旋转波长转换元件的制作方法

旋转波长转换元件的制作方法
【专利摘要】描述了用于产生高亮度(例如多色)光的方法和装置，其中波长转换元件(12)的区域(7,9)和产生激发光的光源相对于彼此移动，以使得所述区域(7,9,4)在不同的时间并且在逐渐的移动中暴露于在波长转换元件的整个表面的一部分上扫描的激发光。波长转换元件可由空气或利用液体冷却。
【专利说明】旋转波长转换元件
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于提供高亮度多色光的照明设备和方法，并且涉及包括该照明设备的投影设备。
【背景技术】
[0002]对于数字投影系统的照明来说，固态照明可能是优选的方法。通常，光源与产生实际图像的成像系统结合。投影系统的亮度主要取决于光源的功率和性质。迄今为止，灯已被或多或少专门地使用。对于低亮度系统来说，使用UHP灯；对于高亮度系统来说，使用氙灯。灯是昂贵的并且常常不能持续使用足够长的时间。然而，向固态照明的转换仍然是一项挑战。
[0003]LED照明技术已成功地用于低亮度系统。通常，对于最多1.500流明的低亮度系统来说，LED照明代替UHP灯。目前正在开发激光照明技术以在IOk流明以上的高亮度系统中代替氙灯。
[0004]在LED照明停止和激光照明开始的亮度之间，对于在该范围内可调影(scaleable)的光源来说存在机会。
[0005]二极管激光器已在若干应用中使用，并且红光和蓝光二极管激光器是已知的。蓝光激光器已开发用于蓝光光盘系统中并且目前以紧凑包装、高功率输出(例如，Nichia T09包装)和低成本销售。蓝光具有适合泵浦电致发光磷光体(例如，常常在LED中用于一般照明应用的磷光体)的波长。这些磷光体是常见的，其中一种磷光体比另一种更有效。将蓝光激光器与发光磷光体结合被称为激光-磷光体转换或磷光体泵浦。
[0006]该工艺已在若干投影应用中使用，但仅具有较低的亮度水平。
[0007]在磷光体的热耗散中仍存在缺陷。磷光体层不是以朗伯曲线方式发射光，这使得光难以被捕获和校准。因此，蓝光泵浦能被以最紧凑的方式(通常为非常小的光斑)投射到磷光体上，这增加了在下游光学系统中捕获光的效率，而且增加了磷光体层中的能量密度。在这样的小光斑中，高能量耗散将使磷光体在一定水平下饱和，导致亮度削波和磷光体层损坏。
[0008]为了避免这种情况，光斑可以变得更大，或者可以使冷却变得更有效。通常，在这些应用中，磷光体材料安装在圆盘上，该圆盘由玻璃制成以允许从后面泵浦，或者由金属制成，其需要从前面泵浦，但为通过色轮的金属底座输送耗散的热量提供更好的基础。由于色轮在游离空气中的旋转，轮表面本身和磷光体层被空气冷却。使用由诸如激光二极管(LD)或发光二极管(LED)的固态光源产生的激发光以及诸如磷光体或量子点的波长转换材料的波长转换方法可产生在不同于激发光的波长的波长下的高亮度光。对于高功率的白光LED设备来说，从蓝光向白光的转换常常通过磷光体波长转换来实现。为了在投影设备中产生高亮度照明，诸如高功率LED和激光器的红光、绿光和蓝光固态光源提供相比弧光灯提高的寿命。激光器提供比LED更高的亮度。当使用激光器产生高亮度照明时，在本领域中提供了红光激光器，例如，二极管条。二极管激光器也可用来产生蓝光，但不利地高功率绿光二极管激光器仍然是未来的出路。因此，使用蓝光二极管激光器和绿色磷光体将蓝光转换为绿光的可能性是十分吸引人的，即使这导致一定的转换损耗。
[0009]US20090284148描述了一种在其照明路径中使用该原理的投影仪。蓝光通过使用蓝光高功率二极管激光器(例如，Nichia? 二极管激光器)而产生，其通过沉积在旋转色轮上的产生绿光的磷光体来转换。色轮也兼顾系统中的单光阀照明所需的彩色定序。然而，由于投射到磷光体上的激发光的功率密度，照明系统的输出功率是有限的。磷光体暴露于高密度激光器光的时间越长，磷光体就越快地老化。转换损耗导致磷光体的局部加热，这继而降低其效率并可能造成其发射光谱的偏移。色轮的旋转将把功率密度分布在色轮区域上，该区域与在由旋转的磷光体表面上的光斑所覆盖的轨道上落在色轮上的激发激光的光斑相对应。
[0010]W02009017992公开了一种类似的照明设备，其中高功率激光光斑在色轮旋转地移动的同时进行照明，并且结果，包括在该照射的环形路径中的磷光体被反复地加热。

【发明内容】

[0011]本发明的目的是提供用于提供高亮度彩色或多色光的备选照明设备和方法。特别地，本发明的目的是提供较少地经受色点的长期和/或短期退化的照明设备和方法。特别地，材料(特别是波长转换材料)的热降解可以被减轻，从而可以避免或减少色点的长期和
/或短期退化。
[0012]本发明提供了一种包括用于产生激发光的光源和波长转换元件的照明设备，所述波长转换元件包括:包含波长转换材料的区域，该波长转换材料能够吸收所述光源的激发光并且发射波长不同于激发光的波长的光；并且其中波长转换元件和激发光源可相对于彼此移动，以使得所述区域在不同时间和逐渐的相对移动中暴露于在波长转换元件的二维表面上扫描的激发光。
[0013]光源的光将在波长转换元件上形成光斑，并且该光斑在波长转换元件的平面中在至少两个非准直方向上横跨元件移动(例如，通过两种旋转的组合或旋转和平移的组合)。
[0014]该设备的优点在于，色点的长期和/或短期退化以及波长转换材料的寿命可以被改善。根据本发明的一方面，波长转换材料的性质的退化可通过有规则地偏移激发光所入射到的区域的位置而延迟。根据本发明的一个实施方式，诸如磷光体的波长转换元件的退化的技术问题通过适当的移动来解决，例如包括轨道移动的旋转移动。
[0015]本发明在其范围内包括:不同的激发光源(例如，不同颜色的光源)例如在单芯片投影仪中与诸如一个色轮的一个波长转换元件一起使用。
[0016]本发明在其范围内也包括具有单独的波长转换元件，例如色轮，每个波长转换元件具有激发光源以在例如三芯片投影仪中输送不同的原色。
[0017]本发明在其范围内也包括具有比不同的波长转换材料更少的不同的激发光源。在这种情况下，例如，在产生RGB原色时，除了绿色之外，使用波长转换材料从绿光或黄光二极管激光器产生诸如红色的颜色。
[0018]在一些实施方式中，波长转换元件在透射中使用，并且在波长转换材料和光源之间可以设置二向色元件，该二向色元件透射激发光并反射由波长转换材料发出的光。
[0019]在其它实施方式中，波长转换元件可以在反射中使用。反射材料优选地设置在波长转换材料的背面。反射材料优选地将返回未转换的激发光以及由波长转换材料发射的光。例如，反射材料可以是抛光的金属。
[0020]包含波长转换材料的区域可覆盖波长转换元件的至少部分宽度或整个宽度，其中该宽度在远离激发光束的入射轴线的方向上测量。
[0021]波长转换元件和激发光源的相对移动优选地通过组合旋转移动和/或平移移动来实现，使得波长转换元件的区域由来自激发光源的光扫描。例如，两个致动器可用来在所述波长转换元件和激发光束之间产生相对移动；第一致动器用来使所述波长转换元件相对于激发光束旋转，并且第二致动器用来使所述波长转换元件相对于激发光束在具有平行于所述波长转换元件的平面的分量的方向上平移。
[0022]平移移动的频率优选地小于旋转移动的频率，这导致螺旋型式。该螺旋型式导致新的光致发光材料在每次旋转时被激发光束所照射。
[0023]波长转换元件优选地包括在用来在来自所述光源的所述光照射时光致发光以产生至少一种原色光的材料。可使用不同的光源以产生不同的原色。例如，光源可以是固态光源，例如，激光二极管或发光二极管或0LED。固态光源的功率可以被调节以补偿所述波长转换元件的差异老化。替代地或另外地，固态光源的功率可被调节以补偿短期波动并使光输出在期望水平下保持恒定。
[0024]为了提高波长转换元件的寿命，优选的是当光致发光的材料在由来自所述激发光源的所述光照射之后退化时，激发光束移动至新区域，该区域不同于在照射之后退化的光致发光材料且包括未被照射的光致发光的材料。例如，可以提供未使用的波长转换材料的储备。
[0025]为了降低波长转换材料的温度，可以在波长转换元件的附近附接局部冷却设备。该局部冷却设备可以是吹出冷却空气的喷嘴。
[0026]波长转换元件可制造成任何合适的形状，例如，该元件可包括波长转换材料的离散的扇段，所述扇段包括基本上相同的组合物或不同的波长转换组合物或对于所述光源基本上光学反射或透射的材料。
[0027]本发明在其范围内包括以固定的时间间隔在不同的区域或扇段之间切换，该时间间隔远短于波长转换材料的寿命，以允许不同区域或扇段的波长转换材料的较少劣化。
[0028]为了有效使用材料，平移移动的幅度优选地与包含所述波长转换材料的所述区域的宽度基本上相同。然而，优选地避免区域的不均一或损坏的边缘，使得将使用的实际有效区域略小。替代地，平移移动的幅度可以是包含所述波长转换材料的所述区域的宽度的一半的一部分。
[0029]可以在光路中放置其它光学设备。例如，可以提供光阀，其操作与波长转换元件的旋转移动同步，使得颜色被顺序地显示。例如，可以在光路中包括光导或棒状积分器或蝇眼积分器。
[0030]为了方便制造，波长转换元件可以是色轮。
[0031]可以使用诸如强度传感器的传感器来确定波长转换元件的寿命的结束。上述中的任一种可与闭环反馈系统结合以维持白点和恒定的光输出。
[0032]本发明还提供了一种包括根据本发明的实施方式中的任一个的照明设备的投影设备。[0033]本发明还提供了一种用于产生高亮度(例如多色)光的方法，其中波长转换元件的区域和产生激发光的光源相对于彼此移动，以使得所述区域在不同时间且在逐渐的移动中暴露于在波长转换元件的整个表面的一部分上扫描的激发光。
[0034]本发明的实施方式的优点是通过相对于激光束来移动诸如光致发光材料(例如，涵盖荧光和磷光材料两者的材料，其中磷光体和量子点仅仅是两个示例)的波长转换材料的表面而减小诸如由固态光源产生的激发光束(例如，高密度激光、LED光、OLED光)在2个维度中的平均功率密度分布。
[0035]波长转换材料可覆盖垂直于激发光束的入射轴线的波长转换元件的至少部分宽度或整个宽度。在其它实施方式中，波长转换材料可在轮上设置成对应于不同的原色的离散扇段，或者可以是围绕整个轮的材料的环。
[0036]诸如荧光或磷光材料(其中磷光体和量子点仅为两个示例)的波长转换材料表面在旋转的轮上的轨道移动结合相对平移移动将产生激发光束的光斑，该光斑可以在诸如突光或磷光材料(其中磷光体和量子点仅为两个示例)的波长转换材料的部分或全部可用表面上行进，从而减少老化并增加激光器-波长转换材料组合的寿命。在2D区域上的轨道移动可通过与同时进行的旋转移动结合的平移移动来实现，例如，通过在相对于色轮移动激发光束的同时旋转色轮组件，例如，通过以平移方式例如以摆动平移方式移动光束或旋转的轮。其它移动也包括在本发明的范围内，例如，彼此正交或成任何合适角度的两种移动。因此，这两种移动可以均为同时施加的在两个正交方向上的平移移动。两种移动也可以是旋转运动，例如，诸如色轮的波长转换元件围绕中心轴线的主旋转以及旋转轴线的旋转处理以产生诸如余摆线运动、内摆线运动、外摆线运动、内余摆线运动、外余摆线运动的摆线运动。根据本发明的实施方式且依赖于波长转换材料的功率密度和特性，旋转和轨道移动可以被调节以最大化波长转换材料的元件的寿命。如果激光器-波长转换材料组合为用于例如多光阀系统的单色光源，两种移动可以被调节。对于单光阀系统来说，轨道移动本身可以被调节，同时旋转由引入的视频信号的频率来确定。
[0037]根据本发明的一个实施方式，波长转换元件可以被浸入液体中。可以提供循环部件或泵以循环或泵送用于冷却波长转换元件的液体。波长转换元件或轮可具有用于由泵送的液体旋转的翅片，例如像帕尔贴轮(Peltier wheel)那样。可以提供齿轮以将波长转换元件的旋转转换为激发光源和波长转换元件之间的相对运动，以使得所述区域在不同时间且在逐渐的相对移动中暴露于在波长转换元件的二维表面上扫描的激发光。
[0038]本发明的实施方式也提供了一种包括用于产生激发光的光源和波长转换元件的照明设备，所述波长转换元件包括:包含波长转换材料的区域，该波长转换材料能够吸收所述光源的激发光并发射具有不同于激发光的波长的波长的光。波长转换元件被浸入液体中并由液体冷却。可以提供封罩以保持液体和波长转换元件以及诸如齿轮、透镜、喷嘴等的其它物件。另外，在该实施方式中，波长转换元件和激发光源可相对于彼此移动，以使得所述区域在不同时间且在逐渐的相对移动中暴露于在波长转换元件的二维表面上扫描的激发光。
【专利附图】

【附图说明】
[0039]本发明的其它特征将通过附图而变得显而易见，其中:[0040]图1示出根据本发明的实施方式的包括荧光轮的光源单元。
[0041]图2示出根据本发明的实施方式如在轮的平面内所看到的光入射在荧光轮上的情形。
[0042]图3示出根据本发明的优选实施方式如在轮的平面内所看到的光入射在荧光轮上的情形。
[0043]图4示出根据本发明的实施方式的光以小于旋转移动的频率的来回平移移动的频率入射在移动的轮上的情形。
[0044]图5示出根据本发明的实施方式在仅具有旋转移动的轮上和具有轨道移动的轮上的某个位置处的磷光体元件的温度如何演变。
[0045]图6示出根据本发明的实施方式的包括具有不同颜色的磷光体的不同扇段的荧光轮。
[0046]图7至图12示出另一个实施方式，其中波长转换元件被浸入液体中并且液体的移动被用来冷却波长转换元件。
[0047]图7从右侧示出整个组件。
[0048]图8从左侧示出整个组件。
[0049]图9示出根据本发明的实施方式的磷光轮、输入透镜、输出透镜、轨道齿轮、以及入口 /出口液体泵喷嘴。
[0050]图10示出磷光轮和推进器翅片以及轨道齿轮的详图。
[0051 ] 图11示出液体封罩的详图。
[0052]图12示出根据本发明的实施方式的轨道齿轮的详图。
[0053]贯穿各视图，对应的附图标记指示对应的部分。本文阐述的范例以一种形式示出了本发明的示例性实施方式，并且这样的范例不应理解为以任何方式限制本发明的范围。
[0054]定义
[0055]如本文所用，术语“波长转换材料”涉及光致发光材料。如本文所用，术语“光致发光”涉及涵盖荧光和/或磷光材料两者的材料，例如，磷光体和量子点在该定义的范围内。如本文所用，术语“磷光体”涉及能够通过荧光、磷光或更一般地通过光致发光发射光的任何材料。因此，在下文中，对光致发光轮的引用包括对磷光轮或荧光轮的独立的和单独的引用，就像对光致发光材料的引用包括对磷光材料或荧光材料的独立的和单独的引用那样。
[0056]对光致发光材料的“区域”的引用涉及包括由这样的材料覆盖的这样的材料区域的区域。
【具体实施方式】
[0057]结合【具体实施方式】并且参照某些附图将描述本发明，但本发明不限于这些实施方式和附图，而仅受权利要求的限制。所描述的附图仅仅是示意性的，而非限制性的。在附图中，一些元件的尺寸可能为了说明目的而被夸大并且未按比例绘制。当术语“包括”在本说明书和权利要求书中使用时，它不排除其它元件或步骤。当诸如“一个”或“一种”、“该”、“所述”的不定冠词或定冠词在结合单数名词使用时，其包括多个该名词，除非具体指明不是这样。
[0058]权利要求书中所用的术语“包括”不应解释为限于其后所列举的装置；它不排除其它装置或步骤。因此，表达“设备包括装置A和B”的范围不应限于仅由部件A和B组成的设备。它表示:就本发明而言，设备的唯一相关部件为A和B。
[0059]而且，在说明书中和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等用于区分类似的元件而未必用于描述顺序或时间次序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文所述本发明的实施方式能够以除了本文描述或示出的之外的其它顺序操作。
[0060]此外，在说明书和权利要求书中的术语“顶部”、“底部”、“在上方”、“在下方”等用于描述性目的而未必用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文所述本发明的实施方式能够以除了本文描述或示出的之外的其它取向操作。
[0061]在附图中，类似的附图标记是指类似的特征；并且，在不止一幅图中出现的附图标记是指相同的元件。附图和以下详细描述示出了照明设备，其中高强度激光的功率密度分布由于激光横跨色轮在其表面的一部分或全部上移动而散布，但本发明不限于旋转，也不限于磷光体。
[0062]图1中所示的根据本发明的实施方式的光源单元I可包括光致发光轮2，其可通过接收来自激发光源4的激发光而朝诸如光整合单元18的其它光学部件(例如，由光学材料制成的光导或棒，或蝇眼积分器)发射光，并且其中光致发光轮2由第一致动器(例如，轮马达5)旋转，第一致动器附接到盘状透明基底材料6的中心部分。来自整合单元的光可用来照射光阀，例如DLP?芯片、LCOS或液晶面板。在具有单个光阀的实施中，优选地通过光阀进行的图像生成与色轮的运动同步，使得当色轮的绿色扇段在入射光前方时，诸如绿色分量的一种颜色分量显示在光阀上。对于红色、蓝色和其它原色来说也同样如此。颜色因此以足够高的速率顺序显示，使得观察者看到复合的“全彩”图像。在一些实施方式中，包括磷光体层的层可沉积在整个盘上，并且多个光源结合以形成全彩图像。
[0063]光源可以是固态光源，例如LED、OLED或激光二极管。
[0064]在本发明的实施方式中，磷光体层优选地包括稀土材料，更具体而言，例如为了使绿光能够产生，可以使用诸如Eu2+或Ce3+的掺杂稀土材料。稀土材料优选地使用合适的环氧树脂类粘结剂材料来固定。然而，因为使用环氧树脂类粘结剂材料，由高温导致的分层可能是另一个问题。有利地，本发明提供了用来管理这些温度以导致稀土材料的更好固定(fasting)的设备和方法。
[0065]在一些实施方式中，光致发光轮2可包括诸如熔融二氧化硅玻璃的盘状透明基底材料6的中心部分和磷光体层7。磷光体层7可选地设置在二向色层10上。二向色层10可包括得自多个供应商中的任一个(例如，得自Oerlikon)的二向色涂层。
[0066]如在其它实施方式中将进一步讨论的，轮2可包括具有不同磷光体层(例如，层7和9)的扇段。二向色层10透射由激发光源4发射的激发光，但反射其它波长带的光，其可通过在位于设置磷光体层7(和9)的侧面上的透明基底材料6的表面上沉积涂层来形成。抗反射涂层11优选地可通过在位于设置磷光体层7的侧面的相对侧上的透明基底材料6的表面上沉积涂层来形成。此外，马达5的轴17可延伸穿过光致发光轮2的中心部分。此两者可以本领域已知的任何可行的方式固定在一起。
[0067]在一些实施方式中，轮2相对于轴17的角位置可基于光学传感器的读数来确定，该传感器检测在盘状透明基底材料6上的基准位置。
[0068]在光致发光轮2旋转的同时，激发光入射在荧光轮2上的不同点上。如在轮2的平面内所看到的这些点的轨迹为环，其宽度取决于由激发光形成的光斑的尺寸(参见图2的虚线区域)。
[0069]荧光轮的旋转将限制由磷光体通过吸收激发光所达到的最大温度。这将延迟磷光体材料的劣化。然而，相同的环被激发光反复地和恒定地照射，激发光在(较)高强度下将不可避免地导致磷光体材料的劣化。所谓退化是指磷光体材料性质随温度的可逆偏移和这些性质中的不可逆变化两者(例如，由磷光体材料发射的波长可能偏移和/或当磷光体由激发光激发时发射期望波长的效率可能降低)。为了进一步延迟通过磷光体材料的退化/劣化导致的性能损耗，可以例如增加荧光轮2的半径。通过使激发光入射到轮的环形区域保持靠近轮的边界，该区域的元件受到激发光的作用的总时间将减少(换句话讲，增加了将由激发光激发并且将在给定时间内接收给定量的能量的磷光体材料的总面积)。由于诸如紧凑性(可用于轮和驱动马达的有限空间)或可靠性(盘中的应力将随半径增加而增加)的原因，这可能是不可行的。
[0070]在其它实施方式中，通过例如在激发光和荧光轮之间使用透镜以便将光散布在更大的面积上，并且通过这样做减小激发光入射到的磷光体材料单位面积吸收的功率，可以增加描绘环的光斑的尺寸。然而，在投影系统中，集光率可能受光阀和光学部件的尺寸的限制，并且光源的集光率必须较小，以便有效地使用从磷光体发射的光。同时，由于磷光体的发射角度为180度，面积必须十分小。
[0071]通过增加荧光轮的进一步移动(例如侧向移动)或附加的旋转移动，本发明的一些实施方式可以在由激发光入射到的荧光轮2上(且特别地在磷光体7上)的点的更大轨迹上散布在轮的寿命期内由磷光体材料吸收的能量。平移移动可以在平行于轮的平面的平面中执行。
[0072]在以下讨论的实施方式的示例中，平移的方向D平行于连接光致发光(例如，荧光或磷光)轮2的中心与激发光入射到轮上的轮的区域的中心(例如，图1中的点19和20)的线。
[0073]第二致动器16可用来在平行于轮的平面的方向上(例如，如图1所示沿着方向D)平移地移动光致发光(例如，荧光或磷光)轮2。
[0074]第二致动器可以例如包括使导螺杆(或平移螺杆)15平行于方向O旋转的第二电动马达，紧固到轮支撑件(12，13)的导螺母将沿着导螺杆的螺纹被驱动。由于导螺母紧固到光致发光(例如，荧光或磷光)轮支撑件，导螺母的任何移位将伴随着轮支撑件和荧光轮的平行于导螺杆的移位。轮支撑件(12，13)由线性导向器/轴(14a，14b)引导。代替马达、导螺杆和导螺母，平移移动可通过集成的线性致动器(更具体而言，由LlNAK ?制造的线性致动器)来实现。
[0075]在一些实施方式中，第二致动器也可包括曲轴和/或杆系统。第二电动马达的旋转运动根据熟知的原理被转换为平移运动。在这种情况下，元件15由通过连接杆(未示出)连结到曲轴或轮(未示出)的杆代替。曲轴或轮可接着由电动马达驱动。
[0076]由第一和第二致动器赋予荧光轮的运动可以以不同的方式组合。例如，光致发光(例如，荧光或磷光)轮可以在其中激发光穿过基底材料6的透射中使用。在其它实施方式中，光致发光(例如，荧光或磷光)材料沉积在反射轮(例如，抛光金属)上。在这种情况下，激发光源和光整合单元18将在轮的相同侧上，激发光将直接入射在光致发光(例如，荧光或磷光)材料上，并且不与磷光体材料相互作用的一小部分激发光将被抛光金属反射并被允许在其离开的过程中与光致发光(例如，荧光或磷光)材料相互作用。同时，由波长转换材料在与光整合单元18的输入相反的方向上发射的光致发光(例如，荧光或磷光)的光将被抛光金属反射并在光整合单元的输入的大致方向上被反射，从而有助于增加光源单元I的效率。
[0077]根据本发明的实施方式，当磷光体材料在已被激发光激发的区域中的劣化被检测到或预料到时，激发光将入射到的光致发光(例如，荧光或磷光)轮的区域可通过使轮沿着方向D移位而改变。例如，如果第二致动器使用步进马达和导螺杆，已知的步进数将导致轮的已知的侧向位移(沿着方向D)，并且激光光斑将沿着波长转换材料的“新”区域FR移动，在新区域，波长转换材料的性质尚未像在区域R中那样改变。为了到达新区域并离开波长转换材料退化的区域R，平移的幅度T至少与区域R的宽度W —样大。如图3所示，区域FR具有比区域R更小的平均半径。
[0078]在根据本发明的另一个实施方式中，波长转换材料的性质的退化可通过有规则地偏移激发光所入射到的区域的位置而延迟。这可以例如通过在非连续的步骤中沿着方向D来回移动轮来实现，以便激光光斑扫描轮的不同区域。在移动至下一个区域之前，激发光可以扫描给定区域Ri (i=l, 2，...)达给定时间Ti或轮的给定转数。如果仅考虑两个这样的区域R，如图3所示，激发光将扫描外环R至少一圈，旋转轮接着将平移，直到激发光入射在内环FR上。在轮被平移返回其初始位置(在那里，激发光将扫描外环，依此类推)之前，激发光优选地将扫描内环FR至少一圈。在本发明的其它实施方式中，可以在不同的区域Ri之间以远短于磷光体材料的寿命的固定的时间间隔进行切换，以均匀地劣化不同的区域。替代地，不同的区域可用作储备箱，并且仅在当前区域已到达其寿命终点时决定移动至下一区域。
[0079]根据本发明的另一个实施方式，侧向移置可以是连续的:如果轮的来回平移的频率小于轮旋转的频率，激发光将入射在荧光轮上的点的轨迹可遵循旋入和旋出图案。这在图4中示出，其中为清楚起见，仅表示了光斑的中心(例如，投影到波长转换区域上的点19)。
[0080]虽然公开了螺旋，但更复杂的移动包括在本发明的范围内。由激发光束在光致发光材料中产生的热量可以侧向地扩散。因此，可能有利的是，激发光束在短时间内不返回到邻近当前照射光斑的光斑处。因此，在波长转换元件和激发光束之间的相对运动可以是类似于希伯特步(Hilbert walk)或皮亚诺曲线的一系列步,并且一般地,该运动可以是任何合适的空间填充曲线。移动也可以是旋转运动，例如，诸如色轮的波长转换元件围绕中心轴线的主旋转以及旋转轴线的旋转处理以产生诸如余摆线运动、内摆线运动、外摆线运动、内余摆线运动、外余摆线运动的摆线运动。
[0081]有利地，该实施方式使得能够限制局部温度增加。为了进一步限制局部温度增加，侧向移动的周期被选择成使得它长于轮的旋转的周期并且优选地比轮2上的磷光体的元件的热时间常数大5倍。优选地，平移周期也足够短，以确保在一个周期期间内的平移量足够大，以避免与此前的旋转的轨迹重叠。[0082]在图5中，虚线指示在仅具有旋转移动的轮上的某个位置处磷光体元件中的温度如何演变。一旦激光撞击磷光体，温度就立即升高。由于较差的热导率，磷光体非常缓慢地冷却，并且在旋转周期完成之前不能冷却至环境温度。在持续时间内，磷光体元件达到最大温度Tmaxl。如果旋转移动与侧向移动结合，该周期被选择成使得在激光撞击相同位置之前磷光体能够完全冷却，最大温度减小至Tmax2。这在图5中由实线表示。备注:为简单起见，假定平移周期为旋转周期的偶数倍，使得激光在平移周期之后正好返回相同位置处。这不是要求，并且事实上优选的是具有更不规则的关系，以避免轨道的位置和在旋入和旋出之间的交叉点的位置随时间推移而变化。在另一个实施方式中，局部温度增加也可通过在光单元I中进一步集成冷却单元来限制。冷却单元的示例可以是喷嘴，该喷嘴将冷空气吹在发生局部温度增加的区域上。
[0083]在其它实施方式中，照明设备可包括光致发光轮，该光致发光轮包括具有不同磷光体的扇段。优选地，不同扇段中的至少一个扇段可以附加地为对于激发光而言是半透明的。当荧光轮包括具有不同颜色的磷光体的不同扇段时，如图6所示，必须注意确保由光源单元I发射的光的颜色将对应于在所述颜色的光入射到光阀上时用来对光阀编程的数据或与该数据同步或能够与该数据同步化。
[0084]实际上，由于激发光留在诸如磷光体的波长转换材料上的光斑或足迹的有限尺寸，同步化受到所述光斑或足迹沿轮的半径的位置的影响。这可以在图6中容易地看出，该图比较了相对于具有不同颜色的两个磷光体区域之间的前沿的光斑的相对位置。可以看至IJ，对于轮的相同角位置来说，光斑将在给定的瞬间时刻跨越该边界或者不依赖于其沿轮的半径的位置。
[0085]虽然在位置Pl和P2处的光斑的中心在轮上具有相同的角坐标，但在定位更靠近轮的中心的位置P2处的光斑已经与红色磷光体7R重叠。在位置P2，来自磷光体区域7G的绿光和来自磷光体区域7R的红光进入整合器18，并且两种颜色同时照射DLP。为了减轻该问题，(I)可以限制光斑的尺寸和轮的半径之间的比率，或者(2)可以增加反馈回路，该回路将调节与光阀的驱动的同步化。
[0086]照射0.9英寸DLP?芯片所需的典型光斑尺寸(微镜阵列的尺寸)将为3mmX 1.5mm。对于具有IOOmm的直径的轮2，将能够从其边沿到25mm的半径扫描轮，而不必过多地受到同步化问题的影响。换句话讲，通过将平移的幅度T限制到轮2的半径的一部分，将减轻可能出现的同步问题。
[0087]在另一个实施方式中，可以在光源单元I中进一步集成储备。优选地，储备可包括例如荧光或磷光(诸如含磷材料)的光致发光材料并且安装在轮2上或轮2附近的位置中。储备可以在正常操作中保持未使用，但可以在轮上的其它光致发光(例如，荧光或磷光)元件已到达其寿命终点时使用。储备可以是例如放置于轮的一个位置中的材料的环，例如，夕卜环。轮2上的光致发光(例如，荧光或磷光)元件的寿命终点可以优选地由强度传感器确定，该传感器例如检测由光致发光(例如，荧光或磷光)元件发射的强度何时下降至某个值以下。
[0088]为了提供高质量的图像，重要的是避免亮度的短期波动。此外，如果具有不同磷光体材料的色轮被用于不同的原色，或者如果不同的光源被用于不同的颜色，或者甚至当具有不同的磷光体材料的若干色轮被用于不同的颜色(其中每个色轮包括光源)时，重要的是维持白点平衡，即使不同颜色的磷光体随时间推移而有差别地劣化，这表明有差别的老化。
[0089]因此，优选的是将上述实施方式与闭环反馈系统结合。为实现这一点，将用于白点的传感器的输出或原色的传感器的输出与基准值或设定点相比较，并且诸如激光器的激发光源的强度被改变，以便恢复白点。传感器可以测量每个原色的光的强度。激发光源的功率在其中来自波长转换材料的光输出劣化最严重的那些扇段中增加。替代地，如果激发光源对于产生某种颜色来说已达到其最大功率，在其它颜色处的功率可以减小以维持期望的白平衡。
[0090]在一些实施方式中，强度传感器可与光源集成或在投影仪中处于更下游以检测强度。
[0091]此外，激发光源4的功率可以被调节以补偿短期波动并使光输出以期望的水平保持恒定。
[0092]在可与此前提及的任何实施方式一起使用的如图7至图12所示的另一个实施方式中，为了更有效地冷却例如具有磷光体层的诸如色轮的照射的波长转换元件，提供了与例如具有磷光体的诸如色轮的实际波长转换元件的更好热交接。这以如下方式执行:即，例如具有磷光体的诸如色轮的波长转换元件允许具有“尽可能小的光斑”的来自激发光的最高光能集中，以用于泵浦和输出光捕获。
[0093]在该实施方式中，为了增加热传递的效率，例如具有磷光体的诸如色轮的波长转换元件21被浸入在可形成封闭腔体的封罩24内的液体介质22中。液体介质22优选地流动，例如，在例如具有磷光体的诸如色轮的波长转换元件21的表面上被泵送并且以有效方式冷却。
[0094]这样的液体介质22可以是中性的硅树脂溶液，例如具有低的(可泵送)粘度和固定的折射率。液体材料应优选地自除气。如果气泡变得夹杂在流体中，则液体应自除气，以使得在机械部件或光学部件之间不截留气穴。加速除气可通过使用真空泵的真空除气来获得，例如以提供大约635mm Hg(25英寸Hg)或以上的真空压力。气泡形成物的存在可通过缓慢增加真空来避免，从而避免快速起泡。
[0095]合适的液体材料应为光学透明的、惰性的，优选地不具有固有的储存寿命限制，并且与大多数光学玻璃和例如半导体相容。这样的液体应具有高纯度组合物，其具有较低离子(例如，均小于IOppm的K、Na、P、Ag、Cu、Sn离子)，以确保不出现敏感半导体和金属的退化。工作温度范围应为例如在_40°C C和+150°C之间，从而需要高于这些值的沸点。折射率应允许与塑料、玻璃、半导体材料相配的折射率。液体应为允许在循环中泵送的低粘度流体。液体材料应为无毒的、光学透明的，对于在投影仪中使用的波长(例如，在可见光范围内)具有有效的光学透射，具有高表面张力以便在薄膜中形成无迁移，并且具有低挥发性以避免再凝结。光学透射应为良好的，即，接近100%，例如，在200至IOOOnm的范围内(例如，高于200nm且小于800nm) >90%、>95%或>99%的透射率，并且折射率在1.2-1.7的范围内，例如1.3，接近最高光学级玻璃的折射率。
[0096]可以认为是合适的液体材料是得自Santolubes的材料,例如Santolight材料,其性质在下表I中示出并在以下链接中描述:
[0097]http://www.santolubes.com/resources/tds-msds/TDS-SANT0LIGHT-SL-5262.
【权利要求】
1.一种包括用于产生激发光的光源和波长转换元件的照明设备，所述波长转换元件包括包含波长转换材料的区域，所述波长转换材料能够吸收所述光源的所述激发光并且发射波长不同于所述激发光的波长的光；并且其中所述波长转换元件和所述激发光源能够相对于彼此移动，使得所述区域在不同的时间并且在逐渐的相对移动中暴露于在所述波长转换元件的二维表面上扫描的所述激发光。
2.根据权利要求1所述的照明设备，该照明设备还包括设置在所述波长转换材料和所述光源之间的二向色元件，所述二向色元件透射所述激发光并且反射由所述波长转换材料发射的光。
3.根据权利要求1所述的照明设备，该照明设备还包括设置在所述波长转换材料的背面的反射材料，所述反射材料反射未被转换的激发光和由所述波长转换材料发射的光。
4.根据权利要求3所述的照明设备，其中所述反射材料为抛光金属。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中包含波长转换材料的所述区域覆盖所述波长转换元件的至少部分宽度或整个宽度。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中所述波长转换元件和所述激发光源的所述相对移动通过将旋转移动和/或平移移动进行组合来实现，使得所述波长转换元件的区域被来自所述激发光源的光扫描。
7.根据权利要求6所述的照明设备，其中两个致动器被用来移动所述波长转换元件；第一致动器用来旋转所述波长转换元件，并且第二致动器用来在具有平行于所述波长转换元件的平面的分量 的方向上平移所述波长转换元件。
8.根据权利要求7所述的照明设备，其中所述平移移动的频率小于旋转移动的频率，这导致螺旋型式。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中所述波长转换元件包括当用来自所述光源的所述光照射时光致发光以产生至少一种原色光的材料。
10.根据权利要求9所述的照明设备，其中当光致发光的所述材料在由来自所述激发光源的所述光照射之后退化时，激发光束移动至新区域，所述新区域不同于在照射之后已经退化的光致发光的所述材料且包括未被照射的光致发光的材料。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中所述波长转换元件包括波长转换材料的离散的扇段，所述扇段包括基本上相同的组合物或不同的波长转换组合物，或者对于所述光源基本上光学反射或透射的材料。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中能够在不同的区域或扇段之间以远短于所述波长转换材料的寿命的固定的时间间隔进行切换，使得不同区域或扇段的所述波长转换材料均匀地退化。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中所述平移移动的幅度与包含所述波长转换材料的所述区域的宽度基本上一样大。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中所述平移移动的幅度是包含所述波长转换材料的所述区域的宽度的一半的一部分。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，该照明设备还包括用于使所述波长转换元件的所述旋转移动与光阀的操作同步以使得不同颜色的图像被顺序地显示的装置。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中所述波长转换元件为色轮。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，该照明设备还包括未使用的波长转换材料的储备。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，该照明设备还包括附接在所述波长转换元件附近的局部冷却设备。
19.根据权利要求18所述的照明设备，其中所述局部冷却设备为吹送冷空气的喷嘴。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，该照明设备还包括光导或棒状积分器或蝇眼积分器。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，该照明设备还包括用于确定所述波长转换兀件的寿命的传感器。
22.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中所述照明设备包括用于产成不同的原色的不同的光源。
23.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中所述照明设备包括不同的波长转换元件，其中每个波长转换元件均包括用于生成不同原色的光源。
24.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中所述光源为固态光源，诸如激光二极管或发光二极管或OLED。
25.根据权利要求24所述的照明设备，其中所述固态光源的功率能够被调节以补偿所述波长转换元件的差异老化。
26.根据权利要求24所述的照明设备，其中所述固态光源的所述功率能够被调节以补偿短期波动并使光输出以期望水平保持恒定。
27.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，所述照明设备还能够与闭环反馈系统结合以维持白点和恒定的光输出。
28.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备，其中所述波长转换元件被浸入液体中。
29.根据权利要求28所述的照明设备，该照明设备还包括用于泵送所述液体以冷却所述波长转换元件的泵。
30.根据权利要求28或29所述的照明设备，其中所述波长转换元件具有用于由泵送的液体旋转的翅片。
31.根据权利要求30所述的照明设备，所述照明设备还包括齿轮，所述齿轮用于将所述波长转换元件的旋转转换为所述激发光源和所述波长转换元件之间的相对运动，使得所述区域在不同的时间并且在逐渐的相对移动中暴露于在所述波长转换元件的二维表面上扫描的所述激发光。
32.—种包括用于产生激发光的光源和波长转换元件的照明设备，所述波长转换元件包括包含波长转换材料的区域，所述波长转换材料能够吸收所述光源的所述激发光并发射波长不同于所述激发光的波长的光；所述波长转换元件被浸入液体中并由所述液体冷却。
33.根据权利要求32所述的照明设备，其中所述波长转换元件和所述激发光源能够相对于彼此移动，使得所述区域在不同的时间并且在逐渐的相对移动中暴露于在所述波长转换元件的二维表面上扫描的所述激发光。
34.一种包括前述权利要求中的任一项所述的照明设备的投影设备。
35.一种用于产生高亮度光的方法，其中波长转换元件的区域和产生激发光的光源相对于彼此移动，使得所述区域在不同的时间并且在逐渐的移动中暴露于在所述波长转换元件的整个表面的一部分上扫描的所述激发光。
36.根据权利要求35所述的方法，还包括用液体冷却所述波长转换元件。
37.根据权利要求35或36所述的方法，其中相对于彼此移动的所述步骤包括旋转移动与侧向移动结合，旋转移动和侧向移动的周期被选择成使得所述波长转换元件在所述激发光入射在所述波长转换元件上的相同位置上之前完全冷却。
【文档编号】G03B21/20GK103703414SQ201280034456
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年7月13日 优先权日:2011年7月14日
【发明者】P·格雷茨, O·沙利耶, D·梅斯 申请人:巴库股份有限公司