[发明专利]具有衍射耦出的光源

说明书

一种照明设备包括聚光波长转换器和多个固态光源，该聚光波长转换器布置成通过至少一个进入面射入来自所述光源的光、并且从至少一个离开面提取经波长转换的光，照明设备包括被提供在所述离开面上的结构化层，所述结构化层具有小于5微米的结构周期，从而通过折射和衍射的组合而实现通过离开面的耦出。在表面上的入射角在限制范围内的情况下，折射和衍射的组合可以提供从该表面的优异耦出。

技术领域

本发明涉及一种照明设备，其包括多个固态光源以及聚光波长转换器，该聚光波长转换器布置成通过至少一个进入面射入来自所述光源的光并且从至少一个离开面提取经波长转换的光。

背景技术

诸如LED的固态光源已被确立为传统光源的高能效替代品。在例如聚光灯和图像投影的一些高功率应用中，已经提出将来自几个光源(例如LED)的光耦合到被称为聚光器的一个公共波长转换器中。然后可以仅从聚光器的一个表面提取较长波长的光，这增加了发射的光的强度，而光源的光学扩展量可以保持为小的。文献US 7,982,229描述了包括发光聚光器的转换结构，该发光聚光器接收来自蓝色LED的光，将该光转换为较长波长的光并将其引导至离开面，在离开面处所得到的亮度可以是高的。

这种发光聚光器的问题是有效的耦出。如果转换器的折射率为n＝1.8，则相对于空气的全内反射(TIR)的临界角为34度，使得相对于侧表面法线具有该入射角或更大入射角的光将由TIR引导到离开面。然而，如果离开面垂直于侧表面，则很多这种光(事实上，在侧表面处具有小于56度的入射角的所有光)将在离开面处具有大于34度的入射角，并且将在离开面处再次反射。这意味着在侧表面处具有34度和56度之间的入射角的光将在完美的转换器中永久反射。

众所周知的提取结构是复合抛物面聚光器(CPC)，它可以提取几乎所有的光。这种设备的缺点是：将这种设备附接到发光聚光器杆是麻烦的并且机械不稳定。使用CPC时的另一个问题是：光学扩展量扩大了n²倍(其中n是CPC材料的折射率)。这意味着，对于应用(例如投影仪)的给定光学扩展量，杆应该做得更小，这转而意味着在侧面容纳足够的LED更加困难，并且导致附加的瓶颈，诸如由于减少的冷却区域而造成的热限制。

如US 7,982,229所示，离开面上的类似透镜或金字塔或粗糙结构的微观结构将比非结构化表面提取更多的光。这样的结构将反射这样的光：该光在通过反射到其他表面而兜转之后不能离开到可以导致逃逸的方向中。然而，仍然有大量的光(高达40％)不会从转换器中逃逸。

发明内容

本发明的一个目的是缓解这个问题，并且提供一种具有改进的耦出的聚光波长转换器的照明设备。

根据本发明的第一方面，这个目的和其它目的通过一种照明设备达到，照明设备包括多个固态光源以及聚光波长转换器，该聚光波长转换器布置成通过至少一个进入面射入来自光源的光、并且从至少一个离开面提取经波长转换的光。其中，波长转换器被配置为：当侧表面处的入射角在A和90度之间时提供经转换光的全内反射(TIR)，其中角A由转换器和周围介质各自的折射率确定，并且其中，波长转换器的几何结构使得在侧表面中全内反射之后在离开面处的经转换光的入射角处于包括大于A的角度的范围内，并且其中，在离开面上提供结构化层。该结构化层具有小于5微米的结构周期，由此通过折射和衍射的组合而实现通过离开面的耦出，并且形成结构化层的材料的折射率等于或大于n_conv-0.3，其中n_conv是形成波长转换器的材料的折射率。

根据A＝asin(n_surr/n_conv)，角度A将取决于转换器材料的折射率(n_conv)和周围介质的折射率(n_surr)。角度A典型地在20度和40度之间，并且作为示例，如果转换器的折射率是n＝1.8并且周围介质是空气(其中n＝1)，则临界角A将是34度。