СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ПРИБОР
LIGHT-EMITTING DEVICE

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к светоизлучающему прибору, содержащему источник света, выполненный с возможностью излучения во время работы света с первым спектральным распределением, и световод, выполненный с возможностью преобразования света с первым спектральным распределением в свет со вторым спектральным распределением.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Высокоинтенсивные источники света и, в частности, белые высокоинтенсивные источники света, представляют интерес для различных применений, включая точечные источники света, фары, сценическое освещение и цифровое проецирование света. Для таких целей можно воспользоваться так называемыми люминесцентными концентраторами, в которых свет с более короткой длиной волны преобразуется в более длинные длины волны в очень прозрачном люминесцентном материале. Такой прозрачный люминесцентный материал освещают посредством СИД для получения более длинных длин волн в люминесцентном материале. Преобразованный свет, который будет направлен по световоду в люминесцентный материал, извлекают из поверхности, что приводит к усилению интенсивности или, иными словами, к повышению яркости.
При использовании такого высокоинтенсивного источника света для генерирования КЗС-света, например, в видеопроекторах, последние разработки предполагают светоизлучающий прибор, в котором используется поэтапное преобразование света из СИД синего свечения в зеленый свет, или через зеленый свет в красный свет, например, посредством преобразования на основе люминофора. Для этого требуется очень небольшой оптический фактор, очень высокая яркость и высокая интенсивность, что, в свою очередь, приводит к конструкции с очень компактным источником света с входной электрической мощностью более 10-60 Вт. При таких условиях генерируются значительные количества тепла, что приводит к неблагоприятному влиянию, в частности, на оптический фактор и эффективность.
Такой светоизлучающий прибор может быть сконструирован таким образом, чтобы компоненты были расположены в следующей последовательности, если смотреть в направлении распространения света: СИД синего свечения, зеленый люминесцентный стержень, красный люминофор и оптическая линза. Красный люминофор прикрепляют, например, приклеивают, между зеленым люминесцентным стержнем и оптической линзой.
В документе US 2013/0039029 A1 описан источник света со сходной конструкцией и сконструированный таким образом, чтобы компоненты были размещены в следующей последовательности, если смотреть в направлении распространений света через светоизлучающий прибор: источник света, световод, оптический элемент и люминофорный элемент. Дополнительно, оптический элемент также устанавливают между источником света и световодом.
В обоих описанных выше устройствах уровня техники оптическое качество красного люминофора, который должен быть прозрачным и нерассеивающим, и механическая надежность используемого клея, который должен быть пригоден для удерживания нескольких элементов при условиях высокотемпературного градиента, являются критическими. В результате, требуется высококачественный материал для красного люминофора и высококачественный термически стабильный клей, что повышает затраты и ограничивает надежность системы.
В US2008/0079910A1 раскрыта осветительная система, которая включает в себя тело, содержащее флуоресцентный материал, который испускает свет во втором диапазоне длин волн при освещении светом с первым диапазоном длин волн. Система дополнительно включает в себя по меньшей мере второй флуоресцентный материал, который поглощает свет в по меньшей мере одном из первого и второго диапазонов длин волн и испускает свет в третьем диапазоне длин волн. Тело имеет поверхность извлечения, и по меньшей мере часть света во втором, либо в третьем диапазоне длин волн подвергается внутреннему отражению в теле к поверхности извлечения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является преодоление этой проблемы и обеспечение светоизлучающего прибора с повышенной надежностью и долговечностью, и который является более дешевым в изготовлении.
Согласно первому аспекту изобретения эта и другие задачи достигаются посредством светоизлучающего прибора, содержащего по меньшей мере один источник света, выполненный с возможностью излучения во время работы первого света с первым спектральным распределением, световод, содержащий поверхность входа света и поверхность выхода света, простирающиеся под отличным от нуля углом друг к другу, причем световод дополнительно содержит первую дополнительную поверхность, простирающуюся параллельно и расположенную напротив поверхности выхода света, причем световод выполнен с возможностью приема первого света с первым спектральным распределением на поверхности входа света, преобразования по меньшей мере части первого света с первым спектральным распределением во второй свет со вторым спектральным распределением, направления второго света со вторым спектральным распределением к поверхности выхода света и выведения второго света со вторым спектральным распределением с поверхности выхода света, причем световод изготовлен из люминесцентного материала, светоизлучающий прибор дополнительно содержит люминофорный элемент, расположенный прилегающим к первой дополнительной поверхности, люминофорный элемент выполнен с возможностью преобразования света, падающего из световода, в третий свет с третьим спектральным распределением, световод дополнительно выполнен с возможностью приема третьего света с третьим спектральным распределением на первой дополнительной поверхности, направления третьего света с третьим спектральным распределением к поверхности выхода света и выведения третьего света с третьим спектральным распределением с поверхности выхода света, и светоизлучающий прибор дополнительно содержит отражающий элемент, расположенный прилегающим к люминофорному элементу напротив первой дополнительной поверхности световода.
Благодаря обеспечению светоизлучающего прибора со световодом, выполненным с возможностью преобразования по меньшей мере части не выведенного света в преобразованный свет с другим спектральным распределением, обеспечивается световод, с помощью которого очень большое количество преобразованного света будет оставаться в световоде, которое впоследствии может быть извлечено с одной из поверхностей, что, в свою очередь, приводит к очень высокому усилению интенсивности.
Благодаря обеспечению поверхности входа света и поверхности выхода света, простирающихся под отличным от нуля углом друг к другу, обеспечивают светоизлучающий прибор, который обладает очень простой геометрией и который является очень простым и быстрым в изготовлении и в надлежащем совмещении с источниками света. В варианте осуществления поверхность входа света и поверхность выхода света простираются перпендикулярно друг к другу.
В вариантах осуществления световод изготавливают из граната. Гранаты проявляют высокую фотохимическую стабильность и, таким образом, предусматривают особо долговечный светоизлучающий прибор.
Благодаря обеспечению люминофорного элемента, расположенного прилегающим к первой дополнительной поверхности световода, люминофорный элемент выполнен с возможностью преобразования падающего света в третий свет с третьим спектральным распределением, а благодаря обеспечению отражающего элемента, расположенного прилегающим к люминофорному элементу, напротив первой дополнительной поверхности световода, падающий свет проходит через люминофорный элемент дважды, т.е. один раз перед отражением от отражающего элемента и один раз после. Люминофорный элемент, таким образом, обеспечен между отражающим элементом и первой дополнительной поверхностью световода. Поэтому люминофорный элемент можно сделать значительно тоньше, в частности примерно в два раза тоньше, по сравнению с приборами уровня техники, описанными выше. Таким образом, допустимое минимальное оптическое качество люминофорного элемента снижается без ущерба для качества эффекта преобразования света у люминесцентного элемента. Дополнительно, чем тоньше люминофорный элемент, тем ниже становятся нижние внутренние температурные градиенты в люминофорном элементе, что, в свою очередь, приводит к более низкому механическому напряжению в переходном слое между люминофорным элементом и световодом и/или в слое, соединяющем люминофорный элемент и световод.
Благодаря выполнению световода для приема третьего света с третьим спектральным распределением на первой дополнительной поверхности, направлению третьего света с третьим спектральным распределением к поверхности выхода света и выведения третьего света с третьим спектральным распределением с поверхности выхода света получают светоизлучающий прибор, в котором свет с более широким спектральным распределением, т.е. по меньшей мере со вторым и третьим спектральным распределением, может испускаться без ущерба для яркости света. Таким образом, обеспечивается КЗС-источник света или источник белого света со светом, обладающим относительно высокой мощностью и высокой концентрацией, а также низким оптическим фактором.
Дополнительно, эта схема расположения предусматривает наличие светоизлучающего прибора, испускающего свет с более широким спектральным распределением, которое, в свою очередь, облегчает предоставление белого света повышенного качества.
Дополнительно, обеспечение отражающего элемента также повышает эффективность и интенсивность светового выхода за счет уменьшения количества света, выходящего из световода через поверхности, отличные от поверхности вывода света. Согласно варианту осуществления отражающий элемент представляет собой любой один или более из зеркальной пластины, зеркальной фольги и зеркального покрытия.
В варианте осуществления между люминофорным элементом и световодом обеспечен зазор. В дополнительном варианте осуществления оптический элемент обеспечен между люминофорным элементом и световодом. В вариантах осуществления оптический элемент отделен зазором от люминофорного элемента и/или отделен зазором от световода. В вариантах осуществления люминофорный элемент расположен на отражающем теплопоглощающем элементе. В других вариантах осуществления отражающий элемент расположен на теплопоглощающем элементе, а люминофорный элемент расположен на отражающем элементе.
Благодаря отделению люминофорного элемента от световода зазором передача тепла от люминофорного элемента к световоду и наоборот снижается, что, таким образом, улучшает терморегулирование светоизлучающего прибора, что приводит к уменьшению тепла, создаваемого в световоде и/или в люминофорном элементе.
В варианте осуществления светоизлучающий прибор дополнительно содержит оптический элемент, расположенный на поверхности выхода света.
В вариантах осуществления светоизлучающего прибора согласно изобретению, предназначенных для обеспечения белого света, оптический элемент представляет собой линзу, такую как выпуклая линза, вогнутая линза или даже матрицу линз. В качестве альтернативы оптический элемент может представлять собой, например, решетку, фильтр, поверхностную структуру, и т.п. Оптический элемент может содержать оптический элемент, который селективно отражает заранее заданное спектральное распределение или диапазон длин волн, например, дихроичный фильтр, обеспеченный на поверхности выхода света, или дихроичный фильтр, обеспеченный на поверхности выхода света другого оптического элемента, такого как параболический концентратор. Таким образом, более эффективное преобразование длин волн люминофорным элементом может быть обеспечено селективным отражением заранее заданного спектрального распределения или диапазона длин волн, который не преобразуется люминофорным элементом в третий свет с третьим спектральным распределением, вследствие чего большая часть света преобразуется люминофорным элементом в третий свет, поскольку свет, отраженный дихроичным фильтром, будет направляться через световод и приниматься на люминофорном элементе и, таким образом, может быть преобразован в третий свет с третьим спектральным распределением. Например, в случае красного люминофорного элемента зеленый и/или желтый свет может быть селективно отражен отражающим оптическим элементом и, таким образом, может быть направлен через световод на красный люминофорный элемент, где он может быть преобразован по меньшей мере частично в красный свет, с обеспечением, таким образом, более эффективного преобразования в красный свет.
Таким образом, обеспечен светоизлучающий прибор, с помощью которого свет, испускаемый из поверхности выхода света световода, может быть сформирован и/или смешан, например, для обеспечения светового выхода, который обладает еще более высоким качеством, и который может быть подобран для конкретного применения. Дополнительно, оптический элемент также может для по меньшей мере некоторых вариантов осуществления улучшить выведение света с поверхности выхода света, повышая посредством этого интенсивность светового выхода. В частности, в случае, когда оптический элемент содержит линзу или матрицу линз, может быть получено повышенное перекрытие компонентов или пучков выходящего света, имеющих различные спектральные распределения, с обеспечением, таким образом, светового выхода более высокого качества.
В варианте осуществления люминофорный элемент имеет толщину от 0,1 мм до 1 см. Толщина люминофорного элемента в этой связи задана как кратчайшее расстояние между поверхностью люминофорного элемента, прилегающей к первой дополнительной поверхности, и поверхностью люминофорного элемента, прилегающей к отражающему элементу, перпендикулярное обеим поверхностям. Такой люминофорный элемент был показан как обладающий толщиной, обеспечивающей, в частности, хороший компромисс между требованием высокого качества эффекта преобразования света у люминофорного элемента и требованием снижения температурных градиентов в люминофорном элементе, насколько это возможно.
В варианте осуществления люминофорный элемент и отражающий элемент приклеивают, наносят или осаждают на первую дополнительную поверхность и люминофорный элемент, соответственно. В случае клея, который, как правило, бывает простейшим и наименее затратным и, таким образом, предпочтительным способом или материалом для соединения, более тонкий люминофорный элемент, делающий возможным создание светоизлучающего прибора согласно изобретению, предусматривает более низкие внутренние температурные градиенты в люминофорном элементе, что, в свою очередь, приводит к более низкому механическому напряжению в соответствующих слоях клея. Дополнительно, при наличии более тонкого люминофорного элемента на клей должна быть нанесена меньшая масса, или фактически любой другой связующий материал. Тем самым обеспечен светоизлучающий прибор, обладающий более длительным сроком службы и, таким образом, более высокой долговечностью.
В случае соединения путем нанесения или осаждения достигается тот же эффект в отношении соответствующих переходных слоев между отражающим элементом, люминофорным элементом и световодом.
В варианте осуществления светоизлучающий прибор дополнительно содержит по меньшей мере два люминофорных элемента, расположенные между первым отражающим элементом и первой дополнительной поверхностью. Тем самым, предоставляется светоизлучающий прибор, с помощью которого становится возможным обеспечение светового выхода, содержащего большее число компонентов света с различными спектральными распределениями.
В варианте осуществления первый теплопоглощающий элемент обеспечен прилегающим к отражающему элементу напротив люминофорного элемента, посредством которого достигается значительное улучшение рассеивания тепла, выходящего из световода, и в частности, из люминофорного элемента и отражающего элемента. Это, в свою очередь, предусматривает облегчение эксплуатации при более высоких максимальных оптических мощностях без потерь в сроке службы, а также повышенный коэффициент преобразования люминофорного элемента со значительным повышением посредством этого максимальной интенсивности получаемого выходного света светоизлучающего прибора. Дополнительно, неблагоприятное влияние на оптические характеристики, вызванные, например, термическим тушением, значительно снижается или даже устраняется, что обеспечивает значительно более надежный светоизлучающий прибор с улучшенными оптическими характеристиками, в частности, применительно к повышенному оптическому фактору и эффективности.
В варианте осуществления первый теплопоглощающий элемент представляет собой любой один или более из пассивно охлаждаемого теплопоглощающего элемента, теплопоглощающего элемента с жидкостным охлаждением, теплопоглощающего элемента, содержащего одно или более ребер охлаждения, и теплопоглощающего элемента, образующего внешнюю стенку светоизлучающего прибора.
Все из этих вариантов осуществления предусматривают дополнительный повышенный эффект охлаждения, а следовательно, светоизлучающий прибор с теплопоглощающим элементом, обеспечивающим особо эффективное охлаждение, в частности, люминофорного элемента и отражающего элемента.
Первый теплопоглощающий элемент может быть расположен в непосредственном контакте с отражающим элементом или может быть наклеен на отражающий элемент или может быть расположен так, чтобы между первым теплопоглощающим элементом и отражающим элементом был обеспечен зазор.
В варианте осуществления второй теплопоглощающий элемент обеспечен на оптическом элементе. В дополнение к обеспечению эффектов, аналогичных эффектам, описанным выше применительно к первому теплопоглощающему элементу, обеспечение теплопоглощающего элемента на оптическом элементе предусматривает непосредственное охлаждение оптического элемента и, таким образом, более высокую эффективность оптического элемента.
В варианте осуществления второй теплопоглощающий элемент представляет собой любой один или более из пассивно охлаждаемого теплопоглощающего элемента, теплопоглощающего элемента с жидкостным охлаждением, теплопоглощающего элемента, содержащего одно или более ребер охлаждения и теплопоглощающего элемента, содержащего светоотражающий слой или покрытие.
Все эти варианты осуществления предусматривают улучшенный эффект охлаждения, и, таким образом, светоизлучающий прибор с теплопоглощающим элементом, обеспечивающий, в частности, эффективное охлаждение, в частности, оптического элемента.
В варианте осуществления люминофорный элемент выполнен с возможностью преобразования падающего света в третий свет с третьим спектральным распределением, находящимся в диапазоне длин волн 590-850 нм.
В варианте осуществления первый световод выполнен с возможностью преобразования по меньшей мере части первого света с первым спектральным распределением во второй свет со вторым спектральным распределением, находящимся в диапазоне длин волн 495-590 нм.
В варианте осуществления по меньшей мере один источник света представляет собой СИД, лазерный диод или ОСИД, испускающий свет с первым спектральным распределением в диапазоне длин волн 350-550 нм.
Посредством любого из этих вариантов осуществления обеспечен светоизлучающий прибор, который, в частности, является пригодным для обеспечения выхода белого света с высоким качеством и интенсивностью. Может быть достигнуто комбинирование двух или всех трех из этих трех вариантов осуществления выхода белого света особо высокого качества и интенсивности.
Изобретение дополнительно относится к лампе, осветительному прибору или осветительной системе, содержащей светоизлучающий прибор согласно изобретению, причем лампа, осветительный прибор и система используются в одном или более из следующих применений: цифровое проецирование, автомобильное освещение, сценическое освещение, освещение торговых предприятий, домашнее освещение, акцентированное освещение, точечное освещение, театральное освещение, оптоволоконное освещение, системы отображения, системы аварийной сигнализации, применения медицинского освещения, применения декоративного освещения.
Следует отметить, что изобретение относится ко всем возможным сочетаниям признаков, перечисленных в формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Этот и другие аспекты настоящего изобретения далее будут описаны более подробно, применительно к прилагаемым чертежам, показывающим вариант (варианты) осуществления изобретения.
ФИГ.1 показывает трехмерный вид в перспективе светоизлучающего прибора, содержащего выходной люминофор.
ФИГ.2 показывает поперечное сечение светоизлучающего прибора, содержащего диск люминофора.
ФИГ.3 показывает вид сбоку световода, который снабжен оптическим элементом на выходной поверхности.
ФИГ.4 показывает вид в перспективе световода, которому придана форма по всей его длине, например, для обеспечения поверхности определенной формы для выхода света.
ФИГ.5 показывает вид сбоку световода, которому придана форма на части его длины, например, для обеспечения поверхности определенной формы для выхода света.
ФИГ.6 показывает вид сбоку осветительной системы со световодом и дополнительными источниками света, и которая снабжена фильтром и дихроичным оптическим элементом.
ФИГ.7 показывает световод, снабженный вторым источником света, расположенным на поверхности световода, отличной от первой поверхности для входа света.
ФИГ.8A и 8B показывают световоды, снабженные теплопоглощающим элементом, расположенным прилегающим к поверхности световода.
ФИГ.9 показывает вид в перспективе первого варианта осуществления светоизлучающего прибора согласно изобретению.
ФИГ.10 показывает вид сбоку светоизлучающего прибора согласно ФИГ.9.
ФИГ.11 показывает график, иллюстрирующий спектральное распределение светового выхода a) светоизлучающего прибора согласно ФИГ.9 и 10, b) светоизлучающего прибора с люминофорным элементом, расположенным на поверхности для выхода света, и c) светоизлучающего прибора согласно изобретению, содержащего два люминофорных элемента.
ФИГ.12 показывает вид сбоку второго варианта осуществления светоизлучающего прибора согласно изобретению.
ФИГ.13 показывает вид сбоку третьего варианта осуществления светоизлучающего прибора согласно изобретению.
ФИГ.14 показывает вид сбоку четвертого варианта осуществления светоизлучающего прибора согласно изобретению.
ФИГ.15 показывает вид сбоку пятого варианта осуществления светоизлучающего прибора согласно изобретению.
ФИГ.16 показывает график, иллюстрирующий эффект охлаждения в виде снижения температуры люминофорного элемента как функции коэффициента охлаждения теплопоглощающего элемента для трех различных светоизлучающих приборов согласно ФИГ.15 с тремя различными линзами в качестве оптических элементов.
ФИГ.17 показывает вид сбоку другого варианта осуществления светоизлучающего прибора согласно изобретению.
Как проиллюстрировано на Фигурах, размеры слоев, элементов и областей увеличены в иллюстративных целях и, таким образом, представлены для иллюстрации общих структур вариантов осуществления настоящего изобретения. Одинаковые номера ссылок относятся к одинаковым элементам на протяжении всего описания, так что, например, светоизлучающий прибор согласно изобретению в основном обозначается как 1, тогда как другие его конкретные варианты осуществления обозначаются путем добавления 01, 02, 03, и так далее к общему номеру ссылки. Что касается Фиг.1-8, показывающих множество признаков и элементов, которые могут быть добавлены к любому одному из вариантов осуществления светоизлучающего прибора согласно изобретению, «00» было добавлено ко всем элементам, за исключением элементов, характерных для каждой из этих Фигур.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение теперь будет более полно описано ниже применительно к прилагаемым чертежам, на которых показаны варианты осуществления изобретения. Однако данное изобретение может быть осуществлено во многих различных формах, и его не следует рассматривать как ограничивающее варианты осуществления, изложенные в настоящей работе; скорее, эти варианты осуществления обеспечены для полноты и законченности и полностью передают объем изобретения для специалистов в области техники.
Следующее описание будет начинаться с общих соображений, относящихся к применению подходящих источников света и подходящих материалов для различных элементов и признаков светоизлучающего прибора согласно изобретению. Для этой цели несколько признаков и элементов, которые могут быть добавлены к любому одному из вариантов осуществления светоизлучающего прибора согласно изобретению, как изложено дополнительно ниже, будет описано применительно к Фиг.1-8. Конкретные варианты осуществления светоизлучающего прибора согласно изобретению будут подробно описаны применительно к Фиг.9-17.
Светоизлучающий прибор согласно изобретению может быть использован в применениях, включающих в себя, но не ограниченных, лампу, световой модуль, световой прибор, точечный источник света, лампу-вспышку, проектор, цифровое проецирующее устройство, автомобильное освещение, такое как, например, передние фары или задние фары автомобиля, освещение арены, театральное освещение и архитектурное освещение.
Источники света, которые являются частью вариантов осуществления согласно изобретению, изложенные ниже, предназначены для того, чтобы во время работы испускать свет с первым спектральным распределением. Этот свет впоследствии выводят в световод или волновод. Световод или волновод может преобразовывать свет с первым спектральным распределением в другое спектральное распределение и направлять свет к выходной поверхности. Источник света в принципе может представлять собой любой тип точечного источника света, но в варианте осуществления представляет собой твердотельный источник света, такой как светоизлучающий диод (СИД), лазерный диод или органический светоизлучающий диод (ОСИД), множество СИД, или лазерных диодов, или ОСИД, или матрицу СИД, или лазерных диодов, или ОСИД, или сочетание любых из них. СИД в принципе может представлять собой СИД любого цвета, или сочетание этих СИД, но в варианте осуществления представляет собой источник синего света, с получением света от источника света в синем цветовом диапазоне, который задан как диапазон длин волн 380-495 нм. В другом варианте осуществления источник света представляет собой источник ультрафиолетового излучения или фиолетового света, т.е. источник, излучающий в диапазоне длин волн 420 нм. В случае множества или матрицы СИД, или лазерных диодов, или ОСИД, упомянутые СИД, или лазерные диоды, или ОСИД в принципе могут представлять собой СИД, или лазерные диоды, или ОСИД двух или более различных цветов, таких как, но не ограничиваясь этим, УФ, синий, зеленый, желтый или красный.
Источник света может представлять собой источник красного света, т.е. излучать в диапазоне длин волн, например, 600-800 нм. Такой источник красного света может представлять собой, например, источник света любого из вышеупомянутых типов, непосредственно излучающих красный свет или снабженных люминофором, пригодным для преобразования света от источника света в красный свет. Этот вариант осуществления, в частности, является выгодным в сочетании со световодом, выполненным с возможностью преобразования света от источника света в инфракрасный (ИК) свет, т.е. в свет с длиной волны примерно более 800 нм и в пригодный вариант осуществления с максимальной интенсивностью в диапазоне 810-850 нм. В варианте осуществления такой световод содержит ИК-излучающий люминофор. Светоизлучающий прибор с этими характеристиками является особо выгодным для использования в системах ночного видения, но также может быть использован в любом из применений, упомянутых выше.
Другим примером является сочетание первого источника красного света, излучающего свет в диапазоне длин волн 480-800 нм и вводящего этот свет в люминесцентный стержень или волновод, и второго источника света, излучающего синий, или ультрафиолетовый, или фиолетовый свет, т.е. с длиной волны менее 480 нм, а также вводящего испускаемый им свет в люминесцентный волновод или стержень. Свет второго источника света преобразуется люминесцентным волноводом или стержнем в свет с диапазоном длин волн 480-800 нм, а свет первого источника света, введенный в люминесцентный волновод или стержень, преобразовываться не будет. Иными словами, второй источник света излучает ультрафиолетовый, фиолетовый или синий свет, который впоследствии преобразуется люминесцентным концентратором в свет с зелено-желто-оранжево-красной спектральной области. В другом варианте осуществления первый источник света излучает в диапазоне длин волн 500-600 нм, а свет второго источника света преобразуется люминесцентным волноводом или стержнем в диапазон длин волн 500-600 нм. В другом варианте осуществления первый источник света излучает в диапазоне длин волн 600-750 нм, а свет второго источника света преобразуется люминесцентным волноводом или стержнем в диапазон длин волн 600-750 нм. В варианте осуществления свет первого источника света вводится в люминесцентный волновод или в стержень на другой поверхности, например, на поверхности, напротив выходной поверхности света, отличной от поверхности, где свет второго источника света вводится в люминесцентный волновод или в стержень. Эти варианты осуществления обеспечивают люминесцентный волновод или стержень, излучающий в красном световом диапазоне с повышенной яркостью.
Световоды, изложенные ниже в вариантах осуществления согласно изобретению, как правило, могут представлять собой световоды в форме стержня или бруска, имеющие высоту H, ширину W и длину L, простирающиеся в взаимно перпендикулярных направлениях и являющиеся в вариантах осуществления прозрачными, или прозрачными и люминесцентными. Свет направляют, как правило, в направлении длины L. Высота H в вариантах осуществления составляет <10 мм, в других вариантах осуществления <5 мм, в еще одних вариантах осуществления <2 мм. Ширина W в вариантах осуществления составляет <10 мм, в других вариантах осуществления <5 мм, в еще одних вариантах осуществления <2 мм. Длина L в вариантах осуществления больше, чем ширина W и высота H, в других вариантах осуществления по меньшей мере в 2 раза больше ширины W или в 2 раза больше высоты H, в еще одних вариантах осуществления по меньшей мере в 3 раза больше ширины W или в 3 раза больше высоты H. Аспектное отношение высота H: ширина W обычно составляет 1:1 (например, для применения в основном источнике света) или 1:2, 1:3 или 1:4 (например, для применения в специальном источнике света, таком как головные лампы) или 4:3, 16:10, 16:9 или 256:135 (например, для дисплейных применений). Световоды, как правило, содержат поверхность для входа света и поверхность выхода света, которые не размещены в параллельных плоскостях, а в вариантах осуществления поверхность входа света перпендикулярна поверхности выхода света. Для достижения высокой яркости, концентрированного светового выхода площадь поверхности выхода света может быть меньше, чем площадь поверхности входа света. Поверхность выхода света может иметь любую форму, но в варианте осуществления она имеет форму квадрата, прямоугольника, круга, овала, треугольника, пятиугольника или шестиугольника.
Прозрачные световоды в вариантах осуществления могут содержать прозрачную подложку, на которой эпитаксиально выращивают множество источников света, например, СИД. Подложка в вариантах осуществления представляет собой монокристаллическую подложку, такую как, например, сапфировая подложка. Прозрачная подложка роста для источников света в этих вариантах осуществления представляет собой светособирающий световод.
Как правило, световод в форме стержня или в форме бруска может иметь любую форму поперечного сечения, но в вариантах осуществления имеет форму поперечного сечения квадрата, прямоугольника, круга, овала, треугольника, пятиугольника или шестиугольника. Как правило, световод представляет собой кубоид, но ему может быть придана форма, отличная от кубоида с поверхностью входа света, имеющей отчасти форму трапецоида. При этом световой поток даже может быть усилен, что может быть выгодным для некоторых применений.
Световоды также могут представлять собой стержни цилиндрической формы. В вариантах осуществления стержни цилиндрической формы имеют одну уплощенную поверхность вдоль продольного направления стержня, и на которой могут быть размещены источники света для эффективного выведения света, испускаемого источниками света, в световод. Уплощенная поверхность также может быть использована для размещения поглотителей тепла. Цилиндрический световод также может иметь две уплощенные поверхности, например, расположенные друг напротив друга или расположенные перпендикулярно друг к другу. В вариантах осуществления уплощенная поверхность простирается вдоль части продольного направления цилиндрического стержня.
Световоды, изложенные ниже в вариантах осуществления согласно изобретению, также могут быть сложенными, изогнутыми и/или профилированными в направлении длины так, чтобы световод не представлял собой прямой, линейный брусок или стержень, но мог содержать, например, скругленный угол в форме изгиба на 90 или 180 градусов, U-образную форму, круговую или эллиптическую форму, форму петли или трехмерной спирали, имеющей несколько петель. Это предусматривает наличие компактного световода, у которого общая длина, вдоль которой, как правило, направляют свет, является относительно большой, что приводит к относительно высокой светосиле, но в то же время может быть размещен в относительно небольшом пространстве. Например, люминесцентные части световода могут быть жесткими, тогда как прозрачные части световода являются гибкими, чтобы можно было обеспечить возможность придания формы световоду вдоль его направления длины. Источники света могут быть размещены, где угодно вдоль длины сложенного, изогнутого и/или имеющего определенную форму световода.
Материалы, пригодные для световодов, изложенные ниже согласно вариантам осуществления изобретения, представляют собой сапфир, поликристаллический корунд и/или нелегированные прозрачные гранаты, такие как YAG, LuAG, обладающие показателем преломления n=1,7. Дополнительное преимущество этого материала (приведенного выше, например, стекла) состоит в том, что он обладает хорошей теплопроводностью, с ослаблением, таким образом, локального нагрева. Другие пригодные материалы включают в себя, но не ограничены этим, стекло, кварц и прозрачные полимеры. В других вариантах осуществления материалом световода является свинцовое стекло. Свинцовое стекло - это разновидность стекла, в котором свинец заменяет кальций в обычном калиевом стекле, и таким путем показатель преломления может быть повышен. Обычное стекло обладает показателем преломления n=1,5, тогда как добавление свинца приводит к показателю преломления в диапазоне до 1,7.
Световоды, изложенные ниже согласно вариантам осуществления изобретения, могут содержать пригодный люминесцентный материал для преобразования света в другое спектральное распределение. Пригодные люминесцентные материалы включают в себя неорганические люминофоры, такие как легированный YAG, LuAG, органические люминофоры, органические флуоресцентные красители и квантовые точки, которые очень пригодны в целях вариантов осуществления настоящего изобретения, изложенных ниже.
2
2
Квантовые точки представляют собой небольшие кристаллы полупроводникового материала, как правило, обладающего шириной или диаметром лишь несколько нанометров. При возбуждении падающим светом квантовая точка излучает свет цвета, определяемого размером и материалом кристалла. Поэтому свет конкретного цвета может быть получен путем подбора размера точек. Наиболее известные квантовые точки с испусканием в видимом диапазоне созданы на основе селенида кадмия (CdSe) с такой оболочкой, как сульфид кадмия (CdS) и сульфид цинка (ZnS). Также могут быть использованы бескадмиевые квантовые точки, такие как фосфид индия (InP) и сульфид индия и меди (CuInS) и/или сульфид индия и серебра (AgInS). Квантовые точки показывают очень узкую полосу испускания и, таким образом, они показывают насыщенные цвета. Дополнительно, цвет излучения можно легко настроить путем подбора размера квантовых точек. В вариантах осуществления настоящего изобретения может быть использован любой тип квантовой точки, известный из уровня техники. Однако по причинам безопасности окружающей среды может быть предпочтительным использование бескадмиевых квантовых точек или по меньшей мере квантовых точек, обладающих очень низким содержанием кадмия.
Также можно использовать органические флуоресцентные красители. Молекулярная структура может быть выполнена так, чтобы положение спектрального максимума можно было настраивать. Примерами пригодных материалов органических флуоресцентных красителей являются органические люминесцентные материалы на основе производных перилена, например, соединений, продаваемых под наименованием Lumogen от BASF. Примеры пригодных соединений включают в себя, но не ограничены этим, Lumogen красный F305, Lumogen оранжевый F240, Lumogen желтый F083 и Lumogen F170.
3
5
12
3
l5
12
1-x
3
2-x-z
x
5-y
8-y
y
z
Люминесцентный материал также может представлять собой неорганический люминофор. Примеры материалов неорганического люминофора включают в себя, но не ограничены этим, YAG (YAlO) или LuAG (LuAO), легированный церием (Ce). YAG, легированный Ce, излучает желтоватый свет, тогда как LuAG, легированный Ce, излучает желтовато-зеленоватый свет. Примеры других неорганических материалов люминофоров, которые излучают красный свет, могут включать в себя, но не ограничены ECAS и BSSN; ECAS представляет собой CaAlSiN:Eux, в котором 0<x≤1, в других вариантах осуществления 0<x≤0,2; а BSSN представляет собой BaMSiAlyNO:Eu, где M представляет собой Sr или Ca, 0≤x≤1, 0<y≤4, и 0,0005≤z≤0,05, а в вариантах осуществления 0≤x≤0,2.
(1-x-y)
x
y
3
(1-z)
z
5
12
3
5
12
(1-x-y)
x
y
2
3
(1-x-y)
x
y
(1-z)
(1-x-y)
x
y
(2-x)
x
2
7
(1-x)
x
(1-y)
y
3
В вариантах осуществления изобретения, изложенных ниже, люминесцентный материал выполнен из материала, выбранного из группы, содержащей (M<I>M<II>M<III>)(M<IV>M<V>)O, где M<I> выбран из группы, содержащей Y, Lu или их смеси, M<II> выбран из группы, содержащей Gd, Tb, La, Yb или их смеси, M<III> выбран из группы, содержащей Tb (когда M<II> - это не Tb), Pr, Ce, Er, Nd, Eu или их смеси, M<IV> представляет собой Al, M<V> выбран из группы, содержащей Ga, Sc или их смеси, такой как иттрий-алюминиевый гранат(YAG, YAlO), легированный Ce, и лютеций-алюминиевый гранат (LuAG), легированный Ce; и 0≤x≤1, 0<y≤0,1, 0<z<1, (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбран из группы, содержащей Y, Lu или их смеси, M<II > выбран из группы, содержащей Gd, La, Yb или их смеси, M<III> выбран из группы, содержащей Tb, Pr, Ce, Er, Nd, Eu, Bi, Sb или их смеси, и 0<x≤1, 0<y≤0,1, (M<I>M<II>M<III>)SSe, где M<I> выбран из группы, содержащей Ca, Sr, Mg, Ba или их смеси, M<II> выбран из группы, содержащей Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr, Sb, Sn или их смеси, M<III> выбран из группы, содержащей K, Na, Li, Rb, Zn или их смеси, и 0<x≤0,01, 0<y≤0,05, 0≤z<1, (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбран из группы, содержащей Ca, Sr, Mg, Ba или их смеси, M<II> выбран из группы, содержащей Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr или их смеси, M<III> выбран из группы, содержащей K, Na, Li, Rb, Zn или их смеси, и 0<x≤0,1, 0<y≤0,1, (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбран из группы, содержащей La, Y, Gd, Lu, Ba, Sr или их смеси, M<II> выбран из группы, содержащей Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm, Tm или их смеси, M<III> выбран из группы, содержащей Hf, Zr, Ti, Ta, Nb или их смеси, и 0<x≤1, (M<I>M<II>M<III>M<IV>)O, где M<I> выбран из группы, содержащей Ba, Sr, Ca, La, Y, Gd, Lu или их смеси, M<II> выбран из группы, содержащей Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm, Tm или их смеси, M<III> выбран из группы, содержащей Hf, Zr, Ti, Ta, Nb или их смеси, и M<IV> выбран из группы, содержащей Al, Ga, Sc, Si или их смеси, и 0<x≤0,1, 0<y≤0,1, или их смеси.
Люминесцентный световод может иметь центральную длину волны в пределах синего цветового диапазона, или в пределах зеленого цветового диапазона, или в пределах красного цветового диапазона. Синий цветовой диапазон задан в пределах 380-495 нанометров, зеленый цветовой диапазон задан в пределах 495-590 нанометров, а красный цветовой диапазон задан в пределах 590-800 нанометров.
Выбор люминофоров, которые могут быть использованы в вариантах осуществления в качестве альтернативы или в дополнение к люминофорам, описанным выше, приведены в Таблице 1 ниже, наряду с максимальной длиной волны излучения.
Таблица 1
Люминофор
Максимальная длина волны [нм]
CaGa<sub>2</sub>S<sub>4</sub>:Ce
475
SrGa<sub>2</sub>S<sub>4</sub>:Ce
450
BaAl<sub>2</sub>S<sub>4</sub>:Eu
470
CaF<sub>2</sub>:Eu
435
Bi<sub>4</sub>Si<sub>3</sub>O<sub>12</sub>:Ce
470
Ca<sub>3</sub>Sc<sub>2</sub>Si<sub>3</sub>O<sub>12</sub>:Ce
490
Световоды, изложенные ниже согласно вариантам осуществления изобретения, могут содержать области с различной плотностью пригодного люминесцентного материала для преобразования света в другое спектральное распределение. В варианте осуществления прозрачный световод содержит две части рядом друг с другом, и только одна из них содержит люминесцентный материал, а другая часть является прозрачной или обладает относительно низкой концентрацией люминесцентного материала. В другом варианте осуществления световод содержит еще одну, третью часть, прилегающую ко второй части, которая содержит другой люминесцентный материал или имеет другую концентрацию того же люминесцентного материала. Различные части могут быть составлены как одно целое так, чтобы они образовывали один кусок или один световод. В варианте осуществления частично отражающий элемент может быть размещен между различными частями световода, например, между первой частью и второй частью. Частично отражающий элемент подобран для передачи света с одной конкретной длиной волны или спектральным распределением и для отражения света с другой, отличающейся конкретной длиной волны или спектральным распределением. Частично отражающий элемент, таким образом, может представлять собой дихроичный элемент, такой как дихроичное зеркало.
В другом варианте осуществления (не показан) множество областей преобразования длины волны люминесцентного материала расположено на поверхности входа света прозрачного световода выше или поверх множества источников света, таких как СИДы. Таким образом, площадь поверхности каждого из множества областей преобразования длины волны соответствует площади поверхности каждого из упомянутого множества источников света, вследствие чего свет от источников света вводится в прозрачный световод через области люминесцентного материала. Преобразованный свет затем вводят в прозрачную часть световода, а впоследствии направляют к поверхности выхода света. Области преобразования длины волны могут быть расположены на поверхности входа света или они могут быть образованы в световоде. Области преобразования длины волны могут образовывать часть однородного слоя, расположенного на или в световоде на поверхности входа света. Части однородного слоя, простирающегося между двумя соседними областями преобразования длины волны, могут быть прозрачными и могут дополнительно или в качестве альтернативы иметь тот же показатель преломления, что и области преобразования длины волны. Различные области преобразования длины волны могут содержать отличные друг от друга люминесцентные материалы. Расстояние между источниками света и люминесцентными областями может составлять менее 2 мм, менее 1 мм или менее 0,5 мм.
in
in
in
out
out
in
out
in
out
out
in
in
out
out
out
out
in
in
В вариантах осуществления светоизлучающего прибора согласно изобретению, изложенных ниже, может быть обеспечена вводящая структура или вводящая среда для эффективного выведения света, испускаемого источником света, в световод. Вводящая структура может представлять собой рефракционную структуру, обладающую топологическими элементами, такими как, например, выступы и углубления, образующие структуру для создания формы волны. Типичный размер топологических элементов вводящей структуры составляет от 5 мкм до 500 мкм. Форма топологических элементов может быть, например, полусферической (линзы), призматической, синусоидальной или произвольной (например, подвергнутой пескоструйной обработке). Путем выбора подходящей формы можно отрегулировать количество света, вводимого в световод. Рефракционные структуры могут быть изготовлены с помощью механического средства, например, путем обрубки зубилом, пескоструйной обработки, и т.п. В качестве альтернативы рефракционные структуры могут быть изготовлены путем деления в подходящем материале, таком как, например, полимерный или золь-гелевый материал. В качестве альтернативы вводящая структура может представлять собой дифракционную структуру, где типичный размер топологических элементов дифракционной вводящей структуры составляет от 0,2 мкм до 2 мкм. Углы дифракции θ внутри световода заданы уравнением брэгговской решетки λ/Λ=n⋅sinθ-n⋅sinθ, где θ - это длина волны света СИД, Λ - период решетки, n и n - показатели преломления внутри и снаружи световода, θ и θ - соответственно, угол дифракции внутри и угол падения снаружи световода. Если мы предположим одинаковый показатель преломления n=1 для слоя и вводящей среды с низким показателем, мы обнаружим, что при условии полного внутреннего отражения n sinθ=n, соблюдается следующее условие: λ/Λ=1-sinθ, т.е. Λ=λ для обычного угла падения θ=0. Как правило, не все другие углы θ дифрагируют в световод. Это может случиться, только если его показатель преломления n будет достаточно высоким. Из уравнения решетки следует, что для условия n≥2 все углы дифрагируют, если Λ=λ. Также могут быть использованы и другие периоды и показатели преломления, которые приводят к получению меньшего количества света, который дифрагирует в световод. Дополнительно, как правило, передается большое количество света (0-й порядок). Количество дифрагированного света зависит от формы и высоты структур решетки. Выбирая подходящие параметры, можно настраивать количество света, вводимого в световод. Такие дифракционные структуры легче всего можно изготавливать путем деления из структур, которые были изготовлены, например, путем, электронно-лучевой литографии или голографии. Деление можно осуществлять таким способом, как литография путем мягкой нанопечати. Вводящая среда может представлять собой, например, воздух или другой пригодный материал.
Вернемся теперь к ФИГ.1, где показан трехмерный вид в перспективе светоизлучающего прибора 1000, содержащего световод 4000, выполненный с возможностью преобразования входящего света с первым спектральным распределением в свет со вторым, отличающимся спектральным распределением. Световод 4000, показанный на ФИГ.1, содержит или структурирован в виде структуры 6000 преобразователя длины волны, имеющей первую преобразующую часть 6110 в виде преобразователя длин волн из УФ в синий свет, и вторую преобразующую часть 6120 в виде люминофора, предназначенного для испускания белого света 1400, исходя из синего света, поступающего из первой преобразующей части 6110. Следовательно, светоизлучающий прибор 1000, показанный на ФИГ.1, содержит источник света в виде множества СИДов 2100, 2200, 2300, излучающих свет в диапазоне длин волн от УФ до синего света. СИДы 2100, 2200, 2300 расположены на основании или на подложке 1500. В частности, первая преобразующая часть 6110 содержит поликристаллический кубический иттрий-алюминиевый гранат (YAG), легированный ионами редкоземельных элементов, а в варианте осуществления - европия и/или тербия, тогда как вторая преобразующая часть 6120 содержит желтый люминофор. Этот вариант осуществления является выгодным в том, что площадь поверхности выхода света будет меньше площади поверхности, требуемой для составления источника света, состоящего из СИДов прямого свечения. Таким образом, может быть реализован выигрыш в оптическом факторе.
Альтернативы для генерирования белого света с помощью источника синего или УФ-излучения включают в себя, но не ограничены, СИД, излучающие синий свет, причем данный свет преобразуется в зеленый/синий свет в первой преобразующей части 6110, который в свою очередь преобразуется в белый свет посредством второй преобразующей части, обеспечиваемой в виде красного люминофора, и СИД, излучающие синий свет, причем данный свет преобразуется в зеленый свет в первой преобразующей части 6110, который в свою очередь смешивается с красным и синим светом, с образованием СИД-источника белого света, причем смешивание достигается посредством второй преобразующей части в форме красного люминофора, перед которой расположен светорассеиватель.
ФИГ.2 показывает светоизлучающий прибор 1001, содержащий световод 4015 согласно вариантам осуществления изобретения, изложенным ниже. Светоизлучающий прибор 1001, показанный на ФИГ.2, содержит вращающийся диск люминофора 1600, и он дополнительно содержит вводящий элемент 7700, расположенный между световодом 4015 и диском люминофора 1600.
Светоизлучающий прибор 1001 дополнительно содержит источник света в форме множества СИДов 2100, 2200, 2300, расположенных на основании или подложке 1500. Множество СИДов 2100, 2200, 2300 используют для возбуждения преобразующей части 6110 световода 4015, для получения света 1700, обладающего третьим спектральным распределением, такого как зеленый или синий свет. Диск люминофора 1600, который вращается в направлении вращения 1610 вокруг оси вращения 1620, используют для преобразования света 1700, обладающего третьим спектральным распределением, в свет 1400, обладающим вторым спектральным распределением, такой как красный и/или зеленый свет. Следует отметить, что в принципе возможно любое сочетание цветов света 1700 и света 1400.
Как показано на ФИГ.2, иллюстрирующей диск люминофора 1600 в поперечном сечении на виде сбоку, диск люминофора 1600 используют в прозрачном режиме, т.е. падающий свет 1700, входящий в диск люминофора 1600 на одной стороне, проходит через диск люминофора 1600 и испускается с его противоположной стороны, образующей поверхность 4200 выхода света. В качестве альтернативы диск люминофора 1600 можно использовать в отражающем режиме (не показан) таким образом, чтобы свет испускался с той же поверхности, что и поверхность, через которую он входит в диск люминофора.
Диск люминофора 1600 может содержать только один люминофор на всей его поверхности. В качестве альтернативы диск люминофора 1600 также может содержать сегменты без какого-либо люминофора так, чтобы также можно было передавать часть света 1700 без преобразования. Таким путем можно последовательно генерировать другие цвета. В другом альтернативном варианте диск люминофора 1600 также может содержать множество сегментов люминофора, например, сегменты люминофоров, излучающих, соответственно, желтый, зеленый и красный свет, например, для создания многоцветного светового выхода. В еще одном альтернативном варианте светоизлучающий прибор 1001 может быть выполнен с возможностью генерирования белого света путем использования мозаичного рисунка из отражающего люминофора на диске люминофора 1600.
В варианте осуществления вводящий элемент 7700 представляет собой оптический элемент, пригодный для коллимирования света 1700, падающего на диск люминофора 1600, но он также может представлять собой вводящую среду или вводящую структуру, такую как, например, вводящая среда или вводящая структура 7700, описанная выше. Светоизлучающий прибор 1001 может дополнительно содержать дополнительные линзы и/или коллиматоры. Например, дополнительная оптика может быть размещена так, чтобы коллимировать свет, испускаемый источниками света 2100, 2200, 2300, и/или свет 1400, испускаемый светоизлучающим прибором 1001.
ФИГ.3 показывает световод 4020, который содержит оптический элемент 8010, расположенный со светопринимающей гранью 8060 в оптической связи с поверхностью 4200 выхода света световода 4020. Оптический элемент 8010 изготавливают из материала, обладающего высоким показателем преломления, в варианте осуществления показатель преломления выше или равен показателю преломления световода 4020, и содержит четырехугольное поперечное сечение и две суженные стороны 8030 и 8040. Суженные стороны 8030 и 8040 наклонены наружу от поверхности 4200 выхода света световода 4020, так что свет покидает грань 8050 оптического элемента 8010, который обладает большей площадью поверхности, чем как светоприемная грань 8060, так и поверхность 4200 выхода света световода 4020. Оптический элемент 8010 может в качестве альтернативы иметь больше, чем две, в частности, четыре суженные стороны. В качестве альтернативы оптический элемент 8010 имеет круговое поперечное сечение и одну периферийную суженную сторону. При таком расположении, свет будет отражаться на наклонных сторонах 8030 и 8040, и будет большой шанс его выхода, если он будет сталкиваться со световыпускающей гранью 8050, поскольку световыпускающая грань 8050 очень велика, по сравнению с светоприемной гранью 8060. Форма сторон 8030 и 8040 также может быть искривленной, и ее выбирают таким образом, чтобы весь свет выходил через световыпускающую грань 8050.
Оптический элемент также может быть полностью образован из световода 4020, например, путем придания формы части световода таким образом, чтобы заранее заданный оптический элемент был сформирован на одном из концов световода. Оптический элемент может, например, иметь форму коллиматора, или может иметь форму поперечного сечения в виде трапецоида, а в варианте осуществления за пределами поверхностей в форме трапецоида может быть снабжен отражающими слоями. Таким образом, принятому свету может быть придана такая форма, чтобы она содержала более крупный размер пятна, при одновременной минимизации потерь света через поверхности, отличные от поверхности выхода света, что, таким образом, также повышает интенсивность испускаемого света. В другом варианте осуществления оптический элемент имеет форму матрицы линз, например, выпуклых или вогнутых линз или их сочетаний. Таким образом, принятому свету может быть придана такая форма, чтобы можно было сформировать сфокусированный свет, расфокусированный свет или их сочетание. В случае матрицы линз становится дополнительно возможным, чтобы испускаемый свет мог содержать два или более отдельных пучка, каждый из которых образован одной или более линзами из матрицы. В более общем смысле, световод может, таким образом, иметь по-разному сформированные части, с различными размерами. Таким образом, обеспечен световод, в котором свет может быть сформирован таким образом, чтобы можно было отрегулировать любое одно или более из направлений испускания света с поверхности выхода света, размер пучка и форму пучка света, испускаемого с поверхности выхода света, в частности, простым способом, например, путем изменения размера и/или формы поверхности выхода света. Таким образом, часть световода функционирует как оптический элемент.
Оптический элемент также может представлять собой элемент для концентрирования света (не показан), расположенный на поверхности для выхода света световода. Элемент для концентрирования света содержит четырехугольное поперечное сечение и две искривленные наружу стороны, вследствие чего поверхность выхода света элемента, концентрирующего свет, имеет большую площадь поверхности, чем поверхность выхода света световода. Элемент для концентрирования света может в качестве альтернативы иметь больше двух, в частности, четыре, суженные стороны. Элемент для концентрирования света может представлять собой составной параболический элемент для концентрирования света (CPC), имеющий параболические искривленные стороны. В качестве альтернативы элемент для концентрирования света имеет круговое поперечное сечение и одну периферийную суженную сторону. Если, в качестве альтернативы показатель преломления элемента, концентрирующего свет, выбран таким образом, чтобы он был ниже, чем показатель преломления световода (но выше, чем показатель преломления воздуха), может быть извлечено все еще заметное количество света. Это предусматривает элемент для концентрирования света, который легок и дешев в изготовлении по сравнению с элементом для концентрирования света, изготовленным из материала с высоким показателем преломления. Например, если световод обладает показателем преломления n=1,8, а элемент для концентрирования света обладает показателем преломления n=1,5 (стекло), может быть достигнуто двукратное усиление светового выхода. Для элемента для концентрирования света с показателем преломления n=1,8, это усиление может составлять примерно 10% и более. Фактически, будет извлечен не весь свет, поскольку на границе между оптическим элементом или элементом для концентрирования света и внешней средой, как правило, представляющей собой воздух, будут возникать френелевские отражения. Эти френелевские отражения могут быть снижены путем использования подходящего антиотражающего покрытия, т.е. диэлектрический пакет с четвертью длины волны или структурой глаза мотылька. В случае, когда световой выход как функция местоположения на световыпускающей грани является неоднородным, зона охвата антиотражающим покрытием может быть изменена, например, путем изменения толщины покрытия.
2
Одним из интересных признаков CPC является то, что сохраняется оптический фактор (= n × площадь × телесный угол, где n - показатель преломления) света. Форма и размер светоприемной грани CPC могут быть подобраны для этих поверхностей выхода света световода и/или наоборот. Большое преимущество CPC состоит в том, что распределение входящего света преобразуется в распределение света, которое оптимально подходит для приемлемого оптического фактора данного применения. Форма световыпускающей грани CPC может быть, например, прямоугольной или круговой, в зависимости от потребностей. Например, для цифрового проектора существуют требования для размера (высоты и ширины) пучка, а также для расхождения. Соответствующий оптический фактор будет сохранен в CPC. В этом случае будет выгодно использовать CPC с прямоугольными светоприемной и световыпускающей гранями, имеющими желаемое отношение высота/ширина используемой индикаторной панели. Для применения точечного источника света требования менее строгие. Световыпускающая грань CPC может быть круговой, но также может иметь и другую форму (например, прямоугольную) для освещения области или желаемого рисунка с особой формой, для проецирования такого рисунка на экраны, стенки, здания, инфраструктуру, и т.д. Хотя CPC придают большую гибкость конструкции, их длина может быть достаточно большой. Как правило, можно сконструировать более короткие оптические элементы с теми же рабочими характеристиками. Для этой цели, форма поверхности и/или выходной поверхности может быть подобрана, например, таким образом, чтобы она имела более искривленную выходную поверхность, такую как для концентрации света. Одним дополнительным преимуществом является то, что CPC можно использовать для преодоления возможных несогласованностей аспектного отношения, когда размер световода ограничен параметрами СИД, а размер световыпускающей грани определяется последующими оптическими компонентами. Дополнительно, можно расположить зеркало (не показано), частично покрывающее световыпускающую грань CPC, например, с использованием зеркала, которое имеет «отверстие» в его центре или вблизи него. Таким путем, выходная плоскость CPC сужается, часть света отражается назад в CPC и световод, и таким образом, выходной оптический фактор света может быть снижен. Это естественно может снизить количество света, которое извлекают из CPC и световода. Однако если это зеркало обладает высокой отражательной способностью, как, например, у зеркала Alanod 4200AG, свет может быть эффективно введен назад в CPC и световод, где он может быть вновь использован в TIR. Это не изменит угловое распределение света, но это будет способствовать изменению положения, в котором свет будет сталкиваться с выходной плоскостью CPC после повторного использования, с повышением, таким образом, светового потока. Таким путем часть света, которой, как правило, можно пожертвовать для снижения оптического фактора системы, может быть повторно приобретена и использована для повышения, например, однородности. Это особо важно, если систему используют в применении в цифровом проецировании. Выбирая различными путями зеркало, можно использовать один и тот же комплект CPC и световода для работы с системами с использованием различных размеров панели и аспектных отношений без необходимости в жертвовании большим количеством света. Таким путем одну-единственную систему можно использовать для различных применений в цифровом проецировании.
Путем использования любой одной из вышеприведенных структур, описанных применительно к ФИГ.3, можно решить проблемы, связанные с извлечением света из материала световода с высоким показателем преломления в материал с низким показателем преломления, такой как воздух, в частности, связанные с эффективностью извлечения.
Применительно к ФИГ.4 и 5, будут описаны различные возможности для обеспечения распределения света, имеющего определенную форму. ФИГ.4 показывает вид в перспективе световода 4040, которому придана форма по всей его длине для обеспечения определенной формы поверхности выхода света 4200. Световод 4040 может представлять собой прозрачный световод или световод, выполненный с возможностью преобразования света с первым спектральным распределением в свет со вторым спектральным распределением. Часть 4501 световода 4040, простирающаяся по всей длине световода 4040, в частности, граничащая с поверхностью 4500 и напротив поверхности 4100 входа света, была удалена, для обеспечения световода 4040 с формой, соответствующей желаемой форме распределения света на поверхности 4200 выхода света, причем форма простирается по всей длине световода 4040 от поверхности 4200 выхода света до противоположной поверхности 4600.
ФИГ.5 показывает вид сбоку световода 4050, которому придана форма на части его длины, для обеспечения определенной формы поверхности выхода света 4200. Световод 4050 может представлять собой прозрачный световод или световод, выполненный с возможностью преобразования света с первым спектральным распределением в свет со вторым спектральным распределением. Часть 4501 световода 4050, простирающаяся через часть длины световода 4050, была удалена, в частности, граничащая с поверхностью 4500 и напротив поверхности 4100 входа света, например, для обеспечения световода 4050 с формой, соответствующей желаемой форме распределения света на поверхности 4200 выхода света, причем форма простирается через часть длины световода 4050, граничащую с поверхностью 4200 выхода света.
Другая часть или более одной части световода может быть удалена, например, для обеспечения других форм поверхности выхода света. Таким путем может быть получена любая возможная форма поверхности выхода света. Также световод может быть частично или полностью разделен на несколько частей, имеющих различные формы, вследствие чего могут быть получены более сложные формы. Часть или части, удаляемые из световода, могут быть удалены, например, путем распиливания, отрезания, и т.п., с последующей полировкой поверхности, которую оставляют после удаления части или частей. В другом альтернативном варианте центральная часть световода может быть удалена, например, путем высверливания, например, для обеспечения отверстия в поверхности выхода света.
В альтернативном варианте осуществления распределение света, имеющее конкретную форму, также может быть получено путем поверхностной обработки, например, придания шероховатости части поверхности выхода света световода, при оставлении гладкой оставшейся части поверхности выхода света. В этом варианте осуществления никакие части световода удалять не требуется. Аналогично, возможно любое сочетание вышеприведенных возможностей для получения распределения света, имеющего конкретную форму.
3
5
12
3
5
12
3
5
12
ФИГ.6 показывает вид сбоку осветительной системы, например, цифрового проектора, со световодом 4070, который выполнен с возможностью преобразования падающего света 1300 таким образом, чтобы испускаемый свет 1700 находился в желтом и/или оранжевом диапазоне длин волн, т.е. ориентировочно в диапазоне длин волн 560-600 нм. Световод 4070 может быть обеспечен, например, в виде прозрачного граната, изготовленного из керамических материалов, таких как (Lu,Gd)AlO, (Y,Gd)AlO или (Y,Tb)AlO, легированные Ce. При более высоком содержании Ce и/или более высоких уровнях замещения, например, Gd и/или Tb в пользу Ce, спектральное распределение испускаемого световодом света может быть смещено к более высоким длинам волн. В варианте осуществления световод 4070 является полностью прозрачным.
На поверхности 4200 выхода света обеспечен оптический элемент 9090. Оптический элемент 9090 содержит фильтр 9091 для фильтрации света 1700, испускаемого из световода 4070, например, для обеспечения отфильтрованного света 1701, по меньшей мере один дополнительный источник света 9093, 9094 и оптический компонент 9092, выполненный с возможностью объединения отфильтрованного света 1701 и света, исходящего из по меньшей мере одного дополнительного источника света 9093, 9094, например, для обеспечения общего светового выхода 1400. Фильтр 9091 может представлять собой поглощающий фильтр или отражающий фильтр, который может быть фиксированным или переключаемым. Переключаемый фильтр может быть получен, например, путем обеспечения отражающего дихроичного зеркала, которое может представлять собой низкочастотный фильтр, полосовой или высокочастотный согласно требуемому световому выходу, и переключаемого зеркала и помещения переключаемого зеркала выше по ходу света относительно дихроичного зеркала, если смотреть в направлении распространения света. Дополнительно, для выбора требуемого светового выхода также можно комбинировать два или более фильтра и/или зеркала. Фильтр 9091, показанный на ФИГ.6, представляет собой переключаемый фильтр, способствующий пропусканию неотфильтрованного желтого и/или оранжевого света или отфильтрованного света, в частности, в показанном варианте осуществления, отфильтрованного красного света согласно коммутационному состоянию фильтра 9091. Спектральное распределение отфильтрованного света зависит от используемых характеристик фильтра 9091. Оптический компонент 9092, как показано, может представлять собой поперечную дихроичную призму, также известную как X-куб, или в качестве альтернативы он может представлять собой подходящий комплект отдельных дихроичных фильтров.
В показанном варианте осуществления обеспечены два дополнительных источника света 9093 и 9094, причем дополнительный источник света 9093 представляет собой синий источник света, а дополнительный источник света 9094 представляет собой зеленый источник света. Другие цвета и/или большее количество дополнительных источников света также могут быть возможны. Один или более дополнительных источников света также могут представлять собой световоды согласно вариантам осуществления изобретения, изложенным ниже. Дополнительная возможность состоит в использовании света, отфильтрованного фильтром 9091, в качестве дополнительного источника света. Общий световой выход 1400, таким образом, представляет собой сочетание света 1701, испускаемого световодом 4070 и отфильтрованного фильтром 9091, и света, испускаемого соответствующими двумя дополнительными источниками света 9093 и 9094. Общий световой выход 1400 может успешно представлять собой белый свет.
Решение, показанное на ФИГ.6, выгодно тем, что оно является масштабируемым, экономичным и легко адаптируемым согласно требованиям для данного применения светоизлучающего прибора согласно вариантам осуществления изобретения.
ФИГ.7 показывает вид сбоку световода 4080, который содержит первые источники света 2100, 2200, 2300, излучающие свет с первым спектральным распределением и расположенные прилегающими к поверхности 4100 входа света световода 4080. Световод 4080 дополнительно содержит по меньшей мере один второй источник света 2400, излучающий свет со вторым спектральным распределением, который отличен от первого спектрального распределения и который расположен прилегающим к поверхности 4500 световода 4080, простирающейся параллельно и напротив поверхности 4100 входа света. Световод 4080 выполнен с возможностью преобразования по меньшей мере части света с первым спектральным распределением в свет с третьим спектральным распределением, отличным от первого спектрального распределения, и для направления света со вторым спектральным распределением без его преобразования. Таким путем свет 1700, испускаемый световодом 4080 через поверхность 4200 выхода света, содержит сочетание по меньшей мере света, соответственно, со вторым и третьим спектральное распределение, и, возможно, также света с первым спектральным распределением, поскольку часть этого света может оставаться непреобразованной. В качестве неограничивающего примера, первое спектральное распределение может присутствовать в диапазоне длин волн ниже 400 нм, второе спектральное распределение может присутствовать в красном диапазоне длин волн, т.е. 500-800 нм, а третье спектральное распределение может присутствовать в диапазоне длин волн 400-500 нм. В качестве другого неограничивающего примера первое спектральное распределение может присутствовать в зеленом диапазоне длин волн, т.е. 400-500 нм, второе спектральное распределение может присутствовать в красном диапазоне длин волн, т.е. 500-800 нм, и третье спектральное распределение может присутствовать в диапазоне длин волн 440-600 нм. В качестве еще одного неограничивающего примера первые источники света 2100, 2200, 2300 могут излучать в диапазоне длин волн 440-480 нм, световод 4080 может преобразовывать свет, испускаемый первыми источниками света, в свет с длиной волны в диапазоне 480-600 нм, а второй источник света 2400 может излучать в диапазоне длин волн 600-800 нм. Следует отметить, что в принципе могут быть использованы все возможные сочетания первого, второго и третьего спектрального распределения. Таким образом, можно получить простой и эффективный способ генерирования белого света.
Как показано на ФИГ.7, световод 4080 дополнительно содержит вводящий элемент 7710, выполненный с возможностью введения света, исходящего из второго источника света 2400, в световод 4080. Вводящий элемент 7710 может представлять собой вводящую структуру или вводящую среду, как описано выше. Следует отметить, что вводящий элемент является необязательным элементом и, таким образом, может быть опущен, и в данном случае второй источник света может быть расположен в непосредственном оптическом контакте со световодом.
Может быть обеспечено более одного второго источника света. В этих вариантах осуществления дополнительно можно обеспечить вторые источники света, излучающие свет с различными спектральными распределениями, так что вторые источники света, расположенные на различных поверхностях, излучают свет, обладающий различными спектральными распределениями. Кроме того, в качестве альтернативы или дополнительно вторые источники света могут быть расположены на более чем одной поверхности световода 4080, которые отличны от поверхности 4100 входа света, например, на двух различных поверхностях. Например, по меньшей мере, один второй источник света 2400 может быть расположен на поверхности напротив поверхности 4200 выхода света световода 4080.
Фиг.8A и 8B показывают вид сбоку, соответственно, световода 4090A и световода 4090B, которые содержат, соответственно, теплопоглощающий элемент 7000A, 7000B, расположенный, соответственно, на одной из поверхностей световода 4090A, 4090, отличной от поверхности входа света, в вариантах осуществления на расстоянии примерно 30 мкм или менее от него. Независимо от варианта осуществления соответствующий теплопоглощающий элемент 7000A, 7000B содержит ребра охлаждения 7100, 7200, 7300 для повышения теплоотвода, однако ребра охлаждения являются необязательными элементами. Независимо от варианта осуществления соответствующий теплопоглощающий элемент 7000A, 7000B выполнен так, чтобы он был подогнан к форме поверхности световода и, таким образом, был выполнен с обеспечением соответствующего термического контакта по всей поверхности контакта со световодом. Таким образом, достигается увеличенная поверхность термического контакта, а следовательно, и повышенное охлаждение световода, а существующие пределы допуска на размещение теплопоглощающего элемента становятся менее критическими.
ФИГ.8A показывает, что теплопоглощающий элемент 7000A содержит множество теплопоглощающих частей, в данном случае - четыре теплопоглощающие части 7001, 7002, 7003 и 7004, одна или более из которых, в данном случае все четыре, могут быть снабжены ребрами охлаждения. Очевидно, чем больше теплопоглощающих частей содержит теплопоглощающий элемент 7000A, тем точнее теплопоглощающий элемент 7000 может быть пригнан к поверхности световода. Каждая теплопоглощающая часть 7001, 7002, 7003, 7004 выполнена с обеспечением конформного термического контакта по всей поверхности контакта со световодом. Теплопоглощающие части могут быть расположены на отличных друг от друга расстояниях от поверхности световода. Дополнительно, теплопоглощающий элемент 7000A содержит общий носитель 7050, к которому теплопоглощающие части 7001, 7002, 7003 и 7004 прикреплены по отдельности посредством крепежных элементов, соответственно, 7010, 7020, 7030 и 7040. В качестве альтернативы каждой теплопоглощающей части может быть придан свой собственный носитель. Следует отметить, что эти элементы являются необязательными.
ФИГ.8B показывает, что теплопоглощающий элемент 7000B содержит нижнюю часть 7060, выполненную так, чтобы она была пригнана к форме поверхности световода 4090B, на которой он должен быть расположен. Нижняя часть 7060 является гибкой и может представлять собой, например, слой теплопроводного металла, такой как слой меди. Теплопоглощающий элемент 7000B дополнительно содержит теплопроводящий слой 7070, расположенный между нижним элементом 7060 и остатком теплопоглощающего элемента 7000B для обеспечения повышенной гибкости и прилегаемости теплопоглощающего элемента 7000B. Теплопроводящий слой 7070 может представлять собой, например, теплопроводящую жидкость или пасту. Теплопроводящий слой 7070 в варианте осуществления является сильно отражающим и/или содержит сильно отражающее покрытие. Теплопоглощающий элемент 7000B дополнительно содержит резервуар 7080 для жидкости, расположенный внутри теплопоглощающего элемента 7000B, для генерирования потока жидкости для усиления теплоотвода. В качестве альтернативы резервуар 7080 для жидкости также может быть расположен снаружи на теплопоглощающем элементе 7000B, например, простираться вдоль части или всей внешней периферии теплопоглощающего элемента 7000B. Поток жидкости может быть усилен посредством насоса. Следует отметить, что проводящий слой 7070 и резервуар 7080 для жидкости являются необязательными элементами.
Независимо от варианта осуществления, теплопоглощающий элемент 7000A, 7000B может быть изготовлен из материала, выбранного из меди, алюминия, серебра, золота, карбида кремния, нитрида алюминия, нитрида бора, карбида алюминия-кремния, оксида бериллия, кремния-карбида кремния, карбида алюминия-кремния, сплавов меди и вольфрама, карбидов меди-молибдена, углерода, алмаза, графита и сочетаний двух или более из них. Дополнительно, возможен теплопоглощающий элемент, сочетающий в себе признаки вариантов осуществления, описанные выше. Также можно расположить теплопоглощающий элемент согласно любому из вышеприведенных вариантов осуществления на более чем одной поверхности световода 4090A или 4090B.
Наконец, следует отметить, что обеспечение теплопоглощающего элемента, как описано выше, является особенно выгодным в светоизлучающем приборе, в котором использован источник света, излучающий в красном диапазоне длин волн, и/или который выполнен с возможностью излучения света в инфракрасном диапазоне длин волн, например, за счет включения ИК-излучающего люминофора.
ФИГ.9 показывает вид в перспективе светоизлучающего прибора 1 согласно первому и основному варианту осуществления изобретения. ФИГ.10 показывает вид сбоку светоизлучающего прибора 1 согласно ФИГ.9. Светоизлучающий прибор 1, как правило, содержит множество источников света 21, 22, 23, каждый из которых содержит по меньшей мере один твердотельный источник света, такой как СИД или лазерный диод и световод 4, имеющий поверхность 41 входа света и поверхность 42 выхода света. Подходящие типы СИДов или лазерных диодов описаны выше.
Световод 4 показан, как правило, в форме квадратной пластины, имеющей поверхность 41 входа света, поверхность 42 выхода света, простирающуюся под отличным от нуля углом, относительно поверхности 41 входа света, таким образом, чтобы поверхность 42 выхода света представляла собой торцевую поверхность световода 4. Световод 4 дополнительно содержит первую дополнительную поверхность 46, простирающуюся параллельно и противоположно поверхности 42 выхода света, и, соответственно, вторую, третью и четвертую дополнительную поверхность 43, 44 и 45. Световод 4 также может быть образован, например, в виде бруска или стержня.
Следует отметить, что варианты осуществления, в которых угол между поверхностью 41 входа света и поверхностью 42 выхода света составляет менее 90°, равен 90° и больше 90° все являются возможными и находятся в рамках объема изобретения.
Световод 4 изготавливают из люминесцентного материала, причем пригодные люминесцентные материалы описаны выше. Дополнительно световод 4 в варианте осуществления является прозрачным, люминесцентным, концентрирующим свет или представляет собой комбинацию этого, причем пригодные материалы описаны выше.
Светоизлучающий прибор 1 дополнительно содержит люминофорный элемент 77, расположенный рядом, и согласно вариантам осуществления в оптическом контакте с первой дополнительной поверхностью 46 световода 4. Люминофорный элемент 77 выполнен с возможностью преобразования падающего света в третий свет 17 с третьим спектральным распределением. Первая дополнительная поверхность 46 световода 4 в данном варианте осуществления находится напротив поверхности выхода света 42 световода 4.
Светоизлучающий прибор 1 дополнительно содержит отражающий элемент 76, расположенный рядом или на поверхности 771 люминофорного элемента 77 напротив, или, иными словами, обращенный от первой дополнительной поверхности 46 световода 4. Люминофорный элемент 77, таким образом, расположен между первой дополнительной поверхностью 46 световода 4 и отражающим элементом 76. В варианте осуществления люминофорный элемент 77 и отражающий элемент 76 расположены в оптическом контакте друг с другом.
Как показано в данном варианте осуществления, отражающий элемент 76 расположен в непосредственном контакте с люминофорным элементом 77, а люминофорный элемент 77 расположен в непосредственном контакте с первой дополнительной поверхностью 46. В качестве альтернативы между одним или обоими, соответственно, из отражающего элемента 76 и люминофорного элемента 77 и люминофорного элемента 77 и первой дополнительной поверхности 46 может быть обеспечен зазор. Такой зазор может быть заполнен, например, воздухом или оптическим адгезивом.
Отражающий элемент 76 может представлять собой, например, зеркальное стекло, зеркальную фольгу или зеркальное покрытие, которое может быть наклеено, например, посредством оптического адгезива, нанесено или осаждено на люминофорный элемент 77. Подходящие способы осаждения включают в себя, но не ограничены этим, способы осаждения тонкой пленки, химические способы осаждения и физические способы осаждения.
Отражающий элемент 76, который представлен на ФИГ.9, показанный в виде зеркального стекла, покрывает почти всю площадь поверхности люминофорного элемента 77.
Светоизлучающий прибор дополнительно содержит в этом варианте осуществления оптический элемент 80, расположенный на поверхности 42 выхода света световода 4 и, в этом вариант осуществления, в оптическом контакте с поверхностью 42 выхода света. В варианте осуществления, оптический элемент 80 представляет собой линзу, такую как вогнутая линза, выпуклая линза или сеть линз.
Что касается ФИГ.10, светоизлучающий прибор 1, как правило, работает следующим образом. Первый свет 13, обладающий первым спектральным распределением, испускается источниками света 21, 22, 23. Первый свет 13, обладающий первым спектральным распределением, затем вводятся в световод 4 на поверхности 41 входа света. По меньшей мере часть первого света 13 с первым спектральным распределением преобразуется световодом 4 во второй свет 14, обладающий вторым спектральным распределением. По меньшей мере, часть первого света 13 с первым спектральным распределением и/или часть второго света 14, обладающего вторым спектральным распределением, распространяется через люминофорный элемент 77, отражается от отражающего элемента 76 и распространяется назад через люминофорный элемент 77. По меньшей мере часть света, распространяющегося через люминофорный элемент 77, преобразуется в третий свет 17, обладающий третьим спектральным распределением. Третий свет 17, обладающий третьим спектральным распределением, может проходить через световод почти без преобразований. Наконец, второй свет 14, обладающий вторым спектральным распределением, третий свет 17, обладающий третьим спектральным распределением, и любой оставшийся непреобразованный первый свет 13 с первым спектральным распределением выводится из световода 4 на поверхности 42 выхода света и, таким образом, испускается светоизлучающим прибором 1.
За счет извлечения второго света 14, обладающего вторым спектральным распределением, третьего света 17, обладающего третьим спектральным распределением, и любого оставшегося непреобразованного первого света 13 с первым спектральным распределением, выходящих из световода 4 только через одну его поверхность 42, достигается выигрыш в интенсивности, что, таким образом, приводит к концентрации света, при одновременном обеспечении светового выхода с широким спектральным распределением. Оптический элемент 80 в данном варианте осуществления служит для придания формы свету при наличии линзы, в частности, путем его фокусирования, что, таким образом, приводит к приданию формы свету, например, к дополнительной концентрации света, например, согласно требуемому применению.
Таким путем, может быть обеспечен КЗС-источник света или белый источник света со светом, обладающим высокой мощностью и высокой концентрацией, а также низким оптическим фактором.
Первое спектральное распределение, второе спектральное распределение и третье спектральное распределение в вариантах осуществления являются взаимно различными спектральными распределениями. Таким образом, в варианте осуществления источники света 21, 22, 23 излучают синий свет, световод выполнен с возможностью преобразования синего света в зеленый свет, а люминофорный элемент 77 выполнен с возможностью преобразования синего и/или зеленого света в красный свет.
В варианте осуществления (не показан) оптический элемент содержит селективно отражающий оптический элемент, который селективно отражает заранее заданное спектральное распределение или диапазон длин волн. Оптический элемент, например, содержит дихроичный фильтр или дихроичный фильтр на поверхности выхода света оптического элемента 80, который может представлять собой параболоторический фокон. Таким путем более эффективное преобразование длины волны люминофорным элементом 77 достигается за счет селективного отражения света с заранее заданным спектральным распределением (которое не преобразуется люминофорным элементом в третий свет с третьим спектральным распределением), вследствие чего большая часть света преобразуется люминофорным элементом 77 в третий свет, поскольку свет, отраженный дихроичным фильтром, будет по меньшей мере частично передаваться и приниматься на люминофорном элементе 77, и, таким образом, большая часть света будет преобразовываться в третий свет. Например, селективно отражающий оптический элемент отражает первый свет и второй свет, который затем направляется через световод в люминофорный элемент 77, где он (по меньшей мере, частично) преобразуется в третий свет, с повышением, таким образом, количества третьего света, который будет выходить из световода. Например, в случае красного люминофорного элемента зеленый и/или желтый свет отражается селективно отражающим оптическим элементом и направляется через световод в красный люминофорный элемент, где он (по меньшей мере, частично) преобразуется в красный свет, с обеспечением, таким образом, более эффективного преобразования в красный свет.
В альтернативных вариантах осуществления любая одна или более из поверхностей первого светодиода 4, отличных от поверхности 41 входа света, поверхности 42 выхода света и первой дополнительной поверхности 46, т.е. второй, третьей и четвертой дополнительных поверхностей 43, 44 и 45, может быть снабжена зеркальным элементом или отражающим слоем.
ФИГ.11 показывает график, иллюстрирующий спектральное распределение светового выхода трех различных светоизлучающих приборов. Кривая a) иллюстрирует спектральное распределение светового выхода светоизлучающего прибора согласно изобретению и, как показано на ФИГ.9 и 10, кривая b) иллюстрирует спектральное распределение светоизлучающего прибора типа, описанного во вводном описании, и кривая c) иллюстрирует спектральное распределение светоизлучающего прибора согласно изобретению, содержащего два люминофорных элемента (сравнить, например, с ФИГ.14 и 15). Кривые показывают оптическую мощность рассматриваемого в данном документе светового выхода светоизлучающего прибора как функцию длины волны.
Из ФИГ.11 очевидно, что светоизлучающий прибор согласно изобретению (сравнить с кривой a) предусматривает световой выход со спектральным распределением, обладающим высокой оптической мощностью, т.е. высокоинтенсивным, на значительно более широком диапазоне длин волн по сравнению с прибором уровня техники (сравнить с кривой b).
Также видно, что для светоизлучающего прибора согласно изобретению, содержащего два люминофорных элемента (сравнить с кривой c), максимальная оптическая мощность повышается и смещается к большим длинам волн по сравнению с уровнем техники.
Обратимся теперь к ФИГ.12, где показан вид сбоку второго варианта осуществления светоизлучающего прибора 101 согласно изобретению. Светоизлучающий прибор 101 отличается от прибора, описанного выше применительно к Фиг.9 и 10, тем, что он дополнительно содержит первый теплопоглощающий элемент 70. Первый теплопоглощающий элемент 70, как правило, расположен на поверхности 762 отражающего элемента 76, обращенной от люминофорного элемента 77, и, таким образом, также обращенной от первой дополнительной поверхности 46 световода 4. В данном варианте осуществления первый теплопоглощающий элемент 70 расположен прилегающим к отражающему элементу 76 напротив люминофорного элемента 77.
Первый теплопоглощающий элемент 70 в данном варианте осуществления является непрозрачным и содержит одно или более ребер охлаждения 71, 72, 73 для повышения теплораспределения. Однако следует отметить, что ребра охлаждения 71, 72, 73 можно в принципе опустить.
Первый теплопоглощающий элемент 70 в варианте осуществления изготовлен из металла, такого как медь, железо или алюминий. Первый теплопоглощающий элемент 70 также может быть изготовлен из отражающей керамики, такой как глинозем или нитрид бора. В более общем смысле, пригодные материалы для такого непрозрачного первого теплопоглощающего элемента 70 представляют собой материалы, которые обладают высокой теплопроводностью, т.е. теплопроводностью, большей чем, например, 1 Вт/(м*K), а в варианте осуществления, большей чем 10 Вт/(м*K), или даже большей чем 20 Вт/(K*м).
В вариантах осуществления, показанных в настоящей работе, ребра охлаждения 71, 72, 73 первого теплопоглощающего элемента 70 простираются в поперечном направлении теплопоглощающего элемента или, иными словами, в смонтированном положении теплопоглощающего элемента - в направлении, практически перпендикулярном как поверхности 42 выхода света, так и первой дополнительной поверхности 46 световода 4. Также возможны и альтернативные варианты осуществления, в которых ребра охлаждения теплопоглощающего элемента простираются в любых других направлениях, например, в продольном направлении теплопоглощающего элемента или, иными словами, параллельно поверхности 42 выхода света световода 4.
В вариантах осуществления, показанных в настоящей работе, первый теплопоглощающий элемент 70 простирается по всей области поверхности 762 отражающего элемента 76 напротив люминофорного элемента 77. Однако также возможны и альтернативные варианты осуществления, в которых первый теплопоглощающий элемент 70 простирается только по части области поверхности 762 отражающего элемента 76 напротив люминофорного элемента 77. Также возможны дополнительные или альтернативные варианты осуществления, в которых теплопоглощающий элемент также простирается по части или всем четырем дополнительным поверхностям, из которых три обозначены как 763, 764 и 765, тогда как четвертая не видна на ФИГ.12, отражающего элемента 76, простирающегося между поверхностью 762 отражающего элемента 76, обращенного от люминофорного элемента, и поверхности 761 отражающего элемента 76, простирающегося прилегающим к люминофорному элементу 77.
Обратимся теперь к ФИГ.13, где показан вид сбоку третьего варианта осуществления светоизлучающего прибора 102 согласно изобретению. Светоизлучающий прибор 102 содержит альтернативный вариант осуществления первого теплопоглощающего элемента 701, который отличается от первого теплопоглощающего элемента 70, показанного на ФИГ.12, тем, что он образует часть по меньшей мере частично периферийной внешней стенки светоизлучающего прибора 102. Точнее говоря, первый теплопоглощающий элемент 701 содержит три части 710, 711, 712, каждая из которых образует часть по меньшей мере частично периферийной внешней стенки светоизлучающего прибора 102. В качестве альтернативы первый теплопоглощающий элемент 701 может содержать одну, две или даже четыре части по меньшей мере частично периферийной внешней стенки светоизлучающего прибора 102.
Первый теплопоглощающий элемент 70 или 701 может дополнительно представлять собой любой один или более из пассивно охлаждаемого и теплопоглощающего элемента с жидкостным охлаждением. Пассивное охлаждение может быть обеспечено посредством ребер охлаждения, таких как ребра охлаждения 71, 72, 73, показанные на ФИГ.12, и/или посредством дополнительного воздуходувного устройства, такого как вентилятор. Жидкостное охлаждение, например, может быть обеспечено путем обеспечения первого теплопоглощающего элемента 70 или 701 с каналами для прохождения охлаждающей жидкости.
Обратимся теперь к ФИГ.14, где показан вид сбоку четвертого варианта осуществления светоизлучающего прибора 103 согласно изобретению. Светоизлучающий прибор 103 отличается от светоизлучающих приборов, описанных выше, тем, что он содержит второй теплопоглощающий элемент 78, 79 и два люминофорных элемента 771, 772.
Второй теплопоглощающий элемент 78, 79, как правило, расположен на поверхности 812, 813 оптического элемента 80, обращенной от и простирающейся прилегающей к поверхности 42 выхода света световода 4. Второй теплопоглощающий элемент 78, 79 в варианте осуществления находится не в непосредственном (оптическом) контакте с оптическим элементом 80, а скорее расположен с зазором между вторым теплопоглощающим элементом и оптическим элементом, причем зазор составляет более около 1 мкм. Зазор не должен быть больше чем около 10 мкм, для обеспечения хорошего термического контакта.
Как показано на ФИГ.14, оптический элемент 80 имеет конструкцию, имеющую две поверхности 812, 813, обращенные от и простирающиеся прилегающими к поверхности 42 выхода света световода 4 и дополнительно простирающиеся между поверхностью 810, простирающейся параллельно и прилегающей к поверхности 42 выхода света световода 4 и поверхностью 811, простирающейся параллельно и напротив поверхности 810 (сравнить также с ФИГ.9). Следовательно, светоизлучающий прибор 103 также содержит два вторых теплопоглощающих элемента 78 и 79.
В вариантах осуществления, показанных в настоящей работе, вторые теплопоглощающие элементы 78, 79 простираются по всей области соответствующих поверхностей 812, 813 оптического элемента 80, обращенного от и простирающегося прилегающим к поверхности 42 выхода света световода 4. Однако также возможны альтернативные варианты осуществления, в которых вторые теплопоглощающие элементы 78, 79 простираются только по части области соответствующих поверхностей 812, 813 оптического элемента 80, обращенного от и простирающегося к прилегающим к поверхности 42 выхода света световода 4.
Вторые теплопоглощающие элементы 78, 79 могут быть изготовлены из отражающего материала. Дополнительно, также можно обеспечить дополнительные теплопоглощающие элементы или обеспечить вторые теплопоглощающие элементы, простирающиеся также по меньшей мере по части поверхностей оптического элемента 80, простирающегося между поверхностями 812 и 813.
Два люминофорных элемента 771, 772 расположены между первой дополнительной поверхностью 46 световода 4 и отражающим элементом 76. Два люминофорных элемента 771, 772 в вариантах осуществления обеспечены в виде различных люминофоров, т.е. в виде люминофоров, выполненных с возможностью излучения света, обладающего отличными друг от друга спектральными распределениями. Тем самым может быть обеспечен светоизлучающий прибор 103 со световым выходом, обладающим даже еще более широким спектральным распределением.
Обратимся теперь к ФИГ.15, где показан вид сбоку пятого варианта осуществления светоизлучающего прибора 104 согласно изобретению. Здесь оптический элемент 80 имеет конструкцию, в которой одна периферийная поверхность 812 простирается между взаимно противоположными поверхностями 810 и 811, а следовательно, один периферийный второй теплопоглощающий элемент 78 простирается по меньшей мере по части периферийной поверхности 812.
Независимо от варианта осуществления второй теплопоглощающий элемент 78 может дополнительно представлять собой любой один или более из пассивно охлаждаемого и теплопоглощающего элемента с жидкостным охлаждением. Пассивное охлаждение может быть обеспечено посредством ребер охлаждения и/или посредством дополнительного воздуходувного устройства, такого как вентилятор. Жидкостное охлаждение может быть обеспечено, например, путем обеспечения второго теплопоглощающего элемента 78 с каналами для пропускания охлаждающей жидкости.
В вариантах осуществления второй теплопоглощающий элемент 78, 79 является непрозрачным. В вариантах осуществления второй теплопоглощающий элемент 78, 79 является отражающим для света, но не для теплового излучения, и/или он содержит светоотражающее покрытие на поверхности, обращенной к оптическому элементу 80.
В вариантах осуществления второй теплопоглощающий элемент 78, 79 изготавливают из металла, такого как медь, железо или алюминий. Независимо от варианта осуществления, второй теплопоглощающий элемент 78, 79 также может быть изготовлен из отражающей керамики, такой как глинозем или нитрид бора. В более общем смысле, подходящими материалами для такого непрозрачного второго теплопоглощающего элемента 78, 79 являются материалы, которые обладают высокой теплопроводностью, т.е. теплопроводностью, составляющей, например, более 1 Вт/(м*K), а в варианте осуществления более 10 Вт/(м*K)) или даже более 20 Вт/(м*K).
Светоизлучающий прибор 104, показанный на ФИГ.15, дополнительно содержит второй люминофорный элемент 90, расположенный между поверхностью 42 выхода света световода 4 и оптическим элементом 80. Люминофорные элементы 77 и 90 в вариантах осуществления обеспечены в виде различных люминофоров, т.е. в виде люминофоров, выполненных с возможностью излучения света, обладающего отличным друг от друга спектральным распределением. Тем самым, может быть обеспечен светоизлучающий прибор 104 со световым выходом, имеющим даже более широкое спектральное распределение. Согласно альтернативным вариантам осуществления люминофорные элементы 77 и 90 обеспечены в виде идентичных люминофоров, т.е. в виде люминофоров, возможностью излучения света, обладающих идентичным спектральным распределением.
cpc_охлаждение
2
Наконец, ФИГ.16 показывает график, иллюстрирующий эффект охлаждения с точки зрения снижения температуры второго люминофорного элемента 90 как функции логарифма коэффициента теплопереноса снаружи оптического элемента в форме параболоторического фокона (CPC), h, измеренного в Вт/мK, для второго теплопоглощающего элемента 78 для трех различных светоизлучающих приборов согласно ФИГ.15 с четырьмя различными линзами в качестве оптических элементов.
cpc_охлаждение
cpc_охлаждение
cpc_охлаждение
cpc_охлаждение
2
2
2
В качестве примера, вторая кривая сверху, обозначенная треугольниками на ФИГ.16, показывает результаты измерений, выполненных на светоизлучающем приборе согласно изобретению и с оптическим элементом 80 в форме линзы, изготовленной из стекла с теплопроводностью или значением k, составляющим 1,4 Вт/мK, и с различными вторыми теплопоглощающими элементами 78, 79, обладающими значениями h в диапазоне от h=10 Вт/мK таким образом, чтобы они были несколько ниже h=10000 Вт/мK. Как видно, светоизлучающий прибор, снабженный такой линзой и, например, вторым теплопоглощающим элементом 78, обладающим h=100 Вт/мK, может снизить температуру второго люминофорного элемента 90 с 40°C от 280°C до 240°C.
Если смотреть сверху, то остальные две кривые, обозначенные, соответственно, кружочками и ромбиками, показывают результаты аналогичных измерений, выполненных на светоизлучающем приборе согласно изобретению, и с оптическим элементом 80 в форме линзы из стекла с теплопроводностью или k-значением, соответственно, 0,25 Вт/мK и 8 Вт/мK.
Обратимся теперь к ФИГ.17, где показан вид сбоку другого варианта осуществления светоизлучающего прибора 105 согласно изобретению. Светоизлучающий прибор 105 отличается от светоизлучающего прибора, описанного выше, применительно к Фиг.9 и 10, тем, что он дополнительно содержит первый теплопоглощающий элемент 70, на котором обеспечен люминофорный элемент 77. Дополнительно, в данном варианте осуществления оптический элемент 81 обеспечен между световодом 4 и люминофорным элементом 77, однако, этот оптический элемент не является основным, а в других вариантах осуществления нет никакого оптического элемента. Первый теплопоглощающий элемент 70, как правило, расположен на или у поверхности отражающего элемента 76, обращенного от люминофорного элемента 77 и, таким образом, также обращенного от первой дополнительной поверхности 46 световода 4. В данном варианте осуществления первый теплопоглощающий элемент 70 расположен прилегающим к отражающему элементу 76, напротив люминофорного элемента 77. В другом варианте осуществления люминофорный элемент 77 расположен на поверхности теплопоглощающего элемента 70, причем данная поверхность является отражающей, и при этом нет никакого отдельного отражающего элемента.
Первый теплопоглощающий элемент 70 в данном варианте осуществления является непрозрачным и содержит в данном случае одно или более ребер охлаждения для повышения теплораспределения. Однако следует отметить, что ребра охлаждения в принципе можно опустить. Дополнительные варианты осуществления теплопоглощающего элемента 70 описаны применительно к ФИГ.12.
Дополнительно, в данном варианте осуществления обеспечен зазор между люминофорным элементом 77 и оптическим элементом 81, а другой зазор обеспечен между оптическим элементом 81 и первой дополнительной поверхностью 46 световода 4. Свет, покидающий световод 4 через первую дополнительную поверхность 46, проецируется через оптический элемент 81 на и направляется на люминофорный элемент 77, после которого он по меньшей мере частично преобразуется в другую длину волны люминофорным элементом 77 и отражается на отражающем элементе 76, наконец, в оптический элемент 81 и, наконец, по меньшей мере частично преобразованный свет направляется в световод 4 через оптический элемент 81, через первую дополнительную поверхность 46. Таким образом, свет проходит через люминофорный элемент 77, а оптический элемент 18 дважды входит в световод 4 после по меньшей мере частичного преобразования люминофорным элементом 77. Отделение люминофорного элемента 77 от световода 4 зазором повышает терморегулирование световода 4, поскольку тепло, генерированное люминофорным элементом 77, не будет или до меньшей степени не будет передаваться к световоду 4, а следовательно, световод 4 будет претерпевать более слабое повышение температуры. Также тепло, сгенерированное в световоде 4, не будет, или до много меньшей степени не будет передаваться люминофорному элементу, поскольку термическое сопротивление между люминофорным элементом 77 и световодом 4 значительно повышается.
В вариантах осуществления люминофорный элемент 77 содержит области с различными материалами люминофора, такими как пикселированный слой люминофора, например, желтого люминофора и люминофора, который преобразует УФ/фиолетовый свет в синий свет. В варианте осуществления люминофорный элемент содержит области, содержащие материал люминофора, и области, содержащие отражающий материал, для усиления светового выхода для света, выходящего из люминофорного элемента.
В другом варианте осуществления (не показан) нет никакого оптического элемента, а люминофорный элемент 77 обращен к первой дополнительной поверхности 46 световода 4. Иными словами, в этом случае зазор обеспечен между люминофорным элементом 77 и световодом 4.
Специалисты в данной области техники предполагают, что настоящее изобретение не имеет никаких средств для ограничения вариантов осуществления, описанных выше. Напротив, многие модификации и видоизменения возможны в рамках объема прилагаемой формулы изобретения.
В частности, различные элементы и признаки различных вариантов осуществления, описанных в настоящей работе, могут свободно сочетаться между собой.
Дополнительно, видоизменения к раскрытым вариантам осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в области техники при реализации заявленного изобретения, исходя из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественности. Сам факт, что определенные меры перечислены в отличных друг от друга зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что нельзя успешно использовать сочетание этих мер.