TW201544894A - 波長轉換模組與照明系統 - Google Patents

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Abstract

一種波長轉換模組，包括一反射基板、一帶狀波長轉換層及一微結構層。帶狀波長轉換層配置於反射基板上，且包括一透光基材及摻雜於透光基材中的波長轉換材料。微結構層配置於帶狀波長轉換層上，且包括多個微結構。這些微結構以最密堆積的方式排列於微結構層的表面，且波長轉換模組滿足n2-0.3≦n1≦n2+0.3，其中n1為透光基材的折射率，且n2為微結構層的折射率。一種照明系統亦被提出。

Description

波長轉換模組與照明系統
本發明是有關於一種光學模組與光學系統，且特別是有關於一種波長轉換模組與照明系統。
近年來固態照明光源如發光二極體(light-emitting diode,LED)、雷射二極體(Laser diode)等的發展蓬勃，因而逐漸應用於各式電子設備的照明應用中，以取代傳統光源，如汞燈、螢光燈等。固態照明光源相較於傳統光源具有發光效率高、體積小、色彩飽和度高以及不含汞等優點。
在投影機的系統中也逐漸導入固態光源作為照明光源。在投影裝置中使發光光源(如發光二極體或雷射二極體)均勻地投射出紅、藍、綠三原色光之主要技術有下列兩種：第一種方式是利用固態光源投射出一白光，並使白光通過具有紅、藍、綠三色濾光片的色輪，從而以個別產生相對應的紅、藍、綠三時序光的方式進行合光輸出。第二種方式則為利用固態光源發出藍色激 發光，以激發塗佈在旋轉盤上的螢光粉以產生紅色、藍色、綠色等光或黃色光，並藉著將藍色、紅色、綠色等光或黃光進行合光後輸出。
日本專利特開平7-37511號公報提出在等離子顯示器面板的排列間距中的表面增加凹凸結構。日本專利特開平2005-277331號公報利用凹狀的反射開口結構內側塗佈螢光粉層，以提高從螢光粉層激發出的光利用效率。中國專利第101936505號提出一種螢光輪，其利用一反射面塗佈上螢光粉層。中國專利第102073115A號提出一種反射式螢光粉色輪。中國專利第203223862U號揭露一種具有微結構光學薄膜的LED照明裝置。中國專利第101651177B號揭露一種具有兩層膠體封裝的發光二極管。
本發明提供一種波長轉換模組，具有良好的集光效果。
本發明提供一種照明系統，具有良好的光效率。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提出一種波長轉換模組，包括一反射基板、一帶狀波長轉換層及一微結構層。帶狀波長轉換層配置於反射基板上，且包括一透光基材及摻雜於透光基材中的波長轉換材料。微結構層 配置於帶狀波長轉換層上，且包括多個微結構。這些微結構以最密堆積的方式排列於微結構層的表面，且波長轉換模組滿足n2-0.3≦n1≦n2+0.3，其中n1為透光基材的折射率，且n2為微結構層的折射率。
本發明的一實施例提出一種照明系統，包括上述波長轉換模組及一激發光源。激發光源用以發出一激發光束，其中來自激發光源的激發光束經由微結構層傳遞至帶狀波長轉換層。
在本發明的一實施例中，每一微結構符合P/4≦h≦P/2，其中h為微結構於垂直於反射基板的方向上的高度，且P為微結構於平行於反射基板的方向上的節距(pitch)。
在本發明的一實施例中，帶狀波長轉換層為環狀波長轉換層。
在本發明的一實施例中，波長轉換材料為螢光材料。
在本發明的一實施例中，波長轉換模組更包括一反射杯結構，配置於反射基板上，其中帶狀波長轉換層配置於反射杯結構中。
在本發明的一實施例中，反射杯結構包括一第一環狀反射結構及一第二環狀反射結構。第一環狀反射結構配置於環狀波長轉換層的內側，且第二環狀反射結構配置於環狀波長轉換層的外側。
在本發明的一實施例中，第一環狀反射結構具有一第一反射面，第一反射面相對於反射基板傾斜，且朝向環狀波長轉換 層的外側。第二環狀反射結構具有一第二反射面，第二反射面相對於反射基板傾斜，且朝向環狀波長轉換層的內側。
在本發明的一實施例中，波長轉換模組更包括一致動器，用以帶動反射基板旋轉。
在本發明的一實施例中，當反射基板旋轉時，帶狀波長轉換層上的不同位置在不同時間中進入激發光束的照射範圍內。
在本發明的一實施例中，微結構層與透光基材為一體成型。
在本發明的一實施例中，這些微結構配置於微結構層之背對帶狀波長轉換層的表面，且這些微結構包括具球的一部分之形狀的結構、具弧狀凹面之結構、三角錐狀結構、四面體狀結構或其組合。
在本發明的一實施例中，激發光源為雷射光源。
基於上述，在本發明的實施例的波長轉換模組與照明系統中，由於微結構層配置於帶狀波長轉換層上，且這些微結構以最密堆積的方式排列於微結構層的表面，因此除了可降低來自帶狀波長轉換層的光被全反射而無法自波長轉換模組出光的機率，且可藉由微結構使自波長轉換模組出光的光束的發散角降低。如此一來，波長轉換模組便可具有良好的集光效果，而使用此波長轉換模組的照明系統可具有良好的光效率。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧照明系統
110‧‧‧激發光源
111‧‧‧激發光束
112‧‧‧雷射二極體
120‧‧‧透鏡
130‧‧‧分光單元
200、200a、200b、200c、200d‧‧‧波長轉換模組
201、F1、F1’、F2、F2’‧‧‧轉換光束
210‧‧‧反射基板
220‧‧‧帶狀波長轉換層
222、222b‧‧‧透光基材
224‧‧‧波長轉換材料
230、230b、230c、230d‧‧‧微結構層
232、232c、232d‧‧‧微結構
240‧‧‧致動器
250‧‧‧反射杯結構
251‧‧‧第一反射面
252‧‧‧第一環狀反射結構
253‧‧‧第二反射面
254‧‧‧第二環狀反射結構
h‧‧‧高度
P‧‧‧節距
圖1A為本發明的一實施例的照明系統的示意圖。
圖1B為圖1A中的波長轉換模組的正視圖。
圖1C為圖1A中的波長轉換模組的剖面示意圖。
圖1D為圖1B中的微結構層的局部正視圖。
圖2A為圖1A的波長轉換模組在將微結構層移除後的發光強度分佈圖。
圖2B為圖1A的波長轉換模組的發光強度分佈圖。
圖3A為本發明之另一實施例的波長轉換模組的示意圖。
圖3B為圖3A之波長轉換模組的正視圖。
圖4為本發明之又一實施例的波長轉換模組的剖面示意圖。
圖5為本發明之又一實施例的波長轉換模組的剖面示意圖。
圖6為本發明之再一實施例的波長轉換模組的剖面示意圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
圖1A為本發明的一實施例的照明系統的示意圖，圖1B 為圖1A中的波長轉換模組的正視圖，圖1C為圖1A中的波長轉換模組的剖面示意圖，而圖1D為圖1B中的微結構層的局部正視圖。請參照圖1A至圖1D，本實施例之照明系統100包括一波長轉換模組200及一激發光源110，且波長轉換模組200包括一反射基板210、一帶狀波長轉換層220及一微結構層230。帶狀波長轉換層220配置於反射基板210上，且包括一透光基材222及摻雜於透光基材222中的波長轉換材料224。在本實施例中，反射基板210例如是金屬基板，而此金屬基板之朝向透光基材220的表面則藉由表面拋光處理而形成反射面，或者是在此表面上鍍上一層反射膜以形成反射面。在一實施例中，金屬基板的材質例如為鋁，而反射膜的材質例如為銀。此外，在本實施例中，透光基材222的材質例如為透明的膠材，例如使用膠材的折射率為1.5的材質，而波長轉換材料224為螢光材料，例如為螢光粉(phosphor)。
微結構層230配置於帶狀波長轉換層220上，且包括多個微結構232。這些微結構232以最密堆積的方式排列於微結構層230的表面，亦即是堆積成六方最密堆積(hexagonal closed packing)中的一層，如圖1D所繪示。在本實施例中，這些微結構232配置於微結構層230之背對帶狀波長轉換層220的表面，如圖1C所繪示，且這些微結構232包括具球的一部分之形狀的結構、具弧狀凹面之結構、三角錐狀結構、四面體狀結構或其組合，其中具球的一部分之形狀定義為可為半球、1/4球狀，但不以此為限。在圖1C與圖1D中，是以微結構232為球的一部分之形狀的 結構(即透鏡形狀之結構)為例。
波長轉換模組200滿足n2-0.3≦n1≦n2+0.3，其中n1為透光基材222的折射率，且n2為微結構層230的折射率。換言之，微結構層230與透光基材222的折射率適度地接近或相同，可降低光在從透光基材222傳遞至微結構層230時被兩者的界面反射的機會。在本實施例中，1.3≦n1≦1.6，而1.3≦n2≦1.6；此外，另一實施例中，n1的範圍可為1.0≦n1≦1.9。
激發光源110用以發出一激發光束111。在本實施例中，激發光源110為雷射光源，而激發光束111為雷射光束。舉例而言，激發光源110可包括多個排成陣列的雷射二極體112。此外，透鏡120將激發光束111會聚於帶狀波長轉換層220上。來自激發光源110的激發光束111經由微結構層230傳遞至帶狀波長轉換層220。具體而言，來自透鏡120的激發光束111經由微結構層230傳遞至帶狀波長轉換層220。
帶狀波長轉換層220中的波長轉換材料224受到激發光束111的激發後，將激發光束111轉換為一轉換光束201，其中轉換光束201的波長大於激發光束111的波長。部分從波長轉換材料224發出的轉換光束201往微結構層230傳遞並穿透微結構層230，另一部分從波長轉換材料224發出的轉換光束201則往反射基板210傳遞，並在被反射基板210反射後，依序穿透帶狀波長轉換層220與微結構層230。此外，未被波長轉換材料224轉換的激發光束111則傳遞至反射基板210後，被反射基板210反射， 且在被反射基板210反射後，激發了波長轉換材料224，或直接依序穿透透光基材222與微結構層230。
舉例而言，激發光束111例如為藍色光束，而轉換光束201例如為黃色光束，亦即波長轉換材料224例如為黃色螢光粉，而從微結構層230出射的轉換光束201與激發光束111則可混合成白光。此外，來自激發光源110的激發光束111可被一分光單元130導引至透鏡120，且來自波長轉換模組200的轉換光束201與激發光束111則可經由透鏡120的收集後被分光單元130導引至偏離激發光源110的方向。分光單元130可以是部分穿透部分反射元件、分色元件、偏振分光元件或其他各種可將光束分離的元件。
在本實施例的波長轉換模組200與照明系統100中，由於微結構層230配置於帶狀波長轉換層220上，且這些微結構230以最密堆積的方式排列於微結構層230的表面，因此除了可降低來自帶狀波長轉換層220的光被全反射而無法自波長轉換模組200出光的機率，且可藉由微結構230使自波長轉換模組200出光的光束的發散角降低。如此一來，波長轉換模組200便可具有良好的集光效果，而使用此波長轉換模組200的照明系統100可具有良好的光利用效率。
舉例而言，請參照圖1C，對於自波長轉換材料224發出的轉換光束F1而言，是以大的入射角入射透光基材222與微結構層230的界面(即透光基材222的出光面)，當透光基材222上不 設置微結構層230時，轉換光束F1會接著沿著以虛線繪示的轉換光束F1’的路徑傳遞，此時由於轉換光束F1’的出射方向與帶狀波長轉換層220的法線方向之夾角過大，將導致轉換光束F1’無法被透鏡120收集，因此轉換光束F1’將無法被利用而造成光損失。然而，當透光基材222上設置微結構層230時，轉換光束F1將繼續行走以實線繪示的轉換光束F1的路徑，也就是被微結構232往較不偏離法線的方向導引。因此，轉換光束F1仍可被透鏡120收集，因而提升了光利用效率。
另外，當自波長轉換材料224發出的轉換光束F2以更大的入射角入射透光基材222的出光面，且當透光基材222上不設置微結構層230時，由於透光基材222的折射率比空氣較大而導致臨界角較小並小於轉換光束F2的入射角，此時轉換光束F2會沿著以虛線繪示的轉換光束F2’的路徑傳遞，也就是被透光基材222的出光面全反射。因此，轉換光束F2’無法從帶狀波長轉換層220中被提取出並有效得利用，而造成光損失。然而，當透光基材222上設置微結構層230時，轉換光束F2將繼續行走以實線繪示的轉換光束F2的路徑，也就是從帶狀波長轉換層220進入微結構層230，再被微結構232往較不偏離法線的方向導引出光。因此，轉換光束F2仍可被透鏡120收集，因而提升了光提取效率和光利用效率。
上述內容及圖1C是以理論的方式來分析出波長轉換模組200具有良好的集光效果和光提取效率且照明系統100具有良 好的光利用效率的結論，而以下圖2A與圖2B則是以實驗的方式來驗證此結論。
圖2A為圖1A的波長轉換模組在將微結構層移除後的發光強度分佈圖，而圖2B為圖1A的波長轉換模組的發光強度分佈圖。請參照圖1A、圖2A與圖2B，圖2A與圖2B皆為相對於發光角度的光強度分佈圖，其中0度方向為波長轉換模組的正向，也就是帶狀波長轉換層220的法線方向。此外，第一方向與第二方向的數據是分別在兩個互相垂直的角度展開方向上所測得光強度數據。比較圖2A與圖2B的實驗數據可知，本實施例之波長轉換模組200由於具有微結構層230，因此的確可以達到良好的集光效果，進而使照明系統100具有良好的光利用效率。
請參照圖1A至圖1D，在本實施例中，帶狀波長轉換層220為環狀波長轉換層，而反射基板210呈圓盤狀。此外，在本實施例中，波長轉換模組200更包括一致動器240，用以帶動反射基板旋轉。在本實施例中，致動器240例如為一馬達，其與反射基板210連接，例如是嵌入至反射基板210的中央。當反射基板旋轉時，帶狀波長轉換層230上的不同位置在不同時間中進入激發光束111的照射範圍內。如此一來，激發光束111才不會持續地照射於帶狀波長轉換層230的同一點，而導致帶狀波長轉換層230因接受了過多的能量而導致損壞或光轉換效率下降。
本實施例之照明系統100可作為投影裝置的照明系統，以提供照射投影裝置中的光閥(light valve)的轉換光束201與激 發光束111所合成的照明光束，或提供轉換光束201作為照明光束。此外，本實施例之帶狀波長轉換層230也不局限於含有一種顏色的螢光粉，其可在不同區段含有不同顏色的螢光粉(如紅色、綠色及藍色或再加上黃色的螢光粉)，進而隨著波長轉換模組200的旋轉而產生時序性的不同顏色的光。
在本實施例中，每一微結構232符合P/4≦h≦P/2，其中h為微結構232於垂直於反射基板210的方向上的高度，且P為微結構232於平行於反射基板的方向上的節距。微結構232採用最密堆積的方式與符合上式皆可使波長轉換模組200具有較佳的光提取效率(light extraction efficiency)與較佳的集光效果。
圖3A為本發明之另一實施例的波長轉換模組的示意圖，而圖3B為圖3A之波長轉換模組的正視圖。請參照圖3A與圖3B，本實施例之波長轉換模組200a與圖1A之波長轉換模組200類似，而兩者的差異如下所述。本實施例之波長轉換模組200a更包括一反射杯結構250，配置於反射基板210上，其中帶狀波長轉換層220配置於反射杯結構250中。在本實施例中，反射杯結構250包括一第一環狀反射結構252及一第二環狀反射結構254。第一環狀反射結構252配置於帶狀波長轉換層220的內側，且第二環狀反射結構254配置於帶狀波長轉換層220的外側。
在本實施例中，第一環狀反射結構252具有一第一反射面251，第一反射面251相對於反射基板210傾斜，且朝向帶狀波長轉換層220(即環狀波長轉換層)的外側。第二環狀反射結構 254具有一第二反射面253，第二反射面253相對於反射基板210傾斜，且朝向帶狀波長轉換層220的內側。第一反射面251與第二反射面253可將來自帶狀波長轉換層220的轉換光束201中從側向散逸的光線反射至波長轉換模組200a的正向，進而提高光利用效率。
圖4為本發明之又一實施例的波長轉換模組的剖面示意圖。請參照圖4，本實施例的波長轉換模組200b類似於圖1C的波長轉換模組200，而兩者的差異如下所述。在圖1C中，微結構層230與透光基材222為各自成型，而在波長轉換模組200b中，微結構層230b與透光基材222b為一體成型。此外，波長轉換材料224可參雜於微結構層230b與透光基材222b兩者中。
圖5為本發明之又一實施例的波長轉換模組的剖面示意圖。請參照圖5，本實施例的波長轉換模組200c類似於圖1C的波長轉換模組200，而兩者的差異如下所述。在本實施例之波長轉換模組200c中，微結構層230c的這些微結構232c為具弧狀凹面之結構。
圖6為本發明之再一實施例的波長轉換模組的剖面示意圖。請參照圖6，本實施例的波長轉換模組200d類似於圖1C的波長轉換模組200，而兩者的差異如下所述。在本實施例之波長轉換模組200d中，微結構層230d的這些微結構232d為三角錐狀結構或四面體狀結構。
綜上所述，在本發明的實施例的波長轉換模組與照明系 統中，由於微結構層配置於帶狀波長轉換層上，且這些微結構以最密堆積的方式排列於微結構層的表面，因此除了可降低來自帶狀波長轉換層的光被全反射而無法自波長轉換模組出光的機率，且可藉由微結構使自波長轉換模組出光的光束的發散角降低。如此一來，波長轉換模組便可具有良好的集光效果和光提取效率，而使用此波長轉換模組的照明系統可具有良好的光利用效率。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
200‧‧‧波長轉換模組
210‧‧‧反射基板
220‧‧‧帶狀波長轉換層
222‧‧‧透光基材
224‧‧‧波長轉換材料
230‧‧‧微結構層
232‧‧‧微結構
F1、F1’、F2、F2’‧‧‧轉換光束
h‧‧‧高度
P‧‧‧節距

Claims (20)

  1. 一種波長轉換模組，包括：一反射基板；一帶狀波長轉換層，配置於該反射基板上，且包括一透光基材及摻雜於該透光基材中的波長轉換材料；以及一微結構層，配置於該帶狀波長轉換層上，且包括多個微結構，其中該些微結構以最密堆積的方式排列於該微結構層的表面，且該波長轉換模組滿足n2-0.3≦n1≦n2+0.3，其中n1為該透光基材的折射率，且n2為該微結構層的折射率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換模組，其中每一該微結構符合P/4≦h≦P/2，其中h為該微結構於垂直於該反射基板的方向上的高度，且P為該微結構於平行於該反射基板的方向上的節距。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換模組，其中該帶狀波長轉換層為一環狀波長轉換層。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的波長轉換模組，更包括一反射杯結構，配置於該反射基板上，其中該環狀波長轉換層配置於該反射杯結構中。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的波長轉換模組，其中該反射杯結構包括：一第一環狀反射結構，配置於該環狀波長轉換層的內側；以及 一第二環狀反射結構，配置於該環狀波長轉換層的外側。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的波長轉換模組，其中該第一環狀反射結構具有一第一反射面，該第一反射面相對於該反射基板傾斜，且朝向該環狀波長轉換層的外側，該第二環狀反射結構具有一第二反射面，該第二反射面相對於該反射基板傾斜，且朝向該環狀波長轉換層的內側。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換模組，其中該波長轉換材料為螢光材料。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換模組，更包括一致動器，用以帶動該反射基板旋轉。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換模組，其中微結構層與該透光基材為一體成型。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換模組，其中該些微結構配置於該微結構層之背對該帶狀波長轉換層的表面，且該些微結構包括具球的一部分之形狀的結構、具弧狀凹面之結構、三角錐狀結構、四面體狀結構或其組合。
  11. 一種照明系統，包括：一波長轉換模組，包括：一反射基板；一帶狀波長轉換層，配置於該反射基板上，且包括一透光基材及摻雜於該透光基材中的波長轉換材料；以及一微結構層，配置於該帶狀波長轉換層上，且包括多個 微結構，其中該些微結構以最密堆積的方式排列於該微結構層的表面，且該波長轉換模組滿足n2-0.3≦n1≦n2+0.3，其中n1為該透光基材的折射率，且n2為該微結構層的折射率；以及一激發光源，用以發出一激發光束，其中來自該激發光源的激發光束經由該微結構層傳遞至該帶狀波長轉換層。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的照明系統，其中每一該微結構符合P/4≦h≦P/2，其中h為該微結構於垂直於該反射基板的方向上的高度，且P為該微結構於平行於該反射基板的方向上的節距。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的照明系統，其中該帶狀波長轉換層為環狀波長轉換層。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的照明系統，其中該波長轉換模組更包括一反射杯結構，配置於該反射基板上，其中該環狀波長轉換層配置於該反射杯結構中。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的照明系統，其中該反射杯結構包括：一第一環狀反射結構，配置於該環狀波長轉換層的內側；以及一第二環狀反射結構，配置於該環狀波長轉換層的外側。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的照明系統，其中該第一環狀反射結構具有一第一反射面，該第一反射面相對於該反射基 板傾斜，且朝向該環狀波長轉換層的外側，該第二環狀反射結構具有一第二反射面，該第二反射面相對於該反射基板傾斜，且朝向該環狀波長轉換層的內側。
  17. 如申請專利範圍第11項所述的照明系統，其中該波長轉換材料為螢光材料。
  18. 如申請專利範圍第11項所述的照明系統，其中該波長轉換模組更包括一致動器，用以帶動該反射基板旋轉，當該反射基板旋轉時，該帶狀波長轉換層上的不同位置在不同時間中進入該激發光束的照射範圍內。
  19. 如申請專利範圍第11項所述的照明系統，其中微結構層與該透光基材為一體成型。
  20. 如申請專利範圍第11項所述的照明系統，其中該激發光源為雷射光源。
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