專利名稱：體熒光光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光源，特別涉及可以用于諸如投影系統(tǒng)等的照明系統(tǒng)的光源。

背景技術(shù)：
基于一種光源的照明光源的亮度通常受到該光源本身的亮度限制。例如，使用發(fā)光二極管(LED)的照明光源的亮度以光功率每單位面積每單位立體角進(jìn)行計(jì)量，該亮度通常等于或者小于LED的亮度，這是因?yàn)榫奂瘉?lái)自LED的光的光學(xué)系統(tǒng)至多維持LED光源的聚光本領(lǐng)。因此，照明光源的亮度受到限制。
在照明光源的一些應(yīng)用場(chǎng)合中，例如投影照明，使用LED照明不是一個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的選擇，這是因?yàn)槟壳翱捎玫腖ED的亮度太低。對(duì)于產(chǎn)生綠色照明光來(lái)說(shuō)這尤其是個(gè)問(wèn)題，在該可見光譜區(qū)中用于LED的半導(dǎo)體材料產(chǎn)生光的效率較低。
其它類型的光源可以產(chǎn)生足夠亮的光束但是它們也具有其它缺點(diǎn)。例如，高壓水銀燈通?？梢詾橥队跋到y(tǒng)提供足夠的光，但是這種燈效率相對(duì)較低，需要高壓電源而且使用壽命有限。例如LED等固態(tài)光源效率更高，在更低的電壓下工作從而更安全并且使用壽命比燈更長(zhǎng)(通常延長(zhǎng)到數(shù)萬(wàn)小時(shí))。
因此，存在對(duì)于比目前光源更亮的可以用于照明系統(tǒng)的固態(tài)光源的需求。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例涉及照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)包括至少第一非相干光源，其可以產(chǎn)生在第一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光；以及主體，其包含熒光材料，當(dāng)所述熒光材料受所述第一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光照射時(shí)發(fā)射出處于不同于所述第一波長(zhǎng)范圍的第二波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光。所述主體具有提取區(qū)域，所述第二波長(zhǎng)的光的至少一些在所述主體內(nèi)發(fā)生內(nèi)反射并到達(dá)所述提取區(qū)域。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例涉及照明系統(tǒng)，其包括含有熒光材料的主體。所述主體具有至少一個(gè)泵浦區(qū)域和光提取區(qū)域。至少一個(gè)發(fā)光二極管(LED)可以產(chǎn)生第一波長(zhǎng)的光。所述第一波長(zhǎng)的光的至少一些穿過(guò)所述至少一個(gè)泵浦區(qū)域到達(dá)所述主體內(nèi)。通過(guò)所述第一波長(zhǎng)的光在所述主體內(nèi)產(chǎn)生第二波長(zhǎng)的熒光光線。所述第二波長(zhǎng)的光的至少一些由所述主體導(dǎo)向所述光提取區(qū)域。與透射通過(guò)所述至少一個(gè)泵浦區(qū)域的所述第一波長(zhǎng)光的亮度相比，透出所述光提取區(qū)域的所述第二波長(zhǎng)的光具有更高的亮度。
本發(fā)明的上述摘要的意圖不是描述每一個(gè)示出的實(shí)施例或者本發(fā)明的每種實(shí)施方式。下面的附圖和具體實(shí)施方式
更具體地說(shuō)明這些實(shí)施例。



根據(jù)以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明各種實(shí)施例的詳細(xì)描述可以更全面地理解本發(fā)明，其中 圖1A和圖1B示意性示出根據(jù)本發(fā)明原理的體熒光裝置的實(shí)施例； 圖2A和圖2B示意性示出根據(jù)本發(fā)明原理的體熒光裝置的另一個(gè)實(shí)施例； 圖3示意性示出根據(jù)本發(fā)明原理的具有傾斜后表面的熒光主體的實(shí)施例； 圖4A-圖4D示意性示出根據(jù)本發(fā)明原理的具有光輸出提取器的熒光主體的實(shí)施例； 圖5A示意性示出在根據(jù)本發(fā)明原理的體熒光裝置的熒光主體內(nèi)的全內(nèi)反射； 圖5B示出曲線圖，該圖示出計(jì)算幾何集光效率與根據(jù)本發(fā)明原理的體熒光裝置中的熒光主體的折射率的函數(shù)關(guān)系； 圖6示意性示出根據(jù)本發(fā)明原理的體熒光裝置的另一個(gè)實(shí)施例； 圖7A-圖7C示意性示出根據(jù)本發(fā)明原理的偏振體熒光裝置的實(shí)施例； 圖8A和圖8B示意性示出根據(jù)本發(fā)明原理的體熒光裝置的波導(dǎo)實(shí)施例； 圖9示意性示出使用根據(jù)本發(fā)明原理的體熒光裝置的投影系統(tǒng)的實(shí)施例； 圖10A和圖10B示意性示出實(shí)驗(yàn)用熒光主體； 圖11示出從圖10A和圖10B的實(shí)驗(yàn)用熒光主體得到的泵浦光和體熒光光線的各種光譜的曲線圖；以及 圖12示出在不同泵浦條件下從實(shí)驗(yàn)用熒光主體的熒光輸出的曲線圖。
不同附圖中的相同標(biāo)記表示相似元件。雖然在附圖中通過(guò)實(shí)例顯示了本發(fā)明的細(xì)節(jié)，并且將在下面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改并獲得各種變型和可選形式。應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于所述具體實(shí)施例。相反，本發(fā)明涵蓋在所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物和選擇。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明適用于光源，特別適用于在需要高亮度水平的照明系統(tǒng)中使用的光源。
光源的亮度以光功率(瓦特)除以聚光本領(lǐng)進(jìn)行計(jì)量。聚光本領(lǐng)是光源處的光束面積、折射率平方和光束立體角的乘積。光的聚光本領(lǐng)是恒定的，即如果減小光束的立體角而不損失光線，那么必須例如通過(guò)增大光源的發(fā)射面積來(lái)增大光束的面積。由于聚光本領(lǐng)是恒定的，所以只能通過(guò)增加從光源提取出的光量來(lái)增大由光源產(chǎn)生的光的亮度。如果光源以最大輸出量工作，那么光源的亮度就不能再增加了?？梢酝ㄟ^(guò)使用額外的光源來(lái)增大光源的亮度。然而，通過(guò)簡(jiǎn)單 增加更多個(gè)光源所能夠增加的光束的亮度是有限的。將光束導(dǎo)向目標(biāo)的光學(xué)系統(tǒng)僅接收在一定孔徑和錐角范圍內(nèi)的光線。這些限制取決于各種因素，例如透鏡的大小和光學(xué)系統(tǒng)的f-數(shù)。增加更多光源不能實(shí)現(xiàn)光束亮度的無(wú)限增加，這是因?yàn)殡S著光源數(shù)量增大，所增加光源的光線中位于光學(xué)系統(tǒng)的孔徑和錐角范圍內(nèi)的部分會(huì)愈加減少。
相信本發(fā)明對(duì)于使用多個(gè)具有相對(duì)較低亮度的光源(例如發(fā)光二極管)產(chǎn)生具有相對(duì)較高亮度的會(huì)聚光源是有用的。使用由較低亮度光源發(fā)出的光來(lái)光泵浦熒光材料體。熒光材料吸收由低亮度光源發(fā)射的光線并以熒光的方式發(fā)射不同波長(zhǎng)的光。通常，熒光材料以各向同性的方式發(fā)射熒光光線。至少一部分熒光可以在體內(nèi)導(dǎo)向光提取區(qū)域。泵浦表面區(qū)域是熒光體的用于將具有相對(duì)較低亮度和較短波長(zhǎng)的泵浦光耦合到體內(nèi)的區(qū)域，而提取區(qū)域是熒光體的提取熒光的區(qū)域。當(dāng)泵浦表面區(qū)域與提取區(qū)域相比足夠大時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)亮度的凈增加。
在下面的描述中，術(shù)語(yǔ)“熒光”包括這樣的現(xiàn)象其中，材料吸收第一波長(zhǎng)的光而隨后發(fā)射與第一波長(zhǎng)不同的第二波長(zhǎng)的光。所發(fā)射的光可與量子力學(xué)允許的躍遷或者量子力學(xué)不允許的躍遷有關(guān)，后者通常稱為磷光。如果熒光材料在發(fā)射熒光光線之前僅吸收單個(gè)泵浦光子，那么熒光光線通常具有比泵浦光長(zhǎng)的波長(zhǎng)。然而，在一些熒光系統(tǒng)中，在發(fā)射熒光光線之前可能吸收了多于一個(gè)的泵浦光子，在這種情況下，發(fā)射的光可能具有比泵浦光短的波長(zhǎng)。這種現(xiàn)象通常稱為上轉(zhuǎn)換熒光。在其它一些熒光系統(tǒng)中，光被熒光材料中的吸收物質(zhì)(species)吸收，產(chǎn)生的能量以非輻射的方式轉(zhuǎn)移到材料中的第二物質(zhì)，第二物質(zhì)發(fā)射光線。在本文中，術(shù)語(yǔ)“熒光”和“熒光光線”用于包括如下的系統(tǒng)其中泵浦光能量由一個(gè)物質(zhì)吸收而該能量由同一物質(zhì)或者另一個(gè)物質(zhì)重新發(fā)射。
圖1A和圖1B中示意性示出本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，其示出體熒光裝置100的正交視圖，體熒光裝置100具有主體102和大量發(fā)光器104，主體102包含熒光材料，發(fā)光器104把光線106發(fā)射到主體102內(nèi)。
主體102可以由任何合適的材料形成。例如，主體102可以由熒光材料本身形成，或者可以由一些透射熒光并含有熒光材料的介電材料形成。一些合適的介電材料的實(shí)例包括無(wú)機(jī)晶體、玻璃和聚合物材料。可以摻雜到介電材料中的熒光材料的一些實(shí)例包括稀土離子、過(guò)渡金屬離子、有機(jī)染料分子和磷光體。一類合適的介電和熒光材料包括摻雜了稀土離子的無(wú)機(jī)晶體，例如摻雜鈰的釔鋁石榴石(Ce:YAG)，或者摻雜了過(guò)渡金屬離子的無(wú)機(jī)晶體，例如摻雜鉻的藍(lán)寶石或者摻雜鈦的藍(lán)寶石。也可以將稀土離子和過(guò)渡金屬離子摻雜到玻璃中。
另一類合適的材料包括摻雜到聚合物體內(nèi)的熒光染料?？梢岳鐝腟igma-Aldrich，St.Louis，Missouri和Exciton Inc.，Dayton，Ohio獲得多種熒光染料。熒光染料的常用種類包括熒光素；若丹明，例如Rhodamine(若丹明)6G和若丹明B；香豆素，例如Coumarin(香豆素)343和香豆素6。染料的具體選擇取決于所需的熒光光線的波長(zhǎng)范圍和泵浦光的波長(zhǎng)。多種聚合物適合用做熒光染料的基質(zhì)，包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯醇。
磷光體包括含有熒光物質(zhì)的晶體或者陶瓷材料的顆粒。磷光體通常包含于諸如聚合物基體等基體內(nèi)。在一些實(shí)施例中，基體的折射率可以與磷的折射率基本匹配(在至少0.02以內(nèi))以減少散射。在另一些實(shí)施例中，可以將磷光體作為納米顆粒設(shè)置在基體內(nèi)即使折射率并非良好地匹配，但由于顆粒的尺寸較小，所以使得在所得的基體內(nèi)幾乎不存在光的散射。
另一些類型的熒光材料包括摻雜的半導(dǎo)體材料，例如摻雜的II-VI族半導(dǎo)體材料，如硒化鋅和硫化鋅等。
上轉(zhuǎn)換熒光材料的一個(gè)實(shí)例是摻雜銩的硅酸鹽玻璃，其在共同擁有的美國(guó)專利公開No.2004/0037538A1中有更詳細(xì)的描述。在該材料中，兩個(gè)、三個(gè)甚至四個(gè)泵浦光子被吸收到銩離子(Tm3+)中，以將離子激發(fā)到隨后發(fā)射熒光的不同激發(fā)態(tài)。
熒光材料的具體選擇取決于所需的熒光波長(zhǎng)以及由發(fā)光器發(fā)射的光的波長(zhǎng)。優(yōu)選的是，熒光材料高效地吸收由發(fā)光器發(fā)出的泵浦光106，以便將大部分(如果不是全部)泵浦光106吸收到主體102內(nèi)。這提高了將泵浦光106轉(zhuǎn)換成有用的熒光輸出光109的效率。列出上述熒光物質(zhì)的具體實(shí)例僅為了說(shuō)明的目的而不是為了限制。
發(fā)光器104可以是任意合適類型的發(fā)射非相干光的裝置。相信本發(fā)明尤其適用于使用亮度相對(duì)較低的發(fā)光器發(fā)出的光產(chǎn)生亮度相對(duì)較高的光束。
在優(yōu)選的示例性實(shí)施例中，由發(fā)光器104發(fā)射的光106的波長(zhǎng)范圍與熒光材料的吸收帶很好地重疊。另外，有用的是即，設(shè)置發(fā)光器104的方向，使得發(fā)射光106耦合到主體102中的光耦合度較高。一種合適的發(fā)光器的類型是LED，LED通常產(chǎn)生帶寬在大約20nm到大約50nm的范圍內(nèi)(盡管光的帶寬可能在這個(gè)范圍以外)的光106。此外，在許多情況下，LED的輻射圖近似為朗伯(Lambertian)型，因此可以相對(duì)有效地將光106耦合到主體102中。也可以使用其它類型的發(fā)光器，例如氣體放電燈和白熾燈等?？梢允褂梅瓷淦骰蛘咂渌鈱W(xué)元件，例如折射或者衍射元件，以將本來(lái)下不導(dǎo)向主體102的泵浦光導(dǎo)向主體102。
在該具體實(shí)施例中，泵浦光通過(guò)泵浦表面110進(jìn)入主體102，而熒光輸出光109通過(guò)提取面112穿出主體102。
主體102內(nèi)的熒光材料發(fā)射熒光光線108。熒光光線的一部分(例如光線108a)可以透射通過(guò)主體102的泵浦表面110。熒光光線的另一部分(例如光線108b)在主體102內(nèi)反射。例如，當(dāng)光108b以大于臨界角的角度(相對(duì)于表面110的法線進(jìn)行測(cè)量)入射到泵浦表面110時(shí)，光108b在主體102內(nèi)全內(nèi)反射。
后表面110a可以設(shè)置有這樣的反射涂層114其反射以小于臨界角的角度入射到該反射涂層114上的熒光光線(例如光線108c)。反射涂層114可以是反射入射到后表面110a上的熒光光線的任意合適類型的涂層。例如，反射涂層114可以是多層無(wú)機(jī)介電涂層、聚合物多層光學(xué)膜(MOF)涂層或者金屬涂層。如果反射涂層114是多層無(wú)機(jī)介電涂層或者M(jìn)OF涂層，那么可以將反射涂層114設(shè)計(jì)成透射泵浦光106并反射熒光光線108c，從而允許通過(guò)后表面110a泵浦主體102。金屬涂層通常具有寬的反射光譜，該反射光譜妨礙了通過(guò)后表面110a進(jìn)行泵浦。當(dāng)反射涂層114透射泵浦光時(shí)，可以通過(guò)后表面110a泵浦主體102。
通過(guò)提取面112射出主體102的熒光光線中的一些(例如光線109a)可直接射出主體102而不在主體102的任何表面上發(fā)生反射。輸出熒光光線109的另一部分(例如光線109b)可能已經(jīng)在主體102內(nèi)部進(jìn)行反射。
在圖1A和圖1B中設(shè)置笛卡爾坐標(biāo)系，以幫助描述體熒光裝置100?？梢噪S意設(shè)置坐標(biāo)系的方向，以使得輸出熒光光線基本沿z方向傳播，該z方向平行于具有長(zhǎng)度L的主體的長(zhǎng)邊。在x方向上測(cè)量主體102的寬度w，并且在y方向上測(cè)量主體102的高度h。
主體102可以具有不同的形狀。在示出的示例性實(shí)施例中，在與x-y平行的平面上，主體102具有矩形橫截面。在另一些示例性實(shí)施例中，主體102的橫截面可以不同例如可以是圓形、三角形、橢圓形或者多邊形，也可以是不規(guī)則形狀。
可以通過(guò)如下方法估算體熒光裝置100能實(shí)現(xiàn)的亮度增強(qiáng)量。如果假設(shè)泵浦光106僅入射到主體102的四個(gè)主表面上，即由主體的長(zhǎng)度限定的那些表面，而不泵浦后表面110a，那么總泵浦面積等于2L(w+h)。此外，假設(shè)泵浦光106在60°的錐角內(nèi)入射到主體102上。因此，可以將泵浦光106耦合到主體內(nèi)的聚光本領(lǐng)Ein如下 Em＝2L(w+h)·2π·(1-cos260°)＝3πL(w+h)(1) 對(duì)于主體102內(nèi)的全內(nèi)反射，其臨界角θc由θc＝sin-1(1/n)給出，其中n是主體102的折射率。如果主體的折射率是1.5，那么臨界角θc＝41.8°。因此，僅僅在2π(1-cos(41.8°))球面度的錐角范圍內(nèi)的熒光光線從端面112耦合出。該錐角包含的光與射入體內(nèi)的全部光線的比率為F＝(1-cos(41.8°))＝0.255。如果在后表面110a處有反射器，那么應(yīng)該有25.5％的光通過(guò)單個(gè)端面射出。如下所述的傾斜后表面110a可以將從端面112耦合出的光的比例增加到30％。
在示出的實(shí)施例中，通過(guò)提取面112射出的熒光109在2π球面度的立體角的范圍內(nèi)傳導(dǎo)。這樣，從提取面112射出的熒光輸出光109的聚光本領(lǐng)Eout由下式給出 Eout＝2πwh (2) 所以聚光本領(lǐng)增加，其增大倍數(shù)M為 M＝En/Eout＝(3/2)(L/w)·(1+w/h)(3) 光功率損耗減小熒光輸出的總亮度，光功率損耗η包括如下成分 1)泵浦光106進(jìn)入主體的菲涅耳透射率R； 2)熒光的斯托克斯效率S； 3)從主體提取熒光的熒光提取效率＝0.3 通過(guò)將這三個(gè)因子相乘可以得到η值。分別取合理的估算值R為91％、S為85％，并且使用提取效率值為30％，η估算值為0.23。
因此，輸出熒光光線的亮度比輸入泵浦光106亮度增大的倍數(shù)為 Mη＝0.35(L/w)(1+w/h)(4) 因此，在L＝5w并w/h＝16/9的實(shí)例中，亮度增加的倍數(shù)為4.8。如下面所述，可以對(duì)該體熒光裝置100的該基本實(shí)施例進(jìn)行各種變型，以提高亮度的增加量。
重要的是，在主體內(nèi)僅有小量的熒光光線發(fā)生散射，以保持體熒光裝置的增加聚光本領(lǐng)的性能。因此，優(yōu)選的是，熒光光線在主體本身內(nèi)的平均自由程，即發(fā)生體散射事件(bulk scattering event)之間的平均距離為大約2L，或者更長(zhǎng)。另外，為了減少光發(fā)生內(nèi)反射時(shí)的散射損耗，優(yōu)選的是，每全內(nèi)反射的散射率小于大約5％/(2L/h)。
如圖2A示意性示出，在體熒光裝置200的示例性實(shí)施例中，主體102的泵浦表面110設(shè)置有透射泵浦光106但反射熒光光線208的反射涂層210。反射涂層210可以是多層無(wú)機(jī)介電涂層或者M(jìn)OF涂層。使用這樣的涂層210，光208a將被反射以保留在主體102內(nèi)，在不使用涂層210的情況下，該反射光208a在沒有涂層的主體102內(nèi)以小于全內(nèi)反射臨界角的角度入射到表面110上。這樣，通過(guò)提取面112提取光208a的可能性增大，其結(jié)果是射出提取面的熒光光線109的量增加。
可選的是，發(fā)光器104設(shè)置在基底220上。例如，當(dāng)發(fā)光器104是LED時(shí)，那么基底220可以與LED進(jìn)行電連接和熱連接以分別提供電能和冷卻?；?20可以是反射型的，使得從發(fā)光器104朝著遠(yuǎn)離主體102的方向傳播的一些光(例如光線106a)可以再次導(dǎo)向主體102。此外，基底220可以反射透過(guò)主體102而沒有被吸收的泵浦光(例如光線106b)。
圖2B示意性示出熒光體光源230的另一個(gè)示例性實(shí)施例。在該實(shí)施例中，低通濾光器232設(shè)置在發(fā)光器104和主體102之間。低通濾光器232可以是例如其截止波長(zhǎng)在泵浦光106波長(zhǎng)和熒光光線109波長(zhǎng)之間的多層介電反射器。這樣，低通濾光器232透射泵浦光但是反射熒光光線。在一些實(shí)施例中，低通濾光器232可以位于主體表面110上。在其它一些實(shí)施例中，低通濾光器232可以與主體102分離，從而使得以足夠大角度入射到主體102表面上的一些光(例如光線238b)在主體102內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射。另外一些光(例如光線238a)以小于臨界角的角度入射到主體102的表面上，并透射通過(guò)表面110，但是由低通濾光器232反射返回到主體102內(nèi)。
在圖3中示意性示出主體102的實(shí)施例，其中，后表面310a是傾斜的，從而與其它泵浦表面110不為直角，即后表面310a不與主體的側(cè)壁正交。傾斜后表面310傾斜為不與x軸或者y軸平行。傾斜量可以為例如大約5°。傾斜使得從主體102提取的光量增加。熒光光線108在傾斜端面310a上的多次反射使得熒光光線脫離TIR狀態(tài)，在不設(shè)置傾斜端面310a的情況下，熒光光線108可能通過(guò)重復(fù)全內(nèi)反射(TIR)而在主體內(nèi)循環(huán)。這樣，光以小于臨界角的角度入射到提取面112上并且透射成為輸出熒光光線109。光線跟蹤表明，采用傾斜后表面310a可以從上述主體折射率n為1.5的實(shí)例的提取面112提取出高達(dá)30％的光。
提取面112可以設(shè)置有增透涂層以減少熒光光線透射通過(guò)提取面112的反射損耗。然而，這不能避免熒光光線以足夠大的角度入射到提取面從而發(fā)生全內(nèi)反射的可能性。
提取面112可以是，但不要求是，與泵浦表面110垂直的。例如，如圖所示，提取面112可以是傾斜的從而不與x-y平面平行。使提取面112傾斜的一個(gè)效果是，當(dāng)提取面112由圖像傳遞系統(tǒng)成像時(shí)，所得到的圖像面也是傾斜的。如果主體發(fā)出的光被成像到傾斜的目標(biāo)物上，那么這樣是有益的。這在美國(guó)專利No.2005-0135761-A1中有更詳細(xì)的描述。
光輸出提取器可以設(shè)置在提取面上，以減小在提取面上發(fā)生全內(nèi)反射的熒光光線的量?？梢允褂貌煌愋偷妮敵鎏崛∑?。在一個(gè)這種方法中，如圖4A示意性示出，透鏡420耦合到熒光主體402的提取面412上用作輸出提取器。透鏡420的后表面422成形為緊密地耦合到提取面412上。優(yōu)選的是，后表面422和提取面412都是平面的。如果后表面422和提取面412在形狀上充分匹配，那么可以通過(guò)緊靠提取面412或者在離提取面412的距離小于一個(gè)波長(zhǎng)的范圍內(nèi)設(shè)置后表面422，來(lái)使得光有效地從主體402耦合到透鏡420。也可以在提取面412和后表面422之間使用折射率匹配材料，例如折射率匹配油或者光學(xué)粘接劑。折射率匹配材料優(yōu)選地具有這樣的折射率其值在主體402的折射率和透鏡420的折射率之間，但是這不是必要條件。
透鏡420可以是如圖所示的半球狀，也可以是簡(jiǎn)單的平凸透鏡。然而，如果透鏡420不是半球狀的，那么有益的是，確保曲面424的曲率半徑?jīng)]有大到使得一些從主體發(fā)出的光409以大于臨界角的角度入射到曲面上。這維持高的熒光輸出功率。與光409從主體402入射到透鏡420時(shí)的角展度相比，可以使用透鏡420的折射能力減小從透鏡420輸出的熒光光線409的角展度。
也可以將透鏡420與主體402形成為一體，例如如圖4B所示，可以由一塊材料模制出主體402和透鏡420。這樣，透鏡420可以包括熒光材料，但是不需要使用發(fā)光器發(fā)出的光泵浦透鏡420中的熒光材料。當(dāng)主體402與透鏡420形成為一體時(shí)，可以認(rèn)為提取面412是形成一體化主體/透鏡的材料的泵浦區(qū)域和非泵浦區(qū)域之間的界面區(qū)域。
如圖4C示意性示出，在另一種從主體402提取熒光光線的方法中，錐形透射通道430耦合到熒光主體402的提取面412上以用作輸出提取器。通道430的后表面432成形為緊密地耦合到主體402的提取面412。優(yōu)選的是，后表面432和提取面412都是平面的。如果后表面432和提取面412充分地匹配，那么可以通過(guò)緊靠提取面412或者在離提取面412的距離小于一個(gè)波長(zhǎng)的范圍內(nèi)設(shè)置后表面432，使得光有效地從主體402耦合到通道430。也可以在提取面412和后表面432之間使用折射率匹配材料，例如折射率匹配油或者光學(xué)粘接劑?？梢允褂萌魏魏线m的透射材料制造通道430，例如玻璃或者聚合物。
通道430具有面積沿朝向其輸出端434的方向增大的錐形橫截面。如圖所示，通道壁436可以如圖所示是平面的，或者可以是曲面的。橫截面面積(在x-y平面內(nèi))可以僅在一個(gè)維度上增加，或者在兩個(gè)維度上增加。熒光光線409在通道壁436上的反射趨向于將熒光光線409沿著z方向?qū)?，因此熒光光線在通道輸出面434處的角展度小于光從主體進(jìn)入通道430時(shí)的角展度。該減小的角展度減少在輸出表面434處發(fā)生全內(nèi)反射的熒光光線409的量。輸出表面434可以如圖所示是平面的，或者可以是曲面的。
在通道430內(nèi)，熒光光線可以在壁436上發(fā)生全內(nèi)反射，或者壁436可以設(shè)置有反射涂層，例如無(wú)機(jī)介電堆或者聚合物MOF反射涂層。
通道430也可以與主體402一體地形成例如可以采用諸如聚合物材料等單塊材料模制出主體402和透鏡通道430。這樣，通道430可以包含熒光材料。通道430內(nèi)的熒光材料可以由來(lái)自一個(gè)或者多個(gè)發(fā)光器的光泵浦，發(fā)光器通過(guò)通道430的壁436引導(dǎo)泵浦光。另一方面，不需要泵浦通道430。當(dāng)主體402與通道430成為一體時(shí)，可以認(rèn)為提取面412是形成一體化主體/通道的材料的泵浦區(qū)域和未泵浦區(qū)域之間的界面區(qū)域。
通道430的輸出表面434可以與z軸垂直，或者可以是傾斜的，例如如圖4D示意性示出并在美國(guó)專利No.2005-0135761-A1中進(jìn)一步描述的那樣。例如當(dāng)輸出表面由圖像傳遞系統(tǒng)成像在傾斜目標(biāo)物上時(shí)，傾斜輸出表面434是有用的。傾斜目標(biāo)物的一個(gè)實(shí)例是數(shù)字多鏡裝置(DMD)，該數(shù)字多鏡裝置的實(shí)例是由Texas Instruments，Plano，Texas提供的DLPTM成像器。DMD具有多個(gè)設(shè)置在平面內(nèi)的反射鏡，每個(gè)反射鏡可以單獨(dú)尋址以在兩個(gè)位置之間傾斜。DMD通常由不垂直于DMD反射鏡平面(即相對(duì)于照明光的傳播方向傾斜)的光束照射，并且由DMD反射的成像光沿著垂直于反射鏡平面的方向反射。
有益的是，考慮在熒光主體內(nèi)產(chǎn)生的光在主體內(nèi)反射或者從主體射出的角度范圍?，F(xiàn)在參照?qǐng)D5A，該圖示意性示出具有泵浦面510和光提取面512的熒光主體502，我們考慮在X點(diǎn)以熒光的方式產(chǎn)生的光。如果光(例如光線508a)以小于臨界角的角度θcp的角度入射到泵浦面510，那么光508a透射通過(guò)泵浦面510并損失掉?？梢酝ㄟ^(guò)下式計(jì)算泵浦面510上的臨界角θcp θcp＝sin-1(np/n)(5) 其中，np是泵浦面外側(cè)的折射率而n是主體502的折射率。陰影區(qū)域表示小于θcp的角度范圍。如果泵浦面510處于空氣中，那么np值大約等于1。
如果從X點(diǎn)傳輸?shù)墓?例如光線508b)位于陰影區(qū)域所示的光錐以外，那么光508b在泵浦面510上發(fā)生全內(nèi)反射。那么，為了減少通過(guò)泵浦面的光損失量，即減小θcp，通常優(yōu)選的是n值更大。
在提取面512上的臨界角θce由下式給出 θce＝sin-1(ne/n) (6) 其中ne是提取面512外側(cè)的材料的折射率。這可以是空氣的折射率，或者在一些實(shí)施例中可以是一些其它值，例如圖4A和圖4B所示的實(shí)施例。在這種情況下，需要θce是大的，從而使得更大一部分光傳輸通過(guò)提取面512而沒有發(fā)生全內(nèi)反射。
光線508c表示在X點(diǎn)產(chǎn)生并在x-z平面內(nèi)傳輸?shù)墓饩€，如果光線508c在A點(diǎn)由泵浦表面510反射并以臨界角θce入射到提取面512。隨著θce值增大，A點(diǎn)的位置沿負(fù)z方向向左移動(dòng)。在某些θce值，A點(diǎn)進(jìn)入陰影區(qū)域，即光線透射穿過(guò)泵浦面510而不是由泵浦面510全內(nèi)反射。因此，在如下情況下光輸出耦合效率的增加量降低θce的值大于某一值，該值使A點(diǎn)在泵浦面510上處于導(dǎo)致從X點(diǎn)射出的光的入射角小于θcp的位置。當(dāng)泵浦面510和提取面512彼此夾角為90°時(shí)，通過(guò)使θce值不大于90°-θcp來(lái)滿足該條件。因此，如果np＝1而已知n，可以計(jì)算出，至少對(duì)于平行于或者接近平行于x-z平面?zhèn)鬏數(shù)墓鈦?lái)說(shuō)，當(dāng)nce＝n·sin(90°-θcp)時(shí)得到熒光光線的最大輸出耦合效率。這表明，隨著輸出提取器的折射率接近主體502的折射率值，從主體502提取熒光光線的效率變得平穩(wěn)。對(duì)于不平行于x-z平面?zhèn)鬏數(shù)墓?，?dāng)θce的值更大時(shí)產(chǎn)生最大輸出耦合效率，但是通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)θce的值更大時(shí)，輸出耦合效率的增加量變小。
可以計(jì)算通過(guò)全內(nèi)反射將熒光光線從主體耦合出的最大效率。如上所述，通常優(yōu)選的是主體具有更大的折射率，因此更多的熒光光線在主體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射。圖5B示出使用優(yōu)化的輸出提取器從熒光主體提取光的最大提取效率與折射率的函數(shù)關(guān)系圖。在折射率值n＝1.5時(shí)，提取效率幾乎達(dá)到50％，在值n＝1.9時(shí)提取效率為70％。
圖6示意性示出體熒光裝置600的另一個(gè)實(shí)施例。在該實(shí)施例中，使用由一個(gè)或者多個(gè)發(fā)光器604發(fā)射的泵浦光606通過(guò)泵浦面610泵浦熒光主體602，該熒光主體602具有面積小于提取面612的后面610a。相應(yīng)地，相對(duì)的泵浦面610b和610c不平行。泵浦面610可以如圖所示是平面的，或者可以是曲面的。在一些示例性實(shí)施例中，如圖所示，主體602可以具有錐形形狀。后面610a可選地設(shè)置有反射層614。提取面612的面積比后面610a大所產(chǎn)生的結(jié)果是可以減小熒光光線在提取面612處的角展度，從而使得更多熒光光線609可以從主體602射出。
在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，體熒光裝置發(fā)出的熒光光線可以是至少部分偏振的。圖7A示意性示出偏振體熒光裝置700的第一示例性實(shí)施。在該實(shí)施例中，熒光主體702設(shè)置有接近于或者安裝到提取面712的反射偏振器740。當(dāng)非偏振熒光光線709入射到反射偏振器740上時(shí)，一個(gè)偏振態(tài)的光709a基本上透射通過(guò)，而正交偏振態(tài)的光基本反射返回到主體702。
偏振轉(zhuǎn)換元件742可選地設(shè)置在偏振器740和提取面712之間。偏振轉(zhuǎn)換元件的實(shí)例包括雙折射延遲元件和法拉第旋轉(zhuǎn)元件。偏振轉(zhuǎn)換元件可以是，例如四分之一波延遲元件。由反射偏振器740反射并透射穿過(guò)偏振轉(zhuǎn)換元件742的光709b在主體702內(nèi)以從偏振器740所反射的光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換后的偏振態(tài)傳輸。如果偏振轉(zhuǎn)換元件742是四分之一波延遲器，那么光709b的偏振態(tài)可以是例如圓偏振的。光709b可以通過(guò)主體702再循環(huán)并再一次傳輸通過(guò)偏振轉(zhuǎn)換元件742到達(dá)反射偏振器740。該再循環(huán)光的偏振態(tài)不同于之前入射到反射偏振器740的光的偏振態(tài)，這是因?yàn)樵摴饩€已經(jīng)兩次通過(guò)偏振轉(zhuǎn)換元件742，因此該光中原來(lái)處于被偏振器740反射的偏振態(tài)的一部分光可能以透射的偏振態(tài)返回到偏振器740。這樣，反射的熒光光線709b可以反復(fù)循環(huán)，以便隨后從光裝置700中進(jìn)行提取從而增加偏振光的總提取效率。
可以使用任何一種合適類型的反射偏振器740，例如多層光學(xué)膜(MOF)反射偏振器、線柵反射偏振器或者膽甾型反射偏振器。MOF反射偏振器依靠至少兩種材料(通常為聚合物材料)之間的折射率差，以選擇性地反射一個(gè)偏振態(tài)的光，同時(shí)透射正交偏振態(tài)的光。在共同擁有的美國(guó)專利No.5,882,774中描述了MOF反射偏振器的一些實(shí)例。
可以用于本發(fā)明的線柵偏振器的一些實(shí)例包括在美國(guó)專利No.6,122,103中描述的那些線柵偏振器。商業(yè)上可以從Moxtek Inc.，Orem，Utah獲得線柵偏振器。
可以用于本發(fā)明的膽甾型偏振器的一些實(shí)例包括在美國(guó)專利No.5,793,456和美國(guó)專利公開No.2002/0159019中描述的那些膽甾型偏振器。膽甾型偏振器通常與四分之一波延遲層一起設(shè)置在輸出側(cè)，使得透射通過(guò)膽甾型偏振器的光被轉(zhuǎn)換成線偏振。
可以從體熒光裝置的其它實(shí)施例中獲得基本偏振的輸出。例如，圖7B示意性示出的體熒光裝置具有設(shè)置在熒光主體和透鏡720的后表面722之間的反射偏振器740和偏振轉(zhuǎn)換元件742。
在圖7C示意性示出的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，主體設(shè)置有通道輸出提取器730。如圖所示，反射偏振器740和可選的偏振轉(zhuǎn)換元件742可以設(shè)置在通道輸出提取器730的輸出面上，或者可以設(shè)置在主體和通道輸出提取器730之間。在一些情況下，當(dāng)入射光的角展度減小時(shí)，反射偏振器740在使入射光起偏方面更有效，因此與將偏振器740設(shè)置在主體702和輸出提取器730之間的位置相比，當(dāng)偏振器740設(shè)置在通道輸出提取器730輸出面上時(shí)，輸出光709a的偏振度更高。
在一些實(shí)施例中，熒光材料可以容納于引導(dǎo)發(fā)出的熒光光線的波導(dǎo)中。圖8A示意性示出包含波導(dǎo)的體熒光裝置800的一個(gè)示例性實(shí)施例。在該實(shí)施例中，裝置800包括主體802，該主體具有內(nèi)含熒光光線的波導(dǎo)芯體802a。該芯體802a由包層802b包圍，該包層的折射率小于芯體802a的折射率。這樣，在芯體的數(shù)值孔徑內(nèi)產(chǎn)生的熒光光線809被引導(dǎo)至提取端812。例如，如同光纖或者埋藏式波導(dǎo)的情況，芯體802a可以在兩個(gè)維度上提供光學(xué)限制，或者，例如如同平面波導(dǎo)的情況，芯體802a可以僅在一個(gè)維度上提供光學(xué)限制。
在該具體實(shí)施例中，發(fā)光器804將泵浦光806橫向地射入熒光芯體802a。除非芯體802a內(nèi)的熒光材料的濃度足夠高從而吸收在芯體802a內(nèi)傳輸?shù)拇蟛糠直闷止?，否則在該結(jié)構(gòu)中泵浦熒光材料的效率可能較低。后面810a可以設(shè)置有反射涂層。
在一些實(shí)施例中，可以設(shè)置散射機(jī)構(gòu)以將至少一些泵浦光806a在主體802內(nèi)散射到泵浦光806a在主體802內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射的方向上。例如，泵浦表面810可以是散射表面，或者包層802b可以設(shè)置有散射體。這樣的結(jié)構(gòu)可以允許泵浦光多次透射過(guò)熒光芯體802a。
在圖8B示意性示出的波導(dǎo)體熒光裝置820的另一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)光器804將泵浦光806射向斜面822，該斜面沿主體802引導(dǎo)光。包層802b內(nèi)反射泵浦光804，使得泵浦光可以多次穿過(guò)熒光芯體802a，從而在芯體802a內(nèi)有效地穿過(guò)更長(zhǎng)的光程，導(dǎo)致芯體802a內(nèi)的熒光材料吸收更多的泵浦光806。
圖9示意性示出可以使用本文描述的體熒光裝置的投影系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。在該具體實(shí)施例中，投影系統(tǒng)900是三面板投影系統(tǒng)，其具有產(chǎn)生不同顏色的照明光束(例如紅色、綠色和藍(lán)色光束)906a、906b、906c的光源902a、902b、902c。在示出的實(shí)施例中，綠色光源902b包括體熒光裝置。然而，光源902a、902b、902c的任意或者全部可以包括體熒光裝置。光源902a、902b、902c也可以包括光束偏轉(zhuǎn)元件，例如反射鏡或者棱鏡，以偏轉(zhuǎn)任意顏色照明光束906a、906b、906c到它們各自的成像裝置904a、904b、904c。
成像裝置904a、904b、904c可以是任意種類的成像裝置。例如，成像裝置904a、904b、904c可以是透射或者反射成像裝置。透射和反射式液晶顯示(LCD)面板可以用作成像裝置。合適類型的透射式LCD成像面板的一個(gè)實(shí)例是高溫多晶硅(HTPS)LCD。合適類型的反射式LCD面板的實(shí)例是硅基液晶(LCoS)面板。LCD面板通過(guò)如下方式調(diào)制照明光束，即偏振調(diào)制與選定象素相關(guān)的光，然后使用偏振器將調(diào)制光從非調(diào)制光中分離。另一種類型的成像裝置稱為數(shù)字多鏡裝置(DMD)，由Texas Instruments，Plano，Texas以商品名稱DLPTM提供，該裝置使用單獨(dú)尋址的反射鏡陣列，這些反射鏡使得照明光偏轉(zhuǎn)成朝向或者背離投影透鏡。在示出的實(shí)施例中，成像裝置904a、904b、904c是LCoS型的。
光源902a、902b、902c也可以包括諸如偏振器、積分器、透鏡和反射鏡等用于處理照明光束906a、906b、906c的各種元件。
有色照明光束906a、906b、906c通過(guò)各自的偏振分束器(PBS)910a、910b和910c導(dǎo)向它們各自的成像裝置904a、904b和904c。成像裝置904a、904b和904c偏振調(diào)制入射照明光束906a、906b、906c，以使得各個(gè)反射的有色成像光束908a、908b和908c由PBS910a、910b和910c分離出來(lái)并且透射到合色裝置914。有色成像光束908a、908b、908c可以組合成單獨(dú)的全色成像光束916，由投影透鏡裝置911將該全色成像光束投影到屏幕912上。
成像裝置904a、904b、904c可以連接到控制在屏幕912上顯示的圖像的控制器920(虛線)。該控制器可以是例如電視機(jī)和計(jì)算機(jī)等的調(diào)諧和圖像控制電路。
在示出的示例性實(shí)施例中，有色照明光束906a、906b、906c由PBS 910a、910b和910c反射到成像裝置904a、904b和904c，所得成像光束908a、908b和908c透射通過(guò)PBS 910a、910b和910c。在另一種方法(未示出)中，照明光可以通過(guò)PBS透射到成像裝置，而成像光由PBS反射。
投影系統(tǒng)的另一些實(shí)施例可以使用不同數(shù)量的成像裝置，或者更多或者更少。投影系統(tǒng)的一些實(shí)施例使用單個(gè)成像裝置，而其它一些實(shí)施例使用兩個(gè)成像裝置。例如，在共同擁有的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/895,705中更詳細(xì)地描述了使用單個(gè)成像裝置的投影系統(tǒng)，而在共同擁有的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/914,596中描述了使用兩個(gè)成像裝置的投影系統(tǒng)。在單面板投影系統(tǒng)中，照明光僅僅入射到單個(gè)成像面板上。調(diào)制該入射光使得在任意時(shí)刻僅有一種顏色的光入射到成像裝置的一部分上。入射到成像裝置上的光的顏色隨時(shí)間推移而改變例如從紅色變綠色變藍(lán)色再次變到紅色，此時(shí)循環(huán)重復(fù)。這通常被稱為“場(chǎng)序彩色”操作模式。在其它類型的單面板投影系統(tǒng)中，不同色帶的光可以滾動(dòng)經(jīng)過(guò)單個(gè)面板，使得任何時(shí)候照明系統(tǒng)采用不止一種顏色照明面板，但是面板上的任一點(diǎn)瞬時(shí)只由單一顏色照明。
在兩面板投影系統(tǒng)中，將兩個(gè)顏色順序地導(dǎo)向第一成像裝置面板，該成像裝置面板順序地顯示兩種顏色的圖像。第二面板通常由第三顏色的光連續(xù)地照射。來(lái)自第一和第二面板的成像光束組合并投影。由于眼睛的組合，觀察者看到全色圖像。
實(shí)例 制造并測(cè)試如圖10A和圖10B示意性示出的實(shí)驗(yàn)用體熒光裝置。熒光主體由摻雜了0.18％的鈰(Ce)的單晶釔鋁石榴石(YAG)板形成。主體的尺寸是2.5mm厚、4.5mm寬以及25mm長(zhǎng)。全部六面都經(jīng)過(guò)拋光。使用紫外固化光學(xué)粘接劑將標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)鋁反射鏡粘合到一個(gè)2.5mm×4.5mm的面(后面)上。對(duì)于一些測(cè)量，將10mm直徑的BK7半球透鏡粘合到另一個(gè)2.5mm×4.5mm的面(提取面)上，以提高光提取量。
由Lumileds Inc.，San Jose，California提供的型號(hào)為L(zhǎng)HXL-PR09的一個(gè)或者多個(gè)Luxeon III Royal Blue LED將泵浦光提供到主體。
1.單泵浦LED 使用單個(gè)聚焦光學(xué)系統(tǒng)傳遞從單個(gè)LED發(fā)出的光，以成像在板的大側(cè)面(4.5mm×25mm)上的LED有效區(qū)域。利用與板的大側(cè)面(4.5mm×25mm)尺寸相同的積分球入射口的孔徑校準(zhǔn)從LED組件傳遞到板上的光功率。圖11示出單個(gè)LED輸出的光功率與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系(曲線1102)。接下來(lái)，通過(guò)將主體設(shè)置在LED和積分球之間來(lái)測(cè)量透射過(guò)主體的泵浦光的量來(lái)自LED的藍(lán)光(＜500nm)的大約25％透射到球中。圖11示出透射主體的藍(lán)色泵浦光(曲線1104)?？紤]主體表面的菲涅耳反射，估算出主體吸收了入射泵浦光的67％。通過(guò)增加主體內(nèi)鈰(Ce)的摻雜濃度，或者通過(guò)使主體變厚，可以增加上述比例。
在沒有安裝透鏡的情況下，將泵浦光入射到主體的大表面上并使用積分球測(cè)量從主體的提取面輸出的熒光光線。當(dāng)LED光入射到板的反射鏡端附近時(shí)，由球收集的熒光光線(＞500nm)與從LED發(fā)出的藍(lán)光的入射光功率的比率是8.1％，而當(dāng)LED光入射到板中央時(shí)該比率是8.4％。曲線1106示出當(dāng)用單個(gè)LED泵浦時(shí)從主體提取出的熒光光線。應(yīng)該理解到，本文討論的熒光光線和泵浦光的波長(zhǎng)值表示為真空中的波長(zhǎng)。此外，要注意到，盡管定義為半峰全寬(FWHM)范圍的波長(zhǎng)范圍對(duì)于泵浦光和熒光光線不同，但曲線1106和1108部分地與曲線1102重疊。
在將BK7半球透鏡安裝到主體的提取面以后，另外測(cè)量從主體輸出的熒光曲線1108示出結(jié)果。在該情況下，泵浦光的22.2％提取為熒光光線。
全轉(zhuǎn)換效率ηtotal，可以近似為三個(gè)效率的乘積泵浦吸收效率ηabs、斯托克斯(Stokes)轉(zhuǎn)換效率ηStokes和熒光提取效率ηextraction。另一個(gè)因素，量子效率(即受激熒光物質(zhì)中實(shí)際產(chǎn)生熒光光子的比例)在該實(shí)例中被忽略，這是因?yàn)镃e:YAG的量子效率非常接近1。如上所述直接測(cè)量泵浦吸收效率?？梢愿鶕?jù)測(cè)量的熒光光譜計(jì)算斯托克斯(Stokes)效率為大約80％。因?yàn)樗衅渌鼦l件已知，所以可以計(jì)算熒光提取效率ηextraction，如下 ηextraction＝ηtotal/(ηabs·ηStokes)＝1.86ηtotal 本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的熒光提取效率ηextraction和前面所述的理論值之間的比較結(jié)果在下面的表I中列出。表中列出具有透鏡輸出提取器(透鏡o/e)和不具有輸出提取器(空端)時(shí)的效率。
表I不同測(cè)試條件下的光功率和波長(zhǎng)關(guān)系 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比理論結(jié)果僅僅小幾個(gè)百分?jǐn)?shù)。可以通過(guò)反射鏡的不理想反射、表面上的散射損耗和球透鏡的菲涅耳反射解釋該微小的差值。但是，該高度吻合證實(shí)以上提供的熒光提取的描述的正確性。
2.多LED泵浦 使用六個(gè)Luxeon III Royal Blue LED泵浦主體來(lái)進(jìn)行第二實(shí)驗(yàn)，其中三個(gè)LED泵浦每個(gè)25mm×4.5mm的面。LED排列成線并且不使用中間光學(xué)系統(tǒng)LED的圓頂位于主體的1mm范圍內(nèi)。按照從反射鏡端到半球透鏡端的順序，將一側(cè)的LED標(biāo)記為1、3、5，而另一側(cè)的LED標(biāo)記為2、4、6，因此，LED對(duì)1/2、3/4、5/6通過(guò)主體彼此相對(duì)。首先，每個(gè)LED以1A單獨(dú)工作，并且使用積分球收集通過(guò)半球透鏡射出板的熒光光線(操作1-6)。接下來(lái)，每側(cè)的所有三個(gè)LED，即LED 1、3、5和LED 2、4、6同時(shí)工作(操作7和8)。最后，所有6個(gè)LED同時(shí)工作(操作9)。
圖12示出這些9種操作的光譜結(jié)果。實(shí)際上，曲線1202是對(duì)應(yīng)于操作1-6的6條相似曲線的重疊，表明每個(gè)LED各自產(chǎn)生的熒光光線的量基本相同。曲線1204、1206和1208分別對(duì)應(yīng)于操作7-9。
隨著泵浦功率增加，輸出功率成正比地增加，并且當(dāng)所有LED同時(shí)工作時(shí)輸出功率沒有表現(xiàn)出任何飽和。表II列出對(duì)每個(gè)LED單獨(dú)工作和成組同時(shí)工作的情況在熒光帶(＞500nm)中測(cè)量的光功率。在單獨(dú)測(cè)量值的總和與所有LED同時(shí)工作時(shí)得到的結(jié)果之間的差小于1％。
表II單個(gè)LED工作和LED同時(shí)工作時(shí)的熒光輸出功率(＞500nm) 當(dāng)所有6個(gè)LED都以1A工作時(shí)，熒光輸出為大約168流明。作為附加檢測(cè)，測(cè)量從LED組發(fā)出的光通過(guò)4.5mm×25mm孔徑的透射率以模仿板。透射通過(guò)該孔徑的功率在LED 1、3、5同時(shí)工作的情況下為735mW，而在LED 2、4、6同時(shí)工作的情況下為856mW。這樣，估算出入射到板上的全部藍(lán)光為1591mW，其中提取出345mW的熒光光線，即效率為22％，這與從單個(gè)LED泵浦得到的結(jié)果匹配。
不應(yīng)該認(rèn)為本發(fā)明只限于上述具體實(shí)例，而是應(yīng)該認(rèn)為本發(fā)明包括如所附權(quán)利要求書中明確提出的本發(fā)明的所有方面。本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將很容易明白適用于本發(fā)明的各種修改、等同處理以及多種結(jié)構(gòu)。權(quán)利要求書旨在包括這些修改和設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種照明系統(tǒng)，包括
至少第一非相干光源，其可以產(chǎn)生處于第一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光；
主體，其含有熒光材料，當(dāng)受所述第一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光照射時(shí)，所述熒光材料發(fā)射出不同于所述第一波長(zhǎng)范圍的第二波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光；
所述主體具有提取區(qū)域，至少一些所述第二波長(zhǎng)的光在所述主體內(nèi)發(fā)生內(nèi)反射并到達(dá)所述提取區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中
所述至少第一非相干光源包括第一光源和至少第二光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中
所述第一和第二光源設(shè)置在所述主體的不同側(cè)面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中
所述第一光源是LED。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中
所述LED設(shè)置在反射式基底上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中
所述至少第一光源包括可以發(fā)射處于所述第一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光的多個(gè)LED，所述第一波長(zhǎng)范圍在大約400nm和大約500nm之間，而所述第二波長(zhǎng)范圍在大約500nm和大約600nm之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中
所述主體具有與所述提取區(qū)域相對(duì)的后面，所述后面的面積基本等于所述提取區(qū)域的面積。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中
所述主體具有與所述提取區(qū)域相對(duì)的后面，所述后面的面積小于所述提取區(qū)域的面積。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中
所述主體具有在所述后面和所述提取區(qū)域之間延伸的側(cè)壁， 所述側(cè)壁是基本上直的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中
所述主體具有與提取區(qū)域相對(duì)的后面和位于所述后面附近的側(cè)壁，所述后面與所述側(cè)壁不正交。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括
輸出提取器，其設(shè)置在所述提取區(qū)域，所述輸出提取器光學(xué)耦合以從所述主體提取在所述第二波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中
所述輸出提取器包括耦合到所述主體的透鏡。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中
所述輸出提取器是耦合到所述主體的錐形通道。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中
所述輸出提取器由與所述主體相同的材料形成，并且與所述主體一體地形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中
所述輸出提取器包括與所述主體的縱向軸線不垂直的輸出表面。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中
在所述主體的至少一個(gè)表面上設(shè)置有反射層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中
所述反射層基本透射在所述第一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，并且基本反射在所述第二波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括
反射偏振器，其設(shè)置在透射出所述提取區(qū)域的處于所述第二波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光的光路上。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括
偏振轉(zhuǎn)換元件，其設(shè)置在所述提取區(qū)域和所述反射偏振器之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括
輸出提取器，其設(shè)置在所述提取區(qū)域和所述反射偏振器之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中
所述主體由如下材料形成，所述材料對(duì)于所述第二波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光的平均自由程為所述主體長(zhǎng)度的至少兩倍。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中
所述主體具有長(zhǎng)度L和高度h，當(dāng)在所述主體表面上發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)，光發(fā)生散射的比例小于5％/(2L/h)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中
所述第二波長(zhǎng)范圍包含比所述第一波長(zhǎng)范圍更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括
投影裝置，其包括至少一個(gè)成像裝置、投影透鏡裝置以及屏幕，在所述第二波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光照射所述至少一個(gè)成像裝置，來(lái)自所述至少一個(gè)成像裝置的成像光由所述投影透鏡裝置投射到所述屏幕。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，還包括
控制器，其連接以控制由所述至少一個(gè)成像裝置形成的圖像。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中
所述主體含有設(shè)置在透射材料中的熒光材料，所述熒光材料包括稀土金屬離子、過(guò)渡金屬離子和有機(jī)熒光染料中的至少一者。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中
所述主體含有設(shè)置在透射材料中的熒光材料，所述透射材料包括無(wú)機(jī)晶體、玻璃和聚合物基體中的至少一者。
28.一種能夠產(chǎn)生照明光束的照明系統(tǒng)，包括
主體，其包含熒光材料，所述主體具有至少一個(gè)泵浦區(qū)域和光提取區(qū)域；以及
至少一個(gè)LED，其能夠產(chǎn)生第一波長(zhǎng)的光，至少一些所述第一波長(zhǎng)的光穿過(guò)所述至少一個(gè)泵浦區(qū)域到達(dá)所述主體內(nèi)，在吸收所述第一波長(zhǎng)的光后，在所述主體內(nèi)產(chǎn)生第二波長(zhǎng)的熒光光線，至少一些所述第二波長(zhǎng)的光由所述主體導(dǎo)向所述光提取區(qū)域，至少一些所述第二波長(zhǎng)的光透射通過(guò)所述光提取區(qū)域而成為所述照明光束。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中
所述至少一個(gè)LED設(shè)置在反射式基底上。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中
所述至少一個(gè)LED包括多個(gè)LED，其設(shè)置為發(fā)射透過(guò)所述主體的泵浦區(qū)域的所述第一波長(zhǎng)的光。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中
所述第一波長(zhǎng)具有在大約400nm和大約500nm之間的值，而所述第二波長(zhǎng)具有在大約500nm和大約600nm之間的值。
32.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中
所述主體具有與所述光提取區(qū)域相對(duì)的后面，所述后面的面積基本等于所述提取區(qū)域的面積。
33.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中
所述主體具有與所述光提取區(qū)域相對(duì)的后面，所述后面的面積小于所述光提取區(qū)域的面積。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中
所述主體具有在所述后面和所述光提取區(qū)域之間延伸的側(cè)壁，所述側(cè)壁是基本上直的。
35.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中
所述主體具有與所述光提取區(qū)域相對(duì)的后面以及在所述后面和所述光提取區(qū)域之間延伸的側(cè)壁，所述后面與所述側(cè)壁不正交。
36.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，還包括
輸出提取器，其設(shè)置在所述光提取區(qū)域，所述輸出提取器光學(xué)耦合以從所述主體提取所述第二波長(zhǎng)的光。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其中
所述輸出提取器包括耦合到所述主體的透鏡。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其中
所述輸出提取器包括耦合到所述主體的錐形通道。
39.根據(jù)權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其中
所述輸出提取器由與所述主體相同的材料形成，并且與所述主體一體地形成。
40.根據(jù)權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其中
所述輸出提取器包括與所述主體的縱向軸線不垂直的輸出表面。
41.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中
在所述主體的至少一個(gè)表面上設(shè)置有反射層。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其中
所述反射層基本透射所述第一波長(zhǎng)的光，并且基本反射所述第二波長(zhǎng)的光。
43.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，還包括
反射偏振器，其設(shè)置在透射出所述光提取區(qū)域的所述第二波長(zhǎng)的光的光路上。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的系統(tǒng)，還包括
偏振轉(zhuǎn)換元件，其設(shè)置在所述光提取區(qū)域和所述反射偏振器之間。
45.根據(jù)權(quán)利要求43所述的系統(tǒng)，還包括
輸出提取器，其設(shè)置在所述光提取區(qū)域和所述反射偏振器之間。
46.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中
所述主體由如下材料形成，所述材料對(duì)于所述第二波長(zhǎng)的光的平均自由程為所述主體長(zhǎng)度的至少兩倍。
47.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中
所述主體具有長(zhǎng)度L和高度h，當(dāng)在所述主體表面上發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)，光發(fā)生散射的比例小于5％/(2L/h)。
48.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中
所述第二波長(zhǎng)比所述第一波長(zhǎng)更長(zhǎng)。
49.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，還包括
投影裝置，其包括至少一個(gè)成像裝置、投影透鏡裝置、以及屏幕，所述第二波長(zhǎng)的光照射所述至少一個(gè)成像裝置，來(lái)自所述至少一個(gè)成像裝置的成像光由所述投影透鏡裝置投射到所述屏幕。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的系統(tǒng)，還包括
控制器，其連接以控制由所述至少一個(gè)成像裝置形成的圖像。
51.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中
所述主體含有設(shè)置在透射材料中的熒光材料，所述熒光材料包括稀土金屬離子、過(guò)渡金屬離子和有機(jī)熒光染料中的至少一者。
52.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中
所述主體含有設(shè)置在透射材料中的熒光材料，所述透射材料包括無(wú)機(jī)晶體、玻璃和聚合物基體中的至少一者。
53.根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中
與通過(guò)所述至少一個(gè)泵浦區(qū)域射入的所述第一波長(zhǎng)的光的亮度相比，從所述光提取區(qū)域射出的所述第二波長(zhǎng)的光具有更高的亮度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種照明系統(tǒng)，例如可以用于照明投影系統(tǒng)的照明系統(tǒng)，其包括可以產(chǎn)生處于第一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光的至少第一非相干光源。該系統(tǒng)還包括主體，所述主體包含熒光材料，當(dāng)所述熒光材料由所述第一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光照射時(shí)發(fā)射出不同于所述第一波長(zhǎng)范圍的第二波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光。該主體具有提取區(qū)域，所述第二波長(zhǎng)的光的至少一些在所述主體內(nèi)發(fā)生內(nèi)反射并到達(dá)所述提取區(qū)域。
文檔編號(hào)H04N9/31GK101151908SQ200680010530
公開日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2006年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月29日
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