CN115373206A - 照明系统及投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种照明系统，包括激发光源、第一可变焦透镜、第二可变焦透镜以及控制单元。激发光源用于提供激发光束。第一可变焦透镜配置于激发光束的传递路径上。第二可变焦透镜配置于激发光束的传递路径上，且第一可变焦透镜位于激发光源与第二可变焦透镜之间。第二可变焦透镜用于接收从第一可变焦透镜出射的激发光束。控制单元电连接于第一可变焦透镜及第二可变焦透镜，用于同步调整第一可变焦透镜及第二可变焦透镜的焦距。上述照明系统可提升光均匀度以及消除激光散斑。本发明另提供一种包含上述照明系统的投影装置。

Description

照明系统及投影装置
技术领域
本发明是有关于一种显示装置，且特别是有关于一种照明系统及使用此照明系统的投影装置。
背景技术
投影装置所使用的光源种类随着市场对投影装置亮度、色彩饱和度、使用寿命、无毒环保等等要求，从超高压汞灯(UHP lamp)、发光二极管(light emitting diode，LED)进化到激光二极管(laser diode，LD)。
在已知使用激光二极管的投影装置中，激光二极管提供激发光束以激发荧光粉转轮上的荧光粉层产生荧光光束。然而，由于激光(laser)的高同调性，会使得激发光束容易产生干涉，造成明暗交杂的随机分布的激光散斑现象(laser speckle)。
现下所使用的减少激光散斑现象的做法为加入扩散片或是改变焦距。将扩散片进行震动可以不断改变光束产生的位置，使激光散斑现象减少，光均匀度提升。但扩散片的使用会使光束扩散难以集中。
另一方面，使用可变焦透镜也能达到不断改变光斑产生的位置，使激光散斑现象减少，光均匀度提升。然而在需要使光束保持在平面波(即平行光)的状态时，单一颗的可变焦透镜会破坏波前行进方式，导致成像品质变差。
本「背景技术」段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在「背景技术」中所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中的技术人员所知道的已知技术。此外，在「背景技术」中所揭露的内容并不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，也不代表在本发明申请前已被所属技术领域中的技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种照明系统，能提升光均匀度以及消除激光散斑。
本发明提供一种投影装置，能提升光均匀度及改善成像品质。
本发明的其他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。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明一实施例所提供的照明系统包括激发光源、第一可变焦透镜、第二可变焦透镜以及控制单元。激发光源用于提供激发光束。第一可变焦透镜配置于激发光束的传递路径上。第二可变焦透镜配置于激发光束的传递路径上，且第一可变焦透镜位于激发光源与第二可变焦透镜之间。第二可变焦透镜用于接收从第一可变焦透镜出射的激发光束。控制单元电连接于第一可变焦透镜及第二可变焦透镜，并用于同步调整第一可变焦透镜及第二可变焦透镜的焦距。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明一实施例所提供的投影装置包括光阀、投影镜头及上述的照明系统。上述的照明系统还包括波长转换轮，配置于穿过第二可变焦透镜的激发光束的传递路径上，用于将激发光束转换成转换光束。照明光束包括激发光束及转换光束。光阀配置于照明光束的传递路径上，且用于将照明光束转换为影像光束。投影镜头配置于影像光束的传递路径上，且用于使影像光束穿过。
本发明实施例的照明系统中，控制单元电连接于第一可变焦透镜及第二可变焦透镜，并用于同步调整第一可变焦透镜及第二可变焦透镜的焦距。使得激发光束在经过第一可变焦透镜时，由于焦距的不断改变，而能不断改变光斑产生的位置，使激光散斑现象减少，光均匀度提升。于此同时，通过第一可变焦透镜的激发光束因焦距改变会从平行光调整为发散光或汇聚光。而第二可变焦透镜的焦距则依据第一可变焦透镜当时的焦距进行调整，让从第一可变焦透镜出射的激发光束经过第二可变焦透镜后再调整回平行光，达到光束补偿的效果。本发明实施例的投影装置由于使用上述的照明系统，因此能提升光均匀度，改善成像品质。
为让本发明之上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例的照明系统的示意图。
图2为本发明一实施例的第一可变焦透镜或第二可变焦透镜的形式变换示意图。
图3A为本发明一实施例中第一可变焦透镜及第二可变焦透镜的焦距调整的示意图。
图3B至图3C为本发明另一实施例中第一可变焦透镜及第二可变焦透镜的焦距调整的示意图。
图4为本实施例的激发光束于波长转换轮形成的光斑示意图。
图5是本发明一实施例的投影装置的方块示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一较佳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。
图1为本发明一实施例的照明系统的示意图。图2为本发明一实施例的第一可变焦透镜或第二可变焦透镜的形式变换示意图。请参考图1及图2，本实施例的照明系统100包括激发光源110、第一可变焦透镜120、第二可变焦透镜130以及控制单元140。激发光源110用于提供激发光束L。第一可变焦透镜120配置于激发光束L的传递路径上。第二可变焦透镜130配置于激发光束L的传递路径上，且第一可变焦透镜120位于激发光源110与第二可变焦透镜130之间。第二可变焦透镜130用于接收从第一可变焦透镜120出射的激发光束L。具体而言，激发光束L从激发光源110出射后，是先通过第一可变焦透镜120，再通过第二可变焦透镜130。第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130的位置可互相交换，本发明并不限制第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130在照明系统100中的相对位置。控制单元140电连接于第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130，并用于同步调整第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130的焦距。
激发光源110例如是激光(laser)光源或其他能提供具有高同调性的激发光束L的光源。在本实施例中，从激发光源110出射的激发光束L为平行光，并传递至第一可变焦透镜120。
关于第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130，是以改变薄膜或界面的曲率(改变透镜表面形状)达到变焦的目的，或以改变材料本身的特性达到变焦的目的。如图2所示，以第一可变焦透镜120为例，第一可变焦透镜120可以在平面透镜的形式、凹透镜的形式以及凸透镜的形式之间任意转换，依据焦距的不同，将通过第一可变焦透镜120的光束转换为平行光、汇聚光或发散光。第一可变焦透镜120的类型例如包括液晶透镜、液压透镜、机械驱动透镜、电润湿透镜等，但不局限于此。以上对于第一可变焦透镜120的说明亦适用于第二可变焦透镜130，并且在本实施例中，第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130也可以分别选用不同类型的可变焦透镜。
在本实施例的配置架构下，第一可变焦透镜120与第二可变焦透镜130之间的距离D1例如为固定不变，并且激发光源110与第一可变焦透镜120之间的距离D2例如也为固定不变。由于第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130皆可变焦，并不需要借着在激发光束L的传递路径上前后移动改变焦距，因此相较于已知照明系统中所使用的一般透镜，本实施例的照明系统100的体积较小。在距离D1为固定不变的情况下，也能够减少变数，使激发光束L的品质更为稳定。
另一方面，第一可变焦透镜120例如与第二可变焦透镜130为共焦，但不局限于此。共焦点可调整在第一可变焦透镜120与第二可变焦透镜130之间、激发光源110与第一可变焦透镜120之间或第二可变焦透镜130远离第一可变焦透镜120的一侧。在另一实施例中，也可以是分别调整第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130的焦点在不同位置上。
具体而言，第一可变焦透镜120的功能在于，借由焦距的不断改变，而让激发光束L通过后会不断改变光斑产生的位置，使激光散斑现象减少，光均匀度提升。而第二可变焦透镜130的功能在于，当通过第一可变焦透镜120的激发光束L因焦距改变会从平行光调整为发散光或汇聚光时，第二可变焦透镜130可借由改变自身焦距而对激发光束L进行调整，让从第一可变焦透镜120出射的激发光束L经过第二可变焦透镜130后再调整回平行光，达到光束补偿的效果。如此，可以提升光均匀度，维持成像的品质。
要让第一可变焦透镜120以及第二可变焦透镜130不断改变焦距的同时，来达到平行光的补偿效果。本实施例中的控制单元140用于同步调整第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130的焦距，并且为了满足本发明的需求，控制单元140较佳为同步且分别调整第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130的焦距。以下将详细说明控制单元140在不同时序下对于第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130给予不同的信号以同步改变第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130的形式来调整焦距。
图3A为本发明一实施例中第一可变焦透镜及第二可变焦透镜的焦距调整的示意图。参考图3A，第一可变焦透镜120与第二可变焦透镜130的屈光度皆为正，即第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130皆为凸透镜的形式，并且焦点f位于第一可变焦透镜120与第二可变焦透镜130之间。在一时序中，当激发光束L穿过第一可变焦透镜120后会调整为汇聚光，并在通过焦点f后成为发散光传递至第二可变焦透镜130。随后，当激发光束L穿过第二可变焦透镜130后经汇聚会调整回平行光，由于焦距f2大于焦距f1，所以与原来激发光束相比光束经过放大。也就是说激发光源110投射的激发光束L的光斑面积小于穿过第一可变焦透镜120以及第二可变焦透镜130后的激发光束L的光斑面积。相反地，在另一时序中，当焦点f位于第一可变焦透镜120与第二可变焦透镜130之间且焦距f2小于焦距f1时，激发光束L穿过第二可变焦透镜130后与原来激发光束相比光束经过缩小。也就是说激发光源110投射的激发光束L的光斑面积大于穿过第一可变焦透镜120以及第二可变焦透镜130后的激发光束L的光斑面积。
图3B至图3C为本发明另一实施例中第一可变焦透镜及第二可变焦透镜的焦距调整的示意图。请参考图3B，在另一实施例中，在第一时序中，第一可变焦透镜120的屈光度为负，第二可变焦透镜130的屈光度为正，即第一可变焦透镜120为凹透镜的形式、第二可变焦透镜130为凸透镜的形式，并且焦点f位于激发光源110与第一可变焦透镜120之间。当激发光束L穿过第一可变焦透镜120后会调整为发散光，并传递至第二可变焦透镜130。随后，当激发光束L穿过第二可变焦透镜130后经汇聚调整回平行光，由于焦距f2大于焦距f1，与原来激发光束相比光束经过放大。也就是说激发光源110投射的激发光束L的光斑面积小于穿过第一可变焦透镜120以及第二可变焦透镜130后的激发光束L的光斑面积。
请参考图3C，在另一时序中，借由控制单元140给予不同的信号以改变第一可变焦透镜120的屈光度为正以及改变第二可变焦透镜130的屈光度为负，即第一可变焦透镜120为凸透镜的形式、第二可变焦透镜130为凹透镜的形式，并且焦点f位于第二可变焦透镜130远离第一可变焦透镜120的一侧。当激发光束L穿过第一可变焦透镜120后会调整为汇聚光，并传递至第二可变焦透镜130。随后，当激发光束L穿过第二可变焦透镜130后经发散会调整回平行光，由于焦距f2小于焦距f1，与原来激发光束相比光束经过缩小。也就是说激发光源110投射的激发光束L的光斑面积大于穿过第一可变焦透镜120以及第二可变焦透镜130后的激发光束L的光斑面积。
由上可知，控制单元140借由同步且分别调整第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130的焦距，可以在不同时序下将激发光束L保持平行光的方式进行放大或缩小，使光斑位置不断改变，进而减少激光散斑现象，提升光均匀度。图4为本实施例的激发光束于波长转换轮形成的光斑示意图。请参考图1及图4，本实施例的照明系统100例如还包括波长转换轮150，配置于穿过第二可变焦透镜130的激发光束L的传递路径上，用于将激发光束L转换成转换光束。波长转换轮150所使用的波长转换材料例如包括磷玻璃(phosphor in glass，PIG)、磷光体陶瓷(phosphor in ceramic，PIC)、多晶荧光片、单晶荧光片或磷硅胶(phosphor in silicon，PIS)等，但不局限于此。此外，本实施例的激发光源110所提供的激发光束L的光斑形状例如为圆形，但不局限于此。如图4所示，光斑S1为放大后的激发光束L于波长转换轮150所形成，光斑S2为正常的激发光束L于波长转换轮150所形成，光斑S3为缩小后的激发光束L于波长转换轮150所形成。其中，在光斑S3的面积范围内，由于具有光斑S1～S3的叠加，因此光均匀度最高。应注意的是，此处所指的「放大」及「缩小」并非单一固定的大小状态，而是连续性范围之间的线性变化，光斑S1～S3仅为示意讲解。借由第一可变焦透镜120及第二可变焦透镜130的时序性同步调整而产生光斑的大小不断变化，如此可以达到消除激光散斑(laser speckle)以及增加激发光束L的光均匀度。
图5是本发明一实施例的投影装置的方块示意图。请参照图5，本实施例的投影装置10包括照明系统100、光阀200及投影镜头300。照明系统100用于提供照明光束L1，光阀200配置于照明光束L1的传递路径上，以将照明光束L1转换成影像光束L2，而投影镜头300配置于影像光束L2的传递路径上，以将影像光束L2投射至屏幕，进而在屏幕上形成影像画面。
光阀200可以是穿透式光阀或是反射式光阀，其中穿透式光阀可以为穿透式液晶面板，而反射式光阀可以为数字微镜元件(Digital Micro-mirror Device，DMD)、液晶显示器(liquid-crystal display，LCD)、液晶覆硅板(Liquid Crystal On Silicon panel，LCoS panel)、透光液晶面板(Transparent Liquid Crystal Panel)、电光调变器(Electro-Optical Modulator)、磁光调变器(Maganeto-Optic modulator)、声光调变器(Acousto-Optic Modulator，AOM)，但不局限于此。依不同的设计架构，光阀200的数量可为一个或多个。
投影镜头300例如包括具有屈光度的一或多个光学镜片的组合，例如包括双凹透镜、双凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜、平凸透镜以及平凹透镜等非平面镜片的各种组合。在一实施例中，投影镜头300也可以包括平面光学镜片。本发明对投影镜头300的型态及其种类并不加以限制。
波长转换轮150包括转换区及光学区(图未示)，光学区可是反射区或穿透区，当激发光束L照射在波长转换轮150上时，转换区用于将激发光束L转换成转换光束Lp，转换光束Lp的波长不同于激发光束L的波长，而当光学区为反射区，用于反射激发光束L，或者当光学区为穿透区，用于使激发光束L穿过。也就是说激发光束L经由光学区而离开波长转换轮150是激发光束Lr。照明光束L1即包括转换光束Lp及激发光束Lr。照明系统100可更包括其他光学元件，以使照明光束L1传递至光阀200。
由于照明系统100能提升照明光束L1的光均匀度以及消除激光散斑，因此使用照明系统100的投影装置10也能提升光均匀度，并且改善影像光束L2投射至屏幕的成像品质。
综上所述，本发明实施例的照明系统中，控制单元电连接于第一可变焦透镜及第二可变焦透镜，并用于依时序同步调整第一可变焦透镜及第二可变焦透镜的焦距。使得激发光束在经过第二可变焦透镜时，由于焦距的不断改变，而能不断改变光斑产生的位置，使激光散斑现象减少，光均匀度提升。于此同时，通过第一可变焦透镜的激发光束因焦距改变会从平行光调整为发散光或汇聚光。而第二可变焦透镜的焦距则依据第二可变焦透镜当时的焦距进行调整，让从第一可变焦透镜出射的激发光束经过第二可变焦透镜后再调整回平行光，达到光束补偿的效果。本发明实施例的投影装置由于使用上述的照明系统，因此能提升光均匀度，改善成像品质。
惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即凡依本发明权利要求书及发明内容所作之简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。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之全部目的或优点或特点。此外，摘要和标题(发明名称)仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明之权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的「第一」、「第二」等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
附图标记说明：
10:投影装置
100:照明系统
110:激发光源
120:第一可变焦透镜
130:第二可变焦透镜
140:控制单元
150:波长转换轮
200:光阀
300:投影镜头
D1、D2:距离
f:焦点
f1、f2:焦距
L:激发光束
L1:照明光束
L2:影像光束
Lp:转换光束
Lr:被反射的激发光束
S1、S2、S3:光斑。

Claims (10)

1.一种照明系统，其特征在于，所述照明系统包括激发光源、第一可变焦透镜、第二可变焦透镜以及控制单元，其中：
所述激发光源用于提供激发光束；
所述第一可变焦透镜配置于所述激发光束的传递路径上；
所述第二可变焦透镜配置于所述激发光束的传递路径上，且所述第一可变焦透镜位于所述激发光源与所述第二可变焦透镜之间，所述第二可变焦透镜用于接收从所述第一可变焦透镜出射的所述激发光束；以及
所述控制单元电连接于所述第一可变焦透镜及所述第二可变焦透镜，并用于同步调整所述第一可变焦透镜及所述第二可变焦透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，穿过所述第二可变焦透镜的所述激发光束为平行光。
3.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述第一可变焦透镜与所述第二可变焦透镜为共焦点。
4.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述第一可变焦透镜与所述第二可变焦透镜之间的距离为固定不变。
5.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述第一可变焦透镜与所述第二可变焦透镜的屈光度皆为正。
6.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，在一时序中，所述第一可变焦透镜的屈光度为负，所述第二可变焦透镜的屈光度为正。
7.根据权利要求6所述的照明系统，其特征在于，在另一时序中，所述第一可变焦透镜的屈光度为正，所述第二可变焦透镜的屈光度为负。
8.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，穿过所述第二可变焦透镜的所述激发光束的光斑形状为圆形。
9.根据权利要求1所述的照明系统，还包括波长转换轮，其配置于穿过所述第二可变焦透镜的所述激发光束的传递路径上，用于将所述激发光束转换成转换光束。
10.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括照明系统、光阀以及投影镜头，其中：
所述照明系统用于提供照明光束，并且包括激发光源、第一可变焦透镜、第二可变焦透镜、控制单元以及波长转换轮，其中：
所述激发光源用于提供激发光束；
所述第一可变焦透镜配置于所述激发光束的传递路径上；
所述第二可变焦透镜配置于所述激发光束的传递路径上，且所述第一可变焦透镜位于所述激发光源与所述第二可变焦透镜之间，所述第二可变焦透镜用于接收从所述第一可变焦透镜出射的所述激发光束；
所述控制单元电连接于所述第一可变焦透镜及所述第二可变焦透镜，并用于同步调整所述第一可变焦透镜及所述第二可变焦透镜的焦距；以及
所述波长转换轮配置于穿过所述第二可变焦透镜的所述激发光束的传递路径上，用于将所述激发光束转换成转换光束，且所述照明光束包括所述激发光束及所述转换光束；
所述光阀配置于所述照明光束的传递路径上，且用于将所述照明光束转换为影像光束；以及
所述投影镜头配置于所述影像光束的传递路径上，且用于使所述影像光束穿过。
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