CN111089231B - 光源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明保护一种光源装置，包括激光光源，用于出射第一光；波长转换装置，设置在第一光的光路上，包括沿第一光入射方向依次设置的透明波长转换层和透明导光层，透明波长转换层包括第一面，该第一面为波长转换装置的光入射面和光出射面；波长转换装置还包括光反射结构，设置于透明导光层的远离透明波长转换层的表面；透明波长转换层吸收部分第一光，并发出波长范围不同于第一光的第二光，部分第一光经透明波长转换层进入透明导光层。与现有技术相比，本发明使得未被吸收的第一光两次经过透明导光层的传导，增加了光程，扩大了光束截面积，使得波长转换装置出射的第一光的光斑扩大至与第二光的光斑匹配，从而提高了光源装置出射光的颜色均匀性。

Description

光源装置
技术领域
本发明涉及照明技术领域，特别是涉及一种光源装置。
背景技术
现有的照明光源主要为LED、氙灯和卤素灯光源，这几种光源分别有亮度不够高、使用寿命不够长、光束发散角较大导致照明距离不够远等缺点。作为新兴的照明技术，激光照明由于其亮度高、使用寿命长，且激光光束准直发散角小等特性，成为未来照明的发展趋势。
为了得到能够为照明、显示所用的白光，需要利用红绿蓝三色激光或者通过激光激发波长转换材料(如荧光粉)的方式。其中，红绿蓝三色激光获得的白光具有大色域范围、高亮度以及高成本，适于应用到高端显示领域。对于照明领域，红绿蓝三色激光覆盖的波长范围窄、显示指数低，并不实用。激光激发波长转换材料的方式获得的白光，同样具有高亮度的特性，而且相对于红绿蓝三色激光的方案更具有经济性，因此成为相比之下的较优选择。
然而，在实际通过利用蓝光激光激发黄光荧光材料时，经常出现出射光颜色不均匀的情况，具体表现为中心偏蓝、边缘偏黄。
如图8a所示为一种激光激发波长转换材料的光源装置的技术方案，该光源装置包括激光光源1和波长转换层2，其中的波长转换层2设置在一反射壁面的凹槽3内。激光光源1发出蓝色激光(如图中B实线所示)，波长转换层2包含黄光荧光材料，蓝色激光正入射到波长转换层2，部分被吸收，而后波长转换层2发出黄光(如图中Y虚线所示)，黄光与未被吸收的蓝光共同从波长转换层2的入射面出射。在该技术方案中，波长转换层2为不透明层，进入到波长转换层2内部的蓝光基本被吸收，该光源装置出射的剩余蓝光主要来自于靠近波长转换层2的入射面的位置，使得剩余蓝光的光斑与入射的激光的光斑大小基本相等。而黄光则来自于蓝光在波长转换层内传播时的各个位置发出的光，部分光束在波长转换层内多次反射后出射，导致黄光的光斑相对于蓝光光斑明显变大，从而导致总出射光斑边缘偏黄，颜色分布不均匀。
如图8b所示为另一种激光激发波长转换材料的光源装置的技术方案，该光源装置包括激光光源1’、波长转换层2’和容纳波长转换层2’的凹槽3’。与图a所示的技术方案不同的是，本技术方案的波长转换层2’为透明层，未被吸收的蓝光穿过波长转换层2’后到达凹槽3’的底部，而后被反射出射。透明的波长转换层在很短的距离内(比如2％Ce浓度的YAG在小于0.2mm厚度时)，就能将90％的激光转换成荧光，因此剩余蓝光在被反射回入射面的过程中不能扩散到波长转换层2’的整个入射面；而黄光则在蓝光被吸收的各个位置360°全角度出射，通过凹槽3’的底部和侧壁的反射，能够充满波长转换层2’的整个入射面。因此，该技术方案下，出射光的蓝光光斑仍然小于黄光光斑，导致出射光颜色分布不均匀。
发明内容
针对上述现有技术的激光激发波长转换材料的光源装置出射光颜色不均匀的缺陷，本发明提供一种出射光颜色均匀的光源装置，包括激光光源，用于出射第一光；波长转换装置，设置在所述第一光的光路上，包括沿所述第一光入射方向依次设置的透明波长转换层和透明导光层，所述透明波长转换层包括第一面，该第一面为所述波长转换装置的光入射面和光出射面；所述波长转换装置还包括光反射结构，设置于所述透明导光层的远离所述透明波长转换层的表面；所述透明波长转换层吸收部分所述第一光，并发出波长范围不同于第一光的第二光，部分所述第一光经所述透明波长转换层进入所述透明导光层，所述波长转换装置的出射光为第一光与第二光的混合光。
与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：通过在第一光的入射方向上依次设置透明波长转换层和透明导光层，并在透明导光层的远离透明波长转换层的表面设置光反射结构，使得未被透明波长转换层吸收的第一光进入到透明导光层，而后被光反射结构反射回透明波长转换层，该过程使得未被吸收的第一光两次经过透明导光层的传导，增加了光程，扩大了光束截面积，最终使得波长转换装置出射的第一光的光斑扩大，与第二光的光斑相匹配，从而提高了光源装置的出射光颜色均匀性。
在一个实施方式中，所述透明波长转换层为荧光单晶或透明荧光陶瓷。
在一个具体实施方式中，透明波长转换层为Ce:YAG荧光单晶。
在一个实施方式中，所述透明导光层为折射率大于1的导光介质层。
在一个具体实施方式中，透明导光层为蓝宝石层。
在一个实施方式中，所述透明波长转换层与所述透明导光层之间设有空气间隔。该技术方案中，到达透明波长转换层的与第一面相对的表面的光包括未被吸收的第一光和透明波长转换层发出的第二光。其中，第一光未经散射，通常为小发散角的光，光入射角小；而第二光为360°发出的光，包含从0°到90°的光入射角。通过设置空气间隔，能够使得第一光直接透射，而部分第二光在该界面位置被全反射回透明波长转换层，从而减少了第二光在透明导光层内传播及被反射而带来的光损失，提高了第二光的光利用率。
在一个实施方式中，所述透明波长转换层与所述透明导光层一体成型，或者所述透明波长转换层与所述透明导光层通过胶层连接。
在一个实施方式中，所述透明导光层还包含散射颗粒。该技术方案使得入射至透明导光层的第一光能够被散射后光束扩大，能够在更短的距离内实现第一光的光斑扩大。
在一个实施方式中，所述透明导光层为空气层。
在一个实施方式中，所述透明导光层的厚度不小于所述透明波长转换层的厚度的3倍。
在一个实施方式中，所述光反射结构为反射凹槽，所述透明波长转换层和所述透明导光层设置于所述反射凹槽内。
在另一实施方式中，所述光反射结构为反射镀层。具体地，反射镀层可以为金属反射层，如银或铝，还可以为由多个折射率不同的层结构组成的介质反射层。
在一个实施方式中，所述光反射结构至少部分为漫反射结构。具体地，漫反射结构可以为包含漫反射颗粒与玻璃粉的层结构，还可以为透明导光层表面的粗糙结构。
在一个实施方式中，所述第一光为偏振光，所述第一光以布儒斯特角斜入射至所述第一面。
在一个实施方式中，所述光源装置还包括光引导装置，设置于所述激光光源与所述波长转换装置之间，用于将所述第一光引导至所述第一面。具体地，光引导装置可以为一带孔的反射镜，第一光经反射镜的小孔入射至所述第一面，波长转换装置出射的第一光与第二光的合光被反射镜反射后出射。
在一个实施方式中，所述波长转换装置还包括热沉，设置于所述光反射结构外侧，所述光反射结构与所述热沉通过导热胶连接。
附图说明
图1为本发明实施例一的光源装置的结构示意图。
图2为本发明实施例二的光源装置的结构示意图。
图3为本发明实施例三的光源装置的结构示意图。
图4为本发明实施例四的光源装置的结构示意图。
图5为本发明实施例五的光源装置的结构示意图。
图6为本发明实施例六的光源装置的结构示意图。
图7为无透明导光层的波长转换装置与有透明导光层的波长转换装
置的出射光斑颜色分布图。
图8a为一种激光激发波长转换材料的光源装置的技术方案。
图8b为另一种激光激发波长转换材料的光源装置的技术方案。
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。
在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“第三”等的描述仅用于描述目的，以便于描述方便，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参见图1，为本发明实施例一的光源装置的结构示意图。光源装置10包括激光光源110和波长转换装置120。激光光源110出射第一光L1。波长转换装置120设置在激光光源110发出的第一光L1(图中以实线箭头表示)的光路上，包括沿着第一光入射方向依次设置的透明波长转换层121和透明导光层122。其中，透明波长转换层121包括第一面(图中未标出)，该第一面同时为波长转换装置120的光入射面和光出射面。
波长转换装置120还包括光反射结构123，设置于透明导光层122的远离透明波长转换层121的表面。
透明波长转换层121吸收部分第一光，并发出波长范围不同于第一光的第二光L2(图中以虚线箭头表示)，另外部分的未被透明波长转换层121吸收的第一光经透明波长转换层121进入透明导光层122，而后被光反射结构123反射回到透明波长转换层121，然后出射。最终波长转换装置120的出射光为第一光L1与第二光L2的混合光。
本实施例中，激光光源110为蓝光激光光源，为激光半导体光源。图1中的激光光源110示出了一个激光半导体光源，在本发明的其他实施方式中，也可以采用多个激光二极管组成的激光阵列光源作为激光光源。
在本实施例中，透明波长转换层121为荧光单晶，具体地，为Ce:YAG荧光单晶。该荧光单晶结构稳定，发光效率高，能够吸收蓝光并发出黄光。可以理解，在本发明的其他实施方式中，也可以采用其他光谱特性的激光光源与透明波长转换层的组合，此处不再赘述。
在本实施例的变形实施例中，透明波长转换层也可以为透明荧光陶瓷，即荧光发光材料与透明陶瓷基质的复合层，例如以透明氧化铝作为陶瓷基质并在其内部设置Ce:YAG发光中心的荧光陶瓷。
本实施例的透明波长转换层121为单一材料的单层结构，在其他实施方式中，也透明波长转换层也可以为包含两种或两种以上的波长转换材料的多层结构。
需要注意的是，在本发明中，无论波长转换层是荧光单晶还是荧光陶瓷，无论是包含单一材料还是多种材料，都需要满足透明特性，使得未被吸收的第一光能够穿过透明波长转换层和透明导光层，否则将如背景技术部分的图8a的技术方案般，第一光直接在波长转换层的入射面附近被反射。
在本实施例中，透明导光层122为折射率大于1的导光介质层。优选地，透明导光层122为蓝宝石层，兼具导光和导热性能。
本实施例中，透明波长转换层121与透明导光层122通过胶层(图中未示出)连接，该胶层为透明胶层，具有较小的光吸收率。
在本发明的其他实施方式中，当透明波长转换层与透明导光层选择合适的材料时，也可以使两者一体成型。例如透明波长转换层为以YAG为基质的透明荧光陶瓷，透明导光层为纯相无掺杂的YAG，则两层的制备温度相近，可以采用一体成型的方式得到。采用一体成型的方式还具有额外的效果——可以制备得到大尺寸的双层结构，然后通过线切割等方式获得小尺寸的透明波长转换层+透明导光层的复合结构，应用到小尺寸照明的产品中。
在本实施例中，光反射结构123为反射凹槽，透明波长转换层121和透明导光层122设置于反射凹槽内，使得仅有透明波长转换层121的第一面未被光反射结构覆盖，确保了光源装置10具有唯一的光出射方向。
在本实施例中，光反射结构123至少部分为漫反射结构，可以使得入射到漫反射结构的第一光L1被漫反射后发散角进一步扩大，从而能够覆盖透明波长转换层121的整个第一面，使得第一光L1与第二光L2的出射光斑匹配。例如图中透明导光层122被覆盖的表面包括侧面与底面，至少两者之一所覆盖的光反射结构为漫反射结构。
本实施例中的漫反射结构为漫反射颗粒(如氧化铝、氧化钛等白色散射颗粒)与玻璃粉的混合层结构，通过将两者混合后加热软化/熔融得到该层结构。在本发明的其他实施方式中，漫反射结构还可以为凹凸不平的粗糙结构。
在本实施例中，波长转换装置120还包括热沉124，设置于光反射结构123的外侧，光反射结构123与热沉124通过导热胶连接，以便将透明波长转换层121产生的热量快速导出。进一步地，热沉124的外侧还可以设置散热鳍片、风扇、热电制冷设备等散热器件。
在本实施例中，光源装置10还包括光引导装置，设置于激光光源110与波长转换装置120之间，用于将第一光L1引导至透明波长转换层121的第一面，并将透明波长转换层121的第一面出射的第一光与第二光的混合光引导出射。具体地，光引导装置包括一带孔的反射镜131和一收集透镜132，来自激光光源110的第一光L1穿过带孔的反射镜131的小孔，经收集透镜132汇聚入射至第一面；而后，由第一面出射的第一光L1和第二光L2的混合光经收集透镜132收集后，除少量光经带孔反射镜131的小孔泄漏，大部分光被带孔的反射镜131反射而进入出射光路。
在本发明的其他实施方式中，带孔的反射镜131也可以替换为一个小反射镜，或者区域镀膜的分光片，通过入射光与出射光的光学扩展量的差异实现入射光路与出射光路的分离。
以上对本发明实施例一的光源装置10进行了详细描述，在本发明中，通过在透明波长转换层与光反射结构之间额外增加了透明导光层，能够使得未被吸收的第一光额外经过两个透明导光层的光程，将第一光的光斑扩大至与第二光光斑相匹配，从而实现出射光颜色均匀性的改善。只要增加了透明导光层，就必然比没有透明导光层的技术方案的颜色均匀性好。为了进一步定量的确定透明导光层对出射光颜色均匀性的影响，发明人进一步进行了实验验证。
如图7所示为无透明导光层的波长转换装置与有透明导光层的波长转换装置的出射光斑颜色分布图。具体地，左侧的a图为只含有0.2mm厚度透明波长转换层的第一面出射光斑颜色分布，中心偏蓝，边缘偏黄；而右侧的b图为0.2mm厚度透明波长转换层增加了0.6mm厚度透明导光层后的第一面出射光斑颜色分布，整个面的颜色分布明显均匀。
本发明人通过进一步实验确认，发现透明导光层122的厚度不小于透明波长转换层121的厚度的3倍时，能够达到较好的出射光颜色均匀性改善。
请参见图2，为本发明实施例二的光源装置的结构示意图。光源装置20包括激光光源210和波长转换装置220，其中波长转换装置220包括透明波长转换层221、透明导光层222和光反射结构223。
本实施例二与实施例一的不同之处在于，本实施例中的光反射结构223为透明波长转换层221与透明导光层222的表面的反射镀层。该反射镀层可以为金属反射层，例如银反射膜层、铝反射膜层。该反射镀层还可以为介质反射层，即由多个折射率不同的层结构组成的反射膜层。
本实施例尤其适合上述透明波长转换层与透明导光层一体成型的技术方案，通过得到大尺寸的双层结构，然后通过线切割等方式获得小尺寸的透明波长转换层+透明导光层的复合结构，其侧面非常平整，无需抛光即可镀膜处理，容易实现低成本批量化生产。
此外，当波长转换装置的尺寸很小时，例如最大长度不超过1mm，那么反射凹槽式的光反射结构非常难加工，即使凹槽加工成功，也难以在细小的凹槽内镀反射膜。尤其对于漫反射层的光反射结构的技术方案，难以在很薄的厚度内实现高反射率。本实施例不通过挖槽，而是通过在一体成型的透明波长转换层和透明导光层的外表面镀膜的方式得到光反射结构，解决了小尺寸波长转换装置的实际制备工艺难题，提高了产品实用性。
本实施例的光学器件的其他描述及各器件之间的尺寸关系等描述，可以参照上述实施例一的描述，此处不再赘述。
请参见图3，为本发明实施例三的光源装置的结构示意图。光源装置30包括激光光源310和波长转换装置320，波长转换装置320包括透明波长转换层321、透明导光层322、光反射结构323和热沉324。
本实施例与实施例一的不同之处在于，透明导光层322还包含散射颗粒3221。在透明导光层322中增加少量的散射颗粒3221不会明显影响透明导光层322的导光特性，而且会使得第一光的光束被散射扩大，有利于在更短的距离内实现第一光的光斑扩大。
本实施例的其他器件的描述可以参考上述各实施例的描述，此处不再赘述。本实施例在透明导光层322中增加散射颗粒3221的技术方案也可以应用到实施例二的透明导光层中。
请参见图4，为本发明实施例四的光源装置的结构示意图。光源装置40包括激光光源410和波长转换装置420。其中，波长转换装置420包括透明波长转换层421、透明导光层422、光反射结构423和热沉424。
本实施例与实施例一的不同之处在于，透明波长转换层421与透明导光层422并非直接接触或间接通过胶层粘接，而是之间设有空气间隔425。该技术方案中，到达透明波长转换层的与第一面相对的表面的光包括未被吸收的第一光和透明波长转换层发出的第二光。其中，第一光未经散射，通常为小发散角的光，光入射角小；而第二光为360°发出的光，包含从0°到90°的光入射角。通过设置空气间隔，能够使得第一光直接透射，而部分第二光在该界面位置被全反射回透明波长转换层，从而减少了第二光在透明导光层内传播及被反射而带来的光损失，提高了第二光的光利用率。
本实施例的其他器件的描述可以参考上述各实施例的描述，此处不再赘述。
请参见图5，为本发明实施例五的光源装置的结构示意图。光源装置50包括激光光源510和波长转换装置520。其中，波长转换装置520包括透明波长转换层521、透明导光层522、光反射结构523和热沉524。
本实施例中的光反射结构为反射凹槽，与实施例一不同的是，本实施例中的反射凹槽包括第一段和第二段。其中，第一段凹槽靠近光出射端，用于容纳透明波长转换层521，第二段凹槽容纳透明导光层522，而且第一段凹槽的截面积大于第二段凹槽的截面积，透明波长转换层521通过两段凹槽的尺寸差固定在反射凹槽内。
本实施例与实施例一的另一主要不同之处在于，本实施例中的透明导光层522为空气层。本实施例相当于在透明波长转换层521与光反射结构之间设置了一个用于第一光传导扩束的空腔，使得第一光与第二光的出射光斑匹配。
本实施例其他器件的描述可以参考上述各实施例的描述，此处不再赘述。
请参见图6，为本发明实施例六的光源装置的结构示意图。光源装置60包括激光光源610和波长转换装置620，其中波长转换装置620包括透明波长转换层621、透明导光层622、光反射结构623和热沉624。本实施例的光源装置60还包括光引导装置，具体地，光引导装置包括棱镜633。
与上述各实施例不同之处在于，本实施例中的第一光并非直接正入射到透明波长转换层的第一面，而是斜入射至第一面。
半导体激光器发出的激光第一光具有很高的偏振度，当第一光相对应第一面以P偏振态斜入射，且入射角为布儒斯特角时，将不会发生反射，此时的第一光利用率最高。
在本发明中，第一光以布儒斯特角入射至第一面，可以认为在该角度误差范围内(如±5°)入射的光都可以认为是以布儒斯特角入射。
本实施例中，通过设置棱镜633对第一光进行引导，避免了激光光源直接正对着第一面出光，使得该光源装置60具有更高的结构紧凑性，并能进一步减小第一面与光收集***的间距，提高出射光的收集效率。
本实施例的波长转换装置620的各器件的描述，可以参照上述各实施例的描述，此处不再赘述。
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 (11)

1.一种光源装置，其特征在于，包括：
激光光源，用于出射第一光；
波长转换装置，设置在所述第一光的光路上，包括沿所述第一光入射方向依次设置的透明波长转换层和透明导光层，所述透明波长转换层包括第一面，该第一面为所述波长转换装置的光入射面和光出射面；
所述波长转换装置还包括光反射结构，设置于所述透明导光层的远离所述透明波长转换层的表面；
所述透明波长转换层吸收部分所述第一光，并发出波长范围不同于第一光的第二光，部分所述第一光经所述透明波长转换层进入所述透明导光层，所述波长转换装置的出射光为第一光与第二光的混合光。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述透明波长转换层为荧光单晶或透明荧光陶瓷。
3.根据权利要求1或2所述的光源装置，其特征在于，所述透明导光层为折射率大于1的导光介质层。
4.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于，所述透明波长转换层与所述透明导光层之间设有空气间隔。
5.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于，所述透明波长转换层与所述透明导光层一体成型，或者所述透明波长转换层与所述透明导光层通过胶层连接。
6.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于，所述透明导光层还包含散射颗粒。
7.根据权利要求1或2所述的光源装置，其特征在于，所述透明导光层为空气层。
8.根据权利要求1或2所述的光源装置，其特征在于，所述透明导光层的厚度不小于所述透明波长转换层的厚度的3倍。
9.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述光反射结构为反射凹槽，所述透明波长转换层和所述透明导光层设置于所述反射凹槽内。
10.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述光反射结构至少部分为漫反射结构。
11.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述第一光为偏振光，所述第一光以布儒斯特角斜入射至所述第一面。
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