TWI383238B - 照明系統 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種照明系統(illumination system),且特別是有關於一種掃描式照明系統(scanning illumination system)。
請參照圖1,一種習知投影裝置(projection apparatus)100包括一照明系統110、一數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)120以及一投影鏡頭(projection lens)130。照明系統110包括一紅色光源112r、一綠色光源112g、一藍色光源112b、二分色鏡(dichroic mirror)114a與114b以及一光積分柱(light integration rod)116。紅色光源112r所發出的紅色光束113r會依序被分色鏡114b反射、通過光積分柱116而抵達數位微鏡元件120。綠色光112g所發出的綠色光束113g會依序穿透分色鏡114a、穿透分色鏡114b、通過光積分柱116而抵達數位微鏡元件120。藍色光源112b所發出的藍色光束113b會依序被分色鏡114a反射、穿透分色鏡114b、通過光積分柱116而抵達數位徵鏡元件120。數位微鏡元件120會將紅色光束113r、綠色光束113g與藍色光束113b轉換為影像光束113’。影像光束113’會通過投影鏡頭130而投射至一螢幕(未繪示)上而形成影像畫面。
當投影裝置100形成全彩化畫時,紅色光源112r、綠色光源112g以及藍色光源112b會依序開啟而後關閉。換言之,在任一時間點上,只會有一種顏色的光源開啟,而其他顏色的光源關閉。經由如此之時間性混色,人眼便能察覺到全彩的影像畫面。然而,由於各色光源僅有三分之一的時間是處於開啟狀態,因此投影裝置100對光源的利用效率不高,而使得投影裝置100所投影出的影像畫面之亮度不高。
本發明提供一種照明系統,其對光源的利用效率較高。
本發明之一實施例提出一種照明系統,其適於提供至少一光源光束(light beam)至一光閥(light valve)。此照明系統包括至少一光源(point light source)、一線形化光束整形器(linearization beam shaper)以及一光學掃描元件(optical scanning device)。光源適於發出光源光束。線形化光束整形器配置於光源光束的光路徑上,並位於光源與光閥之間,以使光源光束沿著一第一方向擴展。光學掃描元件配置於光源光束的光路徑上,並位於線形化光束整形器與光閥之間。光學掃描元件適於運動,以使光源光束沿著一第二方向在光閥上單向掃描或來回掃描。
在本發明之一實施例中,線形化光束整形器包括至少一柱狀透鏡(lenticular)。柱狀透鏡可具有至少一曲面,其面向光源或光學掃描元件。此曲面沿著第一方向切開的剖線可為曲線,而曲面沿著與第一方向垂直之一第三方向切開的剖線可為直線。柱狀透鏡的數量可為多個,而這些柱狀透鏡可沿著第一方向排列並整合為一柱狀透鏡板(lenticular plate)。線形化光束整形器可更包括至少一光積分柱,其配置於光源光束的光路徑上,並位於光源與柱狀透鏡之間。光積分柱在第一方向上的寬度大於在第三方向上的寬度。光源的數量可為多個。這些光源分為多個發光群組,每一發光群組適於發出一照明光束(illumination beam),不同發光群組所發出之這些照明光束的顏色可彼此不同。每一發光群組包括多個光源,而每一發光群組之這些光源可呈陣列排列。這些發光群組可沿著與第一方向垂直之一第三方向排列。
線形化光束整形器可包括多個柱狀透鏡,每一柱狀透鏡可具有至少一曲面,其面向這些光源或光學掃描元件。這些柱狀透鏡可分別配置於這些發光群組所發出之照明光束的光路徑上。線形化光束整形器亦可以是包括多個柱狀透鏡板,每一柱狀透鏡板具有多個沿著第一方向排列之柱狀透鏡。這些柱狀透鏡板可分別配置於這些發光群組所發出之照明光束的光路徑上。
在本發明之一實施例中,線形化光束整形器包括多個光積分柱以及至少一柱狀透鏡。這些光積分柱分別配置於這些發光群組所發出之這些照明光束的光路徑上。柱狀透鏡配置於這些照明光束的光路徑上,並位於這些光積分柱與光學掃描元件之間。柱狀透鏡具有至少一曲面,其面向這些光積分柱或光學掃描元件。柱狀透鏡的數量可為多個,這些柱狀透鏡可沿著第一方向排列並整合為一柱狀透鏡板。這些光積分柱可沿著第三方向排列。
在本發明之一實施例中,光學掃描元件包括一多面體以及一反射膜。多面體具有一底面、一頂面以及連接底面與頂面的多個側面。反射膜配置於多面體的這些側面上,以將來自線形化光束整形器的光源光束反射至光閥。多面體具有一由底面延伸至頂面的軸線,而多面體適於繞著軸線旋轉,以使光源光束沿著第二方向在光閥上單向掃描。
在本發明之一實施例中,光學掃描元件包括一稜鏡,其呈柱狀。稜鏡具有一底面、一頂面以及連接底面與頂面的多個側面。稜鏡具有一由底面延伸至頂面的軸線,而稜鏡適於繞著軸線旋轉,以使來自線形化光束整形器的光源光束由稜鏡的這些側面之一入射稜鏡,且由這些側面之另一出射並傳遞至光閥,而使得光源光束沿著第二方向在光閥上單向掃描。
在本發明之一實施例中,光學掃描元件包括一反射鏡,以將來自線形化光束整形器的光源光束反射至光閥。反射鏡具有一軸線,且反射鏡適於沿著軸線來回擺動,以使光源光束沿著第二方向在光閥上來回掃描。光源例如為一雷射(laser)或一發光二極體(light-emitting diode,LED)。照明系統可更包括一致動器(actuator),其與光學掃描元件連接,以驅使光學掃描元件運動。照明系統可更包括至少一透鏡,其配置於光源光束的光路徑上,並位於線形化光束整形器與光學掃描元件之間。照明系統亦可更包括至少一透鏡,其配置於光源光束的光路徑上,並位於光學掃描元件與光閥之間。
在照明系統中,由於入射線形化光束整形器之光源光束所形成的光斑由圓形改為線形且均勻的光斑,並藉由光學掃描元件使光源光束在光閥上以長條形光斑掃描,所以光源可以持續地處於開啟狀態,而不需如習知技術不斷地啟閉。因此,照明系統對光源的利用效率較高。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉較佳實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。
下列各實施例的說明是參考附加的圖式,用以例示本發明可用以實施之特定實施例。本發明所提到的方向用語,例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等,僅是參考附加圖式的方向。因此,使用的方向用語是用來說明,而非用來限制本發明。
請參照圖2,本發明一實施例之照明系統200適於提供多道光源光束212至一光閥50。照明系統200可應用於一投影裝置(未繪示)中,而光閥50例如為單晶矽液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)、數位微鏡元件、穿透式液晶面板(transmissive liquid crystal panel)或其他適當的光閥。照明系統200包括多個光源210、一線形化光束整形器220以及一光學掃描元件230。光源210適於發出光源光束212。在本實施例中,光源210例如為雷射、發光二極體或其他適當的光源。此外,這些光源210可分為多個發光群組,例如發光群組G1、發光群組G2與發光群組G3,而每一發光群組適於發出一照明光束212’。每一發光群組包括多個光源210,而這些光源210所發出的光源光束212合成照明光束212’。此外,不同發光群組所發出之這些照明光束212’的顏色可彼此不同。在本實施例中,每一發光群組G1、G2、G3之這些光源210可呈陣列排列。再者,這些發光群組G1、G2、G3可沿著一第三方向D3排列。
線形化光束整形器220配置於光源光束212的光路徑上,並位於光源210與光閥50之間,以使光源光束212沿著一第一方向D1擴展,其中第三方向D3與第一方向D1垂直。光學掃描元件230配置於光源光束212的光路徑上,並位於線形化光束整形器220與光閥50之間。在本實施例中,線形化光束整形器220包括一柱狀透鏡222。柱狀透鏡222可具有一曲面222a,其面向光學掃描元件230。曲面222a沿著第一方向D1切開的剖線可為曲線,而曲面222a沿著與第一方向D1垂直之第三方向D3切開的剖線可為直線。換言之,曲面222a只在一個方向上彎曲,因而能使光源光束212沿著第一方向D1擴展,亦即光源光束212的截面可變成直線形。此外,在本實施例中,柱狀透鏡222還可具有一面向光源210的平面222b。在其他實施例中,曲面亦可以是面向光源210,或者柱狀透鏡22可具有分別面向光源210或光學掃描元件230的二曲面。
在本實施例中,光學掃描元件230包括一多面體232以及一反射膜234。多面體232例如呈柱狀,且多面體232具有一底面232a、一頂面232b以及連接底面232a與頂面232b的多個側面232c。反射膜234配置於多面體232的這些側面232c上,以將來自線形化光束整形器220的光源光束212反射至光閥50。由於發光群組G1、G2與G3是沿著第三方向D3排列,且光源光束212及照明光束212’在經過線形化光束整形器220後其截面會變成直線形,因此照明光束212’會在反射膜234上形成三條並排且分別與發光群組G1、G2、G3對應的長條形光斑S1、S2、S3。此外,經過反射膜234的反射之後,照明光束212’會在光閥50上形成三條並排且分別與長條形光斑S1、S2、S3對應的長條形光斑S1’、S2’、S3’。在其他實施例中,每一發光群組之這些光源亦可以是沿一直線排列,例如是沿著第一方向D1排列,以使形成於反射膜上的長條形光斑較為狹長且具有較佳的成像品質。
光學掃描元件230適於運動,以使光源光束212及照明光束212’沿著一第二方向D2在光閥50上單向掃描。在本實施例中,多面體232具有一由底面232a延伸至頂面232b的軸線A,而多面體232適於繞著軸線A旋轉,以使光源光束212沿著第二方向D2在光閥50上單向掃描。換言之,多面體232的旋轉會使得長條形光斑S1’、S2’、S3’在光閥50上沿著第二方向D2掃描。在本實施例中,發光群組G1、G2與G3所發出的照明光束212’例如為紅光、綠光與藍光,則在光閥50上掃描的長條形光斑S1’、S2’與S3’會是紅色光斑、綠色光斑與藍色光斑。如此一來,藉由人眼視覺暫留的作用,光閥50便能夠提供全彩影像。在本實施例中,照明系統200可更包括一致動器240,其與光學掃描元件230連接,以驅使光學掃描元件230運動。具體而言,致動器240例如為一馬達,以驅使光學掃描元件230旋轉。
為了使光源光束212匯聚於反射膜234上的效果更好,可在光源光束212的光路徑上配置至少一透鏡250,並使其位於線形化光束整形器220與光學掃描元件230之間。此外,為了使光源光束212成像於光閥50上的品質更好,可在光源光束212的光路徑上配置至少一透鏡260,並使其位於光學掃描元件230與光閥50之間。
在本實施例之照明系統200中,由於入射線形化光束整形器220之光源光束212所形成的光斑由圓形改為線形且均勻的光斑,並藉由光學掃描元件230使光源光束212在光閥50上以長條形光斑S1’、S2’與S3’掃描,所以光源210可以持續地處於開啟狀態,而不需如習知技術不斷地啟閉。因此,照明系統200對光源210的利用效率較高,進而節約能源,並提昇投影裝置所投影出之影像畫面的亮度。此外,柱狀透鏡222的價格便宜,因此照明系統200可以在成本低的情況下提高對光源210的利用效率。
值得注意的是,本發明並不限定照明系統所具有之光源的數量。在其他實施例中,照明系統可以僅具有一光源。或者,照明系統所具有之多個光源可分為多個發光群組,而每一發光群組僅具有一光源。
請參照圖3,本發明另一實施例之照明系統200a與上述照明系統200(請參照圖2)類似,兩者的差異處如下所述。在照明系統200a中,線形化光束整形器220a包括多個柱狀透鏡222,這些柱狀透鏡222沿著第一方向D1排列,並整合為一柱狀透鏡板224,以使光源光束212沿著第一方向D1擴展的效果更佳。此外,為了降低成本,照明系統200a可採用標準規格的柱狀透鏡板224。
請參照圖4,本發明又一實施例之照明系統200b與上述照明系統200(請參照圖2)類似,兩者的差異如下所述。在照明系統200b中,線形化光束整形器220b包括多個柱狀透鏡222,這些柱狀透鏡222分別配置於這些發光群組(如發光群組G1、G2、G3)所發出之照明光束212’的光路徑上。換言之,這些柱狀透鏡222可沿著第三方向D3排列。在其他實施例中,線形化光束整形器亦可以包括多個上述柱狀透鏡板224(請參照圖3),而這些柱狀透鏡板224分別配置於這些發光群組所發出之照明光束的光路徑上,亦即這些柱狀透鏡板224是沿著第三方向D3排列。
請參照圖5,本發明再一實施例之照明系統200c與上述照明系統200(請參照圖2)類似,兩者之主要差異如下所述。在照明系統200c中,線形化光束整形器220c更包括多個光積分柱226,這些光積分柱226分別配置於這些發光群組(例如發光群組G1、G2、G3)所發出之照明光束212’的光路徑上,並位於光源210與柱狀透鏡222之間。柱狀透鏡222是配置於這些照明光束212’的光路徑上,並位於光積分柱226與光學掃描元件230之間。在本實施例中,每一光積分柱226在第一方向D1上的寬度W1大於在第三方向D3上的寬度W2,以使通過光積分柱226的光源光束212之截面呈長條形,進而使通過柱狀透鏡222的光源光束212在投射於反射膜234時,會形成成像品質更好的長條形光斑S1、S2、S3。此外,在本實施例中,這些光積分柱226沿著第三方向D3排列。此外,柱狀透鏡222與光積分柱226的價格便宜,因此照明系統200c可以在成本低的情況下提高對光源210的利用效率。
值得注意的是,在其他實施例中,亦可以採用上述柱狀透鏡板224(請參照圖3)來取代照明系統200c中的柱狀透鏡222,或者以多個沿著第三方向D3排列的上述柱狀透鏡222(請參照圖4)來取代照明系統200c中的柱狀透鏡222,或者以多個沿著第三方向D3排列的上述柱狀透鏡板224(請參照圖3)來取代照明系統200c中的柱狀透鏡222。此外,本發明不並限定光積分柱226的數量。在其他實施例中,照明系統亦可以僅具有一光積分柱226。
請參照圖6,本發明另一實施例之照明系統200d與上述照明系統200(請參照圖2)類似,兩者的差異如下所述。在照明系統200d中,光學掃描元件230d適於運動,以使光源光束212沿著一第二方向D2’在光閥50上來回掃描。具體而言,在本實施例中,光學掃描元件230d包括一反射鏡236,以將來自線形化光束整形器220的光源光束212反射至光閥50。反射鏡236具有一軸線A’,且適於沿著軸線A’來回擺動,以使光源光束212沿著第二方向D2’在光閥50上來回掃描。致動器240d例如為適於驅使反射鏡236來回擺動的馬達或其他適當的致動器。
圖7為本發明又一實施例之照明系統的結構側視圖。請參照圖7,本實施例之照明系統200e與上述照明系統200(請參照圖2)類似,兩者的差異如下所述。在照明系統200e中,光學掃描元件230d包括一稜鏡232’,此稜鏡232’例如呈柱狀,且形狀與多面體232相似,但光學掃描元件230d不包括上述反射膜234(請參照圖2)。稜鏡232’適於繞著軸線A旋轉,以使來自線形化光束整形器220的光源光束212由稜鏡232的這些側面232c之一入射稜鏡232’,且由這些側面232c之另一出射並傳遞至光閥50,而使得光源光束212沿著第二方向D2在光閥50上單向掃描。
綜上所述,在照明系統中,由於入射線形化光束整形器之光源光束所形成的光斑由圓形改為線形且均勻的光斑,並藉由光學掃描元件使光源光束在光閥上以長條形光斑掃描,所以光源可以持續地處於開啟狀態,而不需如習知技術不斷地啟閉。因此,照明系統對光源的利用效率較高,進而節約能源,並提升採用此照明系統的投影裝置所投影出之影像畫面的亮度。此外,可採用價格便宜的柱狀透鏡、柱狀透鏡板與光積分柱,以使照明系統在成本低的情況下仍能提高對光源的利用效率。
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,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作些許之更動與潤飾,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。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外,摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用,並非用來限制本發明之權利範圍。
50...光閥
100...投影裝置
110、200、200a、200b、200c、200d、200e...照明系統
112b...藍色光源
112g...綠色光源
112r...紅色光源
113’...影像光束
113b...藍色光束
113g...綠色光束
113r...紅色光束
114a、114b...分色鏡
116、226...光積分柱
120...數位微鏡元件
130...投影鏡頭
210...光源
212...光源光束
212’...照明光束
220、220a、220b、220c...線形化光束整形器
222...柱狀透鏡
222a...曲面
222b...平面
224...柱狀透鏡板
230、230d...光學掃描元件
232...多面體
232’...稜鏡
232a...底面
232b...頂面
232c...側面
234...反射膜
236...反射鏡
240...致動器
250、260...透鏡
A、A’...軸線
D1...第一方向
D2、D2’...第二方向
D3...第三方向
G1、G2、G3...發光群組
S1、S1’、S2、S2’、S3、S3’...長條形光斑
W1、W2...寬度
圖1為一種習知投影裝置的結構示意圖。
圖2為本發明一實施例之照明系統的結構示意圖。
圖3為本發明另一實施例之照明系統的結構示意圖。
圖4為本發明又一實施例之照明系統的結構示意圖。
圖5為本發明再一實施例之照明系統的結構示意圖。
圖6為本發明另一實施例之照明系統的結構示意圖。
圖7為本發明又一實施例之照明系統的結構側視圖。
50...光閥
200a...照明系統
210...光源
212...光源光束
212’...照明光束
220a...線形化光束整形器
222...柱狀透鏡
222a...曲面
222b...平面
224...柱狀透鏡板
230...光學掃描元件
232...多面體
232a...底面
232b...頂面
232c...側面
234...反射膜
240...致動器
250、260...透鏡
A...軸線
D1...第一方向
D2...第二方向
D3...第三方向
G1、G2、G3...發光群組
S1、S1’、S2、S2’、S3、S3’...長條形光斑
Claims (19)
- 一種照明系統,適於提供複數個光源光束至一光閥,該照明系統包括:複數個光源,該些光源適於發出該些光源光束,該些光源分為多個發光群組,每一發光群組適於發出一照明光束,該不同之發光群組所發出之該些照明光束的顏色彼此不同;一非遮蔽式的線形化光束整形器,配置於該些光源光束的光路徑上,並位於該些光源與該光閥之間,以使該些光源光束沿著一第一方向擴展;以及一光學掃描元件,配置於該些光源光束的光路徑上,並位於該非遮蔽式的線形化光束整形器與該光閥之間,其中該光學掃描元件適於運動,以使該些光源光束沿著一第二方向在該光閥上單向掃描或來回掃描。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,其中該非遮蔽式的線形化光束整形器包括至少一柱狀透鏡,該柱狀透鏡具有至少一曲面,面向該光源或該光學掃描元件,該曲面沿著該第一方向切開的剖線為曲線,而該曲面沿著與該第一方向垂直之一第三方向切開的剖線為直線。
- 如申請專利範圍第2項所述之照明系統,其中該至少一柱狀透鏡的數量為多個,該些柱狀透鏡沿著該第一方向排列並整合為一柱狀透鏡板。
- 如申請專利範圍第2項所述之照明系統,其中該非遮蔽式的線形化光束整形器更包括至少一光積分柱,配 置於該些光源光束的光路徑上,並位於該光源與該柱狀透鏡之間,該光積分柱在該第一方向上的寬度大於在該第三方向上的寬度。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,其中每一該發光群組包括多個光源,而每一該發光群組之該些光源呈陣列排列。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,其中該些發光群組沿著與該第一方向垂直之一第三方向排列。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,其中該非遮蔽式的線形化光束整形器包括多個柱狀透鏡,每一柱狀透鏡具有至少一曲面,面向該些光源或該光學掃描元件,該曲面沿著該第一方向切開的剖線為曲線,而該曲面沿著與該第一方向垂直之一第三方向切開的剖線為直線,該些柱狀透鏡分別配置於該些發光群組所發出之該些照明光束的光路徑上。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,其中該非遮蔽式的線形化光束整形器包括多個柱狀透鏡板,每一該柱狀透鏡板具有多個沿著該第一方向排列之柱狀透鏡,每一該柱狀透鏡具有至少一曲面,面向該些光源或該光學掃描元件,該曲面沿著該第一方向切開的剖線為曲線,而該曲面沿著與該第一方向垂直之一第三方向切開的剖線為直線,該些柱狀透鏡板分別配置於該些發光群組所發出之該些照明光束的光路徑上。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,其中該 非遮蔽式的線形化光束整形器包括:多個光積分柱,該些光積分柱分別配置於該些發光群組所發出之該些照明光束的光路徑上;以及至少一柱狀透鏡,配置於該些照明光束的光路徑上,並位於該些光積分柱與該光學掃描元件之間,該柱狀透鏡具有至少一曲面,面向該些光積分柱或該光學掃描元件,該曲面沿著該第一方向切開的剖線為曲線,而該曲面沿著與該第一方向垂直之一第三方向切開的剖線為直線。
- 如申請專利範圍第9項所述之照明系統,其中該至少一柱狀透鏡的數量為多個,該些柱狀透鏡沿著該第一方向排列並整合為一柱狀透鏡板。
- 如申請專利範圍第9項所述之照明系統,其中該些光積分柱沿著該第三方向排列。
- 如申請專利範圍第9項所述之照明系統,其中每一該光積分柱在該第一方向上的寬度大於在該第三方向上的寬度。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,其中該光學掃描元件包括:一多面體,具有一底面、一頂面以及連接該底面與該頂面的多個側面;以及一反射膜,配置於該多面體的該些側面上,以將來自該非遮蔽式的線形化光束整形器的該些光源光束反射至該光閥,其中該多面體具有一由該底面延伸至該頂面的軸線,而該多面體適於繞著該軸線旋轉,以使該些光源光束沿著該第二方向在該光閥上單向掃描。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,其中該光學掃描元件包括一稜鏡,呈柱狀,該稜鏡具有一底面、一頂面以及連接該底面與該頂面的多個側面,其中該稜鏡具有一由該底面延伸至該頂面的軸線,該稜鏡適於繞著該軸線旋轉,以使來自該非遮蔽式的線形化光束整形器的該些光源光束由該稜鏡的該些側面之一入射該稜鏡,且由該些側面之另一出射並傳遞至該光閥,而使得該些光源光束沿著該第二方向在該光閥上單向掃描。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,其中該光學掃描元件包括一反射鏡,以將來自該非遮蔽式的線形化光束整形器的該些光源光束反射至該光閥,該反射鏡具有一軸線,且該反射鏡適於沿著該軸線來回擺動,以使該些光源光束沿著該第二方向在該光閥上來回掃描。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,其中每一該光源為一雷射或一發光二極體。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,更包括一致動器,與該光學掃描元件連接,以驅使該光學掃描元件運動。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,更包括至少一透鏡,配置於該些光源光束的光路徑上,並位於該非遮蔽式的線形化光束整形器與該光學掃描元件之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之照明系統,更包括至少一透鏡,配置於該些光源光束的光路徑上,並位於該光學掃描元件與該光閥之間。
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