CN110050223A

CN110050223A - 光转换器件

Info

Publication number: CN110050223A
Application number: CN201780077641.9A
Authority: CN
Inventors: S.佐茨戈尼克; U.黑希特菲舍尔
Original assignee: Lumileds Holding BV
Current assignee: Lumileds Holding BV
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2019-07-23
Anticipated expiration: 2037-12-07
Also published as: WO2018108709A1; EP3555689A1; JP2020502569A; CN110050223B; JP6991216B2; US10781987B2; EP3555689B1; US20190383456A1

Abstract

本发明描述了光转换器件（130），包括：‑用于将激光（10）转换为转换光（20）的光转换器（134），该光转换器（134）包括光进入表面、与光进入表面相对的结合表面和侧表面；承载光转换器（134）并包括用于反射激光（10）和转换光（20）的反射结构（137）的衬底（131）；‑光学耦合到光转换器（134）的侧表面并用于反射激光（10）和转换光（20）的反射侧结构（132）；附接到反射侧结构（132）的冷却元件（139），用于冷却反射侧结构（132），其中冷却元件（139）包括在激光（10）的波长范围和转换光（20）的波长范围内透明的材料，并且其中冷却元件（139）布置在激光（10）的光路、经反射激光（11）的光路和转换光（20）的光路中，以及在光转换器（134）和冷却元件（139）之间的去耦结构（138），用于避免在冷却元件（139）中对经反射激光（11）和转换光（20）的光引导。本发明进一步描述了发光元件、包括这种光转换器件（130）或这种发光器件的基于激光器的光源（100），以及包括一个或多个基于激光器的光源（100）的车辆前灯。

Description

光转换器件

发明领域

本发明涉及光转换器件、发光元件，包括这种光转换器件或这种发光器件的基于激光器的光源，以及包括这种基于激光器的光源的车辆前灯。

背景技术

在高亮度光源中，通常使用光转换器件，其被例如由激光器发射的蓝光激发。光转换器件的磷光体借助于设置在散热器和磷光体之间的胶或焊料的层耦合到散热器。高强度（特别是蓝色激光的高强度）和借助于磷光体的光转换引起的高温可能引起可靠性问题。

WO2015121089A1、EP2822111A1、US20130335989A1和WO2009095662A1提出了用于磷光体的具体冷却结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的光转换器件。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定了有利的实施例。

根据第一方面，提供了一种光转换器件。光转换器件包括光转换器。光转换器适配成将激光转换为转换光。转换光的峰值发射波长处于比激光的激光峰值发射波长更长的波长范围内。光转换器包括光进入表面、与光进入表面相对的结合表面和侧表面。光转换器件还包括衬底，该衬底包括反射结构。光转换器布置在衬底上，使得激光和转换光可以借助于反射结构而被反射。光转换器件还包括反射侧结构，反射侧结构光学耦合到光转换器的侧表面。反射侧结构布置成反射激光和转换光。光转换器件还包括附接到反射侧结构的冷却元件，用于冷却反射侧结构。冷却元件包括在激光的波长范围和转换光的波长范围内透明的材料。冷却元件布置在激光的光路、经反射激光的光路和转换光的光路中。冷却元件附接到反射侧结构，使得避免在冷却元件中的对激光和转换光的光引导。

例如，蓝色激光和转换光优选地借助于反射结构或反射结构和对应的散射元件的组合在例如光转换器内漫反射。经反射光的一部分可能撞击反射侧结构。撞击反射侧结构的光的一部分可能被吸收并且可能导致不希望的反射侧结构的局部加热。此局部加热可能损坏反射侧结构，使得尤其可以减少光转换器中的蓝色激光的背反射。这可能影响可以借助于光转换器件发射的光的强度和/或色点。冷却元件与反射侧结构热接触，并且优选具有大于10W/K、更优选大于20W/K、以及最优选大于30W/K的热导率。冷却元件的尺寸和形状必须适配于反射侧结构处生成的热量的量。蓝宝石具有约为40W/K（导热系数约为40 W/（mK））的热导率。因此，冷却元件可以移除或消散在反射侧结构中或在反射侧结构处生成的大部分热量，使得减少反射侧结构的损坏。因此，可以延迟由反射侧结构包括的材料的老化。光转换器可以是例如薄（例如50μm）矩形或圆形板。光转换器的薄侧可以覆盖有反射侧结构。

光转换器件包括去耦结构。去耦结构布置在光转换器和冷却元件之间。去耦结构布置成避免在冷却元件中的对经反射激光和转换光的光引导。去耦结构的折射率可以等于或小于冷却元件的与冷却元件的面向光转换器的表面相对的表面处的材料的折射率。例如，可以通过减少或甚至避免冷却元件和光转换器之间的直接界面来避免光引导。冷却元件和光转换器可以布置成使得仅相面对的表面的一小部分彼此接触。光转换器表面和/或冷却元件表面的表面粗糙度可以例如布置成使得彼此叠加的光转换器表面和冷却元件表面的小于5％、优选小于3％以及最优选小于1％彼此接触。在可替代方法中，冷却元件和光转换器之间可能存在气隙。去耦结构优选地布置成使得基本上所有在从光转换器的方向上进入冷却元件的光在相对侧离开透明冷却元件。冷却元件可以例如包括蓝宝石的片。

冷却元件优选地借助于反射侧结构结合到衬底。

反射侧结构可以包括基质材料，该基质材料在激光的波长范围和转换光的波长范围内是透明的。基质材料可包括分散在基质材料中的反射颗粒，其中反射颗粒在激光的波长范围和转换光的波长范围内是反射的。包括反射颗粒的基质材料可以设置在光转换器的侧表面上。冷却元件可以借助于基质材料结合到衬底。

基质材料可以特征在于，沿反射光结构的最大延伸的在激光和转换光的波长范围内透射大于99％的装置。基质材料的高透明度降低了基质材料内的吸收并因此减少了对应的加热。基质材料可以包括硅树脂、玻璃或可以用作侧涂层以便提供反射侧结构的其他合适的材料。反射颗粒可以包括例如金属氧化物颗粒，尤其是氧化钛颗粒。

透明冷却元件可以包括减反射涂层，用于降低其对激光和转换光的反射率。尤其是在平坦的、片状（sheet like）透明冷却元件的情况下，减反射涂层优选地设置在透明冷却元件的两个片表面上，即在面向光转换器的表面上以及在相对表面上。可替代地，透明冷却元件可以包括弯曲表面，例如用于聚焦转换光和经反射激光。在这种情况下，透明冷却元件可以仅包括一个减反射涂层。减反射涂层布置成避免用于照射光转换器的例如蓝色激光的反射，并且使得由光转换器发射（或者更准确地，从光转换器的方向照射透明冷却元件）的基本上所有光可以进入并随后离开透明冷却元件。

冷却元件可以包括支撑结构。支撑结构可以布置成限定光转换器的光进入表面和垂直于光进入表面的冷却元件之间的距离。

支撑结构可以是冷却元件的组成部分或可以分离的部分。支撑结构可以包括与冷却元件的其余部分不同的材料。支撑结构可以胶合或结合到衬底和/或冷却元件的其余部分。

根据另一方面，提供了一种发光元件。发光元件包括如上所述的光转换器件。发光元件还包括光学元件。光学元件借助于结合层机械地耦合或粘附到冷却元件。结合层具有与去耦结构的折射率相同或更大的折射率。去耦结构包括如上所述的气隙或布置在光转换器和冷却元件之间的去耦材料（例如硅树脂），其具有与用于结合光学元件的胶或粘合剂相同或更低的折射率。

根据又一方面，提供了一种基于激光器的光源。基于激光器的光源包括如上所述的光转换器件或发光器件以及适配成发射激光的至少一个激光器。

基于激光器的光源可以包括两个、三个、四个或更多个激光器（例如，阵列的形式），其发射例如蓝色激光。

根据又一方面，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。在这种情况下，光转换器可以包括黄色磷光体石榴石（例如Y_(3-0.4)Gd_0.4,Al₅O₁₂:Ce）或由其组成。蓝色激光和黄色转换光的混合物可以用于生成白光。可以反射约21％的蓝色激光，并且可以将剩余的蓝色激光转换为黄色光。在考虑例如磷光体中的斯托克斯损耗的情况下，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％黄色转换光的比率。

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。

下面限定了进一步有利实施例。

附图说明

通过下文描述的实施例本发明的这些和其他方面将是清楚的，并参考下文描述的实施例得以阐明。

现在将参考附图基于实施例通过示例方式描述本发明。

在附图中：

图1示出了具有光转换器件的基于激光器的光源的第一实施例的基本原理图；

图2示出了具有光转换器件的基于激光器的光源的第二实施例的基本原理图；

图3示出了具有光转换器件的基于激光器的光源的第三实施例的基本原理图。

在附图中，相同的附图标记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示出了包括光转换器件130的基于激光器的光源100的第一实施例的基本原理图。包括蓝宝石板的透明冷却元件139借助于反射侧结构132胶合到衬底131，衬底131充当散热器。反射侧结构132覆盖光转换器134的一个或多个侧表面，并且包括硅树脂，其充当透明冷却元件139的胶。胶被“填充”有散射颗粒，例如TiO_x，其颗粒直径为~100nm至几μm。胶被分配在光转换器134（磷光体）周围并且就地固化，使得在光转换器134和透明冷却元件139之间存在去耦结构138。去耦结构138在这种情况下是间隙，其避免对光转换器134发射的光在透明冷却元件139内的光引导。激光器110布置成发射蓝色激光10，蓝色激光10经由蓝宝石板139进入光转换器134（黄色磷光体石榴石），蓝宝石板139包括减反射涂层140，减反射涂层140避免在激光10和转换光20的波长范围内的光的反射。蓝色激光10的一部分被转换为黄色转换光20。经反射蓝色激光11（其已经在反射结构137处被反射，反射结构137是衬底131的抛光表面）和转换光20的混合物经由蓝宝石板139发射。因此，基于激光器的光源100被布置成发射包括经反射激光11和转换光20的这种混合物的白光。蓝宝石板139的尺寸被布置成使得在反射侧结构132中或在反射侧结构132处生成的大部分热量被消散，使得避免了反射侧结构132的损坏或退化。

图2示出了具有光转换器件130的基于激光器的光源100的第二实施例的基本原理图。光转换器件130包括同样充当散热器的衬底131。衬底131还包括反射结构137，反射结构137布置在例如由衬底131所包括的导热金属片和光转换器134之间。反射结构137是在激光10和转换光20的波长范围内反射的多层二向色滤光器和在二向色滤光器与金属片之间的银层的组合。光转换器134胶合到反射结构137。反射侧结构132沉积在光转换器134的侧表面处。反射侧结构132将透明冷却元件139直接地（冷却元件139和衬底131之间的直接结合）或间接地（经由光转换器134结合）结合或粘附到衬底131。冷却元件139包括支撑结构139a。支撑结构139a布置成限定光转换器134的光进入表面和垂直于光进入表面的冷却元件139之间的距离，使得在光转换器134和冷却元件139之间存在去耦结构138（气隙）。激光器110通过透明冷却元件139将激光10发射到光转换器134。激光10的一部分借助于光转换器134转换为转换光20，使得经反射激光11和转换光20的混合物通过透明冷却元件139发射。

图3示出了具有光转换器件130的基于激光器的光源100的第三实施例的基本原理图。光转换器件130与关于图2描述的光转换器件130的不同之处在于支撑结构139a是单独的结构。光转换器件130还与光学元件151组合以便构建发光元件。光学元件151（例如蓝宝石圆顶）借助于结合层150结合到冷却元件139。结合层150可以是布置在冷却元件139和光学元件151之间的一层胶或粘合剂。去耦结构138包括硅树脂材料，其折射率等于或小于结合层150的材料的折射率，使得由透明冷却元件139接收的基本上所有的转换光20和经反射激光11经由结合层150离开透明冷却元件139，以便借助于光学元件151准直。光学元件151（蓝宝石圆顶）具有比光转换器134更大的直径（例如5倍或甚至10倍），使得基本上所有经反射激光11和转换激光20都通过蓝宝石圆顶。由激光器110发射的激光10在进入光转换器134之前通过光学元件151（蓝宝石圆顶）、结合层150、冷却元件139和去耦结构138。

虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应被认为是说明性或示例性的而非限制性的。

通过阅读本公开，对于本领域技术人员而言，其他修改将是清楚的。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”或“一个”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并不表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 经反射激光

20 转换光

100 基于激光器的光源

110 激光器

130 光转换器件

131 衬底

132 反射侧结构

134 光转换器

137 反射结构

138 去耦结构

139 冷却元件

139a 支撑结构

140 减反射涂层

150 结合层

151 光学元件

Claims

1.一种光转换器件（130），包括：

- 光转换器（134），其中所述光转换器（134）适配成将激光（10）转换为转换光（20），其中所述转换光（20）的峰值发射波长处于比所述激光（10）的激光峰值发射波长更长的波长范围内，其中所述光转换器（134）包括光进入表面、与所述光进入表面相对的结合表面和侧表面；

- 包括反射结构（137）的衬底（131），其中所述光转换器（134）布置在所述衬底（131）上，用于借助于所述反射结构（137）反射激光（10）和转换光（20）；

- 反射侧结构（132），其光学耦合到所述光转换器（134）的所述侧表面，用于借助于所述反射侧结构（132）反射激光（10）和转换光（20）；

- 附接到所述反射侧结构（132）的冷却元件（139），用于冷却所述反射侧结构（132），其中所述冷却元件（139）包括在所述激光（10）的波长范围和所述转换光（20）的波长范围内透明的材料，并且其中所述冷却元件（139）布置在所述激光（10）的光路、经反射激光（11）的光路和所述转换光（20）的光路中，以及

- 去耦结构（138），其中所述去耦结构（138）布置在所述光转换器（134）和所述冷却元件（139）之间，并且其中所述去耦结构（138）布置成避免在所述冷却元件（139）中对所述经反射激光（11）和所述转换光（20）的光引导。

2.根据权利要求1所述的光转换器件（130），其中所述去耦结构（138）包括所述光转换器（134）和所述冷却元件（139）的彼此面对的表面中的至少一个的表面粗糙度，使得这些面对的表面中的小于5％彼此接触。

3.根据权利要求1所述的光转换器件（130），其中所述去耦结构（138）包括在所述光转换器（134）和所述冷却元件（139）之间的气隙或去耦材料，并且所述气隙或所述去耦材料的折射率等于或小于邻接所述冷却元件（139）的与所述冷却元件（139）的面向所述光转换器（134）的表面相对的表面的材料的折射率。

4.根据权利要求1或2所述的光转换器件（130），其中所述反射侧结构（132）包括在所述激光（10）的波长范围和所述转换光（20）的波长范围内透明的基质材料，其中所述基质材料包括分散在所述基质材料中的反射颗粒，其中所述反射颗粒在所述激光（10）的波长范围和所述转换光（20）的波长范围内是反射的，其中所述基质材料设置在所述光转换器（134）的所述侧表面上，并且其中所述冷却元件（139）借助于所述基质材料结合到所述衬底（131）。

5.根据权利要求4所述的光转换器件（130），其中所述基质材料包括硅树脂材料，并且其中所述反射颗粒包括氧化钛。

6.根据权利要求1或2所述的光转换器件（130），其中，所述冷却元件（139）包括蓝宝石的片。

7.根据权利要求1或2所述的光转换器件（130），其中所述冷却元件（139）包括减反射涂层（140），用于降低其对所述激光（10）和所述转换光（20）的反射率。

8.根据权利要求1或2所述的光转换器件（130），其中，所述冷却元件（139）包括支撑结构（139a），其中所述支撑结构（139a）被布置成限定所述光转换器（134）的所述光进入表面和垂直于所述光进入表面的所述冷却元件（139）之间的距离。

9.一种发光元件，包括根据权利要求3所述的光转换器件（130），所述发光元件还包括光学元件（151），其中所述光学元件（151）借助于结合层（150）机械地耦合到所述冷却元件（139），其中所述结合层（150）具有与所述气隙或所述去耦元件的折射率相同或更大的折射率。

10. 一种基于激光器的光源（100），包括：

- 根据权利要求1-8中任一项所述的光转换器件（130）或根据权利要求9所述的发光元件，以及

- 激光器（110），其中所述激光器（110）适配成发射激光（10）。

11.一种车辆前灯，包括至少一个根据权利要求10所述的基于激光器的光源（100）。