投影装置以及照明系统的制作方法

本发明涉及一种影像装置以及光学系统，且特别涉及一种投影装置以及照明系统。

背景技术：

激光投影装置主要是利用激光二极管所发出的激光光束激发荧光轮上的荧光粉层，以产生投影所需的纯色光源。为了满足高阶市场的需求，激光投影装置的输出亮度一再地被要求提升，而激光二极管的激光功率数亦被要求随的增加。然而，在激光能量提升且过度集中照射荧光粉层的情况下，荧光粉的转换效率会下降，使得激光能量以热能的型态残留在荧光粉层上，而造成荧光粉层的温度上升，严重者在荧光粉层上形成焦痕。

为改善上述问题，已知技术在激光光束传递到荧光轮的路径上配置扩散片，以藉由扩散激光光斑，来达到能量均匀化的效果。然而，扩散片本身即会造成能量的耗损。此外，扩散片的扩散方向是等向性的(isotropic)。在激光光束的长轴及短轴皆被扩散片扩散开来的情况下，可能导致荧光粉层上所形成的激光光斑的长轴过长，而造成光学耦合上的困难，并造成能量利用效率上的损失。

“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”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中普通技术人员所知道的背景技术。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，也不代表在本发明申请前已被所属技术领域中普通技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明提供一种投影装置，其具有理想的输出亮度以及能量利用效率。

本发明提供一种照明系统，其可改善因同调光束能量提升且过度集中 所造成的问题。

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供一种投影装置包括照明系统、光阀以及投影镜头。照明系统包括同调光源装置、光传递模组以及光波长转换模组。同调光源装置包括发光源以及光准直化元件。发光源适于发出至少一个同调光束。光准直化元件配置在来自发光源的至少一个同调光束的传递路径上，且光准直化元件准直至少一个同调光束。光传递模组配置在来自光准直化元件的至少一个同调光束的传递路径上且包括第一透镜。第一透镜具有透镜阵列表面。透镜阵列表面适于发散来自光准直化元件的任一同调光束。光波长转换模组配置在来自光传递模组的至少一个同调光束的传递路径上。光波长转换模组适于将部分的同调光束转换成转换光束。转换光束的波长不同于至少一个同调光束的波长，且转换光束以及其余部分的同调光束构成照明光束。光阀配置在照明光束的传递路径上，且将照明光束转换成影像光束。投影镜头配置在影像光束的传递路径上。

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供一种照明系统包括同调光源装置、光传递模组以及光波长转换模组。同调光源装置包括发光源以及光准直化元件。发光源适于发出至少一个同调光束。光准直化元件配置在来自发光源的至少一个同调光束的传递路径上，且光准直化元件准直至少一个同调光束。光传递模组配置在来自光准直化元件的至少一个同调光束的传递路径上且包括第一透镜。第一透镜具有透镜阵列表面。透镜阵列表面适于发散来自光准直化元件的任一同调光束。光波长转换模组配置在来自光传递模组的至少一个同调光束的传递路径上。光波长转换模组适于将部分的同调光束转换成转换光束。转换光束的波长不同于至少一个同调光束的波长。

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。由于第一透镜的透镜阵列表面可发散同调光束，而有助于使能量均匀化，因此，本发明实施例的照明系统可降低同调光束在光波长转换模组上的能量集中度，从而改善前述因同调光束能量提升且过度集中所造成的问题。此外， 由于本发明实施例的照明系统可以不用设置扩散片，因此可改善已知能量耗损、光学耦合困难以及能量利用效率损失等问题，从而有助于使投影装置具有理想的输出亮度以及能量利用效率。

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1A是依照本发明的第一实施例的一种投影装置的示意图。

图1B是示出图1A中区域A的放大示意图。

图1C是示出图1A中第一透镜的一种实施型态的放大示意图。

图1D是示出图1A中光波长转换模组的正视示意图。

图1E是示出图1A中同调光源装置的正视示意图。

图1F是示出图1A中第一透镜的透镜阵列表面的正视示意图。

图2是图1A中第一透镜的另一种实施型态的示意图。

图3至图6分别是依照本发明的第二实施例至第五实施例的投影装置的示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的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发明。

图1A是依照本发明的第一实施例的一种投影装置的示意图。图1B是示出图1A中区域A的放大示意图。图1C是示出图1A中第一透镜的一种实施型态的放大示意图。图1D是示出图1A中光波长转换模组的正视示意图。图1E是示出图1A中同调光源装置的正视示意图。图1F是示出图1A中第一透镜的透镜阵列表面的正视示意图。

请参照图1A至图1F，投影装置10包括照明系统12、光阀14以及投影镜头16。照明系统12提供照明光束ILB。光阀14配置在照明光束ILB的传递路径上，且光阀14将照明光束ILB转换成影像光束IMB。举例而言， 光阀14可以是数字微镜元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)、硅基液晶面板(Liquid-Crystal-On-Silicon panel,LCOS panel)或其他适当的空间光调变器(Spatial Light Modulator,SLM)。投影镜头16配置在影像光束IMB的传递路径上，以将来自光阀14的影像光束IMB投射至屏幕、墙壁或是其他可成像的物件上。

照明系统12包括同调光源装置100、光传递模组200以及光波长转换模组300。同调光源装置100包括发光源110以及光准直化元件120。发光源110适于发出至少一个同调光束B1。举例而言，发光源110可为激光光源，同调光束B1可为激光光束，且激光光束的颜色可为蓝色，但不限于此。如图1E所示，本实施例的发光源110可包括呈阵列排列的多个同调发光元件112。同调发光元件112可为激光二极管，但不限于此。此外，同调发光元件112的数量可依据投影装置10的亮度需求改变，而不限于图1E所示者。

光准直化元件120配置在来自发光源110的至少一个同调光束B1的传递路径上，且光准直化元件120准直来自该些同调发光元件112的至少一个同调光束B1。如图1B所示，各同调发光元件112本身有发散角θ1。以激光二极管为例，发散角θ1可约为20度。藉由光准直化元件120收敛对应的同调发光元件112所发出的同调光束B1，有助于使通过光准直化元件120的同调光束B1沿平行于同调发光元件112的光轴O的方向传递，而达到准直化同调光束B1的目的，从而改善因同调光束B1发散而造成能量散失的问题。如图1E所示，本实施例的光准直化元件120可包括呈阵列排列的多个准直透镜122。在本实施例中，每个准直透镜122对应一个同调发光元件112。换句话说，本实施例的该些同调发光元件112的数量等于该些准直透镜122的数量。

光传递模组200配置在来自光准直化元件120的至少一个同调光束B1的传递路径上，且光传递模组200包括第一透镜210。第一透镜210具有透镜阵列表面SLA。透镜阵列表面SLA适于发散来自光准直化元件120的任一同调光束B1。如图1A及图1F所示，透镜阵列表面SLA例如包括呈阵列排列的多个曲面。藉由透镜阵列表面SLA的该些曲面的参数设计，如曲率大小、曲面的正负值、曲面的数量、曲面的排列方向D1、D2以及曲面 在排列方向D1、D2上的节距(pitch)等，本实施例可使通过透镜阵列表面SLA的任一曲面的同调光束B1具有大于0度且小于或等于4度的发散角θ2。

在本实施例中，藉由使同调光束B1适度发散，除了可避免因同调光束B1过度发散而造成能量散失、光学耦合困难以及能量利用效率损失等问题之外，还可同时达到能量均匀化的目的。此外，在本实施例中，透镜阵列表面SLA的曲面的参数设计可依据投影装置10的架构的不同而对应调整，以优化光斑的形状及能量，使投影装置10具有理想的输出亮度以及能量利用效率。

在本实施例中，关于透镜阵列表面SLA的该些曲面的设计参数，如曲率大小、曲面的正负值、曲面的数量、曲面间的节距以及曲面的排列方向可依据不同的需求而改变。举例而言，如图1E及图1F所示，透镜阵列表面SLA的该些曲面的排列方向D1、D2可相对于该些同调发光元件112(或该些准直透镜122)的排列方向D3、D4倾斜一角度θ3。在本实施例中，角度θ3可介于0度至90度之间。在实际操作时，可透过旋转第一透镜210来达到上述倾斜的设置。至于上述实施的目的是为了使成像于光波长转换模组300的光斑与光均匀化元件相配合，将于后面段落详细说明。

此外，在本实施例中，透镜阵列表面SLA的该些曲面与该些准直透镜122之间的对应关系，可以不用呈现一对一的关系。举例而言，透镜阵列表面SLA的该些曲面的数量可小于该些准直透镜122的数量，但本发明不限于此。另外，在本实施例中，透镜阵列表面SLA的各曲面可以凹入第一透镜210，且透镜阵列表面SLA可为第一透镜210朝向同调光源装置100的表面，但不限于此。

然而，在其他实施例中，如图2所示，透镜阵列表面SLA也可为第一透镜210朝向光波长转换模组300(示于图1A)的表面。在图2的设计下，同调光束B1通过第一透镜210后会先汇聚再发散，因此同样可达到能量均匀化的目的。

光波长转换模组300配置在来自光传递模组200的至少一个同调光束B1的传递路径上。此外，光波长转换模组300适于将部分的同调光束B1转换成转换光束B2，而其余部分的同调光束B1会与转换光束B2合成照明 光束ILB，且转换光束B2的波长不同于同调光束B1的波长。在本实施例中，光波长转换模组300例如为荧光轮，且可为反射式或穿透式荧光轮，但不限于此。以下以光波长转换模组300为反射式荧光轮接续说明。

如图1D所示，在本实施例中，光波长转换模组300包括光通过区R1以及至少一个波长转换区R2(但本发明不限于此)。在本实施例中，请同时参考图1A与图1D，波长转换区R2可设置有荧光粉层(未示出)，以将部分同调光束B1转换成转换光束B2。举例而言，波长转换区R2可设置有黄色荧光粉层，以将蓝色同调光束B1转换成黄色的转换光束B2，但不限于此。在其他实施例中，也可为了增加照明系统12的色彩，而于光波长转换模组300中进一步设置其他波长转换区，且不同的波长转换区设置不同颜色的荧光粉层，以形成多种颜色的转换光束B2。

在本实施例中，光波长转换模组300可进一步包括用以承载荧光粉层的载板(未示出)。载板可以是反光载板或透光载板。在一实施例中，当光波长转换模组300使用反光载板时，载板可由金属、合金或其组合所制成，且光通过区R1可透过镂空反光载板的方式形成。在另一实施例中，当光波长转换模组300使用透光载板时，光波长转换模组300可进一步包括设置在波长转换区R2上的反光元件(未示出)以将转换光束B2反射回光传递模组200，其中反光元件配置于荧光粉层与载板之间。

在本实施例中，当光波长转换模组300旋转时，光通过区R1以及波长转换区R2可轮流切入同调光束B1的传递路径。当同调光束B1照射于光波长转换模组300的光通过区R1时，同调光束B1穿透光通过区R1。当同调光束B1照射于波长转换区R2时，波长转换区R2将同调光束B1转换成转换光束B2。由于同调光束B1在传递至波长转换区R2之前，已经藉由透镜阵列表面SLA的作用而达到能量均匀化的效果，因此可降低同调光束B1在光波长转换模组300上的能量集中度，从而改善前述因能量提升且过度集中所造成的问题，如荧光粉层的转换效率下降、荧光粉层的温度上升或形成焦痕等问题。

在本实施例中，光传递模组200可进一步包括合光元件220。如图1A所示，在本实施例中，合光元件220配置在同调光源装置100与光波长转换模组300之间，且第一透镜210可配置在同调光源装置100与合光元件 220之间，但不限于此。在另一实施例中，第一透镜210也可配置在合光元件220与光波长转换模组300之间(容后详述)。

此外，在本实施例中，光传递模组200还可包括由同调光源装置100朝光波长转换模组300依序排列的第二透镜230、第三透镜240以及第四透镜250，其中第一透镜210配置在第二透镜230与第三透镜240之间，且合光元件220配置在第一透镜210与第三透镜240之间。第二透镜230、第一透镜210、第三透镜240以及第四透镜250的屈光度依序为正、负、正、正。从另一个角度来看，在本实施例中，第二透镜230例如具有朝向同调光源装置100的一凸面，第一透镜210例如是具有透镜阵列表面SLA的双凹透镜，第三透镜240例如具有朝向同调光源装置100的一凸面，第四透镜250例如具有朝向同调光源装置100的一凸面。

承上述，来自同调光源装置100的同调光束B1例如是依序通过第二透镜230、第一透镜210、合光元件220、第三透镜240以及第四透镜250而传递至光波长转换模组300。当波长转换区R2切入同调光束B1的传递路径时，波长转换区R2将同调光束B1转换成转换光束B2并反射转换光束B2，被反射的转换光束B2依序通过第四透镜250以及第三透镜240而回到合光元件220。另一方面，当光波长转换模组300的光通过区R1切入同调光束B1的传递路径时，同调光束B1先通过光通过区R1，再被照明系统12中的反射镜M1、M2、M3依序反射而回到合光元件220。合光元件220将来自反射镜M3的同调光束B1以及来自第三透镜240的转换光束B2合并为照明光束ILB，并将照明光束ILB往光阀14的方向传递。

然而，依据不同的需求，照明系统12可进一步包括其他元件。举例而言，照明系统12可进一步包括光均匀化元件400。光均匀化元件400配置在来自合光元件220的照明光束ILB的传递路径上，以提升照明光束ILB的均匀性。光均匀化元件400可以是光积分柱或透镜阵列。为了使成像于光波长转换模组300的光斑与光均匀化元件400相互配合，参考如图1A、图1E及图1F所示，本实施例可透过透镜阵列表面SLA的该些曲面的排列方向D1、D2相对于该些同调发光元件112(或该些准直透镜122)的排列方向D3、D4倾斜一角度θ3，以因应各种激光光斑的设计需求而适度地调整光波长转换模组300上的光斑大小。此外，照明系统12还可包括多个聚光 元件500、600、700、800，例如聚光透镜。在本实施例中，聚光元件500、600配置在合光元件220与光均匀化元件400之间，以将来自合光元件220的照明光束ILB汇聚至光均匀化元件400，而聚光元件700、800配置在光均匀化元件400与光阀14之间，以将来自光均匀化元件400的照明光束ILB传递至光阀14。

图3至图6分别是依照本发明的第二实施例至第五实施例的投影装置的示意图。请参照图3至图6，投影装置10A、10B、10C、10D类似于投影装置10，且类似或相同的元件以类似或相同的标号表示，于此不再赘述。投影装置10、10A、10B、10C、10D的主要差异在于照明系统12、12A、12B、12C、12D中光传递模组200、200A、200B、200C、200D的设计。

进一步而言，如图3所示，在照明系统12A的光传递模组200A中，第一透镜210A配置在同调光源装置100与第二透镜230A之间，且第一透镜210A、第二透镜230A、第三透镜240A以及第四透镜250A的屈光度依序为正、负、正、正。从另一个角度来看，在本实施例中，第一透镜210A例如是例如具有朝向同调光源装置100的一凸面而其朝向光波长转换模组300的表面为透镜阵列表面SLA，第二透镜230A例如具有朝向光波长转换模组300的一凹面，第三透镜240A例如具有朝向同调光源装置100的一凸面，第四透镜250A例如具有朝向同调光源装置100的一凸面。在此设计下，来自同调光源装置100的同调光束B1依序通过第一透镜210A、第二透镜230A、合光元件220、第三透镜240A以及第四透镜250A而传递至光波长转换模组300。此外，被光波长转换模组300反射的转换光束B2依序通过第四透镜250A以及第三透镜240A而回到合光元件220。在图3所示的实施例中，透镜阵列表面SLA例如为第一透镜210A朝向光波长转换模组300的表面，但不限于此。在另一实施例中，透镜阵列表面SLA也可为第一透镜210A朝向同调光源装置100的表面。

如图4所示，在光传递模组200B中，第一透镜210B配置在第三透镜240B与第四透镜250B之间，且第二透镜230B、第三透镜240B、第一透镜210B以及第四透镜250B的屈光度依序为正、负、正、正。从另一个角度来看，在本实施例中，第二透镜230B例如具有朝向同调光源装置100的一凸面，第三透镜240B例如具有朝向光波长转换模组300的一凹面，第一 透镜210B例如具有朝向光波长转换模组300的透镜阵列表面SLA以及朝向同调光源装置100的一凸面，第四透镜250B例如具有朝向同调光源装置100的一凸面。在此设计下，来自同调光源装置100的同调光束B1依序通过第二透镜230B、第三透镜240B、合光元件220、第一透镜210B、第四透镜250B而传递至光波长转换模组300。此外，被光波长转换模组300反射的转换光束B2依序通过第四透镜250B以及第一透镜210B而回到合光元件220。在图4所示的实施例中，透镜阵列表面SLA例如为第一透镜210B朝向光波长转换模组300的表面，但不限于此。在另一实施例中，透镜阵列表面SLA也可为第一透镜210B朝向同调光源装置100的表面。

如图5所示，在光传递模组200C中，第一透镜210C配置在第四透镜250C与光波长转换模组300之间，且第二透镜230C、第三透镜240C、第四透镜250C以及第一透镜210C的屈光度依序为正、负、正、正。从另一个角度来看，在本实施例中，第二透镜230C例如具有朝向同调光源装置100的一凸面，第三透镜240C例如具有朝向光波长转换模组300的一凹面，第四透镜250C例如具有朝向同调光源装置100的一凸面，第一透镜210C例如具有朝向光波长转换模组300的透镜阵列表面SLA以及朝向同调光源装置100的一凸面。在此设计下，来自同调光源装置100的同调光束B1依序通过第二透镜230C、第三透镜240C、合光元件220、第四透镜250C、第一透镜210C而传递至光波长转换模组300。此外，被光波长转换模组300反射的转换光束B2依序通过第一透镜210C以及第四透镜250C而回到合光元件220。在图5所示的实施例中，透镜阵列表面SLA例如为第一透镜210C朝向光波长转换模组300的表面，但不限于此。在另一实施例中，透镜阵列表面SLA也可为第一透镜210C朝向同调光源装置100的表面。

如图6所示，在光传递模组200D中，光传递模组200D还包括由同调光源装置100朝光波长转换模组300依序排列的第二透镜230D、第三透镜240D、第四透镜250D以及第五透镜260D，且第二透镜230D、第三透镜240D、第四透镜250D以及第五透镜260D的屈光度依序为正、负、正、正。从另一个角度来看，在本实施例中，第二透镜230D例如具有朝向同调光源装置100的一凸面，第三透镜240D例如具有朝向光波长转换模组300的一凹面，第四透镜250D例如具有朝向同调光源装置100的一凸面，第五透镜 260D例如具有朝向同调光源装置100的一凸面。在图6所示的实施例中，透镜阵列表面SLA例如为第一透镜210D朝向光波长转换模组300的表面，但不限于此。在另一实施例中，透镜阵列表面SLA也可为第一透镜210D朝向同调光源装置100的表面。此外，在本实施例中，第一透镜210D配置在第三透镜240D与第四透镜250D之间，且位于第三透镜240D与合光元件220之间，但不限于此。在其他实施例中，第一透镜210D也可配置在同调光源装置100与第二透镜230D之间。在其一实施例中，第一透镜210D也可配置在第二透镜230D与第三透镜240D之间。在另一实施例中，第一透镜210D也可配置在合光元件220与第四透镜250D之间。在又一实施例中，第一透镜210D也可配置在第四透镜250D与第五透镜260D之间。在部分实施例中，第一透镜210D也可配置在第五透镜260D与光波长转换模组300之间。

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。由于第一透镜的透镜阵列表面可发散同调光束，而有助于使能量均匀化，因此，本发明实施例的照明系统可降低同调光束在光波长转换模组上的能量集中度。此外，由于本发明实施例的照明系统可以不用设置扩散片，因此可改善已知能量耗损、光学耦合困难以及能量利用效率损失等问题，从而有助于使投影装置具有理想的输出亮度以及能量利用效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及发明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。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的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求中提及的“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。

【符号说明】

10、10A、10B、10C、10D：投影装置

12、12A、12B、12C、12D：照明系统

14：光阀

16：投影镜头

100：同调光源装置

110：发光源

112：同调发光元件

120：光准直化元件

122：准直透镜

200、200A、200B、200C、200D：光传递模组

210、210A、210B、210C、210D：第一透镜

220：合光元件

230、230A、230B、230C、230D：第二透镜

240、240A、240B、240C、240D：第三透镜

250、250A、250B、250C、250D：第四透镜

260D：第五透镜

300：光波长转换模组

400：光均匀化元件

500、600、700、800：聚光元件

A：区域

B1：同调光束

B2：转换光束

D1、D2、D3、D4：排列方向

ILB：照明光束

IMB：影像光束

M1、M2、M3：反射镜

O：光轴

R1：光通过区

R2：波长转换区

SLA：透镜阵列表面

θ1、θ2：发散角

θ3：角度