照明系统与投影装置

本申请是于2018年11月15日提交的、发明名称为“照明系统与投影装置”的、申请号为201811357470.8的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明是有关于一种照明系统与投影装置。

背景技术

近来以发光二极管(light-emitting diode,LED)和激光二极管(laser diode)等固态光源为主的投影装置渐渐在市场上占有一席之地。由于激光二极管具有高于约20％的发光效率，为了突破发光二极管的光源限制，因此渐渐发展了以激光光源激发荧光粉而产生投影机所需用的纯色光源。

一般而言，已知的投影装置架构具有激发光源(即蓝光激光阵列)、荧光粉轮(Phosphor Wheel)、滤光轮(Filter Wheel)、积分柱、光阀以及投影镜头等光学元件，其中激发光源提供的激发光束经过光学元件后会经由荧光粉轮与滤光轮而依时序输出色光，并经由积分柱使光均匀整形后，借由光阀控制画面的灰阶，再透过投影镜头投出画面。更详细而言，激发光源提供的激发光束聚焦在荧光粉轮上具有荧光粉的区域时，会激发出受激发光，此受激发光会被传递而聚焦进积分柱内，另一方面，激发光束经过荧光粉轮上不具荧光粉的区域时，会穿透并经过光学元件再聚焦进积分柱内。然而，这些穿透荧光粉轮的激发光束入射积分柱的角度小于受激发光入射积分柱的角度甚多，因此会造成投影画面颜色均匀度不佳的现象。并且，此投影装置的系统光路需有额外回圈的设计，而具有系统架构体积缩小不易以及成本高昂的问题。

“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”段落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。在“背景技术”段落所揭露的内容，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，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系统，具有小体积。

本发明提供一种投影装置，具有小体积以及良好的画面品质。

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，本发明的一实施例提出一种照明系统，用于提供照明光束，且照明系统包括激发光源、波长转换模块、分光模块以及光均匀化元件。激发光源用于发出激发光束。波长转换模块位于激发光束的传递路径上，具有至少一波长转换区以及反射区。分光模块位于激发光束的传递路径上且位于激发光源与波长转换模块之间，其中分光模块具有传递区以及分光区，激发光束经由传递区入射至波长转换模块，当波长转换模块的至少一波长转换区切入激发光束的传递路径上时，激发光束经由波长转换模块的至少一波长转换区转换成至少一波长转换光束，以及当波长转换模块的反射区切入激发光束的传递路径上时，激发光束被波长转换模块的反射区所反射，且来自波长转换模块的反射区的激发光束经由分光模块的分光区形成第一子激发光束与第二子激发光束。其中第一子激发光束与第二子激发光束形成激发合光光束。光均匀化元件位于激发合光光束与至少一波长转换光束的传递路径上，用于均匀化激发合光光束与至少一波长转换光束，且激发合光光束入射光均匀化元件的角度大于至少一波长转换光束入射光均匀化元件的角度的0.25倍。

本发明的一实施例提出一种投影装置。投影装置包括上述的照明系统、光阀以及投影镜头。光阀位于照明光束的传递路径上，且用于将照明光束转换成影像光束。投影镜头位于影像光束的传递路径上，且用于将影像光束转换成投影光束。

基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，投影装置与照明系统借由采用了分光模块的传递区与分光区的配置，将能使得激发合光光束入射光均匀化元件的角度大于至少一波长转换光束入射光均匀化元件的角度的0.25倍，而有利于来调整激发合光光束与至少一波长转换光束所形成的照明光束的均匀度，并借此使投影出的影像画面具有良好的画面品质。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一实施例的一种投影装置的架构示意图。

图2A是图1的一种分光模块的传递区与分光区的示意图。

图2B是图1的一种波长转换模块的正视示意图。

图3A是图1的照明系统的波长转换光束的光路示意图。

图3B是通过图2A的分光模块的激发光束的光路示意图。

图4A至图4F是图1的各种分光模块的架构示意图。

图5A是图1的一种第一光斑区域与第二光斑区域的分布示意图。

图5B是图1的另一种第一光斑区域与第二光斑区域的分布示意图。

图6A是图1的另一种分光模块的传递区与分光区的示意图。

图6B是通过图6A的分光模块的激发光束的光路示意图。

图7是本发明一实施例的另一种照明系统的架构示意图。

图8A是图7的照明系统的波长转换光束的光路示意图。

图8B是图7的照明系统的激发光束的光路示意图。

具体实施方式

有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图之一较佳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一种投影装置的架构示意图。图2A是图1的一种分光模块的传递区与分光区的示意图。图2B是图1的一种波长转换模块的正视示意图。图3A是图1的照明系统的波长转换光束的光路示意图。图3B是通过图2A的分光模块的激发光束的光路示意图。请参照图1，在本实施例中，投影装置200包括照明系统100、光阀210以及投影镜头220。在本实施例中，光阀210例如为数字微镜元件(digital micro-mirror device,DMD)或是硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)。然而，在其他实施例中，光阀210亦可以是穿透式液晶面板或其他光束调变器。光阀210的数量可以是单一或是多个。

具体而言，如图1所示，照明系统100用于提供照明光束70，且照明系统100包括激发光源110、分光模块120、波长转换模块130、聚光元件140以及光均匀化元件150。激发光源110用于发出激发光束50。举例而言，在本实施例中，激发光源110为蓝光激光光源，而激发光束50为蓝色激光光束，也就是具有蓝色波段的光束。激发光源110例如可包括多个排成阵列的蓝光激光二极管(未绘示)，但本发明不局限于此。

进一步而言，如图1、图2A与图3B所示，在本实施例中，分光模块120位于激发光束50的传递路径上，且位于激发光源110与波长转换模块130之间，其中分光模块120具有传递区TR以及分光区SR。从激发光源110发射的激发光束50经由传递区TR入射至波长转换模块130。以及通过分光区SR的激发光束50会形成第一子激发光束50A与第二子激发光束50B。具体而言，如图1所示，在本实施例中，分光模块120包括分色元件121、分光元件122以及反射元件123(例如是反射镜)。如图1与图2A所示，分光元件122连接于分色元件121，且分色元件121与分光元件122共平面，换言之，在本实施例中，分色元件121与分光元件122面对波长转换模块130的表面共同形成光学面OS。

具体而言，如图1所示，在本实施例中，分色元件121对应于传递区TR而设置，而用于使激发光束50入射至波长转换模块130。举例而言，在本实施例中，分色元件121例如可让蓝色光束(具有蓝色波段的光束)穿透，而对其他颜色(如红色、绿色、黄色等)的光束提供反射作用。也就是说，分色元件121可让蓝色的激发光束50穿透，如此一来，激发光束50可穿透分色元件121并入射至波长转换模块130。

接着，如图1、图2B、图3A与图3B所示，在本实施例中，波长转换模块130位于激发光束50的传递路径上，具有至少一波长转换区WR以及反射区RR。举例而言，波长转换模块130可包含基板，基板具有高反射率材料。波长转换区WR可包含波长转换层(未绘示)，而用于将激发光束50转换为至少一波长转换光束60，也就是波长转换层被激发光束50照射而形成至少一波长转换光束60。另一方面，反射区RR可包含高反射率的镀膜或高反射镜(未绘示)，而用于反射激发光束50。并且，在本实施例中，波长转换模块130还包括第一致动器MR1(例如马达(motor))，用于使波长转换模块130的反射区RR与至少一波长转换区WR在不同时间中进入激发光束50的照射范围内，也就是波长转换模块130的反射区RR与至少一波长转换区WR轮流切入激发光束50的传递路径上。而选择性地使激发光束50通过或被转换为至少一波长转换光束60。

举例而言，如图2B与图3A所示，在本实施例中，当波长转换模块130的至少一波长转换区WR进入激发光束50的照射范围内时，波长转换模块130的至少一波长转换区WR将激发光束50转换为至少一波长转换光束60，且至少一波长转换光束60会传递至分光模块120且被分光模块120所反射。另一方面，如图2B与图3B所示，波长转换模块130的反射区RR用于反射激发光束50而使激发光束50再次传递至分光模块120。

进一步而言，如图3B所示，在本实施例中，分光元件122为部分穿透部分反射元件，并对应于分光区SR设置，而用于使传递至分光元件122的激发光束50的部分形成第一子激发光束50A，另一部分形成第二子激发光束50B，但是分光元件122可让其他颜色(如红色、绿色、黄色等)的光束提供反射作用。换言之，来自波长转换模块130的激发光束50经由分光模块120的分光区SR(即分光元件122)后会形成第一子激发光束50A与第二子激发光束50B，且让至少一波长转换光束60反射。如图3B所示，在本实施例中，第一子激发光束50A被分光元件122反射至聚光元件140，而分光模块120的反射元件123则位于第二子激发光束50B的传递路径上，因此第二子激发光束50B会被反射元件123反射且穿透分色元件121而传递至聚光元件140。

如图3A与图3B所示，在本实施例中，聚光元件140位于第一子激发光束50A、第二子激发光束50B与至少一波长转换光束60的传递路径上。如图3A所示，在本实施例中，至少一波长转换光束60借由分光元件122与分色元件121的反射，且经由聚光元件140汇入光均匀化元件150。如图3B所示，在本实施例中，第一子激发光束50A与第二子激发光束50B经由聚光元件140形成激发合光光束50C后，再汇入光均匀化元件150。

并且，如图3A与图3B所示，在本实施例中，光均匀化元件150位于激发合光光束50C与至少一波长转换光束60的传递路径上。在本实施例中，光均匀化元件150例如为积分柱，但本发明不局限于此。更详细而言，如图1、图3A与图3B所示，当激发合光光束50C与至少一波长转换光束60以时序性的方式形成照明光束70且传递至光均匀化元件150时，光均匀化元件150用于均匀化激发合光光束50C与至少一波长转换光束60所形成的照明光束70，并使其传递至光阀210。

进一步而言，在本实施例中，照明系统100可借由控制分光元件122的穿透率的高低，来调整激发合光光束50C入射光均匀化元件150的不同角度的权重分布。具体而言，在本实施例中，分光元件122可选择地对不具偏振极性的光的穿透率(P波偏振光穿透率与S波偏振光穿透率的平均值)介于10％～90％之间。并且，分光元件122亦可选择地为对具P偏振态的光的穿透率介于10％～90％之间，或者是可选择地对具S偏振态的光的穿透率介于10％～90％之间。如此，将可视激发光具有的偏振特性来控制分光元件122的穿透率，而使得激发光束50穿透分光元件122的穿透率会介于10％至90％之间。如此，分光模块120的分光区SR(即分光元件122)的分光效果较为显著，而可有效将激发光束50分为以不同角度入射光均匀化元件150的多个光束。

此外，照明系统100也可借由调整分光模块120的传递区TR或是分光区SR所占的光学面OS面积(即传递区TR面积与分光区SR面积的总合)的比例关系，来调整激发合光光束50C入射光均匀化元件150的不同角度的权重分布。举例而言，在本实施例中，分光模块120的传递区TR在光学面OS上的所占比例介于25％至75％之间。当分光模块120的传递区TR在光学面OS上的所占比例介于25％至75％之间时，分光模块120的传递区TR或是分光区SR至少都占有光学面OS的面积的25％，如此，激发合光光束50C入射光均匀化元件150的角度将可大于至少一波长转换光束60入射光均匀化元件150的角度的0.25倍，而有利于来调整激发合光光束50C与至少一波长转换光束60所形成的照明光束70的均匀度。

以下将搭配图4A至图5B，进行进一步地解说。

图4A至图4F是图1的分光模块的不同架构的示意图。图5A与图5B是图1的不同的第一光斑区域与第二光斑区域的分布示意图。如图1、图4A至图4F所示，在本实施例中，反射元件123与光学面OS彼此平行设置，且光学面OS上连接分色元件121与分光元件122的长度为第一长度L，反射元件123与光学面OS之间的最短距离则可视分光模块120的传递区TR或是分光区SR的比例关系，而调整其介于第一长度L的八分之一至第一长度L的八分之三之间，并且，反射元件123面向光学面OS的表面的面积与光学面OS的面积的比例亦可对应调整地介于25％至75％之间。

举例而言，如图4A所示，当分光模块120的传递区TR或是分光区SR占有光学面OS的面积的比例皆为50％时，反射元件123与光学面OS之间的最短距离可为第一长度L的四分之一，而反射元件123面向光学面OS的表面的面积与光学面OS的面积的比例可对应地调整为50％。

另一方面，如图4B至图4C所示，当分光模块120的分光区SR占有光学面OS的面积的比例为25％时，反射元件123与光学面OS之间的最短距离可介于第一长度L的八分之一至第一长度L的八分之三之间，而反射元件123面向光学面OS的表面的面积与光学面OS的面积的比例可对应地调整为25％。

另一方面，如图4D至图4F所示，当分光模块120的分光区SR占有光学面OS的面积的比例为75％时，反射元件123与光学面OS之间的最短距离可介于第一长度L的八分之一至第一长度L的八分之三之间，而反射元件123面向光学面OS的表面的面积与光学面OS的面积的比例可对应地被调整为介于75％至25％之间。

进一步而言，如图5A至图5B所示，当反射元件123与分色元件121与分光元件122所形成的光学面OS之间的距离产生变化时，第一子激发光束50A与第二子激发光束50B在聚光元件140上的光斑区域的大小与位置也会产生变化，而可用以控制并调整激发合光光束50C的光轴的位置与照射区域的范围。

举例而言，如图5A所示，第一子激发光束50A会在聚光元件140上形成第一光斑区域SP1，而第二子激发光束50B在聚光元件140上形成第二光斑区域SP2，且第一光斑区域SP1与第二光斑区域SP2彼此不重叠。另一方面，如图5B所示，当反射元件123往光学面OS移近时，第一子激发光束50A形成的第一光斑区域SP1与第二子激发光束50B形成的第二光斑区域SP2可以部分重合或完全重合。

由此，激发合光光束50C的光轴与聚光元件140的光轴之间的距离亦可被调整。举例而言，如图5A与图5B所示，在本实施例中，激发合光光束50C具有第一光轴O1，聚光元件140具有第二光轴O2，激发合光光束50C的第一光轴O1与聚光元件140的第二光轴O2之间具有间距D，且此间距D小于聚光元件140的外径R的一半。

如此，激发合光光束50C入射光均匀化元件150的角度将可大于至少一波长转换光束60入射光均匀化元件150的角度的0.25倍，而有利于来调整激发合光光束50C与至少一波长转换光束60所形成的照明光束70的均匀度。

请再次参照图1、图3A与图3B，如图1、图3A与图3B所示，在本实施例中，投影装置200还包括滤光模块160，滤光模块160位于激发合光光束50C与至少一波长转换光束60的传递路径上，并具有滤光区(未绘示)与透光区(未绘示)。滤光模块160还包括第二致动器MR2，用于使滤光区(未绘示)在不同时间中对应地进入波长转换光束60的照射范围内，以分别形成红色色光与绿色色光。另一方面，透光区(未绘示)在不同时间中亦会对应地进入被传递至滤光模块160的激发合光光束50C的照射范围内，以形成蓝色色光。如此，即可使激发合光光束50C与转换光束60依时序地被转换成具有多种不同颜色的照明光束70。

值得注意的是，在本实施例中，滤光模块160例如位于聚光元件140与光均匀化元件150之间，但本发明不局限于此。在另一未绘示的实施例中，光均匀化元件150亦可位于聚光元件140与滤光模块160之间，如此，激发合光光束50C与至少一波长转换光束60会先经由光均匀化元件150均匀化，而再经由滤光模块160形成照明光束70，并使照明光束70传递至光阀210。

接着，如图1所示，光阀210位于照明光束70的传递路径上，且用于将照明光束70转换成影像光束80。投影镜头220位于影像光束80的传递路径上且用于将影像光束80转换成投影光束90，以将影像光束80投影至屏幕(未绘示)上，以形成影像画面。由于照明光束70会聚在光阀210上后，光阀210依序将照明光束70转换成不同颜色的影像光束80传递至投影镜头220，因此，光阀210所转换出的影像光束80所被投影出的影像画面便能够成为彩色画面。

如此一来，投影装置200与照明系统100借由采用了分光模块120的传递区TR与分光区SR的配置，将能使得激发合光光束50C入射光均匀化元件150的角度大于至少一波长转换光束60入射光均匀化元件150的角度的0.25倍，而有利于来调整激发合光光束50C与至少一波长转换光束60所形成的照明光束70的均匀度，并借此使投影出的影像画面具有良好的画面品质。

图6A是图1的另一种分光模块的传递区与分光区的示意图。图6B是通过图6A的分光模块的激发光束的光路示意图。请参照图6A，本实施例的分光模块620与图1的分光模块120类似，而两者的差异如下所述。在本实施例中，分光模块620的分光元件622具有第一区SR1与第二区SR2，其中第一区SR1位于第二区SR2与分色元件621之间，且分光元件622的第一区SR1上镀有高反射镀膜，用于反射由波长转换模块传递过来的激发光束50而形成第一子激发光束50A，分光元件622的第二区SR2上镀有高穿透镀膜，用于使由波长转换模块传递过来的激发光束50穿透而形成第二子激发光束50B，并传递至反射元件623。举例而言，在本实施例中，激发光束50穿透分光元件622的第一区SR1的穿透率小于5％(即反射率大于95％)，激发光束50穿透分光元件622的第二区SR2的穿透率大于95％。应注意的是，此处的数值范围皆仅是作为例示说明之用，其并非用以限定本发明。

如此，当分光模块620应用在图1的投影装置200与照明系统100中时，亦可借由其传递区TR与分光区SR的配置，而使得激发合光光束50C入射光均匀化元件150的角度大于至少一波长转换光束60入射光均匀化元件150的角度的0.25倍，而有利于来调整激发合光光束50C与至少一波长转换光束60所形成的照明光束70的均匀度，并借此使投影出的影像画面具有良好的画面品质，并使照明系统100与投影装置200达到类似的效果与优点，在此就不再赘述。

图7是本发明一实施例的另一种照明系统的架构示意图。图8A是图7的照明系统的波长转换光束的光路示意图。图8B是图7的照明系统的激发光束的光路示意图。请参照图7，本实施例的照明系统700与图1的照明系统100类似，而两者的差异如下所述。在本实施例中，分光模块720包括分色元件721以及分光元件722。分色元件721对应于传递区TR，用于反射来自激发光源110的激发光束50，也就是说，在本实施例中，分色元件721会反射蓝色光束，而让其他颜色(如红色、绿色、黄色等)的光束穿透。如此一来，激发光束50亦可经由分色元件721反射而入射至波长转换模块130。接着，如图8A所示，在本实施例中，来自波长转换模块130的至少一波长转换光束60会通过分光模块720并传递至聚光元件140以及光均匀化元件150。

另一方面，在本实施例中，分光模块720的分光元件722对应于分光区SR，且分光元件722为部分穿透部分反射元件，而用于使激发光束50的部分形成第一子激发光束50A，另一部分形成第二子激发光束50B。因此，如图8B所示，来自波长转换模块130的反射区RR的激发光束50会经由分光元件722而分别形成第一子激发光束50A与第二子激发光束50B。更具体而言，如图8B所示，在本实施例中，第一子激发光束50A被分光元件722反射至分色元件721，再经由分色元件721的反射而传递至聚光元件140，而第二子激发光束50B入射至聚光元件140以及光均匀化元件150。

如此，照明系统700亦可借由分光模块720的传递区TR(即分色元件721)与分光区SR(即分光元件722)的配置，而使得激发合光光束50C入射光均匀化元件150的角度大于至少一波长转换光束60入射光均匀化元件150的角度的0.25倍，而有利于来调整激发合光光束50C与至少一波长转换光束60所形成的照明光束70的均匀度，而能达到与前述的照明系统100类似的效果与优点，在此就不再赘述。并且，当照明系统700应用至前述的投影装置200时，亦能使投影装置200达到类似的效果与优点，而使投影出的影像画面具有良好的画面品质，在此就不再赘述。

综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，投影装置与照明系统借由采用了分光模块的传递区与分光区的配置，将能使得激发合光光束入射光均匀化元件的角度大于至少一波长转换光束入射光均匀化元件的角度的0.25倍，而有利于来调整激发合光光束与至少一波长转换光束所形成的照明光束的均匀度，并借此使投影出的影像画面具有良好的画面品质。

惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即所有依本发明权利要求书及发明内容所作之简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。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之全部目的或优点或特点。此外，摘要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之权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“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。

附图标记说明：

50：激发光束

50A：第一子激发光束

50B：第二子激发光束

50C：激发合光光束

60：波长转换光束

70：照明光束

80：影像光束

90：投影光束

100、700：照明系统

110：激发光源

120、620、720：分光模块

121、721：分色元件

122、722：分光元件

123、623：反射元件

130：波长转换模块

140：聚光元件

150：光均匀化元件

160：滤光模块

200：投影装置

210：光阀

220：投影镜头

D：间距

L：第一长度

MR1：第一致动器

MR2：第二致动器

OS：光学面

O1：第一光轴

O2：第二光轴

SP1：第一光斑区域

SP2：第二光斑区域

SR：分光区

SR1：第一区

SR2：第二区

TR：传递区

R：外径

RR：反射区

WR：波长转换区。