CN112600063A - 集成光源 - Google Patents

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Abstract

集成光源。本发明的集成光源包括：发射辐射源，其具有第一光谱；光学元件，其被定位为引导来自所述发射辐射源的发射；体积光谱转换器，其被定位为将从所述发射辐射源引导的发射转换成具有与所述第一光谱不同的第二光谱的发射；光学反射器，其被定位在所述转换器附近；输出滤波器，所述反射器被定位为朝向所述输出滤波器反射所述转换器发射；以及封装体，其具有内腔，该内腔容纳所述发射辐射源、光学元件、转换器、反射器和滤波器，其中，所期望的光从所述内腔辐射通过所述滤波器。

Description

集成光源
本申请是原案申请号为201680048579.6的发明专利申请(国际申请号：PCT/US2016/047235，申请日：2016年8月17日，发明名称：集成光源)的分案申请。
技术领域
本发明涉及固态发光器件，并且特别涉及具有指定光路和波长输出的那些固态发光器件。
背景技术
现有固态照明器件通常使用发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)或激光二极管(LD)作为远程荧光体系统的一部分，远程荧光体系统与一种或更多种远程荧光体组合，该一种或更多种远程荧光体将初始发出辐射的一部分转换成可用光谱。远程荧光体系统是表面设置有磷光粉的反射或透明基板的组合，诸如塑料、亚克力、玻璃等。然后，该基板可以将初始发出的光(通常是蓝色或蓝紫色相干光)转换成广谱非相干光，广谱非相干光最常见的是白光。
这些器件已经胜过白炽光源和荧光光源，其优点包括寿命更长、节能且光输出更亮。然而，虽然有时采用与上述类似的系统，但这些系统仍具有抑制该技术的问题。这些问题包括激光的低效率转换、激光中的一些或大多数未转换、危险相干光的发射、以及难以控制所发出的转换光的方向和光路。
出于这些原因，即使在分析基于LD的器件(最有效设计)时，现有设计的整体效率也依然较低。而且，使用LD提供基色光输入的现有设计使远程荧光体元素完全饱和。该过饱和可能导致相干激光的无意发射，这可能造成对敏感电子设备、材料、眼睛和皮肤的损害。
由此，该领域需要一种具有极高操作和转换效率且在多种环境中安全使用的改进型固态光源。
发明内容
一种集成光源，该集成光源包括：发射辐射(emissive radiation)源，其具有第一光谱；光学元件，其被定位为引导来自所述发射辐射源的发射(emission)；体积光谱转换器，其被定位为将来自所述发射辐射源的发射转换成具有与所述第一光谱不同的第二光谱的发射；光学反射器，其被定位在所述转换器附近；输出滤波器，所述反射器被定位为朝向所述输出滤波器反射所述转换器发射；以及封装体，其具有内腔，该内腔容纳所述发射辐射源、光学元件、转换器、反射器和滤波器，其中，所期望的光从所述内腔辐射通过所述滤波器。
附图说明
现在参照附图，附图中，相同附图标记贯穿全文表示对应部件：
图1是根据本发明的基本固态光源系统的示意图；
图2是根据本发明的一个实施方式的采用多个部件来提高光源的效率和安全性的另一个集成光源的示意图；
图3是根据本发明的实施方式的采用图2的集成光源且例示系统中的用于光的可能光束路径的示意图；
图4是现有技术的涂荧光体转换器的操作的示意图；
图5是根据本发明的一个方面的示例性体积光谱转换器的操作的示意图。
具体实施方式
为了克服上述限制并克服在阅读和理解本说明书时将变得显而易见的其它限制，公开了一种光源，该光源采用泵送介质的固态发光器件，在介质中体积地(volumetrically)设置荧光体。发光器件产生光束，该光束被引导到荧光体上并随后被转换成期望波长的广谱光或窄谱光。通过采用体积设置的荧光体，可以转换更高百分比的入射光，由此提高系统的效率和安全性。然后，该转换光可以在期望光路上被发送，以便精准地控制最终光输出。
概要
为了解决这些问题，已经发明了一种用于将磷光材料体积地设置到基板中的方法。当前系统上的体积设置基板使用薄涂层的益处很多且在这里描述。益处之一是提高激光到非相干光的转换，这起源于可用于光转换的荧光体的量。荧光体的当前薄表面涂层通过预转换光快速饱和，并且一次仅可以转换少量光，这大大降低了系统效率。试图使用当前技术来增加光转换荧光体的量变得非常困难，这是因为相干光仅沿一个方向行进，由此要求荧光体层增加厚度(这妨碍透射并且因此妨碍效率)或者跨越过大区域分布。使用体积设置方法允许更大量荧光体用于转换相干光，而无需相干光的更大发射束。增加荧光体量用于转换意味着用相同输入产生更多非相干光；因此，系统更有效。另外，因为更多相干光被转换成非相干光，所以存在从最终光源系统发出的危险相干激光的可能性降低。
本发明的有利实施方式可以包括按特定布置放置的一个或更多个光学元件，以提高系统的整体效率且降低有害相干光发射的可能性。这些元件包括但不限于滤波器、透镜、几何光学反射器和壳体。包括上述光学元件中的一个或更多个允许固态照明系统针对特定实例和使用实例的修改和专门化。
详细描述
参照图1，例示了固态光源100。光源100包括为半导体激光器形式的激光二极管101，该激光二极管101设置在标准电子组件封装内。激光二极管101具有退出封装的电源引脚102。激光二极管101可以例如提供在400nm-480nm范围内并且优选地在430nm-470nm范围内的相干光。光束103是激光二极管101产生的激光的相干光束。光束103撞击体积光谱转换器104并且与体积光谱转换器104(例如，PMMA，其体积地设置有荧光体颗粒)相互作用。转换器104由此将入射的相干激光束103转换成出射的广谱光105。光105可以具有任意指定颜色，诸如但不限于白色，并且由介质104中设置的荧光体的化学成分决定。
参照图2，例示了集成光源200的可能设计。光源200包括具有第一输出光谱的发射辐射源202，其例如为半导体激光二极管形式，该发射辐射源设置在标准电子组件封装内。激光二极管具有退出封装的电源引脚203。位于发射辐射源202的发射侧前面的是光学元件204，光学元件例如由将从激光二极管202发出的相干激光引导到特定区域上的透镜、或透镜系统组成。光学元件204可以例如瞄准、收敛地聚焦、或发散地聚焦发射辐射源202的发射，以用于由体积光谱转换器205进行转换。体积光谱转换器205将来自发射辐射源202的发射转换成具有与第一光谱不同的第二光谱的发射。体积光谱转换器205设置在几何光学反射器206内，几何光学反射器在该实施方式中是但不限于朝向指定方向引导由转换器205转换的光的抛物线型固体，几何光学反射器在这种情况下向前朝向输出滤波器207。在光已经被光学反射器206向前引导之后，光与滤波器207相互作用，滤波器207去除尚未被转换介质205转换成非相干光的任何相干光。此后，仅过滤后的非相干光可以离开光源200，使所发出的光在多种环境中安全使用。参照光源200，所有上述组件均位于从封装体201切除的内腔208中，封装体可以是例如一块固体材料，诸如但不限于铝、钢或铜。
参照图3，例示了采用图2中看到的光源的可能光路。与图2的光源200相当的光源300包括封装体301，封装体与图2的封装体201相当。光源300内定位有半导体激光器形式的激光二极管302，该激光二极管设置在标准电子组件封装内。激光二极管302发出相干光束307，该相干光束继续行进以与光学元件303相互作用。光学元件303将相干光束307重定向到更精确路径308中，这允许其与体积光谱转换器304更有效地相互作用。转换器304借助相干光308与转换器304中存在的体积设置荧光体之间的内部物理相互作用，将相干光308转换成非相干光309。随后，非相干光309从转换器304沿多个方向发出。然后，非相干光309与几何光学反射器305相互作用。该光学反射器305反射非相干多方向光309，并且使其向前重定向310。大多数重定向光310穿过滤波器306，并且离开光源300。重定向光310中的一些与滤波器306相互作用，并且由于诸如设计和安全规范的原因，重定向光被禁止312离开器件。
图4例示了涂荧光体转换器。部分401是基板400上的薄沉积荧光体涂层。薄荧光体涂层401具有设置在涂层内的荧光体颗粒402。颗粒402将从右侧403进入的光转换成不同波长的光404。因为涂层401薄，所以可以存在转换入射光403的有限量荧光体颗粒402。因此，入射光403的大部分不被转换，并且使基板不受影响405。
图5例示了与图4中的涂层对照的体积光谱转换器。在这种情况下，荧光体501体积地设置在基板500内。这导致更多荧光体502颗粒可以与入射光503相互作用，因此参与光转换。这里，存在被转换成期望波长504的更大量入射光503。体积光谱转换器的使用胜过现有技术涂荧光体转换器。
应当注意，为了清楚，这是简化。发出的光不必须一起从前方出来。其通常全向散射，并且光源的反射抛物面(例如，206、305)使光沿同一方向行进。
光学反射器可以是例如模制的、机加工的、3D打印或另外制造的光学材料块，诸如PMMA、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯、共聚物或上述材料的组合的混和物。光学反射器被设计为将全向光重定向到期望光路。光学反射器可以是例如固体几何形式、中空几何形式、或几何面的其它组合。光学反射器还可以有利地包括提高光学反射器的重定向光的能力的反射材料层。该层可以是例如外表面、内表面或表面的组合。
可以选择转换器(例如，205、304)，以将来自发射辐射源(例如，蓝色或蓝紫色光)的发射转换成另一个波长的辐射，例如，窄谱或广谱非相干辐射。转换器可以使用转换材料来制作，转换材料可以包括例如磷光材料、荧光材料、其它辐射转换材料或这些材料的组合。转换材料体积地设置在基板中，基板可以包括例如PMMA、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯、共聚物或上述材料的组合的混配物，来创建有效均质复合物。该处理可以包括例如挤压、涂布、层压、混配、混合或悬浮。
制作转换器的具体示例是将具有转换材料的基板挤压成混配和/或多层固体复合物。具体地，固体复合物可以被制作成具有2层至500000层，它们可以针对指定最终使用性能指标来调整。除了大于1微米的任何种类(汽态或液态)的那些刻意期望的或滞留的液体之外，期望转换器不具有诸如例如孔洞、滞留气、气泡、任何材料的搀加微粒的任何缺陷。
转换器可以具有转换材料或多个材料的组合与基板的比率，其可以针对指定最终使用性能指标来调整。
在优选实施方式中，转换材料可以为具有特定微粒大小的单种荧光体、或具有类似或不类似微粒大小的荧光粉的混合物，提供稳定和/或可变波长的辐射的发射。所发出的辐射可以是例如白光。
在另一个优选实施方式中，转换器具有在5％与15％之间的转换材料与基板的比率。
还可以通过改变转换器的厚度和直径，针对指定最终使用性能指标来调整转换器。例如，优选实施方式包括厚度在0.5mm到5mm之间且半径在0.5mm到5mm之间的转换器。
输出滤波器(例如，207、306)可以是例如光学透明窗口，但在优选实施方式中，其消除来自发射辐射源的尚未被转换器转换的任何发出的辐射。其还可以是例如长通、短通、带通或带阻滤波器，以进一步使辐射的波长穿过或截止，以进一步调节所发出的光。
应当进一步注意，来自器件的所发出辐射光谱的发射几何形状(emissivegeometry)可以通过包括合适光学组件被进一步调节、引导、聚焦、瞄准、反射、折射、衍射或另外修改。
以下是集成光源的示例性实施方式。
实施方式1:一种集成光源，该集成光源包括：
发射辐射源，其具有第一光谱；
光学元件，其被定位为引导来自所述发射辐射源的发射；
体积光谱转换器，所述转换器被定位为将来自所述发射辐射源的发射转换成具有与所述第一光谱不同的第二光谱的发射；
光学反射器，其被定位在所述转换器附近；
输出滤波器，所述反射器被定位为朝向所述输出滤波器反射所述转换器发射；以及
封装体，其具有内腔，该内腔容纳所述发射辐射源、光学元件、转换器、反射器和滤波器，其中，所期望的光从所述内腔辐射通过所述滤波器。
实施方式2：根据实施方式1所述的光源，其中，所述辐射源在400nm至480nm的范围中操作。
实施方式3：根据实施方式1或2所述的光源，其中，所述辐射源在430nm至470nm的范围中操作。
实施方式4：根据实施方式1至3中任一项所述的光源，其中，所述光学元件可以将所述发射辐射源发射瞄准、收敛地聚焦或发散地聚焦到所述转换器上。
实施方式5：根据实施方式1至4中任一项所述的光源，其中，所述光学反射器将全向光重定向到期望光路中。
实施方式6：根据实施方式1至5中任一项所述的光源，其中，所述光学反射器包括提高光学反射器的重定向光的能力的反射材料层。
实施方式7：根据实施方式1至6中任一项所述的光源，其中，所述转换器将来自所述发射辐射源的所述发射转换成非相干辐射的不同波长、更窄光谱或更宽光谱的发射。
实施方式8：根据实施方式1至7中任一项所述的光源，其中，所述转换器由转换材料组成，转换材料体积地设置在非转换材料的基板中，以形成均质复合物。
实施方式9：根据实施方式1至8中任一项所述的光源，其中，所述转换器使用包括挤压、涂布、层压、混配、混合或悬浮中的至少一个的处理来创建。
实施方式10：根据实施方式1至9中任一项所述的光源，其中，创建所述转换器的所述处理是将具有所述转换材料的所述基板挤压成混配或多层固体复合物。
实施方式11：根据实施方式9所述的光源，其中，所述固体复合物具有在2至500000之间的层数。
实施方式12：根据实施方式1至11中任一项所述的光源，其中，除了大于1微米的任何种类(汽态或液态)的那些刻意期望的或滞留的液体之外，所述转换器不具有包括孔洞、滞留气、气泡、任何材料的搀加微粒的任何缺陷。
实施方式13：根据实施方式1至12中任一项所述的光源，其中，所述转换器包括一种或更多种荧光体，每种荧光体具有提供具有稳定或可变波长的辐射的发射的特定微粒大小。
实施方式14：根据实施方式1至13中任一项所述的光源，其中，所述转换器具有一种或更多种转换材料与所述基板的比率，该比率可以针对指定最终使用性能指标来调整。
实施方式15：根据实施方式1至14中任一项所述的光源，其中，所述转换器具有按体积计在5％与15％之间的转换材料与所述基板的比率。
实施方式16：根据实施方式1至15中任一项所述的光源，其中，所述转换器具有厚度和直径能够改变的尺寸，厚度和直径可以针对指定最终使用性能指标来调整。
实施方式17：根据实施方式1至16中任一项所述的光源，其中，所述转换器具有在0.5mm到5mm之间的厚度和在0.5mm到5mm之间的半径。
实施方式18：根据实施方式1至17中任一项所述的光源，其中，所述滤波器消除来自所述发射辐射源的尚未被所述转换器转换的任何发射并且可选地进一步调节所发出的光。
实施方式19：根据实施方式1至18中任一项所述的光源，其中，来自所述器件的所发出辐射光谱的所述发射几何形状可以通过包括合适光学组件被进一步调节、引导、聚焦、瞄准、反射、折射、衍射或另外修改。
应当显而易见的是，本公开通过举例说明并且在不偏离本公开中包含的教导的合理范围的情况下，各种改变可以通过添加、修改或消除细节来进行。因此，本发明不限于本公开的具体细节，除非以下权利要求必须如此限制。

Claims (10)

1.一种集成光源，所述集成光源包括：
发射辐射源，所述发射辐射源发射第一光谱辐射；
光学元件，所述光学元件被定位为引导来自所述发射辐射源的所述第一光谱辐射；
体积光谱转换器，所述体积光谱转换器被定位为将从所述发射辐射源引导的所述第一光谱辐射转换成与所述第一光谱辐射不同的第二光谱辐射，所述体积光谱转换器包括形成均质复合物基板的多个层，多个悬浮颗粒中的各个悬浮颗粒位于所述多个层中的一个层内，使得所述多个悬浮颗粒被体积地设置在所述均质复合物基板内，所述多个悬浮颗粒中的各个悬浮颗粒由单一类型组成并被配置为将所述第一光谱辐射转换成所述第二光谱辐射；
光学反射器，所述光学反射器被定位在所述体积光谱转换器附近；
输出滤波器，所述光学反射器被定位为朝向所述输出滤波器反射所述第二光谱辐射；以及
封装体，所述封装体具有内腔，所述内腔容纳所述发射辐射源、光学元件、体积光谱转换器、光学反射器和输出滤波器，其中，所期望的光从所述内腔辐射通过所述输出滤波器。
2.根据权利要求1所述的集成光源，其中，所述发射辐射源在400nm至480nm的范围中操作。
3.根据权利要求2所述的集成光源，其中，所述发射辐射源在430nm至470nm的范围中操作。
4.根据权利要求1所述的集成光源，其中，所述光学元件能够将所述发射辐射源的发射瞄准、收敛地聚焦或发散地聚焦到所述体积光谱转换器上。
5.根据权利要求1所述的集成光源，其中，所述光学反射器将全向光重定向到期望光路中。
6.根据权利要求5所述的集成光源，其中，所述光学反射器包括提高所述光学反射器的重定向光的能力的反射材料层。
7.根据权利要求1所述的集成光源，其中，所述体积光谱转换器将来自所述发射辐射源的所述第一光谱辐射转换成非相干辐射的具有不同波长、更窄光谱或更宽光谱的发射。
8.根据权利要求1所述的集成光源，其中，所述悬浮颗粒由转换材料组成，并且所述均质复合物基板由非转换材料组成。
9.根据权利要求1所述的集成光源，其中，所述体积光谱转换器使用包括挤压、涂布、层压、混配、混合或悬浮中的至少一个的处理来创建。
10.根据权利要求9所述的集成光源，其中，创建所述体积光谱转换器的所述处理是将具有转换材料的所述均质复合物基板挤压成混配或多层的固体复合物。
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