CN102720954B - 发光装置和发光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种发光装置和发光系统，包括用于发射第一光的发光二极管，该发光二极管和用于发射激发光的激发光源。还包括涂敷在发光二极管上的波长转换层，该波长转换层不能被第一光所激发，同时能够被激发光激发并发射第二光。该发光装置还包括位于波长转换层与激发光源的光路之间的光路区分装置，用于将激发光引导入射于该长转换层，同时引导从波长转换层出射的包括第一光和第二光的混合光与激发光的光路分开并形成发光装置的出射光。在本发明的发光装置和发光系统中，利用发光二极管自身对光线的反射作用，实现了发光二极管发射的第一光与涂敷在该发光二极管表面的波长转换层产生的第二光的共用，同时并不扩大光源的发光面积。

Description

发光装置和发光系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及发光装置和发光系统。

背景技术

目前半导体照明越来越受到人们的重视，其中能够发射诸如红绿蓝光等的单色光光源在投影显示、舞台装饰照明中有着广泛的应用前景。

目前，实现单色光光源的技术路线主要存在两种，第一种是使用单色发光二极管(LED，light emitting diode)直接产生各单色光，第二种是使用蓝光或紫外发光二极管激发各单色荧光粉来产生单色光，这两种方法各有优势。LED产生的单色光光谱宽度较小，因此颜色鲜艳亮丽，但其问题在于效率相对较低；而荧光粉产生的单色光的效率较高，但是由于光谱宽度较大使其发光颜色看起来难以令人满意。例如，图7中表示了红光LED的发光光谱701和一种红色荧光粉的发光光谱702的比较。

一种解决方案是，同时使用单色LED与同色荧光粉光源，以将二者的优点结合起来，实现更好的综合性能。然而，从图7可以看出，由于颜色接近，单色LED与同色荧光粉的发光光谱存在较大交叠，因此无法使用常用的干涉滤光片等合光器件利用两种光的波长的差异合并为一束。因此若想实现两种光共同使用，两种光源必须并排放置，这必然增大光源的发光面积和光束的截面直径，进而显著降低光束的能量密度，这对于投影显示和投射照明等领域是难以接受的。

因此，需要一种发光装置，在不扩大发光源的发光面积的前提下，实现同色的LED与荧光粉发光的共用。

发明内容

本发明解决的主要技术问题是提供使同色的发光二极管与荧光粉能够在不扩大发光源的发光面积的前提下实现共用的发光装置和发光系统。

本发明提出一种发光装置，包括至少一颗用于发射第一光的发光二极管，该发光二极管包括发光面，和用于发射激发光的激发光源。还包括涂敷在发光二极管的发光面上的波长转换层，该波长转换层不能被第一光所激发，同时该波长转换层能够被激发光激发并发射第二光。该发光装置还包括位于波长转换层与激发光源的光路之间的光路区分装置，用于将激发光引导入射于该波长转换层，同时引导从该波长转换层出射的至少部分混合光与入射于该波长转换层的激发光的光路分开并形成发光装置的出射光。混合光包括第一光与第二光。

本发明还提出一种发光系统，包括上述的发光装置，还包括驱动控制装置，该驱动控制装置用于独立的控制发光装置中的发光二极管与激发光源，进而实现发光系统的出射光中第一光与第二光的光通量分别独立控制的目的。

在本发明的发光装置和发光系统中，利用发光二极管自身对光线的反射作用，实现了该发光二极管发射的第一光与涂敷在该发光二极管表面的波长转换层产生的第二光的共用，同时并不扩大光源的发光面积。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的示意图；

图1a是本发明的第一实施例的一个变形实施例的示意图；

图2是本发明的第二实施例的示意图；

图3是本发明的第三实施例的示意图；

图4是本发明的第四实施例的示意图；

图5是本发明的第五实施例的示意图；

图6是本发明的第六实施例的示意图；

图7是红色LED发光光谱与一种红色荧光粉的发射光谱的举例。

具体实施方式

本发明的第一实施例的结构如图1所示。发光装置100包括用于发射第一光111的发光二极管101，该发光二极管101包括发光面101a；还包括用于发射激发光113的激发光源105。在发光二极管101的发光面101a上设置有波长转换层103，该波长转换层103不能被第一光111所激发，同时该波长转换层能够被激发光113激发并发射第二光115。该发光装置100还包括位于波长转换层103与激发光源105的光路之间的光路区分装置107，该光路区分装置107用于将激发光113引导入射于波长转换层103，同时引导从该波长转换层103出射的至少部分混合光与入射于该波长转换层的激发光113的光路分开并形成发光装置的出射光，其中混合光包括第一光111与第二光115。

应用本发明，可以实现如背景技术中所说的在不扩大光源发光面积的前提下同色发光二极管与波长转换材料发光的共用。具体的工作原理如下：

在本发明中，发光二极管101从其发光面101a发出的第一光111先入射于波长转换层103。由于波长转换层103不能被第一光111所激发，因此该波长转换层103对第一光111不吸收或仅有微小的吸收。第一光111中的一部分会直接透射该波长转换层103并经过光路区分装置107形成出射光，其余的部分会被波长转换层103反射回发光二极管101，并被发光二极管101再次反射后再次入射于波长转换层103，其中部分光能量透射其余光能量再次被反射回发光二极管，如此循环后，发光二极管101发出第一光111最终得以从波长转换层103出射，并经过光路区分装置107后形成出射光。

同时，波长转换层103被经过光路区分装置107引导的激发光113激发并受激发射第二光115。第二光中一部分直接向发光二极管101的异侧发射，这部分光经过光路区分装置107后形成出射光；另一部分会入射到发光二极管101内部，并被发光二极管101反射后入射于波长转换层103，其中部分光能量透射其余光能量再次被反射回发光二极管，如此循环后，第二光115最终得以从波长转换层103出射，并经过光路区分装置107后形成出射光。

综上所述，本发明利用发光二极管自身对光线的反射作用，实现了该发光二极管发射的第一光与涂敷在该发光二极管表面的波长转换层产生的第二光的共用，同时发光面积与发光二极管的发光面积相同。

值得说明的是，发光二极管对光具有反射作用，这是因为发光二极管内部具有反射层，该反射层用于将发光二极管中的发光层向背面发射的光向正面进行反射从而使发光二极管的光全部从其发光面出射出来。这可以大大提高发光二极管的发光亮度，属于现有技术。

在本发明中，波长转换层设置于发光二极管的发光面上，这也是现有的技术，有多种方式可以实现。例如将波长转换材料与粘结剂混合后，使用印刷的方法涂覆在发光二极管表面形成波长转换层，又例如将波长转换材料与液态溶剂混合后用喷枪喷洒于发光二极管表面形成波长转换层。

在本实施例的发光装置100中，还包括聚焦透镜109，它用于将激发光113聚焦于波长转换层103上，同时用于收集第一光111和第二光115并将其准直。发光装置中聚焦透镜109的使用可以提高系统效率，是一种优化的实施方式。

在本发明中，光路区分装置107用于将包括第一光111和第二光115的混合光与激发光113的光路分开，防止该混合光直接入射于激发光源105而造成损耗。在本实施例中，光路区分装置是干涉滤光片，该干涉滤光片107以反射的方式引导包括第一光111和第二光115的混合光形成发光装置100的出射光，同时以透射的方式引导激发光113入射于波长转换层103的表面。

具体举例来说，发光二极管101为红光发光二极管，激发光源105为蓝光或紫外发光二极管光源或蓝光或紫外激光二极管光源，波长转换层103包括红色波长转换材料，它可以被激发光源发出的蓝光或紫外光激发。红色波长转换材料受激产生红光，根据波长转换材料的工作原理可知，它不能被红光发光二极管产生的红光激发。此时，干涉滤光片107透射激发光源105发出的蓝光或紫外光，同时反射发光二极管101发射的红光第一光111和波长转换层103发射的红光第二光115。

在该例子中，波长转换层103还可以包括黄色波长转换材料，该材料受激发射黄光；由于黄光的波长比红光短，所以该黄色波长转换材料不能被发光二极管101发射的红光激发。此时，干涉滤光片107透射激发光源105发出的蓝光或紫外光，同时反射发光二极管101发射的红光第一光111和波长转换层103发射的黄光第二光115。

发光二极管101还可以是绿光发光二极管，而波长转换层可以包括黄色或绿色波长转换材料。此时，干涉滤光片107透射激发光源105发出的蓝光或紫外光，同时反射发光二极管101发射的绿光第一光111和波长转换层103发射的黄光或绿光第二光115。波长转换层还可以包括蓝光波长转换材料，激发光113为紫外光，此时，干涉滤光片107透射激发光源105发出的紫外光，同时反射发光二极管101发射的绿光第一光111和波长转换层103发射的蓝光第二光115。

值得说明的是，上述举例并不对本发明构成限制。

在本实施例中，干涉滤光片107还可以反射部分包括第一光111和第二光115混合光，这样做可以达到调整混合光发光光谱的目的。例如结合图7所示的两种红光光谱，若干涉滤光片107只反射600纳米以上的光谱成分，则红光发光二极管的光谱701几乎被全部反射成为发光装置的出射光，而红色波长转换层的发光光谱702中600纳米以下的偏黄色的光谱成分则会透射干涉滤光片107而不能成为出射光，只有大于600纳米的光谱成分才能被反射而成为出射光。这样就使得出射的混合的红光的颜色更加鲜艳。

在本实施例中，如前所述，发光装置100的出射光中的第一光111的强度决定于发光二极管101的发光强度，同时第二光115的发光强度决定于激发光源105的发光强度，因此进一步的，本发明还提出一种发光系统，该发光系统包括上述的发光装置，还包括驱动控制装置，该驱动控制装置用于独立的控制发光装置中的发光二极管101与激发光源105，进而实现该发光系统的出射光中第一光111与第二光115的光通量分别独立控制的目的。值得说明的是，该发光系统也可以包括下面实施例中举例的发光装置。

实现出射光中第一光111与第二光115的光通量分别独立控制的有益效果如下：根据背景技术中所描述的，发光二极管发射的第一光与波长转换层发射的第二光的颜色不同，因此独立调节两者的强弱可以得到不同的混合光的颜色，而当两种光可以混合成白光时，调节两者之间的强弱则可以得到不同的白光的色温。

控制发光二极管101与激发光源105的发光强度的方法有很多，例如控制其电流大小，或在脉冲驱动时控制其占空比，甚至可以控制发光二极管101与激发光源105交替点亮，这属于现有技术，此处不赘述。

本实施例还存在一个变形，其结构如图1a所示。与图1所示的实施例不同的是，该变形中还包括光源106，它发射的光117可以经过光路区分装置107引导成为该发光装置的出射光。在该变形中，发光二极管是红光发光二极管，波长转换层包括黄色或黄绿色波长转换材料，光源106是蓝光发光二极管或蓝光激光光源，因此在该发光装置的出射光中同时包含蓝光、黄光或黄绿光以及红光的成分，这样形成的白光具有较高的显色指数。同样的，发光二极管、激发光源与光源106均可以独立控制，以实现出射白光的色坐标的调节。

在本实施例中，光源106发射的光117通过光路区分装置107与包括第一光和第二光的混合光合光后共同发光装置的出射光。这是一种优选的实施例，它具有简洁的结构；实际上光源106发射的光117也可以以其他方式与混合光合光，例如在光路区分装置107的光路后端设置一个分光滤光片来合光。

在本实施例中，光路区分装置107透射激发光113，同时至少部分反射第一光111和第二光115；可以理解的是，光路区分装置107也可以至少部分透射第一光111和第二光115，同时反射激发光113，这同样可以实现将第一光111和第二光115与激发光113的光路相分离的作用。

在本实施例中的发光装置包括一颗发光二极管，实际上可以包括多颗发光二极管，这些发光二极管形成一个阵列，每一颗发光二极管与其相邻的发光二极管之间的间距很小，使得这个发光二极管阵列中的每一颗发光二极管的发光面共同构成一个面光源。一般来说，在这样的阵列中，每一颗发光二极管与其相邻的发光二极管之间的间距小于发光二极管的发光面的外接圆直径的50％。

本发明的第一实施例中的发光装置，使用了干涉滤光片作为光路区分装置。实际上还可以有其它的方式来实现光路区分装置的功能，在下面的第二至第六实施例中分别予以举例说明。值得说明的是，第一实施例中的特征描述和举例同样适用于下面的实施例中，因此在下面的描述中不再重复说明。

本发明的第二实施例的结构如图2所示。在发光装置200中，光路区分装置207为反射镜，该反射镜207反射激发光213使其入射于波长转换层203，同时包括第一光211和第二光215的混合光从该反射镜207的四周出射形成发光装置200的出射光。

与第一实施例不同的是，在本实施例中，混合光还包括被波长转换层203反射的没有被吸收的剩余激发光217，这部分光也可以从反射镜207的四周出射形成发光装置200的出射光。当发光二极管为红光发光二极管，激发光源为蓝光光源，波长转换层包括黄色或黄绿色波长转换材料时，本实施例的发光装置的出射光中就同时包括了蓝光、黄光或黄绿光和红光的成分，与第一实施例相比，本实施例中的发光装置不需要增加另一个蓝光光源就可以实现高显色指数的白光。下述的实施例与第一实施例相比都具有这个优点。

本实施例的缺点在于，混合光中会有一部分入射于反射镜207的表面而被反射形成损耗。只要反射镜207足够小，这部分光的能量就可以忽略；因此在实际应用中只要能够有效的反射激发光到波长转换层，该反射镜的尺寸越小越好。

本发明的第三实施例的结构如图3所示。在发光装置300中，光路区分装置是带通孔的反射装置307，该反射装置307包括通孔和该通孔307a周围的反射面。激发光313穿过通孔307a入射于波长转换层303，包括第一光311和第二光315的混合光被该通孔四周的反射面反射并形成发光装置300的出射光。在本实施例中，混合光还包括被波长转换层303反射的没有被吸收的剩余激发光317。

值得说明的是，混合光中会有一小部分会穿过反射装置307的通孔307a而不能被反射成为出射光，因此只要能够保证激发光313的穿过，通孔307a的尺寸越小越好。在实际工作中，这部分光的损失往往是可以忽略不计的。

在本实施例中，带通孔的反射装置307的形状是平面的，在本发明的第四和第五实施例中，该反射装置的形状是弧形的。

本发明的第四实施例的结构如图4所示。在该实施例中，带通孔的反射装置407是一个抛物面形，与第三实施例不同的是，混合光入射到该反射装置407后聚焦于该抛物面的焦点，在有些应用场合这对于后续的光源发光的利用是有帮助的。

本发明的第五实施例的结构如图5所示。在该实施例中，带通孔的反射装置507是一个半球形，发光二极管501以及其发光面上的波长转换层503位于该半球形的球心的附近，而从该波长转换层503出射出来的混合光被通孔四周的反射面反射后聚焦于一点并形成发光装置500的出射光，该聚焦点与发光二极管501的放置的位置关于该半球形的球心对称。

优选的，本实施例中的发光装置500还包括光收集装置508，该光收集装置508用于收集聚焦后的出射光。在本实施例中，光收集装置508是一个收集透镜，实际上它还可以有其它形式，例如积分棒或锥形积分棒。这是现有技术，此处不赘述。

本实施例的发光装置中的带通孔的反射装置507还可以是一个半椭球形，此时发光二极管501以及其发光面上的波长转换层503位于该半椭球形的一个焦点上，而从波长转换层503出射出来的混合光被通孔四周的反射面反射后聚焦于该半椭球面的另一个焦点上。

结合第四和第五实施例可以理解，带通孔的反射装置可以是很多种弧形曲面，并不限于以上举例。

本发明的第六实施例的结构如图6所示。带通孔的反射装置607的形状是阶梯状。实际上，该阶梯状的外形由两部分曲面607a和607b组成。这两部分曲面分别是两个同心的球面或同焦点的椭球面的一部分；结合第五实施例可以理解，混合光经过这两部分曲面的反射后会聚焦于同一个位置。

以上所述仅为本发明的实施例，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。

Claims (13)

1.一种发光装置，其特征在于，包括：

至少一颗用于发射第一光的发光二极管，该发光二极管包括发光面；

用于发射激发光的激发光源；

设置在发光二极管的发光面上的波长转换层，该波长转换层不能被所述第一光所激发，同时该波长转换层能够被所述激发光激发并发射第二光；

位于所述波长转换层与所述激发光源的光路之间的光路区分装置，用于将所述激发光引导入射于该波长转换层，同时引导从该波长转换层出射的至少部分混合光与入射于该波长转换层的激发光的光路分开并形成发光装置的出射光，所述混合光包括第一光与第二光，其发光面积与所述发光二极管的发光面积相同。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述第一光为红光。

3.根据权利要求2所述的发光装置，其特征在于，所述波长转换层包括红色波长转换材料、黄色波长转换材料、绿色波长转换材料和蓝色波长转换材料中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述第一光为绿光。

5.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于，所述波长转换层包括黄色波长转换材料、绿色波长转换材料和蓝色波长转换材料中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述光路区分装置包括干涉滤光片；该干涉滤光片对混合光至少部分透射同时对激发光反射，或对激发光透射同时对混合光至少部分反射。

7.根据权利要求6所述的发光装置，其特征在于，还包括用于发射第三光的基色光源，该第三光与所述混合光共同构成发光装置的出射光。

8.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述光路区分装置包括反射镜，该反射镜反射激发光使其入射于波长转换层，同时至少部分从波长转换层出射的混合光从该反射镜的四周出射形成发光装置的出射光。

9.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述光路区分装置包括带通孔的反射装置，该反射装置包括通孔和该通孔周围的反射面；所述激发光穿过通孔入射于波长转换层，从波长转换层出射的至少部分混合光被该通孔四周的反射面反射并形成发光装置的出射光。

10.根据权利要求8或9所述的发光装置，其特征在于，所述混合光还包括被波长转换层反射的没有被吸收的剩余激发光。

11.根据权利要求9所述的发光装置，其特征在于，所述带通孔的反射装置的形状为平面、弧形或阶梯状。

12.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述至少一颗发光二极管形成一个阵列，每一颗发光二极管与其相邻的发光二极管之间的间距小于发光二极管的所述发光面的外接圆直径的50％。

13.一种发光系统，其特征在于，包括权利要求1至12中的任意一项所述的发光装置，还包括驱动控制装置，该驱动控制装置用于独立的控制发光装置中的发光二极管与激发光源，进而实现发光系统的出射光中第一光与第二光的光通量分别独立控制的目的。