CN113296341B - 照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种照明系统，包括可输出第一光线的第一光源、可输出第二光线的第二光源、可输出第三光线的第三光源、可输出第四光线的第四光源、第一荧光粉层、第一导光件以及第二导光件。第一导光件设置于第一光源及第二光源的光路之间。第一光线到达第一荧光粉层并转换为第五光线，且第二光线经由第一导光件到达第一荧光粉层，并转换为第六光线。第五光线及第六光线分别具有光谱，且第五光线及第六光线的这些光谱的峰值波长分别介于625纳米至740纳米之间。

Description

照明系统

技术领域

本发明涉及一种照明系统，尤其涉及一种适用于投影机的照明系统。

背景技术

随着近年来固态光源及投影技术的发展，以发光二极管(light-emitting diode,LED)及激光二极管(laser diode)等固态光源为主的投影装置逐渐受到市场的青睐。

在一般的投影机架构中，通常会设置照明系统以提供照明光线。照明光线通过光阀后转换为图像光线，且图像光线通过投影镜头后可以投射在荧幕或墙面上。投影机输出的图像光线的亮度取决于照明系统所提供照明光线的亮度。在一般投影机的照明系统中，一个蓝光光源可输出蓝光以激发红色荧光粉产生红光，且另一个蓝光光源可输出蓝光以激发绿色荧光粉产生绿光。此外，上述红光、绿光及又一个由蓝光光源所输出的蓝光共同形成照明系统所输出的照明光线的三原色(RGB)。在现有的投影机架构中，通常还会额外设置一个蓝光光源，以通过其他光路径来提供蓝光至上述的绿色荧光粉，来加强绿色荧光粉所激发的绿光的强度，藉以增加照明系统输出光线的亮度。

发明内容

本发明提供一种照明系统，其输出的光线具有较高的亮度，且其构件配置紧凑(compact)。

本发明实施例的照明系统包括第一光源、第二光源、第三光源、第四光源、第一荧光粉层、第一导光件及第二导光件。第一光源可输出第一光线，第二光源可输出第二光线，第三光源可输出第三光线，且第四光源可输出第四光线。第一导光件设置于第一光源及第二光源的光路之间。第一光线到达第一荧光粉层并转换为第五光线，且第二光线经由第一导光件到达第一荧光粉层，并转换为第六光线。第五光线及第六光线分别具有光谱，且第五光线及第六光线的这些光谱的峰值波长分别介于625纳米至740纳米之间。

本发明实施例的照明系统包括第一发光元件、第二发光元件、第三发光元件、第四发光元件、第五发光元件、第一荧光粉层、第二荧光粉层、第一合光件及第二合光件。第一发光元件可输出第一光束，第二发光元件可输出第二光束，第三发光元件可输出第三光束，第四发光元件可输出第四光束，且第五发光元件可输出第五光束。第一荧光粉层设置于第一发光元件及第二发光元件的光路之间，且第二荧光粉层设置于第三发光元件及第四发光元件的光路之间。第一合光件设置于第一发光元件及第二发光元件的光路之间，且第二合光件设置于第三发光元件及第四发光元件的光路之间。第一光束进入第一荧光粉层并激发第六光束；第二光束经由第一合光件进入第一荧光粉层并激发第七光束；第三光束进入第二荧光粉层并激发第八光束；第四光束经由第二合光件进入第二荧光粉层并激发第九光束；第五光束、第六光束、第七光束、第八光束及第九光束经由第二合光件输出照明系统；第六光束及第七光束分别具有光谱，且第六光束及第七光束的光谱的峰值波长的差值小于20纳米。第八光束及第九光束分别具有光谱，且第八光束及第九光束的光谱的峰值波长的差值小于20纳米。

基于上述，在本发明相关实施例的照明系统中，由于照明系统所输出光谱的峰值波长介于625纳米至740纳米之间的光线增加。当照明系统例如是应用于投影装置时，投影装置所输出的光线具有较高的亮度。另外，在本发明的相关实施例的照明系统中，由于设置额外二组光源以激发荧光粉，以分别补强原设置光源的输出，因此照明系统的内部空间妥善运用以通过增加设置光源的方式加强照明系统的光线输出，使得照明系统的构件配置紧凑，其无用空间减少。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1显示本发明一实施例的照明系统及采用此照明系统的投影装置的架构示意图；

图2显示本发明另一实施例的照明系统及采用此照明系统的投影装置的架构示意图。

附图标记说明：

100、300：照明系统

200、400：投影装置

210、410：光阀

220、420：投影镜头

B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9：光束

C1、C2：合光件

E1、E2、E3、E4、E5：发光元件

G1、G2：导光件

IM：投影光线

L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9：光线

P1、P2、P1’、P2’：荧光粉层

S1、S2、S3、S4、S5：光源

具体实施方式

本发明所谓光学元件，系指元件具有部份或全部可反射或穿透的材质所构成，通常包括玻璃或塑胶所组成。本发明所谓透镜，系指一允许至少部份光线穿透，且入光面或出光面的最少一个非为平面的光学元件，如平板玻璃，即非为透镜。本发明所谓合光，系指可将一个以上光束，合成一光束输出。本发明所谓分光，系指可将一个光束，分成数个光束输出。

图1显示本发明一实施例的照明系统及采用此照明系统的投影装置的架构示意图，请参考图1。在本实施例中，投影装置200包括照明系统100、光阀210及投影镜头220。照明系统100包括光源S1、光源S2、光源S3、光源S4、光源S5、荧光粉层P1、荧光粉层P2、导光件G1及导光件G2。

以下将分别对各元件的设计进行说明。在本实施例中，光源S1可输出光线L1，光源S2可输出光线L2，光源S3可输出光线L3，光源S4可输出光线L4，且光源S5可输出光线L8。光源S1、光源S2、光源S3、光源S4及光源S5分别包括例如是能发出各种可见光的激光二极管(laser diode,LD)芯片、发光二极管(light-emitting diode,LED)芯片或前述各个的封装体的任一个。在本实施例中，光源S1、光源S2、光源S3、光源S4及光源S5包括了一蓝光发光二极管芯片，而光线L1、光线L2、光线L3、光线L4及光线L8的颜色实质上为蓝色。光线L1、光线L2、光线L3、光线L4及光线L8分别具有一光谱。光谱是指光线依照光的波长大小顺次排列形成的图案。详细而言，光线L1、光线L2、光线L3、光线L4及光线L8的这些光谱的峰值波长(peak wavelength)分别介于400纳米至475纳米之间，其中，光线的光谱的峰值波长为光强度最大处对应的波长。更明确的说，光线L1、光线L2、光线L3、光线L4及光线L8在一光谱能量分布图谱中分别具有一相对应的光谱能量分布曲线(spectral energy distributioncurve)，而此分布曲线的波峰系落在蓝色(例如是450纳米至475纳米)的波长区间之中。而除了发光芯片本身外，光源S1、光源S2、光源S3、光源S4及光源S5亦可选择性的分别设有一具有屈光度的透镜(未标示)，用以收敛光线的发散方向。而于本例中，各个光源上方并未另设有前述的透镜。

另外，本发明所指荧光粉层P1、P2系指至少包括有一含有荧光粉的光学元件。更明确的说，荧光粉层P1、P2为一渗有荧光粉的透光胶体；荧光轮；荧光片或是其他包括荧光粉并具有波长转换功能的光学元件。在本实施例中，荧光粉层P1设置于光源S1的光路上，亦即，荧光粉层P1设置于光线L1的传输路径上。荧光粉层P2设置于光源S3的光路上，亦即，荧光粉层P2设置于光线L3的传输路径上。荧光粉层P1及荧光粉层P2可以接受激发光线，并藉由光致发光(Photoluminescence)现象而产生转换光线。具体而言，荧光粉层P1例如可以接受光线L1的蓝光并产生光线L5，也可以接受光线L2的蓝光并产生光线L6。光线L5及光线L6分别具有一光谱，且光线L5及光线L6的这些光谱的峰值波长分别介于625纳米至740纳米之间。而于本例中，光源S2跟光源S1的位置是可以对调的。更明确的说，光线L5及光线L6在一光谱能量分布图谱中分别具有一相对应的光谱能量分布曲线，而此分布曲线的波峰系落在红色(例如是625纳米至740纳米)的波长区间之中。此外，荧光粉层P2例如可以接受光线L3的蓝光并产生光线L7，也可以接受光线L8的蓝光并产生光线L9。光线L7及光线L9分别具有一光谱，且光线L7及光线L9的这些光谱的峰值波长介于495纳米至570纳米之间。更明确的说，光线L7及光线L9在一光谱能量分布图谱中分别具有一相对应的光谱能量分布曲线，而此分布曲线的波峰系落在绿色(例如是495纳米至570纳米)的波长区间之中。

再者，本发明的导光件G1及导光件G2系指分光片、偏振片、滤光片、反射镜、透镜、平板玻璃、棱镜、积分柱、导光棒或包括前述各个的至少一个的组合。详细而言，分光片系泛指具有分光功能的光学元件，如半反半透镜、利用P、S极性分光的偏振片、各种波片、利用入光角分光的各种棱镜、利用波长分光的分光片等等。具体而言，在本实施例中，导光件G1及导光件G2具有波长选择性，为利用波长(颜色)进行分光的分色片，例如是二向色镜(dichroic mirror,DM)。在相关实施例中，导光件G1及导光件G2可以为独立设置，具有分色功能的光学元件，也可以为镀附在其他构件上的分色膜或是涂层，本发明并不以此为限。而于本例中，导光件G1可让蓝色光线反射、让红色光线穿透及让绿色光线反射。而导光件G2可让蓝色光线反射并让其他颜色的光线穿透。

在本实施例中，导光件G1设置于光源S1及光源S2的光路之间，及光源S3及光源S5的光路之间。详细而言，导光件G1设置于由光源S2发出的光线L2的传输路径上，及由光源S5发出的光线L8的传输路径上。另外，导光件G2设置于光源S1及光源S2的光路之间，即导光件G2设置于由光源S2发出的光线L2的传输路径上。具体而言，导光件G1可反射蓝色的光线并让绿色光线通过。而导光件G2可反射蓝色光线并让绿色及红色的光线通过。在本实施例中，光线L4、光线L5、光线L6、光线L7及光线L9分别经由导光件G2输出照明系统100而形成照明光线。

详细而言，照明系统100可还包括光均匀元件，设置于上述照明光线的传输路径上，用以使照明光线的强度分布均匀化。具体而言，光均匀元件可以是复眼透镜(Fly-eyelens)或是光积分柱(light integration rod)等光学元件，本发明并不以此为限。另外，照明系统100亦可以依据实际需求而更包括其他光学元件，例如是透镜、扩散片(diffuser)、反射镜或棱镜等等，本发明并不以此为限。

本发明的光阀210，含有许多独立单元，它们在空间上排列成一维或二维阵列。每个单元都可独立地接受光学信号或电学信号的控制，利用各种物理效应(泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等)改变自身的光学特性，从而对照明在所述复数个独立单元的照明光进行调制，并输出图像光。独立单元为微型反射镜、液晶单元等光学元件。详细而言，本发明的光阀210为数码微镜元件(digital micro-mirror device,DMD)、硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)或是穿透式液晶面板。而于本例中，光阀为数码微镜元件，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，本发明并不以此为限。而光阀210及照明系统100之间可包括有例如是全反射棱镜或反向全反射棱镜的光学元件(未显示)。

另外，投影镜头220是由至少一枚透镜所组成的。投影镜头220内部可设有孔径光栏或称光径，而孔径光栏的前后分设有至少一透镜以调整图像光的形状及像差。

以下示例性地说明投影装置200的各元件的安排及光线的传输过程。在本实施例中，光源S1输出蓝色的光线L1，且蓝色的光线L1到达荧光粉层P1并转换为红色的光线L5。光源S2输出蓝色的光线L2，经由导光件G1到达荧光粉层P1，并转换为红色的光线L6。详细而言，光线L2依序在导光件G2及导光件G1上发生反射后传递至荧光粉层P1。导光件G2相对于光源S2是倾斜的，使得光线L2对导光件G2的入光角例如为45度角。而导光件G2与导光件G1亦大致平行的。具体而言，当红色的光线L5及光线L6离开荧光粉层P1后，红色的光线L5及光线L6在导光件G1上发生反射并通过导光件G2。另外，光源S3输出蓝色的光线L3，且光线L3到达荧光粉层P2并转换为绿色的光线L7。光源S5输出蓝色的光线L8，且光线L8经由导光件G1到达荧光粉层P2，并转换为绿色的光线L9。详细而言，蓝色的光线L8在导光件G1上发生反射后传递至荧光粉层P2。导光件G1相对于光源S5是倾斜的，使得光线L8对导光件G1的入光角例如为45度角。具体而言，当绿色的光线L7及光线L9离开荧光粉层P2后，光线L7及光线L9依序通过导光件G1及导光件G2。此外，光源S4输出蓝色的光线L4，且光线L4在导光件G2上发生反射。

在本实施例中，上述在导光件G2上发生反射的光线L4及通过导光件G2的光线L5、光线L6、光线L7及光线L9被合并为照明光线并且自照明系统100输出。详细而言，光线L4的颜色例如是蓝色，光线L5及光线L6的颜色例如是红色，且光线L7及光线L9的颜色例如是绿色。因此，光线L4、光线L5、光线L6、光线L7及光线L9可以提供照明光线的三原色(RGB)。在本实施例中，上述照明光线传输至光阀210，且光阀210用以将照明光线转换为投影光线IM。另外，投影镜头220用以将投影光线IM投影至一成像平面或是屏幕(未显示)上以形成图像画面。

前述所称红色的光线，系指光线的光谱的峰值波长分别介于625纳米至740纳米之间。因此，照明系统100所输出光谱的峰值波长介于625纳米至740纳米之间的光线(红光)增加，使得投影装置200所输出的光线具有较高的亮度。另外，在本实施例中，照明系统100设置光源S1及光源S2以分别提供光线L1及光线L2来激发荧光粉层P1，且照明系统100设置光源S3及光源S5以分别提供光线L3及光线L8来激发荧光粉层P2。换言之，照明系统100设置额外二组光源以激发荧光粉，以分别补强原设置光源的输出。因此，照明系统100的内部空间妥善运用以通过增加设置光源的方式加强照明系统100的光线输出，使得照明系统100的构件配置紧凑，其无用空间减少。

请继续参考图1，以下以另一描述方式说明本实施例的相关构件。在本实施例中，包括发光元件E1、发光元件E2、发光元件E3、发光元件E5、发光元件E4、荧光粉层P1’、荧光粉层P2’、合光件C1、合光件C2。

本发明的发光元件，系指一可产生光线的光学元件。更明确的说，发光元件系指发光二极管芯片、激光二极管芯片、由前述芯片封装而成的模组或是其他能达到相同功效的元件或其组合。

本发明的合光件C1及合光件C2系指具有合光功能的光学元件。详细而言，合光件C1及合光件C2系指分光片、偏振片、滤光片、反射镜、透镜、平板玻璃、棱镜、积分柱、导光棒或包括前述各个的至少一个的组合。分光片系泛指，如半反半透镜、利用P、S极性分光的偏振片、各种波片、利用入光角分光的各种棱镜、利用波长分光的分光片等等。具体而言，在本实施例中，合光件C1及合光件C2具有波长选择性，为利用波长(颜色)进行分光的分色片，例如是二向色镜(dichroic mirror,DM)。在相关实施例中，合光件C1及合光件C2可以为独立设置，也可以为镀附在其他构件上的分色膜或是涂层，本发明并不以此为限。而光束B1、光束B2、光束B3、光束B4、光束B5、光束B6、光束B7、光束B8及光束B9与前例的说明类似，故不予赘述之。

图2显示本发明另一实施例的照明系统及采用此照明系统的投影装置的架构示意图。请参考图2，在本实施例中，照明系统300及投影装置400类似于图1实施例的照明系统100及投影装置200，其差异如下所述。在本实施例中，投影装置400包括照明系统300、光阀410及投影镜头420。照明系统300包括发光元件E1、发光元件E2、发光元件E3、发光元件E4、发光元件E5、荧光粉层P1’、荧光粉层P2’、合光件C1及合光件C2。

以下将分别对各元件的设计进行说明。在本实施例中，发光元件E1可输出光束B1，发光元件E2可输出光束B2，发光元件E3可输出光束B3，发光元件E4可输出光束B4，且发光元件E5可输出光束B5。在本实施例中，发光元件E1、发光元件E2、发光元件E3、发光元件E4及发光元件E5例如包括了一蓝光发光二极管芯片，而光束B1、光束B2、光束B3、光束B4及光束B5的颜色例如实质上为蓝色。光束B1、光束B2、光束B3、光束B4及光束B5分别具有一光谱，且光束B1、光束B2、光束B3、光束B4及光束B5的这些光谱的峰值波长分别介于400纳米至475纳米之间。另外，在本实施例中，光束B1、光束B2、光束B3、光束B4及光束B5的作动方式与图1实施例的光线L1、光线L2、光线L3、光线L4及光线L8类似，在此不再赘述。

另外，在本实施例中，荧光粉层P1’设置于发光元件E1及发光元件E2的光路之间，且荧光粉层P2’设置于发光元件E3及发光元件E4的光路之间。荧光粉层P1’例如可以接受光束B1的蓝光并产生光束B6，也可以接受光束B2的蓝光并产生光束B7。光束B6及光束B7分别具有一光谱，且光束B6及光束B7的这些光谱的峰值波长分别介于495纳米至570纳米之间。另外，光束B6及光束B7的光谱的峰值波长的差值例如是小于20纳米。详细而言，光束B6及光束B7的颜色例如是绿色。在本实施例中，光束B6及光束B7的作动方式与图1实施例的光线L7及光线L9类似，在此不再赘述。另外，荧光粉层P2’例如可以接受光束B3的蓝光并产生光束B8，也可以接受光束B4的蓝光并产生光束B9。光束B8及光束B9分别具有一光谱，且光束B8及光束B9的这些光谱的峰值波长分别介于625纳米至740纳米之间。另外，光束B8及光束B9的光谱的峰值波长的差值例如是小于20纳米。详细而言，光束B8及光束B9的颜色例如是红色。在本实施例中，光束B8及光束B9与图1实施例的光线L5及光线L6类似，在此不再赘述。

再者，在本实施例中，合光件C1设置于发光元件E1及发光元件E2的光路之间，且合光件C2设置于发光元件E3及发光元件E4的光路之间。合光件C1及合光件C2的相对关系与图1实施例的导光件G1及导光件G2类似，在此不再赘述。合光件C1可反射光束B5并可使光束B6、光束B7、光束B8及光束B9通过。合光件C2可反射光束B8及光束B9并可使光束B5、光束B6及光束B7通过。在本实施例中，光束B5、光束B6、光束B7、光束B8及光束B9分别经由合光件C2输出照明系统100而形成照明光线。

在本实施例中，光阀410及投影镜头420的相关叙述可以分别参考图1实施例的光阀210及投影镜头220的相关叙述，在此不再赘述。

以下示例性地说明投影装置400的各元件的安排及光线的传输过程。在本实施例中，发光元件E1输出光束B1，且光束B1进入荧光粉层P1’并激发光束B6。发光元件E2输出光束B2，且光束B2经由合光件C1进入荧光粉层P1’并激发光束B7。详细而言，光束B2在合光件C1上发生反射后传递至荧光粉层P1’。当光束B6及光束B7离开荧光粉层P1’后，光束B6及光束B7依序通过合光件C1及合光件C2。另外，发光元件E3输出光束B3，且光束B3进入荧光粉层P2’并激发光束B8。发光元件E4输出光束B4，且光束B4经由合光件C2进入荧光粉层P2’并激发光束B9。详细而言，光束B4通过合光件C2后传递至荧光粉层P2’。当光束B8及光束B9离开荧光粉层P2’后，光束B8及光束B9在合光件C2上发生反射。此外，发光元件E5输出光束B5，且光束B5在合光件C1上发生反射后通过合光件C2。

在本实施例中，上述在合光件C2上发生反射的光束B8及光束B9及通过合光件C2的光束B5、光束B6及光束B7被合并为照明光线并且自照明系统300输出。详细而言，光束B5的颜色例如是蓝色，光束B6及光束L7的颜色例如是绿色，且光束B8及光束B9的颜色例如是红色。因此，光束B5、光束B6、光束B7、光束B8及光束B9可以提供照明光线的三原色。

详细而言，照明系统300及投影装置400至少可以获致类似于图1实施例中照明系统100及投影装置200的技术效果。投影装置400所输出的光线具有较高的亮度。另外，照明系统300的内部空间妥善运用以通过增加设置光源的方式加强照明系统300的光线输出，使得照明系统300的构件配置紧凑，其无用空间减少。

请继续参考图2，以下以第二种描述方式说明本实施例的相关构件。在本实施例中，包括有光源S3、光源S5、光源S1、光源S2、光源S4、荧光粉层P2、荧光粉层P1、导光件G2，导光件G1。另外，就行进方式而言，光束B1与光线L3类似，光束B2与光线L8类似，光束B3与光线L1类似，光束B4与光线L2类似，光束B5与光线L4类似，光束B6与光线L7类似，光束B7与光线L9类似，光束B8与光线L5类似，且光束B9与光线L6类似。

在本实施例中，以第二种描述方式所描述的构件(例如光源S1、光源S2、光源S3、光源S4、光源S5、荧光粉层P1、荧光粉层P2、导光件G1、导光件G2、光线L1、光线L2、光线L3、光线L4、光线L5、光线L6、光线L7、光线L8及光线L9)的相关叙述至少可以参考前述段落中关于图2实施例的说明，在此不再赘述。

综上所述，在本发明的相关实施例中，由于照明系统所输出光谱的峰值波长介于625纳米至740纳米之间的光线增加。当照明系统例如是应用于投影装置时，投影装置所输出的光线具有较高的亮度。另外，在本发明的相关实施例的照明系统中，由于设置额外二组光源以激发荧光粉，以分别补强原设置光源的输出，因此照明系统的内部空间妥善运用以通过增加设置光源的方式加强照明系统的光线输出，使得照明系统的构件配置紧凑，其无用空间减少。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (3)

1.一种照明系统，其特征在于，包括：

第一发光元件，可输出第一光束；

第二发光元件，可输出第二光束；

第三发光元件，可输出第三光束；

第四发光元件，可输出第四光束；

第五发光元件，可输出第五光束，其中所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束、所述第四光束及所述第五光束的光谱的峰值波长介于400纳米至475纳米之间；

第一荧光粉层；

第二荧光粉层；

第一合光件；以及

第二合光件，

其中，来自所述第一发光元件的所述第一光束进入所述第一荧光粉层并激发第六光束，所述第六光束在被所述第一合光件反射后穿透所述第二合光件，所述第二光束在依序被所述第二合光件与所述第一合光件反射后进入所述第一荧光粉层并激发第七光束，所述第七光束在被所述第一合光件反射后穿透所述第二合光件，所述第六光束与所述第七光束的光谱的峰值波长介于625纳米至740纳米之间，来自所述第三发光元件的所述第三光束进入所述第二荧光粉层并激发第八光束，所述第八光束依序穿透所述第一合光件与所述第二合光件，来自所述第四发光元件的所述第四光束在被所述第一合光件反射后进入所述第二荧光粉层并激发第九光束，所述第九光束依序穿透所述第一合光件与所述第二合光件，所述第八光束与所述第九光束的光谱的峰值波长介于495纳米至570纳米之间，来自所述第五发光元件的所述第五光束被所述第二合光件反射，所述第五光束、所述第六光束、所述第七光束、所述第八光束及所述第九光束经由所述第二合光件输出所述照明系统。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述第一合光件及所述第二合光件分别包括分色镜。

3.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束、所述第四光束及所述第五光束的光谱的峰值波长分别介于450纳米至475纳米之间。

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