CN113467169A - 波长转换元件及其的制造方法以及投影装置 - Google Patents
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Abstract
一种波长转换元件，包括基板与多个波长转换层。基板具有多个波长转换区。波长转换层分别配置于波长转换区，且波长转换层彼此烧结连接。本发明另提供一种具有此波长转换元件的投影装置以及一种波长转换元件的制造方法。本发明的波长转换元件可具有良好的转换效率及较长的使用寿命，使得具有此波长转换元件的投影装置可提供良好的影像质量。
Description
【技术领域】
本发明是有关于一种光学元件、其制造方法以及包含上述光学元件的光学装置，且特别是有关于一种波长转换元件、波长转换元件的制造方法以及投影装置。
【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，光源从超高压汞灯(UHP lamp)、发光二极管(light emitting diode，LED)进化到激光二极管(laser diode，LD)。
因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，投影装置通常采用蓝色激光二极管做为光源。波长转换元件一般设置在光源提供的激发光束的传递路径上，以将激发光束(例如为蓝色激发光束)转换为构成投影画面所需的其他色光(例如为黄光与绿光)。
上述的波长转换元件包括基板与多个波长转换层，其中波长转换层是分别被粘着材料贴附在基板上。一般而言，波长转换层贴附在基板后，会进行烘烤制程(bakingprocess)，以使粘着材料固化。由于基板的热膨胀系数比波长转换层大，因此，波长转换元件在烘烤制程结束且刚回到常温环境时，由于基板的体积的收缩速度会远比波长转换层的体积的收缩速度快，随着基板的体积快速收缩，各波长转换层因而互相挤压并破裂，进而影响产品良率。为避免上述问题发生，在贴附波长转换层时，各波长转换层之间会预留间隙。
然而，当波长转换层之间留有间隙时，上述的粘着材料会在固化前从间隙溢出，并覆盖部分波长转换层的表面。溢出的粘着材料在长时间被激发光束照射后会烧焦并且变色，造成波长转换元件的转换效率变差。举例来说，部分的激发光束会被烧焦的粘着材料遮挡，因而降低照射在波长转换层的能量，导致转换效率变差。因此，构成投影画面所需的色光会发生亮度不足的问题，导致投影装置所提供的的影像质量变差。此外，溢出的粘着材料在长时间被激发光束照射后也有可能会劣化，造成波长转换层与基板分离，降低波长转换元件结构上的强度，进而减少波长转换元件的使用寿命。
本“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”中所公开的内容可能包括一些没有构成所属技术领域中普通技术人员所知道的已知技术。此外，在“背景技术”中所公开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，也不代表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，具有良好的转换效率及较长的使用寿命。
本发明提供一种波长转换元件的制造方法，可使波长转换元件具有良好的转换效率及较长的使用寿命。
本发明提供一种投影装置，可提供良好的影像质量。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所公开的技术特征中得到进一步的了解。
为实现上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明所提供的波长转换元件包括基板与多个波长转换层。基板具有多个波长转换区。波长转换层分别配置于波长转换区，且波长转换层彼此烧结连接。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明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与上述的波长转换元件。激发光源用于提供激发光束。波长转换元件配置于激发光束的传递路径上，且波长转换元件的波长转换层用于将激发光束转换成转换光束。照明光束包括转换光束。
为实现上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明所提供的波长转换元件的制造方法包括以下步骤：进行烧结制程，以形成彼此烧结连接的多个波长转换层。
本发明的波长转换元件及其制造方法中，因多个波长转换层彼此烧结连接为一体，因此能有效地防止粘着材料从相邻的波长转换层之间溢出，以改善已知技术因波长转换层之间的溢胶而造成的问题，进而使波长转换元件具有良好的转换效率。本发明的投影装置因采用上述的波长转换元件，所以能提供良好的影像质量。
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1A是本发明一实施例的波长转换元件的示意图。
图1B是图1A的波长转换元件未设置波长转换层的示意图。
图1C是本发明另一实施例的波长转换元件的波长转换层彼此连接的示意图。
图1D是本发明一实施例的波长转换元件的波长转换层的示意图。
图2A到2D是本发明一实施例的波长转换元件的制造方法的流程示意图。
图3A到3B是本发明另一实施例的波长转换元件的制造方法的流程示意图。
图4是本发明一实施例的投影装置的方框示意图。
【符号说明】
100：波长转换元件
110：基板
110a、110b、110c：波长转换区
111：承载面
112：透光区
120、121、122：波长转换层
1220：无机胶
1221：波长转换材料
130：陶瓷材料层
131：波长转换材料
140：透光层
120a、121a、122a：波长转换层
200：投影装置
210：照明系统
211：激发光源
220：光阀
230：投影镜头
C：中心
Le：激发光束
L1：照明光束
L2：影像光束
Lp：转换光束
Lr：光束
M1、M2、M3：模具。
【具体实施方式】
有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考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1A是本发明一实施例的波长转换元件的示意图。图1B是本发明一实施例的波长转换元件未设置波长转换层的示意图。请参考图1A与图1B，本实施例的波长转换元件100包括基板110与多个波长转换层，在图1A中是以三个波长转换层120、121和122举例说明，但波长转换层的数量也可为两个或超过三个。基板110具有多个波长转换区，波长转换区的数量与波长转换层的数量对应，因此在图1B中是以三个波长转换区110a、110b和110c为例。波长转换层120、121和122分别配置于波长转换区110a、110b和110c，且波长转换层120、121和122彼此烧结连接。本实施例的波长转换元件100在设置波长转换层120、121和122的一侧可为光入射侧，而光入射侧用于接收激发光束。
请参考图1B，基板110的材料可为金属，例如包括铝、镁或其化合物，并具有散热的功能，但不局限于此。在本实施例中，波长转换区110a、110b和110c分别为环形的局部。详细来说，当基板110的形状为圆形时，波长转换区110a、110b和110c例如在承载面111上沿着环形轨迹排列。环形轨迹例如环绕基板110的中心C，但不局限于此。此外，基板110还可具有透光区112。透光区112例如为基板110的开口。透光区112可位于两相邻的波长转换区之间，而由于波长转换层对应配置于波长转换区，因此透光区112亦可位于两相邻的波长转换层之间，以图1A及图1B为例，透光区112位于波长转换区110b和波长转换区110c之间，且透光区112位于波长转换层121和122之间，但不局限于此。
请参考图1A，波长转换层120、121和122例如分别是黄色波长转换层、红色波长转换层和绿色波长转换层等。各波长转换层120、121和122受激发后的发光波段可介于300nm～900nm之间，但不局限于此。此外，波长转换层120、121和122可由高温烧结成型并彼此接触连接，且外型呈现一体结构。例如，图1A图示波长转换层120接触连接在波长转换层121和122之间，但不局限于此。在本实施例中，波长转换层120、121和122可包含烧结材料。举例来说，每一波长转换层120、121和122可包括无机胶及混合于无机胶内的波长转换材料。图1D以波长转换层122为例，波长转换材料1221混和于无机胶1220内，进而形成波长转换层122。无机胶1220的固化温度约大于400℃，并可具有透光性，以供激发光束穿透并入射到波长转换材料1221。此外，无机胶1220可包含二氧化硅(SiO2)以及由1A族或2A族的金属所形成的金属氧化物(Metal Oxide)，或者，无机胶1220可包含氧化铝，但不局限于此。另一方面，波长转换材料1221例如为荧光材料、磷光体等磷旋光性材料，或为量子点等纳米材料。其中荧光材料可为粒径介于0.5μm～50μm之间的荧光粉，但不局限于此。因波长转换层120和121的无机胶与波长转换材料特征与波长转换层122相似，主要差异在于各波长转换层120、121和122的波长转换材料具有不同的激发波段，因此其他细节不在此重复说明。波长转换层120、121和122的厚度可介于0.05mm～0.3mm之间，但不局限于此。值得一提的是，波长转换层120、121和122在供激发光束入射的表面上，可设置抗反射膜(未图示)。抗反射膜能增加激发光束对波长转换层120、121和122的光入射量，进而提升波长转换层120、121和122的转换效率。
相较于现有技术，因本实施例的各波长转换层120、121和122彼此烧结连接为一体，即使波长转换层120、121和122之间没有间隙，也不会因环境温度急遽变化而互相挤压、破裂。此外，也因为本实施例的波长转换层120、121和122彼此之间没有间隙，能有效地防止位于波长转换层120、121和122底下的粘着材料(未图示)溢出而覆盖部分波长转换层120、121和122。如此，能避免已知技术中因覆盖于波长转换层的粘着材料被激发光束照射而可能烧焦并变色后导致波长转换层的转换效率变差的问题，进而提升波长转换元件100的转换效率。此外，也可避免已知技术中溢出的粘着材料在长时间被激发光束照射后劣化的问题，进而使波长转换元件具有较长的使用寿命。
在本实施例中，在烧结连接波长转换层120、121、122时，波长转换层120、121、122之间可以是彼此直接接触。在另一实施例中，也可以在波长转换层120、121、122之间设置陶瓷材料再进行烧结，从而提升波长转换层120、121、122的烧结连接效果。因此，烧结后的波长转换元件100可还包括至少一陶瓷材料层130(如图1C所示)，烧结连接于波长转换层120、121和122之间。亦即，在波长转换层120和122以及波长转换层121和120之间可分别有图1C所示的陶瓷材料层130。
相较于现有技术，陶瓷材料层130经与波长转换层120、121、122一起烧结后不会有已知技术中粘着材料溢出而覆盖部分波长转换层120、121和122的问题，因此不会影响转换效率。此外，陶瓷材料层130内可进一步设有波长转换材料131，以增加波长转换元件100的有效激发区的面积，进而提升波长转换元件100的转换效率。波长转换材料131的激发波段例如与相邻两波长转换层的任意一层相同，以产生相同的色光。以图1C为例，波长转换材料131的激发波段可与波长转换层120相同(例如为黄色荧光粉)，也可与波长转换层122相同(例如为绿色荧光粉)。波长转换材料131的细节与前文中的波长转换材料1221相同，故相关特征不在此重复说明。
请继续参考图1A。在本实施例中，波长转换元件100可还包括透光层140，设置于上述的透光区112。透光层140可由能让激发光束通过的透光材料制成，例如为玻璃。透光层140可以是直接镶嵌于相邻的波长转换层之间，或者，透光层140可以是烧结连接于相邻的波长转换层之间(例如烧结连接于波长转换层121、122之间，但本发明不局限于此)。具体来说，透光层140可以是先成型后，再在波长转换层120、121和122的烧结制程(sinteringprocess)中，烧结连接于波长转换层121、122之间。此外，透光层140也可以是在波长转换层120、121和122的烧结制程中同时烧结成型，并与波长转换层121、122连接。举例来说，在进行波长转换层120、121和122的烧结制程前，可设置透光材料(例如玻璃粉)连接于波长转换层121、122之间，而在进行波长转换层120、121和122的烧结制程后，透光材料即成型为透光层140，并与波长转换层121、122烧结连接。
值得一提的是，由于前文中提及透光区112可为基板110上的开口，因此透光区112能在不配置透光层140或其他光学元件的情形下，供激发光束直接穿透。此外，透光层140上可设置光扩散层或光扩散微结构(未图示)，以消除激发光束所形成的光斑(laserspeckle)。在另一实施例中，波长转换元件100也可不设置透光区112与透光层140，并且在与透光区112相同的位置上设置反射层(未图示)，以反射激发光束。反射层例如包括金属等具有反射功能的材料，但不局限于此。
前文中提到，本实施例的波长转换元件100的制造方法例如是进行烧结制程，以形成彼此烧结连接的多个波长转换层120、121和122。以下将对此波长转换元件100的制造方法进行详细说明。
图2A到2D是本发明一实施例的波长转换元件的制造方法的流程示意图。请参考图2A到图2D，本实施例的波长转换元件的制造方法包括下列步骤：如图2A所示，在模具M1上形成未互相接触的波长转换胶120a、121a和122a。详细来说，波长转换胶120a、121a和122a可包括无机胶及混合于无机胶内的波长转换材料。因无机胶及波长转换材料的细节已在前文中说明，故相关描述将在此省略。
接着，如图2B所示，进行第一次烧结制程以使波长转换胶120a、121a和122a分别固化并形成波长转换层120、121和122，接着再将波长转换层120、121和122从模具M1上脱离。
之后，如图2C所示，将波长转换层120、121和122设置在模具M2上，并使波长转换层120、121和122彼此相接触，再进行第二次烧结制程，使波长转换层120、121和122彼此烧结连接。在另一实施例中，如图1C所述，在进行第二次烧结制程时，可在波长转换层120和121以及波长转换层120和122之间设置陶瓷材料使波长转换层120和121以及波长转换层120和122透过陶瓷材料彼此相接触，再进行烧结，以使波长转换层120、121和122通过陶瓷材料层130而彼此烧结连接。此外，如上文所述，在进行第二次烧结制程之前，可在波长转换层121和122之间设置透光层140，并使透光层140与波长转换层121和122相接触。或者，在进行第二次烧结制程之前，可在波长转换层121和122之间设置未烧结成型的透光材料(例如玻璃粉)，并使透光材料在第二次烧结制程中形成与波长转换层121和122相接触的透光层140。如此一来，在第二次烧结制程后，透光层140会与波长转换层121和122烧结连接并呈一体结构。
接着，如图2D所示，将彼此烧结连接的波长转换层120、121和122以及透光层140从模具M2上脱离，并设置在图1B的基板110上，进而形成图1A的波长转换元件100。一般而言，模具M1、M2的材料例如为陶瓷或玻璃。
图3A到3B是本发明另一实施例的波长转换元件的制造方法的流程示意图。本实施例的波长转换元件100的制造方法与上述的制造方法的步骤与优点相似，以下仅针对其差异处进行说明。本实施例的波长转换元件的制造方法包括下列步骤：请参考图3A，在模具M3上形成彼此相接触的波长转换胶120a、121a和122a。与前一实施例相似，波长转换胶121a和122a之间可选择性地设置透光层140或是未成型的透光材料。
接着，如图3B所示，进行烧结制程以使波长转换胶120a、121a和122a分别固化而形成彼此烧结连接的波长转换层120、121和122。透光层140也在烧结制程时与波长转换层121和122烧结连接。接着，将波长转换层120、121和122以及透光层140从模具M3上脱离，并设置在图1B的基板110上，进而形成图1A的波长转换元件100。一般而言，模具M3的材料例如为陶瓷或玻璃。
图4是本发明一实施例的投影装置的方框示意图。请参考图4，本实施例的投影装置200包括照明系统210、光阀220及投影镜头230。照明系统210用于提供照明光束L1。光阀220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。投影镜头230配置于影像光束L2的传递路径上。照明系统210包括激发光源211与波长转换元件100。激发光源211用于提供激发光束Le。同时参考图1A，波长转换层120、121和122用于将激发光束Le转换成转换光束Lp。照明光束L1包括转换光束Lp。
照明系统210包括激发光源211以及波长转换元件100。具体来说，激发光源211能提供激发光束Le。激发光源211例如是包括发光二极管或激光二极管的二极管模块，或者是由多枚二极管模块所组成的矩阵，但本发明不局限于此。波长转换元件100配置于激发光束Le的传递路径上，以将激发光束Le转换为转换光束Lp。因波长转换元件100的特征已在前文中详细说明，故在此省略相关描述。具体来说，同时参考图1A，当波长转换元件100的透光层140或反射层(未图示)进入激发光束Le的照射范围时，激发光束Le会通过透光层140或者被反射层(未图示)所反射而形成光束Lr，而当波长转换元件100的波长转换层120、121和122依序进入激发光束Le的照射范围时，激发光束Le会被波长转换层120、121和122依序转换为转换光束Lp。光束Lr与转换光束Lp会依序形成照明光束L1。
光阀220例如是数字微型反射镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)或液晶显示面板(Liquid Crystal Display，LCD)，但不局限于此。此外，本发明不限定光阀220的数量。举例来说，本实施例的投影装置200可采用单片式液晶显示面板或是三片式液晶显示面板的架构，但本发明仍不局限于此。
投影镜头230例如包括具有屈光度的一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。另一方面，投影镜头230也可以包括平面光学镜片。本发明对投影镜头230的型态及其种类并不加以限制。
本实施例的投影装置200采用的一体结构的波长转换元件100。由于波长转换元件100的各波长转换层之间没有间隙，已知技术粘着材料溢出并烧焦或劣化的问题能有效地改善，故波长转换元件100可具有良好的转换效率及较长的使用寿命。基于上述，本实施例的投影装置200能提供良好的影像质量。
综上所述，本发明的波长转换元件及其制造方法中，因多个波长转换层彼此烧结连接为一体，因此能有效地防止粘着材料从相邻的波长转换层之间溢出，以改善已知技术因波长转换层之间的溢胶而造成的问题，进而使波长转换元件具有良好的转换效率及较长的使用寿命。本发明的投影装置因采用上述的波长转换元件，所以能提供良好的影像质量。
只是以上所述内容，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，即大凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，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不须实现本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。。
Claims (13)
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和多个波长转换层，其中，
所述基板具有多个波长转换区；以及
所述多个波长转换层分别配置于所述多个波长转换区，且所述多个波长转换层彼此烧结连接。
2.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述波长转换元件还包括至少一陶瓷材料层，烧结连接于所述多个波长转换层之间。
3.根据权利要求2所述的波长转换元件，其特征在于，所述至少一陶瓷材料层内设有波长转换材料。
4.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述波长转换元件还包括透光层，烧结连接于相邻的所述多个波长转换层之间。
5.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述多个波长转换区分别为一环形的局部。
6.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，每一所述多个波长转换层包括无机胶及混合于所述无机胶内的波长转换材料。
7.一种投影装置，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，而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和波长转换元件，其中，
所述激发光源用于于提供激发光束；
所述波长转换元件配置于所述激发光束的传递路径上，所述波长转换元件包括基板及多个波长转换层，所述基板具有多个波长转换区，所述多个波长转换层分别配置于所述多个波长转换区，且所述多个波长转换层彼此烧结连接，所述多个波长转换层用于将所述激发光束转换成转换光束，所述照明光束包括所述转换光束。
8.一种波长转换元件的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
进行一烧结制程，以形成彼此烧结连接的多个波长转换层。
9.根据权利要求8所述的波长转换元件的制造方法，其特征在于，在进行所述烧结制程之前，所述制造方法还包括将所述多个波长转换层设置于一模具上并使所述多个波长转换层彼此相接触。
10.根据权利要求9所述的波长转换元件的制造方法，其特征在于，在进行所述烧结制程之前，所述制造方法还包括使所述多个波长转换层通过陶瓷材料彼此相接触。
11.根据权利要求8所述的波长转换元件的制造方法，其特征在于，在进行所述烧结制程之前，所述制造方法还包括在一模具上形成彼此相接触的多个波长转换胶，所述多个波长转换胶包括无机胶及混合于所述无机胶内的波长转换材料，在进行所述烧结制程时，所述多个波长转换胶固化而形成所述多个波长转换层。
12.根据权利要求8所述的波长转换元件的制造方法，其特征在于，在进行所述烧结制程之前，在所述多个波长转换层之间设置透光层，并使所述透光层与所述多个波长转换层相接触。
13.根据权利要求8所述的波长转换元件的制造方法，其特征在于，在进行所述烧结制程之前，在所述多个波长转换层之间设置透光材料，并使所述透光材料在所述烧结制程中形成与所述多个波长转换层相接触的透光层。
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