照明系统及其制作方法与流程

1.本发明是涉及一种光学装置及其制作方法，且特别是涉及一种投影装置及其制作方法。


背景技术：

2.随着科技的进步，投影装置被大量地应用于生活中，举例来说，其可被应用于室内、电影院、户外等不同的场所。在现行投影机市场中，追求高亮度的设计已成为趋势。
3.在现有技术中，为了要增加投影画面的亮度，通常会在投影装置内部增设光源，以提高亮度。一般来说，增设光源通常会与原先在投影装置内部的其他光源一起共用光路。一般在共用光路上会设有不同功能的透镜(汇聚功能或发散功能)。但由于光源的增设伴随而来的是产生的热增加，使得在共用光路上的透镜超出其受热范围产生明显形变，导致透镜原有的汇聚或发散功能改变，上述现象造成投影装置的可靠度不佳。


技术实现要素：

4.本发明提供一种投影装置，其具有良好的可靠度。
5.本发明提供一种投影装置的制造方法，其用以制造上述的投影装置。
6.本发明的一实施例中提供一种投影装置，其包括第一光源、第二光源、第三光源、第四光源、第一分光镜、第二分光镜以及棱镜。第一光源可输出第一光束。第二光源可输出第二光束。第三光源可输出一第三光束。第四光源可输出第四光束。第一分光镜设于第一光源和第二光源的光路上。第二分光镜设于第一光源、第二光源、第三光源和第四光源的光路上。棱镜有第一面和第二面。第一面设于第一光源、第二光源和第三光源的光路上，且不设于第四光源的光路上，第二面位于第二分光镜的光路下游，且第一面不同于第二面。第三光束及第四光束光谱的波长峰值差，介于10纳米至50纳米之间。
7.本发明的一实施例中提供一种投影装置，其包括第一光源、第二光源、第三光源、第四光源、第一分光镜、第二分光镜以及棱镜。第一光源可输出第一光束。第二光源可输出第二光束。第三光源可输出一第三光束。第四光源可输出第四光束。第一分光镜设于第一光源和第二光源的光路上。第二分光镜设于第一光源、第二光源、第三光源和第四光源的光路上。棱镜设于第一分光镜和第二分光镜的光路下游。第一分光镜、棱镜与第二分光镜依序位于第一光束和第二光束的行进路径上。第二分光镜与棱镜依序位于第四光束的行进路径上，而第一分光镜、第二分光镜的排列，可使第一光束、第二光束、第三光束和第四光束被引导至同一方向。
8.本发明的一实施例中提供一种照明系统的制造方法，其包括以下步骤：
9.组装第一光源，第一光源可输出第一光束；组装第二光源，第二光源可输出第二光束；组装第三光源，第三光源可输出第三光束；组装第四光源，第四光源可输出第四光束；组装第一分光镜，以使第一分光镜位于第一光源与第二光源的光路上；组装第二分光镜，以使第二分光镜位于第一光源、第二光源、第三光源与第四光源的光路上；组装具有第一面与第
二面的棱镜，以使第一面设于第一光源、第二光源和第三光源的光路上，且不设于第四光源的光路上，第二面位于第二分光镜的光路下游，且第一面不同于第二面，其中第三光束及第四光束光谱的波长峰值差，介于10纳米至50纳米之间。
10.基于上述，在本发明实施例的照明系统中，第一至第四光源的所发出光束分别借由棱镜的不同面进入棱镜，而再借由第二分光镜共同输出光束。由另一观点观之，借由上述第一至第四光源、第一、第二分光镜与棱镜之间的光路设置，可使第一至第四光束被引导至同一方向。故照明系统可提供亮度较高的照明光束，且因棱镜本身屈光度为零，代表在此光路上的光学元件不会因为受热增加而衍生可靠度问题。应用此照明系统的光学装置(例如是投影装置)可提供高亮度的投影画面又同时具有良好的可靠度。另，本发明实例提供一用以制造上述照明系统的制造方法。
11.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
12.图1为本发明的一实施例的投影装置的上视示意图。
13.图2为图1投影装置的侧视示意图。
14.图3为一比较实施例的投影装置的上视示意图。
15.图4a与图4b分别为比较实施例与图1实施例的投影装置的光学效果图。
16.图5至图8为本发明不同实施例的投影装置的侧视示意图。
17.图9为制造本发明实施例照明系统的制造方法的制造流程图。
具体实施方式
18.请参照图1与图2，应注意的是，图1仅示出照明子系统120的位置，照明子系统120的具体架构示于图2，于本例中，投影装置200包括照明系统100、光阀210、光学棱镜组oa与投影镜头220。
19.照明系统100为用以提供照明光束ib的光学元件总成，其包括照明子系统110、120、合光元件130，其中照明子系统110、120分别用以发出照明子光束sib1、sib2。
20.详细来说，请参照图1，照明子系统110包括发光元件111、113、115、117、合光元件118、119、反射镜m1(或称第一反射镜)与微透镜阵列mla1。请参照图2，另一方面，照明子系统120包括发光元件122、微透镜阵列mla2与反射镜m2。其中，发光元件111亦可被视为第一光源，发光元件113亦可被视为第二光源，发光元件117亦可被视为第三光源，发光元件122亦可被视为第四光源，发光元件115亦可被视为第五光源。
21.于本例中，发光元件是指具有发光功能的光电元件，其种类例如是包括激光二极管(laser diode,ld)、单一颗发光二极管(light emitting diode,led)、或其他合适的发光元件，于本例中，发光元件111、115、117、122为激光二极管，且分别为蓝光、蓝光、红光、红光激光二极管，其分别用以发出(或称输出)光束b1、b3、b4、b5，而发光元件113则具体化为蓝光激光二极管上设有绿光荧光粉，因此发光元件113内的蓝光激光二极管发出蓝光后则会激发绿光荧光粉以使其发出光束b2。光束b1-b5的峰值波长(peak wavelength)分别例如
是落在蓝光、绿光、蓝光、红光、红光的波长区间内，其中蓝光波长区间例如是410纳米至490纳米的波长范围内。于一例中光束b1的峰值波长是450纳米，光束b3的峰值波长是442纳米。绿光波长区间例如是450纳米至690纳米的波长范围内。于一例中，光束b2的峰值波长是525纳米。红光波长区间例如是575纳米至650纳米的波长范围内，于一例中，光束b4的峰值波长是618纳米，光束b5的峰值波长是650纳米。
22.其中，光束b1亦可被视为第一光束，光束b2亦可被视为第二光束，光束b3亦可被视为第五光束，光束b4亦可被视为第三光束，光束b5亦可被视为第四光束。光束b5及光束b4光谱的波长峰值差，介于10纳米至50纳米之间，于上述实例中，波长峰值差为32纳米(即650纳米减去618纳米)。
23.于本例中，合光元件118、119、130例如是可将多道以不同光路行进的光束合成为同一光路行进的光束的光学元件，其种类例如是分光镜(dichroic mirror)、全反射棱镜或条纹镜等。于本例中，合光元件118、119、130为依据颜色/波长而有不同光学功能(即反射或穿透功能)的分光镜，其中合光元件118(或称为第一分光镜)被设计为可反射蓝光(即可反射光束b1、b3)且可使其他色光穿透(即可被光束b2穿透)。合光元件119被设计为可反射红光(即可反射光束b4)且可使其他色光穿透(即可被光束b1、b2穿透)，图2的合光元件130(或称为第二分光镜)被设计为可被特定波段的红光穿透(即可被光束b5穿透)且可将其他色光反射(即可反射光束b1、b2、b4，即可反射照明子光束sib1)。合光元件118、130因其为分光镜，亦其分别可被称为第一、第二分光镜。于一实施例中，合光元件130(或称为第二分光镜)也可以是镀膜层为金属膜、介电质膜，而以光学棱镜组oa当作基材。
24.于本例中，反射镜m1、m2例如是具有反射能力的光学元件，于一些实施例中，反射镜m1、m2例如是镀膜层为金属膜、介电质膜；基材可能为金属、玻璃、塑胶
……
等等可能的材料。
25.于本例中，微透镜阵列mla1、mla2例如是由多个尺寸范围在微米等级的透镜所排列而成的透镜阵列元件。
26.于本例中，光阀210是指数字微镜元件(digital micro-mirror device,dmd)、硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,lcos panel)或是液晶面板(liquid crystal panel,lcd)等空间光调变器的任一者，但不以此为限制。于本实施例中，光阀210为数字微镜元件。
27.于本例中，投影镜头220例如是包括具有屈光度的一或多个光学镜片的组合，光学镜片例如包括双凹透镜、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。本发明对投影镜头220的型态及其种类并不加以限制。
28.于本例中，光学棱镜组oa例如是多片棱镜p(其以两片为示例，但不以此为限)所构成的光学元件，其用以调整光束的传递方向。棱镜p具有彼此相连且不同的表面s1、s2。于另一实施例中，光学棱镜组oa也可以是单片棱镜。
29.此外，于本例中，亦可选择性地于上述投影装置中设置透镜c1-c15(亦称镜片)，透镜是指其出、入光表面至少一者非平面，或称，其出、入光表面的至少一者具有光线屈折能力(或称屈光度，refractive power)的光学元件。透镜的数量及其相应的摆设位置可以依据本领域技术人员的设计需求来对应变动，本发明并不以此为限。
30.于以下段落中会详细说明上述元件之间的配置关系。
31.请参照图1与图2，首先，先说明照明系统100内的配置关系。在照明子系统110中，合光元件118设置于发光元件111、113、115的光路下游。合光元件119则设置于发光元件111、113、115、117的光路下游。反射镜m1设置于合光元件118的光路下游。此外，在照明子系统110中，亦可选择性地增设透镜c1-c11与微透镜阵列mla1，以修饰光束的光形。
32.请再参照图2，另一方面，在照明子系统120中，微透镜阵列mla2设置于发光元件122的光路下游。反射镜m2设置于微透镜阵列mla2的光路下游。此外，在照明子系统120中，亦可选择性地增设透镜c12-c15，以修饰光束的光形。
33.请参照图2，于照明系统100中，照明子系统120重叠于照明子系统110的至少一部分(反射镜m1、透镜c12)及合光元件130，因此，借由重叠(堆叠)设置的设计，可更进一步使得照明系统100的体积缩小。并且，合光元件130设置于照明子系统110、120的光路下游，且是设置于发光元件111、113、115、117与122的光路下游。光学棱镜组oa设置于合光元件130的光路下游(或者是，棱镜p设于合光元件118和合光元件130的光路下游)，且合光元件130设置于棱镜p的表面s2上。棱镜p的表面s1设于发光元件111、113、115、117的光路上，且不位于发光元件122的光路上。棱镜p的表面s2位于合光元件130的光路下游。光阀210设置于光学棱镜组oa及合光元件130的光路下游处。投影镜头220设置于光阀210的光路下游处。
34.值得一提的是，在本例中，合光元件130至光阀210之间的光路上的光学元件(例如是光学棱镜组oa、棱镜p)的屈光度为零，由于屈光度的物理意义是光学元件偏折光束的能力，换言之，在合光元件130至光阀210之间的光路上的光学元件并非为用以聚焦光束的聚焦元件(例如凸透镜)或发散光束的发散元件(例如凹透镜)，故不会因为热而改变其对光束的偏折能力。
35.此外，由于光是从光路的上游往下游传递。因此，一元件的“光路下游”可理解为光通过该元件或与其作用后的光路部分。例如，发光元件111的光路下游，为光从发光元件111发出后的光路都称为发光元件111的光路下游，举例来说：如透镜c1、c2、合光元件118、119等都位于发光元件111的光路下游，而透镜c12-c15则位于发光元件122的光路下游，依此类推。
36.于以下的段落中会详细地说明投影装置200内的光学行为。
37.请参照图1，在照明子系统110中，发光元件111、113、115、117分别发出光束b1-b4，其中光束b1穿透透镜c1、c2后被合光元件118反射而射往透镜c7，光束b2穿透透镜c3、c4后并再穿透合光元件118而射往透镜c7，光束b3穿透透镜c6、c5后并被合光元件118反射而射往透镜c4、c3后传递至发光元件113上的绿光荧光粉以使绿光荧光粉激发出更多绿光，增强光束b2的亮度。合光元件118可使光束b1、b2以同一光路行进至透镜c7，并且光束b1、b2再穿透透镜c7、合光元件119、微透镜阵列mla1、透镜c10、被反射镜m1反射、穿透透镜c11。光束b4穿透透镜c8、c9后被合光元件119反射，并穿透微透镜阵列mla1、透镜c10、被反射镜m1反射、穿透透镜c11，其中微透镜阵列mla1可使光束b1、b2、b4均匀化。换言之，合光元件119可使光束b1、b2、b4以同一光路行进至透镜c11，以形成照明子光束sib1。请参照图2，照明子光束sib1进入光学棱镜组oa并被其内的介面反射后传递至合光元件130。
38.另一方面，在照明子系统120中，光束b5依序穿透透镜c12、c13、微透镜阵列mla2、透镜c14后，被反射镜m2反射、穿透透镜c15后，以形成照明子光束sib2，其中微透镜阵列mla2可使光束b5均匀化。
39.请再参照图2，照明子光束sib1、sib2共同传递至合光元件130后，照明子光束sib1被合光元件130反射，而照明子光束sib2则穿透合光元件130。借由上述的反射与穿透的光学效果，照明子光束sib1、sib2被合光元件130合并后以形成照明光束ib。照明光束ib穿透光学棱镜组oa后传递至光阀210，并被光阀210转换成影像光束imb，影像光束imb穿透光学棱镜组oa后被其内的介面反射后而传递至投影镜头220。投影镜头220再将影像光束imb传递至一投影媒介(未示出)上。
40.承上述，在本例的投影装置100中，由于照明系统100内的照明子系统110、120所发出的照明子光束sib1、sib2被合光元件130合并而成照明光束ib，因此投影装置100投射出的投影画面相较于现有技术的亮度可大幅增加。并且，在合光元件130至光阀210之间的光路上的光学元件屈光度为零，因屈光度的物理意义是光学元件屈折光束的能力，既然光学元件原先的屈光度为零，代表在此光路上的光学元件不会因为受热增加而衍生可靠度问题，因此本例的投影装置100可提供高亮度的投影画面又同时具有良好的可靠度。
41.由另一观点观之，本例的照明系统包括发光元件111、发光元件113、发光元件117、发光元件122(第一至第四光源)、分光元件118、130(第一、第二分光镜118、130)及棱镜p。棱镜p的第一面s1可接收由第一至第三光源111、113、117发出的第一至第三光束b1、b2、b4，棱镜p的第二面s2设有第二分光镜130，且第二分光镜130位于第一至第四光源111、113、117、122的光路上。也就是说，第一至第四光源的光束分别借由棱镜p的不同面进入棱镜，而再借由第二分光镜130共同输出光束，故本例的照明系统可提供亮度较高的照明光束，且因棱镜p本身屈光度为零，代表在此光路上的光学元件不会因为受热增加而衍生可靠度问题。
42.由再一观点观之，本例的照明系统包括发光元件111、发光元件113、发光元件117、发光元件122(第一至第四光源)、分光元件118、130(第一、第二分光镜118、130)及棱镜p。合光元件118(第一分光镜)、棱镜p与合光元件(第二分光镜)依序位于位于光束b1(第一光束)和光束b2(第二光束)的行进路径上，合光元件130(第二分光镜)与棱镜p依序位于光束b5(第四光束)的行进路径上，而合光元件118(第一分光镜)、合光元件130(第二分光镜)的排列，可使光束b1、b2、b4、b5(第一至第四光束)被引导至同一方向，可提供高亮度的光束，并且因棱镜p本身屈光度为零，代表在此光路上的光学元件不会因为受热增加而衍生可靠度问题。
43.请参照图3，图3的投影装置10是基于图1的投影装置100而在架构上有所改变的投影装置，因此在图3中的标号类似于图1，于此不再赘述，两者的主要差异在于：照明子系统110、120彼此错位设置。图3的投影装置10将原本图1的合光元件130的位置改设置于反射镜m1的位置。并且，具有屈光度的透镜c’则是位于两个照明子系统110、120的光路下游，由于透镜c’会受到来自照明子系统110、120的照明子光束sib1、sib2照射，导致其容易因受热而产生形变，影响其可靠度。
44.值得一提的是，请参照图2的实例，照明子光束sib1入射于合光元件130的入射角θ1，且其范围例如是落在6度至38度的范围内，于一例中，入射角θ1例如是22度，但不以此为限，即若入射角θ1处于上述范围即视为照明子光束sib1以小角度入射。另一方面，请参照图3，照明子系统120所发出的照明子光束sib2入射于合光元件130的入射角θ2为45度，即照明子光束sib2以大角度入射。请参照图4a与图4b，由于在比较实例中的投影装置10是以大角度入射于合光元件130，相较于本实例以小角度入射于合光元件130，本实例投影装置200
(如图4b)相较比较实例的投影装置10(如图4a)的影像画面亮度的均匀度较高。
45.在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的部分内容，关于相同的元件名称可以参考前述实施例的部分内容。
46.请参照图5，于本例中，投影装置200a大致上与投影装置100类似，其主要差异在于：照明系统100a内的照明子系统120a不设有微透镜阵列mla2。因此，光束b5依序穿透透镜c12、c13、c14、被反射镜m2反射后、穿透透镜c15，以出光形成照明子光束sib2。
47.请参照图6，于本例中，投影装置200b大致上与投影装置100类似，其主要差异在于：照明系统100b内的照明子系统120b不设有透镜c14、微透镜阵列mla2及反射镜m2。因此，光束b5依序穿透透镜c12、c13、c15，以出光形成照明子光束sib2。
48.请参照图7，于本例中，投影装置200c大致上与投影装置100类似，其主要差异在于：照明系统100c内的照明子系统120c更包括集光柱rod，其设置于发光元件122的光路下游，且透镜c15设于集光柱rod的光路下游。因此，光束b5依序穿透集光柱rod、穿透透镜c15，以出光形成照明子光束sib2。
49.请参照图8，于本例中，投影装置200d大致上与投影装置100类似，其主要差异在于：照明系统100d内的照明子系统120c更包括扩散元件124(diffusor)，其设置于发光元件122的光路下游，且透镜c15设于扩散元件124的光路下游，并且扩散元件124的形状相似于光阀210的形状。因此，光束b5依序穿透扩散元件124并被其扩散后，穿透透镜c15，以出光形成照明子光束sib2。借由扩散元件124的设置，可使经扩散元件124扩散后的光束b5的形状相似于光阀210的形状，故较不容易有光束照射到光阀210以外的地方，借由此设计可以使光利用效率更高。
50.请参照图9，制造照明系统的制造方法大致分为以下几个步骤s100-s700：
51.步骤s100：组装第一光源，第一光源可输出第一光束。
52.步骤s200：组装第二光源，第二光源可输出第二光束。
53.步骤s300：组装第三光源，第三光源可输出第三光束。
54.步骤s400：组装第四光源，第四光源可输出第四光束。
55.步骤s500：组装第一分光镜，以使第一分光镜位于第一光源与第二光源的光路上。
56.步骤s600：组装第二分光镜，以使第二分光镜位于第一光源、第二光源、第三光源与第四光源的光路上。
57.步骤s700：组装具有第一面与第二面的棱镜，以使第一面设于第一光源、第二光源和第三光源的光路上，且不设于第四光源的光路上，第二面位于第二分光镜的光路下游，且第一面不同于第二面，其中第三光束及第四光束光谱的波长峰值差，介于10纳米至50纳米之间。
58.综上所述，在本发明实施例的照明系统中，第一至第四光源的所发出光束分别借由棱镜的不同面进入棱镜，而再借由第二分光镜共同输出光束。由另一观点观之，借由上述第一至第四光源、第一、第二分光镜与棱镜之间的光路设置，可使第一至第四光束被引导至同一方向。故照明系统可提供亮度较高的照明光束，且因棱镜本身屈光度为零，代表其不会因为受热增加而衍生可靠度问题。应用此照明系统的光学装置(例如是投影装置)可提供高亮度的投影画面又同时具有良好的可靠度。另，本发明实例提供一用以制造上述照明系统的制造方法。
59.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。