TWI540282B - 照明系統及具有該照明系統之投影裝置 - Google Patents

Description

照明系統及具有該照明系統之投影裝置

本發明關於一種照明系統及包含此照明系統的投影裝置。

隨著顯示技術的進步，投影裝置除了可採用發出白光的高壓汞燈(ultra high pressure lamp,UHP lamp)搭配色輪(color wheel)來依序產生紅光、綠光及藍光，以使投影裝置提供彩色影像畫面之外，近來更發展出以紅色、綠色及藍色發光二極體(light emitting diode,LED)作為光源之投影裝置。

如圖5所示，在以紅、藍、綠三色之發光二極體作為光源之投影裝置100中，通常是以X-鏡(X-mirror)102來合光。舉例而言，X-鏡包括互相交叉配置的紅色分色鏡102a及藍色分色鏡102b，紅色發光二極體104R所發出的紅色光束會被紅色分色鏡102a反射，藍色發光二極體104B所發出的藍色光束會被藍色分色鏡102b反射，而綠色發光二極體104G所發出的綠色光束則會穿透紅色分色鏡102a及藍色分色鏡102b。透過X-鏡(X-mirror)對不同顏色的光束的不同作用，可將傳遞方向不同的紅、綠、藍三色光束導引至同一方向，再由一蠅眼透鏡(fly-eye lens)106勻光。接著，被反射鏡108偏折的紅、綠、藍三色光束，在經過投影裝置中之數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)110的作用之後，便能夠形成彩色的影像光束並進入一投影鏡頭112。然而，在X-鏡102中，由於紅色分色鏡102a與藍色分色鏡102b互相膠合的區域(即互相交叉的區域)對紅、綠、藍三色光束無法產生正常的導引作用，這會導致光損失。此外，當光源由傳統的高壓汞燈改變為發光二極體時，膠合區域的面積相對發光二極體所發出的光束之截面積會變得更大，這會造成更大比例的光損失。再者，在採用X-鏡的投影裝置中，紅色光束、綠色光束及藍色光束從三個不同的方向入射X-鏡102，使得投影裝置內部的元件之空間利用率不佳，進而導致投影裝置過於龐大。

另外，如圖6所示，美國專利公告號7201498揭露一種合光系統，其中發光二極體124B、124G、124R藉由三個彼此互不平行的分色鏡122B、122G、122R的反射而成像至照明目標126上。然而，此一設計為一單純的合光系統，並未揭露如運用於一投影裝置時如何進一步提高光利用率及縮小體積的設計。類似的習知設計例如美國專利公告號6910777、6987546也揭露包含三個彼此互不平行的分色鏡的設計，然而，這些習知技術同樣未提供進一步提高光利用率及空間利用率的設計。

本發明提供一種具良好光利用率及空間利用率的照明系統及投影裝置。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例提供一種照明系統，包括一晶片封裝體、一第一分色膜、一第二分色膜及一第三分色膜。晶片封裝體包括適於發出一第一光束的一第一發光晶片、適於發出一第二光束的一第二發光晶片及適於發出一第三光束的一第三發光晶片。第一發光晶片、第二發光晶片及第三發光晶片呈一三角排列，且第一光束、第二光束及第三光束的顏色彼此不同。第一分色膜適於偏折第一光束，第二分色膜適於偏折第二光束，且第三分色膜適於偏折第三光束。第一分色膜、第二分色膜及第三分色膜彼此不平行且交叉於同一區域，且當第一光束、第二光束及第三光束離開第一分色膜、第二分色膜及第三分色膜之後，第一光束、第二光束及第三光束形成一照明光束。

於一實施例中，照明系統更包括一光均勻化元件配置於照明光束的傳遞路徑上，且晶片封裝體更包括一透鏡覆蓋第一發光晶片、第二發光晶片及第三發光晶片。

於一實施例中，第一光束為一紅光光束、第二光束為一綠光光束、且第三光束為一藍光光束，紅光光束入射至第一分色膜的入射角大於綠光光束入射至第二分色膜的入射角，且綠光光束入射至第二分色膜的入射角大於藍光光束入射至第三分色膜的入射角。

本發明之另一實施例提供一種投影裝置，包括一照明系統、一光閥及一投影鏡頭。照明系統包括一晶片封裝體、一第一分色膜、一第二分色膜及一第三分色膜。晶片封裝體包括適於發出一第一光束的一第一發光晶片、適於發出一第二光束的一第二發光晶片及適於發出一第三光束的一第三發光晶片。第一發光晶片、第二發光晶片及第三發光晶片呈一三角排列，且第一光束、第二光束及第三光束的顏色彼此不同。第一分色膜適於偏折第一光束，第二分色膜適於偏折第二光束，且第三分色膜適於偏折第三光束。第一分色膜、第二分色膜及第三分色膜彼此不平行且交叉於同一區域，且當第一光束、第二光束及第三光束離開第一分色膜、第二分色膜及第三分色膜之後，第一光束、第二光束及第三光束形成一照明光束。光閥配置於照明光束的傳遞路徑上，並適於將照明光束轉換為一影像光束，且投影鏡頭配置於影像光束的傳遞路徑上。

於一實施例中，第一分色膜配置於第一光束及第三光束的傳遞路徑上，第二分色膜配置於第二光束的傳遞路徑上，第三分色膜配置於第三光束的傳遞路徑上，第一發光晶片、第二發光晶片及第三發光晶片依鄰近投影鏡頭的順序依序為第一發光晶片、第二發光晶片及第三發光晶片，第一分色膜適於反射第一光束，第二分色膜適於反射第二光束，第一分色膜適於被第三光束穿透且第三分色膜適於反射第三光束。

於一實施例中，投影裝置更包括一內部全反射稜鏡，配置於照明光束與影像光束的傳遞路徑上，並位於光閥與投影鏡頭之間。

於一實施例中，投影裝置更包括一反射鏡，配置於照明光束的傳遞路徑上，並位於照明系統與光閥之間。

於一實施例中，光均勻化元件為一蠅眼透鏡，蠅眼透鏡包含複數個呈一陣列排列的透鏡元件，且每一透鏡元件具有與一斜向入射變形光斑互補的外形。

於一實施例中，照明系統更包括一聚焦透鏡，配置於照明光束的傳遞路徑上，並位於光均勻化元件與光閥之間，且聚焦透鏡的一中心軸遠離投影裝置的一光軸。

本發明的實施例至少具有以下其中一個優點，藉由上述各個實施例之設計，由於第一分色膜、第二分色膜及第三分色膜彼此不需平行，如此便能夠分別控制第一光束、第二光束與第三光束的反射角度，藉以修正左右兩側的第一發光晶片及第三發光晶片因離軸造成的入射角度及入射位置的變異，使第一光束、第二光束與第三光束在離開第一分色膜後能夠盡可能地互相平行。再者，由於第一發光晶片、第二發光晶片與第三發光晶片是被包含於同一個晶片封裝體中且呈三角排列，相較於習知投影裝置中的紅、綠、藍三色光束是由三個不同的方向入射X-鏡，本實施例的投影裝置的第一光束、第二光束及第三光束是以同一方向入射第一分色膜。如此一來，投影裝置的空間利用率便可以提升，進而使投影裝置能夠具有較小的體積，且當三個發光晶片呈三角排列時，可進一步縮小體積且可形成較小的場點而提供良好的收光效率。再者，上述各個實施例可視投影裝置的不同色彩或亮度需求搭配不同的光路設計。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例並配合所附圖式，作詳細說明如下。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1為本發明之一實施例之投影裝置的結構示意圖。請參照圖1，本實施例之投影裝置10包括一照明系統12、一光閥14及一投影鏡頭16。照明系統12包括一晶片封裝體22、一第一分色膜24、一第二分色膜26及一第三分色膜28。晶片封裝體22包括呈三角排列(delta arrangement)的一第一發光晶片221、一第二發光晶片222及一第三發光晶片223。第一發光晶片221適於發出一第一光束221a，第二發光晶片222適於發出一第二光束222a，而第三發光晶片223適於發出一第三光束223a。在本實施例中，第一發光晶片221、第二發光晶片222及第三發光晶片223例如為發光二極體晶片。然而，在其他實施例中，第一發光晶片221、第二發光晶片222及第三發光晶片223亦可以是雷射二極體晶片或其他適當的發光晶片。此外，在本實施例中，晶片封裝體22更包括一透鏡224，此透鏡224覆蓋第一發光晶片221、第二發光晶片222及第三發光晶片223，並位於第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a的傳遞路徑上。再者，第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a的顏色彼此不同。在本實施例中，第一光束221a例如為紅色光束，第二光束222a例如為綠色光束，而第三光束223a例如為藍色光束。然而，在其他實施例中，第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a亦可以分別為其他不同顏色的光束。

於本實施例中，第一發光晶片221、第二發光晶片222及第三發光晶片223依鄰近投影鏡頭16的順序依序為第一發光晶片221、第二發光晶片222及第三發光晶片223。第一分色膜24配置於第一光束221a及第三光束223a的傳遞路徑上，第二分色膜26配置於第二光束222a的傳遞 路徑上，而第三分色膜28配置於第三光束223a的傳遞路徑上，其中第一分色膜24、第二分色膜26及第三分色膜28彼此不平行且交叉於同一區域P。第一分色膜24配置於一第一透光基板34之一表面，第二分色膜26配置於一第二透光基板36之一表面，第三分色膜28是配置於一第三透光基板38之一表面。第一分色膜24適於反射第一光束221a，第二分色膜26適於反射第二光束222a，而第一分色膜24適於被第三光束223a穿透且第三分色膜28適於反射第三光束223a。第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a離開第一分色膜24、第二分色膜26及第三分色膜28之後，第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a會形成照明光束I。

此外，在本實施例中，照明系統12更包括一光均勻化元件42及一聚焦透鏡44，光均勻化元件42及聚焦透鏡44配置於第一光束221a、第二光束222a及第三光束223a的傳遞路徑上，並位於第一分色膜24、第二分色膜26及第三分色膜28與光閥14之間，且聚焦透鏡44位於光均勻化元件42的背向分色膜24、26及28的一側。具體而言，光均勻化元件42例如為一蠅眼透鏡(fly-eye lens)，可使照明光束I均勻地照射在光閥14上。光閥14配置於照明光束I的傳遞路徑上，並適於將照明光束I轉換為一影像光束L。在本實施例中，光閥14例如為一數位微鏡元件，然而，在其他實施例 中，光閥14亦可以是一矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)或一穿透式液晶面板(transmissive liquid crystal panel)。投影鏡頭16配置於影像光束L的傳遞路徑上，以將影像光束L投影至屏幕(未圖示)而產生影像畫面。另外，為了進一步提升空間利用率，在本實施例中，投影裝置10更包括一反射鏡46配置於照明光束I的傳遞路徑上，並位於該照明系統12與光閥14之間，反射鏡46可使照明光束I的傳遞路徑彎折，以達到提升空間利用率的效果。另外，一像場透鏡(field lens)48可配置於影像光束L的傳遞路徑上，並位於光閥14與投影鏡頭16之間。

本發明的實施例至少具有以下其中一個優點，在本實施例之投影裝置10中，由於第一分色膜24、第二分色膜26及第三分色膜28彼此不需平行，如此便能夠分別控制第一光束221a、第二光束222a與第三光束223a的反射角度，藉以修正左右兩側的第一發光晶片221及第三發光晶片223因離軸造成的入射角度及入射位置的變異，使第一光束221a、第二光束222a與第三光束223a在離開第一分色膜24後能夠盡可能地互相平行。再者，由於第一發光晶片221、第二發光晶片222與第三發光晶片223是被包含於同一個晶片封裝體22中且呈三角排列，相較於習知投影裝置中的紅、綠、藍三色光束是由三個不同的方向入射X-鏡，本實施例的投影裝置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。如此一來，投影裝置10的空間利用率便可以提升，進而使投影裝置10能夠具有較小的體積，且當三個發光晶片221、222、223呈三角排列時，可進一步縮小體積且可形成較小的場點而提供良好的收光效率。

於一實施例中，當第一光束221a為紅光光束、第二光束222a為綠光光束、且第三光束223a為藍光光束，紅光光束入射至第一分色膜24的入射角(例如=55度)可大於綠光光束入射至第二分色膜26的入射角(例如=45度)，且該綠光光束入射至該第二分色膜26的入射角(例如=45度)可大於藍光光束入射至第三分色膜28的入射角(例如=35度)。

圖2為本發明另一實施例之投影裝置的結構示意圖。如圖2所示，投影裝置50包括一內部全反射稜鏡52，此內部全反射稜鏡52配置於照明光束I與影像光束L的傳遞路徑上，並位於光閥14與投影鏡頭16之間。具體而言，內部全反射稜鏡52包括一第一稜鏡521及一第二稜鏡522，且第一稜鏡521與第二稜鏡522之間保持一間隙G，以在第一稜鏡521上形成一全反射面。來自光均勻化元件42的照明光束I可經由第一稜鏡521之入光面進入第一稜鏡521中，接著被全反射面全反射至光閥14。再者，來自光閥14的影像光束L則依序穿透第一稜鏡521、間隙G及第二稜鏡522而傳遞至投影鏡頭16。

如圖3所示，於一實施例中光均勻化元件42可為一蠅眼 透鏡(fly-eye lens)，蠅眼透鏡包含複數個呈一陣列排列的透鏡元件421。一般而言，因為投影裝置內的光路會轉折，所以光閥14上形成的光斑會產生變形。舉例而言，如圖3所示，傳統上具有矩形外形的透鏡元件421’，會因斜向入射變形而於光閥14上形成歪斜的平行四邊形光斑S’。因此，本實施例利用反向形狀設計，將透鏡元件421設計為與光斑S’反向歪斜的平行四邊形，意即每一透鏡元件421具有與一斜向入射變形光斑互補的外形，如此於斜向入射後可於光閥14上形成矩形的光斑S，而可有效提高光利用率及光均勻度。

於一實施例中，聚焦透鏡44配置於照明光束I的傳遞路徑上，且位於光均勻化元件42與光閥14之間。聚焦透鏡44的中心軸N遠離投影裝置10的一光軸M(亦即光均勻化元件42的光軸)，例如圖4A所示中心軸N沿X軸方向與光軸M錯位一段距離，或如圖4B所示中心軸N沿Y軸方向與光軸M錯位一段距離，藉由聚焦透鏡44的偏心設計，可在有限距離下增加光程並調整光斑，如此可縮小投影裝置整體的尺寸並減少光損失。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非 用來限制本發明之權利範圍。

10‧‧‧投影裝置

12‧‧‧照明系統

14‧‧‧光閥

16‧‧‧投影鏡頭

22‧‧‧晶片封裝體

221、222、223‧‧‧發光晶片

221a、222a、223a‧‧‧光束

224‧‧‧透鏡

24、26、28‧‧‧分色膜

34、36、38‧‧‧透光基板

42‧‧‧光均勻化元件

421‧‧‧透鏡元件

44‧‧‧聚焦透鏡

46‧‧‧反射鏡

48‧‧‧像場透鏡

50‧‧‧投影裝置

52‧‧‧內部全反射稜鏡

521‧‧‧第一稜鏡

522‧‧‧第二稜鏡

100‧‧‧投影裝置

102‧‧‧X-鏡

102a‧‧‧紅色分色鏡

102b‧‧‧藍色分色鏡

104B‧‧‧藍色發光二極體

104G‧‧‧綠色發光二極體

104R‧‧‧紅色發光二極體

106‧‧‧蠅眼透鏡

108‧‧‧反射鏡

110‧‧‧數位微鏡元件

112‧‧‧投影鏡頭

122B、122G、122R‧‧‧分色鏡

124B、124G、124R‧‧‧發光二極體

126‧‧‧照明目標

I‧‧‧照明光束

L‧‧‧影像光束

M‧‧‧光軸

N‧‧‧中心軸

P‧‧‧區域

圖1為本發明之一實施例之投影裝置的結構示意圖。

圖2為本發明另一實施例之投影裝置的結構示意圖。

圖3為示意圖，顯示本發明一實施例之光均勻化元件的結構設計。

圖4A及圖4B為示意圖，顯示本發明一實施例之投影裝置偏心設計。

圖5為一習知投影裝置的結構示意圖。

圖6為一習知合光系統的結構示意圖。

10．．．投影裝置

12．．．照明系統

14．．．光閥

16．．．投影鏡頭

22．．．晶片封裝體

221、222、223．．．發光晶片

221a、222a、223a．．．光束

224．．．透鏡

P．．．區域

24、26、28．．．分色膜

34、36、38．．．透光基板

42．．．光均勻化元件

44．．．聚焦透鏡

46．．．反射鏡

48．．．像場透鏡

I．．．照明光束

L．．．影像光束

Claims (11)

1. 一種照明系統，包括：一晶片封裝體，包括：一第一發光晶片，適於發出一第一光束；一第二發光晶片，適於發出一第二光束；以及一第三發光晶片，適於發出一第三光束，其中該第一發光晶片、該第二發光晶片及該第三發光晶片呈一三角排列，且該第一光束、該第二光束及該第三光束的顏色彼此不同；一第一分色膜，適於偏折該第一光束；一第二分色膜，適於偏折該第二光束；一第三分色膜，適於偏折該第三光束，其中該第一分色膜、該第二分色膜及該第三分色膜彼此互不平行且交叉於同一區域，且當該第一光束、該第二光束及該第三光束離開該第一分色膜、該第二分色膜及該第三分色膜之後，該第一光束、該第二光束及該第三光束形成一照明光束；一透鏡陣列，配置於該照明光束的傳遞路徑上，其中該透鏡陣列與該第一分色膜、該第二分色膜及該第三分色膜之間的光路上未設置任何元件，該透鏡陣列包含複數個呈一陣列排列的透鏡元件，且每一該透鏡元件具有與一離軸入射變形光斑互補的外形；以及一聚焦透鏡，配置於該照明光束的傳遞路徑上且位於該透鏡陣列的背向該些分色膜的一側。
2. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該晶片封裝體更包括一透鏡，且該透鏡覆蓋該第一發光晶片、該 第二發光晶片及該第三發光晶片。
3. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，更包括：一第一透光基板，具有一第一表面，其中該第一分色膜是配置於該第一表面上；一第二透光基板，具有一第二表面，其中該第二分色膜是配置於該第二表面上；以及一第三透光基板，具有一第三表面，其中該第三分色膜是配置於該第三表面上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該第一光束為一紅光光束、該第二光束為一綠光光束、且該第三光束為一藍光光束，該紅光光束入射至該第一分色膜的入射角大於該綠光光束入射至該第二分色膜的入射角，且該綠光光束入射至該第二分色膜的入射角大於該藍光光束入射至該第三分色膜的入射角。
5. 一種投影裝置，包括：一照明系統，包括：一晶片封裝體，包括：一第一發光晶片，適於發出一第一光束；一第二發光晶片，適於發出一第二光束；以及一第三發光晶片，適於發出一第三光束，其中該第一發光晶片、該第二發光晶片及該第三發光晶片呈一三角排列，且該第一光束、該第二光束及該第三光束的顏色彼此不同；一第一分色膜，適於偏折該第一光束； 一第二分色膜，適於偏折該第二光束；以及一第三分色膜，適於偏折該第三光束，其中該第一分色膜、該第二分色膜及該第三分色膜彼此互不平行且交叉於同一區域，且當該第一光束、該第二光束及該第三光束離開該第一分色膜、該第二分色膜及該第三分色膜之後，該第一光束、該第二光束及該第三光束形成一照明光束；一光閥，配置於該照明光束的傳遞路徑上，並適於將該照明光束轉換為一影像光束；一透鏡陣列，配置於該照明光束的傳遞路徑上，並位於該些分色膜與該光閥之間，其中該透鏡陣列與該第一分色膜、該第二分色膜及該第三分色膜之間的光路上未設置任何元件，該透鏡陣列包含複數個呈一陣列排列的透鏡元件，且每一該透鏡元件具有與一離軸入射變形光斑互補的外形；一聚焦透鏡，配置於該照明光束的傳遞路徑上，並位於該透鏡陣列與該光閥之間；以及一投影鏡頭，配置於該影像光束的傳遞路徑上。
6. 如申請專利範圍第5項所述之投影裝置，其中該第一分色膜配置於該第一光束及該第三光束的傳遞路徑上，該第二分色膜配置於該第二光束的傳遞路徑上，且該第三分色膜配置於該第三光束的傳遞路徑上。
7. 如申請專利範圍第5項所述之投影裝置，其中該第一發光晶片、該第二發光晶片及該第三發光晶片依鄰近該投影鏡頭的順序依序為該第一發光晶片、該第二發光晶 片及該第三發光晶片，該第一分色膜適於反射該第一光束，該第二分色膜適於反射該第二光束，該第一分色膜適於被該第三光束穿透且該第三分色膜適於反射該第三光束。
8. 如申請專利範圍第5項所述之投影裝置，更包括一內部全反射稜鏡，配置於該照明光束與該影像光束的傳遞路徑上，並位於該光閥與該投影鏡頭之間。
9. 如申請專利範圍第5項所述之投影裝置，更包括一反射鏡，配置於該照明光束的傳遞路徑上，並位於該照明系統與該光閥之間。
10. 如申請專利範圍第5項所述之投影裝置，其中該照明系統更包括一透鏡，且該透鏡覆蓋該第一發光晶片、該第二發光晶片及該第三發光晶片。
11. 如申請專利範圍第5項所述之投影裝置，更包括：一像場透鏡，配置於該影像光束的傳遞路徑上，並位於該光閥與該投影鏡頭之間。