CN109838703A - 波长转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波长转换装置，包括：底板；至少两个波长转换模块，所述波长转换模块包括从所述底板依次层叠的基板、漫反射层和发光层，其用于将激发光转换为出射光，所述出射光的波长不同于所述激发光的波长；以及其中，所述至少两个波长转换模块拼装在所述底板的一侧表面上，其中，所述波长转换模块的光转换效率越低，该波长转换模块中的发光层的厚度和漫反射层的厚度越小，而且，各所述波长转换模块的发光层的发光面位于同一平面中。该波长转换装置能够在保证光在其表面的入射光斑大小一致的情况下，使各模块具有各自较佳的性能。

Description

波长转换装置

技术领域

本发明涉及照明和显示领域，特别是涉及一种波长转换装置。

背景技术

在当前的显示领域中，对所显示的亮度要求越来越高，因此，传统的灯泡和LED技术已经无法满足对于高亮度光源的要求了。在此情况下，激光光源技术是最有希望也最有发展潜力的技术研究方向。

在激光光源的技术领域中，通常采用激发光远程照射旋转的荧光色轮的技术。在该技术中，将激发光源发出的蓝色激光汇聚并聚焦到一个表面含有荧光粉的转盘上，从而激发荧光粉材料发光。该转盘在电动机的驱动下高速旋转，因此，含有荧光粉并受到激光激发的区域不断改变，避免了同一区域的热量积累导致的光光转换效率下降。

图1是说明激光光源的收集透镜和光斑聚焦的示意图。在激光光源中，经过处理的蓝色激光从收集透镜出射，在收集透镜的焦点处汇聚，此处为图1所示的光斑焦点位置。当波长转换装置(即荧光色轮)的表面处于此焦点位置时，照射到该波长转换装置表面的光斑最小。该波长转换装置被激光激发时，由于发光中心就在收集透镜的焦点上，因此发出的光可以被有效地收集。

图2是说明色轮表面所处平面与光斑聚焦的关系的示意图。如图2所示，黑色实线为光斑聚焦平面，色轮的发光层表面应该处于此位置，以便获得最佳效果。如果色轮表面或表面的一部分处于虚线的位置，那么照射到色轮表面发光层的激光光斑就会比实际设计的光斑要大，产生离焦现象，导致受激光的光学扩展量变大，进而会导致色轮发出的光无法被收集透镜有效地收集，从而导致降低亮度表现。一般来说，在精密设计的激光光源中，光斑汇聚点在偏离焦点平面50-100μm时就会产生明显的离焦。

针对光源的设计会根据DMD(digital micromirror device，数字微镜芯片)光机的类型不同而选择不同的色轮样式，例如，3DMD光机一般会匹配单色色轮，而单DMD光机则一般采用具有多种颜色段的色轮的方案。

对于多种颜色段的色轮，如上分析，只有使各个颜色段的表面都处于收集透镜的焦平面上，才可能保证各个颜色段的发光都能有较好的光收集效率。然而，由于各个颜色段的发光材料不同、制备工艺不同，如果采用相同的层结构设置，难以发挥各个颜色段的最佳性能。

发明内容

针对上述问题，本发明期望提供一种在性能设计上有针对性从而具有高性能的多色段色轮的波长转换装置。

本发明提供了一种具有模块化结构的高性能多色段色轮作为波长转换装置，每一种色段作为一个单独的模块进行单独制备，最后将各色段拼接组合在一个底板之上。由此获得的模块化拼接色轮可用于超高亮度的单DMD激光光源中，也可以扩展应用到其他应用场景的光源。

本发明提供了一种波长转换装置包括：底板；和至少两个波长转换模块，所述波长转换模块包括从所述底板依次层叠的基板、漫反射层和发光层，并用于将激发光转换为出射光，所述出射光的波长不同于所述激发光的波长；其中，所述至少两个波长转换模块拼装在所述底板的一侧表面上，其中，所述波长转换模块的光转换效率越低，该波长转换模块中的发光层的厚度和漫反射层的厚度越小，而且，各所述波长转换模块的发光层的发光面位于同一平面中。

在一个实施方式中，还包括用于反射所述激发光的至少一个光反射模块，所述光反射模块包括从所述底板依次层叠的基板和漫反射层，所述至少两个波长转换模块和所述至少一个光反射模块拼装在所述底板的一侧表面上，所述光反射模块的漫反射层的反射面与所述波长转换模块的发光层的发光面位于同一平面中。

在一个实施方式中，所述波长转换模块中的所述漫反射层和所述发光层与所述光反射模块中的所述漫反射层都包含玻璃粉，所述玻璃粉的热膨胀系数越高，对应模块的所述基板的热膨胀系数越高。

在一个实施方式中，在所述波长转换模块与所述光反射模块中，至少两个模块的基板厚度不同。该技术方案可以通过设置不同模块不同的基板厚度，实现各波长转换模块的发光面和光反射模块的反射面位于同一平面中。

在一个实施方式中，当所述波长转换模块和所述光反射模块中的粘结剂为玻璃粉时，该模块中的所述基板为陶瓷基板或单晶基板；当所述波长转换模块和所述光反射模块中的粘结剂为硅胶或树脂材料时，该模块中的所述基板为金属基板。

在一个实施方式中，所述波长转换模块中的所述基板和所述光反射模块中的所述基板的材质彼此不同；或者所述波长转换模块的所述基板与所述光反射模块的所述基板中的至少两个所述基板的材质相同。

在一个实施方式中，所述底板包括凹槽，所述波长转换模块在厚度方向上的至少一部分嵌入到所述凹槽中，其中，所述波长转换模块的光转换效率越低，该波长转换模块所在的凹槽的深度越浅。

在一个实施方式中，所述波长转换模块包括红色段模块、绿色段模块和黄色段模块，其中，在所述绿色段模块中，所述发光层的厚度为150-220μm，所述反射层的厚度为30-200μm；在所述红色段模块中，所述发光层的厚度为100-250μm，所述反射层的厚度为30-200μm；在所述黄色段模块中，所述发光层的厚度为100-250μm，所述反射层的厚度为30-200μm。

在一个实施方式中，所述波长转换模块包括红色段模块、绿色段模块和黄色段模块，其中，在所述绿色段模块中，所述发光层的厚度为150-220μm，所述反射层的厚度为30-200μm；在所述红色段模块中，所述发光层的厚度为100-250μm，所述反射层的厚度为30-200μm；在所述黄色段模块中，所述发光层的厚度为100-250μm，所述反射层的厚度为30-200μm；在所述光反射模块中，所述反射层的厚度为100-200μm。

在一个实施方式中，在所述绿色段模块中，在所述绿色段模块中，所述发光层的厚度为200～220μm，所述漫反射层的厚度为80～100μm；在所述黄色段模块中，所述发光层的厚度为140～160μm，所述漫反射层的厚度为60～80μm；在所述红色段模块中，所述发光层的厚度为110～130μm，所述漫反射层的厚度为50～60μm；在所述光反射模块中，所述漫反射层的厚度为120～160μm。

在一个实施方式中，在所述绿色段模块中，所述发光层中包含的荧光粉为具有粒径范围为15～25μm的LuAG荧光粉。

在一个实施方式中，在所述黄色段模块中，所述发光层中包含的荧光粉为粒径范围为10～25μm的YAG或LuAG荧光粉。

在一个实施方式中，在所述红色段模块中，所述发光层中包含的荧光粉为与所述黄色段模块中的荧光粉同一类型的荧光粉。

在一个实施方式中，在所述光反射模块中，在所述光反射模块中，所述漫反射层中包含氧化铝和玻璃粉，其中，所述氧化铝的粒径小于所述玻璃粉的粒径，所述氧化铝与所述玻璃粉的质量比为3:1～5:1。

本发明具有以下有益效果，本发明通过将至少两个波长转换模块设置在底板的一侧表面上，使得各波长转换模块在满足发光面位于同一平面的前提下，各波长转换模块满足“光转换效率越低，该波长转换模块的发光层厚度和漫反射层厚度越小”的规则，从而使得光转换效率低、产热多的波长转换模块的传热路径更短，热量更快的发散，避免了热量累积，从而能够保证各波长转换模块的光转换效率处于一个较佳的水平，提高了波长转换装置整体的效率。

此外，通过使得各波长转换区段模块化设计，能够使良品率提高。

应当理解，本发明的有益效果不限于上述效果，而可以是本文中说明的任何有益效果。

附图说明

图1是说明激光光源的收集透镜和光斑聚焦的示意图；

图2是说明色轮表面所处平面与光斑聚焦的关系的示意图；

图3是示出了根据本发明实施例1的波长转换装置的结构示意图；

图4是示出了根据本发明实施例1的波长转换装置的各模块分解结构示意图；

图5是示出了根据本发明实施例1的波长转换装置的各模块拼接后获得的结构示意图。

图6是示出了根据本发明中波长转换装置的底板正面的结构示意图；

图7是示出了底板的表面上环状的凹槽的俯视图；

图8是示出了根据本发明中波长转换装置的底板背面的结构示意图。

图9是示出了本发明实施例2中波长转换装置的俯视图。

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。例如，应当理解，图示中的各层结构中各层的尺寸、厚度、厚度比例以及角度并不是按照实际的尺寸和比例示出的，仅是为了图示方便。此外，本发明实施例中各模块的组合及颜色仅用于说明本发明的精神，而不是用于限定本发明的具体范围。本领域技术人员可以根据本领域中的常识而想到可以替代各模块组合及颜色的其他替代实施例。

本发明的波长转换装置，包括底板和多个拼装在底板的一侧表面上的光功能模块，其中，各光功能模块的出光面位于同一平面中。下面一一介绍各部分。

<光功能模块>

光功能模块为波长转换装置中包含的对入射光产生作用的模块。在本发明中，光功能模块包括波长转换模块和光反射模块。

波长转换模块包括从底板依次层叠的基板、漫反射层和发光层，用于将入射的激发光转换为出射光，其中出射光的波长不同于激发光的波长。

光反射模块包括从底板依次层叠的基板和漫反射层，用于将入射的激发光反射。

<波长转换模块>

在波长转换模块中，发光层为将激发光转换为出射光的层；漫反射层用于将入射到该漫反射层的激发光和出射光反射，使得光从发光层出射；基板承载漫反射层和发光层，基板的作用通常为散热，用于扩散发光层产生的热量。在一些实施方式中，基板还可以充当部分反射功能。

<发光层>

发光层包含发光材料和粘结剂。其中发光材料包括荧光粉、量子点等，用于吸收具有一定波长的光，然后出射另一种波长的光；粘结剂可以包括硅胶、树脂等有机粘结剂，还可以包括玻璃等无机粘结剂，还可以包括透明陶瓷粘结剂。发光层还可以为荧光陶瓷。

发光层的波长转换功能导致其本身会产生热量，而且无论其中的粘结剂使用硅胶/树脂、玻璃还是陶瓷颗粒，这些材料的散热性能都不佳。在工作状态下，发光层中的热量积累会导致温度上升，影响发光材料的活性，进而导致发光层的发光效率下降。

发光层中发光材料的不同会导致其吸收光谱和发射光谱的不同。对于用于发出不同波长的光的不同波长转换模块，需要不同的特定发光材料。例如，对于绿色段波长转换模块，荧光材料可选为绿色荧光粉，如LuAG(镥铝石榴石)荧光粉；对于黄色段波长转换模块，荧光材料可选为黄色荧光粉，如YAG(钇铝石榴石)荧光粉；对于红色段波长转换模块，荧光材料可选为红色荧光粉。在一些实施方式中，由于红色荧光粉的稳定性差且发光效率低，可以选择与黄色段波长转换模块中相同的荧光粉，如YAG荧光粉，然后通过在后续光路中设置滤光片而得到红光。此外，在一些实施方式中，还可以同时在红色段波长转换模块中使用黄色荧光粉与红色荧光粉的混合粉，以获得红光。

需要注意的是，本发明中的LuAG荧光粉、YAG荧光粉包括在LuAG或YAG的基础上掺杂镧系元素的荧光粉。

<漫反射层>

漫反射层包含散射颗粒和粘结剂。散射颗粒为漫反射层中具有反射功能的颗粒，而粘接剂用于粘结散射颗粒以形成漫反射层。

其中散射颗粒通常表观为白色粉末/颗粒，为盐类、氧化物或氮化物粉末，包括例如氧化铝、二氧化钛、氮化铝、氧化镁、氮化硼、氧化锌、氧化锆、硫酸钡等超白单体粉末颗粒，或者至少两种以上粉末颗粒的混合体，用于对光进行散射/反射。该散射颗粒的粒径通常在20nm到5μm范围内。此外，这些散射材料基本上不会对光进行吸收，并且性质稳定，不会在高温下氧化或分解。

粘结剂可以包括硅胶、树脂等有机粘结剂，还可以包括玻璃等无机粘结剂。对于有机粘结剂，直接将散射颗粒与有机粘接剂混合后加热即可获得漫反射层。对于无机粘结剂，需要将散射颗粒与粘结剂按比例混合后烧结才能得到漫反射层。

漫反射层虽然几乎不产生热量，但是其散热性能也不佳。在提供反射功能的同时，漫反射层还作为热量从发光层传递到基板的桥梁，不断积累难以发散的热量，从而导致发光层的温度难以降低。

<基板>

基板包括陶瓷基板、金属基板以及陶瓷金属混合基板，根据漫反射层材料的不同而进行选择。基板一方面作为漫反射层和发光层的承载板，另一方面作为发光层的散热结构。

其中，陶瓷基板包括例如氧化铝基板、蓝宝石基板、氮化铝基板、氮化硅基板、碳化硅基板、氮化硼基板或者氧化铍基板等，为致密结构的基板，不具有多孔结构。这些陶瓷材料的热导率在80W/(m·K)以上，且熔点基本上在2000℃以上，因此它们在实现导热的同时，还可以耐受较高的温度。当然，在对陶瓷基板的热导率要求不是很高的场合中，陶瓷基板也可以采用其他种类的陶瓷板制成。

金属基板包括例如铜基板、铜合金基板、铝基板。

陶瓷金属混合基板包括例如铝-氮化铝基板。

<光反射模块>

光反射模块的漫反射层和基板的相关特征参照上述对于波长转换模块的相关描述。但是，在光反射模块中不包括产生热量的发光层，因此光反射模块几乎不产生热量，仅有部分未被光反射模块反射的光会产生热量，因此，光反射模块的产热量远低于波长转换模块。

在一些实施方式中，光反射模块不是必需的，波长转换装置也可以仅包括波长转换模块。

在本发明中，波长转换装置至少包括两个波长转换模块，以能够出射多种颜色的光。

不同的波长转换模块的光转换效率不同。在各波长转换模块中，波长转换模块的光转换效率越低，该波长转换模块中的发光层的厚度和漫反射层的厚度越小。为了使得各波长转换模块的发光层的发光面位于同一平面上，可以设置不同的基板厚度。由于发光层和漫反射层都是散热性能较差的层结构，而基板具有较佳的散热性能，因此减少发光层和漫反射层的厚度、增加基板的厚度能够改善波长转换模块的散热性能。

在制作各色段模块的方法中，不同颜色的色段的制备工艺往往是不相同的，如制备的温度和工序等。在性能上，各色段模块的具体性能如导热性能、热膨胀系数等也是不同的。因此，为使得各色段模块的整体性能最优化，需要根据实际需要(例如散热性能)对基板、漫反射层和发光层进行选择。

<底板>

底板的功能主要是承载光功能模块，使得各光功能模块能够拼接成一体，因此底板首先要具备一定的机械性能，能够抗弯曲、震动。

在一些实施方式中，底板还具有散热功能，将各光功能模块产生的热量发散到空气或其他散热结构中。

底板的材料可以为金属，例如铝，该类底板的导热性能佳，而且易于加工。底板还可以为陶瓷材料，陶瓷材料与常规的光功能模块材料结构更相似，具有更优的结合性能。

在本发明的一些实施方式中，波长转换装置为荧光色轮，因此底板的形状也设计为轮盘型。例如在一个实施方式中，底板为片状圆环形结构，其环形结构作为光功能模块的载体，其中心孔用于与马达等连接。

在一个实施方式中，底板进一步包括一凹槽，光功能模块设置在凹槽中，该凹槽与光功能模块的结构相匹配，以用于固定光功能模块。例如，凹槽可以为环形凹槽，将光功能模块设置在环形凹槽中。光功能模块不必完全设置在凹槽内，在一个实施方式中，光功能模块在厚度方向上仅一部分嵌入到凹槽中。

在一个实施方式中，底板上的凹槽为等深凹槽，该实施方式与底板为无凹槽的平板的实施方式相似，需要通过调节基板的厚度，使得各波长转换模块的发光层中的发光面位于同一平面中。在存在光反射模块的实施方式中，还需要调节光反射模块的基板厚度，以使光反射模块的漫反射层的反射面与波长转换模块的发光层的发光面位于同一平面中。

在另一个实施方式中，底板的凹槽为非等深凹槽，不同的光功能模块对应于具有不同深度的凹槽。在该技术方案中，可以在各光功能模块中采用相同厚度的基板，而不必加工多种厚度的基板，仅通过设置凹槽的深度来配合各光功能模块的发光层和/或反射层的厚度的不同。例如在一个实施方式中，波长转换模块的光转换效率越低，该波长转换模块所在的凹槽的深度越浅，以使各波长转换模块的发光层的发光面在同一平面内。在该实施方式中，对底板进行加工以获得深浅不一的凹槽，相较于调节控制不同的基板厚度更为容易。

为增强底板的散热性能，在一些实施方式中，可以在底板的背面(即远离光功能模块的一侧)设置散热鳍片。在一个实施方式中，散热鳍片包括多个具有弯曲弧度的薄片。散热鳍片大大增加了底板与空气的接触面积，从而能够提高散热效率。

接下来通过具体实施例进行说明。在下述表述中，A表示用于漫反射层的玻璃粉，B表示用于发光层的玻璃粉，A或B前面的数字用于代表不同模块。

图3是示出了根据本发明实施例1的波长转换装置的结构示意图。如图3所示，波长转换装置100包括底板105以及作为光功能模块的各色段模块101、102、103、104。

在上述各色段模块中，模块101、102、103是用于出射与激发光的发光颜色不同颜色的光的色段模块。该模块101、102、103接收激发光，并通过激发光激发设置在发光层中的荧光材料进行波长转换，从而产生与各色段模块的颜色相对应的受激光。因此，模块101、102、103各自具有依次层叠的基板、漫反射层和发光层的三层结构。

此外，模块104是出射具有与激发光的发光颜色相同颜色的光的色段模块。该模块104接收激发光，并通过反射的方式产生与激发光颜色相同的光，因此模块104中不需要进行波长转换的过程，即不包含含有荧光材料的发光层，因此只具有从底板105依次层叠的基板与漫反射层的两层结构。

可以理解，本发明波长转换装置不限于包括四个色段，也可以多于四个或少于四个，而且光反射模块不是必需的，但是本发明的波长转换装置应当至少包括两个波长转换模块。

图4是示出了根据本发明实施例1的波长转换装置100的各模块分解结构示意图。如图4所示，模块101、102、103具有层叠的三层结构。以模块101为例，其层叠的三层结构分别为层叠在底板105上的基板201、位于基板201上的漫反射层301和位于漫反射层301上的发光层401；模块102包括从底板105上依次层叠的基板202、漫反射层302和发光层402；模块103包括从底板105上依次层叠的基板203、漫反射层303和发光层403；模块104只有两层结构，分别为从底板105上依次层叠的基板204和漫反射层304。

在实施例1中，模块101为黄色段模块，模块102为红色段模块，模块103为绿色段模块，模块104为蓝色段模块，即整个波长转换装置100包含红绿蓝黄四色。但本发明并不限于此，各模块101、102、103、104也可以采用其他颜色。

例如，如上所述，在本发明中示例性地使用蓝光作为激发光，因此，模块104为蓝色段模块，模块101、102、103分别为黄色、红色和绿色色段模块。

如图3、图6和图7所示，底板105具有圆盘形状，并由金属、金属合金或者金属-无机复合材料制成，其中金属材料例如为铝和铜。该底板105需要承载整个波长转换装置的重量，并在电动机驱动下进行高速转动，因此需要最少0.5～2mm的厚度，优选厚度为1～1.5mm。

需要说明的是，虽然在本案的图示和实施例中记载了底板105具有圆盘形状，但该底板105的形状并不限于此，例如也可以是半圆形、扇形等任意适于安装各波长转换模块并用作色轮的形状。

底板105的表面可配置有环状的凹槽。如图7中阴影部分所示，该凹槽沿着底板105的外圆周形成为厚度小于该底板105的内圆周的槽部，即底板105在径向方向上的外圆周部分的厚度形成为小于内圆周部分的厚度，使得在外圆周部分上形成凹槽。该凹槽的大小和形状与各波长转换模块相匹配。结合图3和图7可知，在组装波长转换装置时，使波长转换模块在厚度方向上的至少一部分嵌入到该凹槽中，以便于通过该凹槽固定并定位各模块。由于在使波长转换模块嵌入凹槽时，通常需要在接触面上涂敷粘结胶水等粘结剂，因此该凹槽此时也可以防止粘接胶水在加热过程中四处流淌。

在一个实施方式中，底板105上对应于各色段模块的凹槽深度不同，从而各色段模块可以采用相同厚度的基板层。对于光转换效率较低的红色段模块，对应的凹槽深度较浅；对于光转换效率较高的绿色段模块，对应的凹槽深度较深。

但需要说明的是，各色段模块的基板也可以具有不同厚度。对于各色段模块中基板层的厚度，在下文中将进行详细描述。

在下文中结合图4详述每一模块101、102、103、104的具体结构和组成。

首先以绿色段模块103为例。绿色段模块的特点是发热量低，因此需要使发光层的厚度较厚，以获得更高的发光效率。在本发明的一实施方式中，模块103的发光层403厚度在150-220μm的范围内，优选为200～220μm，漫反射层303的厚度在30～200μm之间，优选为80～100μm。在实施例1中，发光层403的厚度为220μm，反射层303为80μm，基板203的厚度为1mm，所以发光层、反射层和基板这三层的厚度总计为约1.3mm，即绿色段模块在总厚度达到1300μm时获得最好的优化。在无底板无凹槽或者底板有等深凹槽的技术方案前提下，以绿色模块103为标准，其他模块也需要形成为总厚度为1300μm。

在绿色段模块103中，由于绿光的发热量比较低，因此受热效应的影响较小，可以采用热导率系数低的基板。例如可以根据成本和工艺选用热导率低的蓝宝石基板或其他类型的基板。

在绿色段模块中的荧光粉可以是绿光荧光粉，如LuAG荧光粉。在一个实施方式中，选用15～25μm的粒径范围的LuAG荧光粉。

在本实施例1中，与绿色段模块103采用的绿色荧光粉具有最佳匹配的玻璃粉3B的热膨胀系数大于5.0×10^-6/℃，在热膨胀系数小于5.0×10^-6/℃的基板如氮化铝上，这种玻璃粉无法牢固附着，因此需要选用热膨胀系数与之相近的基板，即在本实施例1的绿色段模块中选用热膨胀系数不小于5.0×10^-6/℃的基板。本实施例中优选蓝宝石作为基板301。如上所述，本发明中的绿色段模块103也可以采用具有其他热膨胀系数的玻璃粉和基板，只要该荧光粉、玻璃粉和基板的性能相匹配，就符合本发明的精神。玻璃粉代号3B表示用于模块103中发光层的玻璃粉。

在本实施例1中，模块103(绿色)的制备工艺如下：将例如氧化铝、氧化钛颗粒按一定比例与玻璃粉3A、有机载体混合均匀，采用例如丝网或钢网印刷的方式涂覆于蓝宝石基板203上，在50～130℃温度下进行预烘干，获得漫反射层303的生坯。然后，将荧光粉与玻璃粉3B、有机载体混合均匀，再涂覆于漫反射层303的生坯表面上，在50～130℃温度下进行预烘干，获得发光层403的生坯。将含有蓝宝石基板、漫反射层生坯、发光层生坯的样品放入马弗炉中在500-1200℃温度下烧结，获得模块103。

模块101为黄色段模块，其包括基板201、漫反射层301和荧光粉层401，其中，荧光粉层401为发光层。

在本发明的一实施方式中，模块101中的发光层401的厚度在100-250μm的范围内，优选为140～160μm，漫反射层301的厚度在30～200μm之间，优选为60～80μm。在实施例1中，其发光层401厚度为150μm，漫反射层301厚度为70μm。因为黄光模块使用的黄色荧光粉的发热量大于绿色荧光粉，所以发光层的厚度需要做得比绿色段模块中的发光层薄一些。如果模块101的基板201使用与模块203中基板相同的厚度，那么模块101的总厚度为1220μm，其发光层所处平面会比模块103低80μm，会产生离焦现象，因此需要将模块101中的基板201的厚度调整为1080μm，那么101模块的总厚度即可达到1300μm，与模块103的厚度相同。本实施例中，基板201优选为氮化铝基板。

漫反射层301设置在基板201的与底板105相反的面上。本实施例中优选使用含有氧化铝和氧化钛两种散射粒子粉末的漫反射层，粉末粒径为0.02～1μm。

发光层401包括荧光粉，发光层401设置于漫反射层301的表面上。该荧光粉用于吸收激发光并由此受到激发以产生波长不同于激发光的波长的光。例如荧光粉可采用YAG荧光粉或LuAG荧光粉。

如上构造的黄色段模块中，黄光的发热量小于红光，但大于蓝光和绿光，因此，在该模块中应当选择热导率系数低于红光、但高于蓝光和绿光的基板。

此外，由于各模块的发热量不同，即红光>黄光>绿光，在同样具有三层结构的黄色、红色和绿色色段模块中，各漫反射层的厚度关系为：红色<黄色<绿色。在此，将红色段模块的漫反射层的厚度设置为相对最小是为了便于热量的导出。

由于发光层中的主要构成组分为荧光粉和玻璃粉，在黄色段模块中的荧光粉构成为通过吸收激发光而发出黄光，从而能够与其他颜色色段模块区分开。例如，在本实施例中，模块101的荧光粉层401选用黄色YAG荧光粉制作。

在各模块中，玻璃粉用作粘结剂和发光材料的封装基质，因此需要考虑玻璃粉的透光率、折射率、热膨胀系数等参数，根据不同类型的荧光粉匹配不同类型的玻璃粉。例如，考虑到热膨胀系数方面，具有较大热膨胀系数的玻璃粉匹配同样具有较大热膨胀系数的荧光粉。同时，当在某一色段模块中包含有具有较大热膨胀系数的玻璃粉时，该模块中所使用的基板也应当具有较大的热膨胀系数。针对透光率、折射率等参数也有相应的考量。

在本实施例1中，模块101(黄色)的制备工艺如下：将例如氧化铝、氧化钛颗粒按一定比例与玻璃粉1A、有机载体混合均匀，例如采用丝网或钢网印刷的方式涂覆于氮化铝基板201上，但也可以采用其他方式进行涂覆操作。然后在50～130℃温度下进行预烘干，获得漫反射层301的生坯。然后，将荧光粉Y与玻璃粉1B、有机载体混合均匀，再涂覆于漫反射层301的生坯表面上，在50～130℃温度下进行预烘干，获得发光层401的生坯。然后，将含有氮化铝基板、漫反射层生坯、发光层生坯的样品放入马弗炉中在500-1200℃的温度下烧结，从而获得模块101。

玻璃粉1B和荧光粉可以通过烧结成型的过程使得荧光粉层401与漫反射层301之间的结合力非常强，并且可以耐受较高的温度。类似地，白色散射粒子也需要用粘接剂粘接成一个整体。粘接剂可以是硅胶、水玻璃等。优选地，白色散射粒子通过玻璃粉1A粘接。玻璃粉1A可以是和玻璃粉1B相同的玻璃粉，也可以是不同的玻璃粉。

在本实施例中，玻璃粉1A和玻璃粉1B为同一种玻璃粉，粒径优选为0.8～1.1μm，热膨胀系数约为3.0×10^-6/℃。荧光粉Y为YAG或LuAG黄色荧光粉，粒径范围10～25μm，优选15～20μm。但玻璃粉1A和1B也可以选用具有其他热膨胀系数和粒径的玻璃粉，只要在模块中采用与该玻璃粉在热膨胀系数、导热系数等性能上相匹配的基板，就符合本发明的精神。

红色段模块102和绿色段模块103的构造与上述黄色段101的三层层叠构造类似，但其中使用的玻璃粉、荧光粉和基板材料可以彼此不同。具体来说，在该模块中所含的玻璃粉的膨胀系数越高，该模块中的基板的膨胀系数越高，即高膨胀系数的玻璃粉对应高膨胀系数的基板，低膨胀系数的玻璃粉对应低膨胀系数的基板。

此外，红色段模块102中的基板例如可以采用氮化铝，因为红光的发热量最高，则应当首先选择热导率系数高的基板。

在本发明的一实施方式中，模块102中的发光层402的厚度在100-250μm的范围内，优选为110～130μm，漫反射层302的厚度在30～200μm之间，优选为50～60μm。

在实施例1中，红色段模块102中发光层402的厚度优选为120μm，漫反射层302优选为60μm，此时将基板202的厚度选定为1120μm时，可以使红光模块的总厚度达到1300μm，与绿色段模块103和黄色段模块101的厚度相同。

此外，由于红光的发热量最高，则对应于红光的漫反射层应当做的相对薄一些，以便于热量的导出。

由此，各色模块能够根据实际需要来分别选定所需的基板和玻璃粉，这就解决了在先技术中同一个波长转换装置中只使用同一种或同一类型的玻璃粉的问题。由于在本发明中，针对各颜色的模块被分别制造，且由于可根据各颜色的需要选择不同的基板和玻璃粉，由此能够使各模块具有更优秀的性能，而不需要考虑到所有颜色的需求而采取折衷的材料或制备工艺。

尤其是当玻璃粉的膨胀系数与其对应的基板的膨胀系数相匹配时，能够提高该模块中玻璃粉的附着能力、模块整体的导热性能等。

为便于理解本发明，将本实施例1中模块102(红色)的制备工艺详述如下：将例如氧化铝、氧化钛颗粒按一定比例与玻璃粉2A、有机载体混合均匀，采用例如丝网或钢网印刷的方式涂覆于氮化铝基板202上，在50～130℃温度下进行预烘干，获得漫反射层302的生坯。将荧光粉R与玻璃粉2B、有机载体混合均匀，再涂覆于漫反射层302的生坯表面上，在50～130℃温度下进行预烘干，获得发光层402的生坯。将含有氮化铝基板、漫反射层生坯、发光层生坯的样品放入马弗炉中在500-1200℃温度下烧结，获得模块102。

红光段模块102中的荧光粉与例如黄光段模块101中的荧光粉可以通过颜色进行简单区分，例如在红色段模块102中的荧光粉可以是红光荧光粉，用于吸收激发光以产生红色受激光。

与黄色段模块101相比，红色段模块102使用的荧光粉R可以是与模块101使用的荧光粉Y为同一类型的黄色YAG荧光粉，然后后期通过滤光片进行分光而将红光分出。也可以使用波长更长的黄色荧光粉以获得更多红色，或者使用红色荧光粉。对于荧光粉的具体选择与功率、发热量、模块热性能等参数有关系。在本实施例1中，荧光粉R和荧光粉Y为同一种类型的黄色YAG荧光粉。

然而上述对于各色段模块的基板、漫反射层和发光层的具体参数都仅用于对本发明进行说明，而不用于限制本发明的作用。例如，在同样具有三层层叠结构的黄色段、红色段和绿色段模块中，基板可以具有相同的厚度，也可以具有不同厚度。而且漫反射层的厚度也可以具有相同厚度，或也可以具有不同厚度。

对于各基板和漫反射层的厚度选择的考虑应当结合对于散热性能、光学性能、模块各层的热膨胀系数的选择。例如如前文所述，根据各色的发热量选择热导率系数不同的基板，同时选择与发热量相匹配的漫反射层的厚度，使得各色段模块的发光面的平面保持一致。

另外，还需要考虑各色段模块由于采用不同的材质而导致的重量匹配问题来设计各层的厚度，使得设置在底板上的色段模块在整个底板的范围内重量均匀，从而避免整个波长转换装置在作为色轮旋转时对旋转轴造成过大的磨损等问题。

通过上述对于各色段模块中发光层和漫反射层的厚度的说明可以看出，波长转换模块的光转换效率越低，其中发光层的厚度和漫反射层的厚度越小。

蓝色段模块104的主要功能是将入射的蓝色激发光散射和反射，因此其具有仅包括基板204和漫反射层304的两层结构。由于模块104只有2层结构，为了与其他具有三层结构的模块保持厚度相同需要将基板204加厚或者漫反射层304加厚。

由于蓝色段模块需要对蓝光具有高反射率，同时也要使得该模块与其他具有三层结构的模块的厚度相匹配，因此在本实施例中采用的方式是将漫反射层加厚。此外，由于厚度增加会对结构有更高的要求，因此漫反射层304层选用的工艺与其他模块的漫反射层工艺有所不同。需要说明的是，在其他实施方式中，为保持蓝色段模块与其他发光模块的厚度相匹配，也可以将基板204加厚。

在蓝色段模块中，由于蓝光的发热率很低，因此受到热效应的影响较小，同样可以根据成本和工艺的考虑选择热导率低的蓝宝石基板或者其他低热导率的基板。

本发明的一实施方式中，在模块104中，漫反射层304的厚度在100～200μm之间，优选为120～160μm。

在实施例1中，蓝色段模块中的反射层厚度为150μm，且基板204的厚度为1150μm，从而使得蓝色段模块的厚度总计为1300μm，与绿色段模块、黄色段模块和红色段模块的总厚度相同。

在本实施例1中，模块104(蓝色)的制备工艺如下：将氧化铝粉末、玻璃粉4A、有机载体混合均匀后，涂覆于蓝宝石基板之上，然后在50～150℃温度下预烘干后，在马弗炉中在500-1200℃温度下烧结获得模块104。

在本实施例1中，适量的氧化铝粉末颗粒的粒径大小优选为0.2μm，有机载体优选为硅油，玻璃粉4A的粒径优选为1μm。其中，氧化铝粉末与玻璃粉粉末的质量比优选为3:1～5:1。原则上，氧化铝和玻璃粉的粒径可以选择其他粒径大小，但应使得氧化铝的粒径小于玻璃粉的粒径，以在烧结后获得更致密的结构。

上述各色段模块的厚度的匹配原则以发光层与反射层的厚度之和最大的模块(基准模块)为基准，其余模块将发光层和反射层的厚度优化好后，剩余的厚度由加厚基板进行补足，从而使得其余模块的总厚度与基准模块。在此实施例中，至少两个光功能模块中的基板厚度不同。通过此方法可以确保各模块的层结构获得最优优化的前提下，使色轮的各色段发光层中的发光面都处于同一个平面。

在上面的实施例中说明了以绿色段模块作为基准模块，通过改变各基板的厚度，使得黄色段模块、红色段模块和蓝色段模块的厚度与该基准模块的厚度相同，从而使各色段发光层中的发光面都处于同一个平面。

然而，本发明并不限于此，例如在确保各模块的层结构获得最优优化的前提下，可通过改变底板上对应于各色段模块的相应位置的厚度，使得各色段模块与底板的厚度之和彼此相等，同样能够使各色段发光层中的发光面都处于同一个平面。

需要说明的是，对于上述各模块，本发明并不限于上述具体实施例中的具体数据范围和具体材料等，可以根据模块的具体需要进行改变，该具体需要例如包括散热性能、光学性能、模块各层的热膨胀系数匹配等。

虽然在上文中描述了根据不同色段的发热量等因素选择彼此不同的基板，但各模块101、102、103、104的基板可以是具有相同类型材料的基板，也可以是材料两两相同的基板。

虽然在上文中描述了各模块的漫反射层的厚度例如可根据各色段的发热量而选择为彼此各不相同，然而其厚度也可以是相同的。由于漫反射层是一个多孔类型的烧结层，其厚度对漫反射层的导热系数影响最大。因此，基于对于漫反射层的厚度设定，各模块的漫反射层的导热系数可以是相等的，也可以沿着底板的排列依次增大或减小。

参见上述对于各色段模块的结构和制备过程的描述可知，基于各模块中包括的各玻璃粉的透光率、折射率和热膨胀系数，可以选择使各玻璃粉沿着底板的排列依次增大或减小，但也可以选择使用完全相同的玻璃粉。

对于各模块的烧结工艺主要取决于玻璃粉的软化温度。当选择在各模块中使用不同类型的玻璃粉时，则针对各模块的烧结工艺自然也是不同的。

参见图5，在底板105表面的凹槽底部例如涂覆导热粘接胶水等粘结剂，然后将各模块101、102、103和104拼装在底板105的一侧表面，经过50℃温度下的预固化，再经过150℃温度下的固化过程，从而得到模块式的波长转换装置100。

如图8所示，为了增强波长转换装置的散热效果，底板105的背面可增加散热鳍片。例如，底板背面具有散热鳍片，该散热鳍片可形成为具有弯曲弧度的薄片，多个该散热鳍片以一定间隔沿着底板背面的圆周布置，如图8中散热鳍片105a所示。

然而，该散热鳍片的形状和布置也可以设置为其他形式，例如散热鳍片具有平板状、波浪形等等。

在上述实施例1中提供了一种波长转换装置100，其包括四个模块101、102、103、104，但本发明中另一实施例的波长转换装置可以包括具有四个以上颜色的更多个模块。

例如，图9是示出了本发明实施例2中波长转换装置的俯视图。该实施例2中的波长转换装置可包括七个模块，具体来说，包括2个黄色段模块，2个红色段模块，2个绿色段模块和1个蓝色段模块，然后将各颜色的模块交替组装，使得该七个色段模块形成RGRGYBY的颜色顺序。

如图9所示，红色段模块R1和R2的相对于圆盘状底板105的轴心的角度(在下文中简称为角度)是相同的，但本发明不限于此，即红色段模块R1和R2的角度也可以是不同的。当红色段模块R1和R2的角度相同时，其角度为如图3中所示情况下(即波长转换装置包括四个波长转换模块RGBY的情况下)的红色段模块的角度的一半。

此外，图9中所示的绿色段模块G1、G2的角度和黄色段模块Y1、Y2的角度分别具有与红色段模块R1、R2相同的上述特性。

例如，在另一实施例中，整个波长转换装置100还可包括RGYBRG六个模块。

无论是如图9所示的实施例2还是包括六个模块的波长转换装置，其各色段的制造工艺与实施例1中相同。

在本发明中，构成各波长转换模块的基板可以是具有相同类型的基板，也可以是两两相同的基板，也可以是各自不同的基板。根据实际需要来选定各波长转换模块需要的基板，该实际需要可包括模块的散热性能、光学性能、模块各层的热膨胀系数匹配。

除了采用陶瓷基板作为波长转换模块中的基板，还可以采用金属材料。与金属材料的基板相匹配的是具有使用硅胶作为粘结剂的硅胶体系的漫反射层和发光层。当各基板的材料和类型两两相同或彼此不同时，可以使得其中的至少一块基板选用陶瓷/单晶基板，剩余的基板选择金属基板。

在上述内容中记载了根据各模块的玻璃粉和基板的热膨胀系数选择匹配的玻璃粉和基板，也可以根据散热性能来选择各模块的基板。根据上述实施例中考虑到散热性能来选择各色段模块对应的基板可以看出，在激发光的照射下发出的反射光波长越长，该模块中选用的基板的热导率系数越高。

各模块中的基板也可以根据实际需要选用同一种厚度，或者不同的厚度。这个实际需要主要是指各模块由于采用不同材质而导致的重量匹配问题、以及虽然各模块的结构层数不同但期望发光面的平面平齐的问题等。

此外，各模块的漫反射层可以采用结构和成分完全相同的漫反射层，也可以根据实际需要选择不同的漫反射层，其主要区别在于反射粒子的类型和用量。

在本发明中采用可在底板上拼接的波长转换模块，这样的构造使得各模块能够分别选择各自的基板以及与其匹配的玻璃粉、荧光粉，并进行单独烧结制备工艺。这样能够使得各模块获得更高的性能以及成品率。然后再选取合适的波长转换模块进行拼接并封装，使得整个波长转换装置的工艺制程简单，良品率高。

根据本发明中模块化的波长转换装置，每个模块都可以进行单独的设计和制备，并分别选用合适且相匹配的基板、玻璃粉和荧光粉，能够在拼接波长转换模块时选择各种类型波长转换模块的组合，使得波长转换装置的组装更灵活方便，且各波长转换装置的设计以及制备工艺能够对于各色段模块的需求具有针对性，从而能够提高各模块的性能。

本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其他因素，可以在本发明随附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合以及改变。

Claims (13)

1.一种波长转换装置，其特征在于，包括：

底板；和

至少两个波长转换模块，所述波长转换模块包括从所述底板依次层叠的基板、漫反射层和发光层，并用于将激发光转换为出射光，所述出射光的波长不同于所述激发光的波长；

其中，所述至少两个波长转换模块拼装在所述底板的一侧表面上，

其中，所述波长转换模块的光转换效率越低，该波长转换模块中的发光层的厚度和漫反射层的厚度均越小，

而且，各所述波长转换模块的发光层的发光面位于同一平面中。

2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，还包括用于反射所述激发光的至少一个光反射模块，所述光反射模块包括从所述底板依次层叠的基板和漫反射层，所述至少两个波长转换模块和所述至少一个光反射模块拼装在所述底板的一侧表面上，所述光反射模块的漫反射层的反射面与所述波长转换模块的发光层的发光面位于同一平面中。

3.根据权利要求2所述的波长转换装置，其特征在于，在所述波长转换模块与所述光反射模块中，至少两个模块的基板厚度不同。

4.根据权利要求2所述的波长转换装置，其特征在于，当所述波长转换模块和所述光反射模块中的粘结剂为玻璃粉时，该模块中的所述基板为陶瓷基板或单晶基板；当所述波长转换模块和所述光反射模块中的粘结剂为硅胶或树脂材料时，该模块中的所述基板为金属基板。

5.根据权利要求2所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换模块中的所述基板和所述光反射模块中的所述基板的材质彼此不同；或者所述波长转换模块的所述基板与所述光反射模块的所述基板中的至少两个所述基板的材质相同。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述底板包括凹槽，所述波长转换模块在厚度方向上的至少一部分嵌入到所述凹槽中，其中，所述波长转换模块的光转换效率越低，该波长转换模块所在的凹槽的深度越浅。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换模块包括红色段模块、绿色段模块和黄色段模块中的至少两个模块，

其中，在所述绿色段模块中，所述发光层的厚度为150-220μm，所述漫反射层的厚度为30-200μm；

在所述红色段模块中，所述发光层的厚度为100-250μm，所述漫反射层的厚度为30-200μm；

在所述黄色段模块中，所述发光层的厚度为100-250μm，所述漫反射层的厚度为30-200μm。

8.根据权利要求2-5所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换模块包括红色段模块、绿色段模块和黄色段模块，其中，

在所述绿色段模块中，所述发光层的厚度为150-220μm，所述漫反射层的厚度为30-200μm；

在所述红色段模块中，所述发光层的厚度为100-250μm，所述漫反射层的厚度为30-200μm；

在所述黄色段模块中，所述发光层的厚度为100-250μm，所述漫反射层的厚度为30-200μm；

在所述光反射模块中，所述漫反射层的厚度为100-200μm。

9.根据权利要求8所述的波长转换装置，其特征在于，在所述绿色段模块中，所述发光层的厚度为200～220μm，所述漫反射层的厚度为80～100μm；

在所述黄色段模块中，所述发光层的厚度为140～160μm，所述漫反射层的厚度为60～80μm；

在所述红色段模块中，所述发光层的厚度为110～130μm，所述漫反射层的厚度为50～60μm；

在所述光反射模块中，所述漫反射层的厚度为120～160μm。

10.根据权利要求8所述的波长转换装置，其特征在于，在所述绿色段模块中，所述发光层中包含的荧光粉为具有粒径范围为15～25μm的LuAG荧光粉。

11.根据权利要求8所述的波长转换装置，其特征在于，在所述黄色段模块中，所述发光层中包含的荧光粉为粒径范围为10～25μm的YAG或LuAG荧光粉。

12.根据权利要求8所述的波长转换装置，其特征在于，在所述红色段模块中，所述发光层中包含的荧光粉为与所述黄色段模块中的荧光粉同一类型的荧光粉。

13.根据权利要求8所述的波长转换装置，其特征在于，在所述光反射模块中，所述漫反射层中包含氧化铝和玻璃粉，其中，所述氧化铝的粒径小于所述玻璃粉的粒径，所述氧化铝与所述玻璃粉的质量比为3:1～5:1。