CN102052605A - 照明系统及具有该照明系统的投影装置 - Google Patents

Abstract

一种照明系统及具有该照明系统的投影装置，照明系统包括一晶片封装体、一第一分色膜、一第二分色膜及一第三分色膜，第一分色膜、第二分色膜及一第三分色膜彼此不平行且交叉于同一区域。晶片封装体包括呈一三角排列的一第一发光晶片、一第二发光晶片及一第三发光晶片，且第一发光晶片、第二发光晶片及第三发光晶片适于分别发出一第一光束、一第二光束及一第三光束。第一分色膜适于反射第一光束，第二分色膜适于反射第二光束，第一分色膜适于被第三光束穿透且第三分色膜适于反射第三光束。本发明具良好光利用率及空间利用率。

Description

照明系统及具有该照明系统的投影装置

【技术领域】

本发明关于一种照明系统及包含此照明系统的投影装置。

【背景技术】

随着显示技术的进步，投影装置除了可采用发出白光的高压汞灯(ultra high pressure lamp，UHP lamp)搭配色轮(color wheel)来依序产生红光、绿光及蓝光，以使投影装置提供彩色影像画面之外，近来更发展出以红色、绿色及蓝色发光二极管(light emitting diode，LED)作为光源的投影装置。

如图5所示，在以红、蓝、绿三色之发光二极管作为光源之投影装置100中，通常是以X-镜(X-mirror)102来合光。举例而言，X-镜包括互相交叉配置的红色分色镜102a及蓝色分色镜102b，红色发光二极管104R所发出的红色光束会被红色分色镜102a反射，蓝色发光二极管104B所发出的蓝色光束会被蓝色分色镜102b反射，而绿色发光二极管104G所发出的绿色光束则会穿透红色分色镜102a及蓝色分色镜102b。透过X-镜(X-mirror)对不同颜色的光束的不同作用，可将传递方向不同的红、绿、蓝三色光束导引至同一方向，再由一蝇眼透镜(fly-eye lens)106匀光。接着，被反射镜108偏折的红、绿、蓝三色光束，在经过投影装置中之数位微镜元件(digital micro-mirror device，DMD)110的作用之后，便能够形成彩色的影像光束并进入一投影镜头112。

然而，在X-镜102中，由于红色分色镜102a与蓝色分色镜102b互相胶合的区域(即互相交叉的区域)对红、绿、蓝三色光束无法产生正常的导引作用，这会导致光损失。此外，当光源由传统的高压汞灯改变为发光二极管时，胶合区域的面积相对发光二极管所发出的光束之截面积会变得更大，这会造成更大比例的光损失。再者，在采用X-镜的投影装置中，红色光束、绿色光束及蓝色光束从三个不同的方向入射X-镜102，使得投影装置内部的元件之空间利用率不佳，进而导致投影装置过于庞大。

另外，如图6所示，美国专利公告号7201498揭露一种合光系统，其中发光二极管124B、124G、124R借由三个彼此互不平行的分色镜122B、122G、122R的反射而成像至照明目标126上。然而，此一设计为一单纯的合光系统，并未揭露如运用于一投影装置时如何进一步提高光利用率及缩小体积的设计。类似的现有设计例如美国专利公告号6910777、6987546也揭露包含三个彼此互不平行的分色镜的设计，然而，这些现有技术同样未提供进一步提高光利用率及空间利用率的设计。

【发明内容】

本发明提供一种具良好光利用率及空间利用率的照明系统及投影装置。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本发明提供一种照明系统，包括一晶片封装体、一第一分色膜、一第二分色膜及一第三分色膜。晶片封装体包括适于发出一第一光束的一第一发光晶片、适于发出一第二光束的一第二发光晶片及适于发出一第三光束的一第三发光晶片。第一发光晶片、第二发光晶片及第三发光晶片呈一三角排列，且第一光束、第二光束及第三光束的颜色彼此不同。第一分色膜适于偏折第一光束，第二分色膜适于偏折第二光束，且第三分色膜适于偏折第三光束。第一分色膜、第二分色膜及第三分色膜彼此不平行且交叉于同一区域，且当第一光束、第二光束及第三光束离开第一分色膜、第二分色膜及第三分色膜之后，第一光束、第二光束及第三光束形成一照明光束。

所述照明系统更包括一光均匀化元件配置于照明光束的传递路径上，且晶片封装体更包括一透镜覆盖第一发光晶片、第二发光晶片及第三发光晶片。

所述照明系统，第一光束为一红光光束、第二光束为一绿光光束、且第三光束为一蓝光光束，红光光束入射至第一分色膜的入射角大于绿光光束入射至第二分色膜的入射角，且绿光光束入射至第二分色膜的入射角大于蓝光光束入射至第三分色膜的入射角。

本发明还提供一种投影装置，包括一照明系统、一光阀及一投影镜头。照明系统包括一晶片封装体、一第一分色膜、一第二分色膜及一第三分色膜。晶片封装体包括适于发出一第一光束的一第一发光晶片、适于发出一第二光束的一第二发光晶片及适于发出一第三光束的一第三发光晶片。第一发光晶片、第二发光晶片及第三发光晶片呈一三角排列，且第一光束、第二光束及第三光束的颜色彼此不同。第一分色膜适于偏折第一光束，第二分色膜适于偏折第二光束，且第三分色膜适于偏折第三光束。第一分色膜、第二分色膜及第三分色膜彼此不平行且交叉于同一区域，且当第一光束、第二光束及第三光束离开第一分色膜、第二分色膜及第三分色膜之后，第一光束、第二光束及第三光束形成一照明光束。光阀配置于照明光束的传递路径上，并适于将照明光束转换为一影像光束，且投影镜头配置于影像光束的传递路径上。

所述投影装置，第一分色膜配置于第一光束及第三光束的传递路径上，第二分色膜配置于第二光束的传递路径上，第三分色膜配置于第三光束的传递路径上，第一发光晶片、第二发光晶片及第三发光晶片依邻近投影镜头的顺序依序为第一发光晶片、第二发光晶片及第三发光晶片，第一分色膜适于反射第一光束，第二分色膜适于反射第二光束，第一分色膜适于被第三光束穿透且第三分色膜适于反射第三光束。

所述投影装置更包括一内部全反射棱镜，配置于照明光束与影像光束的传递路径上，并位于光阀与投影镜头之间。

所述投影装置更包括一反射镜，配置于照明光束的传递路径上，并位于照明系统与光阀之间。

所述投影装置，光均匀化元件为一蝇眼透镜，蝇眼透镜包含数个呈一阵列排列的透镜元件，且每一透镜元件具有与一斜向入射变形光斑互补的外形。

所述投影装置，照明系统更包括一聚焦透镜，配置于照明光束的传递路径上，并位于光均匀化元件与光阀之间，且聚焦透镜的一中心轴远离投影装置的一光轴。

本发明的照明系统及具有该照明系统的投影装置至少具有以下其中一个优点，借由上述的设计，由于第一分色膜、第二分色膜及第三分色膜彼此不需平行，如此便能够分别控制第一光束、第二光束与第三光束的反射角度，借以修正左右两侧的第一发光晶片及第三发光晶片因离轴造成的入射角度及入射位置的变异，使第一光束、第二光束与第三光束在离开第一分色膜后能够尽可能地互相平行。再者，由于第一发光晶片、第二发光晶片与第三发光晶片是被包含于同一个晶片封装体中且呈三角排列，相较于现有投影装置中的红、绿、蓝三色光束是由三个不同的方向入射X-镜，本实施例的投影装置的第一光束、第二光束及第三光束是以同一方向入射第一分色膜。如此一来，投影装置的空间利用率便可以提升，进而使投影装置能够具有较小的体积，且当三个发光晶片呈三角排列时，可进一步缩小体积且可形成较小的场点而提供良好的收光效率。再者，上述各个实施例可视投影装置的不同色彩或亮度需求搭配不同的光路设计。

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所附图式，作详细说明如下。

【附图说明】

图1为本发明之一实施例的投影装置的结构示意图。

图2为本发明另一实施例的投影装置的结构示意图。

图3为示意图，显示本发明一实施例的光均匀化元件的结构设计。

图4A及图4B为示意图，显示本发明一实施例的投影装置偏心设计。

图5为一现有投影装置的结构示意图。

图6为一现有合光系统的结构示意图。

10投影装置

12照明系统

14光阀

16投影镜头

22晶片封装体

221、222、223发光晶片

221a、222a、223a光束

224透镜

24、26、28分色膜

34、36、38透光基板

42光均匀化元件

421透镜元件

44聚焦透镜

46反射镜

48像场透镜

50投影装置

52内部全反射棱镜

521第一棱镜

522第二棱镜

100投影装置

102X-镜

102a红色分色镜

102b蓝色分色镜

104B蓝色发光二极管

104G绿色发光二极管

104R红色发光二极管

106蝇眼透镜

108反射镜

110数位微镜元件

112投影镜头

122B、122G、122R分色镜

124B、124G、124R发光二极管

126照明目标

I照明光束

L影像光束

M光轴

N中心轴

P区域

【具体实施方式】

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式之实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1为本发明之一实施例的投影装置的结构示意图。请参照图1，本实施例的投影装置10包括一照明系统12、一光阀14及一投影镜头16。照明系统12包括一晶片封装体22、一第一分色膜24、一第二分色膜26及一第三分色膜28。晶片封装体22包括呈三角排列(delta arrangement)的一第一发光晶片221、一第二发光晶片222及一第三发光晶片223。第一发光晶片221适于发出一第一光束221a，第二发光晶片222适于发出一第二光束222a，而第三发光晶片223适于发出一第三光束223a。在本实施例中，第一发光晶片221、第二发光晶片222及第三发光晶片223例如为发光二极管晶片。然而，在其他实施例中，第一发光晶片221、第二发光晶片222及第三发光晶片223亦可以是雷射二极管晶片或其他适当的发光晶片。此外，在本实施例中，晶片封装体22更包括一透镜224，此透镜224覆盖第一发光晶片221、第二发光晶片222及第三发光晶片223，并位于第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a的传递路径上。再者，第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a的颜色彼此不同。在本实施例中，第一光束221a例如为红色光束，第二光束222a例如为绿色光束，而第三光束223a例如为蓝色光束。然而，在其他实施例中，第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a亦可以分别为其他不同颜色的光束。

于本实施例中，第一发光晶片221、第二发光晶片222及第三发光晶片223依邻近投影镜头16的顺序依序为第一发光晶片221、第二发光晶片222及第三发光晶片223。第一分色膜24配置于第一光束221a及第三光束223a的传递路径上，第二分色膜26配置于第二光束222a的传递路径上，而第三分色膜28配置于第三光束223a的传递路径上，其中第一分色膜24、第二分色膜26及第三分色膜28彼此不平行且交叉于同一区域P。第一分色膜24配置于一第一透光基板34之一表面，第二分色膜26配置于一第二透光基板36之一表面，第三分色膜28是配置于一第三透光基板38之一表面。第一分色膜24适于反射第一光束221a，第二分色膜26适于反射第二光束222a，而第一分色膜24适于被第三光束223a穿透且第三分色膜28适于反射第三光束223a。第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a离开第一分色膜24、第二分色膜26及第三分色膜28之后，第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a会形成照明光束I。

此外，在本实施例中，照明系统12更包括一光均匀化元件42及一聚焦透镜44，光均匀化元件42及聚焦透镜44配置于第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a的传递路径上，并位于第一分色膜24、第二分色膜26及第三分色膜28与光阀14之间。具体而言，光均匀化元件42例如为一蝇眼透镜(fly-eye lens)，可使照明光束I均匀地照射在光阀14上。光阀14配置于照明光束I的传递路径上，并适于将照明光束I转换为一影像光束L。在本实施例中，光阀14例如为一数位微镜元件，然而，在其他实施例中，光阀14亦可以是一硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel，LCOS panel)或一穿透式液晶面板(transmissive liquid crystal panel)。投影镜头16配置于影像光束L的传递路径上，以将影像光束L投影至屏幕(未图示)而产生影像画面。另外，为了进一步提升空间利用率，在本实施例中，投影装置10更包括一反射镜46配置于照明光束I的传递路径上，并位于该照明系统12与光阀14之间，反射镜46可使照明光束I的传递路径弯折，以达到提升空间利用率的效果。另外，一像场透镜(field lens)48可配置于影像光束L的传递路径上，并位于光阀14与投影镜头16之间。

本发明的实施例至少具有以下其中一个优点，在本实施例的投影装置10中，由于第一分色膜24、第二分色膜26及第三分色膜28彼此不需平行，如此便能够分别控制第一光束221a、第二光束222a与第三光束223a的反射角度，借以修正左右两侧的第一发光晶片221及第三发光晶片223因离轴造成的入射角度及入射位置的变异，使第一光束221a、第二光束222a与第三光束223a在离开第一分色膜24后能够尽可能地互相平行。再者，由于第一发光晶片221、第二发光晶片222与第三发光晶片223是被包含于同一个晶片封装体22中且呈三角排列，相较于现有投影装置中的红、绿、蓝三色光束是由三个不同的方向入射X-镜，本实施例的投影装置10的第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a是以同一方向入射第一分色膜24。如此一来，投影装置10的空间利用率便可以提升，进而使投影装置10能够具有较小的体积，且当三个发光晶片221、222、223呈三角排列时，可进一步缩小体积且可形成较小的场点而提供良好的收光效率。

于一实施例中，当第一光束221a为红光光束、第二光束222a为绿光光束、且第三光束223a为蓝光光束，红光光束入射至第一分色膜24的入射角(例如＝55度)可大于绿光光束入射至第二分色膜26的入射角(例如＝45度)，且该绿光光束入射至该第二分色膜26的入射角(例如＝45度)可大于蓝光光束入射至第三分色膜28的入射角(例如＝35度)。

图2为本发明另一实施例的投影装置的结构示意图。如图2所示，投影装置50包括一内部全反射棱镜52，此内部全反射棱镜52配置于照明光束I与影像光束L的传递路径上，并位于光阀14与投影镜头16之间。具体而言，内部全反射棱镜52包括一第一棱镜521及一第二棱镜522，且第一棱镜521与第二棱镜522之间保持一间隙G，以在第一棱镜521上形成一全反射面。来自光均匀化元件42的照明光束I可经由第一棱镜521之入光面进入第一棱镜521中，接着被全反射面全反射至光阀14。再者，来自光阀14的影像光束L则依序穿透第一棱镜521、间隙G及第二棱镜522而传递至投影镜头16。

如图3所示，于一实施例中光均匀化元件42可为一蝇眼透镜(fly-eye lens)，蝇眼透镜包含数个呈一阵列排列的透镜元件421。一般而言，因为投影装置内的光路会转折，所以光阀14上形成的光斑会产生变形。举例而言，如图3所示，传统上具有矩形外形的透镜元件421’，会因斜向入射变形而于光阀14上形成歪斜的平行四边形光斑S’。因此，本实施例利用反向形狀设计，将透镜元件421设计为与光斑S’反向歪斜的平行四边形，意即每一透镜元件421具有与一斜向入射变形光斑互补的外形，如此于斜向入射后可于光阀14上形成矩形的光斑S，而可有效提高光利用率及光均匀度。

于一实施例中，聚焦透镜44配置于照明光束I的传递路径上，且位于光均匀化元件42与光阀14之间。聚焦透镜44的中心轴N远离投影装置10的一光轴M，例如图4A所示中心轴N沿X轴方向与光轴M错位一段距离，或如图4B所示中心轴N沿Y轴方向与光轴M错位一段距离，借由聚焦透镜44的偏心设计，可在有限距離下增加光程并调整光斑，如此可缩小投影装置整体的尺寸并减少光损失。

以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。另外本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。

Claims (17)

1.一种照明系统，包括：

一晶片封装体，包括：

一第一发光晶片，适于发出一第一光束；

一第二发光晶片，适于发出一第二光束；以及

一第三发光晶片，适于发出一第三光束，其中

该第一发光晶片、该第二发光晶片及该第三发光晶片呈一三角排列，且该第一光束、该第二光束及该第三光束的颜色彼此不同；

一第一分色膜，适于偏折该第一光束；

一第二分色膜，适于偏折该第二光束；以及

一第三分色膜，适于偏折该第三光束；

其中该第一分色膜、该第二分色膜及该第三分色膜彼此互不平行且交叉于同一区域，且当该第一光束、该第二光束及该第三光束离开该第一分色膜、该第二分色膜及该第三分色膜之后，该第一光束、该第二光束及该第三光束形成一照明光束。

2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：还包括一光均匀化元件配置于该照明光束的传递路径上。

3.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：该晶片封装体还包括一透镜，且该透镜覆盖该第一发光晶片、该第二发光晶片及该第三发光晶片。

4.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：还包括：

一第一透光基板，具有一第一表面，其中该第一分色膜是配置于该第一表面上；

一第二透光基板，具有一第二表面，其中该第二分色膜是配置于该第二表面上；以及

一第三透光基板，具有一第三表面，其中该第三分色膜是配置于该第三表面上。

5.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：该第一光束为一红光光束、该第二光束为一绿光光束、且该第三光束为一蓝光光束，该红光光束入射至该第一分色膜的入射角大于该绿光光束入射至该第二分色膜的入射角，且该绿光光束入射至该第二分色膜的入射角大于该蓝光光束入射至该第三分色膜的入射角。

6.一种投影装置，包括：

一照明系统，包括：

一晶片封装体，包括：

一第一发光晶片，适于发出一第一光束；

一第二发光晶片，适于发出一第二光束；以及

一第三发光晶片，适于发出一第三光束，其中该第一发光晶片、该第二发光晶片及该第三发光晶片呈一三角排列，且该第一光束、该第二光束及该第三光束的颜色彼此不同；

一第一分色膜，适于偏折该第一光束；

一第二分色膜，适于偏折该第二光束；以及

一第三分色膜，适于偏折该第三光束，其中该第一分色膜、该第二分色膜及该第三分色膜彼此互不平行且交叉于同一区域，且当该第一光束、该第二光束及该第三光束离开该第一分色膜、该第二分色膜及该第三分色膜之后，该第一光束、该第二光束及该第三光束形成一照明光束；

一光阀，配置于该照明光束的传递路径上，并适于将该照明光束转换为一影像光束；以及

一投影镜头，配置于该影像光束的传递路径上。

7.如权利要求6所述的投影装置，其特征在于：该第一分色膜配置于该第一光束及该第三光束的传递路径上，该第二分色膜配置于该第二光束的传递路径上，且该第三分色膜配置于该第三光束的传递路径上。

8.如权利要求6所述的投影装置，其特征在于：该第一发光晶片、该第二发光晶片及该第三发光晶片依邻近该投影镜头的顺序依序为该第一发光晶片、该第二发光晶片及该第三发光晶片，该第一分色膜适于反射该第一光束，该第二分色膜适于反射该第二光束，该第一分色膜适于被该第三光束穿透且该第三分色膜适于反射该第三光束。

9.如权利要求6所述的投影装置，其特征在于：还包括一内部全反射棱镜，配置于该照明光束与该影像光束的传递路径上，并位于该光阀与该投影镜头之间。

10.如权利要求6所述的投影装置，其特征在于：还包括一反射镜，配置于该照明光束的传递路径上，并位于该照明系统与该光阀之间。

11.如权利要求6所述的投影装置，其特征在于：该照明系统还包括一透镜，且该透镜覆盖该第一发光晶片、该第二发光晶片及该第三发光晶片。

12.如权利要求6所述的投影装置，其特征在于：该照明系统还包括：

一光均匀化元件，配置于该照明光束的传递路径上，并位于该第一分色膜、该第二分色膜及该第三分色膜与该光阀之间。

13.如权利要求12所述的投影装置，其特征在于：该光均匀化元件为一蝇眼透镜。

14.如权利要求13所述的投影装置，其特征在于：该蝇眼透镜包含数个呈一阵列排列的透镜元件，且每一该透镜元件具有与一离轴入射变形光斑互补的外形。

15.如权利要求12所述的投影装置，其特征在于：该照明系统还包括：

一聚焦透镜，配置于该照明光束的传递路径上，并位于该光均匀化元件与该光阀之间。

16.如权利要求15所述的投影装置，其特征在于：该聚焦透镜的一中心轴远离该投影装置的一光轴。

17.如权利要求6所述的投影装置，其特征在于：还包括：一像场透镜，配置于该影像光束的传递路径上，并位于该光阀与该投影镜头之间。

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