CN102636946A - 光源模块与投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种光源模块，包括发光元件、反射元件、波长转换元件以及光学元件。发光元件发出激发光束。反射元件包括反射面。反射面具有第一焦点与第二焦点。波长转换元件包括多个激发区域，且配置于第一焦点附近与激发光束的传递路径上。藉由波长转换元件的旋转，以使激发光束于不同时间内照射在不同的多个激发区域上，从而使激发光束于不同时间内转换为多个波长光束。波长光束分别对应于激发区域，且被反射面反射并汇聚至第二焦点。光学元件配置于第二焦点附近与波长光束的传递路径上，以使波长光束在通过第二焦点后传递至光学元件。

Description

光源模块与投影装置
技术领域
本发明涉及一种光源模块与投影装置，且特别涉及一种高亮度的光源模块与投影装置。
背景技术
随着显示技术的进步，投影装置除了可采用发出白光的高压汞灯(ultrahigh pressure lamp，UHP lamp)搭配色轮(color wheel)来依序产生红光、绿光及蓝光，以使投影装置提供彩色图像画面之外，近来更发展出以红色、绿色及蓝色发光二极管(light emitting diode，LED)作为光源的投影装置。
在以发光二极管作为光源的投影装置中，红色、绿色及蓝色发光二极管所发出的光束会经由合光系统来合光，以使不同传递方向的不同色光束能被导引至同一方向。由于此架构的投影机的亮度是取决发光二极管的亮度，其中绿光发光二极管又为主要的亮度贡献光源，故投影机的整体亮度会受限于绿光发光二极管的发光效率。然而，目前绿光发光二极管的发光效率不高，不太适合作为高亮度投影机(例如大于2000ANSI流明)的光源。因此，有些投影机便使用混光源的设计以提升投影机的亮度。
举例来说，混光源的设计系利用蓝光激光来激发色轮上的绿色荧光粉(phosphor)以使蓝光激光转换为新的绿色光源，并搭配合光系统使绿色光源和蓝光、红光发光二极管进行合光以提供投影机所需的照明光源。另外，在现有技术中，通常会于色轮前配置透镜来搜集经转换后的绿光以增加绿光的收光效率。然而，为避免色轮与透镜彼此干涉，色轮与透镜之间必须维持一特定距离，从而限制透镜的收光效率。另一方面，为搭配混光源的设计，合光系统需多加一片分色镜来使长波长的光改变光路径再与其它的色光进行合光，故在光学元件的使用上会比较多，且相对而言经过光学元件之后的光损失也会比较多。
另外，亦有几种与照明模块相关的专利被提出。举例而言，美国专利号7618158与美国专利号7232228揭露一种照明系统，其藉由将光源配置于反射体的第一焦点，以使光源所发出的光束汇聚至第二焦点。另外，美国专利公开号20080030993则是揭露将发光二极管或激光二极管(laserdiode，LD)置于反射杯内以激发波长转换材料，从而使短波长的光与长波长的光混合以产生白光。
发明内容
本发明提供一种光源模块，其能提供较高亮度的光源。
本发明提供一种投影装置，其包括上述的光源模块。
本发明的其它目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述的一或部分或全部目的或是其它目的，本发明的一实施例提出一种光源模块。光源模块包括发光元件、反射元件、波长转换元件以及光学元件。发光元件发出激发光束。反射元件包括反射面，其中反射面具有第一焦点与第二焦点。波长转换元件包括多个激发区域，且配置于第一焦点附近与激发光束的传递路径上。藉由波长转换元件的旋转，以使激发光束于不同时间内照射在不同的激发区域上，从而使激发光束于不同时间内转换为多个波长光束。波长光束分别对应于激发区域，且被反射面反射并汇聚至第二焦点。光学元件配置于第二焦点附近与波长光束的传递路径上，以使波长光束在通过第二焦点后传递至光学元件。
除此之外，本发明的一实施例还提出一种投影装置，其包括上述的光源模块与光阀，其中光阀配置于上述的激发光束与上述的波长光束的传递路径上。
基于上述，本发明的实施例可达到下列优点或功效的至少其一。在本发明的实施例中，藉由将波长转换元件与光学元件分别配置于反射元件的第一焦点附近与第二焦点附近，使在第一焦点附近被激发出的色光束能汇聚至第二焦点并传递至光学元件，故能增加波长光束的收光效率，进而提供较高亮度的光源。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并结合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明第一实施例的投影装置的示意图；
图1B为图1A的波长转换元件在XZ平面上的俯视示意图；
图2为本发明第二实施例的投影装置的示意图；
图3A为本发明第三实施例的投影装置的示意图；
图3B为图3A的波长转换元件在XZ平面上的俯视示意图；
图4为本发明第四实施例的投影装置的示意图；
图5为本发明第五实施例的投影装置的示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下结合附图一优选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。
第一实施例
图1A为本发明第一实施例的投影装置的示意图。图1B为图1A的波长转换元件在XZ平面上的俯视示意图。请参照图1A，本实施例的投影装置100包括光源模块110以及光阀120。光源模块110包括发光元件112、反射元件114、波长转换元件116以及光学元件118。发光元件112发出激发光束E1(excitation light)。在本实施例中，发光元件112例如是蓝光固态激光(blue solid-state laser)、紫外光激光(UV laser)或蓝光发光二极管(bluelight emitting diode)，且激发光束E1的波长范围例如是落在大于等于380纳米与小于等于460纳米之间。反射元件114包括反射面114a，其中反射面114a具有焦点f1与焦点f2。
请同时参照图1A与图1B，波长转换元件116包括多个激发区域116R、116G、116Y(仅示意地绘示三个)，且波长转换元件116配置于焦点f1附近与激发光束E1的传递路径P1上，以使激发光束E1在通过焦点f1后能照射到波长转换元件116。藉由波长转换元件116的旋转，以使激发光束E1于不同时间照射在不同的激发区域116R、116G、116Y，从而使激发光束E1转换为多个波长光束，波长光束可为具有颜色的光束，举例而言，如本发明一实施例中，其中Lr、Lg、Ly为色光束分别对应于激发区域116R、116G、116Y，且可被反射面114a反射并汇聚至焦点f2。在本实施例中，反射面114a例如是部分的椭圆面或由两个曲率不同的曲面所组成，亦即焦点f1与焦点f2所分别对应的曲面可非完全对称。换句话说，只要反射面114a的形状能使光束从焦点f1汇聚到焦点f2皆属于本发明所欲保护的范围。
如图1A与图1B所示，本实施例的波长转换元件116可包括荧光层(phosphor layer)116a以及反射镜116b。荧光层116a配置于反射镜116b上，且荧光层116a例如可将荧光粉涂布于反射镜116b上。当激发光束E1轮流照射到荧光层116a的不同激发区域116R、116G、116Y时，荧光层116a中的荧光粉粒子会被激发并释放出色光束Lr、Lg、Ly。进一步而言，激发区域116R、116G、116Y例如可分别涂布有红色的荧光粉、绿色的荧光粉与黄色的荧光粉，以使激发光束E1于不同时间内照射在激发区域116R、116G、116Y时，从而分别产生红色、绿色与黄色的色光束Lr、Lg、Ly。其中红色光束的中心波长范围例如落在大于等于605纳米与小于等于670纳米之间，而绿色光束的中心波长范围例如落在大于等于520纳米与小于等于540纳米之间。另外，红色光束与绿色光束的半高宽(full-widthhalf-Maximum，FWHM)例如皆小于120纳米。应注意的是，在其它实施例中，激发区域116R、116G、116Y亦可涂布其它能产生其它颜色的色光束的荧光粉，本发明并不受限于此。除此之外，在其它实施例中，激发区域的个数亦可为两个或其它数目。
请继续参照图1A，光学元件118配置于焦点f2附近与色光束Lr、Lg、Ly的传递路径Pr、Pg、Py上，以使色光束Lr、Lg、Ly在通过焦点f2后传递至光学元件118内。在本实施例中，光学元件118例如为光均匀化元件，且例如是光积分柱(light integration rod)118’。其中本实例的光积分柱118’的形状例如呈楔形(taper)以使色光束Lr、Lg、Ly以较小的出光角度离开光积分柱118’。进一步而言，光积分柱118’的宽度随着远离焦点f2而渐渐变宽，然而在其它实施例中，光积分柱118’亦可是其它形状，本发明并不受限于此。
除此之外，本实施例的反射元件114包括分色部(dichroic portion)114b，其中分色部114b例如为分色膜(dichroic film)。分色部114b位于发光元件112与波长转换元件116之间。激发光束E1穿透分色部114b并传递至波长转换元件116，且分色部114b可反射色光束Lr、Lg、Ly。另一方面，如图1B所示，本实施例的波长转换元件116还包括反射区域116B，以将激发光束E1从焦点f1反射至焦点f2，并传递至光学元件118。详细来说，当激发光束E1通过分色部114b并照射到反射区域116B时，激发光束E1(例如为蓝光)会被散射至反射部114a的各部分，再被反射汇聚于焦点f2，从而进到光学元件118内。如图1A所示，本实施例的光阀120配置于激发光束E1与色光束Lr、Lg、Ly的传递路径Pr、Pg、Py上，且位于光学元件118之后。如此一来，不同颜色的色光束Lr、Lg、Ly与激发光束E1便能传递到光阀120，且上述光束在经过光阀120的作用后，就能够形成彩色的图像画面。另外，在本实施例中，光阀120例如是数字微镜元件(digitalmicro-mirror device，DMD)、硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel，LCOS panel)或液晶面板(liquid-crystal panel，LC panel)。
由上述可知，本实施例的投影装置100无须使用复杂的镜片来对色光束Lr、Lg、Ly与激发光束E1进行收光，而是使用一个反射元件114即可将上述的光束从焦点f1收至焦点f2并传递至光学元件118，故本实施例的投影装置100具有良好收光效率、设计简单以及组装拆卸方便的特性。
第二实施例
图2为本发明第二实施例的投影装置的示意图。图2的投影装置200与图1A的投影装置100类似，二者主要差异之处在于：投影装置200的反射元件214还包括开孔OP。开孔OP位于发光元件112与波长转换元件116之间，以使激发光束E1通过开孔OP并传递至波长转换元件116。接着，激发光束E1在照射到波长转换元件116的反射区域116B(绘示于图1B)时，会从焦点f1反射至焦点f2，并传递至光学元件118。如此一来，不同颜色的色光束Lr、Lg、Ly与激发光束E1便能传递到光阀120，且上述光束在经过光阀120的作用后，就能够形成彩色的图像画面。
第三实施例
图3A为本发明第三实施例的投影装置的示意图。图3B为图3A的波长转换元件在XZ平面上的俯视示意图。请参照图3A，本实施例的投影装置300包括光源模块310以及光阀120。光源模块310包括发光元件112、反射元件314、波长转换元件316以及光学元件318。本实施例的投影装置300与图1A的投影装置100类似，二者主要差异之处在于：本实施例的光学元件318为分色单元318’，其中分色单元318’配置于发光元件112与反射元件314之间以及焦点f2附近与色光束Lr、Lg、Ly的传递路径Pr、Pg、Py上。举例而言，分色单元318’配置于焦点f2与光阀120之间。另外，分色单元318’可反射激发光束E1，且使色光束Lr、Lg、Ly穿透，其中分色单元318’例如为分色镜(dichroic mirror)。
详细来说，如图3A与3B所示，本实施例的波长转换元件316包括多个激发区域316R、316G、316Y(仅示意地绘示三个)，且波长转换元件316配置于焦点f1附近与激发光束E1的传递路径P1上。除此之外，波长转换元件316还包括穿透区域316B，以使激发光束E1通过穿透区域316B，并传递至光学元件318。详细来说，本实施例的投影装置300例如可包括光路偏折元件330，且光路偏折元件330例如为反射镜。光路偏折元件330配置于波长转换元件316与分色单元318’之间，以将通过穿透区域316B的激发光束E1反射至分色单元318’。在其它实施例中，还可在光路偏折元件330与波长转换元件316之间配置收光镜片(图未示)以加强通过穿透区域316B的激发光束E1的收光效率，本发明并不受限于此。
如图3A所示，波长转换元件316可包括荧光层316a以及反射镜316b。荧光层316a配置于反射镜316b上，且荧光层316a例如包括涂布于反射镜316b上的荧光粉。当激发光束E1轮流照射到荧光层316a的不同激发区域316R、316G、316Y时，荧光层316a中的荧光粉粒子会被激发并释放出色光束Lr、Lg、Ly。详细来说，在本实施例中，从发光元件112发出的激发光束E1会先被分色单元318’反射至焦点f2再汇聚至焦点f1进而传递至波长转换元件316。由于波长转换元件316可旋转，故激发光束E1会于不同时间照射在不同的激发区域316R、316G、316Y，从而使激发光束E1转换为色光束Lr、Lg、Ly，其中色光束Lr、Lg、Ly分别对应于激发区域316R、316G、316Y。接着，位于焦点f1的色光束Lr、Lg、Ly会于反射元件314内散射，并被反射面314a反射而再度汇聚至焦点f2，从而使色光束Lr、Lg、Ly通过分色单元318’而传递至光阀120。另一方面，通过穿透区域316B的激发光束E1会被光路偏折元件330反射至分色单元318’，并被分色单元318’反射至光阀120。如此一来，上述色光束Lr、Lg、Ly与激发光束E1在经过光阀120的作用后，就能够形成彩色的图像画面。
除此之外，本实施例的投影装置300还包括至少一透镜L1(仅示意地绘示两个)。透镜L1配置于焦点f2与分色单元318’之间。另外，投影装置300亦可包括至少一透镜L2(仅示意地绘示两个)，且透镜L2配置于分色单元318’之后以及色光束Lr、Lg、Ly的传递路径Pr、Pg、Py与激发光束E1的传递路径P1上。另一方面，投影装置300还可包括光积分柱340。光积分柱340配置于分色单元318’之后以及色光束Lr、Lg、Ly的传递路径Pr、Pg、Py上。上述的透镜L1、L2与光积分柱340皆能收敛色光束Lr、Lg、Ly的出光角度，以使大部分的色光束Lr、Lg、Ly传递至光阀120，进而增加光使用效率。应注意的是，在其它实施例中，投影装置300亦可不包括透镜L1、L2与光积分柱340，本发明并不受限于此。
如图3A所示，在本实施例中，被激发光束E1所激发出的色光束Lr、Lg、Ly系经由反射面314a再度汇聚至焦点f2，并经由透镜L1、L2耦合进入光积分柱340。另一方面，通过穿透区域316B的激发光束E1则是经由另一光学路径耦合回到光积分柱340。由于反射面314a的设计使得激发光束E1与色光束Lr、Lg、Ly于反射元件314及波长转换元件316之间的往返皆是经由焦点f1、f2，故反射元件314与波长转换元件316之间的间隙可以大幅降低。如此一来，本实施例的光源模块310除了在设计上较为容易以外，本实施例的投影装置300在组装时，对于公差可较不敏感，且能减少组装时的工时，从而降低制作成本。
第四实施例
图4为本发明第四实施例度投影装置的示意图。请参照图4，本实施例的投影装置400包括光源模块410以及光阀120。光源模块410包括发光元件112、反射元件414、波长转换元件116以及光学元件118。其中波长转换元件116包括多个激发区域(绘示于图1B)，且波长转换元件116配置于焦点f1附近与激发光束E1的传递路径P1上。
本实施例度投影装置400与图1A度投影装置100类似，二者主要差异之处在于：本实施例度反射元件414还包括透镜L3，且投影装置400还包括光均匀化元件418，其中光均匀化元件418配置于透镜L3与波长转换元件116之间。透镜L3可使激发光束E1通过反射元件414，并使激发光束E1传递至光均匀化元件418。
在本实施例中，光均匀化元件418例如是光积分柱418’，且光均匀元件418的出口端配置于焦点f1上。其中光积分柱418’的形状例如呈楔形以使激发光束E1或经转换后的色光束Lr、Lg、Ly能以较小的出光角度离开光积分柱418’。如图4所示，光积分柱418’配置于波长转换元件116的上方。由于被激发出的色光束Lr、Lg、Ly是属于蓝伯特(Lambertian)发光，故发光角度较大，而光积分柱418’的目的在于缩小激发出的色光束Lr、Lg、Ly的发光角度，使色光束Lr、Lg、Ly在经由焦点f1后，能被有效率地经反射面414a反射后汇聚于焦点f2。
另一方面，自光积分柱418’出射的激发光束E1亦会通过焦点f1并被反射面414a反射而汇聚于焦点f2。如此一来，激发光束E1与不同的色光束Lr、Lg、Ly在通过焦点f2后皆会传递至光均匀化元件118’内，并以较小的出光角度离开光均匀化元件118’，再传递至光阀120，最后在经过光阀120的作用后，就能够形成彩色的图像画面。另外，在本实施例中，光均匀化元件118’的形状例如呈楔形以使色光束Lr、Lg、Ly以较小的出光角度离开光积分柱118’。进一步而言，光积分柱118’的宽度系随着远离焦点f2而渐渐变宽，然而在其它实施例中，光积分柱118’亦可是其它形状，甚至是不采用光积分柱118’，本发明并不受限于此。
类似地，在本实施例中，反射面414a例如是部分的椭圆面或由两个曲率不同的曲面所组成，亦即焦点f1与焦点f2所分别对应的曲面可非完全对称。换句话说，只要反射面的形状能使光束从焦点f1汇聚到焦点f2皆属于本发明所欲保护的范围。
第五实施例
图5为本发明第五实施例的投影装置的示意图。请参照图5，本实施例的投影装置500包括光源模块510以及光阀120。光源模块510包括发光元件112、反射元件514、波长转换元件116以及光学元件118。本实施例的投影装置500与图4的投影装置400类似，二者主要差异之处在于：本实施例的反射元件514还包括开孔OP’，以使激发光束E1透过开孔OP’通过反射元件514，并传递至光均匀化元件418。其中，光均匀化元件418配置于开孔OP’与波长转换元件116之间。
综上所述，本发明的实施例包括以下优点或功效的至少其中之一。在本发明的实施例中，藉由将波长转换元件与光学元件分别配置于反射元件的两焦点附近，使在其中一焦点附近被激发出的色光束汇聚至另一焦点并直接传递至位于该另一焦点附近的光学元件，故能增加色光束的收光效率，进而提供较高亮度的光源。除此之外，由于本实例仅采用一个反射元件便能达到良好的收光效率，故能减少光源模块或投影装置的制作成本。
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，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及发明说明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达成本发明所揭露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。此外，在本说明书中提及的第一透镜、第二透镜、....仅用以表示元件的名称，并非用来限制元件数量上的上限或下限。

Claims (24)

1.一种光源模块，包括：
发光元件，发出激发光束；
反射元件，包括反射面，其中所述反射面具有第一焦点与第二焦点；
波长转换元件，包括多个激发区域，且配置于所述第一焦点附近与所述激发光束的传递路径上，藉由所述波长转换元件的旋转，以使所述激发光束于不同时间内照射在不同的多个激发区域上，从而使所述激发光束于不同时间内转换为多个波长光束，其中所述波长光束分别对应于所述激发区域，且被所述反射面反射并汇聚至所述第二焦点；以及
光学元件，配置于所述第二焦点附近与所述波长光束的传递路径上，以使所述波长光束在通过所述第二焦点后传递至所述光学元件。
2.如权利要求1所述的光源模块，其中所述光学元件为光均匀化元件。
3.如权利要求1所述的光源模块，其中所述反射元件还包括分色部，且所述分色部位于所述发光元件与所述波长转换元件之间，所述激发光束穿透所述分色部并传递至所述波长转换元件，且所述分色部反射所述波长光束。
4.如权利要求1所述的光源模块，其中所述反射元件还包括开孔，且所述开孔位于所述发光元件与所述波长转换元件之间，以使所述激发光束通过所述开孔并传递至所述波长转换元件。
5.如权利要求1所述的光源模块，其中所述波长转换元件还包括穿透区域，以使所述激发光束穿透所述穿透区域，并传递至所述光学元件。
6.如权利要求5所述的光源模块，其中所述光学元件为分色单元，配置于所述发光元件与所述反射元件之间，所述分色单元反射所述激发光束，且使所述波长光束穿透。
7.如权利要求6所述的光源模块，还包括光路偏折元件，配置于所述波长转换元件与所述分色单元之间，以将通过所述穿透区域的所述激发光束反射至所述分色单元。
8.如权利要求6所述的光源模块，还包括光积分柱，配置于所述波长光束与所述激发光束的传递路径上。
9.如权利要求6所述的光源模块，还包括至少一第一透镜，配置于所述第二焦点与所述分色单元之间。
10.如权利要求8所述的光源模块，还包括至少一第二透镜，配置于所述分色单元与所述光积分柱之间以及所述波长光束与所述激发光束的传递路径上。
11.如权利要求1所述的光源模块，其中所述反射元件还包括第三透镜或开孔，以使所述激发光束通过所述反射元件，并传递至所述光学元件。
12.如权利要求11所述的光源模块，还包括光均匀化元件，配置于所述第三透镜或所述开孔与所述波长转换元件之间。
13.一种投影装置，包括：
光源模块，包括：
发光元件，发出激发光束；
反射元件，包括反射面，其中所述反射面具有第一焦点与第二焦点；
波长转换元件，包括多个激发区域，且配置于所述第一焦点附近与所述激发光束的传递路径上，藉由所述波长转换元件的旋转，以使所述激发光束于不同时间照射在不同的多个激发区域上，从而使所述激发光束于不同时间内转换为多个波长光束，其中所述波长光束分别对应于所述激发区域，且被所述反射面反射并汇聚至所述第二焦点；以及
光学元件，配置于所述第二焦点附近与所述波长光束的传递路径上，以使所述波长光束在通过所述第二焦点后传递至所述光学元件；以及
光阀，配置于所述激发光束与所述波长光束的传递路径上。
14.如权利要求13所述的投影装置，其中所述光学元件为光均匀化元件。
15.如权利要求13所述的投影装置，其中所述反射元件还包括分色部，且所述分色部位于所述发光元件与所述波长转换元件之间，所述激发光束穿透所述分色部并传递至所述波长转换元件，且所述分色部反射所述波长光束。
16.如权利要求13所述的投影装置，其中所述反射元件还包括开孔，且所述开孔位于所述发光元件与所述波长转换元件之间，以使所述激发光束通过所述开孔并传递至所述波长转换元件。
17.如权利要求13所述的投影装置，其中所述波长转换元件还包括穿透区域，以使所述激发光束穿透所述穿透区域，并传递至所述光学元件。
18.如权利要求17所述的投影装置，其中所述光学元件为分色单元，配置于所述发光元件与所述反射元件之间，所述分色单元反射所述激发光束，且使所述波长光束穿透。
19.如权利要求18所述的投影装置，还包括光路偏折元件，配置于所述波长转换元件与所述分色单元之间，以将通过所述穿透区域的所述激发光束反射至所述分色单元。
20.如权利要求18所述的投影装置，还包括光积分柱，配置于所述波长光束与所述激发光束的传递路径上。
21.如权利要求18所述的投影装置，还包括至少一第一透镜，配置于所述第二焦点与所述分色单元之间。
22.如权利要求18所述的投影装置，还包括至少一第二透镜，配置于所述分色单元与所述光积分柱之间以及所述波长光束与所述激发光束的传递路径上。
23.如权利要求13所述的光源模块，其中所述反射元件还包括第三透镜或开孔，以使所述激发光束通过所述反射元件，并传递至所述光学元件。
24.如权利要求23所述的光源模块，还包括光均匀化元件，配置于所述第三透镜或所述开孔与所述波长转换元件之间。
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