光转换设备的制作方法

本发明涉及光转换设备、包括这种光转换设备的基于激光的光源、以及车辆前灯。

背景技术：

wo2010/049875a1公开了波长转换器，该波长转换器借助于波长转换材料将第一波长的激光转换为具有不同波长的第二光。激光进入波长转换材料的波长转换材料的表面与透明材料具有良好的热接触。另一方面，透明材料与散热器具有良好的热接触，该散热器具有窗口以在激光进入波长转换材料之前让激光通过。由波长转换器发射的光的色点可以在宽范围内改变。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有改善的颜色稳定性的光转换设备。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定有利的实施例。

根据第一方面，提供了一种光转换设备。该光转换设备包括光转换器和半透明主体。半透明主体的第一表面被耦合到光转换器的顶表面。光转换器的底表面被耦合到反射底层。光转换设备包括光耦合结构。光耦合结构包括反射底层中的孔和用于接纳光导的光转换器中的至少一槽。光耦合结构包括光耦合表面，该光耦合表面用于经由光导接收具有激光峰值发射波长的激光。光耦合表面被布置使得通过光耦合表面的激光的至少80%被半透明主体接收。半透明主体包括与第一表面相对的第二表面。半透明主体的第二表面被耦合到用于将激光的至少一部分反射回到光转换器的反射顶层。光转换器被适配成将经反射激光转换为经转换光。经转换光的峰值发射波长在比激光峰值发射波长更长的波长范围内。反射底层被适配使得经转换光的至少80%经由半透明主体和反射顶层而被发射。

光耦合结构能够实现激光的转换的去耦合和经由反射顶层的激光的一部分的透射。经转换光的强度可能对于激光器的激光峰值发射波长的变化没那么敏感（参见图2和对应的描述）。此外，可以通过增加借助于反射顶层接收激光的光转换器的表面而避免热点。

激光优选地在蓝色波长范围内。半透明主体可以包括玻璃板、由al2o3制成的主体、蓝宝石或可以在激光的转换期间经受条件（光强度、热等）的任何其它半透明材料或材料组分。反射顶层可以是二向色滤光器，其在激光的波长范围内是至少部分反射的并且在经转换光的波长范围内是基本上透明的。光转换器中的槽可以是具有在光耦合表面和半透明主体之间的光转换材料的薄层的腔。该层非常薄使得激光的少于20%、优选地少于10%以及最优选地少于5%在此层中被转换。

半透明主体可以被布置为冷却光转换器。在这种情况下可以不需要散热器。可替换地，散热器可以被附加地使用。这可以能够实现由光转换器包括的光转换材料的更厚的层，使得更多的激光可以借助于光转换材料而被转换。半透明主体可以包括具有高热导率的半透明材料（如例如蓝宝石）。

光耦合结构可以包括穿过光转换器的孔。在这种情况下，光耦合表面可以包括半透明主体的一表面。光转换器中的槽可以在半透明主体的一表面处终止。光耦合表面可以优选地是光转换器和半透明主体之间的界面的一部分（第一表面的一部分）。可替换地，光耦合结构可以包括半透明主体中的腔，使得光耦合表面与光转换器和半透明主体之间的界面不在同一水平处。

光转换器可以被布置为转换或吸收进入光转换器的激光的至少80%、优选地至少85%、最优选地至少90%。

激光峰值发射波长通常针对不同的激光器而变化并且进一步取决于一个或多个激光器的操作温度和驱动电流。此外，激光在光转换器的光转换材料中的吸收和转换取决于激光峰值发射波长并且可以随着温度而改变。因此，进入光转换器的经往回反射的激光的主要部分应当被转换或吸收，以便减少在进入光转换器之后在光转换器内未被转换或吸收的激光的影响。因此，可以增加可以借助于光转换设备而生成的光的色点或白点的稳定性。

转换设备可以被布置使得经转换光的强度在例如激光峰值发射波长（例如，450nm）附近的+/-10nm、优选地+/-5nm的预定波长范围内基本上独立于激光峰值发射波长。可以优选地是，进入光转换器的基本上所有激光被光转换材料转换和/或吸收。可以例如通过光转换材料的厚度和/或掺杂剂（例如铈）的浓度而能够实现完全转换。反射底层可以例如被布置为能够实现峰值发射波长处的激光的吸收但是被布置为反射经转换光。反射底层可以例如是二向色滤光器，其反射经转换光但是对于激光而言是透明的。光转换设备可以例如进一步包括被耦合到与光转换器相对的反射底层的下侧的吸收层或主体。光转换设备可以进一步包括被布置为反射激光和经转换光的侧覆层。

反射顶层可以被适配成透射经由光耦合表面接收的激光的至少10%且不多于50%、优选地激光的至少15%且不多于45%、以及更优选地激光的至少18%且不多于40%。

反射顶层的透射率可以被用来确定可以借助于光转换设备生成的混合光的色点。混合光包括透射激光和经转换光。限定的透射率与进入光转换器的激光的几乎完全转换相组合可以能够实现混合光的稳定色点而没有如上面描述的主动反馈。

光转换设备可以例如被用于汽车前灯中，该汽车前灯包括发射以450nm的激光峰值发射波长的激光的一个或多个激光器。蓝色激光的大约21%可以被透射并且剩余的蓝色激光被往回反射到光转换器且被转换为黄色经转换光。在这种情况下，光转换器可以包括黄色磷光体石榴石（例如，y(3-0.4)gd0.4,al5o12:ce）或由黄色磷光体石榴石（例如，y(3-0.4)gd0.4,al5o12:ce）组成。这通过考虑例如磷光体中的斯托克斯损失（stokeslosses）而在由前灯发射的混合光中能够实现26%蓝色激光和74%黄色经转换光的比率。

半透明主体可以被布置为散射激光。可以散射激光使得激光的发射锥被拓宽。借助于光导传递的激光的出射角度借助于光导的数值孔径而被确定。如果光导包括两个或更多个包层（例如，具有两个包层的光纤），则光导可以包括多于一个数值孔径。激光在半透明主体内的分布或出射角度可以借助于散射而被增加。增加出射角度可以能够实现利用经反射激光照射光转换器的基本上整个表面。可以减少由被光耦合表面覆盖的区域导致的损失。此外，可以通过跨过整个光转换器分布激光而降低光转换器内的能量密度。光转换器的冷却（例如，借助于散热器）可以是更简单的并且可以增加由光转换器包括的光转换材料的转换效率。

半透明主体可以例如包括比如散射颗粒的散射结构。半透明主体内的散射可以被用来混合激光和经转换光，以便在可以借助于包括光转换设备的基于激光的光源而被照射的预定义立体角内能够实现混合光的几乎恒定的色点。可替换地或附加地，反射顶层可以被布置为散射光或者附加的层或主体可以被耦合到远离半透明主体的反射顶层的外层以散射混合光。

半透明主体可以包括被耦合到光转换器的顶表面的下半透明层和被耦合到反射顶层的上半透明层。指向远离光耦合表面的下半透明层的表面可以被粗糙化以便增加激光的出射角度。可替换地或附加地，远离反射顶层的上半透明层的表面可以被粗糙化以便增加激光的出射角度。在下半透明层和上半透明层之间可以存在气隙。在这种情况下，上半透明层可以借助于载体而被承载。可替换地或附加地，耦合材料可以被布置在上层和下层之间，该耦合材料可以在光转换期间经受光转换设备内的光和温度。

半透明主体可以进一步包括偏转层，其被布置在下半透明层和上半透明层之间。偏转层可以被布置为如上面描述的那样增加激光的出射角度。

光转换设备可以包括防反射层，其被布置在光转换器和半透明主体之间。防反射层可以被适配成抑制激光的反射。防反射层可以降低激光借助于光转换器和半透明主体之间的界面在反射顶层的方向上被反射的可能性。防反射层可以增加可以借助于光转换设备生成的光的色点、并且尤其是白点的稳定性。

反射顶层可以可替换地被适配成反射激光的至少95%、更优选地激光的至少98%以及最优选地激光的至少99.5%。

在这种情况下，可以借助于光转换设备发射的光的色点主要地或甚至完全地由经转换光确定。这种光转换设备可以被用于投影应用中以产生原色绿色、琥珀色以及红色。光转换设备可以尤其被布置为在光转换器中转换蓝光、尤其是蓝色激光，该光转换器将蓝光完全地转换成绿色、琥珀色或红色光。在这种情况下，光转换器可以包括可以被烧结成致密的陶瓷以形成例如lumiramic主体的光转换材料。

用于绿色、黄色、琥珀色以及红色光的典型的光转换材料使用各种（氧代）氮化物、氧化物、或硅酸盐材料中的ce³⁺或eu²⁺离子。

示例是：

(ca1-x-y-zsrxbaymgz)1-nal1-a+bbasi1-bn3-bob:mn，其中0≤x,y,z≤1，0≤a≤1，0≤b≤1，0≤n≤1并且m是从组（包括ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu或其混合物以及这些材料与可以在陶瓷加工期间添加的添加物的混合物）选出的金属。

铕（ii）活化的铝硅基氮氧化物的通式：

ea2-zsi5-aalan8-bob:euz，其中0<a≤4，0<b≤4以及0<z≤0.2；其中ea是从钙、钡以及锶的组选择的至少一种碱土金属。

铕（ii）活化的硅基氮氧化物的通式：

(sr1-a-b-c-d-e-fcabbacmgdznecef)six-ggegnyoz:eua，其中0.001≤a≤0.2，0.0≤b≤1，0.0≤c≤0.5，0.0≤d≤0.25，0.0≤e≤0.25，0≤f≤0,2，0<g<1，1.5≤x≤2.5，1.5≤y≤2.5以及1.5<z<2.5。

铈（iii）活化的石榴石材料。

可以由光转换器包括的其它光转换材料或磷光体材料是：

(ba1-xsrx)2sio4:eu绿色

srga2s4:eu绿色

srsi2n2o2:eu绿色

srs:eu红色

(sr1-x-ycaxbay)2si5n8:eu红色/琥珀色

(sr1-x-ycaxbay)2si5-aalan8-aoa:eu红色

cas:eu红色

(sr1-xcax)s:eu红色

如上面描述的那样，光转换设备可以包括防反射层，其被布置在光转换器和半透明主体之间。如果例如反射顶层相对于激光的波长范围不是完全反射的，则防反射层可以改善色彩饱和度。

光转换设备可以包括光吸收层，其与半透明主体相对地被耦合到反射顶层。光吸收层被适配成吸收在通过反射顶层之后的透射激光。光吸收层被进一步适配成透射在通过反射顶层之后的经转换光的至少90%。

光吸收层可以包括一个或多个子层，其被布置为吸收性彩色滤光器以吸收例如蓝色激光，以便防止可以借助于光转换设备发射的发射颜色的去饱和。

根据另一方面，提供了一种基于激光的光源。该基于激光的光源包括如上面描述的光转换设备、光导以及激光器。光导被耦合到光耦合结构。光导的光出射表面被布置使得由激光器经由光导发射的激光被光耦合表面接收。

基于激光的光源可以包括发射例如蓝色激光的两个、三个、四个或更多个激光器（例如，以阵列的形式）。光导可以是例如包括一个、两个或更多个包层的光纤。光导可以在穿透光转换器之前穿透可选的散热器。它还可以穿透半透明主体的一部分。

根据另一方面，提供了一种车辆前灯。该车辆前灯包括至少一个如上面描述的基于激光的光源。车辆前灯可以包括两个、三个、四个或更多个如上面描述的基于激光的光源。

用于向前照明的车辆前灯、并且尤其是汽车前灯的白点，优选地被5700k的相关色温（cct）、或者大约0.48的v'色点表征。在标准中定义白光区域。例如，ansic78.377是由美国国家标准协会规定的色度标准。大多数汽车前灯使用如上面描述的5700k范围。可替换地，还可以有可能的是使用6000k的色温，使得蓝光的份额增加。

应当理解的是，发明的基于激光的光源可以具有相似的和/或相同的实施例，特别是如从属权利要求和它们的组合中以及上面提供的描述中限定的实施例。

应当理解的是，本发明的优选实施例还可以是从属权利要求与相应的独立权利要求的任何组合。

下面限定其它有利的实施例。

附图说明

本发明的这些和其它方面从下文描述的实施例将是清楚明白的，并且将参考下文描述的实施例进行阐述。

现将参考所附附图基于实施例以示例的方式描述本发明。

在附图中：

图1示出了第一基于激光的光源的主要简图

图2示出了黄色磷光体石榴石的吸收系数

图3示出了第二基于激光的光源的主要简图

图4示出了第三基于激光的光源的主要简图

图5示出了第四基于激光的光源的主要简图

图6示出了第五基于激光的光源的主要简图

在附图中，相同的数字自始至终指的是相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

现将借助于附图描述本发明的各种实施例。

图1示出了第一基于激光的光源100的主要简图，该光源100包括光转换设备130、光导120以及激光器100。光转换设备130包括被附接到光转换器134的反射底层132，在这种情况下，该光转换器134是黄色磷光体石榴石（yag:ce）的矩形块（可替换地，可以使用圆柱体或任何其它合适的形状）。光转换器134被附接到半透明主体136，该半透明主体136由具有高热导率的蓝宝石组成，以便为光转换器134提供冷却。在半透明主体136顶部是提供的反射顶层138。光导120被耦合到光耦合结构125。光耦合结构125包括反射底层132中的孔和以在光转换器134中的腔的形式的槽。光导120的光出射表面被布置使得由激光器110经由光导120发射的激光10被光耦合表面127接收。具有450nm的波长的激光10必须通过光转换器134的薄层。光耦合表面127和半透明主体136之间的层的厚度被布置使得激光10的少于5%被转换为经转换光20，以便限制激光峰值发射波长或光转换器134的温度的变化的影响。激光10的剩余95%经由半透明主体136在反射顶层的方向上被发射。到达反射顶层138的激光10的25%通过反射顶层（透射激光12）。其余的激光10在光转换器134的方向上在反射顶层138处被反射回（经反射激光11）。光转换器134将基本上经反射激光11中的全部转换为经转换光20。在黄色磷光体石榴石内生成的经转换光20在反射顶层138的方向上在反射底层132处被反射。反射顶层138被布置使得到达反射顶层138的所有经转换光20都可以通过该层。在这种情况下，反射顶层138是包括多个子层的二向色滤光器，该多个子层被布置使得激光10的仅部分但是基本上所有经转换光被透射。因此，基于激光的光源100发射包括透射激光12和经转换光20的混合的白光。

光转换材料的片材具有优选地20µm和100µm之间的厚度。光导120通常具有有着50µm和100µm之间的直径的圆形截面。选择半透明主体136的厚度以实现透射激光12填充光学设备（例如，一个或多个透镜、反射器等）的接收锥，可以在灯布置中将该光学设备与基于激光的光源耦合。

具有典型数字的示例：

光导的数值孔径（na）：0.22。

光导120的直径：100µm（这是具有50µm芯的多模纤维的包覆层的直径）

半透明主体136的厚度：200µm

光转换器134（lumiramic薄片）的厚度：50µm

薄片尺寸：500x500µm²

取决于半透明主体的折射率（nr）或光导120的出射表面和二向色滤光器之间的介质的折射率，蓝光将在光转换器134上的某个区域上方分布。

nr=1：

没有光导120的区域的光转换器134的照射区域与包括光导120的总区域的比率将是87%（对于光耦合表面127与反射顶层138之间的200µm距离而言）。此比率考虑了基本上没有经转换光在光耦合表面127和半透明主体136之间的层中被生成（尤其是在光耦合表面127是半透明主体136的表面的情况下；参见下面的图3至6）。比率越大，越少的光可以经由光导120而被损失。在这种情况下，照射区域的直径将是280µm。

针对nr=1.5：

没有光导120的区域的光转换器134的照射区域与包括光导120的总区域将是79%（具有到光导的完美光学耦合）。在这种情况下，照射区域的直径将是219µm。

图2示出了黄色磷光体石榴石的吸收系数55。纵坐标51示出了吸收系数且横坐标52示出了波长。跨波长的吸收系数的光谱示出了如用于今天的汽车前照明应用（汽车前灯）中的黄色磷光体石榴石（y(3-0.4)gd0.4,al5o12:ce）的典型的吸收光谱。从440到460nm（这是蓝色激光（二极管）发射的典型波长范围），吸收系数增加多于2倍，这可能导致基于激光的光源在cie1976v'色点中大约0.067的大的色点偏移。白光所需要的蓝色激光10与激光10的主要部分分离，该激光10的主要部分必须在光转换器134内的转换之前被转换。基于激光的光源100的光转换设备130被布置使得经转换光20的发射基本上独立于由例如图1和下面的图3至6中示出的激光器110发射的激光10的峰值发射或波长范围。

图3示出了第二基于激光的光源100的主要简图。基本布置与关于图1描述的相同。在这个实施例中，光耦合表面127被布置在位于光转换器134和半透明主体136之间的界面处。激光10直接进入半透明主体136而不通过光转换器134的任何材料。光转换设备130进一步包括散热器131。散热器131的表面被布置为反射底层132，该反射底层132借助于硅树脂被粘附到光转换器134。光转换器134的基本上垂直于光发射方向的侧面和在这种情况下还有半透明主体136的侧面被侧覆层134a覆盖，该侧覆层134a防止光可以通过侧面出射。散热器131和包括玻璃或可替换地蓝宝石的半透明主体136的组合可以被用来更高效地冷却光转换器134，使得可以使用具有大于100µm的厚度的光转换器134以便能够实现反射激光11的基本上完全光转换。附加的冷却防止lumiramic光转换器134的温度增加到大大高于150℃并且避免严重的热淬火。热淬火可以容易地毁坏光转换器134。

图4示出了第三基于激光的光源100的主要简图。基本布置与关于具有散热器131的图2描述的相同。在这个实施例中，光耦合表面127被布置稍微地在半透明主体136之内，使得光耦合结构125包括半透明主体136中的腔。半透明主体136包括由玻璃制成的下半透明层136a和由玻璃制成的上半透明层136c，其中下半透明层136a被附接到光转换器134并且上半透明层136c被附接到反射顶层138。上半透明层136c被进一步附接到载体139，使得半透明间隔136b被建立在下半透明层136a和上半透明层136c之间。此外，偏转层137被布置在下半透明层136a和上半透明层136c之间。在这种情况下，偏转层137是下半透明层136a的表面，该偏转层137被构造使得通过偏转激光10而使激光的出射锥被拓宽。载体139以及光转换器134的侧覆层134a是反射的，以便避免经由光转换设备130的侧面的光损失。在这种情况下，反射底层132是被布置在散热器131和光转换器134之间的二向色滤光器，光转换器134对于经转换光20而言是反射的但是对于经反射激光11而言是基本上透明的。在光转换器134中未被转换的经反射激光11通过反射底层132并且被散热器131吸收。

图5示出了第四基于激光的光源100的主要简图，该光源100可以被用作用于投影应用的光源。基本布置与关于具有散热器131的图2描述的布置非常相似。反射顶层138反射激光10的至少99%，使得基本上仅经转换光20通过反射顶层138。因此，光源的色点借助于经转换光20的波长范围而被确定。光转换设备130进一步包括防反射层135，其被布置在光转换器134和半透明主体136之间。防反射层135抑制反射激光11在位于半透明主体136和光转换器134之间的界面处的反射。

上面提供的具有典型数字的示例也适用于根据图5或下面的图6的基于激光的光源100。

图6示出了第五基于激光的光源100的主要简图。基本布置与关于图5描述的布置相同，但是该光转换设备130不包括光转换器134和半透明主体136之间的防反射层135。光吸收层133被附接到反射顶层138的上侧，使得透射激光12在通过反射顶层138之后在光吸收层133内被吸收，以便能够实现由基于激光的光源100发射的经转换光20的良好的色彩饱和度。

根据基于激光的光源100的意图的颜色发射选择光吸收层133或彩色滤光器层。彩色滤光器层优选地是无机颜料材料如：

蓝色：coo-al2o3

群青色

绿色：tio2-coo-nio-zro2

ceo-cr2o3-tio2-al2o3

tio2-zno-coo-nio

黄色：bi-钒酸盐

pr、z、si氧化物

ti、sb、cr氧化物

ta氮氧化物

红色：fe2o3

zn、cr、fe-氧化物

cds-cdse

taon

这些材料优选地以颗粒直径<200nm而被使用，以避免由于光的反向散射所致的光损失。

附加地，可以应用温度稳定的有机颜料，其可以从金属酞菁或二萘嵌苯的组中被选择。

光耦合结构125并且尤其是光耦合表面127的位置可以被适配到灯（例如，车辆前灯、投影灯……）的整体布置。因此，光转换器120不必如图1和3-6中示出的那样被布置在光转换器134的中心中。此外，光导120和光转换器134可以围成不同于图1和3-6中示出的90°的角度。

虽然已经在附图和前述描述中详细地说明和描述了本发明，但是这种说明和描述要被认为是说明性的或示例性的而非限制性的。

通过阅读本公开内容，其它修改对于本领域技术人员来说将是清楚明白的。这样的修改可以涉及本领域中已知的和可以代替本文已经描述的特征而被使用或除了本文已经描述的特征之外而被使用的其它特征。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可以理解并实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一（a或an）”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。

权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制其范围。

附图标记列表：

10激光

11经反射激光

12透射激光

20经转换光

51吸收

52波长

55yag:ce磷光体的吸收系数

100基于激光的光源

110激光器

120光导

125光耦合结构

127光耦合表面

130光转换设备

131散热器

132反射底层

133光吸收层

134光转换器

134a侧覆层

135防反射层

136半透明主体

136a下半透明层

136b半透明间隔

136c上半透明层

137偏转层

138反射顶层

139载体。