CN102540656B - 发光装置及投影系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光装置及投影系统，该发光装置包括第一波长转换材料层，用于吸收激发光并发射混合受激光；第一波长转换材料层包括相对的第一面与第二面，第一面用于接收激发光；还包括用于吸收激发光并产生第一受激光的第一波长转换材料，以及用于吸收至少部分第一受激光并产生第二受激光的第二波长转换材料；第一波长转换材料的能量转化效率高于第二波长转换材料；光学膜片，位于靠近第一波长转换材料层的第二面的一侧，用于反射来自第一波长转换材料层的第一受激光与第二受激光。与单独使用第一波长转换材料或第二波长转换材料相比，本发明公开的发光装置能够获得更高的单色光光通量。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种发光装置及投影装置。
背景技术
目前投影机中使用的白光光源主要是UHP(Ultra High Pressure，超高压汞灯)灯泡，它亮度很高，但是寿命仅有3000小时，而且换灯的价格昂贵，所以不能满足长期使用的需求。
采用半导体光源来代替UHP灯泡是一个重要的技术发展方向。然而半导体光源中，绿光光源的效率不高成为了主要的瓶颈。为了克服这个问题，有人提出使用蓝光或紫外半导体光源来激发单色波长转换材料来产生单色光。
中国专利200810065225公开了一种产生高亮度荧光受激发光的方法。在这个专利中，波长转换材料被涂敷于一个导热的光反射衬底上，激发光激发波长转换材料层产生受激发光后，受激发光中的向背面发射的光线被光反射衬底反射回来，最终从激发光的入射面发射出来，经过一个分光滤光片引导出来形成出射光。该发明的优点在于，波长转换材料受激所产生的热量，可以经过该导热的光反射衬底导走，使得波长转换材料层的工作温度大大降低。该发明还进一步的提出，将多种波长转换材料沿着圆周方向涂敷于一个导热的反射圆盘上，该圆盘与一个转动的马达固定，随着马达的转动，不同颜色的波长转换材料依次被激发光激发而产生单色光序列。
在上述方案中，光源的效率取决于每一种单色受激光的效率。常用的产生单色受激光的方式有两种，一种是直接激发相应颜色的波长转换材料；另一种是激发其它颜色的波长转换材料使其发射受激光，再配合一个滤光片过滤该受激光得到一个满意的颜色。
例如为了产生单色的红光受激光，可以采用蓝光激发光直接激发红色波长转换材料产生红光受激光，也可以采用蓝光激发黄色波长转换材料产生黄光，再配合一个滤光片过滤掉黄光光谱中的绿光成分后得到红光。
具体的受激光光谱如图9a所示，在相同的激发功率下，红色波长转换材料的受激发光光谱是902a，黄色波长转换材料的受激发光光谱是901a，可以看出黄光发光的能量比红光发光的能量大(光谱能量即为光谱所覆盖的面积)，这是因为黄色波长转换材料的能量转化效率高于红色波长转换材料。然而，黄光光谱901a的覆盖范围大约为500nm～700nm，而其中只有波长大于590nm的光谱成分对应于红光。可以看出，为了得到红光光输出，必须使用滤光装置将黄光光谱中的波长小于590nm的成分过滤掉。从光谱可以简单看出，黄光光谱在过滤过程中的能量损失很大。而红光光谱902a本身虽然能量较低，但是其大部分能量都集中于波长大于590nm的波段范围，所以在过滤过程中的能量损失很小。
黄光光谱901a和红光光谱902a经过滤光装置过滤后的光谱分别在图9b中表示为901b和902b。过滤前，黄光光谱的光通量是红光光谱光通量的4.56倍，然而经过过滤达到相同的红色色坐标后，黄光过滤后的光通量只有过滤前的11.6％，而红光过滤后的光通量是过滤前的53.4％。最终，基于两种方法的发光装置所出射的红光光通量几乎相同。
综上所述，上述的两种得到单色受激光的方式都存在问题：直接使用对应颜色的波长转换材料层产生单色受激光的优点在于受激光的颜色接近满意的颜色，所以不需要对受激光进行过滤就可以得到满意的单色颜色；即使需要过滤，过滤的光能量损失也不大；但是缺点在于该对应颜色的波长转换材料的能量转化效率太低。而使用效率更高的其他颜色对应的波长转换材料层的问题在于，由于颜色偏差较大，在后续的过滤过程中会损失大部分的能量，最终过滤后的单色光的光通量也不能令人满意。
因此，需要一种发光装置，可以产生高效率的单色受激光。
发明内容
本发明解决的主要技术问题是提出一种发光装置，可以受激发射高光通量的单色光。
本发明提供了一种发光装置，包括：
第一波长转换材料层，用于吸收激发光并发射混合受激光；
第一波长转换材料层包括相对的第一面与第二面，第一面用于接收激发光；还包括用于吸收激发光并产生第一受激光的第一波长转换材料，以及用于吸收至少部分第一受激光并产生第二受激光的第二波长转换材料；第一波长转换材料的能量转化效率高于第二波长转换材料；
光学膜片，位于靠近第一波长转换材料层的第二面的一侧，用于反射来自第一波长转换材料层的第一受激光与第二受激光。
本发明还提供了一种投影系统，包括上述的发光装置。
与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：
在本发明中，采用第一波长转换材料与第二波长转换材料一起形成第一波长转换材料层，使得第一波长转换材料层的受激发光的光通量高于单独使用第一、第二波长转化材料所产生的单色受激发光的光通量；同时应用本发明还能实现高效率、高显色指数的受激光。
附图说明
图1是本发明的发光装置的第一实施例的结构示意图；
图2a和2b是第一波长转换材料层中波长转换材料的密度分布示意图
图3是本发明的发光装置的第三实施例的结构示意图；
图4a是本发明的发光装置的第四实施例的结构示意图；
图4b和4c是本发明的发光装置的第四实施例中第一波长转换材料层和光学膜片的侧视图；
图5是本发明的发光装置的第五实施例的结构示意图；
图6是本发明的发光装置的第六实施例的结构示意图；
图7是本发明的发光装置的第七实施例的结构示意图；
图8是本发明的发光装置的第八实施例的结构示意图；
图8a是图8所示实施例中波长转换材料层与第二滤光片的一种具体表现的俯视图；
图8b是图8所示实施例中波长转换材料层与第二滤光片的另一种具体表现的俯视图；
图9a是黄色波长转换材料与红色波长转换材料的受激发光光谱；
图9b是黄色波长转换材料与红色波长转换材料的受激发光经过滤光装置后的光谱；
图10是应用本发明的方案所发射的光谱。
具体实施方式
根据背景技术中的数据，按照常理推断，两种产生单色受激光的方法不能令人满意，那么两种方法一起使用对于单色光亮度的提升也不会有帮助。然而，发明人通过实验发现，将两种波长转换材料配合使用会得到光通量更大的单色光输出。基于发明人的实验数据，本发明提出一种发光装置，解决波长转换材料层受激发射单色光的光通量不高的问题。
本发明所提出的一种发光装置，其光学结构如图1所示。该发光装置包括激发光源(图中未画出)，用于发射激发光101；第一波长转换材料层，用于吸收激发光101并发射混合受激光103。第一波长转换材料层104包括相对的第一面104a与第二面104b，其中第一面104a用于接收激发光101。
在本发明中，激发光源指的是可以发射用于激发波长转换材料的光源，包括蓝光和紫外光的半导体光源，例如蓝光LED(Light Emitting Diode，发光二极管)光源和蓝光LD(Laser Diode，激光二极管)光源；波长转换材料则指的是可以吸收激发光源发射的激发光，并受激发射出波长与激发光不同的受激光的材料，包括荧光粉，量子点等材料。
第一波长转换材料层104包括用于吸收激发光101并产生第一受激光的第一波长转换材料，以及用于吸收至少部分第一受激光并产生第二受激光的第二波长转换材料。第一波长转换材料的能量转化效率高于第二波长转换材料。
在本发明中，波长转换材料的能量转化效率E的计算方法是：
其中P0指的是入射到波长转换材料的激发光能量，P1指的是波长转换材料受到激发光照射后受激发射的受激光的能量，Pl指的是激发光中没有被波长转换材料吸收而剩余的能量。
为了方便论述，在下文中提到的波长转换材料的效率，都是指其能量转化效率。
在本实施例中，两种波长装换材料在第一波长转换材料层中的密度分布如图2a所示。在图2a中，在第一波长转换材料层104中，包括层叠设置的第一波长转换材料子层203和第二波长转换材料子层204，第一波长转换材料子层203只包含第一波长转换材料201，第二波长转换材料子层204只包含第二波长转换材料202。在本实施例中，第一波长转换材料201在第一波长转换材料子层203内部的密度分布基本上是均匀的，第二波长转换材料202在第二波长转换材料子层204内部的密度分布基本上是均匀的，曲线206和207分别表示第一波长转换材料颗粒201和第二波长转换材料颗粒202的密度分布随厚度的变化关系。
在图2a所示的实施例中，第一波长转换材料子层与第二波长转换材料子层之间紧密贴合。在实际应用中，第一波长转换材料子层与第二波长转换材料子层之间可能存在空气隙。
本实施例中还包括光学膜片105，位于靠近第一波长转换材料层104的第二面104b的一侧，用于反射来自第一波长转换材料层的第一受激光与第二受激光。具体来说，光学膜片可以是反射镜或者干涉滤光片。在本实施例中，光学膜片为反射镜，用于来自第一波长转换材料层的所有光。优选的，反射镜的反射面为反射镜的较为靠近第一波长转换材料层的表面。
在本实施中，第二波长转化材料子层204设置于第一波长转换材料子层203与光学膜片之间。因此，激发光101先入射到第一波长转换子层203。第一波长转换材料子层203中的第一波长转换材料201吸收了入射的激发光的大部分能量，并发射第一受激光。第一受激光包括第一部分与第二部分，第一部分直接从第一波长转换材料子层中出射到外部空间中，剩余的第二部分则入射到第二波长转换材料子层，第二部分中的大部分能量被第二波长转换材料子层所吸收并被激发发射第二受激光。第二受激光中的一部分穿过第一波长转换材料子层出射到外部空间中，另一部分则入射到反射镜的反射面上并被反射回来，并最终穿过第二波长转换子层和第一波长转换子层出射到外部空间中。
综上所述，第一波长转换材料层的混合受激光103，由直接出射的第一受激光、未被第二波长转换材料吸收的第一受激光和第二受激光组成，覆盖了比较宽的光谱宽度。
实验表明，应用本实施例的发光装置所得到的单色受激光的光通量，比直接单独使用第二波长转换材料的方法得到的相同颜色的单色受激光的光通量有明显提高。仍然以得到红色受激光为例。在实验中，第一波长转换材料为黄色波长转换材料，优选的，该黄色波长转换材料是钇铝石榴石荧光粉，其分子式为Y3Al5O12(YAG)；第二波长转换材料为红色荧光粉；黄色荧光粉发射的黄色光中，480～580nm的光谱成分会被红色荧光粉不同程度的吸收。具体的实验数据如图10所示，使用本实施例的发光装置所得到的混合受激光，经过滤光装置过滤后得到的红光受激光光谱为1001，其光通量比直接单独使用红色波长转换材料的方法得到的相同颜色的红光受激光的光通量高24％。
本发明的发光装置能够有效提高单色受激光的光通量的原因在于：一、产生第一波长转换层的混合受激光103的三个组成部分的波长转换过程都是高效率的；二、包括第二受激光成分。
具体来说，直接出射的第一受激光，和被第二波长转换材料吸收的第一受激光，都是由高效率的第一波长转换材料受激发射，因此其波长转换过程是高效率的。而第二受激发光虽然由第二波长转换材料发射，但是由于入射到第二波长转换材料上的能量，相比激发光101的能量已经大幅度降低，而根据波长转换材料的一般特性，激发能量降低必然伴随能量转化效率的提高。
综上所述，本发明与单独使用第二波长转换材料的方案相比，其转化效率大幅度提高；而本发明与单独使用第一波长转换材料的方案相比，虽然转化效率相近，但是由于本发明的混合受激光103中还包括第二受激光成分，所以在过滤过程中的能量损失比要小得多。
根据上述分析可知，具有上述有益效果的必要条件有两个，一、第一波长转换材料的能量转化效率高于第二波长转换材料；二、第二波长转化材料吸收第一波长转化材料受激发出的第一受激光的至少部分能量。
在本发明的第二实施例中，与第一实施例不同的是，第一波长转换材料层与第二波长转换材料层的位置对调，即激发光101入射于第二波长转换材料层，而第一波长转换材料层与反射镜105相邻。在本实施例中，要求第二波长转换材料还可以吸收激发光101并产生第二受激光。在这种情况下，第二受激光分为两部分，第一部分为第二波长转换材料被激发光101激发产生，第二部分为第二波长转换材料被第一受激光激发产生，其中第一部分第二受激光的受激发光过程是低效率的，但是第二部分第二受激光的受激激发过程依然是高效率的。同时，由于激发光101先经过第二波长转换材料，第一波长转换材料接收到的激发光的能量降低了，因此第一受激光的能量有所降低。
综上所述，在本实施例中最终出射的混合受激光具有和第一实施例相同的三种成分，但这三种成分的比例有所变化：由第一波长转换材料受激产生的两种成分的比例降低了，而第二受激光的比例提高了。由于第二受激光中存在低效率转化的成分，所以本实施例产生的单色受激光的光通量相对于第一实施例有所降低。此时的实验数据如图10中的1002所示，其光通量比直接单独使用红色波长转换材料的方法得到的相同颜色的红光受激光的光通量高17％。
由上述两个实施例可见，在第一波长转换材料层中，第一波长转换材料和第二波长转换材料的相对位置关系存在一个优选方案。从目前的实验结果来看，第二波长转换材料子层邻近反射镜，第一波长转换材料子层贴附在第二波长转换材料子层上的方案是一个较优选的方案。但是无论两者的位置关系如何，只要混合受激光103由上述三种光成分组成，其最终单色光的光通量就会有所提高。
实验证明，把第一波长转换材料与第二波长转换材料混合在一起并均匀分布于第一波长转换材料层内部，其最终效果介于上述两个实验结果之间。
在本发明上面的描述中，使用了产生红色受激光的例子，其中第一波长转换材料为黄色波长转换材料，第二波长转换材料为红色波长转换材料。实际上，本发明还可以应用于其它颜色的波长转换材料的组合，并用于产生其它颜色的受激光。例如第一波长转换材料还可以是青色荧光粉、绿色荧光粉或黄绿色荧光粉，第二波长转换材料还可以是橙色荧光粉、琥珀色荧光粉等。
在本发明上面的描述中，发光装置的目的都是发射单色受激光，例如红色受激光。实际上，本发明还可应用于产生混合光，即本实施例中的混合受激光103。如前所述，该混合受激光所包含的三部分受激光都是由高效率的受激发光过程产生的，其能量转化效率与第一波长转化材料相近，同时由于其具有第二受激光的成分，因此与第一受激光相比具有更宽的光谱和更好的显色指数。
除了上述的几个两种波长转换材料的密度分布以外，第一波长转换材料和第二波长转换材料的密度分布还可以有其它变形，如图2b和2c所示。
如图2b所示，在第一波长转换材料层中，沿从第一面104a至第二面104b的方向上，第一波长转换材料与第二波长转换材料的密度分布呈梯度变化或连续变化。以连续变化为例，第一波长转换材料颗粒的密度分布沿从第一面104a至第二面104b的方向上逐渐减小，如曲线208所示；而第二波长转换材料颗粒的密度分布沿从第一面104a至第二面104b的方向上逐渐增大，如曲线209所示。
本发明提出的发光装置，还包括光提取装置。光提取装置位于靠近第一波长转换材料层的第一面的一侧，用于引导激发光由入射光路入射至该第一面，同时引导来自第一波长转换材料层的光由出射光路出射，并将该出射光路与入射光路分离。
具体来说，在图1所示实施例中，光提取装置指的是分光滤光片102。分光滤光片102对激发光101透射且以反射的方式将混合受激光103引导进入出射光路。
如前所述，若希望得到单色受激光，则必须使用滤光装置将混合受激光103的光谱中不需要的光谱成分过滤掉，而在本实施例中，分光滤光片102在实现光提取装置的功能的同时，也可以实现滤光装置的功能，即分光滤光片102反射混合受激光103中所需要的光谱成分并将其引导进入出射光路，同时透射混合受激光103中不需要的光谱成分使其不能进入出射光路。例如，对于红色受激光来说，所需要的光谱成分指的是580～600nm的光谱成分，其余光谱成分则为不需要的光谱成分。这样，分光滤光片102通过部分反射混合受激光103可以实现对混合受激光103的滤光功能。
在实际应用中，也可以使分光滤光片对激发光反射且以透射方式将混合受激光103引导进入出射光路。同样的，在这种情况下也可以通过对分光滤光片的设计实现对出射光的过滤以实现满意的颜色；此时分光滤光片以部分透射的方式将混合受激光103引导进入出射光路。
在上述实施例中，分光滤光片102在起到分光滤光片作用的同时还可以起到过滤混合受激光的作用。实际上，还可以使用其它方法来实现过滤出射光以实现满意颜色的作用。在本发明的第三实施例如图3所示。与第一实施例不同的是，本实施例还包括叠置于第一波长转换材料层104的第一面104a的第一滤光片301，用于透射激发光，同时透射部分第一波长转换层受激发射出的混合受激光且反射其它光。由于混合受激光具有比较宽的光谱成分，因此若希望发光装置只发射其中一部分预定的光谱成分，则可以设置第一滤光片只透射该预定的光谱成分，反射其余的光谱成分，则只有预定的光谱成分的光303可以透过第一滤光片并进入出射光路。
在实际应用中，更优选的，第一滤光片与第一波长转换材料层之间存在空气隙，这样可以降低第一滤光片的设计难度。实现第一滤光片最常用的手段是使用干涉滤光片。干涉滤光片是在一个透明衬底上交替的溅射高低折射率介质的薄膜，利用光在薄膜中的干涉来实现对特性波长的透射或反射，以达到滤光作用。干涉滤光片作为第一滤光片时，其镀膜的表面面向第一波长转换材料层104并与其紧密相邻.
前述三个实施例中，第一波长转换材料层是静止不动的。在这种情况下，当激发光的功率很大时，第一波长转换材料层在受激发光的同时会发出大量的热能，并使第一波长转换材料层的温度快速升高，这又进一步的降低了波长转换材料的能量转化效率，并进一步的增大了放出的热量，进而演变成恶性循环，最终波长转换材料会因为温度过高而发生热猝灭。
若使波长转换材料与激发光发生相对移动，则在波长转换材料移动到激发光照射范围的瞬间波长转换材料会快速升温，而一旦移动离开了激发光照射的范围，波长转换材料的温度就会快速降低，最终随着波长转换材料与激发光不断的相对运动，每一个瞬间工作于激发状态的波长转换材料的温度都处于正常的工作温度范围。
本发明的第四个实施例如图4a所示。与第一实施例不同的是，第一波长转换材料层404叠置且相对固定于光学膜片405上；同时，本实施例还包括驱动装置401，用于驱动光学膜片405，以使激发光101与第一波长转换材料层404发生相对运动。
存在多种方法可以将第一波长转换材料层404叠置且相对固定于光学膜片405上。例如直接将波长转换材料与透明粘结剂混合在一起涂敷于光学膜片405上，固化后形成的第一波长转换材料层粘接在所属光学膜片上；也可以使用透明材质基板，例如玻璃基板，将二者压在一起后，再利用粘接剂将光学膜片405与所述透明材质基板粘接起来形成一体的结构。
在本实施例中，驱动装置可以为一个可转动的马达，带动第一波长转换材料层404和光学膜片405一起围绕转动轴转动。第一波长转换材料层404和光学膜片405的外形均加工成圆环形，如图4b所示，这样，随着马达的转动，第一波长转换材料层404上同一个圆周上的不同的位置将轮流被激发光照射而被激发，进而实现稳定的受激发光的光输出。
在实际应用中，还可以利用第四实施例中的方法实现多色光的连续输出。在本实施例的一个变形中，还包括第二波长转换材料层或散光层，与第一波长转换材料层并列叠置固定于光学膜片，使得第二波长转换材料层或散光层与第一波长转换层交替的被激发光照射。
具体来说，如图4c所示，第二波长转换材料层406a和散光层406b与第一波长转换材料层404沿圆周方向并列叠置固定于光学膜片405上，随着马达的转动轮流被激发光照射。一种优选的情况是，第一波长转换材料层404受激产生红光，第二波长转换材料层406a受激产生绿光，而散光层406b将蓝光激发光散射并反射以产生蓝光，这样随着马达的转动，就可以得到红绿蓝的多色光序列。
在实际应用中，本发明的第三和第四实施例可以结合起来使用，即将第一滤光片叠置并相对固定于第一波长转换材料层的第一面，并使用一个驱动装置带动第一波长转换材料层和第一滤光片与激发光发生相对运动。将第一滤光片叠置并相对固定于第一波长转换材料层的方法有多种，例如粘接或机械方式固定；这是惯用技术手段，此处不赘述。
在上述四个实施例中，光提取装置都使用了分光滤光片。实际上，在实际应用中存在多种形式的光提取装置，下面分别以第五到第七个实施例来分别举例说明。
本发明的第五个实施例的光学结构图5所示。本实施例与第一实施例的区别在于，光提取装置包括带有通光孔502a的弧面反射装置502；来自激发光源的激发光501穿过通光孔502a入射到第一波长转换材料层504。弧面反射装置502的反射面面向第一波长转换材料层504，该反射面反射来自第一波长转换层504的混合受激光503使其由出射光路出射。本实施例中还包括光收集装置506，该光收集装置包括入口，用于接收出射光路的出射光。
具体来说，弧面反射装置502可呈半球状，第一波长转换材料层504的位置位于临近该半球球心的第一点；光收集装置506的入口的位置位于临近该半球球心的第二点，第一点与第二点关于球心对称。
更为优选的，弧面反射装置502呈半椭球状，第一波长转换材料层504的位置位于该半椭球的第一焦点；光收集装置的入口的位置位于该半椭球的第二焦点。
在本实施例中，光收集装置为柱形方棒，在实际应用中，则也可以使用锥形方棒或透镜作为光收集装置，这是本领域的公知技术，不再赘述。
在本实施例中，一个更优选的方案中，还包括在通光孔502a上设有滤光部件507，该滤光部件透射激发光并反射混合受激光，这避免了混合受激发光从通光孔502a中出射出去造成浪费。
本发明的第六个实施例的光学结构如图6所示。本实施例与第一实施例的区别在于，光提取装置包括带有通光孔602a的第一平面反射装置602，来自激发光源的激发光601穿过通光孔602a入射到第一波长转换材料层604。第一平面反射装置602的反射面面向第一波长转换材料层604，并反射来自第一波长转换层604的混合受激光603使其由出射光路出射。
本发明的第七个实施例的光学结构如图7所示。本实施例与第一实施例的区别在于，光提取装置包括第二平面反射装置702，来自激发光源的激发光701经过第二平面反射装置702反射后入射到第一波长转换材料层704。第一波长转换层发射的混合受激光703经由第二平面反射装置702周围射出并由出射光路出射。
上述第六和第七实施例中，都是利用第一波长转换层发出的受激发光的发散角度远远大于入射的激发光的发散角度，而使二者的光路相分离。
与第一实施例相比，第二和第三实施例所描述的第一滤光片和驱动装置的作用在于提高第一波长转换材料层的性能，而第五至第七实施例描述了不同的光提取装置的光学结构，这分别是本发明的两个方面，是相互独立的，因此可以自由组合。也就是说，本发明的第五至第七个实施例中，也可以应用如第二实施例中所描述的第一滤光片，或应用如第三实施例中所描述的驱动装置，也可以同时应用第一滤光片和驱动装置。
对于图5所示的本发明的第五实施例的光学结构，还存在另外一种过滤出射光以实现满意颜色的滤光方式，这将作为本发明的第八个实施例来说明。
在第八实施例中，还包括第二滤光片，第二滤光片放置于光收集装置的入口光路上，或第二滤光片放置于光收集装置的出口光路上，或第二滤光片放置于光收集装置内部的光路上，用于反射激发光且透射混合受激光。与第一滤光片相类似的，第二滤光片也可以实现对混合受激光的过滤作用，此时第二滤光片反射激发光并部分透射混合受激光。
同样的，在第八实施例中，第光一波长转换材料层也可以与激发光发生相对运动以降低波长转换材料的局部发热量。在本实施例中，第一波长转换材料层层叠固定于光学膜片上，光学膜片与第二滤光片相对固定。本实施例中还包括驱动装置，驱动装置用于驱动光学膜片，以使激发光与第一波长转换材料层和第二滤光片发生相对运动，并且当第一波长转换材料层运动到被激发光照射时，第二滤片运动到光收集装置的入口光路上，或第二滤光片运动到光收集装置的出口光路上，或第二滤光片运动到光收集装置内部的光路上。
本实施例具体的光学结构如图8所示。在本实施例中，第一波长转换材料层804层叠固定于光学膜片805上，光学膜片805与第二滤光片807相对固定。本实施例中还包括驱动装置，驱动装置用于驱动光学膜片805，以使激发光801与第一波长转换材料层804和第二滤光片807发生相对运动，并且当第一波长转换材料层804运动到被激发光801照射时，第二滤光片807运动到光收集装置806的入口光路上用于反射激发光和透射或部分透射混合受激光803。被第二滤光片反射的激发光可以通过弧面反射装置802反射回第一波长转换材料层并形成二次激发，进一步的提高发光装置的发光亮度。另外，通过部分透射混合受激光803，可以过滤掉混合受激光803中不需要的光谱能量，进而改进输出光的颜色。
存在多种方法相对固定第二滤光片807和光学膜片805，例如在接触的部位用胶水粘接，或使用机械方法夹持两者并相对固定。这属于公知技术，不再赘述。
与第五实施例相似的，在本实施例中，驱动装置可以为一个可转动的马达，带动第一波长转换材料层804、光学膜片805和第一滤光片807一起围绕转动轴转动。第一波长转换材料层804、光学膜片805和第一滤光片807的外形均加工成圆环形，如图8a所示；随着马达的转动，第一波长转换材料层804上同一个圆周上的不同的位置将轮流被激发光照射而被激发，进而实现稳定的受激发光的光输出。
与第五实施例相似的，在本实施例中，还可以包括第二波长转换材料层或散光层，与第一波长转换材料层并列叠置固定于光学膜片上，使得第二波长转换材料层或散光层与第一波长转换层交替的被激发光照射；还包括与所加的第二波长转换材料或散光层相对应的第三滤光片，与第二滤光片并列叠置固定于光学膜片上。
具体来说，如图8b所示，第二波长转换材料层804a、散光层804b与第一波长转换材料层804c沿圆周方向并列叠置固定于光学膜片805上，随着马达的转动轮流被激发光照射。作为一种优选的情况，当激发光为蓝光时，第一波长转换材料层804c受激产生红光，第二波长转换材料层804a受激产生绿光，散光层804b散射并反射入射的蓝光激发光。每一段波长转换材料层或散光层，都分别对应一段各自的第二滤光片。例如，第一波长转换材料层804c与红光第二滤光片807c对应，当第一波长转换材料层804c运动到被激发光801照射时，第二滤光片807c运动到光收集装置806的入口光路上用于反射激发光和部分透射混合受激光803以实现良好颜色的红光输出。同时，第二波长转换材料层804a与绿光第二滤光片807a对应，散光层804b与蓝光第二滤光片807b对应。这样随着马达的转动，就可以得到红绿蓝的多色光序列。
值得说明的是，不是所有的颜色段都需要相应的第二滤光片。例如在实施例的本优选方案中，蓝光激发光的颜色已经很好，不需要再经过第二滤光片过滤掉不需要的光谱成分。此时一个解决方法是将蓝光第二滤光片807b直接去除，但是这样由于质量的不平衡，马达在转动过程中会产生很大的噪音，同时马达的寿命会大大缩短。虽然可以通过其它方式解决动平衡问题，但是更优选的方法是，使蓝光第二滤光片807b为一个透明玻璃片，或是镀了增透膜的透明玻璃片，使其对蓝光没有过滤作用。
在第五至第八实施例中，与第一实施例不同的是，混合受激光中除了第一实施例中的混合受激光的三种成分以外，还包括激发光的成分，这是因为在第五至第八实施例中被第一波长转换材料层反射的激发光也会被引导进入出射光路。在第五至第八实施例中，可以使用前述的第一或第二将其过滤掉，但实际上当激发光为蓝光时，也可以不将其过滤掉使其与含有多种光谱成分的混合受激光一起实现高效率的白光。
本发明还提供了一种投影装置，该投影装置包括上述各实施例描述的发光装置。
以上所述仅为本发明的实施例，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等效流程变换，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 (27)
1.一种发光装置，其特征在于：包括
第一波长转换材料层，用于吸收激发光并发射混合受激光；
所述第一波长转换材料层包括相对的第一面与第二面，第一面用于接收所述激发光；还包括用于吸收所述激发光并产生第一受激光的第一波长转换材料，以及用于吸收至少部分第一受激光并产生第二受激光的第二波长转换材料；所述第一波长转换材料的能量转化效率高于所述第二波长转换材料；
所述第二波长转换材料也可以吸收所述激发光并产生所述第二受激光；
光学膜片，位于靠近所述第一波长转换材料层的第二面的一侧，用于反射来自所述第一波长转换材料层的第一受激光与第二受激光。
2.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述光学膜片为反射镜，用于反射来自所述第一波长转换材料层的所有光。
3.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于：
所述第一波长转换材料层中，包括层叠设置的第一波长转换材料子层和第二波长转换材料子层，第一波长转换材料子层只包含第一波长转换材料，第二波长转换材料子层只包含第二波长转换材料。
4.如权利要求3所述的发光装置，其特征在于：
所述的第二波长转化材料子层设置于所述第一波长转换材料子层与所述光学膜片之间。
5.如权利要求3所述的一种发光装置，其特征在于：
第一波长转换材料子层与第二波长转换材料子层之间紧密贴合或存在空气隙。
6.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于：
所述第一波长转换材料和第二波长转换材料都均匀分布于第一波长转换材料层内部。
7.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于：
所述第一波长转换材料层中，沿从第一面至第二面的方向上，第一波长转换材料与第二波长转换材料的密度分布呈梯度变化。
8.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于：
还包括光提取装置，位于靠近所述第一波长转换材料层的第一面的一侧，用于引导所述激发光由入射光路入射至该第一面，引导来自所述第一波长转换材料层的光由出射光路出射，并将该出射光路与入射光路分离。
9.如权利要求8所述的发光装置，其特征在于：
所述光提取装置包括分光滤光片，所述分光滤光片对所述激发光透射且以反射或部分反射的方式将所述混合受激光引导进入出射光路；或者所述分光滤光片对所述激发光反射且以透射或部分透射的方式将所述混合受激光引导进入出射光路。
10.如权利要求8所述的发光装置，其特征在于：
所述光提取装置包括带有通光孔的弧面反射装置，来自激发光源的激发光穿过所述通光孔入射到所述第一波长转换材料层；
所述弧面反射装置的反射面面向所述第一波长转换材料层，该反射面反射来自所述波长转换层的光使其由所述出射光路出射；
还包括光收集装置，所述光收集装置包括入口，用于接收所述出射光路的出射光。
11.如权利要求10所述的发光装置，其特征在于：
所述弧面反射装置呈半球状，所述第一波长转换材料层的位置位于临近该半球球心的第一点；所述光收集装置的入口的位置位于临近该半球球心的第二点，第一点与第二点关于所述球心对称。
12.如权利要求10所述的发光装置，其特征在于：
所述弧面反射装置呈半椭球状，所述第一波长转换材料层的位置位于该半椭球的第一焦点；所述光收集装置的入口的位置位于该半椭球的第二焦点。
13.如权利要求10所述的发光装置，其特征在于：
所述光收集装置包括柱形方棒、锥形方棒或透镜。
14.如权利要求10所述的发光装置，其特征在于：
所述通光孔上设有滤光部件，该滤光部件透射所述激发光并反射所述混合受激光。
15.如权利要求8所述的发光装置，其特征在于：
所述光提取装置包括带有通光孔的第一平面反射装置，来自激发光源的激发光穿过所述通光孔入射到所述第一波长转换材料层；
所述平面反射装置的反射面面向所述第一波长转换材料层，该反射面反射来自所述第一波长转换层的光使其由所述出射光路出射。
16.如权利要求8所述的发光装置，其特征在于：
所述光提取装置包括第二平面反射装置，来自激发光源的激发光经过所述第二平面反射装置反射后入射到所述第一波长转换材料层；所述第一波长转换层发射的光经由所述第二平面反射装置周围射出并由所述出射光路出射。
17.如权利要求1至16中任一项所述的发光装置，其特征在于：
还包括第一滤光片，所述第一滤光片叠置于所述第一波长转换材料层的第一面；
所述第一滤光片透射所述激发光及部分所述混合受激光且反射其它光。
18.如权利要求17所述的发光装置，其特征在于：
所述第一滤光片为干涉滤光片，其起滤光作用的表面面向所述第一波长转换材料层并与其紧密相邻.
19.如权利要求1至16中任一项所述的发光装置，其特征在于：
所述第一波长转换材料层叠置固定于所述光学膜片上；
所述发光装置还包括驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述光学膜片，以使所述激发光与所述第一波长转换材料层发生相对运动。
20.如权利要求19所述的发光装置，其特征在于：
所述发光装置还包括第二波长转换材料层或散光层，与所述第一波长转换材料层并列叠置固定于所述光学膜片，使得所述第二波长转换材料层或散光层与所述第一波长转换层交替的被所述激发光照射。
21.如权利要求10所述的发光装置，其特征在于：
所述发光装置还包括用于反射激发光且透射或部分透射所述混合受激光的第二滤光片，所述第二滤光片放置于所述光收集装置的入口光路上，或所述第二滤光片放置于所述光收集装置的出口光路上，或所述第二滤光片放置于所述光收集装置内部的光路上。
22.如权利要求10所述的发光装置，其特征在于：
所述发光装置还包括用于反射激发光且透射或部分透射所述混合受激光的第二滤光片，所述第一波长转换材料层层叠固定于所述光学膜片上，所述光学膜片与第二滤光片相对固定；
所述发光装置还包括驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述光学膜片，以使所述激发光与所述第一波长转换材料层和所述第二滤光片发生相对运动，并且当所述第一波长转换材料层运动到被所述激发光照射时，所述第二滤光片运动到所述光收集装置的入口光路上，或所述第二滤光片运动到所述光收集装置的出口光路上，或所述第二滤光片运动到所述光收集装置内部的光路上。
23.如权利要求22所述的发光装置，其特征在于：
所述发光装置还包括第三波长转换材料层或散光层，与所述第一波长转换材料层并列叠置固定于所述光学膜片，使得所述第三波长转换材料层或散光层与所述第一波长转换层交替的被所述激发光照射。
24.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于：
所述第二波长转换材料为橙色光或红光波长转换材料，所述第二受激光为橙色光或红光。
25.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于：
所述第一波长转换材料为黄绿光或黄光波长转换材料，所述第一受激光为黄绿光或黄光。
26.如权利要求25所述的发光装置，其特征在于：
所述第一波长转换材料为钇铝石榴石Y3Al5O12,YAG荧光粉。
27.一种投影系统，其特征在于：包括如权利要求1至26中任一项所述的发光装置。
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- 2011-11-15 CN CN201110361874.6A patent/CN102540656B/zh active Active
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2012
- 2012-05-18 WO PCT/CN2012/075755 patent/WO2013071742A1/zh active Application Filing
Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| 李绍霞等.白光LED用光转换材料的研究.《材料导报》.2008,(第4期), * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2013071742A1 (zh) | 2013-05-23 |
| CN102540656A (zh) | 2012-07-04 |
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Date of cancellation: 20180716 Granted publication date: 20141231 Pledgee: CITIC Bank Limited by Share Ltd. Shenzhen branch Pledgor: APPOTRONICS Corp.,Ltd. Registration number: 2016440020007 |
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