CZ2020667A3 - Zdroj světla - Google Patents

Zdroj světla Download PDF

Info

Publication number
CZ2020667A3
CZ2020667A3 CZ2020667A CZ2020667A CZ2020667A3 CZ 2020667 A3 CZ2020667 A3 CZ 2020667A3 CZ 2020667 A CZ2020667 A CZ 2020667A CZ 2020667 A CZ2020667 A CZ 2020667A CZ 2020667 A3 CZ2020667 A3 CZ 2020667A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
light
conversion body
conversion
primary
source according
Prior art date
Application number
CZ2020667A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ309096B6 (cs
Inventor
Štěpán NOVOTNÝ
Štěpán Bc. Novotný
Jan KUBÁT
Kubát Jan Ing. RNDr., Ph.D.
Martin Pokorný
Martin RNDr. Pokorný
Original Assignee
Crytur, Spol. S.R.O.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Crytur, Spol. S.R.O. filed Critical Crytur, Spol. S.R.O.
Priority to CZ2020-667A priority Critical patent/CZ309096B6/cs
Priority to IL302806A priority patent/IL302806A/en
Priority to EP21854923.6A priority patent/EP4259965A2/en
Priority to GB2310154.6A priority patent/GB2617031A/en
Priority to CA3200809A priority patent/CA3200809A1/en
Priority to US18/034,716 priority patent/US20230417395A1/en
Priority to PCT/CZ2021/050147 priority patent/WO2022122058A2/en
Publication of CZ2020667A3 publication Critical patent/CZ2020667A3/cs
Publication of CZ309096B6 publication Critical patent/CZ309096B6/cs

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/64—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using wavelength conversion means distinct or spaced from the light-generating element, e.g. a remote phosphor layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
    • F21V9/32—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source characterised by the arrangement of the photoluminescent material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/64—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/67—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing refractory metals
    • C09K11/676—Aluminates; Silicates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C09K11/7706—Aluminates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C09K11/7766—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals containing two or more rare earth metals
    • C09K11/7774—Aluminates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/69—Details of refractors forming part of the light source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V29/00—Protecting lighting devices from thermal damage; Cooling or heating arrangements specially adapted for lighting devices or systems
    • F21V29/50—Cooling arrangements
    • F21V29/502—Cooling arrangements characterised by the adaptation for cooling of specific components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/10—Refractors for light sources comprising photoluminescent material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/0091—Reflectors for light sources using total internal reflection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/22—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors
    • F21V7/24—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors characterised by the material
    • F21V7/26—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors characterised by the material the material comprising photoluminescent substances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
    • F21V9/32—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source characterised by the arrangement of the photoluminescent material
    • F21V9/35—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source characterised by the arrangement of the photoluminescent material at focal points, e.g. of refractors, lenses, reflectors or arrays of light sources
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V29/00—Protecting lighting devices from thermal damage; Cooling or heating arrangements specially adapted for lighting devices or systems
    • F21V29/50—Cooling arrangements
    • F21V29/502—Cooling arrangements characterised by the adaptation for cooling of specific components
    • F21V29/504—Cooling arrangements characterised by the adaptation for cooling of specific components of refractors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V29/00—Protecting lighting devices from thermal damage; Cooling or heating arrangements specially adapted for lighting devices or systems
    • F21V29/50—Cooling arrangements
    • F21V29/70—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Eye Examination Apparatus (AREA)
  • Devices For Indicating Variable Information By Combining Individual Elements (AREA)

Abstract

Zdroj světla využívající světlo-konvertující materiál, zejména pro konverzi kolimovaného nebo fokusovaného světla, nepracuje jenom na principu geometrické koncentrace, ale i na skutečnosti, že díky vysokému indexu lomu, případně za pomoci aplikované reflexní vrstvy, a vysoké vnitřní propustnosti se světlo v konverzním tělese (1) odráží směrem k výstupní ploše od rozhraní jeho povrchu s okolím, dokud se nevyváže výstupní plochou (3) z konverzního tělesa (1). Zdroj světla využívá vysoký index lomu a vysokou propustnost luminoforního materiálu jako vlastnosti potřebné pro směrování sekundárního světla požadovaným směrem již přímo samotným konverzním tělesem. Povrch konverzního tělesa (1) ležící mimo dopadovou plochu (2) a výstupní plochu (3) je uzpůsoben pro směrování světla odrazem především vhodným tvarem konverzního tělesa (1), jehož hlavním charakteristickým znakem je to, že obsah dopadové plochy (2) je mnohonásobně menší než obsah výstupní plochy (3). Zdroj světla emituje kolimované nebo fokusované intenzivní sekundární světlo, nebo zhomogenizovaný mix primárního a sekundárního světla.

Description

Zdroj světla
Oblast techniky
Vynález se týká zdroje světla, ze kterého vystupují světelné paprsky emitovaného světla pouze do určitého směru. Zdroj světla spadá do oblasti světlo konvertují cích zdrojů, ve kterých se primární světlo daných vlnových délek přeměňuje na sekundární světlo s jinými vlnovými délkami, případně na mix primárního a sekundárního světla.
Dosavadní stav techniky
V současné době je známa celá řada zdrojů světla pracujících na principu konverze primárního světla na sekundární světlo, případně na mix tvořený primárním a sekundárním světlem pro zisk tzv. bílého světla. Konverzi světla zajišťují luminofomí materiály, které jsou používány jak ve formě monokrystalů, tak ve formě polykrystalů.
Jednou z nevýhod luminofomích materiálů při běžném užití, např. v bílých či zelených LED aplikacích je jejich vysoký index lomu, který limituje množství světla, které se z nich vyváže. Nejčastěji používané luminofomí materiály YAG:Ce a LuAG:Ce mají index lomu větší než 1,8. Mezní úhel totálního odrazu pro rozhraní vzduch - luminofor je tedy pro oba materiály cca 33° od kolmice na rozhraní, všechny paprsky dopadající pod větším úhlem jsou odraženy zpět do luminoforu a nikoli vyzářeny ven.
Ať už je luminofor vymodelován do libovolného tělesa, vždy je možné na něm definovat tzv. dopadovou plochu, na kterou dopadá primární záření, a tzv. výstupní plochu, ze které vystupuje sekundární záření, nebo mix sekundárního a primárního záření. V některých případech se mohou vstupní a výstupní plocha na tělese luminoforu vzájemně překrývat.
Častá nevýhoda zdrojů světla založených na konverzi primárního světla spočívá vtom, že sekundární světlo zpravidla vystupuje z výstupní plochy všemi směry do prostoru, viz obr. 1, a proto je nutné sekundární světlo pomocí optických členů kolimovat do kýženého směru. Nasazení optických členů se zpravidla projeví na velikosti zdroje světla a na jeho konstrukční složitosti. To je nevýhodné, neboť dnešní doba přeje miniaturizaci se zachováním co nejlepších výsledků. Navíc ve většině případů vede dodatečné kolimování přidanou kolimační optikou ke ztrátám světelných paprsků, které z výstupního čela (z výstupní plochy) vystupují pod takovými úhly, že je kolimační optika neposbírá (viz obr. 1), a dochází ke ztrátě světelného výkonu.
Optické členy pro kolimaci sekundárního záření mohou být ve zdrojích světla zastoupeny například zrcadly, čočkami, světlovody, atp. Všechna tato známá a používaná řešení spojuje to, že komplikují konstrukci zdroje světla a přidávají dodatečné nároky na tolerance rozměrů těchto elementů i jejich vzájemné vycentrování.
Dalším možným řešením, jak kolimovat sekundární světlo, nebo mix nezkonvertovaného primárního světla a sekundárního světla, je řešení z dokumentu WO 2017157742 Al. Řešení prezentuje zdroj světla, který je sestaven ze skupiny (pole) základních elementů. Každý element tvoří zdroj primárního světla, konverzní (luminofomí) těleso a přídavný parabolický koncentrátor. Základní uspořádání tohoto řešení popisuje, že konverzní těleso a zdroj primárního světla jsou uspořádány uvnitř parabolického koncentrátoru, který v podstatě pracuje jako duté zrcadlo, jenž koncentruje světelné paprsky dopadající na jeho vnitřní stěny, odkud se sekundární světlo šíří již v kolimované podobě.
Nevýhody uvedeného řešení spočívají v tom, že je konstrukce takového zdroje světla stále složitá, a tudíž nevhodná pro miniaturizaci.
- 1 CZ 2020 - 667 A3
V jiném známém řešení z dokumentu WO 2020073027 AI je zdroj světla s kolimovaným sekundárním světlem vyřešen opět s použitím parabolického koncentrátoru. Tentokrát je koncentrátor ve svém vrcholu spojen s čelem trámečku luminoforu. Výstupní plocha luminoforu zavádí sekundární světlo do tělesa parabolického koncentrátoru. Oproti výše uvedenému řešení je výhodou, že je možné zvládnout hospodaření s odpadním teplem na trámečku luminoforu, a že je možné napájet trámeček luminoforu mnoha zdroji primárního světla skrz velkou dopadovou plochu.
Nevýhody tohoto řešení spočívají opět ve složité konstrukci, kdy je potřeba uspořádat tři komponenty (zdroj primárního světla, luminofor, optický člen - parabolický koncentrátor).
Podobným řešením je řešení z dokumentu US 2020/0088927 AI, který rovněž používá tři základní komponenty. Zdroje primárního světla, luminofomí těleso v podobě trámečku a parabolický koncentrátory roli optického členu pro kolimaci sekundárního světla. Jako u předchozího řešení je vstupní plocha luminoforu osazená polem zdrojů primárního záření, načež je čelo trámečku (výstupní plocha) bondována s parabolickým koncentrátorem.
Úkolem vynálezu je vytvoření zdroje světla, zejména kolimovaného nebo fokusovaného světla, zahrnujícího optický člen a luminofor v jediném komponentu pro zjednodušení konstrukce zdroje světla, vhodné do aplikací podléhajících trendu miniaturizace a vykazujících vysokou celkovou účinnost a provozuschopnost i za vysokých výkonů.
Podstata vynálezu
Vytčený úkol je vyřešen vytvořením zdroje světla, zejména kolimovaného nebo fokusovaného světla, podle níže uvedeného vynálezu.
Zdroj světla, zejména kolimovaného nebo fokusovaného světla, je sestaven z alespoň jednoho zdroje primárního světla. Primárním světlem se rozumí světlo určité vlnové délky, jež bude ve zdroji změněna na požadovanou. Primárním zdrojem světla může být například jedna nebo více laserových diod (LD), nebo světlo-emitujících diod (LED). Dále je zdroj sestaven z alespoň jednoho konverzního tělesa, jež je alespoň z části vytvořené z materiálu pro konverzi primárního světla na sekundární světlo, tedy z tzv. luminofomího materiálu. Konverzní těleso obsahuje luminofomí materiál, který mění parametry primárního světla pronikajícího do jeho objemu. Sekundární světlo je tedy světlo s odlišnými parametry od primárního světla. Pokud není konverze primárního světla úplná, vystupuje z konverzního tělesa mix primárního a sekundárního světla. Konverzní těleso vykazuje na svém povrchu alespoň jednu dopadovou plochu pro primární světlo a alespoň jednu výstupní plochu pro sekundární světlo, či mix primárního a sekundárního světla. Jak je odvoditelné z názvů ploch, tak dopadová plocha slouží k dopadu primárního světla a k umožnění jeho průniku do objemu konverzního tělesa. Výstupní plochou uniká světlo pryč z konverzního tělesa.
Podstata vynálezu spočívá v tom, že obsah dopadové plochy je menší než obsah výstupní plochy. To je významný technický znak, neboť konverzní těleso neslouží jako známý optický člen geometrické koncentrace, ve kterém se primární světlo z velké dopadové plochy konvertuje do malé výstupní plochy, čímž je zajištěno zintenzivnění sekundárního světla. Namísto toho vynález pracuje s menší vstupní plochou, přičemž se světlo v konverzním tělese konvertuje, odráží, a jakmile dorazí k výstupní ploše, tak ji opouští ve formě intenzivního kolimovaného, homogenizováného nebo fokusovaného svazku. Pro několikanásobný vnitřní odraz světla uvnitř konverzního tělesa tvoří zbývající povrch konverzního tělesa reflexní rozhraní.
Mezi výhody vynálezu patří čerpání konverzního tělesa malou vstupní plochou, což usnadňuje přívod primárního světla ve zdroji světla i následnou kolimaci nebo fokusaci sekundárního světla,
-2 CZ 2020 - 667 A3 či mixu primárního nezkonvertovaného světla a sekundárního světla. Volitelně je výhodné, pokud je vstupní plocha buď leštěná, broušená, definovaně strukturovaná nebo opatřena antireflexní vrstvou pro zvýšení účinnosti vstupu primárního světla. Dále je výhodné, že světlo opouští výstupní plochu v požadovaném směru, a tudíž má zdroj světla vysokou svítivost a účinnost v porovnání s konvenčními zdroji světla, protože světelné paprsky neunikají do směrů, ze kterých by se nedaly zachytit, viz obr. 2 a jeho porovnání s obr. 1.
Další výhodou vynálezu je absence nutnosti použití vícero optických elementů v následné optické soustavě, poněvadž konverzní těleso plní kromě funkce konverze primárního světla na sekundární světlo ještě funkci efektivního nasměrování světla do požadovaného směru, jeho kolimaci, nebo fokusaci, a promíchání (homogenizaci - jak intenzitní, tak i barevnou). Použití takto vynalezené komponenty tedy zvyšuje celkovou systémovou integraci a účinnost zdroje světla.
Ve výhodných provedeních vynálezu je zbývající povrch konverzního tělesa opatřen reflexní vrstvou, nebo je konverzní těleso vytvořeno z materiálu s vysokým indexem lomu pro dosažení totálního odrazu. Reflexní vlastnost rozhraní tedy může být navozena buď aplikací reflexní vrstvy, nebo může být zapříčiněna fyzikálními vlastnostmi a geometrií samotného konverzního tělesa. Obě možnosti rozšiřují paletu variant konverzního tělesa, a to ať už tvarově, nebo materiálově.
Ve výhodném provedení zdroje podle vynálezu je velikost dopadové plochy menší než 2 mm2. Malá dopadová plocha nahrává miniaturizaci zdroje světla, neboť výstupní plocha může mít velikost v jednotkových násobcích mm2. Tato velikost dopadové plochy postačuje na čerpání intenzivním svazkem primárního světla, čímž může být celková velikost zdroje světla zmenšena, ať už zmenšením aparatury pro čerpání primárního světla, tak miniaturizací konverzního tělesa.
Je výhodné provedení zdroje podle vynálezu, ve kterém je konverzní těleso jako celek současně tvořeno ze dvou částí, přičemž jsou obě části uspořádány v řadě za sebou po směru optické osy konverzního tělesa, a to v libovolném pořadí, kde jedna část je tvořena luminofomím materiálem pro částečnou nebo úplnou konverzi primárního světla a druhá část je tvořena neluminofomím materiálem pro homogenizaci nebo fokusaci nebo kolimaci světla. Ukázalo se, že obě varianty řazení luminofomího a neluminofomího materiálu mají své výhody. Pokud je neluminofomí část první, slouží k dalšímu zafokusování primárního svazku a tím ke zlepšení směrovosti sekundárního světla a tedy i zvýšení účinnosti. Je-li neluminofomí část druhá, zlepší homogenitu, kolimaci nebo fokusaci při použití menšího množství luminofomího materiálu. Neluminofomím materiálem může být zejména monokrystal, keramika, či sklokeramika, s výhodou podobného složení jako luminofomí část, ale i běžné materiály pro výrobu optických členů, tedy zejména skla, kubická zirkónie ZrO2, silikony, PMMA, či polykarbonát. Kromě běžného způsobu spojování optických členů, lepením, může být použito natavování, difúzní bondování, spékaní a jiné odborníkovi známé postupy.
S výhodou může konverzní těleso zahrnovat alespoň dva luminofomí materiály pro míchání svazků sekundárního světla do výsledné barevnosti světla. Kombinace dvou světlo konvertují cích materiálů umožňuje zisk kvalitního „bílého“, či jiného světla. Tvar konverzního tělesa, kromě efektivní přeměny, zajišťuje i usměrnění světla požadovaným směrem a jeho homogenizaci.
Ve výhodném provedení zdroje podle vynálezu je luminofomí materiál konverzního tělesa ze skupiny granátů popsaných vzorcem (Ai-x,Bx)3A150i2:Ce3+, nebo ze skupiny perovskitů AA103:Ti3+, kde: A a B je alespoň jeden chemický prvek ze skupiny Lu, Y, Gd, Tb a x nabývá rozmezí mezi 0 a 1. Uvedené materiály jsou vhodnými adepty z hlediska fyzikálních vlastností, a to zejména co se týče světelné propustnosti, konverzní účinnosti, vhodných excitačních a emisních spekter, vysokého indexu lomu, tepelné vodivosti a mechanické odolnosti. Je známo, že nevýhodný v LED aplikacích bývá také malý vnitřní rozptyl světla v objemu luminoforu, což činí pro LED výhodnější použití práškových vrstev nebo zrnité, a tím pádem více rozptylující, sklokeramiky, avšak zde ve vynálezu se s výhodou uplatňuje právě malý rozptyl světla
-3 CZ 2020 - 667 A3 v luminofomím materiálu, jež je vlastní zejména dokonale vnitřně propustným monokrystalickým luminoforům.
Výhodné provedení zdroje podle vynálezu zahrnuje chladič, jehož teplosměnná plocha obklopuje alespoň část povrchu konverzního tělesa mimo dopadovou a výstupní plochu. Povrch konverzního tělesa, který neslouží jako dopadová či výstupní plocha, je s výhodou použit k odvodu odpadního tepla do chladiče, který tento povrch obklopuje. S výhodou může být povrch konverzního tělesa a chladič spojeny teplovodivým materiálem.
Je výhodné, pokud je zdroj primárního světla uzpůsoben pro generování primárního světla s nízkou divergencí. Nízká divergence, tedy rozbíhavost, svazku primárního světla umožňuje efektivnější čerpání do konverzního tělesa, neboť svazek může být nasměrován v takovém směru, například pod Brewsterovým úhlem, aby docházelo, co k nejmenšímu odrazu nebo rozptylu na rozhraní dvou optických prostředí. Tím se jednak snižují ztráty v primárním svazku, a navíc je sekundární světlo generováno v menším objemu, což vede k možnosti miniaturizace celého zařízení při zachování parametrů výstupního světla (svítivost, světelný tok, systémová účinnost). Navíc je to důležité i pro celkovou účinnost - světlo, které vznikne v ohnisku paraboloidu, pak vystupuje jako kolimované. Čím větší primární svazek, tím více rozbíhavý sekundární svazek.
Je výhodné, pokud má konverzní těleso tvar ze skupiny tvarů eliptický paraboloid, komolý eliptický paraboloid, část elipsoidu - zejména kulové úseče, výseče nebo vrstvy, složený parabolický koncentrátor, složený eliptický koncentrátor, jehlan, komolý jehlan, kužel, komolý kužel, složené tvary vzniklé kombinací předchozích. Tvary uvedené ve výčtu možností splňují podmínky pro použití ve zdroji světla dle vynálezu, neboť vykazují malou dopadovou plochu, velkou výstupní plochu, a umožňují vnitřní odraz vázaného světla, včetně následného vyvázání světla v intenzivním kolimováném nebo fokusovaném svazku.
Hlavní výhodou vynálezu je, že umožňuje produkovat intenzivní a usměrněné sekundární světlo jedinou komponentou, tzn. konverzním tělesem, čímž se zjednoduší konstrukce zdroje světla pro aplikace vyžadující miniaturizaci či bezproblémový chod, spočívající v odbourání, nebo alespoň zjednodušení citlivé optické aparatury, čímž se sníží četnost servisních zásahů a oprav a prodlouží životnost zdroje, a dále jeho odolnost vůči mechanickému namáhání. Rovněž je výhodné, že je ve vynálezu využito vlastností, které jsou v současných známých aplikacích luminoforů typicky nevýhodné. Pro využití v LED zdrojích by byl podle odborného předpokladu výhodný nízký index lomu pro snadné vyvažování sekundárního světla do vzduchu nebo silikonové optiky, avšak vynález používá materiál vykazující vysoký index lomu. Současně je oproti předpokladům výhodný menší rozptyl světla v objemu luminoforu, jež činí účinnější dokonale vnitřně propustné monokrystalické luminofory proti zrnité sklokeramice.
Objasnění výkresů
Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:
obr. 1 znázorňuje dosavadní stav techniky, kdy se konvertované světlo vyvažuje z konverzního tělesa do směrů s nezachytitelnými světelnými paprsky;
obr. 2 znázorňuje konverzní těleso podle vynálezu, které usměrňuje vystupující světlo do zachytitelného směru světelných paprsků;
obr. 3 znázorňuje konverzní těleso zdroje čerpané z více zdrojů primárního světla;
obr. 4 znázorňuje konverzní těleso s chladičem přiléhajícím ke zbývajícímu povrchu konverzního tělesa;
obr. 5 znázorňuje konverzní těleso mající tvar možného nepravidelného jehlanu;
obr. 6 znázorňuje konverzní těleso mající tvar komolého hranolu;
obr. 7 znázorňuje konverzní těleso mající tvar komolého kuželu;
obr. 8 znázorňuje konverzní těleso mající tvar jiného možného dvojitého komolého kuželu;
-4 CZ 2020 - 667 A3 obr. 9 znázorňuje konverzní těleso mající tvar kombinace komolého kuželu s kulovou úsečí; obr. 10 znázorňuje konverzní těleso mající tvar plochého paraboloidu;
obr. 11 znázorňuje konverzní těleso mající tvar paraboloidu;
obr. 12 znázorňuje konverzní těleso mající tvar komolého paraboloidu;
obr. 13 znázorňuje konverzní těleso mající tvar kombinace komolého paraboloidu a válce;
obr. 14 znázorňuje konverzní těleso mající tvar kombinace komolého paraboloidu a válce a kulové úseče;
obr. 15 znázorňuje konverzní těleso mající tvar parabolického koncentrátoru;
obr. 16 znázorňuje konverzní těleso mající tvar komolého kuželu zakončeného kulovou úsečí;
obr. 17 znázorňuje konverzní těleso mající tvar nepravidelného jehlanu;
obr. 18 znázorňuje konverzní těleso mající tvar elipsoidu;
obr. 19 znázorňuje konverzní těleso mající tvar jiného elipsoidu s komolou špičkou;
obr. 20 znázorňuje konverzní těleso mající tvar čtyřstranného parabolického koncentrátoru;
obr. 21 znázorňuje konverzní těleso mající tvar jehlanu;
obr. 22 znázorňuje konverzní těleso mající tvar jiného jehlanu s plochou špičkou;
obr. 23 znázorňuje konverzní těleso mající tvar komolého čtyřbokého jehlanu;
obr. 24 znázorňuje konverzní těleso mající tvar kulové úseče;
obr. 25 znázorňuje konverzní těleso mající tvar kulové vrstvy;
obr. 26 znázorňuje konverzní těleso mající tvar šestibokého parabolického koncentrátoru;
obr. 27 znázorňuje konverzní těleso mající tvar šestibokého komolého dvojjehlanu;
obr. 28 znázorňuje konverzní těleso mající tvar šestibokého komolého jehlanu a komolého kuželu;
obr. 29 znázorňuje konverzní těleso mající tvar šestibokého komolého jehlanu;
obr. 30 znázorňuje dvousložkové konverzní těleso mající tvar komponenta - paraboloid, ve kterém je luminofor druhý v pořadí;
obr. 31 znázorňuje dvousložkové konverzní těleso mající tvar komponenta - paraboloid, ve kterém je luminofor první v pořadí;
obr. 32 znázorňuje dvousložkové konverzní těleso mající tvar komponenta - komolý hranol, ve kterém je luminofor první v pořadí; a obr. 33 znázorňuje dvousložkové konverzní těleso mající tvar komponenta - komolý kužel, ve kterém je luminofor první v pořadí.
Příklad uskutečnění vynálezu
Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde popsána.
Zdroj světla podle vynálezu zahrnuje dvě základní komponenty. První komponentou je alespoň jeden zdroj primárního světla. Tento zdroj je tvořen například laserovou diodou, která dokáže produkovat intenzivní koherentní světelný svazek s vysokou hustotou výkonu. Je žádoucí, aby zdroj primárního světla produkoval primární světlo s nízkou divergencí. Odborník volí parametry, zejména emisní vlnovou délku, primárního světla s ohledem na luminofomí materiál konverzního tělesa 1, aby docházelo ke konverzi na sekundární světlo, a současně s ohledem na to, zda se jedná o úplnou, nebo částečnou, konverzi, aby došlo k vytvoření mixu primárního a sekundárního světla, např. pro vznik bílého světla.
Zdroje primárního světla mají svůj svazek primárního světla zaměřen na dopadovou plochu 2 konverzního tělesa 1. Zdrojů primárního světla může být více, pokud jsou jejich světelné svazky dobře zacíleny. Ukázka čerpání konverzního tělesa 1 více svazky primárního světlaje vyobrazena na obr. 3.
CZ 2020 - 667 A3
Konverzní těleso 1 je alespoň z části z luminofomího materiálu. Konverzní těleso 1 musí vykazovat dobrou světelnou propustnost, aby světlo do něj čerpané, spolu se světlem vněm vzniklým, se dobře vyvázalo skrz výstupní plochu 3. Primární světlo se do konverzního tělesa 1 čerpá dopadovou plochou 2, na kterou jsou zaměřeny svazky primárního světla. Dopadová plocha 2 musí být menší než výstupní plocha 3, přičemž v kombinaci s tvarem a rolí reflexního rozhraní zbývajícího povrchu konverzního tělesa j. dojde k tomu, že konverzní těleso 1 neslouží jako známý optický člen geometrické koncentrace, ale že se světlo v konverzním tělese 1 konvertuje, odráží, a jakmile dorazí k výstupní ploše 3, tak ji opouští ve formě kolimovaného, homogenizovaného nebo fokusovaného svazku s vysokým jasem. Postup světla skrz konverzní těleso 1 od dopadové plochy 2 k výstupní ploše 3 je zajištěn odrazem světla v konverzním tělese 1 od zbývajícího povrchu konverzního tělesa 1, který slouží jako reflexní rozhraní.
Vlastnost reflexního rozhraní může získat zbývající povrch konverzního tělesa j. dvěma způsoby. Za prvé se na zbývající povrch konverzního tělesa 1 aplikuje reflexní vrstva, např. vrstva stříbra. Alternativně může vlastnost reflexního rozhraní vyplývat z materiálového složení konverzního tělesa 1, a to zejména pokud se jedná o materiál s vysokým indexem lomu. Pokud rozdíl indexu lomu mezi materiálem konverzního tělesa j. a okolního prostředí splňuje podmínku pro existenci totálního odrazu na rozhraní, tak v kombinaci s tvarem zbývajícího povrchu konverzního tělesa 1 se světlo obsažené v konverzním tělese 1 nedokáže skrz zbývající povrch vyvázat a je odráženo směrem k výstupní ploše 3 tak, aby na ní již podmínka na totální odraz nebyla splněna.
Velikost dopadové plochy 2 je menší než 2 mm2, zpravidla se velikost dopadové plochy 2 ve vynálezu pohybuje okolo hodnoty 0,05 mm2. Dopadovou plochu 2 je možné vytvořit takto malou, neboť primární světlo ve formě laserového svazku je možné dobře zaostřit. Podmínkou je, aby materiál konverzního tělesa 1 dokázal z takto energeticky koncentrované plochy dobře odvést teplo do zbytku svého objemu, a aby byl dostatečně tepelně odolný. O vhodném typu materiálu se bude psát dále v textu.
Ke zbývajícímu povrchu konverzního tělesa 1 může být přiložen chladič 4. To znamená, že chladič 4 nezastiňuje dopadovou plochu 2, ani výstupní plochu 3. Chladič 4 může být ke konverznímu tělesu 1 upevněn pomocí teplovodivého materiálu, např. pomocí pájky, teplovodivého lepidla, či teplovodivou pastou. Chladič 4 je např. kovový (hliníkový, měděný, z jiného kovu), nebo keramický. Vyobrazení chladiče 4 je na obr. 4.
Vhodným materiálem pro výrobu konverzního tělesa 1 jsou materiály ze skupiny granátů popsaných vzorcem (Ai^BxfrALO^Ce34, nebo ze skupiny perovskitů AAlOťTi' . kde: A a B je alespoň jeden chemický prvek ze skupiny Lu, Y, Gd, Tb a x nabývá rozmezí mezi 0 a 1. Tyto materiály jsou voleny odborníkem zejména pro své konverzní vlastnosti (excitační a emisní spektra, kvantovou účinnost), vysoký index lomu, pro své mechanické, teplotní a fyzikální vlastnosti, což znamená, že je materiál odolný vůči tepelnému namáhání, je dobře opracovatelný, mechanicky stabilní.
Konverzní těleso 1 může být tvořeno ze dvou částí spojených do integrálního celku. Části jsou za sebou řazeny po směru optické osy, to znamená, že světlo prochází nejprve jednou aposléze druhou částí konverzního tělesa L Viz obr. 30 až 33. Jedna část je z luminofomího materiálu, druhá část je z neluminofomího materiálu. Pořadí obou částí lze libovolně zaměnit. Zatímco úkolem luminofomí části je konverze světla, tak úkolem nekonverzní části je usměrnění anebo homogenizace svazků světla. Navíc je možné, aby luminofomí část tvořily dva luminofomí materiály, např. pro zisk světla s určitou barvou. Luminofomí část může být menší než neluminofomí. Např. luminofomí část může být tvořena dvěma atomárně bondovanými plátky, zatímco neluminofomí část tvoří zbytek objemu konverzního tělesa 1.
Co se týče samotného tvam konverzního tělesa 1, tak musí být splněna podmínka, že je dopadová plocha 2 menší než výstupní plocha 3. Vzhledem k tomu, že musí být část světla v objemu tělesa 1 reflektována, aby se od vstupní plochy 2 dostala do výstupní plochy 3, těleso 1 obecně vykazuje
-6CZ 2020 - 667 A3 tvar prostorově rozšiřujícího se objektu směrem od dopadové plochy 2 k výstupní ploše 3. Ukázkové tvary konverzního tělesa 1 jsou na obrázcích 5 až 33. Uvedené ukázkové tvary bude odborník schopen upravovat, např. změnou rozměrů, zvětšením/zmenšením počtu boků, kombinací, atp.
Příklad 1 - parabolické konverzní těleso 1
Svazek primárního světla, kterým je laserový svazek o vlnové délce 445 nm, vstupuje do vrcholu celoleštěného konverzního tělesa 1 z monokrystalu LuAG:Ce ve tvaru rotačního paraboloidu o délce 6 mm, který reprezentuje konverzní těleso 1. Dopadová plocha 2 na vrcholu tělesa je definována průřezem svazku primárního záření. Samotný paraboloid má ohniskovou vzdálenost 0,16 mm. Veškeré záření z laseru je luminoforem konvertováno na širokospektrální zelené až žluté světlo o vlnových délkách 470 až 680 nm. Takto generované záření se v materiálu luminoforu šíří náhodně všemi směry, následně je pomocí totálních odrazů na rozhraní konverzního tělesa 1 a okolního prostředí kolimováno a vystupuje přednostně předním rovinným čelem paraboloidu tvořícím výstupní plochu 3. Díky vysokému indexu lomu monokrystalu LuAG:Ce (n = 1,84) se plocha mimo dopadovou plochu 2 a výstupní plochu 3 chová jako parabolické zrcadlo - dochází zde k totálnímu odrazu. Mezní úhel totálního odrazu pro rozhraní vzduch - LuAG:Ce je 33° od kolmice na rozhraní, všechny paprsky dopadající pod větším úhlem jsou tedy odraženy zpět do luminoforu. Pro parabolické zrcadlo zároveň platí, že všechny paprsky procházející jeho ohniskem jsou jím kolimovány. Je-li tedy vhodně zvolena ohnisková vzdálenost a míra absorpce primárního záření tak, aby velká část sekundárního záření vznikala v ohnisku nebo v jeho těsné blízkosti, pak většina tohoto záření opouští konverzní těleso j. kolimována.
Zároveň dle dříve uvedeného platí, že účinnost je tím vyšší, čím více paprsků vzniká v ohnisku. Je tedy zřejmé, že účinnost optického zdroje s tímto konverzním tělesem 1 se zvyšuje zároveň se zmenšováním paprsku primárního světla.
Příklad 2 - konverzní těleso 1 ve tvaru složeného parabolického koncentrátoru
Laserový svazek o vlnové délce 460 nm vstupuje do celoleštěného konverzního tělesa 1 z optické keramiky YAG:Ce ve tvaru složeného parabolického koncentrátoru s akceptačním úhlem 0° (tedy s rovnoběžnými optickými osami parabolických ploch), ohniskovou vzdáleností 0,16 mm a vzdáleností optických os 0,5 mm do dopadové plochy 2, jež je v úrovni ohniska. Veškeré záření z laseru je luminoforem konvertováno na širokospektrální zelené až žluté světlo o vlnových délkách 505 až 700 nm. Takto generované záření se v materiálu luminoforu šíří náhodně všemi směry, následně jsou pomocí totálních odrazů na rozhraní tyto paprsky kolimovány a vystupují přednostně předním rovinným čelem paraboloidu tvořícím výstupní plochu 3. Pro složený parabolický koncentrátor platí, že všechny paprsky vstupující do něj pod úhlem menším než je jeho akceptační úhel, jsou odraženy do plochy mezi ohnisky parabol, jež definují jeho tvar. Toto platí i obráceně - paprsky, jež vzniknou v ohniskové rovině, jsou parabolickým koncentrátorem usměrněny. Opět se zde uplatní vysoký index lomu optické keramiky YAG:Ce (n = 1,82), neboť účinnost parabolické koncentrátoru stoupá s indexem lomu prostředí, jež ho tvoří.
Příklad 3 - konverzní těleso 1 pro bílou barvu světla
Konverzní těleso 1 - luminofor ve tvaru na sebe navazujících komolých kuželů je složen ze dvou částí - tenké světlo konvertující destičky zYAG:Ce a kuželových světlovodů z nedotovaného YAG. Na menší rovnou plochu nejmenšího komolého kuželu je metodou difiizního bondování připevněna destička YAG:Ce o tloušťce 0,2 mm. Tloušťka konvertující části je určena tak, aby na výstupu tvořilo konvertované žluté světlo spolu se zbytkem pronikajícího modrého primárního světla bílé světlo.
Primární světlo vstupuje do konverzního tělesa 1 dopadovou plochou 2 přes vstupní broušený povrch. Ostatní povrchy jsou leštěné. Světlo vznikající konverzí modrého laserového záření
-7 CZ 2020 - 667 A3 v tenké destičce konvertoru se dostává do světlovodu, kde je usměrněno pomocí totálního odrazu od vnějšího rozhraní krystal-vzduch, kolimováno a vystupuje přednostně předním čelem tvořícím výstupní plochu 3. Výsledné bílé světlo má korelovanou barevnou teplotu (CCT) 6700 K.
Příklad 4 - konverzní těleso 1 s vrchlíkem
Konverzní těleso 1 - celoleštěný luminofor ve tvaru rotačního paraboloidu. Část mezi vrcholem a ohniskem je z nedotovaného monokrystalu YAG a pomáhá soustředit laserový svazek primárního světla do ohniska. Primární světlo tak vniká do druhé části ze světlo konvertují čího monokrystalu GdYAG:Ce v mnohem menší ploše, čímž se zvýší účinnost, jak již bylo vysvětleno v příkladu 1. Obě části konverzního tělesa 1 jsou spojeny metodou difuzního bondování.
Příklad 5 - konverzní těleso 1 s vysokoindexovým vrchlíkem
Konverzní těleso 1 - celoleštěný luminofor složený ze dvou částí. Luminofomí část tvoří monokrystal LuAG:Ce ve tvaru komolého rotačního paraboloidu seříznutého v rovině ohniska. Druhou část před ohniskem tvoří polokoule z kubické zirkonie. Laserový svazek primárního světla touto půlkuličkou prochází a je fokusován do ohniska paraboly, kde dochází ke konverzi na sekundární světlo. Paprsky sekundárního světla šířící se nežádoucím směrem od vstupní dopadové plochy 2 jsou díky vysokému indexu lomu kubické zirkonie (typicky 2,15) udrženy díky totálnímu odrazu uvnitř konverzního tělesa 1 a odraženy zpět, žádoucím směrem k výstupní ploše 3.
Příklad 6 - konverzní těleso 1 ve tvaru kulové výseče s chladičem
Konverzní těleso 1 - celoleštěný luminofor ve tvaru kulové výseče (části elipsoidu) je opatřen na kuželové ploše stříbrnou vrstvou tak, aby jej bylo možné pomocí techniky pájení trvale připevnit k chladiči 4, ve kterém se nachází kuželový otvor odpovídající velikosti. Kuželový tvar je s výhodu zvolen kvůli jednoduchosti výroby kuželových děr. Díky zlepšenému odvodu teplaje možné použít silnější excitační laserový svazek primárního světla, což umožňuje konstrukci intenzivnějšího zdroje světelného záření.
Chladič 4 je s výhodou z A1N keramiky, jež má vysokou tepelnou vodivost a tepelnou roztažnost podobnou jako monokrystal konverzního tělesa 1 tak, aby se zabránilo poškození vrstvy pájky teplotním cyklováním.
Konverzní těleso 1 může být také ve tvaru kuželu nebo komolého kuželu, ale i komplexnějšího tvaru, neboť chladič 4 nemusí být obráběn, ale například sintrován či odléván.
Příklad 7 - vláknová aplikace
Zdroj barevného světla pro vláknové aplikace sestávající z laserové diody, konverzního tělesa 1 ve tvaru složené kulové úseče a komolého kuželu a z měděného držáku, jež slouží zároveň k odvodu tepla jako chladič 4. Světlo z laserové diody vstupuje přímo do konverzního tělesa £ není kolimováno žádnou čočkou, což zjednodušuje celkovou konstrukci zdroje. Pokud je ale požadována vyšší účinnost, je možné mezi laserovou diodu a konverzní těleso 1 umístit kolimační čočku. Světlo z konverzního tělesa 1 tvoří sbíhavý kužel světla, který je nejvíce zaostřen ve vzdálenosti 2,7 mm od výstupní plochy 3 tělesa £ Do tohoto místa je pak možné umístit vstupní plochu světlovodu o malém průměru nebo čelo optického vlákna. Při měření s kolimační čočkou byla naměřena 32% optická účinnost přeměny primárního modrého světla na sekundární žlutozelené světlo.
Příklad 8 - konverzní těleso 1 se dvěma luminofomími materiály
Konverzní těleso 1 - celoleštěný luminofor skládající se ze tří částí. Z LuAG:Ce, konvertující modré záření na zelené, titanem dopovaného safíru, konvertují čího zelené záření dále na červené
- 8 CZ 2020 - 667 A3 a blízké infračervené, a nedotovaného safíru či skla, usměrňujícího vzniklé světlo do požadovaného směru. První část tělesa 1 má tvar rotačního paraboloidu, nebo komolého kuželu, druhá a třetí část má tvar komolého kuželu či komolého rotačního paraboloidu.
Příklad 9 - konverzní těleso 1 se dvěma luminofomími materiály
Konverzní těleso 1 - celoleštěný luminofor skládající se ze dvou částí.
Z BAM:Eu/SAM:Eu/(LY)SO:Ce, konvertující UV záření na modré, a YAG:Ce, konvertují čího modré záření částečně na žluté až zelené, tak aby výsledné složené světlo bylo bílé. První část konverzního tělesa 1 má tvar rotačního paraboloidu, nebo komolého kuželu, druhá část má tvar nízkého válce nebo komolého kuželu.
Příklad 10 - antireflexní vrstva na dopadové ploše 2
Dopadová plocha 2 tělesa 1 je opatřena antireflexní vrstvou optimalizovanou pro oblast 430 až 470 nm, tedy pro vlnové délky primárního záření.
Příklad 11 - dichroická vrstva na dopadové ploše 2
Dopadová plocha 2 tělesa X je opatřena dichroickou vrstvou, jež propouští excitační světlo v oblasti 430 až 470 nm do tělesa X a odráží zpět do tělesa 1 sekundární světlo vzniklé luminiscencí (tj. vše nad 500 nm).
Příklad 12 - antireflexní vrstva na výstupní ploše 3
Výstupní plocha 3 je opatřena antireflexní vrstvou pro oblast vlnových délek 500 až 700 nm, díky níž se vyváže z tělesa 1 více světla. Opět se tak zvyšuje celková účinnost zařízení.
Příklad 13 - dichroická vrstva na výstupní ploše 3
Těleso 1 je opatřeno na výstupní ploše 3 dielektrickou vrstvou - optickým filtrem, který propouští pouze požadovanou část světelného spektra. Díky tomu není nutné používat samostatný optický filtr, jehož použití by vedlo ke zvětšení celého zdroje a snížení efektivity kvůli ztrátám na rozhraních. Takto upravené těleso 1 má užší vyzařovací spektrální charakteristiku.
Příklad 14 - strukturace
Pro další zvýšení efektivity je výstupní plocha 3 tělesa 1 opatřena speciální strukturou, která zvyšuje množství vystupujícího světla. Tato struktura může sloužit i k směřování paprsků světla. Obdobně je možné strukturovat dopadovou plochu 2 pro lepší průnik primárního světla do konverzního tělesa 1.
Příklad 15 - Brewster
Vstupní plocha 2 tělesa 1 je zkosena pod úhlem 61,5°, jenž odpovídá Brewsterovu úhlu pro materiál s indexem lomu 1,845 při 450 nm. Díky tomu nedochází na této ploše 2 ke ztrátám kvůli odrazu a celková účinnost navázání záření do monokrystalické komponenty tělesa 1 je zvýšena.
Příklad 16 - polarizační kombinér
Kompaktní zdroj světla sestává ze dvou výkonných laserových diod o výkonu 3.5 W o emisní vlnové délce 445 nm, jejichž výstupní svazky primárního světla jsou nejprve kolimovány a následně spojeny pomocí půlvlnné destičky a polarizačního kombinéru (polarisation beam combiner).
-9CZ 2020 - 667 A3
Příklad 17 - jedna dioda
Jednoduchý a kompaktní zdroj využívá vysokovýkonné diody o optickém výkonu 6 W. Laserový paprsek primárního světla vycházející z diody je kolimační čočkou zaostřen na vstupní plochu 2 tělesa 1, průměr laserového svazku na vstupuje méně než 200 pm.
Příklad 18 - více diod v prostoru
Výkonný zdroj využívá pole laserových diod, jejichž výstupní laserové svazky po kolimaci směřují do středu vstupní plochy 2 tělesa 1, jež je opatřeno antireflexní vrstvou.
Příklad 19 - více diod v prostoru + Brewster
Výkonný zdroj využívá pole několika laserových diod, jejichž výstupní laserové svazky po kolimaci směřují na vstupní plochu 2 tělesa 1 pod Brewsterovým úhlem, jenž pro materiál s indexem lomu 1,845 při 450 nm odpovídá 61,5°. Toto uspořádání minimalizuje ztráty odrazem na rozhraní dvou optických prostředí.
Příklad 20 - zdroj světla vícenásobný
Zdroj světla je tvořen uspořádaným polem konverzních těles lak nim přiřazených zdrojů primárního světla. Výstupní plochy 3 jsou ve zdroji světla orientovány do společného směru pro zdroj světla.
Průmyslová využitelnost
Zdroj kolimovaného světla podle vynálezu nalezne uplatnění v osvětlovacím odvětví průmyslu, dále v automobilovém průmyslu a elektronice.

Claims (10)

  1. PATENTOVÉ NÁROKY
    1. Zdroj světla, zejména pro vyzařování kolimovaného nebo fokusovaného světla, sestávající z alespoň jednoho zdroje primárního světla a z alespoň jednoho konverzního tělesa (1), jenž je alespoň z části vytvořené z luminofomího materiálu pro konverzi primárního světla na sekundární světlo, kde konverzní těleso vykazuje na svém povrchu alespoň jednu dopadovou plochu (2) pro primární světlo a alespoň jednu výstupní plochu (3) sekundárního světla, nebo mixu světla z primárního a ze sekundárního světla, vyznačující se tím, že obsah dopadové plochy (2) je menší než obsah výstupní plochy (3), a že zbývající povrch konverzního tělesa (1) tvoří tvarované reflexní rozhraní pro směrování světla odrazem uvnitř konverzního tělesa (1) směrem k výstupní ploše (3).
  2. 2. Zdroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že zbývající povrch konverzního tělesa (1) je opatřen reflexní vrstvou, nebo je konverzní těleso (1) vytvořeno z materiálu s vysokým indexem lomu pro dosažení totálního odrazu.
  3. 3. Zdroj podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že velikost dopadové plochy (2) je menší než 2 mm2.
  4. 4. Zdroj podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že konverzní těleso (1) je jako celek současně tvořeno ze dvou částí, přičemž jsou obě části uspořádány v řadě za sebou po směru optické osy konverzního tělesa (1) a to v libovolném pořadí, kde jedna část je tvořena luminofomím materiálem pro částečnou nebo plnou konverzi primárního světla, a druhá část je tvořena neluminofomím materiálem pro směrování nebo homogenizaci světla.
  5. 5. Zdroj podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že konverzní těleso (1) zahrnuje alespoň dva luminofomí materiály.
  6. 6. Zdroj podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že luminofomí materiál konverzního tělesa (1) je ze skupiny granátů popsaných vzorcem (Ai^BxfrAhO^Ce34, nebo ze skupiny perovskitů AA103:Ti3+, kde: A a B je alespoň jeden chemický prvek ze skupiny Lu, Y, Gd, Tb a x nabývá rozmezí mezi 0 a 1.
  7. 7. Zdroj podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že zahrnuje chladič (4), jehož teplosměnná plocha přiléhá k alespoň části povrchu konverzního tělesa (1) mimo dopadovou plochu (2) a výstupní plochu (3).
  8. 8. Zdroj podle nároku 7, vyznačující se tím, že konverzní těleso (1) a chladič (4) jsou spojeny teplovodivým materiálem.
  9. 9. Zdroj podle některého z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že zdroj primárního světla je uzpůsoben pro generování primárního světla s nízkou divergencí.
  10. 10. Zdroj podle některého z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že konverzní těleso (1) má tvar ze skupiny eliptický paraboloid, komolý eliptický paraboloid, část elipsoidu - zejména kulové úseče, výseče nebo vrstvy, složený parabolický koncentrátor, složený eliptický koncentrátor, jehlan, komolý jehlan, kužel, komolý kužel, komolý hranol, složené tvary vzniklé kombinací předchozích, složené tvary vzniklé kombinací předchozích a hranolu nebo válce, nebo kulové úseče.
CZ2020-667A 2020-12-10 2020-12-10 Zdroj světla CZ309096B6 (cs)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2020-667A CZ309096B6 (cs) 2020-12-10 2020-12-10 Zdroj světla
IL302806A IL302806A (en) 2020-12-10 2021-12-09 light source
EP21854923.6A EP4259965A2 (en) 2020-12-10 2021-12-09 Light source
GB2310154.6A GB2617031A (en) 2020-12-10 2021-12-09 Light source
CA3200809A CA3200809A1 (en) 2020-12-10 2021-12-09 Light source
US18/034,716 US20230417395A1 (en) 2020-12-10 2021-12-09 Light source
PCT/CZ2021/050147 WO2022122058A2 (en) 2020-12-10 2021-12-09 Light source

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2020-667A CZ309096B6 (cs) 2020-12-10 2020-12-10 Zdroj světla

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2020667A3 true CZ2020667A3 (cs) 2022-01-26
CZ309096B6 CZ309096B6 (cs) 2022-01-26

Family

ID=80038221

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2020-667A CZ309096B6 (cs) 2020-12-10 2020-12-10 Zdroj světla

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20230417395A1 (cs)
EP (1) EP4259965A2 (cs)
CA (1) CA3200809A1 (cs)
CZ (1) CZ309096B6 (cs)
GB (1) GB2617031A (cs)
IL (1) IL302806A (cs)
WO (1) WO2022122058A2 (cs)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ202380A3 (cs) * 2023-03-01 2024-01-10 Crytur, Spol. S.R.O. Světelný zdroj

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5727108A (en) * 1996-09-30 1998-03-10 Troy Investments, Inc. High efficiency compound parabolic concentrators and optical fiber powered spot luminaire
EP1925874B8 (en) * 2006-11-24 2014-09-10 OSRAM GmbH LED color-mixing lighting system
DE102013100888A1 (de) * 2013-01-29 2014-07-31 Schott Ag Licht-Konzentrator oder -Verteiler
CZ307024B6 (cs) * 2014-05-05 2017-11-22 Crytur, Spol.S R.O. Světelný zdroj
CN107002978B (zh) * 2014-11-11 2020-03-31 亮锐控股有限公司 具有陶瓷石榴石的照明设备
TWI598540B (zh) * 2015-09-07 2017-09-11 台達電子工業股份有限公司 波長轉換模組與應用其的光源模組
EP3430308A1 (en) * 2016-03-15 2019-01-23 Philips Lighting Holding B.V. Compound parabolic collimator array for high intensity lighting
DE102016218139A1 (de) * 2016-09-21 2018-04-05 Osram Gmbh Beleuchtungsvorrichtung
US10976479B2 (en) * 2017-03-28 2021-04-13 Signify Holding B.V. Light concentrator module with high refractive index interconnect
US20220082225A1 (en) * 2018-10-05 2022-03-17 Optonomous Technologies, Inc. Laser phosphor light source for intelligent headlights and spotlights

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022122058A3 (en) 2022-07-21
WO2022122058A2 (en) 2022-06-16
IL302806A (en) 2023-07-01
US20230417395A1 (en) 2023-12-28
EP4259965A2 (en) 2023-10-18
GB202310154D0 (en) 2023-08-16
GB2617031A (en) 2023-09-27
CZ309096B6 (cs) 2022-01-26
CA3200809A1 (en) 2022-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10324247B2 (en) Optical device for producing high brightness light
RU2636410C2 (ru) Светоизлучающий прибор
JP4689579B2 (ja) 発光装置
CN106796973B (zh) 发光设备
JP2022545426A (ja) 高いｃｒｉを有する高強度光源
CN108361566A (zh) 一种光源装置
CZ2020667A3 (cs) Zdroj světla
CN205002051U (zh) 波长转换装置、发光装置和灯具
JP2007258466A (ja) 照明装置及び発光装置
CN105258076A (zh) 波长转换装置、发光装置和灯具
CN109798489B (zh) 一种照明装置和汽车照明灯具
CN217816547U (zh) 一种荧光光学模组
JP6085204B2 (ja) 発光装置
US11022277B2 (en) Wavelength converter and lighting apparatus
WO2020066077A1 (ja) 蛍光体素子、その製造方法および照明装置
JP2021190313A (ja) 光変換装置および照明システム
JP2023140757A (ja) 波長変換装置及び照明装置
JP2024524377A (ja) 一体型の固体光源及び蛍光体モジュール
WO2019144545A1 (zh) 一种波长转换装置、发光组件及照明装置
CN110778926A (zh) 照明装置
JPWO2019043772A1 (ja) 蛍光体素子および照明装置