光学系统.pdf

上传人:zhu****69 文档编号:5572765 上传时间:2019-02-16 格式:PDF 页数:15 大小:2.05MB
返回 下载 相关 举报
摘要
申请专利号:

CN201310017478.0

申请日:

2013.01.17

公开号:

CN103941532A

公开日:

2014.07.23

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G03B 21/20申请日:20130117|||公开

IPC分类号:

G03B21/20; G02B27/09; F21V13/00

主分类号:

G03B21/20

申请人:

台达电子工业股份有限公司

发明人:

王博

地址:

中国台湾桃园县

优先权:

专利代理机构:

隆天国际知识产权代理有限公司 72003

代理人:

赵根喜;吕俊清

PDF下载: PDF下载
内容摘要

本发明提出一光学系统,其用于一投影机中,且包含依序设置的一固态光源模块、一光学模块、一荧光元件及一光中继模块。固态光源模块可产生一第一光束,而光学模块可传递及均匀第一光束,以使第一光束均匀照射于荧光元件上。光学模块并可使第一光束照射于荧光元件的一光斑具有一预定形状及一预定面积,从而使荧光元件以一发光面积来发射一第二光束。光中继模块可接收第二光束的一部分光束,该部分光束具有一立体角,而该立体角与该发光面积所定义的一光展量可等同于投影机的光调变器的一光展量。

权利要求书

权利要求书
1.  一种光学系统,用于一投影机中,其特征在于,包含:
一固态光源模块,用以产生一第一光束;
一光学模块,设置于该固态光源模块的一侧;
一荧光元件,设置于该光学模块的一侧,而该光学模块设置于该固态光源模块与该荧光元件之间;以及
一光中继模块,设置于该荧光元件的一侧,而该荧光元件设置于该光学模块与该光中继模块之间;
其中,该光学模块用以传递及均匀该第一光束,以使该第一光束均匀照射于该荧光元件上,该光学模块并用以使该第一光束照射于该荧光元件的一光斑具有一预定形状及一预定面积,从而使该荧光元件以一发光面积来发射一第二光束;
其中,该光中继模块用以接收该第二光束的一部分光束,该部分光束具有一立体角,而该立体角与该发光面积所定义的一光展量实质地等同于该投影机的一光调变器的一光展量。

2.  如权利要求1所述的光学系统,其中,该立体角与该发光面积所定义的该光展量为该发光面积与该立体角的乘积;该光调变器具有一调变面积及一可用光立体角,该光调变器的该光展量为该调变面积与该可用光立体角的乘积。

3.  如权利要求2所述的光学系统,其中,该光调变器的该可用光立体角对应于该投影机的一投影镜头的光圈数。

4.  如权利要求1所述的光学系统,其中,该光学模块具有一积分柱及至少一中继透镜。

5.  如权利要求4所述的光学系统,其中,该积分柱的一出口的形状相同于该第一光束照射于该荧光元件的该光斑。

6.  如权利要求1所述的光学系统,其中,该光学模块具有两个透镜阵列及至少一中继透镜。

7.  如权利要求6所述的光学系统,其中,所述两个透镜阵列分别具有多个透镜,而所述多个透镜的形状相同于该第一光束照射于该荧光元件的该光 斑。

8.  如权利要求1所述的光学系统,其中,该光中继模块包含至少一透镜。

9.  如权利要求1所述的光学系统,其中,该固态光源模块具有多个固态光源,所述多个固态光源为一激光二极管或一发光二极管。

10.  如权利要求1所述的光学系统,其中,该光调变器为一数字微镜装置、一硅基液晶装置或一液晶装置。

11.  如权利要求1所述的光学系统,其中,该荧光元件为一固定式的荧光板或一旋转式的荧光色轮。

说明书

说明书光学系统
技术领域
本发明有关一种光学系统,特别关于一种用于投影机中的光学系统。
背景技术
目前的投影机越来越多采用一固态光源模块配合一荧光元件的光学系统,来产生不同颜色的光线。请参阅图1所示,此种光学系统中,固态光源模块10A具有多个激光二极管11A,该些激光二极管11A可分别产生一激光12A,然后该些激光12A经由一透镜13A汇聚至荧光元件20A上,以使该荧光元件20A激发出具有特定颜色(波长)的散射的光线21A。然而,该种光学系统至少具有以下两种缺失。
首先,该些激光12A借由透镜13A汇聚至荧光元件20A时,并不会均匀地照射于荧光元件20A上;换言之,荧光元件20A的某些区域会被较多的激光12A照射,而某些区域会被较少的激光12A照射到。若被较多的激光12A照射时,荧光元件20A的那些区域将会产生较高的温度,可能使得荧光元件20A的发光效率(exciting efficiency)降低,也就是说荧光元件上所涂布的荧光剂的激发效率会随着温度升高而有热衰退的现象。
另外,该些激光12A照射于荧光元件20A上的光斑(light spot)的形状及面积并没有经过适当地设计,常会造成荧光元件20A的发光面积过大,从而使得荧光元件20A具有过大的光展量(étendue or Etendue);也就是指,荧光元件20A的光展量会大于投影机的光调变器(图未示)所能接受的光展量,使得部分的激发光线21A无法被光调变器利用而造成光损失。需说明的是,光展量为光源面积与发散立体角(solid angle)的乘积,用以表示光线的几何特性。
为了使上述两种缺失能够改善,必需精密地调整各激光二极管11A的位置以及激光12A光束的角度及方向,同时更要精密地对齐由激光二极管11A到荧光元件20A之间的所有光学元件。尔后,该些激光12A才会均匀照射于 荧光元件20A上,且该些激光12A照射于荧光元件20A上的光斑才会有适当的形状及面积。但是,上述的改善方式会耗费大量的时间及成本,且实务上并不容易控制,因此不利于投影机的制造。因此在廉价的投影机中,荧光元件的激发效率并不好,所激发出的光线也没有被有效地利用。
有鉴于此,提供一种可改善至少一种上述缺失的光学系统,乃为此业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种光学系统,其可容易地让荧光元件有良好的激发效率。
本发明的另一目的在于提供另一种光学系统,其可容易地让荧光元件所激发的光线被投影机良好地应用。
为达上述目的,本发明所公开的光学系统可用于一投影机中,且其包含:一固态光源模块,用以产生一第一光束;一光学模块,设置于该固态光源模块的一侧;一荧光元件,设置于该光学模块的一侧,而该光学模块设置于该固态光源模块与该荧光元件之间;以及一光中继模块,设置于该荧光元件的一侧,而该荧光元件设置于该光学模块与该光中继模块之间;其中,该光学模块用以传递及均匀该第一光束,以使该第一光束均匀照射于该荧光元件上,该光学模块并用以使该第一光束照射于该荧光元件的一光斑具有一预定形状及一预定面积,从而使该荧光元件以一发光面积来发射一第二光束;该光中继模块用以接收该第二光束的一部分光束,该部分光束具有一立体角;其中,该立体角与该发光面积所定义的一光展量实质地等同于该投影机的一光调变器的一光展量。
本发明所公开的光学系统仅借由光学模块,即可让第一光束均匀地照射该荧光元件且具有预定形状及面积的光斑,不需像现有般采取精密地调整固态光源的相对位置等耗费时间及成本的作法。因此,本发明所揭露的光学系统可容易地让荧光元件有良好的激发效率,以及让荧光元件所激发的光线被投影机良好地应用。
为让上述目的、技术特征及优点能更明显易懂,下文以较佳的实施例配合附图进行详细说明。
附图说明
图1为现有的光学系统的平面示意图。
图2为为依据本发明的第一实施例的光学系统的一平面示意图。
图3为依据本发明的第一或第二实施例的光学系统的另一平面示意图。
图4为图2的光学系统的固态光源模块的平面示意图。
图5为图2的光学系统的荧光元件的温度与发光效率的关系示意图
图6为图2的光学系统的第一光束的光斑与荧光元件的示意图。
图7为依据本发明的第一实施例的光调变器及投影镜头的平面示意图。
图8为依据本发明的第二实施例的光学系统的平面示意图。
其中,附图标记说明如下:
“现有”
10A固态光源模块
11A激光二极管
12A激光
13A透镜
20A荧光元件
21A光线
“本发明”
1、2光学系统
10固态光源模块
11固态光源
111光线
12准直透镜
13第一光束
131光斑
20光学模块
21积分柱
211出口
22中继透镜
30荧光元件
31第二光束
311部分光束
θ1立体角
A2发光面积
35光中继模块
351透镜
40光调变器
41调变面积
θ2可用光立体角
50投影镜头
53均光元件
55光传递模块
60光学模块
61透影阵列
611透镜
62中继透镜
具体实施方式
请参阅图2及图3所示,分别为依据本发明的第一实施例的光学系统的二平面示意图。于本发明的第一实施例中,一光学系统1被提出,其可应用于一投影机中,也可视为投影机的一部分。该光学系统1包括了一固态光源模块10、一光学模块20、一荧光元件30及一光中继模块35;另外,后述的投影机的光调变器40、投影镜头50、均光元件53或光传递模块55等亦可视为包括于该光学系统1中。
整体而言,固态光源模块10、光学模块20、荧光元件30及光中继模块35为依序地设置;也就是,光学模块20设置于固态光源模块10的一侧(例如后侧),荧光元件30设置于光学模块20的一侧(例如后侧),而光中继模块 35设置于荧光元件30的一侧(例如后侧)。如此,光学模块20会设置于固态光源模块10与荧光元件之间30,而荧光元件30会设置于光学模块20与光中继模块35之间。
固态光源模块10、光学模块20、荧光元件30、光中继模块35及光调变器40等的进一步技术特征将依序说明如下。
请配合参阅图4所示,为图2的光学系统的固态光源模块的平面示意图。该固态光源模块10可具有多个固态光源11,而该些固态光源11可为一激光二极管或一发光二极管;于本实施例中,固态光源11以激光二极管为例示。固态光源模块10还可选择地包括多个准直透镜12,该些准直透镜12分别设置于该些固态光源11的一侧,以接收该些固态光源11发射出的光线111,并使光线111能更为准直。此外,该些固态光源11还会设置成能使得所发射出的该些光线111有良好的平行度。
该些固态光源11所产生光线111可集合成一第一光束13,换言之,固态光源模块10整体而言可借由该些固态光源11来产生一第一光束13。由于该些光线111皆有良好的准直度,且该些光线111的平行度也为良好,故第一光束13整体也会有良好的准直度。
请复参阅图2,该光学模块20可传递及均匀该第一光束13,且其可具有一积分柱(integration rod)21及至少一中继透镜(relay lens)22,而中继透镜22的数目以三个为例示。
第一光束13可被第一个中继透镜22汇聚及传递至积分柱21中,以被积分柱21均匀化;也就是,第一光束13通过积分柱21时,会在积分柱21中反射或全反射,使得离开积分柱21后的第一光束13能有较为均匀分布的光强度。要说明的是该积分柱21可为实心或是空心的态样。
被均匀后的第一光束13接着会被第二及第三个中继透镜22传递至荧光元件30上。荧光元件30可为一固定式的荧光板或一旋转式的荧光色轮,且可为一穿透式荧光元件或反射式荧光元件。
第一光束13会均匀地照射于荧光元件30上,以使得荧光元件30被激发光的效率因热衰退的影响达到最小。请配合参阅图5所示,为图2的光学系统的荧光元件的温度与发光效率的关系示意图。详言之,荧光元件30的最大发光效率对应一特定温度,例如40度左右(此数值仅为例示);当荧光元件30 被第一光束13均匀照射时,荧光元件30的温度不易超过该特定温度,故被激发光的效率因热衰退的影响可达到最小。
请参阅图2及图6所示,图6为图2的光学系统的第一光束的光斑与荧光元件的示意图。光学模块20除了使第一光束13均匀地照射于荧光元件30,还可使第一光束13照射于荧光元件30的一光斑131具有一预定面积(即一预定尺寸)及一预定形状。
光斑131的预定形状设置成与光调变器40(如图7所示)的形状相同(或相似)。因此,若光调变器40的形状为一矩型,则光斑131的预定形状会相同或相似于该矩型。
光斑131的预定形状又与积分柱21的出口(output aperture)211的形状有关联。详言之,第一光束13通过积分柱21后,除了被均匀化,还会被积分柱21塑型(shaped),使得第一光束13的沿着主光轴的截面的形状相同或相似于积分柱21的出口211的形状。
然后,若荧光元件30垂直于第一光束13的主光轴时,塑型后的光斑131的预定形状会等同于积分柱21的出口211的形状;若荧光元件30倾斜于第一光束13的主光轴时,塑型后的光斑131的预定形状不会等同于积分柱21的出口211的形状,而是等同于“积分柱21的出口211沿着第一光束13的主光轴投影至荧光元件30上”的形状。
举例而言,若光斑131的预定形状需为一矩型(长宽比为4:3),则当荧光元件30垂直于第一光束13的主光轴时,积分柱21的出口211可设置成同个矩型;但是当荧光元件30倾斜于第一光束13的主光轴时,积分柱21的出口211会设置成另一个矩型(长宽比非为4:3)。
光斑131的预定面积与“积分柱21的出口211的面积”以及“中继透镜22的放大率(magnification)”有关联。详言之,当荧光元件30垂直于第一光束13的主光轴时,光斑131的面积为“出口211的面积与中继透镜22的放大率的乘积”,因此调整出口211的面积及/或中继透镜22的放大率,即可得到光斑131的预定面积。
当荧光元件30倾斜于第一光束13的主光轴时,光斑131的预定面积除了要考量“出口211的面积与中继透镜22的放大率的乘积”,还要考量“荧光元件30相对于第一光束13的主光轴的夹角”,才能使光斑131的面积符 合所需。
当第一光束13照射于荧光元件30的光斑131具有预定面积及预定形状后,可使得荧光元件30以一发光面积A2来发射一第二光束31。
请复参阅图3,光中继模块35可包含至少一透镜351,而本实施例以两个透镜351为例。光中继模块35可接受第二光束31的一部分光束311;换言之,第二光束31不是全部皆被光中继模块35接收,超过光中继模块35的接收范围外的光线即不会进入至光中继模块35中。部分光束311具有一立体角θ1,该立体角θ1对应光中继模块35的收光能力时;也就是,若光中继模块35能接收越多的部分光束311时,部分光束311的立体角θ1将越大。光中继模块35的收光能力可由“光中继模块35的尺寸”或是“光中继模块35与荧光元件30之间的距离”来决定。
“部分光束311的立体角θ1”与“荧光元件30的发光面积A2”可定义一光展量Ep,该光展量Ep与立体角θ1及发光面积A2之间的关系可为:发光面积A2与立体角θ1的乘积,也就是,Ep=A2θ1。立体角θ1与发光面积A2所定义的光展量Ep将实质地等于投影机的光调变器40的可利用的光展量Em。如此,部分光束311尔后经由均光元件53(例如积分柱或光导管等)及光传递模块55等传递至光调变器40时,可被光调变器40充分地利用,减少部分光束311的光损失。
请参阅图7所示,为本发明的第一实施例的光调变器及投影镜头的平面示意图。光调变器40可为一数字微镜装置(DMD)、一硅基液晶装置(LCoS)或一液晶装置(LCD)。光调变器40具有一调变面积(modulator area)A1及一数值孔径(numeral aperture,NA),该数值孔径NA与光调变器40的一可用光(即可接收光)立体角θ2有关联,并还进一步与投影机的一投影镜头50的光圈数(F-number)相关,其关系式为θ2=π(1/F-number)2;因此,当投影镜头50较大、光圈数较小时,光调变器40的可用光立体角θ2即会增加。光调变器40的光展量Em为调变面积A1与可用光立体角θ2的函数,举例而言,光展量Em可为:调变面积A1与可用光立体角θ2的乘积,也就是,Em=A1θ2。
请复参阅图3及图6。当光调变器40的光展量Em已知后,可决定出“部分光束311的立体角θ1”与“荧光元件30的发光面积A2”所定义的光展量Ep,进而决定出立体角θ1与发光面积A2的所需数值。使用者 可先选定立体角θ1与发光面积A2其中一者的所需数值,然后再推算另一者的所需数值。简言之,当光调变器40的光展量Em已知后,荧光元件30的所需发光面积A2即可决定出。
荧光元件30的发光面积A2与第一光束13的光斑131的预定面积相关联,故所需的发光面积A2已知后,光斑131的预定面积即可决定出,从而决定积分柱21的出口211的面积及/或中继透镜22的放大率。
通常,光斑131的预定面积可等同荧光元件30的所需发光面积A2;举例而言,若荧光元件30的所需发光面积A2为20平方厘米,则光斑131的预定面积也可为20平方厘米。较佳地,光斑131的预定面积可略小于荧光元件30的所需发光面积A2,这是考量到下列因素:荧光元件30会因为本身的厚度,使得发光面积A2比照射面积(即光斑131的预定面积)还要大,故发光面积A2与光斑131的预定面积相等时,发光面积A2会超过所需值,因此光斑131的预定面积需缩小。
综合上述,光斑131的预定面积是依据光调变器40的光展量Em及荧光元件30的发光面积A2来定义,且是借由调整光学模块20的参数(例如积分柱21的出口211的面积及/或中继透镜22的放大率)来实现出。
请参阅图8所示,为依据本发明的第二实施例的光学系统的平面示意图。于本发明的第二实施例中,另一光学系统2被提出。光学系统2与光学系统1的差异在于:光学系统2包括另一种态样的光学模块60。
详言之,光学模块60具有两个透镜阵列(lens array or fly eye array)61及至少一中继透镜62,该两个透镜阵列61可设置于中继透镜62的一侧(例如前侧),且该两个透镜阵列61各具有多个透镜611;中继透镜62的数目以一个为例示。
固态光源模块10所产生的第一光束13可直接传递至两个透镜阵列61,然后被两个透镜阵列61均匀化。并且,第一光束13在通过两个透镜阵列61后,其也会被塑型,以使通过透镜阵列61后的第一光束13的沿着主光轴的截面的形状相同于透镜阵列61的透镜611的形状。
尔后,被均匀及塑型的第一光束13会被中继透镜62传递至荧光元件30上。第一光束13会均匀照射荧光元件30,且第一光束13照射于荧光元件30上的光斑131具有一预定面积及一预定形状,从而使荧光元件30以一发光面 积A2来发射一第二光束31。
请配合参阅图3,第二光束31的部分光束311接着可被光中继模块35接收,而部分光束311的立体角θ1与发光面积A2所定义出的光展量Ep将会实质等于光调变器40的光展量Em。如此,光学系统2也可如光学系统1般,使光中继模块35所接收的部分光束311可被光调变器40充分地利用。
与第一实施例类似,光斑131的预定形状与透镜阵列61的透镜611的形状有关联,也就是,光斑131的预定形状可相同于透镜611的形状或是“透镜611沿着第一光束13的主光轴投影至荧光元件30上”的形状;光斑131的预定面积是依据光调变器(图未示)及荧光元件30的光展量来定义,且可借由调整光学模块60的参数(例如透镜611的面积及/或中继透镜62的放大率)而实现出。
需说明的是,固态光源模块10所产生的第一光束13实际上无法完全地准直,而是仍有些扩散角;第一光束13的扩散角的容许值与两透镜阵列61的参数有关联。
详言之,两个透镜阵列61的透镜611分别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),而两个透镜阵列61之间于一第三方向上具有一间距(d);该第一方向、第二方向及第三方向为彼此正交,且第三方向平行于第一光束13的主光轴。第一光束13于第一方向的扩散角应不超过sin-1(a/d),而于第二方向的扩散角应不超过sin-1(b/d)。另说明的是,两透镜阵列61的每一个透镜611的焦距,约等于两透镜阵列61之间的间距(d)。
综上所述,本发明所公开的光学系统仅借由光学模块,即可让第一光束均匀地照射该荧光元件且具有预定形状及面积的光斑,不需像现有般采取精密地调整固态光源的相对位置等耗费时间及成本的作法。因此,本发明所揭露的光学系统可容易地让荧光元件有良好的激发效率,以及让荧光元件所激发的光线被投影机良好地应用。
上述的实施例仅用来例举本发明的实施态样,以及阐释本发明的技术特征,并非用来限制本发明的保护范畴。任何本领域普通技术人员可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围,本发明的权利保护范围应以权利要求书为准。

光学系统.pdf_第1页
第1页 / 共15页
光学系统.pdf_第2页
第2页 / 共15页
光学系统.pdf_第3页
第3页 / 共15页
点击查看更多>>
资源描述

《光学系统.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光学系统.pdf(15页珍藏版)》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 103941532 A (43)申请公布日 2014.07.23 CN 103941532 A (21)申请号 201310017478.0 (22)申请日 2013.01.17 G03B 21/20(2006.01) G02B 27/09(2006.01) F21V 13/00(2006.01) (71)申请人 台达电子工业股份有限公司 地址 中国台湾桃园县 (72)发明人 王博 (74)专利代理机构 隆天国际知识产权代理有限 公司 72003 代理人 赵根喜 吕俊清 (54) 发明名称 光学系统 (57) 摘要 本发明提出一光学系统, 其用于一投影机中, 且包含依。

2、序设置的一固态光源模块、 一光学模块、 一荧光元件及一光中继模块。固态光源模块可产 生一第一光束, 而光学模块可传递及均匀第一光 束, 以使第一光束均匀照射于荧光元件上。 光学模 块并可使第一光束照射于荧光元件的一光斑具有 一预定形状及一预定面积, 从而使荧光元件以一 发光面积来发射一第二光束。光中继模块可接收 第二光束的一部分光束, 该部分光束具有一立体 角, 而该立体角与该发光面积所定义的一光展量 可等同于投影机的光调变器的一光展量。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书。

3、7页 附图6页 (10)申请公布号 CN 103941532 A CN 103941532 A 1/1 页 2 1. 一种光学系统, 用于一投影机中, 其特征在于, 包含 : 一固态光源模块, 用以产生一第一光束 ; 一光学模块, 设置于该固态光源模块的一侧 ; 一荧光元件, 设置于该光学模块的一侧, 而该光学模块设置于该固态光源模块与该荧 光元件之间 ; 以及 一光中继模块, 设置于该荧光元件的一侧, 而该荧光元件设置于该光学模块与该光中 继模块之间 ; 其中, 该光学模块用以传递及均匀该第一光束, 以使该第一光束均匀照射于该荧光元 件上, 该光学模块并用以使该第一光束照射于该荧光元件的一光。

4、斑具有一预定形状及一预 定面积, 从而使该荧光元件以一发光面积来发射一第二光束 ; 其中, 该光中继模块用以接收该第二光束的一部分光束, 该部分光束具有一立体角, 而 该立体角与该发光面积所定义的一光展量实质地等同于该投影机的一光调变器的一光展 量。 2. 如权利要求 1 所述的光学系统, 其中, 该立体角与该发光面积所定义的该光展量为 该发光面积与该立体角的乘积 ; 该光调变器具有一调变面积及一可用光立体角, 该光调变 器的该光展量为该调变面积与该可用光立体角的乘积。 3. 如权利要求 2 所述的光学系统, 其中, 该光调变器的该可用光立体角对应于该投影 机的一投影镜头的光圈数。 4. 如权。

5、利要求 1 所述的光学系统, 其中, 该光学模块具有一积分柱及至少一中继透镜。 5. 如权利要求 4 所述的光学系统, 其中, 该积分柱的一出口的形状相同于该第一光束 照射于该荧光元件的该光斑。 6. 如权利要求 1 所述的光学系统, 其中, 该光学模块具有两个透镜阵列及至少一中继 透镜。 7. 如权利要求 6 所述的光学系统, 其中, 所述两个透镜阵列分别具有多个透镜, 而所述 多个透镜的形状相同于该第一光束照射于该荧光元件的该光斑。 8. 如权利要求 1 所述的光学系统, 其中, 该光中继模块包含至少一透镜。 9. 如权利要求 1 所述的光学系统, 其中, 该固态光源模块具有多个固态光源,。

6、 所述多个 固态光源为一激光二极管或一发光二极管。 10. 如权利要求 1 所述的光学系统, 其中, 该光调变器为一数字微镜装置、 一硅基液晶 装置或一液晶装置。 11. 如权利要求 1 所述的光学系统, 其中, 该荧光元件为一固定式的荧光板或一旋转式 的荧光色轮。 权 利 要 求 书 CN 103941532 A 2 1/7 页 3 光学系统 技术领域 0001 本发明有关一种光学系统, 特别关于一种用于投影机中的光学系统。 背景技术 0002 目前的投影机越来越多采用一固态光源模块配合一荧光元件的光学系统, 来产生 不同颜色的光线。请参阅图 1 所示, 此种光学系统中, 固态光源模块 10。

7、A 具有多个激光二极 管11A, 该些激光二极管11A可分别产生一激光12A, 然后该些激光12A经由一透镜13A汇聚 至荧光元件 20A 上, 以使该荧光元件 20A 激发出具有特定颜色 ( 波长 ) 的散射的光线 21A。 然而, 该种光学系统至少具有以下两种缺失。 0003 首先, 该些激光 12A 借由透镜 13A 汇聚至荧光元件 20A 时, 并不会均匀地照射于荧 光元件 20A 上 ; 换言之, 荧光元件 20A 的某些区域会被较多的激光 12A 照射, 而某些区域会 被较少的激光 12A 照射到。若被较多的激光 12A 照射时, 荧光元件 20A 的那些区域将会产 生较高的温度,。

8、 可能使得荧光元件20A的发光效率(exciting efficiency)降低, 也就是说 荧光元件上所涂布的荧光剂的激发效率会随着温度升高而有热衰退的现象。 0004 另外, 该些激光 12A 照射于荧光元件 20A 上的光斑 (light spot) 的形状及面积并 没有经过适当地设计, 常会造成荧光元件20A的发光面积过大, 从而使得荧光元件20A具有 过大的光展量 (tendue or Etendue) ; 也就是指, 荧光元件 20A 的光展量会大于投影机的 光调变器 ( 图未示 ) 所能接受的光展量, 使得部分的激发光线 21A 无法被光调变器利用而 造成光损失。需说明的是, 光。

9、展量为光源面积与发散立体角 (solid angle) 的乘积, 用以表 示光线的几何特性。 0005 为了使上述两种缺失能够改善, 必需精密地调整各激光二极管 11A 的位置以及激 光 12A 光束的角度及方向, 同时更要精密地对齐由激光二极管 11A 到荧光元件 20A 之间的 所有光学元件。尔后, 该些激光 12A 才会均匀照射于荧光元件 20A 上, 且该些激光 12A 照射 于荧光元件 20A 上的光斑才会有适当的形状及面积。但是, 上述的改善方式会耗费大量的 时间及成本, 且实务上并不容易控制, 因此不利于投影机的制造。因此在廉价的投影机中, 荧光元件的激发效率并不好, 所激发出的。

10、光线也没有被有效地利用。 0006 有鉴于此, 提供一种可改善至少一种上述缺失的光学系统, 乃为此业界亟待解决 的问题。 发明内容 0007 本发明的一目的在于提供一种光学系统, 其可容易地让荧光元件有良好的激发效 率。 0008 本发明的另一目的在于提供另一种光学系统, 其可容易地让荧光元件所激发的光 线被投影机良好地应用。 0009 为达上述目的, 本发明所公开的光学系统可用于一投影机中, 且其包含 : 一固态光 源模块, 用以产生一第一光束 ; 一光学模块, 设置于该固态光源模块的一侧 ; 一荧光元件, 说 明 书 CN 103941532 A 3 2/7 页 4 设置于该光学模块的一侧。

11、, 而该光学模块设置于该固态光源模块与该荧光元件之间 ; 以及 一光中继模块, 设置于该荧光元件的一侧, 而该荧光元件设置于该光学模块与该光中继模 块之间 ; 其中, 该光学模块用以传递及均匀该第一光束, 以使该第一光束均匀照射于该荧光 元件上, 该光学模块并用以使该第一光束照射于该荧光元件的一光斑具有一预定形状及一 预定面积, 从而使该荧光元件以一发光面积来发射一第二光束 ; 该光中继模块用以接收该 第二光束的一部分光束, 该部分光束具有一立体角 ; 其中, 该立体角与该发光面积所定义的 一光展量实质地等同于该投影机的一光调变器的一光展量。 0010 本发明所公开的光学系统仅借由光学模块, 。

12、即可让第一光束均匀地照射该荧光元 件且具有预定形状及面积的光斑, 不需像现有般采取精密地调整固态光源的相对位置等耗 费时间及成本的作法。因此, 本发明所揭露的光学系统可容易地让荧光元件有良好的激发 效率, 以及让荧光元件所激发的光线被投影机良好地应用。 0011 为让上述目的、 技术特征及优点能更明显易懂, 下文以较佳的实施例配合附图进 行详细说明。 附图说明 0012 图 1 为现有的光学系统的平面示意图。 0013 图 2 为为依据本发明的第一实施例的光学系统的一平面示意图。 0014 图 3 为依据本发明的第一或第二实施例的光学系统的另一平面示意图。 0015 图 4 为图 2 的光学系。

13、统的固态光源模块的平面示意图。 0016 图 5 为图 2 的光学系统的荧光元件的温度与发光效率的关系示意图 0017 图 6 为图 2 的光学系统的第一光束的光斑与荧光元件的示意图。 0018 图 7 为依据本发明的第一实施例的光调变器及投影镜头的平面示意图。 0019 图 8 为依据本发明的第二实施例的光学系统的平面示意图。 0020 其中, 附图标记说明如下 : 0021 “现有” 0022 10A 固态光源模块 0023 11A 激光二极管 0024 12A 激光 0025 13A 透镜 0026 20A 荧光元件 0027 21A 光线 0028 “本发明” 0029 1、 2 光学。

14、系统 0030 10 固态光源模块 0031 11 固态光源 0032 111 光线 0033 12 准直透镜 0034 13 第一光束 0035 131 光斑 说 明 书 CN 103941532 A 4 3/7 页 5 0036 20 光学模块 0037 21 积分柱 0038 211 出口 0039 22 中继透镜 0040 30 荧光元件 0041 31 第二光束 0042 311 部分光束 0043 1立体角 0044 A2 发光面积 0045 35 光中继模块 0046 351 透镜 0047 40 光调变器 0048 41 调变面积 0049 2可用光立体角 0050 50 投影。

15、镜头 0051 53 均光元件 0052 55 光传递模块 0053 60 光学模块 0054 61 透影阵列 0055 611 透镜 0056 62 中继透镜 具体实施方式 0057 请参阅图 2 及图 3 所示, 分别为依据本发明的第一实施例的光学系统的二平面示 意图。于本发明的第一实施例中, 一光学系统 1 被提出, 其可应用于一投影机中, 也可视为 投影机的一部分。该光学系统 1 包括了一固态光源模块 10、 一光学模块 20、 一荧光元件 30 及一光中继模块 35 ; 另外, 后述的投影机的光调变器 40、 投影镜头 50、 均光元件 53 或光传 递模块 55 等亦可视为包括于该。

16、光学系统 1 中。 0058 整体而言, 固态光源模块 10、 光学模块 20、 荧光元件 30 及光中继模块 35 为依序地 设置 ; 也就是, 光学模块 20 设置于固态光源模块 10 的一侧 ( 例如后侧 ), 荧光元件 30 设置 于光学模块 20 的一侧 ( 例如后侧 ), 而光中继模块 35 设置于荧光元件 30 的一侧 ( 例如后 侧 )。如此, 光学模块 20 会设置于固态光源模块 10 与荧光元件之间 30, 而荧光元件 30 会 设置于光学模块 20 与光中继模块 35 之间。 0059 固态光源模块10、 光学模块20、 荧光元件30、 光中继模块35及光调变器40等的进。

17、 一步技术特征将依序说明如下。 0060 请配合参阅图 4 所示, 为图 2 的光学系统的固态光源模块的平面示意图。该固态 光源模块 10 可具有多个固态光源 11, 而该些固态光源 11 可为一激光二极管或一发光二极 管 ; 于本实施例中, 固态光源 11 以激光二极管为例示。固态光源模块 10 还可选择地包括多 个准直透镜12, 该些准直透镜12分别设置于该些固态光源11的一侧, 以接收该些固态光源 说 明 书 CN 103941532 A 5 4/7 页 6 11 发射出的光线 111, 并使光线 111 能更为准直。此外, 该些固态光源 11 还会设置成能使 得所发射出的该些光线 11。

18、1 有良好的平行度。 0061 该些固态光源 11 所产生光线 111 可集合成一第一光束 13, 换言之, 固态光源模块 10 整体而言可借由该些固态光源 11 来产生一第一光束 13。由于该些光线 111 皆有良好的 准直度, 且该些光线 111 的平行度也为良好, 故第一光束 13 整体也会有良好的准直度。 0062 请复参阅图 2, 该光学模块 20 可传递及均匀该第一光束 13, 且其可具有一积分柱 (integration rod)21及至少一中继透镜(relay lens)22, 而中继透镜22的数目以三个为 例示。 0063 第一光束 13 可被第一个中继透镜 22 汇聚及传递。

19、至积分柱 21 中, 以被积分柱 21 均匀化 ; 也就是, 第一光束 13 通过积分柱 21 时, 会在积分柱 21 中反射或全反射, 使得离开 积分柱 21 后的第一光束 13 能有较为均匀分布的光强度。要说明的是该积分柱 21 可为实 心或是空心的态样。 0064 被均匀后的第一光束 13 接着会被第二及第三个中继透镜 22 传递至荧光元件 30 上。荧光元件 30 可为一固定式的荧光板或一旋转式的荧光色轮, 且可为一穿透式荧光元件 或反射式荧光元件。 0065 第一光束 13 会均匀地照射于荧光元件 30 上, 以使得荧光元件 30 被激发光的效率 因热衰退的影响达到最小。请配合参阅图。

20、 5 所示, 为图 2 的光学系统的荧光元件的温度与 发光效率的关系示意图。详言之, 荧光元件 30 的最大发光效率对应一特定温度, 例如 40 度 左右 ( 此数值仅为例示 ) ; 当荧光元件 30 被第一光束 13 均匀照射时, 荧光元件 30 的温度 不易超过该特定温度, 故被激发光的效率因热衰退的影响可达到最小。 0066 请参阅图 2 及图 6 所示, 图 6 为图 2 的光学系统的第一光束的光斑与荧光元件的 示意图。光学模块 20 除了使第一光束 13 均匀地照射于荧光元件 30, 还可使第一光束 13 照 射于荧光元件 30 的一光斑 131 具有一预定面积 ( 即一预定尺寸 )。

21、 及一预定形状。 0067 光斑 131 的预定形状设置成与光调变器 40( 如图 7 所示 ) 的形状相同 ( 或相似 )。 因此, 若光调变器 40 的形状为一矩型, 则光斑 131 的预定形状会相同或相似于该矩型。 0068 光斑131的预定形状又与积分柱21的出口(output aperture)211的形状有关联。 详言之, 第一光束 13 通过积分柱 21 后, 除了被均匀化, 还会被积分柱 21 塑型 (shaped), 使 得第一光束 13 的沿着主光轴的截面的形状相同或相似于积分柱 21 的出口 211 的形状。 0069 然后, 若荧光元件 30 垂直于第一光束 13 的主。

22、光轴时, 塑型后的光斑 131 的预定形 状会等同于积分柱 21 的出口 211 的形状 ; 若荧光元件 30 倾斜于第一光束 13 的主光轴时, 塑型后的光斑 131 的预定形状不会等同于积分柱 21 的出口 211 的形状, 而是等同于 “积分 柱 21 的出口 211 沿着第一光束 13 的主光轴投影至荧光元件 30 上” 的形状。 0070 举例而言, 若光斑 131 的预定形状需为一矩型 ( 长宽比为 4 : 3), 则当荧光元件 30 垂直于第一光束13的主光轴时, 积分柱21的出口211可设置成同个矩型 ; 但是当荧光元件 30 倾斜于第一光束 13 的主光轴时, 积分柱 21 。

23、的出口 211 会设置成另一个矩型 ( 长宽比非 为 4 : 3)。 0071 光斑 131 的预定面积与 “积分柱 21 的出口 211 的面积” 以及 “中继透镜 22 的放大 率 (magnification)” 有关联。详言之, 当荧光元件 30 垂直于第一光束 13 的主光轴时, 光 斑 131 的面积为 “出口 211 的面积与中继透镜 22 的放大率的乘积” , 因此调整出口 211 的面 说 明 书 CN 103941532 A 6 5/7 页 7 积及 / 或中继透镜 22 的放大率, 即可得到光斑 131 的预定面积。 0072 当荧光元件 30 倾斜于第一光束 13 的主。

24、光轴时, 光斑 131 的预定面积除了要考量 “出口 211 的面积与中继透镜 22 的放大率的乘积” , 还要考量 “荧光元件 30 相对于第一光束 13 的主光轴的夹角” , 才能使光斑 131 的面积符合所需。 0073 当第一光束 13 照射于荧光元件 30 的光斑 131 具有预定面积及预定形状后, 可使 得荧光元件 30 以一发光面积 A2 来发射一第二光束 31。 0074 请复参阅图 3, 光中继模块 35 可包含至少一透镜 351, 而本实施例以两个透镜 351 为例。光中继模块 35 可接受第二光束 31 的一部分光束 311 ; 换言之, 第二光束 31 不是全 部皆被光。

25、中继模块 35 接收, 超过光中继模块 35 的接收范围外的光线即不会进入至光中继 模块 35 中。部分光束 311 具有一立体角 1, 该立体角 1对应光中继模块 35 的收光能力 时 ; 也就是, 若光中继模块 35 能接收越多的部分光束 311 时, 部分光束 311 的立体角 1将 越大。光中继模块 35 的收光能力可由 “光中继模块 35 的尺寸” 或是 “光中继模块 35 与荧 光元件 30 之间的距离” 来决定。 0075 “部分光束 311 的立体角 1” 与 “荧光元件 30 的发光面积 A2” 可定义一光展量 Ep, 该光展量 Ep与立体角 1及发光面积 A2 之间的关系可。

26、为 : 发光面积 A2 与立体角 1的乘 积, 也就是, Ep=A21。立体角 1与发光面积 A2 所定义的光展量 Ep将实质地等于投影机 的光调变器 40 的可利用的光展量 Em。如此, 部分光束 311 尔后经由均光元件 53( 例如积分 柱或光导管等 ) 及光传递模块 55 等传递至光调变器 40 时, 可被光调变器 40 充分地利用, 减少部分光束 311 的光损失。 0076 请参阅图 7 所示, 为本发明的第一实施例的光调变器及投影镜头的平面示意图。 光调变器 40 可为一数字微镜装置 (DMD)、 一硅基液晶装置 (LCoS) 或一液晶装置 (LCD)。光 调变器40具有一调变面。

27、积(modulator area)A1及一数值孔径(numeral aperture,NA), 该 数值孔径 NA 与光调变器 40 的一可用光 ( 即可接收光 ) 立体角 2有关联, 并还进一步与 投影机的一投影镜头 50 的光圈数 (F-number) 相关 , 其关系式为 2=(1/F-number)2; 因 此, 当投影镜头 50 较大、 光圈数较小时, 光调变器 40 的可用光立体角 2即会增加。光调 变器 40 的光展量 Em为调变面积 A1 与可用光立体角 2的函数, 举例而言, 光展量 Em可为 : 调变面积 A1 与可用光立体角 2的乘积, 也就是, Em=A12。 0077。

28、 请复参阅图3及图6。 当光调变器40的光展量Em已知后, 可决定出 “部分光束311 的立体角 1” 与 “荧光元件 30 的发光面积 A2” 所定义的光展量 Ep, 进而决定出立体角 1 与发光面积 A2 的所需数值。使用者可先选定立体角 1与发光面积 A2 其中一者的所需数 值, 然后再推算另一者的所需数值。简言之, 当光调变器 40 的光展量 Em已知后, 荧光元件 30 的所需发光面积 A2 即可决定出。 0078 荧光元件 30 的发光面积 A2 与第一光束 13 的光斑 131 的预定面积相关联, 故所需 的发光面积 A2 已知后, 光斑 131 的预定面积即可决定出, 从而决定。

29、积分柱 21 的出口 211 的 面积及 / 或中继透镜 22 的放大率。 0079 通常, 光斑 131 的预定面积可等同荧光元件 30 的所需发光面积 A2 ; 举例而言, 若 荧光元件 30 的所需发光面积 A2 为 20 平方厘米, 则光斑 131 的预定面积也可为 20 平方厘 米。较佳地, 光斑 131 的预定面积可略小于荧光元件 30 的所需发光面积 A2, 这是考量到下 列因素 : 荧光元件 30 会因为本身的厚度, 使得发光面积 A2 比照射面积 ( 即光斑 131 的预定 说 明 书 CN 103941532 A 7 6/7 页 8 面积 ) 还要大, 故发光面积 A2 与。

30、光斑 131 的预定面积相等时, 发光面积 A2 会超过所需值, 因此光斑 131 的预定面积需缩小。 0080 综合上述, 光斑 131 的预定面积是依据光调变器 40 的光展量 Em及荧光元件 30 的 发光面积 A2 来定义, 且是借由调整光学模块 20 的参数 ( 例如积分柱 21 的出口 211 的面积 及 / 或中继透镜 22 的放大率 ) 来实现出。 0081 请参阅图 8 所示, 为依据本发明的第二实施例的光学系统的平面示意图。于本发 明的第二实施例中, 另一光学系统 2 被提出。光学系统 2 与光学系统 1 的差异在于 : 光学系 统 2 包括另一种态样的光学模块 60。 0。

31、082 详言之, 光学模块60具有两个透镜阵列(lens array or fly eye array)61及至 少一中继透镜 62, 该两个透镜阵列 61 可设置于中继透镜 62 的一侧 ( 例如前侧 ), 且该两个 透镜阵列 61 各具有多个透镜 611 ; 中继透镜 62 的数目以一个为例示。 0083 固态光源模块 10 所产生的第一光束 13 可直接传递至两个透镜阵列 61, 然后被两 个透镜阵列 61 均匀化。并且, 第一光束 13 在通过两个透镜阵列 61 后, 其也会被塑型, 以使 通过透镜阵列 61 后的第一光束 13 的沿着主光轴的截面的形状相同于透镜阵列 61 的透镜 6。

32、11 的形状。 0084 尔后, 被均匀及塑型的第一光束 13 会被中继透镜 62 传递至荧光元件 30 上。第一 光束13会均匀照射荧光元件30, 且第一光束13照射于荧光元件30上的光斑131具有一预 定面积及一预定形状, 从而使荧光元件 30 以一发光面积 A2 来发射一第二光束 31。 0085 请配合参阅图 3, 第二光束 31 的部分光束 311 接着可被光中继模块 35 接收, 而部 分光束 311 的立体角 1与发光面积 A2 所定义出的光展量 Ep将会实质等于光调变器 40 的 光展量 Em。如此, 光学系统 2 也可如光学系统 1 般, 使光中继模块 35 所接收的部分光束。

33、 311 可被光调变器 40 充分地利用。 0086 与第一实施例类似, 光斑 131 的预定形状与透镜阵列 61 的透镜 611 的形状有关 联, 也就是, 光斑 131 的预定形状可相同于透镜 611 的形状或是 “透镜 611 沿着第一光束 13 的主光轴投影至荧光元件 30 上” 的形状 ; 光斑 131 的预定面积是依据光调变器 ( 图未示 ) 及荧光元件 30 的光展量来定义, 且可借由调整光学模块 60 的参数 ( 例如透镜 611 的面积 及 / 或中继透镜 62 的放大率 ) 而实现出。 0087 需说明的是, 固态光源模块10所产生的第一光束13实际上无法完全地准直, 而是。

34、 仍有些扩散角 ; 第一光束 13 的扩散角的容许值与两透镜阵列 61 的参数有关联。 0088 详言之, 两个透镜阵列61的透镜611分别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), 而两个透镜阵列 61 之间于一第三方向上具有一间距 (d) ; 该第一 方向、 第二方向及第三方向为彼此正交, 且第三方向平行于第一光束 13 的主光轴。第一光 束 13 于第一方向的扩散角应不超过 sin-1(a/d), 而于第二方向的扩散角应不超过 sin-1(b/ d)。另说明的是, 两透镜阵列 61 的每一个透镜 611 的焦距, 约等于两透镜阵列 61 之间的间 距 (d)。 。

35、0089 综上所述, 本发明所公开的光学系统仅借由光学模块, 即可让第一光束均匀地照 射该荧光元件且具有预定形状及面积的光斑, 不需像现有般采取精密地调整固态光源的相 对位置等耗费时间及成本的作法。因此, 本发明所揭露的光学系统可容易地让荧光元件有 良好的激发效率, 以及让荧光元件所激发的光线被投影机良好地应用。 说 明 书 CN 103941532 A 8 7/7 页 9 0090 上述的实施例仅用来例举本发明的实施态样, 以及阐释本发明的技术特征, 并非 用来限制本发明的保护范畴。 任何本领域普通技术人员可轻易完成的改变或均等性的安排 均属于本发明所主张的范围, 本发明的权利保护范围应以权利要求书为准。 说 明 书 CN 103941532 A 9 1/6 页 10 图 1 说 明 书 附 图 CN 103941532 A 10 2/6 页 11 图 2 说 明 书 附 图 CN 103941532 A 11 3/6 页 12 图 3 说 明 书 附 图 CN 103941532 A 12 4/6 页 13 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103941532 A 13 5/6 页 14 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103941532 A 14 6/6 页 15 图 8 说 明 书 附 图 CN 103941532 A 15 。

展开阅读全文
相关资源
猜你喜欢
相关搜索

当前位置:首页 > 物理 > 摄影术;电影术;利用了光波以外其他波的类似技术;电记录术;全息摄影术〔4〕


copyright@ 2017-2020 zhuanlichaxun.net网站版权所有
经营许可证编号:粤ICP备2021068784号-1