光学系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出一光学系统，其用于一投影机中，且包含依序设置的一固态光源模块、一光学模块、一荧光元件及一光中继模块。固态光源模块可产生一第一光束，而光学模块可传递及均匀第一光束，以使第一光束均匀照射于荧光元件上。光学模块并可使第一光束照射于荧光元件的一光斑具有一预定形状及一预定面积，从而使荧光元件以一发光面积来发射一第二光束。光中继模块可接收第二光束的一部分光束，该部分光束具有一立体角，而该立体角与该发光面积所定义的一光展量可等同于投影机的光调变器的一光展量。
【专利说明】光学系统
【技术领域】
[0001]本发明有关一种光学系统，特别关于一种用于投影机中的光学系统。
【背景技术】
[0002]目前的投影机越来越多采用一固态光源模块配合一荧光元件的光学系统，来产生不同颜色的光线。请参阅图1所示，此种光学系统中，固态光源模块IOA具有多个激光二极管11A，该些激光二极管IlA可分别产生一激光12A，然后该些激光12A经由一透镜13A汇聚至荧光元件20A上，以使该荧光元件20A激发出具有特定颜色(波长)的散射的光线21A。然而，该种光学系统至少具有以下两种缺失。
[0003]首先，该些激光12A借由透镜13A汇聚至荧光元件20A时，并不会均匀地照射于荧光元件20A上；换言之，荧光元件20A的某些区域会被较多的激光12A照射，而某些区域会被较少的激光12A照射到。若被较多的激光12A照射时，荧光元件20A的那些区域将会产生较高的温度，可能使得突光元件20A的发光效率(exciting efficiency)降低，也就是说荧光元件上所涂布的荧光剂的激发效率会随着温度升高而有热衰退的现象。
[0004]另外，该些激光12A照射于荧光元件20A上的光斑(light spot)的形状及面积并没有经过适当地设计，常会造成荧光元件20A的发光面积过大，从而使得荧光元件20A具有过大的光展量(6tendue or Etendue);也就是指,突光元件20A的光展量会大于投影机的光调变器(图未示)所能接受的光展量，使得部分的激发光线21A无法被光调变器利用而造成光损失。需说明的是，光展量为光源面积与发散立体角(solid angle)的乘积，用以表示光线的几何特性。
[0005]为了使上述两种缺失能够改善，必需精密地调整各激光二极管IlA的位置以及激光12A光束的角度及方向，同时更要精密地对齐由激光二极管IlA到荧光元件20A之间的所有光学元件。尔后，该些激光12A才会均匀照射于荧光元件20A上，且该些激光12A照射于荧光元件20A上的光斑才会有适当的形状及面积。但是，上述的改善方式会耗费大量的时间及成本，且实务上并不容易控制，因此不利于投影机的制造。因此在廉价的投影机中，荧光元件的激发效率并不好，所激发出的光线也没有被有效地利用。
[0006]有鉴于此，提供一种可改善至少一种上述缺失的光学系统，乃为此业界亟待解决的问题。
【发明内容】
[0007]本发明的一目的在于提供一种光学系统，其可容易地让荧光元件有良好的激发效率。
[0008]本发明的另一目的在于提供另一种光学系统，其可容易地让荧光元件所激发的光线被投影机良好地应用。
[0009]为达上述目的，本发明所公开的光学系统可用于一投影机中，且其包含:一固态光源模块，用以产生一第一光束；一光学模块，设置于该固态光源模块的一侧；一荧光元件，设置于该光学模块的一侧，而该光学模块设置于该固态光源模块与该荧光元件之间；以及一光中继模块，设置于该荧光元件的一侧，而该荧光元件设置于该光学模块与该光中继模块之间；其中，该光学模块用以传递及均匀该第一光束，以使该第一光束均匀照射于该荧光元件上，该光学模块并用以使该第一光束照射于该荧光元件的一光斑具有一预定形状及一预定面积，从而使该荧光元件以一发光面积来发射一第二光束；该光中继模块用以接收该第二光束的一部分光束，该部分光束具有一立体角；其中，该立体角与该发光面积所定义的一光展量实质地等同于该投影机的一光调变器的一光展量。
[0010]本发明所公开的光学系统仅借由光学模块，即可让第一光束均匀地照射该荧光元件且具有预定形状及面积的光斑，不需像现有般采取精密地调整固态光源的相对位置等耗费时间及成本的作法。因此，本发明所揭露的光学系统可容易地让荧光元件有良好的激发效率，以及让荧光元件所激发的光线被投影机良好地应用。
[0011]为让上述目的、技术特征及优点能更明显易懂，下文以较佳的实施例配合附图进行详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为现有的光学系统的平面示意图。
[0013]图2为为依据本发明的第一实施例的光学系统的一平面示意图。
[0014]图3为依据本发明的第一或第二实施例的光学系统的另一平面示意图。
[0015]图4为图2的光学系统的固态光源模块的平面示意图。
[0016]图5为图2的光学系统的荧光元件的温度与发光效率的关系示意图
[0017]图6为图2的光学系统的第一光束的光斑与荧光元件的示意图。
[0018]图7为依据本发明的第一实施例的光调变器及投影镜头的平面示意图。
[0019]图8为依据本发明的第二实施例的光学系统的平面示意图。
[0020]其中，附图标记说明如下:
[0021]“现有”
[0022]IOA固态光源模块
[0023]IIA激光二极管
[0024]12A 激光
[0025]13A 透镜
[0026]20A荧光元件
[0027]2IA 光线
[0028]“本发明”
[0029]1、2光学系统
[0030]10固态光源模块
[0031]11固态光源
[0032]111 光线
[0033]12准直透镜
[0034]13第一光束
[0035]131 光斑[0036]20光学模块
[0037]21积分柱
[0038]211 出口
[0039]22中继透镜
[0040]30荧光元件
[0041]31第二光束
[0042]311部分光束
[0043]Θ I立体角
[0044]A2发光面积
[0045]35光中继模块
[0046]351 透镜
[0047]40光调变器
[0048]41调变面积
[0049]θ2可用光立体角
[0050]50投影镜头
[0051]53均光元件
[0052]55光传递模块
[0053]60光学模块
[0054]61透影阵列
[0055]611 透镜
[0056]62中继透镜
【具体实施方式】
[0057]请参阅图2及图3所示，分别为依据本发明的第一实施例的光学系统的二平面示意图。于本发明的第一实施例中，一光学系统I被提出，其可应用于一投影机中，也可视为投影机的一部分。该光学系统I包括了一固态光源模块10、一光学模块20、一突光兀件30及一光中继模块35 ;另外，后述的投影机的光调变器40、投影镜头50、均光元件53或光传递模块55等亦可视为包括于该光学系统I中。
[0058]整体而言，固态光源模块10、光学模块20、突光兀件30及光中继模块35为依序地设置；也就是，光学模块20设置于固态光源模块10的一侧(例如后侧)，荧光元件30设置于光学模块20的一侧(例如后侧)，而光中继模块35设置于突光兀件30的一侧(例如后侧)。如此，光学模块20会设置于固态光源模块10与突光兀件之间30,而突光兀件30会设置于光学模块20与光中继模块35之间。
[0059]固态光源模块10、光学模块20、荧光元件30、光中继模块35及光调变器40等的进一步技术特征将依序说明如下。
[0060]请配合参阅图4所示，为图2的光学系统的固态光源模块的平面示意图。该固态光源模块10可具有多个固态光源11,而该些固态光源11可为一激光二极管或一发光二极管；于本实施例中，固态光源11以激光二极管为例示。固态光源模块10还可选择地包括多个准直透镜12，该些准直透镜12分别设置于该些固态光源11的一侧，以接收该些固态光源11发射出的光线111，并使光线111能更为准直。此外，该些固态光源11还会设置成能使得所发射出的该些光线111有良好的平行度。
[0061]该些固态光源11所产生光线111可集合成一第一光束13,换言之，固态光源模块10整体而言可借由该些固态光源11来产生一第一光束13。由于该些光线111皆有良好的准直度，且该些光线111的平行度也为良好，故第一光束13整体也会有良好的准直度。
[0062]请复参阅图2，该光学模块20可传递及均匀该第一光束13，且其可具有一积分柱(integration rod) 21及至少一中继透镜(relay lens) 22,而中继透镜22的数目以三个为例示。
[0063]第一光束13可被第一个中继透镜22汇聚及传递至积分柱21中，以被积分柱21均匀化；也就是，第一光束13通过积分柱21时，会在积分柱21中反射或全反射，使得离开积分柱21后的第一光束13能有较为均勻分布的光强度。要说明的是该积分柱21可为实心或是空心的态样。
[0064]被均匀后的第一光束13接着会被第二及第三个中继透镜22传递至荧光元件30上。荧光元件30可为一固定式的荧光板或一旋转式的荧光色轮，且可为一穿透式荧光元件或反射式突光元件。
[0065]第一光束13会均匀地照射于荧光元件30上，以使得荧光元件30被激发光的效率因热衰退的影响达到最小。请配合参阅图5所示，为图2的光学系统的荧光元件的温度与发光效率的关系示意图。详言之，荧光元件30的最大发光效率对应一特定温度，例如40度左右(此数值仅为例示)；当荧光元件30被第一光束13均匀照射时，荧光元件30的温度不易超过该特定温度，故被激发光的效率因热衰退的影响可达到最小。
[0066]请参阅图2及图6所不，图6为图2的光学系统的第一光束的光斑与突光兀件的示意图。光学模块20除了使第一光束13均匀地照射于荧光元件30，还可使第一光束13照射于荧光元件30的一光斑131具有一预定面积(即一预定尺寸)及一预定形状。
[0067]光斑131的预定形状设置成与光调变器40 (如图7所示)的形状相同(或相似)。因此，若光调变器40的形状为一矩型，则光斑131的预定形状会相同或相似于该矩型。
[0068]光斑131的预定形状又与积分柱21的出口(output aperture) 211的形状有关联。详言之，第一光束13通过积分柱21后，除了被均匀化，还会被积分柱21塑型(shaped)，使得第一光束13的沿着主光轴的截面的形状相同或相似于积分柱21的出口 211的形状。
[0069]然后，若荧光元件30垂直于第一光束13的主光轴时，塑型后的光斑131的预定形状会等同于积分柱21的出口 211的形状；若荧光元件30倾斜于第一光束13的主光轴时，塑型后的光斑131的预定形状不会等同于积分柱21的出口 211的形状，而是等同于“积分柱21的出口 211沿着第一光束13的主光轴投影至荧光元件30上”的形状。
[0070]举例而言，若光斑131的预定形状需为一矩型(长宽比为4:3)，则当荧光元件30垂直于第一光束13的主光轴时，积分柱21的出口 211可设置成同个矩型；但是当荧光元件30倾斜于第一光束13的主光轴时，积分柱21的出口 211会设置成另一个矩型(长宽比非为 4:3)。
[0071]光斑131的预定面积与“积分柱21的出口 211的面积”以及“中继透镜22的放大率(magnification) ”有关联。详言之，当荧光元件30垂直于第一光束13的主光轴时，光斑131的面积为“出口 211的面积与中继透镜22的放大率的乘积”，因此调整出口 211的面积及/或中继透镜22的放大率，即可得到光斑131的预定面积。
[0072]当荧光元件30倾斜于第一光束13的主光轴时，光斑131的预定面积除了要考量“出口 211的面积与中继透镜22的放大率的乘积”，还要考量“荧光元件30相对于第一光束13的主光轴的夹角”，才能使光斑131的面积符合所需。
[0073]当第一光束13照射于荧光元件30的光斑131具有预定面积及预定形状后，可使得突光兀件30以一发光面积A2来发射一第二光束31。
[0074]请复参阅图3，光中继模块35可包含至少一透镜351，而本实施例以两个透镜351为例。光中继模块35可接受第二光束31的一部分光束311 ;换言之，第二光束31不是全部皆被光中继模块35接收，超过光中继模块35的接收范围外的光线即不会进入至光中继模块35中。部分光束311具有一立体角Θ i，该立体角Θ I对应光中继模块35的收光能力时；也就是，若光中继模块35能接收越多的部分光束311时，部分光束311的立体角Θ I将越大。光中继模块35的收光能力可由“光中继模块35的尺寸”或是“光中继模块35与荧光元件30之间的距离”来决定。
[0075]“部分光束311的立体角Θ广与“荧光元件30的发光面积A2”可定义一光展量Ep，该光展量Ep与立体角Θ I及发光面积A2之间的关系可为:发光面积A2与立体角Θ I的乘积，也就是，ΕΡ=Α2 Θ 10立体角Θ i与发光面积A2所定义的光展量Ep将实质地等于投影机的光调变器40的可利用的光展量Em。如此，部分光束311尔后经由均光元件53 (例如积分柱或光导管等)及光传递模块55等传递至光调变器40时，可被光调变器40充分地利用，减少部分光束311的光损失。
[0076]请参阅图7所示，为本发明的第一实施例的光调变器及投影镜头的平面示意图。光调变器40可为一数字微镜装置(DMD)、一硅基液晶装置(LCoS)或一液晶装置(LCD)。光调变器40具有一调变面积(modulator area) Al及一数值孔径(numeral aperture, NA),该数值孔径NA与光调变器40的一可用光(即可接收光)立体角Θ 2有关联，并还进一步与投影机的一投影镜头50的光圈数(F-number)相关，其关系式为Θ 2= π (1/F-number)2 ;因此，当投影镜头50较大、光圈数较小时，光调变器40的可用光立体角θ2即会增加。光调变器40的光展量Em为调变面积Al与可用光立体角θ2的函数，举例而言，光展量Em可为:调变面积Al与可用光立体角Θ 2的乘积，也就是，Em=Al Θ 2。
[0077]请复参阅图3及图6。当光调变器40的光展量Em已知后，可决定出“部分光束311的立体角Θ/’与“荧光元件30的发光面积Α2”所定义的光展量Ep，进而决定出立体角Q1与发光面积Α2的所需数值。使用者可先选定立体角Θ i与发光面积A2其中一者的所需数值，然后再推算另一者的所需数值。简言之，当光调变器40的光展量Em已知后，荧光元件30的所需发光面积A2即可决定出。
[0078]突光兀件30的发光面积A2与第一光束13的光斑131的预定面积相关联,故所需的发光面积A2已知后，光斑131的预定面积即可决定出，从而决定积分柱21的出口 211的面积及/或中继透镜22的放大率。
[0079]通常，光斑131的预定面积可等同荧光元件30的所需发光面积A2 ;举例而言，若荧光元件30的所需发光面积A2为20平方厘米，则光斑131的预定面积也可为20平方厘米。较佳地，光斑131的预定面积可略小于荧光元件30的所需发光面积A2，这是考量到下列因素:荧光元件30会因为本身的厚度，使得发光面积A2比照射面积(即光斑131的预定面积)还要大，故发光面积A2与光斑131的预定面积相等时，发光面积A2会超过所需值，因此光斑131的预定面积需缩小。
[0080]综合上述，光斑131的预定面积是依据光调变器40的光展量Em及荧光元件30的发光面积A2来定义，且是借由调整光学模块20的参数(例如积分柱21的出口 211的面积及/或中继透镜22的放大率)来实现出。
[0081]请参阅图8所示，为依据本发明的第二实施例的光学系统的平面示意图。于本发明的第二实施例中，另一光学系统2被提出。光学系统2与光学系统I的差异在于:光学系统2包括另一种态样的光学模块60。
[0082]详言之，光学模块60具有两个透镜阵列(lens array or fly eye array) 61及至少一中继透镜62，该两个透镜阵列61可设置于中继透镜62的一侧(例如前侧)，且该两个透镜阵列61各具有多个透镜611 ;中继透镜62的数目以一个为例示。
[0083]固态光源模块10所产生的第一光束13可直接传递至两个透镜阵列61，然后被两个透镜阵列61均匀化。并且，第一光束13在通过两个透镜阵列61后，其也会被塑型，以使通过透镜阵列61后的第一光束13的沿着主光轴的截面的形状相同于透镜阵列61的透镜611的形状。
[0084]尔后，被均匀及塑型的第一光束13会被中继透镜62传递至荧光元件30上。第一光束13会均匀照射荧光元件30，且第一光束13照射于荧光元件30上的光斑131具有一预定面积及一预定形状，从而使荧光元件30以一发光面积A2来发射一第二光束31。
[0085]请配合参阅图3，第二光束31的部分光束311接着可被光中继模块35接收，而部分光束311的立体角Θ I与发光面积A2所定义出的光展量Ep将会实质等于光调变器40的光展量Em。如此,光学系统2也可如光学系统I般,使光中继模块35所接收的部分光束311可被光调变器40充分地利用。
[0086]与第一实施例类似，光斑131的预定形状与透镜阵列61的透镜611的形状有关联，也就是，光斑131的预定形状可相同于透镜611的形状或是“透镜611沿着第一光束13的主光轴投影至荧光元件30上”的形状；光斑131的预定面积是依据光调变器(图未示)及荧光元件30的光展量来定义，且可借由调整光学模块60的参数(例如透镜611的面积及/或中继透镜62的放大率)而实现出。
[0087]需说明的是，固态光源模块10所产生的第一光束13实际上无法完全地准直，而是仍有些扩散角；第一光束13的扩散角的容许值与两透镜阵列61的参数有关联。
[0088]详言之，两个透镜阵列61的透镜611分别在一第一方向及一第二方向上具有一尺寸(a)及另一尺寸(b)，而两个透镜阵列61之间于一第三方向上具有一间距(d);该第一方向、第二方向及第三方向为彼此正交，且第三方向平行于第一光束13的主光轴。第一光束13于第一方向的扩散角应不超过SirT1 (a/d)，而于第二方向的扩散角应不超过sirT1 (b/d)。另说明的是，两透镜阵列61的每一个透镜611的焦距，约等于两透镜阵列61之间的间距⑷。
[0089]综上所述，本发明所公开的光学系统仅借由光学模块，即可让第一光束均匀地照射该荧光元件且具有预定形状及面积的光斑，不需像现有般采取精密地调整固态光源的相对位置等耗费时间及成本的作法。因此，本发明所揭露的光学系统可容易地让荧光元件有良好的激发效率，以及让荧光元件所激发的光线被投影机良好地应用。[0090]上述的实施例仅用来例举本发明的实施态样，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的保护范畴。任何本领域普通技术人员可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利保护范围应以权利要求书为准。
【权利要求】
1.一种光学系统，用于一投影机中，其特征在于，包含: 一固态光源模块，用以产生一第一光束； 一光学模块，设置于该固态光源模块的一侧； 一荧光元件，设置于该光学模块的一侧，而该光学模块设置于该固态光源模块与该荧光元件之间；以及 一光中继模块，设置于该荧光元件的一侧，而该荧光元件设置于该光学模块与该光中继模块之间； 其中，该光学模块用以传递及均匀该第一光束，以使该第一光束均匀照射于该荧光元件上，该光学模块并用以使该第一光束照射于该荧光元件的一光斑具有一预定形状及一预定面积，从而使该突光7Π件以一发光面积来发射一第二光束； 其中，该光中继模块用以接收该第二光束的一部分光束，该部分光束具有一立体角，而该立体角与该发光面积所定义的一光展量实质地等同于该投影机的一光调变器的一光展量。
2.如权利要求1所述的光学系统，其中，该立体角与该发光面积所定义的该光展量为该发光面积与该立体角的乘积；该光调变器具有一调变面积及一可用光立体角，该光调变器的该光展量为该调变面积与该可用光立体角的乘积。
3.如权利要求2所述的光学系统，其中，该光调变器的该可用光立体角对应于该投影机的一投影镜头的光圈数。
4.如权利要求1所述的光学系统，其中，该光学模块具有一积分柱及至少一中继透镜。
5.如权利要求4所述的光学系统,其中，该积分柱的一出口的形状相同于该第一光束照射于该荧光元件的该光斑。
6.如权利要求1所述的光学系统，其中，该光学模块具有两个透镜阵列及至少一中继透镜。
7.如权利要求6所述的光学系统，其中，所述两个透镜阵列分别具有多个透镜，而所述多个透镜的形状相同于该第一光束照射于该突光兀件的该光斑。
8.如权利要求1所述的光学系统，其中，该光中继模块包含至少一透镜。
9.如权利要求1所述的光学系统，其中，该固态光源模块具有多个固态光源，所述多个固态光源为一激光二极管或一发光二极管。
10.如权利要求1所述的光学系统，其中，该光调变器为一数字微镜装置、一硅基液晶装置或一液晶装置。
11.如权利要求1所述的光学系统，其中，该荧光元件为一固定式的荧光板或一旋转式的荧光色轮。
【文档编号】F21V13/00GK103941532SQ201310017478
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年1月17日 优先权日:2013年1月17日
【发明者】王博 申请人:台达电子工业股份有限公司