CN103574518A - 波长转换装置和光源 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种波长转换装置和使用这种装置的光源，用于接收激发光被受激发射受激光，包括波长转换层和衬底，还包括位于波长转换层第二面一侧的侧壁镀有反射层的反光杯，反光杯具有相对的大口和小口，小口面向波长转换层；反光杯包括至少两个分块，每个分块都包括一个反射功能面，各反射功能面拼合在一起构成完整的反光杯侧壁。本发明的波长转换装置和光源中，只要激发光以合适的入射角入射于反光杯的大口，就能够最终入射于波长转换层，这有效避免了各个激发光斑的分散。同时反光杯由多个分块组成，这样只要每个分块的反射功能面加工成特定的形状就能够实现高可靠性的圆形孔径的反光杯。

Description

波长转换装置和光源

技术领域

本发明涉及光源领域，特别是涉及波长转换装置和使用该波长转换装置的光源。 

  

背景技术

当前，光源技术已经被应用于诸多领域，应用最多的光源是卤素灯和荧光灯。这些光源的最大的问题是亮度不足。近年来，LED光源发展迅速，利用蓝色的LED激发涂敷于LED表面的黄色荧光粉来产生白光，这种光源已经开始在市场上普及。但问题在于单颗LED光源的功率较低，依然存在亮度不足的问题。 

而高亮度光源领域，常用的是高压汞灯和氙灯光源，这样的光源依靠超短的灯弧而具有很高的亮度（能量密度），但问题在于其寿命只有1000小时左右，使用成本很高。 

目前出现了一种半导体光源，其结构如图1所示。激发光源（图中未画出）发出的激发光121经过分光滤光片111的透射入射于透镜103并经过透镜103的折射而聚焦于荧光粉层801。从荧光粉层101出射的受激光122被透镜103收集后准直，经过分光滤光片111的反射而最终出射。在该光源中，分光滤光片111透射激发光同时反射受激光，其作用在于将激发光和受激光的光路相分离。若没有该分光滤光片，则受激光将全部向激发光源方向出射从而造成严重的光损失。 

在实际应用中，常使用多个激发光源来提供激发光。此时该光源的问题在于，多束激发光在荧光粉层801上产生多个光源，需要精密的调节各个光斑的位置使其重叠或者相互靠拢，若不加控制各光斑之间可能分散，这将造成光源能量密度的严重下降。在实际生产中，光斑的精密调节难以实现自动化，因此良率低成本高，不适宜大批量的生产。 

  

发明内容

本发明提出一种波长转换装置，用于接收激发光被受激发射受激光，包括波长转换层和衬底，波长转换层包括相对的第一面和第二面，波长转换层的第一面依附于衬底的第一表面上，该表面对于波长转换层发出的光具有反射性；还包括位于波长转换层第二面一侧的侧壁镀有反射层的反光杯，反光杯具有相对的大口和小口，小口面向波长转换层；激发光入射于反光杯的大口并从反光杯的小口出射并最终入射于波长转换层，波长转换层发出的受激光或受激光与剩余的没有被吸收的激发光的混合光被反光杯的小口收集并最终从反光杯的大口出射；反光杯包括至少两个分块，每个分块都包括一个反射功能面，各反射功能面拼合在一起构成完整的反光杯侧壁。 

本发明还提出一种光源，包括激发光源，激发光源用于发射激发光；还包括上述的波长转换装置，激发光以特定角度入射于反光杯的大口并最终入射于波长转换层；还包括位于激发光源与波长转换装置光路之间的分光装置，用于将波长转换层发出的受激光的光路与入射的激发光的光路分离开来；其中，分光装置是分光滤光片，该分光滤光片透射激发光且反射受激光，或者反射激发光且透射受激光；或者，分光装置是带孔的反射装置，该反射装置具有平面或曲面的反射面，孔位于反射面内，激发光从反射装置的孔透射并入射于反光杯的大口，受激光入射于反射面，其中入射于反射面的孔以外的部分被反射；或者，分光装置是小反射镜，激发光入射于小反射镜并被其反射而入射于反光杯的大口，大部分受激光从小反射镜周围出射。 

本发明还提出一种光源，包括激发光源，激发光源用于发射激发光；还包括上述的波长转换装置，激发光以特定角度入射于反光杯的大口并最终入射于波长转换层；从反光杯的大口入射的光具有第一角度范围，在该角度范围内的光能够穿过反光杯而从反光杯的小口出射，在该角度范围外的光则不能穿过反光杯；第一角度范围分为内区和外区，外区的角度大于内区的角度；激发光以属于外区的入射角度入射于反光杯的大口；还包括位于反光杯光路后端的光出口，光出口的范围覆盖反光杯的内区出射光的光通道且不覆盖反光杯的外区出射光的光通道。 

本发明的波长转换装置和光源中，只要激发光以合适的入射角入射于反光杯的大口，就能够最终入射于波长转换层，这有效避免了各个激发光斑的分散。同时反光杯由多个分块组成，这样只要每个分块的反射功能面加工成特定的形状就能够实现高可靠性的圆形孔径的反光杯。 

                

附图说明

图1表示了现有技术的光源的结构示意图； 

图2表示了本发明光源的第一实施例的结构示意图；

图3表示了反光杯的工作原理

图4表示了本发明光源的又一个实施例的结构示意图；

图5表示了本发明光源的又一个实施例的结构示意图；

图6表示了本发明光源的又一个实施例的结构示意图；

图7a至7d表示了本发明中反光杯分块的一个举例的不同视图；

图8a至8d表示了本发明中反光杯分块的又一个举例的不同视图；

图9a表示了本发明反光杯的组装俯视图；

图9b表示了两个相邻反光杯的组装俯视图；

图10a至10d表示了本发明中反光杯分块的又一个举例的不同视图；

图11a和11b表示了图10a至10d的反光杯分块的组装俯视图的两个举例；

图12a和12b表示了本发明中反光杯与波长转换层的两种位置关系的举例；

图13a和13b表示了波长转换层的两种可能的结构；

图14表示了本发明的波长转换层的一种涂覆方法的流程图；

图15表示了本发明的波长转换装置的又一个实施例的结构示意图；

图16表示了图15所示波长转换装置的性能的模拟数据。

  

具体实施方式

本发明的第一实施例的光源的结构如图2所示。该光源激发光源（图中未画出）和波长转换装置，该波长转换装置包括波长转换层201和衬底202，波长转换层201包括相对的第一面和第二面。在图2中，第一面是波长转换层201的左侧表面，第二面是波长转换层的右侧表面。波长转换层201的第一面依附于衬底的第一表面202a上，该表面202a对于波长转换层201发出的光具有反射性，因此从波长转换层面向衬底出射的光（包括波长转换层本身受激发射的受激光，和/或剩余的激发光）会被该第一表面202a反射回波长转换层，并最终从波长转换层的第二面出射。因此，由于衬底的存在，从波长转换层出射的光都会从其第二面出射。特别指出的是，在下文的描述中，波长转换层的出射光指的是波长转换层本身受激发射的受激光，或者受激光与没有被吸收的剩余的激发光的混合光。 

波长转换装置还包括位于波长转换层第二面一侧的侧壁镀有反射层的反光杯203，反光杯具有相对的大口203a和小口203b，小口203b面向波长转换层201，激发光221以特定角度入射于反光杯的大口203a并从反光杯的小口203b出射并最终入射于波长转换层201，波长转换层201发出的受激光或受激光与剩余的没有被吸收的激发光的混合光被反光杯的小口203b收集并最终从反光杯的大口203a出射。 

反射杯的工作原理在图3中进行专门解释。在图3中，从反光杯303的大口303a入射的光并不能全部从反光杯303的小口303b出射，这是符合光学中的“光学扩展量守恒”原理的。入射于反光杯303的大口303a的光具有第一角度范围，在该角度范围内的光能够穿过反光杯303而从反光杯的小口303b出射，在该角度范围外的光则不能穿过反光杯303。根据“光学扩展量守恒”原理，光束在反光杯的大口和小口处的面积与发光角度正弦平方的乘积为常数，即： 

S_大口·sin²Q_大口= S_小口·sin²Q_小口       (1)

公式中S_大口和S_小口分别代表大口和小口处的面积，Q_大口和Q_小口则分别代表大口和小口处的发光半角。

在本实施例中，反光杯用于从大口203a接收激发光并将其从小口203b处出射，同时还用于从小口203b处接收受激光并将其从大口出射。显而易见，无论哪种作用，小口203b处光的发光角度最大为半角90度。具体到图3来说，小口303b处发光半角为90度，因此由于大口303a的面积S_大口大于小口303b面积S_小口，因此大口303a处的发光半角Q_大口必然小于90度。这应该从两个角度去理解。一方面，这说明从波长转换层发射的半角为90度的受激光经过反光杯小口收集后从反光杯大口出射时其光束的半角将小于90度，即发散角得到压缩，可见反光杯对小口入射的光束具有一定的准直作用。例如，若正方形大口的边长是正方形小口的边长的2倍，从反光杯大口出射的受激光的发光半角将为30度，远小于从反光杯小口入射时的90度。另一方面，这也说明以特定角度入射于反光杯大口的激发光，其入射角度不能超出一个特定的角度范围，超出该角度范围的激发光将无法通过该反光杯的系统并从小口出射。例如在图3中，小角度光321可以直接穿过反光杯而不经过任何反射，角度稍大的光线322则经过一次反射而从反光杯的小口303b出射出去，角度较大的光线323则在反光杯内发生了多次反射后最终从反杯的大口303a又反射了回来而不能穿过反光杯。大口的该特定的角度范围也由上面公式(1)计算得到，只需要设定Q_小口为90度，再带入大口和小口的面积比，就可以得到Q_大口，该数值就是大口能够接收的最大角度。 

在图2所示的实施例中，还包括位于激发光源与波长转换装置光路之间的分光装置211，用于将波长转换层发出的受激光222的光路与入射的激发光221的光路分离开来。具体来说，分光装置211是分光滤光片，该分光滤光片透射激发光且反射受激光。从图中可以看到，若没有分光装置211，则受激光222的光路将与激发光221重合，这样受激光222将入射于激发光源，这将造成巨大的损失。显然在实际应用中，分光滤光片反射激发光且透射受激光也是可以的。 

与图1所示的光源结构相比，在本实施例中使用反光杯取代了透镜来收集受激光。其好处在于，由于入射于反光杯大口的激发光只要角度合适就一定能从反光杯的小口出射从而入射于波长转换层的与小口所对应的位置，这就有效避免了多个激发光源发射的激发光在波长转换层所形成的光斑过于分散的问题：只要控制多个激发光入射于反光杯的大口，这些激发光在波长转换层上所形成的光斑一定都在反光杯的小口所对应的范围内，同时这还有利于这些激发光在波长转换层上形成均匀的光斑，这对波长转换层的光转换效率有很大的帮助。使用反光杯的另一个好处在于，从波长转换层出射的光中大部分先经过反光杯侧壁的反射后再从大口出射，这个过程具有匀光和整形的效果，使得从大口出射的光更为均匀，且形状与反光杯大口的形状相同。一般来说，反光杯的大口和小口的形状是相同的，例如都是圆形或长方形或正方形。这在实际中是非常有用的，例如在需要将光源发出的光聚焦于一个光纤束入口时，光纤束入口都是圆形的，此时使用具有圆形大口的反光杯的效率最高；而在投影显示中，显示芯片都是长方形的，例如长宽比为4：3或16：9的长方形，此时如果反光杯的大口为具有相同长宽比的长方形，此时的系统效率最高。 

在本实施例中，分光装置211为分光滤光片。实际上分光装置还可以是其它的光学装置，图4和图5的光源的其它实施例展示了这些分光装置的举例。例如在图4中，分光装置是带孔的反射装置411，该反射装置411具有平面的反射面411a，孔411b位于反射面411a内，激发光421从反射装置的孔411b透射并入射于反光杯的大口，受激光422入射于反射面411a，其中入射于反射面的孔以外的部分被反射。由于孔411b占反射面411a的面积很小，因此大部分受激光都可以被反射，而从孔411b透射的受激光的比例很小，其损失可以忽略不计。 

在图4所示的光源结构中，反射面411a为平面，实际上反射面也可以是曲面，这样受激光就可以在被该曲面反射面反射的同时实现其它的光学目的，例如进一步的准直或者聚焦。 

在图5所示的光源结构中，分光装置是是小反射镜511，激发光521入射于小反射镜511并被其反射而入射于反光杯的大口，大部分受激光522从小反射镜511周围出射。由于小反射镜的面积占整个受激光的光路的面积比例很小，因此入射于小反射镜并被其反射的受激光很少，这部分光损失往往可以接受。 

相比于图2所示的光源结构，图4和图5所示的光源结构的好处在于，未被吸收的剩余激发光也可以出射，这部分能量不会损失掉，对光源的效率提升有帮助。例如，激发光使用蓝光，而波长转换层受激反射黄光，此时受激光的黄光与剩余的没有被吸收的激发光蓝光的混合光出射而形成白光，这满足了很多应用场合对于白光的需求。 

在图2、图4和图5所示的光源结构中，都必须使用分光装置来区分受激光和激发光的光路，但实际上也可以不使用分光装置，这在图6的光源举例中予以说明。 

在图6所示的光源结构中，波长转换层601依附于衬底602上，反光杯603则位于波长转换层601的第二面（上表面）一侧。激发光源604和605也固定于衬底602上，这样激发光源与波长转换层共用衬底可以使得光源结构更为紧凑。实际上，激发光源可以不止两个，若需要多颗激发光源，则优选的这些激发光源围绕在波长转换层601周围使得结构更紧凑。 

由于激发光源与波长转换层共用衬底，这样激发光源发出的激发光就不能直接入射于反光杯的大口。以激发光源604为例。激发光源604发出的激发光624经过反射镜607的反射入射于反光杯的大口，激发光的入射角可以控制。设从反光杯的大口入射的光具有第一角度范围，在该角度范围内的光能够穿过反光杯而从反光杯的小口出射，在该角度范围外的光则不能穿过反光杯。该第一角度范围的具体数值可以由上面的公式(1)和相关的说明中得到，此处不再重复。第一角度范围分为内区和外区，外区的角度大于内区的角度。控制激发光的传输方向使其以属于外区的入射角度入射于反光杯的大口。 

图6中的光源还包括位于反光杯603光路后端的光出口609，光出口的范围覆盖反光杯的内区出射光的光通道且不覆盖反光杯的外区出射光的光通道。 

在本实施例中，反光杯的第一角度范围就是容许光线从小口出射的角度范围。第一角度范围分为内区和外区，外区的角度大于内区的角度。激发光源604发出的激发光经过反射镜607反射后入射于反光杯603的大口内，其入射角度属于反光杯的外区；这部分激发光会从反光杯的小口出射并入射于波长转换层601而产生受激光；受激光或受激光与没有被吸收的剩余激发光的混合光从波长转换层的第二面出射并被反光杯的小口所收集，收集到的所有光都从反光杯的大口403b得以出射。这部分出射光按照角度不同分为两部分：处于内区的部分和处于外区的部分。本光源的光出口609（在图中表示为透镜609）位于反光杯光路后端，光出口的范围覆盖反光杯的内区出射光的光通道且不覆盖反光杯的外区出射光的光通道。具体来说，内区出射光的光通道指的是出射角较小的光通道，外区出射光的光通道指的是出射角较大的光通道。而光出口位于光轴的中心，所以它能够选择性的覆盖从反光杯大口出射的某一个小角度范围，因此可以通过控制光出口的大小（在本实施例中就是控制透镜609的孔径大小）来使得光出口对应的角度范围与反光杯的内区的角度范围相一致，光出口的范围刚好覆盖反光杯的内区出射光的光通道，这样就能够使反光杯内区部分的出射光得以从光出口出射。 

容易理解，光出口处的透镜除了本身就是光出口外，还可以起到其它的光学作用，例如进一步准直或者聚焦。当然，如果不需要这些光学作用，光出口也可以不设置透镜，例如只设置一块透明平板玻璃。 

因此，光出口的口径对应于受激光的光通道（也就是反光杯的内区），它不覆盖激发光的光通道（也就是反光杯的外区），这样就是的受激光与激发光的光路分离。虽然部分受激光会通过反光杯的外区而入射于激发光源，但是这部分能量很少，实际应用中往往可以忽略不计。例如，激发光源使用激光光源，激光光源的光束很窄，光学扩展量很小，因此它所占用的外区的角度范围也很小，这也就使得在外区所损失的受激光的比例很低。当然，使用激光作为激发光源是优选的方案，其它光源也可以使用。 

在上面所述的几种光源的实际应用中，反光杯有几种实现方法。一种是直接使用玻璃铸模成型后镀反射膜，但是由于在本发明中的反光杯的尺寸较小，玻璃铸模很难实现。另一种是采用实心结构的反光杯，例如玻璃的光导管，该光导管一端口径大一端口径小，而光线在其内部传播时会在侧壁发生全反射，这就构成了一种反光杯。由于全反射的效率接近100%，因此实心结构的反光杯的效率很高，但是对装配工艺的要求也非常高，因为必须始终保持其侧壁的光滑和没有杂质。最后，还可以采用空心结构的反光杯。这种反光杯是这样制作的：将四块反射镜切割成合适的形状，再在边缘粘接构成孔径正方形或长方形的反光杯。这种反光杯的问题在于，不能制造圆形口径的反光杯，这就限制了光源的应用范围。同时，激发光或受激光会有一小部分从反射镜之间的边缘漏出去从而被胶吸收，当激发光的能量很大时，胶会快速的老化从而失效，最终导致反光杯的解体。 

在本发明中提出一种新的空心结构的反光杯的制造方法和结构，它能够解决不能制造圆形口径的反光杯的问题。在本发明中，反光杯包括至少两个分块，每个分块都包括一个反射功能面，各反射功能面拼合在一起构成完整的反光杯侧壁。下面，首先以矩形口径的反光杯来说明，然后以圆形口径的反光杯来进行说明。 

对于矩形口径的反光杯，其每个分块的示意图7a至7d所示。其中图7a为正视图，图中所示的梯形面就是反射功能面，它是矩形口径反光杯侧壁的一个面。图7b为右视图，图7c为俯视图，而图7d为三维视图，在图7d中，面751为反射功能面（即图7a所示的面），该面上镀有反射膜，其梯形的较长的底751a为反光杯的大口的一条边，其梯形的较短的底751b为反光杯的小口的一条边。 

利用四个这样的分块，将其各自的反射功能面相互拼接可以得到一个完整的反光杯，如图9a所示。图9a为反光杯沿着其光轴方向看过去的视图，它对应于每一个分块的俯视图。图中，阴影部分为如图7c所示的反光杯的一个分块的俯视图，可见四个相似的分块就可以在中部形成一个正方形或长方形的反光杯，每个分块的反射功能面为出光口的一边所对应的反光杯侧壁。可以理解，要形成正方形口径的反光杯，则四个分块的反射功能面完全相同，而若要形成长方形的口径的反光杯，则长方形相对的两条边所对应的两个分块的反射功能面相同。 

容易理解，反光杯中每一个分块中，反射功能面由于是反光杯侧壁的一部分，其形状是关键的；同时反光杯的每一分块中，反射功能面的其它部分则是不重要的，因为这些部分根本没有光学上的作用，其设计也是有相当的任意性的，而图7a至7d所示的条形的外形只是一个举例而并不构成限制。 

图9b所示的反光杯是图9a的反光杯的延伸。图9b表示了两个反光杯903a和903b，该两个相邻的反光杯有一个共用的分块，即图中的阴影部分。容易理解，对该分块来说，它具有两个反射功能面，分别是反光杯903a和903b的侧壁的一个面。相邻的两个反光杯的作用在于：该两个反光杯所对应的波长转换层有不同的成分，例如使用不同的波长转换材料使得受激光的颜色不同，或者改变了波长转换材料的使用量或使用浓度使得出射的受激光与激发光的比例不同，这样可以根据需要选择合适的反光杯和波长转换层位于激发光的激发之下，以此来控制出射光的颜色或者色温。在这种情况下，光源还包括驱动装置，用于驱动该至少两个波长转换装置共同移动，使得激发光所入射的波长转换装置可以切换。可以理解，相邻两个反光杯的可切换的作用与其有一个共用的分块是独立的特征，即使没有共用的分块也可以运用本发明的方法制造相邻的两个反光杯。 

结合图7a至图7d和图9a可以理解，反光杯每个分块的反射功能面的形状就最终决定了反光杯的有效的反射面型。图7a至7d表示了一种反光杯，其口径是矩形，其侧壁的每个面（也就是该反光杯每个分块的反射功能面）都是平面。实际上，反光杯的每个分块的反射功能面还可以是在光轴方向上内凹的曲面，如图8a至8d所示，其中图8a为正视图，图8b为左视图，图8c为俯视图，图8d为三维视图。其中容易看到，反射功能面851为一个在光轴方向（在图中为上下方向）内凹的曲面，这样所形成的反光杯实际上是一个复合集光器，它相比图7a至7d所示的反光杯的效率更高。 

下面说明采用本发明的方法如何实现圆形口径的反光杯。图10a至图10d表示了圆形口径反光杯的一个分块，其中图10a为正视图，图10b为左视图，图10c为俯视图，图10d为三维视图。该分块的反射功能面1051为圆形口径反光杯的侧壁的一部分，实际上它也是一个圆台侧壁的一部分。反射功能面1051的一个边缘1051a为反光杯大口的部分圆弧，另一个与之相对的边缘1051b为反光杯小口的部分圆弧。容易理解，参考图8a至8d的实施例，图10a至10d的反光杯中，每个分块的反射功能面也可以在光轴方向上为内凹的曲面，这样形成的是圆形口径的复合集光器，具有更高的效率。 

图11a和图11b表示了两种反光杯的俯视图。图11a所示的反光杯由四个分块组成，图中阴影部分表示其中的一个分块，每个分块的反射功能面为出光口的四等分所对应的反光杯侧壁。图11b所示的反光杯由三个分块组成，图中阴影部分表示其中的一个分块，每个分块的反射功能面为出光口的三等分所对应的反光杯侧壁。推而广之，反光杯包括n个分块，n大于等于2，每个分块的反射功能面为出光口的n等分所对应的反光杯侧壁。这样每个分块的反射功能面都是完全相同的，这有利于降低加工的成本。当然，每个分块的反射功能面也可以不同，只要它们能够相互拼接形成反光杯即可。可以理解，参考图9a和图9b，图11a或图11b也可以用于制造相邻的两个反光杯，这不再重复说明。 

至此本发明的反光杯已经解决了传统空心结构反光杯的制造方法不能制造圆形口径反光杯的问题。进一步的，本发明的反光杯的制造方法还可以解决传统空心结构反光杯的可靠性不好的问题。在分发明的波长转换装置中，还包括夹持装置，反光杯的各分块分别与夹持装置相对固定。例如夹持装置为一个平板，平板上保留一个口径比反光杯的大口稍大的孔，反光杯的各分块固定安装于该孔的周围并使得反光杯的大口对准该孔。当然这只是举例，实际应用中可以运用多种机械方法或粘接方法将各分块分别与夹持装置相对固定。这样，各分块的接缝处就不需要粘接，因此就解决了可靠性的问题。 

除了使用夹持装置，还可以使用另一种方法来解决可靠性问题，那就是反光杯的各分块分别固定于衬底的第一表面或者波长转换层的第二面上。以图7d所示的反光杯为例。该反光杯各分块还包括一个安装面752，反光杯的各分块的安装面分别固定于衬底的第一表面或波长转换层的第二面上，例如粘上或采用机械方式固定，这样就不需要其它的固定用的零件，同时也避免了在各分块的接缝处使用粘接剂。图12a和图12b表示了使用该反光杯的固定方法的情况下，反光杯与波长转换层的两种不同的位置关系。在图12a中，先将波长转换层1201涂覆于衬底1202上，然后将反光杯1203的安装面1252固定于波长转换层的第二面上。图12b中，先将反光杯1203固定于衬底1202的第一表面上，再将波长转换层1201涂覆于反光杯1203的底部。这两种方法都是可以的。图12b中的波长转换装置，相对于图12a来说其好处在于节省了波长转换材料，而且反光杯固定于衬底1202上也会更牢固一些。 

图12b中的波长转换装置在制造时可能存在这样的问题：反光杯1203的下底面很小，波长转换层在其底部难以制造。经过实验发明人解决了这个问题。发明人所使用方法的步骤如下（参考图14的流程图）： 

(a)将波长转换颗粒（例如荧光粉）与载体混合形成浆料。其中载体呈液态，用于承载波长转换颗粒。载体可以选择硅胶、环氧树脂或水玻璃等可以固化的材料，也可以选择硅油等可以在后续加工中被去除的材料。

(b)将浆料滴入反光杯并在杯底形成浆料层。可以通过仪器设备来精确控制点入的浆料的量。 

(c) 利用加速度生成装置，使衬底、反光杯和其中的浆料层都具有加速度a，加速度a至少有一个不小于15m/s²的分量垂直于衬底的第一表面且该分量的方向是从衬底指向浆料层。优选的，加速度a垂直于衬底的第一表面，这样有效的加速度最大。加速度生成装置最常用的可以选择离心装置，它使衬底、反光杯和其中的浆料层围绕一个轴心旋转以产生向心加速度a，浆料层相对于衬底更靠近轴心。 

(d)后处理形成波长转换层。后处理的方法对应于步骤(a)中不同的载体，例如载体使用硅胶或环氧树脂，则后处理就需要进行紫外光或加热固化，若载体使用水玻璃，则后处理需要进行干燥固化，而若载体选择硅油，则后处理指的是加高温将硅油氧化去除。 

步骤(a)和(b)利用载体将波长转换颗粒放入反光杯中，其中波长转换颗粒的量可以精确控制。然后通过加速度生成装置产生加速度a，该加速度使得波长转换颗粒快速下沉并在底部形成致密的一层，然后再后处理后形成波长转换层。这样形成的波长转换层，由于很致密，因此导热性很好，可以很快的将热量传导到衬底上。而为了进一步的提高波长转换层的导热性，还可以在步骤(a)中，将导热颗粒和/或柔性导热材料与波长转换颗粒和载体一起混合。导热颗粒指的是高导热性的颗粒，例如但不限于金刚石颗粒、氮化铝颗粒、氧化铝颗粒、碳化硅颗粒等。柔性导热材料指的是石墨烯或碳纤维，它们柔软且导热性强，容易在固体的颗粒之间形成导热的桥梁。优选的，波长转换颗粒和/或导热颗粒是球形或椭球形的，这样颗粒之间的间距最小，这样形成的波长转换层的导热性更好。 

在实际应用中，可能存在这样的需求：一种波长转换材料不能满足使用者对光的要求，需要两种甚至更多种波长转换材料来形成波长转换层。当然最简单的方法就是将不同的波长转换材料混合在一起，但这可能带来一个问题，就是不同波长转换材料之间可能出现相互吸收的作用，例如红色荧光粉会吸收绿色荧光粉发出的绿光。这样当然会严重的降低波长转换层的光转换效率。一种解决的方法是，如图13a所示的，波长转换层上被激发光照射的区域1301内包括至少两个相邻的子区域1301a和1301b，这两个子区域所使用的波长转换材料不同。这样既可以同时使用至少两种波长转换材料，也可以避免它们之间发生相互的吸收。图13a所示的例子中，两个区域1301a和1301b代表两种使用不同的波长转换材料的区域，这两种区域相互交叉排列。而图13b中的两个区域1301a和1302b表示了另一种排布方式。可以理解，排布方式很多，此处不需要一一列举。当然应用这种方法，也可以排布两种以上种类的子区域。 

另外，为了解决反光杯的可靠性问题，本发明还提出另一种方法来制造反光杯。如图15所示的波长转换装置中，包括基底1502，基底为<100>硅片，即硅晶体的<100>晶向垂直于其表面。在其表面制作掩膜(mask)图形，该掩模图形中包括两部分，一部分使用掩膜材料遮住硅片表面，这部分成为遮挡部分，其它部分则没有掩膜材料而使硅片表面露出来，这些部分成为窗口部分。经常使用的掩膜材料包括氧化硅和氮化硅，但也可以使用其它材料。制造掩膜图形的方法是成熟的半导体工艺，即先在硅片表面镀完整的掩膜材料层，再在其上涂覆一层光刻胶，利用一个特定图形的模版对这层光刻胶进行曝光后，在使用洗液将部分光刻胶洗掉而露出部分掩膜材料层，最后在腐蚀液中将部分掩膜材料腐蚀掉而形成掩膜图形。由于这是已经成熟的工艺，此处并不需要深入到该工艺的细节，本领域技术人员容易理解掩膜图形的制造方法。 

在本发明的掩膜图形中，窗口部分为正方形或长方形，且正方形或长方形的一边平行于<110>晶向。将带有掩膜图形的<100>硅片放在各向异性腐蚀液中腐蚀，该腐蚀液一般为强碱腐蚀液，例如KOH腐蚀液。该腐蚀液对掩膜材料几乎没有腐蚀作用，但对于硅材料则有各向异性的腐蚀作用，即沿着垂直于硅片表面（即沿着<100>方向）腐蚀速度很快，而沿着硅的<111>方向腐蚀速度很慢。这样有两个作用，首先就是只在硅片表面的窗口部分发生腐蚀，该腐蚀会露出<111>面。图15中的面1503是<111>面，即<111>方向垂直于面1503。由于面1503为晶面，因此极为光滑，为光学面。控制腐蚀的时间，在腐蚀坑底保留一个平面，该平面平行于整个硅片的上表面，也为<100>面。这样就在硅片1502上形成了一个反光杯，反光杯具有正方形或长方形的口径，其侧壁即为1503。 

由于硅晶体中<111>面与<100>面的夹角是固定的，如图中所示为54.7度，因此反光杯的侧壁仰角也就是特定的。现在反光杯的底部和侧壁镀反射膜，然后在反光杯的底部制造波长转换层1501，就可以实现一个完整的波长转换装置。该波长转换装置中，衬底与反光杯是一体的，也不存在任何粘接剂，因此可靠性极佳。由于硅是很好的导热材料，因此整个波长转换装置的导热性能很好。显然，反光杯底部的波长转换层1501可以使用图14的方法制造。 

使用硅片制造反光杯的方法的问题在于，反光杯侧壁的仰角是固定的54.7度，这限制了反光杯的设计自由度。实际上，该反光杯不能做到光学扩展量守恒，即不能保持亮度的不变，亮度会发生下降。图16表示的是发明人对该反光杯的性能做的模拟，图中的横坐标为反光杯的高H与反光杯底部边长L（见图15中的符号标注）的比值，选取40度的光收集角度，观察收集光能量的百分比和亮度的百分比。可见，随着H/L的增大，收集到的能量在上升，但相对亮度发生明显下降。因此在实际应用中，在反光杯底部尺寸预先确定的情况下，其高度为选择很重要，需要在能量收集效率与亮度之间做平衡。当然这可以根据实际情况的要求来选择，例如在应用中对亮度的要求不高则可以选择H/L为1甚至更大，此时可以实现较高的效率，而若对亮度要求很高，则必须牺牲一定的效率来换取，例如选择H/L为0.3甚至更小。而常用的效率和亮度兼顾的H/L的范围是从0.5到0.7，该范围包括两个端点。 

图15所示的波长转化装置中，硅片没有被腐蚀穿，因此就是用腐蚀坑的底面作为波长转换层的衬底。实际上若将硅片腐蚀穿后再镀膜就可以实现一个单独的反光杯。该反光杯显然也具有可靠性高的特点，也可以与波长转换层和一个独立的衬底配合使用。 

以上所述仅为本发明的实施例，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 (10)

1.一种波长转换装置，用于接收激发光并受激发射受激光，其特征在于：

包括波长转换层和衬底，波长转换层包括相对的第一面和第二面，所述波长转换层的第一面依附于衬底的第一表面上，该表面对于波长转换层发出的光具有反射性；

还包括位于波长转换层第二面一侧的侧壁镀有反射层的反光杯，反光杯具有相对的大口和小口，小口面向波长转换层；所述激发光入射于反光杯的大口并从反光杯的小口出射并最终入射于波长转换层，波长转换层发出的受激光或受激光与剩余的没有被吸收的激发光的混合光被反光杯的小口收集并最终从反光杯的大口出射；

所述反光杯包括至少两个分块，每个分块都包括一个反射功能面，各反射功能面拼合在一起构成完整的反光杯侧壁。

2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，还包括夹持装置，反光杯的各分块分别与夹持装置相对固定。

3.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，反光杯的各分块分别固定于衬底的第一表面或者波长转换层的第二面上。

4.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述反光杯的出光口为方形或长方形，反光杯包括四个分块，每个分块的反射功能面为出光口的一边所对应的反光杯侧壁。

5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述反光杯的出光口为圆形，反光杯包括n个分块，n大于等于2，每个分块的反射功能面为出光口的n等分所对应的反光杯侧壁。

6.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换层上反光杯小口所对应的区域内包括至少两个相邻的子区域，这两个子区域所使用的波长转换材料不同。

7.一种光源，其特征在于：

包括激发光源，激发光源用于发射激发光；

还包括权利要求1至6中任一项所述的波长转换装置，激发光以特定角度入射于反光杯的大口并最终入射于波长转换层；

还包括位于激发光源与波长转换装置光路之间的分光装置，用于将波长转换层发出的受激光的光路与入射的激发光的光路分离开来；

所述分光装置是分光滤光片，该分光滤光片透射激发光且反射受激光，或者反射激发光且透射受激光；或者，

所述分光装置是带孔的反射装置，该反射装置具有平面或曲面的反射面，所述的孔位于反射面内，所述激发光从反射装置的孔透射并入射于反光杯的大口，所述受激光入射于反射面，其中入射于反射面的孔以外的部分被反射；或者，

所述分光装置是小反射镜，所述激发光入射于小反射镜并被其反射而入射于反光杯的大口，大部分受激光从小反射镜周围出射。

8.一种光源，其特征在于：

包括激发光源，激发光源用于发射激发光；

还包括权利要求1至6中任一项所述的波长转换装置，激发光以特定角度入射于反光杯的大口并最终入射于波长转换层；从所述反光杯的大口入射的光具有第一角度范围，在该角度范围内的光能够穿过反光杯而从反光杯的小口出射，在该角度范围外的光则不能穿过反光杯；第一角度范围分为内区和外区，外区的角度大于内区的角度；所述激发光以属于外区的入射角度入射于反光杯的大口；

还包括位于反光杯光路后端的光出口，光出口的范围覆盖反光杯的内区出射光的光通道且不覆盖反光杯的外区出射光的光通道。

9.根据权利要求7或8所述的光源，其特征在于，包括至少两个波长转换装置，该至少两个波长转换装置的波长转换层有不同的成分；还包括驱动装置，用于驱动该至少两个波长转换装置共同移动，使得激发光所入射的波长转换装置可以切换。

10.根据权利要求9所述的光源，其特征在于，所述至少两个波长转换装置共用同一个衬底，且两个波长转换装置的反光杯有一个共用的分块。

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