TWI542939B - 光學輪盤 - Google Patents

Description

光學輪盤

本發明關於具有波長轉換元素之螢光輪盤，例如螢光粉。本發明亦係關於製造前述該種螢光輪盤的方法。

投影系統可使用色輪(color wheel)自光源產生不同顏色的光。光源一般提供白光。色輪可包含具有不同顏色表面區段的圓形基板。當色輪旋轉的同時有入射光射入色輪，色輪在輸出側將提供不同顏色的光。

螢光輪盤是類似於一種在一些或所有表面區段上鍍上波長轉換材料之圓形基板的元件，例如螢光粉。通常螢光粉以黏膠或其他應用於基板表面之透明材料混合。不同螢光粉可使用於不同表面區段以提供超過一種顏色之發射輸出。

例如螢光粉之波長轉換材料接收或吸收具有第一波長之激發光而發射具有不同波長的第二波長之發射光。該等螢光粉可被用以產生特定波長的光，在此情況直接提供該等波長的光源的光功率輸出是有限的。

改良螢光輪盤的效率具有討戰性，尤其是在投影系統的使用上。投影系統通常較佳地小型化且投影系統亦具有熱處理上的要求。

美國專利號US-7,547,114描述一種螢光輪盤，該螢光輪盤上的分色元件被配置在激發光與波長轉換材料之間。分色元件將激發光透射且分色元件將由波長轉換材料發射的光反射，藉此改良經轉換波長的接收光之比例。此結果即效率之改良。

美國專利號US-7,651,243亦關於螢光輪盤並顯示再生利用元件，再生利用元件使得螢光粉在一角度範圍內所發射出之光通過，但反射在此角 度範圍外所發射出之光。此經聚焦所發射之光亦可增加效率。

此等效率改良會逐漸增加。較佳的狀況是處理其他波長轉換材料方面的問題以進一步改良該等問題而提昇效率。

相對於先前技術背景，本發明提供螢光輪盤，螢光輪盤包含波長轉換部，波長轉換部包含與至少一個凸表面光學性地整合之波長轉換材料。

波長轉換材料與至少一個凸表面光學性整合，使得光透過至少一個凸表面進入波長轉換材料或自波長轉換材料射出。換言之，需考慮在波長轉換材料與凸表面間存在一條直接光學路徑，在此光學路徑上僅少比例的光會在介面折射或反射。一或更多凸表面可形成於與波長轉換材料之相同層或鄰近層，且具有兩層之間實質上直接光學傳播。

藉由以搭配凸表面之方式而形成波長轉換材料可獲得一些優勢，其中透過該凸表面光進入波長轉換材料且自波長轉換材料放射出。首先，激發光會聚焦於波長轉換材料，藉此波長轉換材料耦合於激發光。凸表面對光而言呈部分或全部透明，此特性將助於波長轉換。該光學耦合可免除額外聚光器或準直聚焦透鏡的需求，聚光器或準直聚焦透鏡的要求很高，例如需要具備短焦距。此組件可以很昂貴。再者，此改良使色輪(或螢光輪盤)與在色輪(或螢光輪盤)之前的光學組件間的距離不再那麼敏感。現存狀況是，較早達到焦距需要短光路且較早達到焦距非常敏感以確保光適當地聚焦。

再者，凸表面所帶來次要的好處是減少全反射(TIR)。令人驚訝地觀察到，當波長轉換材料具有一平表面，例如螢光鍍膜，發射光的主要部分會因全反射效應而在材料與空氣(其他周圍環境)之間的介面反射。如此 會導致光損失以及效率下降。藉由改變與空氣(或其他周圍環境)與波長轉換材料接觸介面的表面形狀，可舒緩全反射的影響。因此，至少一個凸表面有利地被塑形以舒緩或避免凸表面上入射光的全反射，特別是來自波長轉換材料的發射光。

在一些實施例中，所謂凸表面意謂具有曲率的表面，該表面曲率涵蓋著波長轉換材料面積的至少25%、50%、75%、85%、90%、95%或實質上100%，使得該表面本質上為凸狀。另外地或替代地，凸表面上任一點的梯度不會大於15、10、9、8、7、6或5。梯度可被理解為連續表面跨度與橫接面表面高度的比值，其中橫截面表面與波長轉換部的平面垂直。

較佳地，波長轉換部包含第一部與第二部，該第一部具有波長轉換材料且至少有一個凸表面形成於第二部上。可選擇地，第二部不包含波長轉換材料。在較佳的實施例中，第一部為材料的第一層且第二部包含材料的第二層，第二層附著於第一層。如此傳統上暗指材料的第二層直接位於第一層附近，且在兩者之間無其他光學性顯著的材料。或者，第一部與第二部可以整合方式形成。因此至少一個凸表面與波長轉換材料可使用第一層加以形成。然而，該層可由超過一種材料所形成。

可受益地，第二部實質上具有與第一部相同的或至少80%的折射率指數。就此意義而言，相同的折射率指數意謂兩層間的折射率指數差的影響以及凸表面的形狀的影響，會使來自第一層平表面的發射光無法滿足涵蓋實質上凸表面全寬度範圍(或至少寬度的80%、85%、90%、95%或99%)的全反射條件。可選擇地，材料的第二層可具有較高的折射率指數。可從司乃耳定律(Snell’s Law)與菲涅耳方程式(Fresnel Equations)理解的是，波長轉換材料的折射率指數與材料的第二層可與全反射所發生的 範圍有關。藉由使用材料的第二層，該第二層具有實質上與波長轉換材料相同或較高的折射率指數，介於第一層與第二層間介面的全反射可被避免。在較不推薦的實施例中，材料第二層的一部分或全部可具有小於波長轉換材料的折射率指數。在該等情況中之任一者，波長轉換材料與材料第二層的折射率指數比值(或相反的比值)可為至少70%、75%、80%、85%、90%、95%或99%。

可選擇地，第一層可形成作為鍍膜層。另外地或替代地，第二層可形成作為鍍膜層。

在較佳的實施例中，第二部呈光透明。如此可允許在光學元件接收所有的光以抵達波長轉換材料，且用於將所有發射自波長轉換材料的光通過穿越材料的第二層。或者，材料的第二層僅在有限波長範圍內呈光透明以致於當作濾色器使用。

較佳地，波長轉換材料包含複數個在載體材料內的波長轉換元素。更佳地，至少一個凸表面以與載體材料相同之材料所形成。有助益地，波長轉換材料的折射率指數主要由載體材料的折射率指數所決定。甚至更佳地，載體材料為黏膠。波長轉換元素可選擇性地為螢光粉粉末顆粒。換言之，至少一個凸表面使用與形成波長轉換材料之主要部分的相同材料形成。如此更可以允許該材料形成至少一個凸表面，該凸表面具有與波長轉換材料實質上相同的折射率指數。

在許多實施例中，螢光輪盤更包含基板。然後，至少一個凸表面可使用在基板上鍍膜之方式形成。此鍍膜可被配置成具有圓頂形狀。圓頂形狀可為球冠狀(位於高於或低於一個特定的平面上之一個球體的一部分)。其中鍍膜位於基板上，鍍膜不須直接鄰近基板，且波長轉換材料可形成附加層，該附加層介於基板與形成至少一個凸表面的鍍膜層之間。

有利地，基板可為圓形或圓柱形。在此種實施例中，波長轉換部可覆蓋基板外表面的至少一部分。例如，波長轉換材料可形成作為一圓環，該圓環覆蓋圓形基板之外表面的一部分。可選擇地，基板可呈透明或具反射性。當基板具反射性，透過凸表面有助於波長轉換部接收光，即透過與發射經轉換波長時所通過的相同凸表面。如此可減緩對額外光聚焦元件的需求且如此可緩和固定輪軸位置對校直的要求。當基板呈透明時，激發光可透過第一表面在波長轉換部被接收且經轉換的光可透過第二表面自波長轉換材料發射出。在一些情況下，第一表面可為凸狀。在其他情況下，第二表面可為凸狀。可選擇地，第一表面與第二表面兩者皆可成凸狀。

在一些實施例中，波長轉換材料與複數個凸表面光學性地整合。該複數個凸表面可被形成作為具有多個凸形原頂形狀的環。此結構出現與上述蒼蠅眼環相似之結構。

有利地，波長轉換材料為磷光材料，例如螢光粉。其他種波長轉換材料可替代性地被使用。

在第二個態樣，茲提供製造螢光輪盤的方法，該方法包含以下步驟：提供波長轉換部，波長轉換部包含波長轉換材料；且形成至少一個凸表面，該凸表面與波長轉換材料光學性地整合。在此所述形成任何關於光學元件的技術特徵之處理步驟可選擇性地與該方法結合而被實施。該等選擇性的處理步驟中之一些處理步驟現在會加以詳述。

較佳地，波長轉換部包含第一部，第一部具有波長轉換材料，其中形成至少一個凸表面的步驟包含形成波長轉換部之第二部，至少一個凸表面形成於該第二部。

在一個較佳的實施例中，第一部為材料的第一層且形成至少一個凸表 面的步驟可包含將包含材料第二層的第二部附著於第一層。或者，第一部與第二部可整合性地被形成。

較佳地，第二部具有與第一部實質相同的折射率指數。有利地，第二部呈光透明。

在較佳的實施例中，波長轉換材料包含複數個在載體材料內的波長轉換元素。可選擇地，形成至少一個凸表面的步驟可包含以與載體材料相同之材料形成至少一個凸表面。在一些實施例中，載體材料為黏膠。

在一些實施例中，提供波長轉換部的步驟可包含在基板上形成波長轉換材料。然後，形成至少一個凸表面的步驟可選擇性地包含在基板上形成鍍膜，該鍍膜被配置成具有圓頂形狀。

有利地，基板可為圓形或圓柱形且提供波長轉換部以包覆基板外表面之至少一部分。基板可呈透明或具反射性。當基板具有反射性，激發光可透過凸表面被接收於波長轉換材料，即透過發射經波長轉換材料轉換之光時所透過之相同凸表面。

在一些實施例中，形成至少一個凸表面的步驟包含形成複數個與波長轉換部光學性整合的凸表面，該複數個凸表面被形成作為具有多個凸形圓頂形狀的環。

受益地，波長轉換材料為磷光材料。

在另一態樣，本發明可包含色輪，該色輪包含上色部，該上色部包含與至少一個凸表面光學性整合的上色材料。換言之，除了以螢光輪盤實施本發明外，亦可利用色輪取代。上述與在此所述之其他關於螢光粉之特徵可另外或替代地與該色輪一起被使用。

應理解的是，本發明不限於本發明經明確地揭露的特定實施例，應包含任何獨立描述的技術特徵之結合，該技術特徵係通常知識者可一起實 施者而言。

在第一圖中圖示現存之螢光輪盤，該螢光輪盤可被使用於如光學投影機上。該螢光輪盤10包含板材15；以及波長轉換材料20。

板材15為圓形，且板材15可為透明或具反射性。板材15可被稱為基板。可將板材15附於馬達上(未圖示)以使板材以所示箭頭16的方向旋轉。

波長轉換材料20配置於板材15上。波長轉換材料20通常為環形。波長轉換材料20可由螢光粉與膠合劑製成或波長轉換材料20可為螢光粉陶瓷。螢光粉被普遍使用於將藍光轉換成綠光。任何可以如螢光粉般類似的方式轉換接收到的光波長之結構或材料想當然爾可替換使用。

激發光30傳播與照射在波長轉換材料(螢光粉)20上，波長轉換材料(螢光粉)20會產生不同於激發光波長的放射光。螢光輪盤可反射經轉換光(當輪盤是一面鏡子時)或螢光輪盤可透射經轉換光(當輪盤是透明時)。在前者的情形下，經轉換光40會在板材15所接收激發光30的同側發射。在後者的情形下，經轉換光45會在相對於板材15所接收激發光30的異側發射。

參照下一張第2圖，在第2圖中圖示習知的螢光粉鍍膜，該螢光粉鍍膜使用於第1圖所示之實施例中。波長轉換材料20係使用黏膠21混合螢光粉粉末22所形成，螢光粉粉末22包含粉末顆粒。黏膠21是透明的且黏膠21被形成成層狀，通常具有平面23。此種波長轉換材料20可被稱為沈浸光源。

因具有此結構，一些從螢光粉粉末22發射出的光會透射穿過平面23。 上述情況以示範性光束50圖示。從螢光粉粉末22發射出的光之其他部分55因為全反射(TIR)之故會在黏膠-空氣之交界平面23反射且於波長轉換材料20(如上述註明為一混合物)內再次散射。在一些情況下，因全反射而反射的光可為所有從螢光粉粉末22發射出之光的主要部分，以致效率退化。

參照下一張第3圖，第3圖圖示依據本發明之第一個實施例。如圖示於第2圖之相同的特徵亦圖示於第3圖中，相同的元件符號亦被使用。第二層100形成於波長轉換材料20的平面23上且第二層100具有凸表面。第二層100使用與用以形成波長轉換材料20之相同種透明黏膠21所形成，波長轉換材料20圖示於第2圖中。

第3圖亦圖示來自波長轉換材料的發射光。藉由波長轉換材料20所發射的光經耦合穿過第二層100，且此過程以示範性第一光束110與第二光束115示意圖示。因此緩解全反射效應。

因為第二層100的折射率指數幾乎與波長轉換材料20的折射率指數相同(因為皆以實質相同的主要成分所形成)，因此介於波長轉換材料20與第二層100之間之介面的折射(以及全反射)可以被緩解。其中波長轉換材料20包含以黏膠混合的螢光粉成分(如參照上述第2圖之討論)，波長轉換材料20的有效折射率指數實質上為黏膠之折射率指數。

在兩介質接觸界面之間的折射遵守菲涅耳方程式(Fresnel equations)，使得n1*sin A1=n2*sin A2，其中n1為入射光入射於介面所通過之材料的折射率指數，A1為入射角(與垂線所夾)，n2為其他材料的折射率指數且A2為折射角(與垂線所夾)。當此兩種材料的折射率指數不同時，所謂臨界角即入射角在臨界角上或大於臨界角時，入射光僅發生全反射之入射角。

第二層100的凸表面會減少全反射效應，因為凸表面會減少在第二層100與周圍環境(空氣)之間介面的入射角。在主要部分入射角可接近零度。然而，在第二層100所應用的全區域上，此技術可能無法應用於該全區域。例如，朝向第二層100邊緣的入射角可能仍高而仍發生全反射。所述圖示於示範性光束120。

現在參照第4圖，第4圖圖示第3圖的實施例，圖示光如何被接收於波長轉換材料。此圖圖示激發光130如何耦合進螢光輪盤。由圖可視平行的激發光130折射成為聚焦光140而照射在波長轉換材料20的螢光粉21上。如此避免激發光130需經聚焦的限制，且藉由使用第二層100，聚焦光學透鏡或類似元件可省略。因此無需繁瑣作業即可達到入射角關於此部分與鍍膜之要求。

該凸表面可為單一凸表面環，該凸表面環在基板板材徑向具有凸出形狀。或者，貌似蒼蠅眼(fly eyes)的環結構150可被利用。第5圖圖示本發明之第二實施例，該第二實施例具有上述蒼蠅眼環結構150。蒼蠅眼環結構150使用複數個圓頂狀(或球冠狀)之第二層160，該第二層向圖示於第1圖與第2圖中之波長轉換材料20之環對齊。

即使以上已描述本發明之實施例，在所屬技術領域中具有通常知識者可考慮各種改良方式或替換方式。

例如，第二層100可使用黏膠或玻璃且藉由包含配料與成形過程加以製成。其他合適的方法可被使用以產生提供如上述之功能性的凸表面形狀。

提供凸表面或各表面層的折射率指數通常大約等於或高於波長轉換材料層的折射率指數。然而，在所屬技術領域中具有通常知識者可理解提供凸表面或各表面層的折射率指數可小於波長轉換材料層的折射率 指數。在上述任一個情況下，兩層的折射率指數比值可至少為0.8，但取決於凸出層的形狀，該比值可小於0.8。

上述實施例係關於兩層的結構，該結構具有由第二層所形成之凸表面。或者，第一層與第二層可結合成為以單一材料所形成且具有凸表面的層。此外，可理解的是可使用上述替代基板板材15的基板。在其他的實施例中，將不使用基板，例如當螢光輪盤係由陶瓷螢光粉所製成時。在該情況下，螢光粉在符合本發明下以凸表面形成。

即使第1圖與第2圖圖示具有圓形基板之螢光輪盤的實例，具有圓柱形(鼓形)之基板可替代使用。例如，美國專利號US-7651243之專利中第3A圖所示之結構可被使用。雖然以黏膠混合之螢光粉已於以上描述，不同材料可被使用作為波長轉換材料，例如純螢光粉或螢光粉陶瓷。例如，陶瓷材料的折射率指數可為晶體指數。使用陶瓷材料執行本發明，透明環可以具有匹配的折射率指數的材料所形成，該材料可黏接於陶瓷表面上。或者，黏膠或其他透明層或鍍膜可被直接應用於陶瓷表面以形成凸表面。

10‧‧‧螢光輪盤

15‧‧‧板材

16‧‧‧箭頭

20‧‧‧波長轉換材料

30‧‧‧激發光

40‧‧‧經轉換光

45‧‧‧經轉換光

21‧‧‧黏膠

22‧‧‧螢光粉粉末

23‧‧‧平面

50‧‧‧光束

55‧‧‧光之其他部分

100‧‧‧第二層

110‧‧‧第一光束

115‧‧‧第二光束

120‧‧‧光束

130‧‧‧激發光

140‧‧‧聚焦光

150‧‧‧蒼蠅眼環結構

160‧‧‧複數個圓頂狀(或球冠狀)之第二層

本發明可以不同方式加以實現，其中一些方式在此將僅以示例性方式描述，且以所附圖式作為參考，其中：第1圖圖示現存之螢光輪盤，且圖示操作模式；第2圖圖示使用於第1圖所示之實施例中的已知螢光粉鍍膜；第3圖圖示根據本發明之第一實施例，圖示來自波長轉換材料之發射光；第4圖圖示第3圖之實施例，且圖示光是如何在波長轉換材料被接 收；以及第5圖圖示本發明之第二實施例，圖示螢光輪盤之全輪廓。

20‧‧‧波長轉換材料

23‧‧‧平面

100‧‧‧第二層

110‧‧‧第一光束

115‧‧‧第二光束

120‧‧‧光束

Claims (28)

1. 一種螢光輪盤，該螢光輪盤包含一波長轉換部，該波長轉換部包含一波長轉換材料，該波長轉換材料與至少一個凸表面光學性地整合，安置該至少一個凸表面以使激發光經由該至少一個凸表面進入該螢光輪盤。
2. 如請求項1所述之螢光輪盤，其中該波長轉換部包含一第一部與一第二部，該第一部具有該波長轉換材料，且該至少一個凸表面形成在該第二部內。
3. 如請求項2所述之螢光輪盤，其中該第一部為材料的一第一層且其中該第二部包含材料的一第二層，該第二層附著於該第一層。
4. 如請求項2所述之螢光輪盤，其中該第一部與該第二部被整合地形成。
5. 如請求項2至4中任一者所述之螢光輪盤，其中該第二部具有之一折射率指數為該第一部之折射率指數的至少80%。
6. 如請求項2至4中任一者所述之螢光輪盤，其中該第二部呈光透明。
7. 如請求項1至4中任一者所述之螢光輪盤，其中該波長轉換材料包含複數個在一載體材料內之波長轉換元素。
8. 如請求項7所述之螢光輪盤，其中該至少一個凸表面以與該載體材料相同的材料形成。
9. 如請求項1至4中任一者所述之螢光輪盤，更包含一基板，且其中該至少一個凸表面藉使用一鍍膜於該基材上而形成，且該鍍膜被配置成具有一圓頂形狀。
10. 如請求項9所述之螢光輪盤，其中該基材為圓形或圓柱形，且該波長轉換部覆蓋該基材之一外表面的至少一部分。
11. 如請求項10所述之螢光輪盤，其中該基材呈光透明或是具有反射性。
12. 如請求項10所述之螢光輪盤，其中該基材具有反射性，使得激發光會透過該凸表面在該波長轉換部被接收，該凸表面和經轉換光發射所透過的凸表面相同。
13. 如請求項1至4中任一者所述之螢光輪盤，其中該波長轉換材料與複數個凸表面光學性地整合，該複數個凸表面被形成而作為一具有多個凸形圓頂形狀的環。
14. 如請求項1至4中任一者所述之螢光輪盤，其中該波長轉換材料為一磷光材料。
15. 一種製造一螢光輪盤的方法，該方法包含以下步驟：提供一波長轉換部，該波長轉換部包含一波長轉換材料；及形成至少一個凸表面，該至少一個凸表面與該波長轉換材料光學性地整合，安置該至少一個凸表面以使激發光經由該至少一個凸表面進入該螢光輪盤。
16. 如請求項15所述之方法，其中該波長轉換部包含一第一部，該第一部具有該波長轉換材料，其中形成至少一個凸表面的該步驟包含以下步驟：形成該波長轉換部之一第二部，該至少一個凸表面形成於該第二部內。
17. 如請求項16所述之方法，其中該第一部為材料的一第一層且其中形成至少一個凸表面的該步驟包含以下步驟：將包含材料的一第二層的該第二 部附著於該第一層。
18. 如請求項16所述之方法，其中該第一部與該第二部被整合性地形成。
19. 如請求項16至18中任一者所述之方法，其中該第二部具有與該第一部實質相同的折射率指數。
20. 如請求項16至18中任一者所述之方法，其中該第二部呈光透明。
21. 如請求項15至18中任一者所述之方法，其中該波長轉換材料包含複數個在一載體材料內的波長轉換元素。
22. 如請求項21所述之方法，其中形成該至少一個凸表面的步驟包含以下步驟：以與該載體材料相同之材料形成該至少一個凸表面。
23. 如請求項15至18中任一者所述之方法，其中提供一波長轉換部的步驟包含以下步驟：在一基材上形成該波長轉換材料，且其中形成該至少一個凸表面的步驟包含以下步驟：在該基材上形成一鍍膜，且該鍍膜被配置成具有一圓頂形狀。
24. 如請求項23所述之方法，其中該基材為圓形或圓柱形，且提供該波長轉換部以覆蓋該基材之一外表面的至少一部分。
25. 如請求項24所述之方法，其中該基材呈透明或具反射性。
26. 如請求項24所述之方法，其中該基材具反射性，使得激發光會透過該凸表面在該波長轉換部被接收，該凸表面和經波長轉換材料轉換之光發射所透過的凸表面相同。
27. 如請求項15至18中任一者所述之方法，其中形成至少一個凸表面的步 驟包含以下步驟：形成複數個凸表面，該複數個凸表面與該波長轉換部光學性地整合，該複數個凸表面被形成而作為一具有多個凸形圓頂形狀的環。
28. 如請求項15至18中任一者所述之方法，其中該波長轉換材料為一磷光材料。