TWI442164B - 螢光激光板及其適用之光源系統 - Google Patents

Description

螢光激光板及其適用之光源系統

　　本案係關於一種螢光激光板，尤指一種使用廣角反射分光片以增加發光效率之螢光激光板及其適用之光源系統。

　　近年來，各式各樣的投影機(Projector)已被廣泛地應用於家庭、學校或者各種商務場合中，以用於將一影像訊號源所提供之影像訊號放大顯示於屏幕。為節省電力消耗以及縮小裝置體積，目前的投影機之光源系統(Illumination System)已使用固態發光元件，例如發光二極體或雷射元件，來取代傳統的高密度氣體放電燈(HID Lamp)。

　　投影機之光源系統需能發出紅光、綠光、藍光(R、G、B)等三原色光，然而固態發光元件之發光效率一般而言為藍光固態發光元件之發光效率最佳，紅光固態發光元件之發光效率次之，且兩者皆遠大於綠光固態發光元件之發光效率。由於綠光固態發光元件具有較差的發光效率，因此目前的作法大多採用藍光固態發光元件配合螢光激光板(Phosphor Plate)來激發出綠光，藉此取代綠光固態發光元件直接發出綠光的方式，以提升光源系統整體的發光效率。

　　然而，前述光源系統因其螢光激光板接收入射光線進行轉換時，仍會有部份入射光線被螢光激光板反射，造成能量的損耗，因而使其轉換輸出的發光效率大幅降低。為解決反射造成的能量損耗問題，反射式光學元件於是被應用於光源系統中，以藉由將上述反射之光線再行反射回螢光激光板進行激發並產生綠光，而減少能量的損耗。

　　第1A圖係顯示傳統的光源系統架構圖；以及第1B圖係顯示第1A圖所示螢光激光板之結構圖。傳統的光源系統1包括藍光發光二極體11、紅光發光二極體12、螢光激光板13及分光鏡(Dichroic Mirror)14。其中，分光鏡14係設置於藍光發光二極體11與螢光激光板13之間。藍光發光二極體11可發出藍光，並且該藍光可通過分光鏡14而導入一光路徑。紅光發光二極體12可發出紅光，並且該紅光可經由分光鏡14反射而導入該光路徑。螢光激光板13係設置於該光路徑上，且包含有螢光激光層131、玻璃132以及反射式光學元件133，其中螢光激光層131係設置於用以將藍光激發而轉換為綠光並進行輸出，反射式光學元件133係將受螢光激光層131反射之部份入射光線再行反射至螢光激光層131，並進行激發以產生綠光，藉此降低能量之損耗。

　　然而，該傳統的光源系統1雖具有降低能量損耗之優點，但因為反射式光學元件133係設置於玻璃132之入射面，而使得入射角度較大之入射光線，例如入射角大於42度之入射光線，在受到螢光激光層131之激發、反射，或者玻璃132內部反射時，易產生全內部反射，導致駐波效應的產生，而有漏光的問題，而導致發光效率大幅降低。

　　第1C圖係顯示第1B圖所示之螢光激光板於大角度入射光線時之漏光現象示意圖。如第1C圖所示，入射光線L1及L2穿透反射式光學元件133以及玻璃132之入射面而進入螢光激光板13時，入射光線L1係受到螢光激光層131反射以及玻璃132之內部反射，而反射至反射式光學元件133，反射式光學元件133再行將入射光線L1反射，然因其入射角度過大，且反射式光學元件133與螢光激光層131之距離較遠，而使得入射光線L1所行進之路徑長過長，而又受螢光激光層131反射以及玻璃132之內部反射至反射式光學元件133，無法有效反射回螢光激光層131進行激發，最終於不斷反射後由玻璃132之邊緣漏出，而導致漏光現象的產生。入射光線L2中之部份光線受螢光激光層131激發而產生綠光，由於螢光激光層131激發後產生之綠光係為全角度散射，故部份綠光係具有較大入射角且射向玻璃132以及反射式光學元件133，因其入射角度較大，基於前述原理，該部份綠光亦會由玻璃132之邊緣漏出，而導致漏光現象的產生，因而使發光效率無法有效提升。

　　本案之主要目的為提供一種使用廣角反射分光片以增加發光效率之螢光激光板及其適用之光源系統，俾解決習用螢光激光板反射入射光線而造成能量損耗，以及具有較大角度入射角的入射光線全內部反射而導致駐波效應，進而產生漏光現象，無法有效提升發光效率等缺點。

　　本案之另一目的為提供一種使用廣角反射分光片以增加發光效率之螢光激光板及其適用之光源系統，藉由將廣角反射分光片設置於玻璃之出射面，而將螢光激光層反射之入射光線再行反射回螢光激光層進行激發，且具有較大角度入射角的入射光線亦可有效反射回螢光激光層進行激發，藉此達到降低能量損耗，並有效提昇發光效率之功效。

　　為達上述目的，本案之一較佳實施態樣為提供一種螢光激光板，至少包括：玻璃，具有出射面，且架構於使第一波段光穿透；廣角反射分光片，設置於玻璃之出射面，且架構於使第一波段光中之第一光束及第二光束穿透；以及螢光激光層，鄰設於廣角反射分光片，用以將第一波段光之第一光束激發為第二波段光之第一光束並輸出，同時反射第一波段光之第二光束至廣角反射分光片。其中，廣角反射分光片係反射第一波段光之第二光束及螢光激光層輸出之第二波段光之部份第一光束，使第二波段光之部份第一光束穿透螢光激光層，且使第一波段光之第二光束受螢光激光層激發為第二波段之第二光束並輸出。

　　為達上述目的，本案之另一較佳實施態樣為提供一種光源系統，包括：一固態發光元件，其係架構於發出一第一波段光至一光路徑；以及一螢光激光板，設置於光路徑上。螢光激光板包括：玻璃，具有出射面，且架構於使第一波段光穿透；廣角反射分光片，設置於玻璃之出射面，且架構於使第一波段光中之第一光束及第二光束穿透；以及螢光激光層，鄰設於廣角反射分光片，用以將第一波段光之第一光束激發為第二波段光之第一光束並輸出，同時反射第一波段光之第二光束至廣角反射分光片。其中，廣角反射分光片係反射第一波段光之第二光束及螢光激光層輸出之第二波段光之部份第一光束，使第二波段光之部份第一光束穿透螢光激光層，且使第一波段光之第二光束受螢光激光層激發為第二波段之第二光束並輸出。

　　體現本案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。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，然其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

　　第2A圖係顯示本案較佳實施例之光源系統架構圖；第2B圖係顯示本案較佳實施例之螢光激光板結構圖；以及第2C圖及第2D圖係顯示第2B圖所示之入射光線受激發並輸出之示意圖。本案之螢光激光板23係適用於光源系統2，且光源系統2包括固態發光元件21、分光鏡22以及螢光激光板23。固態發光元件21係架構於發出第一波段光I(亦即入射光線)至一光路徑，且固態發光元件21可為發光二極體或雷射元件所構成，並以發光二極體為較佳。於此實施例中，固態發光元件21可為藍光發光二極體，但不以此為限。分光鏡22係設置於固態發光元件21以及螢光激光板23之間，且係架構於使第一波段光I穿透並且導入光路徑，進而射向螢光激光板23，以進行激發並輸出。螢光激光板23係設置於光路徑上，且至少包括玻璃231、廣角反射分光片232以及螢光激光層233，其中玻璃231具有出射面2311以及入射面2312，且架構於使第一波段光I穿透，第一波段光I係由入射面2312進入玻璃231，並經出射面2311而射出至廣角反射分光片232。廣角反射分光片232係設置於玻璃231之出射面2311，螢光激光層233係鄰設於廣角反射分光片232，且廣角反射分光片232具有濾光功能，得以選擇欲使穿透之光線顏色（或波長）。

　　於此實施例中，廣角反射分光片232係架構於使第一波段光I中之第一光束B1(亦即第一藍光)及第二光束B2(亦即第二藍光)穿透，而射向螢光激光層233進行激發。由於螢光激光層233之特性，其於接收第一波段光並激發為第二波段光之後，例如將藍光激發為綠光，所產生之激發光線係為全角度散射（如第2C圖所示），故於此實施例中，螢光激光層233係用以將第一藍光B1激發為第二波段光之第一光束G1(亦即第一綠光)並輸出而為全角度散射，部份之第一綠光G1係進行一背向散射而射向廣角反射分光片232，同時螢光激光層233反射第二藍光B2至廣角反射分光片232。廣角反射分光片232於螢光激光層233輸出之部份第一綠光G1以及螢光激光層233反射之第二藍光B2射至後，再行反射而將第二藍光B2及螢光激光層233輸出之部份第一綠光G1射至螢光激光層233，進而使部份第一綠光G1穿透螢光激光層233，且使第二藍光B2受螢光激光層233激發為第二波段光之第二光束G2(亦即第二綠光)並輸出（如第2D圖所示），藉由將廣角反射分光片232設置於玻璃之出射面2311，可將螢光激光層233反射之光線再行反射回螢光激光層233進行激發，且由於廣角反射分光片232係鄰設於螢光激光層233，故具有較大角度入射角的入射光線亦不會有反射行進之路徑長過長的問題，而可有效反射回螢光激光層233進行激發，藉此達到降低能量損耗，並有效提昇發光效率之功效。

　　第3A圖係顯示本案另一實施例之螢光激光板結構圖；以及第3B圖係顯示第3A圖所示之入射光線受激發並輸出之示意圖。如第3A圖及第3B圖所示，本案之螢光激光板亦可為將第一波段光I，例如藍光，激發為第二波段光，例如紅光，之螢光激光板24，且螢光激光板24至少包括玻璃241、廣角反射分光片242以及螢光激光層243，其中玻璃241具有出射面2411以及入射面2412，且架構於使第一波段光I穿透，第一波段光I係由入射面2412進入玻璃241，並經出射面2411而射出至廣角反射分光片242。廣角反射分光片242係設置於玻璃241之出射面2411，螢光激光層243係鄰設於廣角反射分光片242，且廣角反射分光片242具有濾光功能，得以選擇欲使穿透之光線顏色（或波長）。於此實施例中，廣角反射分光片242係架構於使第一波段光I中之第一B1(亦即第一藍光)及第二光束B2(亦即第二藍光)穿透，而射向螢光激光層243進行激發並輸出第二波段光。其作用方式皆與前述螢光激光板23之作用方式相同，其差異僅在於激發而產生第二波段光之第一光束R1(亦即第一紅光)以及第二光束R2(亦即第二紅光)，故於此不再贅述。本案之螢光激光板24及其適用之光源系統2藉由將廣角反射分光片242設置於玻璃之出射面2411，可將螢光激光層243反射之光線再行反射回螢光激光層243進行激發，且由於廣角反射分光片242係鄰設於螢光激光層243，故具有較大角度入射角的入射光線亦不會有反射行進之路徑長過長的問題，而可有效反射回螢光激光層243進行激發，藉此達到降低能量損耗，並有效提昇發光效率之功效。

　　請再參閱第2B圖以及第3A圖，於一些實施例中，本案之螢光激光板23、24，亦可於玻璃231、241之入射面2312、2412設置抗反射膜234、244(Anti-reflection filter，又稱增透膜)，其設置之方式可為例如鍍膜之方式形成於玻璃231、241之入射面2312、2412，但不以此為限，以提高第一波段光I之穿透率並降低玻璃231、241之表面反射率，而使本案之螢光激光板23、24及其適用之光源系統2有更佳之發光效率。

　　根據本案之構想，本案之螢光激光板23、24可包括方向聚集濾光片2321、2421(Angle-selective filter)，其係架構於提高廣角反射分光片232、242之光學穿透率，且其設置之方式可為例如但不限於使用電子槍蒸鍍及/或使用離子源輔助蒸鍍系統鍍製之方式，設置於廣角反射分光片232、242或對應於廣角反射分光片232、242而設置於螢光激光板之另一側（未圖示）。另外，第3C圖顯示第3A圖中之方向聚集濾光片的示意圖。方向聚集濾光片2421係由厚度為H之一高折射率層24211與厚度為L之一低折射率層24212所構成。實驗發現，方向聚集濾光片之構造符合濾光片設計公式aH(aHbL)¹² ，且其係數a與b的比值(a/b)為4、2、1、0.5或0.25時為較佳，並以比值0.25為最佳，但不以此為限，其可改變光源之發光特性，提供良好的抗反射效果、選擇發光方向以及限制發光角度，不僅可使小角度的光源輕易穿透，亦可使大角度的發光反射回光源再行利用，使光源之發光效率更佳，且發光更具有方向性。

　　第4A圖係顯示本案廣角反射分光片之入射光線波長-反射率對應圖。如第4A圖所示，本案之廣角反射分光片232、242（如第2B圖及第3A圖所示）對於波長約介於420奈米至480奈米間之光線之反射率大略為0%，而對於波長大於480奈米之光線之反射率大略為100%。換言之，本案之廣角反射分光片232、242係使波長介於420奈米至480奈米之光線完全穿透，且使波長大於480奈米之光線完全反射。故於此實施例中，本案之廣角反射分光片232、242係使藍光（波長約為460奈米）完全穿透，並使紅光（波長約為620奈米）以及綠光（波長約為530奈米）完全反射，進而使螢光激光層233、243有較佳之發光效率。

　　第4B圖係顯示本案螢光激光板輸出之綠光對於玻璃之入射角-反射率對應圖。如第4B圖所示，本案之螢光激光層233、243（如第2D圖及第3B圖所示）所產生之第一綠光G1以及第二綠光G2，於射至廣角反射分光片232、242時，廣角反射分光片232、242係將對於玻璃231、241具有入射角小於42度之第一綠光G1及第二綠光G2完全反射，且對於入射角大於等於42度之第一綠光G1及第二綠光G2亦有約50%以上之反射率，與傳統反射式光學元件相比，具有相對較高之反射率，藉此可提高發光效率。

　　第4C圖係顯示本案螢光激光板反射之藍光對於玻璃之入射角-反射率對應圖。如第4C圖所示，本案之螢光激光層233、243（如第2D圖及第3B圖所示）所反射之第二藍光B2，於射至廣角反射分光片232、242時，廣角反射分光片232、242係將對於玻璃231、241之入射角介於15至42度之第二藍光B2接近完全反射，且對於入射角大於等於42度之第二藍光B2亦有約為50%以上之反射率，得以將第二藍光B2再行反射至螢光激光層233、243進行激發並輸出，故相較於傳統反射式光學元件，具有相對較高之發光效率。

　　綜上所述，本案提供一種螢光激光板及其適用之光源系統，藉由將廣角反射分光片設置於玻璃之出射面，可將螢光激光層反射之光線再行反射回螢光激光層進行激發，且由於廣角反射分光片係鄰設於螢光激光層，故具有較大角度入射角的入射光線亦不會有反射行進之路徑長過長的問題，而可有效反射回螢光激光層進行激發，藉此達到降低能量損耗，並有效提昇發光效率之功效。

　　縱使本發明已由上述之實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1、2．．．光源系統

11．．．藍光發光二極體

12．．．紅光發光二極體

13．．．螢光激光板

131．．．螢光激光層

132．．．玻璃

133．．．反射式光學元件

14、22．．．分光鏡

21．．．固態發光元件

23、24．．．螢光激光板

231、241．．．玻璃

2311、2411．．．出射面

2312、2412．．．入射面

232、242．．．廣角反射分光片

2321、2421．．．方向聚集濾光片

233、243．．．螢光激光層

234、244．．．抗反射膜

24211．．．高折射率層

24212．．．低折射率層

B1．．．第一光束、第一藍光

B2．．．第二光束、第二藍光

G1．．．第一光束、第一綠光

G2．．．第二光束、第二綠光

I．．．第一波段光

L1、L2．．．入射光線

R1．．．第一光束、第一紅光

R2．．．第二光束、第二紅光

H、L．．．厚度

第1A圖係顯示傳統的光源系統架構圖。

第1B圖係顯示第1A圖所示螢光激光板之結構圖。

第1C圖係顯示第1B圖所示之螢光激光板於大角度入射光線時之漏光現象示意圖。

第2A圖係顯示本案較佳實施例之光源系統架構圖。

第2B圖係顯示本案較佳實施例之螢光激光板結構圖。

第2C圖及第2D圖係顯示第2B圖所示之入射光線受激發並輸出之示意圖。

第3A圖係顯示本案另一實施例之螢光激光板結構圖。

第3B圖係顯示第3A圖所示之入射光線受激發並輸出之示意圖。

第3C圖顯示第3A圖中之方向聚集濾光片的示意圖。

第4A圖係顯示本案廣角反射分光片之入射光線波長-反射率對應圖。

第4B圖係顯示本案螢光激光板輸出之綠光對於玻璃之入射角-反射率對應圖。

第4C圖係顯示本案螢光激光板反射之藍光對於玻璃之入射角-反射率對應圖。

23．．．螢光激光板

231．．．玻璃

2311．．．出射面

2312．．．入射面

232．．．廣角反射分光片

2321．．．方向聚集濾光片

233．．．螢光激光層

234．．．抗反射膜

I．．．第一波段光

Claims (15)

1. 一種螢光激光板，至少包括：
   　　一玻璃，具有一出射面，且架構於使一第一波段光穿透；
   　　一廣角反射分光片，設置於該玻璃之該出射面，且架構於使該第一波段光中之一第一光束及一第二光束穿透；以及
   　　一螢光激光層，鄰設於該廣角反射分光片，用以將該第一波段光之該第一光束激發為一第二波段光之一第一光束並輸出，同時反射該第一波段光之該第二光束至該廣角反射分光片；
   　　其中，該廣角反射分光片係反射該第一波段光之該第二光束及該螢光激光層輸出之該第二波段光之部份該第一光束，使該第二波段光之部份該第一光束穿透該螢光激光層，且使該第一波段光之該第二光束受該螢光激光層激發為該第二波段光之一第二光束並輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之螢光激光板，其中該第一波段光為藍光，且該第二波段光為綠光。
3. 如申請專利範圍第1項所述之螢光激光板，其中該第一波段光為藍光，且該第二波段光為紅光。
4. 如申請專利範圍第1項所述之螢光激光板，更包括一抗反射膜，設置於該玻璃之一入射面，用以降低該玻璃之表面反射率並提高該第一波段光之穿透率。
5. 如申請專利範圍第1項所述之螢光激光板，更包括一方向聚集濾光片，以架構於提高該廣角反射分光片之光學穿透率。
6. 如申請專利範圍第5項所述之螢光激光板，其中該方向聚集濾光片係使用電子槍蒸鍍或使用離子源輔助蒸鍍系統鍍製之方式設置於該廣角反射分光片。
7. 如申請專利範圍第6項所述之螢光激光板，其中該方向聚集濾光片係由厚度為H之一高折射率層與厚度為L之一低折射率層所構成，其中該方向聚集濾光片符合濾光片設計公式aH(aHbL)¹² ，且係數a與係數b的比值係為4、2、1、0.5或0.25。
8. 一種光源系統，包括：
   　一固態發光元件，其係架構於發出一第一波段光至一光路徑；以及
   　一螢光激光板，設置於該光路徑上，且包括：
   　　一玻璃，具有一出射面，且架構於使該第一波段光穿透；
   　　一廣角反射分光片，設置於該玻璃之該出射面，且架構於使該第一波段光中之一第一光束及一第二光束穿透；以及
   　　一螢光激光層，鄰設於該廣角反射分光片，用以將該第一波段光之該第一光束激發為一第二波段光之一第一光束並輸出，同時反射該第一波段光之該第二光束至該廣角反射分光片；
   　其中，該廣角反射分光片係反射該第一波段光之該第二光束及該螢光激光層輸出之該第二波段光之部份該第一光束，使該第二波段光之部份該第一光束穿透該螢光激光層，且使該第一波段光之該第二光束受該螢光激光層激發為該第二波段光之一第二光束並輸出。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光源系統，其中該固態發光元件係為一發光二極體或雷射元件。
10. 如申請專利範圍第8項所述之光源系統，其中該第一波段光為藍光，且該第二波段光為綠光。
11. 如申請專利範圍第8項所述之光源系統，其中該第一波段光為藍光，且該第二波段光為紅光。
12. 如申請專利範圍第8項所述之光源系統，其中該螢光激光板更包括一抗反射膜，設置於該玻璃之一入射面，用以降低該玻璃之表面反射率並提高該第一波段光之穿透率。
13. 如申請專利範圍第8項所述之光源系統，更包括一方向聚集濾光片，以架構於提高該廣角反射分光片之光學穿透率。
14. 如申請專利範圍第13項所述之光源系統，其中該方向聚集濾光片係使用電子槍蒸鍍或使用離子源輔助蒸鍍系統鍍製之方式設置於該廣角反射分光片。
15. 如申請專利範圍第14項所述之光源系統，其中該方向聚集濾光片係由厚度為H之一高折射率層與厚度為L之一低折射率層所構成，其中該方向聚集濾光片符合濾光片設計公式aH(aHbL)¹² ，且係數a與係數b的比值係為4、2、1、0.5或0.25。