TWI626474B - 雷射投影光源 - Google Patents

Abstract

一種雷射投影光源，包含雷射光源模組、聚光模組、第一透鏡組、色輪、第二透鏡組以及集光器。雷射光源模組發射第一色光。在通過聚光模組時，第一色光在垂直於第一色光的行進方向的第一方向上會聚，在垂直於行進方向與第一方向的第二方向上不產生會聚效果，在通過聚光模組後，第一色光成為平行光束。然後，第一色光進入第一透鏡組。色輪接收通過第一透鏡組的第一色光，將部分之第一色光轉換為第二色光，且反射部分之第一色光。接著，第一色光與第二色光通過第一透鏡組與第二透鏡組。集光器蒐集通過第二透鏡組的第一色光與第二色光。

Description

雷射投影光源

本發明是有關於一種雷射投影光源。

隨著雷射光源開發的進步，雷射光源的尺寸越做越小，功率與亮度越來越佳，因此以雷射作為光源的投影機也就越來越普遍，但是因為雷射光源在應用上有其先天上的缺點，就是光束的形狀為橢圓形。另外因為製程上的因素，每一雷射光源的發散角與傾斜角度焦距都會有差異，因此應用於投影機上所形成之影像品質會因光束形狀與焦距而受到影響。

為了進一步改善雷射投影光源的各項特性，相關領域莫不費盡心思開發。如何能提供一種具有較佳特性的雷射投影光源，實屬當前重要研發課題之一，亦成□當前相關領域亟需改進的目標。

本發明之一技術態樣是在提供一種雷射投影光源，以提升集光器的集光效率與縮小雷射投影光源的體積。

根據本發明一實施方式，一種雷射投影光源，包含雷射光源模組、聚光模組、第一透鏡組、色輪、第二透鏡組以及集光器。雷射光源模組發射第一色光。第一色光在通過聚光模組時具有一光路行進方向，此光路行進方向為第一方向，聚光模組在第一色光進入聚光模組時使第一色光在垂直於第一方向的第二方向會聚 ，且使第一色光在垂直於第一方向與第二方向的第三方向上不產生會聚效果，在第一色光通過聚光模組後，聚光模組使第一色光形成平行光束。第一透鏡組具有第一半部與第二半部，其中第一半部接收自聚光模組射出的第一色光，且使第一色光通過第一半部後成為會聚光束。色輪接收自第一半部分射出的第一色光，並將部分之第一色光轉換為第二色光，且反射部分之第一色光，其中第一色光入射色輪的入射角小於90度，第二色光與反射後的第一色光進入第二半部，並在通過第二半部後成為平行光束。第二透鏡組接收自第二半部射出的第一色光與第二色光，且使第一色光與第二色光通過第二透鏡組後成為會聚光束。集光器蒐集自第二透鏡組射出的第一色光與第二色光。

於本發明之一或多個實施方式中，雷射投影光源更包含會聚透鏡與發散透鏡。會聚透鏡接收自雷射光源模組發射的第一色光，並使第一色光通過會聚透鏡後成為會聚光束。發散透鏡接收自會聚透鏡射出的第一色光，並使第一色光通過發散透鏡後成為平行光束。

於本發明之一或多個實施方式中，聚光模組包含第一柱狀透鏡與第二柱狀透鏡。第一柱狀透鏡接收自雷射光源模組發射的第一色光，並使第一色光通過第一柱狀透鏡後成為會聚光束。第二柱狀透鏡接收自第一柱狀透鏡發射的第一色光，並使第一色光通過第二柱狀透鏡後成為平行光束。

於本發明之一或多個實施方式中，第一色光在入射色輪前與被色輪反射後的光束空間分布互不重疊。

於本發明之一或多個實施方式中，第一色光與第二色光自第二半部射出後與進入第二透鏡組前沒有通過其他光學元件。

於本發明之一或多個實施方式中，雷射投影光源更包含反射鏡。反射鏡反射通過聚光模組的第一色光，使第一色光進入第一透鏡組。

於本發明之一或多個實施方式中，第一色光在雷射投影光源的整體光路中僅通過反射鏡一次。

於本發明之一或多個實施方式中，第一色光在聚光模組與反射鏡之間的光束空間分布與第一色光在第一透鏡組與第二透鏡組之間的光束空間分布部分重疊。

於本發明之一或多個實施方式中，色輪包含本體、反射層以及螢光層。反射層設置於本體上。螢光層設置於反射層上。

於本發明之一或多個實施方式中，雷射投影光源更包含勻束元件。勻束元件接收自聚光模組射出的第一色光，並使第一色光在通過勻束元件後，第一色光的能量分佈變得均勻。

本發明上述實施方式藉由讓第一色光通過聚光模組，因而使其在垂直於第一色光的行進方向的第一方向上會聚，而在垂直於行進方向與第一方向的第二方向上不產生會聚效果，於是第一色光與第二色光在收光口的投影將能位於收光口中，而避免部分的投影沒有位於收光口中而造成能量上的損失。換句話說，藉由使第一色光通過聚光模組，將可有效提升集光器的集光效率。

另外，利用第一透鏡組會會聚光束而改變光束行進方向的特性，以及入射角會等於反射角的特性，第一色光得以進入第一透鏡組的第一半部後，部分之第一色光被色輪轉換為第二色光，且部分之第一色光被色輪反射，而第二色光與反射後的第一色光可以接著通過第一透鏡組的第二半部並成為平行光束。於是，通過勻束元件的第一色光僅需要再經過反射鏡、第一透鏡組、色輪以及第二透鏡組便能到達集光器，大幅減少光路系統中的光學元件，因而得以有效縮小雷射投影光源的體積。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

第1圖繪示依照本發明一實施方式之雷射投影光源100與其光路的側視示意圖。本發明不同實施方式提供一種雷射投影光源100。如第1圖所繪示，雷射投影光源100包含雷射光源模組110、會聚透鏡121、反射鏡131、發散透鏡122、聚光模組140、勻束元件150、反射鏡132、第一透鏡組160、色輪170、第二透鏡組180以及集光器190。

雷射光源模組110發射第一色光901，其中第一色光901具有光軸902。會聚透鏡121接收自雷射光源模組110發射的第一色光901，並使第一色光901通過會聚透鏡121後成為會聚光束。然後，成為會聚光束的第一色光901會被反射鏡131反射而改變其行進方向。發散透鏡122接收被反射鏡131反射(自會聚透鏡121射出)的第一色光901，並使第一色光901通過發散透鏡122後成為平行光束。

然後，第一色光901通過聚光模組140。第一色光901在通過聚光模組140時具有一光路行進方向，此光路行進方向為第一方向D1，聚光模組140在第一色光901進入聚光模組140時使第一色光901在垂直於第一方向D1的第二方向D2會聚 ，且使第一色光在垂直於第一方向D1與第二方向D2的第三方向D3(見第3圖與第4圖)上不產生會聚效果。在第一色光901通過聚光模組140後，聚光模組140使第一色光901形成平行光束。

勻束元件150接收自聚光模組140射出的第一色光901，並使第一色光901在通過勻束元件150後，第一色光901的能量分佈變得均勻。然後，通過勻束元件150的第一色光901(即通過聚光模組140的第一色光901)會被反射鏡132反射而改變其行進方向，使第一色光901進入第一透鏡組160。

第一透鏡組160具有第一半部160a與第二半部160b，其中第一半部160a接收被反射鏡132反射(自聚光模組140射出)的第一色光901，且使第一色光901通過第一半部160a後成為會聚光束。色輪170接收自第一半部160a射出的第一色光901，並將部分之第一色光901轉換為第二色光，且反射部分之第一色光901，其中第一色光901入射色輪170的入射角小於90度，第二色光與反射後的第一色光901進入第二半部160b，並在通過第二半部160b後成為平行光束。此處需要注意的是，因為第二色光的光路與被色輪170反射後的第一色光901的光路大致相同，因此第1圖沒有繪示第二色光的光路。

第二透鏡組180接收自第二半部160b射出的第一色光901與第二色光，且使第一色光901與第二色光通過第二透鏡組180後成為會聚光束。最後，集光器190蒐集自第二透鏡組180射出的第一色光901與第二色光。

藉由利用第一透鏡組160會會聚光束而改變光束行進方向的特性，以及入射角會等於反射角的特性，第一色光901得以進入第一透鏡組160的第一半部160a後，部分之第一色光901被色輪170轉換為第二色光，且部分之第一色光901被色輪170反射，而第二色光與反射後的第一色光901可以接著通過第一透鏡組160的第二半部160b並成為平行光束。於是，通過勻束元件150的第一色光901僅需要再經過反射鏡132、第一透鏡組160、色輪170以及第二透鏡組180便能到達集光器190，大幅減少光路系統中的光學元件，因而得以有效縮小雷射投影光源100的體積。

第2圖繪示依照本發明一實施方式之雷射光源模組110的前視示意圖。如第2圖所繪示，雷射光源模組110包含複數個雷射光源111，且雷射光源111所發射的光線共同組成第一色光901。在本實施方式中，雷射光源模組110包含四十個雷射光源111。

第3圖繪示依照本發明一實施方式之第一柱狀透鏡141的前視示意圖。第4圖繪示依照本發明一實施方式之第二柱狀透鏡142的前視示意圖。如第1圖、第3圖以及第4圖所繪示，聚光模組140包含第一柱狀透鏡141與第二柱狀透鏡142。第一柱狀透鏡141接收自雷射光源模組110發射的第一色光901，並使第一色光901通過第一柱狀透鏡141後成為會聚光束(在平行於行進方向的第一方向D1上不會聚，在垂直於第一方向D1的第二方向D2上會聚)。第二柱狀透鏡142接收自第一柱狀透鏡141發射的第一色光901，並使第一色光901通過第二柱狀透鏡142後成為平行光束。

需要注意的是，在其他實施方式中，聚光模組140可以沒有包含第一柱狀透鏡141與第二柱狀透鏡142而包含其他光學元件。此處的重點在於，聚光模組140使第一色光901通過聚光模組140後，第一色光901維持為 平行光束，第一色光901在垂直於第一色光901的行進方向的第一方向D1上會聚，第一色光901在垂直於行進方向與第一方向D1的第二方向D2上不產生會聚效果。

如第1圖與第2圖所繪示，由於第一色光901為由多個雷射光源111所發射的光線(其特性類似為點光源)共同組成，因此在色輪170接收第一色光901的時候，第一色光901的某些部份可能會有能量密度過高的情況，因而可能燒壞色輪170上的螢光層。為了避免前述問題產生，讓第一色光901通過勻束元件150，因而使第一色光901的能量分佈變得均勻。進一步來說，因為第一色光901的能量分佈變得均勻，因此色輪170的尺寸可以進一步縮小而不會燒壞色輪170上的螢光層。

需要注意的是，在其他實施方式中，依照雷射投影光源100的各項特性(舉例來說，雷射光源111的雷射能量大小)，雷射投影光源100可以沒有包含勻束元件150，僅要使色輪170上的螢光層不會燒壞即可。

在本實施方式中，第一透鏡組160包含兩個匯聚透鏡161、162，第二透鏡組180包含一個匯聚透鏡，但並不限於此。在其他實施方式中，第一透鏡組160可以包含一個匯聚透鏡或者複數個(匯聚)透鏡，第二透鏡組180可以包含複數個(匯聚)透鏡，僅要可以使第一透鏡組160與第二透鏡組180可以具有優良的成像效果即可。

第5圖繪示依照本發明一實施方式之色輪170的側視示意圖。如第1圖與第5圖所繪示，色輪170包含本 體171、反射層172以及螢光層173。反射層172設置於本體171上。螢光層173設置於反射層172上。螢光層173將部分之第一色光901轉換為第二色光。反射層172反射部分之第一色光901與第二色光。

具體而言，第一色光901為藍光，第二色光為紅光、綠光、黃光或其組合。應了解到，以上所舉之第一色光901與第二色光的具體實施方式僅為例示，並非用以限制本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，應視實際需要，彈性選擇第一色光901與第二色光的具體實施方式的具體實施方式。

具體而言，第一色光901在入射色輪170前與被色輪170反射後的光束空間分布互不重疊。於是，第一色光901在入射色輪170前與被色輪170反射後的光路並不相同，所以第一色光901並不會經過反射鏡132兩次。換句話說，第一色光901在雷射投影光源100的整體光路中僅會通過反射鏡132一次。在傳統的光學系統中，因為第一色光可能會通過類似於反射鏡132的光學元件兩次，所以此光學元件，其通常為二向分光鏡(Dichroic mirror)，必須同時具有反射與穿透的兩種功能，但是在此同時，在第一色光穿過二向分光鏡的時候，將會大幅耗損第一色光的能量。在本實施方式中，第一色光901不會經過反射鏡132兩次，所以也就不會大幅耗損第一色光901的能量。另外，因為第一色光901不會通過類似於反射鏡132的光學元件兩次，所以第一色光901與第二色光自第二半部160b射出後與進入第二透鏡組180前將不會通過其他光學元件。

第6圖繪示依照本發明一實施方式之集光器190的收光口190o的示意圖。如第1圖與第6圖所繪示，集光器190的收光口190o的形狀為矩形，矩形的長大於矩形的寬，且第一色光901與第二色光在收光口190o的投影910為位於收光口190o中的橢圓形。此處需要注意的是，由於第一色光901通過聚光模組140，使其在垂直於第一色光901的行進方向的第一方向D1上會聚，而在垂直於行進方向與第一方向D1的第二方向(見第3圖與第4圖)上不產生會聚效果，所以第一色光901與第二色光在收光口190o的投影910為位於收光口190o中的橢圓形。若是第一色光901沒有通過聚光模組140，則第一色光901與第二色光在收光口190o的投影910的形狀將會類似於圓形，且至少會有部分的投影910不會位於收光口190o中，於是將會造成第一色光901與第二色光在能量上的損失。換句話說，藉由使第一色光901通過聚光模組140，將可有效提升集光器190的集光效率。

第7圖繪示依照本發明另一實施方式之雷射投影光源100與其光路的側視示意圖。反射鏡132與其他光學元件的相對位置關係可以依照情況進行調整。舉例來說，如第7圖所繪示，反射鏡132可以向左平移，進而使第二半部160b接收被反射鏡132反射的第一色光901，且使第一色光901通過第二半部160b後成為會聚光束。色輪170接收自第二半部160b射出的第一色光901，並將部分之第一色光901轉換為第二色光，且反射部分之第一色光901，其中第一色光901入射色輪170的入射角小於90度，第二色光與反射後的第一色光901進入第一半部160a，並在通過第一半部160a後成為平行光束。本實施方式的雷射投影光源100的光路的其他部分與前一實施方式相同。另外，第一色光901在勻束元件150(或者聚光模組140)與反射鏡132之間的光束空間分布與第一色光901在第一透鏡組160與第二透鏡組180之間的光束空間分布會部分重疊。

進一步來說，雷射投影光源100並不一定需要包含反射鏡131、132，且反射鏡131、132與其他光學元件的相對位置關係可以依照情況進行調整。

另外，雷射投影光源100中的光學元件的擺設順序可以在不影響其光路的情況下進行互換調整。舉例來說，聚光模組140與勻束元件150的擺設順序可以互換調整而不影響整體光路。

本發明上述實施方式藉由讓第一色光901通過聚光模組140，因而使其在垂直於第一色光901的行進方向的第一方向D1上會聚，而在垂直於行進方向與第一方向D1的第二方向上不產生會聚效果，於是第一色光901與第二色光在收光口190o的投影910將能位於收光口190o中，而避免部分的投影910沒有位於收光口190o中而造成能量上的損失。換句話說，藉由使第一色光901通過聚光模組140，將可有效提升集光器190的集光效率。

另外，利用第一透鏡組160會會聚光束而改變光束行進方向的特性，以及入射角會等於反射角的特性，第一色光901得以進入第一透鏡組160的第一半部160a後，部分之第一色光901被色輪170轉換為第二色光，且部分之第一色光901被色輪170反射，而第二色光與反射後的第一色光901可以接著通過第一透鏡組160的第二半部160b並成為平行光束。於是，通過勻束元件150的第一色光901僅需要再經過反射鏡132、第一透鏡組160、色輪170以及第二透鏡組180便能到達集光器190，大幅減少光路系統中的光學元件，因而得以有效縮小雷射投影光源100的體積。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧雷射投影光源

110‧‧‧雷射光源模組

111‧‧‧雷射光源

121‧‧‧會聚透鏡

122‧‧‧發散透鏡

131、132‧‧‧反射鏡

140‧‧‧聚光模組

141‧‧‧第一柱狀透鏡

142‧‧‧第二柱狀透鏡

150‧‧‧勻束元件

160‧‧‧第一透鏡組

160a‧‧‧第一半部

160b‧‧‧第二半部

161、162‧‧‧匯聚透鏡

170‧‧‧色輪

171‧‧‧本體

172‧‧‧反射層

173‧‧‧螢光層

180‧‧‧第二透鏡組

190‧‧‧集光器

190o‧‧‧收光口

901‧‧‧第一色光

902‧‧‧光軸

910‧‧‧投影

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

D3‧‧‧第三方向

第1圖繪示依照本發明一實施方式之雷射投影光源與其光路的側視示意圖。 第2圖繪示依照本發明一實施方式之雷射光源模組的前視示意圖。 第3圖繪示依照本發明一實施方式之第一柱狀透鏡的前視示意圖。 第4圖繪示依照本發明一實施方式之第二柱狀透鏡的前視示意圖。 第5圖繪示依照本發明一實施方式之色輪的側視示意圖。 第6圖繪示依照本發明一實施方式之集光器的收光口的示意圖。 第7圖繪示依照本發明另一實施方式之雷射投影光源與其光路的側視示意圖。

Claims (10)

1. 一種雷射投影光源，包含：一雷射光源模組，用以發射一第一色光；一聚光模組，其中該第一色光在通過該聚光模組時具有一光路行進方向，該光路行進方向為一第一方向，該聚光模組用以在該第一色光進入該聚光模組時使該第一色光在垂直於該第一方向的一第二方向會聚，且使該第一色光在垂直於該第一方向與該第二方向的一第三方向上不產生會聚效果，在該第一色光通過該聚光模組後，該聚光模組用以使該第一色光形成平行光束；一第一透鏡組，具有一第一半部與一第二半部，其中該第一半部用以接收自該聚光模組射出的該第一色光，且使該第一色光通過該第一半部後成為會聚光束；一色輪，用以接收自該第一半部分射出的該第一色光，並將部分之該第一色光轉換為一第二色光，且反射部分之該第一色光，其中該第一色光入射該色輪的入射角小於90度，該第二色光與反射後的該第一色光進入該第二半部，並在通過該第二半部後成為平行光束；一第二透鏡組，用以接收自該第二半部射出的該第一色光與該第二色光，且使該第一色光與該第二色光通過該第二透鏡組後成為會聚光束；以及一集光器，用以蒐集自該第二透鏡組射出的該第一色光與該第二色光。
2. 如請求項1所述之雷射投影光源，更包含： 一會聚透鏡，用以接收自該雷射光源模組發射的該第一色光，並使該第一色光通過該會聚透鏡後成為會聚光束；以及一發散透鏡，用以接收自該會聚透鏡射出的該第一色光，並使該第一色光通過該發散透鏡後成為平行光束。
3. 如請求項1所述之雷射投影光源，其中該聚光模組包含：一第一柱狀透鏡，用以接收自該雷射光源模組發射的該第一色光，並使該第一色光通過該第一柱狀透鏡後成為會聚光束；以及一第二柱狀透鏡，用以接收自該第一柱狀透鏡發射的該第一色光，並使該第一色光通過該第二柱狀透鏡後成為平行光束。
4. 如請求項1所述之雷射投影光源，其中該第一色光在入射該色輪前與被該色輪反射後的光束空間分布互不重疊。
5. 如請求項1所述之雷射投影光源，其中該第一色光與該第二色光自該第二半部射出後與進入該第二透鏡組前沒有通過其他光學元件。
6. 如請求項1所述之雷射投影光源，更包含：一反射鏡，用以反射通過該聚光模組的該第一色光，使該第一色光進入該第一透鏡組。
7. 如請求項6所述之雷射投影光源，其中該第一色光在該雷射投影光源的整體光路中僅通過該反射鏡一次。
8. 如請求項6所述之雷射投影光源，其中該第一色光在該聚光模組與該反射鏡之間的光束空間分布與該第一色光在該第一透鏡組與該第二透鏡組之間的光束空間分布部分重疊。
9. 如請求項1所述之雷射投影光源，其中該色輪包含：一本體；一反射層，設置於該本體上；以及一螢光層，設置於該反射層上。
10. 如請求項1所述之雷射投影光源，更包含一勻束元件，用以接收自該聚光模組射出的該第一色光，並使該第一色光在通過該勻束元件後，該第一色光的能量分佈變得均勻。