CN102661576B - 发光波长转换装置及发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发光装置，所述发光装置包括激发光模块以及用于承载波长转换物质的承载组件，激发源为激光或LED，激发光用于照射光转换物质或独立作为提供原波长的发光；所述承载组件可为闭合曲面、开放曲面或开放平面，其可由运动控制模块控制进行复合运动，例如沿轴向进行转动或间歇性的往复转动，同时可沿轴向进行水平或垂直移动；上述移动或转动由运动控制模块控制，包括移动的距离、转动的方向、速率等；波长转换物质由所需光波长决定，但保证被激发源充分激发，具体材料包括荧光粉、纳米材料、有机染料等。本发明所提供的发光装置亮度高、低成本、单色性高，可推广用于照明、显示等领域。

Description

发光波长转换装置及发光装置

技术领域

本发明涉及发光领域，特别是涉及一种发光装置以及发光波长转换装置。

背景技术

固态照明技术的发展提高了人们的生活水平，在照明、显示等诸多领域显示出越来越多的应用潜力。近年来，固态照明的发展很大程度上推动了光源的应用，例如最近几年兴起的各种颜色的LED(Light Emitting Diode)光源，LD(Laser Diode)光源。其中，白光LED正以其长寿命、高亮度、高稳定性成为节能照明的主流。就白光的实现来说，目前存在两种模式：即红黄蓝三基色的混光方案和使用波长转换方案。三基色混光是利用三种不同颜色的光源同时发光，混合后得到目标颜色及色温等。另一种是使用激发光以及荧光物质来共同实现，例如目前在白光LED市场占据主流的蓝光LED激发YAG:Ce荧光粉的方案。以上两种方案在某种程度上满足了一些应用的需求，但也同时存在各自的问题，例如第一种方案需要多个光源，而第二个方案则在色温、颜色等方面较为固定，可调性很小。

不同的应用领域对光源的要求也不尽相同。例如普通照明对显色度和亮度的需求较高，一些电视机、手机等则对背光源的尺寸和亮度比较关注；在显示等领域则更注重单色性、定向性照射等特性。而在某些特定的应用领域，例如激光显示等，则需要较大功率的激光模组用于光源以期提高最终显示的亮度和色彩的鲜艳度。目前，由于三基色激光光源技术由于激光材料等技术尚存缺陷，所以还在研究发展当中。用大功率蓝光LED或蓝光激光LD来激发荧光物质，使其受激得到绿色、黄色、红色发光的组合模式由于其简单、廉价逐渐受到技术人员的关注。以大功率的激光作为激发光时，目前面临2个主要问题：(1)强光源对光转换物质损伤较大；(2)荧光物质的高温导致其发光强度的热衰减。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种发光装置及发光波长转换装置，其通过利用运动控制模块来使波长转换物质承载组件进行复合运动，由此来控制光输出颜色。当激发源为激光等大功率光源时，对波长转换物质的热损伤以及由温度引起的热衰减相对较小，由此能够大幅延长器件的使用寿命。

本发明提供一种发光波长转换装置，其包括：波长转换物质承载组件，所述组件分成一个或多个区域，各区域分别承载不同的波长转换物质，或者为空；激发光模块，当所述各区域承载有所述波长转换物质时，照射所述波长转换物质，当所述各区域为空时，提供其激发光自身波长的发光；以及运动控制模块，用于控制所述波长转换物质承载组件进行复合运动。

另外，根据本发明，优选的是，所述复合运动包括所述波长转换物质承载组件绕其轴向转动。

另外，根据本发明，优选的是，所述复合运动为所述波长转换物质承载组件绕其轴向转动的同时，在其轴向所在平面内移动。

通过使所述波长转换物质承载组件进行复合运动，能够使波长转换物质可被激发源照射的区域面积大幅增加。

另外，根据本发明，优选的是，所述移动为所述波长转换物质承载组件沿所述轴向移动或垂直所述轴向移动或随所述轴向摆动。

另外，根据本发明，优选的是，所述波长转换物质承载组件的形状为闭合曲面。

另外，根据本发明，优选的是，所述波长转换物质承载组件的形状为开放平面或开放曲面。

另外，根据本发明，优选的是，所述闭合曲面为筒体，所述筒体集成有用于冷却所述波长转换物质以及所述激发光模块的冷却装置。

此外，本发明的另一方面在于提供一种发光装置，其包括所述发光波长转换装置。

根据本发明，优选的是，所述发光装置还包括镜头模块，所述波长转换物质承载组件能够在所述激发光模块以及所述镜头模块保持不动的情况下，进行所述复合运动。

根据本发明的发光装置和波长转换装置，通过所述波长转换物质承载组件进行复合运动，等效于增大了波长转换物质工作时可被激发光扫描照射的面积，加强了对荧光物质的保护，在使用大功率激发源时降低了荧光物质的温度衰减以及和热损伤。采用本发明的技术方案，可以轻易实现不同颜色的光输出，包括单色光以及混合光，具有成本低、控制简洁、荧光物质发光寿命长等优点。

附图说明

图1为以筒体作为本发明发光装置中的波长转换物质承载组件的结构示意图；

图2是表示图1的反射替换例的示意图；

图3为本发明发光装置中的波长转换物质承载组件为筒体时的侧壁展开图以及照射光斑的轨迹；

图4为本发明发光装置中的波长转换物质承载组件为转盘的结构示意图；

图5为本发明发光装置中的波长转换物质承载组件为球冠的结构示意图；

其中，附图标记1为激发源，2为筒体，3为轴向，4为风扇，5为出/进风口，6为运动控制模块，7为镜头组，8为出射光，9为光源控制模块，10为转盘，11为照射光斑，12为球冠，13为球冠半径，14为摆动轴，15为驱动轴，16为支撑轴。

具体实施方式

以下将结合附图，通过具体实施方式来对本发明进行详细说明。所提供的实施方式为本发明的优选实施方式，但不应被认为本发明仅限于在此阐述的实施方式中。在图中，为了更清楚的反应结构，适当放大了部件的尺寸，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。参考图是本发明的示意图，图中的表示只是示意性质的，不应该被认为限制本发明的范围。

本发明的基本构思为：在从激发源到出射光的光路上，例如图1中所示的激发源1至出射光8的光路上，添加一个可以进行复合运动的波长转换物质承载组件，该复合运动包括波长转换物质承载组件同时绕轴向其转动以及在其轴向所在平面内移动。上述波长转换物质包括，但不局限于，荧光粉、纳米荧光材料、有机染料等。波长转换物质承载组件可以为包括筒体状在内的闭合曲面；包括圆盘状在内的开放平面；以及开放曲面，例如为圆锥、圆台状、球冠等。波长转换物质以涂覆、贴膜等方式形成于波长转换物质承载组件上，也可以分散在玻璃、聚合物等透明材料中，直接制作成波长转换物质承载组件中被激发光照射的部分。若需要与激发源同颜色的发光，则波长转换物质承载组件上对应区域为空或采用透明介质构成。

通过上述复合运动，可以调节出射光的颜色。通过引入进行复合运动的诸如筒体或者转盘等的波长转换物质承载组件，加强了对波长转换物质的保护，尤其在使用大功率激发源的情况下，能够降低波长转换物质发光的温度衰减以及大功率激发源所造成的热损伤。而且，当在采用筒体等闭合曲面作为波长转换物质承载组件时，其可直接集成有冷却装置，波长转换物质承载组件的转动直接带动冷却装置进行冷却，能够更好地延长荧光物质的使用寿命，从而延长整个器件的使用寿命。

本发明的发光波长转换装置包括：波长转换物质承载组件，其分成一个或多个区域，各区域分别承载不同的波长转换物质，或者为空；激发光模块，当所述各区域承载有所述波长转换物质时，照射所述波长转换物质，当所述各区域为空时，提供其激发光自身波长的发光；以及运动控制模块，用于控制所述波长转换物质承载组件进行复合运动。

采用本方案，可以轻易实现不同颜色的光输出，包括单色光以及混合光，具有成本低、控制简洁、荧光物质发光寿命长等优点。下面将通过具体实施例来说明承载组件的复合运动降低荧光物质的温度衰减和热损伤的机理。

实施方式1

图1为以筒体2作为本发明的波长转换物质承载组件的结构示意图。其中，运动控制模块6和筒体2通过驱动轴15相连接。运动控制模块6驱动筒体2相对激发光模块和镜头组7进行复合运动，该复合运动包括筒体2绕其自身的轴向3的转动以及筒体2在其轴向3所在的平面内移动。例如，可使筒体2在绕其自身轴向3转动的同时，使筒体2在其轴向3所在的平面内移动。具体而言，筒体2的移动为其沿轴向3往复移动。运动控制模块6包括用于驱动作为波长转换物质承载组件的筒体2的马达；以及驱动筒体2沿轴向3往复移动的齿轮。筒体2的复合运动等效于增大了荧光物质的工作区域，即使得波长转换物质的高温损伤以及高温强度猝灭大幅降低。根据用户对出射光8的颜色的要求，可通过运动控制模块6来调节照射的区域位置、筒体2的转动速率、筒体2沿轴向平移的距离和速度等。上述激发光模块包括激发源1和光源控制模块9，激发源1和光源控制模块9通过一支撑轴16相连接，筒体2可绕该支撑轴16转动。激发源1内置于筒体2内部，由光源控制模块9控制。在本实施方式中，激发源1为蓝光半导体激光二极管或者蓝光LED，但不局限于此，在其他实施方式中，可为紫外LED或者激光等。

另外，在本实施方式中选用无机荧光粉材料来作为波长转换物质，其激发光谱涵盖激发源1，即LED或者LD所发出的蓝光。除蓝光出射的透明窗口以外，其他荧光粉外侧还配备有滤光片，使其仅投射由荧光粉所引起的发光。透射出的蓝光或由荧光粉所发出的光通过镜头组7得到出射光8。

如图1所示，如果运动控制模块6中的马达的转动频率为60Hz，筒体2的上下底的半径为15mm，筒体2的侧壁高40mm，假设侧壁中间段30mm部分设置为工作区域，激发光斑的直径d为3mm。运动控制模块6控制筒体2进行复合运动，即在马达转动频率为60Hz的同时进行沿轴向3的往复移动，沿轴向移动的频率为3Hz。进行复合运动时，为保证运动的稳定性，优选的是，确保驱动轴15和支撑轴16处于同一轴向3上。在此，我们定义占空比为光斑面积与可工作区域之比。光斑轨迹每一圈之间无交叉、无空隙，此时波长转换物质被激发的时间为0.4毫秒，而激发时间的占空比为0.25％。如果此时仅进行转动而无沿轴向的移动，此时被激发的时间仍为0.4毫秒，而占空比则为复合运动的10倍，即2.5％。同一位置的波长转换物质被激发源1重复照射的时间间隔大幅提高。因此，进行复合运动时，可以有效降低作为波长转换物质的荧光粉所累积的平均热量，从而温度猝灭效应和热损伤可以大幅降低，延长其使用寿命。

另外，如图1所示，可在筒体2的底面设计与之集成一体的冷却装置，用于冷却波长转换物质以及激发源1。该冷却装置例如可为风扇4，但不局限于此，也可采用其他具有冷却效果的装置。风扇4的扇片数量可根据发热量的大小具体设计，可以为一个或者多个。在风扇4对应的筒体2的另一底面设计相应的出/进风口5。风扇4以及出/进风口5的位置也可设计在侧壁上，并不局限于在其上下底面。风扇4随筒体2一起转动，进而冷却筒体2内部的激发源1以及被激发光照射的波长转换物质。

在上述方案中，为了保证波长转换物质承载组件进行复合运动时的平稳性，低噪音等，优选的是，如图1所示，筒体2应保证上下底面中的驱动轴15和支撑轴16处于同一轴向3上。上底面的驱动轴15与筒体2固定连接，运动控制模块6中的齿轮及马达用于驱动筒体2按照预设的角速度转动和沿轴向3移动的速度和距离。而激发源1则被固定，其与光源控制模块9相连接的支撑轴16可以根据需求设计成空心部件，用于提供电线或者光纤等布线通道。

如上所述，作为波长转换物质承载组件的筒体2的复合运动等效于增大了波长转换物质工作时可被激发光扫描照射的面积，加强了对荧光物质的保护，在使用大功率激发源时降低了荧光物质的温度衰减以及和热损伤。

实施方式2

通过波长转换物质与波长转换物质承载组件即筒体2的不同结合方式，不但可使激发源1所发出的光透射，如图2所示，也可使激发源1发出的光被反射。本实施方式的原理基本与实施方式1的原理相似。在图2中，激发光照射到波长转换物质，所发出的光进入镜头组7。诸如荧光粉等波长转换物质通过贴膜、涂覆等方式承载于筒体2的侧壁外表面，该侧壁被分成一个或多个区域，各区域外表面分别承载不同的波长转换物质，或承载平面、曲面状的反射镜片，以提供与激发源同颜色的发光。另外，此时，激发源1位于筒体2的外部。筒体2侧壁可以分成一组红黄蓝绿，其中蓝色由透明窗口提供，为激发源本身的出射光，如图3所示的侧壁展开图；也可分成黄蓝绿；筒体侧壁可以包含一组或者多组以上组合。照射光斑11形成的轨迹取决于筒体2的复合运动，筒体2进行螺旋状往复运动。另外，如图2所示，也可在筒体2的底面设计与之集成一体的冷却装置，此处为风扇4，使得荧光粉上累积的热量可被充分冷却，减少温度衰减以及热损伤。

实施方式3

本发明中，波长转换物质的承载组件可以根据实际需求任意设计，优选的是具有轴对称的三维形状。可为上述筒体等闭合曲面；也可为开放曲面，如圆锥或圆台或球冠；也可为转动平面，如图4所示的转盘。转盘10在运动控制模块6的驱动下同时进行转动和垂直于轴向的往复运动。可通过调整激发源1与转盘10的组合模式，以便使激发光透射或反射。

如图4所示的透射例，转盘10在运动控制模块6的控制下，可进行同时绕轴向3转动和垂直于其轴向3移动的复合运动。

如果马达的转动频率为60Hz，转盘10半径为21mm，除去中心半径2mm和最外侧1mm的非工作区域，中间的环状部分承载荧光物质，照射光斑11的直径d为2mm。如果所述转盘10仅进行转动，而无所述复合运动。假设转动半径在20mm处，则占空比为1.25％，此时照射光斑11的轨迹为以轴向3为中心的环形。

如果控制转盘10进行复合运动，即在马达转动频率为60Hz的同时进行垂直于轴向的往复移动。除去最外侧1mm的空隙和中心半径为3mm的区域，都可以用作工作区域。此时，如图4所示，照射光斑11呈螺旋状分布。如果每一圈之间无交叉、无空隙，此时波长转换物质被激发时间的占空比为0.26％，仅为进行转动这一单一运动时的五分之一。可见进行复合运动时，在一个往复周期内，转盘10上荧光粉单点被照射的时间相对单一的转动运动大幅降低，可以更有效地降低荧光粉上所积累的平均热量，从而减少温度猝灭效应，同时降低由激发源1所发出的激发光累积在荧光粉上所造成的热损伤。

实施方式4

同理，图5为波长转换物质承载组件为球冠的实施例，激发源1被固定在无限接近球心的位置，即尽可能靠近球冠12的球心。球冠12可以由驱动轴15驱动进行绕轴向3转动，同时以球心处摆动轴14为轴进行摆动。摆动轴14垂直于轴向3所在的摆动面。此时激发源1到球冠上所有点的距离均为半径13。球冠12可以分成一组红黄蓝绿，其中蓝色由透明窗口提供，为激发源1本身的出射光，也可分成黄蓝绿；球冠表面可以包含一组或者多组以上组合。照射光斑11的轨迹由球冠12的复合运动决定，在球冠表面形成螺旋状轨迹。使得荧光粉上累积的热量可被充分冷却，减少温度衰减以及热损伤。

在权利要求书以及以上说明书中，所有的过渡性短语，诸如“包括”、“包含”、“涵盖”、“涉及”等，都应理解为开放式的，即是指包括但不限于。上述实施方式仅示例性地说明了本发明的原理以及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施方式进行修改、变形。因此，本发明的权利保护范围，应如本发明的权利要求书所列。

Claims (11)

1.一种发光波长转换装置，其特征在于，包括：

波长转换物质承载组件，其为筒体，筒体分成一个或多个区域，各区域分别承载不同的波长转换物质，或者为空；

激发光模块，其朝向筒体侧壁照射，当所述各区域承载有所述波长转换物质时，照射所述波长转换物质，当所述各区域为空时，提供其激发光自身波长的发光；以及

运动控制模块，其与筒体通过驱动轴相连接，运动控制模块驱动筒体进行复合运动，所述复合运动包括筒体绕其自身的轴向转动以及筒体沿其轴向移动，由此来控制光输出颜色。

2.根据权利要求1所述的发光波长转换装置，其特征在于，筒体沿其轴向往复移动。

3.根据权利要求2所述的发光波长转换装置，其特征在于，运动控制模块包括用于驱动筒体的马达以及驱动筒体沿其轴向移动的齿轮。

4.根据权利要求1所述的发光波长转换装置，其特征在于，激发光模块内置于筒体内部。

5.根据权利要求4所述的发光波长转换装置，其特征在于，所述发光波长转换装置还包括光源控制模块，激发光模块和光源控制模块通过一支撑轴相连接，筒体绕该支撑轴转动。

6.根据权利要求5所述的发光波长转换装置，其特征在于，驱动轴和支撑轴处于同一轴向上。

7.根据权利要求1所述的发光波长转换装置，其特征在于，激发光模块位于筒体外部。

8.根据权利要求1所述的发光波长转换装置，其特征在于，所述筒体集成有用于冷却所述波长转换物质以及所述激发光模块的冷却装置。

9.根据权利要求8所述的发光波长转换装置，其特征在于，所述冷却装置为风扇，风扇随筒体一起转动。

10.一种发光装置，其特征在于，包括权利要求1至9之一所述的发光波长转换装置。

11.根据权利要求10所述的发光装置，其特征在于，所述发光装置还包括镜头模块，所述波长转换物质承载组件能够在所述激发光模块以及所述镜头模块保持不动的情况下，进行所述复合运动。