CN1800966A - 双灯照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于投影照明系统的双灯照明系统。双灯照明系统包括第一照明模块，第二照明模块，光束折射单元，和光线匀化器。第一照明模块和第二照明模块分别包括光源，以及具有反射层的椭圆形灯罩。每个光源分别产生一光束，光束包括聚集的光线。各光束具有[－P，+Q]度的角度分布，P和Q以30较佳。光束折射单元至少反射来自第一照明模块和第二照明模块的光束其中之一，并聚集光束形成一组合光束。光线匀化器接着用以匀化组合光束。本发明特别应用在投影显示系统时，可达到比单灯照明系统多出1.5－1.7倍的输出率。

Description

双灯照明系统

技术领域

本发明涉及一种照明系统，特别是涉及一种双灯照明系统。

背景技术

投影系统具有广泛的应用范围。传统的投影系统使用椭圆灯(arc lamp)产生光束。光束经过色转轮(color wheel)过滤成红、绿、蓝原色。过滤出来的光束则依序被导向一光信道(light pipe)，用以修正光的强度分布使其更为均匀。

来自光信道的光束接着由光学传播装置，例如凸透镜和镜子，传送到数字微型反射镜元件(digital micro-mirror device，DMD)。数字微型反射镜元件包括有数个微镜，可经由排列选择性地反射光束到投影镜片组产生影像光，或是用以阻挡光束穿透投影镜片组。来自投影镜片组的光束接着被投射到显示屏上，因而产生影像。

然而，传统投影系统使用的椭圆灯通常不能达到足够的功率。亦即，低流明使得投射在显示屏上的影像偏暗。因此，如何增加功率乃当今重要的课题。

发明内容

因此本发明的目的为提供一种适用于投影系统，具有高效能的双灯照明系统。因此显示屏可以接收较高功率显示出比较亮的影像。

本发明通过一适用于投影显示系统的双灯照明系统达成上述目的。双灯照明系统包括第一照明模块、第二照明模块、光束折射单元，以及光线匀化器(light homogenizer)。第一和第二照明模块分别包括有光源和具有反射层的椭圆形灯罩。各光源系用以产生具有[-P，+Q]角度分布的光束。光束进而包括多个聚集光线，其中P和Q以30°为佳。光束折射单元置放于第一照明模块和第二照明模块的光束的路径上。光束折射单元至少反射分别来自第一照明模块和第二照明模块的光束之一，并且结合来自第一照明模块及第二照明模块的光束以形成一组合光束。而光线匀化器接着用以匀化组合光束。

第一照明模块和第二照明模块分别可进一步包括光束扩大器，用以分别减少第一照明模块和第二照明模块的光源产生的光束的角度分布范围，使其实质上不小于[-P/3，Q/3]度并且实质上不大于[-2P/3，2Q/3]度。第一照明模块和第二照明模块的光源以椭圆灯或背镜灯来建构较佳。双灯照明系统可进一步包括光束集中器，用以在组合光束进入光线匀化器之前将其接收。

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1为本发明实施例一的一种双灯照明系统示意图；

图2A和图2B为以两个例子绘示当棱镜角度以及组合光束MB的角度分布改变造成的影响的示意图；

图3为本发明图1的实施例一的投影显示系统500，包括有双灯照明系统100；

图4为图3的组合光束MB”在不同角度分布下远场的流明度图；

图5A和图5B分别为矩形光通道和逐渐收窄的光通道的尺寸大小图；

图6为本发明实施例二绘示一种双灯照明系统示意图；

图7为本发明实施例三绘示一种双灯照明系统示意图；

图8为图7中棱镜820的放大图；

图9为本发明实施例四的一种双灯照明系统示意图。

表1为描述光束OB1与光束OB2不同角度变化下的模拟结果。

主要元件符号说明：

100：双灯照明系统

110(1)、110(2)：第一照明模块、第二照明模块

112(1)、112(2)：具有反光层的椭圆形灯罩

114(1)、114(2)：光源

120：光束折射单元

122、124：第一反射面、第二反射面

130：光线匀化器

500：投影显示系统

540：光学传播装置

550：光线调节装置

560：投影镜片组

570：投影屏幕

710(1)、710(2)：第一照明模块、第二照明模块

712(1)、712(2)：反射灯罩

714(1)、714(2)：光源

718(1)、718(2)：扩散镜片组

800：双灯照明系统

810(1)、810(2)：双灯照明系统

820：全内反射棱镜

822：棱镜表面

840：光束聚集器

1000：双灯照明系统

1010(1)、1010(2)：第一照明模块、第二照明模块

1014(1)、1014(2)：椭圆灯

1016(1)、1016(2)：扩散透镜组

FP：焦点平面

L1、W1：矩形光通道的长边、宽边

L2、W2：逐渐收窄的矩形光通道入口的长边、宽边

L3、W3：逐渐收窄的矩形光通道出口的长边、宽边

MB：组合光束

MB’：经过光学传播装置的组合光束

MB”：经数字微型反射镜元件调节后的组合光束

OB1、OB2：光束

OB1’、OB2’：经过扩散镜片组前的光束

OB1”、OB2”：经过扩散镜片组后的光束

α：光束折射单元的顶角

β、γ：全内反射棱镜的角度

-P°、+Q°：角度

具体实施方式

实施例一

图1绘示依照本发明一较佳实施例的一种双灯照明系统的示意图。双灯照明系统100乃应用于投影显示系统，以及包括第一照明模块110(1)以及第二照明模块110(2)、光束折射单元120以及光线匀化器130。第一和第二照明模块110(1)和110(2)分别面对光束折射单元120的左边和右边。第一照明模块110(1)和第二照明模块110(2)分别包括光源114(1)和114(2)，以及具有反射层的椭圆形灯罩112(1)和112(2)。光源114(1)和光源114(2)分别用以产生光束OB1和光束OB2，两者都由光线聚集而成。产生的光束OB1和OB2接着朝向光束折射单元120传播，每道光束具有[-P，+Q]度的角度分布，P、Q为实数。光束折射单元120，置放在第一照明模块110(1)和第二照明模块110(2)分别产生的光束OB1和OB2的路径上，将来自光源114(1)和114(2)的光束OB1和OB2导向光线匀化器130。经过导向的光束聚集在焦点平面FP上，在此称为“近场”(相对于光束聚集于投影显示系统的投影幕，称为“远场”)。焦点平面FP位于光线匀化器130的入口处为佳。经过导向的光束聚集形成一组合光束MB。

光线匀化器130，以矩形光通道为佳，接着匀化组合光束MB，并且调整组合光束的光束强度分布。也就是说，由于照明模块的灯罩112(1)以及112(2)是椭圆形，因此光束OB1以及光束OB2的光强度分布为圆形。因此，光线匀化器130，除了匀化光束外，也用来转换圆形的光强度分布成为矩形的光强度分布。如此一来当双灯照明系统100用在一投影系统时，光源114(1)和114(2)产生的光束OB1和OB2得以传送并照亮数字微型反射镜元件DMD的矩形镜片(panel)。

举例来说，第一照明模块110(1)和110(2)的光源114(1)和114(2)是由背镜灯建构而成。背镜灯是在灯口前端具有反射层的椭圆灯。背镜灯的角度分布大约在15度左右。第一照明模块110(1)和第二照明模块110(2)使用背镜灯产生的光束OB1和OB2的角度分布一般约在[-15，+15]度之间。在本例中，P和Q值实质上等于15。

此外，第一和第二照明模块110(1)和110(2)，产生的光束OB1和OB2的角度分布并不限制在[-15，+15]度的范围内。本实施例中，当第一和第二照明模块110(1)和110(2)产生的光束OB1和OB2的角度分布，在不小于[-10，+10]度以及不大于[-20，+20]度的范围内时，仍可达成目的。

举例来说，光束折射单元120可以是一个棱镜。如图1所示，棱镜120具有一第一反射面122以及第二反射面124，分别面对第一照明模块110(1)以及第二照明模块110(2)，用以将来自第一与第二照明模块110(1)与110(2)的光束OB1与OB2朝向光线匀化器130反射，以形成一组合光束。棱镜120具有一顶角α，由第一反射面和第二反射面交会所形成。该顶角α实质上可在90度到110度的范围内变化。

表1描述的是使用不同的光束(OB1和OB2)角度分布以及不同的棱镜120顶角，施用于实施例一中的双灯照明系统所达成的仿真结果图。在模拟中，来自第一和第二照明模块110(1)和110(2)的光束OB1和OB2的角度分布都在[-10，10]度、[-13．42，13.42]度、[-20，20]度或[-15，15]度的角度范围内。如表1所示，棱镜120的顶角α不小于90度并且不大于110度。组合光束MB在进入光线匀化器130时的角度分布，受限于顶角的角度大小。

参考图2A，其所绘示的是当棱镜角度为90度，而且来自第二照明模块110(2)的光束OB2，相对于X轴的角度分布(假设光束OB2的中央光线平行于X轴)为[-15，15]度时(表1的第10例)，所形成的组合光束MB角度分布示意图。进入光通道130的反射光束具有相对于Z轴[-15，15]度范围的角度分布(假设光信道130的中央轴线平行于Z轴)。因此，在进入光通道130时，反射光束中的光线，相对于Z轴的最大角度是15度(也就是0+15)，或-15度。相对地，在进入光通道130时，反射光束OB1中的光线，所具有相对于Z轴的最大角度也是15度或-15度。因此，组合光束MB的角度分布为[-15，15]度。参考图2B，当棱镜顶角角度为105度，且来自第二光学模块110(2)的光束OB2的角度分布范围，相对于x轴为[-15，15]度时(表1的第11例)，组合光束MB的角度分布如图所示。顶角α额外增加的15度(105度-90度)，使的反射光束OB2进入光通道130时，光束中光线的入射角相对于Z轴增加了15度。因此，反射光束OB2中的入射光线相对于Z轴系介于0度到30度之间，导致当进入光通道130时，反射光束OB2相对于Z轴增加到30度(也就是15度+15度)。相对地，当进入光通道130时，反射光束OB 1中光线相对于Z轴的最大角度为-30度。因此，组合光束MB的角度分布为[-30，30]度。

因此，依照表1模拟结果显示，当双照明灯系统100采用的光束折射单元为棱镜120时，只要棱镜角度介于90到110度之间，并且第一照明模块110(1)和第二照明模块110(2)所输出的光束OB1和OB2的角度分布不小于[-10，10]度且不大于[-20，20]度，光束OB1以及光束OB2合并形成的组合光束MB的角度分布便可落于数字微型反射镜元件所限制的范围内([-30，30]度)。

图3绘示一种投影显示系统500的示意图，应用图1实施例中的双灯照明系统100。投影显示系统500包括有双灯照明系统100，一组光学传播装置540，一光线调节装置550，投影镜片组560以及投影屏幕570。在组合光束MB经由光线匀化器130匀化后，在光线匀化器出口转变成为矩形分布。光学传播装置，举例来说，可包括有聚集镜片组540(1)以及全内反射棱镜540(2)，用来将组合光束MB从光线匀化器130传递到光线调节装置550。光线调节装置550，举例来说，为一种数字微型反射镜元件(DMD)，经由光学传播装置540接收来自光线匀化器130的组合光束MB’。数字微镜装置550的镜片安排成可以选择性地将组合光束MB’反射到投影镜片组560，或是阻挡组合光束穿过投影镜片组560到达投影屏幕570。在数字微型反射镜元件550调节来自光线匀化器130传来的组合光束MB’后，调节过的光束MB”接着经由投影镜片组560投射到投影屏幕570上，因而产生影像。

调节过的光束MB”聚焦于投影屏幕570称为位于“远场”。图4绘示当施加一矩形光通道130时，图3中组合光束MB”的远场角度分布与流明度的关系图。横轴表示角度分布，单位为度；纵轴表示组合光束的流明度，单位为流明/球面度(lumens/steradian)。调节过的光束MB”有一X方向的角度分布，大约在[-30，30]度，及一Y方向的角度分布，大约在[-15，+15]度。本图绘示的是光信道为一矩形信道所产生的角度分布结果，光通道的入口宽边等于其出口宽边(W1)，而入口长边也等于出口长边(L1)，如图5A所示。为了增加调节后的光束MB”在Y方向的角度分布，从大约[-15，15]度到大约[-30，30]度，光线匀化器采用逐渐收窄的矩形通道，如图5B所示。逐渐收窄的矩形通道的入口的长边(L2)，沿着垂直于光束OB1与OB2以及图1中组合光束MB的方向(例如，Y方向)，实质上约为逐渐收窄的矩形通道出口长边(L3)的两倍，如图5B所示。然而，操作上并不限于此，只要长边L3较长边L2小，调节后的光束MB”在Y方向的角度分布就可有效增加。举例来说，一逐渐收窄的矩形通道的入口宽边W2跟长边L2，分别为8.5mm×8.5mm；而逐渐收窄的矩形通道出口宽边W2和长边L3的尺寸为了生产考量可以为8.5mm×6.5mm。因此，通过增加光线匀化器130入口的长度，Y方向的角度分布可以从[-15，+15]度增加到[-30，+30]度。

实施例二

参考图6，根据本发明实施例二绘示一种双灯照明系统的示意图。在图6中，照明模块712(1)和712(2)为椭圆灯。在实施例二中使用椭圆灯，第一和第二照明模块712(1)和712(2)更分别包括扩散镜片组718(1)和718(2)，反射灯罩712(1)和712(2)设计成可以让各自的光源714(1)和714(2)产生的光束OB1和OB2具有[-P，+Q]度的角度分布，P、Q为30。为了使第一和第二照明模块710(1)和710(2)产生具有角度分布[-15，+15]度的光束，扩散镜片组718(1)和718(2)分别置放于来自光源714(1)和714(2)的光束OB1’和OB2’的路径上，以减少光束的角度分布，使其成为不小于[-P/3，Q/3]，并且不大于[-2P/3，2Q/3]的光束OB1”和OB2”。假设当P和Q等于30，光束OB1”和OB2”的角度分布减小为三分之一到三分之二，变成[-10，10]度到[-20，20]度。使得当光束OB1”和OB2”聚集在一起时，产生的组合光束MB”从光线匀化器130出来时不会超过(overfill)数字微型反射镜元件的镜片范围。

实施例三

参考图7，根据本发明实施例三绘示一种双灯照明系统的示意图。图8绘示棱镜820的放大图。第一和第二照明模块810(1)和810(2)分别面对光束折射单元的右面跟前面，第一和第二照明模块810(1)和810(2)由背镜灯建构而成。光束折射单元可以由全内反射棱镜820建构完成。来自第一照明模块810(1)和810(2)的光束OB1和OB2的传播方向实质上彼此互相垂直。全内反射棱镜820的表面822将来自第一照明模块810(1)的光束OB1全反射到光线匀化器130；而从第二照明模块810(2)来的光束OB2，穿过表面822朝光线匀化器130传播。也就是说，当光线入射角大于全内反射棱镜820的表面822的临界角时，会穿过表面812而不会全反射。举例来说，为达到有效的光输出率(throughput)，全内反射棱镜设计成角度β为99．25度，而γ为32度。双灯照明系统800更进一步包括有光束聚集器840，用以在组合光束MB进入光线匀化器130之前，聚集来自全内反射棱镜820的组合光束，并调整组合光束MB的角度分布到所需要结果，例如[-30，+30]度。

较佳地，第一与第二照明模块810(1)与810(2)产生的光束OB1以及OB2各自的角度分布不小于[-10，+10]度并且不大于[-20，+20]度。

实施例四

参考图9，绘示根据本发明实施例四的一种双灯照明系统的示意图。在本实施例中，第一与第二照明模块1010(1)和1010(2)包括椭圆灯1014(1)和1014(2)。针对椭圆灯通常产生具有[-30，+30]度角度分布的光束OB1和OB2，因此，利用扩散镜片组1016(1)和1016(2)，配置在光束OB1和OB2聚焦于位于光线匀化器130入口的焦点平面FP之前，以将角度分布从[-30，+30]度减少到[-15，+15]度。图7中的背镜灯810(1)和810(2)可以分别用椭圆灯1014(1)和扩散透镜组1016(1)，以及椭圆灯1014(2)和扩散透镜组1016(2)来取代。

因此，综上所述，通过使用双灯照明模块产生光束并聚集以形成组合光束，接着传送到数字微型反射镜元件的镜片上，产生的输出率比单灯系统多出1.5到1.7倍。除此之外，利用聚集透镜组以及扩大透镜组，本发明的实施例可有效避免光束超出(overfill)数字微型反射镜元件的镜片范围的情形发生。

综上所述，虽然结合以上一较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的为准。

表1

范例	照明模块的角度分布	棱镜尖角	最大角度
				1	[-10，10]	90	0+10
2	[-10，10]	100	10+10
				3	[-10，10]	105	15+10
4	[-10，10]	110	20+10
				5	[-13.42，13.42]	90	0+13.42
6	[-13.42，13.42]	105	15+13.42
				7	[-20，20]	90	0+20
8	[-20，20]	100	10+20
				9	[-20，20]	105	15+20
10	[-15，15]	90	0+15
				11	[-15，15]	105	15+15

Claims (13)

1.一种适用于投影显示系统的双灯照明系统，包括：

一第一照明模块以及一第二照明模块，分别包括一光源以及一具有反射层的一椭圆形灯罩，各该光源产生一光束，该光束包括数道聚集光线，各该光束具有[-P，+Q]范围的角度分布，P，Q都为实数；

一光束折射单元，置放于该第一照明模块以及该第二照明模块的光束路径上，其中，该第一照明模块与该第二照明模块分别面对该光束折射单元的不同面，该光学折射单元至少反射来自该第一照明模块与该第二照明模块的该光束其中之一，并且将来自该第一照明模块与该第二照明模块的该光束合成一组合光束；以及

一光线匀化器(light homogenizer)，用以匀化该组合光束。

2.如权利要求1所述的双灯照明系统，其中P和Q实值上等于30，该第一照明模块以及该第二照明模块分别包括：

一光束扩散器，用以减少该第一照明模块与该第二照明模块的该光源所产生的该角度分布，使该角度分布实质上不小于[-P/3，Q/3]度，并且实质上不大于[-2P/3，2Q/3]度。

3.如权利要求2所述的双灯照明系统，其中该第一照明模块与该第二照明模块的该光源为椭圆灯。

4.如权利要求1所述的双灯照明系统，其中P和Q实质上不小于l0并且实质上不大于20。

5.如权利要求4所述的双灯照明系统，其中该第一照明模块与该第二照明模块的该光源为背镜灯(back mirror lamps)。

6.如权利要求5所述的双灯照明系统，其中P和Q实质上等于15。

7.如权利要求1所述的双灯照明系统，其中该组合光束聚集于一焦点，该光线匀化器包括一入口，其中该焦点位于该光线匀化器的该入口。

8.如权利要求1所述的双灯照明系统，其中该光束折射单元包括一棱镜，该棱镜包括一第一反射面及一第二反射面，该第一反射面与该第二反射面分别面对该第一照明模块与该第二照明模块，分别用以反射来自该第一照明模块与该第二照明模块的光束，以形成该组合光束射向该光线匀化器。

9.如权利要求8所述的双灯照明系统，其中该第一反射面和该第二反射面交叉形成一顶角，该顶角实质上不小于90度并且实质上不大于110度，来自该第一照明模块与该第二照明模块的该光束的该角度分布实质上都不小于10度并且实质上都不大于20度。

10.如权利要求9所述的双灯照明系统，其中该光线匀化器为一逐渐收窄的矩形通道，该逐渐收窄的矩形通道包括一入口及一出口，该入口及该出口各具有长边及短边，该入口的该长边垂直于该光束与该组合光束的行径方向，该入口的该长边之长度实质上为该出口的该长边的长度的两倍，而该出口的宽边的宽度实质上与该入口的该宽边的宽度相同。

11.如权利要求1所述的双灯照明系统，其中，该光线折射单元包括：

一全内反射(total internal reflection)棱镜，其中，来自该第一照明模块与该第二照明模块的该光束在进入该全内反射棱镜之前，其传播方向实质上为互相垂直，该全内反射棱镜的一表面全反射来自该第一照明模块的该光束使其传播至该光线匀化器，而来自该第二照明模块的该光束是通过该表面而传播至该光线匀化器。

12.如权利要求11所述的双灯照明系统，其中该系统进一步包括一光束集中器，在该组合光束进入该光线匀化器的前接收来自该光束折射单元的该组合光束。

13.如权利要求12所述的双灯照明系统，其中该光线匀化器为一矩形光通道。

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