波长转换装置
阅读：944发布：2020-05-12
专利汇可以提供波长转换装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 的目的是提供一种 波长 转换装置，其包括：金属 基板 ；以及发光陶瓷层，其中所述发光陶瓷层用于吸收激发光并出射波长不同于所述激发光的受激光，其中，在金属基板和发光陶瓷层之间层叠有金属反射层和 硅 胶层，所述反射层用于反射所述受激光和部分未转换的所述激发光。该波长转换装置能够减少波长转换装置中产生的热量，同时实现在波长转换装置中发射高光照强度的受激光的目的。，下面是波长转换装置专利的具体信息内容。
1.一种波长转换装置，其特征在于，包括：
金属基板；以及
发光陶瓷层，其中所述发光陶瓷层用于吸收激发光并出射波长不同于所述激发光的受激光，
其中，在金属基板和发光陶瓷层之间层叠有金属反射层和硅胶层，所述金属反射层用于反射所述受激光和部分未转换的所述激发光。
2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述金属反射层为所述金属基板中面对发光陶瓷层的表面上镀的金属反射膜，所述硅胶层设置在所述金属反射膜与所述发光陶瓷层之间。
3.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述金属反射层为所述发光陶瓷层中面对所述金属基板的表面上镀的金属反射膜，所述硅胶层设置在所述金属反射膜与所述金属基板之间。
4.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述硅胶层包括第一膜层和第二膜层，所述第一膜层位于所述发光陶瓷层与所述金属反射层之间，所述第二膜层位于所述金属反射层与所述金属基板之间。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述金属基座上形成有凹槽，所述金属反射层、所述硅胶层和所述发光陶瓷层的层叠体在层叠方向上部分设置在所述凹槽中。
6.根据权利要求2或4所述的波长转换装置，其特征在于，所述金属基座上形成有凹槽，所述金属反射层、所述硅胶层和所述发光陶瓷层的层叠体在层叠方向上部分设置在所述凹槽中。
7.根据权利要求6所述的波长转换装置，至少通过所述硅胶层与所述金属基座密封所述金属反射层。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述硅胶层的厚度为
0.1-10μm。
9.根据权利要求4所述的波长转换装置，其特征在于，所述第一膜层和所述第二膜层中每一者的厚度为0.1-10μm。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，在所述硅胶层中形成有连续或不连续的间隙，所述间隙沿着所述硅胶层布置在所述金属基板上的路径分布，或者在所述硅胶层中朝向所述金属基板的中心方向分布。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述发光陶瓷层为一体成型的陶瓷。
波长转换装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种波长转换装置。
背景技术
[0002] 在照明显示的领域中，激光光源成为近些年来的研发热点。但是，由于红色激光和绿色激光的光电转换效率低，导致红色激光和绿色激光的成本一直居高不下，因而用于发出红绿蓝色激光的激光光源迟迟无法被市场接受。
[0003] 为代替上述激光光源，使用激光来激发荧光材料从而产生可见光的波长转换技术迅速发展起来。本领域研究人员惊喜地发现，该技术不仅成本低，而且相比于上述纯激光光源具有很大优势，例如，荧光材料在激光的激发下发出的受激光具有更多的波长选择范围，从而具有更宽的光谱特性。该受激光的宽光谱特性使其更利于应用在照明显示领域中，并由此具有更高的显色指数。另外，由于在该技术中使激发光源与荧光材料分离设置，因此荧光发光体不必依赖于电线电路的限制，更有利于散热及光路设计。
[0004] 为了在上述技术中获得更高亮度的发光，最直接的方式是增加入射到荧光材料上的光的光功率密度。但是，由于荧光材料吸收激发光并发射受激光的过程会产生热量，激发光的光功率密度的增加会导致荧光材料所产生的热量无法及时地发散出去，进而造成热量的积累，该情况会使荧光材料的活性发生变化并产生热淬灭效应，降低了荧光材料的发光性能。
[0005] 因此，为了获得高亮度的发光，不仅提高需要入射到荧光材料上的光的光功率密度，还需要使用该荧光材料的结构的散热性能优良。除此之外，该技术必不可少的特性还包括荧光材料的耐高温性能，否则荧光材料无法承受激光照射的瞬时高温。
[0007] 另外，为了提高散热性能，现有技术中提出了将荧光材料涂覆在旋转轮上进行时序激发照射的结构。
[0008] 为了加快热交换以更好地散热，现有技术还提出了在旋转轮的底部设置散热鳍片以增大换热面积的结构。然而这些散热技术的改进集中于关于热量离开荧光材料层之后对热量的处理，而且主要针对的是反射基板等直接与荧光材料层连接的层的散热问题。然而随着激发光能量的继续提高，基于现有技术的上述结构的荧光色轮不得不增大旋转轮的半径以维持散热效果。因此这种结构不利于光源、投影设备等照明显示装置的结构设计。
发明内容
[0009] 基于上述现有技术中针对“热”问题的解决方案可以看出，现有技术中在这一问题上的思路主要局限于如何散热。无论是提高波长转换装置的导热性能还是增加能够加快波长转换装置与外部进行热交换的外部散热装置，现有技术都没有考虑“产热”这个热量的根源。
[0011] 基于上述目的，本发明期望提供一种波长转换装置，其包括：金属基板；以及发光陶瓷层，其中所述发光陶瓷层用于吸收激发光并出射波长不同于所述激发光的受激光，其中，在金属基板和发光陶瓷层之间层叠有金属反射层和硅胶层，所述反射层用于反射所述受激光和部分未转换的所述激发光。
[0012] 通过上述技术方案，本发明从“产热”的根源处解决波长转换装置的热问题，并能够获得以下有益效果：
[0014] 2.由于发光层采用了能够获得粗糙度较小的表面的发光陶瓷层，有利于使用薄硅胶层与金属基板连接，从而避免了控制硅胶厚度的需求；
[0015] 3.由于本发明的热量传输过程中不必经过现有技术中“导热陶瓷层”等为了与发光层粘结牢固而设置的层结构，因此能够简化散热路径，并提高散热性能；
[0016] 4.由于本发明采用金属反射层，能够在提高反射率的同时提高散热性能，从而实现在波长转换装置中发射高光照强度的目的；
[0017] 5.由于发光陶瓷层具有优良的自身导热性能，能够使热量以光斑为中心迅速扩散，从而防止发光层中产生的热量集中在硅胶层中从而破坏硅胶的化学结构；
[0020] 图1是本发明中采用波长转换装置的俯视平面图。
[0021] 图2为本发明采用固定式波长转换装置的俯视平面图
[0022] 图3是本发明实施例1中波长转换装置的局部剖视图。
[0023] 图4是本发明实施例2中波长转换装置的局部剖视图。
[0024] 图5是本发明实施例3中波长转换装置的局部剖视图。
[0025] 图6是本发明实施例4中波长转换装置的局部剖视图。
[0026] 图7是本发明实施例5中波长转换装置的局部剖视图。
具体实施方式
[0027] 下面，将参照附图详细说明根据本发明的各具体实施例。需要强调的是，附图中的所有尺寸仅是示意性的并且不一定是按照真实比例图示的，因而不具有限定性。例如，应当理解，图示中的反射层、发光层和基板等组件的尺寸、比例以及角度并不是按照实际的尺寸和比例示出的，仅是为了图示方便，但不是用于限定本发明的具体范围。
[0029] <波长转换装置>
[0030] 波长转换装置是用于将来自光源的激发光转换为波长不同于激发光的受激光的，其可以为色轮式波长转换装置或固定式波长转换装置。在色轮式波长转换装置中，电动机驱动色轮转动，从而使激发光在色轮上的光斑位置变化。在固定式波长转换装置中，激发光在该装置上的光斑位置不变化。
[0031] <发光陶瓷层>
[0032] 发光陶瓷层是波长转换装置中用于接收激发光的照射并将激发光转换为波长不同于激发光的受激光的部分。这里的激发光可以为固态光源发出的光，如LED光、激光二极管光、激光器光，也可以为本发明的申请日前公开的任何其他光源光。在本发明中，采用具有单层结构的发光陶瓷层。
[0033] 由于发光陶瓷层为陶瓷结构，其热稳定性及导热性能远远优于现有技术中以玻璃或硅胶为基质的荧光粉层(即将荧光粉封装在连续的玻璃或硅胶中)，因此能够承受大功率激发光的照射，可以适用于高亮度激光荧光照明/显示领域。
[0034] 发光陶瓷层可以是纯相的荧光陶瓷，具体可以是各种氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或氮氧化物陶瓷，通过在陶瓷制备过程中掺入微量的激活剂元素(如镧系元素)形成发光中心。例如在本发明中采用YAG荧光陶瓷。在本发明的一些实施方式中，发光陶瓷层是Ce掺杂YAG陶瓷(例如为Y2O3、Al2O3和CeO2粉末经过均匀混合、压片、冷等静压、烧结等处理而形成)；在本发明的另一些实施方式中，发光陶瓷层为Ce掺杂LuAG陶瓷。
[0035] 在另一实施方式中，发光陶瓷层还可以是复合陶瓷层，其以透明/半透明陶瓷作为基质，在陶瓷基质内分布着发光陶瓷颗粒(如荧光粉颗粒)。透明/半透明陶瓷基质可以是各种氧化物陶瓷(如氧化铝陶瓷、Y3Al5O12陶瓷)、氮化物陶瓷(如氮化铝陶瓷)或氮氧化物陶瓷。陶瓷基质的作用在于对光和热进行传导，使得激发光能够入射到发光陶瓷颗粒上，并使受激光能够从发光陶瓷层中出射。发光陶瓷颗粒承担发光陶瓷层的主要发光功能，用于吸收激发光并将其转换为受激光。
[0036] 进一步的，上述发光陶瓷层中还可以包括有分布于陶瓷基质中并能够对可见光进行散射的散射颗粒。散射颗粒的作用在于增强激发光在发光陶瓷层内的散射，从而增大激发光在发光陶瓷层内的光程，使得激发光的光利用率大大提高，提高了发光陶瓷层的光转换效率。
[0037] 散射颗粒可以是诸如氧化铝，氧化钇，氧化锆，氧化镧，氧化钛，氧化锌，硫酸钡等材料的散射粒子，且既可以由单一材料形成，也可以通过两种或两种以上材料的组合形成。由于其构成材料稳定，因此能够承受高温。该散射颗粒表观为白色颗粒，其粒径与激发光波长处于同一数量级或低一个数量级。在另外一些实施方式中，还可以将散射颗粒替换为同尺寸的气孔，利用气孔与陶瓷基质的折射率差实现全反射从而对激发光或受激光进行散射。
[0038] 在另一实施方式中，发光陶瓷层还可以是另一种复合陶瓷层，该复合陶瓷层与上述复合陶瓷层的区别仅在于陶瓷基质不同。在本实施方式中，陶瓷基质是纯相的荧光陶瓷，即陶瓷基质本身具有激活剂，能够在激发光的照射下发出受激光。该实施方式综合了上述复合陶瓷层的发光陶瓷颗粒具有高发光效率的优势以及上述纯相的荧光陶瓷具有发光性能的优势，同时利用发光陶瓷颗粒与陶瓷基质进行发光，进一步提高了发光陶瓷层的发光效率。而且该陶瓷基质虽然具有一定的激活剂掺杂量，但是掺杂量较低，能够保证该陶瓷基质具有足够的透光性。在该发光陶瓷层中，同样可以增加散射颗粒或气孔增强发光陶瓷层的内部散射。
[0039] 在本发明中，由于发光陶瓷层不同于现有技术中的“荧光玻璃”和“荧光粉+陶瓷粉的烧结体”，因此具有优良的自身导热性能，能够使该发光陶瓷层中产生的热量在到达下一层(例如本发明的导热硅胶膜层)之前，以光斑为中心迅速扩散，尤其是能够沿波长转换装置的径向迅速扩散。以此方式，到达导热硅胶膜层的热量不会过于集中而破坏硅胶的化学结构。
[0040] <金属反射层>
[0041] 金属反射层用于反射穿过发光陶瓷层的激发光和由发光陶瓷层发出的受激光，其例如为铝反射层、银反射层、或铝合金反射层，或者也可以通过在发光陶瓷层或基板上镀膜的方式形成铝反射层、银反射层或铝合金反射层。也就是说，该金属反射层既可以是镀在发光陶瓷层或基板上的反射层，也可以是不依附于发光陶瓷层或基板、单独存在的反射膜。
[0042] <硅胶层>
[0043] 硅胶层用于粘结相邻的两层，例如粘结金属反射层和发光陶瓷层或者粘结金属反射层和基板，其包括高导热的硅胶层。该导热硅胶层的厚度约为0.1m-10μm，并优选为由低光吸收率的透明硅胶构成。同时该硅胶层的折射率越低越好，以减少光在硅胶层中的损耗，且通过导热硅胶层与发光层之间的全反射反射激发光和受激光的一部分。
[0044] 在一个实施例中，例如以点胶的方式将硅胶布置在金属反射层上并将发光陶瓷层在适当位置处置于金属反射层上，然后对发光陶瓷层加压，使硅胶能够均匀铺开在金属反射层和发光陶瓷层之间，形成用于导热的硅胶层。另外，也可以通过该点胶方式或焊接的方式连接金属反射层与基座。
[0045] 本发明基于下述理由采用具有上述厚度的导热硅胶层：1.采用上述陶瓷层的发光层已经能够实现背光面均匀的温度分布，因此不需要通过导热硅胶层进一步改善温度的面分布；2.期望光能够通过更短的光程到达反射层，以避免光斑的扩大。
[0046] 此外，例如，在一个实施例中，热量在到达导热硅胶层后直接扩散到金属反射层，之后热量的传输属于在金属中的热传输，该内容为公知常识，因此在本发明中不再赘述。
[0047] <基板>
[0048] 基板包括陶瓷基板、金属基板以及陶瓷金属混合基板，根据漫反射层材料的不同而选择使用不同的基板。基板一方面作为反射层和发光层的承载板，另一方面作为发光层的散热结构。
[0050] 陶瓷基板为致密结构的基板，不具有多孔结构，并例如由氧化铝、蓝宝石、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氮化硼或者氧化铍等陶瓷材料构成。这些陶瓷材料的热导率在80W/(m·K)以上，且熔点基本上在2000℃以上，因此陶瓷基板在实现导热的同时，还可以耐受较高的温度。当然，在对陶瓷基板的热导率要求不是很高的场合中，陶瓷基板也可以采用其他种类的陶瓷板制成。
[0051] 陶瓷金属混合基板包括例如铝-氮化铝基板。
[0052] 接下来通过具体实施例进行说明。
[0053] 本发明中的波长转换装置包括：金属基板、发光陶瓷层以及位于金属基板和发光陶瓷层之间的金属反射层和硅胶层。由于本发明中的热量传输过程不必经过现有技术中的“散射反射层”、“导热陶瓷层”、“蓝宝石层”等为了与发光层粘结牢固而设置的层结构，从而简化了散热路径，提高了散热性能。
[0054] 在现有技术中，需要控制整个波长转换装置上的硅胶层厚度，才能够使发光层的入射面在整个波长转换装置的转动过程中与光线保持垂直。然而在本发明中，由于发光陶瓷层的材料可通过抛光、磨平等工艺而获得相对于现有技术中其他发光层具有更小粗糙度的表面，因此能够通过更薄的导热硅胶层与金属反射层连接，从而能够克服现有技术中的上述问题。
[0055] 在下文中，以具体实施例的方式详细描述本发明中波长转换装置的结构。但本领域技术人员可以理解的是，下述实施例仅用于对本发明进行说明，而不是对本发明的内容和范围进行限制。
[0056] 首先，图1是本发明中采用色轮式波长转换装置的俯视平面图，其中的波长转换装置整体形成为圆盘状在图1中，构成波长转换装置的金属反射基板102与发光陶瓷层101形成为同轴结构，其中，发光陶瓷层101形成为环状，且该发光陶瓷层101为由荧光粉与氧化铝烧结而成的陶瓷体，具体为YAG:Ce荧光粉与氧化铝烧结而成的陶瓷体。
[0057] 图2是本发明采用固定式波长转换装置的俯视平面图。在该实施方式中，发光陶瓷层201的形状可以是矩形或其他形状，其他特征与图1中相同，不再赘述。
[0058] 图3是本发明实施例1中波长转换装置沿着图1所示的虚线的局部剖视图。如图3所示，波长转换装置包括从下往上依次层叠的金属基板102、金属反射层104、硅胶层103和发光陶瓷层101，其中发光陶瓷层101为一体成型的环状结构。金属反射层104通过镀膜的方式设置于金属基板102面对硅胶层101的表面上，硅胶层103设置在反射基板102和发光陶瓷环101之间并用于连接发光陶瓷层101和镀有金属反射层104的金属基板102。
[0059] 金属基板102和该金属反射层104可由任意满足本发明中导热和光反射要求的材料形成，例如，金属基板102为铜基座，其表面未被硅胶层覆盖的部分设置有抗氧化层，且金属反射层104为银-铝反射膜层。
[0060] 图4是本发明实施例2中波长转换装置的局部剖视图。基于图1示出了实施例1中波长转换装置的俯视平面图，本领域技术人员能够很简单地得知本发明中其他实施例的平面图构造，因此本发明省略了其他实施例中的平面图，并仅示出了与图3中剖视方式相同的剖视图。
[0061] 图4中波长转换装置包括从下往上依次层叠的金属基板202、金属反射层205、硅胶层203和发光陶瓷层201。在图4所示的实施例2中与实施例1的不同之处在于：实施例2中的导热硅胶层并不是完全覆盖发光陶瓷层201的背光面，而是在硅胶层中形成有间隙204。该间隙204在硅胶层中可以是连续的或不连续的，由发光陶瓷层201、金属反射层205和硅胶层203包围，并沿着激发光在发光陶瓷层201上的光斑路径分布。
[0062] 在实施例2中，发光陶瓷层201发出的光可以直接通过间隙204入射到金属反射层205。而且由于热量在发光陶瓷层201的背光面(即与光入射面相反的表面)已经具有较均匀的分布，因此热量可以通过与发光陶瓷层201中导热硅胶层203接触的表面快速传递到导热硅胶层203，进而到达金属反射层205。
[0063] 在实施例2中，由于间隙204的折射率小(可视为接近1)，使得来自发光陶瓷层201的大角度光可以被全反射为朝向光出射方向，而且通过间隙204入射到金属反射层205的光也能够避免由于导热硅胶层中穿行而导致的损耗。
[0064] 虽然图4所示的实施例2中示出了间隙204沿着激发光在发光陶瓷层201上的光斑路径分布，但该间隙204也可以改变为在硅胶层203中沿着金属基板202的径向方向设置。该构造能够避免间隙204在波长转换装置中形成封闭通道而产生空气膨胀等问题，从而能够进一步改善波长转换装置的性能。
[0065] 在此需要说明的是，在图4中仅示出了波长转换装置形成为色轮(即金属基板具有圆盘形状)的情况，但波长转换装置也可以如图2所示形成为具有矩形等形状的固定式波长转换装置。在采用固定式波长转换装置的情况下，上述间隙204可以沿着硅胶层布置在金属基板202上的路径分布，或者在硅胶层204中朝向金属基板202的中心方向分布。
[0066] 图5是本发明实施例3中波长转换装置的局部剖视图。图5中波长转换装置包括从下往上依次层叠的金属基板302、硅胶层303、金属反射层304和发光陶瓷层301。不同于实施例1中在金属基板表面镀有金属反射层的结构，实施例3中在发光陶瓷层301的底部镀有金属反射层304。
[0067] 由于发光陶瓷环为一体烧成的陶瓷，而不是现有技术中由荧光粉与陶瓷颗粒烧结而成的烧结体，因此其表面可以通过抛光、磨平得到粗糙度很低的结构，可更好地镀制金属反射层304。
[0068] 图6是本发明实施例4中波长转换装置的局部剖视图。如图6所示，波长转换装置包括从下往上依次堆叠的金属基板403、第一硅胶层405、金属反射层402、第二硅胶层404和发光陶瓷层401，其中第一硅胶层404设置在发光陶瓷层401与金属反射层402之间，且第一硅胶层405设置在金属反射层402与金属基板403之间，硅胶层用于连接与其相邻的两个层。
[0069] 在实施例4中，金属基板403形成为与第一硅胶层405相邻的表面平坦的平板结构，第一硅胶层405、金属反射层402、第二硅胶层404和发光陶瓷层401依次堆叠在该平坦表面上。
[0070] 图7是本发明实施例5中波长转换装置的局部剖视图。在实施例5中，波长转换装置同样包括从下往上依次堆叠的金属基板503、第一硅胶层505、金属反射层502、第二硅胶层504和发光陶瓷层501。实施例5与实施例4的不同之处在于，其金属基板503在与第一硅胶层
505相邻的表面上形成有凹槽，金属反射膜502通过该第一硅胶层505粘结或焊接在凹槽底部，使得硅胶层504能够与金属基板503共同将金属反射膜层202密封。通过此构造，能够降低金属反射层502被氧化的速度，从而提高波长转换装置的使用寿命。
505相邻的表面上形成有凹槽，金属反射膜502通过该第一硅胶层505粘结或焊接在凹槽底部，使得硅胶层504能够与金属基板503共同将金属反射膜层202密封。通过此构造，能够降低金属反射层502被氧化的速度，从而提高波长转换装置的使用寿命。
[0071] 虽然在图7中显示为第二硅胶层504填满了凹槽中除第一硅胶层505和金属反射层502之外的其他空间，但第二硅胶层504也可以不必填满凹槽，只要该第二硅胶层504仅能够与第一硅胶层505层将金属反射膜层包覆就可以。
[0072] 此外，虽然在图7中显示为发光陶瓷层501设置在金属基板203中凹槽的上方，但发光陶瓷层501也可以形成为部分地位于凹槽内。
[0073] 在上文中以具体实施例的方式说明了本发明中波长转换装置的构造，但本领域技术人员应当明白，各实施例中关于波长转换装置中的结构特征可以彼此结合使用。
[0074] 例如，在实施例1中说明了金属基板和金属反射层的材料，但该材料也同样可以应用到实施例2-5中。
[0075] 例如，在实施例2中说明了在硅胶层中形成有间隙，但该间隙的构造也同样可以应用到实施例3-5中的硅胶层中。
[0076] 例如，实施例5中说明了在金属基板的表面上形成有凹槽的结构，但该凹槽结构也同样可以应用到实施例1-4的结构中。在实施例2中使用该凹槽结构时，可通过金属基板、硅胶膜和荧光陶瓷层密封金属反射层。
[0077] 应当理解的是，对于上述各特征的结合使用的说明也仅仅是列出了结合使用示例的一部分，仅用于说明而不用于对本发明进行限制。在不背离本发明精神的范围内，本领域技术人员还可以适当进行其他特征的结合使用。
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