CN112180656B - 具有光致发光发射器的光源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光源(1)，其包括激光器(3)和转换器组件(5)，能操作激光器(3)以发射出波长在460纳米至470纳米范围内的激光，转换器组件(5)布置为吸收激光器(3)发出的激光并发射由激光产生的光致发光的光，光致发光的光的波长比激光更长，其中，转换器组件(5)包括转换器元件(7)，转换器元件(7)包括掺杂有Eu3+的陶瓷，使得在激光的照射下转换器组件(5)发射出红色光谱范围内的光致发光的光。

Description

具有光致发光发射器的光源
技术领域
本发明总体上涉及通过光致发光产生光的光源。
背景技术
现代的基于LED的光源(例如白色光源)基于发射蓝光的发光二极管，其发射的光利用光致发光转换器而部分转换为黄光。光致发光转换器也称为磷光体、光转换器、荧光转换器或简称为转换器。黄光与其余蓝光的组合产生了白光的效果。最主要的光转换器是掺杂铈的YAG(Ce：YAG；YAG＝钇铝石榴石)，但是由于其发射光谱中红色部分很少，因此只能提供较差的显色指数。这个缺点可以通过发射红光的转换器来克服。然而，目前还没有一种红色转换器可以提供掺杂铈YAG在效率、性能稳定性、热稳定性、蓝光吸收和价格方面的所有良好性能。
表现出良好的量子效率和可接受的稳定性的一类红光转换器包括掺杂Eu3+的钼酸盐、钒酸盐、钨酸盐和钽酸盐。这些化合物还包含至少一种以下元素：镧、铽、钆、钇和镥，并且掺入Eu3+则是由Eu取代一定百分比的这些元素，该百分比可以高达100％。
下面将以(Y0.5Eu0.5)2Mo3O12：Eu3+为例讨论该材料类别的主要特性。对于照明应用而言特别令人关注的是Eu3+跃迁7F0→5D2(在465nm处激发)和5D0→7F2(在610nm和630nm之间发射)，因为此激发发生在可用的发光二极管和激光二极管的波长处，并且由于眼睛的灵敏度仍然适合红光发射：CIE 2°观察者的亮度灵敏度曲线V(λ)在620nm处的值为260lm/W。这是人眼对555nm波长的绿光的最大灵敏度683lm/W的38％。在640nm处，灵敏度已低至120lm/W或绿色灵敏度的17.5％。
然而，当这种磷光体用于白光LED时，出现的问题是仅吸收了由蓝色LED发射的光的一小部分，从而这种发光二极管组件的效率非常差。效率度量包括，例如，电光转换效率、光学效率或发光效率。
电光转换效率使有用的光输出(此处为红光输出)与蓝色LED消耗的电功率相关。
光学效率使有用的光输出(此处为红光输出)与所用LED的光输出有关。发光效率是指以流明(lm)为单位测量的光度光通量与所用发光二极管的光功率之比。
蓝色吸收差的原因是吸收的线宽较窄，仅使用了发光二极管的约25nm宽蓝光谱的一小部分。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有高亮度和高效率的光源，其发射红光或包含红色光谱成分的光。与基于Ce：YAG的白光源相比，红色光谱成分尤其可以提高显色指数。
本发明所基于的构思是这样一种光源，其中使用激光激发掺杂Eu3+的无机(例如陶瓷)磷光体。本发明的主题在独立权利要求中详细说明。在从属权利要求中规定了有利的实施方式。因此，本发明提供一种光源，其包括激光器，该激光器可操作以发射波长在460纳米至470纳米范围内的激光。特别优选地，波长在465nm±2nm的范围内。该光源还包括转换器组件，该转换器组件适于吸收由激光器发射的激光并且发射由该激光产生的并且具有比该激光更长的波长的光致发光的光，该转换器组件包括掺有Eu3+的无机转换器元件，使得在该激光照射下，该转换器发出红色光谱范围内的光致发光的光。因此，该转换器元件也可以称为发光无机元件。
转换器组件的配置确定了例如这是否是将激发光在发射有用光的同一侧入射的漫反射(remissive)布置，或者这是否是激发侧和有用光侧为无机转换器元件的不同侧的透射布置。
通过使用窄带激光器激发掺杂Eu3+的磷光体，而不是线宽为20-30nmFWHM的宽带宽LED，可以克服现有技术的几个缺点：
-由于激光器提供了高辐照度的激发，因此与LED激发相比，可以获得明显更高的亮度。
-由于以无机发光转换器元件的形式，激光器的窄光谱分布很好地适合于掺杂Eu3+的磷光体的窄激发带，因此确保了激发光的良好吸收。
-高亮度水平所需的高辐照度意味着转换器的温度升高，这是由热损耗(例如，由于斯托克斯位移或非理想的量子效率)以及必须从转换器材料中散发具有高热流密度的热流引起的。本发明提出的无机转换器比将磷光体例如以粉末形式嵌入聚合物中的转换器组件明显更好地适合于该目的，在这种情况下，后者则决定了装置的(不良)热导率。与具有有机成分的转换器相比，无机转换器对高温引起的损坏也具有更高的阈值。无机转换器优选是陶瓷转换器，但是也可以由玻璃陶瓷、玻璃、烧结玻璃粉末、具有嵌入的转换器颗粒或具有嵌入的磷光体粉末的玻璃或由无机材料(例如，氧化涂层)固定的转换器颗粒制成。
合适的掺杂Eu3+的陶瓷材料包括，例如，(Y1-xEux)2Mo3O12、(Y1-xEux)2Mo4O15、Li3Ba2(La1-xEux)3(MoO4)8、K(Y1-xEux)(WO4)2、Li(Y1-xEux)(WO4)2、Na(Y1-xEux)(WO4)2、MgY2-xEux(WO4)4、CaY2-xEux(WO4)4、Ca1-2xEuxLixWO4。这些材料可以容易地制成发光陶瓷元件。其中Eu3+离子的主晶格为白钨矿晶格的陶瓷材料是特别合适的。具有四方晶体结构的主晶格是特别合适的。
由于对于掺杂Eu3+的转换器，光致发光的寿命通常约为1ms，因此这些转换器特别适用于静态应用。但是，此处不排除它们在转换器轮中的使用。
在转换器轮的情况下，将光致发光材料应用到旋转的载盘上，从而促进转换器组件的冷却。激发光通过高孔径光学元件激发通用设计的转换器，该光学元件也用于收集光致发光的光。但是，如果光致发光的生命期明显长于被激发的转换器区域移出照射和收集光学系统范围之外的时间，则不会收集到部分的发光的光。可选地，可以通过适当适配的光学器件或较低的切向速度来抵消这种影响。
在静态应用中，转换器不会移动。然而，为了确保良好地散发在光转换过程中产生的热，转换器元件有利地良好地联接至散热器或热沉。散热器可以例如由展现出良好导热性的材料制成，例如由诸如铜或铝的金属制成，或者可以由诸如氧化铝的陶瓷制成。
转换器材料的表面被分为有用光区域和无效光区域。
从有用光区域发出的光被递送以被利用，例如在数字投影仪或聚光灯中被利用。为了还利用入射在表面的无效光区域上的光，无效光区域可以至少部分地镜面反射或者被漫反射或镜面反射的反射器包围。
为此目的，散热器的界面被有利地设计成可漫反射或镜面反射。转换器元件的表面的哪些区域限定有用光区域和无效光区域还取决于转换器组件的类型。如果将转换器组件设计为以漫反射(remission)方式工作，则激发出激发光的激光会照射到有用光区域上。为了进行透射操作，有用光区域和激光照射区域是不同的表面区域。
下面将参考附图更详细地解释本发明。
附图说明
图1示意性地示出了由蓝色发光二极管照射的转换器的漫反射的强度分布。
图2示意性地示出了包括转换器并且激光波长稳定的光源的构造。
图3示出了具有波长稳定性的光源的另一实施方式。
图4示出了由红光发射转换器跨越的颜色空间。
图5示出了由蓝色激光束激发的样品的发射光谱。
图6示出了由蓝色发光二极管激发的样品的发射光谱。
图7示出了与由蓝色激光二极管激发的掺杂铈的YAG陶瓷相比，由相同的蓝色激光二极管激发的样品的发射光谱。
图8示出了由相同的蓝色激光二极管激发的两种不同地掺杂Eu3+的陶瓷的发射光谱的比较。
图9示出了具有散热器、抗反射涂层和用于增强有用的光输出的反射器的静态转换器组件的不同构造。
图10示出了由紫色光跨越的颜色空间。
图11示出了当使用准直透镜时从正面激发的转换器组件的不同构造。
图12示意性地示出了三芯片投影仪的构造。
具体实施方式
图1示意性地示出了由蓝色发光二极管激发的掺杂Eu3+的陶瓷转换器的漫反射光谱。光谱的所示部分在蓝色光谱范围内，并且基本上包括发光二极管的在转换器处散射回去的蓝色激发光。发光二极管的光谱表示为光谱中的宽峰。在图1的光谱中可以看到在约465nm处的窄下降部，标记为“A”，其几乎达到了基态能级(ground level)，表明对于465nm处的吸收线，吸收率为照射功率的90％以上。因此，原则上，在掺杂Eu3+的材料中蓝光的吸收还不错。相反，该图显示，与LED的相当宽的光谱相比，Eu3+离子的吸收带较窄，意味着LED光的总吸收较低，因此光致发光激发效果差，导致光学效率低。
本发明通过使本征窄带激光器与Eu3+离子的窄吸收光谱匹配来避免该缺点。周围介质对Eu3+离子的吸收光谱位置几乎没有任何影响。通常，吸收也发生在大约465nm处，这从图1中也可以看出。因此，根据本发明的另一实施例，使用了一种激光器，该激光器发射波长在460nm至470nm之间的波长范围内的激光。优选地，激光波长是465nm或465nm±2nm。
蓝色LED作为激发光源的另一个缺点是其辐射或辐射通量比激光器低几个数量级。因此，基于LED的磷光体转换光源的缺点是它们的亮度低，其亮度要比用激光激发的陶瓷转换器可以实现的亮度低大约10倍。因此，提供了具有高亮度的磷光体转换器光源。以此方式，可以在与磷光体转换器LED相同的发射器面积下实现高光通量。
为了获得尽可能最高和最一致的发光效率、亮度和光通量，稳定激光器的波长并将其调整到Eu3+离子的吸收频率是有利的。
实际上，从技术的角度来看，将蓝色激光最精确地调谐到Eu3+跃迁7F0→5D2的465nm的吸收波长绝非易事。通常在应用中使用的二极管激光器的发射波长会因制造过程而异，并且还可能会随电流密度和温度而变化。
然而，具有465nm发射波长的二极管激光器是可商购的，并且可以用于激发掺杂Eu3+的发射红光的光致发光转换器，而无需进一步的波长稳定。这是特别合宜的，因为在实践中，二极管通常以先前已知的电流在有限的温度范围内工作。可选地，从生产批次中选择具有期望的激光波长的二极管激光器，以满足Eu3+跃迁7F0→5D2的吸收波长。
作为备选，根据本发明的另一实施方式，提供了用于稳定激光波长的装置。
为了避免激光器在操作期间移动或改变其激光波长，根据一个实施例，可以使用由外部光栅稳定的激光器。图2示意性地示出了本发明的包括稳定器9的实施例，其中，衍射光栅91被用作稳定器9或其部件。由激光器3发射的激光束30被引导到转换器组件5的发光无机转换器元件7上。转换器组件5发射光50，取决于构造，该光50除了红色光致发光的光之外还包括初级光的成分，即蓝色激光。尤其通过初级激光束30的光的散射来产生混合的激光。衍射光栅91布置在激光束30的光路中，并且布置成使得具有更高衍射级的激光被反馈到激光器腔中。为此，在所示示例中，光栅91相对于激光束30倾斜地布置。通过相对于激光束30定向光栅，即以其角度定向，可以选择反馈波长，并且可以将激光发射稳定到该波长。根据一个实施例，光栅91被定位成使得照射的光的波长在465nm±2nm范围内。
根据另一实施例，提出了对激光波长的有源环路控制，其使用光源的环路控制电路将激光稳定到Eu3+的吸收波长。可以通过调节对光的波长有影响的参数来实现环路控制。这样的参数之一是激光器的温度。例如，通过调节激光器的温度，可以实现最大吸收的优化。
图3示意性地示出了为此目的的示例性构造。用于稳定波长的装置9包括环路控制电路11，以及与环路控制电路11连接的加热元件13，和至少一个光检测器15。如图所示，光检测器15例如可以包括光电二极管或光电晶体管。控制环路控制电路的一种简单方法是测量转换器5发射的红光或转换器5散射回的蓝光。然后，环路控制电路驱动激光器3，使红光的发射达到最大或使蓝光的反向散射变得最小。为此目的，在所示实施例中，使用加热元件13来调节激光器3的温度，以便将波长改变为最大吸收值，通常为465nm±2nm。
更一般地，不限于所示出的具体示例，根据本发明的一个实施例，可预期的是装置9包括用于调节激光器3的温度的加热元件13。
通常在465nm处激发的掺杂Eu3+的发射红光的转换器元件7可以有利地用于数字投影，因为该发射的色坐标非常适合于限定用于投影的颜色空间的红色顶点。这在图4中进行了例示，对于虚拟投影仪，其RGB彩色通道由掺杂Eu3+的磷光体、LuAG磷光体和465nm的激光器来提供(图4，颜色范围“B”)。特别地，红色和蓝色顶点几乎理想地包括数字投影的广泛使用的Rec709标准颜色空间(图4，颜色范围“A”)。可以使用适当的滤色器将绿色顶点调整为标准的颜色空间规格。这方面，在465nm处激发也是有利的，因为这允许以50lm/W的蓝光的较高流明当量包围标准颜色空间。相比之下，450nm激光的流明当量仅为25lm/W的蓝光。
在由图2和图3的示例所图示的布置中，转换后的光从转换器元件7的被激光照射的同一表面发射。因此，这些是漫反射(remission)光源。通常，光源的实施例优选包括以漫反射方式工作的发光无机转换器元件。因此，在本发明的另一实施例中，光源被配置为以漫反射方式由发光无机转换器元件发射的光。然而，透射构造也是可行的。
已经对各种发射红光的陶瓷转换器材料进行了实验研究。下表概述了所检查材料的组成。
样品号 材料(主要相) 检测到的次要相 烧结前组分 烧结密度
202003 (Y0.5EU0.5)2Mo3O12) (Y0.5EU0.5)2Mo4O15) Y2O3、Eu2O3、MoO3 93％
202007 (Y0.5EU0.5)2Mo3O12) (Y0.5EU0.5)2Mo4O15) Y2O3、Eu2O3、MoO3 95％
202009 (Y0.5EU0.5)2Mo3O12) (Y0.5EU0.5)2Mo4O15) Y2O3、Eu2O3、MoO3 94％
202201 (Y0.5EU0.5)2Mo4O15) MoO3 Y2O3、Eu2O3、MoO3 95％
特别地，优选用于转换器的陶瓷材料包含作为活性元素的Eu3+，并且Eu3+的主晶格为白钨矿类型。不受限于表中的实例，适用于转换器的含Eu的化合物可更一般地包括钼酸盐、钒酸盐、钨酸盐或钽酸盐，优选地为陶瓷形式，并且优选地，这些化合物另外包含以下元素中的至少一种：镧、铽、钆、钇和镥。在此，根据该实施方式的一种改进方案，Eu以10％至100％之间的百分比，优选地以50％至100％之间的百分比，更优选地以70％至95％之间的百分比替换上述元素中的至少一种。
根据又一个实施方案，含发光Eu3+的材料可以是钼酸盐、钒酸盐、钨酸盐或钽酸盐，而该化合物另外包含以下元素中的至少一种：锂、钠、钾、镁、钙或锶。
转换器可以由单相陶瓷制成。如果转换器包括一个以上的相，则这些相可以包括上述化合物。
转换器尤其不包含MoO3、VO3、WO3或TaO3的任何残留物。
从上述样品中，将上表中所列的样品#202009用于实验验证本发明的方法。测量是在由样品制成的200μm厚的转换器上进行的。转换器放置在高反射镜板上。465nm激光的蓝光以30°的角度照射到转换器上。发射光强度在光谱上进行解析。使用的光谱仪是CAS140+，其测量头通过玻璃纤维束联接。
下表中显示的颜色坐标是根据指定光谱范围内测得的光谱确定的。这些测量结果证实可以实现具有紫色坐标的材料。
cx cy
蓝色 0.135 0.041
蓝色和红色 0.287 0.123
红色(λ>600nm) 0.684 0.316
这种样品发射的光谱在图5中示出。该光谱还包括波长约为465nm的散射初级光。
红色光谱的流明当量为292lm/W。这意味着红光发射的1W辐射通量相当于292lm/W的光度通量。转换效率，即发射的红光与输入功率之比估计为33lm/W。
图6显示了上表中列出的样品OC-202007的功率谱密度与波长的关系图。在这种情况下，样品由蓝色LED激发。如在图1中所示的示例，Eu3+的窄带吸收可以看作是在蓝色光谱范围内的尖锐的局部最小值。该测量结果证实了吸收波长的温度依赖性可以忽略。为此，将转换器放置在加热板上，并用蓝色LED发出的光照射。当加热到170℃时，转换器的吸收波长没有明显变化。
因此，如果所使用的激光二极管的波长不稳定，则可以仅通过激光器的温度来调节波长，无需考虑转换器的温度。对于市售的465nm激光二极管，测得的位移为0.052nm/K。
因此，通常，根据本发明的一个实施例提供一种数字投影仪，其包括根据本发明的光源1。根据另一个实施例，如在上面说明的示例中，除了包括掺杂Eu3+的陶瓷的发光无机转换器元件7，光源1的转换器5还可有利地包括当被激光器3照射时通过光致发光而发射绿光的元件。如前所述，LuAG，即镥铝石榴石，特别适合作为这种元件的发光材料。尤其是绿色发光元件也可以设置为陶瓷材料的形式。然而，特别是对于所提到的投影仪，还可以通过除了光致发光以外的其他方式产生绿光。因此，更一般地，根据本发明的一个实施例，可考虑光源1包括发射绿光的发射器，优选地为如上所述的元件的形式，该元件在被激光器3照射时通过光致发光发射绿光。
原则上，转换器可以以透射或反射方式工作。在反射构造中，通常有利的是将磷光体陶瓷设计为高度散射的，以使给定的蓝色激发点的发射点的横向增大最小。但是，特别是在材料对蓝光的吸收有限的情况下，这通常还与蓝光的强反向散射相关，因此也与蓝光的强漫反射相关。如果掺杂Eu3+的磷光体陶瓷被设计为高度散射的，例如通过引入孔或其他散射中心，红色发射颜色坐标与蓝光漫反射(remission)的结合可以为整个组件提供紫色发射颜色坐标。更一般地，根据本发明的一个实施例，相应地提供了转换器组件5，其包括发光无机转换器元件7，其包括掺杂有Eu3+的陶瓷，使得转换器5在暴露于激光时发射在红色光谱范围内的光致发光的光，并且，其中发光无机转换器元件7被设计为光散射的，以使得散射的蓝色激光与光致发光的红色光组合以产生发射的紫色光。
图7示出了作为波长的函数的功率谱密度(PSD)的光谱。在图7中示出了与掺杂铈的YAG磷光体的白黄色发射光谱17相比的紫色的Eu3+光致发光转换器的光谱16。在许多投影仪中，此磷光体的红色部分用于投影仪的红色通道。用于此目的的光谱的一部分由截止波长为600nm的理想化的边缘滤色器18示出。两个光谱都是在相同的激发光功率下捕获的。通过将与眼睛敏感度曲线加权的光谱进行积分，可以为两个光谱计算一个参数，该参数与以光度(lm)为单位的光度光通量成比例。比例常数由黄色参考样品的317lm/W的已知效能确定。这也可以计算出红色发射样品的效能。转换器的效能是样品发出的光度光通量，将其归一化为入射光功率，并以流明每瓦(lm/W)为单位进行测量。可以通过调整积分限值来计算红色(600nm-780nm)、绿色(475nm-600nm)或整个“黄色”(475nm-780nm)光谱范围的效能。由于转换材料的效率通常取决于样品温度和激发光的功率或光斑大小，因此本文中红色效能是针对在室温下具有约1mm的光斑尺寸和1-10mW的功率的测量而定义的。对于图7所示的示例，在465nm激光的3.5mW激发功率下确定以下效能值：
黄色效能[lm/W] 绿色效能[lm/W] 红色效能[lm/W]
波长范围 475nm-780nm 475nm-600nm 600nm-780nm
红色发射器OC-202009c 57.2 8.5 48.7
参考样品Ce：YAG 317.0 282.9 34.1
因此，在48.7lm/W的情况下，红色样品的红色效能显著优于具有34.1lm/W的红色效能的典型掺杂铈的YAG转换器。因此更一般地，不限于本文所述的特定示例性实施例，根据本发明的另一实施例，可以预期转换器材料的红色效能大于35lm/W。
如果磷光体在过宽的频带上或相对于光谱以不匹配的方式被激发，则也可能会发出紫色光。这样做的原因可能是为了获得高性能投影仪所需的激光输出功率而使用了大量的蓝色激发激光器。这些激光器通常在光谱方面发射不完全相同，并且总体上限定了相当宽带的激发光源。然而，这甚至可能是有利的，因为这可以省去上述的激光波长稳定，但是随后会导致蓝色与有用光的混合，从而产生紫色光源。无论激光器是否都与Eu3+吸收精确匹配，都可以提供包括多个激光器的光源1，特别是使得这些激光器同时照射转换器上的相同点。
图8示出了包括不同主材料的转换器的发射光谱19、20。图8中示出的功率谱密度表明，Eu3+发射可以根据主材料而变化。为了能够比较光谱，将功率光谱密度归一化为光谱的最大值。
对于这两种陶瓷，将得出位于红色范围内的以下颜色坐标：
cx cy
曲线19 0.6823 0.3176
曲线20 0.6843 0.3156
特别地，光谱组成的权重可以变化，这可能对发射时的色坐标有影响，但是不限制材料用于投影的适用性。材料优选在700nm处的发射不是非常明显，因为眼睛对于该波长的光的灵敏度仅非常低，因此几乎不会有助于感知到的光的亮度。
图9示出了静态转换器组件的三种不同构造(a)、(b)和(c)，每个构造包括散热器21、抗反射涂层23和用于增加有用光的输出的反射器22。
在根据面板(a)的实施例中，发光无机转换器元件7应用于散热器21。反射器22可以例如以电介质或金属反射层的形式被应用于转换器元件7下方的散热器。发光转换器元件7的面向外的表面可以设置有抗反射层23，以便改善光的发射。根据面板(b)和(c)的实施例还包括布置在散热器和发光转换器元件7之间的反射器22。这里，布置发光转换器元件7以使其集成在散热器21中。例如，散热器22可为此目的具有适当的凹口。在根据面板(c)的实施例中，发光转换器元件7被集成在散热器21的通孔中，从而可以将光致发光的光从散热器的两侧和从散热器的该通孔的两个开口发射到散热器的两侧。在该实施例中，通孔的内表面可以设置有反射器22。在透射操作的情况下，可以在激发光的侧面上施加二向色反射器，该二向色反射器透射蓝色激发光并且反射红色发射光。
根据本发明建议的紫色发射可以用于投影。通过色轮滤色从紫色磷光体产生红色和蓝色通道。
如果特别是对于投影仪，使用包括蓝色和红色成分的发射光，即紫色光以用于产生不同的颜色，则通常进一步有利的是，设计紫色磷光体或紫色发射使得颜色坐标为在蓝色坐标和红色坐标之间的紫色线上的颜色坐标是这样的：与颜色空间的绿色顶点的连接线穿过白色点。该实施例由图10示出。类似于图4，该图示出了由曲线“A”界定的Rec709颜色空间。曲线“B”再次界定了掺杂Eu3+的磷光体、LuAG磷光体和465nm的激光可以跨越的颜色范围。还示出了具有颜色坐标cx＝cy＝0.33的白点25。在转换器组件5(例如用于单芯片投影仪的色轮)中，蓝色通道不一定要由磷光体轮中的开口限定，而可以通过色轮滤色从紫色磷光体中产生。为此，有利地设计紫色磷光体和/或蓝色激光的激发，使得从蓝色坐标和红色坐标之间的紫色线上的颜色坐标到颜色空间的绿色顶点的连接线优选地经过白点25。
不管转换器的构造如何，也就是无论转换器是否包括色轮，根据本发明的一个实施方式都提供了一种光源，该光源除了包含发光无机Eu3+离子的转换器元件7外还包括用于发射光致发光的绿色光的另一个光致发光发射器，并且其中激光器3和发光无机转换器元件7相互匹配，以使陶瓷元件发射出紫色光，该紫色光包括光致发光的红色光和来自激光器3的散射光，并且其中，在发射光中，光致发光的红色光与来自激光器3的光的强度之比使得发射的紫色光的颜色坐标26位于线29上，所述线29开始于该另一个光致发光发射器的光致发光的光的颜色坐标，并且通过围绕颜色坐标cx＝cy＝0.33处的白点的区域27，该区域27由颜色坐标范围0.31≤CX≤0.35和0.31≤CY≤0.35限定。在图10中示出了围绕白点25的区域27。因此，为了实现非常好的颜色再现，线29不必精确地通过白点25。在所示的示例中，线29稍微通过白点25，但仍通过区域27。然后，紫色光可以通过光谱滤色而分为蓝色和红色成分，从而跨越整个颜色空间。
在投影仪应用中，蓝光通常通过二向色分束器被引导到转换器材料上，以将蓝光光路与黄光光路分开。
结果，在这种光学构造中，蓝光不能与黄光混合，至少对于与入射激光具有相同偏振的光而言是这种情况。但是即使使用偏振相关的分束器，不超过50％的入射光能再重复使用。
由于这个原因，在白光应用中可以采用倾斜的光束构造来混合黄色光和蓝色光，这使得来自激光器的激发光侧向照射并从垂直方向收集包括其蓝色成分的所产生的光。该方法的问题在于，由于不能使用发射蓝光所需的空间来组合光束，因此耦合效率受到限制。例如，如果使用透镜33来准直光，则透镜33的数值孔径(NA)受到限制。在图11的面板(a)中示出了对此的示例性布置。通常，如面板(b)所示使用具有高NA的透镜33进行准直。为了解决该问题，可以具体地设计透镜33的侧面，以将入射的激光束30通过会聚透镜33引导到转换器5上(图11，实施例(c))。在此，有利地利用激光束30和发射光50的光学扩展量之间的较大差异来巧妙地将入射激光束30引导到转换器5上。对于紫色光源，以这种方式进行是至关重要的，因为只有在还可以利用反向散射的蓝光的情况下，才可以有效地使用转换器5的材料。
特别地，如果蓝色激光束30经由一根或多根光纤31被引导到转换器上，则可以在相应的准直透镜33中提供用于光纤31的一个或多个通道或通路32，以便使光纤31尽可能接近转换器5的表面。图11的面板(d)示出了这样的构造，其中将光纤31引入到透镜33的用于馈送激光的通路32中。根据面板(c)和面板(d)的光源代表本发明的示例性实施例，其中光源包括用于使转换器5发出的光准直的透镜33，其布置使得激光穿过透镜后入射到转换器上或将激光引导穿过透镜33并到达转换器5上。为此，如面板(c)的示例所示，透镜33可以具有特殊形状。
对于本发明的光致发光转换器而言，已知被称为“静态”的如图9和图11中所示的转换器组件特别令人关注，这是因为转换器的衰减时间相对较长，因此在静态操作配置中发光面积不会增大。如上所述，该转换器可以应用于散热器，并且可以任选地以脉冲模式操作，以便仅当需要红色或任选蓝色的通道时才产生光(并因此浪费热量)。
根据本发明的光源1还可以特别有利地用于三芯片投影仪中。原则上，这里也可以从紫色磷光体，即发光无机转换器元件7馈入红色和蓝色通道。但是，由于在这种情况下颜色通道不是在时间上顺序地叠加，而是在空间上通过被称为X立方体的二向色十字棱镜，发射的全部光通量都可以在投影仪中使用，原则上不会造成任何滤光片损耗。这种投影仪在图12中示出。该投影仪的原理是基于这样的事实，即，使发光无机转换器元件7和激光器3相适配以使得转换器元件7发出紫色光，该紫色光包括来自散射的激光辐射的蓝色成分和来自由激光束激发的光致发光的红色成分。蓝色和红色成分在空间上分为蓝色光束和红色光束，并将这两个光束馈送到投影仪的两个不同芯片以生成彩色子图像。
如图12所示，由发光无机转换器元件77发射的紫色光50可以由透镜33准直。将光50引导到二向色分束器35上，该分束器将蓝色和红色成分分成两个光束51、52。在所示的示例中，红色子光束51直接通过分束器35传输到第一芯片38上，而蓝色子光束52被横向反射出去。经由反射镜34，蓝色子光束52被引导到第二芯片39上。此外，提供了绿光发射器。同样，如上所述的另一个发光无机转换器元件8可以例如以LuAG陶瓷元件的形式用于该目的。绿色子光束53被引导到第三芯片40上。更一般地，在不限于所示出的示例的情况下，用于产生彩色子图像的芯片38、39、40可以是LCD芯片的形式。然后，透射通过芯片38、39、40的三个光束在二向色十字棱镜43中组合以形成图像光束54，该图像光束54承载图像信息，并随后可以被投影。
本发明通常还可以用于照明目的。特别考虑的是用于：
-信号灯，例如机场照明、海事信号灯、风力涡轮机和无线电桅杆上的警告灯，-在特殊照明领域，例如舞台照明、效果照明、建筑照明。
为了能够产生用于一般照明目的的白光，可以将紫色光与绿色光组合。从图10中可以看出，特别是可以与合适地匹配的光源1组合，从而获得白点附近的色坐标。因此，为了产生白光，优选地使激光器和发光无机转换器元件7适配成使得所发射的光的颜色坐标位于从绿光发射器的颜色坐标开始的线29上。如在上述示例中那样，绿色发射器可以是绿色光致发光发射器。特别地，如图所示，颜色坐标26有利地由线29与颜色空间的紫色线的交点给出。根据所需的效果，光源的颜色坐标也可以靠近白点25，例如以便获得更暖或更冷的色调。因此根据另一实施例，更普遍地建议光源包括绿色发射器，并且通过将其与来自激光器的蓝光和由发光无机转换器元件7发射的光致发光的红色光组合而产生白光。再次，优选地，在发射光中光致发光的红色光与来自激光器3的光的强度之比使得所发射的紫色光的颜色坐标26位于线29上，该线29从另一个光致发光发射器的光致发光的光的颜色坐标发出并通过颜色坐标范围为0.31≤cx≤0.35和0.31≤cy≤0.35的区域27。
如本文所述，使用通过组合蓝色漫反射(remission)和红色发射而产生的紫色光并不意味着仅能够以这种方式使用由465nm的激光激发的转换器。已经证明的是，超过34lm/W的红色效能表明，取决于应用，包括转换器组件(该转化器组件包括这种发射红光的无机转换器元件)的光源在不使用蓝色激发光时也特别有利。
附图标记列表：
1 光源
2 投影仪
3 激光
5 转换器组件
7、8 转换器元件
9 稳定激光波长的装置
11 环路控制电路
13 加热元件
15 光检测器
16、17、19、20 发射光谱
18 边缘滤光器
21 散热器
22 反射器
23 抗反射涂层
25 白点
26 紫色光的颜色坐标
27 围绕25的区域
29 通过27的线
30 激光束
31 光纤
32 通过33的通路
33 透镜
34 反射镜
35 二向色分束器
38、39、40 芯片
43 二向色十字棱镜
50 转换器5发出的光
51 红色子光束
52 蓝色子光束
53 绿色子光束
54 图像光束
91 衍射光栅

Claims (27)

1.一种光源(1)，包括：
激光器(3)，其能操作以发射波长在460纳米至470纳米范围内的激光，
用于稳定激光波长的装置(9)，其包括具有环路控制电路(11)的有源环路控制，所述环路控制电路(11)设置为将所述激光器(3)稳定在Eu3+离子的吸收波长处；以及
转换器组件(5)，其布置成吸收所述激光器(3)发射的激光并发射由所述激光产生的光致发光的光，所述光致发光的光具有比所述激光更长的波长；
其中，所述转换器组件(5)包括掺杂有Eu3+的转换器元件(7)，使得在所述激光的照射下所述转换器组件(5)发射出在红色光谱范围内的光致发光的光。
2.根据权利要求1所述的光源(1)，其中，所述转换器元件(7)具有大于35lm/W的红光效能。
3.根据权利要求1所述的光源(1)，其中，所述转换器元件(7)由玻璃、烧结的玻璃粉末、嵌入玻璃中的磷光体粉末、玻璃陶瓷或陶瓷中的一种制成。
4.根据权利要求1所述的光源(1)，其中，所述转换器组件(5)以漫反射方式操作。
5.根据权利要求1所述的光源(1)，其中，所述转换器元件(7)的材料具有以下特征：
-Eu3+离子的主晶格是白钨矿晶格。
6.根据权利要求5所述的光源(1)，其中，主材料是钨酸盐。
7.根据权利要求5所述的光源(1)，其中，所述材料包括Li3Ba2La3(MoO4)-Eu3+、(Y1-xEux)2Mo3O12、(Y1-xEux)2Mo4O15、Li3Ba2(La1-xEux)3(MoO4)8、K(Y1-xEux)(WO4)2、Li(Y1-xEux)(WO4)2、Na(Y1-xEux)(WO4)2、MgY2-xEux(WO4)4、CaY2-xEux(WO4)4、Ca1-2xEuxLixWO4。
8.根据权利要求5所述的光源(1)，其中，所述材料是钼酸盐、钒酸盐、钨酸盐或钽酸盐中的一种，包含元素镧、铽、钆、钇、镥中的至少一种，并且其中Eu以10％和100％之间的百分比替代这些元素中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的光源(1)，其中，Eu以50％和100％之间的百分比替代这些元素中的至少一种。
10.根据权利要求8所述的光源(1)，其中，Eu以70％和95％之间的百分比替代这些元素中的至少一种。
11.根据权利要求5所述的光源(1)，其中，所述材料包括钼酸盐、钒酸盐、钨酸盐或钽酸盐，并且该化合物另外包含以下元素中的至少一种：锂、钠、钾、镁、钙、锶。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的光源(1)，其中，所述转换器组件(5)包括散热器，所述转换器元件(7)联接至所述散热器。
13.根据权利要求1-11中任一项所述的光源(1)，其中，所述转换器元件(7)的有用光区域设置有抗反射层。
14.根据权利要求1-11中任一项所述的光源(1)，其中，所述转换器元件(7)的无效光区域至少部分地被镜面反射，或者被漫反射或镜面反射的反射器包围。
15.根据权利要求14所述的光源(1)，其中，所述激光器(3)适于发射波长在465nm±2nm范围内的激光。
16.根据权利要求1所述的光源(1)，其中，所述用于稳定激光波长的装置(9)包括用于调节所述激光器(3)的温度的加热元件(13)。
17.根据权利要求16所述的光源(1)，其中，所述光源包括发射绿色光的发射器。
18.根据权利要求17所述的光源，其中，所述光源包括当被所述激光器(3)照射时通过光致发光发射绿色光的元件。
19.根据权利要求1-11中任一项所述的光源(1)，其中，所述转换器组件(5)包括掺杂有Eu3+的转换器元件(7)，使得所述转换器组件(5)在被所述激光照射时发射出在红色光谱范围内的光致发光的光，其中，所述转换器元件设计为光散射的，以使散射的激光与光致发光的光组合以产生发射的紫色光。
20.根据权利要求1-11中任一项所述的光源(1)，其中，除了包含Eu3+离子，所述转换器元件(7)还包括用于发射光致发光的绿色光的另一个光致发光发射器；并且其中所述激光器(3)和所述转换器元件(7)相互匹配，使得所述转换器元件(7)发射紫色光，所述紫色光包括光致发光的红色光和来自所述激光器(3)的散射光；并且其中在发射光中，光致发光的红色光与来自所述激光器(3)的光的强度之比使得发射的紫色光的颜色坐标(26)位于线(29)上，所述线(29)开始于所述另一个光致发光发射器的光致发光的光的颜色坐标并通过围绕颜色坐标cx＝cy＝0.33处的白点的区域(27)，所述区域(27)由颜色坐标范围0.31≤cx≤0.35和0.31≤cy≤0.35限定。
21.根据权利要求1-11中的任一项所述的光源(1)，其包括绿色光发射器，使得当与来自所述激光器的蓝色光和由所述转换器元件(7)发射的光致发光的红色光组合时，所述光源(1)产生白光。
22.根据权利要求1-11中的任一项所述的光源(1)，其包括透镜(33)，所述透镜(33)用于准直由所述转换器组件(5)发射的光，其中，将所述激光通过所述透镜(33)引导到所述转换器组件(5)。
23.根据权利要求22所述的光源(1)，其中，所述透镜(33)具有通道(32)，光纤(31)被引入所述通道(32)中以馈送所述激光。
24.一种数字投影仪(2)，其包括根据权利要求1至23中的任一项所述的光源(1)。
25.根据权利要求24所述的数字投影仪(2)，其配置为三芯片投影仪。
26.根据权利要求24所述的数字投影仪(2)，其中，使所述转换器元件(7)和所述激光器(3)适配以使得所述转换器元件(7)发射紫色光，所述紫色光包括来自散射的激光辐射的蓝色成分和来自由激光束激发的光致发光的红色成分，其中蓝色成分和红色成分在空间上分为蓝色光束和红色光束，并且将这两个光束分别馈送到所述投影仪的两个不同的芯片以生成彩色子图像。
27.根据权利要求1至23中任一项所述的光源(1)的用途，包括：
-机场照明的信号灯、海事信号灯、风力涡轮机和无线电桅杆上的警告灯；或者
-用于包括舞台照明、效果照明、建筑照明的特殊照明。
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