CN111142322A - 散热装置与投影机 - Google Patents
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Abstract
一种散热装置，包括两个绝缘层、两个金属层、一半导体层及一荧光粉层。半导体层配置于此两个金属层之间，且半导体层与此两个金属层的整体配置于此两个绝缘层之间。荧光粉层配置于其中一个绝缘层上。一种投影机亦被提出。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学装置，尤其涉及一种散热装置与投影机。
背景技术
目前绿光发光二极管(light-emitting diode,LED)的发光效率低下，因此市面上为产生绿光大多是使用例如是蓝光或UV光等短波长光源作为激发光照射荧光粉，以让荧光粉激发出绿光。通常荧光粉的转换效率与其所接受的激发光密度呈正比，而光密度愈高，温度则愈高。然而，荧光粉的寿命反比于其工作温度。现在的做法大多是先把荧光粉层涂布在一基板上，再将基板连接散热鳍片，再对散热鳍片吹风来把热带走。但是，受限基板的热阻值，热能将无法有效、大量、迅速地被传导至鳍片上，导致荧光粉层的工作温度仍然偏高。
一种习知的投影机中是利用会转动的荧光轮与色轮的搭配来产生不同颜色的光束，以使投影机能够投影出彩色画面，同时借由荧光轮的转动来降低荧光粉层的工作温度。然而，为了让荧光轮与色轮转动而采用的马达动件会导致系统的可靠度下降，使系统寿命无法有效的提升。
发明内容
本发明提供了一种散热装置，其具有较长的使用寿命与较高的散热效率。
本发明提供一种投影机，其具有较高的可靠度与较长的使用寿命。
本发明的一实施例提出一种散热装置，包括两个绝缘层、两个金属层、一半导体层及一荧光粉层。半导体层配置于此两个金属层之间，且半导体层与此两个金属层的整体配置于此两个绝缘层之间。荧光粉层配置于其中一个绝缘层上。
本发明的一实施例提出一种散热装置，包括一致冷晶片与一荧光粉层。致冷晶片设有一陶瓷表面，而荧光粉层烧结于陶瓷表面。
本发明的一实施例提出一种投影机，包括一光机、一光阀及一镜头。光机包括一准直光源、一透镜、一绝缘基板及一致冷晶片。透镜设于准直光源的光路下游，绝缘基板设于透镜的光路下游，且绝缘基板的一侧设有一荧光粉层。致冷晶片设于绝缘基板的另一侧。光阀设于光机的光路下游，而镜头设于光阀的光路下游。
在本发明的实施例的散热装置与投影机中，由于采用致冷晶片或半导体热电冷却(thermoelectric cooling,TEC)技术来帮助荧光粉层的散热，因此散热装置可具有较长的使用寿命与较高的散热效率，且投影机可具有较高的可靠度与较长的使用寿命。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的一实施例的投影机的光路示意图。
图2为图1中的散热装置的剖面示意图。
图3为本发明的另一实施例的散热装置的剖面示意图。
具体实施方式
图1为本发明的一实施例的投影机的光路示意图。举例来说，在本发明的一实施例的投影机中的荧光粉层的散热架构中，采用了致冷晶片来帮助荧光粉层的散热，因而可以达到良好的散热效果，降低发光粉层的工作温度，进而增加发光粉层的使用寿命。另外，由于可以选择性的省略可转动的荧光轮等动件，所以可以提高投影机的可靠度及使用寿命。以下就本发明的投影机的设计进行说明。
请参照图1，本实施例的投影机500包括一光机400、一光阀510及一投影镜头520。
本实施例的光机400包括光源组100、200及300、透镜442、444、472、474、452、454、464及476、一散热装置600、分光镜410、分光镜420、扩散片446、456及466、一光均匀化元件484及一棱镜486。
光源组100、200及300可各自为一准直光源，可输出一准直光线，其可为激光光源或是经各式光学元件准直的，例如发光二极管或其他传统光源。亦即，光源组100、200及300本身可包括一非准直光源及至少一例如是准直透镜的光学元件。于本例中，光源组100、200及300可各自包括一激光二极管发光模组(laser bank)，分别包括一激光二极管阵列。再者，于本例中，光源组100、200、300的设计，除其中的发光元件的颜色及功率略有不同外，其结构是大致相同的，惟其不以相同为限。于本例中，光源组100、200、300可分别输出蓝色光束101、蓝色光束201及红色光束301。在应用时，光源组100、200、300的功率分别在20、50、100瓦特以上、300瓦特以下时，其效率及散热效果较能取得平衡。换句话说，各光源组所消耗的功率总和在60、150、300、600；且在900或1000瓦特以下时，其效率及散热效果较能取得平衡。
图2为图1中的散热装置的剖面示意图。散热装置600可为一固定式的波长转换元件，其并非如色轮或是荧光轮等可转动的装置。于本例中，散热装置600包括一致冷晶片610、一荧光粉层620、一绝缘基板630、一热沈(heat sink)640及一直流电源650。致冷晶片610例如为一热电冷却器(thermoelectric cooler,TEC)，其包括绝缘层611及615、金属层612及614及一半导体层613。绝缘层611及615例如为陶瓷基板。半导体层613包括多对半导体接脚，每一半导体接脚包括一P型半导体接脚613p与一N型半导体接脚613n。绝缘基板630例如为一固定式的陶瓷基板，且不是旋转盘或移动式基板。此外，荧光粉层620可以包括各色荧光粉，如吸收较短波长的蓝光或UV光后，可激发出较长波长的红、绿色光束的荧光粉，于本例中，荧光粉层620是可受蓝光激发以输出绿光的绿色荧光粉层。荧光粉层620的厚度T可以是小于1毫米，例如是小于0.1毫米，或是小于0.3毫米，或是小于0.5毫米。荧光粉层620可以仅以陶瓷荧光粉烧结而成，又或者与树脂等载体混合后定型亦可，本发明不以此为限。于本例中，荧光粉层620为一直接烧结于绝缘基板630表面的陶瓷荧光粉层，亦即，荧光粉层620和绝缘基板630之间可不包括例如散热胶、粘胶等用于黏合或连接的材料层。
直流电源650可对半导体接脚供电。此外，热沈640例如为散热鳍片。
分光镜410与分光镜420可以是分色镜(dichroic mirror)或是例如是X型合光片、合光棱镜组、极性滤光片(polarizing beam splitter,PBS)等元件。在本实施例中，分光镜410与分光镜420为两相互实质平行的分色镜(dichroic mirror)，其可反射特定波长范围的光，且让其他波长范围的光通过。举例而言，分光镜410可反射蓝光，且让绿光通过，而分光镜420可反射红光，且让蓝光与绿光通过。
扩散片(diffuser)446、456与466为一广为应用的光学元件，其可为具有扩散粒子或扩散微结构的光学膜片或元件，可用于增加各光束的发散角度，用以降低激光的散斑(speckle)现象。需知悉的是，扩散片(diffuser)446、456与466并非以片状为限。再者，扩散片可扩大各入射光束的扩散角度，让光束的光斑可以均匀地照在荧光粉层上。
在本实施例中，光均匀化元件484可以是光积分柱(light integrationrod)、透镜阵列、复眼透镜(Fly-eye)等可使光线均匀化的光学元件。于本例中，光均匀化元件484为一复眼透镜。
而光学元件486可以是场镜、棱镜、反射镜等元件，于本例中，光学元件486为一内部全反射棱镜(total internal reflection prism,TIR prism)，惟按设计，亦可以单一反向内部全反射棱镜(RTIR)予以取代亦可。
光阀510为一广为应用的元件，为空间光调变器(SLM)的一种，可用于将一照明光束转换为一影像光束。光阀510可以是数字微镜元件(digital micro-mirror device,DMD)、硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)或是液晶面板(LCDPanel)等元件，于本例中，光阀510为一数字微镜元件(DMD)。
投影镜头520例如为可包括至少一透镜且用以成像的镜头。于本例中，投影镜头520依序包括一前透镜群、一光圈以及一后透镜群，前透镜群及所述后透镜群分别包括两枚以上具屈光度的透镜，而于本例中，投影镜头520中具屈光度的透镜数量不多于15枚。
以下就各元件的相对位置及运作方式进行说明。
在散热装置600的致冷晶片610中，金属层612设于绝缘层611上，半导体层613设于金属层612上，金属层614设于半导体层613上，且绝缘层615设于金属层614上。此外，荧光粉层620热耦接于绝缘层615。在本实施例中，荧光粉层620设于绝缘基板630的一侧，而致冷晶片610设于绝缘基板630的另一侧。也就是说，荧光粉层620借由绝缘基板630热耦接于绝缘层615，即荧光粉层620经由绝缘基板630配置于绝缘层615上。荧光粉层620可以涂布于或烧结于绝缘基板630上。然而，在另一实施例的散热装置600a中，如图3所绘示，致冷晶片610设有一陶瓷表面616，即绝缘层615的表面，而荧光粉层620烧结、热固化或涂布于陶瓷表面616。也就是说，荧光粉层620直接配置于绝缘层615上，且直接热耦接于绝缘层615。
此外，致冷晶片610配置于热沈640上，且位于荧光粉层620与热沈640之间。在本实施例中，这些半导体接脚借由金属层612与金属层614彼此电性连接。在本例中，直流电源650所提供的电流经由金属层612与金属层614流经这些半导体接脚，以使致冷晶片610的上侧(即绝缘层615这一侧)形成冷端(cold side)，而致冷晶片610的下侧(即绝缘层611这一侧)形成热端(hot side)。也就是说，荧光粉层620配置于致冷晶片610的冷端，而热沈640配置于致冷晶片610的热端。如此一来，借由致冷晶片610的设置，可使荧光粉层620的热能快速地传导至热沈640，进而从热沈640散逸至环境中。
分光镜410设于光源组100、光源组200以及散热装置600的光路下游，且分光镜420设于光源300的光路下游，且设于分光镜410的光路下游。
在本实施例中，光源组100所发出的呈蓝色的光束101在传递至分光镜410时，被分光镜410反射至荧光粉层620，而激发出呈绿色的光束433。绿色光束433传递回分光镜410后，穿透了分光镜410。
在本实施例中，分光镜410将激光光源组200发出的呈蓝色的光束201反射至分光镜420，并使来自荧光粉层620的呈绿色的光束433通过而传递至分光镜420。分光镜420反射光源300发出的呈红色的光束301，并使光源组200发出的且经分光镜410反射的光束201与来自荧光粉层620的光束433通过。如此一来，呈红色的光束301、呈绿色的光束433及呈蓝色的光束201便能够被分光镜420合并为一照明光束401。
来自分光镜420的照明光束401经由光均匀化元件484的均匀化与整形的作用后，经由棱镜486照射于光阀510上。光阀510将照明光束401调制成影像光束512，而影像光束512经由棱镜486而传递至投影镜头520。投影镜头520将影像光束512投影于成像面(成像面处例如设置有一屏幕)上，以形成影像画面。在本实施例中，光源组100、200与300可以同时或是轮流发光，以使照明光束401轮流或同时呈现红色、绿色、蓝色或其组合而成的颜色，如白色，即为一例，以在不需要如色轮或荧光轮等动件的情况下形成彩色画面。如此一来，本实施例的投影机500可以避免在光源端因使用动件而造成的可靠度下降的问题，且可以没有色轮中不同颜色的区域之间的间隙造成光能量的损失的问题。
此外，虽然未使用可旋转的荧光轮等动件容易使热能集中于固定的位置，但本发明的实施例借由致冷晶片610将热能快速地传导至热沈640，以有效降低荧光粉层620上的热能累积。如此一来，荧光粉层620便能够具有比较低的工作温度，进而延长了荧光粉层620的使用寿命。因此，本发明的实施例的散热装置600及投影机500具有较长的使用寿命与较高的散热效率。
具体而言，在图2的实施例中，是将荧光粉层620先形成在绝缘基板630(例如耐热陶瓷基板)上，再将绝缘基板630设于致冷晶片610的冷端。致冷晶片610可有效地把绝缘基板630的一侧的温度降低至低于室温，进而有效提高绝缘基板630的热传导效率。另一方面，于本例中，荧光粉层620与陶瓷基板630之间未设有例如是发光二极管等发光元件，又或者，可理解为荧光粉层620中的任一部分中均未包覆有已与电源耦接，且在接收信号后可将电能转换为光能的发光元件。
而在图3的实施例中，荧光粉层620是直接以烧结、热固化或是其他已知的方式形成并固定于致冷晶片610的表面，省略了绝缘基板630的热阻，而致冷晶片610可有效的把荧光粉层620的热能传导至热沈640。
在一实例中，为了使荧光粉层620所发出的光束433具有足够的强度，照射于光束101照射于荧光粉层620上的功率可达20、50或100瓦特以上，1000瓦特以下。而于本例中，由于电光转换效率的问题，照射于荧光粉层620上的光功率会小于光源100所消耗的功率。另一方面，通常照射于荧光粉层620上的功率在大于40瓦时，考量热阻，即使应用风扇对热沈来散热，其仍无法有效缓解荧光粉层的温度。然而，在图2与图3的实施例中，由于使用了致冷晶片610，热阻可被最小化前述无法有效散热的问题即可被改善，如此可有效提升投影机500的可靠度与使用寿命。再者，热沉相对于热源的另一侧可选择性的设置有风扇，以进一步提高其散热效果。
在本实施例中，扩散片446设于光源组100及分光镜410之间的光学路径上，扩散片456设于光源组200及分光镜410之间的光学路径上，而扩散片466设于光源300及分光镜420的光学路径上。扩散片446、456、466可使光束101、201、301较为均匀，以改善激光光束所产生的散斑现象。
在本实施例中，透镜442与444依序配置于光源组100与扩散片446之间的光学路径上，也就是设于光源组100的光路下游，而绝缘基板630设于透镜422与444的光路下游。透镜472与474配置于波长转换元件430与分光镜410之间的光学路径上，透镜452与454依序配置于光源组200与扩散片456之间的光学路径上，透镜462与464依序配置于光源300与扩散片466之间的光学路径上，且透镜476配置于分光镜420与光均匀化元件484之间的光学路径上。这些透镜可提供聚光或改变光束锥角的功能。
在本实施例的致冷晶片610中，绝缘层611与绝缘层615例如为第一绝缘层与第二绝缘层，而金属层612与金属层614例如为第一金属层与第二金属层。
在本实施例中，致冷晶片610运作时所消耗的电能可选择性的大于20、50、100或300瓦特。
综上所述，在本发明的实施例的散热装置与投影机中，由于采用致冷晶片或半导体热电冷却(thermoelectric cooling,TEC)技术来帮助荧光粉层的散热，因此散热装置可具有较长的使用寿命与较高的散热效率，且投影机可具有较高的可靠度与较长的使用寿命。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种散热装置，其特征在于，包括：
一第一绝缘层；
一第一金属层，设于所述第一绝缘层上；
一半导体层，设于所述第一金属层上；
一第二金属层，设于所述半导体层上；
一第二绝缘层，设于所述第二金属层上；以及
一荧光粉层，热耦接于所述第二绝缘层。
2.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述散热装置还包括一致冷晶片，所述致冷晶片包括所述第一绝缘层、所述第一金属层、所述半导体层、所述第二金属层及所述第二绝缘层，其中所述半导体层包括多对半导体接脚，每一半导体接脚包括一P型半导体接脚与一N型半导体接脚，所述多对半导体接脚借由所述第一金属层与所述第二金属层彼此电性连接，所述荧光粉层的厚度小于1毫米。
3.一种散热装置，其特征在于，包括：
一致冷晶片，设有一陶瓷表面；以及
一荧光粉层，烧结于所述陶瓷表面。
4.一种投影机，其特征在于，包括：
一光机，包括第1、2或3项所述的散热装置的任一者；
一光阀，设于所述光机的光路下游；以及
一镜头，设于所述光阀的光路下游。
5.一种投影机，其特征在于，包括：
一光机，包括：
一第一准直光源；
一透镜，设于所述第一准直光源的光路下游；
一绝缘基板，设于所述透镜的光路下游，所述绝缘基板的一侧设有一荧光粉层；以及
一致冷晶片，设于所述绝缘基板的另一侧；
一光阀，设于所述光机的光路下游；以及
一镜头，设于所述光阀的光路下游。
6.如权利要求5项所述的投影机，其特征在于，所述致冷晶片为一热电冷却器，且所述荧光粉层配置于所述热电冷却器的冷端，所述第一准直光源的功率大于等于50瓦特。
7.如权利要求2、4或5项所述的投影机，其特征在于，所述致冷晶片所消耗的功率大于等于20瓦特。
8.如权利要求5所述的投影机，其特征在于，所述荧光粉层直接配置于所述致冷晶片的表面。
9.如权利要求2或5所述的投影机的任一者，其特征在于，进一步包括一陶瓷基板以及一热沈，其中所述荧光粉层经由所述陶瓷基板配置于所述致冷晶片的表面，所述荧光粉层与所述陶瓷基板之间未设有发光元件，所述致冷晶片配置于所述热沈上，所述致冷晶片位于所述荧光粉层与所述热沈之间。
10.如权利要求4或5项所述的散热装置，其特征在于，所述荧光粉层的厚度小于1毫米。
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