用于转换泵浦光的发光材料设备的制作方法

用于转换泵浦光的发光材料设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种将泵浦光转化成转换光的发光材料设备(1)，所述发光材料设备具有发光材料颗粒(5)，所述发光材料颗粒能够借助于加压流体在照明区域(9)中移动。与现有技术相反，发光材料颗粒(9)因此不被固定在其相互间的相对位置中并且借助于加压流体移动经过泵浦光。
【专利说明】用于转换泵浦光的发光材料设备

【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种用于将泵浦光转化成转换光的发光材料设备。

【背景技术】
[0002]高亮度的光源在不同的领域中，在内窥镜中以及在投影器中应用。在此，最新的研发涉及高功率密度的泵浦光源、例如激光器与转换泵浦光的发光材料元件组合，所述发光材料元件以与泵浦光源间隔开的方式设置。因此，通过发光材料元件，特别是层状地设置在载体上的发光材料实现例如将紫外的或蓝色的泵浦光转换成更长波长的转换光。


【发明内容】

[0003]本发明基于的技术问题是，提出一种相对于现有技术有利的、用于转换泵浦光的发光材料设备。
[0004]根据本发明，所述目的通过一种发光材料设备来实现，所述发光材料设备具有:容器，发光材料颗粒能够借助于加压流体在所述容器中移动；和照明区域，所述照明区域设计用于借助泵浦光对以加压流体的方式移动的发光材料颗粒进行照射，由此输出转换光。
[0005]与现有技术相反，大致能够具有几十纳米至微米大小(典型地为Iym至30 μ m之间的数值)的发光材料颗粒不固定在其彼此间的相对位置中，而是能够借助于加压流体本身在由容器限界的体积中移动。在此包围各个发光材料颗粒的加压流体、例如液体或在优选的设计方案中为气体(包括气体混合物)在此有利地不仅用于移动发光材料颗粒，而且也用于冷却发光材料颗粒。因此，在光转换时能够防止过渡加热发光材料以及伴随于此的效率下降。
[0006]在本文中，例如如果每个发光材料颗粒本身仅在短的持续时间期间留在用泵浦光照射的区域中(在下面为了简单性与形状无关地称作为“泵浦光锥”)并且随后又从泵浦光锥中移出时，也能够有利地实施发光材料颗粒的移动。因此，例如相对于静态的发光材料元件也能够减少各个发光材料颗粒的平均的照射持续时间，这在防止过渡加热的同时限制到发光材料颗粒中的能量输入。
[0007]根据所选择的加压流体、即尤其根据其传输特性，泵浦光例如也能够是蓝色的或紫外的，并且例如由激光器或LED发射。“光”在本公开文献的范围内非常普遍地表示电磁辐射，即不强制性地限制于可见的波长范围；相应普遍地还有术语“照明”。泵浦光例如也能够为紫外光或者甚至为粒子辐射，例如为电子束或离子束，然而优选为激光或LED光。泵浦光也不强制性地限制于特定的光谱范围；例如能够通过相应的泵浦光源或者还有多个泵浦光源的组合而例如在红色、绿色、蓝色和/或紫外的光谱范围中泵浦。
[0008]如果当前涉及关于光的发射和传播的说明或者描述发光材料颗粒的移动，这并不意味着:实际上也必须进行传播或移动；更确切地说，描述一种设计用于相应地传播光或移动发光材料颗粒的装置。
[0009]发光材料颗粒例如能够分散在液体中，所述液体然后例如通过搅拌在容器中持续地混匀。例如能够将浸液设作为液体，例如蔡司公司的“Immersol 518F”。然而，发光材料颗粒例如也能够通过气体作用而扬起进而通过泵浦光移动，例如通过气压碰撞。在任何情况下，照明区域在运行时至少部分地由加压流体和发光材料颗粒填充；因此，泵浦光耦合输入到照明区域中并且耦合输出转换光。
[0010]照明区域、即设置用于照射发光材料颗粒的体积优选由壁部限界，所述壁部对于泵浦光和转换光是透射的。如果将气体设作为加压流体，那么在此所述气体例如能够为惰性气体，即例如为氮气和/或稀有气体或者稀有气体混合物，如氙气和/或氩气。
[0011]本发明的其他优选的设计方案在从属权利要求中说明，其中如在整个公开文献中并不详细地在发光材料设备以及相应的照明设备或他们的运行或应用的阐述之间进行区分；该公开文献能够隐式地理解为关于全部类别。
[0012]在优选的设计方案中，容器至少部分地构成为管形并且对通道限界，在所述通道中发光材料颗粒能够借助于加压流体、即例如借助于气体或液体作为发光材料颗粒束移动(下面也称作为“颗粒束”;在其他的混合物中类似地简称为“发光材料颗粒”)。因此，发光材料颗粒优选作为颗粒束移动通过照明区域。
[0013]通过管形的容器为以加压流体的方式移动的发光材料颗粒一方面预设移动轨道，其中所述容器在延伸方向上的扩展确定为其垂直于此的扩展的多倍；所述发光材料颗粒因此例如相反于或者除了开始提及的“扬起”之外有针对性地移动通过泵浦光锥。另一方面，通过通道的垂直于延伸方向限界的扩展也提高加压流体的流动速度，使得发光材料颗粒也能够相应更快速地移动通过泵浦光锥，这进一步降低加热。
[0014]“颗粒束”表示:在沿着通道的延伸方向也可变的特定的流动横截面之内借助于加压流体移动的发光材料颗粒。在此，流动横截面是由颗粒束(进而由加压流体和发光材料颗粒)垂直于延伸方向相应地实际填充的面积，所述面积也能够小于通道的横截面积。
[0015]优选的是，颗粒束的流动横截面在照明区域中相对于位于上游的通道区域中的流动横截面变窄，使得发光材料颗粒能够在照明区域中以相对于位于上游的通道区域提高的速度移动并且也能够提高颗粒密度。为了减小流动横截面，通道例如能够在照明区域中通过相应的(对于泵浦光和转换光透射的)管部段中更小的内径而收缩。因此在照明区域中，管例如类似瓶颈那样收缩并且能够以位于照明区域下游的方式再次扩宽，例如以相对于收缩部镜像的方式。
[0016]然而优选地，喷嘴连接于位于上游的通道区域，所述喷嘴以流出开口通到照明区域中。喷嘴将位于流出开口上游的流动横截面变窄；流出开口通到照明区域中，所述照明区域在优选的设计方案中由壁部限界，例如根据泡壳的类型。优选地，壁部至少相应地在一个区域中对于泵浦光或转换光而言是投射的。在任何情况下，尽管位于流出开口下游的通道横截面扩宽，然而颗粒束的流动横截面变窄(颗粒束不完全地填充位于喷嘴下游可用的通道部段)。
[0017]颗粒束以相对于位于喷嘴上游的通道区域提高的速度从喷嘴中射出，这对于(位于喷嘴下游的)泵浦光照明而言意味着再次减少的照射持续时间。此外，喷嘴直接位于下游也提高发光材料颗粒的浓度并且与此相应地改进光输出。喷嘴例如能够构成为单一材料压力喷嘴、涡流喷嘴或形成层流的喷嘴。
[0018]通常，加压流体的最小流动速度例如能够根据发光材料颗粒的大小来选择，即大致匹配于沉降速度。对于具有例如100 μ m直径的颗粒而言，空气中的沉降速度在100hPa的情况下大致为0.lm/s ;在I μ m颗粒大小的情况下，沉降速度为大约10_5m/S。为了确保充足的颗粒运输，流动速度优选应当至少相应于沉降速度的十倍，例如在100 μ m平均直径的颗粒的情况下至少为lm/s。
[0019]这是最小流动速度；最大流动速度例如能够通过在气流产生时的技术边界条件来预设。然而，边界条件例如也能够通过各个部件的在流动速度过高的情况下出现的磨损、即例如照明区域壁部的“喷砂”、或者例如也通过期望地限制噪声发射来预设。因此优选的是最小lm/s的流动速度；尤其优选地且与下限无关地不超过10m/S的流动速度。
[0020]如果将液体设作为加压流体，那么相应的粘性的液体中的沉降速度相对于气体大致下降三个数量级，更确切地说由于液体的相对于气体更高的密度而降低。也能够将最小流动速度选择得相应更小，即例如在lmm/s的情况下就已经是足够的。除上述内容之外，技术边界条件又是限制性的，其中优选最大的流动速度位于lOcm/s ;此外，优选的且与上限无关的是lmm/s的最小流动速度。
[0021]在一个优选的设计方案中设有扁平喷嘴，因此，流出开口例如不是圆形的或环形的，而是横向于延伸方向(优选垂直于延伸方向)构成为是长形的。因此，例如相反于锥形形状，为加压流体进而颗粒束预设平面的形状。在此，宽度能够匹配于泵浦光束的横截面，其中颗粒束在泵浦光入射方向上占据的“厚度”相应于静态的发光材料元件能够保持得薄。因此，能够实现近似平面的光源。
[0022]因为所激发的磷光状态具有仅极其短的使用寿命、通常处于亚微秒范围中，所以如果尽管流动速度高，激发区域和发射区域通常在位置上不明显地散开，任何情况下这都不是显著的。除了在流动速度提高的情况下降低的能量输入，尤其在出现涡流的情况下提高的转换能够引起附加的冷却。此外，随流动速度提高也能够实现更加均匀化所发射的光，不仅通过空间上的平均化而且也通过时间上的平均化来均匀化。
[0023]在优选的设计方案中，对照明区域限界的壁部的第一侧设置用于射出转换光并且与第一侧相对置的第二侧设计用于至少部分地反射转换光。通过在任何情况下都部分地反射转换光，为所述转换光预设优选的放射方向；“在任何情况下都部分地反射”至少在波长范围中表示强度的一部分，优选至少其50%是反射的。因此，转化光例如能够以聚束的方式提供于应用、例如提供给投影设备。
[0024]例如在二相色性的覆层的情况下，照明区域壁部的对于转换光反射的区域在此仍然能够透射泵浦光。这有利地引起:泵浦光源或者设置用于泵浦光耦合输入的光学装置设置在照明区域的一侧上并且转换光能够在相反的侧上导出；泵浦光源或者光学装置因此不遮暗转换光。
[0025]至少部分反射转换光的第二侧优选构成为朝向颗粒束的凹面镜并且尤其优选具有抛物线形的、椭圆形的或非球面形的形状，在任何情况下都部段地具有上述形状。通常，凹面镜形状有利地将转换光聚束。
[0026]如果颗粒束的与泵浦光锥重合的区域例如设置在抛物线的焦点中，即在相应形成且覆层的壁部的焦点中，那么经转换的且然后被反射的光例如变成近似平行的射束聚束。
[0027]在一个优选的设计方案中，照明区域的设置用于射出转换光的第一侧设计用于至少部分地反射泵浦光。这例如涉及下述应用:其中不应当提供转换光和泵浦光的混合(所述泵浦光通常仅部分地被转换)，而是应仅提供转换光。这例如能够是有利的，因为在泵浦光转换可能波动的情况下仅改变光的强度，但是不改变光的光谱特性。
[0028]在优选的设计方案中，在容器中设有泵浦光耦合设备并且设计用于将泵浦光传导到照明区域中。因此，在最简单的情况下，例如能够在通道装置中(或也在开始描述的、非管形构成的容器中)设有将泵浦光反射到颗粒束中的镜。所述系统集成由于降低数量的单独部件而已经是有利的。
[0029]如果喷嘴和泵浦光耦合设备例如连同对照明区域限界的壁部一起设作为集成的构件，那么当壁部例如由于颗粒束的“喷砂效应”仅在特定的运行持续期间是充分透射的时，将所述集成的构件作为整体来使用。因为在这种更换构件中泵浦光耦合设备因此已经能够设定到相应的喷嘴上，所以在维护时降低校准耗费。
[0030]在泵浦光耦合设备的另外的设计方案中，在管形的容器中，即在由其限界的通道中设有光导体，例如积分器或玻璃纤维。光传导在非成像的光导体中通过在沿延伸方向取向的边界面上进行反射来进行，例如作为在玻璃纤维外面上的全反射。
[0031]相应地设置在通道中、优选位于照明区域上游的光导体例如也能够有助于减少遮暗效应，因为因此也能够使用总归需要用于移动发光材料颗粒的通道结构以输送泵浦光。
[0032]发光材料设备在优选的设计方案中包括泵，所述泵能够与通道装置以加压流体的方式连接，优选与所述通道装置连接。因此，例如能够设有喷射泵，所述喷射泵加速作为抽吸介质的发光材料；驱动介质例如能够根据所需要的透射特性而能够是特定的气体或气体混合物，在最简单的情况下例如为空气。因为在喷射泵运行时不必移动任何部分，所以所述喷射泵的使用能够是尤其便于维护的(尽管通常借助于机械移动的部件来移动驱动介质，例如在风扇或压缩机的情况下)。
[0033]本发明也涉及一种具有上述发光材料设备和泵浦光源的照明设备。尤其优选地，设有激光器和/或LED (或多个激光器和/或LED)。
[0034]因为由激光器发射的光与由LED发射的光相比通常已经被尽可能地聚束，即作为具有小的射束横截面的射束传播，所以能够相应地也将颗粒束的由泵浦光激发的区域保持得小。因此，发射区域也是与此相应小的，因此，当例如在内窥镜或投影器的光源中需要高的亮度时，(由于维持光学扩展量)尤其能够借助于激光提供激发。
[0035]与此相反，由LED发射的光通常还没有被聚束，因此颗粒束的借此照射的区域是相应更大的。因此整体上，(在发射区域之上叠加)能够获得高强度的、即具有高的光通量的转换光，这例如在建筑领域中的空间或物体照明中能够是有利的。
[0036]本发明也涉及一种相应的照明设备或发光材料设备用于上述目的的应用，更确切地说，也与泵浦光源的具体的设计方案无关。此外，本发明涉及这种照明设备的运行。

【专利附图】

【附图说明】
[0037]下面，借助于实施例详细阐述本发明，其中各个特征也以不同组合的方式能够对于本发明是重要的。
[0038]详细地示出:
[0039]图1不出具有喷嘴和喷射泵的发光材料设备；
[0040]图1a示出根据图1的发光材料设备的放大图；
[0041]图1b不出根据图1的用于发光材料设备的扁平喷嘴；
[0042]图2示出具有用于泵浦光耦合输入的集成的玻璃纤维的通道装置；
[0043]图3示出具有二相色性覆层的照明区域壁部的发光材料设备；
[0044]图3a示出具有柱形的玻璃泡壳的发光材料设备；
[0045]图3b示出具有泵浦光源和反射器的根据图3a的发光材料设备。

【具体实施方式】
[0046]图1示出具有通道2a、b的根据本发明的发光材料设备1，所述通道由管形的器皿3限界。发光材料颗粒5能够借助于(以符号示出的)喷射泵4在通道2a、b中以加压流体的方式移动，更确切地说，借助空气作为驱动介质移动。为了概览，仅在一个通道部段中示出发光材料颗粒5 ;然而在运行时，所述发光材料颗粒关于(通道2的)延伸方向6填充整个通道2。
[0047]颗粒束垂直于延伸方向6占据的流动横截面通过具有流出开口 8的变窄的喷嘴7来减小。因此，发光材料颗粒在运行时从流出开口 8中以相对于位于上游的通道区域2a提高的流动速度流出。
[0048]发光材料例如能够为YAG = Ce (黄色的发光材料)和/或BaSrSiN = Eu (红色的发光材料)。能够分别单独地但是也能够以任意组合的方式应用的可能的发光材料是:
[0049](Ca, Sr) 8Mg (S14) 4C12: Eu2+ (绿色)；
[0050](Sr, Ba) 2Si04: Eu2+ (绿色)；
[0051 ] (Sr, Ba) Si2N2O2: Eu2+ (绿色)；
[0052](Y, Gd, Tb, Lu) 3 (Al, Ga) 5012: Ce3+(黄色)；
[0053](Ca, Sr, Ba) 2Si04: Eu2+ (黄色)；
[0054](Sr, Ba, Ca) 2Si5N8: Eu2+ (红色);
[0055](Sr, Ca) AlSiN3:Eu2+(红色)；
[0056](Sr, Ca) S: Eu2+ (红色)。
[0057]例如也能够使用泵浦光本身作为蓝色光份额；然而也能够进行转换,例如通过Eu掺杂的钡镁铝酸盐(BAM)来进行。如在图1a中在喷嘴7的放大图中图解示出:流出开口 8的颗粒束以直接位于下游的方式由激光射束13照射，激光器14发射所述激光射束。在流出开口 8的区域中，发光材料颗粒5的平均速度由于将流动横截面变窄的喷嘴7而是最高的，这相应地有助于减少发光材料颗粒5的照射持续时间进而降低其加热。
[0058]因此，发光材料颗粒5又在与喷嘴7相对置的开口 11处被吸入，在位于照明区域9下游的通道区域2b中引导至喷射泵4并且借助于所述喷射泵重新地经由喷嘴7输送给照明区域9 ;在每次重新进入到泵浦光锥10之前，在此冷却发光材料颗粒5。当引导颗粒束经过在此未示出的换热器时，还能够加强冷却。
[0059]照明区域9向外通过对于泵浦光和转换光透射的壁部12限界，当前通过玻璃泡壳限界。
[0060]替选于根据图l、la的、旋转对称的、形成锥形的颗粒束的喷嘴8也能够设有扁平喷嘴15，所述扁平喷嘴形成相应平面的颗粒束，参见图lb。
[0061]泵浦光例如能够穿过玻璃泡壳12落到颗粒束上(图l、la ;在图1a中为了概览而没有绘出玻璃泡壳，然而在这方面所述玻璃泡壳相应于图1)。替选于此，图2示出集成的玻璃纤维21作为泵浦光耦合设备，所述泵浦光耦合设备以位于照明区域9上游的方式引入到通道区域2a中并且连同喷嘴的流出开口 8—起通到照明区域9中。
[0062]因此，经由透镜22耦合输入到玻璃纤维21中的泵浦光能够被导入到照明区域9中，而不会在总归需要用于提供通道2a、b的管形的容器3之上遮暗转换光。(为了概览，在图2中没有绘制发光材料颗粒；所述发光材料颗粒以对应于图1a的方式作为颗粒束从喷嘴7中流出。)
[0063]图3同样在光输出的优化方面不出具有二相色性覆层的玻璃泡壳12。在玻璃泡壳12的设置用于耦合输出转换光(实心箭头)且相应地朝向应用的第一侧31上施加二相色性的层32，所述二相色性的层对转换光是透射的，然而对于泵浦光(非实心箭头)是反射的。因此，该应用仅提供转换光而不提供泵浦光份额；所述泵浦光份额被反射回到照明区域9中，这提高泵浦光输出。
[0064]在设置用于泵浦光耦合输入的相反的侧33上设有具有二相色性层34的玻璃泡壳12，所述二相色性层透射泵浦光并且反射转换光。因此，泵浦光能够进入到玻璃泡壳12中，然而反射光在层34上反射。玻璃泡壳12在侧33上接近抛物线形状，在所述抛物线形状的焦点中设置有激发区域并且与此相应地也设置有发射区域，使得层34如凹面镜那样将转换光反射至相反的侧31。
[0065]图3a示出替选于根据图3的玻璃泡壳的玻璃泡壳12，所述玻璃泡壳具有柱形的形状，在垂直于绘图面的剖面中因此构成为是圆形的。位于上游的通道区域2a以之前描述的方式以流出开口 8通到玻璃泡壳12中。与所述流出开口相对置地设置有开口 11，经由所述开口吸入颗粒进而输送给位于下游的通道区域2b。
[0066]图3b示出借助图3a阐述的装置，其补充有两个设置用于对从流出开8中流出的颗粒束进行照射的泵浦光源14，当前为激光泵浦光源。激光射束定向到为了概览而没有示出的颗粒束上，因此校正到柱形的玻璃泡壳12之内的照明区域上。
[0067]为了对转换光聚束，在该情况下，不将玻璃泡壳12镜面化，而是将其作为整体设置在反射器31之内。反射器31将转换光聚束并且提供给应用。激光射束的耦合输入显然不必强制性地如当前示出的那样进行；激光射束例如也能够经由设置在反射器31中的开口来耦合输入。具体的空间上的布置也能够根据通过应用来预设的边界条件来选择。
【权利要求】
1.一种用于将泵浦光转化成转换光的发光材料设备(I)，所述发光材料设备具有: 容器(3)，发光材料颗粒(5)能够借助于加压流体在所述容器中移动；和 照明区域(9)，所述照明区域设计用于借助泵浦光对以加压流体的方式移动的所述发光材料颗粒(5)进行照射，由此输出转换光。
2.根据权利要求1所述的发光材料设备(I)，所述发光材料设备具有对所述照明区域(9)限界的、对于泵浦光和转换光透射的壁部(12)。
3.根据权利要求1或2所述的发光材料设备(I)，其中所述容器(3)至少部分地构成为管形并且对通道(2a，b)限界，在所述通道中所述发光材料颗粒(5)能够借助于所述加压流体作为颗粒束移动。
4.根据权利要求3所述的发光材料设备(I)，其中所述颗粒束的流动横截面在所述照明区域(9)中相对于在位于上游的通道区域(2a)中的流动横截面变窄。
5.根据权利要求4所述的发光材料设备(I)，其中位于上游的所述通道区域(2a)连接有喷嘴(7)，所述喷嘴以流出开口(8)通到所述照明区域(9)中。
6.根据权利要求5所述的发光材料设备(I)，其中所述喷嘴(7)构成为扁平喷嘴(15)。
7.根据上述权利要求中的任一项所述的发光材料设备(I)，其中所述照明区域(9)的第一侧(31)设置用于射出所述转换光，并且所述照明区域(9)的与所述第一侧(31)相对置地设置的第二侧(33)设计用于至少部分地反射所述转换光。
8.根据权利要求7所述的发光材料设备(I)，其中至少部分地反射转换光的所述第二侧(33)具有凹面镜的形状，尤其是抛物线形的、椭圆形的和非球形的形状中的一个。
9.根据上述权利要求中的任一项所述的发光材料设备(I)，其中所述照明区域(9)的设置用于射出所述转换光的第一侧(31)设计用于至少部分地反射所述泵浦光。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的发光材料设备(I)，其中设置在所述容器(3)中的泵浦光耦合设备(21)设计用于将所述泵浦光传导到所述照明区域(9)中。
11.根据权利要求3和10、也结合另外的上述权利要求中的任一项所述的发光材料设备(I)，其中在所述通道(2a，b)之内设有光导体(21)作为泵浦光耦合设备(21)，尤其是积分器和玻璃纤维中的一个。
12.根据上述权利要求中的任一项所述的发光材料设备(I)，所述发光材料设备具有泵(4)，尤其是喷射泵，所述泵设计用于加速作为抽吸介质的所述发光材料颗粒(5)。
13.一种照明设备，所述照明设备具有根据上述权利要求中的任一项所述的发光材料设备(I)和泵浦光源(14)，尤其是LED和激光器中的至少一个。
14.一种用于运行根据权利要求13所述的照明设备的方法，其中将所述发光材料颗粒(5)以加压流体的方式在所述容器(3)中移动并且借助由所述泵浦光源(14)发射的泵浦光来照射。
15.一种根据权利要求1至12中的任一项所述的发光材料设备(I)或者根据权利要求13所述的照明设备作为光源的应用，以用于空间照明、物体照明、投影应用和内窥镜。
【文档编号】F21S10/00GK104145156SQ201380005486
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年1月8日 优先权日:2012年1月13日
【发明者】安德烈·瑙恩 申请人:欧司朗股份有限公司