基於光波長轉換改善出射光顏色的方法

2023-04-27 20:28:11

專利名稱：：基於光波長轉換改善出射光顏色的方法
技術領域：
：本發明涉及光源顏色，尤其涉及器件或裝置對光的強度、顏色或方向的選通控制方法。
背景技術：
：傳統半導體發光二極體(LightEmittingDiode,LED)由於輸出功率和亮度低，主要應用於信號指示燈、電視遙控器以及低速短距離光纖通訊等方面。自二十世紀九十年代初以來，以InGaAlP和InGaN為主的新一代半導體光電子材料迅速發展起來，各種高功率高亮度的紅、黃、藍、綠、紫外以及白光等LED光源紛紛湧現，層出不窮，在各種顯示和照明領域得到了越來越廣泛的應用。但實際上在所述顯示和照明領域中，為了大大降低成本，現有光源多使用較低成本的發光源(例如但不限於藍光LED)，同時採用波長轉換方案來獲得預定顏色的出射光，以避免使用與該出射光同色並具有較高成本的LED。所述光波長轉換通常是利用來自發光源的較短波長光來激發光波長轉換材料發出不同波長的光。所述光波長轉換材料包括螢光粉、染料或納米發光材料，也可以是兩種或兩種以上這些材料的混合物，目前較為常用的是螢光粉。例如日本日亞公司(Nichia)的白光LED專利，公開了利用470納米藍光LED晶片來激發黃色YAG螢光粉發出白光的技術方案，該方案結構簡單、製造成本低、產品具有很強的實用性。上述基於光波長轉換的光源還具有顏色豐富可調、便於設計的優點。美國專利US7,234，820給出了一種用LED激發螢光粉並使受激發光與其它顏色光混光輸出的方案。通常光波長轉換材料的出射光亮度不高。為了使上述基於光波長轉換的光源更適應顯示領域的應用要求，美國專利US7，070，300給出了一種螢光粉增亮結構來提高光源出射光亮度的方案。該方案使用一角度選擇濾光片來選通來自螢光粉的小角度入射受激發光，從而在光源出射光中提高對大角度受激發光的利用率，使得光源的光輸出亮度可超過同色LED的光輸出亮度。上述基於光波長轉換的光源的不足之處在於，以螢光粉為例，光波長轉換材料一般具有較寬的光轉換輸出光譜，因而造成光源出射光的色純度不好，使出射光顏色不佳或不夠鮮豔亮麗，即使出射光亮度夠強，也難以勝任在特定場合(例如顯示領域)的應用。
發明內容本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提出一種方法，來改善基於光波長轉換的光源的出射光顏色，同時還可有利於增強出射光亮度。為解決上述技術問題，本發明的基本構思為，基於光波長轉換材料具有較寬光轉換輸出光譜，若設計使所述光譜中特定波長的光的強度得到增強，則可以改變輸出光的人眼視覺效果，從而達到改善出射光顏色的目的；因此本發明利用現有技術中的螢光粉增亮結構並對帶通或低通濾光片進行設計，使之僅通過小角度入射的預定波長範圍內的受激發光，從而增強出射光亮度的同時，改善出射光顏色。作為實現本發明構思的技術方案是，提供一種基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，用於光源，包括步驟引導激發光射往包括了光波長轉換材料的波長轉換層來激發產生具有第一主波長λi的受激發光；在所述波長轉換層的另一側設置角度選擇濾光片來引導小於預定出射角度的受激發光以透射方式通過該角度選擇濾光片，同時將大於該預定出射角度的受激發光反射回去；尤其是，還包括步驟在所述光波長轉換材料的光轉換輸出光譜中確定需要加以增強的受激發光波長選擇所述角度選擇濾光片，使具有與該需要加以增強的受激發光波長相對應的透射特性，來產生具有第二主波長λ2的出射光；其中所述第一主波長X1、需要加以增強的受激發光波長λΕ及第二主波長λ2之間的關係為=X1Sλ2λ2>λΕ。上述方案中，所述角度選擇濾光片具有的透射特性是預定入射角α下，不同波長受激發光的透射率曲線呈低通或帶通特性；在該透射率曲線下降沿上透射率大致為50%處所對應的波長為所述需要加以增強的受激發光波長。上述方案中，所述預定入射角α設置為所述光源的光收集系統收集角度。上述方案中，在所述波長轉換層與所述角度選擇濾光片之間設置一具有低折射率的介質膜，且令該介質膜的折射率低於所述波長轉換層的折射率nl，來全反射來自所述波長轉換層的大角度入射光線。上述方案中，在所述波長轉換層的另一側設置與所述角度選擇濾光片相對的反光面，來反射射往該反光面的受激發光。上述方案中，還包括步驟選擇對預定波長具有選擇性吸收特性的玻璃或覆膜，將該玻璃或覆膜與所述角度選擇濾光片疊加在一起來調整並改善所述第二主波長入2。採用上述各技術方案，增強亮度的同時可以大幅度改善發光顏色，使其更符合顯示的標準。同時各技術方案具有結構簡單、簡便可行的優點。圖1是本發明基於的光波長轉換光源的結構示意圖；圖2是用於帶一種紅色螢光粉的光源的濾光片透射光譜實施例之一；圖3是用來替代圖2實施例的濾光片透射光譜示例圖；圖4是圖2或圖3光源實施例的出射光光譜示例圖；圖5是用於光源的一種綠色螢光粉光轉換輸出光譜示例圖；圖6是用於圖5光源實施例的濾光片的透射光譜實施例；圖7是圖5光源實施例的出射光光譜示例圖；圖8是帶紅色螢光粉的光源又一實施例的出射光光譜；圖9是圖8實施例中紅色玻璃的光透過率曲線示意圖；其中，圖1中的附圖標記為1-波長轉換層，2—濾光片，3—介質膜；40-激發光線，4143—受激發光線；5—反光面，6—LED/LED晶片層。具體實施方式下面，結合附圖所示之最佳實施例進一步闡述本發明。如圖1所示的光源波長轉換層1包括了光波長轉換材料，可以由包容所述波長轉換材料的膠體來構成；發光源可以採用LED、雷射源或傳統光源(例如電弧燈)，此處以但不限於LED/LED晶片層6為例。該光源的工作方式包括步驟引導來自發光源的激發光40射往波長轉換層1來激發光波長轉換材料產生具有第一主波長的受激發光；在該波長轉換層1的一側設置角度選擇濾光片2來引導小於預定出射角度的受激發光41或42以透射方式通過該角度選擇濾光片，同時將大於該預定出射角度的受激發光反射回波長轉換層1，利用所述光波長轉換材料對該受激發光的漫反射作用來改變這些受激發光的出射角度，以進行二次或多次利用，可以提高光源出射光的亮度。另外，若借鑑現有技術在所述波長轉換層1的另一側設置一與所述角度選擇濾光片2相對的反光面5，來反射射往該反光面的受激發光，則可以通過限制並減小受激發光的發散角及有助於受激發光改變出射角度進行二次利用，將更有利於提高光源出射光的亮度。由於現有角度選擇濾光片在預定出射角範圍內不以改變出射光顏色為目的，因此對出射光的顏色改變不大甚至有所惡化。為此本發明方法還包括步驟在所述光波長轉換材料的光轉換輸出光譜中確定需要加以增強的受激發光波長；選擇所述角度選擇濾光片2，使具有與該需要加以增強的受激發光波長相對應的透射特性，來產生具有第二主波長的出射光。若分別以λ2來指代所述第一主波長、需要加以增強的受激發光波長和第二主波長，則本發明方法令κ<Κλ2>λΕ，可以利用入，處的光得到增強來「拉動」X1使達到A20由於人眼視覺對光譜的響應曲線以555nm(黃綠光)處為最敏感，往兩邊呈衰減；所述第二主波長λ2相對於X1距離555nm較近時，需要加以增強的受激發光波長入，對主波長的「拉動」效果明顯，也就是IXe-X2ISIX2-X1^反之當所述第二主波長入2距555nm較遠時，λΕ的「拉動，，就比較弱，也就是|λΕ-λ21<|λ2-λi|。具體以包括具有圖4中粗黑實線所示光轉換輸出光譜的一種紅色螢光粉的光源為例。該螢光粉的受激發光主波長X1SeUnm,可實現的光源出射光顏色調整方案是X1<λ2λ2>λΕ。因第一主波長λ工為547nm，只需按λ2比λE大25納米的經驗來選定λΕ。以20度光收集角度的光收集系統為例，圖6為對應選定的角度選擇濾光片透射特性選擇20度入射角對應的透射率曲線下降沿上透射率大致為50%處所對應的波長大致為需要加以增強的受激發光波長535nm；則圖7的光源出射光光譜圖(不使用角度選擇濾光片的光源出射光光譜如黑實線所示，使用圖6特性濾光片的光源出射光光譜如灰粗實線所示，使用普通角度選擇濾光片的光源出射光光譜如灰細實線所示)中，將對應如下表的測試數據tableseeoriginaldocumentpage7可見，使用現有濾光片，雖然出射光在亮度上稍好，然而其主波長為550nm，顏色向黃色偏移有所惡化。使用本發明方法，出射光亮度大大增強，同時有效地改善了出射光顏色，使色坐標大幅度接近NTSC顯示標準中的綠色色坐標標準(0.21，0.71)，所顯示的綠色視覺上比NTSC標準還要鮮豔；且出射光色彩純度也有一定程度的提高。試驗還表明，所述下降沿上透射率75%25%處所對應的波長之差不大於30nm，越小越好。本發明在改善出射光顏色的同時，為了儘可能提高出射光亮度，對本發明光源的結構還作進一步的改進，如圖1所示。在所述波長轉換層1與所述角度選擇濾光片2之間，或在所述波長轉換層1與所述反光面5之間設置一具有低折射率的介質膜3，且令該介質膜3的折射率n2低於所述波長轉換層1的折射率nl，來全反射來自所述波長轉換層1的大角度入射光線，而小角度出射光線41、42則可折射透過該介質膜3。所述大角度入射光線包括入射角大於arCSin(n2/nl)的激發光或受激發光。當為激發光時，則可再次提供被螢光粉吸收利用的機會，從而提高螢光轉換萃取效率；當為受激發光時，則因螢光粉的漫反射作用，可能使光線前進方向改變而以小角度出射光線(例如光線43)的形式折射透過所述介質膜3。上述實施例中，所述具有低折射率的介質膜3可以是空氣隙。所述空氣隙的折射率為1，若能設置使所述介質膜3的折射率越小於所述波長轉換層1折射率nl無疑亮度增強效果會越好例如所述介質膜採用低壓空氣，或所述波長轉換層1採用具有高折射率(例如大於1.5)的材料，如玻璃或陶瓷。以等於所述折射率nl的一半為例，所述激發光由波長轉換層1射往所述介質膜3時，不能被反射回來的僅約佔(n2/nl)2=25%，而另75%無疑可以再次被利用。所述介質膜3還可以是兩層或兩層以上由不同光學折射率材料構成的介質膜。甚至可以採用中間架空的結構來組合這些介質膜，例如令所述介質膜3為中空的光學薄片。所述介質膜3還可以是含有規則排布的光子晶體的光學薄膜，或是該光學薄膜與上述不同光學折射率材料介質的組合膜。所述具有低折射率的介質膜3的厚度越小越好，最好小于波長轉換層自身內切圓半徑的1/15。因為現有螢光粉種類繁多，特性不一。在選擇螢光粉時，需要綜合考慮如效率、激發光譜、發射光譜等多個因素後加以取捨。為了使本發明適用多種螢光粉，本發明方法還包括步驟選擇對預定波長具有選擇性吸收特性的玻璃或覆膜，將該玻璃或覆膜與所述角度選擇濾光片(2)疊加在一起來調整所述第二主波長λ2，以改善出射光顏色。以圖8所示採用另一種紅色螢光粉的實施例為例。若不使用本發明方法，該螢光粉出射光的色坐標為(0.574，0.425)，主波長為590nm。試驗使用本發明方法但不實施設置上述玻璃或覆膜的步驟，則光源的出射光光譜將如細實線所示，測得色坐標為(0.6253，0.3711)，主波長為599.4nm。該顏色明顯不能滿足顯示要求。為此，進一步選擇一具有如圖9所示透過率曲線的所述玻璃並以設置該玻璃緊貼所述角度選擇濾光片(2)為例，則光源的出射光光譜將如圖8中的粗實線所示，測得色坐標為(0.6713，0.3299)，主波長為611.5nm。從而在出射光亮度變化不大的情況下，極大改善了出射光顏色。針對帶紅色螢光粉的光源，本發明設置所述玻璃或覆膜的透過率曲線呈高通特性。若令該透過率曲線上升沿50%處對應的波長為L50，令在所述角度選擇濾光片(2)作用下的出射光光譜上升沿上20%峰值強度處的對應波長為D20，則當L50>D20時，調整後的第二主波長λ2將大於調整前的第二主波長，且該調整後的主波長也大於L50。採用多種紅色螢光粉進行的試驗證實了上述設置的成立。反之，針對其它顏色螢光粉時，對所述玻璃或覆膜的透過率曲線特性進行調整，來選擇性吸收預定波長的光，以調整所述第二主波長λ2也體現了本發明方法精神，從而將落入本發明保護範圍。在實際應用中，當選擇並使用所述玻璃時，可以用直接鍍在所述玻璃上的角度選擇濾光膜來替換所述角度選擇濾光片(2)。權利要求一種基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，用於光源，包括步驟引導激發光射往包括了光波長轉換材料的波長轉換層(1)來激發產生具有第一主波長λ1的受激發光；在所述波長轉換層(1)的一側設置角度選擇濾光片(2)來引導小於預定出射角度的受激發光以透射方式通過該角度選擇濾光片(2)，同時將大於該預定出射角度的受激發光反射回去；其特徵在於，還包括步驟在所述光波長轉換材料的光轉換輸出光譜中確定需要加以增強的受激發光波長λE；選擇所述角度選擇濾光片(2)，使具有與該需要加以增強的受激發光波長相對應的透射特性，來產生具有第二主波長λ2的出射光；其中所述第一主波長λ1、需要加以增強的受激發光波長λE及第二主波長λ2之間的關係為λ1＜λ2＜λE或λ1＞λ2＞λE。2.根據權利要求1所述基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，其特徵在於，所述角度選擇濾光片(2)具有的透射特性是預定入射角α下，不同波長受激發光的透射率曲線呈低通或帶通特性；在該透射率曲線下降沿上透射率大致為50%處所對應的波長為所述需要加以增強的受激發光波長。3.根據權利要求2所述基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，其特徵在於所述預定入射角α設置為所述光源的光收集系統收集角度。4.根據權利要求3所述基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，其特徵在於所述預定入射角α小於或等於45度。5.根據權利要求2所述基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，其特徵在於所述下降沿上透射率75%25%處所對應的波長之差小於30nm。6.根據權利要求1所述基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，其特徵在於當所述受激發光為紅光時，A1Cλ2λΕ。7.根據權利要求1所述基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，其特徵在於在所述波長轉換層(1)與所述角度選擇濾光片(2)之間設置一具有低折射率的介質膜(3)，且令該介質膜(3)的折射率低於所述波長轉換層(1)的折射率nl，來全反射來自所述波長轉換層(1)的大角度入射光線。8.根據權利要求1或7所述基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，其特徵在於在所述波長轉換層(1)的另一側設置與所述角度選擇濾光片(2)相對的反光面(5)，來反射射往該反光面的受激發光。9.根據權利要求8所述基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，其特徵在於在所述波長轉換層(1)與所述反光面(5)之間設置一具有低折射率的介質膜(3)，且令該介質膜(3)的折射率低於所述波長轉換層(1)的折射率nl，來全反射來自所述波長轉換層(1)的大角度入射光線。10.根據權利要求7或9所述基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，其特徵在於所述具有低折射率的介質膜(3)為空氣隙。11.根據權利要求10所述基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，其特徵在於所述空氣隙的厚度小于波長轉換層自身內切圓半徑的1/15。12.根據權利要求1所述基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，其特徵在於，還包括步驟選擇對預定波長具有選擇性吸收特性的玻璃或覆膜，將該玻璃或覆膜與所述角度選擇濾光片(2)疊加在一起來調整並改善所述第二主波長入2。13.根據權利要求12所述基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，其特徵在於所述角度選擇濾光片(2)用直接鍍在所述玻璃上的角度選擇濾光膜來代替。全文摘要一種基於光波長轉換改善出射光顏色的方法，用於光源，包括步驟引導激發光射往波長轉換層(1)來激發產生具有第一主波長λ1的受激發光；尤其是，先在光波長轉換材料的光轉換輸出光譜中確定需要加以增強的受激發光波長λE；選定具有與該λE相對應透射特性的角度選擇濾光片(2)，設置在該波長轉換層(1)的一側，來產生具有第二主波長λ2的出射光；令λ1＜λ2＜λE或λ1＞λ2＞λE，以增強λE處的光來「拉動」λ1使達到λ2。在該波長轉換層(1)的另一側設置反光面(5)來反射射往該反光面的受激發光；有助於大大提高出射光亮度。採用本發明方法，可大幅度改善發光顏色，同時光源結構具有簡便可行的優點。文檔編號F21V9/00GK101799583SQ20091010534公開日2010年8月11日申請日期2009年2月9日優先權日2009年2月9日發明者李屹,李文超,楊毅申請人:繹立銳光科技開發(深圳)有限公司