TWI686568B - 經光學增強之固態光轉換器 - Google Patents

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Abstract

光轉換器包括：固態光轉換材料，該固態光轉換材料從入射於該固態光轉換材料之表面上的激發光產生發射光；在固態光轉換材料之表面上的填充料層；及在填充料層上的光學塗層。光學塗層可為薄膜，例如抗反射塗層及/或高反射塗層。可額外提供金屬塗層。光轉換器可用於光學裝置，例如螢光粉色輪或車前燈。

Description

經光學增強之固態光轉換器
本發明有關於包括固態光轉換材料的光轉換器，光轉換器可形成例如螢光粉色輪(phosphor wheel)的光學裝置之部分。亦提供製造光轉換器的方法。
光轉換(或波長轉換)材料例如螢光粉被用於各種應用中，特別是在光學裝置中。一個如此應用為螢光粉色輪，螢光粉色輪為用以從單一光源(通常為窄波長範圍)之激發光產生一個或通常多個不同波長之發射光的光學裝置。螢光粉色輪實例描述於具有共同的發明人資格的WO-2014/016574中。
習知的螢光粉色輪結構實例圖示於第1圖中。光轉換器101提供於碟片基板102上。激發光103a(來源光)當入射於光轉換器101上時導致發射光103b之產生。光轉換器101將光譜從第一範圍的光譜波長之激發光轉換成第二、不同範圍的光譜波長之發射(或再發射)光。通常，碟片基板102在使用期間旋轉，雖然此裝置可用於靜態(不旋轉)配置中，在此情 況下該裝置可能不會被稱作螢光粉色輪。光轉換器101習知上形成作為塗層，包括在聚合物黏合劑(例如矽樹脂)中的螢光粉顆粒。
現正發展能夠處理較高功率入射光的光學裝置，特 別是螢光粉色輪，舉例而言用於高功率雷射投影器中，其中雷射功率可能大於50W/mm2。為了處理此高功率光，考慮固態光轉換材料，例如陶瓷轉換器。除了波長轉換之外，陶瓷轉換器可藉由薄膜塗佈(通常直接塗佈)用以改善光學效能。相較於先前由聚合物黏合劑中的螢光粉所製成的光轉換器，陶瓷轉換器具有顯著的優點。
然而，使用該等陶瓷材料具有挑戰。首先，期望光 學塗層最佳化以便增強激發光及/或發射光之透射性。抗反射塗層通常用以處理激發光，而高反射塗層可改善發射光輸出。陶瓷材料應該能夠處理兩者，以及其他類型的塗層，例如金屬塗層，金屬塗層可用以產生反射表面。此外，應該考慮陶瓷材料之散熱以避免過熱。使陶瓷塗層適應所有這些議題以便增強陶瓷光轉換器之效能為重要的考量。
在此背景下，提供了根據請求項1之光轉換器。亦提供了製造符合請求項14之光轉換器之方法。參照以下申請專利範圍及實施方式揭示其他較佳特徵。
在固態光轉換材料之表面與光學塗層(光學塗層可為填充料層之部分)之間提供填充料層，固態光轉換材料例如陶瓷或光-陶瓷材料(陶瓷螢光粉)。在製造期間，填充料層可 在塗佈之前沉積。已認知到固態光轉換材料，特別是陶瓷轉換器未必具有光學表面。反之，陶瓷轉換器可為多孔(porous)的且拋光無助益。該多孔性可部分或完全使得任何光學塗層之功能無效，特別是(干擾)薄膜塗層。填充料層，特別是填充料層之厚度可經配置以在微觀尺度上為光學上平坦的。通常填充料層具有低光學折射率，特別是在與固態光轉換材料相比時為低。較不偏好地，具有低光學折射率的光學塗層可替代地施加至填充料層。
光學塗層可包括下列中一或更多者：抗反射塗層、 高反射塗層、金屬塗層。光學塗層可藉由沉積來施加。針對低反射損失及/或高的經轉換光之萃取可施加單一或多層抗反射(AR)塗層。直接施加此塗層至固態光轉換材料可能為困難的。在固態光轉換材料及AR塗層之間提供填充料層可緩和該等議題且允許大的經轉換光之萃取。
此外或或者，為了較佳功效期望收集且利用經轉換 光(在入射光方向中)。可使用一或多個高反射(HR)塗層(亦稱作鏡塗層)藉由反射經轉換光來達成較佳功效。然而，已進一步理解到由於該經轉換光通常為等向性的且經隨機極化的，此舉可能對HR薄膜塗層之設計帶來挑戰，經轉換光可能非常靠近發射光。在固態光轉換材料與HR塗層之間提供填充料層可進一步減輕此些問題。HR塗層可具有寬入射角，因為光發射中心與反射表面之間的緊密接近性，此可能通常為僅約100μm或更小。此可稱作近場塗層。低折射率層(較佳地填充料層)與HR塗層之組合可藉由全內反射(TIR)來反射具大的入射 角之光(相對於表面之法線至少30度、40度或45度)。此外或或者，可使用金屬鏡塗層(基於Ag的例如SilFlex(TM)，基於Al的例如AlFlex(TM))以允許於大角度下的發射光之收集。HR塗層有利地為寬帶的。HR塗層及AR塗層可施加至固態光轉換材料之相對的表面。
本發明人所識別的進一步議題有關於固態光轉換材 料之散熱能力。可能期望改善散熱能力以使轉換器之熱淬火最小化。可施加金屬塗層(任選地在另一塗層上)。此舉可減小以相對於固態光轉換材料之表面大角度下的發射光之漏出。
光轉換器可提供於基板上，基板例如碟片。可使用 在光轉換器上的金屬塗層將光轉換器接合至基板。光轉換器可形成光學裝置之部分，光學裝置例如色輪(colour wheel)、用於舉例而言投影顯示器中的螢光粉色輪，或車前燈。
101‧‧‧光轉換器
102‧‧‧碟片基板
103a‧‧‧激發光
103b‧‧‧發射光
200‧‧‧光轉換器
201‧‧‧陶瓷光轉換材料
210‧‧‧孔隙
220‧‧‧第一光學塗層
230‧‧‧第一填充料層
240‧‧‧第二填充料層
250‧‧‧第二光學塗層/高反射塗層
260‧‧‧金屬塗層
300‧‧‧光轉換器
402‧‧‧發射光
403‧‧‧激發光
410‧‧‧光轉換器
420‧‧‧碟片或色輪基板
430‧‧‧光亮點面積
本發明可以許多方式來實踐，且僅藉由舉例並參照附圖現將描述較佳實施例，其中：第1圖圖示習知螢光粉色輪結構實例；第2圖示意繪示根據本揭示案之第一實施例之橫截面視圖；第3圖描繪根據本揭示案之第二實施例之橫截面視圖之示意圖；及第4圖圖示符合本揭示案的光轉換器，光轉換器接合至色輪基板。
首先參照第2圖，示意繪示了光轉換器200之第一 實施例之橫截面視圖。第2圖圖示：陶瓷光轉換材料201、第一填充料層230、第一光學塗層220、第二填充料層240及第二光學塗層250。
陶瓷光轉換材料201通常為含有孔隙210的多孔材 料。陶瓷光轉換材料201有益地處理高溫、高功率的入射光，且可有利地使用熱淬火(thermal quenching)。陶瓷光轉換材料201之厚度可能影響陶瓷光轉換材料之功效。由於材料之處理能力，目前偏好介於200μm與250μm之間的厚度，但考慮到處理考量及效能功效，此厚度可變化以使材料之特性最佳化。
在面向入射激發光103a的陶瓷光轉換材料201之側 上，填充料層230沉積於表面上，繼之以針對激發光103a所設計的第一、抗反射塗層230。為了允許從所有可能的方向收集經轉換的光，額外施加針對發射光103b的第二、高反射塗層250。高度期望大角度光收集(相對於表面法線至少30度)。 為了使孔隙效應最小化，在第二、高反射塗層250沉積之前塗佈第二填充料層240。此第二填充料層240具有低光學折射率。此舉可允許相對於表面於大角度下的光反射，特別是相對於表面之法線呈正或負30度。此設計可提供耐高溫及/或改善的光學效能，相較於未經塗佈的陶瓷光轉換材料201，具有至少10%的更多的光轉換。
填充料層230之材料及/或第二填充料層240之材料 可取決於用於下方光轉換材料的材料，特別是光轉換材料的 折射率。低吸收及低折射率為期望的特性。特定而言，填充料材料之折射率低於陶瓷光轉換材料201之折射率且較佳地越低越好(低於1.3、1.25、1.2、1.1或1.05)，同時仍然允許可靠的光學膜。低折射率可改善全內反射(TIR)角。以同一種材料的低折射率塗層及填充料層塗層之使用，亦即，在用於達成光學表面的TIR及填充料塗層之兩者功能中一致，提供顯著的優點。針對陶瓷光轉換材料201，填充料層230及第二填充料層240包括SiO2及/或Al2O3。使得一層填充料層(或多層填充料層)之厚度足以讓該或該等填充料層光學上平坦，厚度通常在400nm至1000nm。
使用PVD沉積抗反射塗層230及高反射塗層250。 這些塗層之厚度是基於設計效能、所使用的薄膜材料及鄰近材料之特性，例如填充料層。
高反射塗層250運作非常接近(通常0~100μm)光發 射中心。再者，期望高反射塗層250具有寬帶光譜。顧及這些議題，高反射塗層250可被稱作近場(或近源)寬帶高反射塗層。當高反射塗層250反射非常靠近高反射塗層250之反射面的發射光時，高反射塗層250以與當使用一般反射器時非常不同的方式操作。因此，此高反射塗層250之設計及工作原理在一些態樣中亦非常不同。首先，高反射塗層250經配置為使用內反射而非外反射，此舉可於大角度下改善效能。 第二，提供寬反射角(由於發射器對於反射為近場)。第三，高反射塗層250具有寬帶反射光譜(由於光反射器併入具有寬發射光譜的螢光粉)。
概括地，提供一種光轉換器，包括：固態光轉換材 料，用以從入射於固態光轉換材料之表面上的激發光產生發射光；填充料層，在固態光轉換材料之表面上；及至少一光學塗層，在填充料層上。此外或或者，一種製造光轉換器之方法可包括以下步驟：在固態光轉換材料之表面上沉積填充料層，該固態光轉換材料從入射於該表面上的激發光產生發射光；及施加至少一光學塗層至該填充料層。此方法可具有任何對應於光轉換器之特徵的任選特徵。
針對固態光轉換材料沒有明確尺度，雖然通常固態 光轉換材料會具有至少兩個(不同的)表面。填充料層及/或光學塗層可為固態光轉換材料之一或多個表面。來自光源的激發光可入射於光轉換器上，明確而言於光學塗層上。由固態光轉換材料所產生的激發光然後可從光轉換器出射。
接著參照第3圖，第3圖描繪光轉換器300之第二 實施例之橫截面之示意圖。光轉換器300與第2圖之實施例相似，且圖示的相同特徵採用相同的元件符號。為了簡便起見，將不描述與第2圖共同的特徵。
在此實施例中，金屬塗層260，例如AlFlex(TM)或 SilFlex(TM)額外地沉積於高反射塗層250之頂上。金屬塗層260可為反射的以作為反射鏡。金屬塗層260通常減少相對於轉換器表面於大角度下的發射光漏出。在此情況下，第二填充料層240不需要具有低光學折射率。金屬塗層260可改善熱管理且特定而言，增加從激發光亮點至附著的散熱器的散熱，如以下將說明。概括地，可見在相對於入射激發光的光 轉換器之相反側上的金屬鏡塗層260可提供散熱功能(由於金屬鏡塗層藉由本身基於金屬的塗層具有相當高熱傳導率)及/或反射功能。兩者之組合為高度有利的。
現參照第4圖，第4圖圖示接合至碟片或色輪基板 的光轉換器。此可視為螢光粉色輪實施例。第4圖圖示：光轉換器410及碟片或色輪基板420。並未圖示光轉換器410之所有細節，但光轉換器410之設計與第3圖詳述的光轉換器300之設計相近(或可使用基於圖式中提出的結構之替代者)。
整合於光轉換器410上的金屬鏡塗層(未圖示)接合 至色輪基板420，金屬鏡塗層亦用作為散熱器。從激發光403之入射光亮點的散熱增加，且在光轉換器410上的光亮點面積430之溫度從而減小。因此，提供改善的經轉換的發射光402。
雖然已描述具體實施例，熟悉技藝者將理解變異及 修改為可能的。舉例而言，設計可應用於所有固態光轉換器且未必只有那些使用陶瓷材料的固態光轉換器，舉例而言，可使用基於玻璃的材料或基於塑膠的材料。基於玻璃的材料或基於塑膠的材料可作為被螢光粉所塗佈的基板。更多的多孔材料可能帶來更多的益處。有利地，固態光轉換器不需要聚合物黏合劑，此舉可改善工作溫度且消除劣化。不同塗層之配置可施加至以上所述的那些固態光轉換器，特別是在塗層的類型、數量及順序方面。此外，可能僅固態光轉換器之一側或一個表面被塗佈。或者，自本文所示的固態光轉換器 的複數個不同表面可被塗佈。填充料材料可能不具有低折射率且反之，低折射率可能施加至填充料材料以實現TIR。
可使用不同製造處理，舉例而言，不清洗該或該等 陶瓷光轉換材料201表面，特別是當表面未經加工處理(fresh)時。高反射塗層250可能僅具有某些以上識別的具體區分特性或不具有以上識別的具體區分特性。可改變針對該或該等填充料層的材料及製造處理。舉例而言，可使用符合以上識別的考量的其他材料。另外或或者，可使用溶膠凝膠(Sol-gel)/浸塗(dip coating)、CVD、磁濺射PVD(此可提供好的膜密度)或其他技術用以沉積該或該等填充料層。在某些實施例中，可提供額外的寬帶反射器，例如Ag、Al或Au塗層。可使用其他技術以沉積抗反射塗層230及/或高反射塗層250，舉例而言，針對抗反射塗層230的浸塗。
雖然第4圖具體地有關於基於第3圖之實施例的設 計，熟悉技藝者將理解第2圖之設計(或任何其他基於本文所提出的設計的設計)亦可附著至基板。第4圖圖示碟片基板，但應理解可使用其他類型、形狀及大小的基板，特別是針對不同應用。可能的應用可包含：色輪、螢光粉色輪(舉例而言，用於投影顯示器中)及車前燈。
103a‧‧‧激發光
103b‧‧‧發射光
200‧‧‧光轉換器
201‧‧‧陶瓷光轉換材料
210‧‧‧孔隙
220‧‧‧第一光學塗層
230‧‧‧第一填充料層
240‧‧‧第二填充料層
250‧‧‧第二光學塗層/高反射塗層

Claims (12)

  1. 一種光轉換器，包括：一固態光轉換材料，該固態光轉換材料用以從入射於該固態光轉換材料之一表面上的激發光產生發射光，其中該固態波長轉換材料包括一陶瓷材料且為多孔的；一填充料層，該填充料層在該固態光轉換材料之該表面上，其中該填充料層的一光學折射率低於該固態光轉換材料的一光學折射率；以及至少一個光學塗層，該至少一個光學塗層在該填充料層上。
  2. 如請求項1所述之光轉換器，其中該填充料層的厚度足以使得該填充料層為光學上平坦。
  3. 如請求項2所述之光轉換器，其中該填充料層具有400至1000nm的一厚度。
  4. 如請求項1所述之光轉換器，其中該至少一個光學塗層為一薄膜塗層。
  5. 如請求項1所述之光轉換器，其中該至少一個光學塗層包括下列中一或更多者：一抗反射塗層、一高反射塗層、一金屬塗層。
  6. 如請求項5所述之光轉換器，其中該至少一個光學塗層包括：一第一塗層；及在該第一塗層上的一金屬塗層，該金屬塗層經配置以減少相對於該固態光轉換材料之該表面於一大角度下的發射光漏出。
  7. 如前述請求項之任一項所述之光轉換器，其中該固態光轉換材料的該表面為一第一表面，該光轉換器進一步包含：一第二填充料層，該第二填充料層在該固態波長轉換材料之一第二表面上；以及至少一個第二光學塗層，該至少一個第二光學塗層在該第二填充料層上。
  8. 如請求項7所述之光轉換器，其中該第二表面與該第一表面相對。
  9. 一種光學裝置，包括：一基板；及根據前述任一請求項所述之一光轉換器，該光轉換器在該基板上。
  10. 如請求項9所述之光學裝置，其中該光轉換器之該至少一個光學塗層包括一金屬塗層，該金屬塗層接合至該基板。
  11. 如請求項10所述之光學裝置，其中該光學裝置為下列中 之一者：一色輪、一螢光粉色輪、一投影顯示器及一車前燈。
  12. 一種製造一光轉換器之方法，包括以下步驟：在一多孔固態陶瓷光轉換材料之一表面上沉積一填充料層，該多孔固態陶瓷光轉換材料從入射於該表面上的激發光產生發射光，其中該填充料層的一光學折射率低於該固態光轉換材料的一光學折射率；以及施加至少一個光學塗層至該填充料層。
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