照明系统及投影装置的制作方法

本实用新型是有关于一种光学系统及光学装置，且特别是有关于一种照明系统及应用该照明系统的投影装置。

背景技术：

随着光学科技的发展，固态光源(solid-state lighting)的技术例如是发光二极管(Light Emitting Diode,LED)和激光二极管(Laser Diode,LD)已经越来越普遍的应用在投影机的光源上，其中激光二极管相较于发光二极管更可以提供强度更高的光束来作为投影机的光源。因此，如何利用激光二极管所提供的高强度光束来作为投影机光源的纯色光源是目前的一大课题。

利用激光二极管所发出的高强度激光光来激发荧光粉波长转换模块是目前将激光二极管应用为光源的技术中的普遍技术之一。然而，半导体激光所形成的光斑近似于椭圆形，且其光强度分布近似于高斯分布(Gaussian distribution)。由于光强度近似于高斯分布的激光束所形成的光斑的中央的单位面积光强度较强，这会使得荧光粉的温度过高，导致荧光粉的转换效率下降。另外，光强度过于集中的光斑亦较有可能会烧损荧光粉或导致荧光粉的使用寿命缩短。

“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，不代表所述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，具有较均匀的照明均匀度、较佳的光效率与较长的使用寿命。

本实用新型提供一种投影装置，具有较佳的影像质量、较佳的光效率与较长的使用寿命。

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

为达上述的一或部份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，包括一激发光源模块、一波长转换组件以及一光均匀化模块。激发光源模块用以发出一激发光束。波长转换组件配置于激发光束的传递路径上，且用于绕一中心轴转动。光均匀化模块配置于激发光束的传递路径上，且位于激发光源模块与波长转换组件之间。从激发光源模块发出的激发光束通过光均匀化模块后，激发光束在波长转换组件上形成一光斑，且光斑在相对于中心轴的一径向上的能量强度分布为中间较两侧低。

为达上述的一或部份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，包括上述的照明系统、光阀以及投影镜头。光阀配置于来自合光单元的转换光束与激发光束的传递路径上，以将转换光束与激发光束调制成一影像光束。投影镜头配置于影像光束的传递路径上。

基于上述，在本实用新型的实施例的照明系统与投影装置中，从激发光源模块发出的激发光束通过光均匀化模块后，激发光束在波长转换组件上形成一光斑，且光斑在相对于中心轴的一径向上的能量强度分布为中间较两侧低，因此激发光束在波长转换组件上的能量强度不会过度集中，可避免波长转换组件的转换效率下降，或烧损波长转换组件。此外，中间较两侧低的能量强度分布可降低中间向两侧扩散的热能累积，使光斑在中间和两侧的温度接近，有助于维持转换效率。因此，本实用新型的实施例的照明系统具有较均匀的照明均匀度、较佳的光效率与较长的使用寿命。本实用新型的实施例的投影装置包括上述的照明系统，因而具有较佳的影像质量、较佳的光效率与较长的使用寿命。

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，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1A是本实用新型的一实施例的一种投影装置的示意图。

图1B是图1A中的投影装置的透镜阵列的前视示意图。

图2A是图1A的激发光束所形成的光斑在相对于中心轴的一径向上的能量强度分布图。

图2B是图1A的激发光束所形成的光斑在垂直于径向的一切线方向上的能量强度分布图。

图3是图1A中的波长转换组件的前视示意图。

图4A是本实用新型的另一实施例的一种投影装置的示意图。

图4B是图4A中的投影装置的透镜阵列的前视示意图。

图5是本实用新型的另一实施例的一种投影装置的示意图。

图6是本实用新型的另一实施例的一种投影装置的示意图。

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，在以下配合参考如图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，仅是参考附加图式的方向。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是本实用新型的一实施例的一种投影装置的示意图。图1B 是图1A中的投影装置的透镜阵列的前视示意图。请先参照图1A，本实施例的投影装置200包括一照明系统100，而照明系统100包括一激发光源模块110、一波长转换组件120以及一光均匀化模块130。激发光源模块110用以发出一激发光束L1。波长转换组件120配置于激发光束L1的传递路径上，且用于绕一中心轴CA转动。光均匀化模块 130配置于激发光束L1的传递路径上，且位于激发光源模块110与波长转换组件120之间。

在本实用新型的实施例中，激发光源模块110泛指为可发出短波长光束的光源，短波长光束的峰值波长(Peak Wavelength)例如是落在蓝光的波长范围或紫外光的波长范围内，其中峰值波长被定义为光强度最大处所对应的波长。激发光源模块110包括激光二极管芯片 (Laser Diode,LD)、发光二极管芯片(Light Emitting Diode,LED)或者是上述两者其中之一所构成的阵列或群组，本实用新型并不以此为限。在本实施例中，激发光源模块110为包括激光二极管芯片的激光发光组件。举例而言，激发光源模块110例如可为蓝光激光二极管阵列(Blue Laser diode Bank)，激发光束L1则为蓝光激光束，但本实用新型并不以此为限。

在本实施例中，光均匀化模块130包括一透镜阵列132以及至少一透镜(图1A中是以两个透镜134与136为例)。如图1B所示，透镜阵列132包括多个排成阵列的微透镜ML1，且这些微透镜ML1的任一在垂直于透镜阵列132的一光轴(例如是垂直于图1B的图面) 的一参考平面(例如是平行于图1B的图面)上的正投影的形状为矩形。透镜134与透镜136具有至少一非球面(aspheric surface)以及至少一非圆对称表面。在本实施例中，透镜134与透镜136例如是具有一个非球面以及一个非圆对称表面，且非球面以及非圆对称表面可以是分别位于不同表面，也可以是位于同一表面。在其他实施例中，透镜134与透镜136也可以是具有多于一个非球面以及多于一个非圆对称表面。此外，如图1A所示，透镜阵列132可以是两个表面皆具有微透镜结构，而在其他实施例中，透镜阵列132也可以是只有单一表面具有微透镜结构，且微透镜结构也可以是位于透镜134或透镜136 的任一表面，本实用新型并不以此为限。

图2A是图1A的激发光束所形成的光斑在相对于中心轴的一径向上的能量强度分布图。图2B是图1A的激发光束所形成的光斑在垂直于径向的一切线方向上的能量强度分布图。请参照图1A、图2A以及图2B，在本实施例中，从激发光源模块110发出的激发光束L1通过光均匀化模块130后，激发光束L1在波长转换组件120上形成一光斑。如图2A所示，光斑在相对于中心轴CA的一径向(空间分布)上的能量强度分布为中间较两侧低。如图2B所示，光斑在垂直于径向的切线方向(空间分布)上的能量强度分布接近为平顶型分布(Top-hat distribution)。如图2A与图2B所示，光斑在垂直于径向的切线方向上的能量强度分布不同于光斑在径向上的能量强度分布。

详细来说，如图2A所示，光斑在径向上两侧区域的能量强度可具有一最大能量强度Ir1，光斑在径向上的中间区域的能量强度可具有一最小能量强度Ir2。举例来说，中间区域的最小能量强度Ir2例如是小于两侧区域的最大能量强度Ir1，且大于等于最大能量强度Ir1的 90％。或者，中间区域的最小能量强度Ir2也可以是小于两侧区域的最大能量强度Ir1的90％，本实用新型并不以此为限。

此外，光斑在垂直于径向的切线方向上与径向上的至少其中一者的能量强度分布图满足：b<1.5a、c<2a且b<c，其中a为能量强度等于最大能量强度的90％处的宽度，b为能量强度等于最大能量强度的 50％处的宽度，且c为能量强度等于最大能量强度的10％处的宽度，其中上述的宽度例如为光斑在特定能量强度时于空间分布上的宽度。举例来说，如图2A所示，若最大能量强度Ir1的90％处的宽度为a1，最大能量强度Ir1的50％处的宽度为b1，最大能量强度Ir1的10％处的宽度为c1，则光斑在径向上的能量强度分布图可以满足：b1<1.5a1、 c1<2a1且b1<c1。如图2B所示，若最大能量强度It1的90％处的宽度为a2，最大能量强度It1的50％处的宽度为b2，最大能量强度It1的 10％处的宽度为c2，则光斑在切线方向上的能量强度分布图可以满足： b2<1.5a2、c2<2a2且b2<c2。

在本实施例中，从激发光源模块110发出的激发光束L1所形成的光斑近似于椭圆形，且其能量强度分布近似于高斯分布。当激发光束 L1通过透镜阵列132后，激发光束L1所形成的光斑可转换为近似于矩形，并将光束的能量强度分布转换为较为均匀化的能量强度分布，此时，光斑在径向上以及切线方向上的能量强度分布较近似于平顶型分布。接着，在通过具有非球面以及非圆对称表面的透镜134和透镜 136后，激发光束L1所形成的光斑的能量强度分布可转换为在径向上为中间较两侧低，而在切线方向上为近似于平顶型分布。其中，非球面用以将光斑的能量强度分布转换成在径向上以及切线方向上为中间较两侧低，而非圆对称表面用以将切线方向上的能量强度分布再次转换成接近平顶型分布。因此，如图2A与图2B所示，光斑在切线方向上的能量强度分布不同于光斑在径向上的能量强度分布。

基于上述，在本实用新型的实施例中，藉由光均匀化模块130，可将激发光束L1所形成的光斑转换为近似于矩形，并将能量强度分布转换为较为均匀化的能量强度分布，因此激发光束L1在波长转换组件120上的能量强度不会过度集中，可避免波长转换组件120的转换效率下降，或烧损波长转换组件120。此外，波长转换组件120为转动件，透过光均匀化模块130的设计，光斑于径向上中间较两侧低的能量强度分布可降低中间向两侧扩散的热能累积，使光斑在中间和两侧的温度接近，有助于维持转换效率。

须说明的是，由于波长转换组件120在转动的过程中，在切线方向上的能量会因转动而平均化，因此在本实施例中，光斑在切线方向上的能量强度分布可以是维持平顶型分布。然而，在其他实施例中，光均匀化模块130的透镜134与透镜136也可以不具有非圆对称表面，使光斑在径向上以及切线方向上的能量强度分布皆为中间较两侧低，本实用新型并不以此为限。

图3是图1A中的波长转换组件的前视示意图。在本实用新型的实施例中，波长转换组件120为用以使通过此波长转换组件120的短波长光束转换成相对于短波长光束的长波长光束的光学组件。在本实施例中，波长转换组件130为荧光粉轮(Phosphor Wheel)，但不以此为限制。

请参照图1A与图3，波长转换组件120为一可旋转的盘状元件，波长转换组件120包括一波长转换区R1以及一光穿透区R2，且包括一基板122以及中心轴CA。波长转换区R1以及光穿透区R2设置于基板122上，且波长转换区R1内设置有波长转换物质124。波长转换物质124例如是黄色荧光粉。在本实施例中，波长转换组件120的基板122例如是反射式基板而光穿透区R2例如是于基板上挖空使激发光束L1穿过。波长转换区R1与光穿透区R2用于随着波长转换组件 120而绕着中心轴CA转动，以轮流切入激发光束L1的传递路径上，其中，从激发光源模块110发出的激发光束L1通过光均匀化模块后 130，激发光束L1可例如在入射至波长转换组件120的波长转换区R1 与光穿透区R2的表面时形成上述光斑。当光穿透区R2切入激发光束 L1的传递路径上时，激发光束L1穿透波长转换组件120，且当波长转换区R1切入激发光束L1的传递路径上时，激发光束L1被波长转换区R1转换为一转换光束L2，且转换光束L2可被波长转换组件120 反射。转换光束L2例如是黄光光束。在其他实施例中，波长转换组件120也可以包括多个波长转换区，分别将激发光束L1转换成不同色光。

于其他实施例中，波长转换组件可包括一波长转换区以及一非波长转换区，且基板例如是反射式基板，而非波长转换区例如是使激发光束直接反射的区域，本实用新型不对此进行限制。

请再次参照图1A，照明系统100还包括一合光单元140以及一光传递模块150。合光单元140位于激发光源模块110与波长转换组件 120之间，且位于转换光束L2与穿透波长转换组件120的激发光束 L1的传递路径上。光传递模块150位于穿透波长转换组件120的激发光束L1的传递路径上。具体而言，合光单元140可为一分色镜 (Dichroic Mirror,DM)或一分色棱镜，而可对不同颜色的光束提供不同的光学作用。举例而言，在本实施例中，合光单元140例如可让蓝色激发光束穿透，而对其他颜色(如红色、绿色、黄色等)的光束提供反射作用。光传递模块150可包括多个透镜152与配置于这些透镜 152之间的反射镜154，用以将穿透波长转换组件120的激发光束L1 传递回合光单元140。

在本实施例中，合光单元140可被设计为使激发光束L1穿透而反射转换光束L2。因此，合光单元140可将来自激发光源模块110的激发光束L1传递至波长转换组件120，且在光传递模块150将穿透波长转换组件120的激发光束L1传递回合光单元140后，合光单元140 可将来自波长转换组件120的转换光束L2与穿透波长转换组件120 的激发光束L1合并。

在本实施例中，照明系统100还包括一滤光组件160以及一匀光组件170，配置于来自合光单元140的激发光束L1以及转换光束L2 的传递路径上。滤光组件160用以滤除特定波长范围的光束之外的光束且使此特定波长范围的光束通过，可以提升色光的色纯度。在本实施例中，滤光组件160例如是滤色轮(Filter Wheel)或其他具有滤色效果的光学组件，匀光组件170例如是光积分柱(light integration rod)，但不以此为限制。此外，照明系统100还可包括一至多个透镜，例如是位于激发光源模块110与光均匀化模块130之间的透镜C1，或是位于合光组件140与滤光组件160之间的透镜C2，用以调整照明系统 100内部的光束路径。

在此须说明的是，当匀光组件170为具有矩形入光端的光积分柱时，藉由光均匀化模块130，可将通过光均匀化模块130的光束所形成的光斑先转换为近似于匀光组件170的入光端的矩形，此将有利于后续匀光组件170的收光效率，有助于提升照明系统100及投影装置 200的光效率。

如图1A所示，本实施例的投影装置200还包括光阀210以及投影镜头220。光阀210配置于来自合光单元140的转换光束L2与激发光束L1的传递路径上，以将转换光束L2与激发光束L1调制成一影像光束L3。投影镜头220配置于影像光束L3的传递路径上，并用以将影像光束L3投射至一屏幕(未绘示)上，以形成影像画面。由于这些不同颜色的激发光束L1及转换光束L2汇聚在光阀210上后，光阀210依序将不同颜色的激发光束L1及转换光束L2转换成不同颜色的影像光束L3并传递至投影镜头220，因此，光阀210所转换出的影像光束L3所被投射出投影装置200的影像画面便能够成为彩色画面。

在本实施例中，光阀210例如为一数字微镜组件(digital micro-mirror device,DMD)或一硅基液晶面板(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空间光调变器。在本实施例中，投影镜头220例如是包括具有屈亮度的一或多个光学镜片的组合，光学镜片例如包括双凹透镜、双凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜、平凸透镜、平凹透镜等非平面镜片或其各种组合。本实用新型对投影镜头220的型态及其种类并不加以限制。

在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的部分内容，省略了相同技术内容的说明，关于相同的组件名称可以参考前述实施例的部分内容，下述实施例不再重复赘述。

图4A是本实用新型的另一实施例的一种投影装置的示意图。图 4B是图4A中的投影装置的透镜阵列的前视示意图。请参照图4A与图4B，本实施例的投影装置200a大致上类似于图1A中的投影装置 200，其在架构上的主要差异在于：照明系统100a的光均匀化模块130a 包括透镜阵列132a以及至少一透镜(图4A中是以两个透镜134a与 136a为例)。透镜阵列132a包括多个排成阵列的微透镜ML2，且这些微透镜ML2的任一在垂直于透镜阵列132a的一光轴(例如是垂直于图4B的图面)的一参考平面(例如是平行于图4B的图面)的正投影的形状为矩形。透镜阵列132a的每个微透镜ML2在一第一方向D1 (例如是图4B图面的上下方向)上具有一第一曲率，在一第二方向 D2(例如是图4B图面的左右方向)上具有一第二曲率，且第一曲率不同于第二曲率，其中第一方向D1与第二方向D2垂直于透镜阵列 132a的光轴(例如是垂直于图4B的图面)。此外，透镜134a与透镜 136a例如是具有一个非球面。在其他实施例中，透镜134a与透镜136a 也可以是具有多于一个非球面。此外，如图4A所示，透镜阵列132a 可以是其中一个表面具有微透镜结构，而在其他实施例中，透镜阵列 132a也可以是两个表面皆具有微透镜结构，且微透镜结构也可以是位于透镜134a或透镜136a的任一表面，本实用新型并不以此为限。

在本实施例中，由于透镜阵列132a的微透镜ML2在第一方向D1 上与第二方向D2上分别具有不同的曲率，藉此可使激发光束L1所形成的光斑在径向上以及切线方向上产生不同的能量强度分布。因此，当激发光束L1通过透镜阵列132a以及具有非球面的透镜134a与透镜 136a后，激发光束L1于波长转换组件120上所形成的光斑除了可转换为近似于矩形，并将能量强度分布转换为较为均匀化的能量强度分布之外，光斑的能量强度分布也可转换为在径向上为中间较两侧低，而在切线方向上为近似于平顶型分布。

图5是本实用新型的另一实施例的一种投影装置的示意图。请参照图5，本实施例的投影装置200b大致上类似于图1A中的投影装置 200，其在架构上的主要差异在于：照明系统100b的光均匀化模块130b 包括一光积分柱132b以及至少一透镜(图5中是以两个透镜134与 136为例)。光积分柱132b包括一矩形出光端E。透镜134与透镜136 的相关描述可参考投影装置200的实施例，于此不再重复赘述。

在本实施例中，当来自激发光源模块110的激发光束L1通过光积分柱132b后，激发光束L1所形成的光斑可转换为近似于矩形，并将能量强度分布转换为较为均匀化的能量强度分布。此时，光斑在径向上以及切线方向上的能量强度分布较近似于平顶光分布。接着，在通过具有非球面以及非圆对称表面的透镜134和透镜136后，激发光束 L1于波长转换组件120上所形成的光斑的能量强度分布可转换为在径向上为中间较两侧低，而在切线方向上为近似于平顶型分布。此外，在其他实施例中，光均匀化模块130的透镜134与透镜136也可以不具有非圆对称表面，使光斑在径向上以及切线方向上的能量强度分布皆为中间较两侧低，本实用新型并不以此为限。

图6是本实用新型的另一实施例的一种投影装置的示意图。请参照图6，本实施例的投影装置200c大致上类似于图1A中的投影装置 200，其在架构上的主要差异在于：照明系统100c的激发光源模块110c 包括一第一激发光源112以及一第二激发光源114。照明系统100c的光均匀化模块130c包括透镜阵列132。第一激发光源112用以发出一第一激发光束Lc1，且第一激发光束Lc1例如为蓝色激发光束。第二激发光源114用以发出一第二激发光束Lc2，且第二激发光束Lc2例如为蓝色激发光束，其中第一激发光源112与第二激发光源114配置于激发光源模块110c的一光轴A的相对两侧，且激发光束L1包括第一激发光束Lc1与第二激发光束Lc2。透镜阵列132的相关描述可参考投影装置200的实施例，于此不再重复赘述。

在本实施例中，第一激发光源112与第二激发光源114可对应激发光束L1通过波长转换组件120处的径向来设置。举例来说，激发光束L1通过波长转换组件120处的径向例如是沿着图6中的第三方向D3，则第一激发光源112与第二激发光源114可对应第三方向D3 而沿着第三方向D3设置于激发光源模块110c的光轴A的相对两侧，使第一激发光源112与第二激发光源114间隔开。如此一来，第一激发光束Lc1与第二激发光束Lc2会形成有部分交迭的两个子光斑(未绘示)，两个子光斑在波长转换组件120上所形成的光斑在径向上的能量强度分布可为中间较两侧低。再者，当激发光束L1通过透镜阵列 132后，激发光束L1所形成的光斑可转换为近似于矩形，并将能量强度分布转换为较为均匀化的能量强度分布。此时，光斑在径向上的能量强度分布为中间较两侧低，而在切线方向上的能量强度分布为近似于平顶型分布。

综上所述，在本实用新型的实施例的照明系统与投影装置中，从激发光源模块发出的激发光束通过光均匀化模块后，激发光束在波长转换组件上形成一光斑，且光斑在相对于中心轴的一径向上的能量强度分布为中间较两侧低，因此激发光束在波长转换组件上的能量强度不会过度集中，可避免波长转换组件的转换效率下降，或烧损波长转换组件。此外，中间较两侧低的能量强度分布可降低中间向两侧扩散的热能累积，使光斑在中间和两侧的温度接近，有助于维持转换效率。因此，本实用新型的实施例的照明系统具有较均匀的照明均匀度、较佳的光效率与较长的使用寿命。本实用新型的实施例的投影装置包括上述的照明系统，因而具有较佳的影像质量、较佳的光效率与较长的使用寿命。

以上所述，仅为本实用新型的优选实施例而已，当不能以此限定本实用新型实施之范围，即大凡依本实用新型权利要求书及实用新型说明书所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本实用新型专利涵盖的范围内。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揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本实用新型的权利范围。此外，本说明书或申请专利范围中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名组件(Element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制组件数量上的上限或下限。

附图标记

100、100a、100b、100c：照明系统

110：激发光源模块

112：第一激发光源

114：第二激发光源

120：波长转换组件

122：基板

124：波长转换物质

130、130a、130b、130c：光均匀化模块

132、132a：透镜阵列

132b：光积分柱

134、134a、136、136a、152、C1、C2：透镜

140：合光单元

150：光传递模块

154：反射镜

160：滤光组件

170：匀光组件

200：投影装置

210：光阀

220、200a、200b、200c：投影镜头

L1：激发光束

L2：转换光束

L3：影像光束

CA：中心轴

ML1、ML2：微透镜

Ir1、It1：最大能量强度

Ir2：最小能量强度

a1、a2、b1、b2、c1、c2：宽度

R1：波长转换区

R2：光穿透区

D1：第一方向

D2：第二方向

D3：第三方向

E：出光端

Lc1：第一激发光束

Lc2：第二激发光束

A：光轴。