CN109488934A - 基于非转动波长转换材料的照明光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非转动波长转换体的照明光源，发光模块由激发体阵列构成的激发光发射单元，波长转换体配置于激发光发射单元光束的传递路径上，所述波长转换体非转动设置，所述波长转换体由波长转换材料支撑体和位于支撑体上的波长转换材料层构成，光束通过波长转换材料层转换为波长转换光束，经波长转换体透射或反射射出，经整形和匀光处理后射出；所述激发光发射单元由时序电路控制，控制单元通过时序电路可有序控制所述激发光发射单元中每激发体的打开和关闭。本发明采用先激发后合光的非转动波长转换体的结构，大大降低了照明光源的工作温度，解决了高能激发光束激发波长转换材料产生新波长光束时，容易烧毁波长转换体的弊病。
Description
技术领域
本发明涉及照明显示领域，尤其涉及一种非转动波长转换材料的照明光源。
背景技术
荧光是通过波长转换装置上涂覆荧光粉，以激发光束照射并激发荧光粉产生相对应颜色的荧光。比如，用蓝色激光激发绿色和红色荧光粉来产生三基色光，其中绿色荧光粉和红色荧光轮是涂覆在旋转的波长转换装置上，通常为荧光轮结构，通过旋转按照时序依次输出三基色光。或者红蓝双色激光光源，激发荧光轮上的绿色荧光粉产生绿色荧光形成三基色光。
目前，主流的波长转换装置为荧光轮，该荧光轮呈圆盘状，包括荧光区和透射区，荧光激发需要较小的光斑，通常将荧光区和透射区设置在荧光轮的外圆周区域。荧光区设置有荧光粉，用于受激发光激励，激发发出荧光。透射区不设置荧光粉，通常为透明玻璃材质构成，用于为激光的传输提供独立的通道，使得在激光光源在荧光轮旋转时序中的非荧光激发时间段通过该位置进行透射。现行高亮度的需求，要求使用高能量的光束的光源，但高能量光束将导致萤光粉因温度升高而使光学效率降低并造成腔体内的温度因而上升。通过转动的荧光轮，既避免了高能量的光束集中于同一荧光点照射，又能使热量不断的扩散。荧光轮系由萤光粉及转盘所组成，通过马达驱动旋转转盘，使得涂布于转盘上的萤光粉受光面积不断变化。但是，荧光轮的萤光粉在转动时可能会沾附灰尘而导致其光学效率降低。因此，从理论上讲， 荧光轮应该被设置在一密闭的腔体内，以避免灰尘的进入。由于荧光轮的体积及满足散热的要求，使用荧光轮的照明光源，未能实现完全封闭。这种采用激发荧光轮产生光源的结构，由于受荧光轮直径的限制，激发产生的照度受到限制。另外，荧光轮高速旋转，产生振动，影响系统的稳定性。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本专利采用先激发后合光的非转动波长转换体的结构，大大降低了照明光源的工作温度，解决了高能激发光束激发波长转换材料产生新波长光束时，容易烧毁波长转换体的弊病，同时，将荧光轮的机械转动变为时序控制激发光源产生激发光的电子开关，整个结构取消了转动的荧光轮，解决了荧光轮在高速转动时的动平衡不稳定问题，能实现照明光源的完全密封封装，同时效率大大提高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案：该基于非转动波长转换体的照明光源，具有发光模块，其特征在于：所述发光模块由激发体阵列构成的激发光发射单元，波长转换体配置于激发光发射单元光束的传递路径上，所述波长转换体非转动设置，所述波长转换体由波长转换材料支撑体和位于支撑体上的波长转换材料层构成，光束通过波长转换材料层转换为波长转换光束，经波长转换体透射或反射射出，射出的波长转换光束经整形和匀光处理后，射出亮度均匀的光线；所述波长转换材料层为单一波长转换材料层或多波长转换材料层，所述单一波长转换材料层对应输出单一波长的光束，所述多波长转换材料层对应输出多个波长的光束，所述多波长转换材料层分区域或交错位于波长转换材料支撑体上，所述激发光发射单元由时序电路控制，控制单元通过时序电路可有序控制所述激发光发射单元中每激发体的打开和关闭。
进一步的，所述阵列激发光发射单元由若干个，所述波长转换材料层为多个，其个数分别与阵列激发光发射单元对应或少于阵列激发光发射单元的个数。
进一步的，每个激发光发光单元的激发光种类为红外、紫外、发光二极体（lightemitting diode）或镭射光源（laser source）。
进一步的，所述发光模块和波长转换体封装于一密闭的腔体内。
进一步的，所述腔体为一具高热传导率的材料，将腔体内的高温透过热交换而传导出腔体外部。
进一步的，所述腔体配合有降温结构，降温结构为半导体制冷、水冷或风冷。
进一步的，所述匀光单元的传递路径上设有光电传感器，光电传感器检测到信号反馈至控制单元，控制单元判断经匀光处理的光线是否达到预先的设定值，如发生偏差，控制单元 通过时序电路实时动态调整阵列的激发光发射单元的强度变化，使经过合光系统和匀光系统的亮度值趋于预设值。
进一步的，在激发光发射单元与波长转换体之间，设置光导光纤，光导光纤一端接激发光发射单元出光处，另一端将激发光导入至波长转换体。
进一步的，所述激发光发射单元和波长转换体分别封装密闭。
进一步的，波长转换材料层射出的波长转换光束或激发光发射单元射出的光束与波长转换光束通过合光单元后，统一进入匀光单元，匀光后输出，或分别进入匀光单元，匀光后单独输出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、用非转动的波长转换体取代了高速旋转的荧光轮，省去了马达，消除了采用荧光轮高速旋转而引起的机械振动，解决了荧光轮尺寸的限制。
2、采用阵列的激发光源激发波长转换体，与现有的集中激发光源能量不同，每一个激发光源能量相对较低，避免了传统荧光轮方案中，激发光源汇聚于一点，照射到荧光轮上，因为激发光源能量过高，导致荧光粉高温时化学稳定性低，容易产生析出物，造成荧光的转换效率降低，甚至烧毁色轮。
3、在激发光从激发光发射单元出来后，在激发波长转换体的光路中，距离可远可近，距离近时，对齐直接入射即可，距离远时，可采用光纤，让其在光纤中传播，避免了传播过程中灰尘影响，并且光纤具有良好的稳定的导光性能，大大减少了光束在传播过程的衰减，布置方便。
4. 在激发光从激发光发射单元出来后，采用先激发再合光的光路设计，而非传统的先合光再激发荧光粉的方法，解决了由于激发光亮度过高，散热问题后，照明光源可以全密封结构，完全避免灰尘的影响。
5、激发不同波长转换材料层的多个激发光发射单元不同时工作，在一个工作周期内交替工作，提高了激光利用率，避免浪费。
6、采用多个阵列的激发光源激发多个波长转换体结构，根据亮度的要求，可实现超高亮度的照明。
7、色偏实时动态调整。光电传感器检测匀光后的光束的光强度变化，由控制单元将该电学信号的信号值与预先设定的信号参考值进行比较，当该电学信号的信号值偏离该信号参考值时，控制单元改变光源组件的发射单元的强度变化，以使经过合光系统和匀光系统的亮度值趋于预设值。避免光源系统产生的色偏问题。发现偏差时，通过控制单元，时序控制激发光发射单元，进行实时动态调整。
8、与传统采用先合光再激发的荧光轮光路结构不同，本发明采用先激发后合光的非转动波长转换体的结构，解决了依靠激发方式产生照明光源的亮度限制，便于模块化生产高亮度的照明光源。
附图说明
图1为透射式合成输出光源；
图2为反射式合成输出光源；
图3为透射式单独输出光源；
图4为反射式单独输出光源；
图5为激发光发射单元光束与R、G波长转换光束进行合光、匀光的光源；
图6为激发光发射单元光束与R、G、K波长转换光束进行合光、匀光的光源；
图7为两个激发光发射单元光束与G波长转换光束进行合光、匀光的光源；
图8为激发光发射单元与波长转换材料层布置的结构示意图；
图9为波长转换材料层布置的结构示意图；
图10为阵列的激发光源的布置结构示意图；
图11为本发明应用于投影镜头的结构示意图。
具体实施方式
有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合附图之一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方 向用语，例如 ：上、下、左、右、 前或后等，仅是附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
如图 1、2、3、4 所示，激发光发射光源 包含发光模块10、波长转换体 20、合光装置30、匀光单元40、光电传感器 50 以及控制单元 60。发光模块10中含有若干激发光发射单元，发射出的光束 可经由波长转换体20、经过合光装置30进入匀光单元40，经匀光处理后，射出亮度均匀的光线，同时，光电传感器50检测，经匀光处理的光线是否达到预先的设定值，如发生偏差，控制单元60 进行控制调节处理。
波长转换体 20配置于光束 10a的传递路径上，用以将光束 10a转换为波长转换光束，还可使得光束 10a 及波长转换光束20a，通过合光装置30，混合而形成混合光束30a。也就是说，发光单元 10发出的光束 10a，经由波长转换体 20 改变其光波长，而形成其他颜色的光束。然而，关于波长转换体20进一步的结构特征，将于图 6 ～ 9 进行相关叙述。另外，为避免波长转换体20 沾附灰尘而导致其光学效率降低，用以将波长转换体20与发光模块10封装于一密闭的腔体内。进一步地叙述，腔体可为一具高热传导率的材料，藉以将腔体内的高温透过热交换而传导出盖体外部，所述腔体配合有降温结构，降温结构为半导体制冷、水冷或风冷。举例来说，腔体可为一金属材质，但不以此为限。应了解到，本实施例所述的波长转换体20上波长转换装置的数量以及所设置的位置仅为例示，而非用以限制本发明。
所述波长转换体包含波长转换材料支撑体和波长转换材料层，波长转换材料层附着于波长转换材料支撑体上，波长转换材料包含但不仅限于，荧光粉纳米材料，还有其它受到激发而产生新波长的材料。 的波长转换材料涂层或夹层，
所述波长转换材料支撑体的形状厚度不做限制，本示例中，波长转换体做成方形片状。波长转换材料层附着于波长转换材料支撑体上，附着方式可以喷涂，可以将波长转换材料做成夹层，或其它方式。分布方式，可以是分区域，可以交错分布、或整片分布，满足系统散热要求即可。
发光模块 10，用以发射光束 10a，由若干激发光发射单元组成，第一激发光发射单元101，第二激发光发射单元102，第三激发光发射单元103，等等。每个激发光发光单元的激发光种类可以相同也可以不同，在本实施例中，可为红外、紫外、发光二极体（lightemitting diode）或镭射光源（laser source），但不以此为限。激发光发射单元的组数，即有几组激发光发射单元，由使用的激发光源的种类，和要求光源的出光颜色种类决定，同时，要结合波长转换材料的种类与波长转换材料支撑体的摆放位置。具体的：
（1）要求用蓝色激光激发红、绿、蓝三色光。激发光发射单元就分为三组，如图3所示。第一激光发射单元101，第二激发光发射单元102，第三激发光发射单元103。均为蓝色激光二极管阵列，其中，红色波长转换材料层201，配置于第二激发发射单元的光束 102a的传递路径上，绿色波长转换材料层202，配置于第三激发发射单元的光束 103a的传递路径上。
（2）要求用蓝色激光激发红、绿、蓝、黄色四色光，如图4所示，激发光发射单元就分为四组，前三组与上边类似，需要增加第四激发光光发射单元，黄色波长转换材料层，配置于第四激发发射单元的光束的传递路径上。
（3）要求用蓝色激光、红色激光激发产生红、绿、蓝三色光，激发光发射单元就分为三组，第一激光发射单元为蓝色激发光，第二激光发射单元为蓝色激发光，第三激光发射单元红色激发光，如图5所示。第一激光发射单元，不通过波长转换材料层，直接进入合光单元；第二激发光发射单元，发出蓝色激发光，通过绿色波长转换材料层，通过配置于第二激发发射单元的光束的传递路径上，形成绿光，通过后进入合光系统；第三激发光发射单元，不通过波长转换材料层，直接进入合光单元，形成红绿蓝三色光源。
具体的，每个发光单元含有发射体的数目，由其总的发光强度照射到波长转换材料层后，以波长转换体上的波长转换材料不被烧毁，不影响其正常工作为限。上述所说的，第一激光发射单元，第二激光发射单元，第三激光发射单元，第四激光发射单元，是从逻辑上进行区分的，每个激发光发射单元的激发体，位置上可能交错分布，这是出于散热的考虑，
如图1、2所示，所述波长转换体20，根据光路需要的不同，分为反射式波长转换体和透射式波长转换体，主要特点为波长转化体20的波长转换材料支撑体201为透射型支撑体，还是反射体。参照图 6、7、8、 9，图8为本发明实施例的一种波长转换体20 的视图。波长转换体20 包含波长转换材料支撑体201以及波长转换材料层202，其中波长转换层202附着于波长转换材料支撑体201上。根据需要波长转换层有第一波长转换物质202a，第二波长转换物质202b，第三波长转换物质202c,具体几种波长转换层，根据需要设定。图9 系绘示依照本发明实施例，一种蓝色激发光激发红绿波长转换材料，产生三色光的波长转换体20的主视图。第一波长转换物质为红色波长转换材料，第二波长转换层为绿色波长转换材料。
所述波长转换体，波长转换材料由无机材料和/或有机材料混合并固化或固定形成。透射式波长转换体为在透明材质上涂覆有波长转换材料，可以透射激发光激励光源。反射型波长转换体中的底片可为一金属片或其他高热传导率之材料，也可为不锈钢、铝、铜或陶瓷、石墨但不以此为限。波长转换体的正面形成涂布区（波长转换层）及非涂布区，其中涂布区系用以供光波长转换层设置于其上。另外，同时参照图 1 图2可知，距离较近时，波长转换层面对发光单元，但不以此为限。在其他实施例中，发光单元与波长转换体之间可以具有许多光学元件以改变光束的行进路径，使得波长转换材料可不需正面对发光模块。在激发光发射单元与波长转换体之间，设置光导光纤，光导光纤一端接激发光发射单元出光处，另一端将激发光导入至波长转换体。在由光纤导光时，所述激发光发射单元和波长转换体可实现分别封装密闭。
采用反射式波长转换体时，激发光发射单元发出激发光，以一定角度入射到反射式波长转换体的波长转换材料区域时，该入射角度小于90度，可选择30度、45度、60度，选择不同入射角得到不同的波长转换激发效率，波长转换材料区辐射出新的波长光束，合光单元用于将波长转换体发出的新波长光束进行聚焦，聚焦后的新波长光束进入匀光单元；
波长转换材料的分布不限于一种颜色，也不限于一定的排列方式，与光源的配色和排布有关。波长转换体上波长转换的涂布可以为圆形、方形、多边形、不规则形，以与激发光发射单元配合，且有利于散热为宜，具体实例见图 8、9、10。本发明实施例仅示例性的说明波长转换支撑体上波长转换材料层的排列方式。
光电传感器50检测通过匀光装置后，光束的光强度变化，控制单元60接收传感器50生成的电学信号，并将该电学信号的信号值与预先设定的信号参考值进行比较，当该电学信号的信号值偏离该信号参考值时，控制单元60改变光源组件10的发射单元的强度变化，以使经过合光系统和匀光系统的亮度值趋于预设值。避免光源系统产生的色偏问题。发现偏差时，通过控制单元60，时序控制激发光发射单元，进行实时动态调整。
图11为本发明应用于投影照明系统的工作原理示意图，该照明光学系统包含发光模块10、波长转换体 20、合光装置30、匀光装置40、光电传感器50，控制单元60，光阀 70 以及投影镜头 80。发光模块10中含有若干激发光发射单元，发射出的光束 可经由波长转换体20、经过合光装置30进入匀光装置40，光阀 70 配置于混合光束的传递路径上，在光束经由波长转换体20，合光装置30而形成混合光束后，混合光束可通过匀光装置40，光阀 70 而调变为一影像光束。影像光束可在通过配置于影像光束的传递路径上的投影镜头80后，投影至一屏幕上。使得使用者看见多种颜色合成的影像画面。
另外，在本实施例中，发光模块 10与光阀 50之间的光传递路径上还可 以配置其他光学元件。举例来说，这些光学元件例如是透镜与反射镜或其他光学元件，作为传递光束或混合光束之用，但不以此为限。同时，投影镜头 80内同样地可设置其他 光学元件于内，但不以此为限。
系统的匀光装置可采用复眼透镜或光棒，当匀光系统采用光棒时，由于光棒要求入射光线具有一定的入射角，大于光棒入射角度的光束将无法进入光棒，从而造成光损，所以为了提高光源入射光棒的效率，在合光光束进入光棒之前会经过聚焦，缩小光束的角度，以使得尽可能多的光能进入光棒导光装置，为后面的光机部件提供高亮度的照明。
在具体实施中，考虑到显示系统白平衡和光源亮度要求，对比传统的荧光色轮，采用波长转换体的照明光源优势更加明显。在实施例1中，在一个周期内，红光，蓝光和绿光分别具有一定的点亮周期时间。以显示频率为 120HZ 为例，一个周期为 T=8.3ms，这是荧光轮旋转一周所需的时间，也是整组激光光源顺序点亮的一个时间周期。在T=8.3ms时间段内，控制单元控制蓝色激光器的点亮时间约占整个周期 100% 的时间，在蓝色激光器点亮的这段时间内，其中 50%T 的时间用于激发绿色荧光，30%T 的时间用于激发红色荧光，剩余 20%T 的时间用于透射出去，以及控制单元控制红色激光器的点亮时间约占整个周期30% 的时间，对应地，荧光轮上红色波长转换材料，蓝色波长转换材料区，绿色波长转换材料区域所占的圆心角度比例约为30%，20%，50%。如果需要连续产生有效工作时间为3秒的红色光源时。用传统的荧光轮技术，蓝色激光在整个时段内需要全部点亮，通过色轮的旋转产生红色，绿色、蓝色，然后滤掉绿色和蓝色。其实，产生红色，每秒激发单元的有效工作时间为0.3秒。需要10秒的时间，才能产生连续有效工作时间为3秒的红色光源时。但是采用本系统，产生红色，只需要在此2秒内，将红色波长转换体对应的蓝色二极管点亮，直接激发产生即可，其它激发单元不用工作。大大提高了光源的使用寿命，而且不会使人产生由于色轮旋转导致的眩晕感。
所述匀光单元处理射出亮度均匀的光线照射光阀 ，经光阀调变为影像光束，影像光束通过配置于影像光束的传递路径上的投影镜头，投影至屏幕上。
Claims (10)
1.一种基于非转动波长转换体的照明光源，具有发光模块，其特征在于：所述发光模块由激发体阵列构成的激发光发射单元，波长转换体配置于激发光发射单元光束的传递路径上，所述波长转换体非转动设置，所述波长转换体由波长转换材料支撑体和位于支撑体上的波长转换材料层构成，光束通过波长转换材料层转换为波长转换光束，经波长转换体透射或反射射出，射出的波长转换光束经整形和匀光处理后，射出亮度均匀的光线；所述波长转换材料层为单一波长转换材料层或多波长转换材料层，所述单一波长转换材料层对应输出单一波长的光束，所述多波长转换材料层对应输出多个波长的光束，所述多波长转换材料层分区域或交错位于波长转换材料支撑体上，所述激发光发射单元由时序电路控制，控制单元通过时序电路可有序控制所述激发光发射单元中每激发体的打开和关闭。
2.根据权利要求1所述的基于固定波长转换体的照明光源，其特征在于：所述阵列激发光发射单元由若干个，所述波长转换材料层为多个，其个数分别与阵列激发光发射单元对应或少于阵列激发光发射单元的个数。
3.根据权利要求1所述的基于固定波长转换体的照明光源，其特征在于：每个激发光发光单元的激发光种类为红外、紫外、发光二极体（light emitting diode）或镭射光源（laser source）。
4.根据权利要求1所述的基于固定波长转换体的照明光源，其特征在于：所述发光模块和波长转换体封装于一密闭的腔体内。
5.根据权利要求5所述的基于固定波长转换体的照明光源，其特征在于：所述腔体为一具高热传导率的材料，将腔体内的高温透过热交换而传导出腔体外部。
6.根据权利要求5所述的基于固定波长转换体的照明光源，其特征在于：所述腔体配合有降温结构，降温结构为半导体制冷、水冷或风冷。
7.根据权利要求1所述的基于固定波长转换体的照明光源，其特征在于：所述匀光单元的传递路径上设有光电传感器，光电传感器检测到信号反馈至控制单元，控制单元判断经匀光处理的光线是否达到预先的设定值，如发生偏差，控制单元 通过时序电路实时动态调整阵列的激发光发射单元的强度变化，使经过合光系统和匀光系统的亮度值趋于预设值。
8.根据权利要求1所述的基于固定波长转换体的照明光源，其特征在于：在激发光发射单元与波长转换体之间，设置光导光纤，光导光纤一端接激发光发射单元出光处，另一端将激发光导入至波长转换体。
9.根据权利要求1所述的基于固定波长转换体的照明光源，其特征在于：所述激发光发射单元和波长转换体分别封装密闭。
10.根据权利要求1所述的基于固定波长转换体的照明光源，其特征在于：波长转换材料层射出的波长转换光束或激发光发射单元射出的光束与波长转换光束通过合光单元后，统一进入匀光单元，匀光后输出，或分别进入匀光单元，匀光后单独输出。
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