TWI285293B

TWI285293B - Dual lamp illumination system

Info

Publication number: TWI285293B
Application number: TW095100238A
Authority: TW
Inventors: Ming-Kuen Lin
Original assignee: Benq Corp
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2006-01-03
Publication date: 2007-08-11
Also published as: CN100549806C; CN1800966A; US7222975B2; TW200624987A; US20060146296A1

Description

1285293

三達編號：TW2072PA 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明是一種照明系統，特別是指一種雙燈照明系統。【先前技術】投景> 糸統具有廣泛的應用範圍。傳統的投影系統使用 • 橢圓燈（arc以师）產生光束。光束經過色轉輪（color whee 1)過濾成紅、綠、監原色。過濾出來的光束則依序被導向一光通道（light pipe)，用以修正光的強度分佈使其更為均勻。〃來自光通道的光束接著由光學傳播裝置，例如凸透鏡和鏡子，傳送到數位微型反射鏡元件（digi1：al micro-mirror device，DMD)。數位微型反射鏡元件包括有數個微鏡’可經由排列選擇性地反射光束到投影鏡片組 • 產生影像光，或是用以阻擋光束穿透投影鏡片組。來自投衫鏡片組的光束接者被投射到顯不幕上，因而產生影像。然而’傳統投影系統使用的橢圓燈通常不能達到足多句的功率。亦即，低流明使得投射在顯示幕上的影像偏暗。 • 因此，如何增加功率乃當今重要的課題。【發明内容】因此本發明的目的為提供一種適用於投影系統，具有尚效能的雙燈照明系統。因此顯示幕可以接收較高功率顯 TW2072PA 6 1285293

三達編號：TW2072PA 示出比較亮的影像。、、本發明藉由一適用於投影顯示系統的雙燈照明系統達成上述目的。雙燈照明系統包括第一照明模組、第二照明；^ Ί束折射單元’以及光線勾化器（1咖 homogen! zer)。第一和第二照明模組分別包括有光源和具有反射層的橢圓形燈罩。各光源係用以產生具有[_p，+Q] 角度刀佈的光束。光束進而包括複數個聚集光線，其中P >和^以30。為佳。光束折射單元置放於第一照明模組和第 f照明模組的光束的路徑上。光束折射單元至少反射分別來㈣-照明模組和第二照明模組的光束之一，並且結合 =J第肊明杈組及第二照明模組的光束以形成一組合 P 而光線勻化為接著用以勻化組合光束。第:照明模組和第二照明模組分別可進一步包括光 ^ ^用以刀別減少第一照明模組和第二照明模組的、“、生的光束的角度分佈範圍，使A實質上$ J f [-P/3, Q/3]产甘固H、貝貝上不小於明模組和第^明mi大於[―2P/3,2Q/3]度。第一照弟明杈組的光源以橢圓燈或背鏡燈來建構燈照明系統可進—步包括光束集中器，用以在組口先束進入光線勻化器之前將其接收。懂，二遽二述目的、特徵、和優點能更明顯易明如下.、牛較佺霄施例，並配合所附圖式，作詳細說

TW2072PA 7 1285293

' 三達編號：TW2072PA * 【實施方式】實施例一第1圖繪示依照本發明一較佳實施例的一種雙燈照 •明系統之示意圖。雙燈照明系統100乃應用於投影顯示系 '統，以及包括第一照明模組110(1)以及第二照明模組 110(2)、光束折射單元12〇以及光線勻化器13〇。第一和第二照明模組11〇(1)和110(2)分別面對光束折射單元12〇 • 的左邊和右邊。第一照明模組110(1)和第二照明模組 110(2)分別包括光源ii4(i)和ii4(2)，以及具有反射層的橢圓形燈罩112(1)和112(2)。光源114(1)和光源114(2) 分別用以產生光束0β1和光束〇B2，兩者都由光線聚集而成。產生的光束OB1和OB2接著朝向光束折射單元12〇傳播，每道光束具有[―P，+q]度的角度分佈，p、Q為實數。光束折射單元120，置放在第一照明模組11〇(丨）和第二照明模組110(2)分別產生的光束obi和0B2的路徑上，將來 •自光源114(1)和114(2)的光束OB1和〇B2導向光線勻化器130。經過導向的光束聚集在焦點平面fP上，在此稱為「近場」（相對於光束聚集於投影顯示系統的投影幕，稱為「遠場」）。焦點平面FP位於光線勻化器13〇的入口處 _ 為佳。經過導向的光束聚集形成一組合光束MB。光線勻化器13 0，以矩形光通道為佳，接著勻化組合光束MB ’並且調整組合光束的光束強度分佈。也就是說，由於照明模組的燈罩112(1)以及112(2)是橢圓形，因此光束OB1以及光束0B2的光強度分佈為圓形。因此，光線 TW2072PA 8 1285293

三達編號：TW2072PA 勻化為130，除了勻化光束外，也用來轉換圓形的光強度为佈成為矩形的光強度分佈。如此^—來當雙燈照明争统 10 0用在一投影系統時，光源Π 4 (1)和114 (2)產生的光束 OB1和OB2得以傳送並照亮數位微型反射鏡元件麗J)之矩形鏡片（panel)。舉例來說，第一照明模組110(1)和11〇(2)的光源 114(1)和114(2)是由背鏡燈建構而成。背鏡燈是在燈口前立而具有反射層的橢圓燈。背鏡燈的角度分佈大約在1 5度左右。苐一照明模組Π 0 (1)和第二照明模組11 〇 (2 )使用背鏡燈產生的光束OB1和OB2的角度分佈一般約在 [-15,+15]度之間。在本例中，p和q值實質上等於15。此外，第一和第二照明模組11〇(1)和11〇(2)，產生的光束OB1和OB2的角度分佈並不限制在[―15，+15]度的範圍内。本實施例中，當第一和第二照明模組丨丨吖^和 110(2)產生的光束OB 1和〇B2的角度分佈，在不小於 [-10, Η0]度以及不大於[—20, +20]度的範圍内時，仍可達成目的。舉例來說，光束折射單元12〇可以是一個稜鏡。如第 1圖所不，稜鏡120具有一第一反射面122以及第二反射面124 ’分別面對第一照明模組11〇(丨）以及第二照明模組 110(2)，用以將來自第一與第二照明模組11〇(1)與11〇(2) 的光束0Β1與0Β2朝向光線勻化器13〇反射，以形成一組合光束。稜鏡120具有一頂角α，由第一反射面和第二反射面父會所形成。該頂角α實質上可在度到11〇度的

TW2072PA 1285293

* 三達編號：TW2072PA * 範圍内變化。第2圖描述乃使用不同的光束（〇B1和〇β2 )角度分佈以及不同的稜鏡120頂角，施用於實施例一中的雙燈照 .明系統所達成的模擬結果圖。在模擬中，來自第一和第二 ’·照明模組110(丨）和110(2)的光束ΟΒ1和ΟΒ2的角度分佈都在[-10，10]度、[-13. 42，13· 42]度、[-20,20]度或 [-15, 15]度的角度範圍内。如第2圖所示，稜鏡丨2〇的頂 • 角α不小於9〇度並且不大於110度。組合光束ΜΒ在進入光線勻化器130時的角度分佈，係受限於頂角的角度大小。麥考第3Α圖，其所繪示乃當棱鏡角度為9〇度，而且來自第一照明模組11〇(2)的光束〇Β2，相對於χ轴的角度分佈（假設光束ΟΒ2的中央光線平行於X軸）為[―15, 15] 度時（第2圖的第1〇例），所形成的組合光束Μβ角度分佈示思圖。進入光通道13〇的反射光束具有相對於ζ軸 [-15, 15]度範圍的角度分佈（假設光通道13〇的中央轴線 •平行於ζ轴）。因此，在進入光通道130時，反射光束中的光線，相對於Ζ軸的最大角度是15度（也就是〇 + 15)，或-15度。相對地，在進入光通道13〇時，反射光束〇β1 中的光線，所具有相對於ζ軸的最大角度也是15度或一15 •度。因此，組合光束Μβ的角度分佈為[―15，15]度。參考第3Β圖，當稜鏡頂角角度為1〇5度，且來自第二光學模組110(2)的光束ΟΒ2的角度分佈範圍，相對於χ軸為 [-15, 15]度時（第2圖的第u例），組合光束Μβ的角度分佈如圖所示。頂角α額外增加的15度〇〇5度—9〇度）

TW2072PA 5 10 1285293

三達編號：TW2072PA 使的反射光束〇B2進入光通道130時，光束中光線的入射角相對於Z軸增加了 15度。因此，反射光束〇B2中的入射光線相對於Z軸係介於〇度到30度之間，導致當進入 • 光通道13〇時，反射光束OB2相對於Z軸增加到30度（也 ·· 就是15度+ 15度）。相對地，當進入光通道13〇時，反射光束OB1中光線相對於z軸的最大角度為-30度。因此，組合光束MB的角度分佈為[一30, 30]度。 φ 因此’、依照第2圖模擬結果顯示，當雙照明燈系統 100採用的光束折射單元為稜鏡丨2〇時，只要稜鏡角度介於90到11〇度之間，並且第一照明模組11〇(1)和第二照明模組110(2)所輸出的光束0B1和0B2的角度分佈不小於 [一 1〇, 10]度且不大於[-20, 20]度，光束obi以及光束〇B2 δ併开y成的組合光束MB之角度分佈便可落於數位微型反射鏡元件所限制的範圍内（[-3〇, 3〇]度）。第4圖，繪示一種投影顯示系統500之示意圖，應用釀第1 W實施例中的雙燈照明系统1〇〇。投影顯示系統5〇〇包括有雙燈照明系統100，一組光學傳播裝置54〇，一光線调谛裝置550，投影鏡片組560以及投影螢幕57〇。在組合光束MB經由光線勻化器13〇勻化後，在光線句化器 .出口轉變成為矩形分佈。光學傳播裝置，舉例來說，可包 •括有聚集鏡片組540(1)以及全内反射稜鏡54〇(2)，用來將組合光束MB從光線勻化器130傳遞到光線調節裝置 550/光線調節裝置55〇，舉例來說，為一種數位微型^射鏡兀件（DMD)，經由光學傳播裝i 54Q接收來自光線句化

TW2072PA 11 1285293

• 三達編號：TW2072PA * 器130的組合光束MB’ 。數位微鏡裝置550的鏡片安排成可以選擇性地將組合光束MB’反射到投影鏡片組560，或是阻擋組合光束穿過投影鏡片組560到達投影螢幕570。 • 在數位微型反射鏡元件550調節來自光線勻化器130傳來 • 的組合光束MB’後，調節過的光束MB’ ’接著經由投影鏡片組560投射到投影螢幕570上，因而產生影像。調節過的光束MB’ ’聚焦於投影螢幕570稱為位於 φ 「遠場」。第5圖繪示當施加一矩形光通道130時，第4 圖中組合光束MB’ ’的遠場角度分佈與流明度之關係圖。橫軸表示角度分佈，單位為度；縱軸表示組合光束的流明度，單位為流明/球面度（lumens/steradian)。調節過的光束MB’ ’有一 X方向的角度分佈，大約在[-30, 30] 度，及一 Y方向的角度分佈，大約在[-15,+15]度。本圖繪示的是光通道為一矩形通道所產生的角度分佈結果，光通道的入口寬邊等於其出口寬邊（W1)，而入口長邊也等於 ❿ 出口長邊（L1 )，如圖6A所示。為了增加調節後的光束 MB’ ’在Y方向的角度分佈，從大約[-15, 15]度到大約 [-30, 30]度，光線勻化器採用逐漸收窄的矩形通道，如圖 6B所示。逐漸收窄的矩形通道的入口的長邊（L2)，沿著垂 • 直於光束OB1與OB2以及第1圖中組合光束MB的方向（例 • 如，Y方向），實質上約為逐漸收窄的矩形通道出口長邊（L3) 的兩倍，如圖6B所示。然而，操作上並不限於此，只要長邊L3較長邊L2小，調節後的光束MB’ ’在Y方向的角度分佈就可有效增加。舉例來說，一逐漸收窄的矩形通道 TW2072PA 12 1285293

二達編號：TW2072PA 的入口寬邊W2跟長邊L2，分別為8· 5mmX8· 5mm ;而逐漸收窄的矩形通道出口寬邊W2和長邊L3的尺寸為了生產考星可以為8· 5mmX6· 5mm。因此，藉由增加光線勻化器13〇入口的長度，Y方向的角度分佈可以從[-15, +15]度增加到 [-30, +30]度。實施例二 1 芩考第7圖，根據本發明實施例二繪示一種雙燈照明系統之示意圖。在第7圖中，照明模組712(1)和712(2) 為橢圓燈。在實施例二中使用橢圓燈，第一和第二照明模組712(1)和712(2)更分別包括擴散鏡片組718(1)和 718(2)，反射燈罩712(1)和712(2)設計成可以讓各自的光源714(丨）和714(2)產生的光束OB1和OB2具有[-P，+Q] 度的角度分佈，P、q為3〇。為了使第一和第二照明模組 710(1)和710(2)產生具有角度分佈卜15，+15]度的光束，擴散鏡片組718(1)和718(2)分別置放於來自光源714(1) 和Π4(2)的光束0B1，和〇B2，的路徑上，以減少光束的角度分佈，使其成為不小於[―p/3，Q/3]，並且不大於 [-2P/3,2Q/3]的光束 obi’，和〇B2，，。假設當 p 和 Q 等於30,光束obi’，和〇似，，的角度分佈減小為三分之一到三分之二，變成[―1〇, 1〇]度到[-2〇,2〇]度。使得當光束OB1 和0B2，，聚集在一起時，產生的組合光束 MB 從光線勻化為130出來時不會超過（〇verfi η)數位微型反射鏡元件的鏡片範圍。

TW2072PA 13 1285293

二達編號：TW2072PA 貫施例三 . 參考第8圖，根據本發明實施例三繪示一種雙燈照明 • 系統之示意圖。第9圖繪示稜鏡820的放大圖。第一和第，二照明模組810(1)和810(2)分別面對光束折射單元的右面跟前面，第一和第二照明模組810(1)和810(2)由背鏡燈建構而成。光束折射單元可以由全内反射棱鏡820建構 _ 完成。來自第一照明模組810(1)和810(2)的光束OB1和〇B2的傳播方向實質上彼此互相垂直。全内反射稜鏡820 的表面822將來自第一照明模組810(1)的光束OB1全反射到光線勻化器130;而從第二照明模組810(2)來的光束〇B2，穿過表面822朝光線勻化器130傳播。也就是說，當光線入射角大於全内反射稜鏡820的表面822的臨界角時，會穿過表面812而不會全反射。舉例來說，為達到有政的光輸出率（throughput)，全内反射稜鏡設計成角度石 * 為99· 25度，而r為32度。雙燈照明系統800更進一步包括有光束聚集器840,用以在組合光束MB進入光線勻化器130之前，聚集來自全内反射稜鏡820的組合光束，並調整組合光束MB的角度分佈到所需要結果，例如[-30, +30] • 度。 • 較佳地，第一與第二照明模組810(1)與810(2)產生的光束0B1以及0B2各自的角度分佈不小於[―10, +1〇]度並且不大於[-20, +20]度。 TW2072PA 14 1285293

* 三達編號：TW2072PA * 實施例四參考第10圖，繪示根據本發明實施例四的一種雙燈照明系統之示意圖。在本實施例中，第一與第二照明模組 • 1010(1)和 1010(2)包括橢圓燈 1014(1)和 1014(2)。針對，橢圓燈通常產生具有[-30,+30]度角度分佈的光束OB1和 (^2，因此，利用擴散鏡片組1016(1)和1016(2)，配置在光束OB1和OB2聚焦於位於光線勻化器130入口的焦點平 φ 面FP之前，以將角度分佈從[-30, +30]度減少到[-15, +15] 度。第8圖中的背鏡燈810(1)和810(2)可以分別用橢圓燈1014(1)和擴散透鏡組1016(1)，以及橢圓燈1014(2) 和擴散透鏡組1016(2)來取代。因此，綜上所述，藉由使用雙燈照明模組產生光束並聚集以形成組合光束，接著傳送到數位微型反射鏡元件的鏡片上，產生的輸出率比單燈系統多出1. 5到1. 7倍。除此之外，利用聚集透鏡組以及擴大透鏡組，本發明的實施 ⑩ 例可有效避免光束超出（overf i 11)數位微型反射鏡元件之鏡片範圍的情形發生。綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離 • 本發明之精神和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此 • 本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 TW2072PA 15 1285293

三達編號：TW2072PA * 【圖式簡單說明】第1圖根據本發明實施例一，繪示一種雙燈照明系統。 • 第2圖描述光束0B1與光束0B2不同角度變化下的模 ’ 擬結果。第3A和3B圖以兩個例子繪示當稜鏡角度以及組合光束MB的角度分佈改變造成的影響。鲁第4圖根據本發明第1圖的實施例一，繪示投影顯示系統500 ’包括有雙燈照明系統1〇〇。苐5圖續"示第4圖的組合光束MB’ ’在不同角度分佈下遠場的流明度。第6A圖和第6B圖分別緣示矩形光通道和逐漸收窄的光通道的尺寸大小。弟7圖根據本發明實施例二纟會示一種雙燈照明系統。第8圖根據本發明實施例三繪示一種雙燈照明系統。 ® 第9圖繪示第8圖中棱鏡820的放大圖。弟10圖根據本發明貫施例四，緣示一種雙燈照明系統。 /、【主要元件符號說明】 100 :雙燈照明系統 110(1)、110(2) ··第一照明模組、第二照明模組 112(1)、112(2):具有反光層的橢圓形燈罩 H4(l)、114(2):光源

TW2072PA 16 1285293

三達編號：TW2072PA 120 :光束折射單元 122、124 ··第一反射面、第二反射面 130 光線勻化器 500 投影顯示系統 540 光學傳播裝置 550 光線調節裝置 560 投影鏡片組 570 投影螢幕 710(1)、710(2):第一照明模組、第二照明模組 712(1)、712(2):反射燈罩 714(1)、714(2):光源 718(1)、718(2):擴散鏡片組 800 :雙燈照明系統 810(1)、810(2):雙燈照明系統 820 :全内反射棱鏡 _ 822 :稜鏡表面 840 ··光束聚集器 1000 :雙燈照明系統 1010(1)、1010(2) ··第一照明模組、第二照明模組 1014(1)、1014(2):橢圓燈 • 1016(1)、1016(2):擴散透鏡組 FP :焦點平面 U、W1 :矩形光通道的長邊、寬邊 L2、W2 :逐漸收窄的矩形光通道入口的長邊、寬邊 TW2072PA 17 1285293

三達編號：TW2072PA ‘ L3、W3 :逐漸收窄的矩形光通道出口的長邊、寬邊 MB :組合光束 MB’ ：經過光學傳播裝置的組合光束 MB’ ’ ：經數位微型反射鏡元件調節後的組合光束 OBI、0B2 :光束 OBI’ 、0B2’ ：經過擴散鏡片組前的光束 OBI’ ’ 、0B2’ ’ ：經過擴散鏡片組後的光束 > α:光束折射單元之頂角 β、Τ :全内反射稜鏡之角度 -P°、+Q° :角度 TW2072PA 18

Claims

1285293 三達編號：TW2072PA • 十、申請專利範圍： 1· 一種適用於投影顯示系統的雙燈照明系統，包括：一第一照明模組以及一第二照明模組，分別包括一光 \ 源以及一具有反射層的一橢圓形燈罩，各該光源產生一光 ··束，該光束包括數道聚集光線，各該光束具有[—p，+Q]範圍之角度分佈，p，Q皆為實數；一光束折射單元，置放於該第一照明模组以及該第二 ❿照明杈組的光束路徑上，其中，該第一照明模組與該第二，明模組分別面對該光束折射單元的不同面，該光學折射早兀至少反射來自該第一照明模組與該第二照明模組的〜光束，、中之，並且將來自該第一照明模組與該第二照明模組的該光束合成一組合光束；以及光線勻化裔（light homogenizer)，用以勻化該植合光束。、 2.如申請專利範圍第}項所述之雙燈照明系統，其 :p = 5值上等於3G’該第—照明模組以及該第二照杈組分別包括·· -光束擴散器，用以減少該第一照明模組與該第二照明模光源所產生的該角度分佈，使該角度分佈實質上不 …[-P/3’Q/3]度，並且實質上不大於[―2ρ/3，剩度。中.__々申明專利範圍第2項所述之雙燈照明系統，其照明模組與該第二照明模組的該光源為橢圓燈。中^請專利範園第1項所述之雙燈照明系統，其 Q只貝上不小於10並且實質上不大於20。 TW2072PA 19 1285293 二達編號：TW2072PA 5·如申請專利範圍第4項所述之雙燈照明系統，其中忒第一照明模組與該第二照明模組的該光源為背鏡燈 (back mirror lamps)。 6·如申請專利範圍第5項所述之雙燈照明系統，其中Ρ和Q實質上等於15。、 7·如申凊專利範圍第1項所述之雙燈照明系統，其中該組合光束聚集於一焦點。 ^8、如申請專利範圍第7項所述之雙燈照明系統，其 Τ。亥光線勻化器、包括—人口，該焦點係位於該光線句化器的該入口。上9·如申請專利範圍第1項所述之雙燈照明系統，其中=束折射單7^包括-稜鏡，該稜鏡包括-第-反射面及^第一反射面，該第—反射面與該第二反射面分別面對二第…明杈組與該第二照明模組，分別用以反射來自該 ^ π明H與該第二照明模組的光束，以形成該組合光束射向該光線勻化器。瓜b申請專·圍第9韻述之雙燈照㈣統，其 ^射面和該第二反射面交叉形成—頂角，該頂角貝貝不小於90度並且實質上不大於u 一照明模組與該第二日力昍俨4 木目^乐 —…、月杈組的該光束的該角度分佈實貝上都不小於H)度並且實質上都不大於2〇度。盆中二1光^料利範圍第1G項所述之雙燈照明系統，的矩= : = 出口，该入口及該出口各具有 TW2072PA 20 1285293 二達編號：TW2072PA 長邊及短邊，該入口的該長邊係垂直於該光束與該組合光束的行徑方向，該入口的該長邊之長度實質上為該出口的該長邊之長度的兩倍，而該出口的寬邊的寬度實質上與該入口的該寬邊的寬度相同。 12. 如申請專利範圍第1項所述之雙燈照明系統，其中，該光線折射單元包括：一全内反射（total internal reflecti〇n)稜鏡，其中，來自該第一照明模組與該第二照明模組的該光束在進入該全内反射稜鏡之前’其傳播方向實質上為互相垂直，該全内反射稜鏡的-表面全反射來自該第—照明模組的該光束使其傳播至該光線勻化器，而來自該第二照明模組的該光束係通過該表面而傳播至該光線句化器。 13. 如申請專利範圍第12項所述之雙燈照明系統，其中該系統進-步包括一光束集中器，在該組合光束進入該光線勻化器之前接絲自該光束折射單元的該組合光束。甘上Γ申請專利範圍第13項所述之雙燈照明系統， /、中忒光線勻化器為一矩形光通道。 TW2072PA 21