CN103827746A - 光学轮 - Google Patents

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Abstract

一种磷光体轮，包括波长转换部分。该波长转换部分包括与至少一个凸表面光学上形成一体的波长转换材料。

Description

光学轮
技术领域
本发明涉及具有波长转换元件（例如磷光体）的磷光体轮。本发明还涉及制造这种类型的磷光体轮的方法。
背景技术
投影系统可使用色轮来从光源产生不同颜色的光。该光源通常提供白光。色轮可包括带有具有不同颜色的多个表面部分的环形基体。当色轮在有光入射到其上的情况下被旋转时，它的输出端提供具有各种不同颜色的光。
磷光体轮是类似的装置，其中环形基体的表面的一些部分或所有部分涂覆有波长转换材料，例如磷光体。磷光体通常与胶水或其它透明材料混合以被涂覆到基体表面上。在不同的部分中可使用不同的磷光体以提供不止一种的射出颜色输出。
波长转换材料，例如磷光体，接收并吸收第一波长的激励光并射出第二、不同的波长的光。它们可用于产生特定波长的光，其中限制了直接提供该波长的光源的光功率输出。
改进磷光体轮的效率是一个挑战，尤其是对于投影系统中的使用。投影系统通常期望是紧凑的并还可具有热要求。
US－7547114描述了一种磷光体轮，其中二色性元件被设置在激励光和波长转换材料之间。二色性元件传输激励光并反射由波长转换材料射出的光，从而改进了所接收的光被转换的比例。这导致了效率的改进。
US-7651243也涉及磷光体轮并示出了再循环元件，其传送一定角度范围内的由磷光体射出的光，但反射在该角度范围外的所射出的光。这使所射出的光聚焦，从而也提高了效率。
这些效率改进是累增的。期望解决波转换材料中的其它问题以进一步改进它们的效率。
发明内容
在上述背景技术的前提下，本发明提供了一种磷光体轮，其包括波长转换部分，该波长转换部分包括与至少一个凸表面光学上形成一体的波长转换材料。
波长转换材料与至少一个凸表面光学上形成一体，使得光穿过所述至少一个凸表面进入波长转换材料并从波长转换材料出来。换句话说，可以认为在波长转换材料和凸表面之间有直接的光路径，只有小部分光在界面处被折射或反射。在和波长转换材料同一层中或在相邻层（这两层之间有基本上直接的光传播）中可形成一个或多个凸表面。
通过使波长转换材料形成有光通过其进入该材料并从该材料出来的凸表面，可获得数个优点。首先，激励光被聚焦在波长转换材料上，由此在该光中耦合。凸表面是部分地或完全地光学透明的，这可有助于此。这种光耦合可避免对额外的聚光器或准直后的聚焦透镜的需要，这具有高要求，例如短焦距。上述部件可能是昂贵的。而且，这种改进使得色轮或磷光体轮与其前面的光学部件之间的距离不那么关键。在现有的、早期的方法中，聚焦距离需要很短并对确保准确的光聚焦非常敏感。
而且，凸表面的第二个益处是减少了全内反射（TIR）。已经惊喜地发现，当波长转换材料（例如磷光体涂层）具有平坦表面时，相当大部分的射出光由于TIR而被该材料和空气（或其它环境）之间的界面反射。这导致了损失光和效率降低。通过改变连接波长转换材料和空气（或其它环境）的表面的形状，TIR的效应被缓和。因此，所述至少一个凸表面被有利地成形以缓和或避免入射在该凸表面上的光的全内反射，尤其是从波长转换材料射出的光。
在一些实施例中，凸表面可意味着沿着波长转换材料的面积的至少25％、50％、75％、85％、90％、95％或基本上100％具有曲率的表面，使得该表面本质上是凸面的。附加地或替换地，凸表面的在任一点处的梯度可以是不大于15、10、9、8、7、6或5。通过梯度，这可被理解为在该表面的垂直于波长转换材料的平面的横截面平面中，连续的表面跨度与表面高度的比。
优选地，波长转换部分包括具有波长转换材料的第一部分和在其中形成至少一个凸表面的第二部分。任选地，第二部分不包括波长转换材料。在优选的实施例中，第一部分是第一材料层而第二部分包括粘着到该第一层的第二材料层。这通常暗示第二材料层被定位成紧邻第一层，中间没有其它的有光学意义的材料。替换地，第一部分和第二部分可一体地形成。因此，所述至少一个凸表面和波长转换材料可使用一个层形成。不过，该层可由多于一种的材料形成。
有益地，第二部分具有和第一部分基本上相同的折射指数或第一部分的折射指数的至少80％。在这个意义上，相同的折射指数指的是两层之间的折射指数的差结合凸表面的形状不足以在该凸表面的基本上整个宽度（或者宽度的至少80％、85％、90％、95％或99％）上引起从该第一层的平坦表面射出的光的TIR。任选地，第二材料层可具有更高的折射指数。从Snell定律和Fresnel方程可知，波长转换材料和第二材料层的折射指数可与发生TIR的程度相关。通过使用具有与波长转换材料大致相同或更高的折射指数的第二材料层，可以避免在第一和第二层之间的界面处的TIR。在次优选的实施例中，第二材料层的部分或全部可具有比波长转换材料的折射指数更小的折射指数。在这些情况的任何一个中，第二材料层的折射指数和波长转换材料的折射指数之间的比（或者该比的倒数）可为至少70％、75％、80％、85％、90％、95％或99％。
任选地，第一层可形成为涂层。附加地或替换地，第二层可形成为涂层。
在优选实施例中，第二部分是光学透明的。这允许在该光学部件处接收的所有光到达波长转换材料并且由波长转换材料射出的所有光穿过第二材料层。替换地，第二材料层可以是对仅仅一个或多个有限范围的波长是光学透明的，从而作为滤色器。
优选地，波长转换材料包括载体材料内的多个波长转换元件。更优选地，所述至少一个凸表面由与载体材料相同的材料形成。有益地，波长转换材料的折射指数由载体材料的折射指数决定。甚至更优选地，载体材料是胶水。波长转换元件可任选地是磷光体粉末颗粒。换句话说，至少一个凸表面是使用与形成波长转换材料的主要部分相同的材料形成的。这可进一步允许形成所述至少一个凸表面的材料具有与波长转换材料大致相同的折射指数。
在许多实施例中，磷光体轮还包括基体。于是，所述至少一个凸表面可使用该基体上的涂层形成。该涂层可被构造为具有穹顶形状。该穹顶形状可以是球形帽（球的位于特定平面之上或之下的部分）。当涂层在基体上时，其无需与基体直接相邻而波长转换材料可形成基体和形成至少一个凸表面的涂层之间的额外层。
有利地，基体是环形的或圆柱形的。在这种实施例中，波长转换部分可覆盖基体外表面的至少一部分。例如，波长转换材料可被形成为覆盖环形基体的外表面的一部分的环。任选地，基体可以是透明的或反光的。当基体是反光的时，激励光可有益地穿过与转换后的光被射出所穿过的凸表面相同的凸表面而在波长转换部分被接收。这可缓和对额外的光聚焦部件的需要并放宽对刚性轮轴线位置对准的要求。当基体是透明的时，激励光可穿过第一表面在波长转换部分被接收并且转换后的光可穿过第二表面而从波长转换材料射出。在一些情况下，第一表面可以是凸面的。在其它情况下，第二表面可以是凸面的。任选地，第一和第二表面都可以是凸面的。
在一些实施例中，波长转换材料与多个凸表面是光学上形成一体的。所述多个凸表面可形成为具有多个凸穹顶形状的环。这看起来与苍蝇眼环形结构类似。
有利地，波长转换材料是磷光材料，例如磷光体。可替换地使用其它类型的波长转换材料。
在第二方面，提供了制造磷光体轮的方法，包括：提供波长转换部分，波长转换部分包括波长转换材料；和形成与波长转换材料光学上形成一体的至少一个凸表面。形成关于这里所描述的光学部件的任何特征的工艺步骤可任选地与该方法结合实施。现在详述这些任选的工艺步骤中的一些。
优选地，波长转换部分包括具有波长转换材料的第一部分，其中形成至少一个凸表面的步骤包括形成波长转换部分的第二部分，在该第二部分中形成所述至少一个凸表面。
在优选实施例中，第一部分是第一材料层而形成至少一个凸表面的步骤可包括将包括第二材料层的第二部分粘着到第一层。替换地，第一部分和第二部分是一体形成的。
优选地，第二部分具有与第一部分大致相同的折射指数。有利地，第二部分是光学透明的。
在优选实施例中，波长转换材料包括载体材料中的多个波长转换元件。任选地，形成至少一个凸表面的步骤可包括由与载体材料相同的材料形成所述至少一个凸表面。在一些实施例中，载体材料是胶水。
在一些实施例中，提供波长转换部分的步骤可包括在基体上形成波长转换材料。然后，形成至少一个凸表面的步骤任选地包括在基体上形成涂层，所述涂层被构造为具有穹顶形状。
有利地，基体可以是环形或圆柱形的且波长转换部分设置为覆盖基体的外表面的至少一部分。基体可以是透明的或反光的。当基体是反光的时，激励光可穿过与由波长转换材料所转换的光被射出所穿过的凸表面相同的凸表面在波长转换材料处被接收。
在一些实施例中，形成至少一个凸表面的步骤包括形成与波长转换部分光学上形成一体的多个凸表面，所述多个凸表面形成为具有多个凸穹顶形状的环。
有益地，波长转换材料是磷光材料。
在另一方面，本发明可包括色轮，该色轮包括着色部分，该着色部分包括与至少一个凸表面光学上形成一体的着色材料。换句话说，不是将本发明实施为磷光体轮，而是可采用色轮。本文上面所描述与磷光体相关的其它特征可附加地或替换性地与这种色轮一起使用。
还应当理解，本发明不限于明确公开的特征的具体组合，还包括独立描述且本领域技术人员可一起实施的特征的任何组合。
附图说明
本发明可以各种不同的方式被实践，现在将参照附图仅以举例方式描述这些方式中的多个，其中：
图1示出了现有的磷光体轮，示出了运行模式；
图2说明了图1中示出的实施例中使用的已知磷光体涂层；
图3示出了根据本发明的第一实施例，说明了光从波长转换材料的射出；
图4描述了图3的实施例，示出了光如何在波长转换材料处被接收；和
图5说明了本发明的第二实施例，示出了整个磷光体轮的轮廓。
具体实施方式
在图1中，示出了现有的磷光体轮，其可例如用于光学投影仪。磷光体轮10包括：板15；和波长转换材料20。
板15是环形的并可以是透明的或反光的。板15可称为基体。其被附接到马达（未示出），从而使其如箭头16所示地转动。
波长转换材料20设置在板15上。波长转换材料20具有环形形状，这是典型的。波长转换材料20可由磷光体和胶水的混合物制成或者它可以是磷光体陶瓷。用于将蓝光转换成绿光的磷光体被通常使用。能以与磷光体类似的方式转换所接收的光的波长的任何结构或材料都当然可替代地使用。
激励光30传播并照亮波长转换材料（磷光体）20，其产生具有与激励光的波长不同的波长的射出光。磷光体轮可反射转换后的光（当该轮是镜子时）或者传输该转换后的光（当该轮是透明的时）。在前一种情况中，转换后的光40在板15的与激励光30被接收的同一侧被射出。在后一种情况中，转换后的光45在板15的相对于激励光30被接收的侧面相对的侧面上被射出。
下面参照图2，示出了用在图1所示的实施例中的已知的磷光体涂层。磷光体涂层20使用混合有磷光体粉末22的胶水21形成。胶水21是透明的并且形成为一层，通常具有平坦的表面23。这种磷光体涂层20可称作浸没的光源。
在这个结构下，由磷光体颗粒22射出的光中的一些被传输穿过平坦的表面23。这用示例性的光线50示出。由磷光体颗粒22射出的光的其它部分由于全内反射（TIR）在胶水－空气表面23处被反射，并在波长转换材料20（其为混合物，如上所注）中被再散射。在一些情况中，由于TIR被反射的光可以是磷光体粉末22所射出的总光中的相当大的一部分，导致效率降低。
接着参照图3，示出了根据本发明的第一实施例。在显示与图2相同的特征时，采用了相同的附图标记。第二层100在波长转换材料20的平坦的表面23上形成为具有凸表面。第二层100使用与用于形成图2中示出的波长转换材料20相同类型的透明胶水21形成。
图3还示出了光从波长转换材料的射出。由波长转换材料20射出的光通过第二层100耦合并且这由示例性的第一光线110和第二光线115示出。TIR的效应被缓和。
在波长转换材料20和第二层100之间的界面处的折射（和TIR）被缓和，因为第二层100的折射指数与波长转换材料20的折射指数大约相同，因为它们使用基本上相同的主要成分形成。在波长转换材料20包括混合有胶水的磷光体元件（如上参照图2所述）的情况下，波长转换材料20的有效折射指数基本上就是胶水的折射指数。
两种介质之间在接触界面处的折射符合Fresnel方程，所以n1*sinA1＝n2*sinA2，其中n1是光入射到界面上所穿过的材料的折射指数，A1是入射角（相对于法线），n2是另一材料的折射指数并且A2是折射光的角度（相对于法线）。当这两个材料的折射指数不同时，临界角是这样的入射角度：在该角度或该角度以上，将仅发生TIR。
第二层100的凸表面减少了TIR效应，因为凸表面减少了在第二层100和环境（空气）之间的界面处的入射角。对于大多数的部分，入射角可接近零度。但是，这不可能适用于第二层所被涂覆的整个面积上。例如，朝向第二层100的边缘，入射角可能较高，因此仍会发生TIR。这通过示例性的光线120示出。
现在参照图4，示出了图3的实施例，示出了光如何在波长转换材料被接收。该图示出了激励光130如何耦合入磷光体轮。可以看到，平行的激励光130被折射成照到波长转换材料20中的磷光体粉末21上的聚焦的光140。这避免了需要对激励光130进行聚光并且可通过使用第二层100省略聚焦光学透镜或类似的部件。因此这些部分和涂层的入射角要求也变到不那么麻烦。
这个凸表面可以是在板基体的径向方向上具有凸形状的单个凸表面环。替换地，也可以使用苍蝇眼环结构。图5示出了具有这种结构的本发明的第二实施例。苍蝇眼环结构使用了多个穹顶（或球形帽）形状的第二层，这些第二层与图1和2中示出的波长转换材料环20的对准。
虽然上面描述了本发明的实施例，但本领域技术人员能明了各种不同的变形或替换方式。
例如，第二层100可使用胶水或玻璃并通过包括分散或模制成型的工艺制造。可使用其它适合的方法来形成提供上述功能的凸表面形状。
提供一个或多个凸表面的层的折射指数通常与波长转换材料层的折射指数大约相等或更高。但是，本领域技术人员将理解提供一个或多个凸表面的层的折射指数可小于波长转换材料层的折射指数。在任一情况下，两层之间的折射指数比可以是至少0.8，但基于凸面层的形状，该比可比这个低。
上面的实施例描述了两层结构，凸表面由第二层形成。替换地，第一和第二层可组合形成一个层，该一个层由具有凸表面的单种材料形成。而且，应当理解，可使用上述板15的替换性基体。在其它实施例中，可以不使用基体，例如当磷光体轮由陶瓷磷光体形成时。在这种情况下，磷光体形成为具有凸表面，与本发明一致。
虽然图1和2示出了具有环形基体的磷光体轮的示例，但是也可替换性地使用具有圆柱体（筒）形的基体。例如，US-7651243的图3A中示出的结构也可被采用。虽然描述了混合有胶水的磷光体，但可使用不同的材料作为波长转换材料，例如纯磷光体或磷光体陶瓷。对于陶瓷，陶瓷材料的折射指数可以是晶体指数。为了使用陶瓷材料实施本发明，透明的环可用具有匹配折射指数的材料形成并且这可结合到陶瓷表面。替换地，可将胶水或其它透明的层或涂层直接涂覆到陶瓷表面以形成凸表面。

Claims (28)

1. 一种磷光体轮，包括波长转换部分，该波长转换部分包括与至少一个凸表面光学上形成一体的波长转换材料。
2. 如权利要求1所述的磷光体轮，其中，所述波长转换部分包括具有波长转换材料的第一部分和其中形成所述至少一个凸表面的第二部分。
3. 如权利要求2所述的磷光体轮，其中，第一部分是第一材料层并且其中第二部分包括粘着到第一层的第二材料层。
4. 如权利要求2所述的磷光体轮，其中，第一部分和第二部分是一体形成的。
5. 如权利要求2－4中任一项所述的磷光体轮，其中，第二部分具有的折射指数为第一部分的折射指数的至少80％。
6. 如权利要求2－5中任一项所述的磷光体轮，其中，第二部分是光学透明的。
7. 如前述任一项权利要求所述的磷光体轮，其中，波长转换材料包括载体材料中的多个波长转换元件。
8. 如权利要求7所述的磷光体轮，其中，所述至少一个凸表面由与载体材料相同的材料形成。
9. 如前述任一项权利要求所述的磷光体轮，还包括基体，并且其中，所述至少一个凸表面使用该基体上的涂层形成，所述涂层构造成具有穹顶形状。
10. 如权利要求9所述的磷光体轮，其中，所述基体是环形的或圆柱体形的，并且所述波长转换部分覆盖该基体的外表面的至少一部分。
11. 如权利要求10所述的磷光体轮，其中，该基体是透明的或反光的。
12. 如权利要求10所述的磷光体轮，其中，该基体是反光的，使得激励光穿过与转换后的光被射出所穿过的凸表面相同的凸表面在所述波长转换部分被接收。
13. 如前述任一项权利要求所述的磷光体轮，其中，波长转换材料与多个凸表面光学上形成一体，所述多个凸表面形成为多个凸穹顶形状的环。
14. 如前述任一项权利要求所述的磷光体轮，其中，波长转换材料是磷光材料。
15. 一种制造磷光体轮的方法，包括：
提供波长转换部分，该波长转换部分包括波长转换材料；和
形成与该波长转换材料光学上形成一体的至少一个凸表面。
16. 如权利要求15所述的方法，其中，该波长转换部分包括具有该波长转换材料的第一部分，其中，形成至少一个凸表面的步骤包括形成该波长转换部分的第二部分，在该第二部分中形成所述至少一个凸表面。
17. 如权利要求16所述的方法，其中，第一部分是第一材料层并且其中形成至少一个凸表面的步骤包括将包括第二材料层的第二部分粘着到第一层。
18. 如权利要求16所述的方法，其中，第一部分和第二部分是一体形成的。
19. 如权利要求16-18中任一项所述的方法，其中，第二部分具有与第一部分基本上相同的折射指数。
20. 如权利要求16-19中任一项所述的方法，其中，第二部分是光学透明的。
21. 如权利要求15-20中任一项所述的方法，其中，所述波长转换材料包括在载体材料中的多个波长转换元件。
22. 如权利要求21所述的方法，其中，形成至少一个凸表面的步骤包括用与载体材料相同的材料形成所述至少一个凸表面。
23. 如权利要求15-22中任一项所述的方法，其中，提供波长转换部分的步骤包括在基体上形成波长转换材料，并且其中，形成至少一个凸表面的步骤包括在基体上形成涂层，所述涂层构造成具有穹顶形状。
24. 如权利要求19所述的方法，其中，所述基体是环形的或圆柱形的，并且所述波长转换部分设置成覆盖所述基体的外表面的至少一部分。
25. 如权利要求24所述的方法，其中，所述基体是透明的或反光的。
26. 如权利要求24所述的方法，其中，所述基体是反光的，使得激励光穿过与被波长转换材料转换的光被射出所穿过的凸表面相同的凸表面在波长转换部分被接收。
27. 如权利要求15-26中任一项所述的方法，其中，形成至少一个凸表面的步骤包括形成与波长转换部分光学上形成一体的多个凸表面，所述多个凸表面被形成为多个凸穹顶形状的环。
28. 如权利要求15-27中任一项所述的方法，其中，波长转换材料是磷光材料。
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