CN208367333U - 用于借助于波长转换装置产生光的照明设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种照明设备(1)，其具有激发光光源(2)和波长转换装置，其中波长转换装置设计成，使得激发光(3)不仅波长转换为转换光，而且附加地且有针对性地、至少暂时地且至少部分地未经转换，即光谱未被改变地作为反射光(3)反射。为此，波长转换装置具有至少一个反射元件(7)，以便将反射光(3)转向到与激发光路径和转换光路径在空间上分离的反射光路径上。借助于二向色镜(4)将转换光一方面与激发光分离，并且另一方面与转向的反射光(3)会聚。

Description

用于借助于波长转换装置产生光的照明设备

技术领域

本实用新型涉及一种照明设备，其具有激发光光源和波长转换装置，所述激发光光源用于发射可用作为激发光的初级辐射，所述波长转换装置用于将激发光转换成转换光。

背景技术

高发光密度的光源例如能够应用在内窥镜的领域中或者应用在投影设备中，其中对此仍最广泛地采用目前的气体放电灯。较新的研发在于：将高功率密度的激发光光源、例如激光器与发光材料元件组合，所述发光材料元件与所述激发光光源间隔开地设置。

从现有技术中已知这种照明设备，所述照明设备具有呈发光材料元件形式的波长转换元件。在此，所述照明设备包括激发光光源，所述激发光光源激发发光材料，以发射具有与激发光波长不同的波长的光。特别地，也应用蓝色光谱范围中的激发光。通过将蓝色的激发光和由发光材料发射的转换光进行适当的转向，这两个光路径能够会聚并且输送给光学积分器。

尤其也能够将发光材料轮设置作为波长转换装置，所述发光材料轮围绕旋转轴线旋转，并且在此借助激发光在圆形轨迹上进行辐照。在此，不同的彩色发光材料也能够在环绕方向上相继地设置在发光材料轮上，使得产生不同颜色的转换光、例如红色(R)、绿色(G)和蓝色(B) 的转换光的时间序列。随后，转换光的颜色顺序地一起展开RGB色彩空间。

文献CN 102385233 A示出一种用于投影器的照明设备，其具有激发激光器、发光材料轮和滤波轮，所述发光材料轮用于将激发激光波长转换为转换光，所述滤波轮用于对转换光进行光谱滤波。滤波轮和发光材料轮设置在共同的轴线上，进而以相同的速度转动。激发激光借助于二向色镜反射到发光材料轮上。而由发光材料轮向回放射的转换光经过二向色镜，并且随后射到滤波轮上。通过发光材料轮中的透明区段，激发激光能够以光谱不变的方式经过发光材料轮，并且经由所谓的环绕式循环输送给二向色镜，并且与转换光路径会聚。

实用新型内容

本实用新型的目的是：提出一种用于利用激发光和转换光的替选的照明设备。

所述目的通过用于借助于波长转换装置产生光的照明设备来实现，所述照明设备包括：至少一个激发光光源，所述激发光光源设计用于发射激发光；设置在激发光路径中的波长转换装置，所述波长转换装置具有至少一个波长转换元件和至少一个反射元件，所述波长转换元件设计用于，将由至少一个激发光光源在局部的激发光路径上至少暂时地射入到波长转换元件上的激发光至少部分地转换成转换光，并且转换光射入到如下半空间中，激发光从所述半空间射入到波长转换元件的表面上，所述反射元件设计用于，将由至少一个激发光光源在局部的激发光路径上至少暂时地射入反射元件上的激发光至少部分地未经转换地作为反射光反射，使得反射光通过改变方向远离局部的激发光路径并且偏转到反射光路径上；光学分离元件，所述光学分离元件设置和设计用于，将来自至少一个波长转换元件的转换光与在局部的激发光路径上出现且射入至少一个波长转换元件上的激发光分离，并且将所述转换光引导到转换光路径上；光学会聚装置，所述光学会聚装置设计用于会聚来自反射光路径的反射光和来自转换光路径的转换光。

尤其有利的设计方案在实施例中说明并且在下面的说明书中描述。

作为激发光优选蓝色光(即蓝色光谱范围中的光)、尤其蓝色的激光，因为除了用于激发发光材料之外，激发光附加地也能够用作为蓝色的色彩通道(蓝色的反射光)。

现在，本实用新型的基本思想在于：将波长转换装置设计成，使得不仅对激发光进行波长转换(在下文中也简称为转换光)，而且附加地且有针对性地将激发光至少暂时且至少部分地未经转换地、即光谱不变地反射(在下文中也简称为反射光)。对此，波长转换装置具有至少一个反射元件，以便将反射光转向到与激发光路径和转换光路径在空间上分离的反射光路径上。通过将转换光路径和反射光路径在空间上分离，能够在反射光和转换光再次会聚之前，单独地影响反射光和转换光的射束特性。

转换光和反射光的空间分离根据本实用新型通过如下方式实现：反射光通过改变方向远离局部的激发光路径、即远离在反射的位置处的激发光路径，并且为了进一步利用而偏转到反射光路径上。

方向改变的程度是在激发光路径的局部的光学轴线L1和反射光路径的局部的光学轴线L2之间的变化角α3。用“局部的”光学轴线表示：相关的光路径在与波长转换元件或反射元件的表面的交点处的相应的光学轴线。

方向改变例如通过如下方式实现：波长转换元件、例如发光材料层和反射元件、例如镜面构成在可转动的本体上，使得激发光路径的局部的光学轴线L1与波长转换元件的所属的面法线N1形成角度α1，该角度与在所述激发光路径的局部的光学轴线L1和反射元件的所属的面法线N2之间的角度α2不同。换言之，波长转换元件的表面和反射元件的表面不设置在共同的平面中，而是有针对性地彼此相对倾斜或不同程度地弯曲。以该方式防止：反射光在转换光路径上向回反射，即α1等于α2。代替于此，反射元件相对于波长转换元件构成为，使得反射光远离转换光路径反射。

波长转换元件在任何情况下都构成为，使得转换光射入到相同的半空间中，激发光从所述半空间射入到波长转换元件的表面上。

优选的是，反射元件构成为，使得角度α2大约为45°，在激发光束和反射光束之间的变化角α3因此大约为90°(变化角对应于反射角，即α3＝2倍的α2)。这一方面能够实现激发光和反射光的良好的空间分离，但是另一方面也实现充分紧凑的布置。在任何情况下，反射元件构成为，使得变化角α3大于0°(α3＝0°对应于向回反射，所述向回反射如所提及那样对于转换光是优选的)并且小于180°(α3＝180°对应于未受阻碍的透射)。在实践中，变化角α3更佳地选择为大于40°并且小于140°，还更佳地选择为大于60°并且小于120°、优选选择为90°。变化角α3也能够与小于30°的散射角叠加。为此，反射元件例如适当地是漫反射的，使得例如将大于50％的入射的辐射以30°的全角反射。

优选地，激发光借助于聚光光学装置聚焦到波长转换装置上、即聚焦到至少一个波长转换元件上或至少一个反射元件上。对此，聚光光学装置以光学的方式设置在激发光光源和波长转换装置之间。此外，聚光光学装置用于，将由波长转换元件发射的转换光进行聚光和准直。聚光光学装置设计为用于，一方面将激发光光源的激发光聚焦到波长转换装置上，另一方面将由波长转换装置的波长转换元件发射的转换光进行聚光和准直。为了该目的，波长转换元件和反射元件优选至少暂时地设置在聚光光学装置的焦点中或至少设置在其附近，或者所述波长转换元件和反射元件在聚光光学装置的焦点中或至少在其附近移动穿过激发光束。

在激光光斑内射到波长转换元件上的激发光通过波长转换元件转换成转换光并且例如以朗伯分布放射到相同的半空间中，激发光从所述半空间射入到波长转换元件的表面上。

为了使聚光光学装置以尽可能小的损失将转换光聚光，波长转换元件的表面优选至少在与激发光路径的光学轴线L1的交点的区域中基本上垂直于光学轴线L1构成。因此，由聚光透镜聚光和准直的转换光在激发光路径上与激发光方向相反地向回引导。

此外，准直光学装置优选连接在反射元件的下游，以便将在焦点中由反射元件发散地反射的反射光簇准直。

如已经提及的那样，激发光和转换光的空间分离也能够包括激发光路径和转换光路径的部分叠加，即当波长转换元件至少局部地、即在激发光所射到的位置处基本上垂直于激发光路径(角度α1＝0°)时，则相反于激发光向回放射。在该情况下且在其余优选的情况下针对转换光与相反的激发光的空间分离所设置的光学分离元件优选包括二向色镜。该二向色镜倾斜地、优选以45°设置在激发光路径或转换光路径中。此外，二向色镜对于激发光构成为是反射性的并且对于转换光构成为是透射性的，或者反之亦然。以该方式，二向色镜在任何情况下都将激发光路径或转换光路径的叠加的部段沿不同的方向分离。具有用于分离激发光和反向的转换光的二向色镜的这种光学装置是尤其紧凑的。

设置用于将转换光与反射光会聚的光学会聚装置同样能够包括二向色镜。此外，光学会聚装置还能够包括至少一个转向镜。至少一个转向镜设置在反射光路径中并且设计用于：将反射光转向到会聚装置的二向色镜上。

光学分离元件的二向色镜和光学会聚装置的二向色镜也能够是同一二向色镜。在该情况下，照明设备是尤其紧凑的。此外，在该情况下，第二转向镜对于会聚设备是有利的。

为了将反射光和转换光混合有利的是：将借助于会聚装置会聚的光束簇借助于光学地连接在下游的第二聚光光学装置转向到光学积分器中。光学积分器将入射的光束簇例如通过在从积分器输入端到输出端的路线上多次反射的方式来均匀化。对此，光学积分器例如能够构成为长的、锥形的TIR光学装置(TIR＝全内部反射)。

为了改进反射和转换光的混合，尤其为了使强度和角度分布相称，能够将适当的光学元件、例如光学散射元件设置在反射光路径和/或转换光路径中。此外，能够通过光学散射元件在反射光路径中降低相干效应(斑点)。

波长转换装置能够构成为可围绕轴线旋转的本体，波长转换元件和反射元件设置在所述本体上。波长转换元件例如能够构成为至少一个发光材料层。发光材料层也能够包括发光材料混合物，即多种转换材料的混合物。然而优选的是，对于相应的发光材料层根据期望的彩色光通道设有刚好一种相应的转换材料，即例如对于黄色光通道，设有黄色发光材料，例如(Y_0.96Ce_0.04)₃Al_3.75Ga_1.25O₁₂，对于绿色光通道，设有绿色发光材料，例如YAG:Ce(Y_0.96Ce_0.04)₃Al_3.75Ga_1.25O₁₂等。对于具有多于一种彩色光通道的转换光(除了反射光通道之外)相应地设有多个波长转换元件。反射元件例如能够构成为镜覆层或者(在金属本体的情况下)构成为平滑的、可能经抛光的部段。

例如，波长转换装置能够构成为发光材料轮，所述发光材料轮能够围绕发光材料轮的转动轴线转动。在此，可转动的本体构成为发光材料轮的圆盘形的载体。波长转换元件、例如发光材料层圆环区段状地设置在载体的盘面上。例如，能够将两个或更多个发光材料区段顺序地设置在发光材料轮上。当具有至少一个发光材料区段的盘面垂直于激发光路径的局部的光学轴线进而垂直于入射的激发光束设置时，转换光由被辐照的发光材料相反于入射的激发光束向回发射，即α1等于0°。反射元件例如能够构成为载体上的锥形的圆环镜区段。由于反射元件的锥形的表面，反射光束在反射时相对于激发光束或转换光束进行方向变化，即α2不等于α1进而变化角α3大于0°。

优选地，激发光光源包括至少一个激光二极管。为了能够提供对于多种应用所需的高的激发光功率能够有利的是：将多个激光二极管芯片安置在共同的壳体中。每个激光二极管能够配备有至少一个自身的和/ 或共同的光学装置(“多透镜阵列”)，以进行射束引导，例如配备有至少一个菲涅尔透镜、准直仪等等。也能够考虑其他的激发光光源，即例如超级发光二极管、LED、有机LED等。

通常，将照明设备作为光源例如应用在投影设备或内窥镜以及用于室内照明目的、工业和医疗应用是有利的。特别地，在用于娱乐目的以及数据、胶片和视频投影的光投射的设备中的应用是优选的。

附图说明

下面，根据实施例详细阐述本实用新型。附图示出：

图1a示出处于反射光相位中的具有发光材料轮的根据本实用新型的照明设备的一个实施例，

图1b示出处于对应于反射光相位的位置中的图1a中的发光材料轮，

图1c示出处于转换光相位中的图1a中的实施例，

图1d示出处于对应于转换光相位的位置中的图1c中的发光材料轮，

图2a示出处于反射光相位中的具有发光材料轮和散射元件的根据本实用新型的照明设备的一个实施例，

图2b示出处于转换光相位中的图2a中的实施例，

图3a示出处于反射光相位中的具有发光材料轮的根据本实用新型的照明设备的另一实施例，

图3b示出处于转换光相位中的图3a中的实施例。

具体实施方式

相同的或类似的特征在下文中为了简单性也能够设有相同的附图标记。

图1a示出根据本实用新型的一个实施例的照明设备1的示意图。照明设备1包括构成为激光设备的激发光光源2。激光设备例如能够构成为包括多个激光二极管的激光二极管矩阵。激发光3也共同用作为蓝色的色彩通道。因此，激发光光源2设计用于：发射蓝色光谱范围中的、例如440nm-470nm、尤其优选为大约450nm的激发光3。此外，这对于多种发光材料而言是适当的激发波长。

激发光光源2的优选至少近似准直的蓝色的激光3借助于二向色镜 4转向到波长转换装置上，所述波长转换装置构成为发光材料轮5。

下面，现在也参考图1b，所述图示出以根据图1a的取向的发光材料轮5的示意横截面图(下方)以及相对应的俯视图(上方)。发光材料轮5包括圆盘形的载体6，所述载体可围绕转动轴线A转动地支承。载体6的朝向入射的激发光3的一侧设有圆环区段状的波长转换元件y，所述波长转换元件构成为黄色发光材料层。此外，载体6具有构成为锥形的圆环镜区段的反射元件7，所述反射元件连接在波长转换元件y上并且以光谱未改变的方式反射蓝光。在此，锥体的完整的开度角β为大约90°。

图1a中示出的照明设备1因此针对黄色转换光(Y)或蓝色反射光 (B)的时间顺序的序列设置。所述照明设备例如适合作为对于人眼在时间上取平均值的白光光源。此外，在需要时，也能够设有其他的或不同的发光材料区段，例如附加地或替选地是具有用于RGB或RGBY光源的绿色发光材料层(对于绿色的转换光G)和/或红色发光材料层(对于红色转换光R)的发光材料区段。同样地也能够设有多于一个反射元件。

在照明设备1的图1a中示出的反射光相位期间，发光材料轮5的反射元件7转动穿过蓝色的激光3的激发光路径。在此，借助于第一聚光光学装置8聚焦的激光光斑9射到反射元件7上并且由所述反射元件反射到准直光学装置10上。在此，锥形的圆环镜区段7的面法线N2 在激光焦距中与蓝色激发光3的局部的光学轴线L1形成45°的角度α2，即入射的激发光3的或出射的反射光3的相应的光学轴线L1和L2形成90°的角度α3。以该方式确保：反射光不在转换光路径上向回反射，而是通过方向改变以变化角α3来反射到与其在空间上分离的反射光路径上。蓝色的反射光3在准直光学装置10下游经由两个45°转向镜11、 12到达二向色镜4的后侧上，并且从所述二向色镜经由第二聚光光学装置13转向到光学积分器14中。

光学积分器14例如是适当的玻璃棒，所述玻璃棒基于多重内部全反射将顺序的蓝色和黄色光在空间上均匀化，并且以在时间上积分的方式观察对于人眼而言混合成白色的混合光。

两个转向镜11、12以及二向色镜4为了简单性设置在共同的平面中并且分别相对于相应的光学轴线倾斜45°。但是也能够设定与其不同的角度，只要这仅作用于各个光学元件的几何设置方式并且不作用于该设置方式的原理功能。

在图1c中示出照明设备1的转换光相位，在所述转换光相位期间，发光材料轮5的黄色发光材料区段y转动经过蓝色的激光3的光路径。下面，参考图1d，所述图示出在此以根据图1c取向的已经在图1b中示出的发光材料轮5，即继续转动180°。

在图1c、1d中示出的转换光相位期间，蓝色的激光3通过波长转换元件y的黄色发光材料转换成黄色光谱范围中的转换光(下面也简称为“黄色转换光”(Y))。对此，由二向色镜4转向的蓝色激光3借助于聚光光学装置8聚焦到波长转换元件y上并且在那里产生激光光斑9。在激光光斑9之内出现的蓝色激光通过黄色发光材料转换成黄色转换光 15，并且近似地以朗伯分布放射到相同的半空间中，激发光3从所述半空间中入射到波长转换元件y的表面上。因为波长转换元件y至少局部地基本上垂直于激发光路径的局部的光学轴线L1设置，所以朗伯分布的主方向与波长转换元件y的面法线N1和激发光路径的局部的光学轴线L1重合。因此，激发光路径的局部的光学轴线L1和面法线N1之间的角度α2在此为0°。因此相反于激发光3放射的转换光15由第一聚光光学装置8聚光和准直。准直的转换光15透射对于黄色转换光15透明的二向色镜4并且此后经由第二聚光光学装置13转向到光学积分器14中。

以该方式，连接在第一激发光光源2和第一聚光光学装置8之间的第一二向色镜4将转换光15与相反的、来自激发光光源的激发光3空间分离，并且将其继续在转换光路径上引导，所述转换光路径始于黄色发光材料层y并且在末端处通入光学积分器14中。另一方面，二向色镜4将通过其透射的转换光15与由其在其后侧上反射的反射光会聚。因此，在照明设备1中，二向色镜4既作用为用于激发光3和转换光15 的光学分离元件也作用为用于转换光15和反射光3的光学会聚装置。

由光学积分器14放射的光在光序列充分快速构成的情况下、例如在发光材料轮5每秒钟转动至少25转的情况下被感知为具有黄色(转换光15)和蓝色(反射光3)的色彩份额的混合光。

在一个未示出的替选方案中，二向色镜4对于蓝色的激发光3能够设计成是透射的并且对于黄色的转换光15设计为是反射的。随后，仅激发光光源2和光学积分器14的两个位置能够相互交换。

在需要时，环形环绕的发光材料层也能够包括两个或更多个顺序依次相随的发光材料，例如用于RGB混合光的红色和绿色发光材料。混合光的色坐标能够通过彩色光分量的权重来设定。通过控制激光光源2 的同步和/或功率能够在照明设备1运行期间动态地对色坐标进行控制。

图2a、2b示出图1a、1c中示出的照明设备1的变型形式1'的反射或转换相位的示意图。与后者的区别是，在照明设备1'中，设置用于分离转换光15和激发光3的第一二向色镜4'不设计为对于蓝色的激发光 3是反射的，而是设计为对于黄色的转换光15是反射的。由此，在该变型形式中，为了将蓝色的反射光3和黄色的转换光15会聚需要第二二向色镜4”。在此，通过准直光学装置10准直的反射光3经由转向镜11 转向到第二二向色镜4”上。第二二向色镜4”设计为对于蓝色的反射光是透光的，并且设计为对于黄色的转换光15是镜反射的。借助于第二二向色镜4”会聚的反射光3和转换光15借助于光学地连接在二向色镜 4”下游的另一聚光光学装置13转向到光学积分器14中。

通过波长转换装置5和尤其反射元件7的特殊的设计方案实现的、转换光路径和反射光路径的空间分离能够实现：将光学元件、例如各一个散射元件16、17设置在其中。由此，能够在会聚之前借助第二二向色镜4”将转换光15和反射光3的空间上的强度以及角度分布相称。

图3a、3b示出根据本实用新型的照明设备的另一变型形式1”的反射或转换相位的示意图。其与变型形式1'的区别主要在于弃用散射元件并且在于：第二二向色镜4互补地设计，即对于蓝色的反射光3是镜反射的并且对于黄色的转换光15是透光的。最后，相应地调整光学积分器14的几何设置方式。

Claims (16)

1.用于借助于波长转换装置产生光的照明设备(1)，其包括

-至少一个激发光光源(2)，所述激发光光源设计用于发射激发光(3)，

-设置在激发光路径中的波长转换装置(5)，其具有

-至少一个波长转换元件(y)，所述波长转换元件设计用于，将由至少一个所述激发光光源(2)在局部的激发光路径上至少暂时地射入到所述波长转换元件(y)上的所述激发光(3)至少部分地转换成转换光(15)，并且所述转换光(15)射入到相同的半空间中，所述激发光(3)从所述半空间射入到所述波长转换元件(y)的表面上，和

-至少一个反射元件(7)，所述反射元件设计用于，将由至少一个所述激发光光源(2)在局部的激发光路径上至少暂时地射入所述反射元件(7)上的所述激发光(3)至少部分地未经转换地作为反射光反射，使得所述反射光通过改变方向远离局部的所述激发光路径并且偏转到反射光路径上，

-光学分离元件，所述光学分离元件设置和设计用于，将来自至少一个所述波长转换元件(y)的转换光与在局部的激发光路径上出现的且射入到至少一个所述波长转换元件(y)上的激发光分离，并且将所述转换光引导到转换光路径上，

-光学会聚装置，所述光学会聚装置设计用于会聚来自反射光路径的反射光和来自转换光路径的转换光(15)。

2.根据权利要求1所述的照明设备(1)，其中通过改变方向在所述反射光路径的局部的光学轴线(L2)和所述激发光路径的局部的光学轴线(L1)之间形成变化角α3，并且其中针对所述变化角α3适用的是：

0°<α3<180°。

3.根据权利要求1所述的照明设备(1)，其中通过改变方向在所述反射光路径的局部的光学轴线(L2)和所述激发光路径的局部的光学轴线(L1)之间形成变化角α3，并且其中针对所述变化角α3适用的是：40°<α3<140°。

4.根据权利要求1所述的照明设备(1)，其中通过改变方向在所述反射光路径的局部的光学轴线(L2)和所述激发光路径的局部的光学轴线(L1)之间形成变化角α3，并且其中针对所述变化角α3适用的是：60°<α3<120°。

5.根据权利要求2所述的照明设备(1)，其中所述变化角α3为约90°。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的照明设备(1)，其中所述波长转换元件(y)和所述反射元件(7)构成为，使得所述激发光路径的局部的光学轴线(L1)与所述波长转换元件(y)的局部的面法线(N1)形成角度α1，所述角度与所述激发光路径的局部的光学轴线(L1)和所述反射元件(7)的局部的面法线(N2)之间的角度α2不同。

7.根据权利要求6所述的照明设备(1)，其中所述角度α1约为0°。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的照明设备(1)，其中所述波长转换装置(5)构成为能围绕轴线(A)转动的本体(6)，所述波长转换元件(y)和所述反射元件(7)设置在所述本体上。

9.根据权利要求8所述的照明设备(1)，其中所述波长转换元件(y)构成为发光材料层，并且所述反射元件(7)构成为在能转动的所述本体(6)上的镜面。

10.根据权利要求9所述的照明设备(1)，其中能转动的所述本体构成为发光材料轮的圆盘形的载体，并且其中所述发光材料层圆环区段状地设置在所述载体的盘面上，并且其中所述镜面构成为所述载体上的锥形的圆环镜区段。

11.根据权利要求1所述的照明设备(1)，其中光学的所述分离元件包括二向色镜。

12.根据权利要求1所述的照明设备(1)，其中光学的所述会聚装置包括二向色镜。

13.根据权利要求11所述的照明设备(1)，其中，光学的所述会聚装置包括二向色镜，并且其中光学的所述分离元件的二向色镜和光学的所述会聚装置的二向色镜是同一二向色镜(4)。

14.根据权利要求12所述的照明设备(1)，其中光学的所述会聚装置包括至少一个转向镜(11，12)，所述转向镜设置在所述反射光路径中并且设计用于：将所述反射光转向到所述会聚装置的所述二向色镜(4；4”)上。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的照明设备(1)，其具有第一聚光光学装置(8)，所述第一聚光光学装置光学地设置在所述激发光光源(2)和所述波长转换装置(5)之间，其中所述聚光光学装置(8)设计用于：一方面将所述激发光光源(2)的所述激发光(3)聚焦到所述波长转换装置(5)上，另一方面将由所述波长转换装置(5)的所述波长转换元件(y)发射的转换光(15)聚光和准直。

16.根据权利要求1至3中任一项所述的照明设备(1)，其具有准直光学装置(10)，所述准直光学装置光学地连接在所述反射元件(7)的下游并且设计用于将所述反射光准直。