照明系统及投影装置

技术领域

本发明涉及一种照明系统及投影装置，尤其涉及一种具有改良散热架构的照明系统及投影装置。

背景技术

随着发光二极管光源的普及化，近年来，愈来愈多的投影装置也采用发光二极管光源。为满足高亮度的需求，业者会采用高功率的发光二极管光源，但是高功率的发光二极管光源会产生更多的热能，而热能将使发光二极管光源的发光效能降低，所以现有投影装置通常会在发光二极管光源加装散热鳍片。然而，加装散热鳍片并无法消除在发光二极管光源与空气之间的热阻，导致散热效果有限。

发明内容

本发明之一实施例提供了一种照明系统，藉由在光源与散热元件之间加装致冷晶片(thermoelectric cooling chip,TEC chip)，可消除光源与空气之间的热阻，以提升散热效率。

本发明之一实施例提供了一种照明系统包括一绿光光源、一红光光源、一蓝光光源、一致冷芯片，以及一合光光学组件。所述致冷芯片只配置于所述红光光源的一侧，以对所述红光光源只进行散热，使所述红光光源的所述侧趋近于环境温度，以提升所述红光光源的散热效率。所述合光光学组件位于所述绿光光源、所述红光光源及所述蓝光光源之间。所述绿光光源以及所述蓝光光源都没有热耦合一致冷芯片。

本发明之一实施例提供了一种照明系统，其特征在于，包括：一绿光光源、一红光光源、一蓝光光源、一散热组件以及一合光光学组件。所述散热组件具有一第一传导材料层、一半导体材料层以及一第二传导材料层。所述半导体材料层设于所述第一传导材料层及所述第二传导材料层之间。所述合光光学组件位于所述绿光光源、所述红光光源及所述蓝光光源的输出光线的传递路径上。所述第一传导材料层只配置于所述红光光源的一侧，用以将热能只从所述第一传导材料层传送至所述第二传导材料层，以对所述红光光源只进行散热，使所述红光光源的所述侧趋近于环境温度，以提升所述红光光源的散热效率。

本发明之一实施例提供了一种投影装置，其特征在于，包括：一光源、一致冷芯片、一光阀以及一投影镜头。所述光源用于输出一照明光。所述光阀具有多数个光处理结构。所述多数个光处理结构分别对应多数个像素。各个光处理结构为一反射镜。所述投影镜头用于出射所述影像光。所述光源包括一红光光源、一绿光光源以及一蓝光光源。所述致冷芯片只配置于所述红光光源的一侧，用于只冷却所述红光光源，使所述红光光源的所述侧趋近于环境温度，以提升所述红光光源的散热效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1是本发明的一实施例的照明系统的示意图。

图2是图1的致冷芯片的示意图。

图3是本发明的另一实施例的照明系统的示意图。

图4是本发明一实施例的第一光源、第二光源及第三光源的控制信号示意图。

图5是本发明的另一实施例的照明系统的示意图。

图6是本发明的一实施例的一种投影装置的示意图。

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，在以下配合参考图式的多个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”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。另外，下列实施例中所使用的用语“第一”、“第二”是为了辨识相同或相似的元件而使用，并非用以限定该元件。本发明所谓光学元件，指元件具有部份或全部可反射或穿透的材质所构成，通常包括玻璃或塑胶所组成。本发明所谓合光，指可将一个以上光束，合成一光束输出。本发明所谓的甲元件与乙元件为热耦合，是指甲元件与乙元件之间具有热传导关系。例如，甲元件的热能藉由例如是导热膏的材料层传导至乙元件，则甲元件与乙元件两者为热耦合。

图1是本发明一实施例的一种照明系统的示意图。请参阅图1，照明系统1可至少包括第一光源11、第二光源12、第三光源13以及致冷芯片14。以下先说明本例照明系统1中各元件的设计。

本发明所指光源，是指发光二极管(light-emitting diode,LED)光源、激光二极管(laser diode,LD)光源等可发出光线的元件、模块或装置，但不以半导体光源为限制。本例的各光源分别为一封装完毕的LED光源模块。本例的第一光源11包括发光元件111及电路板112，发光元件111为一发光二极管晶粒(die)，发光元件111的数量为一个或多个，本例以六枚为例，每枚的功率约为8W。发光元件111设置在电路板112的上方并以例如是硅胶等封装胶体保护。本例中第一光源11可输出第一光线L1，其光谱的峰值波长在490nm至580nm之间，亦即第一光源11为绿光光源。而第一光源11中的发光元件111除了直接发出第一光线L1外，其亦可以另一方式为之。举例来说，在封装胶体内可以设置萤光粉，来吸收自发光元件111所输出的波长较短的光线(例如是蓝光)再激发出第一光线L1。此外，也可增设滤光片以过滤从萤光粉激发出的光线，以产生上述的第一光线。亦即，发光元件111所发出的波长并不需要与第一光源11所输出的光源为一致。而本发明所谓的滤光片指带通滤光片(bandpass filters)、带拒滤光片(bandstop filters)、分色滤光片(DM filter)、分色镜(dichroic mirror)、分色棱镜(DM prism)、X型合光滤镜组(X Plate)、X型合光棱镜(XPrism)、偏振分光镜(BS)、色轮、萤光轮、半穿半反片、全反射镜(mirror)、透镜(lens)、平板玻璃等具有过滤光线功能的元件，或包括前述各者的至少一者及其组合。

需注意的是，在本发明中光谱指复色光通过色散系统(即如光栅、棱镜)进行分光后，依照光的波长(或频率)的大小顺序排列形成的图案。光谱中的一部份可见光谱指电磁波谱中人眼可见的唯一部份，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光，且本发明中的峰值波长指频谱中强度最强处所相对应的波长。

本例的第二光源12包括发光元件121及电路板122，发光元件121为一发光二极管晶粒(die)，发光元件121的数量为一个或多个，本例以一个为例。发光元件121设置在电路板122的上方并以例如是硅胶等封装胶体保护。本例中第二光源12可输出第二光线L2，其光谱的峰值波长在600nm至760nm之间，亦即第二光源12为红光光源。而第二光源12中的发光元件121除了直接发出第二光线L2外，其亦可以另一方式为之。举例来说，在封装胶体内可以设置萤光粉，来吸收自发光元件121所输出的波长较短的光线(例如是蓝光)再激发出第二光线L2。此外，也可增设滤光片以过滤从萤光粉激发出的光线，以产生上述的第二光线L2。亦即，发光元件121所发出的波长并不需要与第二光源12所输出的光源为一致。

本例的第三光源13包括发光元件131及电路板132，发光元件131为一发光二极管晶粒(die)，发光元件131的数量为一个或多个，本例以一个为例。发光元件131设置在电路板132的上方并以例如是硅胶等封装胶体保护。本例中第三光源13可输出第三光线L3，其光谱的峰值波长在400至480nm之间，亦即第三光源13为蓝光光源。而第三光源13中的发光元件131除了直接发出第三光线L3外，其亦可以另一方式为之。举例来说，在封装胶体内可以设置萤光粉，来吸收自发光元件131所输出的波长较短的光线(例如是蓝光)再激发出第三光线L3。此外，也可增设滤光片以过滤从萤光粉激发出的光线，以产生上述的第三光线L3。亦即，发光元件131所发出的波长并不需要与第三光源13所输出的光源为一致。

本发明所谓的致冷芯片14为一己被广泛使用的电子元件，更明确的说，指一种通入电流(较佳为直流)后可在相反表面产生温差的半导体元件。致冷芯片14两面的温差会受到电流大小所影响，电流越大则两面的温差越大。本例中致冷芯片14具有彼此相对的冷侧141及热侧142，于致冷芯片14通电后，在冷侧141与热侧142之间形成温差，其中冷侧141可提供冷却的功能。具体来说，请参阅图2，本例中致冷芯片14做为散热元件使用，其包括第一传导材料层143、半导体材料层144以及第二传导材料层145。半导体材料层144设于第一传导材料层143及第二传导材料层145之间，第一传导材料层143与第二光源12热耦合，以将第二光源12产生的热能从第一传导材料层143传送至第二传导材料层145。而于本例中，第一传导材料层143及至第二传导材料层145分别为一陶瓷片。

具体而言，第一传导材料层143及第二传导材料层145适于传导热能，半导体材料层144为一对或多对的P型半导体材料及N型半导体材料彼此串接。在半导体材料层144通电后，P型及N型半导体材料内带有能量的载子(电子及电洞)均朝向一个方向移动，带有能量的载子会远离于第一传导材料层143，使与半导体材料层144连接的第一传导材料层143的温度降低，第一传导材料层143的上表面即为冷侧141。而另一方面，由于带有能量的载子会靠近于第二传导材料层145，使与半导体材料层144连接的第二传导材料层145的温度增加，第二传导材料层145的下表面即为热侧142。

除此之外，本例的照明系统1更可包括一个合光光学元件15，合光光学元件15有部份或全部可反射或穿透的材质所构成，通常包括玻璃或塑胶所组成，而其可将一个以上光束，合成一光束输出。以图1为例，本例的合光光学元件15包括第一分光片151与第二分光片152，而第一分光片151与第二分光片152彼此交错并排列成X状。两分光片均可用于分离不同波长的光线，第一分光片151可反射第二光线L2，并让第一光线L1及第三光线L3通过。第二分光片152用以反射第三光线L3，并让第一光线L1及第二光线L2通过。而除了前述的例子外，亦可以两片相互平行的合光光学元件15为之，在本例中，为二分光片来对前述各光源来进行合光。更明确的说，分光片的一侧倾斜地面对第一光源11，而另一侧倾斜地面对第二光源12，而另一分光片的一侧面对前述的分光片并与其平行，而另一侧倾斜地面对第三光源13及出光面。藉此为合光亦可。

在说明各元件的设计后，以下将就一具体实施例说明各元件的相对关系。请再参阅图1，由图可见，在本例中合光光学元件15位于第一光源11、第二光源12及第三光源13之间，致冷芯片14与第二光源12热耦合。具体来说，第二光源12的电路板122具有相对的第一侧1221及第二侧1222，第一侧1221装设有发光元件121，而第二侧1222连接于致冷芯片14的冷侧141。此外，在致冷芯片14与第二光源12之间可设置热介面材料层(图未示)，例如导热片、导热膏、导热胶或导热双面胶等。

承前述的各元件的相对关系，以下说明本例中第一光源11、第二光源12及第三光源13的输出光线的传递路径。本例通过合光光学元件15可使第一光线L1、第二光线L2及第三光线L3按大致相同的路径行进，并将前述第一光线L1、第二光线L2及第三光线L3合并。具体来说，第一光线L1从第一光源11输出后，通过第一分光片151及第二分光片152。第二光线L2从第二光源12输出后，被第一分光片151所反射，以与通过合光光学元件15的第一光线L1朝大致相同的路径传递。第三光线L3从第三光源13输出后，被第二分光片152所反射，以与通过合光光学元件15的第一光线L1朝大致相同的路径传递。

如此，本例中照明系统1因将致冷芯片14配置于第二光源12的第二侧1222，以对第二光源12进行散热。致冷芯片14能减低第二光源12与空气之间的热阻。更明确的来说，本例中照明系统1可将第二光源12与空气之间的热阻(降低至接近0℃/W)，亦即使第二光源12的第二侧1222趋近于环境温度，以提升第二光源12的散热效率，适于改善第二光源12因热能累积造成发光效能降低的问题，以确保照明系统1的出光亮度。

图3是本发明的另一实施例的照明系统的示意图。请参阅图3，本发明实施例的照明系统1a与图1的照明系统1相似。主要差异在于本例照明系统1a中更包括散热器16，且散热器16与致冷芯片14的热侧142热耦合。具体来说，散热器16是散热片式(散热鳍片)、热管式、导热板式(vapor chamber)或液冷回路式等散热器，并装设在致冷芯片14的热侧142，以提升散热效率。

除此之外，本例照明系统1a更可包括第一热介面材料层17及第二热介面材料层18。第一热介面材料层17及第二热介面材料层18例如是导热膏、导热胶或导热双面胶等，其具有良好的热传导性能。本例中第一介面材料层17连接至致冷芯片14的冷侧141与电路板122的第二侧1222之间，第二介面材料层18连接于致冷芯片14的热侧142与散热器16之间。如此，电路板122的热能容易传导到致冷芯片14的冷侧141，而致冷芯片14的热侧142的热能容易传导到散热器16。

本例中照明系统1a适用于投影装置，投影装置可将照明光转换为多个影像光，以播放影像。所述的影像是由依时间序产生的多个影格(frame)组成。照明系统1a可藉由调整前述各光线于单一影格中所占的指定时间长度，以提升整体照明系统1a的出光亮度。图4是本发明一实施例的第一光源、第二光源及第三光源的控制信号示意图。请参阅图4，当第一光线L1的输出时间例如占该指定时间长度的45％以上时，其对照明系统1a的投影装置的出光亮度的提升已有基本效果。在另一实施例中，前述的时间比例可以理解成每一秒中，光阀接受前述各光源光线的时间比例。当占指定时间长度的50％以上时，其效果更佳，在占时间长度约60％以上时，效果最佳。在本例中，播放单一影格所需的时间为16.67ms(微秒)，第一光线L1的输出时间占指定时间的65.3％(如控制信号S1所示)，第二光线L2的输出时间占指定时间的33.95％(如控制信号S2所示)，第三光线L3的输出时间占指定时间的32.55％(如控制信号S3所示)。而各光线占指定时间的加总超过100％的意思是指各光源有部份时间同时开启的。

图5是本发明另一实施例的照明系统的示意图。请参阅图5，本发明实施例的照明系统1b与图1的照明系统1相似。主要差异在于本例照明系统1b中更包括其他致冷芯片14a、14b，致冷芯片14a、14b分别配置在第一光源11及第三光源13，以提升第一光源11及第三光源13的散热效果。

另一方面，图3的散热器16、第一热介面材料层17与第二热介面材料层18，也可应用于照明系统1b中。除此之外，在其他实施例中，可以视设计需求而仅将第一光源11、第二光源12与第三光源13的任一或任二与致冷芯片热耦合。

由于本例中照明系统1b在第一光源11、第二光源12及第三光源13皆设有致冷芯片14，有助提升第一光源11、第二光源12及第三光源13的散热效果。如表一所示，在相同条件下，量测出位于现有照明系统及本例照明系统1b内的各光源的摄氏温度值，显示本例照明系统1b相较于现有照明系统(各光源设有散热器，但在光源与散热器之间未设有致冷芯片)，本例照明系统1b较能降低第一光源11、第二光源12及第三光源13的温度。

表一

图6是本发明一实施例的投影装置的示意图。请参阅图6，本例的投影装置2包括光源、致冷芯片、光阀23及投影镜头24。

光源用于输出照明光Li，本例光源是可发出多个不同颜色光线的元件、模块或装置。进一步来说，在本例中光源包括第一光源11、第二光源12及第三光源13，可依时间序至少提供红光、绿光及蓝光，亦可进一步包括白光(即红光、绿光及蓝光同时开启)。而除了前述的例子外，光源亦可为发出白光的元件、模块或装置。具体来说，光源可为汞灯、白光LED光源或白光LD光源，光源所输出的照明光Li可藉由色轮或其他分色元件将白光依时间序而分成红光、绿光及蓝光(也可进一步包括白光)。另外，上述红光、绿光、蓝光、白光的输出顺序可依设计需求而调整。

致冷芯片热耦合于光源，用于冷却光源。致冷芯片的数量可配置为一个或多个，并连接至对应的光源。具体来说，本例致冷芯片的数量是三个(致冷芯片14、14a、14b)，并分别连接至第一光源11、第二光源12及第三光源13，以提升各光源的散热效率。此外，致冷芯片亦可参照前述照明系统1、1a的配置(即致冷芯片14仅配置于第一光源11)，或者，致冷芯片也可配置于第一光源11、第二光源12及第三光源13中的任意一个或两个以上。

另外，本发明中所谓的光阀23是指一可将照明光转换成影像光的装置。更明确的说，光阀是指数字微镜元件(digital micro-mirror device,DMD)、硅基液晶面板(liquidcrystal on silicon panel,LCoS Panel)等反射式光阀或液晶面板(LCD)等穿透式光阀。本例中，光阀为数字微镜元件，并具有多数个光处理结构231，多数个光处理结构231分别对应像素，而各光处理结构231为反射镜。

除此之外，本例的投影装置2更包括一个全反射棱镜(total internalreflection prism,TIR prism)25，可用于将照明光Li反射至光阀23。再者，虽然图6中投影装置2是以采用全反射棱镜25的架构为例，但本发明并不限制投影装置的具体架构，例如，前述的全反射棱镜亦可按设计需求变更成反向式全反射棱镜(RTIR Prism)或是场镜(Field lens)。除此之外，投影装置也可以采用穿透式光阀，而光阀的数量也可为多个(例如是三个)，本发明对此不予另外限制。

本例中光源用于输出照明光Li，光阀23用以将照明光Li转换为影像光Lm，而投影镜头24适于出射此影像光Lm，以于屏幕上形成影像。

如此，本例的投影装置2因在光源装设有致冷芯片，所以可提升散热效率，而有助于确保投影装置2的影像亮度及影像品质。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。