TW201908856A - 光學系統 - Google Patents

Abstract

一種光學系統，包括可輸出第一雷射光束的第一雷射光源、第一光學元件以及第一材料層。第一光學元件設於第一雷射光源的光路上。第一光學元件設有一第一表面。此第一表面上相互垂直的第一軸以及第二軸設有不同的曲率半徑。第一材料層設於第一光學元件的光路下游，且第一材料層含有光致發光材料。另一種光學系統亦被提供。

Description

光學系統

本發明是有關於一種光學系統，且特別是有關於一種適用於投影機（Projector）的光學系統。

隨著近年來固態光源及投影技術的發展，以發光二極體（Light Emitting Diode, LED）及雷射二極體（Laser Diode, LD）等固態光源為主的投影機逐漸受到市場的青睞。

於一種習知的投影機的架構中，激發光源發出的激發光束直接入射於螢光輪（Phosphor Wheel），但此種架構會使得螢光輪所承受的能量密度過高，而影響投影機的發光效率以及可靠度（Reliability）。

於另一種習知的投影機的架構中，激發光源發出的激發光束會先入射於擴散片（Diffuser）後再入射至螢光輪。擴散片用以使激發光束散射，以使入射於螢光輪的能量分佈均勻。然而，於此種投影機的架構下，會需要增設擴散片而使整體投影機的成本提高，並且擴散片的存在也會使得整體的光穿透率降低。此外，在高能量密度的激發光束下，可能會有擴散片被破壞的風險產生。

本發明提供一種光學系統，其具有良好的發光效率以及可靠度，並且具有較低的成本。

本發明的實施例的光學系統包括雷射光源、光學元件以及材料層。雷射光源可輸出雷射光束。光學元件設於雷射光源的光路上。光學元件設有一第一表面，此第一表面上相互垂直的第一軸以及第二軸設有不同的曲率半徑。第一材料層設於光學元件的光路下游。材料層含有光致發光材料。

本發明的實施例的光學系統包括第一雷射光源、螢光粉層以及第一雙錐透鏡。第一雷射光源可發出第一雷射光束。螢光粉層位於第一雷射光束的光路上。第一雙錐透鏡設置於第一雷射光源與螢光粉層之間，並位於第一雷射光束的行進路徑上，使第一雷射光束可穿透第一雙錐透鏡達到螢光粉層。

基於上述，在本發明的相關實施例的光學系統中，由於光學系統內的光學元件的表面上相互垂直的第一軸以及第二軸設有不同的曲率半徑，當雷射光束穿透此光學元件時，可以使得雷射光束所形成的光點矩陣的形狀擴張，而降低後續投射於材料層上的能量密度。由另一觀點來看本發明的相關實施例的光學系統，由於雷射光束穿透雙錐透鏡後達到螢光輪的反應區中的螢光粉層，雙錐透鏡可以使得雷射光束所形成的光點矩陣的形狀擴張，而降低後續投射於螢光粉層上的能量密度。因此，本發明相關實施例的光學系統可以在不使用擴散片的情況下，降低雷射光束投射於材料層（或螢光粉層）上的能量密度，進而使得光學系統可以具有良好的發光效率以及可靠度，同時，由於本發明相關實施例的光學系統不需使用擴散片而可達到雷射光束擴散的效果，因此也避免了擴散片被破壞的風險。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1繪示為本發明一實施例的光學系統的架構示意圖。圖2繪示為圖1中的光學系統的光學元件的上視圖。圖3為雷射光束經過圖1的光學系統的光學元件後投射於材料層上的光點矩陣的分佈圖。

本發明所指的光學元件，係指光學元件具有部份或全部可反射或穿透的材質所構成，通常包括玻璃或塑膠所組成。

請參照圖1，在本實施例中，光學系統1為投影機。光學系統1包括合光裝置10以及成像裝置20。合光裝置10包括雷射光源110、雷射光源120、合光元件130、光學元件141、透鏡群150、分光元件160、透鏡群170、透鏡群180、包括有材料層190的螢光輪PW（Phosphor Wheel）、反射鏡RM1、反射鏡RM2、反射鏡RM3。成像裝置20包括光閥22、投影鏡頭24以及全反射稜鏡26（Total Reflection Prism）。值得一提的是，在前述的光學系統中，並不需要設置擴散片即得具有對應的效果。於以下段落中將分別對光學系統1中的各元件進行說明。

本發明所指的雷射光源110以及雷射光源120分別指單一個經封裝的雷射二極體模組，或是由多枚前述的雷射二極體模組所組成的矩陣。前述的經封裝的雷射二極體模組中係包括有雷射二極體晶片（Laser Diode, LD）。在本實施例中，雷射光源110以及雷射光源120分別為多個以矩陣方式排列的經封裝的藍光雷射二極體模組。雷射光源110可輸出雷射光束L1。雷射光源120可輸出雷射光束L2。雷射光束L1以及雷射光束L2的顏色實質上為藍色。雷射光束L1以及雷射光束L2分別具有一光譜。光譜是廣泛被應用於記載光線的性質。舉例來說，光譜係指光束依照光的波長或頻率大小順次排列形成的圖案。雷射光束L1以及雷射光束L2的這些光譜的峰值波長（Peak Wavelength）分別介於400奈米至470奈米之間，雷射光束L1以及雷射光束L2的這些光譜的峰值波長為光強度最大處所對應的波長。更明確的說，雷射光束L1以及雷射光束L2在一光譜能量分佈圖譜中分別具有一相對應的光譜能量分布曲線（Spectral Energy Distribution Curve），而此分布曲線的波峰係落在藍色的波長區間（例如是400奈米至470奈米）之中。

本發明所指的合光元件130，係指可將一個以上的光束合成一光束輸出的光學元件，如條紋鏡、分色鏡(Dichroic filter)、透鏡或全反射稜鏡等。請參照圖1，在本實施例中，合光元件130為條紋鏡（Stripe Mirror）。由於條紋鏡己泛被應用於光源合光之應域。簡而言之，合光元件130具有多個交替排列的透光部份（未示出）以及反射部份（未示出）。在本實施例中，光束能夠藉由合光元件130的透光部份穿透合光元件130，並且光束能夠藉由合光元件130的反射部份而反射。

本發明所指的光學元件141為具有屈光度（Positive Refractive Power）的雙錐透鏡（Biconic Lens）或自由曲面透鏡(Free form lens)。於本實施例中，光學元件141的表面S1作為光束的入光面。表面S1上相互垂直的第一軸A1以及第二軸A2設有不同的曲率半徑（Radius of Curvature）。於其他的實施例中，光學元件141為自由曲面透鏡（Free-Form Lens），自由曲面透鏡為具有自由曲面（Free-Form Surface）的透鏡，自由曲面非為軸對稱。而光學元件141的屈光度可為正或負，於本例中，光學元件141的屈光度為正。

在本實施例中，透鏡群150具有負屈光度（Negative Refractive Power）。透鏡群170以及透鏡群180皆具有正屈光度。而各透鏡群150、170、180包括一枚或是兩枚或以上具有屈光度的透鏡。

在本發明所指的分光元件160，係指分光片、偏振片、反射鏡、透鏡、平板玻璃、稜鏡、積分柱、導光棒、或包括前述各者之至少一者之組合等可將一個光束分成數個光束輸出的元件。詳細來說，分光元件160係泛指具有分光功能的光學元件，如半反半透鏡、利用P極性、S極性分光的偏振片、各種波片、利用入光角分光的各種稜鏡、利用波長分光的分光片等等。在本實施例中，分光元件160為二向色鏡（Dichroic Mirror, DM），其具有波長選擇性，為利用波長（顏色）進行分光的分色片。在相關的實施例中，分光元件160可為具有分色功能的光學元件，且例如是為鍍附在其他構件上的分色膜或是塗層。而於本實施例中，分光元件160例如是具有可讓藍色光束穿透，並讓黃色光束、紅色光束以及綠色光束反射的分光功能或是，於本例中，分光元件160可以反射藍色光以外波長區間的光線。

在本發明所指的螢光輪PW係指的是全反射式螢光輪（Reflective Phosphor Wheel）、全穿透式螢光輪（Transmissive Phosphor Wheel）或是半穿半反式螢光輪。在本實施例中，螢光輪PW為半穿半反式螢光輪。半穿半反式螢光輪PW的圓型基板上設置有透光區以及反應區。螢光輪PW的反應區中包括有材料層190及設於其與基板之間的反光層。透光區以及反應區共同構成環狀圖形。在本發明所指的材料層190係混有光致發光材料。更明確地說，於本例中，光致發光材料為螢光粉，且反應區中得按顏色的不同而於其材料層190中混有紅光螢光粉以及綠光螢光粉。材料層190可以接收激發光束，並藉由光致發光（Photoluminescence）現象而依其中所包括的螢光粉特性而產生相對應波長的轉換光束。螢光輪PW上的透光區域則可讓光束穿透螢光輪PW。透光層可為透明材料或為未設有材料的鏤空區。而於本例中，透光層係指透明玻璃。

在本發明所指的光閥一詞已為業界所廣泛使用，一般來說，係指數位微鏡元件（Digital Micro-mirror Device, DMD）、矽基液晶面板（liquid-crystal-on-silicon panel, LCOS Panel）或是穿透式液晶面板等空間光調變器之任一者。而於本實施例中，光閥為數位微鏡元件。

在本發明所指的投影鏡頭24是由至少一枚透鏡所組成的。投影鏡頭24內部可設有孔徑光欄（或稱光圈），而孔徑光欄的前後分設有至少一透鏡以調整影像光束IB的形狀及像差等特性。於本例中，投影鏡頭24包括10枚具有屈光度的透鏡及光圈(Aperture Stop)。而於另一例中，投影鏡頭24包括少於等於20枚具有屈光度的透鏡。而於另一例中，投影鏡頭24包括少於等於8枚具有屈光度的透鏡。

本發明所指的反射鏡RM1、RM2、RM3可為用以反射光束的透鏡、稜鏡、凸面鏡、凹面鏡或平面鏡等光學元件。在本實施例中，反射鏡RM1、反射鏡RM2以及反射鏡RM3分別為平面鏡。

於以下段落中，會示例性地說明光學系統1中各元件的安排以及光束的傳輸過程。

首先，先說明本實施例的光學系統1中各元件的安排，在本實施例中，雷射光源110的光路與雷射光源120的光路彼此垂直且交於合光元件130。雷射光源110的出光處設置位置對應於合光元件130的透光部份，而雷射光源120的出光處設置位置對應於合光元件130的反射部份。光學元件141（雙錐透鏡）設於雷射光源110的光路以及雷射光源120的光路上，且光學元件141設於雷射光源110與材料層190（螢光粉層）之間。透鏡群150、透鏡群170以及透鏡群180設置於光學元件141與材料層190之間。透鏡群150、分光元件160、透鏡群170、透鏡群180、材料層190、螢光輪PW、反射鏡RM1、反射鏡RM2以及反射鏡RM3設於光學元件141的光路下游（Downstream）。本發明所指的甲元件在乙元件的光路下游，係指光束會先經過乙元件後再到達甲元件之意。成像裝置20的全反射稜鏡26設置於光閥22與投影鏡頭24之間。

接著，再說明本實施例的光學系統1中光束的傳輸過程，雷射光源110、120所發出的雷射光束L1、L2藉由合光元件130合成並輸出雷射光束L。雷射光束L依序通過光學元件141、透鏡群150、分光元件160、透鏡群170、透鏡群180後，最後傳遞至螢光輪PW上的材料層190或透光層（未示出）。螢光輪PW上的馬達（未示出）會轉動，而當光束照射螢光輪PW的材料層190中的光致發光材料時，材料層以及透光層會依序被雷射光束L照射。當雷射光束L傳遞至材料層190時，則材料層190會依序被激發出紅色光束L3R以及綠色光束L3G並被材料層190後方的反光層反射，並依序經由透鏡群180、透鏡群170、分光元件160進入成像裝置20。而當雷射光束L傳遞至螢光輪PW上的透光層時，則雷射光束L會穿透螢光輪PW而後依序被反射鏡RM1、反射鏡RM2以及反射鏡RM3所反射並經由分光元件160進入成像裝置20，如圖中的紅色光束L3R、綠色光束L3G及藍光光束L3B所示者，而前述各光束其具分別具有一光譜，且此光譜的峰值波長分別介於625奈米至740奈米、495奈米至570奈米之間以及400奈米至475奈米之間。

接著，照明光束L3會先傳遞至成像裝置20中的全反射稜鏡26而被全反射射往光閥22。光閥22將照明光束L3之各部份依時序轉換為影像光束IB後，影像光束IB再穿透全反射稜鏡26並被投影鏡頭24所接收。投影鏡頭24將影像光束IB投射至成像平面（Imaging Plane）或是屏幕上以形成影像畫面。

值得一提的是，在本實施例中，雷射光束L在尚未經過光學元件141前所形成的光點矩陣的形狀的長寬比（Aspect Ratio）例如是1：1，換言之，雷射光束L在尚未經過光學元件141前所形成的光點矩陣的形狀類似於正方形。而於材料層190上受到雷射光束L照射而激發的受激光面的長寬比（例如是16：9），受激光面在設計上通常會與光閥22的長寬比（例如是16：10）接近。在本實施例中，由於光學元件141的表面S1上相互垂直的第一軸A1以及第二軸A2設有不同的曲率半徑，可使得雷射光束L投射至材料層190上的光點矩陣的形狀擴張（例如是16：9）而與材料層190的受激光面的長寬比符合，同時，也分散了雷射光束L於材料層190上的能量密度。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的部份內容，關於相同的元件名稱可以參考前述實施例的部份內容。

圖4繪示為本發明另一實施例的光學系統的架構示意圖。圖5繪示為圖4中的光學系統的另一個光學元件的上視示意圖。圖6為雷射光束經過圖4的光學系統的兩個光學元件後投射於材料層上的光點矩陣的示意圖。

請參照圖4，圖4的光學系統1’大致類似於圖1的光學系統1。在本實施例中，光學系統1’中的合光裝置10’進一步包括有多枚光學元件142及光學元件143。在本發明所指的光學元件142、143可為雙錐透鏡或自由曲面透鏡，而在本實施例中，各光學元件142、143分別為雙錐透鏡。請參照圖5，光學元件142設有表面S2。表面S2上相互垂直的第三軸A3以及第四軸A4設有不同的曲率半徑。而光學元件143與光學元件142同。相同的標號以及元件名稱類似於圖1中的光學系統1的各元件的說明。

於以下段落中示例性地說明光學系統1’相較於光學系統1的元件的安排及光束的傳輸過程的差異。

於本例中，各光學元件142、143係設置於雷射光源110、120的光路上且設置於雷射光源110、120與合光元件130的光路之間。於本例中，雷射光源110、120前方分別係設置有多個光學元件142、143，各光學元件142、143以矩陣方式排列而形成光學元件矩陣OEM。而每一光學元件142、143分別對應雷射光源110、120中的一枚雷射二極體模組，並分別同軸設置。透過上述的配置使雷射光束L1、L2可分別依序穿透光學元件142、143以及光學元件141達到材料層190，於本例中，光學元件141為雙錐透鏡。

請參照圖6，承上述，在本實施例的光學系統1’中，光學元件141除了對雷射光束L所形成的光點矩陣的形狀擴張之外，光學元件142更對雷射光束L1以及雷射光束L2在光點矩陣中所分別形成的每一個光點個別地調整其形狀。也就是說，本實施例的光學系統1’透過光學元件142的設置，可以個別地擴張在雷射光束L投射至材料層190（或螢光粉層）上的光點矩陣中的每一個光點的大小，進而更進一步地降低在材料層190（或螢光粉層）上的能量密度。

圖7繪示為本發明再一實施例的光學系統的架構示意圖。圖8繪示為在習知技術中雷射光束經過擴散片後投射於材料層上的光點示意圖。圖9繪示為雷射光束經過圖7的光學系統的光學元件陣列後投射於材料層上的光點示意圖。

請參照圖7，圖7的光學系統1’’大致類似於圖1的光學系統1，於此處就差異之處簡要說明如下。在本實施例中，光學系統1’’中的合光裝置10’’不具有雷射光源120、光學元件142、合光元件130以及透鏡群1506。相同的標號以及元件名稱類似於圖1的光學系統1以及圖4的光學系統1’’的各元件的說明，於此不再贅述。惟於另一例中，可參酌其他的實施例選擇性地增加雷射光源120及合光元件130以增加雷射光束的強度。

於以下段落中示例性地說明光學系統1’’的安排及光束的傳輸過程。光學系統1’’的多個光學元件141以矩陣方式且緊密排列而形成光學元件矩陣OEM’。而每一光學元件141分別對應雷射光源110中的一枚雷射二極體模組，並分別同軸設置，且光學元件141的表面S1作為光束的出光面。

接著，雷射光束L1依序穿透光學元件141、分光元件160、透鏡群170、透鏡群180，最後傳遞至螢光輪PW上的材料層190上，而其傳輸過程皆類似於光學系統1。

請參照圖8以及圖9，由圖8與圖9相比較後，可看出雷射光束L1經過光學元件陣列OEM’’後投射於材料層190上的光點擴散的效果（如圖9）較明顯於經過擴散片投射於材料層190上的光點擴散的效果（如圖8）。換言之，本實施例的光學系統1’’對於雷射光束L的擴散效果相較於在習知技術中使用擴散片的方式的擴散效果為佳。

綜上所述，在本發明的相關實施例的光學系統中，由於光學系統內的光學元件的表面上相互垂直的第一軸以及第二軸設有不同的曲率半徑，當雷射光束穿透此光學元件時，可以使得雷射光束所形成的光點矩陣的形狀擴張，而降低後續投射於材料層上的能量密度。由另一觀點來看本發明相關實施例的光學系統，由於雷射光束穿透雙錐透鏡後達到螢光輪的反應區中的螢光粉層，雙錐透鏡可以使得雷射光束所形成的光點矩陣的形狀擴張，而降低後續投射於螢光粉層上的能量密度。因此，本發明相關實施例的光學系統可以在不使用擴散片的情況下，降低雷射光束投射於材料層（或螢光粉層）上的能量密度，進而使得光學系統可以具有良好的發光效率以及可靠度。同時，由於本發明相關實施例的光學系統不需使用擴散片而可達到雷射光束擴散的效果，因此也避免了擴散片被破壞的風險。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1、1’、1’’‧‧‧光學系統

10、10’、10’’‧‧‧合光裝置

20‧‧‧成像裝置

22‧‧‧光閥

24‧‧‧投影鏡頭

26‧‧‧全反射稜鏡

110、120‧‧‧雷射光源

130‧‧‧合光元件

141、142、143‧‧‧光學元件

150、170、180‧‧‧透鏡

160‧‧‧分光元件

190‧‧‧材料層

A1‧‧‧第一軸

A2‧‧‧第二軸

A3‧‧‧第三軸

A4‧‧‧第四軸

IB‧‧‧影像光束

L、L1、L2‧‧‧雷射光束

L3‧‧‧照明光束

L3R‧‧‧紅色光束

L3B‧‧‧藍色光束

L3G‧‧‧綠色光束

LD‧‧‧經封裝的藍光雷射二極體晶片

PW‧‧‧螢光輪

RM1、RM2、RM3‧‧‧反射鏡

S1、S2、S3‧‧‧表面

OEM、OEM’‧‧‧光學元件矩陣

圖1繪示為本發明一實施例的光學系統的架構示意圖。 圖2繪示為圖1中的光學系統的光學元件的上視示意圖。 圖3為雷射光束經過圖1的光學系統的光學元件後投射於材料層上的光點矩陣的分佈圖。 圖4繪示為本發明另一實施例的光學系統的架構示意圖。 圖5繪示為圖4中的光學系統的另一個光學元件的上視示意圖。 圖6為雷射光束經過圖4的光學系統的兩個光學元件後投射於材料層上的光點矩陣的分佈圖。 圖7繪示為本發明再一實施例的光學系統的架構示意圖。 圖8繪示為雷射光束經過擴散片後投射於材料層上的光點分佈圖。 圖9繪示為雷射光束經過圖7的光學系統的光學元件陣列後投射於材料層上的光點分佈圖。

Claims (10)

1. 一種光學系統，包括： 一第一雷射光源，可輸出一第一雷射光束； 一第一光學元件，設於該第一雷射光源的光路上，該第一光學元件設有一第一表面，該第一表面上相互垂直的一第一軸以及一第二軸設有不同的曲率半徑；以及 一第一材料層，設於該第一光學元件的光路下游，該第一材料層含有光致發光材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中該第一光學元件為一雙錐透鏡或一自由曲面透鏡，該第一光學元件之屈光度為正。
3. 如申請專利範圍第2項所述的光學系統，進一步包括有一第二光學元件，該第二光學元件設置於該第一雷射光源的光路上，該第二光學元件設有一第二表面，該第二表面上相互垂直的一第三軸以及一第四軸設有不同的曲率半徑，且該第一光學元件及該第一材料層設於該第二光學元件的光路下游，該第二光學元件為一雙錐透鏡或一自由曲面透鏡，該第二光學元件之屈光度為正。
4. 如申請專利範圍第3項所述的光學系統，進一步包括： 一第二雷射光源，可輸出一第二雷射光束； 一第三光學元件，設於該第二雷射光源的光路上，該第三光學元件設有一第三表面，該第三表面上相互垂直的一第五軸以及一第六軸設有不同的曲率半徑，且該第一光學元件及該第一材料層設於該第三光學元件的光路下游，該第三光學元件為一雙錐透鏡或一自由曲面透鏡，該第三光學元件之屈光度為正。
5. 如申請專利範圍第4項所述的光學系統，更包括： 一合光元件，設置於該第一雷射光源及該第二雷射光源的光路上，該合光元件可反射該第一雷射光束及該第二雷射光束之任一者，並使另一者穿透；以及 一透鏡，具有正屈光度，該透鏡設置於該第一光學元件與該第一材料層之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，進一步包括有： 一第二光學元件，設於該第一雷射光源的光路上，該第二光學元件設置於該第一雷射光源及該第一光學元件之間； 一第二雷射光源，可輸出一第二雷射光束； 一第三光學元件，設於該第二雷射光源的光路上，該第三光學元件設置於該第二雷射光源及該第一光學元件之間； 一透鏡，具有正屈光度，該透鏡設置於該第一光學元件與該第一材料層之間；以及 一合光元件，設置於該第一雷射光源及該第二雷射光源的光路上，該合光元件可反射該第一雷射光束及該第二雷射光束之任一者，並使另一者穿透； 其中，該第一光學元件、該第二光學元件與該第三光學元件分別為一雙錐透鏡或一自由曲面透鏡，且該第一光學元件的屈光度、該第二光學元件與該第三光學元件的屈光度為正，該第一材料層為一螢光輪，該合光元件為一條紋鏡。
7. 一種光學系統，包括： 一第一雷射光源，可發出一第一雷射光束； 一螢光粉層，位於該第一雷射光束的光路上；以及 一第一雙錐透鏡，設置於該第一雷射光源與該螢光粉層之間，並位於該第一雷射光束的行進路徑上，使該第一雷射光束可穿透該第一雙錐透鏡達到該螢光粉層。
8. 如申請專利範圍第7項所述的光學系統，進一步包括有一第二雙錐透鏡，該第二雙錐透鏡設置於該第一雷射光源的光路上並位於該第一雷射光源及該第一雙錐透鏡之間，該第一雷射光束可依序穿透該第二雙錐透鏡及該第一雙錐透鏡後到達該螢光粉層，其中該第一雙錐透鏡以及該第二雙錐透鏡之屈光度分別為正。
9. 如申請專利範圍第8項所述的光學系統，進一步包括有一第二雷射光源，可發出一第二雷射光束，該第二雷射光源及該第一雙錐透鏡之間設有一第三雙錐透鏡，該第二雷射光束可依序穿透該第三雙錐透鏡及該第一雙錐透鏡後到達該螢光粉層，其中該第三雙錐透鏡之屈光度為正。
10. 如申請專利範圍第7項所述的光學系統，其進一步包括有一螢光輪，該螢光輪包括有該反應區及一透光區，該反應區設置有該螢光粉層。