CN103791453A - 波长转换装置及相关光源系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种波长转换装置和光源系统，该波长转换装置包括具有第一表面的基底，该第一表面上形成有微结构阵列，该微结构阵列包括微结构单元，其中各微结构单元呈凹坑状；第一表面上的微结构阵列中各微结构单元的表面上设置有反射层，使得该反射层的表面的起伏与各微结构单元的起伏一致；在第一表面上的反射层上设置有波长转换层，该波长转换层的表面的起伏与第一表面的起伏一致。本发明能提供一种光转换效率较高且能阻止出射光斑面积严重扩散的波长转换装置。

Description

波长转换装置及相关光源系统

技术领域

本发明涉及照明及显示技术领域，特别是涉及一种波长转换装置及相关光源系统。

背景技术

现有技术中的照明系统或者投影系统的发光装置中，常采用激发光对波长转换材料进行激发以产生受激光。但由于每个波长转换材料颗粒在受激发的过程中的波长转换效率不可能是100％，其中所损失的能量都转化为热量，这就造成了波长转换材料颗粒的热量的累积和温度的快速上升，直接影响了波长转换材料的发光效率和使用寿命。

一种常用的解决方法是，通过驱动装置驱动波长转换材料层运动，使得激发光在波长转换材料层上形成的光斑按预定路径作用于该波长转换材料。这样，单位面积内的波长转换材料不会一直处于激发光的照射下，单位面积内的波长转换材料的热量的累积得以减少。

但是，随着照明系统和投影系统对出射光的光功率的要求越来越高，激发光的光功率也随之提高。当激发光的光功率密度越高时，波长转换材料的光转换效率越低；当激发光的光功率达到一定程度时，波长转换材料会发生淬灭效应，即波长转换材料的光转换效率急剧下降。

针对这个问题，现有技术中常采用的一种方法是，在波长转换材料层的表面形成由多个凸起微结构组成的凸起微结构阵列，该凸起微结构一般呈金字塔结构或者∧字形的条形等，以增大波长转换材料层的表面积。在激发光不改变的前提下，波长转换材料层的表面积增大，能使得位于单位面积内的波长转换材料的光斑的光功率密度下降，进而提高波长转换材料的光转换效率。

而在波长转换材料层的表面上形成凸起状的微结构阵列的原因在于其制作工艺容易。在该包括凸起微结构阵列的波长转换材料层的制作方法中，先加工微结构模具，然后利用该模具注塑成型。其中该模具只能制作呈凹坑状的微结构阵列，例如采用钻孔或者切削的方法来在该模具上形成凹坑阵列，而注塑成型的微结构阵列与模具呈反结构，因此波长转换材料层上的微结构阵列呈凸起状。

如图1所示，图1是现有技术中的波长转换材料层的结构示意图。在这个方案中，激发光L1入射于波长转换材料层101包括有凸起微结构阵列的一面上的其中至少一个凸起微结构上，对该凸起微结构上的波长转换材料进行激发。波长转换材料吸收激发光并出射受激光。由于波长转换材料是全角发光的，部分受激光L2直接出射，部分受激光L3会入射到其他凸起单元上再被这些凸起单元反射出射，还有部分受激光L4依次被多个凸起单元反射后再出射，这造成出射光斑的严重扩散。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种光转换效率较高且能阻止出射光斑面积严重扩散的波长转换装置。

本发明实施例提供一种波长转换装置，包括：

基底，包括第一表面，该基底的第一表面上形成有微结构阵列，该微结构阵列包括微结构单元，其中各微结构单元呈凹坑状；

第一表面上的微结构阵列中各微结构单元的表面上设置有反射层，使得该反射层的表面的起伏与各微结构单元的起伏一致；在第一表面上的反射层上设置有波长转换层，该波长转换层的表面的起伏与第一表面的起伏一致。

本发明实施例还提供一种光源系统，包括上述波长转换装置。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：

由于波长转换装置中的波长转换层设置在呈凹坑状的微结构单元表面上的反射层上，使得在沿平行于第一表面的延伸方向的单位平面面积内，相比表面呈平面状的波长转换层，本发明中的波长转换层的面积更大，进而降低了单位面积内的波长转换层上的光斑的光功率密度；同时，由于各微结构呈凹坑状，凹坑内的波长转换层产生的受激光出射时直接出射，而不会入射到其他微结构上再被反射，因此未造成受激光出射光斑的面积的严重扩大。

附图说明

图1是现有技术中的波长转换材料层的结构示意图

图2A是本发明的波长转换装置的一个实施例的主视图;

图2B是图2A所示的波长转换装置的俯视图;

图3是本发明又一个实施例的波长转换装置的主视图;

图4是本发明又一个实施例的波长转换装置的主视图;

图5A是本发明的光源系统的一个实施例的结构示意图；

图5B是图5A所示的光源系统的一种局部光路结构示意图；

图5C是图5A所示的光源系统的另一种局部光路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。

实施例一

请参阅图2A，图2A是本发明的波长转换装置的一个实施例的主视图。波长转换装置200包括基底201、反射层（图未示）和波长转换层203。

基底201包括第一表面201a，该第一表面201a上形成有微结构阵列，该微结构阵列包括微结构单元22，其中各微结构单元22呈凹坑状。在本实施例中，该凹坑呈四棱锥状。如图2B所示，图2B是图2A所示的波长转换装置的俯视图。在本实施例中，呈四棱锥状的各凹坑22的开口为正方形。

第一表面201a上设置有反射层（图未示），并且该反射层的表面的起伏与该第一表面的起伏一致。在第一表面201a上的微结构表面上设置反射层有多种方法，其中一种是在该微结构上镀反射膜。最常见的反射膜为银膜，其反射率高达98%或者以上；还可以镀铝膜，其反射率达到94%以上；或者也可以镀金属和介质的混合膜。在镀膜的时候，如果直接在基底表面上镀银膜或者铝膜可能会存在镀膜牢固度不高的问题。因此，在镀银膜或铝膜之前先镀一层铬膜或者钛膜以提高镀膜牢固度。考虑到银和铝在空气中极易氧化，这会极大地降低反射率；因此，在银膜或铝膜表面优选再镀一层透明介质的保护膜以隔绝氧气，例如氧化硅薄膜。

第一表面201a上的反射层上设置有波长转换层203，且该波长转换层203的表面的起伏与第一表面的起伏一致。波长转换层203包括波长转换材料，该波长转换材料用于吸收一种波长范围的光并出射另一种波长范围的光。最常用的波长转换材料是荧光粉，例如YAG荧光粉，它可以吸收蓝光并受激发射黄色的受激光。波长转换材料还可能是量子点、荧光染料等具有波长转换能力的材料，并不限于荧光粉。

在很多情况下，波长转换材料往往是粉末状或颗粒状的，难以直接形成波长转换材料层。这就需要使用一种粘接剂把各个波长转换材料颗粒固定在一起，并形成片层状。波长转换层的做法一般是将波长转换材料与有机透明粘接剂充分混合，使波长转换材料均匀分散于有机透明粘接剂之中形成荧光浆料，然后将该荧光浆料均匀涂覆于一个衬底表面形成荧光浆料涂层，然后在一定温度下使有机透明粘结剂固化形成波长转换材料层。实际上，粘结剂并不限于有机透明粘结剂，也可以是无机粘结剂，例如水玻璃、二氧化硅颗粒、二氧化钛颗粒等。无机粘结剂与波长转换材料充分混合后，可以利用颗粒间的范德华力和分子间的作用力把相邻的波长转换材料颗粒粘接在一起，起到固定和成型的作用。

容易理解的是，由于实际加工操作中存在的误差，导致反射层与波长转换层203的起伏并不一定跟第一表面201a的起伏完全一致，只是大约一致，但这也属于本发明所保护的范围内。

在本发明中，由于波长转换装置中的波长转换层203设置在呈凹坑状的微结构单元表面上的反射层上，且该波长转换层的表面的起伏与第一表面的起伏一致，使得在沿波长转换层203上平行于第一表面的延伸方向的平面S0（为下文描述方便，简称该平面为平面S0）的单位面积内，相比表面呈平面状的波长转换层，本发明中的波长转换层的表面积更大，在激发光不改变的前提下，波长转换层上的光斑的光功率密度更低，因此提高了波长转换材料的光转换效率。

同时，波长转换层出射受激光时为全角出射，由于微结构单元中的各微结构单元呈凹坑状，凹坑内的波长转换层产生的受激光分两种情况出射：一种是直接出射，如图中的受激光L5；另一种是出射时入射到该凹坑内的波长转换层上再被反射出去，如图中的受激光L6，而不会入射到其他微结构上再被反射出去。

因此，若激发光在波长转换装置上形成的光斑正好覆盖一个微结构单元，那么受激光出射光斑面积为该微结构单元的开口面积，出射光斑面积并未造成扩大。当激发光在波长转换装置上形成的光斑覆盖多个微结构单元，若该光斑的边缘部分分别覆盖一个微结构单元的一部分，由于波长转换层203出射受激光时为全角出射，受激光在每个微结构单元内直接出射或者经该微结构单元的内壁反射后出射，使得最终出射的受激光的光斑面积因光线在光斑边缘所覆盖的微结构单元内部的反射而增大。增大的上限为，在光斑的一个径向方向的两端分别增大一个微结构单元的口径。相比背景技术中由于受激光出射时能够入射到该波长转换层上任意远处的微结构单元上再被反射出射而造成波长转换层造成的出射光斑的扩大没有上限，本实施例中的波长转换装置不会造成受激光的出射光斑面积的严重扩大。

容易理解的是，当每个凹坑的边长相对激发光在平面S0上形成的光斑的直径足够小时，受激光出射光斑的扩大程度能够忽略不计。此时，为提高激发光的利用率，使得激发光能够全部入射在波长转换层上，第一表面上的微结构单元呈阵列设置。

为使波长转换层的表面积尽可能增大，各微结构单元之间的平面S1优选尽量少，同时，根据几何学可知，各微结构单元的底部优选不为平面，这样可以使波长转换层接收激发光的表面积进一步增大，进而降低波长转换层接受到的激发光的光功率密度。各微结构单元的底部可以呈线状、点状或者曲面状。例如，各微结构单元呈圆锥状、棱锥状或半球状，或者各微结构单元的表面的截面形状呈抛物面状。

如图3所示，图3是本发明的波长转换装置的又一个实施例的俯视图。在本实施例中，微结构单元33呈开口为长方形的四棱锥状。如图4所示，图4是本发明的波长转换装置的又一个实施例的俯视图。在本实施例中，微结构单元44呈圆锥形。

波长转换材料在受激发的过程中会产生热量，而这些热量的累积会影响波长转换材料的发光效率和寿命，因此，基底优选由导热材料制成，如硅、金属或者玻璃，以对波长转换材料进行散热。其中基底的制作材料优选为硅。由于单晶硅的湿法各向异性腐蚀特性，即在特定的湿法腐蚀液中腐蚀液对单晶硅的不同晶面的腐蚀速度存在很大的差异，可在单晶硅上形成多个表面光滑平整的凹坑阵列。凹坑表面的光滑平整有利于在凹坑阵列上镀反射膜。

在本实施例中，若波长转换层的厚度过大，会使得波长转换层的表面的起伏程度较小，减弱了第一表面101a上的微结构阵列对波长转换层增大面积的作用。因此，波长转换层的平均厚度优选小于或者等于微结构阵列中相邻的两个微结构单元的平均距离，其中相邻两个微结构单元之间的平均距离指的是，微结构阵列中任意两个相邻的微结构单元的中心轴的距离的平均值。更优地，波长转换层的平均厚度小于或者等于微结构阵列中相邻的两个微结构单元的平均距离的0.25倍，这样，波长转换层的表面积增大的效果比较显著。

在本实施例中，微结构阵列中的各微结构单元的表面上也可以再形成子微结构阵列，该子微结构阵列包括子微结构单元，其中各子微结构单元呈凹坑状。而反射层和波长转换层再依序叠设在各微结构单元的表面上的子微结构阵列的表面上。这样可以进一步增大每个微结构单元内的波长转换层的面积，而在每个微结构单元接收到的激发光的光强度不变时，可以进一步降低单位面积内的波长转换层所接收到的激发光的光强度，进而提高波长转换层的光转换效率。

实施例二

请参阅图5A，图5A是本发明的光源系统的一个实施例的结构示意图。光源系统500包括激发光源501，还包括如实施例一所描述的波长转换装置503。

激发光源501用于产生激发光L1。波长转换装置503位于激发光源501出射激发光的光路上，用于吸收激发光L1并产生受激光L2。在波长转换装置503接收激发光的表面上，沿平面S0方向上对激发光L1所截到的光斑所在的外接圆的直径为D1。

由实施例一可知，微结构阵列中每个凹坑的边长相对激发光在平面S0上形成的光斑的直径D1足够小时，受激光出射光斑的扩大程度能够忽略不计；波长转换层的平均厚度优选小于或者等于微结构阵列中相邻的两个微结构单元的平均距离。在实际运用中，由于激发光源产生的激发光束的尺寸一般一定的。因此，可根据激发光束的尺寸来计算得出微结构阵列中各微结构单元的尺寸，然后在根据该微结构单元的尺寸来计算得出波长转换层的优选厚度。实验得出，当微结构阵列中相邻的两个微结构单元的平均距离小于或者等于激发光的光斑所在的外接圆的直径D1的1/4时，受激光出射光斑的扩大程度还能在接受范围内。更优地，微结构阵列中相邻的两个微结构单元的平均距离小于或者等于所述激发光的光斑所在的外接圆的直径D1的1/10，这样微结构阵列对受激光的出射光斑扩大的效应可以忽略掉。

具体举例来说，在实际运用中，激发光在平面S0上形成的光斑所在的外接圆的直径一般为大于1mm并小于3mm。那么相对应的，微结构阵列中相邻的两个微结构单元的平均距离优选大于0.1mm并小于0.3mm。根据微结构单元的尺寸，考虑到波长转换层的制作工艺，优选的波长转换层的平均厚度优选大于0.05mm并小于0.2mm。

在本实施例中，波长转换装置503上的微结构阵列的设置是为在不改变激发光的前提下，增大激发光在波长转换装置503上形成的光斑所覆盖到的波长转换层的面积。如图5B和图5C所示，图5B和图5C分别是图5A所示的光源系统的一种局部光路结构示意图。当激发光L1的光锥的发散角α大于微结构单元的底角θ时，微结构单元的底部有部分不能被激发光L1照射到，其中微结构单元底角θ指的是该微结构单元过其中心轴的截面上，该截面与中心轴的交点以及该截面与该微结构单元的开口的两个交点形成的三角形的底角。为提高波长转换层的利用率，激发光的光锥的发散角α优选小于或者等于微结构阵列中各微结构单元的底角θ的平均值。

在本实施例中，光源系统500还可以包括驱动装置（图未示），用于驱动波长转换装置运动，使得激发光在波长转换装置上形成的光斑周期性地按预定路径作用于该波长转换装置。这样，可以使波长转换装置上的不同位置周期性的位于激发光的传播路径上被激发，这样对于每一个位置来说被激发的时间都只是转动到激发光的传播路径上的一瞬间，其温度得以大大降低，效率则大幅度的提高。具体举例来说，驱动装置可以是马达，用于驱动波长转换装置503转动，使得激发光在波长转换装置上形成的光斑按圆形路径周期性转动。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本发明实施例还提供一种投影系统，包括光源系统，该光源系统可以具有上述各实施例中的结构与功能。该投影系统可以采用各种投影技术，例如液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）投影技术、数码光路处理器（DLP，Digital Light Processor）投影技术。此外，上述光源系统也可以应用于照明系统，例如舞台灯照明。

以上所述仅为本发明的实施方式，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 (10)

1.一种波长转换装置，其特征在于，包括：

基底，包括第一表面，该基底的第一表面上形成有微结构阵列，该微结构阵列包括微结构单元，其中各微结构单元呈凹坑状；

第一表面上的微结构阵列中各微结构单元的表面上设置有反射层，使得该反射层的表面的起伏与各微结构单元的起伏一致；在第一表面上的反射层上设置有波长转换层，该波长转换层的表面的起伏与第一表面的起伏一致。

2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述凹坑的底部不为平面。

3.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换层的平均厚度小于或者等于所述微结构阵列中相邻的两个微结构单元的平均距离。

4.根据权利要求3所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换层的平均厚度小于或者等于所述微结构阵列中相邻的两个微结构单元的平均距离的0.25倍。

5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，在所述微结构阵列中的各微结构单元的表面上，形成有子微结构阵列，该子微结构阵列包括子微结构单元，其中各子微结构单元呈凹坑状。

6.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述基底由硅、金属或者玻璃制成。

7.一种光源系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的波长转换装置；

还包括用于产生激发光的激发光源，该激发光入射于该波长转换装置的基底的第一表面上。

8.根据权利要求7所述的光源系统，其特征在于，

所述微结构阵列中相邻的两个微结构单元的平均距离小于或者等于所述激发光的光斑所在的外接圆的直径的1/4，其中该激发光的光斑指的是在波长转换装置接收激发光的表面上，沿平行于波长转换装置的方向上对激发光所截到的光斑。

9.根据权利要求8所述的光源系统，其特征在于，

所述激发光的光斑所在的外接圆的直径大于1mm并小于3mm，所述微结构阵列中相邻的两个微结构单元的平均距离大于0.1mm并小于0.3mm，所述波长转换层的平均厚度大于0.05mm并小于0.2mm。

10.根据权利要求7所述的光源系统，其特征在于，所述激发光的光锥的发散角优选小于或者等于微结构阵列中各微结构单元的底角的平均值。

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