CN104081114B

CN104081114B - 具有荧光材料轮的发光装置

Info

Publication number: CN104081114B
Application number: CN201380006850.6A
Authority: CN
Inventors: 奥利弗·梅赫尔
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2033-01-08
Also published as: WO2013110495A2; US20140369025A1; WO2013110495A3; DE102012201192A1; US9476573B2; CN104081114A

Abstract

本发明涉及一种发光装置(11)，具有用于产生初级光(B)的光产生装置(12)并且具有至少一个在光学上布置在该光产生装置(12)下游的荧光材料轮(17，28)，荧光材料轮(17，28)具有至少一种用于使初级光(B)波长转换成次级光(R，G)的荧光材料(20，30)，其中多个荧光材料轮(17，28)在光学上布置在光产生装置(12)下游。

Description

具有荧光材料轮的发光装置

技术领域

本发明涉及一种发光装置，具有用于产生初级光的光产生装置并且具有至少一个在光学上布置在该光产生装置下游的荧光材料轮，该荧光材料轮具有至少一种用于使初级光波长转换为次级光的荧光材料。

背景技术

在使用荧光材料以产生光的投影机中通常使用激光器以及在光学上布置在激光器下游的、旋转的荧光材料轮(LARP；“激光激活远程荧光粉”)。典型地，荧光材料轮具有由发动机驱动的中心驱动轴。

激光产生初级光，通过位于荧光材料轮上的荧光材料将该初级光至少部分地转换为波长更大的次级光(“DownConversion”，“降频转换”)。此时，荧光材料轮典型地以恒定的角速度在位置固定的初级光束的光斑下旋转。通过足够快的连续的光成分序列，人类再也无法分辨单个颜色成分，并且实际上产生了总光，它的总颜色轨迹由单个颜色成分的颜色轨迹的叠加而产生。来自初级光和次级光的单个颜色成分的份额在此主要通过荧光材料轮上的荧光材料的角扇面长度()给出。这种投影机基本上是已知的，在这里不需要作进一步描述。

在照射荧光材料轮时，在荧光材料里会产生一定的损耗功率，其大部分涉及到所谓的斯托克斯位移(Stokes-Shift)(吸收辐射和发射辐射之间的光子的能量差)。这种损耗功率导致了荧光材料的升温。损耗热量通过对流、辐射冷却以及通过荧光材料轮的承载材料的热传导被引向荧光材料轮的发动机轴，从而调整了已稳定的运行温度。许多荧光材料(例如用于红色光谱范围的氮化物荧光材料)显示出与运行温度强烈相关的转换效率。为了提高和/或缩放这种投影机的输出功率，可以提高初级光功率，然而这也提高了损耗热量。由此再次提高了荧光材料的和荧光材料轮的运行温度。由于荧光材料的转换效率的温度相关性，产生光的总效率随着功率的增加而降低。

迄今为止，通过扩大荧光材料轮的轮直径来补偿这一点，因为这样提供了更大的面积用于散热，并且使得降低平均功率密度成为可能。因此，轮直径通常由33mm提高到40mm、并且现在到55mm或者甚至到70mm。但是由于对于结构空间还有荧光材料轮的发动机功率的要求，这种设计是规定了限度的。

替代地，通过使红色的光成分不是通过借助荧光材料的波长转换、而是借助红色发光二极管(LED)来产生，也可以实现平均损耗功率的降低。然而由于此时限定了LED的光强度，光通量提高到几千流明是不可能的，或者只在显著加大投影单元的情况下可行，而这又关系到过大的成本增加。

发明内容

本发明的目的在于，至少部分地克服现有技术水平的缺点，特别是提供开始所述类型的发光装置，其利用简单的方法实现减少至少一种荧光材料的升温。

该目的通过一种发光装置来实现，其具有至少一个用于产生初级光的光产生装置，并且具有至少一个在光学上布置在该光产生装置下游的荧光材料轮，荧光材料轮具有至少一种用于使初级光波长转换为次级光的荧光材料，其中多个荧光材料轮在光学上布置在光产生装置的下游。

通过使用多个荧光材料轮，荧光材料可以分到不同的荧光材料轮上，并且因此在热学上去耦。在荧光材料上产生的损耗热量因此可以通过多个荧光材料轮散开，这显著改进了热传导，并且因此实现了减少荧光材料的温度上升。这又例如使得发光装置的功率缩放到几千流明的范围内成为可能。此外，可以利用简单的方法转变发光装置。

荧光材料轮特别可以理解为可旋转的盘，该荧光材料轮具有至少一个能由初级光照射的荧光材料区域。荧光材料区域可以具有一种或者多种荧光材料。如果盘是圆形的盘，荧光材料区域可以特别是设计为扇形环。因为照射到荧光材料轮上的初级光在该处典型地产生一个位置固定的光斑，荧光材料区域在该光斑下旋转。因此，通过该荧光材料区域所产生的光的颜色成分与荧光材料区域的弧长成比例。

荧光材料轮在光学上布置在光产生装置下游，这特别地意味着，荧光材料轮布置在由光产生装置产生的初级光的光路内或者下游。

发光轮的旋转运动彼此间是同步的。特别的，发光轮可以采取相对于彼此之间的预定的旋转或者角度位置，并且以相同的角速度或者旋转速度旋转。因此实现发光轮彼此间的固定的预定的相对(角)位置，并且因而实现单个颜色成分的预定的连续的次序。

一个设计方案是，多种荧光材料轮在光学上依次布置在光产生装置下游。这可以特别意味着，在荧光材料轮的至少一个旋转位置中，荧光材料轮依次布置在由光产生装置产生的初级光的光路中。因此，除了第二或者其他荧光材料轮以外不需要其他的部件，以将初级照射划分到各个荧光材料轮上。

替代的，光产生装置可以具有一个或者多个分光镜，以便将光路划分为多个分支或者路径。

还有一个设计方案是，依次前后相连的布置多个荧光材料轮，并且其分别具有不同的荧光材料。因此，可以特别简单地照顾到荧光材料的温度相关性。

其中的一个设计方案是，在多个荧光材料轮中的至少一个上存在至少一种具有比较低的温度相关性的荧光材料，并且在多个荧光材料轮中的至少另一个上面存在具有比较高的温度相关性的荧光材料(例如氮化物式的“红色”荧光材料)。因此，在荧光材料轮上面可以布置多种热敏性比较低的荧光材料，这样减少了荧光材料轮的数量。

替代的，荧光材料到不同的荧光材料轮上的划分可以包括，即至少一种荧光材料被划分到不同的荧光材料轮上，也就是至少两个荧光材料轮具有相同的荧光材料。因此使得特别有效地冷却这种荧光材料成为可能。

另一个设计方案是，可以如此设计和布置荧光材料轮，使得在至少一个相应的荧光材料轮的旋转位置中，初级光射到荧光材料轮中的相应的荧光材料轮的一种荧光材料上。因此，利用初级光可以照射荧光材料轮的每种荧光材料。特别是可以由此来实现这一点，即为了照射布置在至少另一个(在上游布置的)荧光材料轮下游的荧光材料轮，在该至少一个在上游布置的荧光材料轮上，初级光透射可以透射对于初级光是可穿透的透光区域，或者该透光区域旋转进入到初级光的光路中。换句话说，初级光(波长没有转换)可以贯穿地照射穿过在上游布置的荧光材料轮。

透光区域可以由荧光材料轮的裸露的或者开放的区域形成，例如扇形环状的开口，或者由可透过初级光的盖板、例如透明盘或者膜形成。

还有另一个设计方案是，在透光的-旋转位置中，初级光可以不必转换波长而贯穿地照射穿过荧光材料轮。由此可以用特别简单的方式将初级光提供为总光的一个光成分。

此外，还有一个设计方案是，初级光具有可见的光谱范围，特别是蓝光。初级光可以用作总光的一个光成分，并且特别是作为蓝色初级光具有高能量，从而通过荧光材料可以在大的光谱范围内产生次级光。

还有一个改进方案是，初级光是蓝光(例如具有460nm的波长)并且“红色”荧光材料将蓝色初级光转换为红色次级光，并且“绿色”荧光材料将蓝色初级光转换为绿色次级光。由此，提供了由红色、绿色和蓝色的颜色成分构成的(有序的)总彩色光，并且因此提供了更大的色彩空间或者色域。绿色荧光材料和红色荧光材料特别可以布置在不同的荧光材料轮上、确切说是它们的荧光材料区域上。然而，发光装置并不局限于此，并且可以设置其他的或者附加的色料或者颜色成分，例如附加的(“黄色”)色料，它将蓝色初级光转换为黄色次级光。

“黄色”荧光材料的附加设置支持了白色点的稳定、总效率和具有更多流明的从黄色至红色的光谱成分。

此外的一个设计方案是，在任何旋转位置，初级光不可以不经波长转换而贯穿地照射通过荧光材料轮。因此可以通过非常简单的方式转便发光装置，其中初级光不构成总光的任何成分。

其中的一个改进方案是，初级光包括蓝光，特别的具有405nm或者445nm的波长。440至460nm的，特别是445nm的蓝光，是能量非常充足的，并且可以比较容易的通过具有高功率和高效率的InGan激光器来产生。在该改进方案中还包括，使用波长为405nm的蓝色初级光，并且使用(至少)三种荧光材料，例如具有将波长为405nm的蓝色初级光转换成波长为460nm的蓝色次级光的“蓝色”荧光材料、红色荧光材料和绿色荧光材料。

其中，其他的改进方案是，初级光包括UV光，并且发光装置包括例如具有相应的蓝色、红色和绿色荧光材料的荧光材料轮。

还有一个改进方案是，荧光材料布置在相应的荧光材料轮上；也就是将蓝色、红色和绿色荧光材料布置在三个荧光材料轮上。这实现了荧光材料的特别良好的散热。

替代性的改进方案是，热敏性比较低的(例如蓝色，黄色和/或绿色)色料布置在共同的色料轮上，并且热敏性比较高的(例如红色，特别是氮化物式的)荧光材料作为该处唯一的荧光材料布置在另一个色轮上。在少量的荧光材料轮时，这实现了所有的荧光材料的充足冷却。

特别的，光产生装置可以连续的运行，这实现了特别高的光通量或者亮度。但是光产生装置也可以脉冲式或者时序式地运行。

还有一个设计方案是，光产生装置具有至少一个激光源。该激光源实现了高照射强度，并且具有紧凑的结构形式和高的使用寿命。此外从其中产生的初级光(泵浦光)是可以非常精确地复制的。特别的，至少一个激光源可以包括至少一个激光二极管。

然而，发光装置并不局限于使用至少一种激光作为光源，而是例如还包括了至少一种其他的半导体光源，如LED。还可行的例如是，使用具有在下游布置的光谱滤光器的宽频光源。

一个用于简单且紧凑的去耦次级光的有利的设计方案是，在至少一个、特别是每个荧光材料轮上游布置二向色镜，该二向色镜设计成，对于入射到这些荧光材料轮上的光、特别是初级光是可穿透的，并且反射由这些荧光材料轮的至少一种荧光材料经转换波长而成的次级光。

还有另一个设计方案是，发光装置是投影机或者是投影机的一部分。

附图说明

结合下面对结合附图进行详细阐述的实施例的示意性说明会更加明确和清晰地理解本发明的上述属性、特征和优点以及如何实现这些的方式和方法。

具体实施方式

附图简略描绘了具有光产生装置12的发光装置11。光产生装置12可以例如是投影机的一部分。光产生装置12具有至少一个半导体光源，它的形式是至少一个激光二极管13(例如具有在下游布置的准直光学件的激光器阵列)，其可以发射具有峰值波长大约为440至460nm的蓝色初级光B。蓝色初级光B射到第一二向色的、特别是绝缘的镜14上，该镜至少对于蓝色初级光B是可穿透的。在穿过第一二向色镜14之后，初级光B射到具有两个透镜15，16的第一聚焦光学件上，其将蓝色初级光B聚焦到第一荧光材料轮17上。第一荧光材料轮17由此在光学上布置在光产生装置12下游。

第一荧光材料轮17具有圆形基片18，该基片借助布置在中心的驱动轴19可以特别的以恒定的旋转速度或者转速旋转。两个至少大体上为半圆形的区段20，21(对此在正面展示)位于基片18上，在旋转荧光材料轮17时该区段被(聚焦的)蓝色初级光B照射。通过旋转荧光材料17，蓝色初级光B的光斑成圆弧形地在区段20，21上移动。

区段20、21中的第一个区段设计为“绿色”荧光材料区域20，其在基片18的指向第一二向色镜14和聚焦光学件15，16的面上具有用于将蓝色初级光B特别的完全转换为绿色次级光G的“绿色”荧光材料。绿色次级光G穿过第一聚焦透镜15，16返回照射到第一二向色镜14上。第一二向色镜14设计成对于绿色次级光G是镜面反射的，并且由于它的倾斜的位置使绿色次级光G从由蓝色初级光B定义的光路的旁侧去耦，例如到第一转向镜22上。

区段20，21中的第二个区段设计为透光区域21，其透过蓝色初级光B。透光区域21例如可以设计为弧形的缝隙，由此避免损耗。在荧光材料轮17的适当的角位置下，则蓝色初级光B贯穿透光区域21，射到由两个透镜23，24构成的光束扩大光学件上，以扩大和共线之前聚焦到荧光材料轮17上的蓝色初级光B。

然后，现在再次扩大的蓝色初级光B贯穿第二二向色镜25，其对于蓝色初级光B是可穿透的。然后，初级光B射到具有两个透镜26，27的第二聚焦光学件上，其将蓝色初级光B聚焦到第二荧光材料轮28上。如此，第二荧光材料轮28不仅在光学上布置在光产生装置12下游也布置在第一荧光材料轮17下游，并且与第一荧光材料17在光学上连续地布置。

第二荧光材料轮28同样具有两个(对此在正面展示的)扇形环状的区段29，30，在第二荧光材料轮28旋转时该区段被(这时再次聚焦的)蓝色初级光B照射。此外，第二荧光材料轮28还具有一个不确定的区域，该区域例如直接具有基片18。

区段29，30中的第一个区段设计为“红色”荧光材料区域29，其在基片18的朝向第二二向色镜25和聚焦光学件26，27的面上具有用于将蓝色初级光B特别的完全转换为红色次级光R的“红色”荧光材料。红色的次级光R穿过聚焦光学件26，27返回照射到第二二向色镜25上。第二二向色镜25设计为对于红色次级光R是镜面反射的，并且由于它的倾斜的位置，所述光从由蓝色初级光B定义的光路P的旁侧去耦，例如到第三二向色镜31上，其设计成对于红色次级光R是反射的。

区段29，30中的第二个区段设计为透光区域30，其透过蓝色初级光B。透光区域30例如可以设计为弧形的缝隙。在荧光材料轮28的适当的角位置下，则蓝色初级光B贯穿透光区域30，并且射到由透镜32构成的光束扩大光学件上，以扩大之前聚焦到第二荧光材料轮28上的蓝色初级光B。然后，已扩大的蓝色初级光B射到第二转向镜33上，其使蓝色初级光B继续对准第四二向色镜34，其设计成对于蓝色初级光B是反射的。

转向镜22以及二向色镜31和34构成光束合并装置，其使得在第四二向色镜34后面出现的输出光束E由绿色次级光G、红色次级光R和蓝色初级光B的经整流的(有序的)组合构成。此外，第三二向色镜31至少对于绿色次级光G是可穿透的，并且第四二向色镜34至少对于绿色次级光G和红色次级光R是可穿透的。

通过绿色荧光材料区域20的“绿色”荧光材料从红色荧光材料区域29的“红色”荧光材料中去耦，第二荧光材料轮28可以仅仅用于“红色”荧光材料的散热，由此热敏反应的红色荧光材料(也就是，具有在转换状态中的大温度相关性)可以更好地将它的转换效率保持在高水平。因此，也支持了输出光束E的功率缩放。

在运行发光装置11时，所述至少一个激光二极管13在连续运行中运行，基于红色荧光材料的有效散热可以毫无困难地实现这一点。荧光材料轮17和28以相同的转速并且因此以彼此之间的固定的旋转角度旋转。

在第一角位置或者旋转位置或者旋转位置范围内，荧光材料轮17的绿色荧光材料区域20位于蓝色初级光B的光路内，并且因此被蓝色初级光B照射。如上面已经说明的，之后由发光装置11发射绿色次级光G。

在继续旋转荧光材料轮17和28时，透光区域21进入到蓝色初级光B的光路内，并且同时红色荧光材料区域29位于蓝色初级光B的光路内(第二旋转位置)。因此，通过蓝色初级光B照射红色荧光材料区域29，并且因此由发光装置11发射红色次级光R。

在更进一步的旋转荧光材料轮17和28时，荧光材料轮17的透光区域21保持在蓝色初级光B的光路内，并且同时荧光材料轮28的透光区域30进入到蓝色初级光B的光路内(第三旋转位置或者透光旋转-位置)。因此，蓝色初级光B贯穿地照射穿过照射荧光材料轮17和28而不经波长转换，并且由发光装置11发射。

输出光束E因此由绿色次级光G、红色次级光R和蓝色初级光B的有序的组合组成，在序列足够快时，所述组合对于人类会被感知为混合的总光或者混合光。混合光的成分与荧光材料区域的(弧)长成比例，并且在这里至少大约等于比例G:R:B为1/2:1/4:1/4。

尽管通过示出的实施例进一步详细的举例阐述并说明了本发明，但本发明并不局限于此，并且本领域技术人员可由此推导出其他的变体，而不脱离本发明的保护范围。

因此，例如如果初级光是UV光或者波长约为405nm的蓝光，初级光可以不耦合到输出光束E中。之后特别有利的可以是，在任何旋转位置，初级光不可以不经波长转换地贯穿地照射通过荧光材料轮。

替代以上的，例如类似于示出的荧光材料轮，可能存在具有在上游布置的二向色镜(以及可能的其他元件，如聚焦光学件等)的附加的荧光材料轮，其中该发光轮例如可以承载蓝色荧光材料并且因此可以承载蓝色荧光材料区域，其可以将初级光转换为所希望的蓝色次级光(例如波长约为460nm)。

替代性地，在第一荧光材料轮17上的透光区域21的一部分可以设计为“蓝色”荧光材料区域。在上游布置的第一二向色镜14之后也应该设计为对于蓝色次级光是反射的，并且第三二向色镜31也应该设计为对于蓝色次级光是可穿透的。之后可以省略第二转向镜33和第四二向色镜34。

荧光材料区域(例如20，29)和/或者透光区域(例如21，30)的长度确切说弧长，例如根据所希望的应用通常可以是彼此一致的。例如，一个荧光材料轮上的荧光材料区域和/或者透光区域可以重复，或者划分到多个间隔的子区域内。例如，在第一荧光材料轮17上，可以如此实现区域20和21，使得它们不包括完整的360°圆周，而是例如只有90°，并且之后以这种方式接连地重复它们四次，从而它们再次完整地覆盖了整圆。那么相应的，可以修改其他在下游布置的荧光材料轮的结构。因此，在荧光材料轮的旋转频率保持不变时，可以缩短混合光的颜色序列，并且因此提高图像重复频率。

发光装置通常并不局限于只设置一个光产生装置，并且可能也具有两个或者多个光产生装置。借助至少一个光产生装置，也可以将多于一束的初级光束射入到荧光材料轮上，而且是从不同的方向上。

因此可能存在其他的普遍的改进，即例如如下地“倍增”发光装置11，即与第一光产生装置12镜像对称地如此布置第二光产生装置12’，使得初级光束从其他面入射到荧光材料轮上。替代性地，可以通过只由一个光产生装置产生的初级光束的光束分割来实现。

通过两侧的照射，可以有利地实现发光装置的特别高的照射功率。特别的，可以在两侧照射具有低热敏性的荧光材料、例如绿色的和蓝色的色料的荧光材料轮。此外，通过在两侧的照射，还可以实现荧光材料轮从两侧的均匀的散热。此外还可以如此，例如通过在同一荧光材料轮的一侧设置一种荧光材料，并且在另一侧设置另一种荧光材料，在空间上分隔两个或者多个颜色空间。

Claims

1.一种发光装置(11)，具有

-至少一个用于产生初级光(B)的光产生装置(12)，以及具有

-多个荧光材料轮(17，28)，所述荧光材料轮(17，28)具有至少一种用于使所述初级光(B)波长转换成次级光(R，G)的荧光材料(20，30)，

其特征在于

-多个所述荧光材料轮(17，28)在光学上依次布置在所述光产生装置(12)下游。

2.根据权利要求1所述的发光装置(11)，其特征在于，依次前后相邻地布置多个所述荧光材料轮(17，28)，并且多个所述荧光材料轮分别具有不同的所述荧光材料(20，30)。

3.根据权利要求2所述的发光装置(11)，其特征在于，在多个所述荧光材料轮中的至少一个荧光材料轮上面存在至少一种具有比较小的温度相关性的荧光材料(20)，并且在多个所述荧光材料轮(17，28)中的至少另一个荧光材料轮上面存在具有比较大的温度相关性的荧光材料(30)。

4.根据权利要求2或3所述的发光装置(11)，其特征在于，所述荧光材料轮(17，28)设计为并能布置成，使得在所述荧光材料轮(17，28)的至少一个相应的旋转位置中，所述初级光(B)射到所述荧光材料轮(17，28)中的相应的一个荧光材料轮的荧光材料(20，30)上。

5.根据权利要求2或3所述的发光装置(11)，其特征在于，在透光-旋转位置上，所述初级光(B)能不转换波长地照射穿过所述荧光材料轮(17，28)。

6.根据权利要求4所述的发光装置(11)，其特征在于，在透光-旋转位置上，所述初级光(B)能不转换波长地照射穿过所述荧光材料轮(17，28)。

7.根据权利要求5所述的发光装置(11)，其特征在于，所述初级光(B)具有可见的光谱范围。

8.根据权利要求6所述的发光装置(11)，其特征在于，所述初级光(B)具有可见的光谱范围。

9.根据权利要求6所述的发光装置(11)，其特征在于，所述初级光(B)具有蓝光。

10.根据权利要求2或3所述的发光装置(11)，其特征在于，在任何旋转位置，所述初级光都不能不经波长转换地照射穿过所述荧光材料轮。

11.根据权利要求9所述的发光装置(11)，其特征在于，在任何旋转位置，所述初级光都不能不经波长转换地照射穿过所述荧光材料轮。

12.根据权利要求10所述的发光装置(11)，其特征在于，所述初级光包括UV光。

13.根据权利要求11所述的发光装置(11)，其特征在于，所述初级光包括UV光。

14.根据权利要求1-3中任一项所述的发光装置(11)，其特征在于，所述光产生装置(12)具有至少一个激光源(13)。

15.根据权利要求13所述的发光装置(11)，其特征在于，所述光产生装置(12)具有至少一个激光源(13)。

16.根据权利要求1-3中任一项所述的发光装置(11)，其特征在于，在每个荧光材料轮(17，28)上游布置二向色镜(14，25)，所述二向色镜设计成对于入射到这些荧光材料轮(17，28)上的所述初级光(B)是可穿透的，并且对于由这些荧光材料轮(17，28)的至少一种所述荧光材料(20，30)波长转换的次级光(R，G)是反射的。

17.根据权利要求15所述的发光装置(11)，其特征在于，在每个荧光材料轮(17，28)上游布置二向色镜(14，25)，所述二向色镜设计成对于入射到这些荧光材料轮(17，28)上的所述初级光(B)是可穿透的，并且对于由这些荧光材料轮(17，28)的至少一种所述荧光材料(20，30)波长转换的次级光(R，G)是反射的。

18.根据权利要求1-3中任一项所述的发光装置(11)，其特征在于，所述发光装置(11)是投影机或者是投影机的一部分。

19.根据权利要求17所述的发光装置(11)，其特征在于，所述发光装置(11)是投影机或者是投影机的一部分。