專利名稱：包括光回收器件的光源以及相應的光回收器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括發光器件和光回收(recycling)器件的光源，所述光回收器件位于發光器件的光路上。
背景技術：
包括發光器件和光回收器件的光源例如作為包括發射藍色光和/或紫外光的發光二極管(LED)以及LED的光路上的包含磷光體板的光回收器件的光源是已知的，所述磷光體板用于將光的一部分的波長轉換成黃色光以便產生白色光。所述光源的亮度受限于光回收器件內使用的材料的熱導率。在電子器件冷卻的管理中，廣泛使用復合材料以改善熱導率。它們可以用來制造散熱器或者包含在封裝中或者作為半導體器件、印刷電路板中的層等等。在本領域中，光回收材料必須足以回收甚至在高亮度發光器件的焦點處的光。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種包括發光器件和光回收器件的具有增強的熱應用范圍的光源，所述光回收器件設置在發光器件的光路上。為了實現這個目的，光回收器件包括至少一個用于改變通過它的光的至少一個物理特性的光回收部件，以及至少一個能夠傳導光回收部件中產生的熱的導熱部件，所述導熱部件與光回收部件和至少一個散熱器熱接觸。優選地，發光器件是具有不小于1 GO7CdAi2 (彡10坎德拉每平方毫米(等效于10 兆尼特10Mcd/m2))的亮度的高亮度發光器件和/或激光器(激光器通過輻射的受激發射進行光放大)。激光的視亮度(亮度)至少為利用常規LED可達到的視亮度的100倍廣IO9Cd/ m2對 107cd/m2)。激光器優選地為固態激光器和/或激光二極管。在本發明的一個實施例中，光的物理特性的改變是光的波長轉換和/或光的偏振狀態的改變。用于改變光的偏振狀態的光回收部件特別地為延遲(retard)部件或者消偏振部件。依照另一個實施例，光回收部件是磷光體板和/或磷光體膜。磷光體板和/或磷光體膜是公知的波長轉換光回收部件。同時，磷光體板和/或磷光體膜是改變光的偏振狀態的光回收部件。發光器件發射的光或光束用于泵浦所述磷光體板和/或磷光體膜。該磷光體板和/或磷光體膜優選地由鈰摻雜釔鋁石榴石磷光體或陶瓷磷光體制成，尤其是由具有附加摻雜元素(例如鈰或鉺)的“lumiramic”陶瓷磷光體制成。盡管這些部件能夠經受高溫，但是最近的實驗表明，磷光體陶瓷轉換特性對溫度敏感。高溫可以在高亮度發光器件和/或其中功率密度達到數kW/cm2的激光器的焦斑中達到。該焦斑通常位于光回收器件的磷光體板或磷光體膜內。在該實驗中在150°C附近觀察到CECAS類型陶瓷的光強度降低的發射，從350°C開始衰減時間強烈減小。當加熱陶瓷時， 效率強烈降低，例如1瓦的激光器將發生該情形。
焦斑中這種與溫度的依賴性降低了這種光源的最終效率并且可能是一個強烈的技術限制。最近確認了主要原因之一是磷光體材料的非常低的熱導率。陶瓷的熱導率對于最大熱斑溫度具有非常強烈的影響。在本發明的另一個實施例中，發光器件是發射藍色光和/或紫外光的發光器件。 發光器件發射的藍色光和/或紫外光用于泵浦優選地由鈰摻雜釔鋁石榴石磷光體和/或陶瓷磷光體制成的磷光體板或磷光體膜以便產生離開磷光體板或磷光體膜的白色光。在又一個實施例中，導熱部件是光偏振部件。光偏振部件基于吸收偏振器(比如線柵偏振器)和/或分束偏振器(比如反射偏振器、雙折射偏振器和/或薄膜偏振器)。特別地，光偏振部件覆蓋光回收部件的一個完整表面。其中使用偏振光的典型應用是IXD背光和IXD投影(IXD 液晶顯示器)以及用于 LC光束操控器件的選項，在所述操控器件中，LED點源發射的光束利用LC晶胞(LC 液晶)來操縱。此外，偏振光在室內和室外照明中均產生優勢，因為線性偏振光影響表面上的反射， 其允許抑制眩光并且隨后影響受照明環境在視覺銳度、觀察的對比度和顏色飽和度方面的觀察結果。由于該影響，偏振熒光照明器作為商業產品而存在，其在視覺知覺方面具有所述益處。依照本發明的一個優選的實施例，光偏振部件是線柵偏振器。使用高級平版印刷技術，可以制成使可見光偏振的間距非常緊密的金屬柵格。在另一個實施例中，光回收器件的導熱部件形成為設置在光回收部件的表面上和 /或設置在光回收部件的兩個不同部分之間的導熱層。特別地，將兩個導熱層設置在光回收部件的兩個表面上，所述表面彼此相對。依照一個優選的實施例，導熱層為至少部分反射層。特別地，設置在彼此相對的兩個表面上的所述兩個導熱層之一是形成為光偏振層的光偏振部件并且另一層為至少部分反射層。依照另一個優選的實施例，導熱部件為金剛石部件和/或藍寶石部件。特別地，導熱部件或者所述導熱部件中的至少一個為金剛石層和/或藍寶石層。該金剛石層優選地為通過CVD金剛石生長而產生的金剛石層(CVD 化學氣相沉積)。金剛石的高熱導率使得薄膜金剛石涂層或層金剛石涂層能夠改善光子和微電子器件的熱管理。形成為金剛石層的導熱層通過增大材料的局部熱導率解決了熱問題。它提出插入具有最佳厚度的層材料，這將足以將等效的全局熱導率增大到2倍(高達1400W/mK)。該實施例提出了一種解決方案，使得形成為磷光體陶瓷(Ce:YAG)的光回收器件可以被熱增強以便允許產生具有高達16kW/cm2的功率密度的光。在這種情況下，最熱的斑達到310°C，其應當是合理的以便允許在材料中實現最大的光轉換。陶瓷可以是所有不同種類的陶瓷，尤其是強烈散射或透明的聚合物陶瓷(poly ceramic)和/或單晶陶瓷。優選地，所述光源進一步包括設置在發光器件與光回收器件之間的光學元件。該光學元件位于發光器件的光路上。特別地，該光學元件為將發光器件發射的光聚焦到光回收部件內的光聚焦元件。在另一個實施例中，光回收器件進一步包括散熱器。具有包括光回收部件、導熱部件和散熱器的光回收器件的光源是非常緊湊的。此外或者在另一個實施例中，光回收器件進一步包括用于冷卻導熱部件，尤其是冷卻線柵偏振器的線的熱電元件和/或珀耳帖元
4件。依照另一個優選的實施例，光回收部件和導熱部件構成光回收器件的復合材料。本發明還涉及一種光回收器件，其用于改變通過它的光的至少一個物理特性。該光回收器件包括至少一個光回收部件以及至少一個能夠傳導光回收部件中產生的熱的導熱部件，其中所述導熱部件與光回收部件和散熱器熱接觸。光的物理特性的改變優選地為顏色的改變和/或偏振的改變。更優選地，光回收部件形成為優選地由鈰摻雜釔鋁石榴石磷光體或陶瓷磷光體制成的磷光體板或磷光體膜， 以便當光回收部件位于發射藍色光和/或紫外光的發光器件的光路上時產生離開磷光體板或磷光體膜的白色光。在另一個實施例中，導熱部件為光偏振部件。依照本發明的一個優選的實施例，該光偏振部件為線柵偏振器。依照另一個優選的實施例，導熱部件為金剛石部件和/或藍寶石部件。特別地，所述光回收器件進一步包括散熱器。
本發明的這些和其他方面根據以下描述的實施例將是清楚明白的，并且將參照這些實施例進行闡述。在附圖中
圖IA為依照本發明第一實施例的用于發射偏振光的光源的側視圖，該光源包括發光器件和光回收器件；
圖IB為依照圖IA的用于發射偏振光的光源的頂視圖； 圖2為依照本發明第二實施例的光源的光回收器件的側視圖；以及圖3為依照本發明第三實施例的光源的光回收器件的側視圖。
具體實施例方式圖IA示出了光源1，其形成為用于發射偏振光的光源2。光源1包括形成為發射光(激光)的激光器(通過輻射的受激發射進行光放大)4的發光器件3、光回收器件5以及光學元件6。光回收器件5和光學器件6設置在發光器件3的光路7上，其中光學元件6為設置在發光器件3與光回收器件5之間的凸透鏡。光路7具有主軸8。光回收器件5包括用于改變通過它的光的至少一個物理特性的光回收部件9、兩個能夠傳導光回收部件9中產生的熱的導熱部件10、11以及形成為圍繞光回收部件9的框架的散熱器12。導熱部件之一 10位于光回收部件9的第一表面上；所述第一表面面向光學器件6和發光器件3。另一導熱部件11位于光回收部件9的第二表面上；所述第二表面位于光回收部件9的與第一表面相對的側面上。兩個導熱部件10、11都設置成垂直于光路 7的主軸8。導熱部件10、11形成為光偏振部件13，尤其是線柵偏振器14。圖IA和圖IB中所示實施例的光回收部件9為磷光體膜15。磷光體膜15是用于通過它的光的波長轉換的光回收部件9。激光器4發射藍色光和/或紫外光。激光器4發射的藍色光和/或紫外光用于泵浦優選地由鈰摻雜釔鋁柘榴石磷光體(YAG磷光體)或陶瓷磷光體制成的磷光體膜15以便產生離開磷光體膜15的白色光(箭頭16)。在光路7的焦斑17內產生熱斑。該熱斑位于光回收部件9中。本發明的這個實施例的必要特征是使用沉積在磷光體膜15 (或磷光體板)的表面上的光偏振部件13 (形成為線柵偏振器14)以允許發光器件3發射的藍色光和/或紫外光創建的熱斑的冷卻和散熱。取決于采用的配置，如果向后反射且未轉換的光返回到發光器件3，則可以獲得偏振光輸出的增益。在該實施例預期回收的情況下，為了允許反射的偏振再次通過形成為線柵偏振器14的光偏振部件13。通常，偏振光必須利用延遲層進行延遲。 在該實施例中，延遲層作用已經由磷光體膜15 (或磷光體板)實現。在這種情況下，與具有太多吸收(最多50-55%)的光的單次通過相比，提高了效率。線柵偏振器14由金屬制成，尤其是由鋁或銀或金制成，具有非常高的傳導性并且允許熱量非常高效地流向其中線柵偏振器14的線19與較大的散熱器10熱接觸的側面18。 圖IB示出了圖IA的用于發射偏振光的光源的頂視圖。30 χ 30微米的激光焦斑17聚焦在磷光體板或磷光體膜15內，所述激光器4具有1瓦的總功率。由于磷光體板或磷光體膜15的表面上的線柵偏振器14的原因，在第二表面上激光束的中心處光回收器件的溫度從345°C降低到177°C (200mW的熱功耗)。第二表面(圖IA中的頂部表面)是光吸收最強烈的地方，并且因而該表面處溫度的降低將引起最高的光轉換增益。利用線柵偏振器14，最熱的斑進一步沿著YAG陶瓷移動。線柵偏振器14 僅位于覆蓋激光斑(32ΜΠ1寬)的表面上。附加的線19將稍微改善冷卻。這些結果表明，線柵偏振器14的添加將改善熱斑的溫度。在該特定情況下，其將造成完全高效的光轉換和受溫度限制的轉換(對于CECAS，當溫度達到大約350°C時效率下降)之間的區別。重要的是認識到光路7之外的線柵偏振器14的線19具有不同的厚度，尤其是比在光路上的區域中更厚(未示出)并且與焊接帶和/或其他緊固件接合在一起。這使得光回收器件5易于制造。圖2為依照本發明第二實施例的光源1的光回收器件5的側視圖。導熱部件10 形成為設置在光回收部件9的兩個不同部分21、22之間的導熱層20。導熱層20形成為金剛石部件23，尤其是金剛石層對。用于產生光回收器件5的方法包括以下步驟
-將金剛石層M施加到光回收部件9的第一部分21的表面，特別地，第一部分21形成為磷光體板25，
-將第二部分22、尤其是磷光體膜15施加到金剛石層M的表面上， -將第一部分21、金剛石層M和第二部分22的復合器件切割成光回收部件9中使用的最終形式，以及
-裝配該復合器件和散熱器12。
特別地，金剛石層M通過CVD沉積到磷光體板25上，尤其是沉積到YAG陶瓷磷光體板上。接下來，在金剛石層M上形成薄磷光體膜15沉積。這可以利用從10微米至50 微米的厚度完成。然后，使用切割工具切割復合器件并且將其插入到銅散熱器12中。
該實施例通過提高光回收材料的局部熱導率來解決熱問題。它提出插入具有最佳厚度的金剛石層對，這將足以將等效的全局熱導率增大到2倍。在100 χ 100微米和150微米厚的陶瓷磷光體板25以及30微米斑尺寸的激光束和16kW/cm2的功率密度(在最熱的斑中)的特定情況下，插入10微米厚、100 χ 100微米寬的金剛石層M (使得該層與散熱器12接觸)。該金剛石層M在材料中被定位成與圖2中所示的頂部表面相距20微米。考慮特定的散裝(bulk)磷光體板25，其尺寸可以變化(例如Ce: YAG)并且具有3W/ mK的熱導率。板23的該磷光體材料15、25被特別地由銅制成的散熱器12包圍(除了頂部之外，以便允許激光束相互作用且允許提取光)。在不同的配置(未示出)中，其中六個10 χ 10微米金剛石簇通過磷光體材料均勻地散布。通過這種方式，實現了復合材料。這些簇中只有兩個接觸散熱器12的壁(這對于冷卻是重要的)。在這種情況下，改進是不顯著的。然而，按照這種方式模仿真實的復合材料實際上是不可能的。尤其是在納米尺寸顆粒范圍內，存在顆粒形狀與尺寸的強依賴性。復合材料的熱導率也依賴于體積分數。可以假設相似的數量級可以與現有的復合材料(比如金剛石-銅)比較。在這些類型的復合材料中，熱導率可能幾乎翻倍(至742W/mK)。但是這種情況需要相當高體積比的金剛石。該比值從50%開始至90%。這對于波長轉換可能太高， 因為磷光體材料用來產生白色光；這意味著磷光體應當盡可能地保持相同。太多的其他顆粒可能降低光子特性。圖3示出了依照本發明第三實施例的光源1的光回收器件5的側視圖。金剛石層 24沉積在100-150微米厚的磷光體板25上。金剛石層M上的薄膠層沈連接另一磷光體板27 (足夠厚以便在機械上是堅固的)。之后，研磨另一磷光體板27的另一側以便得到20 微米厚的磷光體膜15 (YAG層)。該方法不同于上面提到的方法，因為第二部分22的施加是第二部分的粘合劑結合并且隨后通過研磨產生磷光體膜15。可替換地，不將金剛石層23夾在中間，而是將其沉積到陶瓷的頂部表面上(未示出)。為了具有足夠的熱傳遞，應當增大金剛石層對和散熱器12的表面接觸。這可以通過進行陶瓷的CVD工藝來實現。然后，可以切割各陶瓷件并且將其插入適當尺寸的銅塊中以優化表面接觸。總之，該技術可以用于處理磷光體材料15、25中的高溫激光熱斑。建議是使用金剛石層24，因為在金剛石的情況下，制造工藝將是類似的并且熱導率的改進要高得多且尤其是高得足以這樣做。在該設置中，可以使高強度激光器4聚焦到磷光體板并且可以以非常小的斑產生白色光。該解決方案本身是足夠的，并且無需任何附加的主動冷卻。這是可以在磷光體材料中創建微米斑處的高強白色光的最安全的方式。這將拓寬白色光的應用領域。依照本發明第二和第三實施例的光回收器件5 (圖2和圖3)可以用于光源1的反射式組裝以及光透射式組裝。在透射式組裝內，散熱器12包括允許激光束透照散熱器12 的通道和/或可替換地包括像藍寶石散熱器那樣的透明散熱器12。盡管在所述附圖和前面的描述中已經詳細地圖示和描述了本發明，但是這樣的圖示和描述應當被認為是說明性或示例性的，而不是限制性的；本發明并不限于所公開的實施例。
本領域技術人員在實施要求保護的本發明時，根據對于所述附圖、本公開內容以及所附權利要求書的研究，應當能夠理解并實施所公開實施例的其他變型。在權利要求書中，措詞“包括/包含”并沒有排除其他的元件或步驟，并且不定冠詞“一”并沒有排除復數。 在相互不同的從屬權利要求中列出特定技術措施這一事實并不意味著這些技術措施的組合不可以加以利用。權利要求中的任何附圖標記都不應當被視為對范圍的限制。
權利要求
1.包括發光器件(3)和光回收器件(5)的光源(1)，所述光回收器件(5)位于發光器件 (3)的光路(7)上，其中光回收器件(5)包括至少一個用于改變通過它的光的至少一個物理特性的光回收部件(9)，以及至少一個能夠傳導光回收部件(9)中產生的熱的導熱部件 (10，11)，所述導熱部件(10，11)與光回收部件(9)和至少一個散熱器(12)熱接觸。
2.依照權利要求1的光源，其中發光器件(3)是具有等于或大于1.IO7CdAi2的亮度的高亮度發光器件和/或激光器(4)。
3.依照權利要求1的光源，其中光的物理特性的改變是光的波長轉換和/或光的偏振狀態的改變。
4.依照權利要求1的光源，其中光回收部件(9)是磷光體板(25，27)和/或磷光體膜 (15)。
5.依照權利要求1的光源，其中發光(3)器件是發射藍色光和/或紫外光的發光器件。
6.依照權利要求1的光源，其中導熱部件(10，11)為光偏振部件(13)。
7.依照權利要求6的光源，其中光偏振部件(13)為線柵偏振器(14)。
8.依照權利要求1的光源，其中光回收器件(5)的導熱部件(10，11)形成為設置-在光回收部件(9)的表面上和/或-在光回收部件(9)的兩個不同部分(21，22)之間的導熱層(20)。
9.依照權利要求8的光源，其中導熱層(20)為至少部分反射層。
10.依照權利要求1的光源，其中導熱部件(10，11)為金剛石部件(23)和/或藍寶石部件。
11.依照權利要求1的光源，其中光回收器件(5)進一步包括散熱器(12)。
12.依照權利要求1的光源，其中該光源(1)進一步包括設置在發光器件(3)與光回收器件(5)之間的光學元件(6)。
13.依照權利要求1的光源，其中光回收部件(9)和導熱部件(10，11)構成光回收器件 (5)的復合材料。
14.光回收器件(5)，用于改變通過它的光的至少一個物理特性，其中該光回收器件 (5)包括至少一個光回收部件(9)、至少一個能夠傳導光回收部件(5)中產生的熱的導熱部件(10，11)，其中所述導熱部件(10，11)與光回收部件(9)和散熱器(12)熱接觸。
全文摘要
本發明涉及一種包括發光器件(3)和光回收器件(5)的光源(1)，所述光回收器件(5)位于發光器件(3)的光路(7)上。光回收器件(5)包括至少一個用于改變通過它的光的至少一個物理特性的光回收部件(9)，以及至少一個能夠傳導光回收部件(9)中產生的熱的導熱部件(10，11)，所述導熱部件(10，11)與光回收部件(9)和至少一個散熱器(12)熱接觸。本發明還涉及相應的光回收器件(5)。
文檔編號H01L33/50GK102292837SQ201080005102
公開日2011年12月21日 申請日期2010年1月18日 優先權日2009年1月21日
發明者C. S. 尼科爾 C., J. M. 拉桑斯 C. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司