專利名稱：照明系統(tǒng)及投射裝置的制作方法
照明系統(tǒng)及投射裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于ー種光學(xué)系統(tǒng)，且特別是有關(guān)于ー種照明系統(tǒng)與投射裝置(projection apparatus)。
背景技木舞臺燈在應(yīng)用上可分為使用發(fā)光二極管(light-emitting diode, LED)作為光源的舞臺燈及使用超高壓萊燈(ultra high pressure lamp, UHPI amp)作為光源的舞臺燈。在這兩種舞臺燈中，由于超高壓汞燈的亮度一般而言會較高，因此采用超高壓汞燈作為光源的舞臺燈在高亮度的應(yīng)用上比較具有優(yōu)勢。 然而，在采用超高壓汞燈作為光源的舞臺燈的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中，為了讓投射出的影像均勻或避免影像邊緣的暗角產(chǎn)生，會使用光積分柱(lightintegration rod)來達(dá)到這樣的要求。然而，舞臺燈的圖案片(gobo)大多是呈圓形，而光積分柱的出光端則是呈方形。如此ー來，由于投射于圖案片上的光斑亦呈方形，且當(dāng)光斑涵蓋整個圖案片時，會使得光斑相對于圖案片有過多的滿溢(overfill)，例如方形光斑的四個角落便沒有投射于圖案片上，這樣會使得光斑上有很多的光能量是被浪費的而無法被有效利用。美國專利公開第20100097808號揭露了ー種集光系統(tǒng)的光路設(shè)計。美國專利公開第20090079946號揭露了ー種光學(xué)投影系統(tǒng)，其中反射鏡可以對投影鏡頭組產(chǎn)生的影像形成桶形畸變。中國臺灣專利第1300834號揭露了ー種照明系統(tǒng)，包括一點光源陣列、一透鏡及一準(zhǔn)直透鏡。美國專利第7052150號揭露了一種積分柱，包括反射輸入面與反射輸出面，其中反射輸入面與反射輸出面分別具有孔洞。美國專利第6830339號揭露了ー種實心積分柱，包括位于輸入側(cè)的反射鏡與位于輸出側(cè)的反射式偏光件。然而，上述架構(gòu)還是無法解決光斑相對于圖案片有過多的滿溢的問題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供ー種照明系統(tǒng)，可有效地將光斑的能量集中于圖案片上。本發(fā)明提供ー種投射裝置，具有較佳的光效率。本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點可以從本發(fā)明所揭露的技術(shù)特征中得到進(jìn)ー步的了解。為達(dá)上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發(fā)明之一實施例提出ー種照明系統(tǒng)，用于照明一圖案片(gobo)。照明系統(tǒng)包括一光源、一光均勻化元件及一桶形失真(barrel distortion)透鏡組。光源用于發(fā)出一照明光束，以照明圖案片。光均勻化元件配置于照明光束的傳遞路徑上，且位于光源與圖案片之間。桶形失真透鏡組配置于照明光束的傳遞路徑上，且位于光均勻化元件與圖案片之間，以使照明光束照射于圖案片上的光斑產(chǎn)生桶形畸變(barrel distortion)。并且圖案片上光斑的畸變像差符合Dmax-Da 7(I7F
<-10%，其中Dck7ci7f為光均勻化元件之朝向圖案片的一出光端在視場為0. 707F所產(chǎn)生的畸變像差，且Dmax為出光端在視場為0. 707F至IF的區(qū)域中所產(chǎn)生的畸變像差之最大值。本發(fā)明之另ー實施例提出ー種投射裝置，包括上述照明系統(tǒng)，且用于投射圖案片的影像，其中圖案片用于將照明光束轉(zhuǎn)換成一影像光束。投射裝置包括一投影鏡頭，配置于影像光束的傳遞路徑上。由于本發(fā)明的實施例的照明系統(tǒng)與投射裝置采用了桶形失真透鏡組來使照明光束照射于圖案片上的光斑產(chǎn)生桶形畸變，因此光斑相對于圖案片的滿溢(overfill)程度會較小。如此ー來，便能夠有效地將光斑的能量集中于圖案片上，進(jìn)而使投射裝置的光效率有效提升。承接上述，本發(fā)明提供ー種照明系統(tǒng)，用于照明一圖案片，該照明系統(tǒng)包括一光源，用于發(fā)出一照明光束，以照明該圖案片；一光均勻化元件，配置于該照明光束的傳遞路徑上，且位于該光源與該圖案片之間；以及
一桶形失真透鏡組，配置于該照明光束的傳遞路徑上，且位于該光均勻化元件與該圖案片之間，其中該照明光束通過該桶形失真透鏡組照射于該圖案片上的一光斑產(chǎn)生桶形畸變。所述的照明系統(tǒng)，其中，該光斑的畸變像差符合Dmax-Dtl. 7Q7F< -10%，其中Dck7ci7f為該光均勻化元件的朝向該圖案片的ー出光端在視場為O. 707F所產(chǎn)生的畸變像差，且Dmax為該出光端在視場為O. 707F至IF的區(qū)域中所產(chǎn)生的畸變像差的最大值。所述的照明系統(tǒng)，其中，該光均勻化元件的朝向該圖案片的ー出光端呈矩形，該圖案片呈圓形，且該桶形失真透鏡組使該光斑的形狀桶形畸變而逼近于該圖案片的形狀。所述的照明系統(tǒng)，其中，該光斑的畸變像差符合-9. 1%< Dck7ci7f < 5%。所述的照明系統(tǒng)，其中，該桶形失真透鏡組包括一第一透鏡群，具有正屈光度，且包括由該光均勻化元件往該圖案片依序排列之一第一透鏡與ー第二透鏡，其中該第一透鏡與該第二透鏡配置于該照明光束的傳遞路徑上；以及一第二透鏡群，配置于該第一透鏡群與該圖案片之間，且包括一第三透鏡，其中該第三透鏡配置于該照明光束的傳遞路徑上。所述的照明系統(tǒng)，其中，該第一透鏡與該第二透鏡的屈光度皆為正。所述的照明系統(tǒng)，其中，該第一透鏡為ー凸面朝向該圖案片的凹凸透鏡，該第二透鏡為一雙凸透鏡，且該第三透鏡為ー凸面朝向該光均勻化元件的凹凸透鏡。所述的照明系統(tǒng)，其中，該光均勻化元件為光積分柱。本發(fā)明還提供ー種投射裝置，用于投射一圖案片的影像，該投射裝置包括一照明系統(tǒng)，用于照明該圖案片，該照明系統(tǒng)包括一光源，用于發(fā)出一照明光束，以照明該圖案片，其中該圖案片用于將該照明光束轉(zhuǎn)換成一影像光束；—光均勻化元件，配置于該照明光束的傳遞路徑上，且位于該光源與該圖案片之間；以及一桶形失真透鏡組，配置于該照明光束的傳遞路徑上，且位于該光均勻化元件與該圖案片之間，其中該照明光束通過該桶形失真透鏡組照射于該圖案片上的光斑產(chǎn)生桶形畸變；以及一投影鏡頭，配置于該影像光束的傳遞路徑上。
所述的投射裝置，其中，該光斑的畸變像差符合Dmax-Dtl.7Q7F < -10%，其中Dck7ci7f為該光均勻化元件的朝向該圖案片的ー出光端在視場為O. 707F所產(chǎn)生的畸變像差，且Dmax為該出光端在視場為O. 707F至IF的區(qū)域中所產(chǎn)生的畸變像差的最大值。所述的投射裝置，其中，該光均勻化元件的朝向該圖案片的ー出光端呈矩形，該圖案片呈圓形，且該桶形失真透鏡組使該光斑的形狀桶形畸變而逼近于該圖案片的形狀。所述的投射裝置，其中，該光斑的畸變像差符合-9. I %< Dck7ci7f <5%。所述的投射裝置，其中，該桶形失 真透鏡組包括一第一透鏡群，具有正屈光度，且包括由該光均勻化元件往該圖案片依序排列之一第一透鏡與ー第二透鏡，其中該第一透鏡與該第二透鏡配置于該照明光束的傳遞路徑上；以及一第二透鏡群，配置于該第一透鏡群與該圖案片之間，且包括一第三透鏡，其中該第三透鏡配置于該照明光束的傳遞路徑上。所述的投射裝置，其中，該第一透鏡與該第ニ透鏡的屈光度皆為正。所述的投射裝置，其中，該第一透鏡為ー凸面朝向該圖案片的凹凸透鏡，該第二透鏡為一雙凸透鏡，且該第三透鏡為ー凸面朝向該光均勻化元件的凹凸透鏡。所述的投射裝置，其中，該光均勻化元件為光積分柱。所述的投射裝置，其中，至少部分該照明光束穿透該圖案片而形成該影像光束。為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖式作詳細(xì)說明如下。

圖I為本發(fā)明之一實施例的投射裝置的示意圖。圖2A為圖I中的光積分柱的出光端的正視圖。圖2B繪示圖I中的照明系統(tǒng)所形成的光斑的桶形畸變。圖2C繪示圖I中的照明系統(tǒng)所形成的經(jīng)桶形畸變的光斑投射于圖案片上的滿溢狀況。50:圖案片100:照明系統(tǒng)110:光源112:照明光束113、113，光斑114:影像光束120 :光均勻化元件122 :入光端124:出光端130 :第一透鏡群132 :第一透鏡134 :第二透鏡140 :第二透鏡群
142 :第三透鏡150 :桶形失真透鏡組200 :投射裝置210:投影鏡頭A :光軸Fl、F2、H、h:距離P1、P2、Q1、Q1，點SO S7 :表面
具體實施方式
有關(guān)本發(fā)明的前述及其他技術(shù)內(nèi)容、特點與功效，在以下配合參考圖式之ー較佳實施例的詳細(xì)說明中，將可清楚的呈現(xiàn)。以下實施例中所提到的方向用語，例如上、下、左、右、前或后等，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并非用來限制本發(fā)明。圖I為本發(fā)明之一實施例的投射裝置的示意圖，圖2A為圖I中的光積分柱的出光端的正視圖，圖2B繪示圖I中的照明系統(tǒng)所形成的光斑的桶形畸變，而圖2C繪示圖I中的照明系統(tǒng)所形成的經(jīng)桶形畸變的光斑投射于圖案片上的滿溢狀況，其中圖2A至圖2C所繪示者皆為沿著平行于桶形失真透鏡組的光軸的方向看過去的正視圖。請參照圖I及圖2A至圖2C，本實施例的投射裝置200用于投射一圖案片(gobo) 50的影像。投射裝置200包括一照明系統(tǒng)100及一投影鏡頭210。照明系統(tǒng)100用于照明圖案片50，且照明系統(tǒng)100包括一光源110、一光均勻化元件120及一桶形失真透鏡組150。光源110用于發(fā)出一照明光束112，以照明圖案片50。在本實施例中，光源110例如為一高壓汞燈，然而，在本實施例中，光源110亦可以是發(fā)光二極管或其他適當(dāng)?shù)陌l(fā)光元件。此外，圖案片50用于將照明光束112轉(zhuǎn)換成一影像光束114。在本實施例中，至少部分照明光束112穿透圖案片50而形成影像光束114。具體而言，本實施例的投射裝置200例如為舞臺燈，而圖案片50例如為用于舞臺燈中的圖案片(gobo)。圖案片50可以是一具有某一単一顔色的濾光片、一具有部分透光部分遮光的圖形的遮光片、一類似于幻燈片的具有不同透光程度的圖形甚至具有不同顔色的圖形的濾光片或一清澈的透明片。投影鏡頭210配置于影像光束114的傳遞路徑上，以將影像光束114投射于舞臺的墻上、布幕、屏幕、地板、背景或任何其他可被投射的物體上，如此ー來，投射裝置便可以在舞臺的墻上、布幕、屏幕、地板、背景或任何其他可被投射的物體上投射出圖案片的影像。光均勻化元件120配置于照明光束112的傳遞路徑上，且位于光源110與圖案片50之間。光均勻化元件120例如為光積分柱(light integrationrod),且光均勻化元件120具有相對之一入光端122及一出光端124，其中照明光束112經(jīng)由入光端122進(jìn)入光均 勻化元件120中，且經(jīng)由出光端124離開光均勻化元件120。在本實施例中，出光端124呈矩形，例如呈正方形，亦即出光端124處的光斑呈矩形，例如呈正方形。光均勻化元件120可以是空心光積分柱或?qū)嵭墓夥e分柱?？招墓夥e分柱是以四片反射鏡圍成兩端(即入光端122與出光端124)具有矩形開ロ的矩形柱狀空間，而實心光積分柱則可以是ー實心矩形導(dǎo)光柱體。然而，在其他實施例中亦可采用透鏡陣列(lens array，未圖示)作為光均勻化元件，本發(fā)明并不限制。
桶形失真透鏡組150配置于照明光束112的傳遞路徑上，且位于光均勻化元件120與圖案片50之間，以使照明光束112照射于圖案片50上的光斑113 (如圖2C所繪示)產(chǎn)生桶形畸變。光斑113的桶形畸變像差符合Dmax-Da7cw < -10%，其中Da7tw為光均勻化元件120之朝向圖案片50的出光端124在視場(field)為O. 707F處的主光線(chief ray)所產(chǎn)生的畸變像差，且Dmax為出光端124在視場為O. 707F至IF的區(qū)域中的所有主光線所產(chǎn)生的畸變像差之最大值。上述視場為IF之處是指出光端124上的光斑之離桶形失真透鏡組150的光軸A最遠(yuǎn)的視場，例如圖2A中的點Pl的位置。此外，點Pl至光軸A的距離Fl定義為1，亦即代表視場為1F。另外，出光端124上的光斑之任何一點的位置相距光軸A的距離皆可與距離Fl作比較，從而得到此點之視場的值。舉例而言，圖2A中點P2至光軸A的距離F2除以距離Fl后所得到的比值為O. 707，則表示點P2的視場為O. 707F。桶形失真透鏡組150使光斑113產(chǎn)生的桶形失真可用圖2B來示意及說明，而實驗中的實際桶形失真的程度可用圖2C來示意。假設(shè)桶形失真透鏡組150不產(chǎn)生桶形失真吋，由出光端124的點Pl所發(fā)出的主光線會成像于圖案片50處的像平面上之點Q1’ (如圖2B所繪示)，且不產(chǎn)生桶形失真吋，出光端124的光斑在圖案片50處的像平面所成像而成的光斑113’的形狀亦呈矩形。然而，實際上桶形失真透鏡組150會使光斑113因桶形失真而呈桶形(如圖2B所繪示的形狀)，而出光端124的點Pl所發(fā)出的主光線會成像于圖案片50處的像平面上之點Ql (如圖2B所繪示)。點Pl (即視場為1F)的畸變像差Dif即為Dif =(H-h) /h X 100 %，其中H為點Ql至光軸A的距離(即畸變后的像高)，而h為點Q1’至光軸A的距離(即未畸變的像高)。出光端124上的其他點或視場為其他值的畸變像差D可依此類推而定義為=D = (H’ -h’)/h’ X 100%，其中H’為當(dāng)產(chǎn)生畸變像差時，出光端124上的一點所發(fā)出的主光線實際投射于像平面上的位置至光軸A的距離，而h’為假設(shè)不產(chǎn)生畸變像差時，出光端124上的此點所發(fā)出的主光線投射于像平面上的位置至光軸A的距離。在本實施例中，出光端124呈矩形，圖案片50呈圓形，而桶形失真透鏡組150使光斑113的形狀產(chǎn)生畸變來逼近于圖案片50的形狀。換言之，在本實施例中，當(dāng)畸變像差滿足Dmax-Da7tl7p < _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的光斑產(chǎn)生畸變而逼近于圓形。由于本實施例的照明系統(tǒng)100與投射裝置200采用了桶形失真透鏡組150來使照明光束112照射于圖案片50上的光斑113產(chǎn)生桶形畸變，因此光斑113相對于圖案片50的滿溢(overfill)程度會較小，其中光斑113的滿溢部分即為圖2C中的環(huán)形斜線區(qū)域，亦即光斑113之落在圖案片50以外的部分。如此ー來，便能夠有效地將光斑的能量集中于圖案片50上，進(jìn)而使投射裝置200的光效率有效提升。為了進(jìn)ー步提升光效率，可使光斑113的畸變像差符合-9. 1%<D0.707F < 5%，如此可使光斑113的滿溢程度盡量縮小以提高光效率，且同時確保光斑113的大小涵蓋整個圖案片50，而不會因小于圖案片50而導(dǎo)致成像不足。本發(fā)明并不限定桶形失真透鏡組150所采用的鏡片設(shè)計方式，任何可使Dmax-Da7cw
<-10%的鏡組設(shè)計方式皆屬本發(fā)明所保護(hù)的范疇。以下舉出桶形失真透鏡組150的ー個實際的設(shè)計方式，但僅是用以舉例說明，而本發(fā)明不以此為限。在本實施例中，桶形失真透鏡組150包括一第一透鏡群130及一第二透鏡群140。第一透鏡群130具有正屈光度，且包括由光均勻化元件120往圖案片50依序排列之一第一透鏡132與一第二透鏡134，其中第一透鏡132與第二透鏡134配置于照明光束112的傳遞路徑上。第二透鏡群140配置于第一透鏡群130與圖案片50之間，且包括一第三透鏡142，其中第三透鏡142配置于照明光束112的傳遞路徑上，且具有正屈光度。此外，在本實施例中，第一透鏡132與第二透鏡134的屈光度皆為正。具體而言，第一透鏡132例如為ー凸面朝向圖案片50的凹凸透鏡，第二透鏡134例如為一雙凸透鏡，且第三透鏡142例如為ー凸面朝向光均勻化元件120的凹凸透鏡。在本實施例中，第一透鏡群130主要是用以收集來自出光端124的照明光束112，并形成準(zhǔn)直光或收斂光，而第二透鏡群140可使大部分通過的光線往光軸A方向收斂，且第二透鏡群140使光斑113產(chǎn)生桶形畸變。
以下內(nèi)容將舉出桶形失真透鏡組150之ー實施例。需注意的是，下述之表一及表ニ中所列的數(shù)據(jù)資料并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在參照本發(fā)明之后，當(dāng)可對其參數(shù)或設(shè)定作適當(dāng)?shù)母鼊?，惟其仍?yīng)屬于本發(fā)明之范疇內(nèi)。(表一)
權(quán)利要求
1.ー種照明系統(tǒng)，用于照明一圖案片，該照明系統(tǒng)包括 一光源，用于發(fā)出一照明光束，以照明該圖案片； 一光均勻化元件，配置于該照明光束的傳遞路徑上，且位于該光源與該圖案片之間；以及 一桶形失真透鏡組，配置于該照明光束的傳遞路徑上，且位于該光均勻化元件與該圖案片之間，其中該照明光束通過該桶形失真透鏡組照射于該圖案片上的一光斑產(chǎn)生桶形畸變。
2.如權(quán)利要求I所述的照明系統(tǒng)，其中，該光斑的畸變像差符合Dmax-Dtl.胃<-10%，其中Dck7ci7f為該光均勻化元件的朝向該圖案片的ー出光端在視場為0. 707F所產(chǎn)生的畸變像差，且Dmax為該出光端在視場為0. 707F至IF的區(qū)域中所產(chǎn)生的畸變像差的最大值。
3.如權(quán)利要求I所述的照明系統(tǒng)，其中，該光均勻化元件的朝向該圖案片的ー出光端呈矩形，該圖案片呈圓形，且該桶形失真透鏡組使該光斑的形狀桶形畸變而逼近于該圖案片的形狀。
4.如權(quán)利要求I所述的照明系統(tǒng)，其中，該光斑的畸變像差符合-9.I % < D0.707F < 5 %。
5.如權(quán)利要求I所述的照明系統(tǒng)，其中，該桶形失真透鏡組包括 一第一透鏡群，具有正屈光度，且包括由該光均勻化元件往該圖案片依序排列之一第一透鏡與ー第二透鏡，其中該第一透鏡與該第二透鏡配置于該照明光束的傳遞路徑上；以及 一第二透鏡群，配置于該第一透鏡群與該圖案片之間，且包括一第三透鏡，其中該第三透鏡配置于該照明光束的傳遞路徑上。
6.如權(quán)利要求5所述的照明系統(tǒng)，其中，該第一透鏡與該第二透鏡的屈光度皆為正。
7.如權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，其中，該第一透鏡為ー凸面朝向該圖案片的凹凸透鏡，該第二透鏡為一雙凸透鏡，且該第三透鏡為ー凸面朝向該光均勻化元件的凹凸透鏡。
8.如權(quán)利要求I所述的照明系統(tǒng)，其中，該光均勻化元件為光積分柱。
9.ー種投射裝置，用于投射一圖案片的影像，該投射裝置包括 一照明系統(tǒng)，用于照明該圖案片，該照明系統(tǒng)包括 一光源，用于發(fā)出一照明光束，以照明該圖案片，其中該圖案片用于將該照明光束轉(zhuǎn)換成一影像光束； 一光均勻化元件，配置于該照明光束的傳遞路徑上，且位于該光源與該圖案片之間；以及 一桶形失真透鏡組，配置于該照明光束的傳遞路徑上，且位于該光均勻化元件與該圖案片之間，其中該照明光束通過該桶形失真透鏡組照射于該圖案片上的光斑產(chǎn)生桶形畸變；以及 一投影鏡頭，配置于該影像光束的傳遞路徑上。
10.如權(quán)利要求9所述的投射裝置，其中，該光斑的畸變像差符合Dmax-Dtl.7(I7F< -10%,其中Dck7ci7f為該光均勻化元件的朝向該圖案片的ー出光端在視場為0. 707F所產(chǎn)生的畸變像差，且Dmax為該出光端在視場為0. 707F至IF的區(qū)域中所產(chǎn)生的畸變像差的最大值。
11.如權(quán)利要求9所述的投射裝置，其中，該光均勻化元件的朝向該圖案片的ー出光端呈矩形，該圖案片呈圓形，且該桶形失真透鏡組使該光斑的形狀桶形畸變而逼近于該圖案片的形狀。
12.如權(quán)利要求9所述的投射裝置，其中，該光斑的畸變像差符合-9.I % < Da7Q7F< 5%。
13.如權(quán)利要求9所述的投射裝置，其中，該桶形失真透鏡組包括 一第一透鏡群，具有正屈光度，且包括由該光均勻化元件往該圖案片依序排列之一第一透鏡與ー第二透鏡，其中該第一透鏡與該第二透鏡配置于該照明光束的傳遞路徑上；以及 一第二透鏡群，配置于該第一透鏡群與該圖案片之間，且包括一第三透鏡，其中該第三透鏡配置于該照明光束的傳遞路徑上。
14.如權(quán)利要求13所述的投射裝置，其中，該第一透鏡與該第二透鏡的屈光度皆為正。
15.如權(quán)利要求14所述的投射裝置，其中，該第一透鏡為ー凸面朝向該圖案片的凹凸透鏡，該第二透鏡為一雙凸透鏡，且該第三透鏡為ー凸面朝向該光均勻化元件的凹凸透鏡。
16.如權(quán)利要求9所述的投射裝置，其中，該光均勻化元件為光積分柱。
17.如權(quán)利要求9所述的投射裝置，其中，至少部分該照明光束穿透該圖案片而形成該影像光束。
全文摘要
一種照明系統(tǒng)及投射裝置，所述照明系統(tǒng)，用于照明一圖案片。照明系統(tǒng)包括一光源、一光均勻化元件及一桶形失真透鏡組。光源用于發(fā)出一照明光束，以照明圖案片。光均勻化元件配置于照明光束的傳遞路徑上，且位于光源與圖案片之間。桶形失真透鏡組配置于照明光束的傳遞路徑上，且位于光均勻化元件與圖案片之間，以使照明光束照射于圖案片上的光斑產(chǎn)生桶形畸變。一種投射裝置亦被提出。
文檔編號G03B21/20GK102650738SQ201110048698
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者呂怡瑱, 賴育崧 申請人:中強(qiáng)光電股份有限公司