CN103836542A - 波长转换装置、光源系统及其相关投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种波长转换装置、光源系统及其相关投影系统。该光源系统包括：用于产生激发光的激发光源和波长转换装置，该激发光入射于该波长转换装置，该波长转换装置包括：基底，其第一表面上设有一个凹坑；该凹坑的表面上设有反射层，该反射层的表面的起伏与该凹坑的表面的起伏一致；反射层上设有波长转换层，该波长转换层的表面的起伏与该反射层的表面的起伏一致；基底的第一表面面向激发光，且激发光在波长转换装置上形成的光斑覆盖凹坑的至少部分，该光斑完全落入凹坑内，且该光斑的形状与该凹坑的开口形状不同。本发明能提供一种减小体积和提高光源系统中的波长转换材料的光转换效率。

Description

波长转换装置、光源系统及其相关投影系统

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、光源系统及其相关投影系统。

背景技术

现有技术中的投影系统的发光装置中，常采用激发光对波长转换层进行激发以产生受激光，其中该受激光的出射光斑的形状和激发光在波长转换层上形成的光斑的形状大致一样。但在一些场合的运用中，受激光的光斑需要形成特定的形状，因此，激发光在入射于波长转换层之前需先经过整形装置已形成特定形状，这会增加发光装置的成本以及体积。

而且，在每个波长转换材料颗粒在受激发的过程中，由于其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。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种减小体积和提高波长转换材料的光转换效率的光源系统。

本发明实施例提供一种光源系统，包括用于产生激发光的激发光源和波长转换装置，该激发光入射于该波长转换装置，该波长转换装置包括：

基底，包括第一表面，该第一表面上设置有一个凹坑；

该凹坑的表面上设置有反射层，使得该反射层的表面的起伏与该凹坑的表面的起伏一致；

在所述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该反射层的表面的起伏一致；

基底的第一表面面向激发光，且激发光在波长转换装置上形成的光斑覆盖凹坑的至少部分；

激发光在波长转换装置上形成的光斑完全落入凹坑内，且该光斑的形状与该凹坑的开口形状不同。

本发明实施例还提供一种光源系统，包括用于产生激发光的激发光源和波长转换装置，该激发光入射于该波长转换装置，该波长转换装置包括：

波长转换层，该波长转换层包括第一表面，该波长转换层的第一表面上设置有一个凹坑；

反射层，设置于所述波长转换层背向第一表面的一侧；

波长转换层的第一表面面向激发光，且激发光在波长转换装置上形成的光斑覆盖凹坑的至少部分；

激发光在波长转换装置上形成的光斑完全落入凹坑内，且该光斑的形状与该凹坑的开口形状不同。

本发明实施例还提供一种波长转换装置，包括：

波长转换层，该波长转换层包括第一表面，该波长转换层的第一表面上设置有一个凹坑；

反射层，设置于波长转换层背向第一表面的一侧。

本发明实施例还提供一种投影装置，包括上述光源系统。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：

本发明中，激发光在波长转换装置上形成的光斑完全落入凹坑内，由于波长转换层出射受激光时为全角出射，受激光在凹坑内直接出射或者经该凹坑的内壁一次或多次反射后出射，使得最终出射的受激光的光斑面积和形状为整个凹坑的开口面积和形状，以起到对受激光光斑整形的作用，这样，可以省略掉用于对激发光进行整形的整形装置，减小了光源系统的体积；同时，将波长转换层在基底表面上的一个凹坑内，并且使得波长转换层的表面的起伏与该凹坑的表面的起伏一致，这样，相比入射于呈平面状的波长转换层，在相同的激发光的条件下，本实施例中的激发光所覆盖的波长转换层的面积更大，因此单位面积内的波长转换层接收到的激发光强度更小，进而提高波长转换层的光转换效率。

附图说明

图1A是本发明的光源系统的一个实施例的结构示意图；

图1B是图1A所示的光源系统中的凹坑的透视图；

图1C是图1A所示的光源系统中的凹坑的另一种结构示意图；

图1D是图1A所示的光源系统中的凹坑的另一种截面图；

图1E是图1A所示的光源系统中的凹坑的另一种截面图；

图1F左侧图是图1A所示的光源系统中的凹坑的另一种结构示意图；

图1F右侧图是图1F左侧图中的凹坑的俯视图；

图2是本发明的光源系统的另一实施例的结构示意图。

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1，图1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100包括激发光源11和波长转换装置12。

波长转换装置12包括基底13，该基底包括第一表面13a。第一表面上设置有一个凹坑103。如图1B所示，图1B是图1A所示的光源系统中的凹坑的透视图。在本实施例中，该凹坑103呈四棱锥状，该凹坑的开口为正方形。该凹坑的表面上设置有反射层（图未示），使得该反射层的表面的起伏与该凹坑的表面的起伏一致。在本实施例中，该反射层设置在该四棱锥的四个侧面上。

在凹坑103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。

波长转换装置12还包括波长转换层15，设置于反射层上，且该波长转换层15的表面的起伏与该反射层的表面的起伏一致。在本实施例中，该波长转换层设置在该四棱锥的四个侧面上的反射层上。

波长转换层15包括波长转换材料，用于吸收一种波长范围的光并出射另一种波长范围光。常用的波长转换材料包括荧光粉。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，此时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，并形成特定的形状，如片层状。

在反射层上设置波长转换层有多种方法，例如将波长转换材料和粘结剂的混合物均匀喷涂至凹坑103表面，或者采用沉降法，即将分散或溶解有波长转换材料颗粒和无机粘结剂颗粒（如硅酸钠或者硅酸钾）的分散液倾倒在容器内，该容器底面承放有第一表面设有镀有反射膜的凹坑的基底，这时波长转换材料颗粒和无机粘结剂颗粒缓慢沉降于凹坑的表面上，并覆盖该表面形成均匀的一层；沉降完成后取出基底并将其烘干，这样，在凹坑内的反射膜上形成波长转换层。

激发光源11用于产生激发光L1，该激发光L1入射于波长转换装置12中的基底的第一表面13a。激发光L1在第一表面上形成的光斑完全落入凹坑103内，且该光斑的形状与凹坑103的开口形状不同。激发光L1激发凹坑103内的波长转换层15并产生受激光，其中一部分受激光直接从波长转换层面向激发光L1的一侧直接出射后，一部分受激光从波长转换层背向激发光L1的一侧出射，并被反射层反射至与前一部分受激光一起从波长转换层面向激发光L1的一侧出射。常用的激发光源有LED光源、激光光源或者其他固态发光光源。具体举例来说，激发光源11用于产生蓝色激发光L1，波长转换层15包括黄色荧光粉，用于吸收蓝色激发光L1并出射黄色受激光。

在本实施例中，激发光斑S1完全落入凹坑103内，由于波长转换层15出射受激光时为全角出射，受激光在凹坑103内直接出射（如受激光L3）或者经该凹坑103的内壁一次或多次反射后出射（如受激光L2），使得最终出射的受激光的光斑面积和形状为整个凹坑的开口面积和形状，以起到对受激光光斑整形的作用。同时，本实施例中将波长转换层设在基底表面上的一个凹坑内，并且使得波长转换层的表面的起伏与该凹坑的表面的起伏一致，这样，相比入射于呈平面状的波长转换层，在相同的激发光的条件下，本实施例中的激发光所覆盖的波长转换层的面积更大，因此单位面积内的波长转换层接收到的激发光强度更小，进而提高波长转换层的光转换效率；并且波长转换层的散热面积相比背景技术中的要大，有利于波长转换层的散热。

本实施例中，激发光斑S1优选内接于凹坑103的开口，以最大程度地利用上该凹坑103。

在本实施例中，凹坑103也可以呈其他形状。优选的，凹坑103的开口呈长方形，其中该长方形的长边与宽边的比例为4比3或者16比9。在投影运用中，光阀和投影的图像都呈4：3或16：9的长方形。由于受激光的光斑面积和形状分别等于凹坑103开口的面积和形状，因此可通过控制凹坑103开口的形状和光阀以及投影的图像的形状匹配，以达到更好的图像均匀性。或者，凹坑103的开口优选呈圆形。例如在舞台灯的应用中，往往要求圆形光斑。圆形光斑虽然可以由波长转换装置出射光路后端的整形装置来整形获得，但匀光装置往往对正方形或长方形光斑效果较好，而获得圆形光斑的整形装置的效率往往较低。例如，圆形积分棒的混光效果不佳，需要很长才能将光混合好，但此时效率就比较低。而具有圆形单元的复眼透镜对则由于圆形单元透镜的阵列组合不可能填满整个平面，即圆形单元透镜之间留有空隙，这造成空隙处光的损失而效率较低。而采用本发明则可以直接得到均匀的圆形光斑，是应用于舞台灯应用的首选方案。

但是，若凹坑103的开口比激发光斑S1的面积大很多，则受激光发光光斑也比激发光斑S1大很多，这意味着受激光的光学扩展量相比在波长转换层呈平面状的情况中的受激光的光学扩展量扩大，对于高亮度光源来说是不利的。当然，如果凹坑开口的面积导致的受激光的光学扩展量在接收范围内，激发光斑S1远小于凹坑103的开口也是可以接受的。优选地，激发光斑S1内接于凹坑103的开口，以使得凹坑103对受激光起到整形的作用，同时又使受激光的光学扩展量增大的程度最小。

在实际运用中，由于各种误差的存在，凹坑103经常会偏离激发光L1的传播路径，使得激发光斑S1与凹坑103没有对准。因此，本实施例中，光源系统100还可以包括移动装置（图未示），用于调整激发光源11或者波长转换装置12的位置，使得激发光斑S1和凹坑103对准。

需要说明的是，凹坑103的开口形状和其坑体的形状为相互独立的，并且可以各为各种形状。例如，凹坑103的坑体形状为锥状时，若凹坑103开口为方形，则凹坑103呈棱锥状，例如图1B所示的凹坑；若凹坑103的开口为圆形，则凹坑103呈圆锥装，如图1C所示，图1C是图1A所示的光源系统中的凹坑的另一种结构示意图。如图1D所示，图1D是图1A所示的光源系统中的凹坑的另一种截面图。凹坑103的截面呈半圆形。如图1E所示，图1E是图1A所示的光源系统中的凹坑的另一种截面图。凹坑103的截面呈阶梯状。以上这两种凹坑的截面图可以绕自身的中心轴旋转形成开口为圆形的凹坑，或者可以沿一个固定方向延伸形成开口为方形的凹坑。如图1F所示，图1F左侧图是图1A所示的光源系统中的凹坑的另一种结构示意图，图1F右侧图是图1F左侧图中的凹坑的俯视图。凹坑103开口呈长方形，底部呈一条直线，该凹坑的各个侧面往该直线汇聚。

为使波长转换层的表面积尽可能增大，根据几何学可知，凹坑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。凹坑的底部可以呈线状、点状或者曲面状。例如，各微结构单元呈圆锥状或棱锥状，或者各微结构单元的表面的截面形状呈抛物面状。

在本实施例中，凹坑103的表面上也可以再形成微结构阵列，该微结构阵列包括微结构单元，其中各微结构单元可以呈凹坑状或者凸起状。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，使得反射层和波长转换层的表面的起伏和该微结构阵列的表面的起伏一致。这样可以进一步增大凹坑103内的波长转换层的面积，而在激发光的光强度不变时，可以进一步降低凹坑103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2，图2是本发明的光源系统的另一实施例的结构示意图。光源系统200包括激发光源21和波长转换装置22。

本实施例与实施例一的区别之处包括：

本实施例中，波长转换装置22包括波长转换层23和反射层27。波长转换层23包括第一表面23a。第一表面23a上设置有一个凹坑25，其中该凹坑25的形状如实施例一中所描述的凹坑103一致。反射层27设置于波长转换层23背向第一表面23a的一侧。第一表面23a面向激发光L1，并且激发光L1在波长转换层23上形成的光斑完全落入该凹坑25内，且该光斑的形状与凹坑103的开口形状不同。波长转换层23受激产生受激光，一部分从第一表面23a直接出射，一部分从背向第一表面23a的方向出射并被反射层27反射后从第一表面23a与前一部分受激光一起出射。

本实施通过将凹坑直接设置于波长转成层上，并使得激发光斑S1完全落入该凹坑内，以对受激光光斑起到整形的作用，同时降低该凹坑内被激发光覆盖的波长转换层接收到的光功率密度，以提高该部分波长转换层的光转换效率。相比实施例一，由于实施例一中的凹坑需镀反射膜，这要求凹坑的内壁光滑，否则反射率不高，而这种加工是困难的，只能使用诸如硅的湿法刻蚀工艺来实现，但成本显然较高；而本实施中由于对波长转换层的表面光洁度没有要求，可以通过加工一个模具，然后将波长转换层直接注塑成型形成特定的结构，成本较低。但实施例一中由于波长转换层随着导热衬底起伏，每一个受激发的位置与导热衬底有相同的距离，因此散热较好。而本实施中，由于凹坑底部的波长转换层最薄，为了获得足够多的波长转换材料来转换激发光，波长转换层的底部的厚度要足够，但这样会导致其他部位的波长转换层过厚。由于波长转换层的导热率较差，因此散热效果不如实施例一。

在本实施例中，凹坑25的表面上也可以再形成微结构阵列，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。这样可以进一步增大凹坑25内的波长转换层的面积，而在激发光的光强度不变时，可以进一步降低凹坑25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。

本实施例中，波长转换装置22还可以包括基底（图未示），设置于波长转换层23背向激发光L1的一侧，用于承载波长转换层23。则反射层可以设置在基底和波长转换层23之间，或者设于基底的背向波长转换层23的一侧，其中优选为前者，以防止部分受激光在基底内横向传播造成的光损失。

事实上，波长转换材料也可以掺入硬质材料（如透明玻璃片）中形成波长转换层，此时波长转换装置22中则无需另设用于承载波长转换层的基板。

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。该投影系统还可以包括投射光学系统，以对该光源系统出射的经整形后的光斑进行投射，其中该投射光学系统为公知技术，在此不再赘述。上述投影系统可以用于照明，例如舞台灯照明。或者，该投影系统还可以包括光阀，用于调制光源系统产生的光以产生图像，该图像再经投影系统中的投射光学系统将光阀产生的图像投射出去。该光阀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，DigitalLight Processor）投影技术。

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)

1.一种光源系统，包括用于产生激发光的激发光源和波长转换装置，该激发光入射于该波长转换装置，其特征在于，该波长转换装置包括：

基底，包括第一表面，该第一表面上设置有一个凹坑；

该凹坑的表面上设置有反射层，使得该反射层的表面的起伏与该凹坑的表面的起伏一致；

在所述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该反射层的表面的起伏一致；

所述基底的第一表面面向所述激发光，且所述激发光在所述波长转换装置上形成的光斑覆盖所述凹坑的至少部分；

所述激发光在所述波长转换装置上形成的光斑完全落入所述凹坑内，且该光斑的形状与该凹坑的开口形状不同。

2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，该凹坑的底部不为平面。

3.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述凹坑的开口呈长方形，该长方形的长边与宽边的比例为4比3或者16比9；或者所述凹坑的开口呈圆形。

4.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述激发光在所述波长转换装置上形成的光斑内切于所述凹坑的开口。

5.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述光源系统还包括移动装置，用于调整所述波长转换装置或者所述激发光的位置，使得所述激发光在所述波长转换装置上形成的光斑完全落入所述凹坑内。

6.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，在所述凹坑的表面上，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或者凸起状，所述反射层和波长转换层依次叠置在该微结构阵列上，使得该反射层和波长转换层的表面的起伏和该微结构阵列的表面的起伏一致。

7.一种光源系统，包括用于产生激发光的激发光源和波长转换装置，该激发光入射于该波长转换装置，其特征在于，该波长转换装置包括：

波长转换层，该波长转换层包括第一表面，该波长转换层的第一表面上设置有一个凹坑；

反射层，设置于所述波长转换层背向第一表面的一侧；

所述波长转换层的第一表面面向所述激发光，且所述激发光在所述波长转换装置上形成的光斑覆盖所述凹坑的至少部分；

所述激发光在所述波长转换装置上形成的光斑完全落入所述凹坑内，且该光斑的形状与该凹坑的开口形状不同。

8.根据权利要求7所述的光源系统，其特征在于，在所述凹坑的表面上，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或者凸起状。

9.一种波长转换装置，其特征在于，包括：

波长转换层，该波长转换层包括第一表面，该波长转换层的第一表面上设置有一个凹坑；

反射层，设置于所述波长转换层背向第一表面的一侧。

10.一种投影系统，包括如权利要求1至8任一项所述的光源系统。

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