荧光色轮及其制备方法与流程

本发明涉及投影显示及照明用光源技术领域，具体涉及色轮及其制备方法

背景技术：

色轮，为一种波长转换器件，可将一定光谱波形的入射光通过波长换换材料及其组件转换为其他光谱波形的光输出，常被用在照明技术、显示技术及其他光电领域，是目前光波长转换技术中的最核心技术之一。

目前，投影显示及照明技术主要选择利用LED(Light Emitting Diode)或LD(Laser Diode)作光源，常用的实现方式一般分两种：一种是利用红、绿或蓝等不同波长的LED或LD作为基础多色光源，通过直接调制光路，从而实现彩色显示模式；另外一种则是利用一种红色或绿色或蓝色LED或LD作为基础光源，再利用其激发波长转换材料产生其他所需光谱的光，再通过调制光路，最终实现彩色投影显示模式。在激光显示投影模式中,时序色光光源的光收集并聚焦于波长转换转盘上并激发荧光粉发光，随着转盘的转动产生周期性时序色光序列；制作出高亮度的光源。通过上述原理制作的投影光源所使用的荧光粉色轮，一般是在基板上涂布一种或多种不同颜色、不同激发光谱的荧光粉色段/片层，通过LED或LD基础光源激发荧光色轮上不同波长转换材料(荧光粉)，制成投影光源系统。

在实际的光路及设计中，需要荧光色轮同时具有多种光学功能，包括光透过，光反射、光散射、消除散斑及闪烁等，对荧光粉色轮的应用要求呈现多功能化。

但是，目前的色轮的光学功能比较单一，如《现代投影显示技术》文献报道的色轮，其结构如下：马达、基板及固定在马达上的波长转换材料等。再如201110451582.1专利公开的色轮，其结构包括基板和荧光粉片层；荧光粉片层包括将荧光粉颗粒与有机或无机粘结剂粘结在一起形成的薄片；所述荧光粉片层覆盖基板一侧面的至少一部分或构成所述基板的至少一部分，且能被激发转换至少一种颜色的受激发光。

上述技术均存在着光的闪烁及散斑等缺陷，技术上不能完全满足需要；同时光的转换效率较低，仅为20～50％，需要进行改进。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种荧光色轮及其制备方法，以克服现有技术存在的缺陷，满足相关领域应用的需要。

本发明所述的荧光色轮，包括基板、散反射层、波长转换层和透镜阵列层；

所述的散反射层设置在所述的基板的一侧，所述的波长转换层设置在所述的散反射层的另一侧，所述的透镜阵列层同时或者单独设置在波长转换层的另一侧或者设置在散反射层与基板1之间。

本发明的有益效果是：

所述的荧光粉色轮，采用了散反射层、波长转换层和透镜阵列层的组合，有效改善了投影显示和照明系统中光的闪烁及散斑等缺陷，不仅光的转换效率可达60％以上及更高，而且同时具有多种光学功能，包括光透过，光反射、光散射等，可大大提高性能及效率、降低成本。

附图说明

图1为荧光色轮结构示意图，其中，图1A为剖面图，图1B为图1的右视图。

图2为设有二层散反射层、二层波长转换层和三层透镜阵列层的荧光色轮结构示意图。

图3为透镜阵列层结构示意图。

具体实施方式

实施例中，光的转换效率的定义如下：

波长转换后出射光的功率值与入射光功率值的比值。

参见图1，本发明所述的荧光色轮，包括基板1、散反射层2、波长转换层3和透镜阵列层4；

所述的散反射层2设置在所述的基板1的一侧，所述的波长转换层3设置在所述的散反射层2的另一侧，所述的透镜阵列层4同时或者单独设置在波长转换层3的另一侧或者设置在散反射层2与基板1之间；优选的，在波长转换层3和所述的散反射层2之间还设有所述的透镜阵列层4；

优选的，所述的散反射层2、波长转换层3和透镜阵列层4均为形状相同的圆环，并复合设置在所述的基板1的外圈，如图1。

优选的，如图2，所述的荧光色轮，设有一层以上的散反射层2和一层以上的波长转换层3，所述的散反射层2和波长转换层3间隔设置，所述的透镜阵列层4同时或者单独设置在波长转换层3的另一侧或者设置在散反射层2与基板1之间，优选的，在波长转换层3和所述的散反射层2之间还设有所述的透镜阵列层4；

所述的光散反射层2含有散反光材料，所述的散反光材料为公知的，如：金属反射材料，如银、铝、金、铬、镍、铜、铂、铑及银/铝、金/银、金/铝、金/银/铝等至少一种或两种及两种以上的复合材料；非金属反射材料，如氧化硅、氟化镁、硫化锌、氧化钽、氧化铈、氧化锆、氧化铝、氧化钛等至少一种或两种及两种以上的复合材料；上述金属-非金属复合材料，上述金属与非金属材料的两种及两种以上形成的复合材料；

优选的，所述的散反射层2为散反光材料与透明粘结剂的混合物；

所述的波长转换层3含有波长转换材料，所述的波长转换材料为公知的，如：可以是陶瓷荧光体材料、YAG荧光粉、硅酸盐、氯硅酸盐、铝酸盐、氮氧化物、氮化物、钨酸盐、钼酸盐、硫氧化物或硫化物等荧光材料；

优选的，所述的波长转换层3为波长转换材料与透明粘结剂的混合物；

所述的透明粘结剂可采用商业化的透明胶或半透明胶产品，硅胶类如美国道康宁公司的OE6336粘结剂、环氧胶如株洲世林聚合物有限公司的SL3307胶水、无机透明胶如上海振大助剂有限公司的耐高温无机胶2638/1638及210A/200A等；

散反光材料与透明粘结剂的重量比为1∶0.1～10；

波长转换材料与透明粘结剂的重量比为1∶0.1～10；

所述的基板1的材料可以是未做任何表面处理的普通金属板，如铝、铜、银、金、铁等的至少一种或两种及两种以上的复合材料，或者是陶瓷、玻璃、石英等非金属材料的至少一种或两种及两种以上的复合材料，或者是上述金属与非金属材料的两种及两种以上形成的复合材料，且不限于上述材料；

所述的基板的形状包括圆形，椭圆形，正方形，长方形，五边形，三角形等规则或不规则的多边形，且不限于上述所列形状规格；

优选的，所述的基板1的表面设有反射面，所述的反射面可通过物理或化学研磨、抛光等处理后形成，对光反射率达80％及以上；

所述的透镜阵列层4由承载体401和承载在所述的承载体401上的透镜构成，所述的透镜包括凸透镜阵列、凹透镜阵列、菲涅尔透镜阵列、麦克斯韦鱼眼透镜阵列、鲁尼伯格透镜阵列或三棱镜阵列中的一种或其组合；

其中：所述的透镜和棱镜可以是单面结构，也可以是双面结构；

术语“菲涅尔透镜”的定义及相关知识在《非成像光学设计》(张航、严金华著，科学出版社，2016年第一版)中有详细的定义；

术语“麦克斯韦鱼眼透镜阵列”及“鲁尼伯格透镜阵列”定义及相关知识在《微小光学与微透镜阵列》(刘德森等著，科学出版社，2013年第一版)中有详细的定义；

其中，三棱镜阵列、凹透镜阵列、麦克斯韦鱼眼透镜阵列、鲁尼伯格透镜阵列、凸透镜阵列和菲涅尔透镜阵中的单个棱镜及透镜的空间尺寸、光学规格没有特别的要求；

优选的，所述的荧光色轮，还包括动力构件4如电机，所述的动力构件4通过连接件5与所述的基板1相连接；

所述的荧光色轮的制备方法之一，包括如下步骤：

(1)将透明粘结剂与散反光材料按照比例混合，然后涂布在基板1上，固化，固化方式为：先在20～95℃，优选80-90℃，固化1-60000分钟，优选10-30分钟；然后在100-300℃，优选150-200℃，固化1-60000分钟，优选30-150分钟；

(2)然后将透明粘结剂与波长转换材料按照比例混合，然后涂布在步骤(1)的光反散射层上，涂覆方法为常规的，如丝网印刷或机械臂点胶等工艺，固化，固化方式为：先在20～95℃，优选80-90℃，固化1-60000分钟，优选的10-30分钟；然后在100-300℃，优选150-200℃，固化1-60000分钟，优选120-150分钟；

然后将透镜阵列层4采用热压和、透明胶粘结、机械连接等方法复合在步骤(2)获得的波长转换材料层上，即可获得所述的荧光色轮；

主要复合方法如下：

a.机械结构件直接连接；

b.透明粘结剂连接；

c.热压合等；

所述的透镜阵列层4的制备方法，可参见《微小光学与微透镜阵列》(刘德森等著，科学出版社，2013年第一版)中的熔胶法、离子交换、光刻、蚀刻、直写、电铸、热压、模压、紫外复制等方法；

优选的，还包括将所述的动力构件4通过连接件5固定在基板上的步骤；

所述的荧光色轮的制备方法之二，包括如下步骤：

(1)将透镜阵列层4复合在基板上，主要复合方法如下：

a.机械结构件直接连接；

b.透明粘结剂连接；

c.热压合等；

(2)将透明粘结剂与散反光材料按照比例混合，然后涂布在透镜阵列层4上，固化，固化方式为：先在20～95℃，优选80-90℃，固化1-60000分钟，优选10-30分钟；然后在100-300℃，优选150-200℃，固化1-60000分钟，优选30-150分钟；

(3)然后将透明粘结剂与波长转换材料按照比例混合，然后涂布在步骤(1)的光反散射层上，涂覆方法为常规的，如丝网印刷或机械臂点胶工艺，固化，固化方式为：先在20～95℃，优选80-90℃，固化1-60000分钟，优选的10-30分钟；然后在100-300℃，优选150-200℃，固化1-60000分钟，优选120-150分钟；即可获得所述的荧光色轮；

优选的，还包括将所述的动力构件4通过连接件5固定在基板上的步骤；

所述的荧光色轮的制备方法之三，包括如下步骤：

(1)将透明粘结剂与散反光材料按照比例混合，然后涂布在基板1上，固化，固化方式为：先在20～95℃，优选80-90℃，固化1-60000分钟，优选10-30分钟；然后在100-300℃，优选150-200℃，固化1-60000分钟，优选30-150分钟；

(2)然后将透镜阵列层4采用以下几种方法复合在步骤(1)获得的波长转换材料层上，主要复合方法如下：

a.机械结构件直接连接；

b.透明粘结剂连接；

c.热压合等；

(3)再透明粘结剂与波长转换材料按照比例混合，然后涂布在步骤(2)的透镜阵列层4上，涂覆方法为常规的，如丝网印刷或机械臂点胶工艺，固化，固化方式为：先在20～95℃，优选80-90℃，固化1-60000分钟，优选的10-30分钟；然后在100-300℃，优选150-200℃，固化1-60000分钟，优选120-150分钟；

本发明所述的色轮，可用于光的光谱及波形的转换，当一定光谱波形的光照射于本发明的色轮上，经色轮上的波长转换材料及反/散光材料的作用，将其转换为另一不同或相同光谱的光而输出，常被用于显示及照明等技术领域。

其中，在色轮的温度较高时，可启动动力构件4，带动色轮转动，以散发热量，提高色轮的光效率及使用寿命。

实施例1

图1所示的荧光色轮的制备：其中，散反射层、波长转换层和透镜阵列层均为圆环。

(1)将透明粘结剂与散反光材料混合，然后涂布在基板1上，固化，固化方式为：在130℃，固化150分钟；

所述的基板1为铝板，圆形；

所述的散反光材料为铝；

所述的透明粘结剂采用美国道康宁公司牌号为OE6336A/B的AB胶产品，为一种

硅胶类双组份粘结剂；

散反光材料∶透明粘结剂的重量比为1.5∶1；

(2)然后将透明粘结剂与波长转换材料混合，涂布在步骤(1)的散反射层上，涂覆方法为丝网印刷，固化，先在90℃，固化30分钟，然后在150℃，固化150分钟；

所述的波长转换材料为美国英特美公司硅酸盐系列Y-4156型黄色荧光粉；

(3)然后将透镜阵列层4复合在步骤(2)获得的波长转换材料层上，再将动力构件4通过连接件5固定在基板上，即可获得所述的荧光色轮，为黄色荧光色轮；

透镜阵列层4复合在步骤(2)获得的波长转换材料层的方法如下：

在基板的最外圈沿圆周方向采用机械结构连接件将透镜阵列层4紧密固定于波长转换材料层之上；

所述的透镜阵列层4的制备方法，可参见《微小光学与微透镜阵列》(刘德森等著，科学出版社，2013年第一版)中的热熔法；

透镜阵列层中单个透镜均为凸透镜；

激光二极管选用日亚化学工业株式会社的NDB4216蓝光激光二极管，波长450-460nm；

将激光二极管发出的蓝色光照射在所述的色轮上，即可获得峰值波长为550-560nm的黄色光，采用同一功率计、等距离，分别检测LD出光功率值和经色轮转换后的出光功率值，并进行检测结果计算，得到此荧光色轮的光转换效率最高达70％；

实施例2

图1所示的荧光色轮的制备：

(1)将透明粘结剂与散反光材料混合，然后涂布在基板1上，固化，先在90℃，固化10分钟；然后在200℃，固化100分钟；

所述的基板1为铜板，五边形；

所述的散反光材料为纳米氧化锆；

所述的透明粘结剂采用上海振大助剂有限公司牌号为2638+210A的双组分透明无机耐高温胶产品，为一种碳化硅、氟化硅、氧化硅等的复合杂化无机材料粘结剂；

散反光材料∶透明粘结剂的重量比为1∶1；

(2)然后将透明粘结剂与波长转换材料混合，涂布在步骤(1)的光反散射层上，涂覆方法为机械臂点胶方法，可参见日本武藏MS-300DS机械臂点胶机的操作方法，固化，先在90℃，固化10分钟，然后在200℃，固化120分钟；

所述的波长转换材料为德国DINO公司的GAL515型绿色荧光粉；

(3)然后将透镜阵列层4复合在步骤(2)获得的波长转换材料层上，再将动力构件4通过连接件5固定在基板上，即可获得所述的荧光色轮，为绿色荧光色轮；

透镜阵列层4复合在步骤(2)获得的波长转换材料层的方法如下：在透镜阵列层靠波长转换层的一面涂布上海振大助剂有限公司的透明无机耐高温胶2638+210A(质量比1：1混合)，贴合在波长转换层上，然后固化。

透镜阵列层为凸透镜阵列、鲁尼伯格透镜阵列、菲涅尔透镜阵列和三棱镜阵列的组合；

凸透镜阵列、鲁尼伯格透镜阵列、菲涅尔透镜阵列和三棱镜阵列分别采用《微小光学与微透镜阵列》(刘德森等著，科学出版社，2013年第一版)中的蚀刻、模压、光刻、激光直写等方法制备；

各个透镜的比例为：凸透镜阵列∶鲁尼伯格透镜阵列∶菲涅尔透镜阵列∶三棱镜阵列＝1∶1∶1∶1；

激光二极管选用日亚化学工业株式会社的NDU4316紫外激光二极管，波长390-400nm；

将激光二极管发出的紫外光照射在所述的色轮上，即可获得峰值波长为510-520nm的绿色光，采用同一功率计、等距离，分别检测LD出光功率值和经色轮转换后的出光功率值，并进行检测结果计算，得到此荧光色轮的光转换效率最高达65％；

实施例3

图2所示的荧光色轮的制备：

(1)采用《微小光学与微透镜阵列》(刘德森等著，科学出版社，2013年第一版)中的模压法，制备透镜阵列层4，其中，单个透镜为鲁尼伯格透镜；

(2)将获得的透镜阵列层4采用热压合法设置在基板1上，基板的材质为陶瓷，椭圆形；

(3)参照实施例1的方法，在透镜阵列层4上制备其余各层。

激光二极管选用日亚化学工业株式会社的NDB4116蓝光激光二极管，波长440-450nm；

将激光二极管发出的蓝色光照射在所述的色轮上，即可获得峰值波长为550-560nm的黄色光，采用同一功率计、等距离，分别检测LD出光功率值和经色轮转换后的出光功率值，并进行检测结果计算，得到此荧光色轮的光转换效率最高达75％。