一种透射式波长转换结构及其应用

技术领域

本发明涉及波长转换材料及其装置领域，更具体地，涉及一种透射式波长转换结构及其应用。

背景技术

目前，常用的激光照明采用的光源是蓝激光。透射式激光光源中，照射在波长转换材料上的蓝激光具有一定光斑大小，能量呈高斯分布：正中心照射区蓝光能量高；偏离光斑中心区蓝光能量低，一方面是由于蓝激光高斯分布特征所致，另一方面缘于蓝光在波长转换材料中出现沿与入射方向垂直方向的散射衰减，也导致蓝光能量损耗，最终导致波长转换材料中，受激光激发的中心位置蓝光多，偏离中心位置蓝光少，从而造成荧光光斑出现中间偏白/偏蓝，四周偏黄现象，即所谓的“黄光圈”现象，极大地影响了光斑均匀性。特别地，在高激光功率光源中，光斑“黄光圈”现象更为显著。

针对光斑“黄光圈”问题，现有技术有的通过减小波长转换材料尺寸，将波长转换材料减小至接近激光光斑大小尺寸，使得蓝激光只发生纵向激发，侧向激发大大减弱，从而使得光斑“黄光圈”现象得到抑制。但是波长转换材料减小后，材料导热散热性能变差，使得波长转换材料使用可靠性显著降低；此外，该方案光源中小尺寸的波长转换材料与激光光斑同轴性较难控制，光斑仍存在颜色不均现象。特别地，“黄光圈”现象在透射型激光照明系统中更为明显。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种透射式波长转换结构，用于解决透射型激光照明方案中光斑出现“黄光圈”的问题，且光斑均匀性好，蓝光损失小，且光通量和照度高。

本发明采取的技术方案如下：

一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜、透明热沉基板、透射激光反射受激光的光学膜、散射层以及波长转换层，所述散射层由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.1～1)：1，所述散射层的厚度为3～30μm，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.5μm。

进一步地，所述散射颗粒为氧化钛、氧化铝、硫酸钡、氧化镁、氧化锌中的一种或几种的混合物。

进一步地，所述封装体为高透光性有机胶水、无机胶水以及玻璃胶中的一种或几种的混合物。

进一步地，所述高透光性为对400～800nm波段的光透过率不低于95％。

进一步地，所述散射层的厚度为3～15μm。

进一步地，散射颗粒与封装体的质量比为(0.1～0.5)：1。

进一步地，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.2μm。

进一步地，所述透明热沉基板为蓝宝石片。

所述透射式波长转换结构在激光照明系统中的应用。

进一步地，所述激光照明系统包括激光产生装置，依设置在激光产生装置发出的激光的光路上的激光会聚透镜组件、所述的透射式波长转换结构和照明光收集透镜组件。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过在波长转换层与透明热沉基板间增设特定的散射层，散射层改变了入射的激光能量分布，使其高斯特性减弱，能量分布宽化，变为弱高斯或平角分布，荧光光斑“黄光圈”现象得到抑制，光斑均匀性增加。同时通过控制散射层中散射颗粒浓度、粒径，使得蓝光能量基本不下降或者下降很小，大部分蓝激光仍透过散射层激发波长转换材料，光源整体照度、光通量等性能基本不弱化或者弱化幅度很小，在有效解决透射式激光照明的光斑“黄光圈”问题的同时又保证了光效。

附图说明

图1为本发明实施例透射式波长转换结构的结构示意简图。

具体实施方式

为了简便，本文仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。

在本文的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数，“一种或多种”中的“多种”的含义是两种以上。

本申请的上述申请内容并不意欲描述本申请中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施例提供了指导，这些实施例可以以各种组合形式使用。在各个实例中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。

发明人在研究过程中发现，激光照明虽然具有亮度高、照射距离远等优势，但是光斑的均匀性存在不足。特别地，对于透射型的激光照明方案而言，“黄光圈”、“黄边”问题一直是行业难以有效攻克的技术难题。为了解决黄光圈的问题，最常见的做法主要有：(1)采用减小波长转换材料尺寸的方法；(2)采用光学元件对光线进行扩散、匀光。然而，对于方案(1)这种减小波长转换材料尺寸的方案，由于波长转换材料尺寸小，会导致材料导热性能和散热性能变差，从而导致波长转换装置的整体使用可靠性变差。对于方案(2)这种采用光学元件进行扩散、匀光的方案，光学元件的存在又会造成光损失，特别是照度的显著下降，影响光效，又大大影响了激光高亮度照明的技术效果，使激光照明原有的高照度优势锐减。

基于上述问题的发现和研究而提出本申请。

本申请一方面提供一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜、透明热沉基板、透射激光反射受激光的光学膜、散射层以及波长转换层，所述散射层由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.1～1)：1，所述散射层的厚度为3～30μm，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.5μm。

本技术方案在波长转换层与透明热沉基板间增设特定的散射层，散射层改变了入射的激光的能量分布，以蓝激光为例，散射层的设计使蓝激光高斯特性减弱，能量分布宽化，变为弱高斯或平角分布，荧光光斑“黄光圈”现象得到抑制，光斑均匀性增加。更具体地，通过散射层可以改变蓝激光能量分布的原因在于，通过控制本案中散射层内部散射颗粒的粒径(优选0.01～0.5um，更优选0.01～0.2um)，使得蓝光在散射层内部以绕射方式的进行散射，以偏离入射方向一定角度入射至波长转换装置层，从而使得蓝光被打散，光斑中心蓝光功率密度高的现象被减弱，蓝光能量由原有的高斯分布变成弱高斯甚至平角分布。此外，散射层内部散射颗粒对蓝光散射使得入射角发光改变的同时，会造成入射蓝光的能量损失，散射层越厚、散射颗粒浓度越高，蓝光散射损失越大，用于激发波长转换装置的蓝光就越少，光效越低。本案中通过实验验证得知，散射层优选厚度在3～30um，更优选3～15um；散射颗粒与封装体质量比优选(0.1～1)：1，更优选(0.1～0.5)：1，在此厚度及浓度范围内，光斑颜色均匀性及发光光效能够同时得到兼顾。

在任意实施例中，所述散射颗粒为氧化钛、氧化铝、硫酸钡、氧化镁、氧化锌中的一种或几种的混合物。

在任意实施例中，所述封装体为高透光性有机胶水、无机胶水以及玻璃胶中的一种或几种的混合物。

在任意实施例中，所述高透光性为对400～800nm波段的光透过率不低于95％。

更进一步地，所述散射层的厚度为3～15μm。通过实验发现，当散射层的厚度为3～15μm时，蓝光损失和光源光通量损失较小且黄光圈现象基本消失。

更进一步地，散射颗粒与封装体的质量比为(0.1～0.5)：1。通过多次实验发现，当颗粒与封装体的质量比为(0.1～0.5)：1时，黄光圈基本消失或完全消失。

更进一步地，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.2μm。

在任意实施例中，所述透明热沉基板为蓝宝石片。

本申请所述的透射式波长转换结构能够应用于激光照明系统，所述透射式波长转换结构能够将激光至少部分转换为受激光，未被转换的激光和受激光混合形成照明光。

实施例

下述实施例更具体地描述了本申请公开的内容，这些实施例仅仅用于阐述性说明，因为在本申请公开内容的范围内进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。除非另有声明，以下实施例中如非特别说明所报道的所有份、百分比、和比值都是基于重量计，而且实施例中使用的所有试剂都可商购获得或是按照常规方法进行合成获得，并且可直接使用而无需进一步处理，以及实施例中使用的仪器均可商购获得。

以下实施例中所述的透明热沉基板均为蓝宝石片，以下实施例中所述的激光增透膜为AR蓝光增透膜，以下实施例中所述的透射激光反射受激光的光学膜为反黄透蓝膜。依次层叠设置的AR蓝光增透膜、蓝宝石片、反黄透蓝膜市购得到。

以下实施例所述的散射层自制得到，自制方法为：按照质量份计分别称取1～5份散射颗粒、10份有机硅胶，加入到玛瑙研钵中。先手动研磨10～30min，而后放入行星搅拌排泡机中按800～1200rpm/min转速继续搅拌2个循环，每个循环5min，得到散射颗粒在有机硅胶中均分散的混合浆料。将混合浆料通过刮涂、点胶、丝印等方式涂刷在透明蓝宝石基板表面。将表面覆散射层浆料的透明蓝宝石基板放入干燥箱中120℃，预烘烤20min，使得透明导热基板表层的散射层具有一定的硬度，能够满足表面涂覆波长转换层。

以下实施例所述的波长转换层自制得到，自制方法为：按照质量份计分别称取3～6份荧光粉颗粒、1份有机硅胶，加入到玛瑙研钵中。先手动研磨10～15min，而后放入行星搅拌排泡机中按800～1200rpm/min转速继续搅拌2个循环，每个循环5min，得到荧光粉颗粒在有机硅胶中均分散的混合荧光浆料。将混合荧光浆料通过刮涂、点胶、丝印等方式涂刷在散射层表面，将表面覆波长转换层及散射层浆料的透明蓝宝石基板放入干燥箱中150℃，预烘烤2～6h，使得波长转换层及散射层固化，牢固粘接在透明蓝宝石基板表面。

以下实施例中层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3的结构通过市购得到。

实施例1

如图1所示，本实施例公开了一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.1～0.2)：1，所述散射层的厚度为3～8μm，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.2μm。

更具体地，本实施例中，散射颗粒为硫酸钡。

更具体地，本实施例中，所述封装体为折射率1.54，400～800nm可见光波段透过率为97％的甲基硅胶。

实施例2

如图1所示，本实施例公开了一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.3～0.5)：1，所述散射层的厚度为3～8μm，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.2μm。

更具体地，本实施例中，散射颗粒为硫酸钡。

更具体地，本实施例中，所述封装体为折射率1.54，400～800nm可见光波段透过率为97％的甲基硅胶。

实施例3

如图1所示，本实施例公开了一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.1～0.2)：1，所述散射层的厚度为9～15μm，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.2μm。

更具体地，本实施例中，散射颗粒为硫酸钡。

更具体地，本实施例中，所述封装体为折射率1.54，400～800nm可见光波段透过率为97％的甲基硅胶。

实施例4

如图1所示，本实施例公开了一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.3～0.5)：1，所述散射层的厚度为9～15μm，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.2μm。

更具体地，本实施例中，散射颗粒为硫酸钡。

更具体地，本实施例中，所述封装体为折射率1.54，400～800nm可见光波段透过率为97％的甲基硅胶。

实施例5

如图1所示，本实施例公开了一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.1～0.2)：1，所述散射层的厚度为16～30μm，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.2μm。

更具体地，本实施例中，散射颗粒为硫酸钡。

更具体地，本实施例中，所述封装体为折射率1.54，400～800nm可见光波段透过率为97％的甲基硅胶。

实施例6

如图1所示，本实施例公开了一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.3～0.5)：1，所述散射层的厚度为16～30μm，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.2μm。

更具体地，本实施例中，散射颗粒为硫酸钡。

更具体地，本实施例中，所述封装体为折射率1.54，400～800nm可见光波段透过率为97％的甲基硅胶。

实施例7

如图1所示，本实施例公开了一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.1～0.2)：1，所述散射层的厚度为3～8μm，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.2μm。

更具体地，本实施例中，散射颗粒为氧化铝。

更具体地，本实施例中，所述封装体为折射率1.47，400～800nm可见光波段透过率为96％的无机胶。

实施例8

如图1所示，本实施例公开了一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.15～0.35)：1，所述散射层的厚度为6～10μm，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.2μm。

更具体地，本实施例中，散射颗粒为硫酸钡。

更具体地，本实施例中，所述封装体为折射率1.54，400～800nm可见光波段透过率为97％的甲基硅胶。

实施例9

如图1所示，本实施例公开了一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.45～0.8)：1，所述散射层的厚度为6～10μm，所述散射颗粒的粒径为0.25～0.4μm。

更具体地，本实施例中，散射颗粒为硫酸钡。

更具体地，本实施例中，所述封装体为折射率1.54，400～800nm可见光波段透过率为97％的甲基硅胶。

实施例10

如图1所示，本实施例公开了一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.7～1)：1，所述散射层的厚度为12～18μm，所述散射颗粒的粒径为0.2～0.5μm。

更具体地，本实施例中，散射颗粒为硫酸钡。

更具体地，本实施例中，所述封装体为折射率1.54，400～800nm可见光波段透过率为97％的甲基硅胶。

对比例1

一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜、透明热沉基板、透射激光反射受激光的光学膜、以及波长转换层。本对比例1与实施例1相比，区别在于，本对比例1没有设置散射层。

对比例2

一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(2～4)：1，所述散射层的厚度为3～8μm，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.2μm。

本对比例2与实施例2相比，区别在于，本对比例2的散射层中散射颗粒与封装体的质量比与实施例2不同。

对比例3

一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.3～0.5)：1，所述散射层的厚度为40～80μm，所述散射颗粒的粒径为0.01～0.2μm。

本对比例3与实施例2相比，区别在于，本对比例3的散射层的厚度与实施例2不同。

对比例4

一种透射式波长转换结构，包括依次层叠设置的激光增透膜1、透明热沉基板2、透射激光反射受激光的光学膜3、散射层4以及波长转换层5，所述散射层4由散射颗粒与封装体高温固化而成，散射颗粒与封装体的质量比为(0.3～0.5)：1，所述散射层的厚度为3～8μm，所述散射颗粒的粒径为1～2μm。

本对比例4与实施例2相比，区别在于，本对比例4的散射层中散射颗粒的粒径与实施例2不同。

测试

以上实施例1至实施例10、对比例1至对比例4所述的透射型波长转换结构均为透射型荧光色轮器件结构，将上述实施例1至实施例10、对比例1至对比例4的透射式波长转换结构进行性能测试，测试结果示于表1，测试方法如下：

使用激光功率为100W的激光照射到荧光色轮上，设定色轮转速7200rpm/min。测试基板表层只有散射层无波长转换层时色轮器件装机透射光源透过的蓝光功率损失比，有散射层及波长转换层的色轮器件组装的透射光源光通量，上墙光斑中心照度，观察上墙光斑效果。各数据的测试方法如下：

(1)蓝光功率损失比测试：采用上述蓝光功率为100w的激光光源，激光光斑大小为Φ2.5mm，能量呈高斯分布；将本案实施例1至实施例10、对比例2至对比例4中只有散射层无波长转换层的色轮器件分别装机该透射光源，采用激光功率计测试其输出的蓝光功率标定为W；作为对比，将无散射层无波长转换层的透明基板装机该透射光源，采用激光功率计测试其输出的蓝光功率，标定为W

(2)光通量测试：采用上述蓝光功率为100w的激光光源，激光光斑大小为Φ2.5mm，能量呈高斯分布；将本案实施例1至实施例10、对比例1至对比例4中色轮器件装机激光光源，点亮，将光源出光口对准积分球入口，使得光线完全进入积分球，测试色轮器件光通量大小。

(3)光斑中心照度测试：采用上述蓝光功率为100w的激光光源，激光光斑大小为Φ2.5mm，能量呈高斯分布；将本案实施例1至实施例8、对比例1至对比例4中色轮器件装机激光光源，点亮，10m距离、130mm准直镜头下，测试色轮器件上墙光斑中心照度。

(4)上墙光斑黄光圈现象：目测。

表1

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实施例11

一种激光照明系统，包括激光产生装置，依设置在激光产生装置发出的激光的光路上的激光会聚透镜组件，透射式波长转换结构和照明光收集透镜组件，所述激光产生装置用于发出激光光束，所述激光会聚透镜组用于将激光光束会聚到透射式波长转换结构上，透射式波长转换结构将至少部分激光转换为受激光，未被转换的激光和收集光混合形成照明光，所述照明光收集透镜组件用于收集混合光实现激光高亮度照明。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。