螢光劑裝置及其所適用的光源系統的製作方法

2023-05-28 07:29:56 3

螢光劑裝置及其所適用的光源系統的製作方法
【專利摘要】本發明為一種螢光劑裝置及其所適用的光源系統，該螢光劑裝置適用發出第一波段光的光源系統，包括第一區段及n個單粉螢光劑。第一區段包括n個次區段，n≧2；n個單粉螢光劑塗布於n個次區段，以分別轉換第一波段光為n個波段光。n個次區段具特定面積比例，第一波段光根據特定面積比例以特定時間比例循環轉換為第二波段光、第三波段光、…第n+1波段光，以特定時間比例分時出射的n個波段光整合為特定色光，通過每一區段包括兩個以上次區段的設計，可有效避免混粉所造成的級聯效應並提高轉換的出光效率及光色多樣性，同時達到提高出射色光的色彩飽和度及亮度等功效。
【專利說明】螢光劑裝置及其所適用的光源系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種螢光劑裝置，尤指一種通過多個色帶區域組合以達到提高出光效 率及光色多樣性的螢光劑裝置及其所適用的光源系統。

【背景技術】
[0002] 近年來，各式各樣的投影設備，例如投影機（Projector)已被廣泛地應用於家庭、 學校或者各種商務場合中，以用於將一影像信號源所提供的影像信號放大顯示於屏幕。為 節省電力消耗以及縮小裝置體積，目前的投影設備的光源系統（Illumination System)已 使用固態發光元件，例如發光二極體或雷射元件，來取代現有的高密度氣體放電燈（HID Lamp)或高壓萊燈。
[0003] 投影設備的光源系統需能發出紅光、綠光、藍光（R、G、B)等三原色光，然而固態發 光元件的發光效率一般而言為藍光固態發光元件的發光效率最佳，因此目前的作法大多採 用藍光固態發光元件配合波長轉換裝置，以將藍光的波長進行轉換，例如配合螢光劑色輪 (Phosphor Wheel)或突光劑色板（Phosphor Plate)來激發出各種顏色的光，藉此取代紅光 固態發光元件或綠光固態發光元件直接發出紅光或綠光的方式，以提升光源系統整體的發 光效率。
[0004] 一般而言，現有的投影設備的光源系統大致可分為二種類型，其一是採用多個藍 光固態發光元件配合多個單一區段的螢光劑色輪，其二是採用單一藍光固態發光元件配合 具有多個區段的單一螢光劑色輪。請參閱圖1A及圖1B，其分別為具有單一區段的現有螢光 劑色輪的結構示意圖以及具有多個區段的現有螢光劑色輪的結構示意圖。如圖1A所示，具 有單一區段的現有螢光劑色輪10於單一區段101，通常對應的圓心角角度為360度，即整圈 的螢光劑色輪10,皆塗布單一種類的螢光劑，且該螢光劑由一種以上的螢光粉單獨（即單粉 螢光劑）或混合(即混粉螢光劑）而成。其次，如圖1B顯示的具有多個區段的現有螢光劑色 輪11，較常見的是以具有三個或四個區段為主，例如第一區段111、第二區段112、第三區段 113及第四區段114,並分別於第一區段111、第二區段112、第三區段113及第四區段114 上分別塗布紅色螢光劑、綠色螢光劑、藍色螢光劑及黃色螢光劑等，且各色螢光劑亦為一種 以上的螢光粉單獨或混合而成。
[0005] 為使螢光劑色輪出光的多樣化，往往應用兩種以上的螢光粉混合而製成混粉熒 光劑，以調整出光特徵，例如：添加紅色螢光粉使色較偏暖色，或添加主波長為555納米 (Nanometer，nm)的高亮度螢光粉以提高出光流明值等。然而，因各種類的螢光粉由製造商 自行製造，其成份難以明確得知，使得混合調製螢光劑的難度相對較高，且其主要構成材料 不同，常常引發級聯效應（Cascade effect)，亦即低能階螢光粉(長波長螢光材料）會吸收 鄰近高能階螢光粉，進而導致整體出光效率降低。舉例而言，業界常見的黃色螢光粉及紅 色螢光粉混合製成的螢光劑，由於黃光部分于波長510納米至580納米的範圍部分受紅色 螢光粉吸收，而使總出光頻譜面積（即出光能量）低於黃色螢光粉及紅色螢光粉混合的頻譜 面積理論值約14%。因此，通過現有技術手段進行螢光粉的混合，皆會因級聯效應導致出光 效率無法達到預期的理論數值，不僅有發光效率不佳的問題，更會造成色彩飽和度不足或 色偏現象，進而使得光源系統的色彩表現無法符合工業上制定的標準色域，如高畫質電視 (High Definition Television, HDTV)的Rec. 709標準色域，即國際電信聯盟無線通信部門 BT. 709 建議（ITU-R Recommendation ΒΤ· 709,或稱 Rec. 709)。
[0006] 因此，如何發展一種可改善上述現有技術缺陷，避免級聯效應、提升併兼顧色彩飽 和度及亮度且減低製造難度的螢光劑裝置及其所適用的光源系統，實為目前尚待解決的問 題。


【發明內容】

[0007] 本發明的主要目的為提供一種螢光劑裝置及其所適用的光源系統，以解決現有熒 光劑裝置因螢光粉混合的製造難度較高，以及級聯效應導致出光效率不佳、色彩飽和度不 足以及色偏現象等缺點。
[0008] 本發明的另一目的為提供一種螢光劑裝置及其所適用的光源系統，通過每一區段 包括兩個以上次區段的設計，可有效避免級聯效應並提高轉換的出光效率及光色多樣性， 同時達到提高出射色光的色彩飽和度及亮度等功效。
[0009] 本發明的另一目的為提供一種螢光劑裝置及其所適用的光源系統，通過將兩種以 上的單粉螢光劑分別塗布於不同的次區段，可忽略螢光粉混合因素並簡化製程，進而達到 降低製造難度及製造成本等功效。
[0010] 為達上述目的，本發明的一較廣實施形式為提供一種螢光劑裝置，適用於發出一 第一波段光的一光源系統，該螢光劑裝置至少包括：一第一區段，包括η個次區段，其中 η芎2 ;以及η個單粉螢光齊IJ，分別塗布於該η個次區段，以分別轉換該第一波段光為η個波 段光，其中該η個波段光包括第二波段光、第三波段光、…以及第η+1波段光；其中，該η個 次區段具有一特定面積比例，該第一波段光根據該特定面積比例以一特定時間比例循環轉 換為該第二波段光、該第三波段光、…以及該第η+1波段光，以該特定時間比例分時出射的 該η個波段光整合為一特定色光。
[0011] 為達上述目的，本發明的另一較廣實施形式為提供一種光源系統，至少包括：一固 態發光兀件，構造為發出一第一波段光至一光路徑；一突光劑裝置，設置於該光路徑上，至 少包括：一第一區段，包括η個次區段，其中η 3 2 ;以及η個單粉螢光劑，分別塗布於該η 個次區段，以分別轉換該第一波段光為η個波段光，其中該η個波段光包括第二波段光、第 三波段光、…以及第η+1波段光；其中，該η個次區段具有一特定面積比例，該第一波段光 根據該特定面積比例以一特定時間比例循環轉換為該第二波段光、該第三波段光、…以及 該第η+1波段光，以該特定時間比例分時出射的該η個波段光整合為一特定色光。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1Α為具有單一區段的現有螢光劑色輪的結構示意圖。
[0013] 圖1Β為具有多個區段的現有螢光劑色輪的結構示意圖。
[0014] 圖2為本發明較佳實施例的光源系統架構圖。
[0015] 圖3Α為本發明較佳實施例的螢光劑裝置結構示意圖。
[0016] 圖3Β為本發明另一較佳實施例的螢光劑裝置結構示意圖。
[0017] 圖4為本發明另一實施例的螢光劑裝置結構示意圖。
[0018] 圖5為本發明另一較佳實施例的螢光劑裝置結構示意圖。
[0019] 圖6A為通過本發明螢光劑裝置轉換出射的特定色光及現有混粉方式產生的色光 的強度-波長對應圖。
[0020] 圖6B為通過本發明螢光劑裝置轉換出射的特定色光及現有混粉方式產生的色光 的亮度-波長對應圖。
[0021] 其中，附圖標記說明如下：
[0022] 10 :現有螢光劑色輪
[0023] 101 :區段
[0024] 11 :現有螢光劑色輪
[0025] 111 :第一區段
[0026] 112:第二區段
[0027] 113:第三區段
[0028] 114:第四區段
[0029] 2 :光源系統
[0030] 21:固態發光元件
[0031] 22:螢光劑裝置
[0032] 220 :第一區段
[0033] 2201 :第一次區段
[0034] 2202 :第二次區段
[0035] 221 :第一單粉螢光劑
[0036] 222 :第二單粉螢光劑
[0037] 223 :第二區段
[0038] 2231 :第三次區段
[0039] 2232:第四次區段
[0040] 224 :第三單粉螢光劑
[0041] 225:第四單粉螢光劑
[0042] 226 :第三區段
[0043] 227 :透光材料
[0044] L1 :第一波段光
[0045] L2 :第二波段光
[0046] L3 :第三波段光

【具體實施方式】
[0047] 體現本發明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 是本發明能夠在不同的形式上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明 及圖示在本質上當作說明之用，而非構造為限制本發明。
[0048] 請參閱圖2、圖3A及圖3B，其中圖2為本發明較佳實施例的光源系統架構圖，圖 3A為本發明較佳實施例的螢光劑裝置結構示意圖，以及圖3B為本發明另一較佳實施例的 螢光劑裝置結構示意圖。如圖2、圖3A及圖3B所示，本發明的光源系統2應用於投影機， 例如雷射投影機、三維影像投影機或實物投影機等，且至少包括固態發光元件21及螢光劑 裝置22。固態發光元件21可為例如但不限於雷射元件或二極體，並以藍光雷射元件或藍 光二極體為較佳，構造為發出第一波段光L1至光路徑。螢光劑裝置22設置於該光路徑上， 且包括第一區段220及η個單粉螢光劑，其中第一區段220包括η個次區段，η為正整數且 η 3 2,且η個單粉螢光劑分別塗布於η個次區段，以分別轉換第一波段光L1為波長不同的 η個波段光，其中η個波段光包括第二波段光、第三波段光、…以及第η+1波段光。於此實 施例中，當η=2時，η個單粉螢光劑為第一單粉螢光劑221及第二單粉螢光劑222,且第一區 段220的η個次區段為第一次區段2201及第二次區段2202,第一單粉螢光劑221塗布於第 一次區段2201，以轉換第一波段光L1為第二波段光L2,以及第二單粉螢光劑222塗布於第 二次區段2202,以轉換第一波段光L1為第三波段光L3。其中，η個次區段具有特定面積比 例，第一波段光L1根據該特定面積比例配合螢光劑裝置22的定速轉動而以特定時間比例 循環轉換為第二波段光L2、第三波段光L3、…以及第η+1波段光，俾以該特定時間比例分 時（Sequentially)出射的η個波段光整合為一特定色光。
[0049] 由於本實施例以η=2為例，故第一波段光L1根據特定時間比例循環轉換為第二波 段光L2及第三波段光L3,並以該特定時間比例分時出射的第二波段光L2及第三波段光L3 整合為特定色光，例如紅光、黃光或紅黃光，但不以此為限。通過將兩種以上的單粉螢光劑 分別塗布於不同的次區段，可忽略螢光粉混合因素並簡化製程，進而達到降低製造難度及 製造成本等功效。
[0050] 於一些實施例中，本發明螢光劑裝置22的第一區段220的第一次區段2201及第 二次區段2202的特定面積比例可依需求調整、設計，並以特定面積比例為1比5為較佳，如 圖3Α，亦即當螢光劑裝置22為圓形的螢光劑色輪時，第一次區段2201所對應的圓心角為 60度，且第二次區段2202所對應的圓心角為300度。當然，第一次區段2201及第二次區段 2202的特定面積比例亦可為1比1，如圖3Β，亦即所對應的圓心角各為180度角，或依光機 設計調整為其它幾何形狀或其它配比的面積或角度，然而皆不以此為限。
[0051] 請再參閱圖3Α，由於本發明的螢光劑裝置22的第一區段220系包括至少兩個次 區段並塗布兩種以上的單粉螢光劑，以取代現有螢光劑裝置於單一區段上塗布混粉螢光 齊U。舉例而言，本發明的螢光劑裝置22若欲激發產生紅黃光，可將紅黃光激發區段設計為 本發明的第一區段220,並以第一次區段2201塗布的第一單粉螢光劑221為重量百分比濃 度50wt%的紅色單粉螢光劑，且第二次區段2202塗布的第二螢光劑222為重量百分比濃度 50wt%的黃色單粉螢光劑，再行對特定面積比例進行設計、配比。為增加出光流明，第一次 區段2201及第二次區段2202的特定面積比例是以面積比1比5為較佳，亦即塗布的紅色 單粉螢光劑及黃色單粉螢光劑的重量百分比比例為1比5,且配合螢光劑裝置22的定速轉 動的特定時間比例亦為1比5,藉此產生的紅光亮度可達176. 37流明/瓦（lm/W)。相較於 現有螢光劑裝置的紅黃光激發區段所產生的紅光亮度僅為140. 57流明/瓦（lm/W)，提升 幅度高達25%。簡言之，現有螢光劑裝置以總和50wt%的混粉螢光劑塗布於單一區段上，且 該混粉螢光劑以41. 67wt%的黃色單粉螢光劑及8. 33wt%的紅色單粉螢光劑混合而成，由於 紅色單粉螢光劑的重量百分比濃度僅有8. 33wt%且黃色單粉螢光劑的重量百分比濃度僅 有41. 67wt%，故現有螢光劑裝置的發光效率自然遠不及本發明的螢光劑裝置22。此外，由 於本發明的螢光劑裝置22並未通過混合螢光粉的方式塗布於單一區段，而是通過每一區 段包括兩個以上次區段的設計分別塗布第一單粉螢光劑及第二單粉螢光劑，可有效避免級 聯效應並提高轉換的出光效率及光色多樣性，同時達到提高出射色光的色彩飽和度及亮度 等功效。
[0052] 請參閱圖4,其為本發明另一實施例的螢光劑裝置結構示意圖。如圖4所示，本發 明的螢光劑裝置22可進一步包括第二區段223、第三單粉螢光劑224及第四單粉螢光劑 225。其中，第二區段223包括第三次區段2231及第四次區段2232,第三單粉螢光劑224塗 布於第三次區段2231，以轉換第一波段光L1為第四波段光，且第四單粉螢光劑225塗布於 第四次區段2232,以轉換第一波段光L1為第五波段光，但不以此為限，由於第一波段光L1 轉換為第四波段光及第一波段光L1轉換為第五波段光的概念與圖2所示的第一波段光L1 轉換為第二波段光L2及第一波段光L1轉換為第三波段光L3的概念相同，故於此省略繪 出。此外，螢光劑裝置22可再進一步包括第三區段226,以應用於與第一區段220及第二區 段223分時出射各種色光，例如欲發出三原色光時，第三區段226可包括透光材料227 (如 玻璃或壓克力等)，以使藍光直接穿透，並通過第一區段220及第二區段223分別激發並出 射紅光及綠光，但亦不以此為限。
[0053] 根據本發明的構思，當本發明的螢光劑裝置22應用於分時出射三原色光時，第一 區段220、第二區段223及第三區段226的面積比例可為1比1比1，亦即於圓形的螢光劑 色輪上對應的圓心角皆為120度；第一區段220的第一次區段2201與第二次區段2202的 特定面積比例可為1比5,亦即於圓形的螢光劑色輪上對應的圓心角分別為20度及100度， 且第二區段223的第三次區段2231與第四次區段2232的面積比例可為1比1，亦即於圓形 的螢光劑色輪上對應的圓心角皆為60度，以通過第一區段220、第二區段223及第三區段 226分別出射紅光、綠光及藍光等三原色光。當然，其它面積比例或對應的圓心角角度可依 需求配置、設計，其皆屬本發明的教示範圍。
[0054] 請參閱圖5,其為本發明另一較佳實施例的螢光劑裝置結構示意圖。如圖5所示， 本發明螢光劑裝置22的第一區段220的第一次區段2201及第二次區段2202皆可隨意分 割而配置，並與前述實施例同以第一次區段2201及第二次區段2202的特定面積比例為1 比5為較佳，然第一次區段2201及第二次區段2202實不限於連續的區段，亦即第一次區段 2201及第二次區段2202皆可切割為不等的多個部分區段，亦即第一次區段2201及第二次 區段2202可由不等的多個部分區段構成，其僅需具有相同的總和特定面積比例，即可達到 相同的出光效果。舉例而言，第一次區段2201可切割為對應圓形的螢光劑色輪的圓心角各 為30度的三個部分，且第二次區段2202可切割為對應圓形的螢光劑色輪的圓心角分別為 75度、75度及150度的三個部分，而仍可達成相同的出光效果，其作用原理與前述實施例相 同，於此不再贅述。
[0055] 請參閱圖6A及圖6B，其中圖6A為通過本發明螢光劑裝置轉換出射的特定色光及 現有混粉方式產生的色光的強度-波長對應圖，以及圖6B為通過本發明螢光劑裝置轉換出 射的特定色光及現有混粉方式產生的色光的亮度-波長對應圖。如圖6A及圖6B所示，現有 混粉方式所得出的色光於8瓦特（W)藍光雷射激發下的出光特性為140. 57流明/瓦（lm/ W)且色坐標為（0.474,0.497);另一方面，以本發明的螢光劑裝置轉換出射的特定色光同 樣於8瓦特（W)藍光雷射激發下的出光特性為176. 37流明/瓦（lm/W)，不僅大幅提升整 體出光亮度達25%，且與黃色單粉螢光劑及紅色單粉螢光劑直接加總的理論值177. 4流明/ 瓦（lm/W)相符(如表1所示)，可見本發明確實可避免螢光劑間的級聯效應產生，不僅使得 整體出光效率提高，亦使紅光出光頻譜顯著增加，進而可達到提高色域多樣性變化的功效。
[0056] 表 1
[0057]

【權利要求】
1. 一種螢光劑裝置，適用於發出一第一波段光的一光源系統，該螢光劑裝置至少包 括： 一第一區段，包括η個次區段，其中η 3 2 ;以及 η個單粉螢光劑，分別塗布於該η個次區段，以分別轉換該第一波段光為η個波段光，其 中該η個波段光包括第二波段光、第三波段光、…以及第η+1波段光； 其中，該η個次區段具有一特定面積比例，該第一波段光根據該特定面積比例以一特 定時間比例循環轉換為該第二波段光、該第三波段光、…以及該第η+1波段光，以該特定時 間比例分時出射的該η個波段光整合為一特定色光。
2. 如權利要求1所述的螢光劑裝置，其中該η個次區段為一第一次區段及一第二次區 段，且該η個單粉螢光劑為一第一單粉螢光劑及一第二單粉螢光劑，該第一單粉螢光劑塗 布於該第一次區段，以轉換該第一波段光為一第二波段光，且該第二單粉突光劑塗布於該 第二次區段，以轉換該第一波段光為一第三波段光，其中該第一波段光根據該特定時間比 例循環轉換為該第二波段光及該第三波段光，以該特定時間比例分時出射的該第二波段光 及該第三波段光整合為該特定色光。
3. 如權利要求2所述的突光劑裝置，其中該第一波段光為藍光，該第二波段光為紅光， 且該第三波段光為黃光。
4. 如權利要求3所述的螢光劑裝置，其中該第一波段光由雷射光源所提供。
5. 如權利要求3所述的螢光劑裝置，其中該第一次區段及該第二次區段的該特定面積 比例為1比5。
6. 如權利要求1所述的螢光劑裝置，其中該η個次區段分別為單一區塊。
7. 如權利要求1所述的螢光劑裝置，其中至少該η個次區段的其中之一為不連續的區 塊。
8. 如權利要求1所述的螢光劑裝置，其中該螢光劑裝置還包括一透光區段，以使該第 一波段光直接穿透。
9. 如權利要求1所述的螢光劑裝置，其中該螢光劑裝置還包括一第二區段，該第二區 段包括m個次區段，其中m 3 2 ;以及m個單粉螢光劑，分別塗布於該m個次區段，以分別轉 換該第一波段光為m個波段光。
10. -種光源系統，至少包括： 一固態發光元件，構造為發出一第一波段光至一光路徑； 一螢光劑裝置，設置於該光路徑上，至少包括： 一第一區段，包括η個次區段，其中η 3 2 ;以及 η個單粉螢光劑，分別塗布於該η個次區段，以分別轉換該第一波段光為η個波段光，其 中該η個波段光包括第二波段光、第三波段光、…以及第η+1波段光； 其中，該η個次區段具有一特定面積比例，該第一波段光根據該特定面積比例以一特 定時間比例循環轉換為該第二波段光、該第三波段光、…以及該第η+1波段光，以該特定時 間比例分時出射的該η個波段光整合為一特定色光。
【文檔編號】G02B27/10GK104101975SQ201310113509
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月2日 優先權日:2013年4月2日
【發明者】周彥伊, 陳琪 申請人:臺達電子工業股份有限公司