TWI425295B - 光源系統與投影裝置 - Google Patents

Description

光源系統與投影裝置

本發明係關於一光源系統，特別是關於使用於一投影裝置之光源系統。

由於發光二極體(Light Emitting Diode,LED)具有能量轉換效率高、穩定度高、使用壽命長、以及可立即開關切換等優點，而有逐漸取代超高壓水銀燈泡(Ultra High Performance,UHP)以作為投影裝置之光源的趨勢。當採用發光二極體作為投影裝置之光源時，為得到較佳之光利用度以及光分布均勻度，因此需考慮其內部光學元件之設計配置。其中，較常見的一種方式係直接利用紅、藍、綠三色之發光二極體作為投影裝置之光源，於進行合光後輸出。然而，由於綠色發光二極體之發光效率較低，且紅色發光二極體之散熱限制需求較高，因此若欲直接使用紅、藍、綠發光二極體作為投影裝置之光源，需先適當地調整紅、藍、綠發光二極體之數量、配置及其散熱方式，才有利於調整整體顏色之均勻度。

更者，由於發光二極體本身已為發散角度、光展量(etendue)皆較大之光源，若無法縮減其光展量，進行更有效之集中利用，亦會造成投影裝置之之投影亮度不足、以及無法有效率地利用發光二極體所發出之光能之問題。

有鑑於此，如何有效利用發光二極體所產生之光能，增加投影裝置之光源利用效率，且強化整體投影裝置之投影亮度，乃為此一業界亟待解決的問題。

本發明之一目的在於提供一種光源系統及包含該光源系統之投影裝置，能夠有效利用發光二極體所產生之光能，增加光源利用效率，並有效地強化投影裝置之投影亮度。

為達上述目的，本發明提供一種光源系統。光源系統包含一主光軸、一光源、一輪體、一光學裝置、一第一波長轉換體及一第一角度選擇層。光源適可提供一光束沿主光軸前進。輪體適可依控制轉動。光學裝置具有一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡，沿主光軸依序設置於光源與輪體間，以聚集光束至位於輪體上之一聚焦位置。第一波長轉換體設置於輪體上，用以接收並轉換光束為一第一波段光。第一角度選擇層，設置於第一波長轉換體上，其中第一波長轉換體係位於光源與第一角度選擇層間，且第一角度選擇層適以角度選擇性地過濾通過第一波段光。

本發明之另一目的在於提供一種投影裝置。投影裝置包含上述之光源系統以及一成像系統。其中，成像系統適以接收並處理光源系統所輸出之一輸出光源，以形成一影像。

為讓上述目的、技術特徵、和優點能更明顯易懂，下文係以較佳實施例配合所附圖式進行詳細說明。

如第1圖所示，本發明之投影裝置10包含一光源系統20及一成像系統30。其中，本發明之光源系統20用以輸出一輸出光源20a，而成像系統30中可使用數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)等裝置，以接收並處理輸出光源20a後，形成一影像40，並投射影像40至外界。

如第2A圖所示，本發明之光源系統20至少包含一主光軸21、一光源22、一輪體23、一光學裝置24、一第一波長轉換體251及一第一角度選擇層261。光源22所提供之一光束22a適可沿主光軸21前進，而輪體23係依控制轉動。光學裝置24具有一第一透鏡241、一第二透鏡242及一第三透鏡243，且第一透鏡241、第二透鏡242及第三透鏡243係沿主光軸21依序設置於光源22與輪體23間，用以聚集光束22a至位於輪體23上之一聚焦位置23a。第一波長轉換體251係設置於輪體23上。第一角度選擇層261係設置於第一波長轉換體251上，而第一波長轉換體251係位於光源22與第一角度選擇層251間。在此需說明者係，為方便解釋光束22a於波長轉換體及角度選擇層內之光學狀態，因此所附圖式並不依據實際元件比例繪示。

如第2A圖所示，於本發明之較佳第一實施例中，光學裝置24之第一透鏡241係具有一凹面及一凸面，第二透鏡242係具有一凸面及另一凸面，第三透鏡243係具有一凸面及一凹面。當光束22a自光源22射出後，其係依序通過第一透鏡241之凹面及凸面、第二透鏡242之凸面及另一凸面，及第三透鏡243之凸面及凹面後，匯聚至輪體23。光源22(例如發光二極體)所產生之具大發散角度之光束22a，適可藉由第一透鏡241之凹面充分囊括後，利用光學裝置24之第一透鏡241、第二透鏡242及第三透鏡243，聚集至位於輪體23上之聚焦位置23a。

當輪體23依控制轉動，而使第一波長轉換體251位於聚焦位置23a時，第一波長轉換體251用以接收光束22a並將其轉換為一第一波段光221。此時，第一角度選擇層261適以角度選擇性地過濾通過第一波長轉換體251所轉換產生之第一波段光221，使第一波段光221至少具有一第一部份221a及一第二部分221b。其中，第一波段光221之第一部份221a相對於主光軸21之一夾角係小於一預定角度θ，其適以穿透第一角度選擇層261而通過輪體23，並進入如第1圖所示之成像系統30，以進行處理。相對地，第一波段光221之第二部分221b相對於主光軸21之一夾角係大於預定角度θ，其適以自第一角度選擇層261反射。藉此，可大幅限制進入成像裝置30之輸出光源20a之發散角度及光展量，使成像裝置30能夠充分利用光源系統20所輸出之輸出光源20a處理形成影像40，增加光源利用效率，並有效地強化投影裝置10之投影亮度。

此外，光學裝置24更包含一分色層243a，其於本實施例中係設置於第三透鏡243上，且位於第二透鏡242及第三透鏡243間。分色層243a之特性適以容許光束22a通過並反射第一波段光221。當光束22a由光源22射出，而依序通過第一透鏡241、第二透鏡242而到達分色層243a時，分色層243a將容許光束22a通過，並到達輪體23上之第一波長轉換體251。當第一波長轉換體251接收光束22a，而將光束22a轉換為第一波段光221後，被第一角度選擇層261反射之第一波段光221之第二部分221b將再次進入第三透鏡243，而到達分色層243a。此時，分色層243a適以反射第一波段光221之第二部分221b，以使其再度射入至第一波長轉換體251中。

換言之，藉由分色層243a之設置，將可對自第一角度選擇層261所反射出之第一波段光221的第二部分221b進行反射，使其再次進入第一波長轉換體251，並受第一角度選擇層261之再次角度選擇性地過濾，從而降低光束22a在通過光源系統20時的光量損失，並同時依然使光源系統20所輸出之輸出光源20a之光展量大幅降低。藉此，進一步增加光源利用效率，並有效地強化投影裝置10之投影亮度。

需注意的是，於本發明中，分色層243a較佳係形成一曲面，該曲面具有一曲率半徑R。聚焦位置23a經由光學裝置24之一部分(即第三透鏡243之一部分)至分色層243a具有一成像位置23b，且成像位置23b與分色層243a之一距離實質上等於分色層243a之曲率半徑R。因此，經由聚焦位置23a所發出之光，到達分色層243a時，將均與分色層243a正交。當第一波長轉換體251位於聚焦位置23a時，其所反射出之第一波段光221的第二部分221b將正交且無損失地被分色層243a反射，並再次進入第一波長轉換體251中。

於本實施例中，第二透鏡242較佳係為塑膠材質之非球面鏡，且第一透鏡241與第三透鏡243之材質係為玻璃。第一波長轉換體251係選自一紅色螢光體及一綠色螢光體所組成之群組，因此第一波段光221係為紅光或綠光。

承上，於第一實施例中，光源系統20更包含一第二波長轉換體252、一第三波長轉換體253、一第二角度選擇層262及一第三角度選擇層263，且第二波長轉換體252及第三波長轉換體253相似於第一波長轉換體251，均設置於輪體23上。

詳細而言，如第2B圖所示，第二角度選擇層262係設於第二波長轉換體252上，且第二波長轉換體252設置於光源22與第二角度選擇層262間。相似於第一波長轉換體251，當輪體23依控制轉動，而使第二波長轉換體252位於聚焦位置23a時，第二波長轉換體252用以接收光束22a並將其轉換為一第二波段光222。此時，第二角度選擇層262適以角度選擇性地過濾通過第二波長轉換體252所轉換產生之第二波段光222，使第二波段光222至少具有一第一部份222a及一第二部分222b。第二波段光222之第一部份222a相對於主光軸21之一夾角係小於預定角度θ，其適以穿透第二角度選擇層262而射出，並進入成像系統30。相對地，第二波段光222之第二部分222b相對於主光軸21之一夾角大於預定角度θ，適以自第二角度選擇層262反射。

相同地，如第2C圖所示，第三角度選擇層263係設於第三波長轉換體253上，且第三波長轉換體253設置於光源22與第三角度選擇層263間。相似於第一波長轉換體251及第二波長轉換體252，當輪體23依控制轉動，而使第三波長轉換體253位於聚焦位置23a時，第三波長轉換體253用以接收光束22a並將其轉換為一第三波段光223。此時，第三角度選擇層263適以角度選擇性地過濾通過第三波長轉換體253所轉換產生之第三波段光223，使第三波段光223至少具有一第一部份223a及一第二部分223b。第三波段光223之第一部份223a相對於主光軸21之一夾角係小於預定角度θ，適以穿透第三角度選擇層263而射出，並進入成像系統30。相對地，第三波段光223之第二部分223b相對於主光軸21之一夾角係大於預定角度θ，適以自第三角度選擇層263反射。

如第3圖所示，第一波長轉換體251、第二波長轉換體252及第三波長轉換體253適可依比例設置於輪體23上，以轉換相對應之波段光供投影裝置10之成像系統30使用。同時，輪體23係依控制旋轉，以使第一波長轉換體251、第二波長轉換體252及第三波長轉換體253輪流位於聚焦位置23a上。

於第一實施例中，分色層243a適以容許光源22所產生之光束22a通過，並反射第一波長轉換體251於接收光束22a後所轉換成之第一波段光221、第二波長轉換體252於接收光束22a後所轉換成之第二波段光222、以及第三波長轉換體253於接收光束22a後所轉換成之第三波段光223。藉此，輪流位於聚焦位置23a之第一波長轉換體251、第二波長轉換體252、及第三波長轉換體253，其分別被第一角度選擇層261、第二角度選擇層262、及第三角度選擇層263所反射之第一波段光221、第二波段光222、及第三波段光223之第二部分221b、222b、223b，適以正交且無損失地被分色層243a反射，而再次分別進入第一波長轉換體251、第二波長轉換體252、及第三波長轉換體253中。

較佳地，上述預定角度θ實質上係為25度，以維持最佳的光展量與投影裝置之亮度。於本實施例中，第二波長轉換體252係選自一紅色螢光體及一綠色螢光體所組成之群組，且第二波長轉換體252係相異於第一波長轉換體251。換言之，當第一波長轉換體251為紅色螢光體時，第二波長轉換體252便為綠色螢光體；當第一波長轉換體251為綠色螢光體時，第二波長轉換體252便為紅色螢光體。因此，第一波段光221及第二波段光222即為紅光或綠光，以提供投影裝置10之成像系統30紅光及綠光。此外，於本實施例中，光源22較佳係為一紫外光發光二極體，且第三波長轉換體253係為一藍色螢光體。藉此，光源22所發出之紫外光適以激發第三波長轉換體253產生藍光(即第三波段光223)，提供予投影裝置10之成像系統30。

如第2D圖及第4圖所示，其係為本發明光源系統20之第二實施例。於第二實施例中，光源系統20相似於第一實施例，同樣包含主光軸21、光源22、輪體23、光學裝置24、第一波長轉換體251、第二波長轉換體252、第一角度選擇層261、第二角度選擇層262、及第三角度選擇層263等元件。然與第一實施例相異之處在於，原設置於第一實施例之輪體23上之第三波長轉換體253係以一透明部254取代。再者，於第二實施例中，光源22所提供之光束22a係為第三波段光223，並適以穿透本實施例之分色層243a及透明部254。

詳細而言，如第2D圖所示，第二實施例之第三角度選擇層263係設置於透明部254上，且透明部254係位於第三角度選擇層263與光學裝置24間。於本實施例中，輪體23係依控制轉動，使第一波長轉換體251、第二波長轉換體252、及透明部254輪流位於聚焦位置23a。當輪體23依控制轉動，而使透明部254位於聚焦位置23a時，係為第三波段光223之光束22a適以穿透分色層243a，並經由光學裝置24聚焦至位於聚焦位置23a之透明部254，並穿透透明部254而到達第三角度選擇層263。第三角度選擇層263適以使第三波段光223至少具有一第一部份223a及一第二部分223b。第三波段光223之第一部份223a相對於主光軸21之一夾角係小於預定角度θ，適以穿透第三角度選擇層263射出。第三波段光223之第二部分223b相對於該主光軸21之一夾角係大於預定角度θ，適以自第三角度選擇層263反射。

由於第二實施例係將第一實施例中設置於輪體23上之第三波長轉換體253替換為一透明部254，因此本實施例中之光源22係可直接使用一藍光發光二極體，其所提供之藍光適可取代第一實施例中由第三波長轉換體253所轉換之第三波段光223，而直接穿透透明部254射入於第三角度選擇層263。如此一來，便可省卻第三波長轉換體253，並且上述預定角度θ實質上係同樣為25度，以維持最佳的光展量與投影裝置10之投射亮度。

除上述相異處外，第二實施例之主光軸21、光源22、輪體23、光學裝置24、第一波長轉換體251、第一角度選擇層261、第二波長轉換體252及第二角度選擇層262等元件之相對設置關係及所欲達到之目的皆相同於第一實施例，故於此不多贅述。

綜上所述，本發明之光源系統係藉由特殊光學裝置(第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡)之設置，而將發散角度與光展量較大的光源(如發光二極體)所發出之光束進行集中利用，激發設置於光輪上之波長轉換體，從而產生可供投影裝置使用之紅、藍、綠三色光。其中，當所使用之光源為較高激發能量之光源時，則光輪上分別設置有第一波長轉換體、第二波長轉換體、第三波長轉換體及相對應之第一角度選擇層、第二角度選擇層、第三角度選擇層。若當所使用之光源係直接發出第三波段光時，則光輪上分別設置有第一波長轉換體、第二波長轉換體、透明部及相對應之第一角度選擇層、第二角度選擇層、第三角度選擇層。適以，上述第一實施例及第二實施例皆發揮將光源所產生之發散光束集中並縮小其光展量之功效，同時達到增加亮度之效果。

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。

10．．．投影裝置

20．．．光源系統

20a．．．輸出光源

21．．．主光軸

22．．．光源

22a．．．光束

221．．．第一波段光

221a．．．第一部份

221b．．．第二部份

222．．．第二波段光

222a．．．第一部份

222b．．．第二部份

223．．．第三波段光

223a．．．第一部份

223b．．．第二部份

23．．．輪體

23a．．．聚焦位置

23b．．．成像位置

24．．．光學裝置

241．．．第一透鏡

242．．．第二透鏡

243．．．第三透鏡

243a．．．分色層

251．．．第一波長轉換體

252．．．第二波長轉換體

253．．．第三波長轉換體

254．．．透明部

261．．．第一角度選擇層

262．．．第二角度選擇層

263．．．第三角度選擇層

30．．．成像系統

40．．．影像

θ．．．預定角度

R．．．曲率半徑

第1圖係本發明投影裝置之示意圖；

第2A圖至第2C圖係本發明第一實施例之光源系統之示意圖；

第2D圖係本發明第二實施例之光源系統之示意圖；

第3圖係本發明第一實施例之輪體之示意圖；以及

第4圖係本發明第二實施例之輪體之示意圖。

20．．．光源系統

21．．．主光軸

22．．．光源

22a．．．光束

221．．．第一波段光

221a．．．第一部份

221b．．．第二部份

23．．．輪體

23a．．．聚焦位置

23b．．．成像位置

24．．．光學裝置

241．．．第一透鏡

242．．．第二透鏡

243．．．第三透鏡

243a．．．分色層

251．．．第一波長轉換體

252．．．第二波長轉換體

253．．．第三波長轉換體

261．．．第一角度選擇層

262．．．第二角度選擇層

263．．．第三角度選擇層

θ．．．預定角度

R．．．曲率半徑

Claims (17)

1. 一種光源系統，使用於一投影裝置，該光源系統包含：一主光軸；一光源，適可提供一光束，沿該主光軸前進；一輪體，適可依控制轉動；一光學裝置，具有一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡及一分色層(dichroic)，且該第一透鏡、該第二透鏡及該第三透鏡係沿該主光軸依序設置於該光源與該輪體間，適以聚集該光束至位於該輪體上之一聚焦位置；一第一波長轉換體，設置於該輪體上，用以接收並轉換該光束為一第一波段光；以及一第一角度選擇(Angle Selective)層，設置於該第一波長轉換體上，其中該第一波長轉換體係位於該光源與該第一角度選擇層間，且該第一角度選擇層適以角度選擇性地過濾通過該第一波段光；其中，該分色層適以容許該光源所產生之該光束通過，並反射該第一波段光，且該分色層形成一曲面，該曲面具有一曲率半徑，該聚焦位置經由該光學裝置之一部分至該分色層具有一成像位置，該成像位置與該分色層之一距離實質上等於該分色層之該曲率半徑。
2. 如請求項1所述之光源系統，其中該光束自該光源至該輪體依序經過該第一透鏡之一凹面及一凸面、該第二透鏡之一凸面及另一凸面，及該第三透鏡之一凸面及一凹面。
3. 如請求項2所述之光源系統，其中該第一波段光至少具有一第一部份及一第二部分，該第一波段光之該第一部份相對於該主光軸之一夾角小於一預定角度，適以穿透該第一角度選擇層，並且該第一波段光之該第二部分相對於該主光軸之一夾角大於該預定角度，適以自該第一角度選擇層反射。
4. 如請求項1所述之光源系統，其中該分色層係設置於該第三透鏡上，並位於該第二透鏡與該第三透鏡間。
5. 如請求項4所述之光源系統，其中該第二透鏡係為非球面鏡，其材質係為塑膠，該第一透鏡及第三透鏡之材質係為玻璃。
6. 如請求項1所述之光源系統，其中該第一波長轉換體係選自一紅色螢光體(red phosphor)及一綠色螢光體(green phosphor)所成之群組。
7. 如請求項1所述之光源系統，其中光源系統更包含：一第二波長轉換體，該第二波長轉換體係設置於該輪體上，用以接收並轉換該光束為一第二波段光，其中該分色層適以反射該第二波段光，且該輪體依控制旋轉，使該第一波長轉換體及該第二波長轉換體輪流位於該聚焦位置；以及一第二角度選擇層，係設於該第二波長轉換體上，其中該第二波長轉換體位於該光源與該第二角度選擇層間，該第二波段光至少具有一第一部份及一第二部分，該第二波段光之該第一部份相對於該主光軸之一夾角小於該預定角度，適以穿透該第二角度選擇層，並且該第二波段光之該第二部分相對於該主光軸之一夾角大於該預定角度，適以自該第二角度選擇層反射。
8. 如請求項7所述之光源系統，其中該第二波長轉換體係選自一紅色螢光體(red phosphor)及一綠色螢光體(green phosphor)所成之群組，並且該第二波長轉換體係相異於該第一波長轉換體。
9. 如請求項1所述之光源系統，其中光源系統更包含：一第三波長轉換體，設置於該輪體上，用以接收並轉換該光束為一第三波段光，其中該分色層適以反射該第三波段光，且該輪體依控制旋轉，使該第一波長轉換體及該第三波長轉換體輪流位於該聚焦位置；以及一第三角度選擇層，係設於該第三波長轉換體上，其中該第三波長轉換體位於該光源與該第三角度選擇層間，該第三波段光至少具有一第一部份及一第二部分，該第三波段光之該第一部份相對於該主光軸之一夾角小於該預定角度，適以穿透該第三角度選擇層，並且該第三波段光之該第二部分相對於該主光軸之一夾角大於該預定角度，適以自該第三角度選擇層反射。
10. 如請求項9所述之光源系統，其中該光源係一紫外光發光二極體(ultraviolent light emitting diode,UV LED)。
11. 如請求項9所述之光源系統，其中該第三波長轉換體係為一藍色螢光體(blue phosphor)。
12. 如請求項3所述之光源系統，其中該輪體更包含：一透明部，其中該光束為一第三波段光適以穿透該分色層及該透明部，該輪體依控制旋轉，使該第一波長轉換體及該透明部輪流位於該聚焦位置；並且 該光源系統更包含一第三角度選擇層，設置於該透明部上，並且該透明部係位於該第三角度選擇層與該光學裝置間，其中該第三波段光至少具有一第一部份及一第二部份，該第三波段光之該第一部份相對於該主光軸之一夾角小於該預定角度，適以穿透該第三角度選擇層，並且該第三波段光之該第二部份相對於該主光軸之一夾角大於該預定角度，適以自該第三角度選擇層反射。
13. 如請求項12所述之光源系統，其中該光源係一藍光發光二極體(light emitting diode,LED)。
14. 如請求項1所述之光源系統，其中該預定角度實質上係25度。
15. 一種投影裝置，包含：如請求項1所述之光源系統，輸出一輸出光源；以及一成像系統，接收並處理該輸出光源，以形成一影像。
16. 如請求項15所述之投影裝置，其中光源系統更包含：一第二波長轉換體，該第二波長轉換體係設置於該輪體上，用以接收並轉換該光束為一第二波段光，其中該分色層適以反射該第二波段光，且該輪體依控制旋轉，使該第一波長轉換體及該第二波長轉換體輪流位於該聚焦位置；以及一第二角度選擇層，係設於該第二波長轉換體上，其中該第二波長轉換體位於該光源與該第二角度選擇層間，該第二波段光至少具有一第一部份及一第二部分，該第二波段光之該第一部份相對於該主光軸之一夾角小於該預定角度，適以穿透該第二角度選擇層，並且該第二波段光之該第二部分相對於該主光軸之一夾角大於該預定角度，適以自該第二角 度選擇層反射。
17. 如請求項16所述之投影裝置，其中該第一波長轉換體及該第二波長轉換體係選自一紅色螢光體(red phosphor)及一綠色螢光體(green phosphor)所成之群組，並且該第二波長轉換體係相異於該第一波長轉換體。