CN100538507C

CN100538507C - 照明系统与投影系统

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Publication number: CN100538507C
Application number: CNB2006100994239A
Authority: CN
Inventors: 黄致维; 杨松泽; 陈顺益; 刘梅; 戴文智
Original assignee: Chunghwa Picture Tubes Ltd
Current assignee: Chunghwa Picture Tubes Ltd
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: CN101109891A

Abstract

一种照明系统包括一灯源模块、一第一积分数组透镜、一柱状透镜数组、一极化分光转换器、一柱状透镜、一聚光透镜及一准直透镜。灯源模块适于发出一白光，而第一积分数组透镜、柱状透镜数组、极化分光转换器、柱状透镜、聚光透镜及准直透镜是依序配置于白光的光路上。如此，柱状透镜数组可以调整白光聚焦的光斑的形状，以使光斑几乎完全穿透极化分光转换器，进而增加照明系统的光利用率。此外，一种包含前述照明系统及一液晶面板的投影系统亦被提出。

Description

照明系统与投影系统

技术领域

本发明是有关于一种照明系统及投影系统，且特别是有关于一种具有较佳光利用率的照明系统及投影系统。

背景技术

随着现代视讯技术的进步，投影装置已被广泛地使用在会议室、大型会场、电影院等等场合以提供大面积的影像。因此，投影装置中的照明系统往往需要提供较高亮度的光源始能清晰地投射出影像。然而，倘若照明系统内部的光利用率不佳，使得光源亮度不足而造成影像模糊，则会降低投影装置的质量。所以，如何有效提升照明系统的光利用率已成为一个重要的研发课题。

图1为公知的照明系统的侧视示意图。请参考图1，公知的照明系统100包括一灯源模块110、一第一积分数组透镜(integral lens array)120、一第二积分数组透镜130、一极化分光转换器(polarization beam splitterconverter)140、一聚光透镜(condenser lens)150及一准直透镜(collimatorlens)160。其中，灯源模块110适于发出一白光112，而第一积分数组透镜120、第二积分数组透镜130、极化分光转换器140、聚光透镜150及准直透镜160是依序配置于白光112的光路上。

白光112首先是由第一积分数组透镜120及第二积分数组透镜130而聚焦于极化分光转换器140上。接着，极化分光转换器140会将白光112转为偏振光。之后，聚光透镜150会再次将白光112聚焦于准直透镜160上，而准直透镜160用于将白光112转为近似平行的光束。此外，若在准直透镜160之后的白光112的光路上配置一液晶面板102，则照明系统100与液晶面板102将可组成一投影系统10。

然而由于目前制造技术上的极限，使得灯源模块110的灯芯的放电间隙(Arc Gap)仍有1.1mm的长度，因而造成灯源模块110提供的白光112并非理想的平行光源。所以第一积分数组透镜120无法将白光112聚焦成理想的点光源，而是聚焦成具有一定大小面积的光斑。倘若未设置第二积分数组透镜130，以使白光112在通过第一积分数组透镜120后能够直接聚焦于极化分光转换器140上，则部分面积过大的光斑会被极化分光转换器140阻挡而无法通过。如此会造成照明系统100的光利用率下降，其中光利用率是指照明系统100最终能提供白光112的亮度相对于灯源模块110于起始时发出白光112的亮度的比例值。

承接上述，为解决光斑面积过大问题，目前的解决方法是根据白光112通过第一积分数组透镜120后的光斑分布状况来设计第二积分数组透镜130的几何形状、曲率等特性，以控制白光112聚焦于极化分光转换器140上的光斑面积大小。

图2为白光照射在极化分光转换器时光斑的分布状态图。请参考图2，极化分光转换器140具有纵向交错的透光区域142及非透光区域144，而白光主要是聚焦于透光区域142内。尽管白光聚焦后的光斑(黑点状)大部分是落在透光区域142内，可是仍有部分的光斑是落在非透光区域144内而无法通过极化分光转换器140，使得照明系统100的光利用率无法有效提升。值得注意的是，光斑特别是在横向(X方向)的范围过大时，会部分地落在非透光区域144内。

此外，由于第二积分数组透镜130在设计上需与第一积分数组透镜120相互搭配，因此会增加积分数组透镜设计上的困难与复杂度。更甚者，由于照明系统100内需要使用到参数条件不同的第一积分数组透镜120及第二积分数组透镜130，如此会增加制作照明系统100的成本。附带一提的是，由于此照明系统100在组装上仅对中心光轴具有对称性，使得照明系统100在量产上不易组装，此亦会增加其制作成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较佳光利用率的照明系统以及投影系统。

为实现上述目的，本发明提供的照明系统，包括：

一灯源模块，适于发出一白光；

一第一积分数组透镜，位于该白光的光路上；

一柱状透镜数组，位于该第一积分数组透镜之后的该白光的光路上；

一极化分光转换器，配置于该柱状透镜数组之后的该白光的光路上；

一柱状透镜，配置于该极化分光转换器之后的该白光的光路上；

一聚光透镜，配置于该柱状透镜之后的该白光的光路上；以及

一准直透镜，配置于该聚光透镜之后的该白光的光路上。

所述的照明系统，其中还包括一第二积分数组透镜，位于该第一积分数组透镜与该柱状透镜数组之间的该白光的光路上。

所述的照明系统，其中该柱状透镜数组的各柱状透镜的半径介于5至35mm之间。

本发明提供的投影系统，包括：

一照明系统，包括：

一灯源模块，适于发出一白光；

一第一积分数组透镜，位于该白光的光路上；

一聚光透镜，配置于该柱状透镜之后的该白光的光路上；

一准直透镜，配置于该聚光透镜之后的该白光的光路上；以及

一液晶面板，配置于该照明系统之后的光路上。

所述的投影系统，其中该照明系统还包括一第二积分数组透镜，位于该第一积分数组透镜与该柱状透镜数组之间的该白光的光路上。

所述的投影系统，其中该柱状透镜数组的各柱状透镜的半径介于5至35mm之间。

所述的投影系统，其中该液晶面板为一反射式液晶面板或一穿透式液晶面板。

所述的投影系统，其中该反射式液晶面板为单晶硅反射液晶面板。

换言之，本发明提出的照明系统，其包括一灯源模块、一第一积分数组透镜、一柱状透镜数组、一极化分光转换器、一柱状透镜、一聚光透镜及一准直透镜。灯源模块适于发出一白光，而第一积分数组透镜是位于白光的光路上。柱状透镜数组是位于第一积分数组透镜之后的白光的光路上。极化分光转换器是配置于柱状透镜数组之后的白光的光路上。柱状透镜是配置于极化分光转换器之后的白光的光路上。聚光透镜是配置于柱状透镜之后的白光的光路上。准直透镜是配置于聚光透镜之后的白光的光路上。

在本发明的一实施例中，照明系统还包括一第二积分数组透镜，其中第二积分数组透镜位于第一积分数组透镜与柱状透镜数组之间的白光的光路上。

在本发明的一实施例中，柱状透镜数组的各柱状透镜的半径可以是介于5至35mm之间。

基于上述或其它目的，本发明另提出一种投影系统，其包含一照明系统及一液晶面板。照明系统还包括一灯源模块、一第一积分数组透镜、一柱状透镜数组、一极化分光转换器、一柱状透镜、一聚光透镜及一准直透镜。灯源模块适于发出一白光，而第一积分数组透镜是位于白光的光路上。柱状透镜数组是位于第一积分数组透镜之后的白光的光路上。极化分光转换器是配置于柱状透镜数组之后的白光的光路上。柱状透镜是配置于极化分光转换器之后的白光的光路上。聚光透镜是配置于柱状透镜之后的白光的光路上。准直透镜是配置于聚光透镜之后的白光的光路上。液晶面板是配置于照明系统之后的光路上。

在本发明的一实施例中，液晶面板为一反射式液晶面板或一穿透式液晶面板。此外，反射式液晶面板例如为单晶硅反射液晶面板(LCOS displaypanel)。

综上所述，在本发明的照明系统及投影系统中，柱状透镜数组可缩短光斑在横方向(X方向)的几何长度，以使光斑的大小能符合极化分光转换器的透光区域大小。如此，本发明可以有效提升照明系统及投影系统的光利用率，以使采用此照明系统及投影系统的产品具有较佳的质量。

附图说明

图1为公知的照明系统的侧视示意图。

图2为白光照射在极化分光转换器时光斑的分布状态图。

图3为依据本发明一实施例的投影系统的侧视示意图。

图4为依据本发明一实施例的第一积分数组透镜的局部立体示意图。

图5A及图5B分别为依据本发明一实施例的极化分光转换器的局部立体示意图及局部上视示意图。

图6为依据本发明一实施例的柱状透镜数组的局部立体示意图。

图7为白光照射在极化分光转换器时光斑的分布状态图。

具体实施方式

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

图3为依据本发明一实施例的投影系统的侧视示意图。请参考图3，本发明的投影系统20包含一照明系统200及一液晶面板202，而照明系统200包括一灯源模块210、一第一积分数组透镜220、一柱状透镜数组230、一极化分光转换器240、一柱状透镜250、一聚光透镜260及一准直透镜270。其中，灯源模块210适于发出一白光212，而第一积分数组透镜220、柱状透镜数组230、极化分光转换器240、柱状透镜250、聚光透镜260及准直透镜270是依序配置于白光212的光路上。

白光212首先是由第一积分数组透镜220及柱状透镜数组230而聚焦于极化分光转换器240上，其中柱状透镜数组230会特别缩短白光212聚焦后的光斑在横方向(X方向)的几何长度，以使光斑能几乎完全通过极化分光转换器240而不被阻挡。接着，极化分光转换器240会将白光212转为偏振光，而柱状透镜250会将形状不对称(X及Y方向)的光斑矫正成所需的光斑形状及区域大小。之后，聚光透镜260会再次将白光212聚焦于准直透镜270上，而准直透镜270适用于将白光212转为近似平行的光束。

承上所述，由于白光212聚焦到极化分光转换器240上的光斑大小能几乎完全通过极化分光转换器240而不被阻挡，因此本发明可有效提升照明系统200的光利用率，其中光利用率是指照明系统200最终能提供白光212的亮度相对于灯源模块210于起始时发出白光212的亮度的比例值。此外，于本发明的投影系统20中，液晶面板202是配置于照明系统200提供的白光212的光路上，以使白光212可转为影像后投射出去。由于照明系统200具有较佳的光利用率，因此配置此照明系统200的投影系统20亦具有较佳的光利用率。更进一步而言，液晶面板202例如为一反射式液晶面板或一穿透式液晶面板，其中反射式液晶面板还可为一单晶硅反射液晶面板(LCOS display panel)。

以下，将配合附图详述照明系统200中第一积分数组透镜220、柱状透镜数组230及极化分光转换器240的形状结构。

图4为依据本发明一实施例的第一积分数组透镜的局部立体示意图。请参考图4，第一积分数组透镜220例如是由多数个透镜单元222依纵向及横向排列而组成。当白光212照射至第一积分透镜220时，会被此些透镜单元222聚焦成多数个光斑，而此些光斑的形状及面积大小是由各个透镜单元222的曲率等因素所决定。此外，透镜单元222的数量例如是对应液晶面板202的分辨率而设置，举例而言，若液晶面板202的分辨率为1800x480，则透镜单元222例如以480列搭配1800行组成第一积分数组透镜220。

图5A及图5B分别为依据本发明一实施例的极化分光转换器的局部立体示意图及局部上视示意图。请参考图5A及图5B，极化分光转换器240的入射面(相对于白光212的行进方向)上具有纵向交错的透光区域242及非透光区域244，而数个偏振分光膜(Polarized Light Separation Film)246及数个反射膜(Reflecting Film)248是斜向设置于极化分光转换器240的内部，且数个1/2波板(half-wave plate)249是设置于极化分光转换器240的出射面。

当同时具有p及s偏振状态的白光212于透光区域242入射极化分光转换器240后，偏振分光膜246适于使具有p偏振状态的白光212穿透，并反射具有s偏振状态的白光212。接着，具有s偏振状态的白光212被反射膜248反射后会直接从极化分光转换器240的出射面射出，且具有p偏振状态的白光212会被1/2波板249改变偏振状态而转成具有s偏振状态的白光212。如此，白光112的偏振状态即转为单一偏振方向的偏振状态。

图6为依据本发明一实施例的柱状透镜数组的局部立体示意图。请参考图6，柱状透镜数组230例如是由多数个柱状透镜232依横向排列而组成。在本实施例中，各个柱状透镜232的在X方向的较佳半径例如是介于5～35mm之间，且在Y方向是没有曲率。当白光112聚焦后的光斑入射至柱状透镜数组230时，则各个柱状透镜232会缩短光斑在X方向的几何长度，而不会改变Y方向的几何长度，以使得光斑的范围大小与极化分光转换器240的透光区域242的范围大致相同。附带一提的是，柱状透镜250(如图3所示)的曲率须与柱状透镜数组230中各个柱状透镜232的曲率搭配，以使光斑的形状于通过柱状透镜数组230时产生的不对称可以藉由如图3所示的柱状透镜250而矫正回复原先的形状。

图7为白光照射在极化分光转换器时光斑的分布状态图。请参考图7，在本发明的照明系统200中，白光212聚焦后的光斑(黑点状)几乎均落在极化分光转换器240的透光区域242内，因此本发明可有效提升照明系统200的光利用率。

表1

柱状透镜数组中柱状透镜的半径	光利用率
柱状透镜数组中柱状透镜的半径	光利用率	5	97.10％
10	96.66％	5	97.10％
10	96.66％	15	95.01％
20	94.13％	15	95.01％
20	94.13％	25	93.62％
30	93.26％	25	93.62％
30	93.26％	35	92.99％
公知未设置柱状透镜数组	91.48％	35	92.99％

表1为柱状透镜数组中柱状透镜的曲率与光利用率的对照表。请参考表1，当柱状透镜数组230中柱状透镜232的半径介于5～35mm时，本发明的照明系统200的光利用率均大于公知的照明系统100(未设置柱状透镜数组)的光利用率(91.48％)为高，其中光利用率是指照明系统最终能提供白光的亮度相对于灯源模块于起始时发出白光的亮度的比例值。当然，在综合考虑制作成本、发光效果等等因素下，本发明的柱状透镜数组230中柱状透镜232的最佳半径的数值是20mm。

请再参考图3，为更进一步提升照明系统200的光利用率，本发明例如还设置一第二积分数组透镜280，其中第二积分数组透镜280是位于第一积分数组透镜220与柱状透镜数组230之间的白光212的光路上。由第一积分数组透镜220、第二积分数组透镜280及柱状透镜数组230可使白光212聚焦的光斑范围更能符合极化分光转换器240的透光区域242，如此本发明的光源系统200可具有更佳的光利用率。值得一提的是，由于照明系统200在组装上并非以中心光轴对称，因此照明系统200在量产上容易组装而得以降低其制作成本。

综上所述，本发明的照明系统及投影系统至少具有下列优点：

一、本发明设置柱状透镜数组以调整光斑的形状，可使光斑几乎完全通过极化分光转换器，进而增加照明系统的光利用率。此外，由于在投影系统中配置有较佳光利用率的照明系统，因此本发明的投影系统亦具有较佳的光利用率。

二、相较于公知技艺须设置特殊规格的第二积分透镜数组而言，本发明以柱状透镜数组及柱状透镜的搭配以矫正光斑，因此本发明可采用一般规格的第二积分透镜数组取代特殊规格的第二积分透镜数组，以降低成本。

三、由于本发明的照明系统在组装上并非以中心光轴对称，因此在量产上容易组装而得以降低其制作成本。

虽然本发明已以较佳实施例描述如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视申请专利范围所界定内容为准。

Claims

1、一种应用于投影系统的照明系统，包括：

一灯源模块，适于发出一白光；

一第一积分数组透镜，位于该白光的光路上；

一柱状透镜，配置于该极化分光转换器之后的该白光的光路上，该柱状透镜的曲率与该柱状透镜数组中各个柱状透镜的曲率相匹配；

一准直透镜，配置于该聚光透镜之后的该白光的光路上。

2、如权利要求1所述的应用于投影系统的照明系统，其中还包括一第二积分数组透镜，位于该第一积分数组透镜与该柱状透镜数组之间的该白光的光路上。

3、如权利要求1所述的应用于投影系统的照明系统，其中该柱状透镜数组的各柱状透镜的半径介于5至35mm之间。

4、一种投影系统，包括：

一照明系统，包括：

一灯源模块，适于发出一白光；

一第一积分数组透镜，位于该白光的光路上；

一聚光透镜，配置于该柱状透镜之后的该白光的光路上；

一液晶面板，配置于该照明系统之后的光路上。

5、如权利要求4所述的投影系统，其中该照明系统还包括一第二积分数组透镜，位于该第一积分数组透镜与该柱状透镜数组之间的该白光的光路上。

6、如权利要求4所述的投影系统，其中该柱状透镜数组的各柱状透镜的半径介于5至35mm之间。

7、如权利要求4所述的投影系统，其中该液晶面板为一反射式液晶面板或一穿透式液晶面板。

8、如权利要求7所述的投影系统，其中该反射式液晶面板为单晶硅反射液晶面板。