CN101276134A - 光学元件及包含光学元件之投影系统 - Google Patents

光学元件及包含光学元件之投影系统 Download PDF

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Abstract

本发明系关于一种光学元件及包含所述光学元件的投影系统。所述光学元件包含一聚光部，所述聚光部包含一反射面及一折射面，用以聚光来自一光源的光；以及一光导部，连接至所述聚光部的输出端并将由所述聚光部所聚光的光均匀地射出。本发明所揭示之光学元件及投影系统可提供更为均匀的亮度及更高的光耦合效率。

Description

光学元件及包含光学元件之投影系统
技术领域
本发明涉及一种光学元件，特别的涉及一种应用于投影系统中的光学元件。
背景技术
随着近年来投影机的使用越来越普遍，不仅投影机的机体越来越轻薄，效能也大幅提升。藉由改良投影机内的发光装置，目前市面上投影机的亮度比起早期的产品进步很多，播放时不用把室内灯光关得很暗也可以得到清晰的投影效果。目前有许多改良投影机发光装置的方式，比如说美国专利公开专利号2005/0179041 A1及2006/0164607A1各自揭露了不同的发光装置结构以提高亮度或光线均匀度(uniformity)。前者系将一准直透镜(collimating lenses)罩在发光二极管上，由于发光二极管会在一特定角度内射出光线，故该准直透镜的弧面被设计成可使发光二极管射出的光线准直，也就是说可以使原本四散的光线大致上平行地射出该准直透镜。由于这种发光装置缺乏混光的装置，所以由准直透镜射出的光线均匀度不够高，如此一来，投影画面上会有亮度不均的问题。后者系使用一锥形的光导使从发光二极管接收的光线充分混合，以提升光线的均匀度，然而，这种装置的缺点是发光二极管射出的光线部份会漏失无法全部进入光导，故其光耦合效率(light coupling efficiency)较低。
因此，一种亮度均匀且光耦合效率高的光学元件确有其需求。
发明内容
鉴于现有技术的缺点，本发明提供一种亮度均匀且光耦合效率高的光学元件及包含所述光学元件的投影系统。
本发明之一实施例提供一种光学元件，其包含：一聚光部，包含一反射面及一折射面，用以收集并将来自一光源的光聚光；以及一光导部，连接至所述聚光部的输出端并将由所述聚光部所聚光的光均匀地射出。
本发明之另一实施例提供一种投影系统，包含：至少一光学元件；一光源，用以提供光；一显示模块，耦接于所述由光学元件与光源组成之发光装置的光导部的输出端，用以提供所欲显示之图像；及一投影透镜，耦接于所述显示模块，用以将所述图像投影出来。
由于聚光部耦接于光源的发光面，且反射面为全反射面，因此可以收集到绝大部分光源所发出的光；此外，反射面和折射面又可以将光以极少的损失耦合到光导部，然后由光导部充分混合。因此，本发明所提供之光学元件兼具高光耦合效率以及高均匀度的优点。此外，本发明所提供的光学元件之创新设计亦可减少光耦合所需的元件数。
通过下文中参照附图，对本发明所作的描述和权利要求，本发明的其它目的和成就将显而易见，并可对本发明有全面的理解。
附图说明
图1为本发明之光学元件应用于发光装置之一较佳实施例的截面图。
图2a 2b及2c为本发明之光学元件应用于发光装置的其它较佳实施例之截面图。
图3为本发明笔型投影系统之较佳实施例的示意图。
图4a及4b分别为本发明迷你投影系统之两种较佳实施例的示意图。
图5为本发明三片式投影系统之实施例的示意图。
图6为本发明反射式投影系统之较佳实施例的示意图。
具体实施方式
请参阅图1，图1为本发明之光学元件应用于发光装置100之一较佳实施例的截面图。发光装置100包含一光源120以及一光学元件，其中光学元件包含一聚光部140以及一光导部160，而聚光部140具有一折射面142及一反射面144。在本实施例中，聚光部140以及一光导部160可为一体成型的或是由两个组件组合而成，光源120可为发光二极管(例如：白光发光二级管)、发光二极管数组(例如：由红色、绿色及蓝色发光二级管组成)并同时发光或经由控制而依序地发光，光源120也可为其它发光元件(例如：普通灯泡或固体发光装置)。如图1所示，聚光部140的一端系耦接于光源120上以接收其发射出的光线，其中部分光线透过折射面142后会被汇聚至聚光部140的输出端，亦即光导部的输入端；另一部分光线会经由反射面144反射而同样汇聚至聚光部140的输出端。当光线进入光导部160后则会经过一连串的内部反射使得从光导部160输出端射出的光线均匀度较高。根据本发明之实施，例所属技术领域的技术人员当可明了上述光学元件可为独立元件，或与一光源结合而成为一发光装置。
请注意，虽然在本发明之较佳实施例中，反射面144为全内部反射面或涂覆反射层而折射面142及反射面144皆为非球型弧面，但是在其它实施例中，折射面142亦可为一平面或球型弧面，或者折射面142为非球型弧面而反射面144为球形弧面或阶梯状线段环。此外，上述实施例中光导部160可为柱形，例如可为四角柱、圆柱或其它截面为多边形的柱体，并且光导部160的各截面积大小皆相等。
请参阅图2a及2b，图2a及2b为本发明之光学元件应用于发光装置的其它较佳实施例之截面图。当本发明之光学元件被应用于具有较大显示模块的投影系统时，必须将其输出光束的截面积扩大，因此，图2a中光导部的输出端的截面积比输入端的截面积要大，也就是利用锥形的光导部使光线在混合均匀的过程中逐渐扩束以得到截面积较大的光束。再者，如图2b所示，也可以在柱形光导部的后端加上一扩束装置270，例如：一组传输透镜(relay lens)来达到扩束的目的。此外，又如图2c所示，不论光导部的形状为何，其输出端可为一凸面或凹面，这是因为凸面或凹面可以达到透镜的效果进而改良发光效率和改变输出光形，或者也可以在光导部的输出端上形成一几何图案或粗糙的表面来改良发光效率和提高均匀度。
由于本发明所提供之发光装置与光学元件可应用于各种不同形式的投影系统(例如手持式投影系统)，故以下将进一步说明发光装置与光学元件的应用。请参阅图3，图3为本发明一笔型投影系统300之较佳实施例的示意图。如图3所示，笔型投影系统300包含发光装置320、耦接于发光装置320之输出端并用以提供所欲之显示图像之显示模块340以及耦接于显示模块340并用以将所述图像投影出来的投影透镜组360。在本实施例中，显示模块340可为高温多晶硅液晶显示器(HTPS-LCD)或其它透射式显示模块。此外，图4a及4b分别为本发明的一迷你投影系统410、420之较佳实施例的示意图。如图4a所示，迷你投影系统410的结构与图3中笔型投影系统300相似，主要的差异在于迷你投影系统410中发光装置412的光导部为锥型。这是因为迷你投影系统410的体型较笔型投影系统300稍大，所使用的显示模块414面积也较大，因此需要藉由锥型的光导部来扩束。同样地，此一扩束功能亦可如图4b所示的扩束装置423来完成。本发明所提供的投影系统除了单一发光装置的应用之外，也可为多个发光装置的投影系统。请参阅图5，图5为本发明三模块投影系统500之实施例的示意图。如图5所示，三模块投影系统500包含发光装置522、524、526、显示模块542、544、546、集光器(integrator)560以及投影透镜580，其中发光装置522、524、526分别发出红色、蓝色及绿色的光线透过各自对应的显示模块542、544、546与集光器560混合后即可产生彩色的影像。
此外，本发明所提供的光学元件与发光装置不仅可应用于图3、图4a、4b及图5中的透射式投影系统亦可应用于反射式投影系统，举例来说，图6即为本发明一反射式投影系统600之较佳实施例的示意图。反射式投影系统所使用的显示模块可为数字微镜装置或硅基液晶，如果发光装置采用大于三种颜色的光源合成白光，各种颜色分别依序发光，就可以省去传统投影系统中的色轮(color wheel)，可以将光的利用率提高2倍。
虽然以上投影系统仅利用具有柱形光导部的光学元件、具有锥形光导部的光学元件或是具有扩束装置的光学元件为例，但是利用本发明之光学元件与发光装置的其它实施例所完成之投影系统并不受限于此。藉由可包覆着光源的聚光部以及将光线充分混光的光导部，本发明所提供之光学元件可使光耦合效率提高到90％以上并且将均匀度提高到85％以上。此外，本发明所提供的光学元件之创新设计亦可减少光耦合所需的元件数。
虽然本发明的技术内容与特征如上所述，然而，所属领域的技术人员仍可在不背离本发明的教示与揭示内容的情况下进行许多变化与修改。因此，本发明的范围并非限定于已揭示的实施例，而包含不背离本发明的其它变化与修改，其为如所附权利要求书所涵盖的范围。

Claims (29)

1. 一种光学元件，包含：
一聚光部，包含一反射面及一折射面，用以收集并将来自一光源的光聚光；以及
一光导部，连接至所述聚光部的输出端并将由所述聚光部所聚光的光均匀地射出。
2. 如权利要求1所述之光学元件，其中所述折射面为一非球形弧面，用以折射所述光源的光并聚光至所述输出端。
3. 如权利要求1所述之光学元件，其中所述反射面为一全内部反射面，用以将所述折射面所折射的部分光反射并聚光至所述输出端。
4. 如权利要求1所述之光学元件，其中所述反射面涂覆反射层，用以将所述折射面所折射的部分光反射并聚光至所述输出端。
5. 如权利要求1所述之光学元件，其中所述光导部为柱形，且所述光导部的各截面积大小皆相同。
6. 如权利要求1所述之光学元件，其中所述光导部为锥形，且所述光导部之输入端之截面积小于所述光导部之输出端之截面积。
7. 如权利要求5所述之光学元件，其中所述柱形可为四角柱、圆柱或其它截面为多边形的柱体。
8. 如权利要求1所述之光学元件，另包含一扩束装置，耦接于所述光导部之输出端，以扩大所述光导部射出的光。
9. 如权利要求1所述之光学元件，其中所述光导部的输出端为一凸面，以提升所述光学元件的发光效率。
10. 如权利要求1所述之光学元件，其中所述光导部的输出端为一凹面，以改变所述光学元件的输出光形。
11. 如权利要求1所述之光学元件，其中所述光导部的输出端上具有一图案以提升所述光学元件的发光效率和均匀度。
12. 一种投影系统，包含：
一光源，用以提供光；
至少一如权利要求1所述之光学元件，耦接于所述光源；
一显示模块，耦接于所述发光装置之光导部的输出端，用以提供所欲显示之图像；及
一投影透镜组，耦接于所述显示模块，用以将所述图像投影出来。
13. 如权利要求12所述之投影系统，其中所述光学元件之折射面为一非球形弧面，用以折射所述光源的光并聚光至所述输出端。
14. 如权利要求12所述之投影系统，其中所述光学元件之反射面为一全内部反射面，用以将所述折射面所折射的部分光反射并聚光至所述输出端。
15. 如权利要求12所述之投影系统，其中所述光学元件之反射面涂覆反射层，用以将所述折射面所折射的部分光反射并聚光至所述输出端。
16. 如权利要求12所述之投影系统，其中所述光学元件之光导部为柱形，且所述光导部的各截面积大小皆相同。
17. 如权利要求12所述之投影系统，其中所述光学元件之光导部为锥形，且所述光导部之输入端之截面积小于所述光导部之输出端之截面积。
18. 如权利要求16所述之投影系统，其中光学元件之所述柱形可为四角柱、圆柱或其它截面为多边形的柱体。
19. 如权利要求12所述之投影系统，另包含一扩束装置，耦接于所述光学元件之光导部之输出端，以扩大所述光导部射出的光。
20. 如权利要求12所述之投影系统，其中所述光学元件之光导部的输出端为一凸面，以提升所述发光装置的发光效率。
21. 如权利要求12所述之投影系统，其中所述光学元件之光导部的输出端为一凹面，以改变所述发光装置的输出光形。
22. 如权利要求12所述之投影系统，其中所述光学元件之光导部的输出端上具有一图案以提升所述发光装置的发光效率和均匀度。
23. 如权利要求12所述之投影系统，其中所述光源为一普通灯泡、一固体发光元件、一发光二级管或一发光二级管数组。
24. 如权利要求23所述之投影系统，其中所述发光二级管为一白光发光二级管。
25. 如权利要求23所述之投影系统，其中所述发光二级管数组包含至少一红色发光二级管、一绿色发光二级管及一蓝色发光二级管，所述红色、绿色及蓝色发光二级管系同时或依序地发光。
26. 如权利要求12所述之投影系统，其中所述显示模块为高温多晶硅液晶显示器、数字微镜装置或硅基液晶。
27. 如权利要求12所述之投影系统，其中所述投影系统为一手持式投影系统或一反射式投影系统。
28. 如权利要求12所述之投影系统，其中所述投影系统为一笔型投影系统或一迷你投影系统。
29. 如权利要求12所述之投影系统，其系为三模块投影系统。
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