具有光学集中器与波长转换元件的照明系统

摘要

本发明提供一种发光装置，其包括发光元件、诸如复合抛物面集中器的光学集中器、在发光元件与光学集中器之间的二向色滤光片和诸如磷光体的波长转换材料。光学集中器经由二向色滤光片接收来自发光元件的光并且从小于入射表面的出射表面发射光。可能用诸如蓝宝石的具有高折射率的材料制造光学集中器。波长转换材料(例如)安置于出射表面上。通过高折射率材料泵送波长转换材料并且将所转换的光输出到诸如空气的低折射率介质内来增加波长转换材料的辐射率。

说明书

技术领域

本发明大体而言涉及发光装置且特别地涉及高辐射率光学系统。

背景技术

特定光学系统，诸如投影系统和汽车前灯，需要具有高辐射率或亮度的光源。直至最近，常规发光二极管(LED)的亮度还不足以满足这些应用的需要。然而，即使利用当前高性能的LED，也很难满足某些光学系统的辐射率要求。此外，与高强度放电灯相比，LED的亮度通常太低。在(例如)使用磷光体将从LED发射的光转换成其它波长以便产生白光的系统中尤为如此。这种转换通常导致辐射率的损失，而这致使这样的系统对于高明亮度应用是不可接受的。

因此，所需要的是一种改进的高辐射率光学系统。

发明内容

根据本发明的实施例，发光装置包括发光元件(诸如发光二极管(LED)、LED阵列或等离子体光源)、光学集中器(诸如复合抛物面集中器)和在发光元件与光学集中器之间的二向色滤光片(dichroicfilter)以及波长转换材料(诸如磷光体)。光学集中器经由二向色滤光片接收来自发光元件的光并且从小于入射表面的出射表面发射光。可由具有高折射率的材料制造光学集中器，这些材料诸如F2、B270、SF10、SF57或BK7玻璃、蓝宝石或诸如Zeonex或Ultem的塑料。波长转换材料安装于出射表面上并且直接地或间接地将所转换的光发射到具有相对较低折射率的介质内。通过泵送(pump)波长转换材料经过高折射率材料并且向低折射率介质(诸如空气)内输出所转换的光来增加波长转换材料的辐射率。举例说来，在光学集中器由蓝宝石形成且所述波长转换材料向空气内发射光的情况下，能够获得大约3倍的增益。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的光学系统。

图2示出了光学集中器的输出端口与波长转换元件的近景视图。

图3A与图3B示出了可用于本发明的光学集中器的替代实施例。

图4A与图4B示出了可用于本发明的光源的替代实施例。

图5A与图5B示出了使用多个泵浦光源的实施例。

图6显示了包括一系列收集光学器件与光学集中器的光学系统。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例，通过具有高折射率的光学集中器来泵送波长转换元件(诸如磷光体)并通过低折射率介质(诸如，空气)产生所生成的(转换的)光来改进光学系统的亮度或辐射。

图1示出了根据本发明的实施例的光学系统100。光学系统100包括发光装置102和收集光学器件104，发光装置102被图示为发光二极管(LED)或在衬底上的LED阵列。收集光学器件104减小来自发光装置102的发射图案的锥角。举例说来，收集光学器件104可将来自发光装置102的±90°发射锥减小到±30°角的发射图案。收集光学器件104可以是(例如)直角变换器、复合物抛物面集中器(CPC)、聚光透镜、菲涅耳透镜、使用全内反射表面(TIR)的部段的透镜或任何其它适当装置。在某些实施例中，如下文所述，可排除收集光学器件104。光学集中器108通过二向色滤光片106接收来自收集光学器件104的光。在一个实施例中，光学集中器108是固体复合物抛物面集中器(CPC)，但光学集中器也可采取其它形式。波长转换元件110在输出端口与光学集中器108有光学接触。波长转换元件110可(例如)是磷光体板(phosphor platelet)，它的折射率与光学集中器108相匹配。

从发光装置102发射的光可能是紫外光或蓝光，其用于泵送该波长转换元件110。发光装置102可由(例如)高辐射率LED形成，诸如在2004年3月19日提出申请的Jonathan J.Wierer，Jr、MichaelR.Krames和John E.Epler的名称为“光子晶体发光装置(PhotonicCrystal Light Emitting Device)”的美国专利申请第10/804,810号中所述的LED，该申请与本公开内容具有相同的受让人，且以引用的方式结合于本文中。另外，谐振腔LED，其为一维光子晶体装置，描述于H.De.Neve等人的“Recycling of guided mode light emissionin planar microcavity light emitting diodes”Appl.Phys.Lett.70(7)，1997，第799页至第801页中，该文以引用的方式结合在本文中。形成LED的示例描述于美国专利第6,133,589号、第6,274,399号、第6,274,924号、第6,291,839号、第6,525,335号、第6,576,488号、第6,649,440号和第6,885,035号中，这些专利均以引用的方式结合在本文中。然而，应了解，任何适当发光二极管或其它发光装置可用于本发明。举例说来，发光装置102可以是等离子体光源，诸如在美国专利第6,922,021号和第6,737,809号和美国公告第2005/0212456号和第2005/0099130号中所公开的等离子体光源，这些专利与公告均以引用的方式结合在本文中。

从发光装置102所发射的光在收集光学器件104的输入端口104_in处接收，收集光学器件104减小发射图案的角度，且光穿过二向色滤光片106透射。二向色滤光片106透射具有发光装置102所产生的波长的光并且反射具有波长转换元件110所生成的波长的光。因此，例如，在波长转换元件110生成绿光的情况下，二向色滤光片106将透射发光装置102所产生的所有蓝光或紫外光并且反射绿光。二向色滤光片106光学耦合到光学集中器108的较大输入端口108_in。

可通过产生具有所期望的形状的光学透明材料来形成光学集中器108。在一个实施例中，光学集中器108由具有高折射率，对于来自发光装置102的泵浦光(pump light)和来自波长转换元件110的转换光具有高透射率以及当向诸如紫外光的光和向热暴露时维持它的透明度的材料形成。此外，需要适用于大规模生产制造技术(诸如成型)的材料。在一个实施例中，由具有高折射率(诸如1.4至1.8或更高)的诸如塑料和玻璃的材料或其它适当材料形成光学集中器108。举例说来，可使用BK7、B270、SF10、SF57或F2玻璃。也可使用蓝宝石或其它材料，诸如透明陶瓷或塑料(诸如Zeonex或Ultem)。蓝宝石与透明陶瓷的优良的热阻有利地允许从波长转换元件110传热。当然，若需要，也可使用具有更低或更高折射率的材料。光学集中器108的外表面可覆盖有反射层，反射层包围限定输出端口108_out的孔口。在一个实施例中，反射层可以是(例如)反射率大于90％的金属。适当金属的示例为银、铝、铑和金。可基于将要在其上沉积金属的材料或金属要反射的光的波长来选择反射金属。举例说来，金对在红或红外波长范围中的光具有较高的反射性。此外，可在反射层与光学集中器108之间定位介电层或层堆叠，诸如适当低折射率材料，以便减小光学损失。在另一个实施例中，在透明材料的表面上不使用反射材料的情况下形成光学集中器108。举例说来，当存在全内反射时，透明材料的侧壁可用作光学集中器108的反射表面。具有全内反射的透明部件的使用描述于1980年12月23日的Winston的美国专利第4,240,692号中，该专利以引用的方式结合在本文中。

光学集中器108接收穿过二向色滤光片106传递的光并且将光集中到波长转换元件110上输出端口108_out上。在一个实施例中，输出端口108_out的光学扩展性(etendue)将与收集光学器件104的输入端口104_in的光学扩展性相匹配。如在本领域中已知的那样，光学扩展性随着发射源的面积和光束所成的立体角而变。在图1所示出的实施例中，发射到收集光学器件108内的光被输入到空气中。或者，收集光学器件104可以是固体的并且光从发射装置102发射到空气内之后其进入收集光学器件104。在使用复合抛物面集中器(CPC)和输入泵浦光束从较大侧通过空气进入到CPC的情况下，实现进入该波长转换元件110的光的辐照度增益(每平方毫米的能量，energy/mm²)从而增加波长转换的亮度。可在理论上达成(n₁/n₂)²的亮度增益，其中n₁与n₂分别是波长转换元件110的泵送侧与提取侧的折射率。一般而言，需要光学集中器108具有大约1.4或更高的折射率且波长转换材料直接地或间接地向折射率为大约1.0的介质(诸如空气)内生成光。应了解，在实践中在光学集中器108与波长转换元件110与波长转换元件110上的层(诸如保护层)之间可能存在粘合材料。粘合材料与保护层可能会影响在波长转换元件110的任一侧上的材料的所期望的折射率。

假设空气的折射率n＝1，输入端口104_in的光学扩展性由下式给出：

E_in＝π·A_in·Sin²θ_in    方程式1

其中A_in是收集光学器件104的输入端口104_in的面积且θ_in是所发射的光的立体角。光学集中器108的输出端口108_out的光学扩展性由下式给出：

E_out＝π·n²·A_out·Sin²θ_out   方程式2

其中n是光学集中器108的折射率，A_out是光学集中器108的输出端口108_out的面积(以及波长转换元件110的面积)且θ_out是所发射光的立体角。

在收集角θ_in与集中角θ_out是90°的情况下，输出端口108_out的面积小于输入端口104_in的面积的n²倍。因此，当输入端口104_in的光学扩展性与输出端口108_out的光学扩展性相匹配时，(在这种情况下可获得高耦合效率)，可获得在波长转换元件110处泵浦光束的功率密度的n²倍增加。对于空气/蓝宝石配置，这将导致几乎3倍的理论增益。通过下式给出直接或间接地向空气(n＝1)中发射光的波长转换元件110的输出表面110_out的光学扩展性：

E₁₁₀＝π·A_out·Sin²θ₁₁₀   方程式3

其中θ₁₁₀是所发射的光的立体角。因此，减小了光学扩展性，这导致有益于(例如)小面板系统的高亮度。在一个实施例中，在直接地或间接地向空气内发射光的波长转换元件110的后面的输出表面110_out的光学扩展性小于收集光学器件104的输入端口104_in的光学扩展性或发光装置102的光学扩展性，其中不使用收集光学器件104或输入端口104_in的面积A_in大约与发光装置102的面积相同。

可使用(例如)磷光体来形成波长转换元件110。适当磷光体可包括，但不限于：Y3Al5O12:Ce、(Y，Gd)3(Al，Ga)5O12:Ce、(Lu，Y)3Al5O12:Ce、SrS:Eu、SrGa2S4:Eu、(Sr，Ca，Ba)(Al，Ga)2S4:Eu、(Ca，Sr)S:Eu、(Ca，Sr)S:Eu、Mn、(Ca，Sr)S:Ce、(Sr，Ba，Ca)2Si5N8:Eu、(Ba，Sr，Ca)2SiO4:Eu以及(Ca，Sr，Ba)Si2O2N2:Eu。一般而言，这些磷光体可以粉末的形式获得并且可通过结合诸如硅酮或环氧树脂的粘合介质并且然后通过诸如丝网印刷或点胶的方法进行涂覆，之后固化以使粘合剂凝固来沉积于光学集中器108的透明介质上。或者，可首先(例如)进行电泳，然后利用选定粘合剂回输并且然后进行固化来沉积磷光体颗粒。可有利地将磷光体沉积到单独部件上，之后将该单独部件附接到光学集中器108的透明介质上。磷光体也可以固体形(例如，薄膜磷光体)式采用而不使用粘合剂。在较厚固体磷光体薄膜的情况下，固体磷光体层可沉积于单独部件(例如，薄膜)上或可单独地处理并直接附接到光学集中器108的透明介质上。除了磷光体之外，根据本发明的实施例，也可使用其它发光材料，诸如有机发光转换器，和半导体层和/或半导体纳米粒子，有时被称作“量子点”。

一般而言，使用磷光体，波长转换元件110能够吸收所有角度的光。来自发光装置102的泵浦光将激发波长转换元件110并且将产生具有较低能量的光。波长转换元件110发射具有较宽立体角的光。泵浦光的一部分可被波长转换元件110透射并且与波长转换元件110所发射的较低能量的光组合以形成具有所期望的波长范围的光。或者，二向色滤光片可在波长转换元件110上使用以将所透射的泵浦光反向反射到波长转换元件110内用于二次传递。应了解波长转换元件110所发射的光的大部分将被反向导向到二向色滤光片106。然而，如上文所讨论，二向色滤光片106被构造成反射由波长转换元件110所生成的波长的光。因此，反向发射的光被二向色滤光片106朝向波长转换元件110反射。由于磷光体具有较低的吸收，这个过程可重复两次以实现较高的亮度与提取效率。在一个实施例中，波长转换元件110可被粗糙化或可在波长转换元件110自身或保护层中包括提取效率增强结构。

图2示出了光学集中器108的输出端口108_out与波长转换元件110的近景视图。如图2所示，波长转换元件110包括嵌于透明薄膜114中的磷光体颗粒112，透明薄膜114附接到光学集中器108上。如图2所示，例如，为(例如)蓝光或紫外光的泵浦光集中于波长转换元件110处。为了避免在光学集中器108与波长转换元件110之间的界面处的反射损失，光学集中器108与透明薄膜114与粘合材料的折射率应相似。在一个实施例中，波长转换元件110的折射率可高于光学集中器和任何粘合材料以确保光进入波长转换元件110。泵浦光(由虚线箭头示出)激发透明薄膜114中的磷光体并且磷光体将在任何方向辐射光并且散射光(由实线箭头示出)。如图2所示，光的一部分将被朝向发光装置102反向发射，在此它将被二向色滤光片反射用于再循环。转换光的另一部分将被波长转换元件110直接发射到空气(或其它所期望的介质)内，在此它将与穿过波长转换元件110传递的泵浦光组合。在另一个实施例中，层122可安置于波长转换元件110上，如图2用点线示出。层122可以是(例如)保护层、衍射光学元件、全息元件、二向色滤光片或反射偏光器。因此，波长转换元件110可产生穿过层122间接地发射到空气(或其它所期望的介质)内的光。

图3A与图3B示出了可用于本发明的光学集中器的替代实施例。如图3A所示，光学集中器150包括两级：第一级152是反射性(开放的)CPC且第二级154是固体CPC，波长转换元件110安装到第二级154上，如上文参看图1与图2所描述。为光学集中器150的第一级的152的反射性CPC可被形成为中空壳体，例如，在固体主体内的空腔。在某些实施例中，壳体的内表面可被涂布反射材料，诸如在上文所描述的那些反射材料。第一级152可通过玻璃、塑料或金属的注射成型或压缩成型制造并且内表面可覆盖有适当反射材料。第一级152的空腔可填充有具有所期望的折射率的空气或气体。使用两级光学集中器150的一个优点在于高折射率材料(诸如蓝宝石或BK7、B270、SF10、SF57或F2玻璃或诸如Zeonex或Ultem的塑料)的固体第二级154的大小将小于整个光学集中器都是固体的情况下的大小。因此，将减小制造成本。此外，第二级可包括高折射率材料的多个层，如在图3A中用点线表示。举例说来，第二级154可包括中等高折射率玻璃层156，蓝宝石薄层158，之后是非常高折射率材料的另一层160，诸如钻石(2.417)或GaP(3.4)。

图3B示出了使用折射透镜且包括两级的另一光学集中器200。光学集中器200的第一级是弯月透镜202且第二级是半圆状透镜204，波长转换元件110安装到该半圆状透镜204上。半圆状透镜204可由(例如)K7、B270、SF10、SF57或F2玻璃、蓝宝石或诸如Zeonex或Ultem的塑料或具有适当折射率其它材料制造。弯月透镜202可由(例如)BK7、B270、SF10、F57或F2玻璃、蓝宝石、塑料、丙烯酸、硅酮、环氧树脂或任何其它可以的适当材料制造。或者，第一级可能是另一类型的透镜元件，诸如菲涅耳透镜或全内反射(TIR)透镜。在一个实施例中，二向色滤光片206位于弯月透镜202与半圆状透镜204之间。因此，应了解二向色滤光片不是在光学集中器前面的位置且大体上位于发光装置与波长转换元件之间。

图4A与图4B示出了可用于本发明的光源的替代实施例。图4A示出了在不使用收集光学器件的情况下使用发光装置102的实施例。图4A中的实施例类似于在2004年3月19日提出申请的Matthijs H.Keuper等人的名称为“用于发光二极管的光学系统(Optical Systemfor Light Emitting Diodes)”的美国申请第10/804,314号中所公开的配置，该申请具有与本申请相同的受让人并且以其全文引用的方式结合在本文中。在图4A所示的实施例中，发射光的仅一部分被光学集中器108收集。然而，如果光学集中器108被设计用于有限的角度范围(angle acceptance)，那么仍可维持发光装置102的辐射率。在这种情况下，集中功率，即，与输入面积相比的输出面积，将更高。图4A所示的实施例的优点在于该装置在设计与制造方面相对简单。然而，需要相对较大的发光装置102(即，较大的LED阵列)来弥补收集效率的损失。或者，可使用具有光子晶体的LED阵列、DBR(分布式布拉格反射器)或谐振腔LED，其定制有角度的光分布。

图4B示出了附加的透镜250与252安置于发光装置102与光学集中器108之间的实施例。附加的透镜250、252用于利用发光装置120的图像来照亮光学集中器108。虽然在图4B中示出了两个透镜，但应了解可只使用一个透镜或附加的透镜。

图5A与图5B示出了存在多个泵浦光源的实施例。例如，图5A(例如)示出了具有相关联收集光学器件304的第一发光装置302与具有相关联的收集光学器件305的第二发光装置303。第一发光装置302可产生具有第一波长范围的光(例如，紫外光)且第二发光装置303可产生具有第二波长范围的光(绿光)。二向色滤光片308传递来自发光装置302的光并且反射来自发光装置303的光。组合的泵浦光通过二向色滤光片106被光学集中器108接收。如上文所讨论的那样，二向色滤光片106传递泵浦光并反射波长转换元件110所发射的光。使用两个发光装置302、303，有利地使泵浦光的量加倍。

图5B显示了与图5A所示实施例类似的实施例，除了透镜326与327分别聚焦发光装置302与303所产生的光且第三透镜330通过二向色滤光片106将组合的泵浦光聚焦于光学集中器108上。

图6显示了光学系统400，其包括一系列收集光学器件与光学集中器。如图所示，光学系统400包括具有发光装置102、收集光学器件104、二向色滤光片106、光学集中器108和波长转换元件110的第一部段402。发光装置102产生(例如)紫外泵浦光且波长转换元件110产生蓝光。第二部段404使用波长转换元件110作为光源，并且包括第二收集光学器件406、第二二向色滤光片408、第二光学集中器410和第二波长转换元件412。在一个实施例中，第二二向色滤光片408可反射波长转换元件110所转换或透射的光的波长的至少一部分(例如，紫外光)从而将该光反向反射到波长转换元件110用于二次传递。使用第二收集光学器件406来减小穿过波长转换元件110传递的光的锥角改进了第二二向色滤光片408的性能。第二二向色滤光片408也可反射从第二波长转换元件412所发射的光，例如，绿光或红光。在一个实施例中，可包括第三收集光学器件414来减小来自第二波长转换元件412的光的锥角。

尽管出于指导目的，结合具体实施例说明了本发明，但本发明并不限于此。在不偏离本发明的范围的情况下可对本发明做出各种适应与修改。另外，虽然指定了特定类型的材料，诸如BK7、B270、SF10、SF57或F2玻璃、蓝宝石、和诸如Zeonex或Ultem的透明塑料，但若需要，可使用包括其它玻璃、塑料或陶瓷的其它材料。另外，应了解本文中使用术语“耦合”来表示所连接的物品之间的直接连接或者通过一个或多个被动的或主动中间装置的间接连接，而本文中使用术语“连接”来表示没有任何中间装置的所连接的物品之间的直接连接。所附权利要求书的精神与范围并不限于前文的描述。