CN108802986B - 激光投影光源 - Google Patents

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Abstract

一种激光投影光源，包含激光光源模块、聚光模块、第一透镜组、色轮、第二透镜组以及集光器。激光光源模块发射第一色光。在通过聚光模块时，第一色光在垂直于第一色光的行进方向的第一方向上会聚，在垂直于行进方向与第一方向的第二方向上不产生会聚效果，在通过聚光模块后，第一色光成为平行光束。然后，第一色光进入第一透镜组。色轮接收通过第一透镜组的第一色光，将部分的第一色光转换为第二色光，且反射部分的第一色光。接着，第一色光与第二色光通过第一透镜组与第二透镜组。集光器搜集通过第二透镜组的第一色光与第二色光。

Description

激光投影光源
技术领域
本发明是有关于一种激光投影光源。
背景技术
随着激光光源开发的进步，激光光源的尺寸越做越小，功率与亮度越来越佳，因此以激光作为光源的投影机也就越来越普遍，但是因为激光光源在应用上有其先天上的缺点，就是光束的形状为椭圆形。另外因为工艺上的因素，每一激光光源的发散角与倾斜角度焦距都会有差异，因此应用于投影机上所形成的影像质量会因光束形状与焦距而受到影响。
为了进一步改善激光投影光源的各项特性，相关领域莫不费尽心思开发。如何能提供一种具有较佳特性的激光投影光源，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前相关领域亟需改进的目标。
发明内容
本发明之一技术态样是在提供一种激光投影光源，以提升集光器的集光效率与缩小激光投影光源的体积。
根据本发明一实施方式，一种激光投影光源，包含激光光源模块、聚光模块、第一透镜组、色轮、第二透镜组以及集光器。激光光源模块发射第一色光。第一色光在通过聚光模块时具有一光路行进方向，此光路行进方向为第一方向，聚光模块在第一色光进入聚光模块时使第一色光在垂直于第一方向的第二方向会聚，且使第一色光在垂直于第一方向与第二方向的第三方向上不产生会聚效果，在第一色光通过聚光模块后，聚光模块使第一色光形成平行光束。第一透镜组具有第一半部与第二半部，其中第一半部接收自聚光模块射出的第一色光，且使第一色光通过第一半部后成为会聚光束。色轮接收自第一半部分射出的第一色光，并将部分的第一色光转换为第二色光，且反射部分的第一色光，其中第一色光入射色轮的入射角小于90度，第二色光与反射后的第一色光进入第二半部，并在通过第二半部后成为平行光束。第二透镜组接收自第二半部射出的第一色光与第二色光，且使第一色光与第二色光通过第二透镜组后成为会聚光束。集光器搜集自第二透镜组射出的第一色光与第二色光。
于本发明之一或多个实施方式中，激光投影光源更包含会聚透镜与发散透镜。会聚透镜接收自激光光源模块发射的第一色光，并使第一色光通过会聚透镜后成为会聚光束。发散透镜接收自会聚透镜射出的第一色光，并使第一色光通过发散透镜后成为平行光束。
于本发明之一或多个实施方式中，聚光模块包含第一柱状透镜与第二柱状透镜。第一柱状透镜接收自激光光源模块发射的第一色光，并使第一色光通过第一柱状透镜后成为会聚光束。第二柱状透镜接收自第一柱状透镜发射的第一色光，并使第一色光通过第二柱状透镜后成为平行光束。
于本发明之一或多个实施方式中，第一色光在入射色轮前与被色轮反射后的光束空间分布互不重叠。
于本发明之一或多个实施方式中，第一色光与第二色光自第二半部射出后与进入第二透镜组前没有通过其他光学元件。
于本发明之一或多个实施方式中，激光投影光源更包含反射镜。反射镜反射通过聚光模块的第一色光，使第一色光进入第一透镜组。
于本发明之一或多个实施方式中，第一色光在激光投影光源的整体光路中仅通过反射镜一次。
于本发明之一或多个实施方式中，第一色光在聚光模块与反射镜之间的光束空间分布与第一色光在第一透镜组与第二透镜组之间的光束空间分布部分重叠。
于本发明之一或多个实施方式中，色轮包含本体、反射层以及荧光层。反射层设置于本体上。荧光层设置于反射层上。
于本发明之一或多个实施方式中，激光投影光源更包含匀束元件。匀束元件接收自聚光模块射出的第一色光，并使第一色光在通过匀束元件后，第一色光的能量分布变得均匀。
本发明上述实施方式藉由让第一色光通过聚光模块，因而使其在垂直于第一色光的行进方向的第一方向上会聚，而在垂直于行进方向与第一方向的第二方向上不产生会聚效果，于是第一色光与第二色光在收光口的投影将能位于收光口中，而避免部分的投影没有位于收光口中而造成能量上的损失。换句话说，藉由使第一色光通过聚光模块，将可有效提升集光器的集光效率。
另外，利用第一透镜组会会聚光束而改变光束行进方向的特性，以及入射角会等于反射角的特性，第一色光得以进入第一透镜组的第一半部后，部分的第一色光被色轮转换为第二色光，且部分的之第一色光被色轮反射，而第二色光与反射后的第一色光可以接着通过第一透镜组的第二半部并成为平行光束。于是，通过匀束元件的第一色光仅需要再经过反射镜、第一透镜组、色轮以及第二透镜组便能到达集光器，大幅减少光路***中的光学元件，因而得以有效缩小激光投影光源的体积。
附图说明
图1绘示依照本发明一实施方式的激光投影光源与其光路的侧视示意图。
图2绘示依照本发明一实施方式的激光光源模块的前视示意图。
图3绘示依照本发明一实施方式的第一柱状透镜的前视示意图。
图4绘示依照本发明一实施方式的第二柱状透镜的前视示意图。
图5绘示依照本发明一实施方式的色轮的侧视示意图。
图6绘示依照本发明一实施方式的集光器的收光口的示意图。
图7绘示依照本发明另一实施方式的激光投影光源与其光路的侧视示意图。
其中附图标记为：
100：激光投影光源
110：激光光源模块
111：激光光源
121：会聚透镜
122：发散透镜
131、132：反射镜
140：聚光模块
141：第一柱状透镜
142：第二柱状透镜
150：匀束元件
160：第一透镜组
160a：第一半部
160b：第二半部
161、162：汇聚透镜
170：色轮
171：本体
172：反射层
173：荧光层
180：第二透镜组
190：集光器
190o：收光口
901：第一色光
902：光轴
910：投影
D1：第一方向
D2：第二方向
D3：第三方向
具体实施方式
以下将以图式公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些现有惯用的结构与元件在图式中将以简单示意的方式绘示之。
图1绘示依照本发明一实施方式的激光投影光源100与其光路的侧视示意图。本发明不同实施方式提供一种激光投影光源100。如图1所绘示，激光投影光源100包含激光光源模块110、会聚透镜121、反射镜131、发散透镜122、聚光模块140、匀束元件150、反射镜132、第一透镜组160、色轮170、第二透镜组180以及集光器190。
激光光源模块110发射第一色光901，其中第一色光901具有光轴902。会聚透镜121接收自激光光源模块110发射的第一色光901，并使第一色光901通过会聚透镜121后成为会聚光束。然后，成为会聚光束的第一色光901会被反射镜131反射而改变其行进方向。发散透镜122接收被反射镜131反射(自会聚透镜121射出)的第一色光901，并使第一色光901通过发散透镜122后成为平行光束。
然后，第一色光901通过聚光模块140。第一色光901在通过聚光模块140时具有一光路行进方向，此光路行进方向为第一方向D1，聚光模块140在第一色光901进入聚光模块140时使第一色光901在垂直于第一方向D1的第二方向D2会聚，且使第一色光在垂直于第一方向D1与第二方向D2的第三方向D3(见图3与图4)上不产生会聚效果。在第一色光901通过聚光模块140后，聚光模块140使第一色光901形成平行光束。
匀束元件150接收自聚光模块140射出的第一色光901，并使第一色光901在通过匀束元件150后，第一色光901的能量分布变得均匀。然后，通过匀束元件150的第一色光901(即通过聚光模块140的第一色光901)会被反射镜132反射而改变其行进方向，使第一色光901进入第一透镜组160。
第一透镜组160具有第一半部160a与第二半部160b，其中第一半部160a接收被反射镜132反射(自聚光模块140射出)的第一色光901，且使第一色光901通过第一半部160a后成为会聚光束。色轮170接收自第一半部160a射出的第一色光901，并将部分的第一色光901转换为第二色光，且反射部分的第一色光901，其中第一色光901入射色轮170的入射角小于90度，第二色光与反射后的第一色光901进入第二半部160b，并在通过第二半部160b后成为平行光束。此处需要注意的是，因为第二色光的光路与被色轮170反射后的第一色光901的光路大致相同，因此图1没有绘示第二色光的光路。
第二透镜组180接收自第二半部160b射出的第一色光901与第二色光，且使第一色光901与第二色光通过第二透镜组180后成为会聚光束。最后，集光器190搜集自第二透镜组180射出的第一色光901与第二色光。
藉由利用第一透镜组160会会聚光束而改变光束行进方向的特性，以及入射角会等于反射角的特性，第一色光901得以进入第一透镜组160的第一半部160a后，部分的第一色光901被色轮170转换为第二色光，且部分的第一色光901被色轮170反射，而第二色光与反射后的第一色光901可以接着通过第一透镜组160的第二半部160b并成为平行光束。于是，通过匀束元件150的第一色光901仅需要再经过反射镜132、第一透镜组160、色轮170以及第二透镜组180便能到达集光器190，大幅减少光路***中的光学元件，因而得以有效缩小激光投影光源100的体积。
图2绘示依照本发明一实施方式的激光光源模块110的前视示意图。如图2所绘示，激光光源模块110包含多个激光光源111，且激光光源111所发射的光线共同组成第一色光901。在本实施方式中，激光光源模块110包含四十个激光光源111。
图3绘示依照本发明一实施方式的第一柱状透镜141的前视示意图。图4绘示依照本发明一实施方式的第二柱状透镜142的前视示意图。如图1、图3以及图4所绘示，聚光模块140包含第一柱状透镜141与第二柱状透镜142。第一柱状透镜141接收自激光光源模块110发射的第一色光901，并使第一色光901通过第一柱状透镜141后成为会聚光束(在第一方向D1上会聚，在第二方向D2上没有会聚)。第二柱状透镜142接收自第一柱状透镜141发射的第一色光901，并使第一色光901通过第二柱状透镜142后成为平行光束。
需要注意的是，在其他实施方式中，聚光模块140可以没有包含第一柱状透镜141与第二柱状透镜142而包含其他光学元件。此处的重点在于，聚光模块140使第一色光901通过聚光模块140后，第一色光901维持为平行光束，第一色光901在垂直于第一色光901的行进方向的第一方向D1上会聚，第一色光901在垂直于行进方向与第一方向D1的第二方向D2上不产生会聚效果。
如图1与图2所绘示，由于第一色光901为由多个激光光源111所发射的光线(其特性类似为点光源)共同组成，因此在色轮170接收第一色光901的时候，第一色光901的某些部份可能会有能量密度过高的情况，因而可能烧坏色轮170上的荧光层。为了避免前述问题产生，让第一色光901通过匀束元件150，因而使第一色光901的能量分布变得均匀。进一步来说，因为第一色光901的能量分布变得均匀，因此色轮170的尺寸可以进一步缩小而不会烧坏色轮170上的荧光层。
需要注意的是，在其他实施方式中，依照激光投影光源100的各项特性(举例来说，激光光源111的激光能量大小)，激光投影光源100可以没有包含匀束元件150，仅要使色轮170上的荧光层不会烧坏即可。
在本实施方式中，第一透镜组160包含两个汇聚透镜161、162，第二透镜组180包含一个汇聚透镜，但并不限于此。在其他实施方式中，第一透镜组160可以包含一个汇聚透镜或者多个(汇聚)透镜，第二透镜组180可以包含多个(汇聚)透镜，仅要可以使第一透镜组160与第二透镜组180可以具有优良的成像效果即可。
图5绘示依照本发明一实施方式的色轮170的侧视示意图。如图1与图5所绘示，色轮170包含本体171、反射层172以及荧光层173。反射层172设置于本体171上。荧光层173设置于反射层172上。荧光层173将部分的第一色光901转换为第二色光。反射层172反射部分的第一色光901与第二色光。
具体而言，第一色光901为蓝光，第二色光为红光、绿光、黄光或其组合。应了解到，以上所举的第一色光901与第二色光的具体实施方式仅为例示，并非用以限制本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，应视实际需要，弹性选择第一色光901与第二色光的具体实施方式。
具体而言，第一色光901在入射色轮170前与被色轮170反射后的光束空间分布互不重叠。于是，第一色光901在入射色轮170前与被色轮170反射后的光路并不相同，所以第一色光901并不会经过反射镜132两次。换句话说，第一色光901在激光投影光源100的整体光路中仅会通过反射镜132一次。在传统的光学***中，因为第一色光可能会通过类似于反射镜132的光学元件两次，所以此光学元件，其通常为二向分光镜(Dichroic mirror)，必须同时具有反射与穿透的两种功能，但是在此同时，在第一色光穿过二向分光镜的时候，将会大幅耗损第一色光的能量。在本实施方式中，第一色光901不会经过反射镜132两次，所以也就不会大幅耗损第一色光901的能量。另外，因为第一色光901不会通过类似于反射镜132的光学元件两次，所以第一色光901与第二色光自第二半部160b射出后与进入第二透镜组180前将不会通过其他光学元件。
图6绘示依照本发明一实施方式的集光器190的收光口190o的示意图。如图1与图6所绘示，集光器190的收光口190o的形状为矩形，矩形的长大于矩形的宽，且第一色光901与第二色光在收光口190o的投影910为位于收光口190o中的椭圆形。此处需要注意的是，由于第一色光901通过聚光模块140，使其在垂直于第一色光901的行进方向的第一方向D1上会聚，而在垂直于行进方向与第一方向D1的第二方向(见图3与图4)上不产生会聚效果，所以第一色光901与第二色光在收光口190o的投影910为位于收光口190o中的椭圆形。若是第一色光901没有通过聚光模块140，则第一色光901与第二色光在收光口190o的投影910的形状将会类似于圆形，且至少会有部分的投影910不会位于收光口190o中，于是将会造成第一色光901与第二色光在能量上的损失。换句话说，藉由使第一色光901通过聚光模块140，将可有效提升集光器190的集光效率。
图7绘示依照本发明另一实施方式的激光投影光源100与其光路的侧视示意图。反射镜132与其他光学元件的相对位置关系可以依照情况进行调整。举例来说，如图7所绘示，反射镜132可以向左平移，进而使第二半部160b接收被反射镜132反射的第一色光901，且使第一色光901通过第二半部160b后成为会聚光束。色轮170接收自第二半部160b射出的第一色光901，并将部分的第一色光901转换为第二色光，且反射部分的第一色光901，其中第一色光901入射色轮170的入射角小于90度，第二色光与反射后的第一色光901进入第一半部160a，并在通过第一半部160a后成为平行光束。本实施方式的激光投影光源100的光路的其他部分与前一实施方式相同。另外，第一色光901在匀束元件150(或者聚光模块140)与反射镜132之间的光束空间分布与第一色光901在第一透镜组160与第二透镜组180之间的光束空间分布会部分重叠。
进一步来说，激光投影光源100并不一定需要包含反射镜131、132，且反射镜131、132与其他光学元件的相对位置关系可以依照情况进行调整。
另外，激光投影光源100中的光学元件的摆设顺序可以在不影响其光路的情况下进行互换调整。举例来说，聚光模块140与匀束元件150的摆设顺序可以互换调整而不影响整体光路。
本发明上述实施方式藉由让第一色光901通过聚光模块140，因而使其在垂直于第一色光901的行进方向的第一方向D1上会聚，而在垂直于行进方向与第一方向D1的第二方向上不产生会聚效果，于是第一色光901与第二色光在收光口190o的投影910将能位于收光口190o中，而避免部分的投影910没有位于收光口190o中而造成能量上的损失。换句话说，藉由使第一色光901通过聚光模块140，将可有效提升集光器190的集光效率。
另外，利用第一透镜组160会会聚光束而改变光束行进方向的特性，以及入射角会等于反射角的特性，第一色光901得以进入第一透镜组160的第一半部160a后，部分的第一色光901被色轮170转换为第二色光，且部分的第一色光901被色轮170反射，而第二色光与反射后的第一色光901可以接着通过第一透镜组160的第二半部160b并成为平行光束。于是，通过匀束元件150的第一色光901仅需要再经过反射镜132、第一透镜组160、色轮170以及第二透镜组180便能到达集光器190，大幅减少光路***中的光学元件，因而得以有效缩小激光投影光源100的体积。
虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种激光投影光源，其特征在于，包含：
一激光光源模块，用以发射一第一色光；
一聚光模块，其中该第一色光在通过该聚光模块时具有一光路行进方向，该光路行进方向为一第一方向，该聚光模块用以在该第一色光进入聚光模块时使该第一色光在垂直于该第一方向的一第二方向会聚，且使该第一色光在垂直于该第一方向与该第二方向的一第三方向上不产生会聚效果，在该第一色光通过该聚光模块后，该聚光模块用以使该第一色光形成平行光束；
一第一透镜组，具有一第一半部与一第二半部，其中该第一半部用以接收自该聚光模块射出的该第一色光，且使该第一色光通过该第一半部后成为会聚光束；
一色轮，用以接收自该第一半部分射出的该第一色光，并将部分的该第一色光转换为一第二色光，且反射部分的该第一色光，其中该第一色光入射该色轮的入射角小于90度，该第二色光与反射后的该第一色光进入该第二半部，并在通过该第二半部后成为平行光束；
一第二透镜组，用以接收自该第二半部射出的该第一色光与该第二色光，且使该第一色光与该第二色光通过该第二透镜组后成为会聚光束；以及
一集光器，用以搜集自该第二透镜组射出的该第一色光与该第二色光。
2.如权利要求1所述的激光投影光源，其特征在于，更包含：
一会聚透镜，用以接收自该激光光源模块发射的该第一色光，并使该第一色光通过该会聚透镜后成为会聚光束；以及
一发散透镜，用以接收自该会聚透镜射出的该第一色光，并使该第一色光通过该发散透镜后成为平行光束。
3.如权利要求1所述的激光投影光源，其特征在于，该聚光模块包含：
一第一柱状透镜，用以接收自该激光光源模块发射的该第一色光，并使该第一色光通过该第一柱状透镜后成为会聚光束；以及
一第二柱状透镜，用以接收自该第一柱状透镜发射的该第一色光，并使该第一色光通过该第二柱状透镜后成为平行光束。
4.如权利要求1所述的激光投影光源，其特征在于，该第一色光在入射该色轮前与被该色轮反射后的光束空间分布互不重叠。
5.如权利要求1所述的激光投影光源，其特征在于，该第一色光与该第二色光自该第二半部射出后与进入该第二透镜组前没有通过其他光学元件。
6.如权利要求1所述的激光投影光源，其特征在于，更包含：
一反射镜，用以反射通过该聚光模块的该第一色光，使该第一色光进入该第一透镜组。
7.如权利要求6所述的激光投影光源，其特征在于，该第一色光在该激光投影光源的整体光路中仅通过该反射镜一次。
8.如权利要求6所述的激光投影光源，其特征在于，该第一色光在该聚光模块与该反射镜之间的光束空间分布与该第一色光在该第一透镜组与该第二透镜组之间的光束空间分布部分重叠。
9.如权利要求1所述的激光投影光源，其特征在于，该色轮包含：
一本体；
一反射层，设置于该本体上；以及
一荧光层，设置于该反射层上。
10.如权利要求1所述的激光投影光源，其特征在于，更包含一匀束元件，用以接收自该聚光模块射出的该第一色光，并使该第一色光在通过该匀束元件后，该第一色光的能量分布变得均匀。
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