照明系统的制作方法

照明系统
1.本技术是申请日为2018年11月09日、申请号为201811333726.1、发明名称为“照明系统”的申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及一种光学系统，尤其涉及一种可应用于投影器中的照明系统。


背景技术：

3.在显示技术的领域中，投影装置因为具有将影像投射至显示元件以外的位置且可产生不同于显示元件的尺寸的影像的特性，因此占有无法被取代的地位。举例而言，投影装置可以以小的装置尺寸产生尺寸相较其大很多的影像画面，这个特性是液晶显示器或有机发光二极管显示器等时下先进的显示器所望尘莫及的。
4.为了使投影装置产生彩色的影像，一种习知技术是在投影装置的照明系统中采用会转动的色轮。当色轮的不同颜色的区域依序切入光束的路径中时，便能够产生不同颜色的光束，再借由不同颜色显示时间的长短来合成特定颜色的光束。然而，为了让色轮转动而采用的马达动件会导致系统的可靠度下降，而色轮中不同颜色的区域之间的间隙亦会产生光能量的损失。
5.此外，在高亮度需求且以二极管芯片为光源的投影器中，为了能提供足够强度的光束，除了应用更高功率的芯片外，增加芯片数量即为另一可行的做法。然而，二极管芯片阵列所发出的排成阵列的多个光束易导致用以收集这些光束的透镜面积过大，进而使得照明系统的体积难以缩小。


技术实现要素：

6.本发明的一实施例中，提供一种照明系统，其架构有助于缩小体积，或有助于提升照明均匀度。
7.本发明的一实施例提出一种照明系统，包括两个激光光源、分别对应于此两个激光光源的多个反光镜及分光镜、扩散片及透镜组。此两个激光光源各自包括多个发光元件，且分别对应于此两个激光光源的多个反光镜分别设于对应的发光元件的光路下游。分光镜设于这些反光镜的光路下游。扩散片设于多个第一反光镜及分光镜之间的光学路径上。透镜组包括凸透镜与凹透镜，凸透镜与凹透镜设于多个第一反光镜及扩散片之间的光学路径上。
8.本发明的一实施例提出一种照明系统，包括三个准直光源、固定式的基板、荧光粉层、两个分光镜、两个扩散片及透镜组。固定式的基板设于其中一个准直光源的光路下游，且基板上设有反射面。荧光粉层设于基板的反射面上。其中一个分光镜设于此一个准直光源、另一个准直光源及基板的反射面的光路下游。另一个分光镜设于又一个准直光源的光路下游，且设于上述那个分光镜的光路下游。两个扩散片分别设于其中两个准直光源与其光路下游的那一个分光镜之间的光学路径上。透镜组包括凸透镜与凹透镜，凸透镜与凹透
镜设于第一准直光源及第一扩散片之间的光学路径上。
9.在本发明的实施例的照明系统中，由于采用了多个反光镜来改变激光光源所发出的多个光束的空间分布，因此用以接收这些光束的透镜的面积可以比较小，进而达到缩小体积的效果。此外，在本发明的实施例的照明系统中，由于采用了扩散片来使准直光源所发出的光束均匀化，因此可以提升照明的均匀度，进而提升采用此照明系统的投影装置所提供的影像的质量。
10.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
11.图1为本发明的一实施例之投影装置与其中的照明系统的光路示意图。
12.图2a绘示图1中的准直光源。
13.图2b为图2a中的反光镜的正视示意图。
14.图2c为图2a中的激光光源的正视示意图。
15.图2d为从图2a的透镜往-z方向观看照明系统时所看到的影像的示意图。
16.图3a绘示图1中的准直光源的另一个实施例。
17.图3b为图3a中的激光光源的正视示意图。
18.图3c为从图3a的透镜往-z方向观看照明系统时所看到的影像的示意图。
具体实施方式
19.图1为本发明的一实施例之投影装置与其中的照明系统的光路示意图。举例来说，在本发明的一实施例的投影装置中的光源中，由于采用了多个反光镜来改变光源所发出的多个光束的空间分布，因此用以接收这些光束的透镜442、452、462的面积可以比较小，进而达到缩小体积的效果。以下就本发明的投影装置的设计进行说明。
20.请参照图1，本实施例的投影装置500包括照明系统400、光阀510及投影镜头520。
21.本实施例的照明系统400包括光源组100、200、300、固定式的波长转换元件430、分光镜410、分光镜420、扩散片446、456、466、透镜442、444、472、474、452、454、464及476、光均匀化元件484及棱镜486。
22.固定式的波长转换元件430并非如色轮或是荧光轮等可转动的。固定式的波长转换元件430包括固定式的基板432以及荧光粉层434。固定式基板432例如是其上设有反射面431的金属或是陶瓷基板，于本例中，固定式基板432是金属基板，且不是旋转盘、移动式基板。此外，在本实施例中，荧光粉层434可以包括各色荧光粉，如吸收较短波长的蓝光或uv光后，可激发出较短波长的红、绿色光束的荧光粉，于本例中，荧光粉层434是可受蓝光激发以输出绿光的绿色荧光粉层。
23.分光镜410与分光镜420可以是分色镜(dichroic mirror)或是例如是x型合光片、合光棱镜组、偏振分光棱镜(pbs)等元件。在本实施例中，分光镜410与分光镜420为分色镜(dichroic mirror)，其可反射特定波长范围的光，且让其他波长范围的光通过。举例而言，分光镜410可反射蓝光，且让绿光通过，而分光镜420可反射红光，且让蓝光与绿光通过。
24.扩散片(diffuser)446、456与466可为具有扩散粒子或扩散微结构的光学膜片或元件，其可增加各光束的发散角度，用以降低激光的散斑(speckle)现象。需知悉的是，扩散片(diffuser)446、456与466并非以片状为限。再者，扩散片可扩大各入射光束的扩散角度，让光束的光斑可以均匀地照在荧光粉层上。
25.在本实施例中，光均匀化元件484可以是光积分柱(light integration rod)、透镜阵列、复眼透镜(fly-eye)等可使光线均匀化的光学元件。于本例中，光均匀化元件484为复眼透镜。
26.而光学元件486可以是场镜、棱镜、反射镜等元件，于本例中，光学元件486为内部全反射棱镜(total internal reflection prism,tir prism)，惟按设计，亦可以单一反向内部全反射棱镜予以取代亦可。
27.光源组100、200及300可分别为准直光源，可输出准直光线，其可为激光光源或是经光学元件准直的，例如led或其他传统光源。再者，于本例中，光源组100、200、300的设计，除其中的发光元件的颜色及功率略有不同外，其结构是大致相同的，惟其不以相同为限。于本例中，光源组100、200、300可分别输出蓝色光束101、蓝色光束201及红色光束301。
28.以光源组100为例，请参阅图2a至图2d，图2a绘示图1中的光源组的示意图，图2b为图2a中的反光镜的正视示意图，图2c为图2a中的光源组的示意图的正视示意图，而图2d为从图2a的透镜往-z方向观看照明系统时所看到的影像的示意图。于本例中，光源组100可包括多个激光光源，各激光光源均为准直光源的一种，于本例中，光源组100中的各激光光源分别为激光模块(laser bank)110、120、130、140及多个反射镜组150、160、170、180。
29.于本例中，光源组100中的各激光模块110、120、130、140的结构上是相同的，而多个反射镜组150、160、170、180亦然。
30.于本例中，各激光模块110、120、130、140可分别包括多个结构相同的发光元件112、122、132、142。以激光模块110为例，激光模块110包括多个发光元件112，各发光元件112以2*4的矩阵排列。发光元件112可以例如是经封装的激光二极管(ld)或发光二极管(led)模块且包括至少一枚蓝光激光芯片，可输出蓝色的激光光束。由于荧光粉的激发效率与能量密度成正比，荧光粉所接收的光功率愈高，其转换效率愈高。各激光模块110、120、130、140的功率，在10瓦特以上时己有不差的效果，在20瓦特以上时己有较佳效果，30瓦特以上时具更佳效果，100瓦特以上1000瓦特以下时，有最佳效果。而投影器中的各光源组100的总耗能在40瓦特以上时己有基本效果，在80瓦特以上时己有较佳效果，120瓦特以上时具更佳效果，400瓦特以上，1000瓦特以下时效果最佳。于本例中，激光模块110、120、130、140的消耗功率分别约为95瓦特。
31.在本实施例中，各反射镜组150、160、170、180在结构上是相同的，且可分别包括多个反光镜152、162、172、182，而各反光镜具有反光表面，以反射光线，反光表面可以是平面。而多个反光镜152可以是被空隙154区隔的独立元件或是间隙镜(stripe mirror)的各反射部分。以反射镜组150为例，反射镜组150是间隙镜/间隔反射镜(stripe mirror)。如图2a及图2b所绘述者。间隔反射镜150可包括多个反光镜152与多个空隙154，如图2a与图2b所绘示。这些反光镜152与这些空隙154交错设置。同样地，间隔反射镜160可包括多个反光镜162与多个空隙164，这些反光镜162与这些空隙164交错设置。间隔反射镜170及间隔反射镜180的设计亦同前所述。在本实施例中，各反光镜152分别设于各发光元件112的光路下游，而反
光镜162分别设于各发光元件122的光路下游。间隔反射镜170及间隔反射镜180的设计亦同。借由如图2a中所绘述的，将反射镜组150设于反射镜组160的光路下游并让其反射镜组160的反射部分对应反射镜组150的透光部分，在同样的x轴方向的长度下，可容下两倍的光源，若将x轴方向的结构，如图2a的激光模块110、130视为第一横排，激光模块120、140为第二横排时，则当光源组100离出光方向的透镜442最远的该横排的反射镜组由于没有让光线穿透的需要，故可以采用具有完整连续反射面的两个平面反射镜来分别取代间隔反射镜160与180。再者，除了图2a的两横排设计外，借由调整各反射镜的宽度，更可更进一步的设置三横排或是四横排架构，让光密度更进一步的提升。
32.而激光模块110、120与反射模块150、160的组合，和激光模块130、140及反射模块170、180的组合，是左右镜射对称的。更细部的说，请参酌图2d，原本第一激光模块110与第二激光光源120在2倍的单位宽度w1内可以设有4排发光元件112与122，但在反光镜152与反光镜162使光束111与121产生相互穿插的效果，当从透镜442往-z方向观看时，可看到在一个单位宽度w1中存在4排发光元件112与122的影像的效果。也就是说，借由这些反光镜152与这些反光镜162的作用，可使光源的宽度缩小为原本的1/2，如此可以有效缩小透镜442的直径，进而达到整体系统的体积缩小与成本降低。同理，这些反光镜172与这些反光镜182也可以达到缩小光源宽度的效果。此外，若将x轴方向的结构，如图2a的激光模块110、130视为第一横排，激光模块120、140为第二横排时，则当光源组100离出光方向的透镜442最远的反射镜由于没有让光线穿透的需要，故可以采用具有完整连续反射面的两个平面反射镜来分别取代间隔反射镜160与180。借此，透镜442的直径可被最小化。
33.以下就各元件的相对位置及运作方式进行说明。
34.固定式的基板432设于光源组100的光路下游，且荧光粉层434设于基板432的反射面431上。固定式的基板432与荧光粉层434可形成波长转换元件430，其设于分光镜410的光路下游，而波长转换元件430也是固定且不可转动的，也就是说，波长转换元件430不是可旋转的荧光轮或可移动的荧光基板。
35.此外，分光镜410设于这些反光镜152及这些反光镜162的光路下游，且这些反光镜152与这些反光镜162设于分光镜410的同一侧。在本实施例中，激光模块110位于分光镜410与激光光源120之间，且这些反光镜152位于分光镜410与这些反光镜162之间。换句话说，激光组110及激光模块120是同时设于分光镜410的同一入光侧的上游方向的。这些发光元件112所发出的光形成了光束111，而光束111被这些反光镜152反射至分光镜410。另一方面，这些发光元件122所发出的光形成了光束121，光束121被这些反光镜162往反光镜152反射，接着光束121经由空隙154穿透反光镜152而传递至分光镜410。
36.在本实施例中，激光模块110所发出的呈蓝色的光束111与激光光源120所发出的呈蓝色的光束121在传递至分光镜410时，被分光镜410反射至荧光粉层，而激发出呈绿色的光束433。绿色光束433传递回分光镜410后，穿透了分光镜410。
37.在本实施例中，激光光源130、反光镜172、激光光源140及反光镜182的配置可与激光模块110、反光镜152、激光光源120及反光镜162的配置类似，例如两者互为镜像配置。这些反光镜172与这些反光镜182可实作为如同间隔反射镜150的间隔反射镜。具体而言，激光光源130包括多个发光元件，且这些反光镜172分别设于这些发光元件的光路下游。激光光源140包括多个发光元件，且这些反光镜182分别设于这些发光元件的光路下游。其中，激光
光源130与激光模块110互相面对，激光光源140与激光光源120互相面对，激光光源130位于分光镜410与激光光源140之间，这些反光镜172位于分光镜410与这些反光镜182之间，且分光镜410亦设于这些反光镜172及这些反光镜182的光路下游。
38.此外，在本实施例中，这些反光镜152位于激光模块110与这些反光镜172之间，且这些反光镜172位于激光光源130与这些反光镜152之间。这些反光镜162位于激光光源120与这些反光镜182之间，且这些反光镜182位于激光光源140与这些反光镜162之间。
39.同样地，在本实施例中，激光光源130所发出的光束131被这些反光镜172反射至分光镜410。另一方面，激光光源140所发出的光束141被这些反光镜182往反光镜172反射，接着光束141经由空隙174穿透反光镜172而传递至分光镜410。在本实施例中，激光光源130所发出的呈蓝色的光束131与激光光源140所发出的呈蓝色的光束141在传递至分光镜410时，被分光镜410反射至荧光粉层434，而激发出呈绿色的光束433。换言之，光束111、121、131与141可整体被视为呈蓝色的光束101，其被分光镜410反射至荧光粉层434，而激发出呈绿色的光束433。
40.在本实施例中，分光镜410设于光源组100、光源组200以及基板432的反射面431的光路下游，且分光镜420设于光源300的光路下游，且设于分光镜410的光路下游。在本实施例中，分光镜410将激光光源组200发出的呈蓝色的光束201反射至分光镜420，并使来自荧光粉层434的呈绿色的光束431通过而传递至分光镜420。分光镜420反射光源300发出的呈红色的光束301，并使光源组200发出的且经分光镜410反射的光束201与来自荧光粉层434的光束431通过。如此一来，呈红色的光束301、呈绿色的光束431及呈蓝色的光束201便能够被分光镜420合并为照明光束401。
41.来自分光镜420的照明光束401经由光均匀化元件的均匀化与整形的作用后，经由棱镜486照射于光阀510上，以对光阀510产生照明的效果。光阀510将照明光束401调制成影像光束512，而影像光束512经由棱镜486而传递至投影镜头520。投影镜头520将影像光束512投影于成像面(成像面处例如设置有一屏幕)上，以形成影像画面。在本实施例中，光源组100、200与300可以同时或是轮流发光，以使照明光束401轮流呈现红色、绿色、蓝色或其组合而成的颜色，如白色，即为一例，以在不需要如色轮或荧光轮等动件的情况下形成彩色画面。如此一来，本实施例的照明系统400可以避免因使用动件而造成的可靠度下降的问题，且可以没有色轮中不同颜色的区域之间的间隙造成光能量的损失的问题。
42.在本实施例中，扩散片446设于光源组100及分光镜410之间的光学路径上，扩散片456设于光源组200及分光镜410之间的光学路径上，而扩散片466设于光源300及分光镜420的光学路径上。扩散片446、456、466可使光束101、201、301较为均匀，以改善激光光束所产生的散斑现象。
43.在本实施例中，透镜442与444依序配置于光源组100与扩散片446之间的光学路径上，透镜472与474配置于波长转换元件430与分光镜410之间的光学路径上，透镜452与454依序配置于光源组200与扩散片456之间的光学路径上，透镜462与464依序配置于光源300与扩散片466之间的光学路径上，且透镜476配置于分光镜420与光均匀化元件484之间的光学路径上。这些透镜可提供聚光或改变光束锥角的功能。
44.在本实施例中，光源组100、光源组200及光源300例如分别为第一准直光源、第二准直光源及第三准直光源，分光镜410与分光镜420例如分别为第一分光镜与第二分光镜，
扩散片446、456与466例如分别为第一、第二及第三扩散片。在本实施例中，激光模块110、120、130及140例如分别为第一、第二、第三及第四激光光源。然而，在其他实施例中，激光模块110、120、130及140可以分别为第一、第三、第二及第四激光光源。在本实施例中，反光镜152、162、172及182例如分别为第一、第二、第三及第四反光镜。然而，在其他实施例中，反光镜152、162、172及182可以分别为第一、第三、第二及第四反光镜。在本实施例中，间隔反射镜150、160、170及180例如分别为第一、第二、第三及第四间隔反射镜。然而，在其他实施例中，间隔反射镜150、160、170及180可以分别为第一、第三、第二及第四间隔反射镜。
45.图3a绘示图1中的准直光源的另一个实施例，图3b为图3a中的激光光源的正视示意图，而图3c为从图3a的透镜往-z方向观看照明系统时所看到的影像的示意图。请参照图3a至图3c，本实施例的准直光源与图2a所绘示的准直光源类似，而两者的差异如下所述。本实施例的准直光源可用来作为图1中的光源组100、200与300，以下以作为光源组100为例进行说明。本实施例的准直光源包括阶梯状结构150a及阶梯状结构170a。阶梯状结构150a包括多个反光镜152a，其中这些反光镜152a相互平行设置。此外，阶梯状结构170a可相对于阶梯状结构150a为镜像设置，阶梯状结构170a包括多个反光镜172a，其中这些反光镜172a相互平行设置。反光镜152a可将激光模块110a与110b所发出的光束反射至透镜442，且反光镜172a可将激光光源130a与130b所发出的光束反射至透镜442。在本实施例中，激光模块110a与110b是沿着y方向排列。原本在沿着z方向的单位宽度w2中，激光模块110a与110b设有4排发光元件112a与112b，然而在阶梯状结构150a的作用下，从透镜442处往-z方向可以观看到在1/2倍的单位宽度w2中存在有4排发光元件112a与112b的影像。也就是说，阶梯状结构150a使光源宽度缩减为原本的1/2倍。如此一来，透镜442的直径便可以较小，进而缩减系统体积与成本。
46.在本实施例中，激光模块110a、110b、130a及130b例如分别是第一、第三、第二及第四激光光源，阶梯状结构150a及阶梯状结构170a例如分别是第一及第二阶梯状结构，而反光镜152a与172a例如分别是第一与第二反光镜。
47.综上所述，在本发明的实施例的照明系统中，由于采用了多个反光镜来改变激光光源所发出的多个光束的空间分布，因此用以接收这些光束的透镜的面积可以比较小，进而达到缩小体积的效果。此外，在本发明的实施例的照明系统中，由于采用了扩散片来使准直光源所发出的光束均匀化，因此可以提升照明的均匀度，进而提升采用此照明系统的投影装置所提供的影像的质量。
48.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。