TW202111357A

TW202111357A - 光源模組

Info

Publication number: TW202111357A
Application number: TW108133124A
Authority: TW
Inventors: 蔡威弘
Original assignee: 揚明光學股份有限公司
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-03-16
Also published as: TWI696851B; US20210080629A1; CN112485957A

Abstract

一種光源模組，包括一第一色光源、一第二色光源、一第三色光源、一第一固定式光柵、一第二固定式光柵、一第三固定式光柵以及一第四固定式光柵。第一色光源、第二色光源及第三色光源顏色實質相異，且第一色光源、第二色光源及第三色光源的出光方向均為相同，為一第一方向。第一固定式光柵設於第一色光源的光學下游。第二固定式光柵設於第二色光源的光學下游。第三固定式光柵設於第三色光源的光學下游。第四固定式光柵同時設於第一固定式光柵、第二固定式光柵、第三固定式光柵的光學下游，其中該第一固定式光柵和第一色光源之間的光學路徑、第二固定式光柵和第二色光源之間的光學路徑以及第三固定式光柵和第三色光源之間的光學路徑相互獨立。

Description

光源模組

本發明是有關於一種光源模組，且特別是有關於一種利用於投影機的光源模組。

傳統以二極體為光源的投影機包括光源模組光閥以及投影鏡頭。光源模組通常包括多個不同顏色的發光二極體以多片分色鏡等光學元件，各不同顏色的光線經由二平行的分色鏡合光為一照明光束後，經由全反射稜鏡（TIR PRISM）的全反射面反射進入光閥，光閥將照明光束轉換為影像光束後經投影鏡頭輸出。而然，傳統採用分色鏡架構的光源模組體積較大，不利投影機的小形化。

本發明提供一種光源模組，藉由採用繞射光學元件來大幅減少裝置厚度。

本發明的一實施例提供一種光源模組，包括一第一色光源、一第二色光源、一第三色光源、一第一固定式光柵、一第二固定式光柵、一第三固定式光柵以及一第四固定式光柵。第一色光源、第二色光源及第三色光源顏色實質相異，且第一色光源、第二色光源及第三色光源的出光方向均為相同，為一第一方向。第一固定式光柵設於第一色光源的光學下游。第二固定式光柵設於第二色光源的光學下游。第三固定式光柵設於第三色光源的光學下游。第四固定式光柵同時設於第一固定式光柵、第二固定式光柵、第三固定式光柵的光學下游，其中該第一固定式光柵和第一色光源之間的光學路徑、第二固定式光柵和第二色光源之間的光學路徑以及第三固定式光柵和第三色光源之間的光學路徑相互獨立。

在本發明的另一實施例提供一種光源模組，包括沿一第一方向依序排列的一第一導波器、一第二導波器及一第三導波器。第一導波器包括一第一固定式光柵。第二導波器包括一第二固定式光柵，第二固定式光柵設於第一固定式光柵的光學下游。第三導波器包括一第三固定式光柵，第三固定式光柵設於第一固定式光柵以及第二固定式光柵的光學下游。第一色光源的出光方向在第一導波器入射面上與一第二方向呈一第一夾角，第一夾角小於70度。第二色光源的出光方向在第二導波器入射面上與第二方向呈一第二夾角，第二夾角小於70度。第三色光源的出光方向在第三導波器入射面上與第二方向呈一第三夾角，第三夾角小於70度。其中，第一色光源、第二色光源及第三色光源的顏色相異，且第一方向與第二方向相互垂直。

基於上述，在本發明的光源模組中，光源所提供的光束可藉由固定式光柵的配置產生繞射作用以改變傳遞方向及進行合光。如此一來，可節省準直光學元件，並且大幅減少裝置厚度。

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。

本發明中的導波器（WAVEGUIDE），又稱為波導。而本發明中的固定式光柵，是一個具有固定分佈折射率的光柵，沒有外接電極和電場可改變其折射率分佈，是相對於可切換式光柵（Switchable grating），例如可切换布拉格光栅（SBG），是一種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。當電場通過透明電極被施加到全息圖時，其中的液晶的自然取向（natural orientation）改變，從而改變其光柵的折射率分佈。而本發明中的導波器中的光柵，其析射率是固定的。

圖1A為本發明的第一實施例中投影機的示意圖。由圖可見，投影機1包括光源模組100、光均勻化元件200、全反射稜鏡300、光閥400以及投影鏡頭500。

光均勻化元件200可以是複眼透鏡（flyeye）、積分柱（intergration rod）等其他已知可將光束均勻化的光學元件。於本例中，光均勻化元件200為一複眼透鏡。

稜鏡（prism）300可以為一全反射稜鏡（TIR prism）或反向全反射稜鏡（TIR PRISM）。於本例中，稜鏡300為一由兩枚三角柱狀稜鏡組合而成的全反射稜鏡，惟於應用時，亦可僅應用單一稜鏡取代之亦可。

光閥400為可將照明光轉換為影像光的元件。光閥可以為一數位微鏡裝置（DMD）、液晶（LCD）晶片、矽基液晶（Liquid Crystal On Silicon）晶片等已知可將照明光轉換為影像光的元件。於本例中，光閥400為一矽基液晶晶片。

圖1B為本發明第一實施例的光源模組的示意圖。請參考圖1A及圖1B。本實施例提供一種光源模組100，用於經由一均勻光元件300對光閥400提供一照明光（光束L1、L2、L3）。

於本例中，光源模組100包括三組能發出不同顏色的光源（光源111、112、113），六組用於繞射光線的固定式光柵121、122、123、124、125、126。而各固定式光柵121、122、123、124、125、126係分別設置於三組導波器中（導波器131、132、133）。於本例中，導波器131、132、133並不設置於光閥400和投影鏡頭500的光路上。再者，請參圖1B，於本例中，光源111、112、113所輸出的光線是在未經過其他光學元件而直接入射導波器131的，導波器131和光源111、112、113之間可選擇性的包括或是不包括，例如是透鏡、稜鏡、光圈、勻光元件、準直元件等光學元件，本發明的其他實施例亦然。

本實施例圖式中所繪式的光線、結構型狀僅作為示意，並不代表其實際光路及結構樣貌。

本發明所謂的光源111、光源112及光源113包括雷射二極體發光晶片（LD）的雷射二極體發光模組，又或是其他任何可以輸出準直光線的光源，例如包括發光二極體晶片（LED）的發光二極體模組、準直光學元件、偏振光調整單元（如1/2波片、1/4波片）、偏振分光器（PBS）等元件的組合，即為其例。於本例中，光源111、112及113分別為一雷射二極體發光模組，光源111、光源112及光源113可用以輸出單色光線。於本例中，光源111可輸出紅光，光源112可輸出綠光，而光源113則可輸出藍光，亦即光源111、112及113所輸出的光線的顏色是實質相異的。

於本例中，

第一導波器131包括兩片例如由玻璃或塑膠所製成的透光平板，而在二平板之間灌有高分子材料的夾層。而夾層中的特定區域有形成有固定式光柵。

請參酌圖1C，圖1C為本發明一實施例中固定式光柵的結構示意圖。固定式光柵121、122、123、124、125、126的結構類似，將不一一予以贅述。由圖可見，固定式光柵121由多組第一材料層1211和第二材料層1212相互交錯排列而成。第一材料層1211包括高分子材料，第二材料層1212則為高分子材料和液晶材料的混合物。藉由第一材料層1211和第二材料層1212折射率的差異，可對特定波長的光線產生折射效果。在本實施例中，固定式光柵121、122、123、124、125、126為穿透式光柵。固定式光柵121、122、123、124、125、126除分別形成於2片例如由玻璃或塑膠所製成的透光平板之間外，亦可形成於單一透光平板的一表面上。另外，固定式光柵121、122、123、124、125、126除了液晶及高分子材料外，亦可以其他材料製造而成，本發明不予限制。

在本實施例中，第一導波器131沿第一方向D1上的厚度大於0.1毫米並在小於等於5、3及1.5毫米時，其體積和強度的比例為最佳、更佳及佳。於本例中，約為1毫米，但本發明並不限於此。於本例中，固定式光柵121藉由上下兩層透光平板(玻璃板)夾置並固定。而透光平板的上下表面可形成一全反射介面，藉由全反射介面，光束可於上、下透光平板之間全反射而傳遞至特定位置，可節省準直光學元件。第二導波器132及第三導波器133的設計與第一導波器131近似，將不予贅述。而相對於二透光平板的設計，於另一例中，可將其中之一平板省略，並將前述的夾層露出亦可。

在本實施例中，固定式光柵121及固定式光柵126可轉折紅光；固定式光柵122可轉折綠光；固定式光柵125可轉折綠光並讓紅光通過；固定式光柵123可轉折藍光；固定式光柵124可轉折藍光並讓紅光及綠光通過；亦即固定式光柵121、122、123、124、125、126分別對不同波長的光束產生光學作用。

在不同的實施例中，固定式光柵121、122、123、124、125、126可藉由設計其中液晶分子的濃度或幾何結構而改變其可作用的特定光束。舉例而言，調整固定式光柵中各區域的液晶分子相對於高分子材料的濃度可改變液晶分子與高分子材料之間的折射率差，進而可調整固定式光柵各區域的繞射效率，如圖2所繪示者。另一方面，若調整固定式光柵中，第一材料層和第二材料層之間的介面的傾斜角度和，第一材料層和第二材料層的排列密度(週期的長短疏密)，亦可改變繞射效率。

以固定式光柵126為例，其可調整紅光的行進方向並使紅光穿透固定式光柵126本身經由出光面輸出第一導波器。在其他實施例中，固定式光柵121至固定式光柵126可使用反射式光柵，即讓對應波長的光束可藉由反射的方式輸出導波器，同時，反射式光柵可選擇性的允許其他具有不同波長的光束通過。

在本實施例中，第一導波器131、導波器132以及導波器133沿第一方向D1依序堆疊且相互具有至少微米等級的間隔G，間隔G中可存在空氣。而固定式光柵121設於光源111的第一方向D1處且配置於第一導波器131內、固定式光柵122設於光源112的第一方向D1處且配置於導波器132內、固定式光柵123設於光源113的第一方向D1處且配置於導波器133內。固定式光柵121、固定式光柵122及固定式光柵123在第一方向D1上分別錯開。換句話說，光源111、光源112及光源113和固定式光柵121、固定式光柵122及固定式光柵123之間的光路是分別獨立且不交錯的。光源111、光源112及光源113在第一方向D1上分別錯開且分別提供不同顏色的第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3至固定式光柵121、固定式光柵122及固定式光柵123。而第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3藉由固定式光柵121、固定式光柵122及固定式光柵123產生繞射作用並分別於導波器131、導波器132以及導波器133內部傳遞。第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3在導波器內部傳遞的過程中，分別藉由在第一導波器131、導波器132以及導波器133與間隔G中空氣或外界空氣的折射率差而在表面內產生全反射。

固定式光柵124同時設於固定式光柵121、固定式光柵122及固定式光柵123的光學下游（或稱光路下游），固定式光柵125設於固定式光柵122的光學下游，且固定式光柵126設於固定式光柵121的光學下游。其中，固定式光柵124、固定式光柵125及固定式光柵126在第一方向D1上相互重疊。換句話說，經由固定式光柵121繞射作用而於第一導波器131中傳遞的第一光束L1會經由固定式光柵126繞射作用並由固定式光柵124出射。經由固定式光柵122繞射作用而於導波器132中傳遞的第二光束L2會經由固定式光柵125繞射作用並經由固定式光柵124出射，且與第一光束L1合光。經由固定式光柵123繞射作用而於導波器133中傳遞的第三光束L3會經由固定式光柵124繞射作用並由導波器133出射，且與第一光束L1及第二光束L2合光。因此，藉由固定式光柵與導波器的設計，本實施例的光源模組100可對第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3進行合光作用，且第一導波器131、導波器132以及導波器133所占厚度僅約3毫米。如此一來，可節省準直光學元件，並且大幅減少裝置厚度。

圖2為圖1B的光源模組的部份放大圖。請參考圖1B及圖2。在本實施例中，固定式光柵可隨著材料排列密度、材料濃度或幾何結構的設計不同，而使光束L藉以產生不同的繞射程度。舉例而言，在導波器133中，固定式光柵124不同區段的繞射程度可由鄰近入光側的一端至遠離入光側的一端依序分別配置為20%、25%、33%、50%以及100%。因此，可使光束L藉以在這些不同的區段產生相同為20%入射光強度的發光強度。如此一來，可透過固定式光柵在不同區段的設計而進一步提升出光的均勻度。

圖3為本發明第二實施例的光源模組的示意圖。請參考圖3。本實施例的光源模組100A類似於圖1B所繪示的光源模組100。兩者不同之處在於，在本實施例中，光源模組100A中的固定式光柵121至固定式光柵126A的至少其中一者為反射式光柵。舉例而言，在本實施例中，固定式光柵124A、固定式光柵125A及固定式光柵126A為反射式光柵。但在不同實施例中，本發明並不限於此。

圖4為本發明第三實施例的光源模組的示意圖。請參考圖4。本實施例的光源模組100B類似於圖1B所繪示的光源模組100。兩者不同之處在於，在本實施例中，導波器130包括固定式光柵121至固定式光柵126。詳細而言，固定式光柵121至固定式光柵126的相對位置與圖1B所繪示的相對位置相同，但配置於同一導波器130內。意即，第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3在導波器130與外界空氣的表面內產生全反射。而關於固定式光柵121至固定式光柵126在第一方向D1上的相對配置，可藉由設置多個玻璃平板加以區隔，如圖4所繪示。舉例而言，本實施例使用六層玻璃平板夾置並固定三層光柵結構，但本發明並不限於此。在另一實施例中，導波器130可藉由將固定式光柵121和固定式光柵122之間；及固定式光柵122和固定式光柵123之間的兩層玻璃平板，分別以一層玻璃平板替代；即僅包括四層玻璃平板，藉由減少玻璃平板的數量，導波器130的厚度可減少至僅約2毫米。

圖5為本發明第四實施例的光源模組的示意圖。請參考圖5。本實施例的光源模組100C類似於圖1B所繪示的光源模組100。兩者不同之處在於，在本實施例中，藉由讓各光源側向入射，可減少固定式光柵的數量。

而為了讓入射光束可於各導波器內全反射，圖5中所繪示的實施例中的各導波器131、132、133的入光角度是有所限制的。光源111（第一色光源）的出光方向在導波器131入射面S1上與第二方向D2呈一小於70度的夾角。第二方向D2與第一方向D1相互垂直。光源112（第二色光源）的出光方向在導波器132入射面S2上與第二方向D2呈一小於70度的夾角。光源113(第三色光源)的出光方向在導波器133入射面S3上與第二方向D2呈一小於70度的夾角。

於本例中，導波器131上玻璃平板的折射率約為1.7，故其夾角B1需約於65度以下時，其產生全反射的效率較高。而考量導波器平板材料的不同，其折射率也為相異，相關夾角亦應一併調整，惟通案而言，第一夾角B1、第二夾角B2及第三夾角B3建議小於（含）70度，並於小於60、45及30度時，其全反射的效果分別為佳、更佳及最佳。

光源111、光源112及光源113分別所發出的第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3分別由第一導波器131、導波器132及導波器133的側邊入射。因此，可使得第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3分別在第一導波器131、導波器132及導波器133內傳遞並達成全反射條件。此外，固定式光柵131、固定式光柵132及固定式光柵133改變成用以分別讓第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3出射導波器並進行合光，且在固定式光柵131、固定式光柵132及固定式光柵133在第一方向D1上相互重疊。如此一來，本實施例的光源模組100C可節省固定式光柵，並且大幅減少裝置厚度。

圖6為本發明第五實施例的光源模組的示意圖。請參考圖6。請參考圖6。本實施例的光源模組100D類似於圖1B所繪示的光源模組100。兩者不同之處在於，在本實施例中，僅配置一導波器130A，且導波器130A包括固定式光柵121、122、123、124。換句話說，即光源111、光源112及光源113分別所發出的第一光束L1、第二光束L2及第三光束L3同時在導波器130A藉由全反射作用傳遞至固定式光柵124，並藉由固定式光柵124出射導波器130A並進行合光。在本實施例中，導波器130A所占厚度僅約1毫米。如此一來，可節省準直光學元件，並且大幅減少裝置厚度。而固定式光柵124可讓偏折光源111、112、113對應顏色的光線並使之輸出導波器130A。

綜上所述，在本發明的光源模組中，光源所提供的光束可藉由固定式光柵的配置產生繞射作用以改變傳遞方向及進行合光。如此一來，可節省準直光學元件，並且大幅減少裝置厚度。

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。

100、100A、100B、100C、100D:光源模組 111、112、113:光源 121、122、123、124、124A、125、125A、126、126A:固定式光柵 1211:第一材料層 1212:第二材料層 130、130A、131、132、133:導波器 200:光均勻化元件 300:稜鏡 400:光閥 500:投影鏡頭 B1:第一夾角 B2:第二夾角 B3:第三夾角 D1:第一方向 D2:第二方向 G:間隔 L、L1、L2、L3:光束 S1、S2、S3:入射面

圖1A為本發明的第一實施例中投影機的示意圖。圖1B為本發明第一實施例的光源模組的示意圖。圖1C為本發明一實施例中固定式光柵的結構示意圖。圖2為圖1B的光源模組的部份放大圖。圖3為本發明第二實施例的光源模組的示意圖。圖4為本發明第三實施例的光源模組的示意圖。圖5為本發明第四實施例的光源模組的示意圖。圖6為本發明第五實施例的光源模組的示意圖。

100:光源模組

111、112、113:光源

121、122、123、124、125、126:固定式光柵

131、132、133:導波器

D1:第一方向

G:間隔

L1、L2、L3:光束

Claims

一種光源模組，包括：一第一色光源；一第二色光源；一第三色光源，該第一色光源、該第二色光源及該第三色光源的顏色實質相異，且該第一色光源、該第二色光源及該第三色光源的出光方向均為相同，為一第一方向；一第一固定式光柵，設於該第一色光源的光學下游；一第二固定式光柵，設於該第二色光源的光學下游；一第三固定式光柵，設於該第三色光源的光學下游；以及一第四固定式光柵，同時設於該第一固定式光柵、該第二固定式光柵、該第三固定式光柵的光學下游；其中，該第一固定式光柵和該第一色光源之間的光學路徑、該第二固定式光柵和該第二色光源之間的光學路徑以及該第三固定式光柵和該第三色光源之間的光學路徑相互獨立。
如申請專利範圍第1項所述的光源模組，還包括：一第五固定式光柵，設於該第二固定式光柵的光學下游；以及一第六固定式光柵，設於該第一固定式光柵的光學下游；其中，該第五固定式光柵設於該第六固定式光柵的光學下游；該第四固定式光柵同時設於該第五固定式光柵及該第六固定式光柵的光學下游。
如申請專利範圍第2項所述的光源模組，其中該第一固定式光柵、該第二固定式光柵、該第三固定式光柵、該第四固定式光柵、該第五固定式光柵及該第六固定式光柵的至少其中一者為反射式光柵。
如申請專利範圍第2項所述的光源模組，還包括：一第一導波器，包括該第一固定式光柵及該第六固定式光柵；一第二導波器，包括該第二固定式光柵及該第五固定式光柵；以及一第三導波器，包括該第三固定式光柵及該第四固定式光柵。
如申請專利範圍第4項所述的光源模組，其中該第一導波器、該第二導波器及該第三導波器之間分別設有一間隔。
如申請專利範圍第1項所述的光源模組，其中，該第一固定式光柵、該第二固定式光柵、該第三固定式光柵及該第四固定式光柵設置於單一導波器之中。
如申請專利範圍第6項所述的光源模組，其中，該第一固定式光柵、該第二固定式光柵、該第三固定式光柵、該第四固定式光柵、該第五固定式光柵及該第六固定式光柵設置於單一導波器之中。
一種光源模組，包括：沿一第一方向依序排列的一第一導波器、一第二導波器及一第三導波器；該第一導波器包括一第一固定式光柵；該第二導波器包括一第二固定式光柵，該第二固定式光柵設於該第一固定式光柵的光學下游；該第三導波器包括一第三固定式光柵，該第三固定式光柵設於該第一固定式光柵以及該第二固定式光柵的光學下游；一第一色光源，該第一色光源的出光方向在該第一導波器入射面上與一第二方向呈一第一夾角，該第一夾角小於70度；一第二色光源，該第二色光源的出光方向在該第二導波器入射面上與該第二方向呈一第二夾角，該第二夾角小於70度；以及一第三色光源，該第三色光源的出光方向在該第三導波器入射面上與該第二方向呈一第三夾角，該第三夾角小於70度；其中，該第一色光源、該第二色光源及該第三色光源的顏色相異，且該第一方向與該第二方向相互垂直。
如申請專利範圍第8項所述的光源模組，其中該第一導波器、該第二導波器及該第三導波器之間分別設有一間隙。
如申請專利範圍第8項所述的光源模組，其中該第一固定式光柵、該第二固定式光柵及該第三固定式光柵的至少其中一者為反射式光柵。