專利名稱：準直透鏡、照明單元及投影系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種透鏡、光源及顯示系統(tǒng)，且特別是有關于一種準直 透鏡、用于投影系統(tǒng)的照明單元及投影系統(tǒng)。
背景技術：
投影系統(tǒng)需要光源以對投影成像器(imager)照明。發(fā)光二極管(light emitting diode, LED)為一4交佳選4奪，因其體積小、功率消庫毛低及生命周期 (lifetime)長，并具有三原色的可得性(availability )。發(fā)光二極管已廣泛用 于一般照明的許多領域，而這些應用亦驅使發(fā)光二極管的光效率與顏色的飽 和度越來越好。
典型的發(fā)光二極管是由一或多個發(fā)光二極管芯片(die )置于散熱用的金 屬基座(support)上所封裝而成。發(fā)光二極管芯片與接墊(bondingpad)之 間是借由 一接線電性連接，其中接墊是通過一絕緣層配置在金屬基座的頂 部。大部分的發(fā)光二極管芯片會進一步被一塑料封膠所圍繞與保護。典型的 塑料封膠為一平坦層或一半球形環(huán)氧樹脂。這個塑料封膠能從發(fā)光二極管芯 片集中更多的光，因此被視為發(fā)光二極管的主要光學元件(primary optics )。 平坦封裝發(fā)光二極管所射出的光呈熟知的朗伯特(Lambertian)分布，而以 半球狀封裝的發(fā)光二極管所射出的光呈較準直的高斯(Gaussian)分布。
圖1示出一種傳統(tǒng)的發(fā)光二極管10,其包括一基板11、 一發(fā)光二極管 芯片或陣列芯片12、 一接墊13以及一塑料封膠14。基板ll如所示出著為 一平坦狀金屬基板，其上粘附有發(fā)光二極管芯片或陣列芯片12。接墊13借 由一絕緣層15配置在金屬基板頂部，而發(fā)光二極管芯片12到接墊13之間 是借由接線16電性連接。塑料封膠14以平坦層形式、半球形式或任何呈其 他曲面的形式圍繞發(fā)光二極管芯片或芯片陣列12以進行保護。塑料封膠14 用以作為主要光學元件，其可隨不同角度分布集中發(fā)光二極管芯片的光線。
圖2示出具有發(fā)光二極管的投影系統(tǒng)。具體地說，其示出一種典型反射 式(reflective-type )才史影系統(tǒng)20，其以發(fā)光二才及管21為光源。發(fā)光二極管21可相同于圖1的發(fā)光二極管10。 一二次光學元件(secondary optics) 22 置放于發(fā)光二極管21前面，以將角度分布較廣泛的光聚集為指向性較高的 角度分布的光。然后，光會通過可選用的前偏光片(pre-polarizer) 23而傳 遞至偏振分光器(polarizing beam splitter, PBS ) 24，其反射偏振光至反射式 成像器25。典型反射式成像器例如為硅基液晶(liquid crystal on silicon, LCOS)微顯示器。反射式成像器25將光調制并反射回偏振分光器24,接 著光會經由可選用的后偏光片(post-polarizer) 26而傳遞至才殳影鏡頭27以供 投影。
圖3示出用于投影系統(tǒng)的一種傳統(tǒng)的發(fā)光二極管的二次光學元件30。發(fā) 光二極管31可相同于圖1的發(fā)光二極管10。二次光學元件30為一套透鏡組， 其可為球面、非球面或繞射透鏡(diffractive lens )。這套透鏡組一般稱為聚 光透鏡(condenser lens )。發(fā)光二極管31置放在聚光透鏡的焦點處。由發(fā)光 二極管射出并落在聚光透鏡上的光線可被聚光透鏡所會集，并且被以更有指 向性與準直的方式聚集，以供投影系統(tǒng)的成像器的照明。由于只有入射聚光 透鏡的光可被聚光透鏡聚集，因此聚光透鏡的直徑必須較大，而焦距必須較 小，以利于聚光透鏡集合更多發(fā)光二極管所發(fā)出的光。所以，球面或非球面 的聚光透鏡不但體積龐大而且笨重。此外，收集所有來自發(fā)光二極管31的 光是困難的，因此發(fā)光二極管到成像器之間的耦合效率偏低。盡管借由繞射 透鏡取代球面或非球面透鏡能減少聚光透鏡的厚度，但其耦合效率依然不 足，并且更因為繞射透鏡的繞射表面而遭受散射損失。
圖4示出另一種應用于光照明的發(fā)光二極管41的二次光學元件40。發(fā) 光二極管41可相同于圖1的發(fā)光二極管10。二次光學元件40為一合成拋物 準直器(compound parabolic collimator, CPC )其置力文于發(fā)光二才及管41上方。 發(fā)光二極管41所射出的光進到合成拋物準直器的平底面42,并且在拋物面 壁43進行全反射(total internal reflection, TIR),而后/人平頂面44出射。二 次光學元件40能收集來自發(fā)光二極管41并進到底面42的光，并且依照拋 物面壁43以特定角度分布4吏光經由頂面44傳遞出去。這種二次光學元件呈 長對稱圓柱狀，其將光傳遞入對稱錐體內，以供特別的光照明。
圖5示出用于一般照明的另一種發(fā)光二極管51的二次光學元件50。發(fā) 光二極管51可相同于圖1的發(fā)光二極管10。二次光學元件50置放于發(fā)光二 極管51頂端，并且覆蓋發(fā)光二極管51。具有內折射透鏡53、內折射壁54、外折射壁55與平頂面56的二次光學元件置放于發(fā)光二極管51頂端，并且 覆蓋發(fā)光二極管51。 二次光學元件50能收集所有來自發(fā)光二極管51的光， 并且依照表面53、 54、 55與56以特定角度分布把光傳遞出去。典型上，表 面55與56為平直或平坦。隨后的美國專利第US 6,547,423號提出將這兩個 面改變?yōu)檩^一般化的改善表面，以達到較佳的性能并減少體積。這種二次光 學元件是一淺薄的對稱盤片(disk),其將光傳進對稱錐體內，以供一般照明。 總之，發(fā)光二極管的主要光學元件是用以集中更多發(fā)光二極管芯片的 光，以增加發(fā)光二極管的外部效率，而二次光學元件則較為視其應用而定。 當用于投影系統(tǒng)時，發(fā)光二極管的二次光學元件用以改善發(fā)光二極管所射出 的光至投影系統(tǒng)成像器的指向性，或利用所有從發(fā)光二極管的主要光學元件 所集中的光，來增加發(fā)光二極管至投影系統(tǒng)成像器的耦合效率。然而，對于 投影系統(tǒng)來說，發(fā)光二極管所射出的光并不夠準直或指向性不夠高。此外， 當發(fā)光二極管所射出的光在旋轉對稱的錐體內時，其并非匹配投影系統(tǒng)成像 器的長寬比(aspectratio),如4:3或16:9。因此對于投影系統(tǒng)， 一種新的照 明單元結構是有必要提出的。
此外，在傳統(tǒng)的投影系統(tǒng)中，光源與顯示面板之間會配置有一具有許多 偏4展分光鍍月莫(polarizing beam split coating, PBS coating)的偏沖展4爭4灸系統(tǒng) (polarization conversion system, PCS )，以將來自光源的非偏沖展光4爭兮灸為偏4展 光。然而，當使用越多的偏振分光鍍膜時，投影系統(tǒng)的成本便會越高，導致 投影系統(tǒng)的成本難以降低。
發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種照明單元，當其應用于投影系統(tǒng)時特別有用且有效率。 本發(fā)明提供一種用于照明單元的準直透鏡，其將照明單元所射出的廣角
度的光聚集為更具有指向性與特定角度分布的光，以與投影系統(tǒng)的投影光學
元件相匹酉己。
本發(fā)明提供一種投影系統(tǒng)，其具有較高的光效率及較低的成本。 本發(fā)明的 一 實施例提出 一種照明單元，其用于投影系統(tǒng)中以沿著光軸發(fā) 光。照明單元包括發(fā)光二極管芯片及準直透鏡。準直透鏡包括中央部分及周 圍部分。中央部分具有第 一光透射面與相對于第 一光透射面的第二光透射 面。周圍部分圍繞中央部分，并且具有內折射壁。內折射壁耦接第一光透射
6面，以形成凹陷，用以設置發(fā)光二極管芯片。外反射壁相對于內折射壁，且 折射面連接至第二光透射面與外反射壁。準直透鏡的中央部分與周圍部分均 相對光軸非旋轉對稱。
本發(fā)明的另一實施例提出一種準直透鏡，其用于投影系統(tǒng)的光源，以沿 著光軸出光。準直透鏡包括中央部分、周圍部分、外折射壁及反射面。中央 部分具有第一光透射面與相對于第一光透射面的第二光透射面。周圍部分圍 繞于中央部分，并且具有耦接至第一光透射面的內折射壁，以形成凹陷，用 以設置光源。外折射壁相對于內折射壁。反射面連接至第二光透射面與外折 射壁。準直透鏡的中央部分與周圍部分均相對光軸非旋轉對稱。
本發(fā)明的再一實施例提出一種投影系統(tǒng)，其包括照明單元、偏振轉換單
元、光閥(lightvalve)、投影鏡頭及偏振分光元件。照明單元適于發(fā)出光束。 偏振轉換單元配置在光束的傳遞^^徑上。偏振轉換單元包括V形偏振分光元 件、波片及二反射面。V形偏振分光元件包括第一偏振分光部及第二偏振分 光部。第一偏振分光部適于^皮光束的具有第一偏振方向的第一部分光束穿 透，且適于反射光束的具有第二偏振方向的第二部分光束。第二偏振分光部 連接至第一偏振分光部。第一偏振分光部與第二偏振分光部夾有夾角，且夾 角大于0度且小于180度。第二偏振分光部適于被光束的具有第一偏振方向 的第三部分光束穿透，且適于反射光束的具有第二偏振方向的第四部分光 束。波片配置在來自第一偏振分光部的第一部分光束及來自第二偏振分光部 的第三部分光束的傳遞路徑上，其中波片適于將具有第一偏振方向的第一部 分光束及第三部分光束轉換為具有第二偏振方向的第五部分光束。此二反射 面位于V形偏振分光元件的相對兩側面，并適于分別反射來自V形偏振分 光元件的第二部分光束及第四部分光束。來自波片的第五部分光束及來自這 些反射面的第二部分光束與第四部分光束會合并為具有第二偏振方向的照 明光束。光閥配置在照明光束的傳遞路徑上，并適于將照明光束轉換為影像 光束。投影鏡頭配置在影像光束的傳遞路徑上。偏振分光元件配置在照明光 束與影像光束的傳遞路徑上，并適于讓照明光束傳遞至光閥，且適于讓影像 光束傳遞至投影鏡頭。
本發(fā)明的 一 實施例提供 一 種用于照明單元并沿著光軸出光的二次光學 元件的準直透鏡。照明角度分布可借由二次光學元件的橢圓設計而設計成橢 圓輸出光場，以更合適地匹配投影裝置的投影成像器的長寬比。因為二次光學元件與發(fā)光二極管的距離較為靠近，使得具有二次光學元件與發(fā)光二極管 的照明單元體積較小。由于光錐與矩形成像器長寬比的相互匹配，投影系統(tǒng) 可具有高光學效率。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 附圖作詳細說明如下。
圖1為一種傳統(tǒng)的發(fā)光二極管。圖2為一種具有發(fā)光二極管的投影系統(tǒng)的示意圖。圖3為一種傳統(tǒng)的發(fā)光二極管的二次光學元件的示意圖。 圖4為另一種發(fā)光二極管的二次光學元件的示意圖。 圖5為另一種發(fā)光二極管的二次光學元件的示意圖。 圖6為本發(fā)明的一實施例的投影系統(tǒng)的結構示意圖。 圖7為本發(fā)明的另一實施例的投影系統(tǒng)的偏振轉換單元的結構示意圖。 圖8為本發(fā)明的另一實施例的投影系統(tǒng)的偏振轉換單元的結構示意圖。 圖9為依據(jù)本發(fā)明的一示范實施例所示出的發(fā)光二極管的二次光學元件 的剖面圖。圖10為依據(jù)本發(fā)明的圖9的示范實施例的發(fā)光二極管的二次光學元件 的頂視圖。圖11為依據(jù)本發(fā)明的另一示范實施例的具有發(fā)光二極管的二次光學元 件的投影系統(tǒng)的示意圖。圖12為依據(jù)本發(fā)明的圖9的示范實施例的發(fā)光二極管的二次光學元件 的i羊細剖面圖。主要元件符號說明10、 21、 31、 41、 51、 61、 81、 91:發(fā)光二極管 11:基板12:發(fā)光二極管芯片13:接墊14:塑料封裝15:層絕緣16:電性連4妻20:反射式投影系統(tǒng)22、 30、 40、 50: 二次光學元件23:前偏光器24:偏振分光器25:反射式成4象器26:后偏光器27:投影鏡頭42:平底面43: 4勉物面壁44:頂面53、 54:內折射透鏡 55:外折射壁 56:平頂面60、 80、 90:照明單元62、 82、 92:準直透鏡63、 93:中央部分64、 94:周圍部分 64a: 第一曲面 64b:第二曲面 64c: 第三曲面65、 95:凹陷83、 130:投影鏡頭 84:四分之一波片 85:反射偏光器 86:反射曲面 87:出光面 93a:第一光透射面 93b:第二光透射面 94a:內折射壁 94b:外反射壁 94c:折射面94c，第一彎曲面 94c":平面 100:投影系統(tǒng)110、 110，、 110":偏振轉換單元112: V形偏振分光元件112a:第一偏凈展分光部112b:第二偏振分光部114:波片116、 116":反射面118a:第一棱鏡118b:第二棱鏡118c:第三棱鏡119、 119":反射膜120:光閥140:偏振分光元件150:棱鏡A、 A，、 B、 B，、 C、 C，、 D、 D，、 T:節(jié)點Dl:第一偏振方向D2:第二偏振方向H二 兩度I:照明光束L:光束LI:第一部分光束 L2:第二部分光束 L3:第三部分光束 L4:第四部分光束 L5:第五部分光束 M:影像光束 W:寬度 ee:發(fā)射角 Gout:出光角et:臨界角
c|):夾角
具體實施例方式
在以下的實施方式中，照明單元的光源是以發(fā)光二極管為例。值得注意 的是，雖然發(fā)光二極管被采用以實現(xiàn)照明單元，但是任所屬領域中具有通常 知識者可利用其他代替元件以實行本發(fā)明的實施例，因此本發(fā)明并不限定光 源為發(fā)光二極管。
圖6為本發(fā)明的一實施例的投影系統(tǒng)的結構示意圖。請參照圖6，本實 施例的投影系統(tǒng)100包括照明單元60、偏振轉換單元IIO、光閥120、投影 鏡頭130及偏振分光元件140。照明單元60適于發(fā)出光束L。在本實施例中， 光束L為非偏振光。偏振轉換單元110配置在照明光束L的傳遞路徑上，且 包括V形偏振分光元件112、波片114及二反射面116。 V形偏振分光元件 112包括第一偏振分光部112a及第二偏振分光部112b。第二偏振分光部112b 連才妄至第一偏振分光部112a。第一偏振分光部112a與第二偏振分光部112b 夾有夾角小，夾角4)大于0度且小于180度。
第一偏振分光部112a適于纟皮光束L的具有第一偏振方向Dl的第一部分 光束Ll穿透，且適于反射光束L的具有第二偏振方向D2的第二部分光束 L2。在本實施例中，第一偏l展方向Dl垂直于第二偏振方向D2。具體地i兌， 第一偏振方向Dl與第二偏振方向D2例如分別為P偏振方向與S偏振方向。 然而，在其他實施例中，第一偏振方向Dl與第二偏振方向D2亦可以分別 為S偏一展方向與P偏纟展方向。
第二偏振分光部112b適于^皮光束L的具有第一偏振方向Dl的第三部
分光束L3穿透，且適于反射光束L的具有第二偏振方向D2的第四部分光
束L4。波片114配置在來自第一偏振分光部112a的第一部分光束Ll與來
自第二偏振分光部112b的第三部分光束L3的傳遞3各徑上。波片114適于將
具有第一偏振方向Dl的第一部分光束L1與第三部分光束L3轉換為具有第
二偏振方向D2的第五部分光束L5。在本實施例中，波片114例如為半波片，
且適于將具有P偏振方向的第 一部分光束Ll與第三部分光束L3轉換為具有
S偏振方向的第五部分光束L5 。
這二個反射面116分別配置在V形偏振分光元件112的相對兩側面，且適于分別反射來自V形偏振分光元件112的第二部分光束L2與第四部分光 束L4。來自波片114的第五部分光束L5及來自反射面116的第二部分光束 L2與第四部分光束L4會合并為具有第二偏振方向D2的照明光束I。
在本實施例中，偏振轉換單元110還包括第一棱鏡118a、第二棱鏡118b 及第三棱鏡118c。第二棱鏡118b承靠第一棱鏡118a。第一偏振分光部112a 為位于第一棱鏡118a與第二棱鏡118b的交界面的偏振分光膜，且這些反射 面116之一位于第二棱鏡118b上。第三棱鏡118c承靠第一棱鏡118a。第二 偏振分光部112b為位于第 一棱鏡118a與第三棱鏡118c的交界面的偏振分光 膜，且這些反射面116的另一位于第三棱鏡118c上。
在本實施例中，這二個反射面116為全反射面，以分別將第二部分光束 L2與第四部分光束L4全反射。具體地說，由于第二部分光束L2入射反射 面116的入射角大于臨界角，且第四部分光束L4入射反射面116的入射角 亦大于臨界角，因此第二部分光束L2與第四部分光束L4均會被全反射。
光閥120配置在照明光束I的傳遞路徑上，并適于將照明光束I轉換為 影像光束M 。在本實施例中，光閥 120例如為硅基液晶面板 (liquid-crystal-on-silicon panel, LCOS panel),其將具有第二偏振方向D2的 照明光束I轉換為具有第二偏振方向Dl的影像光束M。然而，在其他實施 例中，光閥亦可以是數(shù)字孩史鏡元件(digital micro-mirror device, DMD )或其 4也適當?shù)墓忾y。
投影鏡頭130配置在影像光束M的傳遞路徑上，以將影像光束M投影 至屏幕(未示出)上而形成影像畫面。偏振分光元件140配置在照明光束I 與影像光束M的傳遞路徑上，并適于讓照明光束I傳遞至光閥120,且適于 讓影像光束M傳遞至投影鏡頭130。在本實施例中，偏振分光元件140適于 將具有第二偏振方向D2的照明光束I反射至光閥120,并適于被具有第一 偏振方向Dl的影像光束M穿透，而影像光束M接著會傳遞至投影鏡頭130。 然而，在其他實施例中，偏纟展分光元件140亦可以是適于4皮具有第二偏振方 向D2的照明光束I穿透，且適于反射具有第一偏振方向Dl的影像光束M。
在本實施例中，投影系統(tǒng)100還包括二棱鏡150，其彼此互相承靠，且 偏振分光元件140為位于此二棱鏡140的交界面的偏振分光膜。然而，在其 他實施例中，偏振分光元件140亦可以是偏振分光板。
相較于傳統(tǒng)的偏振轉換系統(tǒng)具有許多偏振分光器，由于本實施例的偏振轉換單元110所具有的V形偏振分光元件112的數(shù)量僅為一個，因此偏振轉換單元IIO具有較低的成本，進而降低投影系統(tǒng)100的成本。此外，由于偏振轉換單元no將光束L轉換為具有第二偏振方向D2的照明光束I，但沒有放棄光束L的具有第一偏振方向Dl的部分光束，因此偏振轉換單元110能夠達到較高的光效率，進而提升投影系統(tǒng)100的光效率。再者，在本實施例中，由于第二部分光束L2與第四部分光束L4^皮反射面116全反射，而不僅僅是被部分反射，如此便能夠進一步提升偏振轉換單元110與投影系統(tǒng)100的光效率。
圖7為本發(fā)明的另一實施例的投影系統(tǒng)的偏振轉換單元的結構示意圖。請參照圖7,本實施例的偏振轉換單元110，與上述偏振轉換單元IIO(如圖6所示出)類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例中，偏振轉換單元110，還包括二反射膜119,其分別配置在這二個反射面116上，以分別反射第二部分光束L2與第四部分光束L4。
圖8為本發(fā)明的另一實施例的投影系統(tǒng)的偏振轉換單元的結構示意圖。請參照圖8,本實施例的偏振轉換單元110"與上述偏振轉換單元110，(如圖7所示出)類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例中，偏振轉換單元110"的二反射面116"為曲面，且這二個反射面116"上的二反射膜119"隨著反射面116"彎曲。具體地說，這二個反射面116"例如為凸面，其不4又反射第二部分光束L2與第四部分光束L4，且更使第二反射光束L2及第四反射光束L4收斂，進而提升投影系統(tǒng)的光效率。
請參照圖6,本發(fā)明的照明單元60亦可以是其他任何形式的能夠提供光束L的光源模塊。以下將提供幾個照明單元的實例，但其并非用以限制本發(fā)明的保護范圍。
圖9為依據(jù)本發(fā)明的一示范實施例所示出的二次光學元件的剖面圖。照明單元60包括發(fā)光二極管61與個二次光學元件。發(fā)光二極管61可相同于圖1的發(fā)光二極管10。準直透鏡(collimator lens) 62可作為發(fā)光二極管的二次光學元件。請參考圖9，準直透鏡62包括中央部分63與周圍部分64。凹陷65由這兩部分所形成，以設置發(fā)光二極管61。光軸T對應于準直透鏡62的光發(fā)射路徑。在本實施例中，準直透鏡62的中央部分63基本上為聚光透鏡，其收集來自發(fā)光二極管61且相對光軸T于特定夾角內的光，并將光導入小錐體內。準直透鏡62的周圍部分64具有三個曲面(curvature ),其組成一組透鏡。第一曲面64a收集落在這部分所有的光，并將其傳遞至第二曲面64b，其中第二曲面64b為反射面。第二曲面64b將光反射到第三曲面64c，其把光導入周圍部分外的小錐體內。周圍部分外的光發(fā)射角度會相同于或接近于中央部分的光發(fā)射角度。
圖10為依據(jù)本發(fā)明的圖9的示范實施例所示出的二次光學元件的頂視圖。在本實施例中，準直透鏡62的中央部分63與周圍部分64兩者無需是圓柱形對稱。實際上，橢圓形式設計的準直透鏡62是較佳的。請參考圖9與圖IO,節(jié)點T代表對應于準直透鏡62的光軸。光軸的節(jié)點T被定義為一向量，其垂直元件表面并經由此表面/人元件內部指向元件外部。中央部分63與周圍部分64分別為橢圓形式(oval-shaped )。通過節(jié)點T的線段AB為呈橢圓形式的周圍部分64的長軸(major axis),而通過節(jié)點T的線段CD代表呈橢圓形式的周圍部分64的短軸(minor axis )。同樣地，線段A，B，與線段C，D，分別代表呈橢圓形式中央部分63的長軸與短軸。橢圓形的長寬比(aspectratio)定義為短軸對長軸的比率。在本實施例中，典型的橢圓光學元件長寬比為95%,但于不同的應用中其范圍可以從91%到99%。借著呈橢圓形式的二次光學元件的準直透鏡62,其所射出的光場(pattern)并非圓形光場，而是比較合適于投影系統(tǒng)成像器長寬比4:3或16:9的橢圓形光場。
圖11為依據(jù)本發(fā)明的另一示范實施例所示出的具有二次光學元件的投影系統(tǒng)。準直透鏡82圍繞發(fā)光二極管81以將所有來自發(fā)光二極管81光聚集為指向性較高的角度分布的光。可選用的四分之一波片(quarter-waveplate) 84與反射式偏光器(reflective polarizer) 85可置放于二次光學元件的前面，以僅使具P偏振方向(p-polarization )的光傳遞至成像器，并將其他具S偏l展方向(s-polarization)的光反射回準直透《竟。部分進入準直透《竟的周圍部分的反射光會被反射曲面86反射到反射曲面的另一側，并且再被反射而傳遞至準直透鏡外。部分進入準直透鏡的中央部分的反射光會被發(fā)光二極管芯片的出光面(emitting surface ) 87所反射，并且反射回中央部分以及準直透鏡之外。這些反射光束將再次通過四分之一波片84并且/人S偏振方向轉變?yōu)镻偏振方向，并通過反射式偏光器85。然后，光會通過偏纟展分光器(polarizing beam splitter, PBS ) 86，而偏4展分光器86會將偏牙展光反射到反射式成像器87。典型的反射式成像器例如為硅基液晶面(liquid crystal onsilicon, LCOS )微顯示器。這個反射式成像器87將光調制與并將其反射回偏振分光器86,然后光會經由可選用的后偏光器(post-polarizer) 88傳遞至才殳影鏡頭83以供投影。簡單的偏振轉換系統(tǒng)可由此準直透鏡所實現(xiàn)。
圖12為依據(jù)本發(fā)明的圖9的示范實施例所示出發(fā)光二極管的二次光學元件的詳細剖面圖。圖12與圖IO相同，但具有較多參數(shù)以詳細描述照明單元90。發(fā)光二極管91包括發(fā)光二極管芯片或陣列芯片的出光面，或覆蓋在此發(fā)光二極管芯片或陣列芯片上并被其所激發(fā)的薄螢光層(phosphor layer )。在本實施例中，出光面對應圖12的笛卡爾(Cartesian) xyz座標系統(tǒng)的x-y平面。光軸T沿著笛卡爾xyz座標系統(tǒng)的Z軸延伸。發(fā)光二極管91通常是以透光封膠所封裝，例如是以塑料封膠覆蓋發(fā)光二極管芯片的出光面上以保護發(fā)光二極管芯片。視塑料封膠的形狀而定，我們也常將其作為發(fā)光二極管91的主要光學元件,而發(fā)光二極管91的光場分布可以有很大的不同。由此經封裝的發(fā)光二極管所射出的光能以朗伯特分布到高斯分布形成在立體角的整個半球，其對應光軸的發(fā)射角ee范圍如圖12所示是從0度到90度。
可作為二次光學元件的準直透鏡92是個塑料元件，并且能由低成本的 塑料模制法(plastic molding )所制造。準直透鏡92包括中央部分93與周圍部分94。中央部分93具有第一光透射面93a與相對于第一光透射面93a的第二光透射面93b。環(huán)繞中央部分93的周圍部分94具有內折射壁94a，其耦接第一光透射面93a,以形成凹陷95，并用以設置發(fā)光二極管91。此外，有外反射壁94b位于內折射壁94a的對面，且有折射面94c連接第二光透射面93b與外反射壁94b。在本實施例中，準直透鏡92的中央部分93與周圍部分94兩者相對光軸T為非旋轉對稱。如圖11所述，中央部分93的頂牙見圖為第一橢圓形狀，而周圍部分94的頂視圖為第二橢圓形狀。第一橢圓形狀的長寬比介于91%到99%之間，且第二橢圓形狀的長寬比介于91%到99%之間。
請參考圖12，中央部分93的第一光透射面93a與第二光透射面93b形成聚光透鏡(condenser lens )以將呈廣角分布的光聚集為更具指向性且出光角eout的角度分布較小的光。對應典型的投影光學元件的中央部分93的典型出光角9out為15度。然而出光角Qout亦可以是從IO度到20度，以符合投影光學元件的光圏值(f-number)。有臨界角et其將準直透鏡92劃分為中央部分93與周圍部分94,典型的臨界角為55度，但可落在40度到70度的范圍內。第一光透射面93a與第二光透射面93b可為球面或非球面，但非球面為較佳的，因只有兩個面被用來作為設計中央聚光透鏡之用。這兩個非球
面透鏡曲面由射線追蹤(ray-tracing)光學軟件的點對點曲線近似(curvefitting)所設計。第一光透射面93a可配置得非?？拷l(fā)光二極管91，以最小化準直透鏡92的高度H。在本實施例中，準直透鏡92的典型高度H是從5到15亳米(mm )，以使照明單元90體積更小。
準直透鏡92的周圍部分94具有三個面，分別為內折射壁94a、外反射壁94b以及折射面94c。這三個面可再次形成聚光透鏡以將廣角分布的光聚集為更具有指向性與出光角eout的角度分布較小的光。對應于典型的投影光學元件的周圍部分94的典型出光角eout為15度。然而，此出光角eout亦可以是10度到20度，以符合投影光學元件的光圏值。此周圍部分的出光角9out可相同或些許不同于中央部分的出光角eout。曲面94a、 94b與94c可為球面或非球面，但非球面為較佳，因只有三個面被用來作為設計周圍聚光透鏡之用。在本實施例中，內折射壁94a與折射面94c為透射式(tranmissive ),而外反射壁94b為反射式(reflective )。例如可由反射鏡、內部全反射鏡或反射介電質鍍膜所形成。如圖12所示出，周圍部分94的折射面94c可進一步包括第一彎曲面94c，，其連4妄第二光透射面93b以及平面94c"，且平面94c，，連接外反射壁94b。第一彎曲面94c，收集落在此部分的光，并且傳遞落在從IO度到20度的范圍內的特定出光角eout的角度分布的光。平面94c"收集落在此部分的光，并且把光聚集為更具有指向性且角度分布較小的光。所屬領域中具有通常知識者均知折射面94c可由不同應用的不同結構所形成。在本實施例中，準直透鏡92的典型寬度W是從10到25毫米，以使照明單元90的體積更小。
綜上所述，相較于傳統(tǒng)的偏振轉換系統(tǒng)具有許多偏振分光器，由于本發(fā)
此偏振轉換單元具有較低的成本，進而降低本發(fā)明的實施例的投影系統(tǒng)的成本。此外，由于偏振轉換單元將光束轉換為具有第二偏振方向的照明光束，但沒有放棄光束的具有第一偏振方向的部分光束，因此偏振轉換單元能夠達到較高的光束率，進而提升投影系統(tǒng)的光效率。
再者，上述實施例所^^開照明單元的二次光學元件的準直透鏡。通過二次光學元件的光借由二次光學元件的不同設計曲面，可呈任何特定的角度分布。照明角度分布借由二次光學元件的橢圓設計，可呈橢圓輸出光場，以更合適地匹配投影成像器的長寬比。借由光錐與矩形成像器的長寬比的匹配，投影系統(tǒng)將具有高的光學效率。當具有二次光學元件與 一般發(fā)光二極管的小型發(fā)光二極管照明單元應用在像硅基液晶面板或其他微顯示器的小成像器的小投影系統(tǒng)時，將特別有利且具效率。
雖然本發(fā)明已以實施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
權利要求
1.一種照明單元，其特征在于，用于投影系統(tǒng)中以沿著光軸發(fā)光，所述照明單元包括發(fā)光二極管芯片；以及準直透鏡，包括中央部分，具有第一光透射面與相對于所述第一光透射面的第二光透射面；以及周圍部分，圍繞所述中央部分，并且具有內折射壁，所述內折射壁耦接所述第一光透射面，以形成凹陷，用以設置所述發(fā)光二極管芯片，外反射壁相對于所述內折射壁，且折射面連接至所述第二光透射面與所述外反射壁，其中所述準直透鏡的所述中央部分與所述周圍部分均相對所述光軸非旋轉對稱。
2. 根據(jù)權利要求1所述的照明單元，其特征在于所述中央部分的前視圖 呈第一橢圓形，而所述周圍部分的前視圖呈第二橢圓形。
3. 根據(jù)權利要求2所述的照明單元，其特征在于所述第一橢圓形的長寬 比介于91%到99%之間，且所述第二橢圓形的長寬比介于91%到99%之間。
4. 根據(jù)權利要求1所述的照明單元，其特征在于所述準直透鏡為單片式 塑料元件。
5. 根據(jù)權利要求1所述的照明單元，其特征在于還包括透光封膠，其覆 蓋所述發(fā)光二極管芯片。
6. 根據(jù)權利要求1所述的照明單元，其特征在于所述周圍部分的所述折 射面還包括第一彎曲面，其連接所述第二光透射面及平面，且所述平面連接 所述外反射壁。
7. 根據(jù)權利要求1所述的照明單元，其特征在于所述準直透鏡的所述中 央部分的所述第一光透射面與所述第二光透射面為^^面或非球面。
8. 根據(jù)權利要求1所述的照明單元，其特征在于所述準直透鏡的所述周 圍部分的所述外反射壁是由反射鏡、內部全反射鏡或介電質鍍膜所形成。
9. 根據(jù)權利要求1所述的照明單元，其特征在于所述準直透鏡的所述中 央部分為聚光透鏡。
10. 根據(jù)權利要求1所述的照明單元，其特征在于所述準直透鏡的所述中央部分將光導入介于10到20度的小角錐。
11. 根據(jù)權利要求1所述的照明單元，其特征在于所述準直透鏡的所述周 圍部分將光導入介于10度到20度的小角錐。
12. 根據(jù)權利要求1所述的照明單元，其特征在于所述準直透鏡的高度介 于5到15毫米。
13. 根據(jù)權利要求1所述的照明單元，其特征在于所述準直透鏡的寬度介 于10到25毫米。
14. 一種準直透鏡，其特征在于，用于投影系統(tǒng)的光源，以沿著光軸出光， 所述準直透鏡包括中央部分，具有第一光透射面與相對于所述第一光透射面的第二光透射面；周圍部分，圍繞于所述中央部分，并且具有耦接至所述第一光透射面的 內折射壁，以形成凹陷，用以i殳置所述光源； 外折射壁，相對于所述內折射壁；以及反射面，連接至所述第二光透射面與所述外折射壁，其中所述準直透鏡 的所述中央部分與所述周圍部分均相對所述光軸非旋轉對稱。
15. 根據(jù)權利要求14所述的準直透鏡，其特征在于所述中央部分的前視 圖為第一橢圓形，而所述周圍部分的前視圖為第二橢圓形。
16. 根據(jù)權利要求15所述的準直透鏡，其特征在于所述第一橢圓形的長 寬比介于91%到99%之間，且所述第二橢圓形的長寬比介于91%到99%之 間。
全文摘要
一種用于投影系統(tǒng)的照明單元，用以沿著光軸發(fā)光。照明單元包括發(fā)光二極管芯片與準直透鏡。準直透鏡包括中央部分與周圍部分。中央部分具有第一光透射面與相對第一光透射面的第二光透射面。圍繞在中央部分的周圍部分具有內折射壁，其耦接至第一光透射面，以形成凹陷，用以設置發(fā)光二極管芯片。外反射壁相對于內折射壁，且折射面連接至第二光透射面與外反射壁。準直透鏡的中央部分與周圍部分均相對光軸非旋轉對稱。一種準直透鏡及一種投影系統(tǒng)亦被提出。
文檔編號F21V5/04GK101598294SQ20091013772
公開日2009年12月9日 申請日期2009年4月27日 優(yōu)先權日2008年4月29日
發(fā)明者吳登貴, 陳俊民, 黃河楫 申請人:立景光電股份有限公司;奇景光電股份有限公司