CN110488560B - 波长转换元件及其形成方法、波长转换模块以及投影装置 - Google Patents

Abstract

一种波长转换元件、波长转换元件的形成方法、波长转换模块以及投影装置。波长转换元件包括波长转换材料、结合材料、填补材料以及多个孔洞。波长转换材料均匀散布于结合材料中，以形成波长转换层。填补材料位于波长转换层中。这些孔洞位于波长转换层中，其中填补材料填补这些孔洞的部分。波长转换模块包括基板以及上述的波长转换元件。投影装置包括上述的波长转换模块、激发光源、光阀以及投影镜头。本发明让投影装置具有良好的转换效率以及可靠度。

Description

波长转换元件及其形成方法、波长转换模块以及投影装置

技术领域

本发明是有关于一种光学元件、其形成方法以及包含上述光学元件的光学装置，且特别是有关于一种波长转换元件、波长转换元件的形成方法、波长转换模块以及投影装置。

背景技术

近来以发光二极管(light-emitting diode,LED)和激光二极管(laser diode)等固态光源为主的投影装置渐渐在市场上占有一席之地。由于激光二极管具有比发光二极管高于约20％的发光效率，为了突破发光二极管的光源限制，因此渐渐发展了以激光光源作为激发光源，用于激发荧光粉而产生投影机所需用的纯色色光。

然而，一般而言，现有荧光粉轮的制程是将荧光粉混合硅胶(Silicon)涂布于荧光粉轮的基板上而构成，但硅胶却有不耐高温的特性与劣化等问题，因此当激光长时间照射荧光粉轮时，硅胶无法耐高温而易导致劣化或烧损，将影响荧光粉轮的发光效率以及可靠度。另一方面，另一种荧光粉轮的制程是以玻璃胶取代硅胶混合荧光粉而构成。此制程形成的荧光粉轮具有较佳的导热率及耐热性，但易在荧光粉轮上的波长转换区(荧光粉层)中形成孔洞。这些孔洞占波长转换区的体积百分比例会因为荧光粉浓度的不同而改变，当荧光粉浓度越高，孔洞所占的体积比例也会越高，而影响荧光粉轮产生色光的转换效率。

“背景技术”部分只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”部分所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的公知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明提供一种波长转换元件，具有良好的转换效率以及可靠度。

本发明提供一种波长转换模块，具有良好的转换效率以及可靠度。

本发明提供一种投影装置，具有良好的光学品质以及可靠度。

本发明提供一种波长转换元件的形成方法，能形成具有良好的转换效率以及可靠度的波长转换模块。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种波长转换元件。波长转换元件包括一波长转换材料、一结合材料、一填补材料以及多个孔洞。波长转换材料均匀散布于结合材料中，以形成一波长转换层。填补材料位于波长转换层中。这些孔洞位于波长转换层中，其中填补材料填补这些孔洞的一部分。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种波长转换模块。波长转换模块包括一基板以及至少一上述的波长转换元件。至少一波长转换元件位于基板上。至少一波长转换元件包括一波长转换材料、一结合材料、一填补材料以及多个孔洞。波长转换材料均匀散布于结合材料中，以形成一波长转换层。填补材料位于波长转换层中。这些孔洞位于波长转换层中，其中填补材料填补这些孔洞的一部分。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种投影装置。投影装置包括上述的波长转换模块、一激发光源、一光阀以及一投影镜头。波长转换模块具有至少一波长转换光学区，且至少一波长转换元件对应至少一波长转换光学区而设置。至少一波长转换元件包括一波长转换材料、一结合材料、一填补材料以及多个孔洞。波长转换材料均匀散布于结合材料中，以形成一波长转换层。填补材料位于波长转换层中。这些孔洞位于波长转换层中，其中填补材料填补这些孔洞的一部分。激发光源用于发出一激发光束，其中激发光束传递至波长转换模块，并经由波长转换模块转换为一照明光束。光阀位于照明光束的传递路径上且用于将照明光束转换成一影像光束。投影镜头位于影像光束的传递路径上且用于将影像光束转换成一投影光束。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种波长转换元件的形成方法，包括下列步骤。提供一波长转换材料与一结合材料，其中波长转换材料均匀散布于结合材料中。固化波长转换材料与结合材料，以形成一波长转换层，其中波长转换层中形成有多个孔洞。注入一填补材料于波长转换层中，以填补这些孔洞的一部分。固化波长转换层中的填补材料。

基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，波长转换元件藉由结合材料与填补材料的材质选择，而可提升波长转换元件的导热率、耐热性以及可靠度。并且，波长转换元件亦可藉由填补在孔洞中的填补材料，而使波长转换层保持良好的转换效率。此外，使用了上述的波长转换元件的波长转换模块以及投影装置，亦可因此具有良好的可靠度以及转换效率。本发明的实施例的波长转换元件的形成方法藉由添加填补材料的制程所形成的波长转换元件，能使波长转换元件具有良好的可靠度以及转换效率。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A是本发明一实施例的一种波长转换模块的剖视示意图。

图1B是图1A的波长转换模块的俯视图。

图2是本发明一实施例的一种波长转换模块的制作流程图。

图3是本发明一实施例的一种投影装置的架构示意图。

具体实施方式

有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图之一较佳实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1A是本发明一实施例的一种波长转换模块的剖视示意图。图1B是图1A的波长转换模块的俯视图。参照图1A与图1B，本实施例的波长转换模块100具有至少一波长转换光学区WR与一光学区TR，且波长转换模块100包括一基板110以及至少一波长转换元件10。具体而言，如图1A所示，在本实施例中，至少一波长转换元件10位于基板110上，且对应至少一波长转换光学区WR而设置。值得一提的是，光学区TR例如为波长转换模块100的光通过区或者开口，用于让激发光束通过。在另一实施例中，光学区TR例如为反射区，用于让激发光束反射。

具体而言，如图1A所示，在本实施例中，波长转换元件10包括一波长转换材料WM、一结合材料(binder)BM、一填补材料FM以及多个孔洞CA。波长转换材料WM均匀散布于结合材料BM中，以形成一波长转换层11。举例而言，在本实施例中，结合材料BM的材质例如包含二氧化硅，且其导热率大于0.2W/m-k。如此，藉此形成的波长转换层11可具有良好的导热率、耐热性以及可靠度，而能承受较大的激光所提供的能量。举例而言，波长转换元件10能承受能量密度大于每平方毫米150瓦特的激光能量。应注意的是，此处的数值范围皆仅是作为例示说明之用，其并非用以限定本发明。

然而在藉由波长转换材料WM与结合材料BM而形成波长转换层11的过程时，孔洞CA亦会在波长转换层11中产生而形成于波长转换层11中，因此须利用填补材料FM填补。具体而言，如图1A所示，在本实施例中，填补材料FM位于波长转换层11中，且填补这些孔洞CA的一部分，而可降低在波长转换层11中孔洞CA所占的体积比例。举例而言，由于填补材料FM填补了这些孔洞CA的一部分，另一部分(即包含空气的孔洞CA)占波长转换层11的体积百分比则可降为10％以下。应注意的是，此处的数值范围皆仅是作为例示说明之用，其并非用以限定本发明。

举例而言，如图1A所示，在本实施例中，波长转换元件10的填补材料FM的折射率大于空气，而可藉此提高转换效率。换言之，在本实施例中，填补材料FM的折射率大于1。更详细而言，在本实施例中，填补材料FM的折射率的范围介于1至1.8之间。应注意的是，此处的数值范围皆仅是作为例示说明之用，其并非用以限定本发明。

另一方面，在本实施例中，亦可依制程或产品需求，来对应地选择填补材料FM与结合材料BM的材质。举例而言，填补材料FM的材质与结合材料BM的材质可视制程及构件上的相容性来选择相同的材质或不同的材质，以尽量减少在波长转换层11中的孔洞CA所占的体积比例。在不同的实施例中，填补材料FM的折射率与结合材料BM的折射率可视制程及构件上的相容性来使其相同或不同，以最佳化波长转换元件10的转换效率。

以下内容将举出波长转换元件10的一比较例与实施例的模拟数据。然而，下文中所列举的数据资料并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明的范畴内。

〈表一〉

具体而言，在一比较例中，结合材料BM的折射率选择为介于1.4至1.7之间，且藉此形成的波长转换层11在制程中的孔洞CA所占波长转换层11的体积百分比大体为10％，其波长转换元件10的转换效率的数据经由模拟分析后，结果如表一的比较例的一栏数据所示。在一实施例中，选择填补于部分孔洞CA的填补材料FM的折射率为1.4，其波长转换元件10的转换效率的数据经由模拟分析后，结果如表一的实施例1的一栏数据所示。在另一实施例中，选择填补于部分孔洞CA的填补材料FM的折射率为1.5，其波长转换元件10的转换效率的数据经由模拟分析后，结果如表一的实施例2的一栏数据所示。详细而言，如表一所示，实施例1与实施例2波长转换元件10的转换效率相较于比较例的波长转换元件10有明显提升。应注意的是，此处的数值范围皆仅是作为例示说明之用，其并非用以限定本发明。

如此，波长转换元件10藉由结合材料BM与填补材料FM的材质选择，将可提升波长转换元件10的导热率、耐热性以及可靠度。并且，波长转换元件10亦可藉由填补在孔洞CA中的填补材料FM，而使波长转换层11保持良好的转换效率。此外，使用了上述的波长转换元件10的波长转换模块100，亦可因此具有良好的可靠度以及转换效率。

以下将搭配图2来针对波长转换模块100的制作流程进行进一步地解说。

图2是本发明一实施例的一种波长转换模块的制作流程图。请参照图1A与图2，首先，执行步骤S110，提供一波长转换材料WM与一结合材料BM，其中波长转换材料WM均匀散布于结合材料BM中。接着，执行步骤S120，固化波长转换材料WM与结合材料BM，以形成一波长转换层11。具体而言，此时形成的波长转换层11中形成有多个孔洞CA。接着，执行步骤S130，注入一填补材料FM于波长转换层11中，以填补这些孔洞CA的一部分。举例而言，将波长转换层11浸入包含填补材料FM的溶液中，如此，填补材料FM将可渗透入部分的孔洞CA中。接着，执行步骤S140，固化波长转换层11中的填补材料FM。进一步说明，制作好的波长转换层11可以藉由导热胶粘贴于基板110上。

如此，即可形成前述图1A的波长转换元件10。在本实施例中，藉由添加填补材料FM的制程所形成的波长转换元件10，能使波长转换元件10具有良好的可靠度以及转换效率。

图3是本发明一实施例的一种投影装置的架构示意图。但不局限于此。请参照图1A与图3，投影装置200包括一激发光源210、一分光单元220、一包含波长转换元件10的波长转换模块100、一光阀250以及一投影镜头260。在本实施例中，波长转换元件10以及波长转换模块100的结构已在前文中详述，在此就不予赘述。在本实施例中，光阀250例如为一数字微镜元件(digital micro-mirror device,DMD)或是一硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)。然而，在其他实施例中，光阀250亦可以是穿透式液晶面板或其他光束调变器。

如图3所示，在本实施例中，激发光源210用于发出一激发光束50。在本实施例中，激发光源210为激光光源，而激发光束50为激光光束。举例而言，激发光源210可包括多个排成阵列的蓝光激光二极管(未绘示)，但本发明不局限于此。

具体而言，如图3所示，在本实施例中，分光单元220配置于激发光束50的传递路径上，且位于激发光源210与波长转换模块100之间。具体而言，分光单元220可以是部分穿透部分反射元件、分色元件、偏振分光元件或其他各种可将光束分离的元件。举例而言，在本实施例中，分光单元220例如可让蓝色光束穿透，而对其他颜色(如红色、绿色、黄色等)的光束提供反射作用。也就是说，分光单元220可让蓝色的激发光束50穿透，如此一来，激发光束50可穿透分光单元220并入射至波长转换模块100。

举例而言，如图1A、图1B与图3所示，波长转换模块100位于激发光束50的传递路径上，且波长转换模块100的至少一波长转换光学区WR用于将激发光束50转换为至少一转换光束60，波长转换模块100的光学区TR用于使激发光束50通过而传递至后续的光学元件(例如多个反射镜)。此外波长转换模块100还包括一第一致动器MR1，用于使光学区TR与至少一波长转换光学区WR在不同时间中进入激发光束50的传递路径上，而选择性地使激发光束50通过或被转换为至少一转换光束60。

举例而言，如图3所示，投影装置200还包括一滤光模块(滤光轮)230，滤光模块230位于激发光束50与转换光束60的传递路径上，并具有滤光光学区(未绘示)与透光区(未绘示)。滤光模块230还包括一第二致动器MR2，用于使滤光光学区(未绘示)在不同时间中对应地进入转换光束60的传递路径上，以分别形成红色色光与绿色色光。另一方面，透光区(未绘示)在不同时间中亦会对应地进入被传递至滤光模块230的激发光束50的传递路径上，以形成蓝色色光。如此，即可使激发光束50与转换光束60依时序地形成照明光束70。

另一方面，如图3所示，在本实施例中，投影装置200还包括一光均匀化元件240，位于照明光束70的传递路径上。在本实施例中，光均匀化元件240包括一积分柱，但本发明不局限于此。更详细而言，如图3所示，当照明光束70经由照明系统传递至光均匀化元件240时，光均匀化元件240可使照明光束70均匀化，并使其传递至光阀250。

接着，如图3所示，光阀250位于照明光束70的传递路径上，且用于将照明光束70转换成一影像光束80。投影镜头260位于影像光束80的传递路径上且用于将影像光束80转换成一投影光束90，以将投影光束90投影至一屏幕(未绘示)上，以形成影像画面。

如此一来，投影装置200藉由采用了具有良好的可靠度以及转换效率的波长转换模块100，亦可因此具有良好的可靠度以及转换效率。

综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。本发明的实施例中，波长转换元件藉由结合材料与填补材料的材质选择，而可提升波长转换元件的导热率、耐热性以及可靠度。并且，波长转换元件亦可藉由填补在孔洞中的填补材料，而使波长转换层保持良好的转换效率。此外，使用了上述的波长转换元件的波长转换模块以及投影装置，亦可因此具有良好的可靠度以及转换效率。本发明的实施例的波长转换元件的形成方法藉由添加填补材料的制程所形成的波长转换元件，能使波长转换元件具有良好的可靠度以及转换效率。

惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即所有依本发明权利要求书及发明内容所作之简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。此外，摘要和题目仅是用来辅助专利文件搜索之用，并非用来限制本发明之权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

符号说明：

10：波长转换元件

11：波长转换层

50：激发光束

60：转换光束

70：照明光束

80：影像光束

90：投影光束

100：波长转换模块

110：基板

200：投影装置

210：激发光源

220：分光单元

230：滤光模块

240：光均匀化元件

250：光阀

260：投影镜头

BM：结合材料

CA：孔洞

FM：填补材料

MR1：第一致动器

MR2：第二致动器

S110、S120、S130、S140：步骤

TR：光学区

WM：波长转换材料

WR：波长转换光学区。

Claims (21)

1.一种波长转换元件，其特征在于，包括波长转换材料、结合材料、填补材料以及多个孔洞，

其中所述波长转换材料均匀散布于所述结合材料中，以形成波长转换层；

所述填补材料位于所述波长转换层中，所述填补材料的折射率的范围介于1.4至1.5之间；

所述多个孔洞位于所述波长转换层中，其中所述填补材料填补所述多个孔洞的一部分。

2.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述多个孔洞的另一部分包含空气，且包含空气的所述多个孔洞占所述波长转换层的体积百分比为10％以下。

3.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述填补材料的折射率与所述结合材料的折射率相同。

4.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述填补材料的折射率与所述结合材料的折射率不同。

5.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述结合材料包含二氧化硅。

6.如权利要求5所述的波长转换元件，其特征在于，所述填补材料的材质与所述结合材料的材质相同。

7.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述结合材料的导热率大于0.2W/m-k。

8.一种波长转换元件的形成方法，其特征在于，包括：

提供波长转换材料与结合材料，其中所述波长转换材料均匀散布于所述结合材料中；

固化所述波长转换材料与所述结合材料，以形成波长转换层，其中所述波长转换层中形成有多个孔洞；

注入填补材料于所述波长转换层中，以填补所述多个孔洞的一部分，所述填补材料的折射率的范围介于1.4至1.5之间；以及

固化所述波长转换层中的所述填补材料。

9.如权利要求8所述的波长转换元件的形成方法，其特征在于，所述多个孔洞的另一部分包含空气，且包含空气的所述多个孔洞占所述波长转换层的体积百分比为10％以下。

10.如权利要求8所述的波长转换元件的形成方法，其特征在于，注入所述填补材料于所述波长转换层中的步骤包含将所述波长转换层浸入包含所述填补材料的溶液中。

11.如权利要求8所述的波长转换元件的形成方法，其特征在于，将所述波长转换层粘贴于基板。

12.如权利要求8所述的波长转换元件的形成方法，其特征在于，所述结合材料包含二氧化硅。

13.如权利要求12所述的波长转换元件的形成方法，其特征在于，所述填补材料的材质与所述结合材料的材质相同。

14.如权利要求8所述的波长转换元件的形成方法，其特征在于，所述结合材料的导热率大于0.2W/m-k。

15.一种波长转换模块，其特征在于，所述波长转换模块包括基板以及至少一波长转换元件，

所述至少一波长转换元件位于所述基板上，且包括波长转换材料、结合材料、填补材料以及多个孔洞，

其中所述波长转换材料均匀散布于所述结合材料中，以形成波长转换层；

所述填补材料位于所述波长转换层中，所述填补材料的折射率的范围介于1.4至1.5之间；

所述多个孔洞位于所述波长转换层中，其中所述填补材料填补所述多个孔洞的一部分。

16.如权利要求15所述的波长转换模块，其特征在于，所述多个孔洞的另一部分包含空气，且包含空气的所述多个孔洞占所述波长转换层的体积百分比为10％以下。

17.如权利要求15所述的波长转换模块，其特征在于，所述结合材料的导热率大于0.2W/m-k。

18.一种投影装置，其特征在于，包括波长转换模块、激发光源、光阀以及投影镜头，

所述波长转换模块具有至少一波长转换光学区，且所述波长转换模块包括基板以及至少一波长转换元件，

所述至少一波长转换元件位于所述基板上，且对应所述至少一波长转换光学区而设置，其中所述至少一波长转换元件包括波长转换材料、结合材料、填补材料以及多个孔洞，

其中所述波长转换材料均匀散布于所述结合材料中，以形成波长转换层；

所述填补材料位于所述波长转换层中，所述填补材料的折射率的范围介于1.4至1.5之间；

所述多个孔洞位于所述波长转换层中，其中所述填补材料填补所述多个孔洞的一部分；

所述激发光源用于发出激发光束，其中所述激发光束传递至所述波长转换模块，并经由所述波长转换模块转换为照明光束；

所述光阀位于所述照明光束的传递路径上且用于将所述照明光束转换成影像光束；

所述投影镜头位于所述影像光束的传递路径上且用于将所述影像光束转换成投影光束。

19.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于，所述多个孔洞的另一部分包含空气，且包含空气的所述多个孔洞占所述波长转换层的体积百分比为10％以下。

20.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于，所述结合材料包含二氧化硅。

21.如权利要求18所述的投影装置，其特征在于，所述结合材料的导热率大于0.2W/m-k。

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