CN103912848A - 一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮及其设计方法。本发明提供了一种具有漫反射的基板，以提高对荧光粉色轮中荧光粉的利用率，增强荧光粉色轮的整体发光效率，改善荧光粉色轮局部发热的问题。

Description

一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种新型基板的荧光粉色轮制作及其光路优化的方法，尤其涉及到一种利用漫反射基板制作荧光粉色轮，提高荧光粉利用效率，增强荧光粉色轮整体发光效率，改善荧光粉色轮局部发热的问题，并且利用漫反射基板进行光学设计来优化光路的方法。

 

背景技术

现在，越来越多的投影机选择主要利用LED (light Emitting Diode) 或LD (Laser Diode) 作为显示光源，其中一种模式是直接利用多色激发光源发出红、绿或蓝等不同波长的光作为光源实现彩色显示；另外一种则是利用一种红色或绿色或蓝色作为光源，再利用其激发、转换出其他两种三原色，最终通过调制光路实现彩色投影显示。美国专利US7547114B2提出一种产生高亮度时序色光的方法，该方法将激发光源收集并聚焦于一个荧光粉转盘上激发荧光粉材料发光，并随着转盘的转动产生周期性时序的色光序列；使用该方法可以制作出高亮度的投影光源。通过这种原理运用的荧光粉色轮，一般在基板上涂布一种或多种不同颜色、不同激发光谱的荧光粉色段/片层，从而通过LED或LD光源来激发出不同波长颜色的光，并以此作为投影机的光源。

目前，荧光粉色轮的制作主要是在某种具有高反射率的基板上涂布荧光粉，以此来提高荧光粉的利用效率，增强荧光粉色轮的整体发光效率。因此，普通的荧光粉色轮所使用的基板多为镀有金属高反膜如铝膜或银膜等的镜面金属材料。由于激光光斑直径一般在1.5~2mm左右，而荧光粉色段的宽度一般在4~4.5mm左右（这些参数具体取决于收光透镜等的光路设计），入射的激光在荧光粉色段内部由于荧光粉颗粒的散射作用，光斑会有所扩大，约3mm左右，因此在荧光粉色段内部的不同位置，入射激光的光强分布是不均匀的，这就意味着一部分的荧光粉色段并没有得到充分的利用；而且较小的激光光斑单位能量过强，会使得局部荧光粉色段的温度偏高，使得发光效率也会相应降低，同时对局部荧光粉色段以及基板的寿命产生不良的影响。

而且，由于整机光路中对于光扩散的需求，光路设计中往往需要加入另一些带有扩散光功能的光学部件（如扩散片等），与荧光粉色轮结合使用，复杂了整机光路设计，增加了光源系统成本。

为了解决上述现有传统荧光粉色轮的缺陷及改进方法的不足的问题，本发明提出了“利用基板漫反射光学设计提高荧光粉利用效率及其对光路设计的优化的方法”。

发明内容

本发明为了解决现有荧光粉色轮的前述问题，提供了一种具有漫反射的基板，以提高对荧光粉色轮中荧光粉的利用率，增强荧光粉色轮的整体发光效率，改善荧光粉色轮局部发热的问题，并可以对光路设计进行优化。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：利用基板漫反射（波段100~760nm，漫反射率10%~100%，其中包括镜面反射率，透射率，吸收率和散射率）光学设计，在基板上涂布荧光粉，制成荧光粉色轮。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：利用基板漫反射（波段100~760nm，漫反射率10%~100%，其中包括镜面反射率，透射率，吸收率和散射率）光学设计，使荧光粉色轮的基板本身具有一定的扩散片的散光功能，从而可以取代现有光路中某些起到散光作用的光学部件（如扩散片，带有扩散片的色轮等）。

本发明所涉及的漫反射基板，指在可见光及紫外光范围内全光谱（100nm-760nm）漫反射（漫反射率10%~100%）镜面反射，透过率和吸收率之和为1%~80%）的基板，但不限于以上波长范围。同时该基板可以对制作的色轮在荧光粉被激发时所产生的热量进行可以起到高效散热的功能。

本发明所涉及的漫反射基板材料包括金属，非金属，有机材料或无机材料或复合材料基板或上述材料两种及两种以上的复合基板，也包括具有一定范围漫反射的金属，有机高分子材料如高白度尼龙/塑料/特氟龙等，高白度非金属化合物材料如陶瓷（包括烧结过的陶瓷体和未烧结过的陶瓷胚体）等，但不限于上述材料。

基板表面漫反射的形成处理方法包括：采用粉末冶金烧结方式或高压冷压等方式获得高白度的单一材料体系或多相材料体系混合物的金属化合物如单相或多相陶瓷、金属陶瓷等，以及获得具有高漫反射的金属表面或具有高白度的高聚物等非金属表面；2)针对金属表面或非金属表面的所有表面粗化工艺，例如表面喷砂粗化工艺等；3)基板表面实现高漫反射材料涂层或镀层的表面复合材料制备工艺，包括采用热喷涂或火焰喷涂或电弧镀等方式、采用常规喷涂、电化学镀或涂陶瓷釉或刷浆方式，在所述基板表面形成一层或数层具有高漫反射效果的薄膜或镀层或釉层或涂层。但并不仅限于以上几种方式。4)基板表面可以制成具有亚毫米级的三维凸凹结构，以利于进一步加强散射效果。。

基板漫反射薄膜或涂层或镀层或釉层或基板本体的表面漫反射处理工艺，其表面处理材料可以选择具有表面高漫反射特征的材料体系，如高纯氧化铝、氧化镁、氧化钛、氧化锆、氧化钡、磷酸钙、磷酸钡、硫酸钡、硅酸钙、碳酸钙、氮化硼、硅酸锆、(氧)氯化锆、石英等氮化物、氧化物、硫化物、磷化物、硼化物、铝酸盐、硅酸盐、硼酸盐、碳酸盐、氯化物以及高白粘土等高白度材料中的一种或数种，但并不仅限于以上几种材料。

基板的具有漫反射或散射的表面可以是基板的全部表面，侧面或是部分的表面或侧面。

漫反射基板的形状可以是三角形，圆形，方形或其他任意规则或不规则形状，基板可以进行过或没有进行过任何挤压，切割，激光等机械加工或任何形式的加工方式。

漫反射基板的存在所优化的光路设计包括但不限于：结合对激发光束产生反射和散射作用的组合，节省具有扩散功能的光学部件，简化光路，节省光路空间等

 本发明的目的在于提供一种新型的荧光粉色轮漫反射基板光学设计，对激发光束透过荧光粉片层在基板上形成的光斑进行一定程度的扩散，以提高荧光粉色轮的荧光粉利用效率，增强荧光粉色轮的整体发光效率，改善荧光粉色轮局部发热的问题，并且利用漫反射基板进行光学设计来优化光路。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是现有普通的荧光粉色轮基板结构及形成的光斑示意图。

图2是本发明实施例一的荧光粉色轮基板结构及形成的光斑示意图。

图3是本发明实施例五的荧光粉色轮基板结构示意图。

图4是本发明实施例五的荧光粉色轮基板结构截面示意图。

图5是高镜面反射率98%基板形成的光斑示意图。

图6是漫反射率80%基板形成的光斑示意图。

图7是漫反射率97%基板形成的光斑示意图。

具体实施方式

实施例一：

在直径为40mm的金属铝的圆形基板10上，进行表面漫反射层501处理，采用100nm~760nm波长范围内，漫反射率80%的白釉料涂布与铝基板10上形成漫反射层501，基板整体的反射率为98%，其中漫反射率为80%，镜面反射率为18%。在漫反射层501的表面上通过点胶或喷涂或印刷的方式涂布荧光粉，形成荧光粉片层20，荧光粉片层20的宽度为4mm,厚度为0.2mm。激光光源101发出的激光光束102以45度的入射角射入荧光粉片层20，在荧光粉颗粒本身的散射作用和基板的漫反射作用下，荧光粉片层20上形成了3.5mm直径的光斑32，并形成反射光束103。收光透镜40对荧光粉激发出的反射光束103进行收光。与同样条件下与普通镀银金属铝基板相比较，基板10的反射率为98%（基板表面501的漫反射率为80%，镜面反射率为18%），作为对比的镀银金属铝基板表面的反射率同样为98%，在此情形下，采用同样材质的基板和完全一样的实验条件，结果发现，本实施例的荧光粉色轮的光效提高了6%。具体数据见表1。

实施例二：

在直径为40mm的陶瓷圆形基板10上，进行表面漫反射层501处理，采用100nm~760nm波长范围内，漫反射率为10%的白釉料涂布与陶瓷圆形基板10上形成漫反射层501，基板整体的反射率为98%，其中漫反射率为10%，镜面反射率为18%。在漫反射层501的表面上通过点胶或喷涂或印刷的方式涂布荧光粉，形成荧光粉片层20，荧光粉片层20的宽度为4mm,厚度为0.2mm。激光光源101发出的激光光束102以45度的入射角射入荧光粉片层20，在荧光粉颗粒本身的散射作用和基板的漫反射作用下，荧光粉片层20上形成了3.5mm直径的光斑32，并形成反射光束103。收光透镜40对荧光粉激发出的反射光束103进行收光。作为对比的镀银金属铝基板表面的反射率同样为98%，在此情形下，采用同样材质的基板和完全一样的实验条件，结果发现，本实施例的荧光粉色轮的光效提高了1%。具体数据见表1。

实施例三：

在直径为40mm的金属铁的圆形基板10上，进行表面漫反射层501处理，采用100nm~760nm波长范围内，漫反射率为60%的白釉料涂布与属铁的圆形基板上形成漫反射层501，基板整体的反射率为98%，其中漫反射率为60%，镜面反射率为18%。在漫反射层501的表面上通过点胶或喷涂或印刷的方式涂布荧光粉，形成荧光粉片层20，荧光粉片层20的宽度为4mm,厚度为0.2mm。激光光源101发出的激光光束102以45度的入射角射入荧光粉片层20，在荧光粉颗粒本身的散射作用和基板的漫反射作用下，荧光粉片层20上形成了3.5mm直径的光斑32，并形成反射光束103。收光透镜40对荧光粉激发出的反射光束103进行收光。作为对比的镀银金属铝基板表面的反射率同样为98%，在此情形下，采用同样材质的基板和完全一样的实验条件，结果发现，本实施例的荧光粉色轮的光效提高了3%。具体数据见表1。

实施例四：

在直径为40mm的金属铜的圆形基板10上，进行表面漫反射层501处理，采用100nm~760nm波长范围内，漫反射率为60%的白釉料涂布与金属铜的圆形基板上形成漫反射层501，基板整体的反射率为98%，其中漫反射率为60%，镜面反射率为18%。在漫反射层501的表面上通过点胶或喷涂或印刷的方式涂布荧光粉，形成荧光粉片层20，荧光粉片层20的宽度为4mm,厚度为0.2mm。激光光源101发出的激光光束102以45度的入射角射入荧光粉片层20，在荧光粉颗粒本身的散射作用和基板的漫反射作用下，荧光粉片层20上形成了3.5mm直径的光斑32，并形成反射光束103。收光透镜40对荧光粉激发出的反射光束103进行收光。作为对比的镀银金属铝基板表面的反射率同样为98%，在此情形下，采用同样材质的基板和完全一样的实验条件，结果发现，本实施例的荧光粉色轮的光效提高了0.5%。具体数据见表1

 实施例五：

图5所示为本发明使用荧光粉色轮基板结构。使用直径为50mm的金属铝圆环片基板11，机械挤压加工方式，以基板11水平放置时上表面的最低面为基准面，预先形成以金属铝圆环片基板外径为基准，宽度为4mm，深度为-0.2mm，角度为300度的下凹荧光粉涂布区域20。通过喷涂工艺，在基板11的非下凹区域的表面，形成具有高漫反射率70%的漫反射层502，并最终制成荧光粉色轮。该荧光粉色轮的高漫反射区域502，可以对激光光源的部分光束起到光扩散作用，省去了光路中扩散片的使用，优化了光路设计。

上述实施例仅是本发明的几个具体实例，并非对本发明技术范围做任何的限制。凡是依据本发明的技术实质对上面的实施例所做的任何修改，等同变化与修饰，均仍然属于本发明的技术内容和范畴。

表1为本发明的所有实施例中的漫反射基板的标准的镀银高镜面反射基板，分别制成荧光粉色轮后的光效比较情况。

实施例	基板表面反射层的镜面反射率	基板表面层的漫反射率	基板表面层的透过率加吸收率	制成的荧光粉色轮的激发光效比较（20W）
					实施例一	18%	80%	2%	1.06
实施例二	88%	10%	2%	1.01
					实施例三	37%	60%	3%	1.03
实施例四	-	97%	3%	1.005
					对比标准样	93%	5%	2%	1.00

注：对比标准样是指在金属铝基板上镀高反射银膜层后进行的荧光粉涂布并制成荧光粉色轮。

Claims (10)

1.一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮，其特征在于，包括漫反射基板（10）和设置在漫反射基板（10）上的荧光粉片层（20）。

2.根据权利要求1所述的一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮，其特征在于，所述漫反射基板（10）适用光波长范围100-760 nm的任意波长的激发光。

3.根据权利要求1所述的一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮，其特征在于，所述漫反射基板（10）和荧光粉片层（20）之间设漫反射涂层。

4.根据权利要求1所述的一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮，其特征在于，漫反射基板（10）的具有漫反射或散射的表面是基板的全部或部分表面，或是基板的全部或部分侧面。

5.一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮的制作方法，其特征在于，基板表面漫反射的形成处理方法采用粉末冶金烧结方式或高压冷压方式获得高白度的单一材料体系或多相材料体系混合物的金属化合物，以及获得具有高漫反射的金属表面或具有高白度的高聚物的非金属表面。

6.根据权利要求4所述的一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮的制作方法，其特征在于，所用的基板材料是金属材料，铝、银、铜；

或是无机非金属材料，玻璃、陶瓷；

或是高分子材料，如PVDF、PET、PP；或

是有机与无机复合材料，如PET与玻璃形成的复合材料；

或是上述两种或两种以上材料形成的复合材料。

7.一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮的制作方法，其特征在于，对金属表面或非金属表面的所有表面粗化工艺。

8.一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮的制作方法，其特征在于，基板表面涂覆实现高漫反射材料涂层或镀层的表面复合材料。

9.根据权利要求5或6或7的一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮的制作方法，其特征在于，基板表面制成具有亚毫米级的三维凸凹结构。

10.根据权利要求5或6或7的一种利用漫反射基板进行光学设计的荧光粉色轮的制作方法，其特征在于，漫反射金属基板结合机械挤压加工方式形成凹、凸结构的荧光粉涂布区域，形成对光的扩散作用。