透射式波长转换装置及其发光装置的制作方法

1.本发明涉及照明和投影技术领域，特别是涉及一种透射式波长转换装置以及采用该透射式波长转换装置的发光装置。


背景技术：

2.随着显示和照明技术的发展，原始的led或卤素灯泡作为光源越来越不能满足显示和照明高功率和高亮度的需求。采用固态光源如ld(laser diode，激光二极管)发出的激发光以激发波长转换材料的方法能够获得各种颜色的可见光，该技术越来越多的应用于照明和显示中。这种技术具有效率高、能耗少、成本低、寿命长的优势，是现有白光或者单色光光源的理想替代方案。
3.现有技术中的激光激发波长转换材料的光源，多采用反射式：激发光从发光层的入射面进入，激发其中的波长转换材料发出荧光，荧光入射于远离发光层入射面的反射层而反射回发光层，以确保光沿同一方向出射回去。通常，反射式波长转换装置可以承受相对较高的激发光功率，例如10w以上；但是，反射式波长转换装置其内部结构设计相对复杂。相对于反射式，应运而生的是透射式：激发光从透明基板的入射面入射，穿过透明基板进入发光层激发波长转换材料发出荧光，在激发光入射方向上设置一波长选择介质膜，可以透过激光、反射荧光，从而将激发出的荧光自发光层远离透明基板的出射面出射。透射式波长转换装置结构简单，在激光照明和投影领域具有非常实用的使用价值。
4.现有的透射式波长转换装置中，发光层一般直接粘接在透明基板上，在这样的情况下，容易出现照射到发光层的激光出现局部高功率密度的现象，影响装置的使用可靠性；为了获得较高的激光利用率、提高装置的耐热性，人们通常会在透明基板和发光层之间设置一激光扩散层来均匀散射激光，使激光均匀入射在波长转换材料上；然而扩散层的引入将会影响发光层与透明基板之间的散热，使发光层的温度上升、降低波长转换效率。
5.因而需要开发一种兼具高效光利用率和散热能力的透射式波长转换装置。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种结构简单、光效高且散热性能好的透射式波长转换装置，适用于激光照明和投影领域。
7.本发明提供了一种透射式波长转换装置，包括：
8.透明基板，其具有位于激发光的入射侧的第一主面和位于激发光的出射面的第二主面；
9.波长转换层，其位于所述透明基板的第二主面一侧，具有主体材料和分散于主体材料中的波长转换材料；
10.粘接层，其设置于所述透明基板第二主面和所述波长转换层之间，将两者粘接起来，所述粘接层中分散有第一散射粒子；所述第一散射粒子散射入射的激发光且能将所述波长转换层产生的热量传导到所述透明基板；
11.介质层，其设置在所述波长转换层的入射侧，能透射激发光而反射从所述波长转换层射出的受激光。
12.本发明的技术方案中，激发光从透明基板的入射侧入射、穿过透明基板，先进入粘接层后再进入波长转换层，其中分散在粘接层中的第一散射粒子能够散射激发光，使激发光均匀作用在波长转换材料上，避免局部功率过高，提高光的利用率和装置的激发光承受功率；同时这些均匀分散在粘接层中的第一散射粒子还具有高的热导率，能将波长转换层中产生的热量快速传导到透明基板而散发出去，整体装置的散热性能优异。
13.优选的，所述粘接层的热导率大于等于0.5w/mk，更优选的大于等于1w/mk。相比于传统的硅胶或玻璃粘接层，加入高热导率的第一散射粒子后，粘接层整体导热性能更优异。
14.优选的，所述粘接层中第一散射粒子的含量为1-10wt％。第一散射粒子的添加量需要兼顾考虑对入射激发光的散射、增强波长转换层和透明基板之间的热传导以及粘接层对入射光的透过率这三方面的因素。第一散射粒子通常选自白色高导热散射粒子，例如mgo、al2o3、tio2、caf2、zno等，第一散射粒子的平均粒径优选10-500nm，更优选20-200nm。
15.优选的，所述透明基板可以为透明玻璃或透明陶瓷，优选蓝宝石作为透明基板，蓝宝石具有导热率高、机械强度高的特点，在一些实施例中，采用厚度较薄的蓝宝石作透明基板，其厚度可以为0.2mm甚至更薄；此时，蓝宝石透明基板在能保证足够强度的情况下，也减小了光在透明基板中的传输损失。
16.优选的，所述波长转换层中还含有第二散射粒子。对于波长转换层来说，其主体材料可以为硅胶、树脂、玻璃或陶瓷中的一种，分散于主体材料中的波长转换材料可以为荧光粉或量子点。在波长转换层中加入第二散射粒子：一方面可以增大波长转换层中激发光的光程，进一步提高装置的光利用率和亮度，同时可以散射激发光、改善激发光直接透射波长转换层的问题，获得更优质的光斑；另一方面，第二散射粒子的加入将提升波长转换层的导热系数，使得装置导热散热能力更加优异。第二散射粒子可以选择与第一散射粒子性质相同的散射粒子，更优选的，加入的第二散射粒子的含量为0.01-20wt％。
17.优选的，在所述透明基板的第二主面上和/或第一主面上还设置有金属散热部件。金属散热部件增强了装置的导热散热能力，使得装置使用可靠性提升。更优选的，当在透明基板的第二主面上设置有金属散热部件时，可以将金属散射部件的中部设置成通孔，再依序将粘接层、波长转换层设置于通孔中，且波长转换层的横向侧面与通孔的内径相粘接，这样设置除了利用金属散热部件的散热能力外，其还可以吸收波长转换层的侧面发光，解决杂散光的问题，进一步增加发光光斑均匀性。
18.本发明还提供了一种发光装置，包括激发光源及上述透射式波长转换装置，该发光装置适用于照明和投影领域。
19.与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：
20.在本发明的透射式波长转换装置中，激发光穿过透明基板后，先进入粘接层再进入波长转换层；其中在粘接层中均匀分散有适量的高导热的散射粒子：一方面散射粒子能够散射激发光，使激发光均匀作用在波长转换材料上，提高光的利用率；另一方面这些高导热的散射粒子能够将波长转换层中产生的热量快速传导到透明基板而散发出去，该透射式波长转换装置既具有高的光利用率，又具有良好的导热散热性能。
附图说明
21.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
22.图1为本发明实施例一的透射式波长转换装置的结构示意图。
23.图2为本发明实施例三的透射式波长转换装置的结构示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。
25.请参考图1，本发明提供了一种透射式波长转换装置100，其包括依次叠置的波长转换层101、粘接层102、透明基板103和介质层104。其中，透明基板103具有位于激发光的入射侧的第一主面103a和位于激发光的出射面的第二主面103b；波长转换层101，其位于透明基板103的第二主面103b一侧，将激发光转换成受激光；粘接层102，其设置于透明基板103的第二主面103b和波长转换层101之间，将两者粘接起来，其中均匀分散有第一散射粒子；介质层104，图1所示介质层104设置在透明基板103的第一主面103a上，容易理解的是，介质层104也可以设置在透明基板103的第二主面103b与粘接层102之间或粘接层102与波长转换层101之间，即介质层104满足设置在波长转换层101入射侧即可，介质层104用于透射激发光而反射从波长转换层101射出的受激光。
26.透射式波长转换装置100在实际应用中，以图1所示为例，激发光从透明基板103第一主面103a上镀有介质膜104的一侧入射，穿过透明基板103，再经过含有第一散射粒子的粘接层102，此时激发光被均匀散射后照射在与粘接层102另一面接触的波长转换层101中的波长转换材料上，实现光的波长转换。这里，介质膜104透过激发光而反射受激光，从而可以将受激光和/或直接透射的激发光自波长转换层101远离透明基板103的一面出射。透射式波长转换装置100结构简单，在激光照明和投影等场合具有非常实用的使用价值。
27.在本技术中，波长转换层101包括主体材料和分散于主体材料中的波长转换材料。主体材料用作波长转换材料的分散介质，其没有特别限定，例如可以为硅胶、树脂、玻璃或陶瓷等。同时波长转换材料通过入射的激发光而射出受激光，其没有特别限定，例如可以为铝酸盐荧光粉、卤磷酸荧光粉、石榴石系荧光粉或量子点中的一种。在一些实施例中，在使用蓝色光作为激发光的情况下，波长转换材料选择使用射出绿色光、黄色光或红色光的波长转换材料。需要说明的是，波长转换层101的厚度在激发光可靠地被波长转换材料吸收的厚度范围内越薄越好，这是因为当波长转换层101过厚时，存在光的散射和吸收变得过大、光的出射效率变低的情况。优选的，波长转换层101的厚度约为50-200um，更优选为80-120um。
28.在本技术中，位于波长转换层101和透明基板103之间的粘接层102中分散有第一散射粒子，第一散射粒子具有散射激发光的作用，同时第一散射粒子还应是具有高热导率的散射粒子。
29.在本技术中，粘接层102在起到粘接、均匀散射激发光时，其导热性能直接影响本发明透射式波长转换装置的散热效果，要达到理想的散热效果，粘接层需要具有较高的热导率，以将波长转成层101产生的热量及时传导到透明基板103散发出去。优选的，粘接层102的热导率大于等于0.5w/mk，更优选的大于等于1w/mk。
30.进一步的，粘接层102的基体材料可以为高导热的透明硅胶或玻璃，其中均匀分散
有高导热的第一散射粒子以增加其整体的热导率。首先，第一散射粒子的加入能够散射激发光，使激发光均匀作用在波长转换材料上，避免局部功率过高，进而提高光的利用率和装置的激发光承受功率，不过加入过量的第一散射粒子则会降低激发光穿透过粘接层102，在本技术中，优选第一散射粒子的含量为1-10wt％。其次，考虑到导热作用，第一散射粒子优选为白色、具有高热导率的散射粒子，例如mgo、al2o3、tio2、caf2、zno等。另外，对于第一散射粒子的粒径来说，其粒径越大，散射性能越差，而粒径越小，则制备成本高、易团聚而难以均匀分散在粘接层102中；在本技术中，第一散射粒子的平均粒径优选为10-500nm，更优选为20-200nm。
31.需要说明的是，在波长转换层101中也可以添加第二散射粒子。在波长转换层101中加入第二散射粒子：一方面可以增大波长转换层101中激发光的光程，提高装置的光利用率和亮度，同时可以散射激发光，改善激发光直接透射波长转换层101的问题，获得更优质的光斑；另一方面，第二散射粒子的加入将提升波长转换层101的导热系数，使得装置导热散热能力更加优异。优选的，加入的第二散射粒子的含量为0.01-20wt％。容易理解的，第二散射粒子可以选择与第一散射粒子性质相同的散射粒子。
32.在本技术中，透明基板103可以为激发光透过率高且具有一定机械强度的透明玻璃或透明陶瓷。在一些实施例中，优选蓝宝石作为透明基板，这是考虑到蓝宝石还具有导热率高、机械性能好易加工等特点；另外，使蓝宝石透明基板103的厚度变薄，可以减小激发光在其中的传输损失，但蓝宝石透明基板103的厚度过薄的情况下，其机械强度降低，实用上难以操作，因此优选蓝宝石透明基板103的厚度为0.1-1mm，更优选0.1-0.5mm，最优选0.1-0.3mm。
33.在本技术中，为了增加透射式波长转换装置的散热能力，还可以设置金属散热部件，金属优选导热性能好的铜、铝等材质，进一步的在金属散热部件上还可以设置散热鳍片以扩大散热面积。金属散热部件可以选择设置在透明基板103的第二主面103b上或者第一主面103a上，也可两侧都有。特别的，在一些实施例中，对于设置在透明基板103的第二主面103b上的金属散热部件来说，将金属散热部件的中部设置成通孔，然后将粘接层102、波长转换层101依序设置在通孔中；需要说明的是，在实际的生产过程中，将粘接层102、波长转换层101的原料依序填涂在通孔成型凝固时，粘接层102中的粘接剂可以溢出到波长转换层101的横向侧面与通孔内径之间可能存在的间隙，又或者在成型之后的间隙中添加高导热银胶而将波长转换层101的横向侧面与通孔内径相粘接。这样设置还可以吸收波长转换层101的侧面发光，解决杂散光的问题，进一步增加发光光斑均匀性。
34.下面通过具体实施例对本技术作进一步详细说明。以下实施例仅对本技术进行进一步说明，不应理解为对本技术的限制。
35.实施例一
36.如图1所示，本发明实施例一中的透射式波长转换装置100的结构由依次叠置的波长转换层101、粘接层102，透明基板103以及镀在透明基板103第一主面103a上的介质膜104组成。
37.其中，波长转换层101为通过将玻璃粉和荧光粉烧结形成的荧光玻璃层101，其厚度约为80-120um。透明基板103为蓝宝石透明基板，其厚度约为0.2mm。
38.荧光玻璃层101和蓝宝石透明基板103之间通过粘接层102粘接起来，粘接层102为
玻璃粘接层，其中均匀分散有第一散射粒子，粘接层102整体的热导率大于等于1w/mk。具体的，对于第一散射粒子来说，其在粘接层102中的含量为1-10wt％，第一散射粒子可以选择mgo、al2o3、tio2、caf2、zno中的一种或多种，这些第一散射粒子的平均粒径约为10-200nm。介质膜104为bluepass膜，起到透射激发光而反射从荧光玻璃层101射出的荧光的作用，其通过溅射、蒸镀或电镀等方式镀覆在蓝宝石透明基板103的第一主面103a上；需要说明的是，采用介质膜104镀覆在蓝宝石透明基板103的第一主面103a上的方式：一是直接镀覆在蓝宝石透明基板103入射侧的表面上时，无其他层的干扰、无需控制镀覆面积与玻璃粘接层102或荧光玻璃层101相同的面积，镀覆过程方便、易操作；二是介质膜104镀覆完成后，不需要在其上再粘接其他功能层，对介质膜104不造成损伤；
39.在本发明的其他实施方式中，采用将介质膜104镀覆在蓝宝石透明基板103的第二主面103b与玻璃粘接层102之间的技术方案。该技术方案使得介质膜104更接近波长转换层101，改善了反向散射的受激光在蓝宝石透明基板103内部横向扩散的问题。
40.在本实施例中，激发光自蓝宝石透明基板103镀有bluepass膜的一面入射，透过透明的蓝宝石，经过玻璃粘接层102中第一散射粒子的均匀散射后入射到荧光玻璃层101，激发荧光玻璃层101内部的荧光粉发出荧光；同时荧光玻璃层101发出的入射到bluepass膜的荧光被反射回荧光玻璃层101，进而与直接透射的激发光自荧光玻璃层101远离蓝宝石透明基板103的一面出射出去。
41.实施例二
42.本实施例同实施例一的透射式波长转换装置相似。与实施例一不同之处在于，在荧光玻璃层101中还分散有第二散射粒子，第二散射粒子的含量为0.01-20wt％，对于第二散射粒子可以选择与第一散射粒子性质相同的散射粒子，在此不再赘述。在本实施例中，荧光玻璃层101中加入第二散射粒子：一方面可以增大荧光玻璃层101中激发光的光程，提高装置的光利用率和亮度，同时可以散射激发光，改善激发光直接透射荧光玻璃层101的问题，获得更优质的光斑；另一方面，第二散射粒子的加入将提升荧光玻璃层101的导热系数，使得装置导热散热能力更加优异。
43.实施例三
44.如图2所示，本发明实施例三的波长转换装置300与实施例一中的波长转换装置100相似，同样包括荧光玻璃层301、玻璃粘接层302、蓝宝石透明基板303和介质膜304。与实施例一不同之处在于，在蓝宝石透明基板304的第一主面304a和第二主面304b上分别设置有金属散热部件305，金属散热部件305选择导热性能优异的铜或铝材料制成。位于第一主面304a上和第二主面304b上的金属散热部件305的一表面分别与蓝宝石透明基板304层叠接触，同时对于位于第二主面304b上的金属散热部件305来说，其远离蓝宝石透明基板304的另一表面上还设置有散热鳍片，以进一步增加散热面积。
45.另外，位于第二主面304b上的金属散热部件305的中间部分设置成通孔，然后依序将玻璃粘接层302、荧光玻璃层301的原料填涂在通孔中，玻璃粘接层302的原料量可以适度过量以溢出到荧光玻璃层301与通孔内径之间的间隙而将两者粘接起来；这样设置后，金属散热部件305还可以吸收荧光玻璃层301的侧面发光，解决杂散光的问题，进一步增加发光光斑均匀性。
46.在本实施例中，通过在蓝宝石透明基板303的第一、第二主面上分别层叠设置金属
散热部件305，且位于蓝宝石透明基板303的第二主面303b同一侧的荧光玻璃层301嵌合在相应的金属散热部件305的通孔中；荧光玻璃层301在受激发发出荧光过程中产生的热量，一方面可以通过直接相接触的金属散热部件305导热散发出去，另一方面产生的热量传导到蓝宝石透明基板303后，与蓝宝石透明基板303第一、第二主面相接触的金属散热部件305快速的将热量散发出去。
47.本发明实施例还提供了一种发光装置，该发光装置包括激发光源和透射式波长转换装置，其中透射式波长转换装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。该发光装置可以应用于投影系统，例如液晶显示器(lcd，liquid crystal display)或数码光路处理器(dlp，digital light processor)投影机；也可以应用于照明系统，例如汽车照明灯或舞台灯；也可以应用于3d显示技术领域中。
48.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
49.以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。