CN103079456A

CN103079456A - 荧光装置以及包括荧光装置的照明设备

Info

Publication number: CN103079456A
Application number: CN2010800687409A
Authority: CN
Inventors: 马蒂亚斯·布吕默尔; 马蒂亚斯·莫尔克; 尼科·摩根布罗德; 乌尔里希·哈特维格; 亨宁·伦恩
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2030-08-24
Also published as: US9188311B2; TWI544663B; TW201218438A; US20130155649A1; DE112010005740B4; CN103079456B; DE112010005740T5; WO2012025144A1

Abstract

一种荧光装置（1）包括载体部件（2）和设置在载体部件的上表面上的荧光层（3）。荧光层（3）包括至少两个平铺的荧光区域（R、G、B）。光传输部件（4）的第一端面（7）覆盖每个荧光区域（R、G、B）的子区域。荧光体有效地波长转换激发光，所述激发光通过其第二端面（9）进入光传输部件（4）并且照射在荧光层（3）上。由光传输部件（4）收集和混合波长转换的光。通过调节激发光所照射的荧光区域（R、G、B）的子区域的比例，可调节波长转换的混合光的性能。

Description

荧光装置以及包括荧光装置的照明设备

技术领域

本发明涉及一种荧光装置。而且，本发明涉及一种包括这种荧光装置的照明设备以及一种操作包括所述荧光装置的照明设备的方法。

背景技术

荧光装置用于照明设备内，其中，荧光体（元件或混合物）远离激发光源，荧光体即为具有波长转换特性的物质，比如，荧光或发光物质。因此，也称为远程荧光装置。远程荧光装置可用于各种照明应用内，比如，用于RGB投影设备内，生成红色（R）、绿色（G）、和蓝色（B）光，用于彩色视频投影。其他可能的照明应用包括通过彩色或白色光进行医疗、建筑或娱乐照明。

在现有技术的远程荧光装置内，比如，荧光轮，荧光体涂覆在载体板上。荧光体由照射在荧光层上的激发光激发，比如，可见的蓝色激光（450nm）。激发激光由荧光体波长转换，以便生成波长更长的光（比如，绿光具有较宽的光谱分布，其峰值大约为520nm）。

荧光体波长转换的光由设置在荧光体前面的光传输部件收集，比如，光学准直器，比如，由玻璃制成的透镜。

发明内容

本发明的一个目标在于，提供一种性能增强的荧光装置，用于定制所述荧光装置所发射的波长转换的光的光谱性能。

根据本发明的一个方面，提供调节波长转换的光的颜色。

本发明的另一个方面在于，提供调节波长转换的白光的色温。

本发明的另一个方面在于，提供调节波长转换的白光的显色性。

本发明的目标通过一种荧光装置实现，荧光装置包括：载体部件，其具有上表面和下表面；荧光层，其设置在载体部件的上表面上，其中，荧光层包括至少两个平铺的（tiled）荧光区域；光传输部件，其具有第一端面和第二端面，所述光传输部件设置在荧光层的顶部，其中，光传输部件的第一端面覆盖所述至少两个荧光区域中的每个的至少一个子区域。

在从属权利要求内限定了优选实施例的额外特征。

而且，请求保护照明设备，其包括根据本发明的荧光装置。最后，也请求保护一种操作照明设备的方法，该照明设备包括根据本发明的荧光装置。

根据本发明，荧光层包括两个或以上平铺的荧光区域。而且，在本发明的背景中的术语“平铺”表示荧光区域彼此邻近，比如，彼此邻接或相邻。每个荧光区域包括荧光元件，比如，发射红光（R）、绿光（G）、或蓝光（B）的荧光体，或者包括荧光混合物，比如，发射白光的荧光混合物。而且，荧光混合物的性能可在荧光区域内变化。

荧光区域可通过分隔杆彼此分离，防止单独的荧光区域之间的光发生串扰。通过将每个单独的荧光区域分别嵌入载体部件内，也可实现这个目标。优选地，如果有的话，分隔杆就尽可能地窄，以便将该装置的光学效率最大化。

激发光可为可见的电磁辐射（VIS）（比如，蓝光）以及紫外线（UV）或红外线照射（IR）。

优选地，光传输部件的第一端面的面积小于荧光层的总面积。激发光由荧光层的那个特定的局部区域的荧光体波长转换，由激发光覆盖该荧光层，该激发光从光传输部件的第一端面中照射。优选地，第一端面尽可能地靠近荧光层，以便将光学损耗最小化。因此，由激发光照射的荧光层的局部区域几乎等于荧光层上投射的光传输部件的第一端面的区域。

激发荧光层的局部区域，允许通过在荧光层上选择光传输部件的第一端面的适当位置，调节荧光装置的光谱性能。通过覆盖荧光层的子区域，可限定一个适当的位置，从而获得混合的波长转换的光的某种特定的颜色。通过覆盖荧光区域的子区域，包括白光荧光体混合物，可限定另一个适当的位置，从而获得混合的波长转换的白光的某个特定的色温或CRI值。

而且，优选地设计荧光区域，从而由光传输部件的第一端面覆盖的荧光区域的各个子区域在荧光层和光传输部件之间的相对运动的至少一个方向变化。这个概念允许调节光传输部件的第一端面所覆盖的子区域的相对比例，并且因此调节由荧光区域的激发子区域波长转换的混合光的光谱性能。比如，荧光区域可形成为在相对运动的方向为锥形或台阶式的条纹。后文中参看视图更详细地描述这个概念。

优选地，荧光装置配置成能够在光传输部件的第一端面和荧光区域之间进行相对横向运动。光传输部件在荧光层上进行平移和/或旋转运动，可进行这种横向运动，或者反之亦然。这就允许不仅在制造的过程中预先设置荧光装置有利的光谱性能，而且在操作的过程中调节另一个光谱性能或者甚至重新调节，以便补偿荧光装置的荧光体的退化。为此，通过检测所产生的光色，可控制和调节相对位置，以便实现特定的目标值。

光传输部件收集和混合由每个荧光区域的激发子区域波长转换的光。光传输部件设计成传输光，通过折射和/或（内部）反射作用，穿过一个端面进入并且穿过另一个端面离开。优选地，光传输部件为细长型并且具有多边形剖面，尤其是三角形或矩形。光传输部件的这种形状允许空间上适当地混合从不同的荧光区域的激发子区域中收集的波长转换的光。相反，圆形剖面或者同样具有多个角从而接近圆形剖面的多边形剖面可产生较差的光混合，即，发送给目标区域时，产生彩色边缘。通过将同一种转换颜色的多个荧光区域设置成与另一种转换颜色的荧光区域交替，比如，RGRGR、或RGGBRGGB等等，可进一步提高波长转换的光的混合。

载体部件可为固体，比如，板块、区块等等（反射模式），或者可为透光片材（透射模式）。在第一种情况下，载体部件可由具有适当的冷却性能的材料制成，比如，铜、铝等金属，有助于消散激发光在荧光层上照射时所产生的热量。由于固体，从荧光装置中反射出波长转换的光，并且由光传输部件收集和混合该光。可提高（比如，完善）荧光层下面载体部件的表面的光反射率，以便增强波长转换的效率。在另一种情况下，通过旋转透光荧光体片材，有助于去除热量。该片材可由玻璃或半透明的陶瓷制成，并且优选地可反射波长转换的光。而且，从荧光装置的背面发射波长转换的光。因此，透射型荧光装置进一步包括设置在透光载体部件的背面上的第二光传输部件，用于收集和混合波长转换的光。在这种情况下，设置在荧光层的顶部上的第一光传输部件仅仅用于将激发光引入荧光区域所选的子区域中。通过这两个光传输部件的平移运动，可改变光谱性能。在不同情况下，载体部件的基底区域可具有各种形状，比如，矩形或圆形。而且，载体部件的表面可为平面或曲面，荧光层设置在该表面上。

根据本发明的荧光装置可为照明设备的一部分，进一步包括激发光源，比如，激光，优选地为激光二极管或激光二极管阵列，用于发射激发光。激发光通过光传输部件的第二端面进入荧光装置。穿过光传输部件的第一端面之后，激发光照射在荧光层的荧光区域上，其中，由每个照射的荧光区域的荧光体波长转换之后，将激发光反射回。进入其第一端面之后，由光传输部件收集和混合不同部分的反射光。随后，混合光通过第二端面离开光传输部件。可由额外的光学装置引导混合光并且将其成形，以便进一步用于各种应用中。在附图说明中会进一步详细地进行解释。

附图说明

现在参看附图，通过实例，描述本发明的实施例，其中：

图1a为根据本发明的荧光装置的一个实施例的侧视图；

图1b为图1a中所示的实施例的顶视图；

图2为图1a、1b中所示的荧光层的顶视图；

图3显示了包括图1a、1b中所示的荧光装置的照明设备；

图4为图1a、1b中所示的荧光层的一种变化的顶视图；

图5为图1a、1b中所示的荧光层的另一种变化的顶视图；

图6为根据本发明的荧光装置的另一个实施例的顶视图。

具体实施方式

在附图中，显示本发明的不同实施例时，相同的参考数字用于相同或相似的特征。

如图1a和1b中所示，构成荧光装置1的第一实施例，其具有由铝制成的载体部件2、在载体部件2的上表面上涂覆的荧光层3、以及光传输部件4，光传输部件由光学玻璃制成，优选地由石英玻璃或BK7（折射率分别为1.46和1.52）制成，光传输部件设置在荧光层3的顶部上。由于铝的较好的冷却性能，所以载体部件2也用作冷却部件。荧光层3具有大约2x10mm2的矩形底面积。如果在荧光层的顶部使用浸没层，那么光学有效长度都被减小（除以浸没层的折射率）。荧光层和浸没层的厚度的普通值大约为0.1mm，以便在激发光的两次过渡之后，根据反射模式进行完全转换。将荧光层3下面的载体部件2的上表面的表面部分抛光，以便增强其反射率。在以下描述中，也参看图2，为了清晰起见，仅仅显示了荧光层3的顶部。将荧光层3细分成三个荧光区域R、G、B，像瓷砖一样由两个较细的隔离带5、6分离，从载体部件2的上表面中突出。第一荧光区域R包括用于发射红光的荧光体，比如，掺杂了铕的YAG（钇铝石榴石）。第二荧光区域G包括用于发射绿光的荧光体，比如，掺杂了铈的YAG（钇铝石榴石）。第三荧光区域B包括用于发射蓝光的荧光体，比如，掺杂了铕的钡镁铝（BAM）。光传输部件4的第一端面7的不同侧向位置与荧光层3的顶部的局部区域8紧密接触并且覆盖该局部区域，在该位置内，可获得不同颜色的波长转换的光。在最左边的位置（未显示）中，波长转换的光为淡黄色。在光传输部件4的中心位置（比较图1a、1b）中，波长转换的光为浅绿色。在最右边的位置（未显示）中，波长转换的光为蓝绿色。而且，由于具有矩形剖面的锥形光传输部件4具有优越的混合性能，所以穿过光传输部件4的第二端面9的混合光的颜色分布非常均匀。图1a、1b中示意性显示的荧光装置1可进一步包括额外的装置，其用于能够在光传输部件和荧光层之间进行相对运动并且控制这种运动，但是为了清晰起见，未显示这种额外的装置。

整个设置设计成用于进行投射，照明接受角为12°（半角）的0.55''数字微镜器件（DMD，也被Texas Instruments称为数字光处理单元-

）。因此，离开光传输部件的波长转换的光应具有12°以下的角分布。通过具有矩形剖面并且长度大约为50到80mm的圆锥形传输部件完成这个目标。光传输部件4的第一端面7具有大约为2.32x1.74mm²（纵横比4:3）的矩形底面积。然后，根据展度守恒定理，确定传输部件的另一个端面的尺寸，即得出11.2x8.4mm²。

对于其他照明应用而言，该设置必须适合于特定的光学要求。比如，对于使用直径为4.8mm的纤维束的医疗内窥镜检查而言，接受角为22°（半角），并且孔径为18.1mm²。在对波长转换的光进行朗伯分布的情况下，对于入射面而言，这会转换成最大可用的面积2.53mm²。这对应于具有方形剖面的光传输部件的第一端面的面积1.4x1.4mm²。光传输部件的长度可为25到50mm。对于使用接受角为30°（半角）、直径为4.8mm的具有光导的应用而言，比如，对于汽车头灯而言，入射面的最大可用面积为4.5mm²。这对应于光传输部件的方形第一端面的面积1.75x1.75mm²。具有圆形第二端面的光传输部件的长度可为20到40mm。

图3显示了照明设备20的示意图，其包括图1a、1b中所示的荧光装置1。照明设备20可用于投射应用中。照明设备20进一步包括至少一个激光二极管22以及二向色镜24，激光二极管发射波长大约为450nm的激发光23，二向色镜设置在激光二极管22和荧光装置1之间的光轴上。对于高功率应用而言，激发光源可为具有1W以上的激光阵列。由于激光功率密度过大，所以荧光层退化可限制最大可用的激光功率。激发光23穿过二向色镜24，通过光传输部件4的第二端面9进入荧光装置1，并且由在载体部件2的上表面上涂覆的荧光层（未显示）接收。根据荧光层上光传输部件4的第一端面的位置，光传输部件4收集和混合由荧光区域R、G、B的激发子区域波长转换的光，产生具有特定的光谱性能的混合光。若需要，通过相对移动光传输部件和荧光层，可调节混合的波长转换的光的光谱性能。混合的光离开光传输部件4的第二端面，并且传输到二向色镜24。二向色镜24倾斜，以便从二极管激光22的光束所限定的光轴中反射出混合的波长转换的光。根据特定的应用，可包括其他光学部件。

图4显示了图1a、1b、2中所示的荧光层3的一种变化。根据这个变化。并行设置三个带状荧光区域R、G、B，分别用于发射红、绿和蓝光。每个荧光区域的宽度w_R、w_G、w_B沿着荧光层3的纵轴x，以阶梯状方式变化。四个阶梯用于光传输部件（未显示）的四个不同位置I、II、III、IV。在纵轴x的方向，即，沿着其从一个位置到另一个位置的平移运动，每个阶梯的长度L等于光传输部件的第一表面的长度。由于荧光区域R、G、B各自的宽度进行阶梯状变化，所以光传输部件的每个位置对应于光传输部件所覆盖的荧光区域的子区域的另一个比例。通过这种方式，所产生的混合的白光可具有四个不同的色温CT和显色指数CRI。在荧光层3（未显示）的另一个变化中，不需要发射蓝光的荧光体。相反，将与荧光区域B对应的区域的表面金属化，以便反射蓝激发光，比如，450nm的激光。然而，与使用发射蓝光的荧光体相比，可仅仅获得更低的CRI值。以下表格显示了各种相应的色温CCT、实现CCT值所需要的子区域R、G、B（B：所反射的450nm的激光）的比例、以及所产生的CRI值（忽略荧光体转换效率）：

CCT[K]	R[%]	G[%]	B[%]	CRI
					2700	69,28	24,33	6,39	74
3000	65,27	26,06	8,67	76
					3500	59,48	28,05	12,47	79
4000	54,68	29,27	16,05	82
					4500	50,72	29,98	19,31	84
5000	47,45	30,36	22,20	85
					5500	44,73	30,52	24,75	87
6000	42,46	30,56	26,98	87
					6500	40,54	30,51	28,95	88

8000

36,36

30,15

33,50

89

图5中显示了荧光层3的另一种变化。将矩形荧光层3细分为形状相同的两个半等份31、32。每个半等份31、32的形状为较小矩形和从较小矩形的长边延伸的直角三角形。荧光层3的左上半等份31包括第一荧光体混合物，用于发射暖白光（比如，3,000K），因此，在下文中也称为暖白荧光区域。右下半等份32包括第二荧光体混合物，用于发射冷白光（比如，6,000K），因此，在下文中也称为冷白荧光区域。每个荧光区域的矩形部分的面积等于光传输部件的第一表面的面积。因此，在荧光层3上最左边的位置以及最右边的位置，光传输部件仅仅分别覆盖暖白荧光区域的子区域A（阴影部分）和冷白荧光区域的子区域C（阴影部分）。因此，在最左边的位置，将激发光波长转换为暖白光，并且在最右边的位置，将激发光波长转换为冷白光。根据这两个荧光区域所覆盖的子区域的比例，这两个外部位置之间的位置产生暖白光和冷白光的混合物。在中心位置B（阴影部分），比如，各自的比例为50:50。

图6示意性显示了荧光装置1的一个替换实施例的顶视图。荧光层3设置在圆形载体板33上，并且将该荧光层细分为一个内部圆形区域B和同心地围绕内部圆形区域B的两个环形荧光区域G、R。因此，圆形载体板33以及荧光层3设计成进行旋转（由箭头表示），以便有助于去除激发的激光产生的热量。光传输部件4设计成在荧光层3的表面上进行径向移动，有助于调节波长转换的混合光的颜色。在一种变化（未显示）中，将荧光层细分为两个同心区域，一个区域包括暖白荧光体，另一个区域包括冷白荧光体。在另一种变化（也未显示）中，荧光区域成形为扇形。在这种情况下，光传输部件的第一表面也可成形为扇形，覆盖处于稳态（载体板不进行旋转运动）中的两个或以上的荧光区域。为了促进热量排出，载体部件可为固体金属块，并且也可包括散热片。然后，通过切换光传输部件，以便覆盖不同的扇形区域，包括荧光区域的不同部分，可调节波长转换的混合光的光学特性。

Claims

1.一种荧光装置（1），包括：

载体部件（2），具有上表面和下表面；

荧光层（3），设置在载体部件（2）的上表面上，其中，荧光层（3）包括至少两个平铺的荧光区域（R、G、B）；

光传输部件（4），具有第一端面（7）和第二端面（9），所述光传输部件（4）设置在所述荧光层（3）的顶部，其中，所述光传输部件（4）的所述第一端面（7）覆盖所述至少两个荧光区域（R、G、B）中的每个的至少一个子区域（8）。

2.根据权利要求1所述的荧光装置，其中，所述荧光区域（R、G、B）通过分隔杆（5、6）彼此分离。

3.根据权利要求1或2所述的荧光装置，其中，所述荧光区域单独嵌入所述载体部件内。

4.根据前述权利要求中任一项所述的荧光装置，其中，每个所述荧光区域包括荧光元件或荧光混合物。

5.根据权利要求4所述的荧光装置，其中，所述荧光元件为以下组中的任何一个部件：用于发射红光（R）的荧光体、用于发射绿光（G）的荧光体、用于发射蓝光（B）的荧光体。

6.根据权利要求4或5所述的荧光装置，其中，所述荧光混合物（31、32）适合于发射白光。

7.根据前述权利要求中任一项所述的荧光装置，其中，所述荧光装置配置成能够在所述光传输部件（4）的所述第一端面（7）和所述荧光区域（R、G、B、31、32）之间进行相对横向运动。

8.根据权利要求7所述的荧光装置，其中，所述荧光区域（R、G、B、31、32）设计为使得所述光传输部件（4）的所述第一端面（7）所覆盖的所述荧光区域（R、G、B、31、32）的所述子区域（8、A、B、C）的比例在相对横向运动的方向变化。

9.根据前述权利要求中任一项所述的荧光装置，其中，所述光传输部件（4）为细长型并且具有多边形剖面，尤其是三角形或矩形。

10.根据前述权利要求中任一项所述的荧光装置，进一步包括设置成与荧光区域相邻的反射区域。

11.一种照明设备（20），包括：

根据前述权利要求中任一项所述的荧光装置（1）；

激发光源（22），用于发射激发光（23）；

其中，所述荧光装置（1）和所述激发光源（22）设置为使得能够允许所述激发光（23）通过所述光传输部件（4）的所述第二端面（9）进入所述荧光装置（1）。

12.根据权利要求11所述的照明设备，其中，所述激发光源（22）包括激光光源。

13.一种操作根据权利要求11或12所述的照明设备（20）的方法，包括以下步骤：

定位所述光传输部件（4），从而所述荧光层（3）的至少两个所述荧光区域的至少所述子区域由所述光传输部件（4）的所述第一端面（7）覆盖；

引导激发光（23），以便通过所述光传输部件（4）的所述第二端面（9）进入所述光传输部件（4）内，并且通过所述光传输部件（4）的所述第一端面（7）照射在所述荧光层（3）上。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤：通过所述光传输部件（4）收集和混合由所述荧光层（3）的所述区域（8）波长转换的光，其中所述荧光层由所述激发光（23）照射。

15.根据权利要求13或14所述的方法，进一步包括以下步骤：在所述荧光层（3）的表面上移动所述光传输部件（4），用于调节波长转换的并且混合的光的性能，从而覆盖所述荧光层（3）的所述荧光区域（R、G、B）的不同所述子区域（8），产生所述荧光区域（R、G、B）所照射的所述子区域（8）的不同比例。