TWI681246B - 散熱裝置與投影機 - Google Patents
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Abstract
一種散熱裝置，包括兩個絕緣層、兩個金屬層、一半導體層及一螢光粉層。半導體層配置於此兩個金屬層之間，且半導體層與此兩個金屬層的整體配置於此兩個絕緣層之間。螢光粉層配置於其中一個絕緣層上。一種投影機亦被提出。
Description
本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種散熱裝置與投影機。
目前綠光發光二極體（light-emitting diode, LED）的發光效率低下，因此市面上為產生綠光大多是使用例如是藍光或UV光等短波長光源作為激發光照射螢光粉，以讓螢光粉激發出綠光。通常螢光粉的轉換效率與其所接受的激發光密度呈正比，而光密度愈高，溫度則愈高。然而，螢光粉的壽命反比於其工作溫度。現在的做法大多是先把螢光粉層塗佈在一基板上，再將基板連接散熱鰭片，再對散熱鰭片吹風來把熱帶走。但是，受限基板的熱阻值，熱能將無法有效、大量、迅速地被傳導至鰭片上，導致螢光粉層的工作溫度仍然偏高。
一種習知的投影機中是利用會轉動的螢光輪與色輪的搭配來產生不同顏色的光束，以使投影機能夠投影出彩色畫面，同時藉由螢光輪的轉動來降低螢光粉層的工作溫度。然而，為了讓螢光輪與色輪轉動而採用的馬達動件會導致系統的可靠度下降，使系統壽命無法有效的提升。
本發明提供一種散熱裝置，其具有較長的使用壽命與較高的散熱效率。
本發明提供一種投影機，其具有較高的可靠度與較長的使用壽命。
本發明的一實施例提出一種散熱裝置，包括兩個絕緣層、兩個金屬層、一半導體層及一螢光粉層。半導體層配置於此兩個金屬層之間，且半導體層與此兩個金屬層的整體配置於此兩個絕緣層之間。螢光粉層配置於其中一個絕緣層上。
本發明的一實施例提出一種散熱裝置，包括一致冷晶片與一螢光粉層。致冷晶片設有一陶瓷表面，而螢光粉層燒結於陶瓷表面。
本發明的一實施例提出一種投影機，包括一光機、一光閥及一鏡頭。光機包括一準直光源、一透鏡、一絕緣基板及一致冷晶片。透鏡設於準直光源的光路下游，絕緣基板設於透鏡的光路下游，且絕緣基板的一側設有一螢光粉層。致冷晶片設於絕緣基板的另一側。光閥設於光機的光路下游，而鏡頭設於光閥的光路下游。
在本發明的實施例的散熱裝置與投影機中，由於採用致冷晶片或半導體熱電冷卻（thermoelectric cooling, TEC）技術來幫助螢光粉層的散熱，因此散熱裝置可具有較長的使用壽命與較高的散熱效率，且投影機可具有較高的可靠度與較長的使用壽命。
為讓本發明的上述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。
圖1為本發明的一實施例的投影機的光路示意圖。舉例來說，在本發明的一實施例的投影機中的螢光粉層的散熱架構中，採用了致冷晶片來幫助螢光粉層的散熱，因而可以達到良好的散熱效果，降低發光粉層的工作溫度，進而增加發光粉層的使用壽命。另外，由於可以選擇性的省略可轉動的螢光輪等動件，所以可以提高投影機的可靠度及使用壽命。以下就本發明的投影機的設計進行說明。
請參照圖1，本實施例的投影機500包括一光機400、一光閥510及一投影鏡頭520。
本實施例的光機400包括光源組100、200及300、透鏡442、444、472、474、452、454、464及476、一散熱裝置600、分光鏡410、分光鏡420、擴散片446、456及466、一光均勻化元件484及一稜鏡486。
光源組100、200及300可各自為一準直光源，可輸出一準直光線，其可為雷射光源或是經各式光學元件準直的，例如發光二極體或其他傳統光源。亦即，光源組100、200及300本身可包括一非準直光源及至少一例如是準直透鏡的光學元件。於本例中，光源組100、200及300可各自包括一雷射二極體發光模組(laser bank)，分別包括一雷射二極體陣列。再者，於本例中，光源組100、200、300的設計，除其中的發光元件的顏色及功率略有不同外，其結構是大致相同的，惟其不以相同為限。於本例中，光源組100、200、300可分別輸出藍色光束101、藍色光束201及紅色光束301。在應用時，光源組100、200、300的功率分別在20、50、100瓦特以上、300瓦特以下時，其效率及散熱效果較能取得平衡。
圖2為圖1中的散熱裝置的剖面示意圖。散熱裝置600可為一固定式的波長轉換元件，其並非如色輪或是螢光輪等可轉動的裝置。於本例中，散熱裝置600包括一致冷晶片610、一螢光粉層620、一絕緣基板630、一熱沈（heat sink）640及一直流電源650。致冷晶片610例如為一熱電冷卻器（thermoelectric cooler, TEC），其包括絕緣層611及615、金屬層612及614及一半導體層613。絕緣層611及615例如為陶瓷基板。半導體層613包括多對半導體接腳，每一半導體接腳包括一P型半導體接腳613p與一N型半導體接腳613n。絕緣基板630例如為一固定式的陶瓷基板，且不是旋轉盤或移動式基板。此外，螢光粉層620可以包括各色螢光粉，如吸收較短波長的藍光或UV光後，可激發出較長波長的紅、綠色光束的螢光粉，於本例中，螢光粉層620是可受藍光激發以輸出綠光的綠色螢光粉層。螢光粉層620的厚度T可以是小於1毫米，例如是小於0.1毫米，或是小於0.3毫米，或是小於0.5毫米。螢光粉層620可以僅以陶瓷螢光粉燒結而成，又或者與樹脂等載體混合後定型亦可，本發明不以此為限。於本例中，螢光粉層620為一直接燒結於絕緣基板630表面的陶瓷螢光粉層。直流電源650可對半導體接腳供電。此外，熱沈640例如為散熱鰭片。
分光鏡410與分光鏡420可以是分色鏡（dichroic mirror）或是例如是X型合光片、合光稜鏡組、極性濾光片(polarizing beam splitter, PBS)等元件。在本實施例中，分光鏡410與分光鏡420為二相互實質平行的分色鏡（dichroic mirror），其可反射特定波長範圍的光，且讓其他波長範圍的光通過。舉例而言，分光鏡410可反射藍光，且讓綠光通過，而分光鏡420可反射紅光，且讓藍光與綠光通過。
擴散片(diffuser)446、456與466為一廣為應用的光學元件，其可為具有擴散粒子或擴散微結構的光學膜片或元件，可用於增加各光束的發散角度，用以降低雷射光的散斑（speckle）現象。需知悉的是，擴散片(diffuser)446、456與466並非以片狀為限。再者，擴散片可擴大各入射光束的擴散角度，讓光束的光斑可以均勻地照在螢光粉層上。
在本實施例中，光均勻化元件484可以是光積分柱（light integration rod）、透鏡陣列、複眼透鏡(Fly-eye)等可使光線均勻化的光學元件。於本例中，光均勻化元件484為一複眼透鏡。
而光學元件486可以是場鏡、稜鏡、反射鏡等元件，於本例中，光學元件486為一內部全反射稜鏡（total internal reflection prism, TIR prism），惟按設計，亦可以單一反向內部全反射稜鏡(RTIR)予以取代亦可。
光閥510為一廣為應用的元件，為空間光調變器(SLM)的一種，可用於將一照明光束轉換為一影像光束。光閥510可以是數位微鏡元件（digital micro-mirror device, DMD）、矽基液晶面板（liquid-crystal-on-silicon panel, LCOS panel）或是液晶面板(LCD Panel)等元件，於本例中，光閥510為一數位微鏡元件(DMD)。
投影鏡頭520例如為可包括至少一透鏡且用以成像的鏡頭。於本例中，投影鏡頭520依序包括一前透鏡群、一光圈以及一後透鏡群，前透鏡群及該後透鏡群分別包括兩枚以上具屈光度的透鏡，而於本例中，投影鏡頭520中具屈光度的透鏡數量不多於15枚。
以下就各元件的相對位置及運作方式進行說明。
在散熱裝置600的致冷晶片610中，金屬層612設於絕緣層611上，半導體層613設於金屬層612上，金屬層614設於半導體層613上，且絕緣層615設於金屬層614上。此外，螢光粉層620熱耦接於絕緣層615。在本實施例中，螢光粉層620設於絕緣基板630的一側，而致冷晶片610設於絕緣基板630的另一側。也就是說，螢光粉層620藉由絕緣基板630熱耦接於絕緣層615，即螢光粉層620經由絕緣基板630配置於絕緣層615上。螢光粉層620可以塗佈於或燒結於絕緣基板630上。然而，在另一實施例的散熱裝置600a中，如圖3所繪示，致冷晶片610設有一陶瓷表面616，即絕緣層615的表面，而螢光粉層620燒結、熱固化或塗佈於陶瓷表面616。也就是說，螢光粉層620直接配置於絕緣層615上，且直接熱耦接於絕緣層615。
此外，致冷晶片610配置於熱沈640上，且位於螢光粉層620與熱沈640之間。在本實施例中，這些半導體接腳藉由金屬層612與金屬層614彼此電性連接。在本例中，直流電源650所提供的電流經由金屬層612與金屬層614流經這些半導體接腳，以使致冷晶片610的上側（即絕緣層615這一側）形成冷端（cold side），而致冷晶片610的下側（即絕緣層611這一側）形成熱端（hot side）。也就是說，螢光粉層620配置於致冷晶片610的冷端，而熱沈640配置於致冷晶片610的熱端。如此一來，藉由致冷晶片610的設置，可使螢光粉層620的熱能快速地傳導至熱沈640，進而從熱沈640散逸至環境中。
分光鏡410設於光源組100、光源組200以及散熱裝置600的光路下游，且分光鏡420設於光源300的光路下游，且設於分光鏡410的光路下游。
在本實施例中，光源組100所發出的呈藍色的光束101在傳遞至分光鏡410時，被分光鏡410反射至螢光粉層620，而激發出呈綠色的光束433。綠色光束433傳遞回分光鏡410後，穿透了分光鏡410。
在本實施例中，分光鏡410將雷射光源組200發出的呈藍色的光束201反射至分光鏡420，並使來自螢光粉層620的呈綠色的光束433通過而傳遞至分光鏡420。分光鏡420反射光源300發出的呈紅色的光束301，並使光源組200發出的且經分光鏡410反射的光束201與來自螢光粉層620的光束433通過。如此一來，呈紅色的光束301、呈綠色的光束433及呈藍色的光束201便能夠被分光鏡420合併為一照明光束401。
來自分光鏡420的照明光束401經由光均勻化元件484的均勻化與整形的作用後，經由稜鏡486照射於光閥510上。光閥510將照明光束401調制成影像光束512，而影像光束512經由稜鏡486而傳遞至投影鏡頭520。投影鏡頭520將影像光束512投影於成像面（成像面處例如設置有一屏幕）上，以形成影像畫面。在本實施例中，光源組100、200與300可以同時或是輪流發光，以使照明光束401輪流或同時呈現紅色、綠色、藍色或其組合而成的顏色，如白色，即為一例，以在不需要如色輪或螢光輪等動件的情況下形成彩色畫面。如此一來，本實施例的投影機500可以避免在光源端因使用動件而造成的可靠度下降的問題，且可以沒有色輪中不同顏色的區域之間的間隙造成光能量的損失的問題。
此外，雖然未使用可旋轉的螢光輪等動件容易使熱能集中於固定的位置，但本發明的實施例藉由致冷晶片610將熱能快速地傳導至熱沈640，以有效降低螢光粉層620上的熱能累積。如此一來，螢光粉層620便能夠具有比較低的工作溫度，進而延長了螢光粉層620的使用壽命。因此，本發明的實施例的散熱裝置600及投影機500具有較長的使用壽命與較高的散熱效率。
具體而言，在圖2的實施例中，是將螢光粉層620先形成在絕緣基板630（例如耐熱陶瓷基板）上，再將絕緣基板630設於致冷晶片610的冷端。致冷晶片610可有效地把絕緣基板630的一側的溫度降低至低於室溫，進而有效提高絕緣基板630的熱傳導效率。另一方面，於本例中，螢光粉層620與陶瓷基板630之間未設有例如是發光二極體等發光元件，又或者，可理解為螢光粉層620中的任一部份中均未包覆有已與電源耦接，且在接收訊號後可將電能轉換為光能的發光元件。
而在圖3的實施例中，螢光粉層620是直接以燒結、熱固化或是其他已知的方式形成並固定於致冷晶片610的表面，省略了絕緣基板630的熱阻，而致冷晶片610可有效的把螢光粉層620的熱能傳導至熱沈640。
在一實例中，為了使螢光粉層620所發出的光束433具有足夠的強度，照射於光束101照射於螢光粉層620上的功率可達20、50或100瓦特以上，1000瓦特以下。而於本例中，由於電光轉換效率的問題，照射於螢光粉層620上的光功率會小於光源100所消耗的功率。另一方面，通常照射於螢光粉層620上的功率在大於40瓦時，考量熱阻，即使應用風扇對熱沈來散熱，其仍無法有效緩解螢光粉層的溫度。然而，在圖2與圖3的實施例中，由於使用了致冷晶片610，熱阻可被最小化前述無法有效散熱的問題即可被解決，如此可有效提升投影機500的可靠度與使用壽命。再者，熱沉相對於熱源的另一側可選擇性的設置有風扇，以進一步提高其散熱效果。
在本實施例中，擴散片446設於光源組100及分光鏡410之間的光學路徑上，擴散片456設於光源組200及分光鏡410之間的光學路徑上，而擴散片466設於光源300及分光鏡420的光學路徑上。擴散片446、456、466可使光束101、201、301較為均勻，以改善雷射光束所產生的散斑現象。
在本實施例中，透鏡442與444依序配置於光源組100與擴散片446之間的光學路徑上，也就是設於光源組100的光路下游，而絕緣基板630設於透鏡422與444的光路下游。透鏡472與474配置於波長轉換元件430與分光鏡410之間的光學路徑上，透鏡452與454依序配置於光源組200與擴散片456之間的光學路徑上，透鏡462與464依序配置於光源300與擴散片466之間的光學路徑上，且透鏡476配置於分光鏡420與光均勻化元件484之間的光學路徑上。這些透鏡可提供聚光或改變光束錐角的功能。
在本實施例的致冷晶片610中，絕緣層611與絕緣層615例如為第一絕緣層與第二絕緣層，而金屬層612與金屬層614例如為第一金屬層與第二金屬層。
綜上所述，在本發明的實施例的散熱裝置與投影機中，由於採用致冷晶片或半導體熱電冷卻（thermoelectric cooling, TEC）技術來幫助螢光粉層的散熱，因此散熱裝置可具有較長的使用壽命與較高的散熱效率，且投影機可具有較高的可靠度與較長的使用壽命。
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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300‧‧‧光源組
101、201、301、433‧‧‧光束
400‧‧‧光機
401‧‧‧照明光束
410、420‧‧‧分光鏡
442、444、452、454、462、464、472、474、476‧‧‧透鏡
446、456、466‧‧‧擴散片
484‧‧‧光均勻化元件
486‧‧‧光學元件
500‧‧‧投影機
510‧‧‧光閥
512‧‧‧影像光束
520‧‧‧投影鏡頭
600、600a‧‧‧散熱裝置
610‧‧‧致冷晶片
611、615‧‧‧絕緣層
612、614‧‧‧金屬層
613‧‧‧半導體層
613n‧‧‧N型半導體接腳
613p‧‧‧P型半導體接腳
616‧‧‧陶瓷表面
620‧‧‧螢光粉層
630‧‧‧絕緣基板
640‧‧‧熱沈
650‧‧‧直流電源
T‧‧‧厚度
圖1為本發明的一實施例的投影機的光路示意圖。 圖2為圖1中的散熱裝置的剖面示意圖。 圖3為本發明的另一實施例的散熱裝置的剖面示意圖。
600‧‧‧散熱裝置
610‧‧‧致冷晶片
611、615‧‧‧絕緣層
612、614‧‧‧金屬層
613‧‧‧半導體層
613n‧‧‧N型半導體接腳
613p‧‧‧P型半導體接腳
620‧‧‧螢光粉層
630‧‧‧絕緣基板
640‧‧‧熱沈
650‧‧‧直流電源
T‧‧‧厚度
Claims (9)
- 一種散熱裝置，包括：一致冷晶片，包括：一第一絕緣層；一第一金屬層，設於該第一絕緣層上；一半導體層，設於該第一金屬層上；一第二金屬層，設於該半導體層上；以及一第二絕緣層，設於該第二金屬層上，其中該半導體層包括多對半導體接腳，每一半導體接腳包括一P型半導體接腳與一N型半導體接腳，該多對半導體接腳藉由該第一金屬層與該第二金屬層彼此電性連接；以及一螢光粉層，熱耦接於該第二絕緣層。
- 一種散熱裝置，包括：一致冷晶片，包括：一第一絕緣層；一第一金屬層，設於該第一絕緣層上；一半導體層，設於該第一金屬層上；一第二金屬層，設於該半導體層上；以及一第二絕緣層，設於該第二金屬層上，且該第二絕緣層設有一陶瓷表面，其中該半導體層包括多對半導體接腳，每一半導體接腳包括一P型半導體接腳與一N型半導體接腳，該多對半導體接腳藉由該第一金屬層與該第二金屬層彼此電 性連接；以及一螢光粉層，燒結於該陶瓷表面。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的散熱裝置之任一者，其中該螢光粉層直接配置於該致冷晶片之表面。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的散熱裝置之任一者，進一步包括一陶瓷基板，其中該螢光粉層經由該陶瓷基板配置於該致冷晶片之表面，該螢光粉層與該陶瓷基板之間未設有發光元件。
- 如申請專利範圍第4項所述的散熱裝置，更包括一熱沈，其中該致冷晶片配置於該熱沈上，該致冷晶片位於該螢光粉層與該熱沈之間。
- 如申請專利範圍第4項所述的散熱裝置，其中該螢光粉層的厚度小於1毫米。
- 一投影機，包括：一光機，包括：一第一準直光源；一透鏡，設於該第一準直光源的光路下游；一絕緣基板，設於該透鏡的光路下游，該絕緣基板的一側設有一螢光粉層；以及一致冷晶片，設於該絕緣基板的另一側；一光閥，設於該光機的光路下游；以及一鏡頭，設於該光閥的光路下游。
- 如申請專利範圍第7項所述的投影機，其中該致冷晶片為一熱電冷卻器，且該螢光粉層配置於該熱電冷卻器的冷端，該第一準直光源的功率大於等於50瓦特。
- 如申請專利範圍第8項所述的投影機，進一步包括第二準直光源及一第三準直光源，分別設於該光閥的光路上游，該第一準直光源、該第二準直光源及該第三準直光源的功率總和介於200瓦特至1000瓦特之間。
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