TWI311230B - Illumination system and projecton system - Google Patents

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TWI311230B TW95124780A TW95124780A TWI311230B TW I311230 B TWI311230 B TW I311230B TW 95124780 A TW95124780 A TW 95124780A TW 95124780 A TW95124780 A TW 95124780A TW I311230 B TWI311230 B TW I311230B
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Sung-Tse Yang
Shun-Yi Chen
Mei Liu
Wen-Chih Tai
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13 1 123^5ITW 17689twf_doc/e 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種照明系統及投影系統,且特別是 有關於一種具有較佳光利用率之照明系統及投影系統。 【先前技術】 隨著現代視訊技術的進步,投影裝置已被廣泛地使用 在會議室、大型會場、電影院等等場合以提供大面積的影 像。因此,投影裝置中的照明系統往往需要提供較高亮度 的光源始能清晰地投射出影像。然而,倘若照明系統内部 的光利用率不佳,使得光源亮度不足而造成影像模糊,則 會降低投影裝置的品質。所以,如何有效提昇照明系統的 光利用率已成為一個重要的研發課題。 圖1為習知的照明系統的侧視示意圖。請參考圖1, 習知的照明系統100包括一燈源模組110、一第一積分陣 -列透鏡(integral lens array)120、一第二積分陣列透鏡13〇、 一極化分光轉換器(polarization beam splitter converter) 140、一聚光透鏡(condenser lens)l50 及一準直透 鏡(collimator lens)160。其中,燈源模組11〇適於發出一白 光112’而第一積分陣列透鏡120、第二積分陣列透鏡丨3〇、 極化分光轉換器140、聚光透鏡150及準直透鏡16〇是依 序配置於白光112之光路上。 白光112首先是藉由第一積分陣列透鏡12〇及第二積 分陣列透鏡130而聚焦於極化分光轉換器14〇上。接著, 極化分光轉換器140會將白光112轉為偏振光。之後,聚 5 17689twf.doc/e 光透鏡150會再次將白光112聚焦於準直透鏡160上,而 準直透鏡160用於將白光112轉為近似平行的光束。此外, 若在準直透鏡160之後的白光112的光路上配置一液晶面 板102,則照明系統100與液晶面板1〇2將可組成一投影 系統10。
然而由於目前製造技術上的極限,使得燈源模組11〇 之燈芯的放電間隙(Arc Gap)仍有1.1mm的長度,因而造成 燈源核組110提供之白光112並非理想的平行光源。所以 第一積分陣列透鏡120無法將白光112聚焦成理想的點光 源’而是聚焦成具有一定大小面積的光斑。倘若未設置第 二積分陣列透鏡130,以使白光112在通過第一積分陣列 透鏡120後能夠直接聚焦於極化分光轉換器ι4〇上,則部 分面積過大的光斑會被極化分光轉換器14〇阻擋而無法通 過。如此會造成照明系統1〇〇的光利用率下降,其中光利 用率是指照明系統100最終能提供白光112之亮度相對於 燈源模組110於起始時發出白光112之亮度的比例值。、 承接上述,為解決光斑面積過大問題,目前的解決方 法是根據白光112通過第一積分陣列透鏡12〇後之光=分 佈狀況來設計第二積分陣列透鏡130的幾何形狀、曲率$ 特性,以控制白光112聚焦於極化分光轉換器14〇上 斑面積大小。 ^ 圖2為白光照射在極化分光轉換器時光斑之分佈狀 圖。請參考圖2,極化分光轉換器140具有縱向交錯的 光區域142及非透光區域144,而白光主要是聚焦^透 6 13 1 123^0^5ITW 17689twf.doc/e 區域142内。儘管白光聚焦後之光斑(黑點狀)大部分是落 在透光區域142内,可是仍有部分的光斑是落在非透光區 域144内而無法通過極化分光轉換器14〇,使得照明系統 的光利用率無法有效提昇。值得注意的是,光斑特別 疋在杈向(又方向)的範圍過大時,會部分地落在非透光區 域144内。 此外,由於第二積分陣列透鏡13〇在設計上需與第一 積分陣列透鏡120相互搭配,因此會增加積分陣列透鏡設 计上的困難與複雜度。更甚者,由於照明系統内需要 使用到參數條件不同之第一積分陣列透鏡120及第二積分 陣列透鏡130,如此會增加製作照明系統100的成本。附 帶一提的是,由於此照明系統1〇〇在組裝上僅對中心光軸 具有對稱性,使得照明系統100在量產上不易組裝,此亦 會增加其製作成本。 【發明内容】 有鑑於此,本發明的目的就是在提供一種具有較佳光 利用率之照明系統以-及投影系統。 基於上述或其他目的,本發明提出一種照明系統,其 包括一燈源模組、一第一積分陣列透鏡、一柱狀透鏡陣列、 一極化分光轉換器、一柱狀透鏡、一聚光透鏡及一準直透 鏡。燈源模組適於發出一白光,而第一積分陣列透鏡是位 於白光之光路上。柱狀透鏡陣列是位於第一積分陣列透鏡 之後之白光之光路上。極化分光轉換器是配置於柱狀透鏡 陣列之後之白光之光路上。柱狀透鏡是配置於極化分光轉 131123051^ 17689twf.doc/e 換器之後之白光之光路上。聚光透鏡是配置於柱狀透鏡之 後之白光之光路上。準直透鏡是配置於聚光透鏡之後之白 光之光路上。 在本發明之一實施例中,照明系統更包括一第二積分 陣列透鏡,其中第二積分陣列透鏡位於第一積分陣列透鏡 與柱狀透鏡陣列之間之白光之光路上。 在本發明之一實施例中,柱狀透鏡陣列之各柱狀透鏡 的半徑可以是介於5至35mm之間。 基於上述或其他目的,本發明另提出一種投影系統, 其包含一照明系統及一液晶面板。照明系統更包括一燈源 杈組、一第一積分陣列透鏡、一柱狀透鏡陣列、一極化分 光轉換器、一柱狀透鏡、一聚光透鏡及一準直透鏡。燈源 模組適於發出一白光,而第一積分陣列透鏡是位於白光之 光路上。柱狀透鏡陣列是位於第一積分陣列透鏡之後之白 光之光路上。極化分光轉換器是配置於柱狀透鏡陣列之後 之白光之光路上。柱狀透鏡是配置於極化分光轉換器之後 之白光之光路上。聚-光透鏡是配置於柱狀透鏡之後之白光 之光路上。準直透鏡是配置於聚光透鏡之後之白光之光路 上。液晶面板是配置於照明系統之後之光路上。 在本發明之一實施例中,照明系統更包括一第二積分 陣列透鏡,其中第二積分陣列透鏡位於第一積分陣列透鏡 與柱狀透鏡陣列之間之白光之光路上。 在本發明之一實施例中,柱狀透鏡陣列之各柱狀透鏡 的半徑可以是介於5至35mm之間。 13 1 1 2P^0ITW 17689twf.doc/e 在本發明之一實施例中’液晶面板為一反射式液晶面 板或一穿透式液晶面板。此外,反射式液晶面板例如為單 晶石夕反射液晶面板(LCOS display panel)。 綜上所述,在本發明之照明系統及投影系統中,柱狀 透鏡陣列可縮短光斑在橫方向(X方向)之幾何長度,以使 光斑的大小能符合極化分光轉換器之透光區域大小。如 此,本發明可以有效提昇照明系統及投影系統之光利用 率,以使採用此照明系統及投影系統的產品具有較佳的品 質。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂’下文特舉實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如 下。 【實施方式】 圖3為依據本發明一實施例之投影系統的側視示意 圖。請參考圖3’本發明之投影系統20包含一照明系統200 及一液晶面板202,而照明系統200包括一燈源模組210、 一第一積分陣列透鏡220、一柱狀透鏡陣列230、一極化分 光轉換器240、一柱狀透鏡250、一聚光透鏡260及一準直 透鏡270。其中,燈源模組21〇適於發出一白光212,而第 一積分陣列透鏡220、柱狀透鏡陣列230、極化分光轉換器 240、柱狀透鏡250、聚光透鏡260及準直透鏡270是依序 配置於白光212之光路上。 白光212首先是藉由第一積分陣列透鏡220及柱狀透 鏡陣列230而聚焦於極化分光轉換器240上,其中柱狀透 13 1 1 2§θ5ΓΠν 17689twf.doc/e =歹2^0會特別縮短白光212聚焦後之光斑在橫方向(χ ^之4何長度,以使光斑能幾乎完全通過極化分光轉換 ° 0而不被阻擋。接著,極化分光轉換器24G會將白光 212轉為偏振光’而柱狀透鏡25〇會將形狀不對稱(X及Υ 方向)的光斑矯正成所需的光斑形狀及區域大小。之後,聚 光透鏡260會再次將白光212聚焦於準直透鏡27〇上而 準直透鏡270適用於將白光m轉為近似平行的光束。 承上所述’由於白光212聚焦到極化分光轉換器240 上之光斑大小能幾乎完全通過極化分光轉換器24〇而不被 阻擋’因此本發明可有效提昇照明系統2〇〇之光利用率, 其中光利用率是指照明系統2〇〇最終能提供白光212之亮 度相對於燈源模組21〇於起始時發出白光212之亮度的比 例值。此外’於本發明之投影系統20中,液晶面板202 疋配置於照明系統2〇〇提供之白光212的光路上,以使白 光212可轉為影像後投射出去。由於照明系統200具有較 佳之光利用率,因此配置此照明系統2〇〇之投影系統2〇 亦具有較佳的光利用-率。更進一步而言,液晶面板2〇2例 如為一反射式液晶面板或一穿透式液晶面板,其中反射式 液晶面板更可為一單晶矽反射液晶面板(LCOS display panel)。 以下,將配合圖示詳述照明系統200中第一積分陣列 透鏡220、柱狀透鏡陣列230及極化分光轉換器240的形 狀結構。 圖4為依據本發明一實施例之第一積分陣列透鏡的局 13 1 1 20 你 ITW 1768 9twf.doc/e =立體示思圖。請參考圖4,第一積分陣列透鏡22〇例如 =由多數個透鏡單元222依縱向及橫向排列而組成。當白 ,212照射至第一積分透鏡22〇時,會被此些透鏡單元222 聚焦成多數個光斑,而此些光斑的形狀及面積大小是由各 個透鏡單元222的曲率等因素所決定。此外,透鏡單元222 的數量例如是對應液晶面板202的解析度而設置,舉例而 吕’若液晶面板202的解析度為1800x480,則透鏡單元222 例如以480列搭配18〇〇行組成第一積分陣列透鏡22〇。 圖5A及圖5B分別為依據本發明一實施例之極化分光 轉換器的局部立體示意圖及局部上視示意圖。請參考圖5A 及圖5B ’極化分光轉換器240的入射面(相對於白光212 的行進方向)上具有縱向交錯的透光區域242及非透光區 域 244 ’ 而數個偏振分光膜(p〇iarjzed Light Separation Film)246及數個反射膜(Reflecting Film)248是斜向設置於 極化分光轉換器240的内部,且數個%波板(half- wave plate)249是設置於極化分光轉換器240的出射面。 當同時具有p及—s偏振狀態的白光212於透光區域242 入射極化分光轉換器240後,偏振分光膜246適於使具有 p偏振狀態的白光212穿透,並反射具有s偏振狀態的白 光212。接著,具有s偏振狀態的白光212被反射膜248 反射後會直接從極化分光轉換器240的出射面射出,且具 有P偏振狀態的白光212會被%波板249改變偏振狀態而 轉成具有s偏振狀態的白光212。如此,白光112之偏振 狀態即轉為單一偏振方向的偏振狀態。 11 13112S05ITW 17689twf.doc/e 圖6為依據本發明一實施例之柱狀透鏡陣列的局部立 體示意圖。請參考圖6,柱狀透鏡陣列230例如是由多數 個柱狀透鏡232依橫向排列而組成。在本實施例中,各個 柱狀透鏡232的在X方向之較佳半徑例如是介於5〜35mm 之間,且在Y方向是沒有曲率。當白光112聚焦後的光斑 入射至柱狀透鏡陣列230時,則各個柱狀透鏡232會縮短 光斑在X方向的幾何長度,而不會改變γ方向的幾何長 度’以使得光斑的範圍大小與極化分光轉換器24〇的透光 區域242的範圍大致相同。附帶一提的是,柱狀透鏡25〇(如 圖3所示)的曲率須與柱狀透鏡陣列23〇中各個柱狀透鏡 232的曲率搭配,以使光斑的形狀於通過柱狀透鏡陣列Μ。 時產生的不對稱可以藉由如圖3所示之柱狀透鏡25〇而矯 正回覆原先的形狀。 圖7為白光照射在極化分光轉換器時光斑之分佈狀態 圖。请參考圖7,在本發明之照明系統2〇〇中,白光212 聚,後之光斑(黑點狀)幾乎均落在極化分光轉換器240之 透光區域242内’因此本發明可有效提昇照明系統篇的 光利用率。 12 13 1 17689tw£doc/e 13 1 17689tw£doc/e 表1 柱狀透鏡陣列中 柱狀透鏡之丰蔣 光利用率 5 97.10% 10 96.66% 15 95.01% 20 94.13% 25 93.62% 30 93.26% 35 92.99% 習知未設置 柱狀透鏡陣列 91.48% 表l為柱狀透鏡陣列中柱狀透鏡之曲率與光利用率的 對照表。請參考表1 ’當柱狀透鏡陣列23()中柱狀透鏡232 之半徑介於5〜35mm時,本發明之照明系統2〇〇的光利 用率均大於習知之照明系統100(未設置柱狀透鏡陣列)的 光利用率(91.48%)為高,其中光利用率是指照明系統最終 能提供白光之亮度相對於燈源模組於起始時發出白光之亮 度的比例值。當然,在综合考量製作成本、發光效果等等 因素下’本發明之柱狀透鏡陣列230中柱狀透鏡232之最 佳半徑的數值是20mm。 請再參考圖3 ’為更進一步提昇照明系統2〇〇的光利 用率,本發明例如更設置一第二積分陣列透鏡28〇,其中 13 131123炒卿 17689twf.doc/e 第積刀陣列透鏡280是位於第一積分陣列透鏡220與柱 狀透鏡陣列230之間之白光212之光路上。藉由第一積分 陣列透鏡22G、第二積分_透鏡及柱狀透鏡陣列23〇 可使白光212 #焦之光斑範圍更能符合極化分光轉換器 240的透光區域242’如此本發明之光源系統2〇〇可具有更 - 佳之光利用率。值得一提的是,由於照明系統200在組裝 上並非以中心光軸對稱,因此照明系統200在量產上容易 * 組装而得以降低其製作成本。 Φ ,综上所述’本發明之照明系統及投影系統至少具有下 列優點: / " 本發明设置柱狀透鏡陣列以調整光斑的形狀,可 使,斑歲乎元全通過極化分光轉換器,進而增加照明系統 =光利用率。此外,由於在投影系統中配置有較佳光利用 率之照明系統,因此本發明之投影系統亦具有較佳的光利. 用率。 二、相較於習知技藝須設置特殊規格之第二積分透鏡 ❿ 陣列而言,本發明以-柱狀透鏡陣列及柱狀透鏡的搭配以矯 正光斑,因此本發明可採用一般規格之第二積分透鏡陣列 • 取代特殊規格之第二積分透鏡陣列,以降低成本。 •二、由於本發明之照明系統在組裝上並非以中心光軸 對稱,因此在量產上容易組裝而得以降低其製作成本。 雖然本發明已以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’當可作些許之更動與潤飾,因此本發明之保護 14 13 1 1 23 秒1TW 17689twf.d〇c/e 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明] 圖1為習知的照明系統的側視示意圖。 圖2為白光照射在極化分光轉換器時光斑之分佈狀態 圖。 圖3為依據本發明一實施例之投影系統的侧視示意 圖。
圖4為依據本發明一實施例之第一積分陣列透鏡的局 部立體示意圖。 圖5A及圖SB为別為依據本發明一實施例之極化分光 轉換器的局部立體示意圖及局部上視示意圖。 一,6為依據本發明—實施例之柱狀透鏡陣列的局部立 體不意圖。 圖7為白光照射在極化分光轉換器時光斑之分佈狀態 圖。 。 【主要元件符號說明】
10:投影系統― 100 :照明系統 102 .液晶面板 110 :燈源模組 112 :白光 120 :第一積分陣列透鏡 130 :第二積分陣列透鏡 140 :極化分光轉換器 131123©I,rW l7689twf.doc/e 142 :透光區域 144 :非透光區域 150 :聚光透鏡 160 :準直透鏡 20 :投影系統 200 :照明系統 202 .液晶面板 210 :燈源模組 φ 212 :白光 220:第一積分陣列透鏡 230 :柱狀透鏡陣列 232 :柱狀透鏡 240 :極化分光轉換器 242 :透光區域 244 :非透光區域 246 :偏振分光膜 248 :反射膜 — 249 : 波板 • 250 :柱狀透鏡 . 260 :聚光透鏡 270 :準直透鏡 280 :第二積分陣列透鏡 16

Claims (1)

  1. Ι31123Θ5㈣ 17689twf,doc/e 十、申請專利範圍: 1.一種照明系統,包括: 一燈源模組,適於發出一白光; 一第一積分陣列透鏡,位於該白光之光路上; 一柱狀透鏡陣列’位於該第一積分陣列透鏡之後之該 白光之光路上; 一極化分光轉換器,配置於該柱狀透鏡陣列之後之該 白光之光路上;
    柱狀透鏡,配置於該極化分光轉換器之後之該白光 之光路上; 一聚光透鏡,配置於該柱狀透鏡之後之該白光之光路 上;以及 一準直透鏡,配置於該聚光透鏡之後之該白光之光路 上。
    2.如申請專利範圍第1項所述之照明系統,更包括一 積77陣列透鏡’位於該第—積分陣列透鏡與該 鏡陣列之間之該白光之光路上。 狀請專利範圍第1項所述之照明系統,其中該柱 透鏡陣列之各柱狀透鏡的半徑介於5至35mm之間。 4·—種投影系統,包括: —照明系統,包括: 一燈源模組,適於發出一白光; 第一積分陣列透鏡,位於該白光之光路上; —柱狀透鏡陣列’位於該第一積分陣列透鏡之後 17 131123^ 5ITW 17689twf.doc/e 之該白光之光路上; 一極化分光轉換器,配置於該柱狀透鏡陣列之後 之該白光之光路上; 一柱狀透鏡,配置於該極化分光轉換器之後之該 白光之光路上; 一聚光透鏡,配置於該柱狀透鏡之後之該白光之 光路上; 一準直透鏡,配置於該聚光透鏡之後之該白光之 光路上;以及 一液晶面板,配置於該照明系統之後之光路上。 5·如申請專利範圍第4項所述之投影系統,其中該照 明系統更包括一第二積分陣列透鏡,位於該第一積分陣列 透鏡與該柱狀透鏡陣列之間之該白光之光路上。 6.如申請專利範圍第4項所述之投影系統,其中該柱 狀透鏡陣列之各柱狀透鏡的半徑介於5至35mm之間。 7·如申請專利範圍第4項所述之投影系統,其中該液 晶面板為一反射式液晶面板或一穿透式液晶面板。 8.如申請專利範圍第7項所述之投影系統,其中該反 射式液晶面板為單晶矽反射液晶面板。 18
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