CN103353091A - 基于荧光粉提高光转换效率的光源结构 - Google Patents

Abstract

一种基于荧光粉提高光转换效率的光源结构及方法，其中，光源结构包括激发光源（1）、受激材料（3）和导热衬底（4），所述受激材料（3）紧贴在所述导热衬底（4）上；还包括分光滤光片（2），尤其是，所述激发光源（1）面对所述分光滤光片（2），使激发光斜射向该分光滤光片（2）；所述受激材料（3）大致正迎向由该分光滤光片（2）引导来的所述激发光。在所述受激材料（3）与导热衬底（4）之间，增加一导热反射镜可以提高受激发光的利用率。采用本发明，提高光源效率的同时，具有实现结构简单、低成本的优点。

Description

基于荧光粉提高光转换效率的光源结构

本申请是申请人于2008年1月29日递交的申请号为200810065225.X的分案申请201110142850.1的分案申请。

技术领域

本发明涉及光源模块，尤其涉及基于荧光粉激发的光源模块，特别是借助元件组合使出射光更纯的光源的改进结构。

背景技术

自二十世纪九十年代初以来，随着以InGaAlP和InGaN为主的新一代半导体光电子材料迅速发展，各种高功率高亮度的红、黄、蓝、绿、紫外以及白光等LED光源纷纷涌现，层出不穷，在各种显示和照明领域得到了越来越广泛的应用。

获得各种颜色光源（尤其白光光源）的方法除了采用相应颜色发光二极管外，还可以采用的主要技术方案有RGB混光和荧光转换两种。其中，荧光转换方案利用来自其它光源（例如但不限于LED芯片）的发射光来激发使荧光粉产生较长波长的光。例如，日本日亚公司（Nichia）的白光LED专利，公开了利用470纳米蓝光LED芯片来激发黄色YAG荧光粉发出白光的技术方案。该方案结构简单、制造成本低、产品具有很强的实用性。

现有技术中采用荧光转换方案的光源一般所具有的结构是将荧光粉涂覆在发光源（尤其是发光芯片）上，例如申请号为200420084479的中国专利申请所公开的方案。其不足之处在于：由于发光芯片产生的热量越大，对荧光粉的激发效率影响越大。这样，随着激发光功率的提高，荧光粉的激发效率将呈下降趋势，从而造成受激发射的光功率随着激发光功率的提高增长到一定程度后，反而会随着激发光功率的继续提高而出现下降现象。

针对上述问题，申请号为2005100720291的中国专利申请公开了一种由荧光转换获得白光的方案，将荧光粉涂布在一反射镜上，从而与发光二极管分离，利用该反射镜使得荧光粉被激发出的光通过反射由预定出射面射出。该方案中，荧光粉因不受二极管芯片发热的影响，可以提高较大激发光功率下的光转换效率。其不足之处在于：随着光源技术的继续发展，光源输出亮度和功率越来越高，该结构因忽略了荧光粉本身所积聚热能对大激发光功率下光转换效率的影响，限制了光源光转换效率的进一步提高。

美国专利US7,196,354B1公开了又一种方案，如图1a或1b所示：将荧光粉3紧贴一导热域4，使荧光粉本身所产生的热能无法积聚，既提高了光转换效率，又有利于延长荧光粉使用寿命。同时该专利还指出可在激发光源1与荧光粉3之间增加一滤光片，用来透过预定波长的光线，同时反射其它非预定波长的光线；这样，可以使向激发光源散射的受激发光得到利用而进一步提高光源效率。

上述现有技术的不足之处在于：虽然美国专利US7,196,354B1所公开的方案能最大限度地提高光源效率，但该专利所公开的光源结构中，射到所述荧光粉上未被吸收利用的激发光可以通过直射（如图1a所示）或反射（如图1b所示）由光源的出射面射出，从而不利于提高光输出纯度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出一种提高光转换效率的方法，借助分光滤光片和受激材料的使用，在提高光源的光转换效率同时，利于提高输出光的纯度。

本发明还提供了一种改进的光源结构，便于提高荧光粉光转换效率的前提下，获得高纯度的输出光。

为解决上述技术问题，本实发明的基本构思为：改进光源结构，调整元件组合的分布，使受激发光可被导向光源出射面，同时将未被荧光粉利用的激发光大部分导向其它地方，从而在同等荧光粉材料的条件下，可以获得更纯的输出光。

本发明提供了一种基于荧光粉提高光转换效率的光源结构，光源结构包括激发光源、受激材料、导热衬底、分光滤光片以及转盘；受激材料紧贴在导热衬底上，导热衬底固定在该转盘上或者为该转盘盘面的一部分；光源结构还设置有导热反射镜，其位于受激材料与导热衬底之间；导热衬底采用金属，受激材料涂覆或粘覆在该导热反射镜上；激发光源面对分光滤光片，使激发光源的激发光斜射向该分光滤光片，受激材料大致正迎向由该分光滤光片引导来的激发光。

其中，导热反射镜为基于导热衬底的镀膜。

其中，分光滤光片位于激发光源和受激材料之间，实现以穿透方式将激发光导往受激材料，同时以反射方式将来自受激材料的受激发光导往该光源结构的光出射面。

其中，激发光源的光出射面与受激材料所在的平面大致平行，与分光滤光片所在的平面大致呈45度倾角。

其中，激发光为蓝光，受激发光为绿光，分光滤光片以反射方式将该绿光受激发光的大部分导往该光源结构的光出射面，该绿光受激发光的其余部分被该分光滤光片透射，且该绿光受激发光被该分光滤光片反射的部分与透射的部分的波长不同。

其中，激发光源的光出射面和受激材料设置在分光滤光片的同一侧，各自所在的平面两两相交，从而分光滤光片以反射方式将激发光导往受激材料，同时以穿透方式将来自受激材料的受激发光导往该光源结构的光出射面。

采用上述各技术方案，光源在提高大激发功率下的荧光粉光转换效率的同时，可以输出更纯的光，从而满足特定场合下对光纯度的要求，且所采用的结构具有实现简单、低成本的优点。

附图说明

图1a和1b是现有光源的结构示意图；

图2a和2b是本发明光源实施例之一的结构原理示意图；

图3是图2实施例获得绿光的有关光谱示例图，

其中曲线a1表示分光滤光片的光谱，曲线a2表示激发光的光谱，曲线a3表示受激发光的光谱；

图4是图2实施例获得红光的有关光谱示例图，

其中曲线b1表示分光滤光片的光谱，曲线b2表示激发光的光谱，曲线b3表示受激发光的光谱；

图5是本发明光源实施例之二的结构原理示意图；

图6是图5实施例获得红光的有关光谱示例图，

其中曲线c1表示分光滤光片的光谱，曲线c2表示激发光的光谱，曲线c3表示受激发光的光谱；

图7是图2实施例结构的改进结构原理示意图；

上述各图中的标号为：1——激发光源；2——分光滤光片；3——受激材料/受激材料层；31——第一受激材料；32——第二受激材料；4——导热衬底；5——转盘；52——转盘轴；6——透明导光介质。

具体实施方式

下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。

本发明光源至少包括激发光源1和受激材料3，以及导热衬底4；所述受激材料3紧贴在该导热衬底4上，从而所积聚的热量得到及时传导和扩散。为了使光输出定向传导且具有较高纯度，本发明光源还包括一分光滤光片2，使所述激发光源1面对该分光滤光片2，从而激发光斜射向该分光滤光片2，同时将所述受激材料3设置成大致正迎向由该分光滤光片2引导来的激发光（也就是指所述受激材料3构成的平面大致正交于该激发光的主光轴）。

根据所选择分光滤光片2的光学特性，本发明包括两个最佳实施例。实施例之一如图2a所示，所述分光滤光片2设置在所述激发光源1和所述受激材料3之间，以穿透方式将所述激发光导往所述受激材料3，同时以反射方式将所述受激材料3的受激发光导往该光源结构的光出射面。

图2b是图2a的一个特例，所述激发光源1的光出射面与所述受激材料3所在的平面大致平行，与所述分光滤光片2所在的平面大致呈45度倾角。这样可以最大限度的减少受激发光被分光滤光片反射回受激材料，进而以最高的效率将受激发光导往光出射面。

图3为上述实施例的相关光谱示例图：以曲线a1表示所述分光滤光片2的光谱，其具有可透蓝光特性；曲线a2表示激发光的光谱，为蓝光；曲线a3表示受激发光的光谱，例如选择绿光，使用（但不限于是）Intematix公司的G3560^TM荧光粉。利用该分光滤光片2的波长选通特性，所述绿光受激发光由于大部分波长大于500纳米，投射到所述分光滤光片2上的将大部分被以反射方式导往该光源的光出射面；同时所述蓝光激发光将以穿透方式被导射到荧光粉上。这样，通过分光滤光片2的作用，传统方式下未被利用的受激发光几乎都可以经过多次的反射而最终由该光源结构的光出射面射出。

图4为利用上述实施例产生红光的相关光谱示例图，其中曲线b1表示所述分光滤光片2的光谱，曲线b2表示激发光的光谱，曲线b3表示受激发光的光谱；则仅改变所述荧光粉为（但不限于如）Intematix公司的05742^TM荧光粉，发红光。所述红光受激发光将被所述分光滤光片2全部反射往光源的光出射面。利用该实施例，无疑可以得到利用率更高、纯度更纯的光输出。

本发明光源结构的最佳实施例之二如图5所示：所述激发光源1的光出射面和所述受激材料3设置在所述分光滤光片2的同一侧，各自所在的平面两两相交，从而所述分光滤光片2以反射方式将所述激发光导往所述受激材料3，同时以穿透方式将受激材料3的受激发光导往该光源的光出射面。在该图中，所述激发光源1光出射面和所述受激材料3所在的平面大致正交，分别与所述分光滤光片2所在的平面大致呈45度夹角，同样可以起到最大效率地利用光线的作用。该特例并不限定本发明光源结构可以根据实际需要调整上述相关平面之间的夹角为其它角度。

图6为该实施例的相关光谱示例图：以曲线c1表示所述分光滤光片2的光谱，其具有可透红光特性；曲线c2表示激发光的光谱，为蓝光；曲线c3表示受激发光的光谱，例如选择红光。所述红光受激发光由于波长大于550纳米，投射到所述分光滤光片2上后将以穿透方式导往该光源的光出射面，而所述蓝光激发光将以反射方式被导射到荧光粉上。

上述各实施例中，所述激发光源1可以是点光源，也可以是面光源（例如但不限于LED光源）。若是点光源，则所述激发光源的光出射面是指与该点光源光轴线正交的平面。

为了保证受激发光线的利用率，本发明各实施例结构中还可以包括导热反射镜，介于所述受激材料3与导热衬底4之间。该导热反射镜可以是所述导热衬底4的磨光表面，还可以是基于所述导热衬底4的镀膜；所述受激材料3涂覆或粘覆在该导热反射镜上。所述导热反射镜或导热衬底4在室温下的导热率最好大于10W/（m·K）（瓦/米×开氏度），可以采用金属（例如但不限于铝）或导热陶瓷。

为了进一步减小光的损失，本发明光源还可以在上述各实施例中，在所述分光滤光片的一侧或两侧，增加透明导光介质，对所述激发光或受激发光进行传导。仅（但不限于）以图2b及图5中虚线所示的透明导光介质6为例，可以使用三棱玻璃柱，以一侧面紧贴所述分光滤光片2，另一侧面紧邻所述激发光源1的光出射面或受激材料3，在光线的传输过程中起到光波导的作用。

本发明还可以基于上述各实施例进行结构改进，如以图7为例。在本光源结构中增设一个转盘5，用来承载所述导热衬底4（将该导热衬底4固定在该转盘5上或者设置为该转盘盘面的一部份）。这样，一方面在带有排风扇的光源系统中，使该导热衬底旋转便于散热均匀；另一重要的方面是，以转轴为中心，在所述导热衬底4上沿圆周方向划分区域分区域分布至少两种即第一、第二受激材料31、32，可以便于光源的混色设计：考虑到现有技术中此类应用的荧光粉具有极短的响应时间，可以认为随着以转盘轴52为旋转中心的转盘旋转，激发光照射到不同的受激发光材料，可以得到不同颜色的受激发光。选择合适的可以同时反射这两种受激发光的分光滤光片2（并不排除对于不同的受激材料使用不同的优化的分光滤光片的可能性），则在不同时刻，被该分光滤光片2同一位置反射的受激发光颜色不断轮换，可以达到均匀混色的目的。

实际上，以均匀混色为目的，在所述荧光粉积聚热量不多的场合（例如光功率输出较小的场合）下，所述光源还可以采用现有技术与转盘相结合，将荧光粉涂覆在透明转盘上，以透射方式来实现混色。因非本发明重点，不作更多阐述。

Claims (6)

1.一种基于荧光粉提高光转换效率的光源结构，其特征在于，所述光源结构包括激发光源、受激材料、导热衬底、分光滤光片以及转盘；所述受激材料紧贴在所述导热衬底上，所述导热衬底固定在该转盘上或者为该转盘盘面的一部分；所述光源结构还设置有导热反射镜，其位于所述受激材料与导热衬底之间；所述导热衬底采用金属，所述受激材料涂覆或粘覆在该导热反射镜上；所述激发光源面对所述分光滤光片，使激发光源的激发光斜射向该分光滤光片，所述受激材料大致正迎向由该分光滤光片引导来的所述激发光。

2.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于，所述导热反射镜为基于所述导热衬底的镀膜。

3.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于，所述分光滤光片位于激发光源和受激材料之间，实现以穿透方式将所述激发光导往所述受激材料，同时以反射方式将来自受激材料的受激发光导往该光源结构的光出射面。

4.根据权利要求3所述的光源结构，其特征在于，所述激发光源的光出射面与所述受激材料所在的平面大致平行，与所述分光滤光片所在的平面大致呈45度倾角。

5.根据权利要求3或4所述的光源结构，其特征在于，所述激发光为蓝光，所述受激发光为绿光，所述分光滤光片以反射方式将该绿光受激发光的大部分导往该光源结构的光出射面，该绿光受激发光的其余部分被该分光滤光片透射，且该绿光受激发光被该分光滤光片反射的部分与透射的部分的波长不同。

6.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于，所述激发光源的光出射面和所述受激材料设置在所述分光滤光片的同一侧，各自所在的平面两两相交，从而所述分光滤光片以反射方式将激发光导往受激材料，同时以穿透方式将来自受激材料的受激发光导往该光源结构的光出射面。

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