CN112534350A - 白光磷光体装置 - Google Patents

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Abstract

一种白光光源包括光源和磷光体转换部件。光源发射短波长光，该短波长光的峰值位于570纳米或更短的峰值波长处。磷光体转换部件包括光转换层，光转换层包含有效地将短波长光转换为经转换的光的磷光体。光转换层包括光通道，光通道包括开口或通道材料，通道材料不包含磷光体且对于短波长光具有光透射性。光源相对于磷光体转换部件布置，以便用发射的短波长光来照射光转换层并使短波长光通过光通道。

Description

白光磷光体装置
技术领域
本申请要求2019年5月24日提交的美国临时专利申请No.62/675844的优先权，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
以下内容涉及照明技术、磷光体轮技术、光学干涉滤光器制造技术以及现有技术。
一些已知的基于磷光体的光源使用由蓝色LED或激光器激发的黄色磷光体。为了产生白光，提供附加的蓝光并将其以适当的比例与黄光混合，以产生具有期望色温的白光。已知的方法是采用黄色磷光体层，该黄色磷光体层将仅一部分蓝光转换，而其余蓝光不经转换就透射通过黄色磷光体层，从而与转换后的黄光混合。选择黄色磷光体层的厚度，以按照混合光中直接蓝光和转换后的黄光的期望比例来调整。
本文公开了一些改进。
发明内容
在一个公开方面，公开一种白光光源，其包括光源和磷光体转换部件。光源发射短波长光，该短波长光在570纳米或更短的峰值波长处达到峰值。磷光体转换部件包括光转换层，光转换层包含有效地将短波长光转换为经转换的光的磷光体。光转换层包括光通道，光通道包括开口或通道材料，通道材料不包含磷光体且对于短波长光具有光透射性。光源相对于磷光体转换部件布置，以便用发射的短波长光来照射光转换层并使短波长光通过光通道。
在另一公开方面，一种磷光体转换部件包括基板和布置在基板上的光转换层。光转换层包括有效地将短波长光转换为经转换的光的磷光体，短波长光具有570纳米或更短的峰值波长。光转换层包括光通道，光通道包括开口或通道材料，通道材料不包含磷光体且对于短波长光具有光透射性。
在另一公开方面，公开一种白光生成方法。发射短波长光，该短波长光在570纳米或更短的峰值波长处达到峰值。使短波长光至少通过磷光体转换部件的光转换层。光转换层包括将短波长光转换为经转换的光的磷光体。此外，光转换层具有光通道，光通道包括开口或通道材料，通道材料不包含磷光体且对于短波长光具有光透射性，从而短波长光的一部分通过光通道而不被转换为经转换的光。输出白光，白光包括经转换的光和短波长光的通过光通道而不被转换为经转换的光的一部分的混合光。
附图说明
图1结合示例性短波长可见光源进行的膜侧照明示意性地示出白光光源，该白光光源包括磷光体转换部件，该磷光体转换部件以侧视剖面图示出。
图2和图3示意性地示出图1的白光光源的磷光体转换部件的平面图(图2)和侧视剖面图(图3)。
图4示意性地示出包括磷光体转换部件的白光光源，该磷光体转换部件包括反射磷光体轮。
图5示意性地示出图4的磷光体轮的一部分的侧视剖面图。
具体实施方式
采用结合有黄色磷光体的蓝光发射器的已知白光光源具有某些缺点。磷光体的厚度被设计为，将不经转换地通过基板的一部分原色光(primary light)以及经磷光体层转换的一部分原色光同时优化。这可能会限制设计的灵活性，因为为了增加通过的原色光而减薄磷光体层会同时减少经转换的光的生成；同样，为了减少通过的原色光而增加磷光体层的厚度会同时增加经转换的光的生成。此外，原色光通过磷光体层可以例如因原色光的部分吸收而改变原色光的特性。这种吸收降低了效率，并且，如果吸收是与波长相关的，则会改变原色光的颜色含量。特别地，常见的是与较长波长的光成分相比，较短波长的光成分被优先地吸收，这可以减少原色光的“蓝度”。关于原色光输出和经转换的光输出的各种装置参数的相互关联性，可能使得难以从一次制造批次到下一次制造批次维持照明特性，诸如色温或显色性，或者难以可靠地在不同批次中制造出具有不同特性的白光装置(例如，一个批次提供2700K的暖白光，而下一个批次提供5000K的冷白光)。
通过提供用于激发黄色磷光体和用于混合蓝光的独立光源以产生最终输出的白光，可以克服这些问题。然而，该方法需要第二短波长光源，或者替代地需要诸如分束器之类的光学器件，用于将来自单个短波长光源的光分成两个光路，从而增加了复杂度和成本。
在本文公开的白光光源中，提供了包含磷光体的光转换层，并且如本文所公开地进行了修改，以进一步具有包括开口或通道材料的光通道，所述通道材料不包含磷光体并且对于短波长光具有光透射性。在这种方法中，单个光源用短波长(例如，蓝色)光照射光转换层。除了在光通道处之外，短波长光通过磷光体被转换为经转换的光(例如，黄光)，短波长光在这些光通道处是透过的，从而使一些短波长(例如，蓝色)光与经转换的(例如，黄色)光混合。在这种设计的蓝/黄的白光光源中，通过光通道的蓝光和由磷光体转换的黄光的混合光(以适当的比例)产生白光。
在一种制造方法中，通过以如下方式将磷光体施加至基板表面来产生部分透明的磷光体：存在着施加有磷光体的区域和没有施加磷光体的其他区域(短波长光通道)。对于给定蓝光光源和具有给定磷光体和给定厚度的给定光转换层，填充因子(即，磷光体覆盖面积与总面积的比率)决定了蓝/黄比，该蓝/黄比控制着光的白度和色温。通常，填充因子将在50％到95％的范围内，以产生具有期望色温的白光。有利地，可以独立地调节装置的其他属性，诸如蓝光光源的光谱和/或磷光体的类型，以进一步优化白光特性。在一种可设想的方法中，通过均匀地施加磷光体，然后使用湿法化学刻蚀、激光烧蚀等将一些区域刻蚀掉以去除光通道处的层，来制作具有光通道的光转换层。在湿法化学刻蚀的情况下，可以使用光刻技术来限定光通道的图案。
这样的白光光源可以(通过非限制性的示例性实例)有利地部署在使用透射型磷光体轮、使用反射型磷光体轮的投影仪中，部署在使用光透射型微显示器(例如，基于LCD)、使用诸如DLP和LCOS(硅基反射液晶)等反射型微显示器的投影仪中。对于照明应用，可以根据结构，将图案化的光转换层直接施加至LED或激光器，或者可以施加至辅助基板/外部滤光片。
在一些可设想的实施例中，通过选择穿过光转换层的短波长光通道的尺寸(即，孔径)，将设计量的光衍射引入通过的短波长光中，从而形成用于短波长光的期望的输出空间分布。在一些实施例中，短波长光的空间分布被设计为接近黄色磷光体的空间分布(通常是近似朗伯空间分布(approximately Lambertian spatial distribution))。在一些实施例中，通过使用足够小面积的孔以引入大角度的衍射分量，可以实现用于蓝光的近似朗伯空间分布。作为进一步的变型，可以设想形成具有各种大小和/或尺寸分布的光通道，优选地，将各种大小/尺寸的光通道散布在层的区域上。在该设计中，短波长光的空间分布实际上是由各种大小/尺寸的光通道实现的空间分布的加权叠加，其权重由各种大小/尺寸的比率控制。更一般地，在一些实施例中，目标是产生使蓝光扩散到有助于与经转换的黄光混合的期望程度的效果。(作为替代方案，这可以通过添加下游的扩散器元件来实现)。
现在参考图1至图3，白光光源包括光源10，光源10发射短波长光12，该短波长光12在570纳米或更短的峰值波长处达到峰值。示例性光源10包括平面基板14，例如，印刷电路板(PCB)，发射短波长光12的发光二极管(LED)16的阵列布置在该平面基板14上；然而，可以使用发射合适的短波长光的其他类型的光源，例如，半导体激光器、白炽灯光源等等。磷光体转换部件20包括光转换层22，该光转换层22包含有效地将短波长光12转换为经转换的光24的磷光体。示例性的磷光体转换部件20包括光透射基板26，例如，玻璃板、蓝宝石板、透明塑料板等等，光转换层22布置在该光透射基板26上。图1的示例性白光光源将短波长光12入射在磷光体转换部件20的布置有光转换层22的一侧上。然而，作为替代方案，可设想布置白光光源，使得短波长光入射在磷光体转换部件20的基板侧上并且通过光透射基板26到达光转换层22。在图1的示例性实例中，磷光体转换部件20是板，并且光源10发射短波长光12作为垂直于光透射板的表面的准直光束。
图2和图3示出图1的白光光源的磷光体转换部件20的平面图(图2)和侧视剖面图(图3)，如图2和图3中最佳所示，光转换层22包括光通道30，光通道30包括开口或通道材料，这些通道材料不包含磷光体并且对于短波长光12具有光透射性。光源10相对于磷光体转换部件20布置，以便用发射的短波长光12照射光转换层22并使短波长光12通过光通道30。这产生了混合光32，该混合光32包括通过光通道30的短波长光12和经转换的光24的混合体。
光源10发射峰值位于570纳米或更短的峰值波长处的短波长光12。尽管示出了LED阵列16，但是更一般地，光源10可以包括发射出在570纳米或更短的发射线上的单色光的单色激光光源，或者可以包括LED、白炽灯或发射出跨越峰值位于570纳米或更短的峰值波长处的可见光谱的其他多色光源。570纳米的波长大约对应于从绿光到微黄色光的转变处。将强绿光与在黄色范围内的磷光体发射(即，经转换的光24)混合可能会产生质量相对差的白光32；因此，在一些优选实施例中，光源10发射出峰值位于500纳米或更短的峰值波长处的短波长光(例如，在500纳米或更短的发射线上的单色光，或跨越峰值位于500纳米或更短的峰值波长处的可见光谱的多色光)。500纳米的波长大约对应于从蓝光到绿光的转变处；因此，采用以该指定的较短波长特性发射的光源10提供了更纯的微蓝色光，该更纯的微蓝色光与磷光体发射(即，经转换的光24)混合，以产生质量更好的白光32。应当注意，在多色短波长光源的情况下，可设想短波长光的总光谱包括进一步延伸到近紫外光中的上述可见光谱，这种紫外光对于人眼来说是不可见的。类似地，在单色光源(例如，激光器)的情况下，输出可以在多条线上，其中一些线可以在紫外线中，因此在可见范围之外。
通过短波长光12激发的光转换层22的磷光体输出经转换的光24。对于白光光源设计，经转换的光24优选地具有对应于绿色、黄色、橙色和红色可见光谱区域的490纳米或更长的峰值波长。在蓝/黄设计中，经转换的光24优选地是微黄色光，例如，在大致560纳米至590纳米的光谱范围内。在替代的蓝/绿/红设计中，经转换的光24可以具有两个峰值：对应于微绿色光的大致490纳米至570纳米的第一峰值，以及对应于微红色光的大致580纳米或更长的第二峰值。在一些这样的实施例中，光转换层22的磷光体适当地以提供期望的绿/红光比来选择的比例包括分离的绿色和红色磷光体。这些仅是示例性实例，并且可以选择短波长光12的精确的磷光体成分和精确的光谱成分以提供期望色温、显色指数(CRI)或其他期望光谱和/或“白度”特性的白光32。
光转换层22具有如图3所示的厚度t。在一些实施例中，光转换层22具有足够的厚度，使得入射在光转换层22上的基本上所有短波长光12都转换为经转换的光24，和/或被光转换层22部分地吸收。在这种情况下，基本上没有短波长光透过光转换层22。为了对此进行量化，将光转换层22的光穿透深度δ定义为短波长光12的初始光强度减小到其初始值的1/e≈0.368时的深度。光穿透深度δ的该定义是基于光吸收的常规模型构造的常规定义，其中，进入层中的距离x处的光强度被给定为I＝I0eax，其中
Figure BDA0002788423390000061
使用这些常规定义，如果光转换层22具有3δ的厚度，那么它会将初始短波长光12衰减至低于其初始强度的5％。这被认为相当于入射在光转换层22上的基本上所有短波长光12被光转换层22转换(或吸收)。在一些实施例中，光转换层22的厚度为至少3δ，并且因此短波长光12和经转换的光24的混和(几乎)完全由光通道30的总面积与光转换层22(包括光通道30)的总面积之比率R控制。以极限情况为例，R＝0对应于不具有光通道30；而，R＝0.5对应于光通道30的总面积为光转换层22的总面积的一半。应当理解，随着R的增加，对应于较大部分的短波长光12通过光通道30，并且较小部分的短波长光12被转换为经转换的光24。有利地，比率R完全由光通道30的阵列的几何形状(它们的数量或密度以及它们的尺寸)控制，光通道30的阵列的几何形状可以通过诸如光刻湿法或干法刻蚀之类的适当技术来精确地控制。
为了获得均质的白光32，应当将通过光通道30的短波长光12和经转换的光24充分混合(即，充分混杂)。可以采用各种方法来促进通过光通道30的短波长光12和经转换的光24的混杂或混合。在一种方法中，光通道30相对较小并且紧密地间隔开。光通道30可以可选地具有足够小的横向尺寸(例如，在具有圆形横截面的光通道30的示例性情况下的直径)，以产生通过光通道30的短波长光12的衍射。在一些实施例中，光通道30具有小于或等于20倍峰值波长的横向尺寸以获得更强和/或更高的角度衍射。(在其他实施例中，采用较大直径的光通道，使得没有获得衍射，或者没有获得提供期望空间分布的足够衍射，并且提供了下游扩散器或其他附加的光学器件来使光分布成形)。取决于用于形成光通道30的形成工艺，它们可以具有粗糙的侧壁，这种侧壁进一步促进了光散射并因此促进了混和。作为另一选择，光透射基板26可以包含光散射颗粒(例如，分散在玻璃或塑料基板中的Al2O3颗粒)，或者具有粗糙的背面，或者具有涂覆有光散射层的背面，或者以其他方式构造为光扩散板。这种方法通常在图1所示的取向上最有效，在该取向上，短波长光12入射在光转换层22上，使得白光32然后通过光扩散基板26。作为另一种可设想的方法，光通道30可以填充有不包含磷光体并且对于短波长光12具有光透射性的通道材料，并且该通道材料还包含光散射颗粒(例如，通过反射和/或折射效应产生的散射)。例如，通道材料可以是透明环氧树脂填充物，反射性Al2O3颗粒分散其中，以使通过填充有环氧树脂的光通道30的短波长光12散射。
参考图4和图5，描述了另一实施例，其中发射出峰值位于570纳米或更短的峰值波长处(并且在一些实施例中为峰值位于500纳米或更短的峰值波长处)的短波长光12的白光光源110为激光器110的形式，并且磷光体转换部件120为具有光转换层22的旋转反射型磷光体轮120的形式，光转换层22布置在对于短波长光12和经转换的光成反射性的反射基板126上。在反射构造中，光源100相对于磷光体转换部件120布置，以便用发射的短波长光12照射光转换层22，并使短波长光12通过光通道30并从反射基板126通过光通道30反射回来。示例性的磷光体转换部件120包括磷光体轮120，磷光体轮120包括盘126，该盘126布置成围绕盘的中心轴线127旋转，并且光转换层22布置在盘的至少一部分上，即，在图4的示例性实例中，布置在盘126的外环形区域中。通过非限制性说明，金属盘或“轮”126可以由铜、铜合金、铝合金、镀银玻璃等制成。光转换层22附接至或涂覆在轮126的外周上，即，布置在轮126的外边缘处或附近。在操作中，例如，通过将马达(未示出)的马达轴连接至中心轴线127并使马达运转以使磷光体轮126沿所示的顺时针方向CW旋转(也可以设想逆时针旋转)，而使金属轮126围绕中心轴线127旋转。与旋转同时，激光器110将短波长光12施加到局部区域，这在图4中通过由激光器110施加示例性的泵浦激光束光斑L而示意性地示出。随着金属轮126旋转，环形光转换层22的位于光斑L处的部分改变，从而限制所产生的热量(或使所产生的热量散开)。这可以允许更高功率的操作。图5示意性地示出侧视图。在示例性的光学构造中，短波长光12以一角度施加，并且所得到的白光32以反射角度发射，如图5所示。可以设想其他构造，例如，使用反射镜、透镜和/或其他光学部件来构造光路。由于成角度的光入射和反射，因此光转换层22的厚度应该足够薄，以准许通过了光通道30的短波长光12通过(同一)通道反射回来。在一些实施例中，可以设想通过将光通道30构造为光转换层22中的细长狭槽或狭缝来促进这一点，其中狭槽或狭缝的长度方向与入射/反射角度对准。
形成为磷光体轮120的示例性磷光体转换元件120采用具有反射基板126的反射构造。然而，将理解的是，可以通过用图1至图3的实施例的光透射基板26替换反射基板126来类似地构造光透射磷光体轮。该替代的光透射磷光体轮实施例的优点在于，可以垂直于磷光体轮的表面施加短波长光12，使得白光32是通过磷光体轮的透射光(如参考图1所述，其中一部分被转换为经转换的光24)。
在图4和图5的旋转磷光体轮120的情况下，除了通过旋转使热量负荷散开之外或者作为替代，可以提供其他冷却机制，该其他冷却机制也可以适用于图1至图3的静态实施例。例如，基板26、126可以由导热材料制成。在反射基板的情况下，可以使用导热金属板来去除热量或使热量散开。对于光透射基板，可以设想采用导热透明聚合物材料来改善热去除或热散开。附加地或替代地，可以提供用于冷却光转换层22的其他机制，诸如液体冷却、热电冷却(适用于高通量应用的固定或旋转磷光体)、添加专用散热器(可选地带有强制空气冷却)等等。取决于应用，光源10、110可以时间上脉冲化以提供冷却间隔，其中该脉冲的频率和占空比被选择为适合于特定应用。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解了前面的详细描述之后，其他人可以进行修改和变更。意图将示例性实施例解释为包括所有这样的修改和改变，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (23)

1.一种白光光源，包括：
光源，其发射短波长光，所述短波长光的峰值位于570纳米或更短的峰值波长处；以及
磷光体转换部件，其包括光转换层，所述光转换层包含有效地将所述短波长光转换为经转换的光的磷光体，所述光转换层包括光通道，所述光通道包括开口或通道材料，所述通道材料不包含所述磷光体且对于所述短波长光具有光透射性；
其中，所述光源相对于所述磷光体转换部件布置，以便用发射的所述短波长光来照射所述光转换层并使所述短波长光通过所述光通道。
2.根据权利要求1所述的白光光源，其中，所述磷光体转换部件包括：
对于所述短波长光具有光透射性的光透射基板；和
所述光转换层，其布置在所述光透射基板上。
3.根据权利要求2所述的白光光源，其中，所述光透射基板包括光散射颗粒。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的白光光源，其中，所述光透射基板包括光透射板。
5.根据权利要求4所述的白光光源，其中，所述光源发射所述短波长光作为垂直于所述光透射板的表面的准直光束。
6.根据权利要求1所述的白光光源，其中，所述磷光体转换部件包括：
对于所述短波长光和所述经转换的光具有反射性的反射基板；和
所述光转换层，其布置在所述反射基板上；
所述光源相对于所述磷光体转换部件布置，以便用发射的所述短波长光照射所述光转换层，并且使所述短波长光通过所述光通道并从所述反射基板通过所述光通道反射回来。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的白光光源，其中，所述磷光体转换部件包括磷光体轮，所述磷光体轮包括盘，所述盘布置成围绕所述盘的中心轴线旋转，并且所述光转换层布置在所述盘的至少外周上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的白光光源，其中，所述光通道的横向尺寸小于或等于所述短波长光的所述峰值波长的20倍。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的白光光源，其中，所述峰值波长是500纳米或更短。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的白光光源，其中，所述经转换的光具有490纳米或更长的峰值波长。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的白光光源，其中，所述光转换层的厚度为所述短波长光在所述光转换层中的光穿透深度的至少三倍。
12.一种磷光体转换部件，包括：
基板；
光转换层，其布置在所述基板上，并且包括有效地将短波长光转换为经转换的光的磷光体，所述短波长光具有570纳米或更短的峰值波长；
其中，所述光转换层包括光通道，所述光通道包括开口或通道材料，所述通道材料不包含所述磷光体且对于所述短波长光具有光透射性。
13.根据权利要求12所述的磷光体转换部件，其中，所述基板是对于所述短波长光具有光透射性的光透射基板。
14.根据权利要求13所述的磷光体转换部件，其中，所述光透射基板包括光散射颗粒。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的磷光体转换部件，其中，所述光透射基板包括光透射板。
16.根据权利要求12所述的磷光体转换部件，其中，所述基板是对于所述短波长光和所述经转换的光具有反射性的反射基板。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的磷光体转换部件，其中，所述磷光体转换部件包括磷光体轮，所述磷光体轮包括盘，所述盘布置成围绕所述盘的中心轴线旋转，并且所述光转换层布置在所述盘的至少外周上。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的磷光体转换部件，其中，所述光通道的横向尺寸小于或等于所述短波长光的所述峰值波长的20倍。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的磷光体转换部件，其中，所述经转换的光具有490纳米或更长的峰值波长。
20.根据权利要求12至19中任一项所述的磷光体转换部件，其中，所述光转换层的厚度为所述短波长光在所述光转换层中的光穿透深度的至少三倍。
21.一种白光生成方法，包括：
发射短波长光，所述短波长光的峰值位于570纳米或更短的峰值波长处；
使所述短波长光至少通过磷光体转换部件的光转换层，其中，所述光转换层包括将所述短波长光转换为经转换的光的磷光体，并且所述光转换层具有光通道，所述光通道包括开口或通道材料，所述通道材料不包含所述磷光体且对于所述短波长光具有光透射性，从而所述短波长光的一部分通过所述光通道而不被转换为经转换的光；以及
输出白光，所述白光包括所述经转换的光和所述短波长光的通过所述光通道而不被转换为经转换的光的所述一部分的混合光。
22.根据权利要求21所述的白光生成方法，其中，所述磷光体转换部件进一步包括反射基板，并且使所述短波长光至少通过磷光体转换部件的光转换层的步骤进一步包括：使所述经转换的光以及所述短波长光的通过所述光通道而不被转换为经转换的光的所述一部分从所述反射基板反射。
23.根据权利要求21至22中任一项所述的白光生成方法，其中，所述磷光体转换部件包括磷光体轮，并且所述方法进一步包括在所述发射、所述通过和所述输出操作期间使所述磷光体轮围绕轴线旋转。
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