CN112748565A - 波长转换元件、投影装置及波长转换元件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种波长转换元件，包括基板、波长转换层及第一无机填隙层。波长转换层配置于基板上。波长转换层包括无机接着剂及波长转换材料，波长转换材料混合于无机接着剂。第一无机填隙层配置于波长转换层及基板之间。本发明还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作方法。使用本发明的制作方法所制成的波长转换元件可提升转换效率以及导热性。本发明的投影装置可改善影像亮度下降的情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学元件、其制作方法以及使用上述光学元件的显示装置，特别是关于一种波长转换元件、波长转换元件的制作方法以及使用此波长转换元件的投影装置。
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上的荧光粉来产生黄光、绿光，再经由色轮(filterwheel)将所需的红光过滤出来，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元件。然而，现有的荧光粉转轮的荧光粉层在烧结过后会产生孔隙，影响荧光粉转轮的转换效率及导热性，并且由于制作过程的关系，荧光粉层在烧结时其两表面会因为应力不平衡而产生翘曲现象，使荧光粉层无法贴齐于转轮上，进而导致荧光粉转轮的转换效率及导热性降低。
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所属技术领域中普通技术人员所知道的现有技术。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，在本发明申请前已被所属技术领域中普通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，可提升转换效率以及导热性。
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转换效率以及导热性。
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。
为实现上述的一个或部分、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基板、波长转换层及第一无机填隙层。波长转换层配置于基板上。波长转换层包括无机接着剂及波长转换材料，波长转换材料混合于无机接着剂。第一无机填隙层配置于波长转换层及基板之间。
为实现上述的一个或部分、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。
为实现上述的一个或部分、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：提供波长转换层，波长转换层具有相对的第一表面及第二表面。将第一无机填隙层配置于波长转换层的第一表面，第一无机填隙层具有相对的第三表面及第四表面，第四表面朝向第一表面。将第一无机填隙层的第三表面粘接于基板。
本发明实施例的波长转换元件中，通过第一无机填隙层的配置，可以减少波长转换层在制备过程中产生的孔隙，并且可以对波长转换层施加应力，改善波长转换层在制备过程中产生的翘曲现象，进而提升波长转换元件的转换效率以及导热性。本发明实施例的波长转换元件的制作方法通过配置第一无机填隙层，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，因此可改善影像亮度下降的情况。
为让本发明的上述和其他目的、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剖视示意图。
图2A及图2B是本发明其他实施例的波长转换元件的剖视示意图。
图3A至图3C是本发明另一实施例的波长转换元件的剖视示意图。
图4是本发明一实施例的波长转换元件的制作方法的流程示意图。
图5是本发明一实施例的提供波长转换层的示意图。
图6是本发明另一实施例的波长转换元件的制作方法的流程示意图。
图7是本发明一实施例的投影装置的方块示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下结合附图的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。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剖视示意图。请参考图1，本实施例的波长转换元件100包括基板110、波长转换层120及第一无机填隙层130。波长转换元件100例如为片状元件，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，而基板110例如为转盘。波长转换层120配置于基板110上。波长转换层120包括无机接着剂121及波长转换材料122，波长转换材料122混合于无机接着剂121。第一无机填隙层130配置于波长转换层120及基板110之间。波长转换材料122例如为荧光粉或量子点(Quantum dot)，但不局限于此。基板110的材质例如为金属、玻璃或陶瓷，金属例如包括铝、铝合金、铜、铜合金、氮化铝、碳化硅等，而玻璃表面可以镀铝、银或介电镀膜，但不局限于此。
无机接着剂121及第一无机填隙层130其中任一的材质例如包括氧化铝、二氧化硅、陶瓷及氮化铝至少其中之一，但不局限于此。具体而言，无机接着剂121例如与第一无机填隙层130的材质相同。在另一实施例中，无机接着剂121也可以是与第一无机填隙层130使用不同的材质。
波长转换元件100例如还包括粘合层140及反射层150。粘合层140配置于第一无机填隙层130及基板110之间。反射层150配置于粘合层140及基板110之间。粘合层140的材质例如包括硅胶、环氧树脂或导热胶。反射层150的材质例如为金属。在另一实施例中，反射层150的材质也可以是反射粒子混合于接着剂，可使反射层150同时具有粘合及反射的功能，因此不须配置粘合层140。
本实施例的波长转换元件中，通过第一无机填隙层130的配置，可以填补波长转换层120在制备过程中产生的孔隙，并且提升波长转换层120的表面平整度，进而提升波长转换元件的转换效率以及导热性。
图1中的第一无机填隙层130在垂直于基板110的方向A上的厚度T1例如为均匀分布，但不局限于此。在其他实施例中，第一无机填隙层130的厚度T1例如也可以是如图2A所示从中央朝边缘渐增，或者如图2B所示从中央朝边缘渐减。第一无机填隙层130的厚度T1例如为1μm～50μm，较佳为5μm～20μm，在厚度分布不同的实施例中，则以厚度最厚处作为量测依据，如图2A的边缘处或图2B的中央处。
图3A至图3C是本发明另一实施例的波长转换元件的剖视示意图。请先参考图3A，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还包括第二无机填隙层160。波长转换层120配置于第二无机填隙层160及第一无机填隙层130之间。第二无机填隙层160的材质例如包括氧化铝、二氧化硅、陶瓷及氮化铝至少其中之一，但不局限于此。具体而言，第二无机填隙层160的材质例如可以是与无机接着剂121或第一无机填隙层130相同，但也可以不同。第二无机填隙层160的功能与第一无机填隙层130相同，通过分别配置于波长转换层120的上下两表面，可以进一步提升上述提到的优点。
图3A中的第二无机填隙层160在垂直于基板110的方向A上的厚度T2例如为均匀分布，但不局限于此。请参考图3B及图3C，在其他实施例中，第二无机填隙层160的厚度T2例如也可以是如图3B所示从中央朝边缘渐增，或者如图3C所示从中央朝边缘渐减。第二无机填隙层160的厚度T2例如为1μm～50μm，较佳为5μm～20μm。第一无机填隙层130的厚度T1及第二无机填隙层160的厚度T2例如为相同或不同。图3A、图3B及图3C中的第一无机填隙层130例如也可以是以如图2A所示从中央朝边缘渐增，或者如图2B所示从中央朝边缘渐减的方式呈现，即第一无机填隙层130与第二无机填隙层160的厚度分布的类型可以依设计需求不同去组合使用。以下将详细说明本实施例的波长转换元件100如何在制备过程中改善翘曲现象。
图4是本发明一实施例的波长转换元件的制作方法的流程示意图。图5是本发明一实施例的提供波长转换层的示意图。请先参考图1及图4，本实施例的波长转换元件100的制作方法包括以下步骤：进行步骤S101：提供波长转换层120，波长转换层120具有相对的第一表面123及第二表面124。
请参考图5，具体而言，提供波长转换层120的方法包括：提供预成形基板200，预成形基板200具有成形面201。将无机接着剂121混合波长转换材料122并涂布于预成形基板200的成形面201以形成波长转换层120，且波长转换层120的第一表面123与预成形基板200的成形面201粘接。接着，将波长转换层120加热，即所谓的烧结过程。烧结完后，将波长转换层120的第一表面123与预成形基板200的成形面201分离。在分离过程中，由于波长转换材料122的体积浓度比、波长转换材料122于波长转换层120中的沉淀，以及分离时从波长转换层120的边缘开始进行脱模等因素，使得波长转换层120由于第一表面123及第二表面124应力不平衡的关系而产生翘曲现象，若将脱模后的波长转换层120直接粘接于基板110，则波长转换层120与基板110之间会有间隙，而影响波长转换元件100的转换效率以及导热性。
本实施例中通过调整波长转换层120所含的波长转换材料122的体积浓度比为50％～85％，以及使用脱模剂进行波长转换层120的脱模，可以初步减少第一表面123及第二表面124的应力不平衡。为进一步降低翘曲现象的程度，接着进行步骤S102：将第一无机填隙层130配置于波长转换层120的第一表面123，第一无机填隙层130具有相对的第三表面131及第四表面132，第四表面132朝向第一表面123。
将第一无机填隙层130配置于波长转换层120的第一表面123的方法包括将第一无机填隙层130以喷涂方式形成于波长转换层120的第一表面123。于喷涂过程中，第一无机填隙层130所使用的填隙材料可填满波长转换层120的孔隙，增加致密性以及第一表面123的表面平整度，有助于提升波长转换元件100的转换效率及导热性。
进一步而言，在一实施例中，将第一无机填隙层130配置于波长转换层120的第一表面123的方法还包括在以喷涂方式形成第一无机填隙层130后，将上述产生翘曲现象的波长转换层120及配置于第一表面123的第一无机填隙层130加热烧结，亦为波长转换层120的二次烧结。在烧结过程中，第一无机填隙层130会对产生翘曲现象的波长转换层120施加应力，使得翘曲现象的程度降低，让第一无机填隙层130朝向基板110的第三表面131例如可以整体接触于基板110，即波长转换层120与基板110之间不会因为具有间隙，进而影响波长转换元件100的转换效率以及导热性。若翘曲现象的程度严重，在另一实施例中，也可以使用曲面基板，基板110的弯曲程度对应于波长转换层120的翘曲现象，以使波长转换层120可以整体接触于基板110。此外，在粘合层140及反射层150等其他层体配置于第一无机填隙层130及基板110之间的实施例中，波长转换层120整体接触于基板110的情况可以指涉波长转换层120整体接触基板110上的粘合层140或反射层150等其他层体，以表示波长转换层120与基板110或其上的层体之间不会产生间隙。
依据波长转换层120产生的翘曲现象的程度不同，可以选择使第一无机填隙层130以不同的厚度分布来配置，例如以图2A或图2B所示的方式进行配置。以图5为例，波长转换层120的翘曲现象为边缘朝远离预成形基板200的成形面201翘曲(向上翘曲)，则可使第一无机填隙层130的厚度T1以如图2A所示从中央朝边缘渐增的方式配置。一般而言，翘曲程度较大的地方通常配置厚度较厚的第一无机填隙层130，翘曲程度较小的地方通常配置厚度较薄的第一无机填隙层130。
在另一实施例中，也可能于步骤S101时波长转换层120在第一次加热烧结后并未产生翘曲现象，然而步骤S103所进行的二次烧结反而产生翘曲现象，在此种状况下，需在步骤S102中调整第一无机填隙层130的厚度分布，以降低二次烧结产生的翘曲现象的程度。
接着，进行步骤S103：将第一无机填隙层130的第三表面131粘接于基板110。将第一无机填隙层130的第三表面131粘接于基板110的方法例如包括通过粘合层140将第一无机填隙层130的第三表面131粘接于基板110，但不局限于此。在另一实施例中，例如是将以喷涂方式形成且尚未加热烧结固化的第一无机填隙层130直接粘接于基板110，再将波长转换层120、第一无机填隙层130以及基板110一起进行加热烧结而达成稳固粘接的效果，然而在此状况下，基板110的材料较佳为陶瓷，相较于金属具有较高耐温性。
本实施例的波长转换元件100的制作方法中，通过将第一无机填隙层130配置于波长转换层120的第一表面123，第一无机填隙层130会对产生翘曲现象的波长转换层120施加应力，使得翘曲现象的程度降低，进而提升波长转换元件100的转换效率以及导热性。在本发明中，翘曲现象的程度定义为表面因弯曲而形成的曲面在最高处与最低处之间的间距差异，以图5为例，波长转换层120的翘曲现象的程度为第一表面123的边缘处与中央处的间距D的差异，若间距D越大，则翘曲现象的程度越高，反之亦然。具体而言，未配置第一无机填隙层时波长转换层的翘曲现象的程度为0.3mm～0.8mm，本实施例的波长转换元件100在配置第一无机填隙层130后，波长转换层120的翘曲现象的程度降低为0.05mm～0.2mm。
图6是本发明另一实施例的波长转换元件的制作方法的流程示意图。请参考图3A及图6，本实施例的波长转换元件100a的制作方法包括以下步骤：进行步骤S201：提供波长转换层120，波长转换层120具有相对的第一表面123及第二表面124。接着，进行步骤S202：将第一无机填隙层130配置于波长转换层120的第一表面123，第一无机填隙层130具有相对的第三表面131及第四表面132，第四表面132朝向第一表面123。步骤S201及步骤S202与波长转换元件100的制作方法中的步骤S101及步骤S102相同，在此不再重述。
接着，进行步骤S203：将第二无机填隙层160配置于波长转换层120的第二表面124。第二无机填隙层160例如也是以喷涂方式形成于波长转换层120的第二表面124。此外，第二无机填隙层160也可以像第一无机填隙层130选择以不同的厚度分布来配置，例如以图3B或图3C所示的方式进行配置。第一无机填隙层130与第二无机填隙层160的厚度分布的类型可以依设计需求不同去组合使用，本发明并不特别限制。在进行步骤S203后，进行步骤S204：将第一无机填隙层130的第三表面131粘接于基板110。
图7是本发明一实施例的投影装置的方块示意图。请参考图7，在本实施例中，上述的波长转换元件100例如为波长转换轮，其中的基板110例如为转盘。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例如是包括发光二极管或激光二极管芯片的二极管模块或者是由多个二极管模块所组成的矩阵，并用于提供激发光束Le，但不局限于此。波长转换元件100配置于激发光束Le的传递路径上，且包括波长转换区(图未示)。波长转换区包括上述的波长转换层120及反射层150，波长转换元件100的波长转换区用于将激发光束Le转换成转换光束Lp，而照明光束L1即包括转换光束Lp，但不限于此。照明系统10可还包括其他光学元件，例如：合光元件、色轮、光均匀化元件及聚光透镜，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，以将照明光束L1转换成影像光束L2。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。
光阀20可以是反射式光阀或穿透式光阀，其中反射式光阀可以为数字微镜元件(Digital Micro-mirror Device，DMD)、液晶显示器(liquid-crystal display，LCD)、液晶覆硅板(Liquid Crystal On Silicon panel，LCoS panel)、透光液晶面板(TransparentLiquid Crystal Panel)、电光调制器(Electro-Optical Modulator)、磁光调制器(Maganeto-Optic modulator)、声光调制器(Acousto-Optic Modulator，AOM)，而穿透式光阀可以是穿透式液晶面板，但不局限于此。
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。本发明对投影镜头30的型态及其种类并不加以限制。
图7中是以图1的波长转换元件100为例，但波长转换元件100可替换成上述任一实施例的波长转换元件。
本实施例的投影装置1由于使用上述的可提升转换效率的波长转换元件100、100a，因此可提升影像亮度。举例而言，将本发明实施例的配置有第一无机填隙层130的波长转换元件100以及现有的未配置有第一无机填隙层130的波长转换元件进行积分球亮度量测，本发明实施例的波长转换元件100相较于现有的波长转换元件，亮度可以提升约2％～5％。
综上所述，本发明实施例的波长转换元件中，通过第一无机填隙层的配置，可以减少波长转换层在制备过程中产生的孔隙，并且可以对波长转换层施加应力，改善波长转换层在制备过程中产生的翘曲现象，进而提升波长转换元件的转换效率以及导热性。本发明实施例的波长转换元件的制作方法通过配置第一无机填隙层，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，因此可改善影像亮度下降的情况。
惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依本发明专利的权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求的方案不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。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。
Claims (20)
1.一种波长转换元件，其特征在于，所述波长转换元件包括基板、波长转换层以及第一无机填隙层，其中：
所述波长转换层配置于所述基板上，所述波长转换层包括无机接着剂及波长转换材料，所述波长转换材料混合于所述无机接着剂；以及
所述第一无机填隙层配置于所述波长转换层及所述基板之间。
2.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述无机接着剂及所述第一无机填隙层其中任一的材质包括氧化铝、二氧化硅、陶瓷及氮化铝至少其中之一。
3.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于还包括第二无机填隙层，其中所述波长转换层配置于所述第二无机填隙层及所述第一无机填隙层之间。
4.根据权利要求3所述的波长转换元件，其特征在于，所述第二无机填隙层的材质包括氧化铝、二氧化硅、陶瓷及氮化铝至少其中之一。
5.根据权利要求3所述的波长转换元件，其特征在于，所述第二无机填隙层在垂直于所述基板的方向上的厚度为1μm～50μm。
6.根据权利要求3所述的波长转换元件，其特征在于，所述第一无机填隙层及所述第二无机填隙层在垂直于所述基板的方向上的厚度相同或不同。
7.根据权利要求3所述的波长转换元件，其特征在于，所述第二无机填隙层在垂直于所述基板的方向上的厚度为均匀分布、从中央朝边缘渐增或从中央朝边缘渐减。
8.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于还包括粘合层，配置于所述第一无机填隙层及所述基板之间。
9.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述波长转换层所含的所述波长转换材料的体积浓度比为50％～85％。
10.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述第一无机填隙层在垂直于所述基板的方向上的厚度为1μm～50μm。
11.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述第一无机填隙层在垂直于所述基板的方向上的厚度为均匀分布、从中央朝边缘渐增或从中央朝边缘渐减。
12.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述第一无机填隙层朝向所述基板的表面整体接触于所述基板。
13.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括照明系统、光阀及投影镜头，
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及波长转换元件，所述激发光源用于提供激发光束，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，其中所述波长转换元件包括基板、波长转换层以及第一无机填隙层，其中：
所述波长转换层配置于所述基板上，所述波长转换层包括无机接着剂及波长转换材料，所述波长转换材料混合于所述无机接着剂；以及
所述第一无机填隙层配置于所述波长转换层及所述基板之间。
14.一种波长转换元件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供波长转换层，所述波长转换层具有相对的第一表面及第二表面；
将第一无机填隙层配置于所述波长转换层的所述第一表面，所述第一无机填隙层具有相对的第三表面及第四表面，所述第四表面朝向所述第一表面；以及
将所述第一无机填隙层的所述第三表面粘接于基板。
15.根据权利要求14所述的波长转换元件的制作方法，其特征在于，提供所述波长转换层的方法包括：
提供预成形基板，所述预成形基板具有成形面；
将无机接着剂混合波长转换材料并涂布于所述预成形基板的所述成形面以形成所述波长转换层，且所述波长转换层的所述第一表面与所述预成形基板的所述成形面粘接；
将所述波长转换层加热；以及
将所述波长转换层的所述第一表面与所述预成形基板的所述成形面分离。
16.根据权利要求14所述的波长转换元件的制作方法，其特征在于，将所述第一无机填隙层配置于所述波长转换层的所述第一表面的方法包括将所述第一无机填隙层以喷涂方式形成于所述波长转换层的所述第一表面。
17.根据权利要求14所述的波长转换元件的制作方法，其特征在于，将所述第一无机填隙层配置于所述波长转换层的所述第一表面的方法包括将所述波长转换层及所述第一无机填隙层加热。
18.根据权利要求14所述的波长转换元件的制作方法，其特征在于，将所述第一无机填隙层的所述第三表面粘接于所述基板的方法包括通过粘合层将所述第一无机填隙层的所述第三表面粘接于所述基板。
19.根据权利要求14所述的波长转换元件的制作方法，其特征在于，将所述第一无机填隙层的所述第三表面粘接于所述基板的方法包括将所述波长转换层、所述第一无机填隙层及所述基板加热。
20.根据权利要求14所述的波长转换元件的制作方法，其特征在于，在所述第一无机填隙层的所述第三表面粘接于所述基板之前，还包括将第二无机填隙层配置于所述波长转换层的所述第二表面。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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