TWI410740B - 光源系統及包含該光源系統之投影裝置 - Google Patents

Description

光源系統及包含該光源系統之投影裝置

本發明係關於一種光源系統以及包含光源系統之投影裝置。更詳細地說，本發明係為一種將特定波段光線進行波長轉換之光源系統以及使用此光源系統之投影裝置。

近年來由於投影裝置的製造技術逐漸提升，投影裝置輕薄短小已成為市場主流。市場求新求變的需求導引投影裝置的設計持續改進，投影裝置製造廠商必需因應地開發各種不同更小型、效率更好、成像品質更佳之投影裝置，以滿足市場需求。

請參看第1圖，所示係為習知技術中投影機1之光源系統11，其利用藍色固態光源111、紅光發光二極體112以及具有綠色螢光材料之波長轉換元件113，取代傳統使用單一光源投射至塗佈螢光材料之色輪的方式，並將反射或轉換後的光線聚焦至成像系統以方便成像。但由於藍光需經過多次反射後，才得以與綠光及紅光合光，藍光經過多重反射後，其光線能量將大幅折損；再者，因發光二極體之發射光線屬於散射光，故須多個聚光透鏡集中匯聚光線以提高發光效率，但如此一來，投影機1勢必需要較大的內部空間方足以容納多個聚光元件，無法符合市場上輕薄短小的需求。

綜上所述，要如何使得投影裝置同時具有較高效率之光源系統以及較小之體積，並能夠減少光線能量的浪費，便為此業界亟需努力之目標。

本發明之一目的在於提供一種光源系統，此光源系統可應用於投影裝置上，藉以達成投影裝置小型化及提升發光效率之目的。

為達成前述目的，本發明提供一種投影裝置，其包含一成像系統與一光源系統。光源系統包含一第一光源、一分光元件以及一輪盤。第一光源提供一第一波段光線。分光元件具有一第一分光部及一第二分光部。輪盤具有一波段轉換區域及一反射區域。其中，第一波段光線經第一分光部反射至輪盤，當第一波段光線投射至波段轉換區域時，波段轉換區域將第一波段光線轉換為一第二波段光線，並通過第一分光部及第二分光部射出。當第一波段光線投射至反射區域，則反射區域將反射第一波段光線以通過第二分光部射出。藉由光源系統提供光線，成像系統便得以將光線進行成像。

綜上所述，本發明之光源系統可將光源進行最佳化之利用，以提高使用本發明之光源系統的投影裝置之顯示畫面的亮度，使用本發明之光源系統的投影裝置還能夠避免因過於複雜的光源組件之配置，而造成能源之過度使用或投影裝置之體積增加的問題。

在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，所屬技術領域具有通常知識者便可瞭解本發明之其它目的、優點以及本發明之技術手段及實施態樣。

以下將透過實施方式來解釋本發明內容，本發明係關於一種光源系統以及使用該光源系統之投影裝置。投影裝置可以是數位光學處理（Digital Light Processing；DLP）投影顯示器或是液晶（Liquid Crystal Display；LCD）投影顯示器等具有投影顯示功能之設備。需說明者，在下述的實施例以及附圖中，關於實施方式之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以直接限制本發明，同時，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件均已省略而未繪示；且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，非用以限制實際比例。

本發明之第一實施例係為ㄧ種用於一投影裝置（圖未示出）之光源系統2，其示意圖如第2圖所示。投影裝置包含一光源系統2以及一成像系統（圖未示出）。投影裝置之光源系統2係用以提供一光線，並將光線輸出至成像系統，適使成像系統將光線成像以顯示一投影畫面。本發明第ㄧ實施例之光源系統2包括一第一光源21、一分光元件22、一輪盤23、一第二光源24、一光線回收元件25、二第一聚光元件26、一第二聚光元件27及一集光元件28。

請同時參考第2圖，第一光源21包含複數個藍光雷射光源211及複數個反射鏡213，用以提供複數個一第一波段光線212，且第一波段光線212屬於一藍色波段範圍之光線。其中，第3圖所示為第2圖中第一光源21之示意圖，經由反射鏡213中的透明部分214及反射部分216，適可將複數個第一波段光線212之光線集中向同一方向射出。是故，藉此便可加強第一波段光線212之光線強度。然需說明的是，本發明之第一光源設置方式並不以上述為限，熟知本項技術領域者亦可以其他光源架構替代。

第二光源24則包含一紅色發光二極體(Light Emitting Diode，LED)，適用以提供一第三波段光線241，而第三波段光線241係紅色波段範圍內之光線。第二光源24亦可相應設置聚光元件（亦即如第2圖所示之聚光透鏡），以使光線投射較為集中。

分光元件22具有一第一分光部221及一第二分光部222，其中第一分光部221係反射第一波段光線212及第三波段光線241，且允許一第二波段光線2111通過；而第二分光部222係允許第一波段光線212及第二波段光線2111通過，且反射第三波段光線241，其中本實施例之第二波段光線2111係綠色波段範圍內之光線。換言之，當第一波段光線212（藍光）投射至分光元件22時，將經過分光元件22反射再由第一聚光元件26聚焦至輪盤23；當第二波段光線2111（綠光）投射至分光元件22時，均會直接通過第一分光部221及第二分光部222；當第三波段光線241（紅光）投射至分光元件22時，則會受到第一分光部221及第二分光部222反射。

第一聚光元件26將經過第一分光部221反射之第一波段光線212集中投射至波段轉換區域231或反射區域232上，且於本實施例中，第一聚光元件26為一凸透鏡。於本發明之其他實施態樣中，熟知此項技術領域者可輕易推及其他數目之聚光元件、具有各種型態或材質之聚光元件的態樣。

請同時參考第2圖及第4圖，其中，第4圖所示為第2圖中輪盤23之示意圖，輪盤23具有一波段轉換區域231及一反射區域232，而波段轉換區域231係塗佈一綠色螢光材料，用以將第一波段光線212轉換成第二波段光線2111；反射區域232則是反射第一波段光線212。經由波段轉換區域231轉換之第二波段光線2111會直接通過第一分光部221及第二分光部222，再由第二聚光元件27聚焦；而經反射區域232反射之第一波段光線212會直接通經過第二分光部222，再由第二聚光元件27聚焦。於本發明中，反射區域可為塗佈一反射性材料，或直接以反射鏡製成。

於本發明之輪盤中，波段轉換區域231之ㄧ面積與反射區域232之ㄧ面積係與第二光源24之ㄧ工作週期（duty cycle）相關。以本實施例而言，第一波段轉換區域231及反射區域232在輪盤23上之ㄧ面積比值係為2：1；熟知此項技術領域者可依光源強度及色彩表現之需要，適度調整各區域於輪盤上之面積比例。

光線回收元件25係將穿透波段轉換區域231之第一波段光線212或第二波段光線2111反射，並聚焦至波段轉換區域231，進而再次轉換成第二波段光線2111。

第二聚光元件27係將所有通過或反射自分光元件22之光線集中聚焦於集光元件28之入光端，且於本實施例中，第二聚光元件27為一凸透鏡。於本發明之其他實施態樣中，熟知此項技術領域者可輕易推及其他數目之聚光元件、具有各種型態或材質之聚光元件的態樣。此外，本發明之集光元件28可為一光通道或一集光柱。

以下將詳細介紹本實施例之光源系統2的運作機制。

當第一光源21呈開啟狀態而第二光源24呈關閉狀態時，第一光源21之藍光雷射光源211發射第一波段光線212，經由反射鏡213將第一波段光線212全部引導至第一分光部221，第一波段光線212受到第一分光部221反射，再經由第一聚光元件26將第一波段光線212聚焦至輪盤23上的反射區域232，此時反射區域232會反射第一波段光線212以通過第二分光部222，再經由第二聚光元件27聚焦至集光元件28以進行均光，適以提供均勻後之第一波段光線212至成像系統進行成像。

同樣地，當第一光源21呈開啟狀態而第二光源24呈關閉狀態時，第一光源21之藍光雷射光源發射第一波段光線212，經由反射鏡213將全部第一波段光線212導引為同方向，並由第一分光部221反射後，經過第一聚光元件26將第一波段光線212聚焦至輪盤23上的波段轉換區域231，此時第一波段光線212會轉換為第二波段光線2111並返回通過第一聚光元件26、分光元件22之第一分光部221及第二分光部222，再經由第二聚光元件27聚焦至集光元件28，以提供均勻後之第二波段光線2111至成像系統進行成像。

在此須特別說明的是，由於第一波段光線212經過波段轉換區域231後，會有小部分第一波段光線212或部分第二波段光線2111穿過波段轉換區域231，造成光線之浪費，故於輪盤23後方設置光線回收元件25，將穿透波段轉換區域231之第一波段光線212或第二波段光線2111反射，且聚焦至波段轉換區域231以再次轉換為第二波段光線2111，依序通過第一聚光元件26及分光元件22，並由第二聚光元件27聚焦至集光元件28，以提供至成像系統進行成像。藉此便可達到光線之回收使用，避免光線損耗。於此實施例中，光線回收元件25係為一曲面反射鏡。

而當第一光源21呈關閉狀態而第二光源24呈開啟狀態時，第三波段光線241便經由第二光源24直接提供，此時，第三波段光線24聚光至分光元件22，由第一分光部221及第二分光部222反射並再由第二聚光元件27進行聚焦，第三波段光線24聚集至集光元件28進行均光，以提供至後端的成像系統進行成像。

綜上所言，最後集光元件28將屬於藍光波段之第一波段光線212、屬於綠光波段之第二波段光線2111以及屬於紅光波段之第三波段光線241輸出至成像系統，俾成像系統藉由前述之第一波段光線212、第二波段光線2111以及第三波段光線241進行成像，投射並顯示一投影畫面。

請同時參考第5圖為本發明之第二實施例，本實施例亦為ㄧ種用於一投影裝置（圖未示出）之光源系統3，投影裝置包含前述光源系統3以及一成像系統（圖未示出）。

本實施例之光源系統3大致與前一實施例相同，主要差異在於將第一實施例中第二光源24所採用的紅光發光二極體，替換為 一紅光發光二極體(Light Emitting Diode，LED)陣列作為本實施例之第二光源34以提供第三波段光線341，藉此可加強第三波段光線341之光線強度；此外，第二光源34更包含準直透鏡陣列343，相應採用作為本實施例之準直元件，以特別針對紅光發光二極體陣列所提供的第三波段光線341進行準直化。

相對於第一實施例採用第二聚光元件27將所有通過或反射自分光元件22之光線集中聚焦於集光元件28之入光端，本實施例使用一對透鏡陣列適以構成集光透鏡陣列組 (lens array module)37，集光透鏡陣列組37 將光線聚焦於集光元件38進行均勻化後，提供至後端成像系統進行成像。 除此之外，其他各元件間之相應位置及作動關係係皆與第一實施例相同，故於此不另贅述。

上述各實施例之元件種類、數量及位置均可視需求進行調整，舉例而言，於各實施例均可於各光學元件間增加聚光元件，以使光線行進更集中、減少光線逸散；此外，可將反射鏡捨棄，以使第一光源之藍光雷射光源直接射向第一分光部；而輪盤亦可塗佈其他顏色的螢光材料，藉以達到不同的色彩及亮度需求，使成像色彩能更加鮮豔或亮度更為提高；省卻光線回收元件之設置，在波段轉換區域背面鍍上第一波段光線反射而第二波段光線透射的鍍膜，將穿透輪盤上波段轉換區域的第一波段光線予以反射而第二波段光線予以忽略；或是將第二光源改使用紅光雷射光源，適使第三波段光線更為集中。

綜上所述，本發明之光源系統能夠在最小之體積使用下，利用獨立之藍光雷射光源、紅光發光二極體以及具有綠色螢光材料之波長轉換區域，取代使用單一光源投射至色輪之方式，藉此改善習知技術所使用的光源系統，光線強度有效地增加，且因無須繁雜的光學元件，故可使整體體積更小；再者，藉由本發明之光源系統，可透過藍光發光二極體以及具綠色螢光材料之波長轉換區域間之作用，藉以代替一綠光發光二極體產生綠光，進而提升綠光之光源強度，則習知光源系統因使用綠光發光二極體而導致綠色發光效率低落之問題將不復存在。如此一來，透過本發明之光源系統，將能大幅改善習知投影裝置中所存在之問題。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

1‧‧‧投影機

11‧‧‧光源系統

111‧‧‧藍色固態光源

112‧‧‧紅光發光二極體

113‧‧‧波長轉換元件

2‧‧‧光源系統

21‧‧‧第一光源

211‧‧‧藍光雷射光源

2111‧‧‧第二波段光線

212‧‧‧第一波段光線

213‧‧‧反射鏡

214‧‧‧透明部分

216‧‧‧反射部分

22‧‧‧分光元件

221‧‧‧第一分光部

222‧‧‧第二分光部

23‧‧‧輪盤

231‧‧‧波段轉換區域

232‧‧‧反射區域

24‧‧‧第二光源

241‧‧‧第三波段光線

25‧‧‧光線回收元件

26‧‧‧第一聚光元件

27‧‧‧第二聚光元件

28‧‧‧集光元件

3‧‧‧光源系統

34‧‧‧第二光源

341‧‧‧第三波段光線

343‧‧‧準直透鏡陣列

37‧‧‧集光透鏡陣列組

38‧‧‧集光元件

第1圖係習知技術之投影裝置之示意圖；

第2圖係本發明第一實施例之投影裝置之示意圖；

第3圖係本發明第一實施例之投影裝置之第一光源示意圖 ；

第4圖係本發明第一實施例之投影裝置之輪盤示意圖；及

第5圖係本發明第二實施例之投影裝置之示意圖。

2‧‧‧光源系統

21‧‧‧第一光源

211‧‧‧藍光雷射光源

212‧‧‧第一波段光線

2111‧‧‧第二波段光線

213‧‧‧反射鏡

22‧‧‧分光元件

221‧‧‧第一分光部

222‧‧‧第二分光部

23‧‧‧輪盤

24‧‧‧第二光源

241‧‧‧第三波段光線

25‧‧‧光線回收元件

26‧‧‧第一聚光元件

27‧‧‧第二聚光元件

28‧‧‧集光元件

Claims (17)

1. 一種光源系統，包含：一第一光源，提供一第一波段光線；一分光元件，具有一第一分光部及一第二分光部；以及一輪盤，包含一波段轉換區域及一反射區域，其中，該第一波段光線經該第一分光部反射至該輪盤，當該第一波段光線投射至該波段轉換區域時，該波段轉換區域將該第一波段光線轉換為一第二波段光線，並通過該第一分光部及該第二分光部射出，當第一波段光線投射至該反射區域，該反射區域反射該第一波段光線以通過該第二分光部射出。
2. 如請求項1所述之光源系統，更包含一第二光源，該第二光源提供一第三波段光線，該第三波段光線經該分光元件反射射出。
3. 如請求項1所述之光源系統，其中該光源系統更包含一光線回收元件，使穿透該波段轉換區域之該第一波段光線反射且聚焦至該波段轉換區域並轉換成該第二波段光線。
4. 如請求項1所述之光源系統，更包含一第一聚光元件，使經該第一分光部反射之該第一波段光線聚焦於該波段轉換區域或該反射區域上。
5. 如請求項2所述之光源系統，其中該第一分光部係允許該第二波段光線通過且反射該第一波段光線及該第三波段光線，該第二分光部係允許該第一波段光線及該第二波段光線通過且反射該第三波段光線。
6. 如請求項5所述之光源系統，更包含一第二聚光元件及一集光元件，該第二聚光元件將通過該第一分光部之該第二波段光線、通過該第二分光部之該第一波段光線及該第二波段光線、以及經該第一分光部與該第二分光部反射之該第三波段光線聚焦於該集光元件。
7. 如請求項1所述之光源系統，其中該第二波段光線係為一綠色光線。
8. 如請求項7所述之光源系統，其中該波段轉換區域係塗佈一綠色螢光材料。
9. 如請求項1所述之光源系統，其中該 第一波段轉換區域及該反射區域在該輪盤上之ㄧ面積比值係為2：1。
10. 如請求項1所述之光源系統，其中該第一光源包含複數個藍光雷射光源，該第一波段光線係為一藍色光線。
11. 如請求項9所述之光源系統，其中該第一光源更包含複數個反射鏡。
12. 如請求項2所述之光源系統，其中該第二光源包含一紅光發光二極體(Light Emitting Diode，LED)陣列及相對應之ㄧ準直透鏡陣列，該第三波段光線係為一紅色光線。
13. 如請求項11所述之光源系統，更包含一集光透鏡陣列組(lens array module)及一集光元件，該集光透鏡陣列組將通過該第一分光部之該第二波段光線、通過該第二分光部之該第一波段光線及該第二波段光線、以及經該第一分光部與該第二分光部反射之該第三波段光線聚焦於該集光元件以進行均勻化。
14. 如請求項2所述之光源系統，其中該波段轉換區域之一面積與該反射區域之一面積係與該第二光源之一工作週期（duty cycle）相關。
15. 如請求項6或12所述之光源系統，其中該集光元件係為一光通道或一集光柱。
16. 一種投影裝置，包含：一種如請求項1所述之光源系統，提供一光線；以及一成像系統，將該光源系統提供之該光線進行成像。
17. 如請求項15所述之投影裝置，其中該光線包含該第一波段光線、該第二波段光線及一第三波段光線。