CN114200756B - 照明系统及投影装置 - Google Patents

Abstract

一种照明系统，包括光源、反射式光学元件、偏振转换元件、分光元件以及匀光元件，光源提供具有第一偏振状态的第一光束以及具有第二偏振状态的第二光束。反射式光学元件配置于第一光束及第二光束的传递路径上。偏振转换元件配置于光源与反射式光学元件之间。分光元件配置于光源与偏振转换元件之间。分光元件包括至少一第一区及至少一第二区。匀光元件配置于经分光元件所反射的光束的传递路径上。还提供具有上述照明系统的投影装置。本发明提供的照明系统及投影装置可缩小系统体积，并提高照明光束的均匀度。

Description

照明系统及投影装置

技术领域

本发明是有关于一种光学系统及电子装置，且特别是有关于一种照明系统及投影装置。

背景技术

投影装置为一种用以产生大尺寸画面的显示装置，随着科技技术的演进与创新，一直不断的在进步。投影装置的成像原理是将照明系统所产生的照明光束借由光阀转换成影像光束，再将影像光束通过投影镜头投射到投射目标物(例如：屏幕或墙面上)，以形成投影画面。

此外，照明系统也随着市场对投影装置亮度、色彩饱和度、使用寿命、无毒环保等等要求，一路从超高效能灯泡(Ultra-high-performance lamp，UHP lamp)、发光二极管(Light-emitting diode，LED)，一直进化到目前最先进的激光二极管(laser diode，LD)光源。但在目前的光学系统中，使用蓝光激光二极管产生的光束容易发生能量过强且不均的问题。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中的技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中的技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明提供一种照明系统及投影装置，可缩小系统体积，并提高照明光束的均匀度。

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。

为达到上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明提供一种照明系统，包括光源、反射式光学元件、偏振转换元件、分光元件以及匀光元件，其中光源提供具有第一偏振状态的第一光束以及具有第二偏振状态的第二光束。反射式光学元件配置于第一光束及第二光束的传递路径上。偏振转换元件配置于光源与反射式光学元件之间，用于转换具有第一偏振状态的第一光束为具有第二偏振状态的第一光束，以及转换具有第二偏振状态的第二光束为具有第一偏振状态的第二光束。分光元件配置于光源与偏振转换元件之间。分光元件包括至少一第一区及至少一第二区。第一区用于让具有第一偏振状态的光束通过且反射具有第二偏振状态的光束。第二区用于让具有第二偏振状态的光束通过且反射具有第一偏振状态的光束。匀光元件配置于经分光元件所反射的光束的传递路径上。

为达到上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明另提供一种投影装置，包括照明系统、至少一光阀以及投影镜头。照明系统用于提供照明光束。照明系统，包括光源、反射式光学元件、偏振转换元件、分光元件以及匀光元件，其中光源提供具有第一偏振状态的第一光束以及具有第二偏振状态的第二光束。反射式光学元件配置于第一光束及第二光束的传递路径上，用于反射第一光束及第二光束。偏振转换元件配置于光源与反射式光学元件之间，用于转换具有第一偏振状态的第一光束为具有第二偏振状态的第一光束及转换具有第二偏振状态的第二光束为具有第一偏振状态的第二光束。分光元件配置于光源与偏振转换元件之间。分光元件包括至少一第一区及至少一第二区。第一区用于让具有第一偏振状态的光束通过且反射具有第二偏振状态的光束。第二区用于让具有第二偏振状态的光束通过且反射具有第一偏振状态的光束。匀光元件配置于经分光元件所反射的光束的传递路径上。光阀配置于照明光束的传递路径上，用于将照明光束转换为影像光束。投影镜头配置于影像光束的传递路径上，用于将影像光束投射出投影装置。

基于上述，在本发明的照明系统及投影装置中，照明系统的光源所提供的光束可借由通过偏振转换元件以及借由反射式光学元件反射，使得光束在传递期间改变偏振状态，并且再借由分光元件的分光作用改变传递路径以传递至匀光元件。如此一来，可减少系统零件数量进而缩小系统体积，并提高照明光束的均匀度。

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为本发明一实施例的投影装置的示意图。

图2A及图2B分别为本发明一实施例的投影装置的照明系统在不同时序的示意图。

图3为图2A的照明系统中的反射式光学元件的示意图。

图4为图2A的照明系统中的分光元件的示意图。

图5为图2A的照明系统中的滤光元件的示意图。

图6为图2A与图2B的照明系统的时序示意图。

图7为本发明另一实施例的照明系统的示意图。

图8为本发明另一实施例的照明系统的示意图。

具体实施方式

有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图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，仅是参考附图的方向。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为本发明一实施例的投影装置的示意图。请参考图1，本实施例提供一种投影装置10，包括照明系统100、至少一光阀60以及投影镜头70。其中，照明系统100用以提供照明光束LB。至少一光阀60配置于照明光束LB的传递路径上，用以转换照明光束LB为影像光束LI。投影镜头70配置于影像光束LI的传递路径上，且用以将影像光束LI投射出投影装置10至投影目标(未显示)，例如屏幕或墙面。

光阀60例如是液晶覆硅板(Liquid Crystal On Silicon panel，LCoS panel)、数字微镜元件(Digital Micro-mirror Device，DMD)等反射式光调变器。于一些实施例中，光阀60也可以是透光液晶面板(Transparent Liquid Crystal Panel)，电光调变器(Electro-Optical Modulator)、磁光调变器(Magneto-Optic modulator)、声光调变器(Acousto-Optic Modulator，AOM)等穿透式光调变器。本发明对光阀60的型态及其种类并不加以限制。光阀60将照明光束LB转换为影像光束LI的方法，其详细步骤及实施方式可以由所属技术领域的通常知识获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。在本实施例中，光阀60的数量为一个，例如是使用单个数字微镜元件的投影装置10，但在其他实施例中则可以是多个，本发明并不限于此。

投影镜头70例如包括具有屈光度的一或多个光学镜片的组合，例如包括双凹透镜、双凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜、平凸透镜以及平凹透镜等非平面镜片的各种组合。于一实施例中，投影镜头70还可以包括平面光学镜片，以反射方式将来自光阀60的影像光束LI投射至投影目标。本发明对投影镜头70的型态及其种类并不加以限制。

图2A及图2B分别为本发明一实施例的投影装置的照明系统在不同时序的示意图。请参考图2A及图2B。照明系统100用于提供照明光束LB，照明系统100包括光源110、反射式光学元件120、偏振转换元件130、分光元件140以及匀光元件150。匀光元件150用于将照明光束LB传递出照明系统100。光源110提供具有第一偏振状态的第一光束L1以及具有第二偏振状态的第二光束L2。举例而言，第一偏振状态例如为P偏振等线偏振状态，而第二偏振状态例如为S偏振等线偏振状态。详细而言，光源110包括第一发光元件112以及第二发光元件114，分别提供第一光束L1以及第二光束L2。在本实施例中，光源110为蓝光激光二极管，且第一光束L1与第二光束L2的波长相同，例如皆为465纳米或455纳米。

图3为图2A的照明系统中的反射式光学元件的示意图。请参考图2A、图2B及图3。反射式光学元件120配置于第一光束L1及第二光束L2的传递路径上。在本实施例中，反射式光学元件120为波长转换元件，例如是荧光轮(phosphor wheel)，具有反射区122、第一转换区124及第二转换区126。在其他的实施例中，可只具有单一个转换区，本发明不局限于此。反射区122用于反射第一光束L1及第二光束L2。举例而言，反射区122可由反射镀膜或具镜面的结构进行反射。第一转换区124用于转换第一光束L1及第二光束L2为第三光束L3，而第二转换区126用于转换第一光束L1及第二光束L2为第四光束L4，如图2B所显示。举例而言，第一转换区124与第二转换区126例如分别是，但不限于受激发后产生绿光的荧光粉与受激发后产生橘光的荧光粉。

请继续参考图2A、图2B。偏振转换元件130配置于光源110与反射式光学元件120之间。借由第一光束L1与第二光束L2来回通过偏振转换元件130的传递，偏振转换元件130用于将具有第一偏振状态的第一光束L1转换为具有第二偏振状态的第一光束L1，以及将具有第二偏振状态的第二光束L2转换为具有第一偏振状态的第二光束L2。

详细而言，在本实施例中，偏振转换元件130为四分之一波片。因此，当为线偏振状态的第一光束L1及第二光束L2由光源110通过偏振转换元件130时，线偏振状态的第一光束L1及第二光束L2分别将转换为不同方向的圆偏振状态，例如为左旋偏振态及右旋偏振态。而当为圆偏振状态的第一光束L1及第二光束L2由偏振转换元件130传递并借由反射式光学元件120反射时，圆偏振状态的第一光束L1及第二光束L2分别将转换为另一方向的圆偏振状态，例如为左旋偏振态转换为右旋偏振态，以及右旋偏振态转换为左旋偏振态。

最后，当经过反射的第一光束L1及第二光束L2传递并再次通过偏振转换元件130时，具有第一偏振状态的第一光束L1将转换为具有第二偏振状态的第一光束L1，而具有第二偏振状态的第二光束L2将转换为具有第一偏振状态的第二光束L2。

图4为图2A的照明系统中的分光元件的示意图。请参考图2A、图2B及图4。分光元件140配置于光源110与偏振转换元件130之间。分光元件140包括至少一第一区142及至少一第二区144。第一区142用于让具有第一偏振状态的光束通过且反射具有第二偏振状态的光束。第二区144用于让具有第二偏振状态的光束通过且反射具有第一偏振状态的光束。在本实施例中，第二区144的数量为两个，第一区142的数量为一个，且第一区142位于两个第二区144之间。此外，在本实施例中，照明系统100还包括聚焦元件135，例如是一个以上的光学透镜，用以让以离轴方式通过的光束在反射时呈对称传递，所谓离轴方式通过是指第一光束L1及第二光束由聚焦元件135的光轴的两侧通过聚焦元件135，如图2A所显示。在另一实施例中，第一区142对第一偏振状态的光束具有50％以上的穿透率，第二区144对第二偏振状态的光束具有50％以上的穿透率。

具体而言，当具有第一偏振状态的第一光束L1及具有第二偏振状态的第二光束L2分别由光源110传递至分光元件140时，第一光束L1传递通过第一区142，且第二光束L2传递通过第二区144，如图2A所显示。而当第一光束L1及第二光束L2传递且通过两次偏振转换元件130后，使得第一光束L1具有第二偏振状态，第二光束L2具有第一偏振状态，故第一光束L1传递至第一区142并借由第一区142反射至匀光元件150，而第二光束L2传递至第二区144并借由第二区144反射至匀光元件150，如图2A所显示。

另一方面，分光元件140的第一区142及第二区144用于反射第三光束L3及第四光束L4。在本实施例中，分光元件140例如为反射绿橘分光镜(Dichroic Mirror with Greenand Orange reflect，DMGO)。因此，第一光束L1及第二光束L2分别转换为第三光束L3及第四光束L4时，第三光束L3及第四光束L4传递至分光元件140并借由分光元件140反射至匀光元件150。在一实施例中，第三光束L3及第四光束L4的波长范围例如是490纳米到590纳米之间，因此第一区142及第二区144对第三光束L3及第四光束L4具有90％以上的反射率。

请继续参考图2A、图2B。匀光元件150配置于经分光元件140所反射的光束的传递路径上。匀光元件150用于调整光束的光斑形状，以使光束的光斑形状能配合光阀之工作区的形状(例如：矩形)，且使光斑各处具有一致或接近的光强度，均匀光束的光强度。在本实施例中，匀光元件150例如是积分柱，但在其他实施例中，匀光元件150也可以是其它适当型态的光学元件，例如透镜阵列(复眼透镜，fly eye lens array)，本发明不限于此。

因此，在本实施例的照明系统100中，光源110所提供的第一光束L1、第二光束L2可借由来回通过偏振转换元件130以及借由反射式光学元件120反射而在传递期间改变偏振状态，并且再借由分光元件140的分光作用改变传递路径。如此一来，可缩小系统体积，并提高照明光束LB的均匀度。

图5为图2A的照明系统中的滤光元件的示意图。请参考图2A、图2B及图5。在本实施例中，照明系统100还包括滤光元件160，例如是滤光轮(filter wheel)，配置于分光元件140以及匀光元件150之间，用以让特定波长或特定波长范围的光束通过以形成单色光。详细而言，滤光元件160包括透光区162、第一滤光区164以及第二滤光区166。透光区162用于让第一光束L1及第二光束L2通过。换句话说，当第一光束L1及第二光束L2通过透光区162时，将提供蓝光至匀光元件150。在本实施例中，透光区162还可以具有扩散结构，具有与扩散片(diffusing sheet)的相同效果。如此一来，可进一步减少蓝光激光的散斑(laserspeckle)现象以提高蓝光的均匀度。

另一方面，第一滤光区164用于让第三光束L3的绿光波段通过，而第二滤光区166用于让第四光束L4的红光波段通过。换句话说，当第三光束L3通过第一滤光区164时，将提供绿光至匀光元件150，而当第四光束L4通过第二滤光区166时，将提供红光至匀光元件150。

图6为图2A与图2B的照明系统的时序示意图。请参考图2A、图2B、图3、图5及图6。在本实施例中，照明系统100的反射式光学元件120及滤光元件160皆为转轮装置，可使不同区域在不同时序入光束照射范围，故使得照明系统100可随不同时序提供不同波长的光束。

详细而言，在本实施例中，照明系统100在运作时具有三个时序，在第一时序时(即图6所显示的时间t0至时间t1区间)，光源110为开启状态，第一光束L1及第二光束L2传递至反射式光学元件120的反射区122以及滤光元件160的透光区162，使得照明系统100在第一时序提供蓝光光束。在第二时序时(即图6所显示的时间t1至时间t2区间)，光源110为开启状态，第一光束L1及第二光束L2传递至反射式光学元件120的第一转换区124以形成绿光光束并将绿光光束传递至滤光元件160的第一滤光区164，使得照明系统100在第二时序提供绿光光束。在第三时序时(即图6所显示的时间t2至时间t3区间)，光源110为开启状态，第一光束L1及第二光束L2传递至反射式光学元件120的第二转换区126以形成橘光光束并将橘光光束传递至滤光元件160的第二滤光区166，使得照明系统100在第三时序提供蓝光光束。

图7为本发明另一实施例的照明系统的示意图。请参考图7。图7的照明系统100A类似于图2A的照明系统100。两者不同之处在于，在本实施例中，照明系统100A还包括补充光源170，用以提供补充光束LS，而分光元件140的第一区142及第二区144用于让补充光束LS通过。具体而言，补充光源170为红光激光二极管。参照图6，在本实施例中，补充光源170可于第三时序时开启(如图6所显示的时间t2至时间t3区间)，而光源110在第三时序时可以选择开启或关闭。如此一来，将可提升照明系统100A的红光亮度，以提升照明光束的亮度。在一实施例中，补充光束LS的波长例如为625纳米，且第一区142及第二区144对补充光束LS具有90％以上的穿透率。

图8为本发明另一实施例的照明系统的示意图。请参考图8。本实施例的照明系统100B类似于图2A的照明系统100。两者不同之处在于，在本实施例中，照明系统100B的光源110A包括以阵列方式交错排列的两个第一发光元件112及两个第二发光元件114。两个第一发光元件112提供第一光束L1，两个第二发光元件114提供第二光束L2。除此之外，在本实施例中，分光元件140A的第一区142及第二区144对应光源110A的两个第一发光元件112及两个第二发光元件114分布。换句话说，即分光元件140A的第一区142及第二区144的数量也各为两个，且以阵列方式交错排列，如图8所显示。

为使容易了解，图8仅显示第一光束L1的传递路径。第一光束L1将朝向第一区142传递并通过，第二光束L2将朝向第二区144传递并通过。借由反射式光学元件120的反射作用后，第一光束L1及第二光束L2将透过聚焦元件135的作用对称地分别传递至第二区144及第一区142。因此，第一光束L1及第二光束L2将借由分光元件140A反射并传递至匀光元件150。值得一提的是，本发明并不限制光源110A及分光元件140A的排列方式。在不同的实施例中，亦可以是线对称的交错排列，本发并不限于此。

综上所述，在本发明的照明系统及投影装置中，照明系统的光源所提供的光束可借由通过偏振转换元件以及借由反射式光学元件反射，使得光束在传递期间改变偏振状态，并且再借由分光元件的分光作用改变传递路径以传递至匀光元件。如此一来，可减少系统零件数量进而缩小系统体积，并提高照明光束的均匀度。

惟以上所述者，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，即凡依本发明权利要求书及发明内容所作之简单的等效变化与修改，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权利要求不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明之权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

附图标记说明：

10:投影装置

60:光阀

70:投影镜头

100:照明系统

110,110A:光源

112:第一发光元件

114:第二发光元件

120:反射式光学元件

122:反射区

124:第一转换区

126:第二转换区

130:偏振转换元件

135:聚焦元件

140,140A:分光元件

142:第一区

144:第二区

150:匀光元件

160:滤光元件

162:透光区

164第一滤光区

166:第二滤光区

170:补充光源

L1:第一光束

L2:第二光束

L3:第三光束

L4:第四光束

LB:照明光束

LI:影像光束

LS:补充光束

t0,t1,t2,t3:时间。

Claims (20)

1.一种照明系统，其特征在于，所述照明系统包括光源、反射式光学元件、偏振转换元件、分光元件以及匀光元件，其中：

所述光源提供具有第一偏振状态的第一光束以及具有第二偏振状态的第二光束；

所述反射式光学元件配置于所述第一光束及所述第二光束的传递路径上；

所述偏振转换元件配置于所述光源与所述反射式光学元件之间，用于转换具有所述第一偏振状态的所述第一光束为具有所述第二偏振状态的所述第一光束，以及转换具有所述第二偏振状态的所述第二光束为具有所述第一偏振状态的所述第二光束；

所述分光元件配置于所述光源与所述偏振转换元件之间，所述分光元件包括至少一第一区及至少一第二区，所述至少一第一区用于让具有所述第一偏振状态的光束通过且反射具有所述第二偏振状态的光束，所述至少一第二区用于让具有所述第二偏振状态的光束通过且反射具有所述第一偏振状态的光束；以及

所述匀光元件配置于经所述分光元件所反射的光束的传递路径上。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述反射式光学元件为波长转换元件，所述波长转换元件具有反射区、第一转换区及第二转换区，所述反射区用于反射所述第一光束及所述第二光束，所述第一转换区用于转换所述第一光束及所述第二光束为第三光束，所述第二转换区用于转换所述第一光束及所述第二光束为第四光束。

3.根据权利要求2述的照明系统，其特征在于，所述分光元件的所述至少一第一区及所述至少一第二区用于反射所述第三光束及所述第四光束。

4.根据权利要求2述的照明系统，其特征在于，还包括滤光元件，所述滤光元件配置于所述分光元件以及所述匀光元件之间，且包括透光区、第一滤光区以及第二滤光区，所述透光区用于让所述第一光束及所述第二光束通过，所述第一滤光区用于让所述第三光束通过，所述第二滤光区用于让所述第四光束通过。

5.根据权利要求4所述的照明系统，其特征在于，所述透光区具有扩散结构。

6.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述第一光束的波长与所述第二光束的波长相同。

7.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述偏振转换元件为四分之一波片。

8.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，还包括补充光源，其提供补充光束。

9.根据权利要求8所述的照明系统，其特征在于，所述分光元件的至少一第一区及至少一第二区用于让所述补充光束通过。

10.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述光源包括以阵列方式交错排列的两个第一发光元件及两个第二发光元件，所述两个第一发光元件提供所述第一光束，所述两个第二发光元件提供所述第二光束，所述至少一第一区及至少一第二区的数量各为两个且以阵列方式交错排列。

11.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括照明系统、至少一光阀以及投影镜头，其中：

所述照明系统用于提供照明光束，所述照明系统包括光源、反射式光学元件、偏振转换元件、分光元件以及匀光元件，其中：

所述光源提供具有第一偏振状态的第一光束以及具有第二偏振状态的第二光束；

所述反射式光学元件配置于所述第一光束及所述第二光束的传递路径上；

所述偏振转换元件配置于所述光源与所述反射式光学元件之间，用于转换具有所述第一偏振状态的所述第一光束为具有所述第二偏振状态的所述第一光束，以及转换具有所述第二偏振状态的所述第二光束为具有所述第一偏振状态的所述第二光束；

所述分光元件配置于所述光源与所述偏振转换元件之间，所述分光元件包括至少一第一区及至少一第二区，所述至少一第一区用于让具有所述第一偏振状态的光束通过且反射具有所述第二偏振状态的光束，所述至少一第二区用于让具有所述第二偏振状态的光束通过且反射具有所述第一偏振状态的光束；以及

所述匀光元件配置于经所述分光元件所反射的光束的传递路径上；

所述至少一光阀配置于所述照明光束的传递路径上，用于将所述照明光束转换为影像光束；以及

所述投影镜头配置于所述影像光束的传递路径上，用于将所述影像光束投射出所述投影装置。

12.根据权利要求11所述的投影装置，其特征在于，所述反射式光学元件为波长转换元件，所述波长转换元件具有反射区、第一转换区及第二转换区，所述反射区用于反射所述第一光束及所述第二光束，所述第一转换区用于转换所述第一光束及所述第二光束为第三光束，所述第二转换区用于转换所述第一光束及所述第二光束为第四光束。

13.根据权利要求12所述的投影装置，其特征在于，所述分光元件的所述至少一第一区及所述至少一第二区用于反射所述第三光束及所述第四光束。

14.根据权利要求12所述的投影装置，其特征在于，所述照明系统还包括滤光元件，所述滤光元件配置于所述分光元件以及所述匀光元件之间，且包括透光区、第一滤光区以及第二滤光区，所述透光区用于让所述第一光束及所述第二光束通过，所述第一滤光区用于让所述第三光束通过，所述第二滤光区用于让所述第四光束通过。

15.根据权利要求14所述的投影装置，其特征在于，所述透光区具有扩散结构。

16.根据权利要求11所述的投影装置，其特征在于，所述第一光束的波长与所述第二光束的波长相同。

17.根据权利要求11所述的投影装置，其特征在于，所述偏振转换元件为四分之一波片。

18.根据权利要求11所述的投影装置，其特征在于，所述照明系统还包括补充光源，其提供补充光束。

19.根据权利要求18所述的投影装置，其特征在于，所述分光元件的至少一第一区及至少一第二区用于让所述补充光束通过。

20.根据权利要求11所述的投影装置，其特征在于，所述光源包括以阵列方式交错排列的两个第一发光元件及两个第二发光元件，所述两个第一发光元件提供所述第一光束，所述两个第二发光元件提供所述第二光束，所述至少一第一区及至少一第二区的数量各为两个且以阵列方式交错排列。

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