CN108538990B - 波长转换装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种波长转换装置，包含基板、波长转换元件以及抗反射结构。波长转换元件设置于基板上。抗反射结构包含多个堆叠层。堆叠层由波长转换元件按序堆叠。每一堆叠层由多个纳米颗粒排列而成。堆叠层的孔隙率由抗反射结构面向该波长转换元件的第一侧朝向抗反射结构背对波长转换元件的第二侧渐增。本公开提供的波长转换装置可有效减少入射光的散射损耗。

Description

波长转换装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种波长转换装置，特别涉及一种色轮装置。
背景技术
一般传统反射式荧光色轮，是在一基板上镀覆一高反射层，再于此高反射层上涂布荧光粉，借此利用此反射层将受激光激发荧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(Dielectric Multi-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。
一般来说，所有材料皆具有其折射率。因此，当光线穿过不同材料时，会在不同材料之间的界面发生散射损耗(scattering loss)。举例来说，当入射光由空气(n＝0)经由荧光粉的粘合剂介质(n≈1.4～1.5)而抵达荧光粉(n≈1.8)时，根据菲涅耳反射定理(Fresnel law of reflection)大约会有4-5％的散射损耗。若在空气与荧光粉之间设置多个层膜，且这些层膜的折射率介于空气与荧光粉之间且呈阶梯式排序配置，虽然可将散射损耗减少至大约2％，但膜层数大幅增加将导致镀膜制程繁琐耗、膜层可靠性下降以及成本大幅提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的一目的在于提出一种可有效减少入射光的散射损耗的波长转换装置。
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、波长转换元件以及抗反射结构。波长转换元件设置于基板上。抗反射结构包含多个堆叠层。堆叠层由波长转换元件按序堆叠。每一堆叠层由多个纳米颗粒排列而成。堆叠层的孔隙率由抗反射结构面向波长转换元件的第一侧朝向抗反射结构背对波长转换元件的第二侧渐增。
于本发明的一或多个实施方式中，上述的堆叠层的等效折射率由抗反射结构的第一侧朝向第二侧渐减。
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硅基材料。
于本发明的一或多个实施方式中，上述的堆叠层的等效折射率介于1至1.5的范围。
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铝基材料。
于本发明的一或多个实施方式中，上述的堆叠层的等效折射率介于1至1.8的范围。
于本发明的一或多个实施方式中，上述的孔隙率介于5％至95％的范围。
于本发明的一或多个实施方式中，上述的抗反射结构的厚度介于100纳米至10微米的范围。
于本发明的一或多个实施方式中，上述的基板为反射式的。
于本发明的一或多个实施方式中，上述的基板为穿透式的。波长转换装置进一步包含分色层设置于基板与波长转换元件之间。
为了达到上述目的，依据本发明的另一实施方式，一种波长转换装置包含荧光粉层以及抗反射结构。荧光粉层具有第一折射率。抗反射结构由多个纳米颗粒堆叠而成。纳米颗粒的材料包含硅基材料或铝基材料。抗反射结构配置以由入射环境接收激发光线。激发光线经由抗反射层进入荧光粉层。入射环境具有第二折射率。抗反射结构的孔隙率的分布是由靠近荧光粉层的一侧朝向远离荧光粉层的一侧渐增。抗反射结构的折射率介于第一折射率及第二折射率之间。
综上所述，本发明的波长转换装置的抗反射结构是将纳米颗粒进行排列而形成由波长转换元件按序堆叠的堆叠层，并使堆叠层的孔隙率由抗反射结构面向波长转换元件的第一侧朝向抗反射结构背对波长转换元件的第二侧渐增。相对地，堆叠层的等效折射率由抗反射结构的第一侧朝向第二侧渐减。因此，本发明的波长转换装置仅需调整纳米颗粒在各堆叠层中的密度，即可有效减少入射光由空气进入波长转换元件的过程中所发生的散射损耗，进而提高波长转换装置整体的输出亮度。不仅如此，本发明的波长转换装置还具备制程简单，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为本发明一实施方式的波长转换装置的示意图。
图2为本发明一实施方式的波长转换装置的局部放大图。
图3为本发明另一实施方式的波长转换装置的示意图。
图4A至图4D为分别示出本发明一实施方式的波长转换装置在不同制造阶段的示意图。
图5为本发明另一实施方式的波长转换装置的制造示意图。
图6为本发明一实施方式的波长转换装置的标准化输出亮度与抗反射结构的log(厚度)的关系图。
附图标记说明：
100：波长转换装置
110：基板
111：基材
112：反射层
120：波长转换元件
130：抗反射结构
130a：第一侧
130b：第二侧
131：堆叠层
132：纳米颗粒
200：波长转换装置
210：基板
211：基材
212：分色层
300：溶剂
400：辅助电极
L：激发光线
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示出。
请参照图1以及图2。图1为本发明一实施方式的波长转换装置100的示意图。图2为本发明一实施方式的波长转换装置100的局部放大图。
如图1与图2所示，于本实施方式中，波长转换装置100包含基板110、波长转换元件120以及抗反射结构130。波长转换元件120设置于基板110上。抗反射结构130包含多个堆叠层131。堆叠层131由波长转换元件120按序堆叠。每一堆叠层131由多个纳米颗粒132排列而成。堆叠层131的孔隙率由抗反射结构130面向波长转换元件120的第一侧130a朝向抗反射结构130背对波长转换元件120的第二侧130b渐增。
于一些实施方式中，堆叠层131的孔隙率介于5％至95％的范围。举例来说，最靠近第一侧130a的堆叠层131的孔隙率约为5％，而最靠近第二侧130b的堆叠层131的孔隙率约为95％，但本发明并不以此为限，可依据实际需求而弹性调整前述孔隙率的范围。
需说明的是，若堆叠层131的孔隙率越小，则入射光进入此堆叠层131会受到较多纳米颗粒132折射，因此此堆叠层131的等效折射率较大。相对地，若堆叠层131的孔隙率越大，则入射光进入此堆叠层131会受到较少纳米颗粒132折射，因此此堆叠层131的等效折射率较小。由此可知，由于前述堆叠层131的孔隙率是由抗反射结构130的第一侧130a朝向第二侧130b渐增，因此前述堆叠层131的等效折射率反而会由抗反射结构130的第一侧130a朝向第二侧130b渐减。
于一些实施方式中，纳米颗粒132的材料包含硅基材料。于一些实施例中，硅基材料为硅氧化物(SiOx)，但本发明并不以此为限。于一些实施方式中，材料包含硅基材料的纳米颗粒132所堆叠而成的堆叠层131的等效折射率介于1至1.5的范围。于一些实施方式中，波长转换元件120为荧光粉层，且其折射率大于1.5。因此，由空气经由抗反射结构130至波长转换元件120的折射率是呈阶梯式排序配置的，因此根据菲涅耳反射定理可以有效减少入射光由空气经由抗反射结构130至波长转换元件120时所发生的散射损耗，进而提高波长转换装置100整体的输出亮度。
于一些实施方式中，纳米颗粒132的材料包含铝基材料。于一些实施例中，铝基材料为铝氧化物(AlOx)，但本发明并不以此为限。于一些实施方式中，材料包含铝基材料的纳米颗粒132所堆叠而成的堆叠层131的等效折射率介于1至1.8的范围。于一些实施方式中，波长转换元件120为荧光粉层，且其折射率大于1.8。因此，由空气经由抗反射结构130至波长转换元件120的折射率亦呈阶梯式排序配置的，因此根据菲涅耳反射定理同样可以有效减少入射光由空气经由抗反射结构130至波长转换元件120时所发生的散射损耗。
从另一个角度来看，荧光粉层(即波长转换元件120)具有第一折射率。抗反射结构130由多个纳米颗粒132堆叠而成。这些纳米颗粒132的材料包含硅基材料或铝基材料。抗反射结构130配置以由一入射环境(例如，空气)接收激发光线L(见图1)。激发光线L经由抗反射层130进入荧光粉层。入射环境具有第二折射率。抗反射结构130的孔隙率的分布是由靠近荧光粉层的一侧朝向远离荧光粉层的一侧渐增。抗反射结构130的折射率介于第一折射率及第二折射率之间。
于一些实施方式中，抗反射结构130的孔隙率介于5％至95％的范围，但本发明并不以此为限，可依据实际需求而弹性调整前述孔隙率的范围。
于一些实施方式中，纳米颗粒132的粒径介于1纳米至100纳米的范围。优选地，纳米颗粒132的粒径可进一步介于5纳米至50纳米的范围，但本发明并不以此为限。
于一些实施方式中，抗反射结构130的厚度介于100纳米至10微米的范围。优选地，抗反射结构130的厚度可进一步介于100纳米至5微米的范围，但本发明并不以此为限。
如图1所示，于本实施方式中，基板110包含基材111与反射层112。反射层112设置于基材111上，而波长转换元件120设置于反射层112上。基材111、反射层112与波长转换元件120三者形成一个三明治堆叠结构。如前所述，波长转换元件120可为荧光粉层，并可受光线(例如，激光)激发而发光，以作为波长转换装置100的发光层。因此，波长转换装置100在前述结构配置之下，当光线由空气按序通过抗反射结构130与波长转换元件120而抵达反射层112时，反射层112可将波长转换元件120传递而来的光线反射，使得被反射的光线再由波长转换元件120通过抗反射结构130而离开波长转换装置100。
于一些实施方式中，基板110的基材111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。
根据以上配置可知，图1所示的实施方式的基板110为反射式的，而波长转换装置100为反射式色轮，但本发明并不以此为限。请参照图3，其为示出本发明另一实施方式的波长转换装置200的示意图。如图3所示，于本实施方式中，波长转换装置200包含基板210、波长转换元件120以及抗反射结构130，其中波长转换元件120与抗反射结构130与图1所示的实施方式相同，因此可参考前述相关说明，在此恕不赘述。需说明的是，本实施方式是以基板210取代图1中的基板110。具体来说，基板210包含基材211以及分色层212(dichroiclayer)。分色层212设置于基材211上，而波长转换元件120设置于分色层212上。基材211、分色层212与波长转换元件120三者形成一个三明治堆叠结构。
进一步来说，基板210为穿透式的。如前所述，波长转换元件120可为荧光粉层，并可受光线(例如，激光)激发而发光，以作为波长转换装置200的发光层。因此，波长转换装置200在前述结构配置之下，光线可由空气按序通过基材211、分色层212、波长转换元件120与抗反射结构130，并由抗反射结构130离开波长转换装置200。其中，分色层212是配置以将入射光分离出一预定色光，以进一步与利用波长转换元件120将此预定色光转换成另一预定色光。换言之，本实施方式的波长转换装置200为穿透式色轮。
于一些实施方式中，基板210的基材211可由陶瓷、石英、玻璃等无机材料所制成，但本发明并不以此为限。
请参照图4A至图4D，其为分别示出本发明一实施方式的波长转换装置100在不同制造阶段的示意图。
如图4A所示，可先将硅醇盐(silicon alkoxide)或铝醇盐(aluminum alkoxide)加入溶剂300中均匀混和而成溶液，再将此溶液施加于基板110上的波长转换元件120。于一些实施例中，前述溶剂300为有机的，但本发明并不以此为限。由于表面张力的作用，在波长转换元件120表面上的溶液的厚度不均。为了控制溶液的厚度并使其均匀化，可如图4B所示基于一轴线对基板110执行旋转程序，而溶液多余的部分会由波长转换元件120的边缘甩离。图4A与图4B的程序即为旋涂(spin-coating)制程。如图4C所示，在旋转基板110的同时，溶剂300会挥发，进而使得前述硅醇盐或铝醇盐凝聚。随后，可再执行烘烤(back)/烧结(sinter)制程等热制程，即可将前述硅醇盐或铝醇盐转变为如图4D所示的材料包含硅氧化物或铝氧化物的纳米颗粒132。须说明的是，通过控制图4A与图4B所示的旋涂制程的旋转速率或配方浓度，即可制作出如图2所示的由纳米颗粒132排列而成的多个堆叠层131，且这些堆叠层131的孔隙率及等效折射率是呈阶梯式排序配置。
请参照图5，其为示出本发明另一实施方式的波长转换装置100的制造示意图。如图5所示，可先将材料包含硅氧化物或铝氧化物的纳米颗粒132或玻璃珠分散于溶剂中以形成电解质。接着，将辅助电极400与带有波长转换元件120的基板110浸入电解质中，并分别电性耦接至一电源的阳极与阴极，即可进行电泳沉积(electrophoretic deposition)制程。通过控制电源的电压或偏压，即可调制纳米颗粒132的排列而在波长转换元件120上形成多个堆叠层131，且这些堆叠层131的孔隙率及等效折射率是呈阶梯式排序配置。最后，将基板110拿出电解质并进行热制程(例如烧结制程)以使纳米颗粒132粘合，即可在波长转换元件120上获得如图2所示的抗反射结构130。
请参照图6，其为示出本发明一实施方式的波长转换装置100的标准化输出亮度与抗反射结构130的log(厚度)的关系图。详细来说，图6是在相同功率的激光光源之下，对不具有抗反射结构130的波长转换装置以及多个组采用具有不同厚度的抗反射结构130的波长转换装置100进行反射光的亮度实验所获得的标准化输出亮度与抗反射结构130的log(厚度)的关系图。在与相比时，若以不具有抗反射结构130的波长转换装置所对应的输出亮度为比对基础，即可获得前述采用具有不同厚度的抗反射结构130的波长转换装置100所各自对应的标准化输出亮度。由图6可以清楚看出，当所采用的抗反射结构130的厚度大于100纳米时，波长转换装置100所对应的标准化输出亮度可改善约2～4％左右。
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抗反射结构是将纳米颗粒进行排列而形成由波长转换元件按序堆叠的堆叠层，并使堆叠层的孔隙率由抗反射结构面向波长转换元件的第一侧朝向抗反射结构背对波长转换元件的第二侧渐增。相对地，堆叠层的等效折射率由抗反射结构的第一侧朝向第二侧渐减。因此，本发明的波长转换装置仅需调整纳米颗粒在各堆叠层中的密度，即可有效减少入射光由空气进入波长转换元件的过程中所发生的散射损耗，进而提高波长转换装置整体的输出亮度。不仅如此，本发明的波长转换装置还具备制程简单，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，在不脱离本发明的构思和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (13)

1.一种波长转换装置，该波长转换装置为色轮，且包含：
一基板；
一波长转换元件，设置于该基板上；以及
一抗反射结构，包含多个堆叠层，所述堆叠层由该波长转换元件按序堆叠，每一所述堆叠层由多个纳米颗粒排列而成，并且所述堆叠层的孔隙率由该抗反射结构面向该波长转换元件的一第一侧朝向该抗反射结构背对该波长转换元件的一第二侧渐增，其中该抗反射结构配置以由一入射环境接收一激发光线，且该激发光线经由该抗反射结构进入该波长转换元件。
2.如权利要求1所述的波长转换装置，其中所述堆叠层的等效折射率由该抗反射结构的该第一侧朝向该第二侧渐减。
3.如权利要求2所述的波长转换装置，其中所述纳米颗粒的材料包含硅基材料。
4.如权利要求3所述的波长转换装置，其中所述堆叠层的所述等效折射率介于1至1.5的范围。
5.如权利要求2所述的波长转换装置，其中所述纳米颗粒的材料包含铝基材料。
6.如权利要求5所述的波长转换装置，其中所述堆叠层的所述等效折射率介于1至1.8的范围。
7.如权利要求1所述的波长转换装置，其中所述孔隙率介于5％至95％的范围。
8.如权利要求1所述的波长转换装置，其中该抗反射结构的一厚度介于100纳米至10微米的范围。
9.如权利要求1所述的波长转换装置，其中该基板为反射式的。
10.如权利要求1所述的波长转换装置，其中该基板为穿透式的，且该波长转换装置进一步包含一分色层设置于该基板与该波长转换元件之间。
11.一种波长转换装置，该波长转换装置为色轮，且包含：
一荧光粉层，具有一第一折射率；以及
一抗反射结构，由多个纳米颗粒堆叠而成，所述纳米颗粒的材料包含硅基材料或铝基材料，
其中该抗反射结构配置以由一入射环境接收一激发光线，该激发光线经由该抗反射结构进入该荧光粉层，并且该入射环境具有一第二折射率，
其中该抗反射结构的孔隙率的分布是由靠近该荧光粉层的一侧朝向远离该荧光粉层的一侧渐增，并且该抗反射结构的折射率介于该第一折射率及该第二折射率之间。
12.如权利要求11所述的波长转换装置，其中所述孔隙率介于5％至95％的范围。
13.如权利要求11所述的波长转换装置，其中该抗反射结构的一厚度介于100纳米至10微米的范围。
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