CN102650738A - 照明系统及投射装置 - Google Patents

Abstract

一种照明系统及投射装置，所述照明系统，用于照明一图案片。照明系统包括一光源、一光均匀化元件及一桶形失真透镜组。光源用于发出一照明光束，以照明图案片。光均匀化元件配置于照明光束的传递路径上，且位于光源与图案片之间。桶形失真透镜组配置于照明光束的传递路径上，且位于光均匀化元件与图案片之间，以使照明光束照射于图案片上的光斑产生桶形畸变。一种投射装置亦被提出。

Description

照明系统及投射装置

【技术领域】

本发明是有关于一种光学系统，且特别是有关于一种照明系统与投射装置(projection apparatus)。

【背景技术】

舞台灯在应用上可分为使用发光二极管(light-emitting diode，LED)作为光源的舞台灯及使用超高压汞灯(ultra high pressure lamp，UHPlamp)作为光源的舞台灯。在这两种舞台灯中，由于超高压汞灯的亮度一般而言会较高，因此采用超高压汞灯作为光源的舞台灯在高亮度的应用上比较具有优势。

然而，在采用超高压汞灯作为光源的舞台灯的光学系统设计中，为了让投射出的影像均匀或避免影像边缘的暗角产生，会使用光积分柱(lightintegration rod)来达到这样的要求。然而，舞台灯的图案片(gobo)大多是呈圆形，而光积分柱的出光端则是呈方形。如此一来，由于投射于图案片上的光斑亦呈方形，且当光斑涵盖整个图案片时，会使得光斑相对于图案片有过多的满溢(overfill)，例如方形光斑的四个角落便没有投射于图案片上，这样会使得光斑上有很多的光能量是被浪费的而无法被有效利用。

美国专利公开第20100097808号揭露了一种集光系统的光路设计。美国专利公开第20090079946号揭露了一种光学投影系统，其中反射镜可以对投影镜头组产生的影像形成桶形畸变。中国台湾专利第I300834号揭露了一种照明系统，包括一点光源阵列、一透镜及一准直透镜。美国专利第7052150号揭露了一种积分柱，包括反射输入面与反射输出面，其中反射输入面与反射输出面分别具有孔洞。美国专利第6830339号揭露了一种实心积分柱，包括位于输入侧的反射镜与位于输出侧的反射式偏光件。然而，上述架构还是无法解决光斑相对于图案片有过多的满溢的问题。

【发明内容】

本发明提供一种照明系统，可有效地将光斑的能量集中于图案片上。

本发明提供一种投射装置，具有较佳的光效率。

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，本发明之一实施例提出一种照明系统，用于照明一图案片(gobo)。照明系统包括一光源、一光均匀化元件及一桶形失真(barrel distortion)透镜组。光源用于发出一照明光束，以照明图案片。光均匀化元件配置于照明光束的传递路径上，且位于光源与图案片之间。桶形失真透镜组配置于照明光束的传递路径上，且位于光均匀化元件与图案片之间，以使照明光束照射于图案片上的光斑产生桶形畸变(barrel distortion)。并且图案片上光斑的畸变像差符合D_max-D_0.707F＜-10％，其中D_0.707F为光均匀化元件之朝向图案片的一出光端在视场为0.707F所产生的畸变像差，且D_max为出光端在视场为0.707F至1F的区域中所产生的畸变像差之最大值。

本发明之另一实施例提出一种投射装置，包括上述照明系统，且用于投射图案片的影像，其中图案片用于将照明光束转换成一影像光束。投射装置包括一投影镜头，配置于影像光束的传递路径上。

由于本发明的实施例的照明系统与投射装置采用了桶形失真透镜组来使照明光束照射于图案片上的光斑产生桶形畸变，因此光斑相对于图案片的满溢(overfill)程度会较小。如此一来，便能够有效地将光斑的能量集中于图案片上，进而使投射装置的光效率有效提升。

承接上述，本发明提供一种照明系统，用于照明一图案片，该照明系统包括：

一光源，用于发出一照明光束，以照明该图案片；

一光均匀化元件，配置于该照明光束的传递路径上，且位于该光源与该图案片之间；以及

一桶形失真透镜组，配置于该照明光束的传递路径上，且位于该光均匀化元件与该图案片之间，其中该照明光束通过该桶形失真透镜组照射于该图案片上的一光斑产生桶形畸变。

所述的照明系统，其中，该光斑的畸变像差符合D_max-D_0.707F＜-10％，其中D_0.707F为该光均匀化元件的朝向该图案片的一出光端在视场为0.707F所产生的畸变像差，且D_max为该出光端在视场为0.707F至1F的区域中所产生的畸变像差的最大值。

所述的照明系统，其中，该光均匀化元件的朝向该图案片的一出光端呈矩形，该图案片呈圆形，且该桶形失真透镜组使该光斑的形状桶形畸变而逼近于该图案片的形状。

所述的照明系统，其中，该光斑的畸变像差符合-9.1％＜D_0.707F＜5％。

所述的照明系统，其中，该桶形失真透镜组包括：

一第一透镜群，具有正屈光度，且包括由该光均匀化元件往该图案片依序排列之一第一透镜与一第二透镜，其中该第一透镜与该第二透镜配置于该照明光束的传递路径上；以及

一第二透镜群，配置于该第一透镜群与该图案片之间，且包括一第三透镜，其中该第三透镜配置于该照明光束的传递路径上。

所述的照明系统，其中，该第一透镜与该第二透镜的屈光度皆为正。

所述的照明系统，其中，该第一透镜为一凸面朝向该图案片的凹凸透镜，该第二透镜为一双凸透镜，且该第三透镜为一凸面朝向该光均匀化元件的凹凸透镜。

所述的照明系统，其中，该光均匀化元件为光积分柱。

本发明还提供一种投射装置，用于投射一图案片的影像，该投射装置包括：

一照明系统，用于照明该图案片，该照明系统包括：

一光源，用于发出一照明光束，以照明该图案片，其中该图案片用于将该照明光束转换成一影像光束；

一光均匀化元件，配置于该照明光束的传递路径上，且位于该光源与该图案片之间；以及

一桶形失真透镜组，配置于该照明光束的传递路径上，且位于该光均匀化元件与该图案片之间，其中该照明光束通过该桶形失真透镜组照射于该图案片上的光斑产生桶形畸变；以及

一投影镜头，配置于该影像光束的传递路径上。

所述的投射装置，其中，该光斑的畸变像差符合D_max-D_0.707F＜-10％，其中D_0.707F为该光均匀化元件的朝向该图案片的一出光端在视场为0.707F所产生的畸变像差，且D_max为该出光端在视场为0.707F至1F的区域中所产生的畸变像差的最大值。

所述的投射装置，其中，该光均匀化元件的朝向该图案片的一出光端呈矩形，该图案片呈圆形，且该桶形失真透镜组使该光斑的形状桶形畸变而逼近于该图案片的形状。

所述的投射装置，其中，该光斑的畸变像差符合-9.1％＜D_0.707F＜5％。

所述的投射装置，其中，该桶形失真透镜组包括：

一第一透镜群，具有正屈光度，且包括由该光均匀化元件往该图案片依序排列之一第一透镜与一第二透镜，其中该第一透镜与该第二透镜配置于该照明光束的传递路径上；以及

一第二透镜群，配置于该第一透镜群与该图案片之间，且包括一第三透镜，其中该第三透镜配置于该照明光束的传递路径上。

所述的投射装置，其中，该第一透镜与该第二透镜的屈光度皆为正。

所述的投射装置，其中，该第一透镜为一凸面朝向该图案片的凹凸透镜，该第二透镜为一双凸透镜，且该第三透镜为一凸面朝向该光均匀化元件的凹凸透镜。

所述的投射装置，其中，该光均匀化元件为光积分柱。

所述的投射装置，其中，至少部分该照明光束穿透该图案片而形成该影像光束。

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射装置的示意图。

图2A为图1中的光积分柱的出光端的正视图。

图2B绘示图1中的照明系统所形成的光斑的桶形畸变。

图2C绘示图1中的照明系统所形成的经桶形畸变的光斑投射于图案片上的满溢状况。

50：图案片

100：照明系统

110：光源

112：照明光束

113、113’：光斑

114：影像光束

120：光均匀化元件

122：入光端

124：出光端

130：第一透镜群

132：第一透镜

134：第二透镜

140：第二透镜群

142：第三透镜

150：桶形失真透镜组

200：投射装置

210：投影镜头

A：光轴

F1、F2、H、h：距离

P1、P2、Q1、Q1’：点

S0～S7：表面

【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一较佳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射装置的示意图，图2A为图1中的光积分柱的出光端的正视图，图2B绘示图1中的照明系统所形成的光斑的桶形畸变，而图2C绘示图1中的照明系统所形成的经桶形畸变的光斑投射于图案片上的满溢状况，其中图2A至图2C所绘示者皆为沿着平行于桶形失真透镜组的光轴的方向看过去的正视图。

请参照图1及图2A至图2C，本实施例的投射装置200用于投射一图案片(gobo)50的影像。投射装置200包括一照明系统100及一投影镜头210。照明系统100用于照明图案片50，且照明系统100包括一光源110、一光均匀化元件120及一桶形失真透镜组150。光源110用于发出一照明光束112，以照明图案片50。在本实施例中，光源110例如为一高压汞灯，然而，在本实施例中，光源110亦可以是发光二极管或其他适当的发光元件。此外，图案片50用于将照明光束112转换成一影像光束114。在本实施例中，至少部分照明光束112穿透图案片50而形成影像光束114。具体而言，本实施例的投射装置200例如为舞台灯，而图案片50例如为用于舞台灯中的图案片(gobo)。图案片50可以是一具有某一单一颜色的滤光片、一具有部分透光部分遮光的图形的遮光片、一类似于幻灯片的具有不同透光程度的图形甚至具有不同颜色的图形的滤光片或一清澈的透明片。投影镜头210配置于影像光束114的传递路径上，以将影像光束114投射于舞台的墙上、布幕、屏幕、地板、背景或任何其他可被投射的物体上，如此一来，投射装置便可以在舞台的墙上、布幕、屏幕、地板、背景或任何其他可被投射的物体上投射出图案片的影像。

光均匀化元件120配置于照明光束112的传递路径上，且位于光源110与图案片50之间。光均匀化元件120例如为光积分柱(light integrationrod)，且光均匀化元件120具有相对之一入光端122及一出光端124，其中照明光束112经由入光端122进入光均匀化元件120中，且经由出光端124离开光均匀化元件120。在本实施例中，出光端124呈矩形，例如呈正方形，亦即出光端124处的光斑呈矩形，例如呈正方形。光均匀化元件120可以是空心光积分柱或实心光积分柱。空心光积分柱是以四片反射镜围成两端(即入光端122与出光端124)具有矩形开口的矩形柱状空间，而实心光积分柱则可以是一实心矩形导光柱体。然而，在其他实施例中亦可采用透镜阵列(lens array，未图示)作为光均匀化元件，本发明并不限制。

桶形失真透镜组150配置于照明光束112的传递路径上，且位于光均匀化元件120与图案片50之间，以使照明光束112照射于图案片50上的光斑113(如图2C所绘示)产生桶形畸变。光斑113的桶形畸变像差符合D_max-D_0.707F＜-10％，其中D_0.707F为光均匀化元件120之朝向图案片50的出光端124在视场(field)为0.707F处的主光线(chief ray)所产生的畸变像差，且D_max为出光端124在视场为0.707F至1F的区域中的所有主光线所产生的畸变像差之最大值。上述视场为1F之处是指出光端124上的光斑之离桶形失真透镜组150的光轴A最远的视场，例如图2A中的点P1的位置。此外，点P1至光轴A的距离F1定义为1，亦即代表视场为1F。另外，出光端124上的光斑之任何一点的位置相距光轴A的距离皆可与距离F1作比较，从而得到此点之视场的值。举例而言，图2A中点P2至光轴A的距离F2除以距离F1后所得到的比值为0.707，则表示点P2的视场为0.707F。

桶形失真透镜组150使光斑113产生的桶形失真可用图2B来示意及说明，而实验中的实际桶形失真的程度可用图2C来示意。假设桶形失真透镜组150不产生桶形失真时，由出光端124的点P1所发出的主光线会成像于图案片50处的像平面上之点Q1’(如图2B所绘示)，且不产生桶形失真时，出光端124的光斑在图案片50处的像平面所成像而成的光斑113’的形状亦呈矩形。然而，实际上桶形失真透镜组150会使光斑113因桶形失真而呈桶形(如图2B所绘示的形状)，而出光端124的点P1所发出的主光线会成像于图案片50处的像平面上之点Q1(如图2B所绘示)。点P1(即视场为1F)的畸变像差D_1F即为D_1F＝(H-h)/h×100％，其中H为点Q1至光轴A的距离(即畸变后的像高)，而h为点Q1’至光轴A的距离(即未畸变的像高)。出光端124上的其他点或视场为其他值的畸变像差D可依此类推而定义为：D≡(H’-h’)/h’×100％，其中H’为当产生畸变像差时，出光端124上的一点所发出的主光线实际投射于像平面上的位置至光轴A的距离，而h’为假设不产生畸变像差时，出光端124上的此点所发出的主光线投射于像平面上的位置至光轴A的距离。

在本实施例中，出光端124呈矩形，图案片50呈圆形，而桶形失真透镜组150使光斑113的形状产生畸变来逼近于图案片50的形状。换言之，在本实施例中，当畸变像差满足D_max-D_0.707F＜-10％，亦即代表桶形失真的程度足以使原本呈矩形的出光端124的光斑产生畸变而逼近于圆形。

由于本实施例的照明系统100与投射装置200采用了桶形失真透镜组150来使照明光束112照射于图案片50上的光斑113产生桶形畸变，因此光斑113相对于图案片50的满溢(overfill)程度会较小，其中光斑113的满溢部分即为图2C中的环形斜线区域，亦即光斑113之落在图案片50以外的部分。如此一来，便能够有效地将光斑的能量集中于图案片50上，进而使投射装置200的光效率有效提升。

为了进一步提升光效率，可使光斑113的畸变像差符合-9.1％＜D_0.707F＜5％，如此可使光斑113的满溢程度尽量缩小以提高光效率，且同时确保光斑113的大小涵盖整个图案片50，而不会因小于图案片50而导致成像不足。

本发明并不限定桶形失真透镜组150所采用的镜片设计方式，任何可使D_max-D_0.707F＜-10％的镜组设计方式皆属本发明所保护的范畴。以下举出桶形失真透镜组150的一个实际的设计方式，但仅是用以举例说明，而本发明不以此为限。

在本实施例中，桶形失真透镜组150包括一第一透镜群130及一第二透镜群140。第一透镜群130具有正屈光度，且包括由光均匀化元件120往图案片50依序排列之一第一透镜132与一第二透镜134，其中第一透镜132与第二透镜134配置于照明光束112的传递路径上。第二透镜群140配置于第一透镜群130与图案片50之间，且包括一第三透镜142，其中第三透镜142配置于照明光束112的传递路径上，且具有正屈光度。此外，在本实施例中，第一透镜132与第二透镜134的屈光度皆为正。具体而言，第一透镜132例如为一凸面朝向图案片50的凹凸透镜，第二透镜134例如为一双凸透镜，且第三透镜142例如为一凸面朝向光均匀化元件120的凹凸透镜。在本实施例中，第一透镜群130主要是用以收集来自出光端124的照明光束112，并形成准直光或收敛光，而第二透镜群140可使大部分通过的光线往光轴A方向收敛，且第二透镜群140使光斑113产生桶形畸变。

以下内容将举出桶形失真透镜组150之一实施例。需注意的是，下述之表一及表二中所列的数据资料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参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明之范畴内。

(表一)

在表一中，间距是指两相邻表面间于光轴A上的直线距离，举例来说，表面S1之间距，即表面S1至表面S2间于光轴A上的直线距离。备注栏中出光端124、各透镜及图案片50所对应的曲率半径、厚度(或距离)、折射率与阿贝数请参照同列中各曲率半径、间距、折射率与阿贝数对应之数值。此外，在表一中，表面S0为出光端124所处的物平面，表面S1、S2为第一透镜132的两表面，表面S3、S4为第二透镜134的两表面，表面S5、S6为第三透镜142的两表面，而表面S7为图案片50的表面。有关于各表面之曲率半径、间距等参数值，请参照表一，在此不再重述。

下表二为不经过桶形失真的在图案片50处采用方形光斑的光学系统与本实施例之经过桶形失真之在图案片50处采用桶形光斑的投射装置200的光效率比较表。

(表二)

表二中，无论是方形光斑系统或本实施例的桶形光斑系统，光源110处所发出的光能量均先定义为100。方形光斑系统的入光端122处能量为92.56表示当照明光束112行进至入光端122时，光能量剩下92.56。以此可类推其他栏位的数值代表在该栏位的最左方所注明的元件位置处的光能量。其中，图案片50上能量代表照射于图案片50上的光的能量，而图案片50外的满溢能量代表落在图案片50所在的像平面但超出图案片50的范围之外的光能量。方形光斑系统在屏幕上所投射出的光能量的增益比定义为100％，即表二的最末列第二栏所示。而本实施例的桶形光斑系统投射于屏幕上的能量为74.86，将其除以方形光斑系统投射于屏幕上的能量68.89后，即可得到本实施例的桶形光斑系统投射于屏幕上的能量的增益比为109％，亦即本实施例的投射装置200的光效率为方形光斑系统的光效率的109％。由此可知，本实施例的投射装置200确实具有较高的光效率。

综上所述，由于本发明的实施例的照明系统与投射装置采用了桶形失真透镜组来使照明光束照射于图案片上的光斑产生桶形畸变，因此光斑相对于图案片的满溢程度会较小。如此一来，便能够有效地将光斑的能量集中于图案片上，进而使投射装置的光效率有效提升。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，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。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明之权利范围。再者，说明书中提及的第一透镜群、第二透镜群、第一透镜及第二透镜等，仅用以表示元件的名称，并非用来限制元件数量上的上限或下限。

Claims (17)

1.一种照明系统，用于照明一图案片，该照明系统包括：

一光源，用于发出一照明光束，以照明该图案片；

一光均匀化元件，配置于该照明光束的传递路径上，且位于该光源与该图案片之间；以及

一桶形失真透镜组，配置于该照明光束的传递路径上，且位于该光均匀化元件与该图案片之间，其中该照明光束通过该桶形失真透镜组照射于该图案片上的一光斑产生桶形畸变。

2.如权利要求1所述的照明系统，其中，该光斑的畸变像差符合D_max-D_0.707F＜-10％，其中D_0.707F为该光均匀化元件的朝向该图案片的一出光端在视场为0.707F所产生的畸变像差，且D_max为该出光端在视场为0.707F至1F的区域中所产生的畸变像差的最大值。

3.如权利要求1所述的照明系统，其中，该光均匀化元件的朝向该图案片的一出光端呈矩形，该图案片呈圆形，且该桶形失真透镜组使该光斑的形状桶形畸变而逼近于该图案片的形状。

4.如权利要求1所述的照明系统，其中，该光斑的畸变像差符合-9.1％＜D_0.707F＜5％。

5.如权利要求1所述的照明系统，其中，该桶形失真透镜组包括：

一第一透镜群，具有正屈光度，且包括由该光均匀化元件往该图案片依序排列之一第一透镜与一第二透镜，其中该第一透镜与该第二透镜配置于该照明光束的传递路径上；以及

一第二透镜群，配置于该第一透镜群与该图案片之间，且包括一第三透镜，其中该第三透镜配置于该照明光束的传递路径上。

6.如权利要求5所述的照明系统，其中，该第一透镜与该第二透镜的屈光度皆为正。

7.如权利要求6所述的照明系统，其中，该第一透镜为一凸面朝向该图案片的凹凸透镜，该第二透镜为一双凸透镜，且该第三透镜为一凸面朝向该光均匀化元件的凹凸透镜。

8.如权利要求1所述的照明系统，其中，该光均匀化元件为光积分柱。

9.一种投射装置，用于投射一图案片的影像，该投射装置包括：

一照明系统，用于照明该图案片，该照明系统包括：

一光源，用于发出一照明光束，以照明该图案片，其中该图案片用于将该照明光束转换成一影像光束；

一光均匀化元件，配置于该照明光束的传递路径上，且位于该光源与该图案片之间；以及

一桶形失真透镜组，配置于该照明光束的传递路径上，且位于该光均匀化元件与该图案片之间，其中该照明光束通过该桶形失真透镜组照射于该图案片上的光斑产生桶形畸变；以及

一投影镜头，配置于该影像光束的传递路径上。

10.如权利要求9所述的投射装置，其中，该光斑的畸变像差符合D_max-D_0.707F＜-10％，其中D_0.707F为该光均匀化元件的朝向该图案片的一出光端在视场为0.707F所产生的畸变像差，且D_max为该出光端在视场为0.707F至1F的区域中所产生的畸变像差的最大值。

11.如权利要求9所述的投射装置，其中，该光均匀化元件的朝向该图案片的一出光端呈矩形，该图案片呈圆形，且该桶形失真透镜组使该光斑的形状桶形畸变而逼近于该图案片的形状。

12.如权利要求9所述的投射装置，其中，该光斑的畸变像差符合-9.1％＜D_0.707F＜5％。

13.如权利要求9所述的投射装置，其中，该桶形失真透镜组包括：

一第一透镜群，具有正屈光度，且包括由该光均匀化元件往该图案片依序排列之一第一透镜与一第二透镜，其中该第一透镜与该第二透镜配置于该照明光束的传递路径上；以及

一第二透镜群，配置于该第一透镜群与该图案片之间，且包括一第三透镜，其中该第三透镜配置于该照明光束的传递路径上。

14.如权利要求13所述的投射装置，其中，该第一透镜与该第二透镜的屈光度皆为正。

15.如权利要求14所述的投射装置，其中，该第一透镜为一凸面朝向该图案片的凹凸透镜，该第二透镜为一双凸透镜，且该第三透镜为一凸面朝向该光均匀化元件的凹凸透镜。

16.如权利要求9所述的投射装置，其中，该光均匀化元件为光积分柱。

17.如权利要求9所述的投射装置，其中，至少部分该照明光束穿透该图案片而形成该影像光束。

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