CN109417265A

CN109417265A - 具有导热输出耦合圆顶的基于激光器的光源

Info

Publication number: CN109417265A
Application number: CN201780040762.6A
Authority: CN
Inventors: U.黑希特菲舍尔; S.措兹戈尼克
Original assignee: Lumileds Holding BV
Current assignee: Lumileds Holding BV
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2019-03-01
Anticipated expiration: 2037-06-21
Also published as: CN109417265B; JP2019521487A; EP3476013A1; WO2018001813A1; EP3476013B1; US10443800B2; US20190257488A1; JP6964611B2

Abstract

本发明描述了基于激光器的光源（100），包括：‑激光器（110），其被布置成发射激光（10），‑陶瓷光转换器（134），其被适配成将激光（10）的一部分转换成经转换光（20），‑光输出耦合圆顶（136），其具有至少2.5*10⁵μm²的基部区域，包括具有大于25 W/（m*K）的导热率的材料，其中至少8*10³μm²的光输出耦合圆顶（136）的结合区域无粘合剂地结合到陶瓷光转换器（134）上，其中基部区域是被布置成由激光器（110）照射的陶瓷光转换器（134）的区域的至少25倍，‑基板（131），其热耦合到光输出耦合圆顶（136），其中光输出耦合圆顶（136）包括反射结构（137），反射结构（137）被15布置成使得相对于光输出耦合圆顶（136）的光轴（136a）以大于α=65°的角度发射的经转换光（20）在陶瓷光转换器（134）的方向上被反射回来。本发明进一步涉及包括这种基于激光器的光源（100）的车辆前灯。

Description

具有导热输出耦合圆顶的基于激光器的光源

技术领域

本发明涉及具有导热输出耦合圆顶的基于激光器的光源和车辆前灯。

背景技术

WO 2007/044472公开了一种具有透光散热器的LED组件。 LED组件由具有第一表面和第二表面的高功率LED芯片形成，第一表面安装到基板，并且第二表面与具有大于30瓦/米-开尔文的导热率的透光散热器紧密热接触。提供透光散热器可以使来自LED管芯的热传导加倍，从而增加寿命、或效率、或亮度或三者的平衡。进一步提到的是，激光二极管可以替代LED用作光产生器件。

尤其，US20160131336A1示出了使用半球形透镜的基于激光器的光源，该半球形透镜具有良好的导热能力，用作基板以在其上生长波长转换器。通过这种构造，波长转换器中波长转换生成的热量可以有利地被透镜辐射掉。

LED或激光器组件的整体效率可能是低的。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有改进的光发射效率或冷却的基于激光器的光源。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定了有利实施例

根据第一方面，提供了一种基于激光器的光源。基于激光器的光源包括：

- 激光器，其被布置成发射具有激光器峰值发射波长的激光，

- 陶瓷光转换器，其被适配成将激光的一部分转换成经转换光，其中经转换光的峰值发射波长在比激光器峰值发射波长更长的波长范围内，

- 光输出耦合圆顶，其具有至少2.5 *10⁵μm²的基部区域，包括具有大于25 W/（m * K）的导热率的材料，其中至少8*10³μm²的光输出耦合圆顶的基部区域的结合区域无粘合剂地结合到陶瓷光转换器上，其中基部区域是被布置成由激光器照射的陶瓷光转换器的区域的至少25倍，

- 基板，其热耦合到光输出耦合圆顶。

其中，光输出耦合圆顶包括反射结构。反射结构被布置成使得相对于光输出耦合圆顶的光轴具有大于α= 65°、优选大于α= 60°并且最优选大于α= 55°的角度的经转换光在陶瓷光转换器的方向上被反射回来。

在这种情况下，陶瓷光转换器结合到圆顶，使得陶瓷光转换器的中心基本上布置在光轴上。反射结构可以包括反射覆层，如例如二向色滤光器，其在经转换光的波长范围内是反射的。在包括结合区域的圆顶的基部区域附近，反射结构覆盖圆顶的边缘。如果圆顶是半球形，则反射结构特别有益。在这种情况下，半球形的直径优选地是结合到圆顶的陶瓷光转换器的表面的最大延伸的至少五倍。

反射结构相对于光轴以大角度捕获经转换光并将其发送回陶瓷光转换器，在那里它有机会被重定向到圆顶的中央开放部分。这可以提高基于激光器的光源对圆顶的开放部分内的角度的亮度。陶瓷光转换器可以包括散射中心（如例如，孔隙），以便增加往回反射的经转换光在圆顶的开放部分（圆顶开口角度α参见下文）的方向上被散射的机会。孔隙可以进一步布置成加宽例如蓝色激光的发射锥。

陶瓷光转换器与光输出耦合圆顶的无粘合剂结合(如例如，热结合)能够实现优异的热耦合。在陶瓷光转换器和光输出耦合圆顶之间不需要具有有限导热率的胶或粘合剂的中间层。此外，可以选择由陶瓷光转换器包括的材料和由光输出耦合圆顶包括的材料的折射率，使得在位于陶瓷光转换器和光输出耦合圆顶之间的界面处基本上不发生激光的反射以及尤其是经转换光的反射。与布置为由激光器照射的陶瓷光转换器的区域的尺寸相比，光输出耦合圆顶的基部区域的更大尺寸尤其增加了光学效率，因为在光输出耦合圆顶的弯曲的光发射表面（例如，如下所述的半球形表面）处的全内反射减少了。激光器可以完全照射陶瓷光转换器，或者可以仅照射陶瓷光转换器的一部分。因此可以改进基于激光器的光源的热和/或光学性质。

陶瓷光转换器的形状、结合区域和光输出耦合圆顶的形状优选地布置成使得至少50％的经转换光经由光输出耦合圆顶发射。

光输出耦合圆顶可以例如围绕其光轴是圆形对称的，其中圆顶的光提取表面的特征在于凸起形状，该凸起形状的顶部在光轴上。陶瓷光转换器的中心可以布置在靠近于光输出耦合圆顶的光轴或在光输出耦合圆顶的光轴上，在这种情况下，在光输出耦合圆顶的圆形基部区域上。

陶瓷光转换器可以例如是矩形或圆形的陶瓷磷光体材料片。陶瓷光转换器可以将激光的全部或一部分转换成经转换光。经转换光的峰值发射波长由被陶瓷光转换器包括的材料确定，并且可以是在绿色、黄色或红色波长范围中。陶瓷光转换器可以包括反射层，该反射层布置在陶瓷光转换器的与结合区域相对的一侧上。反射层在激光器峰值发射波长附近的波长范围内是透明的，并且在经转换光的峰值发射波长附近的波长范围内是反射的。陶瓷光转换器在垂直于圆顶的光轴的方向上的厚度可以在10和100μm之间。

基板可以包括可以热耦合到圆顶的任何合适的材料。基板可以优选地是包括具有高导热率的金属（如铜）的散热器。基板可以借助于如热粘合剂或胶的耦合或结合材料而热耦合到圆顶。基板可以包括孔，激光通过该孔发射到陶瓷光转换器。孔的尺寸可以适配于陶瓷光转换器的尺寸，使得陶瓷光转换器内的体积（其中借助于光转换生成热量）之间的距离以及陶瓷光转换器和基板之间的热耦合最小化。

激光器可以包括两个、三个、四个或更多个激光器器件（例如以阵列的形式）。

光输出耦合圆顶可以包括蓝宝石的半球形，其中陶瓷光转换器热结合或烧结结合到光输出耦合圆顶。激光器可以适配成通过基板的开口向陶瓷光转换器发射具有蓝色激光器峰值发射波长的激光，使得至少50％的经转换光经由光输出耦合圆顶发射。

蓝宝石的特征在于导热率大于30W/（m*K）。蓝宝石的折射率是n_s=1.78，这与陶瓷光转换器的典型折射率（其在n_c = 1.8的范围内）非常相似。基于激光器的光源优选地布置成使得至少60％的经转换光，以及更优选地至少70％的经转换光经由光输出耦合圆顶发射。热结合或烧结结合意味着输出耦合圆顶和陶瓷光转换器在高于800℃的高温下结合，使得在输出耦合圆顶和陶瓷光转换器之间基本上没有边界层。

陶瓷光转换器可以是黄色磷光体石榴石，如Y_（3-0.4）Gd_0.4Al₅O₁₂：Ce（YAG：Ce）。基于激光器的光源可以适配成发射白光，该白光包括经转换光的至少一部分和通过陶瓷光转换器透射的透射激光的至少一部分。大约21％的蓝色激光可以经由黄色磷光体石榴石透射，并且剩余的蓝色激光被转换成黄色光。通过考虑例如磷光体中的斯托克斯损耗，这能够实现基于激光器的光源发射的混合光中的26％蓝色激光和74％黄色经转换光的比率。 YAG：Ce具有约为1.84的折射率，使得在YAG：Ce和蓝宝石圆顶之间存在几乎完美的光学匹配。

基于激光器的光源可以包括附接到陶瓷光转换器的一侧的侧覆层，其中陶瓷光转换器的该侧相对于结合区域倾斜。陶瓷光转换器可以是圆形片，其一个侧表面垂直于结合区域。可替换地，陶瓷光转换器可以是矩形片，其四个侧表面垂直于结合区域。还可以为可能的是，结合区域和一个或多个侧表面包围不同于90°的角度。侧覆层可以例如是白色层，其避免经由一个或多个侧表面的经转换光的损耗。由于附加的侧覆层，所生成的经转换光的前向产率（经由圆顶发射的经转换光与生成的经转换光的比率）可以增加到大于90％。

激光的发射锥可以适配成借助于反射结构限定或提供的角度α，使得透射激光和经由输出耦合圆顶发射的经转换光在围绕光轴的角度α内重叠。

激光可以被加宽，使得经由陶瓷光转换器透射的激光与借助于反射结构确定的经转换光的发射锥基本上匹配。

基于激光器的光源可以包括例如光导，该光导适配成将激光从激光器引导到陶瓷光转换器。光导可以与陶瓷光转换器接触或甚至胶合到陶瓷光转换器。可替换地，透镜可以布置在光导和陶瓷光转换器之间。

光导可以可选地包括数值孔径，该数值孔径适配成限定或适配透射激光的发射锥。在这种情况下，光导或光纤的数值孔径可以布置成使得离开光导的激光的发射锥与离开光输出耦合圆顶的经转换光的发射锥基本上匹配。

可替换地，基于激光器的光源可以包括耦合到陶瓷光转换器的光偏转层。光偏转层适配成提供透射激光的预定义发射锥，尤其如上面关于反射结构所述。

基于激光器的光源可以包括耦合到光输出耦合圆顶的部分反射结构。部分反射结构的光学透射率在预定义波长范围中取决于激光器峰值发射波长，使得包括经转换光的一部分和激光的一部分的混合光的色点稳定。

在预定义波长范围中，光学透射率在预期或限定的激光器峰值发射波长之上基本上恒定，并且在此限定的激光器峰值发射波长之下降低，使得在限定的激光器峰值发射波长之下透射的激光较少。光学透射率适配于陶瓷光转换器的吸收和波长相关的转换。

部分反射结构可以是光输出耦合圆顶（例如半球形表面）的外表面上的干涉覆层。基于激光器的光源可以优选地布置成发射白光。在这种情况下，部分反射结构或干涉覆层可以布置成使得基本上所有黄色经转换光经由部分反射结构透射。如果蓝色激光的波长使得其被陶瓷光转换器吸收的机会减少，则少量蓝色激光被反射回。部分反射结构取决于在蓝色激光的波长与蓝色波长范围内的参考波长之间的距离而将蓝色激光的一部分发送回陶瓷光转换器中，在那里它具有另一次被吸收并且转换成黄色光的机会。以这种方式，通过取决于陶瓷光转换器的吸收光谱而增加经转换光的部分，可以稳定蓝色光的分数。例如，如果激光的蓝色激发波长恰好比正常情况稍低，并且陶瓷光转换器的吸收小于预期（正常）激光器峰值发射波长，那么蓝色光的最后分数将太高。取决于在预期的激光器峰值发射波长和实际激光器峰值发射波长之间的差异，反射滤光器发送回一些蓝色光，这将降低蓝色输出并提高黄色输出，使得蓝色光分数可以保持相同。

可能优选的是，仅在圆顶的弯曲表面的一部分上提供可靠的部分反射结构或干涉覆层。部分反射结构可以与如上所述的覆盖光输出耦合圆顶的边缘的反射结构组合。因此，部分反射结构可以布置在圆顶表面的未被反射结构覆盖的部分上（以等于和小于参见上文的α的角度）。

光输出耦合圆顶可以包括蓝宝石的半球形。陶瓷光转换器可以包括烧结结合到光输出耦合圆顶的黄色磷光体石榴石。激光器适配成通过光输出耦合圆顶向陶瓷光转换器发射具有蓝色激光器峰值发射波长的激光。基于激光器的光源适配成发射白光，该白光包括经转换光的至少一部分和激光的至少一部分。

在这种情况下，在激光进入陶瓷光转换器之前，激光通过光输出耦合圆顶透射。基于激光器的光源可以包括反射层或结构，该反射层或结构在陶瓷光转换器的与结合区域相对的一侧处耦合到陶瓷光转换器，该反射层或结构被布置成在光输出耦合圆顶的方向上反射回激光。反射结构可以在位于激光器峰值发射波长附近的波长范围内是反射的，并且优选地在位于经转换光的峰值发射波长附近的波长范围内是反射的。陶瓷光转换器布置成使得激光的仅一部分被转换。陶瓷光转换器可以进一步布置成散射激光。

陶瓷光转换器可以借助于结合层直接结合到基板上。结合层或基板可以布置成反射激光并且优选地反射经转换光。

基于激光器的光源可以进一步包括如上所述的部分反射结构。激光可以经由部分反射结构中的窗口发射到陶瓷光转换器。

基于激光器的光源可以包括护罩，该护罩附接到光输出耦合圆顶，使得如果陶瓷光转换器从圆顶移除，则激光被阻挡。

如果其间没有陶瓷光转换器，则激光的强度可能太高。陶瓷光转换器可以耦合到散射或偏转结构，或者可以包括散射颗粒，散射颗粒被布置成拓宽激光围绕光输出耦合圆顶的光轴的发射角度。如果在激光的光发射表面（例如光导的出射面）与光输出耦合圆顶之间没有陶瓷光转换器，则激光可以仅围绕光输出耦合圆顶的光轴以非常窄的立体角发射。因此，可以在圆顶上设置护罩，该护罩可以在该光发射表面的方向上以此窄立体角反射回激光。如果陶瓷光转换器脱离光输出耦合结构，则护罩避免了窄立体角中的强激光可以离开光输出耦合圆顶。

根据另一方面，提供了一种车辆前灯。车辆前灯包括至少一个如上所述的基于激光器的光源。车辆前灯可以包括两个、三个、四个或更多个如上所述的基于激光器的光源。

车辆的白点，以及尤其是用于前向照明的汽车前灯的白点优选地特征在于相关色温（CCT）为5700K，或v'色点为约0.48。白光区域在标准中限定。例如，ANSI C78.377是美国国家标准协会规定的色度标准。大多数汽车前灯使用如上所述的5700K范围。可替换地，还可以为可能的是，使用6000K的色温，使得蓝色光的份额增加。

应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任何组合。

另外的有利实施例在下文限定。

附图说明

本发明的这些和其他方面根据下文描述的实施例将是清楚的，并且将参照下文描述的实施例进行阐述。

现在将参考所附附图基于实施例通过示例方式描述本发明。

在附图中：

图1示出了第一基于激光器的光源的主要略图，但尚未示出本发明的所有特征

图2示出了蓝宝石光输出耦合圆顶的模拟热阻，其作为陶瓷光转换器的半径Ri的函数

图3示出了陶瓷光转换器的热阻

图4示出了第二基于激光器的光源的主要略图，其包括了本发明的所有特征

图5示出了第三基于激光器的光源的主要略图，其省略了本发明的一些特征

图6示出了黄色磷光体石榴石的吸收系数

图7示出了部分反射结构的透射曲线

图8示出了第三基于激光器的光源的光谱特性

图9示出了第四基于激光器的光源的主要略图，其省略了本发明的一些特征

在附图中，相同的数字始终指代相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

现在将借助于附图描述本发明的各种实施例。

图1示出了第一基于激光器的光源100的主要略图，但尚未示出限定角度α的反射结构。基于激光器的光源100包括陶瓷光转换器134，陶瓷光转换器134烧结结合到具有半径Ro=500μm的半球形蓝宝石光输出耦合圆顶136。光输出耦合圆顶热耦合到基板131并且包括具有半径Rc=250μm的孔。在这种情况下，陶瓷光转换器134是YAG：Ce的圆柱形片，其厚度为25μm，且半径Ri=150μm，布置在基板131中的孔的中心。基于激光器的光源100进一步包括激光器，其通过基板131的孔向陶瓷光转换器134发射具有450nm的激光器峰值发射波长的激光10。陶瓷光转换器134的中心布置在光输出耦合圆顶的光轴上，该光轴延伸通过半球形蓝宝石圆顶基部区域的中心点和圆顶的顶部。激光10的一部分被转换成黄色经转换光20。激光10的一部分通过陶瓷光转换器134透射，使得黄色经转换光20和蓝色透射激光12的组合经由蓝宝石圆顶的半球形表面发射。组合光的发射方向与从激光器110接收激光10的方向基本上相对（透射布置）。陶瓷光转换器134可以包括反射表面，以用于在圆柱形片的与陶瓷光转换器134的结合到光输出耦合圆顶136的表面相对的侧上反射经转换光20。

陶瓷光转换器134和光输出耦合圆顶136之间的良好热耦合减少了陶瓷光转换器134的热淬火的风险。光输出耦合圆顶136的半球形形状降低了在光输出耦合圆顶136的半球形表面处的全内反射的可能性，因为大部分光相对于相应表面点处的半球形表面的法线以小角度到达半球形表面。

图2示出了蓝宝石光输出耦合圆顶136的模拟热阻61（K/W），其作为如图1所述的YAG：Ce陶瓷光转换器134的半径Ri 62的函数。在模拟中考虑圆形对称配置。该结果原则上也对其他配置（如例如，矩形陶瓷光转换器134以及基板131中的对应矩形孔，如上面关于图1所讨论的）有效。陶瓷光转换器134内的热阻是在这些模拟中被忽略。因此，这些模拟仅考虑光输出耦合圆顶136和在光输出耦合圆顶与基板131之间的粘合剂的热阻。光输出耦合圆顶136的半径Ro至少为500μm。基板131是厚度为50μm的铜板，其借助于导热率为10W /（m *K）的热油脂（thermal grease）或粘合剂而胶合到光输出耦合圆顶136。激光10布置成使得陶瓷光转换器134被均匀地照射。可以使用附加的光学器件（如透镜装置），以便使激光10的宽度适配于陶瓷光转换器134的直径。

线64示出了如果基板131中的孔的半径Rc与陶瓷光转换器134的半径Ri相同的模拟的结果。线65示出了如果基板131中的孔的半径Rc比陶瓷光转换器134的半径Ri大100μm的模拟的结果。线66示出了如果基板131中的孔的半径Rc与陶瓷光转换器134的半径Ri相同、但是在基板131和蓝宝石光输出耦合圆顶136之间的粘合剂的厚度减少到1μm而不是10μm的模拟的结果。线67示出了1/r相关性作为参考。模拟教导下列内容：

- 扩大基板131中的孔开口Rc略微提高了热阻

- 在基板131和光输出耦合圆顶之间的界面是不加鉴别的，因为在线64和线66之间基本上没有差异

- 热阻大约与1/r成比例

利用增加的光输出耦合圆顶136的半径Ro的进一步模拟示出，只要半径Ro至少为500μm，则圆顶的半径Ro就无关紧要。如果光输出耦合圆顶136的半径例如从500μm增加到1000μm，则热性能不改进。然而，光学性能取决于陶瓷光转换器134的半径Ri与光输出耦合圆顶136的半径Ro之间的比率。光输出耦合圆顶136的半径Ro优选地是陶瓷光转换器134的半径Ri的至少五倍，更优选地至少七倍。

图3示出了考虑陶瓷光转换器134内的附加热阻的进一步模拟结果。基本配置与图2中相同，但陶瓷光转换器134（磷光体）的厚度为50μm（线74）和25μm（线75）。线76示出了在陶瓷光转换器134和光输出耦合圆顶136之间的厚度为1μm的胶层的附加热阻。热结合或烧结结合和薄陶瓷光转换器134显然降低了热阻并因此减少了陶瓷光转换器134热淬火的风险。因此，陶瓷光转换器134的厚度优选小于50μm，更优选小于30μm，并且最优选小于20μm。

图2和图3中所示出的模拟结果允许对陶瓷光转换器134和光输出耦合圆顶136的不同架构的总热阻Rth进行近似，如关于表1所讨论的。

表1

目标	磷光体半径(mm)	磷光体厚度(µm)	总热阻Rth(K/W)
				胶合在Al上	0.282	50	44
烧结在蓝宝石上	0.282	50	43
				烧结在蓝宝石上	0.200	25	55
烧结在蓝宝石上	0.150	25	80
				烧结在蓝宝石上	0.100	25	142
胶合在Al上	0.150	25	116
				焊接的	0.100	25	53

上表示出了几种目标类型的计算热阻（K/W）。有两种类型的目标。第一目标是陶瓷光转换器134与铝镜的组合。陶瓷光转换器134可以胶合或焊接到铝镜上。该表示出，如果使用500²μm²（相当于Ri =282μm）的陶瓷光转换器134，则烧结方法（Rth = 43 K/W）与在具有厚度为1μm的胶层的最佳情况下的胶合方法（44 K/W）可比。一旦目标更小，则烧结方法比胶合更好。在半径Ri=150μm的情况下，烧结方法导致80K/W的热阻，而胶合在铝镜上导致116K/W的热阻。相比于利用烧结的142K/W的热阻，在Ri=100μm时产生53K/W的热阻的焊接甚至更好得多。但焊接需要反射目标。这意味着借助于陶瓷光转换器134发射的经转换光20被发射到安装激光器110的同一侧（参见图9）。对于透射目标（参见图1、4和5中的配置），利用烧结获得的总热阻Rth足够低。此外，不存在借助于蓝色激光10或光转换期间生成的热量而可能损坏界面的风险，如具有基于胶层的界面的情况那样。

图4示出了第二基于激光器的光源100的主要略图。基板131被布置为散热器，借助于在基板131和光输出耦合圆顶136之间的强热耦合而进一步减少陶瓷光转换器的热负载。如上面关于图2所讨论的，通过薄的结合层135（热胶）提供强热耦合。陶瓷光转换器134、光输出耦合圆顶136和基板131的布置的总体配置与关于图1所讨论的相同。激光10借助于光导120引导到陶瓷光转换器134。半球形光输出耦合圆顶136的边缘被反射结构137覆盖，使得经转换光20和透射激光12仅能够在围绕光轴136a的圆顶开口角度α内离开光输出耦合圆顶，该光轴136a通过基部区域的中心和光输出耦合圆顶136的顶部。相对于光轴136a以大于α的角度发射的经转换光20借助于反射结构137而被反射回到陶瓷光转换器134。因此，以更大的角度发射的经转换光20不丢失，而是可以在陶瓷光转换器134处反射或散射，并最终经由圆顶开口角度α发射。因此，可以增加基于激光器的光源100的效率。

第二基于激光器的光源100进一步包括护罩140，护罩140布置在光输出耦合圆顶136的顶部上。护罩140可以是围绕光输出耦合圆顶136的顶部的圆形覆层。该护罩140被定位成使得在移除陶瓷光转换器134的情况下，激光10借助于护罩140被反射或吸收。护罩140减少了激光10穿过光输出耦合圆顶136而没有借助于陶瓷光转换器134拓宽或光转换的风险。因此，护罩的尺寸和形状可以适配于进入光输出耦合圆顶136的激光10的发射锥的尺寸和形状。

第二基于激光器的光源100进一步包括侧覆层132。侧覆层布置成反射经转换光20，使得经由陶瓷光转换器134的侧表面的经转换光的损耗减少。

如果与陶瓷光转换器134的半径Ri相比光输出耦合圆顶136的半径Ro的尺寸被布置成使得基本上以大于α的角度发射的所有经转换光被反射回到陶瓷光转换器134结合到光输出耦合圆顶136的结合区域，则反射结构137是最有效率的。光输出耦合圆顶136的半径Ro优选地是陶瓷光转换器134的半径Ri的至少五倍。

模拟结果证明了图1和4中所示出的基于激光器的光源100的效率。在具有和不具有侧覆层132的情况下模拟半径Ri为250μm且厚度为50μm的YAG：Ce陶瓷光转换器134，其烧结至半径Ro为3000μm的蓝宝石光输出耦合圆顶136。由于折射率几乎完美匹配，已经考虑了在陶瓷光转换器134和光输出耦合圆顶136之间的完美光学接触。模拟结果示出，如果没有侧覆层132，则80％的经转换光20经由光输出耦合圆顶136发射。如果存在如上面所讨论的侧覆层132，则甚至90％的经转换光20经由光输出耦合圆顶136发射。通过使用具有减少的厚度的陶瓷光转换器134，在没有侧覆层132的情况下，可以减少由陶瓷光转换器134的侧表面引起的损耗。高光学效率是由于经转换光20通过全内反射在光输出耦合圆顶136和陶瓷光转换器134的背面基本上完全反射的事实。经转换光20基本上平行于相应表面点处的法线到达光输出耦合圆顶136的表面，使得基本上所有经转换光经由光输出耦合圆顶136而被耦合出。在离开光输出耦合圆顶136之后的经转换光20的角度分布相对于光输出耦合圆顶136的光轴136a主要成大角度。角度分布可能需要例如抛物面镜以在没有反射结构137附接到光输出耦合圆顶136的情况下收集经转换光20，以便将经转换光20聚集在由圆顶开口角度α给出的预定义发射锥中。

图5示出了第三基于激光器的光源100的主要略图，但同样没有示出限定角度α的反射结构。基本配置非常类似于关于图4所讨论的配置。第三基于激光器的光源100不包括如关于图4所述的光导120、反射结构137和护罩140。而是激光10借助于光学器件115（透镜或透镜布置）聚焦到光偏转层133，光偏转层133布置成拓宽透射激光12的发射锥，使得透射的激光相对于图4中描述的光轴136a也以更大的角度发射。第三基于激光器的光源100进一步包括部分反射结构138，其附接到光输出耦合圆顶136的半球形表面。部分反射结构138包括在半球表面上的干涉滤光器覆层。此覆层使所有经转换黄色光20和大部分蓝色激光10透射。如果蓝色激光10的波长使得其很少有机会被陶瓷光转换器134吸收和转换，则布置成使得蓝色激光10的限定部分被反射回（参见下面关于图6的讨论）。干涉滤光器覆层将此蓝色激光10发送回到陶瓷光转换器134的转换器材料中，以便如上面所讨论的增加经转换光20的部分。

图6示出了黄色磷光体石榴石的吸收系数55。纵坐标 51示出吸收系数，且横坐标52示出波长。跨波长的吸收系数的光谱示出了如当今的汽车前照明应用（汽车前灯）中使用的黄色磷光体石榴石（Y_（3-0.4）Gd_0.4，Al₅O₁₂：Ce）的典型吸收光谱。从440到460nm，这是蓝色激光（二极管）发射的典型波长范围，吸收系数增加到超过2倍，这可能导致基于激光器的光源100在CIE 1976 v'色点中约为0.067的大的色点偏移。基于激光器的光源100被布置成使得经转换光20的发射基本上与由例如上面的图5中所示出的激光器110发射的激光10的峰值发射或波长范围无关。

图7示出了部分反射结构138的透射曲线56，部分反射结构138被需要以稳定第三基于激光器的光源的白点。部分反射结构138的透射率53借助于线56描述。部分反射结构138是特殊种类的边缘滤光器，其具有455nm之上（至700nm，未示出）的完全透射和455nm之下的特殊边缘。实际上，低于≈440nm的部分是无关紧要的，因为激光器波长将不那么低。工作点（从T=100％的地方）为455nm，这略微低于磷光体材料的吸收最大值（参见图6）。透射在443nm（即在约10nm内）下降至50％。这是陡峭的边缘，但不是极端地陡峭。利用当今可用的多层涂覆技术，这种透射特性是可行的。另一方面，边缘的位置必须在几nm（例如，2 nm）内准确；5 nm将不足够。这将需要精确的涂覆方法。注意，如果滤光器用于图5中所示出的光输出耦合圆顶136的半球形布置，则通过滤光器必须仅在垂直入射下工作的事实，将显著简化图7的透射轮廓的创建。如关于图4所讨论的，可以为更大的角度添加反射结构137，以便简化圆顶开口角度α内的部分反射结构138的设计和制造。

图8示出了第三基于激光器的光源100的光谱特性，为了设计具有关于图7所讨论的透射率56的部分反射结构138，必须将其考虑在内。

- 线92假设陶瓷光转换器134的转换器材料的光谱吸收曲线（以1/长度的任意单位为单位），作为蓝色激光10的波长52的函数。假设转换器材料是YAG：Ce材料。

- 线93是由此材料制成的真实陶瓷光转换器134（具有某个厚度）的相对吸收。这里，设计此转换器，使得如果激光10具有455nm的波长（工作波长91），则吸收并转换输入蓝色光的0.83 = 83％。线93与离开第三基于激光器的光源100的混合光的黄色分数相同。

- 线94是剩余的蓝色分数，其例如在蓝色激光10的455nm处透射0.17 = 17％。材料吸收（线92），以及因此黄色分数（线93）和蓝色分数取决于蓝色激光的波长而变化。这将强烈地改变作为透射激光12和经转换光20的混合而获得的白光的色点。

- 线95是没有部分反射结构138的总功率，对于所有输入波长，其为1.0 = 100％。

现在考虑的是，部分反射结构138（多层覆层）添加有定制的光谱透射率（线56；也参见图7），使得高于455nm的所有激光10被透射，但是低于455nm的激光10的增加的部分被反射。在420nm处，仅有5％仍然被透射并且95％被反射。当此被反射的激光10回到陶瓷光转换器134时，此被反射的激光10将部分地转换成黄色光。

在部分反射结构138覆盖光输出耦合圆顶136的半球形表面的情况下，蓝色分数和黄色分数将表现不同。可以示出的是，得到的蓝色分数（输出蓝色功率除以[输出蓝色+输出黄色]）将是平坦的（线97）。这意味着无论激光10具有什么波长（只要它低于455nm），色点将不变化。

然而，由于陶瓷光转换器的实际限制，被反射的蓝色激光10不能完全转换成黄色经转换光20，而是将部分地丢失。因此，稳定颜色的代价是总辐射通量（线96）的减少。此效果是可以容忍的：例如，如果蓝色激光10具有440nm的波长，即低于工作波长15nm，则总通量减小到0.9，即仅减少10％。这通过同时避免否则不可容忍的色移而是可以接受的：在没有部分反射结构138的情况下，由基于激光器的光源100发射的混合光的蓝色分数将从17％提高到41％（线94）。

图9示出了第四基于激光器的光源100的主要略图，其具有反射布置但没有示出限定角度α的反射结构。陶瓷光转换器134和具有部分反射结构138的光输出耦合圆顶136的配置与关于图5所讨论的配置非常相似。但是激光器110布置在被反射激光11和经转换光20通过部分反射结构138透射的基板131的同一侧上。光输出耦合圆顶136和陶瓷光转换器134借助于结合层135结合到基板131。在这种情况下，基板131被布置作为散热器并且包括具有高导热率的材料。可以使用相同的结合材料而将光输出耦合圆顶136和陶瓷光转换器134结合到基板131。可替换地，可以使用不同的结合材料。用于将光输出耦合圆顶136结合到基板131的结合层135可以是胶。用于将陶瓷光转换器134结合到基板131的结合层135可以是焊料，以便增加在陶瓷光转换器134和基板131之间的导热率。陶瓷光转换器134可以包括在焊料和光转换材料之间的反射层，以便反射激光10，并且可选地反射经转换光20。激光10通过部分反射结构138中的窗口139透射到陶瓷光转换器134，以便避免激光10的一部分的反射。陶瓷光转换器134可以包括散射颗粒，以便拓宽被反射激光11的发射锥。基于激光器的光源100可以可选地包括如关于图4所述的反射结构137。反射结构137可以包括类似于窗口139的窗口，使得激光10可以进入光输出耦合圆顶。反射结构137可以布置在部分反射结构138的上方或下方。可替换地，反射结构137可以在大于关于图4所讨论的圆顶开口角度α的角度处替换部分反射结构138。

虽然已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而非限制性的。

通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。这些修改可以涉及本领域中已经已知的并且可以代替或附加于本文已经描述的特征而使用的其他特征。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员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（a或an）”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的纯粹事实不指示不能使用这些措施的组合来获益。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。

附图标记列表：

10 激光

11 被反射激光

12 透射激光

20 经转换光

51 吸收

52 波长

53 光谱透射率

55 YAG：Ce磷光体的吸收系数

56 部分反射结构的透射率

61 热阻（K/W）

62 磷光体半径Ri（μm）

64 Rc=Ri和10μm胶的热阻

65 Rc=Ri+100μm的热阻

66 Rc=Ri和1μm胶的热阻

67 1/r相关性

74 磷光体厚度为50μm时的热阻

75 磷光体厚度为25μm时的热阻

76 胶层为1μm时的热阻

91 455nm的工作波长

92 材料吸收（任意单位）

93 样本转换

94 蓝色分数（无部分反射结构）

95 总功率（无部分反射结构）

96 总功率（具有部分反射结构）

97 蓝色分数（具有部分反射结构）

100 基于激光器的光源

110 激光器

115 光学器件

120 光导

131 基板

132 侧覆层

133 光偏转层

134 陶瓷光转换器

135 结合层

136 光输出耦合圆顶

136a 光轴

137 反射结构

138 部分反射结构

139 窗口

140 护罩

α 圆顶开口角度

Ri 磷光体半径

Rc 基板开口半径

Ro 圆顶半径。

Claims

1.一种基于激光器的光源（100），包括：

- 激光器（110），其被布置成发射具有激光器峰值发射波长的激光（10），

- 陶瓷光转换器（134），其被适配成将激光（10）的一部分转换成经转换光（20），其中所述经转换光（20）的峰值发射波长在比所述激光器峰值发射波长更长的波长范围内，

- 光输出耦合圆顶（136），其具有至少2.5 *10⁵μm²的基部区域，包括具有大于25 W/（m* K）的导热率的材料，其中至少8*10³μm²的光输出耦合圆顶（136）的基部区域的结合区域无粘合剂地结合到所述陶瓷光转换器（134）上，其中所述基部区域是被布置成由所述激光器（110）照射的所述陶瓷光转换器（134）的区域的至少25倍，

- 基板（131），其热耦合到所述光输出耦合圆顶（136），

其中所述光输出耦合圆顶（136）包括反射结构（137），所述反射结构（137）被布置成使得相对于所述光输出耦合圆顶（136）的光轴（136a）以大于α= 65°的角度发射的经转换光（20）在所述陶瓷光转换器（134）的方向上被反射回来。

2.根据权利要求1所述的基于激光器的光源（100），其中所述光输出耦合圆顶（136）包括蓝宝石的半球形，其中所述陶瓷光转换器（134）热结合到所述光输出耦合圆顶（136），其中所述激光器（110）适配成通过所述基板（131）的开口向所述陶瓷光转换器（134）发射具有蓝色激光器峰值发射波长的激光，使得至少50％的经转换光（20）经由所述光输出耦合圆顶（136）发射。

3.根据权利要求2所述的基于激光器的光源（100），其中所述陶瓷光转换器（134）包括黄色磷光体石榴石，并且其中所述基于激光器的光源适配成发射白光，所述白光包括经转换光（20）的至少一部分和通过陶瓷光转换器（134）透射的透射激光（12）的至少一部分。

4.根据权利要求1或2所述的基于激光器的光源（100），其中所述基于激光器的光源（100）包括附接到所述陶瓷光转换器（134）的一侧的侧覆层（132），其中所述陶瓷光转换器（134）的所述侧相对于结合区域倾斜。

5.根据权利要求1或2所述的基于激光器的光源（100），其中所述激光（10）的发射锥适配成借助于所述反射结构（137）限定的角度α，使得透射激光（12）和经由输出耦合圆顶（136）发射的经转换光（20）在围绕光轴（136a）的角度α内重叠。

6.根据权利要求5所述的基于激光器的光源（100），其中所述基于激光器的光源（100）包括光导（120），所述光导（120）适配成将所述激光（10）从所述激光器（110）引导到所述陶瓷光转换器（134），其中所述光导（120）包括数值孔径，所述数值孔径适配成限定透射激光（12）的发射锥。

7.根据权利要求5所述的基于激光器的光源（100），其中所述基于激光器的光源（100）包括耦合到所述陶瓷光转换器（134）的光偏转层（133），其中所述光偏转层（133）适配成限定透射激光（12）的发射锥。

8.根据权利要求1或2所述的基于激光器的光源（100），其中所述基于激光器的光源（100）包括耦合到所述光输出耦合圆顶（136）的部分反射结构（138），其中所述部分反射结构（138）的光学透射率在预定义波长范围中取决于激光器峰值发射波长，使得包括经转换光（20）的一部分和激光（10）的一部分的混合光的色点稳定。

9.根据权利要求1所述的基于激光器的光源（100），其中所述光输出耦合圆顶（136）包括蓝宝石的半球形，其中所述陶瓷光转换器（134）包括热结合到所述光输出耦合圆顶（136）的黄色磷光体石榴石，其中所述激光器（110）适配成通过所述光输出耦合圆顶（136）向所述陶瓷光转换器（134）发射具有蓝色激光器峰值发射波长的激光（10），并且其中所述基于激光器的光源（100）适配成发射白光，所述白光包括经转换光（20）的至少一部分和激光（10）的至少一部分。

10.根据权利要求9所述的基于激光器的光源（100），其中所述陶瓷光转换器（134）借助于结合层（135）直接结合到所述基板（131）上。

11.根据权利要求1或2所述的基于激光器的光源（100），其中护罩（140）附接到所述光输出耦合圆顶（136），使得如果所述陶瓷光转换器（134）从圆顶（136）移除，则激光（10）被阻挡。

12.一种车辆前灯，包括至少一个根据权利要求1-11中任一项所述的基于激光器的光源（100）。