CN101799583A - 基于光波长转换改善出射光颜色的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光波长转换改善出射光颜色的方法，用于光源，包括步骤：引导激发光射往波长转换层(1)来激发产生具有第一主波长λ1的受激发光；尤其是，先在光波长转换材料的光转换输出光谱中确定需要加以增强的受激发光波长λE；选定具有与该λE相对应透射特性的角度选择滤光片(2)，设置在该波长转换层(1)的一侧，来产生具有第二主波长λ2的出射光；令λ1＜λ2＜λE或λ1＞λ2＞λE，以增强λE处的光来“拉动”λ1使达到λ2。在该波长转换层(1)的另一侧设置反光面(5)来反射射往该反光面的受激发光；有助于大大提高出射光亮度。采用本发明方法，可大幅度改善发光颜色，同时光源结构具有简便可行的优点。
Description
技术领域本发明涉及光源颜色，尤其涉及器件或装置对光的强度、颜色或方向的选通控制方法。
背景技术传统半导体发光二极管(Light Emitting Diode，LED)由于输出功率和亮度低，主要应用于信号指示灯、电视遥控器以及低速短距离光纤通讯等方面。
自二十世纪九十年代初以来，以InGaAlP和InGaN为主的新一代半导体光电子材料迅速发展起来，各种高功率高亮度的红、黄、蓝、绿、紫外以及白光等LED光源纷纷涌现，层出不穷，在各种显示和照明领域得到了越来越广泛的应用。
但实际上在所述显示和照明领域中，为了大大降低成本，现有光源多使用较低成本的发光源(例如但不限于蓝光LED)，同时采用波长转换方案来获得预定颜色的出射光，以避免使用与该出射光同色并具有较高成本的LED。所述光波长转换通常是利用来自发光源的较短波长光来激发光波长转换材料发出不同波长的光。所述光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，目前较为常用的是荧光粉。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，该方案结构简单、制造成本低、产品具有很强的实用性。
上述基于光波长转换的光源还具有颜色丰富可调、便于设计的优点。美国专利US7,234,820给出了一种用LED激发荧光粉并使受激发光与其它颜色光混光输出的方案。
通常光波长转换材料的出射光亮度不高。为了使上述基于光波长转换的光源更适应显示领域的应用要求，美国专利US 7,070,300给出了一种荧光粉增亮结构来提高光源出射光亮度的方案。该方案使用一角度选择滤光片来选通来自荧光粉的小角度入射受激发光，从而在光源出射光中提高对大角度受激发光的利用率，使得光源的光输出亮度可超过同色LED的光输出亮度。
上述基于光波长转换的光源的不足之处在于，以荧光粉为例，光波长转换材料一般具有较宽的光转换输出光谱，因而造成光源出射光的色纯度不好，使出射光颜色不佳或不够鲜艳亮丽，即使出射光亮度够强，也难以胜任在特定场合(例如显示领域)的应用。
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，而提出一种方法，来改善基于光波长转换的光源的出射光颜色，同时还可有利于增强出射光亮度。
为解决上述技术问题，本发明的基本构思为，基于光波长转换材料具有较宽光转换输出光谱，若设计使所述光谱中特定波长的光的强度得到增强，则可以改变输出光的人眼视觉效果，从而达到改善出射光颜色的目的；因此本发明利用现有技术中的荧光粉增亮结构并对带通或低通滤光片进行设计，使之仅通过小角度入射的预定波长范围内的受激发光，从而增强出射光亮度的同时，改善出射光颜色。
作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种基于光波长转换改善出射光颜色的方法，用于光源，包括步骤：
引导激发光射往包括了光波长转换材料的波长转换层来激发产生具有第一主波长λ1的受激发光；
在所述波长转换层的另一侧设置角度选择滤光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片，同时将大于该预定出射角度的受激发光反射回去；
尤其是，还包括步骤：
在所述光波长转换材料的光转换输出光谱中确定需要加以增强的受激发光波长λE；
选择所述角度选择滤光片，使具有与该需要加以增强的受激发光波长相对应的透射特性，来产生具有第二主波长λ2的出射光；其中所述第一主波长λ1、需要加以增强的受激发光波长 λE及第二主波长λ2之间的关系为：λ1＜λ2＜λE或λ1＞λ2＞λE。
上述方案中，所述角度选择滤光片具有的透射特性是：预定入射角α下，不同波长受激发光的透射率曲线呈低通或带通特性；在该透射率曲线下降沿上透射率大致为50％处所对应的波长为所述需要加以增强的受激发光波长。
上述方案中，所述预定入射角α设置为所述光源的光收集系统收集角度。
上述方案中，在所述波长转换层与所述角度选择滤光片之间设置一具有低折射率的介质膜，且令该介质膜的折射率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，在所述波长转换层的另一侧设置与所述角度选择滤光片相对的反光面，来反射射往该反光面的受激发光。
上述方案中，还包括步骤：选择对预定波长具有选择性吸收特性的玻璃或覆膜，将该玻璃或覆膜与所述角度选择滤光片叠加在一起来调整并改善所述第二主波长λ2。
采用上述各技术方案，增强亮度的同时可以大幅度改善发光颜色，使其更符合显示的标准。同时各技术方案具有结构简单、简便可行的优点。
附图说明图1是本发明基于的光波长转换光源的结构示意图；
图2是用于带一种红色荧光粉的光源的滤光片透射光谱实施例之一；
图3是用来替代图2实施例的滤光片透射光谱示例图；
图4是图2或图3光源实施例的出射光光谱示例图；
图5是用于光源的一种绿色荧光粉光转换输出光谱示例图；
图6是用于图5光源实施例的滤光片的透射光谱实施例；
图7是图5光源实施例的出射光光谱示例图；
图8是带红色荧光粉的光源又一实施例的出射光光谱；
图9是图8实施例中红色玻璃的光透过率曲线示意图；
其中，图1中的附图标记为：1--波长转换层，2--滤光片，3--介质膜；40--激发光线，41～43--受激发光线；5--反光面，6--LED/LED芯片层。
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。
如图1所示的光源：波长转换层1包括了光波长转换材料，可以由包容所述波长转换材料的胶体来构成；发光源可以采用LED、激光源或传统光源(例如电弧灯)，此处以但不限于LED/LED芯片层6为例。该光源的工作方式包括步骤：
引导来自发光源的激发光40射往波长转换层1来激发光波长转换材料产生具有第一主波长的受激发光；
在该波长转换层1的一侧设置角度选择滤光片2来引导小于预定出射角度的受激发光41或42以透射方式通过该角度选择滤光片，同时将大于该预定出射角度的受激发光反射回波长转换层1，利用所述光波长转换材料对该受激发光的漫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，可以提高光源出射光的亮度。另外，若借鉴现有技术在所述波长转换层1的另一侧设置一与所述角度选择滤光片2相对的反光面5，来反射射往该反光面的受激发光，则可以通过限制并减小受激发光的发散角及有助于受激发光改变出射角度进行二次利用，将更有利于提高光源出射光的亮度。
由于现有角度选择滤光片在预定出射角范围内不以改变出射光颜色为目的，因此对出射光的颜色改变不大甚至有所恶化。为此本发明方法还包括步骤：
在所述光波长转换材料的光转换输出光谱中确定需要加以增强的受激发光波长；
选择所述角度选择滤光片2，使具有与该需要加以增强的受激发光波长相对应的透射特性，来产生具有第二主波长的出射光。
若分别以λ1、λE及λ2来指代所述第一主波长、需要加以增强的受激发光波长和第二主波长，则本发明方法令λ1＜λ2＜λE或λ1＞λ2＞λE，可以利用λE处的光得到增强来“拉动”λ1使达到λ2。
由于人眼视觉对光谱的响应曲线以555nm(黄绿光)处为最敏感，往两边呈衰减；所述第二主波长λ2相对于λ1距离555nm较近时，需要加以增强的受激发光波长λE对主波长的“拉动”效果明显，也就是|λE-λ2|＞|λ2-λ1|。反之当所述第二主波长λ2距555nm较远时，λE的“拉动”就比较弱，也就是|λE-λ2|＜|λ2-λ1|。
具体以包括具有图4中粗黑实线所示光转换输出光谱的一种红色荧光粉的光源为例。该荧光粉的受激发光主波长λ1为613nm，可实现的光源出射光颜色调整方案是λ1＜λ2＜λE。当希望颜色更鲜艳一些，例如使输出λ2＝616nm的红光时，因为红光波长与所述555nm黄绿光波差较大，最好先根据λE-λ2约为λ2-λ1的3～5倍的经验来经验选定λE。再根据光源中光收集系统的光收集角度来确定滤光片的光谱特性。根据不同使用场合，光源可以设计成具有不同结构的光收集系统来进一步处理及利用通过滤光片后的出射光；本发明将引用光收集系统所固有的光收集角度这一特性参数，而不对非本发明重点的现有技术光收集系统进行阐述。
本发明选择的所述角度选择滤光片2应具有的透射特性是：预定入射角α下，不同波长受激发光的透射率曲线呈低通或带通特性。本发明最佳实施例为设计简单起见，令在该透射率曲线下降沿上透射率大致为50％处所对应的波长为所述需要加以增强的受激发光波长λE。所述预定入射角α可以设置为所述光源的光收集系统收集角度(一般小于或等于45度)，或是比该收集角度更小的一个角度来提高系统的光线利用率。
以35度光收集角度的光收集系统为例。假设第一实施例选用具有如图2所示特性的角度选择滤光片：从右到左的5条曲线分别对应入射角为0、10、20、30及40度下的透射率特性。可见该滤光片的35度透射率曲线的下降沿的50％处约对应于需要加以增强的受激发光波长630nm。第二实施例选用具有如图3所示特性的角度选择滤光片：从右到左的5条曲线分别对应入射角为0、10、20、30及40度下的透射率特性，则35度透射率曲线的下降沿的50％处约对应于需要加以增强的受激发光波长640nm。图4则示意了上述使用现有角度选择滤光片、使用图2所示特性的角度选择滤光片及使用图3所示特性的角度选择滤光片的几种情形下的出射光光谱。经测定，该光源出射光的数据如下表所示：
| 亮度(流明) | 色坐标x | 色坐标y | 主波长(nm) | |
| 使用图3滤光片 | 0.263 | 0.6908 | 0.3091 | 620 |
| 使用图2滤光片 | 0.3551 | 0.6827 | 0.3171 | 616 |
| 使用现有滤光片 | 0.3835 | 0.6703 | 0.3295 | 611.5 |
| 荧光粉原光谱 | 0.214 | 0.6741 | 0.3257 | 613 |
可见，使用现有滤光片其发射光颜色会向橙色偏移有所恶化，而使用本发明方法的两个实施例中出射光的红色均变得更加鲜艳。尤其是第一实施例(使用了具有图2特性的滤光片)中，出射光颜色发生明显改善的同时还保持高输出亮度。
对于绿光，因为主波长与555nm差距较小，颜色改变相对容易得多。以包括具有图5所示光转换输出光谱的一种绿色荧光粉的光源为例，可实现的光源出射光颜色调整方案是λ1＞λ2＞λE。因第一主波长λ1为547nm，只需按λ2比λE大2～5纳米的经验来选定λE。以20度光收集角度的光收集系统为例，图6为对应选定的角度选择滤光片透射特性：选择20度入射角对应的透射率曲线下降沿上透射率大致为50％处所对应的波长大致为需要加以增强的受激发光波长535nm；则图7的光源出射光光谱图(不使用角度选择滤光片的光源出射光光谱如黑实线所示，使用图6特性滤光片的光源出射光光谱如灰粗实线所示，使用普通角度选择滤光片的光源出射光光谱如灰细实线所示)中，将对应如下表的测试数据：
| 色坐标 | 主波长(nm) | 色彩纯度 | 亮度(流明) | |
| 荧光粉原光谱 | (0.2839，0.6845) | 547 | 0.929 | 311 |
| 使用现有滤光片 | (0.3059，0.6727) | 550.4 | 0.953 | 624 |
| 使用本发明滤光片 | (0.2202，0.7426) | 538 | 0.945 | 609 |
可见，使用现有滤光片，虽然出射光在亮度上稍好，然而其主波长为550nm，颜色向黄色偏移有所恶化。使用本发明方法，出射光亮度大大增强，同时有效地改善了出射光颜色，使色坐标大幅度接近NTSC显示标准中的绿色色坐标标准(0.21，0.71)，所显示的绿色视觉上比NTSC标准还要鲜艳；且出射光色彩纯度也有一定程度的提高。
试验还表明，所述下降沿上透射率75％～25％处所对应的波长之差不大于30nm，越小越好。
本发明在改善出射光颜色的同时，为了尽可能提高出射光亮度，对本发明光源的结构还作进一步的改进，如图1所示。在所述波长转换层1与所述角度选择滤光片2之间，或在所述波长转换层1与所述反光面5之间设置一具有低折射率的介质膜3，且令该介质膜3的折射率n2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，而小角度出射光线41、42则可折射透过该介质膜3。所述大角度入射光线包括入射角大于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，从而提高荧光转换萃取效率；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3。
上述实施例中，所述具有低折射率的介质膜3可以是空气隙。所述空气隙的折射率为1，若能设置使所述介质膜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射往所述介质膜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。所述介质膜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，例如令所述介质膜3为中空的光学薄片。所述介质膜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的组合膜。所述具有低折射率的介质膜3的厚度越小越好，最好小于波长转换层自身内切圆半径的1/15。
因为现有荧光粉种类繁多，特性不一。在选择荧光粉时，需要综合考虑如效率、激发光谱、发射光谱等多个因素后加以取舍。为了使本发明适用多种荧光粉，本发明方法还包括步骤：选择对预定波长具有选择性吸收特性的玻璃或覆膜，将该玻璃或覆膜与所述角度选择滤光片(2)叠加在一起来调整所述第二主波长λ2，以改善出射光颜色。
以图8所示采用另一种红色荧光粉的实施例为例。若不使用本发明方法，该荧光粉出射光的色坐标为(0.574，0.425)，主波长为590nm。试验使用本发明方法但不实施设置上述玻璃或覆膜的步骤，则光源的出射光光谱将如细实线所示，测得色坐标为(0.6253，0.3711)，主波长为599.4nm。该颜色明显不能满足显示要求。为此，进一步选择一具有如图9所示透过率曲线的所述玻璃并以设置该玻璃紧贴所述角度选择滤光片(2)为例，则光源的出射光光谱将如图8中的粗实线所示，测得色坐标为(0.6713，0.3299)，主波长为611.5nm。从而在出射光亮度变化不大的情况下，极大改善了出射光颜色。针对带红色荧光粉的光源，本发明设置所述玻璃或覆膜的透过率曲线呈高通特性。若令该透过率曲线上升沿50％处对应的波长为L50，令在所述角度选择滤光片(2)作用下的出射光光谱上升沿上20％峰值强度处的对应波长为D20，则当L50＞D20时，调整后的第二主波长λ2将大于调整前的第二主波长，且该调整后的主波长也大于L50。采用多种红色荧光粉进行的试验证实了上述设置的成立。
反之，针对其它颜色荧光粉时，对所述玻璃或覆膜的透过率曲线特性进行调整，来选择性吸收预定波长的光，以调整所述第二主波长λ2也体现了本发明方法精神，从而将落入本发明保护范围。
在实际应用中，当选择并使用所述玻璃时，可以用直接镀在所述玻璃上的角度选择滤光膜来替换所述角度选择滤光片(2)。
Claims (13)
1.一种基于光波长转换改善出射光颜色的方法，用于光源，包括步骤：
引导激发光射往包括了光波长转换材料的波长转换层(1)来激发产生具有第一主波长λ1的受激发光；
在所述波长转换层(1)的一侧设置角度选择滤光片(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片(2)，同时将大于该预定出射角度的受激发光反射回去；
其特征在于，还包括步骤：
在所述光波长转换材料的光转换输出光谱中确定需要加以增强的受激发光波长λE；
选择所述角度选择滤光片(2)，使具有与该需要加以增强的受激发光波长相对应的透射特性，来产生具有第二主波长λ2的出射光；其中所述第一主波长λ1、需要加以增强的受激发光波长λE及第二主波长λ2之间的关系为：λ1＜λ2＜λE或λ1＞λ2＞λE。
2.根据权利要求1所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法，其特征在于，
所述角度选择滤光片(2)具有的透射特性是：预定入射角α下，不同波长受激发光的透射率曲线呈低通或带通特性；在该透射率曲线下降沿上透射率大致为50％处所对应的波长为所述需要加以增强的受激发光波长。
3.根据权利要求2所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法，其特征在于：
所述预定入射角α设置为所述光源的光收集系统收集角度。
4.根据权利要求3所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法，其特征在于：
所述预定入射角α小于或等于45度。
5.根据权利要求2所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法，其特征在于：
所述下降沿上透射率75％～25％处所对应的波长之差小于30nm。
6.根据权利要求1所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法，其特征在于：
当所述受激发光为红光时，λ1＜λ2＜λE；
当所述受激发光为绿光时，λ1＞λ2＞λE。
7.根据权利要求1所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法，其特征在于：
在所述波长转换层(1)与所述角度选择滤光片(2)之间设置一具有低折射率的介质膜(3)，且令该介质膜(3)的折射率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。
8.根据权利要求1或7所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法，其特征在于：
在所述波长转换层(1)的另一侧设置与所述角度选择滤光片(2)相对的反光面(5)，来反射射往该反光面的受激发光。
9.根据权利要求8所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法，其特征在于：
在所述波长转换层(1)与所述反光面(5)之间设置一具有低折射率的介质膜(3)，且令该介质膜(3)的折射率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。
10.根据权利要求7或9所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法，其特征在于：
所述具有低折射率的介质膜(3)为空气隙。
11.根据权利要求10所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法，其特征在于：
所述空气隙的厚度小于波长转换层自身内切圆半径的1/15。
12.根据权利要求1所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法，其特征在于，
还包括步骤：选择对预定波长具有选择性吸收特性的玻璃或覆膜，将该玻璃或覆膜与所述角度选择滤光片(2)叠加在一起来调整并改善所述第二主波长λ2。
13.根据权利要求12所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法，其特征在于：
所述角度选择滤光片(2)用直接镀在所述玻璃上的角度选择滤光膜来代替。
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