TWI667431B - 雷射照明裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種雷射照明裝置，係包括螢光體設於透明基板，以及至少一雷射元件設於透明基板之側邊，雷射元件係發射一雷射光至透明基板中，以光反射方式予以激發螢光體，使其將雷射光轉換成可見光之光源。更進一步能藉由調整螢光體的摻雜濃度以調變光的色溫與演色性，以達到所需之可見光的顏色，例如白光、黃光或彩色光，極具市場競爭優勢。

Description

雷射照明裝置

本發明係有關一種雷射照明裝置，指一種利用雷射光以光波導的反射方式激發螢光體以轉換成可見光光源之技術領域。

現今世界的石油價格節節高升，能源與原物料的供應成為最重要的議題，如何節約電力以及節省耗材，是產業科技的關鍵目標，其中佔能源消耗很大比例的照明設備，成為節能的重要項目。由於發光二極體的光電元件具有高色彩飽和度、無汞、壽命長、快速點滅、高亮度、耗電少與輕薄短小等優點，目前已普遍使用發光二極體（LED）作為照明設備。

續就LED固態照明技術而言，已經徹底改變了21世紀的照明方式，並已被證明比白熾燈和螢光燈更高效、環保且長壽。儘管這些白光LED的發光效率都可以達到150lm/W以上，但藍光LED的性能仍然有一些顯著的性能限制，其中效率衰減現象限制了LED的發光功率，使得現今LED固態照明技術仍難以滿足高功率密度應用的需求。為此，各科技業者紛紛尋找能夠取代LED固態照明技術，現今科技技術研究發現，可以改用藍光雷射二極體(Laserdiodes, LD) 來實現白光固態照明的方式，雷射照明與LED照明相較之下，發現雷射照明可實現非常高的功率和效率，在本質上具有比LED更高亮度之表現，可提供投影機與汽車頭燈等指向性光學系統非常需要之光學要素，這些優勢都讓雷射照明開始在高功率白光照明應用上萌芽為新一代最具吸引力的白光激發源。

惟，白光雷射照明主要是利用藍光半導體雷射集中於螢光粉上某個微小點發射光線並轉換成白光，由於雷射光的準直性好且光線集中不易發散，導致照射於技術純熟的發光二極體封裝螢光矽膠上時，螢光矽膠有劣化甚至損壞的情況發生，因此目前普遍採用製作困難且成本過高的陶瓷或是玻璃螢光材料為白光雷射照明的主要材料，這樣的組合導致白光雷射照明現今仍無法大量生產而廣泛使用。因此如何設計特殊的光學架構搭配目前技術已經成熟且成本低廉的封裝螢光矽膠材料，提供最佳的雷射照明效果又能降低製作成本是亟待解決的問題。

有鑑於此，本發明遂針對上述先前技術之缺失，提出一種雷射照明裝置，以有效克服上述之該等問題。

本發明之主要目的在提供一種雷射照明裝置，其利用雷射光進行光的反射以有效引導光行進至螢光體激發而轉換成可見光，藉由高反射率的反射體能達到將近百分之百的反射率，具有製作出均勻化的平面光源且製作簡單化、成本低等諸多優點。

本發明之次要目的在提供一種雷射照明裝置，其可依需求組裝多個透明基板以達到所需照明面積，利用具有擴散粒子之擴散膜片黏合此些透明基板，並調整擴散粒子的摻雜濃度可達到高穿透率與高散射的功效，極具市場競爭優勢。

為達以上之目的，本發明提供一種雷射照明裝置，包括至少一透明基板、一螢光體、一反射體以及至少一雷射元件；其中，螢光體及反射體設於透明基板，雷射元件設於透明基板之側邊，係發射一雷射光至透明基板中，並經由反射體反射雷射光以光反射激發螢光體，予以轉換成可見光之光源。

其中，螢光體係為螢光粒子，係摻雜於透明基板中，當發射雷射光接觸到螢光粒子即可被激發並轉換成可見光之光源，能使光源均勻化；亦或螢光體係為一螢光膜片，設於透明基板之一表面上，螢光膜片較佳設計位置是與反射體對應且間隔設置，使雷射光發射至透明基板中，可經由反射體反射雷射光以光反射行進路徑激發位於透明基板之表面上的螢光體，予以轉換成可見光之光源。

其中，反射體之材料係為摻有二氧化鈦之擴散膜片，其具有高反射率材料特性，能將雷射光以反射的光路行進至螢光體，達到平面光源的照明效果。

其中，透明基板數量為二個以上時，相鄰之透明基板之間係利用摻有擴散粒子之擴散膜片黏合，同時透過調整擴散粒子的濃度可以達到更良好的光穿透散射效果，且能改變雷射光方向，使光在透明基板中均勻分布，以達到均勻化的平面光源。

其中，透明基板數量為二個以上時，雷射元件為複數個，並間隔設置於此些透明基板之側邊，其中能利用摻有擴散粒子之擴散膜片作為排列組合此些透明基板，並將此些雷射元件設置於組合後之此些透明基板的兩側或是環設於此些透明基板，藉由提高雷射光的發射能量使得有更多的光於透明基板中進行光的反射，同時經由擴散粒子改變雷射光方向，使光在透明基板中均勻分布，以達到均勻化的平面光源。

針對「節能減碳」的環保訴求，本發明乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，研發出一種雷射照明裝置。由於雷射照明技術可比LED照明技術在高電流或高功率操作時可多節省1/3的能耗，使用雷射光束傳輸電力將可減少電力線與相關實體基礎建設的使用需求，不僅節省能耗以及減少佈線設施的昂貴費用，且雷射照明不存在光效下降的問題，在照明上，雷射照明可實現非常高的效率。更進一步而言，本發明利用雷射照明體積更小、結構更緊湊、投射距離遠等特點，進而創造出一種具經濟效益的雷射照明裝置，不僅全面性顛覆現今的照明技術，更是成為新世代最佳節能訴求者。

請參閱第1圖，為本發明之雷射照明裝置的結構示意圖。雷射照明裝置包括至少一透明基板10、一螢光體12、一反射體14以及至少一雷射元件16；其中，螢光體12及反射體14設於透明基板10，雷射元件16設於透明基板之側邊。在此實施例中，透明基板10係為透明玻璃基板或透明塑膠基板，螢光體12係為一螢光膜片，設於透明基板10之一表面上，而螢光膜片較佳設計位置是與反射體14對應且間隔設置，例如螢光膜片可設置於透明基板10之上表面，而反射體14可為反射片，設置於透明基板10之下表面；當雷射元件16發射雷射光至透明基板10中，可經由反射體14將雷射光以光反射行進路徑激發位於透明基板10之表面上的螢光體12，予以轉換成可見光之光源。

其中，反射體14之材料係為二氧化鈦，其具有高折射率材料特性，能達到將近百分之百的反射率，將雷射光以反射的光路行進至螢光體12，達到平面光源的照明效果。請同時參閱第2圖，為本發明調整螢光體摻雜濃度比所呈現之色溫示意圖，本發明係透過調整螢光體12的螢光粒子濃度，也就是調整三原色的摻雜濃度比，舉例來說，當雷射元件16所發射的雷射光為藍光，螢光體12摻雜具有30％的黃色螢光粉，藍光的雷射光發射至透明基板10中，可經由反射體14反射雷射光以光反射行進路徑激發位於透明基板10之螢光體12，予以轉換成可見光之光源，以色溫觀之，已達到接近7000K，係呈現出白光光源；其中色溫就是各種不同光源中所含的光譜成分，色温高低計量單位是以KelvinScale，也就是以K為單位。再舉例說明，當螢光體12摻雜具有30％的黃色螢光粉及3％的紅色螢光粉，藍光的雷射光發射至透明基板10中，可經由反射體14反射雷射光以光反射行進路徑激發位於透明基板10之螢光體12，此時所呈現的色溫接近4000K，也就是黃光光源。當然，可依據需求調整所需顏色的雷射光及螢光體12的螢光粉摻雜濃度比，即可呈現所需之顏色光源，不論係應用在照明設備或彩色影像設備皆能實現非常高的色域功效。由於雷射光具有很窄頻帶的發光光譜，故顯現純色之能力優良，若調整螢光體12的三原色（紅色、綠色、藍色）濃度，搭配雷射光所發射之色光，激發轉換成的預設之可見光的光源，如此可顯現非常高的色域功效，也比現有的發光二極體所呈現的光源更優良。

再同時參閱第3圖，為本發明調整螢光體摻雜濃度比所呈現之演色性示意圖，舉例來說，當螢光體12摻雜具有30％的黃色螢光粉及3％的紅色螢光粉，藍光的雷射光發射至透明基板10中，可經由反射體14反射雷射光以光反射行進路徑激發位於透明基板10之螢光體12，此時所呈現的光源的演色性高達接近80；又如螢光體12摻雜具有30％的黃色螢光粉及5％的紅色螢光粉，藍光的雷射光發射至透明基板10中，可經由反射體14反射雷射光以光反射行進路徑激發位於透明基板10之螢光體12，此時所呈現的光源的演色性亦高達接近80。所謂的演色性是評估照明光源品質好壞的依據，或稱為演色性指數，定義中是將自然界裡的太陽光視為最佳的照明品質，也就是說在太陽光的照射下，物體能呈現出令人賞心悅目的顏色，因此演色性越高，表示物體在照明光源下顯示的顏色與太陽光照設下的顏色越接近，反之，演色性越低，表示物體在照明光源下顯示的顏色與太陽光照設下的顏色偏離越遠。由此可得知，本發明可依據需求調整所需顏色的雷射光搭配螢光體12的螢光粉摻雜濃度比，即可呈現所需之顏色光源，其演色性之呈現度已經非常優良，相較於現今冷色溫的發光二極體光源所呈現平均演色性僅為70-75，已經是一大技術突破了。

接續，除了上述敘明螢光體係為螢光膜片之外，請參閱第4圖，為本發明之雷射照明裝置的另一結構示意圖。螢光體12係為螢光粒子，係摻雜於透明基板10中，當雷射元件16發射雷射光接觸到螢光粒子，同時經由反射體14反射雷射光以光反射行進路徑激發螢光粒子，使得螢光粒子能夠全部被激發並轉換成可見光之光源，如此能使光源更均勻化以達到平面光源，光源的波長範圍係為350nm至800nm。

為能因應現今科技生活的照明設備需求，本發明更可組裝多個雷射照明裝置以因應所需之照明面積，如第5圖所示，為本發明組合式雷射照明裝置的結構示意圖。當組裝透明基板10數量為二個以上時，雷射元件16為複數個，並間隔設置於此些透明基板10之側邊，在此實施例以組裝兩個透明基板10為例說明，能利用摻有擴散粒子之擴散膜片18黏合兩個透明基板10、10’，並將此些雷射元件16設置於組合後之此些透明基板10、10’的兩側或是環設於此些透明基板10、10’，例如使用波長450nm的八顆雷射元件16，例如藍光半導體雷射二極體，於透明基板10之一側邊等距設置四顆雷射元件16，於相對側的透明基板10’之一側邊等距設置四顆雷射元件16，摻有擴散粒子之擴散膜片18黏合於兩個透明基板10、10’之間，同時也位於光路上，螢光體12與反射體14以間隔設置於透明基板10、10’的上、下表面。當此些雷射元件16以電壓32伏特、電流0.5安培及功率16瓦的條件同時發射雷射光至透明基板10、10’中，藉由提高雷射光的發射能量使得有更多的光於透明基板10、10’中，經由反射體14將雷射光以光反射行進，同時經由摻有擴散粒子之擴散膜片18改變雷射光方向，使光在透明基板10、10’中均勻分布並激發位於透明基板10、10’之上表面的螢光體12，予以轉換成可見光之光源。換言之，由於摻有擴散粒子之擴散膜片18設於透明基板10、10’中的光路上，也就是說雷射光經由反射體14之光反射與摻有擴散粒子之擴散膜片18改變雷射光的光行走路徑，使得位於透明基板10、10’之上表面的螢光體12被雷射光全面性的激發而轉換成均勻化的可見光的光源，可解決照明不均勻的詬病。其中，擴散膜片18之材料係為有機擴散劑或無機擴散劑，有機擴散劑係為聚甲基丙烯酸甲酯（Poly(methylmethacrylate)）、矽氧樹脂（Silicone）或聚碳酸酯（polycarbonate），無機擴散劑係為硫酸鋇(BaSO4)、二氧化矽(SiO2)或碳酸鈣(CaCO ₃)。

當然，除了組合兩個雷射照明裝置，更可以依需求組合多個雷射照明裝置以製作成一個大面積的雷射照明裝置，詳言之，就是將多個透明基板10利用摻有擴散粒子之擴散膜片18黏合組裝，螢光體12與反射體14以間隔設置於透明基板10的上、下表面，使用波長450nm的數個雷射元件16等距設置於透明基板10之一側邊，同樣等距設置於相對側的透明基板10之一側邊。其中，摻有擴散粒子之擴散膜片18中的擴散粒子係為二氧化矽為例說明，本發明可調整摻有擴散粒子之擴散膜片18中擴散粒子的濃度比以提供更高的光穿透散射率，反射體14係為二氧化鈦。為更進一步佐證本發明能提高良好的照明效果，請同時參閱第5圖及第6圖，第6圖為本發明之反射體膜片與摻有擴散粒子之擴散膜片18反射光譜的示意圖，本發明係透過調整擴散粒子的螢光粒子濃度為25％時，當雷射元件16所發射的雷射光為藍光，螢光體12摻雜具有30％的黃色螢光粉，藍光的雷射光發射至透明基板10中，可經由反射體14反射雷射光以光反射行進路徑，以及擴散粒子改變雷射光的光行走路徑，激發位於透明基板10之螢光體12，予以轉換成可見光之光源，以反射光譜觀之，反射體14的光反射率已接近百分百，摻有擴散粒子之擴散膜片18的光反射率則可以藉由調整擴散粒子的濃度使其在百分之四十與百分之九十間變化，如此可佐證利用反射體14與調整摻有擴散粒子之擴散膜片18的濃度比，能夠提供更高的光穿透散射率。

接續，請同時參閱第7圖，為本發明組合式雷射照明裝置的之光通量示意圖。光通量是指每單位時間內由光源所發出或由被照體所吸收的光能，簡單的說即是人眼所感知的光亮度，光通量的計量單位為流明(lm)，本發明以組合兩個1x2、三個1x3及四個1x4的雷射照明裝置為例說明，本發明係透過調整摻有擴散粒子之擴散膜片18中的擴散粒子濃度為25％時，當雷射元件16以電壓32伏特、電流0.5安培及功率16瓦的條件同時發射的雷射光為藍光，螢光體12摻雜具有30％的黃色螢光粉，藍光的雷射光發射至組合式的透明基板10中，可經由反射體14反射雷射光以光反射行進路徑，以及摻有擴散粒子之擴散膜片18改變雷射光的光行走路徑，激發位於透明基板10之螢光體12，予以轉換成可見光之光源，以量測光通量觀之，摻有擴散粒子之擴散膜片18中的擴散粒子濃度為10％與15％時有明顯變化之外，之後都是穩定上升，以摻有擴散粒子之擴散膜片18濃度為25％為例敘明，1x2組合式雷射照明裝置的光通量接近310lm，1x3組合式雷射照明裝置的光通量接近330lm，1x4組合式雷射照明裝置的光通量接近350lm，如此可佐證利用反射體14與調整摻有擴散粒子之擴散膜片18中擴散粒子的濃度比，能夠提供更高的光照明度。

再如第8圖所示，為本發明組合式雷射照明裝置的之色溫示意圖。以相同的量測條件，色溫越低顏色越黃、色溫越高顏色越白，如果在6500K以上會有帶點青藍感覺的色調，最佳為5500K左右，此接近接近人的明視覺，以摻有擴散粒子之擴散膜片18的擴散粒子濃度為5％時，以量測色溫觀之，1x2組合式雷射照明裝置的色溫為3720K，1x3組合式雷射照明裝置的色溫為3770，1x4組合式雷射照明裝置的色溫為3800，如此可佐證利用反射體14與調整摻有擴散粒子之擴散膜片18的擴散粒子濃度比，能夠有效製作所需的顏色光源。最後，如第9圖所示為本發明組合式雷射照明裝置的之總輝度示意圖。輝度即被照物每單位面積在某一方向上所發出或反射的發光強度，用以顯示被照物的明暗差異，公制單位為燭光 / 平方公尺(candela/㎡，cd/㎡)或尼特(nit)。以相同的量測條件，以摻有擴散粒子之擴散膜片18的擴散粒子濃度為20％與25％時，以量測總輝度觀之，1x2組合式雷射照明裝置的總輝度為50000 cd/㎡，1x3組合式雷射照明裝置的總輝度接近為90000cd/㎡，1x4組合式雷射照明裝置的總輝度接近為90000cd/㎡，如此可佐證利用反射體14與調整摻有擴散粒子之擴散膜片18的擴散粒子濃度比，能夠達到良好的光穿透與光反射形成極佳的光均勻性功效。

綜上所述，本發明利用雷射光進行光的反射以有效引導光行進至螢光體激發而轉換成可見光，藉由高反射率的反射體能達到將近百分之百的反射率，具有製作出均勻化的平面光源。更進一步而言，由於製作簡單化、成本低，又可依需求組裝多個透明基板以達到所需照明面積，利用摻有擴散粒子之擴散膜片黏合此些透明基板，並調整擴散粒子的摻雜濃度可達到高穿透率與高散射的功效，此具經濟效益的雷射照明裝置，確實能夠全面性顛覆現今的LED照明技術，極具市場競爭優勢。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10、10’‧‧‧透明基板

12‧‧‧螢光體

14‧‧‧反射體

16‧‧‧雷射元件

18‧‧‧擴散膜片

第1圖為本發明之雷射照明裝置的結構示意圖。

第2圖為本發明調整螢光體摻雜濃度比所呈現之色溫示意圖。

第3圖為本發明調整螢光體摻雜濃度比所呈現之演色性示意圖。

第4圖為本發明之雷射照明裝置的另一結構示意圖。

第5圖為本發明組合式雷射照明裝置的結構示意圖。

第6圖為本發明之反射體膜片與摻有擴散粒子之擴散膜片反射光譜的示意圖。

第7圖為本發明組合式雷射照明裝置的之光通量示意圖。

第8圖為本發明組合式雷射照明裝置的之色溫示意圖。

第9圖為本發明組合式雷射照明裝置的之總輝度示意圖。

Claims (11)

1. 一種雷射照明裝置，包括：至少二透明基板，相鄰之該透明基板之間係利用摻有擴散粒子之擴散膜片黏合；一螢光體，設於二該透明基板；一反射體，設於二該透明基板；以及至少一雷射元件，設於其中一該透明基板之側邊，係發射一雷射光至該透明基板中，並經由該反射體以光反射該雷射光激發該螢光體，予以轉換成可見光之光源。
2. 如請求項1所述之雷射照明裝置，其中該螢光體係為螢光粒子，係摻雜於該透明基板中。
3. 如請求項1所述之雷射照明裝置，其中該螢光體係為一螢光膜片，設於該透明基板之一表面上。
4. 如請求項1所述之雷射照明裝置，其中該反射體之材料係為二氧化鈦。
5. 如請求項1所述之雷射照明裝置，其中該擴散膜片之材料係為有機擴散劑或無機擴散劑。
6. 如請求項5所述之雷射照明裝置，其中該有機擴散劑係為聚甲基丙烯酸甲酯、矽氧樹脂或聚碳酸酯。
7. 如請求項5所述之雷射照明裝置，其中該無機擴散劑係為硫酸鋇、二氧化矽或碳酸鈣。
8. 如請求項1所述之雷射照明裝置，其中該透明基板數量為二個以上時，該雷射元件為複數個，並間隔設置於該些透明基板之側邊。
9. 如請求項1所述之雷射照明裝置，其中該雷射元件係為雷射二極體。
10. 如請求項1所述之雷射照明裝置，其中該光源的波長範圍係為350nm至800nm。
11. 如請求項1所述之雷射照明裝置，其中該透明基板係為透明玻璃基板或透明塑膠基板。