TW201430474A - 光學系統 - Google Patents
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Abstract
本發明提出一光學系統,其用於一投影機中,且包含依序設置的一固態光源模組、一光學模組、一螢光元件及一光中繼模組。固態光源模組可產生一第一光束,而光學模組可傳遞及均勻第一光束,以使第一光束均勻照射於螢光元件上。光學模組並可使第一光束照射於螢光元件的一光斑具有一預定形狀及一預定面積,從而使螢光元件以一發光面積來發射一第二光束。光中繼模組可接收第二光束的一部份光束,該部份光束具有一立體角,而該立體角與該發光面積所定義的一光展量可等同於投影機的光調變器的一光展量。
Description
本發明有關一種光學系統,特別關於一種用於投影機中的光學系統。
目前的投影機越來越多採用一固態光源模組配合一螢光元件的光學系統,來產生不同顏色的光線。請參閱第1圖所示,此種光學系統中,固態光源模組10A具有多個雷射二極體11A,該些雷射二極體11A可各別產生一雷射光12A,然後該些雷射光12A經由一透鏡13A匯聚至螢光元件20A上,以使該螢光元件20A激發出具有特定顏色(波長)的散射的光線21A。然而,該種光學系統至少具有以下兩種缺失。
首先,該些雷射光12A藉由透鏡13A匯聚至螢光元件20A時,並不會均勻地照射於螢光元件20A上;換言之,螢光元件20A的某些區域會被較多的雷射光12A照射,而某些區域會被較少的雷射光12A照射到。若被較多的雷射光12A照射時,螢光元件20A的那些區域將會產生較高的溫度,可能使得螢光元件20A的發光效率(exciting efficiency)降低,也就是說螢光元件上所塗佈的螢光劑的激發效率會隨著溫度升高而有熱衰退的現象。
另外,該些雷射光12A照射於螢光元件20A上的光斑(light spot)的形狀及面積並沒有經過適當地設計,常會造成螢光元件20A的發光面積過大,從而使得螢光元件20A具有過大的光展量(etendue or Etendue);也就是指,螢光元件20A的光展量會大於投影機的光調變器(圖未示)所能接受的光展量,使得部分的激發光線21A無法被光調變器利用而造成光損失。需說明的是,光展量係為光源面積與發散立體角(solid angle)的乘積,用以表示光線的幾何特性。
為了使上述兩種缺失能夠改善,必需精密地調整各雷射二極體11A的位置以及雷射光12A光束的角度及方向,同時更要精密地對齊由雷射二極體11A到螢光元件20A之間的所有光學元件。爾後,該些雷射光12A才會均勻照射於螢光元件20A上,且該些雷射光12A照射於螢光元件20A上的光斑才會有適當的形狀及面積。但是,上述的改善方式會耗費大量的時間及成本,且實務上並不容易控制,因此不利於投影機的製造。因此在廉價的投影機中,螢光元件的激發效率並不好,所激發出的光線也沒有被有效地利用。
有鑑於此,提供一種可改善至少一種上述缺失的光學系統,乃為此業界亟待解決的問題。
本發明之一目的在於提供一種光學系統,其可容易地讓螢光元件有良好的激發效率。
本發明之另一目的在於提供另一種光學系統,其可容易地讓螢光元件所激發的光線被投影機良好地應用。
為達上述目的其中之一,本發明所揭露的光學系統可用於一投影機中,且其包含:一固態光源模組,用以產生一第一光束;一光學模組,設置於該固態光源模組的一側;一螢光元件,設置於該光學模組的一側,而該光學模組設置於該固態光源模組與該螢光元件之間;以及一光中繼模組,設置於該螢光元件的一側,而該螢光元件設置於該光學模組與該光中繼模組之間;其中,該光學模組用以傳遞及均勻該第一光束,以使該第一光束均勻照射於該螢光元件上,該光學模組並用以使該第一光束照射於該螢光元件的一光斑具有一預定形狀及一預定面積,從而使該螢光元件以一發光面積來發射一第二光束;該光中繼模組用以接收該第二光束的一部份光束,該部份光束具有一立體角;其中,該立體角與該發光面積所定義的一光展量實質地等同於該投影機的一光調變器的一光展量。
為讓上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂,下文係以較佳之實施例配合所附圖式進行詳細說明。
10A...固態光源模組
11A...雷射二極體
12A...雷射光
13A...透鏡
20A...螢光元件
21A...光線
1、2...光學系統
10...固態光源模組
11...固態光源
111...光線
12...準直透鏡
13...第一光束
131...光斑
20...光學模組
21...積分柱
211...出口
22...中繼透鏡
30...螢光元件
31...第二光束
311...部份光束
θ1...立體角
A2...發光面積
35...光中繼模組
351...透鏡
40...光調變器
41...調變面積
θ2...可用光立體角
50...投影鏡頭
53...均光元件
55...光傳遞模組
60...光學模組
61...透影陣列
611...透鏡
62...中繼透鏡
第1圖為習知的光學系統的平面示意圖。
第2圖為為依據本發明的第一實施例的光學系統的一平面示意圖。
第3圖為依據本發明的第一或第二實施例的光學系統的另一平面示意圖。
第4圖為第2圖的光學系統的固態光源模組的平面示意圖。
第5圖為第2圖的光學系統的螢光元件的溫度與發光效率之關係示意圖
第6圖為第2圖的光學系統的第一光束的光斑與螢光元件的示意圖。
第7圖為依據本發明的第一實施例的光調變器及投影鏡頭的平面示意圖。
第8圖為依據本發明的第二實施例的光學系統的平面示意圖。
請參閱第2圖及第3圖所示,分別為依據本發明的第一實施例的光學系統的二平面示意圖。於本發明的第一實施例中,一光學系統1被提出,其可應用於一投影機中,也可視為投影機的一部份。該光學系統1包括了一固態光源模組10、一光學模組20、一螢光元件30及一光中繼模組35;另外,後述的投影機的光調變器40、投影鏡頭50、均光元件53或光傳遞模組55等亦可視為包括於該光學系統1中。
整體而言,固態光源模組10、光學模組20、螢光元件30及光中繼模組35為依序地設置;也就是,光學模組20設置於固態光源模組10的一側(例如後側),螢光元件30設置於光學模組20的一側(例如後側),而光中繼模組35設置於螢光元件30的一側(例如後側)。如此,光學模組20會設置於固態光源模組10與螢光元件之間30,而螢光元件30會設置於光學模組20與光中繼模組35之間。
固態光源模組10、光學模組20、螢光元件30、光中繼模組35及光調變器40等的進一步技術特徵將依序說明如下。
請配合參閱第4圖所示,為第2圖的光學系統的固態光源模組的平面示意圖。該固態光源模組10可具有多數個固態光源11,而該些固態光源11可為一雷射二極體或一發光二極體;於本實施例中,固態光源11係以雷射二極體為例示。固態光源模組10還可選擇地包括多數個準直透鏡12,該些準直透鏡12分別設置於該些固態光源11的一側,以接收該些固態光源11發射出的光線111,並使光線111能更為準直。此外,該些固態光源11還會設置成能使得所發射出的該些光線111有良好的平行度。
該些固態光源11所產生光線111可集合成一第一光束13,換言之,固態光源模組10整體而言可藉由該些固態光源11來產生一第一光束13。由於該些光線111皆有良好的準直度,且該些光線111的平行度也為良好,故第一光束13整體也會有良好的準直度。
請復參閱第2圖,該光學模組20可傳遞及均勻該第一光束13,且其可具有一積分柱(integration rod)21及至少一中繼透鏡(relay lens)22,而中繼透鏡22的數目以三個為例示。
第一光束13可被第一個中繼透鏡22匯聚及傳遞至積分柱21中,以被積分柱21均勻化;也就是,第一光束13通過積分柱21時,會在積分柱21中反射或全反射,使得離開積分柱21後的第一光束13能有較為均勻分佈的光強度。要說明的是該積分柱21可為實心或是空心之態樣。
被均勻後的第一光束13接著會被第二及第三個中繼透鏡22傳遞至螢光元件30上。螢光元件30可為一固定式的螢光板或一旋轉式的螢光色輪,且可為一穿透式螢光元件或反射式螢光元件。
第一光束13會均勻地照射於螢光元件30上,以使得螢光元件30被激發光的效率因熱衰退的影響達到最小。請配合參閱第5圖所示,為第2圖的光學系統的螢光元件的溫度與發光效率之關係示意圖。詳言之,螢光元件30的最大發光效率對應一特定溫度,例如40度左右(此數值僅為例示);當螢光元件30被第一光束13均勻照射時,螢光元件30的溫度不易超過該特定溫度,故被激發光的效率因熱衰退的影響可達到最小。
請參閱第2圖及第6圖所示,第6圖為第2圖的光學系統的第一光束的光斑與螢光元件的示意圖。光學模組20除了使第一光束13均勻地照射於螢光元件30,還可使第一光束13照射於螢光元件30的一光斑131具有一預定面積(即一預定尺寸)及一預定形狀。
光斑131的預定形狀係設置成與光調變器40(如第7圖所示)的形狀相同(或相似)。因此,若光調變器40的形狀為一矩型,則光斑131的預定形狀會相同或相似於該矩型。
光斑131的預定形狀又與積分柱21的出口(output aperture)211的形狀有關聯。詳言之,第一光束13通過積分柱21後,除了被均勻化,還會被積分柱21塑型(shaped),使得第一光束13的沿著主光軸的截面的形狀係相同或相似於積分柱21的出口211的形狀。
然後,若螢光元件30垂直於第一光束13的主光軸時,塑型後的光斑131的預定形狀會等同於積分柱21的出口211的形狀;若螢光元件30傾斜於第一光束13的主光軸時,塑型後的光斑131的預定形狀不會等同於積分柱21的出口211的形狀,而是等同於「積分柱21的出口211沿著第一光束13的主光軸投影至螢光元件30上」的形狀。
舉例而言,若光斑131的預定形狀需為一矩型(長寬比為4:3),則當螢光元件30垂直於第一光束13的主光軸時,積分柱21的出口211可設置成同個矩型;但是當螢光元件30傾斜於第一光束13的主光軸時,積分柱21的出口211會設置成另一個矩型(長寬比非為4:3)。
光斑131的預定面積與「積分柱21的出口211的面積」以及「中繼透鏡22的放大率(magnification)」有關聯。詳言之,當螢光元件30垂直於第一光束13的主光軸時,光斑131的面積為「出口211的面積與中繼透鏡22的放大率的乘積」,因此調整出口211的面積及/或中繼透鏡22的放大率,即可得到光斑131的預定面積。
當螢光元件30傾斜於第一光束13的主光軸時,光斑131的預定面積除了要考量「出口211的面積與中繼透鏡22的放大率的乘積」,還要考量「螢光元件30相對於第一光束13的主光軸的夾角」,才能使光斑131的面積符合所需。
當第一光束13照射於螢光元件30的光斑131具有預定面積及預定形狀後,可使得螢光元件30以一發光面積A2來發射一第二光束31。
請復參閱第3圖,光中繼模組35可包含至少一透鏡351,而本實施例以兩個透鏡351為例。光中繼模組35可接受第二光束31的一部份光束311;換言之,第二光束31不是全部皆被光中繼模組35接收,超過光中繼模組35的接收範圍外的光線即不會進入至光中繼模組35中。部份光束311具有一立體角θ1,該立體角θ1係對應光中繼模組35的收光能力時;也就是,若光中繼模組35能接收越多的部份光束311時,部份光束311的立體角θ1將越大。光中繼模組35的收光能力可由「光中繼模組35的尺寸」或是「光中繼模組35與螢光元件30之間的距離」來決定。
「部份光束311的立體角θ1」與「螢光元件30的發光面積A2」可定義一光展量Ep,該光展量Ep與立體角θ1及發光面積A2之間的關係可為:發光面積A2與立體角θ1的乘積,也就是,Ep=A2θ1。立體角θ1與發光面積A2所定義的光展量Ep將實質地等於投影機的光調變器40的可利用的光展量Em。如此,部份光束311爾後經由均光元件53(例如積分柱或光導管等)及光傳遞模組55等傳遞至光調變器40時,可被光調變器40充分地利用,減少部份光束311的光損失。
請參閱第7圖所示,為本發明的第一實施例的光調變器及投影鏡頭的平面示意圖。光調變器40可為一數位微鏡裝置(DMD)、一矽基液晶裝置(LCoS)或一液晶裝置(LCD)。光調變器40具有一調變面積(modulator area)A1及一數值孔徑(numeral aperture, NA),該數值孔徑NA與光調變器40的一可用光(即可接收光)立體角θ2有關聯,並還進一步與投影機的一投影鏡頭50的光圈數(F-number)相關,其關係式為θ2=π(1/F-number)2;因此,當投影鏡頭50較大、光圈數較小時,光調變器40的可用光立體角θ2即會增加。光調變器40的光展量Em為調變面積A1與可用光立體角θ2的函數,舉例而言,光展量Em可為:調變面積A1與可用光立體角θ2的乘積,也就是,Em=A1θ2。
請復參閱第3圖及第6圖。當光調變器40的光展量Em已知後,可決定出「部份光束311的立體角θ1」與「螢光元件30的發光面積A2」所定義的光展量Ep,進而決定出立體角θ1與發光面積A2的所需數值。使用者可先選定立體角θ1與發光面積A2其中一者的所需數值,然後再推算另一者的所需數值。簡言之,當光調變器40的光展量Em已知後,螢光元件30的所需發光面積A2即可決定出。
螢光元件30的發光面積A2與第一光束13的光斑131的預定面積相關聯,故所需的發光面積A2已知後,光斑131的預定面積即可決定出,從而決定積分柱21的出口211的面積及/或中繼透鏡22的放大率。
通常,光斑131的預定面積可等同螢光元件30的所需發光面積A2;舉例而言,若螢光元件30的所需發光面積A2為20平方釐米,則光斑131的預定面積也可為20平方釐米。較佳地,光斑131的預定面積可略小於螢光元件30的所需發光面積A2,這是考量到下列因素:螢光元件30會因為本身的厚度,使得發光面積A2比照射面積(即光斑131的預定面積)還要大,故發光面積A2與光斑131的預定面積相等時,發光面積A2會超過所需值,因此光斑131的預定面積需縮小。
綜合上述,光斑131的預定面積是依據光調變器40的光展量Em及螢光元件30的發光面積A2來定義,且是藉由調整光學模組20的參數(例如積分柱21的出口211的面積及/或中繼透鏡22的放大率)來實現出。
請參閱第8圖所示,為依據本發明的第二實施例的光學系統的平面示意圖。於本發明的第二實施例中,另一光學系統2被提出。光學系統2與光學系統1的差異在於:光學系統2包括另一種態樣的光學模組60。
詳言之,光學模組60具有兩透鏡陣列(lens array or fly eye array)61及至少一中繼透鏡62,該兩透鏡陣列61可設置於中繼透鏡62之一側(例如前側),且該兩透鏡陣列61各具有多數個透鏡611;中繼透鏡62的數目以一個為例示。
固態光源模組10所產生的第一光束13可直接傳遞至兩透鏡陣列61,然後被兩透鏡陣列61均勻化。並且,第一光束13在通過兩透鏡陣列61後,其也會被塑型,以使通過透鏡陣列61後的第一光束13的沿著主光軸的截面的形狀相同於透鏡陣列61的透鏡611的形狀。
爾後,被均勻及塑型的第一光束13會被中繼透鏡62傳遞至螢光元件30上。第一光束13會均勻照射螢光元件30,且第一光束13照射於螢光元件30上的光斑131具有一預定面積及一預定形狀,從而使螢光元件30以一發光面積A2來發射一第二光束31。
請配合參閱第3圖,第二光束31的部份光束311接著可被光中繼模組35接收,而部份光束311的立體角θ1與發光面積A2所定義出的光展量Ep將會實質等於光調變器40的光展量Em。如此,光學系統2也可如光學系統1般,使光中繼模組35所接收的部份光束311可被光調變器40充分地利用。
與第一實施例類似,光斑131的預定形狀與透鏡陣列61的透鏡611的形狀有關聯,也就是,光斑131的預定形狀可相同於透鏡611的形狀或是「透鏡611沿著第一光束13的主光軸投影至螢光元件30上」的形狀;光斑131的預定面積是依據光調變器(圖未示)及螢光元件30的光展量來定義,且可藉由調整光學模組60的參數(例如透鏡611的面積及/或中繼透鏡62的放大率)而實現出。
需說明的是,固態光源模組10所產生的第一光束13實際上無法完全地準直,而是仍有些擴散角;第一光束13的擴散角的容許值與兩透鏡陣列61的參數有關聯。
詳言之,兩透鏡陣列61的透鏡611分別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),而兩透鏡陣列61之間於一第三方向上具有一間距(d);該第一方向、第二方向及第三方向為彼此正交,且第三方向平行於第一光束13的主光軸。第一光束13於第一方向的擴散角應不超過sin-1(a/d),而於第二方向的擴散角應不超過sin-1(b/d)。另說明的是,兩透鏡陣列61的每一個透鏡611的焦距,約等於兩透鏡陣列61之間的間距(d)。
綜上所述,本發明所揭露之光學系統僅藉由光學模組,即可讓第一光束均勻地照射該螢光元件且具有預定形狀及面積的光斑,不需像習知般採取精密地調整固態光源的相對位置等耗費時間及成本的作法。因此,本發明所揭露的光學系統可容易地讓螢光元件有良好的激發效率,以及讓螢光元件所激發的光線被投影機良好地應用。
上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣,以及闡釋本發明之技術特徵,並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍,本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。
1...光學系統
10...固態光源模組
13...第一光束
131...光斑
20...光學模組
21...積分柱
211...出口
22...中繼透鏡
30...螢光元件
31...第二光束
A2...發光面積
Claims (11)
- 一種光學系統,用於一投影機中,包含:
一固態光源模組,用以產生一第一光束;
一光學模組,設置於該固態光源模組的一側;
一螢光元件,設置於該光學模組的一側,而該光學模組設置於該固態光源模組與該螢光元件之間;以及
一光中繼模組,設置於該螢光元件的一側,而該螢光元件設置於該光學模組與該光中繼模組之間;
其中,該光學模組用以傳遞及均勻該第一光束,以使該第一光束均勻照射於該螢光元件上,該光學模組並用以使該第一光束照射於該螢光元件的一光斑具有一預定形狀及一預定面積,從而使該螢光元件以一發光面積來發射一第二光束;
其中,該光中繼模組用以接收該第二光束的一部份光束,該部份光束具有一立體角,而該立體角與該發光面積所定義的一光展量實質地等同於該投影機的一光調變器的一光展量。 - 如請求項1所述的光學系統,其中,該立體角與該發光面積所定義的該光展量係為該發光面積與該立體角的乘積;該光調變器具有一調變面積及一可用光立體角,該光調變器的該光展量係為該調變面積與該可用光立體角的乘積。
- 如請求項2所述的光學系統,其中,該光調變器的該可用光立體角係對應於該投影機的一投影鏡頭的光圈數(F-number)。
- 如請求項1所述的光學系統,其中,該光學模組具有一積分柱及至少一中繼透鏡。
- 如請求項4所述的光學系統,其中,該積分柱的一出口的形狀,係相同於該第一光束照射於該螢光元件的該光斑。
- 如請求項1所述的光學系統,其中,該光學模組具有兩透鏡陣列及至少一中繼透鏡。
- 如請求項6所述的光學系統,其中,該兩透鏡陣列各別具有多數個透鏡,而該些透鏡的形狀係相同於該第一光束照射於該螢光元件的該光斑。
- 如請求項1所述的光學系統,其中,該光中繼模組包含至少一透鏡。
- 如請求項1所述的光學系統,其中,該固態光源模組具有多數個固態光源,該些固態光源為一雷射二極體或一發光二極體。
- 如請求項1所述的光學系統,其中,該光調變器為一數位微鏡裝置、一矽基液晶裝置或一液晶裝置。
- 如請求項1所述的光學系統,其中,該螢光元件為一固定式的螢光板或一旋轉式的螢光色輪。
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