CN112344295A - 具有光转换元件的照明装置 - Google Patents

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CN112344295A CN202010789540.8A CN202010789540A CN112344295A CN 112344295 A CN112344295 A CN 112344295A CN 202010789540 A CN202010789540 A CN 202010789540A CN 112344295 A CN112344295 A CN 112344295A
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C·拉科布兰特
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Abstract

本发明涉及一种照明装置，包括：光发射单元，该光发射单元配置成发射初级光；以及光转换元件，该光转换元件设置成受初级光照射并发射具有其它波长的次级光，其中该光转换元件具有正面并配置成在正面上初级光接收面的区域中受初级光照射并在正面上次级光发射面的区域中发射次级光，其中，该光转换元件在初级光接收面的区域中和/或次级光发射面的区域中具有可变厚度。本发明还涉及相应的光转换元件、光转换装置、用于处理光转换元件的方法以及用于制造光转换装置的方法。

Description

具有光转换元件的照明装置
技术领域
本发明涉及一种照明装置，该照明装置包括光发射单元以及光转换元件，该光发射单元设置成发射初级光，该光转换元件设置成受初级光照射并发射具有其它波长的次级光。
背景技术
照明装置在各种实施形式中已知，例如所谓的气体放电灯和卤素灯。出于各种原因，例如在能量效率或减小空间需求方面，优选在同时提高亮度的情况下，基于激光光源的照明装置日益广受关注。这类照明装置一般构造成使得它们包括至少一个激光光源(例如激光二极管)以及一个光转换元件。
该光转换元件用于接收激光光源的光并且再发射具有其它波长的光，因为从一个或多个激光光源发射的光一般不具有所需的色位，例如中性色的“白”色位。一个或多个光转换元件能够在受到一个或多个激光光源的光的照射后，例如在蓝色激光(一般为单色)的情况下具有450nm的波长的光的照射后，将其部分地或完全地转换成一个或多个其他波长或转换成特定波长的光谱。以此方式，可以通过散射的光和转换的光的加色混合来生成具有期望或特定的色位的光图像。
光转换元件又称为转换件(例如Ce:YAG)、荧光元件或磷光体(磷，英文：Phosphor)，其中，术语“磷”并非从同名化学元素的意义上理解，而是指这些物质的发光特性。因此，从本公开的意义上而言，术语“磷”均理解为荧光物质，而非同名的化学元素，除非另作明确说明。
这种基于激光光源的照明装置特别的意义在于，以此方式能够实现高辉度或高亮度(英文：luminance)，这尤其关系到例如汽车领域的应用。
目标往往是获得尤其高的亮度并且尤其在较低的激光功率下，以便不仅实现高亮度，而且保持尽量最低的能量消耗。这一点可以通过产生只有小微尺寸、例如微小直径(如小于500微米)但相应具有高亮度的光斑来实现。
所用的磷光体一方面在透射中，另一方面在漫反射(反射)中运用。通常，
所使用的磷光体(光转换元件)设计成与LED芯片直接接触并以小板的形式设计。
另外，国际专利申请WO10106504A1描述了一种具有凸曲率的波长转换元件。
国际专利申请WO11010237A1描述了一种具有凸曲率和/或阵列的波长转换元件。
国际专利申请WO13024246A1描述了一种具有光学集成凸曲结构的波长转换元件。
但经发现，以公知的照明装置无法确保照射光斑内的光学参数(例如颜色坐标)的协调。尤其经证实，在平面转换件用蓝色激光进行激发的情况下，出人意料地，颜色坐标在光斑的空间范围上的延伸并非恒定。即使在具有背侧照射的凸曲转换件的情况下，也无法始终保证对光学参数的控制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种照明装置，该照明装置能够有针对性地调谐照射光斑内的光学参数，例如颜色坐标，其中尤其基本上在转换件的整个面积上实现调谐。这样就应提出一种照明装置，利用该照明装置可影响光学参数，使得它们符合特定的规范。此外，上述目的一方面还在于提供一种照明装置，该照明装置符合光学特性方面的预定要求，其中该照明装置具有极高亮度的光，优选白光。上述目的另一方面在于提出一种可低成本制造的相应的照明装置。
本发明的目的通过具有权利要求1的特征的照明装置解决。
该照明装置包括光发射单元和光转换元件，其中光发射单元设置成照射光转换元件，使得该光转换元件可以发射次级光。换而言之，光发射单元设置成发射初级光，而光转换元件设置成受初级光的照射并发射具有其它波长的次级光。
根据本发明，光转换元件进一步设置成在其正面上受初级光照射，其中初级光在初级光接收面的区域中命中到正面上，该初级光接收面尤其可以对应于初级光在光转换元件的正面上的光斑，但也可以与之偏离。光发射单元布置或设置成使得光转换元件在其正面上受初级光的照射。根据本发明，光转换元件设置成再在正面上发射次级光，其中发射在次级光发射面的区域中进行，该次级光发射面在最简单的情况下可以对应于初级光接收面，但原则上也可与之偏离。换而言之，光发射单元和/或光转换元件构造和/或布置成可以进行漫反射操作模式(反射操作模式)。
根据本发明，光转换元件具有在初级光接收面的区域中和/或次级光发射面的区域中变化的厚度。该厚度尤其应理解为光转换元件沿次级光的照射方向延伸的尺寸。
利用上述结构，例如激光束可以垂直地和侧向地入射和/或激光的激发光斑也可以基本上具有转换件的量度，如下详述，转换件的形状可以与激光束相协调，使得光学参数(例如颜色坐标)满足特定的规范。例如，在光斑的空间范围内获得均匀的颜色坐标。
根据本发明提供一种照明装置，利用该照明装置通过转换件材料的形状可以满足光斑的光学特性方面的预定要求。另外，本发明实现极高的亮度和辐射功率，优选白光。由此可以达到在光斑内用于各自的应用的光学特性的均匀性或协调性。
原则上，光学参数的影响也可以由激光的激发强度、温度或磷光体的材料组成实现。相比之下，本发明还提供另一种可行方案，即通过更改光转换元件的厚度。有利地，本发明与影响光学参数的其他可行方案的组合也是可能的。
通过更改光转换元件的厚度，可以有针对性地控制光斑的空间范围内的光学参数，而它们尤其取决于磷光体的散射和转换行为。例如可以规定，转换件的厚度局部较小，由此改变(例如减小)二次辐射在该空间位置处的颜色分量(例如黄色分量)。由此能产生整体上提高颜色坐标均匀性的效果。
利用根据本发明的照明装置，还能有利地达到高辉度或高亮度(英文：luminance)，这对于例如汽车领域、飞机领域、医疗照明和普通照明领域(例如舞台灯和探照灯)的应用中具有重要意义。如此也能达到特别高的亮度且正是在较低的激光功率下，以便不仅实现高亮度，而且保持尽量最低的能量消耗。为此，也可以提供只有微小尺寸(例如只有微小直径)但具有相应较高亮度的光斑。尤其在上述应用中，光斑的要求通常与尽可能均匀的特性或匹配高级光学器件的特性相关。如上所述，通过本发明能够使转换件材料的形状与激光光斑相协调。
因此，本发明提供一种实现低成本转换件组件的解决方案，该转换件组件满足光斑中光学特性的协调性以及整体系统中为此期望的高定向精度。
如前所述，照明装置可以构建成除光转换元件之外还包括激光光源。然而，并非必然包括激光光源，例如也可以仅包括发射初级光的光导，其中该光导可以在其侧与激光光源相连，以使光耦合到光导中。据此，根据本发明的照明装置包括至少一个光发射单元，该光发射单元设置成发射初级光。
在一种变型方案中，光发射单元可以包括光源、尤其激光光源，该光源设置成发射用于照射光转换元件的初级光。
替选地或附加地也可规定，光发射单元包括光导、尤其光纤光导，该光导设置成发射用于照射光转换元件的初级光。
替选地或附加地还可规定，光发射单元包括透镜，该透镜设置成发射用于照射光转换元件的初级光。
光发射单元优选地布置成使得初级光侧向入射到光转换元件上，其中初级光尤其沿光轴入射，该光轴与中轴(即穿过光转换元件的正面中点延伸的轴线，尤其作为光转换元件的表面的法线)和/或与次级光的光轴具有大于30度、优选大于45度、特别优选大于60度的角度。
优选地，光发射单元设置和/或布置成使得初级光接收面小于1平方毫米、优选小于0.5平方毫米、特别优选小于0.2平方毫米，在该初级光接收面内光转换元件受初级光照射。
发射初级光的一个或多个光发射单元优选具有至少0.5W的辐射功率。还可规定，次级光具有至少50cd/mm2的亮度。
光转换元件优选构造成盘状和/或板状的。据此，光转换元件横向于或垂直于厚度(即沿其正面伸展的方向)的尺寸优选大于其厚度。光转换元件例如可以构造成圆形的或多边形的。
如上所述，光转换元件具有可变厚度，即在正面上的其它位置处具有至少两种其它的厚度。优选地，光转换元件在中间(即中轴穿过的位置)的厚度大于在远离中轴的边缘处的厚度。
可以规定，光转换元件具有弯曲的表面、尤其凸曲的表面(例如正面)，和/或具有朝向边缘斜切的表面(例如正面)。
优选地，光转换元件的变化的厚度构造成使得光转换元件具有作为最大的厚度的1mm的尺寸(最大厚度)以及作为最小的厚度的0.02mm的尺寸(最小厚度)。一般尤其可以规定，变化的厚度构造成使得光转换元件具有作为最大的厚度的大于0.1mm、尤其大于0.5mm的尺寸以及作为最小的厚度的小于0.1mm、尤其小于0.05mm的尺寸。
光转换元件的变化的厚度优选构造成使得次级光的光学参数、尤其颜色坐标满足预规定的规范，尤其在光转换元件受单色的初级光照射的情况下。
光转换元件的变化的厚度可以大致构造成使得次级光的一个或多个颜色坐标在初级光接收面的区域内和/或次级光发射面的区域内的变化小于0.25、优选小于0.15、更优选小于0.05，尤其在光转换元件受单色的初级光照射的情况下。
漫反射操作模式(反射操作模式)的优点在于，可以从背面对光转换元件进行冷却。因此，在一种优选实施形式中，照明装置具有基体，该基体尤其构造为冷却体，其中光转换元件直接或间接地施加到基体上。光转换元件能够由此直接地固定在基体上，或者光转换元件也能够固定在中间元件上，该中间元件固定在基体上。
优选地，照明装置包括定向元件，该定向元件用于使光转换元件相对于初级光定向，使得尤其可以调节正面和/或光转换元件的正面上的初级光接收面。光转换元件优选施加到定向元件上，而定向元件又优选施加到基体上。
本发明还涉及一种光转换元件，如上所述，该光转换元件设置成受初级光照射并发射具有其它波长的次级光，其中该光转换元件具有正面并设置成在正面上在初级光接收面的区域中受初级光照射并在正面上在次级光发射面的区域中发射次级光，并且其中该光转换元件在初级光接收面的区域中和/或次级光发射面的区域中具有变化的厚度。
根据本发明的这种光转换元件优选可以在中轴延伸穿过的中间上的厚度大于在远离中轴的边缘处的厚度和/或具有弯曲的正面、尤其是凸曲的正面和/或朝向边缘斜切的正面，对此也可参阅上述实施方案。
光转换元件的变化的厚度可以构造成使得次级光的光学参数、尤其颜色坐标满足预规定的规范，其中，光转换元件的变化的厚度尤其构造成使得次级光的一个或多个色坐标在初级光接收面的区域内和/或次级光发射面的区域内的变化小于0.25、优选小于0.15、更优选小于0.05，对此又可参阅上述内容。
本发明还涉及一种光转换装置，其根据上述实施方案包括尤其构造为冷却体的基体以及直接或间接地施加到基体上的光转换元件。
根据本发明的光转换装置可以进一步包括用于使光转换元件相对于初级光定向的定向元件，其中光转换元件可以施加到定向元件上，而定向元件可以又施加到基体上，对此又可参阅上述内容。
本发明还涉及一种用于处理光转换元件的方法。
这里，首先提供光转换元件，该光转换元件设置成受初级光照射并发射具有其它波长的次级光。然后处理该光转换元件，其中通过剥离光转换元件的材料、尤其剥离光转换元件的正面上和/或边缘处的材料，以便局部地改变光转换元件的厚度。
处理光转换元件时，光转换元件的厚度尤其改变成使得次级光的光学参数、尤其颜色坐标满足预规定的规范，尤其在光转换元件受单色的初级光照射的情况下。
优选地，光转换元件的厚度改变成使得次级光的一个或多个颜色坐标在初级光接收面的区域内和/或次级光发射面的区域内的变化小于0.25、优选小于0.15、更优选小于0.05。
最后，本发明还涉及一种用于制造光转换装置的方法。
这里，首先提供尤其如上所述的经处理的光转换元件。然后，将该经处理的光转换元件布置和/或固定在尤其构造为冷却体的基体上。替选地，也可以将经处理的光转换元件布置和/或固定在中间元件上，例如在用于使光转换元件相对于光发射单元的初级光定向的定向元件上，其中该中间元件优选又布置和/或固定在基体上。
附图说明
下面结合附图详细说明本发明。图中：
图1示出现有技术中公知的照明装置，其中光转换元件(转换件)以透射操作模式使用；
图2示出照明装置，其中转换件以漫反射操作模式使用；
图3示出根据图2的照明装置，其中转换件施加到冷却体上；
图4示出关于转换件的正面上的位置绘制的次级光的亮度以及cx和cy颜色坐标的测量曲线；
图5示出具有变化的厚度的转换件的照明装置，其中正面在转换件的边缘处斜切；以及
图6示出具有变化的厚度的转换件的照明装置，其中正面具有凸曲率。
具体实施方式
图1示出根据现有技术公知的照明装置100，其设计用于透射操作模式。照明装置100包括构造为激光二极管的光发射单元200，使用该光发射单元200将初级光250(例如蓝光)辐射到光转换元件300的背面320上。此后，光转换元件300在背面320上接受初级光250并在正面310上发射次级光350。
图2示出类似的照明装置100，但其设计用于漫反射操作模式(反射操作模式)。本图中，光发射单元200将初级光250辐射到光转换元件300的正面310上，其中该正面在初级光接收面330的区域中受照射。光转换元件300在正面310上在次级光发射面340的区域中发射次级光350。
图3再次示出照明装置100，其设计用于漫反射操作模式(反射操作模式)，其中光转换元件300设置成在正面310上在初级光接收面330的区域中受初级光250照射并在正面310上在次级发射面340的区域中发射次级光350，其中光转换元件300进一步施加到构造为冷却体的基体400上。
这里，使用以构造为激光束的初级光250激发构造为磷光体小盘的光转换元件300的原理。光斑的空间范围内的光学参数是不均匀的并取决于磷光体的散射和转换行为。光学参数的影响可能例如是由激光的激发强度、温度或磷光体材料组成。然而，如下所述，本发明提供了厚度改变的可行方案，以实现或优化均匀性或光学性质与各自应用的协调性。
图4示出在图3所示的平面光转换元件300的正面310上的位置或光斑上的位置绘制的蓝色激光的激光激发强度352以及与之相关的次级光350的cx颜色坐标354和cy颜色坐标356的分布曲线。在平面的转换件的情况下，用蓝色激光进行激发时，出人意料地，颜色坐标354、356在光斑的空间范围内并非恒定。图中可以看出，颜色坐标在光斑位置上的变化范围为0.3至0.5。颜色坐标朝向光斑边缘增加基本上是由于磷光体的散射特性。黄色分量在光斑边缘处提高。
为了确保整体光斑上的光学参数的均匀性以及转换件材料相对于激光光斑的精确定向，可以例如通过激光烧蚀或其他方法从转换件上剥离转换件的一部分，以便有针对性地成形转换件，使得光斑的光学特性满足要求，例如整体光斑上的颜色坐标的均匀性。另外，借由定向元件(对准结构)，可以使转换件相对于激光光斑居中布置。
图5和图6示出转换件的形状与光学特性相协调的两种实施方式。光转换元件300布置在定向元件500上，定向元件500又施加到冷却体400上，使得光转换元件300间接地固定在冷却体400上。在这两种实施方式中，转换件300在远离中轴600的边缘处制得更薄，其中转换件在图5中朝向边缘斜切的，而其在图6中具有凸曲的正面310。
通过减少光斑边缘处的转换件材料，可以减少该空间位置处的黄色分量。这样也能减少转换为黄色的激光蓝色分量，因此颜色坐标更小。由此产生显著提高颜色坐标均匀性的效果。借助施加到基体400上的定向元件500通过转换件相对于激光光斑的精确定向能够精确地调谐光斑中的光学参数。
本领域技术人员显而易见的是，上述实施方式应理解为例示，但本发明不限于此，而是可在不脱离权利要求保护范围的情况下做出各种方式的更改。还显而易见的是，本发明的特征无论是否在说明书、权利要求书、附图或其他方面有所公开，即使它们结合其他特征一并描述并彼此独立地公开，这些特征也可单独规定本发明的基本组成部分。对某一实施例中特征的描述均同样适用于其他实施例。

Claims (15)

1.一种照明装置(100)，其包括：
光发射单元(200)，所述光发射单元(200)设置成发射初级光(250)；以及
光转换元件(300)，所述光转换元件(300)设置成受所述初级光(250)照射并发射具有其它波长的次级光(350)，
其中所述光转换元件(300)具有正面(310)并设置成在所述正面(310)上在初级光接收面(330)的区域中受所述初级光(250)照射并在所述正面(310)上在次级光发射面(340)的区域中发射所述次级光(350)，并且
其中所述光转换元件(300)在所述初级光接收面(330)的区域中和/或在所述次级光发射面(340)的区域中具有变化的厚度。
2.根据权利要求1所述的照明装置，
其中所述光发射单元(200)包括设置成发射用于照射所述光转换元件(300)的初级光(250)的光源、尤其激光光源，和/或
其中所述光发射单元(200)包括设置成发射用于照射所述光转换元件(300)的初级光(250)的光导、尤其光纤光导，和/或
其中光发射单元(200)包括设置成发射用于照射所述光转换元件(300)的初级光(250)的透镜。
3.根据前述权利要求1至2任一项所述的照明装置，
其中所述光发射单元(200)布置成使得所述初级光(250)侧向地入射到所述光转换元件(300)上，
其中所述初级光(250)尤其沿着光轴入射，所述光轴与所述光转换元件(300)的中轴(600)和/或与所述次级光(350)的光轴具有大于30度、优选大于45度、特别优选大于60度的角度。
4.根据前述权利要求1至3任一项所述的照明装置(100)，
其中所述光发射单元(200)设置和/或布置成使得初级光接收面(330)小于1平方毫米、优选小于0.5平方毫米、特别优选小于0.2平方毫米，在所述初级光接收面内所述光转换元件(300)受所述初级光(250)照射，和/或
其中所述光发射单元(200)具有至少0.5W的辐射功率。
5.根据前述权利要求1至4任一项所述的照明装置(100)，
其中所述光转换元件(300)在所述中轴(600)延伸穿过的中间的厚度大于在远离所述中轴(600)的边缘处的厚度，和/或
其中所述光转换元件(300)具有弯曲的正面(310)、尤其凸曲的正面(310)，和/或
其中所述光转换元件(300)具有朝向边缘斜切的正面(310)，和/或
其中所述光转换元件(300)的变化的厚度构造成使得所述光转换元件(300)具有作为最大的厚度的大于0.1mm、尤其大于0.5mm的尺寸以及作为最小的厚度的小于0.1mm、尤其小于0.05mm的尺寸。
6.根据前述权利要求1至5任一项所述的照明装置(100)，
其中所述光转换元件(300)的变化的厚度构造成使得所述次级光(350)的光学参数、尤其颜色坐标(354、356)满足预规定的规范，
其中所述光转换元件的变化的厚度尤其构造成使得所述次级光(350)的一个或多个颜色坐标(354、356)在所述初级光接收面(330)的区域内和/或在所述次级光发射面(340)的区域内的变化小于0.25、优选小于0.15、更优选小于0.05。
7.根据前述权利要求1至6任一项所述的照明装置(100)，进一步包括：
基体(400)，所述基体(400)尤其构造为冷却体，
其中所述光转换元件(300)直接或间接地施加到所述基体(400)上。
8.根据前述权利要求1至7任一项所述的照明装置(100)，其进一步包括：
用于使所述光转换元件(300)相对于所述初级光(250)定向的定向元件(500)，
其中所述光转换元件(300)施加到所述定向元件(500)上，优选地，所述定向元件(500)又施加到所述基体(400)上。
9.一种光转换元件(300)，所述光转换元件设置成受初级光(250)照射并发射具有其它波长的次级光(350)，
其中所述光转换元件(300)具有正面(310)并设置成在所述正面(310)上在初级光接收面(330)的区域中受所述初级光(250)照射并在所述正面(310)上在次级光发射面(340)的区域中发射所述次级光(350)，并且
其中所述光转换元件(300)在所述初级光接收面(330)的区域中和/或在所述次级光发射面(340)的区域中具有变化的厚度。
10.根据权利要求9所述的光转换元件(300)，
其中所述光转换元件(300)在所述中轴(600)延伸穿过的中间的厚度大于在远离所述中轴(600)的边缘处的厚度，和/或
其中所述光转换元件(300)具有弯曲的正面(310)、尤其凸曲的正面(310)，和/或
其中所述光转换元件(300)具有朝向边缘斜切的正面(310)，和/或
其中所述光转换元件(300)的变化的厚度构造成使得所述光转换元件(300)具有作为最大的厚度的大于0.1mm、尤其大于0.5mm的尺寸以及作为最小的厚度的小于0.1mm、尤其小于0.05mm的尺寸。
11.根据权利要求9至10任一项所述的光转换元件(300)，
其中所述光转换元件(300)的变化的厚度构造成使得所述次级光(350)的光学参数、尤其颜色坐标(354、356)满足预规定的规格，
其中所述光转换元件(300)的变化的厚度尤其构造成使得所述次级光(350)的一个或多个颜色坐标(354、356)在所述初级光接收面(330)的区域内和/或在所述次级光发射面(340)的区域内的变化小于0.25、优选小于0.15、更优选小于0.05。
12.一种光转换装置，包括：
基体(400)，所述基体尤其构造为冷却体；以及
根据权利要求9至11任一项所述的光转换元件(300)，所述光转换元件(300)直接或间接地施加到所述基体(400)上。
13.根据权利要求12所述的光转换装置，进一步包括：
用于使所述光转换元件(300)相对于所述初级光(250)定向的定向元件(500)，
其中所述光转换元件(300)施加到所述定向元件(500)上，并且所述定向元件(500)又施加到所述基体(400)上。
14.一种用于处理光转换元件(300)的方法，包括：
提供光转换元件(300)，所述光转换元件(300)设置成受初级光(250)照射并发射具有其它波长的次级光(350)，
处理所述光转换元件(300)，其中通过剥离所述光转换元件(300)的材料、尤其剥离所述光转换元件(300)的正面(310)上和/或边缘处的材料，以便局部地改变所述光转换元件(300)的厚度，
其中所述光转换元件(300)的厚度尤其改变成使得所述次级光(350)的光学参数、尤其颜色坐标(354、356)满足预规定的规格，
其中所述光转换元件(300)的厚度尤其改变成使得所述次级光(350)的一个或多个颜色坐标(354、356)在所述初级光接收面(330)的区域内和/或在所述次级光发射面(340)的区域内的变化小于0.25、优选小于0.15、更优选小于0.05。
15.一种用于制造光转换装置的方法，包括：
提供尤其根据权利要求14所述的经处理的光转换元件(300)，
将所述经处理的光转换元件(300)布置在基体(400)上，所述基体(400)尤其构造为冷却体，和/或
将所述经处理的光转换元件(300)布置在用于使所述光转换元件(300)相对于光发射单元(200)的初级光(250)定向的定向元件(500)上，并且优选地将所述定向元件(500)布置在所述基体(400)上。
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