TWI421620B - 光源調整裝置及包含該光源調整裝置之投影系統 - Google Patents

Description

光源調整裝置及包含該光源調整裝置之投影系統

本發明係關於一種光源調整裝置，特別是關於一種用於一投影系統之光源調整裝置。

LED(Light Emitting Diode，發光二極體)因為具有使用壽命長、啟動時間短、顯示色域廣及便於增加動態對比等優點，而被為數眾多的顯示產品所採用，尤其在投影機產業中，使用LED作為發光光源不僅可用以降低投影機的工作溫度，相對於傳統使用燈泡作為發光光源的投影機，選擇LED作為替代光源更可有效縮小機身體積，增加攜帶上的便利性，因而廣受消費者的歡迎。

然而，由於LED所發射出的光束較為發散，因此當使用於投影機時，其在亮度及發光效率上的表現相較於傳統燈泡仍不夠理想，並且若想藉由增加LED的使用數量來提升亮度及發光效率，則又將面臨機身體積過大及內部元件設置複雜等問題。

另外，於先前技術中雖已有揭露使用藍光LED或紫外光激發設置於色輪上之藍色螢光物(phosphor)、紅色螢光物及綠色螢光物，從而分別產生藍、紅、綠三原色之技術，然由於其所使用之色輪係為機械式旋轉之構造，於長時間運作下難免會有反應時間遲緩及容易故障等隱憂，同時此種採用藍光LED或紫外光激發螢光物之技術對於克服亮度及發光效率低落的問題也未具有實質上的幫助。

有鑑於此，如何在有限光學元件及空間限制下提升光源亮度，使投影系統具有優異的亮度表現及發光效率，乃為此一業界亟待解決的問題。

本發明之一目的在於提供一種光源調整裝置，其可將具有一短波長之光束轉換為具有一長波長之光束，以提升投影系統之亮度及發光效率。

為達上述目的，本發明之光源調整裝置具有一第一角度選擇層、一波長轉換層及一第二角度選擇層，且包含該光源調整裝置之投影系統具有一光源模組，用以提供具有一第一波長範圍之一第一光束。光源調整裝置之第一角度選擇層適以接收第一光束，並使第一光束中小於一入射角之一第一部份通過，而形成一第二光束，其中第二光束亦具有第一波長範圍。波長轉換層自第一角度選擇層接收第二光束，並將具有第一波長範圍之第二光束轉換為具有一第二波長範圍之一第三光束後射出。第二角度選擇層用以接收第三光束，並使第三光束中小於一出射角之一第三部分射出，而形成一第四光束，第四光束亦具有第二波長範圍，第二波長範圍之一波長值大於第一波長範圍之一波長值，且出射角小於入射角。

為讓上述目的、技術特徵、和優點能更明顯易懂，下文係以較佳實施例配合所附圖式進行詳細說明。

本發明係關於一光源調整裝置3及包含光源調整裝置3之投影系統1，以協助提升投影系統於使用時的亮度及發光效率。由於光源調整裝置3可以至少一組之形式設置於投影系統1中，因此以下將先針對光源調整裝置3進行說明，而後進一步詳述投影系統1之各實施態樣。

如第1圖所示，本發明之光源調整裝置3具有一第一角度選擇層31、一波長轉換層32及一第二角度選擇層33。第一角度選擇層31係設置於波長轉換層32之一第一表面321上，且第二角度選擇層33係設置於波長轉換層32相對於第一表面321之一第二表面322上。

此外，本發明包含光源調整裝置3之投影系統1更具有一光源模組2，係鄰設於光源調整裝置3。同樣如第1圖所示，光源模組2具有一光源21、一分光元件22及一聚光元件23。其中，光源21用以提供一光線20，光線20通過分光元件22以產生具有該第一波長範圍之第一光束51，而後聚光元件23用以匯聚第一光束51至光源調整裝置3之第一角度選擇層31上。

第一角度選擇層31用以接收具有第一波長範圍之一第一光束51，並使第一光束51中小於一入射角311之一第一部份通過，而形成同樣具有該第一波長範圍之一第二光束52。波長轉換層32自第一角度選擇層31接收第二光束52，將具有該第一波長範圍之第二光束52轉換為具有一第二波長範圍之一第三光束53後射出。最後，第二角度選擇層33用以接收第三光束53，並使第三光束53中小於一出射角331之一第三部分射出，而形成具有該第二波長範圍之一第四光束54。其中，上述該第二波長範圍之一波長值大於該第一波長範圍之一波長值，且出射角331小於入射角311。

需進一步說明的是，當第三光束53射入第二角度選擇層33時，第三光束53中不小於出射角331之一第四部分係為第二角度選擇層33所反射，經波長轉換層32而由第一角度選擇層31以一散射角度散射出，且該散射角度實質上不大於入射角311，散射後之該第四部分經由聚光元件23而至分光元件22，分光元件22反射該第四部分，經由聚光元件23匯聚至第一角度選擇層31，換言之，該第四部分經波長轉換層32而由第一角度選擇層31散射後，將產生新的散射角度以重新匯聚至第一角度選擇層31。

適以，於本發明光源調整裝置3之一較佳實施態樣中，聚光元件23係為一凸透鏡，分光元件22係為一分色鏡(dichroic mirror)，第一角度選擇層31及第二角度選擇層33係皆係為一多層鍍膜。第一角度選擇層31用以決定入射角311，入射角311實質上係介於±30度至±90度之間，且較佳係為±60度。第二角度選擇層33用以決定出射角331，出射角331實質上係介於±30度至±90度之間，且較佳係為±30度。此外，波長轉換層32包含一螢光物(phosphor)，且第一波長範圍係介於400nm~550nm之間。

光束於波長轉換層32中之行進路線將進一步說明如下。當第一光束51中小於入射角311之第一部份通過第一角度選擇層31而形成第二光束52後，第二光束52將由波長轉換層32轉換為具有第二波長範圍之第三光束53。其中，第三光束53之散射角度中(1)小於出射角331的部份將通過第二角度選擇層33而射出，(2)不小於(即等於或大於)出射角331的部份將被第二角度選擇層33反射，再其中i)不小於出射角331且不小於入射角311的部份將於第一、第二角度選擇層31、33之間被重複反射，而ii)不小於出射角331且小於入射角311的部份將被第二角度選擇層33反射，而經由第一角度選擇層31、聚光元件23而至分光元件22後，再被分光元件22射回光源調整裝置3中，直至其散射角度小於出射角331後，才可從第二角度選擇層33射出。上述第三光束53於波長轉換層32中之行進路線說明，於一較佳實施態樣中，該出射角331之角度係為30度，且入射角311之角度係為60度。

本發明之投影系統1包含至少一光源模組2、至少一光源調整裝置3及一成像模組4。至少一光源模組2用以提供具有該第一波長範圍之第一光束51，成像模組4則用以接收第四光束54，並進行成像後輸出，此外，成像模組4包含一液晶顯示(Liquid Crystal Display,LCD)元件、數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)及矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)元件其中之一。

本發明投影系統1之第一實施例如第2圖所示。其中，投影系統1之至少一光源模組2包含一第一光源模組2a、一第二光源模組2b，至少一光源調整裝置3包含一第一光源調整裝置3a、一第二光源調整裝置3b，且複數光源模組2a、2b係與複數光源調整裝置3a、3b相對設置。於本實施例中，光源21係為一藍光發光二極體，第一波長係為一藍光波長，第二波長係為一綠光波長及一紅光波長其中之一。詳細而言，本實施例之第一光源調整裝置3a之該第二波長範圍係為該綠光波長範圍，第二光源調整裝置3b之該第二波長範圍係為紅光波長範圍。因此，於第一實施例中，投影系統1所投射出之光線係經由一藍光光源所發射出之藍光B、一第一藍光發光二極體經由第一光源模組2a與第一光源調整裝置3a後所發射出之綠光G，以及一第二藍光發光二極體經由第二光源模組2b與第二光源調整裝置3b後所發射出之紅光R等三色光，經由投影裝置1內部之光學元件所共同合光而成。

投影裝置1之第二實施例如第3圖所示。其中，投影系統1之至少一光源模組2包含一光源模組2c，至少一光源調整裝置3包含一光源調整裝置3c，且光源模組2c與光源調整裝置3c相對應。於本實施例中，投影裝置1之光源21係分別為一藍光發光二極體、一藍光光源及一紅光光源，且該第二波長範圍係為一綠光波長範圍。適以，於第二實施例中，投影系統1所投射出之光線係經由藍光光源所發射出之藍光B、紅光光源所發射出之紅光R及藍光發光二極體經由光源模組2c及光源調整裝置3c所發射出之綠光G等三色光，經由投影裝置1內部之光學元件所共同合光而成。

投影裝置1之第三實施例如第4圖所示。其中，投影裝置1之至少一光源模組2包含一第一光源模組2d、一第二光源模組2e及一第三光源模組2f，至少一光源調整裝置3包含一第一光源調整裝置3d、一第二光源調整裝置3e及一第三光源調整裝置3f，且複數光源模組2d、2e、2f係與複數光源調整裝置3d、3e、3f相對設置。於本實施例中，第一波長範圍係為一紫外光波長範圍，且第二波長範圍係為一藍光波長範圍、一綠光波長範圍及一紅光波長範圍其中之一。詳細而言，本實施例之光源21係使用一紫外光，第一光源調整裝置3d之該第二波長範圍係為該綠光波長範圍，第二光源調整裝置3e之該第二波長範圍係為該紅光波長範圍，且第三光源調整裝置3f之該第二波長範圍係為該藍光波長範圍。適以，於第三實施例中，投影系統1所投射出之光線係由紫外光經由第一光源模組2d與第一光源調整裝置3d後所發射出之綠光G、紫外光經由第二光源模組2e與第二光源調整裝置3e後所發射出之紅光R，紫外光經由第三光源模組2f與第三光源調整裝置3f後所發射出之藍光B等三色光，經由投影裝置1內部之光學元件所共同合光而成。

綜上所述，本發明用於一投影系統之光源調整裝置因為係採用LED作為發光光源，且具有特殊設計之光源調整裝置，因此不僅對提升投影系統之亮度具有顯著功效，在發光效率部分也有大幅度的進步，而得以避免先前技術中容易故障及反應時間遲緩等問題。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

1．．．投影系統

2、2a、2b、2c、2d、2e．．．光源模組

20．．．光線

21．．．光源

22．．．分光元件

23．．．聚光元件

3、3a、3b、3c、3d、3e．．．光源調整裝置

31．．．第一角度選擇層

311．．．入射角

32．．．波長轉換層

321．．．第一表面

322．．．第二表面

33．．．第二角度選擇層

331．．．出射角

4．．．成像模組

51．．．第一光束

52．．．第二光束

53．．．第三光束

54．．．第四光束

B．．．藍光

R．．．紅光

G．．．綠光

第1圖係為本發明光源調整裝置之示意圖；

第2圖係為本發明投影系統之第一實施例；

第3圖係為本發明投影系統之第二實施例；以及

第4圖係為本發明投影系統之第三實施例。

1．．．投影系統

2a、2b．．．光源模組

21．．．光源

22．．．分光元件

23．．．聚光元件

3a、3b．．．光源調整裝置

4．．．成像模組

B．．．藍光

R．．．紅光

G．．．綠光

Claims (18)

1. 一種用於一投影系統之光源調整裝置，該投影系統更包含一光源模組，用以提供具有一第一波長範圍之一第一光束，該光源調整裝置包含：一第一角度選擇層，適以接收該第一光束，並使該第一光束中小於一入射角之一第一部分通過，而形成具有該第一波長範圍之一第二光束；一波長轉換層，自該第一角度選擇層接收該第二光束，並將具有該第一波長範圍之該第二光束轉換為具有一第二波長範圍之一第三光束後射出；以及一第二角度選擇層，用以接收該第三光束，並使該第三光束中小於一出射角之一第三部分射出，而形成具有該第二波長範圍之一第四光束；其中，該第二波長範圍之一波長值大於該第一波長範圍之一波長值，且該出射角小於該入射角。
2. 如請求項1所述之光源調整裝置，其中該第一角度選擇層係設置於該波長轉換層之一第一表面上，且該第二角度選擇層係設置於該波長轉換層相對於該第一表面之一第二表面上。
3. 如請求項1所述之光源調整裝置，其中該光源模組包含：一光源，用以提供一光線；一分光元件，該光線透過該分光元件以形成具有該第一波長範圍之該第一光束；以及一聚光元件，用以匯聚該第一光束至該第一角度選擇層上。
4. 如請求項3所述之光源調整裝置，其中該第三光束中不小於該出射角之一第四部分係由該第二角度選擇層反射，經由該波長轉換層而由該第一角度選擇層以一散射角度散射出，且該散射角度實質上不大於該入射角，散射後之該第四部分經由該聚光元件而至該分光元件，該分光元件反射該第四部分，再經由該聚光元件匯聚至該第一角度選擇層。
5. 如請求項3所述之光源調整裝置，其中該聚光元件係為一凸透鏡。
6. 如請求項3所述之光源調整裝置，其中該分光元件係為一分色鏡(dichroic mirror)。
7. 如請求項1所述之光源調整裝置，其中該第一角度選擇層及該第二角度選擇層之至少一者係為一多層鍍膜。
8. 如請求項1所述之光源調整裝置，其中該第一角度選擇層決定該入射角，而該第二角度選擇層決定該出射角。
9. 如請求項1所述之光源調整裝置，其中該入射角實質上係為±30度至±90度之間。
10. 如請求項1所述之光源調整裝置，其中該波長轉換層包含一螢光物(phosphor)。
11. 如請求項1所述之光源調整裝置，其中該第一波長範圍係介於400nm~550nm。
12. 一種投影系統，包含：至少一光源模組，用以提供具有一第一波長範圍之一第一光束；至少一如請求項1所述之光源調整裝置；以及 一成像模組，用以接收該第四光束，並進行成像後輸出。
13. 如請求項12所述之投影系統，其中該第一角度選擇層係設置於該波長轉換層之一第一表面上，且該第二角度選擇層係設置於該波長轉換層相對於該第一表面之一第二表面上。
14. 如請求項12所述之投影系統，其中該至少一光源模組更包含：一光源，用以提供一光線；一分光元件，該光線透過該分光元件以形成具有該第一波長範圍之該第一光束；以及一聚光元件，用以會聚該第一光束至該第一角度選擇層上。
15. 如請求項14所述之投影系統，其中該第三光束中不小於該出射角之一第四部分係由該第二角度選擇層反射，經由該波長轉換層而由該第一角度選擇層以一散射角度散射出，且該散射角度實質上不大於該入射角，散射後之該第四部分經由該聚光元件而至該分光元件，該分光元件反射該第四部分，再經由該聚光元件匯聚至該第一角度選擇層。
16. 如請求項14所述之投影系統，其中該光源係為一藍光發光二極體，且該至少一光源模組包含一第一光源模組及一第二光源模組，該至少一光源調整裝置包含一第一光源調整裝置及一第二光源調整裝置，該等光源模組係與該等光源調整裝置相對應，且該第一光源調整裝置之該第二波長範圍係為一綠光波長範圍，該第二光源調整裝置之該第二波長範圍係為一紅光波長範圍。
17. 如請求項14所述之投影系統，其中該光源係為一紫外光，且 該至少一光源模組包含一第一光源模組、一第二光源模組及一第三光源模組，該至少一光源調整裝置包含一第一光源調整裝置、一第二光源調整裝置及一第三光源調整裝置，該等光源模組係與該等光源調整裝置相對應，且該第一光源調整裝置之該第二波長範圍係為一綠光波長範圍，該第二光源調整裝置之該第二波長範圍係為一紅光波長範圍，該第三光源調整裝置之該第二波長範圍係為一藍光波長範圍。
18. 如請求項12所述之投影系統，其中該成像模組包含一液晶顯示(Liquid Crystal Display,LCD)元件、數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)及矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)元件其中之一。