照明系统与投影装置的制作方法

本发明涉及一种光学系统与显示装置，且特别涉及一种照明系统以及投影装置。

背景技术：

随着现代视讯技术的进步，光学投影装置已被广泛地使用于家庭剧院、小型会议报告及工作室讨论等场合。光学投影装置包括一照明系统、一光阀以及一投影镜头。光源是用于提供一照明光束，而光阀是用于将照明光束转换成影像光束，投影镜头则用于将影像光束投影于荧幕上形成一影像。

一般而言，已知应用于光学投影装置的照明系统多是利用一组具有相同的发光面积以及发散角度的红光发光二极管、蓝光发光二极管与绿光发光二极管来作为照明系统中的光源。换言之，由于这些发光二极管都拥有相同的发光面积以及发散角度，也因此具有一致的光展量(E’tendue)。如此，在利用合光单元以及准直透镜的情况下，这些光源所提供的光束可被有效收集，并被传递至光阀。然而，如此一来，光源类型的选择就会受限，而无法选择具有不同的发光面积以及发散角度、却具有较佳光学表现的光源。

另一方面，若选择具有不同的发光面积以及发散角度、却具有较佳光学表现的光源，来作为照明系统中的不同光源的话，则又会由于这些光源的光展量并不一致，而使其所提供的光束无法被有效收集并被传递至光阀。因此影响照明系统所输出的红、绿、蓝三色光束的色温平衡及光输出效率。

美国专利第8098375号揭露一种光系统，其包括一个或多个发光二极管或发光二极管阵列模块、分光器以及光学聚光器，且光学聚光器可为复合式抛物面聚光器(Compound parabolic concentrator，CPC)、 复合双曲面集光器(Compound Hyperbolic Concentrator，CHC)、复合椭圆面集光器(Compound Elliptical Concentrator，CEC)或锥形光管。美国专利公开第20070280622号揭露一种光源组件，且其包括一位于光轴中心的导光元件。美国专利第8684555号揭露一种包括第一发光二极管以及第一转换材料的光传输装置。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本

技术实现要素：
，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的现有技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表所述内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明提供一种照明系统，具有良好的光输出效率。

本发明提供一种投影装置，具有良好的光输出效率。

本发明的其它目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部分或全部目的或是其它目的，本发明的一实施例提出一种照明系统。照明系统包括多个光源单元、至少一聚光单元以及至少一楔形光通道。这些光源单元用于提供多个光束。至少一聚光单元对应并设置于其中一光源单元旁。至少一聚光单元具有一第一出光面，与至少一聚光单元相对应的其中一光源单元具有一第二出光面，未与至少一聚光单元相对应的其它这些光源单元分别具有一第三出光面，且第二出光面与各第三出光面的面积大体上并不相同。至少一楔形光通道对应并设置于至少一聚光单元旁。至少一聚光单元位于相对应的其中一光源单元与楔形光通道之间，且至少一楔形光通道具有一第四出光面，且第四出光面的面积与各第三出光面的面积彼此形状对应且相等，所谓对应可定义为形状近似。

另外还包括一合光单元具有一第五出光面，位于这些光束的传递路径上，其中合光单元的第五出光面的面积与第四出光面的面积彼此不相等，第五出光面的面积与各第三出光面的面积彼此不相等。

为达上述之一或部分或全部目的或是其它目的，本发明的一实施例提出一种投影装置。投影装置包括一前述的照明系统、一光阀以及一投影镜头。照明系统用于提供一照明光束。光阀配置于照明光束的传递路径上，且用于将照明光束转换为一影像光束。投影镜头，配置于影像光束的传递路径上。

在本发明的一实施例中，上述的聚光单元包括一导光体以及一聚光器。导光体位于其中一光束的传递路径上。导光体并具有一荧光体，用于将光束转换为一第一色光，第一色光的颜色与其它这些光源单元所提供的这些光束不同。聚光器位于第一色光的传递路径上。第一色光经由聚光器传递至楔形光通道与合光单元，且合光单元用于将第一色光与其它这些光源单元所提供的其它这些光束混合为一照明光束。

在本发明的一实施例中，上述的导光体具有一第六出光面，且聚光单元的第一出光面的形状与导光体的第六出光面的形状相对应。

在本发明的一实施例中，上述的导光体的第六出光面的面积小于聚光单元的第一出光面的面积。

在本发明的一实施例中，上述的导光体为一长方体，与至少一聚光单元相对应的其中一这些光源单元位于长方体的其中一长边侧，且光源单元所提供的光束经由长边侧进入导光体。

在本发明的一实施例中，上述的聚光器为复合式抛物面聚光器(Compound parabolic concentrator，CPC)。

在本发明的一实施例中，上述的聚光单元具有一入光面，位于其中一光束的传递路径上。聚光单元并具有一荧光体，用于将光束转换为一第一色光，第一色光的颜色与其它这些光源单元所提供的这些光束不同。第一色光依序经由聚光单元、楔形光通道传递至合光单元，且合光单元用于将第一色光与其它这些光源单元所提供的这些光束混合为一照明光束。

在本发明的一实施例中，上述的聚光单元的入光面的面积小于聚光单元的第一出光面的面积。

在本发明的一实施例中，还包括一透镜模块，透镜模块设置于至少一聚光单元与楔形光通道之间。

在本发明的一实施例中，上述的各光源单元分别包括至少一发光二极管，当至少一发光二极管的数量为多个时，这些发光二极管为一阵列排列。

在本发明的一实施例中，上述的投影装置还包括一光均匀化元件。光均匀化元件位于照明光束的传递路径上，且位于照明系统与光阀之间。

基于上述，本发明的实施例可达到下列优点或功效的至少其中之一。本发明的实施例的投影装置与照明系统可通过合光单元的第五出光面的面积、楔形光通道的第四出光面的面积与各第三出光面的面积彼此相对应的设计，而使得光源所提供的光束可被有效收集，并被传递至光阀。再者，照明系统还可视光阀的光展量来对合光单元的第五出光面的面积、楔形光通道的第四出光面的面积与各第三出光面的面积进行匹配及调整，以有利于提升照明系统所输出的红绿蓝三色光束的色温平衡及光输出效率。此外，通过聚光单元的结构设计，也可针对第一色光的最大光发散角度及均匀度做适当调整，而有利于照明系统进行后续的光学耦合的设计。

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，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一实施例的一种投影装置的架构示意图。

图2是图1的一种聚光单元的示意图。

图3A是第一色光未经图1的楔形光通道时的光线发散角度的数据模拟图。

图3B是第一色光经图1的楔形光通道后于X方向上的光线发散角度的数据模拟图。

图3C是第一色光经图1的楔形光通道后于Y方向上的光线发散角度的数据模拟图。

图4是图1的另一种聚光单元的示意图。

图5A是图1的另一种照明系统的示意图。

图5B是图1的一种聚光单元的示意图。

图6是本发明另一实施例的一种投影装置的架构示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1是本发明一实施例的一种投影装置的架构示意图。请参照图1，投影装置200包括一照明系统100、一光阀210以及一投影镜头220。在本实施例中，光阀210例如为一数位微镜元件(digital micro-mirror device，DMD)或是一硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel，LCOS panel)。然而，在其它实施例中，光阀210也可以是穿透式液晶面板或其它光束调变器。

具体而言，在本实施例中，照明系统100包括多个光源单元110、至少一聚光单元120、至少一楔形光通道130以及一合光单元140。更详细而言，在本实施例中，各光源单元110用于提供多个光束61、62、63，且分别包括至少一发光二极管或激光二极管。举例而言，在本实施例中，光源单元110包括一第一光源单元111、一第二光源单元112以及一第三光源单元113，且第一光源单元111与第二光源单元112分别包括多个蓝光二极管，其中第一光源单元111与第二光源单元112可为种类、规格都不相同的蓝光二极管，依制造者的设计，用于提供蓝光光束61、62，而第三光源单元113包括多个红光二极管，而用于提供一红光光束63，但本发明不限于此。在其它的实施例中，发光二极管LE的数量也可仅为一个，且其颜色也不限于蓝光或红光。此外，在本实施例中，这些蓝光二极管以及红光二极管分别以阵列的方式排列。

具体而言，如图1所示，在本实施例中，至少一聚光单元120对应并设置于其中一光源单元110旁。举例而言，在本实施例中，聚光单元120位于第一光源单元111旁，但本发明不限于此。在其它的实 施例中，聚光单元120也不只一个，而可分别位于相对应的光源单元110旁。此外，在本实施例中，聚光单元120具有一第一出光面S120以及聚光单元120相对应的第一光源单元111具有一第二出光面S111，第二光源单元112、第三光源单元113分别具有一第三出光面S112、S113，且第二出光面S111与第三出光面S112、S113的面积大体上并不相同。也就是说，在本实施例中，第一光源单元111与第二光源单元112(或第三光源单元113)具有不同的发光面积以及发散角度，其中第二光源单元112与第三光源单元113的第三出光面S112、S113的面积大体上对应且相同。

图2是图1的一种聚光单元的示意图。具体而言，在本实施例中，聚光单元120包括一导光体121以及一聚光器122。举例而言，聚光器122例如为复合式抛物面聚光器(Compound parabolic concentrator，CPC)，但本实施例不限于此。具体而言，在本实施例中，导光体121位于其中一光束61(即蓝光光束61)、例如为激发光束的传递路径上。更详细而言，在本实施例中，导光体121为一长方体或板形体，第一光源单元111的发光二极管LE位于长方体的其中一长边侧LS，且发光二极管LE所提供的光束61经由长边侧LS进入导光体121。进一步而言，导光体121具有一荧光体，用于将光束61转换为一第一色光70。举例而言，在本实施例中，荧光体为可产生绿光的荧光体，第一色光70为绿光，但本发明不限于此。在其它实施例中，只要荧光体所转换的第一色光70的颜色与其它光源单元110(即第二光源单元112或第三光源单元113)所提供的光束62、63不同，而可与光束62、63合并为白光，即可作为本发明的荧光体。如此，第一光源单元111所提供的光束61在导光体121中前进时便可经由荧光体而被转换为第一色光70，并经由导光体121的一第六出光面S121出光，而传递至聚光器122。

更详细而言，在本实施例中，聚光器122位于第一色光70的传递路径上。并且，如图2所示，聚光器122具有一入光面S122a以及一出光面S122b。在本实施例中，第一色光70从导光体121的第六出光面S121出光后，即经由聚光器122的入光面S122a进入聚光器122， 并被传递至楔形光通道130。因此，在本实施例中，聚光器122的出光面S122b即为聚光单元120的第一出光面S120，并且，聚光器122的入光面S122a与出光面S122b的形状与导光体121的第六出光面S121的形状相对应，以有利于第一色光70的传递。换言之，聚光单元120的第一出光面S120的形状与导光体121的第六出光面S121的形状相对应，而可有利于第一色光70的传递。

另一方面，如图2所示，在本实施例中，导光体121的第六出光面S121的面积小于聚光单元120的第一出光面S120的面积，通过聚光单元120，将可消除通过导光体121内的荧光体所激发的第一色光70的能量会集中在大角度的缺点，而适当调整第一色光70的最大光发散角度及均匀度。如此，还可有利于照明系统100进行后续的光学耦合的设计。

接着，请再次参照图1，在本实施例中，第一色光70经由聚光器122传递至楔形光通道130与合光单元140。具体而言，在本实施例中，至少一楔形光通道130对应并设置于至少一聚光单元120旁。至少一聚光单元120位于相对应的第一光源单元111与楔形光通道130之间，且至少一楔形光通道130具有一第四出光面S130b。进一步而言，如图1所示，当第一色光70进入楔形光通道130，并经由楔形光通道130的第四出光面S130b出光后，其可通过楔形光通道130将第一色光70的角度放大并进行光的均匀度调整，以有利进行后续的光学耦合的设计。

图3A是第一色光未经图1的楔形光通道时的光线发散角度的数据模拟图。图3B是第一色光经图1的楔形光通道后于X方向上的光线发散角度的数据模拟图。图3C是第一色光经图1的楔形光通道后于Y方向上的光线发散角度的数据模拟图。举例而言，如图3A所示，在本实施例中，当第一色光70上尚未经过楔形光通道130时，第一色光70的发散角度是对称的，且其在X、Y方向上的最大发散角度例如为34度。然而，当第一色光70经过楔形光通道130后，由于本实施例的楔形光通道130的入光面S130a与第四出光面S130b的截面积比例并不相同，因此可将第一色光70的发散角度调整为在X、Y方向上 并不对称的发散角度。

举例而言，在本实施例中，例如楔形光通道130的入光面S130a的宽度为5.2毫米，高度为3.3毫米，而楔形光通道130的第四出光面S130b的宽度为3.24毫米，高度为2.5毫米。如此，由于楔形光通道130的入光面S130a与第五出光面S130b的宽度的差异为62.3％，因此可使第一色光70在X方向上的发散角角度变得较大，而约为70度左右(如图3B所示)。另一方面，楔形光通道130的入光面S130a与第四出光面S130b的高度的差异为75.8％，因此可使第一色光70在Y方向上的发散角角度变大的幅度略小，而为50度左右(如图3C所示)。应注意的是，此处的数值范围都仅是作为例示说明之用，其并非用以限定本发明。

如此一来，第一色光70的发光面积以及发散角度将可被调整为与第二光源单元112(或第三光源单元113)所提供的光束62、63具有相同的发光面积以及发散角度，以利于合光单元140进行后续的光学耦合。

另一方面，如图1所示，合光单元140具有一第五出光面S140，位于这些光束62、63以及第一色光70的传递路径上。举例而言，合光单元140包括一X棱镜(X-plate)141，而可对不同颜色的光束70、62、63提供合光作用，混合为一照明光束80。

具体而言，合光单元140的第五出光面S140的面积与楔形光通道130的第四出光面S130b的面积彼此互不相等，第五出光面S140的面积与第二光源单元112或第三光源单元113的第三出光面S112、S113的面积彼此互不相等。

此外，在本实施例中，楔形光通道130的第四出光面S130b的面积与第二光源单元112或第三光源单元113的第三出光面S112、S113的面积大体上相互对应且相等，而可使不同光源单元110所提供的光束62、63以及第一色光70都能被有效收集，并被传递至光阀210。

此外，在本实施例中，合光单元140的第五出光面S140的面积、楔形光通道130的第四出光面S130b的面积与第二光源单元112或第三光源单元113的第三出光面S112、S113的面积还可视光阀210的光 展量来进行匹配及调整，以有利于提升照明系统100所输出的红绿蓝三色光束的色温平衡及光输出效率。举例而言，在本实施例中，照明系统100的光输出效率将可被提升至大于73％左右。

如此一来，通过楔形光通道130的第四出光面S130b的面积与第二光源单元112或第三光源单元113的第三出光面S112、S113的面积彼此相对应的设计，将能使得不同光源单元110所提供的光束62、63以及第一色光70都能被有效收集，并被传递至光阀210。并且，照明系统100还可视光阀210的光展量来对合光单元140的第五出光面S140的面积、楔形光通道130的第四出光面S130b的面积与光源单元110的第三出光面S112、S113的面积进行匹配及调整，以有利于提升照明系统100所输出的红绿蓝三色光束的色温平衡及光输出效率。此外，通过聚光单元120的结构设计，也可针对第一色光70的最大光发散角度及均匀度做适当调整，而有利于照明系统100进行后续的光学耦合的设计。

另一方面，如图1所示，在本实施例中，投影系统还包括一光均匀化元件230，位于照明光束80的传递路径上，且位于照明系统100与光阀210之间。在本实施例中，光均匀化元件230包括一积分柱231，但本发明不限于此。更详细而言，如图1所示，当照明光束80经由照明系统100传递至光均匀化元件230时，光均匀化元件230可使照明光束80均匀化，并使其传递至光阀210。

另一方面，如图1所示，光阀210配置于照明光束80的传递路径上，以将照明光束80转换为一影像光束90。投影镜头220配置于影像光束90的传递路径上，并用于将影像光束90投影至一屏幕(未示出)上，以形成影像画面。由于照明光束80会聚在光阀210上后，光阀210依序将照明光束80转换成不同颜色的影像光束90传递至投影镜头220，因此，光阀210所转换出的影像光束90所被投影出的影像画面便能够成为彩色画面。

图4是图1的另一种聚光单元的示意图。请参照图4，聚光单元320与图2的聚光单元120类似，而差异如下所述。在本实施例中，聚光单元320为复合式抛物面聚光器，并且，聚光单元320的入光面 S322a位于其中一光束61的传递路径上，光束61可直接经由聚光单元320的入光面S322a被传递至聚光单元320的第一出光面S320出光，而不需设置导光体121。另一方面，在本实施例中，聚光单元320并具有一荧光体。当光束61进入聚光单元320后，便可经由其中的荧光体而将光束61转换为第一色光70，并经由聚光单元320的第一出光面S320出光。

进一步而言，如图4所示，在本实施例中，聚光单元320的入光面S322a的面积小于聚光单元320的第一出光面S320的面积。如此，聚光单元320也可消除第一色光70的能量会集中在大角度的缺点，而可针对第一色光70的最大光发散角度及均匀度做适当调整，并有利于照明系统100进行后续的光学耦合的设计。如此一来，由于聚光单元320也可达到调整第一色光70的最大光发散角度及均匀度的效果，因此也可被应用于图1的投影装置200中，而使投影装置200仍可达到类似的功效与优点，在此也不再赘述。

图5A是图1的另一种照明系统的示意图。图5B是图1的一种聚光单元的示意图。请参照图5A及图5B，本实施例的照明系统500与图1的照明系统100类似，而差异如下所述。在本实施例中，照明系统500的聚光单元520的表面具有一保护玻璃521(cover glass)，且照明系统还包括一中继透镜模块550(relay lens module)。具体而言，在本实施例中，保护玻璃521是作为聚光单元520的夹持平面使用，而中继透镜模块550能将经由聚光单元520的第一出光面S520出射的第一色光70定位到楔形光通道130的入光面S130a上。如此，即可避免楔形光通道130因保护玻璃521的设置而无法紧靠聚光单元520的第一出光面S520，进而造成亮度损失的风险。也就是说，在本实施例中，中继透镜模块550可将经由聚光单元520的第一出光面S520出射的第一色光70对应地定位到楔形光通道130的入光面S130a上，而可使照明系统500保有与照明系统100类似的光输出效率。因此，照明系统500也能具有与照明系统100类似的功效及优点，并且照明系统500也可被应用于图1的投影装置200中，而使投影装置200仍可达到类似的功效与优点，在此就不予赘述。

图6是本发明另一实施例的一种投影装置的架构示意图。请参照图6，投影装置600与图1的投影装置200类似，而差异如下所述。在本实施例中，投影装置600的光阀610为三片式的穿透式液晶面板610a、610b、610c。更详细而言，在本实施例中，投影装置600还包括一第一二向色镜641(dichroic mirror)、一第二二向色镜642、三个反射镜643a、643b、643c(reflective mirror)、三个P偏极化片644p、三个S偏极化片645s、三个穿透式液晶显示面板610a、610b、610c、一X棱镜646，而光均匀化元件230透镜阵列(Lens array)232以及第一二向色镜641依序排列于照明光束80的传递路径上。

更详细而言，第一二向色镜641适于使红光R与绿光G通过，并反射蓝光B，而第二二向色镜642适于使红光R通过，并反射绿光G。反射镜643a配置于蓝光B的传递路径上，以反射蓝光B，而反射镜643b、643c配置于红光R的传递路径上，以反射红光R。红光R、绿光G与蓝光B分别依序通过对应的P偏极化片644p、穿透式液晶显示面板610a、610b、610c与S偏极化片645s后投射至X棱镜646，并由X棱镜646合成影像光束90，而投影镜头220配置于影像光束90的传递路径上，而可投射出影像光束90。

并且，在本实施例中，投影装置600仍可通过楔形光通道130的第四出光面S130b的面积与第二光源单元112或第三光源单元113的第三出光面S112、S113的面积彼此相同且对应的设计，而使不同光源单元110所提供的光束62、63以及第一色光70都能被有效收集，并被传递至光阀610。再者，照明系统100还可视光阀610的光展量来对合光单元140的第五出光面S140的面积、楔形光通道130的第四出光面S130b的面积与第二光源单元112或第三光源单元113的第三出光面S112、S113的面积进行匹配及调整，以有利于提升照明系统100所输出的红绿蓝三色光束的色温平衡及光输出效率。此外，通过聚光单元120的结构设计，也可针对第一色光70的最大光发散角度及均匀度做适当调整，而有利于照明系统100进行后续的光学耦合的设计。因此，投影装置600也能具有与投影装置200类似的功效及优点，在此就不予赘述。

综上所述，本发明的实施例的投影装置与照明系统可通过楔形光通道的第四出光面的面积与各第三出光面的面积彼此相等且对应的设计，而使得光源所提供的光束可被有效收集，并被传递至光阀。再者，照明系统还可视光阀的光展量来对合光单元的第五出光面的面积、楔形光通道的第四出光面的面积与各第三出光面的面积进行匹配及调整，以有利于提升照明系统所输出的红绿蓝三色光束的色温平衡及光输出效率。此外，通过聚光单元的结构设计，也可针对第一色光的最大光发散角度及均匀度做适当调整，而有利于照明系统进行后续的光学耦合的设计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单等效变化与修改，都仍属于本发明专利覆盖的范围。另外本发明的任一实施例或权利要求不需实现本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利要求。另外，本说明书或权利要求中提及的“第一”及“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

【符号说明】

61、62、63：光束

70：第一色光

80：照明光束

90：影像光束

100、500：照明系统

110：光源单元

111：第一光源单元

S111：第二出光面

112：第二光源单元

113：第三光源单元

S112、S113：第三出光面

120、320、520：聚光单元

S120、S320、S520：第一出光面

121：导光体

S121：第六出光面

122：聚光器

S122a、S322a：入光面

S122b：出光面

130：楔形光通道

S130a：入光面

S130b：第四出光面

140：合光单元

141：X棱镜

S140：第五出光面

200、600：投影装置

210、610：光阀

220：投影镜头

230：光均匀化元件

231：积分柱

232：透镜阵列

521：保护玻璃

550：中继透镜模块

610a、610b、610c：穿透式液晶显示面板641：第一二向色镜

642：第二二向色镜

643a、643b、643c：反射镜

644p：P偏极化片

645s：S偏极化片

646：X棱镜

LE：发光二极管

LS：长边侧

R：红光

G：绿光

B：蓝光