蓝光光源、发光装置和灯具的制作方法

本实用新型涉及光源领域，特别是涉及一种蓝光光源和使用该蓝光光源的发光装置，以及使用这种发光装置的灯具。

背景技术：

当前，激光光源的应用已经越来越得到人们的重视。激光具有高亮度、长寿命的优点，但其光谱很窄，因此在使用中往往是利用激光激发荧光材料来形成混合发光。这样的激光光源亮度比LED光源高5~10倍。但是问题在于，混合发光中的激光成分往往比较多，这时的产品会不符合FDA等激光安全标准。这严重阻碍了激光光源产品在市场上的推广。

另一方面，激光光源的系统不能复杂，体积不能太大，否则也难以适应市场的需求，例如手电、探照灯等灯具的需求。

因此，没有激光出射的、体积不大的激光光源就成为最符合市场需求的产品。但这种产品目前还没有出现，目前也没有一种解决方案能够实现这样的产品。

技术实现要素：

本实用新型提出一种蓝光光源，包括矩形的发光二极管芯片和固晶坑，固晶坑的开口是圆形的，发光二极管芯片能够发射第一蓝光；发光二极管芯片被固定于固晶坑底部，发光二极管芯片的上表面低于固晶坑的圆形开口；其中固晶坑的开口直径是D，且矩形的发光二极管芯片的对角线长度不小于D的0.6倍；固晶坑内除了发光二极管芯片外还填充有蓝光荧光材料，蓝光荧光材料覆盖发光二极管芯片的上表面。还包括第一激发源，第一激发源发射的第一激发光入射于蓝光荧光材料并使其受激发射第二蓝光。

还提出一种发光装置，包括上述的蓝光光源。还包括第二激发源和第二荧光材料，第二激发源发射第二激发光，该第二激发光激发第二荧光材料产生受激光；还包括合光装置，用于将蓝光光源发出的蓝光与第二光源发出的受激光合为一束。

本实用新型还提出一种灯具，包括上述的发光装置作为光源。

利用蓝光荧光材料不吸收蓝光的特点，发光二极管芯片发出的第一蓝光会被蓝光荧光材料所散射从而消除发光二极管芯片表面的不发光图形以及芯片本身矩形的形状。同时，蓝光荧光材料还被第一激发源激发而受激产生第二蓝光。这样就形成了直径为D的圆形的均匀发光源，发出的蓝光有第一蓝光和第二蓝光构成。

附图说明

图1a表示了本实用新型的发光装置的一个实施例的结构示意图；

图1b表示了图1a实施例中发光二极管芯片和固晶坑的位置关系；

图1c表示了图1b的俯视图；

图2a表示了本实用新型的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图2b是图2a实施例中滤光镀膜的透过率曲线；

图3a表示了本实用新型的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图3b是图3a实施例中滤光镀膜的透过率曲线；

图4a表示了本实用新型的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图4b是图4a实施例中滤光镀膜的第二区的透过率曲线；

图5a表示了本实用新型的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图5b是图5a实施例中滤光镀膜的第二区的透过率曲线。

具体实施方式

本实用新型提出一种蓝光光源，其结构示意图如图1a所示。该蓝光光源包括矩形的发光二极管芯片和固晶坑，这两者的位置关系如图1b所示，图1c是图1b的俯视图。固晶坑192a是基底192上的一个圆形凹坑，其开口是圆形的，发光二极管芯片191能够发射第一蓝光159。发光二极管芯片191被固定于固晶坑192a底部，发光二极管芯片191的发光表面（即上表面）低于固晶坑192a的圆形开口。其中固晶坑的开口直径是D，且矩形的发光二极管芯片的对角线长度不小于D的0.6倍。固晶坑192a内除了发光二极管芯片191外还包括蓝光荧光材料193，蓝光荧光材料193覆盖发光二极管芯片191的发光表面。在本实施例中蓝光荧光材料193填充满了固晶坑，这是比较简化的情况，也是实际中比较容易操作的情况；当然蓝光荧光材料也可以不填充满固晶坑。在本实施例中，发光二极管芯片、固晶坑和蓝光荧光材料共同组成发光二极管组件102。在图1a中发光二极管组件102因为太小而没有画出细节。

蓝光光源还包括第一激发源101，第一激发源101发射的第一激发光151入射于发光二极管组件102中的蓝光荧光材料193上，并使其受激发射第二蓝光152。

蓝光荧光材料193本身并不吸收蓝光，因此发光二极管芯片191发出的第一蓝光159并不会被覆盖在芯片上表面的蓝光荧光材料193吸收，而是会被其散射并出射。这样，发光二极管芯片发光表面上的电极图案所形成的不均匀就会由于蓝光荧光材料的散射作用而变得模糊和均匀化。蓝光荧光材料对第一蓝光159散射的边界就是固晶坑的开口。矩形的发光二极管芯片的对角线长度不小于D的0.6倍，这样既保证了发光二极管芯片能够放入固晶坑，又同时由于固晶坑限制了散射对光的扩散，使得第一蓝光的等效发光光斑变成了直径为D的圆形（即固晶坑的开口），这样光扩散并不太严重，亮度的下降也不太多。另一方面，第一激发源101发出的第一激发光151则能够激发蓝光荧光材料193使其发射第二蓝光，该第二蓝光的发光光斑尺寸同样受固晶坑开口的限制，即第二蓝光全部从固晶坑开口向外出射。这样，就形成了从固晶坑开口出射的蓝光光源，该蓝光光源包括第一蓝光成分和第二蓝光成分，实现了蓝光能量密度的最大化。

在本实施例中，优选的，固晶坑的侧壁具有反射蓝光的特性，例如是白色反光材料制成的，例如白色陶瓷或白色塑料等。由于固晶坑的侧壁起到了限制第一蓝光和第二蓝光扩散的作用，因此其侧壁是用来将入射的第一蓝光和第二蓝光反射回去，白色反光材料的侧壁有利于提高发光效率和亮度。

在本实施例中，优选的，发光二极管芯片191的发光表面，与固晶坑的圆形开口的距离L，大于D的0.2倍，小于D。L不能太大也不能太小。L太小则蓝光荧光材料不足以对第一蓝光形成足够强的散射，这样发光二极管芯片发光表面上的不均匀的电极图案就会对出射光的质量造成影响。L太大该侧壁则会出现挡光而形成不必要的损失，而且对发光二极管芯片在固晶坑内的固定也会造成不便。经过试验，L大于0.2倍的D，小于D是较优化的选择。

在本实施例中，还包括位于第一激发源和发光二极管组件光路之间的滤光镀膜105，它具有透射第一激发光同时反射第一蓝光和第二蓝光的作用。例如，第一激发光是405nm波长的激光，那么滤光镀膜105就可以是一个短波通滤光片，405nm的第一激发光可以透射滤光镀膜105到达发光二极管组件102，而从发光二极管组件102发出的第一蓝光152和第二蓝光159则会被该滤光镀膜105反射而出射。在另一个实施例中，滤光镀膜还可以是反射第一激发光同时透射第一蓝光和第二蓝光，这样滤光镀膜就可以以反射的方式引导第一激发光到达发光二极管组件，并以透射的方式引导第一蓝光和第二蓝光合光并出射。

当然，滤光镀膜105也并不是必须的，使用其它光学手段同样可以达到引导第一蓝光和第二蓝光出射的目的。这是成熟技术，这里不再赘述。

在本实施例中，优选的，蓝光光源还包括位于第一激发源101和发光二极管组件102光路之间的透镜111，来收集第一蓝光、第二蓝光的混合光，这样能有效提高效率。这里透镜111并不是唯一的选择，也可以使用透镜组、反光杯等其它光收集元件来实现相同的功能，甚至不使用任何光学元件也是可以的。

本实用新型还提出一种发光装置，包括上述的蓝光光源，还包括第二激发源和第二荧光材料，第二激发源发射第二激发光，该第二激发光激发第二荧光材料产生受激光。还包括合光装置，用于将蓝光光源发出的蓝光与第二光源发出的受激光合为一束。

例如，第二激发源反射蓝色激光，该蓝色激光激发黄色的第二荧光材料产生高亮度的黄色受激光，该黄色受激光与蓝光光源发出的高亮度的蓝光经过合光装置合光后可以形成高亮度的白光。

优选的，第二激发光在第二荧光材料表面产生的激发光斑的直径是D。这样受激光的发光光斑与蓝光光源的发光光斑尺寸相同，两者可以很好的合光成一束而不存在局部的单色光或者色环。

为了使这种发光装置的结构达到最小，以下的几个实施例举例说明了几种发光装置的结构的原理。发光装置的一个实施例的结构示意图如图2a所示。

该发光装置包括发射第一激发光251的第一激发源201和发光二极管组件202，该发光二极管组件202的结构与图1b所示的相同；第一激发光251能够激发发光二极管组件202上的蓝光荧光材料使其受激发射第二蓝光252，同时发光二极管组件202上的发光二极管芯片会发射第一蓝光259。第一蓝光259和第二蓝光252一起从发光二极管组件202上出射。

该发光装置的第二激发源203发射第二激发光253，第二激发光253是第三蓝光。该第三蓝光入射于第二荧光材料204，第三蓝光253能够激发第二荧光材料204使其受激发射受激光254。

具体来说，在本实施例中，第一激发光为波长是405nm的近紫外激光，其波长比蓝光的波长短，因此光子能量比蓝光光子能量高，可以用于激发蓝光荧光材料产生蓝光。当然，第一激发光也可以是波长更短的激光或LED发光，例如365nm的紫外激光等。在本实施例中，第二激发源203是蓝光激光二极管，当然也可以是蓝光LED。第二荧光材料是黄色荧光粉，例如YAG荧光粉，它可以被蓝光激发而产生黄光。当然第二荧光材料也可以是绿色或红色荧光粉。

该发光装置还包括滤光镀膜205，该滤光镀膜205包括相对的第一面和第二面。在图2a中，第一面指的是滤光镀膜205的面向左下方的面，第二面指的是滤光镀膜面向右上方的面。在本实施例中，滤光镀膜205附着在滤光片上。当然，在其它实施例中，滤光镀膜也可以附着在滤光棱镜上。在本实施例中，该滤光镀膜205透射第一激发光，同时反射第一蓝光、第二蓝光和第三蓝光并透射受激光，即透射405nm的激光，反射蓝光并透射黄光。该滤光镀膜的透射谱如图2b所示。其中，400-430nm的近紫外光谱部分的透射率接近100%，440-490nm的蓝光光谱部分的透射率接近0，即反射率接近100%，510nm以上的绿、黄、红色光光谱部分的透射率接近100%。

第一激发源201发出的第一激发光251入射于该滤光镀膜的第一面并透射该滤光镀膜到达发光二极管组件202，发光二极管组件202出射的第一蓝光259和第二蓝光252入射于滤光镀膜的第二面并被滤光镀膜反射并出射；第二激发源203发射的第三蓝光253入射于该滤光镀膜的第一面并被该滤光镀膜反射并到达第二荧光材料204，第二荧光材料发射的受激光254入射于滤光镀膜的第一面并透射出射。

这样，出射的光259、252和254都是受激产生的荧光和发光二极管发光，而两个激发源发出的激光都没有出射，这样就实现了出射光中没有激光的目的，使得产品能够符合FDA等激光安全标准。其中第一蓝光259和第二蓝光252是蓝色光，受激光254是黄色光，两者合光出射可以形成白光。

同时，由于第一蓝光、第二蓝光和第三蓝光都是属于蓝光光谱范围，因此使用同一个滤光镀膜就可以同时引导这两者，即引导第一蓝光出射，同时引导第二蓝光入射于第二荧光材料。这样，使用一个滤光镀膜，就可以同时完成两种荧光材料的激发以及三种光259、252和254的合光和出射，这样的系统非常简单紧凑，产品也可以做的很小。

在本实施例中，使用了位于滤光镀膜205和发光二极管组件102光路之间的透镜211，和位于滤光镀膜205和第二荧光材料204光路之间的透镜212，来分别收集第一蓝光、第二蓝光的混合光和受激光，这样能有效提高效率。这里透镜211和212并不是唯一的选择，也可以使用透镜组、反光杯等其它光收集元件来实现相同的功能，甚至不使用任何光学元件也是可以的。

在本实施例中，第一蓝光、第二蓝光和第三蓝光都属于蓝光的光谱范围，因此都能够被滤光镀膜反射。这两者的区别在于，第一蓝光是发光二极管直接发射的蓝光，第二蓝光为蓝光荧光材料受激反射的荧光，两者都属于宽谱光且不具有相干性，出射后不会对人眼造成任何危害，因此也不受FDA等安全标准的管制；而第二蓝光是蓝色激光，是具有相关性的窄谱光，这种光会受到FDA等安全标准的管制。这两者虽然在光谱上有区别，但是都属于蓝光光谱范围。在上下文中，提到“蓝光”，如果不是特指，就指的是蓝色光谱范围内的光。

在上述实施例中，存在一个问题，就是滤光镀膜的功能比较复杂，加工起来比较困难。尤其是对于440-490nm的蓝光光谱区，其反射率很难做成0，可能会形成5%-10%的透射率。这时，第三蓝光253就会有部分透射滤光镀膜到达蓝光荧光材料，而蓝光荧光材料不吸收蓝光，因此第三蓝光会被蓝光荧光材料反射并返回到滤光镀膜，并绝大部分被滤光镀膜反射而和第一蓝光、第二蓝光一起出射。这样这个发光装置所发射的蓝光中，就不仅存在第一蓝光和第二蓝光，也存在泄露的第三蓝光，即蓝色激光。

可见，滤光镀膜中蓝光光谱区的反射率，直接决定了发光装置中泄露的蓝色激光的多少，也决定了这样的发光装置能否通过FDA等安全标准。FDA等安全标准对于激光的量的要求非常严格，因此这就要求滤光镀膜中蓝光光谱区的反射率要非常高，这在实际中实现起来有难度，而且成本会很高。

为了解决蓝光激光泄露的问题，图3a所示的另一个实施例对上述实施例做了改进。在这个实施例中，滤光镀膜305包括两个区，第一激发光351入射的区域为第一区305a，其它区域为第二区。其中第一区为透明的，第二区包括反射第一蓝光、第二蓝光和第三蓝光并透射受激光的镀膜，该镀膜的透射谱如图3b所示。比较图2b可知，本实施例中滤光镀膜的第二区的镀膜要简单得多，只是一个简单的高通滤光镀膜，其工艺相当成熟，透射带（绿、黄、红色光谱范围）的透射率可以做的很高，同时截止带（近紫外到蓝色光谱范围）的反射率也可以做的很高。

这样，第一激发光就可以直接透射透明的滤光镀膜的第一区而达到蓝光荧光材料，这并不是依赖滤光镀膜的滤光曲线实现的，因此降低了滤光镀膜的加工难度。同时，第一蓝光、第二蓝光、第三蓝光和受激光并没有受第一区的影响而正常工作。由于第二区在蓝光光谱范围的反射率可以做的很高，因此也就解决了图2a所示实施例中蓝色激光泄露出射的问题。本方案唯一的负面影响是，第一蓝光、第二蓝光中的部分（例如图3a中的光线352a）会入射于第一区并透射返回到第一激发源，从而形成光损失。而这部分光损失往往是可以接受的。

本实施例中，滤光镀膜的第一区和第二区有多种实现方法。例如先镀如图3b所示的高通镀膜实现第二区的功能，再在第一激发光入射的地方打孔实现第一区。也可以使用两块高通镀膜的滤光片作为第二区，两块滤光片在组装时中间保留一个缝隙作为第一区。

在本实施例中，虽然解决了第二蓝光（蓝色激光）由于滤光镀膜加工不理想而泄露出射的问题，但同时也带来另一个问题：第一激发光的泄露问题。参考图3a，第一激发光351透射第一区到达蓝光荧光材料后，蓝光荧光材料对第一激发光的吸收率并不是100%，也就是说会有部分未被吸收的第一激发光被蓝光荧光材料反射回来入射于滤光镀膜305。这部分反射的第一激发光一部分入射于第一区，一部分入射于第二区。入射于第一区的部分会透射并返回到第一激发源，但入射于第二区的部分则会被第二区至少部分的反射（因为第二区已经简化成不具有透射第一激发光的功能了）而出射。

这个问题并不难解决，因为第一激发光与正常出射的第一蓝光、第二蓝光和受激光并不在同一个光谱范围。因此优选的，本实施例的发光装置还包括位于发光装置出口的滤光装置315，用于透射蓝光和受激光，同时过滤掉第一激发光使其不能透射。具体而言，滤光装置315可以是一个反射405nm同时透射430-700nm可见光的滤光片。这是成熟的技术。

上述图2a和3a两个实施例是本实用新型的一类具体表现形式。实际上还有另一类表现形式。如下所述。

本实用新型的发光装置的另一实施例的结构示意图如图4a所示。该发光装置包括发射第一激发光451的第一激发源401和发光二极管组件402，其中发光二极管组件402的结构与图1b所示的相同。第一激发光451能够激发发光二极管组件402上的蓝光荧光材料使其受激发射第二蓝光452，同时发光二极管组件402上的发光二极管芯片会发射第一蓝光459。发光装置还包括发射第二激发光453的第二激发源403和第二荧光材料404，第二激发光是第三蓝光。第三蓝光453能够激发第二荧光材料404使其受激发射受激光454。

该发光装置还包括滤光镀膜405，该滤光镀膜405包括相对的第一面和第二面。在图4a中，第一面指的是滤光镀膜405的面向左下方的面，第二面指的是滤光镀膜面向右上方的面。在本实施例中，滤光镀膜405附着在滤光片上。当然，在其它实施例中，滤光镀膜也可以附着在滤光棱镜上。在本实施例中，该滤光镀膜405反射第一激发光，透射第一蓝光、第二蓝光和第三蓝光并反射受激光，即反射405nm的激光，透射蓝光，反射黄光。该滤光镀膜的透射谱如图4b所示。其中，400-430nm的近紫外光谱部分的透射率接近0，即反射率接近100%；440-490nm的蓝光光谱部分的透射率接近100%，510nm以上的绿、黄、红色光光谱部分的透射率接近0，即反射率接近100%。

第一激发源401发出的第一激发光451入射于该滤光镀膜的第一面并被其反射到达发光二极管组件402，发光二极管组件402出射的第一蓝光459和第二蓝光452入射于滤光镀膜的第一面并透射滤光镀膜并出射；第二激发源403发射的第三蓝光453入射于该滤光镀膜的第一面并透射该滤光镀膜到达第二荧光材料404，第二荧光材料发射的受激光454入射于滤光镀膜的第二面并被其反射并出射。

这样，出射的光452、459和454都是受激产生的荧光和发光二极管发光，而两个激发源发出的激光都没有出射，这样就实现了出射光中没有激光的目的，使得产品能够符合FDA等激光安全标准。其中第一蓝光459、第二蓝光452是蓝色光，受激光454是黄色光，两者合光出射可以形成白光。

同时，由于第一蓝光、第二蓝光和第三蓝光都是属于蓝光光谱范围，因此使用同一个滤光镀膜就可以同时引导这两者，即引导第一蓝光出射，同时引导第二蓝光入射于第二荧光材料。这样，使用一个滤光镀膜，就可以同时完成两种荧光材料的激发以及三种光452、459和454的合光和出射，这样的系统非常简单紧凑，产品也可以做的很小。

容易理解，本实施例与图2a所示的实施例相比，滤光镀膜的反射透射正好相反，那么相应的引导相对的光的方式也正好反过来，即以反射的形式引导第一激发光到达发光二极管组件，以透射的反射引导第一蓝光、第二蓝光和第三蓝光，并以反射的形式引导第二荧光材料发射的受激光。事实上，正是通过滤光镀膜对三个波段的反射透射特性不同，以及本实用新型巧妙的光学布局，才能够只使用一个滤光镀膜同时引导多束光线，并实现两种受激光的合光出射。本实施例与图2a所示的实施例中，都使用了同样的原理，只是透射反射特性相反而已。

然而，与图2a所示的实施例相类似的是，本实施例同样存在蓝色激光泄露出射的隐患。因为，对于440-490nm的蓝光光谱区，其透射率很难做成100%，可能会形成5%-10%的反射率。这时，第三蓝光453就会有部分被滤光镀膜反射到达蓝光荧光材料，并被蓝光荧光材料反射并返回到滤光镀膜，并绝大部分透射滤光镀膜而和第一蓝光一起出射。

为了解决蓝光激光泄露的问题，图5a所示的另一个实施例对图4a所示实施例做了改进。在这个实施例中，滤光镀膜505包括两个区，第一激发光551入射的区域为第一区505a，其它区域为第二区。其中第一区为反射镜，第二区包括透射第一蓝光、第二蓝光和第三蓝光并反射受激光的镀膜，该镀膜的透射谱如图5b所示。比较图4b可知，本实施例中滤光镀膜的第二区的镀膜要简单得多，只是一个简单的低通滤光镀膜，其工艺相当成熟，透射带（近紫外到蓝色光谱范围）的透射率可以做的很高，同时截止带（绿、黄、红色光谱范围）的反射率也可以做的很高。

这样，第一激发光就可以被滤光镀膜的第一区反射镜反射而达到发光二极管组件，这并不是依赖滤光镀膜的滤光曲线实现的，因此降低了滤光镀膜的加工难度。同时，第一蓝光、第二蓝光、第三蓝光和受激光并没有受第一区的影响而正常工作。由于第二区在蓝光光谱范围的透射率可以做的很高，因此也就解决了图4a所示实施例中蓝色激光泄露出射的问题。本方案唯一的负面影响是，第一蓝光中的部分（如图5a中的蓝光光线552a）会入射于第一区并反射返回到第一激发源，从而形成光损失。而这部分光损失往往是可以接受的。

本实施例中，滤光镀膜的第一区和第二区有多种实现方法。例如先镀如图5b所示的低通镀膜实现第二区的功能，再在第一激发光入射的地方粘贴一片反射镜。也可以使用两块低通镀膜的滤光片作为第二区，两块滤光片在组装时中间夹一片反射镜作为第一区。

在本实施例中，虽然解决了第二蓝光（蓝色激光）由于滤光镀膜加工不理想而泄露出射的问题，但同时也带来另一个问题：第一激发光的泄露问题。参考图5a，第一激发光551被第一区反射到达蓝光荧光材料后，蓝光荧光材料对第一激发光的吸收率并不是100%，也就是说会有部分未被吸收的第一激发光被蓝光荧光材料反射回来入射于滤光镀膜505。这部分反射的第一激发光一部分入射于第一区，一部分入射于第二区。入射于第一区的部分会被反射并返回到第一激发源，但入射于第二区的部分则会被第二区至少部分的透射（因为第二区已经简化成不具有反射第一激发光的功能了）而出射。

优选的，本实施例的发光装置还包括位于发光装置出口的滤光装置515，用于透射蓝光和受激光，同时过滤掉第一激发光使其不能透射。具体而言，滤光装置515可以是一个反射405nm同时透射430-700nm可见光的滤光片。这是成熟的技术。

本实用新型还提出一种灯具，包括上述的发光装置作为光源。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。