CN109459906B - 光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学系统，包括可输出第一激光光束的第一激光光源、第一光学元件以及第一材料层。第一光学元件设于第一激光光源的光路上。第一光学元件设有一第一表面。此第一表面上相互垂直的第一轴以及第二轴设有不同的曲率半径。第一材料层设于第一光学元件的光路下游，且第一材料层含有光致发光材料。另一种光学系统也被提供。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学系统，尤其涉及一种适用于投影机(Projector)的光学系统。
背景技术
随着近年来固态光源及投影技术的发展，以发光二极管(Light Emitting Diode,LED)及激光二极管(Laser Diode,LD)等固态光源为主的投影机逐渐受到市场的青睐。
在一种现有的投影机的架构中，激发光源发出的激发光束直接入射于萤光轮(Phosphor Wheel)，但此种架构会使得萤光轮所承受的能量密度过高，而影响投影机的发光效率以及可靠度(Reliability)。
在另一种现有的投影机的架构中，激发光源发出的激发光束会先入射于扩散片(Diffuser)后再入射至萤光轮。扩散片用以使激发光束散射，以使入射于萤光轮的能量分布均匀。然而，于此种投影机的架构下，会需要增设扩散片而使整体投影机的成本提高，并且扩散片的存在也会使得整体的光穿透率降低。此外，在高能量密度的激发光束下，可能会有扩散片被破坏的风险产生。
发明内容
本发明提供一种光学系统，其具有良好的发光效率以及可靠度，并且具有较低的成本。
本发明的实施例的光学系统包括激光光源、光学元件以及材料层。激光光源可输出激光光束。光学元件设于激光光源的光路上。光学元件设有一第一表面，此第一表面上相互垂直的第一轴以及第二轴设有不同的曲率半径。第一材料层设于光学元件的光路下游。材料层含有光致发光材料。
本发明的实施例的光学系统包括第一激光光源、萤光粉层以及第一双锥透镜。第一激光光源可发出第一激光光束。萤光粉层位于第一激光光束的光路上。第一双锥透镜设置于第一激光光源与萤光粉层之间，并位于第一激光光束的行进路径上，使第一激光光束可穿透第一双锥透镜达到萤光粉层。
基于上述，在本发明的相关实施例的光学系统中，由于光学系统内的光学元件的表面上相互垂直的第一轴以及第二轴设有不同的曲率半径，当激光光束穿透此光学元件时，可以使得激光光束所形成的光点矩阵的形状扩张，而降低后续投射于材料层上的能量密度。由另一观点来看本发明的相关实施例的光学系统，由于激光光束穿透双锥透镜后达到萤光轮的反应区中的萤光粉层，双锥透镜可以使得激光光束所形成的光点矩阵的形状扩张，而降低后续投射于萤光粉层上的能量密度。因此，本发明相关实施例的光学系统可以在不使用扩散片的情况下，降低激光光束投射于材料层(或萤光粉层)上的能量密度，进而使得光学系统可以具有良好的发光效率以及可靠度，同时，由于本发明相关实施例的光学系统不需使用扩散片而可达到激光光束扩散的效果，因此也避免了扩散片被破坏的风险。
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，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1示出为本发明一实施例的光学系统的架构示意图。
图2示出为图1中的光学系统的光学元件的上视示意图。
图3为激光光束经过图1的光学系统的光学元件后投射于材料层上的光点矩阵的分布图。
图4示出为本发明另一实施例的光学系统的架构示意图。
图5示出为图4中的光学系统的另一个光学元件的上视示意图。
图6为激光光束经过图4的光学系统的两个光学元件后投射于材料层上的光点矩阵的分布图。
图7示出为本发明再一实施例的光学系统的架构示意图。
图8示出为激光光束经过扩散片后投射于材料层上的光点分布图。
图9示出为激光光束经过图7的光学系统的光学元件矩阵后投射于材料层上的光点分布图。
附图标号说明
1、1’、1”：光学系统
10、10’、10”：合光装置
20：成像装置
22：光阀
24：投影镜头
26：全反射棱镜
110、120：激光光源
130：合光元件
141、142、143：光学元件
150、170、180：透镜群
160：分光元件
190：材料层
A1：第一轴
A2：第二轴
A3：第三轴
A4：第四轴
IB：图像光束
L、L1、L2：激光光束
L3：照明光束
L3R：红色光束
L3B：蓝色光束
L3G：绿色光束
LD：经封装的蓝光激光二极管芯片
PW：萤光轮
RM1、RM2、RM3：反射镜
S1、S2、S3：表面
OEM、OEM’：光学元件矩阵
具体实施方式
图1示出为本发明一实施例的光学系统的架构示意图。图2示出为图1中的光学系统的光学元件的上视图。图3为激光光束经过图1的光学系统的光学元件后投射于材料层上的光点矩阵的分布图。
本发明所指的光学元件，系指光学元件具有部分或全部可反射或穿透的材质所构成，通常包括玻璃或塑胶所组成。
请参照图1，在本实施例中，光学系统1为投影机。光学系统1包括合光装置10以及成像装置20。合光装置10包括激光光源110、激光光源120、合光元件130、光学元件141、透镜群150、分光元件160、透镜群170、透镜群180、包括有材料层190的萤光轮PW(PhosphorWheel)、反射镜RM1、反射镜RM2、反射镜RM3。成像装置20包括光阀22、投影镜头24以及全反射棱镜26(Total Internal Reflection Prism)。值得一提的是，在前述的光学系统中，并不需要设置扩散片即得具有对应的效果。于以下段落中将分别对光学系统1中的各元件进行说明。
本发明所指的激光光源110以及激光光源120分别指单一个经封装的激光二极管模组，或是由多枚前述的激光二极管模组所组成的矩阵。前述的经封装的激光二极管模组中系包括有激光二极管芯片(Laser Diode,LD)。在本实施例中，激光光源110以及激光光源120分别为多个以矩阵方式排列的经封装的蓝光激光二极管模组。激光光源110可输出激光光束L1。激光光源120可输出激光光束L2。激光光束L1以及激光光束L2的颜色实质上为蓝色。激光光束L1以及激光光束L2分别具有一光谱。光谱是广泛被应用于记载光线的性质。举例来说，光谱系指光束依照光的波长或频率大小顺次排列形成的图案。激光光束L1以及激光光束L2的这些光谱的峰值波长(Peak Wavelength)分别介于400纳米至470纳米之间，激光光束L1以及激光光束L2的这些光谱的峰值波长为光强度最大处所对应的波长。更明确的说，激光光束L1以及激光光束L2在一光谱能量分布图谱中分别具有一相对应的光谱能量分布曲线(Spectral Energy Distribution Curve)，而此分布曲线的波峰系落在蓝色的波长区间(例如是400纳米至470纳米)之中。
本发明所指的合光元件130，系指可将一个以上的光束合成一光束输出的光学元件，如条纹镜、分色镜(Dichroic filter)、透镜或全反射棱镜等。请参照图1，在本实施例中，合光元件130为条纹镜(Stripe Mirror)。由于条纹镜己泛被应用于光源合光的应域。简而言之，合光元件130具有多个交替排列的透光部分(未示出)以及反射部分(未示出)。在本实施例中，光束能够通过合光元件130的透光部分穿透合光元件130，并且光束能够通过合光元件130的反射部分而反射。
本发明所指的光学元件141为具有屈光度(Refractive Power)的双锥透镜(Biconic Lens)或自由曲面透镜(Free form lens)。在本实施例中，光学元件141的表面S1作为光束的入光面。表面S1上相互垂直的第一轴A1以及第二轴A2设有不同的曲率半径(Radius of Curvature)。于其他的实施例中，光学元件141为自由曲面透镜(Free-FormLens)，自由曲面透镜为具有自由曲面(Free-Form Surface)的透镜，自由曲面非为轴对称。而光学元件141的屈光度可为正或负，于本例中，光学元件141的屈光度为正。
在本实施例中，透镜群150具有负屈光度(Negative Refractive Power)。透镜群170以及透镜群180皆具有正屈光度。而各透镜群150、170、180包括一枚或是两枚或以上具有屈光度的透镜。
在本发明所指的分光元件160，系指分光片、偏振片、反射镜、透镜、平板玻璃、棱镜、积分柱、导光棒、或包括前述各者的至少一者的组合等可将一个光束分成数个光束输出的元件。详细来说，分光元件160系泛指具有分光功能的光学元件，如半反半透镜、利用P极性、S极性分光的偏振片、各种波片、利用入光角分光的各种棱镜、利用波长分光的分光片等等。在本实施例中，分光元件160为二向色镜(Dichroic Mirror,DM)，其具有波长选择性，为利用波长(颜色)进行分光的分色片。在相关的实施例中，分光元件160可为具有分色功能的光学元件，且例如是为镀附在其他构件上的分色膜或是涂层。而于本实施例中，分光元件160例如是具有可让蓝色光束穿透，并让黄色光束、红色光束以及绿色光束反射的分光功能或是，于本例中，分光元件160可以反射蓝色光以外波长区间的光线。
在本发明所指的萤光轮PW系指的是全反射式萤光轮(Reflective PhosphorWheel)、全穿透式萤光轮(Transmissive Phosphor Wheel)或是半穿半反式萤光轮。在本实施例中，萤光轮PW为半穿半反式萤光轮。半穿半反式萤光轮PW的圆型基板上设置有透光区以及反应区。萤光轮PW的反应区中包括有材料层190及设于其与基板之间的反光层。透光区以及反应区共同构成环状图形。在本发明所指的材料层190系混有光致发光材料。更明确地说，于本例中，光致发光材料为萤光粉，且反应区中得按颜色的不同而于其材料层190中混有红光萤光粉以及绿光萤光粉。材料层190可以接收激发光束，并通过光致发光(Photoluminescence)现象而依其中所包括的萤光粉特性而产生相对应波长的转换光束。萤光轮PW上的透光区域则可让光束穿透萤光轮PW。透光层可为透明材料或为未设有材料的镂空区。而于本例中，透光层系指透明玻璃。
在本发明所指的光阀一词已为业界所广泛使用，一般来说，系指数位微镜元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)、硅基液晶面板(liquid-crystal-on-siliconpanel,LCOS Panel)或是穿透式液晶面板等空间光调变器的任一者。而于本实施例中，光阀为数位微镜元件。
在本发明所指的投影镜头24包括至少一枚透镜。投影镜头24内部可设有孔径光栏(或称光圈)，而孔径光栏的前后分设有至少一透镜以调整图像光束IB的形状及像差等特性。于本例中，投影镜头24包括10枚具有屈光度的透镜及光圈(Aperture Stop)。而于另一例中，投影镜头24包括少于等于20枚具有屈光度的透镜。而于另一例中，投影镜头24包括少于等于8枚具有屈光度的透镜。
本发明所指的反射镜RM1、RM2、RM3可为用以反射光束的透镜、棱镜、凸面镜、凹面镜或平面镜等光学元件。在本实施例中，反射镜RM1、反射镜RM2以及反射镜RM3分别为平面镜。
于以下段落中，会示例性地说明光学系统1中各元件的安排以及光束的传输过程。
首先，先说明本实施例的光学系统1中各元件的安排，在本实施例中，激光光源110的光路与激光光源120的光路彼此垂直且交于合光元件130。激光光源110的出光处设置位置对应于合光元件130的透光部分，而激光光源120的出光处设置位置对应于合光元件130的反射部分。光学元件141(双锥透镜)设于激光光源110的光路以及激光光源120的光路上，且光学元件141设于激光光源110与材料层190(萤光粉层)之间。透镜群150、透镜群170以及透镜群180设置于光学元件141与材料层190之间。透镜群150、分光元件160、透镜群170、透镜群180、材料层190、萤光轮PW、反射镜RM1、反射镜RM2以及反射镜RM3设于光学元件141的光路下游(Downstream)。本发明所指的甲元件在乙元件的光路下游，系指光束会先经过乙元件后再到达甲元件之意。成像装置20的全反射棱镜26设置于光阀22与投影镜头24之间。
接着，再说明本实施例的光学系统1中光束的传输过程，激光光源110、120所发出的激光光束L1、L2通过合光元件130合成并输出激光光束L。激光光束L依序通过光学元件141、透镜群150、分光元件160、透镜群170、透镜群180后，最后传递至萤光轮PW上的材料层190或透光层(未示出)。萤光轮PW上的马达(未示出)会转动，而当光束照射萤光轮PW的材料层190中的光致发光材料时，材料层以及透光层会依序被激光光束L照射。当激光光束L传递至材料层190时，则材料层190会依序被激发出红色光束L3R以及绿色光束L3G并被材料层190后方的反光层反射，并依序经由透镜群180、透镜群170、分光元件160进入成像装置20。而当激光光束L传递至萤光轮PW上的透光层时，则激光光束L会穿透萤光轮PW而后依序被反射镜RM1、反射镜RM2以及反射镜RM3所反射并经由分光元件160进入成像装置20，如图中的红色光束L3R、绿色光束L3G及蓝光光束L3B所示者，而前述各光束其具分别具有一光谱，且此光谱的峰值波长分别介于625纳米至740纳米、495纳米至570纳米之间以及400纳米至475纳米之间。
接着，照明光束L3会先传递至成像装置20中的全反射棱镜26而被全反射射往光阀22。光阀22将照明光束L3的各部分依时序转换为图像光束IB后，图像光束IB再穿透全反射棱镜26并被投影镜头24所接收。投影镜头24将图像光束IB投射至成像平面(ImagingPlane)或是屏幕上以形成图像画面。
值得一提的是，在本实施例中，激光光束L在尚未经过光学元件141前所形成的光点矩阵的形状的长宽比(Aspect Ratio)例如是1：1，换言之，激光光束L在尚未经过光学元件141前所形成的光点矩阵的形状类似于正方形。而于材料层190上受到激光光束L照射而激发的受激光面的长宽比(例如是16：9)，受激光面在设计上通常会与光阀22的长宽比(例如是16：10)接近。在本实施例中，由于光学元件141的表面S1上相互垂直的第一轴A1以及第二轴A2设有不同的曲率半径，可使得激光光束L投射至材料层190上的光点矩阵的形状扩张(例如是16：9)而与材料层190的受激光面的长宽比符合，同时，也分散了激光光束L于材料层190上的能量密度。
在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的部分内容，关于相同的元件名称可以参考前述实施例的部分内容。
图4示出为本发明另一实施例的光学系统的架构示意图。图5示出为图4中的光学系统的另一个光学元件的上视示意图。图6为激光光束经过图4的光学系统的两个光学元件后投射于材料层上的光点矩阵的示意图。
请参照图4，图4的光学系统1’大致类似于图1的光学系统1。在本实施例中，光学系统1’中的合光装置10’进一步包括有多枚光学元件142及光学元件143。在本发明所指的光学元件142、143可为双锥透镜或自由曲面透镜，而在本实施例中，各光学元件142、143分别为双锥透镜。请参照图5，光学元件142设有表面S2。表面S2上相互垂直的第三轴A3以及第四轴A4设有不同的曲率半径。而光学元件143与光学元件142同。相同的标号以及元件名称类似于图1中的光学系统1的各元件的说明。
于以下段落中示例性地说明光学系统1’相较于光学系统1的元件的安排及光束的传输过程的差异。
于本例中，各光学元件142、143系设置于激光光源110、120的光路上且设置于激光光源110、120与合光元件130的光路之间。于本例中，激光光源110、120前方分别系设置有多个光学元件142、143，各光学元件142、143以矩阵方式排列而形成光学元件矩阵OEM。而每一光学元件142、143分别对应激光光源110、120中的一枚激光二极管模组，并分别同轴设置。通过上述的配置使激光光束L1、L2可分别依序穿透光学元件142、143以及光学元件141达到材料层190，于本例中，光学元件141为双锥透镜。
请参照图6，承上述，在本实施例的光学系统1’中，光学元件141除了对激光光束L所形成的光点矩阵的形状扩张之外，光学元件142更对激光光束L1以及激光光束L2在光点矩阵中所分别形成的每一个光点个别地调整其形状。也就是说，本实施例的光学系统1’通过光学元件142的设置，可以个别地扩张在激光光束L投射至材料层190(或萤光粉层)上的光点矩阵中的每一个光点的大小，进而更进一步地降低在材料层190(或萤光粉层)上的能量密度。
图7示出为本发明再一实施例的光学系统的架构示意图。图8示出为在现有技术中激光光束经过扩散片后投射于材料层上的光点示意图。图9示出为激光光束经过图7的光学系统的光学元件矩阵后投射于材料层上的光点示意图。
请参照图7，图7的光学系统1”大致类似于图1的光学系统1，于此处就差异之处简要说明如下。在本实施例中，光学系统1”中的合光装置10”不具有激光光源120、光学元件142、合光元件130以及透镜群150。相同的标号以及元件名称类似于图1的光学系统1以及图4的光学系统1”的各元件的说明，于此不再赘述。惟于另一例中，可参酌其他的实施例选择性地增加激光光源120及合光元件130以增加激光光束的强度。
于以下段落中示例性地说明光学系统1”的安排及光束的传输过程。光学系统1”的多个光学元件141以矩阵方式且紧密排列而形成光学元件矩阵OEM’。而每一光学元件141分别对应激光光源110中的一枚激光二极管模组，并分别同轴设置，且光学元件141的表面S1作为光束的出光面。
接着，激光光束L1依序穿透光学元件141、分光元件160、透镜群170、透镜群180，最后传递至萤光轮PW上的材料层190上，而其传输过程皆类似于光学系统1。
请参照图8以及图9，由图8与图9相比较后，可看出激光光束L1经过光学元件矩阵OEM’后投射于材料层190上的光点扩散的效果(如图9)较明显于经过扩散片投射于材料层190上的光点扩散的效果(如图8)。换言之，本实施例的光学系统1”对于激光光束L的扩散效果相较于在现有技术中使用扩散片的方式的扩散效果为佳。
综上所述，在本发明的相关实施例的光学系统中，由于光学系统内的光学元件的表面上相互垂直的第一轴以及第二轴设有不同的曲率半径，当激光光束穿透此光学元件时，可以使得激光光束所形成的光点矩阵的形状扩张，而降低后续投射于材料层上的能量密度。由另一观点来看本发明相关实施例的光学系统，由于激光光束穿透双锥透镜后达到萤光轮的反应区中的萤光粉层，双锥透镜可以使得激光光束所形成的光点矩阵的形状扩张，而降低后续投射于萤光粉层上的能量密度。因此，本发明相关实施例的光学系统可以在不使用扩散片的情况下，降低激光光束投射于材料层(或萤光粉层)上的能量密度，进而使得光学系统可以具有良好的发光效率以及可靠度。同时，由于本发明相关实施例的光学系统不需使用扩散片而可达到激光光束扩散的效果，因此也避免了扩散片被破坏的风险。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
Claims (10)
1.一种光学系统，其特征在于，包括：
第一激光光源，可输出第一激光光束；
第一光学元件，设于所述第一激光光源的光路上，所述第一光学元件设有第一表面，所述第一表面上相互垂直的第一轴以及第二轴设有不同的曲率半径；
透镜矩阵，设置于所述第一激光光源的光路上并位于所述第一激光光源及所述第一光学元件之间；以及
第一材料层，设于所述第一光学元件的光路下游，所述第一材料层含有光致发光材料。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，其中所述第一光学元件为双锥透镜或自由曲面透镜，所述第一光学元件的屈光度为正。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述透镜矩阵包括有第二光学元件，所述第二光学元件设有第二表面，所述第二表面上相互垂直的第三轴以及第四轴设有不同的曲率半径，且所述第一光学元件及所述第一材料层设于所述第二光学元件的光路下游，所述第二光学元件为双锥透镜或自由曲面透镜，所述第二光学元件的屈光度为正。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，进一步包括：
第二激光光源，可输出第二激光光束；
第三光学元件，设于所述第二激光光源的光路上，所述第三光学元件设有第三表面，所述第三表面上相互垂直的第五轴以及第六轴设有不同的曲率半径，且所述第一光学元件及所述第一材料层设于所述第三光学元件的光路下游，所述第三光学元件为双锥透镜或自由曲面透镜，所述第三光学元件的屈光度为正。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，还包括：
合光元件，设置于所述第一激光光源及所述第二激光光源的光路上，所述合光元件可反射所述第一激光光束及所述第二激光光束的任一者，并使另一者穿透；以及
透镜，具有正屈光度，所述透镜设置于所述第一光学元件与所述第一材料层之间。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述透镜矩阵包括第二光学元件，所述光学系统进一步包括有：
第二激光光源，可输出第二激光光束；
第三光学元件，设于所述第二激光光源的光路上，所述第三光学元件设置于所述第二激光光源及所述第一光学元件之间；
透镜，具有正屈光度，所述透镜设置于所述第一光学元件与所述第一材料层之间；以及
合光元件，设置于所述第一激光光源及所述第二激光光源的光路上，所述合光元件可反射所述第一激光光束及所述第二激光光束的任一者，并使另一者穿透；
其特征在于，所述第一光学元件、所述第二光学元件与所述第三光学元件分别为双锥透镜或自由曲面透镜，且所述第一光学元件的屈光度、所述第二光学元件与所述第三光学元件的屈光度为正，所述第一材料层为萤光轮，所述合光元件为条纹镜。
7.一种光学系统，其特征在于，包括：
第一激光光源，可发出第一激光光束；
萤光粉层，位于所述第一激光光束的光路上；
第一双锥透镜，设置于所述第一激光光源与所述萤光粉层之间，并位于所述第一激光光束的行进路径上，使所述第一激光光束可穿透所述第一双锥透镜达到所述萤光粉层；以及
透镜矩阵，设置于所述第一激光光源的光路上并位于所述第一激光光源及所述第一双锥透镜之间。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述透镜矩阵包括有第二双锥透镜，所述第一激光光束可依序穿透所述第二双锥透镜及所述第一双锥透镜后到达所述萤光粉层，其中所述第一双锥透镜以及所述第二双锥透镜的屈光度分别为正。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，进一步包括有第二激光光源，可发出第二激光光束，所述第二激光光源及所述第一双锥透镜之间设有第三双锥透镜，所述第二激光光束可依序穿透所述第三双锥透镜及所述第一双锥透镜后到达所述萤光粉层，其中所述第三双锥透镜的屈光度为正。
10.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，其进一步包括有萤光轮，所述萤光轮包括有反应区及透光区，所述反应区设置有所述萤光粉层。
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