CN203489181U - 色轮及其光源系统、投影系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型保护一种色轮及其光源系统、投影系统。所述色轮包括金属底板和波长转换层，所述波长转换层包括依次层叠固定的陶瓷基板、反射层和荧光粉层，且所述陶瓷基板的背向所述反射层的一面面向所述金属底板地固定在所述金属底板上。采用本实用新型既能获得良好的热稳定性和反射率，同时还可避免波长转换层被甩脱。

Description

色轮及其光源系统、投影系统

技术领域

本实用新型涉及照明及显示技术领域，特别是涉及色轮及其光源系统、投影系统。

背景技术

采用固态光源如激光二极管（LD,Laser Diode）或发光二极管（LED,Light Emitting Diode）发出的激发光以激发荧光粉如荧光粉的波长转换方法能够产生高亮度的波长不同于激发光波长的光。这种方案具有高效、低成本的优势，已成为现有光源提供白光或者单色光的主流技术。在该种方案中，光源包括激发光源和色轮，其中色轮包括反射基板和涂覆在反射基板上的荧光粉片，以及用于驱动反射基板转动的马达，使得来自激发光源的激发光在荧光粉片上形成的光斑按圆形路径作用于该荧光粉片。

一种常用的反射基板为镜面铝基板，由铝基材和高反射层叠置而成，其中高反射层一般采用高纯铝或者高纯银。而涂覆在反射基板上的荧光粉片一般由硅胶将荧光粉颗粒粘接成片状。在这样的结构中，空气容易透过荧光粉层与高反射层接触，使得该高反射层与空气产生接触。由于银原子很容易与大气中的硫化氢、氧气等发生硫化、氧化反应而使高反射层的反射率和热稳定性急剧降低；对于反射铝层来说，铝的稳定性高于银，但是反射率不高。因此，在目前工艺条件下，难以做到要兼顾镜面铝基板的反射率和稳定性。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种可以兼顾反射率和稳定性的色轮及其光源系统、投影系统。

本实用新型实施例提供一种色轮，包括金属底板和波长转换层，所述波长转换层包括依次层叠固定的陶瓷基板、反射层和荧光粉层，且所述陶瓷基板的背向所述反射层的一面面向所述金属底板地固定在所述金属底板上。

进一步地，所述金属底板表面上开设有凹槽，所述波长转换层固定于所述凹槽内。

进一步地，所述荧光粉层包括荧光粉和粘接所述荧光粉的第一玻璃体。

进一步地，所述反射层为漫反射层，包括白色散射粒子和粘接所述白色散射粒子的第二玻璃体。

进一步地，所述陶瓷基板的材料为导热率80W/mK以上的陶瓷。

进一步地，所述金属底板呈圆盘状，所述波长转换层为圆环形结构，且与所述金属底板共中心轴地固定到所述金属底板表面上。

进一步地，所述色轮还包括驱动设备，所述驱动设备与所述金属底板连接并驱动所述金属底板绕其中心轴转动。

进一步地，所述陶瓷基板由至少两个子陶瓷基板组成，且不同所述子陶瓷基板上的荧光粉层所含有的荧光粉受激发而产生的受激光的颜色不同。

进一步地，所述底板的材料为金属、金属合金或金属与无机材料构成的复合材料。

本实用新型还保护一种光源系统，包括产生激发光的激发光源，还包括如上项所述的色轮，所述色轮的荧光粉置于所述激发光源所产生的激发光的光路上，并将激发光转换为受激光发出。

本实用新型还保护一种光源系统，一种投影系统，用于成像投影，还包括上述的光源系统。

与现有技术相比，本实用新型包括如下有益效果：

本实用新型中，在色轮利用反射层，尤其是漫反射层与陶瓷基板来代替传统的镜面金属板；其中漫反射层包括白色散射粒子，白色散射粒子会对入射光进行散射反射，从而利用漫反射代替传统金属反射层的镜面反射，实现了对入射光的反射；而且白色散射粒子在高温下也不会氧化、分解等作用导致性质改变，减弱对入射光的的反射、散射作用，因此漫反射层可以耐受较高温度。

同时，由于陶瓷材料的熔点高于金属，可以耐受比金属更高的温度；这些陶瓷的导热率虽然略低于铝基板，但是仍高于铁等金属的导热率，并且陶瓷基板与漫反射层之间、漫反射层和荧光粉层之间的界面热阻较低，可以将荧光粉层的热量传导至陶瓷基板，并散发到空气中，从而提高了色轮的热稳定性。

另外，鉴于陶瓷材料的韧性低、脆性高，基板全由陶瓷材料制成的色轮在承受高强度激光照射时，抵抗热冲击的能力不稳定，容易出现炸裂的情况；本实用新型中采用金属、金属合金或者金属—无机复合材料制成金属底板，并在该金属底板的第一区域上设有陶瓷基板，以及在该陶瓷基板上设置漫反射层和荧光粉层，相比基板全由陶瓷材料制成的色轮，降低了陶瓷基板出现裂纹、破损、甚至炸裂的几率。

最后，由于色轮工作时处于高速运转状态，因此具有很大的向心力。为了避免波长转换层被甩脱，金属底板上设有环形凹槽，这样，可以增大金属底板140与陶瓷基板130的接触面积，更有利于陶瓷基板130的散热，更重要的是，可以降低金属底板140和陶瓷基板130之间由于粘接不牢而在转动过程中被甩落的概率。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例的色轮的俯视图；

图2为图1所示色轮的剖视图；

图3为本实用新型第二实施例的色轮的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型实施例进行详细说明。

请参阅图1和图2，图1为本实用新型色轮的一个实施例的俯视图，图2为图1所示色轮的半剖视图。

色轮包括金属底板140和波长转换层，波长转换层包括依次层叠固定的陶瓷基板130、反射层120和荧光粉层110，金属底板140表面上开设有凹槽，波长转换层整体地固定在凹槽内，且陶瓷基板130的背向反射层的一面面向所述凹槽的底面。色轮还包括驱动设备150，其与金属底板140固定连接。

金属底板140呈圆盘状，由金属、金属合金或者金属—无机复合材料制成，金属如铝、铜、银等，金属合金如黄铜、铝合金、铜铝合金等，金属-无机复合材料为金属材料和无机材料的混合材料，例如金刚石-铜、氮化硼-铜等。

金属底板140包括第一区域140a，本实施例中，该第一区域140a为金属底板140上以其圆心为中心的一个环形区域。

陶瓷基板130呈一整体的、与第一区域140a的形状相匹配的圆环状，并设置在金属底板140的第一区域140a上。实际运用中，可采用高导热的粘胶（例如银胶或填入导热粒子的硅胶）将该陶瓷基板130粘接到第一区域140a上。优选地，陶瓷基板130为氧化铝基板、氮化铝基板、氮化硅基板、碳化硅基板、氮化硼基板或者氧化铍基板，它们都是具有致密结构的陶瓷板，并不具有多孔结构。这些材料的导热率在80W/mK以上，且熔点基本上在2000摄氏度以上，因此它们在实现导热的同时，还可以耐受较高的温度。当然，在对陶瓷基板的导热率要求不是很高的场合中，陶瓷基板也可以采用其他种类的陶瓷板制成。

反射层120为漫反射层，其设于陶瓷基板130背向金属底板140的一面上。漫反射层120包括白色散射粒子，用于对入射光进行反射。白色散射粒子一般为盐类或者氧化物类粉末，例如粒径大小从50纳米到5微米范围内的氧化铝、氧化钛、氮化铝、氧化镁、氮化硼、氧化锌、氧化锆、硫酸钡等超白单体粉末颗粒，或者至少两种以上粉末颗粒的混合体。这些白色散射材料基本上不会对光进行吸收，并且性质稳定，不会在高温下氧化或分解。考虑到漫反射层需要较好的反射率和散热效果，优选地选择综合性能较高的氧化铝粉末。当然，为了实现漫反射层的反射入射光的功能，白色散射材料在漫反射层中需要有一定致密度和厚度，该致密度和厚度可以通过实验确定。

举例来说，在氮化铝陶瓷为金属底板在表面设置一层厚度为0.8mm的氧化铝粉末作为漫反射层，该氧化铝粉末粒径分布为0.1μm至1μm之间，其与粘接剂的质量比为12：1。此时测得漫反射层的相对于镜面铝基板的反射率为99.9%，几乎与镜面铝基板相同。当然，漫反射粒子的粒径、漫反射层的厚度以及致密度还可以是其它数值，这些数值可以由本领域技术人员根据现有技术通过若干次实验得到。

当然，本实用新型的反射层也可以全反射介质膜，例如具有高反射率的铝膜、银膜等。

荧光粉层110包括荧光粉，设于漫反射层120表面上。该荧光粉用于吸收激发光并受激产生不同于激发光波长的光。例如YAG（钇铝石榴石）荧光粉，YAG荧光粉可以吸收蓝光、紫外光等而产生黄色受激光。此外，荧光粉还可以是红光荧光粉，用于吸收激发光以产生红色受激光；或者还可以是绿光荧光粉等产生其他颜色受激光的荧光粉。

驱动设备150与金属底板140相互固定，用于驱动金属底板140围绕其中心轴旋转，以使得激发光在荧光粉层110上形成的光斑按圆形路径周期性作用于该荧光粉层110。本实施例中，该驱动设备150具体为马达。

本实用新型实施例中，色轮利用反射层，尤其是漫反射层与陶瓷基板来代替传统的镜面金属板。其中漫反射层包括白色散射粒子，白色散射粒子会对入射光进行散射，从而利用漫反射代替传统金属反射层的镜面反射，实现了对入射光的反射。而且白色散射粒子在高温下也不会氧化而吸收入射光，因此漫反射层可以耐受较高温度。同时，由于陶瓷基板材料的熔点高于金属，可以耐受比金属更高的温度。

对于镜面铝基板来说，其表面比较光滑，当荧光粉层在镜面铝基板的表面成型后，荧光粉层与基板接触的表面会收缩，而部分与基板分离，使得荧光粉层与镜面铝基板的接触面积较小，因此荧光粉层与镜面铝基板之间的界面热阻比较大。而对于氮化铝陶瓷基板的色轮，由于陶瓷基板和漫反射层的表面都相对比较粗糙，因此，荧光粉层与漫反射层之间、漫反射层与陶瓷基板之间的接触面积比较大，使得色轮成型后的界面热阻较小，从而可以将荧光粉层的热量更多地传递至陶瓷基板，使得色轮可以耐受更高温度。

在本实施例中，转动的色轮使得荧光粉层上的不同位置周期性的通过激发光的光路并被激发光激发，这样对于每一个位置来说被激发的时间都只是转动到第一反射面的焦点的一瞬间，其温度得以大大降低，效率则大幅度的提高。。

由于色轮工作时处于高速运转状态，因此具有很大的向心力。如果将波长转换层直接设置在平面的金属底板表面，容易受向心力作用而甩脱。而本实用新型中，金属底板140的第一区域优选设为环形凹槽，而陶瓷基板130设置在凹槽内。这样，可以增大金属底板140与陶瓷基板130的接触面积，更有利于陶瓷基板130的散热，更重要的是，可以降低金属底板140和陶瓷基板130之间由于粘接不牢而在转动过程中被甩落的概率。优选地，该凹槽的形状面积稍大于陶瓷基板的形状面积，以方便陶瓷基板的安装。

该凹槽可以是金属底板140表面向下开设的，也可以是在表面凸起，然后在该凸起部分内开设的凹槽，本文不做限制。

本实施例中，陶瓷基板130和荧光粉层110的形状只为举例，并不对其进行限制。举例来说，该陶瓷基板130和荧光粉层110也可以均呈带状区域或采取其他适当设置方式，而驱动设备150为线性平移装置或采取其他适当设置方式，使得入射光在荧光粉层110上产生的光斑沿直线路径或其他预定路径作用于该荧光粉层110。

在实际应用中，荧光粉一般会被粘接剂封装成一个整体，其中最常用的是硅胶粘接剂，其化学性质稳定、有较高的机械强度。但是硅胶粘接剂的可耐受温度较低，一般在300摄氏度至500摄氏度。为了应用于大功率的发光装置中，优选地，可以用无机粘接剂来将荧光粉粘接成一个整体，无机粘接剂可以是水玻璃、玻璃粉等，以实现耐高温的反射式荧光粉轮。

优选地，荧光粉层110的粘接剂为第一玻璃粉，玻璃粉是一种无定形颗粒状的玻璃均质体，其透明度高且化学性质稳定。第一玻璃粉和荧光粉可以通过烧结成型的过程使得荧光粉层110与漫反射层之间的结合力非常强，并且可以耐受较高的温度。

类似地，白色散射粒子也需要用粘接剂粘接成一个整体。粘接剂也可以是硅胶、水玻璃等。而优选地，白色散射粒子通过第二玻璃粉粘接。这里的第二玻璃粉可以是和第一玻璃粉相同的玻璃粉，也可以是不同的玻璃粉。在漫反射层中，第一玻璃粉将白色散射粒子进行粘接，将白色散射粒子与空气隔绝，以避免白色散射粒子在空气中受潮，并使得漫反射层具有较高的强度和透过率。同时，当荧光粉层110和漫反射层的粘接剂都为玻璃粉，可以通过荧光粉层110在漫反射层表面烧结成型或者漫反射层在荧光粉层110表面烧结成型，使得二者之间的具有较强的结合力。

值得说明的是，当先成型漫反射层，然后在漫反射层表面烧结荧光粉层110时，为了使得烧结荧光粉层110的过程中，不对漫反射层120造成影响，烧结温度优选在第一玻璃粉的软化温度以下，因此第一玻璃粉的软化温度要高于第二玻璃粉的软化温度。同理，当先成型荧光粉层110，然后在荧光粉层110表面烧结漫反射层120时，烧结温度优选在第二玻璃粉的软化温度以下，第一玻璃粉的软化温度要低于第二玻璃粉的软化温度。

如图3所示，

本实施例中，陶瓷基板130也可以不是呈整体的圆环状，而是由至少两个呈弧状的子陶瓷基板拼接成一个完整的圆环。相比呈整体的圆环状，这种拼接成圆环的陶瓷基板出现裂纹、破损甚至炸裂的概率更低。相应地，不同颜色的荧光粉分别设置到不同的子陶瓷基板上。

具体举例来说，如图3所示，陶瓷基板130由三个呈弧状的子陶瓷基板130a、130b和130c组成一个圆环。不同子陶瓷基板表面设置不同的相应面积的荧光粉层。例如分别为黄色荧光粉层、绿色荧光粉层、红色荧光粉层。

在呈整体的圆环状的陶瓷基板中，若要涂覆不同颜色的荧光粉时，由于陶瓷基板的尺寸较大，一次性完成粉层刮涂的难度较大，且不同颜色段需要分次刮涂和烧结，制作周期较长。而在这种拼接式的圆环中，不同颜色的荧光粉可以同时刮涂到相对应的陶瓷段中，由于陶瓷段的尺寸较小，易于一次刮涂成型，且各涂覆好荧光粉的陶瓷段可以同时烧结，大大缩短了色轮的制作周期。

当然，以上荧光粉层所包括的分区数量和颜色均为举例，并不做限制。实际运用中可以采用其他数量的分区和颜色，甚至在一个分区上也可以包括至少两种颜色的荧光粉。

本实用新型还保护一种光源系统，其包括产生激发光的激发光源，还包括上述的色轮，色轮的荧光粉层置于所述激发光源所产生的激发光的光路上，并将激发光转换为受激光发出。

本实用新型实施例还提供一种投影系统，用于投影成像，包括前述的光源系统。该投影系统可以采用各种投影技术，例如液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）投影技术、数码光路处理器（DLP，DigitalLight Processor）投影技术。此外，上述发光装置也可以应用于照明系统，例如舞台灯照明。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种色轮，其特征在于，包括金属底板和波长转换层，所述波长转换层包括依次层叠固定的陶瓷基板、反射层和荧光粉层，且所述陶瓷基板的背向所述反射层的一面面向所述金属底板地固定在所述金属底板上。

2.根据权利要求1所述的色轮，其特征在于，所述金属底板表面上开设有凹槽，所述波长转换层固定于所述凹槽内。

3.根据权利要求1所述的色轮，其特征在于，所述荧光粉层包括荧光粉和粘接所述荧光粉的第一玻璃体。

4.根据权利要求1所述的色轮，其特征在于，所述反射层为漫反射层，包括白色散射粒子和粘接所述白色散射粒子的第二玻璃体。

5.根据权利要求1所述的色轮，其特征在于，所述陶瓷基板的材料为导热率80W/mK以上的陶瓷。

6.根据权利要求1所述的色轮，其特征在于，所述金属底板呈圆盘状，所述波长转换层为圆环形结构，且与所述金属底板共中心轴地固定到所述金属底板表面上。

7.根据权利要求6所述的色轮，其特征在于，所述色轮还包括驱动设备，所述驱动设备与所述金属底板连接并驱动所述金属底板绕其中心轴转动。

8.根据权利要求1所述的色轮，其特征在于，所述陶瓷基板由至少两个子陶瓷基板组成，且不同所述子陶瓷基板上的荧光粉层所含有的荧光粉受激发而产生的受激光的颜色不同。

9.根据权利要求1所述的色轮，其特征在于，所述金属底板的材料为金属、金属合金或金属与无机材料构成的复合材料。

10.一种光源系统，其特征在于，包括产生激发光的激发光源，还包括如权利要求1至9任一项所述的色轮，所述色轮的荧光粉置于所述激发光源所产生的激发光的光路上，并将激发光转换为受激光发出。

11.一种投影系统，用于成像投影，其特征在于，还包括如权利要求10所述的光源系统。

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