CN206669352U - 一种荧光模块及相关光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型保护一种荧光模块，包括：基板，包括第一表面，第一表面上设置有一凹槽；设置于凹槽内的波长转换层，用于将入射的激发光转换成波长范围不同于激发光的受激光而出射，波长转换层包括一光入射面，波长转换层沿平行于光入射面的方向的最大长度大于沿垂直于光入射面的方向的最大长度，波长转换层的除光入射面之外的面设置有光反射层；与基板相连接的反射罩，覆盖在第一表面上方，并与第一表面共同将波长转换层包围，反射罩包括靠近波长转换层一侧的第二表面，能够将入射到该第二表面的受激光反射回波长转换层，反射罩还包括第一通光口，用于透射受激光。本实用新型还保护一种包括上述荧光模块的光源。

Description

一种荧光模块及相关光源

技术领域

本实用新型涉及照明、显示领域，特别是涉及一种荧光模块及相关光源。

背景技术

在照明、显示领域，高亮度一直是本领域技术人员追求的目标，同时，还要兼顾能量转换效率、光源寿命、光源体积等因素。

卤素灯、气体放电灯的亮度达到瓶颈，其能量转换效率低，寿命短，在使用时产生大量的热量，而且卤素灯、气体放电灯体积大，越来越不适于新型的照明显示应用场景。

LED光源具有较高的能量转换效率，而且寿命长，是冷光源，但是单颗LED的光功率密度较低。有高亮度LED技术通过将多颗LED组合起来，通过对多颗LED的发光进行合光来实现高功率密度的光。然而，该技术方案中，多颗LED组合导致光源体积增大，同时带来了散热部件体积增大的问题，导致该光源单位体积的出射光功率密度低。

LD(Laser Diode，激光二极管)光源与LED光源同为冷光源，但是单颗LD的光功率密度远高于LED的光功率密度。然而，LD的光谱具有局限性，绿光LD成本高，导致RGB的LD组合光源成本高，不适于大规模应用。因此，现有技术通常用蓝光LD激发黄色荧光粉的激光激发荧光粉技术获得白光。

然而，荧光粉发出的光为朗伯分布的光，光发散角大，收集透镜只能收集光发散角约在150°(±75°)范围内的光，导致部分光未被利用。而且荧光粉存在散热问题，过高的温度将导致荧光材料的发光效率下降。因此，一般需要将LD光源与旋转的荧光色轮结构相结合以改善荧光粉的散热，又额外增加了马达等装置，导致光源体积增大，限制了该激光荧光粉光源在小尺寸、微型设备上的应用。此外，现有技术方案往往不考虑光在发光装置内传播时的光损耗问题。综上所述，现有的激光激发荧光粉技术的发光效率还不够高，削弱了其在高亮度照明显示领域的竞争力。

实用新型内容

针对上述现有技术的激光激发荧光粉技术发光效率低的缺陷，本实用新型提供一种高发光效率的荧光模块，包括：基板，包括第一表面，所述第一表面上设置有一凹槽；设置于所述凹槽内的波长转换层，用于将入射的激发光转换成波长范围不同于所述激发光的受激光而出射，所述波长转换层包括一光入射面，所述波长转换层沿平行于所述光入射面的方向的最大长度大于沿垂直于所述光入射面的方向的最大长度，所述波长转换层的除光入射面之外的面设置有光反射层；与所述基板相连接的反射罩，覆盖在所述第一表面上方，并与所述第一表面共同将所述波长转换层包围，所述反射罩包括靠近所述波长转换层一侧的第二表面，能够将入射到该第二表面的受激光反射回所述波长转换层，所述反射罩还包括第一通光口，用于透射所述受激光。

在一个实施方式中，沿垂直于所述光入射面的方向且过所述波长转换层的中心的直线穿过所述第一通光口。

在一个实施方式中，所述反射罩为半球形反射罩，所述波长转换层设置于所述反射罩的球心位置，球心与所述第一通光口围成的锥形的立体角为0.03π～0.586π。

在一个实施方式中，所述第一通光口为所述激发光的光入射口。

在一个实施方式中，所述反射罩还包括第二通光口，所述第二通光口为所述激发光的光入射口，所述第一通光口能够反射所述激发光，所述第二通光口能够反射所述受激光。

在一个实施方式中，在平行于所述光入射面的平面上，所述波长转换层的最大长度小于所述基板的最大长度的1/5。

在一个实施方式中，沿垂直于所述光入射面方向，所述波长转换层的厚度大于所述凹槽的深度。

在一个实施方式中，所述第一通光口位置设置有一光学元件，所述光学元件为二向色片或透镜。

在一个实施方式中，所述波长转换层为荧光陶瓷。荧光陶瓷具有自吸式少的特点，即荧光陶瓷发出的受激光不容易被荧光陶瓷吸收。

在一个实施方式中，所述基板为金属基板、硅基板或氮化铝基板。该类基板的导热性能好，而且容易加工。

在一个实施方式中，所述第一表面为光反射面。进一步减少了光在荧光模块中的吸收损耗，使得入射到第一表面的非凹槽位置的光也能够被收集。

本实用新型还提供了一种光源，包括上述任一荧光模块，还包括用于出射激发光的激发光源，所述波长转换层设置在所述激发光的光路上。

在一个实施方式中，所述激发光源为激光光源。

与现有技术相比，本实用新型包括如下有益效果：通过将波长转换层设置于基板的凹槽内，使波长转换层沿平行于光入射面的方向的最大长度大于沿垂直于光入射面的方向的最大长度，并在波长转换层的除光入射面之外的面设置光反射层，一方面使得光在波长转换层内的光程较短，形成受激光后能够很快的出射，减少了光在波长转换层内传播而导致的损失，另一方面使波长转换层较薄，热量主要从波长转换层底部发散，缩短了热传导距离，减小了基板厚度；还通过包围波长转换层的反射罩反射入射到反射罩第二表面的受激光，使得所有受激光都从反射罩的第一通过口出射，减小了荧光模块出射的受激光发散角范围，使其更容易被光收集元件收集。在以上各个部件协同作用下，荧光模块减少了光损耗，改善了散热，实现了更高的发光效率。

附图说明

图1为本实用新型的荧光模块的一个实施例的截面示意图。

图2为本实用新型的荧光模块的另一个实施例的截面示意图。

图3为本实用新型的荧光模块的另一个实施例的截面示意图。

具体实施方式

在一些激光激发荧光粉的光源中，通过使激发光在波长转换层中来回不断反射，将其全部转换为受激光，然后通过一个开口将受激光引导出射。该些技术方案错误的将“所有光经若干次反射后都能够出射”作为假设条件，忽略了光在每一次反射中的损耗。事实上，假若每一次反射的反射率为99％，则反射20次将损失约20％的光，这不符合照明显示中高亮度低功耗的技术要求。

本实用新型提供的荧光模块，主要的设计构思是减少不必要的光损耗，包括由光反射、光吸收、光利用率不足和热效应带来的损耗。本实用新型选择平行于光入射面方向的最大长度大于垂直于光入射面方向的最大长度的波长转换层，以减少光在波长转换层中的光程，增大波长转换层的散热面积，同时，包围波长转换层的反射罩直接将来自波长转换层的受激光反射回波长转换层，避免了多次反射带来的损耗。

在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，以便于描述方便，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

下面结合附图和实施方式对本实用新型实施例进行详细说明。

请参见图1，图1为本实用新型的荧光模块的一个实施例的截面示意图。荧光模块10包括基板120、波长转换层110和反射罩130。

基板120包括第一表面1201，第一表面1201上设置有一凹槽1202。

波长转换层110设置在凹槽1202内，用于将入射的激发光转换成波长范围不同于激发光的受激光而出射。波长转换层110包括一光入射面1101，波长转换层110沿平行于该光入射面1101的方向的最大长度大于沿垂直于光入射面1101的方向的最大长度，且波长转换层的除光入射面1101之外的其他面均设置有光反射层。

反射罩130与基板120相连接，并覆盖在第一表面1201上方，使得反射罩130与第一表面1201共同将波长转换层110包围。反射罩130包括靠近波长转换层一侧的第二表面1301，能够将入射到该第二表面1301的受激光反射回波长转换层110。反射罩130还包括第一通光口131，用于透射受激光。

在本实施例中，激发光通过反射罩130的第一通光口131入射到波长转换层110的光入射面1101，波长转换层110吸收激发光并出射受激光，受激光呈近似朗伯分布的光从波长转换层110中出射。由于波长转换层110的除光入射面1101之外的面设置有光反射层，因此受激光只能从光入射面1101出射，出射光的角度范围为180°(±90°)。入射到反射罩130的第一通光口131的受激光直接出射，而入射到反射罩130的第二表面1301的光被反射回到波长转换层110，该部分回到波长转换层110的光被波长转换层散射后，重新以近似朗伯分布的光从波长转换层110出射。重复上述过程，最终受激光从第一通光口131出射，从第一通光口131出射的出射光发散角相对于光入射面1101的出射光发散角大大减小，有利于后续光学元件的收集利用。

本实用新型中，波长转换层的除了光入射面之外的其他各面均设置有光反射层，避免了光从波长转换层侧面出射。假若没有侧面的光反射层，则从侧面出射的光经反射罩反射后难以直接返回波长转换层，难以被收集利用，从而导致光损耗。

在本实用新型中，波长转换层110的作用在于接收激发光的照射，并将激发光转换为波长不同的受激光。这里的激发光可以为固态光源发出的光，如LED光、激光二极管光、激光器光，也可以为其他任何本实用新型申请前公开的光源光。波长转换层可以为硅胶/树脂的有机封装荧光粉层，也可以为玻璃封装荧光粉层，还可以为荧光陶瓷。由于荧光陶瓷为陶瓷结构，其热稳定性及导热性能远远优于以玻璃或硅胶为封装基质的荧光粉层，能够承受大功率激发光的照射，可以适用于高亮度激光荧光照明/显示领域。

荧光陶瓷可以是纯相的荧光陶瓷，具体可以是各种氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或氮氧化物陶瓷，通过在陶瓷制备过程中掺入微量的激活剂元素(如镧系元素)，形成发光中心。由于一般激活剂元素的掺杂量较小(一般小于1％)，该类荧光陶瓷通常是透明或半透明发光陶瓷，激发光容易直接穿过该发光陶瓷层后出射，因此该发光陶瓷层的发光效率不高，更适于较低功率的激发光应用场景。例如，荧光陶瓷可以是Ce掺杂YAG陶瓷或Ce掺杂LuAG陶瓷。

荧光陶瓷还可以是复合陶瓷层，其以透明/半透明陶瓷作为基质，在陶瓷基质内分布着发光陶瓷颗粒(如荧光粉颗粒)。透明/半透明陶瓷基质可以是各种氧化物陶瓷(如氧化铝陶瓷、Y₃Al₅O₁₂陶瓷)、氮化物陶瓷(如氮化铝陶瓷)或氮氧化物陶瓷，陶瓷基质的作用在于对光和热进行传导，使得激发光能够入射到发光陶瓷颗粒上，并使受激光能够从发光陶瓷层中出射；发光陶瓷颗粒承担发光陶瓷层的主要发光功能，用于吸收激发光并将其转换为受激光。发光陶瓷颗粒的晶粒粒径较大，而且激活剂元素的掺杂量较大(如1～5％)，使得其发光效率高；而且发光陶瓷颗粒分散于陶瓷基质中，避免了位于荧光陶瓷较深位置的发光陶瓷颗粒无法被激发光照射到的情况，还避免了纯相荧光陶瓷整体掺杂量较大而导致的激活剂元素浓度中毒的情况，从而提高了发光陶瓷层的发光效率。进一步的，上述荧光陶瓷中还可以增加散射颗粒，使散射颗粒分布于陶瓷基质中。散射颗粒可以是散射粒子，如氧化铝，氧化钇，氧化锆，氧化镧，氧化钛，氧化锌，硫酸钡等，既可以是单一材料的散射颗粒，也可以是两种或两种以上的组合，其特点为表观白色，能够对可见光进行散射，而且材料稳定，能够承受高温，粒径与激发光波长处于同一数量级或低一个数量级。

荧光陶瓷还可以是另外一种复合陶瓷层，该复合陶瓷层与上述复合陶瓷层的区别仅在于陶瓷基质不同。在本实施方式中，陶瓷基质是纯相的荧光陶瓷，即陶瓷基质本身具有激活剂，能够在激发光的照射下发出受激光。该技术方案综合了上述复合陶瓷层的发光陶瓷颗粒具有高发光效率的优势以及上述纯相的荧光陶瓷具有发光性能的优势，同时利用发光陶瓷颗粒与陶瓷基质进行发光，进一步提高了发光陶瓷层的发光效率，而且该陶瓷基质虽然具有一定的激活剂掺杂量，但是掺杂量较低，能够保证该陶瓷基质具有足够的透光性。在该发光陶瓷层中，同样可以增加散射颗粒增强发光陶瓷层的内部散射。

本实用新型中，波长转换层的除了光入射面之外的其他面上的光反射层，可以通过在波长转换层表面镀制反射膜实现，然后将波长转换层与基板通过焊接或粘结的方式相连。在一个实施方式中，还可以在基板的第一表面或仅在凹槽的表面位置镀制/涂覆反射膜层，然后将波长转换层设置于凹槽内。

在本实用新型中，基板120的主要作用为承载波长转换层110，并充当波长转换层110的散热导体。基板120可以为金属基板、硅基板或氮化铝基板，这些基板的特点是导热性能良好且易加工。

在本实施例的一个实施方式中，基板120的第一表面1201为光反射面，能够对入射到第一表面1201的光进行反射。当受激光从波长转换层110中出射，并在反射罩130与波长转换层110之间进行反射时，有可能有小部分光未能从反射罩130回到波长转换层110，将第一表面1201设置为光反射面能够减少因此带来的光损失。可以通过在第一表面1201上镀制反射膜来实现该功能。

在本实施例的一个实施方式中，如图所示，沿垂直于所述光入射面1101的方向且过所述波长转换层110的中心的直线穿过所述第一通光口。具体地，从波长转换层110的光入射面1101垂直出射的光能够直接穿过第一通光口131而出射。第一通光口131设置在该位置有利于提高光出射效率。可以理解，在其他实施方式中，第一通光口也可以设置在其他位置，使得从波长转换层斜出射的光才能直接通过第一通光口出射。

在本实施例的一个实施方式中，反射罩130为半球形反射罩，波长转换层110设置于反射罩130的球心位置，这样可以使被第二表面1301反射的受激光原路返回到波长转换层110，避免光路偏移而无法直接回到波长转换层110。

第一通光口131不能太大，否则出射的受激光的发散角太大，在进入后续光学元件时有可能导致部分光无法被利用。第一通光口131也不能太小，否则被第二表面1301反射的光远远多于经第一通光口131出射的光，导致受激光要增加被波长转换层110散射的次数和被第二表面1301反射的次数，这将导致产生大量的光散射损耗和光反射损耗，不利于发光效率的提高。在如图1所示的截面示意图中，从第一通光口131出射的受激光的发散角(即最左侧光线与最右侧光线的夹角)应控制在20°～90°之间。设第一通光口131为圆形，则可算出反射罩的球心与第一通光口围成的锥形的立体角约为0.03π～0.586π。当第一通光口为其他形状，如矩形等时，只要满足球心与第一通光口围成的锥形的立体角在0.03π～0.586π的范围内，即可使得出射的受激光既不会发散角过大，又不会存在过多的散射和反射光损耗。

在一个实施方式中，第一通光口131位置设置有一透镜光学元件，该光学元件能够改变出射光的角分布。进一步地，该透镜可以方便的拆卸更换，以适应不同的出射光角分布的需求。

在一个实施方式中，第一通光口131位置还设置有一二向色片光学元件，该二向色片可以为角度选择滤光片，对不同入射角的光具有不同的透射/反射性能，从而控制荧光模块的出射光角分布。

由于在本实用新型中，波长转换层内的每一点都可能是发光点，若波长转换层的尺寸太大，将可能导致较多的受激光多次反射后发生位置偏移，导致受激光不能被反射罩直接反射回波长转换层而导致光损耗，因此需对波长转换层的尺寸进行限制。在一个实施方式中，在平行于光入射面1101的平面上，波长转换层的最大长度小于基板的最大长度的1/5。以圆盘型的波长转换层和基板为例，即两者的直径至少相差5倍。除了减少光损耗，本技术方案还能够提高单位体积波长转换层的发光效率。

请参见图2，图2为本实用新型的荧光模块的另一个实施例的截面示意图。荧光模块20包括波长转换层210、基板220和反射罩230。

与图1所示的实施例不同之处在于，图1所示的荧光模块的第一通光口既作为受激光的出光口，又作为激发光的光入射口，而本实施例中，激发光的光入射口与受激光的出光口不同。本实施例中，反射罩230包括第一通光口231和第二通光口232。其中，第二通光口232为激发光的光入射口，第一通光口231为受激光的出光口。第一通光口231能够反射激发光，第二通光口232能够反射受激光。该技术方案下，可以更加灵活的设计光路。

在一个实施方式中，可以通过在通光口设置光学元件的方式实现对激发光和/或受激光的透射或反射功能。由于激发光和受激光的波长范围不同，因此可以选择二向色片作为一种设置在通光口的光学元件。

请参见图3，图3为本实用新型的荧光模块的另一个实施例的截面示意图。荧光模块30包括波长转换层310、基板320和反射罩330。

与图1所示的实施例不同之处在于，图1中的荧光模块的波长转换层110的厚度与凹槽1202深度相等，而本实施例中，波长转换层310的厚度大于基板320上的凹槽3202的深度。本实施例中，波长转换层310的除了光入射面的其他各面均设置有光反射层，即受激光仍然只能通过光入射面出射，与上述各实施方式的原理相同。

本使用新型还提供了一种光源，包括上述各实施方式所述的荧光模块，还包括用于出射激发光的激发光源。波长转换层设置在激发光的光路上，激发光源发出的激发光通过图1/图3中的第一通光口或者图2中的第二通光口入射到波长转换层，从而进行激发发光。由于激发光与受激光的波长不同，可以在图1及图3对应的各实施方式中，在激发光源与上述荧光模块之间设置一二向色分光片，使其对激发光和受激光有不同的透射反射性能，从而对激发光和受激光进行分光。

在一个实施方式中，激发光源为激光光源，包括激光二极管光源、激光二极管阵列光源、激光器光源等。激光光源的优势在于能量密度高、发散角小，易于直接被收集并引导入射到波长转换层上，适于高亮度照明显示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种荧光模块，其特征在于，包括

基板，包括第一表面，所述第一表面上设置有一凹槽；

设置于所述凹槽内的波长转换层，用于将入射的激发光转换成波长范围不同于所述激发光的受激光而出射，所述波长转换层包括一光入射面，所述波长转换层沿平行于所述光入射面的方向的最大长度大于沿垂直于所述光入射面的方向的最大长度，所述波长转换层的除光入射面之外的面设置有光反射层；

与所述基板相连接的反射罩，覆盖在所述第一表面上方，并与所述第一表面共同将所述波长转换层包围，所述反射罩包括靠近所述波长转换层一侧的第二表面，能够将入射到该第二表面的受激光反射回所述波长转换层，所述反射罩还包括第一通光口，用于透射所述受激光。

2.根据权利要求1所述的荧光模块，其特征在于，沿垂直于所述光入射面的方向且过所述波长转换层的中心的直线穿过所述第一通光口。

3.根据权利要求1或2所述的荧光模块，其特征在于，所述反射罩为半球形反射罩，所述波长转换层设置于所述反射罩的球心位置，球心与所述第一通光口围成的锥形的立体角为0.03π～0.586π。

4.根据权利要求1所述的荧光模块，其特征在于，所述第一通光口为所述激发光的光入射口。

5.根据权利要求1所述的荧光模块，其特征在于，所述反射罩还包括第二通光口，所述第二通光口为所述激发光的光入射口，所述第一通光口能够反射所述激发光，所述第二通光口能够反射所述受激光。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的荧光模块，其特征在于，在平行于所述光入射面的平面上，所述波长转换层的最大长度小于所述基板的最大长度的1/5。

7.根据权利要求1所述的荧光模块，其特征在于，沿垂直于所述光入射面方向，所述波长转换层的厚度大于所述凹槽的深度。

8.根据权利要求1所述的荧光模块，其特征在于，所述第一通光口位置设置有一光学元件，所述光学元件为二向色片或透镜。

9.根据权利要求1所述的荧光模块，其特征在于，所述波长转换层为荧光陶瓷。

10.根据权利要求1所述的荧光模块，其特征在于，所述基板为金属基板、硅基板或氮化铝基板。

11.根据权利要求1所述的荧光模块，其特征在于，所述第一表面为光反射面。

12.一种光源，包括如权利要求1至11中任一项所述的荧光模块，还包括用于出射激发光的激发光源，所述波长转换层设置在所述激发光的光路上。

13.根据权利要求12所述的光源，其特征在于，所述激发光源为激光光源。