TW201610364A - 光波長轉換裝置及其適用之光源系統 - Google Patents

光波長轉換裝置及其適用之光源系統 Download PDF

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陳照勗
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Abstract

本案係關於一種光波長轉換裝置，適用於轉換第一波段光，包括穿透式基板、螢光層及光學層。穿透式基板具有折射率ns 值，且折射率ns 值係大於環境介質之折射率namb 值。螢光層設置於穿透式基板之一側，用以將第一波段光轉換為第二波段光。光學層相對螢光層設置於穿透式基板之另一側，用以反射第二波段光，且光學層具有有效折射率nr 值；其中，折射率ns 值、折射率namb 值及有效折射率nr 值係滿足nr >2(namb2 )/ns 之關係式，藉以達到有效避免能量之浪費，同時簡化製造及材料選用之難度等功效。

Description

光波長轉換裝置及其適用之光源系統 【0001】
本案係關於一種光波長轉換裝置，尤指一種光波長轉換裝置及其適用之光源系統。
 【0002】
光波長轉換裝置係為一種光學換能元件，主要用於將光波長轉換產生特定之可見光波長以作為光源，通常應用於特殊照明，例如聚光燈、車頭燈、顯示器光源或投影機顯像等。
【0003】
一般而言，傳統光波長轉換裝置以螢光粉色輪為大宗，旨在配合雷射光源並將雷射光轉換成具有不同波長之色光。在高功率操作下，螢光粉色輪之光波長轉換效率可大幅提升投影機之光電轉換及流明輸出，近年來已成為新世代投影技術之重要光源。
【0004】
請參閱第1圖，其係顯示傳統螢光粉色輪之結構剖視圖。如第1圖所示，傳統螢光粉色輪1主要為三層式結構，具有基板10、反射層11及螢光層12。其中，反射層11係形成於基板10之上，且螢光層12係形成於反射層11之上，亦即反射層11係形成於基板10及螢光層12之間。當第一波段光L1激發螢光層12之螢光粉121而轉換成第二波段光L2後，該第二波段光L2係進行全角度散射，其中，當定義由螢光層12遠離反射層11之方向為正向時，逆向散射，亦即由螢光層12指向反射層11之方向之散射，係受反射層11進行反射後由正向散射出光，應注意的是此處所稱之正向係指由螢光層12遠離反射層11之方向為正向；同理，逆向係指由螢光層12朝向反射層11之方向為逆向。由於螢光粉所轉換之第二波段光L2屬朗伯特(Lambertian)出光模型，因此反射層11必須具備反射400奈米至700奈米之可見光之能力之外，同時亦需具備反射高於70度入射角度光之能力，但對多層反射鏡技術，要應付如此寬廣的反射波段與入射角度，實屬一艱辛的課題。
【0005】
另外，考慮入射環境n1 與穿透環境n2 的折射率所存在的布魯斯特角(Brewster Angle, θB =tan-1 (n2 /n1 ))效應，當入射光之入射角大於或等於布魯斯特角時，入射光之P偏光會全數穿透反射層11，使得反射層11之反射率大幅降低，而產生漏光之現象。舉例而言，當入射光自有效折射率n值約為1.4至1.5入射至折射率n值為1之空氣時，其布魯斯特角係為35.5度角，另有一臨界角(Critical Angle, θC =sin-1 (n2 /n1 )）係為45.6度角，亦即當入射光之入射角大於或等於35.5度時，入射光之P偏光會全數穿透，而產生漏光之現象，直至入射角大於45.6度時，入射光方會全數被臨界角全反射。由此可推知，在傳統螢光粉色輪1之結構中，反射層11係介於螢光層12 (n1 ~1.4-1.5)與基板10 (ns )之結構下，其布魯斯特角係小於臨界角，故在入射光角度大於或等於布魯斯特角且小於臨界角時，鑒於多層反射鏡技術無法包含全頻譜與大角度的反射，將會有大量的入射光損耗而無法被反射並應用於光路中，造成大量的能量浪費，同時也使光波長轉換裝置及光源系統之製造難度大幅提昇。
【0006】
因此，實有必要發展一種光波長轉換裝置及其適用之光源系統，以改善前文提及之各項缺點及問題，進而增進其產業上之實用性。
 【0007】
本案之主要目的為提供一種光波長轉換裝置及其適用之光源系統，俾解決並改善前述先前技術之問題與缺點。
【0008】
本案之另一目的為提供一種光波長轉換裝置及其適用之光源系統，藉由光波長轉換裝置選用之材料及結構，並滿足θC =sin-1 (namb /ns )以及nr >2(namb 2 )/ns 二式，以實現使布魯斯特角θB 之角度大於臨界角θC 之角度，並利用臨界角的全反射來減輕多層反射鏡技術的大角度入射設計，可有效達到避免能量之浪費，同時簡化光波長轉換裝置及光源系統之製造及材料選用之難度等功效。
【0009】
為達上述目的，本案之一較廣實施態樣為提供一種光波長轉換裝置，適用於轉換一第一波段光，包括：一穿透式基板，具有一折射率ns 值，其中該折射率ns 值係大於環境介質之一折射率namb 值；一螢光層，設置於該穿透式基板之一側，用以將該第一波段光轉換為一第二波段光；以及一光學層，相對該螢光層設置於該穿透式基板之另一側，用以反射該第二波段光，其中該光學層具有一有效折射率nr 值；其中，該折射率ns 值、該折射率namb 值及該有效折射率nr 值係滿足nr >2(namb 2 )/ns 之關係式。
【0010】
於一些實施例中，該穿透式基板係架構於使該第一波段光及該第二波段光穿透。
【0011】
於一些實施例中，該光學層係架構於使該第一波段光穿透，並反射該第二波段光。其中，該第一波段光係為藍光或UV光源，且該第二波段光係為波長大於460奈米之可見光。
【0012】
於一些實施例中，該光學層係架構於反射該第一波段光及該第二波段光。
【0013】
於一些實施例中，該穿透式基板係為藍寶石基板、玻璃基板、硼矽玻璃基板、浮法硼矽玻璃基板、熔凝石英基板或氟化鈣基板。
【0014】
於一些實施例中，該光學層係包含至少一金屬材料，且該金屬材料係為銀或鋁，或至少包含銀合金或鋁合金。
【0015】
於一些實施例中，該光學層係包括一分佈布拉格反射層或一全向反射層。
【0016】
為達上述目的，本案之另一較廣實施態樣為提供一種光源系統，包括：一固態發光元件，架構於發出一第一波段光至一光路徑；以及一光波長轉換裝置，設置於該光路徑上，包括：一穿透式基板，具有一折射率ns 值，其中該折射率ns 值係大於環境介質之一折射率namb 值；一螢光層，設置於該穿透式基板之一側，用以將該第一波段光轉換為一第二波段光並輸出該第二波段光；以及一光學層，相對該螢光層設置於該穿透式基板之另一側，用以反射該第二波段光，其中該光學層具有一有效折射率nr 值；其中，該折射率ns 值、該折射率namb 值及該有效折射率nr 值係滿足nr >2(namb 2 )/ns 之關係式。
【0017】
於一些實施例中，該光波長轉換裝置係為一反射式光波長轉換裝置。其中，該固態發光元件係鄰設於該螢光層。
【0018】
於一些實施例中，該光波長轉換裝置係為一穿透式光波長轉換裝置。其中，該固態發光元件係鄰設於該光學層。
 【0032】
1‧‧‧傳統光波長轉換裝置
10‧‧‧基板
11‧‧‧反射層
12‧‧‧螢光層
121‧‧‧螢光粉
2‧‧‧光波長轉換裝置
20‧‧‧穿透式基板
21‧‧‧光學層
22‧‧‧螢光層
3‧‧‧光源系統
31‧‧‧固態發光元件
A‧‧‧環境介質
I‧‧‧入射光
L1‧‧‧第一波段光
L2‧‧‧第二波段光
P‧‧‧光路徑
【0019】
第1圖係顯示傳統螢光粉色輪之結構剖視圖。
第2圖係顯示一入射光自本案較佳實施例之光波長轉換裝置之基板入射至一光學層並受反射之示意圖。
第3圖係顯示一入射光自本案光波長轉換裝置入射至空氣之反射率-入射角角度對應圖。
第4A圖係顯示本案較佳實施例之光源系統之架構圖。
第4B圖係顯示本案另一較佳實施例之光源系統之架構圖。
第5圖係顯示本案一實施例之反射式光波長轉換裝置之結構剖視圖。
第6圖係顯示第5圖所示之反射式光波長轉換裝置之反射頻譜。
第7圖係顯示本案一實施例之穿透式光波長轉換裝置之結構剖視圖。
第8圖係顯示第7圖所示之穿透式光波長轉換裝置之穿透頻譜。
 【0020】
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。
【0021】
請參閱第2圖，其係顯示一入射光自本案較佳實施例之光波長轉換裝置之基板入射至一光學層並受反射之示意圖。如第2圖所示，本案提出一種光波長轉換裝置2，係將光學層21鍍覆至基板20下方，使基板20夾設於螢光層22與光學層21之間，在該光學架構下，入射光由基板20入射至光學層21。具體而言，入射光I係由穿透式基板20入射至光學層21，並受光學層21及環境介質A之界面反射，其中，臨界角θC 係為環境介質A之折射率namb 值除以穿透式基板20之折射率ns 值所得之商之反正弦函數，即θC =sin-1 (namb /ns )；布魯斯特角θB 係為光學層21之有效折射率nr 值除以穿透式基板20之折射率ns 值所得之商之反正切函數即θB =tan-1 (nr /ns )。藉由基板ns 與環境介質A所創造的臨界角，使得光學層僅需考慮臨界角以下的入光角度之全波長頻譜反射(400-700nm)，其設計較為容易滿足布魯斯特角θB 之角度大於臨界角θC 之角度；經進一步運算可推得穿透式基板20之折射率ns 值、光學層21之有效折射率nr 值以及環境介質A之折射率namb 值之關係式為：nr >2(namb 2 )/ns 。換言之，若本案之光波長轉換裝置選用之材料及結構滿足θC =sin-1 (namb /ns )以及nr >2(namb 2 )/ns 二式時，該光波長轉換裝置即可實現使布魯斯特角θB 之角度大於臨界角θC 之角度，並進一步降低入射光之損耗。
【0022】
請參閱第3圖，其係顯示一入射光自一藍寶石基板入射至空氣之反射率-入射角角度對應圖。如第3圖所示，為了解決先前技術中，光波長轉換裝置之入射光損耗問題，本發明係考慮光波長轉換裝置及空氣之折射率n值，並實現使布魯斯特角之角度大於臨界角之角度。於光波長轉換裝置中，布魯斯特角之角度係取決於整體光波長轉換裝置之光學層的有效折射率nr 值，臨界角之角度係取決於光波長轉換裝置之基板ns 與環境namb 折射率。故此，若採用折射率ns 值較大之基板，例如藍寶石基板，其折射率ns 值約為1.77，可得臨界角角度下降至34.4度，即如第3圖所示。再經運算反推，可進一步得知整體光波長轉換裝置之光學層有效折射率nr 值之最大值。
【0023】
以使布魯斯特角之角度大於35度為例，經運算可得整體光波長轉換裝置之光學層的有效折射率nr 值係小於1.45，但不以此為限。此外，由布魯斯特角之定義θB =tan-1 (n2 /n1 )中，係可發現為使布魯斯特角之角度提升，勢必要使反正切函數中的折射率n1 值下降，故本案提出前述較佳實施例之光波長轉換裝置2之架構，以實現本發明「使布魯斯特角之角度大於臨界角之角度」之目標，並進一步地達到避免能量之浪費，同時簡化光波長轉換裝置及光源系統之製造及材料選用之難度等功效。
【0024】
反觀習知技術，其於傳統光波長轉換裝置之架構下，折射率n1 值實受限於螢光層之膠體特性，一般多介於1.4-1.5之矽膠材，材料較難調整，明顯無法達成本發明之目標。
【0025】
請參閱第4A圖及第4B圖並配合第2圖，其中第4A圖係顯示本案較佳實施例之光源系統之架構圖，以及第4B圖係顯示本案另一較佳實施例之光源系統之架構圖。如第2圖、第4A圖及第4B圖所示，本案之光波長轉換裝置2係適用於轉換光源系統3之固態發光元件31發出之第一波段光L1，且光波長轉換裝置2包括穿透式基板20、光學層21及螢光層22。其中，穿透式基板20係可為例如藍寶石(Sapphire)基板、玻璃(Glass)基板、硼矽玻璃(Borosilicate Glass)基板、浮法硼矽玻璃(Borofloat Glass)基板、熔凝石英(Fused quartz)基板或氟化鈣(CaF2 )基板等，但不以此為限，且具有一折射率ns 值，其中該折射率ns 值係大於環境介質之一折射率namb 值。螢光層21係設置於穿透式基板20之一側，用以將第一波段光L1轉換為第二波段光L2。光學層22係可包含至少一金屬材料，例如但不限於銀或鋁或至少含其中之一金屬成分之合金，亦可包括分佈布拉格反射層(Distributed Bragg Reflector, DBR)或全向反射層(Omni Directional Reflector, ODR)，其中分佈布拉格反射層及全向反射層之層數係可依實際需求選用之，例如配合光波長轉換裝置為反射式或穿透式架構，且較佳係具有複數層，惟不以此為限，且光學層22係相對螢光層21設置於穿透式基板20之另一側，用以反射第二波段光L2，且光學層22具有一有效折射率nr 值。其中，為滿足本案使布魯斯特角θB 之角度大於臨界角θC 之角度，以進一步降低能量損耗，該折射率ns 值、該折射率namb 值及該有效折射率nr 值係滿足nr >2(namb 2 )/ns 之關係式。藉此，可達到有效避免能量之浪費，同時簡化光波長轉換裝置及光源系統之製造及材料選用之難度等功效。
【0026】
請參閱第5圖並配合第2圖及第4A圖，其中第5圖係顯示本案一實施例之反射式光波長轉換裝置之結構剖視圖。如第2圖、第4A圖及第5圖所示，本案光源系統3之光波長轉換裝置2係可為反射式光波長轉換裝置，其中固態發光元件31係鄰設於螢光層21，以架構於使第一波段光L1之入射方向與第二波段光L2之最終出射方向實質上相反。於一些實施例中，穿透式基板20係架構於使第一波段光L1及第二波段光L2穿透，且光學層22係架構於反射第一波段光L1及第二波段光L2，亦即反射波長400奈米至700奈米之可見光。
【0027】
請參閱第6圖並配合第5圖，其中第6圖係顯示第5圖所示之反射式光波長轉換裝置之反射頻譜。如第5圖及第6圖所示，當選用藍寶石基板作為本案反射式光波長轉換裝置之穿透式基板20，該臨界角θC 僅34.4度，該光學層容易設計實現本案使布魯斯特角θB 之角度大於臨界角θC 之角度之目標，本案反射式光波長轉換裝置2之反射頻譜係顯示400奈米至700奈米之可見光於入射角為0度及30度時，其反射率實質上皆約略為100%，而高於34.4度之入射光，則藉由臨界角的全反射，而幾乎達到全頻譜、全角度的反射效果，故此於第6圖所示之反射頻譜中，400奈米至700奈米之可見光於入射角大於30度之部分省略繪出。
【0028】
請參閱第7圖並配合第2圖及第4B圖，其中第7圖係顯示本案一實施例之穿透式光波長轉換裝置之結構剖視圖。如第2圖、第4B圖及第7圖所示，本案光源系統3之光波長轉換裝置2係可為穿透式光波長轉換裝置，且固態發光元件31係鄰設於光學層21，以架構於使第一波段光L1之入射方向與第二波段光L2之最終出射方向實質上相同。於一些實施例中，穿透式基板20係架構於使第一波段光L1及第二波段光L2穿透，且光學層21係架構於使第一波段光L1穿透，並反射第二波段光L2，其中第一波段光L1係為藍光，且第二波段光L2係為波長大於460奈米之可見光，然並不以此為限。
【0029】
請參閱第8圖並配合第7圖，其中第8圖係顯示第7圖所示之穿透式光波長轉換裝置之穿透頻譜。如第7圖及第8圖所示，當選用藍寶石基板作為本案穿透式光波長轉換裝置之穿透式基板20，且實現本案使布魯斯特角θB 之角度大於臨界角θC 之角度之目標時，本案光波長轉換裝置2之穿透頻譜係顯示第二波段光L2，即波長大於460奈米之可見光，於入射角為0度時，其穿透率實質上約略為0%，亦即幾乎達到全反射。此外，於第8圖中亦示出，此實施例中之第一波段光L1，即波長小於或等於460奈米之藍光，於入射角為0度時，其穿透率實質上皆約略為100%，亦即幾乎達到全穿透，由此驗證前述光學層22確實係架構於使第一波段光L1穿透，並反射第二波段光L2。
【0030】
綜上所述，本案提供一種光波長轉換裝置及其適用之光源系統，俾解決並改善先前技術之問題與缺點。具體而言，本案係提供一種光波長轉換裝置及其適用之光源系統，藉由光波長轉換裝置選用之材料及結構滿足θC =sin-1 (namb /ns )以及nr >2(namb 2 )/ns 二式，以實現使布魯斯特角θB 之角度大於臨界角θC 之角度，可達到有效避免能量之浪費，同時簡化光波長轉換裝置及光源系統之製造及材料選用之難度等功效。
【0031】
縱使本發明已由上述之實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
2‧‧‧光波長轉換裝置
20‧‧‧穿透式基板
21‧‧‧光學層
22‧‧‧螢光層

Claims (11)

  1. 【第1項】
    一種光波長轉換裝置，適用於轉換一第一波段光，包括：
    　　一穿透式基板，具有一折射率ns 值，其中該折射率ns 值係大於環境介質之一折射率namb 值；
    　　一螢光層，設置於該穿透式基板之一側，用以將該第一波段光轉換為一第二波段光；以及
    　　一光學層，相對該螢光層設置於該穿透式基板之另一側，用以反射該第二波段光，其中該光學層具有一有效折射率nr 值；
    　　其中，該折射率ns 值、該折射率namb 值及該有效折射率nr 值係滿足nr >2(namb 2 )/ns 之關係式。
  2. 【第2項】
    如申請專利範圍第1項所述之光波長轉換裝置，其中該光學層係架構於使該第一波段光穿透，並反射該第二波段光。
  3. 【第3項】
    如申請專利範圍第2項所述之光波長轉換裝置，其中該第一波段光係為藍光或UV光源，且該第二波段光係為波長大於460奈米之可見光。
  4. 【第4項】
    如申請專利範圍第1項所述之光波長轉換裝置，其中該光學層係架構於反射該第一波段光及該第二波段光。
  5. 【第5項】
    如申請專利範圍第1項所述之光波長轉換裝置，其中該穿透式基板係為藍寶石基板、玻璃基板、硼矽玻璃基板、浮法硼矽玻璃基板、熔凝石英基板或氟化鈣基板。
  6. 【第6項】
    如申請專利範圍第1項所述之光波長轉換裝置，其中該光學層係包含至少一金屬材料，且該金屬材料係為銀或鋁。
  7. 【第7項】
    如申請專利範圍第1項所述之光波長轉換裝置，其中該光學層係包含銀合金或鋁合金。
  8. 【第8項】
    如申請專利範圍第1項所述之光波長轉換裝置，其中該光學層係包括一分佈布拉格反射層或一全向反射層。
  9. 【第9項】
    一種光源系統，包括：
    　　一固態發光元件，架構於發出一第一波段光至一光路徑；以及
    　　一光波長轉換裝置，設置於該光路徑上，包括：
    　　一穿透式基板，具有一折射率ns 值，其中該折射率ns 值係大於環境介質之一折射率namb 值；
    　　一螢光層，設置於該穿透式基板之一側，用以將該第一波段光轉換為一第二波段光並輸出該第二波段光；以及
    　　一光學層，相對該螢光層設置於該穿透式基板之另一側，用以反射該第二波段光，其中該光學層具有一有效折射率nr 值；
    　　其中，該折射率ns 值、該折射率namb 值及該有效折射率nr 值係滿足nr >2(namb 2 )/ns 之關係式。
  10. 【第10項】
    如申請專利範圍第9項所述之光源系統，其中該光波長轉換裝置係為一反射式光波長轉換裝置，該固態發光元件係鄰設於該螢光層。
  11. 【第11項】
    如申請專利範圍第9項所述之光源系統，其中該光波長轉換裝置係為一穿透式光波長轉換裝置，該固態發光元件係鄰設於該光學層。
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