CN105319697A - 波长转换模块与照明系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了波长转换模块与照明系统，其中，波长转换模块包括一反射基板、一带状波长转换层及一微结构层。带状波长转换层配置于反射基板上，且包括一透光基材及掺杂于透光基材中的波长转换材料。微结构层配置于带状波长转换层上，且包括多个微结构。这些微结构以最密堆积的方式排列于微结构层的表面，且波长转换模块满足n2-0.3≦n1≦n2+0.3，其中n1为透光基材的折射率，且n2为微结构层的折射率，使得波长转换模块与照明系统，发挥良好的集光效果与良好的光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学模块与光学系统，且特别涉及一种波长转换模块与照明系统。
背景技术
近年来固态照明光源如发光二极管(light-emittingdiode,LED)、激光二极管(Laserdiode)等的发展蓬勃，因而逐渐应用于各式电子设备的照明应用中，以取代传统光源，如汞灯、荧光灯等。固态照明光源相较于传统光源具有发光效率高、体积小、色彩饱和度高以及不含汞等优点。
在投影机的系统中也逐渐导入固态光源作为照明光源。在投影装置中使发光光源(如发光二极管或激光二极管)均匀地投射出红、蓝、绿三原色光的主要技术有下列两种：第一种方式是利用固态光源投射出一白光，并使白光通过具有红、蓝、绿三色滤光片的色轮，从而以个别产生相对应的红、蓝、绿三时序光的方式进行合光输出。第二种方式则为利用固态光源发出蓝色激发光，以激发涂布在旋转盘上的荧光粉以产生红色、蓝色、绿色等光或黄色光，并借着将蓝色、红色、绿色等光或黄光进行合光后输出。
日本专利特开平7-37511号公报提出在等离子显示器面板的排列间距中的表面增加凹凸结构。日本专利特开平2005-277331号公报利用凹状的反射开口结构内侧涂布荧光粉层，以提高从荧光粉层激发出的光利用效率。中国专利第101936505号提出一种荧光轮，其利用一反射面涂布上荧光粉层。中国专利第102073115A号提出一种反射式荧光粉色轮。中国专利第203223862U号揭露一种具有微结构光学薄膜的LED照明装置。中国专利第101651177B号揭露一种具有两层胶体封装的发光二极管。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域的技术人员所知道的公知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域的技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种波长转换模块，具有良好的集光效果。
本发明提供一种照明系统，具有良好的光效率。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种波长转换模块，其包括一反射基板、一带状波长转换层及一微结构层。带状波长转换层配置于反射基板上，且包括一透光基材及掺杂于透光基材中的波长转换材料。微结构层配置于带状波长转换层上，且包括多个微结构。这些微结构以最密堆积的方式排列于微结构层的表面，且波长转换模块满足n2-0.3≦n1≦n2+0.3，其中n1为透光基材的折射率，且n2为微结构层的折射率。
本发明的一实施例提出一种照明系统，包括上述波长转换模块及激发光源。激发光源用以发出激发光束，其中来自激发光源的激发光束经由微结构层传递至带状波长转换层。
在本发明的一实施例中，每一微结构符合P/4≦h≦P/2，其中h为微结构于垂直反射基板的方向上的高度，且P为微结构于平行反射基板的方向上的节距(pitch)。
在本发明的一实施例中，带状波长转换层为环状波长转换层。
在本发明的一实施例中，波长转换材料为荧光材料。
在本发明的一实施例中，波长转换模块还包括反射杯结构，其配置于反射基板上，其中带状波长转换层配置于反射杯结构中。
在本发明的一实施例中，反射杯结构包括第一环状反射结构及第二环状反射结构。第一环状反射结构配置于环状波长转换层的内侧，且第二环状反射结构配置于环状波长转换层的外侧。
在本发明的一实施例中，第一环状反射结构具有第一反射面，第一反射面相对于反射基板倾斜，且朝向环状波长转换层的外侧。第二环状反射结构具有第二反射面，第二反射面相对于反射基板倾斜，且朝向环状波长转换层的内侧。
在本发明的一实施例中，波长转换模块还包括致动器，用以带动反射基板旋转。
在本发明的一实施例中，当反射基板旋转时，带状波长转换层上的不同位置在不同时间中进入激发光束的照射范围内。
在本发明的一实施例中，微结构层与透光基材为一体成型。
在本发明的一实施例中，这些微结构配置于微结构层的背对带状波长转换层的表面，且这些微结构包括具有球的一部分的形状的结构、具有弧状凹面的结构、三角锥状结构、四面体状结构或其组合。
在本发明的一实施例中，激发光源为激光光源。
基于上述，在本发明的实施例的波长转换模块与照明系统中，由于微结构层配置于带状波长转换层上，且这些微结构以最密堆积的方式排列于微结构层的表面，因此除了可降低来自带状波长转换层的光被全反射而无法自波长转换模块出光的机率，且可藉由微结构使自波长转换模块出光的光束的发散角降低。如此一来，波长转换模块便可具有良好的集光效果，而使用此波长转换模块的照明系统可具有良好的光效率。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明的一实施例的照明系统的示意图。
图1B为图1A中的波长转换模块的正视图。
图1C为图1A中的波长转换模块的剖面示意图。
图1D为图1B中的微结构层的局部正视图。
图2A为图1A的波长转换模块在将微结构层移除后的发光强度分布图。
图2B为图1A的波长转换模块的发光强度分布图。
图3A为本发明的另一实施例的波长转换模块的示意图。
图3B为图3A的波长转换模块的正视图。
图4为本发明的又一实施例的波长转换模块的剖面示意图。
图5为本发明的另一实施例的波长转换模块的剖面示意图。
图6为本发明的再一实施例的波长转换模块的剖面示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1A为本发明的一实施例的照明系统的示意图，图1B为图1A中的波长转换模块的正视图，图1C为图1A中的波长转换模块的剖面示意图，而图1D为图1B中的微结构层的局部正视图。请参照图1A至图1D，本实施例的照明系统100包括一波长转换模块200及一激发光源110，且波长转换模块200包括一反射基板210、一带状波长转换层220及一微结构层230。带状波长转换层220配置于反射基板210上，且包括一透光基材222及掺杂于透光基材222中的波长转换材料224。在本实施例中，反射基板210例如是金属基板，而此金属基板的朝向透光基材220的表面则藉由表面抛光处理而形成反射面，或者是在此表面上镀上一层反射膜以形成反射面。在一实施例中，金属基板的材质例如为铝，而反射膜的材质例如为银。此外，在本实施例中，透光基材222的材质例如为透明的胶材，例如使用胶材的折射率为1.5的材质，而波长转换材料224为荧光材料，例如为荧光粉(phosphor)。
微结构层230配置于带状波长转换层220上，且包括多个微结构232。这些微结构232以最密堆积的方式排列于微结构层230的表面，亦即是堆积成六方最密堆积(hexagonalclosedpacking)中的一层，如图1D所绘示。在本实施例中，这些微结构232配置于微结构层230的背对带状波长转换层220的表面，如图1C所绘示，且这些微结构232包括具有球的一部分的形状的结构、具有弧状凹面的结构、三角锥状结构、四面体状结构或其组合，其中具有球的一部分的形状定义为可为半球、1/4球状，但不限于此。在图1C与图1D中，是以微结构232为球的一部分的形状的结构(即透镜形状的结构)为例。
波长转换模块200满足n2-0.3≦n1≦n2+0.3，其中n1为透光基材222的折射率，且n2为微结构层230的折射率。换言之，微结构层230与透光基材222的折射率适度地接近或相同，可降低光在从透光基材222传递至微结构层230时被两者的界面反射的机会。在本实施例中，1.3≦n1≦1.6，而1.3≦n2≦1.6；此外，另一实施例中，n1的范围可为1.0≦n1≦1.9。
激发光源110用以发出一激发光束111。在本实施例中，激发光源110为激光光源，而激发光束111为激光束。举例而言，激发光源110可包括多个排成数组的激光二极管112。此外，透镜120将激发光束111会聚于带状波长转换层220上。来自激发光源110的激发光束111经由微结构层230传递至带状波长转换层220。具体而言，来自透镜120的激发光束111经由微结构层230传递至带状波长转换层220。
带状波长转换层220中的波长转换材料224受到激发光束111的激发后，将激发光束111转换为一转换光束201，其中转换光束201的波长大于激发光束111的波长。部分从波长转换材料224发出的转换光束201往微结构层230传递并穿透微结构层230，另一部分从波长转换材料224发出的转换光束201则往反射基板210传递，并在被反射基板210反射后，依序穿透带状波长转换层220与微结构层230。此外，未被波长转换材料224转换的激发光束111则传递至反射基板210后，被反射基板210反射，且在被反射基板210反射后，激发了波长转换材料224，或直接依序穿透透光基材222与微结构层230。
举例而言，激发光束111例如为蓝色光束，而转换光束201例如为黄色光束，亦即波长转换材料224例如为黄色荧光粉，而从微结构层230出射的转换光束201与激发光束111则可混合成白光。此外，来自激发光源110的激发光束111可被一分光单元130导引至透镜120，且来自波长转换模块200的转换光束201与激发光束111则可经由透镜120的收集后被分光单元130导引至偏离激发光源110的方向。分光单元130可以是部分穿透部分反射元件(element)、分色元件、偏振分光元件或其他各种可将光束分离的元件。
在本实施例的波长转换模块200与照明系统100中，由于微结构层230配置于带状波长转换层220上，且这些微结构230以最密堆积的方式排列于微结构层230的表面，因此除了可降低来自带状波长转换层220的光被全反射而无法自波长转换模块200出光的机率，且可藉由微结构230使自波长转换模块200出光的光束的发散角降低。如此一来，波长转换模块200便可具有良好的集光效果，而使用此波长转换模块200的照明系统100可具有良好的光利用效率。
举例而言，请参照图1C，对于自波长转换材料224发出的转换光束F1而言，是以大的入射角入射透光基材222与微结构层230的界面(即透光基材222的出光面)，当透光基材222上不设置微结构层230时，转换光束F1会接着沿着以虚线示出的转换光束F1’的路径传递，此时由于转换光束F1’的出射方向与带状波长转换层220的法线方向的夹角过大，将导致转换光束F1’无法被透镜120收集，因此转换光束F1’将无法被利用而造成光损失。然而，当透光基材222上设置微结构层230时，转换光束F1将继续行走以实线示出的转换光束F1的路径，也就是被微结构232往较不偏离法线的方向导引。因此，转换光束F1仍可被透镜120收集，因而提升了光利用效率。
另外，当自波长转换材料224发出的转换光束F2以更大的入射角入射透光基材222的出光面，且当透光基材222上不设置微结构层230时，由于透光基材222的折射率比空气较大而导致临界角较小并小于转换光束F2的入射角，此时转换光束F2会沿着以虚线示出的转换光束F2’的路径传递，也就是被透光基材222的出光面全反射。因此，转换光束F2’无法从带状波长转换层220中被提取出并有效得利用，而造成光损失。然而，当透光基材222上设置微结构层230时，转换光束F2将继续行走以实线示出的转换光束F2的路径，也就是从带状波长转换层220进入微结构层230，再被微结构232往较不偏离法线的方向导引出光。因此，转换光束F2仍可被透镜120收集，因而提升了光提取效率和光利用效率。
上述内容及图1C是以理论的方式来分析出波长转换模块200具有良好的集光效果和光提取效率且照明系统100具有良好的光利用效率的结论，而以下图2A与图2B则是以实验的方式来验证此结论。
图2A为图1A的波长转换模块在将微结构层移除后的发光强度分布图，而图2B为图1A的波长转换模块的发光强度分布图。请参照图1A、图2A与图2B，图2A与图2B皆为相对于发光角度的光强度分布图，其中0度方向为波长转换模块的正向，也就是带状波长转换层220的法线方向。此外，第一方向与第二方向的数据是分别在两个互相垂直的角度展开方向上所测得光强度数据。比较图2A与图2B的实验数据可知，本实施例的波长转换模块200由于具有微结构层230，因此的确可以达到良好的集光效果，进而使照明系统100具有良好的光利用效率。
请参照图1A至图1D，在本实施例中，带状波长转换层220为环状波长转换层，而反射基板210呈圆盘状。此外，在本实施例中，波长转换模块200还包括一致动器240，用以带动反射基板旋转。在本实施例中，致动器240例如为一马达，其与反射基板210连接，例如是嵌入至反射基板210的中央。当反射基板旋转时，带状波长转换层230上的不同位置在不同时间中进入激发光束111的照射范围内。如此一来，激发光束111才不会持续地照射于带状波长转换层230的同一点，而导致带状波长转换层230因接受了过多的能量而导致损坏或光转换效率下降。
本实施例的照明系统100可作为投影装置的照明系统，以提供照射投影装置中的光阀(lightvalve)的转换光束201与激发光束111所合成的照明光束，或提供转换光束201作为照明光束。此外，本实施例的带状波长转换层230也不局限于含有一种颜色的荧光粉，其可在不同区段含有不同颜色的荧光粉(如红色、绿色及蓝色或再加上黄色的荧光粉)，进而随着波长转换模块200的旋转而产生时序性的不同颜色的光。
在本实施例中，每一微结构232符合P/4≦h≦P/2，其中h为微结构232于垂直于反射基板210的方向上的高度，且P为微结构232于平行于反射基板的方向上的节距。微结构232采用最密堆积的方式与符合上式皆可使波长转换模块200具有较佳的光提取效率(lightextractionefficiency)与较佳的集光效果。
图3A为本发明的另一实施例的波长转换模块的示意图，而图3B为图3A的波长转换模块的正视图。请参照图3A与图3B，本实施例的波长转换模块200a与图1A的波长转换模块200类似，而两者的差异如下所述。本实施例的波长转换模块200a还包括反射杯结构250，配置于反射基板210上，其中带状波长转换层220配置于反射杯结构250中。在本实施例中，反射杯结构250包括第一环状反射结构252及第二环状反射结构254。第一环状反射结构252配置于带状波长转换层220的内侧，且第二环状反射结构254配置于带状波长转换层220的外侧。
在本实施例中，第一环状反射结构252具有一第一反射面251，第一反射面251相对于反射基板210倾斜，且朝向带状波长转换层220(即环状波长转换层)的外侧。第二环状反射结构254具有第二反射面253，第二反射面253相对于反射基板210倾斜，且朝向带状波长转换层220的内侧。第一反射面251与第二反射面253可将来自带状波长转换层220的转换光束201中从侧向散逸的光线反射至波长转换模块200a的正向，进而提高光利用效率。
图4为本发明的又一实施例的波长转换模块的剖面示意图。请参照图4，本实施例的波长转换模块200b类似于图1C的波长转换模块200，而两者的差异如下所述。在图1C中，微结构层230与透光基材222为各自成型，而在波长转换模块200b中，微结构层230b与透光基材222b为一体成型。此外，波长转换材料224可参杂于微结构层230b与透光基材222b两者中。
图5为本发明的又一实施例的波长转换模块的剖面示意图。请参照图5，本实施例的波长转换模块200c类似于图1C的波长转换模块200，而两者的差异如下所述。在本实施例的波长转换模块200c中，微结构层230c的这些微结构232c为具弧状凹面的结构。
图6为本发明的再一实施例的波长转换模块的剖面示意图。请参照图6，本实施例的波长转换模块200d类似于图1C的波长转换模块200，而两者的差异如下所述。在本实施例的波长转换模块200d中，微结构层230d的这些微结构232d为三角锥状结构或四面体状结构。
综上所述，在本发明的实施例的波长转换模块与照明系统中，由于微结构层配置于带状波长转换层上，且这些微结构以最密堆积的方式排列于微结构层的表面，因此除了可降低来自带状波长转换层的光被全反射而无法自波长转换模块出光的机率，且可藉由微结构使自波长转换模块出光的光束的发散角降低。如此一来，波长转换模块便可具有良好的集光效果和光提取效率，而使用此波长转换模块的照明系统可具有良好的光利用效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或申请专利范围中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
【符号说明】
100：照明系统
110：激发光源
111：激发光束
112：激光二极管
120：透镜
130：分光单元
200、200a、200b、200c、200d：波长转换模块
201、F1、F1’、F2、F2’：转换光束
210：反射基板
220：带状波长转换层
222、222b：透光基材
224：波长转换材料
230、230b、230c、230d：微结构层
232、232c、232d：微结构
240：致动器
250：反射杯结构
251：第一反射面
252：第一环状反射结构
253：第二反射面
254：第二环状反射结构
h：高度
P：节距
Claims (20)
1.一种波长转换模块，其特征在于，该波长转换模块包括：
一反射基板；
一带状波长转换层，配置于该反射基板上，且包括一透光基材及掺杂于该透光基材中的波长转换材料；以及
一微结构层，配置于该带状波长转换层上，且包括多个微结构，其中这些微结构以最密堆积的方式排列于该微结构层的表面，且该波长转换模块满足n2-0.3≦n1≦n2+0.3，其中n1为该透光基材的折射率，且n2为该微结构层的折射率。
2.如权利要求1所述的波长转换模块，其特征在于，每一该微结构符合P/4≦h≦P/2，其中h为该微结构于垂直于该反射基板的方向上的高度，且P为该微结构于平行于该反射基板的方向上的节距。
3.如权利要求1所述的波长转换模块，其特征在于，该带状波长转换层为一环状波长转换层。
4.如权利要求3所述的波长转换模块，其特征在于，还包括一反射杯结构，配置于该反射基板上，其中该环状波长转换层配置于该反射杯结构中。
5.如权利要求4所述的波长转换模块，其特征在于，该反射杯结构包括：
一第一环状反射结构，配置于该环状波长转换层的内侧；以及
一第二环状反射结构，配置于该环状波长转换层的外侧。
6.如权利要求5所述的波长转换模块，其特征在于，该第一环状反射结构具有一第一反射面，该第一反射面相对于该反射基板倾斜，且朝向该环状波长转换层的外侧，该第二环状反射结构具有一第二反射面，该第二反射面相对于该反射基板倾斜，且朝向该环状波长转换层的内侧。
7.如权利要求1所述的波长转换模块，其特征在于，该波长转换材料为荧光材料。
8.如权利要求1所述的波长转换模块，其特征在于，还包括一致动器，用以带动该反射基板旋转。
9.如权利要求1所述的波长转换模块，其特征在于，该微结构层与该透光基材为一体成型。
10.如权利要求1所述的波长转换模块，其特征在于，这些微结构配置于该微结构层的背对该带状波长转换层的表面，且这些微结构包括具有球的一部分的形状的结构、具有弧状凹面的结构、三角锥状结构、四面体状结构或其组合。
11.一种照明系统，包括：
一波长转换模块，其特征在于，该波长转换模块包括：
一反射基板；
一带状波长转换层，配置于该反射基板上，且包括一透光基材及掺杂于该透光基材中的波长转换材料；以及
一微结构层，配置于该带状波长转换层上，且包括多个微结构，其中这些微结构以最密堆积的方式排列于该微结构层的表面，且该波长转换模块满足n2-0.3≦n1≦n2+0.3，其中n1为该透光基材的折射率，且n2为该微结构层的折射率；以及
一激发光源，用以发出一激发光束，其中来自该激发光源的激发光束经由该微结构层传递至该带状波长转换层。
12.如权利要求11所述的照明系统，其特征在于，每一该微结构符合P/4≦h≦P/2，其中h为该微结构于垂直于该反射基板的方向上的高度，且P为该微结构于平行该反射基板的方向上的节距。
13.如权利要求11所述的照明系统，其特征在于，该带状波长转换层为一环状波长转换层。
14.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于，该波长转换模块还包括一反射杯结构，配置于该反射基板上，其中该环状波长转换层配置于该反射杯结构中。
15.如权利要求14所述的照明系统，其特征在于，该反射杯结构包括：
一第一环状反射结构，配置于该环状波长转换层的内侧；以及
一第二环状反射结构，配置于该环状波长转换层的外侧。
16.如权利要求15所述的照明系统，其特征在于，该第一环状反射结构具有一第一反射面，该第一反射面相对于该反射基板倾斜，且朝向该环状波长转换层的外侧，该第二环状反射结构具有一第二反射面，该第二反射面相对于该反射基板倾斜，且朝向该环状波长转换层的内侧。
17.如权利要求11所述的照明系统，其特征在于，该波长转换材料为荧光材料。
18.如权利要求11所述的照明系统，其特征在于，该波长转换模块还包括一致动器，用以带动该反射基板旋转，当该反射基板旋转时，该带状波长转换层上的不同位置在不同时间中进入该激发光束的照射范围内。
19.如权利要求11所述的照明系统，其特征在于，该微结构层与该透光基材为一体成型。
20.如权利要求11所述的照明系统，其特征在于，该激发光源为一激光光源。
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