TW201516554A - 螢光粉色輪與白光發光裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供之螢光粉色輪,包括:基板;黃色螢光粉區,位於基板上;紅色螢光粉區,位於基板上,其中黃色螢光粉區與紅色螢光粉區為邊界相交的同心圖案,且紅色螢光粉區環繞黃色螢光粉區。
Description
本發明係關於白光發光裝置,更特別關於其螢光粉色輪。
雷射投影機利用螢光粉色輪結合固態雷射激發光源作為顯示光源,於高功率操作下,其光致激發效率可大幅提升投影機之光電轉換與流明輸出,近年來是新世代投影技術的重要光源模組。目前雷射投影機之螢光粉色輪(Phosphor wheel,PW)的設計,主要分為單區域設計如第1圖所示,以及多區域設計如第2圖所示。在第1圖中,係將單種或多種螢光粉形成於輪狀基板上的所有區域,比如單一的螢光粉區10。在第2圖中,係將不同顏色的螢光粉分別形成於輪狀基板上的不同區域,比如紅色螢光粉區2R、黃色螢光粉區2Y、綠色螢光粉區2G、與藍色螢光粉區2B中。
PW裡的紅光效率一直是整體雷射投影機的光源流明瓶頸,除了紅色螢光材料本身效率較差外,隨著激發雷射瓦數增高,紅色螢光粉出光因熱衰退而大幅下降,不但使投影機D65白平衡偏離,更拖累整體流明數。有鑑於此,在高瓦數雷射激發下,目前多以黃色或橘色螢光粉搭配濾鏡擷取紅光使用。以單區域的PW為例,以藍光雷射激發黃色螢光粉產生黃
光後,以分光器將黃光分出綠光與紅光,再搭配藍光雷射作為投影機的RGB成像光源。然而上述方法的紅光效率仍然最低(~12 lm/W),限制了D65白光流明效率(~54.9 lm/W)。綜上所述,如何有效的擴展紅色區域的頻譜與效率,一直是雷射投影機的重要課題之一。
本發明一實施例提供螢光粉色輪,包括:基板;黃色螢光粉區,位於基板上;以及紅色螢光粉區,位於基板上,其中黃色螢光粉區與紅色螢光粉區為邊界相交的同心圖案,且紅色螢光粉區環繞黃色螢光粉區。
本發明一實施例提供之白光發光裝置,包括:上述之螢光粉色輪;藍光雷射源,用以施加藍光雷射至螢光粉色輪之紅色螢光粉區與黃色螢光粉區之交界,同時激發紅色螢光粉區與黃色螢光粉區以形成第一白光;分光器,用以將第一白光分為第一紅光、第一藍光、與第一綠光;濾光器,用以調整第一紅光、第一藍光、與第一綠光至第二紅光、第二藍光、與第二綠光;以及混光器,將第二紅光、第二藍光、與第二綠光混合成第二白光。
本發明一實施例提供之白光發光裝置,包括:上述之螢光粉色輪;藍光雷射源,用以施加藍光雷射至螢光粉色輪之紅色螢光粉區與黃色螢光粉區之交界,同時激發紅色螢光粉區與黃色螢光粉區以形成第一白光;分光器,用以將第一白光分為第一黃光與第一藍光;濾光器,用以調整第一黃光與第一藍光至第二黃光與第二藍光;以及混光器,將第二黃光與第
二藍光混合成第二白光。
2B‧‧‧藍色螢光粉區
2G‧‧‧綠色螢光粉區
2R、3R‧‧‧紅色螢光粉區
2Y、3Y‧‧‧黃色螢光粉區
10‧‧‧螢光粉區
30、40‧‧‧螢光粉色輪
50‧‧‧白光發光裝置
51‧‧‧藍光雷射源
53、53’‧‧‧白光
53B、53B’‧‧‧藍光
53G、53G’‧‧‧綠光
53R、53R’‧‧‧紅光
55‧‧‧分光器
57‧‧‧濾光器
59‧‧‧混光器
61‧‧‧藍光照射區域
第1圖係習知技藝中,螢光粉色輪之上視圖。
第2圖係習知技藝中,螢光粉色輪之上視圖。
第3圖係本發明一實施例中,螢光粉色輪之上視圖。
第4圖係本發明一實施例中,螢光粉色輪之上視圖。
第5圖係本發明一實施例中,白光發光裝置的示意圖。
第6圖係本發明一實施例中,藍光雷射照射螢光粉色輪之區域的示意圖。
第7圖係本發明一實施例中,白光發光裝置的示意圖。
第3圖係本發明一實施例中,螢光粉色輪30的上視圖。在第3圖中,黃色螢光粉區3Y與紅色螢光粉區3R位於基板(未圖示)上,其中黃色螢光粉區3Y與紅色螢光粉區3R為邊界相交/鄰的同心圖案,且紅色螢光粉區3R環繞黃色螢光粉區3Y。
在本發明一實施例中,紅色螢光粉可為激發波長介於400nm至460nm之間,且放射主波長介於590nm至680nm之間的紅色螢光粉,比如CaAlSiN3、Sr2Si5N8、或α-Sialon。在本發明一實施例中,黃色螢光粉可為激發波長介於430nm至470nm之間,且放射主波長介於520nm至560nm之間的黃色螢光粉,比如Y3Al5O12、Lu3Al5O12、或β-Sialon。
如第3圖所示,黃色螢光粉區3Y為直徑介於3.5cm至9.5cm之間的實心圓。在本發明另一實施例中,黃色螢光粉
區3Y為內徑介於3cm至9cm之間,且外徑介於3.5cm至9.5cm之間的空心環,如第4圖所示。第3圖中實心圓的黃色螢光粉區3Y較省工,而第4圖中空心環的黃色螢光粉區3Y較省料。在第4圖中,若是黃色螢光粉區3Y的內徑過長,可能會使後述之藍光雷射照射黃色螢光粉區3Y的面積不足,這將使激發產生的白光色偏。
在本發明一實施例中,紅色螢光粉區3R為內徑介於3.5cm至9.5cm之間,且外徑介於4cm至10cm的空心環。紅色螢光粉區3R的內徑即實心圓之黃色螢光粉區3Y的直徑,或空心環之黃色螢光粉區3Y的外徑。若紅色螢光粉區3R的外徑過短,可能會使後述之藍光雷射照射紅色螢光粉區3R的面積不足,這將使激發產生的白光色偏。
在本發明一實施例中,紅色螢光粉區3R與黃色螢光粉區3Y之螢光粉層厚度介於80μm至200μm之間。若螢光粉層的厚度過厚,過多的螢光粉顆粒將影響出光。若螢光粉層的厚度過薄,螢光粉濃度過低導致亮度不足。
接下來以包含第4圖之螢光粉色輪40之白光發光裝置50為例,解釋本發明的白光發光機制。如第5圖所示,首先以藍光雷射源51施加藍光雷射至旋轉的螢光粉色輪40,使藍光雷射平均照射紅色螢光粉區3R與黃色螢光粉區3Y的所有交界,避免螢光粉區內的螢光粉體因長時間定點照射而熱損傷。
如第6圖所示,藍光雷射照射紅色螢光粉區3R與黃色螢光粉區3Y之交界如藍光照射區域61,以同時激發紅色螢光粉區3R與黃色螢光粉區3Y,並同時放射紅光與黃光。上述藍
光雷射中原本的藍光搭配放射的紅光與黃光,即形成白光53。在本發明一實施例中,藍光雷射照射紅色螢光粉區3R與黃色螢光粉區3Y之面積比介於1:10至1:0.1之間。在本發明一實施例中,藍光雷射照射紅色螢光粉區3R與黃色螢光粉區3Y之面積比介於1:3至3:1之間。在本發明另一實施例中,藍光雷射照射紅色螢光粉區3R與黃色螢光粉區3Y之面積比介於1:1.2至1:0.8之間。若藍光雷射照射紅色螢光粉區3R之面積較大,則紅色出光多使得最後的白光色座標紅移,且色溫較低。若藍光雷射照射黃色螢光粉區3R之面積較大,則黃色出光將主宰最後的白光色座標與高色溫。可以理解的是,雖然第6圖中藍光照射區域61為點狀區域,但在螢光粉色輪40旋轉的情況下,藍光照射區域61實際上為環狀區域。
如第5圖所示,分光器55如光柵及/或稜鏡將白光53分為紅光53R、藍光53B、與綠光53G(或將白光53分為黃光與藍光),並分別量測上述紅光53R、藍光53B、與綠光53G的亮度(或黃光與藍光的亮度)。接著以最低亮度的光色作基準,並以濾光器57如濾光片來調整其他光色的強度與色座標,再以混光器59如透鏡或光導管將調整後的紅光53R’、藍光53B’、與綠光53G’(或調整後的黃光與藍光)混合形成白光53’。在本發明一實施例中,白光53’之CIE座標為(0.3127,0.3290)。
在第5圖中,螢光粉色輪40之基板材質為反射材質如金屬或介電層玻璃。然而在其他實施例中,螢光粉色輪之基板材質亦可為透光材質,端視需要而定。當螢光粉色輪之基板材質為透光材質時,則藍光雷射照射螢光粉色輪後產生白光
53’之光徑如第7圖所示。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂,下文特舉數實施例配合所附圖示,作詳細說明如下:
下述實施例中,螢光粉色輪之基板直徑為55mm。外環之螢光粉區的外徑為55mm,內徑為50mm。內環之螢光粉區的外徑為50mm,內徑為44mm。螢光粉層之厚度為100μm。紅色螢光粉為CaAlSiN3,黃色螢光粉為Y3Al5O12、而綠色螢光粉為Lu3Al5O12。藍光雷射源波長為445nm。下述實施例中,藍光的CIE座標為(0.150,0.060),綠光的CIE座標為(0.300,0.600),而紅光的CIE座標為(0.640,0.330)。為混成CIE座標為(0.3127,0.3290)之白光,上述紅光、藍光、綠光之最佳比例為20~22%:4~5%:70~75%。
將60wt%之黃色螢光粉與40wt%之矽膠均勻混合後,形成黃色螢光層於整片基板上。以藍光雷射照射旋轉的螢光粉色輪後產生的白光亮度;經分光器分光的紅光、藍光、與綠光的亮度;經濾光器調整紅光、藍光、與綠光後重新混光的白光亮度;以及有效的初始白光比例如第1表所示。
將30wt%之黃色螢光粉、30wt%之紅色螢光粉、與40wt%之矽膠均勻混合後,形成紅-黃色螢光粉混合層於整片基板上。以藍光雷射照射旋轉的螢光粉色輪後產生的白光亮度;經
分光器分光的紅光、藍光、與綠光的亮度;經濾光器調整紅光、藍光、與綠光後重新混光的白光亮度;以及有效的初始白光比例如第1表所示。
將60wt%之黃色螢光粉形成黃色螢光粉區於基板上作為內環,再將60wt%之紅色螢光粉形成紅色螢光粉區於基板上作為外環。以藍光雷射照射旋轉的螢光粉色輪之紅色螢光粉區與黃色螢光粉區的交界後產生的白光亮度;經分光器分光的紅光、藍光、與綠光的亮度;經濾光器調整紅光、藍光、與綠光後重新混光的白光亮度;以及有效的初始白光比例如第1表與第2表所示。在此實施例中,藍光雷射照射紅色螢光粉區與黃色螢光粉區的面積比為1:1。
由第1表可知,本發明實施例的同心圓設計比直接混合紅色螢光粉與黃色螢光粉具有更高的調整後白光亮度與有效的初始白光比例。
實施例4-1與實施例3類似,差別在於藍光雷射照射紅色螢光粉區與黃色螢光粉區的面積比為3:1。
實施例4-2與實施例3類似,差別在於藍光雷射照射紅色螢光粉區與黃色螢光粉區的面積比為1:3。
將60wt%之綠色螢光粉形成綠色螢光粉區於基板上作為內環;將60wt%之紅色螢光粉形成紅色螢光粉區於基板上作為外環。以藍光雷射照射旋轉的螢光粉色輪之紅色螢光粉區與綠色螢光粉區的交界後產生的白光亮度;經分光器分光的紅光、藍光、與綠光的亮度;經濾光器調整紅光、藍光、與綠光後重新混光的白光亮度;以及有效的初始白光比例如第2表所示。在此實施例中,藍光雷射照射紅色螢光粉區與綠色螢光粉區的面積比為1:1。
由第2表可知,實施例5(綠內環與紅外環)的螢光粉色輪設計雖比實施例3(黃內環與紅外環)的螢光粉色輪設計具有較高的調整後白光亮度,但實施例5的有效的初始白光比例低於實施例3。這是因為實施例5的初始白光中的綠光亮度過高,因此需要濾除較多綠光以達所需的白光光色。被濾除的綠光無法利用,會造成耗能及散熱等其他問題。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作任意之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
3R‧‧‧紅色螢光粉區
3Y‧‧‧黃色螢光粉區
61‧‧‧藍光照射區域
Claims (13)
- 一種螢光粉色輪,包括:一基板;一黃色螢光粉區,位於該基板上;以及一紅色螢光粉區,位於該基板上,其中該黃色螢光粉區與該紅色螢光粉區為邊界相交的同心圖案,且該紅色螢光粉區環繞該黃色螢光粉區。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光粉色輪,其中該黃色螢光粉區為直徑介於3.5cm至9.5cm之間的實心圓。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光粉色輪,其中該黃色螢光粉區為內徑介於3cm至9cm之間,且外徑介於3.5cm至9.5cm之間的空心環。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光粉色輪,其中該紅色螢光粉區為內徑介於3.5cm至9.5cm之間,且外徑介於4cm至10cm之間的空心環。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光粉色輪,其中該黃色螢光粉區與該紅色螢光粉區之螢光粉層厚度介於80μm至200μm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光粉色輪,其中該黃色螢光粉區之激發波長介於430nm至470nm之間,且放射主波長介於520nm至560nm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光粉色輪,其中該紅色螢光粉區之激發波長介於400nm至460nm之間,且放射主波長介於590nm至680nm之間。
- 一種白光發光裝置,包括:如申請專利範圍第1項所述之螢光粉色輪;一藍光雷射源,用以施加一藍光雷射至該螢光粉色輪之該紅色螢光粉區與該黃色螢光粉區之交界,同時激發該紅色螢光粉區與該黃色螢光粉區以形成一第一白光;一分光器,用以將該第一白光分為一第一紅光、一第一藍光、與一第一綠光;一濾光器,用以調整該第一紅光、該第一藍光、與該第一綠光至一第二紅光、一第二藍光、與一第二綠光;以及一混光器,將該第二紅光、該第二藍光、與該第二綠光混合成一第二白光。
- 如申請專利範圍第8項所述之白光發光裝置,其中該第二白光之CIE座標為(0.3127,0.3290)。
- 如申請專利範圍第8項所述之白光發光裝置,其中該藍光雷射照射該紅色螢光粉區之面積,與照射該黃色螢光粉區之面積介於1:10至1:0.1之間。
- 一種白光發光裝置,包括:如申請專利範圍第1項所述之螢光粉色輪;一藍光雷射源,用以施加一藍光雷射至該螢光粉色輪之該紅色螢光粉區與該黃色螢光粉區之交界,同時激發該紅色螢光粉區與該黃色螢光粉區以形成一第一白光;一分光器,用以將該第一白光分為一第一黃光與一第一藍光;一濾光器,用以調整該第一黃光與該第一藍光至一第 二黃光與一第二藍光;以及一混光器,將該第二黃光與該第二藍光混合成一第二白光。
- 如申請專利範圍第11項所述之白光發光裝置,其中該第二白光之CIE座標為(0.3127,0.3290)。
- 如申請專利範圍第11項所述之白光發光裝置,其中該藍光雷射照射該紅色螢光粉區之面積,與照射該黃色螢光粉區之面積介於1:10至1:0.1之間。
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