本发明涉及可形成诸如荧光体轮等光学装置的一部分的包括固态光转换材料的光转换器。还提供了制造光转换器的方法。
背景技术：
诸如荧光体等光转换(或波长转换)材料用于不同的应用中，特别是用在光学装置中。一个这种应用为荧光体轮，荧光体轮是用于根据单个光源(通常为窄范围的波长)的激发光生成一个或通常为多个不同波长的发射光的光学装置。在与本发明具有共同发明人的wo2014/016574中描述了示例性荧光体轮。
图1示出了已知荧光体轮结构的实例。光转换器101设置在盘式基板102上。激发光103a(光源光)在其入射在光转换器101上时导致生成发射光103b。光转换器101将光谱从光谱波长在第一范围内的激发光转换为光谱波长在与第一范围不同的第二范围内的发射(或再发射)光。通常，盘式基板102在使用期间旋转，尽管该装置可以用于静态(非旋转)构造，在这种情况下盘式基板102可能不被称为荧光体轮。光转换器101通常形成为包括聚合物粘合剂(诸如硅树脂等)中的荧光体颗粒的涂层。
正在开发可以处理更大功率的入射光的光学装置(特别是荧光体轮)以便例如用于激光功率可大于50w/mm2的大功率激光投影仪。为了处理这种大功率光，正在考虑固态光转换材料，诸如陶瓷转换器等。除了波长转换之外，陶瓷转换器还可以涂覆有(通常为直接涂覆)薄膜以改进光学性能。这与由聚合物粘合剂中的荧光体制成的前述光转换器相比具有显著优势。
然而，在使用诸如陶瓷材料等时存在挑战。首先，期望优化光学涂层从而增强激发光和/或发射光的传播。抗反射涂层通常用来处理激发光，而高反射涂层可以改善发射光输出。陶瓷材料应当能够处理抗反射涂层和高反射涂层两者，并且能够处理可用于产生反射表面的诸如金属涂层等其它类型的涂层。另外，应当考虑陶瓷材料的散热以避免过热。重点关注的是，使陶瓷涂层适应所有这些问题从而增强陶瓷光转换器的性能。
技术实现要素：
针对该背景，提供根据权利要求1的光转换器。还提供制造符合权利要求14的光转换器的方法。参考权利要求书和以下说明书披露其它优选特征。
在诸如陶瓷或光学陶瓷材料(陶瓷荧光体)等固态光转换材料的表面与光学涂层(可以作为填料层的一部分)之间设置有填料层。在制造期间，可以在光学涂层的涂覆之前沉积填料层。已经认识到，固态光转换材料，特别是陶瓷转换器不需要具有光学表面。相反，它们可以是多孔的，并且抛光没有帮助。这种多孔性可以部分地或完全地使任何光学涂层(特别是(干涉)薄膜涂层)失效。填料层，特别是其厚度，可以构造为在微观尺寸中光学上平滑(opticallysmooth)。通常填料层具有低的光学折射率，特别是与固态光转换材料相比为低。次优选的是，可以将具有低的光学折射率的光学涂层选择性地涂布于填料层。
光学涂层可以包括抗反射涂层、高反射涂层、金属涂层中的一个或多个。可以通过沉积来涂布光学涂层。为了转换光的低反射损失和/或高提取，可以涂布单层或多层抗反射(ar)涂层。可能难以向固态光转换材料直接涂布该涂层。在固态光转换材料与ar涂层之间设置填料层可以缓解该问题并且允许较大地提取转换光。
附加地或者作为选择地，期望以更佳效果收集和使用(在入射光方向上的)转换光。可以使用一个或多个高反射(hr)涂层(也被称为反射镜涂层)通过对转换光进行反射来实现该期望。然而，应进一步理解的是，由于这种转换光通常是各向同性的并且随机偏振，因此对于可能与发射光非常接近的hr薄膜涂层的设计而言将存在挑战。在固态光转换材料与hr涂层之间设置填料层可以进一步缓和这些问题。hr涂层可具有宽的入射角，这是由于光发射中心与反射表面之间极为贴近(通常可仅相距约100μm以下)。这可以被称为近场涂层。低折射率层(优选为填料层)与hr涂层的组合可通过全内反射(tir)对大入射角(相对于表面的法线成至少30、40或45度角)的光进行反射。附加地或者作为选择地，可以使用金属反射镜涂层(诸如silflex(tm)等ag基、诸如alflex(tm)等al基)以允许收集大角度的发射光。有利的是，hr涂层为宽带。可以将hr和ar涂层涂布于固态光转换材料的相反的两个表面上。
发明人认识到的另一问题涉及固态光转换材料的散热能力。可能期望的是改进该问题以使转换器的热淬灭(thermalquenching)最小化。可以涂布金属涂层(可选地在另一涂层上)。这可以减小大角度的发射光漏出到固态光转换材料的表面。
可以将光转换器设置在诸如盘状物等基板上。可以使用光转换器上的金属涂层以将金属涂层结合到基板。光转换器可以形成诸如色轮、用于例如投影显示器中的荧光体轮、或汽车前灯等光学装置的一部分。
附图说明
本发明可以以多种方法付诸实践，并且现在将仅通过举例的方式并参考附图对优选实施例进行描述，其中：
图1示出了已知荧光体轮结构的实例；
图2示意性地示出了根据本发明的第一实施例的截面图；
图3描绘了根据本发明的第二实施例的示意性截面图；并且
图4示出了与轮式基板结合的基于本发明的光转换器。
具体实施方式
首先参考图2，图2示意性地示出了光转换器200的第一实施例的截面图。示出了：陶瓷光转换材料201；第一填料层230；第一光学涂层220；第二填料层240；以及第二光学涂层250。
陶瓷光转换材料201通常为包含空穴210的多孔材料。陶瓷光转换材料201有利于处理高温、大功率的入射光并且可以方便地利用热淬灭。陶瓷光转换材料201的厚度可能影响其效果。由于材料的加工能力的原因，目前厚度优选为200μm与250μm之间，但考虑到加工因素和性能效果，可以改变厚度以优化其性质。
在陶瓷光转换材料201的面向入射的激发光103a的一侧上，将填料层230沉积在表面上，随后沉积针对激发光103a而设计的抗反射涂层。为了允许从所有可能的方向收集转换光，附加地涂布用于发射光103b的第二高反射涂层250。非常期望的是大角度的光收集(相对于表面的法线成至少30度)。为了使孔的影响最小化，在沉积第二高反射涂层250之前涂覆第二填料层240。第二填料层240具有低的光学折射率。这可以允许光以较大角度(特别地，相对于表面的法线成正负30度)反射至表面。这样的设计可以提供耐高温性和/或比无涂层的陶瓷光转换材料201提高至少10％以上的光转换的改进的光学性能。
用于填料层230和/或第二填料层240的材料可以取决于其下方的用于光转换材料的材料，特别是该材料的折射率。低吸收和低折射率是希望的性质。具体地说，填料材料的折射率小于陶瓷光转换材料201的折射率，并且优选为在仍允许可靠的光学膜的同时尽可能低(小于1.3、1.25、1.2、1.1或1.05)。低折射率可以改进tir角。在一个材料中使用低折射率涂层和填料层涂层(即，使tir和用于实现光学表面的填料涂层的两个功能统一)提供了显著优势。对于陶瓷光转换材料201，填料层230和第二填料层240包括sio2和/或al2o3。填料层(或两个填料层)的厚度被制得为足以使填料层(或两个填料层)光学上平滑，厚度典型地为400nm至1000nm。
使用pvd沉积抗反射涂层230和高反射涂层250。这些涂层的厚度基于设计性能、所使用的薄膜材料以及相邻材料(诸如填料层等)的性质。
高反射涂层250在与光发射中心非常接近(通常为0-100μm)的位置起作用。此外，高反射涂层250期望具有宽带光谱。考虑到这些问题，高反射涂层250可以被称为近场(或近光源)宽带高反射涂层。由于高反射涂层250对在与其反射表面非常接近处发射的光进行反射，因此高反射涂层250以与使用常规反射器的方式非常不同的方式运行。因此，该高反射涂层250的设计和工作原理也与常规反射器在许多方面颇为不同。首先，该高反射涂层250构造为使用内侧反射而不是外侧反射，这可以改进大角度处的性能。第二，提供宽的反射角(由于发射器相对于反射是近场)。第三，高反射涂层250具有宽带反射光谱(由于光转换器结合了具有宽发射光谱的荧光体)。
概括地说，提供一种光转换器，该光转换器包括：固态光转换材料，其用于根据入射在固态光转换材料的表面上的激发光生成发射光；填料层，其在固态光转换材料的表面上；以及至少一个光学涂层，其在填料层上。附加地或者作为选择地，制造光转换器的方法可以包括：将填料层沉积在固态光转换材料的表面上，固态光转换材料根据入射在其表面上的激发光生成发射光；以及将至少一个光学涂层涂布到填料层。该方法可以具有与光转换器的特征相应的任何可选特征。
尽管通常固态光转换材料具有至少两个(不同的)表面，但固态光转换材料没有具体尺寸要求。填料层和/或光学涂层可以是固态光转换材料的一个或多个表面。来自光源的激发光可以入射在光转换器上，具体地，入射在光学涂层上。随后可以从光转换器产生由固态光转换材料生成的激发光。
接着参考图3，图3描绘了光转换器300的第二实施例的示意性截面图。光转换器300与图2的实施例类似，并且对于与图2的实施例所示的相同特征，可以采用同样的附图标记。为了简洁起见，将不描述与图2共有的特征。
在本实施例中，将诸如alflex(tm)或silflex(tm)等金属涂层260附加地沉积在高反射涂层250的顶部。金属涂层260可以是反射式的，以用作反射镜。金属涂层260通常减小大角度的发射光漏出到转换器表面。在这种情况下，第二填料层240不需要具有低的光学折射率。如将在下文说明的，金属涂层260可以改进热管理，特别是增加从激发光点(spot)向所附接的散热片的散热。概括地说，可以看出，在光转换器的与入射的激发光相反的背侧上的金属反射镜涂层260可以提供散热功能(因为其自身是具有相对高的导热性的金属基涂层)和/或反射功能。金属反射镜涂层260和高反射涂层250两者的组合是非常有利的。
参考图4，图4示出了与盘式或轮式基板结合的光转换器。这可以被视为荧光体轮的实施例。图中示出了：光转换器410；以及盘式或轮式基板420。未示出光转换器410的所有细节，但光转换器410的设计与图3中详细说明的光转换器300的设计接近(或可以使用基于附图中提出的结构的替代结构)。
集成在光转换器410上的金属反射镜涂层(未示出)与轮式基板420结合，轮式基板420还用作散热片。使从激发光403的入射点散发的热量增加，从而使光转换器410上的光点区域430的温度降低。结果，提供了改进的转换发射光402。
尽管已描述了具体实施例，但本领域技术人员将理解的是可以进行改变和修改。例如，设计可以适用于所有固态光转换器而不一定仅适用于使用陶瓷材料的固态光转换器，例如可以使用玻璃基或塑料基材料。玻璃基或塑料基材料可以用作涂覆荧光体的基板。更多孔的多孔材料的益处可能更为显着。有利地，固态光转换器不需要聚合物粘合剂，这可以改进工作温度并消除劣化。可以将与上述涂层构造不同(特别是就它们的类型、数量和顺序而言)的涂层构造涂布于固态光转换器。另外，可以仅涂覆固态光转换器的一侧或一个表面。作为选择，可以涂覆与本文所示的表面不同的多个表面。填料材料可以不具有低的折射率，作为代替，可以向填料材料施加低折射率以影响tir。
可以在例如不清洁陶瓷光转换材料201的表面或多个表面(尤其当表面是新的时)的情况下采用不同的制造工艺。高反射涂层250可以具有上述具体区别性质中的仅一些或不具有上述具体区别性质。用于填料层或多个填料层的材料和制造工艺可以改变。例如，可以使用与上述考虑因素相符的其它材料。附加地或者作为选择地，可以使用溶胶-凝胶/浸渍涂覆、化学气相沉积(cvd)、磁控溅射pvd(可以提供良好的膜密度)或其它技术以用于沉积填料层或多个填料层。在一些实施例中，可以提供诸如ag、al或au涂层等附加的宽带反射器。可以使用用于沉积抗反射涂层230和/或高反射涂层250的其它技术，例如用于抗反射涂层230的浸渍涂覆。
尽管图4具体地涉及基于图3的实施例的设计，但本领域技术人员将理解的是，也可以将图2的设计(或基于本文中提出的设计的任何其它设计)附接到基板。图4示出了盘式基板，但将理解的是，可以使用其它类型、形状和尺寸的基板，特别是在用于不同应用的情况下。可能的应用可以包括：色轮；荧光体轮(例如，用于投影显示器中)；以及汽车前灯。