CN109424943A - 波长转换装置和激光荧光转换型光源 - Google Patents

波长转换装置和激光荧光转换型光源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了波长转换装置和激光荧光转换型光源。波长转换装置包括封装组件和能够将入射光转换成出射光的荧光组件，封装组件为长方体状，具有四个侧面和一个封闭端面并且与封闭端面相对的另一端是开口并用作光出射端，其中的一个侧面或两个相对侧面用作光入射端且形成有入射光窗口，入射光窗口的表面设置有允许特定光束透过的光学膜，并且除了用作光入射端的侧面之外的其它侧面和封闭端面的内表面为反射表面，荧光组件设置在封装组件内部且一端被连接至封闭端面，荧光组件的隔着空气间隙与入射光窗口相对的表面被形成为阶梯结构，厚度沿着从封闭端面至光出射端的方向阶梯式递减，阶梯结构的至少部分台阶的侧壁设置有朗伯反射层或镜面反射层。

Description

波长转换装置和激光荧光转换型光源
技术领域
本发明涉及波长转换装置以及使用该波长转换装置的激光荧光转换型光源。
背景技术
近年来，激光光源已经成为投影光源的重要发展方向。随着这种发展，激光光源的应用领域变得更加广泛，无论是从微型投影到工程投影再到电影放映机，还是从投影光源领域拓展到照明光源领域，激光光源的应用形式逐渐多样化、小型化和模块化。这些不同领域的应用对激光光源的功能和特点的要求不尽相同，因而需要对激光光源做出不同的优化设计。
在当前众多的激光光源产品中，主流的技术方案主要分为两种，一种是三色(RGB)激光技术。该技术采用三种激光模组构成激光光源。该技术方案可以独立地进行R、G、B的三色分量的调节，从而在光源端改变画面的颜色，从而能够在显示过程中保证画面色彩的一致性，并且激光光能的利用率能够达到100％。但是，该技术方案中，在由三色激光投射出的画面中容易出现“散斑”缺陷。人眼长时间观看有散斑缺陷的画面，很容易损伤视力，对人体健康造成损害。
另一种是激光荧光粉技术。该技术方案是在机器内置一个高速旋转的荧光色轮，并将蓝色激光照射在荧光色轮的荧光陶瓷上，并通过荧光陶瓷中的荧光材料而转换成黄色光和/或绿色光。从荧光色轮中出射的黄色光、绿色光以及一部分蓝色激光通过棱镜进行分色，从而形成了色彩鲜艳的画面。这种技术方案的优点是寿命长、色域广、亮度衰减小。但是，由于装置内部设置有高速旋转的色轮，因此要求产品在工作的过程中不能震动或频繁移动。另外，在这种激光荧光粉技术中，相对于黄色荧光粉和绿色荧光粉，红色荧光粉的量子效率较低，产热量较大，因此很难应用在较高功率的光源产品中。
发明内容
为了解决上述问题，本发明期望提供一种全新的波长转换装置以及采用该波长装换装置的激光荧光转换型光源。
本发明的实施例的第一方面公开了一种波长转换装置，所述波长转换装置包括封装组件和荧光组件，所述荧光组件含有荧光材料并且能够将入射光转换成不同波长的出射光。所述封装组件被形成为长方体状且具有四个侧面和一个封闭端面，所述封装组件的与所述封闭端面相对的另一端是开口并用作光出射端，所述封装组件的所述四个侧面之中的一个侧面或两个相对侧面用作光入射端并且形成有用于透过所述入射光的入射光窗口，所述入射光窗口的表面设置有允许特定波长和/或入射角的光束透过的光学膜，并且所述封闭端面的内表面和所述四个侧面之中的除了用作所述光入射端的侧面之外的其它侧面的内表面为反射表面。所述荧光组件设置在所述封装组件内部的空腔中，所述荧光组件被形成为薄片状且一端被牢固地连接至所述封闭端面，所述荧光组件与所述入射光窗口之间具有空气间隙。所述荧光组件的与所述入射光窗口相对的表面被形成为具有多级台阶的阶梯结构，所述荧光组件的厚度沿着从所述封闭端面至所述光出射端的方向上阶梯式地递减，并且在所述阶梯结构的至少部分台阶的侧壁设置有朗伯反射层或镜面反射层。
优选地，所述荧光组件是由复相荧光陶瓷构成的。例如，构成所述荧光组件的复相荧光陶瓷是YAG:Ce和Al2O3的复相陶瓷。
优选地，所述光学膜是只能透过以-8.5°至+8.5°范围内的入射角入射的光束的角度选择透射膜。
优选地，所述多级台阶的各级台阶的顶面间的间距不小于30μm。
优选地，所述朗伯反射层或所述镜面反射层的厚度为50μm。
在所述封装组件的所述四个侧面之中只有一个侧面用作所述光入射端的情况下，所述荧光组件的背对着所述光入射端的表面可以粘接有陶瓷热沉基板。所述陶瓷热沉基板与所述荧光组件之间的粘接表面为反射表面。优选地，所述陶瓷热沉基板的长度与所述封装组件的长度相同。
在一些实施例中，所述阶梯结构的各级台阶的侧壁可以被形成为弧面。优选地，所述侧壁被形成为抛物柱面或抛物面。在所述阶梯结构的至少部分台阶的侧壁设置有所述镜面反射层的情况下，所述入射光在所述台阶结构的各级台阶的顶面上的入射位置优选地位于相应的所述镜面反射层的弧面的焦点位置。
本发明的实施例的第二方面公开了一种激光荧光转换型光源。所述激光荧光转换型光源包括激光装置和如上所述的任意波长转换装置。所述激光装置用作所述波长转换装置的入射光源，所述激光装置发出的激光光束能够透过所述光入射端的所述光学膜照射至所述荧光组件的所述阶梯结构的各级台阶的顶面。
根据本发明，能够实现荧光陶瓷的固定式封装，从而在发光过程中具有较好的抗震性。另外，由于波长转换装置内的荧光组件具有阶梯结构并且设置有镜面反射层或朗伯反射层，从而能够将荧光组件发光点的部分光直接反射至光出射端。因此，减少了由于多次反射导致的光损失，从而提高了波长转换装置的出光效率。
附图说明
图1是示出了根据本发明的波长转换装置的第一实施例的横截面图。
图2是示出了根据本发明的波长转换装置的第二实施例的横截面图。
图3是示出了根据本发明的波长转换装置的第三实施例的横截面图。
图4是示出了根据本发明的波长转换装置的第四实施例的横截面图。
具体实施方式
下面，将参照附图详细说明根据本发明的各具体实施例。需要强调的是，附图中的所有尺寸仅是示意性的并且不一定是按照真实比例图示的，因而不具有限定性。
第一实施例
图1示出了根据本发明第一实施例的波长转换装置100的横截面图。波长转换装置100包括封装组件110和荧光组件102。如图1所示，封装组件110被形成为内部具有空腔的长方体，具有四个侧面和一个封闭端面103。这里，将图1中的水平方向称为封装组件110和荧光组件102的长度方向，将图1中的垂直方向称为封装组件110和荧光组件102的厚度方向，将图1中的与纸面垂直的方向称为封装组件110和荧光组件102的宽度方向。封装组件110的四个侧面中的一个侧面(图1中为上表面)用作光入射端，并且设置有入射光窗口104。封装组件110的与封闭端面103相对的另一端是开口并且用作光出射端。封装组件110是由具有高热导率的材料形成的。例如，封装组件110可以是由铝或铜等金属材料制成的，也可以是由高热导率的陶瓷材料制成的。封装组件110的封闭端面103的内表面以及除了用作光入射端的侧面之外的其它侧面的内表面为镜面反射表面。例如，通过在各内表面上设置反射率为98％以上的镀银膜来实现这样的镜面反射表面。
荧光组件102设置在封装组件110内的空腔中。荧光组件102与入射光窗口104之间隔有空气间隙。荧光组件102是由复相荧光陶瓷材料构成的。因为在其内部具有较多的散射相，所以光束在荧光组件102内部传播时会被多次散射。复相荧光陶瓷材料可以是已知的任何合适的复相荧光陶瓷材料，例如YAG:Ce(或LuAG:Ce)和Al2O3构成的复合陶瓷。YAG:Ce和Al2O3的复相陶瓷是优选的，其蓝光吸收率在85％～95％之间。如图1中所示，荧光组件102被形成为薄片状，并且在沿着荧光组件的长度方向和厚度方向延伸的横截面具有阶梯结构，以使荧光组件102的面对着入射光窗口104的表面(在图1中为上表面)具有多级台阶，各级台阶均包括侧壁和顶面。因此，荧光组件102的厚度在从封闭端面103朝着光出射端的方向上阶梯式地递减。各级台阶的顶面之间的间距不小于30μm，即，各级台阶的侧壁的在荧光组件的厚度方向上的延伸距离不小于30μm。荧光组件102的长度小于封装组件110的长度。优选地，荧光组件102的最大长度不大于封装组件的长度的3/4。荧光组件102的沿厚度方向延伸的一个端面牢固地连接至封装组件110的封闭端面103的内表面。荧光组件102与封装组件110的连接方式可以是已知的低热阻的任何连接方式，例如焊接、高热导率粘接剂粘接等。因此，封闭端面103还具有增强荧光组件102的散热效果的作用。
在图1中，荧光组件102的与面对着入射光窗口104的表面相对的表面(在图1中为下表面)粘接有陶瓷热沉基板105。在此情况下，荧光组件102与陶瓷热沉基板105之间的粘接表面为具有98％以上的反射率的反射粘接表面。荧光组件102与陶瓷热沉基板105之间是低热阻接触，例如焊接、高热导率粘接剂粘接等。陶瓷热沉基板105的一个端面可以牢固地连接至封装组件110的封闭端面103的内表面。陶瓷热沉基板105的长度与封装组件110的长度相同。
位于荧光组件102的上侧的阶梯结构的侧壁的表面粘贴有镜面反射层或朗伯反射层106。这里，“朗伯反射(Lambertian reflectance)层”是指表面为朗伯面的反射层。因而，当入射幅照度一定时，从任何角度观察朗伯反射层的表面时，其反射亮度为一个常数。换言之，其表面的亮度是各向同性的且发光强度遵守朗伯余弦定律。例如，每个镜面反射层或朗伯反射层106的厚度优选为50μm。如图1中所示，除了最下方的一级台阶的侧壁外表面之外，其它各级台阶的侧壁外表面均设置有镜面反射层或朗伯反射层106。但应当理解，所有台阶的侧壁外表面均可以设置有镜面反射层或朗伯反射层106。例如，可以通过采用诸如喷涂或点胶机点涂等任何已知的适合的涂敷技术将镜面反射层或朗伯反射层106设置在荧光组件102的表面上。
图1中的101为通过入射光窗口104入射至荧光组件102的上表面的入射光(在此例中入射光也是激发光)。入射光的入射位置与荧光组件102的台阶结构的各级台阶表面的位置相对应。例如，入射光101可以是由均匀排布的蓝色激光发光阵列发出的。蓝色激光发光阵列可以通过多个蓝光激光二极管阵列密排实现，也可以通过将多颗蓝光激光二极管发出的光导入光纤，然后分别引导至各个入射光窗口。在图1中，入射至荧光组件102上表面的各级台阶表面的入射光101共用一个入射光窗口104。可替代地，也可以在封装组件110的一侧设置多个入射光窗口104，使得各入射光窗口104与荧光组件102的阶梯结构的各级台阶的顶面分别面对。根据入射光窗口104的透射性能和反射性能的设计需要，在入射光窗口104的表面设置有仅允许具有特定的波长和/或特定的入射角的光束透过的光学膜。例如，光学膜可以是二向色膜，其只能透过预定波长范围内的波长。或者，光学膜可以是角度选择滤光膜，其只能透过预定波长范围内的以预定范围的入射角入射的光束。例如，所述角度选择滤光膜可以是只能透过以-8.5°至+8.5°范围内的入射角入射的蓝光的角度选择蓝光透射膜。或者，可以是只能透过以-8.5°至+8.5°范围内的入射角入射的红光的角度选择红光透射膜。或者，可以是只能透过以-8.5°至+8.5°范围内的入射角入射的绿光的角度选择绿光透射膜。应当理解，上述入射角度的范围仅仅是示例，也可以是其它的角度范围。此外，根据设计需要，光学膜也可以是其它的仅允许特定的光束透过的光学膜。入射光透过光学膜入射至封装组件内部。
在根据本发明第一实施例的波长转换装置100工作时，从入射光源出射的入射光101透过位于封装组件110的上侧的入射光窗口104照射至荧光组件102的上表面。更确切地，入射光101照射至荧光组件102的上侧的各级台阶的顶面。入射光101在荧光组件102的表面光斑处形成一个发光中心。受激光以全角度从发光中心出射，其中一个2π方位角的受激光朝着荧光组件102外部出射，进入封装组件110的内部空腔；另外一个2π方位角的受激光朝着荧光组件102的内部出射。荧光组件102的厚度非常薄(为了清楚地显示，图1中的荧光组件102的厚度不是按比例图示的)，朝着荧光组件102的内部出射的受激光绝大部分被陶瓷热沉基板105与荧光组件102的粘接反射面和封闭端面103的内表面反射后从荧光组件102的上表面出射，也进入波长转换装置100的内部空腔。所有进入内部空腔的出射光在腔体内被封装组件110的高反射内表面和设置于荧光组件102上侧的台阶结构的侧壁上的镜面反射层或朗伯反射层106多次反射，在经过充分的合光和匀光之后，最终从封装组件110的开口端(图1中的右侧端面)出射。由于荧光组件102上侧的台阶结构的侧壁上设置有镜面反射层或朗伯反射层106，能够将照射在其上的光束大致向着波长转换装置100的光出射端的方向反射，即，使光束朝着图1中的右侧前进。因而，在消除入射激光的散斑缺陷的同时，还防止了光束逆向(图1中，朝着左侧)再次进入荧光组件102，减小了因多次反射带来的光损失，因而提高了出光效率。
因此，根据本发明第一实施例的波长转换装置100中的荧光陶瓷被固定封装，能够消除入射激光的散斑缺陷，还能够提高出光效率。
第二实施例
图2图示了根据本发明第二实施例的波长转换装置200。波长转换装置200包括封装组件210和荧光组件202，封装组件210具有封闭端面203。根据本发明第二实施例的波长转换装置200是上述波长转换装置100的变型，能够接受相对的双面激光的照射。在下面的说明中，将省略对波长转换装置200的与波长转换装置100大致相同的部件的说明。
波长转换装置200与波长转换装置100的区别在于：封装组件210的两个相对侧面分别设置有入射光窗口204，荧光组件202的上表面和下表面均被形成为阶梯结构，并且未设置有陶瓷热沉基板。如图2所示，封装组件210的两个入射光窗口204与荧光组件202的上表面和下表面之间分别隔有空气间隙。荧光组件202的上侧和下侧的阶梯结构的侧壁表面涂覆有镜面反射层或朗伯反射层206。入射光201从上下两侧分别入射至荧光组件202的上侧的各级台阶的顶面和下侧的各级台阶的顶面。所有在封装组件210的内部空腔中行进的光束被封装组件210的镜面反射表面和各镜面反射层或朗伯反射层206多次反射，在经过充分的合光和匀光之后，最终从封装组件210的开口端(图3中的右侧端面)出射。
根据本实施例的波长转换装置200除了能够获得第一实施例中所述的波长转换装置100的各种效果之外，由于能够接受双面激发光，所以还能够实现更高的发光亮度。
第三实施例
图3图示了根据本发明第三实施例的波长转换装置300。波长转换装置300的结构与第一实施例的波长转换装置100大致相同。波长转换装置300包括封装组件310和荧光组件302。封装组件310被形成为内部具有空腔的长方体。封装组件310具有封闭端面303，与封闭端面303相对的一端是开口的并且用作光出射端。封装组件310的沿长边方向延伸的一个表面(图3中为上表面)设置有入射光窗口304。荧光组件302的与入射光窗口304相面对的表面(图3中为上表面)被形成为具有多级台阶的阶梯结构，下表面粘接有陶瓷热沉基板305，荧光组件302和陶瓷热沉基板305的一个端面均牢固地连接至封装组件310的封闭端面303的内表面。荧光组件302的阶梯结构的各级台阶的侧壁设置有镜面反射层或朗伯反射层306。在下面的说明中，将省略对波长转换装置300的与第一实施例中的波长转换装置100大致相同的部件的说明。
本实施例的波长转换装置300与第一实施例的波长转换装置100的区别在于：荧光组件302的阶梯结构的各级台阶的侧壁被形成为弧面。侧壁的弧面形状可以根据需要任意设计。抛物柱面或抛物面的侧壁是优选的。另外，在各级台阶的侧壁上设置的是镜面反射层的情况下，如图3中所示，入射至各级台阶表面的各激发光束的入射位置(即，入射光斑)优选位于相应的镜面反射层306的弧面的焦点位置。这能够使从荧光组件302射出的大部分受激光经镜面反射层306反射后近似平行地朝向光出射端出射，从而减小了多次反射导致的光损失，并且增强了出射光斑质量。
根据本实施例的波长转换装置300除了能够获得第一实施例中所述的波长转换装置100的各种效果之外，还能够获得更好的出射光斑质量。
第四实施例
图4图示了根据本发明第四实施例的波长转换装置400。波长转换装置400包括封装组件410和荧光组件402，封装组件410具有封闭端面403。根据本发明第四实施例的波长转换装置400是上述波长转换装置200和波长转换装置300的组合。在下面的说明中，将省略对波长转换装置400的与波长转换装置300大致相同的部件的说明。
本实施例的波长转换装置400与第三实施例中的波长转换装置300的区别在于：封装组件410的两个相对侧面均用作光入射端并且均设置有入射光窗口404，荧光组件402的上下表面均被形成为台阶结构，并且未设置有陶瓷热沉基板。如图4所示，封装组件410的两个入射光窗口404与荧光组件402的上表面和下表面之间分别隔有空气间隙。荧光组件402的上侧和下侧的阶梯结构的各级台阶的侧壁设置有镜面反射层或朗伯反射层406。入射光401从上下两侧分别入射至荧光组件402的上侧的各级台阶的顶面和下侧的各级台阶的顶面。另外，在各级台阶的弧形侧壁上设置的是镜面反射层406的情况下，入射至各级台阶表面的各激发光束的入射光斑优选位于相应的镜面反射层406的弧面的焦点位置。这能够使从荧光组件402射出的大部分受激光经镜面反射层406反射后近似平行地朝向光出射端出射，从而减小了多次反射导致的光损失，并且增强了出射光斑质量。
因此，根据本实施例的波长转换装置400能够获得上述第二实施例和第三实施例的效果。
应当理解，上述第一实施例至第四实施例中的说明仅是示例性的而非限制性的。例如，可以根据需要选择入射激光的颜色、对应的透射膜类型以及荧光陶瓷材料的组合方案。例如，陶瓷热沉基板可以被形成为封装组件的一部分，也可以是单独的陶瓷热沉基板。
本发明还能够提供一种激光荧光转换型光源。根据本发明的激光荧光转换型光源至少包括激光光源和波长转换装置。波长转换装置可以是如上所述的任意波长转换装置。激光光源发出的激光从波长转换装置的一侧或两侧透过光学膜入射至波长转换装置内的荧光组件的多级台阶的顶面。入射的激光在波长转换装置内经过波长转换和多次反射，合光成期望的出射光，然后从波长转换装置的光出射端出射。
尽管在上面已经参照附图说明了根据本发明的波长转换装置和激光荧光转换型光源，但是本发明不限于此，且本领域技术人员应理解，在不偏离本发明随附权利要求书限定的实质或范围的情况下，可以做出各种改变、组合、次组合以及变型。

Claims (13)

1.一种波长转换装置，所述波长转换装置包括封装组件和荧光组件，所述荧光组件含有荧光材料并且能够将入射光转换成不同波长的出射光，其特征在于，
所述封装组件被形成为长方体状且具有四个侧面和一个封闭端面，所述封装组件的与所述封闭端面相对的另一端是开口，并用作光出射端，所述封装组件的所述四个侧面之中的一个侧面或两个相对侧面用作光入射端并且形成有用于透过所述入射光的入射光窗口，所述入射光窗口的表面设置有允许特定波长和/或入射角的光束透过的光学膜，并且所述封闭端面的内表面和所述四个侧面之中的除了用作所述光入射端的侧面之外的其它侧面的内表面为反射表面；
所述荧光组件设置在所述封装组件内部的空腔中，所述荧光组件被形成为薄片状且一端被牢固地连接至所述封闭端面，所述荧光组件与所述入射光窗口之间具有空气间隙；并且
所述荧光组件的与所述入射光窗口相对的表面被形成为具有多级台阶的阶梯结构，所述荧光组件的厚度沿着从所述封闭端面至所述光出射端的方向上阶梯式地递减，并且在所述阶梯结构的至少部分台阶的侧壁设置有朗伯反射层或镜面反射层。
2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述荧光组件是由复相荧光陶瓷构成的。
3.根据权利要求2所述的波长转换装置，其特征在于，构成所述荧光组件的荧光陶瓷是YAG:Ce和Al2O3的复相陶瓷。
4.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述光学膜是只能透过以-8.5°至+8.5°范围内的入射角入射的光束的角度选择透射膜。
5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述多级台阶的各级台阶的顶面间的间距不小于30μm。
6.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述朗伯反射层或所述镜面反射层的厚度为50μm。
7.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述荧光组件的长度不大于所述封装组件的长度的3/4。
8.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述封装组件的所述四个侧面之中只有一个侧面用作所述光入射端，所述荧光组件的背对着所述光入射端的表面粘接有陶瓷热沉基板，所述陶瓷热沉基板与所述荧光组件之间的粘接表面为反射表面。
9.根据权利要求8所述的波长转换装置，其特征在于，所述陶瓷热沉基板的长度与所述封装组件的长度相同。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述阶梯结构的各级台阶的侧壁被形成为弧面。
11.根据权利要求10所述的波长转换装置，其特征在于，所述侧壁被形成为抛物柱面或抛物面。
12.根据权利要求10所述的波长转换装置，其特征在于，在所述阶梯结构的至少部分台阶的侧壁设置有所述镜面反射层的情况下，所述入射光在所述台阶结构的各级台阶的顶面上的入射位置位于相应的所述镜面反射层的弧面的焦点位置。
13.一种激光荧光转换型光源，其特征在于，所述激光荧光转换型光源包括激光装置和如权利要求1～12中任一项所述的波长转换装置，所述激光装置用作所述波长转换装置的入射光源，所述激光装置发出的激光光束能够透过所述光入射端的所述光学膜照射至所述荧光组件的所述阶梯结构的各级台阶的顶面。
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