CN1141608C - 用于投影系统中的光通道 - Google Patents

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Abstract

一种用于投影系统的光通道，包括光源装置，用来将光导至光通道内，及成像装置，利用光通道所收集的光线形成图像画面。光通道设于光源装置与成像装置间，且为中空锥形管，其包括入、出光开口。入光开口为设于光通道一端的方形开口，光线经入光开口而引到光通道内。出光开口为设于光通道另一端的方形开口，且出光开口的面积比入光开口的小，光线经出光开口而被引到成像装置。出光开口形状为等比例缩小入光开口的形状，该入光开口的大小与该出光开口的大小比例P为1.1～1.35，以增加光通道集光效率。

Description

用于投影系统中的光通道
技术领域
本发明涉及一种用于投影系统中的光通道，特别是涉及一种中空的锥形光通道。
背景技术
随着光学科技的不断进步，投影装置已广泛地应用于各种场合。一般在设计投影装置时，光线亮度通常是一个重要的考虑因素。概括的说，光线越强，投影的亮度越高，投影的效果也越好。
请参考图1。图1为现有光通道10应用于一投影系统12的示意图。投影系统12包括有一光源装置14，用来产生一光线11并将光线11导引至光通道10内，以及一成像装置16，用来接收光通道10所收集的光线投影至一屏幕13以形成一图像画面。光通道10为一中空的长方体，设于光源装置14与成像装置16之间，用来收集并传导光线11。光通道10包括有一入光开口(entrance pupil)18，以及一出光开口(exit pupil)19。入光开口18用来接收光源装置14所产生的光线11，进入入光开口18的光线11经由出光开口19而被导引至成像装置16。
请参考图2。图2为射入图1入光开口18的光线位置(position)分布图。图2的横轴坐标为图1所示平面15上距入光开口18中心的距离，纵轴坐标为光线强度(intensity)。如图2所示，越接近入光开口18中心的光线强度越强，越远离入光开口18中心的光线强度越弱。而且，并不是所有的光线11都可以被光通道10所收集，距离入光开口18中心较近的光线24会进入光通道10，距离入光开口18中心较远的光线25会溢漏于光通道10之外。
请参考图3。图3为射入图1入光开口18的光线入射角度(angular)分布图。图3的横轴坐标为平面15上光线的入射角度，纵轴坐标为光线强度。如图3所示，传统灯泡光线的入射角集中在18～20度附近，又由于光通道10为均匀的长方体，所以射出出光开口19的光线的射出角度也集中在18～20度。由于位于成像装置16内的光学元件，如液晶面板(LCD)、数字微镜装置(DMD)等，都有入射角度的限制，故射出出光开口19的光线的射出角度不可过大，通常超过30度的光线即无法为液晶面板所调变(modulate)。
请参考图4。图4为另一现有光通道20应用于图1投影系统12的示意图。与光通道10不同的是，光通道20为一锥形体，且光通道20的出光开口23大于入光开口23，其目的在于缩小光线的射出角度。
一般在设计光通道10、20时，必须在不使光线射出角度过大的前提下，尽量使溢漏于光通道10、20外的光线25减少，以达成提高集光效率，增强光线亮度的目的。然而，由于现有光通道10、20的入光开口18、22等于或小于出光开口19、23，所以在不考虑增加光通道10、20体积的情形下，溢漏于光通道10、20外的光线25通常相当多。尤其，若使用电弧长度较长的电弧灯作为光源时，虽然如图3所示的光线入射角度可较小，但同时如图2所示的光线位置分布图也会趋于平缓，导致溢漏于光通道10、20之外的光线增加，集光效率更加不尽理想。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于投影系统中的光通道，其出光开口的形状为等比例缩小入光开口的形状，以增加集光效率，改善上述缺点。
本发明的目的是这样实现的，即提供一种用于投影系统的光通道，该投影系统包括有一光源装置，用来产生一光线并将该光线导引至该光通道内，以及一成像装置，用来利用该光通道所收集的光线以形成一图像画面，该光通道设于该光源装置与该成像装置之间，且为一中空的锥形(taper-shape)管，该光通道包括有：
四梯形平板，每一梯形平板包括有一上边、一下边以及两侧边，该四梯形平板的侧边相互连接，并因此而形成该光通道；
一入光开口(entrance pupil)，位于该光通道的一端且由该四梯形平板的四下边所形成，该光源装置产生的光线经由该入光开口而被导引至该光通道内；以及
一出光开口(exit pupil)，位于该光通道的另一端且由该四梯形平板的四上边所形成，该光通道收集的光线经由该出光开口而被导引至该成像装置；
其中该出光开口的面积小于该入光开口的面积，且该出光开口的形状为等比例缩小该入光开口的形状，该入光开口的大小与该出光开口的大小比例P为1.1～1.35，以增加该光通道的集光效率。
附图说明
下面结合附图，详细说明本发明的实施例，其中：
图1为现有光通道应用于一投影系统的示意图；
图2为射入图1入光开口的光线位置分布图；
图3为射入图1入光开口的光线入射角度分布图；
图4为另一现有光通道应用于图1投影系统的示意图；
图5为本发明光通道应用于一投影系统的示意图；
图6为图5所示光通道的外视图；
图7为射入图5入光开口的光线位置分布图；
图8为射入图5入光开口的光线入射角度分布图；
图9为射出图5光通道的光线的射出角度分布图；
图10为射出图5光通道的光线强度相对于开口比例的分布图；
图11为图5光通道与图1光通道相比的集光效率改善示意图。
具体实施方式
请参考图5。图5为本发明的光通道40应用于一投影系统42的示意图。投影系统42包括有一光源装置44，用来产生一光线46并将光线46导引至光通道40内，以及一成像装置48，用来利用光通道40所收集的光线46投影至一屏幕64以形成一图像画面。光通道40设置于光源装置44与成像装置48之间，投影系统42可为一投影机或一液晶显示器(liquid crystal display，LCD)。
如图5所示，光源装置44包括有一电弧灯(arc lamp)54，用来产生光线46，以及一集光装置(collector means)56，为一半椭圆形的灯罩，用来集中电弧灯54所产生的光线46，并将光线46导引至光通道40内。电弧灯54为一长电弧的超高压汞灯(Ushio，150W，NSH150)，其电弧55的长度约为1.8mm。
成像装置48包括有一显示面板(display panel)58设置于一成像路径61上，多个光学透镜(optic lens)60A、60B、60C设于光通道40与显示面板58之间，用来将光通道40所收集的光线46导引至显示面板58上以形成图像画面，以及一投影透镜(projection lens)62，设于显示面板58以及屏幕64之间，用来将图像画面投影至屏幕64上。
请参考图6。图6为图5所示光通道40的外视图。光通道40为一中空的锥形(taper-shape)管，其由四梯形平板62所构成。每一梯形平板62包括有一上边62A、一下边62B以及两侧边62C，四梯形平板62的侧边62C相互连接，并因此而形成光通道40。光通道40另包括有四反射壁(reflectorwall；coat mirror)49，分别设于四梯形平板62的内侧面，用来将光线46以反射的方式导引至成像装置48。反射壁49可吸收光线46中的红外线，并反射光线46中的可见光。
如图5所示，光通道40包括有一入光开口(entrance pupil)50，以及一出光开口(exit pupil)52。入光开口50为设于光通道40一端的方形开口，其由四梯形平板62的四下边62B所形成。出光开口52为设于光通道40另一端的方形开口，其由四梯形平板62的四上边62A所形成。光源装置44产生的光线46经由入光开口50而被导引至光通道40内，光通道40所收集的光线46经由出光开口52而被导引至成像装置48。光通道40出光开口52的面积小于入光开口50的面积，且出光开口52的形状为等比例缩小入光开口50的形状。入光开口50的大小与出光开口52的大小比值定义为一开口比例P。在本实施例中，光通道40的长度为25mm，入光开口50的长宽比以及出光开口52的长宽比为4/3或16/9，光通道40的开口比例P约为1.25～1.35。
请参考图7。图7为射入图5入光开口50的光线位置分布图。与图2类似，图7的横轴坐标为平面51A上离入光开口50中心的距离，纵轴坐标为光线强度。如图7所示，由于本发明光通道40的入光开口50大于出光开口52，且出光开口52的形状为等比例缩小入光开口50的形状，故与图2相比，虽然电弧灯54的光线位置分布较为平缓，本发明光通道40可接收的光线66仍较多，而溢漏的光线67则较少，集光效率因而得以提高。
请参考图8。图8为射入图5入光开口50的光线入射角度分布图。与图3类似，图8的横轴坐标为平面51A上光线的入射角度，纵轴坐标为光线强度。如图8所示，由于本实施例所使用的光源为一长电弧的超高压汞灯(Ushio，150W，NSH150)，故光线的入射角集中在10～14度。
请参考图9。图9为射出图5光通道40的光线射出角度分布图。图9的横轴坐标为平面51B上光线的射出角度，纵轴坐标为光线强度。如图9所示，光线的射出角集中在β。β虽大于14度，但距离30度仍远，故仍可满足显示面板58入射角度的限制。
请参考图10。图10为射出图5光通道40的光线强度相对于开口比例P的分布图。图7显示经由光学模拟软件模拟本发明光通道40的结果，其横轴坐标为开口比例P，即入光开口50大小与出光开口52大小的比值，纵轴坐标为射出光通道40的有效光线的强度。开口比例P越大，光通道40所能收集的光线越多，射出光通道40的光线强度越强。然而，开口比例P也不能无限制的扩大，否则射出光通道40的光线射出角度可能过大，而无法为显示面板58所调变。如图6所示，当开口比例P约为1.25～1.35时，射出光通道40的有效光线强度最强，光通道40可具有最佳的集光效率。
请参考图11。图11为图5光通道40相比较于图1光通道10的集光效率改善示意图。图11的横轴坐标为开口比例P，纵轴坐标为射出光通道40的光线强度相比较于射出光通道10的光线强度的改善百分率，即集光效率改善百分率。如图11所示，当开口比例P到达1.1时，即有显著约4％的效率增加效果，而当开口比例P为1.25～1.35时，本发明光通道40的光线强度更可比现有光通道10多出6～7％，由此可知本发明光通道40的集光效率要优于现有光通道10。
此外，上述实施例光通道40以光通道40的长度为25mm、电弧灯54的电弧长度为1.8mm为例，事实上，只要知道光源特性、集光装置种类、光通道长度、电弧长度等，即可依本发明的结构计算出最佳的开口比值P，以获得最佳的集光效率。与现有的光通道10、20相比，本发明光通道40由四梯形平板62所构成，其出光开口52的面积小于入光开口50的面积，且出光开口52的形状为等比例缩小入光开口50的形状，故可在有限的空间中，增加光通道40集光效率。且由光学模拟软件所得的最佳化设计结果可知，本发明光通道40的射出光线的强度比现有的光通道10高，即说明了本发明具有提高集光效率的功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种用于投影系统的光通道，该投影系统包括有一光源装置，用来产生一光线并将该光线导引至该光通道内，以及一成像装置，用来利用该光通道所收集的光线以形成一图像画面，该光通道设于该光源装置与该成像装置之间，且为一中空的锥形管，该光通道包括有：
四梯形平板，每一梯形平板包括有一上边、一下边以及两侧边，该四梯形平板的侧边相互连接，并因此而形成该光通道；
一入光开口，位于该光通道的一端且由该四梯形平板的四下边所形成，该光源装置产生的光线经由该入光开口而被导引至该光通道内；以及
一出光开口，位于该光通道的另一端且由该四梯形平板的四上边所形成，该光通道收集的光线经由该出光开口而被导引至该成像装置；
其中该出光开口的面积小于该入光开口的面积，且该出光开口的形状为等比例缩小该入光开口的形状，该入光开口的大小与该出光开口的大小比例P为1.1～1.35，以增加该光通道的集光效率。
2.如权利要求1所述的光通道，其中该入光开口的长宽比以及该出光开口的长宽比为4/3。
3.如权利要求1所述的光通道，其中该入光开口的长宽比以及该出光开口的长宽比为16/9。
4.如权利要求1所述的光通道，其另包括有四反射壁(reflector wall)分别设于该四梯形平板的内侧面，用来反射该光线中的可见光。
5.如权利要求1所述的光通道，其中该投影系统的光源装置包括有：
一电弧灯，用来产生该光线；以及
一集光装置，用来集中该电弧灯所产生的光线，并将该光线导引至该入光开口内。
6.如权利要求5所述的光通道，其中该电弧灯的电弧长度为1.8mm。
7.如权利要求6所述的光通道，其中该光通道的长度为25mm。
8.如权利要求1所述的光通道，其中该投影系统的成像装置包括有：一显示面板，设置于一成像路径上；
多个光学透镜，设于该光通道与该显示面板之间，用来将该光通道所收集的光线导引至该显示面板上，以形成该图像画面；以及
一投影透镜，设于该显示面板以及一屏幕之间，用来将该图像画面投影至该屏幕上。
9.如权利要求1所述的光通道，其中该投影系统为一投影机或一液晶显示器。
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