CN105738994B - 波长转换装置及相关照明装置、荧光色轮和投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明保护一种波长转换装置及相关照明装置、荧光色轮和投影装置，该波长转换装置包括依次叠置的发光层、中间层和镜面反射层，发光层包含波长转换材料和粘接剂，中间层为可透光的漫反射层，中间层为致密层，用于支撑发光层。发光层发出的光能够在中间层漫反射和镜面反射层镜面反射的共同作用下实现高反射率反射，并改善了光发散角分布的均匀性，同时发光层发出的热能够在致密的中间层均匀传播并发散，使得波长转换装置能够在大功率发光的情况下保持高效稳定的均匀发光。

Description

波长转换装置及相关照明装置、荧光色轮和投影装置

技术领域

本发明涉及发光器件领域，特别是涉及一种波长转换装置及相关照明装置、荧光色轮和投影装置。

背景技术

随着显示和照明技术的发展，原始的卤素灯泡作为光源越来越不能满足显示和照明高功率和高亮度的需求。采用固态光源如LD(Laser Diode，激光二极管)发出的激发光以激发波长转换材料的方法能够获得各种颜色的可见光，该技术越来越多的应用于照明和显示中。这种技术具有效率高、能耗少、成本低、寿命长的优势，是现有白光或者单色光光源的理想替代方案。

由于反射式波长转换装置效率高，被广泛的应用于照明显示装置中，其包括发光层和反射层。从反射结构上，主要分为两种：一是镜面反射膜，二是漫反射层。

首先，对于镜面反射膜，由于发光层是由荧光粉和粘接剂组成的，发光层的表面难以做到表面平整无凹凸颗粒，因此难以在发光层表面镀制反射率较高的镜面反射膜；而若先制备反射膜，然后在其上制备发光层，则又容易在制备过程中破坏反射膜的表面，进而导致反射膜的反射率下降。此外，纯的镜面反射膜使发光层发出的光集中于较小的空间范围，光发散角小，出射光的均匀性较差。

其次，对于漫反射层，一般以散射颗粒和玻璃粉组成，由于漫反射层中起反射作用的主要为散射颗粒，散射颗粒要使漫反射层达到足够的反射率，需层叠至一定厚度，而玻璃粉的存在导致漫反射层达到所需反射率的厚度进一步增加，这将导致发光层产生的热量难以通过漫反射层发散出去。此外，由于玻璃粉的导热能力差，导致热量聚集，进一步使得发光层产生的热量无法发散，从而降低了光源可靠性并同时降低了发光层的发光效率，导致光源效率低。而对于以散射颗粒和空隙组成的漫反射层结构，与上述玻璃粉的方案相同，空隙的存在大大的增加了漫反射层的热阻，其导热效果很差，同样会导致光源效率低。

因此需要一种带有新的反射结构的波长转换装置，能够具有良好的反射性能和散热性能，并能够使出射光具有较好的均匀性，从而在大功率发光的情况下保持高效稳定的出光。

发明内容

针对上述现有技术的不能同时满足反射层出光均匀性和出光效率缺陷，本发明提供一种能够在大功率发光的情况下保持高效稳定的均匀输出光的波长转换装置。

本发明提供了一种波长转换装置，包括依次叠置的发光层、中间层和镜面反射层，发光层包含波长转换材料和粘接剂，中间层为可透光的漫反射层，中间层为致密层，用于支撑发光层。

优选地，中间层包含光吸收率小于20％的陶瓷。

优选地，中间层为Al₂O₃层。

优选地，中间层的厚度为10～500μm。

优选地，镜面反射层为金属反射膜，包括金反射膜、银反射膜、铝反射膜中的一种。

优选地，还包括导热衬底，位于金属反射膜远离中间层的一侧。

优选地，导热衬底为金属散热器，该金属散热器通过焊接的方式与金属反射膜连接。

优选地，镜面反射层为介质反射膜。

优选地，介质反射膜透过激发光，反射受激光。

优选地，粘接剂为无机粘接剂，无机粘接剂包括玻璃或陶瓷。

优选地，发光层与中间层烧结连接。

优选地，中间层的与发光层连接的表面为经粗糙化后的表面。

本发明还提供了一种照明装置，包括上述任一项的波长转换装置，还包括激发光源。

本发明还提供了一种荧光色轮，包括上述任一项的波长转换装置，还包括驱动装置，用于带动波长转换装置转动。

优选地，中间层与驱动装置固定连接，驱动装置驱动中间层以带动发光层和镜面反射层转动。

优选地，还包括加固层，中间层与加固层通过粘接或机械固定的方式固定连接，加固层与驱动装置固定连接。

优选地，加固层与中间层的材质相同，且加固层与中间层为包括一凹槽的一体结构，发光层位于凹槽中。

本发明还提供了一种投影装置，包括上述任一项的荧光色轮

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：

本发明中的波长转换装置，利用镜面反射层实现高反射率的同时，在发光层和镜面反射层之间设置具有漫反射作用的中间层，使得波长转换装置能够发出高效均匀的反射光，中间层为可透光的致密层，使得波长转换装置的发光层发出的热能够在中间层均匀传播并发散，从而使得波长转换装置能够在大功率发光的情况下保持高效稳定的均匀发光。

附图说明

图1为本发明实施例一的波长转换装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一的变形实施例的波长转换装置的结构示意图；

图3为本发明实施例二的荧光色轮的结构示意图；

图4为本发明实施例二的变形实施例的荧光色轮的结构示意图；

图5为本发明实施例二的另一个变形实施例的荧光色轮的结构示意图；

图6为本发明实施例二的又一个变形实施例的荧光色轮的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。

实施例一

如图1所示，图1为本发明实施例一的波长转换装置的结构示意图，波长转换装置包括发光层101、中间层102和镜面反射层103，其中发光层101与中间层102之间、中间层102与镜面反射层103之间紧密连接。

在工作状态，发光层101发出的光经中间层102，到达镜面反射层103，然后被镜面反射层103反射，依次经过中间层102和发光层101后出射。发光层101产生的热量经中间层102传导至镜面反射层103，并从中间层102和反射层103上发散出去。

本实施例中，中间层102具有透光性，从而使得光能够穿过中间层102后到达镜面反射层103再被反射回去，镜面反射层103相对于高白度颗粒堆叠而成的漫反射层具有更优秀的反射率，只需要远薄于漫反射层的厚度就可以达到同样的反射率。而且，中间层102为致密层，其孔隙率不大于20％，其表面也为致密表面，表面平整，有利于在其上镀制镜面反射膜。为进一步改善镀膜质量，还可以对中间层102的与镜面反射层103连接的表面进行抛光磨平处理。

中间层102并非为100％的透光率，因为100％透光率下光直接透射到镜面反射层103并被反射回发光层101，中间层102仅仅增加了光程，对光传播方向没有作用。由于镜面反射本身的特性，光的发散角在反射后不变，使得波长转换装置发出的光仍然集中于较小的空间范围，光发散角小，出射光的均匀性较差。本发明的中间层102具有漫反射作用，从发光层101进入中间层102的光，除了部分光透射过中间层102并入射于镜面反射层103之外，还有部分光直接被中间层102散射反射回发光层101；同样，从镜面反射层103反射回中间层102的光也会被部分散射。这些被散射的光的出射角度分布范围变大，从而改善了波长转换装置出射光的均匀性。

中间层102同时具有支撑发光层101和附着镜面发光层103的作用，需要具有足够高的机械强度，因此中间层102不能为疏松多孔的层结构，并应具有一定的厚度。本实施例中，中间层102的厚度范围为10～500μm，厚度过小，则中间层102不足以起到支撑作用，而厚度过大，则一方面减少了镜面反射的光所占比例，另一方面增加了热阻，不利于出光效率。

为满足波长转换装置的高发光效率，中间层需由光吸收率小的材料组成。本发明中，光吸收率小于20％范围内的材料是可以接受的，如果光吸收率过大，将导致装置整体反射率下降及光损耗。

本实施例中，中间层102由陶瓷材料组成，例如氧化铝。氧化铝的光吸收率小，而且导热系数较高，一可以减少光损耗，二可以将发光层101发出的热量迅速的传导出去，防止热量堆积而导致的波长转换材料发光效率低。特别的，在一种优选的实施方式中，中间层102选择单一材料层，可以减少不同材料之间结合而产生的界面热阻。

本实施例中，镜面反射膜103为金属反射膜，金属反射膜具有镀膜简单、反射率高、导热性能好的优点，可以是金反射膜、银反射膜、铝反射膜等，或两种及以上的合金反射膜。其中银反射膜对可见光的反射率高，金反射膜适用于发光层发出红外光的情况(本发明不仅限于可见光发光)，铝反射膜的成本较低。在本发明其他的实施例中，镜面反射膜103也可以是介质反射膜，介质反射膜的反射率可以做到99％以上，而且可以根据需要设计介质反射膜的反射波长范围。通过设计使介质反射膜透射激发光、反射受激光，然后通过控制中间层102的厚度，可以控制激发光占波长转换装置的出射光的比例，从而实现对波长转换装置出射光的颜色的控制。

本实施例中，发光层101包含粘接剂，波长转换材料与粘接剂形成层结构，粘接剂可以是无机粘接剂、有机粘接剂或者两者的结合。有机粘接剂适于低功率的波长转换装置，制备工艺简单；但是对于高功率的波长转换装置，有机粘接剂无法长期耐受高发光强度带来的高温，本实施例采用无机粘接剂，如玻璃或透明陶瓷作为粘接剂，可以使波长转换装置在高温下仍然保持稳定。本实施例中，通过将无机粘接剂和波长转换材料的混合浆料在中间层102上烧结至软化，制得发光层101，发光层101与中间层102之间存在一个由于烧结而形成的连接结构，使得两者之间的结合更加紧密，从而有利于热量从发光层101传导至中间层102的过程中的界面热阻减小。这种烧结连接方式相对于机械压合的连接方式的实际接触面积明显较大，界面热阻明显较小。

在一种更优的实施方式中，中间层102的与发光层101接触的表面，为经粗糙化处理后的凹凸不平的表面，这种表面结构使得发光层101与中间层102的实际接触面积更大，进一步增强了两者的结合。

请参见图2，图2为本发明实施例一的变形实施例的波长转换装置的结构示意图。与实施例一相比，该变形实施例增加了与镜面反射层203连接的导热衬底204。

本变形实施例中，镜面反射层203为金属反射层，其易于焊接，导热衬底204与镜面反射层203焊接连接，不仅增强了波长转换装置的散热能力，而且可以对镜面反射层203起到保护作用，防止镜面反射层203被氧化。

导热衬底204与镜面反射层203之间还包括一个焊接层(图中未示出)，该焊接层为其他一种或多种金属层，可以使导热衬底和镜面反射层之间的结合更紧密。当然，焊接层并非必须的，当导热衬底204与镜面反射层203的材料接近时，可以直接对其焊接。

在本发明的一个实施例中，将实施例一的波长转换装置与激发光源结合，得到照明装置。该照明装置中，波长转换装置吸收激发光源发出的激发光，并发出不同于激发光的受激发光，得到单色受激发光或激发光与受激发光的混合光。

实施例二

请参见图3，图3为本发明实施例二的荧光色轮的结构示意图。与实施例一相比，本实施例的荧光色轮增加了驱动装置305，驱动装置用于带动波长转换装置转动。

相比于没有驱动装置305的固定式波长转换装置，本实施例的荧光色轮利用转动使得热量更快的发散，从而使其能够在更高的光功率下工作。

图4为实施例二的一个变形实施例的结构示意图。相比与实施例二，中间层402与驱动装置405固定连接，驱动装置405驱动中间层402转动，中间层402带动发光层401和镜面反射层403转动。由于中间层402为致密层结构，机械性能优异，能够承受高速旋转下的向心力。

此外，相比于实施例二，本实施例还包括导热衬底404，可以进一步提高波长转换装置的散热性能。其中，导热衬底404的散热鳍片可以制为相对于驱动装置405的轴线螺旋状排布，从而在增强散热性能的同时减少风阻。

图5为实施例二的另一个变形实施例的结构示意图。相比与实施例二，本实施例的荧光色轮还包括加固层506，该加固层与驱动装置505固定连接，加固层506与中间层502固定连接，连接方式可以是用粘接剂连接也可以通过螺钉等机械固定的方式连接。加固层可以是玻璃板、陶瓷板、石英板、金属板等。

加固层506可以进一步提高波长转换装置的稳定性。

图6为实施例二的又一个变形实施例的结构示意图。相比与图5所示的结构，本实施例的加固层606与中间层602为同样材质，更进一步的，加固层606与中间层602为一体结构，两者共同形成一个凹槽结构，发光层601位于该凹槽中。本实施例的这种结构，一方面增加了中间层602在非光路传播方向上的厚度，增强了荧光色轮机械强度的同时，对光和热的传播基本没有影响，另一方面，通过将发光层601设置在增加了加固层606的中间层602的凹槽中，使得荧光色轮的结构更加规则，从而减少了荧光色轮转动时的风阻。

本发明还涉及一种投影装置，包括上述荧光色轮及激发光源，可以实现高亮度投影显示。

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。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明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，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种荧光色轮，包括波长转换装置，还包括驱动装置，用于带动波长转换装置转动；

所述波长转换装置包括依次叠置的发光层、中间层和镜面反射层；

所述发光层包含波长转换材料和粘接剂；

所述中间层为可透光的漫反射层；

所述中间层为致密层，厚度为10～500μm，用于支撑所述发光层，其孔隙率不大于20％；

所述镜面反射层为金属反射膜或介质反射膜；

所述中间层与所述驱动装置固定连接，所述驱动装置驱动中间层以带动所述发光层和镜面反射层转动。

2.根据权利要求1所述的荧光色轮，其特征在于，还包括加固层，所述中间层与所述加固层通过粘接或机械固定的方式固定连接，所述加固层与所述驱动装置固定连接。

3.根据权利要求2所述的荧光色轮，其特征在于，所述加固层与所述中间层材质相同，且所述加固层与所述中间层为包括一凹槽的一体结构，所述发光层位于该凹槽中。

4.根据权利要求1所述的荧光色轮，其特征在于，所述中间层包含光吸收率小于20％的陶瓷。

5.根据权利要求4所述的荧光色轮，其特征在于，所述中间层为Al₂O₃层。

6.根据权利要求1所述的荧光色轮，其特征在于，还包括导热衬底，位于所述金属反射膜远离所述中间层的一侧。

7.根据权利要求6所述的荧光色轮，其特征在于，所述导热衬底为金属散热器，该金属散热器通过焊接的方式与所述金属反射膜连接。

8.根据权利要求1所述的荧光色轮，其特征在于，所述介质反射膜透过激发光，反射受激光。

9.根据权利要求1所述的荧光色轮，其特征在于，所述粘接剂为无机粘接剂，所述无机粘接剂包括玻璃或陶瓷。

10.根据权利要求9所述的荧光色轮，其特征在于，所述发光层与所述中间层烧结连接。

11.根据权利要求1所述的荧光色轮，其特征在于，所述中间层的与所述发光层连接的表面为经粗糙化后的表面。

12.一种投影装置，包括如权利要求1至11中任一项所述的荧光色轮。