CN102252169B - 高亮度激发方法及基于光波长转换的发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高亮度激发方法及基于光波长转换的发光装置，其方法包括层状分布的光波长转换材料的两面分别接受来自该光波长转换材料两侧的第一激发光和第二激发光的激发，产生受激发光；第一激发光为固态发光芯片或由复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列发出的激发光；第二激发光通过位于光波长转换材料另一侧的第一分光滤光装置引导入射到光波长转换材料；通过第一分光滤光装置引导受激发光从第二激发光的光路中分离为出射光。本发明光转换材料两面同时受激发，并采用相应分光滤光装置对激发光或受激发光引导，通过透明导热衬底或LED芯片紧贴光波长转换材料以解决散热问题，实现了发光装置的高亮度、大功率光的输出。

Description

高亮度激发方法及基于光波长转换的发光装置
技术领域
本发明涉及光源技术领域，尤其涉及一种高亮度激发方法及基于光波长转换的发光装置。
背景技术
为了获取色彩丰富、亮度高、成本低的照明光源，现有技术通常采用发光源来激发光波长转换材料比如荧光粉以产生受激发光。
现有技术为了提高输出光的亮度，通常以提高光转换材料的激发或萃取效率为优选方案，以荧光粉为例，为了使荧光粉具有更高的萃取效率，将荧光粉放置于一个反射空腔中，并在空腔的内表面设置激发光源，同时强调空腔的出口面积小于荧光粉面积，使得荧光粉发出的低能量密度的光，经过反复的反射得以密集，进而提高能量密度。其不足之处在于，因腔体内表面的反射率不可能实现理想的达到100％的反射率，在多次反射后光能将损耗严重，使得效率剧烈降低。此外，当用以产生大功率光输出时，荧光粉的激发功率密度就会很高，使得荧光粉的散热问题凸现出来。实验表明，荧光粉的萃取效率随温度升高而下降。以图1一种绿光荧光粉的受激发光与温度曲线关系为例，当温度达到一定高度(如超过130摄氏度)时，效率将急剧下降。因此，该方案提供大功率输出光的效率受到制约。
而且，现有技术只考虑到从荧光粉的一侧提供激发光，从荧光粉的另一测萃取受激发光，导致激发光单位面积内的光功率不高。
现有技术中有采用马达带动光波长转换材料旋转接收外部激发光的照射产生多彩光源的方法，但是，其工艺及装置结构复杂，成本高。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高亮度激发方法及基于光波长转换的发光装置，旨在提供高亮度输出光，同时便于实现大功率输出。
为了达到上述目的，本发明提出一种高亮度激发方法，包括以下步骤：
层状分布的光波长转换材料的两面分别接受来自该光波长转换材料两侧的第一激发光和第二激发光的激发，产生受激发光；所述第一激发光为固态发光芯片或由复数个所述固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列发出的激发光；所述光波长转换材料紧贴在所述固态发光芯片或固态发光芯片阵列的发光面上；
所述第二激发光通过位于所述光波长转换材料相对于所述固态发光芯片或固态发光芯片阵列的另一侧的第一分光滤光装置引导入射到所述光波长转换材料；
通过所述第一分光滤光装置引导所述受激发光从所述第二激发光的光路中分离为出射光。
优选地，所述光波长转换材料通过至少一种透明材料结合在一起。
优选地，还包括：通过所述固态发光芯片反射受激发光，通过所述第一分光滤光装置反射第二激发光及透射/部分透射受激发光；或者通过所述固态发光芯片反射受激发光，通过所述第一分光滤光装置透射第二激发光及反射/部分反射受激发光。
优选地，所述第二激发光为来自一个以上的发光源的光借助于第二分光滤光装置来形成的合光。
本发明还提出一种高亮度激发方法，包括以下步骤：
层状分布的光波长转换材料的两面分别接受来自该光波长转换材料两侧的第一激发光和第二激发光的激发，产生受激发光；
通过光波长转换材料两侧的分光滤光装置引导所述受激发光从所述第一激发光和/或第二激发光的光路中分离为出射光。
优选地，所述第一激发光与第二激发光的归一化光谱有交叠部分。
优选地，所述第一激发光与第二激发光的归一化光谱交叠部分的能量，占各自归一化光谱能量的比例，至少有一个高于20％。
优选地，在所述光波长转换材料一侧的分光滤光装置透射第一激发光及反射/部分反射受激发光，在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置反射第二激发光及透射/部分透射受激发光；
或者在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置透射第二激发光及反射/部分反射受激发光。
优选地，在所述光波长转换材料一侧的分光滤光装置反射第一激发光及透射/部分透射受激发光，在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置透射第二激发光及反射/部分反射受激发光；
或者在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置反射第二激发光及透射/部分透射受激发光。
优选地，所述光波长转换材料与所述第一激发光和/或第二激发光之间有相对运动。
优选地，所述第一激发光或第二激发光为来自一个以上的发光源的光借助于分光滤光元件形成的合光。
本发明还提出一种基于光波长转换的发光装置，包括层状分布的光波长转换材料，用以受激发产生具有预定波长的受激发光；
还包括由固态发光芯片或复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列的第一个/组发光源，以及第二个/组发光源；所述第一个/组发光源与第二个/组发光源所分别提供的第一激发光和第二激发光用来分别从所述光波长转换材料的两侧对该光波长转换材料进行照射，产生受激发光；
所述光波长转换材料紧贴在所述固态发光芯片或固态发光芯片阵列的发光面上；
以及设置在所述光波长转换材料相对于第一个/组发光源的另一侧的第一分光滤光装置，通过所述分光滤光装置引导所述受激发光从所述第二激发光的光路中分离为出射光。
优选地，所述光波长转换材料通过至少一种透明材料结合在一起。
优选地，所述光波长转换材料与所述固态发光芯片之间具有空气隙，该空气隙的厚度小于所述固态发光芯片外接圆直径的1％。
优选地，所述光波长转换材料或直接贴覆在各所述固态发光芯片上，或通过透明填充介质粘覆在各所述固态发光芯片上。
优选地，所述光波长转换材料的所在层的上表面裸于空气中，且该所在层的厚度小于或等于所述固态发光芯片的外接圆直径的20％。
优选地，所述固态发光芯片反射受激发光，所述第一分光滤光装置反射第二激发光及透射/部分透射受激发光使之从该第一分光滤光装置的另一侧射出；
或者所述第一分光滤光装置透射第二激发光及反射/部分反射受激发光使之从该第一分光滤光装置的同一侧射出。
优选地，所述第二激发光为来自一个以上的发光源的光借助于第二分光滤光装置来形成的合光。
本发明还提出一种基于光波长转换的发光装置，包括层状分布的光波长转换材料，用以受激发产生具有预定波长的受激发光；其特征在于，
还包括设置在所述光波长转换材料的两侧的两个/组发光源，该两个/组发光源所分别提供的第一激发光和第二激发光用来分别从所述光波长转换材料的两侧对该光波长转换材料进行照射；
以及分别设置在所述光波长转换材料的两侧的分光滤光装置，用于引导源自所述发光源的激发光射往光波长转换材料，产生受激发光，并引导所述受激发光从该激发光的光路中分离为出射光。
优选地，所述第一激发光与第二激发光的归一化光谱有交叠部分。
优选地，所述第一激发光与第二激发光的归一化光谱交叠部分的能量，占各自归一化光谱能量的比例，至少有一个高于20％。
优选地，所述光波长转换材料通过至少一种透明材料结合在一起。
优选地，所述光波长转换材料设置在一透明导热衬底上；所述光波长转换材料与所述透明导热衬底之间具有空气隙。
优选地，所述光波长转换材料与透明导热衬底之间具有的空气隙的厚度小于激发光光斑外接圆直径的1％。
优选地，所述透明导热衬底至少包括透明氧化铝、氮化铝、蓝宝石或玻璃中的一种。
优选地，在所述光波长转换材料一侧的分光滤光装置透射第一激发光及反射/部分反射受激发光，在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置反射第二激发光及透射/部分透射受激发光；
或者在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置透射第二激发光及反射/部分反射受激发光。
优选地，在所述光波长转换材料一侧的分光滤光装置反射第一激发光及透射/部分透射受激发光，在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置透射第二激发光及反射/部分反射受激发光；
或者在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置反射第二激发光及透射/部分透射受激发光。
优选地，所述光波长转换材料相对所述第一激发光和/或第二激发光相对运动。
优选地，所述第一激发光或第二激发光为来自一个以上的发光源的光借助于分光滤光器形成的合光。
本发明还提出一种基于光波长转换的发光装置，包括层状分布的光波长转换材料，用以受激发产生具有预定波长的受激发光；其特征在于，
还包括设置两个/组发光源，该两个/组发光源所分别提供的第一激发光和第二激发光用来分别从所述光波长转换材料的两侧对该光波长转换材料进行照射；
以及分别设置在所述光波长转换材料的两侧的分光滤光装置，用于引导源自所述发光源的激发光射往光波长转换材料，产生受激发光，并引导所述受激发光从该激发光的光路中分离为出射光；其中，至少一个所述分光滤光装置为利用激发光与受激发光光学扩展量的不同将所述受激发光与激发光分离。
优选地，提供所述第一激发光的发光源或发光源组与所述第一分光滤光装置合并为固态发光芯片或由复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列。
优选地，所述光波长转换材料直接贴覆在各所述固态发光芯片上，或通过透明填充介质粘覆在各所述固态发光芯片上。
优选地，所述分光滤光装置为局部反射镜，用以反射来自发光源的激发光至所述光波长转换材料，部分透射从所述光波长转换材料出射的受激发光。
优选地，所述分光滤光装置为设有透射孔的反射镜，用以部分反射从所述光波长转换材料出射的受激发光，并通过所述透射孔透射来自发光源的激发光至所述光波长转换材料。
优选地，所述分光滤光装置为设有透射孔的反光碗，将出射光反射并聚焦到光收集装置。
优选地，所述反光碗为半球形或半椭球形。
本发明提出的一种高亮度激发方法及基于光波长转换的发光装置，本发明通过光转换材料同时接收来自两面的发光源的激发光的照射，采用不同特性的分光滤光装置来配合各发光源的位置以完成对激发光或受激发光的引导，并采用透明导热衬底或LED芯片来紧贴光波长转换材料以解决散热问题，提高了激发光的光功率密度；实现了发光装置的高亮度、大功率光的输出，同时具有结构简单、易于实现的优点。
附图说明
图1是现有一种绿光荧光粉光输出功率与温度的关系示例图；
图2是本发明第一种单面光源结构原理示意图；
图3是本发明第二种单面光源结构原理示意图；
图4是本发明第三种单面光源结构原理示意图；
图5是本发明第四种单面光源结构原理示意图；
图6是本发明第五种单面光源结构原理示意图；
图7a是本发明双面光源结构中不同出射方向的双向光源结构原理图；
图7b是本发明双面光源结构中同一出射方向的双面单向光源结构原理图；
图8a是本发明基于光波长转换的发光装置的第一种多发光源结构示意图；
图8b是基于图8a的UV光与深蓝光的光谱叠加示意图；
图8c是两种不同光波长光源的激发光的光谱叠加示意图；
图9是荧光粉与透明导热衬底之间不存在空气隙时入射光在透明导热衬底内的全反射原理示意图；
图10是本发明基于光波长转换的发光装置的第二种多发光源结构示意图；
图11是本发明高亮度激发方法一实施例流程示意图；
图12是本发明高亮度激发方法另一实施例流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
本发明技术方案总体思路是：相对于现有技术只考虑到从荧光粉的一侧提供激发光，从荧光粉的另一测萃取受激发光的方案；本发明同时从两侧来激发荧光粉以提高激发光的光功率密度，即单位面积内的光功率；在此同时，荧光粉的散热问题可以通过透明导热衬底等措施来解决。
以下将结合附图及实施例，对实现发明目的的技术方案作详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图2，本发明一实施例提出的一种基于光波长转换的发光装置，包括：层状分布的光波长转换材料1，用以受激发产生具有预定波长的受激发光；
设置在该层状分布的光波长转换材料的两侧的两个/组发光源，该两个/组发光源所分别提供的第一激发光3和第二激发光4用来分别从光波长转换材料的两侧对该光波长转换材料进行照射；
分别设置在该层状分布的光波长转换材料的两侧的分光滤光装置，用于引导源自发光源的激发光3、4射往光波长转换材料1，产生受激发光，并引导受激发光从该激发光的光路中分离为出射光5。
具体地，本实施例中光波长转换材料1之所以选择层状分布，是为了便于光波长转换材料1散热，以及荧光粉亮度的最大化。对于厚度过大的光波长转换材料层来说，其缺点之一是其内部材料在受激发时产生的热量难以及时散出，缺点之二是荧光材料受激发光会在发光层的内部横向传播，进而造成发光面积的扩散而使发光功率密度下降。该光波长转换材料1包括荧光粉、纳米发光材料或发光染料，本发明以但不限于绿光荧光粉1为例对本实施例技术方案进行说明。
上述荧光粉1可以是通过一种或一种以上的透明材料来结合在一起，以便发光装置具有稳定的出光特性。该透明材料可以是透明胶体或透明玻璃材料，与荧光粉1混合或溶合成型；也可以是透明塑料薄膜材料，将荧光粉1热压在该透明塑料薄膜材料上；还可以是使用透明胶体与荧光粉1混合后，涂覆于一透明薄膜上。对具有防潮要求的荧光粉而言，还可以采用上述提及的任何透明材料来夹持该荧光粉1，并可进一步进行密封。
如图2所示，以荧光粉1为例，在该荧光粉1两侧各包括一个/组发光源，该两个/组发光源分别提供第一激发光3和第二激发光4，用来分别从荧光粉1的两侧对该荧光粉进行照射。
在荧光粉1的两侧还设有分光滤光装置21、22，利用其对不同波长光的不同透射特性，用来引导源自发光源的激发光射往荧光粉1，及引导源自荧光粉1的受激发光从第一激发光3和/或第二激发光4的光路中分离，投射为发光装置的出射光5。
其中，该分光滤光装置21、22可以包括二向色片，或者可以是包括镀有分光滤光膜的玻璃片。根据发光源的位置，可以设计采用具有相应特性的分光滤光装置。如图2所示，在荧光粉的一侧，分光滤光装置22具有透射第一激发光3及反射受激发光的特性；在另一侧，分光滤光装置21具有反射第二激发光4及透射受激发光的特性，从而该实施例发光装置提供从荧光粉1平面正面而出的单面出射光5。
如图3所示，在另一实施例中，在荧光粉1的一侧，分光滤光装置22具有透射第一激发光3及反射受激发光的特性；在另一侧，分光滤光装置21具有透射第二激发光4及反射受激发光的特性，从而该实施例发光装置将提供与荧光粉1平面平行的出射光5。
在另一实施例中，在荧光粉1一侧的分光滤光装置22还可以透射第一激发光及部分反射受激发光；在荧光粉1另一侧的分光滤光装置21还可以反射第二激发光及部分透射受激发光。或者，在荧光粉1一侧的分光滤光装置22还可以透射第一激发光及部分反射受激发光，在荧光粉1另一侧的分光滤光装置21还可以透射第二激发光及部分反射受激发光。
所述的分光滤光装置21、22还可以利用光学扩展量的不同来分离激发光和受激发光。一个光源的光学扩展量与其发光面和发光角度有正比例的关系。具体地，如图4所示，分光滤光装置21可以为一局部反射镜，用以反射来自发光源的第二激发光4至荧光粉1，荧光粉1在分光滤光装置21一侧产生的受激发光可通过分光滤光装置21以外的空间区域出射为出射光5。也就是说，对于激发光来说，其入射到荧光粉1的入射角度很小，比如实际中可以为10度；而荧光粉1受激发光为朗伯发光，其发光角度为90度。因此，局部的反射镜反射激发光的同时，其本身只遮挡住了受激发光10度以内的光能量，根据光学扩展量的定义可以推算，约占其发光总能量的3％。对于这种方案，由局部反射镜本身遮挡受激发光造成受激发光能量的损失应低于40％。其他与图2所示实施例相同。
如图5所示，分光滤光装置21还可以为设有透射孔20的反射镜，用以部分反射从荧光粉1出射的受激发光，并通过透射孔20透射来自发光源的第二激发光4至荧光粉1。其他与图3所示实施例相同。
如图6所示，作为另一种实施例，与图5所示的实施例相似，其区别在于，分光滤光装置21为设有透射孔的反光碗：通过透射孔透射来自发光源的激发光至荧光粉1，同时部分反射从荧光粉1出射的受激发光，收集并聚焦受激发光至光收集装置。该反光碗为半椭球形。受激发光部分放置于反光碗的一个焦点，而光收集装置的入光口放置于另一个焦点。为了方便加工，反光碗的形状还可以但不限于是半球形。
在有透射孔的反射镜和反光碗部分反射受激发光时，反射的受激发光能量应大于总受激发光能量的60％。
此外，第一激发光3和第二激发光4可以具有相同或不同的发光波长。用来提供该第一激发光3或第二激发光4的发光源可以是一个，也可以是一组。当发光源为多个发光源的组合时，该多个发光源可以具有相同或不同的发光波长，例如该多个发光源包括400～410nm激光光源、440～460nm激光光源、380～420nm LED光源或440～480nm LED光源。上述多个发光源可以借助于分光滤光装置21、22来形成一束合光。其中，分光滤光装置21、22可以是具有相同作用的分光滤光元件。
如图8a的本发明单面光源所示：假设光波长转换材料1为绿光荧光粉，第一激发光包括来自两个发光源的激发光，例如蓝光31和紫光32；第二激发光包括来自两个发光源的激发光，例如UV光41和深蓝光42；这些光通过若干分光滤光装置来引导。
两个或多个发光源的激发光是否可以通过分光滤光装置来引导合成，要依据激发光波长之间是否有交叠，比如，上述合成第一激发光3的蓝光31和紫光32，蓝光31为波长440～460nm的激光光源，紫光32为波长400～410nm的激光光源，两者的波长不会有交叠，可以采用分光滤光装置222来引导射往荧光粉1的一侧；以及上述合成第二激发光4的UV光41和深蓝光42，UV光41为波长380～420nm的LED光源，深蓝光42为波长440～480nm的LED光源，两者的波长不会有交叠，可以分别采用分光滤光装置211、212来引导射往荧光粉1的另一侧。
两个或两个以上的发光源的激发光，一旦有部分激发光波长交叠且交叠较多，若采用分光滤光装置合光就会有较大的能量损失，因此无法用分光滤光装置来合光；而合光后的第一激发光3和合光后的第二激发光4的光谱是有交叠的，只能从荧光粉1两侧分别对荧光粉1进行激发，在此，限定两侧激发光(第一激发光3和第二激发光4)的归一化光谱交叠部分的能量占各自归一化光谱能量的比例，至少有一个高于20％以上，认为两侧激发光的波长相同，需要从荧光粉1的两侧进行激发。
如图8a所示，以荧光粉1为基准，在该荧光粉1的一侧，分光滤光装置222具有反射紫光32及透射蓝光31的特性，从而将蓝光31和紫光32合成为一束；在该侧，分光滤光装置221具有透射蓝光31和紫光32及反射绿光的特性，从而将蓝光31和紫光32的合光导射往荧光粉1，同时反射绿色受激发光以使之由荧光粉1的另一侧射出；在该另一侧，分光滤光装置211与212构成的一个X型分管滤光装置反射UV光41和深蓝光42，同时透射绿光，使绿色受激发光被引导为该发光装置实施例的输出光5。
以下针对图8a并结合图8b及图8c对是否采用分光滤光装置耦合多个发光源的原理进行详细说明。
若两个发光源的光谱完全没有交叠，或者交叠很少，则可以通过Dichroicfilter(分光滤光装置)合光，在一侧进行荧光粉的激发。如图8a中的UV光41和深蓝光42可以通过分光滤光装置211和212来合光，共同构成荧光粉1上侧的第二激发光4。
其中，图8a中UV光41和深蓝光42分别为图8b中UV LED激发光及blue LED激发光，图8a中分光滤光装置211及212分别为图8b中的Dichroicfilter 1及Dichroic filter 2；Dichroic filter1反射UV LED激发光，透射Blue LED激发光和受激发光，同时Dichroic filter2反射Blue LED激发光透射UV LED激发光和受激发光。这样，通过Dichroic filter1和Dichroic filter2就将BlueLED激发光与UV LED激发光结合在了一起，形成合光共同激发荧光粉1。
UV LED激发光(UV光41)与blue LED激发光(深蓝光42)能够通过Dichroic filter1和Dichroic filter2合光的条件是：两个激发光41和42的光谱能量交叠部分很少，如图8b所示，两个归一化光谱的交叠部分，占两个光谱能量的比例均不超过15％(即光谱的交叠面积与各自光谱的总面积的比值)。只有这样，才有可能采用分光滤光装置的形式进行合光而不造成非常大的能量损失。
从原理上可以推而广之，可以有多个激发光源，只要任意两个激发光源之间的能量交叠不大，就可以采用分光滤光装置的形式耦合在一起，从荧光粉1的一侧激发。
基于上述原理，只有在两种激发光不能使用分光滤光装置耦合时，才有必要分别从荧光粉两侧激发。当两个激发光源的归一化光谱的交叠部分能量占各自能量的比例，有一个超过20％，则使用分光滤光片耦合时，会发生相当大的损耗。如图8c所示，虽然两组光455nm LED和425nm LED的波长(光谱)并非完全相同，但其有相当大的交叠部分，约占各自能量的30％。若仍然使用分光滤光装置来耦合图中的两组激发光，则最佳情况是在440nm附近存在上升沿或下降沿的滤光片，此时对于425nm LED的光来说，440nm以上的能量则必然损失掉，而对于455nm LED的光来说，其440nm以下的光则必然损失，总之，该耦合过程在最理想情况也会损失约15％的能量；考虑实际情况中滤光片的陡度和透过率损失，实际的耦合损耗不会低于20％。
而如果两个光源从两个不同的方向分别激发，则前述的耦合损耗为0，也就是说在这种情况下，双面激发的方案比同侧激发的方案亮度提高20％以上。
因此，本发明实施例可以限定第一激发光3和第二激发光4的归一化光谱的交叠部分的能量，占各自归一化光谱能量的比例，至少有一个高于20％，认为两激发光3、4波长相同，需要在荧光粉1两侧进行激发。
此外，在另一实施例中，本发明发光装置的出射光不仅可以如图2、图3、图4、图5、图6或图8a所示为光波长转换材料单面出射的单向出射光，还可以如图7a及图7b所示为光波长转换材料双面出射光。在图7a所示实施例中，与上述其它实施例不同的是，分光滤光装置22具有反射第一激发光3及透射受激发光的特性，从而发光装置可以分别从荧光粉平面的两面向外投射以产生具有两个方向的出射光51、52。
同时，调整发光源的位置及改变所选分光滤光装置21和22的特性，还可以改变该发光装置的光出射方向，如图7b所示，若使分光滤光装置22具有反射受激发光及透射第一激发光3的特性，分光滤光装置21也具有反射受激发光及透射第二激发光4的特性，则从不同面光波长转换材料出射的光51、52可以具有相同的出射光方向。若调整图7b中的分光滤光装置之一的反射方向，例如调到原方向的正交方向，也可以产生具有不同方向的出射光，因此，基于此原理，还可在如图2、图3、图4、图5、图6或图8a所示的光波长转换材料单面出射光的基础上，实现在光波长转换材料的双面出射光，此处不另加图示。
为了使本发明发光装置产生的出射光尽可能提高亮度，本发明发光装置还可以将光波长转换材料设置在透明导热衬底上，可以使光波长转换材料及时散热。并通过设置在光波长转换材料的两侧的分光滤光装置来引导受激发光由该光波长转换材料的一侧提供为出射光。还可将透明导热衬底设置为分光滤光装置之一；以光波长转换材料为参照，该透明导热衬底透射来自与该透明导热衬底同侧的个/组发光源的激发光，及反射来自光波长转换材料的受激发光使之从该光波长转换材料的另一侧射出。如图2、3所示的分光滤光装置22，及图8a所示的分光滤光装置221可以被上述透明导热衬底所替代。这些透明导热衬底的材料可以是透明氧化铝、氮化铝、蓝宝石或玻璃。
实验发现，当在光波长转换材料与透明导热衬底之间设置一空气隙，可提高上述实施例对受激发光的有效利用率。为了兼顾散热效果，该空气隙不可过大。将空气隙的厚度设置为小于激发光光斑外接圆直径的1％是一个较适宜的折中方案。
如图9所示，其描述了若荧光粉与透明导热衬底之间不存在空气隙，即荧光粉与透明导热衬底完全粘住时的情况：从透明导热衬底一侧的发光会入射到透明导热衬底内部，并在其原离荧光粉的一侧的界面上有相当比例的光线发生全反射，进而被反射回荧光粉方向；在该反射过程中，光线沿着在衬底内部横向传播了一段距离L，L＝2d·tan(θ)，其中，d为衬底的厚度，θ是光线入射到衬底表面的入射角。由公式可见，d越大，θ越大，光线的横向传播距离就越长，从宏观来开，即原有光斑的一部分能量沿着水平方向扩散了。在投影显示和投射照明中，光斑扩散就意味着效率和亮度的下降，因为扩散到有效面积以外的光可以看作是损耗，是无效光。而空气隙的存在，则打破了原有的光线在衬底表面的全反射，消除了光斑的扩散，从而可提高受激发光的有效利用率。
在另一实施例中，基于上述各实施例，其中，形成第一激发光3或第二激发光4的发光源可以包括固态发光芯片或由复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列；或者发光源为激光光源或激光阵列。固态发光芯片包括但不限于半导体发光芯片，例如发光二极管芯片(LED)。
考虑到LED等固态发光芯片所使用的GaN和硅衬底都是良好的导热材料，本发明发光装置还可以将光波长转换材料设置在固态发光芯片的发光面上，利用该固态发光芯片的光反射特性，在该发光源侧将受激发光反射回光波长转换材料层，从而通过设置在光波长转换材料另一侧的分光滤光装置来引导受激发光为所述出射光。
如图10所示，在光波长转换材料1的一侧，产生第一激发光的发光源为固态发光芯片或由复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列30(以下简称固态发光芯片30)，该固态发光芯片30的发光面紧贴层状分布的光波长转换材料1，以取代该侧的分光滤光装置来反射源自光波长转换材料1的受激发光使之从该光波长转换材料1的另一侧射出，该固态发光芯片30提供的激发光(相当于上述实施例中的第一激发光)直接射往光波长转换材料1。在该光波长转换材料1的另一侧，复数(以自然数n为例)个具有相同或不同激发波长的发光源所提供的激发光41、42......4n分别通过分光滤光装置21、22......2n形成一束投射往光波长转换材料1的合光，同时受激发光先后透射过分光滤光装置21、22......2n形成出射光5。
进一步的实施例中，光波长转换材料1与固态发光芯片30之间可以具有空气隙，该空气隙的厚度小于固态发光芯片30外接圆直径的1％。
可以将光波长转换材料1直接贴覆在各固态发光芯片30上，或通过透明填充介质来粘覆在各固态发光芯片30上。该透明填充介质可以是硅胶。
实验发现，在该实施例中，将光波长转换材料1所在层上表面的光波长转换材料1直接裸于空气中，这与一般的使用胶体将LED及荧光粉封装起来的做法不同。因为封装胶体的折射率一定高于空气，而发光光源的光学扩展量与折射率的平方成正比，也就是说，使用封装胶体会显著增大其光学扩展量，进而造成发光亮度(发光功率密度)的降低。另外，该光波长转换材料1所在层的厚度(包括贴覆或粘覆材料的厚度在内)小于或等于固态发光芯片30的外接圆直径的20％时，受激发光具有最高的出射效率。在该实施例中，光源封装时，还可以考虑将各固态发光芯片30的衬底设置在散热器或散热片上。
需要说明的是，在该实施例中，与上述各实施例的区别是本实施例只能实现在光波长转换材料1与固态发光芯片30相对一侧出射光，同时对第一激发光与第二激发光波长是否有叠加可以不作限制，而本实施例中的第二激发光也可以为来自一个以上的发光源的光借助于相应分光滤光装置来形成的合光，其他与上述各实施例相同，比如光波长转换材料1可以通过至少一种透明材料结合在一起；激发光和受激发光的相应反射或透射或部分反射或部分透射原理等均与上述实施例相同。本实施例中可以定义位于光波长转换材料与固态发光芯片相对一侧的分光滤光装置为第一分光滤光装置，用来将一个以上的发光源的激发光合成第二激发光的分光滤光装置定义为第二分光滤光装置，以示区分。
在上述各实施例中，还可以实现光波长转换材料相对第一激发光和/或第二激发光转动的方案，在此不作详细介绍。
当然，上述各实施例还可以根据实际需要进行相应的组合实施，从而形成不同的技术方案，在此也不作穷举。
如图11所示，基于上述发光装置，本发明一实施例提出一种高亮度激发方法，包括：
步骤S101，层状分布的光波长转换材料的两面分别接受来自该光波长转换材料两侧的第一激发光和第二激发光的激发，产生受激发光；第一激发光为固态发光芯片或由复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列发出的激发光；光波长转换材料紧贴在固态发光芯片或固态发光芯片阵列的发光面上；
步骤S102，第二激发光通过位于光波长转换材料相对于固态发光芯片或固态发光芯片阵列的另一侧的第一分光滤光装置引导入射到光波长转换材料；
步骤S103，通过第一分光滤光装置引导受激发光从第二激发光的光路中分离为出射光。
如图12所示，基于上述发光装置，本发明另一实施例提出一种高亮度激发方法，包括：
步骤S201，层状分布的光波长转换材料的两面分别接受来自该光波长转换材料两侧的第一激发光和第二激发光的激发，产生受激发光；
步骤S202，通过光波长转换材料两侧的分光滤光装置引导受激发光从第一激发光和/或第二激发光的光路中分离为出射光。
上述方法实施例基本原理请参照上述基于光波长转换的发光装置各实施例所描述的内容，在此不再赘述。
本发明实施例高亮度激发方法及基于光波长转换的发光装置，通过光转换材料同时接收来自两面的发光源的激发光的照射，采用不同特性的分光滤光装置来配合各发光源的位置以完成对激发光或受激发光的引导，并采用透明导热衬底或LED芯片来紧贴光波长转换材料以解决散热问题，提高了激发光的光功率密度；实现了发光装置的高亮度、大功率光的输出，同时具有结构简单、易于实现的优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (36)

1.一种高亮度激发方法，其特征在于，包括以下步骤：
层状分布的光波长转换材料的两面分别接受来自该光波长转换材料两侧的第一激发光和第二激发光的激发，产生受激发光；所述第一激发光为固态发光芯片或由复数个所述固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列发出的激发光；所述光波长转换材料紧贴在所述固态发光芯片或固态发光芯片阵列的发光面上；
所述第二激发光通过位于所述光波长转换材料相对于所述固态发光芯片或固态发光芯片阵列的另一侧的第一分光滤光装置引导入射到所述光波长转换材料；
通过所述第一分光滤光装置引导所述受激发光从所述第二激发光的光路中分离为出射光。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光波长转换材料通过至少一种透明材料结合在一起。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：通过所述固态发光芯片反射受激发光，通过所述第一分光滤光装置反射第二激发光及透射/部分透射受激发光；或者通过所述固态发光芯片反射受激发光，通过所述第一分光滤光装置透射第二激发光及反射/部分反射受激发光。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二激发光为来自一个以上的发光源的光借助于第二分光滤光装置来形成的合光。
5.一种高亮度激发方法，其特征在于，包括以下步骤：
层状分布的光波长转换材料的两面分别接受来自该光波长转换材料两侧的第一激发光和第二激发光的激发，产生受激发光；
通过光波长转换材料两侧的分光滤光装置引导所述受激发光从所述第一激发光和/或第二激发光的光路中分离为出射光。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一激发光与第二激发光的归一化光谱有交叠部分。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一激发光与第二激发光的归一化光谱交叠部分的能量，占各自归一化光谱能量的比例，至少有一个高于20%。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在所述光波长转换材料一侧的分光滤光装置透射第一激发光及反射/部分反射受激发光，在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置反射第二激发光及透射/部分透射受激发光；
或者在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置透射第二激发光及反射/部分反射受激发光。
9.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在所述光波长转换材料一侧的分光滤光装置反射第一激发光及透射/部分透射受激发光，在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置透射第二激发光及反射/部分反射受激发光；
或者在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置反射第二激发光及透射/部分透射受激发光。
10.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述光波长转换材料与所述第一激发光和/或第二激发光之间有相对转动。
11.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述第一激发光或第二激发光为来自一个以上的发光源的光借助于分光滤光元件形成的合光。
12.一种基于光波长转换的发光装置，包括层状分布的光波长转换材料，用以受激发产生具有预定波长的受激发光；其特征在于，
还包括由固态发光芯片或复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列的第一个/组发光源，以及第二个/组发光源；所述第一个/组发光源与第二个/组发光源所分别提供的第一激发光和第二激发光用来分别从所述光波长转换材料的两侧对该光波长转换材料进行照射，产生受激发光；
所述光波长转换材料紧贴在所述固态发光芯片或固态发光芯片阵列的发光面上；
以及设置在所述光波长转换材料相对于第一个/组发光源的另一侧的第一分光滤光装置，通过所述分光滤光装置引导所述受激发光从所述第二激发光的光路中分离为出射光。
13.根据权利要求12所述发光装置，其特征在于，所述光波长转换材料通过至少一种透明材料结合在一起。
14.根据权利要求12所述发光装置，其特征在于，所述光波长转换材料与所述固态发光芯片之间具有空气隙，该空气隙的厚度小于所述固态发光芯片外接圆直径的1%。
15.根据权利要求12所述发光装置，其特征在于，所述光波长转换材料或直接贴覆在各所述固态发光芯片上，或通过透明填充介质粘覆在各所述固态发光芯片上。
16.根据权利要求12所述发光装置，其特征在于，所述光波长转换材料的所在层的上表面裸于空气中，且该所在层的厚度小于或等于所述固态发光芯片的外接圆直径的20％。
17.根据权利要求12所述发光装置，其特征在于，所述固态发光芯片反射受激发光，所述第一分光滤光装置反射第二激发光及透射/部分透射受激发光使之从该第一分光滤光装置的另一侧射出；
或者所述第一分光滤光装置透射第二激发光及反射/部分反射受激发光使之从该第一分光滤光装置的同一侧射出。
18.根据权利要求12-17中任一项所述的发光装置，其特征在于，所述第二激发光为来自一个以上的发光源的光借助于第二分光滤光装置来形成的合光。
19.一种基于光波长转换的发光装置，其特征在于，包括层状分布的光波长转换材料，用以受激发产生具有预定波长的受激发光；其特征在于，
还包括设置在所述光波长转换材料的两侧的两个/组发光源，该两个/组发光源所分别提供的第一激发光和第二激发光用来分别从所述光波长转换材料的两侧对该光波长转换材料进行照射；
以及分别设置在所述光波长转换材料的两侧的分光滤光装置，用于引导源自所述发光源的激发光射往光波长转换材料，产生受激发光，并引导所述受激发光从该激发光的光路中分离为出射光。
20.根据权利要求19所述的发光装置，其特征在于，所述第一激发光与第二激发光的归一化光谱有交叠部分。
21.根据权利要求20所述的发光装置，其特征在于，所述第一激发光与第二激发光的归一化光谱交叠部分的能量，占各自归一化光谱能量的比例，至少有一个高于20%。
22.根据权利要求19所述的发光装置，其特征在于，所述光波长转换材料通过至少一种透明材料结合在一起。
23.根据权利要求19或20所述的发光装置，其特征在于，所述光波长转换材料设置在一透明导热衬底上；所述光波长转换材料与所述透明导热衬底之间具有空气隙。
24.根据权利要求23所述的发光装置，其特征在于，所述光波长转换材料与透明导热衬底之间具有的空气隙的厚度小于激发光光斑外接圆直径的1%。
25.根据权利要求23所述的发光装置，其特征在于，所述透明导热衬底至少包括透明氧化铝、氮化铝、蓝宝石或玻璃中的一种。
26.根据权利要求19或20所述的发光装置，其特征在于，在所述光波长转换材料一侧的分光滤光装置透射第一激发光及反射/部分反射受激发光，在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置反射第二激发光及透射/部分透射受激发光；
或者在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置透射第二激发光及反射/部分反射受激发光。
27.根据权利要求19或20所述的发光装置，其特征在于，在所述光波长转换材料一侧的分光滤光装置反射第一激发光及透射/部分透射受激发光，在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置透射第二激发光及反射/部分反射受激发光；
或者在所述光波长转换材料另一侧的分光滤光装置反射第二激发光及透射/部分透射受激发光。
28.根据权利要求19或20所述的发光装置，其特征在于，所述光波长转换材料相对所述第一激发光和/或第二激发光相对转动。
29.根据权利要求19或20所述的发光装置，其特征在于，所述第一激发光或第二激发光为来自一个以上的发光源的光借助于分光滤光器形成的合光。
30.一种基于光波长转换的发光装置，其特征在于，包括层状分布的光波长转换材料，用以受激发产生具有预定波长的受激发光；其特征在于，
还包括设置两个/组发光源，该两个/组发光源所分别提供的第一激发光和第二激发光用来分别从所述光波长转换材料的两侧对该光波长转换材料进行照射；
以及分别设置在所述光波长转换材料的两侧的分光滤光装置，用于引导源自所述发光源的激发光射往光波长转换材料，产生受激发光，并引导所述受激发光从该激发光的光路中分离为出射光；其中，至少一个所述分光滤光装置为利用激发光与受激发光光学扩展量的不同将所述受激发光与激发光分离。
31.根据权利要求30所述的发光装置，其特征在于，提供所述第一激发光的发光源或发光源组与所述第一分光滤光装置合并为固态发光芯片或由复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列。
32.根据权利要求31所述的发光装置，其特征在于，所述光波长转换材料直接贴覆在各所述固态发光芯片上，或通过透明填充介质粘覆在各所述固态发光芯片上。
33.根据权利要求30所述的发光装置，其特征在于，所述分光滤光装置为局部反射镜，用以反射来自发光源的激发光至所述光波长转换材料，部分透射从所述光波长转换材料出射的受激发光。
34.根据权利要求30所述的发光装置，其特征在于，所述分光滤光装置为设有透射孔的反射镜，用以部分反射从所述光波长转换材料出射的受激发光，并通过所述透射孔透射来自发光源的激发光至所述光波长转换材料。
35.根据权利要求30所述的发光装置，其特征在于，所述分光滤光装置为设有透射孔的反光碗，将出射光反射并聚焦到光收集装置。
36.根据权利要求35所述的发光装置，其特征在于，所述反光碗为半球形或半椭球形。
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Conclusion of examination: In response to the claims 1-35 submitted by the patentee on September 10, 2021, it is declared that in claims 1 and 5, "separated from the optical path of the first excitation light into outgoing light", "from the optical path of the first excitation light" The technical scheme that the optical path of the second excitation light is separated into outgoing light" and the dependent claims 6-11 referring to the above-mentioned technical scheme of claim 5 are invalid; in claims 2-4, 12-35, and claim 5 " On the basis of the technical solution of "separating the light path of the first excitation light and the second excitation light into outgoing light" and the dependent claims 6-11 citing the above technical solution of claim 5, the invention patent No. ZL201110086731.9 is maintained The right is valid

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