CN101598298A - 光源转换装置及包含该光源转换装置的光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一光源转换装置及包含该光源转换装置的光源装置。光源装置包含至少一光源及一光源转换装置。该光源转换装置包含至少一导光介质及一合光介质，以接收光源的入射光线后将其转换为一出射光线，并自合光介质射入一集光装置中。其中，入射光线的入射发散角度大于出射光线的出射发散角度，光源的入射面积小于合光介质的出射面积。

Description

光源转换装置及包含该光源转换装置的光源装置

技术领域

本发明是关于一种光源装置；更具体说，是关于一种用于投影装置的光源装置。

背景技术

近年来由于投影装置的制造技术逐渐提升，投影装置轻薄短小已成为市场主流。市场求新求变的需求导引投影装置的设计持续改进，投影装置制造厂商必需因应地开发各种不同更小型、效率更好、成像品质更佳的投影装置，以满足市场需求。

现有的投影装置是以高压气体灯泡作为光源，随着发光二极管技术的日益成熟，投影装置逐渐舍弃传统的灯泡而改采发光二极管作为替代光源。发光二极管的体积通常较小不但有助于投影装置小型化的发展，而且发光二极管的使用寿命亦相对较长，因此以发光二极管作为替代光源，是此技术领域者所企求努力的目标。例如美国专利公开号第2006/0023167号即揭露一种利用多个发光二极管作为投影装置光源的技术，然而此种以多发光二极管作为光源的技术一直存有难以整合收光的问题。

另一种应用发光二极管的现有技术是改以使用单个发光二极管，以期提升其发光的效率，例如美国专利公开号第2007/0195278号即揭露一种单个发光二极管的技术，此类技术则面临着如何将红、蓝、绿三种不同发光二极管所发出的色光加以整合应用的问题。例如，目前发光二极管所发出的光线一般具有很大的发散角度，而发散角度越大，越不利投影装置光学机构的设计，而且对于光源的利用效率亦有减损。现有技术针对此类问题，纷纷设计不同的光学配置，企图能提升光源的利用效率，并解决发散角度过大等问题。然而，目前可见的光学配置设计过于复杂，而且其所需的空间亦不利投影装置小型化的发展趋势。另一方面，在投影装置小型化的发展趋势中，以发光二极管作为光源的另一个需要解决的问题是光源的散热问题，尤其是当散热不良时，发光二极管的发光效果将严重地恶化，因此，在小型化空间缩小的趋势下，如何提升光源的散热效率，亦是另一个不得不面对并加以解决的问题。

综上所述，针对目前投影机小型化所面临的各种问题，如何研发一种应用于投影装置上的光源装置，兼具提升光源利用效率、光源散热效率与小型化的各种需求，便为业界亟需解决的目标。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种光源装置，此光源装置可应用于投影装置上，借以达成投影装置小型化。

为达成前述目的，本发明提供一种光源装置。光源装置包含至少一光源、至少一导光介质及一合光棱镜。该至少一光源用以提供一第一光线及一第二光线。该至少一导光介质具有一导光入射面、一第一导光面及一第二导光面。该导光入射面与该至少一光源相邻，该第一光线及该第二光线分别由该导光入射面进入该导光介质通过该第一导光面，由该第二导光面射出一第三光线及一第四光线。该合光棱镜具有一合光入射面及一合光出射面。该第三光线由该合光入射面进入该合光棱镜后，于该合光出射面形成一合光焦点，并由该合光焦点射出一第五光线。该第四光线由该合光入射面进入该合光棱镜进行合光后，由该合光出射面射出一第六光线。

为达成前述目的，前述本发明的光源装置还包含一散热组件，其包含一基座以及一散热平台。其中，基座具有一环状结构，适以界定出一容置空间，该至少一光源设置于该基座上，该合光棱镜设置于该容置空间内。此外，该基座置于该散热平台上，其中该基座是将该至少一光源所产生的热能传递至该散热平台，并通过该散热平台将该热能向外发散。

本发明的一目的在于提供另一种光源转换装置，此光源转换装置可于有限的空间中将具有大发散角度的入射光线，转换为具有小发散角度的出射光线，以利后续光学机构的利用，以达成投影装置小型化的同时，亦能兼具提升光源利用效率。

为达成前述目的，本发明提供一种光源转换装置。该种光源转换装置用以接收一光源的一入射光线后转换射入一集光装置，其中该入射光线具有一入射发散角度，该光源具有一入射面积。该光源转换装置包含一导光介质及一合光介质。该导光介质相邻于该光源，用以接收并导引该入射光线。该合光介质相邻于该导光介质具有一合光入射面及一合光出射面。该合光入射面接合至该导光介质，该入射光线由该导光介质导引射入该合光入射面后，由该合光出射面射出一出射光线进入该集光装置，该出射光线具有一出射发散角度，该合光出射面具有一出射面积，其中该入射发散角度大于该出射发散角度，且该入射面积小于该出射面积。

附图说明

在参阅附图及随后描述的实施方式后，该技术域具有通常知识者便可了解本发明的其它目的，以及本发明的技术手段及实施态样，其中：

图1是本发明光源装置的一较佳实施例的示意图；

图2是本发明光源装置的一较佳实施例的示意图；以及

图3是本发明光源装置中散热组件的示意图。

具体实施方式

以下实施例及附图中，已省略与本发明非直接相关的元件而未绘示，为求容易了解起见，各元件间的尺寸关系是以稍夸大的比例绘示出。另外，说明书的附图中，位于具对称位置的元件，即代表具相同特征的元件，为使图面简洁且易于阅读，不再赘加相同的元件符号。

本发明是应用于一影像装置内的一光源装置，尤其是应用于一投影装置内的一光源装置，其包含至少一光源及一光源转换装置。于本实施例中，请参阅图1，光源装置1包含三个光源11、12、13以及一光源转换装置，其中，光源11是一绿色光源，光源12是一蓝色光源，光源13是一红色光源，用以提供入射光线。光源转换装置包含至少一导光介质，于本实施例中，包含三个导光介质21、22、23分别相对于光源11、12、13的位置而设置。此外，光源转换装置还包含一合光介质，设置于三个导光介质21、22、23之间，于本实施例中，合光介质是一分色棱镜(Dichroic Mirror)，而该分色棱镜可为一合光棱镜(X-cube)24，但并不以此为限，例如，该分色棱镜亦可为一合光平板(X-plate)等。本发明的光源转换装置主要功能即在于将光源所提供的入射光线于有限的空间内迅速地收敛，并转换为出射光线而由光源转换装置射出，借以提高光源的利用效率外，并同时达到缩小投影装置体积的目的。

本实施例中每一光源11、12、13为具有小体积的一发光二极管，用以取代传统的大型灯泡，但并不以此为限，例如其它小型发光元件亦可作为本发明的光源，以达缩小影像装置体积的目的。

须说明的是，由于前述小型发光二极管所射出的光线具有大的发散角，实际上约为120度(亦即-60至+60度)的范围，因此若无配置适当的收光机构，以发光二极管等类的元件作为光源，其光线的利用效率势必不佳。对此，本发明所使用的光源转换装置适可将前述具有大发散角的光源转换为具有小发散角的光源，约为24度(亦即-12至+12度)的范围，以期提高投影装置的光源利用效率，详述如下。

以本实施例而言，本发明的光源转换装置包含三导光介质21、22、23及一合光棱镜24。具体而言，导光介质21、22、23分别设置于合光棱镜24与对应的光源11、12、13之间。更具体说，合光棱镜24具有三个合光入射面241、242、243与一合光出射面244，其中，上述三导光介质21、22、23分别配合每一合光入射面241、242、243，且导光介质21的一部分直接接合至合光入射面241上，导光介质22的一部分直接接合至合光入射面242上，导光介质23的一部分直接接合至合光入射面243上。

光源11所射出的大部分光线将由导光介质21接收并加以曲折后射入合光棱镜24中。同样地，光源12、13所射出的大部分光线将分别由导光介质22、23接收并加以曲折后，分别射入合光棱镜24中，最后由合光棱镜24将三光源11、12、13所分别射出的光线整合至合光出射面244，由合光出射面244向外射出。

须说明的是，由于导光介质21与合光棱镜24对于光源11所射出光线的作用，分别与导光介质22与合光棱镜24对于光源12所射出光线的作用及导光介质23与合光棱镜24对于光源13所射出光线的作用相同。因此，为简洁说明起见，以下仅就光源11射出光线后，光源转换装置中的导光介质21与合光棱镜24如何对该光线作用详细说明的，熟知此技术领域的通常知识者当可轻易地通过该描述而推及其余光源12、13与光源转换装置中的导光介质22、23、合光棱镜24间光路的运作原理，因此兹以省略未述。

请合并参阅图2，图中显示导光介质21具有二个透镜211、212，分别依光线前进的方向设置于光源11与合光棱镜24间，其中透镜211具有一导光入射面2111、一第一导光面2112，另一透镜212具有一第二导光面2121及一导光出射面2122。详细而言，透镜211与光源11相邻设置，而使导光入射面2111紧靠于光源11的一侧边，用以大部分地接收并导引自光源11射出的入射光线。透镜212的导光出射面2122则直接接合至合光棱镜24的合光入射面241上。

更特别地，透镜211的导光入射面2111为一三维的凹面，其曲面曲率小于零，用以作为发散入射光线的光线发散面。另一方面，透镜211的第一导光面2112与透镜212的第二导光面2121皆为凸面，其曲面曲率皆大于零，用以作为聚焦光线的光线收敛面。透镜212的导光出射面2122呈一平面，因而对任何光线的前进方向并不产生任何改变。

其次，自光源11射出的入射光线包含一第一光线X₁(亦即主光线，Chief Ray)，及具有一入射发散角度ψ₁的一第二光线X₂(亦即次光线，Marginal Ray)，入射发散角度ψ₁一般而言约为120度(亦即-60至+60度)的范围。当第一光线X₁及第二光线X₂分别由导光入射面2111进入透镜211后，经第一导光面2112，再由第二导光面2121射出一第三光线X₃及一第四光线X₄，而后进入合光棱镜24中，最后由合光棱镜24的合光出射面244射出包含一第五光线X₅与一第六光线X₆的出射光线。

承上，由于导光入射面2111为光线发散面，而第一导光面2112及第二导光面2121皆为光线收敛面，因此光源11所射出的平行第一光线X₁将由导光入射面2111略为发散，第一光线X1的发散效果可仿真为第一光线X₁似由光源11后端的光源所射出的光线。通过导光入射面2111的第一光线X₁再经二个用以收敛光线的导光面2112、2121的聚焦作用后，最后成像于合光棱镜24的合光出射面244上而形成一合光焦点F₁，并由该合光焦点F₁向外射出第五光线X₅。另一方面，光源11所射出具有大入射发散角度ψ₁的第二光线X₂亦分别经导光入射面2111、第一导光面2112及第二导光面2121的曲折作用后，由发散方向转为渐趋收敛方向，最后转换为由合光出射面244向外射出略为平行的第六光线X₆。

须说明的是，本实施例中使用发光二极管的光源11的入射面积是12平方厘米，而合光出射面244的出射面积为300平方厘米。另一方面，前述由合光棱镜24射出的出射光线中第五光线X₅具有一出射发散角度ψ₂，约为24度(-12至+12度)的范围，较入射发散角度ψ₁小。因此，若二相比较自光源11所射出的入射光线与合光出射面244向外射出的出射光线，于光展度(Etendue)恒定的前提下，具有较大入射发散角度ψ₁与较小入射面积的入射光线将由光转换装置转换为具有较小出射发散角度ψ₂与较大出射面积的出射光线。由于出射光线具有较小的发散角度，因此对于投影装置的后续光路中的中继透镜(Relay Lens)而言负担较轻，有利于后续光路中中继透镜的光路设计。因此，本发明的光源转换装置可通过曲面曲率分别为负值、正值、正值的三个透镜曲面2111、2112、2121，即可将光源所射出具有大发散角度的光线于极短的有限距离内转换为具有小发散角度的光线，以达到提升光源利用与小型化投影装置的目的。

本发明的光源装置1还包含一集光装置28，具体而言，本实施例中该集光装置28为一锥状集光柱(Tapered integral rod)，其具有一集光入射面281及一集光出射面282，集光柱的截面积自集光入射面281往集光出射面282的方向逐渐缩小，以利光线的混合均匀。其中，集光入射面281邻接至合光出射面244上，自合光出射面24射出的第五光线X₅与第六光线X₆可通过集光入射面281进入集光装置28中。须说明的是，由于前述本发明的光源转换装置具有汇聚光线的效果，因此，包含第五光线X₅与第六光线X₆的出射光线汇聚于合光出射面244上所占据的面积实际仅占整个合光出射面244的一部分，此结果将使邻接合光出射面244的集光装置28得以缩小，亦即使集光入射面281的面积小于合光出射面24的面积，而有利于集光装置28的光线均匀效果。另外，进入集光装置28的第六光线X₆较佳应汇聚于该集光出射面282的一集光焦点F₂。

前述本发明的光源装置小型化后，虽具有前述的数个优点，然而本发明小型化后的光源装置却更加恶化了原先小型光源散热不易的问题，如果光源的散热问题无法有效的解决，前述小型化的投影装置亦无法长时间使用，而降低其实用性。为了解决这个问题，本发明需辅以一散热组件协助光源装置的散热，如下所述。

请参阅图3，图中显示本发明应用于光源装置中的散热组件。本发明光源装置1的散热组件3具有一基座34及一散热平台35。基座34可由一导热性佳的金属构成，例如：铜，但不以此为限。此基座34的特征之一在于其具有一环壁结构，其整合了散热与光源框架的功能。具体说，基座34的环壁结构除了提供三光源11、12、13散热用之外，亦可作为这些光源的安装设置，而无须另行配置安装光源的框架。基座34的环壁结构界定出一容置空间36，此容置空间36适足以将包含三导光介质21、22、23及一合光棱镜24的光源转换装置共同地设置于内。由于基座34的环壁结构恰可提供设置三光源11、12、13所需的共同导热基底，使红、蓝、绿不同光源间所产生的热量因基座34的共同导热作用而得以实质地均匀散热，以提升光源的发光效率。

前述的基座34置于散热平台35之上，使基座34可将光源11、12、13所产生的热量传递至散热平台35，并通过散热平台35将该热量向外发散。具体而言，散热平台35包含多个彼此平行设置的散热片37及多个热管(Heat Pipe)38，串接这些散热片37。本实施例中散热平台35的散热片37及热管38可以导热性佳的材料所制成，例如铜，但并不以此为限。

这些散热片37彼此间可保持一适当间距，以增加散热面积。此外，这些热管38中任一热管38具有二相对端，其中一端嵌设于基座34中，而另一相对端则嵌设于这些散热片37中。通过上述说明可知，本发明的光源装置通过光源转换装置，于极短的有限距离内将大发散角度的光线收敛，以提升光源的利用效率，并解决发散角度过大等问题，如此不但可提供品质较佳的光源，以利后续光路的使用，本发明亦通过光源转换装置及散热组件的适当配置，以达成投影装置小型化的目的。

上述的实施例仅用来例举本发明的实施态样，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的范畴。任何熟悉此技术者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，本发明的权利范围应以申请专利范围为准。

Claims (22)

1.一种光源装置，包含：

至少一光源，用以提供一第一光线及一第二光线；以及

至少一导光介质，具有一导光入射面、一第一导光面及一第二导光面，该导光入射面与该至少一光源相邻，该第一光线及该第二光线分别由该导光入射面进入该至少一导光介质，通过该第一导光面，由该第二导光面射出一第三光线及一第四光线；以及

一合光棱镜，具有至少一合光入射面及一合光出射面，该第三光线由该合光入射面进入该合光棱镜后，于该合光出射面形成一合光焦点，并由该合光焦点射出一第五光线，该第四光线由该合光入射面进入该合光棱镜后，由该合光出射面射出一第六光线。

2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于该至少一光源为一发光二极管。

3.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于该至少一光源为一红色光源、一蓝色光源以及一绿色光源其中之一。

4.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于该至少一光源包含多个光源。

5.根据权利要求4所述的光源装置，其特征在于这些光源包含一红色光源、一蓝色光源以及一绿色光源。

6.根据权利要求5所述的光源装置，其特征在于这些光源皆为发光二极管。

7.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于该导光入射面为一光线发散面，该第一导光面及该第二导光面分别为一光线收敛面。

8.根据权利要求7所述的光源装置，其特征在于该光线发散面是一凹面，该光线收敛面是一凸面，其中该凹面的一曲面曲率小于零，而该凸面的一曲面曲率大于零。

9.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于该第二光线对该导光入射面具有一入射发散角度与一入射面积，该第五光线对该合光出射面具有一出射发散角度及一出射面积，该入射发散角度大于该出射发散角度，且该入射面积小于该出射面积。

10.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于还包含一集光装置，具有一集光入射面及一集光出射面，该集光入射面接合至该合光出射面，其中该集光入射面的一面积小于该合光出射面的一面积。

11.根据权利要求10所述的光源装置，其特征在于该集光装置为一锥状集光柱。

12.根据权利要求11所述的光源装置，其特征在于该第六光线由该集光入射面进入该锥状集光柱后，于该集光出射面形成一集光焦点。

13.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于还包含一散热组件，该散热组件包含：

一基座，界定出一容置空间，该至少一光源设置于该基座上，该合光棱镜设置于该容置空间内；以及

一散热平台，该基座置于该散热平台上，

其中该基座是将该至少一光源所产生的热能传递至该散热平台，并通过该散热平台将该热能向外发散。

14.根据权利要求13所述的光源装置，其特征在于该散热平台包含：

多个散热片，这些散热片是平行设置；以及

多个热管，其中各该热管的一端嵌设于该基座中，而各该热管的另一相对端嵌设于这些散热片中。

15.一种光源转换装置，用以接收一光源的一入射光线后转换射入一集光装置，其中该入射光线具有一入射发散角度，该光源具有一入射面积，该光源转换装置包含：

一导光介质，相邻于该光源，用以接收并导引该入射光线；以及

一合光介质，相邻于该导光介质，具有至少一合光入射面及一合光出射面，该至少一合光入射面接合至该导光介质，该入射光线由该导光介质导引射入该至少一合光入射面后，由该合光出射面射出一出射光线进入该集光装置，该出射光线具有一出射发散角度，该合光出射面具有一出射面积，

其中该入射发散角度大于该出射发散角度，且该入射面积小于该出射面积。

16.根据权利要求15所述的光源转换装置，其特征在于该导光介质，具有一导光入射面、一第一导光面、一第二导光面及一导光出射面，该导光入射面相邻于该光源，该合光介质接合至该导光出射面。

17.根据权利要求16所述的光源转换装置，其特征在于该导光入射面是一光线发散面，该第一导光面与该第二导光面分别为一该光线收敛面。

18.根据权利要求17所述的光源转换装置，其特征在于该光线发散面是一凹面，该光线收敛面是一凸面，且该凹面的一曲面曲率小于零，而该凸面的一曲面曲率大于零。

19.根据权利要求15所述的光源转换装置，其特征在于该合光介质是一分色棱镜。

20.根据权利要求19所述的光源转换装置，其特征在于该分色棱镜是一合光棱镜。

21.根据权利要求19所述的光源转换装置，其特征在于该分色棱镜是一合光平板。

22.根据权利要求15所述的光源转换装置，其特征在于该集光装置具有一集光入射面及一集光出射面，该集光入射面接合于该合光出射面，其中该集光入射面的一面积小于该合光出射面的一面积。

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