TWI630454B - 雷射投影機 - Google Patents

Abstract

一種雷射投影機，其包含一合光模組和一分光模組。合光模組用來提供一雷射光束，其中雷射光束包含一第一偏振光和一第二偏振光，且第一偏振光和第二偏振光具有相異偏振性。分光模組包含一分光鏡，用來使第一偏振光穿透且反射第二偏振光；一二分之一波片，用來接收穿透第一分光鏡之第一偏振光並轉化成一第三偏振光，第三偏振光和第二偏振光具有相同偏振性；一螢光色輪模組，用來接收經分光鏡反射之第二偏振光且提供可穿透分光鏡之一受激光；以及一光導管，用來接收第一受激光及第三偏振光以提供一照明光束。

Description

雷射投影機

本發明相關於一種雷射投影機，尤指一種可減少光機元件、簡化螢光色輪設計和降低螢光粉過熱之雷射投影機。

雷射投影技術利用雷射光源的高聚焦、波長可選擇性和高光譜亮度等特性，可以讓投影機呈現出大螢幕和高解析度的高品質畫面。第1圖為先前技術中一雷射投影機100之示意圖。雷射投影機100包含一合光模組10、一導光模組20，以及一分光模組30。合光模組10包含複數個雷射光源以提供雷射光束。導光模組20包含一凸透鏡22和一凹透鏡24，用來調整雷射光束之尺寸。分光模組30包含一分光鏡32、複數個反射鏡34、一螢光色輪36，以及一光導管38。

第2圖為先前技術雷射投影機100中螢光色輪36之示意圖。螢光色輪36包含一紅色區塊R、一綠色區塊G、一藍色區塊B，以及一黃色區塊Y。紅色區塊R、綠色區塊G和黃色區塊Y上分別覆蓋相對應之紅色螢光粉、綠色螢光粉和黃色螢光粉，而藍色區塊B則為螢光色輪36上之透光區域。在運作時利用馬達驅動來螢光色輪36而旋轉，使得雷射光束在不同時間會入射至螢光色輪36上的不同區域，進而產生不同顏色的光輸出。

在先前技術之雷射投影機100中，分光鏡32設計成藍色光反射和其它色光穿透的特性。亦即，當上述雷射光束進入分光模組30中而入射至分光鏡32時，分光鏡32會允許藍光雷射光束反射到螢光色輪36。當藍光雷射光束擊中螢光色輪36之紅色區塊R、綠色區塊G和黃色區塊Y時會分別激發紅色色光、綠色色光和黃色色光(由第2圖中的箭頭S1來表示)反射回分光鏡32，此時分光鏡32會允許紅色色光、綠色色光和黃色色光通過而抵達光導管38。另一方面，當藍光雷射光束抵達藍色區塊B之處會通過螢光色輪36上之透光區域，並依序被三個反射鏡34所反射而再次入射至分光鏡32，此時分光鏡32會將藍光雷射光束(由第1圖中的箭頭S2來表示)反射到光導管38。最後，光導管38可將雷射投影機100進行後續投影成像所需之複數個成像色光投射至影像調變裝置(未顯示)上以進行混光。

先前技術之雷射投影機100採用雷射螢光粉顯示技術，其利用單色藍光雷射結合多色螢光粉的旋轉螢光粉色輪，進而提供成像所需之複數個色光。然而，先前技術之雷射投影機100所採用的藍光中繼架構會造成分光模組30需要使用很多反射鏡34。同時，螢光色輪36上需要規劃複數個螢光粉色區和一透光區域，不但製作複雜，且在運作旋轉時會產生較大噪音。

本發明提供一種雷射投影機，其包含一合光模組、一分光模組以及一色輪。該合光模組用來提供一雷射光束，其中該雷射光束包含一第一偏振光和一第二偏振光，且該第一偏振光和該第二偏振光具有相異偏振性。該分光模組，用來接收該第一雷射光束，該分光模組包含一分光鏡，用來使該第一偏振光穿透且反射該第二偏振光；一二分之一波片，用來接收穿透該第一分光鏡之該第一偏振光並轉化成一第三偏振光，該第三偏振光和該第二偏振光具有相同偏振性；一螢光色輪模組，用來接收經該分光鏡反射之該第二偏振光且提供一第一受激光，該第一受激光穿透該分光鏡；以及一光導管，用來接收該第一受激光及該第三偏振光以提供一照明光束。該色輪用來接收該照明光束且提供複數色光。

第3圖為本發明實施例中一雷射投影機200之示意圖。雷射投影機200包含一第一合光模組50、一第二合光模組60、一第一導光模組70、一第二導光模組80、一分光模組90，以及一色輪95。

第一合光模組50和第二合光模組60可分別提供一第一雷射光束和一第二雷射光束，其中第一合光模組50提供之第一雷射光束包含一P偏振藍光L1和一S偏振藍光L2，第二合光模組60提供之第二雷射光束包含一P偏振藍光L4和一S偏振藍光L5。

在本發明之雷射投影機200中，第一合光模組50和第二合光模組60各包含兩雷射模組和一個或多個反射鏡。在本發明一實施例中，第一合光模組50之雷射模組51包含A1個P偏振的藍光雷射二極體DP和B1個S偏振的藍光雷射二極體DS，用來發射沿著一第一路徑(第3圖中之X軸)行進之P偏振藍光L1和S偏振藍光L2。第一合光模組50之雷射模組52包含C1個S偏振的藍光雷射二極體DS，用來發射沿著一第二路徑(第3圖中之Y軸)行進之S偏振藍光L2，其中第二路徑垂直於第一路徑。第二合光模組60之雷射模組61包含A2個P偏振的藍光雷射二極體和B2個S偏振的藍光雷射二極體，用來發射沿著第一路徑行進之P偏振藍光L4和S偏振藍光L5。第二合光模組60之雷射模組62包含C2個S偏振的藍光雷射二極體，用來發射沿著第二路徑行進之S偏振藍光L5。依據不同應用，A1、B1、C1、A2、B2和C2可為零或任意正整數。為了說明目的，第3圖顯示了A1=B1=A2=B2=2和C1=C2=4時之實施例，然而在其它實施例中，第一合光模組50之雷射模組51可僅包含一個或多的P偏振的藍光雷射二極體(B1=0)，第二合光模組60之雷射模組61可僅包含一個或多個P偏振的藍光雷射二極體(B2=0)。值得注意的是，第一合光模組50和第二合光模組60中藍光雷射二極體之數目和偏振類型並不限定本發明之範疇。

在第一合光模組50中，每一反射鏡55之鏡面和第一路徑呈一特定角度(例如45度)，且設置對應於雷射模組52中的藍光雷射二極體並與雷射模組51中的藍光雷射二極體呈錯位，以將沿著第二路徑行進的S偏振藍光L2反射至沿著第一路徑行進，且使P偏振藍光L1沿著第一路徑行進。同理，在第二合光模組60中，每一反射鏡65之鏡面和第一路徑呈一特定角度(例如45度)，且設置對應於雷射模組62中的藍光雷射二極體並與雷射模組61中的藍光雷射二極體呈錯位，以將沿著第二路徑行進的S偏振藍光L5反射至沿著第一路徑行進，且使P偏振藍光L4沿著第一路徑行進。

第一導光模組70包含一凸透鏡72、一凹透鏡74和一擴散片(diffuser)76，其中凸透鏡72和凹透鏡74可調整第一雷射光束之尺寸，而擴散片76可使第一雷射光束成為均勻的面光源。第二導光模組80包含一凸透鏡82、一凹透鏡84和一擴散片86，其中凸透鏡82和凹透鏡84可調整第二雷射光束之尺寸，而擴散片86可使第二雷射光束成為均勻的面光源。然而，第一導光模組70和第二導光模組80之結構並不限定本發明之範疇。

分光模組90包含一第一分光鏡91、一第二分光鏡92、一二分之一波片93、一反射鏡94、一螢光色輪模組96，以及一光導管98。當雷射光線入射時，第一分光鏡91和第二分光鏡92反射S偏振藍光，並讓P偏振藍光和其它色光穿透。

第4a圖和第4b圖為本發明分光鏡之光譜示意圖。橫軸為波長(nm)，LS代表藍光雷射頻譜。於第4a圖中縱軸為光線穿透率(%)，P-Pol代表P偏振光。於第4b圖中縱軸為光線反射率(%)，S-Pol代表S偏振光。如第4a圖所示，P偏振光P-Pol在藍光波長範圍其光線穿透率（經積分換算後）高於95%。如第4b圖所示，S偏振光S-Pol在藍光波長範圍其光線反射率（經積分換算後）高於95%。更詳細地說，當第一合光模組50所提供之第一雷射光束入射至分光模組90後，第一分光鏡91會讓P偏振藍光L1穿透至二分之一波片93，但會將S偏振藍光L2反射至螢光色輪模組96。螢光色輪模組96接收經第一分光鏡91反射之S偏振藍光L2後，會提供一第一受激光Y1(例如黃色色光)。另一方面，二分之一波片93會接收穿透第一分光鏡91之P偏振藍光L1，並將P偏振藍光L1轉化成一S偏振藍光L3。因此，第一受激光Y1會穿透第一分光鏡91而抵達光導管98，而S偏振藍光L3可被第二分光鏡92和反射鏡94反射而導引至光導管98。

同理，當第二合光模組60所提供之第二雷射光束入射至分光模組90後，第二分光鏡92會讓P偏振藍光L4穿透至二分之一波片93，但會將S偏振藍光L5反射至螢光色輪模組96。螢光色輪模組96接收經第二分光鏡92反射之S偏振藍光L5後，會提供一第二受激光Y2(例如黃色色光)。另一方面，二分之一波片93會接收穿透第二分光鏡92之P偏振藍光L4，並將P偏振藍光L4轉化成一S偏振藍光L6。因此，第二受激光Y2在穿透第二分光鏡92後會被反射鏡94反射而導引至光導管98，而S偏振藍光L6會被第一分光鏡91反射而導引至光導管98。

第5圖為本發明光導管98之放大示意圖。光導管98包含一第一入光面2、一中繼面4，以及一第二入光面6。第一入光面2係相對螢光色輪模組90，用來接收第一受激光Y1及S偏振藍光L6。中繼面4與第一入光面2夾45度。第二入光面6對應於中繼面4，用來接收第二受激光Y2及S偏振藍光L3。中繼面4可將入射之第二受激光Y2及S偏振藍光L3反射至和第一受激光Y1及S偏振藍光L6相同的行進方向。在接收第一受激光Y1、第二受激光Y2、S偏振藍光L3或S偏振藍光L6後，光導管98可提供一照明光束LB至色輪95。在接收照明光束LB後，色輪95可過濾出複數個色光供雷射投影機200投影成像所需。複數個色光經由光學元件依序傳遞至影像調變裝置(未顯示)及鏡頭(未顯示)，呈現投影影像。

第6圖為本發明一實施例中螢光色輪模組96之示意圖。在此實施例中，螢光色輪模組96包含一螢光色輪PW，其包含一圓心8、一第一部份R1和一第二部份R2，由一馬達（未圖示）來驅動以在運作中旋轉。螢光色輪PW上覆蓋著對應特定色光之螢光粉，例如可激發出黃色色光之螢光粉。第一合光模組50所提供之S偏振藍光L2 會入射在螢光色輪PW之第一部份R1，其激發螢光粉的圓形路徑由P1來表示。第二合光模組60所提供之S偏振藍光L5會入射在螢光色輪PW之第二部份R2，其激發螢光粉的圓形路徑由P2來表示。如第5圖所示，圓形路徑P1和圓心X之間的第一距離d1不等於圓形路徑P2和圓心之間的第二距離d2，因此可分散螢光粉的熱淬滅效應以改善螢光色輪模組96的散熱問題。當然，在本發明其他實施例中，亦可以設置成：第一合光模組50所提供的S偏振藍光L2入射螢光色輪PW的第一位置，第二合光模組60所提供的S偏振藍光L5入射螢光色輪PW的第二位置，第一位置距該圓心8的距離等於第二位置距離圓心8的距離，例如，第一合光模組50所提供的S偏振藍光L2和第二合光模組60所提供的S偏振藍光L5都入射第一部分R1，或者都入射第二部分R2，具體由設計人員根據實際情況而定，在此不再贅述。

第7圖為本發明另一實施例中螢光色輪模組96之示意圖。在此實施例中，螢光色輪模組96包含一第一螢光色輪PW1和一第二螢光色輪PW2。第一螢光色輪PW1和第二螢光色輪PW2可由一同一馬達來驅動，或分別由不同馬達來驅動以在運作中旋轉。第一螢光色輪PW1和第二螢光色輪PW2上覆蓋著對應特定色光之螢光粉，例如可激發出黃色色光之螢光粉。第一合光模組50所提供之S偏振藍光L2 會入射在第一螢光色輪PW1，激發螢光粉的圓形路徑由P1來表示。第二合光模組60所提供之S偏振藍光L5會入射在第二螢光色輪PW2，激發螢光粉的圓形路徑由P2來表示。第6圖所示之螢光色輪模組使用兩個螢光色輪，因此可分散螢光粉的熱淬滅效應以改善螢光色輪模組96的散熱問題。

本發明之雷射投影機採用雷射螢光粉顯示技術，其利用單色藍光雷射結合單色螢光粉的旋轉螢光粉色輪，進而提供成像所需之複數個色光。本發明雷射投影機之分光模組使用兩分光鏡和一二分之一波片來提供藍光傳遞路徑，因此可減少反射鏡的數目。此外，本發明螢光色輪模組中的一個或多個螢光色輪僅需規劃單一螢光粉色區，並能提供相異螢光粉激發路徑，不但製作容易，在運作旋轉時亦能分散螢光粉的熱淬滅效應和降低噪音。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

2‧‧‧第一入光面

4‧‧‧中繼面

6‧‧‧第二入光面

8‧‧‧圓心

10‧‧‧合光模組

20‧‧‧導光模組

30、90‧‧‧分光模組

22、72、82‧‧‧凸透鏡

24、74、84‧‧‧凹透鏡

32‧‧‧分光鏡

34、55、65、94‧‧‧反射鏡

36、PW‧‧‧螢光色輪

38、98‧‧‧光導管

50‧‧‧第一合光模組

51、52、61、62‧‧‧雷射模組

60‧‧‧第二合光模組

70‧‧‧第一導光模組

76、86‧‧‧擴散片

80‧‧‧第二導光模組

91‧‧‧第一分光鏡

92‧‧‧第二分光鏡

93‧‧‧二分之一波片

95‧‧‧色輪

96‧‧‧螢光色輪模組

100、200‧‧‧雷射投影機

DP‧‧‧P偏振藍光雷射二極體

DS‧‧‧S偏振的藍光雷射二極體

PW1‧‧‧第一螢光色輪

PW2‧‧‧第二螢光色輪

第1圖為先前技術中一雷射投影機之示意圖。 第2圖為先前技術雷射投影機中螢光色輪之示意圖。 第3圖為本發明實施例中一雷射投影機之示意圖。 第4a、4b圖為本發明分光鏡之光譜示意圖。 第5圖為本發明雷射投影機中光導管之放大示意圖。 第6圖為本發明一實施例中螢光色輪模組之示意圖。 第7圖為本發明另一實施例中螢光色輪模組之示意圖。

Claims (10)

1. 一種雷射投影機，其包含：一第一合光模組，用來提供一第一雷射光束，其中該第一雷射光束包含一第一偏振光和一第二偏振光，且該第一偏振光和該第二偏振光具有相異偏振性；一分光模組，用來接收該第一雷射光束，該分光模組包含：一第一分光鏡，用來使該第一偏振光穿透且反射該第二偏振光；一二分之一波片，用來接收穿透該第一分光鏡之該第一偏振光並轉化成一第三偏振光，該第三偏振光和該第二偏振光具有相同偏振性；一螢光色輪模組，被覆蓋複數個螢光粉且無雷射透光區，該螢光色輪模組用來接收經該第一分光鏡反射之該第二偏振光且提供一第一受激光，該第一受激光穿透該第一分光鏡；以及一光導管，用來接收該第一受激光及該第三偏振光以提供一照明光束；以及一色輪，用來接收該照明光束且提供複數色光。
2. 如請求項1所述之雷射投影機，其中該第一合光模組包含：一第一雷射模組，其包含一個或多個第一雷射光源，用來發射沿著一第一路徑行進之該第一偏振光；一第二雷射模組，其包含一個或多個第二雷射光源，用來發射沿 著一第二路徑行進之該第二偏振光，其中該第二路徑垂直於該第一路徑；以及一個或多個反射鏡，每一反射鏡之鏡面和該第一路徑呈一特定角度，且設置對應於該一個或多個第二雷射光源並與該一個或多個第一雷射光源錯位。
3. 如請求項2所述之雷射投影機，其中該第一雷射光源組另包含至少一個第二雷射光源，用來發射沿著該第一路徑行進之該第二偏振光且設置與該一個或多個反射鏡錯位。
4. 如請求項2所述之雷射投影機，其中該特定角度實質上等於45°。
5. 如請求項2所述之雷射投影機，其中該一個或多個第一雷射光源為一P偏振的藍光雷射二極體，而該一個或多個第二雷射光源為一S偏振的藍光雷射二極體。
6. 如請求項1所述之雷射投影機，另包含：一第二合光模組，用來提供一第二雷射光束，其中該第二雷射光束包含一第四偏振光和一第五偏振光，且該第四偏振光和該第五偏振光具有相異偏振性；一第二分光鏡，設置於該分光模組中與該第一分光鏡相對，用來使該第四偏振光穿透且反射該第五偏振光；以及一反射鏡，設置於該分光模組中與該第二分光鏡相對，其中： 該第四偏振光依序穿透該第二分光鏡及該二分之一波片並轉化成一第六偏振光，該第六偏振光和該第五偏振光具有相同偏振性且經該第一分光鏡反射至該光導管；且該螢光色輪模組另接收經該第二分光鏡反射之該第五偏振光且提供一第二受激光，該第二受激光穿透該第二分光鏡至該反射鏡，該反射鏡反射該第三偏振光及該第二受激光至該光導管。
7. 如請求項6所述之雷射投影機，其中該螢光色輪模組包含一螢光色輪，該螢光色輪具有：一圓心；一第一部份，具該圓心一第一距離，用以接收該第二偏振光；以及一第二部份，具該圓心一第二距離，用以接收該第五偏振光，且該第一距離等於或不同該第二距離。
8. 如請求項6所述之雷射投影機，其中該螢光色輪模組包含：一第一螢光色輪，用以接收該第二偏振光；以及一第二螢光色輪，用以接收該第五偏振光。
9. 如請求項6所述之雷射投影機，其中該光導管包含：一第一入光面，係相對該螢光色輪模組，用來接收該第一受激光及該第六偏振光； 一中繼面，與該第一入光面夾45度；以及一第二入光面，對應該中繼面，用來接收該第二受激光及該第三偏振光。
10. 如請求項6所述之雷射投影機，其中該第一偏振光和該第四偏振光係為P偏振藍光，而該第二偏振光、該第三偏振光、該第五偏振光和該第六偏振光係為S偏振藍光。