專利名稱：光學(xué)元件及包含光學(xué)元件之投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件，特別的涉及一種應(yīng)用于投影系統(tǒng)中的光學(xué)元件。
背景技術(shù)：
隨著近年來投影機(jī)的使用越來越普遍，不僅投影機(jī)的機(jī)體越來越輕薄， 效能也大幅提升。藉由改良投影機(jī)內(nèi)的發(fā)光裝置，目前市面上投影機(jī)的亮 度比起早期的產(chǎn)品進(jìn)步很多，播放時(shí)不用把室內(nèi)燈光關(guān)得很暗也可以得到 清晰的投影效果。目前有許多改良投影機(jī)發(fā)光裝置的方式，比如說美國專利公開專利號2005/0179041 Al及2006/0164607A1各自揭露了不同的發(fā) 光裝置結(jié)構(gòu)以提高亮度或光線均勻度(uniformity)。前者系將一準(zhǔn)直透鏡 (collimating lenses)罩在發(fā)光二極管上，由于發(fā)光二極管會(huì)在一特定角度 內(nèi)射出光線，故該準(zhǔn)直透鏡的弧面被設(shè)計(jì)成可使發(fā)光二極管射出的光線準(zhǔn) 直，也就是說可以使原本四散的光線大致上平行地射出該準(zhǔn)直透鏡。由于 這種發(fā)光裝置缺乏混光的裝置，所以由準(zhǔn)直透鏡射出的光線均勻度不夠 高，如此一來，投影畫面上會(huì)有亮度不均的問題。后者系使用一錐形的光 導(dǎo)使從發(fā)光二極管接收的光線充分混合，以提升光線的均勻度，然而，這 種裝置的缺點(diǎn)是發(fā)光二極管射出的光線部份會(huì)漏失無法全部進(jìn)入光導(dǎo)，故 其光耦合效率(light coupling efficiency)較低。因此， 一種亮度均勻且光耦合效率高的光學(xué)元件確有其需求。發(fā)明內(nèi)容鑒于現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種亮度均勻且光耦合效率高的光學(xué) 元件及包含所述光學(xué)元件的投影系統(tǒng)。本發(fā)明之一實(shí)施例提供一種光學(xué)元件，其包含 一聚光部，包含一反射 面及一折射面，用以收集并將來自一光源的光聚光；以及一光導(dǎo)部，連接至 所述聚光部的輸出端并將由所述聚光部所聚光的光均勻地射出。本發(fā)明之另一實(shí)施例提供一種投影系統(tǒng)，包含至少一光學(xué)元件； 一光 源，用以提供光； 一顯示模塊，耦接于所述由光學(xué)元件與光源組成之發(fā)光裝 置的光導(dǎo)部的輸出端，用以提供所欲顯示之圖像；及一投影透鏡，耦接于所 述顯示模塊，用以將所述圖像投影出來。由于聚光部耦接于光源的發(fā)光面，且反射面為全反射面，因此可以收集 到絕大部分光源所發(fā)出的光；此外，反射面和折射面又可以將光以極少的損 失耦合到光導(dǎo)部，然后由光導(dǎo)部充分混合。因此，本發(fā)明所提供之光學(xué)元件 兼具高光耦合效率以及高均勻度的優(yōu)點(diǎn)。此外，本發(fā)明所提供的光學(xué)元件之 創(chuàng)新設(shè)計(jì)亦可減少光耦合所需的元件數(shù)。通過下文中參照附圖，對本發(fā)明所作的描述和權(quán)利要求，本發(fā)明的其它 目的和成就將顯而易見，并可對本發(fā)明有全面的理解。


圖l為本發(fā)明之光學(xué)元件應(yīng)用于發(fā)光裝置之一較佳實(shí)施例的截面圖。 圖2a 2b及2c為本發(fā)明之光學(xué)元件應(yīng)用于發(fā)光裝置的其它較佳實(shí)施例之截面圖。圖3為本發(fā)明筆型投影系統(tǒng)之較佳實(shí)施例的示意圖。圖4a及4b分別為本發(fā)明迷你投影系統(tǒng)之兩種較佳實(shí)施例的示意圖。圖5為本發(fā)明三片式投影系統(tǒng)之實(shí)施例的示意圖。圖6為本發(fā)明反射式投影系統(tǒng)之較佳實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施方式
請參閱圖l，圖1為本發(fā)明之光學(xué)元件應(yīng)用于發(fā)光裝置100之一較佳實(shí)施 例的截面圖。發(fā)光裝置100包含一光源120以及一光學(xué)元件，其中光學(xué)元件包 含一聚光部140以及一光導(dǎo)部160，而聚光部140具有一折射面142及一反射面 144。在本實(shí)施例中，聚光部140以及一光導(dǎo)部160可為一體成型的或是由兩 個(gè)組件組合而成，光源120可為發(fā)光二極管(例如白光發(fā)光二級管)、發(fā)光 二極管數(shù)組(例如由紅色、綠色及藍(lán)色發(fā)光二級管組成)并同時(shí)發(fā)光或經(jīng)由 控制而依序地發(fā)光，光源120也可為其它發(fā)光元件(例如普通燈泡或固體發(fā) 光裝置)。如圖1所示，聚光部140的一端系耦接于光源120上以接收其發(fā)射出 的光線，其中部分光線透過折射面142后會(huì)被匯聚至聚光部140的輸出端，亦 即光導(dǎo)部的輸入端；另一部分光線會(huì)經(jīng)由反射面144反射而同樣匯聚至聚光 部140的輸出端。當(dāng)光線進(jìn)入光導(dǎo)部160后則會(huì)經(jīng)過一連串的內(nèi)部反射使得從 光導(dǎo)部160輸出端射出的光線均勻度較高。根據(jù)本發(fā)明之實(shí)施，例所屬技術(shù) 領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可明了上述光學(xué)元件可為獨(dú)立元件，或與一光源結(jié)合而成 為一發(fā)光裝置。請注意，雖然在本發(fā)明之較佳實(shí)施例中，反射面144為全內(nèi)部反射面或 涂覆反射層而折射面142及反射面144皆為非球型弧面，但是在其它實(shí)施例 中，折射面142亦可為一平面或球型弧面，或者折射面142為非球型弧面而反 射面144為球形弧面或階梯狀線段環(huán)。此外，上述實(shí)施例中光導(dǎo)部160可為柱 形，例如可為四角柱、圓柱或其它截面為多邊形的柱體，并且光導(dǎo)部160的 各截面積大小皆相等。請參閱圖2a及2b，圖2a及2b為本發(fā)明之光學(xué)元件應(yīng)用于發(fā)光裝置的其它 較佳實(shí)施例之截面圖。當(dāng)本發(fā)明之光學(xué)元件被應(yīng)用于具有較大顯示模塊的投 影系統(tǒng)時(shí)，必須將其輸出光束的截面積擴(kuò)大，因此，圖2a中光導(dǎo)部的輸出端 的截面積比輸入端的截面積要大，也就是利用錐形的光導(dǎo)部使光線在混合均 勻的過程中逐漸擴(kuò)束以得到截面積較大的光束。再者，如圖2b所示，也可以 在柱形光導(dǎo)部的后端加上一擴(kuò)束裝置270，例如 一組傳輸透鏡(relay lens) 來達(dá)到擴(kuò)束的目的。此外，又如圖2c所示，不論光導(dǎo)部的形狀為何，其輸出 端可為一凸面或凹面，這是因?yàn)橥姑婊虬济婵梢赃_(dá)到透鏡的效果進(jìn)而改良發(fā) 光效率和改變輸出光形，或者也可以在光導(dǎo)部的輸出端上形成一幾何圖案或 粗糙的表面來改良發(fā)光效率和提高均勻度。由于本發(fā)明所提供之發(fā)光裝置與光學(xué)元件可應(yīng)用于各種不同形式的投 影系統(tǒng)(例如手持式投影系統(tǒng))，故以下將進(jìn)一步說明發(fā)光裝置與光學(xué)元件的 應(yīng)用。請參閱圖3，圖3為本發(fā)明一筆型投影系統(tǒng)300之較佳實(shí)施例的示意圖。 如圖3所示，筆型投影系統(tǒng)300包含發(fā)光裝置320、耦接于發(fā)光裝置320之輸出 端并用以提供所欲之顯示圖像之顯示模塊340以及耦接于顯示模塊340并用 以將所述圖像投影出來的投影透鏡組360。在本實(shí)施例中，顯示模塊340可為 高溫多晶硅液晶顯示器(HTPS-LCD)或其它透射式顯示模塊。此外，圖4a及4b 分別為本發(fā)明的一迷你投影系統(tǒng)410、 420之較佳實(shí)施例的示意圖。如圖4a 所示，迷你投影系統(tǒng)410的結(jié)構(gòu)與圖3中筆型投影系統(tǒng)300相似，主要的差異 在于迷你投影系統(tǒng)410中發(fā)光裝置412的光導(dǎo)部為錐型。這是因?yàn)槊阅阃队跋?統(tǒng)410的體型較筆型投影系統(tǒng)300稍大，所使用的顯示模塊414面積也較大， 因此需要藉由錐型的光導(dǎo)部來擴(kuò)束。同樣地，此一擴(kuò)束功能亦可如圖4b所示 的擴(kuò)束裝置423來完成。本發(fā)明所提供的投影系統(tǒng)除了單一發(fā)光裝置的應(yīng)用 之外，也可為多個(gè)發(fā)光裝置的投影系統(tǒng)。請參閱圖5，圖5為本發(fā)明三模塊投 影系統(tǒng)500之實(shí)施例的示意圖。如圖5所示，三模塊投影系統(tǒng)500包含發(fā)光裝 置522、 524、 526、顯示模塊542、 544、 546、集光器(integrator) 560以及投影透鏡580，其中發(fā)光裝置522、 524、 526分別發(fā)出紅色、藍(lán)色及綠色的光 線透過各自對應(yīng)的顯示模塊542、 544、 546與集光器560混合后即可產(chǎn)生彩色 的影像。此外，本發(fā)明所提供的光學(xué)元件與發(fā)光裝置不僅可應(yīng)用于圖3、圖4a、 4b及圖5中的透射式投影系統(tǒng)亦可應(yīng)用于反射式投影系統(tǒng)，舉例來說，圖6 即為本發(fā)明一反射式投影系統(tǒng)600之較佳實(shí)施例的示意圖。反射式投影系統(tǒng) 所使用的顯示模塊可為數(shù)字微鏡裝置或硅基液晶，如果發(fā)光裝置釆用大于三 種顏色的光源合成白光，各種顏色分別依序發(fā)光，就可以省去傳統(tǒng)投影系統(tǒng) 中的色輪(color wheel )，可以將光的利用率提高2倍。雖然以上投影系統(tǒng)僅利用具有柱形光導(dǎo)部的光學(xué)元件、具有錐形光導(dǎo)部 的光學(xué)元件或是具有擴(kuò)束裝置的光學(xué)元件為例，但是利用本發(fā)明之光學(xué)元件 與發(fā)光裝置的其它實(shí)施例所完成之投影系統(tǒng)并不受限于此。藉由可包覆著光 源的聚光部以及將光線充分混光的光導(dǎo)部，本發(fā)明所提供之光學(xué)元件可使光 耦合效率提高到90%以上并且將均勻度提高到85%以上。此外，本發(fā)明所提供的光學(xué)元件之創(chuàng)新設(shè)計(jì)亦可減少光耦合所需的元件數(shù)。雖然本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容與特征如上所述，然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員仍 可在不背離本發(fā)明的教示與揭示內(nèi)容的情況下進(jìn)行許多變化與修改。因此， 本發(fā)明的范圍并非限定于已揭示的實(shí)施例，而包含不背離本發(fā)明的其它變化 與修改，其為如所附權(quán)利要求書所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種光學(xué)元件，包含一聚光部，包含一反射面及一折射面，用以收集并將來自一光源的光聚光；以及一光導(dǎo)部，連接至所述聚光部的輸出端并將由所述聚光部所聚光的光均勻地射出。
2. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其中所述折射面為一非球形弧面，用以 折射所述光源的光并聚光至所述輸出端。
3. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其中所述反射面為一全內(nèi)部反射面，用 以將所述折射面所折射的部分光反射并聚光至所述輸出端。
4. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其中所述反射面涂覆反射層，用以將所 述折射面所折射的部分光反射并聚光至所述輸出端。
5. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其中所述光導(dǎo)部為柱形，且所述光導(dǎo)部 的各截面積大小皆相同。
6. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其中所述光導(dǎo)部為錐形，且所述光導(dǎo)部 之輸入端之截面積小于所述光導(dǎo)部之輸出端之截面積。
7. 如權(quán)利要求5所述之光學(xué)元件，其中所述柱形可為四角柱、圓柱或其它 截面為多邊形的柱體。
8. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，另包含一擴(kuò)束裝置，耦接于所述光導(dǎo)部 之輸出端，以擴(kuò)大所述光導(dǎo)部射出的光。
9. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其中所述光導(dǎo)部的輸出端為一凸面，以 提升所述光學(xué)元件的發(fā)光效率。
10. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其中所述光導(dǎo)部的輸出端為一凹面，以 改變所述光學(xué)元件的輸出光形。
11. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其中所述光導(dǎo)部的輸出端上具有一圖案 以提升所述光學(xué)元件的發(fā)光效率和均勻度。
12. —種投影系統(tǒng)，包含 一光源，用以提供光；至少一如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，耦接于所述光源； 一顯示模塊，耦接于所述發(fā)光裝置之光導(dǎo)部的輸出端，用以提供所欲顯 示之圖像；及一投影透鏡組，耦接于所述顯示模塊，用以將所述圖像投影出來。
13. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件之折射面為一非球 形弧面，用以折射所述光源的光并聚光至所述輸出端。
14. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件之反射面為一全內(nèi) 部反射面，用以將所述折射面所折射的部分光反射并聚光至所述輸出端。
15. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件之反射面涂覆反射層，用以將所述折射面所折射的部分光反射并聚光至所述輸出端。
16. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件之光導(dǎo)部為柱形， 且所述光導(dǎo)部的各截面積大小皆相同。
17. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件之光導(dǎo)部為錐形， 且所述光導(dǎo)部之輸入端之截面積小于所述光導(dǎo)部之輸出端之截面積。
18.如權(quán)利要求16所述之投影系統(tǒng)，其中光學(xué)元件之所述柱形可為四角柱、 圓柱或其它截面為多邊形的柱體。
19. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，另包含一擴(kuò)束裝置，耦接于所述光學(xué) 元件之光導(dǎo)部之輸出端，以擴(kuò)大所述光導(dǎo)部射出的光。
20. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件之光導(dǎo)部的輸出端 為一凸面，以提升所述發(fā)光裝置的發(fā)光效率。
21. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件之光導(dǎo)部的輸出端 為一凹面，以改變所述發(fā)光裝置的輸出光形。
22. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件之光導(dǎo)部的輸出端 上具有一圖案以提升所述發(fā)光裝置的發(fā)光效率和均勻度。
23. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其中所述光源為一普通燈泡、 一固體 發(fā)光元件、 一發(fā)光二級管或一發(fā)光二級管數(shù)組。
24. 如權(quán)利要求23所述之投影系統(tǒng)，其中所述發(fā)光二級管為一白光發(fā)光二 級管。
25. 如權(quán)利要求23所述之投影系統(tǒng)，其中所述發(fā)光二級管數(shù)組包含至少一 紅色發(fā)光二級管、 一綠色發(fā)光二級管及一藍(lán)色發(fā)光二級管，所述紅色、 綠色及藍(lán)色發(fā)光二級管系同時(shí)或依序地發(fā)光。
26. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其中所述顯示模塊為高溫多晶硅液晶 顯示器、數(shù)字微鏡裝置或硅基液晶。
27. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其中所述投影系統(tǒng)為一手持式投影系 統(tǒng)或一反射式投影系統(tǒng)。
28. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其中所述投影系統(tǒng)為一筆型投影系統(tǒng) 或一迷你投影系統(tǒng)。
29. 如權(quán)利要求12所述之投影系統(tǒng)，其系為三模塊投影系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明系關(guān)于一種光學(xué)元件及包含所述光學(xué)元件的投影系統(tǒng)。所述光學(xué)元件包含一聚光部，所述聚光部包含一反射面及一折射面，用以聚光來自一光源的光；以及一光導(dǎo)部，連接至所述聚光部的輸出端并將由所述聚光部所聚光的光均勻地射出。本發(fā)明所揭示之光學(xué)元件及投影系統(tǒng)可提供更為均勻的亮度及更高的光耦合效率。
文檔編號G02B6/00GK101276134SQ200710086968
公開日2008年10月1日 申請日期2007年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日
發(fā)明者穎 劉, 陳守龍 申請人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司