CN100549808C - 投影系统 - Google Patents

Abstract

一种投影系统包括一照明装置、一成像装置以及一投影镜头。照明装置包括一光源组、一收光组件及一积分柱。光源组提供的会聚光线通过收光组件的收光，使原先无法进入积分柱的光线可通过收光组件的反射面反射而导引光线进入积分柱，借以可增加入射在积分柱的光线并提升投影系统的亮度。

Description

投影系统

技术领域

本发明关于一种投影系统，特别是一种具有收光组件的投影系统。

背景技术

请参阅图1，传统的数字光处理(Digital Light Processing，DLP)型的投影系统10包括有一光源12、一反射罩14、一矩形柱状积分柱20、一会聚透镜组16、一成像装置18及一投影镜头30。由光源12发出的光线通过设置在光源12周围的反射罩14聚焦投射至积分柱20的入射端21，经由积分柱20将光能量均匀化，再以相同于进入入射端21的角度将均匀后的光线由出射端22射出积分柱20至投射在会聚透镜组16，再经由会聚透镜组16对光线进行比例缩放，并将光线投射至成像装置18，最后经成像装置18处理后形成一影像光线，再通过投影镜头30投射至一屏幕(图未示)形成影像。其中，成像装置18例如为德州仪器公司的数字微镜装置(digital micromirrordevice，DMD)，且成像装置18由于有接收角度的限制，因此仅能接收会聚透镜组16中具有一定入射角度的光线。

然而由于光源12聚焦至积分柱20的入射端21的光线并非理想的点光源，如图2所示，在入射端21的截面以外，尚有无法进入入射端21而浪费掉的光线23，因此为了改善此光线损失，如图3所示，另一先前技术会采用具有两种不同椭球参数的反射罩141，虽然此结构可有效地将大部分的光线投射至积分柱20的入射端21，但此种结构的缺点是制造反射罩141的成本相当高。而图4所公开的方式亦用来改善如图2的缺点，其改变积分柱201的形状，使积分柱201在入射端211具有较出射端221大的截面积，如此虽在入射端211可吸收较入射端21更多的光线，但由于积分柱201内部反射壁会改变光线的反射角度，导致在出射端221所射出的部分光线角度会较入射角度来得大，而此大角度的光线将无法充分被成像装置18利用而投射出去，亦造成光线浪费。而美国第6,715,880号专利案亦公开另一积分柱202，如图5所示，其将入射端212部分加大，使呈类似截断的金字塔型，以使更多光线可进入积分柱202，并经由积分柱202内壁反射，由出射端222将光线发射出去。由于光线聚焦在入射端212，因此聚焦后的光线在积分柱202内反射时，为使光线均能以适当的角度离开出射端222，因此出射端222必须另外设计为具有向外扩展的外型以改变光线的出射角度，使从入射端212的金字塔型所额外吸收的入射光线可被成像装置18利用，但此积分柱202由于结构特殊亦会使得制造的难度增加。

发明内容

本发明的一目的，是提供一种投影系统以解决上述问题。

为达上述目的，本发明一实施例的投影系统包括一照明装置、一成像装置及一投影镜头，照明装置包括一光源组、一积分柱、一收光组件及一会聚透镜组，光源组用以提供一会聚光线，积分柱具有一入射端以及一出射端，会聚光线聚焦在积分柱的入射端，会聚光线由入射端进入积分柱，由出射端离开积分柱，收光组件设在光源组与积分柱之间并位于会聚光线的光路径上，收光组件具有一面向积分柱的第一端、一面向光源组的第二端以及至少一连接在第一端与第二端之间的侧面，收光组件由第二端至第一端呈渐缩，收光组件的侧面上具有至少一反射面，用来将射入收光组件的部分光线反射至积分柱的入射端，会聚透镜组用来将积分柱的出射端所射出的光线进行比例缩放，成像装置用来接收会聚透镜组比例缩放后的光线并形成一影像光线，投影镜头用来将影像光线投射至一表面。

本发明另一实施例的投影系统包括一照明装置、一成像装置及一投影镜头，照明装置包括一光源组、一透镜阵列、多个收光组件及会聚透镜组，光源组用以提供一平行光线，多个收光组件设在透镜阵列远离光源组的一侧，该些收光组件排列成一阵列并与透镜阵列相对应，每一收光组件具有一面向光源组的第二端、一相对于第二端的第一端以及至少一连接在第一端与第二端之间的侧面，每一收光组件由第二端至第一端呈渐缩，收光组件的侧面上具有至少一反射面，用来反射射入于收光组件的部分光线，会聚透镜组用来将收光组件所射出的光线进行比例缩放，成像装置用来接收会聚透镜组比例缩放后的光线并形成一影像光线，投影镜头用来将影像光线投射至一表面。

附图说明

图1为先前技术中DLP型投影系统的示意图。

图2为先前技术的投影系统中光线在积分柱入射端的分布示意图。

图3为先前技术的一种光机结构的示意图。

图4为先前技术的另一种光机结构的示意图。

图5为先前技术的积分柱的示意图。

图6为本发明一实施例的投影系统的示意图。

图7为本发明投影系统中收光组件的侧视图及前视图。

图8为本发明中光线进入收光组件内分布状态的示意图。

图9至图12为应用本发明所公开收光组件的各实施例的示意图。

主要组件符号说明

10，100            投影系统        12，112            光源

14，141，114，114’反射罩          16，116            会聚透镜组

18，118            成像装置        20，201，202，120  积分柱

21，211，212，121  入射端          22，221，222，122  出射端

23，123，1121      光线            110                照明装置

111，111’         光源组          115                会聚光线

115’              平行光线        30，130            投影镜头

150                收光组件        151                第一端

152                第二端          153                侧面

153’              反射面          160                电机

162                色轮            170                聚光镜

180                偏振分光片      182                半波片

190                液晶显示面板    220                透镜阵列

具体实施方式

请参考图6，本发明一实施例的投影系统100包括一照明装置110、一成像装置118以及一投影镜头130。照明装置110包括一光源组111、一收光组件150、一积分柱120及一会聚透镜组116。

光源组111用以提供一会聚光线115，本实施例中，光源组111包括一椭球型反射罩114及一设在反射罩114内的光源112，光源112用以提供的一光线1121，光线1121通过椭球型反射罩114反射而产生会聚光线115。另外，请参阅图10所示，光源组111亦可为包括光源112、抛物型反射罩114’及一聚光透镜170，光源112提供的光线借由抛物型反射罩114’的反射而形成一平行光线115’，平行光线115’通过聚光透镜170的会聚而形成会聚光线115。

积分柱120具有一入射端121以及一出射端122，会聚光线115聚焦在积分柱120的入射端121，且会聚光线115由入射端121进入积分柱120，经过多次反射后，由出射端122离开积分柱120，以达到均匀化会聚光线115。积分柱120可为入射端121与出射端122具有相同的矩形截面的矩形柱状积分柱或斜面积分柱(tapered integrator)。

收光组件150设在光源组111与积分柱120之间并在会聚光线115的光路径上。收光组件150具有一第一端151、一第二端152及至少一连接在第一端151与第二端152之间的侧面153，且收光组件150由第二端152至第一端151呈渐缩，即第二端152的截面较第一端151大，使侧面153倾斜地自第二端152连接至第一端151。收光组件150的第一端151面向积分柱120，并与积分柱120的入射端121相邻或直接接合。而收光组件150的第二端152则面向光源组111以接收来自光源组111的会聚光线115。收光组件150的至少一侧面153设有一反射面153’，以使射入收光组件150的会聚光线115可通过反射面153’产生反射而射入积分柱120内。请参考图7，在本实施例中，收光组件150的第二端152与第一端151的截面形状为长方形，每一侧面153的形状为梯形，且第一端151与入射端121直接接合时，第一端151的截面与入射端121的截面相同。此外，收光组件150的第二端152与第一端151的截面形状亦可为半圆形、圆形或八角形等形式。

另外，收光组件150可为中空或实心结构，当收光组件150为空心时，收光组件150的至少一侧面153的内表面可镀上高反射率材质以形成反射面153’，例如玻璃镜或铝镜，以使射入收光组件150的光线可通过反射面153’产生反射。若收光组件150为实心时，收光组件150的至少一侧面153可通过其倾斜角度的设计以形成反射面153’，使入射的光线在反射面153’上产生全反射，但亦可直接在实心收光组件150的侧面153上镀上反射膜以形成反射面153’，使光线在反射面153’上产生反射。

而会聚透镜组116用来将由积分柱120的出射端122所射出的光线进行比例缩放；成像装置118用来接收会聚透镜组116比例缩放后的光线并形成一影像光线，成像装置118例如为德州仪器公司的数字微镜装置(digitalmicromirror device，DMD)；投影镜头130用来将影像光线投射至一表面(例如：屏幕)以显示一影像。

本发明投影系统100中，光源组111提供的会聚光线115射入收光组件150后，部分光线直接穿过收光组件150由积分柱120的入射端121入射在积分柱120内，部分光线先通过收光组件150的反射面153’反射后再由积分柱120的入射端121入射在积分柱120内，之后，光线在积分柱120内经过多次反射后，由积分柱120的出射端122离开积分柱120至会聚透镜组116及成像装置118，成像装置118将光线形成一影像光线，最后，通过投影镜头130将影像光线投射至屏幕以显示影像。

而本发明利用在积分柱120与光源112之间设置收光组件150，利用收光组件150其第二端152的截面较第一端151大(即收光组件150的第二端截面较积分柱120的入射端121的截面大)的特点，使原先无法进入积分柱120的入射端121的光线(如图8的光线123)可先由第二端152进入收光组件150内，再通过收光组件150设置的反射面153’反射而导引光线进入积分柱120的入射端121，借以可增加入射在入射端121的光线。且通过反射面153’的反射可改变光线入射在积分柱120的入射端121的角度，使部分由积分柱120的出射端122射出的光线其出射角度可修正在成像装置118的接收角度内，而使这些光线可被成像装置118利用而通过投影镜头130将影像光线投射至屏幕以显示影像，借以提升投影系统100的亮度。相较于传统的美国第6,715,880号专利公开的技术，其需另外将出射端222设计为具有向外扩展的外型才能改变光线的出射角度，本发明仅需采用结构简单的收光组件150加上传统的矩形柱状积分柱或斜面积分柱即可达到，因此，可大大降低生产制造成本。

另外，将本发明的投影系统100(如图6)与未加收光组件150的投影系统(如图1)，利用ASAP软件进行仿真，可得到未加收光组件150时，系统效率(即屏幕上的总亮度值除以光源组的总亮度值)约为38.5％，因此，可证实本发明的收光组件150可有效提升投影系统100的亮度。

另外，当投影系统100为数字光处理(Digital Light Processing，DLP)型投影系统时，如图9所示，在收光组件150与积分柱120之间可放置一由电机160所驱动的色轮162，借由色轮162的滤光以依序提供三原色(即红、绿及蓝)的光线至积分柱120。

请参阅图11，可在收光组件150与积分柱120间设置一偏振转换组件。偏振转换组件包括一偏振分光片180以及一半波片182，以使光线115中的第一极性光(例如：P极光)直接进入积分柱120，而光线中的第二极性光(例如：S极光)先由半波片182转换为第一极性光后再进入积分柱120，使进入积分柱120的光线为偏振后的光线。

请参阅图12，是本发明所公开的收光组件150应用在以液晶显示面板(LCD panel)190为成像装置的投影系统的一实施例，本实施例与上述实施例的不同在于：采用透镜阵列(Lens array)220取代积分柱120、光源组111’包括光源112及抛物型反射罩114’以及具有多个收光组件150。多个收光组件150设在透镜阵列220远离光源组111’的一侧，使透镜阵列220设在光源组111’与收光组件150之间。多个收光组件150排列成阵列并与透镜阵列220相对应。每一收光组件150具有一面向光源组111’的第二端152、一相对于第二端152的第一端151以及至少一连接在第一端151与该第二端152之间的侧面153，每一收光组件150由第二端152至第一端151呈渐缩，收光组件150的侧面153上具有至少一反射面，用来反射射入在收光组件150的部分光线。光源112提供的光线经抛物型反射罩114’的反射后以提供一平行光线至透镜阵列220，经过透镜阵列220将光线均匀化后，通过多个收光组件150将光线作收光后，再入射在一设在收光组件150其远离光源组111’一端的偏振转换组件，偏振转换组件包括多个偏振分光片180以及半波片182，通过偏振转换组件以提供偏振的光线至液晶显示面板190，借由收光组件150的设置以提升投影系统100的亮度。而有关收光组件150的结构及功效与上述实施例相同，故在于不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明所做的均等变化与修饰，均应属本发明的涵盖范围。

Claims (15)

1.一种投影系统，包括：

一照明装置，适于提供一照明光线；

一成像装置，用来接收该照明光线并形成一影像光线；以及

一投影镜头，用来将该影像光线投射至一表面，

其中，所述照明装置包括：

一光源组，用以提供一会聚光线；

一积分柱，具有一入射端以及一出射端，该会聚光线系聚焦在该积分柱的该入射端，该会聚光线由该入射端进入该积分柱，由该出射端离开该积分柱；

一收光组件，设于该光源组与该积分柱之间并位于该会聚光线的光路径上，该收光组件具有一面向该积分柱的第一端、一面向该光源组的第二端以及至少一连接在该第一端与该第二端之间的侧面，该收光组件由该第二端至该第一端呈渐缩，该收光组件的该侧面上具有至少一反射面，用来将射入该收光组件的部分该会聚光线反射至该积分柱的入射端；以及

一会聚透镜组，用来将该积分柱的出射端所射出的该会聚光线进行比例缩放以形成该照明光线。

2.根据权利要求1所述的投影系统，其中该收光组件第二端的截面大于第一端的截面，该侧面倾斜地自该第二端连接至该第一端。

3.根据权利要求1所述的投影系统，其中该收光组件第二端及第一端的截面形状为长方形、半圆形、圆形或八角形。

4.根据权利要求1所述的投影系统，其中该收光组件为一中空结构，且该侧面的内表面镀上高反射材质以形成该反射面。

5.根据权利要求1所述的投影系统，其中该收光组件为一实心结构，且该侧面上镀上反射膜以形成该反射面。

6.根据权利要求1所述的投影系统，其中该成像装置为一数字微镜装置。

7.根据权利要求1所述的投影系统，还包括一色轮设在该收光组件与该积分柱之间。

8.根据权利要求1所述的投影系统，还包括一偏振转换组件，设在该收光组件与该积分柱之间，该偏振转换组件包括一偏振分光片以及一半波片。

9.根据权利要求1所述的投影系统，其中该光源组包括一椭球型反射罩及一设在该反射罩内的光源。

10.根据权利要求1所述的投影系统，其中该光源组包括一抛物型反射罩、一设在该反射罩内的光源及一聚光透镜。

11.根据权利要求1所述的投影系统，其中该积分柱为一柱状积分柱或斜面积分柱。

12.根据权利要求1所述的投影系统，其中该收光组件的第一端与该积分柱的该入射端直接接合，且该第一端的截面与该入射端的截面相同。

13.一种投影系统，包括：

一照明装置；

一成像装置，用来接收该会聚透镜组比例缩放后的光线并形成一影像光线；以及

一投影镜头，用来将该影像光线投射至一表面，

其中，所述照明装置包括：

一光源组，用以提供一平行光线；

一透镜阵列；

多个收光组件，设在该透镜阵列远离该光源组的一侧，该些收光组件排列成一阵列并与该透镜阵列相对应，每一收光组件具有一面向该光源组的第二端、一相对于该第二端的第一端以及至少一连接于该第一端与该第二端的间的侧面，每一收光组件由该第二端至该第一端呈渐缩，该收光组件的该侧面上具有至少一反射面，用来反射射入于该收光组件的部分光线；以及

一会聚透镜组，用来将该收光组件所射出的光线进行比例缩放。

14.根据权利要求13所述的投影系统，其中该成像装置为一液晶显示面板。

15.根据权利要求14所述的投影系统，还包括一偏振转换组件，设在该些收光组件远离该光源组的一端，该偏振转换组件包括多个偏振分光片以及多个半波片。

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