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CN115164129B - 一种激光照明结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种激光照明结构，涉及激光照明技术领域。该结构包括依次布置的蓝光激光器、聚焦透镜、反光杯、陶瓷组合件以及匀光透镜；反光杯杯口朝向陶瓷组合件设置，杯底设有圆孔；陶瓷组合件包括用于吸收激光转换形成白光的荧光陶瓷片以及用于发光元件的散热和透射白光的透明陶瓷片，荧光陶瓷片设置于透明陶瓷片中心，二者通过二次烧结组合在一起；激光照明结构还包括一用于系统散热的散热基底，散热基底截面成U型，分别与透明陶瓷片与蓝光激光器连接。本发明采用透明荧光陶瓷的“透射式+反射式”的封装形式，具有更高的发光效率，且可靠性和稳定性更高。

Description

一种激光照明结构
技术领域
本发明涉及激光照明技术领域，具体涉及一种激光照明结构。
背景技术
激光照明是继白光发光二极管(Light-emitting-diode,LED)照明技术之后的下一代照明技术，具有环保节能、高光效、高效率、体积小等显著优点。在激光照明系统中，主要有两种照明结构：第一种是将蓝色激光直接投射到荧光粉的表面，白光从荧光粉的另一表面出射，这种白光实现方式被称为透射式；另一种是，荧光材料通过硅胶固定在热沉上，将蓝色激光投射在荧光粉的表面，经过陶瓷荧光而产生的白光仍然从蓝光的入射表面发出，这种方式被称为反射式激光照明。反射式结构具有相对较高的发光效率，因此成为最佳的一种照明方式，在市面上已有相关产品，如：上海蓝湖照明科技有限公司的荧光晶体、青岛中科芯成照明技术有限公司的荧光粉体等等。采用荧光粉体的反射式封装结构，即荧光粉体通过硅胶与玻璃基板连接，如图1所示，具有结构设计新颖，集成度高的特点。蓝光激发荧光粉体101，玻璃基板102用于导光和散热，发光碗103往上方反射光束。
然而，目前的封装结构存在以下技术问题：
1.荧光粉体101采用硅胶与玻璃基板102进行连接，在强激光的激发下，荧光粉体101的激光照射区会聚集大量热量，其发光点温度不断升高。硅胶热导率很低(<1.0Wm-1K-1)，热量不能及时导入玻璃基板102中，造成硅胶的碳化或荧光粉体101的脱落。
2.为保证光的透过性，采用玻璃基板102进行封装设计，同时，玻璃基板102也充当散热基底。然而，玻璃基板102的热导率不高，只有1.0～2.0Wm-1K-1，不能迅速分担荧光粉体101产生的热量，加剧荧光粉体101的温度上升，出现发光性能下降、硅胶碳化等现象。
3.荧光粉体101采用硅胶封装，为提高反射量，荧光粉体101与玻璃基板102的接触面涂覆一层白胶，因此，荧光粉体101的正上方存在极少或没有光束，造成光的空间分布极不均匀。
另外，采用荧光晶体的反射式激光照明结构，也逐渐成为主流趋势，然而，荧光晶体为不透明的材料，只能利用反射的光束，其余光束被限制在荧光晶体中，限制发光效率进一步提升。
发明内容
鉴于此，本发明公开了一种激光照明结构，采用透明荧光陶瓷的“透射式+反射式”的封装形式，具有更高的发光效率，且可靠性和稳定性更高。
根据本发明的目的提出的一种激光照明结构，包括依次布置的用于发射蓝光的蓝光激光器、用于聚焦和准直激光的聚焦透镜、用于反射白光的反光杯、陶瓷组合件以及用于均匀白光的匀光透镜；所述反光杯杯口朝向陶瓷组合件设置，杯底设有圆孔；所述陶瓷组合件包括用于吸收激光转换形成白光的荧光陶瓷片以及用于发光元件的散热和透射白光的透明陶瓷片，荧光陶瓷片设置于透明陶瓷片中心，二者通过二次烧结组合在一起；所述激光照明结构还包括一用于系统散热的散热基底，所述散热基底分别与透明陶瓷片与蓝光激光器连接；蓝光激光器发射的蓝光激光经过聚焦透镜的聚焦和准直后穿过反光杯杯底的圆孔到达荧光陶瓷片，荧光陶瓷片吸收蓝光激光转换成白光，一部分透射至匀光透镜，另一部分投射至反光杯，经过反光杯的反射后穿过透明陶瓷片到达匀光透镜，匀光透镜将白光激光均匀后出射。
优选的，所述荧光陶瓷片为Ce掺杂的YAG(Y3Al5O12)或LuAG(Lu3Al5O12)，Ce掺杂浓度为0.1～1.0at.％，在555nm的透过率为79.0～81.0％。
优选的，所述透明陶瓷片为YAG(Y3Al5O12)或LuAG(Lu3Al5O12)，在555nm的透过率为79.0～81.0％。
优选的，所述蓝光激光器的输出波长为450nm，蓝光输出功率为5.0～10.0W，经匀光透镜出射的光束，发光效率为175～200lm/W，光通量为1000～1750lm。
优选的，所述聚焦透镜为非球面透镜或柱面镜。
优选的，所述反光杯的杯底圆孔半径0.1～1.0mm；表面反射率为95.0～99.0％。
优选的，所述匀光透镜为菲尼尔透镜、渐变折射率透镜中的一种。
优选的，所述散热基底截面成U型，由金属铝或紫铜制作而成。
优选的，所述陶瓷组合件的制备步骤包括：
步骤一：烧结制备荧光陶瓷片。
S1-1、将荧光陶瓷粉体干压至φ20mm的模具中，形成素坯。
S1-2、将素坯烧结，烧结温度1780～1820℃，烧结时间12～24h。
S1-3、切割并抛光，最终面积为1.0～9.0mm2，厚度为0.6～1.0mm。
步骤二：烧结制备陶瓷组合件。
S2-1、将步骤一中制备的荧光陶瓷片放入φ20mm模具的中心，随后倒入透明陶瓷粉体，干压形成素坯。
S2-2、将素坯烧结，烧结温度1780～1820℃，烧结时间12～24h。
S2-3、将获得内部含有荧光陶瓷片的透明陶瓷片进行抛光，最终厚度为0.6～1.0mm。
与现有技术相比，本发明公开的一种激光照明结构的优点是：
(1)本发明针对于5.0～10.0W的蓝光功率，采用透明荧光陶瓷的“透射式+反射式”的封装形式，具有更高的发光效率。
(2)本发明采用透明陶瓷与透明荧光陶瓷烧结固定的方式，能有效避免碳化或脱落现象，可靠性和稳定性更高。
(3)本发明采用高热导率的荧光陶瓷以及采用透明陶瓷取代现有的玻璃基板，显著提升了照明系统的散热性能。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为现有技术中激光照明光源的光路图。
图2为本发明公开的一种激光照明结构示意图。
图3为本发明公开的一种激光照明结构光路图。
图中：101-荧光粉体；102-玻璃基底；103-反光碗；1-蓝光激光器；2-聚焦透镜；3-反光杯；4-荧光陶瓷片；5-透明陶瓷片；6-散热基底；7-匀光透镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
图2、图3示出了本发明较佳的实施例，分别从不同的角度对其进行了详细的剖析。
实施例1
如图2所示的一种激光照明结构，包括蓝光激光器1、聚焦透镜2、反光杯3、匀光透镜7、散热基底6以及陶瓷组合件。
蓝光激光器1用于发射蓝光，输出波长为450nm，蓝光输出功率为5.0W。
聚焦透镜2为非球面透镜，用于聚焦和准直激光。
反光杯3用于反射白光，杯口朝向陶瓷组合件设置，杯底设有圆孔，圆孔半径0.1mm；表面反射率为95.0％。
匀光透镜7为菲尼尔透镜，用于均匀白光。
散热基底6由金属铝制作而成，用于系统散热。散热基底6截面成U型，分别与透明陶瓷片5与蓝光激光器1连接，荧光陶瓷片4与蓝光激光器1共用一个散热基底6。
陶瓷组合件包括用于吸收激光转换形成白光的荧光陶瓷片4以及用于发光元件的散热和透射白光的透明陶瓷片5，荧光陶瓷片4为圆形中心部，透明陶瓷片5为环形包边部，荧光陶瓷片4设置于透明陶瓷片5中心，二者采用二次烧结方法制备。荧光陶瓷片4为Ce掺杂的YAG(Y3Al5O12)，Ce掺杂浓度为0.1at.％，在555nm的透过率为79.0％。透明陶瓷片5为YAG(Y3Al5O12)，在555nm的透过率为79.0％。
陶瓷组合件制备包括以下步骤：
步骤一：烧结制备荧光陶瓷片4。
S1-1、将荧光陶瓷粉体干压至φ20mm的模具中，形成素坯。
S1-2、将素坯烧结，烧结温度1780℃，烧结时间12h。
S1-3、切割并抛光，最终面积为1.0mm2，厚度为1.0mm。
步骤二：烧结制备陶瓷组合件。
S2-1、将步骤一中制备的荧光陶瓷片4放入φ20mm模具的中心，随后倒入透明陶瓷粉体，干压形成素坯。
S2-2、将素坯烧结，烧结温度1780℃，烧结时间12h。
S2-3、将获得内部含有荧光陶瓷片4的透明陶瓷片5进行抛光，最终厚度为1.0mm。
如图3所示，蓝光激光器1的输出波长为450nm，蓝光输出功率为5.0W时，发射的蓝光激光经过聚焦透镜2的聚焦和准直后穿过反光杯3杯底的圆孔到达荧光陶瓷片4，荧光陶瓷片4吸收蓝光激光转换成白光，一部分透射至匀光透镜7，另一部分投射至反光杯3，经过反光杯3的反射后穿过透明陶瓷片5到达匀光透镜7，匀光透镜7将白光激光均匀后出射，经匀光透镜7出射的光束，发光效率为200lm/W，光通量为1000lm。
实施例2
如图2所示的一种激光照明结构，包括蓝光激光器1、聚焦透镜2、反光杯3、匀光透镜7、散热基底6以及陶瓷组合件。
蓝光激光器1用于发射蓝光，输出波长为450nm，蓝光输出功率为10.0W。
聚焦透镜2为柱面镜，用于聚焦和准直激光。
反光杯3用于反射白光，杯口朝向陶瓷组合件设置，杯底设有圆孔，圆孔半径1.0mm；表面反射率为99.0％。
匀光透镜7为渐变折射率透镜，用于均匀白光。
散热基底6由紫铜制作而成，用于系统散热。散热基底6截面成U型，分别与透明陶瓷片5与蓝光激光器1连接，荧光陶瓷片4与蓝光激光器1共用一个散热基底6。
陶瓷组合件包括用于吸收激光转换形成白光的荧光陶瓷片4以及用于发光元件的散热和透射白光的透明陶瓷片5，荧光陶瓷片4为圆形中心部，透明陶瓷片5为环形包边部，荧光陶瓷片4设置于透明陶瓷片5中心，二者采用二次烧结方法制备。荧光陶瓷片4为Ce掺杂的LuAG(Lu3Al5O12)，Ce掺杂浓度为1.0at.％，在555nm的透过率为81.0％；透明陶瓷片5为LuAG(Lu3Al5O12)，在555nm的透过率为81.0％。
陶瓷组合件制备包括以下步骤：
步骤一：烧结制备荧光陶瓷片4。
S1-1、将荧光陶瓷粉体干压至φ20mm的模具中，形成素坯。
S1-2、将素坯烧结，烧结温度1820℃，烧结时间24h。
S1-3、切割并抛光，最终面积为9.0mm2，厚度为0.6mm。
步骤二：烧结制备陶瓷组合件。
S2-1、将步骤一中制备的荧光陶瓷片4放入φ20mm模具的中心，随后倒入透明陶瓷粉体，干压形成素坯。
S2-2、将素坯烧结，烧结温度1820℃，烧结时间24h。
S2-3、将获得内部含有荧光陶瓷片4的透明陶瓷片5进行抛光，最终厚度为0.6mm。
如图3所示，蓝光激光器1的输出波长为450nm，蓝光输出功率为10.0W，发射的蓝光激光经过聚焦透镜2的聚焦和准直后穿过反光杯3杯底的圆孔到达荧光陶瓷片4，荧光陶瓷片4吸收蓝光激光转换成白光，一部分透射至匀光透镜7，另一部分投射至反光杯3，经过反光杯3的反射后穿过透明陶瓷片5到达匀光透镜7，匀光透镜7将白光激光均匀后出射，经匀光透镜7出射的光束，发光效率为175lm/W，光通量为1750lm。由于激光的功率太高，陶瓷的热稳定性略有下降工作，发光效率下降。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种激光照明结构，其特征在于，包括依次布置的用于发射蓝光的蓝光激光器(1)、用于聚焦和准直激光的聚焦透镜(2)、用于反射白光的反光杯(3)、陶瓷组合件以及用于均匀白光的匀光透镜(7)；所述反光杯(3)杯口朝向陶瓷组合件设置，杯底设有圆孔；所述陶瓷组合件包括用于吸收激光转换形成白光的荧光陶瓷片(4)以及用于发光元件的散热和透射白光的透明陶瓷片(5)，荧光陶瓷片(4)设置于透明陶瓷片(5)中心，二者通过二次烧结组合在一起；所述激光照明结构还包括一用于系统散热的散热基底(6)，所述散热基底(6)分别与透明陶瓷片(5)与蓝光激光器(1)连接；蓝光激光器(1)发射的蓝光激光经过聚焦透镜(2)的聚焦和准直后穿过反光杯(3)杯底的圆孔到达荧光陶瓷片(4)，荧光陶瓷片(4)吸收蓝光激光转换成白光，一部分透射至匀光透镜(7)，另一部分投射至反光杯(3)，经过反光杯(3)的反射后穿过透明陶瓷片(5)到达匀光透镜(7)，匀光透镜(7)将白光均匀后出射。
2.根据权利要求1所述的一种激光照明结构，其特征在于，所述荧光陶瓷片(4)为Ce掺杂的YAG或LuAG，Ce掺杂浓度为0.1～1.0at.％，在555nm的透过率为79.0～81.0％。
3.根据权利要求2所述的一种激光照明结构，其特征在于，所述透明陶瓷片(5)为YAG或LuAG，在555nm的透过率为79.0～81.0％。
4.根据权利要求1所述的一种激光照明结构，其特征在于，所述蓝光激光器(1)的输出波长为450nm，蓝光输出功率为5.0～10.0W，经匀光透镜(7)出射的光束，发光效率为175～200lm/W，光通量为1000～1750lm。
5.根据权利要求1所述的一种激光照明结构，其特征在于，所述聚焦透镜(2)为非球面透镜或柱面镜。
6.根据权利要求1所述的一种激光照明结构，其特征在于，所述反光杯(3)的杯底圆孔半径0.1～1.0mm；表面反射率为95.0～99.0％。
7.根据权利要求1所述的一种激光照明结构，其特征在于，所述匀光透镜(7)为菲尼尔透镜、渐变折射率透镜中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种激光照明结构，其特征在于，所述散热基底(6)截面成U型，由金属铝或紫铜制作而成。
9.根据权利要求1所述的一种激光照明结构，其特征在于，所述陶瓷组合件的制备步骤包括：
步骤一：烧结制备荧光陶瓷片(4)；
S1-1、将荧光陶瓷粉体干压至φ20mm的模具中，形成素坯；
S1-2、将素坯烧结，烧结温度1780～1820℃，烧结时间12～24h；
S1-3、切割并抛光，最终面积为1.0～9.0mm2，厚度为0.6～1.0mm；
步骤二：烧结制备陶瓷组合件；
S2-1、将步骤一中制备的荧光陶瓷片(4)放入φ20mm模具的中心，随后倒入透明陶瓷粉体，干压形成素坯；
S2-2、将素坯烧结，烧结温度1780～1820℃，烧结时间12～24h；
S2-3、将获得内部含有荧光陶瓷片(4)的透明陶瓷片(5)进行抛光，最终厚度为0.6～1.0mm。
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