CN105841097A - 光波长转换装置及其适用的光源系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及光波长转换装置及其适用的光源系统。该光波长转换装置适用于转换第一波段光，包括透射式基板、萤光层及光学层。透射式基板具有折射率n_s值，且折射率n_s值大于环境介质的折射率n_amb值。萤光层设置于透射式基板的一侧，用以将第一波段光转换为第二波段光。光学层相对萤光层设置于透射式基板的另一侧，用以反射第二波段光，且光学层具有有效折射率n_r值；其中，折射率n_s值、折射率n_amb值及有效折射率n_r值满足n_r>2(n_amb ²)/n_s的关系式，藉以实现有效避免能量的浪费，同时简化制造及材料选用的难度等技术效果。

Description

光波长转换装置及其适用的光源系统

技术领域

本公开涉及一种光波长转换装置，特别涉及一种光波长转换装置及其适用的光源系统。

背景技术

光波长转换装置为一种光学换能元件，主要用于将光波长转换产生特定的可见光波长以作为光源，通常应用于特殊照明，例如聚光灯、车头灯、显示器光源或投影机显像等。

一般而言，传统光波长转换装置以萤光粉色轮为大宗，旨在配合激光光源并将激光光转换成具有不同波长的色光。在高功率操作下，萤光粉色轮的光波长转换效率可大幅提升投影机的光电转换及流明输出，近年来已成为新世代投影技术的重要光源。

请参阅图1，其显示传统萤光粉色轮的结构剖视图。如图1所示，传统萤光粉色轮1主要为三层式结构，具有基板10、反射层11及萤光层12。其中，反射层11是形成于基板10之上，且萤光层12是形成于反射层11之上，亦即反射层11是形成于基板10及萤光层12之间。当第一波段光L1激发萤光层12的萤光粉121而转换成第二波段光L2后，该第二波段光L2是进行全角度散射，其中，当定义由萤光层12远离反射层11的方向为正向时，逆向散射，亦即由萤光层12指向反射层11的方向的散射，是受反射层11进行反射后由正向散射出光，应注意的是此处所称的正向是指由萤光层12远离反射层11的方向为正向；同理，逆向是指由萤光层12朝向反射层11的方向为逆向。由于萤光粉所转换的第二波段光L2属朗伯特(Lambertian)出光模型，因此反射层11必须具备反射400纳米至700纳米的可见光的能力之外，同时亦需具备反射高于70度入射角度光的能力，但对多层反射镜技术，要应付如此宽广的反射波段与入射角度，实属一艰辛的课题。

另外，考虑入射环境n₁与透射环境n₂的折射率所存在的布儒斯特角(Brewster Angle,θ_B＝tan^-1(n₂/n₁))效应，当入射光的入射角大于或等于布儒斯特角时，入射光的P偏振光会全数透射反射层11，使得反射层11的反射率大幅降低，而产生漏光的现象。举例而言，当入射光自有效折射率n值约为1.4至1.5入射至折射率n值为1的空气时，其布儒斯特角为35.5度角，另有一临界角(Critical Angle,θ_C＝sin^-1(n₂/n₁))为45.6度角，亦即当入射光的入射角大于或等于35.5度时，入射光的P偏振光会全数透射，而产生漏光的现象，直至入射角大于45.6度时，入射光方会全数被临界角全反射。由此可推知，在传统萤光粉色轮1的结构中，反射层11是介于萤光层12(n₁～1.4-1.5)与基板10(n_s)的结构下，其布儒斯特角是小于临界角，故在入射光角度大于或等于布儒斯特角且小于临界角时，鉴于多层反射镜技术无法包含全频谱与大角度的反射，将会有大量的入射光损耗而无法被反射并应用于光路中，造成大量的能量浪费，同时也使光波长转换装置及光源系统的制造难度大幅提升。

因此，实有必要发展一种光波长转换装置及其适用的光源系统，以改善前文提及的各项缺点及问题，进而增进其产业上的实用性。

发明内容

本公开的主要目的为提供一种光波长转换装置及其适用的光源系统，以便于解决并改善前述现有技术的问题与缺点。

本公开的另一目的为提供一种光波长转换装置及其适用的光源系统，通过光波长转换装置选用的材料及结构，并满足θ_C＝sin^-1(n_amb/n_s)以及n_r>2(n_amb ²)/n_s两式，以实现使布儒斯特角θ_B的角度大于临界角θ_C的角度，并利用临界角的全反射来减轻多层反射镜技术的大角度入射设计，可有效实现避免能量的浪费，同时简化光波长转换装置及光源系统的制造及材料选用的难度等技术效果。

为达上述目的，本公开的一较广实施方式为提供一种光波长转换装置，适用于转换一第一波段光，包括：一透射式基板，具有一折射率n_s值，其中该折射率n_s值大于环境介质的一折射率n_amb值；一萤光层，设置于该透射式基板的一侧，用以将该第一波段光转换为一第二波段光；以及一光学层，相对该萤光层设置于该透射式基板的另一侧，用以反射该第二波段光，其中该光学层具有一有效折射率n_r值；其中，该折射率n_s值、该折射率n_amb值及该有效折射率n_r值满足n_r>2(n_amb ²)/n_s的关系式。

于一些实施例中，该透射式基板是架构于使该第一波段光及该第二波段光透射。

于一些实施例中，该光学层是架构于使该第一波段光透射，并反射该第二波段光。其中，该第一波段光为蓝光或UV光源，且该第二波段光为波长大于460纳米的可见光。

于一些实施例中，该光学层是架构于反射该第一波段光及该第二波段光。

于一些实施例中，该透射式基板为蓝宝石基板、玻璃基板、硼硅玻璃基板、浮法硼硅玻璃基板、熔凝石英基板或氟化钙基板。

于一些实施例中，该光学层包含至少一金属材料，且该金属材料为银或铝，或至少包含银合金或铝合金。

于一些实施例中，该光学层包括一分布布拉格反射层或一全向反射层。

为达上述目的，本公开的另一较广实施方式为提供一种光源系统，包括：一固态发光元件，架构于发出一第一波段光至一光路径；以及一光波长转换装置，设置于该光路径上，包括：一透射式基板，具有一折射率n_s值，其中该折射率n_s值大于环境介质的一折射率n_amb值；一萤光层，设置于该透射式基板的一侧，用以将该第一波段光转换为一第二波段光并输出该第二波段光；以及一光学层，相对该萤光层设置于该透射式基板的另一侧，用以反射该第二波段光，其中该光学层具有一有效折射率n_r值；其中，该折射率n_s值、该折射率n_amb值及该有效折射率n_r值满足n_r>2(n_amb ²)/n_s的关系式。

于一些实施例中，该光波长转换装置为一反射式光波长转换装置。其中，该固态发光元件邻设于该萤光层。

于一些实施例中，该光波长转换装置为一透射式光波长转换装置。其中，该固态发光元件邻设于该光学层。

附图说明

图1显示传统萤光粉色轮的结构剖视图。

图2显示一入射光自本公开较佳实施例的光波长转换装置的基板入射至一光学层并受反射的示意图。

图3显示一入射光自本公开光波长转换装置入射至空气的反射率-入射角角度对应图。

图4A显示本公开较佳实施例的光源系统的架构图。

图4B显示本公开另一较佳实施例的光源系统的架构图。

图5显示本公开一实施例的反射式光波长转换装置的结构剖视图。

图6显示图5所示的反射式光波长转换装置的反射频谱。

图7显示本公开一实施例的透射式光波长转换装置的结构剖视图。

图8显示图7所示的透射式光波长转换装置的透射频谱。

附图标记说明：

1：传统光波长转换装置

10：基板

11：反射层

12：萤光层

121：萤光粉

2：光波长转换装置

20：透射式基板

21：光学层

22：萤光层

3：光源系统

31：固态发光元件

A：环境介质

I：入射光

L1：第一波段光

L2：第二波段光

P：光路径

具体实施方式

体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作对其进行说明用，而非架构于限制本公开。

请参阅图2，其显示一入射光自本公开较佳实施例的光波长转换装置的基板入射至一光学层并受反射的示意图。如图2所示，本公开提出一种光波长转换装置2，是将光学层21镀覆至基板20下方，使基板20夹设于萤光层22与光学层21之间，在该光学架构下，入射光由基板20入射至光学层21。具体而言，入射光I是由透射式基板20入射至光学层21，并受光学层21及环境介质A的界面反射，其中，临界角θ_C为环境介质A的折射率n_amb值除以透射式基板20的折射率n_s值所得之商的反正弦函数，即θ_C＝sin^-1(n_amb/n_s)；布儒斯特角θ_B为光学层21的有效折射率n_r值除以透射式基板20的折射率n_s值所得之商的反正切函数即θ_B＝tan^-1(n_r/n_s)。通过基板n_s与环境介质A所创造的临界角，使得光学层仅需考虑临界角以下的入光角度的全波长频谱反射(400-700nm)，其设计较为容易满足布儒斯特角θ_B的角度大于临界角θ_C的角度；经进一步运算可推得透射式基板20的折射率n_s值、光学层21的有效折射率n_r值以及环境介质A的折射率n_amb值的关系式为：n_r>2(n_amb ²)/n_s。换言之，若本公开的光波长转换装置选用的材料及结构满足θ_C＝sin^-1(n_amb/n_s)以及n_r>2(n_amb ²)/n_s两式时，该光波长转换装置即可实现使布儒斯特角θ_B的角度大于临界角θ_C的角度，并进一步降低入射光的损耗。

请参阅图3，其显示一入射光自一蓝宝石基板入射至空气的反射率-入射角角度对应图。如图3所示，为了解决现有技术中，光波长转换装置的入射光损耗问题，本发明是考虑光波长转换装置及空气的折射率n值，并实现使布儒斯特角的角度大于临界角的角度。于光波长转换装置中，布儒斯特角的角度是取决于整体光波长转换装置的光学层的有效折射率n_r值，临界角的角度是取决于光波长转换装置的基板n_s与环境n_amb折射率。故此，若采用折射率n_s值较大的基板，例如蓝宝石基板，其折射率n_s值约为1.77，可得临界角角度下降至34.4度，即如图3所示。再经运算反推，可进一步得知整体光波长转换装置的光学层有效折射率n_r值的最大值。

以使布儒斯特角的角度大于35度为例，经运算可得整体光波长转换装置的光学层的有效折射率n_r值是小于1.45，但不以此为限。此外，由布儒斯特角的定义θ_B＝tan^-1(n₂/n₁)中，是可发现为使布儒斯特角的角度提升，势必要使反正切函数中的折射率n₁值下降，故本公开提出前述较佳实施例的光波长转换装置2的架构，以实现本发明「使布儒斯特角的角度大于临界角的角度」的目标，并进一步地实现避免能量的浪费，同时简化光波长转换装置及光源系统的制造及材料选用的难度等技术效果。

反观现有技术，其于传统光波长转换装置的架构下，折射率n₁值实受限于萤光层的胶体特性，一般多介于1.4-1.5的硅胶材，材料较难调整，明显无法实现本发明的目标。

请参阅图4A及图4B并配合图2，其中图4A显示本公开较佳实施例的光源系统的架构图，以及图4B显示本公开另一较佳实施例的光源系统的架构图。如图2、图4A及图4B所示，本公开的光波长转换装置2是适用于转换光源系统3的固态发光元件31发出的第一波段光L1，且光波长转换装置2包括透射式基板20、光学层21及萤光层22。其中，透射式基板20是可为例如蓝宝石(Sapphire)基板、玻璃(Glass)基板、硼硅玻璃(Borosilicate Glass)基板、浮法硼硅玻璃(Borofloat Glass)基板、熔凝石英(Fused quartz)基板或氟化钙(CaF₂)基板等，但不以此为限，且具有一折射率n_s值，其中该折射率n_s值大于环境介质的一折射率n_amb值。萤光层21是设置于透射式基板20的一侧，用以将第一波段光L1转换为第二波段光L2。光学层22是可包含至少一金属材料，例如但不限于银或铝或至少含其中之一金属成分的合金，亦可包括分布布拉格反射层(Distributed Bragg Reflector,DBR)或全向反射层(Omni DirectionalReflector,ODR)，其中分布布拉格反射层及全向反射层的层数是可依实际需求进行选用，例如配合光波长转换装置为反射式或透射式架构，且较佳是具有多层，而不以此为限，且光学层22是相对萤光层21设置于透射式基板20的另一侧，用以反射第二波段光L2，且光学层22具有一有效折射率n_r值。其中，为满足本公开使布儒斯特角θ_B的角度大于临界角θ_C的角度，以进一步降低能量损耗，该折射率n_s值、该折射率n_amb值及该有效折射率n_r值满足n_r>2(n_amb ²)/n_s的关系式。因此，可实现有效避免能量的浪费，同时简化光波长转换装置及光源系统的制造及材料选用的难度等技术效果。

请参阅图5并配合图2及图4A，其中图5显示本公开一实施例的反射式光波长转换装置的结构剖视图。如图2、图4A及图5所示，本公开光源系统3的光波长转换装置2是可为反射式光波长转换装置，其中固态发光元件31邻设于萤光层21，以架构于使第一波段光L1的入射方向与第二波段光L2的最终出射方向实质上相反。于一些实施例中，透射式基板20是架构于使第一波段光L1及第二波段光L2透射，且光学层22是架构于反射第一波段光L1及第二波段光L2，亦即反射波长400纳米至700纳米的可见光。

请参阅图6并配合图5，其中图6显示图5所示的反射式光波长转换装置的反射频谱。如图5及图6所示，当选用蓝宝石基板作为本公开反射式光波长转换装置的透射式基板20，该临界角θ_C仅34.4度，该光学层容易设计实现本公开使布儒斯特角θ_B的角度大于临界角θ_C的角度的目标，本公开反射式光波长转换装置2的反射频谱显示400纳米至700纳米的可见光于入射角为0度及30度时，其反射率实质上皆约略为100％，而高于34.4度的入射光，则通过临界角的全反射，而几乎实现全频谱、全角度的反射效果，故此于图6所示的反射频谱中，400纳米至700纳米的可见光于入射角大于30度的部分省略绘出。

请参阅图7并配合图2及图4B，其中图7显示本公开一实施例的透射式光波长转换装置的结构剖视图。如图2、图4B及图7所示，本公开光源系统3的光波长转换装置2是可为透射式光波长转换装置，且固态发光元件31邻设于光学层21，以架构于使第一波段光L1的入射方向与第二波段光L2的最终出射方向实质上相同。于一些实施例中，透射式基板20是架构于使第一波段光L1及第二波段光L2透射，且光学层21是架构于使第一波段光L1透射，并反射第二波段光L2，其中第一波段光L1为蓝光，且第二波段光L2为波长大于460纳米的可见光，然并不以此为限。

请参阅图8并配合图7，其中图8显示图7所示的透射式光波长转换装置的透射频谱。如图7及图8所示，当选用蓝宝石基板作为本公开透射式光波长转换装置的透射式基板20，且实现本公开使布儒斯特角θ_B的角度大于临界角θ_C的角度的目标时，本公开光波长转换装置2的透射频谱显示第二波段光L2，即波长大于460纳米的可见光，于入射角为0度时，其透射率实质上约略为0％，亦即几乎实现全反射。此外，于图8中亦示出，此实施例中的第一波段光L1，即波长小于或等于460纳米的蓝光，于入射角为0度时，其透射率实质上皆约略为100％，亦即几乎实现全透射，由此验证前述光学层22确实是架构于使第一波段光L1透射，并反射第二波段光L2。

综上所述，本公开提供一种光波长转换装置及其适用的光源系统，以便于解决并改善现有技术的问题与缺点。具体而言，本公开是提供一种光波长转换装置及其适用的光源系统，通过光波长转换装置选用的材料及结构满足θ_C＝sin^-1(n_amb/n_s)以及n_r>2(n_amb ²)/n_s两式，以实现使布儒斯特角θ_B的角度大于临界角θ_C的角度，可实现有效避免能量的浪费，同时简化光波长转换装置及光源系统的制造及材料选用的难度等技术效果。

纵使本发明已由上述的实施例详细叙述而可由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱权利要求所欲保护者。

Claims (11)

1.一种光波长转换装置，适用于转换一第一波段光，其特征在于，包括：

一透射式基板，具有一折射率n_s值，其中该折射率n_s值大于环境介质的一折射率n_amb值；

一萤光层，设置于该透射式基板的一侧，用以将该第一波段光转换为一第二波段光；以及

一光学层，相对该萤光层设置于该透射式基板的另一侧，用以反射该第二波段光，其中该光学层具有一有效折射率n_r值；

其中，该折射率n_s值、该折射率n_amb值及该有效折射率n_r值满足n_r>2(n_amb ²)/n_s的关系式。

2.如权利要求1所述的光波长转换装置，其中该光学层是架构于使该第一波段光透射，并反射该第二波段光。

3.如权利要求2所述的光波长转换装置，其中该第一波段光为蓝光或UV光源，且该第二波段光为波长大于460纳米的可见光。

4.如权利要求1所述的光波长转换装置，其中该光学层是架构于反射该第一波段光及该第二波段光。

5.如权利要求1所述的光波长转换装置，其中该透射式基板为蓝宝石基板、玻璃基板、硼硅玻璃基板、浮法硼硅玻璃基板、熔凝石英基板或氟化钙基板。

6.如权利要求1所述的光波长转换装置，其中该光学层包含至少一金属材料，且该金属材料为银或铝。

7.如权利要求1所述的光波长转换装置，其中该光学层包含银合金或铝合金。

8.如权利要求1所述的光波长转换装置，其中该光学层包括一分布布拉格反射层或一全向反射层。

9.一种光源系统，包括：

一固态发光元件，架构于发出一第一波段光至一光路径；以及

一光波长转换装置，设置于该光路径上，包括：

一透射式基板，具有一折射率n_s值，其中该折射率n_s值大于环境介质的一折射率n_amb值；

一萤光层，设置于该透射式基板的一侧，用以将该第一波段光转换为一第二波段光并输出该第二波段光；以及

一光学层，相对该萤光层设置于该透射式基板的另一侧，用以反射该第二波段光，其中该光学层具有一有效折射率n_r值；

其中，该折射率n_s值、该折射率n_amb值及该有效折射率n_r值满足n_r>2(n_amb ²)/n_s的关系式。

10.如权利要求9所述的光源系统，其中该光波长转换装置为一反射式光波长转换装置，该固态发光元件邻设于该萤光层。

11.如权利要求9所述的光源系统，其中该光波长转换装置为一透射式光波长转换装置，该固态发光元件邻设于该光学层。