TWI712848B

TWI712848B - 固定式波長轉換裝置及應用其之投影機

Info

Publication number: TWI712848B
Application number: TW107133472A
Authority: TW
Inventors: 蔡錦盛; 雲麒錐
Original assignee: 揚明光學股份有限公司
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-12-11
Also published as: TW202013052A

Abstract

本發明揭露了一種固定式波長轉換裝置包括基板、螢光材料層及散熱元件。螢光材料層設於基板的反射面上。散熱元件連接於基板。基板為固定不可旋轉的。

Description

固定式波長轉換裝置及應用其之投影機

本發明是有關於一種波長轉換裝置及應用其的投影機，且特別是有關於一種可應用於投影機且不可旋轉的固定式波長轉換裝置及應用其之投影機。

習知投影裝置中通常包括色輪或螢光輪。色輪可配置於在投影裝置中傳遞之照明光束(illumination beam)的傳遞路徑上。色輪設有多個濾光部(filter part)，這些濾光部是由二色相一致之紅色濾光部、二色相一致之綠色濾光部以及二色相一致之藍色濾光部所構成。這樣的色輪設計通常需要馬達驅動其旋轉，以使當色輪旋轉而使紅色濾光部、綠色濾光部以及藍色濾光部依序對準照明光束時，照明光束會依序被過濾成紅光、綠光以及藍光，而使得投影裝置得以投影出彩色顯示畫面。再者，色輪或螢光輪藉由其旋轉使其受光面積為環狀，有效的增加其受光面積，藉此可避免因熱量累積使元件表面損毁的問題。

然而，色輪或螢光輪的轉動難免產生振動及噪音問題，且投影裝置的投影品質也會受限於驅動馬達的使用壽命而無法進一步被延長。

相對於以往的色輪或螢光輪，本發明一實施例中提出了一種固定式波長轉換裝置，其應用時可以靜止設置且無需馬達驅動，藉此可避免習知轉動方式所產生的振動及噪音問題，再者，由於無需馬達，元件壽命亦可進一步的被延長。於本例中，固定式波長轉換裝置至少包括基板、螢光材料層及散熱元件，螢光材料層設於基板的反射面上，可受短波長光激發而輸出一長波長光。而散熱元件連接於基板相對於反射面的另一側，基板為固定不可旋轉，如此，可將螢光材料層的熱能帶離，藉此避免固定元件不能旋轉致使熱量累積導致元件表面損毁的問題。

本發明的另一實施例中提出了一種包括了固定式波長轉換裝置的投影機，固定式波長轉換裝置時可以靜止設置且無需馬達驅動，藉此可避免習知轉動方式所產生的振動及噪音問題，再者，由於無需馬達，元件壽命亦可進一步的被延長。於本例中，投影機包括光源、分光元件及固定式波長轉換裝置。固定式波長轉換裝置包括基板、螢光材料層及散熱元件。螢光材料層設於基板的反射面上。反射面並設於光源與分光元件的光路下游。散熱元件連接至基板。雖基板為固定不可旋轉，但散熱元件可將螢光材料層的熱能帶離，藉此避免固定元件因熱量累積使元件表面損毁的問題。

類似的，本發明的再一實施例提出另一投影機。投影機包括光源、基板、螢光材料層、分光元件、機座及散熱元件。螢光材料層設於基板上。螢光材料層藉由基板固定於機座中。散熱元件連接於基板相對於螢光材料層的另一表面。如此，透過散熱元件可增強投影機的散熱性。藉此，可避免習知轉動方式所產生的振動及噪音問題，再者，由於無需馬達，元件壽命亦可進一步的被延長的各種優點。

為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

1、2:投影機

110、210、310:固定式波長轉換裝置

111、111’、211、311:基板

111A、111B、111C、211A、211B、211C、311A、311B、311C:反射面

1111:第一基板

1111a:凹部

1112:第二基板

112、212、312:螢光材料層

113、213、313:散熱元件

114、214、314:光學元件組

115、215:機座

120、130、140、220、230、240:光源

150、160、250、260:分光元件

170、270:稜鏡

180、280:光閥

190、290:投影鏡頭

3111:基板部

3112:環狀部

L11、L12、L13、L14、L21、L22、L23、L24:光束

第1圖繪示依照本發明一實施例之投影機的示意圖。

第2圖繪示依照本發明另一實施例之投影機的示意圖。

第3A圖繪示第1圖之固定式波長轉換裝置的一種實施方式示意圖。

第3B圖繪示第1圖之固定式波長轉換裝置的另一種實施方式示意圖。

第4圖繪示依照本發明另一實施例之固定式波長轉換裝置的示意圖。

第5圖繪示依照本發明另一實施例之固定式波長轉換裝置的示意圖。

本發明實施例之投影機提供一種固定式波長轉換裝置，可避免轉動方式所產生的振動、噪音及壽命有限等問題。再者，藉由散熱元件，可避免螢光粉層因無法轉動，而導致能量過份集中於特定範圍而使螢光材料層過熱被燒毀的問題。下列係以具體實施例進一步說明。

請參照第1~3B圖，第1圖繪示依照本發明一實施例之投影機1的示意圖，第2圖繪示依照本發明另一實施例之投影機2的示意圖，第3A圖繪示第1圖之固定式波長轉換裝置110的一種實施方式示意圖，而第3B圖繪示第1圖之固定式波長轉換裝置110的另一種實施方式示意圖。投影機1按其功能分，可包含光源、合光模組、光閥及投影鏡頭，四個部份，其中光源提供照明光束，合光模組將各照明光束結合，並輸至光閥；光閥可將照明光束轉換為影像光束，影像光束再經由投影鏡頭調整並輸出至一例如是屏幕的成像面上。

由圖可見，於本實施例中，投影機1包括了固定式波長轉換裝置110、機座115、光源120、光源130、光源140、分光元件150、分光元件160、稜鏡170、光閥180及投影鏡頭190。固定式波長轉換裝置110、光源120、光源130及光源140可視為光源模組的一部份，而分光元件150、分光元件160及稜鏡170及其間的元件(未繪示)可視為合光模組的一部份。以下就本發明的一實施例中的各元件分別進行說明。

如第3A及3B圖所示，固定式波長轉換裝置110可將入射其之較短波長的光束轉換成較長波長的光束。例如，可將入射的例如是UV光或藍光光束轉換成綠光光束或紅光光束。請參酌第3A圖，於本例中，固定式波長轉換裝置110包括基板111、螢光材料層112、散熱元件113及光學元件組114。

於第3A圖的例中，基板111的外輪廓為圓柱狀，而其呈一中央部份凹陷的碗狀或杯狀。基板111的內側中央部份設有反射面111A(例如稱為第一反射面)，環繞反射面111A設置的反射面111B(例如稱為第二反射面)及環繞反射面111B設置的反射面111C(例如稱為第三反射面)。反射面111A、111B及111C可反射光束。在本實施例中，反射面111A為圓形平面，反射面111B為彎曲立體表面，而反射面111C呈圓環狀。反射面111A、111B、111C三者為連續表面，且反射面111C經由反射面111B與反射面111A連接。換句話說，於本例中，基板111為一體成形(ONE PIECE FORMED)結構。在本實施例中，此外，基板111的各反射面111A、111B、111C可例如透過機械加工製程以拋光後形成，然亦可藉由例如是塗佈、電鍍等製程形成於基板111表面。基板111的材質例如是金屬，然亦可為陶瓷(例如是AlN or ZrO)或塑膠等高分子材料。惟於需要時，基板111的內側表面，相對於反射面111A、111B、111C的任一或全部區域可選擇性的為反光性較差的非光滑表面，或者塗佈有黑色的吸光材料亦可。如圖所示，基板111之第一反射面111A及第二反射面111B皆面向一第一方向，其中第一方向例如是出光方向。其餘實施例之第一反射面及第二反射面具有相同特徵，於後不再贅述。

而相對於前例中基板111為一體成形結構的設計，本發明的另一實施例中改採基板組111’的設計，如第3B圖所示。於本例中，第一基板1111及第二基板1112整體觀之，與前例的基板111近似，惟基板組111’是由多個元件組合而成。於本例中，第一基板1111及第二基板1112二者可分別製作完成後組合。如第3B圖所示，第一基板1111為一反射杯，其端部設有一凹部1111a，於本例中，第一基板1111的所述凹部1111a為一穿孔，惟需要時，第一基板1111可為一凹陷的盲孔亦可。而第二基板1112設置在凹部1111a內。由於是分別製作，因此組裝後第一基板1111與第二基板1112之間設有分界面。組裝後，第一基板1111與第二基板1112可直接接觸或之間保持一間隙。更進一步的說，需要時，反射部亦可以獨立元件的方式，例如是反射環，其內側具有第三反射面111C，且連接於第一基板1111的另一端，以為對應的效果。

螢光材料層112，是波長轉換材料層的一種，可將光束轉換成不同波長的光束。在本實施例中，螢光材料層112包括一螢光粉且可將藍光光束轉換成綠光光束，然亦可將藍光光束轉換成紅光光束。此外，於本例中，螢光材料層112包括陶瓷螢光粉(Phosphor ceramic)，惟螢光材料層112亦可全部或部份採用玻璃混合式螢光粉(Phoshpor in galss)或是混膠式螢光粉(Phosphor in glue)。

散熱元件113可傳導熱量並將熱量對流至外界。散熱元件113例如是由導熱性佳的材料製成，如金屬，具體而言是銅或鋁等，例如是散熱鰭片、電熱致冷器(Thermoelectric Cooler,TEC)、熱管、均熱板(VC)等其它可用於熱能傳輸或交換的元件或前述各元件之組合。

光學元件組114可選擇性的讓通過的光束擴光或聚光且總屈光度可以是等於、大於或是小於零。光學元件組114可以是各式光學透鏡、稜鏡、分光片、偏振元件或遮、擋光元件等可反射、吸收部份光線或讓至少部份光線通過的元件。於本例中，光學元件組114包括單一屈光度為負的雙凹透鏡。

請參酌第3B圖，由圖可見，螢光材料層112設於基板111的反射面111A上，可將入射的光束L11(如藍光)轉換成不同波長的光束L14(如綠光)，再者，未被激發的藍光經反射面111A反射後可再次激發螢光材料層112中的螢光粉。在另一實施例中，螢光材料層112也可延伸至覆蓋反射面111B或延伸至覆蓋反射面111B及111C，以增加光束L14的可能轉換區域，進一步減少光線的集中，改善散熱效能。

散熱元件113熱連接至基板111或基板1112，例如，散熱元件113熱連接於基板111相對於螢光材料層112的另一表面。散熱元件113可將光束L11傳導至基板111的熱量透過熱傳導、輻射及熱對流等機制散逸至固定式波長轉換裝置110外。雖然本發明實施例的基板111為固定不可旋轉的，惟透過增加螢光材料層112的面績，光束的功率可被分散，配合散熱元件113將基板111的熱量傳導至外界，可避免螢光材料層112被光束L11燒毀。由於基板111為固定式，因此可省略習知馬達的使用及省去馬達驅動設計。再者，當光學元件組114的任一部份與基板111連接時，其二者之間可選擇為封閉且形成一封閉空間，而封閉空間可具有防止粉塵進入的功能，如第3A~5圖所繪述者，即為其例，需要時，光學元件組114與基板111之間亦可增加其他例如是膠、環等材料或機構件來延長其二者之間的距離並保持封閉的狀態。再者，光學元件組114與基板111之間不以設有封閉空間為限，其二者之間亦可以分開設置設的。

螢光材料層112及散熱元件113可在設於第二基板1112上後再與第一基板1111組裝，如此可提升固定式波長轉換裝置110的製造性及/或組裝性。

此外，光學元件組114設於螢光材料層112相對基板111的另一側，光學元件組114與基板111連接。光學元件組114可來自於光源120的光束L11擴光，使入射至螢光材料層112的光照面積擴大，以降低單位面積的功率密度，進而避免螢光材料層112燒毀。如此一來，即使基板111為固定不可旋轉的，透過光學元件組114將小面積的點照射轉換成大面積的面照射，可避免螢光材料層112燒毀。惟需注意的是，螢光材料層112的光強度愈強，螢光材料層112的光轉換效率愈高，但螢光材料層112的散熱愈困難。故此，較佳的是將前述的設計應用於高功率光源系統中，其效益較佳。

光源120、130及140例如是經過封裝的發光二極體模組、雷射光源或其它種類光源。本發明實施例之光源120、130及140係以雷射光源為例。光源120、130及140可發出固定的單一光色光束，如可分別發出第一色光光束L11、第二色光光束L12及第三色光光束L13。第一色光光束L11、第二色光光束L12及第三色光光束L13例如分別是藍光、紅光及藍光的光束，然本發明實施例不受此限。此外，光源120、130及140的功率分別介於20~200瓦特時，其已有基本的效果；而在30~120瓦特之間時，其效益較佳，在50~100瓦特時，效益更佳。而投影機1中各光源的總耗能分別100、200及500瓦特以上且小於1000瓦特時，分別具有佳、較佳及更佳的效益。於本例中，各光源的功率分別約為95瓦特，而投影機1的各光源的總耗能在300至500瓦特之間。

分光元件150及160例如是稜鏡、二向分光鏡(Dichroic Mirror)、極化光束分光器(polarization beam splitter,PBS)等設有合光功能的光學元件。在本例中，分光元件150及160例如是二向分光鏡，其允許設有第一波長的光束通過並反射設有第二波長的光束，其中第一波長與第二波長相異。在本實施例中，分光元件150允許綠光通過，但反射藍光及紅光，而分光元件160允許綠光及紅光通過，但反射藍光。然，本發明實施例不受此限。

稜鏡170，可以是全反射稜鏡(TIR PRISM)組或反向全反射稜鏡(RTIR PRISM)組。單一個稜鏡組之中有可能由單一或是數枚獨立設置且未連接的稜鏡所構成，在實施例中，為創造全反射面，各稜鏡間可選擇性的設置有一空氣空隙。而於其他實施例中，稜鏡170可利用場鏡、反射鏡等可將光線導入光閥180之光學元件取代。

光閥180是一個廣為應用之詞，在本實施例中，光閥180可將照明光轉換成一設有固定圖案的影像光。數位微透鏡陣列(DMD)、液晶面板(LCD)及矽基液晶面板(LCOS)等之任一者可作為本發明實施例之光閥之用，而於本例中，光閥180為DMD。

投影鏡頭190可以包括多枚例如是透鏡、稜鏡、光圈等光學元件，投影鏡頭190可調整影像光的輪廓或是修正影像光的像差等並往外輸出經過調整的影像光。

如第1圖所示，固定式波長轉換裝置110、光源120、130及140、分光元件150及160、稜鏡170、光閥180及投影鏡頭190設於機座115內。如第1、3A及3B圖所示，分光元件150設於光源120及螢光材料層112的光路之間。基板111配置在機座115中，使配置在基板110上的螢光材料層112可藉由基板111固定於機座115中。

固定式波長轉換裝置110設於光源120與分光元件150的光路下游。光源120發出光束L11。光束L11被分光元件150反射至固定式波長轉換裝置110。固定式波長轉換裝置110可將光束L11轉換成不同波長的光束L14，並反射光束L14。光束L14的光路依序經由分光元件150、分光元件160、稜鏡170及光閥180。光源130發出光束L12。光束L12的光路依序經由分光元件150、分光元件160、稜鏡170及光閥180。光源140發出光束L13。光束L13的光路依序經由分光元件160、稜鏡170及光閥180。

如第2圖所示，投影機2包括固定式波長轉換裝置110、機座215、光源220(如第一光源)、光源230、光源240、分光元件250、分光元件260、稜鏡270、光閥280及投影鏡頭290。而機座215、光源220、光源230、光源240、分光元件260、稜鏡270、光閥280及投影鏡頭290的結構分別類似前述機座115、光源120、光源130、光源140、分光元件160、稜鏡170、光閥180及投影鏡頭190，故不予贅述。

固定式波長轉換裝置110設於光源220與分光元件250的光路下游。光源220發出光束L21。光束L11穿透分光元件250而至固定式波長轉換裝置110。固定式波長轉換裝置110可將光束L21轉換成不同波長的光束L24，並反射光束L24。光束L24的光路依序經由分光元件250、分光元件260、稜鏡270及光閥280。光源230發出光束L22。光束L22的光路依序經由分光元件 250、分光元件260、稜鏡270及光閥280。光源240發出光束L23。光束L23的光路依序經由分光元件260、稜鏡270及光閥280。

請參照第4圖，其繪示依照本發明另一實施例之固定式波長轉換裝置210的示意圖。固定式波長轉換裝置210包括基板211、螢光材料層212、散熱元件213及光學元件組214。前述投影機1及2的固定式波長轉換裝置110可用固定式波長轉換裝置210取代。

散熱元件213及光學元件組214分別類似前述散熱元件113及光學元件組114的結構。

基板211設有反射面211A(如第一反射面)、第二反射面211B(如第二反射面)及反射面211C(如第三反射面)，其中反射面211C經由反射面211B連接反射面211A。在本實施例中，反射面211A及反射面211B為連續表面，例如是連續曲面，而反射面211C呈圓環狀。此外，反射面211A與反射面211B可平滑地連接，亦即，連接處的切線方向實質重疊，然亦可轉折地連接。

如第4圖所示，螢光材料層212順應反射面211A形成，因此螢光材料層212也隨之設有曲面狀。在另一實施例中，螢光材料層212也可延伸至覆蓋反射面211B，或延伸至覆蓋反射面211B及211C。

請參照第5圖，其繪示依照本發明另一實施例之固定式波長轉換裝置310的示意圖。固定式波長轉換裝置310包括基板311、螢光材料層312、散熱元件313及光學元件組314。前述投影機1及2的固定式波長轉換裝置110可用固定式波長轉換裝置310取代。

散熱元件313及光學元件組314分別類似前述散熱元件113及光學元件組114的結構。

基板311設有反射面311A(如第一反射面)、第二反射面311B(如第二反射面)及反射面311C(如第三反射面)，其中反射面211C經由反射面211B連接反射面311A。在本實施例中，反射面311A及反射面311B為連續表面，而反射面311C呈圓環狀。此外，反射面311A與反射面311B係轉折地連接成連續表面。在本實施例中，基板311更包括基板部3111及環狀部3112，其中基板311設有前述反射面311A及反射面311B，而環狀部3112設有前述反射面311C。環狀部3112連接基板部3111。環狀部3112與基板部3111可分別製作後完成後，再透過黏合、螺合、卡合等方式結合。本實施例的環狀部3112與基板部3111為分件式，然在另一實施例中，環狀部3112與基板部3111可以是一體成型結構。

如第5圖所示，螢光材料層312順應反射面311A形成，因此螢光材料層212也隨之設有平面狀。在另一實施例中，螢光材料層312也可延伸至覆蓋反射面311B，或延伸至覆蓋反射面311B及311C。

綜上所述，雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中設有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110:固定式波長轉換裝置

111:基板

111A、111B、111C:反射面

112:螢光材料層

113:散熱元件

114:光學元件組

L11、L14:光束

Claims

一種固定式波長轉換裝置，包括：一基板，於面向一第一方向的一側設有一第一反射面；一螢光材料層，設於該基板的該第一反射面上；以及一散熱元件，連接至該基板；以及一光學元件組，與該基板定義一封閉空間，該螢光材料層設於該封閉空間之中；其中，該基板為固定不可旋轉的。
一種投影機，包括：一第一光源；一分光元件；以及一如請求項1所述的固定式波長轉換裝置，該第一反射面並設於該第一光源與該分光元件的光路下游；其中，該基板更設有一面向該第一方向的第二反射面。
如申請專利範圍第2項所述之投影機，其中，該第一反射面及該第二反射面為連續表面，該第二反射面往該螢光材料層的方向轉折。
如申請專利範圍第2項所述之投影機，進一步包括一反射杯，該反射杯設有該第二反射面，該反射杯有一凹部，該凹部供該基板設於其中。
如申請專利範圍第2項或第4項所述之投影機，其中該光學元件組與該基板連接。
一種投影機，包括：一第一光源；一基板；一螢光材料層，設於該基板的面向一第一方向的表面上；一分光元件，設於該第一光源及該螢光材料層的光學路徑之間；一機座，該螢光材料層藉由該基板固定於該機座中；一散熱元件，熱連接於該基板相對於該螢光材料層的另一表面；以及一光學元件組，與該基板定義一封閉空間，該螢光材料層設於該封閉空間之中；其中，該基板更設有一面向該第一方向的第二反射面，該第一反射面及該第二反射面為連續表面，該第二反射面往該螢光材料層的方向轉折。
如申請專利範圍第3或6項所述之投影機，其中該基板更設有一第三反射面，該第三反射面經由該第二反射面與該第一反射面連接，且該第三反射面與該螢光材料層實質上垂直，該基板包括一基板部及一環狀部，該基板部具有該第一反射面及該第二反射面，該環狀部具有該第三反射面，該環狀部與該基板部為二相互固定的獨立元件。
如申請專利範圍第3或6項所述之投影機，其中該基板更設有一第三反射面，該第三反射面經由該第二反射面與該第一反射面連接，且該第三反射面與該螢光材料層實質上垂直，該基板包括一基板部及一環狀部，該基板部具有該第一反射面及該第二反射面，該環狀部具有該第三反射面，該環狀部與該基板部為一體成型。
一種投影機，包括：一第一光源；一基板；一螢光材料層，設於該基板的面向一第一方向的表面上；一分光元件，設於該第一光源及該螢光材料層的光學路徑之間；一機座，該螢光材料層藉由該基板固定於該機座中；一散熱元件，熱連接於該基板相對於該螢光材料層的另一表面；一反射杯，該反射杯設有一第二反射面，該第二反射面面向該第一方向，該反射杯有一凹部，該凹部供該基板設於其中；以及一光學元件組，與該基板定義一封閉空間，該螢光材料層設於該封閉空間之中。
如申請專利範圍第9項所述之投影機，其中該反射杯進一步包括一第三反射面，該第三反射面設於該第二反射面相對於該基板的另一側，該第三反射面呈一環狀，且該第三反射面與該螢光材料層實質上垂直。
如申請專利範圍第10項所述之投影機，其中該光學元件組設於該反射杯相對於該基板的另一側，該光學元件組與該反射杯連接。
如申請專利範圍第9項所述之投影機，進一步包括一反射環，連接於該反射杯相對於該基板的另一側，該反射環的內側設有一第三反射面，且該第三反射面與該螢光材料層實質上垂直。