TWI437348B - 光源系統及包含該光源系統之投影裝置 - Google Patents

Description

光源系統及包含該光源系統之投影裝置

本發明係關於一種光源系統以及包含光源系統之投影裝置。更詳細地說，本發明係為一種將特定波段光線進行波長轉換之光源系統以及使用此光源系統之投影裝置。

近年來由於投影裝置的製造技術逐漸提升，投影裝置輕薄短小已成為市場主流。市場求新求變的需求促進了投影裝置設計的持續改進，投影裝置製造廠商必須因應地開發各種不同更小型、效率更好、成像品質更佳之投影裝置，藉以滿足市場需求。

傳統投影裝置大多採用單一色相之發光二極體投射至塗佈各色螢光材料之色輪扇形區域上，且發光元件及色輪皆於單一軸向上平行設置，並將反射或轉換後的光線聚焦至成像系統，俾得進行成像。然於此種架構下，藍光需經過多次反射後，才得以與綠光及紅光合光，造成藍光光線能量大幅折損，影響投影裝置之成像品質及亮度。又，為了提高投影裝置之成像品質，常需於色輪上塗佈較大面積之螢光材料，然而在相同色輪面積的前提下，色輪之散熱面積亦隨之趨減，是故必須增大色輪之一表面積，以符合投影裝置之散熱需求；再者，因發光二極體之發射光線屬於散射光，故須多個聚光透鏡集中匯聚光線以提高發光效率，但如此一來，投影機勢必需要較大的內部空間方足以容納多個聚光元件，無法符合市場上輕薄短小的需求。

綜上所述，要如何使得投影裝置同時具有較高效率之光源系統 以及較小之體積，並在提高光線能量以及不改變色輪所佔體積等前提下，同時解決光源系統散熱效率的問題，便為業界仍亟需努力之目標。

本發明之一目的在於提供一種光源系統，此光源系統可應用於投影裝置上，利用雷射光源投射至色輪上，並將螢光材料塗佈於色輪之一周緣上，藉以達成提高光源系統之發光效率、縮小投影裝置之體積，並提升光源系統散熱效率之目的。

為達成前述目的，本發明係關於一種光源系統以及包含該光源系統之投影裝置。投影裝置包含一成像系統及光源系統。光源系統包含一第一光源、一色輪及一反射鏡。第一光源沿一第一軸向提供一第一波段光線。色輪以一第二軸向為中心轉動，且第一軸向與第二軸向垂直，色輪之一周緣環設一第一波段轉換區塊。反射鏡鄰設於色輪之周緣。當第一波段光線投射至第一波段轉換區塊時，第一波段轉換區塊將第一波段光線轉換為一第二波段光線，反射鏡反射第二波段光線。

在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，所屬技術領域具有通常知識者便可瞭解本發明之其它目的、優點以及本發明之技術手段及實施態樣。

以下將透過實施方式來解釋本發明內容，本發明係關於一種光源系統以及使用該光源系統之投影裝置。投影裝置可以是數位光學處理(Digital Light Processing；DLP)投影顯示器或是液晶 (Liquid Crystal Display；LCD)投影顯示器等具有投影顯示功能之設備。需說明者，在下述的實施例以及附圖中，關於實施方式之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以直接限制本發明，同時，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件均已省略而未繪示；且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，非用以限制實際比例。

本發明之第一實施例係為一種用於一投影裝置1之光源系統11。投影裝置1之示意圖如第1圖所示，其包含一光源系統11以及一成像系統13。投影裝置1之光源系統11係用以提供一光線(圖未示出)，並將光線輸出至成像系統13，俾使成像系統13將光線成像以顯示一投影畫面(圖未示出)。本發明第一實施例之光源系統11包括一第一光源111、一色輪112、一反射鏡113、一第一分光元件114、二聚光元件115、一第二光源116、一第二分光元件117及一集光元件118。

請參考第1圖，本實施例之第一光源111包含複數個藍光雷射光源(圖未示出)，用以沿一第一軸向1111提供複數個第一波段光線1112，是故，藉此便可加強第一波段光線1112之光線強度；且於本實施例中，第一波段光線1112屬於一藍色波段範圍之光線。第一波段光線1112集中地投射至色輪112之一周緣1121，此周緣1121亦即為色輪112圓周邊緣。然需說明的是，本發明之第一光源111之數量及種類並不以上述為限，熟知本項技術領域者亦可以其他光源架構替代。

請一併參考第2圖所示為色輪112之放大示意圖，色輪112係 以一第二軸向1122為中心作轉動，且第一軸向1111與第二軸向1122垂直。如圖所示，色輪112之周緣1121環設一第一波段轉換區塊1121a及一第二波段轉換區塊1121b，其中第一波段轉換區塊1121a與第二波段轉換區塊1121b毗鄰相接，且第一波段轉換區塊1121a及第二波段轉換區塊1121b係塗佈不同螢光材料。第一波段轉換區塊1121a係塗佈一綠色螢光材料於周緣1121上，用以將第一波段光線1112轉換成一第二波段光線1113；而第二波段轉換區塊1121b係塗佈一紅色螢光材料於周緣1121上，用以將第一波段光線1112轉換為一第三波段光線1114。於本實施例中，第二波段光線1113係綠色波段範圍內之光線，而第三波段光線1114係紅色波段範圍內之光線。熟知此項技術領域者可依光源強度及色彩表現之需要，適度調整各波段轉換區塊於色輪112上之面積比例；此外，亦可於周緣1121上增設一第三波段轉換區塊，其上塗佈黃色螢光材料，以將第一波段光線1112轉換為一第四波段光線，亦即黃色波段範圍內之光線。由於藍光雷射光源提供之第一波段光線1112具有細而直且能量集中之特性，因此第一波段轉換區塊1121a及第二波段轉換區塊1121b所需之面積僅須大於第一波段光線1112之一截面積即可。

請續參第2圖，反射鏡113係鄰設於色輪112之周緣1121，本實施例之反射鏡113設置於第一波段轉換區塊1121a及第二波段轉換區塊1121b之背面1123(亦即周緣1121之內表面)，並隨著色輪112轉動而轉動；換言之，本實施例之反射鏡113係於周緣1121之內表面塗佈一反射性材料。藉此沿第一軸向1111射入而經波段轉換區塊1121a、1121b轉換之第二波段光線1113及第三波 段光線1114，便會因周緣1121之內表面之反射鏡113而反射出，經過反射之第二波段光線1113及第三波段光線1114，均將由聚光元件115聚焦。然而熟知本技術領域者，亦可直接以複數個反射鏡片組成。

第一分光元件114設置於第一光源111及色輪112之周緣1121之間，其中第一分光元件114允許第一波段光線1112通過且反射第二波段光線1113及第三波段光線1114。於本實施例中，第二波段光線1113係綠色波段範圍內之光線，而第三波段光線1114係紅色波段範圍內之光線。換言之，當第一波段光線1112(藍光)投射至第一分光元件114時，將直接通過第一分光元件114射入色輪112周緣1121之二波段轉換區塊其中之一；當第二波段光線1113(綠光)或第三波段光線1114(紅光)反射至第一分光元件114時，均會受到第一分光元件114反射。

二聚光元件115係以第一軸向1111為中心，設置於第一分光元件114及色輪112之周緣1121之間，二聚光元件115係用以聚焦所有通過之光線，亦即聚焦第一波段光線1112至色輪112之周緣1121，並用以聚焦第二波段光線1113及第三波段光線1114入射至第一分光元件114。於本實施例中，各聚光元件115皆為一凸透鏡，然於本發明之其他實施態樣中，熟知此項技術領域者可輕易推及其他數目之聚光元件115、具有各種型態或材質之聚光元件115的態樣。

與第一光源111相同地，第二光源116亦具有複數個藍光雷射光源，適用以提供一第一波段光線1112投射至第二分光元件117。 於其他實施態樣中，第二光源可為單一藍光雷射光源，亦可為至少一藍光發光二極體(Light Emitting Diode，LED)。

第二分光元件117設置於第一分光元件114及集光元件118之間，其中第二分光元件117允許第二波段光線1113及第三波段光線1114通過且反射第一波段光線1112。藉此，第二分光元件117便能將所有通過之第二波段光線1113及第三波段光線1114及反射自第二分光元件117之第一波段光線1112集中聚焦於集光元件118。此外，本發明之集光元件118可為一光通道(light tunnel)或一集光柱(integration rod)。需了解的是，前述之第一波段光線1112、第二波段光線1113及第三波段光線1114係依特定時序，以於不同時間點射出光線，並非同時提供至成像系統13。

以下將詳細介紹本實施例之光源系統11的運作機制。

當光源系統11之時序係欲提供綠光時，第一光源111之藍光雷射光源發射第一波段光線1112，通過第一分光元件114再經由聚光元件115將第一波段光線1112聚焦至色輪112上的第一波段轉換區塊1121a，第一波段光線1112便轉換為第二波段光線1113，並由反射鏡113沿第一軸向1111反射出。第二波段光線1113通過聚光元件115後聚焦至第一分光元件114，此時第二波段光線1113受第一分光元件114反射並通過第二分光元件117，到達於集光元件118以進行均勻光線的動作。

然當光源系統11之時序係欲提供紅光時，第一光源111之藍光雷射光源發射第一波段光線1112，通過第一分光元件114再經由聚光元件115將第一波段光線1112聚焦至色輪112上的第二波段 轉換區塊1121b，第一波段光線1112便轉換為第三波段光線1114，並由反射鏡113沿第一軸向1111反射出。第三波段光線1114通過聚光元件115後聚焦至第一分光元件114，此時第三波段光線1114受第一分光元件114反射並通過第二分光元件117，到達於集光元件118以進行均勻光線的動作。

又當光源系統11之時序係欲提供藍光時，第二光源116之藍光雷射光源發射第一波段光線1112射向第二分光元件117，再經由第二分光元件117反射至集光元件118以進行均勻光線的動作。綜上所述，第一波段光線1112、第二波段光線1113及第三波段光線1114均得投射至集光元件118以進行均光，以將屬於藍光波段之第一波段光線1112、屬於綠光波段之第二波段光線1113以及屬於紅光波段之第三波段光線1114輸出至成像系統13，俾使成像系統13藉由前述之第一波段光線1112、第二波段光線1113以及第三波段光線1114進行成像，投射並顯示出一投影畫面。

藉由將色輪112以第二軸向1122為中心並垂直於第一軸向1111上之設置，便可縮小投影裝置1所需之體積。此外，藉由將綠色螢光材料及紅色螢光材料塗佈於色輪112之一周緣1121上，使得色輪112不但可維持原本之面積，亦可因為色輪112之散熱面積增加而進一步提高光源系統11散熱效率。

本發明之第二實施例係為一種用於一投影裝置2之光源系統21。投影裝置2之示意圖係如第3圖所示，其包含一光源系統21以及一成像系統23。投影裝置2之光源系統21用以提供一光線(圖未示出)，並將光線輸出至成像系統23，俾成像系統23將光線成 像顯示一投影畫面(圖未示出)。本發明第二實施例之光源系統21包括一第一光源211、一色輪212、一反射鏡213、一分光元件214、一第二光源215、二聚光元件216及一集光元件217。本實施例之各元件與第一實施例相似，謹詳述如下。

請參考第3圖，本實施例之第一光源211包含複數個藍光雷射光源(圖未示出)，用以沿一第一軸向2111提供複數個第一波段光線2112，是故，藉此便可加強第一波段光線2112之光線強度，且第一波段光線2112屬於一藍色波段範圍之光線。亦即本實施例之第一光源211係採用與前一實施例之第一光源111相似之設計，第一波段光線2112集中向色輪212之一周緣2121方向射入，而周緣2121亦即為色輪212圓周邊緣。

請一併參考第2圖所示為色輪112之放大示意圖，其與本實施例之色輪212示意圖大同小異，色輪212係以一第二軸向2122為中心作轉動，且第一軸向2111與第二軸向2122垂直，色輪212之周緣2121環設一第一波段轉換區塊2121a及一第二波段轉換區塊2121b，其中第一波段轉換區塊2121a與第二波段轉換區塊2121b毗鄰相接，且第一波段轉換區塊2121a及第二波段轉換區塊2121b係塗佈不同螢光材料。第一波段轉換區塊係塗佈一綠色螢光材料於周緣2121上，用以將第一波段光線2112轉換成一第二波段光線2113；而第二波段轉換區塊係塗佈一紅色螢光材料於周緣2121上，用以將第一波段光線2112轉換為一第三波段光線2114。於本實施例中，第二波段光線2113係綠色波段範圍內之光線，而第三波段光線2114係紅色波段範圍內之光線。熟知此項技術領域 者可依光源強度及色彩表現之需要，適度調整各波段轉換區塊於色輪212上之面積比例；此外，亦可於周緣2121上增設一第三波段轉換區塊，其上塗佈黃色螢光材料，以將第一波段光線2112轉換為一第四波段光線，亦即黃色波段範圍內之光線。

本實施例與前一實施例最大的差異在於，反射鏡213係設置於色輪212相對於波段轉換區塊之另一側，且沿第二軸向2122將第二波段光線2113及第三波段光線2114反射出；亦即轉換後之第二波段光線2113及第三波段光線2114，係通過第一波段轉換區塊2121a及第二波段轉換區塊2121b，繼續向前投射至色輪212內部之反射鏡213，經過反射之第二波段光線2113及第三波段光線2114，均將由聚光元件216聚焦。

更詳細而言，第一實施例所述之反射鏡113為一反射性材料塗覆於波段轉換區塊之背面1123，且隨著色輪112轉動而轉動，相較於本實施例所述之反射鏡213是固定於光源系統21中，因此不會隨著色輪212而產生旋轉運動。

二聚光元件216係以平行於第二軸向2122之方向，設置於反射鏡213及分光元件214之間，二聚光元件216係用以聚焦第二波段光線2113及第三波段光線2114，使其入射至分光元件214。於本實施例中，各聚光元件216皆為一凸透鏡，然於本發明之其他實施態樣中，熟知此項技術領域者可輕易推及其他數目、其他型態或材質之聚光元件的態樣。

與第一光源211相同地，第二光源215亦具有複數個藍光雷射光源，適用以提供一第一波段光線2112投射至分光元件214。於 其他實施態樣中，第二光源可為單一藍光雷射光源，亦可為至少一藍光發光二極體(Light Emitting Diode，LED)。

分光元件214設置於聚光元件216及集光元件217之間，其中分光元件214允許第二波段光線2113及第三波段光線2114通過且反射第一波段光線2112，再將所有通過或反射自分光元件214之光線集中聚焦於集光元件217。於本實施例中，第二波段光線2113係綠色波段範圍內之光線，而第三波段光線2114係紅色波段範圍內之光線。此外，本發明之集光元件217可為一光通道或一集光柱。同樣地，前述之第一波段光線2112、第二波段光線2113及第三波段光線2114係依特定時序，以於不同時間點射出光線，並非同時提供至成像系統23。

以下將詳細介紹本實施例之光源系統21的運作機制。

當光源系統21之時序係欲提供綠光時，第一光源211之藍光雷射光源發射第一波段光線2112至色輪212上的第一波段轉換區塊2121a，接著轉換後之第二波段光線2113穿透第一波段轉換區塊2121a，以經由反射鏡213沿第二軸向2122反射出。第二波段光線2113通過聚光元件216後，便聚焦至分光元件214，此時第二波段光線2113適以通過分光元件214，接著到達於集光元件217以進行均勻光線的動作。

當光源系統21之時序係欲提供紅光時，第一光源211之藍光雷射光源發射第一波段光線2112至色輪212上的第二波段轉換區塊2121b，接著轉換後之第三波段光線2114穿透第二波段轉換區塊2121b，以經由反射鏡213沿第二軸向2122反射出。第三波段光 線2114通過聚光元件216後，便聚焦至分光元件214，此時第三波段光線2114適以通過分光元件214，接著到達於集光元件217以進行均勻光線的動作。

又當光源系統21之時序係欲提供藍光時，第二光源215之藍光雷射光源發射第一波段光線2112射向分光元件214，再經由分光元件214反射至集光元件217以進行均勻光線的動作。綜上所述，第一波段光線2112、第二波段光線2113及第三波段光線2114均得投射至集光元件217以進行均光，以將屬於藍光波段之第一波段光線2112、屬於綠光波段之第二波段光線2113以及屬於紅光波段之第三波段光線2114輸出至成像系統23，俾使成像系統23藉由前述之第一波段光線2112、第二波段光線2113以及第三波段光線2114進行成像，投射並顯示出一投影畫面。

藉由將綠色螢光材料及紅色螢光材料塗佈於色輪212之一周緣2121上，使得色輪212不但可維持原本之面積，亦可因為色輪212之散熱面積增加而進一步提高散熱效率。

上述各實施例之元件數量及位置均可視需求進行調整，舉例而言，如第二實施例中，可增加多個聚光元件216於第一光源211及色輪212間，以使第一波段光線2112更加集中於色輪212上；此外，於各個實施例中，色輪亦可塗佈其他顏色的螢光材料(如黃色螢光材料)，以達到不同的成像色彩需求，使色彩能更加鮮豔、顯色或是提高亮度。

綜上所述，本發明之光源系統能夠在最小之體積使用下，利用獨立之藍光雷射光源和具有紅色螢光材料以及綠色螢光材料之波 長轉換區塊，取代使用單一光源投射至色輪之方式，並能有效地增加光源系統之散熱效率。如此一來，透過本發明之光源系統，將能大幅改善習知投影裝置中所存在之問題。

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‧‧‧投影裝置

11‧‧‧光源系統

111‧‧‧第一光源

1111‧‧‧第一軸向

1112‧‧‧第一波段光線

1113‧‧‧第二波段光線

1114‧‧‧第三波段光線

112‧‧‧色輪

1121‧‧‧周緣

1121a‧‧‧第一波段轉換區塊

1121b‧‧‧第二波段轉換區塊

1122‧‧‧第二軸向

1123‧‧‧背面

113‧‧‧反射鏡

114‧‧‧第一分光元件

115‧‧‧聚光元件

116‧‧‧第二光源

117‧‧‧第二分光元件

118‧‧‧集光元件

13‧‧‧成像系統

2‧‧‧投影裝置

21‧‧‧光源系統

211‧‧‧第一光源

2111‧‧‧第一軸向

2112‧‧‧第一波段光線

2113‧‧‧第二波段光線

2114‧‧‧第三波段光線

212‧‧‧色輪

2121‧‧‧周緣

2121a‧‧‧第一波段轉換區塊

2121b‧‧‧第二波段轉換區塊

2122‧‧‧第二軸向

213‧‧‧反射鏡

214‧‧‧分光元件

215‧‧‧第二光源

216‧‧‧聚光元件

217‧‧‧集光元件

23‧‧‧成像系統

第1圖係本發明第一實施例之投影裝置示意圖；第2圖係本發明第一實施例之部分元件放大立體圖；以及第3圖係本發明第二實施例之投影裝置示意圖。

1‧‧‧投影裝置

11‧‧‧光源系統

111‧‧‧第一光源

1111‧‧‧第一軸向

1112‧‧‧第一波段光線

1113‧‧‧第二波段光線

1114‧‧‧第三波段光線

112‧‧‧色輪

1121‧‧‧周緣

1121a‧‧‧第一波段轉換區塊

1121b‧‧‧第二波段轉換區塊

1122‧‧‧第二軸向

113‧‧‧反射鏡

114‧‧‧第一分光元件

115‧‧‧聚光元件

116‧‧‧第二光源

117‧‧‧第二分光元件

118‧‧‧集光元件

13‧‧‧成像系統

Claims (11)

1. 一種光源系統，包含：一第一光源，沿一第一軸向提供一第一波段光線；一第二光源，以提供一第一波段光線，該第一波段光線係為一藍色光線；一色輪，以一第二軸向為中心轉動，且該第一軸向與該第二軸向垂直，該色輪之一周緣環設一第一波段轉換區塊，該第一波段轉換區塊係塗佈一螢光材料；以及一反射鏡，鄰設於該色輪之該周緣；其中，當該第一波段光線投射至該第一波段轉換區塊時，該第一波段轉換區塊將該第一波段光線轉換為一第二波段光線，該反射鏡反射該第二波段光線。
2. 如請求項1所述之光源系統，其中該反射鏡係沿該第一軸向將該第二波段光線反射出。
3. 如請求項2所述之光源系統，更包含一分光元件，設置於該第一光源及該色輪之該周緣之間，該分光元件允許該第一波段光線通過且反射該第二波段光線。
4. 如請求項2所述之光源系統，其中該色輪之該周緣更環設與該第一波段轉換區塊相接之一第二波段轉換區塊，當該第一波段光線投射至該第二波段轉換區塊時，該第二波段轉換區塊將該第一波段光線轉換為一第三波段光線，該反射鏡沿該第一軸向將該第三波段光線反射出。
5. 如請求項4所述之光源系統，更包含一分光元件，設置於該第一光源及該色輪之該周緣之間，該分光元件允許該第一波 段光線通過且反射該第二波段光線及該第三波段光線。
6. 如請求項1所述之光源系統，其中該反射鏡係沿該第二軸向將該第二波段光線反射出。
7. 如請求項6所述之光源系統，其中該色輪之該周緣更環設與該第一波段轉換區塊相接之一第二波段轉換區塊，當該第一波段光線投射至該第二波段轉換區塊時，該第二波段轉換區塊將該第一波段光線轉換為一第三波段光線，該反射鏡沿該第二軸向將該第三波段光線反射出。
8. 如請求項1所述之光源系統，其中該第一光源包含複數個藍光雷射光源。
9. 如請求項1所述之光源系統，該第二光源，具有至少一藍光雷射光源或至少一藍光發光二極體(Light Emitting Diode，LED)。
10. 如請求項4或7所述之光源系統，其中該第一波段轉換區塊及該第二波段轉換區塊係塗佈一綠色螢光材料、一紅色螢光材料或一黃色螢光材料，且該第一波段轉換區塊及該第二波段轉換區塊係塗佈不同螢光材料。
11. 一種投影裝置，包含：一種如請求項1所述之光源系統，提供該等第一波段光線、該第二波段光線及該第三波段光線；以及一成像系統，將該光源系統提供之該等第一波段光線、該第二波段光線及該第三波段光線進行成像。