这些尺寸以说明本发明实施例的一般结构。相同的附图标记始终表示相同的元件。
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，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，并且不应该被解释为限于这里阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底和完整，并且向技术人员充分传达了本发明的范围。
图1和2分别示出了根据本发明第一实施例的光发射设备1的截面和透视图。
光发射设备1包括发光元件3、散热器元件7和多个激光光源21、22、23。
发光元件3通常是杆状的。发光元件3通常包括第一面31和第二面32，并且长度L被限定为第一面31和第二面32之间的最短距离。图1和图2所示的光发射设备1的第一面31包括或形成光输入表面和光出射表面两者。不管实施例如何，第一面31包括截面面积A和截面面积A的特征长度B，特征长度B被限定为截面面积A的平方根。
不管实施例如何，发光元件3适于接收具有由光输入表面处的至少一个激光光源21、22、23发射的具有第一光谱分布的第一光4，将具有第一光谱分布的第一光4的至少一部分转换为具有第二光谱分布的第二光5，将具有第二光谱分布的第二光5引导到光出射表面并且将就要有第二光谱分布的第二光的至少一部分从光出射表面耦出。
通常，并且参照图2，发光元件3还包括在第一面31和第二面32之间延伸的周向表面33、34、35、36。
在所示的实施例中，发光元件3是具有矩形或四边形截面的杆，因此包括四个另外的表面33、34、35和36。因此，在所示的实施例中，发光元件3还包括宽度W和高度H(参见图2)，并且截面面积A可以被限定为A＝W*H。
各种材料可用于发光元件3，并且通常石榴石系统非常合适。非限制性实例是：
-黄色：YAG:Ce，其中较高的％Ce将导致轻微的红偏移。
-红偏移的黄色/橙色：YGdAG:Ce，其中较高量的钆Gd将引起红偏移。
-绿色：LuAG:Ce或LuYAG:Ce(绿黄色)；或YGaAG(镓Ga引起蓝偏移)。
-红色：YGdAG:Ce(发射为橙色，使用红色光源时，需要使用二向色滤光片过滤红色发射)。
还可以考虑材料的组合，诸如共烧结到相同发光元件中的各种石榴石颜色。这可以允许调谐光谱输出。而且，发光元件原则上可以诸如在发光元件的正面或背面上与薄的Lumiramic磷光体砖结合。这可以允许进一步控制色点，例如，通过添加红色发光氮化物Lumiramic(ECAS:Eu或BSSNE:Eu)以与YAG发光元件组合形成暖白色。
通常，用于本发明的发光元件3的合适材料是蓝宝石、多晶氧化铝和/或未掺杂的透明石榴石，诸如具有n＝1.7折射率的YAG、LuAG。这种材料(例如玻璃)的另一个优点是它具有良好的导热性，因此减少了局部加热。其他合适的材料包括但不限于玻璃、石英和透明聚合物。在另一个实施例中，发光元件材料是铅玻璃。铅玻璃是各种玻璃，其中铅取代典型钾碱玻璃的钙含量，并且以这种方式可以增加折射率。普通玻璃具有n＝1.5的折射率，而铅的添加产生高达1.7的折射率。
发光元件3或波导包括用于将光转换成另一光谱分布的发光材料。用于本发明的合适的发光材料包括诸如掺杂的YAG、LuAG的无机磷光体、有机磷光体、有机荧光染料和量子点，它们非常适合于本发明的目的。
量子点是半导体材料的小晶体，通常具有仅几纳米的宽度或直径。当被入射光激发时，量子点发射由晶体的尺寸和材料决定的颜色的光。因此，可以通过调整点的大小来产生特定颜色的光。在可见光范围内具有发射的大多数已知量子点基于具诸如硫化镉(CdS)和硫化锌(ZnS)的壳的硒化镉(CdSe)。也可以使用诸如磷化铟(InP)和铜铟硫化物(CuInS2)和/或银铟硫化物(AgInS2)的无镉量子点。量子点显示非常窄的发射带，因此它们显示饱和的颜色。此外，通过调整量子点的大小可以容易地调整发光颜色。本领域已知的任何类型的量子点都可用于本发明。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实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Lumogen销售的化合物。合适的化合物的实例包括但不限于Red F305,Orange F240,Yellow F083,and F170。
显然，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掺杂铈(Ce)的YAG(Y3Al5O12)或LuAG(Lu3Al5O12)。Ce掺杂的YAG发出黄色光，而Ce掺杂的LuAG发出黄绿色光。发射红光的其他无机磷光体材料的示例可包括但不限于ECAS和BSSN；ECAS为Ca1-xAlSiN3:Eux，其中0<x≤1，优选地0<x≤0.2；和BSSN为Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz其中M表示Sr或Ca，0≤x≤1,0≤y≤4，并且0.0005≤z≤0.05，并且优选地0≤x≤0.2。
根据本发明的优选实施例，发光材料基本上由选自包括如下的组的材料制成：(M<I>1-x-yM<II>xM<III>y)3(M<IV>1-zM<V>z)5O12-其中M<I>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-yM<II>x,M<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或混合物的组。其中，0≤x≤1，0≤y≤0.1；(M<I>1-x-yM<II>xM<III>y)S1-zSez-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-yM<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-xM<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-xM<II>xM<III>1-yM<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，0≤x≤0.1，0≤y≤0.1；或其混合物。
然而，特别合适的发光材料是Ce掺杂的钇铝石榴石(YAG，Y 3 Al 5 O 12)和镥-铝-石榴石(LuAG)。
光发射设备1还包括散热器原件7。箭头11a、11b和11c示出了来自发光元件3的热传导。散热器元件7布置成与在第一面31和第二面32之间延伸周向表面(在图1和图2中，另外的表面33、34、35、36)以及第二侧32热接触。第二面32可以可选地包含诸如Alanod反射器的反射层，其可以在散热器元件上的反射器涂层上提供优异的反射率(例如98％)。
散热器元件7通常由诸如铜的高导热率材料构成并且具有高表面反射率。散热器元件7可以涂覆有铝或受保护的银。
发光元件3可以用诸如硅树脂的薄的结合材料层9结合到散热器元件7。与相同厚度的气隙相比，这可以降低热阻，但是减小了在发光元件内部反射的角度范围。优选地，这种结合材料9具有低光学吸收、低折射率和高导热率。可以用散射颗粒填充结合材料9以增加反射率并为反射率提供扩散性/角度扩展以促进角度光再循环。这种散射颗粒也有助于提高导热性。
发光元件3通常被夹持在散热器元件7的两个部件之间。为了最佳冷却，应该很好地控制发光元件3的平坦度以及散热器元件7的平坦度，以便非常紧密地夹持并最小化存在于散热器元件7和发光元件3之间的气隙91(参见图3)。气隙91的平均尺寸可以是例如5μm或低至1μm。
光发射设备1还包括多个激光光源21、22、23，其在操作时发射具有第一光谱分布的第一光4。在其他实施例中，仅一个激光光源在操作时发射具有第一光谱分布的第一光4。第一光4通常包括处于蓝色波长区域的第一光谱分布，但不限于此。多个激光光源21、22、23可以布置在诸如PCB的基板10上。具有第二光谱分布的转换光或第二光5通常但不限于黄色、红色或绿色。
光发射设备1还包括可选的光学元件6，其适于将光4耦合到发光元件3中和/或将光5从发光元件3耦出。光学元件6可以直接连接到发光元件3或者结合材料8可以设置在光学元件6和发光元件3之间。这种光学元件6的一个示例是提取圆顶。在一个具体的实施例中，如在图中所示的那些，该光学元件6具有复合抛物面聚光器(CPC)的形状，其提取并准直转换的光5，而且还可以帮助将入射光4聚焦到发光元件3。
该光学元件6还可以用作散热器，因此光学元件6可以由透明的高导热率材料制成。这允许在更宽的区域上进行热传输以冷却到环境(空气)。此外，这种导热光学元件6可以连接到单独的散热器，以允许通过传导进行额外的冷却。
现在转到图3，示出了根据本发明的发光器件100的第二实施例的截面侧视图。光发射设备100与图1和图2中所示的并且上面描述的不同，它还包括布置在第二面32处或其上的反射元件12。此外，散热器元件7布置成与在发光元件的第一面31和第二面32之间延伸的周向表面热接触(在图3中，四个另外的表面33、34、35、36)，但不与第二面32热接触。根据反射元件12的尺寸，散热器元件7可以连接到或可以不连接到反射元件12。在发光元件3和散热器元件7之间还设置气隙91。
因此，在图1至图3中，示出具有反射操作的具有光输入表面和光出射表面的光发射设备1和100，该光输入表面和光出射表面被设置在同一面31上或由同一面31形成，并且因此具有反射操作。
现在转向图4，示出了根据本发明的光发射设备101的第三实施例的截面侧视图。光发射设备101与图1和图2中所示的并且上面描述的不同，它还包括布置在第二面32处的二向色元件13。在二向色元件13和发光元件3的第二面32之间提供气隙14。气隙14也可以在二向色元件13的面积大于第二面32的面积的情况下，可选地在二向色元件13和散热器元件7之间延伸。二向色元件13作为示例可以是玻璃或蓝宝石基底上的二向色涂层，或者是直接施加到第二面32上的二向色层或涂层。在气隙14的备选方案中，二向色元件13可以例如凭借低折射率材料(例如甲基硅氧烷(折射率n＝1.41))附接到发光元件3。
此外，散热器元件7被布置为与在第一面31和第二面32之间延伸的周向表面(在图4中，发光元件的四个另外的表面33、34、35、36)热接触，但是不与第二面32或者着这种情况下是反射元件12热接触。在发光元件3和散热器元件7之间还设置气隙91。
而且，激光光源21、22、23相对于光学元件6布置在发光元件3的相对侧，使得光输入表面由第二面32提供或形成，而光出射表面由第一面31提供或形成。在该实施例中，光学元件6因此仅需要适于将光5从发光元件3耦出。
因此，在图4中，示出了光发射设备101，其具有光输入表面和光出射表面，该光输入表面和光出射表面设置在相对的面31和32上或由相对的面31和32形成，并因此具有透射操作。例如，二向色元件13对于蓝光是透明的，而另一方面，对于发光元件内的转换光(诸如黄色，红色和/或绿色)具有高反射。当二向色基板和发光元件之间存在较低的折射率界面(通常是气隙14)时，这些二向色特性可以以最佳方式实现到高入射角。然后可以将二向色附接到光学窗口面积外的散热器元件上。
在又一备选方案中，也可以提供具有透射和反射操作的组合的光发射设备，并且其中入射激光光源4来自发光元件3的2个或更多个侧面。原则上，激光光源4也可以经由散热器元件7中的一个或多个孔进入发光元件3。
示例-测量
图5至图13示出了在根据本发明的示例性光发射设备上进行的光学模拟。光线追踪模拟是在图1和2中所示的类型的光发射设备1上进行的，并且该光发射设备1包括：矩形杆状发光元件3，其在五个面32、33、34、35、36上具有散热器元件7；以及作为聚焦光学元件6的玻璃复合抛物面聚光器(CPC)，其附接到第一面31。该结构以反射模式建模，即，CPC用于注入激光4并且用于从发光元件提取转换光5两者。使用的发光元件3是YAG陶瓷发光元件。注入发光元件3的激光4为蓝色，转换后的光为绿色或黄色。
首先，YAG陶瓷发光元件中的热负荷通过转换即蓝光的吸收来确定。沿着发光元件的长度L的蓝光吸收由YAG陶瓷发光元件的磷光体浓度和散射特性决定。在热模拟中，吸收用所谓的朗伯-比尔(Lambert-Beer)关系(具有吸收参数k)描述沿陶瓷发光元件的热负荷。热模拟的结果显示在图5至图7中并且示出了其中发光元件可以正常工作的2种方案。
图表显示了散热器与YAG陶瓷发光元件中的最高温度之间的温差(图5)，散热器与YAG陶瓷发光元件中的平均温度之间的温差(图6)以及平均温度与散热功率的比率(图7)。在图5中，全黑线表示YAG陶瓷发光元件的吸收系数。图5和图6中的水平虚线分别示出了YAG陶瓷发光元件中的最大允许温度。在图5至图7中的右手图例中，第一个数字，即15、20、25、55，是指发光元件的散热功率。具有单位W/mK的第二数是室温下发光元件的传热系数THC。模拟是在直径为2mm的发光元件上进行的，除了在图5和图7的右手图例中陈述的第三个数字，即2.5mm，表示不同的直径。
基于参照图5、6和7中所示的结果，可以容易地得出根据本发明的发光元件的尺寸必须满足的关系。
图8、9和10示出了在转换效率方面使用体积散射发光元件。图8示出了图1中所示的光发射设备的计算转换效率，其作为体积散射强度的函数，表示为散射的平均自由程(MFP)。短的MFP表示强的体积散射，长的MFP表示弱的体积散射。各种曲线表示发光元件的各种长度L。对于每个发光元件长度L和散射强度MFP，将掺杂剂浓度设定为使得实现相同程度的蓝色转换，即99％。可以看出，对于每个长度L，存在转换效率最佳的MFP。圆圈表示MFP是长度L的1/4的点，这是大约达到最佳效率的地方。在图9中，绘制了相同的计算转换效率，但现在作为发光元件长度L的函数。各种曲线现在表示不同程度的体积散射。可以看出，对于每个发光元件长度，在特定MFP处达到最大效率。在图9中还绘制了在发光元件以其最大效率操作的条件下，作为发光元件长度L的函数的发光元件中的最高温度。可以看出，发光元件长度约为1mm时达到最不利(最高)的最高温度。
基于图8和图9中所示的结果，可以容易地得出根据本发明的散射水平和平均自由程MFP之间的关系。图10特别示出了散射长度或MFP的窗口，在其内部期望保持MFP。基于图8、9和10所示结果，也可以容易地得出MFP与根据本发明的发光元件的长度之间的关系。
图11示出了在转换效率方面使用表面散射发光元件。基于图11所示的结果，可以容易地得出根据本发明的散射水平和透射率T之间的关系。凭借散射角分布描述表面散射，这里是高斯分布。图11示出了对于短发光元件(L<3mm)，表面散射提高了效率。对于长发光元件(L>5mm)，表面散射降低了效率。对于中间长度(L＝3-5mm)，表面散射几乎没有影响。
最后，图12示出了针对发光元件的以W/mK为单位的传热系数THC的不同值，作为比率L/B的函数的由发光元件的最高温度220℃确定的光发射设备的以流明为单位的最大通量(即，转换发射光的最大通量)的图，其中L是发光元件的长度，B是发光元件的截面面积A的特征长度。因此，图12示出了根据本发明的光发射设备的提高的效率。
示例-发光元件的制造和散射水平的控制
制造发光元件有两种主要技术途径：经由单晶技术(从熔体生长)或经由多晶技术(通过压制粉末烧结，通常经由反应烧结)。当发光元件是单晶时，根据定义，该材料非常透明。因此，为了控制和优化发光元件中的体积散射，仅多晶制造技术是合适的。
有多种方法可以控制发光元件内的散射水平：
分散在毛孔。可以通过烧结过程调节孔隙率。用于烧结材料的烧结气氛影响残留孔的量。从提供更多散射到更少散射的列表可以使用以下烧结气氛：空气/N2；干/湿FG；真空。当材料在烧结后热等静压(HIP)时，可以实现更高的透明度。
在第二阶段分散。取决于组成细节(化学计量)，可以在晶界处形成第二相，这引起散射。这可能导致烧结过程或在随后的退火过程中引起并取决于所使用的烧结/退火温度。然而，通过该方法难以控制精确的散射水平，并且相对难以再现。因此，这种路线不太优选。
向前体粉末中添加一定浓度的模板。这些可以是后续加工中烧掉的例如5微米的聚合物颗粒，但允许形成例如4微米的空隙，导致分散。
示例-控制入射光均匀性
取决于用于将高水平入射光4引导到发光元件的光输入表面的光学聚焦系统或光学元件6，光可以在发光元件的表面上太强地准直。这对发光元件的局部温度上升具有深远的影响。可以采取措施来校正均匀性，诸如使用不太强的准直透镜，将发光元件应用于聚焦或在光学聚焦系统中添加漫射器/平滑光学器件。
示例-夹持发光元件
可以使用“发光元件保持器”来提供发光元件3的夹持，该发光元件保持器通常是金属块，例如铜块，其被弹簧加载以按压在发光元件侧面上。从所有侧面夹持的特别有用的方式是发光元件在两个发光元件保持器之间以45度角夹持的构造。为了防止在发光元件的拐角处应力定位的风险，夹具可以具有略微圆角。发光元件保持器通过弹簧加载的螺钉压在发光元件的顶部。必须注意使发光元件保持器中的腔角度以及发光元件的截面角度紧密匹配90度。
本领域技术人员认识到，本发明决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许多修改和变化。
另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。

Claims (14)

1.一种光发射设备(1)，包括：
发光元件(3)，包括第一面(31)和第二面(32)，所述第一面包括光输入表面并且所述第一面和所述第二面中的一个面包括光出射表面，所述发光元件(3)适于：在所述光输入表面处接收由至少一个激光光源(21、22、23)发射的具有第一光谱分布的第一光(4)、将具有所述第一光谱分布的所述第一光的至少一部分转换为具有第二光谱分布的第二光(5)、将具有所述第二光谱分布的所述第二光引导至所述光出射表面、并且将具有所述第二光谱分布的所述第二光的至少一部分从所述光出射表面耦出，以及
散热器元件(7)，设置为与在所述第一面(31)和所述第二面(32)之间延伸的所述发光元件(3)的至少一部分热接触，其中
所述第一面(31)包括截面面积A，并且所述发光元件(3)还包括：长度L，所述长度L被限定为所述第一面和所述第二面之间的最短距离；以及所述截面面积A的特征长度B，所述特征长度B被限定为所述截面面积A的平方根，并且其中
所述长度L和所述截面面积A的所述特征长度B被选择，使得它们满足如下关系中的任何一个关系
对于λTHC<6W/mK，L/B≥2*Ells/44(W/mm2)，
对于6W/mK≤λTHC≤8W/mK，L/B≥1.3*Ells/44(W/mm2)，以及
对于8W/mK<λTHC，L/B≥0.85*Ells/44(W/mm2)，
其中Ells是以W/mm2测量的所述至少一个激光光源的辐照度，并且λTHC是室温下所述发光元件的热学上的热系数，其中
所述发光元件(3)包括掺杂剂，并且其中
掺杂剂浓度考虑到所述发光元件的所述长度L被选择，使得具有所述第一光谱分布的所述第一光的吸收长度使得：在具有所述第一光谱分布的所述第一光已经行进了与所述发光元件的所述长度L对应的路径之后，剩余具有所述第一光谱分布的所述第一光的10％或更少。
2.根据权利要求1所述的光发射设备，其中所述发光元件(3)是散射发光元件，所述散射发光元件的散射水平使得已经行进了与所述发光元件的所述长度L对应的路径的具有所述第一光谱分布的所述第一光的透射率T是以下中的任何一个：T<0.3、0.01<T<0.1以及T≈0.02。
3.根据权利要求1或2所述的光发射设备，其中所述发光元件(3)是体积散射发光元件，所述体积散射发光元件在所述发光元件内的散射水平使得关于所述发光元件的所述长度L，
针对L≤6mm，具有所述第一光谱分布的所述第一光的平均自由程MFP是以下中的任何一个：所述发光元件的所述长度L的1至1/10之间、所述发光元件的所述长度L的1/2至1/5之间、以及所述长度L的约1/4，以及
针对L>6mm，具有所述第一光谱分布的所述第一光的平均自由程MFP是以下中的任何一个：大于所述发光元件的所述长度L的1/10、大于所述发光元件的所述长度L的1/5、以及大于所述长度L的1/2。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光发射设备，并且还包括光学元件(6)，所述光学元件(6)被布置为与所述发光元件的所述光输入表面光学连接，并且适于将具有所述第一光谱分布的所述光耦合到所述发光元件中和/或将具有所述第二光谱分布的所述光从所述发光元件耦出。
5.根据权利要求4所述的光发射设备，其中所述光学元件(6)还适于在所述发光元件的所述光输入表面处提供具有所述第一光谱分布的所述光的均匀分布。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光发射设备，并且还包括布置在所述发光元件的所述第二面上的反射元件(12)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光发射设备，并且还包括布置在所述发光元件的所述光输入表面上的二向色元件(13)。
8.根据权利要求7所述的光发射设备，其中界面层(14)被设置在所述发光元件(3)的所述光输入表面和所述二向色元件(13)之间，所述界面层具有小于1.5的折射率。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光发射设备，其中所述发光元件(3)的所述第一面(31)包括所述光出射表面和所述光输入表面两者，并且其中所述散热器元件(7)还被布置为与所述发光元件的所述第二面(32)热接触。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光发射设备，其中所述发光元件(3)和所述散热器元件(7)通过夹持被连接，使得小于5μm的气隙(91)存在于所述发光元件和所述散热器元件之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光发射设备，其中所述发光元件(3)和所述散热器元件(7)凭借结合材料(9)被连接。
12.根据权利要求11所述的光发射设备，其中所述结合材料(9)包括散射颗粒。
13.根据权利要求4至12中任一项所述的光发射设备，其中所述光学元件包括在0.02内或在0.01内或等于所述发光元件的折射率的折射率，和/或其中，
当使用结合材料时，所述结合材料包括在0.02内或在0.01内或等于所述发光元件的折射率和所述光学元件的折射率两者的折射率。
14.一种灯、灯具或照明系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的光发射设备，所述灯、灯具和照明系统被用于以下应用中的一个或多个应用：数字投影、汽车照明、舞台照明、商店照明、家居照明、重点照明、聚光灯照明、剧院照明、光纤照明、显示系统、警示照明系统、医疗照明应用、装饰照明应用。
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