TWI547750B - 光波長轉換裝置及其適用之光源系統 - Google Patents

Description

光波長轉換裝置及其適用之光源系統

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。

近年來，雷射光源搭配螢光粉(Laser&Phosphor)已儼然成為投影機的新世代光源技術，該光源模組技術利用藍光/UV雷射(Blue/UV-LD)激發螢光色輪(Phosphor wheel,PW)產生色光，再利用分光色輪(Color Wheel,CW)切分所需RGB之色光進入投影機光機成像。

請參閱第1圖，其係顯示傳統反射式螢光色輪的結構示意圖。一般而言，傳統反射式螢光色輪1係在基板10上設置反射層11後，再於該反射層11上直接塗佈螢光粉121與膠體122混合之發光層12，利用雷射L激發螢光粉，該反射層11再將發光層12所產生的受激發光E反射至單側出光。有鑑於螢光粉幾近全光譜的可見光波長範圍(400nm-700nm)，該反射層11的設計往往需要有所考量。 舉例而言，若欲避免大角度入光的損失，大多採以與入射角無關的金屬反射層，如銀(反射率約為95%至97%)或鋁(反射率約為85%至93%)等材料，但其反射率較低且往往需考量金屬氧化、遷移等受熱後所引起的材料變異等信賴性問 題；倘若要求更高的反射率(接近99%)，一般則會採以介電層材料，利用高低折射率交相堆疊形成反射膜，但該類介電反射膜對入射角度(AOI,Angle of Incidence)的相依性較高，隨著入射角度越大，反射頻譜會藍移(Blue-shift)且反射率可能下降。

請參閱第2圖，其係顯示典型設計的介電反射膜之反射頻譜。考量螢光色輪之應用，即使入射角度高達70度，其反射頻譜仍落在420nm-700nm可見光波長範圍(囊括一般YAG黃色螢光粉的發光頻譜)，甚至可獲得比銀金屬更高之反射率。但反觀第1圖的傳統反射式螢光色輪1之結構，實際應用時，發光層12是位於反射層11上，其螢光粉121發光環境係處於折射率n值為1.4至1.5的膠體122內，並非一般所設計的空氣環境。請再參閱第3圖，其係顯示第2圖所設計之介電反射膜於入射膠體環境的實際反射頻譜。如第3圖所示，在考量入射膠體環境的折射率後，所得到的反射頻譜嚴重衰減，尤其大角度的穿透率將明顯提升，導致傳統反射式螢光色輪1的反射層11會漏光至基板10內，使得傳統反射式螢光色輪1出光效率下降。

由此可見，目前針對螢光色輪的反射層，仍無法滿足螢光粉幾近全光譜的可見光波長範圍(400nm-700nm)的高反射率需求。有鑑於此，本案將揭露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。

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。

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，藉由複合反射層包括第一反射層及第二反射層，且透過第二反射層調整第一反射層之反射頻譜，可有效提升複合反射層之反射率，進而使本案達到提升大角度寬頻譜之出光效率之功效。

為達上述目的，本案之一較佳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：一基板；一螢光層，設置於該基板，用以將該第一波段光轉換為一第二波段光；以及一複合反射層，包括：一第一反射層，設置於該基板及該螢光層之間，且鄰設於該基板，用以反射該第二波段光並使該第二波段光穿透該螢光層並輸出；以及一第二反射層，設置於該第一反射層及該螢光層之間，用以調整該第一反射層之反射頻譜，俾提升該複合反射層之反射率。

於一些實施例中，該複合反射層更包括一附著層，設置於該第一反射層及基板之間，且該附著層為鈦(Ti)或鉻(Cr)等金屬附著層。

於一些實施例中，該第一波段光係為藍光或紫外光，且該第二波段光係為波長大於460奈米之可見光。

於一些實施例中，該第二反射層係架構於調整該第一反射層對於波長大於600奈米之可見光之反射頻譜，俾提升該複合反射層之紅光反射率。 其中，該第二反射層係提升該複合反射層之紅光反射率至少3.5%。

於一些實施例中，該第一反射層為一金屬反射層，且該第二反射層為一物理性真空鍍膜反射層。

根據本案之構想，該第一反射層係以鋁或銀或至少含其一成分之金屬合金鍍覆製成，用以架構於提升入射角度介於正負70度角之可見光之反射率。於另一些實施例中，該第一反射層係以金鍍覆製成，以架構於提升入射角度介於正負70度角之可見光及紅外光之反射率。

根據本案之構想，該第一反射層之厚度係大於30奈米。

根據本案之構想，該第二反射層包括多層介電薄膜，且該多層介電薄膜之層數至少3層。

於一些實施例中，該第二反射層為一分佈布拉格反射層設計。

為達上述目的，本案之另一較佳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，包括：一基板；一螢光層，設置於該基板，用以將該第一波段光轉換為一第二波段光；以及一複合反射層，包括：一第一反射層，設置於該基板及該螢光層之間，且鄰設於該基板，用以反射該第二波段光並使該第二波段光穿透該螢光層並輸出；以及一第二反射層，設置於該第一反射層及該螢光層之間，用以調整該第一反射層之反射頻譜，俾提升該複合反射層之反射率。

1‧‧‧傳統反射式螢光色輪

10‧‧‧基板

11‧‧‧反射層

12‧‧‧發光層

121‧‧‧螢光粉

122‧‧‧膠體

2‧‧‧光波長轉換裝置

20‧‧‧基板

21‧‧‧螢光層

22‧‧‧複合反射層

221‧‧‧第一反射層

222‧‧‧第二反射層

223‧‧‧附著層

3‧‧‧光源系統

31‧‧‧固態發光元件

E‧‧‧受激發光

L‧‧‧雷射

L1‧‧‧第一波段光

L2‧‧‧第二波段光

P‧‧‧光路徑

第1圖係顯示傳統反射式螢光色輪的結構示意圖。

第2圖係顯示典型設計的介電反射膜之反射頻譜。

第3圖係顯示第2圖所示之介電反射膜於入射膠體環境的反射頻譜。

第4圖係顯示本案較佳實施例之光源系統之架構圖。

第5圖係顯示本案較佳實施例之光波長轉換裝置之結構示意圖。

第6圖係顯示本案較佳實施例之光波長轉裝置之複合反射層之反射頻譜。

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。

請參閱第4圖及第5圖，其中第4圖係顯示本案較佳實施例之光源系統之架構圖，以及第5圖係顯示本案較佳實施例之光波長轉換裝置之結構示意圖。如第4圖及第5圖所示，本案較佳實施例之光波長轉換裝置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，其中，固態發光元件31係可為但不限於一雷射發光元件，並架構於發出第一波段光L1至光路徑P，且光波長轉換裝置2係可為但不限於螢光色輪或螢光色板，並設置於該光路徑P，以用於轉換第一波段光L1。

於一些實施例中，本案之光波長轉換裝置2係包括基板20、螢光層21以及複合反射層22。螢光層21係設置於基板20，用以將第一波段光L1轉換為第二波段光L2。複合反射層22包括第一反射層221及第二反射層222。其中，第一反射層221係設置於基板20及螢光層21之間，且鄰設於基板20，用以反射第二波段光L2並使第二波段光L2穿透螢光層21並輸出。第二反射層222設置於第一反射層221及螢光層21之間，用以調整第一反射層221之反射頻譜，俾提升複合反射層22之反射率。

根據本案之構想，第一反射層221係以鍍覆之方式形成於基板20之表面，且第二反射層222係以附著之方式附著於第一反射層221上。於另一些實施例中，複合反射層22更包括附著層223，設置於第一反射層221及基板20之間，且該附著層223係為鈦(Ti)或鉻(Cr)等金屬材質附著。

進一步地，本案光波長轉換裝置2之複合反射層22之第一反射層221較佳係為一金屬反射層，且第二反射層222較佳係為一物理性真空鍍膜反射層，但不以此為限。其中，第一反射層221係可以銀或鋁，或至少其一成分組成 之合金鍍覆製成，以架構於提升入射角度介於正負70度角之可見光之反射率，亦即提升總入射角度為140度角之大角度寬反射頻譜之反射率。此外，第一反射層221亦可以金鍍覆製成，基於金對紅外線之反射率特佳之特性，以架構於提升入射角度介於正負70度角之可見光及紅外光之反射率。故此，第一反射層221可依照實際需求選自鋁、銀或金，或至少其一成分組成之合金等金屬。

於一些實施例中，第一反射層221之厚度係大於30奈米，且第二反射層222包括多層介電薄膜(Dielectric multilayer films)，且該多層介電薄膜之層數係為7層。然而，多層介電薄膜之層數亦可依照實際需求改變其配置，以期最佳化調整第一反射層221之反射頻譜，其皆屬本案之教示範圍。於另一些實施例中，第二反射層222亦可為一分佈布拉格反射層(Distributed Bragg Reflector)，但不以此為限。

根據本案之構想，光源系統3之固態發光元件31發出之第一波段光L1係為藍光或紫外光，且轉換後之第二波段光L2係為波長大於460奈米之可見光。其中，複合反射層22之第二反射層222係架構於調整第一反射層221對於波長大於600奈米之可見光，即紅光，之反射頻譜，俾提升複合反射層22之紅光反射率。

請參閱第6圖及表一並配合第5圖，其中第6圖係顯示本案較佳實施例之光波長轉裝置之複合反射層之反射頻譜，以及表一係分別將習知僅使用鋁金屬反射層作為反射層、習知僅使用介電反射膜作為反射層以及本案使用複合反射層作為反射層對螢光粉各色光之出光量比較製表。應注意的是表一係將鋁金屬反射層之出光量作為基準，以進行比較。

如第5圖、第6圖及表一所示，本案之光波長轉換裝置2之複合反射層22在60度大角度且波長介於400至700奈米之入射光的反射率仍維持在80%以上。同時，本案藉由複合反射層22的設置，可使整體黃光之出光量增益至102.4%，以獲得較佳的出光效率，其中綠光及紅光之出光量相較於鋁金屬反射層之出光量亦分別有1.7%與3.5%的增益量。

此外，利用本案之反射膜層22的設計，可以利用第二反射層222調整第一反射層221的反射頻譜，進一步可用於調節各色光區域的反射率高低，藉以加強光波長轉換裝置2欲增益的出光色光，請參閱表二及表三並配合表一，其中表二及表三係分別為以本案之複合反射層22對各色光之反射率與鋁金屬反射層之反射率進行比較製表之不同實施例。

表三

由表一、表二及表三可知，透過本案光波長轉換裝置2之複合反射層22之配置變化，該複合反射層22對於調整紅光區間的輸出亮度可從增益至103.5%提升至111.9%，亦即其紅光反射率從84%至92.5%提升為95%至97%，有利於投影機的色彩配置。

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，俾解決並改善前述先前技術之問題與缺點。具體而言，本案藉由複合反射層包括第一反射層及第二反射層，且透過第二反射層調整第一反射層之反射頻譜，可有效提升複合反射層之反射率，進而使本案達到提升大角度寬頻譜之出光效率之功效。

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‧‧‧基板

21‧‧‧螢光層

22‧‧‧複合反射層

221‧‧‧第一反射層

222‧‧‧第二反射層

223‧‧‧附著層

Claims (17)

1. 一種光波長轉換裝置，適用於轉換一第一波段光，包括：一基板；一螢光層，設置於該基板，用以將該第一波段光轉換為一第二波段光；以及一複合反射層，包括：一第一反射層，設置於該基板及該螢光層之間，且鄰設於該基板，用以反射該第二波段光並使該第二波段光穿透該螢光層並輸出；以及一第二反射層，設置於該第一反射層及該螢光層之間，用以調整該第一反射層對於波長大於600奈米之可見光之反射頻譜，俾提升該複合反射層之紅光反射率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光波長轉換裝置，其中該複合反射層更包括一附著層，設置於該第一反射層及該基板之間，且該附著層為一鈦或鉻附著層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光波長轉換裝置，其中該第一波段光係為藍光或紫外光，且該第二波段光係為波長大於460奈米之可見光。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光波長轉換裝置，其中該第二反射層係提升該複合反射層之紅光反射率至少3.5%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光波長轉換裝置，其中該第一反射層為一金屬反射層，且該第二反射層為一物理性真空鍍膜反射層。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光波長轉換裝置，其中該第一反射層係以鋁或銀，或至少含其一成分之合金鍍覆製成，以架構於提升入射角度介於正負70度角之可見光之反射率。
7. 如申請專利範圍第5項所述之光波長轉換裝置，其中該第一反射層係以金鍍覆製成，以架構於提升入射角度介於正負70度角之可見光及紅外光之反射率。
8. 如申請專利範圍第5項所述之光波長轉換裝置，其中該第一反射層之厚度係大於30奈米。
9. 如申請專利範圍第5項所述之光波長轉換裝置，其中該第二反射層包括多層介電薄膜，且該多層介電薄膜之層數至少3層。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光波長轉換裝置，其中該第二反射層為一分佈布拉格反射層。
11. 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，包括：一基板；一螢光層，設置於該基板，用以將該第一波段光轉換為一第二波段光；以及一複合反射層，包括：一第一反射層，設置於該基板及該螢光層之間，且鄰設於該基板，用以反射該第二波段光並使該第二波段光穿透該螢光層並輸出；以及 一第二反射層，設置於該第一反射層及該螢光層之間，用以調整該第一反射層對於波長大於600奈米之可見光之反射頻譜，俾提升該複合反射層之紅光反射率。
12. 一種光波長轉換裝置，包括：一基板；一螢光層，設置於該基板，用以將一第一波段光轉換為一第二波段光；以及一複合反射層，包括：一第一反射層，厚度係大於30奈米並鄰設於該基板，該第一反射層選自鋁、銀或金，或至少其一成分組成之合金等金屬，用以反射該第二波段光並使該第二波段光穿透該螢光層並輸出；以及一第二反射層，設置於該第一反射層及該螢光層之間，用以調整該第一反射層對於波長大於600奈米之可見光之反射頻譜，俾提升該複合反射層之紅光反射率。
13. 一種光波長轉換裝置，包括：一基板；一螢光層，設置於該基板，用以將一藍光或紫外光轉換為一波長大於460奈米之光線；一第一反射層，厚度係大於30奈米並鄰設於該基板，用以反射該第二波段光並使該第二波段光穿透該螢光層並輸出；以及一第二反射層，設置於該第一反射層及該螢光層之間，用以調整該第一反射層對於波長大於600奈米之可見光之反射頻譜，俾提升該複合反射層之紅光反射率。
14. 一種光波長轉換裝置，包括：一基板；一螢光層，設置於該基板，用以將一第一波段光轉換為一第二波段光；一第一反射層，用以提升該第二波段光之入射角度介於正負70度角之可見光之反射率；以及一第二反射層，包括多層介電薄膜或分佈布拉格反射層，設置於該第一反射層及該螢光層之間。
15. 一種光波長轉換裝置，包括：一基板；一螢光層，設置於該基板，用以將一第一波段光轉換為一第二波段光；以及一複合反射層，用以提升光之入射角度介於正負70度角之反射率，並且調節該第二波段光之至少一色光區域的反射率，藉以加強該色光區域之色光穿透該螢光層之出光強度。
16. 一種光波長轉換裝置，包括：一基板；一螢光層，設置於該基板，用以將一第一波段光轉換為一第二波段光；一第一反射層，係以鍍覆之方式形成於該基板之表面，用以反射該第二波段光並使該第二波段光穿透該螢光層並輸出；以及一第二反射層，係以附著之方式附著於第一反射層上，並位於該第一反射層及該螢光層之間。
17. 一種光波長轉換裝置，包括： 一基板；一螢光層，設置於該基板，用以將一第一波段光轉換為一第二波段光；一第一反射層，用以反射該第二波段光並使該第二波段光穿透該螢光層並輸出；一第二反射層，係以附著之方式附著於第一反射層上，並位於該第一反射層及該螢光層之間；以及一附著層，設置於該第一反射層及基板之間，且該附著層係為金屬材質。