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微型投影裝置的機構與散熱設計
 

【作者: 柯信賓】   2009年12月01日 星期二

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前言


光學引擎包含了「光、機、電、熱」四大元素,本期要探討的是微型投影技術中的機構設計與散熱設計部分。在光學機構上除了設計所要知道的技術外,與行動裝置的整合也有別於以往傳統投影機的規範。散熱部分由於熱源形式的差異,因此散熱設計的技術範疇也與傳統投影機有所不同,這些都是設計者初期要注意的地方。



光學與機構


替光電產品做設計的機構人員又稱為「光學機構工程師」,原因在於機構工程師也需要了解光學元件的特性,很多時候機構人員必須按照光學工程師的設計去繪製2D的圖面,同時加以定義其各項機構規範,如果組裝方式不符合光學特性,往往使得光機的光學效能大打折扣。圖一是透鏡的2D圖,除了定義出光學參數外,還包含了機構上的尺寸,預留挾持邊及倒角等參數及說明。




《圖一 透鏡2D出圖 》


資料來源:Compal Communications, Inc. Internal Research,2007




鏡頭的機構


鏡頭的裝配由幾種基本元件構成,如圖二所示。其中鏡筒是用來放置許多透鏡的圓筒,固定環是藉由施壓來固定透鏡的位置,環的一面會做溝槽,讓專用扳手做旋緊用。間隔環是固定環的一種,用以控制鏡片之間的的距離,一般較大的鏡頭會放置緩衝環在固定環與鏡片之間,提供緩衝力以保護鏡片不受損。



由於微型投影機的鏡頭口徑小,為求大量生產及降低成本,一般所用的透鏡材料以開模做塑膠射出為主,製作透鏡時邊緣要預留C0.2-C1.0mm的導角,防止鏡片邊緣損傷,透鏡上的承靠點需離倒角0.3mm以上的距離,透鏡不能全部在光圈範圍內,必須預留機構的挾持空間,單邊留透鏡直徑的0.1倍較保險。以φ12mm的透鏡為例,單邊要有1.2mm的餘隙,鏡片的圓周可塗佈消光黑漆,上述說明可參考圖一的標示。



組裝方式以堆疊裝配為主,如圖三所示。因為在微型化的前提要求下,鏡頭體積也要盡量地縮小,如果使用結構裝配,就必須以固定環迫緊各個透鏡,如此就必須在鏡筒上作多處的攻牙。除了鏡筒會因此變厚、加工困難外也不易控制微型鏡頭的公差,對於製作鏡筒很有經驗的工廠,會建議設計的人該注意或需修改之處。



固定環在迫緊鏡片時較適宜的做法是以尖角承靠,從圖三可知,對整個鏡片做線接觸是較理想的做法,同時固定環在加工上比較容易,但要注意有應力集中的問題。陽極處理時電流容易集中在尖角影響公差,在尺寸控制上應計算好;鏡筒本身在邊角有承靠鏡片時要做逃溝,避免製作上的公差造成鏡片組裝的干涉;鏡筒上的螺紋無法攻牙到根部,因此在根部要做偷肉,可減少攻牙圈數並避免干涉。鏡片的固定除了固定環外也有其他迫緊鏡片的方式,整理如表一所示。




《圖二 鏡頭的組成示意圖 》


資料來源:Compal Communications, Inc. Internal Research,2005





《圖三 堆疊裝配的鏡頭示意圖 》


資料來源:Compal Communications, Inc. Internal Research,2005




表一 幾種鏡片固定方法 <資料來源:Compal Communications, Inc. Internal Research>























名稱

做法

固定環

使用固定環做螺紋固定,固定環朝著鏡筒外的一面有溝槽,可用專用板手拆卸,容易拆裝,一般鏡頭最常使用。

線彈簧

在鏡筒上銑v槽,線彈簧放入後撐在v槽上以迫緊鏡片;也可使用板彈簧做迫緊。

C型環

為有開口的圓環,藉由變型撐在鏡筒內以迫緊鏡片,公差可以不用太精準。

點膠

除了預留鏡片的點膠邊外,鏡筒上可設計溢膠溝槽,可先點膠或先放入透鏡再點膠,可吸收振動並且適合熱漲冷縮的環境。


光學元件的機構


對光學元件作挾持時應留意兩點事:




  • ●(1)此光學元件最精準的部位在哪?



  • ●(2)在光機系統中,要用光學元件的哪個方向定位精度?





透鏡不管是塑膠或是玻璃材質都可以開模製造,雖然精度較低,但量產的價格便宜。尤其對於非球面的透鏡,其機械加工困難、價格昂貴,因此多以開模來製作,此外模造透鏡可以在成型品上任意長出裝配用的承靠凸緣,凸緣精度容易控制並作為機構的基準面。如果是柱狀透鏡其裝配方式,可直接利用在光圈外的區域做承靠,透鏡的弧面是最精準的地方,周圍的邊是最後切割成型的,公差會較大。



一般的稜鏡像是偏振分光鏡、分合光用的X-Cube等的組裝可用插件式的方式進行,承靠邊要避開光學有效區域,而垂直於光學有效區域的頂面可用軟墊類的材質壓住稜鏡做固定,或是在光機底面點膠做固定,膠要點在底面承靠區的膠槽內使膠稍為溢出,避免直接點於承靠面上,上述說明可參考圖四。



平板式的光學元件由於微型投影機的利用空間不大,如果角度影響不大時,如圖五所示,可以直接插入光機插槽中,設定一般的組裝公差即可。如果需要精確定位,則順著光軸方向作定位,讓反射面或是鍍膜面作為承靠面,另一面則使用彈簧或用有軟頂的螺絲來迫緊,施力點要在有機構承靠面的地方,以免對元件造成力矩。



《圖四 透鏡的組裝與稜鏡膠槽 》

資料來源:Compal Communications, Inc. Internal Research,2006


《圖五 一般組裝與精準組裝 》

資料來源:Compal Communications, Inc. Internal Research,2005


面板的機構


在先前的微型投影技術剖析文章中有提到,LCoS的微型投影機會使用含有彩色濾光片的LCoS或是色彩循序式的LCoS兩種。由於投影面積小加上使用單片面板的光機系統較為簡單,因此只要注意鏡頭與面板的機構組裝公差,基本上兩者的角度都可以控制在設計範圍內,讓整個投影畫面內的影像都是清晰的。如果想要增加光線利用率而如圖六所示使用兩片LCoS面板時,就有需要做兩片面板的六軸組裝對位,使得兩片面板的像素能準確的疊合。



面板的對位要經過六個獨立自由度的調整,如圖七所示。旋轉中心要放在成像中心上,兩片面板先各自單獨對鏡頭做對位,當各自的畫面都在清晰範圍內後,同時打出兩片面板的畫面,再將兩者的畫素準確疊合,最後使用UV膠將兩片面板與光機黏合。使用UV膠的優點是在一般狀態下膠為黏綢狀,在照射UV後會快速凝固,除了省卻等待時間外凝固力可依照結合的材料不同挑選適當的UV膠。但膠在凝固過程時會有收縮現象,因此六軸定位治具對面板需有足夠的挾持力道,一般會使用磁鐵或是夾爪等方式,要求較精準的在照射UV的同時會隨時注意投影畫面是否有分離的情形,以人工或是電腦調整六軸平台做即時的微調修正,圖八為一手動式六軸光學引擎調整平台。



《圖六 採用兩片LCoS的架構示意圖 》

資料來源:Compal Communications, Inc. Internal Research,2005


《圖七 對成像中心做X、Y、Z、θx、θy、θz等6軸的對位 》

資料來源:Compal Communications, Inc. Internal Research,2005


《圖八 手動式六軸光學引擎調整平台 》

資料來源:KOHZU網站


通訊產品的檢測


微型投影機目前最讓人感興趣的應用是結合行動電話使用,尤其是將投影機直接整合行動電話的投影手機最受矚目。所有的產品在量產前都須經過一連串的測試,當投影機與手機是獨立的產品時有各自的測試規範,然而以投影手機而言,到目前為止尚沒有較具體的共同測試規範,因此筆者就常見的手機檢測規範中列出幾項對微型投影機較有關係的測試,以下的測試皆是以整機測試為主:




  • ●機構測試方面有主體壓力測試、液晶螢幕壓力測試、抗彎曲測試、抗扭力測試、滾筒翻轉測試、自由落下測試、短距連續落下測試、振動測試等;



  • ●環境測試方面有負壓力測試(高空失壓測試)、高溫儲藏測試、低溫儲藏測試、冷熱衝擊測試、雨淋測試、砂塵測試等。





光學機構設計人員可參考一些行動產品的測試規範,避免在機構設計時有不足的地方,而實際的測試條件則端看不同開發商對於投影手機的定義。



LED的熱源


傳統使用鹵素燈泡的投影機,其中熱的主要來源在於光線中大量的紅外光,因此熱會以輻射的方式傳遞到投影機之中,所以一般在燈泡的反射罩前端會有UV-IR濾鏡來過濾大部分的紅外光,但是少量未能過濾的紅外光,仍然帶有大量的熱能輻射出去,對於有光學鍍膜的鏡片和液晶面板而言有燒毀的可能。因此傳統投影機會在燈泡端及液晶面板端設置風扇以排除熱能,有必要時在分合光的區塊也會有散熱設計,而隨著投影機的體積日漸縮小,內部散熱問題日益嚴重,如何有效率地將廢熱移除是個重要的課題。



LED光源體積小、可以迅速開關投影,是將投影機微型化的關鍵之一,由於LED的光源不帶有紅外光,整個系統的熱源就集中在LED晶粒上,因此相較於傳統投影機,集中在光源處的散熱設計就較為單純。根據LED的規格資料顯示,LED的熱源隨著驅動瓦數的提高而增加,但亮度隨著瓦數的提升其增加的比率會快速降低,LED的使用壽命也會縮短。同時LED的散熱有其極限,即使散熱塊再大而熱傳導速度跟不上,仍然會造成散熱不良而毀損或縮短LED使用期限,必須要在亮度和散熱效率間取得一個平衡,否則系統的使用年限會由於冷卻系統的不足而降低。所以設計工程師也應該明白,系統的銷售量與價格,會因為系統的使用年限不符使用者的預期而下降。



散熱鰭片


微型投影機應用在行動通訊產品上有噪音的考量,以手機為例,以往沒有在裡面加裝風扇的經驗,因此建議採用被動式的散熱方式,最常用的就是採用Heat sink,主要原理是藉由金屬傳導熱能,同時藉由大量的鰭片來增加散熱面積,最常見的金屬材質有銅和鋁,銅的熱傳導性最好(銅395W/m-K,鋁229W/m-K),鋁則方便加工及輕巧。散熱鰭片的製作有以下幾種形式:



鋁擠型是很常見的加工方式


如果散熱塊沒有太特殊的設計,使用鋁擠型不僅量產容易同時價格便宜。缺點是鰭片的厚度不能與基材的厚度相差太多,鰭片沒辦法做得薄且密,只可以做輕度加工將鰭片切成交錯形狀,在沒有強制熱對流的使用情況下時,散熱能力會不足。



鋁壓鑄


鋁壓鑄因為開模製作,因此可用在形狀較特殊的散熱設計上,但開模費和後續的加工程序會提高成本,同時鰭片和基材仍然有一定的厚度比問題。改善方式可以先用鈑金製作鰭片,如圖九所示,最後再與壓鑄件嵌合或黏接。由於銅和鋁都可以做鈑金材料並且做到厚度極薄,因此能增加壓鑄件的散熱效果。嵌合是在壓鑄件成型冷卻時與鈑金件熔接在一起,黏接法通常使用熱傳導性高的導熱膠來接合,缺點是當導熱膠沒有將基材與鰭片的空隙確實填補的話,導熱效果也會打折扣。



最好的散熱鰭片是要跟散熱基材能夠緊密結合,鏟削型散熱片的製作工法可以達成緊密接合的條件,同時一體成型、單一元件,優點為鰭片厚度薄、間距小,數量增加讓散熱面積變大、散熱效率高,缺點為價格昂貴。



《圖九 板金鰭片與鋁壓鑄基材黏接 》

資料來源:Compal Communications, Inc. Internal Research,2007


《圖十 鏟削型散熱片 》

資料來源:Compal Communications, Inc. Internal Research,2008


風冷系統


在系統中沒有使用風扇的方式屬於自然熱對流,當散熱塊體積有限,對流效果不好時就可使用風扇的來進行強制熱對流,如圖十一所示,散熱風扇分成軸流風扇和鼓風扇兩種,軸流風扇的入風口和出風口在同一軸向,風壓小、風量大,鼓風扇的入風口和出風口垂直,因此可改變風流方向,風量集中在小區域、風壓大。



《圖十一 軸流風扇與鼓風機 》

資料來源:SUNON網站


風扇在散熱上的應用是將熱風從系統導出,也可以直接吹著要散熱的元件,端看哪種方式能最有效率的排除廢熱。無論是自然對流或強制對流,在入風口或出風口的開孔率也關係著散熱效率,開口率等於開口面積除上出風口或入風口的總面積,開孔的排列可用矩陣排列或是交錯排列,孔的形狀也不侷限在圓形,端看是否能達成預設的開口率及是否符合外觀造型的需要,材料上可用金屬鐵網或是塑膠網,或是直接在安裝光機的外殼上開孔。



由於微型投影機的散熱集中在LED的背面基材上,成像系統較無散熱問題,因此成像部分可做密閉式設計來減少灰塵的影響,但光機整合在行動產品上時還是要對接合處墊上防漏圈或是密封膠,以阻隔灰塵經由風道進入到行動產品內部而導致無法通過粉塵測試。



設計者希望充分利用有限的散熱空間,但實際上越大的散熱空間不代表有較佳的散熱效率,有些位置是熱傳導效率很差的地方,同時風流路徑是很難控制的,多餘的設計會增加機構製造與組裝的困難,後續修改也會很麻煩。因此如圖十二所示,軟體的模擬是設計初期最重要的,可以幫助設計者避免很多設計上的盲點。



在實際驗證方面,要製作出散熱模組的樣品以及光機的外殼樣品與LED組裝,這是因為要量測在跟實機相同的邊界條件下時LED的溫度。如圖十三所示,大多數的LED上留有接thermocouple的點來偵測LED晶粒的溫度,也有直接在LED背面的基材上剖溝來偵測LED背板的溫度,LED的規格書中會載明Junction temperature,經過量測及計算後得到的LED溫度要控制在Junction temperature內,如此才算成功的散熱設計。



《圖十二 CAE軟體模擬熱傳導 》

資料來源:Compal Communications, Inc. Internal Research,2008


《圖十三 LED 》

資料來源:OSRAM網站


《圖十四 背板剖溝放入thermocouple 》

資料來源:Compal Communications, Inc. Internal Research,2007


結論


在大型投影機中的機構設計有些是不適用在微型投影機上,原因在於體積必須盡量小,很多時候沒有空間做精準的光學定位,而兩者的投影畫面大小不同,對於影像品質如亮度、對比度和均勻度等的要求也不同。再者微型投影機是直接搭配在3C產品內使用,規範光機的廠商也就不同於以往的光學廠,還必須納入3C業者的規範,其中的取捨就考驗設計者的思維。至於散熱設計方面會趨向於更緊密的設計,例如將散熱模組設計成連接到外殼或結構的金屬上以增加散熱效率,但如同前面所言,例如手機在投影時要接聽電話,機身的熱是否會傷害到使用者的皮膚,這些不同於以往的使用方式,就值得設計者多加思考了。



(本文作者柯信賓為華寶通訊新技術開發部機構/散熱高級工程師)



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