CN105258076B - 发光装置和灯具 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种波长转换装置、发光装置和灯具，包括带有通孔的基板，通孔内壁对可见光具有反射性，通孔的两端分别为入射端和出射端；还包括附着于通孔内壁表面的第一波长转换层，用于受激发射第一受激光；还包括位于通孔出射端并封住通孔的第二波长转换层，用于受激发射第二受激光；第二波长转换层可以被第一受激光激发。入射于通孔内的激发光能够先激发第一波长转换层，第一波长转换层受激发射的第一受激光进一步的激发第二波长转换层使其发射第二受激光。由于第一受激光的波长比激发光更接近于第二受激光，因此使用第一受激光来激发第二波长转换层，其效率比使用激发光直接激发第二波长转换层要高。

Description

发光装置和灯具
技术领域：
本发明涉及照明光源领域，特别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和灯具。
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，作为一种普通照明光源，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同属半导体光源的激光二极管，也具有LED高效，节能，环保，寿命长的优点，同时由于其光学扩展量(Etendue)小，特别适合用来制作高亮度的特种光源。
在利用激光二极管制作高亮度特种光源时，通常是使用激光激发波长转换材料以产生高亮度的受激光，例如使用蓝色激光激发黄色波长转换材料，产生的黄色受激光与剩余的蓝光共同形成白光。但是这样的白光显色指数比较低，不能满足医疗照明等特殊场合的应用。
发明内容：
为解决上述技术问题，本发明提出一种发光装置，包括波长转换装置，该波长转换装置包括带有通孔的基板，通孔内壁对可见光具有反射性，通孔的两端分别为入射端和出射端；还包括附着于通孔内壁表面的第一波长转换层，用于受激发射第一受激光；还包括位于通孔出射端并封住通孔的第二波长转换层，用于被第一受激光激发并受激发射第二受激光；
还包括激光源和聚光装置，激光源发出的激光经过聚光装置汇聚后入射于通孔的入射端；波长转换装置的第一波长转换层能够被所述激光激发；
还包括位于激光源和波长转换装置光路之间的光处理元件；光处理元件是圆锥形透镜或圆锥形透镜阵列、棱锥形透镜或棱锥形透镜阵列，它通过圆锥面或棱锥面对入射的激光的折射对其光轴进行偏转，用于引导激光全部入射于通孔内壁而不会直接穿过通孔入射于第二波长转换层。
本发明还提出一种发光装置包括波长转换装置，该波长转换装置包括带有通孔的基板，通孔内壁对可见光具有反射性，通孔的两端分别为入射端和出射端；还包括附着于通孔内壁表面的第一波长转换层，用于受激发射第一受激光；还包括位于通孔出射端并封住通孔的第二波长转换层，用于被第一受激光激发并受激发射第二受激光；
还包括激光源和聚光装置，激光源发出的激光经过聚光装置汇聚后入射于通孔的入射端；波长转换装置的第一波长转换层能够被所述激光激发；
所述激光光轴与通孔轴线存在特定夹角，使得激光全部入射于通孔内壁而不会直接穿过通孔入射于第二波长转换层。
本发明还提出一种灯具，包括上述的发光装置作为光源。
入射于通孔内的激发光能够先激发第一波长转换层，第一波长转换层受激发射的第一受激光进一步的激发第二波长转换层使其发射第二受激光。这样，由于第一受激光的波长比激发光更接近于第二受激光，因此使用第一受激光来激发第二波长转换层，其效率比使用激发光直接激发第二波长转换层要高。而且，最终波长转换装置的出射端的出射光包括第二受激光和透射的剩余第一受激光，其光谱覆盖范围比一种受激光要大得多，因此显色指数可以做得很高。
附图说明：
图1是本发明的波长转换装置的第一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是本发明发光装置的一个实施例的结构示意图；
图4是发光装置另一个实施例的结构示意图；
图5是发光装置另一个实施例的结构示意图。
具体实施方式：
本发明提出一种波长转换装置，其第一实施例的结构示意图如图1所示。该波长转换装置包括带有通孔102的基板101，通孔102内壁对可见光具有反射性，通孔的两端分别为入射端102a和出射端102b。波长转换装置还包括附着于通孔102内壁表面的第一波长转换层103，用于受激发射第一受激光。波长转换装置还包括位于通孔出射端102b并封住通孔的第二波长转换层104，用于受激发射第二受激光。其中，第二波长转换层可以被第一受激光激发。
利用该波长转换装置，入射于通孔102内的激发光能够先激发第一波长转换层，第一波长转换层受激发射的第一受激光进一步的激发第二波长转换层使其发射第二受激光。这样的好处在于，由于第一受激光的波长比激发光更接近于第二受激光，因此使用第一受激光来激发第二波长转换层，其效率比使用激发光直接激发第二波长转换层要高。而且，最终波长转换装置的出射端102b的出射光包括第二受激光和透射的剩余第一受激光，其光谱覆盖范围比一种受激光要大得多，因此显色指数可以做得很高。
在本实施例中，通孔102内壁对可见光具有反射性，这样荧光转换效率可以得到提高；同时通孔起到了对光斑大小的控制作用，便于实现高亮度的光源。为了实现通孔内壁对可见光的反射性，优选的，基板材料为白色陶瓷或金属铝。而且通孔内壁还可以通过镀膜或涂层来增加反射率。
波长转换装置的另一个实施例如图2所示。图1所示的实施例中，第二波长转换层104依靠自身的强度固定于通孔102的出射端，而在本实施例中，与图1所示的实施例不同的是，第二波长转换层204依附于透明材料板205，且与透明材料板一起覆盖了通孔202的出射端。这样同样可以达到在通孔的出射端封住通孔的作用，而好处在于第二波长转换层的固定更方便易行。
在上述的波长转换装置的基础上，本发明还提出一种发光装置，其实施例的结构示意图如图3所示。该发光装置包括上述的波长转换装置，还包括激光源(图中未画出)和聚光装置(图中未画出)，激光源发出的激光341经过聚光装置汇聚后入射于通孔的入射端。其中，波长转换装置的第一波长转换层303能够被激光341激发。这样激光341就可以激发第一波长转换层303使其发射第一受激光342，第一受激光342再激发第二波长转换层304使其受激产生第二受激光343并出射，同时还有部分没有被第二波长转换层吸收的第一受激光从第二波长转换层表面透射出来。
在本实施例中，为了提高波长转换效率，优选的，发光装置还包括位于激光源和波长转换装置光路之间的第一分光装置311，用于透射激光341并反射第一受激光342和第二受激光343。由于波长转换过程往往是各向同性的，因此无论是第一受激光还是第二受激光，都必然存在向后发射的情况，即面向通孔的入射端发射。由于第一分光装置的存在，这部分向后发射的第一受激光和第二受激光会被反生会通孔，从而避免了光损失。
具体举例来说，在本实施例中，激光源是蓝色激光源，能够发射蓝色激光。第一波长转换层包括绿色波长转换材料或黄绿色波长转换材料，可以受蓝色激光激发而产生绿色或黄绿色的第一受激光。第二波长转换层包括红色波长转换材料，可以受绿色或黄绿色第一受激光激发而产生红色第二受激光。最终出射光中包括剩余的蓝色激光，剩余的绿色或黄绿色第一受激光和红色第二受激光，光谱覆盖范围很广，所形成的白光显色指数很高。通过调节第一波长转换层的浓度和厚度，以及第二波长转换层的浓度和厚度，可以调节出射光的光谱和色温。在实际应用中，波长转换装置的第二波长转换层也可能被激光激发，例如在本举例中红色波长转换材料也可能被蓝色激光激发，但这并不影响本发明的有益效果。
再例如，激光源是紫外激光源，能够发射紫外激光。第一波长转换层包括蓝色和绿色波长转换材料，可以受紫外激光激发而产生蓝色和绿色混合的第一受激光。第二波长转换层包括红色波长转换材料，可以蓝色和绿色的第一受激光激发而产生红色第二受激光。最终出射光中包括剩余的蓝色和绿色第一受激光和红色第二受激光，光谱覆盖范围也很广，所形成的白光显色指数也很高。当然，第一波长转换层也可以只包括蓝色波长转换材料，而第二波长转换层包括绿色和红色波长转换材料。
以上对激光源、第一波长转换层中的波长转换材料、第二波长转换层中的波长转换材料的选取的说明，只是举例而并不构成对本发明的限制。本领域工程师容易根据以上描述和实际需求进行选择和设计。
发光装置的另一个实施例的结构示意图如图4所示。与图3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光源和波长转换装置光路之间的光处理元件412，用于引导激光441全部入射于通孔内壁而不会直接穿过通孔入射于第二波长转换层。光处理元件412可以是圆锥形透镜或圆锥形透镜阵列、棱锥形透镜或棱锥形透镜阵列(图中光处理元件412画出的是圆锥形透镜的截面三角形)，它通过圆锥面或棱锥面对入射的激光441的折射对其光轴进行偏转，从而使得激光441全部入射于通孔内壁而不会沿着原方向(也就是通孔的走向)直接穿过通孔达到第二波长转换层。这样的好处在于，入射激光441全部用于激发第一波长转换层，这样效率最高。而且，这样也避免了激光441直接出射造成出射光颜色不均匀的可能。
当然，光处理元件412也可以使用其它方法实现，例如可以使用衍射光学元件(DOE,Diffractive Optical Element)。衍射光学元件能够通过表面的微结构对入射激光的相位进行调整从而达到控制激光光形的目的，因此通过合理的设计就可以实现使激光全部入射于通孔内壁的目的。
在本实施例中，光处理元件412位于第一分光装置411的光路之前，实际上二者也可以互换。第一分光装置411更靠近波长转换装置的好处在于，可以更高效的将向后发射的第一受激光和第二受激光反射回通孔内。在实际中，第一分光装置也可以是光处理元件面向波长转换装置的表面的镀膜，这样可以结构最为简洁的实现功能。
优选的，发光装置还包括位于激光源和波长转换装置光路之间的散射装置，用于散射激光，这样可以降低激光的局部功率密度，从而提升第一波长转换层的转换效率。该反射装置也是第一分光装置或光处理元件的粗糙表面，这样系统更加简洁。最为简洁的方法是，在光处理元件面向波长转换装置的表面镀膜形成第一分光装置，同时在光处理元件背向波长转换装置的表面做粗糙化处理形成散射装置，这样三个功能可以使用同一个元件同时实现。
发光装置的另一个实施例的结构示意图如图5所示。与图3所示的实施例不同的是，在本实施例中，激光光轴与通孔轴线存在特定夹角，使得激光全部入射于通孔内壁而不会直接穿过通孔入射于第二波长转换层。这样也可以提高波长转换效率，同时避免激光直接出射所产生的光颜色不均匀的问题。
在本实施例中，具体的，激光541以一定的发散角入射于通孔502，而通孔502是一个斜孔，使得激光光轴与通孔轴线存在特定夹角，使得激光全部入射于通孔内壁而不会直接穿过通孔入射于第二波长转换层。当然，也可以使用直的通孔而令激光倾斜入射。
与图3所示的实施例另一个不同点是，在本实施例中，发光装置还包括位于波长转换装置光路后端的第二分光装置513，用于反射至少部分出射光544回通孔，这部分返回通孔的光在通孔内散射反射后最终大部分能够出射。
第二分光装置根据所需功能的不同可以有多种选择。例如，第二分光装置可以是反射型偏振片，它透射一个特定偏振方向的光同时反射正交的偏振方向的光，被反射回通孔的光在通孔内散射反射后改变了偏振态，在出射时可以有部分可以出射，剩余部分再次回到通孔内循环；这样可以是发光装置得到偏振的出射光。
再例如，第二分光装置也可以透射一部分波长的光而反射其余部分光会通孔。例如激发源使用紫外激光，考虑到紫外激光对人眼有危害，第二分光装置就可以设计成透射可见光同时反射紫外光，这样既可以防止紫外光出射出来，同时也可以将这部分紫外光返回到通孔内进行二次激发。
以上对第二分光装置的描述只是举例而不构成限制。显然第二分光装置可以根据需要有多种选择和设计，只要完成允许一部分光出射同时将其余部分反射回通孔，就应该属于本发明的保护范围。
本发明还提出一种灯具，包括上述的发光装置作为光源。
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 (13)

1.一种发光装置，其特征在于：
包括波长转换装置，该波长转换装置包括带有通孔的基板，通孔内壁对可见光具有反射性，通孔的两端分别为入射端和出射端；还包括附着于通孔内壁表面的第一波长转换层，用于受激发射第一受激光；还包括位于通孔出射端并封住通孔的第二波长转换层，用于被第一受激光激发并受激发射第二受激光；
还包括激光源和聚光装置，激光源发出的激光经过聚光装置汇聚后入射于通孔的入射端；波长转换装置的第一波长转换层能够被所述激光激发；
还包括位于激光源和波长转换装置光路之间的光处理元件；光处理元件是圆锥形透镜或圆锥形透镜阵列、棱锥形透镜或棱锥形透镜阵列，它通过圆锥面或棱锥面对入射的激光的折射对其光轴进行偏转，用于引导激光全部入射于通孔内壁而不会直接穿过通孔入射于第二波长转换层。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述基板材料为白色陶瓷或金属铝。
3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，还包括位于激光源和波长转换装置光路之间的第一分光装置，用于透射激光并反射第一受激光和第二受激光。
4.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，波长转换装置的第二波长转换层能够被所述激光激发。
5.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，还包括位于波长转换装置光路后端的第二分光装置，用于反射至少部分出射光回通孔。
6.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，还包括位于激光源和波长转换装置光路之间的散射装置，用于散射激光。
7.一种发光装置，其特征在于：
包括波长转换装置，该波长转换装置包括带有通孔的基板，通孔内壁对可见光具有反射性，通孔的两端分别为入射端和出射端；还包括附着于通孔内壁表面的第一波长转换层，用于受激发射第一受激光；还包括位于通孔出射端并封住通孔的第二波长转换层，用于被第一受激光激发并受激发射第二受激光；
还包括激光源和聚光装置，激光源发出的激光经过聚光装置汇聚后入射于通孔的入射端；波长转换装置的第一波长转换层能够被所述激光激发；
所述激光光轴与通孔轴线存在特定夹角，使得激光全部入射于通孔内壁而不会直接穿过通孔入射于第二波长转换层。
8.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于，所述基板材料为白色陶瓷或金属铝。
9.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于，还包括位于激光源和波长转换装置光路之间的第一分光装置，用于透射激光并反射第一受激光和第二受激光。
10.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于，波长转换装置的第二波长转换层能够被所述激光激发。
11.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于，还包括位于波长转换装置光路后端的第二分光装置，用于反射至少部分出射光回通孔。
12.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于，还包括位于激光源和波长转换装置光路之间的散射装置，用于散射激光。
13.一种灯具，其特征在于，包括根据权利要求1至12中的任一项所述的发光装置作为光源。
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