利用波长转换的光源的制作方法

文档序号:11208897
利用波长转换的光源的制造方法与工艺

本申请是国际申请,其要求2015年2月16日提交的美国申请No. 14/623,016的优先权和益处,该美国申请以其整体通过引用并入本文。



背景技术:

投影和显示光学器件应用通常要求具有低集光率(étendue)的光源以便高效地耦合到给定光学系统中或者提供指定射束图案。实现此的一种方式是通过与光致发光磷光体组合地利用激光器。该方法可以称为激光激活的远程磷光体(LARP)技术。来自激光器的较短波长初级光激励(泵浦)磷光体以发射较长波长次级光(波长转换)。使用波长转换的显著优点在于,可以选择磷光体组分使得系统发射白光。此外,这样的系统可以具有比非相干光源低得多的集光率,所述非相干光源诸如高功率发光二极管(LED)。

在LARP应用中,实现来自磷光体的经转换光的高辐射率所需要的高泵浦通量具有局部加热泵浦区中的磷光体的非意图后果。这种加热减少了磷光体的量子效率,并且由此对经转换光的最终辐射率寄予苛刻限制。为了解决该问题,已经使用了若干方法。一种解决方案是与高热导率衬底组合地使用以高热导率陶瓷形式的波长转换器。通过在高温下烧结大量无机磷光体颗粒直至颗粒弥散并且沾粘在一起以形成单片部件而形成陶瓷波长转换器。典型地,经烧结的部件具有接近该材料的理论密度的密度,尽管在一些应用中期望的是维持某种多孔性以便增强烧结。相比于通过在硅树脂中分散单独的磷光体颗粒而形成的波长转换器,陶瓷波长转换器具有大得多的热导率。

在透射式LARP几何结构的情况下,其中初级激光器光入射在波长转换器的一侧上并且来自转换器的次级光从相对侧发射,因为衬底需要是光学上透明以及热传导的,所以优选的是蓝宝石衬底。透射式LARP配置在许多LARP应用中是合期望的,因为它们要求较少的光学组件并且具有不太复杂的光学配置。这使它们对于要求紧凑LARP源的应用而言是有利的,所述应用诸如机动车、移动电话以及其它投影/光照应用。

为了增加光源的辐射率,还可以向透射式LARP系统添加二色性反射器使得在向前方向上发射更多光。由于光回收,这可以有效地使经转换光的辐射率加倍。然而,二色性反射器还可能对集光率具有不利影响。例如,如果二色性反射器放置在衬底上,经回收的次级光可能看起来具有较大的有效斑尺寸,从而显著地增加源集光率。即便人们可以消除波长转换器中的散射,经回收的光也可能看起来处在与向前定向的发射不同的景深下,从而再次有效地增加源集光率。

使用陶瓷波长转换器和透明衬底时出现的另一个问题是通过全内反射(TIR)而俘获的次级光的损失。变得被俘获的辐射的部分取决于衬底和传播介质的相对折射率并且通常非常大。在磷光体-空气的情况下,所发射的辐射中的仅18%将存在于临界角椎体内并且直接离开进入到空气中。为了增加提取,要求散射以便回收该辐射,但是这将由于TIR的多个循环以及向传播介质中散射而导致增加的源斑尺寸。在不存在散射的情况下,来自波长转换器的被俘获的发射将最终通过侧面离开从而完全损失。



技术实现要素:

本发明提供了一种光源,其最小化用于LARP配置以及特别地用于透射式LARP配置的斑尺寸扩展和TIR俘获。更具体地,本发明提供了具有低集光率以用于向投影系统和其它显示光学器件应用中耦合的光源。

尽管本发明对于透射式LARP配置特别有用,但是它还具有用于反射式配置的优点,在反射式配置中,从初级激光器泵浦光入射于其上的相同侧发射次级光。特别地,本发明准许使用外部反射器回收向后定向的次级和初级光,并且克服了与将高反射且热传导涂层直接放置到陶瓷波长转换器表面上相关联的技术问题。

依照本发明的目标,提供了一种光源,其包括发射初级光的半导体器件、具有反射涂层的热传导光学器件、以及具有前表面和后表面的波长转换器。光学器件安装到波长转换器的后表面,并且初级光在发射区中撞击在波长转换器上。波长转换器将初级光的至少部分转换成从转换器的前表面和后表面发射的次级光,并且光学器件将从后表面发射的次级光反射回到发射区中。

依照本发明的另一个目标,光源具有透射式配置,由此来自半导体器件的初级光透射通过光学器件并且定向到波长转换器的后表面上。

依照本发明的另外的目标,光源具有反射式配置,由此来自半导体器件的初级光定向到转换器的前表面上。

附图说明

图1是处于透射式配置中的本发明的光源的实施例的示意性图示。

图2是处于透射式配置中的本发明的光源的另一个实施例的示意性图示。

图3是图2中所示的实施例的光学器件的图案化表面的顶视图。

图4是使用与图1中所示的光学器件类似的半球状光学器件的处于反射式配置的本发明的光源的另外的实施例的示意性图示。

图5是使用与图2中所示的光学器件类似的光学器件的处于反射式配置的本发明的光源的又一个实施例的示意性图示。

具体实施方式

为了更好地理解本发明以及它的其它和另外的目标、优点和能力一起,参照结合上述附图考虑的以下公开内容和所附权利要求。

如本文中所用,陶瓷波长转换器是指固体、经烧结的多晶光致发光材料。陶瓷波长转换器不包括含有分散在有机或无机基质中的磷光体材料的颗粒的波长转换器。

对磷光体、LED、激光器或转换材料的颜色的引用一般是指其发射颜色,除非以其它方式指定。因而,蓝色LED发射蓝光,黄色磷光体发射黄光等等。

依照本发明的光源100的第一实施例在图1中以透射式配置示出。半导体器件112发射初级光的射束140。半导体器件优选地是半导体激光器,例如,垂直腔表面发射激光器(VCSEL),其在电磁频谱的蓝色区中发射。射束140通过可选的透镜116而聚焦到光学器件104上。在该实施例中,光学器件104是包括光学透明的热传导材料的半球体。优选地,光学器件包括蓝宝石,但是可以使用其它热传导的光学透明材料,诸如氮化铝(AlN)、钇铝石榴石(YAG)、Y2O3、掺杂的ZrO2、MgAl2O4(尖晶石)、AlON、SiO2、BN、SiC、ZnO或者SnO2。优选地,光学器件材料的热传导率大于1Wm-1K-1并且更优选地大于10Wm-1K-1。光学器件104粘接到陶瓷波长转换器106的后表面110。在该实施例中,转换器106是优选地具有平盘或矩形形式的陶瓷波长转换器。转换器106包括磷光体,所述磷光体将由半导体器件112发射的初级光转换成具有不同波长的次级光。优选地,磷光体是铈激活的石榴石磷光体,其可以由化学式A3B5O12:Ce表示,其中A是Y、Sc、La、Gd、Lu或Tb,并且B是Al、Ga或Sc。更优选地,磷光体是以下中的至少一个:Y3Al5O12:Ce、(Y,Gd)3Al5O12:Ce和Lu3Al5O12:Ce。为了实现用于波长转换器的颜色坐标或频谱成分的宽范围,可以使用其它磷光体,包括铝酸钡镁、氮化物和氮氧化物,其可以掺杂有其它稀土离子,包括Eu2+、Pr3+和Dy3+。陶瓷波长转换器可以通过数个常规陶瓷形成技术而形成,包括混合磷光体颗粒与有机粘合剂、模制期望的形状、以及烧净有机粘合剂接着进行最终高温烧结以形成单片式部件。

来自半导体器件112的初级光撞击在波长转换器106上,其中它在反射区118内转换为次级光。发射区118在转换器106的前表面107上的范围形成源斑,所述源斑可以例如耦合到投影系统中。发射区118内的次级光的发射一般是各向同性的,从而使至少一些次级光从转换器106的后表面110以及从前表面107发射。为了增加从前表面107发射的次级光的量并且改进光源100的效率,半球状光学器件104的弯曲表面109具有反射涂层102,所述反射涂层102将从后表面110发射的次级光反射回到发射区118中。因为该实施例是透射式配置,所以反射涂层102还必须能够允许来自半导体器件112的初级光穿过以进入光学器件104。因而,在该配置中,反射涂层102包括二色性涂层,所述二色性涂层反射较长波长次级光,但是透射较短波长初级光。所发射的次级光然后出现在向前方向上,连同未被吸收的初级光。可替换地,诸如增强金属涂层之类的高反射涂层可以应用于光学器件104以便在大频谱范围之上提供更宽角度的反射性,同时仅其中初级光射束140入射于光学器件104上的区可能要求二色性涂层,所述二色性涂层可以具有较弱的角度要求,从而允许经扩展的频谱范围。金属化还将准许半球状光学器件直接焊接或者金属粘接到具有类似形状腔体的热沉以用于最佳的热传导。在反射式配置的情况下,通过高反射金属化涂层或者宽带电介质涂层(包括初级和次级光波长二者)对半球体的完全涂敷将是适当的(例如,图4)。

波长转换器106大概以在切过半球体的中心点的平面为中心。半球状光学器件104上的反射涂层102的存在基本上形成具有主轴124的半球状反射镜,其中其曲率中心位于发射区118中。在发射区118的中心处(即,在主轴124上的曲率中心附近)从后表面110发射的次级光射线120从反射涂层102逆反射(retro-reflect)回到相同点。从离轴点从发射区118发射的次级光射线122反射回到其在发射区118上的镜像点,假设角度不是过陡的话。这是由于半球状反射镜的焦距为R/2而发生,其中R是曲率半径,隐含着1:1放大,但是图像反转。在较陡角度下并且离轴发射的射线将由于象差而不总是返回到转换器106的发射区118。无论如何,该布置由于光回收而应当提供光源的辐射率方面将近两倍的增加。

作为另外的优点,期望的向前定向的次级光108直接来自于波长转换器而没有穿过诸如衬底之类的附加元件。在具有适当的体积散射或表面结构化特征的情况下,光提取可以利用陶瓷波长转换器而接近100%。在薄膜波长转换器的情况下,少量的块状或表面散射也可以提供接近于100%的提取效率。通过向薄膜波长转换器应用强工程化表面散射层,可以利用在远场角度下的最小颜色变化而实现部分转换LARP磷光体组装件。此外,光源100的最终源斑尺寸由转换器106的前表面107上的发射区118的面积精确地确定,这提供了低源集光率。在薄膜转换或透明陶瓷转换器的情况下,可以实现最小的源斑尺寸,因为低体积散射暗示着由于横向散射所致的最小斑扩展。

该实施例的附加方面是通过半球状光学器件104对初级光的强聚焦。这可以用于通过使透镜116的焦点匹配于半球状光学器件104的中心点而获得尽可能小的斑尺寸。一旦匹配,聚焦的初级光射线就可以在没有折射的情况下进入半球体;初级光斑尺寸将受衍射限制,如由准直的瑞利区130所指示。可替换地,人们还可以使用半球体来提供聚焦功率,从而减少针对外部初级光光学器件所要求的聚焦功率。在该情况下,人们可以大概将半球体视为具有焦点F的透镜,所述焦点F位于距半球体的弯曲表面109的距离f处。对于近轴射线,焦距通过以下给定

因而,人们可以调节外部透镜和其它光学器件的焦距和距离以实现波长转换器上的期望斑尺寸和分布。这允许人们实现期望初级光斑尺寸和最大初级光强度之间的良好折衷,从而导致在达到热淬火极限之前用于最高可实现源辐射率的最佳源集光率。该配置还准许通过从不同方向部分准直的激光器二极管的直接泵浦,从而简化了由多个激光器二极管泵浦的LARP配置中通常要求的射束组合元件。

在图2中示出了本发明的第二实施例。光源200的基本配置类似于在图1中示出的透射式配置。由半导体器件112发射的初级光的射束140通过透镜116而聚焦到热传导光学器件204上。初级光穿过光学器件204以撞击在粘接到光学器件204的波长转换器106的后表面110上。转换器106将初级光的至少部分转换成具有不同波长的次级光。优选地,光学器件204包括光学透明材料,诸如蓝宝石,以便不散射初级光或次级光。在该实施例中,光学器件204具有以厚度t的平板的形式的主体230,并且具有面向半导体器件112的图案化表面234。图案化表面234包括角隅棱镜反射器210的2D阵列以用于在向前方向上逆反射回来向后定向的光。光学器件204可以通过若干方法制备,包括激光器加工、碾磨、蚀刻、或者用于在陶瓷材料中形成形状的其它方法。具有角隅棱镜阵列的光学器件204还可以由模制的透明多晶陶瓷(诸如YAG和纳米粒化的氧化铝)制成。这样的材料具有通过模制过程制备的优点。角隅棱镜反射器210的阵列还可以是分离模制的部分;然而,经模制的材料必须紧密地匹配主体230的折射率并且必须通过类似地折射率匹配的材料而粘接到主体230。粘接材料还可以具有不同的折射率,假设粘接线粗细远小于准许主体与角隅棱镜阵列的界面处的最小TIR和强倏逝耦合的一个波长。

角隅棱镜的外表面涂敷有反射涂层202,所述反射涂层202至少反射由转换器106发射的次级光。在该实施例中,反射涂层202是二色性涂层,所述二色性涂层透射初级光而同时反射次级光。定心在图案化表面234上的平坦区226稍微大于入射初级光射束140的面积,并且没有角隅棱镜以便准许向转换器106上的恰当聚焦或成像。这可以在图3中更好地看到,图3示出了图案化表面234的顶视图。平坦区226还涂敷有反射涂层202。角隅棱镜表面应当处在关于主体230的表面的平面的45度角度处。优选地,阵列应当包括连续的角隅棱镜,其中各角隅棱镜之间具有可忽略的空间。优选的是,阵列具有比λ/2更好并且优选地比λ/5更小的光学磨光平滑度。出于制造目的,跨整个图案化表面234应用单个二色性涂层是最合期望的。

角隅棱镜阵列的目的是在与它们所来自的方向相同的方向上逆反射回来从转换器106向后发射的次级光射线。角隅棱镜具有以下性质:它们将在任何角度下逆反射光。经反射的射束横向偏移约角隅棱镜尺寸。因而,该实施例将向后发射的次级光回收到向前方向,其中仅具有斑尺寸方面的小增加。如果入射初级光斑(泵浦斑)直径Dp选择为使得它刚好适合于平坦区226中,来自发射区118的向后定向的辐射(包括经散射的初级光或次级光)可以被二色性涂敷的平坦区226反射到泵浦斑外部,可能地使该斑扩展到像3Dp那么多但是不超过3Dp。然而,该辐射将是总向后定向的辐射的小部分。t/Dp的比率越大,从平坦的二色性涂敷区反射的向后发射的射线的立体角越小。更特别地,如果t>>Dp,入射在平坦区上的辐射的部分大概为(Dp/2t)2,这可以远小于1。辐射的其余部分将入射在角隅棱镜元件上。最多地,入射在角隅棱镜元件上的辐射将移位s,其是阵列的间距。例如,如果Dp=250μm并且间距s=25μm,那么斑扩展将最多为Dp+2s=300μm。优选地,对于该实施例,t>Dp并且s<<Dp。更优选地,Dp为至少5s,并且甚至更优选地,Dp为至少10s。经回收的斑的扩展实际上将是叠加在最终发射斑直径Ds上的分布,其中发射斑已经由于散射而大于泵浦斑Dp。因而,发射斑内的经回收的辐射部分甚至可以更大。

用于本发明的光源的其它可能的光学器件包括自由形式光学表面,所述自由形式光学表面可以用于优化经回收的斑分布和/或泵浦聚焦。衍射结构(诸如2D光子晶格)也可以用于提供工程化逆反射轮廓。这样的异常反射可以利用光学天线或其它金属材料结构的亚波长非均匀阵列而工程化。而且,本发明不限于透射式应用。通过利用完全反射涂层涂敷光学器件并且通过将半导体器件放置在转换器前方使得初级光射束直接照耀到转换器上而颠倒初级光射束的方向,人们可以使用该方法来用于反射式配置。这样的反射式配置的示例在图4和5中示出。

参照图4,示出了根据本发明的处于反射式配置中的光源的实施例。光源100'采用如图1中的半球状光学器件104。然而,在该实施例中,半导体器件112在离轴位置处放置于转换器106'的前方,这不干扰从发射区118发出的向前定向的次级光108。通过使射束140反射离开二色性分束器150,半导体器件112发射的初级光射束140定向到转换器106'上。二色性分束器150透射向前定向的次级光108,从而允许收集/聚焦它以用于在投影系统、光学纤维等中使用。半球状光学器件104的弯曲表面109上的反射涂层102在该配置中可以是完全反射的,因为不需要如透射式配置中(图1)那样透射初级光射束140。优选地,反射涂层102是高反射金属涂层,诸如银涂层。向后发射的次级光通过光学器件104的反射涂层102而逆反射回到发射区118中,由此增加向前定向的次级发射的强度。

在该实施例中,转换器106'具有已经沉积在半球状光学器件104的平坦表面144上的薄磷光体膜的形式。优选地,该膜在整个平坦表面144之上延伸并且具有小于20微米的厚度。薄膜磷光体转换器106'可以通过各种各样的方法来沉积,包括脉冲激光沉积(PLD)、溅射、离子射束、CVD、MOCVD。这些方法还可以允许使用转换材料,诸如GaN、ZnO、以及要求外延膜并且可以允许UV中的激发以及可见中的发射的各种各样的其它半导体材料。

图5是根据本发明的处于反射式配置中的光源的另一个实施例。如图4中那样,半导体器件112在离轴位置中放置于转换器106'的前方以便不干扰向前定向的次级光108。类似于图2,光源200'采用具有图案化表面234的光学器件204,其包括角隅棱镜反射器210的2D阵列。然而,与图2中的实施例不同,图案化表面234的中心处不存在平坦区226,因为初级光射束140撞击在转换器106'的前表面107上。转换器106'是已经沉积在光学器件204的平坦前表面244上的薄膜磷光体并且在整个前表面244之上延伸。如图2中那样,通过光学器件204的反射涂层202将向后发射的次级光逆反射回到发射区118中,由此增加向前定向的次级光发射的强度。

尽管已经在本文中描述了本发明的原理,但是本领域技术人员要理解,该描述仅通过示例的方式而做出并且不作为对本发明的范围的限制。除本文示出和描述的示例性实施例之外,在本发明的范围内设想到其它实施例。由本领域普通技术人员进行的修改和替换被视为处在本发明的范围内,本发明的范围仅受以下权利要求限制。

再多了解一些
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