CN102721006A - 发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种发光装置，包括激发光源和波长转换色轮，该波长转换色轮进一步包括圆形金属衬底和设置于金属衬底表面的波长转换材料层，还包括驱动马达，该驱动马达用于驱动金属衬底和波长转换材料层围绕金属衬底的圆心转动，使得金属衬底和波长转换材料层与激发光发生周期性相对运动。其中，激发光的光功率P大于等于100瓦，且激发光入射于波长转换材料层的光斑中心所在的以金属衬底的圆心为圆心的圆的直径D与激发光的光功率P存在关系D≥0.34×P+22。在本发明的发光装置中，发明人根据实验结果总结出了距离D与激发光光功率P的关系，即当该发光装置中的参数设置满足该关系时，波长转换色轮的效率不会出现大幅度下降。

Description

发光装置

技术领域

本发明涉及光源领域，特别是涉及一种发光装置。

背景技术

目前基于波长转换材料的半导体光源已经越来越得到人们的重视，这主要是由波长转换材料的高效率引起的。例如，美国专利US7547114提出一种光源结构，它利用激发光源发射的激发光激发一个波长转换色轮，并利用转盘的转动使得不同颜色的波长转换材料轮流被激发光激发以产生不同颜色的光序列。

随着人们对于亮度的要求不断提高，激发光的光功率也越来越高，因此波长转换色轮上发出的热量也越来越大；这造成波长转换材料的温度越来越高，进而直接导致了波长转换材料的效率的下降，甚至影响了波长转换材料的长期使用的可靠性。尤其是当激发光光功率大于等于100瓦时，波长转换材料的效率快速下降。

因此，需要一种基于波长转换的发光装置，能够在大于等于100瓦的激发光功率下保持高效率。

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，能够在大于等于100瓦的激发光功率下保持波长转换材料的高效率。

本发明提出一种发光装置，包括用于发射激发光的激发光源和用于吸收激发光并发射受激光的波长转换色轮，该波长转换色轮进一步包括圆形金属衬底和设置于金属衬底表面的波长转换材料层，还包括驱动马达，该驱动马达用于驱动金属衬底和波长转换材料层围绕金属衬底的圆心转动，使得金属衬底和波长转换材料层与激发光发生周期性相对运动。其中，激发光的光功率P大于等于100瓦，且激发光入射于波长转换材料层的光斑中心所在的以金属衬底的圆心为圆心的圆的直径D与激发光的光功率P存在如下的关系：

                            D≥0.34×P+22

在该关系式中激发光光功率P以瓦为单位，直径D以毫米为单位。

在本发明的发光装置中，发明人根据实验结果总结出了距离D与激发光光功率P的关系，即当该发光装置中的参数设置满足该关系时，波长转换色轮的效率不会出现大幅度下降。

附图说明

图1a和1b是本发明中距离D与激发光光功率P的关系的实验数据；

图2a、2b和2c是本发明第一实施例的结构示意图；

图3a和3b是本发明第二实施例的结构示意图；

图4a和4b是本发明第三实施例的结构示意图；

图5是本发明第四实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明的第一实施例的发光装置的结构示意图如图2a所示。发光装置100包括用于发射激发光121的激发光源(图中未画出)和用于吸收激发光121并发射受激光的波长转换色轮110，该波长转换色轮110的正视图如图2b所示，它进一步包括圆形金属衬底111和设置于该金属衬底111表面的波长转换材料层113，还包括驱动马达115，用于驱动金属衬底111和波长转换材料层113围绕金属衬底的圆心转动，使得金属衬底111和波长转换材料层113与激发光121发生周期性相对运动。其中，激发光121的光功率P大于等于100瓦，且激发光121入射于波长转换材料层113的光斑123的中心所在的以金属衬底的圆心为圆心的圆125的直径D与激发光的光功率P存在如下的关系：

                    D≥0.34×P+22       (1)

在该关系式(1)中激发光光功率P以瓦为单位，直径D以毫米为单位。

在本实施例中，金属衬底111的材料是铜、铝或铝合金，其中铝合金因为重量较轻且不易生锈而比较常用。而激发光源可以是激光光源，这样利用激光光源光学扩展量小的特点可以在比较小的激发光斑面积内集中很高的光能量。

本实施例中，波长转换材料层113涂覆于金属衬底111上；在其它实施例中，波长转换材料层113也可以粘贴于金属衬底上，或以其它方式固定于金属衬底111上。此外，波长转换材料层113与金属衬底111之间可以紧密贴合，也可以形成有空气隙，例如，波长转换材料层可以通过支撑柱固定连接于金属衬底上，该支撑柱使得波长转换材料层113与金属衬底111之间形成有空气隙。

波长转换材料层113被激发光121激发后发射的受激光分为两部分，第一部分直接从波长转换材料层113被激发光入射的一侧出射，第二部分则出射于金属衬底111的一侧，这部分光至少部分被金属衬底111反射后最终从波长转换材料层113被激发光入射的一侧出射。因此优选的，金属衬底111面向波长转换材料层113的表面具有能够反射受激光的反射层，该反射层可以是直接镀在金属衬底111上的反射膜，也可以是贴附在金属衬底111上的反射片。

综上，在本发明中，金属衬底起到承载波长转换材料层113的作用，同时也起到反射受激光和为波长转换材料层散热的作用。

发明人在实验中发现，当激发光光功率大于等于100瓦时，波长转换色轮的光转换效率快速下降。进一步的实验发现，可以通过增大波长转换色轮的直径，使得被激发的波长转换材料层的面积增大，这样局部的波长转换材料所分摊的热量就会减小，进而起到降温的作用。具体实验数据如图1a所示。

在图1a中的曲线101、102和103表示在激发光光功率P分别等于40瓦、100瓦和150瓦下，波长转换色轮的效率与激发光121入射于波长转换材料层113的光斑123的中心所在的以金属衬底的圆心为圆心的圆125的直径D的关系。在图1a中，设波长转换色轮在直径D等于100毫米的时候具有峰值效率，当激发光光功率P较小时，波长转换色轮的效率与直径D的关系不大；而随着激发光光功率的增大，波长转换色轮的效率随直径D的减小而减小的趋势越来越明显，反过来就是波长转换色轮的效率随直径D的增大而增大的趋势越来越明显，这就是由更多波长转换材料层分摊了热量引起温度下降产生的效果。

通过大量的实验，发明人摸索出了激发光斑123的中心所在的圆125的直径D与激发光的光功率P之间的关系，如图1b所示。在图中的线上，任意一个激发光光功率P都对应一个直径D，当激发光斑123的中心所在的圆125的直径等于该直径D时，波长转换色轮的效率约等于其峰值效率的80％，即基本满足效率不因为过热而出现大幅度下降。

可以看到，图1b中这条线基本是直线的形状，因此可以将其使用最小二乘法进行直线拟合，可以得到该关系线的拟合直线的方程，即：

                     D＝0.34×P+22        (2)

可以理解，对于特定的激发光光功率P，当激发光斑123的中心所在的圆125的直径大于(2)式中所决定的D时，波长转换色轮的效率一定高于其峰值效率的80％。

在实验中还发现，若以波长转换色轮的效率为其峰值效率的90％为目标，则直径D的数值应该进一步增大。根据实验数据的拟合可以得到此时直径D与激发光光功率之间的关系：

                    D＝0.37×P+25           (3)

因此，优选的，对于特定的激发光光功率P，当激发光斑123的中心所在的圆125的直径大于(3)式中所决定的D时，波长转换色轮的效率一定高于其峰值效率的90％。

在本实施例中，如图2b所示的波长转换色轮的正视图中，波长转换材料层113只包括一种波长转换材料；实际上波长转换材料层113可以包括多种波长转换材料，如图2c所示。其中，金属衬底上包括多个段113a、113b和113c，其中不同的段可以包括不同的波长转换材料层，例如113a为蓝色波长转换材料层，113b是绿色波长转换材料层，113c是红色波长转换材料层；随着驱动马达115的驱动使这三个段轮流被激发光光斑123激发进而时序的发出不同颜色的色光。这多个段还可以不完全是波长转换材料层，例如段113a是散光材料或不涂覆任何材料，段113b和113c分别是绿光和红光波长转换材料层，当激发光是蓝光时，段113a可以直接散射和/或反射激发光以实现蓝光单色光的输出。

值得说明的是，一般来说，为了达到最佳的波长转换效率，波长转换材料层113会涂敷于靠近金属衬底的边缘的位置，而激发光斑123则会入射于波长转换材料层的半径尽量大的位置。因此，激发光斑123的中心所在的圆125的直径D会比金属衬底的直径略小。

发明人在实验中还发现，当波长转换色轮的直径增大到一定程度时，会发生“动平衡异变”现象。这指的是：波长转换色轮在不被激发光激发的状态下具有良好的动平衡，此时逐渐增大激发光功率，当光功率增大到某一个数值时，波长转换色轮的动平衡会突然变差，导致噪声陡然增大。

发明人认为，“动平衡异变”现象是由于金属衬底的强度不足引起的。当激发光光功率较低时，可以通过在局部增加或减小重量来调节整个波长转换色轮的动平衡，这是现有技术。而这个动平衡的波长转换色轮在高功率下工作时，由于金属衬底盘面上的温度分布不均匀而引起金属衬底微量的形变，这在高速转动时会使金属衬底承受一个垂直于金属衬底盘面的空气压力；当金属衬底强度不足时，就会使金属衬底在这个空气压力的作用下发生显著变形，因而发生动平衡的剧烈恶化。

发明人在实验中采用增加金属衬底的厚度的方法，通过提高金属衬底的强度，成功的解决了“动平衡异变”的问题。实验发现，当圆形金属衬底的直径与厚度的比值小于等于200时，“动平衡异变”的问题会得到明显改善；而优选的，当圆形金属衬底的直径与厚度的比值小于等于150时，“动平衡异变”的问题完全被解决。

然而，增加金属衬底的厚度会带来金属衬底重量太大进而超出驱动马达的负载范围的问题。为了解决这个问题，可以将至少部分金属衬底上未设置波长转换材料层的位置挖空或减薄来达到减小重量的目的。本发明的第二和第三实施例分别列举了两个方案来予以详细解释。

图3a表示了本发明第二实施例的结构示意图，图3b则是该实施例中波长转换色轮的正视图。与第一实施例不同的是，在该实施例中金属衬底311的中间部位311a的厚度被减薄，从而减小了金属衬底的重量。

图4a表示了本发明第三实施例的结构示意图，图4b则是该实施例中波长转换色轮的正视图。与第一实施例不同的是，在该实施例中金属衬底411的一部分411a被挖空，从而减小了金属衬底的重量。

可以理解，上述的两个实施例可以结合使用，即金属衬底的一部分被挖空，同时一部分被减薄。在上述两个实施例中，优选的，金属衬底上被挖空和/或减薄的部分材料的重量关于金属衬底的圆心中心对称，这样可以更好的实现该波长转换色轮的动平衡。

可以理解，在上述两个实施例中，通过去掉一部分金属衬底上材料的方法来实现金属衬底的减重；实际上还可以通过在一个较薄的金属衬底上使用加强筋来提高金属衬底的强度，同时该加强后的金属衬底的重量也不会增加过多。加强筋呈放射状固定于金属衬底的背面，通过局部增厚的方式增加了金属衬底的强度，因此此时，该金属衬底的厚度应该包括加强筋的厚度。

在本发明的第四实施例的结构图如图5所示，与第一实施例不同的是，在该实施例中还包括位于激发光源(图中未画出)和波长转换色轮510的光路之间的分光装置531，以透射激发光521并反射受激光522的方式将激发光与受激光的光路分离，避免了受激光522沿着激发光521的光路返回激发光源并被激发光源吸收而形成损失。

在本实施例中，分光装置531是分光滤光片，它利用激发光和受激光波长的不同将两者的光路分离；可以理解，该分光滤光片还可以以透射受激光反射激发光的方式将激发光与受激光的光路分离。这是现有技术，此处不赘述。除了分光滤光片外，分光装置还可以是由通孔和通孔四周的反射面构成的反射装置，它利用激发光和受激光的光学扩展量不同，使激发光穿过反射装置的通孔入射于波长转换色轮，同时受激光的大部分则在通孔四周的反射面上被反射。这同样属于现有技术，此处不赘述。

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 (11)

1.一种发光装置，其特征在于，包括：

用于发射激发光的激发光源；

用于吸收激发光并发射受激光的波长转换色轮，该波长转换色轮进一步包括：

圆形金属衬底；

设置于金属衬底表面的波长转换材料层；

驱动马达，用于驱动所述金属衬底和波长转换材料层围绕金属衬底的圆心转动，

使得金属衬底和波长转换材料层与激发光发生周期性相对运动；

其中，所述激发光的光功率P大于等于100瓦，且所述激发光入射于波长转换材料层的光斑中心所在的以金属衬底的圆心为圆心的圆的直径D与激发光的光功率P存在如下的关系：

                        D≥0.34×P+22

在该关系式中激发光光功率P以瓦为单位，直径D以毫米为单位。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述波长转换材料层涂覆于金属衬底表面。

3.根据权利要求2所述的发光装置，其特征在于，所述激发光入射于波长转换材料层的光斑中心所在的以金属衬底的圆心为圆心的圆的直径D与激发光的光功率P存在如下的关系：：

                      D≥0.37×P+25

在该关系式中激发光光功率P以瓦为单位，直径D以毫米为单位。

4.根据权利要求2所述的发光装置，其特征在于，所述圆形金属衬底的直径与厚度的比值小于等于200。

5.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于，所述圆形金属衬底的直径与厚度的比值小于等于150。

6.根据权利要求2至4中任意一项所述的发光装置，其特征在于，所述金属衬底的材料是铝或铝合金。

7.根据权利要求2至4中任意一项所述的发光装置，其特征在于，所述金属衬底面向所述波长转换材料层的表面具有能够反射所述受激光的反射层。

8.根据权利要求2至4中任意一项所述的发光装置，其特征在于，至少部分所述金属衬底上未设置所述波长转换材料层的位置被挖空和/或减薄。

9.根据权利要求8所述的波发光装置，其特征在于，所述金属衬底上被挖空和/或减薄的部分材料的重量关于金属衬底的圆心中心对称。

10.根据权利要求2至4中任意一项所述的发光装置，其特征在于，所述激发光源为激光光源。

11.根据权利要求2至4中任意一项所述的发光装置，其特征在于，还包括位于所述激发光源和所述波长转换色轮的光路之间的分光装置，以透射激发光并反射受激光或透射受激光反射激发光的方式将激发光与受激光的光路分离。

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