專(zhuān)利名稱(chēng)：基于熒光粉提高光轉(zhuǎn)換效率的光源結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光源模塊，尤其涉及基于熒光粉激發(fā)的光源模塊，特別是借助元件組合使出射光更純的光源的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
自二十世紀(jì)九十年代初以來(lái)，隨著以InGaAlP和InGaN為主的新一代半導(dǎo)體光電子材料迅速發(fā)展，各種高功率高亮度的紅、黃、藍(lán)、綠、紫外以及白光等LED光源紛紛涌現(xiàn)， 層出不窮，在各種顯示和照明領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。獲得各種顏色光源(尤其白光光源)的方法除了采用相應(yīng)顏色發(fā)光二極管外，還可以采用的主要技術(shù)方案有RGB混光和熒光轉(zhuǎn)換兩種。其中，熒光轉(zhuǎn)換方案利用來(lái)自其它光源(例如但不限于LED芯片)的發(fā)射光來(lái)激發(fā)使熒光粉產(chǎn)生較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光。例如，日本日亞公司(Nichia)的白光LED專(zhuān)利，公開(kāi)了利用470納米藍(lán)光LED芯片來(lái)激發(fā)黃色YAG熒光粉發(fā)出白光的技術(shù)方案。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、產(chǎn)品具有很強(qiáng)的實(shí)用性?，F(xiàn)有技術(shù)中采用熒光轉(zhuǎn)換方案的光源一般所具有的結(jié)構(gòu)是將熒光粉涂覆在發(fā)光源(尤其是發(fā)光芯片)上，例如申請(qǐng)?zhí)枮?00420084479的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)所公開(kāi)的方案。其不足之處在于由于發(fā)光芯片產(chǎn)生的熱量越大，對(duì)熒光粉的激發(fā)效率影響越大。這樣，隨著激發(fā)光功率的提高，熒光粉的激發(fā)效率將呈下降趨勢(shì)，從而造成受激發(fā)射的光功率隨著激發(fā)光功率的提高增長(zhǎng)到一定程度后，反而會(huì)隨著激發(fā)光功率的繼續(xù)提高而出現(xiàn)下降現(xiàn)象。針對(duì)上述問(wèn)題，申請(qǐng)?zhí)枮?00510072(^91的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種由熒光轉(zhuǎn)換獲得白光的方案，將熒光粉涂布在一反射鏡上，從而與發(fā)光二極管分離，利用該反射鏡使得熒光粉被激發(fā)出的光通過(guò)反射由預(yù)定出射面射出。該方案中，熒光粉因不受二極管芯片發(fā)熱的影響，可以提高較大激發(fā)光功率下的光轉(zhuǎn)換效率。其不足之處在于隨著光源技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，光源輸出亮度和功率越來(lái)越高，該結(jié)構(gòu)因忽略了熒光粉本身所積聚熱能對(duì)大激發(fā)光功率下光轉(zhuǎn)換效率的影響，限制了光源光轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高。美國(guó)專(zhuān)利US7，196，354B1公開(kāi)了又一種方案，如圖Ia或Ib所示將熒光粉3緊貼一導(dǎo)熱域4，使熒光粉本身所產(chǎn)生的熱能無(wú)法積聚，既提高了光轉(zhuǎn)換效率，又有利于延長(zhǎng)熒光粉使用壽命。同時(shí)該專(zhuān)利還指出可在激發(fā)光源1與熒光粉3之間增加一濾光片，用來(lái)透過(guò)預(yù)定波長(zhǎng)的光線，同時(shí)反射其它非預(yù)定波長(zhǎng)的光線；這樣，可以使向激發(fā)光源散射的受激發(fā)光得到利用而進(jìn)一步提高光源效率。上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處在于雖然美國(guó)專(zhuān)利US7，196，354B1所公開(kāi)的方案能最大限度地提高光源效率，但該專(zhuān)利所公開(kāi)的光源結(jié)構(gòu)中，射到所述熒光粉上未被吸收利用的激發(fā)光可以通過(guò)直射(如圖Ia所示)或反射(如圖Ib所示)由光源的出射面射出，從而不利于提高光輸出純度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提出一種提高光轉(zhuǎn)換效率的方法，借助分光濾光片和受激材料的使用，在提高光源的光轉(zhuǎn)換效率同時(shí)，利于提高輸出光的純度。本發(fā)明還提供了一種改進(jìn)的光源結(jié)構(gòu)，便于提高熒光粉光轉(zhuǎn)換效率的前提下，獲得高純度的輸出光。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)發(fā)明的基本構(gòu)思為改進(jìn)光源結(jié)構(gòu)，調(diào)整元件組合的分布，使受激發(fā)光可被導(dǎo)向光源出射面，同時(shí)將未被熒光粉利用的激發(fā)光大部分導(dǎo)向其它地方，從而在同等熒光粉材料的條件下，可以獲得更純的輸出光。作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明構(gòu)思的技術(shù)方案是，提供一種基于熒光粉提高光轉(zhuǎn)換效率的光源結(jié)構(gòu)，包括激發(fā)光源、受激材料和導(dǎo)熱襯底，所述受激材料緊貼在所述導(dǎo)熱襯底上；還包括分光濾光片，尤其是，所述激發(fā)光源面對(duì)所述分光濾光片，使激發(fā)光斜射向該分光濾光片； 所述受激材料大致正迎向由該分光濾光片引導(dǎo)來(lái)的所述激發(fā)光。上述方案中，所述分光濾光片設(shè)置在所述激發(fā)光源和所述受激材料之間，以穿透方式將所述激發(fā)光導(dǎo)往所述受激材料，同時(shí)以反射方式將所述受激材料的受激發(fā)光導(dǎo)往該光源結(jié)構(gòu)的光出射面。上述方案中，所述激發(fā)光源的光出射面與所述受激材料所在的平面大致平行，與所述分光濾光片所在的平面大致呈45度傾角。上述方案中，所述激發(fā)光源的光出射面和所述受激材料設(shè)置在所述分光濾光片的同一側(cè)，各自所在的平面兩兩相交，從而所述分光濾光片以反射方式將所述激發(fā)光導(dǎo)往所述受激材料，同時(shí)以穿透方式將受激材料的受激發(fā)光導(dǎo)往該光源結(jié)構(gòu)的光出射面。上述方案中，所述激發(fā)光源光出射面和所述受激材料所在的平面大致正交，分別與所述分光濾光片所在的平面大致呈45度夾角。上述方案中，還包括導(dǎo)熱反射鏡，介于所述受激材料與導(dǎo)熱襯底之間。上述方案中，還包括透明導(dǎo)光介質(zhì)，設(shè)置在所述分光濾光片的一側(cè)或兩側(cè)。上述方案中，還包括分光濾光片和轉(zhuǎn)盤(pán)，所述導(dǎo)熱襯底固定在該轉(zhuǎn)盤(pán)上或者為該轉(zhuǎn)盤(pán)盤(pán)面的一部份。所述導(dǎo)熱襯底上以所述轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)軸為中心，沿圓周方向劃分區(qū)域分區(qū)域分布至少兩種受激材料。從而便于所述光源的均勻混色設(shè)計(jì)。采用上述各技術(shù)方案，光源在提高大激發(fā)功率下的熒光粉光轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，可以輸出更純的光，從而滿足特定場(chǎng)合下對(duì)光純度的要求，且所采用的結(jié)構(gòu)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、低成本的優(yōu)點(diǎn)。


圖Ia和Ib是現(xiàn)有光源的結(jié)構(gòu)示意圖；圖加和2b是本發(fā)明光源實(shí)施例之一的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖3是圖2實(shí)施例獲得綠光的有關(guān)光譜示例圖，其中曲線al表示分光濾光片的光譜，曲線a2表示激發(fā)光的光譜，曲線a3表示受激發(fā)光的光譜；
圖4是圖2實(shí)施例獲得紅光的有關(guān)光譜示例圖，其中曲線bl表示分光濾光片的光譜，曲線1^2表示激發(fā)光的光譜，曲線b3表示受激發(fā)光的光譜；圖5是本發(fā)明光源實(shí)施例之二的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖6是圖5實(shí)施例獲得紅光的有關(guān)光譜示例圖，其中曲線cl表示分光濾光片的光譜，曲線c2表示激發(fā)光的光譜，曲線c3表示受激發(fā)光的光譜；圖7是圖2實(shí)施例結(jié)構(gòu)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)原理示意圖；上述各圖中的標(biāo)號(hào)為1——激發(fā)光源；2——分光濾光片；3—一受激材料/受激材料層；31——第一受激材料；32——第二受激材料；4——導(dǎo)熱襯底；5——轉(zhuǎn)盤(pán)；52—— 轉(zhuǎn)盤(pán)軸；6——透明導(dǎo)光介質(zhì)。
具體實(shí)施例方式下面，結(jié)合附圖所示之最佳實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。本發(fā)明光源至少包括激發(fā)光源1和受激材料3，以及導(dǎo)熱襯底4 ；所述受激材料3 緊貼在該導(dǎo)熱襯底4上，從而所積聚的熱量得到及時(shí)傳導(dǎo)和擴(kuò)散。為了使光輸出定向傳導(dǎo)且具有較高純度，本發(fā)明光源還包括一分光濾光片2，使所述激發(fā)光源1面對(duì)該分光濾光片 2，從而激發(fā)光斜射向該分光濾光片2，同時(shí)將所述受激材料3設(shè)置成大致正迎向由該分光濾光片2引導(dǎo)來(lái)的激發(fā)光(也就是指所述受激材料3構(gòu)成的平面大致正交于該激發(fā)光的主光軸)。根據(jù)所選擇分光濾光片2的光學(xué)特性，本發(fā)明包括兩個(gè)最佳實(shí)施例。實(shí)施例之一如圖加所示，所述分光濾光片2設(shè)置在所述激發(fā)光源1和所述受激材料3之間，以穿透方式將所述激發(fā)光導(dǎo)往所述受激材料3，同時(shí)以反射方式將所述受激材料3的受激發(fā)光導(dǎo)往該光源結(jié)構(gòu)的光出射面。圖2b是圖加的一個(gè)特例，所述激發(fā)光源1的光出射面與所述受激材料3所在的平面大致平行，與所述分光濾光片2所在的平面大致呈45度傾角。這樣可以最大限度的減少受激發(fā)光被分光濾光片反射回受激材料，進(jìn)而以最高的效率將受激發(fā)光導(dǎo)往光出射面。圖3為上述實(shí)施例的相關(guān)光譜示例圖以曲線al表示所述分光濾光片2的光譜， 其具有可透藍(lán)光特性；曲線a2表示激發(fā)光的光譜，為藍(lán)光；曲線a3表示受激發(fā)光的光譜， 例如選擇綠光，使用(但不限于是nntematix公司的G3560 熒光粉。利用該分光濾光片 2的波長(zhǎng)選通特性，所述綠光受激發(fā)光由于大部分波長(zhǎng)大于500納米，投射到所述分光濾光片2上的將大部分被以反射方式導(dǎo)往該光源的光出射面；同時(shí)所述藍(lán)光激發(fā)光將以穿透方式被導(dǎo)射到熒光粉上。這樣，通過(guò)分光濾光片2的作用，傳統(tǒng)方式下未被利用的受激發(fā)光幾乎都可以經(jīng)過(guò)多次的反射而最終由該光源結(jié)構(gòu)的光出射面射出。圖4為利用上述實(shí)施例產(chǎn)生紅光的相關(guān)光譜示例圖，其中曲線bl表示所述分光濾光片2的光譜，曲線b2表示激發(fā)光的光譜，曲線b3表示受激發(fā)光的光譜；則僅改變所述熒光粉為(但不限于如nntematix公司的05742 熒光粉，發(fā)紅光。所述紅光受激發(fā)光將被所述分光濾光片2全部反射往光源的光出射面。利用該實(shí)施例，無(wú)疑可以得到利用率更高、 純度更純的光輸出。
本發(fā)明光源結(jié)構(gòu)的最佳實(shí)施例之二如圖5所示所述激發(fā)光源1的光出射面和所述受激材料3設(shè)置在所述分光濾光片2的同一側(cè)，各自所在的平面兩兩相交，從而所述分光濾光片2以反射方式將所述激發(fā)光導(dǎo)往所述受激材料3，同時(shí)以穿透方式將受激材料3的受激發(fā)光導(dǎo)往該光源的光出射面。在該圖中，所述激發(fā)光源1光出射面和所述受激材料3所在的平面大致正交，分別與所述分光濾光片2所在的平面大致呈45度夾角，同樣可以起到最大效率地利用光線的作用。該特例并不限定本發(fā)明光源結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整上述相關(guān)平面之間的夾角為其它角度。圖6為該實(shí)施例的相關(guān)光譜示例圖以曲線Cl表示所述分光濾光片2的光譜，其具有可透紅光特性；曲線c2表示激發(fā)光的光譜，為藍(lán)光；曲線c3表示受激發(fā)光的光譜，例如選擇紅光。所述紅光受激發(fā)光由于波長(zhǎng)大于550納米，投射到所述分光濾光片2上后將以穿透方式導(dǎo)往該光源的光出射面，而所述藍(lán)光激發(fā)光將以反射方式被導(dǎo)射到熒光粉上。上述各實(shí)施例中，所述激發(fā)光源1可以是點(diǎn)光源，也可以是面光源(例如但不限于 LED光源)。若是點(diǎn)光源，則所述激發(fā)光源的光出射面是指與該點(diǎn)光源光軸線正交的平面。為了保證受激發(fā)光線的利用率，本發(fā)明各實(shí)施例結(jié)構(gòu)中還可以包括導(dǎo)熱反射鏡， 介于所述受激材料3與導(dǎo)熱襯底4之間。該導(dǎo)熱反射鏡可以是所述導(dǎo)熱襯底4的磨光表面， 還可以是基于所述導(dǎo)熱襯底4的鍍膜；所述受激材料3涂覆或粘覆在該導(dǎo)熱反射鏡上。所述導(dǎo)熱反射鏡或?qū)嵋r底4在室溫下的導(dǎo)熱率最好大于IOW/(m · K)(瓦/米X開(kāi)氏度)， 可以采用金屬(例如但不限于鋁)或?qū)崽沾?。為了進(jìn)一步減小光的損失，本發(fā)明光源還可以在上述各實(shí)施例中，在所述分光濾光片的一側(cè)或兩側(cè)，增加透明導(dǎo)光介質(zhì)，對(duì)所述激發(fā)光或受激發(fā)光進(jìn)行傳導(dǎo)。僅(但不限于)以圖2b及圖5中虛線所示的透明導(dǎo)光介質(zhì)6為例，可以使用三棱玻璃柱，以一側(cè)面緊貼所述分光濾光片2，另一側(cè)面緊鄰所述激發(fā)光源1的光出射面或受激材料3，在光線的傳輸過(guò)程中起到光波導(dǎo)的作用。本發(fā)明還可以基于上述各實(shí)施例進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，如以圖7為例。在本光源結(jié)構(gòu)中增設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)5，用來(lái)承載所述導(dǎo)熱襯底4 (將該導(dǎo)熱襯底4固定在該轉(zhuǎn)盤(pán)5上或者設(shè)置為該轉(zhuǎn)盤(pán)盤(pán)面的一部份)。這樣，一方面在帶有排風(fēng)扇的光源系統(tǒng)中，使該導(dǎo)熱襯底旋轉(zhuǎn)便于散熱均勻；另一重要的方面是，以轉(zhuǎn)軸為中心，在所述導(dǎo)熱襯底4上沿圓周方向劃分區(qū)域分區(qū)域分布至少兩種即第一、第二受激材料31、32，可以便于光源的混色設(shè)計(jì)考慮到現(xiàn)有技術(shù)中此類(lèi)應(yīng)用的熒光粉具有極短的響應(yīng)時(shí)間，可以認(rèn)為隨著以轉(zhuǎn)盤(pán)軸52為旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，激發(fā)光照射到不同的受激發(fā)光材料，可以得到不同顏色的受激發(fā)光。選擇合適的可以同時(shí)反射這兩種受激發(fā)光的分光濾光片2(并不排除對(duì)于不同的受激材料使用不同的優(yōu)化的分光濾光片的可能性)，則在不同時(shí)刻，被該分光濾光片2同一位置反射的受激發(fā)光顏色不斷輪換，可以達(dá)到均勻混色的目的。實(shí)際上，以均勻混色為目的，在所述熒光粉積聚熱量不多的場(chǎng)合(例如光功率輸出較小的場(chǎng)合)下，所述光源還可以采用現(xiàn)有技術(shù)與轉(zhuǎn)盤(pán)相結(jié)合，將熒光粉涂覆在透明轉(zhuǎn)盤(pán)上，以透射方式來(lái)實(shí)現(xiàn)混色。因非本發(fā)明重點(diǎn)，不作更多闡述。
權(quán)利要求
1.一種提高光轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于，將受激材料緊貼到一導(dǎo)熱襯底上，利用來(lái)自激發(fā)光源的激發(fā)光使所述受激材料被激發(fā)產(chǎn)生受激發(fā)光；設(shè)置分光濾光片使其對(duì)所述激發(fā)光和受激發(fā)光二者之一實(shí)現(xiàn)透射，而對(duì)二者中另一實(shí)現(xiàn)反射，使得受激發(fā)光與激發(fā)光在光路上分離，弓丨導(dǎo)受激發(fā)光為出射光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于，設(shè)置分光濾光片，使激發(fā)光射向該分光濾光片時(shí)以反射方式射向所述受激材料，而受激材料被激發(fā)產(chǎn)生的受激發(fā)光則以透射方式穿過(guò)該分光濾光片射向光出射面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于，設(shè)置分光濾光片，使激發(fā)光射向該分光濾光片時(shí)以透射方式穿過(guò)并射向所述受激材料，而受激材料被激發(fā)產(chǎn)生的受激發(fā)光則以反射方式被該分光濾光片反射射向光出射面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的提高光轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于，在所述受激材料與導(dǎo)熱襯底之間設(shè)置導(dǎo)熱反射鏡，所述導(dǎo)熱反射鏡為導(dǎo)熱襯底的磨光表面或基于該導(dǎo)熱襯底的鍍膜，所述受激材料被涂覆或粘覆在該導(dǎo)熱反射鏡上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的提高光轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于，在分光濾光片的一側(cè)或二側(cè)設(shè)置透明導(dǎo)光介質(zhì)，對(duì)所述激發(fā)光或受激發(fā)光進(jìn)行傳導(dǎo)。
6.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的提高光轉(zhuǎn)換效率的方法的光源結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光源結(jié)構(gòu)包括激發(fā)光源、受激材料和導(dǎo)熱襯底，以及分光濾光片，所述受激材料緊貼在所述導(dǎo)熱襯底上，所述激發(fā)光源面對(duì)所述分光濾光片，使激發(fā)光源的激發(fā)光斜射向該分光濾光片，所述受激材料大致正迎向由該分光濾光片引導(dǎo)來(lái)的所述激發(fā)光。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光源結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述分光濾光片位于激發(fā)光源和受激材料之間，實(shí)現(xiàn)以穿透方式將所述激發(fā)光導(dǎo)往所述受激材料，同時(shí)以反射方式將來(lái)自受激材料的受激發(fā)光導(dǎo)往該光源結(jié)構(gòu)的光出射面。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光源結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述激發(fā)光源的光出射面和所述受激材料設(shè)置在所述分光濾光片的同一側(cè)，各自所在的平面兩兩相交，從而所述分光濾光片以反射方式將激發(fā)光導(dǎo)往受激材料，同時(shí)以穿透方式將來(lái)自受激材料的受激發(fā)光導(dǎo)往該光源結(jié)構(gòu)的光出射面。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8任一項(xiàng)所述的光源結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述激發(fā)光源為面光源結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-8任一項(xiàng)所述的光源結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光源結(jié)構(gòu)還設(shè)置有導(dǎo)熱反射鏡，其位于所述受激材料與導(dǎo)熱襯底之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光源結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述導(dǎo)熱反射鏡為所述導(dǎo)熱襯底的磨光表面，或?yàn)榛谒鰧?dǎo)熱襯底的鍍膜；所述受激材料涂覆或粘覆在該導(dǎo)熱反射鏡上。
12.根據(jù)權(quán)利要求6 8任一項(xiàng)所述的光源結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光源結(jié)構(gòu)還設(shè)置有透明導(dǎo)光介質(zhì)，其位于所述分光濾光片的一側(cè)或兩側(cè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光源結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述透明導(dǎo)光介質(zhì)為三棱玻璃柱， 以一側(cè)面緊貼所述分光濾光片。
全文摘要
一種基于熒光粉提高光轉(zhuǎn)換效率的光源結(jié)構(gòu)及方法，其中，光源結(jié)構(gòu)包括激發(fā)光源(1)、受激材料(3)和導(dǎo)熱襯底(4)，所述受激材料(3)緊貼在所述導(dǎo)熱襯底(4)上；還包括分光濾光片(2)，尤其是，所述激發(fā)光源(1)面對(duì)所述分光濾光片(2)，使激發(fā)光斜射向該分光濾光片(2)；所述受激材料(3)大致正迎向由該分光濾光片(2)引導(dǎo)來(lái)的所述激發(fā)光。在所述受激材料(3)與導(dǎo)熱襯底(4)之間，增加一導(dǎo)熱反射鏡可以提高受激發(fā)光的利用率。采用本發(fā)明，提高光源效率的同時(shí)，具有實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F21V8/00GK102305386SQ201110142850
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者李屹, 楊毅 申請(qǐng)人:繹立銳光科技開(kāi)發(fā)(深圳)有限公司