CN110716376B - 波长转换元件、投影装置及波长转换元件的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种波长转换元件包括合金基板、波长转换层以及漫反射层。合金基板的材质包括至少五种主要合金元素及至少一种次要合金元素。至少五种主要合金元素选自镍、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铝、铜、钽、铌、锆、镁及铂族元素所组成的族群，各主要合金元素的原子百分比为介于5at％～35at％。合金基板具有混合熵值，混合熵值大于3J/K·mol。波长转换层配置于合金基板上方。漫反射层配置于合金基板及波长转换层之间。本发明另提供一种使用上述的波长转换元件的投影装置，以及提供一种上述的波长转换元件的制造方法。本发明的波长转换元件可以提升机械性质、耐温性以及反射率。

Description

波长转换元件、投影装置及波长转换元件的制作方法

技术领域

本发明是关于一种显示装置，特别是关于一种波长转换元件、使用此波长转换元件的投影装置以及波长转换元件的制作方法。

背景技术

投影装置所使用的光源种类随着市场对投影装置亮度、色彩饱和度、使用寿命、无毒环保等等要求，从超高压汞灯(UHP lamp)、发光二极管(light emitting diode,LED)进化到激光二极管(laser diode,LD)。

目前高亮度的红色激光二极管及绿色激光二极管的成本过高，为了降低成本，通常采用蓝色激光二极管激发荧光粉转轮(phosphor wheel)上的荧光粉来产生黄光、绿光，再经由滤光轮(filter wheel)将所需的红光从黄光中过滤出来，再搭配蓝色激光二极管发出的蓝光，而构成投影画面所需的红、绿、蓝三原色。

荧光粉转轮为目前采用激光二极管为光源的投影装置中极为重要的光学元件。然而，传统的铝基板因耐热温度低，在高温下容易变形，因此需先将波长转换层与漫反射层于高温下固化后，再脱模贴附至铝基板上，过程中会产生许多孔隙，而影响荧光粉转轮的转换效率与反射率。

本“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”中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已知技术。此外，在“背景技术”中所揭露的内容并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，也不代表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，可以提升机械性质、耐温性以及反射率。

本发明提供一种波长转换元件的制作方法，可提升波长转换元件的机械性质、耐温性以及反射率。

本发明提供一种投影装置，可改善影像亮度下降的情况。

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，本发明一实施例所提供的波长转换元件包括合金基板、波长转换层以及漫反射层。合金基板的材质包括至少五种主要合金元素及至少一次要合金元素。至少五种主要合金元素选自镍、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铝、铜、钽、铌、锆、镁及铂族元素所组成的族群，各主要合金元素的原子百分比为介于5at％～35at％，且至少五种主要合金元素的原子百分比的总和小于100at％。各至少一次要合金元素的原子百分比小于各主要合金元素的原子百分比。合金基板具有混合熵(entropy)值，混合熵值大于3J/K·mol。波长转换层配置于合金基板上方。漫反射层配置于合金基板及波长转换层之间。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明一实施例所提供的投影装置包括照明系统、光阀及投影镜头。照明系统用于提供照明光束。光阀配置于照明光束的传递路径上，以将照明光束转换成影像光束。投影镜头配置于影像光束的传递路径上。照明系统包括激发光源及上述的波长转换元件。波长转换元件配置于激发光束的传递路径上，波长转换元件的波长转换层用于将激发光束转换成转换光束，而照明光束包括转换光束。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明一实施例所提供的波长转换元件的制作方法包括：提供合金基板，其中合金基板包括：至少五种主要合金元素以及至少一次要合金元素，至少五种主要合金元素选自镍、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铝、铜、钽、铌、锆、镁及铂族元素所组成的族群，各主要合金元素的原子百分比为介于5at％～35at％，且至少五种主要合金元素的原子百分比的总和小于100at％，以及各至少一次要合金元素的原子百分比小于各主要合金元素的原子百分比，合金基板具有混合熵值，混合熵值大于3J/K·mol。形成漫反射层于合金基板上。形成波长转换层于漫反射层上。

本发明实施例的波长转换元件中，合金基板的混合熵值大于3J/K·mol，属于高熵合金(High-entropy alloys)基板，在较广的温度范围内具有较高的机械性质强度，因此可以提升波长转换元件的机械性质强度与耐温性。此外，漫反射层及波长转换层可直接涂布于合金基板并进行高温固化，不须经脱模再粘合的过程，可以改善对产品的污染或是粘合剂对反射率的影响，并且当高温固化的时间拉长时，有助于减少漫反射层及波长转换层的孔隙，提升波长转换元件的转换效率反射率。本发明实施例的波长转换元件的制作方法由于使用上述的合金基板，因此可以制作出上述的波长转换元件。本发明实施例的投影装置因使用上述的波长转换元件，因此可改善影像光束亮度下降的情况。

为让本发明之上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一实施例的波长转换元件的示意图。

图2是本发明一实施例的激发光束于波长转换元件上所形成的光斑的示意图。

图3是本发明另一实施例的波长转换元件的示意图。

图4是本发明一实施例的波长转换元件的制造方法的流程示意图。

图5是本发明一实施例的投影装置的示意图。

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，在以下配合参考图式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1是本发明一实施例的波长转换元件的示意图。请参考图1，本实施例的波长转换元件100包括合金基板110、波长转换层120以及漫反射层130。波长转换元件100例如为层状元件，但不局限于此，在其他实施例中，波长转换元件100也可以是波长转换轮，而合金基板110例如为碟盘基板。合金基板110的材质包括至少五种主要合金元素及至少一次要合金元素。各主要合金元素的原子百分比为介于5at％～35at％，且至少五种主要合金元素的原子百分比的总和小于100at％。各至少一次要合金元素的原子百分比小于各主要合金元素的原子百分比。至少五种主要合金元素及至少一次要合金元素具有混合熵值，混合熵值大于3J/K·mol(约为1.5R，R为气体常数＝1.987cal/K·mol)，也就是合金基板110的混合熵值。波长转换层120配置于合金基板110的上方，其中波长转换层120接收来自激发光源(激光二极管、发光二极管、激光二极管阵列或发光二极管阵列)的激发光束，波长转换层120被激发出与激发光束不同波长的色光。漫反射层130配置于合金基板110及波长转换层120之间。

上述的主要合金元素例如选自镍(Ni)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、铝(Al)、铜(Cu)、钽(Ta)、铌(Nb)、锆(Zr)、镁(Mg)及铂(Pt)族元素所组成的族群。次要合金元素则无特别限制，例如是非主要合金元素的合金元素，只要使合金基板110的混合熵值大于3J/K·mol即可。

上述的合金基板110例如经由下列方法制得：大气熔炼法、真空电弧熔炼法、真空感应熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金球磨法、粉末冶金法、3D激光列印法等等，但不局限于此。

上述的漫反射层130包括接着剂以及混合于其中的多个漫反射粒子，接着剂例如包括硅胶或无机胶，但不局限于此。漫反射粒子的材质例如为白色粒子，并包括二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、氮化硼及二氧化锆至少其中之一。

上述的波长转换层120例如包括波长转换材料及接着剂，波长转换材料混合于接着剂，其中波长转换材料例如为荧光粉或量子点(Quantum dot)，接着剂例如包括硅胶或无机胶，但不局限于此。在另一实施例中，波长转换层例如包括荧光体玻璃(phosphor inglass,PIG)、荧光体陶瓷(phosphor in ceramic,PIC)、多晶荧光片、单晶荧光片或荧光硅胶(phosphor in silicon,PIS)等。

图2是本发明一实施例的激发光束于波长转换元件上所形成的光斑的示意图。请参考图1及图2，在将上述的波长转换层120及漫反射层130配置于合金基板110上时，波长转换层120及漫反射层130在平行于合金基板110的方向A上的宽度D(本实施例中两层的宽度相同，因此仅以D代表两层的宽度，但不局限于此，两层的宽度可不相同)皆需大于激发光束于波长转换元件100上形成的光斑S的长轴B(图2中以最上层的波长转换层120示意)，使得激发光束能照射于波长转换元件100上，以提升光的利用率。

本实施例的波长转换元件100中，合金基板110因混合熵值大于3J/K·mol，属于高熵合金基板，在较广的温度范围内具有较高的机械性质强度，因此可以提升波长转换元件100的机械性质强度与耐温性。此外，漫反射层130及波长转换层120可直接涂布于合金基板110并进行高温固化，不须经脱模再粘合的过程，可以改善对产品的污染或是粘合剂对反射率的影响，并且当高温固化的时间拉长时，有助于减少漫反射层130及波长转换层120的孔隙，提升波长转换元件100的转换效率与反射率。

关于上述的机械性质强度与耐温性，具体而言，本实施例的合金基板110因高熵效应使晶格扭曲造成差排不易移动，而产生固溶强化(solid solution strengthening)，因此相较于已知的铝基板，本实施例的合金基板110具有较高的抗拉强度。此外，合金基板110的表面硬度也大于已知的铝基板。而合金基板110也因高熵效应使得扩散及相变化的速度较慢，微结构上较为单纯，因此在高温下受力时较不易变形，具有较高的耐温性，本实施例的合金基板110的熔点例如大于900℃。

为达到上述的效果，本发明一实施例的合金基板110的厚度T例如为0.5～1mm。

图3是本发明另一实施例的波长转换元件的示意图。请参考图3，本实施例的波长转换元件100a与上述的波长转换元件100功能及优点相似，差异仅在于本实施例的波长转换元件100a还包括导热层140，配置于合金基板110远离漫反射层130的一侧，也就是合金基板110设置于漫反射层130与导热层140之间。导热层140例如为导热胶或导热贴片的形式，用于帮助合金基板110的散热，因此导热层140的导热系数需大于或等于合金基板110的导热系数。以本实施例而言，导热层140的导热系数例如为1～300W/m²·K。

图4是本发明一实施例的波长转换元件的制造方法的流程示意图。请参考图1及图4，本实施例的波长转换元件100的制造方法包括以下步骤：步骤S101：提供本实施例的合金基板110。

步骤S101：提供本实施例的合金基板110。步骤S102：将漫反射层130形成于合金基板110上。具体而言，例如将接着剂与多个漫反射粒子混合，并涂布于合金基板110上，以形成漫反射层130，再使漫反射层130固化。举例而言，接着剂为无机胶，固化温度为200℃～300℃，也就是利用200℃～300℃温度的烘烤，以固化漫反射层130；另一实施例中，接着剂为硅胶，固化温度为100℃，也就是利用100℃温度的烘烤，但不局限于此。

步骤S103：将波长转换层120形成于漫反射层130上。形成波长转换层120的具体方法例如为，将接着剂与波长转换材料混合，并涂布于漫反射层130上，以形成波长转换层120，再使波长转换层120固化。接着剂例如为无机胶或硅胶，在一实施例中，接着剂为无机胶，固化温度为大于300℃，且较佳为使波长转换层120进行1小时以上的固化；在另一实施例中，接着剂为硅胶，固化温度为大于100℃，但不局限于此。值得一提的是，在一实施例中，接着剂为无机胶，波长转换层120所需要的固化温度大于漫反射层130所需要的固化温度，且波长转换层120所需要的固化烘烤时间大于漫反射层130所需要的固化烘烤时间。在另一实施例中，接着剂为硅胶，波长转换层120所需要的固化温度大于漫反射层130所需要的固化温度，且波长转换层120所需要的固化烘烤时间大于漫反射层130所需要的固化烘烤时间。

在波长转换元件100a的实施例中，为提升散热能力，波长转换元件100a的制作方法例如还包括步骤S104：将导热层140形成于合金基板110远离漫反射层130的一侧。导热层140例如是将导热胶涂布于合金基板110的表面，或是将导热贴片贴附于合金基板110，以形成导热层140。本发明并不特别限制导热层的形式。

图5是本发明一实施例的投影装置的示意图。请参考图5，在本实施例中，波长转换元件100例如为波长转换轮，合金基板110例如为碟盘。本实施例的投影装置1包括照明系统10、光阀20及投影镜头30。照明系统10用于提供照明光束L1。照明系统10包括激发光源11及上述的波长转换元件100。激发光源11用于提供激发光束Le。波长转换元件100配置于激发光束Le的传递路径上，波长转换元件100包括波长转换层120、漫反射层130以及合金基板110，波长转换元件100用于将激发光束Le转换成转换光束Lp，而照明光束L1包括转换光束Lp与部分激发光束Le。照明系统10还包括其他光学元件，例如：合光元件、滤光轮、光均匀化元件及透镜等，以使照明光束L1传递至光阀20。光阀20配置于照明光束L1的传递路径上，用于将照明光束L1转换成影像光束L2。光阀20可以是穿透式光阀或反射式光阀，其中穿透式光阀可以是透光液晶面板(Transparent Liquid Crystal Panel)，而反射式光阀可以是数字微镜元件(Digital Micro-mirror Device，DMD)、液晶覆硅板(Liquid Crystal OnSilicon panel，LCoS panel)。另外也可以是电光调变器(Electro-Optical Modulator)、磁光调变器(Maganeto-Optic modulator)、声光调变器(Acousto-Optic Modulator，AOM)，但不局限于此。依不同的设计架构，光阀的数量可为一个或多个。投影镜头30配置于影像光束L2的传递路径上，且用于使影像光束L2投射出投影装置1。投影镜头30例如包括具有屈光度的一个或多个光学镜片的组合，例如包括双凹透镜、双凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜、平凸透镜以及平凹透镜等非平面镜片的各种组合。在一实施例中，投影镜头30也可以包括平面光学镜片，以改变影像光束L2投射的方向。本发明对投影镜头30的型态及其种类并不加以限制。

图5中是以图1的波长转换元件100为例，但波长转换元件100亦可替换成波长转换元件100a。

本实施例的投影装置1由于使用上述的波长转换元件100、100a，以达到耐温性提升及孔隙较少(如上所述，孔隙会影响转换效率与反射效果)的效果，因此能可改善影像光束L2亮度下降的情况。

综上所述，本发明实施例的波长转换元件中，合金基板的混合熵值大于3J/K·mol，属于高熵合金基板，在较广的可加温的温度范围内具有较高的机械性质强度，因此可以提升波长转换元件的机械性质强度与耐温性。此外，漫反射层及波长转换层可直接涂布于合金基板并进行高温固化，不须经脱模再粘合的过程，可以改善对产品的污染或是粘合剂对反射率的影响，并且当高温固化的时间拉长时，有助于减少漫反射层及波长转换层的孔隙的产生，提升波长转换元件的转换效率与反射率。本发明实施例的波长转换元件的制作方法由于使用上述的合金基板，因此制作出的波长转换元件可以提升机械性质强度与耐温性。本发明实施例的投影装置因使用上述的波长转换元件，因此可改善影像光束亮度下降的情况。

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，摘要和标题仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明之权利范围。

Claims (14)

1.一种波长转换元件，其特征在于，所述波长转换元件包括合金基板、波长转换层以及漫反射层，其中：

所述合金基板的材质包括至少五种主要合金元素以及至少一种次要合金元素，其中：

所述至少五种主要合金元素选自镍、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铝、铜、钽、铌、锆、镁及铂族元素所组成的族群，其中各所述主要合金元素的原子百分比为介于5at％～35at％，且所述至少五种主要合金元素的原子百分比的总和小于100at％；以及

各所述至少一种次要合金元素的原子百分比小于各所述主要合金元素的原子百分比，所述合金基板具有混合熵值，所述混合熵值大于3J/K·mol；

所述波长转换层配置于所述合金基板上方；以及

所述漫反射层配置于所述合金基板及所述波长转换层之间，所述漫反射层包括接着剂以及混合于其中的多个漫反射粒子，所述接着剂包括硅胶或无机胶，所述漫反射层通过直接涂布于所述合金基板上并固化而形成，其中：

当所述接着剂为硅胶，所述漫反射层在100℃的温度下固化；

当所述接着剂为无机胶，所述漫反射层在200℃～300℃的温度下固化。

2.如权利要求1所述之波长转换元件，其特征在于，各所述至少一种次要合金元素的原子百分比为小于5at％。

3.如权利要求1所述之波长转换元件，其特征在于，所述波长转换层包括荧光体玻璃、荧光体陶瓷、多晶荧光片、单晶荧光片或荧光硅胶。

4.如权利要求1所述之波长转换元件，其特征在于，所述波长转换层包括波长转换材料及接着剂，所述波长转换材料混合于所述接着剂，所述接着剂包括硅胶或无机胶。

5.如权利要求3所述之波长转换元件，其特征在于，所述漫反射粒子的材质包括二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、氮化硼及二氧化锆的至少其中之一。

6.如权利要求1所述之波长转换元件，其特征在于，还包括导热层，配置于所述合金基板远离所述漫反射层的一侧。

7.如权利要求6所述之波长转换元件，其特征在于，所述导热层的导热系数大于或等于所述合金基板的导热系数。

8.如权利要求1所述之波长转换元件，其特征在于，所述波长转换元件为波长转换轮，所述合金基板为碟盘。

9.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括照明系统、光阀及投影镜头，其中：

所述照明系统用于提供照明光束，

所述光阀配置于所述照明光束的传递路径上，以将所述照明光束转换成影像光束，

所述投影镜头配置于所述影像光束的传递路径上，

其中所述照明系统包括激发光源以及波长转换元件，其中：

所述激发光源用于提供激发光束；以及

所述波长转换元件包括合金基板、波长转换层及漫反射层，所述合金基板包括至少五种主要合金元素及至少一种次要合金元素，所述至少五种主要合金元素选自镍、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铝、铜、钽、铌、锆、镁及铂族元素所组成的族群，其中各所述至少五种主要合金元素的原子百分比为介于5at％～35at％，且所述至少五种主要合金元素的原子百分比的总和小于100at％，各所述至少一种次要合金元素的原子百分比小于各所述主要合金元素的原子百分比，所述合金基板具有混合熵值，所述混合熵值大于3J/K·mol，所述波长转换层配置于所述合金基板上方，所述漫反射层配置于所述合金基板及所述波长转换层之间，所述漫反射层通过直接涂布于所述合金基板上，所述漫反射层包括接着剂以及混合于其中的多个漫反射粒子，所述接着剂包括硅胶或无机胶，其中：

当接着剂为硅胶，所述漫反射层在100℃的温度下固化而形成：

当接着剂为无机胶，所述漫反射层在200℃～300℃的温度下固化而形成，

所述波长转换元件配置于所述激发光束的传递路径上，所述波长转换元件的所述波长转换层用于将所述激发光束转换成转换光束，而所述照明光束包括所述转换光束。

10.一种波长转换元件的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

提供合金基板，其中所述合金基板包括：至少五种主要合金元素以及至少一种次要合金元素，所述至少五种主要合金元素选自镍、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铝、铜、钽、铌、锆、镁及铂族元素所组成的族群，各所述主要合金元素的原子百分比为介于5at％～35at％，且所述至少五种主要合金元素的原子百分比的总和小于100at％，以及各所述至少一种次要合金元素的原子百分比小于各所述主要合金元素的原子百分比，所述合金基板具有混合熵值，所述混合熵值大于3J/K·mol；

形成漫反射层于所述合金基板上，所述漫反射层包括接着剂以及混合于其中的多个漫反射粒子，所述接着剂包括硅胶或无机胶，所述漫反射层通过直接涂布于所述合金基板上并烘烤固化而形成，其中：

当所述接着剂为硅胶，所述漫反射层在100℃的温度下固化：

当所述接着剂为无机胶，所述漫反射层在200℃～300℃的温度下固化；以及

形成波长转换层于所述漫反射层上。

11.如权利要求10所述之波长转换元件的制作方法，其特征在于，还包括形成导热层于所述合金基板远离所述漫反射层的一侧。

12.如权利要求10所述之波长转换元件的制作方法，其特征在于，形成所述波长转换层于所述漫反射层上的方法包括：

混合无机胶与波长转换材料，并涂布于所述漫反射层上，以形成所述波长转换层；以及

利用大于300℃温度的烘烤，固化所述波长转换层。

13.如权利要求12所述之波长转换元件的制作方法，其特征在于，形成所述波长转换层于所述漫反射层上的方法还包括使所述波长转换层进行1小时以上的固化。

14.如权利要求10所述之波长转换元件的制作方法，其特征在于，形成所述波长转换层于所述漫反射层上的方法包括：

混合硅胶与波长转换材料，并涂布于所述漫反射层上，以形成所述波长转换层；以及

利用大于100℃温度的烘烤，固化所述波长转换层。

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