利用波長轉換的光源的制作方法

相關申請的交叉引用

本申請是國際申請，其要求2015年2月16日提交的美國申請no.14/623,016的優先權和益處，該美國申請以其整體通過引用并入本文。

背景技術：

投影和顯示光學器件應用通常要求具有低集光率（étendue）的光源以便高效地耦合到給定光學系統中或者提供指定射束圖案。實現此的一種方式是通過與光致發光磷光體組合地利用激光器。該方法可以稱為激光激活的遠程磷光體（larp）技術。來自激光器的較短波長初級光激勵（泵浦）磷光體以發射較長波長次級光（波長轉換）。使用波長轉換的顯著優點在于，可以選擇磷光體組分使得系統發射白光。此外，這樣的系統可以具有比非相干光源低得多的集光率，所述非相干光源諸如高功率發光二極管（led）。

在larp應用中，實現來自磷光體的經轉換光的高輻射率所需要的高泵浦通量具有局部加熱泵浦區中的磷光體的非意圖后果。這種加熱減少了磷光體的量子效率，并且由此對經轉換光的最終輻射率寄予苛刻限制。為了解決該問題，已經使用了若干方法。一種解決方案是與高熱導率襯底組合地使用以高熱導率陶瓷形式的波長轉換器。通過在高溫下燒結大量無機磷光體顆粒直至顆粒彌散并且沾粘在一起以形成單片部件而形成陶瓷波長轉換器。典型地，經燒結的部件具有接近該材料的理論密度的密度，盡管在一些應用中期望的是維持某種多孔性以便增強燒結。相比于通過在硅樹脂中分散單獨的磷光體顆粒而形成的波長轉換器，陶瓷波長轉換器具有大得多的熱導率。

在透射式larp幾何結構的情況下，其中初級激光器光入射在波長轉換器的一側上并且來自轉換器的次級光從相對側發射，因為襯底需要是光學上透明以及熱傳導的，所以優選的是藍寶石襯底。透射式larp配置在許多larp應用中是合期望的，因為它們要求較少的光學組件并且具有不太復雜的光學配置。這使它們對于要求緊湊larp源的應用而言是有利的，所述應用諸如機動車、移動電話以及其它投影/光照應用。

為了增加光源的輻射率，還可以向透射式larp系統添加二色性反射器使得在向前方向上發射更多光。由于光回收，這可以有效地使經轉換光的輻射率加倍。然而，二色性反射器還可能對集光率具有不利影響。例如，如果二色性反射器放置在襯底上，經回收的次級光可能看起來具有較大的有效斑尺寸，從而顯著地增加源集光率。即便人們可以消除波長轉換器中的散射，經回收的光也可能看起來處在與向前定向的發射不同的景深下，從而再次有效地增加源集光率。

使用陶瓷波長轉換器和透明襯底時出現的另一個問題是通過全內反射（tir）而俘獲的次級光的損失。變得被俘獲的輻射的部分取決于襯底和傳播介質的相對折射率并且通常非常大。在磷光體-空氣的情況下，所發射的輻射中的僅18%將存在于臨界角椎體內并且直接離開進入到空氣中。為了增加提取，要求散射以便回收該輻射，但是這將由于tir的多個循環以及向傳播介質中散射而導致增加的源斑尺寸。在不存在散射的情況下，來自波長轉換器的被俘獲的發射將最終通過側面離開從而完全損失。

技術實現要素：

本發明提供了一種光源，其最小化用于larp配置以及特別地用于透射式larp配置的斑尺寸擴展和tir俘獲。更具體地，本發明提供了具有低集光率以用于向投影系統和其它顯示光學器件應用中耦合的光源。

盡管本發明對于透射式larp配置特別有用，但是它還具有用于反射式配置的優點，在反射式配置中，從初級激光器泵浦光入射于其上的相同側發射次級光。特別地，本發明準許使用外部反射器回收向后定向的次級和初級光，并且克服了與將高反射且熱傳導涂層直接放置到陶瓷波長轉換器表面上相關聯的技術問題。

依照本發明的目標，提供了一種光源，其包括發射初級光的半導體器件、具有反射涂層的熱傳導光學器件、以及具有前表面和后表面的波長轉換器。光學器件安裝到波長轉換器的后表面，并且初級光在發射區中撞擊在波長轉換器上。波長轉換器將初級光的至少部分轉換成從轉換器的前表面和后表面發射的次級光，并且光學器件將從后表面發射的次級光反射回到發射區中。

依照本發明的另一個目標，光源具有透射式配置，由此來自半導體器件的初級光透射通過光學器件并且定向到波長轉換器的后表面上。

依照本發明的另外的目標，光源具有反射式配置，由此來自半導體器件的初級光定向到轉換器的前表面上。

附圖說明

圖1是處于透射式配置中的本發明的光源的實施例的示意性圖示。

圖2是處于透射式配置中的本發明的光源的另一個實施例的示意性圖示。

圖3是圖2中所示的實施例的光學器件的圖案化表面的頂視圖。

圖4是使用與圖1中所示的光學器件類似的半球狀光學器件的處于反射式配置的本發明的光源的另外的實施例的示意性圖示。

圖5是使用與圖2中所示的光學器件類似的光學器件的處于反射式配置的本發明的光源的又一個實施例的示意性圖示。

具體實施方式

為了更好地理解本發明以及它的其它和另外的目標、優點和能力一起，參照結合上述附圖考慮的以下公開內容和所附權利要求。

如本文中所用，陶瓷波長轉換器是指固體、經燒結的多晶光致發光材料。陶瓷波長轉換器不包括含有分散在有機或無機基質中的磷光體材料的顆粒的波長轉換器。

對磷光體、led、激光器或轉換材料的顏色的引用一般是指其發射顏色，除非以其它方式指定。因而，藍色led發射藍光，黃色磷光體發射黃光等等。

依照本發明的光源100的第一實施例在圖1中以透射式配置示出。半導體器件112發射初級光的射束140。半導體器件優選地是半導體激光器，例如，垂直腔表面發射激光器（vcsel），其在電磁頻譜的藍色區中發射。射束140通過可選的透鏡116而聚焦到光學器件104上。在該實施例中，光學器件104是包括光學透明的熱傳導材料的半球體。優選地，光學器件包括藍寶石，但是可以使用其它熱傳導的光學透明材料，諸如氮化鋁（aln）、釔鋁石榴石（yag）、y2o3、摻雜的zro2、mgal2o4（尖晶石）、alon、sio2、bn、sic、zno或者sno2。優選地，光學器件材料的熱傳導率大于1wm^-1k^-1并且更優選地大于10wm^-1k^-1。光學器件104粘接到陶瓷波長轉換器106的后表面110。在該實施例中，轉換器106是優選地具有平盤或矩形形式的陶瓷波長轉換器。轉換器106包括磷光體，所述磷光體將由半導體器件112發射的初級光轉換成具有不同波長的次級光。優選地，磷光體是鈰激活的石榴石磷光體，其可以由化學式a3b5o12:ce表示，其中a是y、sc、la、gd、lu或tb，并且b是al、ga或sc。更優選地，磷光體是以下中的至少一個：y3al5o12:ce、(y,gd)3al5o12:ce和lu3al5o12:ce。為了實現用于波長轉換器的顏色坐標或頻譜成分的寬范圍，可以使用其它磷光體，包括鋁酸鋇鎂、氮化物和氮氧化物，其可以摻雜有其它稀土離子，包括eu²⁺、pr³⁺和dy³⁺。陶瓷波長轉換器可以通過數個常規陶瓷形成技術而形成，包括混合磷光體顆粒與有機粘合劑、模制期望的形狀、以及燒凈有機粘合劑接著進行最終高溫燒結以形成單片式部件。

來自半導體器件112的初級光撞擊在波長轉換器106上，其中它在反射區118內轉換為次級光。發射區118在轉換器106的前表面107上的范圍形成源斑，所述源斑可以例如耦合到投影系統中。發射區118內的次級光的發射一般是各向同性的，從而使至少一些次級光從轉換器106的后表面110以及從前表面107發射。為了增加從前表面107發射的次級光的量并且改進光源100的效率，半球狀光學器件104的彎曲表面109具有反射涂層102，所述反射涂層102將從后表面110發射的次級光反射回到發射區118中。因為該實施例是透射式配置，所以反射涂層102還必須能夠允許來自半導體器件112的初級光穿過以進入光學器件104。因而，在該配置中，反射涂層102包括二色性涂層，所述二色性涂層反射較長波長次級光，但是透射較短波長初級光。所發射的次級光然后出現在向前方向上，連同未被吸收的初級光。可替換地，諸如增強金屬涂層之類的高反射涂層可以應用于光學器件104以便在大頻譜范圍之上提供更寬角度的反射性，同時僅其中初級光射束140入射于光學器件104上的區可能要求二色性涂層，所述二色性涂層可以具有較弱的角度要求，從而允許經擴展的頻譜范圍。金屬化還將準許半球狀光學器件直接焊接或者金屬粘接到具有類似形狀腔體的熱沉以用于最佳的熱傳導。在反射式配置的情況下，通過高反射金屬化涂層或者寬帶電介質涂層（包括初級和次級光波長二者）對半球體的完全涂敷將是適當的（例如，圖4）。

波長轉換器106大概以在切過半球體的中心點的平面為中心。半球狀光學器件104上的反射涂層102的存在基本上形成具有主軸124的半球狀反射鏡，其中其曲率中心位于發射區118中。在發射區118的中心處（即，在主軸124上的曲率中心附近）從后表面110發射的次級光射線120從反射涂層102逆反射（retro-reflect）回到相同點。從離軸點從發射區118發射的次級光射線122反射回到其在發射區118上的鏡像點，假設角度不是過陡的話。這是由于半球狀反射鏡的焦距為r/2而發生，其中r是曲率半徑，隱含著1:1放大，但是圖像反轉。在較陡角度下并且離軸發射的射線將由于象差而不總是返回到轉換器106的發射區118。無論如何，該布置由于光回收而應當提供光源的輻射率方面將近兩倍的增加。

作為另外的優點，期望的向前定向的次級光108直接來自于波長轉換器而沒有穿過諸如襯底之類的附加元件。在具有適當的體積散射或表面結構化特征的情況下，光提取可以利用陶瓷波長轉換器而接近100%。在薄膜波長轉換器的情況下，少量的塊狀或表面散射也可以提供接近于100%的提取效率。通過向薄膜波長轉換器應用強工程化表面散射層，可以利用在遠場角度下的最小顏色變化而實現部分轉換larp磷光體組裝件。此外，光源100的最終源斑尺寸由轉換器106的前表面107上的發射區118的面積精確地確定，這提供了低源集光率。在薄膜轉換或透明陶瓷轉換器的情況下，可以實現最小的源斑尺寸，因為低體積散射暗示著由于橫向散射所致的最小斑擴展。

該實施例的附加方面是通過半球狀光學器件104對初級光的強聚焦。這可以用于通過使透鏡116的焦點匹配于半球狀光學器件104的中心點而獲得盡可能小的斑尺寸。一旦匹配，聚焦的初級光射線就可以在沒有折射的情況下進入半球體；初級光斑尺寸將受衍射限制，如由準直的瑞利區130所指示。可替換地，人們還可以使用半球體來提供聚焦功率，從而減少針對外部初級光光學器件所要求的聚焦功率。在該情況下，人們可以大概將半球體視為具有焦點f的透鏡，所述焦點f位于距半球體的彎曲表面109的距離f處。對于近軸射線，焦距通過以下給定

。

因而，人們可以調節外部透鏡和其它光學器件的焦距和距離以實現波長轉換器上的期望斑尺寸和分布。這允許人們實現期望初級光斑尺寸和最大初級光強度之間的良好折衷，從而導致在達到熱淬火極限之前用于最高可實現源輻射率的最佳源集光率。該配置還準許通過從不同方向部分準直的激光器二極管的直接泵浦，從而簡化了由多個激光器二極管泵浦的larp配置中通常要求的射束組合元件。

在圖2中示出了本發明的第二實施例。光源200的基本配置類似于在圖1中示出的透射式配置。由半導體器件112發射的初級光的射束140通過透鏡116而聚焦到熱傳導光學器件204上。初級光穿過光學器件204以撞擊在粘接到光學器件204的波長轉換器106的后表面110上。轉換器106將初級光的至少部分轉換成具有不同波長的次級光。優選地，光學器件204包括光學透明材料，諸如藍寶石，以便不散射初級光或次級光。在該實施例中，光學器件204具有以厚度t的平板的形式的主體230，并且具有面向半導體器件112的圖案化表面234。圖案化表面234包括角隅棱鏡反射器210的2d陣列以用于在向前方向上逆反射回來向后定向的光。光學器件204可以通過若干方法制備，包括激光器加工、碾磨、蝕刻、或者用于在陶瓷材料中形成形狀的其它方法。具有角隅棱鏡陣列的光學器件204還可以由模制的透明多晶陶瓷（諸如yag和納米粒化的氧化鋁）制成。這樣的材料具有通過模制過程制備的優點。角隅棱鏡反射器210的陣列還可以是分離模制的部分；然而，經模制的材料必須緊密地匹配主體230的折射率并且必須通過類似地折射率匹配的材料而粘接到主體230。粘接材料還可以具有不同的折射率，假設粘接線粗細遠小于準許主體與角隅棱鏡陣列的界面處的最小tir和強倏逝耦合的一個波長。

角隅棱鏡的外表面涂敷有反射涂層202，所述反射涂層202至少反射由轉換器106發射的次級光。在該實施例中，反射涂層202是二色性涂層，所述二色性涂層透射初級光而同時反射次級光。定心在圖案化表面234上的平坦區226稍微大于入射初級光射束140的面積，并且沒有角隅棱鏡以便準許向轉換器106上的恰當聚焦或成像。這可以在圖3中更好地看到，圖3示出了圖案化表面234的頂視圖。平坦區226還涂敷有反射涂層202。角隅棱鏡表面應當處在關于主體230的表面的平面的45度角度處。優選地，陣列應當包括連續的角隅棱鏡，其中各角隅棱鏡之間具有可忽略的空間。優選的是，陣列具有比λ/2更好并且優選地比λ/5更小的光學磨光平滑度。出于制造目的，跨整個圖案化表面234應用單個二色性涂層是最合期望的。

角隅棱鏡陣列的目的是在與它們所來自的方向相同的方向上逆反射回來從轉換器106向后發射的次級光射線。角隅棱鏡具有以下性質：它們將在任何角度下逆反射光。經反射的射束橫向偏移約角隅棱鏡尺寸。因而，該實施例將向后發射的次級光回收到向前方向，其中僅具有斑尺寸方面的小增加。如果入射初級光斑（泵浦斑）直徑dp選擇為使得它剛好適合于平坦區226中，來自發射區118的向后定向的輻射（包括經散射的初級光或次級光）可以被二色性涂敷的平坦區226反射到泵浦斑外部，可能地使該斑擴展到像3dp那么多但是不超過3dp。然而，該輻射將是總向后定向的輻射的小部分。t/dp的比率越大，從平坦的二色性涂敷區反射的向后發射的射線的立體角越小。更特別地，如果t>>dp，入射在平坦區上的輻射的部分大概為(dp/2t)²，這可以遠小于1。輻射的其余部分將入射在角隅棱鏡元件上。最多地，入射在角隅棱鏡元件上的輻射將移位s，其是陣列的間距。例如，如果dp=250μm并且間距s=25μm，那么斑擴展將最多為dp+2s=300μm。優選地，對于該實施例，t>dp并且s<<dp。更優選地，dp為至少5s，并且甚至更優選地，dp為至少10s。經回收的斑的擴展實際上將是疊加在最終發射斑直徑ds上的分布，其中發射斑已經由于散射而大于泵浦斑dp。因而，發射斑內的經回收的輻射部分甚至可以更大。

用于本發明的光源的其它可能的光學器件包括自由形式光學表面，所述自由形式光學表面可以用于優化經回收的斑分布和/或泵浦聚焦。衍射結構（諸如2d光子晶格）也可以用于提供工程化逆反射輪廓。這樣的異常反射可以利用光學天線或其它金屬材料結構的亞波長非均勻陣列而工程化。而且，本發明不限于透射式應用。通過利用完全反射涂層涂敷光學器件并且通過將半導體器件放置在轉換器前方使得初級光射束直接照耀到轉換器上而顛倒初級光射束的方向，人們可以使用該方法來用于反射式配置。這樣的反射式配置的示例在圖4和5中示出。

參照圖4，示出了根據本發明的處于反射式配置中的光源的實施例。光源100'采用如圖1中的半球狀光學器件104。然而，在該實施例中，半導體器件112在離軸位置處放置于轉換器106'的前方，這不干擾從發射區118發出的向前定向的次級光108。通過使射束140反射離開二色性分束器150，半導體器件112發射的初級光射束140定向到轉換器106'上。二色性分束器150透射向前定向的次級光108，從而允許收集/聚焦它以用于在投影系統、光學纖維等中使用。半球狀光學器件104的彎曲表面109上的反射涂層102在該配置中可以是完全反射的，因為不需要如透射式配置中（圖1）那樣透射初級光射束140。優選地，反射涂層102是高反射金屬涂層，諸如銀涂層。向后發射的次級光通過光學器件104的反射涂層102而逆反射回到發射區118中，由此增加向前定向的次級發射的強度。

在該實施例中，轉換器106'具有已經沉積在半球狀光學器件104的平坦表面144上的薄磷光體膜的形式。優選地，該膜在整個平坦表面144之上延伸并且具有小于20微米的厚度。薄膜磷光體轉換器106'可以通過各種各樣的方法來沉積，包括脈沖激光沉積（pld）、濺射、離子射束、cvd、mocvd。這些方法還可以允許使用轉換材料，諸如gan、zno、以及要求外延膜并且可以允許uv中的激發以及可見中的發射的各種各樣的其它半導體材料。

圖5是根據本發明的處于反射式配置中的光源的另一個實施例。如圖4中那樣，半導體器件112在離軸位置中放置于轉換器106'的前方以便不干擾向前定向的次級光108。類似于圖2，光源200'采用具有圖案化表面234的光學器件204，其包括角隅棱鏡反射器210的2d陣列。然而，與圖2中的實施例不同，圖案化表面234的中心處不存在平坦區226，因為初級光射束140撞擊在轉換器106'的前表面107上。轉換器106'是已經沉積在光學器件204的平坦前表面244上的薄膜磷光體并且在整個前表面244之上延伸。如圖2中那樣，通過光學器件204的反射涂層202將向后發射的次級光逆反射回到發射區118中，由此增加向前定向的次級光發射的強度。

盡管已經在本文中描述了本發明的原理，但是本領域技術人員要理解，該描述僅通過示例的方式而做出并且不作為對本發明的范圍的限制。除本文示出和描述的示例性實施例之外，在本發明的范圍內設想到其它實施例。由本領域普通技術人員進行的修改和替換被視為處在本發明的范圍內，本發明的范圍僅受以下權利要求限制。