CN110050224A

CN110050224A - 具有角度和波长选择性涂层的光转换器件

Info

Publication number: CN110050224A
Application number: CN201780077654.6A
Authority: CN
Inventors: S.佐茨戈尼克
Original assignee: Lumileds Holding BV
Current assignee: Lumileds Holding BV
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2019-07-23
Also published as: WO2018108744A1; US20190390832A1; US10883687B2; JP2020502572A; EP3555690A1

Abstract

本发明描述了光转换器件（130），包括：‑光转换器（132），其中光转换器（132）适配成将原始光（10）转换为转换光（20），其中转换光（20）的峰值发射波长处于比原始光（10）的峰值发射波长更长的波长范围内，‑附接到光转换器（132）的前表面的至少一部分的反射结构（134），其中前表面限定光转换器件（130）的光发射表面（131），其中反射结构（134）布置成反射转换光（20）的限定部分，其中转换光（20）的限定部分的特征在于高于阈值波长的波长，并且‑其中光转换器件（130）布置成经由光发射表面（131）发射转换光（20）的限定部分的至少一部分，使得经由光发射表面（131）发射的光的色点被移位到比在没有这个部分的发射的情况下获得的波长范围更长的波长范围。本发明还描述了包括这种光转换器件（130）的基于激光器的光源（100），以及包括至少一个这种基于激光器的光源（100）的车辆前灯。

Description

具有角度和波长选择性涂层的光转换器件

技术领域

本发明涉及光转换器件和包括光转换器件的基于激光器的光源。本发明还涉及包括基于激光器的光源的车辆前灯。

背景技术

US20110044046A1公开了基于高亮度磷光体的光源，其中磷光体被激光器激发，并且使用衍射光学元件，其使有限锥角的光通过并反射高角度光以用于增强所传递光的亮度。

基于磷光体（光转换器）的白色光源的颜色基于磷光体的（黄色）发射光谱和泵浦源的（蓝色）光谱。混合只可以在这两个色点之间应用。因此，磷光体的色点决定了白色光源发射的白光的质量。此外，磷光体的热性质可能限制磷光体色点的适应性。

发明内容

本发明的目的是提供一种光转换器件，其能够实现由该光转换器件包括的光转换器的色点校正。在独立权利要求中描述了本发明。从属权利要求包括优选实施例。

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。光转换器适配成将原始光转换为转换光，其中转换光的峰值发射波长处于比原始光的峰值发射波长更长的波长范围内。光转换器件还包括附接到光转换器的前表面的至少一部分的反射结构。前表面限定光转换器件的光发射表面。反射结构布置成反射转换光的限定部分。转换光的限定部分的特征在于高于阈值波长的波长。光转换器件被布置成经由光发射表面发射转换光的限定部分的至少一部分，使得经由光发射表面发射的光的色点被移位到比在没有这个部分的发射的情况下获得的波长范围更长的波长范围。

基于光转换器的白色光源的颜色基于磷光体的（黄色）发射光谱和泵浦源的（蓝色）光谱。混合只可以在这两个色点之间应用。一些磷光体的色点太偏绿。同样，具有更好色点的磷光体的热学行为通常不那么好。在许多应用中，在半球（圆顶）用作光转换器附近的光学元件的情况下，由于所使用的其他光学器件的限制（准直透镜和反射器具有有限的孔径），仅发射到半球的中心部分的光用于照明目的。如果未在半球的中心部分中直接发射的光的一部分被反射回到磷光体中，则它可以被“再循环”以增加半球的所使用的中心部分中的发光输出。被反射回磷光体的此光的光谱的一部分可用于影响由光转换结构发射的光的色点。如果仅长波长（红色）部分被再循环，则例如偏绿磷光体的颜色可以移位到更黄的方向，以便例如改善由这种光源发射的白光的质量。

泵浦源可以是例如发光二极管（LED）或激光器，尤其是发射第一波长范围内的光的半导体激光器。第一波长范围优选地在蓝色波长范围内。光转换器包括光转换材料，如黄色石榴石磷光体YAG:Ce (例如 Y_(3-0.4)Gd_0.4Al₅O₁₂:Ce)，其被布置成将蓝光转换成黄光。反射结构主要将转换光的长波长（例如红色）部分的至少一部分反射回到光转换器中。反射回的转换光的较长波长部分获得第二（第三、第四等）机会，以经由光发射表面离开光转换器。经由光发射表面发射的较长波长处的附加或再循环光将由光转换器件发射的光的色点移位到更长（例如更偏红）的波长范围。反射结构的反射性质可以适配于泵浦光源的发射光谱和由光转换器件所包括的光转换器的光转换性质。

转换光的限定部分可以包围与垂直于光发射表面的光轴成至少阈值角度的角度。

反射结构的波长依赖反射率可取决于在反射结构处接收转换光的角度。可以取决于孔径而被下游光学器件或照明应用中的元件接收的基本上所有光可以在没有反射的情况下通过反射结构，使得基本上没有损失光。包围与光轴成至少阈值角度（该阈值角度优选地对应于光学器件的孔径）的、在阈值波长处及高于阈值波长的光主要被反射。即使以大于阈值角度的角度被接收，低于阈值波长的光也可以主要通过反射结构。

例如，反射结构可以布置成使得阈值波长处的反射率随着转换光和光轴之间包围的角度增加而增加。

在这种情况下，反射结构的反射率取决于限定波长处的入射光在反射结构处被接收的角度。

例如，反射结构可以布置成使得在高于阈值波长的波长范围内的转换光的反射率比在阈值波长处的反射率增加得更快。

在这种情况下，反射结构的反射率取决于入射光的波长。入射光的波长越长，反射率增加得越快。

例如，反射结构可以布置成使得在低于阈值波长的波长范围内的转换光的反射率比在阈值波长处的反射率增加得更慢。

波长低于阈值波长的光然后以大于阈值角度的角度、比在阈值波长处的光更容易地离开光转换器件。因此，此光不获得第二或进一步机会在半球的可以如上所述用于下游照明系统中的部分内离开光发射表面。

例如，反射结构可以布置成在阈值波长处反射至少50％，其中阈值波长是650nm并且阈值角度是60°。

例如，反射结构可以包括二向色反射镜。包括具有不同折射率的多个层的二向色反射镜可用于提供上述波长或角度依赖的反射率。可以借助于层的数量、层的厚度以及层的折射率来定制反射率，以便提供所需的反射率，该反射率取决于泵浦光源发射的光、光转换器的材料或者泵浦光相对于光转换器的几何布置。

可替代地，反射结构可以被布置成使得转换光的至少一部分经由光转换器的前表面发射而不穿过反射结构。

例如，反射结构可以具有开口。开口可以在光发射表面中限定窗口，通过该窗口，转换光可以离开光转换器而不穿过反射结构。

反射结构可以布置成使得在低于阈值波长的波长范围内的转换光以第一反射率被反射。反射结构还被布置成使得在高于阈值波长的波长范围内的转换光以大于第一反射率的第二反射率被反射。

例如，第一反射率可以小于50％，并且其中第二反射率大于50％。例如，反射结构可以是薄金属层，诸如金层，其设置在光转换器的前表面上，使得存在限定如上所述的窗口的开口。金的反射率随着波长的增加而增加。在约520nm的波长处，金的反射率为50％，并且随着波长的增加至至少1200nm的波长而增加。在低于520nm的波长处的金的反射率在320nm处降低至约32％。

根据上述任何实施例的光转换器件还可包括反射器。反射器可以布置成反射原始光的一部分。

例如，原始光可以是激光峰值发射波长为450nm的激光。反射器可以布置成反射约21％的蓝色激光。借助于转换器件将剩余的蓝色激光转换成黄色转换光，该转换器件在这种情况下包括黄色磷光体石榴石（YAG:Ce）。这在考虑到例如磷光体中的斯托克斯损耗的情况下能够实现26％蓝色激光和74％黄色转换光的预期比率。反射器可以布置在光转换器的前表面处，使得经反射原始光不进入光转换器。可替代地或附加地，反射器可以布置在光转换器的后表面处，使得经反射原始光经由光发射表面离开光转换器。

光转换器件还可包括反射侧结构。反射侧结构可以布置成反射特征在于高于阈值波长的波长的转换光。反射侧结构可以布置成支撑反射结构，以便借助于光转换器件提供定制的色点。可替代地，反射侧结构可以布置成反射光谱的可见范围内的所有光，以便限制或降低经由（多个）侧表面的光学损失。

光转换器件可包括散射结构。散射结构被布置成散射转换光的限定部分，使得转换光的限定部分的一部分经由光发射表面发射。

散射结构可以支持转换光的一部分的重定向，使得例如由反射结构反射的转换光相对于反射结构的入射角改变，使得转换光的限定部分可以在半球内离开光转换器件，这可用于照明应用。散射结构可以包括光转换器中的散射元件（例如，颗粒）或可以设置在光转换器的一个或多个侧表面或后表面处的散射层。

可替代地或附加地，反射结构可以布置成漫反射转换光。

根据第二方面，提供了一种基于激光器的光源。

基于激光器的光源包括：

- 至少一个激光器，其中至少一个激光器适配成发射激光，

- 根据上述任何实施例的光转换器件，其被布置成如上所述地转换激光。

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

基于激光器的光源还可以包括反射器，该反射器被布置成反射激光的一部分，使得从光发射表面发射经反射激光。经由光发射表面发射的转换光的限定部分的一部分被布置为校正包括反射激光和转换光的白色光点。

基于激光器的光源还可以包括光学器件，其中光学器件的孔径限定阈值角度。

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。

用于前照明的汽车前灯的白点优选地特征在于5700K的相关色温（CCT）或约0.48的v'色点。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5700 K范围。可替代地，或许也可以使用6000K的色温。包括如上所述的基于激光器的光源的车辆前灯可以支持提供高质量的白光。

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。

其他有利实施例在下文限定。

附图说明

根据下文描述的实施例本发明的这些和其他方面将是清楚的，并将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示出了包括第一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示出了包括第二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示出了二向色反射镜的角度依赖反射率。

图4示出了包括第三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示出了包括激光器110和第一光转换器件130的基于激光器的光源100的第一实施例的基本原理图。第一光转换器件130包括具有后表面135的光转换器132和附接到光转换器132的前表面的反射结构134。激光器110将原始光10（蓝色激光）发射到光转换器件130。蓝色激光的一部分被反射结构134反射，使得经反射原始光12从光转换器件130的光发射表面131发射。光发射表面131是反射结构134的外表面，其中反射结构134的另一个表面附接到光转换器132的前表面。蓝色激光的一部分进入光转换器并转换成转换光20。转换光20以各种角度到达反射结构134。高于阈值波长（例如，高于650nm）的转换光的部分相对于垂直于光发射表面131的光轴30以大于阈值角度5（例如55°）的角度到达反射结构134。以大于阈值角度5的角度到达反射结构134的高于阈值波长的转换光的大部分22（例如60％）被反射结构134反射。以相同角度入射在反射结构134上的低于阈值波长的转换光20的大部分（例如70％）穿过反射结构134。因此，高于阈值波长的经反射转换光22获得第二或进一步机会在光发射表面131上的半球（未示出）的由围绕光轴30的阈值角度5限定的部分内离开光发射表面131。可以通过在光转换器132内或在光转换器132的表面中的一个处散射光来增加可能性。

图2示出了包括激光器110和第二光转换器件130的基于激光器的光源100的第二实施例的基本原理图。总体配置非常类似于关于图1所讨论的实施例。在这种情况下，反射结构134是二向色反射镜，其包括以交替顺序具有高折射率和低折射率的薄层的堆叠。反射结构134在原始光10的波长范围内基本上是透射的。光转换器件130还包括附接到光转换器132的后表面的散热器140和附接到光转换器132的侧表面的反射侧结构138。附接到光转换器132的散热器140的表面以及反射侧结构138布置成漫反射可见波长范围内的光。基于激光器的光源100还包括光学器件150，例如会聚透镜，其中光学器件150的光轴与垂直于光转换器件130的光发射表面131的光轴130重合。会聚透镜150的孔径在这种情况下限定阈值角度5。如关于图1所描述的，反射结构134布置成反射高于阈值波长的转换光20。

图3示出了二向色或电介质反射镜的角度依赖反射率。二向色反射镜是如关于图1或图2所讨论的反射结构134。纵坐标210表示反射率（平均反射率），并且横坐标220表示与光轴30的角度。曲线222示出在450nm波长处的平均反射率。曲线224示出在630nm波长处的平均反射率。在630nm波长处的反射率或平均反射率对于50°和85°之间的角度显著高于在450nm波长处的反射率或平均反射率。因此，二向色反射镜将显著更多的在630nm波长处的光反射回到光转换器132中，使得经再循环的较长波长光（转换光）可用于将光转换器件130发射的光的色点移位到更长的波长范围。在这种情况下，二向色反射镜包括17层的堆叠，包括氧化硅（SiO₂）和氧化铌（Nb₂O₅）的薄层。交替层序列如表1中所给出：

序号	材料	厚度[nm]

1	SiO<sub>2</sub>	1014
			2	Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	11979
3	SiO<sub>2</sub>	20347
			4	Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	11864
5	SiO<sub>2</sub>	17985
			6	Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	9188
7	SiO<sub>2</sub>	16314
			8	Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	9034
9	SiO<sub>2</sub>	15571
			10	Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	9212
11	SiO<sub>2</sub>	15219
			12	Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	9111
13	SiO<sub>2</sub>	15628
			14	Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	9189
15	SiO<sub>2</sub>	15452
			16	Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	10078
17	SiO<sub>2</sub>	18855

表1：左列示出了层的序列号，其中第一层附接到光转换器132；中间列示出了材料；并且右列示出了各层的厚度。

可以借助于例如具有对应适配的层厚度的氧化硅（SiO₂）和氧化钛（TiO₂）的交替层的层序列而生成类似的角度依赖性以在较长波长处获得高反射率并且增加入射角。可以使用多种其他材料组合以便制造这种多层堆叠。层的材料和厚度可以取决于光转换器132的材料。

图4示出了包括激光器110和第三光转换器件130的基于激光器的光源100的第三实施例的基本原理图。第三光转换器件134包括YAG:Ce光转换器132，反射后结构136附接到光转换器132的后表面。第三光转换器件130还包括附接到光转换器132的前表面的反射结构134。激光器110向光转换器件130发射原始光10（蓝色激光）。蓝光激光10的一部分被反射后结构136反射，使得经反射原始光12在穿过光转换器132之后从光发射表面131发射。蓝色激光经由光转换器132的前表面进入光转换器132并被转换成转换（黄色）光20。反射结构134包括薄金层，其附接到光转换器132的前表面的一部分使得存在一开口，通过该开口，转换光20和经反射原始光12可以离开光转换器132而不与反射结构134相互作用。反射结构134中的开口（可以例如是圆形开口）限定光发射表面131。高于阈值波长（例如，600nm的阈值波长）的转换光20到达薄金层134，使得超过90％的这种光被反射回到光转换器132中。入射在反射结构134的低于例如500nm的阈值波长的转换光20的大约65％可以被吸收。因此，高于阈值波长的经反射转换光22获得第二或进一步机会来离开光发射表面131。

图中所示的激光器110可以由另一泵浦光源（如，例如LED）代替。激光器110或更一般地泵浦光源也可以布置成使得原始光10经由光转换器132的侧表面或后表面由光转换器132接收。例如，在图2中，可以布置激光器110使得由激光器110发射的原始光10经由光转换器132的后表面（例如，经由散热器140中的孔）进入光转换器132，并且原始光10的一部分（例如，蓝色激光）可以穿过光转换器132以经由附接到光转换器132的前表面的反射结构134发射。

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：

5 阈值角度

10 原始光

12 经反射原始光

20 转换光

22 高于阈值波长的转换光

30 光轴

100 基于激光器的光源

110 激光器

130 光转换器件

131 光发射表面

132 光转换器

134 反射结构

136 反光后结构

138 反射侧结构

140 散热器

150 光学器件

210 表示反射率的纵坐标

220 表示与光轴30的角度的横坐标

222 在450 nm处的平均反射率

224 在630 nm处的平均反射率

Claims

1.一种光转换器件（130），包括：

- 光转换器（132），其中所述光转换器（132）适配成将原始光（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原始光（10）的峰值发射波长更长的波长范围内，

- 附接到所述光转换器（132）的前表面的至少一部分的反射结构（134），其中所述前表面限定所述光转换器件（130）的光发射表面（131），其中所述反射结构（134）被布置成反射所述转换光（20）的限定部分，其中所述转换光（20）的限定部分的特征在于高于阈值波长的波长，并且

- 其中所述光转换器件（130）被布置成经由所述光发射表面（131）发射所述转换光（20）的限定部分的至少一部分，使得经由所述光发射表面（131）发射的光的色点被移位到比在没有这个部分的发射的情况下获得的波长范围更长的波长范围。

2.根据权利要求1所述的光转换器件（130），其中，所述转换光（20）的限定部分包围与垂直于所述光发射表面（131）的光轴（30）成至少阈值角度（5）的角度。

3.根据权利要求1或2所述的光转换器件（130），其中，所述反射结构（134）被布置成使得所述阈值波长处的反射率随着所述转换光（20）与光轴（30）之间包围的角度的增加而增加。

4.根据权利要求3所述的光转换器件（130），其中，所述反射结构（134）被布置成使得在高于所述阈值波长的波长范围内的反射率比在所述阈值波长处的反射率增加得更快。

5.根据权利要求3所述的光转换器件（130），其中，所述反射结构（134）被布置成使得在低于所述阈值波长的波长范围内的反射率比在所述阈值波长处的反射率增加得更慢。

6.根据权利要求2所述的光转换器件（130），其中，所述反射结构（134）被布置成在所述阈值波长处反射至少50％，其中所述阈值波长为650nm并且所述阈值角度为60°。

7.根据权利要求1或2所述的光转换器件（130），其中，所述反射结构（134）包括二向色反射镜。

8.根据权利要求1或2所述的光转换器件（130），其中，所述反射结构（134）被布置成使得所述转换光（20）的至少一部分经由所述光转换器（132）的前表面发射而不穿过所述反射结构（134）。

9.根据权利要求8所述的光转换器件（130），其中所述反射结构（134）具有开口，其中所述开口在所述光发射表面（131）中限定窗口，通过所述窗口所述转换光（20）可以离开所述光转换器（132）而不穿过所述反射结构（134）。

10.根据权利要求8所述的光转换器件（130），其中，所述反射结构（134）被布置成使得在低于所述阈值波长的波长范围内的转换光（20）以第一反射率被反射，并且其中所述反射结构（134）还被布置成使得在高于所述阈值波长的波长范围内的转换光（20）以大于所述第一反射率的第二反射率被反射。

11.根据权利要求10所述的光转换器件，其中所述第一反射率小于50％，并且其中所述第二反射率大于50％。

12.根据权利要求1或2所述的光转换器件（130），其中所述光转换器件（130）包括散射结构，所述散射结构被布置成散射所述转换光（20）的限定部分，使得所述转换光（20）的限定部分的一部分经由所述光发射表面（131）发射。

13. 一种基于激光器的光源（100），包括：

- 至少一个激光器（110），其中所述至少一个激光器（110）适配成发射所述原始光（10），以及

- 根据前述权利要求中任一项所述的光转换器件（130）。

14.根据权利要求13所述的基于激光器的光源（100），还包括：

- 光学器件（150），其中所述光学器件（150）的孔径限定所述阈值角度（5）。

15.一种车辆前灯，包括至少一个根据权利要求13或14所述的基于激光器的光源（100）。