专利名称:光束产生器及具有该光束产生器的投影系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学技术，特别是涉及一种光束产生器及具有该光束产生器的投影系统。
背景技术：
近年来，随着信息产业与光电产业的快速发展，使得数据的应用更加多元化，而投影系统的应用也更加广泛地运用在各种场合，例如会议中所需的投影简报、会场中所需的影像投影、或甚至是家中播放影剧所需的影像投影等。而在投影系统的设计当中，光源的强度通常是最重要的因素之一，概括而言，光源越强则投影的亮度越高，相对的投影效果也越好。
如图1所示，其示出了现有投影系统的示意图，投影系统1由光源装置11、色轮(color wheel)13、光管(light pipe)15以及成像装置17组成。光源装置11用于产生光束，并经色轮13滤光后投射至光管15内。色轮13以转轴131为轴心，可转动地设置在光源装置11与光管(或称光隧道)15之间，用于按照顺序以不同的偏光片来极化(polarize)光束，进而输出红、蓝、绿三种单色光，以供成像装置17进行色彩调制，而光管15则用于将接收的单色光均匀化及提高效率后投射至成像装置17。成像装置17对光管15输出的光束进行处理，并将影像画面调制到光束中而形成影像光束，然后再将影像光束进行投影而成像于投影屏19上。
上述投影系统1的光源装置11由灯泡111及灯罩113组成，其中灯泡111用于产生光线，而灯罩113则用于将灯泡111所产生的光线汇聚成光束，以提供投影系统1所需的光线。在这种设计下，若想提升投影系统1所投影的影像亮度，则必须增加灯泡111的发光功率，然而，增加灯泡111发光功率的做法将直接造成工作温度的提升，而灯泡111工作温度的提升不仅会影响成像装置17中的光阀(light valve)的产品寿命，也同时衍生出造成灯泡111烧毁之误，从而降低投影系统1的工作效率与产品寿命。此外，虽然在中国台湾公告第594372号发明专利中提出增设散热装置的设计，但是，这种设计无疑增加了光源装置的体积，也造成投影系统体积庞大、难以微型化的缺点。
为了改善上述投影系统1的投影效果，以及光源强度难以提升的窘境，中国台湾公告第587195号发明专利中提出一种安装于投影机中、用于产生汇聚光束的光源装置，光源装置包含有多个用于产生光束的光束产生器，以及用于使多个光束产生器所产生的光束产生偏向、以将多个光束产生器所产生的光束汇聚成汇聚光束的棱柱体。由于此专例前案中使用多个光束产生器及一个棱柱体，且各光束产生器还包括灯泡及准直器(collimator)，无疑造成光源装置的庞大体积、投影系统体积庞大、难以微型化的缺点，所以应用光源装置的投影机同样过于庞大而难以微型化。
为了改善上述现有投影系统的体积难以微型化以及光源强度难以有效提升的问题，逐步发展出采用发光二极管(LED)配合准直器来产生光束，并且配合液晶式的显像元件(如液晶显示器(LCD)、硅基液晶(LCOS))产生影像的设计，如美国专利公开第2003/0133080号、第2005/0219475号、以及第2005/0190307号等案已公开的相关技术。由于发光二极管具有高色彩表现及低电量需求的优点，可使得所构成的投影系统较为小型化。
由于液晶式的显像元件只能接受特殊偏振方向的光源，且发光二极管并非如灯泡那样向四面八方发光，而是具有半球面发光的特性，因此，为了提升光束产生器的输出效能与效率，对于提供准直效果的准直器的设计与相对位置更显得格外重要。
如图2所示，美国专利公开第2005/0190307号案中所公开的光束产生器2包括发光二极管21及具有反射面231的光学元件23，具有反射面231的光学元件23实际上就是一个准直器。光学元件23的反射面231呈曲面设计，且发光二极管21配置于由光学元件23的反射面231反射并输出光束的光路中。也就是说，从发光二极管21发射出的光源经光学元件23的反射面反射耦合后，将再次与发光二极管21交错，因此，部份耦合后的光线将被发光二极管21遮蔽，明显地造成光效率的损失，况且发光元件23的体积也过大。
上述美国专利前案所公开的光束产生器2中，除了明显的损失输出光束的光效率而造成输出效能不佳的缺点之外，由于发光二极管21本身具有电路及散热设计，这种光源耦合后再度与发光二极管21交错的设计，也显然加重了发光二极管21所需的散热设计的负担，不利于所应用的投影系统的轻薄化。此外，由于光束产生器2输出效能不佳的缘故，对于只能接受特殊偏振方向光源的液晶式显像元件而言，将难以提供足够的光源强度，因此造成投影影像的亮度不足，所以无法运用在有光源偏振转换需求的投影系统中。
因此，如何有效解决所公开的现有技术所存在的问题，成为目前亟待解决的课题。
发明内容鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种可提升光束输出效率的光束产生器及具有光束产生器的投影系统。
本发明的另一个目的是提供一种光束产生器及具有光束产生器的投影系统，以提供用于有光源偏振转换需求的投影系统中。可提升光束输出效率，可降低散热需求。
本发明的又一个目的是提供一种可降低散热需求的光束产生器及具有光束产生器的投影系统。
为达成上述目的及其它目的，本发明提供一种光束产生器，其包括光学元件，具有非球面的反射曲面，且反射曲面至少具有一个焦点；以及发光二极管，其配置于光学元件的焦点，用于发出光线至反射曲面，以导引至特定方向。
发光二极管可选自红光、蓝光、绿光、以及白光发光二极管的其中之一。在一个优选实施例中，发光二极管是裸晶片形式，在另一个优选实施例中，发光二极管是封装形式。
本发明还提供一种投影系统，其包括光束产生器，其包括光学元件及发光二极管，光学元件具有非球面的反射曲面，且反射曲面至少具有一个焦点，而发光二极管配置于光学元件的焦点，用于发出光线至反射曲面，以形成导引至特定方向的光束；准直照明装置，用于接收来自光束产生器的光束，并予以均匀化及提高效率；以及成像装置，用于接收来自准直照明装置的光束，并将影像画面调制到光束中而形成影像光束，以供对外投影。
上述的投影系统中，可包括多个对称阵列排列的光束产生器，准直照明装置可选自阵列式透镜以及光隧道的其中之一，成像装置可包括显像元件及投影镜头，并且其中，显像元件可选自液晶显示器、硅基液晶、以及数字微镜装置(Digital Micromirror device，DMD)的其中之一。此外，各光束产生器的发光二极管，可选自红光、蓝光、绿光、以及白光发光二极管的其中至少二者的排列组合。
上述本发明所提供的光束产生器以及投影系统中，反射曲面可以是高反射率抛物面型曲面，也可以是高反射率椭圆面型曲面；此外，反射曲面可由光学元件表面的金属镀膜构成，也可由光学元件表面的介电镀膜构成。另外，反射曲面可满足下列曲线方程式z=cy21+1-(1+k)c2y2+α1y2+α2y4+α3y6+α4y8+α5y10+α6y12+α7y14]]>其中，k为圆锥常数，c为曲率，α1至α7为非球面系数。
本发明所提出的光束产生器及具有光束产生器的投影系统，主要运用了光束产生器中的发光二极管与光学元件的相对配置关系，以及光学元件的反射曲面设计，由此用于防止发光二极管所产生的光线经光学元件反射耦合后的再次交错，因此耦合后的光线并没有被发光二极管遮蔽的情况，因此可以避免损失输出光束的光效率，可以相对提升所输出光束的光效率，并可降低散热需求，这样不仅可缩小光束产生器的体积，也可使得所应用的投影系统相对更为薄型化；同时，由于本发明所提供的光束产生器并没有遮光的光效率损失现象，还可以有效发挥其最佳的出光效率，所以有利于控制输出特殊偏振方向的光束，进而可应用在有光源偏振转换需求的投影系统中，以配合液晶式显像元件(例如液晶显示器、硅基液晶、数字微镜装置)的需求。
图1示出了现有投影系统的示意图；图2示出了美国专利公开第2005/0190307号案中的光束产生器的示意图；图3A示出了本发明的光束产生器的示意图；图3B示出了本发明的光束产生器的出光状态的示意图；图4示出了本发明的投影系统示意图；以及图5示出了本发明的投影系统中的多个光束产生器排列结构的示意图。
主要元件符号说明1 投影系统 11 光源装置111 灯泡 113 灯罩13 色轮 131 转轴15 光管 17 成像装置19 投影屏 2 光束产生器21 发光二极管 23 光学元件231 反射面 3 光束产生器31 发光二极管 33 光学元件331 反射曲面 4 投影系统41 准直照明装置 43 成像装置431 显像元件 433 投影镜头具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容容易了解本发明的其它优点与功效。本发明也可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同的观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修改与变更。
要注意的是，所附的附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构。因此，在这些附图中仅标示与本发明有关的元件，且所显示的元件并非是以实际实施时的数目、形状、尺寸比例等加以绘制的，其实际实施时的规格尺寸实际是一种选择性的设计，且其元件布局形态可能更为复杂，先予与说明。
参考图3A及图3B，其分别示出了本发明的光束产生器的示意图及其出光状态的示意图，如图所示的光束产生器3包括发光二极管31及光学元件33。发光二极管31可以是例如红光、蓝光、绿光、以及白光发光二极管的其中之一，且在这个优选实施例中，发光二极管31是封装形式，然而在其他实施例中，发光二极管31也可以是裸晶片形式。光学元件33可通过例如塑料或玻璃等高透光率的材质制成。
光学元件33具有非球面的反射曲面331，且反射曲面331至少具有一个焦点。在本实施例中，反射曲面331是高反射率椭圆面型曲面，但在其它实施例中也可以是高反射率抛物面型曲面，且其满足下列曲线方程式z=cy21+1-(1+k)c2y2+α1y2+α2y4+α3y6+α4y8+α5y10+α6y12+α7y14]]>其中，k为圆锥常数，c为曲率，α1至α7为非球面系数，当k为-1时即为高反射率抛物面型曲面。
反射曲面331形成在光学元件的内侧表面，在本实施例中，反射曲面由光学元件33内侧表面电镀或蒸镀的金属镀膜构成，当然在其它实施例中，也可由光学元件内侧表面电镀或蒸镀的多层介电材料的镀膜构成。
发光二极管31配置于光学元件33的反射曲面331的焦点，用于发出光线至反射曲面331，以导引至特定方向。由于发光二极管31配置于对应光学元件33的反射曲面331的焦点的设计，首先可防止发光二极管31所产生的光线经光学元件33的反射曲面331反射耦合后的再次交错，因此耦合后的光线并没有被发光二极管31遮蔽的情况，所以可以避免损失输出光束的光效率，可以相对提升所输出光束的光效率。
其次，通过发光二极管31配置于对应光学元件33的反射曲面331的焦点的设计，发光二极管31所产生的光线经光学元件33的反射曲面331反射耦合后，可如图4A所示将出光的半角控制在很小的角度，该角度值视反射曲面331的曲率值和发光二极管31的大小而略有不同，对一般的1mm×1mm大小的发光二极管31而言，可将半高全宽(Full width in halfmaximum，FWHM)控制在小于8度，所以可明显提升光束产生器的准直效果与对应输出光束的光效率。
另外，由于本发明所提供的光束产生器3并没有遮光的光效率损失现象，且借助发光二极管31与光学元件33的特殊配置关系，还可以有效发挥其最佳的出光效率，所以有利于控制输出特殊偏振方向的光束，从而可应用在有光源偏振转换需求的投影系统中，以配合液晶式显像元件(例如液晶显示器、硅基液晶、数字微镜装置)的需求。
同时，由于本发明所提供的光束产生器3并没有遮光现象，因此光束不会重复交错至发光二极管31，所以无须使用特殊的散热设计，可以相对降低散热需求，这样不仅可缩小光束产生器3的体积，也可使得所应用的投影系统相对更为薄型化。
参考图4及图5，本发明还提供一种具有上述光束产生器的投影系统4，如图所示，投影系统4包括多个对称阵列排列的光束产生器3、准直照明装置41以及成像装置43。需注意的是，在本实施例中虽然是以包括多个对称阵列排列的光束产生器3为例，但本技术领域：
中具有通常知识者应该都可以理解，在其它实施例中也可以仅设置单光束产生器3，而不以本实施例的设置数量与排列关系为限制。
光束产生器3与上述实施例相同，包括光学元件33及发光二极管31，光学元件33同样具有非球面的反射曲面331，且反射曲面331至少具有一个焦点，而发光二极管31配置于光学元件33的焦点，用于发出光线至反射曲面331，以形成导引至特定方向的光束。在本实施例中，考虑到发光二极管31的半平面发光的特性，多个光束产生器3以相互对称的阵列进行排列，由此可达到在最小面积内设置最多的发光二极管31的效果，还可以进一步提升投影系统4的薄型化或微型化程度。另外，在本实施例中，反射曲面331是以高反射率抛物面型曲面为例，而各光束产生器3的发光二极管31可选自红光、蓝光、绿光、以及白光发光二极管的其中至少二者的任意排列组合。
准直照明装置41用于接收来自光束产生器3的光束，并予以均匀化及提高效率，在本实施例中，准直照明装置是阵列式透镜，当然在其它实施例中也可以是光隧道。
成像装置43用于接收来自准直照明装置41的光束，并将影像画面调制到光束中而形成影像光束，以供对外投影。在本实施例中。成像装置43包括例如是LCD的显像元件431及投影镜头433，当然在其它实施例中显像元件431也可以是硅基液晶或数字微镜装置。由于成像装置43及上述的准直照明装置41都不是本发明的创作重点，且均为本发明所属技术领域：
中具有通常知识者能够理解并能够进行简单替换的部件，其作用与配置均与现有技术无异，所以在此不再重复赘述。
与现有技术相比较，本发明所提出的光束产生器及具有光束产生器的投影系统，主要运用了光束产生器中的发光二极管与光学元件的相对配置关系，以及光学元件的反射曲面设计，由此防止发光二极管所产生的光线经光学元件反射耦合后的再次交错，因此耦合后的光线并没有被发光二极管遮蔽的情况，所以可以避免损失输出光束的光效率，可以相对提升所输出光束的光效率，并可以降低散热需求，这样不仅可缩小光束产生器的体积，也可使得所应用的投影系统相对更为薄型化；同时，由于本发明所提供的光束产生器并没有遮光的光效率损失现象，还可以有效发挥其最佳的出光效率，所以有利于控制输出特殊偏振方向的光束，进而可应用在有光源偏振转换需求的投影系统中，以配合液晶式显像元件(例如LCD、LCOS、DMD)的需求。所以，本发明所提供的光束产生器及具有光束产生器的投影系统，已经相对解决了现有技术所存在的问题。
上述实施例仅示例性地说明了本发明的原理及其功效，而不是用于限制本发明。本领域的任何技术人员都可以在不违背本发明的精神及范畴的情况下，对上述实施例进行修改与变更。因此，本发明的权利要求
保护范围应如申请专利范围所列出的那样。
权利要求
1.一种光束产生器，其包括光学元件，其具有非球面的反射曲面，且所述反射曲面至少具有一个焦点；以及发光二极管，其配置于所述光学元件的焦点，用于发出光线至所述反射曲面，以导引至特定方向。
2.根据权利要求
1所述的光束产生器，其中，所述反射曲面是高反射率抛物面型曲面。
3.根据权利要求
1所述的光束产生器，其中，所述反射曲面是高反射率椭圆面型曲面。
4.根据权利要求
1所述的光束产生器，其中，所述反射曲面由光学元件表面的金属镀膜构成。
5.根据权利要求
1所述的光束产生器，其中，所述反射曲面由光学元件表面的介电镀膜构成。
6.根据权利要求
1所述的光束产生器，其中，所述反射曲面满足下列曲线方程式z=cy21+1-(1+k)c2y2+α1y2+α2y4+α3y6+α4y8+α5y10+α6y12+α7y14]]>其中，k为圆锥常数，c为曲率，α1至α7为非球面系数。
7.根据权利要求
1所述的光束产生器，其中，所述发光二极管选自红光、蓝光、绿光、以及白光发光二极管的其中之一。
8.根据权利要求
1所述的光束产生器，其中，所述发光二极管选自裸晶片形式以及封装形式的其中之一。
9.一种投影系统，其包括光束产生器，其包括光学元件及发光二极管，所述光学元件具有非球面的反射曲面，且所述反射曲面至少具有一个焦点，而所述发光二极管配置于所述光学元件的焦点，用于发出光线至所述反射曲面，以形成导引至特定方向的光束；准直照明装置，用于接收来自光束产生器的光束，并予以均匀化及提高效率；以及成像装置，用于接收来自准直照明装置的光束，并将影像画面调制到所述光束中形成影像光束，以供对外投影。
10.根据权利要求
9所述的投影系统，其中，所述准直照明装置选自阵列式透镜以及光隧道的其中之一。
11.根据权利要求
9所述的投影系统，其中，所述成像装置包括显像元件及投影镜头。
12.根据权利要求
11所述的投影系统，其中，所述显像元件选自液晶显示器LCD、硅基液晶LCOS以及数字微镜装置DMD的其中之一。
13.根据权利要求
9所述的投影系统，其中，所述反射曲面是高反射率抛物面型曲面。
14.根据权利要求
9所述的投影系统，其中，所述反射曲面是高反射率椭圆面型曲面。
15.根据权利要求
9所述的投影系统，其中，所述反射曲面由光学元件表面的金属镀膜构成。
16.根据权利要求
9所述的投影系统，其中，所述反射曲面由光学元件表面的介电镀膜构成。
17.根据权利要求
9所述的投影系统，其中，所述反射曲面满足下列曲线方程式z=cy21+1-(1+k)c2y2+α1y2+α2y4+α3y6+α4y8+α5y10+α6y12+α7y14]]>其中，k为圆锥常数，c为曲率，α1至α7为非球面系数。
18.根据权利要求
9所述的投影系统，其中，各所述光束产生器的发光二极管，选自红光、蓝光、绿光、以及白光发光二极管的其中至少二者的排列组合。
19.根据权利要求
9所述的投影系统，其中，所述发光二极管选自裸晶片形式以及封装形式的其中之一。
20.根据权利要求
9所述的投影系统，其中，其包括多个对称阵列排列的光束产生器。
专利摘要
一种光束产生器，其包括光学元件及发光二极管，该发光元件具有非球面的反射曲面，且该反射曲面至少具有一个焦点；而该发光二极管配置于该光学元件的焦点，用于发出光线至该反射曲面，以导引至特定方向，由此可提升光束输出效率、降低散热需求、并可提供应用在有光源偏振转换需求的投影系统中，因此克服现有技术的缺点。此外，本发明还提供一种具有该光束产生器的投影系统。
文档编号F21V3/00GK1996095SQ200510137655
公开日2007年7月11日 申请日期2005年12月31日
发明者钟双兆, 林俊全, 陈添源, 曾志翔 申请人:财团法人工业技术研究院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan