杨毅 (中国广东省深圳市南山区高新区南区方大大厦3楼, Guangdong 7, 518057, CN)
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绎立锐光科技开发（深圳）有限公司 (中国广东省深圳市南山区高新区南区方大大厦3楼, Guangdong 7, 518057, CN)
YANG, Yi (3rd Floor, Fangda Building South area of Hi-Tech Park,Nanshan District,Shenzhen, Guangdong 7, 518057, CN)
杨毅 (中国广东省深圳市南山区高新区南区方大大厦3楼, Guangdong 7, 518057, CN)
| 权 利 要 求 书 1. 一种基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 用于光源， 包括步骤： 引导激发光射往包括了光波长转换材料的波长转换层 （1 )来激发产生具有第一主 波长 Λ的受激发光； 在所述波长转换层 （1 ) 的一侧设置角度选择滤光片 U )来引导小于预定出射角度 的受激发光以透射方式通过该角度选择滤光片 （2 ), 同时将大于该预定出射角度的受激 发光反射回去； 其特征在于， 还包括步骤： 在所迷光波长转换材料的光转换输出光谱中确定需要加以增强的受激发光波长 选择所述角度选择滤光片 （2 ), 使具有与该需要加以增强的受激发光波长相对应的 透射特性， 来产生具有第二主波长 12的出射光； 其中所述第一主波长 4、 f要加以增强 的受激发光波长 及第二主波长 ^之间的关系为： < λ2 < ^或 lj > λ2 > ΑΕ。 2. 根据杈利要求 1所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 其特征在于， 所述角度选择滤光片 （2 )具有的透射特性是： 预定入射角"下， 不同波长受激发 光的透射率曲线呈低通或带通特性；在该透射率曲线下降沿上透射率大致为 50 %处所对 应的波长为所述需要加以增强的受激发光波长。 3. 根据杈利要求 2所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 其特征在于： 所述预定入射角"设置为所述光源的光收集系统收集角度。 4. 根据权利要求 3所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 其特征在于： 所述预定入射角 α小于或等于 45度。 5. 根据杈利要求 2所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 其特征在于： 所述下降沿上透射率 75 % ~ 25 %处所对应的波长之差小于 30nm。 6. 根据杈利要求 1所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 其特征在于: 当所述受激发光为红光时， Λ < 当所述受激发光为绿光时， ^〉 ^〉 ^。 7. 根据杈利要求 1所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 其特征在于： 在所述波长转换层 （1 ) 与所述角度选择滤光片 （2 )之间设置一具有低折射率的介 质膜（3 ), 且令该介质膜（3 )的折射率低于所述波长转换层（1 )的折射率 nl, 来全反 射来自所述波长转换层 （1 ) 的大角度入射光线。 8. 根据杈利要求 1或 7所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 其特征在于： 在所述波长转换层（ 1 )的另一侧设置与所述角度选择滤光片（ 2 )相对的反光面（ 5 ), 来反射射往该反光面的受激发光。 9. 根据权利要求 8所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 其特征在于： 在所述波长转换层（ 1 )与所述反光面（ 5 )之间设置一具有低折射率的介质膜（ 3 ), 且令该介质膜（3 )的折射率低于所述波长转换层（1 )的折射率 nl， 来全反射来自所述 波长转换层 （1 ) 的大角度入射光线。 10. 根据杈利要求 7或 9所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 其特征在于： 所述具有低折射率的介质膜（3 )为空气隙。 11. 根据权利要求 10所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 其特征在于： 所述空气隙的厚度小于波长转换层自身内切圆半径的 1/15。 12. 根据权利要求 1所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 其特征在于， ' 还包括步骤： 选择对预定波长具有选择性吸收特性的玻璃或覆膜， 将该玻璃或覆 膜与所述角度选择滤光片 （2 )叠加在一起来调整并改善所述第二主波长 2。 13. 根据权利要求 12所述基于光波长转换改善出射光颜色的方法， 其特征在于： 所述角度选择滤光片 （2 )用直接镀在所述玻璃上的角度选择滤光膜来代替。 |
基于光波长转换改善出射光颜色.的方法
技术领域 本发明涉及光源颜色， 尤其涉及器件或装置对光的强度、 颜色或方向的选通 控制方法。
背景技术 传统半导体发光二极管 （Light Emi tt ing Diode, LED ) 由于输出功率和亮度 低， 主要应用于信号指示灯、 电视遥控器以及低速短距离光纤通讯等方面。 自二十世纪九十年代初以来， 以 InGaAlP和 InGaN为主的新一代半导体光电子材料迅 速发展起来， 各种高功率高亮度的红、 黄、 蓝、 绿、 紫外以及白光等 LED光源纷纷涌现， 层出不穷， 在各种显示和照明领域得到了越来越广泛的应 用。 但实际上在所述显示和照明领域中， 为了大大降低成本， 现有光源多使用较低成本的 发光源 （例如但不限于蓝光 LED ), 同时采用波长转换方案来获得预定颜色的出射 光， 以避 免使用与该出射光同色并具有较高成本的 LED。所述光波长转换通常是利用来自发光源的 较 短波长光来激发光波长转换材料发出不同波长 的光。 所述光波长转换材料包括荧光粉、 染 料或纳米发光材料， 也可以是两种或两种以上这些材料的混合物， 目前较为常用的是荧光 粉。 例如曰本曰亚公司 （Nichia ) 的白光 LED专利， 公开了利用 470 '纳米蓝光 LED芯片来 激发黄色 YAG 荧光粉发出白光的技术方案， 该方案结构简单、 制造成本低、 产品具有很强 的实用性。 上述基于光波长转换的光源还具有颜色丰富可 调、 便于设计的优点。 美国专利 US 7,234,820 给出了一种用 LED激发荧光粉并使受激发光与其它颜色光混光 输出的方案。 通常光波长转换材料的出射光亮度不高。 为了使上述基于光波长转换的光源更适应显 示领域的应用要求， 美国专利 US 7,070,300给出了一种荧光粉增亮结构来提高光源 出射光 亮度的方案。 该方案使用一角度选择滤光片来选通来自荧光 粉的小角度入射受激发光， 从 而在光源出射光中提高对大角度受激发光的利 用率，使得光源的光输出亮度可超过同色 LED 的光输出亮度。 上述基于光波长转换的光源的不足之处在于， 以荧光粉为例， 光波长转换材料一般具 有较宽的光转换输出光谱， 因而造成光源出射光的色纯度不好, 使出射光颜色不佳或不够 鲜艳亮丽， 即使出射光亮度够强， 也难以胜任在特定场合（例如显示领域） 的应用。
发明内容 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术 的不足， 而提出一种方法， 来 改善基于光波长转换的光源的出射光颜色， 同时还可有利于增强出射光亮度。 为解决上述技术问题， 本发明的基本构思为， 基于光波长转换材料具有较宽光转换输 出光谱， 若设计使所述光谱中特定波长的光的强度得到 增强， 则可以改变输出光的人眼视 觉效果， 从而达到改善出射光颜色的目的； 因此本发明利用现有技术中的荧光粉增亮结构 并对带通或低通滤光片进行设计， 使之仅通过小角度入射的预定波长范围内的受 激发光， 从而增强出射光亮度的同时， 改善出射光颜色。 作为实现本发明构思的技术方案是， 提供一种基于光波长转换改善出射光颜色的方 法, 用于光源， 包括步囅：
引导激发光射往包括了光波长转换材料的波长 转换层来激发产生具有第一主波长 4的受激发光；
在所述波长转换层的另一侧设置角度选择滤光 片来引导小于预定出射角度的受激 发光以透射方式通过该角度选择滤光片， 同时将大于该预定出射角度的受激发光反射回 去；
尤其是， 还包括步骤：
在所述光波长转换材料的光转换输出光谱中确 定需要加以增强的受激发光波长 选择所述角度选择滤光片， 使具有与该需要加以增强的受激发光波长相对 应的透射 特性， 来产生具有第二主波长 1 2 的出射光； 其中所述第一主波长 4、 需要加以增强的受 激发光波长^及第二主波长 1 2 之间的关系为： < λ 2 < 或^! > > 。 上述方案中， 所述角度选择滤光片具有的透射特性是： 预定入射角 "下， 不同波长受 激发光的透射率曲线呈低通或带通特性； 在该透射率曲线下降沿上透射率大致为 50 %处所 对应的波长为所述需要加以增强的受激发光波 长。 上述方案中， 所述预定入射角 α设置为所述光源的光收集系统收集角度。 上述方案中， 在所述波长转换层与所述角度选择滤光片之间 设置一具有低折射率的介 质膜， 且令该介质膜的折射率低于所述波长转换层的 折射率 nl , 来全反射来自所述波长转 换层的大角度入射光线。 上述方案中， 在所述波长转换层的另一侧设置与所述角度选 择滤光片相对的反光面， 来反射射往该反光面的受激发光。 上述方案中， 还包括步骤： 选择对预定波长具有选择性吸收特性的坡璃或 覆膜， 将该 玻璃或覆膜与所述角度选择滤光片叠加在一起 来调整并改善所述第二主波长 。 采用上述各技术方案， 增强亮度的同时可以大幅度改善发光颜色， 使其更符合显示的 标准。 同时各技术方案具有结构简单、 简便可行的优点。
附图说明 图 1是本发明基于的光波长转换光源的结构示意 ；
图 2是用于带一种红色荧光粉的光源的滤光片透 光谱实施例之 ; 图 3是用来替代图 2实施例的滤光片透射光谱示例图； 图 4是图 2或图 3光源实施例的出射光光谱示例图；
图 5是用于光源的一种绿色荧光粉光转换输出光 示例图；
图 6是用于图 5光源实施例的滤光片的透射光谱实施例； 图 7是图 5光源实施例的出射光光谱示例 -图；
图 8是带红色荧光粉的光源又一实施例的出射光 谱； 图 9是图 8实施例中红色玻璃的光透过率曲线示意图； 其中， 图 1中的附图标记为： 1一一波长转换层， 2——滤光片， 3—一介质膜； 40—一 激发光线， 41 ~ 43—一受激发光线； 5—一反光面， 6一一 LED/LED芯片层。
具体实施方式 下面， 结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明 。 如图 1所示的光源： 波长转换层 1包括了光波长转换材料， 可以由包容所述波长转换 材料的胶体来构成； 发光源可以采用 LED、 激光源或传统光源（例如电弧灯）， 此处以但不 限于 LED/LED芯片层 6为例。 该光源的工作方式包括步驟：
引导来自发光源的激发光 40射往波长转换层 1来激发光波长转换材料产生具有第一主 波长的受激发光； 在该波长转换层 1 的一侧设置角度选择滤光片 2来引导小于预定出射角度的受激发光 41或 42以透射方式通过该角度选择滤光片，同时将 于该预定出射角度的受激发光反射回 波长转换层 1 ,利用所述光波长转换材料对该受激发光的漫 射作用来改变这些受激发光的 出射角度， 以进行二次或多次利用， 可以提高光源出射光的亮度。 另外， 若借鉴现有技术 在所述波长转换层 1的另一侧设置一与所述角度选择滤光片.2相对 的反光面 5,来反射射往 该反光面的受激发光， 则可以通过限制并减小受激发光的发散角及有 助于受激发光改变出 射角度进行二次利用， 将更有利于提高光源出射光的亮度。 由于现有角度选择滤光片在预定出射角范围内 不以改变出射光颜色为目的， 因此对出 射光的颜色改变不大甚至有所恶化。 为此本发明方法还包括步骤：
在所述光波长转换材料的光转换输出光谱中确 定需要加以增强的受激发光波长； 选择所述角度选择滤光片 2,使具有与该需要加以增强的受激发光波长相 应的透射特 性， 来产生具有第二主波长的出射光。 若分别以 Λ、 及 来指代所述第一主波长、 需要加以增强的受激发光波长和第二主 波长， 则本发明方法令 4 < Α 2 < 或 4 >^ > 可以利用 处的光得到增强来 "拉动" 4使达到 。
由于人眼视觉对光谱的响应曲线以 555nm (黄绿光）处为最敏感， 往两边呈衰减； 所 迷第二主波长 相对于 距离 555nm较近时，需要加以增强的受激发光波长 4对主波长的 "拉动" 效果明显， 也就是 |4- 4| > |^2 - A|。 反之当所述第二主波长 距 555nm较远时， 的 "拉动" 就比较弱， 也就是 l^-^^A - Al。
具体以包括具有图 4 中粗黑实线所示光转换输出光谱的一种红色荧 光粉的光源为例。 该荧光粉的受激发光主波长 4为 613 nm，可实现的光源出射光颜色调整方案是 ^ < λ 2 < λ Ε . 当希望颜色更鲜艳一些， 例如使输出 l 2 = 616« 的红光时， 因为红光波长与所述 555nm黄 绿光波差较大， 最好先根据 - 2 约为 的 3 ~ 5倍的经验来经验选定 ^。再根据 光源中光收集系统的光收集角度来确定滤光片 的光谱特性。 根据不同使用场合， 光源可以 设计成具有不同结构的光收集系统来进一步处 理及利用通过滤光片后的出射光； 本发明将 引用光收集系统所固有的光收集角度这一特性 参数， 而不对非本发明重点的现有技术光收 集系统进行阐述。
本发明选择的所述角度选择滤光片 2 应具有的透射特性是： 预定入射角"下， 不同波 长受激发光的透射率曲线呈低通或带通特性。 本发明最佳实施例为设计简单起见， 令在该 透射率曲线下降沿上透射率大致为 50 %处所对应的波长为所述需要加以增强的受激 光波 长 。 所述预定入射角 α可以设置为所述光源的光收集系统收集角度 一般小于或等于 45 度)， 或是比该收集角度更小的一个角度来提高系统 的光线利用率。
以 35度光收集角度的光收集系统为例。 假设第一实施例选用具有如图 2所示特性的角 度选择滤光片： 从右到左的 5条曲线分别对应入射角为 0、 10、 20、 30及 40度下的透射率 特性。可见该滤光片的 35度透射率曲线的下降沿的 50 %处约对应于需要加以增强的受激发 光波长 630nm。 第二实施例选用具有如图 3所示特性的角度选择滤光片： 从右到左的 5条曲 线分别对应入射角为 0、 10、 20、 30及 40度下的透射率特性， 则 35度透射率曲线的下降 沿的 50 %处约对应于需要加以增强的受激发光波长 640nm。 图 4则示意了上述使用现有角 度选择滤光片、 使用图 2所示特性的角度选择滤光片及使用图 3所示特性的角度选择滤光 片的几种情形下的出射光光谱。 经测定， 该光源出射光的数据如下表所示：
可见， 使用现有滤光片其发射光颜色会向橙色偏移有 所恶化， 而使用本发明方法的两 个实施例中出射光的红色均变得更加鲜艳。 尤其是第一实施例 （使用了具有图 2 特性的滤 光片） 中， 出射光颜色发生明显改善的同时还保持高输出 亮度。 对于绿光， 因为主波长与 555nm差距较小， 颜色改变相对容易得多。 以包括具有图 5所 示光转换输出光谱的一种绿色荧光粉的光源为 例， 可实现的光源出射光颜色调整方案是 4 > 2 > ^。 因第一主波长 4为 547nra, 只需按 比 A £ 大 2 ~ 5纳米的经验来选定 A £ 。 以 20度光收集角度的光收集系统为例， 图 6为对应选定的角度选择滤光片透射特性： 选择 20 度入射角对应的透射率曲线下降沿上透射率大 致为 50 %处所对应的波长大致为需要加以增 强的受激发光波长 535 ； 则图 7的光源出射光光谱图（不使用角度选择滤光 的光源出射 光光谱如黑实线所示， 使用图 6特性滤光片的光源出射光光谱如灰粗实线所 ， 使用普通 角度选择滤光片的光源出射光光谱如灰细实线 所示） 中， 将对应如下表的测试数据： 色坐标 主波长（nm) 色彩纯度 亮度 （流明） 荧光粉原光谱 (0. 2839, 0. 6845) 547 0. 929 311 使用现有滤光片 (0. 3059, 0. 6727) 550. 4 0. 953 624 使用本发明滤光片 (0. 2202, 0. 7426) 538 0. 945 609
可见， 使用现有滤光片， 虽然出射光在亮度上稍好， 然而其主波长为 550nm, 颜色向 黄色偏移有所恶化。 使用本发明方法， 出射光亮度大大增强， 同时有效地改善了出射光颜 色， 使色坐标大幅度接近 NTSC显示标准中的绿色色坐标标准（0.21 , 0.71 ), 所显示的绿 色视觉上比 NTSC标准还要鲜艳； 且出射光色彩纯度也有一定程度的提高。 试验还表明， 所述下降沿上透射率 75 % ~ 25 %处所对应的波长之差不大于 30nm, 越小 越好。 本发明在改善出射光颜色的同时， 为了尽可能提高出射光亮度， 对本发明光源的结构 还作进一步的改进， 如图 1所示。 在所述波长转换层 1与所述角度选择滤光片 2之间， 或 在所述波长转换层 1与所迷反光面 5之间设置一具有低折射率的介质膜 3， 且令该介质膜 3 的折射率 n2低于所述波长转换层 1的折射率 nl ,来全反射来自所述波长转换层 1的大角度 入射光线， 而小角度出射光线 41、 42则可折射透过该介质膜 3。 所述大角度入射光线包括 入射角大于 arcs in ( n2/nl )的激发光或受激发光。 当为激发光时， 则可再次提供被荧光粉 吸收利用的机会， 从而提高荧光转换萃取效率； 当为受激发光时， 则因荧光粉的漫反射作 用， 可能使光线前进方向改变而以小角度出射光线 （例如光线 43 ) 的形式折射透过所迷介 质膜 3。 上述实施例中，所述具有低折射率的介质膜 3可以是空气隙。所述空气隙的折射率为 1， 若能设置使所述介质膜 3的折射率越小于所述波长转换层 1折射率 nl无疑亮度增强效果会 越好： 例如所述介质膜采用低压空气， 或所述波长转换层 1 采用具有高折射率 （例如大于 1.5 )的材料， 如坡璃或陶瓷。 以等于所述折射率 nl的一半为例， 所述激发光由波长转换层 1射往所述介质膜 3时， 不能被反射回来的仅约占 （n2/nl ) 2 = 25 % , 而另 75 %无疑可以再 次被利用。 所述介质膜 3 还可以是两层或两层以上由不同光学折射率材 料构成的介质膜。 甚至可以釆用中间架空的结构来组合这些介质 膜， 例如令所述介质膜 3为中空的光学薄片。 所迷介质膜 3 还可以是含有规则排布的光子晶体的光学薄膜 ， 或是该光学薄膜与上述不同 光学折射率材料介质的组合膜。 所述具有低折射率的介质膜 3 的厚度越小越好， 最好小于 波长转换层自身内切圆半径的 1/15。 因为现有荧光粉种类繁多， 特性不一。 在选择荧光粉时， 需要综合考虑如效率、 激发 光谱、 发射光谱等多个因素后加以取舍。 为了使本发明适用多种荧光粉， 本发明方法还包 括步囅： 选择对预定波长具有选择性吸收特性的玻璃或 覆膜， 将该玻璃或覆膜与所述角度 选择滤光片 （2 )叠加在一起来调整所述第二主波长 A 2 , 以改善出射光颜色。 以图 8 所示采用另一种红色荧光粉的实施例为例。 若不使用本发明方法， 该荧光粉出 射光的色坐标为（ 0. 574, 0. 425) , 主波长为 590nm。 试验使用本发明方法但不实施设置上述 玻璃或覆膜的步骤，则光源的出射光光谱将如 细实线所示，测得色坐标为（0. 6253, 0. 3711)， 主波长为 599. 4nm。 该颜色明显不能满足显示要求。 为此， 进一步选择一具有如图 9所示透 过率曲线的所述玻璃并以设置该玻璃紧贴所述 角度选择滤光片 （2 )为例， 则光源的出射光 光谱将如图 8中的粗实线所示， 测得色坐标为（0. 6713, 0. 3299) , 主波长为 611. 5nm。 从而 在出射光亮度变化不大的情况下， 极大改善了出射光颜色。 针对带红色荧光粉的光源， 本 发明设置所述玻璃或覆膜的透过率曲线呈高通 特性。 若令该透过率曲线上升沿 50%处对应 的波长为 L50, 令在所述角度选择滤光片 （2 )作用下的出射光光谱上升沿上 20%峰值强度 处的对应波长为 D20, 则当 L50 > D20'时， 调整后的第二主波长 1 2 将大于调整前的第二主 波长， 且该调整后的主波长也大于 L50。采用多种红色荧光粉进行的试验证实了上 述设置的 成立。 反之， 针对其它颜色荧光粉时， 对所述玻璃或覆膜的透过率曲线特性进行调整 ， 来选 择性吸收预定波长的光， 以调整所述第二主波长 1 2 也体现了本发明方法精神， 从而将落入 本发明保护范围。 在实际应用中， 当选择并使用所述玻璃时， 可以用直接镀在所述玻璃上的角度选择滤 光膜来替换所述角度选择滤光片 （ 2 )。
Next Patent: METHOD AND DEVICE FOR MOBILE MULTICAST