本實用新型涉及一種光源結構，具體涉及一種高密度LED光源結構。
背景技術：
目前LED照明行業(yè)發(fā)展迅速，大功率LED具有體積小、安全低電壓、壽命長、電光轉換效率高、響應速度快、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，已陸續(xù)得到應用。由于受光學設計的限制，除了器件的總光通量，很多應用領域對器件單位面積光通量(光密度)在不斷提高。
提高LED的單位面積光通量主要有兩個途徑，增加芯片內部電光轉化的光子總數(shù)和提高已產生光子的出光效率：一.增加芯片內部電光轉化的光子總數(shù)一方面可通過改進芯片外延層的質量，提高電光轉化效率實現(xiàn)；另一方面可通過增加使用時的功率即電流密度實現(xiàn)。受半導體中載流子密度的限制，LED的單位面積電功率不可能無限增加，因此LED單位面積的出光量也存在最大極限。專利“超大功率垂直芯片的集成封裝”(公開號CN105261693A)中公布的電流密度范圍為0.35～3.5A/mm2，但其上限已很難達到，當前高性能芯片實際穩(wěn)態(tài)工作時能達到的最大電流密度約為1.5A/mm2。而且隨著器件功率的增加，單位面積和單位功率的出光效率均會明顯下降；二.提高已產生光子的出光效率主要指改變LED出光面的表面結構以增加取光效率，把芯片內部的發(fā)光盡可能得輸出，如安裝具有各種表面結構的透鏡，鍍增透膜等。通過改進芯片外延層的發(fā)光結構也可以適當提高光效，如歐司朗公司2016年5月最新推出的3D納米白光LED技術的芯片，通過增加藍光出光層的表面積，可以把單位面積的出光效率提高20％左右。總之，單純通過提高芯片本身質量以增加出光密度的方式存在物理極限，將無法滿足長遠需求。
由于存在光學擴展量的限制，一個高效的高密度光源肯定無法通過單純擴大LED出光面積然后聚光的方式實現(xiàn)，因此出光面越小，光密度越高，對后續(xù)的光學設計越有利。如大屏幕高亮度投影顯示領域對出光源光面的尺寸有嚴格要求(通常不大于2.6*3.2mm2)，尺寸過大無法實現(xiàn)有效成像；一些軍事領域的高亮度窄擴散角照明器件必須把光源的總發(fā)光面積限制在很小范圍(如5*5mm2，光密度要求160流明/mm2)；微創(chuàng)手術照明對光源面積通常限制在10～12mm2，光密度要求250流明/mm2。顯然普通LED光學結構將很難勝任今后高密度發(fā)光領域的發(fā)展趨勢，而其他高密度光源如激光則存在結構復雜，成本高，效率低，受法規(guī)限制等各種不利因素，因此尋找一種合理的高密度光源解決方案將具有非常巨大的價值。
技術實現(xiàn)要素：
為解決上述技術問題，本實用新型的目的在于提供一種高密度LED光源結構及其制備方法，從而在熒光材料棒的端面輸出高密度光，其出光密度可比目前市場最高端的大功率LED提高一個數(shù)量級。
為達到上述目的，本實用新型的技術方案如下：
一方面，本實用新型提供一種高密度LED光源結構，包括固態(tài)熒光轉化材料基體和至少一個電路基板，所述固態(tài)熒光轉化材料基體的至少一端面為出光面，所述固態(tài)熒光轉化材料基體上鍍有與出光波長匹配的反射膜，且所述出光端面上未鍍有反射膜，所述電路基板設于所述固態(tài)熒光轉化材料基體的至少一側面上，所述電路基板上設有LED芯片陣列，所述LED芯片陣列與固態(tài)熒光轉化材料基體的入光面的外形相匹配，并與其耦合連接。
本實用新型的高密度LED光源結構，通過在多面鍍反射膜的固態(tài)熒光轉化材料基體的側面設置LED芯片陣列，在固態(tài)熒光轉化材料基體的側面注入某種波長的光(通常由LED芯片產生)，由于熒光材料中存在大量發(fā)光中心，這些發(fā)光中心通過受激和發(fā)射過程會將該波長的光高效得轉化成另一波長的光，新產生的光在熒光材料棒內部經(jīng)過一系列反射過程，最終在熒光材料棒的頂端輸出高密度光；采用獨特的空間立體范圍進行光轉換并在一個小面輸出的方式，黃綠光的單位面積出光量可達2051流明/mm2，突破了單片LED的光密度限制。其出光密度可比目前市場最高端的大功率LED提高一個數(shù)量級。
作為優(yōu)選的方案，所述出光面上還設有與出光波長相匹配的增透膜。
采用上述優(yōu)選的方案，在提高光密度的同時，提高出光效率。
作為優(yōu)選的方案，還包括散熱系統(tǒng)，所述散熱系統(tǒng)包括第一散熱基板和第二散熱基板，所述第一散熱基板設在所述電路基板上與LED芯片陣列相對的一面，所述第二散熱基板設在所述反射膜外，所述散熱系統(tǒng)與所述固態(tài)熒光轉化材料基體的外形相適配。
采用上述優(yōu)選的方案，在提高光密度的同時，提高散熱效果。
作為優(yōu)選的方案，所述LED芯片陣列中的芯片為倒裝芯片、正裝芯片或垂直芯片中。
作為優(yōu)選的方案，所述LED芯片陣列中的芯片根據(jù)激發(fā)波長需要可為紫外光芯片、藍光芯片或綠光芯片。
作為優(yōu)選的方案，所述固態(tài)熒光轉化材料基體的縱截面為矩形或梯形，所述固態(tài)熒光轉化材料基體的橫截面為圓形或方形。
采用上述優(yōu)選的方案，梯形的截面方便取光。
作為優(yōu)選的方案，所述反射膜包括介質膜，所述介質膜外設有金屬膜，所述介質膜為20～90層的多層膜，每層厚度為對應反射波長的一半，所述金屬膜的厚度為0.2～2微米。
采用上述優(yōu)選的方案，介質膜反射帶寬60～250納米，反射角小于85°時反射率99.5％，反射角大于85°時反射率45％；鋁膜全角度的反射率均為92％，可增加整體反射效果。
作為優(yōu)選的方案，所述固態(tài)熒光轉化材料基體由選自黃綠光熒光材料、藍光熒光材和紅光熒光材料中的至少一種構成。
采用上述優(yōu)選的方案，除了傳統(tǒng)的白光，還可以產生不同波長的高密度光源，可以實現(xiàn)紅綠藍(RGB)三種顏色的高密度光源，波長可選擇，對于大屏幕高亮度投影等現(xiàn)代顯示技術有極大幫助。
作為優(yōu)選的方案，所述黃綠光熒光材料選自Ce離子摻雜的YAG，LuAG，LuYAG，YAGG晶體、透明陶瓷和玻璃中的至少一種，所述藍光熒光材選自BGO、PWO或Ce離子摻雜的YSO、LSO、GSO中的至少一種，所述紅光熒光材料選自Cr、Ce、Eu、Bi、Si等離子摻雜的鋁酸鹽、硅酸鹽或者氟化物晶體、陶瓷、玻璃材料，或摻雜氮化物紅光熒光粉的透明玻璃中的至少一種。
另一方面，本實用新型還提供一種上述高密度LED光源結構的制備方法，包括如下步驟：
1)處理固態(tài)熒光轉化材料，得到固態(tài)熒光轉化材料基體；
2)再將相應的增透膜鍍在固態(tài)熒光轉化材料基體的至少一個側面上，然后在所述固態(tài)熒光轉化材料基體的剩余的其他側面鍍反射膜，得到鍍膜后的固態(tài)熒光轉化材料基體；
3)制作帶LED芯片陣列的電路基板，然后將電路基板帶LED陣列的一側與所述鍍膜后的固態(tài)熒光轉化材料基體的入光面耦合；再將所述電路基板的另一側與第一散熱基板連接；
4)再將所述鍍膜后的固態(tài)熒光轉化材料基體的未耦合電路基板的反射面上貼覆第二散熱基板，即得。
作為優(yōu)選的方案，在步驟2)中，先在所述固態(tài)熒光轉化材料基體的剩余的其他側面鍍多層的介質膜，然后在介質膜上鍍金屬膜，所述介質膜于200～400℃鍍膜，所述金屬膜于150～200℃鍍膜。
附圖說明
圖1為本實用新型的高密度LED光源結構的結構示意圖；
其中：
1.固態(tài)熒光轉化材料基體，2.出光面，3.反射膜，4.LED芯片陣列，5.第一散熱基板，6.電路基板。
具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本實用新型的優(yōu)選實施方式。
為了達到本實用新型的目的，如圖1所示，本實用新型的高密度LED光源結構，包括固態(tài)熒光轉化材料基體1和至少一個電路基板6，固態(tài)熒光轉化材料基體1的至少一端面為出光面2，固態(tài)熒光轉化材料基體1上鍍有反射層3，且出光端面2上未鍍有反射膜層3，電路基板6設于固態(tài)熒光轉化材料基體1的至少一側面上，電路基板6上設有LED芯片4陣列，LED芯片陣列4與固態(tài)熒光轉化材料基體1的入光面的外形相匹配，并與其耦合連接。
本實用新型實施例的高密度LED光源結構，通過在多面鍍反射膜的固態(tài)熒光轉化材料基體的側面設置LED芯片陣列，在固態(tài)熒光轉化材料基體的側面注入某種波長的光(通常由LED芯片產生)，由于熒光材料中存在大量發(fā)光中心，這些發(fā)光中心通過受激和發(fā)射過程會將該波長的光高效得轉化成另一波長的光，新產生的光在熒光材料棒內部經(jīng)過一系列反射過程，最終在熒光材料棒的頂端輸出高密度光；采用獨特的空間立體范圍進行光轉換并在一個小面輸出的方式，單位面積出光量可達2051流明/mm2，突破了單片LED的光密度限制。其出光密度可比目前市場最高端的大功率LED提高一個數(shù)量級。
為了進一步地優(yōu)化本實用新型的實施效果，出光面2上還設有增透膜。在提高光密度的同時，提高出光效率。
為了進一步地優(yōu)化本實用新型的實施效果，還包括散熱系統(tǒng)，散熱系統(tǒng)包括第一散熱基板5和第二散熱基板，第一散熱基板5設在電路基板6上與LED芯片陣列4相對的一面，第二散熱基板設在反射膜3外，散熱系統(tǒng)與固態(tài)熒光轉化材料基體1的外形相適配。在提高光密度的同時，提高散熱效果。
為了進一步地優(yōu)化本實用新型的實施效果，LED芯片陣列4中的芯片選自倒裝芯片、正裝芯片和垂直芯片中的至少一種。
為了進一步地優(yōu)化本實用新型的實施效果，LED芯片陣列4中的芯片根據(jù)激發(fā)波長需要可為紫外光芯片、藍光芯片或綠光芯片。
為了進一步地優(yōu)化本實用新型的實施效果，固態(tài)熒光轉化材料基體1的縱截面為矩形或梯形，固態(tài)熒光轉化材料基體的橫截面為圓形或方形。梯形的截面方便取光。
為了進一步地優(yōu)化本實用新型的實施效果，反射面膜3包括介質膜，介質膜外設有金屬膜，介質膜為20～90層的多層膜，金屬膜的厚度為0.2～2微米。從而使反射帶寬60～250納米，反射角小于85°時反射率99.5％，反射角大于85°時反射率45％；通過金屬膜使反射率提高至92％。具體實施時，介質膜可由氧化鈦層、氧化硅層和氧化鋯層組合而成，金屬膜為鋁膜。
為了進一步地優(yōu)化本實用新型的實施效果，固態(tài)熒光轉化材料基體1由選自黃綠光熒光材料、藍光熒光材和紅光熒光材料中的至少一種構成。除了傳統(tǒng)的白光，還可以產生不同波長的的高密度光源，可以實現(xiàn)紅綠藍(RGB)三種顏色的高密度光源，波長可選擇，對于大屏幕高亮度投影等現(xiàn)代顯示技術有極大幫助。
為了進一步地優(yōu)化本實用新型的實施效果，黃綠光熒光材料選自Ce離子摻雜的YAG，LuAG，LuYAG，YAGG晶體、透明陶瓷和玻璃中的至少一種，藍光熒光材選自BGO、PWO或Ce離子摻雜的YSO、LSO、GSO中的至少一種，紅光熒光材料選自Cr、Ce、Eu、Bi、Si等離子摻雜的鋁酸鹽或者硅酸鹽晶體、陶瓷、玻璃材料，或摻雜氮化物紅光熒光粉的透明玻璃中的至少一種。
以下以具體實施例的方式，來對本實用新型進行進一步說明。
除非特別指明，以下實施例中所用的試劑和藥品，均可從正規(guī)渠道商購獲得。
實施例1
1)切割研磨拋光長寬高分別為40*1.5*2.6mm3規(guī)格的Ce：YAG透明晶體熒光棒(固態(tài)熒光轉化材料基體)。注入藍光，出射黃綠光。
2)在Ce：YAG透明晶體熒光棒的4個側面、1個端面鍍氧化鈦和氧化硅基質的黃綠光反射膜，并在注入藍光的側面加鍍藍光增透膜，其中反射面中的介質膜的層數(shù)為40層，反射帶寬為120納米，即位于520-640納米之間，金屬膜為鋁膜，膜厚0.2微米。
3)制作倒裝藍光LED芯片陣列，使用24顆功率為3瓦的藍光芯片，芯片發(fā)光波段為455納米左右，通過金錫共晶焊的方式固定在散熱基片上。采用單面入光的方式，將LED芯片發(fā)光的一側與Ce：YAG透明晶體熒光棒鍍藍光增透膜的側面緊密貼合。使芯片發(fā)光能有效進入晶體內部。
4)制作與透明熒光棒外形配套的散熱裝置，并與透明熒光棒的兩側面緊密貼合，使熒光棒得到有效散熱。
使用遠方PMS-80積分球測試系統(tǒng)，測定上述方法制得的高密度LED光源結構的光通量為8000流明，黃綠光的單位面積出光量可達2051流明/mm2。
實施例2
1)切割研磨拋光長寬高分別為40*2.6*3.2mm3規(guī)格的Ce：LuAG透明晶體熒光棒(固態(tài)熒光轉化材料基體)。注入藍光，出射綠光。
2)在Ce：LuAG透明晶體熒光棒注入藍光的兩個側面鍍氧化鈦和氧化硅基質的黃綠光反射膜和藍光增透膜，在出光面鍍藍光增透膜，其余3個面鍍金屬反射膜，其中反射面中的介質膜的層數(shù)為90層，反射帶寬為250納米，金屬膜為鋁膜，膜厚0.8微米。
3)制作倒裝藍光LED芯片陣列，使用24顆功率為3瓦的藍光芯片，芯片發(fā)光波段為445納米左右，通過金錫共晶焊的方式固定在散熱基片上。采用雙面入光的方式，將LED芯片發(fā)光的一側與Ce：LuAG透明晶體熒光棒的側面緊密貼合。使芯片發(fā)光能有效進入晶體內部。
4)制作與透明熒光棒外形配套的散熱裝置，并與透明熒光棒的兩側面緊密貼合，使熒光棒得到有效散熱。
使用遠方PMS-80積分球測試系統(tǒng)，測定上述方法制得的高密度LED光源結構的光通量為17990流明，黃綠光的單位面積出光量可達2162流明/mm2。
實施例3
1)切割研磨拋光長寬高分別為40*2.6*3.2mm3規(guī)格的Cr：YAG透明晶體紅光熒光棒(固態(tài)熒光轉化材料基體)。注入黃綠光，出射紅光。
2)在Cr：YAG透明晶體紅光熒光棒的4個側面、1個端面鍍氧化鈦、氧化鋯和氧化硅的紅光反射膜，其中兩個寬度為2.6毫米對稱的側面加鍍黃綠光增透膜，其中反射面中的介質膜的層數(shù)為40層，反射帶寬為120納米，即位于580-700納米之間，金屬膜為鋁膜，膜厚1.5微米。
3)制作綠光LED芯片陣列，使用20顆功率為1.5瓦的綠光芯片，芯片發(fā)光波段為560納米左右，通過鍍銀膠的方式固定在散熱基片上。采用雙面入光的方式，將兩片LED芯片發(fā)光的面與Cr：YAG透明晶體熒光棒的兩側面緊密貼合。使芯片發(fā)光能有效進入晶體內部。
4)制作與透明熒光棒外形配套的散熱裝置，并與透明熒光棒的兩側面緊密貼合，使熒光棒得到有效散熱。
使用遠方PMS-80積分球測試系統(tǒng)，測定上述方法制得的高密度LED光源結構的紅光光通量為720流明，紅光的單位面積出光量為87流明/mm2。
實施例4
1)切割研磨拋光長寬高分別為25*1.5*2.6mm3規(guī)格的小功率Ce：YAG透明陶瓷熒光棒(固態(tài)熒光轉化材料基體)。注入藍光，出射黃綠光。
2)在Ce：YAG透明陶瓷熒光棒入藍光的側面鍍氧化鈦和氧化硅基質的黃綠光反射膜和藍光增透膜，在出光面鍍藍光增透膜，其余4個面鍍金屬反射膜，其中反射面中的介質膜為60層，反射帶寬為180納米，金屬膜為鋁膜，膜厚1微米。
3)制作倒裝藍光LED芯片陣列，使用15顆功率為3瓦的藍光芯片，芯片發(fā)光波段為450納米左右，通過金錫共晶焊的方式固定在散熱基片上。采用單面入光的方式，將LED芯片發(fā)光的一側與Ce：YAG透明陶瓷熒光棒的側面緊密貼合。使芯片發(fā)光能有效進入晶體內部。
4)制作與透明熒光棒外形配套的散熱裝置，并與透明熒光棒的兩側面緊密貼合，使熒光棒得到有效散熱。
使用遠方PMS-80積分球測試系統(tǒng)，測定上述方法制得的高密度LED光源結構的光通量為4998流明，黃綠光的單位面積出光量為600流明/mm2。
實施例5
1)切割研磨拋光長寬高分別為20*1.5*2.6mm3規(guī)格的Ce：GSO藍光熒光晶體棒。
2)在Ce：GSO藍光熒光晶體棒的3個側面、1個端面鍍氧化鈦和氧化硅的藍光反射膜，其中兩個寬度為2.6毫米對稱的側面加鍍紫光增透膜，其中反射面中的多層介質膜為20層，反射帶寬為60納米，金屬膜為鋁膜，膜厚2微米。
3)制作紫光LED芯片陣列，使用15顆功率為1.5瓦的紫光芯片，芯片發(fā)光波段為360納米左右，通過鍍銀膠的方式固定在散熱基片上。采用雙面入光的方式，將兩片LED芯片發(fā)光的面與Ce：GSO熒光晶體棒的兩側面緊密貼合。使芯片發(fā)光能有效進入玻璃內部。
4)制作與Ce：GSO熒光晶體棒外形配套的散熱裝置，并與熒光棒的兩側面緊密貼合，使熒光棒得到有效散熱。
使用遠方PMS-80積分球測試系統(tǒng)，測定上述方法制得的高密度LED光源結構的藍光光功率光通量為300流明，藍光的單位面積出光量為77流明/mm2。
具體實驗實施例
將當前國際頂級商用大功率LED(白光)的出光密度，使用遠方PMS-80積分球測試系統(tǒng)測定比較，結果如下述表1所示：
表1
從上述表1可看出，本實用新型的高密度LED光源結構，光密度遠遠大于現(xiàn)有技術中的LED的光密度，在典型的1.5*2.6mm2的截面積可以出光大于8000流明，單位面積出光量可達2051流明/mm2，突破了單片LED的光密度限制。
以上所述的僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型創(chuàng)造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。