TWI810280B - 高效且均勻的鐳射激發式白光生成器 - Google Patents
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Abstract
一種白光光源，該白光光源包括：發光層，其包括佈置在粘合劑中的螢光體和光散射材料；以及光源，其佈置為用藍光照射發光層。白光光源輸出白光，該白光包括來自被藍光照射的螢光體的經轉換的螢光體發射光，以及被光散射材料散射的未經轉換的散射藍光。未經轉換的散射藍光具有與經轉換的螢光體發射光的空間分佈相匹配的空間分佈。在一些實施例中，空間分佈為近似朗伯空間分佈。白光光源可以包括螢光體輪，螢光體輪包括盤狀基板，發光層作為螢光體環佈置在盤狀基板上。螢光體環可以包括在螢光體環中的環形區附近、佈置在粘合劑中、具有均勻成分的螢光體和光散射材料。
Description
下文涉及照明技術、螢光體輪(phosphor wheel)技術、光學干涉濾光器(optical interference filter)製造技術和相關技術。
已知使用由藍光LED或鐳射二極體激發的具有不同顏色的螢光體來產生白光。
對於大多數數位光投影(DLP)投影儀，螢光體輪作為第二光源工作，並且由藍色鐳射二極體激發，以在螢光體輪旋轉時以快速時間順序產生綠光、黃光和紅光。這些各種顏色的光與藍光相結合，為DLP投影系統產生白光。大多數螢光體輪為具有多個顏色區段的反射類型。為了組合這些不同顏色的光，提供了相應的光路和顏色混合硬體。
本文公開了一些改進。
在一個所披露的方面中，提供一種螢光體輪，其包括盤狀基板和螢光體環，螢光體環包括佈置在盤狀基板上的環形發光層。環形發光層包括佈置在粘合劑(binder)中的螢光體和光散射材料。在一些實施例中，光散射材料包括佈置在粘合劑中的光散射顆粒。在一些實施例中，光散射顆粒具有0.1至50微米範圍內的尺寸。在一些實施例中，光散射顆粒具有92%以上的反射率。在一些實施例中，光散射顆粒包括氧化鋁顆粒、二氧化鈦顆粒、氧化鎂顆 粒、氮化硼顆粒、氮化鋁顆粒和鋁酸鹽顆粒中的一種或多種。在一些實施例中，環形發光層包括在環形發光層中的環形區附近、佈置在粘合劑中、具有均勻成分的螢光體和光散射材料。在一些實施例中，螢光體輪還包括馬達，馬達可操作地連接以旋轉盤狀基板。這些不同實施例可以以不同方式組合。
在另一所披露的方面中，披露了一種白光光源，其包括：前一段落所述的螢光體輪；以及藍光光源，其佈置為用藍光照射螢光體環。白光光源輸出白光，該白光包括來自被藍光照射的螢光體的經轉換的螢光體發射光，以及被光散射材料散射的未經轉換的散射藍光。在一些實施例中，未經轉換的散射藍光具有與經轉換的螢光體發射光的空間分佈(spatial distribution)相匹配的空間分佈。在一些實施例中，未經轉換的散射藍光具有漫反射表面空間分佈，並且經轉換的螢光體發射光具有漫反射表面空間分佈。在一些實施例中，藍光具有400nm至500nm範圍內的波長。在一些實施例中，經轉換的螢光體發射光包括黃光。在一些實施例中，螢光體包括紅光螢光體(red phosphor)和綠光螢光體的混合物，該紅光螢光體產生600至650nm範圍的紅光光譜內的經轉換的螢光體發射光，該綠光螢光體產生490至560nm範圍的綠光光譜內的經轉換的螢光體發射光。在一些實施例中，螢光體輪是反射式螢光體輪。在一些實施例中，螢光體輪是透射式螢光體輪。這些不同實施例可以以不同方式組合。
在另一所披露的方面中，披露了一種白光光源，其包括：發光層，其包括佈置在粘合劑中的螢光體和光散射材料；以及光源，其佈置為用藍光照射發光層。白光光源輸出白光，該白光包括來自被藍光照射的螢光體的經轉換的螢光體發射光，以及被光散射材料散射的未經轉換的散射藍光。在一些實施例中，光散射材料包括佈置在粘合劑中的光散射顆粒。在一些實施例中，光散射顆粒具有0.1至50微米範圍內的尺寸。在一些實施例中，光散射顆粒對藍光具有92%以上的反射率。在一些實施例中，光散射顆粒包括氧化鋁顆粒、二氧化鈦顆粒、氧化鎂顆粒、氮化硼顆粒、氮化鋁顆粒和鋁酸鹽顆粒中的一種或多種。在一些實施例中，未經轉換的散射藍光具有與經轉換的螢光體發射光的空間分佈相匹配的空間分佈。在一些實施例中，未經轉換的散射藍光具有漫 反射表面空間分佈，並且經轉換的螢光體發射光具有漫反射表面空間分佈。在一些實施例中，藍光具有400nm至500nm範圍內的波長。在一些實施例中，經轉換的螢光體發射光包括黃光。在一些實施例中，螢光體包括紅光螢光體和綠光螢光體的混合物，該紅光螢光體產生600至650nm範圍的紅光光譜內的經轉換的螢光體發射光，該綠光螢光體產生490至560nm範圍的綠光光譜內的經轉換的螢光體發射光。這些不同實施例可以以不同方式組合。
在另一所披露的方面中，披露了一種白光生成方法。通過佈置在發光層中的螢光體將藍光的一部分轉換為螢光體光。通過佈置在發光層中的散射顆粒散射藍光的未被轉換為螢光體光的部分，以生成經散射的藍光。輸出白光，所述白光包括螢光體光和經散射的藍光的組合。在一些實施例中，螢光體光具有漫反射表面空間分佈，並且散射藍光具有漫反射表面空間分佈。在一些實施例中，在所述轉換、散射和輸出的同時，旋轉螢光體輪，其中，螢光體輪包括盤狀基板，發光層作為螢光體環佈置在盤狀基板上。在一些實施例中，螢光體輪是反射式螢光體輪，並且白光在螢光體輪的與被藍光照射的一側相同的一側輸出。在一些實施例中，螢光體輪是透射式螢光體輪，並且白光在螢光體輪的與被藍光照射的一側相反的一側輸出。這些不同實施例可以以不同方式組合。
100、200‧‧‧白光光源
101、201、302、402、501、601‧‧‧基板
102、202‧‧‧粘合劑
103、203‧‧‧黃光螢光體
104、204‧‧‧光散射顆粒
105a、205a‧‧‧激發藍光
105b、205b‧‧‧經散射的藍光
106、206‧‧‧黃光
120‧‧‧圖解表面
300、400‧‧‧螢光體輪
301、401‧‧‧螢光體環
303、403‧‧‧馬達
304、404‧‧‧驅動軸
305、405‧‧‧箭頭
500、600‧‧‧靜態白光光源
502、602‧‧‧螢光體層
LD‧‧‧鐳射二極體
圖1示意性地示出了以反射模式操作的示例性白光光源。
圖1A描繪了從如本文所述的表面發射的光的各種空間分佈。
圖2示意性地示出了以透射模式操作的示例性白光光源。
圖3示意性地示出了結合有圖1的白光光源的反射式螢光體輪。
圖4示意性地示出了結合有圖2的白光光源的透射式螢光體輪。
圖5示意性地示出了結合有圖1的白光光源的反射式靜態白光光源。
圖6示意性地示出了結合有圖2的白光光源的透射式靜態白光光源。
直接從螢光體輪獲得白光將簡化投影系統。原則上，可以將不同的螢光體混合在一起以產生具有期望特性的白光，從而可以為DLP或LCD投影儀的客戶提供更多的解決方案。
然而，通過這種方法有效地產生白光將受到螢光體發射光的非常不同的空間分佈(近似朗伯(Lambertian))、以及作為窄角光束的直接藍鐳射的妨礙。
本文披露了使用由藍色鐳射二極體激勵的螢光體輪直接獲得白光的實施例。為了解決大的空間分佈不匹配，將螢光體(其通常包括黃光螢光體，但也可以包括其他螢光體成分，諸如綠光和紅光螢光體的混合物)與對藍光具有高反射率的光散射材料混合。在一種合適的物理構造中，螢光體和光散射材料的混合物分散在粘合劑中，並且螢光體/散射材料/粘合劑成分通過分配或絲網印刷(silk printing)或其他合適的塗布法沉積在反射基板或透光基板上。
所披露的方法提供了許多益處，諸如(但不限於)：可調的色溫(例如，取決於螢光體發射光和藍色鐳射的光譜特性，在4000至8000K的範圍內)；提供非激發藍光的空間分佈，其接近由螢光體所發射的黃光的空間分佈；白光光源可以被設計為透射源或反射源；製作簡單；可以實現高的白光輸出效率；並且可以實現白光輸出的良好空間均勻性。
所披露的白光光源產生白光，所述白光包括由LED或雷射器發射的直接藍光(direct blue light)和經轉換的螢光體發射光(例如黃光)的組合以產生白光，白光光源還包括高反射率的光散射材料，添加高反射率的光散射材料用以改善直接藍光的均勻性，即調節直接藍光的空間分佈以匹配(近似朗伯的)螢光體發射。在經反射材料進行散射之後，藍光的空間分佈通常接近朗伯形狀。因此，經散射的直接藍光的空間分佈與由螢光體所發射的經轉換的黃光的近似朗伯空間分佈相匹配。與螢光體和光散射材料混合的粘合劑可以是有機粘合劑或無機粘合劑。
所披露的光源可以與反射型螢光體輪或透射型螢光體輪結合使用。還可以考慮將所披露的光源與其他類型的光發射器結合使用，諸如使用未安裝在旋轉輪上的靜態螢光體層的光發射器。所披露的光源易於以低成本製備，以用於反射型或透射型設計。所披露的方法還適於通過使用高功率鐳射二極體或其他高功率藍光光源來提供具有高亮度的白光。在這種情況下，高功率藍色雷射器與具有所披露的螢光體/散射顆粒分散體的旋轉螢光體輪結合使用，具有將雷射器產生的熱量分佈在旋轉輪上的由鐳射照射(impingement)路徑所繪製的環形區上的顯著優點。
通過直接藍光和經黃光螢光體轉換光的組合產生白光。藍光是由鐳射二極體或LED提供的未激發(即直接)藍光，並且黃光是來自將藍光的一部分(即，激發藍光)轉換為發射黃光的螢光體的經轉換光。在一些實施例中，藍光的波長範圍在400nm至500nm的範圍內，並且更優選在400至480nm的範圍內。通常人可感知的可見藍光的最短波長的下限為400nm(通常人不能感知作為紫外光的更短的波長)。通常人能感知的藍光的最大波長的上限通常約為480nm，並且通常人能感知的藍綠光的波長上限為500nm。然而，可以考慮採用發射在前述400至500nm範圍，或更優選地400至480nm範圍內的直射光的雷射器或LED，這種雷射器或LED還具有一些更長波長的成分(例如綠光和/或黃光分量)和/或一些更短的波長的成分(例如一些紫外分量)。
在一些非限制性的示例性實施例中，黃光螢光體被藍色鐳射刺激，其中螢光體顆粒尺寸為1至50微米(儘管也考慮更大或更小的螢光體顆粒尺寸；此外，這裏指定的所有顆粒、微粒或類似物的尺寸應理解為平均或均值尺寸)，示例性黃光螢光體包括摻雜鈰的釔鋁石榴石(YAG：Ce)、摻雜鈰的鋱鋁石榴石(TAG：Ce)、摻雜銪的原矽酸鋇(BOS)、或其他合適的螢光體，以有效地將藍光轉換成波長更長的可見光，例如黃光。如本文所披露的，為了改善藍光的均勻性，將具有高反射率的高散射材料添加到螢光體和粘合劑的混合物中以散射藍光，從而形成接近黃光發射的近似朗伯形狀的分佈。
散射材料優選地具有相對高的導熱率，例如在一些實施例中導熱率為20W/m．K以上。光散射材料優選具有與螢光體的熱膨脹係數(CTE)和密度類似的合適的CTE和密度，以促進螢光體和光散射材料在粘合劑中的均勻混合。光散射顆粒的形狀可以是粒狀、球狀、片狀、纖維狀等，並且在一些示例性實施例中，光散射顆粒的尺寸在0.1至50微米的範圍內，但也可以考慮更大或更小的顆粒。光散射顆粒優選對藍光(例如在400至480nm或400至500nm的合適範圍內)具有高反射性，例如在一些實施例中在400至480nm(或500nm)的範圍內具有92%以上的反射率。光散射顆粒優選在通常的操作溫度範圍(例如，在一些實施例中，-20至500攝氏度)內是穩定的。操作溫度上限部分地取決於由鐳射引起的螢光體/散射顆粒/粘合劑層的加熱量，有利的是，通過旋轉螢光體輪的操作減少這種熱量，旋轉螢光體輪將熱量分佈在穿過旋轉輪的雷射光束的環形路徑上。非限制性地舉例說明，光散射材料可以例如包括氧化鋁顆粒、二氧化鈦顆粒、氧化鎂顆粒、氮化硼顆粒、氮化鋁顆粒、鋁酸鹽顆粒、或這些中的兩種或更多種的一些組合。
在變型實施例中，使用黏合劑(adhesive)將本文中描述的混合有光散射材料的螢光體粉末粘合在基板上。黏合劑可以是例如有機膠或無機膠。一些合適的無機黏合劑包括矽酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等。一些合適的有機黏合劑包括矽樹脂、環氧樹脂、聚氨酯等。
螢光體輪或其他白光光源的基板例如可以包括金屬、金屬合金、或金屬和無機材料的混合物、反射鏡、陶瓷、玻璃、藍寶石板、石英板等。反射基板(例如金屬)對於反射設計是有利的，並且其反射率優選為至少85%，並且更優選為至少90%以上，例如，反射基板可以設計在金屬、玻璃、陶瓷或其他合適的基板的表面上；然而，如果螢光體和光散射顆粒的密度足夠高，則基本上所有藍光可以被螢光體轉換成黃光或被光散射顆粒散射，在這種情況下，可以預料到，即使在反射設計的情況下基板也可以透光。另一方面，諸如玻璃或石英等透光基板適用於透光螢光體輪或其他透光白光光源。(如本文所用的，術語“透光的”和類似的用語旨在表示對所產生的白光的高透射率，例如80 %以上，並且優選地90%以上，取決於所設計的白光的長波長範圍(long-wavelength extent)，所述所產生的白光在至少400至650nm或400至700nm的光譜範圍內)。在一些示例性實施例中，在螢光體輪的情況下，基板是盤狀(圓盤狀)的；在靜態螢光體模組的情況下，基板的形狀可以是盤或矩形等。在一些示例性實施例中，螢光體/散射材料/粘合劑成分的組成重量比為：20%至70%的粘合劑、30%至80%的螢光體、以及5%至15%的散射材料。還可以考慮更高或更低的組分比；例如，更厚的層可以允許更高的粘合劑與螢光體的比率以及更高的粘合劑與散射材料的比率。
現在參考圖1，示出了以反射模式操作的示例性白光光源(100)，並且該示例性白光光源包括基板(101)，在基板(101)上佈置有發光層(102、103、104)，發光層(102、103、104)包括粘合劑(102)、黃光螢光體(103)、以及包括光散射顆粒(104)的光散射材料。基板(101)的反射率優選為90%以上，在一些示例性實施例中基板(101)具有0.3mm至3mm之間的厚度，但也可考慮更厚或更薄的基板。應當理解，最佳基板厚度取決於許多因素，例如，在螢光體輪的情況下，基板(101)是旋轉輪並且應當具有足夠的厚度以在旋轉期間是剛性的，並且此厚度取決於旋轉速率、構成基板(101)的材料的剛度以及其他因素。
在操作中，一個或多個鐳射二極體(LD)發射激發藍光(105a)，激發藍光(105a)照射在發光層(102、103、104)上。作為替代，可以使用藍光LED來發射藍光(105a)。也可以考慮發射合適藍光的其他光源。回應於激發藍色鐳射(105a)的光學刺激，黃光螢光體(103)發射黃光(106)。通過該螢光體轉換過程，入射藍光(105a)的僅一部分被轉換成黃光(106)；其餘的藍光被散射顆粒(104)散射，並且經散射的藍光(105b)與黃光螢光體發射光(106)組合以形成反射的白光(105b、106)。
簡要參考圖1A，黃光螢光體發射光的典型空間分佈是漫反射表面空間分佈。理想的漫反射表面空間分佈是朗伯分佈，如針對圖解表面(120)的圖1A所示。當從位於與表面(120)相鄰的半空間(122)中的所有方向觀 察時，朗伯空間分佈具有相等的亮度。物理上可實現的漫反射表面空間分佈通常僅是近似朗伯(分佈)。圖1A還示出了黃光螢光體的典型漫反射表面空間分佈，其僅是近似朗伯(分佈)。應注意的是，在螢光體發射光的情況下，物理機制不是反射，而是由黃光螢光體(103)吸收藍光(105a)並隨後發射黃色的經轉換螢光體光(106)。然而，儘管通過不同的機制產生，但螢光體發射光(106)具有漫反射表面空間分佈，其如圖1A所示近似朗伯(分佈)。同樣地，經散射的藍光(105b)由與從漫射表面反射稍微不同的機制產生，這是因為光散射顆粒(104)在深度上跨過發光層的厚度分佈；儘管如此，所得到的空間分佈是漫反射表面空間分佈，如圖1A所示，其近似為朗伯(分佈)。
為了獲得與黃光(106)的近似朗伯光分佈類似的散射藍光的期望光分佈，優選地將光散射顆粒的密度設計為使得未被螢光體(103)轉換成黃光的直接藍光中的大部分或全部遇到至少一個光散射顆粒(104)並從所述至少一個光散射顆粒(104)散射。然而，可以預料到，未經轉換的直接藍光中的相對少的一部分被基板(101)反射而不與螢光體(103)或散射顆粒(104)相互作用。
在用於鐳射投影儀的典型的常規螢光體輪中，目標是將所有入射的藍光轉換成黃光。通過沿投影儀系統的光路位於下游的二向色濾光器適當地去除入射藍光的任何未被轉換的剩餘部分，使得僅黃光從發光層發出。作為對比，在圖1的白光光源(100)中，為了獲得白光(105b、106)，有意地保留了直接藍光的一部分：該部分構成未刺激螢光體(103)產生黃光(106)的未激發藍光(105b)。光散射顆粒(104)確保該直接藍光(105b)具有與經轉換的黃光(106)的近似朗伯空間分佈相匹配的空間分佈，使得由此產生的白光(105b、106)在近似朗伯分佈上光譜均勻。
白光(105b、106)具有設計比率的直接藍光(105b)和黃光(106)。通過調節螢光體(103)、散射材料(104)、粘合劑(102)的相對比率，以及發光層(102、103、104)的厚度及螢光體(103)和散射顆粒(104)的顆粒尺寸，來調節未激發的藍光和黃光的比率，從而設計該比率。其中，發光層 (102、103、104)的厚度和螢光體(103)的密度通常對組合白光(105b、106)中藍光(105b)與黃光(106)的比率具有最強的影響。光散射顆粒(104)對該比率的理論上的影響歸因於散射顆粒(104)的吸收，由於散射顆粒(104)優選具有高反射率(例如90%以上)，因此散射顆粒(104)的吸收優選為較低。儘管如此，如果光線通常多次被光散射顆粒(104)反射，則這種吸收可能足夠高以至於應該將其考慮在內。然而，即使在這種情況下，如果藍光和黃光的反射損耗類似(類似的平均反射次數以及在藍色和黃色光譜區域處類似的反射率)，則光散射顆粒(104)對藍光/黃光的比率的影響可以忽略不計。
非限制性地舉例說明，在一些實施例中，發光層(102、103、104)具有0.05mm至0.3mm的厚度，但也可以基於光學設計原理(諸如以上概述的那些)考慮更厚或更薄的發光層，這取決於諸如螢光體(103)、散射顆粒(104)和粘合劑(102)的相對比率以及顆粒尺寸等因素。
在示例性實施例中，螢光體發射光(106)被描述為黃光。然而，應當理解的是，螢光體發射光(106)可以具有更複雜的光譜，例如，螢光體(103)可以包括紅光螢光體和綠光螢光體的混合物，該混合物產生分別在紅光光譜範圍(~600至650nm)和綠光光譜範圍(~490至560nm)中具有相應峰的經轉換光，並且具有這種“雙葉式(double-lobed)”光譜的經轉換光(106)與直接(未經轉換的)藍光(105b)的組合在視覺上被感知為白光。可以定制直接藍光(105b)和螢光體發射光(106)的詳細光譜以提供具有期望白度特性的白光，諸如期望的顯色指數(CRI)、期望的色溫(例如具有約4000K以上的色溫的“冷”白光)。
現在參考圖2，示出了以透射模式操作的示例性白光光源(200)，並且該示例性白光光源(200)包括透光基板(201)，在透光基板(201)上佈置有發光層(202、203、204)，發光層(202、203、204)包括粘合劑(202)、黃光螢光體(203)、以及包括光散射顆粒(204)的光散射材料。在一些示例性實施例中，透光基板(2)具有0.1mm至3mm之間的厚度，但也可以考慮更厚或更薄的基板。在一些實施例中，發光層(202、203、204)的厚度為0.01mm 至0.2mm，但也可考慮更厚或更薄的基板。一個或多個鐳射二極體(LD)(或者作為替代，一個或多個藍光LED)從基板側對裝置進行照射，即，鐳射(205a)照射在基板(201)的與佈置有發光層(202、203、204)的基板側相反的一側上。如在圖1的裝置中那樣，直接鐳射(205a)的一部分被螢光體(203)轉換成經轉換黃光(206)，同時藍光的另一部分作為未經轉換的藍光(205b)穿過，未經轉換的藍光(205b)與黃光(206)組合以形成白光(205b、206)。為了提高光學效率，在一些實施例中，基板(201)覆有二向色膜，該二向色膜使藍光(205a)通過但反射黃光(206)。
如在圖1的實施例中那樣，未經轉換的藍光(205b)被散射顆粒(204)散射，並且經散射的藍光(205b)與黃光螢光體發射光(206)組合以形成反射的白光(205b、206)。為了獲得與黃光(206)的近似朗伯光分佈類似的經散射的藍光(205b)的期望的漫反射表面光分佈，優選地將光散射顆粒(204)的密度設計為使得未被螢光體(203)轉換成黃光的直接藍光中的大部分或全部遇到至少一個光散射顆粒(204)並從所述至少一個光散射顆粒(204)散射。然而，可以預料到，未經轉換的直接藍光中的相對少的一部分穿過發光層(202、203、204)而不與螢光體(203)或光散射顆粒(204)相互作用。還應注意的是，經散射的藍光(205)的漫反射表面空間分佈類似於來自真實漫反射表面的漫反射，但由於散射顆粒(204)跨過發光層的厚度分佈，因而二者的機制稍有不同，並且另外，經散射的光是通過透射而不是通過反射過程產生的。
圖3示出了螢光體輪(300)，其構造為使用圖1的反射式白光光源(100)以反射模式操作。YAG：Ce螢光體粉(103)和散射材料(104)與粘合劑(102)混合，並且然後通過分配或絲網印刷或其他塗布法而被分散在金屬基板(302)(對應於圖1的基板(101))上以製備螢光體環(301)。換句話說，螢光體環(301)適當地形成為圖1的、形狀為圈或環的發光層(102、103、104)。在一些實施例中，取決於粘合劑(102)的類型，通過加熱來硬化粘合劑，環(301)可以被適當地固化。螢光體輪(300)由馬達(303)和 聯接器驅動軸(304)驅動，以便沿圖3中的彎曲箭頭(305)所指示的順時針方向旋轉(作為替代，可以設想逆時針旋轉)，從而以高速旋轉。除了驅動軸(304)之外或作為驅動軸(304)的替代，可以考慮馬達(303)與盤狀基板(302)之間的其他操作性聯接器以使盤狀基板(302)的旋轉機動化，所述其他操作性聯接器諸如包括齒輪、直角機械連杆等。激發光(105a)是入射光源。當激發雷射光束(例如藍光(105a))聚焦在螢光體環(301)上以形成光斑時，經轉換黃色光束(106)被發射並與經散射藍光(105b)組合(如前面參考圖1所述)，然後將被透鏡系統(未示出)收集。
圖4示出了螢光體輪(400)，其構造為使用圖2的透光式白光光源(200)以透射模式操作。YAG：Ce螢光體粉(203)和散射材料(204)與粘合劑(202)混合，並且然後通過分配或絲網印刷或其他塗布法而被分散在透光式基板(402)(對應於圖2的基板(201))上以製備螢光體環(401)。換句話說，螢光體環(401)適當地形成為圖2的、形狀為圈或環的發光層(202、203、204)。基板(402)是透明的，諸如為玻璃、晶態陶瓷、藍寶石板等。在一些實施例中，取決於粘合劑(202)的類型，通過加熱來硬化粘合劑，環(401)可以被適當地固化。螢光體輪(400)由馬達(403)和聯接器驅動軸(404)驅動，以便沿圖4中的彎曲箭頭(405)所指示的順時針方向旋轉(作為替代，可以設想逆時針旋轉)，從而以高速旋轉。除了驅動軸(404)之外或作為驅動軸(404)的替代，可以考慮馬達(403)與盤狀基板(402)之間的其他操作性聯接器以使盤狀基板(402)的旋轉機動化，所述其他操作性聯接器諸如包括齒輪、直角機械連杆等。激發光(205a)是入射光源。當激發雷射光束(例如藍光(205a))聚焦在螢光體環(401)上以形成光斑時，經轉換黃色光束(206)被發射並與經散射藍光(205b)組合(如前面參考圖2所述)，然後將被透鏡系統(未示出)收集。
在圖3和圖4的實施例中，各個基板(302、402)優選為盤，盤可選地具有用於與馬達軸聯接的中央開口。可以使用已知技術機械地平衡盤狀基板，以確保在高速旋轉期間最小的摩擦、擺動、或其他不希望的運動或受力。 螢光體環(301、401)以盤狀基板(302、402)為中心，即，螢光體環(301、401)同心地佈置在盤狀基板(302、402)上，並且通常定位在相對大的半徑處，即，螢光體環(301、401)的外邊緣通常靠近盤狀基板(302、402)的外邊緣。如前所述，與相應的螢光體環(301、401)相互作用的光由於旋轉而將繪製環形路徑，從而使熱量分佈在環形路徑上。這使得能夠使用更高功率的雷射光束，和/或更強地將該光束聚焦為更緊密的光束斑，從而提高可產生的光功率。
在圖3和圖4的示例性螢光體輪中，環形發光層(301、401)包括在環形發光層(301、401)中的環形區附近、佈置在粘合劑(102、202)中、具有均勻成分的螢光體(103、203)和光散射材料(104、203)。這確保了經反射的白光(105b、106)或經透射的白光(205b、206)在盤狀基板(302、402)的整個360°旋轉範圍裏具有均勻的光譜組成和均勻的白度特性。這意味著經反射的白光(105b、106)或經透射的白光(205b、206)是恒定的，而不是隨時間變化的。因此，由馬達(303、403)驅動的螢光體輪的旋轉不旨在提供如在一些常規螢光體輪中那樣的不同顏色的時間序列，而是提供由光源(LD)注入的熱能的繞環形區的熱量分佈。
作為替代，所披露的圖1和圖2的反射式白光光源(100)或透射式白光光源(200)分別可以實施為靜態白光光源，如圖5和圖6所示。靜態白光光源是這樣的白光光源：在白光光源的運行期間發光層相對于發射藍光的光源是靜止的，即，在白光光源的運行期間發光層相對于光源並不旋轉或以其他方式移動。
圖5示出了具有反射式幾何形狀的靜態白光光源(500)，其具有對應於圖1的基板(101)的基板(501)，以及佈置在基板(501)上的螢光體層(502)，螢光體層(502)對應於圖1的發光層(102、103、104)，發光層(102、103、104)包括粘合劑(102)、黃光螢光體(103)、以及包括光散射顆粒(104)的光散射材料。如參考圖1所述的，激發藍光(105a)聚焦在螢光體區域(501)上以形成光斑，經轉換黃色光束(106)被發射並與經散射 的藍光(105b)組合，如前面參考圖1所述，然後將被透鏡系統(未示出)收集。
圖6示出了具有透光幾何形狀的靜態白光光源(600)，其具有對應於圖2的基板(201)的基板(601)，以及佈置在基板(601)上的螢光體層(602)，螢光體層(602)對應於圖2的發光層(202、203、204)，發光層(202、203、204)包括粘合劑(202)、黃光螢光體(203)、以及包括光散射顆粒(204)的光散射材料。如參考圖2所述，激發藍光(205a)聚焦在螢光體區域(601)上以形成光斑，經轉換黃色光束(206)被發射並與經散射的藍光(205b)組合，如前面參考圖2所述，然後將被透鏡系統(未示出)收集。
已參考優選實施例對本發明進行了描述。在閱讀和理解上述詳細說明的基礎上，其他人員可以想到修改與變型。示例性實施例應解釋為包括落入所附權利要求書及其等同內容所限定的範圍以內的所有修改與變型。
100‧‧‧白光光源
101‧‧‧基板
102‧‧‧粘合劑
103‧‧‧黃光螢光體
104‧‧‧光散射顆粒
105a‧‧‧激發藍光
105b‧‧‧經散射的藍光
106‧‧‧黃光
LD‧‧‧鐳射二極體
Claims (32)
- 一種螢光體輪，包括：盤狀基板；以及螢光體環，其包括佈置在所述盤狀基板上的環形發光層，所述環形發光層包括佈置在粘合劑中的螢光體和光散射材料的成分，其中該成分具有的重量比為20%至70%的粘合劑、30%至80%的螢光體、以及5%至15%的光散射材料，使得產生的白光在4000K至8000K的色溫範圍內在近似朗伯分佈上光譜均勻。
- 根據申請專利範圍第1項所述的螢光體輪，其中，所述光散射材料包括佈置在所述粘合劑中的光散射顆粒。
- 根據申請專利範圍第2項所述的螢光體輪，其中，所述光散射顆粒具有1至50微米範圍內的尺寸或92%以上的反射率之至少其中之一者。
- 根據申請專利範圍第1至3項中的任一項所述的螢光體輪，其中，所述光散射材料具有20W/m．K以上的導熱率、或與螢光體的熱膨脹係數和密度基本上類似的熱膨脹係數和密度之至少其中之一者。
- 根據申請專利範圍第2至3項中的任一項所述的螢光體輪，其中，所述光散射顆粒包括氧化鋁顆粒、二氧化鈦顆粒、氧化鎂顆粒、氮化硼顆粒、氮化鋁顆粒和鋁酸鹽顆粒中的一種或多種。
- 根據申請專利範圍第1至3項中的任一項所述的螢光體輪，其中，所述環形發光層包括在所述環形發光層中的環形區附近、佈置在所述粘合劑中、具有均勻成分的所述螢光體和所述光散射材料。
- 根據申請專利範圍第1至3項中的任一項所述的螢光體輪，還包括：馬達，其可操作地連接以旋轉所述盤狀基板。
- 一種白光光源，包括：根據申請專利範圍第1至7項中的任一項中所述的螢光體輪；以及藍光光源，其佈置為用藍光照射所述螢光體環； 其中，所述白光光源輸出白光，所述白光在4000K至8000K的色溫範圍內在近似朗伯分佈上光譜均勻，所述白光包括來自被所述藍光照射的所述螢光體的經轉換的螢光體發射光，以及被所述光散射材料散射的未經轉換的散射藍光。
- 根據申請專利範圍第8項所述的白光光源，其中，所述未經轉換的散射藍光具有與所述經轉換的螢光體發射光的空間分佈相匹配的空間分佈。
- 根據申請專利範圍第8至9項中的任一項所述的白光光源，其中，所述未經轉換的散射藍光具有漫反射表面空間分佈，並且所述經轉換的螢光體發射光具有漫反射表面空間分佈。
- 根據申請專利範圍第8至9項中的任一項所述的白光光源，其中，所述藍光具有400nm至500nm範圍內的波長。
- 根據申請專利範圍第8至9項中的任一項所述的白光光源，其中，所述經轉換的螢光體發射光包括黃光。
- 根據申請專利範圍第8至9項中的任一項所述的白光光源，其中，所述螢光體包括紅光螢光體和綠光螢光體的混合物，所述紅光螢光體產生在600至650nm範圍的紅光光譜內的經轉換的螢光體發射光，所述綠光螢光體產生在490至560nm範圍的綠光光譜內的經轉換的螢光體發射光。
- 根據申請專利範圍第8至9項中的任一項所述的白光光源，其中，所述螢光體輪為反射式螢光體輪或透射式螢光體輪。
- 根據申請專利範圍第8至9項中的任一項所述的白光光源，其中，所述環形發光層的厚度為0.01mm至0.3mm，使得所述白光光源輸出白光，所述白光基於至少所述環形發光層的成分和厚度在近似朗伯分佈上光譜均勻。
- 一種白光光源，包括：發光層，其包括佈置在粘合劑中的螢光體和光散射材料的成分，其中該成分具有的重量比為20%至70%的粘合劑、30%至80%的螢光體、以及5%至15%的光散射材料；以及光源，其佈置為用具有400nm至500nm範圍內的波長的藍光照射所述發光層； 其中，所述白光光源輸出白光，所述白光在4000K至8000K的色溫範圍內在近似朗伯分佈上光譜均勻，所述白光包括來自被所述藍光照射的所述螢光體的經轉換的螢光體發射光，以及被所述光散射材料散射的未經轉換的散射藍光。
- 根據申請專利範圍第16項所述的白光光源，其中，所述白光光源是在所述白光光源的運行期間所述發光層相對于所述光源靜止的靜態白光光源。
- 根據申請專利範圍第16至17項中的任一項所述的白光光源，其中，所述光散射材料包括佈置在所述粘合劑中的光散射顆粒。
- 根據申請專利範圍第18項所述的白光光源，其中，所述光散射顆粒具有0.1至50微米範圍內的尺寸或對所述藍光具有92%以上的反射率之至少其中之一者。
- 根據申請專利範圍第16至17項中的任一項所述的白光光源，其中，所述光散射材料具有20W/m．K以上的導熱率、或與螢光體的熱膨脹係數和密度基本上類似的熱膨脹係數和密度之至少其中之一者。
- 根據申請專利範圍第18所述的白光光源，其中，所述光散射顆粒包括氧化鋁顆粒、二氧化鈦顆粒、氧化鎂顆粒、氮化硼顆粒、氮化鋁顆粒和鋁酸鹽顆粒中的一種或多種。
- 根據申請專利範圍第16至17項中的任一項所述的白光光源，其中，所述未經轉換的散射藍光具有與所述經轉換的螢光體發射光的空間分佈相匹配的空間分佈。
- 根據申請專利範圍第16至17項中的任一項所述的白光光源，其中，所述未經轉換的散射藍光具有漫反射表面空間分佈，並且所述經轉換的螢光體發射光具有漫反射表面空間分佈。
- 根據申請專利範圍第16至17項中的任一項所述的白光光源，其中，所述環形發光層的厚度為0.01mm至0.3mm，其中所述發光層的成分和厚度係構造為獲得近似朗伯空間分佈的光空間分佈。
- 根據申請專利範圍第16至17項中的任一項所述的白光光源，其中，所述經轉換的螢光體發射光包括黃光。
- 根據申請專利範圍第16至17項中的任一項所述的白光光源，其中，所述螢光體包括紅光螢光體和綠光螢光體的混合物，所述紅光螢光體產生在600至650nm範圍的紅光光譜內的經轉換的螢光體發射光，所述綠光螢光體產生在490至560nm範圍的綠光光譜內的經轉換的螢光體發射光。
- 一種白光生成方法，包括：通過佈置在發光層中的在成分中的螢光體將藍光的一部分轉換為螢光體光，其中該成分具有的重量比為20%至70%的粘合劑、30%至80%的螢光體、以及5%至15%的光散射材料；通過佈置在所述發光層中的散射顆粒散射所述藍光的未被轉換為螢光體光的部分，以生成經散射的藍光；以及輸出白光，所述白光在4000K至8000K的色溫範圍內在近似朗伯分佈上光譜均勻，所述白光包括所述螢光體光和所述經散射的藍光的組合。
- 根據申請專利範圍第27項所述的白光生成方法，其中，所述螢光體光具有漫反射表面空間分佈，並且所述經散射的藍光具有漫反射表面空間分佈。
- 根據申請專利範圍第27至28項中的任一項所述的白光生成方法，還包括：在所述轉換、散射和輸出的同時，旋轉螢光體輪，所述螢光體輪包括盤狀基板，所述發光層作為螢光體環佈置在所述盤狀基板上。
- 根據申請專利範圍第29項所述的白光生成方法，其中，所述螢光體輪是反射式螢光體輪，並且所述白光在所述螢光體輪的與被所述藍光照射的一側相同的一側輸出。
- 根據申請專利範圍第29項所述的白光生成方法，其中，所述螢光體輪是透射式螢光體輪，並且所述白光在所述螢光體輪的與被所述藍光照射的一側相反的一側輸出。
- 根據申請專利範圍第27至28項中的任一項所述的白光生成方法，其中，所述發光層在所述轉換、散射和輸出期間相對于生成所述藍光的光源靜止。
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