TWI425300B - 光源單元及投影機 - Google Patents

Description

光源單元及投影機

本案根據申請日期2010年3月24日之日本專利申請案第2010-067134號，並主張其優先權利益，其包括發明說明、申請專利範圍、圖式及摘要的全部揭載內容均透過引用併入於本說明書中。

本發明係關於具有藉由激發光源發光之螢光板的光源單元、以及具備此光源單元的投影機。

現今，作為將個人電腦之畫面或視訊影像、以及儲存在記憶卡等之影像資料的影像等投影於螢幕之影像投影裝置的資料投影機(data projector)已被廣泛使用。關於此種投影機，以往雖主流為以高亮度之放電燈作為光源，不過近年來已有諸多使用發光二極體(LED)或雷射發光器、有機EL、或者螢光體等作為光源裝置之發光元件的開發或提案。

例如，日本特開2004-341105號公報中，已有一種光源裝置之提案，其係在由具有透光性之圓板所構成之螢光板的表面，並設紅色、綠色、及藍色螢光體層，在螢光板之背面則配置紫外線透射、可見光反射的分光濾鏡(dichroic filter)，從螢光板之背面側將紫外光照射於螢光體層，藉此生成紅色、綠色、及藍色波段的光源光。

如上述，已存在一種將來自激發光源之射出光照射於螢光體層，再利用從螢光體層之螢光體所射出之螢光光作為光源光的投影機。此種投影機係可藉由提升激發光源之輸出而使從螢光體層之螢光體所射出之螢光光的光量增加。然而，在使用雷射發光器作為激發光源的情況，若加大從雷射發光器所射出之雷射光線的功率，則有因螢光體之亮度飽和或焦化而產生損壞之虞。

另一方面，在為了加大雷射光線之功率並同時減弱單位面積之功率而使雷射光線擴散照射於螢光體層的情況，雷射光線之照射面積會大於螢光體層中之照射部分的面積，造成雷射光線照射至偏離螢光體層之位置，有來自雷射發光器之射出光之利用效率降低的問題點。

本發明藉由以下之詳細說明及附加圖式應該可被更充分地理解，不過這些都只是用來說明，而非用以限定本發明之範圍。

本發明係有鑑於上述之習知技術的問題點而作成，目的在於提供一種光源單元及投影機，該光源單元可防止因螢光體之亮度飽和或焦化所造成之損壞，並可提高激發光之利用效率，且使螢光體均勻地發光，而該投影機則由於具備此種光源單元而可進行無亮度不均且長期穩定的投影。

本發明之光源單元及具備此光源單元之投影機，其特徵在於，具備：激發光源；螢光板，係具備有以來自該激發光源之射出光為激發光而發光的螢光體層；微透鏡陣列，係配置在該激發光源與螢光板之間，將來自該激發光源之射出光轉換成複數個光線束，照射於該螢光板；以及聚光透鏡，係配置在該螢光板附近，將該複數個光線束，以在該螢光體層上中心位置為重疊之方式，照射於該螢光體層。

根據本發明，即可提供一種光源單元以及投影機，該光源單元可防止因螢光體之亮度飽和或焦化所造成之損壞，並可提高激發光之利用效率，且使螢光體均勻地發光，而該投影機則由於具備此種光源單元而可進行無亮度不均且長期穩定的投影。

以下，使用圖式說明用以實施本發明之較佳形態。其中，為了實施本發明，雖對以下所述之實施形態附加有技術上較佳之各種限定，不過並發明之範圍並非限定為以下之實施形態及圖例。

本發明之投影機1具備光源單元60、顯示元件51、投影側光學系統、導光光學系統170、以及投影機控制手段，其中該導光光學系統170係將來自光源單元60之射出光導光至顯示元件51並且使在顯示元件51生成之投影光與投影側光學系統之光軸一致，該投影機控制手段係控制光源單元60及顯示元件51。

此光源單元60具備：具備有激發光源71及微透鏡陣列75之激發光照射裝置70；具備有接受來自激發光源71之射出光以射出綠色波段光之綠色螢光體層的螢光板101；射出紅色波段光的紅色光源121；射出藍色波段光的藍色光源301；以及將紅色、綠色、及藍色波段光轉換至相同光軸並導光至既定之一面的光源側光學系統140。

此外，微透鏡陣列75係配置在激發光源71與螢光板101之間，將來自激發光源71之射出光轉換成複數個光線束後照射於螢光板101。又，螢光板101係以表面為反射面，在該反射面上敷設有方形之螢光體層，微透鏡陣列75係與螢光體層之形狀相似形狀的複數個微凸透鏡75a排列成矩陣狀。

再者，光源單元60中，在螢光板101之附近係配置有聚光透鏡110，透射微凸透鏡75a後之各光線束係藉由聚光透鏡110在螢光體層上以中心位置重疊之方式照射於該螢光體層。

以下，根據圖式詳細說明本發明之實施例。

第1圖係投影機1的外觀立體圖。此外，本實施例中，投影機1中之左右係表示相對於投影方向的左右方向，前後則表示相對於投影機1之投影方向及光線束之行進方向的前後方向。

投影機1，如第1圖所示，係呈大致長方體形狀且可置放在手上之尺寸的小型投影機1，並且係以藉由上殼罩5與下殼罩6覆蓋內部之方式構成。此外，在位於投影機框體前方之上殼罩5與下殼罩6嵌合而成的正面板12，係於大致中央配置有透鏡鏡筒225，於右側板15附近則形成有吸氣孔18。

又，在藉由投影機框體之上殼罩5所形成之上面板11係設有鍵/指示器部37，在此鍵/指示器部37則配置有報知電源開關鍵或電源之開(on)或關(off)的電源指示器、切換投影之開(on)或關(off)的投影開關鍵、以及在光源單元或顯示元件或控制電路等過熱時進行報知的過熱指示器等之鍵或指示器。再者，在位於投影機框體後方或側方之上殼罩5與下殼罩6嵌合而成的背面板13或右側板15，係設有USB端子或電源轉換器(power adaptor)、記憶卡之插入口等的各種端子。

接著，使用第2圖之功能方塊圖敘述投影機1之投影機控制手段。投影機控制手段係由控制部38、輸出入介面22、影像轉換部23、顯示編碼器24、以及顯示驅動部26等所構成。此控制部38係用以掌管投影機1內之各電路的動作控制，藉由作為運算裝置之CPU、固定地儲存各種設定等之動作程式的ROM及作為工作記憶體所使用的RAM等所構成。

此外，藉由此投影機控制手段，從輸出入連接部21所輸入之各種規格的影像信號，係透過輸出入介面22、系統匯流排(SB)，在藉影像轉換部23以統一成適合於顯示之既定格式之影像信號的方式進行轉換後，輸出至顯示編碼器24。

又，顯示編碼器24係使輸入後之影像信號展開儲存在視訊記憶體(video RAM)25，再從此視訊記憶體25之儲存內容生成視訊信號並輸出至顯示驅動部26。

顯示驅動部26係作為顯示元件控制手段而發揮功能，對應從顯示編碼器24所輸出之影像信號，以適當訊框率(frame rate)驅動屬空間光調變元件(SOM)之顯示元件51，將從光源單元60射出之光線束，亦即將藉由光源單元60之光源側光學系統140聚光於既定之一面的光線束，透過導光光學系統170照射於顯示元件51，藉此以顯示元件51之反射光形成光像，並透過後述之投影側光學系統，將影像投影顯示在未圖示之螢幕。此外，此投影側光學系統之可動透鏡群235，係藉由透鏡馬達45進行為了縮放調整或聚焦調整的驅動。

又，影像壓縮/解壓縮部31係在播放時讀取記錄在記憶卡32之影像資料，以1訊框(frame)單位將構成一連串動畫之各個影像資料予以解壓縮，將此影像資料透過影像轉換部23輸出至顯示編碼器24，根據儲存在記憶卡32之影像資料，進行可顯示動畫等之處理。

接著，來自設於框體之上殼罩5之鍵/指示器部37的操作信號，係直接地送出至控制部38。此外，於控制部38係透過系統匯流排(SB)連接有聲音處理部47。此聲音處理部47係具備有PCM音源等之音源電路，在投影模式及播放模式時，係將聲音資料予以類比化，並驅動揚聲器48以使其擴聲放音。

又，控制部38係控制作為光源控制手段之光源控制電路41。此光源控制電路41係個別地控制光源單元60之激發光照射裝置、紅色光源裝置、以及藍色光源裝置之發光，以從光源單元60射出影像生成時所要求之既定波段的光源光。再者，控制部38係使冷卻風扇驅動控制電路43進行藉由設於光源單元60等之複數個溫度感測器的溫度檢測，從此溫度檢測之結果使其控制冷卻風扇之旋轉速度。

再者，投影機控制手段係具備有照度感測器42作為照度測量手段，以測量來自光源單元60之射出光的照度。此外，控制部38係基於與從照度感測器42送出之各波段光之輸出相關的資訊，調整施加於光源單元60之各光源的電壓，以維持製品出貨當時的亮度均衡。

其次，針對此投影機1之內部構造加以敘述。第3圖係表示投影機1之內部構造的俯視示意圖。投影機1，如第3圖所示，係於中央部分具備有光源單元60，於光源單元60之左側方具備有內裝投影側光學系統的透鏡鏡筒225，在透鏡鏡筒225與左側板14之間則具備有電池55。又，投影機1係在透鏡鏡筒225與背面板13之間之電池55的附近，具備有與左側板14平行地配置之DMD等的顯示元件51。再者，投影機1係於光源單元60之下方具備有主控制電路基板241，在透鏡鏡筒225與電池55之間則具備有電源控制電路基板242。

又，投影機1係在光源單元60及透鏡鏡筒225與背面板13之間，具備有導光光學系統170，以將來自光源單元60之射出光照射於顯示元件51，並且使在顯示元件51反射之開(on)光的光軸與投影側光學系統的光軸一致，以朝向投影側光學系統射出。又，在光源單元60與右側板15之間，依從背面板13側起之順序，具備有電源連接器80、後述之紅色光源121用散熱器190、將在後述之激發光源71及藍色光源301發生之熱傳導至散熱器190的熱管(heat pipe)130、以及冷卻風扇261。

光源單元60係由在冷卻風扇261附近且配置在正面板12之附近的激發光照射裝置70、配置在激發光照射裝置70與透鏡鏡筒225之間的藍色光源裝置300、在電源連接器80附近且配置在背面板13之附近的螢光板101、配置在激發光照射裝置70與螢光板101之間的紅色光源裝置120、以及將從光源單元60射出之紅色、綠色、及藍色波段光導光至導光光學系統170的光源側光學系統140所構成。

激發光照射裝置70係具備光軸為設置成與左側板14平行的2個激發光源71、配置在各激發光源71之光軸上的2個準直透鏡(collimator lens)73、以及配置在準直透鏡73之前方的微透鏡陣列75。此激發光源71係一種藍色雷射發光器，朝向螢光板101射出藍色波段之雷射光線。又，激發光源71係透過激發光源71用之基板與熱管130接觸，透過此熱管130藉由散熱器190冷卻。準直透鏡73係將來自激發光源71之射出光轉換成平行之光線束後照射於微透鏡陣列75。此外，有關於微透鏡陣列75之詳細的說明將於後述。

又，螢光板101係表面為經過鏡面加工之方形的板，在此鏡面上敷設有方形之綠色螢光體層。此綠色螢光體層係由耐熱性及透光性高之矽氧樹脂等之黏合劑、以及均勻地鑲嵌於此黏合劑之綠色螢光體所形成。此外，螢光板101係以從激發光源71所射出之雷射光線為激發光，從與激發光之入射面相同之面射出綠色之螢光光。又，此螢光板101之綠色螢光體層係與顯示元件51設置成相似形狀，從綠色螢光體層所射出之光線束的截面形狀係呈近似於顯示元件51之形狀。

紅色光源裝置120係具備光軸為設置成與正面板12平行的紅色光源121。此紅色光源121係一種紅色發光二極體，藉由散熱器190冷卻。又，藍色光源裝置300係具備光軸為設置成與激發光源71平行的藍色光源301。此藍色光源301係一種藍色發光二極體，透過熱管130藉由散熱器190冷卻。

光源側光學系統140係由將來自激發光照射裝置70之射出光及來自螢光板101之螢光光予以聚光的聚光透鏡110、將來自紅色光源121之射出光予以聚光的聚光透鏡125、將來自藍色光源301之射出光予以聚光的聚光透鏡305、透射來自激發光照射裝置70及紅色光源裝置120之射出光，並反射螢光板101之發光光的第一分光鏡141、以及反射來自紅色光源裝置120之射出光及螢光板101之發光光，並透射來自藍色光源裝置300之射出光的第二分光鏡142所構成。

聚光透鏡110,125,305係藉由組合複數個透鏡而構成為一個聚光透鏡。又，第一分光鏡141係配置在激發光照射裝置70之光軸與紅色光源裝置120之光軸交叉的位置。再者，第二分光鏡142係配置在紅色光源裝置120之光軸與藍色光源裝置300之光軸交叉的位置。

而，設置成以來自雷射發光器之射出光為激發光，以使螢光體發光之構成的光源單元中，由於從屬雷射發光器之激發光源射出之光線束係指向性較高且峰值功率非常強，因此螢光體層之一部分會受到強烈照射，而有因螢光體之亮度飽和或焦化而產生損壞之虞。因此，本實施例之光源單元60中，係以下述為特徵，亦即如上述般藉由在激發光源71之前方配置微透鏡陣列75，將峰值功率較強之光線轉換成截面形狀與螢光體層相似形狀的光線束，而大致均勻地照射往螢光板101之整體。

第4圖係微透鏡陣列75的正視示意圖及截面示意圖。激發光照射裝置70之微透鏡陣列75，如第4(a)圖及第4(b)圖所示，係複數個微凸透鏡75a排列成矩陣狀。又，各微凸透鏡75a係設置成與螢光板101之綠色螢光體層的形狀大致相似形狀。此外，入射於微透鏡陣列75之光線束，係藉由各微凸透鏡75a轉換成複數個光線束，且入射於各個微透鏡陣列75之光線束，係藉由各微凸透鏡75a轉換成方形截面之光線束。

又，藉由微透鏡陣列75轉換成複數個方形截面之光線束的激發光，如第5圖所示，係藉由聚光透鏡110聚光而照射於螢光板101之綠色螢光體層。亦即，透射微凸透鏡75a後之各光線束，係藉由聚光透鏡110聚光成在綠色螢光體層上中心位置為重疊，複數個方形截面之各光線束互相重疊並照射於綠色螢光體層上整體。又，雖將透過微透鏡陣列75照射之激發光的照射分布103表示於第6圖，不過由於各光線束係藉由微凸透鏡75a而呈與綠色螢光體層102之形狀大致相似形狀的截面形狀，因此激發光係以均勻之強度照射於綠色螢光體層102上之廣泛範圍。因此，由於可如雷射光線般將峰值功率較強之光線束，以均勻之強度照射於綠色螢光體層102上之廣泛範圍，因此可防止因螢光體之亮度飽和或焦化而產生損壞，而可使螢光體均勻地發光。

此外，本實施例之光源單元60中，雖在2個激發光源71之前方配置有1片微透鏡陣列75，不過並非限定於此構成，例如亦可設置成在各激發光源71之前方分別配置微透鏡陣列75的構成，或者亦可設置成由1個高亮度之激發光源71與1片微透鏡陣列75所構成的構成。

導光光學系統170係由微透鏡陣列171、朝向顯示元件51變更來自光源單元60之射出光之光軸的光軸變更鏡173、配置在光軸變更鏡173與微透鏡陣列171之間的聚光透鏡172、位於以光軸變更鏡173變更後之光軸上的聚光透鏡174、以及稜鏡175所構成。

此導光光學系統170中之微透鏡陣列171，係將從光源單元60中之紅色光源121、藍色光源301、及螢光板101所射出之光線束，轉換成與顯示元件51之形狀一致之複數個長方形截面的光線束，並且藉由該微透鏡陣列171或藉由聚光透鏡等，聚光成在顯示元件51上各光線束之中心位置為重疊，藉此混合並轉換成均勻之強度分布的光線束。亦即，微透鏡陣列171係如光通道(light tunnel)或玻璃桿(glass rod)等般，作為導光裝置而發揮功能，以將入射之光線束轉換成方形截面且均勻強度的光線束。稜鏡175係作為聚光透鏡及光軸轉換裝置而發揮功能，其中該聚光透鏡係將光源光照射於顯示元件51，該光軸轉換裝置則用以變更光軸，以使在顯示元件51生成之投影光與內裝在透鏡鏡筒225之投影側光學系統的光軸一致。

內裝在透鏡鏡筒225之投影側光學系統，係藉由固定透鏡群或可動透鏡群構成，藉由控制上述之透鏡馬達45使可動透鏡群之透鏡往光軸方向運作，藉此實現縮放功能或聚焦功能。

又，電池55係投影機1之驅動電源，為一種可藉由商用電源之連接來充電的2次電池。此外，電池55係可應用鋰離子電池、鎳氫電池等之2次電池。此外，本實施例之投影機1係設置成即使未連接有電源線等，亦可藉由此電池55之電力來進行投影。

以此方式，本實施例之投影機1中，係藉由在激發光源71之前方配置微透鏡陣列75，而可將均勻強度之激發光照射於螢光板101之螢光體層中的廣泛範圍。因此，可防止因螢光體之亮度飽和或焦化而產生損壞，可使螢光體更均勻地發光，而可提供一種無亮度不均且可進行長期穩定之投影的投影機1。

又，藉由將與螢光體層之形狀相似形狀的複數個微凸透鏡75a排列成矩陣狀以形成微透鏡陣列75，即可將從激發光源71射出之圓形截面的光線束轉換成複數個方形截面的光線束。因此，相較於將圓形截面之光線束照射於方形之螢光體層的情形，由於可將激發光照射於螢光體層之廣泛範圍，因此可提高螢光體之利用效率。此外，本實施例中，雖將螢光體層102及微凸透鏡75a之形狀設置成方形，不過如前述般螢光體層及微凸透鏡只要是相似形，則並非限定於方形，例如圓形或多角形皆可。亦即，只要可將來自激發光源71之射出光轉換成與螢光體層相同形狀之複數個光線束即可。

此外，將以微透鏡陣列75所生成之複數個光線束，藉由聚光透鏡110聚光成在螢光體層上中心位置為重疊，由於對螢光體層即可將各個功率較弱之複數個光線束予以重疊後再照射，因此可防止較強功率之光僅照射於一部分之區域，藉此可防止因螢光體之亮度飽和或焦化而產生損壞，而可使螢光體更均勻地發光。

又，由於本實施例之光源單元60，除了此激發光源71及螢光板101以外，亦具備有紅色光源121及藍色光源301，因此可生成屬光之三原色的紅色、綠色、以及藍色波段光，而可作為能進行彩色影像之投影之投影機1中的光源使用。

此外，本實施例之投影機1中，雖設置成以螢光板101僅生成綠色波段光之構成，不過並非限定於此，亦可設置成亦使用螢光板生成紅色、藍色波段光之構成，此時亦與本實施例同樣地藉由在激發光源71之前方配置微透鏡陣列75，即可防止因螢光體之亮度飽和或焦化而產生損壞，並且可提高螢光體之利用效率，以使螢光體均勻地發光。

又，由於無需為了防止因螢光體之亮度飽和或焦化所造成之損壞而使螢光體旋轉，因此不需要用以驅動使其旋轉之馬達等的驅動裝置，光源單元60、投影機1亦可小型化。

此外，本發明並非限定於上述之實施形態，在實施階段可在不超出其要旨之範圍作各種變形。又，在上述之實施形態所執行之功能，只要可能亦可適當加以組合來實施。於上述之實施形態係包含有各種等級，藉由所揭示之複數個構成要件的適當組合，即可取出各種發明。例如，即使從實施形態所揭示之所有構成要件刪除幾個構成要件，只要可獲得效果，亦可取出刪除此構成要件後之構成來作為發明。

1．．．投影機

5．．．上殼罩

6．．．下殼罩

11．．．上面板

12．．．正面板

13．．．背面板

14．．．左側板

15．．．右側板

18．．．吸氣孔

21．．．輸出入連接部

22．．．輸出入介面

23．．．影像轉換部

24．．．顯示編碼器

25．．．視訊記憶體

26．．．顯示驅動部

31．．．影像壓縮/解壓縮部

32．．．記憶卡

37．．．鍵/指示器部

38．．．控制部

41．．．光源控制電路

42．．．照度感測器

43．．．冷卻風扇驅動控制電路

45．．．透鏡馬達

47．．．聲音處理部

48．．．揚聲器

51．．．顯示元件

55．．．電池

60．．．光源單元

70．．．激發光照射裝置

71．．．激發光源

73．．．準直透鏡

75．．．微透鏡陣列

75a．．．微凸透鏡

80．．．電源連接器

101．．．螢光板

102．．．綠色螢光體層

103．．．照射分布

110．．．聚光透鏡

120．．．紅色光源裝置

121．．．紅色光源

125．．．聚光透鏡

130．．．熱管

140．．．光源側光學系統

141．．．第一分光鏡

142．．．第二分光鏡

170．．．導光光學系統

171．．．微透鏡陣列

172．．．聚光透鏡

173．．．光軸變更鏡

174．．．聚光透鏡

175．．．稜鏡

190．．．散熱器

225．．．透鏡鏡筒

235．．．可動透鏡群

241．．．主控制電路基板

242．．．電源控制電路基板

261．．．冷卻風扇

300．．．藍色光源裝置

301．．．藍色光源

305．．．聚光透鏡

SB．．．系統匯流排

第1圖係表示本發明之實施例之投影機的外觀立體圖。

第2圖係表示本發明之實施例之投影機的功能方塊圖。

第3圖係表示拆卸本發明之實施例之投影機之上殼罩後之內部構造的俯視示意圖。

第4(a)圖係表示本發明之實施例之微透鏡陣列的正視圖。

第4(b)圖係表示本發明之實施例之微透鏡陣列的截面圖。

第5圖係有關本發明之實施例之激發光照射裝置及螢光板中光束之流程的說明圖。

第6圖係表示本發明之實施例之螢光板之激發光照度分布的說明圖。

1．．．投影機

12．．．正面板

13．．．背面板

14．．．左側板

15．．．右側板

51．．．顯示元件

55．．．電池

60．．．光源單元

70．．．激發光照射裝置

71．．．激發光源

73．．．準直透鏡

75．．．微透鏡陣列

80．．．電源連接器

101．．．螢光板

110．．．聚光透鏡

120．．．紅色光源裝置

121．．．紅色光源

125．．．聚光透鏡

130．．．熱管

140．．．光源側光學系統

141．．．第一分光鏡

142．．．第二分光鏡

170．．．導光光學系統

171．．．微透鏡陣列

172．．．聚光透鏡

173．．．光軸變更鏡

174．．．聚光透鏡

175．．．稜鏡

190．．．散熱器

225．．．透鏡鏡筒

241．．．主控制電路基板

242．．．電源控制電路基板

261．．．冷卻風扇

300．．．藍色光源裝置

301．．．藍色光源

305．．．聚光透鏡

Claims (4)

1. 一種光源單元，具備：激發光源；螢光板，係具備有以來自該激發光源之射出光為激發光而發光的螢光體層；微透鏡陣列，係配置在該激發光源與螢光板之間，將來自該激發光源之射出光轉換成複數個光線束，照射於該螢光板；以及聚光透鏡，係配置在該螢光板附近，將該複數個光線束，以在該螢光體層上中心位置為重疊之方式，照射於該螢光體層，該螢光板係以表面為反射面，在該反射面上敷設有既定形狀之該螢光體層；該微透鏡陣列係與該螢光體層之形狀同形狀且大致相同大小的複數個微凸透鏡排列成矩陣狀而成。
2. 如申請專利範圍第1項之光源單元，其中該螢光體層為方形。
3. 如申請專利範圍第1或2項之光源單元，其具備：激發光照射裝置，係具備有該激發光源及該微透鏡陣列；該螢光板，係具備有接受來自該激發光源之射出光並射出綠色波段光的綠色螢光體層；紅色光源，係射出紅色波段光；藍色光源，係射出藍色波段光；以及 光源側光學系統，係將該紅色、綠色、及藍色波段光轉換至相同光軸並導光至既定之一面。
4. 一種投影機，具備：如申請專利範圍第1至3項之光源單元；顯示元件；投影側光學系統；導光光學系統，係將來自該光源單元之射出光導光至該顯示元件，並且使在該顯示元件所生成之投影光與該投影側光學系統之光軸一致；以及投影機控制手段，係控制該光源單元及該顯示元件。