專利名稱：具有光學(xué)集中器與波長轉(zhuǎn)換元件的照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體而言涉及發(fā)光裝置且特別地涉及高輻射率光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
特定光學(xué)系統(tǒng)，諸如投影系統(tǒng)和汽車前燈，需要具有高輻射率或亮度的光源。直至最近，常規(guī)發(fā)光二極管(LED)的亮度還不足以滿 足這些應(yīng)用的需要。然而，即使利用當(dāng)前高性能的LED,也很難滿足 某些光學(xué)系統(tǒng)的輻射率要求。此外，與高強(qiáng)度放電燈相比，LED的亮 度通常太低。在(例如)使用磷光體將從LED發(fā)射的光轉(zhuǎn)換成其它波 長以便產(chǎn)生白光的系統(tǒng)中尤為如此。這種轉(zhuǎn)換通常導(dǎo)致輻射率的損失， 而這致使這樣的系統(tǒng)對于高明亮度應(yīng)用是不可接受的。 因此，所需要的是一種改進(jìn)的高輻射率光學(xué)系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，發(fā)光裝置包括發(fā)光元件(諸如發(fā)光二極管 (LED)、 LED陣列或等離子體光源)、光學(xué)集中器(諸如復(fù)合拋物面 集中器)和在發(fā)光元件與光學(xué)集中器之間的二向色濾光片(dichroic filter )以及波長轉(zhuǎn)換材料(諸如磷光體)。光學(xué)集中器經(jīng)由二向色濾光 片接收來自發(fā)光元件的光并且從小于入射表面的出射表面發(fā)射光?？?由具有高折射率的材料制造光學(xué)集中器，這些材料諸如F2、 B270、 SFIO、 SF57或BK7玻璃、藍(lán)寶石或諸如Zeonex或Ultem的塑料。波到具有相對較低折射率的介質(zhì)內(nèi)。通過泵送(pump)波長轉(zhuǎn)換材料經(jīng) 過高折射率材料并且向低折射率介質(zhì)(諸如空氣)內(nèi)輸出所轉(zhuǎn)換的光 來增加波長轉(zhuǎn)換材料的輻射率。舉例說來，在光學(xué)集中器由藍(lán)寶石形 成且所述波長轉(zhuǎn)換材料向空氣內(nèi)發(fā)射光的情況下，能夠獲得大約3倍 的增益。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)。圖2示出了光學(xué)集中器的輸出端口與波長轉(zhuǎn)換元件的近景視圖。圖3A與圖3B示出了可用于本發(fā)明的光學(xué)集中器的替代實(shí)施例。圖4A與圖4B示出了可用于本發(fā)明的光源的替代實(shí)施例。圖5A與圖5B示出了使用多個泵浦光源的實(shí)施例。圖6顯示了包括一 系列收集光學(xué)器件與光學(xué)集中器的光學(xué)系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，通過具有高折射率的光學(xué)集中器來 泵送波長轉(zhuǎn)換元件(諸如磷光體)并通過低折射率介質(zhì)(諸如，空 氣)產(chǎn)生所生成的(轉(zhuǎn)換的)光來改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的亮度或輻射。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)100。光學(xué)系統(tǒng)100 包括發(fā)光裝置102和收集光學(xué)器件104,發(fā)光裝置102被圖示為發(fā)光 二極管(LED)或在襯底上的LED陣列。收集光學(xué)器件104減小來 自發(fā)光裝置102的發(fā)射圖案的錐角。舉例說來，收集光學(xué)器件104 可將來自發(fā)光裝置102的± 90。發(fā)射錐減小到士 30。角的發(fā)射圖案。收 集光學(xué)器件104可以是(例如)直角變換器、復(fù)合物拋物面集中器 (CPC)、聚光透鏡、菲涅耳透鏡、使用全內(nèi)反射表面(TIR)的部 段的透鏡或任何其它適當(dāng)裝置。在某些實(shí)施例中，如下文所述，可 排除收集光學(xué)器件104。光學(xué)集中器108通過二向色濾光片106接收 來自收集光學(xué)器件104的光。在一個實(shí)施例中，光學(xué)集中器108是固 體復(fù)合物拋物面集中器(CPC),但光學(xué)集中器也可采取其它形式。 波長轉(zhuǎn)換元件IIO在輸出端口與光學(xué)集中器108有光學(xué)接觸。波長轉(zhuǎn) 換元件110可(例如)是磷光體板(phosphor platelet )，它的折射率 與光學(xué)集中器108相匹配。從發(fā)光裝置102發(fā)射的光可能是紫外光或藍(lán)光，其用于泵送該波 長轉(zhuǎn)換元件110。發(fā)光裝置102可由(例如)高輻射率LED形成， 諸如在2004年3月19日提出申請的Jonathan J. Wierer， Jr、 Michael R. Krames和John E. Epler的名稱為"光子晶體發(fā)光裝置(Photonic Crystal Light Emitting Device )，，的美國專利申請第10/804,810號中 所述的LED,該申請與本公開內(nèi)容具有相同的受讓人，且以引用的 方式結(jié)合于本文中。另外，諧振腔LED,其為一維光子晶體裝置，描述于H. De. Neve等人的 "Recycling of guided mode light emission in planar microcavity light emitting diodes" Appl. Phys. Lett. 70(7),1997,第799頁至第801頁中，該文以引用的方式結(jié)合在本文中。形 成LED的示例描述于美國專利第6，133，589號、第6,274,399號、第 6,274,924號、第6,291,839號、第6，525，335號、第6，576，488號、第 6,649,440號和第6,885,035號中，這些專利均以引用的方式結(jié)合在本 文中。然而，應(yīng)了解，任何適當(dāng)發(fā)光二極管或其它發(fā)光裝置可用于 本發(fā)明。舉例說來，發(fā)光裝置102可以是等離子體光源，諸如在美國 專利第6，922，021號和第6，737，809號和美國公告第2005/0212456號 和第2005/0099130號中所公開的等離子體光源，這些專利與公告均 以引用的方式結(jié)合在本文中。從發(fā)光裝置102所發(fā)射的光在收集光學(xué)器件104的輸入端口 104in處接收，收集光學(xué)器件104減小發(fā)射圖案的角度，且光穿過二 向色濾光片106透射。二向色濾光片106透射具有發(fā)光裝置102所產(chǎn) 生的波長的光并且反射具有波長轉(zhuǎn)換元件110所生成的波長的光。因 此，例如，在波長轉(zhuǎn)換元件110生成綠光的情況下，二向色濾光片 106將透射發(fā)光裝置102所產(chǎn)生的所有藍(lán)光或紫外光并且反射綠光。 二向色濾光片106光學(xué)耦合到光學(xué)集中器108的較大輸入端口 108in。可通過產(chǎn)生具有所期望的形狀的光學(xué)透明材料來形成光學(xué)集中 器108。在一個實(shí)施例中，光學(xué)集中器108由具有高折射率，對于來 自發(fā)光裝置102的泵浦光(pump light)和來自波長轉(zhuǎn)換元件110的 轉(zhuǎn)換光具有高透射率以及當(dāng)向諸如紫外光的光和向熱暴露時維持它 的透明度的材料形成。此外，需要適用于大規(guī)模生產(chǎn)制造技術(shù)(諸 如成型)的材料。在一個實(shí)施例中，由具有高折射率(諸如1.4至1.8 或更高)的諸如塑料和玻璃的材料或其它適當(dāng)材料形成光學(xué)集中器 108。舉例說來，可使用BK7、 B270、 SFIO、 SF57或F2玻璃。也可 使用藍(lán)寶石或其它材料，諸如透明陶瓷或塑料(諸如Zeonex或 Ultem )。藍(lán)寶石與透明陶瓷的優(yōu)良的熱阻有利地允許從波長轉(zhuǎn)換元 件IIO傳熱。當(dāng)然，若需要，也可使用具有更低或更高折射率的材料。 光學(xué)集中器108的外表面可覆蓋有反射層，反射層包圍限定輸出端口 108。w的孔口。在一個實(shí)施例中，反射層可以是(例如)反射率大于 90%的金屬。適當(dāng)金屬的示例為銀、鋁、銠和金?？苫趯⒁谄渖铣练e金屬的材料或金屬要反射的光的波長來選擇反射金屬。舉例 說來，金對在紅或紅外波長范圍中的光具有較高的反射性。此外，可在反射層與光學(xué)集中器108之間定位介電層或?qū)佣询B，諸如適當(dāng)?shù)?折射率材料，以便減小光學(xué)損失。在另一個實(shí)施例中，在透明材料 的表面上不使用反射材料的情況下形成光學(xué)集中器108。舉例說來， 當(dāng)存在全內(nèi)反射時，透明材料的側(cè)壁可用作光學(xué)集中器108的反射表 面。具有全內(nèi)反射的透明部件的使用描述于1980年12月23日的 Winston的美國專利第4，240，692號中，該專利以引用的方式結(jié)合在 本文中。光學(xué)集中器108接收穿過二向色濾光片106傳遞的光并且將光集 中到波長轉(zhuǎn)換元件110上輸出端口 108。w上。在一個實(shí)施例中，輸出 端口 108。ut的光學(xué)擴(kuò)展性(etendue)將與收集光學(xué)器件104的輸入 端口 104in的光學(xué)擴(kuò)展性相匹配。如在本領(lǐng)域中已知的那樣，光學(xué)擴(kuò) 展性隨著發(fā)射源的面積和光束所成的立體角而變。在圖1所示出的實(shí) 施例中，發(fā)射到收集光學(xué)器件108內(nèi)的光被輸入到空氣中。或者，收 集光學(xué)器件104可以是固體的并且光從發(fā)射裝置102發(fā)射到空氣內(nèi)之 后其進(jìn)入收集光學(xué)器件104。在使用復(fù)合拋物面集中器(CPC)和輸 入泵浦光束從較大側(cè)通過空氣進(jìn)入到CPC的情況下，實(shí)現(xiàn)進(jìn)入該波 長轉(zhuǎn)換元件110的光的輻照度增益(每平方毫米的能量，energy/mm2) 從而增加波長轉(zhuǎn)換的亮度?？稍诶碚撋线_(dá)成(m/n2)2的亮度增益，其 中m與n2分別是波長轉(zhuǎn)換元件IIO的泵送側(cè)與提取側(cè)的折射率。一 般而言，需要光學(xué)集中器108具有大約1.4或更高的折射率且波長轉(zhuǎn) 換材料直接地或間接地向折射率為大約l.O的介質(zhì)(諸如空氣)內(nèi)生 成光。應(yīng)了解，在實(shí)踐中在光學(xué)集中器108與波長轉(zhuǎn)換元件IIO與波 長轉(zhuǎn)換元件110上的層(諸如保護(hù)層)之間可能存在粘合材料。粘合 材料與保護(hù)層可能會影響在波長轉(zhuǎn)換元件110的任一側(cè)上的材料的 所期望的折射率。假設(shè)空氣的折射率11=1,輸入端口 104in的光學(xué)擴(kuò)展性由下式給出<formula>formula see original document page 10</formula> 方程式1其中Ain是收集光學(xué)器件104的輸入端口 104in的面積且6in是所發(fā)射的光的立體角。光學(xué)集中器108的輸出端口 108。w的光學(xué)擴(kuò)展性由下式給出<formula>formula see original document page 11</formula>方程式2 其中n是光學(xué)集中器108的折射率，A。w是光學(xué)集中器108的輸 出端口 108。w的面積(以及波長轉(zhuǎn)換元件iio的面積)且e一是所發(fā)射光的立體角。在收集角0in與集中角e。ut是90。的情況下，輸出端口 108。w的面 積小于輸入端口 104jn的面積的112倍。因此，當(dāng)輸入端口 104化的光 學(xué)擴(kuò)展性與輸出端口 108。ut的光學(xué)擴(kuò)展性相匹配時，(在這種情況下 可獲得高耦合效率)，可獲得在波長轉(zhuǎn)換元件110處泵浦光束的功率 密度的112倍增加。對于空氣/藍(lán)寶石配置，這將導(dǎo)致幾乎3倍的理論 增益。通過下式給出直接或間接地向空氣(n-l)中發(fā)射光的波長轉(zhuǎn)換 元件110的輸出表面110。ut的光學(xué)擴(kuò)展性五uo =^"*^。"， *&'"2《1。 方禾呈式3其中euo是所發(fā)射的光的立體角。因此，減小了光學(xué)擴(kuò)展性，這 導(dǎo)致有益于(例如)小面板系統(tǒng)的高亮度。在一個實(shí)施例中，在直接地或間接地向空氣內(nèi)發(fā)射光的波長轉(zhuǎn)換元件110的后面的輸出表 面ll(Ut的光學(xué)擴(kuò)展性小于收集光學(xué)器件104的輸入端口 104h的光 學(xué)擴(kuò)展性或發(fā)光裝置102的光學(xué)擴(kuò)展性，其中不使用收集光學(xué)器件 104或輸入端口 104化的面積Ain大約與發(fā)光裝置102的面積相同?？墒褂?例如)磷光體來形成波長轉(zhuǎn)換元件110。適當(dāng)磷光體可 包括，但不限于Y3A15012:Ce 、 (Y，Gd)3(Al，Ga)5012:Ce 、 (Lu，Y)3A15012: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)2Si04:Eu以及(Ca，Sr，Ba)Si202N2:Eu。 一般而言，這些磷 光體可以粉末的形式獲得并且可通過結(jié)合諸如硅酮或環(huán)氧樹脂的粘 合介質(zhì)并且然后通過諸如絲網(wǎng)印刷或點(diǎn)膠的方法進(jìn)行涂覆，之后固 化以使粘合劑凝固來沉積于光學(xué)集中器108的透明介質(zhì)上?；蛘撸?首先(例如)進(jìn)行電泳，然后利用選定粘合劑回輸并且然后進(jìn)行固 化來沉積磷光體顆粒。可有利地將磷光體沉積到單獨(dú)部件上，之后 將該單獨(dú)部件附接到光學(xué)集中器108的透明介質(zhì)上。磷光體也可以固 體形(例如，薄膜磷光體)式采用而不使用粘合劑。在較厚固體磷 光體薄膜的情況下，固體磷光體層可沉積于單獨(dú)部件(例如，薄膜)上或可單獨(dú)地處理并直接附接到光學(xué)集中器108的透明介質(zhì)上。除了 磷光體之外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，也可使用其它發(fā)光材料，諸如 有機(jī)發(fā)光轉(zhuǎn)換器，和半導(dǎo)體層和/或半導(dǎo)體納米粒子，有時被稱作"量 子點(diǎn)"。一般而言，使用磷光體，波長轉(zhuǎn)換元件110能夠吸收所有角度的 光。來自發(fā)光裝置102的泵浦光將激發(fā)波長轉(zhuǎn)換元件110并且將產(chǎn)生 具有較低能量的光。波長轉(zhuǎn)換元件IIO發(fā)射具有較寬立體角的光。泵浦光的一部分可^皮波長轉(zhuǎn)換元件iio透射并且與波長轉(zhuǎn)換元件iio所 發(fā)射的較低能量的光組合以形成具有所期望的波長范圍的光?；蛘?， 二向色濾光片可在波長轉(zhuǎn)換元件110上使用以將所透射的泵浦光反 向反射到波長轉(zhuǎn)換元件110內(nèi)用于二次傳遞。應(yīng)了解波長轉(zhuǎn)換元件110所發(fā)射的光的大部分將被反向?qū)虻蕉蛏珵V光片106。然而， 如上文所討論，二向色濾光片106被構(gòu)造成反射由波長轉(zhuǎn)換元件110 所生成的波長的光。因此，反向發(fā)射的光被二向色濾光片106朝向波 長轉(zhuǎn)換元件110反射。由于磷光體具有較低的吸收，這個過程可重復(fù)兩次以實(shí)現(xiàn)較高的亮度與提取效率。在一個實(shí)施例中，波長轉(zhuǎn)換元件IIO可被粗糙化或可在波長轉(zhuǎn)換元件110自身或保護(hù)層中包括提取效率增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。圖2示出了光學(xué)集中器108的輸出端口 108。ut與波長轉(zhuǎn)換元件 UO的近景視圖。如圖2所示，波長轉(zhuǎn)換元件110包括嵌于透明薄膜 114中的磷光體顆粒112,透明薄膜114附接到光學(xué)集中器108上。 如圖2所示，例如，為(例如)藍(lán)光或紫外光的泵浦光集中于波長轉(zhuǎn) 換元件110處。為了避免在光學(xué)集中器108與波長轉(zhuǎn)換元件110之間 的界面處的反射損失，光學(xué)集中器108與透明薄膜114與粘合材料的 折射率應(yīng)相似。在一個實(shí)施例中，波長轉(zhuǎn)換元件IIO的折射率可高于 光學(xué)集中器和任何粘合材料以確保光進(jìn)入波長轉(zhuǎn)換元件110。泵浦光(由虛線箭頭示出)激發(fā)透明薄膜114中的磷光體并且磷光體將在任 何方向輻射光并且散射光(由實(shí)線箭頭示出)。如圖2所示，光的一部 分將被朝向發(fā)光裝置102反向發(fā)射，在此它將被二向色濾光片反射用 于再循環(huán)。轉(zhuǎn)換光的另一部分將被波長轉(zhuǎn)換元件IIO直接發(fā)射到空氣(或其它所期望的介質(zhì))內(nèi)，在此它將與穿過波長轉(zhuǎn)換元件110傳遞 的泵浦光組合。在另一個實(shí)施例中，層122可安置于波長轉(zhuǎn)換元件IIO上，如圖2用點(diǎn)線示出。層122可以是(例如)保護(hù)層、衍射光 學(xué)元件、全息元件、二向色濾光片或反射偏光器。因此，波長轉(zhuǎn)換 元件110可產(chǎn)生穿過層122間接地發(fā)射到空氣(或其它所期望的介質(zhì))內(nèi)的光。圖3A與圖3B示出了可用于本發(fā)明的光學(xué)集中器的替代實(shí)施例。 如圖3A所示，光學(xué)集中器150包括兩級第一級152是反射性(開放 的)CPC且第二級154是固體CPC,波長轉(zhuǎn)換元件110安裝到第二級 154上，如上文參看圖1與圖2所描述。為光學(xué)集中器150的第一級 的152的反射性CPC可被形成為中空殼體，例如，在固體主體內(nèi)的 空腔。在某些實(shí)施例中，殼體的內(nèi)表面可被涂布反射材料，諸如在 上文所描述的那些反射材料。第一級152可通過玻璃、塑料或金屬的 注射成型或壓縮成型制造并且內(nèi)表面可覆蓋有適當(dāng)反射材料。第一 級152的空腔可填充有具有所期望的折射率的空氣或氣體。使用兩級 光學(xué)集中器150的一個優(yōu)點(diǎn)在于高折射率材料(諸如藍(lán)寶石或BK7、 B270、 SFIO、 SF57或F2玻璃或諸如Zeonex或Ultem的塑料)的固 體第二級154的大小將小于整個光學(xué)集中器都是固體的情況下的大 小。因此，將減小制造成本。此外，第二級可包括高折射率材料的 多個層，如在圖3A中用點(diǎn)線表示。舉例說來，第二級154可包括中 等高折射率玻璃層156,藍(lán)寶石薄層158，之后是非常高折射率材料 的另一層160,諸如鉆石(2.417)或GaP (3.4)。圖3B示出了使用折射透鏡且包括兩級的另一光學(xué)集中器200。 光學(xué)集中器200的第一級是彎月透鏡202且第二級是半圓狀透鏡 204，波長轉(zhuǎn)換元件110安裝到該半圓狀透鏡204上。半圓狀透鏡204 可由(例如)K7、 B270、 SFIO、 SF57或F2玻璃、藍(lán)寶石或諸如Zeonex 或Ultem的塑料或具有適當(dāng)折射率其它材料制造。彎月透鏡202可由 (例如)BK7、 B270、 SFIO、 F57或F2玻璃、藍(lán)寶石、塑料、丙烯 酸、硅酮、環(huán)氧樹脂或任何其它可以的適當(dāng)材料制造?；蛘?，第一 級可能是另一類型的透鏡元件，諸如菲涅耳透鏡或全內(nèi)反射(TIR) 透鏡。在一個實(shí)施例中，二向色濾光片206位于彎月透鏡202與半圓 狀透鏡204之間。因此，應(yīng)了解二向色濾光片不是在光學(xué)集中器前面 的位置且大體上位于發(fā)光裝置與波長轉(zhuǎn)換元件之間。圖4A與圖4B示出了可用于本發(fā)明的光源的替代實(shí)施例。圖4A示出了在不使用收集光學(xué)器件的情況下使用發(fā)光裝置102的實(shí)施例。 圖4A中的實(shí)施例類似于在2004年3月19日提出申請的Matthijs H. Keuper等人的名稱為"用于發(fā)光二極管的光學(xué)系統(tǒng)(Optical System for Light Emitting Diodes )"的美國申ifr第10/804,314號中所-^開的 配置，該申請具有與本申請相同的受讓人并且以其全文引用的方式 結(jié)合在本文中。在圖4A所示的實(shí)施例中，發(fā)射光的僅一部分被光學(xué) 集中器108收集。然而，如果光學(xué)集中器108被設(shè)計(jì)用于有限的角度 范圍(angle acceptance),那么仍可維持發(fā)光裝置102的輻射率。在 這種情況下，集中功率，即，與輸入面積相比的輸出面積，將更高。 圖4A所示的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于該裝置在設(shè)計(jì)與制造方面相對簡單。 然而，需要相對較大的發(fā)光裝置102 (即，較大的LED陣列)來彌 補(bǔ)收集效率的損失。或者，可使用具有光子晶體的LED陣列、DBR(分布式布拉格反射器)或諧振腔LED，其定制有角度的光分布。圖4B示出了附加的透鏡250與252安置于發(fā)光裝置102與光學(xué) 集中器108之間的實(shí)施例。附加的透鏡250、 252用于利用發(fā)光裝置 120的圖像來照亮光學(xué)集中器108。雖然在圖4B中示出了兩個透鏡， 但應(yīng)了解可只使用一個透鏡或附加的透鏡。圖5A與圖5B示出了存在多個泵浦光源的實(shí)施例。例如，圖5A(例如)示出了具有相關(guān)聯(lián)收集光學(xué)器件304的第一發(fā)光裝置302 與具有相關(guān)聯(lián)的收集光學(xué)器件305的第二發(fā)光裝置303。第一發(fā)光裝 置302可產(chǎn)生具有第一波長范圍的光(例如，紫外光)且第二發(fā)光裝 置303可產(chǎn)生具有第二波長范圍的光(綠光)。二向色濾光片308傳遞 來自發(fā)光裝置302的光并且反射來自發(fā)光裝置303的光。組合的泵浦 光通過二向色濾光片106被光學(xué)集中器108接收。如上文所討論的那 樣，二向色濾光片106傳遞泵浦光并反射波長轉(zhuǎn)換元件110所發(fā)射的 光。使用兩個發(fā)光裝置302、 303,有利地使泵浦光的量加倍。圖5B顯示了與圖5A所示實(shí)施例類似的實(shí)施例，除了透鏡326 與327分別聚焦發(fā)光裝置302與303所產(chǎn)生的光且第三透鏡330通過 二向色濾光片106將組合的泵浦光聚焦于光學(xué)集中器108上。圖6顯示了光學(xué)系統(tǒng)400，其包括一系列收集光學(xué)器件與光學(xué)集 中器。如圖所示，光學(xué)系統(tǒng)400包括具有發(fā)光裝置102、收集光學(xué)器 件104、 二向色濾光片106、光學(xué)集中器108和波長轉(zhuǎn)換元件IIO的第一部段402。發(fā)光裝置102產(chǎn)生(例如)紫外泵浦光且波長轉(zhuǎn)換元 件110產(chǎn)生藍(lán)光。第二部段404使用波長轉(zhuǎn)換元件IIO作為光源，并 且包括第二收集光學(xué)器件406、第二二向色濾光片408、第二光學(xué)集 中器410和第二波長轉(zhuǎn)換元件412。在一個實(shí)施例中，第二二向色濾 光片408可反射波長轉(zhuǎn)換元件110所轉(zhuǎn)換或透射的光的波長的至少一 部分(例如，紫外光)從而將該光反向反射到波長轉(zhuǎn)換元件110用于 二次傳遞。使用第二收集光學(xué)器件406來減小穿過波長轉(zhuǎn)換元件110 傳遞的光的錐角改進(jìn)了第二二向色濾光片408的性能。第二二向色濾 光片408也可反射從第二波長轉(zhuǎn)換元件412所發(fā)射的光，例如，綠光 或紅光。在一個實(shí)施例中，可包括第三收集光學(xué)器件414來減小來自 第二波長轉(zhuǎn)換元件412的光的錐角。盡管出于指導(dǎo)目的，結(jié)合具體實(shí)施例說明了本發(fā)明，但本發(fā)明并 不限于此。在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下可對本發(fā)明做出各種適應(yīng) 與修改。另外，雖然指定了特定類型的材料，諸如BK7、 B270、 SFIO、 SF57或F2玻璃、藍(lán)寶石、和諸如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，應(yīng)了解 本文中使用術(shù)語"耦合"來表示所連接的物品之間的直接連接或者通 過一個或多個#皮動的或主動中間裝置的間接連接，而本文中使用術(shù)語"連接"來表示沒有任何中間裝置的所連接的物品之間的直接連接。 所附權(quán)利要求書的精神與范圍并不限于前文的描述。
權(quán)利要求
1. 一種設(shè)備，包括發(fā)光元件；光學(xué)集中器，具有入射表面與出射表面，所述入射表面光學(xué)地耦合到所述發(fā)光元件，所述光學(xué)集中器將在所述入射表面接收的光集中到小于所述入射表面的所述出射表面上；波長轉(zhuǎn)換材料，安裝于所述光學(xué)集中器的所述出射表面上，所述波長轉(zhuǎn)換材料將所述發(fā)光元件所發(fā)射的光的至少一部分轉(zhuǎn)換成一個或多個波長；以及二向色濾光片，安置于所述發(fā)光元件與所述波長轉(zhuǎn)換元件之間，其中所述二向色濾光片反射由所述波長轉(zhuǎn)換元件所發(fā)射的具有所述一個或多個波長的光。
2. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述二向色濾光片 安置于所述發(fā)光元件與所述光學(xué)集中器之間，使得從所述發(fā)光元件 發(fā)射的光在到達(dá)所述光學(xué)集中器的入射表面之前穿過所述二向色濾 光片進(jìn)行傳遞。
3. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)光元件是至 少一個發(fā)光二極管。
4. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)光元件是發(fā) 光二極管的陣列。
5. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)光元件是等 離子體光源。
6. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)集中器具 有大約1.4或更高的折射率且所述波長轉(zhuǎn)換材料向折射率大約1.0的 介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生光。
7. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于， 一個層安置于所述 波長轉(zhuǎn)換材料與所述介質(zhì)之間，所述波長轉(zhuǎn)換材料向所述介質(zhì)內(nèi)產(chǎn) 生光。
8. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換元件 發(fā)射具有所述一個或多個波長的轉(zhuǎn)換光與未轉(zhuǎn)換光，所述設(shè)備還包 括在所述波長轉(zhuǎn)換材料后面的收集光學(xué)器件，所述收集光學(xué)器件減小由所述波長轉(zhuǎn)換材料所發(fā)射的所述光的錐角；以及第二二向色，其耦合到所述收集光學(xué)器件，其中所述收集光學(xué) 器件在所述第二二向色與所述波長轉(zhuǎn)換材料之間，所述第二二向色 濾光片透射至少一個所述轉(zhuǎn)換光與所述未轉(zhuǎn)換光的至少一部分并且 反射所述轉(zhuǎn)換光與所述未轉(zhuǎn)換光中的至少一個的至少一部分。
9. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述層是保護(hù)層、 衍射光學(xué)元件、全息元件、二向色濾光片以及反射偏光器中的至少 一個。
10. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)集中器包 括一個或多個折射透鏡。
11. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)集中器包 括反射表面，所述反射表面限定所述出射表面，光通過所述出射表 面自所述光學(xué)集中器出射，所述光學(xué)集中器的形狀使得通過所述光 學(xué)集中器的入射表面接收的光被朝向所述出射表面導(dǎo)向。
12. 如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)集中器 的所述反射表面由在所述光學(xué)集中器的一部分上面的反射材料形 成。
13. 如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)集中器 的至少一部分是BK7玻璃、B270玻璃、SF10玻璃、SF57玻璃、F2 玻璃、Zeonex塑料、Ultem塑料以及藍(lán)寶石中的一個。
14. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)集中器是 復(fù)合拋物面集中器。
15. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)集中器包括第一元件，其由固體主體內(nèi)的空腔形成，所述固體主體的壁是 反射性的，所述第一元件的第一端限定所述光學(xué)集中器的入射表面且所述空腔的第二端限定所述第一元件的出射表面；以及第二元件，其由具有反射側(cè)壁的固體透明主體形成，所述第二元件的第一端限定所述第二元件的出射表面，所述第二元件的出射 表面耦合到所述第一元件的所述出射表面，且所述第二元件的第二 端限定所述光學(xué)集中器的所述出射表面。
16. 如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述第二元件還包括在所述固體透明主體上的至少一個附加材料層，所述至少一個 附加層具有比所述固體透明主體更高的折射率。
17. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，還包括在所述發(fā)光 元件與所述光學(xué)集中器之間的收集光學(xué)器件，所述收集光學(xué)器件在 從所述發(fā)光元件發(fā)射的光到達(dá)所述光學(xué)集中器之前減小該光的錐角。
18. 如權(quán)利要求n所述的設(shè)備，其特征在于，所述收集光學(xué)器件是直角變換器、聚光透鏡、菲涅耳透鏡以及全內(nèi)反射表面(TIR) 透鏡中的至少一個。
19. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，還包括 第二光學(xué)集中器，具有入射表面與出射表面，所述入射表面被光學(xué)地耦合以接收由所述波長轉(zhuǎn)換材料所生成的光，所述第二光學(xué) 集中器將來自所述波長轉(zhuǎn)換材料的光集中到小于所述入射表面的所 述出射表面上；第二二向色濾光片，其安置于所述波長轉(zhuǎn)換材料與所述光學(xué)集 中器之間，使得從所述發(fā)光元件生成的光在到達(dá)所述第二光學(xué)集中 器的所述入射表面之前穿過所述第二二向色濾光片進(jìn)行傳遞，；第二波長轉(zhuǎn)換材料，其被耦合到所述第二光學(xué)集中器的所述出至少一部分轉(zhuǎn)換成一個或多個波長的光，所述一個或多個波長的光 被所述第二二向色濾光片反射；以及第二收集光學(xué)器件，其在所述波長轉(zhuǎn)換材料與所述第二光學(xué)集 中器之間，所述第二收集光學(xué)器件在由所述波長轉(zhuǎn)換材料所生成的 光到達(dá)所述第二光學(xué)集中器之前減小所述光的錐角。
20. 如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，還包括 第三收集光學(xué)器件，其位于所述第二波長轉(zhuǎn)換材料后面，所述第二收集光學(xué)器件大約減小由所述第二波長轉(zhuǎn)換材料所生成的光的 錐角。
21. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)光元件是第 一發(fā)光元件，所述設(shè)備還包括第二發(fā)光元件，其發(fā)射具有不同于所述第一發(fā)光元件所發(fā)射的 光的波長的光；二向色光束分離器，其被安置以朝向所述光學(xué)集中器透射所述 第 一發(fā)光元件所發(fā)射的光并且被安置以朝向所述光學(xué)集中器反射所 述第二發(fā)光元件所發(fā)射的所述光。
22. 如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，還包括 第一透鏡，其在所述第一發(fā)光元件與所述二向色光束分離器之間；第二透鏡，其在所述第二發(fā)光元件與所述二向色光束分離器之 間；以及第三透鏡，其在所述二向色光束分離器與所述光學(xué)集中器之間。
23. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換材料 安置于所述出射表面上。
24. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換材料 是磷光體。
25. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換元件 的出射表面的光學(xué)擴(kuò)展性小于所述發(fā)光元件的光學(xué)擴(kuò)展性。
26. —種方法，包括 生成具有第一波長范圍的光；穿過二向色濾光片透射所述光； 集中所述光；以及將所述集中的光的至少 一部分轉(zhuǎn)換成具有第二波長范圍的轉(zhuǎn)換 光，其中所述二向色濾光片透射具有所述第一波長范圍的光并且反 射具有所述第二波長范圍的光。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，生成光包括從一個或多個發(fā)光二極管發(fā)射光。
28. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，還包括通過反射 或折射使所述光準(zhǔn)直，之后穿過二向色濾光片透射所述光。
29. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，通過折射所述光 來執(zhí)行集中所述光。
30. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，通過反射所述光 來集中所述光。
31. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，在復(fù)合拋物面集 中器中集中所述光。
32. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，在折射率大約為 1.4或更高的介質(zhì)中來集中所述光且將所轉(zhuǎn)換的光發(fā)射到折射率大約 1.0的介質(zhì)內(nèi)。
33. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，在BK7玻璃、B270 玻璃、SF10玻璃、SF57玻璃、F2玻璃、Zeonex塑料、Ultem塑料以及藍(lán)寶石元件中的一個中來集中所述光。
34. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，還包括 將所述轉(zhuǎn)換的光穿過第二二向色濾光片透射； 集中所述轉(zhuǎn)換光；將所述集中的光中的至少一部分轉(zhuǎn)換成具有第三波長范圍的二 次轉(zhuǎn)換光，其中所述第二二向色濾光片透射具有所述第二波長范圍 的光并反射具有所述第三波長范圍的光。
35. 如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，還包括通過反射 或折射使所述二次轉(zhuǎn)換光準(zhǔn)直。
36. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，還包括 生成具有第三波長范圍的光；將具有所述第三波長范圍的光與具有所述第一波長范圍的光進(jìn) 行組合；其中，使所述光透射穿過二向色濾光片來透射所述組合光，集中 所述光來集中所述組合光，以及轉(zhuǎn)換所述集中光的至少 一部分來集中 所述集中組合光的至少一部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種發(fā)光裝置，其包括發(fā)光元件、諸如復(fù)合拋物面集中器的光學(xué)集中器、在發(fā)光元件與光學(xué)集中器之間的二向色濾光片和諸如磷光體的波長轉(zhuǎn)換材料。光學(xué)集中器經(jīng)由二向色濾光片接收來自發(fā)光元件的光并且從小于入射表面的出射表面發(fā)射光?？赡苡弥T如藍(lán)寶石的具有高折射率的材料制造光學(xué)集中器。波長轉(zhuǎn)換材料(例如)安置于出射表面上。通過高折射率材料泵送波長轉(zhuǎn)換材料并且將所轉(zhuǎn)換的光輸出到諸如空氣的低折射率介質(zhì)內(nèi)來增加波長轉(zhuǎn)換材料的輻射率。
文檔編號G02B17/08GK101283305SQ200680037839
公開日2008年10月8日 申請日期2006年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月11日
發(fā)明者G·哈伯斯, S·J·A·比爾休詹 申請人:飛利浦拉米爾德斯照明設(shè)備有限責(zé)任公司