一种高亮度、色温可调的固态照明光源

摘要

本发明属于照明领域，具体公开了一种高亮度、色温可调的固态照明光源，本发明采用封装结构将LED和LD芯片的热沉集成在一起，随后混合泵浦源激发同一片荧光陶瓷板，来获得高亮度固态照明光源；并采用LD端面泵浦（透射式照明结构）、LED从荧光陶瓷板底面补蓝光的技术方案，来实现照明光源色温的均匀分布。即激光二极管侧面泵浦荧光转换板，来获得比较好的透射深度，使蓝光得到充分利用，避免激光泄露；同时在荧光板的表面也获得均匀发射的荧光，再使用发光二极管来进行补光，进而获得空间色度均匀分布的的白光光源；同时可以通过控制LED芯片的输出功率来获得不同色温和色坐标的固态照明光源。

说明书

技术领域

本发明涉及照明领域，尤其涉及一种高亮度、色温可调的固态照明光源。

背景技术

目前，在较小功率激光照明和大功率LED照明领域，荧光粉得到普遍推广和应用。为了获得高流明密度固体光源，荧光粉必须承受高功率密度激发。众所周知，荧光粉封装材料多为硅胶或环氧树脂；当LD芯片辐射出高流明密度蓝光，由于硅胶或环氧树脂的热导率较低，导致光转换过程产生的废热不能快速释放，引起局部高温，这将导致荧光粉度猝灭，降低荧光转化的效率，导致光通量下降，严重时会导致此类光转换材料的碳化。荧光陶瓷材料，具有热导率高、机械力学性能好、发光离子多种类、宽浓度范围均匀掺杂、结构设计灵活等优势，可以解决热猝灭和光饱和问题。

在现有采用荧光陶瓷作为光转换材料的激光照明系统中，为了提高激光照明的亮度，通常采用与LED类似的方式，利用激光光束较为集中的特点，将多个激光光源所发出的光线汇聚到同一个点，以达到较小的发光面积和较高的亮度的要求。如专利1（CN201820469119.7）提出一种LED和LD混合照明的光源结构，LED价格便宜，激光光源亮度高，各取所长的同时也降低了整个照明单元的成本。但此专利明显存在以下技术问题：

（1）将激光器置于荧光陶瓷的上表面的反射式激光照明结构存在明显的激光蓝斑；业界很难解决这一问题。

（2）激光器从上表面激发陶瓷后，为点光源发射；LED从底面激发，为面光源发射；两者再进行混光，会导致照明光源的色温分布极其不均匀，光源应用领域严重受限。因此，需要进一步优化，将两种发射光源均设计为面光源发射（LED本身为面光源发射，很难变成点光源）。

（3）LED与LD这两个激发源距离较远，需要单独进行散热。

另外，在高功率激光照明系统中，通过材料本身来控制光源色温，不仅成本高，难度大，而且实现的可能性极低。例如文献1（High power laser-driven ceramic phosphorplate for outstanding efficient white light conversion in application ofautomotive lighting）通过提高荧光陶瓷中掺杂的发光离子的浓度，提高对蓝光的吸收，避免出现“蓝斑”现象；但如果发光离子浓度太高，又会使蓝光含量太低，会出现“黄区”现象。文献2（Fabrication design for a high-quality laser diode-based ceramicconverter for a laser headlamp application）使用造孔剂引入气孔，通过改变气孔含量来控制光源色温。但气孔率容易控制，但气孔尺寸却大不相同；同时该荧光陶瓷中本身就含有第二相的Al

发明内容

因此，本发明采用封装结构将LED和LD芯片的热沉集成在一起，随后混合泵浦源激发同一片荧光陶瓷板，来获得高亮度固态照明光源；并采用LD端面泵浦（透射式照明结构）、LED从荧光陶瓷板底面补蓝光的技术方案，来实现照明光源色温的均匀分布。即激光二极管侧面泵浦荧光转换板，来获得比较好的透射深度，使蓝光得到充分利用，避免激光泄露；同时在荧光板的表面也获得均匀发射的荧光，再使用发光二极管来进行补光，进而获得空间色度均匀分布的的白光光源；同时可以通过控制LED芯片的输出功率来获得不同色温和色坐标的固态照明光源。

本发明的技术方案如下：

一种高亮度、色温可调的固态照明光源，其特征在于，包括激光器、荧光陶瓷板、基底、导光层、LED芯片；其中，基底中心设有U型凹槽，所述激光器固定在凹槽左侧，放置在荧光陶瓷板的左端面，所述荧光陶瓷板右端面、前后表面紧贴基底，所述LED芯片贴合在基底凹槽底部，所述LED芯片与荧光陶瓷板的下底面中间设置导光层。

优选的，所述激光器为蓝光半导体激光器，输出波长为440~460 nm，蓝光输出功率为2~20 W。

优选的，所述荧光陶瓷板为Ce掺杂的YAG（Y

优选的，所述荧光陶瓷板在800 nm直线透过率为80.0~84.4%。

优选的，所述荧光陶瓷板上表面处的平均色温为3750~8000 K，最高光通量为960~6000 lm。

优选的，所述导光层为透明硅脂或二向色镜中的一种。

优选的，所述LED芯片的发射波长为440~460 nm，输出的蓝光功率为2~10 W。

优选的，所述激光器发射蓝光，从荧光陶瓷板的左端面进入荧光陶瓷板；荧光陶瓷板充分吸收高功率蓝光并发出黄光，在其上表面均匀分布；LED芯片发出的蓝光，穿过导光层后，部分被荧光陶瓷板吸收转换为黄光，其余部分则穿过荧光陶瓷板与黄光进行混合，形成色度均匀的白光。改变LED芯片的功率，可以有更多的蓝光透过，进而改变色温。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1. 目前在激光照明系统广泛使用透射式照明结构，即蓝光LD正面激发荧光陶瓷，会出现蓝光光斑集中在中心区的问题（激光器功率密度太高穿透荧光陶瓷导致）；而反射式照明结构，荧光陶瓷上表面会出现显著的激光蓝斑（荧光陶瓷表面反射导致）。本发明基于透射式照明方案，采用激光二极管从荧光陶瓷端面泵浦，避免了荧光陶瓷上表面出现蓝光光斑；同时，从端面泵浦可以获得较好的透射深度，使LD的蓝光充分转化为黄光，均匀分布再荧光陶瓷上表面，并与蓝光LED混合形成色温均匀分布的光源。

2. 目前激光照明白光光源多为单一色温光源。本发明通过增加LED蓝光芯片，通过调节LED的功率，可以获得不同色温的混合照明光源（4500 K~7500 K），解决激光白光光源色温单一的问题，同时可以有效降低使用多个激光器作为激发源的成本和光路设计问题。

3. 相比LED和LD分离的方案，本专利将LED和LD集成在一起的新的封装方案，极大有利于小型化和降低光源的成本。

附图说明

图1为本发明的一种高亮度、色温可调的固态照明光源主视图；

图2为本发明的一种高亮度、色温可调的固态照明光源俯视图；

图3为本发明的一种高亮度、色温可调的固态照明光源光路图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明创造作详细的介绍。

实施例1

如图1-2所示，准备激光器10、荧光陶瓷板20、基底30、导光层40、LED芯片50；其中，基底30中心设有U型凹槽，所述激光器10固定在凹槽左侧，放置在荧光陶瓷板20的左端面，所述荧光陶瓷板20右端面、前后表面紧贴基底30，所述LED芯片50贴合在基底30凹槽底部，所述LED芯片50与荧光陶瓷板20的下底面中间设置导光层40。

所述导光层40为透明硅脂。

所述激光器10为蓝光半导体激光器。

所述激光器10输出波长为440 nm，蓝光输出功率为2 W。

所述荧光陶瓷板20为Ce掺杂的YAG荧光陶瓷；其中，Ce3+掺杂浓度0.1 at%，荧光陶瓷板厚度0.8 mm，宽度3 mm，长度10 mm，在800 nm直线透过率为80.0%，表面平滑处理。

所述LED芯片50的发射波长为440 nm，输出的蓝光功率为2 W。

如图3所示，所述激光器10发射蓝光，从荧光陶瓷板20的左端面进入荧光陶瓷板20；荧光陶瓷板20充分吸收高功率蓝光并发出黄光，在其上表面均匀分布；LED芯片50发出的蓝光，穿过导光层40后，部分被荧光陶瓷板20吸收转换为黄光，其余部分则穿过荧光陶瓷板20与黄光进行混合，形成色度均匀的白光。

当激光器10的输出蓝光功率为2W，LED芯片50输出的蓝光功率为0.5 W时，荧光陶瓷板20的运行温度为38 °C，上表面处的平均色温为4265 K，光通量为675 lm；当激光器10的输出蓝光功率为2W，LED芯片50输出的蓝光功率为1W时，荧光陶瓷板20的运行温度为42 °C，上表面处的平均色温为5540 K，光通量为782 lm；当激光器10的输出蓝光功率为2W，LED芯片50输出的蓝光功率为2W时，荧光陶瓷板20的运行温度为48 °C，上表面处的平均色温为8000 K，光通量高达960 lm。该固态照明光源的色温通过调节LED的输出功率，可在4265~8000 K范围内调控。

实施例2

如图1-2所示，准备激光器10、荧光陶瓷板20、基底30、导光层40、LED芯片50；其中，基底30中心设有U型凹槽，所述激光器10固定在凹槽左侧，放置在荧光陶瓷板20的左端面，所述荧光陶瓷板20右端面、前后表面紧贴基底30，所述LED芯片50贴合在基底30凹槽底部，所述LED芯片50与荧光陶瓷板20的下底面中间设置导光层40。

所述导光层40为二相色镜。

所述激光器10为蓝光半导体激光器。

所述激光器10输出波长为460 nm，蓝光输出功率为20 W。

所述荧光陶瓷板20为Ce掺杂的YAG荧光陶瓷；其中，Ce3+掺杂浓度0.01 at%，荧光陶瓷板20厚度1.2 mm，宽度20 mm，长度20 mm，在800 nm直线透过率为84.4%，表面平滑处理；

所述LED芯片50的发射波长为460 nm，输出的蓝光功率为10 W。

所述导光层40在440~480 nm高透，在500~800 nm高反。

如图3所示，激光器10发射蓝光，从荧光陶瓷板20的左端面进入荧光陶瓷板20；荧光陶瓷板20充分吸收高功率蓝光并发出黄光，在其上表面均匀分布；LED芯片50发出的蓝光，穿过导光层40后，部分被荧光陶瓷板20吸收转换为黄光其余部分则穿过荧光陶瓷板20与黄光进行混合，形成色度均匀的白光。

当激光器10的输出蓝光功率为2W，LED芯片50输出的蓝光功率为0.5 W时，荧光陶瓷板20的运行温度为32 °C，上表面处的平均色温为4320 K，光通量为745 lm,采用二相色镜相比透明硅胶，光线利用率更高；当激光器10的输出蓝光功率为20 W，LED芯片50输出的蓝光功率为1W时，荧光陶瓷板20运行温度为82 °C，上表面处的平均色温3750 K，光通量为5250 lm；当激光器10的输出蓝光功率为20 W，LED芯片50输出的蓝光功率为5 W时，荧光陶瓷板20运行温度90 °C，上表面处的平均色温为4890 K，光通量为5744 lm；当激光器10的输出蓝光功率为20 W，LED芯片50输出的蓝光功率为10 W时，荧光陶瓷板20运行温度142 °C，荧光陶瓷板20出现了一定程度的热猝灭，上表面处的平均色温为6250 K，光通量高达6000lm。该固态照明光源的色温通过调节LED的输出功率，可在3750~6250 K范围内调控。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。