TW201832914A - 波長轉換裝置 - Google Patents
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Abstract
一種波長轉換裝置包含基板、波長轉換元件以及抗反射結構。波長轉換元件設置於基板上。抗反射結構包含複數個堆疊層。堆疊層由波長轉換元件依序堆疊。每一堆疊層由複數個奈米顆粒所排列而成。堆疊層的孔隙率由抗反射結構面向該波長轉換元件之第一側朝向抗反射結構背對波長轉換元件之第二側漸增。
Description
本發明是有關於一種波長轉換裝置，特別是有關於一種色輪裝置。
一般傳統反射式螢光色輪，是在一基板上鍍覆一高反射層，再於此高反射層上塗佈螢光粉，藉以利用此反射層將受雷射激發螢光粉的出光反射至前方出光。上述高反射層一般多採用金屬反射層、多層介電層(Dielectric Multi-layer) 反射膜、或金屬/介電複合層(Metal/Dielectric Multi-layer) 反射膜等光學反射層結構設計。
一般來說，所有材料皆具有其折射率。因此，當光線穿過不同材料時，會在不同材料之間的界面發生散射損耗(scattering loss)。舉例來說，當入射光由空氣(n=0)經由螢光粉的粘合劑介質(n≒1.4~1.5)而抵達螢光粉(n≒1.8)時，根據傅瑞柰反射定理(Fresnel law of reflection)大約會有4-5%的散射損耗。若在空氣與螢光粉之間設置複數層膜，且這些層膜的折射率係介於空氣與螢光粉之間且呈階梯式排序配置，雖然可將散射損耗減少至大約2%，但膜層數大幅增加將導致鍍膜製程繁瑣耗、膜層信賴性下降以及成本大幅提高。
有鑑於此，本發明之一目的在於提出一種可有效減少入射光之散射損耗的波長轉換裝置。
為了達到上述目的，依據本發明之一實施方式，一種波長轉換裝置包含基板、波長轉換元件以及抗反射結構。波長轉換元件設置於基板上。抗反射結構包含複數個堆疊層。堆疊層由波長轉換元件依序堆疊。每一堆疊層由複數個奈米顆粒所排列而成。堆疊層的孔隙率由抗反射結構面向波長轉換元件之第一側朝向抗反射結構背對波長轉換元件之第二側漸增。
於本發明的一或多個實施方式中，上述之堆疊層的等效折射率由抗反射結構之第一側朝向第二側漸減。
於本發明的一或多個實施方式中，上述之奈米顆粒的材料包含矽基材料。
於本發明的一或多個實施方式中，上述之堆疊層之等效折射率實質上介於1至1.5之範圍。
於本發明的一或多個實施方式中，上述之奈米顆粒的材料包含鋁基材料。
於本發明的一或多個實施方式中，上述之堆疊層之等效折射率實質上介於1至1.8之範圍。
於本發明的一或多個實施方式中，上述之孔隙率實質上介於5%至95%之範圍。
於本發明的一或多個實施方式中，上述之抗反射結構的厚度實質上介於100奈米至10微米之範圍。
於本發明的一或多個實施方式中，上述之基板為反射式的。
於本發明的一或多個實施方式中，上述之基板為穿透式的。波長轉換裝置進一步包含分色層設置於基板與波長轉換元件之間。
為了達到上述目的，依據本發明之另一實施方式，一種波長轉換裝置包含螢光粉層以及抗反射結構。螢光粉層具有第一折射率。抗反射結構由複數個奈米顆粒堆疊而成。奈米顆粒的材料包含矽基材料或鋁基材料。抗反射結構配置以由入射環境接收激發光線。激發光線經由抗反射層進入螢光粉層。入射環境具有第二折射率。抗反射結構的孔隙率的分佈係由靠近螢光粉層之一側朝向遠離螢光粉層之一側漸增。抗反射結構之折射率實質上介於第一折射率及第二折射率之間。
綜上所述，本發明的波長轉換裝置的抗反射結構是將奈米顆粒進行排列而形成由波長轉換元件依序堆疊之堆疊層，並使堆疊層的孔隙率由抗反射結構面向波長轉換元件之第一側朝向抗反射結構背對波長轉換元件之第二側漸增。相對地，堆疊層的等效折射率由抗反射結構的第一側朝向第二側漸減。藉此，本發明的波長轉換裝置僅需調整奈米顆粒在各堆疊層中的密度，即可有效減少入射光由空氣進入波長轉換元件的過程中所發生之散射損耗，進而提高波長轉換裝置整體的輸出亮度。不僅如此，本發明的波長轉換裝置還具備製程簡單，價格便宜等優點。
以上所述僅係用以闡述本發明所欲解決的問題、解決問題的技術手段、及其產生的功效等等，本發明之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。
以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
請參照第1圖以及第2圖。第1圖為繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置100的示意圖。第2圖為繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置100的局部放大圖。
如第1圖與第2圖所示，於本實施方式中，波長轉換裝置100包含基板110、波長轉換元件120以及抗反射結構130。波長轉換元件120設置於基板110上。抗反射結構130包含複數個堆疊層131。堆疊層131由波長轉換元件120依序堆疊。每一堆疊層131由複數個奈米顆粒132所排列而成。堆疊層131的孔隙率由抗反射結構130面向波長轉換元件120之第一側130a朝向抗反射結構130背對波長轉換元件120之第二側130b漸增。
於一些實施方式中，堆疊層131之孔隙率實質上介於5%至95%之範圍。舉例來說，最靠近第一側130a之堆疊層131的孔隙率約為5%，而最靠近第二側130b之堆疊層131的孔隙率約為95%，但本發明並不以此為限，可依據實際需求而彈性調整前述孔隙率的範圍。
需說明的是，若堆疊層131的孔隙率越小，則入射光進入此堆疊層131會受到較多奈米顆粒132折射，因此此堆疊層131的等效折射率較大。相對地，若堆疊層131的孔隙率越大，則入射光進入此堆疊層131會受到較少奈米顆粒132折射，因此此堆疊層131的等效折射率較小。由此可知，由於前述堆疊層131的孔隙率係由抗反射結構130之第一側130a朝向第二側130b漸增，因此前述堆疊層131的等效折射率反而會由抗反射結構130之第一側130a朝向第二側130b漸減。
於一些實施方式中，奈米顆粒132的材料包含矽基材料。於一些實施例中，矽基材料為矽氧化物(SiOx
)，但本發明並不以此為限。於一些實施方式中，材料包含矽基材料之奈米顆粒132所堆疊而成的堆疊層131之等效折射率實質上介於1至1.5之範圍。於一些實施方式中，波長轉換元件120為螢光粉層，且其折射率大於1.5。藉此，由空氣經由抗反射結構130至波長轉換元件120的折射率是呈階梯式排序配置的，因此根據傅瑞柰反射定理可以有效減少入射光由空氣經由抗反射結構130至波長轉換元件120時所發生之散射損耗，進而提高波長轉換裝置100整體的輸出亮度。
於一些實施方式中，奈米顆粒132的材料包含鋁基材料。於一些實施例中，鋁基材料為鋁氧化物(AlOx
)，但本發明並不以此為限。於一些實施方式中，材料包含鋁基材料之奈米顆粒132所堆疊而成的堆疊層131之等效折射率實質上介於1至1.8之範圍。於一些實施方式中，波長轉換元件120為螢光粉層，且其折射率大於1.8。藉此，由空氣經由抗反射結構130至波長轉換元件120的折射率亦呈階梯式排序配置的，因此根據傅瑞柰反射定理同樣可以有效減少入射光由空氣經由抗反射結構130至波長轉換元件120時所發生之散射損耗。
從另一個角度來看，螢光粉層(即波長轉換元件120)具有第一折射率。抗反射結構130由複數個奈米顆粒132堆疊而成。這些奈米顆粒132的材料包含矽基材料或鋁基材料。抗反射結構130配置以由一入射環境(例如，空氣)接收激發光線L (見第1圖)。激發光線L經由抗反射層130進入螢光粉層。入射環境具有第二折射率。抗反射結構130的孔隙率的分佈係由靠近螢光粉層之一側朝向遠離螢光粉層之一側漸增。抗反射結構130之折射率實質上介於第一折射率及第二折射率之間。
於一些實施方式中，抗反射結構130的孔隙率實質上介於5%至95%之範圍，但本發明並不以此為限，可依據實際需求而彈性調整前述孔隙率的範圍。
於一些實施方式中，奈米顆粒132的粒徑實質上介於1奈米至100奈米之範圍。較佳地，奈米顆粒132的粒徑可進一步介於5奈米至50奈米之範圍，但本發明並不以此為限。
於一些實施方式中，抗反射結構130的厚度實質上介於100奈米至10微米之範圍。較佳地，抗反射結構130的厚度可進一步介於100奈米至5微米之範圍，但本發明並不以此為限。
如第1圖所示，於本實施方式中，基板110包含基材111與反射層112。反射層112設置於基材111上，而波長轉換元件120設置於反射層112上。基材111、反射層112與波長轉換元件120三者形成一個三明治堆疊結構。如前所述，波長轉換元件120可為螢光粉層，並可受光線(例如，雷射)激發而發光，以作為波長轉換裝置100的發光層。因此，波長轉換裝置100在前述結構配置之下，當光線由空氣依序通過抗反射結構130與波長轉換元件120而抵達反射層112時，反射層112可將波長轉換元件120傳遞而來之光線反射，使得被反射的光線再由波長轉換元件120通過抗反射結構130而離開波長轉換裝置100。
於一些實施方式中，基板110的基材111可由玻璃、金屬(例如鋁)、陶瓷或半導體材料所製成，但本發明並不以此為限。
根據以上配置可知，第1圖所示之實施方式的基板110為反射式的，而波長轉換裝置100為反射式色輪，但本發明並不以此為限。請參照第3圖，其為繪示本發明另一實施方式之波長轉換裝置200的示意圖。如第3圖所示，於本實施方式中，波長轉換裝置200包含基板210、波長轉換元件120以及抗反射結構130，其中波長轉換元件120與抗反射結構130與第1圖所示之實施方式相同，因此可參考前述相關說明，在此恕不贅述。需說明的是，本實施方式是以基板210取代第1圖中之基板110。具體來說，基板210包含基材211以及分色層212(dichroic layer)。分色層212設置於基材211上，而波長轉換元件120設置於分色層212上。基材211、分色層212與波長轉換元件120三者形成一個三明治堆疊結構。
進一步來說，基板210為穿透式的。如前所述，波長轉換元件120可為螢光粉層，並可受光線(例如，雷射)激發而發光，以作為波長轉換裝置200的發光層。因此，波長轉換裝置200在前述結構配置之下，光線可由空氣依序通過基材211、分色層212、波長轉換元件120與抗反射結構130，並由抗反射結構130離開波長轉換裝置200。其中，分色層212係配置以將入射光分離出一預定色光，以進一步與利用波長轉換元件120將此預定色光轉換成另一預定色光。換言之，本實施方式之波長轉換裝置200為穿透式色輪。
於一些實施方式中，基板210的基材211可由陶瓷、石英、玻璃等無機材料所製成，但本發明並不以此為限。
請參照第4A圖至第4D圖，其為分別繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置100在不同製造階段的示意圖。
如第4A圖所示，可先將矽醇鹽(silicon alkoxide)或鋁醇鹽(aluminum alkoxide)加入溶劑300中均勻混和而成溶液，再將此溶液施加於基板110上的波長轉換元件120。於一些實施例中，前述溶劑300為有機的，但本發明並不以此為限。由於表面張力的作用，在波長轉換元件120表面上的溶液的厚度不均。為了控制溶液的厚度並使其均勻化，可如第4B圖所示基於一軸線對基板110執行旋轉程序，而溶液多餘的部分會由波長轉換元件120的邊緣甩離。第4A圖與第4B圖的程序即為旋塗(spin-coating)製程。如第4C圖所示，在旋轉基板110的同時，溶劑300會揮發，進而使得前述矽醇鹽或鋁醇鹽凝聚。隨後，可再執行烘烤(back)/燒結(sinter)製程等熱製程，即可將前述矽醇鹽或鋁醇鹽轉變為如第4D圖所示之材料包含矽氧化物或鋁氧化物之奈米顆粒132。須說明的是，藉由控制第4A圖與第4B圖所示之旋塗製程的旋轉速率或配方濃度，即可製作出如第2圖所示之由奈米顆粒132所排列而成的複數個堆疊層131，且這些堆疊層131的孔隙率及等效折射率係呈階梯式排序配置。
請參照第5圖，其為繪示本發明另一實施方式之波長轉換裝置100的製造示意圖。如第5圖所示，可先將材料包含矽氧化物或鋁氧化物之奈米顆粒132或玻璃珠分散於溶劑中以形成電解質。接著，將輔助電極400與帶有波長轉換元件120之基板110浸入電解質中，並分別電性耦接至一電源的陽極與陰極，即可進行電泳沉積(electrophoretic deposition)製程。藉由控制電源的電壓或偏壓，即可調製奈米顆粒132的排列而在波長轉換元件120上形成複數個堆疊層131，且這些堆疊層131的孔隙率及等效折射率係呈階梯式排序配置。最後，將基板110拿出電解質並進行熱製程(例如燒結製程)以使奈米顆粒132黏合，即可在波長轉換元件120上獲得如第2圖所示之抗反射結構130。
請參照第6圖，其為繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置100的標準化輸出亮度與抗反射結構130的log(厚度)的關係圖。詳細來說，第6圖是在相同功率的雷射光源之下，對不具有抗反射結構130的波長轉換裝置以及複數組採用具有不同厚度之抗反射結構130的波長轉換裝置100進行反射光的亮度實驗所獲得的標準化輸出亮度與抗反射結構130的log(厚度)的關係圖。在與相比時，若以不具有抗反射結構130的波長轉換裝置所對應之輸出亮度為比對基礎，即可獲得前述採用具有不同厚度之抗反射結構130的波長轉換裝置100所各自對應的標準化輸出亮度。由第6圖可以清楚看出，當所採用之抗反射結構130的厚度大於100奈米時，波長轉換裝置100所對應之標準化輸出亮度可改善約2~4%左右。
由以上對於本發明之具體實施方式之詳述，可以明顯地看出，本發明的波長轉換裝置的抗反射結構是將奈米顆粒進行排列而形成由波長轉換元件依序堆疊之堆疊層，並使堆疊層的孔隙率由抗反射結構面向波長轉換元件之第一側朝向抗反射結構背對波長轉換元件之第二側漸增。相對地，堆疊層的等效折射率由抗反射結構的第一側朝向第二側漸減。藉此，本發明的波長轉換裝置僅需調整奈米顆粒在各堆疊層中的密度，即可有效減少入射光由空氣進入波長轉換元件的過程中所發生之散射損耗，進而提高波長轉換裝置整體的輸出亮度。不僅如此，本發明的波長轉換裝置還具備製程簡單，價格便宜等優點。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並不用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧波長轉換裝置
110‧‧‧基板
111‧‧‧基材
112‧‧‧反射層
120‧‧‧波長轉換元件
130‧‧‧抗反射結構
130a‧‧‧第一側
130b‧‧‧第二側
131‧‧‧堆疊層
132‧‧‧奈米顆粒
200‧‧‧波長轉換裝置
210‧‧‧基板
211‧‧‧基材
212‧‧‧分色層
300‧‧‧溶劑
400‧‧‧輔助電極
L‧‧‧激發光線
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖為繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置的示意圖。 第2圖為繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置的局部放大圖。 第3圖為繪示本發明另一實施方式之波長轉換裝置的示意圖。 第4A圖至第4D圖為分別繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置在不同製造階段的示意圖。 第5圖為繪示本發明另一實施方式之波長轉換裝置的製造示意圖。 第6圖為繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置的標準化輸出亮度與抗反射結構的log(厚度)的關係圖。
Claims (13)
- 一種波長轉換裝置，包含： 一基板； 一波長轉換元件，設置於該基板上；以及 一抗反射結構，包含複數個堆疊層，該些堆疊層由該波長轉換元件依序堆疊，每一該些堆疊層由複數個奈米顆粒所排列而成，並且該些堆疊層的孔隙率由該抗反射結構面向該波長轉換元件之一第一側朝向該抗反射結構背對該波長轉換元件之一第二側漸增。
- 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該些堆疊層的等效折射率由該抗反射結構之該第一側朝向該第二側漸減。
- 如請求項第2項所述之波長轉換裝置，其中該些奈米顆粒的材料包含矽基材料。
- 如請求項第3項所述之波長轉換裝置，其中該些堆疊層之該些等效折射率實質上介於1至1.5之範圍。
- 如請求項第2項所述之波長轉換裝置，其中該些奈米顆粒的材料包含鋁基材料。
- 如請求項第5項所述之波長轉換裝置，其中該些堆疊層之該些等效折射率實質上介於1至1.8之範圍。
- 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該些孔隙率實質上介於5%至95%之範圍。
- 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該抗反射結構的一厚度實質上介於100奈米至10微米之範圍。
- 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該基板為反射式的。
- 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該基板為穿透式的，且該波長轉換裝置進一步包含一分色層設置於該基板與該波長轉換元件之間。
- 一種波長轉換裝置，包含： 一螢光粉層，具有一第一折射率；以及 一抗反射結構，由複數個奈米顆粒堆疊而成，該些奈米顆粒的材料包含矽基材料或鋁基材料， 其中該抗反射結構配置以由一入射環境接收一激發光線，該激發光線經由該抗反射層進入該螢光粉層，並且該入射環境具有一第二折射率， 其中該抗反射結構的孔隙率的分佈係由靠近該螢光粉層之一側朝向遠離該螢光粉層之一側漸增，並且該抗反射結構之折射率實質上介於該第一折射率及該第二折射率之間。
- 如請求項第11項所述之波長轉換裝置，其中該些孔隙率實質上介於5%至95%之範圍。
- 如請求項第11項所述之波長轉換裝置，其中該抗反射結構的一厚度實質上介於100奈米至10微米之範圍。
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