CN104101975B - 荧光剂装置及其所适用的光源系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种荧光剂装置及其所适用的光源系统，该荧光剂装置适用发出第一波段光的光源系统，包括第一区段及n个单粉荧光剂。第一区段包括n个次区段，n≧2；n个单粉荧光剂涂布于n个次区段，以分别转换第一波段光为n个波段光。n个次区段具特定面积比例，第一波段光根据特定面积比例以特定时间比例循环转换为第二波段光、第三波段光、…第n+1波段光，以特定时间比例分时出射的n个波段光整合为特定色光，通过每一区段包括两个以上次区段的设计，可有效避免混粉所造成的级联效应并提高转换的出光效率及光色多样性，同时达到提高出射色光的色彩饱和度及亮度等功效。

Description

荧光剂装置及其所适用的光源系统

技术领域

本发明涉及一种荧光剂装置，尤指一种通过多个色带区域组合以达到提高出光效率及光色多样性的荧光剂装置及其所适用的光源系统。

背景技术

近年来，各式各样的投影设备，例如投影机(Projector)已被广泛地应用于家庭、学校或者各种商务场合中，以用于将一影像信号源所提供的影像信号放大显示于屏幕。为节省电力消耗以及缩小装置体积，目前的投影设备的光源系统(Illumination System)已使用固态发光元件，例如发光二极管或激光元件，来取代现有的高密度气体放电灯(HIDLamp)或高压汞灯。

投影设备的光源系统需能发出红光、绿光、蓝光(R、G、B)等三原色光，然而固态发光元件的发光效率一般而言为蓝光固态发光元件的发光效率最佳，因此目前的作法大多采用蓝光固态发光元件配合波长转换装置，以将蓝光的波长进行转换，例如配合荧光剂色轮(Phosphor Wheel)或荧光剂色板(Phosphor Plate)来激发出各种颜色的光，藉此取代红光固态发光元件或绿光固态发光元件直接发出红光或绿光的方式，以提升光源系统整体的发光效率。

一般而言，现有的投影设备的光源系统大致可分为二种类型，其一是采用多个蓝光固态发光元件配合多个单一区段的荧光剂色轮，其二是采用单一蓝光固态发光元件配合具有多个区段的单一荧光剂色轮。请参阅图1A及图1B，其分别为具有单一区段的现有荧光剂色轮的结构示意图以及具有多个区段的现有荧光剂色轮的结构示意图。如图1A所示，具有单一区段的现有荧光剂色轮10于单一区段101，通常对应的圆心角角度为360度，即整圈的荧光剂色轮10，皆涂布单一种类的荧光剂，且该荧光剂由一种以上的荧光粉单独（即单粉荧光剂）或混合（即混粉荧光剂）而成。其次，如图1B显示的具有多个区段的现有荧光剂色轮11，较常见的是以具有三个或四个区段为主，例如第一区段111、第二区段112、第三区段113及第四区段114，并分别于第一区段111、第二区段112、第三区段113及第四区段114上分别涂布红色荧光剂、绿色荧光剂、蓝色荧光剂及黄色荧光剂等，且各色荧光剂亦为一种以上的荧光粉单独或混合而成。

为使荧光剂色轮出光的多样化，往往应用两种以上的荧光粉混合而制成混粉荧光剂，以调整出光特征，例如：添加红色荧光粉使色较偏暖色，或添加主波长为555纳米(Nanometer,nm)的高亮度荧光粉以提高出光流明值等。然而，因各种类的荧光粉由制造商自行制造，其成份难以明确得知，使得混合调制荧光剂的难度相对较高，且其主要构成材料不同，常常引发级联效应(Cascade effect)，亦即低能阶荧光粉（长波长荧光材料）会吸收邻近高能阶荧光粉，进而导致整体出光效率降低。举例而言，业界常见的黄色荧光粉及红色荧光粉混合制成的荧光剂，由于黄光部分于波长510纳米至580纳米的范围部分受红色荧光粉吸收，而使总出光频谱面积（即出光能量）低于黄色荧光粉及红色荧光粉混合的频谱面积理论值约14%。因此，通过现有技术手段进行荧光粉的混合，皆会因级联效应导致出光效率无法达到预期的理论数值，不仅有发光效率不佳的问题，更会造成色彩饱和度不足或色偏现象，进而使得光源系统的色彩表现无法符合工业上制定的标准色域，如高画质电视(HighDefinition Television,HDTV)的Rec.709标准色域，即国际电信联盟无线通信部门BT.709建议（ITU-R Recommendation BT.709，或称Rec.709）。

因此，如何发展一种可改善上述现有技术缺陷，避免级联效应、提升并兼顾色彩饱和度及亮度且减低制造难度的荧光剂装置及其所适用的光源系统，实为目前尚待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种荧光剂装置及其所适用的光源系统，以解决现有荧光剂装置因荧光粉混合的制造难度较高，以及级联效应导致出光效率不佳、色彩饱和度不足以及色偏现象等缺点。

本发明的另一目的为提供一种荧光剂装置及其所适用的光源系统，通过每一区段包括两个以上次区段的设计，可有效避免级联效应并提高转换的出光效率及光色多样性，同时达到提高出射色光的色彩饱和度及亮度等功效。

本发明的另一目的为提供一种荧光剂装置及其所适用的光源系统，通过将两种以上的单粉荧光剂分别涂布于不同的次区段，可忽略荧光粉混合因素并简化制程，进而达到降低制造难度及制造成本等功效。

为达上述目的，本发明的一较广实施形式为提供一种荧光剂装置，适用于发出一第一波段光的一光源系统，该荧光剂装置至少包括：一第一区段，包括n个次区段，其中n≧2；以及n个单粉荧光剂，分别涂布于该n个次区段，以分别转换该第一波段光为n个波段光，其中该n个波段光包括第二波段光、第三波段光、…以及第n+1波段光；其中，该n个次区段具有一特定面积比例，该第一波段光根据该特定面积比例以一特定时间比例循环转换为该第二波段光、该第三波段光、…以及该第n+1波段光，以该特定时间比例分时出射的该n个波段光整合为一特定色光。

为达上述目的，本发明的另一较广实施形式为提供一种光源系统，至少包括：一固态发光元件，构造为发出一第一波段光至一光路径；一荧光剂装置，设置于该光路径上，至少包括：一第一区段，包括n个次区段，其中n≧2；以及n个单粉荧光剂，分别涂布于该n个次区段，以分别转换该第一波段光为n个波段光，其中该n个波段光包括第二波段光、第三波段光、…以及第n+1波段光；其中，该n个次区段具有一特定面积比例，该第一波段光根据该特定面积比例以一特定时间比例循环转换为该第二波段光、该第三波段光、…以及该第n+1波段光，以该特定时间比例分时出射的该n个波段光整合为一特定色光。

附图说明

图1A为具有单一区段的现有荧光剂色轮的结构示意图。

图1B为具有多个区段的现有荧光剂色轮的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的光源系统架构图。

图3A为本发明较佳实施例的荧光剂装置结构示意图。

图3B为本发明另一较佳实施例的荧光剂装置结构示意图。

图4为本发明另一实施例的荧光剂装置结构示意图。

图5为本发明另一较佳实施例的荧光剂装置结构示意图。

图6A为通过本发明荧光剂装置转换出射的特定色光及现有混粉方式产生的色光的强度-波长对应图。

图6B为通过本发明荧光剂装置转换出射的特定色光及现有混粉方式产生的色光的亮度-波长对应图。

其中，附图标记说明如下：

10：现有荧光剂色轮

101：区段

11：现有荧光剂色轮

111：第一区段

112：第二区段

113：第三区段

114：第四区段

2：光源系统

21：固态发光元件

22：荧光剂装置

220：第一区段

2201：第一次区段

2202：第二次区段

221：第一单粉荧光剂

222：第二单粉荧光剂

223：第二区段

2231：第三次区段

2232：第四次区段

224：第三单粉荧光剂

225：第四单粉荧光剂

226：第三区段

227：透光材料

L1：第一波段光

L2：第二波段光

L3：第三波段光

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形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当作说明之用，而非构造为限制本发明。

请参阅图2、图3A及图3B，其中图2为本发明较佳实施例的光源系统架构图，图3A为本发明较佳实施例的荧光剂装置结构示意图，以及图3B为本发明另一较佳实施例的荧光剂装置结构示意图。如图2、图3A及图3B所示，本发明的光源系统2应用于投影机，例如激光投影机、三维影像投影机或实物投影机等，且至少包括固态发光元件21及荧光剂装置22。固态发光元件21可为例如但不限于激光元件或二极管，并以蓝光激光元件或蓝光二极管为较佳，构造为发出第一波段光L1至光路径。荧光剂装置22设置于该光路径上，且包括第一区段220及n个单粉荧光剂，其中第一区段220包括n个次区段，n为正整数且n≧2，且n个单粉荧光剂分别涂布于n个次区段，以分别转换第一波段光L1为波长不同的n个波段光，其中n个波段光包括第二波段光、第三波段光、…以及第n+1波段光。于此实施例中，当n=2时，n个单粉荧光剂为第一单粉荧光剂221及第二单粉荧光剂222，且第一区段220的n个次区段为第一次区段2201及第二次区段2202，第一单粉荧光剂221涂布于第一次区段2201，以转换第一波段光L1为第二波段光L2，以及第二单粉荧光剂222涂布于第二次区段2202，以转换第一波段光L1为第三波段光L3。其中，n个次区段具有特定面积比例，第一波段光L1根据该特定面积比例配合荧光剂装置22的定速转动而以特定时间比例循环转换为第二波段光L2、第三波段光L3、…以及第n+1波段光，俾以该特定时间比例分时(Sequentially)出射的n个波段光整合为一特定色光。

由于本实施例以n=2为例，故第一波段光L1根据特定时间比例循环转换为第二波段光L2及第三波段光L3，并以该特定时间比例分时出射的第二波段光L2及第三波段光L3整合为特定色光，例如红光、黄光或红黄光，但不以此为限。通过将两种以上的单粉荧光剂分别涂布于不同的次区段，可忽略荧光粉混合因素并简化制程，进而达到降低制造难度及制造成本等功效。

于一些实施例中，本发明荧光剂装置22的第一区段220的第一次区段2201及第二次区段2202的特定面积比例可依需求调整、设计，并以特定面积比例为1比5为较佳，如图3A，亦即当荧光剂装置22为圆形的荧光剂色轮时，第一次区段2201所对应的圆心角为60度，且第二次区段2202所对应的圆心角为300度。当然，第一次区段2201及第二次区段2202的特定面积比例亦可为1比1，如图3B，亦即所对应的圆心角各为180度角，或依光机设计调整为其它几何形状或其它配比的面积或角度，然而皆不以此为限。

请再参阅图3A，由于本发明的荧光剂装置22的第一区段220系包括至少两个次区段并涂布两种以上的单粉荧光剂，以取代现有荧光剂装置于单一区段上涂布混粉荧光剂。举例而言，本发明的荧光剂装置22若欲激发产生红黄光，可将红黄光激发区段设计为本发明的第一区段220，并以第一次区段2201涂布的第一单粉荧光剂221为重量百分比浓度50wt%的红色单粉荧光剂，且第二次区段2202涂布的第二荧光剂222为重量百分比浓度50wt%的黄色单粉荧光剂，再行对特定面积比例进行设计、配比。为增加出光流明，第一次区段2201及第二次区段2202的特定面积比例是以面积比1比5为较佳，亦即涂布的红色单粉荧光剂及黄色单粉荧光剂的重量百分比比例为1比5，且配合荧光剂装置22的定速转动的特定时间比例亦为1比5，藉此产生的红光亮度可达176.37流明/瓦(lm/W)。相较于现有荧光剂装置的红黄光激发区段所产生的红光亮度仅为140.57流明/瓦(lm/W)，提升幅度高达25%。简言之，现有荧光剂装置以总和50wt%的混粉荧光剂涂布于单一区段上，且该混粉荧光剂以41.67wt%的黄色单粉荧光剂及8.33wt%的红色单粉荧光剂混合而成，由于红色单粉荧光剂的重量百分比浓度仅有8.33wt%且黄色单粉荧光剂的重量百分比浓度仅有41.67wt%，故现有荧光剂装置的发光效率自然远不及本发明的荧光剂装置22。此外，由于本发明的荧光剂装置22并未通过混合荧光粉的方式涂布于单一区段，而是通过每一区段包括两个以上次区段的设计分别涂布第一单粉荧光剂及第二单粉荧光剂，可有效避免级联效应并提高转换的出光效率及光色多样性，同时达到提高出射色光的色彩饱和度及亮度等功效。

请参阅图4，其为本发明另一实施例的荧光剂装置结构示意图。如图4所示，本发明的荧光剂装置22可进一步包括第二区段223、第三单粉荧光剂224及第四单粉荧光剂225。其中，第二区段223包括第三次区段2231及第四次区段2232，第三单粉荧光剂224涂布于第三次区段2231，以转换第一波段光L1为第四波段光，且第四单粉荧光剂225涂布于第四次区段2232，以转换第一波段光L1为第五波段光，但不以此为限，由于第一波段光L1转换为第四波段光及第一波段光L1转换为第五波段光的概念与图2所示的第一波段光L1转换为第二波段光L2及第一波段光L1转换为第三波段光L3的概念相同，故于此省略绘出。此外，荧光剂装置22可再进一步包括第三区段226，以应用于与第一区段220及第二区段223分时出射各种色光，例如欲发出三原色光时，第三区段226可包括透光材料227（如玻璃或压克力等），以使蓝光直接穿透，并通过第一区段220及第二区段223分别激发并出射红光及绿光，但亦不以此为限。

根据本发明的构思，当本发明的荧光剂装置22应用于分时出射三原色光时，第一区段220、第二区段223及第三区段226的面积比例可为1比1比1，亦即于圆形的荧光剂色轮上对应的圆心角皆为120度；第一区段220的第一次区段2201与第二次区段2202的特定面积比例可为1比5，亦即于圆形的荧光剂色轮上对应的圆心角分别为20度及100度，且第二区段223的第三次区段2231与第四次区段2232的面积比例可为1比1，亦即于圆形的荧光剂色轮上对应的圆心角皆为60度，以通过第一区段220、第二区段223及第三区段226分别出射红光、绿光及蓝光等三原色光。当然，其它面积比例或对应的圆心角角度可依需求配置、设计，其皆属本发明的教示范围。

请参阅图5，其为本发明另一较佳实施例的荧光剂装置结构示意图。如图5所示，本发明荧光剂装置22的第一区段220的第一次区段2201及第二次区段2202皆可随意分割而配置，并与前述实施例同以第一次区段2201及第二次区段2202的特定面积比例为1比5为较佳，然第一次区段2201及第二次区段2202实不限于连续的区段，亦即第一次区段2201及第二次区段2202皆可切割为不等的多个部分区段，亦即第一次区段2201及第二次区段2202可由不等的多个部分区段构成，其仅需具有相同的总和特定面积比例，即可达到相同的出光效果。举例而言，第一次区段2201可切割为对应圆形的荧光剂色轮的圆心角各为30度的三个部分，且第二次区段2202可切割为对应圆形的荧光剂色轮的圆心角分别为75度、75度及150度的三个部分，而仍可达成相同的出光效果，其作用原理与前述实施例相同，于此不再赘述。

请参阅图6A及图6B，其中图6A为通过本发明荧光剂装置转换出射的特定色光及现有混粉方式产生的色光的强度-波长对应图，以及图6B为通过本发明荧光剂装置转换出射的特定色光及现有混粉方式产生的色光的亮度-波长对应图。如图6A及图6B所示，现有混粉方式所得出的色光于8瓦特(W)蓝光激光激发下的出光特性为140.57流明/瓦(lm/W)且色坐标为(0.474,0.497)；另一方面，以本发明的荧光剂装置转换出射的特定色光同样于8瓦特(W)蓝光激光激发下的出光特性为176.37流明/瓦(lm/W)，不仅大幅提升整体出光亮度达25%，且与黄色单粉荧光剂及红色单粉荧光剂直接加总的理论值177.4流明/瓦(lm/W)相符（如表1所示），可见本发明确实可避免荧光剂间的级联效应产生，不仅使得整体出光效率提高，亦使红光出光频谱显着增加，进而可达到提高色域多样性变化的功效。

表1

	流明/瓦(lm/W)	色坐标(x,y)
			现有混粉	140.57	(0.474,0.497)
本发明的实验值	176.37	(0.412,0.546)
			本发明的理论值	177.40	(0.408,0.547)
黄色单粉荧光剂	198.97	(0.386,0.565)
			红色单粉荧光剂	69.52	(0.615,0.379)

综上所述，本发明提供一种荧光剂装置及其所适用的光源系统，通过每一区段包括两个以上次区段的设计，可有效避免级联效应并提高转换的出光效率及光色多样性，同时达到提高出射色光的色彩饱和度及亮度等功效。此外，通过将两种以上的荧光剂分别涂布于不同的次区段，可忽略荧光粉混合因素并简化制程，进而降低制造难度及制造成本。

纵使本发明已由上述的实施例详细叙述而可由熟悉本技艺的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

Claims (8)

1.一种荧光剂装置，适用于发出一第一波段光的一光源系统，该荧光剂装置至少包括：

一第一区段，包括2个次区段；以及

2个单粉荧光剂，分别涂布于该2个次区段，以分别转换该第一波段光为2个波段光，其中该2个波段光包括第二波段光和第三波段光；

其中，该2个次区段具有一特定面积比例，该第一波段光根据该特定面积比例以一特定时间比例循环转换为该第二波段光和该第三波段光，以该特定时间比例分时出射的该2个波段光整合为一特定色光；

其中该2个次区段为一第一次区段及一第二次区段，且该2个单粉荧光剂为一第一单粉荧光剂及一第二单粉荧光剂，该第一单粉荧光剂涂布于该第一次区段，以转换该第一波段光为一第二波段光，且该第二单粉荧光剂涂布于该第二次区段，以转换该第一波段光为一第三波段光，其中该第一波段光根据该特定时间比例循环转换为该第二波段光及该第三波段光，以该特定时间比例分时出射的该第二波段光及该第三波段光整合为该特定色光，该特定色光为红光、黄光或红黄光；

其中该第一波段光为蓝光，该第二波段光为红光，且该第三波段光为黄光。

2.如权利要求1所述的荧光剂装置，其中该第一波段光由激光光源所提供。

3.如权利要求1所述的荧光剂装置，其中该第一次区段及该第二次区段的该特定面积比例为1比5。

4.如权利要求1所述的荧光剂装置，其中该2个次区段分别为单一区块。

5.如权利要求1所述的荧光剂装置，其中至少该2个次区段的其中之一为不连续的区块。

6.如权利要求1所述的荧光剂装置，其中该荧光剂装置还包括一透光区段，以使该第一波段光直接穿透。

7.如权利要求1所述的荧光剂装置，其中该荧光剂装置还包括一第二区段，该第二区段包括m个次区段，其中m≧2；以及m个单粉荧光剂，分别涂布于该m个次区段，以分别转换该第一波段光为m个波段光。

8.一种光源系统，至少包括：

一固态发光元件，构造为发出一第一波段光至一光路径；

一荧光剂装置，设置于该光路径上，至少包括：

一第一区段，包括2个次区段；以及

2个单粉荧光剂，分别涂布于该2个次区段，以分别转换该第一波段光为2个波段光，其中该2个波段光包括第二波段光和第三波段光；

其中，该2个次区段具有一特定面积比例，该第一波段光根据该特定面积比例以一特定时间比例循环转换为该第二波段光和该第三波段光，以该特定时间比例分时出射的该2个波段光整合为一特定色光；

其中该2个次区段为一第一次区段及一第二次区段，且该2个单粉荧光剂为一第一单粉荧光剂及一第二单粉荧光剂，该第一单粉荧光剂涂布于该第一次区段，以转换该第一波段光为一第二波段光，且该第二单粉荧光剂涂布于该第二次区段，以转换该第一波段光为一第三波段光，其中该第一波段光根据该特定时间比例循环转换为该第二波段光及该第三波段光，以该特定时间比例分时出射的该第二波段光及该第三波段光整合为该特定色光，该特定色光为红光、黄光或红黄光；

其中该第一波段光为蓝光，该第二波段光为红光，且该第三波段光为黄光。