CN105090894B - 波长转换装置和发光装置 - Google Patents

Abstract

提出一种波长转换装置和发光装置，包括带有通孔的基板，通孔两端分别为入光口和出光口；还包括设置于通孔内并与通孔内壁紧密接触的波长转换材料，该波长转换材料用于接收入射于通孔内的激发光并发射受激光；其中，通孔的内壁对激发光和受激光具有反射性；还包括放置于通孔入光口一侧并覆盖入光口的第一分光装置，该第一分光装置能够透射激发光同时反射受激光。波长转换材料被设置在基板的通孔内且与基板的内壁良好接触，使得其具有良好的散热效果；同时，基板的通孔形成了光收集器，收集后的光只能从通孔的出光口出射，进而得到光学扩展量小的高亮度光源。

Description

波长转换装置和发光装置

技术领域：

本发明涉及照明光源领域，特别是涉及一种波长转换装置以及使用该波长转换装置的发光装置。

背景技术：

随着半导体技术的发展，LED光源正在取代传统的白炽灯和节能灯成为一种新型的照明光源，它具有高效，节能，环保以及寿命长等优点。然而，在一些特殊的应用领域，例如舞台灯光照明、汽车大灯、投影显示等领域，需要的是一种超高亮度的光源，此时LED就难以满足要求了。与LED同属半导体光源的半导体激光器(以下简称LD)，也具有LED的优点，同时由于其光学扩展量(Etendue)小，特别适合用来制作超高亮度的特种光源。利用LD制作高亮度特种光源时，通常将LD出射的激光会聚成一个很小的光斑入射到荧光粉上，由于会聚光斑小，能量密度高，荧光粉局部区域将产生大量的热引起荧光粉饱和甚至损坏。当前一种普遍适用的解决方案是，将荧光粉涂覆在转盘上，利用转盘的快速转动为荧光粉散热。然而转盘的使用一方面降低了系统可靠性，另一方面也限制了系统的小型化。

发明内容：

为了解决上述问题，本发明提出一种波长转换装置，包括带有通孔的基板，通孔两端分别为入光口和出光口；还包括设置于通孔内并与通孔内壁紧密接触的波长转换材料，该波长转换材料用于接收入射于通孔内的激发光并发射受激光；其中，通孔的内壁对激发光和受激光具有反射性；还包括放置于通孔入光口一侧并覆盖入光口的第一分光装置，该第一分光装置能够透射激发光同时反射受激光；所述波长转换材料形成波长转换层，该波长转换层粘附于所述通孔的内壁上。

本发明还提出一种发光装置，包括激光源和前述的波长转换装置；其中，激光源发出的激光聚焦地入射并透射第一分光装置并进入通孔以激发波长转换材料。

由于波长转换材料被设置在基板的通孔内，且与基板的内壁良好接触，保证了波长转换层与基板之间具有较大的接触面积，使得其具有良好的散热效果；同时，由于基板通孔的内壁对激发光和受激光都具有较高的光反射率，基板的通孔形成了光收集器，收集后的光只能从通孔的出光口出射，只要控制了基板通孔的出光口的面积，就能控制光源的发光面积，进而得到光学扩展量小的高亮度光源。

附图说明：

图1A是本发明的波长转换装置的第一实施例的结构示意图；

图1B是本发明的波长转换装置的另一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的波长转换装置的另一个实施例的结构示意图；

图3是本发明的波长转换装置的另一个实施例的结构示意图；

图4是本发明的波长转换装置的另一个实施例的结构示意图；

图5是使用了本发明的发光装置的实施例的结构示意图。

具体实施方式：

请参见图1A，图1A是本发明的波长转换装置第一实施例的结构示意图。如图所示，本实施例的波长转换装置包括带有通孔106的基板101，通孔106两端分别为入光口107和出光口108。波长转换装置还包括设置于通孔106内并与通孔106内壁紧密接触的波长转换材料103，在本实施例中波长转换材料填充于通孔106内部，该波长转换材料103用于接收入射于通孔内的激发光104并发射受激光。其中，通孔106的内壁对激发光和受激光具有反射性。波长转换装置还包括放置于通孔106入光口一侧并覆盖入光口107的第一分光装置102，该第一分光装置102能够透射激发光104同时反射受激光。

在本实施例中，激发光104从入光口107的一侧入射，透过第一分光装置102，然后入射到波长转换材料103上，波长转换材料103受到激发光104的激发，进而产生不同于激发光波长的受激光。通孔106的内壁对激发光和受激光都具有反射性，因此激发光和受激光在通孔106内会发生多次散射反射，在这个过程中激发光会多次入射于波长转换材料并对其激发。由于第一分光装置102能够反射受激光，因此大部分剩余激发光和受激光的混合光都会从通孔的出光口108输出形成输出光105。当然，会存在部分散射后的激发光从入光口107透过第一分光装置102泄漏出形成光损失，但是这种损失不大，往往是可以接受的。

在本实施例中，通过将波长转换材料103设置在基板101的通孔106内且与通孔内壁紧密接触，保证了波长转换材料103与基板101之间具有较大的接触面积，使其具有良好的散热效果；同时，由于基板通孔106的内壁具有较高的光反射率，基板的通孔106形成了光收集器，收集后的光只能从通孔的出光口108出射，所以只要控制了通孔的出光口108的面积，就能控制光源的发光面积，进而得到光学扩展量小的高亮度光源。

在本实施例中，通孔106的内壁对激发光和受激光都具有光反射性，这种反射既可以是漫反射，也可以是镜面反射。由于激发光和受激光都要在通孔106内经过多次反射后再出射，为了保证较高的出光效率，内壁对激发光和受激光的反射率最好在80％以上，过低的反射率一方面会使光源效率降低，另一方面也会产生大量的热，使基板101的导热负担加重。优选的，基板101的材料可以选用白色多孔陶瓷，例如，氧化铝陶瓷，白色多孔陶瓷对可见光具有良好的漫反射特性，反射率可以到到95％甚至更高。另外，基板101的材料也可以选用金属铝，金属铝的导热系数更高，能更有效地导走波长转换材料103产生的热。金属铝的反射率低于白色多孔陶瓷，如果能在其通孔的内壁镀上一层高反射膜，那么效果更佳。至于其他材料，只要对激发光和受激光都具有光反射性，都可以使用，同理应在本发明的保护范围之内。

在本实施例中，第一分光装置102设置在通孔106的入光口107一侧并覆盖入光口107，它透射激发光104并反射波长转换材料103产生的受激光。在实际应用中，波长分光滤光片是第一分光装置102的最常见的选择。优选的，第一分光装置的分光作用面面向基板101，这样可以提高反射受激光的效率。

除了波长分光方式，第一分光装置102还可以同时具有角度分光特性。例如，它对以第一角度范围入射的激发光透射，而对第一角度范围以外的其他角度入射的激发光大部分反射。具体举例来说，第一分光装置102对入射角小于30度的激发光全部透射，而对入射角在30‐90度的激发光大部分反射，这样，当激发光104以小于30度入射角入射到第一分光装置102时，它能完全透过，而当激发光104在通孔104内经过散射反射后，当散射的激发光以30‐90度角入射到第一分光装置102时，它又被反射回通孔106内，这样就减少了通孔106内的激发光从入光口107的泄漏，提高了激发光的利用率。

为了使入射激发光104的会聚光斑能量分布均匀，避免能量过于集中引起波长转换材料饱和甚至损坏，优选的，波长转换装置还包括设置于通孔的入光口的散射层(图中未画出)。散射层可以将激发光散射，从而比较分散的入射于波长转换材料，降低局部的激发功率密度，以提高激发光激发波长转换材料103的激发效率。

实现该散射层有多种方式。最简单的就是使第一分光装置102同时具有匀光功能，例如，在分光装置102中掺散射粒子，或者将其一个面设置为粗糙面，这样并不增加成本且达到了设计目的。具体的，可以使用一面粗糙一面光滑的波长分光滤光片，粗糙面为远离基板的一面，用于散射激发光，优选的可以镀膜以对激发光104增透；光滑面作为分光作用面面向基板101。当然也可以使用其它方式实现散射层，例如使用散射片或者散射颗粒层等，此处并不做限制。

在本实施例中，波长转换材料103填充在基板的通孔106内，且与通孔106的内壁良好接触，以便波长转换材料103产生的热能及时通过内壁导到基板101。其中，波长转换材料可以是各种颜色的荧光粉。例如，为了得到白光输出，激发光104可以使用蓝色激光，波长转换材料可以使用黄色荧光粉，激发光中剩余的蓝光和荧光粉产生的黄光混合形成白光输出；波长转换材料还可以由绿色荧光粉和红色荧光粉按一定比例混合而成，同样利用蓝色激光去激发，最后剩余的蓝光和荧光粉产生的绿光和红光一起组成白光输出，同时，由于不同颜色的光在通孔106内经过了多次散射反射和混合，能保证输出光105的颜色均匀性。

再例如，为了得到绿光输出，可以使用蓝色激光去激发绿色荧光粉。此时，波长转换装置还包括放置于通孔106的出光口108一侧并覆盖出光口108的第二分光装置(图中未画出)，该第二分光装置能透射绿光并反射蓝光回通孔，这样蓝光就可以被反射回通孔内部进行再利用。这样既提高了受激光的转换效率，同时保证了输出光105的颜色纯度。这样的第二分光装置使用镀膜的分光滤光片就可以实现。

除了反射蓝光透射受激光外，使用第二分光装置还可以根据需要实现其它功能。例如，第二分光装置可以为覆盖在出光口108的反射型偏振片，它可以透射一个偏振态的光同时反射垂直的另一个偏振态的光，反射回通孔内部的偏振态的光在通孔内部多次反射和散射后消除了偏振态后再出射，这样就可以高效率的出射偏振光了，这在汽车照明、液晶投影机中有良好的用途。再例如，第二分光装置还可以反射大角度光回通孔，同时透射小角度光，这样就可以进一步压缩发光的光学扩展量。另外，第二分光装置还可以不是片状的，例如如图1B所示的，第二分光装置191为覆盖出光口的半球型反射器191，出光口位于反射器的球心；该反射器中心部分有出光口使得小角度光105可以出射，而大角度光105a则入射于反射器191后被反射回出光口并重新回到通孔内部进行反射和散射。该反射器191也可以起到使得小角度光出射大角度光反射回通孔内部的作用。

综上所述，事实上第二分光装置无论是在形状上还是功能上有多种选择，只要它能够对从通孔出射的部分特性光透射，并将其它光反射回通孔，就属于本发明的保护范围。

在图1A所示实施例中，当激发光104选用蓝色激光时，优选的，可以使用单个蓝光LD或多个蓝光LD组成的模组作为激发光源，此外，激发光104还可以使用紫外激发光。对本领域的技术人员，可以利用此波长转换装置得到各种不同颜色的光，此处不再一一赘述。

在图1A所示的实施例中，波长转换材料103填充在基板101的通孔106内。在实际中，可以将波长转换材料与某种胶体混合之后注入到通孔106内然后固化，固化之后的波长转换材料与胶体就自然的固定于通孔内部并与通孔106的内壁紧密接触。为了增强波长转换材料对激发光104的散射，可以在波长转换材料中混合散射粒子，比如，二氧化硅颗粒、氧化铝颗粒、氧化钛颗粒等。散射粒子的增多可以改变出射光中剩余激发光与受激光的比例关系，从而改变出射光的颜色。散射粒子越多则出射光中剩余的激发光就越多。

由于激发光104通常会聚焦入射到通孔106的入光口107，在光束会聚的地方，由于激发光能量密度较大，为了防止荧光粉局部过热，可以让入光口107一侧的波长转换材料浓度较低，而出光口108一侧的波长转换材料浓度较高，从而形成波长转换材料的浓度梯度。波长转换材料的浓度与通孔106的体积以及波长转换材料的效率有关，与荧光粉涂覆工艺相关的现有技术都可以应用到本发明中。

在图1A所示的实施例中，通孔106具有入光口107和出光口108，虽然在本实施例的示意图中，入光口107和出光口108具有相等的面积，但并不限于此。实际上，入光口107和出光口108可以是任意的形状，包括圆形，方形，矩形等，他们的面积可以相等或不等。出光口108就是最后光源的等效发光面，他的面积直接决定了光源的光学扩展量。优选的，出光口108的口径小于1mm(口径指的是出光口外接圆的直径)。

图2是本发明的波长转换装置的另一个实施例的结构示意图。如图所示，本实施例的波长转换装置与图1A所示实施例的区别在于，在本实施例中，波长转换材料形成波长转换层203，该波长转换层203粘附于通孔206的内壁上；也就是说，波长转换材料并没有像图1A所示的实施例那样完全填充满通孔206，而是贴附在通孔206的内壁，且波长转换层中间还包围有空腔209。空腔209的存在有两个好处，一方面避免了汇聚入射的激发光204的聚焦点直接作用在波长转换层203上(在这种情况下，聚焦点是聚焦到空腔上的，然后激发光会散开并入射于波长转换层203上)，避免了波长转换层203局部能量太高而引起的局部过热或波长转换材料热损伤；另一方面，在与第一实施例的通孔截面积相同的情况下，本实施例的波长转换层203在通孔206内壁的厚度更薄，被激发而发热的位置也距离通孔内壁更近，因此对通孔内壁对波长转换层的散热效果更佳。在与图1A所示的实施例相同的通孔体积的情况下，本实施例中波长转换层所占的体积更小，相应波长转换层中的波长转换材料浓度需要更高。优选的，本实施例中波长转换层203在通孔206侧壁的厚度小于80um。

在本实施例中存在一个问题，就是会有部分激发光没有入射于波长转换层203而直接从出光口出射，这样会严重的影响出射光的均匀性。为了解决这个问题，优选的，波长转换层203所包围的空腔209内包括散射颗粒和透明介质(图中未画出)，其中散射颗粒分布于透明介质中。具体来说，可以将散射颗粒与透明胶质混合后灌入空腔209内并固化。这样就可以利用散射颗粒来散射原本不会入射于波长转换层的激发光，从而大大提升出射光的均匀性。

散射颗粒在透明介质中可能是均匀分布的，也可能集中于入光口一侧或出光口一侧。例如，将散射颗粒与透明胶纸的混合物灌入空腔209后，先使散射颗粒沉淀到入光口一侧，再进行固化，这时散射颗粒就大多集中于空腔的入光口一侧，这样的好处在于不仅能够使得出射光均匀，而且能够散射激发光从而提高其激发波长转换层的激发效率。

值得特别说明的是，散射颗粒可以部分是荧光粉颗粒。荧光粉颗粒本身对激发光有散射作用，同时还可以吸收部分激发光并发射受激光。这部分荧光粉颗粒比较少，密度比较低，发热量也不大，因此不会发生过热的问题。

图3是本发明的波长转换装置的另一个实施例的结构示意图。如图所示，本实施例的波长转换装置与图2所示的实施例的区别在于，在本实施例中，波长转换材料所形成波长转换层中，部分波长转换层310用于封住通孔306的横截面，其余部分波长转换层303粘附于通孔306的内壁上。具体而言，波长转换层310封住了通孔的入光口307一端的横截面；由于这部分波长转换层封住了通孔，这样就不可能出现直接从出光口出射的激发光，有效的保证了出射光305的均匀性。可以理解，如果只有波长转换层310而波长转换层303不存在，本实施例也是可以工作的。

在本实施例中，波长转换层310封住了通孔的入光口一端的横截面。实际上波长转换层310也可以用于封住通孔的出光口一端的横截面。这样的好处在于，激发光在入射于这部分波长转换层前已经经过了通孔的长度以及通孔侧壁上的波长转换层的吸收，再激发波长转换层310时功率密度比较低，效率也比较高。当然可以理解，波长转换层310也可以封住通孔中间的任何一个横截面，这样都可以达到保证出射光均匀性的目的。

在本实施例中，波长转换层310和波长转换层303可以包含同样的波长转换材料，也可以包含不同的波长转换材料。即使包含相同的波长转换材料，波长转换层310和波长转换层303中波长转换材料的浓度可以相同也可以不同，波长转换层310和波长转换层303的厚度可以相同也可以不同。总之两个波长转换层是相互独立设计的。

在本实施例中，波长转换层303和310所包围的空腔309内也可以包括散射颗粒和透明介质(图中未画出)，其中散射颗粒分布于透明介质中。这样可以进一步的对激发光进行扩散，以提升波长转换层的转换效率和出射光的均匀性。

图4是本发明的波长转换装置的另一个实施例的结构示意图。如图所示，本实施例相对于图2所示实施例的差别在于，本实施例在入光口407一侧设置了入口光阑411，在出光口408一侧设置了出口光阑412。入口光阑411和出口光阑412的表面也具有较高的反射率，入口光阑411、出口光阑412和通孔406一起组成了光的反射腔，激发光404和波长转换层403产生的受激光在该腔内多次散射反射后从出口光阑412出射，形成输出光405。入口光阑411和出口光阑412的孔径可以相同或不同，其中，入口光阑411的孔径大小满足能让聚焦的激发光404完全通过即可，出口光阑412为此时光源的等效发光面，可以根据实际需要去设置出口光阑412大小和形状。本发明并不限制入口光阑411和出口光阑412的形状，对本领域技术人员，可以根据实际需要设计出各种光阑。

在本实施例中，由于入口光阑411和出口光阑412的设置，可以使通孔406不再受光源实际发光面的限制，例如，当需要边长1mm的方形发光光源时，可以选用直径2mm的圆柱形通孔406，而在通孔406的出光口408设置边长1mm的方形出口光阑。这种做法还有另一个好处，因为可以使用比实际发光面积更大的通孔406，在通孔406的加工以及波长转换层403的涂覆工艺上都更为简单和方便。

在本实施例中，入口光阑和出口光阑同时存在，实际中只存在一个也是可以的。

值得说明的是，上述波长转换装置的各实施例的特征可以相互任意组合以形成新的实施例，这些新的实施例具有上述实施例的有益效果，都属于本发明的保护范围。

图5是采用本发明的发光装置的结构示意图。如图所示，该发光装置包括激光源501和上述的波长转换装置。其中，激光源501发出的激光504聚焦地入射并透射第一分光装置502并进入通孔以激发波长转换材料。具体而言，激光源501发出的激光先经过准直透镜502准直，再经过聚焦透镜503聚焦。优选的，准直透镜502和聚焦透镜503选用同款透镜，这样可以降低成本。

优选的，激光504透射第一分光装置502的角度范围是第一角度范围，且第一分光装置502对第一角度范围内的激光透射，同时第一分光装置502对第一角度范围以外的激光大部分反射。这样第一分光装置502就可以部分的反射从通孔中散射回来的激光，减少激光的后向泄漏。

在本实施例中，优选的，该发光装置还包括外壳(未图示)，波长转换装置的基板与外壳热连接，以利于波长转换材料的散热。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分相互参见即可。

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技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种波长转换装置，用于接收激发光并将其至少部分的转化为受激光，其特征在于：

包括带有通孔的基板，通孔两端分别为入光口和出光口；

还包括设置于通孔内并与通孔内壁紧密接触的波长转换材料，该波长转换材料用于接收入射于通孔内的激发光并发射受激光；其中，所述通孔的内壁对激发光和受激光具有反射性；还包括放置于通孔入光口一侧并覆盖所述入光口的第一分光装置，该第一分光装置能够透射激发光同时反射受激光；

所述波长转换材料形成波长转换层，该波长转换层粘附于所述通孔的内壁上。

2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换材料形成波长转换层，该波长转换层中部分用于封住所述通孔的横截面，其余部分粘附于所述通孔的内壁上。

3.根据权利要求1或2所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换层所包围的空腔内包括散射颗粒和透明介质，其中散射颗粒分布于透明介质中。

4.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，波长转换装置包括设置于通孔的入光口的散射层。

5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，还包括放置于通孔的出光口一侧并覆盖所述出光口的第二分光装置，该第二分光装置对从通孔出射的部分特性光透射，并将其它光反射回通孔。

6.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，还包括设置于通孔的入光口和/或出光口的光阑。

7.一种发光装置，其特征在于，包括激光源和根据权利要求1至6中任一项所述的波长转换装置；其中，激光源发出的激光聚焦地入射并透射第一分光装置并进入通孔以激发波长转换材料。

8.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于，所述激光透射第一分光装置的角度范围是第一角度范围，且第一分光装置对第一角度范围内的激光透射，同时第一分光装置对第一角度范围以外的激光大部分反射。