CN101598294B - 准直透镜、照明单元及投影系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于投影系统的照明单元，用以沿着光轴发光。照明单元包括发光二极管芯片与准直透镜。准直透镜包括中央部分与周围部分。中央部分具有第一光透射面与相对第一光透射面的第二光透射面。围绕在中央部分的周围部分具有内折射壁，其耦接至第一光透射面，以形成凹陷，用以设置发光二极管芯片。外反射壁相对于内折射壁，且折射面连接至第二光透射面与外反射壁。准直透镜的中央部分与周围部分均相对光轴非旋转对称。一种准直透镜及一种投影系统亦被提出。
Description
技术领域
本发明是有关于一种透镜、光源及显示系统，且特别是有关于一种准直透镜、用于投影系统的照明单元及投影系统。
背景技术
投影系统需要光源以对投影成像器(imager)照明。发光二极管(lightemitting diode，LED)为一较佳选择，因其体积小、功率消耗低及生命周期(lifetime)长，并具有三原色的可得性(availability)。发光二极管已广泛用于一般照明的许多领域，而这些应用亦驱使发光二极管的光效率与颜色的饱和度越来越好。
典型的发光二极管是由一或多个发光二极管芯片(die)置于散热用的金属基座(support)上所封装而成。发光二极管芯片与接垫(bonding pad)之间是借由一接线电性连接，其中接垫是通过一绝缘层配置在金属基座的顶部。大部分的发光二极管芯片会进一步被一塑料封胶所围绕与保护。典型的塑料封胶为一平坦层或一半球形环氧树脂。这个塑料封胶能从发光二极管芯片集中更多的光，因此被视为发光二极管的主要光学元件(primary optics)。平坦封装发光二极管所射出的光呈熟知的朗伯特(Lambertian)分布，而以半球状封装的发光二极管所射出的光呈较准直的高斯(Gaussian)分布。
图1示出一种传统的发光二极管10，其包括一基板11、一发光二极管芯片或阵列芯片12、一接垫13以及一塑料封胶14。基板11如所示出着为一平坦状金属基板，其上粘附有发光二极管芯片或阵列芯片12。接垫13借由一绝缘层15配置在金属基板顶部，而发光二极管芯片12到接垫13之间是借由接线16电性连接。塑料封胶14以平坦层形式、半球形式或任何呈其他曲面的形式围绕发光二极管芯片或芯片阵列12以进行保护。塑料封胶14用以作为主要光学元件，其可随不同角度分布集中发光二极管芯片的光线。
图2示出具有发光二极管的投影系统。具体地说，其示出一种典型反射式(reflective-type)投影系统20，其以发光二极管21为光源。发光二极管21可相同于图1的发光二极管10。一二次光学元件(secondary optics)22置放于发光二极管21前面，以将角度分布较广泛的光聚集为指向性较高的角度分布的光。然后，光会通过可选用的前偏光片(pre-polarizer)23而传递至偏振分光器(polarizing beam splitter，PBS)24，其反射偏振光至反射式成像器25。典型反射式成像器例如为硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCOS)微显示器。反射式成像器25将光调制并反射回偏振分光器24，接着光会经由可选用的后偏光片(post-polarizer)26而传递至投影镜头27以供投影。
图3示出用于投影系统的一种传统的发光二极管的二次光学元件30。发光二极管31可相同于图1的发光二极管10。二次光学元件30为一套透镜组，其可为球面、非球面或绕射透镜(diffractive lens)。这套透镜组一般称为聚光透镜(condenser lens)。发光二极管31置放在聚光透镜的焦点处。由发光二极管射出并落在聚光透镜上的光线可被聚光透镜所会集，并且被以更有指向性与准直的方式聚集，以供投影系统的成像器的照明。由于只有入射聚光透镜的光可被聚光透镜聚集，因此聚光透镜的直径必须较大，而焦距必须较小，以利于聚光透镜集合更多发光二极管所发出的光。所以，球面或非球面的聚光透镜不但体积庞大而且笨重。此外，收集所有来自发光二极管31的光是困难的，因此发光二极管到成像器之间的耦合效率偏低。尽管借由绕射透镜取代球面或非球面透镜能减少聚光透镜的厚度，但其耦合效率依然不足，并且更因为绕射透镜的绕射表面而遭受散射损失。
图4示出另一种应用于光照明的发光二极管41的二次光学元件40。发光二极管41可相同于图1的发光二极管10。二次光学元件40为一合成抛物准直器(compound parabolic collimator，CPC)其置放于发光二极管41上方。发光二极管41所射出的光进到合成抛物准直器的平底面42，并且在抛物面壁43进行全反射(total internal reflection，TIR)，而后从平顶面44出射。二次光学元件40能收集来自发光二极管41并进到底面42的光，并且依照抛物面壁43以特定角度分布使光经由顶面44传递出去。这种二次光学元件呈长对称圆柱状，其将光传递入对称锥体内，以供特别的光照明。
图5示出用于一般照明的另一种发光二极管51的二次光学元件50。发光二极管51可相同于图1的发光二极管10。二次光学元件50置放于发光二极管51顶端，并且覆盖发光二极管51。具有内折射透镜53、内折射壁54、外折射壁55与平顶面56的二次光学元件置放于发光二极管51顶端，并且覆盖发光二极管51。二次光学元件50能收集所有来自发光二极管51的光，并且依照表面53、54、55与56以特定角度分布把光传递出去。典型上，表面55与56为平直或平坦。随后的美国专利第US6,547,423号提出将这两个面改变为较一般化的改善表面，以达到较佳的性能并减少体积。这种二次光学元件是一浅薄的对称盘片(disk)，其将光传进对称锥体内，以供一般照明。
总之，发光二极管的主要光学元件是用以集中更多发光二极管芯片的光，以增加发光二极管的外部效率，而二次光学元件则较为视其应用而定。当用于投影系统时，发光二极管的二次光学元件用以改善发光二极管所射出的光至投影系统成像器的指向性，或利用所有从发光二极管的主要光学元件所集中的光，来增加发光二极管至投影系统成像器的耦合效率。然而，对于投影系统来说，发光二极管所射出的光并不够准直或指向性不够高。此外，当发光二极管所射出的光在旋转对称的锥体内时，其并非匹配投影系统成像器的长宽比(aspect ratio)，如4∶3或16∶9。因此对于投影系统，一种新的照明单元结构是有必要提出的。
此外，在传统的投影系统中，光源与显示面板之间会配置有一具有许多偏振分光镀膜(polarizing beam split coating，PBS coating)的偏振转换系统(polarization conversion system，PCS)，以将来自光源的非偏振光转换为偏振光。然而，当使用越多的偏振分光镀膜时，投影系统的成本便会越高，导致投影系统的成本难以降低。
发明内容
本发明提供一种照明单元，当其应用于投影系统时特别有用且有效率。
本发明提供一种用于照明单元的准直透镜，其将照明单元所射出的广角度的光聚集为更具有指向性与特定角度分布的光，以与投影系统的投影光学元件相匹配。
本发明提供一种投影系统，其具有较高的光效率及较低的成本。
本发明的一实施例提出一种照明单元，其用于投影系统中以沿着光轴发光。照明单元包括发光二极管芯片及准直透镜。准直透镜包括中央部分及周围部分。中央部分具有第一光透射面与相对于第一光透射面的第二光透射面。周围部分围绕中央部分，并且具有内折射壁。内折射壁耦接第一光透射面，以形成凹陷，用以设置发光二极管芯片。外反射壁相对于内折射壁，且折射面连接至第二光透射面与外反射壁。准直透镜的中央部分与周围部分均相对光轴非旋转对称。所述折射面包括第一弯曲面，所述第一弯曲面在平行于参考平面的方向上凸起，且所述光轴落在所述参考平面上，所述第一弯曲面在平行于所述参考平面的方向上弯曲而不弯折，所述第一弯曲面的一端直接连接所述第二光透射面，所述第一弯曲面的另一端直接连接平面，所述平面在所述参考平面上不弯曲，且所述平面连接所述外反射壁，所述第一弯曲面相对于所述光轴倾斜，所述第一弯曲面从靠近所述光轴及靠近第二参考平面的一侧往远离所述光轴及远离所述第二参考平面的一侧延伸，所述第二参考平面通过所述发光二极管芯片且垂直于所述第一参考平面，所述平面相对于所述光轴倾斜，所述平面从靠近所述光轴且远离所述第二参考平面的一侧往远离所述光轴且靠近所述第二参考平面的一侧延伸，且所述发光二极管芯片所发出的部分的光依序穿透所述内折射壁与所述平面。
本发明的另一实施例提出一种准直透镜，其用于投影系统的光源，以沿着光轴出光。准直透镜包括中央部分、周围部分、外反射壁及折射面。中央部分具有第一光透射面与相对于第一光透射面的第二光透射面。周围部分围绕于中央部分，并且具有耦接至第一光透射面的内折射壁，以形成凹陷，用以设置光源。外反射壁相对于内折射壁。折射面连接至第二光透射面与外反射壁。准直透镜的中央部分与周围部分均相对光轴非旋转对称。所述折射面包括第一弯曲面，所述第一弯曲面在平行于参考平面的方向上凸起，且所述光轴落在所述参考平面上，所述第一弯曲面在平行于所述参考平面的方向上弯曲而不弯折，所述第一弯曲面的一端直接连接所述第二光透射面，所述第一弯曲面的另一端直接连接平面，所述平面在所述参考平面上不弯曲，且所述平面连接所述外反射壁，所述第一弯曲面相对于所述光轴倾斜，所述第一弯曲面从靠近所述光轴及靠近第二参考平面的一侧往远离所述光轴及远离所述第二参考平面的一侧延伸，所述第二参考平面通过所述发光二极管芯片且垂直于所述第一参考平面，所述平面相对于所述光轴倾斜，所述平面从靠近所述光轴且远离所述第二参考平面的一侧往远离所述光轴且靠近所述第二参考平面的一侧延伸，且穿透所述内折射壁的光之后会穿透所述平面。
本发明的再一实施例提出一种投影系统，其包括照明单元、偏振转换单元、光阀(light valve)、投影镜头及偏振分光元件。照明单元适于发出光束。偏振转换单元配置在光束的传递路径上。偏振转换单元包括V形偏振分光元件、波片及二反射面。V形偏振分光元件包括第一偏振分光部及第二偏振分光部。第一偏振分光部适于被光束的具有第一偏振方向的第一部分光束穿透，且适于反射光束的具有第二偏振方向的第二部分光束。第二偏振分光部连接至第一偏振分光部。第一偏振分光部与第二偏振分光部夹有夹角，且夹角大于0度且小于180度。第二偏振分光部适于被光束的具有第一偏振方向的第三部分光束穿透，且适于反射光束的具有第二偏振方向的第四部分光束。波片配置在来自第一偏振分光部的第一部分光束及来自第二偏振分光部的第三部分光束的传递路径上，其中波片适于将具有第一偏振方向的第一部分光束及第三部分光束转换为具有第二偏振方向的第五部分光束。此二反射面位于V形偏振分光元件的相对两侧面，并适于分别反射来自V形偏振分光元件的第二部分光束及第四部分光束。来自波片的第五部分光束及来自这些反射面的第二部分光束与第四部分光束会合并为具有第二偏振方向的照明光束。光阀配置在照明光束的传递路径上，并适于将照明光束转换为影像光束。投影镜头配置在影像光束的传递路径上。偏振分光元件配置在照明光束与影像光束的传递路径上，并适于让照明光束传递至光阀，且适于让影像光束传递至投影镜头。
本发明的一实施例提供一种用于照明单元并沿着光轴出光的二次光学元件的准直透镜。照明角度分布可借由二次光学元件的椭圆设计而设计成椭圆输出光场，以更合适地匹配投影装置的投影成像器的长宽比。因为二次光学元件与发光二极管的距离较为靠近，使得具有二次光学元件与发光二极管的照明单元体积较小。由于光锥与矩形成像器长宽比的相互匹配，投影系统可具有高光学效率。
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为一种传统的发光二极管。
图2为一种具有发光二极管的投影系统的示意图。
图3为一种传统的发光二极管的二次光学元件的示意图。
图4为另一种发光二极管的二次光学元件的示意图。
图5为另一种发光二极管的二次光学元件的示意图。
图6为本发明的一实施例的投影系统的结构示意图。
图7为本发明的另一实施例的投影系统的偏振转换单元的结构示意图。
图8为本发明的另一实施例的投影系统的偏振转换单元的结构示意图。
图9为依据本发明的一示范实施例所示出的发光二极管的二次光学元件的剖面图。
图10为依据本发明的图9的示范实施例的发光二极管的二次光学元件的顶视图。
图11为依据本发明的另一示范实施例的具有发光二极管的二次光学元件的投影系统的示意图。
图12为依据本发明的图9的示范实施例的发光二极管的二次光学元件的详细剖面图。
主要元件符号说明
10、21、31、41、51、61、81、91：发光二极管
11：基板
12：发光二极管芯片
13：接垫
14：塑料封装
15：层绝缘
16：电性连接
20：反射式投影系统
22、30、40、50：二次光学元件
23：前偏光器
24：偏振分光器
25：反射式成像器
26：后偏光器
27：投影镜头
42：平底面
43：抛物面壁
44：顶面
53、54：内折射透镜
55：外折射壁
56：平顶面
60、80、90：照明单元
62、82、92：准直透镜
63、93：中央部分
64、94：周围部分
64a：第一曲面
64b：第二曲面
64c：第三曲面
65、95：凹陷
83、130：投影镜头
84：四分之一波片
85：反射偏光器
86：反射曲面
87：出光面
93a：第一光透射面
93b：第二光透射面
94a：内折射壁
94b：外反射壁
94c：折射面
94c’：第一弯曲面
94c”：表面
100：投影系统
110、110’、110”：偏振转换单元
112：V形偏振分光元件
112a：第一偏振分光部
112b：第二偏振分光部
114：波片
116、116”：反射面
118a：第一棱镜
118b：第二棱镜
118c：第三棱镜
119、119”：反射膜
120：光阀
140：偏振分光元件
150：棱镜
A、A’、B、B’、C、C’、D、D’、T：节点
D1：第一偏振方向
D2：第二偏振方向
H：高度
I：照明光束
L：光束
L1：第一部分光束
L2：第二部分光束
L3：第三部分光束
L4：第四部分光束
L5：第五部分光束
M：影像光束
W：宽度
θe：发射角
θout：出光角
θt：临界角
φ：夹角
具体实施方式
在以下的实施方式中，照明单元的光源是以发光二极管为例。值得注意的是，虽然发光二极管被采用以实现照明单元，但是任所属领域中具有通常知识者可利用其他代替元件以实行本发明的实施例，因此本发明并不限定光源为发光二极管。
图6为本发明的一实施例的投影系统的结构示意图。请参照图6，本实施例的投影系统100包括照明单元60、偏振转换单元110、光阀120、投影镜头130及偏振分光元件140。照明单元60适于发出光束L。在本实施例中，光束L为非偏振光。偏振转换单元110配置在照明光束L的传递路径上，且包括V形偏振分光元件112、波片114及二反射面116。V形偏振分光元件112包括第一偏振分光部112a及第二偏振分光部112b。第二偏振分光部112b连接至第一偏振分光部112a。第一偏振分光部112a与第二偏振分光部112b夹有夹角φ，夹角φ大于0度且小于180度。
第一偏振分光部112a适于被光束L的具有第一偏振方向D1的第一部分光束L1穿透，且适于反射光束L的具有第二偏振方向D2的第二部分光束L2。在本实施例中，第一偏振方向D1垂直于第二偏振方向D2。具体地说，第一偏振方向D1与第二偏振方向D2例如分别为P偏振方向与S偏振方向。然而，在其他实施例中，第一偏振方向D1与第二偏振方向D2亦可以分别为S偏振方向与P偏振方向。
第二偏振分光部112b适于被光束L的具有第一偏振方向D1的第三部分光束L3穿透，且适于反射光束L的具有第二偏振方向D2的第四部分光束L4。波片114配置在来自第一偏振分光部112a的第一部分光束L1与来自第二偏振分光部112b的第三部分光束L3的传递路径上。波片114适于将具有第一偏振方向D1的第一部分光束L1与第三部分光束L3转换为具有第二偏振方向D2的第五部分光束L5。在本实施例中，波片114例如为半波片，且适于将具有P偏振方向的第一部分光束L1与第三部分光束L3转换为具有S偏振方向的第五部分光束L5。
这二个反射面116分别配置在V形偏振分光元件112的相对两侧面，且适于分别反射来自V形偏振分光元件112的第二部分光束L2与第四部分光束L4。来自波片114的第五部分光束L5及来自反射面116的第二部分光束L2与第四部分光束L4会合并为具有第二偏振方向D2的照明光束I。
在本实施例中，偏振转换单元110还包括第一棱镜118a、第二棱镜118b及第三棱镜118c。第二棱镜118b承靠第一棱镜118a。第一偏振分光部112a为位于第一棱镜118a与第二棱镜118b的交界面的偏振分光膜，且这些反射面116之一位于第二棱镜118b上。第三棱镜118c承靠第一棱镜118a。第二偏振分光部112b为位于第一棱镜118a与第三棱镜118c的交界面的偏振分光膜，且这些反射面116的另一位于第三棱镜118c上。
在本实施例中，这二个反射面116为全反射面，以分别将第二部分光束L2与第四部分光束L4全反射。具体地说，由于第二部分光束L2入射反射面116的入射角大于临界角，且第四部分光束L4入射反射面116的入射角亦大于临界角，因此第二部分光束L2与第四部分光束L4均会被全反射。
光阀120配置在照明光束I的传递路径上，并适于将照明光束I转换为影像光束M。在本实施例中，光阀120例如为硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel，LCOS panel)，其将具有第二偏振方向D2的照明光束I转换为具有第二偏振方向D1的影像光束M。然而，在其他实施例中，光阀亦可以是数字微镜元件(digital micro-mirror device，DMD)或其他适当的光阀。
投影镜头130配置在影像光束M的传递路径上，以将影像光束M投影至屏幕(未示出)上而形成影像画面。偏振分光元件140配置在照明光束I与影像光束M的传递路径上，并适于让照明光束I传递至光阀120，且适于让影像光束M传递至投影镜头130。在本实施例中，偏振分光元件140适于将具有第二偏振方向D2的照明光束I反射至光阀120，并适于被具有第一偏振方向D1的影像光束M穿透，而影像光束M接着会传递至投影镜头130。然而，在其他实施例中，偏振分光元件140亦可以是适于被具有第二偏振方向D2的照明光束I穿透，且适于反射具有第一偏振方向D1的影像光束M。
在本实施例中，投影系统100还包括二棱镜150，其彼此互相承靠，且偏振分光元件140为位于此二棱镜140的交界面的偏振分光膜。然而，在其他实施例中，偏振分光元件140亦可以是偏振分光板。
相较于传统的偏振转换系统具有许多偏振分光器，由于本实施例的偏振转换单元110所具有的V形偏振分光元件112的数量仅为一个，因此偏振转换单元110具有较低的成本，进而降低投影系统100的成本。此外，由于偏振转换单元110将光束L转换为具有第二偏振方向D2的照明光束I，但没有放弃光束L的具有第一偏振方向D1的部分光束，因此偏振转换单元110能够达到较高的光效率，进而提升投影系统100的光效率。再者，在本实施例中，由于第二部分光束L2与第四部分光束L4被反射面116全反射，而不仅仅是被部分反射，如此便能够进一步提升偏振转换单元110与投影系统100的光效率。
图7为本发明的另一实施例的投影系统的偏振转换单元的结构示意图。请参照图7，本实施例的偏振转换单元110’与上述偏振转换单元110(如图6所示出)类似，而两者的差异如下所述。在本实施例中，偏振转换单元110’还包括二反射膜119，其分别配置在这二个反射面116上，以分别反射第二部分光束L2与第四部分光束L4。
图8为本发明的另一实施例的投影系统的偏振转换单元的结构示意图。请参照图8，本实施例的偏振转换单元110”与上述偏振转换单元110’(如图7所示出)类似，而两者的差异如下所述。在本实施例中，偏振转换单元110”的二反射面116”为曲面，且这二个反射面116”上的二反射膜119”随着反射面116”弯曲。具体地说，这二个反射面116”例如为凸面，其不仅反射第二部分光束L2与第四部分光束L4，且更使第二反射光束L2及第四反射光束L4收敛，进而提升投影系统的光效率。
请参照图6，本发明的照明单元60亦可以是其他任何形式的能够提供光束L的光源模块。以下将提供几个照明单元的实例，但其并非用以限制本发明的保护范围。
图9为依据本发明的一示范实施例所示出的二次光学元件的剖面图。照明单元60包括发光二极管61与个二次光学元件。发光二极管61可相同于图1的发光二极管10。准直透镜(collimator lens)62可作为发光二极管的二次光学元件。请参考图9，准直透镜62包括中央部分63与周围部分64。凹陷65由这两部分所形成，以设置发光二极管61。光轴T对应于准直透镜62的光发射路径。在本实施例中，准直透镜62的中央部分63基本上为聚光透镜，其收集来自发光二极管61且相对光轴T于特定夹角内的光，并将光导入小锥体内。准直透镜62的周围部分64具有三个曲面(curvature)，其组成一组透镜。第一曲面64a收集落在这部分所有的光，并将其传递至第二曲面64b，其中第二曲面64b为反射面。第二曲面64b将光反射到第三曲面64c，其把光导入周围部分外的小锥体内。周围部分外的光发射角度会相同于或接近于中央部分的光发射角度。
图10为依据本发明的图9的示范实施例所示出的二次光学元件的顶视图。在本实施例中，准直透镜62的中央部分63与周围部分64两者无需是圆柱形对称。实际上，椭圆形式设计的准直透镜62是较佳的。请参考图9与图10，节点T代表对应于准直透镜62的光轴。光轴的节点T被定义为一向量，其垂直元件表面并经由此表面从元件内部指向元件外部。中央部分63与周围部分64分别为椭圆形式(oval-shaped)。通过节点T的线段AB为呈椭圆形式的周围部分64的长轴(major axis)，而通过节点T的线段CD代表呈椭圆形式的周围部分64的短轴(minor axis)。同样地，线段A’B’与线段C'D’分别代表呈椭圆形式中央部分63的长轴与短轴。椭圆形的长宽比(aspectratio)定义为短轴对长轴的比率。在本实施例中，典型的椭圆光学元件长宽比为95％，但于不同的应用中其范围可以从91％到99％。借着呈椭圆形式的二次光学元件的准直透镜62，其所射出的光场(pattem)并非圆形光场，而是比较合适于投影系统成像器长宽比4∶3或16∶9的椭圆形光场。
图11为依据本发明的另一示范实施例所示出的具有二次光学元件的投影系统。准直透镜82围绕发光二极管81以将所有来自发光二极管81光聚集为指向性较高的角度分布的光。可选用的四分之一波片(quarter-waveplate)84与反射式偏光器(reflective polarizer)85可置放于二次光学元件的前面，以仅使具P偏振方向(p-polarization)的光传递至成像器，并将其他具S偏振方向(s-polarization)的光反射回准直透镜。部分进入准直透镜的周围部分的反射光会被反射曲面86反射到反射曲面的另一侧，并且再被反射而传递至准直透镜外。部分进入准直透镜的中央部分的反射光会被发光二极管芯片的出光面(emitting surface)87所反射，并且反射回中央部分以及准直透镜之外。这些反射光束将再次通过四分之一波片84并且从S偏振方向转变为P偏振方向，并通过反射式偏光器85。然后，光会通过偏振分光器(polarizing beam splitter，PBS)86，而偏振分光器86会将偏振光反射到反射式成像器87。典型的反射式成像器例如为硅基液晶面(liquid crystal onsilicon，LCOS)微显示器。这个反射式成像器87将光调制与并将其反射回偏振分光器86，然后光会经由可选用的后偏光器(post-polarizer)88传递至投影镜头83以供投影。简单的偏振转换系统可由此准直透镜所实现。
图12为依据本发明的图9的示范实施例所示出发光二极管的二次光学元件的详细剖面图。图12与图10相同，但具有较多参数以详细描述照明单元90。发光二极管91包括发光二极管芯片或阵列芯片的出光面，或覆盖在此发光二极管芯片或阵列芯片上并被其所激发的薄萤光层(phosphor layer)。在本实施例中，出光面对应图12的笛卡尔(Cartesian)xyz座标系统的x-y平面。光轴T沿着笛卡尔xyz座标系统的Z轴延伸。发光二极管91通常是以透光封胶所封装，例如是以塑料封胶覆盖发光二极管芯片的出光面上以保护发光二极管芯片。视塑料封胶的形状而定，我们也常将其作为发光二极管91的主要光学元件，而发光二极管91的光场分布可以有很大的不同。由此经封装的发光二极管所射出的光能以朗伯特分布到高斯分布形成在立体角的整个半球，其对应光轴的发射角θe范围如图12所示是从0度到90度。
可作为二次光学元件的准直透镜92是个塑料元件，并且能由低成本的塑料模制法(plastic molding)所制造。准直透镜92包括中央部分93与周围部分94。中央部分93具有第一光透射面93a与相对于第一光透射面93a的第二光透射面93b。环绕中央部分93的周围部分94具有内折射壁94a，其耦接第一光透射面93a，以形成凹陷95，并用以设置发光二极管91。此外，有外反射壁94b位于内折射壁94a的对面，且有折射面94c连接第二光透射面93b与外反射壁94b。在本实施例中，准直透镜92的中央部分93与周围部分94两者相对光轴T为非旋转对称。如图11所述，中央部分93的顶视图为第一椭圆形状，而周围部分94的顶视图为第二椭圆形状。第一椭圆形状的长宽比介于91％到99％之间，且第二椭圆形状的长宽比介于91％到99％之间。
请参考图12，中央部分93的第一光透射面93a与第二光透射面93b形成聚光透镜(condenser lens)以将呈广角分布的光聚集为更具指向性且出光角θout的角度分布较小的光。对应典型的投影光学元件的中央部分93的典型出光角θout为15度。然而出光角θout亦可以是从10度到20度，以符合投影光学元件的光圈值(f-number)。有临界角θt其将准直透镜92划分为中央部分93与周围部分94，典型的临界角为55度，但可落在40度到70度的范围内。第一光透射面93a与第二光透射面93b可为球面或非球面，但非球面为较佳的，因只有两个面被用来作为设计中央聚光透镜之用。这两个非球面透镜曲面由射线追踪(ray-tracing)光学软件的点对点曲线近似(curvefitting)所设计。第一光透射面93a可配置得非常靠近发光二极管91，以最小化准直透镜92的高度H。在本实施例中，准直透镜92的典型高度H是从5到15毫米(mm)，以使照明单元90体积更小。
准直透镜92的周围部分94具有三个面，分别为内折射壁94a、外反射壁94b以及折射面94c。这三个面可再次形成聚光透镜以将广角分布的光聚集为更具有指向性与出光角θout的角度分布较小的光。对应于典型的投影光学元件的周围部分94的典型出光角θout为15度。然而，此出光角θout亦可以是10度到20度，以符合投影光学元件的光圈值。此周围部分的出光角θout可相同或些许不同于中央部分的出光角θout。曲面94a、94b与94c可为球面或非球面，但非球面为较佳，因只有三个面被用来作为设计周围聚光透镜之用。在本实施例中，内折射壁94a与折射面94c为透射式(tranmissive)，而外反射壁94b为反射式(refiective)。例如可由反射镜、内部全反射镜或反射介电质镀膜所形成。如图12所示出，周围部分94的折射面94c可进一步包括第一弯曲面94c’，其连接第二光透射面93b以及表面94c”，且表面94c”连接外反射壁94b。所述表面94”在参考平面上不弯曲，且光轴T落在此参考平面上。第一弯曲面94c’收集落在此部分的光，并且传递落在从10度到20度的范围内的特定出光角θout的角度分布的光。表面94c”收集落在此部分的光，并且把光聚集为更具有指向性且角度分布较小的光。所属领域中具有通常知识者均知折射面94c可由不同应用的不同结构所形成。在本实施例中，准直透镜92的典型宽度W是从10到25毫米，以使照明单元90的体积更小。
综上所述，相较于传统的偏振转换系统具有许多偏振分光器，由于本发明的实施例的偏振转换单元所具有的V形偏振转换元件的数量仅为一个，因此偏振转换单元具有较低的成本，进而降低本发明的实施例的投影系统的成本。此外，由于偏振转换单元将光束转换为具有第二偏振方向的照明光束，但没有放弃光束的具有第一偏振方向的部分光束，因此偏振转换单元能够达到较高的光束率，进而提升投影系统的光效率。
再者，上述实施例所公开照明单元的二次光学元件的准直透镜。通过二次光学元件的光借由二次光学元件的不同设计曲面，可呈任何特定的角度分布。照明角度分布借由二次光学元件的椭圆设计，可呈椭圆输出光场，以更合适地匹配投影成像器的长宽比。借由光锥与矩形成像器的长宽比的匹配，投影系统将具有高的光学效率。当具有二次光学元件与一般发光二极管的小型发光二极管照明单元应用在像硅基液晶面板或其他微显示器的小成像器的小投影系统时，将特别有利且具效率。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (16)
1.一种照明单元，其特征在于，用于投影系统中以沿着光轴发光，所述照明单元包括：
发光二极管芯片；以及
准直透镜，包括：
中央部分，具有第一光透射面与相对于所述第一光透射面的第二光透射面；以及
周围部分，围绕所述中央部分，并且具有内折射壁，所述内折射壁耦接所述第一光透射面，以形成凹陷，用以设置所述发光二极管芯片，外反射壁相对于所述内折射壁，且折射面连接至所述第二光透射面与所述外反射壁，其中所述准直透镜的所述中央部分与所述周围部分均相对所述光轴非旋转对称，并且所述折射面包括第一弯曲面，所述第一弯曲面在平行于第一参考平面的方向上凸起，且所述光轴落在所述第一参考平面上，所述第一弯曲面在平行于所述第一参考平面的方向上弯曲而不弯折，所述第一弯曲面的一端直接连接所述第二光透射面，所述第一弯曲面的另一端直接连接平面，所述平面在所述参考平面上不弯曲，且所述平面连接所述外反射壁，所述第一弯曲面相对于所述光轴倾斜，所述第一弯曲面从靠近所述光轴及靠近第二参考平面的一侧往远离所述光轴及远离所述第二参考平面的一侧延伸，所述第二参考平面通过所述发光二极管芯片且垂直于所述第一参考平面，所述平面相对于所述光轴倾斜，所述平面从靠近所述光轴且远离所述第二参考平面的一侧往远离所述光轴且靠近所述第二参考平面的一侧延伸，所述发光二极管芯片所发出的部分的光在穿透所述内折射壁之后有一部分穿透所述平面，且所述发光二极管芯片所发出的所述部分的光在穿透所述内折射壁之后有另一部分穿透所述第一弯曲面。
2.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于所述中央部分的前视图呈第一椭圆形，而所述周围部分的前视图呈第二椭圆形。
3.根据权利要求2所述的照明单元，其特征在于所述第一椭圆形的长宽比介于91％到99％之间，且所述第二椭圆形的长宽比介于91％到99％之间。
4.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于所述准直透镜为单片式塑料元件。
5.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于还包括透光封胶，其覆盖所述发光二极管芯片。
6.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于所述准直透镜的所述中央部分的所述第一光透射面与所述第二光透射面为球面。
7.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于所述准直透镜的所述中央部分的所述第一光透射面与所述第二光透射面为非球面。
8.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于所述准直透镜的所述周围部分的所述外反射壁是由反射镜、内部全反射镜或介电质镀膜所形成。
9.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于所述准直透镜的所述中央部分为聚光透镜。
10.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于所述准直透镜的所述中央部分将光导入介于10到20度的小角锥。
11.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于所述准直透镜的所述周围部分将光导入介于10度到20度的小角锥。
12.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于所述准直透镜的高度介于5到15毫米。
13.根据权利要求1所述的照明单元，其特征在于所述准直透镜的宽度介于10到25毫米。
14.一种准直透镜，其特征在于，用于投影系统的光源，以沿着光轴出光，所述准直透镜包括：
中央部分，具有第一光透射面与相对于所述第一光透射面的第二光透射面；和
周围部分，围绕于所述中央部分，并且具有耦接至所述第一光透射面的内折射壁，以形成凹陷，用以设置所述光源；
外反射壁，相对于所述内折射壁；以及
折射面，连接至所述第二光透射面与所述外反射壁，其中所述准直透镜的所述中央部分与所述周围部分均相对所述光轴非旋转对称，并且所述折射面包括第一弯曲面，所述第一弯曲面在平行于第一参考平面的方向上凸起，且所述光轴落在所述第一参考平面上，所述第一弯曲面在平行于所述第一参考平面的方向上弯曲而不弯折，所述第一弯曲面的一端直接连接所述第二光透射面，所述第一弯曲面的另一端直接连接平面，所述平面在所述参考平面上不弯曲，且所述平面连接所述外反射壁，所述第一弯曲面相对于所述光轴倾斜，所述第一弯曲面从靠近所述光轴及靠近第二参考平面的一侧往远离所述光轴及远离所述第二参考平面的一侧延伸，所述第二参考平面通过所述投影系统的所述光源的发光二极管芯片且垂直于所述第一参考平面，所述平面相对于所述光轴倾斜，所述平面从靠近所述光轴且远离所述第二参考平面的一侧往远离所述光轴且靠近所述第二参考平面的一侧延伸，穿透所述内折射壁的光有一部分之后会穿透所述平面，且穿透所述内折射壁的所述光有另一部分之后会透所述第一弯曲面。
15.根据权利要求14所述的准直透镜，其特征在于所述中央部分的前视图为第一椭圆形，而所述周围部分的前视图为第二椭圆形。
16.根据权利要求15所述的准直透镜，其特征在于所述第一椭圆形的长宽比介于91％到99％之间，且所述第二椭圆形的长宽比介于91％到99％之间。
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