投影系统及适用于该投影系统的激光光源模块的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种投影系统及适用于该投影系统的激光光源模块，投影系统包括激光光源模块、光调制器以及投影镜头。其中激光光源模块包括：至少一激光光源，发出具有第一波长的光束；至少一波长转换元件，用于将第一波长的光束转换成至少一种不同于第一波长的光束；光检测模块，包括光传感器，光检测模块邻设于波长转换元件；以及控制器，与光检测模块电连接；其中，激光光源模块的光传感器用以检测波长转换元件发射的不同于第一波长的光束的大于系统光展量的能量，并依据光传感器监测的结果，以透过控制器进行激光光源模块的亮度及颜色的至少其中之一的光学调制或补偿。
【专利说明】投影系统及适用于该投影系统的激光光源模块
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种适用于投影系统的激光光源模块，尤指一种可透过光传感器以进 行监控波长转换元件输出的光束，藉此可有效控制激光光源模块及其所适用的投影系统的 最终输出亮度或颜色的稳定性，使其不因激光光源或是波长转换元件的衰退而产生变异。
【背景技术】
[0002] 目前大多数的投影系统的光源通常采用高压汞灯（UHP lamp)或氙气灯（Xenon lamp)，但是这些光源都具有寿命较短，且有许多不必要的紫外光及红外光产生等问题。目 前，虽有以发光二极管（LED)作为投影系统光源的应用，以获得较长的寿命，且没有不必要 的紫外光或是红外光，但LED光源由于光展量（Etendue)的限制，使得光的利用效率不高， 且LED的总光输出较低，因此于投影系统的应用大大受限。
[0003] 为解决上述问题，因而发展出以激光搭配波长转换元件，作为投影系统所使用的 光源模块。采用激光光源的优点在于其具有稳定性及高寿命，此外，激光光源更具有光展量 小的特点，光能利用效率高等优点。但是由于激光光源与波长转换元件的效率于长时间的 使用后仍会有小幅度的衰减，此两者皆会影响光源模块乃至投影系统最终的输出亮度或颜 色，是以如何对激光光源模块进行亮度，或颜色的实时光学补偿及调控，实为采用激光光源 模块及其适用的投影系统目前迫切需要解决的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的一目的为提供一种投影系统，其采用至少一激光光源，且具有至少一波 长转换元件及至少一光检测模块，其中波长转换元件系将激光光源发射的第一波长的光束 转换为至少一种不同于第一波长的光束，并透过邻设于波长转换元件的光检测模块以检测 波长转换元件发出别于第一波长的光束大于投影系统可利用的光展量部分的能量，进而可 达到判断并控制激光光源的输出功率，以达到调制或补偿投影系统的亮度或颜色的其中之 〇
[0005] 本发明的一另一目的为提供一种适用于投影系统的激光光源模块，其中激光光源 模块中具有光检测模块，以检测大于投影系统可利用的光展量部分的光束，且该光检测模 块未设置于系统光路中，因此其不会影响投影系统的整体光输出，且可通过光检测模块以 实时检测激光光源及波长转换元件的衰减情形，并可进一步调制激光光源的亮度及颜色的 其中之一。
[0006] 为达上述目的，本发明的一较佳实施形式为提供一种投影系统，包括激光光源模 块、光调制器以及投影镜头；激光光源模块包括：至少一激光光源，发射具有第一波长的光 束；波长转换元件，用于将具有第一波长的光束转换成至少一种不同于第一波长的光束； 光检测模块，包括光传感器，光检测模块邻设于波长转换元件；以及控制器，与光检测模块 电连接；光调制器，接收激光光源模块的光束，并发射光束；以及投影镜头，接收光调制器 发射的光束，并投射影像光束；其中，激光光源模块的光传感器用以检测波长转换元件发射 的不同于第一波长的光束的大于系统光展量的能量，并依据光传感器监测的结果，以透过 控制器进行激光光源模块的亮度及颜色的至少其中之一的光学调制或补偿。
[0007] 为达上述目的，本发明的又一较佳实施形式为提供一种激光光源模块，适用于投 影系统，包括：至少一激光光源，发射具有第一波长的光束；波长转换元件，用于将具有第 一波长的光束转换成至少一种不同于第一波长的光束；光检测模块，包括至少一光传感器， 光检测模块邻设于波长转换元件；以及控制器，与光检测模块电连接其中，光传感器用以检 测波长转换元件发射的该不同于第一波长的光束的大于系统光展量的能量，并依据光传感 器监测的结果，以透过控制器进行至少一激光光源的亮度及颜色的至少其中之一的光学调 制或补偿。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为本发明第一较佳实施例的使用激光光源的投影系统的架构示意图。
[0009] 图2为图1所示的穿透式的投影系统的激光光源模块的架构示意图。
[0010]图3为本发明第二较佳实施例的反射式投影系统的激光光源模块的架构示意图。
[0011] 图4为本发明第三较佳实施例的使用激光光源的单片式投影系统的架构示意图。
[0012] 图5为本发明第四较佳实施例的使用激光光源的三片式投影系统的架构示意图。
[0013] 其中，附图标记说明如下：
[0014] 1、2:投影系统
[0015] 10、20、30、40 :激光光源模块
[0016] 100、200、300、400 :具有第一波长的光束
[0017] 101、201、301、302、402 :波长转换元件发射的不同于第一波长的光束
[0018] 11、22、32、42 :激光光源
[0019] 12、23、33 :波长转换元件
[0020] 13、24、34、44 :光检测组
[0021] 131 :光传感器
[0022] 14、25、35、45 :控制器
[0023] 151、152、153、261、262、36 :中继镜组
[0024] 16、21 :光均匀组
[0025] 17、31、41、411、412、413 :光调制器
[0026] 18、37、47 :投影镜头
[0027] 27 :反射镜
[0028] 3 :单片式投影系统
[0029] 4 :三片式投影系统
[0030] 似1 :第一光源组
[0031] 422 :第二光源组
[0032] 431 :第一波长转换元件
[0033] 432 :第二波长转换元件
[0034] 441 :第一光传感器
[0035] 442 :第二光传感器
[0036] 401 :具有第二波长的光束
[0037] 403 :第二波长转换元件发射的不同于第二波长的光束
[0038] E、E1、E2:光展量
[0039] Θ i :光调制器投射出的光束的角度
[0040] θ2 :半角 90。
[0041] Θ 3+ Θ 4 :波长转换元件发射出的不同于第一波长的光束的发射角
[0042] Θ 3 :波长转换元件发射的不同于第一波长的发射角，其所能被系统光展量运用的 最大光束夹角
[0043] Θ 4 :波长转换兀件与其发射出的不同于第一波长的光束的未能被系统光展量所 运用的夹角
【具体实施方式】
[0044] 体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的 是本发明能够在不同的形式上具有各种的变化，然其皆不脱离本发明的范围，且其中的说 明及图式在本质上系当作说明的用，而非用以限制本发明。
[0045] 请参阅图1，其为本发明第一较佳实施例的使用激光光源的投影系统的架构示意 图。如图所示，本发明的投影系统1包括激光光源模块10以及供激光光源模块10投射光 束的光调制器17,其中，该激光光源模块10包含激光光源11、波长转换兀件12、光检测模块 13、控制器14、多个中继镜组151U52以及光均匀组16等组件。于本实施例中，投影系统1 采用激光光源11，且激光光源11的数量可为一或为多个激光光源组，其可依照实际施作情 形而任施变化。如图所示，该激光光源11发射具有第一波长的光束100,当具有第一波长 的光束100透过中继镜组151而射入波长转换元件12内后，则可通过波长转换元件12的 Lambertian余弦定理，以进行波长转换，此时，经由波长转换元件12后发散的光束，其波长 有别于原先的第一波长，于一些实施例中，波长转换元件12为具有至少一种磷光粉所组合 的一静态或一动态旋转的光学组件，例如可单色或多色荧光轮（Phosphor Wheel)，但不以 此为限。举例来说，若波长转换元件12为单色荧光轮，则经由波长转换元件12的后的光束 101则为具有第二波长的光束101，当然，若波长转换元件12如前所述，为多色荧光轮，则其 亦能同时产生多种波长的光束101，例如可为同时具有第二波长、第三波长、或是第四波长 的光束，由此可见，光束101的波长可依波长转换元件12的类型而任施变化，并不以前述实 施方式为限。
[0046] 如图1所示，当具有第一波长的光束100经由波长转换元件12而转换为有别于第 一波长的光束101后，则可持续地透过中继镜组152、光均匀组16以及其它中继镜组153 等光学组件的调控，以收敛或发散或改变光束101的路径，进而使其进入到光调制器17中， 再经由光调制器17以投射到投影镜头18,并由投影镜头18投射出影像光束，此即为使用 激光光源的投影系统的系统整体架构及其系统光路，其中，光调制器17可为液晶显示装置 (LCD)、硅基液晶显示装置（LCoS)或是数字微镜装置（DMD)等，由于该等实施形式属现今常 用且较为普及的设计，故在此不多赘述。然而，于本实施例中，为了持续地监控激光光源11 的亮度及颜色变化，且不影响到整体系统光路，故设置了光检测模块13以及与的电连接的 控制器14以进行相关的监测作业。
[0047] 请续参阅第1图，如图所示，投影系统1的光检测模块13邻设于波长转换元件12 的一侧边，且其并未设置于光束101的行进路线上，该光检测模块13主要用以检测该波长 转换元件12所发出的大于投影系统1可利用的光展量部分的能量，意即系统的有效光束 101之外的部分能量，并将其检测的结果传递至与光检测模块13电连接的控制器14中，进 而可依据光检测模块13的监测结果以对激光光源11进行输出功率的控制，进而对投影系 统1进行亮度及颜色至少其中一光学特性补偿或调制。
[0048] 于一些实施例中，光检测模块13设置于波长转换元件12与其所输出的光束101 的夹角范围Θ 4内，故其不会阻挡到波长转换元件12所输出的光束101的行进路线，且可 检测到此夹角范围Θ 4内的能量，并通过此数据获知波长转换元件12的转换光束目前的强 度为何，并可于强度衰减时或需变更亮度与色温时，提供判断依据，进而由控制器14以控 制激光光源11的输出功率，达到调制整体投影系统1的亮度变化及颜色调节等功能。
[0049] 至于该夹角范围θ4的定义，则可由光展量（Etendue)守恒的定理求得，说明如 下：
[0050] 光展量（Etendue)守恒原理E = < f f(/A/ COSβ/Ω
[0051] 若激光光源11的第一波长的光束100入射至波长转换元件12时，波长转换元件 12发出别于第一波长的光束101并以Lambertian余弦定理均勻发射，此时可将此式子简 化为Ε= π Asin2 θ = π A/4 (f#)2,再进一步将投影系统1的光调制器17的面积及投影镜头 18可接收的有效光束101射入光调制器17的角度与其光调制器17有效光展量E1进行定 义，则该光展量Ε 1= π Ap_lSin2 Θ i，但当第一波长的光束1〇〇入射到波长转换元件12,且发 出成别于第一波长的光束101的过程中，其发射角度以Lambertian余弦定理的特性展现， 故其光展量E 2=JiAEmittingSp()tSizeSin202, θ2=90°。由于实际上E2>Ei，，意即有部分大于系统 的光展量的能量是无法被光调制器17所有效利用到，此无效的能量为Ε 2-Ε3, Ε3= π AEmittingSp。 tSizesin2 θ 3=El= π Apanelsin θ θ 3〈90°，故可将光检测模块13摆置于Θ 4的位置上，并定义 θ 2_ θ 3= Θ 4。由此光展量（Etendue)守恒原理即可求得该光检测模块13所设置的夹角范围 Θ 4，且该夹角范围Θ 4与该光调制器17的有效光展量相关连，藉此角度的位置上摆置光检 测模块13则不会有系统有效光源被遮蔽到的能量损失，并透过此光检测模块13来检测该 波长转换元件12所产生的大于系统有效光展量的能量，进而获知所需控制激光光源11的 输出功率，以达到调制整体投影系统1的亮度变化及颜色调节的判断依据。
[0052] 请参阅图2,图2为图1所示的穿透式的投影系统的激光光源模块的架构示意图。 于本实施例中，投影系统1属于穿透式投影系统，当然，投影系统1可以有多种的实施形式， 并不以此为限。而本实施例即为显示穿透式投影系统1中的激光光源模块10的相关架构， 故本实施例的激光光源模块10中所采用的波长转换元件12为穿透式的光学组件，因此，当 激光光源11发射具有第一波长的光束100,且光束100经由中继镜组151而进入穿透式的 波长转换元件12后，则可通过波长转换元件12将该第一波长转换为具有不同于第一波长 的光束101，并再经由另一中继镜组152以进入光均匀组16中，以进行光径的调控。此时， 再透过设置于穿透式波长转换元件12的一侧边的光检测模块13及其中的光传感器131以 检测系统的有效光束101之外的部分光能量，即为图示中的Θ 4的区域范围内的光能量，透 过此部分检测到的光能量，进而可评估激光光源11有无光强度衰减的问题或是需调整亮 度及色温等情况，再由控制器14针对其评估后的状况直接对激光光源11进行系系统亮度 及色温等光学调制。
[0053] 在此激光光源模块10中，该等中继镜组151U52等可由多个透镜等光学组件所共 同构成，但不以此为限，其主要用以收敛或发散或改变光束1〇〇、1〇1的路径，由于此等光学 组件系为光学系统领域的常用技术，故不再进行赘述。此外，光检测模块13除了具备光传 感器131的外，更可搭配衰减片，滤光片或积分元件等光学组件，且不以此为限，其可依照 实际施作情形而任施变化。
[0054] 请参阅图3,其为本发明第二较佳实施例的反射式投影系统的激光光源模块的架 构示意图。如图所示，本发明的反射式投影系统2亦包括激光光源模块20,该激光光源模 块20同样包括激光光源22、波长转换元件23、光检测模块24、控制器25、中继镜组261、 262以及光均匀组21等组件，且该等光学组件的结构与前述实施例相仿，故不再进行赘述。 然而于本实施例中，反射式投影系统2中的波长转换元件23为一反射式的光学组件，故于 激光光源投影系统2中更包括一分光镜27,其功能为致使具有第一波长的光束200穿透， 并将由反射式的波长转换元件23输出的不同于第一波长的有效光束201进行反射。是 以，当激光光源22发射的具有第一波长的光束200进入该反射式的波长转换元件23,并以 Lambertian余弦定理的方式产生不同于第一波长的光束201后，该光束201可透过分光镜 27以改变其光径，其后再经由中继镜组261进入光均匀组21，至于光均匀组21后输出的光 束201的光径与前述实施例相仿，同样会再进入光调制器（未图示）中进行调制，其后再由 投影镜头（未图标）输出影像光束。
[0055] 虽本实施例的反射式投影系统2为采用一反射式的波长转换元件23,然而其中光 检测模块24的结构及设置方式仍与前述实施例相仿，同样邻设于波长转换元件23的一侧 边，且其设置于波长转换元件23与其所输出的光束201的夹角范围Θ 4内，故其不会阻挡 到波长转换元件23所输出的有效光束201的行进路线，且可通过检测此Θ 4区域范围的光 能量，以获知并判断波长转换元件23的转换光束目前的强度为何，并可于激光光源22或是 波长转换元件23衰减时提供调整亮度与颜色补偿的判断依据，进而透过控制器25以控制 激光光源22的输出功率，达到可调制投影系统亮度变化与颜色调节等功效。
[0056] 请参阅图4,其为本发明第三较佳实施例的使用激光光源的单片式投影系统的架 构示意图。如图所示，本发明的单片式投影系统3亦包括激光光源模块30、供激光光源模块 30投射光束的光调制器31以及投影镜头37等组件，其中，该激光光源模块30同样包括激 光光源32、波长转换元件33、光检测模块34、控制器35及中继镜组36等组件，且该等光学 组件的结构系与前述实施例相仿，故不再进行赘述。然而于本实施例中，单片式投影系统3 为一单片式的投影系统，故于单片式投影系统3中仅具有单一的光调制器31。当投影系统 3的激光光源32发射的具有第一波长的光束300进入波长转换元件33,并产生不同于第一 波长的光束301、302后，该不同于第一波长的光束301、302即可如同前述的实施例，经由多 个中继镜组及光均匀组的光径调整，进而投射入该单一的光调制器31中，后续再投射至投 影镜头37中。于此同时，当第一波长的光束300进入波长转换元件33以产生不同于第一 波长的光束301、302时，同样可透过邻设于波长转换兀件33的侧边的光检测模块34以检 测其大于系统光展量的能量，即为该Θ 4区域范围的光能量，并将其检测到的结果传递至控 制器35内，进而获知该需控制激光光源32的输出功率，以获得激光光源模块30的亮度变 化及颜色调节的其中至少之一的调控判断依据，并可对激光光源32的输出功率进行监控， 进而达到可依据其检测到的能量数据而调制该单片式投影系统3的亮度及色温的功效。
[0057] 请参阅图5,其为本发明第四较佳实施例的使用激光光源的三片式投影系统的架 构示意图。与前述实施例相仿，三片式投影系统4亦具有激光光源模块40、光调制器41以 及投影镜头47等光学组件，然而于本实施例中，三片式投影系统4为三片式的投影系统，故 其具有三片光调制器411、412、413。另外，在本实施例中，激光光源模块40的激光光源42 分别采用第一及第二光源组421、422,其中第一光源组421投射具有第一波长的光束400至 第一波长转换元件431中，以产生有别于第一波长的光束402,且第一光传感器441即邻设 于第一波长转换元件431的侧边，用以检测此有别于第一波长的光束402所大于系统光展 量的能量，即为该θ 4区域范围的光能量，并将的传递至控制器45。另一方面，第二光源组 422则投射具有第二波长的光束401至第二波长转换元件432中，以产生有别于第二波长的 光束403,且第二光传感器442亦邻设于第二波长转换元件432的侧边，用以检测此有别于 第二第二波长的光束403大于系统光展量的逸散的能量，即同样为该Θ 4区域范围的光能 量，并将之传递至控制器45中。控制器45接收光检测模块44所传递的信息后，即可分别控 制第一光源组421及第二光源组422的输出功率，而达到对激光光源模块40的亮度补偿或 是色温调控的至少一种光学调制。至于经两种波长转换元件431、432的输出光束402、403 经由三片式投影系统4内的光学组件的发散、收敛、反射等，则可分为三种不同波长的光束 R、G、Β，并分别投射入光调制器411、412、413中，其后再形成影像光束投射至镜头47中。
[0058] 于本实施例中，光检测模块44的第一传感器441及第二传感器442亦分别设置于 第一波长转换元件431与第一波长转换元件431的输出光束402的夹角范围Θ 4、第二波长 转换元件432与第二波长转换元件432的输出光束403的夹角范围θ4内，且该夹角范围 θ4同样可由投影镜头47与光调制器41尺寸面积，搭配前述光展量（Etendue)守恒原理以 求得。
[0059] 由此可见，本发明的激光光源模块10、20、30、40可运用于不同的投影系统1、2、 3、4,无论其为穿透式或是反射式、或是单片式、或是三片式，均可适用本发明的激光光源模 块，且通过其中的光检测模块，则可直接检测其大于系统光展量的能量，即为检测该系统的 有效光束的外的部分光能量，进而可获知实际光源的强度，并可进一步控制激光光源11、 22、32、42的输出功率而达到调变其投射的亮度及颜色的目的。且当投影系统具有多组激光 光源时，更可分别调控不同组的光源输出功率，进而可使其达到不同色温的调整或使投影 系统达到色温恒定的一致性的功能。
[0060] 综上所述，本发明提供一种适用于投影系统的激光光源模块，其采用激光光源作 为光源，且具有波长转换元件及光检测模块，其中波长转换元件将激光光源发射的第一波 长的光束转换成至少一种不同于第一波长的光束，并透过邻设于波长转换元件的光检测模 块以检测波长转换元件的输出光束的大于系统光展量的能量，即为检测该系统的有效光束 的外的部分光能量，进而将该检测到的结果传递至控制器，以直接对激光光源的输出功率 进行调控，并藉此而使激光光源模块其输出的亮度及色温可依不同情况做实时的调整，并 可于激光光源或是波长转换元件衰减时进一步调制其亮度与颜色补偿，且又因该光检测模 块并未设置于系统光路上，故其不会影响到系统亮度；因此，因此，本发明的适用于投影系 统的激光光源模块实可达到稳定系统输出亮度及稳定维持其色温的功效。
[0061] 纵使本发明已由上述的实施例详细叙述而可由熟悉本技艺的人士任施匠思而为 诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。
【权利要求】
1. 一种投影系统，包括： 一激光光源模块，包括： 至少一激光光源，发射一具有第一波长的光束； 至少一波长转换元件，用于将该具有第一波长的光束转换成至少一种不同于第一波长 的光束； 至少一光检测模块，包括至少一光传感器，该光检测模块邻设于该波长转换元件；以及 一控制器，与该光检测模块电连接； 至少一光调制器，接收该激光光源模块的光束，并发射至少一光束；以及 一投影镜头，接收该光调制器发射的该光束，并投射一影像光束； 其中，该激光光源模块的该光传感器用以检测该波长转换元件发射的该不同于第一波 长的光束的大于系统光展量的能量，并依据该光传感器监测的结果，以透过该控制器进行 该激光光源模块的亮度及颜色的至少其中之一的光学调制或补偿。
2. 如权利要求1所述的投影系统，其中该波长转换元件为具有至少一种磷光粉所组合的一 静态或一动态旋转的光学组件，且此光学组件为穿透式及反射式的光学组件的至少其中之一。
3. 如权利要求1所述的投影系统，其中该光检测模块设置于该波长转换元件与该波长 转换兀件发射的至少一种不同于第一波长的光束的一限定夹角范围内。
4. 如权利要求3所述的投影系统，其中该光检测模块所设置的该限定夹角范围是由光 展量不变原理以推知，且该夹角范围由该光调制器的有效光展量所限制。
5. 如权利要求1所述的投影系统，其中该投影系统为一单片式投影系统及一三片式投 影系统的其中之一。
6. 如权利要求1所述的投影系统，其中该投影系统还具有中继镜组及光均匀组，以收 敛或发散或改变光径。
7. -种激光光源模块，适用于一投影系统，包括： 至少一激光光源，发射一具有第一波长的光束； 至少一波长转换元件，用于将该具有第一波长的光束转换成至少一种不同于第一波长 的光束； 至少一光检测模块，包括至少一光传感器，该光检测模块邻设于该波长转换元件；以及 一控制器，与该光检测模块电连接； 其中，该光传感器用以检测该波长转换兀件发射的该不同于第一波长的光束的大于系 统光展量的能量，并依据该光传感器监测的结果，以透过该控制器进行该至少一激光光源 的亮度及颜色的至少其中之一的光学调制或补偿。
8. 如权利要求7所述的激光光源模块，其中该波长转换元件为具有至少一种磷光粉所 组合的一静态或一动态旋转的光学组件，且此元件为穿透式及反射式的光学组件的至少其 中之一。
9. 如权利要求7所述的激光光源模块，其中该光检测模块设置于该波长转换元件与该 波长转换兀件发射的至少一种不同于第一波长的光束的一限定夹角范围内。
10. 如权利要求9所述的激光光源模块，其中该光检测模块所设置的该限定夹角范围 由光展量不变原理以推知，且该限定夹角范围由该投影系统的一光调制器的有效光展量所 限制。
【文档编号】H05B37/02GK104280992SQ201310294011
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月12日 优先权日:2013年7月12日
【发明者】卓俊贤, 王博 申请人:台达电子工业股份有限公司