CN102445827A - 光源系统与投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一光源系统与投影装置，该投影装置包含该光源系统的。光源系统包含一主光轴、一光源、一轮体、一光学装置、一第一波长转换体及一第一角度选择层。光源可提供一光束沿主光轴前进。轮体可依控制转动。光学装置具有一第一透镜、一第二透镜及一第三透镜，沿主光轴依序设置于光源与轮体间，以聚集光束至位于轮体上的一聚焦位置。第一波长转换体设置于轮体上，用以接收并转换光束为一第一波段光。第一角度选择层，以角度选择性地过滤通过第一波段光，并设置于第一波长转换体上。第一波长转换体位于光源与第一角度选择层间。

Description

光源系统与投影装置

技术领域

本发明是关于一光源系统，特别是关于使用于一投影装置的光源系统。

背景技术

由于发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有能量转换效率高、稳定度高、使用寿命长、以及可立即开关切换等优点，而有逐渐取代超高压水银灯泡(UltraHigh Performance，UHP)以作为投影装置的光源的趋势。当采用发光二极管作为投影装置的光源时，为得到较佳的光利用度以及光分布均匀度，因此需考虑其内部光学元件的设计配置。其中，较常见的一种方式是直接利用红、蓝、绿三色的发光二极管作为投影装置的光源，于进行合光后输出。然而，由于绿色发光二极管的发光效率较低，且红色发光二极管的散热限制需求较高，因此若欲直接使用红、蓝、绿发光二极管作为投影装置的光源，需先适当地调整红、蓝、绿发光二极管的数量、配置及其散热方式，才有利于调整整体颜色的均匀度。

而且，由于发光二极管本身已为发散角度、光展量(etendue)皆较大的光源，若无法缩减其光展量，进行更有效的集中利用，亦会造成投影装置的的投影亮度不足、以及无法有效率地利用发光二极管所发出的光能的问题。

有鉴于此，如何有效利用发光二极管所产生的光能，增加投影装置的光源利用效率，且强化整体投影装置的投影亮度，这是此一业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种光源系统及包含该光源系统的投影装置，能够有效利用发光二极管所产生的光能，增加光源利用效率，并有效地强化投影装置的投影亮度。

为达上述目的，本发明提供一种光源系统。光源系统包含一主光轴、一光源、一轮体、一光学装置、一第一波长转换体及一第一角度选择层。光源可提供一光束沿主光轴前进。轮体可依控制转动。光学装置具有一第一透镜、一第二透镜及一第三透镜，沿主光轴依序设置于光源与轮体间，以聚集光束至位于轮体上的一聚焦位置。第一波长转换体设置于轮体上，用以接收并转换光束为一第一波段光。第一角度选择层，设置于第一波长转换体上，其中第一波长转换体位于光源与第一角度选择层间，且第一角度选择层角度选择性地过滤通过第一波段光。

本发明的另一目的在于提供一种投影装置。投影装置包含上述的光源系统以及一成像系统。其中，成像系统以接收并处理光源系统所输出的一输出光源，以形成一影像。

为让上述目的、技术特征、和优点能更明显易懂，下文系以较佳实施例配合附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明投影装置的示意图；

图2A至图2C是本发明第一实施例的光源系统的示意图；

图2D是本发明第二实施例的光源系统的示意图；

图3是本发明第一实施例的轮体的示意图；以及

图4是本发明第二实施例的轮体的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的投影装置10包含一光源系统20及一成像系统30。其中，本发明的光源系统20用以输出一输出光源20a，而成像系统30中可使用数字微镜装置(Digital Micromirror Device，DMD)等装置，以接收并处理输出光源20a后，形成一影像40，并投射影像40至外界。

如图2A所示，本发明的光源系统20至少包含一主光轴21、一光源22、一轮体23、一光学装置24、一第一波长转换体251及一第一角度选择层261。光源22所提供的一光束22a可沿主光轴21前进，而轮体23依控制转动。光学装置24具有一第一透镜241、一第二透镜242及一第三透镜243，且第一透镜241、第二透镜242及第三透镜243沿主光轴21依序设置于光源22与轮体23间，用以聚集光束22a至位于轮体23上的一聚焦位置23a。第一波长转换体251设置于轮体23上。第一角度选择层261设置于第一波长转换体251上，而第一波长转换体251位于光源22与第一角度选择层251间。在此需说明者系，为方便解释光束22a于波长转换体及角度选择层内的光学状态，因此附图并不依据实际元件比例绘示。

如图2A所示，于本发明的较佳第一实施例中，光学装置24的第一透镜241具有一凹面及一凸面，第二透镜242具有一凸面及另一凸面，第三透镜243具有一凸面及一凹面。当光束22a自光源22射出后，其系依序通过第一透镜241的凹面及凸面、第二透镜242的凸面及另一凸面，及第三透镜243的凸面及凹面后，汇聚至轮体23。光源22(例如发光二极管)所产生的具大发散角度的光束22a，可通过第一透镜241的凹面充分囊括后，利用光学装置24的第一透镜241、第二透镜242及第三透镜243，聚集至位于轮体23上的聚焦位置23a。

当轮体23依控制转动，而使第一波长转换体251位于聚焦位置23a时，第一波长转换体251用以接收光束22a并将其转换为一第一波段光221。此时，第一角度选择层261角度选择性地过滤通过第一波长转换体251所转换产生的第一波段光221，使第一波段光221至少具有一第一部份221a及一第二部分221b。其中，第一波段光221的第一部份221a相对于主光轴21的一夹角小于一预定角度θ，其以穿透第一角度选择层261而通过轮体23，并进入如图1所示的成像系统30，以进行处理。相对地，第一波段光221的第二部分221b相对于主光轴21的一夹角系大于预定角度θ，其以自第一角度选择层261反射。藉此，可大幅限制进入成像装置30的输出光源20a的发散角度及光展量，使成像装置30能够充分利用光源系统20所输出的输出光源20a处理形成影像40，增加光源利用效率，并有效地强化投影装置10的投影亮度。

此外，光学装置24还包含一分色层243a，其于本实施例中设置于第三透镜243上，且位于第二透镜242及第三透镜243间。分色层243a的特性以容许光束22a通过并反射第一波段光221。当光束22a由光源22射出，而依序通过第一透镜241、第二透镜242而到达分色层243a时，分色层243a将容许光束22a通过，并到达轮体23上的第一波长转换体251。当第一波长转换体251接收光束22a，而将光束22a转换为第一波段光221后，被第一角度选择层261反射的第一波段光221的第二部分221b将再次进入第三透镜243，而到达分色层243a。此时，分色层243a以反射第一波段光221的第二部分221b，以使其再度射入至第一波长转换体251中。

换言之，借助分色层243a的设置，将可对自第一角度选择层261所反射出的第一波段光221的第二部分221b进行反射，使其再次进入第一波长转换体251，并受第一角度选择层261的再次角度选择性地过滤，从而降低光束22a在通过光源系统20时的光量损失，并同时依然使光源系统20所输出的输出光源20a的光展量大幅降低。藉此，进一步增加光源利用效率，并有效地强化投影装置10的投影亮度。

需注意的是，于本发明中，分色层243a较佳是形成一曲面，该曲面具有一曲率半径R。聚焦位置23a通过光学装置24的一部分(即第三透镜243的一部分)至分色层243a具有一成像位置23b，且成像位置23b与分色层243a的一距离实质上等于分色层243a的曲率半径R。因此，通过聚焦位置23a所发出的光，到达分色层243a时，将均与分色层243a正交。当第一波长转换体251位于聚焦位置23a时，其所反射出的第一波段光221的第二部分221b将正交且无损失地被分色层243a反射，并再次进入第一波长转换体251中。

于本实施例中，第二透镜242较佳为塑料材质的非球面镜，且第一透镜241与第三透镜243的材质为玻璃。第一波长转换体251选自一红色萤光体及一绿色萤光体所组成的群组，因此第一波段光221为红光或绿光。

承上，于第一实施例中，光源系统20还包含一第二波长转换体252、一第三波长转换体253、一第二角度选择层262及一第三角度选择层263，且第二波长转换体252及第三波长转换体253相似于第一波长转换体251，均设置于轮体23上。

详细而言，如图2B所示，第二角度选择层262设于第二波长转换体252上，且第二波长转换体252设置于光源22与第二角度选择层262间。相似于第一波长转换体251，当轮体23依控制转动，而使第二波长转换体252位于聚焦位置23a时，第二波长转换体252用以接收光束22a并将其转换为一第二波段光222。此时，第二角度选择层262角度选择性地过滤通过第二波长转换体252所转换产生的第二波段光222，使第二波段光222至少具有一第一部份222a及一第二部分222b。第二波段光222的第一部份222a相对于主光轴21的一夹角系小于预定角度θ，其以穿透第二角度选择层262而射出，并进入成像系统30。相对地，第二波段光222的第二部分222b相对于主光轴21的一夹角大于预定角度θ，以自第二角度选择层262反射。

相同地，如图2C所示，第三角度选择层263系设于第三波长转换体253上，且第三波长转换体253设置于光源22与第三角度选择层263间。相似于第一波长转换体251及第二波长转换体252，当轮体23依控制转动，而使第三波长转换体253位于聚焦位置23a时，第三波长转换体253用以接收光束22a并将其转换为一第三波段光223。此时，第三角度选择层263以角度选择性地过滤通过第三波长转换体253所转换产生的第三波段光223，使第三波段光223至少具有一第一部份223a及一第二部分223b。第三波段光223的第一部份223a相对于主光轴21的一夹角小于预定角度θ，以穿透第三角度选择层263而射出，并进入成像系统30。相对地，第三波段光223的第二部分223b相对于主光轴21的一夹角大于预定角度θ，以自第三角度选择层263反射。

如图3所示，第一波长转换体251、第二波长转换体252及第三波长转换体253可依比例设置于轮体23上，以转换相对应的波段光供投影装置10的成像系统30使用。同时，轮体23系依控制旋转，以使第一波长转换体251、第二波长转换体252及第三波长转换体253轮流位于聚焦位置23a上。

于第一实施例中，分色层243a以容许光源22所产生的光束22a通过，并反射第一波长转换体251于接收光束22a后所转换成的第一波段光221、第二波长转换体252于接收光束22a后所转换成的第二波段光222、以及第三波长转换体253于接收光束22a后所转换成的第三波段光223。藉此，轮流位于聚焦位置23a的第一波长转换体251、第二波长转换体252、及第三波长转换体253，其分别被第一角度选择层261、第二角度选择层262、及第三角度选择层263所反射的第一波段光221、第二波段光222、及第三波段光223的第二部分221b、222b、223b，以正交且无损失地被分色层243a反射，而再次分别进入第一波长转换体251、第二波长转换体252、及第三波长转换体253中。

较佳地，上述预定角度θ实质上为25度，以维持最佳的光展量与投影装置的亮度。于本实施例中，第二波长转换体252选自一红色萤光体及一绿色萤光体所组成的群组，且第二波长转换体252相异于第一波长转换体251。换言之，当第一波长转换体251为红色萤光体时，第二波长转换体252便为绿色萤光体；当第一波长转换体251为绿色萤光体时，第二波长转换体252便为红色萤光体。因此，第一波段光221及第二波段光222即为红光或绿光，以提供投影装置10的成像系统30红光及绿光。此外，于本实施例中，光源22较佳为一紫外光发光二极管，且第三波长转换体253为一蓝色萤光体。藉此，光源22所发出的紫外光以激发第三波长转换体253产生蓝光(即第三波段光223)，提供予投影装置10的成像系统30。

如图2D及图4所示，其为本发明光源系统20的第二实施例。于第二实施例中，光源系统20相似于第一实施例，同样包含主光轴21、光源22、轮体23、光学装置24、第一波长转换体251、第二波长转换体252、第一角度选择层261、第二角度选择层262、及第三角度选择层263等元件。然与第一实施例相异之处在于，原设置于第一实施例的轮体23上的第三波长转换体253是以一透明部254取代。再者，于第二实施例中，光源22所提供的光束22a为第三波段光223，并穿透本实施例的分色层243a及透明部254。

详细而言，如图2D所示，第二实施例的第三角度选择层263设置于透明部254上，且透明部254位于第三角度选择层263与光学装置24间。于本实施例中，轮体23系依控制转动，使第一波长转换体251、第二波长转换体252、及透明部254轮流位于聚焦位置23a。当轮体23依控制转动，而使透明部254位于聚焦位置23a时，为第三波段光223的光束22a穿透分色层243a，并通过光学装置24聚焦至位于聚焦位置23a的透明部254，并穿透透明部254而到达第三角度选择层263。第三角度选择层263以使第三波段光223至少具有一第一部份223a及一第二部分223b。第三波段光223的第一部份223a相对于主光轴21的一夹角小于预定角度θ，以穿透第三角度选择层263射出。第三波段光223的第二部分223b相对于该主光轴21的一夹角大于预定角度θ，以自第三角度选择层263反射。

由于第二实施例系将第一实施例中设置于轮体23上的第三波长转换体253替换为一透明部254，因此本实施例中的光源22可直接使用一蓝光发光二极管，其所提供的蓝光可取代第一实施例中由第三波长转换体253所转换的第三波段光223，而直接穿透透明部254射入于第三角度选择层263。如此一来，便可省却第三波长转换体253，并且上述预定角度θ实质上同样为25度，以维持最佳的光展量与投影装置10的投射亮度。

除上述相异处外，第二实施例的主光轴21、光源22、轮体23、光学装置24、第一波长转换体251、第一角度选择层261、第二波长转换体252及第二角度选择层262等元件的相对设置关系及所欲达到的目的皆相同于第一实施例，故于此不多赘述。

综上所述，本发明的光源系统系通过特殊光学装置(第一透镜、第二透镜及第三透镜)的设置，而将发散角度与光展量较大的光源(如发光二极管)所发出的光束进行集中利用，激发设置于光轮上的波长转换体，从而产生可供投影装置使用的红、蓝、绿三色光。其中，当所使用的光源为较高激发能量的光源时，则光轮上分别设置有第一波长转换体、第二波长转换体、第三波长转换体及相对应的第一角度选择层、第二角度选择层、第三角度选择层。若当所使用的光源直接发出第三波段光时，则光轮上分别设置有第一波长转换体、第二波长转换体、透明部及相对应的第一角度选择层、第二角度选择层、第三角度选择层。上述第一实施例及第二实施例皆发挥将光源所产生的发散光束集中并缩小其光展量的功效，同时达到增加亮度的效果。

上述的实施例仅用来例举本发明的实施态样，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的保护范畴。任何熟悉此技术者可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利保护范围应以申请专利范围为准。

Claims (20)

1.一种光源系统，使用于一投影装置，该光源系统包含：

一主光轴；

一光源，可提供一光束，沿该主光轴前进；

一轮体，可依控制转动；

一光学装置，具有一第一透镜、一第二透镜及一第三透镜，沿该主光轴依序设置于该光源与该轮体间，以聚集该光束至位于该轮体上的一聚焦位置；

一第一波长转换体，设置于该轮体上，用以接收并转换该光束为一第一波段光；以及

一第一角度选择层，设置于该第一波长转换体上，其中该第一波长转换体位于该光源与该第一角度选择层间，且该第一角度选择层角度选择性地过滤通过该第一波段光。

2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，该光束自该光源至该轮体依序经过该第一透镜的一凹面及一凸面、该第二透镜的一凸面及另一凸面，及该第三透镜的一凸面及一凹面。

3.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于，该第一波段光至少具有一第一部份及一第二部分，该第一波段光的该第一部份相对于该主光轴的一夹角小于一预定角度，以穿透该第一角度选择层，并且该第一波段光的该第二部分相对于该主光轴的一夹角大于该预定角度，以自该第一角度选择层反射。

4.根据权利要求3所述的光源系统，其特征在于，该光学装置还包含一分色层，以容许该光源所产生的该光束通过，并反射该第一波段光。

5.根据权利要求4所述的光源系统，其特征在于，该分色层形成一曲面，该曲面具有一曲率半径，该聚焦位置通过该光学装置的一部分至该分色层具有一成像位置，该成像位置与该分色层的一距离实质上等于该分色层的该曲率半径。

6.根据权利要求5所述的光源系统，其特征在于，该分色层设置于该第三透镜上，并位于该第二透镜与该第三透镜间。

7.根据权利要求6所述的光源系统，其特征在于，该第二透镜为非球面镜，其材质为塑料，该第一透镜及第三透镜的材质为玻璃。

8.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，该第一波长转换体选自一红色萤光体及一绿色萤光体所成的群组。

9.根据权利要求4所述的光源系统，其特征在于，光源系统还包含：

一第二波长转换体，该第二波长转换体设置于该轮体上，用以接收并转换该光束为一第二波段光，其中该分色层以反射该第二波段光，且该轮体依控制旋转，使该第一波长转换体及该第二波长转换体轮流位于该聚焦位置；以及

一第二角度选择层，系设于该第二波长转换体上，其中该第二波长转换体位于该光源与该第二角度选择层间，该第二波段光至少具有一第一部份及一第二部分，该第二波段光的该第一部份相对于该主光轴的一夹角小于该预定角度，以穿透该第二角度选择层，并且该第二波段光的该第二部分相对于该主光轴的一夹角大于该预定角度，以自该第二角度选择层反射。

10.根据权利要求9所述的光源系统，其特征在于，该第二波长转换体选自一红色萤光体及一绿色萤光体所成的群组，并且该第二波长转换体相异于该第一波长转换体。

11.根据权利要求4所述的光源系统，其特征在于，光源系统还包含：

一第三波长转换体，设置于该轮体上，用以接收并转换该光束为一第三波段光，其中该分色层反射该第三波段光，且该轮体依控制旋转，使该第一波长转换体及该第三波长转换体轮流位于该聚焦位置；以及

一第三角度选择层，设于该第三波长转换体上，其中该第三波长转换体位于该光源与该第三角度选择层间，该第三波段光至少具有一第一部份及一第二部分，该第三波段光的该第一部份相对于该主光轴的一夹角小于该预定角度，以穿透该第三角度选择层，并且该第三波段光的该第二部分相对于该主光轴的一夹角大于该预定角度，以自该第三角度选择层反射。

12.根据权利要求11所述的光源系统，其特征在于，该光源是一紫外光发光二极管。

13.根据权利要求11所述的光源系统，其特征在于，该第三波长转换体为一蓝色萤光体。

14.根据权利要求3所述的光源系统，其特征在于，该轮体还包含：

一透明部，其中该光束为一第三波段光穿透该分色层及该透明部，该轮体依控制旋转，使该第一波长转换体及该透明部轮流位于该聚焦位置；并且

该光源系统还包含一第三角度选择层，设置于该透明部上，并且该透明部位于该第三角度选择层与该光学装置间，其中该第三波段光至少具有一第一部份及一第二部份，该第三波段光的该第一部份相对于该主光轴的一夹角小于该预定角度，以穿透该第三角度选择层，并且该第三波段光的该第二部份相对于该主光轴的一夹角大于该预定角度，以自该第三角度选择层反射。

15.根据权利要求14所述的光源系统，其特征在于，该光源是一蓝光发光二极管。

16.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，该预定角度实质上是25度。

17.一种投影装置，包含：

根据权利要求1所述的光源系统，输出一输出光源；以及

一成像系统，接收并处理该输出光源，以形成一影像。

18.根据权利要求17所述的投影装置，其特征在于，该光源系统还包含一分色层，以容许该光源所产生的该光束通过，并反射该第一波段光。

19.根据权利要求18所述的光源系统，其特征在于，光源系统还包含：

一第二波长转换体，该第二波长转换体设置于该轮体上，用以接收并转换该光束为一第二波段光，其中该分色层以反射该第二波段光，且该轮体依控制旋转，使该第一波长转换体及该第二波长转换体轮流位于该聚焦位置；以及

一第二角度选择层，系设于该第二波长转换体上，其中该第二波长转换体位于该光源与该第二角度选择层间，该第二波段光至少具有一第一部份及一第二部分，该第二波段光的该第一部份相对于该主光轴的一夹角小于该预定角度，以穿透该第二角度选择层，并且该第二波段光的该第二部分相对于该主光轴的一夹角大于该预定角度，以自该第二角度选择层反射。

20.根据权利要求19所述的光源系统，其特征在于，该第一波长转换体及该第二波长转换体选自一红色萤光体及一绿色萤光体所成的群组，并且该第二波长转换体相异于该第一波长转换体。

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