照明系统与投影装置的制作方法

本实用新型关于一种照明系统与投影装置，且特别是关于一种具有合光棱镜的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，习知的激光投影装置架构具有激光光源、荧光粉轮、滤光轮、积分柱、光阀以及投影镜头等光学元件，其中激光光源提供的激光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，藉由光阀控制画面的灰阶，再借由投影镜头投射出影像画面。

目前现有的激光投影装置技术是将蓝色激光汇聚至一荧光粉轮上，并经由其上的荧光粉被激发而产生转换色光，而在现有的激光投影装置的光路架构下，激光必须穿透荧光粉轮并利用场镜或反射镜使其可以耦合入积分柱，用以提供蓝色光的光路回圈架构，将会造成合光系统体积缩小不易及投影画面颜色均匀性不佳的问题。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本

技术实现要素：
，因此在“背景技术”段落所公开的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的习知技术。在“背景技术”段落所公开的内容，不代表该内容或者本实用新型一个或多个实施例所要解决的问题，在本实用新型申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。

实用新型内容

本实用新型提供一种照明系统，具有小体积。

本实用新型提供一种投影装置，具有小体积以及良好的画面品质。

本实用新型的其他目的和优点可以从本实用新型所公开的技术特征中得到进一步的了解。

为达到上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本实用新型的一实施例提出一种照明系统。照明系统用于提供照明光束，且包括激发光源、波长转换模块以及合光棱镜。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。合光棱镜位于激发光束的传递路径上，具有第一表面、第二表面以及第三表面。激发光束经由第一表面进入合光棱镜，并在被第二表面全反射后经由第三表面离开合光棱镜并传递至波长转换模块。激发光束在不同时序中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或被波长转换模块的反射区所反射，且来自波长转换模块的至少一波长转换光束或激发光束依序穿透合光棱镜的第三表面以及第二表面而离开合光棱镜。

为达到上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本实用新型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，本实用新型的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本实用新型的实施例中，投影装置与照明系统藉由合光棱镜的配置，而能使得激发光束与至少一波长转换光束能以类似的光路径以及入射角入射至光均匀化元件，而有利于来调整激发光束与至少一波长转换光束所形成的照明光束的均匀度，并藉此使投影出的影像画面具有良好的画面品质。并且，投影装置与照明系统藉由合光棱镜的配置，将可不需针对蓝光光路配置额外回圈的系统光路设计，而能具有小体积的系统架构。此外，由于激发光束是经由合光棱镜的配置来传递激发光束与其所转换成的至少一波长转换光束至后续光学元件，而上述光束在合光棱镜中的行进光路由于光的色散原理会较为分散，因此可以避免合光棱镜中的能量密度过于集中，而能提升光学元件对激发光束的耐受性，并能藉此增加照明系统与投影装置的可靠度。

为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

附图说明

图1A是本实用新型一实施例的一种投影装置的架构示意图。

图1B是本实用新型另一实施例的一种投影装置的架构示意图。

图2A是图1A的一种波长转换模块的正视示意图。

图2B是图1A的一种滤光模块的正视示意图。

图3A与图3B是图1A的合光棱镜上的不同微结构的正视示意图。

图4是本实用新型一实施例的另一种投影装置的架构示意图。

图5是本实用新型一实施例的又一种投影装置的架构示意图。

具体实施方式

有关本实用新型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实用新型。

图1A是本实用新型一实施例的一种投影装置的架构示意图。图2A是图1A的一种波长转换模块的正视示意图。图2B是图1A的一种滤光模块的正视示意图。图3A与图3B是图1A的合光棱镜上的不同微结构的正视示意图。请参照图1A，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。

具体而言，如图1A所示，照明系统100用于提供照明光束70。照明系统100包括激发光源110、合光棱镜(Prism)120、波长转换模块130以及光均匀化元件140。激发光源110用于发出激发光束(Exciting light beam)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为蓝色光。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)，但本实用新型不以此为限。

进一步而言，如图1A所示，在本实施例中，合光棱镜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。具体而言，如图1A所示，在本实施例中，合光棱镜120具有第一表面S1、第二表面S2以及第三表面S3。在本实施例中，第一表面S1可为曲面，使得第一表面S1具有改变激发光束50行径的路径，用于控制激发光束50进入合光棱镜120后传递至第二表面S2的照射角度。但本实用新型不以此为限。在其他的实施例中，第一表面S1亦可为平面。

举例而言，在本实施例中，合光棱镜120可具有抗反射膜(Anti-reflecting film)AR，位于第一表面S1上。抗反射膜AR可利用涂布(Coating)的方式形成于第一表面S1上。激发光束50可经由抗反射膜AR而被传递至合光棱镜120中，而可减少入射的激发光束50的反射率，让不同角度入射的激发光束50都能有效的进入合光棱镜120，进而提升激发光束50的利用效率。

在本实施例中，合光棱镜120具有分色膜(Dichroic Mirror film)DM，亦位于第一表面S1上。分色膜DM利用涂布(Coating)的方式形成于第一表面S1上。分色膜DM用于使蓝光穿透，并对黄光与绿光提供反射作用。具体而言，在本实施例中，抗反射膜AR位于激发光源110与分色膜DM之间，换言之，在本实施例中，抗反射膜AR较分色膜DM更邻近激发光源110，而激发光束50会先经过抗反射膜AR，再经由分色膜DM进入合光棱镜120。如图1A所示，在本实施例中，由于激发光束50为蓝光，因此激发光束50会经由第一表面S1进入合光棱镜120。

此外，如图1A所示，在本实施例中，照明系统100还包括光学结构膜160。光学结构膜160位于合光棱镜120的第二表面S2上。举例而言，在本实施例中，光学结构膜160与合光棱镜120的材质可为不同材质，亦可为相同材质(如玻璃)，但光学结构膜160的折射率与合光棱镜120的折射率则需是不相同的，且合光棱镜120的折射率大于光学结构膜160的折射率，因此合光棱镜120与光学结构膜160的界面(即第二表面S2)会存在一可以产生全反射的临界角。并且，在本实施例中，第一表面S1与第二表面S2之间具有夹角θ，夹角θ的角度范围介于80度至100度之间，因此，如图1A所示，在本实施例中，当激发光束50进入合光棱镜120后，激发光束50入射第二表面S2的角度会大于全反射的临界角，而会在第二表面S2发生全反射。之后，激发光束50会经由第三表面S3离开合光棱镜120并传递至波长转换模块130。

接着，如图1A与图2A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。波长转换模块130具有基板131。基板131具有至少一波长转换区WR以及反射区RR。基板131例如为具有反射功能的碟盘装置。基板131可以使用金属或陶瓷材料。举例而言，如图1A与图2A所示，波长转换区WR包含波长转换层132，而用于将激发光束50转换为至少一波长转换光束60。另一方面，反射区RR可包含高反射层设置于基板131上，而用于反射激发光束50。在其他实施例中，反射区RR可为具有反射涂层的光学元件。如图1A与图2A所示，在本实施例中，波长转换模块130还包括第一致动器MR1，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在不同时序中进入激发光束50的照射范围内。

举例而言，如图1A与图2A所示，在本实施例中，波长转换模块130例如为荧光轮(Phosphor wheel)。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会被传递(反射)至合光棱镜120。举例而言，在本实施例中，波长转换区WR上分别具有黄色荧光粉或绿色荧光粉，因此波长转换光束60可为黄色色光与绿色色光。黄色荧光粉定义为激发光束50转换为黄色色光的荧光粉，绿色荧光粉定义为激发光束50转换为绿色色光的荧光粉。另一方面，波长转换模块130的反射区RR则用于反射激发光束50而使激发光束50再次传递至合光棱镜120。

接着，如图1A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或激发光束50再依序穿透合光棱镜120的第三表面S3以及第二表面S2而离开合光棱镜120。此外，在本实施例中，由于位于第一表面S1上的分色膜DM会对黄光与绿光提供反射作用，因此，若波长转换光束60以大角度离开波长转换模块130的话，这些波长转换光束60也会借由第二表面S2的全反射而以大角度传递回合光棱镜120的第一表面S1，此时即能再被合光棱镜120的第一表面S1反射至第二表面S2后离开合光棱镜120，而能提升光利用效率。

此外，如图1A所示，在本实施例中，光学结构膜160位于激发光束50与至少一波长转换光束60的传递路径上，且具有多个微结构MS。如此，当来自波长转换模块130的至少一波长转换光束60或激发光束50在穿透合光棱镜120的第二表面S2后，会通过光学结构膜160的这些微结构MS。举例而言，这些微结构MS的轮廓可为如图3A所示的阵列排列的多个锥状微结构MS1或如图3B所示的条状微结构MS2。当光学结构膜160具有如图3B所示的条状微结构MS2时，光学结构膜160例如是增亮膜(Brightness Enhancement Film,BEF)来贴附于合光棱镜120上，但本实用新型并不以此为限。

具体而言，如图1A所示，在本实施例中，这些微结构MS朝向光均匀化元件140，因此穿透合光棱镜120的第二表面S2的至少一波长转换光束60或激发光束50会经由光学结构膜160上的微结构MS而达到准直化的功效，如此，具有大角度的至少一波长转换光束60或具有大角度的激发光束50亦会经由准直化而被收光(汇聚)后，再被传递至光均匀化元件140。

如此，由于激发光束50是经由合光棱镜120的配置来达成激发光束50与其所转换成的至少一波长转换光束60得以被传递至后续光学元件的光路设计，并且激发光束50与至少一波长转换光束60在合光棱镜120中的行进光路由于光的色散原理会较为分散，因此可以避免合光棱镜120中的能量密度过于集中，而能提升光学元件对激发光束50的耐受性，并能藉此增加照明系统100与投影装置200的可靠度。

接着，如图1A所示，在本实施例中，光均匀化元件140位于激发光束50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140包括积分柱，但本实用新型不以此为限。更详细而言，如图1A所示，至少一波长转换光束60或激发光束50在通过光学结构膜160后会被传递至光均匀化元件140。并且，如图1A所示，当激发光束50与至少一波长转换光束60传递至光均匀化元件140时，光均匀化元件140可使激发光束50与至少一波长转换光束60均匀化，并使其传递至光阀210。

如此，由于激发光束50与至少一波长转换光束60会循类似的光路径以及入射角入射至光均匀化元件140，因此激发光束50入射光均匀化元件140的角度与至少一波长转换光束60入射光均匀化元件140的角度将会一致，而有利于来调整藉由激发光束50与至少一波长转换光束60所形成的照明光束70的均匀度。

另一方面，如图1A与图2B所示，在本实施例中，照明系统100还包括滤光模块150，且滤光模块150也位于激发光束50与至少一波长转换光束60的传递路径上，其中滤光模块150具有至少一滤光区FR以及散光区DR。如图1A与图2B所示，在本实施例中，滤光模块150还包括第二致动器MR2，用于使至少一滤光区FR在不同时序中进入至少一波长转换光束60的照射范围内以将至少一波长转换光束60转换为第一色光70A，且散光区DR在不同时序中进入激发光束50的照射范围内，以将激发光束50形成第二色光70B。举例而言，在本实施例中，滤光区FR上分别具有红色滤光片、绿色滤光片或黄色滤光片，因此第一色光70A例如为红色色光、绿色色光或黄色色光。散光区DR上具有散光片，用于破坏激发光束50的同调性。第二色光70B可为蓝色色光。如此，即可使激发光束50与转换光束60依时序地被转换成包括第一色光70A与第二色光70B的照明光束70，而可依时序转换成多种不同颜色。

值得注意的是，如图1A所示，在本实施例中，光均匀化元件140位于合光棱镜120与滤光模块150之间，如此，激发光束50与至少一波长转换光束60会先经由光均匀化元件140均匀化，而再经由滤光模块150形成照明光束70后，再被传递至光阀210。

接着，如图1A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藉由采用了合光棱镜120的配置，而能使得激发光束50与至少一波长转换光束60会循类似的光路径以及入射角入射至光均匀化元件140，而有利于来调整激发光束50与至少一波长转换光束60所形成的照明光束70的均匀度，并藉此使投影出的影像画面具有良好的画面品质。并且，投影装置200与照明系统100藉由合光棱镜120的配置，将可不需针对蓝光光路配置额外回圈的系统光路设计，而能具有小体积的系统架构。

图1B是本实用新型另一实施例的一种投影装置的架构示意图。图1B的实施例的照明系统与投影装置和图1A的照明系统与投影装置类似，而两者的差异如下所述。本实施例中，滤光模块150例如位于合光棱镜120与光均匀化元件140之间。

如图1B所示，在本实施例中，光学结构膜160位于激发光束50与至少一波长转换光束60的传递路径上。如此，当来自波长转换模块130的至少一波长转换光束60或激发光束50在穿透合光棱镜120的第二表面S2后，会通过光学结构膜160的这些微结构MS。具体而言，这些微结构MS朝向滤光模块150，因此穿透合光棱镜120的第二表面S2的至少一波长转换光束60或激发光束50会经由光学结构膜160上的微结构MS而达到准直化的功效，如此，具有大角度的至少一波长转换光束60或具有大角度的激发光束50亦会经由准直化而被收光(汇聚)后，再被传递至滤光模块150。如此，由于激发光束50是经由合光棱镜120的配置来达成激发光束50与其所转换成的至少一波长转换光束60得以被传递至后续光学元件的光路设计，并且激发光束50与至少一波长转换光束60在合光棱镜120中的行进光路由于光的色散原理会较为分散，因此可以避免合光棱镜120中的能量密度过于集中，而能提升光学元件对激发光束50的耐受性，并能藉此增加照明系统100与投影装置200的可靠度。

接着，如图1B所示，在本实施例中，滤光模块150位于激发光束50与至少一波长转换光束60的传递路径上。更详细而言，至少一波长转换光束60或激发光束50在通过光学结构膜160后会被传递至滤光模块150。至少一滤光区FR依时序进入至少一波长转换光束60的照射范围内以将至少一波长转换光束60转换为第一色光70A，且散光区DR依时序进入激发光束50的照射范围内，以将激发光束50形成第二色光70B。当第一色光70A与第二色光70B传递至光均匀化元件140时，光均匀化元件140可使第一色光70A与第二色光70B均匀化，并使其传递至光阀210。

如此，由于第一色光70A与第二色光70B会循类似于至少一波长转换光束60与激发光束50的入射角入射至光均匀化元件140，因此第二色光70B入射光均匀化元件140的角度与第一色光70A入射光均匀化元件140的角度将会一致，而有利于来调整借由第一色光70A与第二色光70B所形成的照明光束70的均匀度。接着，第一色光70A与第二色光70B形成的照明光束70被传递至光阀210，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。

图4是本实用新型一实施例的另一种投影装置的架构示意图。请参照

图4，本实施例的照明系统300与投影装置400与图1B的照明系统100与投影装置200类似，而两者的差异如下所述。在本实施例中，照明系统300的合光棱镜320例如是使用两个楔状棱镜321、322组合而成。如图4所示，在本实施例中，合光棱镜320的第一表面S1为楔状棱镜321朝向激发光源110的表面，合光棱镜320的第二表面S2为楔状棱镜322朝向光均匀化元件140的表面，而合光棱镜320的第三表面S3为楔状棱镜321朝向波长转换模块130的表面。

并且，在本实施例中，楔状棱镜322与楔状棱镜321之间具有空隙(Gap)，因此楔状棱镜322与楔状棱镜321的界面IS会存在产生全反射的临界角。在一实施例中，楔状棱镜322的折射率大于楔状棱镜321的折射率，因此楔状棱镜322与楔状棱镜321的界面IS会存在产生全反射的临界角。并且，由于在本实施例中，第一表面S1与界面IS之间具有夹角θ，且此夹角θ的角度范围介于80度至100度之间，因此，如图4所示，在本实施例中，当激发光束50进入合光棱镜320后，激发光束50入射楔状棱镜322与楔状棱镜321的界面IS的角度会大于全反射的临界角，而会在界面IS上发生全反射。之后，激发光束50会经由第三表面S3离开合光棱镜120并传递至波长转换模块130。

如此，在本实施例中，由于激发光束50也是经由合光棱镜320的配置来达成激发光束50与其所转换成的至少一波长转换光束60得以被传递至后续光学元件的光路设计，并且激发光束50与至少一波长转换光束60在合光棱镜320中的行进光路由于光的色散原理会较为分散，因此也可以避免合光棱镜320中的能量密度过于集中，而能提升光学元件对激发光束50的耐受性，并能藉此增加照明系统300与投影装置400的可靠度。

并且，由于照明系统300与投影装置400藉由采用了合光棱镜320的配置，而能使得激发光束50与至少一波长转换光束60会循类似的光路径以及入射角入射至光均匀化元件140，而有利于来调整激发光束50与至少一波长转换光束60所形成的照明光束70的均匀度，并藉此使投影出的影像画面具有良好的画面品质。并且，照明系统300与投影装置400藉由合光棱镜320的配置，将可不需针对蓝光光路配置额外回圈的系统光路设计，而能具有小体积的系统架构。因此，能使得照明系统300与投影装置400时，具有前述照明系统100与投影装置200所提及的优点，在此不再赘述。

图5是本实用新型一实施例的另一种投影装置的架构示意图。请参照图5，本实施例的照明系统500与投影装置600与图1B的照明系统300与投影装置400类似，而两者的差异如下所述。在本实施例中，照明系统500不具有光学结构膜160，亦即穿透合光棱镜320的第二表面S2的至少一波长转换光束60或激发光束50会直接被传递至后续的光学元件，而省略了经由光学结构膜160上的微结构MS准直化的过程。

然而，在本实施例中，激发光束50仍能经由合光棱镜320的配置来达成激发光束50与其所转换成的至少一波长转换光束60得以被传递至后续光学元件的光路设计，并且激发光束50与至少一波长转换光束60在合光棱镜320中的行进光路由于光的色散原理会较为分散，因此也可以避免合光棱镜320中的能量密度过于集中，而能提升光学元件对激发光束50的耐受性，并能藉此增加照明系统300与投影装置400的可靠度。

并且，由于照明系统500与投影装置600藉由采用了合光棱镜320的配置，而能使得激发光束50与至少一波长转换光束60会循类似的光路径以及入射角入射至光均匀化元件140，而有利于来调整激发光束50与至少一波长转换光束60所形成的照明光束70的均匀度，并藉此使投影出的影像画面具有良好的画面品质。并且，照明系统500与投影装置600藉由合光棱镜320的配置，将可不需针对蓝光光路配置额外回圈的系统光路设计，而能具有小体积的系统架构。因此，能使得照明系统500与投影装置600时，具有前述照明系统300与投影装置400所提及的优点，在此不再赘述。

综上所述，本实用新型的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本实用新型的实施例中，投影装置与照明系统藉由合光棱镜的配置，而能使得激发光束与至少一波长转换光束能以类似的光路径以及入射角入射至光均匀化元件，而有利于来调整激发光束与至少一波长转换光束所形成的照明光束的均匀度，并藉此使投影出的影像画面具有良好的画面品质。并且，投影装置与照明系统藉由合光棱镜的配置，将可不需针对蓝光光路配置额外回圈的系统光路设计，而能具有小体积的系统架构。此外，由于激发光束是经由合光棱镜的配置来传递激发光束与其所转换成的至少一波长转换光束至后续光学元件，而上述光束在合光棱镜中的行进光路由于光的色散原理会较为分散，因此可以避免合光棱镜中的能量密度过于集中，而能提升光学元件对激发光束的耐受性，并能藉此增加照明系统与投影装置的可靠度。

以上所述，仅为本实用新型之优选实施例而已，不能以此限定本实用新型实施之范围，即凡是依照本实用新型权利要求书及说明书内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本实用新型专利涵盖之范围内。另外本实用新型的任一实施例或权利要求不须达成本实用新型所公开之全部目的或优点或特点。此外，说明书摘要和本实用新型名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本实用新型之权利范围。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。

附图标记列表

50：激发光束

60：波长转换光束

70：照明光束

70A：第一色光

70B：第二色光

80：影像光束

90：投影光束

100、300、500：照明系统

110：激发光源

120、320：合光棱镜

130：波长转换模块

131：基板

132：波长转换层

140：光均匀化元件

150：滤光模块

160：光学结构膜

200、400、600：投影装置

210：光阀

220：投影镜头

321、322：楔状棱镜

AR：抗反射膜

DM：分色膜

DR：散光区

FR：滤光区

IS：界面

MR1：第一致动器

MR2：第二致动器

MS、MS1、MS2：微结构

RR：反射区

S1：第一表面

S2：第二表面

S3：第三表面

WR：波长转换区

θ：夹角。