TWI437350B - 光源系統及其波長轉換裝置 - Google Patents

Description

光源系統及其波長轉換裝置

本案係關於一種光源系統，尤指一種光源系統及其波長轉換裝置。

近年來，各式各樣的投影設備，例如投影機(Projector)已被廣泛地應用於家庭、學校或者各種商務場合中，以用於將一影像訊號源所提供之影像訊號放大顯示於屏幕。為節省電力消耗以及縮小裝置體積，目前的投影設備之光源系統(Illumination System)已使用固態發光元件，例如發光二極體或雷射元件，來取代傳統的高密度氣體放電燈(HID Lamp)或高壓汞燈。

投影設備之光源系統需能發出紅光、綠光、藍光(R、G、B)等三原色光，然而固態發光元件之發光效率一般而言為藍光固態發光元件之發光效率最佳，因此目前的作法大多採用藍光固態發光元件配合波長轉換裝置，以將藍光之波長進行轉換，例如配合螢光劑色輪(Phosphor Wheel)或螢光劑色板(Phosphor Plate)來激發出各種顏色的光，藉此取代紅光固態發光元件或綠光固態發光元件直接發出紅光或綠光的方式，以提升光源系統整體的發光效率。

一般而言，傳統的光源系統多採用單一藍光固態發光元件配合具有複數個區段之單一螢光劑色輪。請參閱第1A圖及第1B圖，其係分別為傳統光源系統之結構示意圖以及第1A圖所示具有複數個區段之螢光劑色輪之結構示意圖。如第1A圖及第1B圖所示，傳統之光源系統1係以藍光固態發光元件11發出藍光B至包含第一區段121、第二區段122以及第三區段123之螢光劑色輪12。其中，第一區段121係塗佈綠色螢光劑，以將入射之藍光B激發為綠光後射出，第二區段122係塗佈紅色螢光劑，以將入射之藍光B激發為紅光後射出，以及第三區段123係為透光材質，以使藍光直接穿透並射出。換言之，藍光固態發光元件11所發出之藍光B係直接穿透螢光劑色輪12或透過螢光劑色輪12轉換為綠光或紅光，進而發出三原色光進行投影。

然而，紅色螢光劑具有價格較為昂貴且於高溫工作環境之表現不佳等缺點，業界遂開發出同時搭載藍光固態發光元件及紅光固態發光元件，並運用雙色鏡之特性而進行投影之光源系統。請參閱第2A圖及第2B圖，其中第2A圖係為另一傳統光源系統之結構示意圖，第2B圖係為第2A圖所示之螢光劑色輪之結構示意圖。如第2A圖以及第2B圖所示，傳統光源系統2係以藍光固態發光元件21發出藍光B至包含第一區段221以及第二區段222之螢光劑色輪22。其中，第一區段221係塗佈綠色螢光劑，以將入射之藍光B激發為綠光G後射出，且第二區段222係為透光材質，以使藍光B直接穿透並射出。至於紅光之光源，則係透過紅光固態發光元件23發出紅光R，並透過雙色鏡(Dichroic mirror)之特性，選用反射紅光R並使綠光G及藍光B通過之雙色鏡24，以使由螢光劑色輪22射出之綠光G及藍光B穿透，並反射紅光固態發光元件23所發出之紅光R，進而使三原色光進入光路徑以進行投影。

傳統之光源系統雖可透過上述方式而以藍光固態發光元件配合螢光劑色輪或以藍光及紅光固態發光元件配合螢光劑色輪進行投影，然而於常見的光源系統中，若要使用具有複數區段之螢光劑色輪，必然伴隨前述紅色螢光劑成本較高且高溫工作環境表現不佳之問題，且因紅色螢光劑之質量較綠色螢光劑為重，而必須進行轉動平衡，使得製造時間及難度連帶提高。同時，由於以紅色螢光劑激發所產生之紅光有著會隨藍光雷射驅動電流上升而衰減之問題，不僅造成紅光本身亮度及照度過低，更會連帶使光源系統之整體光線明暗度無法有效整合，進而影響色彩鮮明度及對比度等。若改採紅光固態發光元件，又礙於紅光固態發光元件之成本較高且發光效率不佳，而無法建構理想之光源系統。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失，無需使用紅色螢光劑或紅光固態發光元件，並達到降低製造成本、簡化製程、提升整體亮度與照度，而提高色彩純度及影像品質且可運用於高溫工作環境之光源系統及其波長轉換裝置，實為目前尚待解決之問題。

本案之主要目的為提供一種光源系統及其波長轉換裝置，俾解決習用光源系統之製程難度及成本較高，於高溫工作環境時表現不佳，以及整體亮度與照度偏低等缺點。

本案之另一目的為提供一種光源系統及其波長轉換裝置，藉由單一固態發光元件及單一波長轉換裝置之設置，而無需使用紅色波長轉換元件或紅光固態發光元件，且可達到簡化製程及降低製造成本，同時提高色彩純度及影像品質並用於高溫工作環境等功效。

本案之另一目的為提供一種光源系統及其波長轉換裝置，藉由波長轉換裝置將第一波段光轉換為具有較廣波段之第二波段光，可有效避免紅光隨藍光驅動電流上升而衰減，以提高整體之亮度與照度，進而達到提昇色彩表現之功效。

為達上述目的，本案之一較佳實施態樣為提供一種光源系統，至少包括：一波長轉換裝置，係包括一區段及一波長轉換元件，該波長轉換元件係設置於該區段；一固態發光元件，係架構於發出一第一波段光至該波長轉換裝置；以及一濾光色輪，係設置於該波長轉換裝置之一側，用以過濾光線並透過轉動而使三原色光分時投射；其中，該波長轉換裝置係將該第一波段光轉換為一第二波段光，並發出該第二波段光以及殘餘之該第一波段光，該第二波段光及殘餘之該第一波段光係穿透該濾光色輪，俾使三原色光以分時之方式投影成像。

為達上述目的，本案之另一較佳實施態樣為提供一種波長轉換裝置，適用於發出一第一波段光且包括一濾光色輪之一光源系統，該波長轉換裝置至少包括：一區段；以及一波長轉換元件，設置於該區段；其中，該波長轉換元件係接收該第一波段光，並將該第一波段光轉換為一第二波段光，再發出該第二波段光，該第二波段光以及殘餘之該第一波段光係穿透該濾光色輪，俾使三原色光以分時之方式投影成像。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，然其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

請參閱第3A圖、第3B圖以及第3C圖，其中第3A圖係為本案一較佳實施例之光源系統之結構示意圖，第3B圖係為第3A圖所示之波長轉換裝置之結構示意圖，以及第3C圖係為第3A圖所示之濾光色輪之結構示意圖。如第3A圖、第3B圖及第3C圖所示，本案之光源系統3係可為穿透式光源系統，且光源系統3至少包括波長轉換裝置31、固態發光元件32以及濾光色輪33。其中，波長轉換裝置31可為例如但不限於螢光劑色輪、螢光劑色板、量子點色輪或量子點色板等，包括區段311及波長轉換元件312，波長轉換元件312係設置於區段311，且可為例如螢光劑或量子點，但不以此為限。濾光色輪33設置於波長轉換裝置31之一側並包括第一濾光片331、第二濾光片332以及第三濾光片333，其中第一濾光片331、第二濾光片332及第三濾光片333係分別為紅光濾光片、綠光濾光片以及藍光濾光片或藍綠光濾光片，但不以此為限，以過濾光線並透過轉動而使三原色光分時投射。固態發光元件32係架構於發出第一波段光L1至波長轉換裝置31，波長轉換裝置31係將第一波段光L1轉換為第二波段光L2，並發出第二波段光L2以及殘餘之第一波段光L1，且第一波段光L1之入射方向係與轉換後之第二波段光L2之出射方向相同。換言之，固態發光元件32所發出之第一波段光L1係有部分未經波長轉換裝置31轉換為第二波段光L2，且該未經轉換之第一波段光L1係與經波長轉換裝置31轉換後之第二波段光L2一同穿透濾光色輪33，俾使三原色光，即紅光R、綠光G及藍光B以分時之方式投影成像，亦即將三原色光以一預設順序依序投影成像。

根據本案之構想，光源系統3係可進一步包括透鏡34，設置於波長轉換裝置31及濾光色輪33之間，且透鏡34係為具有正屈光力之凸透鏡或放大鏡，可為但不限於雙凸透鏡。藉由透鏡34之設置，波長轉換裝置31轉換發出之第二波段光L2及殘餘之第一波段光L1係穿透透鏡34並聚焦於濾光色輪33，以使穿透濾光色輪33之光線相對收斂。

於一些實施例中，本案波長轉換裝置31之波長轉換元件312係可為綠色波長轉換元件、綠黃色波長轉換元件或黃色波長轉換元件，以架構於將第一波段光L1轉換為波長介於綠光及紅光之間之第二波段光L2，亦即第二波段光L2係呈綠黃色或黃色之光線，即為波長介於450至710奈米之光線。此外，本案之固態發光元件32係為藍光固態發光元件，例如一藍光雷射元件或一藍光發光二極體等，但不以此為限，且固態發光元件32所選用之藍光波長係介於380至500奈米之間。易言之，本案係藉由固態發光元件32所發出之第一波段光L1，以及經波長轉換裝置31轉換之第二波段光L2於透鏡34整合而具有三原色光，經整合後之光線可視為等效白光，然不以此為限。因此，本案之光源系統3藉由波長轉換裝置31將第一波段光L1轉換為具有較廣波段之第二波段光L2，可有效避免紅光隨藍光驅動電流上升而衰減，以提高整體之亮度與照度，進而達到提昇色彩表現之功效。

於另一些實施例中，本案之光源系統3可透過調整固態發光元件32之驅動電流、發光能量或雷射強度，以及調整波長轉換元件312之濃度或厚度，而改變波長轉換裝置31將第一波段光L1轉換為第二波段光L2之比例及轉換效率。簡言之，通過波長轉換裝置31而射向濾光色輪33之第一波段光L1以及經波長轉換裝置31轉換而發出之第二波段光L2之強度係可依光源系統3之設計需求調整之。由於藍光固態發光元件之發光效率佳且能量較強，因此固態發光元件32所發出之第一波段光L1僅需經前述調整後而有少量未經波長轉換裝置31轉換並穿透濾光色輪33，即足夠供給本案光源系統3所需之藍光部分，故前述調整之主要目的係在於使波長轉換裝置31轉換後之第二波段光L2之色彩表現最佳化而進行之。藉此，本案之光源系統3可無需使用紅色波長轉換元件或紅光固態發光元件，而可達到簡化製程及降低製造成本，同時提高色彩純度及影像品質並用於高溫工作環境等功效。

根據本案之構想，濾光色輪33之第一濾光片331、第二濾光片332及第三濾光片333係可依需求排列，而不限於第3C圖所示之排列方式。舉例而言，當三原色光投影成像之預設順序依序為藍光B、綠光G及紅光R時，濾光色輪33之第一濾光片331及第三濾光片333係可依此需求交換設置（未圖示），俾使三原色光以藍光B、綠光G及紅光R之順序分時投影成像。當然，第一濾光片331、第二濾光片332及第三濾光片333之設置依三原色光分時之特定順序更可具有多樣化之排列組合，其皆屬本案之教示範圍。

請參閱第4圖並配合第3B圖及第3C圖，其中第4圖係為本案另一較佳實施例之光源系統之結構示意圖。如第3B圖、第3C圖及第4圖所示，本案之光源系統3係可為反射式光源系統，且光源系統3係包括波長轉換裝置31、固態發光元件32、濾光色輪33以及透鏡34，其中固態發光元件32係架構於發出第一波段光L1至波長轉換裝置31，波長轉換裝置31係將第一波段光L1轉換為第二波段光L2，並發出第二波段光L2，同時反射殘餘之第一波段光L1，且固態發光元件32所發出之第一波段光L1相對波長轉換裝置31之入射方向係與波長轉換裝置31轉換後之第二波段光L2之出射方向相反，亦即第一波段光L1入射至波長轉換裝置31之方向與殘餘之第一波段光L1反射後之出射方向相反。

於此實施例中，除波長轉換裝置31及固態發光元件32之作動及相對關係略有變化外，其餘元件之相對關係及作動方式皆與前述實施例相似，故此不再贅述，然其與前述實施例之穿透式光源系統皆係將未經轉換之第一波段光L1及經波長轉換裝置31轉換後之第二波段光L2一同射向透鏡34，透鏡34於接收第一波段光L1及第二波段光L2後，係將第一波段光L1及第二波段光L2聚集於濾光色輪33，再經濾光色輪33過濾光線，俾使三原色光以分時之方式投影成像像。

根據本案之構想，本案光源系統3之透鏡34將第一波段光L1及第二波段光L2聚集於濾光色輪33時，係以將第一波段光L1及第二波段光L2聚集於小區域範圍為佳，並以聚焦於一點為較佳，其可降低第一波段光L1及第二波段光L2散光交互混合之區域，而使色彩較純，進而提昇影像品質。於較佳實施例中，第一波段光L1及第二波段光L2聚焦於濾光色輪33上之一點時，其係整合為白光，亦即包含三原色光之完整色光，故可實現各種影像投射，且影像整體表現可以前述實施例之調整方式任意調整，以符合各種實際狀況需求。

請參閱第5圖，其係為本案又一較佳實施例之光源系統之結構示意圖。如第5圖所示，透鏡34係可設置於固態發光元件32及波長轉換裝置31及之間，且透鏡34係為具有正屈光力之凸透鏡或放大鏡，可為但不限於雙凸透鏡。固態發光元件32所發出之第一波段光L1係先行穿透透鏡34，再射至波長轉換裝置31，亦即第一波段光L1係穿透透鏡34並聚焦於波長轉換裝置31，以使波長轉換裝置31接收並轉換而發出之光線相對收斂。至於其他元件之相對關係及作動方式皆與前述實施例相似，故於此不再贅述。

由於傳統之藍光固態發光元件常伴隨有光斑(Speckle)問題，必須另外加以散光器(Diffuser)方能解決，而本案光源系統3之固態發光元件32所發出之第一波段光L1因為直接穿透波長轉換裝置31之波長轉換元件312，故因波長轉換元件312之特性使然，俾使第一波段光L1之光斑問題自然解決，而無需另外設置散光器，故可於解決光斑問題之同時，降低製造成本並簡化製程，且亦可達到縮小體積尺寸之功效。

請參閱第6圖，其係為本案較佳實施例之第一波段光及第二波段光之光譜圖。如第6圖所示，本案光源系統3之固態發光元件32所發出之第一波段光L1之波長頻譜係以介於380至500奈米之間為佳，且以實質上460至475奈米為較佳，由於固態發光元件32大多採用藍光雷射元件、藍光發光二極體或藍光雷射二極體等，故其頻譜值較為集中；經波長轉換裝置31之波長轉換元件312轉換且波長介於綠光及紅光間之第二波段光L2，其波長係以介於450至710奈米，且波峰值實質上介於500至600奈米為較佳。藉由第一波段光L1之藍光部分，以及第二波段光L2同時具有綠光部分及紅光部分，透過濾光色輪33之過濾及/或透鏡34之聚光、整合，使得本案之光源系統3可令三原色光以分時之方式投影成像。

綜上所述，本案提供一種光源系統及其波長轉換裝置，藉由單一固態發光元件及單一波長轉換裝置之設置，可無需使用紅色波長轉換元件或紅光固態發光元件，且可達到簡化製程及降低製造成本，同時提高色彩純度及影像品質並用於高溫工作環境等功效。此外，藉由波長轉換裝置將第一波段光轉換為具有較廣波段之第二波段光，可有效避免紅光隨藍光驅動電流上升而衰減，以提高整體之亮度與照度，進而達到提昇色彩表現之功效。

縱使本發明已由上述之實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1、2．．．光源系統

11、21．．．藍光固態發光元件

12、22．．．螢光劑色輪

121、221．．．第一區段

122、222．．．第二區段

123．．．第三區段

23．．．紅光固態發光元件

24．．．雙色鏡

3．．．光源系統

31．．．波長轉換裝置

311．．．區段

312．．．波長轉換元件

32．．．固態發光元件

33．．．濾光色輪

331．．．第一濾光片

332．．．第二濾光片

333．．．第三濾光片

34．．．透鏡

B．．．藍光

G．．．綠光

L1．．．第一波段光

L2．．．第二波段光

R．．．紅光

第1A圖係為傳統光源系統之結構示意圖。

第1B圖係為第1A圖所示具有複數個區段之螢光劑色輪之結構示意圖。

第2A圖係為另一傳統光源系統之結構示意圖。

第2B圖係為第2A圖所示之螢光劑色輪之結構示意圖。

第3A圖係為本案一較佳實施例之光源系統之結構示意圖。

第3B圖係為第3A圖所示之波長轉換裝置之結構示意圖。

第3C圖係為第3A圖所示之濾光色輪之結構示意圖。

第4圖係為本案另一較佳實施例之光源系統之結構示意圖。

第5圖係為本案又一較佳實施例之光源系統之結構示意圖。

第6圖係為本案較佳實施例之第一波段光及第二波段光之光譜圖。

3．．．光源系統

31．．．波長轉換裝置

32．．．固態發光元件

33．．．濾光色輪

34．．．透鏡

B．．．藍光

G．．．綠光

L1．．．第一波段光

L2．．．第二波段光

R．．．紅光

Claims (11)

1. 一種光源系統，至少包括：
   　　一波長轉換裝置，係包括一區段及一波長轉換元件，該波長轉換元件係設置於該區段；
   　　一固態發光元件，係架構於發出一第一波段光至該波長轉換裝置；以及
   　　一濾光色輪，係設置於該波長轉換裝置之一側，用以過濾光線並透過轉動而使三原色光分時投射；
   　　其中，該波長轉換裝置係將該第一波段光轉換為一第二波段光，並發出該第二波段光以及殘餘之該第一波段光，該第二波段光及殘餘之該第一波段光係穿透該濾光色輪，俾使三原色光以分時之方式投影成像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該第一波段光係為藍光，且該第二波段光係為綠黃光或黃光。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該波長轉換裝置係為一螢光劑色輪、一螢光劑色板、一量子點色輪或一量子點色板，且該波長轉換元件係為螢光劑或量子點。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該波長轉換裝置係為一穿透式波長轉換裝置，且該第一波段光之入射方向係與轉換後之該第二波段光之出射方向相同。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該波長轉換裝置係為一反射式波長轉換裝置，且該第一波段光之入射方向係與轉換後之該第二波段光之出射方向相反。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，更包括一透鏡，設置於該波長轉換裝置及該濾光色輪之間，且該第一波段光及該第二波段光係穿透該透鏡並聚焦於該濾光色輪上之一點以整合為白光。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，更包括一透鏡，設置於該固態發光元件及該波長轉換裝置之間，且該第一波段光係穿透該透鏡並聚焦於該波長轉換裝置。
8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之光源系統，其中該透鏡係具有正屈光力。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該濾光色輪更包括一第一濾光片、一第二濾光片以及一第三濾光片，且該第一濾光片係為紅光濾光片，該第二濾光片係為綠光濾光片，以及該第三濾光片係為藍光濾光片或藍綠光濾光片。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光源系統，其中該固態發光元件係為一藍光雷射元件或一藍光發光二極體。
11. 一種波長轉換裝置，適用於發出一第一波段光且包括一濾光色輪之一光源系統，該波長轉換裝置至少包括：
    　　一區段；以及
    　　一波長轉換元件，設置於該區段；
    　　其中，該波長轉換元件係接收該第一波段光，並將該第一波段光轉換為一第二波段光，再發出該第二波段光，該第二波段光以及殘餘之該第一波段光係穿透該濾光色輪，俾使三原色光以分時之方式投影成像。