CN103775976A - 波长转换装置及相关光源***、投影*** - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种波长转换装置及相关光源***、投影***，包括：层叠设置的第一波长转换子层和第二波长转换子层。第一波长转换子层包括背向第二波长转换子层的入光面，第一波长转换子层用于接收从入光面入射的激发光并将该激发光部分转换为受激光，并将部分激发光透射至第二波长转换子层。第二波长转换子层的波长转换材料的密度大于第一波长转换子层的波长转换材料的密度。本发明实施例提供了一种可以提高对激发光转换效率的波长转换装置及相关光源***、投影***。

Description

波长转换装置及相关光源***、投影***

技术领域

本发明涉及照明及显示技术领域，特别是涉及一种波长转换装置及相关光源***、投影***。

背景技术

目前，波长转换材料在照明和显示领域有很广泛的应用。波长转换材料是指能够吸收一种波长的激发光产生不同波长的光的材料。波长转换材料可以是磷光性材料、荧光材料、量子点以及包括至少一种上述材料的混合物。

图1为现有技术中的一种发光装置的结构示意图，如图1所示，发光装置包括激发光源102和波长转换层101，波长转换层101可以吸收从激发光源102出射的激发光104，并出射不同波长的受激光103。波长转换材料的转换效率可以被定义为受激光103的光通量与激发光104的光功率的比值。一般来说，激发光会被聚焦到波长转换层的表面形成一个光斑。光斑的尺寸和光斑出射光的光通量将会决定整个发光装置出射光的亮度，一般来说，光斑处的激发光的光功率密度越高，光斑就会出射更多受激光。假设受激光103的发散角度保持不变，在大多数情况下，受激光103的亮度会随激发光104的光功率密度的增大而增大。但是，很多波长转换材料的转换效率会随着激发光的光功率密度的增大而减小，这种现象叫做饱和效应。图2a为受激光的强度与激发光的光功率密度之间的关系曲线，从图2a上可以看出，随着激发光的光功率密度的增大，受激光的强度逐渐增大，但是增大的趋势越来越缓慢。图2b为波长转换材料的转换效率与激发光的光功率密度之间的关系曲线。很明显地，激发光的光功率密度越高，波长转换材料的转换效率越低。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种可以提高对激发光转换效率的波长转换装置及相关光源***、投影***。

本发明实施例提供了一种发光装置，其特征在于，包括：

层叠设置的第一波长转换子层和第二波长转换子层；

第一波长转换子层包括背向第二波长转换子层的入光面，第一波长转换子层用于接收从入光面入射的激发光并将该激发光部分转换为受激光，并将部分激发光透射至第二波长转换子层；

第二波长转换子层的波长转换材料的密度大于第一波长转换子层的波长转换材料的密度。

本发明还提供了一种光源***，该光源***包括上述波长转换装置。

本发明还提供了一种投影***，该投影***包括上述波长转换装置。

与现有技术相比，本发明实施例具有如下有益效果：

本实施例中，波长转换层的第一波长转换子层的波长转换材料密度小于第二波长转换子层，由于第一波长转换子层的密度变小，第一波长转换子层吸收的激发光的减少了，更多的激发光进入第二波长转换子层。因此低转换效率的第一波长转换子层产生的受激光的减少了，第二波长转换子层产生的受激光的数量增加了，并且第二波长转换子层增加的受激光的数量要多于第一波长转换子层减少的受激光，从而使得波长转换层的整体效率提高了。

附图说明

图1为现有技术中的一种发光装置的结构示意图；

图2a为受激光的强度与激发光的光功率密度之间的关系曲线；

图2b为波长转换材料的转换效率与激发光的光功率密度之间的关系曲线；

图3为本发明实施例中波长转换装置的一个实施例的结构示意图；

图4a为一种波长转换材料密度均匀分布的波长转换层的结构示意图；

图4b为均匀密度的波长转换层中激发光的入射深度与激发光的光功率密度之间的关系曲线；

图5为本发明中波长转换装置的另一实施例的波长转换层的波长转换材料的密度分布示意图；

图6为激发光的相对光功率密度随波长转换层的相对深度的增加的变化曲线；

图7为现有技术中与图3所示实施例中的波长转换层的结构示意图；

图8a-8d为本发明的波长转换装置的另一实施例中的波长转换层的密度分布曲线；

图9为波长转换层的波长转换材料的密度分布的设计曲线与实际曲线的对比示意图；

图10为本发明的波长转换装置的另一实施例中的波长转换装置的结构示意图；

图11为本发明的波长转换装置的另一实施例中的波长转换层的波长转换材料密度分布曲线。

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

图3是本发明实施例中波长转换装置的一个实施例的结构示意图，如图3所示，波长转换装置420仅包括波长转换层，该波长转换层包括层叠设置的第一波长转换子层421和第二波长转换子层422。

第一波长转换子层421包括背向第二波长转换子层422的入光面421a，第一波长转换子层421接收从入光面421a入射的激发光并将该激发光部分转换为受激光，并将部分激发光透射至第二波长转换子层422。第二波长转换子层422的波长转换材料的密度大于第一波长转换子层421的波长转换材料的密度。波长转换材料最常见的是荧光粉，也可以是量子点或者荧光染料等具有波长转换功能的材料。

图4a为一种波长转换材料密度均匀分布的波长转换层的结构示意图，如图4a所示，波长转换层210接收激发光220，波长转换层210的波长转换材料颗粒211均匀分布在波长转换层内。当激发光入射到波长转换层的内部，由于波长转换材料颗粒211的散射作用和吸收作用，激发光的光功率密度显著减小。经实验检测，图4b为均匀密度的波长转换层中激发光的入射深度与激发光的光功率密度之间的关系曲线，如图4b所示，在波长转换层的20％深度处，激发光的光功率密度只有波长转换层表面的激发光光功率密度的60％，因此接近波长转换层的入射面处的激发光能量密度很高且波长转换材料具有很高的饱和度，远没有完全吸收入射的激发光，而深层的波长转换材料颗粒接收较低的功率密度的激发光，深层的波长转换材料颗粒不会发生饱和。因此，对于波长转换材料均匀密度分布的波长转换层，其内部的波长转换材料接收较低功率密度的激发光，而远没有达到转换效率的饱和，导致波长转换层的整体转换效率较低。

在本实施例中，波长转换层420的第一波长转换子层421的波长转换材料的密度小于第二波长转换子层422的波长转换材料的密度，由于第一波长转换子层421的波长转换材料的密度变小，第一波长转换子层421吸收的激发光的减少了，更多的激发光进入第二波长转换子层422。因此低转换效率的第一波长转换子层421产生的受激光的减少了，第二波长转换子层422产生的受激光的数量增加了，由于第二波长转换子层422的转换效率要高于第一波长转换子层421的转换效率，第二波长转换子层422增加的受激光的数量要多于第一波长转换子层421减少的受激光的数量，从而使得波长转换层的整体效率提高了。

实际上，为了更好地提高转换效率，波长转换层可以包括多个波长转换子层。优选地，波长转换层还可以包括第三波长转换子层，第一波长转换子层、第二波长转换子层和第三波长转换子层依次层叠设置，该第三波长转换子层的波长转换材料的密度大于第二波长转换子层的波长转换材料的密度。相对于两个波长转换子层的情况，在波长转换层厚度不变且每个子层厚度相同的情况下，包括三个波长转换子层的波长转换层的第一波长转换子层会吸收更少的激发光，而将其透射至第二波长转换子层和第三波长转换子层，逐层吸收，效率会更高。

容易理解的是，波长转换层还可以设置三个以上的波长转换子层。例如，本发明中波长转换装置的另一实施例的波长转换层可以由多个波长转换子层层叠而成，其波长转换层的波长转换材料的密度分布示意图如图5所示，每一个阶梯代表了一个波长转换子层的密度分布，多个波长转换子层的波长转换材料的密度成阶梯状梯度分布，且波长转换材料的密度随深度增加逐渐增大。这种结构的波长转换层也比较容易成型。图6为激发光的相对光功率密度随波长转换层的相对深度的增加的变化曲线，其中实线部分为波长转换层的密度如图5所示梯度分布时的变化曲线，虚线部分为波长转换层的密度为均匀分布时的变化曲线，两个曲线的变化趋势有着明显的不同，例如在50％深度处，均匀密度分布的波长转换层的光功率密度降到了表面光功率密度的30％，而梯度分布的波长转换层的光功率密度只降到了表面光功率密度56％，可以看出梯度分布的波长转换层的深层的波长转换材料相对于均匀分布的波长转换层可以接收到更多的激发光。

为了进一步说明本实施例的波长转换装置的工作原理，这里将现有技术与本实施例中的波长转换装置进行对比。图7为现有技术中与图3所示实施例中的波长转换层的结构示意图，如图7所示，波长转换装置A为现有技术中的波长转换层，包括第一波长转换子层a和第二波长转换子层b，波长转换层B为本实施例中的波长转换层，包括第一波长转换子层c和第二波长转换子层d。这里我们假定第一波长转换子层a、第二波长转换子层b、第二波长转换子层d中波长转换材料的密度相同，第一波长转换子层c的波长转换材料的密度为第一波长转换子层a的一半，所有波长转换子层的厚度相同。当有200单位的激发光光子入射第一波长转换子层a，假设有100单位光子被吸收，剩余100单位的光子会由于被散射等原因而均匀入射到第二波长转换子层b。若在第一波长转换子层a的入射面的相对光功率密度为1，根据图6可知，在相对深度0.5处即第二波长转换子层b的表面处，均匀密度波长转换层的激发光的相对光功率密度为0.30。再根据图2b可以得到，光功率密度1时第一波长转换子层a的相对转换效率为0.38，光功率密度0.30时第二波长转换子层b的相对转换效率为0.94，因此可以得到波长转换层A的出射的受激光为：0.38×100+0.94×100＝132单位。同理，对于波长转换层B，当有200单位的激发光光子入射至第一波长转换子层c，由于第一波长转换子层c的波长转换材料密度为第一波长转换子层a的一半，会有50单位光子被吸收，剩余的150单位的光子被散射等原因而均匀入射到第二波长转换子层d。第一波长转换子层c的入射面的相对光功率密度同样为1，根据图6可知，在相对深度0.5处即第二波长转换子层d的表面处，梯度分布的波长转换层的激发光的相对光功率密度为0.56。再根据图2b可以得到，相对光功率密度为1的第一波长转换子层c的相对转换效率为0.38，相对光功率密度为0.56的第二波长转换子层d的相对转换效率为0.88，因此可以得到波长转换层B的出射的受激光为：0.38×50+0.88×150＝141单位，从这里可以看出梯度分布的波长转换层相对于均匀分布的波长转换层，其对激发光的整体效率有所提高。

另外，由于在第一波长转换子层的转换效率较低，大量的激发光能量被转换成热量，导致第一波长转换子层的温度较高，会降低波长转换材料的转换效率。梯度分布的波长转换层将更多的激发光在深度更深的地方进行转换，因此第一波长转换子层的发热量减少了，这将提高第一波长转换子层的波长转换材料的转换效率，进一步提高了波长转换层的整体转换效率。

由实验可知，第一波长转换子层和第二波长转换子层所吸收的激发光能量比较接近时，波长转换层的整体效率较高。优选地，第一波长转换子层的波长转换材料的密度小于第二波长转换子层的波长转换材料的密度的70％，经实验验证，此时整体转换效率会提升的比较明显。

对于梯度分布的多个波长转换子层组成的波长转换层，其密度分布的趋势可以具有多种形式。图8a-8d为本发明的波长转换装置的另一实施例中的波长转换层的密度分布曲线，如图8a所示，波长转换层的密度可以随着波长转换层深度的增加而呈线性增加。如图8b-8d所示，波长转换层的密度也可以随着波长转换层深度的增加而呈非线性增加。其中，图8b所示的波长转换层的密度分布曲线为递增的凸曲线，图8c所示的波长转换层的密度分布曲线为递增的凹曲线，图8d所示的波长转换层的密度分布曲线为前半部分为凸曲线，后半部分为凹曲线的递增曲线，且与图8a-8d不同的是，图8d所示的波长转换层的表面的波长转换材料的相对密度不为零。当然，本发明中，波长转换层的表面的波长转换材料的相对密度是可以根据需要进行设置。这里所列举的对波长转换层的波长转换材料的密度分布曲线只是对本发明的波长转换层的波长转换材料的密度分布的举例，并不对本发明构成限制。实际上，本发明的波长转换层的波长转换材料的密度分布曲线可以有更多的形式，该密度分布曲线可以根据波长转换材料层的厚度以及应用场合等确定，以使得波长转换装置达到最优的转换效率。

在波长转换层的制备过程中，由于工艺误差等因素的存在，波长转换层的波长转换材料的密度分布曲线不可能是完全按照预定设计的曲线变化，而往往包括多个起伏。例如，图9为波长转换层的波长转换材料的密度分布的设计曲线与实际曲线的对比示意图，如图9所示，设计曲线为线性递增曲线，而实际曲线却是分布在设计曲线周围的具有较多起伏的曲线，但是设计曲线和实际曲线的大体密度变化趋势是一致的。另一方面，在实际的波长转换层的制作过程中，波长转换层往往是由多个波长转换子层组成的，因此波长转换层的密度分布还可能是不连续的，而成阶梯状的梯度分布。当波长转换层的各个波长转换子层的厚度较薄的时候，可以认为波长转换层的波长转换材料的密度分布近似连续。

本实施例中，波长转换层除了包括波长转换材料还包括粘接剂，例如硅胶，PMMA，透明玻璃等，该粘接剂可以粘接波长转换材料，波长转换材料可以均匀地分布在粘接剂中而形成一个整体。粘接剂可以起到固定波长转换材料的作用，并能隔绝空气以保护波长转换材料。

本发明中，波长转换层的波长转换材料的密度分布曲线不一定在波长转换层的深度方向上一直单调递增，也可以是其它形式。图10为本发明的波长转换装置的另一实施例中的结构示意图，如图10所示，波长转换装置包括波长转换层520，本实施例中的波长转换装置与图3所示的波长转换装置的不同点在于：

(1)本实施例中的波长转换层520除包括第一波长转换子层521和第二波长转换子层522以外，还包括第三波长转换子层523与第四波长转换子层524，第三波长转换子层523的波长转换材料的密度小于第二波长转换子层522的波长转换材料的密度，第四波长转换子层524的波长转换材料的密度大于第三波长转换子层523的波长转换材料的密度，第一波长转换子层521、第二波长转换子层522、第三波长转换子层523和第四波长转换子层524依次层叠设置。实际上，本实施例中的波长转换层相当于两个图3所示实施例中的波长转换层的叠加，因此本实施例中的波长转换层同样可以提高整体的转换效率。另外，在波长转换层的整体厚度相同的情况下，本实施例中的波长转换子层的厚度更薄，因此更多的激发光会透射过第一波长转换子层进入转换效率更高的第二波长转换子层进行转换，从而进一步提高了转换效率。优选地，第一波长转换子层和第三波长转换子层的波长转换材料的密度相等，第二波长转换子层和第四波长转换子层的波长转换材料的密度相等。这样的优点在于：只需要制备两种密度的波长转换子层，减少工序，节省成本。

容易想到的是，在本发明的其它实施方式中，波长转换层还可以具有更多的密度大小交替分布的不同波长转换子层。例如，波长转换装置的波长转换层可以由多个不同低密度和高密度的波长转换子层交叠而成，其波长转换层的波长转换材料密度分布曲线如图11所示，波长转换层随着深度的增大，波长转换子层的密度高低交叉分布，这里的不同的低密度波长转换子层与高密度波长转换子层的密度各自相等，在其它实施方式，不同的低波长转换子层的密度可以不相同，不同的高波长转换子层的密度也可以不相同。

(2)在实施例中，波长转换装置还包括基板510，基板510与波长转换层520背向入光面521a的表面紧密接触。相对于波长转换材料的密度均匀分布的波长转换层，本发明中波长转换装置会在波长转换层的背光面产生更多的热量，热量源靠近基板，有利于热量的传导。当然，在本发明的其他实施方式中，在波长转换层强度足够的情况下，基板也是可以省略的。另外，本实施例中的基板可以是透明的，如透明玻璃基板，此时波长转换装置为透射式；基板也可以是具有反光功能或者其表面设置反射层，如高反铝片，此时波长转换装置为反射式。

(3)在本实施例中，波长转换装置还包括一驱动装置530，该驱动装置530可以驱动基板510和波长转换层520转动，以使激发光在波长转换层520上形成的光斑沿预定路径作用于该波长转换层，以避免激发光长时间作用于波长转换层520的同一位置而导致的该波长转换层温度升高的问题。具体地，本实施例中，驱动装置530用于驱动波长转换层520转动，以使激发光在该波长转换层上形成的光斑沿预定的圆形路径作用于该波长转换层。优选地，基板510呈圆盘状，波长转换层520呈与该圆盘同心的环状，驱动装置530为呈圆柱形的马达，并且驱动装置530与波长转换层520同轴固定。在本发明其它实施方式中，驱动装置530也可以驱动波长转换层520以其它方式运动，例如水平往复运动等。在波长转换层520的波长转换材料可以耐受较高温度的情况下，波长转换装置也可以不设置驱动装置。

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。

本发明实施例还提供一种发光装置，该发光装置包括用于出射激发光的激光光源，该发光装置还包括波长转换装置，该波长转换装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。

本发明实施例还提供一种投影***，包括发光装置，该发光装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。该投影***可以采用各种投影技术，例如液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)投影技术、数字光学处理器(DLP，Digital Light Processor)投影技术。此外，上述发光装置也可以应用于照明***，例如舞台灯照明。

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 (10)

1.一种波长转换装置，包括波长转换层，其特征在于，所述波长转换层包括：

层叠设置的第一波长转换子层和第二波长转换子层；

所述第一波长转换子层包括背向所述第二波长转换子层的入光面，所述第一波长转换子层用于接收从所述入光面入射的激发光并将该激发光部分转换为受激光，并将部分激发光透射至第二波长转换子层；

所述第二波长转换子层的波长转换材料的密度大于所述第一波长转换子层的波长转换材料的密度。

2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述第一波长转换子层的波长转换材料的密度小于所述第二波长转换子层的波长转换材料的密度的70％。

3.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述波长转换装置还包括第三波长转换子层，所述第一波长转换子层、第二波长转换子层和第三波长转换子层依次层叠设置，所述第三波长转换子层的波长转换材料的密度大于所述第二波长转换子层的波长转换材料的密度。

4.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述第一波长转换子层、第二波长转换子层和第三波长转换子层的波长转换材料的密度呈线性增加。

5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述波长转换层还包括第三波长转换子层与第四波长转换子层，第三波长转换子层的波长转换材料的密度小于所述第二波长转换子层的波长转换材料的密度，第四波长转换子层的波长转换材料的密度大于所述第三波长转换子层的波长转换材料的密度，所述第一波长转换子层、第二波长转换子层、第三波长转换子层和第四波长转换子层依次层叠设置。

6.根据权利要求5所述的波长转换装置，其特征在于：所述第一波长转换子层和第三波长转换子层的波长转换材料的密度相等，所述第二波长转换子层和第四波长转换子层的波长转换材料的密度相等。

7.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述波长转换层还包括粘接剂，所述粘接剂用于粘接所述波长转换材料。

8.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述波长转换装置还包括基板，该基板与所述波长转换层的背向所述入光面的表面紧密接触。

9.一种光源***，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的波长转换装置。

10.一种投影***，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的波长转换装置。

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