CN103186021B - 光源系统及其波长转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源系统及其波长转换装置，该光源系统至少包括波长转换装置、固态发光元件及滤光色轮。波长转换装置包括设置波长转换元件的区段，固态发光元件架构于发出第一波段光至波长转换装置，且滤光色轮设置于波长转换装置的一侧，用以过滤光线；其中，波长转换装置将第一波段光转换为第二波段光，并发出第二波段光以及残余的第一波段光，第二波段光及残余的第一波段光穿透滤光色轮，以使三原色光以分时的方式投影成像，无需使用红色波长转换元件或红光固态发光元件，且可达到简化工艺、降低成本、提高影像品质并用于高温工作环境等功效。

Description

光源系统及其波长转换装置

技术领域

本发明关于一种光源系统，尤指一种光源系统及其波长转换装置。

背景技术

近年来，各式各样的投影设备，例如投影机(Projector)已被广泛地应用于家庭、学校或者各种商务场合中，以用于将一影像信号源所提供的影像信号放大显示于屏幕。为节省电力消耗以及缩小装置体积，目前的投影设备的光源系统(IlluminationSystem)已使用固态发光元件，例如发光二极管或激光元件，来取代传统的高密度气体放电灯(HIDLamp)或高压汞灯。

投影设备的光源系统需能发出红光、绿光、蓝光(R、G、B)等三原色光，然而固态发光元件的发光效率一般而言为蓝光固态发光元件的发光效率最佳，因此目前的作法大多采用蓝光固态发光元件配合波长转换装置，以将蓝光的波长进行转换，例如配合荧光剂色轮(PhosphorWheel)或荧光剂色板(PhosphorPlate)来激发出各种颜色的光，藉此取代红光固态发光元件或绿光固态发光元件直接发出红光或绿光的方式，以提升光源系统整体的发光效率。

一般而言，传统的光源系统多采用单一蓝光固态发光元件配合具有多个区段的单一荧光剂色轮。请参阅图1A及图1B，其分别为传统光源系统的结构示意图以及图1A所示具有多个区段的荧光剂色轮的结构示意图。如图1A及图1B所示，传统的光源系统1以蓝光固态发光元件11发出蓝光B至包含第一区段121、第二区段122以及第三区段123的荧光剂色轮12。其中，第一区段121涂布绿色荧光剂，以将入射的蓝光B激发为绿光后射出，第二区段122涂布红色荧光剂，以将入射的蓝光B激发为红光后射出，以及第三区段123为透光材质，以使蓝光直接穿透并射出。换言之，蓝光固态发光元件11所发出的蓝光B直接穿透荧光剂色轮12或通过荧光剂色轮12转换为绿光或红光，进而发出三原色光进行投影。

然而，红色荧光剂具有价格较为昂贵且于高温工作环境的表现不佳等缺点，业界遂开发出同时搭载蓝光固态发光元件及红光固态发光元件，并运用双色镜的特性而进行投影的光源系统。请参阅图2A及图2B，其中图2A为另一传统光源系统的结构示意图，图2B为图2A所示的荧光剂色轮的结构示意图。如图2A以及图2B所示，传统光源系统2以蓝光固态发光元件21发出蓝光B至包含第一区段221以及第二区段222的荧光剂色轮22。其中，第一区段221涂布绿色荧光剂，以将入射的蓝光B激发为绿光G后射出，且第二区段222为透光材质，以使蓝光B直接穿透并射出。至于红光的光源，则通过红光固态发光元件23发出红光R，并通过双色镜(Dichroicmirror)的特性，选用反射红光R并使绿光G及蓝光B通过的双色镜24，以使由荧光剂色轮22射出的绿光G及蓝光B穿透，并反射红光固态发光元件23所发出的红光R，进而使三原色光进入光路径以进行投影。

传统的光源系统虽可通过上述方式而以蓝光固态发光元件配合荧光剂色轮或以蓝光及红光固态发光元件配合荧光剂色轮进行投影，然而于常见的光源系统中，若要使用具有多个区段的荧光剂色轮，必然伴随前述红色荧光剂成本较高且高温工作环境表现不佳的问题，且因红色荧光剂的质量较绿色荧光剂为重，而必须进行转动平衡，使得制造时间及难度连带提高。同时，由于以红色荧光剂激发所产生的红光有着会随蓝光激光驱动电流上升而衰减的问题，不仅造成红光本身亮度及照度过低，更会连带使光源系统的整体光线明暗度无法有效整合，进而影响色彩鲜明度及对比度等。若改采红光固态发光元件，又碍于红光固态发光元件的成本较高且发光效率不佳，而无法建构理想的光源系统。

因此，如何发展一种可改善上述现有技术缺失，无需使用红色荧光剂或红光固态发光元件，并达到降低制造成本、简化工艺、提升整体亮度与照度，而提高色彩纯度及影像品质且可运用于高温工作环境的光源系统及其波长转换装置，实为目前尚待解决的问题。

发明内容

本案的主要目的为提供一种光源系统及其波长转换装置，以解决现有光源系统的工艺难度及成本较高，于高温工作环境时表现不佳，以及整体亮度与照度偏低等缺点。

本案的另一目的为提供一种光源系统及其波长转换装置，通过单一固态发光元件及单一波长转换装置的设置，而无需使用红色波长转换元件或红光固态发光元件，且可达到简化工艺及降低制造成本，同时提高色彩纯度及影像品质并用于高温工作环境等功效。

本案的另一目的为提供一种光源系统及其波长转换装置，通过波长转换装置将第一波段光转换为具有较广波段的第二波段光，可有效避免红光随蓝光驱动电流上升而衰减，以提高整体的亮度与照度，进而达到提升色彩表现的功效。

为达上述目的，本案的一较佳实施方式为提供一种光源系统，至少包括：一波长转换装置，包括一区段及一波长转换元件，该波长转换元件设置于该区段；一固态发光元件，架构于发出一第一波段光至该波长转换装置；以及一滤光色轮，设置于该波长转换装置的一侧，用以过滤光线并通过转动而使三原色光分时投射；其中，该波长转换装置将该第一波段光转换为一第二波段光，并发出该第二波段光以及残余的该第一波段光，该第二波段光及残余的该第一波段光穿透该滤光色轮，以使三原色光以分时的方式投影成像。

为达上述目的，本案的另一较佳实施方式为提供一种波长转换装置，适用于发出一第一波段光且包括一滤光色轮的一光源系统，该波长转换装置至少包括：一区段；以及一波长转换元件，设置于该区段；其中，该波长转换元件接收该第一波段光，并将该第一波段光转换为一第二波段光，再发出该第二波段光，该第二波段光以及残余的该第一波段光穿透该滤光色轮，以使三原色光以分时的方式投影成像。

附图说明

图1A为传统光源系统的结构示意图。

图1B为图1A所示具有多个区段的荧光剂色轮的结构示意图。

图2A为另一传统光源系统的结构示意图。

图2B为图2A所示的荧光剂色轮的结构示意图。

图3A为本案一较佳实施例的光源系统的结构示意图。

图3B为图3A所示的波长转换装置的结构示意图。

图3C为图3A所示的滤光色轮的结构示意图。

图4为本案另一较佳实施例的光源系统的结构示意图。

图5为本案又一较佳实施例的光源系统的结构示意图。

图6为本案较佳实施例的第一波段光及第二波段光的光谱图。

其中，附图标记说明如下：

1、2：光源系统

11、21：蓝光固态发光元件

12、22：荧光剂色轮

121、221：第一区段

122、222：第二区段

123：第三区段

23：红光固态发光元件

24：双色镜

3：光源系统

31：波长转换装置

311：区段

312：波长转换元件

32：固态发光元件

33：滤光色轮

331：第一滤光片

332：第二滤光片

333：第三滤光片

34：透镜

B：蓝光

G：绿光

L1：第一波段光

L2：第二波段光

R：红光

具体实施方式

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的方式上具有各种的变化，然其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图式在本质上系当作说明之用，而非用以限制本案。

请参阅图3A、图3B以及图3C，其中图3A为本案一较佳实施例的光源系统的结构示意图，图3B为图3A所示的波长转换装置的结构示意图，以及图3C为图3A所示的滤光色轮的结构示意图。如图3A、图3B及图3C所示，本案的光源系统3可为穿透式光源系统，且光源系统3至少包括波长转换装置31、固态发光元件32以及滤光色轮33。其中，波长转换装置31可为例如但不限于荧光剂色轮、荧光剂色板、量子点色轮或量子点色板等，包括区段311及波长转换元件312，波长转换元件312设置于区段311，且可为例如荧光剂或量子点，但不以此为限。滤光色轮33设置于波长转换装置31的一侧并包括第一滤光片331、第二滤光片332以及第三滤光片333，其中第一滤光片331、第二滤光片332及第三滤光片333分别为红光滤光片、绿光滤光片以及蓝光滤光片或蓝绿光滤光片，但不以此为限，以过滤光线并通过转动而使三原色光分时投射。固态发光元件32架构于发出第一波段光L1至波长转换装置31，波长转换装置31将第一波段光L1转换为第二波段光L2，并发出第二波段光L2以及残余的第一波段光L1，且第一波段光L1的入射方向与转换后的第二波段光L2的出射方向相同。换言之，固态发光元件32所发出的第一波段光L1有部分未经波长转换装置31转换为第二波段光L2，且该未经转换的第一波段光L1与经波长转换装置31转换后的第二波段光L2一同穿透滤光色轮33，以使三原色光，即红光R、绿光G及蓝光B以分时的方式投影成像，亦即将三原色光以一预设顺序依序投影成像。

根据本案的构想，光源系统3可进一步包括透镜34，设置于波长转换装置31及滤光色轮33之间，且透镜34为具有正屈光力的凸透镜或放大镜，可为但不限于双凸透镜。通过透镜34的设置，波长转换装置31转换发出的第二波段光L2及残余的第一波段光L1穿透透镜34并聚焦于滤光色轮33，以使穿透滤光色轮33的光线相对收敛。

于一些实施例中，本案波长转换装置31的波长转换元件312可为绿色波长转换元件、绿黄色波长转换元件或黄色波长转换元件，以架构于将第一波段光L1转换为波长介于绿光及红光之间的第二波段光L2，亦即第二波段光L2呈绿黄色或黄色的光线，即为波长介于450至710纳米的光线。此外，本案的固态发光元件32为蓝光固态发光元件，例如一蓝光激光元件或一蓝光发光二极管等，但不以此为限，且固态发光元件32所选用的蓝光波长介于380至500纳米之间。易言之，本案通过固态发光元件32所发出的第一波段光L1，以及经波长转换装置31转换的第二波段光L2于透镜34整合而具有三原色光，经整合后的光线可视为等效白光，然不以此为限。因此，本案的光源系统3通过波长转换装置31将第一波段光L1转换为具有较广波段的第二波段光L2，可有效避免红光随蓝光驱动电流上升而衰减，以提高整体的亮度与照度，进而达到提升色彩表现的功效。

于另一些实施例中，本案的光源系统3可通过调整固态发光元件32的驱动电流、发光能量或激光强度，以及调整波长转换元件312的浓度或厚度，而改变波长转换装置31将第一波段光L1转换为第二波段光L2的比例及转换效率。简言之，通过波长转换装置31而射向滤光色轮33的第一波段光L1以及经波长转换装置31转换而发出的第二波段光L2的强度可依光源系统3的设计需求调整之。由于蓝光固态发光元件的发光效率佳且能量较强，因此固态发光元件32所发出的第一波段光L1仅需经前述调整后而有少量未经波长转换装置31转换并穿透滤光色轮33，即足够供给本案光源系统3所需的蓝光部分，故前述调整的主要目的在于使波长转换装置31转换后的第二波段光L2的色彩表现最佳化而进行之。藉此，本案的光源系统3可无需使用红色波长转换元件或红光固态发光元件，而可达到简化工艺及降低制造成本，同时提高色彩纯度及影像品质并用于高温工作环境等功效。

根据本案的构想，滤光色轮33的第一滤光片331、第二滤光片332及第三滤光片333可依需求排列，而不限于图3C所示的排列方式。举例而言，当三原色光投影成像的预设顺序依序为蓝光B、绿光G及红光R时，滤光色轮33的第一滤光片331及第三滤光片333可依此需求交换设置（未图示），以使三原色光以蓝光B、绿光G及红光R的顺序分时投影成像。当然，第一滤光片331、第二滤光片332及第三滤光片333的设置依三原色光分时的特定顺序更可具有多样化的排列组合，其皆属本案的教示范围。

请参阅图4并配合图3B及图3C，其中图4为本案另一较佳实施例的光源系统的结构示意图。如图3B、图3C及图4所示，本案的光源系统3可为反射式光源系统，且光源系统3包括波长转换装置31、固态发光元件32、滤光色轮33以及透镜34，其中固态发光元件32架构于发出第一波段光L1至波长转换装置31，波长转换装置31将第一波段光L1转换为第二波段光L2，并发出第二波段光L2，同时反射残余的第一波段光L1，且固态发光元件32所发出的第一波段光L1相对波长转换装置31的入射方向与波长转换装置31转换后的第二波段光L2的出射方向相反，亦即第一波段光L1入射至波长转换装置31的方向与残余的第一波段光L1反射后的出射方向相反。

于此实施例中，除波长转换装置31及固态发光元件32的作动及相对关系略有变化外，其余元件的相对关系及作动方式皆与前述实施例相似，故此不再赘述，然其与前述实施例的穿透式光源系统皆将未经转换的第一波段光L1及经波长转换装置31转换后的第二波段光L2一同射向透镜34，透镜34于接收第一波段光L1及第二波段光L2后，将第一波段光L1及第二波段光L2聚集于滤光色轮33，再经滤光色轮33过滤光线，以使三原色光以分时的方式投影成像像。

根据本案的构想，本案光源系统3的透镜34将第一波段光L1及第二波段光L2聚集于滤光色轮33时，以将第一波段光L1及第二波段光L2聚集于小区域范围为佳，并以聚焦于一点为较佳，其可降低第一波段光L1及第二波段光L2散光交互混合的区域，而使色彩较纯，进而提升影像品质。于较佳实施例中，第一波段光L1及第二波段光L2聚焦于滤光色轮33上的一点时，其整合为白光，亦即包含三原色光的完整色光，故可实现各种影像投射，且影像整体表现可以前述实施例的调整方式任意调整，以符合各种实际状况需求。

请参阅图5，其为本案又一较佳实施例的光源系统的结构示意图。如图5所示，透镜34可设置于固态发光元件32及波长转换装置31及之间，且透镜34为具有正屈光力的凸透镜或放大镜，可为但不限于双凸透镜。固态发光元件32所发出的第一波段光L1先行穿透透镜34，再射至波长转换装置31，亦即第一波段光L1穿透透镜34并聚焦于波长转换装置31，以使波长转换装置31接收并转换而发出的光线相对收敛。至于其他元件的相对关系及作动方式皆与前述实施例相似，故于此不再赘述。

由于传统的蓝光固态发光元件常伴随有光斑(Speckle)问题，必须另外加以散光器(Diffuser)方能解决，而本案光源系统3的固态发光元件32所发出的第一波段光L1因为直接穿透波长转换装置31的波长转换元件312，故因波长转换元件312的特性使然，以使第一波段光L1的光斑问题自然解决，而无需另外设置散光器，故可于解决光斑问题的同时，降低制造成本并简化工艺，且亦可达到缩小体积尺寸的功效。

请参阅图6，其为本案较佳实施例的第一波段光及第二波段光的光谱图。如图6所示，本案光源系统3的固态发光元件32所发出的第一波段光L1的波长频谱以介于380至500纳米之间为佳，且以实质上460至475纳米为较佳，由于固态发光元件32大多采用蓝光激光元件、蓝光发光二极管或蓝光激光二极管等，故其频谱值较为集中；经波长转换装置31的波长转换元件312转换且波长介于绿光及红光间的第二波段光L2，其波长以介于450至710纳米，且波峰值实质上介于500至600纳米为较佳。通过第一波段光L1的蓝光部分，以及第二波段光L2同时具有绿光部分及红光部分，通过滤光色轮33的过滤及/或透镜34的聚光、整合，使得本案的光源系统3可令三原色光以分时的方式投影成像。

综上所述，本案提供一种光源系统及其波长转换装置，通过单一固态发光元件及单一波长转换装置的设置，可无需使用红色波长转换元件或红光固态发光元件，且可达到简化工艺及降低制造成本，同时提高色彩纯度及影像品质并用于高温工作环境等功效。此外，通过波长转换装置将第一波段光转换为具有较广波段的第二波段光，可有效避免红光随蓝光驱动电流上升而衰减，以提高整体的亮度与照度，进而达到提升色彩表现的功效。

纵使本发明已由上述的实施例详细叙述而可由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利权利要求范围所欲保护者。

Claims (8)

1.一种光源系统，至少包括：

一波长转换装置，包括一区段及一波长转换元件，该波长转换元件设置于该区段；

一固态发光元件，架构于发出一第一波段光至该波长转换装置；以及

一滤光色轮，包括一第一滤光片、一第二滤光片以及一第三滤光片，且该第一滤光片为红光滤光片，该第二滤光片为绿光滤光片，以及该第三滤光片为蓝光滤光片或蓝绿光滤光片；该滤光色轮设置于该波长转换装置的一侧，用以过滤光线并通过转动而使三原色光分时投射；

其中，该波长转换装置将该第一波段光转换为一第二波段光，并发出该第二波段光以及残余的该第一波段光，该第二波段光及残余的该第一波段光穿透该滤光色轮，以使三原色光以分时的方式投影成像；

其中，该光源系统还包括一透镜，设置于该波长转换装置及该滤光色轮之间；该透镜具有正屈光力，且该第一波段光及该第二波段光穿透该透镜并聚焦于该滤光色轮上的一点以整合为白光。

2.如权利要求1所述的光源系统，其中该第一波段光为蓝光，且该第二波段光为绿黄光或黄光。

3.如权利要求1所述的光源系统，其中该波长转换装置为一荧光剂色轮、一荧光剂色板、一量子点色轮或一量子点色板，且该波长转换元件为荧光剂或量子点。

4.如权利要求1所述的光源系统，其中该波长转换装置为一穿透式波长转换装置，且该第一波段光的入射方向与转换后的该第二波段光的出射方向相同。

5.如权利要求1所述的光源系统，其中该波长转换装置为一反射式波长转换装置，且该第一波段光的入射方向与转换后的该第二波段光的出射方向相反。

6.如权利要求1所述的光源系统，其中该滤光色轮更包括一第一滤光片、一第二滤光片以及一第三滤光片，且该第一滤光片为红光滤光片，该第二滤光片为绿光滤光片，以及该第三滤光片为蓝光滤光片或蓝绿光滤光片。

7.如权利要求1所述的光源系统，其中该固态发光元件为一蓝光激光元件或一蓝光发光二极管。

8.一种波长转换装置，适用于发出一第一波段光且包括一滤光色轮的一光源系统，该滤光色轮包括一第一滤光片、一第二滤光片以及一第三滤光片，且该第一滤光片为红光滤光片，该第二滤光片为绿光滤光片，以及该第三滤光片为蓝光滤光片或蓝绿光滤光片；该滤光色轮设置于该波长转换装置的一侧，用以过滤光线并通过转动而使三原色光分时投射；该波长转换装置至少包括：

一区段；以及

一波长转换元件，设置于该区段；

其中，该波长转换元件接收该第一波段光，并将该第一波段光转换为一第二波段光，再发出该第二波段光，该第二波段光以及残余的该第一波段光穿透该滤光色轮，以使三原色光以分时的方式投影成像；

其中，该光源系统还包括一透镜，设置于该波长转换装置及该滤光色轮之间；该透镜具有正屈光力，且该第一波段光及该第二波段光穿透该透镜并聚焦于该滤光色轮上的一点以整合为白光。