TWI753894B - 照明系統及投影裝置 - Google Patents

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Abstract

一種照明系統，包括第一光源、第二光源、第三光源及致冷晶片。第一光源可輸出第一光線，第一光線的光譜之峰值波長在490nm至580nm之間。第二光源可輸出第二光線，第二光線的光譜之峰值波長在600nm至760nm之間。第三光源可輸出第三光線。致冷晶片與第二光源熱耦合。

Description

照明系統及投影裝置
本發明是有關於一種照明系統及投影裝置，且特別是有關於一種具有改良散熱架構的照明系統及投影裝置。
隨著發光二極體光源的普及化，近年來，愈來愈多的投影裝置也採用發光二極體光源。為滿足高亮度的需求，業者會採用高功率的發光二極體光源，但是高功率的發光二極體光源會產生更多的熱能，而熱能將使發光二極體光源的發光效能降低，所以習知投影裝置通常會在發光二極體光源加裝散熱鰭片。然而，加裝散熱鰭片並無法消除在發光二極體光源與空氣之間的熱阻，導致散熱效果有限。
本發明之一實施例提供了一種照明系統，藉由在光源與散熱元件之間加裝致冷晶片(thermoelectric cooling chip,TEC chip)，可消除光源與空氣之間的熱阻，以提升散熱效率。
舉例來說，照明系統大致包括有第一光源、第二光源、第三光源及致冷晶片。第一光源可輸出綠色的第一光線，其光譜之峰值波長(peak wavelength)落在490nm至580nm之間。第二光源可輸出紅色的第二光線，其光譜之峰值波長落在600nm至760nm之間，而第三光源可輸出例如是藍色的第三光線，其光譜的峰值波長若在400nm至480nm之間。致冷晶片與第二 光源熱耦合(thermally coupled)，以加速可發出紅色光線的第二光源的散熱。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
1、1a、1b:照明系統
11:第一光源
111、121、131:發光元件
112、122、132:電路板
12:第二光源
1221:第一側
1222:第二側
13:第三光源
14、14a、14b:致冷晶片
141:冷側
142:熱側
143:第一傳導材料層
144:半導體材料層
145:第二傳導材料層
15:合光光學元件
151:第一分光片
152:第二分光片
16:散熱器
17:第一熱介面材料層
18:第二熱介面材料層
2:投影裝置
23:光閥
231:複數光處理結構
24:投影鏡頭
25:全反射棱鏡
L1:第一光線
L2:第二光線
L3:第三光線
Li:照明光
Lm:影像光
S1、S2、S3:控制訊號
圖1是本發明之一實施例之照明系統的示意圖。
圖2是圖1之致冷晶片的示意圖。
圖3是本發明之另一實施例之照明系統的示意圖。
圖4是本發明一實施例之第一光源、第二光源及第三光源的控制訊號示意圖。
圖5是本發明之另一實施例之照明系統的示意圖。
圖6是本發明之一實施例之一種投影裝置的示意圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之多個實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而非用來限制本發明。另外，下列實施例中所使用的用語「第一」、「第二」是為了辨識相同或相似的元件而使用，並非用以限定該元件。本發明所謂光學元件，係指元件具有部份或全部可反射或穿透的材質所構成，通常包括玻璃或塑膠所組成。本發明所謂合光，係指可將一個以上光束，合成一 光束輸出。本發明所謂的甲元件與乙元件為熱耦合，是指甲元件與乙元件之間具有熱傳導關係。例如，甲元件的熱能藉由例如是導熱膏的材料層傳導至乙元件，則甲元件與乙元件二者為熱耦合。
圖1是本發明一實施例之一種照明系統的示意圖。請參閱圖1，照明系統1可至少包括第一光源11、第二光源12、第三光源13以及致冷晶片14。以下先說明本例照明系統1中各元件之設計。
本發明所指光源，是指發光二極體(light-emitting diode,LED)光源、雷射二極體(laser diode,LD)光源等可發出光線的元件、模組或裝置，但不以半導體光源為限制。本例的各光源分別為一封裝完畢的LED光源模組。本例的第一光源11包括發光元件111及電路板112，發光元件111為一發光二極體晶粒(die)，發光元件111的數量為一個或多個，本例以六枚為例，每枚的功率約為8W。發光元件111設置在電路板112之上方並以例如是矽膠等封裝膠體保護之。本例中第一光源11可輸出第一光線L1，其光譜之峰值波長在490nm至580nm之間，亦即第一光源11為綠光光源。而第一光源11中的發光元件111除了直接發出第一光線L1外，其亦可以另一方式為之。舉例來說，在封裝膠體內可以設置螢光粉，來吸收自發光元件111所輸出的波長較短的光線(例如是藍光)再激發出第一光線L1。此外，也可增設濾光片以過濾從螢光粉激發出的光線，以產生上述的第一光線。亦即，發光元件111所發出的波長並不需要與第一光源11所輸出的光源為一致。而本發明所謂的濾光片係指帶通濾光片(bandpass filters)、帶拒濾光片(bandstop filters)、分色濾光片(DM filter)、分色鏡(dichroic mirror)、分色稜鏡(DM prism)、X型合光濾鏡組(X Plate)、X型合光稜鏡(X Prism)、偏振分光鏡(BS)、色輪、螢光輪、半穿半反片、全反射鏡(mirror)、 透鏡(lens)、平板玻璃等具有過濾光線功能的元件，或包括前述各者之至少一者及其組合。
需注意的是，在本發明中光譜係指複色光通過色散系統(即如光柵、稜鏡)進行分光後，依照光的波長(或頻率)的大小順序排列形成的圖案。光譜中的一部分可見光譜係指電磁波譜中人眼可見的唯一部分，在這個波長範圍內的電磁輻射被稱作可見光，且本發明中的峰值波長係指頻譜中強度最強處所相對應的波長。
本例的第二光源12包括發光元件121及電路板122，發光元件121為一發光二極體晶粒(die)，發光元件121的數量為一個或多個，本例以一個為例。發光元件121設置在電路板122之上方並以例如是矽膠等封裝膠體保護之。本例中第二光源12可輸出第二光線L2，其光譜之峰值波長在600nm至760nm之間，亦即第二光源12為紅光光源。而第二光源12中的發光元件121除了直接發出第二光線L2外，其亦可以另一方式為之。舉例來說，在封裝膠體內可以設置螢光粉，來吸收自發光元件121所輸出的波長較短的光線(例如是藍光)再激發出第二光線L2。此外，也可增設濾光片以過濾從螢光粉激發出的光線，以產生上述的第二光線L2。亦即，發光元件121所發出的波長並不需要與第二光源12所輸出的光源為一致。
本例的第三光源13包括發光元件131及電路板132，發光元件131為一發光二極體晶粒(die)，發光元件131的數量為一個或多個，本例以一個為例。發光元件131設置在電路板132之上方並以例如是矽膠等封裝膠體保護之。本例中第三光源13可輸出第三光線L3，其光譜之峰值波長在400至480nm之間，亦即第三光源13為藍光光源。而第三光源13中的發光元件131除了直接發出第三光線L3外，其亦可以另一方式為之。舉例來說，在封裝膠體內可以設置螢光粉，來吸收自發光元件131所輸出的波長較短的光線 (例如是藍光)再激發出第三光線L3。此外，也可增設濾光片以過濾從螢光粉激發出的光線，以產生上述的第三光線L3。亦即，發光元件131所發出的波長並不需要與第三光源13所輸出的光源為一致。
本發明所謂的致冷晶片14係指一種通入電流(較佳為直流)後可在相反表面產生溫差的半導體元件。致冷晶片14兩面的溫差會受到電流大小所影響，電流越大則兩面的溫差越大。本例中致冷晶片14具有彼此相對的冷側141及熱側142，於致冷晶片14通電後，在冷側141與熱側142之間形成溫差，其中冷側141可提供冷卻的功能。具體來說，請參閱圖2，本例中致冷晶片14做為散熱元件使用，其包括第一傳導材料層143、半導體材料層144以及第二傳導材料層145。半導體材料層144設於第一傳導材料層143及第二傳導材料層145之間，第一傳導材料層143與第二光源12熱耦合，以將第二光源12產生的熱能從第一傳導材料層143傳送至第二傳導材料層145。而於本例中，第一傳導材料層143及至第二傳導材料層145係分別為一陶瓷片。
具體而言，第一傳導材料層143及第二傳導材料層145適於傳導熱能，半導體材料層144為一對或多對的P型半導體材料及N型半導體材料彼此串接。在半導體材料層144通電後，P型及N型半導體材料內帶有能量的載子(電子及電洞)均朝向一個方向移動，帶有能量的載子會遠離於第一傳導材料層143，使與半導體材料層144連接之第一傳導材料層143的溫度降低，第一傳導材料層143的上表面即為冷側141。而另一方面，由於帶有能量的載子會靠近於第二傳導材料層145，使與半導體材料層144連接之第二傳導材料層145的溫度增加，第二傳導材料層145的下表面即為熱側142。
除此之外，本例之照明系統1更可包括一個合光光學元件15，合光光學元件15有部份或全部可反射或穿透的材質所構成，通常包括玻璃或塑 膠所組成，而其可將一個以上光束，合成一光束輸出。以圖1為例，本例之合光光學元件15包括第一分光片151與第二分光片152，而第一分光片151與第二分光片152彼此交錯並排列成X狀。兩分光片均可用於分離不同波長之光線，第一分光片151可反射第二光線L2，並讓第一光線L1及第三光線L3通過。第二分光片152用以反射第三光線L3，並讓第一光線L1及第二光線L2通過。而除了前述的例子外，亦可以兩片相互平行的合光光學元件15為之，於本例中，為二分光片來對前述各光源來進行合光。更明確的說，分光片的一側係傾斜地面對第一光源11，而另一側係傾斜地面對第二光源12，而另一分光片的一側面對前述的分光片並與其平行，而另一側係傾斜地面對第三光源13及出光面。藉此為合光亦可。
在說明各元件之設計後，以下將就一具體實施例說明各元件的相對關係。請再參閱圖1，由圖可見，在本例中合光光學元件15位於第一光源11、第二光源12及第三光源13之間，致冷晶片14與第二光源12熱耦合。具體來說，第二光源12的電路板122具有相對的第一側1221及第二側1222，第一側1221裝設有發光元件121，而第二側1222連接於致冷晶片14之冷側141。此外，在致冷晶片14與第二光源12之間可設置熱介面材料層(圖未示)，例如導熱片、導熱膏、導熱膠或導熱雙面膠等。
承前述之各元件的相對關係，以下說明本例中第一光源11、第二光源12及第三光源13之輸出光線的傳遞路徑。本例透過合光光學元件15可使第一光線L1、第二光線L2及第三光線L3按大致相同的路徑行進，並將前述第一光線L1、第二光線L2及第三光線L3合併。具體來說，第一光線L1從第一光源11輸出後，通過第一分光片151及第二分光片152。第二光線L2從第二光源12輸出後，被第一分光片151所反射，以與通過合光光學元件15的第一光線L1朝大致相同的路徑傳遞。第三光線L3從第三光源13輸出後， 被第二分光片152所反射，以與通過合光光學元件15的第一光線L1朝大致相同的路徑傳遞。
如此，本例中照明系統1因將致冷晶片14配置於第二光源12的第二側1222，以對第二光源12進行散熱。致冷晶片14能減低第二光源12與空氣之間的熱阻。更明確的來說，本例中照明系統1可將第二光源12與空氣之間的熱阻(降低至接近0℃/W)，亦即使第二光源12的第二側1222趨近於環境溫度，以提升第二光源12的散熱效率，適於改善第二光源12因熱能累積造成發光效能降低的問題，以確保照明系統1的出光亮度。
圖3是本發明之另一實施例之照明系統的示意圖。請參閱圖3，本發明實施例之照明系統1a與圖1的照明系統1相似。主要差異在於本例照明系統1a中更包括散熱器16，且散熱器16與致冷晶片14之熱側142熱耦合。具體來說，散熱器16是散熱片式(散熱鰭片)、熱管式、導熱板式(vapor chamber)或液冷迴路式等散熱器，並裝設在致冷晶片14之熱側142，以提升散熱效率。
除此之外，本例照明系統1a更可包括第一熱介面材料層17及第二熱介面材料層18。第一熱介面材料層17及第二熱介面材料層18例如是導熱膏、導熱膠或導熱雙面膠等，其具有良好的熱傳導性能。本例中第一介面材料層17連接至致冷晶片14之冷側141與電路板122的第二側1222之間，第二介面材料層18連接於致冷晶片14之熱側142與散熱器16之間。如此，電路板122的熱能容易傳導到致冷晶片14之冷側141，而致冷晶片14之熱側142的熱能容易傳導到散熱器16。
本例中照明系統1a適用於投影裝置，投影裝置可將照明光轉換為多個影像光，以播放影像。所述的影像是由依時間序產生的多個影格(frame)組成。照明系統1a可藉由調整前述各光線於單一影格中所佔的指 定時間長度，以提升整體照明系統1a的出光亮度。圖4是本發明一實施例之第一光源、第二光源及第三光源的控制訊號示意圖。請參閱圖4，當第一光線L1的輸出時間例如占該指定時間長度的45%以上時，其對照明系統1a的投影裝置之出光亮度的提升已有基本效果。在另一實施例中，前述的時間比例可以理解成每一秒中，光閥接受前述各光源光線的時間比例。有當占指定時間長度的50%以上時，其效果更佳，在占時間長度約60%以上時，效果最佳。在本例中，播放單一影格所需的時間為16.67ms(微秒)，第一光線L1的輸出時間佔指定時間的65.3%(如控制訊號S1所示)，第二光線L2的輸出時間佔指定時間的33.95%(如控制訊號S2所示)，第三光線L3的輸出時間佔指定時間的32.55%(如控制訊號S3所示)。而各光線占指定時間的加總超過100%的意思是指各光源有部份時間係同時開啟的。
圖5是本發明另一實施例之照明系統的示意圖。請參閱圖5，本發明實施例之照明系統1b與圖1的照明系統1相似。主要差異在於本例照明系統1b中更包括其他致冷晶片14a、14b，致冷晶片14a、14b分別配置在第一光源11及第三光源13，以提升第一光源11及第三光源13的散熱效果。
另一方面，圖3之散熱器16、第一熱介面材料層17與第二熱介面材料層18，也可應用於照明系統1b中。除此之外，在其他實施例中，可以視設計需求而僅將第一光源11、第二光源12與第三光源13之任一或任二與致冷晶片熱耦合。
由於本例中照明系統1b在第一光源11、第二光源12及第三光源13皆設有致冷晶片14，有助提升第一光源11、第二光源12及第三光源13的散熱效果。如表一所示，在相同條件下，量測出位於習知照明系統及本例照明系統1b內之各光源的攝氏溫度值，顯示本例照明系統1b相較於習知照明 系統(各光源設有散熱器，但在光源與散熱器之間未設有致冷晶片)，本例照明系統1b較能降低第一光源11、第二光源12及第三光源13的溫度。
Figure 106111237-A0305-02-0011-1
圖6是本發明一實施例之投影裝置的示意圖。請參閱圖6，本例之投影裝置2包括光源、致冷晶片、光閥23及投影鏡頭24。
光源用於輸出照明光Li，本例光源是可發出多個不同顏色光線的元件、模組或裝置。進一步來說，在本例中光源包括第一光源11、第二光源12及第三光源13，可依時間序至少提供紅光、綠光及藍光，亦可進一步包括白光(即紅光、綠光及藍光同時開啟)。而除了前述的例子外，光源亦可為發出白光的元件、模組或裝置。具體來說，光源可為汞燈、白光LED光源或白光LD光源，光源所輸出的照明光Li可藉由色輪或其他分色元件將白光依時間序而分成紅光、綠光及藍光(也可進一步包括白光)。另外，上述紅光、綠光、藍光、白光的輸出順序可依設計需求而調整。
致冷晶片熱耦合於光源，用於冷卻光源。致冷晶片的數量可配置為一個或多個，並連接至對應的光源。具體來說，本例致冷晶片的數量是三個(致冷晶片14、14a、14b)，並分別連接至第一光源11、第二光源12及第三光源13，以提升各光源的散熱效率。此外，致冷晶片亦可參照前述照明系統1、1a之配置(即致冷晶片14僅配置於第一光源11)，或者，致冷晶片也可配置於第一光源11、第二光源12及第三光源13中的任意一個或二個以上。
另外，本發明中所謂的光閥23是指一可將照明光轉換成影像光的裝置。更明確的說，光閥是指數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)、矽基液晶面板(liquid crystal on silicon panel,LCoS Panel)等反射式光閥或液晶面板(LCD)等穿透式光閥。本例中，光閥為數位微鏡元件，並具有複數個光處理結構231，複數個光處理結構231係分別對應像素，而光處理結構231為反射鏡。
除此之外，本例之投影裝置2更包括一個全反射棱鏡(total internal reflection prism,TIR prism)25，可用於將照明光Li反射至光閥23。再者，雖然圖6中投影裝置2是以採用全反射棱鏡25的架構為例，但本發明並不限制投影裝置的具體架構，例如，前述的全反射棱鏡亦可按設計需求變更成反向式全反射棱鏡(RTIR Prism)或是場鏡(Field lens)。除此之外，投影裝置也可以採用穿透式光閥，而光閥的數量也可為多個(例如是三個)，本發明對此不予另外限制。
本例中光源用於輸出照明光Li，光閥23用以將照明光Li轉換為影像光Lm，而投影鏡頭24適於出射此影像光Lm，以於屏幕上形成影像。
如此，本例之投影裝置2因在光源裝設有致冷晶片，所以可提升散熱效率，而有助於確保投影裝置2的影像亮度及影像品質。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1:照明系統
11:第一光源
111、121、131:發光元件
112、122、132:電路板
12:第二光源
1221:第一側
1222:第二側
13:第三光源
14:致冷晶片
141:冷側
142:熱側
15:合光光學元件
151:第一分光片
152:第二分光片
L1:第一光線
L2:第二光線
L3:第三光線

Claims (10)

  1. 一照明系統，包括：一第一光源，可輸出一第一光線，該第一光線的光譜之峰值波長在490nm至580nm之間；一第二光源，可輸出一第二光線，該第二光線的光譜之峰值波長在600nm至760nm之間；一第三光源，可輸出一第三光線；以及一致冷晶片，與該第二光源熱耦合，且該第一光源及該第三光源都沒有熱耦合任何致冷晶片。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中播放單一影格所需的時間長度為一指定時間，該第一光線的輸出時間占該指定時間長度的45%以上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該第三光線的光譜之峰值波長在400nm至480nm之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該照明系統更包括一合光光學元件，以將該第一光線、該第二光線與該第三光線合併。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該第一光源、該第二光源及該第三光源各自包括一電路板及至少一發光元件，該第二光源的該電路板具有相對的一第一側及一第二側，該第一側裝設有該至少一發光元件，該第二側連接至該致冷晶片之一冷側。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之照明系統，進一步包括一散熱器，該散熱器與該致冷晶片之一熱側熱耦合。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之照明系統，其中該照明系統更包括一第一熱介面材料層及一第二熱介面材料層，該第一介面材料層連接於該致冷晶片與該第二側之間，該第二介面材料層連接於該致冷晶片與該散熱器之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該第三光線的光譜之峰值波長在400nm至480nm之間，而該第一光源、該第二光源及該第三光源為發光二極體光源或雷射光源，該照明系統更包括一合光光學元件，以將該第一光線、該第二光線與該第三光線合併，而播放單一影格所需的時間長度為一指定時間，該第一光線的輸出時間占該指定時間長度的45%以上，且該第一光源、該第二光源及該第三光源各自包括一電路板及至少一發光元件，該第二光源的該電路板具有相對的一第一側及一第二側，該第一側裝設有該至少一發光元件，該第二側連接該致冷晶片之一冷側，且該照明系統更包括一第一熱介面材料層、一第二熱介面材料層及一散熱器，該第一介面材料層連接於該致冷晶片與該第二側之間，該第二介面材料層連接於該致冷晶片與該散熱器之間，該散熱器與該致冷晶片之一熱側熱耦合。
  9. 一照明系統，包括：一第一光源，可輸出一第一光線，該第一光線的光譜之峰值波長在490nm至580nm之間；一第二光源，可輸出一第二光線，該第二光線的光譜之峰值波長在600nm至760nm之間；一第三光源，可輸出一第三光線；以及一散熱元件，具有一第一傳導材料層、一半導體材料層以及一第二傳導材料層，該半導體材料層設於該第一傳導材料層及該第二傳導材料層之間，該第一傳導材料層與該第二光源熱耦合，以將熱能從該第一傳導材料層傳送至該第二傳導材料層，且該第一光源及該第三光源都沒有熱耦合任何散熱元件。
  10. 一投影裝置，包括：一光源，用於輸出一照明光，該光源包括： 一第一光源，可輸出一第一光線，該第一光線的光譜之峰值波長在490nm至580nm之間；一第二光源，可輸出一第二光線，該第二光線的光譜之峰值波長在600nm至760nm之間；及一第三光源，可輸出一第三光線；一致冷晶片，僅熱耦合於該第二光源，用於冷卻該第二光源；一光閥，具有一複數個光處理結構，該複數個光處理結構係分別對應一像素，該光處理結構為一反射鏡，該光閥用於將該照明光轉換為影像光；以及一投影鏡頭，用於出射該影像光。
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