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，以确保光沿原路出射回去。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光路设计相对复杂。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，穿过透明基板的出射面而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介质膜，其透过激光、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.目前透射式波长转换装置中的发光层封装材料已从低耐热能力的硅胶发展到了无机玻璃。无机玻璃的导热能力比有机硅胶强，可以耐受更高的温度。然而，在透射式波长转换装置的结构从下至上依次为透明基板、介质膜、发光玻璃层时，由于发光玻璃层需要采用机械涂刷其浆料的方式附着在镀有介质膜的透明基板上，涂刷过程中容易损伤介质膜层，造成膜层波长选择性下降；同时，由于发光玻璃层需要在400℃以上高温下烧结，高温处理将进一步放大波长选择介质膜的损伤，导致最终制备的透射式波长转换装置光效较差、装置的使用可靠性降低。
5.因而需要开发一种光效好、使用可靠性高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、光效高且可靠性优异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，包括依次叠置的发光玻璃层、透明玻璃层、介质膜和透明基板；所述发光玻璃层包含波长转换材料，用于将激发光转换成受激光；所述介质膜镀覆于所述透明基板的表面上，用于透射所述激发光而反射所述受激光；所述透明玻璃层设置于所述介质膜和所述发光玻璃层之间。
8.本发明的透射式波长转换装置中，激发光从透明基板的未镀膜一侧入射、穿过透明基板，再穿过介质膜和透明玻璃层进入发光玻璃层。相比于发光玻璃层与介质膜直接接
触的情形，本发明的透射式波长转换装置在发光玻璃层与介质膜之间增设一层透明玻璃层，透明玻璃层的设置可以使介质膜避免发光玻璃层浆料直接刷涂在其上、再烧结制备时必然存在的损伤，保持介质膜优异的波长选择能力，进而使得整个透射式波长转换装置光效好，整体装置使用可靠性优异。
9.优选的，所述透明玻璃层的厚度为0.5-1um。在此厚度范围内时，透明玻璃层在起到保护介质膜的同时不会因厚度过厚，而导致经介质膜反射的受激光在透明玻璃层内发生侧向导光，进而导致出射光光斑尺寸过大、衰减发光玻璃层的出射光照度。
10.优选的，所述透明玻璃层的折射率小于所述发光玻璃层中玻璃的折射率，这样设置使本发明透射式波长转换装置具有更高的光提取效率，增强装置的发光强度。
11.优选的，所述透明玻璃层的软化点温度大于所述发光玻璃层的软化点温度。本发明的透射式波长转换装置中透明玻璃层和发光玻璃层通常采用先后、二次高温烧结的制备过程，选择合适的玻璃粉使得透明发光玻璃层的软化点温度高于发光玻璃层的软化点温度，确保在烧结制得发光玻璃层时透明玻璃层不会融化，从而更好的保护介质膜。
12.优选的，所述发光玻璃层中还含有散射颗粒。散射颗粒可以为al2o3、tio2中的一种或两种，散射粒子的加入能够增强发光玻璃层对入射光和受激光的散射，增强装置的色温一致性、解决光斑漏蓝问题。更优选的，散射颗粒为al2o3时，添加量优选占发光玻璃层的重量百分数为0.5～10wt％，粒径优选为0.01～1um；散射颗粒为tio2时，添加量优选占发光玻璃层的重量百分数为0.01～1wt％，粒径优选为0.01～1um；散射颗粒为al2o3和tio2时，al2o3散射颗粒粒径优选为0.01～1um，添加量优选为0.5～4wt％，tio2散射颗粒粒径优选为0.01～1um，添加量优选为0.01～0.5wt％。
13.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，其厚度优选为0.1-1mm，更优选0.2-0.5mm；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。
14.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。
15.与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：
16.在本发明的透射式波长转换装置中，透明基板上镀有介质膜，介质膜起到透射激发光而反射受激光的作用，介质膜性能的好坏对整个装置的发光效果起到关键性的作用。相比于发光玻璃层直接设置在介质膜上的技术方案，本发明在发光玻璃层与介质膜之间增设一层透明玻璃层，透明玻璃层覆盖在介质膜上，保护介质膜免受发光玻璃层浆料刷涂造成的机械损伤，使得整个装置光效好、可靠性优异。
附图说明
17.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。
18.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。
19.图2为本发明实施例二的透射式波长转换装置的结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。
21.正如背景技术中所述，透射式波长转换装置以其结构简单的特点，在激光照明和投影领域具有非常好的应用前景。然而目前在介质膜上直接涂料制备发光层的技术路线中，存在涂料时容易对介质膜造成机械损伤的问题，破坏介质膜的性能，最终导致发光装置的发光效果不好。基于此，本发明在介质膜上增设一层玻璃层，发光层浆料涂刷在玻璃层上，从而对介质膜进行保护。
22.请参考图1，本发明提供了一种透射式波长转换装置100，其包括依次叠置的发光玻璃层104、透明玻璃层103、介质膜102和透明基板101。
23.其中，发光玻璃层104含有波长转换材料，波长转换材料用于将入射到发光玻璃层104的激发光转换成受激光；透明基板101上镀覆有介质膜102，介质膜102用于透射穿过透明基板101而来的激发光、反射从发光玻璃层104射向介质膜102的受激光；透明玻璃层103设置在镀覆介质膜102的透明基板101和发光玻璃层104之间，透明玻璃层103的面积通常大于介质膜102的面积，透明玻璃层103将介质膜102完全包覆、以期更好的保护介质膜102。
24.透射式波长转换装置100在实际应用中，激发光从透明基板101远离镀有介质膜102的一侧入射，穿过透明基板101、介质膜102、透明玻璃层103后进入发光玻璃层104，在此实现光的波长转换。这里，介质膜102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发光玻璃层104远离透明基板101的一面出射。
25.在本发明中，发光玻璃层104包含波长转换材料，波长转换材料接受入射的激发光而出射受激光，波长转换材料的成分没有特别限定，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，在使用蓝色激光作为激发光的情况下，波长转换材料可以选择黄色荧光粉，例如yag：ce荧光粉。需要说明的是，发光玻璃层104的厚度需要综合平衡激发光被波长转换材料充分吸收以及光的出射效率这两方面因素，优选的，发光玻璃层104的厚度为30-200um，这可通过调节浆料稀稠度、涂刷力度来实现。
26.在本发明中，透明玻璃层103是通过将玻璃浆料以甩胶的方式涂覆在镀有介质膜102的透明基板101的表面。对于透明玻璃层103与介质膜102两者的面积来说，不论是从透明玻璃层103在介质膜102上甩胶涂敷的过程来说，还是从透明玻璃层103想要达到的保护效果来说，透明玻璃层103的面积通常大于介质膜102的面积、透明玻璃层103完全覆盖住介质膜102。对于透明玻璃层103的厚度来说，可在甩胶的过程中通过调节甩胶的转速、时间来实现对透明玻璃层103厚度的控制。透明玻璃层103的厚度优选为0.5-1um，若厚度太薄、小于0.5um，则可能出现介质膜102局部未被覆盖、透明玻璃层103强度不足的问题，透明玻璃层103对介质膜102的覆盖保护作用会大打折扣；若厚度太厚、大于1um，则可能出现介质膜102反射的受激光在透明玻璃层103内发生侧向导光，导致出射光光斑尺寸过大、照度衰减。
27.本发明中，存在两种透明玻璃层103和发光玻璃层104的烧结过程：(1)透明基板101预先镀介质膜102后，将透明玻璃层103浆料以甩胶方式附着在介质膜102上，预烧结烘干、使得透明玻璃层103与镀膜基板形成一定强度粘接；然后，将光层玻璃层104浆料涂刷在透明玻璃层103表面，预烧结烘干；最后一起放入空气气氛炉中高温烧结，实现发光玻璃层104、透明玻璃层103与镀膜基板牢固粘接，得到本发明的透射式波长转换装置。(2)另一种
情况是，透明基板101预先镀介质膜102后，将透明玻璃层103浆料通过甩胶方式涂覆在透明基板101的镀膜面，先进行一次高温烧结，使得透明玻璃层103牢固粘接在透明基板101的镀膜面；然后，将发光玻璃层104的浆料涂刷在透明玻璃层103表面，再进行一次高温烧结，使得发光玻璃层104牢固粘接在透明玻璃层103表面，得到本发明的透射式波长转换装置。
28.在上述的两种烧结过程中，特别是对于第(2)种烧结过程，优选透明玻璃层103的软化点温度大于发光玻璃层104的软化点温度。这种情况下，在发光玻璃层104烧结时，透明玻璃层103不会融化，从而更好的保护介质膜102。另一方面，优选透明玻璃层103的折射率小于发光玻璃层104封装玻璃的折射率，这种情况下，受激光更易从透明玻璃层103进入发光玻璃层104，使本发明的透射式波长转换装置具有更高的光提取效率，增强装置的发光强度。
29.本发明中，发光玻璃层104中优选的还含有al2o3或tio2中的一种或两种的散射颗粒。涂刷的发光玻璃层104由于封装玻璃粉与波长转换材料的颗粒粒径不同、发光玻璃层104本身的厚度以及涂刷工艺等因素的限制，使得其中波长转换材料分布并不均匀，易出现局部无/少波长转换材料填充的现象；此外，在激发光为蓝光激光时，激光光斑很小，因而很大概率上会出现激光光斑照射的发光玻璃层104区域内存在无/少波长转换材料；当照射区域内出现无/少波长转换材料时，透射蓝光多，由此形成的光斑出现局部漏蓝、光斑不均匀的现象。通过在发光玻璃层104加入散射颗粒可以打散激发光、改变激发光的传播路径，使得激发光分布相对均匀，即使发光玻璃层104局部出现无/少波长转换材料，由于激发光更为分散、激发光光斑变大，得到的光斑更为均匀、色温一致性更好。
30.对于al2o3散射颗粒来说，其添加量优选为占发光玻璃层104的重量百分数为0.5～10wt％，粒径优选为0.01～1um。由于al2o3散射颗粒(折射率1.7～1.8)与玻璃粉(例如折射率为1.5)以及波长转换材料(例如黄色荧光粉折射率为1.7～1.8)的折射率差异，激发光照射到发光玻璃层104内部的散射颗粒时发生散射。对于tio2散射颗粒来说，tio2颗粒(折射率2.6)与玻璃粉以及波长转换材料的折射率差异相比于al2o3颗粒折射率差异更大；添加tio2散射颗粒的发光玻璃层104对激发光的散射作用更强，少量添加即可起到调节色温一致性以及改变光斑均匀性的作用；本发明中，tio2散射颗粒添加量优选占发光玻璃层104重量百分数为0.01～1wt％，颗粒粒径优选0.01～1um。对于本发明中散射颗粒的粒径范围来说，指的是其平均粒径d50的范围。
31.本发明的另一实施方式中，发光玻璃层104中添加了al2o3和tio2两种散射颗粒，进一步增强激发光在发光玻璃层104中的散射，激发光的传播路径更为复杂、激光激发面积更大；此时，al2o3散射颗粒的添加量优选为0.5～4wt％、tio2散射颗粒的添加量优选为0.01～0.5wt％，两者的粒径优选为0.01～1um。
32.本发明中，透明基板101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101，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，蓝宝石透明基板101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101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101的厚度为0.1-1mm，更优选0.2-0.5mm。对于镀在透明基板101上的介质膜102来说，可采用常规的镀膜方式，介质膜102优选采用耐高温、耐高激光功率的膜系。
33.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。
34.实施例一
35.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发光玻璃层104、透明玻璃层103，介质膜102和透明基板101组成。
36.其中，发光玻璃层104为通过将玻璃粉和荧光粉混合烧结而形成，荧光粉为黄色荧光粉，例如yag：ce黄色荧光粉，发光玻璃层104的厚度约为30-200um；透明基板101为蓝宝石透明基板，其厚度约为0.2mm；镀在蓝宝石透明基板101上的介质膜102为bluepass膜，对应的激发光为激光蓝光。如图1所示，蓝光激光自蓝宝石透明基板101非镀膜面入射，通过bluepass膜102及透明玻璃层103入射到发光玻璃层104；蓝光激光在发光玻璃层104内部激发出黄色荧光，荧光经bluepass膜102反射回发光玻璃层104，与未发生波长转换的蓝色激光合光成白光后、自发光玻璃层104远离透明基板101的表面出射。
37.在本实施例中，该透射式波长转换装置100的制备过程为：预备蓝宝石透明基板101，其厚度约为0.2mm；在蓝宝石透明基板101的一个表面上镀bluepass膜102；再将透明玻璃层103的浆料以甩胶方式附着在蓝宝石透明基板101的镀膜面，预烧结烘干，使得透明玻璃层103与镀膜蓝宝石形成一定强度粘接；而后，将发光玻璃层104浆料涂刷在透明玻璃层103表面，预烧结烘干；最后在空气气氛炉中高温烧结，实现发光玻璃层104、透明玻璃层103与镀膜蓝宝石透明基板101的牢固粘接，得到透射式波长转换装置100。其中，透明玻璃层103的面积大于bluepass膜102的面积，发光玻璃层104的面积可进一步选择大于透明玻璃层103面积；需要说明的是，图1是为了直观的表达发光玻璃层104、透明玻璃层103和bluepass膜102三者之间面积相对大小，实际情况是，发光玻璃层104完全包裹透明玻璃层103、透明玻璃层103完全包裹bluepass膜102，相对超出的面积落在蓝宝石透明基板101上、与透明基板101粘接。这样完全覆盖包裹的结构能更好地保护膜层免受损伤。
38.对于透明玻璃层103，其厚度可以通过调节甩胶的转速、时间来控制，厚度优选0.5-1um；厚度太薄，将导致镀膜局部没有被覆盖、透明玻璃层103强度不足，对膜层起不到保护作用；厚度太厚，将导致经bluepass膜102反射的荧光在通过透明玻璃层103时发生侧向导光，这样会导致荧光光斑尺寸过大、照度衰减。对于发光玻璃层104，通过调节浆料稀稠度、涂刷力度实现对其厚度控制，发光玻璃层104的厚度优选为30-200um。
39.本发明的其他实施例中，采用不同的方法来制备透射式波长转换装置，主要区别点在于：将透明玻璃层103的浆料通过甩胶方式涂覆在蓝宝石透明基板101镀膜面后，高温烧结，使得透明玻璃层103牢固粘接在蓝宝石透明基板101上；再将发光玻璃层104的浆料涂刷在高温烧结后的透明玻璃层103表面上，二次高温烧结，使得发光玻璃层104牢固粘接在透明玻璃层103表面，得到该透射式波长转换装置。
40.对于上述的两种制备过程来说，特别是对于透明玻璃层103和发光玻璃层104分开进行高温烧结的过程而言，透明玻璃层103的玻璃粉软化点温度应比发光玻璃层104的玻璃粉软化点温度更高，确保发光玻璃层104高温烧结时透明玻璃层103不会融化，从而可以更好的保护介质膜102。另一方面，透明玻璃层103的玻璃粉的折射率低于发光玻璃层104的玻璃，采用这种配置可使装置具有更高的光提取效率，增强装置的发光强度。
41.实施例2
42.如图2所示，本发明实施例二的透射式波长转换装置200与实施例一中的透射式波长转换装置100相似，同样包括发光玻璃层204、透明玻璃层203、bluepass膜202和蓝宝石透明基板201。与实施例一不同之处在于，发光玻璃层204中除了含有波长转换材料2041之外，还含有al2o3散射颗粒2042和tio2散射颗粒2043，通过在发光玻璃层204中加入al2o3、tio2散射颗粒，可以散射激发光、受激光，使得最终的光斑更为均匀，色温一致性更好。
43.在本实施例中，al2o3散射颗粒2042的添加量为0.5～4wt％、tio2散射颗粒2043的添加量为0.01～0.5wt％，同时两者的粒径为0.01～1um。容易理解的，添加到发光玻璃层204中的散射颗粒也可以只有al2o3散射颗粒2042或tio2散射颗粒2043。
44.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。
45.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。
46.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。