专利名称：发光装置、投影装置和照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及发光装置、投影装置和照明装置。
背景技术：
目前，固态光源由于其长寿命、环保等特点，已经在通用照明、特种照明和投影显示中得到了广泛的应用。其中，白光固态光源在照明领域更是有着巨大的发展潜力。美国专利7547114提出一种光源结构，即利用蓝光半导体光源来激发一个荧光粉色轮，随着色轮的转动产生一个多色光序列。当这个荧光粉色轮上只有一种荧光粉时，例如黄色荧光粉，这个光源可以出射受激产生的黄光和没有被激发的剩余激发光蓝光的混合光，也就是白光。
这是一种白光光源的理想的方案，尤其是当采用蓝色激光为激发光时，由于激光的高能量密度的特点，该白光光源也具有很高的亮度，尤其适用于投影机光源等对光源亮度有特殊要求的应用场合。然而这种方案的问题在于，该白光光源的发射光的两种组成成分分别是蓝光激光和黄色荧光粉产生的黄光，后者具有各项同性的性质，而前者的光分布则往往不是均匀的。这样产生的效果就是发射的白光中沿各方向的成分比例有差别，例如中心角度偏蓝色，大角度则偏黄色。这种颜色不均匀性已经极大地制约了这种光源的发展。为了解决这个问题，有人提出利用荧光粉本身对光的散射的特点，对蓝光激光进行强烈的散射，使其形成与黄光一样的各项同性的光分布。然而增多荧光粉的使用必然导致黄光的变强和剩余蓝光的变弱，这样直接导致所产生的白光的色温偏低。综上所述，目前的技术方案中，发光装置的出射光的颜色均匀性与发光颜色不可同时兼顾，往往构成矛盾。
发明内容
本发明解决的主要技术问题是提出一种基于波长转换材料的发光装置，可以发射颜色可控的均匀混合光。本发明提出一种发光装置，包括用于产生激发光的激发光源，和包括相对的第一表面和第二表面的波长转换材料层，该波长转换材料层用于吸收入射于第一表面的激发光的一部分并发射与激发光波长不同的受激光；波长转换材料层包括波长转换材料和散射材料。该发光装置还包括设置于波长转换材料层的第一表面的分光滤光片，用于透射所述激发光并反射受激光。本发明还提出一种投影装置，该投影装置包括上述的发光装置作为光源。本发明还提出一种照明装置，该照明装置包括上述的发光装置作为光源。在本发明的发光装置中，通过在波长转换材料层中加入散光材料，可以在保证发光颜色的同时实现均匀发光。
图I是本发明的第一实施例的发光装置的结构示意图；图2是利用本发明得到的白光的光谱；图3是本发明第二实施例的光学结构示意图；图3a和3b是本发明第二实施例中的波长转换材料层和反射衬底的俯视具体实施例方式如背景技术中所述的，在现有方案中发光装置的出射光的颜色均匀性与发光颜色不可同时兼顾，往往构成矛盾。其本质原因在于，通过波长转换材料来散射蓝光激发光的方案中，波长转换材料同时起到吸收蓝光并受激发光和散射蓝光两个作用，而这两个作用都是通过控制波长转换材料的添加量来调节的，这就造成了同时调节的自由度不足的问题。
本发明提出，在波长转换材料中添加适量散射材料，通过控制散射材料的添加比例，可以有效地独立控制蓝光激发光的散射，进而通过波长转换材料和散射材料的添加量的配合，也就是合适的配方，得到发光颜色可控的均匀发光光源。具体来说，本发明的第一个实施例如图I所示。本实施例中的发光装置100包括用于产生激发光111的激发光源(图中未画出)，和包括相对的第一表面114a和第二表面114b的波长转换材料层114,该波长转换材料层114用于吸收入射于第一表面114a的激发光111的一部分并发射与激发光波长不同的受激光。该波长转换材料层114包括波长转换材料和散射材料。该发光装置100还包括设置于波长转换材料层114的第一表面114a的分光滤光片115,用于透射激发光111并反射受激光。在本发明中，激发光源可以有多种选择，例如激光光源，发光二极管光源，或激光和发光二极管的混合光源，还可能是其它能够产生用于激发光波长转换材料的激发光的其它种类的光源。如果本发明的发光装置光源用于显示或照明等会被人眼所看到的用途，则激发光的光谱中至少包括部分可见光的光谱成分。最常用的激发光源是蓝光激光光源或蓝光发光二极管光源，但此处只是举例说明，并不对光源的种类和颜色进行限定。在本实施例的实际工作中，激发光111穿透分光滤光片115后入射于波长转换材料层114的第一表面114a后,其光能量分为两个部分。第一部分激发光被波长转换材料层114吸收并被转换成为受激光。该受激光也分为两个部分，第一部分受激光直接从第二表面114b发射到外部空间，第二部分受激光则入射到从第一表面114a出射并入射于分光滤光片115上并被反射而重新入射于波长转换材料114的第一表面114a，并在穿透波长转换材料层114后与出射于外部空间。第二部分激发光则没有被波长转换材料层114而直接出射于外部空间。综上，出射到外部空间的出射光113是第二部分激光光和第一部分和第二部分受激光组合而成的混合光。散光材料的加入可以在不改变出射光113的颜色的情况下使出射光113中的激发光成分的光分布变成或接近各向同性，进而大大改善出射光203的颜色均匀性。一般来说，散射材料为白色或透明的无机粉体材料，例如但不限于白炭黑、钛白粉、氧化铝、硅藻土和硫酸钡。透明的粉体材料虽然其内部不会对光形成散射，但当光线入射其表面时由于界面折射率差异的存在，入射光线仍然会发生部分反射和部分折射，因此总体上看还是会对光线形成散射的效果。
实验表明，在波长转换材料层114中，散射材料与波长转换材料的质量比大于等于0. I时，出射光203的均匀性就会得到相当程度的改善；当散射材料与波长转换材料的质量比大于等于I时，出射光203的均匀性可以满足使用要求。而散射材料与波长转换材料的质量比与出射光203中要求的激发光与受激光的比例有关要求的激发光的比例越高，则散射材料与波长转换材料的质量比就要越大。例如，对于蓝光激光作为激发光被用来激发黄色波长转换材料层来产生白光的出射光的情况，若要求出射的白光的色温为5000-6000K，则需要加入的散射材料与波长转换材料的质量比为2，其发光光谱如图2中的302所示；而若要求出射的白光的色温为9000-10000K，则需要加入的散射材料与波长转换材料的质量比为10，其发光光谱如图2中的301所示。因此，可以通过调整散射材料与波长转换材料的质量比来调整出射的混合光的颜色；为了得到色温在人眼容易接受的范围内(例如5000K至10000K色温)的白光，需要加入的散射材料与波长转换材料的质量比大于等于2且小于等于10。在波长转换材料层114中，波长转换材料与散射材料之间存在多种混合方式，例如最容易实现的混合方式是均匀混合。在本实施例中，优选的混合方式是波长转换材料形成波长转换材料子层，散射材料形成散射材料子层，波长转换材料子层与该散射材料子层分层叠置在一起，且散射材料子层相对于波长转换材料子层更接近波长转换材料层114的·第二面114b。此时激发光111先入射于波长转换材料子层，剩余的没有被吸收的激发光穿过波长转换子层后，入射于散射材料子层。在激发光的散射过程中，一部分激发光散射后出射形成出射光113的一部分，另一部分激发光会被散射材料子层散射后反射而重新入射于波长转换材料子层。由于这部分激发光中一部分能量会被波长转换材料子层散射或吸收再利用，从而减小了激发光从波长转换材料第一表面114a背散射反射出射后形成的能量浪费。包含波长转换材料和散射材料的波长转换材料层的做法有多种。例如可以使用粘结剂将波长转换材料和散射材料固定在一起并形成片层状。粘结剂可以是有机粘结剂，例如硅胶或环氧树脂，也可以是无机粘结剂，例如水玻璃等。实际上，也可以不使用粘结剂而直接利用散射材料本身将波长转换材料连接固定在一起。例如当散射材料是纳米二氧化硅颗粒时，可以利用纳米二氧化硅颗粒与波长转换材料颗粒之间的范德华力和分子间作用力将波长转换材料颗粒连接并固定在一起。以上材料的使用只是举例，并不限制其它材料的使用。需要说明的是，本发明并不限制散射材料的颗粒的粒径大小，但是为了实现较好的光散射效果，散射材料的颗粒的平均粒径存在一个优选范围，即0. I微米至50微米，其中最常用的范围是I微米至20微米。综上所述，在本实施例的发光装置中，通过在波长转换材料层114中加入散光材料，可以有效的改善出射光的颜色均匀性；通过控制散光材料与波长转换材料的质量比，可以有效控制出射光中两种成分的比例，进而控制出射光的颜色，进而解决了出射光的颜色均匀性和发光颜色控制之间的矛盾。在本实施例中，分光滤光片的就是在一个透明衬底上使用溅射的方式形成折射率周期性排量的介质薄膜，并利用薄膜的厚度与波长接近来实现光线在薄膜间的干涉。通过控制各个介质薄膜的材料和厚度，就可以得到对不同的波长有不同的透过率特性的分光滤光片。实际上，一个优选的实施例是分光滤光片115的镀膜面面向波长转换材料层的第一表面，两者紧密相邻。这样做的好处是避免了光线在分光滤光片内部的传播，进而避免了光斑在这种传播过程中的面积的扩大。这对于光源能量密度的提高存在不利影响。进一步的，作为一个优选的实施例，在本实施例中，分光滤光片115与波长转换材料层114之间存在空气隙。空气隙的存在的主要目的在于简化分光滤光片的设计难度和加工难度，并进一步的降低成本在本发明的第二实施例的发光装置中，与第一实施例不同的是，还包括驱动装置316，用于驱动波长转换材料层与激发光发生相对运动，如图3所示。具体来说，在本实施例的发光装置中，波长转换材料层314被切割成圆环状，分光滤光片315被切割成圆形，如图3a的俯视图所示。波长转换材料层314和驱动装置316分别与分光滤光片315连接固定。在本实施例中，驱动装置316是一个马达，可以带动分光滤光片315和波长转换材料层绕马达的转动轴转动。本实施例的优点在于，每一个局部的波长转换材料只有运动到激发光311的照射位置才会被激发并发出热量，在其它位置则会由于空气流动的作用而迅速的 冷却，所以相对于第一实施例，本实施例中的波长转换材料层的温度更低。在本实施例的发光装置中，如图3b所示，在圆形的分光滤光片315上，还可以包括其它波长转换材料层314a和314b。随着马达的转动，波长转换材料层314、314a和314b依次被激发光311照射并在光出射通道出射不同颜色的光。值得强调的是，波长转换材料层314a和314b中可以不加入了散光材料，使得相应的出射光中的激发光成分很少。在本实施例中分光滤光片315上包含多段波长转换材料层314、314a和314b，但这只是举例，并不限制其它的色段的数目，例如分光滤光片上可以只包含一段单一颜色的荧光粉，也可能包含八段不同的色段的波长转换材料层。本发明还提出一种投影装置，在该投影装置中，使用了上述的发光装置作为光源。本发明还提出一种照明装置，在该照明装置中，使用了上述的发光装置作为光源。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。
权利要求
1.一种发光装置，其特征在于，包括 用于产生激发光的激发光源； 包括相对的第一表面和第二表面的波长转换材料层，所述波长转换材料层用于吸收入射于所述第一表面的激发光的一部分并发射与激发光波长不同的受激光；所述波长转换材料层包括波长转换材料和散射材料； 设置于所述波长转换材料层的第一表面的分光滤光片，用于透射所述激发光并反射所述受激光。
2.根据权利要求I所述的发光装置，其特征在于所述激发光为蓝光。
3.根据权利要求I所述的发光装置，其特征在于所述散射材料为白色或透明的无机 粉体材料。
4.根据权利要求I所述的发光装置，其特征在于所述散射材料与所述波长转换材料的质量比大于等于0.1。
5.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于所述散射材料与所述波长转换材料的质量比大于等于I。
6.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于所述散射材料与所述波长转换材料的质量比大于等于2且小于等于10。
7.根据权利要求I所述的发光装置，其特征在于所述波长转换材料与散射材料均匀混合。
8.根据权利要求I所述的发光装置，其特征在于所述波长转换材料形成波长转换材料子层，所述散射材料形成散射材料子层，所述波长转换材料子层与散射材料子层分层叠置在一起。
9.根据权利要求8所述的发光装置，其特征在于所述散射材料子层相对于所述波长转换材料子层更接近所述第二表面。
10.根据权利要求I所述的发光装置，其特征在于所述波长转换材料层还包括粘结齐U，用于粘结固定所述波长转换材料和散射材料。
11.根据权利要求I所述的发光装置，其特征在于所述分光滤光片具有镀膜面，该镀膜面面向第一表面。
12.根据权利要求I所述的发光装置，其特征在于所述分光滤光片与波长转换材料层之间存在空气隙。
13.根据权利要求I至12中的任意一项所述的发光装置，其特征在于还包括驱动装置，用于驱动所述波长转换材料层与所述激发光发生相对运动。
14.一种投影装置，其特征在于包括如权利要求I至13中任意一项所述的发光装置作为光源。
15.一种照明装置，其特征在于包括如权利要求I至13中任意一项所述的发光装置作为光源。
全文摘要
本发明提出一种发光装置和投影装置以及照明装置，包括用于产生激发光的激发光源，和包括相对的第一表面和第二表面的波长转换材料层，该波长转换材料层用于吸收入射于第一表面的激发光的一部分并发射与激发光波长不同的受激光。该波长转换材料层包括波长转换材料和散射材料。本发光装置还包括设置于波长转换材料层的第一表面的分光滤光片，用于透射激发光并反射受激光。在本发明的发光装置中，通过在波长转换材料层中加入散光材料，可以在保证发光颜色的同时实现均匀发光。
文档编号F21V9/10GK102720957SQ20121016356
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月24日 优先权日2011年12月4日
发明者张利利, 许颜正 申请人:深圳市光峰光电技术有限公司