TW407215B - Optical illumination apparatus and the projective system comprising said apparatus - Google Patents

Description

五 、發明說明（1) 本發明係有關於一種光學昭 ' 影系統。其中，前述光學裝J包含此裝置的投 光學照明裂置，其光源。前述投影褒置包括前述 顯示板，如液晶顯示：f #的輻射光束會均句的照射在 束和液晶顯示板-樣均為長顯不板垂直於主軸，此光 要是影K射L置4”，投影震置’其主 、， ，門7、丄ό又少 ，々、^ "人时，狄mj 1罜尚 頻遏即可。後來，為了彩色顯示，影像顯示裝置需包括__ 種顏^的頻道’且在每一頻道上設置一顯示面板，以分別 顯不二原色’紅、綠、藍。在影像顯示裝釁的一端可包括 一穿透式的投影螢幕，此投衫螢幕可被設置在距離影像顯 置包括:頻道或三原色頻道。纟先前技術t，影像顯示 面板可為早色或是在其上設f一顏色濾波器，故而僅需單 頻道即可〇後來，為顏示，影後 示裝置一特定長度的位置上。當然，投影螢幕亦可為反射 式的投影螢幕’例如具有適當反射率的牆壁。 市場上的某些投影電視包括了照明裝置，用以照射液 晶顯示面板。在已知的照明裝置中，所使用的反射器為球 形反射器，在其球心設置有光源，光線在經反射器反射 後’由聚焦透鏡聚焦並投射炱面板上。此種照明裝置提供 一圓形截面的光束，然而顯系面板卻是具有寬度與尚度比 (對角比，例如4 : 3)的矩形。為了使光束可完全照射到顯

407215 五、發明說明（2) 一 ----- 示面板，光束的直獲d至少需為 d = (b2 + h2)丨/2 其中，b為寬度；h為高度。且 的中心點重人。付於顏4且先束的中心點須與面板 .. . ° {於頌不面板矩形外部的照明光束則被阻 隔掉，未經由顯示面板而被投射至螢幕上。！= 輻射光源所提供的《束在纟巾心、4具#較其邊緣 的直 度，所以其照射顯示面板的強度分布不均^。、’处' 習知的光學照明裝置有利用複數 :美：專利第5，m，184號所揭露者，以避免前二;二 ^缺點。請參閱幻圖’此種照明裝置包括：燈則；’反 射鏡2，透鏡3、8;第一透鐘柘4 # , 反 月笛-令“c 板其包含複數個第一透鏡 ’及第-透鏡板6 ’其包含複數個第二透鏡7， 鏡二數目正比於第一透鏡5的數目。由於經過第一第 4'苐二透鏡板6後，光束的強度會重新分布戶斤以此 ::供液晶顯不面板9極佳的光均勻度。然而，此一二 裝置仍然具有製作困難、昂眚， 有鑑於此，本發明之主要目g、^又過長等缺點。 α ^ 要目的即在於提供一種光學昭 :裝置”含此裝置的投影系統，其適用於長方形的液'晶 板：面ί二ί :Ϊ置所提供的光線大多投射於液晶顯示面 面，而且其強度分布極為均勻。 戴 本發明基本上是一個照明光學 分器，用以自光源接收光通量，人^ 予積 的千面先源。以光學積分器為—矩形柱狀㈣反射^

407215 五、發明說明（3) 分器’其被設置在 分器的輸出面與顯 設置一透鏡，用以 分器的輸出平面與 的虛像形成在光源 内部反射式積分器 虛像的共軛像被形 根據本發明之 積分器之出射面與 示面板上的高均勻 中的照明光學裝置 少元件的數目，故 以降低製作的成本 照明光學裝置相同 本發明之另一 括：一照明裝置； 用以產生將被投射 像投射至螢幕上。 以及用以將光源虛 光瞳之透鏡是被設 路徑上。 包括該照明裝 影像投射系統，其 色的頻道中均具有 極靠近 示面板 使光垂 顯示面 垂直於 的輸入 成於延 架構， 顯示面 度照明 。再者 而可以 ，另外 的效率 光源處 之間， 直進入 板間形 光抽的 面。同 像透鏡 使用内 板間的 ，其適 ，使用 簡化裝 又可得 ° 一延 另外在 面板。 成光學 平面上 時，經 和顯示 部反射 良好匹 用於運 内部反 置的架 到與使 像透鏡被 顯示面板 再者，最 共輛的關 ’其靠近 由延像透 面板之間 式積分器 配，且可 用在影像 射式積分 構’如此 用蠅眼式 設置在積 之前可再 好光學積 係。光源 矩形柱狀 鏡，這些 〇 造成光學 得到在顯 投射系統 器可以減 一方面可 積分器的 目的在於提出 一顯示裝置， 的影像；及一 此一系統的特 輛像成 近顯示 像之共 置在靠 一種影像投射系統，其包 具有至少一個顯示面板， 投射透鏡裝置，用以將影 徵在於上述的照明裝置， 像在投射透鏡裝置的入射 面板的前面或後面的光學 置的影像投射系統之一實施例為一彩色 具有分別用於三原色的頻道，每一種顏 一個別的顯示面板。此系統的特徵在於

407215 五、發明說明' - ~~— -----— 其包括一照明裝置，用以經由分色裝置，提供個別的 給二個不同顏色的頻道。 | 為了更進一步的說明本發明之架構、特徵及優 配合附圖說明較佳實施例如下，其中： 第1圖係續·示一習知的影像投影系統之架構的圖式。 第2圖係繪示本發明之一實施例的架構盘盆光學 _ 之圖式。 、僅 第3圖係繪示第2圖之實施例中所使用的矩形柱狀内部 反射式積分器的一實施例之透視圖。 °

第4圖係繪示第3圖所示之矩形柱狀内部反射式積分 的光學路徑之圖式。 D 第5圖係繪示由第3圖所示之矩形柱狀内部反射式積分 器所形成的平面光源的光源成像分布之圖式。 第6圖係繪示第2圖之實施例中所使用的矩形柱狀内部 反射式積分器的另一實施例之透視圖。 第7圖係緣示第6圖所示之矩形柱狀内部反射式積分器 的光學路徑之圖式。 參考標號之說明 1〜燈泡，2〜球面反射鏡；3、8~透鏡；4~第一透鏡 板；6〜第二透鏡板；9〜液晶顯示面板；3 0 ~照明光學裝 置；31~燈泡；32〜球面反射鏡；33~矩形柱狀内部反射式 積分器；35〜中空矩形柱狀内部反射式積分器；40〜顯示裝 置；41、43〜透鏡；42〜顯示面板；51延像透鏡；52〜投射 透鏡裝置。

C:\path\0338-3079-E. ptd 第8頁 407215 五、發明說明（5) 實施例之說明 昭 所需之矩形平面光 請參閱第2圖，本發明之影像投射系 明光學裝置30 ’用以提供影像投射系統 源；-顯示裝置40 ’具有至少一個液晶顯示面板 生將被投射的影像；一延像透鏡51 ;及一投射透鏡裂乂產 52，例如-投影物鏡1以將前述顯示|置所產 投射到螢幕上。 v 1豕 上述影像技射系統之特徵在於前述照明光學裝置3 〇係 包括：一燈泡31，相對於顯示面板42順向及逆向地發射出 光線，一球面反射鏡32，相對於顯示面板42，設置在前述 燈泡3 1的後方’用以收集逆向發射的光線，並且形成燈泡 31的實像’此實像經由前述燈泡31旁邊射向顯示面板42 \ 一矩形柱狀内部反射式積分器33，用以接收由前述燈泡31 發射出的順向光及經前述球面反射鏡32反射的逆向光，藉 以形成包括複數個光源的像之平面光源。上述燈泡為具有 燈絲的燈泡’至於不具有燈絲的燈泡，例如弧光燈泡，則 其發光中心則係置於反射鏡的球心。 前述顯示裝置4 0包括：液晶顯示面板4 2，用以顯示所 要投射的影像；及透鏡4 1、43，用以使光線可以垂直入射 至液晶顯示面板42，並且使光源虛像之共軛像成像在投射 透鏡裝置52的入射光瞳上。在此實施例中，顯示裝置40僅 包括一組液晶顯示面板，但在彩色顯示時，配合分光鏡及 濾波器，可將光束分成三道光束，分別為紅 '綠、藍三原

IIH 第9頁 C:\path\0338-3079-E. ptd 407-^4& 五、發明說明（6) 面板與延 則光源的 色，並在每一種顏色的頻道中設置一組液晶顯示 像透鏡。 入射光之角 前述複數個光源的像之數目與積分器收集 度以及積分器的長寬比有關。 為了簡化說明，假定積分器的截面為矩形 像之數目符合下列關係：

2L 其中’ Qi。為積分器接收光線的角度；m為光線在積分 器中反=的次數；d為積分器的寬度；L為積分器的長度刀。 在提供相同數目的像光源的情形下，當積分器具有較 大的接收角時，其長度可以變短。像光源的數目越多，其 形成的光均勻度越好。不過，設置在積分器與顯示面板間 的延像透鏡則需要較大的數值孔徑，藉以收集由像光源所 發出2光線。前述光學積分器的輸出面與顯示面板間需具 有光學共輛的關係。光源的虛像形成在光源垂直於光轴的 平面上’其靠近矩形柱狀内部反射式積分器的輸入面。同 時’ I由延像透鏡，這些虛像的共軛像被形成於延像透鏡 和顯示面板之間。 „ 5青參閱第3圖’其繪示了 一矩形柱狀内部反射式積分 =33 ,，矩形柱狀内部反射式積分器33的輸入面33a可 二方7或矩开^，且輸入面33a的面積可等於或小於輸出面 積 積分器之輸出面33b具有與液晶顯示面板42相

4Q7215 五、 發明說明（7) 同 的 寬 高比，如此可導致積分器33均勻的 輸 出面 3 3 b和液 晶 顯 示 面板42間具有良好的匹配，藉以避 免 由於 不匹配所 造 成 的 光損耗。當積分器33之輸入端的截 面 積與 輸出端的 截 面 積 相同時，其對光線的接收角與出射 角 是相 同的。然 而 ， 當 積分器是推拔形（tapered)時，其出射角將會比接 收 角 大 0 請 參閱第4圖，其繪示了光線在第3圖 之 矩形 柱狀内部 反 射 式 積分器行進之光學路徑的圖式。光 源 被聚 集至靠近 積 分 器 的入射面處的點So的位置上，然後 光 線入 射至積分 器 中 不同入射角的光線會直接穿過積分 器 或是 經由積分 器 之 侧 面33c、33d的反射而自積分器的出 射 面射 出。由於 不 同 入 射角的光線自積分器射出的角度亦 不 同， 所以會在 光 源 的 像S。垂直於光軸的平面S上形成複數 個 光源 的虛像 Slc S2c 、Sld、S2d 等。 由 於前述積分器的截面為矩形或方形 所以 對應於第 4圖 光源的像S 〇經積分器後所形成的光源虛像S 丨C、s2c、 Sid ^2d 等分布係如第5圖所示。 在 上述實施例中，矩形柱狀内部反射 式 積分 器為一實 心 的 透 明玻璃柱，不過也可以利用一中空 的 玻璃 柱35來加 以 取 代 ，如第6圖所示。其輸入面為35a， 輸 出面 為35b， 第7圖繪示了光線在第6圖之中空玻璃柱内 部 反射 式積分器 内 行 進 之光學路徑的圖式。光源被聚集至 靠 近積 分器的入 射 面 處 的點S。的位置上，然後光線入射至： 幘 分器 中，不同 入 射 角 的光線會直接穿過積分器或是經由 積 分器 之侧面

C:\path\0338-3079-E.ptd 第11頁 107215 五、發明說明（8) 35c、35d的反射而自積分器的出射面射出。由於不 角的光線自積分器射出的角度亦不同，所以會在光 S。垂直於光轴的平面S上形成複數個光源的虛像Sle Sid、S2d 荨。 光源虛像的共輛像被形成於延像透鏡和顯示面 ，且更進一步地，經由液晶顯示面板之前或後的另 器，而被成像至投影物鏡的入射光瞳表面。 同入射 源的像 板之間 一聚光

第12頁 C:\path\0338-3079-E. ptd

Claims (1)

1. 407215 六、申請專利範圍 〜 1. 一種影像投影系統，包括： 一顯示裝置，用以產生將被投射的影像； .一燈泡，相對於顯示装置，發射出順向及逆向的光線 9 一反射鏡’相對於顯示裝置，設置在前述燈泡的背面 ’用以收集逆向發射的光線，並且形成燈泡的實像，此實 像被投射向顯示面板； 一矩形柱狀内部反射式積分器，緊靠上述燈泡，用以 接收由前述燈泡發射出的順向光及經前述反射鏡反射的逆 向光，藉以形成包括複數個光源的像之平面光源；及 一投射透鏡裴置，相對於前述照明光學裝置，設置於 前述顯示裝置之後端’用以將前述顯示裝置所產生的影像 藉由前述包括複數個光源的像之平面光源而投射到螢幕上 Ο 2. 如申請專利範圍第1項的影像投影系統，其中，前 述顯示裝置可包括三個顯示面板，分別設置於不同顏色的 頻道中’藉以提供彩色顯示的功能。 3. 如申請專利範圍第1項的影像投影系統’其中，前 述投射透鏡裝置為一投影物鏡或鏡組。 4. 如申請專利範圍第1項的影像投影系統，其中，前 述反射鏡為一球面反射鏡。 5. 如申請專利範圍第1項的影像投影系統，其中’前 述矩形柱狀内部反射式積分器為一推拔形透明玻璃柱。 6. 如申請專利範圍第1項的影像投影系統’其中’前

   407215 六'申請專利範圍 述矩形柱狀内部反射式積分器為實心玻璃柱或空心玻璃柱 7. 如申請專利範圍第1項的影像投影系統，其中，前 述矩形柱狀内部反射式積分器的輸出面與顯示面板間具有 光學共軛的關係。 8. 如申請專利範圍第1項的影像投影系統，更包括— 延像透鏡’設置於前述矩形柱狀内部反射式積分器與顯示 面板之間’經由前述矩形柱狀内部反射式積分器，前述_ /包會在垂直於光軸的平面上形成複數個虛像，並且靠进^ 述矩形柱狀内部反射式積分器的輸入面，經由該延像別 ’前述複數個虛像的共軛像被形成於延像透鏡和顯鏡 之間。 不面板 9.如申請專利範圍第5項的影像投影系統 述矩形柱狀内部反射式積分器的入射面面積等於’育 射面面積。 X小於 1 如申請專利範圍第8項的影像投影系統，更 ==於前述顯示面板之前或後，前述光源 器而被成像至前述投射透鏡较置的入射光曈表面，