CN1956231A - 偏极化发光元件 - Google Patents

Abstract

一种偏极化发光元件，包括第一反射器、发光二极管芯片、荧光材料层、第二反射器以及偏极化元件。在上述的偏极化发光元件中，发光二极管芯片所发出的第一光线(如紫外线)会被局限于第一反射器与第二反射器所构成的共振腔中，以使第一光线能够充分地照射荧光材料层而产生较多的第二光线(如可见光)，进而强化光转换效率。值得注意的是，第二反射器适于反射第一光线，并让绝大部分的第二光线通过，而位于共振腔外的偏极化元件则可有效地将第二光线偏极化。

Description

偏极化发光元件

技术领域

本发明涉及一种发光元件(light emitting device)，且特别涉及一种偏极化发光元件(polarized light emitting device)。

背景技术

近几年来，由于发光二极管的发光效率不断提高，使得发光二极管在某些领域已渐渐取代日光灯与白炽灯泡，例如需要快速反应的扫描仪灯源、液晶显示器的背光源或前光源汽车的仪表板照明、交通信号灯、一般的照明装置，以及投影机的光源等。一般常见的发光二极管属于一种半导体元件，其材料通常使用III-V族元素如磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)等。发光二极管的发光原理是将电能转化为光，也就是对上述化合物半导体施加电流，通过电子、空穴的结合而将过剩的能量以光的形式释放出来，进而达到发光的效果。由于发光二极管的发光现象不是通过加热发光或放电发光，而是属于冷发光，因此发光二极管的寿命长达十万小时以上，且无须暖灯时间(idling time)。此外，发光二极管还具有反应速度快(约为10^-9秒)、体积小、低用电量、低污染、高可靠度、适合批量生产等优点，所以发光二极管所能应用的领域十分广泛。

以投影机为例，寿命较长的发光二极管已逐渐被应用于其光源系统内，相关的公知技术已披露于US 5,962,971、US 5,813,753、TW569479以及中国台湾专利申请号93141534的内容中。然而，这些公知技术主要是利用紫外线滤光片(UV filter)、长波/短波通滤波片(longwave/short wave pass filter)、准全方位反射片(pseudo omni-directionalreflector)或全方位反射片(omni-directional reflector)来提高整体的发光效率，但有关于如何使发光二极管所提供的光线偏极化，并未有详细的披露。

发明内容

本发明的目的是在提供一种发光效率良好的偏极化发光元件。

本发明的另一目的是提供一种极化效率良好的偏极化发光元件。

为达上述目的，本发明提出一种偏极化发光元件，包括第一反射器、发光二极管芯片、荧光材料层、第二反射器以及偏极化元件。其中，发光二极管芯片设置于第一反射器上，且发光二极管芯片适于发出第一光线。荧光材料层设置于第一反射器内，以包覆发光二极管芯片，当荧光材料层被第一光线照射时，荧光材料层会发出第二光线。第一反射器与第二反射器构成围住发光二极管芯片以及荧光材料层的共振腔，而第一反射器适于反射第一光线以及第二光线，且第二反射器适于反射第一光线，并让第二光线通过。偏极化元件设置于共振腔外，且位于第二光线的传递路径上，以使通过第二反射器的第二光线偏极化。

为达上述目的，本发明提出一种偏极化发光元件，包括反射器、发光二极管芯片、荧光材料层以及偏极化元件。其中，发光二极管芯片设置于反射器上，且发光二极管芯片适于发出第一光线。荧光材料层设置于反射器内，以包覆发光二极管芯片，当荧光材料层被第一光线照射时，荧光材料层会发出第二光线，而反射器适于反射第一光线以及第二光线。偏极化元件位于第二光线的传递路径上，以使第二光线偏极化。

在本发明之一实施例中，第一反射器例如是金属反射罩、全方位反射器或准全方位反射器，而第二反射器例如是全方位反射器或准全方位反射器。

在本发明之一实施例中，荧光材料层包括胶体以及荧光材料。其中，胶体设置于第二反射器内，以包覆发光二极管芯片，而荧光材料则分布于胶体内。举例而言，发光二极管芯片可为紫外线发光二极管芯片，而荧光材料包括红色荧光材料、绿色荧光材料及/或蓝色荧光材料。此外，发光二极管芯片也可以是蓝光发光二极管芯片，而荧光材料则包括黄色荧光材料。

在本发明之一实施例中，偏极化元件可设置于第二反射器上。此外，偏极化元件例如是光子晶体偏极分光片(photonic crystalpolarizer)。举例而言，偏极化元件包括共用基板、多层第一光学薄膜以及多层第二光学薄膜。其中，共用基板具有第一表面以及第二表面，且共用基板具有位于第一表面上的周期性凹凸结构。第一光学薄膜与第二光学薄膜彼此交替堆叠于共用基板的第一表面上，且第一光学薄膜的折射率与第二光学薄膜的折射率不同。此外，第二反射器包括多层第三光学薄膜以及多层第四光学薄膜。其中，第三光学薄膜与第四光学薄膜彼此交替堆叠于共用基板的第二表面上，且第三光学薄膜的折射率与第四光学薄膜的折射率不同。然而，偏极化元件与第二反射器也可分别制造于第一基板与第二基板(不同的基板)上。

在本发明之一实施例中，第一光学薄膜的材料例如是TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、CeO₂或ZnS，而第二光学薄膜的材料例如是SiO₂或MgF₂。此外，第三光学薄膜的材料例如是TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、CeO₂或ZnS，而第四光学薄膜的材料例如是SiO₂或MgF₂。

在本发明之一实施例中，偏极化元件设置于第二反射器上方。而在一较佳实施例中，位于第二反射器上方的偏极化元件与第一反射器连接。

本发明之一实施例中，偏极化发光元件可进一步包括设置于第二反射器与偏极化元件之间的透镜。

为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明第一实施例的偏极化发光元件的示意图。

图2为图1中偏极化元件与第二反射器的示意图。

图3为图1中偏极化元件的示意图。

图4为本发明第二实施例的偏极化发光元件的示意图。

图5为图4中偏极化元件、透镜以及第二反射器的示意图。

图6为本发明之偏极化发光元件的光谱图。

图7为光子晶体偏极分光片的法向量与入射光线(入射角θ)的示意图。

图8A为不同入射角θ的情况下，偏极化发光元件中TM模态的光谱图。

图8B为不同入射角θ的情况下，偏极化发光元件中TE模态的光谱图。

图9为本发明第三实施例的偏极化发光元件的示意图。

图10为本发明第四实施例的偏极化发光元件阵列的示意图。主要元件标记说明

100、200、300：偏极化发光元件

110：第一反射器

120：发光二极管芯片

130：荧光材料层

132：胶体

134：荧光材料

140：第二反射器

150：偏极化元件

152：共用基板

154：第一光学薄膜

156：第二光学薄膜

150a：第一表面

150b：第二表面

150c：周期性凹凸结构

160：透镜

210、220：基板

400：偏极化发光元件阵列

410R、410G、410B：偏极化发光元件

L1：第一光线

L2：第二光线

C：共振腔

具体实施方式

第一实施例

图1为本发明第一实施例的偏极化发光元件的示意图。请参照图1，本实施例的偏极化发光元件100包括第一反射器110、发光二极管芯片120、荧光材料层130、第二反射器140以及偏极化元件150。其中，发光二极管芯片120设置于第一反射器110上，且发光二极管芯片120适于发出第一光线L1。荧光材料层130设置于第一反射器110内，以包覆发光二极管芯片120，当荧光材料130被第一光线照射L1时，荧光材料130会发出第二光线L2。第一反射器110与第二反射器140构成围住发光二极管芯片120以及荧光材料层130的共振腔C，而第一反射器110适于反射第一光线L1以及第二光线L2，且第二反射器140适于反射第一光线L1，并让第二光线L2通过。偏极化元件150设置于共振腔C外，且位于第二光线L2的传递路径上，以使通过第二反射器140的第二光线L2偏极化。

在本实施例中，第一反射器110可采用金属反射罩，以反射第一光线L1以及第二光线L2。当然，本实施例也可采用对于第一光线L1以及第二光线L2有高反射率的全方位反射器、准全方位反射器，或是其它光学元件作为第一反射器110。

请参照图1，本实施例的共振腔C可使第一光线L1被局限于特定空间(即共振腔C)内。理想上，共振腔C仅允许第二光线L2穿出，但不允许任何第一光线L1穿出。为了达成上述共振腔C的目的，本实施例可采用对于第一光线L1有高反射率，且对于第二光线L2有高穿透率的全方位反射器、准全方位反射器，或是其它光学元件作为第二反射器140。

如图1所示，荧光材料层130包括胶体132以及荧光材料134。其中，胶体132设置于第二反射器140内，以包覆住发光二极管芯片120，而荧光材料134则分布于胶体132内。在本实施例中，我们可根据所欲得到的色光来选择适当的发光二极管芯片120以及荧光材料134。举例而言，若偏极化发光元件100所提供的光束为白光，则发光二极管芯片120可采用紫外线发光二极管芯片，而荧光材料134可采用红色荧光材料、绿色荧光材料以及蓝色荧光材料。当然，当发光二极管芯片120为蓝光发光二极管芯片，而荧光材料为黄色荧光材料时，偏极化发光元件100也可提供白光。承上述，若偏极化发光元件100所提供的光束为其它色光(如红光、绿光、蓝光)时，我们可采用紫外线发光二极管芯片搭配上红色荧光材料、绿色荧光材料或是蓝色荧光材料，以产生适当色温的红光、绿光或是蓝光。

如图1所示，本实施例的偏极化元件150可直接设置于第二反射器140上。此外，本实施例的第一反射器110例如是呈杯状结构，而偏极化元件150以及第二反射器140可与杯状结构的第一反射器110的上缘连接。然而，偏极化元件150的设置位置并不局限于此，本发明可将偏极化元件150设置于共振腔C外的任何位置上，以能够使通过第二反射器140的第二光线L2偏极化为原则。具体来说，本实施例的偏极化元件150可允许TM模态的第二光线L2穿过，并反射TE模态的第二光线L2。

图2为图1中偏极化元件与第二反射器的示意图；图3为图1中偏极化元件的示意图。请同时参照图1、图2以及图3，本实施例的偏极化元件150例如是光子晶体偏极分光片(photonic crystalpolarizer)。如图2与图3所示，偏极化元件150包括共用基板152、多层第一光学薄膜154以及多层第二光学薄膜156。其中，共用基板152具有第一表面152a以及第二表面152b，且共用基板152具有位于第一表面152a上的周期性凹凸结构152c。

一般而言，周期性凹凸结构152c可采用光刻/蚀刻工艺(photolithography/etch)、纳米压印工艺(nano-imprinting)、微接触工艺(micro-contact)等技术来制造。此外，周期性凹凸结构152c的分布排列方式可为三角形、六角形、四边形等。

承上述，第一光学薄膜154与第二光学薄膜156彼此交替堆叠于共用基板152的第一表面152a上，且第一光学薄膜154的折射率与第二光学薄膜156的折射率不同。此外，第一光学薄膜的材料例如是TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、CeO₂或ZnS，而第二光学薄膜的材料例如是SiO₂或MgF₂。

如图1与图2所示，本实施例之第二反射器140制造于偏极化元件150中的共用基板152上。具体来说，第二反射器140包括多层第三光学薄膜142以及多层第四光学薄膜144，而第三光学薄膜142与第四光学薄膜144彼此交替堆叠于共用基板152的第二表面152b上，且第三光学薄膜142的折射率与第四光学薄膜144的折射率不同。承上述，第三光学薄膜的材料例如是TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、CeO₂或ZnS，而第四光学薄膜的材料例如是SiO₂或MgF₂。举例而言，第一光学薄膜154、第二光学薄膜156、第三光学薄膜142以及第四光学薄膜144例如是通过光学镀膜(optical thin film coating)、双离子束溅镀(DIBS)、磁控溅镀、离子助镀等方式制造。

第二实施例

图4为本发明第二实施例之偏极化发光元件的示意图；图5为图4中偏极化元件、透镜以及第二反射器的示意图。请同时参照图1、图4与图5，本实施例的偏极化发光元件200与第一实施例的偏极化发光元件100相类似，只是两者主要差异之处在于：本实施例的偏极化元件150设置于第二反射器140上方，而非直接设置于第二反射器140上。换言之，第二反射器140与偏极化元件150分别制造于不同基板210、220上。如图4所示，第二反射器140例如是呈杯状结构，而位于不同基板210、220上的第二反射器140以及偏极化元件150则可分别与杯状结构的第一反射器110的上缘连接。

除此之外，为了改善光线的准直性，本实施例之偏极化发光元件200可进一步包括透镜160，而此透镜160设置于第二反射器140与偏极化元件150之间。值得注意的是，除了第二反射器140与偏极化元件150之外，透镜160还可设置于偏极化发光元件200中的其它位置，如偏极化元件150上或上方等位置。

图6为本发明的偏极化发光元件的光谱图。请同时参照图4与图6，在本实施例之偏极化发光元件200中，若发光二极管芯片120采用中心波长为385纳米的紫外线发光二极管芯片，偏极化元件150采用具有21对TiO₂/SiO₂蒸镀薄膜(共42层)的光子晶体偏极分光片，而第二反射器140采用具有15对TiO₂/SiO₂溅镀薄膜(共30层)的准全方位反射器的情况下，其光谱图如图6所示。由图6可清楚得知，对TE模态的光线而言，其在359纳米～448纳米以及500纳米～630纳米范围内的反射率大于99％；而对TM模态的光线而言，其在359纳米～448纳米范围内的反射率大于99％，且在540纳米～700纳米范围内的穿透率大于85％。整体而言，波长在359纳米～448纳米范围内的光线会被全反射，波长在540纳米～630纳米范围内的光线会被偏极化，且光线被偏极化的效率大于1000。

图7为光子晶体偏极分光片的法向量与入射光线(入射角θ)的示意图；图8A为不同入射角θ的情况下，偏极化发光元件中TM模态的光谱图；而图8B为不同入射角θ的情况下，偏极化发光元件中TE模态的光谱图。请同时参照图7、图8A与图8B，当光线入射至晶体偏极分光片的角度(入射角θ)有所改变时，光线被全反射以及被偏极化的波长范围会有些许的变动，但对偏极化发光元件200的发光效率以及偏极化效率影响不大。

第三实施例

图9为本发明第三实施例的偏极化发光元件的示意图。请参照图9，本实施例的偏极化发光元件300包括反射器110、发光二极管芯片120、荧光材料层130以及偏极化元件150。其中，发光二极管芯片120设置于反射器110上，且发光二极管芯片120适于发出第一光线L1。荧光材料层130设置于反射器110内，以包覆发光二极管芯片120，当荧光材料120被第一光线L1照射时，荧光材料130会发出第二光线L2，而反射器110适于反射第一光线L1以及第二光线L2。偏极化元件150位于第二光线L2的传递路径上，以使第二光线L2偏极化。

本实施例中的偏极化发光元件300虽不具备第一实施例与第二实施例所披露的共振腔，但仍具备使光线偏极化的功能。此外，被偏极化元件150所反射的TE模态的光线可被回收并再次利用，故本发明的偏极化发光元件300的发光效率仍然很高。

第四实施例

图10为本发明第四实施例的偏极化发光元件阵列的示意图。请参照图10，本实施例的偏极化发光元件阵列400包括多个偏极化发光元件410R、410G、410B。其中，偏极化发光元件410R、410G、410B采用图1中的结构，当然，偏极化发光元件410R、410G、410B的结构也可以采用图4或图9中的结构。

值得注意的是，由于偏极化发光元件410R适于发出红光R，偏极化发光元件410G适于发出绿光G，而偏极化发光元件410B适于发出蓝光B，因此，偏极化发光元件阵列400能够提供适当色温的白光。具体而言，在偏极化发光元件410R中，可采用红色荧光材料搭配上紫外线发光二极管以产生红光R；在偏极化发光元件410G中，可采用绿色荧光材料搭配上紫外线发光二极管以产生绿光G；而在偏极化发光元件410B中，可采用蓝色荧光材料搭配上紫外线发光二极管以产生蓝光B。

综上所述，在本发明的偏极化发光元件至少具有下列优点：

1.本发明的偏极化发光元件将偏极化元件与反射器整合，可充分利用紫外线来产生二次荧光(可见光)，进而提高发光效率。

2.在本发明的偏极化发光元件中，被偏极化元件所反射的TE模态的光线可被回收并再次利用，故本发明的偏极化发光元件的发光效率很高。

3.本发明的偏极化发光元件可迅速导入需要应用到偏极化光线的产品中，如投影机等电子产品。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (13)

1.一种偏极化发光元件，其特征是包括：

第一反射器；

发光二极管芯片，设置于上述第一反射器上，其中上述发光二极管芯片适于发出第一光线；

荧光材料层，设置于上述第一反射器内，以包覆上述发光二极管芯片，当荧光材料层被上述第一光线照射时，上述荧光材料层会发出第二光线；

第二反射器，与上述第一反射器构成围住上述发光二极管芯片以及上述荧光材料层的共振腔，其中上述第一反射器适于反射上述第一光线以及上述第二光线，而上述第二反射器适于反射上述第一光线，并让上述第二光线通过；以及

偏极化元件，设置于上述共振腔外，且位于上述第二光线的传递路径上，以使通过上述第二反射器的上述第二光线偏极化。

2.根据权利要求1所述的偏极化发光元件，其特征是上述第一反射器为金属反射罩、全方位反射器或准全方位反射器，而上述荧光材料层包括：

胶体，设置于上述第二反射器内，以包覆上述发光二极管芯片；以及

荧光材料，分布于上述胶体内。

3.根据权利要求1所述的偏极化发光元件，其特征是上述偏极化元件设置于上述第二反射器上，而第二反射器为全方位反射器或准全方位反射器。

4.根据权利要求3所述的偏极化发光元件，其特征是上述偏极化元件为光子晶体偏极分光片，且上述光子晶体偏极分光片包括：

共用基板，具有第一表面以及第二表面，其中上述共用基板具有位于上述第一表面上的周期性凹凸结构；

多层第一光学薄膜；以及

多层第二光学薄膜，其中上述这些第一光学薄膜与上述这些第二光学薄膜彼此交替堆叠于上述共用基板的上述第一表面上，且上述这些第一光学薄膜的折射率与上述这些第二光学薄膜的折射率不同。

5.根据权利要求4所述的偏极化发光元件，其特征是上述第二反射器包括：

多层第三光学薄膜；以及

多层第四光学薄膜，其中上述这些第三光学薄膜与上述这些第四光学薄膜彼此交替堆叠于上述共用基板的上述第二表面上，且上述这些第三光学薄膜的折射率与上述这些第四光学薄膜的折射率不同。

6.根据权利要求5所述的偏极化发光元件，其特征是上述这些第一光学薄膜与上述这些第三光学薄膜的材料包括TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、CeO₂或ZnS，而上述这些第二光学薄膜与上述这些第四光学薄膜的材料包括SiO₂或MgF₂。

7.根据权利要求1所述的偏极化发光元件，还包括透镜，其特征是上述偏极化元件设置于上述第二反射器上方，上述透镜设置于上述第二反射器与上述偏极化元件的间，而上述偏极化元件为光子晶体偏极分光片，且光子晶体偏极分光片包括：

第一基板，具有周期性凹凸结构；

多层第一光学薄膜；以及

多层第二光学薄膜，其中上述这些第一光学薄膜与上述这些第二光学薄膜彼此交替堆叠于上述第一基板的上述周期性结构上，且上述这些第一光学薄膜的折射率与上述这些第二光学薄膜的折射率不同。

8.根据权利要求7所述的偏极化发光元件，其特征是位于上述第二反射器上方的上述偏极化元件与上述第一反射器连接，而上述第二反射器包括：

第二基板；

多层第三光学薄膜；以及

多层第四光学薄膜，其中上述这些第三光学薄膜与上述这些第四光学薄膜彼此交替堆叠于上述第二基板上，且上述这些第三光学薄膜的折射率与上述这些第四光学薄膜的折射率不同。

9.根据权利要求8所述的偏极化发光元件，其特征是上述这些第一光学薄膜与上述这些第三光学薄膜的材料包括TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、CeO₂或ZnS，而上述这些第二光学薄膜与上述这些第四光学薄膜的材料包括SiO₂或MgF₂。

10.一种偏极化发光元件，其特征是包括：

反射器；

发光二极管芯片，设置于上述反射器上，其中上述发光二极管芯片适于发出第一光线；

荧光材料层，设置于上述反射器内，以包覆上述发光二极管芯片，当荧光材料层被上述第一光线照射时，上述荧光材料层会发出第二光线，而上述反射器适于反射上述第一光线以及上述第二光线；以及

偏极化元件，位于上述第二光线的传递路径上，以使上述第二光线偏极化。

11.根据权利要求10所述的偏极化发光元件，其特征是上述反射器为金属反射罩、全方位反射器或准全方位反射器，而上述荧光材料层包括：

胶体，设置于上述反射器内，以包覆上述发光二极管芯片；以及

荧光材料，分布于上述胶体内。

12.根据权利要求10所述的偏极化发光元件，其特征是上述偏极化元件为光子晶体偏极分光片，且光子晶体偏极分光片包括：

第一基板，具有周期性凹凸结构；

多层第一光学薄膜；以及

多层第二光学薄膜，其中上述这些第一光学薄膜与上述这些第二光学薄膜彼此交替堆叠于上述第一基板的上述周期性结构上，且上述这些第一光学薄膜的折射率与上述这些第二光学薄膜的折射率不同。

13.根据权利要求12所述的偏极化发光元件，其特征是上述这些第一光学薄膜的材料包括TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、CeO₂或ZnS，而上述这些第二光学薄膜的材料包括SiO₂或MgF₂。

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