具有受约束的光转换器的光转换设备
阅读说明：本技术 具有受约束的光转换器的光转换设备 (Light conversion device with constrained light converter ) 是由 U·黑希特菲舍尔 F·黑林 于 2019-02-12 设计创作，主要内容包括：本发明描述了一种光转换设备,包括：-具有入光面与发光面的光转换器(130),其中该转换器(130)被布置成将在所述入光面上进行扫描的激光(10)转换为转换光(20),其中所述转换光(20)的峰值发射波长处于比所述激光(10)的激光峰值发射波长更长的波长范围内；-包封所述光转换器(130)的约束结构(150),其中该约束结构(150)被布置成在所述光转换器(130)发生机械故障的情况下保持所述光转换器(130)的几何形状。本发明还描述了包括这种光转换设备(130)的基于激光器的光源。本发明最后描述了包括这种基于激光器的光源的车辆头灯。(The invention describes a light conversion device comprising: -a light converter (130) having an entrance face and an emission face, wherein the converter (130) is arranged to convert laser light (10) scanned over the entrance face into converted light (20), wherein a peak emission wavelength of the converted light (20) is in a longer wavelength range than a laser peak emission wavelength of the laser light (10); -a confinement structure (150) encapsulating the light converter (130), wherein the confinement structure (150) is arranged to maintain the geometry of the light converter (130) in case of a mechanical failure of the light converter (130). The invention also describes a laser-based light source comprising such a light conversion device (130). The invention finally describes a vehicle headlamp comprising such a laser-based light source.)
技术领域
本发明涉及具有受约束的光转换器的光转换设备、包括这种光转换设备的基于激光器的光源、以及包括这种基于激光器的光源的车辆头灯。
背景技术
在高亮度光源中，光转换设备经常被使用，该光转换设备通过例如由激光器发射的蓝色光而被激发。光转换设备的荧光体借助于胶层或焊料层被粘附到散热器，所述胶层或焊料层被置于所述散热器和所述荧光体之间。激光的高强度特别是蓝色激光的高强度和由荧光体实现的光转换造成的高温可能导致可靠性与安全性问题。
发明内容
本发明的目的是提供具有改善的可靠性的光转换设备。
根据第一方面，提供了光转换设备。所述光转换设备包括具有入光面和发光面的光转换器。所述光转换器被布置成将激光转换为转换光。所述转换光的峰值发射波长处于比所述激光的激光峰值发射波长更长的波长范围内。所述光转换设备还包括包封所述光转换器的约束结构。该约束结构被布置成在所述光转换器发生机械故障的情况下保持所述光转换器的几何形状，从而提高所述光转换设备的眼睛安全性。
用于车辆特别是汽车头灯的基于激光器的（白色光）光源目前处于研究中，因为它们的约1 Gcd/m2的高亮度的缘故。在这种基于激光器的光源中，强蓝色泵浦激光束被发送到光转换器（“荧光体”），光转换器将强蓝色泵浦激光束转换成白色光，该白色光包含约75%（黄色的）转换光和25%（散射的）未转换的激光。这种光源的一个众所周知的问题是激光安全性。在故障情形下，如果所述泵浦激光束未散射地离开所述基于激光器的光源，它可能导致眼睛伤害。因此，所述转换器的完整性必须得到保证。
保证所述光转换器的完整性是最有挑战性的，这不是对静态光源中的小型转换器（<1mm2）而言，而是对激光扫描器系统中的大型转换器（～1cm2）来说，在激光扫描器系统中，泵浦激光束通过微反射镜在光转换器上进行扫描。
约束结构约束或包封光转换器，使得即使是转换器材料的可能导致光转换器在操作期间破碎（例如，在光转换期间由热负荷导致）的材料缺陷，也不会危害到关于眼睛安全性方面的光转换器的完整性。光转换器的几何形状基本上被保持。光转换设备的完整性可以在将光转换器包封进约束结构之后通过基准测量来确定。出于光学的原因，可能不可取的是将光转换器嵌入约束结构中使得光转换器与约束结构的材料之间存在光学接口（见下文）。
光转换器可进一步被布置成将准直激光转换为转换光，使得当准直激光的发射方向垂直于光转换器的入光面时，由尺寸为10000μm2的发光面的表面元件射出的未转换的激光的强度小于跨所述发光面的所述准直激光的规定的强度百分比。约束结构被布置成将光转换器约束在该约束结构中，使得在光转换器发生机械故障的情况下，由尺寸为10000μm2的发光面的表面元件射出的未转换的激光的强度低于准直激光的所述规定的强度百分比加10%，更优选地，低于准直激光的所述规定的强度百分比加5%。
例如，光转换设备可以被布置成使得规定的25%的未转换的激光由根据以上描述的示例的发光面射出。该百分比取决于预期的色彩点和光转换器的转换器材料。所述规定的百分比可以在18%到32%之间的范围内，优选在20%到30%之间，且最优选在22%到28%之间。光转换器被约束结构所约束，使得光转换器的各部分之间的相对移动受到限制。由10000μm2的基准表面射出的未转换的激光的强度低于35%，优选低于30%，该基准表面例如包括由于光转换器的两部分之间的相对移动导致的光转换器的所述两部分之间的裂缝。
所述光转换器的特征在于垂直于入光面的厚度d。约束结构被布置成保持具有垂直于入光面的所述厚度d的光转换器的破损部分处于光转换器的机械故障的位置。
约束结构施加的几何边界条件可取决于光转换器的尺寸、厚度和形状（例如，矩形或圆形），该几何边界条件是保证眼睛安全性所必需的，即使在光转换器发生致命故障的情况下。因此，约束结构可以被布置成使得光转换器的材料的破损部分被保持靠近其在未损坏的光转换器中的最初的位置。厚度d通常可以在20微米到100微米之间。
例如，约束结构可以被布置成将破损部分相对于破损部分在光转换器中的最初位置的平行于入光面的横向偏移限制成小于3μm，优选地小于2μm，最优选地小于1μm。避免或至少限制横向偏移减小了光转换器中的裂缝或窄缝的最大的可能的尺寸，没有被光转换器散射的未转换的激光通过所述裂缝或窄缝能够抵达后续的光学设备并最终进入人眼。
约束结构可被布置成使得约束结构和入光面之间或者约束结构和发光面之间存在间隙。该间隙垂直于入光面或发光面的宽度可以小于2μm，优选地小于1μm且最优选地小于0.5μm。该间隙可以使光转换器的表面和约束结构的相邻表面之间光学解耦，从而减少光损耗。例如，该间隙可以被布置成使得约束结构和入光面之间或约束结构和发光面之间存在机械接触而无光学接触。无光学接触或基本上无光学接触意味着约束结构与光转换器的相应的表面之间至少存在微间隙。可以存在机械接触，但是约束结构或光转换器的对应表面的表面粗糙度避免了光转换器的材料和约束结构之间存在可同时充当该基于激光器的光源的光学设备的平滑的接口。
约束结构可以包括基底和约束罩。光转换器被约束在基底和约束罩之间。将光转换器约束在至少两个分离的部件之间可以简化光转换设备的机械和光学构造。例如，约束罩可以包括作为透镜或类似物的光学元件，用于转换光和未转换的激光的光学操控。光学元件可以被集成到基于激光器的光源的光学布置中，并且特别地集成在车辆头灯的光学布置中。该光学布置可以被布置成使转换光和未转换的激光在图像平面上成像，该图像平面可以被布置在几米远的距离处。
根据一个实施例，基底至少在包括激光峰值发射波长的波长范围内可以是透明的。入光面可以被布置成贴近基底。在这个实施例中，发光面不同于入光面。发光面被布置成贴近约束罩的表面。在这种透射方案中，入光面和发光面是分离的。激光经与基底毗邻的入光面进入光转换器，并且转换光和未转换的激光通常在通过光转换器的一次传播(passage)后离开发光面。入光面和发光面通常互相平行。
如上所讨论的，基底可以与入光面机械接触但不光学接触。入光面与基底之间的光学接触可能增加光损耗，因为转换光和特别是未转换的激光到基底的背向反射可能增加。可选地，入光面可以被镜面层覆盖，该镜面层在转换光的波长范围内是反射性的而在激光的波长范围内是透射性的。
替代地或另外地，光学元件可以与发光面机械接触但不与发光面光学接触。在光转换器和约束结构所包括的光学元件之间光学接触的情况下，光学元件的与空气相比相对高的折射率可以增加光转换器的发射数值孔径。因此，在光学接触的情况下，为避免光损耗，光学元件需要有更高的数值孔径。因此，避免这样的光学接触能够实现高效的（无光损耗）和有成本效益的基于激光器的光源（对光学设备数值孔径的降低的要求）。
根据替代性实施例，光转换设备的基底可以被耦合到反射结构。反射结构被布置成反射经光转换器的入光面接收到的激光和转换光。入光面与发光面可至少部分相同。在该实施例中，光转换设备根据所谓的反射方案进行布置。转换光和未转换的激光的一部分可至少两次通过光转换器。与透射方案相比，在这样的反射式设置中，约束罩可能仅仅提供解决方案的一部分，因为光转换器的完整性是不充分的。由于例如偏移的泵浦光学器件（例如，被布置成将激光聚焦到光转换器的透镜）的缘故，或者由于光转换器上的反射颗粒的缘故，泵浦激光仍然可能从光源偏转出。
根据上面描述的任意实施例的光转换设备可以包括故障传感器。故障传感器被布置成检测约束结构的损伤。例如，在约束结构发生机械损伤的情况下，故障传感器可以被布置成检测电阻、电容量或温度的变化。与光转换器相比，约束结构例如可以包含比如玻璃的坚固的透明材料，金属丝或金属面能被轻易地提供在这种透明材料里或这种透明材料上。
例如，故障传感器可以被布置成检测约束罩相对于基底的相对移动。故障传感器可以被布置成检测约束结构的所有子元件或子结构的相对移动，来确定约束结构和/或光转换器的潜在损伤，该损伤对眼睛安全性可能是种风险。故障传感器可以具有以下优势：在不针对光发射施加限制的情况下，基本上光转换设备的所有潜在损伤能够被检测到。
根据又一方面，提供了基于激光器的光源。该基于激光器的光源包括如上所述的光转换设备和被适配成发射激光的至少一个激光器。
基于激光器的光源可以包括两个、三个、四个或更多的发射如蓝色激光的激光器（例如，被布置成阵列）。
基于激光器的光源可以进一步包括故障检测器。故障检测器与上述的故障传感器耦合。故障检测器被布置成在检测到约束结构的损伤时产生控制信号。基于激光器的光源被布置成在基于激光器的光源的操作期间检测到控制信号时关闭该至少一个激光器。
根据又一方面，提供了车辆头灯。车辆头灯包括如上所述的至少一个基于激光器的光源。车辆头灯可以包括两个、三个、四个或更多的如上所述的基于激光器的光源。在这种情况下，光转换器可以包括或包含石榴石黄色荧光体（例如，Y（3-0.4）Gd0.4AL5O12：Ce）。蓝色激光和黄色转换光的混合可以被用来产生如上所述的白色光。
应当理解的是,本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任意组合。
进一步的有利实施例在下文中被定义。
附图说明
根据在下文中描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见，并且将参照这些实施例来对它们进行阐明。
现在，将基于参照附图的实施例，通过示例的方式描述本发明。
在附图中：图1示出了现有技术中的基于激光器的光源的原理草图。
图2示出了根据第一实施例的包括光转换设备的第一基于激光器的光源的原理草图。
图3示出了光转换器的机械故障的原理草图。
图4示出了根据第二实施例的包括光转换设备的第二基于激光器的光源的原理草图。
图5示出了根据第三实施例的包括光转换设备的第三基于激光器的光源的原理草图。
图6示出了根据第四实施例的包括光转换设备的第四基于激光器的光源的原理草图。
图7示出了根据第五实施例的包括光转换设备的第五基于激光器的光源的原理草图。
图8示出了根据第五实施例的光转换设备的俯视图的原理草图。
在这些图中，相同的附图标记始终指代相同的对象。这些图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
现在将借助附图对本发明的各种实施例进行描述。
图1示出了现有技术中的基于激光器的光源的原理草图，其中的光转换器130发生故障。激光10通过激光器110以透射的布置射向光转换器130。光转换器130利用所述入光面、通过耦合层120（例如，硅胶）粘附到透明基底115。光转换器130的一部分131损坏，使得未转换的激光11的强度相较于转换光20局部地增加。在极端情形下，这样的故障可能导致激光10的准直光束穿过光转换器130。未转换的激光11增加的强度对于眼睛安全规范可能是不可接受的。
图2示出了根据第一实施例的包括激光器110和光转换设备的第一基于激光器的光源的原理草图。光转换设备包括通过约束结构150被约束的光转换器130。约束结构150包括透明基底115和约束罩140。激光10由激光器110发射穿过透明基底115，并经入光面进入光转换器。光转换器130通过耦合层120（例如，硅胶）附接至透明基底115。约束罩140包括透明材料，使得转换光11和未转换的激光20能够通过约束罩140传输到后续的光学设备（未示出）。约束罩140被附接至基底115，使得例如矩形的光转换器130的侧表面被约束罩140紧紧围住。光转换器130的侧表面与约束罩140机械接触。光转换器130的发光面和约束罩140之间存在小的间隙。该小的间隙可以防止光转换器130和约束罩140之间的光学接触，从而减少光损耗（光背向反射至光转换器130，例如，由于全内反射的原因）。约束罩140的表面可以覆盖有抗反射涂层，转换光11和未转换的激光20通过该表面离开约束结构150。为了清楚起见，图2中的间隙的尺寸被放大。间隙垂直于光转换器130的发光面的宽度可以为0.5μm。间隙的尺寸是如此小，使得光转换器130的损坏部分131几乎被限定在其在光转换器130中的最初位置。因此，未转换的激光20的局部强度仅仅轻微增加而不超出安全界限。
图3示出了光转换器130的机械故障的原理草图。该例示出了最坏的情况，在这种情况下光转换器130破裂成两部分，使得损坏部分131相较于其在光转换器130中的最初的位置横向地偏移。光转换器130的特征在于矩形外形，该矩形外形在图3的平面中的宽度为L（例如，100μm到2000μm之间），且厚度为d（例如，50μm）。光转换器130薄片被透明的约束结构150包封。光转换器130的入光面附接至约束结构150。光转换器130的发光面和约束结构150之间存在宽度为g的间隙。损坏部分131的厚度与光转换器130的厚度d相等。一侧为三角形形状的损坏部分131的横向偏移导致宽度为c的窄缝，该窄缝使得未转换的激光（未示出）能够传输通过光转换设备。损坏部分131的三角形在图3的平面中的横向延伸由a给出，得出最大宽度c=amax*g/d，其中损坏部分131的最大横向延伸由amax=L-2*c给出。入光面接收到的激光的光斑的形状通常是矩形（激光二极管的出射面成像）且被显著放大。例如，入光面上的光斑的尺寸可以是500*50μm2。光斑的总光功率可以达3W。激光光斑在最坏的情况下可能是静止的（非扫描方式）。窄缝的宽度可以是c=3μm。在忽略窄缝处的任何光衍射（光衍射会增加激光光束的发散）的情况下，取决于矩形光斑关于窄缝的相对位置，这将导致由窄缝发射的总光功率达18mW或180mW。因窄缝处的光衍射造成的额外的发散将达7.5°（在宽度为3μm的窄缝处的平面波衍射）。该额外的发散可以足以在相关距离处（例如，5m）将强度减少到可接受的程度。所述相关距离处的强度进一步取决于基于激光器的光源的后续的光学布置。因此，必须对整体的光学布置进行分析，以确定由约束结构150施加的正确的几何边界条件。
最坏的情况是非常不太可能的。例如，光转换器常用的多晶体材料（例如，陶瓷荧光材料）不太可能以图3所描述的方式破裂。因为不存在如图3描述的这样的直的窄缝，因此激光通常会进一步被偏转。因此，相较于针对图3所讨论的情形，在实际场景中，间隙g的宽度可能更大，不存在眼睛受伤的实质性风险。
图4示出了根据第二实施例的包括光转换设备的第二基于激光器的光源的原理草图。第二实施例和参照图2描述的第一实施例非常相似。光转换器130被机械地夹紧在透明基底115和约束罩140之间。透明基底115和约束罩140彼此结合，使得约束罩140围绕着光转换器130。在该情形中，透明基底115是光导，引导由激光器110射出的激光10射向光转换器130。光转换器130的入光面和发光面的粗糙度被布置成使得其与光纤和约束罩140之间存在机械接触而基本不存在光学接触。借助于光纤和约束罩140的机械夹紧基本避免了光转换器130的损坏部分131的任何移动。
图5示出了根据第三实施例的包括光转换设备的第三基于激光器的光源的原理草图。大体配置仍然与参照图2和图4描述的相似。在本实施例中，约束结构150包括透明基底115、侧面约束件141和光学元件143。另外的机械夹紧机构（未示出）可以用来将光转换器130夹紧在透明基底115和光学元件143之间，其中光转换器130的侧表面被侧面约束件141围绕（例如，具有根据光转换器130的形状和尺寸布置的孔的陶瓷板或钢板）。光转换设备还包括故障传感器210，此处为跨透明基底115、侧面约束件141和光学元件143延伸的导电轨。该导电轨耦合至基于激光器的光源的故障检测器200，该故障检测器被布置成检测（例如，通过检测电阻）可由透明基底115、侧面约束件141和光学元件143之间的相对移动引起的导电轨的任何缺陷。导电轨可以以曲折的样式布置在约束结构150周围，使得基本上约束结构150的元件的每个相对移动都能被检测到。
图6示出了根据第四实施例的包括光转换设备的第四基于激光器的光源的原理草图。光转换器130被约束结构150约束，约束结构150包括透明基底115（光导）、类似于参照图6所描述的侧面约束件141和光学元件143。光转换器130通过热学方法或者反应性地结合至光学元件143，在本实施例中光学元件143是光输出耦合圆顶（例如，蓝宝石半球）。侧面约束件是与光转换器130的横向延伸紧密匹配的金属板。光纤和侧面约束件141被布置成使得光纤和光转换器130之间存在2μm的小的间隙。该小的间隙将光转换器130的损坏部分131几乎限定在其在光转换器130中的最初的位置。故障传感器210和故障检测器200以和参照图5讨论的类似的方式被提供，使得光纤、侧面约束件141和光输出耦合圆顶143之间的小的相对移动能够被检测到。替代地或另外地，故障传感器210可以包括热电偶，热电偶被布置在侧面约束件141附近来检测在基于激光器的光源操作期间的温度变化，该温度变化可能由光转换器130和/或约束结构150的故障导致。
图7示出了根据第五实施例的包括光转换设备的第五基于激光器的光源的原理草图。第五实施例是反射式布置，其中光转换器130的入光面和发光面基本相同。光转换器130被约束在基底115和约束罩140之间。基底115包括反射结构137，反射结构137被布置成贴近光转换器130，使得未转换的激光11和转换光20被反射结构137反射。约束结构150中的约束罩140被粘连到基底115，使得光转换器130的损坏部分131的相对移动基本上被抑制。基于激光器的光源还包括故障传感器210和故障检测器200。故障传感器210被布置成电容器，其中电容器的一侧被布置在约束罩140中的光转换器130周围。电容器的另一侧被布置在基底115内。如图8所示，电容器的两个极板彼此对齐，图8描绘了根据第五实施例的光转换设备的俯视图的原理草图。约束罩140相对于基底115的移位会导致电容量的变化，这种变化能够被故障检测器200检测到。
尽管本发明已经在附图和前述的描述中被详细地图示和描述，但是这样的图示和描述被认为是说明性的或示例性的，而非限制性的。
通过阅读本公开内容，其他修改对本领域技术人员将是显而易见的。这样的修改可能涉及现有技术中已知的其它特征，这些其它特征可能被用于替代或者补充已在本文描述的特征。
根据对附图、本公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员能够理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，且不定冠词“一”（“a”或“an”）不排除多个元件或步骤。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中这一纯粹事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。
权利要求中的任何附图标记不应被理解为对其范围的限制。
附图标记列表
10 激光
11 未转换的激光
20 转换光
110 激光器
115 基底，透明结构
120 耦合层
130 光转换器
131 损坏部分
137 反射结构
140 约束罩
141 侧面约束件
143 光学元件
150 约束结构
200 故障检测器
210 故障传感器
a,amax 损坏部分（最大的）横向延伸
c 损坏部分的横向偏移导致的窄缝的宽度
d 光转换器的厚度
g 光转换器的发光面和约束结构之间的间隙的宽度
L 光转换器的横向延伸