具有荧光材料元件的照明单元的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有荧光材料元件(2)的照明单元(1)，利用第一泵浦光源(3)使该荧光材料元件透射式地运行并且在辐射面(6)处发出转换光。荧光材料元件(2)利用第二泵浦光源(8)附加地照射在辐射面(6)上，也就是说，荧光材料元件反射式地运行，这会提高转换光的量。
【专利说明】具有荧光材料元件的照明单元
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有设计用于将泵浦光转换为转换光的荧光材料元件的照明单
J Li ο
【背景技术】
[0002]与传统的白炽灯相比，目前研发的光源的出色之处例如在于其能量效率有所提高，然而，与作为热辐射器而能够在较宽的光谱范围内进行光发射的白炽灯相比，由这些光源发射的光通常局限在较窄的光谱范围内。如果例如将发光二极管(LED，Light EmittingDiode)设计为光源，那么为了改变光的光谱特性，通常将荧光材料直接涂在LED上。也就是说，LED半导体部件例如发射蓝色泵浦光，并且荧光材料至少部分地吸收该蓝色泵浦光并且发射经过转换的、波长较长的光(转换光)。荧光材料颗粒也例如能够嵌入安置在LED半导体部件上的硅胶基体中，在运行时，泵浦光从硅胶基体中穿射而过。
【发明内容】
[0003]本发明以该技术性问题为基础，说明一种与现有技术相比更为有利的照明单元。
[0004]根据本发明，该难题通过一种照明单元解决，该照明单元具有荧光材料元件，该荧光材料元件设计用于在辐射面处发出转换光；并具有至少两个设计用于发射泵浦光的泵浦光源；其中，该照明单元设计为使得由第一泵浦光源发射的初级泵浦光照射区别于辐射面的、优选与辐射面相对的入射面处的荧光材料元件并且由第二泵浦光源发射的次级泵浦光照射辐射面处或辐射面上的荧光材料元件。
[0005]根据本发明，荧光材料元件由此不仅被初级光从后面照射，即透射式地运行，而且也附加地被次级泵浦光从其它的面、特别是“从前面”、即例如反射地照射。次级泵浦光照射在发出经过转换的光的辐射面上。
[0006]也就是说，通常在荧光材料透射式运行的情况下仅设计用于发射转换光的辐射面也被用于输入耦合(Einkopplung)附加的泵浦光，这会提高经过输入耦合的泵浦光量、即例如光通量，或者表述地更具有普遍性，这会提高输入耦合的照射功率。与此相应地，经过转换的泵浦光量也会更大，也就是说，对于转换光来说，也会实现光通量的提高或者说实现照射功率的提高。与构造相同的、但仅利用一个泵浦光源透射式运行的荧光材料元件相比，从中能够有利地实现更高的光密度(每增加一个平面部件和每增加一度投影立体角，都会输出更多的光通量或者说照射功率)。由于通常仅被用于发射转换光的辐射面是利用泵浦光来照射的，因此也能够例如利用结构紧凑的荧光材料元件实现照射功率的提高，有利的是，这能够有助于降低其空间需求。
[0007]这种具有较高的光密度的照明单元能够应用在不同的领域中，例如应用在内窥镜检查中以及投影设备中，但也可以应用在室内照明中以及普遍意义上的工业和/或医学照明应用中。
[0008]荧光材料元件可以例如是荧光材料-嵌入式-基体、例如已在开头提及的硅酮或陶瓷，荧光材料颗粒嵌入其中。然而优选的是，荧光材料本身也被作为涂层而涂覆在基底上，例如(直接)涂覆在LED半导体部件上。一般来说，可以将例如AxByCzAl5O12 (其中A、B、C来自Y、Al、Lu、Ga等元素)形式的石榴石荧光材料、例如添加了铈的钇铝石榴石(YAG)、正硅酸盐(Orthosilikat)或纯氮化物-荧光材料设为荧光材料；然而，“荧光材料”这一概念也包括多种这些荧光材料类型的、即纯荧光材料的混合物。
[0009]“辐射面”的存在并不一定意味着，经过转换的光仅从该面上射出；然而存在这种可能性，例如在侧面相应地镜面化和入射面二向分色(dichroitisch)镜面化的情况下即存在这种可能。即使在假定荧光材料元件能够输出各向同性的转换光的情况下，当仅在一个面上截取转换光以作他用时，也不可能存在在整个荧光材料元件上延伸的辐射面。也就是说，“辐射面”指的是荧光材料元件的主要输出随后作为有用光进一步供使用的转换光的那一平面。
[0010]当然，次级泵浦光也不一定要照射整个辐射面，它可以只照射其中的部分区域，所照射的面积按优选程度从低到高依次为辐射面的至少5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%。
[0011]例如设计为荧光材料元件的外界面的辐射面不是一定要平面地和/或持续地延伸，而是也可以例如在荧光材料元件被设计为半球体的情况下例如设计为拱形，和/或例如在荧光材料元件设计为金字塔形或圆锥形时具有边缘以及顶部；此外还能够设有子结构，例如具有例如菲涅耳透镜式的表面层级的微结构。
[0012]在本公开内容的范畴内，“泵浦光”这一概念首先指的是电磁辐射，其波长不必限于可见的波长范围，也就是说例如也能够在紫外线或红外线波长范围内。可从与此相应的普遍意义上来理解“照明”。另一方面，“泵浦光”也可以包括微粒辐射、特别是在次级泵浦光的方面尤其如此，即例如包括电子或离子辐射；然而优选的是LED或激光辐射。
[0013]在本公开内容中，只要是涉及到光及其传播的方面，并不一定要为了实现对象而进行光传播，而是应当将装置仅设计用于相应的传播。
[0014]优选的设计方案在从属权利要求中进行说明并在后面详加阐述，其中，总的公开内容中的单个特征也能够以不同的组合对实现本发明具有重要意义并且隐性地不仅涉及照明单元、而且也涉及包含该照明单元的照明装置，也涉及应用方面。
[0015]照明单元优选地设计为使得由第一泵浦光源发射的初级泵浦光在第一主入射方向上的以与转换光的主辐射方向成最大45°角的角度，按优选程度从低到高依次为呈最大35°、25°、15°、5°的角度入射在荧光材料元件的入射面上。特别优选的是，主辐射方向和第一主入射方向互相平行。
[0016]一般来说，泵浦光的主入射方向和转换光的主辐射方向分别是(泵浦光以及转换光的)按功率衡量的传播方向的质心。如果将这样测定的方向视为向量，那么角度规定值则始终指的是能够在这两个向量之间测量到的两个角度中较小的那个角度(在涉及到后面具有重要意义的、平面法线之间的角度的情况时也是如此)。
[0017]在一种优选的设计方案中，照明单元设计为使得由第二泵浦光源发射的次级泵浦光以与主辐射方向成至少135°角的角度、按优选程度从低到高依次为呈至少145°、155°、165°、175°的角度入射在荧光材料元件的辐射面上。特别优选的是成180°，也就是说，第二主入射方向和主辐射方向正好是相反的。虽然从原则上来说，例如由激光器发射的泵浦光束也能够以明显更大的角度入射在辐射面上，但特别优选的仍是刚才提到的相反的定向，这是因为对于次级泵浦光和转换光来说，则例如也能够设有共用的光学部件。
[0018]这种共用的、优选地能够成像的光学部件一般来说是有利的，因此，例如凸透镜能够一方面使次级泵浦光成束地射向辐射面并且另一方面能够通过这同一个凸透镜而为其它应用提供转换光，这例如通过这种方式实现，即凸透镜使荧光材料元件成像于无穷远处。这种系统集成能够有助于减少各个部件的数量，从成本方面来看，这是有利的。
[0019]—般来说，即不必一定同时对于泵浦光和转换光来说，也可以设有(其它的)光学元件，例如设有初级透镜和/或线栅偏振片(Wire Grid Polarisator);这些光学元件能够例如直接与荧光材料元件的辐射毗邻或者相隔较小距离地布置，例如相距小于一毫米。
[0020]此外还优选的是，第一泵浦光源与荧光材料元件毗邻并且第二泵浦光源与第一泵浦光源间隔地布置，例如在二者间具有优选地能够成像的透镜。如果例如将LED设计为第一泵浦光源，则能够将荧光材料元件例如设计为直接与LED半导体部件毗邻；但“毗邻”也不应排除在第一泵浦光源和荧光材料元件之间存在导光层的情况，例如存在用于调整折射率的浸镀层。然而特别优选的是，第一泵浦光源直接与荧光材料元件毗邻，即例如将荧光材料涂层直接涂在LED半导体部件上。
[0021]在一种特别优选的设计方案中将入射和辐射面彼此相对地布置，也就是说，入射和辐射面的法线相交形成至少135°的角度，按优选程度从低到高依次为形成至少145°、155°、165°的角度。特别优选的是，入射和辐射面平行地延伸，当平面法线之间的角度按优选程度从低到高依次形成至少175°、176°、177°、178°、179°的角度时，便应当能够实现这一点。理想情况下，这一角度为180°。荧光材料元件可以例如设计成是平面的，也就是说在两个平面方向上延伸，并且在与此垂直的方向上、即在厚度方向上仅具有相对较小的伸展。
[0022]在另一种实施方式中，初级和次级泵浦光具有基本相同的辐射光谱；也就是说，例如根据取决于波长的功率来衡量，这两者的辐射光谱重合的部分按优选程度从低到高依次为80%、90%、95%、98%，特别优选的是，二者的辐射光谱100%—致。
[0023]还有一种设计方案，无论独立权利要求中所述特征如何，均将其归入本发明的范畴并应当以本发明的方式公开，在这种设计方案中，初级泵浦光和次级泵浦光泵够具有至少部分不同的光谱。(一般来说，然而特别是在这一实施方式中，)次级泵浦光可以例如由多个发光二极管和/或激光二极管发出的光形成，但也可以例如由一个(多个)发光二极管和一个(多个)激光二极管构成的组合发出的光形成。在后一种情况下，窄频带的激光辐射例如能够与宽频带光谱叠加并因此逐点地对其进行补充。
[0024]另一方面，也可以例如存在至少基本互补的光谱，也就是说，例如根据取决于波长的功率来衡量，二者的光谱重合的部分按优选程度从低到高依次为最高50^^40^^30%、20%。因此，例如当荧光材料元件具有多种荧光材料类型时，能够改善各荧光材料类型相应的激发特性，这将有利地提高发光效率。特别是当与另一种优选的实施方式相结合时，即与由多个涂层构成的荧光材料元件相结合时，具有不同光谱特性的泵浦光也可以是有利的。其中，这些涂层可分为至少一种荧光材料类型，也就是说，根据前述定义，这些涂层具有不同的突光材料。
[0025] 涂层优选地关于转换光的前述主辐射方向而存在，从而例如使入射面上的初级泵浦光所照射的涂层不同于辐射面上的次级泵浦光所照射的涂层。也就是说，特别地能够使根据本发明而设有的次级泵浦光与位于辐射面的表面上的以及靠近表面的涂层相适应，而相反地，初级泵浦光则能够关于入射面处的涂层进行优化。虽然也能够将激光二极管特别地设为第二泵浦光源、或者也可以将其普遍地设为第一泵浦光源，但优选的仍是LED，确切地说，特别优选的是将LED既设为第一、也设为第二泵浦光源。一般来说，泵浦光源能够被设计用于以基本恒定的功率、但也可以脉冲式地运行。
[0026]不仅第一泵浦光源、而且第二泵浦光源也可以分别由多个单个-二个管(单个-半导体部件)组成。因此，例如第二泵浦光源可以由例如发光二极管和激光二极管任意组合而成；单个二极管则能够分别独自地、即各自或共同运行，例如能够任意选择二极管并且按任意时间顺序进行控制。其中，不同的二极管例如也能够照射辐射面的不同区域(若是第一泵浦光源，则能够照射入射面的不同区域)。
[0027]在一种优选的设计方案中设有分色镜，以便将由第二泵浦光源发射的次级泵浦光引导至荧光材料元件的辐射面上，这例如通过置于中间的光学部件、例如凸透镜来实现。
[0028]该分色镜优选地这样二向分色，即它至少部分地反射泵浦光并且至少部分地让转化光透过(反之也能够使用让泵浦光透过的分色镜，该分色镜则在应用方向上反射转换光)。也就是说，转换光能够被导离荧光材料元件，而不必通过分色镜而使光转向(在可能的情况下不考虑通过分色镜造成的平行偏移)。第二泵浦光源能够相应地布置在转换光光路的外部，并且随后能够分色镜将次级泵浦光导回光路中，确切地说是导回与转换光相反的方向上并由此射向辐射面。
[0029]本发明也涉及一种具有前述照明单元的照明装置，利用由另一光源发射的附加光对该照明单元的处于第一波长范围内的转换光加以补充并在光学元件中、例如在凸透镜中汇聚。该附加光源同样也可以例如是具有泵浦光源的荧光材料元件、例如也可以是根据本发明的、利用至少两个泵浦光源进行运行的荧光材料元件。
[0030]然而优选的是，设计在照明装置中正是这种照明单元，并随后通过两个光源、例如通过LED半导体部件对该照明单元加以补充。也就是说，总地可以设有例如三个颜色各不相同的LED ;因此，利用红、绿、蓝三种颜色可以实现白色光源。
[0031]有利的是，前述分色镜则不仅能够被用于为荧光材料元件供应次级泵浦光(并让由该荧光材料元件发出的转换光透过)，而且也能够将由另一光源发射的光、即例如由LED发出的蓝光转向光学部件的方向。这能够实现另一系统集成。
[0032]本发明也涉及这种发光装置或前述发光单元在投影设备或内窥镜、用于空间照明目或者普遍意义上的工业以及医学上的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]后面通过实施例详细地说明本发明，其中，单个特征也能够以其他的组合对实现本发明具有重要意义。
[0034]图中分别示出:
[0035]图1示出根据本发明的照明单元；
[0036]图2示出根据本发明的照明装置；【具体实施方式】
[0037]图1示出具有荧光材料元件2的照明单元1，该荧光材料元件作为涂层涂在LED半导体部件3上。视热学方面的要求的不同，该LED半导体部件3粘贴在或焊接在基体4上。
[0038]荧光材料元件2的入射面5与LED半导体部件的、处于蓝色波长范围内的、发光的表面相接触，从而利用由该第一泵浦光源3发射的初级泵浦光使荧光材料元件2透射式地运行。蓝色初级泵浦光在荧光材料元件2中至少绝大部分被转化，并且荧光材料元件2发射辐射面6上的转换光。与该辐射面6相对地布置的凸透镜7使这个发射绿色光谱范围内的转换光的表面成像于无穷远处。
[0039]根据本发明而设有第二泵浦光源8、即另一 LED半导体部件8，该LED半导体部件发射的光同样也处于蓝色光谱范围内。该LED半导体部件有安装在基底9上，但半导体部件8的表面未涂有荧光材料。取而代之的是，利用凸透镜10使辐射次级泵浦光的表面成像于无穷远处。
[0040]蓝色次级泵浦光11随后被分色镜12反射，确切地说是在第一凸透镜7的方向上被反射，该第一凸透镜使次级泵浦光11随后聚焦在荧光材料元件2的辐射面6上。
[0041]也就是说，不仅第一 LED半导体部件3、而且第二 LED半导体部件6也向荧光材料元件2供应泵浦光，这将提高转换光的光通量并由此提高其光密度。荧光材料元件2在主辐射方向14上发射转换光。
[0042]对于蓝色泵浦光来说具有反射性的分色镜12对于转换光来说具有透光性，在本发明中即能够让处于绿色光谱范围内的光透过。也就是说，利用凸透镜7而变得平行的转换光不受阻碍地穿过分色镜12并供随后使用，例如可供用于在投影设备中进行照明。
[0043]荧光材料元件2由多个涂层13构成，在这些涂层中设有的荧光材料各不相同。此时可以这样选择LED半导体部件，即在涂层13a的激发性方面对第一 LED半导体部件进行优化并对第二半导体部件进行优化以便刺激涂层13b。
[0044]图2示出依据图1进行说明的照明单元I，在照明装置21中，为该照明单元增加了其它的光源。照明单元1、即由荧光材料元件2、第一泵浦光源3和第二泵浦光源8构成的组合装置设计用于放射绿光。已表明的是，根据本发明而通过第二泵浦光源8得到增强的光辐射在绿色光谱范围内是特别有利的，这是因为，亮度敏感性曲线在那里达到其最大值，从而使绿色光谱范围内的亮度对整个系统的亮度产生重要影响。
[0045]附加光源同样是LED半导体部件，确切地说是用于放射蓝光的半导体部件22和用于放射红光的LED半导体部件23。利用凸透镜24使由蓝色LED半导体部件22发射的光平行并且随后利用反射蓝光的分色镜12将其引导至由照明单元I发射的绿光的光路中、即与绿光相混合。也就是说，有利的是，分色镜12 —方面用于为荧光材料元件2供应次级泵浦光，并且另一方面能够将(附加的)蓝光输入耦合在转换光的、被导向应用装置的光路中。
[0046]另一分色镜25仅在红色光谱范围内具有反射性并且因此使由LED半导体部件23发出的红光通过凸透镜26输入I禹合在光路中，该光路随后通过另一凸透镜27被导向应用中。分色镜25对于绿光和蓝光来说是具有透光性的因此，只要所有LED半导体部件都正常运行，那么对于应用装置来说，便有白光可供使用；通过分别控制LED半导体部件也能够实现混色。
【权利要求】
1.一种照明单元(I)，具有设计用于使泵浦光转换为转换光的荧光材料元件(2)，所述荧光材料元件设计用于在辐射面(6)处发出转换光，所述照明单元还具有至少两个设计用于发射泵浦光的泵浦光源(3，8)，其中，所述照明单元(I)设计为使得由第一泵浦光源(3)发射的初级泵浦光照射区别于所述辐射面(6)的入射面(5)处的所述荧光材料元件(2)并且由第二泵浦光源(8)发射的次级泵浦光照射所述辐射面(6)处的所述荧光材料元件(2)。
2.根据权利要求1所述的照明单元(I)，所述照明单元设计为使得由所述第一泵浦光源(3)发射的所述初级泵浦光在第一主入射方向上以与所述转换光的主辐射方向(14)最大呈45°的角度入射在所述荧光材料元件(2)的所述入射面(5)上。
3.根据权利要求1或2所述的照明单元(1)，所述照明单元设计为使得由所述第二泵浦光源(8)发射的所述次级泵浦光在第二主入射方向上以与所述转换光的主辐射方向(14)至少呈135°的角度入射在所 述荧光材料元件(2)的所述辐射面(6)上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元(I)，其中所述第一泵浦光源(3)毗邻所述荧光材料元件(2)并且所述第二泵浦光源(8)与所述第一泵浦光源间隔地布置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元(I)，其中所述入射面(5)和所述辐射面(8)彼此相对地布置并且优选平行地延伸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元(I)，其中设置有用于所述次级泵浦光和所述转换光共同的光学部件(7)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元(I)，其中所述初级泵浦光和所述次级泵浦光具有基本相同的光谱。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的照明单元(I)，其中所述初级泵浦光和所述次级泵浦光具有至少部分不同的光谱。
9.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元(I)，其中所述荧光材料元件具有多个带有至少一种不同的荧光材料类型的涂层(13)，并且确切地说，优选地具有关于所述转换光的主辐射方向(14)而存在的涂层。
10.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元(I)，其中LED设计作为第一和第二泵浦光源中的至少一个。
11.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元(I)，其中设有分色镜(12)并且所述分色镜设计用于使由所述第二泵浦光源(8)发射的所述次级泵浦光引导至所述荧光材料元件⑵的所述辐射面(6)上。
12.根据权利要求11所述的照明单元(I)，其中所述分色镜(12)设计用于反射泵浦光并且透射转换光。
13.一种具有根据前述权利要求中任一项所述的照明单元(I)并具有附加光源(22，23)的照明装置，所述附加光源设计用于发射附加的光，其中，所述转换光和所述附加的光在光学元件(27)中汇聚。
14.根据权利要求13所述的照明装置(21)，其中由所述照明单元(I)发射的所述光和由所述附加光源(22，23)发射的所述光具有至少部分不同的光谱。
15.一种连同权利要求12所述的照明单元(I)的、根据权利要求13或14所述的照明装置(21)，其中所述分色镜(12)设计为使得所述分色镜使由所述附加光源(22)发射的所述光转向所述光学部件(27)的方向。
16.一种根据权利要求1至12中任一项所述的照明单元(I)或根据权利要求13至15中任一项所述的照明装置的应用，所述应用用于投影设备、内窥镜、室内照明目的、工业的或医学的应用的至 少其中一种。
【文档编号】H04N9/31GK103988502SQ201280061131
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年11月20日 优先权日:2011年12月16日
【发明者】纳迪尔·法希特基安 申请人:欧司朗有限公司