照明系统及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种照明系统及其制造方法，尤其涉及一种适用于投影机的照明系统，以及适用于此照明系统的制造方法。

背景技术

随着近年来固态照明及投影技术的发展，以发光二极管(light-emitting diode,LED)及激光二极管(laser diode)等固态照明为主的投影装置逐渐受到市场的青睐。

在一般的投影机架构中，通常会设置照明系统以提供照明光线。照明光线通过光阀后转换为影像光线，且影像光线通过投影镜头后可以投射在屏幕或墙面上。投影机输出的影像光线的亮度取决于照明系统所提供照明光线的亮度。在一般投影机的照明系统中，一个蓝光光源可输出蓝光以激发绿色荧光粉产生绿光。上述绿光和一个由红光光源所输出的红光和又一个由蓝光光源所输出的蓝光共同形成照明系统所输出的照明光线的三原色(RGB)。在习知的投影机架构中，通常还会额外设置一个蓝光光源，以通过其他光路径来提供蓝光至上述的绿色荧光粉，来加强绿色荧光粉所激发的绿光的强度，藉以增加照明系统输出光线的亮度。

发明内容

本发明提供一种照明系统及其制造方法，所述照明系统输出的光线具有较高的亮度和较佳的色域，且其构件配置紧凑(compact)。

本发明实施例的照明系统包括第一光源、第二光源、第三光源、第四光源。照明系统还包含第一分光元件，第二分光元件和第三分光元件。第一分光元件设于第一光源和第二光源光路上，第二分光元件设于第三光源的光路上，第三分光元件设于第三光源与第四光源的光路上。其中，第三光源及第四光源光源为波长600纳米到波长680纳米范围以内的红色光源，且两者的波长峰值差，介于10纳米至50纳米之间。

本发明实施例的照明系统包括第一发光元件、第二发光元件、第三发光元件、第四发光元件、第一光学分光元件、第二光学分光元件。第一光学分光元件设于第一发元件和第二发元件的光路下游，第二光学分光元件设于第三发光元件与第四发光元件的光路下游，可使第三发光元件发出的光线穿透，并使第四发光元件发出的光线被反射。其中，第三发光元件发出的光线及第四发光元件发出的光线，两者为同一色系的非偏振光光线。

本发明实施例的照明系统的制造方法，包括以下步骤。提供一第光源。提供第二光源。提供第三光源。提供第四光源。将第一分光元件设于第一光源和第二光源的光路上。将第二分光元件设于第三光源的光路上。将第三分光元件设于第三光源与第四光源的光路上。其中，第三光源及第四光源为波长600纳米到波长680纳米范围以内的红色光源，且两者的波长峰值差，介于10纳米至50纳米之间。

基于上述，在本发明的相关实施例中，由于照明系统所输出光谱的波长峰值介于630纳米至680纳米之间的深红色光线增加，当照明系统例如是应用于投影装置时，投影装置所输出的光线具有较高的亮度和较佳的色域。另外，在本发明的相关实施例的照明系统中，由于照明系统的内部空间妥善运用以通过增加设置深红色光源的方式加强照明系统的光线输出，使得照明系统的构件配置紧凑，其无用空间减少。

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

图1绘示投影装置的架构示意图。

图2绘示本发明第一实施例的照明系统的架构示意图。

图3绘示本发明第二实施例的照明系统的架构示意图。

图4绘示本发明第三实施例的照明系统的架构示意图。

图5绘示本发明第四实施例的照明系统的架构示意图。

图6绘示本发明第五实施例的照明系统的架构示意图。

图7绘示本发明第六实施例的照明系统的架构示意图。

图8绘示本发明第七实施例的照明系统的架构示意图。

图9绘示各实施例的第一激发光线、第二激发光线、第一光线、第二光线、第三光线、第四光线及第五光线的光谱图。

图10绘示图5中实施例的第二导光件、第三导光件、第四光线和第五光线的光谱图。

具体实施方式

本发明所谓光学元件，是指元件具有部分或全部可反射或穿透的材料所构成，通常包括玻璃或塑胶所组成。本发明所谓透镜，是指一允许至少部分光线穿透，且入光面或出光面的最少一者非为平面的光学元件，如平板玻璃，即非为透镜。本发明所谓合光，是指可将一个以上光束，合成一光束输出。本发明所谓分光，是指可将一个光束，分成数个光束输出。

图1绘示投影装置的架构示意图，投影装置100包括照明系统110、光阀120、投影镜头130以及光路调整机构140。其中，照明系统110具有光源112，其适于提供照明光束114，且光阀120配置光束114的传递路径上。此光阀120适于将光束114转换为影像光束114a。此外，投影镜头130配置于影像光束114a的传递路径上，且光阀120是位于照明系统110与投影镜头130之间。另外，光路调整机构140可配置于光阀120与投影镜头130之间，例如可以在光阀120和内部全反射棱镜119之间或是可以在内部全反射棱镜119和投影镜头130之间，且位于影像光束114a的传递路径上。上述的投影装置100中，光源112例如可包含红光发光二极管112R、绿光发光二极管112G、及蓝光发光二极管112B，各个发光二极管发出的色光经由一合光装置116合光后形成照明光束114，照明光束114会依序经过光均匀元件117，例如是透镜阵列(lens array)或集光柱(light integration rod)、镜片组118及内部全反射棱镜(TIRPrism)119。之后，内部全反射棱镜119会将光束114反射至光阀120。此时，光阀120会将光束114转换成影像光束114a，而这些影像光束114a会依序通过内部全反射棱镜119及光路调整机构140，并经由投影镜头130将这些影像光束114a投影于屏幕150上。

图2为本发明第一实施例的照明系统110a进行说明。在本实施例中，第一光源S1可输出第一光线L1，第二光源S2可输出第二光线L2，第三光源S3可输出第三光线L3，第四光源S4可输出第四光线L4，且第五光源S5可输出第五光线L5。第一光源S1、第二光源S2、第三光源S3、第四光源S4及第五光源S5分别包括例如是能发出各种可见光的激光二极管(laserdiode,LD)芯片、发光二极管(light-emitting diode,LED)芯片或前述各者的封装体的任一者。在本实施例中，第一光源S1、第二光源S2及第三光源S3包括了一蓝光(blue)发光二极管芯片，而第一光线L1、第二光线L2和第三光线L3的颜色实质上为蓝色。第四光源S4包括了一红光(red)发光二极管芯片，第五光源S5包括了一深红光(deep red)发光二极管芯片，而第四光线L4的颜色实质上为红色，第五光线L5的颜色实质上为深红色。第四光线及第五光线光谱的波长峰值差，介于10纳米至50纳米之间，且第四光线及第五光线的颜色，属于广义上的红色色系。

另外，波长转换元件P1位在第一光源S1和第二光源S2的光路下游，P1是指至少包括有一含有荧光粉的光学元件。更明确的说，波长转换元件P1为一渗有荧光粉的透光胶体、荧光轮、荧光片或是其他包括荧光粉并具有波长转换功能的光学元件，例如是具有荧光粉且能发出各种可见光的激光二极管(laser diode,LD)芯片、发光二极管(light-emittingdiode,

LED)芯片或前述各者的封装体的任一者。在本实施例中，波长转换元件P1设置于第一光源S1和第二光源S2的光路下游上，亦即，波长转换元件P1设置于第一光线L1和第二光线L2的传输路径上。波长转换元件P1可以接受光线，并藉由光致发光(Photoluminescence)现象而转换产生激发光线。具体而言，波长转换元件P1例如可以接受第一光线L1的蓝光并产生第一激发光线(Pump light)PL1的绿光，也可以接受第二光线L2的蓝光并产生第二激发光线PL2的绿光。第一激发光线PL1及第二激发光线PL2分别具有一光谱，这些光谱的波长峰值分别介于490纳米至590纳米之间，且这些光谱的波长峰值差值小于10纳米。更明确的说，第一激发光线PL1及第二激发光线PL2在一光谱能量分布图谱中分别具有一相对应的光谱能量分布曲线，而此分布曲线的波峰是落在绿色(例如是介于490纳米至590纳米)的波长区间之中。

再者，本发明的第一导光件G1a、第二导光件G2a及第三导光件G3a是指分光片、偏振片、滤光片、X型板、反射镜、透镜、平板玻璃、棱镜、积分柱、导光棒或包括前述各者的至少一者的组合。详细而言，分光片是泛指具有分光功能的光学元件，如半反半透镜、利用P、S极性分光的偏振片、各种波片、利用入光角分光的各种棱镜、利用波长分光的分光片等等。具体而言，在本实施例中，第一导光件G1a、第二导光件G2a及第三导光件G3a具有波长选择性，为利用波长(颜色)进行分光的分色片，例如是分光镜(dichroic mirror,DM)。在相关实施例中，第一导光件G1a、第二导光件G2a及第三导光件G3a可以为独立设置，具有分色功能的光学元件，也可以为镀附在其他构件上的分色膜或是涂层，本发明并不以此为限。而于本实施例中，第一导光件G1a可让蓝色光线L1、L3反射及让绿色光线PL1、PL2穿射，第二导光件G2a可让红色光线L4反射并让其他颜色的光线穿透，而第三导光件G3a可让深红色光线L5反射并让其他颜色的光线穿透。在本实施例中，第三光线L3、第四光线L4、第五光线L5、第一激发光线PL1及第二激发光线PL2分别经由第二导光件G2a及第三导光件G3a输出而形成照明光线114。

详细而言，照明系统110a可更包括光均匀元件117，设置于上述照明光线的传输路径上，用以使照明光线的强度分布均匀化。具体而言，光均匀元件117可以是蝇眼透镜(Fly-eye lens)或是光积分柱或集光柱(light integration rod)等光学元件，本发明并不以此为限。在另一实施利中，也可不包含光均匀元件117。另外，照明系统110a亦可以依据实际需求而更包括其他光学元件，例如是透镜、扩散片(diffuser)、反射镜或棱镜等等，本发明并不以此为限。

本发明的光阀120，含有许多独立单元，它们在空间上排列成一维或二维阵列。每个单元都可独立地接受光学信号或电学信号的控制，利用各种物理效应(泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等)改变自身的光学特性，从而对照明在该多数个独立单元的照明光进行调制，并输出影像光。独立单元为微型反射镜、液晶单元等光学元件。详细而言，本发明的光阀120为数字微镜元件(digital micro-mirror device,DMD)、硅基液晶面板(liquid-crystal-on-

silicon panel,LCOS panel)或是穿透式液晶面板。而于本例中，光阀为数字微镜元件，然而，在其他实施例中，光阀120亦可以是穿透式液晶面板或其他空间光调变器，本发明并不以此为限。

另外，投影镜头130是由至少一枚透镜所组成的。投影镜头130内部可设有孔径光阑或称光径，而孔径光阑的前后分设有至少一透镜以调整影像光的形状及像差。

以下示例性地说明图2第一实施例照明系统110a的各元件的安排及光线的传输过程。在本实施例中，第一光源S1输出蓝色的第一光线L1，经由第一导光件G1a反射到达波长转换元件P1，并激发转换为绿色的第一激发光线PL1。第二光源S2输出蓝色的第二光线L2，且蓝色的第二光线L2到达波长转换元件P1并激发转换为绿色的第二激发光线PL2。第一导光件G1a相对于第一光源S1是倾斜的，使得第一光线L1对第一导光件G1a的入光角例如约为45度角。具体而言，当绿色的第一激发光线PL1及第二激发光线PL2藉由反射和/或穿透离开波长转换元件P1，穿透第一导光件G1a，到达第二导光件G2a和第三导光件G3a并穿透，第二导光件G2a与第一导光件G1a大致平行的，而第三导光件G3a与第二导光件G2a大致垂直的。另外，第三光源S3输出蓝色的第三光线L3，且第三光线L3经由第一导光件G1a反射到达第二导光件G2a和第三导光件G3a并穿透。第四光源S4输出红色的第四光线L4，且第四光线L4经由第二导光件G2a反射到达第三导光件G3a并穿透，第五光源S5输出深红色的第五光线L5，且第五光线L5经由第三导光件G3a反射到达第二导光件G2a并穿透。

在本实施例中，上述穿透第二导光件G2a和第三导光件G3a的第一激发光线PL1、第二激发光线PL2、第三光线L3，和穿透第二导光件G2a的第五光线L5，和穿透第三导光件G3a的第四光线L4被合并为照明光线114并且自照明系统110输出。详细而言，第三光线L3的颜色例如是蓝色，第四光线L4及第五光线L5的颜色例如是红色和深红色，且第一激发光线PL1和第二激发光线PL2的颜色例如是绿色。因此，第一激发光线PL1、第二激发光线PL2、第三光线L3、第四光线L4及第五光线L5可以提供照明光线的三原色(RGB)。在本实施例中，上述照明光线114传输至光阀120，且光阀120用以将照明光线114转换为影像光束114a。另外，投影镜头130用以将影像光束114a投影至一成像平面或是屏幕150上以形成影像画面。

请参考图9为上述各发光光线的光谱图。前述所称蓝色的光线(L1、L2、L3)，是指光线的光谱的波长峰值介于400纳米至460纳米之间。前述所称绿色的激发光线(PL1、PL2)，是指光线的光谱的波长峰值介于490纳米至590纳米之间。前述所称红色的光线(L4)，是指光线的光谱的波长峰值介于600纳米至630纳米之间。前述所称深红色的光线(L5)，是指光线的光谱的波长峰值介于630纳米至680纳米之间。因此，照明系统110所输出光谱的波长峰值介于630纳米至680纳米之间的光线(深红光)增加，使得投影装置100所输出的光线具有较高的亮度和较佳的色域。其中，亮度约可提升12-17％，而色域约可提升4％。

要注意的是，本实施例虽然是以第一光源和第二光源所发出的蓝光去激发波长转换元件，而转换成绿色的第一激发光线和第二激发光线。但也可以只使用一个光源的蓝光去激发波长转换元件，此时，照明系统只使用四个光源即可输出照明光线的三原色(RGB)。另外，在另一个实施例中，也可以使用第一光源和第二光源所发出的蓝光去激发波长转换元件，而转换成红色的第一激发光线和第二激发光线，此时，第四光线L4的颜色实质上为绿色，第五光线L5的颜色实质上为深绿色。第四光线及第五光线光谱的波长峰值差，介于10纳米至50纳米之间，且第四光线及第五光线的颜色，属于广义上的绿色色系。再者，在另一个实施例中，红色光线和深红色光线都是非偏振光光线。

请参考图3为本发明第二实施例的照明系统110b进行说明。在本实施例中，照明系统110b类似于图2实施例的照明系统100a，其主要差异如下所述。在本实施例中，绿色的第一激发光线PL1及第二激发光线PL2，和蓝色的第三光线L3，经由第一导光件G1b到达第二导光件G2b并穿透。红色的第四光线L4穿透第三导光件G3b到达第二导光件G2b，并由第二导光件G2b反射，深红色的第五光线L5经由第三导光件G3b反射到达第二导光件G2b，并由第二导光件G2b反射。藉此，穿透第二导光件G2b的第一激发光线PL1、第二激发光线PL2、第三光线L3和被第二导光件G2b反射第四光线L4及第五光线L5被合并为照明光线114并且自照明系统110b输出。

请参考图4为本发明第三实施例的照明系统110c进行说明。在本实施例中，照明系统110c类似于图2实施例的照明系统100a，其主要差异如下所述。在本实施例中，绿色的第一激发光线PL1及第二激发光线PL2，和蓝色的第三光线L3，经由第一导光件G1c来穿透第二导光件G2c和第三导光件G3c。红色的第四光线L4经由第二导光件G2c反射到达第三导光件G3c，并穿透第三导光件G3c，深红色的第五光线L5经由第三导光件G3c反射。藉此，穿透第三导光件G3c的第一激发光线PL1、第二激发光线PL2、第三光线L3、第四光线L4及被第三导光件G3c反射第五光线L5被合并为照明光线114并且自照明系统110c输出。

请参考图5为本发明第四实施例的照明系统110d进行说明。在本实施例中，照明系统110d类似于图2实施例的照明系统100a，其主要差异如下所述。在本实施例中，绿色的第一激发光线PL1及第二激发光线PL2，和蓝色的第三光线L3，经由第一导光件G1d来依序穿透第二导光件G2d、第一透镜阵列117a和被第三导光件G3d反射。红色的第四光线L4经由第二导光件G2d反射，再穿透第一透镜阵列117a和被第三导光件G3d反射，深红色的第五光线L5穿透第二透镜阵列117b和第三导光件G3d。藉此，穿透第三导光件G3d的第五光线L5和被第三导光件G3d反射的第一激发光线PL1、第二激发光线PL2、第三光线L3和第四光线L4被合并为照明光线114并且自照明系统110d输出。

另外，请参考图10为对本实施例的第二导光件G2d、第三导光件G3d、第四光线L4和第五光线L5的进一步说明。第二导光件G2d为一利用波长分光的分光片，其可使波长在约570nm以下的可见光高度穿透，但波长在约590nm以上的可见光则被阻挡。第三导光件G3d亦为一利用波长分光的分光片，但其是阻挡波长在约620nm以下的可见光，但波长在约630nm以上的可见光则可高度穿透。所以，利用第二导光件G2d和第三导光件G3d的特性，红色的第四光线L4可被第二导光件G2d和第三导光件G3d阻挡而反射，但深红色的第五光线L5穿透第三导光件G3d。在本发明的各个实施例的任一导光件，此一技术领域中具有通常知识者，可自行更动镀膜设计而达到对上述任一光线穿透或阻挡的功能。

请参考图6为本发明第五实施例的照明系统110e进行说明。在本实施例中，照明系统110e类似于图2实施例的照明系统100a，其主要差异如下所述。在本实施例中，绿色的第一激发光线PL1和第二激发光线PL2，经由第一导光件G1e到达第二导光件G2e并穿透。蓝色的第三光线L3，经由第二导光件G2e反射。红色的第四光线L4穿透第三导光件G3e到达第一导光件G1e，并由第一导光件G1e反射，到达第二导光件G2e并穿透。深红色的第五光线L5经由第三导光件G3e反射到达第一导光件G1e，并由第一导光件G1e反射，到达第二导光件G2e并穿透。藉此，穿透第二导光件G2e的第一激发光线PL1、第二激发光线PL2、第四光线L4、第五光线L5及被第二导光件G2e反射第三光线L3被合并为照明光线114并且自照明系统110e输出。

请参考图7为本发明第六实施例的照明系统110f进行说明。在本实施例中，第一光源S1输出蓝色的第一光线L1，穿透第一导光件G1f到达波长转换元件P1，并激发转换为绿色的第一激发光线PL1。第二光源S2输出蓝色的第二光线L2，且蓝色的第二光线L2到达波长转换元件P1并激发转换为绿色的第二激发光线PL2。第一导光件G1f相对于第一光源S1是倾斜的，使得第一光线L1对第一导光件G1f的入光角例如约为45度角。具体而言，当绿色的第一激发光线PL1及第二激发光线PL2藉由反射和/或穿透离开波长转换元件P1，被第一导光件G1f反射。蓝色的第三光线L3，经由第二导光件G2f反射，并穿透第三导光件G3f和第一导光件G1f。红色的第四光线L4穿透第二导光件G2f、第三导光件G3f和第一导光件G1f。深红色的第五光线L5经由第三导光件G3f反射，并穿透第二导光件G2f和第一导光件G1f。藉此，穿透第一导光件G1f的第三光线L3、第四光线L4和第五光线L5及被第一导光件G1f反射的第一激发光线PL1和第二激发光线PL2、被合并为照明光线114并且自照明系统110f输出。

请参考图8为本发明第七实施例的照明系统110g进行说明。在本实施例中，照明系统110g类似于图2实施例的照明系统100a，其主要差异如下所述。在本实施例中，绿色的第一激发光线PL1和第二激发光线PL2，穿透第一导光件G1g。蓝色的第三光线L3，穿透第二导光件G2g和第三导光件G3g，经由第一导光件G1g反射。红色的第四光线L4由第二导光件G2g反射并穿透第三导光件G3g到达第一导光件G1g，并由第一导光件G1g反射。深红色的第五光线L5由第三导光件G3g反射并穿透第二导光件G2g，到达第一导光件G1g，并由第一导光件G1g反射。藉此，穿透第一导光件G1g的第一激发光线PL1、第二激发光线PL2和被第一导光件G1g反射的第三光线L3、第四光线L4和第五光线L5被合并为照明光线114并且自照明系统110g输出。

本发明的发光元件，是指一可产生光线的光学元件。更明确的说，发光元件是指发光二极管芯片、激光二极管芯片、由前述芯片封装而成的模块或是其他能达到相同功效的元件或其组合。

综上所述，在本发明的相关实施例中，由于照明系统110所输出光谱的波长峰值介于630纳米至680纳米之间的深红色光线增加，当照明系统例如是应用于投影装置时，投影装置所输出的光线具有较高的亮度和较佳的色域。另外，在本发明的相关实施例的照明系统中，由于照明系统的内部空间妥善运用以通过增加设置深红色光源的方式加强照明系统的光线输出，使得照明系统的构件配置紧凑，其无用空间减少。

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。