CN104534409A - 波长转换装置和发光装置 - Google Patents

Abstract

提出一种波长转换装置，包括基板，该基板上包括凹槽，该凹槽的内表面具有对光的散射反射性；还包括波长转换层，该波长转换层覆盖于凹槽的至少部分内表面。还提出一种发光装置，包括上述的波长转换装置，还包括激发光源和聚焦透镜，聚焦透镜的焦点位于波长转换装置的基板凹槽的开口上；该激发光源发射的激发光经过聚焦透镜后入射于凹槽内并激发波长转换层使其发射受激光，凹槽的出射光从其开口出射后经聚焦透镜收集并出射。由于有了凹槽内表面的散射和反射，受激光本身会形成均匀的光分布出射，而受激光和剩余的激发光也会均匀的混合出射，从而解决了发光均匀性的问题。

Description

波长转换装置和发光装置

技术领域

本发明涉及光源领域，特别是涉及一种波长转换装置和使用该波长转换装置的发光装置。

背景技术

当前，激光光源的应用已经越来越得到人们的重视。激光具有高亮度、长寿命的优点，但其光谱很窄，因此在使用中往往是利用激光激发荧光材料来形成混合发光。然而，激光的指向性过强，相干性也很强，这样就造成出射光的不均匀（包括强度不均匀和颜色不均匀）。这个问题始终没有得到很好的解决，这也制约了激光光源用于显示的前景。

发明内容

本发明提出一种波长转换装置，包括基板，该基板上包括凹槽，该凹槽的内表面具有对光的散射反射性；还包括波长转换层，该波长转换层覆盖于凹槽的至少部分内表面。

本发明还提出一种发光装置，包括上述的波长转换装置，还包括激发光源和聚焦透镜，聚焦透镜的焦点位于波长转换装置的基板凹槽的开口上；该激发光源发射的激发光经过聚焦透镜后入射于凹槽内并激发波长转换层使其发射受激光，凹槽的出射光从其开口出射后经聚焦透镜收集并出射。

由于有了凹槽内表面的散射和反射，受激光本身会形成均匀的光分布出射，而受激光和剩余的激发光也会均匀的混合出射，从而解决了发光均匀性的问题。

附图说明

图1表示了本发明的发光装置的第一实施例的结构示意图；

图2A至2C表示了本发明第一实施例中波长转换装置中光的作用原理；

图3A至3E表示了本发明中波长转换装置的凹槽的可能形式；

图4A和4B表示了本发明的发光装置的另外两个实施例的结构示意图；

图5A和5B表示了本发明的发光装置中分光装置的透射谱的两个举例；

图6A表示了本发明的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图6B表示了图6A所示实施例的分光装置的正视图；

图7表示了本发明的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图8表示了本发明的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图9表示了本发明的发光装置的另一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种发光装置，图1为发光装置的第一实施例的结构示意图。该发光装置包括波长转换装置。该波长转换装置包括基板101，该基板上包括凹槽102，该凹槽102的内表面具有对光的散射反射性。波长转换装置还包括波长转换层102a，该波长转换层102a覆盖于凹槽102的至少部分内表面。具体来说在本实施例中，凹槽102的截面为矩形，即该凹槽102的内表面包括一个平的底部和侧壁，而波长转换层102a覆盖于凹槽102的底部。

本实施例的发光装置还包括激发光源106和聚焦透镜104，聚焦透镜104的焦点位于波长转换装置的基板凹槽102的开口上。该激发光源106发射的激发光121经过聚焦透镜104后入射于凹槽102内并激发波长转换层102a使其发射受激光，凹槽102的出射光122从其开口出射后经聚焦透镜122收集并出射。出射光122包括受激光，也可能包括剩余的激发光。

下面以图2A来解释本实施例中光在凹槽中的作用原理。如图2A所示，激发光221经过聚焦透镜204后聚焦于基板201的凹槽202的开口处，然后分散开并入射于凹槽内。由于凹槽的内表面具有对光的散射反射性，因此当这些激发光221入射于凹槽内的波长转换层202a时已经可以在波长转换层上分布的很均匀，这样其激发波长转换层的转换效率就很高。接下来，从波长转换层202a出射的受激光（以光线222为例），和剩余的激发光，都会再次经过凹槽202的侧壁散射和反射，最终形成均匀的混合光从凹槽202的开口出射，出射光被聚焦透镜204所收集。因此，由于有了凹槽内表面的散射和反射，受激光本身会形成均匀的光分布出射，而受激光和剩余的激发光也会均匀的混合出射，从而解决了发光均匀性的问题。

在本实施例中，波长转换层102a仅覆盖了凹槽的底部。然而在实际应用中，波长转换层可能覆盖凹槽的其它内表面，甚至波长转换层可能覆盖凹槽的所有内表面。图2B和2C用于解释在波长转换层覆盖凹槽的所有内表面的情况下光线在凹槽中的作用原理。如图2B所示，激发光221经过聚焦透镜204后聚焦于基板201的凹槽202的开口处，然后分散开并入射于凹槽内。由于凹槽内表面都覆盖有波长转换层202a，因此激发光221的各光线将入射于波长转换层202a的不同位置，这实际上就增大的波长转换层202a被激发光照射的面积（比较图2A可以更清楚的看出），这就等效于降低了激发光的光功率密度，从而提高了波长转换层的光转换效率。另一方面，如图2C所示，一束激发光221入射于波长转换层后，部分会被吸收产生受激光222a，其它部分则被凹槽的内表面散射反射形成反射的激发光221a，该反射的激发光221a并不能轻易的射出凹槽而是会再次入射于凹槽的内表面从而再次产生受激光222b，当然最终也会有部分剩余的激发光221b最终从凹槽出射。这样能够实现两个效果：第一，激发光和受激光都在凹槽内部反复的反射和散射从而能够充分的混合和均匀化；第二，激发光一旦入射于凹槽内部就会被“困住”从而多次的入射于波长转换层，这样在制作波长转换层时就可以做的很薄而允许部分激发光不被吸收，而波长转换层做的很薄的好处在于其散热效果会大大提高，波长转换层上的热量会很容易传递到基板上，这在大功率激发光激发的应用场合会有很大的有益效果。

举例来说，假设激发光每次入射于波长转换层只有50%被吸收，那么如果激发光在凹槽内平均入射于波长转换层3次，则平均来说激发光就会有87.5%被吸收而转换成受激光，剩余的12.5%则出射，这是可以接受的。而如果波长转换层每次只需要吸收50%的激发光，那么与每次必须吸收87.5%相比其厚度可以减少2/3，例如只需要两个甚至一个波长转换颗粒层（例如荧光粉层）的厚度，显然此时每一个波长转换颗粒到基板距离都大大缩短了，因此散热效果大幅度提升。目前广泛使用的荧光粉的颗粒度大致在10微米到20微米之间，因此本实施例中优选的很薄的波长转换层的厚度应不大于50微米，而若工艺控制得当，波长转换层的厚度应控制在30微米左右（例如25微米至35微米之间）。当然，此处对波长转换层厚度的举例并不构成对本发明的限制。

在本实施例中，受激光和剩余激发光都可以在凹槽中得到充分的均匀化，而两者之间也可以在凹槽中充分的混合。这给我们的发光装置的设计带来了很多便利和选择：既可以选择受激光和剩余激发光的混合光，也可以把剩余激发光过滤掉而至剩下受激光。例如，使用蓝光作为激发光，波长转换层中包括黄色波长转换材料，则该发光装置可以得到剩余蓝光和受激发射的黄光的均匀混合的白光。再例如，使用蓝光或紫外光为激发光，波长转换层中包括绿色或红色波长转换材料，并在后续光路中把剩余激发光过滤掉，则该发光装置可以得到均匀的绿色或红色受激光。

综上所述，可以理解，凹槽的深度会影响到受激光和/或剩余激发光在凹槽内的混合程度。优选的，凹槽的深度与其开口口径的比值不小于1，这样可以得到比较好的混合效果同时也不会因为光线在凹槽内部反射次数太多而影响效率。其中，凹槽的深度指的是凹槽口平面到凹槽底部的最大距离，而凹槽的开口口径指的是凹槽开口的外接圆直径。当然，如果可以牺牲部分效率而提高混光均匀性，可以加大凹槽深度与开口口径的比值，反之则减小该比值。

在本实施例中，基板的凹槽内表面具有对光的散射反射性对本发明的有益效果发挥了重要作用。实现这一特征的方法有多种，其中最简单的就是选择白色陶瓷材料作为基板的材料，例如氧化铝陶瓷、氧化硅陶瓷、氧化锆陶瓷等，这样就能够通过材料选择直接实现该特征。目前使用氧化铝等粉末直接烧结而成的白色多孔陶瓷具有高于90%的反射率，而且可以通过铸造的方式实现基板上的凹槽结构，成本低廉，可靠性极好。当然其它的实现方式也是可能的，本发明并不限制，例如使用铝作为基板材料，其表面也由一定的反射率，在其表面可以涂覆散射粉末以实现反射散射的特性；再例如可以直接使用散射反射粉末涂覆于任意材料的凹槽表面来实现其散射反射的表面特性。

图1所示的实施例中，凹槽的截面是矩形的，而凹槽的开口可以是各种形状，最常用的为圆形或正方形或长方形。除了图1实施例所使用的凹槽外，其它截面形状的凹槽也是可能使用的，如图3A至3E所示。图3A和3B显示了两种梯形截面的凹槽，图3C则是蛋形截面的凹槽，其中波长转换层（以虚线表示）都均匀覆盖于凹槽内表面。图3D仍为矩形截面的凹槽，但其波长转换层（以虚线表示）覆盖了凹槽的底部和凹槽的部分侧壁。图3E为矩形截面的凹槽，但其波长转换层（以虚线表示）在凹槽内覆盖的并不均匀，上部薄而下部厚，这显然也是有可能的。以上这些凹槽的可能性只是说明而并不构成对本发明的限制。

本发明的另一个实施例的结构示意图如图4A所示。与图1所示的实施例不同的是，本实施例的发光装置还包括位于激发光源406与聚焦透镜404光路之间的分光装置408，该分光装置408以透射的方式引导激发光421入射于波长转换装置以激发产生受激光422，同时以反射的方式引导受激光422形成该发光装置出射光。在本实施例中，具体的分光装置408为透射激发光反射受激光的分光滤光片408，这样激发光421可以透过分光滤光片408从而到达波长转换装置，而波长转换装置发射的受激光422在被聚焦透镜404收集后入射于分光滤光片408并被它反射。

在本实施例中，该波长转换装置包括基板401，该基板上包括凹槽402，该凹槽402的内表面具有对光的散射反射性。波长转换装置还包括波长转换层402a，该波长转换层402a覆盖于凹槽102的全部内表面。这种波长转换装置的工作方式和有益效果已经在上文中论述过，此处不在赘述。

显然在本实施例中，出射光为受激光422而不包括剩余激发光，分光装置的作用是引导受激光与入射的激发光的光路相分离从而避免受激光入射于激发光源406而导致能量损失。而实现本实施例还有另一种方式，如图4B所示，该分光装置408以反射的方式引导激发光421入射于波长转换装置同时以透射的方式引导受激光422形成该发光装置出射光，具体来说分光装置可以是反射激发光同时透射受激光的分光滤光片，激发光入射于分光滤光片后被其反射而入射于波长转换装置，波长转换装置产生的受激光经过聚焦透镜收集后入射于该分光滤光片并透射而形成出射光。显然这同样能够达到将受激光与入射的激发光的光路相分离从而避免受激光入射于激发光源的目的。

本实施例与图1所示的实施例的另一个不同点在于，本实施例的发光装置还包括覆盖在凹槽上的光阑410，光阑开口与凹槽开口对齐以允许光在凹槽开口处进出，光阑开口周围的部分具有对光的吸收性。这样，即使部分激发光没能进入凹槽402的开口而入射于其开口周围，这些光也会被光阑吸收掉，从而不会被基板反射而最终出射以影响到出射光的均匀性。为了达到与放置光阑相同的目的，还可以使基板上凹槽开口的四周表面具有对光的吸收性以吸收凹槽开口外部的激发光。可以理解，在本发明其它实施例中，为了达到相同的目的，也可以应用这样的光阑，或者也可以使基板上凹槽开口的四周表面具有对光的吸收性。

在本实施例中，分光装置408使得受激光与入射的激发光的光路分离，但同时也将剩余的激发光从出射光中过滤掉了，因此出射光中只剩下受激光的单色光。若希望形成受激光与剩余激发光的混合光，可以通过改变分光装置来实现。一种方法是（该方法对应于图4A所示的光学结构），使激发光为激光，且分光装置具有透射该激光的P偏振光并反射其S偏振光的属性；其中，激光以P偏振光入射于分光装置，且分光装置以透射的方式引导该激光入射于波长转换装置同时以反射的方式引导受激光形成该发光装置出射光。图5A表示了这样的分光装置的透过谱，其中曲线521表示激发光的光谱，曲线522表示受激光的光谱，标识“P偏振光”的曲线表示该分光装置对P偏振光的透过谱，标识“S偏振光”的曲线表示该分光装置对S偏振光的透过谱，这样的分光装置是可以通过合理设计分光滤光片来实现的。这样，使激发光（激光）以P偏振光入射于分光装置，从图5A中可见该激发光将透过分光装置，从而该激发光将被引导入射于波长转换装置（参考图4A）；而从波长转换装置中出射的剩余激发光，由于经过了波长转换装置的多次散射反射其偏振态已经不是P偏振光而是非偏振光，例如各偏振方向平均分布的光，该剩余激发光经聚焦透镜收集后再次入射于分光装置时，从图5A中可见，该剩余激发光中的S偏振光部分会被分光装置反射从而形成出射光的一部分，而剩余激发光中的P偏振光部分就会透射分光装置从而形成能量损失；同时当波长转换装置发射的受激光经聚焦透镜收集后入射于分光装置时，从图5A中可见，该受激光会被分光装置反射从而与出射的剩余激发光形成均匀混合出射光。

同样道理，对应于图4B的结构，也可以改变分光装置来实现部分激发光的出射。使激发光为激光，且分光装置具有透射该激光的P偏振光并反射其S偏振光的属性；其中，激光以S偏振光入射于分光装置，且分光装置以反射的方式引导该激光入射于波长转换装置同时以透射的方式引导受激光形成该发光装置出射光。图5B表示了这样的分光装置的透过谱，其中曲线521表示激发光的光谱，曲线522表示受激光的光谱，标识“P偏振光”的曲线表示该分光装置对P偏振光的透过谱，标识“S偏振光”的曲线表示该分光装置对S偏振光的透过谱，这样的分光装置是可以通过合理设计分光滤光片来实现的。这样，使激发光（激光）以S偏振光入射于分光装置，从图5B中可见该激发光被分光装置反射，从而被引导入射于波长转换装置（参考图4B）；而从波长转换装置中出射的剩余激发光，由于经过了波长转换装置的散射其偏振态已经不是S偏振光而是非偏振光，例如各偏振方向平均分布的光，该剩余激发光经聚焦透镜收集后再次入射于分光装置时，从图5B中可见，该剩余激发光中的P偏振光部分会经分光装置透射从而形成出射光的一部分，而剩余激发光中的S偏振光部分就会被分光装置反射从而形成能量损失；同时当波长转换装置发射的受激光经聚焦透镜收集后入射于分光装置时，从图5B中可见，该受激光会经分光装置透射从而与出射的剩余激发光形成均匀混合出射光。

利用图5A和5B所示的分光装置和图4A和图4B所示的光学结构，可以实现部分剩余激发光的出射，但仍要损失相当多的剩余激发光（大约一半）。为了提高剩余激发光的提取效率，可以进一步的改进分光装置以及整个发光装置的光学结构。下面将以几个实施例来详细描述。

本发明的另一个实施例如图6A所示，与图4A所示的实施例的区别在于，本实施例的发光装置中的分光装置608的分光面上包括两个区，透射区608a和反射区608b；其中，激发光621入射于分光装置的透射区608a，且分光装置以透射的方式引导该激发光621入射于波长转换装置同时以反射的方式引导波长转换装置的凹槽的出射光得以出射。

分光装置608的正视图如图6B所示，它可以是一个带孔的反射镜，孔就是透射区608a，孔周围的区域就是反射区608b。当然该分光装置也可以用分区镀膜的方法来实现。激发光621穿过透射区608a后入射于波长转换装置，而从波长转换装置出射的受激光和剩余激发光的混合光622被聚焦透镜604收集后入射于分光装置608，其中的大部分被分光装置608的反射区608b反射而形成出射光，小部分穿过了透射区608a而造成损失。显然本实施例中剩余激发光损失的更少。若想进一步的减小光损失，可以在分光装置608的透射区608a镀透射激发光反射受激光的分光滤光膜，这样可以减少受激光的损失；进一步的，还可以在分光装置608的透射区608a镀图5A所示的分光滤光膜，这样不仅可以减少受激光在透射区的损失，还可以减少剩余激发光在透射区的损失。

本实施例的发光装置与上述实施例的另一个区别在于，还包括覆盖于凹槽开口上的反射型偏振片619。假设，该反射型偏振片可以透射偏振方向平行于A方向的光同时反射偏振方向垂直于A方向的光，A方向平行于该反射型偏振片所在的平面。在本实施例中，使激发光为偏振光，且其偏振方向平行于A方向，这样激发光就能够顺利透射该反射型偏振片619而入射于凹槽内。而从凹槽出射的光几乎不具有偏振性，因此其中偏振方向平行于A方向的光会透射反射型偏振片619而出射，其余的光的偏振方向则垂直于A方向从而被反射型偏振片619反射并再次回到凹槽内部进行反射和散射；这部分光在散射和反射后会消除其偏振性并再次入射于反射型偏振片619，其中的部分偏振方向平行于A方向的光会透射而其余部分则再次反射回到凹槽内部进行反射和散射。就这样不断的循环，使得最终从反射型偏振片619上出射的光具有偏振性，其偏振方向平行于A方向。应用本实施例这样的反射型偏振片和光学结构，可以高效率的得到偏振光输出，这在很多应用场合很有用。可以理解，本实施例中的反射型偏振片的使用同样可以应用于其它实施例。

反射型偏振片的最直接的实现方式就是线栅偏振片，这已经是比较成熟的产品。为了提高线栅偏振片的效率，优选的，线栅偏振片的线栅面面向凹槽的开口。

本发明的另一个实施例如图7所示。与图4B所示的实施例的区别在于，本实施例的发光装置中的分光装置708的分光面上包括两个区，透射区708b和反射区708a。激发光721入射于分光装置708的反射区708a，且分光装置708以反射的方式引导该激发光721入射于波长转换装置同时以透射的方式引导波长转换装置的凹槽的出射光722得以出射。具体来说，分光装置708可以是一个小反射镜708，其反射区708a就是其自身，透射区708b就是它周围的空间。当然分光装置708也可以用分区镀膜的方式实现。激发光721经过小反射镜反射而入射于波长转换装置，而波长转换装置的出射光722则大部分通过小反射镜周围的空间出射形成出射光，小部分则再次被小反射镜708反射而造成损失。若想进一步的减小光损失，可以在小反射镜镀反射激发光透射受激光的分光滤光膜，这样可以减少受激光的损失；进一步的，还可以在小反射镜镀图5B所示的分光滤光膜，这样不仅可以减少受激光在透射区的损失，还可以减少剩余激发光在透射区的损失。

与图6A所示的实施例相比，本实施例的不同之处在于，本实施例的发光装置还包括一个散热底板710，激发光源706和波长转换装置的底板701都与该散热底板710热连接从而共用该散热底板710。这样有结构更紧凑的好处，而且为后端的热处理带来了很大的方便。可以理解，其它实施例也可以应用这样的散热底板。

本发明的另一个实施例如图8所示。与图6A所示的实施例的区别在于，本实施例的发光装置中的分光装置变成了曲面，该分光装置包括透射区808a和曲面的反射区808b，这样的好处在于从波长转换装置出射的光822经过聚焦透镜收集后可以被反射区808b直接引导出射并聚焦。为了提高光的提取效率，本实施例中的透射区808a也可以采用图6A所示实施例中的透射区的镀膜，而该镀膜可以是直接镀在该曲面的分光装置上的，也可以是一个平面镀膜片覆盖在分光装置的透射区。

本发明的另一个实施例如图9所示。与图8所示的实施例不同的是，本实施例的发光装置还包括光收集装置912，分光装置包括透射区908a和反射区908b，反射区908b的截面为半圆形，波长转换装置的凹槽位于半圆形的圆心旁，光接收装置912的入口中心与凹槽根据半圆形的圆心对称。这样激发光可以穿过透射区908a到达波长转换装置，而波长转换装置的凹槽出射的光922会经过反射区908b的反射而聚焦于光接收装置912的入口从而从光接收装置的出口出射。更为理想的，分光装置的反射区908b的截面为半椭圆形，波长转换装置的凹陷位于半椭圆形的一个焦点上，光接收装置的入口中心位于半椭圆形的另一个焦点上。这样从凹陷（一个焦点）中出射的光经过反射区908b的反射后将更好的入射于光接收装置的入口（另一个焦点）。与上述实施例如同的是，本实施例中可以省略聚焦透镜，反射区908b同时起到了对凹陷出射光的收集作用。

在上述实施例中，波长转换装置的基板可能包括多个性质不同的凹槽且该基板可移动，使得激发光可以在不同凹槽间切换。性质不同的凹槽指的是可以发射性质不同的出射光，例如受激光的颜色不同，或者受激光与激发光的比例不同等。激发光在不同凹槽间切换的好处是可以根据需要得到不同颜色或性质的出射光，例如得到不同色温的白光。

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 (10)

1.一种波长转换装置，其特征在于：

包括基板，该基板上包括凹槽，该凹槽的内表面具有对光的散射反射性；

还包括波长转换层，该波长转换层覆盖于所述凹槽的至少部分内表面。

2.根据权利要求2所述的波长转换装置，其特征在于，所述基板的材料为白色陶瓷材料。

3.根据权利要求1或2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不大于50微米。

4.根据权利要求1或2所述的波长转换装置，其特征在于，所述基板上凹槽开口的四周表面具有对光的吸收性；或者还包括覆盖在凹槽上的光阑，光阑开口与凹槽开口对齐以允许光在凹槽开口处进出，光阑开口周围的部分具有对光的吸收性。

5.根据权利要求1或2所述的波长转换装置，其特征在于，所述凹槽的深度与其开口口径的比值不小于1。

6.根据权利要求1或2所述的波长转换装置，其特征在于，还包括覆盖于所述凹槽开口上的反射型偏振片。

7.一种发光装置，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的波长转换装置，还包括激发光源和聚焦透镜，所述聚焦透镜的焦点位于波长转换装置的基板凹槽的开口上；激发光源发射的激发光经过聚焦透镜后入射于凹槽内并激发波长转换层使其发射受激光，凹槽的出射光从其开口出射后经聚焦透镜收集并出射。

8.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于，还包括位于激发光源与聚焦透镜光路之间的分光装置，该分光装置以透射的方式引导激发光入射于波长转换装置同时以反射的方式引导受激光形成该发光装置出射光，或者该分光装置以反射的方式引导激发光入射于波长转换装置同时以透射的方式引导受激光形成该发光装置出射光。

9.根据权利要求8所述的发光装置，其特征在于：

所述激发光为激光，且分光装置具有透射该激光的P偏振光并反射其S偏振光的属性；

其中，所述激光以P偏振光入射于分光装置，且分光装置以透射的方式引导该激光入射于波长转换装置同时以反射的方式引导受激光形成该发光装置出射光；或者，

所述激光以S偏振光入射于分光装置，且分光装置以反射的方式引导该激光入射于波长转换装置同时以透射的方式引导受激光形成该发光装置出射光。

10.根据权利要求8所述的发光装置，其特征在于：

所述分光装置的分光面上包括两个区，透射区和反射区；

其中，激发光入射于分光装置的透射区，且分光装置以透射的方式引导该激发光入射于波长转换装置同时以反射的方式引导波长转换装置的凹槽的出射光得以出射；或者，

激发光入射于分光装置的反射区，且分光装置以反射的方式引导该激发光入射于波长转换装置同时以透射的方式引导波长转换装置的凹槽的出射光得以出射。