波长转换模块与应用其的光源模块的制作方法

本发明涉及光学领域，具体涉及一种波长转换模块与应用其的光源模块。

背景技术：

近年来，光学投影机已经被应用于许多领域之中，其中光学投影机的应用范围也日渐扩大，例如从消费性产品到高科技设备。各种的光学投影机也广泛应用于学校、家庭和商业场合，以将信号源所提供的显示图案放大，并显示在投影屏幕上。当前光学投影机所使用的光源，例如高压汞蒸气灯、钨卤灯和金属卤灯，其为消耗高功率且具有短的使用周期。此外，上述的光源也具有较大的体积，且会于使用时产生高热量。

随着光学投影机的发展，为了降低因功率消耗所产生的高热量以及为了降低光学投影机的尺寸，固态发光元件也被应用于光学投影机作为光源，以取代上述的高功率光源。对此，如何使光源模块中的固态发光元件能有更好的光学效率，以使光学投影机可具有更高流明的输出，已成为当前重要的研发课题之一。

技术实现要素：

本发明的一实施方式提供一种波长转换模块，其具有由荧光材料构成并为杆状实心结构的波长转换单元。通过杆状实心结构的波长转换单元，波长转换模块可具有更佳的散热效率与光耦合效率。再者，波长转换单元的入光面/出光面的形状或尺寸可被设计以对应于导光模块，以使波长转换单元对导光元件的光耦合效率可进一步受到提升。

本发明的一实施方式提供一种波长转换模块，包含波长转换单元。波长转换单元至少由荧光材料构成，并为杆状的实心结构。杆状的波长 转换单元的相对两端面分别为入光面与出光面。

于部分实施方式中，波长转换单元由荧光材料通过烧结而形成。

于部分实施方式中，波长转换单元为荧光粉晶材。荧光粉晶材包含荧光粉单晶块材与荧光粉多晶块材。

于部分实施方式中，波长转换单元为荧光粉复合材。荧光粉复合材由陶瓷与荧光材料通过烧结而形成。

于部分实施方式中，入光面与该出光面的面积不相同。

于部分实施方式中，波长转换单元的截面积自入光面与出光面之中的面积较小一者至面积较大一者渐增。

于部分实施方式中，波长转换单元的入光面与出光面的其中至少一者具有至少一微结构，其中微结构用以降低入射至其上的光束的反射率。

于部分实施方式中，波长转换单元受具有第一波段的第一光束激发后产生具有第二波段的第二光束。波长转换模块还包含第一光学单元，设置于入光面。第一光学单元为抗反射光学膜(anti-reflection coating)或二色分光片(dichroic beam splitter)，并用以使第一光束穿透且使第二光束反射。

于部分实施方式中，波长转换单元受具有第一波段的第一光束激发后产生具有第二波段的第二光束。波长转换模块还包含第二光学单元，设置于出光面。第二光学单元为抗反射光学膜或二色分光片，并用以使第一光束反射且使第二光束穿透。

于部分实施方式中，波长转换模块还包含反射单元。反射单元设置于波长转换单元的位于入光面与出光面之间的表面上。

本发明的一实施方式提供一种光源模块，包含波长转换模块、激发光源、导光模块与分光色轮。激发光源用以激发波长转换单元。导光模块用以接收并导引激发光源与波长转换单元所提供的光束。分光色轮用以通过导光模块接收来自波长转换单元的光束。

附图说明

图1A绘示根据本发明第一实施方式的光源模块的配置示意图。

图1B绘示图1A的光源模块的波长转换模块的侧视示意图。

图1C至图1E分别绘示图1B的波长转换单元的入光面或出光面的示意图。

图2绘示根据本发明第二实施方式的光源模块的波长转换模块的侧视示意图。

图3绘示根据本发明第三实施方式的光源模块的波长转换模块的侧视示意图。

图4绘示根据本发明第四实施方式的光源模块的波长转换模块的侧视示意图。

图5绘示根据本发明第五实施方式的光源模块的波长转换模块的侧视示意图。

图6绘示根据本发明第六实施方式的光源模块的波长转换模块的侧视示意图。

图7A与图7B绘示根据本发明第七实施方式的光源模块的波长转换模块于多个实施例的示意图。

附图标记说明：

100 光源模块

102 激发光源

104 导光模块

105a 第一导光元件

105b 第二导光元件

106 分光色轮

108 波长转换模块

110 波长转换单元

112 入光面

114 出光面

116 微结构

118 第一光学单元

120 第二光学单元

122 反射单元

130 散热单元

132 散热片

134 风扇

A 点

L1 第一光束

L2、L2a、L2b 第二光束

具体实施方式

以下将以附图公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示。

有鉴于光学投影机的光源模块中的固态发光元件会有散热效率以及光耦合效率不佳的问题，因此，本发明的一实施方式提供一种波长转换模块，其具有由荧光材料构成并为杆状实心结构的波长转换单元。通过杆状实心结构的波长转换单元，波长转换模块可具有更佳的散热效率与光耦合效率。

请参照图1A与图1B，图1A绘示根据本发明第一实施方式的光源模块100的配置示意图，图1B绘示图1A的光源模块100的波长转换模块108的侧视示意图。

光源模块100包含波长转换模块108、激发光源102、导光模块104与分光色轮106。波长转换模块108包含波长转换单元110。激发光源102用以激发波长转换单元110，其中激发光源102发射具有第一波段的第一光束L1。波长转换单元110可被第一光束L1激发，并于被激发后产生具有第二波段的第二光束L2。导光模块104包含第一导光元件105a与第二导光元件105b。第一导光元件105a用以接收激发光源102所提供的第一光束L1，并将第一光束L1导引至波长转换单元110。第二导光元件105b用以接收波长转换单元110所提供的第二光束L2，并将第二光束L2导引至分光色轮106。分光色轮106用以通过导光模块104的第二导光元件105b接收来自波长转换单元110的光束，并将光束 射出。

波长转换单元110至少由荧光材料构成，并为杆状的实心结构。杆状的波长转换单元110的相对两端面分别为入光面112与出光面114，而波长转换单元110于入光面112与出光面114之间的表面可视为其侧表面。通过波长转换单元110的杆状结构，当激发光源102所提供的第一光束L1穿过入光面112进入波长转换单元110之后，波长转换单元110即可被第一光束L1激发并产生第二光束L2。

由于波长转换单元110的激发是通过将第一光束L1导入至其中而完成，因此，第一光束L1可以不用被聚焦为光斑或光点的形式，使得第一光束L1可具有较低的能量密度。也因此，由第一光束L1携入至波长转换单元110内的热量不会集中囤积于部分区域，藉以使波长转换单元110的荧光材料不会因热量囤积而降低其发光效率。

波长转换单元110可由荧光材料通过烧结而形成。荧光材料包含YAG、TAG、LuAG的石榴石(garnet)结构的荧光粉，或是，荧光材料也包含硅氧化物(Silicate)荧光粉或氮化物(Nitride)荧光粉。再者，由于波长转换单元110是由荧光材料通过烧结而形成，因此波长转换单元110可以具有较佳的热传导系数。换言之，于波长转换单元110运作期间，囤积于波长转换单元110内的热量可以被传导至波长转换单元110的侧表面散出。

于部分实施方式中，波长转换单元110可以例如是荧光粉晶材，其中荧光粉晶材包含荧光粉单晶块材与荧光粉多晶块材。亦即，波长转换单元110可以是由单一荧光材料形成。此外，于另一部分实施方式中，波长转换单元110也可以是荧光粉复合材，其中荧光粉复合材可由陶瓷与荧光材料通过烧结而形成。

本实施方式中，波长转换单元110可通过其折射率导引第二光束L2，请见以下说明。图1B中，当波长转换单元110受到第一光束L1激发后，可产生第二光束L2。例如，当波长转换单元110的点A于受第一光束L1激发后，产生第二光束L2a与L2b。第二光束L2a可通过出光面114自波长转换单元110射出，并由第二导光元件105b接收。第二光束L2b将行进至波长转换单元110的侧表面，其中此侧表面可视作波长转换单 元110与外界介质(例如折射率为1的空气)的界面。同前所述，由于波长转换单元110是由荧光材料构成，因此波长转换单元110可具有介于1.5至2.0的折射率。当第二光束L2b入射至此视为界面的侧表面时，第二光束L2b可通过全反射机制而自侧表面反射，并朝出光面114行进。

换言之，通过波长转换单元110所具有的折射率，当第二光束L2b以满足临界角的条件(即第二光束L2b对侧表面的入射角大于全反射临界角)入射至侧表面时，第二光束L2b会于侧表面反射并朝出光面114行进。于此配置下，于波长转换单元110中，大部分的第二光束L2可通过出光面114自杆状的波长转换单元110射向第二导光元件105b。由于第二光束L2是通过杆状的波长转换单元110的出光面射出，于此条件下的第二光束L2的光型可使第二导光元件105b对波长转换单元110的光耦合效率提升。

此外，波长转换单元110的入光面112或出光面114的设计可根据导光模块104而调整。也就是说，波长转换单元110的入光面112/出光面114的形状或尺寸可设计以对应于第一导光元件105a/第二导光元件105b，藉以减少光束于传递时所产生的损耗，进而提升光源模块100中的光耦合效率。例如，如图1C至图1E所示，图1C至图1E分别绘示图1B的波长转换单元的入光面112或出光面114的示意图。图1C至图1E中，入光面112或出光面114的形状可以是圆形(图1C)、矩形(图1D)或多边形(图1E)。

综上所述，本发明的波长转换模块的波长转换单元为由荧光材料构成并为杆状实心结构。对于用以激发波长转换单元的第一光束而言，第一光束可以不用被聚焦为光斑或光点的形式，使得第一光束可具有较低的能量密度。因此，第一光束携入至波长转换单元内的热量不会集中囤积于部分区域，使得波长转换单元的出光效率可受到提升。再者，通过波长转换单元的入光面/出光面的形状或尺寸可被设计以对应于导光模块，光源模块中的光耦合效率可再进一步提升。

图2绘示根据本发明第二实施方式的光源模块的波长转换模块108的侧视示意图。本实施方式与第一实施方式的差异在于，本实施方式的波长转换单元110中，其入光面112与出光面114的面积不相同，其中 入光面112的面积小于出光面114的面积。此外，波长转换单元110的截面积自入光面112与出光面114之中的面积较小一者至面积较大一者渐增，亦即，波长转换单元110的截面积自入光面112至出光面114为渐增。

本实施方式中，由于波长转换单元110的截面积自入光面112至出光面114为渐增，使得波长转换单元110的侧表面会相对倾斜于波长转换单元110的对称轴。于此配置下，由于入射至侧表面的第二光束L2的入射角增加，因此可以有更多的第二光束L2于侧表面发生全反射。也因此，有更多的第二光束L2可通过出光面114自波长转换单元110发射，进而增加波长转换单元110的出光量与出光效率。

图3绘示根据本发明第三实施方式的光源模块的波长转换模块108的侧视示意图。本实施方式与第二实施方式的差异在于，波长转换单元110的入光面112与出光面114的其中至少一者具有至少一微结构116。微结构116用以降低入射至其上的光束的反射率。例如，微结构116可以是微米级结构或纳米级结构。微米级结构可以破坏其上的全反射现象，并减少反射的发生，以增加入光量或是出光量。纳米级结构可以根据波长的设定，设计主波长与次波长的结构，以降低反射率。于纳米级结构的配置中，纳米级结构可视为一种蛾眼结构。位于入光面112的微结构116可用以增加第一光束L1进入波长转换单元110的入光量。位于出光面114的微结构116可用以增加第二光束L2通过出光面114自波长转换单元110发射的出光量。因此，通过微结构116的设置，波长转换单元110的出光效率可以获得提升。

图4绘示根据本发明第四实施方式的光源模块的波长转换模块108的侧视示意图。本实施方式与第二实施方式的差异在于，波长转换模块108还包含第一光学单元118，其中第一光学单元118设置于入光面112，并用以使第一光束L1穿透以及使第二光束L2反射。例如，第一光学单元可以是抗反射光学膜(anti-reflection coating)或二色分光片(dichroic beam splitter)，其中二色分光片为提供具有第一波段的第一光束L1穿过。

通过第一光学单元118，第一光束L1进入波长转换单元110时的入光损耗可以被降低。此外，当第二光束L2产生时，射向入光面112的 第二光束L2会自第一光学单元118反射往出光面114，使得第二光束L2自入光面112向波长转换单元110外部的漏光可以被减少。因此，通过第一光学单元118的设置，波长转换单元110的出光效率可以受到提升。

图5绘示根据本发明第五实施方式的光源模块的波长转换模块108的侧视示意图。本实施方式与第二实施方式的差异在于，波长转换模块108还包含第二光学单元120，其中第二光学单元120设置于出光面114，并用以使第一光束L1反射以及使第二光束L2穿透。同样地，第二光学单元120可以是抗反射光学膜或二色分光片，其中二色分光片为提供具有第一波段的第一光束L1反射。

通过第二光学单元120，射向出光面114的第一光束L1会自第二光学单元120反射，使得第一光束L1自出光面114向波长转换单元110外部的漏光可以被减少。此外，第二光束L2通过出光面114自波长转换单元110发射的出光损耗也可以被降低。因此，通过第二光学单元120的设置，波长转换单元110的出光效率可以受到提升。

图6绘示根据本发明第六实施方式的光源模块的波长转换模块108的侧视示意图。本实施方式与第二实施方式的差异在于，波长转换模块108还包含反射单元122，其中反射单元122设置于波长转换单元110的位于入光面112与出光面114之间的表面上。换言之，反射单元122设置于波长转换单元110的侧表面上。本实施方式中，根据波长转换模块108所提供的光束的设计，反射单元122可以是分色反射镜(dichroic)或反射膜(mirror coating)。当波长转换模块108设计为提供预定波长的光束时，反射单元122可以是分色反射镜，以使具有预定波长的光束于反射单元122反射。当波长转换模块108所提供的波长设计为全波段时，反射单元122可以是镀覆于波长转换单元110的侧表面上的反射膜(mirror coating)，以使全波段的光束于反射单元122反射。

通过反射单元122的设置，可以防止第二光束L2自波长转换单元110的侧表面漏光至波长转换单元110的外部，以使第二光束L2可更有效率地被引导至出光面114，进而提升波长转换单元110的出光效率。

图7A与图7B绘示根据本发明第七实施方式的光源模块的波长转换 模块108于多个实施例的示意图。图7A与图7B的视角为垂直于波长转换单元110的入光面112。本实施方式与第一实施方式的差异在于，波长转换模块108还包含散热单元130，设置于波长转换单元110的周围。散热单元130包含散热片132与风扇134，其中散热片132可与波长转换单元110连接，而风扇134与散热片132连接。

于波长转换模块108中，波长转换单元110的运作机制可以不用搭配致动件(例如，马达)。因此，于波长转换单元110运作的期间，可设置金属或高导热材质于波长转换单元110的周围，以将波长转换单元110内所囤积的热量携出，藉以通过增加波长转换单元110的散热效率而使波长转换单元110的出光效率提升。

图7A中，散热片132与风扇134设置于波长转换单元110的周围，散热片132用以通过热交换接收波长转换单元110内的热量。风扇134用以将散热片132上的热量导出。

图7B中，散热片132与风扇134设置于波长转换单元110的周围。由于波长转换单元110于波长转换模块108中的位置为相对静止，因此散热片132可直接接触于波长转换单元110。通过散热片132直接接触于波长转换单元110，散热片132可通过热传导的方式接收波长转换单元110内的热量，藉以进一步提升散热单元130对波长转换单元110的散热效率。通过散热单元130的设置，波长转换单元110的散热效率与出光效率可对应地受到提升。

此外，于以上各实施方式中，各元件虽为分别独立描述，然而，各实施方式所公开的元件可互相搭配。例如，第一光学单元与第二光学单元可分别位于同一波长转换单元的入光面与出光面。

综合前述，本发明的一实施方式提供一种波长转换模块，其具有由荧光材料构成并为杆状实心结构的波长转换单元。通过杆状实心结构，波长转换单元可具有更佳的散热效率与光耦合效率。再者，波长转换单元的入光面/出光面的形状或尺寸可被设计以对应于导光模块，以使波长转换单元对导光元件的光耦合效率可被提升。此外，通过设置微结构、第一光学单元、第二光学单元、反射单元与散热单元，波长转换模块的出光效率与散热效率可以再进一步受到提升。

虽然本发明已以多种实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。