CN116568964A - 基于激光器的照明设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针对高强度激光的不安全暴露而采取的安全措施，该安全措施与基于激光器的照明设备的可靠和更安全的操作有关。根据本发明，照明设备包括第一发光半导体设备和光转换设备。第一发光半导体设备是被配置为生成第一光输出的激光设备，并且光转换设备被配置为接收第一光输出并且将第一光输出的至少一部分转换为经转换的光输出。照明设备还包括光学元件，该光学元件被配置为接收来自光转换设备的经转换的光输出。光学元件被配置为透射经转换的光输出和第一光输出，并且衰减高于第一光输出的阈值的第一光输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于激光器的照明设备，具体涉及一种针对高强度激光的不安全暴露而采取的被动措施，用于更安全地操作基于激光器的照明设备。
背景技术
高亮度照明设备在诸如投影、舞台照明、聚光照明和汽车照明之类的应用中的需求巨大。为此，可以使用激光器-磷光体技术，其中激光器提供高亮度光，而远程磷光体用作波长转换器以从激光产生经转换的光。产生白光的最容易的方式是通过结合使用蓝色泵浦激光磷光体转换的黄光。通过磷光体转换器散射泵浦蓝色激光。结果，增加了蓝色泵浦激光的集光率，从而使其比直接源自激光源的射束的危险性小得多。然而，在高强度激光从设备中发出的情况下，不安全情形可能会出现。这种严重系统故障可能与由例如热机械应力、外部冲击等引起的远程磷光体的损坏或消失有关。在这种情况下，不再更改蓝色泵浦激光束的形状和几何特性。因为激光射束可能高度平行或可以重新聚焦成非常小的斑点，所以这可能会导致危险情形。当这种情形发生时，来自磷光体单元的蓝色泵浦激光的反射或透射可能增加到不安全的水平。这种情况可能会导致光引擎的损坏以及高度定向的激光发射到环境中。
一般而言，在基于激光器的(泵浦的)照明设备中，眼睛安全是主要问题。在发生故障的情况下，重要的是防止经聚焦的或准直的激光逸出照明设备，这可能会产生将裸眼暴露于直接激光的可能性。依据照明设备的确切构造，照明设备可以符合激光器安全指示IEC60825或如IEC62471之类的一般照明规范。通过在发生故障的情况下保护负面影响，可以将分类和危险水平降低到较低的危险或风险分类水平。对于实现更容易的市场接受度和获得更低的激光等级而言，确保安全以及降低此类产品的分类和危险水平是至关重要的。一般而言，在分类过程中需要把单个故障情况考虑在内。
EP 2297827 B1公开了一种用于实现基于激光器的照明设备的安全的技术。根据该现有技术，基于激光器的照明设备包括：激光输出传感器，用于确定与激光的输出相关的激光输出信号；转换光传感器，用于确定与由光转换设备(例如，磷光体转换器)发射的经转换的光的输出相关的转换光信号；以及控制器，被配置为接收激光输出信号和转换光信号以确定安全操作参数并且控制基于激光的光源的操作，使得不会发生不安全暴露。
WO 2017059472 A1公开了一种照明设备，具有至少一个激光模块和形式为至少一个转换元件的至少一个发光区域。该照明设备还包括诊断设备，该诊断设备被设计为用于检查激光模块的运转，并且其中至少一个转换元件发射光，特别地，白光，例如，混合光，具体地，白色混合光。提供了至少一个光学有源光学元件，该光学元件可以呈现锁定状态，在该锁定状态下，光学元件在激光射束的辐照强度方面对其进行削弱，并且其中至少一个光学元件被布置为使得从激光模块输出的激光射束必须穿过光学元件，并且其中可以根据来自诊断设备的信息来控制至少一个光学元件，使得在诊断设备确定激光模块不能运转的情况下，至少一个光学元件被切换到锁定状态或保持在锁定状态。
发明内容
现有技术中建议的布置需要形式为电路和传感器的若干附加部件，这可能导致基于激光器的照明设备昂贵且复杂。附加地，基于激光器的照明应用通常集中于小型化，这受到需要附加封装空间的这些电气部件的阻碍。此外，这种照明设备的安全性取决于这些部件的适当运转。电气部件通常受到可靠性的限制，并且在恶劣环境中不能很好工作。此外，电气部件由于电磁干扰和错误跳闸而出现问题。
这里，发明人建议建立一种安全机制，该安全机制防止不安全高强度激光离开照明设备，而无需附加电路系统和传感器，但是安全机制依赖于所使用的材料和/或部件的物理特性，从而产生固有的安全系统。
因此，本发明的一个目的是提高基于激光器的照明设备的安全性，用于增强可靠性，并且该照明设备需要较少部件，从而实现小型化和潜在低成本。
本发明的目的通过提供具有如独立权利要求所限定的特征的照明设备来实现。在从属权利要求中限定优选实施例。
根据第一方面，照明设备包括第一发光半导体设备和光转换设备。第一发光半导体设备是被配置为生成第一光输出的激光设备，并且光转换设备被配置为接收第一光输出并且将第一光输出的至少一部分转换为照射方向上的经转换的光输出。照明设备还包括光学元件，该光学元件被配置为接收来自光转换设备的经转换的光输出。光学元件包括双稳态光学材料，该双稳态光学材料可以依据第一光输出的阈值从光学透射状态改变到光学衰减状态。光学元件被配置为透射经转换的光输出和第一光输出，并且衰减第一光输出的阈值以上的第一光输出。
第一发光半导体设备是激光设备，并且激光设备的合适示例可以包括以下各项中的任一项：气体激光器、染料激光器、固态激光器或半导体激光器(例如，二极管激光器或垂直腔表面发射激光器(VCSEL))。
第一发光半导体设备被配置为向光转换设备发射第一光输出。光转换设备可以是处于晶体状态或多晶体状态下的大量磷光体材料膜或块。
包括撞击在光转换设备上的第一光谱分布的第一光输出可以至少部地被转换为包括第二光谱分布的经转换的光输出。例如，暴露于蓝色泵浦激光的磷光体材料可以产生作为宽带黄光的第二波长光。未经转换的第一光输出的其余部分可以透射通过光转换设备。经转换的光输出和未经转换的第一光输出的组合可能会产生包括第三光谱分布的光。例如，混合蓝光和黄光产生白光。经转换的光输出和未经转换的第一光输出在强度或功率密度方面可能对眼睛安全，这可能与光转换效率的限制、经转换的光输出的较低能量光子组成和最终组合光束的空间分布有关。光学元件可以被配置为接收和透射来自光转换设备的经转换的光输出和未经转换的第一光输出。
不安全情形可能会出现在不安全水平的第一光输出可以从照明设备发出的情况下。如果光转换设备损坏，则第一光输出的至少大部分可以穿过被损坏的光转换设备，并且可能被光学元件接收。在这种情况下，光学元件被配置为当第一光输出增加到高于阈值时，衰减第一光输出。衰减可以完全阻挡第一光输出或将第一光输出至少降低到眼睛安全水平(例如，每平方厘米0.01瓦，更优选地，每平方厘米0.001瓦)。
光学元件可以包括双稳态光学材料，该双稳态光学材料可以依据第一光输出的阈值从光学透射状态改变到光学衰减状态。此外，依据第一光输出的阈值，光学元件可以呈现从光学透射状态到光学衰减状态的逐渐改变。光学元件的衰减特性的改变可能是可逆的或是不可逆的。光学元件可以被设想为与照明设备相关的部件上的表面层，诸如照明设备的外壳上的二向色反射器、透镜或出射窗。
在本发明的上下文中，术语‘衰减’是指借助于吸收、散射、漫射和/或反射的光学衰减。附加地，光学衰减还可以通过光学元件来实现，该光学元件被配置为增加第一光输出的集光率，使其高于第一光输出的阈值。由于在光学衰减状态下与光学元件的散射特征、模糊特征、混合特征或漫射特征的相互作用，所以光束可以表现出集光率增加。当不安全水平的第一光输出暴露于光学元件时，集光率可以增加10倍，更优选地，100倍，最优选地，1000倍。
光转换设备可以透射撞击在光转换设备的光入射表面上的第一光输出。经透射的光可以是经转换的光输出和未经转换的第一光输出的组合。还可以通过光入射表面的粗糙度散射经透射的光，从而增加经透射的光的集光率。
光转换设备还可以包括光反射器，并且光反射器可以位于光转换设备的光入射表面的相对侧上。
依据角度，第一光输出可以若干次从光反射器反射回光转换设备中。因此，这种配置允许高效的光转换。
照明设备还可以包括第一光学器件装置。第一光学器件装置可以位于第一发光半导体设备与光转换设备之间，其中光反射器位于光转换设备的光入射表面的相对侧上。该第一光学器件装置可以被配置为向该光转换设备透射第一光输出并且向照射方向反射经转换的光输出和从光转换设备的光反射器反射的第一光输出，其中光学元件可以被配置为接收从第一光学器件装置反射的光。
第一光学器件装置可以包括二向色分离器和四分之一波片。二向色分离器被配置为透射第一光输出并且反射经转换的光输出和未经转换的第一光输出。当四分之一波片相对于第一光输出的偏振成90度时，第一光输出和未经转换的第一光输出的偏振可能彼此相反。如果适当选取二向色分离器的频带边缘，则可以透射第一光输出并且反射经转换的光输出和未经转换的第一光输出。备选地，可以选取与位于四分之一波片后面的偏振分束器组合的第一光学器件装置。在这种情况下，偏振分束器可以透射一种偏振(例如，第一光输出)，同时反射另一偏振(例如，未经转换的第一光输出和经转换的光输出)。可以选取用于实现如上文所描述的第一光学器件装置的功能的光学部件的其他组合。
如果光转换设备被损坏，则不安全的第一光输出可以从位于被损坏的光转换设备后面的光反射器反射，随后从第一光学器件装置反射，最终由光学元件接收。在这种情况下，光学元件被配置为如果第一光输出增加到高于阈值，则将第一光输出衰减到眼睛安全水平。
照明设备还可以包括第一光学器件装置。第一光学器件装置可以位于第一发光半导体设备与光转换设备之间，其中光反射器位于光转换设备的光入射表面的相对侧上。第一光学器件装置可以被配置为向光转换设备透射第一光输出，并且向照射方向反射经转换的光输出和从光转换设备的光反射器反射的第一光输出，其中光学元件位于光转换设备与光反射器之间。
照明设备还可以包括第二发光半导体设备和第二光学器件装置，该第二发光半导体设备被配置为生成第二光输出。第二光学器件装置可以被配置为组合来自第二发光半导体设备的第二光输出和来自光学元件的朝向照射方向透射的光。在这种情况下，光转换设备可以被配置为将基本上全部的第一光输出转换为经转换的光输出。
对于一些照明应用，可能优选的是在光学分离拓扑结构中引入具有经转换的光(宽带黄光)的二次光(例如，蓝光)，以用于在实现更宽范围的色温和显色指数方面实现更大的灵活性。这可以通过合适地选取该第二发光半导体设备的操作参数来实现。第一发光半导体设备可以用作产生第一光输出的泵浦激光器。因此，对于暴露于眼睛，第一光输出可能不是很安全。第二发光半导体设备可以是被配置为发射第二光输出的激光器或LED。第二光输出的光谱分布可能与第一光输出的第一光谱分布相同或至少相当相似。但是，第二发光半导体设备的功率密度对于眼睛可能很安全，并且也适合于一般环境暴露。
在正常操作期间，经转换的光输出借助于第二光学器件装置与第二光输出组合。当光转换设备被损坏时，第一光输出可以直接穿过光转换设备。如果第一光输出高于阈值，则光学元件可以被配置为将第一光输出至少衰减到安全衰减水平。经衰减的第一光输出和第二光输出还可以借助于第二光学器件装置来组合。
第二光学器件装置可以是二向色组合器，该二向色组合器被配置为透射经转换的光输出和第一光输出，同时在照射方向上反射第二光输出。在这种情况下，第一光输出和第二光输出的波长和/或偏振可能不同，使得二向色组合器的频带边缘允许这两种光被组合。然而，必须注意，经衰减的第一光输出和第二光输出的组合光不得超过眼睛安全水平。第二光学器件装置还可以使用不同的光学部件(例如，偏振滤波器和偏振敏感分束器的组合)来实现。
照明设备可以包括位于光学元件的下游的光学透镜，并且光学透镜用于在照射方向上的以下各项中的一项：准直光、聚焦光、模糊光或漫射光。
准直光、聚焦光、模糊光或漫射光可以实现照明设备的各种应用领域。
备选地，光学元件还可以被配置为用于在照射方向上的以下各项中的一项：准直光、聚焦光、模糊光或漫射光。
除提供上文所提及的被动安全特征之外，光学元件还可以被配置为用作折射光学透镜。光学元件可以被成形为适当的折射透镜，用于在照射方向上准直光、聚焦光、模糊光或漫射光。这种多功能光学元件可以允许减少照明设备的覆盖区。
备选地，光学透镜可以位于第一光学器件装置的下游。
备选地，光学透镜可以位于第二光学器件装置的下游。
光学元件可以包括光致变色材料或热致变色材料中的一种材料，这种材料被配置为吸收或散射高于第一光输出的阈值的第一光输出。
光致变色材料可以吸收或散射高于阈值的第一光输出，从而当暴露高于第一光输出的某一阈值时，衰减第一光输出。这种光致变色材料增加的吸收可能与由于通过暴露高于阈值的功率密度的第一光输出而触发的化学反应所导致的材料的变暗或散射增加相关联。
类似地，热致变色材料还可以表现出增加高于阈值的第一光输出的吸收或散射。这还可以与通过暴露高于阈值的功率密度的第一光输出而触发的热致变色材料的变暗或散射增加相关联，这种热致变色材料的变暗或散射增加随后会增加这种转变的阈值温度。
光学元件可以包括光学相变材料，该光学相变材料被配置为反射、吸收和/或散射高于第一光输出的阈值的第一光输出。
当暴露于产生相变温度的某一阈值功率密度的第一光输出时，光学相变材料可以将其光学特性从透明改变为反射、吸收和/或散射。相位可以从无定形状态变为晶体状态，反之亦然。至于这些光学相变材料，相变温度可能较高。一种选项是在相变层的顶部上添加吸收层以在故障的情况下增强热负荷。备选地，光可以被聚焦和散焦，并且光学相变材料可能处于斑点的焦点中。在这种情况下，在该点处的光密度可能非常高，并且在故障的情况下，激光功率密度可能会增加到高于转变温度的温度。
当材料转向散射状态时，该材料可以用于使光转向并且在多个方向上引导它，以防止不安全的第一光输出到达用户眼睛。否则，当材料转向反射状态时，该材料可以用于通过偏振分束器或偏振敏感反射镜将不安全的第一光输出转向射束收集器，以用于安全地收集经反射的光，从而防止不安全的第一光输出到达用户眼睛。
备选地，可以使用组合本体中的两种或更多种材料来实现光学元件。光学元件可以包括基质材料，该基质材料用作某些颗粒的主体。基质材料可以是液态、半固态或固态中的一种。基质材料可能不溶解或不与颗粒反应。当这两种材料对于未经转换的第一光输出和经转换的光输出是透明的时，基质材料的折射率可能与颗粒匹配。因此，基质材料和颗粒可能对于低于阈值的第一光输出(例如，未经转换的第一光输出和经转换的光输出)是透明的。颗粒一旦暴露于高于阈值的第一光输出时，颗粒可能通过变为吸收型或反射型而变为衰减型。这可以减少不安全的第一光输出通过光学元件到经衰减的第一光输出的透射。颗粒可以包括如上文所讨论的光致变色颗粒或热致变色颗粒。
颗粒还可能会引起散射，从而增加光的集光率，并且防止高透射率。在这种情况下，颗粒一旦暴露于高于阈值的第一光输出时，可能变为反射型或更具折射型。因此，颗粒可以包括光学相变材料。例如，光学相变材料的结晶相变可以将透明材料转变为不透明材料。当不安全水平的第一光输出暴露于光学元件时，集光率可以增加10倍，更优选地，100倍，最优选地，1000倍。
光学元件可以包括与第二材料结合的第一材料。第一材料和第二材料对于低于阈值的第一光输出(例如，未经转换的第一光输出和经转换的光输出)可能是透明的。第二材料一旦暴露于高于阈值的第一光输出时，可能变为衰减型。因此，第二材料可以是光致变色材料、热致变色材料或光学相变材料。
备选地，第一材料与第二材料之间的间隔可能被高于阈值的第一光输出损坏。该间隔可以是将第一材料和第二材料分离以防止彼此接触的薄膜或屏障。并且第一材料和第二材料可以彼此反应。因此，超过阈值的第一光输出对间隔的损坏可以允许第一材料与第二材料之间进行化学反应。所得材料可能朝向高于阈值的不安全的第一光输出衰减。在这种情况下，光学元件可以将第一光输出衰减到安全水平。
用于光学元件的材料组合不限于两种材料。可以考虑多个双层配置或包括光学元件的多于两种材料。
第一光输出的阈值可以是每平方毫米为0.5瓦的激光功率密度。
这种值可以取决于眼睛安全和其他安全标准以及激光射束斑点尺寸、针对光学元件的材料的选取、期望色温以及照明设备的显色指数。激光功率密度的阈值可以是每平方毫米2瓦，更优选地，每平方毫米1瓦。例如，对于3000K和CRI 80，功率密度阈值可能为每平方毫米0.5瓦；而对于4000K和CRI 80，功率密度阈值可能为每平方毫米1瓦。
第一发光半导体设备的光谱功率分布的范围可能为405nm至470nm，优选地，440nm至460nm，并且它还可以以445nm为中心。第二发光半导体设备的光谱分布的范围还可能在405nm至470nm之间。
照明设备可以包括热传感器和控制器。热传感器可以附接到光学元件，以用于检测光学元件的温度，并且通信连接到控制器。控制器可以被配置为当所检测到的温度超过预定温度阈值时，关断第一发光半导体设备。
当第一光输出超过高于阈值并且第一光输出被暴露于光学元件时，光学元件的温度可能增加。因此，控制器可以被配置为监测光学元件的温度改变，并且如果所检测到的温度超过预定温度阈值，则确定光转换设备故障或损坏。在检测到故障的情况下，控制器还可以被配置为通过电源开关关断第一发光半导体设备。这是附加安全特征，以进一步促进眼睛安全的基于激光器的照明设备更容易。预定温度阈值可以比正常操作条件温度高10度，更优选地，比正常操作条件温度高5度。
应当指出，本发明涉及权利要求中所述特征的所有可能组合。本发明构思的其他目的、特征和优点从下面的详细的公开内容、所附权利要求以及附图显现出来。关于一个方面所描述的特征还可以并入另一方面中，并且特征的优点适用于其所并入的所有方面。
附图说明
参考附图，通过以下对设备、方法和系统的实施例的说明性和非限制性详细描述，将更好地理解所公开的设备、方法和系统的上述以及附加目的、特征和优点，在附图中
图1(a)和图1(b)分别示意性地示出了用于基于激光器的照明设备的典型布置和该布置的不安全方面；
图2(a)和图2(b)分别示意性地示出了处于正常操作模式和安全操作模式中的照明设备；
图3(a)和图3(b)分别示意性地示出了包括两种材料的混合物的处于透明状态和衰减状态下的光学元件；
图4(a)、图4(b)和图4(c)分别示意性地示出了包括两种材料的处于透明状态、向衰减状态转变和完全衰减状态下的光学元件；
图5(a)和图5(b)分别示意性地示出了具有附加光学透镜的处于正常操作模式和安全操作模式中的照明设备；
图6(a)和图6(b)分别示意性地示出了处于透明状态和衰减状态下的被成形为会聚透镜的光学元件；
图7(a)和图6(b)分别示意性地示出了照明设备在正常操作模式和安全操作模式下的备选布置；
图8(a)和图8(b)分别示意性地示出了照明设备在正常操作模式和安全操作模式中的另一备选布置；
图9(a)和图9(b)分别示意性地示出了照明设备在正常操作模式和安全操作模式中的另一备选布置；
图10(a)和图10(b)分别示意性地示出了照明设备在正常操作模式和安全操作模式中的另一备选布置；以及
图11示意性地示出了具有热传感器和控制器的照明设备。
所有附图都是示意性的，并不一定按比例绘制，并且通常仅示出为了阐明本发明所必需的部分，其中可以省略或仅建议其他部分。
具体实施方式
现在，以下参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同形式实施，并且不应被解释为限于本文中所阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并且将本发明的范围完全传达给技术人员。
图1(a)示意性地示出了基于激光器的照明设备的典型布置。在该图中，第一发光半导体设备101被描述为激光设备101。激光设备101可以是以下各项中的一项：气体激光器、染料激光器、固态激光器或半导体激光器(例如，二极管激光器或垂直腔表面发射激光器(VCSEL))。激光设备被配置为向光转换设备103发射第一光输出102。第一光输出102可以是光谱功率分布在405nm至470nm范围内的蓝光，优选地，在440nm至460nm范围内的蓝光，也可以以445nm为中心。光转换设备103可以是晶体状态或多晶体状态的大量磷光体材料膜或块。这里，示出了处于透射远程磷光体模式中的基于激光器的照明设备。包括第一光谱分布的第一光输出102撞击在光转换设备103上，并且至少部分地被转换为包括第二光谱分布的经转换的光输出104，如图1(a)中的经转换的光输出104所示。例如，暴露于蓝色泵浦激光的磷光体材料可以产生作为宽带黄光的第二波长光。未经转换的第一光输出112的其余部分透射通过光转换设备103。经转换的光输出104和未经转换的第一光输出112的组合产生例如在照射方向上发射的白光，从而对用户眼睛001可见。经转换的光输出104和未经转换的第一光输出112在强度或功率密度方面可能对眼睛安全，这可能与光转换效率的限制、经转换的光输出104的较低能量光子组成以及最终组合光束的空间分布有关。
在图1(b)中，不安全情形可能出现在不安全水平的第一光输出102可以从照明设备发出的情况下。这种严重的系统故障可能由于光转换设备103中的远程磷光体的损坏或消失002而出现，这可能由热-机械应力引起。这种情况可能会导致不安全的第一光输出102发射到环境中，并且最终可能到达与照明设备100的照射方向一致的用户眼睛001。
图2示出了用于通过将光学元件105集成到照明设备100中来解决上文所提及的对不安全激光的不安全暴露的照明设备100。在图2(a)中，示出了照明设备100的正常操作模式。光学元件105被配置为接收和透射来自光转换设备103的经转换的光输出104以及未经转换的第一光输出112。在撞击到光学元件105上的未经转换的第一光输出112保持低于第一光输出102的阈值时，光学元件105将在正常操作模式中保持透射。
如果光转换设备103被损坏002，则不安全的第一光输出102的至少大部分或全部可以穿过被损坏的光转换设备103，并且由光学元件105接收，如图2(b)所示。在这种条件下，光学元件105被配置为当第一光输出102增加到高于阈值时，将第一光输出102衰减到安全水平(例如，每平方厘米0.01瓦，更优选地，每平方厘米0.001瓦)。由此，减少了不安全的第一光输出102通过光学元件105到经衰减的第一光输出122的透射，并且使得照明设备100对用户眼睛001安全。衰减还可以大幅减小第一光输出102的透射以完成衰减。
阈值可以与由第一发光半导体设备101生成的第一光输出102的功率密度有关。这种值可以取决于眼睛安全和其他安全标准以及激光射束斑点尺寸、针对光学元件105的材料的选取、期望色温以及照明设备100的显色指数。激光功率密度的阈值可以是每平方毫米2瓦，更优选地，每平方毫米1瓦。例如，对于3000K和CRI 80，功率密度阈值可能为每平方毫米0.6瓦；而对于4000K和CRI 80，功率密度阈值可能为每平方毫米1瓦。
因此，光学元件105可以包括双稳态光学材料，该双稳态光学材料可以依据第一光输出102的阈值从光学透射状态改变到光学衰减状态。此外，依据第一光输出102的阈值，光学元件105可以表现出从光学透射状态到光学衰减状态的逐渐改变。在该方面，可能存在适合于实现光学元件105的几种不同材料。
例如，光致变色材料可以吸收或散射高于阈值的第一光输出102，从而当暴露高于第一光输出102的某个阈值时，衰减第一光输出102。这种光致变色材料的增加的吸收可能与由于通过暴露高于阈值的功率密度的第一光输出102而触发的化学反应而导致的材料的变暗或散射增加相关联。
出于实际目的，可以考虑光致变色玻璃。光致变色玻璃在变暗(吸收)状态与透明(透射)状态之间的光学特性可能取决于玻璃成分。高达90％的透明透射率和低至5％的变暗透射率都是可能的。适用于光学应用的光致变色材料可能基于卤化银颗粒，这些卤化银颗粒对于其在许多光学玻璃中的用途是公知的，例如，在碱金属-铝-硼-硅酸盐、碱金属-硼酸盐、铅-硼酸盐、镧-硼酸盐和铝-磷酸盐中。最广泛使用的是碱金属-铝-硼-硅酸盐。这些玻璃与以质量的百分之零点几的量级添加的银、氯和溴离子一起熔化。卤素离子的量可能需要超过银离子的量。类似地，在玻璃熔体中应当存在质量的2％至10％的量级的亚铜离子。当这样的玻璃在玻璃化转变温度以上热处理合适的时间时，基本上无疲劳的光致变色现象可能会演变。然后，经由复杂的相分离工艺将含有一些亚铜离子的卤化银颗粒包含在玻璃基质中。对于最大光致变色性、最小光散射和可接受的动力学，它们的直径的范围应当在10nm至20nm之间。
类似地，热致变色材料还可以表现出对高于阈值的第一光输出102的吸收或散射的增加。这还可以与通过暴露高于阈值的功率密度的第一光输出102而触发的热致变色材料的变暗或散射增加相关联，这种热致变色材料的变暗或散射增加随后会增加这种转变的阈值温度。
依据所需的应用波长和温度范围，可以使用许多不同类型的热致变色材料。这些热致变色材料可以是包括金属和盐(例如，氧化钒)的无机材料和包括溶剂基材料的有机材料。众所周知的光学热致变色材料通常是有机无色染料混合物，包括成色剂、显色剂和溶剂。成色剂通常是决定基色的环酯。显色剂可以是产生颜色改变和最终颜色强度的弱酸。溶剂(醇或酯)熔点可能会影响颜色转变温度。因此，化合物的热致变色转变温度可能被设计为满足期望应用。
备选地，光学相变材料还可以合适地表示光学元件105。当暴露于产生相变温度的某一阈值功率密度的第一光输出102时，光学相变材料可以将其光学特性从透明改变为反射、吸收和/或散射。该相位可以从无定形状态变为晶体状态，反之亦然。至于这些光学相变材料，相变温度可能较高。一种选项是在相变层的顶部上添加吸收层以在故障的情况下增强热负荷。备选地，光可以被聚焦和散焦，并且光学相变材料将处于斑点的焦点中。在这种情况下，在该点处的光密度可能非常高，并且在故障的情况下，激光功率密度将增加到高于转变温度的温度。
当材料转向散射状态时，该材料可以用于使光转向并且在多个方向上引导它，以防止不安全的第一光输出102到达用户眼睛001。否则，当材料转向反射状态时，该材料可以用于通过偏振分束器或偏振敏感反射镜将不安全的第一光输出102转向射束收集器，以用于安全地收集经反射的光，从而防止不安全的第一光输出102到达用户眼睛001。
从光学存储装置、可重写DVD和蓝光光盘中获知许多不同的相变材料。光学相变材料可以包括锗(Ge)、镓(Ga)、砷(As)、铟(In)、碲(Te)和锑(Sb)的合金。可以根据应用通过选取最佳合金成分来定制光学相变材料的光学特性、光学特性转变条件和转变程度。
备选地，可以使用两种材料来实现如图3和图4所示的光学元件105。在图3中，光学元件105包括基质材料115，该基质材料115可以充当颗粒125的主体。基质材料125可以是液态、半固态或固态中的一种。基质材料125可能不溶解或不与颗粒125反应。当这两种材料对于未经转换的第一光输出112和经转换的光输出104是透明的时，基质材料115的折射率可能与颗粒125匹配。因此，基质材料115和颗粒125对于低于阈值的第一光输出102(例如，如图3(a)所示的未经转换的第一光输出112和经转换的光输出104)可以是透明的。如图3(b)所示，颗粒125一旦暴露于高于阈值的第一光输出102时，可以通过变为吸收型而变为衰减型。这可以减少不安全的第一光输出102通过光学元件105到经衰减的第一光输出122的透射。颗粒125可以包括如上文所讨论的光致变色材料或热致变色材料。
颗粒125还可能引起散射，从而增加光的集光率，并且防止高透射率。在这种情况下，颗粒125一旦暴露于高于阈值的第一光输出102时，可以变为反射型或更具折射型。因此，颗粒125可以包括光学相变材料。例如，光学相变材料的结晶相变可以将透明材料转变为不透明材料。
在图4中，光学元件105包括与第二材料125结合的第一材料115。第一材料115和第二材料125对于低于阈值的第一光输出102(例如，如图4(a)所示的未经转换的第一光输出112和经转换的光输出104)可以是透明的。第二材料125一旦暴露于高于阈值的第一光输出102时，可以变为衰减型。
备选地，第一材料115与第二材料125之间的间隔135可能被高于阈值的第一光输出102损坏，如图4(b)所示。间隔135可以是将第一材料115和第二材料125分离以防止彼此接触的薄膜或屏障。并且，第一材料115和第二材料125可以彼此反应。因此，高于阈值的第一光输出102对间隔135的损坏可以允许第一材料115与第二材料125之间进行化学反应。所得材料145可以朝向不安全的第一光输出102变为衰减型，如图4(c)所示。在这种情况下，光学元件105可以将第一光输出102衰减到安全水平的经衰减的第一光输出122。
第一材料115和第二材料125的合适示例可以包括沉淀反应材料，例如，Ca2Cl和Na2CO3水溶液。当被混合时，它们将形成不溶于水的CaCO3并且制成不透明溶液。还可以考虑形成有机有色分子、有色盐、或通过酸碱或氧化还原反应形成的颜色的示例。例如，在氧化时变成深蓝色的无色亚甲蓝也吸收蓝色激光。无色铁离子溶液(Fe3+)与盐或H2O2溶液反应并且生成蓝色反应副产物。此外，可以考虑两种液体聚合物材料之间的聚合反应以形成固体聚合物，因为这也可以导致透明度发生改变。
在图3和图4中，示出了用于光学元件105的两种材料的组合。然而，还可以考虑多个双层配置或包括光学元件105的多于两种材料。
光学元件105的衰减特性的改变可以是可逆的或不可逆的。光学元件105可以被构思为与照明设备100相关的部件上的表面层，诸如照明设备的外壳上的二向色反射器、透镜或出射窗。
图5(a)示意性地示出了处于正常操作模式中的具有附加光学透镜111的照明设备100。光学透镜111位于光学元件105的下游，以在照明设备100的照射方向上准直、聚焦、模糊或漫射经转换的光输出104和未经转换的第一光输出112。图5(b)示意性地示出了处于安全操作模式中的具有附加光学透镜111的照明设备100。光学透镜111还可以准直、聚焦、模糊或漫射经衰减的第一光输出122，因此可以优选地使第一光输出102的衰减低于安全水平。
除提供上文所提及的被动安全特征之外，光学元件105还可以被配置为用作折射光学透镜。光学元件105可以被成形为适当的折射透镜，用于在照射方向上准直光、聚焦光、模糊光或漫射光。在图6(a)中，光学元件105被示意性地成形为会聚透镜，用于在照射方向上聚焦经转换的光输出104和未经转换的第一光输出112。在图6(b)中，用作会聚透镜的光学元件105转变为衰减状态，用于将第一光输出102的不安全水平衰减到经衰减的第一光输出122的安全水平。
在图7中，光转换设备103被布置有光反射器106，其位于光转换设备103的光入射表面113的相对侧上。来自第一发光半导体设备101的第一光输出102以与光入射表面113相比较不是90度的角度撞击到光转换设备103上。依据该角度，第一光输出102可以若干次从光反射器106反射回到光转换设备103中。因此，这种配置允许高效的光转换。然而，使用光学元件105的安全措施保持与图2所示的相同。如果光转换设备103被损坏002，则不安全的第一光输出102可以从被损坏的光转换设备103反射并且由光学元件105接收，如图7(b)所示。在这种情况下，光学元件105被配置为当第一光输出102增加到高于阈值时，将第一光输出102衰减到安全水平。由此，减少了不安全的第一光输出102通过光学元件105到经衰减的第一光输出122的透射，并且使得照明设备100对用户的眼睛001安全。
在图8中，照明设备100被布置为具有光转换设备103，该光转换设备103具有如图7所示的光反射器106。然而，来自第一发光半导体设备101的第一光输出102以与光入射表面113成90度的角度被引导到光转换设备103上。如图8所示，第一光学器件装置107位于第一发光半导体设备101与光转换设备103之间。如图8(a)所示，第一光学器件装置107被配置为向光转换设备103透射第一光输出102，但反射经转换的光输出104和未经转换的第一光输出112。第一光学器件装置107可以包括二向色分离器117和四分之一波片127，如图8所示。二向色分离器117被配置为透射第一光输出102并且反射经转换的光输出104和未经转换的第一光输出112。四分之一波片127被配置为从任何方向透射第一光输出102、未经转换的第一光输出112和经转换的光输出104。当四分之一波片127相对于第一光输出102的偏振成90度时，第一光输出102和未经转换的第一光输出112的偏振可能彼此相反。如果适当选取二向色分离器117的频带边缘，则可以透射第一光输出102并且反射经转换的光输出104和未经转换的第一光输出112。备选地，可以选取与位于四分之一波片之后的偏振分束器组合的第一光学器件装置107。在这种情况下，偏振分束器可以透射一种偏振(例如，第一光输出102)，同时反射另一偏振(例如，未经转换的第一光输出112和经转换的光输出104)。可以选取光学部件的其他组合，以用于实现如上文所描述的第一光学器件装置107的功能。
光学元件105被配置为接收从第一光学器件装置107反射的光。透射通过光学元件105的光使用光学透镜111聚焦。如果光转换设备103被损坏002，则不安全的第一光输出102可以从位于被损坏的光转换设备103背面的光反射器106反射，随后从第一光学器件装置107反射，并且最终由光学元件105接收，如图8(b)所示。在这种情况下，光学元件105被配置为如果第一光输出102增加到高于阈值，则将第一光输出102衰减到眼睛安全水平。
图9(a)和图9(b)分别示出了照明设备在正常操作模式和安全操作模式中的备选布置。与图8相似，照明设备100包括第一发光半导体设备101与光转换设备103之间的第一光学器件装置107。光学元件105夹在光转换设备103与光反射器106之间。因此，经转换的光输出104和未经转换的第一光输出112透射通过光学元件105，并最终从光反射器106朝向第一光学器件装置107反射。第一光学器件装置107被配置为向光学透镜111反射经转换的光输出104和未经转换的第一光输出112，最终可以到达用户眼睛001。如果光转换设备103被损坏002，则透射通过第一光学器件装置107的第一光输出102由光学元件105直接接收。如果第一光输出102高于阈值，则光学元件105被配置为将不安全的第一光输出102衰减到眼睛安全水平。光学元件105可以仅透射经衰减的第一光输出122。经衰减的第一光输出122从光反射器106向第一光学器件装置107反射。随后，如图9(b)所示，经衰减的第一光输出122也从第一光学器件装置107反射到光学透镜111，最终反射到用户眼睛001。
对于一些照明应用，可能优选的是在如图10所示的光学分离拓扑结构中引入具有转换光的二次光(例如，另一蓝光)。通过适当选取该二次发光半导体设备109的操作参数，照明设备100的这种布置可以在实现范围更宽的色温和显色指数方面允许更大的灵活性。照明设备100包括图10中的两个光源。第一发光半导体设备101可以用作产生第一光输出102的泵浦激光器。因此，第一光输出102对于暴露给眼睛可能相当不安全。第二发光半导体设备109可以是激光器或LED，该激光器或LED被配置为发射光谱分布与第一光输出102的第一光谱分布相同或至少相当相似的第二光输出110。第二发光半导体设备109的光谱分布的范围还可以为405nm至470nm之间，优选地，440nm至460nm。但是功率密度对于暴露给眼睛和一般环境是安全的。如图10(a)所示，光转换设备103将第一光输出102完全转换为经转换的光输出104。如图2至图9所示，光转换设备103可以将第一光输出102部分转换为未经转换的第一光输出。经转换的光输出104透射通过光学元件105，并且借助于第二光学器件装置108与第二光输出110组合。
图10(b)示出了照明设备100的安全操作模式。当光转换设备103被损坏002时，第一光输出102可以直接穿过光转换设备103。光学元件105被配置为如果第一光输出102高于阈值，则将第一光输出102至少衰减到安全衰减水平。经衰减的第一光输出122和第二光输出110还借助于第二光学器件装置108组合。在图10中，第二光学器件装置108可以是二向色组合器118，该二向色组合器118被配置为透射经转换的光输出104和第一光输出102，同时向用户眼睛001反射第二光输出110。在这种情况下，第一光输出102和第二光输出110的波长和/或偏振可能不同，使得二向色组合器118的频带边缘允许这两种光被组合。然而，必须注意，具有经衰减的第一光输出122和第二光输出110的组合光不超过眼睛安全水平。第二光学器件装置108还可以使用不同光学部件的组合(例如，偏振滤波器和偏振敏感分束器的组合)来实现。
图11示意性地示出了具有热传感器112和控制器113的照明设备100。热传感器112与光学元件105接触并且通信连接到控制器113。当高于阈值的第一光输出102暴露于光学元件105时，光学元件105的温度也会升高。因此，控制器113可以被配置为监测光学元件105的温度改变，并且如果所检测到的温度超过预定温度阈值，则确定光转换设备113故障或损坏002。在检测到故障的情况下，控制器113还可以被配置为通过电源开关114关断第一发光半导体设备101。这是附加安全特征，以进一步促进对眼睛安全的基于激光器的照明设备100。
应当指出，上文所提及的实施例说明而非限制本发明，并且所属领域的技术人员将能够在不脱离所附权利要求书的范围的情况下设计许多备选实施例。在权利要求中，置于括号中的任何附图标记不应解释为限制权利要求。动词“包括”及其变形的使用不排除除权利要求中所述的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件之前的冠词“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在。
在相互不同的从属权利要求中叙述某些特征的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些特征的组合。上文所讨论的各个方面可以被组合以提供附加优点。此外，本领域技术人员将理解，可以组合两个或更多个实施例。
Claims (15)
1.一种照明设备(100)，包括，
-第一发光半导体设备(101)，所述第一发光半导体设备(101)是被配置为生成第一光输出(102)的激光设备，
-光转换设备(103)，被配置为接收所述第一光输出(102)并且将所述第一光输出(102)的至少一部分转换为要在照射方向上定向的经转换的光输出(104)，以及
-光学元件(105)，被配置为接收来自所述光转换设备(103)的所述经转换的光输出(104)，
其中所述光学元件(105)包括双稳态光学材料，所述双稳态光学材料能够依据所述第一光输出(102)的阈值从光学透射状态改变到光学衰减状态，
其中所述光学元件(105)被配置为透射所述经转换的光输出(104)和所述第一光输出(102)，并且
其中所述光学元件(105)被配置为衰减高于所述第一光输出(102)的阈值的所述第一光输出(102)。
2.根据权利要求1所述的照明设备(100)，其中所述光转换设备(103)还包括光反射器(106)，并且其中所述光反射器(106)位于所述光转换设备(103)的光入射表面(113)的相对侧上。
3.根据权利要求2所述的照明设备(100)，其中所述照明设备(100)还包括第一光学器件装置(107)，所述第一光学器件装置(107)位于所述第一发光半导体设备(101)与所述光转换设备(103)之间，其中所述第一光学器件装置(107)被配置为向所述光转换设备(103)透射所述第一光输出(102)，并且向所述照射方向反射所述经转换的光输出(104)和从所述光转换设备(103)的所述光反射器(106)反射的所述第一光输出(102)，并且其中所述光学元件(105)被配置为接收从所述第一光学器件装置(107)反射的所述光。
4.根据权利要求2所述的照明设备(100)，其中所述照明设备(100)还包括第一光学器件装置(107)，所述第一光学器件装置(107)位于所述第一发光半导体设备(101)与所述光转换设备(103)之间，其中所述第一光学器件装置(107)被配置为向所述光转换设备(103)透射所述第一光输出(102)，并且向所述照射方向反射所述经转换的光输出(104)和从所述光转换设备(103)的所述光反射器(106)反射的所述第一光输出(102)，并且其中所述光学元件(105)位于所述光转换设备(103)与所述光反射器(106)之间。
5.根据权利要求1所述的照明设备(100)，其中所述照明设备(100)还包括：
-第二发光半导体设备(109)，被配置为生成第二光输出(110)，以及
-第二光学器件装置(108)，
其中所述第二光学器件装置(108)被配置为组合来自所述第二发光半导体设备(109)的所述第二光输出(110)和来自所述光学元件(105)的朝向照射方向透射的所述光。
6.根据权利要求5所述的照明设备(100)，其中所述光转换设备(103)被配置为将基本上所有的所述第一光输出(102)转换为所述经转换的光输出(104)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的照明设备(100)，其中所述照明设备(100)包括光学透镜(111)，所述光学透镜(111)位于所述光学元件(105)的下游，并且其中所述光学透镜(111)被配置为用于在所述照射方向上进行以下各项中的一项：准直光、聚焦光、模糊光或漫射光。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的照明设备(100)，其中所述光学元件(105)被配置为用于在所述照射方向上进行以下各项中的一项：准直光、聚焦光、模糊光或漫射光。
9.根据权利要求4所述的照明设备(100)，其中所述照明设备(100)包括光学透镜(111)，所述光学透镜(111)位于所述第一光学器件装置(107)的下游，并且其中所述光学透镜(111)被配置为用于在所述照射方向上进行以下各项中的一项：准直光、聚焦光、模糊光或漫射光。
10.根据权利要求5和6中任一项所述的照明设备(100)，其中所述照明设备(100)包括光学透镜(111)，所述光学透镜(111)位于所述第二光学器件装置(108)的下游，并且其中所述光学透镜(111)被配置为用于在所述照射方向上进行以下各项中的一项：准直光、聚焦光、模糊光或漫射光。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的照明设备(100)，其中所述光学元件(105)包括光致变色材料或热致变色材料中的一者，所述光致变色材料或热致变色材料被配置为吸收或散射高于所述第一光输出(102)的所述阈值的所述第一光输出(102)。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的照明设备(100)，其中所述光学元件(105)包括光学相变材料，所述光学相变材料被配置为反射、吸收和/或散射高于所述第一光输出(102)的所述阈值的所述第一光输出(102)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(100)，其中所述第一光输出(102)的所述阈值是每平方毫米为0.5瓦的激光功率密度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(100)，其中所述第一发光半导体设备(101)的光谱功率分布的范围为405nm至470nm。
15.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(100)，其中所述照明设备(100)包括热传感器(112)和控制器(113)。
其中所述热传感器(112)附接到所述光学元件(105)，以用于检测所述光学元件(105)的温度，
其中所述热传感器(112)通信连接到所述控制器(113)，并且
其中所述控制器(113)被配置为当所检测到的所述温度超过预定温度阈值时，关断所述第一发光半导体设备(101)。
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