一种荧光片、荧光片的制作方法及发光装置与流程

1.本技术属于荧光光源领域，具体涉及一种荧光片、荧光片的制作方法以及发光装置。


背景技术：

2.激光荧光光源通常用于投影显示系统，与使用传统的uhd等高亮度灯泡光源的投影显示光源相比，激光荧光光源可实现长寿命、高效率、无污染等优点；与led光源相比，激光荧光光源具有高亮度等优点，与纯激光光源相比，激光荧光光源不存在散斑问题，且成本较低。
3.而现有技术中用于荧光激光光源的荧光片，荧光颗粒均为随机形态的颗粒状，其受激发后的发光角度特性呈现朗伯分布，发散角较大。


技术实现要素：

4.本技术主要解决的技术问题是提供了一种荧光片、荧光片的制作方法及发光装置，能够减小荧光逸出荧光粉片光出射面时的发散角，在激发光斑尺寸相同的情况下获得光学扩展量更小的光源，继而有利于提高光源的光斑亮度。
5.为解决上述技术问题，本技术提供一种荧光片，该荧光片包括基质和荧光粉粒，其中，荧光粉粒分布于基质中，荧光粉粒的形状为柱状，并沿上述柱状的延伸方向与荧光片的光出射面成小于90
°
的夹角，且荧光粉粒的电磁波共振频率在3.85
×
10
14
hz～7.89
×
10
14
hz的范围之内。
6.优选地，上述荧光粉粒沿上述柱状的延伸方向的长度与其折射率的乘积值在0.4～4μm的范围内。
7.优选地，上述荧光粉粒沿延伸方向的长度大于宽度的两倍，其中，宽度的方向与上述延伸方向垂直。
8.优选地，上述荧光粉粒的延伸方向与上述荧光片的光出射面成0-30
°
的夹角。
9.优选的，所述荧光片中，占总数量多于70％的所述荧光粉粒与所述荧光片的光出射面成0-30
°
的夹角。
10.优选地，上述基质的折射率小于上述荧光粉粒的折射率。优选地，上述荧光粉粒的折射率与上述基质的折射率的差值大于0.2。
11.优选地，荧光粉粒在荧光片中所占的体积比为10-90％。
12.为解决上述技术问题，本技术提供一种荧光片的制作方法，用于制作上述荧光片，包括：准备柱状的荧光粉粒，荧光粉粒的电磁波共振频率在3.85
×
10
14
hz～7.89
×
10
14
hz的范围之内；将荧光粉粒与基质以预设的体积比例进行混合；调整荧光粉粒在基质中的方向，以使得荧光粉粒沿柱状的延伸方向能够与制成的荧光片的光出射面成小于90
°
的夹角。
13.优选地，通过超声波震动或静置的方式调整荧光粉粒在基质中的方向。
14.为解决上述技术问题，本技术提供一种发光装置，包括上述荧光片。
15.本技术的有益效果是：区别于现有技术，本技术的技术方案中荧光粉粒的形状为柱状，且荧光粉粒的电磁波共振频率在
16.3.85
×
10
14
hz～7.89
×
10
14
hz的范围之内，接近可见光的频段，可以使得耦合入荧光粉粒的荧光更易共振。进一步地，荧光粉粒的形状为柱状，与天线的设置类似，根据天线的辐射方向原理，荧光粉粒中放大的能量能够更多地集中于与荧光粉粒延伸方向相垂直的方向分布，且荧光粉粒沿柱状的延伸方向与荧光片的光出射面成小于90度的夹角，使得荧光粉粒中的更多能量能够以更小的角度通过荧光片的光出射面辐射，进而增加荧光片光出射面较小发散角内的能量占比，从而能够减小同样尺寸荧光激发光斑的光学扩展量，继而有利于提高光源的光斑亮度。
附图说明
17.图1是荧光激光光源显示系统的结构示意图；
18.图2是本技术荧光片实施例的剖面结构示意图；
19.图3是本技术荧光片的制作方法的流程示意图；
20.图4是本技术荧光片实施例与朗伯辐射体的光强分布图。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例，对本技术作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本技术，但不对本技术的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本技术的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
22.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
23.请参阅图1，图1是荧光激光光源显示系统的结构示意图。如图1所示，显示系统10主要由激光显示光源11、光机12、成像镜头13、屏幕14以及相配套的光学元件和软硬件系统等主要部分组成。其中，光机12进一步包括微显示芯片121及tir棱镜122，激光显示光源11发出的光经过匀光器件和光学透镜的作用，提供均匀的照明光照亮微显示芯片121。微显示芯片121可以对照明光进行像素化的光强调控，从而在微显示芯片121上形成显示图像。该显示图像经过成像镜头进行放大成像，在屏幕14上形成大尺寸显示画面。
24.激光显示光源主要有两种技术路线：一种是采用多波段、窄波长半导体激光器的rgb三色激光光源技术；另一种是采用单波段半导体激光器结合稀土发光材料的荧光激光光源技术。相较于rgb三色激光光源，荧光激光光源具有可媲美的最高亮度，并且在成本上有明显优势。
25.而采用技术成熟、成本较低、性能优良的单波段半导体激光器激发高性能、低成本
荧光材料，经过波长选择器件可以实现广色域的三基色光源。其中，采用单波段半导体激光器结合稀土荧光材料的荧光激光光源技术的方法有：蓝色激光激发yag荧光粉得到黄色荧光，然后黄色荧光与未被吸收的激光经色光混合配比得到白光。
26.本技术发明人经长期的研究发现，荧光激光光源常用的荧光片中，荧光粉粒为随机形态的颗粒状，且荧光粉层内有较强的散射，其受激发后的发光角度特性呈现朗伯分布，发散角较大。
27.为了改善上述技术问题，本技术提出以下实施例：
28.请参阅图2，图2是本技术荧光片实施例的剖面结构示意图。如图2所示，荧光片100包括基质110和荧光粉粒120；其中，荧光粉粒120分布于基质110中，荧光粉粒120的形状为柱状，并沿柱状的延伸方向与荧光片100的光出射面成小于90
°
的夹角，且荧光粉粒120的电磁波共振频率在3.85
×
10
14
hz～7.89
×
10
14
hz的范围之内。
29.在本技术中，将激发光入射到荧光片的面定义为光入射面，将荧光从荧光片出射的面定义为光出射面。由于荧光材料在应用时一般制成为片状即荧光片，例如对于透射式的光源而言，光入射面和光出射面可为荧光片的相对的两个平面；对于反射式的光源而言，光入射面和光出射面可为荧光片的相同的平面。当然本技术可适用于其他形式的光源或其他形状的荧光材料。
30.在本实施例中使用的荧光粉粒120的形状为柱状，具体可以为圆柱、椭圆柱、四方长柱、六方长柱、八方长柱等，对其具体形状此处不做限制。可以通过控制荧光粉粒120的合成条件获得柱状的形状。
31.根据扩展量守恒定律，对于理想光学系统，不考虑散射、吸收等损失情况下，光束经过光学系统后光学扩展量不变。其中，光学扩展量是用于描述具有一定孔径角和截面积的光束的几何特性，定义为光束的截面积与光束围成的空间立体角在截面法线上的投影的乘积。实际光学系统中，光束经过散射、吸收、匀光等过程时，扩展量会有一定程度的增加(扩展量稀释)，而不可能在保持光能的情况下减小。
32.在本实施例中，荧光片100中的荧光粉粒120粒沿柱状的延伸方向倒伏，使得荧光粉粒120的延伸方向与荧光片100的光出射面成小于90
°
的夹角。荧光粉粒120的形状为柱状，使得荧光粉粒120近似于一个光学偶极天线，与天线的设置类似，根据天线的辐射方向原理，可以使得荧光以与荧光粉粒120的延伸方向垂直的方向辐射出去，进而使得更多地荧光能够以更小的发散角通过荧光片100的光出射面辐射，增加荧光片100的光出射面以较小发散角辐射的能量占比，在激发光斑尺寸相同时，能够减小荧光片100所激发荧光的光学扩展量，也有利于提高荧光激光光源的光斑亮度。
33.本实施例中，荧光粉粒120的电磁波共振频率在3.85
×
10
14
hz～7.89
×
10
14
hz的范围之内，可以进一步设置在4
×
10
14
hz～4.6
×
10
14
hz范围内，即接近于可见光的频段。由于光也是一种电磁波，荧光粉粒120的电磁波共振频率为电磁波在荧光粉粒中发生共振的频率。光源中应用的光一般为可见光波段，通过使得荧光粉粒120的电磁波共振频率与可见光的波段相近，从使得激发的荧光更易耦合入荧光粉粒120中发生共振，然后以荧光粉粒120的天线辐射方向向外发射，即与荧光粉粒120的延伸方向垂直的方向辐射出去。
34.进一步地，在本实施例中，荧光粉粒120沿柱状的延伸方向的长度与荧光粉粒120的折射率的乘积值在0.4～4μm的范围内。
35.通过控制荧光粉粒120的合成条件，例如控制荧光粉粒120的生长过程中助熔剂、温场环境或者降温速率等合成条件，可以控制荧光粉粒120的晶体生成形状。本实施例中，通过限定荧光粉粒120的合成条件，可以得到满足上文荧光粉粒120的长度与折射率的乘积范围值的荧光粉粒120。荧光粉粒的折射率与荧光粉粒的自身性质相关，一般为1.7～2.5。通过将荧光粉粒120沿柱状的延伸方向的长度与荧光粉粒120的折射率的乘积值限制在0.4～4μm的范围内，可以使得荧光粉粒120中电磁波的共振频率接近可见光频段，可以实现比较好的天线耦合效果，从而使得荧光粉粒120中的能量辐射方向性更强，进而使得更多的能量以垂直于荧光粉粒120延伸方向的方向辐射出去，减小荧光片激发荧光的光学扩展量，有利于增加荧光光源的光斑亮度。
36.进一步地，荧光粉粒120沿延伸方向的长度大于宽度的两倍，其中，宽度的方向与延伸方向垂直。
37.在本实施例中，荧光粉粒120的形状为柱状，以荧光粉粒120沿柱状的延伸方向的延伸距离为荧光粉粒120的长度，与荧光粉粒120延伸方向所垂直方向的延伸距离为荧光粉粒120的宽度，本实施例中限制生成荧光粉粒120的长度与宽度比值大于2。荧光粉粒120的长度与宽度的比值满足大于2，可以为荧光粉粒120提供足够的辐射各向异性，使荧光的光线倾向于沿垂直延伸方向即宽度的方向辐射。该比值的上限一般由荧光粉粒的制造工艺决定，本技术不做特别限制。进一步地，在一实施例中，荧光粉粒120的长度与宽度比值可小于100，进一步可小于10。
38.进一步地，荧光粉粒120的延伸方向与荧光片100的光出射面成0-30
°
的夹角。
39.在本实施例中，通过控制荧光片100的制成条件，可以使得荧光片100内的荧光粉粒120的延伸方向与荧光片100的光出射面成0-30
°
的夹角。荧光粉粒120与荧光片100的光出射面夹角越小，荧光光线就会以更小的发散角发射至荧光片100的光出射面，激发荧光的光学扩展量也就越小。进一步更有利地，夹角可为0-20
°
，更进一步夹角可为0-15
°
。
40.进一步地，在荧光片100的应用示例中，占总数量多于70％的荧光粉粒120与荧光片100的光出射面成0-30
°
的夹角，即按照荧光粉粒的总数量计算，占据总数量多于70％的荧光粉粒120与荧光片100的光出射面成0-30
°
的夹角。控制荧光粉粒120在荧光片100中方向的过程存在一定工艺误差，因此可以控制荧光片100的加工工艺，使得与荧光片100的光出射面夹角在0～30度范围的荧光粉粒120占荧光片100中所有荧光粉粒120的数量的70％以上，可以减小荧光片100的加工难度，还可以进一步增加荧光片100的激发荧光在较小发散角内的能量占比，减小激发荧光的光学扩展量。更进一步，可设置使得总数量多于80％或多于90％、甚至多于95％的荧光粉粒120与荧光片100的光出射面成0-30
°
的夹角。
41.进一步地，基质110的折射率小于荧光粉粒120的折射率，以使得荧光与荧光粉粒120能够发生耦合。
42.激光显示中使用的荧光粉粒120通常为稀土掺杂的陶瓷晶体颗粒。在本实施例中，需要荧光粉粒120和基质110具有折射率差，且荧光粉粒120折射率较高，这时基质110就不宜设置为高折射率，例如，基质110的折射率可以小于1.6或小于1.5。在一些具体的应用示例中，还可以设置荧光粉粒120与基质110折射率差大于0.2，可以提高荧光粉粒120与荧光的耦合效率，使得荧光粉粒120与荧光更容易共振。该折射率的差值的上限由所使用的荧光粉粒与基质的具体种类决定。
43.在制造荧光片100的过程中，作为基质110的材料需要具有一定的流动性和粘性，而荧光粉粒120可以保持其固体形态，因此可以将荧光粉粒120混入流动性的基质110中，再使得掺杂荧光粉粒120的基质110恢复固态，进而封装得到荧光片100。荧光粉粒120和基质110的材料可以根据具体使用需求灵活选用，此处不做限制。
44.进一步地，基质110的材料可以为有机基质或无机基质，例如可为硅胶、玻璃或陶瓷中的任一种，硅胶可为有机硅胶或无机硅胶。荧光粉粒120的材料也不做特别限制，例如可为yag:ce
3
、luag:ce
3
、(sr,ca)alsin3:eu
2
中的任一种。
45.进一步地，本技术提供一种荧光片的制作方法，用于制作上述荧光片，请参阅图3，图3是本技术荧光片的制作方法流程图。本技术荧光片的制作方法包括以下步骤。
46.s10：准备柱状的荧光粉粒。
47.在本实施例中，可以根据需要选择合适的方法制成柱状的荧光粉粒，以使得荧光粉粒中电磁波共振频率在3.85
×
10
14
hz～7.89
×
10
14
hz的范围之内，即接近可见光频段，具体合成方法此处不做限制。例如可使用高温固相法、溶胶凝胶法、溶液燃烧法、水热法、微波法和共沉淀法等多种方法制备荧光粉粒。
48.s20：将荧光粉粒与基质以预设体积比例进行混合。
49.在不同的应用示例中，可以对基质与荧光粉粒的混合比例进行调节，以得到所需效果的光源。在一些非限制性的实施例中，荧光粉粒在荧光片中所占的体积比可为10-90％，也可以进一步设置为10-60％。
50.s30：调整荧光粉粒在基质中的方向，以使得荧光粉粒沿柱状的延伸方向与制成的荧光片的光出射面成小于90
°
的夹角。
51.步骤s30中，可通过超声波震动或者静置的方式调整荧光粉粒在基质中的方向。通过设定混合条件，可以使得荧光粉粒在该条件下为保持其固态且其形状为柱状，而基质在该条件下有一定的粘性和流动性，此时基质的状态例如可为未固化的硅胶原料、熔融的玻璃，由玻璃或陶瓷原料粉末与助剂形成的浆料等。当固态的荧光粉粒混合于基质中静置或者受到超声波震动时，其柱状的形状会使得荧光粉粒在重力和粘滞阻力的作用下沿其延伸方向倒伏。
52.具体地，根据上文荧光粉粒的形状和在荧光片中的方向要求，结合荧光粉粒与基质的材料要求，本技术针对不同荧光片的制作方法提出以下实施例。
53.第一实施例主要用于制作红色荧光片，其具体实施步骤如下。
54.本实施例中，首先根据步骤s10，选择荧光粉粒组成为(sr,ca)alsin3:eu
2
，其中稀土元素eu
2
的掺杂浓度为0.8％(摩尔分数)，合成晶粒尺寸沿延伸方向的延伸长度为0.5μm、与延伸方向相垂直方向的延伸宽度为0.15μm的荧光粉粒，其中荧光粉粒的发光中心为600nm。
55.根据步骤s20，设置基质为硅胶，将荧光粉粒与硅胶原料以体积比1:2共混。
56.根据步骤s30，将荧光粉粒与硅胶原料的混合物置于超声平台。
57.在超声平台上，超声波的震动可以使柱状的荧光粉粒在重力和以及硅胶原料中的粘滞阻力的作用下，荧光粉粒趋向于其延伸方向沿平行于荧光片光出射面的方向排布。
58.通过本实施例所制得的荧光片中，荧光粉粒的作用近似于一个带有高阶分量的光学偶极天线。其具体光学辐射能量分布如图4所示，图4是本技术荧光片实施例与朗伯辐射
体的光强分布图。能够观察到本实施例中的荧光片100在较小发散角内的能量占比高于朗伯辐射体。
59.第二实施例主要用于制作黄色荧光片，其具体实施步骤如下。
60.本实施例中，首先根据步骤s10，选择荧光粉粒组成为yag:ce
3
，稀土元素ce
3
的掺杂浓度为1％(摩尔分数)。合成晶粒尺寸沿延伸方向的长度为0.6μm、与延伸方向相垂直方向的延伸宽度为0.18μm的荧光粉粒，其中荧光粉粒的发光中心为560nm。
61.根据步骤s20，设置基质为玻璃，将荧光粉粒与玻璃粉以体积比1:2共混。
62.根据步骤s30，将玻璃熔融后，将荧光粉粒与熔融玻璃的混合物静置一小时。
63.在静置过程中，荧光粉粒在重力和熔融的玻璃中的粘滞阻力的作用下，趋向于延伸方向平行于荧光片光出射面的方向排布，其能够获得与第一实施例有相似的效果。其具体光学辐射能量分布请参阅图4，此处不再赘述。
64.本技术还提供了一种发光装置，包括激发光源和上述荧光片。其中激发光源可为激光光源、led光源或其他合适光源，通过该激发光源照射荧光片，产生荧光。该发光装置可以应用于投影、显示系统，例如液晶显示器(lcd，liquid crystal display)、数码光路处理器(dlp，digital light processor)或投影机；也可以应用于照明系统，例如汽车照明灯；也可以应用于3d显示技术领域中。在发光装置中，上述荧光片还可以制作成为可运动的装置，如色轮，使激发光源发出的激发光源入射到旋转运动的色轮上，从而产生荧光。
65.综上所述，本技术的技术方案中，荧光片中的荧光粉粒形状为柱状，且荧光粉粒沿柱状的延伸方向与荧光片的光出射面成小于90度的夹角，且荧光粉粒的形状使得其电磁波共振频率接近可见光的频率，使得荧光粉粒在荧光片中相当于天线，其方向设置使得耦合入荧光粉粒的荧光能够以更小的发散角经荧光片的光出射面辐射出去，进而减小光线的光学扩展量，有利于提高荧光激光光源的出射光斑亮度。
66.以上仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术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它相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。