CN104696744A - 光转换构件和包括该光转换构件的照明装置 - Google Patents

Abstract

公开了光转换构件和包括该光转换构件的照明装置。光转换构件包括：入射面，所述入射面包括凹入部，并且激光束入射在所述入射面上；以及输出面，在所述输出面中所述激光束的波长被转换，并且输出具有转换后的波长的激光束，其中，所述凹入部的形状被形成为与所述激光束的波阵面形状相对应。

Description

光转换构件和包括该光转换构件的照明装置

技术领域

本发明涉及光转换构件和包括该光转换构件的照明装置。

背景技术

发光元件是将电转化为光的装置。发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、激光器等是典型的发光元件。

最近，由于对高效率的低功率光源的需求有所增加，所以对激光器、LD以及高功率LED的积极研究正在进行中。

一般地，高效率的低功率光源发射具有500nm或更小的波长的激发光(excitation light)，并且例如磷光体和量子点的光转换构件可以将激发光转换成可见光以供在照明装置中使用。

同时，一些激发光可能会在入射在光转换构件上时由于入射面的菲涅耳反射而损失。

发明内容

本发明涉及光转换构件和包括该光转换构件的照明装置，该光转换构件提高了入射在光转换构件上的激发光的入射效率并且因而提高了激发光的转换效率。

根据本发明的一个方面，提供了一种光转换构件，其包括：入射面，所述入射面包括凹入部，并且激光束入射在所述入射面上；以及输出面，在所述输出面中所述激光束的波长被转换，并且输出具有转换后的波长的激光束，其中，所述凹入部的形状被形成为与所述激光束的波阵面形状相对应。

根据本发明的另一方面，提供了一种光转换构件，其包括：入射面，所述入射面包括多个衍射光栅，并且激光束入射在所述入射面上；以及输出面，在输出面中所述激光束的波长被转换，并且输出具有转换后的波长的激光束，其中，所述衍射光栅之间的距离被形成为与所述激光束的直径相对应。

附图说明

通过参照附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其他目的、特征和优点对于本领域技术人员而言将变得更加明显，在附图中：

图1是示出根据本发明的一个实施例的照明装置的示例的图；

图2是示出根据本发明的另一实施例的照明装置的另一示例的图；

图3和图4是示出根据本发明的一个实施例的光转换构件的图；

图5是示出根据本发明的一个实施例的光转换构件的效果的图；

图6是示出根据本发明的另一实施例的光转换构件的图；

图7是示出根据距离的激光束的波阵面改变的图；

图8是示出根据激光束的横模的光束分布的示例的图；以及

图9是示出在根据本发明的另一实施例的光转换构件的入射面上所形成的曲面的示例的图。

具体实施方式

尽管本发明可以进行各种修改并且具有若干实施例，但是在附图中示出了具体的示例性实施例，并且将在详细说明中详细地说明这些示例性实施例。然而，本发明并不限于这些实施例，并且应当理解，本发明包括本发明的技术范围和精神中所包含的所有等同物和替代物。

可以使用包括诸如“第一”、“第二”等的序数的术语来描述各种部件，但是所述部件不受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个部件与另一部件进行区分的目的。例如，在不脱离本发明的权利范围的情况下，第一部件可以称为第二部件，并且类似地第二部件可以称为第一部件。术语“和/或”包括多个项的组合或者多个项中的任意一项。

此外，仅为了方便起见，在本说明书中可互换地将部件描述为“模块”和“零件”，并且这些术语不具有不同的含义或作用。

应当注意的是，在本说明书中，当某一部件被认为是连接至另一部件时，该某一部件可以直接连接至另一部件，或者可以在所述两个部件之间插入第三部件。另一方面，当某一部件被认为是直接连接至另一部件时，在所述两个部件之间没有插入第三部件。

本文所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并不限制本发明。此外，除非上下文另有明确说明，否则单数表示应当被理解为包括复数表示。应当理解的是，术语“包括(comprises)”，“包含(comprising)”，“含有(includes)”或“具有(has)”意在表明说明书所描述的特征、数字、步骤、操作、元件和部件的存在或者这些特征、数字、步骤、操作、元件和部件的组合的存在，而并不排除一个或更多个其他特征、数字、步骤、操作、元件和部件的存在、这些其他特征、数字、步骤、操作、元件和部件的组合的存在、或者另外的可能性。

除非另有定义，否则包括本文中所使用的技术和科学术语的所有术语具有与本发明所属领域的技术人员所普遍理解的含义相同的含义。将进一步理解，诸如在常用词典中定义的术语等术语应当被解释为具有与其在相关领域的背景中的含义相一致的含义，并且，除非在此这样明确地定义了，否则将不会以理想化或过于生硬的意义来解释这些术语。

在下文中，将参照附图来详细描述本发明的示例性实施例，其中，在全部附图中类似的附图标记指的是类似或相应的元件，并且其重复说明将被省略。

图1是示出根据本发明的一个实施例的照明装置的示例的图。

参照图1，根据本发明的一个实施例的照明装置包括：光源10；光转换构件20，该光转换构件20对从光源10入射的光的波长进行转换，然后输出转换后的光；以及反射构件30，该反射构件30反射从光转换构件20输出的光。

光源10发射激光束，该光源10是激发(以光学方式泵浦)激光介质的发光装置。从光源10发射的激光束是可以具有500nm或更小的波长的激发光，但不限于此。

光源10可以包括激光器、激光二极管(LD)等。

光转换构件20被布置在从光源10发射的光的路径(在下文中被称为“光路”)上，并且进行从光源10发射的激发光的波长转换。为此，光转换构件20可以包括磷光体、远程磷光体(remote phosphor)、量子点等。

在从光源10发射的激发光所入射的光转换构件20的入射面上可以形成有用于提高光入射效率的抗反射(anti-reflection，AR)层(未示出)。

反射构件30用于反射通过光转换构件20的光，并且输出光作为照明装置的输出。

反射构件30具有内表面，该内表面被形成为具有抛物线形状的曲面，并且反射构件30可以用作使用在其内表面上形成的反射面来反射光的多焦点反射构件。

同时，在具有图1所示的结构的照明装置中，光转换构件20以圆柱形状形成，并且波长通过光转换构件20被转换的光可以通过除入射面以外的表面而在所有方向上输出。因此，为了收集在所有方向上输出的光，在照明装置的输出方向上，反射构件30可以以关于光轴(OA)旋转对称的形状形成，使得反射构件30的反射面包围光转换构件20的外周面。这里，OA是表示在来自点光源的三维光通量的中心处的光的前进方向的虚拟直线。

图2是表示根据本发明的另一实施例的照明装置的另一示例的图。

参照图2，在照明装置中，与图1所示的照明装置不同，光转换构件20被布置在光源10的上方。光转换构件20可以被设置成穿过固定构件40。

反射构件30'被设置在固定构件40上，并且具有内表面，该内表面形成为具有抛物线形状或椭圆形状的曲面。另外，该内表面包括用于对从光转换构件20输出的光进行反射的反射面。

同时，在具有图2所示的结构的照明装置中，光转换构件20的一个表面可以用作来自光源10的激发光所入射的入射面，并且光转换构件20的另一表面可以用作输出具有转换后的波长的光的输出面。

因此，反射构件30'被设置在光转换构件20的上方，使得反射面仅包围光转换构件20的输出面。因此，与图1所示的反射构件30相比较，存在的缺点在于光输出区域减小。

同时，如图1和图2所示出的，在使用光转换构件20对从光源10激发的光的波长进行转换并使用具有转换后的波长的光的照明装置中，可能存在以下问题：从光源10激发的一些光可能会在入射在光转换构件20上时由于入射面处的菲涅耳反射而损失。

根据定义了在与具有不同折射率的另一种介质的边界面处的反射系数与透射系数之间的关系的菲涅耳方程，透射率可以根据光在边界面处的入射角度而改变。根据菲涅耳方程，在垂直于边界面的入射光的情况下，透射率为100％，但是在不垂直于边界面的其他入射光的情况下，透射率降低，并且因此发生光损耗。

在激光束的情况下，激光束在从光源10被发射时不会准直前进，而是以一定发散角前进。因此，从光源10发射的一些光以非垂直的入射角度入射在光转换构件20的入射面上。如在菲涅耳方程中所定义的，以非垂直的入射角度入射的光可被光转换构件20的入射面反射，并且因而可以是使光转换构件20的转换效率降低的因素。

因此，根据本发明的实施例，可以通过增加垂直入射在光转换构件的入射面上的光来提供使由于反射光而引起的光损耗最小化、并使光转换构件的转换效率增大的照明装置。为此，在光转换构件的入射面上形成有凹凸部。在入射面上所形成的凹凸部可以是例如衍射光栅、非球面表面的凹入部等。

在下文中，将参照必要的附图来详细描述根据本发明的实施例的光转换构件。

图3和图4是示出根据本发明的一个实施例的光转换构件的图。另外，图5是示出根据本发明的一个实施例的光转换构件的效果的图。

参照图3，在来自光源10的激发光所入射的光转换构件20的入射面上可以设置有一个或更多个衍射光栅21。

每个衍射光栅21可以具有垂直于OA的各种横截面形状，例如三角形形状、四边形形状、圆形形状和椭圆形形状。

另外，每个衍射光栅21可以具有相对于OA平放方向上的各种横截面形状，例如三角形形状、半圆形形状和椭圆形形状。

衍射光栅21可以周期性地形成在光转换构件20的入射面上以形成周期性图案，或者可以非周期性地形成在光转换构件20的入射面上以形成非周期性图案。

当衍射光栅21形成周期性图案时，衍射光栅21之间的距离(即衍射光栅21的周期)可以根据从光源10输出的泵浦光的直径而被不同地设计。

假定从光源10输出的泵浦光的直径为A，则衍射光栅21之间的距离B可以通过以下等式1来表示。

[等式1]

$B<\frac{A}{2}$

参照等式1，为了提高光转换构件20的光入射效率，在泵浦光的入射区域处应当包括至少两个或更多个衍射光栅。

同时，如图4所示，当衍射光栅21的相对于OA平放方向的横截面形状为三角形形状并且衍射光栅21被周期性地布置以形成周期性图案时，可以通过以下等式2来限定衍射光栅21的高度H。

[等式2]

$H=\frac{B}{(2\&times;\tan \left({\mathrm{\&theta;}}_B\right))}$

根据等式2，衍射光栅21的高度H是由衍射光栅21的周期B和衍射光栅21的角度θ_B来确定的。这里，如图4所示，衍射光栅21的角度θ_B可以被定义为衍射光栅21的某一线段相对于与OA垂直的直线的倾斜(slope)。

当衍射光栅21的相对于OA平放方向的横截面形状为圆形形状并且衍射光栅21被周期性地布置以形成周期性图案时，可以通过以下等式3来限定衍射光栅21的半径R。

[等式3]

$R=\frac{B}{2}$

其中，B为衍射光栅21的周期。

另外，当衍射光栅21的相对于OA平放方向的横截面形状为椭圆形形状并且衍射光栅21被周期性地布置以形成周期性图案时，可以通过以下等式4来限定衍射光栅21的长轴R_L和短轴R_S。

[等式4]

R_L＜4B

$R_S<\frac{B}{8}$

其中，B为衍射光栅21的周期。

参照图3，可以以各种方式形成多个衍射光栅21。

例如，衍射光栅21可以以形状控制的方式(例如全息方式)形成在光转换构件20的入射面上。另外，例如，衍射光栅21可以以折射率调制的方式形成在光转换构件20的入射面上。

图5是示出图3的光转换构件的效果的图，其中(a)是示出应用衍射光栅之前的光转换构件的平均光入射效率的曲线图，而(b)、(c)和(d)中的每一个均是示出根据衍射光栅的倾斜的、光转换构件的平均光入射效率的曲线图。

参照图5中的(a)，在不包括衍射光栅图案的光转换构件的情况下，包括了光入射效率急剧下降的部分，并且平均光入射效率为约77％。

然而，如图5中的(b)、(c)和(d)所示，在包括衍射光栅的光转换构件的情况下，可以理解的是，光入射效率的偏差并不大，并且光入射效率普遍提高。特别地，当衍射光栅的倾斜为45°时，可以理解的是，平均光入射效率为约92％，并且光入射效率增大了15％。

同时，当衍射光栅和AR层均被应用至光转换构件的入射面时，光转换构件的平均光入射效率可以增大到98％。

图6是示出根据本发明的另一实施例的光转换构件的图。此外，图7是示出根据距离的激光束的波阵面改变的图。此外，图8是示出根据激光束的横模的光束分布的示例的图，并且图9是示出在根据本发明的另一实施例的光转换构件的入射面上所形成的曲面的示例的图。

参照图6，光转换构件20可以包括形成在来自光源10的激发光所入射的入射面上的凹入部23。凹入部23被形成为朝光转换构件20的内侧凹入。

凹入部23可以包括非球面表面，并且该非球面表面的形状可以形成为与从光源10辐射的激光束的波阵面形状相对应。

凹入部23可以包括与激光束的波阵面形状相对应的至少一个凹部。此外，凹入部23还可以包括与激光束的波阵面形状相对应的至少一个凸部。

如图7所示，在激光束中，波阵面的曲率半径根据光源10与光转换构件20之间的距离而改变。因此，形成凹入部23的非球面表面的曲率半径可以根据光源10与光转换构件20之间的距离而改变。

如图8所示，激光束可以根据相应的高斯模式而具有不同的强度分布。图8中的(a)示出了拉盖尔-高斯模式(Hermite-Gaussian mode)的包括圆偏振光的激光束，图8中的(b)示出了厄米-高斯模式(Hermite-Gaussian mode)的包括线性偏振光的激光束。参照图8，在每个高斯模式中，激光束可以根据横模(TEM_xy)而具有不同的强度分布。

激光束的强度分布是确定入射在光转换构件20上的激光束的波阵面形状的因素。因此，形成凹入部23的非球面表面的形状可以根据从光源10辐射的激光束的横模和高斯模式而被不同地形成。

形成凹入部23的非球面表面的形状可以通过以下等式5来限定。

[等式5]

$R\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{TEM}}\right)=\frac{R\left(z\right)}{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{TEM}}}$

等式(5)为用于确定非球面表面的形状的曲率半径函数，并且R(z)为用于根据高斯光束的距离来计算曲率半径的曲率半径函数。另外，α_TEM为确定凹入部23的曲率半径的常数，并且凹入部23中所包括的凹部和凸部的数量和尺寸可以根据α_TEM而改变。α_TEM可以根据高斯模式和横模而具有不同的值。例如，α_TEM可以具有0.1至10的值。

以作为激光谐振器的最小阶横模的TEM₀₀生成的激光束是高斯光束，在该高斯光束中，在垂直于OA的横截面形状上的波的宽度分布由钟形的高斯函数表示。因此，R(z)对应于根据以TEM₀₀生成的激光束的距离的曲率半径，并且可以通过以下等式6来限定。

[等式6]

$R\left(z\right)=z[1+{\left(\frac{{\mathrm{\&pi;\&omega;}}_0^2}{\mathrm{\&lambda;z}}\right)}^2]$

其中，z为光源10与光转换构件20之间的距离，λ为从光源10辐射的激光束的波长，而ω₀为激光束的束腰中的光斑尺寸并且对应于光束的半径。为了使光入射效率最大化，ω₀可以如以下等式7中那样来限定。

[等式7]

${\mathrm{\&omega;}}_0={\left(\frac{\mathrm{\&lambda;z}}{\mathrm{\&pi;}}\right)}^{\frac{1}{2}}$

同时，类似于在图8中的(a)中所示的拉盖尔-高斯模式中的TEM_01*，当强度分布关于OA旋转对称时，激光束的波阵面也可以是关于OA旋转对称的。另外，与此对应的凹入部23的非球面表面可以是关于OA旋转对称的。

当凹入部23的非球面表面被形成为关于OA对称旋转时，非球面表面的X轴和Y轴的所有曲率半径都可以使用等式5来计算。

然而，类似于在图8中的(a)中所示的拉盖尔-高斯模式中的TEM₀₀，当强度分布关于OA旋转不对称时，激光束的波阵面可以具有关于OA旋转不对称的自由曲面形状。另外，与此对应的凹入部23的非球面表面可以具有关于OA旋转不对称的自由曲面形状。

当凹入部23的非球面表面被形成为关于OA旋转不对称时，非球面表面的X轴和Y轴可以具有彼此不同的曲率半径，并且X轴中的曲率半径和Y轴中的曲率半径可以使用以下等式8来计算。

[等式8]

$R\left({\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{TEM}}_X}\right)=\frac{R\left(z\right)}{{\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{TEM}}_X}}$

$R\left({\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{TEM}}_Y}\right)=\frac{R\left(z\right)}{{\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{TEM}}_Y}}$

其中，R(z)为用于根据高斯光束的距离来计算曲率半径的函数，α_TEMx和α_TEMy分别为确定X轴和Y轴中的曲率半径的常数，并且凹入部23中所包括的凹部和凸部的数量和尺寸可以根据α_TEMx和α_TEMy而改变。α_TEMx和α_TEMy可以根据激光束的横模和高斯模式而具有彼此不同的值。例如，α_TEMx和α_TEMy中的每一个可以具有0.1至10的值。

同时，不管凹入部23的非球面表面关于OA是旋转对称还是旋转不对称，在凹入部23的非球面表面的X轴或Y轴上的横截面形状都可以是关于OA旋转对称的。

图9示出了例如在拉盖尔-高斯模式的激光束入射的情况下通过应用等式5至等式7来设计的凹入部23的横截面形状。另外，图9中的(a)、(b)和(c)示出了TEM₀₀、TEM_01*和TEM₁₀的横模的激光束入射的情况。

参照9，凹入部23被形成为使得凹入部23的横截面形状关于OA对称，并且凹入部23可以包括根据激光束的横模而具有不同形状的非球面表面。

另外，凹入部23包括至少一个凹部或凸部，并且凹部和凸部的数量和尺寸(宽度)可以根据激光束的横模而改变。此外，在凹入部23处形成的凹部和凸部的位置根据激光束的横模而改变。

例如，凹入部23可以包括仅一个凹部，该凹部在其中心处被形成为具有TEM₀₀中的钟形高斯形式，如图9中的(a)所示，并且凹入部23还可以连同凹部一起包括一个凸部，该凸部被形成为具有TEM_01*中的环形(donut)形状，如图9中的(b)所示。另外，如图9中的(c)所示，可以增加凹部和凸部的数量。也就是说，凹入部23可以包括TEM₀₁中的多横模的多个凹部和凸部。

如上所述，在本发明的另一实施例中，由于对应于激光的波阵面形状的凹入部被形成在光转换构件20的入射面上，所以可以使垂直入射在光转换构件20的入射面上的光的比率增大，并且因而可以使光入射效率增大。当对应于激光的波阵面形状的凹入部被形成在光转换构件20的入射面上时，光转换构件的光入射效率增大到约95％或更多。当AR层被涂覆在包括凹入部的光转换构件20的入射面上时，光入射效率增大到约99％或更多。

根据本发明的实施例，由于对应于衍射光栅或激发光的波阵面形状的凹入部被形成在光转换构件的入射面上，所以使入射面处的入射效率和光损耗最小化，因而提高了光转换构件的转换效率。

对于本领域技术人员将明显的是，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下对本发明的上述示例性实施例进行各种修改。因此，意图本发明覆盖所有这些修改，只要这些修改落在所附权利要求及其等同物的范围内即可。

Claims (10)

1.一种光转换构件，包括：

入射面，所述入射面包括凹入部，并且激光束入射在所述入射面上；以及

输出面，在所述输出面中所述激光束的波长被转换，并且输出具有转换后的波长的激光束，

其中，所述凹入部的形状被形成为与所述激光束的波阵面形状相对应。

2.根据权利要求1所述的光转换构件，其中，所述凹入部的形状根据被配置成辐射所述激光束的光源与所述光转换构件之间的距离而被不同地形成。

3.根据权利要求1所述的光转换构件，其中，所述凹入部的形状为高斯形式。

4.根据权利要求1所述的光转换构件，其中，所述凹入部的形状满足以下等式1中的曲率半径函数R(α_TEM)：

等式1

$R\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{TEM}}\right)=\frac{R\left(z\right)}{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{TEM}}}$

其中，α_TEM为用于确定所述凹入部的曲率半径的常数，而R(z)为以下等式2的高斯光束的曲率半径函数，

等式2

$R\left(z\right)=z[1+{\left(\frac{\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&omega;}}_0^2}{\mathrm{\&lambda;z}}\right)}^2]$

其中，z为被配置成辐射所述激光束的光源与所述光转换构件之间的距离，λ为所述激光束的波长，而ω₀为所述激光束的束腰的光斑尺寸。

5.根据权利要求1所述的光转换构件，其中，所述凹入部包括至少一个凹部或凸部。

6.根据权利要求5所述的光转换构件，其中，在所述凹入部处形成的凹部或凸部的数量根据所述激光束的横模而改变。

7.根据权利要求1所述的光转换构件，其中，所述光转换构件包括磷光体、远程磷光体和量子点中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的光转换构件，其中，在所述入射面上形成有抗反射层。

9.一种光转换构件，包括：

入射面，所述入射面包括多个衍射光栅，并且激光束入射在所述入射面上；以及

输出面，在输出面中所述激光束的波长被转换，并且输出具有转换后的波长的激光束，

其中，所述衍射光栅之间的距离被形成为与所述激光束的直径相对应。

10.根据权利要求9所述的光转换构件，其中，所述多个衍射光栅形成周期性图案或非周期性图案。