专利名称：用于照明系统的集光装置及照明系统的制作方法
技术领域：
此发明是关于一种用于投影显示的照明系统，更具体说，是关于一种混合照明 系统及其所采用的集光装置。
背景技术：
随着科技快速发展，信息显示科技日新月异，投影系统的应用也越来越普及， 因此使用者对投影系统的成像品质要求越来越高。其中，影像亮度是评断成像品质 的重要指标，而影像亮度通常受到光源亮度、集光效率、均光效率、继光效率等因 素影响。当投影系统的光展量限制了光量，增加更亮且更有效的光源便是解决方法 之一。然而，这一类的光源往往价格昂贵且生命周期短，再者其体积多半较大，间 接增加了系统整体的尺寸。
在高亮度的投影系统中，常使用氙气灯泡或多个超高压汞灯(Ultra High Pressure Mercury Lamp, UHP)作为光源。然而，氙气灯泡有发光寿命短和价格较 贵等缺点；另一方面，若以多个超高压汞灯作为光源，则在系统的设计及运用上会 受到光展量(6tendue)的限制。此外，以超高压汞灯的光谱输出而言，蓝光及绿光 的光谱范围内分布完整且均有较强发光强度的波峰，但是在红光的光谱输出范围就 显得频谱不完整且强度不足。
在成本考量下，现今多釆用超高压汞灯与LED或激光光源进行组合，补强超高 压荥灯的红光频谱部分，而形成混合照明系统。与LED相较下，激光具有较大的可 见光光谱范围，且同样具有较长的使用寿命。因此若以超高压汞灯负责蓝光及绿光 范围的光谱输出，红光范围输出不足的部分由红光激光来补足，如此一来在红光范 围的光谱输出上，甚至可提供比氙气灯泡更高的红光亮度，且整体而言可以达到更 高的发光效率。因此，由超高压汞灯及红光激光所组成的混合光源，不但能突破由 多个超高压汞灯光源所能提供亮度限制，还因为红光激光的加入，而得到更宽广的 色域显示。
图1所示为一已知的混合照明系统1，其包含一超高压汞灯11、 二个激光光源12、 一第一透镜阵列13、 一第二透镜阵列14、 一面板15以及二反射棱镜16。混 合照明系统1的光源是由超高压荥灯11及激光光源12所产生的光线混合而成。详 细而言，超高压汞灯11与面板15间设有第一透镜阵列13及第二透镜阵列14，超 高压汞灯11产生的光线是先通过第一透镜阵列13上的数个小透镜，再聚焦到第二 透镜阵列14上相应的小透镜上。通过第二透镜阵列14上各个小透镜的光线接着均 被折向且投射于面板15上，如此分布于面板15的光线便重迭在一起。另一方面， 激光光源12所产生的光线聚集后，通过反射棱镜16反射至第一透镜阵列13的小 透镜上，同样地，再由第二透镜阵列14上相应的小透镜投射至面板15上，并和超 高压汞灯ll产生的光线重迭。虽然上述配置可达到混合光源的功效，然而此种照 明系统的最大缺点在于，超高压汞灯11与激光光源12具有不同的光展量，亦即需 舍弃部分的光线，使其无法成为有效光线，因而降低了系统整体的照明效率。再者， 设在两侧的激光增加了光展量，亦增加体积。
如图2所示为另一己知的混合照明系统2，其包含一超高压汞灯21、 一激光光 源22及一双色分光镜23。激光光源22所提供的红光由双色分光镜23反射，而后 加入超高压汞灯21的照明光路中。此种混合光光源的方法可以避免混合照明系统 1的相异光源间光展量不同的问题。然而为了使用此种混合光源，在系统最初光路 设计时，便需考量增加使用双色分光镜23或其它继光光学元件(Relay Optics),
使得己完成的系统设计缺乏变更的弹性。当欲套用于其它照明系统或需增加其它不 同光源时，便往往需要重新设计系统的配置。
综上所述，己知的用于投影显示的混合照明系统配置，或于相异光源间具有不 同光展量而无法达到较高的照明效率，或为了解决不同光源间相异光展量的问题而 使得系统设计缺乏变更的弹性。有鉴于此，提供一种无光展量问题、易于套用于现 有投影系统或易于增加其它光源的混合照明系统，为此一业界所共同企盼达成的目 标。
发明内容
本发明的一目的是提供一种用于混合照明系统的集光装置，借此使运用此混合 照明系统的投影系统可同时提供多个光源，并避免各光源间因光展量的差异而造成 各光源利用率不一致的情况。再者，借助集光装置的特殊设计，投影系统可以混合 各式光源，提供具有完整光谱且光线强度适当的光源，且不需变更现有投影系统的 原先设计，即可将其轻易替换使用本发明的照明系统。为达到上述目的，本发明提供一集光装置及包含此集光装置的照明系统。照明 系统包含集光装置、 一第一光源组与一第二光源组，第一光源组与第二光源组分别 用以提供一第一光线与一第二光线。集光装置其包含一光线主轴、一第一集光元件、 一第二集光元件以及一分光元件。第一光线自第一集光元件的第一端部进入后，分 光元件适可将第一光线分出多类光，多类光具有一至少一类光，至少一类光适可穿 透分光元件，进入第二集光元件；第二光线自第二集光元件的第二入光部进入后， 适可自分光元件反射，与至少一类光共同沿光线主轴，自第二集光元件的出光部射 出。
为让本发明的上述目的、技术特征和优点能更明显易懂，下面将配合附图对本
发明的较佳实施例进行详细说明，其中
图1是已知的混合照明系统示意图2是另一己知的混合照明系统示意图3是本发明第一实施例的照明系统示意图4是本发明第一实施例的集光装置示意图5是本发明集光装置的分解立体示意图6A是一现有采用单一照明系统的投影系统配置示意图6B是将图6A的投影系统改为采用本发明的照明系统的示意图;
图7是本发明第二实施例的照明系统示意图；以及
图8是本发明第二实施例的第一集光元件示意图。
具体实施例方式
本发明的一实施例是一照明系统，其示意图是如图3所示。照明系统3是用于 一投影系统(图未示出)，且此照明系统3具有一第一光源组31、 一第二光源组32 及一集光装置4。其中，图4是集光装置4的示意图。
第一光源组31及第二光源组32适以分别提供一第一光线311及一第二光线 321。第一光源组31及第二光源组32分别包含至少一光源。于本实施例中，第一 光源组31是一超高压汞灯314，第二光源组32是由一激光阵列基座323及多个激 光单元324所组成，其中第二光线321包含由各该激光单元324提供的多子光线 321a。需说明的是，第一光源组31及第二光源组32的光源类型、数目及位置并不限于以上所述，熟知此领域技术者亦可推及其它态样。举例而言，第二光源组32 亦可改采用单一激光单元以提供单一激光束。
集光装置4主要包含一第一集光元件41、 一第二集光元件42、 一分光元件43 及一光线主轴44。第一集光元件41具有一第一端部411及一第二端部412，其中 第一端部411是与第二端部412相对；第二集光元件42包含一第一棱镜421、 一 光线汇聚部422及一延伸部423，其中第二集光元件42形成有一第一入光部421a、 与第一入光部421a相对的一出光部422a及一第二入光部421c。分光元件43设在 第一集光元件41及第二集光元件42之间，更详细而言，分光元件43是设于第二 端部412与第一入光部421a间的一分光镜。于其它较佳实施态样中，此分光元件 可为多层光学镀膜。
分光元件43对应不同入射角度有不同的分光光谱，此即为分光偏移(dichroic shift)的现象。而受到光展量的限制，入射光的面积愈小，发散角度则愈大，使得 分光偏移的现象愈益明显。为了避免各第二子光线321a受分光偏移现象所影响而 无法被分光元件43所反射，分光元件43的过滤频带便须随之调整扩大，以期照明 系统3输出时能减少第二光线321的光损失进而充分利用第二光线321。然而相对 地，第一光源组31所提供的第一光线311中，通过分光元件43的光量便会随之减 少。因此，为能提高第一光线311的利用率，本实施例便将分光元件43的面积扩 大，与其邻接的元件面积亦随之扩大，借此减小入射光的发散角度而降低分光偏移，
以提高第一光线311的利用率。
请一并参阅图5，第一集光元件41、分光元件43、第一棱镜421及光线汇聚 部422是依序邻接设置，且第一棱镜421是呈左右两侧尺寸相同的等腰三角柱体。 为适应较大面积的分光元件43，第一集光元件41便呈一锥体，且其右侧与分光元 件43的左侧对应并具有相同的尺寸，而第一棱镜421的左侧亦与分光元件43具有 相同的尺寸。另外，光线汇聚部422亦呈一锥体，且其左侧与第一棱镜421的右侧 对应并具有相同的尺寸。详细而言，第一集光元件41具有一第一截面积41a，而 此第一截面积41a自第一集光元件41的第一端部411往第二端部412递增。光线 汇聚部422具有一第二截面积42a，第二截面积42a是往出光部422a递减。于本 实施例中，第一集光元件41与光线汇聚部422均为锥状集光柱，但不以此为限。
于第二集光元件42中，第一棱镜421具有一第一入射面421b及第二入射面 421d，分别设于第一入光部421a及第二入光部421c上，分别用以接收第一光线 311与第二光线321。光线汇聚部422具有一出射面422b，设于出光部422a上，此光线汇聚部422是用以汇聚并均匀光线。其中，如前所述，第一棱镜421较佳地 是等腰三角形棱镜，较佳为一正三角形棱镜，以使第二光线321以特定光路行进， 达到最大光线利用效益。
延伸部423包含一邻设于第二入射面421d的第二棱镜423a、一凹面透镜423c、 一透镜阵列423d。第二棱镜423a具有一第三入射面423b，用以接收第二光线321。 凹面透镜423c用以使各子光线321a以相同角度入射第二棱镜423a。而透镜阵列 423d则用以使经过凹面透镜423c的各子光线321a的光束转变成平行，而后进入 第二棱镜423a。通过上述配置，便可避免各激光单元324因安装位置的差异而造 成各子光线321a入射第二棱镜423a的角度不同，而使各子光线321a能集中平行 进入集光装置4。需说明的是，设若第二光源组32改为采用单一激光单元，则延 伸部423可相应地增加一中继透镜(图未示出)，用以使来自激光单元324的第二光 线321集中射入第二棱镜423a。
光线主轴44适同时通过第一集光元件41、分光元件43、第一棱镜421及光线 汇聚部422的中心，形成光线主要的前进路径。第一光源组31及第二光源组32 所产生的光线的行进详细说明如下。
第一光源组31产生的第一光线311是沿光线主轴44行进，由第一集光元件 41的第一端部411进入第一集光元件41后，再自第一集光元件41的第二端部412 行进至分光元件43。分光元件43将第一光线311分为一第一类光312及一第二类 光313。其中，第一类光312穿透分光元件43，通过第一入射面421b进入第一棱 镜421，并沿光线主轴44往出光部422a前进，最后自出射面422b离开集光装置4。 其中，第二类光313是由分光元件43反射而自第一光线311分离出。需另说明的 是，分光元件43亦可将第一光线311分为多类光，并非限制于分出二类光。
第二光源组32产生的第二光线321中的各子光线321a，先经凹面透镜423c 及透镜阵列423d调整为一致的平行入射角度后，由第三入射面423b进入第二棱镜 423a，而后通过第二入射面421d进入第一棱镜421中，并接着往分光元件43前进。 分光元件43将第二光线321分为两类光，绝大部分为自分光元件43反射的第三类 光322，第三类光322会与第一类光312共同沿光线主轴44朝出光部422a前进， 并在光线汇聚部422内与第一类光312均匀汇聚，最后由出射面422b离开集光装 置4。
于本实施例中，所设计分光元件43的反射波段范围较佳是600nm至630nm之 间，以期能完全利用激光单元324所提供波段范围在618nm至621nm之间的激光光源。借此，便能以激光取代超高压汞灯314于相同红光波段中亮度不足的光线。因 此激光单元324所提供而被分光元件43所反射的第三类光322是一红光，其波段 范围是在618nm至621nni之间。在分光元件43的反射下，超高压汞灯314所提供 而被分光元件43所反射的第二类光313，则为一波段范围在600nm至630nm之间 的红光。而通过分光元件43的第一类光312是第二类光313以外波段的色光，例 如为蓝光、绿光及波段范围在600nm至630nm之外的红光等。在其它的实施态样中， 分光元件43的反射波段范围当然也可以是在618nm至621nm之间，如此，第三类 光322的波段范围是在618nm至621nm之间，而第二类光313同样在618nm至621nm 之间。需另说明的是，本实施例中，第一集光元件41、光线汇聚部422、第一棱镜 421及延伸部423四者之间不存在空气间隙(air g邻)。于其它实施态样中，亦可 选择性地设置空气间隙，以配合其它光路设计的需求。
图6A为一现有的投影系统6的配置示意图，而图6B则为将图6A的投影系统 6采用本发明第一实施例照明系统3后的内部示意图，用以说明本发明的照明系统 可轻易替换其它现有投影系统的照明系统。如图6A所示，方框内是现有投影机的 集光柱61，在此现有的投影系统6中，仅需将此集光柱61置换为本发明的集光装 置4后，即可在不改变其它原先的光路设计的情况下，轻易地加入第二光源组32 以提供第二光线321并完成光线的整合，得到具有混合光源的投影系统6'，即如 图6B所示。
图7所示为本发明照明系统的第二实施例，本实施例的照明系统7具有一第一 光源组71、 一第二光源组32及一集光装置8，与第一实施例不同的是，本实施例 的第一光源组71包含多个光源。
第一光源组71包含第一子光源714a、第二子光源714b、第三子光源714c， 各个子光源714a、 714b、 714c是超高压汞灯；于其它实施态样中，这种子光源亦 可为LED灯或其它光源。而于此实施例中，第二光源组32是与第一实施例相同， 故于此不另赘述。
为配合第一光源组71的数个子光源714a、 714b、 714c，本实施例的集光装置 8的第一集光元件81具有相应数目的入光机制。详细而言，如图8所示，第一集 光元件81包含一第一锥体813及一第二锥体814。第一锥体813包含一第一锥体 反射面813a，第二锥体814邻设于第一锥体813之下，第二锥体814包含一第二 锥体入射面814a及一第二锥体反射面814b。于此实施例中，是将第一实施例的第 一集光元件81分为上下两锥体，同时配合光源的数目及位置修改锥体的外形，并对应地设置入射面及/或反射面；而在其它实施态样中，第一集光元件的外形及入 射面与反射面的设置亦可为其它样式，并不以上述说明为限。而于此实施例中，第 二集光元件42、分光元件43及一光线主轴44是与第一实施例相同，故于此不另 赘述°
第一子光源714a的光线通过第二锥体814的侧边进入第一锥体813，并由第 一锥体反射面813a反射后，沿光线主轴44行进至分光元件43。第二子光源714b 的光线通过第二锥体入射面814a进入第二锥体814，而后沿光线主轴44行进至分 光元件43。第三子光源714c的光线通过第二锥体814的侧边进入，通过第二锥体 反射面814b反射，而后沿光线主轴44行进至分光元件43。同样地，各子光源714a、 714b、 714c所产生的光线同样由分光元件43分成一第一类光712及一第二类光 713，第一类光712继续进入第二集光元件42，而第二类光713则由分光元件43 反射出集光装置8。
需说明的是，本发明并不限于上述的第一光源组扩增态样，熟悉本技术领域者 亦可以其它光源组件代替。借此，照明系统7可轻易加入多个多个光源，而使输出
光源的亮度更强或色域更为广阔。
本发明提出的照明系统采用特殊设计的集光装置，因此采用本发明照明系统的
投影系统可在使用多个光源的情况下，避免各光源间因光展量的差异而造成各光源 利用效率不一的状况。此外，借助集光装置的特殊设计，投影系统可以混合各式光 源，提供具有完整光谱且光线强度适当的光源，且不需变更现有投影系统的原先设
计便能轻易替换使用本发明的照明系统。
上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，以及阐释本发明的技术特 征，而非用于限制本发明的保护范畴。任何熟悉本技术领域的人士均可在不违背本 发明的技术原理及精神的情况下，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。因此，本发明的权利保护范围应由后述的本申请的权利要求范围所 限定。
权利要求
1.一种用于一照明系统的集光装置，该照明系统包含一第一光源组与一第二光源组，分别用以提供一第一光线与一第二光线，该集光装置包含一光线主轴；一第一集光元件，具有一第一端部及相对的一第二端部；一第二集光元件，具有一第一入光部、相对的一出光部及一第二入光部；以及一分光元件，设于该第二端部与该第一入光部间；其中，该第一光线自该第一集光元件的该第一端部进入后，该分光元件适可将该第一光线分出多类光，该多类光具有一至少一类光，该至少一类光适可穿透该分光元件，进入该第二集光元件；该第二光线自该第二集光元件的该第二入光部进入后，适可自该分光元件反射，与该至少一类光共同沿该光线主轴，自该第二集光元件的该出光部射出。
2. 根据权利要求1所述的集光装置，其特征在于该多类光具有一第一类光及 一第二类光，且该至少一类光为该第一类光；该第二光线具有一第三类光，该第三 类光自该分光元件反射后，适可与该第一类光共同沿该光线主轴，自该第二集光元 件的该出光部射出。
3. 根据权利要求2所述的集光装置，其特征在于该分光元件是使该第二类光 反射以自该第一光线分出。
4. 根据权利要求2所述的集光装置，其特征在于该第二类光与该第三类光均 为一红光。
5. 根据权利要求1所述的集光装置，其特征在于该第二集光元件包含 一第一棱镜，具有一第一入射面与一第二入射面，该第一入射面位于该第一入光部且该第二入射面位于该第二入光部，分别用以接收该第一光线与该第二光线； 以及一光线汇聚部，具有一出射面，该出射面位于该出光部，该光线汇聚部是用以 汇聚均匀该第二光线与该至少一类光。
6. 根据权利要求5所述的集光装置，其特征在于该第一集光元件与该光线汇 聚部是对称于该第一棱镜设置且分别呈一锥体。
7. 根据权利要求6所述的集光装置，其特征在于该第一集光元件具有一第一截面积，该第一截面积是自该第一集光元件的该第一端部至该第一集光元件的该第 二端部递增，该光线汇聚部具有一第二截面积，该第二截面积是自该第二集光元件 的该第一入光部至该第二集光元件的该出光部递减。
8. 根据权利要求1所述的集光装置，其特征在于该分光元件是一镀膜或一分 光镜。
9. 根据权利要求5所述的集光装置，其特征在于该第一棱镜是一等腰三角形 棱镜。
10. 根据权利要求5所述的集光装置，其特征在于该第二集光元件还包含一延 伸部，该延伸部包含一第二棱镜，邻设于该第二入射面，该第二棱镜具有一第三入 射面，用以接收该第二光线。
11. 根据权利要求10所述的集光装置，其特征在于该延伸部还包含一凹面透 镜，用以使该第二光线垂直射入该第三入射面。
12. 根据权利要求11所述的集光装置，其特征在于该第二光线包含多子光线。
13. 根据权利要求12所述的集光装置，其特征在于该延伸部还包含一透镜阵 列，用以使这些子光线各自集中且平行射入该第二棱镜的该第三入射面。
14. 一种照明系统，包含 一第一光源组，用以提供一第一光线； 一第二光源组，用以提供一第二光线；以及一如权利要求1所述的集光装置，用以接收该第一光线及该第二光线，将该第 一光线分出多类光，该多类光具有一至少一类光，并均匀该至少一类光与该第二光 线。
15. 根据权利要求14所述的照明系统，其特征在于该多类光具有一第一类光 及一第二类光，且该至少一类光为该第一类光；该第二光线具有一第三类光，该第 三类光自该分光元件反射后，适可与该第一类光共同沿该光线主轴，自该第二集光 元件的该出光部射出。
全文摘要
本发明系关于一种集光装置及包含此集光装置的照明系统。照明系统另包含一第一光源组及一第二光源组，分别用以提供一第一光线及一第二光线。集光装置包含一第一集光元件、一第二集光元件及一分光元件。第一光线自第一集光元件进入集光装置，通过分光元件分出多类光。其中至少一类光通过分光元件进入第二集光元件；第二光线自第二集光元件进入集光装置，通过分光元件反射，与至少一类光共同沿集光装置的光线主轴，自第二集光元件射出。借此集光装置，可在不增加系统光展量及变更现有光路设计情况下结合两光源，以提高照明系统的亮度及色域广度。
文档编号H05B35/00GK101626644SQ20081013155
公开日2010年1月13日 申请日期2008年7月11日 优先权日2008年7月11日
发明者黄俊杰 申请人:台达电子工业股份有限公司