CN101539270A - 具有发射角度选择特性的光波长转换方法 - Google Patents

具有发射角度选择特性的光波长转换方法 Download PDF

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Abstract

一种具有发射角度选择特性的光波长转换方法，用于光源，包括步骤：引导激发光射往包括了波长转换材料的波长转换层(1)来激发受激发光；尤其是，在所述波长转换层(1)至少一侧设置一具有较小折射率的介质膜/片(3)，利用全反射现象将所述波长转换层(1)中的大角度出射光线反射回去；在所述波长转换层(1)的光源输出侧设置一角度选择滤光膜/片(2)，仅使小于预定出射角度的受激发光透射出去，另一侧设置一反光膜/片(5)。从而采用本发明，能提高光源的荧光转换效率，简化光源结构的同时，提高光源的光输出亮度或强度；并具有实现成本低、易于实施的优点。

Description

具有发射角度选择特性的光波长转换方法
技术领域
本发明涉及光源的光学结构，尤其涉及光波长转换装置控制光强度或方向的方法。
背景技术
光源运用场合越来越多样化，例如用于图像投影，以背投电视(RPTV)或前投影仪为例；或用于交通运输工具，以汽车、船或飞机的前灯或照明灯为例；......不同运用场合对光源色彩的要求各不相同。比如舞台灯光需要具有不同的颜色；投影显示领域所适用光源的色温可以从6500K变化到11000K。
特定颜色或色温的现有光源，例如白光光源，一般赖以实现的主要技术方案有RGB混光方案和荧光转换方案。所述RGB混光方案是利用不同颜色，例如以红、绿或蓝基色为例的光源为单位进行组合混光，从而得到不同色温的白光输出。所述荧光转换方案是利用预定波长的发射光来激发光波长转换材料，例如荧光粉，发出白光。
鉴于半导体发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有使用寿命长、功耗低、波长可调等优点，随着各种新型高功率高亮度LED的不断涌现，LED光源在显示和照明领域得到了越来越广泛的应用。
现有低成本LED光源多采用荧光转换方案。例如，日本日亚公司(Nichia)的白光LED专利，公开了利用470纳米蓝光LED芯片来激发黄色YAG荧光粉发出白光的技术方案。该类光源结构上至少包括LED、荧光粉及用来改变受激发光方向的反射体或反射面，所述荧光粉在LED发射光的激励下，发出特定波长的光子并经所述反射体或反射面收集后定向射出。
为了简化光源的结构设计和便于生产，申请号为88100491的中国专利申请公开了一种红色荧光转换膜，将红色荧光涂料涂在衬底上固化后制得。该膜可以配合平面光源来改变光源输出颜色。申请号为2005101048507的中国专利申请更公开了一种荧光胶膜，可便于胶贴在液晶显示器的背光板上。
上述现有技术的不足之处在于：在使用荧光转换膜给光源带来结构简化优点的同时，现有光源对如何提高荧光转换效率的考虑不足，从而不利于光源输出亮度的提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足之处，而提出一种光波长转换方法，能在简化光源结构的同时，便于提高光源的输出亮度。
为解决上述技术问题，本发明的基本构思为：根据波长转换物质(例如荧光粉)的一般特性，受激发光呈各向同性，即在各个角度上均匀发光，其发散角为4∏；但在光源的实际应用，尤其作为投影光源应用中，需要限制受激发光的收集角度(比如只能收集半角30度以内孔径的光)，使得因有效角度以外的受激发光被浪费而严重降低了荧光转换光源的光利用率(如30度以内的光只占全角总发光的12.5％)；因此，为现有荧光膜的一面增加一层反射膜来反射受激发光使其只能从正面出射来将发散角减小为2∏，同时为另一面增加一层角度选择滤光片/膜，允许预定角度范围内的受激发光透射，并将其余角度的受激发光反射回荧光膜，利用所述荧光粉对该受激发光的漫反射作用和所述发射膜的反射作用来改变这些受激发光的出射角度，以进行二次或多次利用；尤其是，在现有荧光膜与角度选择滤光片/膜之间和/或荧光膜与反光膜之间加入具有较低折射率的介质时，可利用全反射现象将来自荧光膜的大角度出射光线(包括激发光)反射回荧光膜，同时可以起到限制激发光的作用，使原来没有被荧光粉吸收的剩余激发光有机会反射回荧光膜得以被二次利用，从而提高荧光转换效率。
作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种具有发射角度选择特性的光波长转换方法，用于光源，包括步骤：引导激发光射往包括了波长转换材料的波长转换层来激发产生预定波长的受激发光；尤其是，还包括步骤：在所述波长转换层的一侧设置一角度选择滤光膜/片，来引导小于预定出射角度的受激发光以透射方式通过该角度选择滤光膜/片，同时将大于该预定出射角度的受激发光反射回去；在所述波长转换层的另一侧设置一反光膜/片，来反射射往该反光膜/片的受激发光；在所述波长转换层与所述角度选择滤光膜/片之间设置一具有低折射率的第一介质膜/片，或/和在所述波长转换层与所述反光膜/片之间设置一具有低折射率的第二介质膜/片，且令该第一介质膜/片或第二介质膜/片的折射率都低于所述波长转换层的折射率n1，来全反射来自所述波长转换层的大角度入射光线。
上述方案中，设置使所述第一介质膜/片或第二介质膜/片的厚度均小于该第一或第二介质膜/片自身的内切圆半径。
上述方案中，设置使所述第一介质膜/片或第二介质膜/片的厚度均小于该第一或第二介质膜/片自身内切圆半径的1/15。
上述方案中，选择所述反光膜/片为反射部分受激发光的第二角度选择滤光膜/片，来引导小于第二预定出射角度的受激发光以透射方式通过该第二角度选择滤光膜/片，同时将大于该第二预定出射角度的受激发光反射回去。
上述方案中，选择使所述第二角度选择滤光膜/片同时还引导激发光以透射方式穿透该第二角度选择滤光膜/片。
上述方案中，选择所述反光膜/片来使之同时引导激发光以透射方式穿过。在该反光膜/片下设置一LED芯片或LED芯片阵列分布层，来提供所述激发光。
上述方案中，设置所述反光膜/片为一带有反射面的衬底的表面结构。所述衬底为导热衬底，紧贴所述波长转换层而设置，来传导来自该波长转换层的热量。
采用上述各技术方案，不必采用复杂的光收集装置，仅通过使用简单的膜结构就能改变光源的输出颜色，同时提高光源的光输出亮度。具有实现方式简单，成本低，易于实现的优点。
附图说明
图1是本发明方法原理示意图；
图2是使用本发明方法的光源结构实施例之一示意图；
图3是使用本发明方法的光源结构实施例之二示意图；
图4是使用本发明方法的光源结构实施例之三示意图；
图5是使用本发明方法的光源结构实施例之四示意图；
图6是本发明中角度选择滤光膜/片及受激发光光谱实施例图；
图7是本发明中以空气隙为第二介质膜/片时厚度对亮度的影响关系例图；
图8是本发明中以空气隙为第一介质膜/片时厚度对亮度的影响关系例图；
其中，各附图标记为：1——波长转换层，2、2’——角度选择滤光膜/片，3、3’——介质膜/片；40——激发光线，41～45、45’——受激发光线；5——反光膜/片；6——LED芯片或LED芯片阵列分布层；7——衬底，9——分光滤光片。
具体实施方式
下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。
本发明涉及的光源至少包括激发光，以及包括了波长转换材料的波长转换层。所述激发光可以来自各种形式的发光源，例如但不限于LED、激光源或传统光源(例如电弧灯)。所述波长转换材料包括荧光粉、染料或纳米发光材料，也可以是两种或两种以上这些材料的混合物。所述波长转换层可以由包容所述波长转换材料的胶体来构成。为叙述方便，若无另外说明本发明实施例中将以荧光粉为例来指代所述波长转换材料。图1示意了本发明用于所述光源的光波长转换方法的工作原理。
激发光40被引导射往波长转换层1来激发荧光粉产生预定波长的受激发光41～44。在所述波长转换层1上设置第一介质膜/片3，令该介质膜/片的折射率n2小于所述波长转换层的折射率n1，这样，可以使所述波长转换层1中的大角度出射光线被全反射回该波长转换层1，而小角度出射光线41、42则可折射透过该介质膜/片3。所述大角度出射光线包括出射角大于arcsin(n2/n1)的激发光或受激发光。当为激发光时，则可再次提供被荧光粉吸收利用的机会；当为受激发光时，则因荧光粉的漫反射作用，可能使光线前进方向改变而以小角度出射光线(例如光线43)的形式折射透过所述介质膜/片3。本发明还在所述第一介质膜/片3上设置一角度选择滤光膜/片2，来引导小于预定出射角度的受激发光以透射方式通过该角度选择滤光膜/片，同时将大于该预定出射角度的受激发光反射回去；可以进一步提高光源的光输出亮度。
以图6所示的实施例为例，图中横坐标表示光的波长，以纳米为单位；纵坐标表示透过率的百分比。假设激发光为蓝光，选择合适的荧光粉使受激发光为如图中粗黑实线所示的绿光。其余曲线表示所述角度选择滤光膜/片2对不同角度入射光线的选择特性，从该图右边往左算起，分别对应于0度、10度、20度......80度入射光线的情况。可见在不同的角度下，该角度选择滤光膜/片2对入射光线具有不同的短波通或带通特性：在小于30度的情况下，具有带通特性，所述受激发光因完全落入该带通范围而可完全穿透该角度选择滤光膜/片2，基本不被反射；在40度的情况下，所述受激发光因小部分偏离带通范围而有较小部分被反射；在50～60度的情况下，所述受激发光有相当部分被反射；在70度的情况下，所述受激发光绝大部分被反射；在80度的情况下，所述受激发光基本上被全部反射。由此，可使光源出射光线更为集中；而如该图所示角度选择滤光膜/片2的特性而定，由介质膜/片3射出的各种出射角度的激发光总有一部分被该角度选择滤光膜/片2反射回所述波长转换层1，加上介质膜/片3的作用，可提高光源对激发光的利用率，从而提高光源光出射亮度。
如图1所示，基于上述分析，本发明方法还可以下列步骤来代替或补充上述设置第一介质膜/片3的步骤：在所述波长转换层1下设置一折射率小于所述折射率n1的第二介质膜/片3’，同样可进一步提高光源对激发光的利用率。在所述波长转换层1下或所述第二介质膜/片3’下增加设置一反光膜/片5来反射受激发光，例如光线44，也有利于提高光源对激发光的利用率，并提高所述光源单方向光输出的亮度。在特定的光源场合，允许所述反光膜/片5为金属膜/片或表面涂镀金属的介质膜/片，以提高对光线的反射率。
所述第一介质膜/片3或第二介质膜/片3’与波长转换层1的接触面最好呈光学平滑。所述角度选择滤光膜/片2或反光膜/片5可以由多层(两层或两层以上)具有不同折射率材料构成的介质膜，从而整体上具有预定的短波通、长波通或带通特性，来满足本发明方法在具体光源实施例中的应用。所述角度选择滤光膜/片2或反光膜/片5还可以是或包括含有规则排布的光子晶体的光学薄膜，利用所述光子晶体的周期性分布来产生预定的波通特性。
上述方法中，设置使所述介质膜/片3或第二介质膜/片3’的厚度均小于该介质膜/片或第二介质膜/片的内切圆半径，可以减少被反射光线由该膜/片侧边流失的机会，且实验证实，该厚度越小越好。从降低光源成本角度出发，设所述第一介质膜/片3和第二介质膜/片3’以空气隙为例，所述波长转换层1以折射率约为1.4～1.5的硅胶或环氧树脂为例，所述激发光约为3毫米径宽的LED光斑，以横坐标表示所述第二介质膜/片3’或第一介质膜/片3的厚度(以毫米为单位)，以纵坐标表示光源输出的归一化强度(根据无所述第二介质膜/片3’和第一介质膜/片3存在的情况来归一化)，图7和图8分别表示了图6对应实施例中所述第二介质膜/片3’和第一介质膜/片3存在下的空气隙厚度对光源光输出亮度的影响关系。由所述图7可见，当以空气隙为例的所述第二介质膜/片3’的厚度小于内切圆半径(即约为所述光斑的半径)的1/15，即0.1毫米时，光源的输出亮度为原亮度的1.1倍以上。图8也表明了当以空气隙为例的所述第一介质膜/片3厚度小于内切圆半径(即约为所述光斑的半径)的1/15，即0.1毫米时，光源的输出亮度为原亮度的1.1倍以上。而若所述空气隙增加0.1毫米的间距均会引起较明显的亮度衰减。
上述实施例中，所述空气隙的折射率为1，若能设置使所述第一介质膜/片3和/或所述第二介质膜/片3’的折射率越小于所述波长转换层1折射率n1无疑亮度增强效果会越好：例如所述介质膜采用低压空气，或所述波长转换层1采用具有高折射率(例如大于1.5)的材料，如玻璃或陶瓷。以等于所述折射率n1的一半为例，所述激发光由波长转换层1射往所述第一介质膜/片3或第二介质膜/片3’时，不能被反射回来的仅约占(n2/n1)2＝25％，而另75％无疑可以再次被利用。
所述第一介质膜/片3或第二介质膜/片3’还可以是两层或两层以上由不同光学折射率材料构成的介质膜。甚至可以采用中间架空的结构来组合这些介质膜，例如令所述第一介质膜/片3或第二介质膜/片3’为中空的光学薄片。所述第一介质膜/片3或第二介质膜/片3’还可以是含有规则排布的光子晶体的光学薄膜，或是该光学薄膜与上述不同光学折射率材料介质膜的组合膜。
图2～5示意了使用本发明方法的几种光源实施例。
其中如图2所示，示意了一个单方向输出受激发光的光源，所述反光膜/片5被设置为一个分光滤光片，对不同波长的光具有不同的波通特性。例如激发光为蓝光、受激发光为绿光的情况下，该滤光片层具有(可通蓝光、反绿光的)短波波通特性，从而能引导激发光40以透射方式穿过，同时反射射往该反光膜/片5的受激发光。
该图实施例的光源还可以包括或仅包括(即不存在所述第一介质膜/片3)上述第二介质膜/片3’，介于所述波长转换层1和所述滤光片层5，为避免累赘，此处未加以图示。
如图3所示的实施例，则在所述波长转换层1下设置一LED芯片或LED芯片阵列分布层6，来提供所述激发光；所述反光膜/片5在所述波长转换层1和所述分布层6之间，或设置为所述LED芯片或LED芯片阵列的表面结构，反射射往该LED芯片或LED芯片阵列分布层6的受激发光。由于实际LED芯片或LED芯片阵列的表面一般非平滑平面，当所述受激发光被反射回波长转换层1时，如图所示，可发生较大的入射方向改变。与图2实施例类似，图3实施例中，也可以在或仅在所述波长转换层1和所述反光膜/片5之间设置一第二介质膜/片3’。
如图4所示的实施例，则将所述反光膜/片5设置为一带有反射面的衬底7的表面结构。可以在所述波长转换层1和所述衬底7之间设置一第二介质膜/片3’。不过考虑到散热，一般衬底7采用导热衬底，并使之紧贴所述波长转换层1，以传导来自该波长转换层1的热量。所述紧贴可以是物理的直接接触，也可以是通过导热胶的紧密粘贴。
本实施例中，考虑到所述波长转换层1的厚度有限，激发光最好提供自波长转换层1的上方。可以在所述角度选择滤光膜/片2的上方倾斜设置一分光滤光片9，来引导所述激发光40透射往所述角度选择滤光膜/片2，及以反射方式引导由该角度选择滤光膜/片2出射的受激发光45改变方向往光源的光出射面。相应地，所述角度选择滤光膜/片2应被选择为同时还可引导所述激发光以透射方式穿过该角度选择滤光膜/片2。调整所述分光滤光片9的特性，也可采用以反射方式引导所述激发光改变方向往所述角度选择滤光膜/片2，及引导由该角度选择滤光膜/片2出射的受激发光透射往光源的光出射面，不另加以图示。
图5则示意了一个提供双向光输出的光源实施例，选择或设置所述反光膜/片为反射部分受激发光的膜/片，例如图中的第二角度选择滤光膜/片2’，来引导小于第二预定出射角度的受激发光以透射方式通过该角度选择滤光膜/片，同时将大于该第二预定出射角度的受激发光反射回去。当选择使所述第二角度选择滤光膜/片2’同时还引导激发光40以透射方式穿透该第二角度选择滤光膜/片2’时，则可以使用一个方向的入射光40来产生双向的光输出45和45’。尤其是，进一步选择所述角度选择滤光膜/片2使反射射往该角度选择滤光膜/片2的部分所述激发光。为了将入射光40和输出光45’分离，可以在所述第二角度选择滤光膜/片2’的一侧倾斜设置一分光滤光片，来以反射方式引导所述激发光改变方向而射往该第二角度选择滤光膜/片，及引导受激发光以透射方式穿透该第二角度选择滤光膜/片2’。

Claims (23)

1.一种具有发射角度选择特性的光波长转换方法，用于光源，包括步骤：引导激发光射往包括了波长转换材料的波长转换层(1)来激发产生预定波长的受激发光；其特征在于，还包括步骤：
在所述波长转换层(1)的一侧设置一角度选择滤光膜/片(2)，来引导小于预定出射角度的受激发光以透射方式通过该角度选择滤光膜/片(2)，同时将大于该预定出射角度的受激发光反射回去；
在所述波长转换层(1)的另一侧设置一反光膜/片(5)，来反射射往该反光膜/片的受激发光；
在所述波长转换层(1)与所述角度选择滤光膜/片(2)之间设置一具有低折射率的第一介质膜/片(3)，或/和在所述波长转换层(1)与所述反光膜/片(5)之间设置一具有低折射率的第二介质膜/片(3’)，且令该第一介质膜/片(3)或第二介质膜/片(3’)的折射率都低于所述波长转换层(1)的折射率n1，来全反射来自所述波长转换层(1)的大角度入射光线。
2.根据权利要求1所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
被金反射的所述大角度入射光线是指入射角大于arcsin(n2/n1)的激发光或受激发光，其中n2表示所对应的第一介质膜/片(3)或第二介质膜/片(3’)的折射率。
3.根据权利要求1所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
所述波长转换材料包括荧光粉、染料或纳米发光材料。
4.根据权利要求1所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
所述角度选择滤光膜/片(2)、反光膜/片(5)、第一介质膜/片(3)或第二介质膜/片(3’)包括两层或两层以上由不同光学折射率材料构成的介质膜/片。
5.根据权利要求4所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
所述第一介质膜/片(3)或第二介质膜/片(3’)为中空的光学薄片。
6.根据权利要求1所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
所述角度选择滤光膜/片(2)、反光膜/片(5)、第一介质膜/片(3)或第二介质膜/片(3’)包括含有规则排布的光子晶体的光学薄膜。
7.根据权利要求1所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
设置使所述第一介质膜/片(3)的厚度小于该第一介质膜/片的内切圆半径；所述第二介质膜/片(3’)的厚度小于该第二介质膜/片的内切圆半径。
8.根据权利要求7所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于，还包括步骤：
设置使所述第一介质膜/片(3)或第二介质膜/片(3’)的厚度均小于该第一或第二介质膜/片自身内切圆半径的1/15。
9.根据权利要求1、7或8所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
所述第一介质膜/片(3)或第二介质膜/片(3’)为空气隙。
10.根据权利要求1、7或8所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
波长转换层(1)的折射率大于1.4。
11.根据权利要求1、7或8所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
所述第一介质膜/片(3)或第二介质膜/片(3’)与波长转换层(1)的接触面呈光学平滑。
12.根据权利要求1所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
所述反光膜/片(5)为金属膜/片或表面涂镀金属的介质膜/片。
13.根据权利要求1所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
用来反射受激发光的所述反光膜/片(5)为反射部分受激发光的第二角度选择滤光膜/片(2’)，该第二角度选择滤光膜/片(2’)引导小于第二预定出射角度的受激发光以透射方式通过该第二角度选择滤光膜/片(2’)，同时将大于该第二预定出射角度的受激发光反射回去。
14.根据权利要求13所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于，
选择使所述第二角度选择滤光膜/片(2’)同时还引导激发光以透射方式穿透该第二角度选择滤光膜/片(2’)。
15.根据权利要求1或14所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
选择所述角度选择滤光膜/片(2)使反射射往该角度选择滤光膜/片的部分所述激发光。
16.根据权利要求14所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于，还包括步骤：
在所述第二角度选择滤光膜/片(2’)的一侧倾斜设置一滤光片，来以反射方式引导所述激发光改变方向而射往该第二角度选择滤光膜/片，及引导受激发光以透射方式穿透该第二角度选择滤光膜/片(2’)。
17.根据权利要求1所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
选择所述反光膜/片(5)来使之同时引导激发光以透射方式穿过。
18.根据权利要求17所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于，还包括步骤：
在所述反光膜/片(5)下设置一LED芯片或LED芯片阵列分布层(6)，来提供所述激发光。
19.根据权利要求18所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
所述反光膜/片(5)为所述LED芯片或LED芯片阵列的表面结构。
20.根据权利要求1所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
设置所述反光膜/片(5)为一带有反射面的衬底(7)的表面结构。
21.根据权利要求20所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于：
所述衬底(7)为导热衬底，紧贴所述波长转换层(1)而设置，来传导来自该波长转换层(1)的热量。
22.根据权利要求20或21所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于，还包括步骤：
在所述角度选择滤光膜/片(2)的上方倾斜设置一分光滤光片(9)，来引导所述激发光透射往所述角度选择滤光膜/片(2)，及以反射方式引导由该角度选择滤光膜/片(2)出射的受激发光改变方向往光源的光出射面；
相应地，选择所述角度选择滤光膜/片(2)同时还引导所述激发光以透射方式穿过该角度选择滤光膜/片(2)。
23.根据权利要求20或21所述具有发射角度选择特性的光波长转换方法，其特征在于，还包括步骤：
在所述角度选择滤光膜/片(2)的上方倾斜设置一分光滤光片(9)，来以反射方式引导所述激发光改变方向往所述角度选择滤光膜/片(2)，及引导由该角度选择滤光膜/片(2)出射的受激发光透射往光源的光出射面；
相应地，选择所述角度选择滤光膜/片(2)同时还引导所述激发光以透射方式穿过该角度选择滤光膜/片(2)。
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