CN105045022B - 光源系统及其波长转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源系统，包括固态发光元件及波长转换装置。固态发光元件用于发出第一波段光至光路径。波长转换装置设置于光路径并包括荧光板。荧光板为具有一荧光粉及一结合料的一固形混合物，其中该荧光粉的重量百分比为10至70，将第一波段光转换为第二波段光。因此，可有效提高荧光板的热传导，进而增进波长转换装置的转换效率，且刚性强度足以应用于转动。同时，除可降低空间需求外，还可避免热斑及热扩散等现象，使波长转换装置的制造成本以及制造难度大幅降低。

Description

光源系统及其波长转换装置

技术领域

本发明涉及一种光源系统，尤其涉及一种光源系统及其波长转换装置。

背景技术

近年来，高阶投影机主要应用激光光源配合波长转换装置以作为光源系统。传统的波长转换装置主要可分为二种：其一为旋转式荧光粉色轮(Phosphor Wheel)，其二为固定式荧光粉色板模块(Phosphor Plate Module)。

请参阅图1及图2，其中图1是显示现有旋转式荧光粉色轮的示意图，以及图2是显示现有固定式荧光粉色板模块的示意图。一般而言，旋转式荧光粉色轮1在圆形的高反射基板10上，以粘结胶混合荧光粉(或荧光剂)11涂布在高反射基板10的特定位置，再将高反射基板10的圆心安装在马达12上，因此可以转动的方式使荧光粉色轮1在进行波长转换时进行散热。由于固定式荧光粉色板模块2无法以转动的方式进行散热，故多将荧光粉色板21固设在高反射基板20的一表面，并在高反射基板20相对的另一表面设置散热片22，以将激光光源产生的高温散去。

然而，在旋转式荧光粉色轮1中，由于粘结胶的可靠性低且导热性不佳，使得荧光粉11与高反射基板10之间的热传导降低，进而导致荧光粉11转换波长的转换效率不佳，同时高反射基板10的刚性也可能有不足以应付转动所产生的晃动的情况；此外，在固定式荧光粉色板模块2中，由于散热片22主要以传导及对流的方式进行散热，故高反射基板20及散热片22须选用具有相对较大表面积的元件，往往使得空间需求超出预期，同时还因热斑及热扩散等现象，使得固定式荧光粉色板模块2的制造成本及技术难度居高不下。

发明内容

发明内容本发明的主要目的为提供一种光源系统及其波长转换装置，解决前述现有技术问题。

本发明的另一目的为提供一种光源系统及其波长转换装置，通过荧光板以10至70重量百分比的荧光粉以及结合料制成，以用于将第一波段光转换为第二波段光，可有效提高荧光板的热传导，进而增进波长转换装置的转换效率，且刚性强度足以应用于转动。

本发明的另一目的为提供一种光源系统及其波长转换装置，该波长转换装置虽以转动式进行应用，仍无须采用散热片，除可降低空间需求外，还可避免热斑及热扩散等现象，使波长转换装置的制造成本以及制造难度大幅降低。

本发明的另一目的为提供一种光源系统及其波长转换装置，由于本发明对荧光板的出光面进行抛光处理，以形成抛光表面，可使荧光板的受光效率更佳，连带使波长转换装置的转换效率有效提升。

为达到上述目的，本发明的一较佳实施方式为提供一种光源系统，包括：一固态发光元件，用于发出一第一波段光至一光路径；以及一波长转换装置，设置于该光路径并包括一荧光板，其中该荧光板为具有一荧光粉及一结合料的一固形混合物，其中该荧光粉的重量百分比为10至70，将该第一波段光转换为一第二波段光。

在一些实施例中，该结合料为玻璃或氧化铝。进一步地，该结合料还包括陶瓷添加剂。此外，该玻璃的化学式为SiOx，0<x≦2，且该玻璃的折射率n值小于或等于1.5。

在一些实施例中，该荧光板为环状荧光板或片状荧光板。

根据本发明的构想，该波长转换装置还包括一光学涂层，该光学涂层形成于该荧光板的一表面。其中，该光学涂层沉积或涂布于该荧光板的该表面，且该光学涂层相对设置于该荧光板的一出光面的另一侧。

根据本发明的构思，该波长转换装置还包括一基板及一光学涂层，该基板形成在该荧光板的出光面的另一侧，且该光学涂层形成于该基板。

在一些实施例中，该光学涂层相对设置于该荧光板的一出光面的另一侧，且该出光面为一抛光表面。

在一些实施例中，该荧光板与该基板上的该光学涂层之间形成一空气间隙。其中，该空气间隙以胶粘或夹置的方式形成。

根据本发明的构思，该波长转换装置还包括一基板，且该基板上设置一光学涂层，且该波长转换装置的该荧光板为一环状荧光板，其中该荧光板设置于该基板。此外，该荧光板及该基板之间具有一空气间隙，且该荧光板及该基板为同心圆。

根据本发明的创作思路，该荧光板的厚度大于或等于50微米，并小于或等于1000微米。

为达到上述目的，本发明的另一较佳实施方式为提供一种波长转换装置，适用于发出一第一波段光至一光路径的一光源系统，包括：一荧光板，设置于该光路径，用以接收该第一波段光，其中该荧光板为具有一荧光粉及一结合料的一固形混合物，其中该荧光粉的重量百分比为10至70，将该第一波段光转换为一第二波段光。

根据本发明的构想，波长转换装置还包括一光学涂层，该光学涂层形成于该荧光板的一表面。其中，该光学涂层沉积或涂布于该荧光板的该表面，该光学涂层相对设置于该荧光板的一出光面的另一侧，且该出光面为一抛光表面。

根据本发明的构思，波长转换装置还包括一基板及一光学涂层，其中该光学涂层形成于该基板。其中，该光学涂层相对设置于该荧光板的一出光面的另一侧，且该出光面为一抛光表面。

本发明提供一种光源系统及其波长转换装置，通过荧光板以10至70重量百分比的荧光粉以及结合料制成，以用于将第一波段光转换为第二波段光，可有效提高荧光板的热传导，进而增进波长转换装置的转换效率，且刚性强度足以应用于转动。此外，该波长转换装置虽以转动式进行应用，无须采用散热片，除可降低空间需求外，还可避免热斑及热扩散等现象，使波长转换装置的制造成本以及制造难度大幅降低。

附图说明

图1是显示现有旋转式荧光粉色轮的示意图；

图2是显示现有固定式荧光粉色板模块的示意图；

图3A是显示本发明较佳实施例的光源是统架构图；

图3B是显示本发明另一较佳实施例的光源系统架构图；

图4是显示本发明较佳实施例的波长转换装置示意图；

图5是显示本发明另一较佳实施例的波长转换装置示意图；

图6是显示本发明又一较佳实施例的波长转换装置示意图；

图7是显示本发明再一较佳实施例的波长转换装置示意图；

图8是显示空气间隙以胶粘的方式形成的示意图；

图9是显示空气间隙以夹置的方式形成的示意图；

图10是显示穿透式波长转换装置的光学涂层反射散射光的示意图；

图11是显示反射式波长转换装置的光学涂层反射散射光的示意图；

图12是显示具基板的穿透式波长转换装置的光学涂层反射散射光的示意图；

图13是显示具基板的反射式波长转换装置的光学涂层反射散射光的示意图；

图14是显示本发明波长转换装置及现有波长转换装置的性能表现电压-脉冲宽度对应图；

图15是显示本发明波长转换装置的峰值面积-功率对应图。

其中，附图标记说明如下：

1：旋转式荧光粉色轮

10：高反射基板

11：荧光粉

12：马达

2：固定式荧光粉色板模块

20：高反射基板

21：荧光粉色板

22：散热片

3：光源系统

31：固态发光元件

32：波长转换装置

321：荧光板

322：光学涂层

323：基板

324：马达

325：接合层

A：空气间隙

C：夹具

G：粘胶

L1：第一波段光

L2：第二波段光

L20：散射光

L21：大角度散射光

L22：小角度散射光

P：光路径

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用于限制本发明。

请参阅图3A及图3B，其分别显示本发明较佳实施例的光源系统架构图以及本发明另一较佳实施例的光源系统架构图。如图3A及图3B所示，本发明的光源系统3包括固态发光元件31及波长转换装置32。其中，固态发光元件31用于发出第一波段光L1至光路径P，且波长转换装置32设置于光路径P。波长转换装置32包括荧光板321，且该荧光板321为具有荧光粉及结合料的固形混合物，其中荧光粉的重量百分比占荧光板321总重量10至70，且结合料可为例如但不限于占荧光板321总重量30至90重量百分比的玻璃，或者为氧化铝，但不以此为限，以将第一波段光L1转换为第二波段光L2。根据本发明的构想，波长转换装置32可为穿透式波长转换装置(如图3A所示)或反射式波长转换装置(如图3B所示)，然并不以此为限。换言之，在图3A所示的实施例中，第一波段光L1的入射方向与第二波段光L2的出射方向相同；在图3B所示的实施例中，第一波段光L1的入射方向与第二波段光L2的出射方向相反。因此，本发明光源系统3的波长转换装置32可有效提高荧光板的热传导，进而增进波长转换装置32的转换效率，且刚性强度足以应用于转动。

在一些实施例中，该结合料如上述可为玻璃或氧化铝，也可进一步包括陶瓷添加剂如BaSO4、AlN、BN等，用以增进散热效果。其中，玻璃的化学式为SiOx，0<x≦2，且该玻璃的折射率n值小于或等于1.5；氧化铝的化学式为Al₂O₃。相较于LED领域采用的玻璃以及荧光粉组合的应用，由于LED领域对玻璃的折射率n值需求至少为大于或等于2，故本发明的发明精神与LED领域的应用实为相反且明显区别。换言之，本发明波长转换装置32的研发方向与LED领域的研发方向不同，且想要克服的技术问题也有所不同。

请参阅图4及图5，其中图4是显示本发明较佳实施例的波长转换装置示意图，图5是显示本发明另一较佳实施例的波长转换装置示意图。在一些实施例中，本发明的波长转换装置32采无基板设计，且可进一步包括光学涂层322，该光学涂层322形成于荧光板321的一表面，且荧光板321为片状荧光板(如图4所示)或环状荧光板(如图5所示)，然并不以此为限。具体而言，光学涂层322沉积或涂布于荧光板321的表面，且光学涂层322相对设置于荧光板321的一出光面的另一侧，亦即该表面设置于与出光面相对设置的另一侧。

请参阅图6及图7，其中图6是显示本发明又一较佳实施例的波长转换装置示意图，图7是显示本发明再一较佳实施例的波长转换装置示意图。在此等实施例中，本发明波长转换装置32的荧光板321为片状荧光板(如图6所示)或环状荧光板(如图7所示)。波长转换装置32可进一步包括光学涂层322及基板323，该光学涂层322形成于该基板323上。更精确地说，光学涂层322相对设置于荧光板321的出光面的另一侧。另一方面，波长转换装置32可进一步包括一接合层325，设置于光学涂层322及基板323之间，且该接合层325较佳为二氧化硅(SiO₂)或二氧化钛(TiO₂)。

在上述图4至图7所示的实施例中，当应用于穿透式波长转换装置时，光学涂层322较佳为分光涂层，以使第一波段光L1穿透并反射第二波段光L2；反之，当应用于反射式波长转换装置时，光学涂层322较佳为全反射涂层或分光涂层，以全面反射第一波段光L1及第二波段光L2或仅反射第二波段光L2。

请参阅图8及图9，其中图8是显示空气间隙以胶粘的方式形成的示意图，图9是显示空气间隙以夹置的方式形成的示意图。如图8及图9所示，荧光板321及光学涂层322之间形成一空气间隙A，以增进光学性质，例如使折射率n值改变，但不以此为限。其中，空气间隙A的形成方式可使用粘胶G而以部分胶粘(如图8所示)方式形成，亦可以夹置方式使荧光板321及光学涂层322两者紧配并使其间表面自然形成空气间隙A，但形成空气间隙A的方式并不以此为限。

请再参阅图3A至图9。根据本发明的构想，本发明的波长转换装置32可安装在马达34的轴心，以用于进行转动应用。所以，本发明波长转换装置32虽以转动式进行应用，仍无须采用散热片，除可降低空间需求外，还可避免热斑及热扩散等现象，使波长转换装置32的制造成本以及制造难度大幅降低。

请参阅图10及图11，其中图10是显示穿透式波长转换装置的光学涂层反射散射光的示意图，图11是显示反射式波长转换装置的光学涂层反射散射光的示意图。如图10及图11所示，当波长转换装置32的荧光板321接收第一波段光L1之后，将第一波段光L1激发转换为第二波段光L2，其中该第二波段光L2架构为全角度散射，当散射光L20背向散射至光学涂层322时，该散射光L20受光学涂层322反射往出光面并输出，故此当光学涂层322的反射效率越高时，波长转换装置32的波长转换效率也越佳。

请参阅图12及图13，其中图12是显示具基板的穿透式波长转换装置的光学涂层反射散射光的示意图，图13是显示具基板的反射式波长转换装置的光学涂层反射散射光的示意图。如图12及图13所示，当波长转换装置32的荧光板321接收第一波段光L1之后，将第一波段光L1激发转换为第二波段光L2，其中该第二波段光L2架构为全角度散射，当大角度散射光L21背向散射至空气间隙A时，该大角度散射光L21因空气间隙A而产生全反射而往出光面输出。此外，当小角度散射光L22背向散射至光学涂层322时，该小角度散射光L22受光学涂层322反射往出光面并输出。换言之，通过形成空气间隙A在荧光板321及光学涂层322之间，可利用全反射原理而反射大角度散射光L21并输出应用，以增进本发明波长转换装置32的波长转换效率。

根据本发明的构思，荧光粉可为单晶荧光粉或多晶荧光粉。此外，在荧光板321的制程中，也可加入功能性添加物，例如BN、AlN或BaSO₄等，但不以此为限。此外，光学涂层322的成分较佳选自金、银、铝或其组合成的群族的至少其中之一，且也可选自介电涂层材料，以用于提供良好的光学反射能力。在一些实施例中，基板323可为金属基板、陶瓷基板、晶圆基板或合成物基板等。金属基板可为金、银、铝或其合金，陶瓷基板可为AlN、BN或Al₂O₃等，晶圆基板可为硅晶圆、钻石涂布的硅晶圆、碳化硅晶圆、碳化硅及石墨烯晶圆或任何III-V族半导体晶圆，以及合成物基板可为石墨基板、铝及石墨基板或碳化硅及石墨基板，但是均不以此为限。

在一些实施例中，本发明波长转换装置32的荧光板321的厚度以大于或等于50微米，并小于或等于1000微米为佳。在另一些实施例中，荧光板321以20重量百分比的荧光粉以及80重量百分比的玻璃烧结制成，且荧光板321的厚度及直径以540微米及10公分为较佳，但不以此为限。根据本实施例的实验结果显示，本发明的荧光板321的荧光粉虽仅占整体重量20重量百分比，然相较于现有技术中荧光粉占约70重量百分比的形式，即可有至少15％的增益，由于本发明的荧光粉比例实际可为10至70重量百分比，且荧光板321的厚度可为50至1000微米，故其最大增益不止于此。

另一方面，为增进本发明波长转换装置32的光学性质，本发明对荧光板321的出光面进行抛光处理，以使该出光面形成为一抛光表面。因此，可使荧光板321的受光效率更佳，连带使波长转换装置32的转换效率有效提升。

请参阅图14，其是显示本发明波长转换装置及现有波长转换装置的性能表现电压-脉冲宽度对应图。如图14所示，固态发光元件31为激光光源，且激光光源的驱动电流为2.3安培及输出功率为3.5瓦特时，由于传统胶粘式荧光粉色轮的散热效果最差，故其性能表现衰减最快，整体而言传统胶粘式荧光粉色轮的性能表现最差。此外，若采用YAG荧光粉制成纯荧光粉色轮，其性能表现普通，然而衰退问题较传统传统胶粘式荧光粉色轮为小，性能表现明显高于传统胶粘式荧光粉色轮。另一方面，以本发明前述各实施例的波长转换装置32进行测试，明显可看出不仅性能表现高于纯荧光粉色轮，且衰退速度及幅度亦为三者中最小，是以本发明的波长转换装置32相较于传统胶粘式荧光粉色轮以及纯荧光粉色轮，具有最佳的性能表现。

请参阅图15，其是显示本发明波长转换装置的峰值面积-功率对应图。如图15所示，本发明的波长转换装置32，应用于高能量光源系统时，当固态发光元件31的输出功率不断提高时，整体峰值表现大致上呈线性成长，且依据实验结果显示，本发明的波长转换装置32至少可应用于60瓦特的高功率环境。

综上所述，本发明提供一种光源系统及其波长转换装置，通过荧光板以10至70重量百分比的荧光粉以及结合料制成，以用于将第一波段光转换为第二波段光，可有效提高荧光板的热传导，进而增进波长转换装置的转换效率，且刚性强度足以应用于转动。此外，该波长转换装置虽以转动式进行应用，仍无须采用散热片，除可降低空间需求外，还可避免热斑及热扩散等现象，使波长转换装置的制造成本以及制造难度大幅降低。进一步地，由于本发明对荧光板的出光面进行抛光处理，以形成抛光表面，可使荧光板的受光效率更佳，连带使波长转换装置的转换效率有效提。

纵使本发明已由上述的实施例详细叙述，可由本领域技术人员的发明构思进行合理的修改或修饰，然而都不脱离本申请权利要求的保护专利范围所想要保护的内容。

Claims (13)

1.一种光源系统，其特征在于，包括：

一固态发光元件，用于发出一第一波段光至一光路径；以及

一波长转换装置，设置于该光路径并包括一荧光板，其中该荧光板为具有一荧光粉及一结合料的一固形混合物，其中该荧光粉的重量百分比为10至70，该结合料的重量百分比为30至90，将该第一波段光转换为一第二波段光，

其中该波长转换装置还包括一基板和一光学涂层，该基板形成在该荧光板的出光面的另一侧，该光学涂层形成于该基板，该荧光板与该基板上的该光学涂层之间形成一空气间隙。

2.如权利要求1所述的光源系统，其中该结合料为玻璃或氧化铝。

3.如权利要求2所述的光源系统，其中该结合料还包括陶瓷添加剂。

4.如权利要求2所述的光源系统，其中该玻璃的化学式为SiO_x，0<x≤2，且该玻璃的折射率n值小于或等于1.5。

5.如权利要求1所述的光源系统，其中该荧光板为环状荧光板或片状荧光板。

6.如权利要求1所述的光源系统，其中该出光面为一抛光表面。

7.如权利要求1所述的光源系统，其中该空气间隙以胶粘或夹置的方式形成。

8.如权利要求1所述的光源系统，其中该波长转换装置还包括一接合层，该接合层设置于该光学涂层及该基板之间。

9.如权利要求8所述的光源系统，其中该接合层为二氧化硅或二氧化钛。

10.如权利要求1所述的光源系统，其中该荧光板的厚度大于或等于50微米，并小于或等于1000微米。

11.一种波长转换装置，适用于发出一第一波段光至一光路径的一光源系统，其特征在于，包括：

一荧光板，设置于该光路径，用以接收该第一波段光，其中该荧光板为具有一荧光粉及一结合料的一固形混合物，其中该荧光粉的重量百分比为10至70，该结合料的重量百分比为30至90，将该第一波段光转换为一第二波段光；

一基板，该基板形成在该荧光板的出光面的另一侧；以及

一光学涂层，该光学涂层形成于该基板，该荧光板与该基板上的该光学涂层之间形成一空气间隙。

12.如权利要求11所述的波长转换装置，其中该出光面为一抛光表面。

13.如权利要求11所述的波长转换装置，还包括一接合层，该接合层设置于该光学涂层及该基板之间，且该接合层为二氧化硅或二氧化钛。