CN107300825B - 激光投影机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光投影机，包含激光光源、扩散片、偏振分光镜、四分之一波片及萤光粉色轮。激光光源用以产生沿第一光径行进的激光光束；扩散片设于该第一光径上以扩散该激光光束以产生扩散光束，该扩散光束的半峰半宽度大于等于1.5度且小于等于3度；偏振分光镜用以反射该扩散光束以产生沿第二光径行进的反射光束；四分之一波片设于该第二光径上将该反射光束转换成第一圆偏振光束；萤光粉色轮接收该第一圆偏振光束，以产生逆该第二光径的第二圆偏振光束及受激光束；该四分之一波片还用以将该第二圆偏振光束转换成P偏振光束，该偏振分光镜允许该P偏振光束及该受激光束穿透。借由本发明，降低萤光粉色轮发生热淬灭现象的机率。

Description

激光投影机

技术领域

本发明有关于一种激光投影机，尤指一种偏振分光式激光投影机。

背景技术

激光投影机是利用激光二极管(Laser Diode)作为激发光源来使萤光粉发出黄、红、绿或蓝等不同波长的光，以作为投影机的光源使用。目前现有的激光投影机大致上可分为反射式激光投影机与偏振分光式激光投影机两大类，而不论是反射式激光投影机或是偏振分光式激光投影机大多藉由将激光光束光源打在萤光粉色轮上，以使萤光粉色轮上的萤光粉受激发后产生萤光。然而，由于激光光束的能量密度过高，故容易导致萤光粉色轮发生热淬灭(thermal quenching)的现象，造成萤光粉色轮的激发效率随着激光功率的提高而快速地下降，甚至可能因激光光束的能量过于集中而烧坏萤光粉色轮。

另一方面，在偏振分光式激光投影机中，主要是利用偏振分光镜(dichroicfilter)进行合光。然而，由于偏振分光镜对于S偏振光与P偏振光的波长容许范围不大，故作为激光投影机的光源的激光二极管必须选用波长符合偏振分光镜的光学特性的激光二极管。请参考图1，图1用以说明偏振分光镜的光学特性。其中，曲线110用以表示偏振分光镜对于P偏振光的光学特性，曲线120用以表示偏振分光镜对于S偏振光的光学特性，而曲线130用以表示激光投影机中的激光二极管其所发出的激光光束的波长分布。由曲线130可知，激光光束的波长大约在460nm附近。当激光光束为S偏振光时，因激光光束对偏振分光镜的穿透率几乎等于0％，故偏振分光镜会反射激光光束。当激光光束为P偏振光时，因激光光束对偏振分光镜的穿透率几乎等于100％，故激光光束可穿透偏振分光镜。其中，曲线110与曲线120之间的波长差距称为偏振分光镜的谱间隙(spectral gap)，而当谱间隙不够宽时，于制造激光投影机过程中会限制做为激光光源的激光二极管的选择性。再者，由于激光二极管之间有着约±5nm的波长公差，故倘若激光投影机光源中的某些激光二极管的波长偏差较大的话，将会导致投影机的合光效率变差，进而影响投影机的亮度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光投影机，其能够降低萤光粉色轮发生热淬灭(thermal quenching)现象的机率。

为达到上述目的，本发明提供一种激光投影机，包含激光光源、扩散片、偏振分光镜、四分之一波片以及萤光粉色轮。激光光源用以产生沿第一光径行进的激光光束；扩散片设于该第一光径上，用以扩散该激光光束以产生扩散光束，其中该扩散光束相对于该激光光束的半峰半宽度大于等于1.5度且小于等于3度；偏振分光镜用以反射该扩散光束，以产生沿第二光径行进的反射光束；四分之一波片设于该第二光径上，用以将该反射光束转换成第一圆偏振光束；以及萤光粉色轮，用以接收该第一圆偏振光束，以产生逆该第二光径的第二圆偏振光束及受激光束；其中该四分之一波片还用以将该第二圆偏振光束转换成P偏振光束，而该偏振分光镜允许该P偏振光束及该受激光束穿透。

优选的，该萤光粉色轮包含反射层和萤光粉涂布区。反射层，用以反射该第一圆偏振光束为该第二圆偏振光束；萤光粉涂布区，设置于该反射层上，用以受该第一圆偏振光束的激发而产生该受激光束。

优选的，该激光光源包含多个激光二极管，每一激光二极管用以产生激光射线，而该激光光源将该些激光二极管所产生的多个激光射线汇聚成该激光光束。

优选的，该激光光束为蓝色激光光束。

优选的，还包含第一透镜组，设于该激光光源及该扩散片之间，用以准直并缩小该激光光束至该扩散片。

优选的，还包含第二透镜组，该第二透镜组设于该四分之一波片及该萤光粉色轮之间，用以将该第一圆偏振光束汇聚至该萤光粉色轮。

优选的，还包含聚焦透镜及光管，其中该聚焦透镜设于该偏振分光镜及该光管之间，用以将该P偏振光束及该受激光束汇聚至该光管。

优选的，该激光光束是S偏振光束。

优选的，还包含驱动光源，用以驱动该萤光粉色轮转动。

优选的，该扩散光束相对于该偏振分光镜的入射角大于45度且小于或等于50度。

与现有技术相对比，在本发明实施例中的激光投影机，可藉由使用特定的扩散片而降低萤光粉色轮发生热淬灭(thermal quenching)现象的机率。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1用以说明偏振分光镜的光学特性。

图2为本发明一实施例的激光投影机的示意图。

图3为本发明一实施例的萤光粉色轮的示意图。

图4为用以说明扩散片的半峰半宽度的定义及量测方式。

图5是图4中光点的能量分布图。

图6为图2中所使用的扩散片的雾度与半峰半宽度之间的关系图。

图7为一表格，用以说明图2中所使用的扩散片的雾度与其对应的半峰半宽度。

图8为扩散片的半峰半宽度与激光光束的偏振态比例的关系图。

图9为扩散片的半峰半宽度与激光投影机的投影亮度输出比例的关系图。

图10为本发明实施例的激光光源的结构示意图。

图11为本发明实施例中入射角θ与偏振分光镜的穿透率的关系图。

图12为本发明实施例中入射角θ与激光投影机的合光效率的关系图。

图13为一表格，用以说明不同的入射角θ所对应的偏振分光镜的谱间隙以及激光投影机的合光效率。

具体实施方式

请参考图2，图2为本发明一实施例的激光投影机200的示意图。激光投影机200包含激光光源210、扩散片230、偏振分光镜(dichroic filter)240、四分之一波片(quarter-wave plate)242及萤光粉色轮(phosphor wheel)250。其中，激光光源210用以产生沿第一光径L1行进的激光光束S1，而在本实施例中，激光光束S1为S偏振(S-polarized)光束。此外，扩散片230设于第一光径L1上，用以扩散激光光束S1以产生扩散光束S2。扩散片230的主要功能在于降低甚至消除萤光粉色轮250发生热淬灭(thermal quenching)现象的机率，而这部分将于后面段落中进一步地说明。偏振分光镜240则用以反射扩散光束S2(S偏振)，以产生沿第二光径L2行进的反射光束R2，而反射光束R2也会是S偏振。另外，四分之一波片242设于第二光径L2上，用以将反射光束R2转换成第一圆偏振(circular polarized)光束C1。萤光粉色轮250会接收第一圆偏振光束C1，并因而产生逆第二光径L2的照明光束M，其中照明光束M包含有第二圆偏振光束C2与受激光P0。请参考图3，图3是图2中的萤光粉色轮250的示意图。萤光粉色轮250具有反射层251以及设置于反射层251上的萤光粉涂布区252(以斜线表示)。其中，反射层251可以是一个金属层，而萤光粉涂布区252涂布有萤光粉。萤光粉涂布区252占整个反射层251的比例可藉由夹角π调整。反射层251会反射第一圆偏振光束C1为第二圆偏振光束C2，而萤光粉涂布区252用以受第一圆偏振光束C1的激发而产生受激光P0(即萤光)。其中，受激光P0为非偏振光。请再参考图2，当照明光束M(第二圆偏振光束C2与受激光P0)以逆第二光径L2的方向穿透四分之一波片242时，第二圆偏振光束C2会被四分之一波片242转换成P偏振(P-polarized)光束P1。此外。偏振分光镜240允许P偏振光束P1及受激光P0穿透。其中，由于偏振分光镜240具有上述的光学特性，可以用以反射扩散光束S2，并允许P偏振光束P1与受激光P0穿透，故有利于激光投影机200体积的缩小化。

为了降低甚至消除萤光粉色轮250发生热淬灭现象的机率，激光投影机200会藉由扩散片230的作用而使得扩散光束S2相对于激光光束S1的半峰半宽度(Half Width AtHalf-Maximum；HWHM)大于等于1.5度且小于等于3度。请参考图4及图5。图4为用以说明扩散片230的半峰半宽度(HWHM)的定义及量测方式，而图5则是图4中光点420的能量分布图。当激光光源210所产生的激光光束S1通过扩散片230时，会产生扩散光束410。当扩散光束410照射在受照面430上时，会在受照面430上产生光点420。其中，扩散光束410在图中的几何中心线412与扩散光束410的边缘之间的夹角为α。图5的曲线500表示光点420的扩散角度与能量分布比之间的关系，其中横轴表示扩散光束410的扩散角度。扩散角度等于0之处即相对于几何中心线412与受照面430相交之点，且此相交点所对应的能量分布比定义为100％。随着扩散光束410的扩散角度越大，所对应的能量分布比会越低。当能量分布比为50％时(即对应图5中的A点与B点)，图5中A点至B点之间所对应的扩散角度定义为全峰半宽度(FullWidth At Half-Maximum；FWHM)F1，而全峰半宽度F1的一半即为半峰半宽度(HWHM)H1。众所习知，扩散片的雾度(Haze)与半峰半宽度属大致正相关。在本发明的实施例中，以半峰半宽度等效代表雾度，而扩散片230的雾度与半峰半宽度之间的关系如图6及图7所示。扩散片230的半峰半宽度H1可大于等于1.5度且小于等于3度，以使光线照到萤光粉色轮250不会过于集中，进而降低甚至消除萤光粉色轮250发生热淬灭现象的机率。

此外，因扩散片230的雾度会影响到激光光束S1的偏振态比例以及激光投影机200的投影亮度输出比例，而激光光束S1的偏振态比例会影响到投影机20的合光效率，故为避免因选用到不合适的扩散片230而影响到激光投影机200的正常表现，需选用具有合适半峰半宽度的扩散片230。为进一步地了解扩散片230的半峰半宽度对于激光光源210所产生的激光光束S1的偏振态比例以及对于激光投影机200的投影亮度输出比例的影响，请参考图8及图9。图8为扩散片230的半峰半宽度与激光光束S1的偏振态比例的关系图，而图9为扩散片230的半峰半宽度与激光投影机200的投影亮度输出比例的关系图。由图8可看出，激光光束S1的偏振态比例会随着扩散片230的半峰半宽度增加而减少，故扩散片230的半峰半宽度不能太高，以免严重地影响到激光光束S1的偏振态比例及投影机20的合光效率。另外，由图9可看出，当扩散片230的半峰半宽度H1介于2度至3度之间时，激光投影机200具有最大值的投影亮度输出比例，而当扩散片230的半峰半宽度H1介于1.5度至3度之间时，激光投影机200具有的投影亮度输出比例可达95％以上，亦能满足使用之需求。因此，在综合考量激光光束S1之偏振态比例以及激光投影机200的投影亮度输出比例之后，选用其半峰半宽度H1为大于等于1.5度且小于等于3度的扩散片230是较佳的选择。

在本发明一实施例中，激光光源210可具有多个激光二极管。请参考图10，图10为本发明一实施例的激光光源210的结构示意图。在此一实施例中，激光光源210具有多个激光二极管312、多个激光二极管314及多个反射镜318。激光二极管312及314分别产生激光射线315，而每一激光二极管314所产生的激光射线315会经由对应的反射镜318反射至透镜2210。激光二极管312所产生激光射线315会通过反射镜318旁的间隙而射向透镜2210。透镜2210会汇聚激光二极管312及314所产生激光射线315而形成激光光束S1。藉由这样的设置，激光光源210所产生的激光光束S1的亮度会较单一激光二极管所产生的光束的亮度大许多倍。此外，藉由反射镜318的设置，可降低激光光源210的单位面积的激光二极管的数目，而有助于散热。需要说明的是，于本实施例中，该透镜2210的位置可位于该激光光源210之外，亦可集成于该激光光源210之内，以执行其汇聚之功能，均能达到上述之效果。

在本发明一实施例中，激光光源210采用蓝光激光二极管，故激光光束S1为蓝光激光光束。应了解的是，亦可采用紫外或近紫外激光光源，以产生紫外或近紫外激光光束。

请再参考图2。在本发明一实施例中，激光投影机200可另包含第一透镜组220，第一透镜组220设于激光光源210及扩散片230之间，用以准直并缩小激光光束S1至扩散片230。其中，第一透镜组220可包含透镜221及透镜222。需要说明的是，本实施例中透镜221与图10中的透镜2210可为同一元件，也即，当于激光光源210及扩散片230之间设置第一透镜组220时，图10中的透镜2210亦可省略，端视设计需求而定，当然，两者亦可同时存在。

在本发明一实施例中，激光投影机200可另包含第二透镜组270，第二透镜组270设于四分之一波片242及萤光粉色轮250之间，用以将第一圆偏振光束C1汇聚至萤光粉色轮250。其中，第二透镜组270可包含透镜271及透镜272。

在本发明一实施例中，激光投影机200可另包含聚焦透镜282及光管(light rod)280。其中，聚焦透镜282设于偏振分光镜240及光管280之间，并用以将来自偏振分光镜240的P偏振光束P1及受激光P0汇聚至光管280。

在本发明一实施例中，激光投影机200可另包含驱动模组260，用以驱动萤光粉色轮250转动。

此外，为扩大偏振分光镜240的谱间隙(spectral gap)，以进一步提升激光光源210的激光二极管的波长的可选用范围，扩散光束S2相对于偏振分光镜240的入射角θ可大于45度且小于或等于50度。请参考图11，图11为本发明一实施例中入射角θ与偏振分光镜240的穿透率的关系图。其中，曲线P45、P48及P50用以表示当入射角θ分别为45度、48度及50度时，P偏振光束(如：P偏振光束P1)对于偏振分光镜240的穿透率。另外，曲线S45、S48及S50用以表示当入射角θ分别为45度、48度及50度时，S偏振光(如：扩散光束S2)对于偏振分光镜240的穿透率。其中，曲线P45与曲线S45之间的波长间距即是当入射角θ为45度时，偏振分光镜240的谱间隙。同理，曲线P48与曲线S48之间的波长间距即是当入射角θ为48度时，偏振分光镜240的谱间隙；而曲线P50与曲线S50之间的波长间距即是当入射角θ为50度时，偏振分光镜240的谱间隙。由图11可看出，当入射角θ越大时，偏振分光镜240的谱间隙会越大。当偏振分光镜240的谱间隙越大，可涵盖波长公差较大的激光二极管作为激光光源，亦提高激光光源210的激光二极管的选择性。

此外，虽然藉由调整入射角θ可扩大偏振分光镜240的谱间隙，但却会影响激光投影机200的合光效率，故在调整入射角θ时，需考量到激光投影机200的合光效率。请参考图12，图12为本发明一实施例中入射角θ与激光投影机200之合光效率的关系图。由图12可知，当入射角介于45度及50度之间时，激光投影机200的合光效率可维持在96％以上。因此，可将入射角θ设定为大于45度且小于或等于50度，即可在使激光投影机200维持具有足够的合光效率之情形下，扩大偏振分光镜240的谱间隙。更详细的偏振分光镜240的谱间隙以及激光投影机200之合光效率之数据则可参照图13中的表格。

综上所述，在本发明的实施例中的激光投影机中，可藉由使用特定的扩散片而降低萤光粉色轮发生热淬灭(thermal quenching)现象的机率。此外，藉由使扩散光束相对于偏振分光镜的入射角大于45度且小于或等于50度，可扩大偏振分光镜的谱间隙(spectralgap)，进而提升用来作为激光光源的激光二极管的选择性。

综上，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (11)

1.一种激光投影机，其特征在于，包含：

激光光源，用以产生沿第一光径行进的激光光束；

扩散片，设于该第一光径上，用以扩散该激光光束以产生扩散光束，其中该扩散光束相对于该激光光束的半峰半宽度大于等于1.5度且小于3度；

偏振分光镜，用以反射该扩散光束，以产生沿第二光径行进的反射光束；

四分之一波片，设于该第二光径上，用以将该反射光束转换成第一圆偏振光束；以及

萤光粉色轮，用以接收该第一圆偏振光束，以产生逆该第二光径的第二圆偏振光束及受激光束；

其中该四分之一波片还用以将该第二圆偏振光束转换成P偏振光束，而该偏振分光镜允许该P偏振光束及该受激光束穿透。

2.如权利要求1所述的激光投影机，其特征在于，该萤光粉色轮包含：

反射层，用以反射该第一圆偏振光束为该第二圆偏振光束；及

萤光粉涂布区，设置于该反射层上，用以受该第一圆偏振光束的激发而产生该受激光束。

3.如权利要求1所述的激光投影机，其特征在于，该激光光源包含多个激光二极管，每一激光二极管用以产生激光射线，而该些激光二极管所产生的多个激光射线被汇聚后形成该激光光束。

4.如权利要求3所述的激光投影机，其特征在于，该激光投影机还包括透镜，该激光光源还包括多个反射镜，该多个反射镜对应该多个激光二极管设置，该多个激光二极管包括多个第一激光二极管和多个第二激光二极管，每一第一激光二极管所产生的激光射线经由对应的反射镜反射至该透镜，每一第二激光二极管所产生的激光射线经由该多个反射镜旁的间隙射向该透镜，该透镜汇聚该多个第一激光二极管及该多个第二激光二极管所产生的激光射线以形成该激光光束。

5.如权利要求1所述的激光投影机，其特征在于，该激光光束为蓝色激光光束。

6.如权利要求1所述的激光投影机，其特征在于，还包含第一透镜组，设于该激光光源及该扩散片之间，用以准直并缩小该激光光束至该扩散片。

7.如权利要求1所述的激光投影机，其特征在于，还包含第二透镜组，该第二透镜组设于该四分之一波片及该萤光粉色轮之间，用以将该第一圆偏振光束汇聚至该萤光粉色轮。

8.如权利要求1所述的激光投影机，其特征在于，还包含聚焦透镜及光管，其中该聚焦透镜设于该偏振分光镜及该光管之间，用以将该P偏振光束及该受激光束汇聚至该光管。

9.如权利要求1所述的激光投影机，其特征在于，该激光光束是S偏振光束。

10.如权利要求1所述的激光投影机，其特征在于，还包含驱动光源，用以驱动该萤光粉色轮转动。

11.如权利要求1所述的激光投影机，其特征在于，该扩散光束相对于该偏振分光镜的入射角大于45度且小于或等于50度。

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