TWI544663B - 螢光體裝置及包含此裝置之發光設備 - Google Patents

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馬提亞 莫克爾
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Description

螢光體裝置及包含此裝置之發光設備
本發明係關於一種螢光體裝置。又，本發明係關於一種包含此螢光體裝置之發光設備及一操作包含此螢光體裝置之發光設備的方法。
螢光體裝置被使用於發光設備中，其中螢光體(元件或混合物)，即具有波長轉換性質之物質例如螢光或冷光物質與激發光源遠離。故，其等亦被稱為遠隔螢光體裝置(remote phosphor device)。遠隔螢光體裝置可被使用在許多發光應用中，例如產生用於彩色視頻投影之紅(R)、綠(G)、及藍(B)光的RGB投影設備。其他可能的發光應用包括以彩色光或白光進行醫療、建築或環境採光。
在如螢光體輪的先前技術之遠隔螢光體裝置中，螢光體被塗佈到一載體板上。螢光體被如照射在螢光體層上的可視藍雷射光(450nm)的激發光所激發。激發雷射光被螢光體作波長轉換，以產生具較長波長(例如具綠光的峰值約在520nm寬的光譜分佈)的光。
來自螢光體的波長轉換光藉透光構件、例如配置在螢光體前方之由玻璃製成之透鏡的一光學準直器所集光。
本發明之目的在提供一種具有強化性能之螢光體裝置，用於修改藉該螢光體裝置發射的波長轉換光的光譜性質。
依照本發明之一個形態，提供有波長轉換光之顏色的調整。
本發明之另一個形態在提供波長轉換白光之色溫之調整。
本發明之另一個形態在提供波長轉換白光之色彩表現之調整。
本發明之目的係藉一螢光體裝置來達成，包括：載體構件，具有上及下面；螢光體層，配置在載體構件之上面，使螢光體層包括至少兩個鋪成磁磚狀的螢光體區；透光構件，具有第1端面及第2端面，透光構件係配置在螢光體層之頂部，使得透光構件之第1端面覆蓋至少兩個螢光體區之每一個的至少一副區(subarea)。
較佳實施例之其他特徵被定義在依附項申請專利範圍中。
又，請求對依照本發明之包含此螢光體裝置的發光設備之專利保護。最後，亦請求依照本發明之操作包含此螢光體裝置的發光設備的方法之專利保護。
依照本發明，螢光體層包括二或多個鋪成磁磚狀的螢光體區。在本發明之本文中的名詞「鋪成磁磚狀」意味著螢光體區彼此靠近，如彼此相鄰。每一個螢光體區包括有一螢光體成分，例如紅(R)、綠(G)、及藍(B)光發射螢光體或螢光體混合物，例如白光發射螢光體混合物。又，螢光體混合物之性質可在一螢光體區內變化。
螢光體區可藉區隔棒(division bar)而彼此分離，以防止個別螢光體區之間的光之串擾(cross-talk)。此亦可藉將每一個別螢光體區分別埋入載體構件內而達成。較佳為，區隔棒若有的話作成儘可能地狹窄，以使裝置的光學效率最大化。
激發光可為可視電磁輻射(VIS)，例如藍光、紫外線(UV)或紅外線輻射(IR)。
較佳為，透光構件之第1端面的面積比螢光體層的總面積更小。激發光係被螢光體層之此特別局部面積的螢光體作波長轉換，此特別局部面積的螢光體被自透光構件之第1端面照射的激發光覆蓋。較佳為，第1端面儘可能地靠近螢光體層以減少光損。故，被激發光照射的螢光體層之局部面積事實上等於投影在螢光體層上的透光構件之第1端面的面積。
激發螢光體層之局部面積可藉選擇透光構件之第1端面在螢光體上的適當位置而調整螢光體裝置之光譜性質。一適當位置係藉覆蓋螢光體區之副區而形成，使得混合後之波長轉換光的特別顏色可達成。另一適當位置係藉覆蓋包括白光螢光體混合物的螢光體區之副區而形成，使得混合後之波長轉換白光的特別色溫或CRI值可被達成。
又，螢光體區較佳為設計成使得螢光體區之各副區被透光構件之第1端面覆蓋，朝螢光體層與透光構件之間的相對移動之至少一個方向變化。此觀念可用於調整被透光構件之第1端面覆蓋之副區的相對比例，且因而藉螢光體之被激發副區來調整混合之波長轉換光之光譜性質。例如，螢光體區可形成為條紋狀朝相對移動方向逐漸變細或成階狀。此觀念隨後將參照更詳細的附圖而更詳細地解說。
較佳為，螢光體裝置係構成使透光構件之第1端面與螢光體區之間可作相對之側向移動。此可藉透光構件在螢光體層上方之平移及/或旋轉運動而達成，或反之亦然。此不僅在製造期間可預設螢光體裝置之喜好的光譜性質，而且可在操作期間調整另一光譜性質，或甚至作重新調整以補償螢光體裝置之螢光體的劣化。關於此方面，相對位置可藉感測最終光之顏色而被控制且調整，以達到特定目標值。
被每一個螢光體區之激發副區作波長轉換後的光，被透光構件所聚光且混合。透光構件被設計為使光透過，藉折射及/或(內部)反射而進入一個端面且穿過另一端面離開。較佳為，透光構件係長形且具有一多邊形橫截面，尤其係三角形或矩形。透光構件之此形狀可使從許多螢光體區之被激發之副區所聚光的波長轉換光達到適當的空間混合。反之，圓形橫截面或同樣地近似於圓形橫截面之具有許多角的多邊形橫截面可能造成較差的光混合，即當透過到一目標區時有顏色散亂邊紋。波長轉換光之混合可藉配置與另一轉換色如RGRGR或RGGBRGGB等之螢光體區交互的相同轉換顏色之多個螢光體區而進一步改善。
載體構件可為一固體，如一板，一塊等(反射模式)，或一透光片(透過模式)。在第1情況中，載體構件可由具適當冷卻性質之金屬如銅、鋁等製成，以促進激發光在照射螢光體層時產生的熱之散發。由於此固體，波長轉換光被反射離開螢光體裝置且被透光構件所集光及混合。在螢光體層下方之載體構件之表面的光反射率可被改善，如被磨光以強化波長轉換之效率。在另一情況中，熱排除可藉旋轉透光之螢光體片而促成。此透光之螢光體片可由玻璃或透明陶瓷製成，且較佳為對波長轉換光有反射性。另外，波長轉換光從由螢光體裝置之後側發出。故，透過式螢光體裝置另包括有配置於用以聚光且混合波長轉換光的透光性載體構件之後側上的第2透光構件。在此情況中，配置在螢光體層之頂部上的第1透光構件僅用於引導激發光到螢光體區之被選擇的副區。改變光譜性質可藉此兩個透光構件的平移運動來執行。在每一個情況中，載體構件之基部面積可有許多形狀，如矩形或圓形。又，配置有螢光體層的載體構件之表面可為平坦或曲形。
依照本發明之螢光體裝置可為一發光設備之部分，又包括有一激發光源，如雷射，較佳為雷射二極體或雷射二極體陣列，以用於發射激發光。激發光通過透光構件之第2端面而進入螢光體裝置。在通過透光構件之第1端面之後，激發光照射在螢光體層之螢光體區上，此激發光在被每一被照射的螢光體區之螢光體作波長轉換之後被反射回。波長轉換光之許多部分在進入第1端面之後被透光構件聚光且被混合。隨後，混合光通過第2端面離開透光構件。混合光可藉其他光學裝置引導且成形，以用於其他許多之應用中。進一步之細節將參照附圖解釋。
本發明之實施例將參照附圖以例子方式說明。
在顯示本發明不同的實施例之附圖中，相同的參考符號被使用於相同或類似的特徵。
如第1a及1b圖概略地顯示，螢光體裝置1之第1實施例係構成具有：載體構件2，由鋁製成；螢光體層3，塗佈於載體構件2之上面；及一透光構件4，由光學玻璃製成，較佳為由石英玻璃或BK7(折射係數各為1.46及1.52)製成，且配置在螢光體層3之頂部上。由於鋁的良好冷卻性質，載體構件2亦作為冷卻構件的功能。螢光體層3具有一約為2x10mm2之矩形基部面積。若一含浸層被使用在螢光體層之頂部上時，二者之光學有效長度會減少(除以含浸層之折射係數)。螢光體層及含浸層之厚度的一般值約為0.1mm，以用於在依照反射模式的激發光之雙渡越(double transit)之後的總轉換。在螢光體層3下方的載體構件2之上面的表面部被磨光以增強其反射性。在下列說明中，亦參考第2圖，為了清楚起見僅顯示螢光體層3之頂部。螢光體層3被細分為3個螢光體區R、G、B，藉兩個從載體構件2之上面突出之薄的分隔條5,6而像磁磚般被分隔。第1螢光體區R包括一用於射出紅光的螢光體，如銪掺雜釔鋁石榴石。第2螢光體區G包括一用於射出綠光的螢光體，如鈰掺雜釔鋁石榴石。第3螢光體區B包括一用於射出藍光的螢光體，如銪掺雜鎂鋁酸鋇(BAM)。在緊密接觸於且覆蓋螢光體層3之頂部的局部區域之透光構件4的第1端面7之不同的側向位置，可達成波長轉換光之不同顏色。在最左手位置(未圖示)，波長轉換光係淡黃色。在透光構件4的中央位置(參考第1a及1b圖)，波長轉換光係淡綠色。在最右手位置(未圖示)，波長轉換光係藍綠色。又，由於逐漸變細之具矩形橫截面的透光構件4之良好混合性質，通過透光構件4之第2端面9之混合光的色分佈係相當地均勻。概略地顯示於第1a,1b圖的螢光體裝置1可另外包括其他造成且控制透光構件與螢光體層之間的相對運動之額外手段，但是為了清楚起見而未圖示。
整個結構係設計用於投影目的照射一具有受光角為12°(半角)的0.55”數位鏡裝置(DMD,亦稱為數位光處理單元-DLP-德州儀器)。故，離開透光構件之波長轉換光必須具有12°以下之角分佈。此係由具有矩形橫截面及長度為約50至80mm的錐形透光構件達成。透光構件4之第1端面7具有矩形基部面積約為2.32 x 1.74mm2(長寬比4:3)-然後透光構件之另一端面之尺寸可依照擴展度守恆定理決定，形成11.2 x 8.4mm2。
針對其他發光應用，結構必須適用於特定的光學需求。例如，針對使用4.8mm直徑的纖維束之醫學內視鏡，受光角為22°(半角)且光圈為18.1 mm2。在波長轉換光之朗伯分佈的情況，此會針對進入面而轉變為2.53 mm2之最大可用面積。此對應於具有正方形橫截面之透光構件的第1端面為1.4 x 1.4 mm2的面積。透光構件的長度可為25至50mm。針對使用具有受光角為30°(半角)之4.8mm直徑的導光件之應用，例如針對汽車頭燈，進入面之最大可用面積係為4.5 mm2。此對應於具有透光構件的正方形第1端面為1.75 x 1.75 mm2的面積。具有圓形第2端面之透光構件的長度可為20至40mm。
第3圖係顯示包括有第1a,1b圖中所示之螢光體裝置1的發光設備20。發光設備20可被使用於投影應用。發光設備20又包括：至少一個雷射二極體22，射出波長約為450nm之激發光23；及雙色分光鏡24，配置在雷射二極體22與螢光體裝置1之間的光軸上。針對高功率之應用，激發光源可為一具有超過1W之雷射陣列。最大可用雷射功率可限制於造成螢光體層劣化的過量之雷射功率密度。激發光23通過雙色分光鏡24並經由透光構件4之第2端面9進入螢光體裝置1，且被塗在載體構件2之上面的螢光體層(未圖示)接收。視螢光體層上透光構件4之第1端面7的位置而定，被螢光體區R、G、B之激發的副區作波長轉換後的光，藉透光構件4集光及混合，形成具有特別光譜性質之混合光。若需要的話，混合後之波長轉換光的光譜性質可藉透光構件與螢光體層之相對移動而調整。混合後的光跑出透光構件4之第2端面且透過雙色分光鏡24。雙色分光鏡24為傾斜以反射此混合後的波長轉換光離開由雷射二極體22之光束形成的光軸。視特定應用而定，亦可包含另外之光學元件。
第4圖顯示第1a,1b,2圖中所示之螢光體層的變化例。依照此變化例，用於各別射出紅、綠及藍光之三個條狀螢光體區R、G、B被配置為平行。每一個螢光體區之寬度wR,wG,wB沿著螢光體層3之縱軸x以階狀方式變化。四個階提供給透光構件之四個不同位置I,II,III,IV(未圖示)。每一階之長度L等於透光構件之第1面朝縱軸x方向，即沿著其從一個位置平移到另一個位置的長度。由於螢光體區R、G、B之各寬度的階狀變化，透光構件之每一個位置對應於被透光構件覆蓋之螢光體區的副區之另一部分。藉此方式，可達到最終混合後之白光的四個不同色溫CT及演色性指數(colour rendering index,CRI)。在螢光體層3的另一變化例(未圖示)中，不需要用於射出藍光之螢光體。取而代之，與螢光體區B對應的區域之表面被金屬化，以反射藍色激發光，如450nm雷射光。但是，與使用射出藍光之螢光體比較，僅能達到較低的CRI值。下表顯示許多對應的色溫CCT、達成CCT值所需之副區R、G、B(B：被反射的450nm激發光)之比例、及最終之CRI值(忽略螢光體轉換效率)：
螢光體層3之另一變化例顯示在第5圖中。矩形的螢光體層3被細分為相同形狀的兩半31,32。每一個一半31,32具有較小矩形的形狀且一直角三角形從較小矩形的較長邊延伸。螢光體層3之上左半31包含一第1螢光體混合體用於射出暖白光(如3000K)且因而亦在以下被表示為暖白螢光體區。下右半32包含一第2螢光體混合體用於射出冷白光(如6000K)且因而亦在以下被表示為冷白螢光體區。每一個螢光體區之矩形部的面積等於透光構件之第1面的面積。故，在螢光體層3之最左方位置及最右方位置，透光構件僅分別覆蓋暖白螢光體區之一副區A(陰影區域)及冷白螢光體區之一副區C(陰影區域)。結果，在最左方位置，激發光被做波長轉換為暖白光且最右方位置激發光被做波長轉換為冷白光。在兩外方位置之間的位置依照兩個螢光體區被覆蓋副區之比例而形成暖白光及冷白光之混合體。在中央位置B(陰影區域)，例如分別之比例為50:50。
第6圖係概略地顯示螢光體裝置1的另一實施例之俯視圖。螢光體層3被配置在圓形載體板33上且被細分為一內圓形區B及兩個環狀螢光體區G、R同心地圍住內圓形區B。圓形載體板33及從而螢光體層3被設計為旋轉(以箭號表示)，以促進由激發雷射光造成的熱之排除。透光構件4被設計用於在螢光體層3之表面上方作徑向移動，以促進波長轉換混合光之顏色調整。在一變化例中(未圖示)，螢光體層被細分為兩個同心區，其中一個區包含一暖白螢光體，另一個區包含冷白螢光體。在另一變化例中(亦未圖示)，螢光體區被形成扇形部分。在此情況中，透光構件之第1面亦可形成為一扇形部分，而覆蓋二或多個在穩定狀態(無載板之旋轉運動)之螢光體區。促進載體構件之熱排除可為金屬之固形塊且亦可包括冷卻鰭片。然後，波長轉換混合光之光學性質可藉切換透光構件成覆蓋許多扇形區域而調整，包括螢光體區之許多比例。
1‧‧‧螢光體裝置
2‧‧‧載體構件
3‧‧‧螢光體層
4‧‧‧透光構件
R、G、B‧‧‧螢光體區
5,6‧‧‧分隔條
7‧‧‧透光構件之第1端面
8‧‧‧副區
9‧‧‧透光構件之第2端面
20‧‧‧發光設備
22‧‧‧雷射二極體
23‧‧‧激發光
24‧‧‧雙色分光鏡
wR,wG,wB‧‧‧螢光體區之寬度
31,32‧‧‧兩半
B．．．內圓形區
33．．．圓形載體板
第1a圖係依本發明之螢光體裝置之一實施例的側視圖；
第1b圖係第1a圖中所示之實施例的俯視圖；第2圖係第1a,1b圖中所示之螢光體層的俯視圖；第3圖係顯示包括有第1a,1b圖中所示之螢光體裝置的發光設備；第4圖係第1a,1b圖中所示之螢光體層的變化例之俯視圖；第5圖係第1a,1b圖中所示之螢光體層的另一變化例之俯視圖；第6圖係顯示依本發明之螢光體裝置的另一實施例之俯視圖。
1．．．螢光體裝置
2．．．載體構件
3．．．螢光體層
4．．．透光構件
5,6．．．分隔條
7．．．透光構件之第1端面
8．．．副區
9．．．透光構件之第2端面
R、G、B．．．螢光體區

Claims (11)

  1. 一種螢光體裝置(1)，包括：載體構件(2)，具有上及下面；螢光體層(3)，配置在該載體構件(2)之上面，該螢光體層(3)包括至少兩個鋪成磁磚狀的螢光體區(R,G,B)；透光構件(4)，具有第1端面(7)及第2端面(9)，該透光構件(4)係配置在該螢光體層(3)之頂部，該透光構件(4)之該第1端面(7)覆蓋至少兩個螢光體區(R,G,B)之每一個的至少一副區(8)；其中該螢光體裝置係構造成可使該透光構件之該第1端面與該螢光體區之間相對側向移動；該螢光體區被設計成使得被該透光構件之該第1端面所覆蓋的該螢光體區之副區(8,A,B,C)之比例係朝相對側向移動的方向變化。
  2. 如申請專利範圍第1項之螢光體裝置，其中該螢光體區(R,G,B)藉區隔棒(5,6)而彼此分離。
  3. 如申請專利範圍第1項之螢光體裝置，其中該螢光體區個別被埋入該載體構件內。
  4. 如前述申請專利範圍第1項之螢光體裝置，其中每一螢光體區包括一螢光體成分或一螢光體混合物。
  5. 如申請專利範圍第4項之螢光體裝置，其中該螢光體成分係下列群組中的任何構件：射出紅光(R)的螢光體、射出綠光(G)的螢光體、射出藍光(B)的螢光體。
  6. 如申請專利範圍第4項之螢光體裝置，其中該螢光體 混合物(31,32)適合於射出白光。
  7. 如前述申請專利範圍第1至6項中任一項之螢光體裝置，其中該透光構件(4)係長狀的且具有一多邊形之橫截面，尤其是三角形或矩形。
  8. 一種發光設備(20)，包括有：如申請專利範圍第1至7項中任一項之螢光體裝置(1)；激發光源(22)，用於射出激發光(23)；其中該螢光體裝置(1)及該激發光源(22)係配置成使得該激發光(23)可通過該透光構件(4)之該第2端面(9)進入該螢光體裝置(1)。
  9. 如申請專利範圍第8項之發光設備(20)，其中該激發光源(22)包括一雷射光源。
  10. 一種操作如申請專利範圍第8或9項之發光設備(20)的方法，包括下列步驟：定位該透光構件(4)，使得該螢光體層(3)之至少兩個螢光體區之至少副區被該透光構件(4)之該第1端面(7)覆蓋；引導該激發光(23)，以通過該透光構件(4)之該第2端面(9)進入該透光構件(4)且通過該第1端面(7)照射在該螢光體層(3)上；在該螢光體層(3)之上方移動該透光構件(4)，以調整作波長轉換且混合後的光之性質，藉此覆蓋該螢光體層(3)之該螢光體區(R,G,B)的多個副區(8)，而形成該螢光體區(R,G,B)的被照射之副區(8)的多種比例。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，另包括下列步驟：以該透光構件(4)針對被該激發光(23)所照射的該螢光體層(3)之該副區(8)作波長轉換後的光進行集光且混合。
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