[发明专利]准直透镜、照明单元及投影系统

说明书

技术领域

本发明是有关于一种透镜、光源及显示系统，且特别是有关于一种准直 透镜、用于投影系统的照明单元及投影系统。

背景技术

投影系统需要光源以对投影成像器(imager)照明。发光二极管(light  emitting diode，LED)为一较佳选择，因其体积小、功率消耗低及生命周期 (lifetime)长，并具有三原色的可得性(availability)。发光二极管已广泛用 于一般照明的许多领域，而这些应用亦驱使发光二极管的光效率与颜色的饱 和度越来越好。

典型的发光二极管是由一或多个发光二极管芯片(die)置于散热用的金 属基座(support)上所封装而成。发光二极管芯片与接垫(bonding pad)之 间是借由一接线电性连接，其中接垫是通过一绝缘层配置在金属基座的顶 部。大部分的发光二极管芯片会进一步被一塑料封胶所围绕与保护。典型的 塑料封胶为一平坦层或一半球形环氧树脂。这个塑料封胶能从发光二极管芯 片集中更多的光，因此被视为发光二极管的主要光学元件(primary optics)。 平坦封装发光二极管所射出的光呈熟知的朗伯特(Lambertian)分布，而以 半球状封装的发光二极管所射出的光呈较准直的高斯(Gaussian)分布。

图1示出一种传统的发光二极管10，其包括一基板11、一发光二极管 芯片或阵列芯片12、一接垫13以及一塑料封胶14。基板11如所示出着为 一平坦状金属基板，其上粘附有发光二极管芯片或阵列芯片12。接垫13借 由一绝缘层15配置在金属基板顶部，而发光二极管芯片12到接垫13之间 是借由接线16电性连接。塑料封胶14以平坦层形式、半球形式或任何呈其 他曲面的形式围绕发光二极管芯片或芯片阵列12以进行保护。塑料封胶14 用以作为主要光学元件，其可随不同角度分布集中发光二极管芯片的光线。

图2示出具有发光二极管的投影系统。具体地说，其示出一种典型反射 式(reflective-type)投影系统20，其以发光二极管21为光源。发光二极管 21可相同于图1的发光二极管10。一二次光学元件(secondary optics)22 置放于发光二极管21前面，以将角度分布较广泛的光聚集为指向性较高的 角度分布的光。然后，光会通过可选用的前偏光片(pre-polarizer)23而传 递至偏振分光器(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为硅基液晶(liquid crystal on silicon， LCOS)微显示器。反射式成像器25将光调制并反射回偏振分光器24，接 着光会经由可选用的后偏光片(post-polarizer)26而传递至投影镜头27以供 投影。

图3示出用于投影系统的一种传统的发光二极管的二次光学元件30。发 光二极管31可相同于图1的发光二极管10。二次光学元件30为一套透镜组， 其可为球面、非球面或绕射透镜(diffractive lens)。这套透镜组一般称为聚 光透镜(condenser lens)。发光二极管31置放在聚光透镜的焦点处。由发光 二极管射出并落在聚光透镜上的光线可被聚光透镜所会集，并且被以更有指 向性与准直的方式聚集，以供投影系统的成像器的照明。由于只有入射聚光 透镜的光可被聚光透镜聚集，因此聚光透镜的直径必须较大，而焦距必须较 小，以利于聚光透镜集合更多发光二极管所发出的光。所以，球面或非球面 的聚光透镜不但体积庞大而且笨重。此外，收集所有来自发光二极管31的 光是困难的，因此发光二极管到成像器之间的耦合效率偏低。尽管借由绕射 透镜取代球面或非球面透镜能减少聚光透镜的厚度，但其耦合效率依然不 足，并且更因为绕射透镜的绕射表面而遭受散射损失。