光學輪的制作方法
【專利摘要】一種磷光體輪，包括波長轉換部分。該波長轉換部分包括與至少一個凸表面光學上形成一體的波長轉換材料。
【專利說明】光學輪
【技術領域】
[0001]本發明涉及具有波長轉換元件(例如磷光體)的磷光體輪。本發明還涉及制造這種類型的磷光體輪的方法。
【背景技術】
[0002]投影系統可使用色輪來從光源產生不同顏色的光。該光源通常提供白光。色輪可包括帶有具有不同顏色的多個表面部分的環形基體。當色輪在有光入射到其上的情況下被旋轉時，它的輸出端提供具有各種不同顏色的光。
[0003]磷光體輪是類似的裝置，其中環形基體的表面的一些部分或所有部分涂覆有波長轉換材料，例如磷光體。磷光體通常與膠水或其它透明材料混合以被涂覆到基體表面上。在不同的部分中可使用不同的磷光體以提供不止一種的射出顏色輸出。
[0004]波長轉換材料，例如磷光體，接收并吸收第一波長的激勵光并射出第二、不同的波長的光。它們可用于產生特定波長的光，其中限制了直接提供該波長的光源的光功率輸出。
[0005]改進磷光體輪的效率是一個挑戰，尤其是對于投影系統中的使用。投影系統通常期望是緊湊的并還可具有熱要求。
[0006]US - 7547114描述了一種磷光體輪，其中二色性元件被設置在激勵光和波長轉換材料之間。二色性元件傳輸激勵光并反射由波長轉換材料射出的光，從而改進了所接收的光被轉換的比例。這導致了效率的改進。
[0007]US-7651243也涉及磷光體輪并示出了再循環元件，其傳送一定角度范圍內的由磷光體射出的光，但反射在該角度范圍外的所射出的光。這使所射出的光聚焦，從而也提高了效率。
[0008]這些效率改進是累增的。期望解決波轉換材料中的其它問題以進一步改進它們的效率。
【發明內容】
[0009]在上述【背景技術】的前提下，本發明提供了一種磷光體輪，其包括波長轉換部分，該波長轉換部分包括與至少一個凸表面光學上形成一體的波長轉換材料。
[0010]波長轉換材料與至少一個凸表面光學上形成一體，使得光穿過所述至少一個凸表面進入波長轉換材料并從波長轉換材料出來。換句話說，可以認為在波長轉換材料和凸表面之間有直接的光路徑，只有小部分光在界面處被折射或反射。在和波長轉換材料同一層中或在相鄰層(這兩層之間有基本上直接的光傳播)中可形成一個或多個凸表面。
[0011]通過使波長轉換材料形成有光通過其進入該材料并從該材料出來的凸表面，可獲得數個優點。首先，激勵光被聚焦在波長轉換材料上，由此在該光中耦合。凸表面是部分地或完全地光學透明的，這可有助于此。這種光耦合可避免對額外的聚光器或準直后的聚焦透鏡的需要，這具有高要求，例如短焦距。上述部件可能是昂貴的。而且，這種改進使得色輪或磷光體輪與其前面的光學部件之間的距離不那么關鍵。在現有的、早期的方法中，聚焦距離需要很短并對確保準確的光聚焦非常敏感。
[0012]而且，凸表面的第二個益處是減少了全內反射(TIR)。已經驚喜地發現，當波長轉換材料(例如磷光體涂層)具有平坦表面時，相當大部分的射出光由于TIR而被該材料和空氣(或其它環境)之間的界面反射。這導致了損失光和效率降低。通過改變連接波長轉換材料和空氣(或其它環境)的表面的形狀，TIR的效應被緩和。因此，所述至少一個凸表面被有利地成形以緩和或避免入射在該凸表面上的光的全內反射，尤其是從波長轉換材料射出的光。
[0013]在一些實施例中，凸表面可意味著沿著波長轉換材料的面積的至少25%、50%、75%、85%、90%、95%或基本上100%具有曲率的表面，使得該表面本質上是凸面的。附加地或替換地，凸表面的在任一點處的梯度可以是不大于15、10、9、8、7、6或5。通過梯度，這可被理解為在該表面的垂直于波長轉換材料的平面的橫截面平面中，連續的表面跨度與表面高度的比。
[0014]優選地，波長轉換部分包括具有波長轉換材料的第一部分和在其中形成至少一個凸表面的第二部分。任選地，第二部分不包括波長轉換材料。在優選的實施例中，第一部分是第一材料層而第二部分包括粘著到該第一層的第二材料層。這通常暗示第二材料層被定位成緊鄰第一層，中間沒有其它的有光學意義的材料。替換地，第一部分和第二部分可一體地形成。因此，所述至少一個凸表面和波長轉換材料可使用一個層形成。不過，該層可由多于一種的材料形成。
[0015]有益地，第二部分具有和第一部分基本上相同的折射指數或第一部分的折射指數的至少80%。在這個意義上，相同的折射指數指的是兩層之間的折射指數的差結合凸表面的形狀不足以在該凸表面的基本上整個寬度(或者寬度的至少80%、85%、90%、95%或99%)上引起從該第一層的平坦表面射出的光的TIR。任選地，第二材料層可具有更高的折射指數。從Snell定律和Fresnel方程可知,波長轉換材料和第二材料層的折射指數可與發生TIR的程度相關。通過使用具有與波長轉換材料大致相同或更高的折射指數的第二材料層，可以避免在第一和第二層之間的界面處的TIR。在次優選的實施例中，第二材料層的部分或全部可具有比波長轉換材料的折射指數更小的折射指數。在這些情況的任何一個中，第二材料層的折射指數和波長轉換材料的折射指數之間的比(或者該比的倒數)可為至少 70%、75%、80%、85%、90%、95% 或 99%。
[0016]任選地，第一層可形成為涂層。附加地或替換地，第二層可形成為涂層。
[0017]在優選實施例中，第二部分是光學透明的。這允許在該光學部件處接收的所有光到達波長轉換材料并且由波長轉換材料射出的所有光穿過第二材料層。替換地，第二材料層可以是對僅僅一個或多個有限范圍的波長是光學透明的，從而作為濾色器。
[0018]優選地，波長轉換材料包括載體材料內的多個波長轉換元件。更優選地，所述至少一個凸表面由與載體材料相同的材料形成。有益地,波長轉換材料的折射指數由載體材料的折射指數決定。甚至更優選地，載體材料是膠水。波長轉換元件可任選地是磷光體粉末顆粒。換句話說，至少一個凸表面是使用與形成波長轉換材料的主要部分相同的材料形成的。這可進一步允許形成所述至少一個凸表面的材料具有與波長轉換材料大致相同的折射指數。
[0019]在許多實施例中，磷光體輪還包括基體。于是，所述至少一個凸表面可使用該基體上的涂層形成。該涂層可被構造為具有穹頂形狀。該穹頂形狀可以是球形帽(球的位于特定平面之上或之下的部分)。當涂層在基體上時，其無需與基體直接相鄰而波長轉換材料可形成基體和形成至少一個凸表面的涂層之間的額外層。
[0020]有利地，基體是環形的或圓柱形的。在這種實施例中，波長轉換部分可覆蓋基體外表面的至少一部分。例如，波長轉換材料可被形成為覆蓋環形基體的外表面的一部分的環。任選地，基體可以是透明的或反光的。當基體是反光的時，激勵光可有益地穿過與轉換后的光被射出所穿過的凸表面相同的凸表面而在波長轉換部分被接收。這可緩和對額外的光聚焦部件的需要并放寬對剛性輪軸線位置對準的要求。當基體是透明的時，激勵光可穿過第一表面在波長轉換部分被接收并且轉換后的光可穿過第二表面而從波長轉換材料射出。在一些情況下，第一表面可以是凸面的。在其它情況下，第二表面可以是凸面的。任選地，第一和第二表面都可以是凸面的。
[0021]在一些實施例中，波長轉換材料與多個凸表面是光學上形成一體的。所述多個凸表面可形成為具有多個凸穹頂形狀的環。這看起來與蒼蠅眼環形結構類似。
[0022]有利地，波長轉換材料是磷光材料，例如磷光體。可替換地使用其它類型的波長轉換材料。
[0023]在第二方面，提供了制造磷光體輪的方法，包括:提供波長轉換部分，波長轉換部分包括波長轉換材料；和形成與波長轉換材料光學上形成一體的至少一個凸表面。形成關于這里所描述的光學部件的任何特征的工藝步驟可任選地與該方法結合實施。現在詳述這些任選的工藝步驟中的一些。
[0024]優選地，波長轉換部分包括具有波長轉換材料的第一部分，其中形成至少一個凸表面的步驟包括形成波長轉換部分的第二部分，在該第二部分中形成所述至少一個凸表面。
[0025]在優選實施例中，第一部分是第一材料層而形成至少一個凸表面的步驟可包括將包括第二材料層的第二部分粘著到第一層。替換地，第一部分和第二部分是一體形成的。
[0026]優選地，第二部分具有與第一部分大致相同的折射指數。有利地，第二部分是光學透明的。
[0027]在優選實施例中，波長轉換材料包括載體材料中的多個波長轉換元件。任選地，形成至少一個凸表面的步驟可包括由與載體材料相同的材料形成所述至少一個凸表面。在一些實施例中，載體材料是膠水。
[0028]在一些實施例中，提供波長轉換部分的步驟可包括在基體上形成波長轉換材料。然后，形成至少一個凸表面的步驟任選地包括在基體上形成涂層，所述涂層被構造為具有穹頂形狀。
[0029]有利地，基體可以是環形或圓柱形的且波長轉換部分設置為覆蓋基體的外表面的至少一部分。基體可以是透明的或反光的。當基體是反光的時，激勵光可穿過與由波長轉換材料所轉換的光被射出所穿過的凸表面相同的凸表面在波長轉換材料處被接收。
[0030]在一些實施例中，形成至少一個凸表面的步驟包括形成與波長轉換部分光學上形成一體的多個凸表面，所述多個凸表面形成為具有多個凸穹頂形狀的環。
[0031 ] 有益地，波長轉換材料是磷光材料。
[0032]在另一方面，本發明可包括色輪，該色輪包括著色部分，該著色部分包括與至少一個凸表面光學上形成一體的著色材料。換句話說，不是將本發明實施為磷光體輪，而是可采用色輪。本文上面所描述與磷光體相關的其它特征可附加地或替換性地與這種色輪一起使用。
[0033]還應當理解，本發明不限于明確公開的特征的具體組合，還包括獨立描述且本領域技術人員可一起實施的特征的任何組合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]本發明可以各種不同的方式被實踐，現在將參照附圖僅以舉例方式描述這些方式中的多個，其中:
圖1示出了現有的磷光體輪，示出了運行模式；
圖2說明了圖1中示出的實施例中使用的已知磷光體涂層；
圖3示出了根據本發明的第一實施例，說明了光從波長轉換材料的射出；
圖4描述了圖3的實施例，示出了光如何在波長轉換材料處被接收；和 圖5說明了本發明的第二實施例，示出了整個磷光體輪的輪廓。
【具體實施方式】
[0035]在圖1中，示出了現有的磷光體輪，其可例如用于光學投影儀。磷光體輪10包括:板15 ;和波長轉換材料20。
[0036]板15是環形的并可以是透明的或反光的。板15可稱為基體。其被附接到馬達(未示出)，從而使其如箭頭16所示地轉動。
[0037]波長轉換材料20設置在板15上。波長轉換材料20具有環形形狀，這是典型的。波長轉換材料20可由磷光體和膠水的混合物制成或者它可以是磷光體陶瓷。用于將藍光轉換成綠光的磷光體被通常使用。能以與磷光體類似的方式轉換所接收的光的波長的任何結構或材料都當然可替代地使用。
[0038]激勵光30傳播并照亮波長轉換材料(磷光體)20，其產生具有與激勵光的波長不同的波長的射出光。磷光體輪可反射轉換后的光(當該輪是鏡子時)或者傳輸該轉換后的光(當該輪是透明的時)。在前一種情況中，轉換后的光40在板15的與激勵光30被接收的同一側被射出。在后一種情況中，轉換后的光45在板15的相對于激勵光30被接收的側面相對的側面上被射出。
[0039]下面參照圖2，示出了用在圖1所示的實施例中的已知的磷光體涂層。磷光體涂層20使用混合有磷光體粉末22的膠水21形成。膠水21是透明的并且形成為一層，通常具有平坦的表面23。這種磷光體涂層20可稱作浸沒的光源。
[0040]在這個結構下，由磷光體顆粒22射出的光中的一些被傳輸穿過平坦的表面23。這用示例性的光線50示出。由磷光體顆粒22射出的光的其它部分由于全內反射(TIR)在膠水一空氣表面23處被反射，并在波長轉換材料20 (其為混合物，如上所注)中被再散射。在一些情況中，由于TIR被反射的光可以是磷光體粉末22所射出的總光中的相當大的一部分，導致效率降低。
[0041]接著參照圖3，示出了根據本發明的第一實施例。在顯示與圖2相同的特征時，采用了相同的附圖標記。第二層100在波長轉換材料20的平坦的表面23上形成為具有凸表面。第二層100使用與用于形成圖2中示出的波長轉換材料20相同類型的透明膠水21形成。
[0042]圖3還示出了光從波長轉換材料的射出。由波長轉換材料20射出的光通過第二層100耦合并且這由示例性的第一光線110和第二光線115示出。TIR的效應被緩和。
[0043]在波長轉換材料20和第二層100之間的界面處的折射(和TIR)被緩和，因為第二層100的折射指數與波長轉換材料20的折射指數大約相同，因為它們使用基本上相同的主要成分形成。在波長轉換材料20包括混合有膠水的磷光體元件(如上參照圖2所述)的情況下，波長轉換材料20的有效折射指數基本上就是膠水的折射指數。
[0044]兩種介質之間在接觸界面處的折射符合Fresnel方程,所以IifsinA1 = n2*sinA2,其中Ii1是光入射到界面上所穿過的材料的折射指數，A1是入射角(相對于法線)，n2是另一材料的折射指數并且A2是折射光的角度(相對于法線)。當這兩個材料的折射指數不同時，臨界角是這樣的入射角度:在該角度或該角度以上，將僅發生TIR。
[0045]第二層100的凸表面減少了 TIR效應，因為凸表面減少了在第二層100和環境(空氣)之間的界面處的入射角。對于大多數的部分，入射角可接近零度。但是，這不可能適用于第二層所被涂覆的整個面積上。例如，朝向第二層100的邊緣，入射角可能較高，因此仍會發生TIR。這通過示例性的光線120示出。
[0046]現在參照圖4，示出了圖3的實施例，示出了光如何在波長轉換材料被接收。該圖示出了激勵光130如何耦合入磷光體輪。可以看到，平行的激勵光130被折射成照到波長轉換材料20中的磷光體粉末21上的聚焦的光140。這避免了需要對激勵光130進行聚光并且可通過使用第二層100省略聚焦光學透鏡或類似的部件。因此這些部分和涂層的入射角要求也變到不那么麻煩。
[0047]這個凸表面可以是在板基體的徑向方向上具有凸形狀的單個凸表面環。替換地，也可以使用蒼蠅眼環結構。圖5示出了具有這種結構的本發明的第二實施例。蒼蠅眼環結構使用了多個穹頂(或球形帽)形狀的第二層，這些第二層與圖1和2中示出的波長轉換材料環20的對準。
[0048]雖然上面描述了本發明的實施例，但本領域技術人員能明了各種不同的變形或替換方式。
[0049]例如，第二層100可使用膠水或玻璃并通過包括分散或模制成型的工藝制造。可使用其它適合的方法來形成提供上述功能的凸表面形狀。
[0050]提供一個或多個凸表面的層的折射指數通常與波長轉換材料層的折射指數大約相等或更高。但是，本領域技術人員將理解提供一個或多個凸表面的層的折射指數可小于波長轉換材料層的折射指數。在任一情況下，兩層之間的折射指數比可以是至少0.8，但基于凸面層的形狀，該比可比這個低。
[0051]上面的實施例描述了兩層結構，凸表面由第二層形成。替換地，第一和第二層可組合形成一個層，該一個層由具有凸表面的單種材料形成。而且，應當理解，可使用上述板15的替換性基體。在其它實施例中，可以不使用基體，例如當磷光體輪由陶瓷磷光體形成時。在這種情況下，磷光體形成為具有凸表面，與本發明一致。
[0052]雖然圖1和2示出了具有環形基體的磷光體輪的示例，但是也可替換性地使用具有圓柱體(筒)形的基體。例如，US-7651243的圖3A中示出的結構也可被采用。雖然描述了混合有膠水的磷光體，但可使用不同的材料作為波長轉換材料，例如純磷光體或磷光體陶瓷。對于陶瓷，陶瓷材料的折射指數可以是晶體指數。為了使用陶瓷材料實施本發明，透明的環可用具有匹配折射指數的材料形成并且這可結合到陶瓷表面。替換地，可將膠水或其它透明的層或涂層直接涂覆到陶瓷表面以形成凸表面。
【權利要求】
1.一種磷光體輪，包括波長轉換部分，該波長轉換部分包括與至少一個凸表面光學上形成一體的波長轉換材料。
2.如權利要求1所述的磷光體輪，其中，所述波長轉換部分包括具有波長轉換材料的第一部分和其中形成所述至少一個凸表面的第二部分。
3.如權利要求2所述的磷光體輪，其中，第一部分是第一材料層并且其中第二部分包括粘著到第一層的第二材料層。
4.如權利要求2所述的磷光體輪，其中，第一部分和第二部分是一體形成的。
5.如權利要求2- 4中任一項所述的磷光體輪，其中，第二部分具有的折射指數為第一部分的折射指數的至少80%。
6.如權利要求2- 5中任一項所述的磷光體輪，其中，第二部分是光學透明的。
7.如前述任一項權利要求所述的磷光體輪，其中，波長轉換材料包括載體材料中的多個波長轉換元件。
8.如權利要求7所述的磷光體輪，其中，所述至少一個凸表面由與載體材料相同的材料形成。
9.如前述任一項權利要求所述的磷光體輪，還包括基體，并且其中，所述至少一個凸表面使用該基體上的涂層形成，所述涂層構造成具有穹頂形狀。
10.如權利要求9所述的磷光體輪，其中，所述基體是環形的或圓柱體形的，并且所述波長轉換部分覆蓋該基體的外表面的至少一部分。
11.如權利要求10所述的磷光體輪，其中，該基體是透明的或反光的。
12.如權利要求10所述的磷光`體輪，其中，該基體是反光的，使得激勵光穿過與轉換后的光被射出所穿過的凸表面相同的凸表面在所述波長轉換部分被接收。
13.如前述任一項權利要求所述的磷光體輪，其中，波長轉換材料與多個凸表面光學上形成一體，所述多個凸表面形成為多個凸穹頂形狀的環。
14.如前述任一項權利要求所述的磷光體輪，其中，波長轉換材料是磷光材料。
15.—種制造磷光體輪的方法,包括: 提供波長轉換部分，該波長轉換部分包括波長轉換材料；和 形成與該波長轉換材料光學上形成一體的至少一個凸表面。
16.如權利要求15所述的方法，其中，該波長轉換部分包括具有該波長轉換材料的第一部分，其中，形成至少一個凸表面的步驟包括形成該波長轉換部分的第二部分，在該第二部分中形成所述至少一個凸表面。
17.如權利要求16所述的方法，其中，第一部分是第一材料層并且其中形成至少一個凸表面的步驟包括將包括第二材料層的第二部分粘著到第一層。
18.如權利要求16所述的方法，其中，第一部分和第二部分是一體形成的。
19.如權利要求16-18中任一項所述的方法，其中，第二部分具有與第一部分基本上相同的折射指數。
20.如權利要求16-19中任一項所述的方法，其中，第二部分是光學透明的。
21.如權利要求15-20中任一項所述的方法，其中，所述波長轉換材料包括在載體材料中的多個波長轉換元件。
22.如權利要求21所述的方法，其中，形成至少一個凸表面的步驟包括用與載體材料相同的材料形成所述至少一個凸表面。
23.如權利要求15-22中任一項所述的方法，其中，提供波長轉換部分的步驟包括在基體上形成波長轉換材料，并且其中，形成至少一個凸表面的步驟包括在基體上形成涂層，所述涂層構造成具有穹頂形狀。
24.如權利要求19所述的方法，其中，所述基體是環形的或圓柱形的，并且所述波長轉換部分設置成覆蓋所述基體的外表面的至少一部分。
25.如權利要求24所述的方法，其中，所述基體是透明的或反光的。
26.如權利要求24所述的方法，其中，所述基體是反光的，使得激勵光穿過與被波長轉換材料轉換的光被射出所穿過的凸表面相同的凸表面在波長轉換部分被接收。
27.如權利要求15-26中任一項所述的方法，其中，形成至少一個凸表面的步驟包括形成與波長轉換部分光學上形成一體的多個凸表面，所述多個凸表面被形成為多個凸穹頂形狀的環。
28.如權利要求15-27 中任一項所述的方法，其中，波長轉換材料是磷光材料。
【文檔編號】H04N9/31GK103827746SQ201280032488
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年6月7日 優先權日:2011年8月16日
【發明者】S.曹, L.陳 申請人:艾斯光學有限公司