CN112485957A - 光源模块 - Google Patents

Abstract

一种光源模块，包括一第一色光源、一第二色光源、一第三色光源、一第一固定式光栅、一第二固定式光栅、一第三固定式光栅以及一第四固定式光栅。第一色光源、第二色光源及第三色光源颜色实质相异，且第一色光源、第二色光源及第三色光源的出光方向均为相同，为一第一方向。第一固定式光栅设于第一色光源的光学下游。第二固定式光栅设于第二色光源的光学下游。第三固定式光栅设于第三色光源的光学下游。第四固定式光栅同时设于第一固定式光栅、第二固定式光栅、第三固定式光栅的光学下游，其中所述第一固定式光栅和第一色光源之间的光学路径、第二固定式光栅和第二色光源之间的光学路径以及第三固定式光栅和第三色光源之间的光学路径相互独立。

Description

光源模块

技术领域

本发明涉及一种光源模块，尤其涉及一种利用于投影机的光源模块。

背景技术

传统以二极管为光源的投影机包括光源模块、光阀以及投影镜头。光源模块通常包括多个不同颜色的发光二极管以多片分色镜等光学元件，各不同颜色的光线经由二平行的分色镜合光为一照明光束后，经由全反射棱镜(TIR PRISM)的全反射面反射进入光阀，光阀将照明光束转换为影像光束后经投影镜头输出。而然，传统采用分色镜架构的光源模块体积较大，不利投影机的小形化。

发明内容

本发明提供一种光源模块，藉由采用绕射光学元件来大幅减少装置厚度。

本发明的一实施例提供一种光源模块，包括一第一色光源、一第二色光源、一第三色光源、一第一固定式光栅、一第二固定式光栅、一第三固定式光栅以及一第四固定式光栅。第一色光源、第二色光源及第三色光源颜色实质相异，且第一色光源、第二色光源及第三色光源的出光方向均为相同，为一第一方向。第一固定式光栅设于第一色光源的光学下游。第二固定式光栅设于第二色光源的光学下游。第三固定式光栅设于第三色光源的光学下游。第四固定式光栅同时设于第一固定式光栅、第二固定式光栅、第三固定式光栅的光学下游，其中所述第一固定式光栅和第一色光源之间的光学路径、第二固定式光栅和第二色光源之间的光学路径以及第三固定式光栅和第三色光源之间的光学路径相互独立。

在本发明的另一实施例提供一种光源模块，包括沿一第一方向依序排列的一第一导波器、一第二导波器及一第三导波器。第一导波器包括一第一固定式光栅。第二导波器包括一第二固定式光栅，第二固定式光栅设于第一固定式光栅的光学下游。第三导波器包括一第三固定式光栅，第三固定式光栅设于第一固定式光栅以及第二固定式光栅的光学下游。第一色光源的出光方向在第一导波器入射面上与一第二方向呈一第一夹角，第一夹角小于70度。第二色光源的出光方向在第二导波器入射面上与第二方向呈一第二夹角，第二夹角小于70度。第三色光源的出光方向在第三导波器入射面上与第二方向呈一第三夹角，第三夹角小于70度。其中，第一色光源、第二色光源及第三色光源的颜色相异，且第一方向与第二方向相互垂直。

基于上述，在本发明的光源模块中，光源所提供的光束可藉由固定式光栅的配置产生绕射作用以改变传递方向及进行合光。如此一来，可节省准直光学元件，并且大幅减少装置厚度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1A为本发明的第一实施例中投影机的示意图。

图1B为本发明第一实施例的光源模块的示意图。

图1C为本发明一实施例中固定式光栅的结构示意图。

图2为图1B的光源模块的部分放大图。

图3为本发明第二实施例的光源模块的示意图。

图4为本发明第三实施例的光源模块的示意图。

图5为本发明第四实施例的光源模块的示意图。

图6为本发明第五实施例的光源模块的示意图。

具体实施方式

本发明中的导波器(WAVEGUIDE)，又称为波导。而本发明中的固定式光栅，是一个具有固定分布折射率的光栅，没有外接电极和电场可改变其折射率分布，是相对于可切换式光栅(Switchable grating)，例如可切换布拉格光栅(SBG)，是一种通过将体相光栅或全息图记录在聚合物分散液晶(PDLC)混合物中形成的衍射装置。当电场通过透明电极被施加到全息图时，其中的液晶的自然取向(natural orientation)改变，从而改变其光栅的折射率分布。而本发明中的导波器中的光栅，其析射率是固定的。

图1A为本发明的第一实施例中投影机的示意图。由图可见，投影机1包括光源模块100、光均匀化元件200、全反射棱镜300、光阀400以及投影镜头500。

光均匀化元件200可以是复眼透镜(flyeye)、积分柱(intergration rod)等其他已知可将光束均匀化的光学元件。于本例中，光均匀化元件200为一复眼透镜。

棱镜(prism)300可以为一全反射棱镜(TIR prism)或反向全反射棱镜(TIRPRISM)。于本例中，棱镜300为一由两枚三角柱状棱镜组合而成的全反射棱镜，惟于应用时，亦可仅应用单一棱镜取代之亦可。

光阀400为可将照明光转换为影像光的元件。光阀可以为一数位微镜装置(DMD)、液晶(LCD)芯片、硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon)芯片等已知可将照明光转换为影像光的元件。于本例中，光阀400为一硅基液晶芯片。

图1B为本发明第一实施例的光源模块的示意图。请参考图1A及图1B。本实施例提供一种光源模块100，用于经由一均匀光元件300对光阀400提供一照明光(光束L1、L2、L3)。

于本例中，光源模块100包括三组能发出不同颜色的光源(光源111、112、113)，六组用于绕射光线的固定式光栅121、122、123、124、125、126。而各固定式光栅121、122、123、124、125、126是分别设置于三组导波器中(导波器131、132、133)。于本例中，导波器131、132、133并不设置于光阀400和投影镜头500的光路上。再者，请参图1B，于本例中，光源111、112、113所输出的光线是在未经过其他光学元件而直接入射导波器131的，导波器131和光源111、112、113之间可选择性的包括或是不包括，例如是透镜、棱镜、光圈、匀光元件、准直元件等光学元件，本发明的其他实施例亦然。

本实施例图式中所绘式的光线、结构形状仅作为示意，并不代表其实际光路及结构样貌。

本发明所谓的光源111、光源112及光源113包括激光二极管发光芯片(LD)的激光二极管发光模块，又或是其他任何可以输出准直光线的光源，例如包括发光二极管芯片(LED)的发光二极管模块、准直光学元件、偏振光调整单元(如1/2波片、1/4波片)、偏振分光器(PBS)等元件的组合，即为其例。于本例中，光源111、112及113分别为一激光二极管发光模块，光源111、光源112及光源113可用以输出单色光线。于本例中，光源111可输出红光，光源112可输出绿光，而光源113则可输出蓝光，亦即光源111、112及113所输出的光线的颜色是实质相异的。

于本例中，第一导波器131包括两片例如由玻璃或塑料所制成的透光平板，而在二平板之间灌有高分子材料的夹层。而夹层中的特定区域有形成有固定式光栅。

请参酌图1C，图1C为本发明一实施例中固定式光栅的结构示意图。固定式光栅121、122、123、124、125、126的结构类似，将不一一予以赘述。由图可见，固定式光栅121由多组第一材料层1211和第二材料层1212相互交错排列而成。第一材料层1211包括高分子材料，第二材料层1212则为高分子材料和液晶材料的混合物。藉由第一材料层1211和第二材料层1212折射率的差异，可对特定波长的光线产生折射效果。在本实施例中，固定式光栅121、122、123、124、125、126为穿透式光栅。固定式光栅121、122、123、124、125、126除分别形成于2片例如由玻璃或塑料所制成的透光平板之间外，亦可形成于单一透光平板的一表面上。另外，固定式光栅121、122、123、124、125、126除了液晶及高分子材料外，亦可以其他材料制造而成，本发明不予限制。

在本实施例中，第一导波器131沿第一方向D1上的厚度大于0.1毫米并在小于等于5、3及1.5毫米时，其体积和强度的比例为最佳、更佳及佳。于本例中，约为1毫米，但本发明并不限于此。于本例中，固定式光栅121藉由上下两层透光平板(玻璃板)夹置并固定。而透光平板的上下表面可形成一全反射界面，藉由全反射界面，光束可于上、下透光平板之间全反射而传递至特定位置，可节省准直光学元件。第二导波器132及第三导波器133的设计与第一导波器131近似，将不予赘述。而相对于二透光平板的设计，于另一例中，可将其中之一平板省略，并将前述的夹层露出亦可。

在本实施例中，固定式光栅121及固定式光栅126可转折红光；固定式光栅122可转折绿光；固定式光栅125可转折绿光并让红光通过；固定式光栅123可转折蓝光；固定式光栅124可转折蓝光并让红光及绿光通过；亦即固定式光栅121、122、123、124、125、126分别对不同波长的光束产生光学作用。

在不同的实施例中，固定式光栅121、122、123、124、125、126可藉由设计其中液晶分子的浓度或几何结构而改变其可作用的特定光束。举例而言，调整固定式光栅中各区域的液晶分子相对于高分子材料的浓度可改变液晶分子与高分子材料之间的折射率差，进而可调整固定式光栅各区域的绕射效率，如图2所绘示者。另一方面，若调整固定式光栅中，第一材料层和第二材料层之间的界面的倾斜角度和，第一材料层和第二材料层的排列密度(周期的长短疏密)，亦可改变绕射效率。

以固定式光栅126为例，其可调整红光的行进方向并使红光穿透固定式光栅126本身经由出光面输出第一导波器。在其他实施例中，固定式光栅121至固定式光栅126可使用反射式光栅，即让对应波长的光束可藉由反射的方式输出导波器，同时，反射式光栅可选择性的允许其他具有不同波长的光束通过。

在本实施例中，第一导波器131、导波器132以及导波器133沿第一方向D1依序堆叠且相互具有至少微米等级的间隔G，间隔G中可存在空气。而固定式光栅121设于光源111的第一方向D1处且配置于第一导波器131内、固定式光栅122设于光源112的第一方向D1处且配置于导波器132内、固定式光栅123设于光源113的第一方向D1处且配置于导波器133内。固定式光栅121、固定式光栅122及固定式光栅123在第一方向D1上分别错开。换句话说，光源111、光源112及光源113和固定式光栅121、固定式光栅122及固定式光栅123之间的光路是分别独立且不交错的。光源111、光源112及光源113在第一方向D1上分别错开且分别提供不同颜色的第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3至固定式光栅121、固定式光栅122及固定式光栅123。而第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3藉由固定式光栅121、固定式光栅122及固定式光栅123产生绕射作用并分别于导波器131、导波器132以及导波器133内部传递。第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3在导波器内部传递的过程中，分别藉由在第一导波器131、导波器132以及导波器133与间隔G中空气或外界空气的折射率差而在表面内产生全反射。

固定式光栅124同时设于固定式光栅121、固定式光栅122及固定式光栅123的光学下游(或称光路下游)，固定式光栅125设于固定式光栅122的光学下游，且固定式光栅126设于固定式光栅121的光学下游。其中，固定式光栅124、固定式光栅125及固定式光栅126在第一方向D1上相互重叠。换句话说，经由固定式光栅121绕射作用而于第一导波器131中传递的第一光束L1会经由固定式光栅126绕射作用并由固定式光栅124出射。经由固定式光栅122绕射作用而于导波器132中传递的第二光束L2会经由固定式光栅125绕射作用并经由固定式光栅124出射，且与第一光束L1合光。经由固定式光栅123绕射作用而于导波器133中传递的第三光束L3会经由固定式光栅124绕射作用并由导波器133出射，且与第一光束L1及第二光束L2合光。因此，藉由固定式光栅与导波器的设计，本实施例的光源模块100可对第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3进行合光作用，且第一导波器131、导波器132以及导波器133所占厚度仅约3毫米。如此一来，可节省准直光学元件，并且大幅减少装置厚度。

图2为图1B的光源模块的部分放大图。请参考图1B及图2。在本实施例中，固定式光栅可随着材料排列密度、材料浓度或几何结构的设计不同，而使光束L藉以产生不同的绕射程度。举例而言，在导波器133中，固定式光栅124不同区段的绕射程度可由邻近入光侧的一端至远离入光侧的一端依序分别配置为20％、25％、33％、50％以及100％。因此，可使光束L藉以在这些不同的区段产生相同为20％入射光强度的发光强度。如此一来，可透过固定式光栅在不同区段的设计而进一步提升出光的均匀度。

图3为本发明第二实施例的光源模块的示意图。请参考图3。本实施例的光源模块100A类似于图1B所绘示的光源模块100。两者不同之处在于，在本实施例中，光源模块100A中的固定式光栅121至固定式光栅126A的至少其中一者为反射式光栅。举例而言，在本实施例中，固定式光栅124A、固定式光栅125A及固定式光栅126A为反射式光栅。但在不同实施例中，本发明并不限于此。

图4为本发明第三实施例的光源模块的示意图。请参考图4。本实施例的光源模块100B类似于图1B所绘示的光源模块100。两者不同之处在于，在本实施例中，导波器130包括固定式光栅121至固定式光栅126。详细而言，固定式光栅121至固定式光栅126的相对位置与图1B所绘示的相对位置相同，但配置于同一导波器130内。意即，第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3在导波器130与外界空气的表面内产生全反射。而关于固定式光栅121至固定式光栅126在第一方向D1上的相对配置，可藉由设置多个玻璃平板加以区隔，如图4所绘示。举例而言，本实施例使用六层玻璃平板夹置并固定三层光栅结构，但本发明并不限于此。在另一实施例中，导波器130可藉由将固定式光栅121和固定式光栅122之间；及固定式光栅122和固定式光栅123之间的两层玻璃平板，分别以一层玻璃平板替代；即仅包括四层玻璃平板，藉由减少玻璃平板的数量，导波器130的厚度可减少至仅约2毫米。

图5为本发明第四实施例的光源模块的示意图。请参考图5。本实施例的光源模块100C类似于图1B所绘示的光源模块100。两者不同之处在于，在本实施例中，藉由让各光源侧向入射，可减少固定式光栅的数量。

而为了让入射光束可于各导波器内全反射，图5中所绘示的实施例中的各导波器131、132、133的入光角度是有所限制的。光源111(第一色光源)的出光方向在导波器131入射面S1上与第二方向D2呈一小于70度的夹角。第二方向D2与第一方向D1相互垂直。光源112(第二色光源)的出光方向在导波器132入射面S2上与第二方向D2呈一小于70度的夹角。光源113(第三色光源)的出光方向在导波器133入射面S3上与第二方向D2呈一小于70度的夹角。

于本例中，导波器131上玻璃平板的折射率约为1.7，故其夹角B1需约于65度以下时，其产生全反射的效率较高。而考量导波器平板材料的不同，其折射率也为相异，相关夹角亦应一并调整，惟通案而言，第一夹角B1、第二夹角B2及第三夹角B3建议小于(含)70度，并于小于60、45及30度时，其全反射的效果分别为佳、更佳及最佳。

光源111、光源112及光源113分别所发出的第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3分别由第一导波器131、导波器132及导波器133的侧边入射。因此，可使得第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3分别在第一导波器131、导波器132及导波器133内传递并达成全反射条件。此外，固定式光栅131、固定式光栅132及固定式光栅133改变成用以分别让第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3出射导波器并进行合光，且在固定式光栅131、固定式光栅132及固定式光栅133在第一方向D1上相互重叠。如此一来，本实施例的光源模块100C可节省固定式光栅，并且大幅减少装置厚度。

图6为本发明第五实施例的光源模块的示意图。请参考图6。请参考图6。本实施例的光源模块100D类似于图1B所绘示的光源模块100。两者不同之处在于，在本实施例中，仅配置一导波器130A，且导波器130A包括固定式光栅121、122、123、124。换句话说，即光源111、光源112及光源113分别所发出的第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3同时在导波器130A藉由全反射作用传递至固定式光栅124，并藉由固定式光栅124出射导波器130A并进行合光。在本实施例中，导波器130A所占厚度仅约1毫米。如此一来，可节省准直光学元件，并且大幅减少装置厚度。而固定式光栅124可让偏折光源111、112、113对应颜色的光线并使之输出导波器130A。

综上所述，在本发明的光源模块中，光源所提供的光束可藉由固定式光栅的配置产生绕射作用以改变传递方向及进行合光。如此一来，可节省准直光学元件，并且大幅减少装置厚度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光源模块，其特征在于，包括：

一第一色光源；

一第二色光源；

一第三色光源，所述第一色光源、所述第二色光源及所述第三色光源的颜色相异，且所述第一色光源、所述第二色光源及所述第三色光源的出光方向均为相同，为一第一方向；

一第一固定式光栅，设于所述第一色光源的光学下游；

一第二固定式光栅，设于所述第二色光源的光学下游；

一第三固定式光栅，设于所述第三色光源的光学下游；以及

一第四固定式光栅，同时设于所述第一固定式光栅、所述第二固定式光栅、所述第三固定式光栅的光学下游；

其中，

所述第一固定式光栅和所述第一色光源之间的光学路径、所述第二固定式光栅和所述第二色光源之间的光学路径以及所述第三固定式光栅和所述第三色光源之间的光学路径相互独立。

2.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，所述光源模块还包括：

一第五固定式光栅，设于所述第二固定式光栅的光学下游；以及

一第六固定式光栅，设于所述第一固定式光栅的光学下游；

其中，

所述第五固定式光栅设于所述第六固定式光栅的光学下游；

所述第四固定式光栅同时设于所述第五固定式光栅及所述第六固定式光栅的光学下游。

3.如权利要求2所述的光源模块，其特征在于，所述第一固定式光栅、所述第二固定式光栅、所述第三固定式光栅、所述第四固定式光栅、所述第五固定式光栅及所述第六固定式光栅的至少其中一者为反射式光栅。

4.如权利要求2所述的光源模块，其特征在于，所述光源模块还包括：

一第一导波器，包括所述第一固定式光栅及所述第六固定式光栅；

一第二导波器，包括所述第二固定式光栅及所述第五固定式光栅；以及

一第三导波器，包括所述第三固定式光栅及所述第四固定式光栅。

5.如权利要求4所述的光源模块，其特征在于，所述第一导波器、所述第二导波器及所述第三导波器之间分别设有一间隔。

6.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，所述第一固定式光栅、所述第二固定式光栅、所述第三固定式光栅及所述第四固定式光栅设置于单一导波器之中。

7.如权利要求6所述的光源模块，其特征在于，所述第一固定式光栅、所述第二固定式光栅、所述第三固定式光栅、所述第四固定式光栅、所述第五固定式光栅及所述第六固定式光栅设置于单一导波器之中。

8.一种光源模块，其特征在于，包括：

沿一第一方向依序排列的一第一导波器、一第二导波器及一第三导波器；

所述第一导波器包括一第一固定式光栅；

所述第二导波器包括一第二固定式光栅，所述第二固定式光栅设于所述第一固定式光栅的光学下游；

所述第三导波器包括一第三固定式光栅，所述第三固定式光栅设于所述第一固定式光栅以及所述第二固定式光栅的光学下游；

一第一色光源，所述第一色光源的出光方向在所述第一导波器入射面上与一第二方向呈一第一夹角，所述第一夹角小于70度；

一第二色光源，所述第二色光源的出光方向在所述第二导波器入射面上与所述第二方向呈一第二夹角，所述第二夹角小于70度；以及

一第三色光源，所述第三色光源的出光方向在所述第三导波器入射面上与所述第二方向呈一第三夹角，所述第三夹角小于70度；

其中，所述第一色光源、所述第二色光源及所述第三色光源的颜色相异，且所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

9.如权利要求8所述的光源模块，其特征在于，所述第一导波器、所述第二导波器及所述第三导波器之间分别设有一间隙。

10.如权利要求8所述的光源模块，其特征在于，所述第一固定式光栅、所述第二固定式光栅及所述第三固定式光栅的至少其中一者为反射式光栅。

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