TW508953B

TW508953B - Sequential color recapture for projection systems

Info

Publication number: TW508953B
Application number: TW089123148A
Authority: TW
Inventors: Duane Scott Dewald; Steven M Penn; Michael T Davis
Original assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2002-11-01
Also published as: ATE478523T1; JP2001242416A; EP1098536A3; EP1098536A2; DE60044840D1; EP1098536B1

Description

508953 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（）【相關申請案之交互參照資料】下述的專利與/或共同讓渡的專利申請案係藉此併入作為參考文獻：專利號 (美國）申請曰 (年/月/曰）發證曰 (年/月/曰）案名 5,192,946 1991/5/30 1993/3/9 Digitized Color Video Display System (數位化彩色影像顯示系統） 5,448,314 1994/1/7 1995/9/5 Method and Apparatus for Sequential Color Imaging (順序彩色影像描繪之方法與設備） 5,592,188 1995/1/4 1997/1/7 Method And System For Accentuating Intense White Display Areas In Sequential DMD Video Systems (用以在順序DMD影像系統中加強強白顯示面積之方法與系統） 5,612,753 1995/1/27 1997/3/18 Full-Color Projection Display System Using Two Light Modulators (使用兩個光調變器之全彩投影顯示系統） 5,760,976 1997/4/15 1998/6/2 Kinematic Integrating Optic Mount (動力整合光學座） TI-29914 Falling Raster Display System And Color Wheel (落像光柵顯示系統與色輪） 3 I------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 508953 A7 -- —-__- B7 五、發明說明（）【發明範圍】本發明係關於顯示系統之領域，尤其關於使用單一的光調變器之全彩化顯示系統，更尤其關於使用落像光拇 (fallmg raster)或捲動彩色法之順序全彩化顯示系統。 5【發明背景】觀看者係基於眾多準則（例如影像尺寸、解析度、對比率、彩色純度、與亮度）以評估顯示系統。在眾多顯示 is銷售市場中，因為可獲得的亮度會限制投影影像之影像尺寸，並可控制在具有高位準的周圍光線之現場看到的影 10像有多好，所以影像亮度尤其是重要的度量標準。投影顯示器設計者藉由增加用以形成影像之光源以增加既定的投影顯示器之亮度。然而，增加光源亦會增加顯示系統之成本、尺寸、與重量。此外，較強的光源會產生必須由顯示器散去的額外熱量。 15 其他眾多因素影響由顯示系統產生之影像亮度。其令個主因素係為用以调變產生影像之光線的調變器之數目。使用具有快速響應時間之調變器之顯示系統（例如數位微鏡裝置（DMDtm))，係可使用單一調變器以建構全彩影像。其他顯示系統（例如液晶顯示（LCD)面板或DMD)， 20 係使用三個調變器以建構全彩影像。以微鏡為基礎的顯示系統一般是以數位或雙穩態方式操作微鏡。數位運作完全使既定的微鏡偏轉至不是第—位置就是第二位置。顯示裝置之照明光學構件照明整個微鏡單元之陣列。偏轉至第一位置之微鏡沿著第一路徑以反射本紙張尺度適用_國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） f讀先閱讀背面之¾意事項再填寫本頁} -t 訂·1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 508953 A7

10 15 20 一 4置之被鏡沿者第二路徑以反射光線。顯示系統之投影卉蔡播从^I » 〜尤予構件收集來自第一位置之鏡的光線，並使光線聚焦至影像平面之上。由位於第二位置之鏡所反射的光線被禁止到達此影像平面。與位於第—位置之鏡相關的影像畫素係明亮地受到照明，而與位於第二位置之鏡相關的影像晝素並未受到照明。脈衝寬度調ft：以數位微鏡裝置或其他空間光調變器建構了灰階強度之感受。當使用脈衝寬度調變時，既定的微鏡元件係急速地打開並關閉，以因應-個數位強度字元。鏡之作用週期決定了對影像畫素起作用之光線總量。如果畫素足夠快速地脈動，則肉眼將正確地測量到畫素之平均強度，但將無法偵測到脈動。 —” 王彩〜像亦係藉由利用肉眼之相當慢的響應時間而產每個畫面係分#j成至少三個期間。原色影像係在母個週期期間產生。如果原色影像係快速地連續產生，則肉眼將察覺到單一的全彩影像。順序彩色顯示系統之一種替代方法係為一種三調變器顯示系統。三調變器顯示系統係很類似於順序彩統之處在t它們兩者㈣由結合三原色影像以形成全彩影像。三調變賴㈣統之缺點係為三個簡^之成本愈所需要之複雜光學構件，其中，上述光學構件係用以㈣自光源之白色光束分割成為三原色光束，並用以再結變的原色光束。單-的調變器順序彩色顯示系統之缺點係為其具有低 I_____ 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規袼（ χ 297公着丁

ΦΜί ---訂—^-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7 B7

5 10 15 20 〜像π度。g)為白色光源係被分時為三原色光束，所以右任何既定相之大部分光線並未使用。譬如，當藍原色影像开7成時、白色光源之綠色與紅色輸出係從光束被滤除。产主雖二項序彩色顯示系統一般比三調變器顯示系統較不叩貝但疋其會使由光源產生之光線的使用效率變得非常低。、失去的光線不只減少由顯示系統所產生之影像亮度，亦為顯示系統帶來了數個問題。一般而言，從光束滤除之光線變成散射光，散射光係為顯示系統必須控制以避免到達影像平面並減少顯示影像之對比。一般而言，非原色光轉、成"、、此熱旎必須藉由使用較大的風扇以散去，這因而增加：示系統所產生之噪音並增加顯示系統之尺寸。目前所需要的是-種有效的照明系統，其能在利用單 —調變器顯示系統之簡化的光學構件與低成本的情況下，提供三調變器顯示系統之效率。【發明之概述】、上述目㈣優點將藉由提供一種順序彩色再捕獲之方法與系統的本發明而得以更顯清楚，且會部分地顯示於 :。發明所主張權力範圍之一個具體實例提供了一種顯示、統’其包含：光源’用以產生白色光線之光束；積分器，用以均勾化白色光線之光束；濾、光器，用以過濾白色光線 =均句化光束’並將白色光線之均句化光束分割成沿著第路㈣行之原色光束，與沿著第二路徑運行之剩餘光束’空間光調變器’位於第-路揑上，用以選擇性地調變 I__ 6 #紙張尺國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱）

I —-----tr----1— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) I β 拳· -l· , 508953 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（） "〜沿著第一路徑運行之光線以形成影像，其中，剩餘光束之一部份係入射至濾光聽之第二區域，並沿著第_路徑行。二^ 所揭露之本發明之第二實施例提供了一種顯示系統， 5其包含··光源，用以產生白色光線之光束；積分器，用以均勻化白色光線之光束；濾光器，用以過濾白色光線之均勻化光束，濾光器將白色光線之均勻化光束分割成沿著第一路徑運行之原色光束，與沿著第二路徑運行之剩餘光束；空間光調變器，位於第一路徑上，用以接收沿著第一 10路徑運行之光線，並選擇性地調變沿著第一路徑運行之光線以形成影像，其中，剩餘光束再進入積分器並藉由積分 is再傳輸至濾光器，以使剩餘光束之一部份入射至濾光器之第二區域並沿著第一路徑運行。所揭露之本發明之第三實施例提供了一種產生影像的 15方法。此方法包含以下步驟：提供白色光線之光束；將白色光線的光束射在動態濾光器之第一區域上，動態濾光器之第一區域傳送第一原色部分並濾除剩餘之光束；調變第一原色部分；將剩餘之光束之一部份射在動態濾光器之第一區域上，動態濾光器之第二區域傳送剩餘之光束之第二 2〇原色部分，·調變光束之第二原色部分；以及使光束之調變的第一與第二原色部分聚焦於影像平面上。所揭露之本發明提供更高照明效率之技術優點。因為所有光束之彩色成分係一直使用，所以，所揭露之系統與方法僅使用單-調變器面板即可達成三個調變器面板系統 I____ 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21G χ 297公羞y -----------— It--------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 508953 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 I--—----Η______ I五、發明說明（）之效率。較高效率使較低成本光源之使用成為可能，這種光源具有較長的使用壽命並能產生較少的熱量。用以實現已揭露之本發明所需要之設備係比用以實現三個面板顯示方案所需要之光學元件與調變器面板來得便宜。因為產生 5較少的熱，導致已經不太需要冷卻風扇與空氣導管，所以整體顯示系統之體積將得以減少。【圖式之簡單說明】為了更完全地理解本發明及其優點，以下將參考配合附圖之下述說明，其中： 1〇圖1係為習知技術之順序彩色顯示系統之立體圖。圖2係為依據本發明之具體實例之一種能回收彩色濾光杰所遽除之光線的捲動彩色顯示系統之方塊圖。圖3係為適合與所揭露之回收捲動彩色照明系統一起使用之色輪之一個具體實例的平面圖。 15 圖4係為適合與所揭露之回收捲動彩色照明系統一起使用之色輪之第二具體實例的平面圖圖5係為被過濾而導致三個側向的原色區段之光束所照明的空間光調變器之平面圖。圖6係為當三原色區段改變橫越過空間光調變器時之 20圖5之空間光調變器之平面圖。圖7係為富二原色區段更進一步的改變橫越過空間光調變器時之圖5之空間光調變器之平面圖。圖8係為依據本發明之一個具體實例的一種回收之捲動彩色照明系統之侧視圖。本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（21G X 297公董）

i ill----訂--------- <請先閱讀背面之注音2事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（）圖9係為與所揭露之回收的捲動彩色照明系統一起使用之積分桿（integrating r〇d)之具體實例之側視圖。圖1〇係為依據使用彩色濾光器帶之本發明之具體實例之回收捲動彩色照明系統的側視圖。、圖11係為圖3之色輪之平面圖，其顯示在色輪與顯示系統之光學路徑的橫剖面之間的關係。圖12係為類似於顯示於圖4之色輪的螺線色輪之一部份的平面圖，其顯示螺線色輪與顯示系統光學路徑之橋剖面之對準狀況。圖13顯示添加任意的白色濾波區段至圖4之色輪中之每組原色濾光器。圖14係為設計用以回收通過其中之光線之積分桿之具體實例之立體圖。圖15係為圖4之色輪之一部份之平面圖，其詳細地描述了濾波區段之曲率。圖16係為依據本發明之一具體實例之雙調變器捲動彩色再捕獲顯示系統之平面圖。圖17係為遍及隙縫尺寸之範圍之多種圓弧形尺寸的收集效率之圖表。圖18係為具有許多輸入隙縫直徑之反射輸入面之積分桿的典型回收效率之圖表。圖19係為在反射的積分桿隙縫尺寸之範圍之典型的整體反射器與積分器回收效率之圖表。 5 10 15 20 ___ 9 ^紙張尺度適用中關家標準(CNS)A4 ‘格⑽χ撕公爱 --------- I --------- -訂--I I I I I I (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) ^08953 A7 B7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製【發明之詳細說明】吾人已經發展一種急遽地增進順序彩色顯示系統之光學效率之新光學系統與方法。本系統使用一種順序彩色概念（稱為落像光柵或捲動彩色，於其中之照明光束橫向地 5改變彩色）。由順序濾光器濾除之光線得到回收，並重新收集並發送至濾光器，如此增加了系統效率。因為一種以上之彩色係於一既定時間被顯示出，所以，如果它成功地規劃路徑至另一種適當的濾波區段的話，則由一個濾波區段所濾除之光線可通過另一個濾波區段。 10 圖1係為順序彩色顯示系統100之立體圖。在圖i之顯示系統100中，來自光源102之光線係聚焦至一個旋轉色輪104之上。旋轉色輪1〇4建構從一原色快速的順序改變至下一原色之光束。原色的光束射到空間光調變器 1〇6(於此情況下乃為DMD)。 15 控制器1〇8接收影像信號，並與色輪104同步地傳送影像資料至空間光調變器106。表示影像之紅色部分的影像資料係在紅色濾光器通過光束之週期期間送出。調變的紅色光束係藉由聚光透鏡112而聚焦至影像平面11〇之上，以形成紅色影像。此過程係當綠色與藍色濾光器通過 20光束路徑時一直重複。觀察者之眼睛整合了給予單一全彩影像之感受的三原色影像。圖2係為依據本發明之一具體實例之順序彩色回收系統之方塊圖。在圖2中，光源202提供一束光束至一個光線回收器204。光線回收器204(有時包含燈管外殼或反射 10 ί紙張尺度適用中國國家標規格⑽x 297公愛 >--—一— il --------tr--------- (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ____________ B7 五、發明說明（）為）對此光束予以均勻化，並將其傳送至動態濾光器2〇6。動態滤光器-般係為一組移動之分色鏡（例如色輪）。在動悲濾光裔中之每個濾光器具有一個傳輸頻帶，於此傳輸頻 ▼中’選擇一個範圍之波長的光線，於此情況下乃是傳輸， 5而超出此傳輸頻帶之光線會被濾除，於此情況下乃是反射。由動怨瀘、光器206所傳輸之光線係由透鏡2〇8聚焦至空間光調變器210之上。空間光調變器21〇調變光線以形成影像光束，此影像光束係由透鏡212聚焦至影像平面214 10之上。如圖1似地，控制器216接收影像資料並與動態濾光器206同步地傳送原色影像資料至調變器2丨〇。如上所述’動態濾光器傳輸在其傳輸頻帶内之光線，並濾除在其傳輸頻帶以外之光線。圖2顯示導回至光線回收器204之濾除路徑。光線回收器2〇4接收濾除之光線並 15將其反射回動態濾光器206。如果回收光線照在一個具有不同傳輸頻帶之濾光器，則其可能被傳輸至透鏡2〇8。回收光線之濾除部分係由光線回收器204再次回收，並發送至動態濾光器206。此種程序一直繼續，直到光線被光線回收器204吸收、被動態濾光器2〇6接收、或脫離光線回 20 收器204為止。顯示於圖2之本系統之關鍵元件係為動態濾光器 206。動態濾光器必須一直將每個原色濾光器之一個或更多的區段提供至此光束，俾能使所有回收光線能尋得一個其可通過之濾光器。雖然每個彩色之濾光器不需具有相同本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —--------訂-------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明說明（）的尺寸，但是如果回收運作之效率高，則對於之濾光器不存在有任何優點。、+相同尺寸一圖3與4係為多區段色輪之兩個具體實例之顯示於圖3與4之兩個色輪皆具有多數之小扇形二個區段傳輸其中一個原色並濾除其他兩個原色。二每之光線係顯像至空間光調㈣上，以使空間光調變= 離部分受到每個濾光器的照明。β 5顯示—個空間光: 器21〇’而來自三色動態濾光器2〇6之光線係顯像至二門光調變器210之上。工間 10 目為調變器―般係配置於接收眾多相同的操抑號與偏壓電壓之調變器單元之水平财，所以，當原色區段二有水平邊界並從列到列地垂直移動時，調變器之運作係更有效率。調變器元件亦可配置於垂直群組的行，於此情況下，原色區段應具有垂直邊界並從行到行地水平移動。 15 類似顯示於圖3之色輪傾向於產生在區段之間具有傾斜邊界之盤形原色區段。當色輪之半徑增加時，在區段間之角度會減少。大色輪係不被期望的，此乃因為它們需要較大的系統封裝，需要較大馬達以驅動它們，且它們的較大慣量使其更難以改變色輪之速度以使色輪對準影像信 20 號。圖11係為圖3之色輪11〇〇之平面圖，其顯示在色輪與顯示系統之光學路徑1102之橫剖面間之關係。光學路徑1102係為受到離開圖8所示之積分桿81〇之光線照明之區域。積分桿一般係配置地相當接近色輪以確保由色輪 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

508953 五、發明說明（）反射之光線可被積分桿再捕獲。因為通過光學路徑1102 之橫剖面之色輪1100部分係顯像至調變器之上，所以顯示於圖11之光學路徑橫剖面1102亦說明了在色輪1100 與調變器間之對準。圖11之色輪具有70釐米之直徑，並 5 具有40組的原色濾光器，對於總數120個濾波區段而言，一般是紅色、綠色、與藍色。雖然可能需要較高速率以減少暫時的人為現象，但是只以90 rpm(每分鐘的旋轉圈數）轉動輪即可支持60赫（Hz)的畫面速率。所揭露的照明系統之一項優點係為以相當低的速率旋 10 轉色輪之能力。因為缓慢旋轉之破損的色輪之複數片（通常是玻璃片）比急速旋轉色輪之複數片具有較少的動量，所以慢速色輪較為安全。較慢色輪亦產生較少的噪音，此乃為大部分之顯示系統應用之寶貴特色。較慢色輪亦可使幸父小的色輪馬達之使用成為可能，且不需要如較快速的色 15 輪般地被正確地平衡。圖4之螺線色輪係用以縮小色輪之尺寸，同時維持在調變器與色輪之照明區段間之良好對準情形。顯示於圖4 之螺線色輪具有彩色濾光器，彩色濾光器之邊界形成，，阿基米德螺旋線"。阿基米德螺旋線係由下式所定義： 20 r=a Θ 其中，"r”係為從該中心開始之該界面之半徑或距離，係為常數，而0定義了在該界面與基準線之間之一個弧。在兩個濾光器之間之每個邊界使用了不同的基準線。圖15顯示在基準線1502，0，與半徑r之間的關係。 I------· I ———訂--------- (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 13 508953 A7 ----------- R7 —___ 五、發明說明（） —~ 一·—一使用阿基米德螺旋線之結果係為：每個邊界接近滑動通過光閥（光調變II)之傾斜面。此邊界並非直的，所以其盖法巧於調變器元件之列。然而，此邊界確實形成正切於調變益7G件之列的很淺的曲線，而即使在使用小滤波輪時， 5此邊界亦以橫越過調變器t整個纟面來維持相同的曲線與速度。螺線係設計成對準空間光調變器，以使在鄰近區段間 t邊界之切線幾乎與空間光調變器之列成水平。當螺線輪旋轉時，通過光束之螺線部分會沿著在區段與調變器之間 10 維持良好對準關係之螺線改變。圖12係為類似於顯示於圖4之色輪的螺線色輪12〇〇之一部份的平面圖，其顯示螺線色輪與顯示系統光學路徑 1102之檢剖面之對準關係。當此輪旋轉時，圖4與丨2之螺線色輪之濾波區段係相對於光學路徑橫剖面u〇2而水 15平與垂直地移動。這增進了在橫越過整個調變器陣列之濾波區段與調變器元件之水平列間的對準關係。對於總數為 72個濾波區段而言，圖12之色輪具有24組的原色濾光态。假設需要10組濾光器以形成每個畫面，則將色輪以 25赫（Hz)旋轉係可支持60Hz之畫面速率。 20 圖13顯示將任意的白色濾波區段13〇〇添加至每組原色濾光器。在順序彩色系統中，白色區段之使用增加了整體系統亮度，但減少了影像飽和之成本。因為回收運作並未100%有效的（因為下述理由），所以白色區段之使用增加了 25%之照明系統之效率。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁} ———訂·-------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（）雖然目前的DMD設計使調變器元件聚集在包含複數之完整列的重置群組中，但是將來設計可使元件聚集在包含複數元件之完整行的群組中。改變元件之群組將需要改變顯示於圖12之光閥輪廓11〇2之方向，並將在濾波區段 5之邊界與重置群組之間提供較佳匹配。如上所述，阿基米德螺旋線彩色區段提供了在區段間之曲線邊界。此種曲線避免了在重置群組與濾光器邊界間之完美對準。受到照明之邊界區段越長，影響對準之曲率效應越大。從顯示於圖 12之方向將調變器旋轉9〇度，係使用了邊界之較短部分， 1〇並允許較大濾波區段之使用，特別是在與寬屏幕格式（例如16: 9之HDTV格式）一起使用時更是如此。當色輪旋轉時，顯像至空間光調變器上之三原色區段移動橫越過空間光調變器之表面。圖6顯示移動至空間光調變器210之表面下之圖5之三原色區段。如圖6所示， 15每當一個原色區段開始離開空間光調變器之表面，相同彩色之另一區段就開始進入。圖7顯示在它們已經移動一個區段之寬度以後之圖5之三原色區段。因為每個色彩係於任何既定的時間出現於調變器之不同區域，所以提供至調變器之影像資料係為所有三原1色次 20料之混合。譬如，當調變器之一個區域係使用紅色資料二作’則調變器之其他區域係使用綠色與藍色資料運作。於定址電路所加上之限制與精確控制在橫越過空間光器之區域間的邊界之掃視之能力，使得空間光二變器= 一般係分割成數個群組，而每個群組接收單一、之貧 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —-----------------—訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7

10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 戈1之邊界知視橫越過複數列之一既之週期期間，此群纟且不县M Q ' 、不疋關閉就疋使用稱為輻射光線再捕獲之方法以建構白色成分。、圖係、4種順序彩色回收顯示系統之具體實例的側視圖。在圖8巾，來自弧光燈804之光線802係由反射器反射並經由反射柵板812之隙縫進入積分桿810。於，可使用各種不同的積分桿810。譬如，積分桿請可以是-種具有反射内表面之中空構造，或是—種使用總數之内部反射以保持光線通過其中之實心桿。進入積分桿 810之光線反射於積分桿之表面數次，直到經由積分桿㈣運行之光束呈現均勻剖面為止。離開積分桿810之光線射到動態濾光器，顯示於圖8 的是-個色輪814。射在色輪814上之某些光線通過受到光束所照明之二個以上的區段之每—個。每個區段傳輸某些入射光線亚反射其餘光線。以㊣814戶斤傳輸之光線係聚焦至空間光調變器816之上。被色輪814濾除之光線係經由積分桿81〇而運行回去。於顯示於圖8之本實施例令，可允許光線離開積分桿，並在再進入積分桿810之前，由燈管反射器8〇6反射。再 -人參見圖2，光線回收器204係包含圖8之積分桿810與反射态806。回收光線818係在射到動態濾光器8丨4上之月il，再一次被積分桿810均勻化。圖8之回收光線$ 1 $具有第二次照在相同的濾光器然後再被濾除之1/3的機會，在苐一濾光1§並被濾、除之1 / 3的機會，以及照在第二減

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（）光器並傳輸之i/3的機會。回收程序一直繼續，直到光線到達其可通過之動態濾光器之一部份，或直到光線被光線回收器吸收或脫離光線回收器為止。回收之光線可被反射器806之表面塗層吸 5 收，並在當其照在弧燈管之電極時被吸收。圖14係為設計用以回收通過其中之光線之積分桿9〇2 的具體實例之立體圖。圖9係為來自圖14之積分桿902 之橫剖面。來自光源之光線904經由桿902之反射入口端之隙縫而進入此桿。隙縫幾乎為桿端截面積之1/3。當與 10 一般小於尚功率燈源之低功率燈源結合時，小隙缝是特別來传適g。因為在捲動彩色回收顯示系統中之積分桿9Q2 之使用，係大幅地增加整體系統效率，所以需要較低功率光源以維持既定的系統亮度位準。積分桿902經常是實心的玻璃棒，亦可是利用其他材 15料。譬如，某些積分桿係為具有内部反射表面之中空構造。積分桿一般具有與顯示系統所使用之調變器相同的橫剖面縱橫比。 ' 積分桿902之反射端面將照在顯示於圖14之積分桿外部的隙縫1400之光線予以反射。在待經由隙縫剛傳 20輸之適當位置與角度，此種光線係反射回到燈管與反射器，並具有返回至積分器之高可能性。顯示於圖14之反射隙縫已被證明能提供8至15%之亮度增益。當光線經由桿中傳遞時’進入桿中曰：光線係反射數次。當光線離開桿902之出口端時，其照在允許光線之第 ----------— II t-----I I-- (請先閱讀背面之注咅2事項再填寫本頁) 17 508953 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（）一波段907通過之動態濾光器之第一區段906。剩餘之光線908係被動態濾光器之第一區段906反射並經由積分桿反向行進。剩餘之光線908係被設置於積分桿902之入口端之鏡910反射，並再經由桿902而以第一方向行進。回 5 收光線912最後射到允許第二波段916通過之動態遽光器之第二區段914。再回收剩餘之光線，直到上述光線最後照在動態濾光器之第三區段918且第三波段通過為止。使用圖9與14之具有一個有桿端截面積之1/3的入口隙縫1400之積分桿902,使得被第一區段906反射之1/3 10的光線離開積分桿並返回至燈管與反射器。因為此光線係從很靠近反射器之第二焦點的一個點朝向燈管運行，所以其具有通過此弧線附近並藉由反射器聚焦返回進入輸入隙縫1400之高可能性。被第一區段906反射之剩餘的2/3光線（被積分桿之 15反射端910反射之部分）具有照在第二濾波區段914或第三濾波區段918之2/3的機會。因為光線只包含兩個原色成分（第二原色成分已經通過第一濾波區段），所以照在第二與第二濾波區段之50%的光線係由濾波區段所接收並通過色輪。剩餘部分係被再回收並被發送至色輪。假設沒 20有反射損失，則此系統之理論的效率係為：效率=(1/3)[1 + (2/3)2+(2/3)4+(2/3)6+····]〜tl 78] 換έ之，與場序照明系統比較而言，此系統具有高達 1.8倍之效率。假設每5%之反射的大損失，效率串聯收斂至1.65倍的效率增益。上述的效率計算係假設返回至 --------^--------- (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁)

508953 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（燈管與反射器之光線已經損失。如上所述，通過輸入隙縫 1400之回收光線返回至燈管與反射器組件，並具有一個返回至輸入隙縫之良好機會。模型試驗顯示從燈管與反射器組件返回至輸入隙縫之光線將照明系統之效率增加了高達20%以上。然而，實際上，因為難以測量經由燈管與反射器回收之大量光線，所以，經由燈管與反射器所回收之光線似乎少了許多。然而，吾人可消除積分桿之反射端，並允許所有回收光線返回至反射器。此時，反射器係被視為圖2之光線回收器204之一部份。在積为幹之反射端中之隙縫尺寸對於系統之整體效率具有很大的影響。一般而言，隙縫越大，則光線收集系統越有效率，但回收越沒有效率。同樣地，一個較小的隙縫增加了回收效率’但減少了能夠進入積分桿之光線量。圖 17-19顯示弧形尺寸與隙縫尺寸對光線收集系統之效率的 15影響。圖17係為顯示各種不同的燈管弧形尺寸與反射器設計之設計的收集效率對收集隙縫直徑之一連串的曲線圖。於圖17中，X軸係以釐米表示隙缝直徑，而y軸表示fn 收集率。弧形尺寸的範圍係從〇·7釐米至L5釐米。運用實線表示的執跡顯示橢圓形的收集器之收集效率。運用虛線表示的執跡顯示拋物面反射器之收集效率。圖18係為超出反射的輸入隙縫尺寸之範圍而藉由一個6.4釐米X 4.8釐米之積分桿而實現的回收增益之曲線圖。於圖18中，X軸以釐米刻度表示輸入隙縫直徑，而^ 5 10 20

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軸表示回收增益。w 18假設每錢過積分桿就有7%的反射損失。圖19係為結合來自圖17與18之資料的曲線圖’其用以顯示數個燈管弧形尺寸之超過輪人I縫尺寸之範圍的整體照明效率。如圖19所示，其乃在y軸上之流 5明/瓦特（LUmens/watt)與χ軸上之輸入隙縫繪出昭明^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製率，若燈管弧形尺寸越Α，則積分桿之最㈣輸人隙縫就越大。增加藉由使用一個白色區段而獲得的效率增益，顯示投影機之整體效率增加了高達12〇% (2 2倍）。此種效率增 10益可使一個調變器顯示系統之使用於先前需要一個三調變器顯不器之應用中。又，較低功率之燈管係用以提供與不必使用捲動彩色回收之系統相同的亮度。因為未使用之光線係回收而非被當作熱能地吸收，所以，效率的增加對於在投影機上之整體熱負載具有直接的影響。 15 雖然說明到此之具體實例已經使用色輪之圓盤形戋螺旋形區段，但亦可能具有眾多之其他具體實例。譬如，= 口卞多濾筒、濾帶、或其他配置亦是同等適用。圖1〇係為使用一條濾帶之照明路徑之具體實例的立體圖。在圖1〇中，光源1000提供白色光束至積分桿1002。積分桿均勻化白 20色光線之光束，並提供此光束至旋轉濾帶1〇〇4。被淚帶 1004所濾除之光線係經由積分桿返回以供回收。通過、袁帶之光線係由鏡1006反射，並由透鏡1〇〇8聚焦至空間光調變器1010之上。如先前的具體實例地，吾人需要謹慎的光學設計以再捕獲並回收被濾除的照明光。譬如，動雜 -------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 20 A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 --—---J7__________ 五、發明說明（）濾光器般係很靠近積分桿，以確保被動態濾光器所濾除之大部分的光線再進入積分桿。當在單一面板（單一的LCD、DMD、或其餘調變器）顯不系統中實現順序彩色回收時，即可達成最大效率增 5扭。上述之順序彩色回收法與設備允許單一面板系統達到以鈾可達到的較高效率。然而，教導於此之方法與系統之應用並未受限於單一面板顯示系統。相同的技術係適合於兩個與三個面板顯示器，但是通常得到更昂貴的顯示系統。 10 美國專利第5>125753號說明了一種雙面板系統，其乃使用一個面板以順序地產生兩個原色影像，而使用第二面板產生第三原色影像。捲動彩色再捕獲之概念係被應用至顯示於圖16之雙面板顯示系統。於圖16中，螺線色輪 1602濾除來自已被積分桿16〇6均勻化之光源16〇4的光 15線。螺線色輪1602包含許多對的彩色濾光器，並由馬達 1608驅動旋轉。每個濾光器允許兩原色通過，並濾除一原色。吾人選擇渡光器以使兩者都被其中一個原色通過。其他原色之其一係通過其中一個濾光器，而其餘原色係通過其他濾光器。譬如，第一濾光器傳送紫紅色光線（包含 20紅藍色原色之光線），而另一個濾光器傳送黃色光線（包含紅綠色原色之光線）。過濾過的光線進入將光線反射至分色稜鏡組件1612之TIR稜鏡組件1610。在分色稜鏡組件 1612之兩個稜鏡間的界面之分色鏡使通過兩個濾光器之原色與其餘兩個原色分離。譬如，紅色光線通過分色鏡並本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---I I I I I I----------—訂-----— II —^^^1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 508953 A7 五、發明說明（由DMD 1614調變。其餘兩個讎1616調變。固原色係由分色鏡反射並由在調變器1614中之過滹姓s ^ w 愿w果總是完全受到紅色光線照明，而藍色與綠色光線捲動橫越過調變器i6i6。由色㈣濾除之光線包含藍色與綠色成分並受到回藉由空間光調變器而調變的光線係經由彩色棱鏡而折回其路徑。因為複數之DMD改變了調變光線之角度，所以調變的光線無須反射於界面，即可通過tir棱鏡間的界面。調變的光線係藉由聚光透鏡1618而聚焦至影像平面1620上以形成影像。因此，動態遽光器到目前為止已視為是一組移動的分色鏡。其餘濾光器之型式與配置亦是有用的。嬖如，一袓與設備結合用以掃視橫越過調變器之表面的原色光束之靜態濾'光器，係、為動態滤光器之另一種形同樣地，固態彩色轉換亦可使用於其他具體實例。 ^吾人亦可獲得數種方法以調整上述系統之白點與色彩範圍。首先，可以調整用以建構每個原色之影像資料，以減少某原色成分之最大強度。或者，可變滤光器之密度係用以減少在調變前之某些原色光成分的亮度。此外，因為回收系統並非1〇〇%有效的，所以，調整彩色濾光器之相對尺寸，係可藉由增加將被濾光器所接收之光線之某些原色成分的差異而改變了顯示系統之白點。增加被接收之既疋的原色成分之差異，係可減少藉由每個額外反射而在別 ι___ 22 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） 5 閱

I 10 15 20 貢 508953 10 15 A7 五、發明說明（的方面所遭受的損失，並減少在某些光線脫離前往反射器且不返回至積分桿時所產生的損失。如上所述，色輪傾向於產生移動橫越過調變器之盤形彩色區段。在區段間之邊緣的角度係在來自色輪之光線移動橫越過調變器之表面時改變。阿基米德螺旋線之設計有助於在彩色區段移動橫越過調變器時，使邊緣之角度保持口疋’但其會產生曲線邊緣並且是難以建構的。改變色彩或為原色之混合物的光線是難以使用的。混合光線可使用以建構調和色或白色，這可提高顯示系統之亮度，但會犧牲彩色純度。又，輻射光線係在被元件接收之光線正改變色彩之期間，藉由關閉調變器元件而捨棄掉。因此，雖然已針對此點揭露順序彩色再捕獲之方法與系統之特別具體實例，但並非意圖將具體的參考文獻視為是對除了在以下申請專利範圍以外所提出之本發明之範脅的限制。再者，雖已結合某些具體的具體實例來說明本發明’但是吾人應理解到熟習本項技藝者可提議出更進一步的變形例’本案乃意圖將所有這樣的變形例涵蓋在以下的申請專利範圍之範疇内。 — ml — — — — — — ------------— i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

508953 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（）【圖式之代號說明】 100〜顯示系統 10 2〜光源 104〜色輪 106〜空間光調變器 108〜控制器 110〜影像平面 5 112〜聚光透鏡 2 0 2〜光源 204〜光線回收|§ 206〜動態濾光器 208〜透鏡 210〜調變器 212〜透鏡 214〜影像平面 216〜控制器 8 0 2〜光源 10 804〜弧光燈 806〜反射器 810〜積分桿 812〜反射樹板 814〜色輪 816〜空間光調變器 818〜回收光線 902〜積分桿 904〜光源 906〜第一區段 15 907〜第一波段 9 0 8〜光源 910〜鏡 912〜回收光線 914〜第二區段 916〜第二波段 918〜第三區段 1000〜光源 1002〜積分桿 1004〜濾帶 20 1006〜鏡 1008〜透鏡 1010〜空間光調變器 1100〜色輪 1102〜光學路徑 1200〜螺線色輪 1300〜白色濾波區段 1400〜隙缝 1502〜基準線 1602〜螺線色輪 24 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公¥7 —· —-----—--------訂·-------- (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 508953 A7 B7 五、發明說明（ 5 16 0 4〜光源 1608〜馬達 1612〜分色棱鏡組件 1616〜調變器 1620〜影像平面 1606〜積分桿 1610〜TIR稜鏡組件 1614〜調變器 1618〜聚光透鏡 11·-----------------訂---------- (請先閱讀背面之注音3事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 25 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims

六、申請專利範圍 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 1 ·種顯不系統’包含：光源，用以產生白色光線之光束；積分器，用以均勻化白色光線之該光束；濾光器，用以過濾白色光線之該均勻化光束，該遽光為之第一區域將白色光線之該均勻化光束分割成沿著第一路馒運行之原色光束，與沿著第二路徑運行之剩餘光以及、不，々空間光調變器，位於該第一路徑上，用以接收沿著該第一路後運行之光線，並選擇性地調變沿著該第一路徑運行之該光線以形成影像，其中，該剩餘光束之一部份=入射至該濾光器之第二區域，並沿著該第一路徑運行。 2·如申請專利範圍第i項之顯示系統，其中，該剩餘 P束係在入射6亥;慮光器之該弟二區域之前受到再均勻化。 3·如申請專利範圍第2項之顯示系統，其吁丄器執行該再均勻化。、3亥積刀 4·如申請專利範圍第1項之顯示系統器係為反射腔室。 5·如申請專利範圍第丨項之顯示系統器係為玻璃桿。 6.如申請專利範圍第1項之顯示系統器係為反射玻璃桿。 7·如申請專利範圍第1項之顯示系統器係為中空圓柱。 8·如申請專利範圍第1項之顯示系統其中’該積分其中，該積名其中’該積< 其中，該積其中，該積 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 508953 A8 B8 C8 D8 ίο 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 申請專利範圍器係為反射的中空方形柱。 -且右明專利範圍f 1項之顯示系統，其中，該積分裔具有反射入口隙縫。八乂〇·::請專利範圍第1項之顯示系統，其中，該積刀為具有後向反射入口隙縫。姑馇一如二明專利範圍第1項之顯示系統，其中，沿著以路彳工運行之光線填滿該調變器。 —Π如中4專利範圍第1項之顯示系統，其中，該遽斋係為色輪。 13·如申睛專利範圍第1項之顯示系統，其中，該濾光器係為三色色輪。一乂4·如申請專利範圍第1項之顯示系統，其中，該濾光益係為二原色加白色色輪。 •如申請專利範圍第1項之顯示系統，其中，該濾光器係為具有複數濾波區段的色輪。 16·如申請專利範圍第丨項之顯示系統，其中，該濾光益係為具有螺旋配置之複數濾波區段的色輪。 17.如申請專利範圍第1項之顯示系統，更包含再均化器’用以均勻化該光束之該剩餘部分。 18·—種產生影像之方法，該方法包含以下步驟：提供白色光線之光束；將白色光線的該光束射在動態濾光器之第一區域上，該動態濾光器之該第一區域將該光束之第一原色部分傳送至空間光調變器，並濾除剩餘之該光束； 27 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------|線_ 508953 A8 B8 C8 D8

、申請專利範圍 ίο 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 調變該光束之該第一原色部分；將該剩餘之該光束之一部份射在該動態濾、光器之第二 £域上，該動態瀘'光器之該第二區域傳送該剩餘之該之第二原色部分；調變該光束之該第二原色部分；以及使該光束之該調變的第一與第-馬念如、甘，、弟一原色部分聚焦於影像平面上。19·如申請專利範圍第18項之方氺，脸a Λ& α心万法，將白色光線的該光束射在動態濾光器m之該步驟包含：將白色光線之該光束射到旋轉彩色濾光器之第一區域上。2 0 ·如申請專利範圍第18項之方法脸一 ^ κ万凌，將白色光線之該光束射到動態濾光斋之第二區域上之該步驟包含：將白色光線之該光束射到旋轉彩色濾光器之第二區域上。 21.如申請專利範圍第18項之方法，將該剩餘之該光束之-部份射在該動態濾、光器之第二區域上的該步驟更包各慮除第一剩餘部分之步驟，更包含以下步驟：將該第二剩餘部分射在動態濾光器之第三區域上，該動悲濾光器之該第三區域傳送該光束之第三原色部分；調變該光束之該第三原色部分；以及使該光束之該調變的第三原色部分聚焦於該影像平面本紐尺度適财關家鮮（CNS)A4 g (21〇ΤϋΤ^- (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 参訂- - ----------線.