波長轉換裝置、光源系統及其相關投影系統的制作方法
【專利摘要】本發明實施例公開了一種波長轉換裝置、光源系統及其相關投影系統。該光源系統包括：用于產生激發光的激發光源和波長轉換裝置，該激發光入射于該波長轉換裝置，該波長轉換裝置包括：基底，其第一表面上設有一個凹坑；該凹坑的表面上設有反射層，該反射層的表面的起伏與該凹坑的表面的起伏一致；反射層上設有波長轉換層，該波長轉換層的表面的起伏與該反射層的表面的起伏一致；基底的第一表面面向激發光，且激發光在波長轉換裝置上形成的光斑覆蓋凹坑的至少部分，該光斑完全落入凹坑內，且該光斑的形狀與該凹坑的開口形狀不同。本發明能提供一種減小體積和提高光源系統中的波長轉換材料的光轉換效率。
【專利說明】波長轉換裝置、光源系統及其相關投影系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及照明及顯示【技術領域】，特別是涉及一種波長轉換裝置、光源系統及其相關投影系統。
【背景技術】
[0002]現有技術中的投影系統的發光裝置中，常采用激發光對波長轉換層進行激發以產生受激光，其中該受激光的出射光斑的形狀和激發光在波長轉換層上形成的光斑的形狀大致一樣。但在一些場合的運用中，受激光的光斑需要形成特定的形狀，因此，激發光在入射于波長轉換層之前需先經過整形裝置已形成特定形狀，這會增加發光裝置的成本以及體積。
[0003]而且，在每個波長轉換材料顆粒在受激發的過程中，由于其波長轉換效率不可能是100 %，其中所損失的能量都轉化為熱量，這就造成了波長轉換材料顆粒的熱量的累積和溫度的快速上升，直接影響了波長轉換材料的發光效率和使用壽命。
【發明內容】
[0004]本發明主要解決的技術問題是提供一種減小體積和提高波長轉換材料的光轉換效率的光源系統。
[0005]本發明實施例提供一種光源系統，包括用于產生激發光的激發光源和波長轉換裝置，該激發光入射于該波長轉換裝置，該波長轉換裝置包括:
[0006]基底，包括第一表面，該第一表面上設置有一個凹坑；
[0007]該凹坑的表面上設置有反射層，使得該反射層的表面的起伏與該凹坑的表面的起伏一致；
[0008]在所述反射層上設置有波長轉換層，該波長轉換層的表面的起伏與該反射層的表面的起伏一致；
[0009]基底的第一表面面向激發光，且激發光在波長轉換裝置上形成的光斑覆蓋凹坑的至少部分；
[0010]激發光在波長轉換裝置上形成的光斑完全落入凹坑內，且該光斑的形狀與該凹坑的開口形狀不同。
[0011]本發明實施例還提供一種光源系統，包括用于產生激發光的激發光源和波長轉換裝置，該激發光入射于該波長轉換裝置，該波長轉換裝置包括:
[0012]波長轉換層，該波長轉換層包括第一表面，該波長轉換層的第一表面上設置有一個凹坑；
[0013]反射層，設置于所述波長轉換層背向第一表面的一側；
[0014]波長轉換層的第一表面面向激發光，且激發光在波長轉換裝置上形成的光斑覆蓋凹坑的至少部分；
[0015]激發光在波長轉換裝置上形成的光斑完全落入凹坑內，且該光斑的形狀與該凹坑的開口形狀不同。
[0016]本發明實施例還提供一種波長轉換裝置，包括:
[0017]波長轉換層，該波長轉換層包括第一表面，該波長轉換層的第一表面上設置有一個凹坑；
[0018]反射層，設置于波長轉換層背向第一表面的一側。
[0019]本發明實施例還提供一種投影裝置，包括上述光源系統。
[0020]與現有技術相比，本發明包括如下有益效果:
[0021]本發明中，激發光在波長轉換裝置上形成的光斑完全落入凹坑內，由于波長轉換層出射受激光時為全角出射，受激光在凹坑內直接出射或者經該凹坑的內壁一次或多次反射后出射，使得最終出射的受激光的光斑面積和形狀為整個凹坑的開口面積和形狀，以起到對受激光光斑整形的作用，這樣，可以省略掉用于對激發光進行整形的整形裝置，減小了光源系統的體積；同時，將波長轉換層在基底表面上的一個凹坑內，并且使得波長轉換層的表面的起伏與該凹坑的表面的起伏一致，這樣，相比入射于呈平面狀的波長轉換層，在相同的激發光的條件下，本實施例中的激發光所覆蓋的波長轉換層的面積更大，因此單位面積內的波長轉換層接收到的激發光強度更小，進而提高波長轉換層的光轉換效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1A是本發明的光源系統的一個實施例的結構示意圖；
[0023]圖1B是圖1A所示的光源系統中的凹坑的透視圖；
[0024]圖1C是圖1A所示的光源系統中的凹坑的另一種結構示意圖；
[0025]圖1D是圖1A所示的光源系統中的凹坑的另一種截面圖；
[0026]圖1E是圖1A所示的光源系統中的凹坑的另一種截面圖；
[0027]圖1F左側圖是圖1A所示的光源系統中的凹坑的另一種結構示意圖；
[0028]圖1F右側圖是圖1F左側圖中的凹坑的俯視圖；
[0029]圖2是本發明的光源系統的另一實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和實施方式對本發明實施例進行詳細說明。
[0031]實施例一
[0032]請參閱圖1，圖1是本發明的光源系統的一個實施例的結構示意圖。光源系統100包括激發光源11和波長轉換裝置12。
[0033]波長轉換裝置12包括基底13，該基底包括第一表面13a。第一表面上設置有一個凹坑103。如圖1B所示，圖1B是圖1A所示的光源系統中的凹坑的透視圖。在本實施例中，該凹坑103呈四棱錐狀，該凹坑的開口為正方形。該凹坑的表面上設置有反射層(圖未示)，使得該反射層的表面的起伏與該凹坑的表面的起伏一致。在本實施例中，該反射層設置在該四棱錐的四個側面上。
[0034]在凹坑103表面上設置反射層有多種方法，其中一種是在該微結構上鍍反射膜。最常見的反射膜為銀膜，其反射率高達98%或者以上；還可以鍍鋁膜,其反射率達到94%以上；或者也可以鍍金屬和介質的混合膜。在鍍膜的時候，如果直接在基底表面上鍍銀膜或者鋁膜可能會存在鍍膜牢固度不高的問題。因此，在鍍銀膜或鋁膜之前先鍍一層鉻膜或者鈦膜以提高鍍膜牢固度。考慮到銀和鋁在空氣中極易氧化，這會極大地降低反射率；因此，在銀膜或鋁膜表面優選再鍍一層透明介質的保護膜以隔絕氧氣，例如氧化硅薄膜。
[0035]波長轉換裝置12還包括波長轉換層15，設置于反射層上，且該波長轉換層15的表面的起伏與該反射層的表面的起伏一致。在本實施例中，該波長轉換層設置在該四棱錐的四個側面上的反射層上。
[0036]波長轉換層15包括波長轉換材料，用于吸收一種波長范圍的光并出射另一種波長范圍光。常用的波長轉換材料包括熒光粉。波長轉換材料還可能是量子點、熒光染料等具有波長轉換能力的材料，并不限于熒光粉。在很多情況下，波長轉換材料往往是粉末狀或顆粒狀的，難以直接形成波長轉換材料層，此時就需要使用一種粘接劑把各個波長轉換材料顆粒固定在一起，并形成特定的形狀，如片層狀。
[0037]在反射層上設置波長轉換層有多種方法，例如將波長轉換材料和粘結劑的混合物均勻噴涂至凹坑103表面，或者采用沉降法，即將分散或溶解有波長轉換材料顆粒和無機粘結劑顆粒(如硅酸鈉或者硅酸鉀)的分散液傾倒在容器內，該容器底面承放有第一表面設有鍍有反射膜的凹坑的基底，這時波長轉換材料顆粒和無機粘結劑顆粒緩慢沉降于凹坑的表面上，并覆蓋該表面形成均勻的一層；沉降完成后取出基底并將其烘干，這樣，在凹坑內的反射膜上形成波長轉換層。
[0038]激發光源11用于產生激發光LI，該激發光LI入射于波長轉換裝置12中的基底的第一表面13a。激發光LI在第一表面上形成的光斑完全落入凹坑103內，且該光斑的形狀與凹坑103的開口形狀不同。激發光LI激發凹坑103內的波長轉換層15并產生受激光，其中一部分受激光直接從波長轉換層面向激發光LI的一側直接出射后，一部分受激光從波長轉換層背向激發光LI的一側出射，并被反射層反射至與前一部分受激光一起從波長轉換層面向激發光LI的一側出射。常用的激發光源有LED光源、激光光源或者其他固態發光光源。具體舉例來說，激發光源11用于產生藍色激發光LI，波長轉換層15包括黃色熒光粉，用于吸收藍色激發光LI并出射黃色受激光。
[0039]在本實施例中，激發光斑SI完全落入凹坑103內，由于波長轉換層15出射受激光時為全角出射，受激光在凹坑103內直接出射(如受激光L3)或者經該凹坑103的內壁一次或多次反射后出射(如受激光L2)，使得最終出射的受激光的光斑面積和形狀為整個凹坑的開口面積和形狀，以起到對受激光光斑整形的作用。同時，本實施例中將波長轉換層設在基底表面上的一個凹坑內，并且使得波長轉換層的表面的起伏與該凹坑的表面的起伏一致，這樣，相比入射于呈平面狀的波長轉換層，在相同的激發光的條件下，本實施例中的激發光所覆蓋的波長轉換層的面積更大，因此單位面積內的波長轉換層接收到的激發光強度更小，進而提高波長轉換層的光轉換效率；并且波長轉換層的散熱面積相比【背景技術】中的要大，有利于波長轉換層的散熱。
[0040]本實施例中，激發光斑SI優選內接于凹坑103的開口，以最大程度地利用上該凹坑 103。
[0041]在本實施例中，凹坑103也可以呈其他形狀。優選的，凹坑103的開口呈長方形，其中該長方形的長邊與寬邊的比例為4比3或者16比9。在投影運用中，光閥和投影的圖像都呈4:3或16:9的長方形。由于受激光的光斑面積和形狀分別等于凹坑103開口的面積和形狀，因此可通過控制凹坑103開口的形狀和光閥以及投影的圖像的形狀匹配，以達到更好的圖像均勻性。或者，凹坑103的開口優選呈圓形。例如在舞臺燈的應用中，往往要求圓形光斑。圓形光斑雖然可以由波長轉換裝置出射光路后端的整形裝置來整形獲得，但勻光裝置往往對正方形或長方形光斑效果較好，而獲得圓形光斑的整形裝置的效率往往較低。例如，圓形積分棒的混光效果不佳，需要很長才能將光混合好，但此時效率就比較低。而具有圓形單元的復眼透鏡對則由于圓形單元透鏡的陣列組合不可能填滿整個平面，即圓形單元透鏡之間留有空隙，這造成空隙處光的損失而效率較低。而采用本發明則可以直接得到均勻的圓形光斑，是應用于舞臺燈應用的首選方案。
[0042]但是，若凹坑103的開口比激發光斑SI的面積大很多，則受激光發光光斑也比激發光斑Si大很多，這意味著受激光的光學擴展量相比在波長轉換層呈平面狀的情況中的受激光的光學擴展量擴大，對于高亮度光源來說是不利的。當然，如果凹坑開口的面積導致的受激光的光學擴展量在接收范圍內，激發光斑SI遠小于凹坑103的開口也是可以接受的。優選地，激發光斑SI內接于凹坑103的開口，以使得凹坑103對受激光起到整形的作用，同時又使受激光的光學擴展量增大的程度最小。
[0043]在實際運用中，由于各種誤差的存在，凹坑103經常會偏離激發光LI的傳播路徑，使得激發光斑SI與凹坑103沒有對準。因此，本實施例中，光源系統100還可以包括移動裝置(圖未示)，用于調整激發光源11或者波長轉換裝置12的位置，使得激發光斑SI和凹坑103對準。
[0044]需要說明的是，凹坑103的開口形狀和其坑體的形狀為相互獨立的，并且可以各為各種形狀。例如，凹坑103的坑體形狀為錐狀時，若凹坑103開口為方形，則凹坑103呈棱錐狀，例如圖1B所示的凹坑；若凹坑103的開口為圓形，則凹坑103呈圓錐裝，如圖1C所不，圖1C是圖1A所不的光源系統中的凹坑的另一種結構不意圖。如圖1D所不，圖1D是圖1A所示的光源系統中的凹坑的另一種截面圖。凹坑103的截面呈半圓形。如圖1E所示，圖1E是圖1A所示的光源系統中的凹坑的另一種截面圖。凹坑103的截面呈階梯狀。以上這兩種凹坑的截面圖可以繞自身的中心軸旋轉形成開口為圓形的凹坑，或者可以沿一個固定方向延伸形成開口為方形的凹坑。如圖1F所示，圖1F左側圖是圖1A所示的光源系統中的凹坑的另一種結構示意圖，圖1F右側圖是圖1F左側圖中的凹坑的俯視圖。凹坑103開口呈長方形，底部呈一條直線，該凹坑的各個側面往該直線匯聚。
[0045]為使波長轉換層的表面積盡可能增大，根據幾何學可知，凹坑的底部優選不為平面，這樣可以使波長轉換層接收激發光的表面積進一步增大，進而降低波長轉換層接受到的激發光的光功率密度。凹坑的底部可以呈線狀、點狀或者曲面狀。例如，各微結構單元呈圓錐狀或棱錐狀，或者各微結構單元的表面的截面形狀呈拋物面狀。
[0046]在本實施例中，凹坑103的表面上也可以再形成微結構陣列，該微結構陣列包括微結構單元，其中各微結構單元可以呈凹坑狀或者凸起狀。而反射層和波長轉換層再依序疊設在各微結構單元的表面，使得反射層和波長轉換層的表面的起伏和該微結構陣列的表面的起伏一致。這樣可以進一步增大凹坑103內的波長轉換層的面積，而在激發光的光強度不變時，可以進一步降低凹坑103內的波長轉換層所接收到的激發光的光強度，進而提高波長轉換層的光轉換效率。
[0047]實施例二[0048]請參閱圖2，圖2是本發明的光源系統的另一實施例的結構示意圖。光源系統200包括激發光源21和波長轉換裝置22。
[0049]本實施例與實施例一的區別之處包括:
[0050]本實施例中，波長轉換裝置22包括波長轉換層23和反射層27。波長轉換層23包括第一表面23a。第一表面23a上設置有一個凹坑25，其中該凹坑25的形狀如實施例一中所描述的凹坑103—致。反射層27設置于波長轉換層23背向第一表面23a的一側。第一表面23a面向激發光LI,并且激發光LI在波長轉換層23上形成的光斑完全落入該凹坑25內，且該光斑的形狀與凹坑103的開口形狀不同。波長轉換層23受激產生受激光，一部分從第一表面23a直接出射,一部分從背向第一表面23a的方向出射并被反射層27反射后從第一表面23a與前一部分受激光一起出射。
[0051]本實施通過將凹坑直接設置于波長轉成層上，并使得激發光斑SI完全落入該凹坑內，以對受激光光斑起到整形的作用，同時降低該凹坑內被激發光覆蓋的波長轉換層接收到的光功率密度，以提高該部分波長轉換層的光轉換效率。相比實施例一，由于實施例一中的凹坑需鍍反射膜，這要求凹坑的內壁光滑，否則反射率不高，而這種加工是困難的，只能使用諸如硅的濕法刻蝕工藝來實現，但成本顯然較高；而本實施中由于對波長轉換層的表面光潔度沒有要求，可以通過加工一個模具，然后將波長轉換層直接注塑成型形成特定的結構，成本較低。但實施例一中由于波長轉換層隨著導熱襯底起伏，每一個受激發的位置與導熱襯底有相同的距離，因此散熱較好。而本實施中，由于凹坑底部的波長轉換層最薄，為了獲得足夠多的波長轉換材料來轉換激發光，波長轉換層的底部的厚度要足夠，但這樣會導致其他部位的波長轉換層過厚。由于波長轉換層的導熱率較差，因此散熱效果不如實施例一。
[0052]在本實施例中，凹坑25的表面上也可以再形成微結構陣列，該微結構陣列包括微結構單元，其中各微結構單元呈凹坑狀。這樣可以進一步增大凹坑25內的波長轉換層的面積，而在激發光的光強度不變時，可以進一步降低凹坑25內的波長轉換層所接收到的激發光的光強度，進而提高波長轉換層的光轉換效率。
[0053]本實施例中，波長轉換裝置22還可以包括基底(圖未示)，設置于波長轉換層23背向激發光LI的一側，用于承載波長轉換層23。則反射層可以設置在基底和波長轉換層23之間，或者設于基底的背向波長轉換層23的一側，其中優選為前者，以防止部分受激光在基底內橫向傳播造成的光損失。
[0054]事實上，波長轉換材料也可以摻入硬質材料(如透明玻璃片)中形成波長轉換層，此時波長轉換裝置22中則無需另設用于承載波長轉換層的基板。
[0055]本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
[0056]本發明實施例還提供一種投影系統，包括光源系統，該光源系統可以具有上述各實施例中的結構與功能。該投影系統還可以包括投射光學系統，以對該光源系統出射的經整形后的光斑進行投射，其中該投射光學系統為公知技術，在此不再贅述。上述投影系統可以用于照明，例如舞臺燈照明。或者，該投影系統還可以包括光閥，用于調制光源系統產生的光以產生圖像，該圖像再經投影系統中的投射光學系統將光閥產生的圖像投射出去。該光閥可以采用各種投影技術,例如液晶顯示器(LCD, Liquid Crystal Display)投影技術、數碼光路處理器(DLP, Digital Light Processor)投影技術。
[0057]以上所述僅為本發明的實施方式，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的【技術領域】，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
【權利要求】
1.一種光源系統，包括用于產生激發光的激發光源和波長轉換裝置，該激發光入射于該波長轉換裝置，其特征在于，該波長轉換裝置包括: 基底，包括第一表面，該第一表面上設置有一個凹坑； 該凹坑的表面上設置有反射層，使得該反射層的表面的起伏與該凹坑的表面的起伏一致； 在所述反射層上設置有波長轉換層，該波長轉換層的表面的起伏與該反射層的表面的起伏一致； 所述基底的第一表面面向所述激發光，且所述激發光在所述波長轉換裝置上形成的光斑覆蓋所述凹坑的至少部分； 所述激發光在所述波長轉換裝置上形成的光斑完全落入所述凹坑內，且該光斑的形狀與該凹坑的開口形狀不同。
2.根據權利要求1所述的光源系統，其特征在于，該凹坑的底部不為平面。
3.根據權利要求1所述的光源系統，其特征在于，所述凹坑的開口呈長方形，該長方形的長邊與寬邊的比例為4比3或者16比9 ;或者所述凹坑的開口呈圓形。
4.根據權利要求1所述的光源系統，其特征在于，所述激發光在所述波長轉換裝置上形成的光斑內切于所述凹坑的開口。
5.根據權利要求1所述的光源系統，其特征在于，所述光源系統還包括移動裝置，用于調整所述波長轉換裝置或者所述激發光的位置，使得所述激發光在所述波長轉換裝置上形成的光斑完全落入所述凹坑內。
6.根據權利要求1所述的光源系統，其特征在于，在所述凹坑的表面上，形成有微結構陣列，該微結構陣列包括微結構單元，其中各微結構單元呈凹坑狀或者凸起狀，所述反射層和波長轉換層依次疊置在該微結構陣列上，使得該反射層和波長轉換層的表面的起伏和該微結構陣列的表面的起伏一致。
7.一種光源系統，包括用于產生激發光的激發光源和波長轉換裝置，該激發光入射于該波長轉換裝置，其特征在于，該波長轉換裝置包括: 波長轉換層，該波長轉換層包括第一表面，該波長轉換層的第一表面上設置有一個凹坑； 反射層，設置于所述波長轉換層背向第一表面的一側； 所述波長轉換層的第一表面面向所述激發光，且所述激發光在所述波長轉換裝置上形成的光斑覆蓋所述凹坑的至少部分； 所述激發光在所述波長轉換裝置上形成的光斑完全落入所述凹坑內，且該光斑的形狀與該凹坑的開口形狀不同。
8.根據權利要求7所述的光源系統，其特征在于，在所述凹坑的表面上，形成有微結構陣列，該微結構陣列包括微結構單元，其中各微結構單元呈凹坑狀或者凸起狀。
9.一種波長轉換裝置，其特征在于，包括: 波長轉換層，該波長轉換層包括第一表面，該波長轉換層的第一表面上設置有一個凹坑； 反射層，設置于所述波長轉換層背向第一表面的一側。
10.一種投影系統，包括如權利要求1至8任一項所述的光源系統。
【文檔編號】F21S8/00GK103836542SQ201210576141
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年12月26日 優先權日:2012年11月22日
【發明者】楊毅 申請人:深圳市光峰光電技術有限公司