CN106449947A - 波长转换装置 - Google Patents

Abstract

一种波长转换装置包含基板、反射元件以及波长转换元件。反射元件设置于基板上，并包含连续相材料以及多个纳米颗粒。纳米颗粒分布于连续相材料内。连续相材料的折射率与纳米颗粒的折射率相异。波长转换元件设置于反射元件上。反射元件配置以将波长转换元件传递而来的光线反射离开波长转换元件。

Description

波长转换装置

技术领域

本发明涉及一种波长转换装置，特别涉及一种色轮装置。

背景技术

一般传统反射式萤光粉色轮，是在一基板上镀覆一高反射层，再于此高反射层上涂布萤光粉，藉以利用此反射层将受激光激发萤光粉的出光反射至前方出光。上述高反射层一般多采用金属反射层、多层介电层(DielectricMulti-layer)反射膜、或金属/介电复合层(Metal/Dielectric Multi-layer)反射膜等光学反射层结构设计。

然而，反射式萤光粉色轮的性能受基板反射率的影响甚大。因此，在设计上述高反射层时，往往需考虑入射光的角度与波长。采用多层介电层的反射结构设计，需挑战全角度入射及全可见光波段的反射频谱设计，导致膜层数大幅增加，镀膜制程繁琐耗时，膜层信赖性下降且成本大幅提高。由此可知，多层介电层反射膜往往受入射光条件的影响甚大。虽然金属反射层较无入射角度考量，但其容易氧化、腐蚀，因此稳定度并不佳。

再者，萤光粉是以胶材混涂于高反射层表面上，使得萤光粉出光光子从折射率约为1.4至1.5的胶体环境入射至高反射层，不同于一般空气(n＝1)的环境设计。受布鲁斯特角效应(Brewster Angle Effect)影响，大角度的入射光将有部分偏极化光穿透高反射层至底部基板吸收，使得萤光粉色轮的出光量下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的一目的在于提出一种可适用于全入射角度以及全波长频谱的反射要求的波长转换装置。

为了达到上述目的，依据本发明的一实施方式，一种波长转换装置包含基板、反射元件以及波长转换元件。反射元件设置于基板上，并包含连续相材料以及多个纳米颗粒。纳米颗粒分布于连续相材料内。连续相材料的折射率与纳米颗粒的折射率相异。波长转换元件设置于反射元件上。反射元件配置以将波长转换元件传递而来的光线反射离开波长转换元件。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的连续相材料为一有机介质材料或一无机介质材料。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的有机介质材料为丙烯酸树脂、硅胶或玻璃类橡胶。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的有机介质材料的折射率为1.3至1.55。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的无机介质材料为透明的氧化物基玻璃。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的无机介质材料包含硅、磷、硼、铋、铝、锆、锌、碱金族元素以及碱土族元素中的至少其一的组合的氧化物。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的无机介质材料的折射率为1.4至1.6。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的波长转换元件包含无机介质材料。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的反射元件的厚度为10微米至3毫米。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的反射元件的厚度进一步为30微米至500微米。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的纳米颗粒的材料包含二氧化硅、气泡、钽氧化物、钛氧化物、氟化镁以及硫酸钡中的至少其一。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的纳米颗粒的粒径为50纳米至500纳米。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的纳米颗粒的粒径为100纳米至400纳米。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的纳米颗粒在反射元件中的浓度为30wt％至95wt％。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的纳米颗粒在反射元件中的浓度进一步为50wt％至90wt％。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的连续相材料的折射率与纳米颗粒的折射率之间的差值大于等于0.5。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的纳米颗粒包含多个第一子纳米颗粒以及多个第二子纳米颗粒。第一子纳米颗粒的折射率大于连续相材料的折射率，并且第二子纳米颗粒的折射率小于连续相材料的折射率。

于本发明的一或多个实施方式中，上述的波长转换元件为萤光粉层。

综上所述，本发明的波长转换装置的反射元件是将纳米颗粒分布于连续相材料内，并通过使连续相材料的折射率与纳米颗粒的折射率相异，使得光线可在两者之间的接口进行反射。并且，通过调整纳米颗粒的粒径与浓度，可模拟于现有的多层介电层的反射机制，因此可轻易符合全入射角度与全波长频谱的反射要求。不仅如此，本发明的波长转换装置仅需调配适当配方的反射元件于基板上，即可有效提高波长转换装置整体的输出亮度，因此还具备制程简单，价格便宜等优点。

以上所述仅是用以阐述本发明所欲解决的问题、解决问题的技术手段、及其产生的技术效果等等，本发明的具体细节将在下文的实施方式及相关附图中详细介绍。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，说明书附图的说明如下：

图1为绘示本发明一实施方式的波长转换装置的示意图。

图2为绘示本发明一实施方式的波长转换装置与铝板的标准化输出功率-激光功率曲线图。

图3为绘示本发明一实施方式的波长转换装置与铝板的亮度-激光功率曲线图。

图4为绘示本发明另一实施方式的波长转换装置的示意图。

附图标记说明：

1、2：波长转换装置

10：基板

12、22：反射元件

120：连续相材料

122、222：纳米颗粒

14：波长转换元件

140：粘结剂

142：萤光粉颗粒

222a：第一子纳米颗粒

222b：第二子纳米颗粒

具体实施方式

以下将以附图公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示之。

请参照图1，其为绘示本发明一实施方式的波长转换装置1的示意图。

如图1所示，在本实施方式中，波长转换装置1包含基板10、反射元件12以及波长转换元件14。反射元件12设置于基板10上，并包含连续相材料120以及多个纳米颗粒122。纳米颗粒122分布于连续相材料120内。连续相材料120的折射率与纳米颗粒122的折射率相异。波长转换元件14设置于反射元件12上。也就是说，基板10、反射元件12与波长转换元件14三者形成一个三明治堆迭结构。在一些实施方式中，波长转换元件14为萤光粉层，但本发明的并不以此为限。萤光粉层可受光线(例如，激光)激发而发光，以作为波长转换装置1的发光层。反射元件12配置以将波长转换元件14传递而来的光线反射离开波长转换元件14。

根据以上结构配置可知，波长转换装置1的反射元件12具有纳米颗粒122分布于连续相材料120内的结构，并且连续相材料120的折射率与纳米颗粒122的折射率相异，使得光线可在两者之间的接口进行反射。并且，若连续相材料120的折射率与纳米颗粒122的折射率的差值越大，则光线在两者之间的接口的反射率越大，且反射角度也越大。

在一些实施方式中，连续相材料120的折射率与纳米颗粒122的折射率之间的差值大于等于0.5，但本发明并不以此为限。

一般来说，现有的多层介电层反射膜在设计时，若欲反射某波长的光线时，是将膜层厚度设定为欲反射的光线的四分之一波长(quarterwavelength)。根据此概念，若欲使现有的多层介电层反射膜可适用于全入射角度以及全波长频谱的反射要求，则其膜层的数量实际上往往逼近百层。

相比之下，本发明多个实施方式中的波长转换装置1所采用的纳米非连续式反射元件12，是将高折射率的纳米颗粒122分布于低折射率的连续相材料120内(反之亦然)，并通过调整纳米颗粒122的粒径与浓度，以达到模拟于现有的多层介电层反射膜的反射机制，并比现有的多层介电层反射膜更轻易地符合全入射角度以及全波长频谱的反射要求。不仅如此，本发明多个实施方式中的波长转换装置1仅需调配适当配方的反射元件12于基板10上，即可有效提高波长转换装置1整体的输出亮度，因此还具备制程简单，价格便宜等优点。

更具体来说，纳米颗粒122的浓度是用来调整任意两纳米颗粒122间的连续相材料120的距离，再搭配纳米颗粒122的粒径，可轻易在很薄的厚度之下达到各种厚度组合，进而有效地达到各种波长频谱的反射。

在一些实施方式中，纳米颗粒122的粒径为50纳米至500纳米。更具体来说，纳米颗粒122的粒径为100纳米至400纳米。当纳米颗粒122的粒径小于400纳米时，可让可见光无视且可穿透于纳米颗粒122。当纳米颗粒122的粒径大于100纳米时，可避免纳米颗粒122的表面等离子体子与可见光共振吸收。

在一些实施方式中，纳米颗粒122在反射元件12中的浓度为30wt％至95wt％。更具体来说，纳米颗粒122在反射元件12中的浓度进一步为50wt％至90wt％。

在一些实施方式中，连续相材料120为有机介质材料。举例来说，有机介质材料为丙烯酸树脂、硅胶或玻璃类橡胶。在一些实施方式中，有机介质材料的折射率为1.3至1.55。为了增加连续相材料120的折射率与纳米颗粒122的折射率之间的差值，可以在连续相材料120中添加具有高折射率材料(例如TiOx、TaOx等)的纳米颗粒122，或导入具有低折射率材料(例如空气、氟化镁、二氧化硅等)的纳米颗粒122。

在一些实施方式中，采用前述有机介质材料所制成的连续相材料120，可通过胶液涂布(slurry-coating)制程、滴落(dropping)制程、印刷(printing)制程等方式沉积而成。

在一些实施方式中，纳米颗粒122的材料包含二氧化硅、气泡、钽氧化物、钛氧化物、氟化镁以及硫酸钡中的至少其一，但本发明并不以此为限。

在一些实施方式中，反射元件12的厚度为10微米至3毫米。更具体来说，反射元件12的厚度进一步为30微米至500微米，但本发明并不以此为限。

请参照图2，其为绘示本发明一实施方式的波长转换装置1与铝板的标准化输出功率-激光功率曲线图。

如图2所示，在本实施方式中，与波长转换装置1相比较的是铝含量为95％的铝板，并且两者是在相同功率的激光光源之下进行反射光的亮度实验。波长转换装置1的反射元件12中所采用的连续相材料120为硅胶(折射率约为1.5)。反射元件12中所采用的纳米颗粒122的材料为中空玻璃珠(折射率约为1.0)，纳米颗粒122的厚度约为200纳米，且纳米颗粒122的浓度约为10wt％至30wt％。由图2可以清楚得知，实验结果显示本实施方式中的波长转换装置1的反射光的亮度(即标准化输出功率)比铝板的反射光的亮度高约5％左右。

请参照图3，其为绘示本发明一实施方式的波长转换装置1与铝板的亮度-激光功率曲线图。

如图3所示，在本实施方式中，与波长转换装置1相比较的同样是铝含量为95％的铝板，并且两者是在相同功率的激光光源之下进行反射光的亮度实验。波长转换装置1的反射元件12中所采用的连续相材料120为硅胶(折射率约为1.5)。反射元件12中所采用的纳米颗粒122的材料为二氧化钛(折射率约为2.4)，纳米颗粒122的厚度约为300纳米，且纳米颗粒122的浓度约为30wt％至50wt％。由图3可以清楚得知，实验结果显示本实施方式中的波长转换装置1的反射光的亮度比铝板的反射光的亮度高约10％左右。

此外，本实施方式与图2所示的实施方式相比，由于本实施方式的连续相材料120与纳米颗粒122的折射率的差值较大(约为0.9)，所以反射率的增益度以及亮度的增益度皆超过图2所示的实施方式，因此更验证了本发明所宣称的操作原理(亦即，有关于连续相材料120的折射率与纳米颗粒122的折射率的差值越大，则光线在两者之间的接口的反射率越大的操作原理)。

由图2与图3所示的实验曲线图以及以上相关实验数据说明可知，相较于现有的铝板，本发明多个实施方式中的波长转换装置1确实可有效提高整体的输出亮度。

在一些实施方式中，反射元件12的连续相材料120也可为无机介质材料。举例来说，无机介质材料可陶瓷氧化物，例如为透明的氧化物基玻璃。更具体来说，无机介质材料包含硅、磷、硼、铋、铝、锆、锌、碱金族元素以及碱土族元素中的至少其一的组合的氧化物，但本发明并不以此为限。在一些实施方式中，无机介质材料的折射率为1.4至1.6。通过以上述无机介质材料所制成的连续相材料120粘结纳米颗粒122，即可使本发明的波长转换装置1适用于较高功率的产品上。

在一些实施方式中，波长转换元件14也包含前述的无机介质材料。具体来说，如图1所示，波长转换元件14包含粘结剂(binder)140以及萤光粉颗粒142，而粘结剂140可由前述的无机介质材料所制成。因此，可使本发明的波长转换装置1更适用于较高功率的产品上。

在一些实施方式中，采用前述无机介质材料所制成的连续相材料120及/或粘结剂140可通过涂布制程而先沉积，再通过一高温制程以进行烧结或热熔而成。

在一些实施方式中，基板10可由玻璃、金属(例如铝)、陶瓷或半导体材料所制成，但本发明并不以此为限。

在一些实施方式中，波长转换装置1为反射式色轮，但本发明并不以此为限。

图4为绘示本发明另一实施方式的波长转换装置2的示意图。

如图4所示，于本实施方式中，波长转换装置2包含基板10、反射元件22以及波长转换元件14，其中基板10与波长转换元件14与图1所示的实施方式相同，因此在此不再赘述。在此要说明的是，相较于图1所示的实施方式，本实施方式中的纳米颗粒222进一步包含多个第一子纳米颗粒222a以及多个第二子纳米颗粒222b。第一子纳米颗粒222a的折射率大于连续相材料120的折射率，并且第二子纳米颗粒222b的折射率小于连续相材料120的折射率。也就是说，于本实施方式中，第一子纳米颗粒222a与第二子纳米颗粒222b均匀地分布于同一连续相材料120中(亦即，共用了同一连续相材料120)。反观，对于现有的多层介电层反射膜来说，其膜层仅能堆迭，若欲达到与本实施方式类似的反射效果，其堆迭后的膜层厚度必然比本实施方式的反射元件22还大。因此，本实施方式的反射元件22相较于现有的多层介电层反射膜可以减少厚度。

由以上对于本发明的具体实施方式的详述，可以明显地看出，本发明的波长转换装置的反射元件是将纳米颗粒分布于连续相材料内，并通过使连续相材料的折射率与纳米颗粒的折射率相异，使得光线可在两者之间的接口进行反射。并且，通过调整纳米颗粒的粒径与浓度，可模拟于现有的多层介电层的反射机制，因此可轻易符合全入射角度与全波长频谱的反射要求。不仅如此，本发明的波长转换装置仅需调配适当配方的反射元件于基板上，即可有效提高波长转换装置整体的输出亮度，因此还具备制程简单，价格便宜等优点。

虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并不用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (18)

1.一种波长转换装置，包含：

一基板；

一反射元件，设置于该基板上，该反射元件包含：

一连续相材料；以及

多个纳米颗粒，分布于该连续相材料内，其中该连续相材料的折射率与所述多个纳米颗粒的折射率相异；以及

一波长转换元件，设置于该反射元件上，

其中该反射元件配置以将该波长转换元件传递而来的光线反射离开该波长转换元件。

2.如权利要求1所述的波长转换装置，其中该连续相材料为一有机介质材料或一无机介质材料。

3.如权利要求2所述的波长转换装置，其中该有机介质材料为丙烯酸树脂、硅胶或玻璃类橡胶。

4.如权利要求2所述的波长转换装置，其中该有机介质材料的折射率为1.3至1.55。

5.如权利要求2所述的波长转换装置，其中该无机介质材料为透明的氧化物基玻璃。

6.如权利要求2所述的波长转换装置，其中该无机介质材料包含硅、磷、硼、铋、铝、锆、锌、碱金族元素以及碱土族元素中的至少其一的组合的氧化物。

7.如权利要求2所述的波长转换装置，其中该无机介质材料的折射率为1.4至1.6。

8.如权利要求2所述的波长转换装置，其中该波长转换元件包含该无机介质材料。

9.如权利要求1所述的波长转换装置，其中该反射元件的厚度为10微米至3毫米。

10.如权利要求9所述的波长转换装置，其中该反射元件的厚度进一步为30微米至500微米。

11.如权利要求1所述的波长转换装置，其中所述多个纳米颗粒的材料包含二氧化硅、气泡、钽氧化物、钛氧化物、氟化镁以及硫酸钡中的至少其一。

12.如权利要求1所述的波长转换装置，其中所述多个纳米颗粒的粒径为50纳米至500纳米。

13.如权利要求12所述的波长转换装置，其中所述多个纳米颗粒的粒径为100纳米至400纳米。

14.如权利要求1所述的波长转换装置，其中所述多个纳米颗粒在该反射元件中的浓度为30wt％至95wt％。

15.如权利要求14所述的波长转换装置，其中所述多个纳米颗粒在该反射元件中的浓度进一步为50wt％至90wt％。

16.如权利要求1所述的波长转换装置，其中该连续相材料的折射率与所述多个纳米颗粒的折射率之间的一差值大于等于0.5。

17.如权利要求1所述的波长转换装置，其中所述多个纳米颗粒包含多个第一子纳米颗粒以及多个第二子纳米颗粒，所述多个第一子纳米颗粒的折射率大于该连续相材料的折射率，并且所述多个第二子纳米颗粒的折射率小于该连续相材料的折射率。

18.如权利要求1所述的波长转换装置，其中该波长转换元件为一萤光粉层。