CN110133950A - 照明***与投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种照明***，包括激发光源模块、分色元件、波长转换元件、匀光元件以及透镜阵列。激发光源模块包括多个激发光源，各激发光源用于提供激发光束。分色元件用于让激发光束传递至波长转换元件。波长转换元件用于将激发光束转换成转换光束，并反射转换光束至分色元件，分色元件用于将转换光束传递至匀光元件。匀光元件配置于来自分色元件的转换光束的传递路径上，匀光元件具有一入光端。透镜阵列配置于激发光束的传递路径上，透镜阵列包括多个透镜单元，各透镜单元的长边沿着转换光束的传递路径投射至入光端时，与入光端的长边平行。

Description

照明***与投影装置
技术领域
本发明是有关于一种显示装置，且特别是有关于一种照明***及使用此照明***的投影装置。
背景技术
投影装置所使用的光源种类随着市场对投影装置亮度、色彩饱和度、使用寿命、无毒环保等等要求，从超高压汞灯(UHP lamp)、发光二极体(light emitting diode,LED)进化到激光二极体(laser diode,LD)。
在已知使用激光二极体的投影装置中，激光二极体提供激发光束以激发荧光粉转轮上的荧光粉层产生荧光光束，之后再藉由匀光元件来均匀化荧光光束。然而，匀光元件的入光端为矩形，而激发光束在荧光粉转轮上形成的光斑为圆形光斑，所激发出的荧光光束于匀光元件的入光端会对应形成圆形光斑。由于荧光光束于入光端形成的光斑形状与入光端的形状不匹配，导致光利用率变差，因而降低投影装置的亮度。
本“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”中所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。此外，在“背景技术”中所揭露的内容并不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，也不代表在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种照明***，可提升光利用率。
本发明提供一种投影装置，可提升光利用率。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明一实施例所提供的一种照明***包括激发光源模块、分色元件(dichroic element)、波长转换元件、匀光元件以及透镜阵列。激发光源模块包括多个激发光源，各激发光源用于提供激发光束。分色元件配置于激发光束的传递路径上，且用于让来自激发光源模块的激发光束传递至波长转换元件。波长转换元件配置于来自分色元件的激发光束的传递路径上，以将激发光束转换成转换光束，并反射转换光束至分色元件，分色元件用于将转换光束传递至匀光元件。匀光元件配置于来自分色元件的转换光束的传递路径上，匀光元件具有一入光端。透镜阵列配置于激发光束的传递路径上，透镜阵列包括多个透镜单元，各透镜单元的长边沿着转换光束的传递路径投射至入光端时，与入光端的长边平行。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明一实施例所提供的一种投影装置包括上述的照明***、光阀以及投影镜头。上述的照明***用于提供照明光束。光阀配置于照明光束的传递路径上，以将照明光束转换成影像光束。投影镜头配置于影像光束的传递路径上。
本发明因采用透镜阵列，可以调整出射自透镜阵列的激发光束照射于波长转换元件时的光斑形状，以使经波长转换元件转换的转换光束的光斑形状对应匀光元件的入光端的形状，进而提升光利用率。本发明实施例的投影装置因使用上述照明***，因此能提升光利用率。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一实施例的照明***的示意图。
图2是图1的匀光元件的入光端的示意图。
图3是本发明一实施例的激发光束于透镜阵列形成的光斑示意图。
图4是本发明一实施例的激发光束及转换光束在波长转换元件上的光斑示意图。
图5是本发明另一实施例的照明***的示意图。
图6是本发明一实施例的投影装置的方块图。
图7是本发明一实施例的匀光元件与光阀的示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1是本发明一实施例的照明***的示意图。请参考图1及图2，本实施例的照明***100包括激发光源模块110、分色元件120、波长转换元件130、匀光元件140以及透镜阵列150。激发光源模块110包括多个激发光源111，各激发光源111用于提供激发光束L1。分色元件120配置于这些激发光束L1的传递路径上，且用于让来自激发光源模块110的这些激发光束L1传递至波长转换元件130。波长转换元件130配置于来自分色元件120的这些激发光束L1的传递路径上，以将这些激发光束L1转换成转换光束L2，并反射转换光束L2至分色元件120，其中激发光束L1的波长不同于转换光束L2的波长，而分色元件120用于将转换光束L2传递至匀光元件140。匀光元件140配置于来自分色元件120的转换光束L2的传递路径上，匀光元件140具有入光端141。本实施例中，透镜阵列150可仅使用单组且配置于激发光束L1的传递路径上，透镜阵列150包括多个透镜单元151。
图2是图1的匀光元件的入光端的示意图，而图3是本发明一实施例的激发光束于透镜阵列形成的光斑示意图。请参照图1、图2与图3，在本实施例中，各透镜单元151的长边151a沿着转换光束L2的传递路径投射至入光端141时，与入光端141的长边141b平行。由于透镜阵列150会对入射的激发光束L1进行整型，激发光束L1于透镜阵列150形成光斑S3且各光斑S3可涵盖至少两个透镜单元151，使出射透镜阵列150的激发光束L1的光斑会对应至透镜单元151的形状，因此，转换光束L2的光斑的长边于入光端141会平行于入光端141的长边141b。
请参照图1及图3，在本实施例中，激发光源111例如是激光光源或其他固态光源，但不以此为限。这些激发光源111例如是呈阵列排列。本实施例的激发光源111数量是以20个为例，因而在透镜阵列150上形成20个光斑S3。此外，激发光源模块110还可包括多个准直透镜(collimating lens)112，分别对应设置于这些激发光源111前方，即准直透镜112位于激发光源111与透镜阵列150之间，这些准直透镜112用于将激发光束L1传递至分色元件120。在另一实施例中，多个准直透镜112也可以替换成一片透镜阵列。
上述的分色元件120例如是二向色滤光片(Dichroic filter)或二向色镜(Dichroic mirror)等分色元件，但不以此为限。分色元件120用于让激发光束L1(例如为蓝色光束)穿过并反射转换光束L2(例如为黄色光束)。在另一照明***的实施例中，分色元件120也可反射激发光束L1并让转换光束L2通过，但照明***的光学架构需适当调整。
上述的波长转换元件130配置有波长转换材料(未标号)，波长转换材料可为光致发光材料，用以接收短波长光束并藉由光致发光现象产生相对应的转换光束L2(如图1所示)。光致发光材料例如是荧光粉，而波长转换元件130例如是荧光粉转轮，荧光粉转轮具有荧光粉区块(图未示)，而激发光束L1照射于荧光粉区块时会激发出转换光束L2。
上述的匀光元件140例如是光积分柱(light integration rod)，但不以此为限。光积分柱可以是实心柱体或空心柱体。
本实施例的透镜阵列150例如是配置于激发光源模块110与分色元件120之间，并位于激发光束L1的传递路径上。上述透镜阵列150的各透镜单元151例如具有正屈光度(refractive power)，举例来说，各透镜单元151可以是平凸透镜或双凸透镜等。在另一实施例中，也可视需求而使各透镜单元151具有负屈光度，举例来说，各透镜单元151可以为双凹透镜。此外，来自这些激发光源111的激发光束L1于透镜阵列150上形成多个光斑S3，各光斑S3例如覆盖至少两个透镜单元151。因激发光束L1的光斑S3的能量集中度高，当覆盖至少两个透镜单元151时，被覆盖的各透镜单元151会将光斑S3切割后投射至波长转换元件130，以避免能量过于集中，进而于波长转换元件130上形成均匀度较佳的整体光斑。
为了使大部分的转换光束L2能从入光端141进入匀光元件140，可以调整照明***100的元件结构，藉由透镜阵列150的各透镜单元151改变激发光束L1的形状，再让经波长转换元件130所转换的转换光束L2的形状与匀光元件140的入光端141的形状匹配。例如，使各透镜单元151及匀光元件140的入光端141为对应的矩形，并使各透镜单元151的长宽比大于匀光元件140的入光端141的长宽比。以下将举例说明各透镜单元151的长宽比及匀光元件140的入光端141的长宽比的关联性。
图4是本发明一实施例的激发光束及转换光束在波长转换元件上的光斑示意图。请同时参考图2及图4，假设匀光元件140的入光端141为矩形且入光端141的尺寸为2.5mm×4.6mm，而波长转换元件130到匀光元件140的光斑放大率为2倍，则需预设转换光束L2于波长转换元件130的光斑S2的尺寸为1.25mm×2.3mm(长宽比为2.3/1.25＝1.84)。此外，由于激发光束L1投射于波长转换元件130的波长转换材料的表面(未标号)时，激发光束L1于该表面形成一整体光斑S1，而激发光束L1进入波长转换材料内所转换的转换光束L2会向四周散开，使转换光束L2于波长转换元件130的波长转换材料的所述表面出射时的光斑S2会大于激发光束L1汇聚于波长转换元件130的整体光斑S1。亦即，激发光束L1于波长转换元件130的整体光斑S1的长度小于转换光束L2于波长转换元件130的光斑S2的长度。假设转换光束L2于波长转换元件130的光斑S2的长、宽增加值皆为0.25mm，所以需预设激发光束L1于波长转换元件130的整体光斑S1的尺寸为1mm×2.05mm(长宽比为2.05)，才能使转换光束L2于波长转换元件130的光斑S2的尺寸为1.25mm×2.3mm。因此，激发光束L1汇聚于波长转换元件130的整体光斑S1的长宽比需大于转换光束L2于波长转换元件130的光斑S2的长宽比。
承上述，本实施例藉由透镜阵列150将全部的激发光束L1汇聚于波长转换元件130的波长转换材料的所述表面并形成整体光斑S1，且各透镜单元151的长边151a沿着转换光束L2的传递路径投射至入光端141时，与入光端141的长边141b平行，使转换光束的光斑S2的长边L2c于入光端141会平行于入光端141的长边141b，由于各透镜单元151的长宽比大致上等于激发光束L1于波长转换元件130的整体光斑S1的长宽比，所以各透镜单元151的长宽比在设计上需大于匀光元件140的入光端141的长宽比，以使大部分的转换光束L2从入光端141进入匀光元件140而减少光损失。以上所提及的数值仅为举例之用，本发明所属领域技术人员可根据照明***100中各元件设计值的不同而使用各透镜单元151的合适的长宽比。
上述的照明***100还可包括多个透镜或其他光学元件，例如第一聚光透镜160、第二聚光透镜170及第三聚光透镜180。第一聚光透镜160配置于激发光源模块110与分色元件120之间。第二聚光透镜170配置于透镜阵列150与波长转换元件130之间。第三聚光透镜180配置于分色元件120与匀光元件140之间。于图1的实施例中，第一聚光透镜160位于激发光源模块110与透镜阵列150之间，第二聚光透镜170位于分色元件120与波长转换元件130之间，则激发光束L1依序经过第一聚光透镜160、透镜阵列150、分色元件120及第二聚光透镜170后汇聚于波长转换元件130上。
本实施例的照明***100藉由透镜阵列150的各透镜单元151改变激发光束L1于波长转换元件130形成的整体光斑S1的形状，进而使转换光束L2于波长转换元件130的光斑S2的形状与匀光元件140的入光端141的形状匹配，因此能降低转换光束L2经由入光端141进入匀光元件140时的光损失，提升光利用率。
此外，上述的波长转换元件130还可使激发光束L1的部分穿过，以下以激发光束L3表示穿过波长转换元件130的激发光束。详细而言，波长转换元件130例如是荧光粉转轮，并具有荧光粉区块(图未示)及光穿透区块(图未示)。当波长转换元件130转动时，激发光束L1会轮流照射在荧光粉区块与光穿透区块，照射在荧光粉区块的激发光束L1会转换为上述的转换光束L2，照射在光穿透区块而穿透波长转换元件130的激发光束L1即为激发光束L3。在一实施例中，激发光束L1例如是蓝色光束，而转换光束L2例如是黄色光束。此外，荧光粉区块也可有多种可产生不同颜色的荧光粉，使转换光束L2依时序分成多种颜色。此外，照明***100可还包括光导引组件190，穿过波长转换元件130的激发光束L3被光导引组件190引导而传递至匀光元件140。光导引组件190例如包括三个反射元件191、192、193，以将激发光束L3依序反射而导引回分色元件120，激发光束L3穿过分色元件120，进而传递至匀光元件140。
虽然本实施例是以荧光粉转轮具有光穿透区块为例，但本发明的照明***的架构并不以此为限。在另一实施例中，荧光粉转轮可以具有荧光粉区块(图未示)及反射区块(图未示)，反射区块可用以反射激发光束，再配合照明***的其他元件使被反射区块反射的激发光束能与转换光束进入匀光元件。
图5是本发明另一实施例的照明***的示意图。请参考图5，本实施例的照明***100a与上述的照明***100结构及优点相似，以下仅针对其结构的主要差异处进行说明。本实施例的照明***100a的透镜阵列150是配置于分色元件120与波长转换元件130之间。各透镜单元151及匀光元件140的入光端141例如为对应的矩形。由于激发光束L1与转换光束L2皆会穿过透镜阵列150，所以可设计各透镜单元151的长宽比大致等于匀光元件140的入光端141的长宽比，如此即可使转换光束L2于匀光元件140的入光端141的光斑形状与入光端141的形状匹配，进而减少转换光束L2由入光端141进入匀光元件140时的光损失，以提升光利用率。
图6是本发明一实施例的投影装置的方块图。请参考图6，本实施例的投影装置10包括上述的照明***100、光阀20及投影镜头30。照明***100用于提供照明光束L。光阀20配置于照明光束L的传递路径上，以将照明光束L转换成影像光束La。投影镜头30配置于影像光束La的传递路径上，以将影像光束La投射至屏幕，进而在屏幕上形成影像画面。此照明光束L包括上述的转换光束L2及激发光束L3。照明***100还可包括色轮(图未示)，以将照明光束L分成红、绿、蓝三道更纯色的光束。光阀20可以是穿透式光阀或反射式光阀，其中穿透式光阀可以是液晶显示面板，而反射式光阀可以是数字微镜元件(digital micro-mirror devic,DMD)或硅基液晶面板(liquid crystal on silicon panel,LCoS panel)。依不同的设计架构，光阀20的数量可为一个或多个。此外，照明光束L可正向入射光阀20或斜向入射光阀20。
图7是本发明一实施例的匀光元件与光阀的示意图。请参考图6及图7，本实施例中的匀光元件140具有相对于入光端141的出光端142，从出光端142出射的照明光束L例如斜向入射光阀20的光调制区21。光调制区21为光阀20能将照明光束L转换为影像光束La的有效区域。以光阀20为数字微镜元件为例，光调制区21即为多个微镜配置的区域。
在本实施例中，匀光元件140的出光端142与光调制区21例如为矩形，而匀光元件140的出光端142的长宽比可调整成大于光调制区21的长宽比，使大部分的照明光束L能照射在光阀20的光调制区21上，以提升光利用率。因此，匀光元件140的入光端141的长宽比可以与出光端142的长宽比不同。
综上所述，本发明实施例因采用单组透镜阵列，可以调整出射自透镜阵列的激发光束照射于波长转换元件时的光斑形状，以使经波长转换元件转换的转换光束的光斑形状对应匀光元件的入光端的形状，进而提升光利用率。本发明实施例的投影装置因使用上述照明***，因此能提升光利用率。
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及说明书所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或申请专利范围中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
附图标记
10：投影装置
20：光阀
21：光调制区
30：投影镜头
100、100a：照明***
110：激发光源模块
111：激发光源
112：准直透镜
120：分色元件
130：波长转换元件
140：匀光元件
141：入光端
142：出光端
150：透镜阵列
151：透镜单元
160：第一聚光透镜
170：第二聚光透镜
180：第三聚光透镜
190：光导引组件
191、192、193：反射元件
151a：透镜单元的长边
141b：入光端的长边
L：照明光束
L1：激发光束
L2：转换光束
L2c：转换光束的光斑的长边
L3：激发光束的部分
La：影像光束
S1：激发光束于波长转换元件的整体光斑
S2：转换光束于波长转换元件的光斑
S3：激发光束于透镜阵列的光斑

Claims (15)

1.一种照明***，其特征在于包括：激发光源模块、分色元件、波长转换元件、匀光元件以及透镜阵列；其中
所述激发光源模块包括多个激发光源，各个所述激发光源用于提供激发光束；
所述分色元件配置于所述激发光束的传递路径上，且用于让来自所述激发光源模块的所述激发光束传递至所述波长转换元件；
所述波长转换元件配置于来自所述分色元件的所述激发光束的传递路径上，以将所述激发光束转换成转换光束，并反射所述转换光束至所述分色元件，所述分色元件用于将所述转换光束传递至所述匀光元件；
所述匀光元件配置于来自所述分色元件的所述转换光束的传递路径上，所述匀光元件具有入光端；以及
所述透镜阵列配置于所述激发光束的传递路径上，所述透镜阵列包括多个透镜单元，各个所述透镜单元的长边沿着所述转换光束的传递路径投射至所述入光端时，与所述入光端的长边平行。
2.如权利要求1所述的照明***，其特征在于所述透镜阵列配置于所述激发光源模块与所述分色元件之间。
3.如权利要求2所述的照明***，其特征在于各个所述透镜单元及所述匀光元件的入光端为对应的矩形，各个所述透镜单元的长宽比大于所述匀光元件的所述入光端的长宽比。
4.如权利要求3所述的照明***，其特征在于所述激发光束藉由所述透镜阵列汇聚于所述波长转换元件并形成整体光斑，各个所述透镜单元的长宽比等于所述激发光束于所述波长转换元件的所述整体光斑的长宽比。
5.如权利要求3所述的照明***，其特征在于所述激发光束汇聚于所述波长转换元件的整体光斑的长宽比大于所述转换光束于所述波长转换元件的光斑的长宽比，所述激发光束于所述波长转换元件的所述整体光斑的长度小于所述转换光束于所述波长转换元件的所述光斑的长度。
6.如权利要求2所述的照明***，其特征在于还包括：
第一聚光透镜，配置于所述激发光源模块与所述透镜阵列之间；
第二聚光透镜，配置于所述分色元件与所述波长转换元件之间；以及
第三聚光透镜，配置于所述分色元件与所述匀光元件之间。
7.如权利要求1所述的照明***，其特征在于所述透镜阵列配置于所述分色元件与所述波长转换元件之间。
8.如权利要求7所述的照明***，其特征在于各个所述透镜单元及所述匀光元件的入光端为对应的矩形，各个所述透镜单元的长宽比等于所述匀光元件的所述入光端的长宽比。
9.如权利要求8所述的照明***，其特征在于所述激发光束藉由所述透镜阵列汇聚于所述波长转换元件并形成整体光斑，各个所述透镜单元的长宽比等于所述激发光束于所述波长转换元件的所述整体光斑的长宽比
10.如权利要求7所述的照明***，其特征在于还包括：
第一聚光透镜，配置于所述激发光源模块与所述分色元件之间；
第二聚光透镜，配置于所述透镜阵列与所述波长转换元件之间；以及
第三聚光透镜，配置于所述分色元件与所述匀光元件之间。
11.如权利要求1所述的照明***，其特征在于每一激发光束于所述透镜阵列上的光斑覆盖至少两个所述透镜单元。
12.如权利要求1所述的照明***，其特征在于所述激发光源模块包括多个准直透镜，分别对应设置于所述多个激发光源前方，用于将所述激发光束传递至所述分色元件。
13.如权利要求1所述的照明***，其特征在于所述波长转换元件用于使所述激发光束的一部分穿过，而所述照明***还包括光导引组件，穿过所述波长转换元件的所述激发光束的所述部分被所述光导引组件引导而传递至所述匀光元件。
14.一种投影装置，其特征在于包括：
如权利要求1至13任一项所述的照明***，用于提供照明光束；
光阀，配置于所述照明光束的传递路径上，以将所述照明光束转换成影像光束；以及
投影镜头，配置于所述影像光束的传递路径上。
15.如权利要求14所述的投影装置，其特征在于所述匀光元件具有相对于所述入光端的出光端，从所述出光端出射的所述照明光束斜向入射所述光阀的光调制区，所述出光端与所述光调制区为矩形，而所述匀光元件的所述出光端的长宽比大于所述光调制区的长宽比。
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