CN103838068B - 发光装置及其相关投影*** - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种发光装置及其相关投影***，包括：激发光源，用于产生激发光；微结构层，包括微结构阵列，其中微结构呈通孔状，且微结构的内侧面为反射面；每个微结构的上开口的面积大于下开口的面积；每个微结构的上开口位于所述微结构层的同一侧并面向所述激发光；反射层，位于所述微结构层背向所述激发光的一侧，且与所述微结构层平行并列，或设于所述各微结构的下开口上；波长转换层，位于所述反射层面向所述激发光的一侧，该波长转换层包括背向所述反射层的第一表面，用于吸收来自所述激发光源的激发光并从该第一表面出射受激光，使该受激光经过所述微结构层中的各微结构后出射。本发明能减小发光装置的出射光中大角度光所占的比例。
Description
技术领域
本发明涉及照明及显示技术领域，特别是涉及一种发光装置及其相关投影***。
背景技术
采用固态光源如激光二极管(LD,Laser Diode)或发光二极管(LED,LightEmitting Diode)发出的激发光以及波长转换材料如荧光粉或量子点的波长转换方法能够产生高亮度的波长不同于激发光波长的光。这种方案具有高效、低成本的优势，已成为现有光源提供白光或者单色光的主流技术。
请参阅图1，图1是现有技术中发光装置的结构示意图。发光装置100包括用于产生激发光的激发光源11、波长转换装置13和滤光片15。波长转换装置13包括反射基底107和设置在反射基底107上的波长转换层109。波长转换层109包括第一表面109a和第二表面109b，其中第二表面109b设置在反射基底107上，第一表面109a用于接受激发光。波长转换层109受激发后产生受激光，其中一部分受激光从第一表面109a出射，一部分受激光从波长转换层109的第二表面109b出射并被反射基底107反射至从第一表面109a和第一部分受激光一起出射。为区分激发光和受激光的光路，在波长转换层109和激发光源11之间还放置有滤光片15，用于透射激发光并反射受激光。
由于波长转换材料出射受激光为全角发光，因此在发光装置100中还包括收集透镜17，用于准直受激光并出射。然而收集透镜能够收集光束的角度范围一般为65度角到75度角，这样，波长转换层109在收集透镜17能收集到的角度之外的受激光的损耗较大。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种减小大角度出射光所占比例的发光装置。
本发明实施例提供一种发光装置，包括：
激发光源，用于产生激发光；
微结构层，包括微结构阵列，其中微结构呈通孔状，且微结构的内侧面为反射面；每个微结构的上开口的面积大于下开口的面积；每个微结构的上开口位于所述微结构层的同一侧并面向所述激发光；
反射层，位于所述微结构层背向所述激发光的一侧，且与所述微结构层平行并列，或者设置于所述各微结构的下开口上；
波长转换层，位于所述反射层面向所述激发光的一侧，该波长转换层包括背向所述反射层的第一表面，用于吸收来自所述激发光源的激发光并从该第一表面出射受激光，使得该受激光经过所述微结构层中的各微结构后出射。
本发明实施例还提供一种投影***，包括上述发光装置。
与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：
背景技术中，由于波长转换层出射受激光为全角发光，发散角度较大；本发明中通过在反射层面向激发光的一侧放置波长转换层，该波长转换层接收经过微结构的激发光并产生受激光，经反射层反射后从背向反射层一侧出射，并经过微结构层的各微结构出射；由于微结构阵列中的各微结构的上开口面积大于下开口面积，且内侧面为反射面，由几何知识可知，波长转换层产生的受激光经过每个微结构的内侧面反射后出射角度变小，因此发光装置的出射光中大角度的出射光所占比例减小。
附图说明
图1是现有技术中发光装置的结构示意图；
图2A是本发明的发光装置的一个实施例的结构示意图；
图2B是图2A所示的发光装置中的局部光路结构示意图
图2C是图2A所示的发光装置中微结构层的俯视图；
图3A是本发明的发光装置的一个实施例的结构示意图；
图3B是图3A所示的发光装置中波长转换装置的俯视图；
图4是本发明的发光装置中一个微结构的下表面所对应的波长转换层的一种结构示意图；
图5A是本发明的发光装置中一个微结构的下表面所对应的波长转换层的另一种结构示意图；
图5B是图5A所示的波长转换层的俯视图。
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
请参阅图2A、图2B和图2C，图2A是本发明的发光装置的一个实施例的结构示意图，图2B是图2A所示的发光装置中的局部光路结构示意图，图2C是图2A所示的发光装置中微结构层的俯视图。。发光装置200包括激发光源21和波长转换装置22，其中该波长转换装置22包括微结构层23、波长转换层25和反射层27。
微结构层23包括微结构阵列23a。微结构阵列23a中的各微结构203呈通孔状，且每个微结构203的上开口203a的面积大于下开口203b的面积，其中每个微结构的上开口203a均位于微结构层23的同一侧。
在本实施例中，微结构阵列23a中的各通孔203呈上下开口均为正方形的四棱台状，其中上开口203a的面积大于下开口203b的面积。微结构阵列23a中的各微结构的内侧面为反射面，可通过在各微结构的内侧面上镀反射膜来实现。
在微结构层23背向其微结构的上开口所在一侧设有反射层27，该反射层27和微结构层平行并列。在反射层27面向微结构层23一侧，反射层和微结构层23之间设有波长转换层25。波长转换层25为一整体，且包括第一表面25a，该第一表面25a与微结构层23紧密相连，使得微结构阵列23a中各微结构的下开口与该波长转换层25的第一表面25a紧密接触。
波长转换层25包括波长转换材料，该波长转换材料用于吸收一种波长范围的光并出射另一种波长范围的光。最常用的波长转换材料是荧光粉，例如YAG荧光粉，它可以吸收蓝光并受激发射黄色的受激光。波长转换材料还可能是量子点、荧光染料等具有波长转换能力的材料，并不限于荧光粉。
在很多情况下，波长转换材料往往是粉末状或颗粒状的，难以直接形成波长转换材料层。这就需要使用一种粘接剂把各个波长转换材料颗粒固定在一起，并形成片层状。波长转换层的做法一般是将波长转换材料与有机透明粘接剂充分混合，使波长转换材料均匀分散于有机透明粘接剂之中形成荧光浆料，然后将该荧光浆料均匀涂覆于一个衬底表面形成荧光浆料涂层，然后在一定温度下使有机透明粘结剂固化形成波长转换材料层。实际上，粘结剂并不限于有机透明粘结剂，也可以是无机粘结剂，例如水玻璃、二氧化硅颗粒、二氧化钛颗粒等。无机粘结剂与波长转换材料充分混合后，可以利用颗粒间的范德华力和分子间的作用力把相邻的波长转换材料颗粒粘接在一起，起到固定和成型的作用。
激发光源21用于产生激发光L1，以穿过微结构阵列23a中的各微结构203并从波长转换层25的第一表面25a对波长转换层25中的波长转换材料进行激发进而产生受激光。常用的激发光源有LED光源、激光光源或者其他固态发光光源。在本实施例中，激发光源21用于产生蓝色激发光L1。波长转换层25包括黄色荧光粉，用于吸收蓝光并产生黄色受激光L2。
波长转换层25受激产生的受激光一部分从第一表面25a出射，一部分从波长转换层背向第一表面25a的一侧出射，并被反射层27反射穿过波长转换层后和前一部分受激光一起从第一表面25a出射。由于波长转换层25与微结构层23紧密相连，波长转换层25第一表面25a出射的受激光从各微结构203的上开口203a穿过微结构并从下开口203b出射。在该出射的受激光中，小角度出射的受激光L2直接穿过微结构出射，而大角度出射的受激光L3被微结构的侧面反射成小角度光束出射。这样，从微结构层23出射的受激光的出射角度就不是全角而是存在一个最大值。由几何学可知，该最大值决定于微结构203的形状和深度。
具体来说，微结构的上开口的口径为D1，下开口的口径为D2，深度为H。则从微结构层23出射的具有最大出射角度的受激光L4的出射角度
可以理解的是，当D1等于D2时，即微结构的上下开口相同时，该最大出射角度又变为90度，因此该微结构没有了压缩角度的作用。因此，只要微结构的上开口的面积大于下开口的面积，就能过对受激光起到压缩出射角度作用，以有利于受激光的收集。优选地，将该最大出射角度控制在60度或者更小，就可以几乎无损地收集受激光，完全避免了背景技术中的问题。
容易理解的是，波长转换层和微结构层以及反射层三层也可以不用相互紧密相连，而是两两之间设有间隙，这样一样可以达到减小出射光的发散角度。但是，由于受激光是全角发光，从波长转换层面向反射层一侧出射的受激光有部分会从波长转换层和反射层之间的间隙的两端开口出射出去而未能出射至反射层，导致该部分光束损失。同样的，从波长转换层面向微结构层一侧出射的受激光有部分会从波长转换层和微结构层之间的间隙的两端开口出射出去而未能从各微结构出射，导致该部分光束损失。因此，微结构层、波长转换层和反射层优选依次紧密层叠，以防止上述两部分光损失。
波长转换层25在受激发产生受激光的过程中会产生热量，而波长转换层本身导热不良，这些热量会导致波长转换层的温度升高，进而降低波长转换层的光转换效率。而其中波长转换层25中越靠近第一表面的一层接收到的激发光的光功率密度就越强，产生的热量也就越多。本实施例中微结构层23设置于波长转换层25的第一表面上，可以起到为波长转换层产生热量最多的一层导热的作用。优选的，微结构层25由导热材料制成。或者，还可以在微结构层的背向波长转换层的一面上没有微结构的区域，存在微小的起伏，这有助于散热。波长转换层25背向微结构层23的一侧也可以设置有一基底，以进一步对波长转换层25进行散热。
由于微结构203的上开口大于下开口，部分激发光经过微结构203的侧面反射后再入射于波长转换层25上，相比激发光直接入射于没设置有微结构层的波长转换层上，本实施例中激发光在波长转换层25上形成的光斑变小，使得激发功率密度增大，可能会带来波长转换层25光转换效率下降的问题。但由于受激光出射角度变小，因此，可通过适当增大激发光在波长转换层上形成的光斑面积，虽然受激光出射光斑面积也会相应扩大，但受激光的出射角度变小，因此还是能够实现一样的光学扩展量的受激光。
在本实施例中，若激发光L1在微结构层23上形成的光斑S1正好覆盖一个微结构，那么受激光出射光斑面积为该微结构的上开口面积，出射光斑面积并未造成扩大，其中该光斑S1指激发光L1在沿微结构层23上平行于微结构层23的延伸方向的平面上形成的光斑。当激发光L1在微结构层23上形成的光斑S1覆盖多个微结构，若该光斑S1的边缘部分分别覆盖一个微结构的一部分，由于波长转换层25出射受激光时为全角出射，受激光在每个微结构内直接出射或者经该微结构的侧面反射后出射，使得最终出射的受激光的光斑面积因光线在光斑边缘所覆盖的微结构内部的反射而增大。增大的上限为，在光斑的一个径向方向的两端分别增大一个微结构的口径。
容易理解的是，当每个微结构的口径相对光斑S1的直径足够小时，受激光出射光斑的扩大程度能够忽略不计。此时，为提高激发光的利用率，使得激发光能够全部入射在波长转换层上，微结构阵列23a中各微结构呈阵列设置，且各微结构的上开口优选相互紧密连接。且当微结构阵列中相邻的两个微结构的平均距离小于或者等于光斑S1所在的外接圆的直径D1的1/4时，受激光出射光斑的扩大程度还能在接受范围内，其中该两个微结构的平均距离指的是两个微结构的中心轴之间的距离。更优地，微结构阵列中相邻的两个微结构单元的平均距离小于或者等于光斑S1所在的外接圆的直径D1的1/10，这样微结构阵列对受激光的出射光斑扩大的效应可以忽略掉。
为使各微结构的上开口相互紧密相连，各微结构的上开口优选为正方形、长方形或者正六边形。当然，以上只是举例，并不限制各微结构的两个底面的形状。更优地，各微结构的上开口为长方形，该长方形的长边与短边的长度比为4：3或者16：9。由于激发光覆盖多个微结构，以使得受激光出射的角度在该长方形的朝长边方向和朝短边方向的比约为4：3或者16：9。由于激发光斑S1一般为圆形光斑，即各方向上面积一样。根据光学扩展量守恒可知，该出射的受激光可通过光学***来整形成角度各向一样，形状呈长边方向和短边方向的比为4比3或者16：9的长方形的光斑。在投影运用中，光阀和投影的图像都呈4：3或16：9的长方形。受激光斑的形状和光阀以及投影的图像的形状匹配，能达到更好的图像均匀性。
当微结构的上开口为其他形状，例如圆形，使得相邻两个微结构的开口之间存在平面；或者两两微结构之间紧密相连，但由于加工误差，导致两个相邻的微结构的开口之间存在平面时，该平面上可以不设置有波长转换层，以避免发光装置的出射光中存在大角度出射光。而由于激发光入射于微结构层的角度较小，经相邻两个微结构的开口之间的平面反射和散射后角度也相对较小，因此经微结构层出射的受激光和激发光的混合光的出射角度相比背景技术中的小。若发光装置需只出射受激光而不是激发光和受激光的混合光，则两个相邻微结构的开口之间的平面也可以设有波长转换层。由于该部分平面占微结构层表面的比例很小，出射的受激光虽然是全角出射，但由于占所有出射的受激光比例很小，并且该部分受激光中大角度出射的也只是占一小部分，因此最终出射的所有受激光中大角度光所占比例相比背景技术中的要少得多。
在本实施例中，可以在波长转换层背向其第一表面的一侧放置一个镀有反射膜的基底来实现反射层，同时还能够起到承载波长转换层的作用。也可以直接在波长转换层与第一表面相对的另一个表面上直接镀反射膜。最常见的反射膜为银膜，其反射率高达98％或者以上；还可以镀铝膜，其反射率达到94％以上；或者也可以镀金属和介质的混合膜。
在本实施例中，波长转换层25受激发产生的受激光部分会在波长转换层25内横向扩散，导致部分扩散的受激光会从波长转换层25与微结构层23除各微结构203的其他区域23a接触的面出射并被微结构层23的这些区域23a阻挡而无法出射，造成光损耗。为减少这部分损耗，优选的，可以在微结构层23与波长转换层25接触的面23a上镀上反射层。或者，还可以采用另一个方案来解决这个问题，具体说明请参阅实施例二。
实施例二
请参阅图3A和图3B，图3A是本发明的发光装置的一个实施例的结构示意图，图3B是图3A所示的发光装置中波长转换装置的俯视图。发光装置300包括激发光源31和波长转换装置32，其中该波长转换装置32包括微结构层33、波长转换层35和反射层37。
本实施例与实施例一的区别之处包括：
发光装置300还包括基底34，微结构层33设置于该基底上，使得微结构层33中的各微结构303的下开口与该基底贴合。相对应地，反射层37包括多个子反射层37a，其中每个子反射层37a分别设置在微结构层33中各微结构303的下开口处的基底上，覆盖该微结构303的下开口。在实际运用中，可通过同时对各微结构303的侧面以及基底镀反射膜，来实现反射层以及各微结构303的反射侧面。
本实施例中的发光装置可以避免实施例一中的波长转换层内横向扩散的受激光从波长转换层与微结构层23除各微结构203的其他区域23a接触的面出射并被微结构层23的这些区域23a阻挡而无法出射，造成光损耗的问题。
优选地，微结构层33与位于各微结构的下开口处的基底34一体成型。在实际运用中，可通过对金属或者玻璃等衬底来进行钻孔或者腐蚀，来在该衬底的表面上形成微结构阵列。优选地，微结构层33可通过采用单晶硅片在特定的腐蚀液中来进行腐蚀以形成微结构阵列。由于形成的微结构阵列的表面为晶面，该表面较光滑，有利于在上面镀反射膜。
在本实施例中，波长转换层35包括多个子波长转换层35a，其中各子波长转换层35a分别覆盖在各微结构303的下开口上的子反射层37a上。可以采用均匀涂覆来实现各子波长转换层，或者采用沉降法，即将分散或溶解有波长转换材料颗粒和无机粘结剂颗粒(如硅酸钠或者硅酸钾)的分散液倾倒在底面承放有镀有反射膜的微结构层的容器内，这时波长转换材料颗粒和无机粘结剂颗粒缓慢沉降于微结构层的表面上，并覆盖该表面形成均匀的一层；沉降完成后取出微结构层，去掉微结构层上除微结构阵列以外区域上的波长转换材料并将其烘干，这样，在各微结构的下开口的反射膜上形成子波长转换层。
在本实施例中，发光装置300还可以包括驱动装置(图未示)，用于驱动微结构层33运动，使得激发光在微结构层33上的波长转换层35的第一表面上形成的光斑周期性地按预定路径作用于该波长转换层35。这样，可以使波长转换层35上的不同位置周期性的位于激发光的传播路径上被激发，这样对于每一个位置来说被激发的时间都只是转动到激发光的传播路径上的一瞬间，其温度得以大大降低，效率则大幅度的提高。具体举例来说，驱动装置可以是马达，用于驱动波长转换装置503转动，使得激发光在波长转换装置上形成的光斑按圆形路径周期性转动。而且，微结构层33的转动可以在微结构层33的激发光入射侧形成空气的扰动，进而帮助微结构层33散失热量，以阻止波长转换层35的温度上升。
在本实施例中，若在表面上形成微结构层33的基底34采用硅片作为原材料，由于硅本身很脆，所以基底34背向激发光的一侧优选与背板粘接以保证其强度。该背板的材料可以是金属，金属具有很好的导热性，可以将热量从基底34的背面传导出来并散发到环境中。或者该背板还可以是玻璃或者其他高比热容的材料，可以容纳波长转换层35发出的热量而温度上升较慢。优选地，背板背向基底34的一面上设置有肋片或者微小起伏，以进一步帮助散热。当然，如果基底34采用金属等硬度较大的一些材料作为原材料，则不需要另外与一个背板相粘接。
在以上两个实施例中，波长转换层第一表面上对应于微结构层中各微结构的下开口的区域，即第一表面上用于接收激发光的区域上还可以设置有微结构阵列，以增大波长转换层用于接收激发光的表面积。，该微结构阵列可以呈凸起物阵列，请参阅图4，图4是本发明的发光装置中一个微结构的下表面所对应的波长转换层的一种局部结构示意图。如图4所示，波长转换层45第一表面上的凸起物阵列中各凸起物呈四棱锥状。在实际运用中，该凸起物阵列中各凸起物也可以其他棱锥状，或者呈柱状、圆锥状、圆台状、棱台状、棱柱状或者表面呈其他曲面的凸起物状。
相比波长转换层第一表面呈平面状，本实施例中每个微结构的下开口所对应的波长转换层的表面积增大，在激发光不变的情况下，本实施例中的波长转换层上的激发光功率密度降低，使得波长转换层的光转换效率提高。
当然，波长转换层第一表面上对应于微结构层中各微结构的下开口的区域上设置的微结构阵列也可以呈凹坑阵列状。如图5A和图5B所示，图5A是本发明的发光装置中一个微结构的下表面所对应的波长转换层的另一种局部结构示意图，图5B是图5A所示的波长转换层的俯视图。本实施例中，波长转换层45第一表面上的凹坑阵列中各凹坑45a呈四棱锥状。在实际运用中，各凹坑45也可以呈其他形状，例如圆锥状、圆台状、半球状、V型槽状等等其他形状。
容易理解的是，在图3A和图3B所示的发光装置中，也可以通过在微结构层33中各微结构的下开口所对应的基底34上设置有凸起物阵列或者凹坑阵列，在设置反射层时将反射膜涂覆在各微结构的下开口所对应的基底34上，使得反射膜的表面的起伏与各微结构的下开口上的基底34的起伏一致。然后在反射层上设置波长转换层，使得波长转换层的第一表面上的起伏与该反射层的表面的起伏一致。这样，也能起到增大波长转换层的第一表面上用于接收激发光的表面积增大的效果。
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，LiquidCrystal Display)投影技术、数码光路处理器(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 (11)
1.一种发光装置，其特征在于，包括：激发光源，微结构层，反射层和波长转换层；
所述激发光源，用于产生激发光；
所述微结构层，包括微结构阵列，其中微结构呈通孔状，且微结构的内侧面为反射面；每个微结构的上开口的面积大于下开口的面积；每个微结构的上开口位于所述微结构层的同一侧并面向所述激发光；
所述波长转换层，位于所述反射层面向所述激发光的一侧，该波长转换层包括背向所述反射层的第一表面，用于吸收来自所述激发光源的激发光并从该第一表面出射受激光，使得该受激光经过所述微结构层中的每个微结构后出射；所述波长转换层包括波长转换材料；
所述反射层，位于所述微结构层背向所述激发光的一侧，且与所述微结构层平行并列；
所述波长转换材料设置在反射层和微结构层之间。
2.一种发光装置，其特征在于，包括：激发光源，微结构层，反射层和波长转换层；
所述激发光源，用于产生激发光；
所述微结构层，包括微结构阵列，其中微结构呈通孔状，且微结构的内侧面为反射面；每个微结构的上开口的面积大于下开口的面积；每个微结构的上开口位于所述微结构层的同一侧并面向所述激发光；
所述波长转换层，位于所述反射层面向所述激发光的一侧，该波长转换层包括背向所述反射层的第一表面，用于吸收来自所述激发光源的激发光并从该第一表面出射受激光，使得该受激光经过所述微结构层中的每个微结构后出射；所述波长转换层包括波长转换材料；
所述反射层，位于所述微结构层背向所述激发光的一侧，且与所述微结构层平行并列；
所述波长转换材料设置于所述每个微结构的下开口上并且所述波长转换材料仅覆盖在微结构下开口处的反射层上且不设于上开口。
3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所有所述波长转换层为一整体；所述微结构阵列中的微结构的下开口与该波长转换层的第一表面紧密接触。
4.根据权利要求3所述的发光装置，其特征在于，所述微结构层中每个微结构的下开口所在的一面上，除每个微结构的下开口的其他区域上设置有反射层。
5.根据权利要求2所述的发光装置，所述微结构层还包括基底，所述微结构阵列中每个微结构的下开口设置在该基底上；所述反射层包括多个子反射层，每个微结构与每个子反射层一一对应，其中每个微结构的下开口均被一子反射层分别覆盖，所述波长转换层包括多个子波长转换层，其中每个微结构中的子反射层被一子波长转换层覆盖。
6.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于，所述发光装置还包括背板，所述微结构层的基底设置于该背板上。
7.根据权利要求1或2中任一项所述的发光装置，其特征在于，所述微结构层中每个微结构表面为光滑表面。
8.根据权利要求1或2中任一项所述的发光装置，任意相邻的两个微结构之间的平均距离小于或者等于所述激发光在所述微结构层上形成的光斑所在的外接圆的直径的1/4，其中该两个微结构之间的平均距离指的是该两个微结构的中心轴之间的距离；所述中心轴是沿着与微结构的上、下开口的方向。
9.根据权利要求1或2中任一项所述的发光装置，所述受激光的最大发散半角θ为60度，其中,在沿着垂直于微结构的上、下开口的方向，该微结构面积最大的一个截面中，L1为该截面与该微结构的上开口的交线的长度，L2为该截面与该微结构的下开口的交线的长度，H为该微结构的上下开口之间的距离。
10.根据权利要求1或2中任一项所述的发光装置，其特征在于，所述每个微结构的上开口为长方形，且该长方形的长边和宽边比为4：3或者16：9。
11.一种投影***，其特征在于，包括如权利要求1至10中任一项所述的发光装置。
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