TWI388880B - 光源模組及使用該光源模組之顯示系統 - Google Patents

Description

光源模組及使用該光源模組之顯示系統

本發明係關於一種光源裝置，特別是指一種採用複數發光二極體(Light Emitting Diode,LED)作為發光源之模組，以及使用該光源模組之顯示系統。

美國第11/081,825號專利申請案所揭露以發光二極體為光源之發光架構，係於非持續點燈的狀態下，以輸入較高的電流來驅動發光，據此架構以建立一光源模組及使用該光源模組的投影系統。

參閱第1圖，上述光源模組1係包含一第一發光二極體111、一第二發光二極體112、一鏡輪12，以及一電源控制裝置(圖未示)。二發光二極體111、112是以其光線發射路徑呈實質正交之方向設置，而鏡輪12則設置於該二發光二極體111、112之間。

鏡輪12包含複數交錯設置的扇形反射部121及穿透部122，以其軸心123旋轉。若以微觀之方式分解其作動方式可知，當電源控制裝置通以電流而使一側之第一發光二極體111發光時，鏡輪12之其中一穿透部122同步地被旋轉至一與該第一發光二極體111之光束射出方向對應之位置，使其光束通過該穿透部122並往一輸出方向射出；當電源控制裝置通以電流而使對側之第二發光二極體112發光時，此時其對向第一發光二極體111之電流同時被電源控制裝置切斷，鏡輪12之其中一反射部121被旋轉至一與該第二發光二極體112之光束射出方向對應之位置，使該發光二極體112之光束反射，同樣地往該輸出方向射出。藉上述微觀之分解動作，使整體光源得以快速交錯之方式提供所需之光線，且由肉眼觀之，該光線幾乎可呈連續之光線，不會出現瑕疵。

第2圖係顯示前述發光架構之交替式發光循環(duty cycle)示意；進一步言之，其所採行二發光二極體輪流發光之方式，將使出口光源呈現一開啟態(On－State,即圖中A所標示的「平坦波峰段」)之發光通量(Light Flux)，其在時間軸上適可建構成一趨近連續之發光通量，以取代純粹單一發光二極體之連續發光模式，並提供更佳之亮度。

然而，此一理想架構於實際運作上，將產生瑕疵。特定而言，由於鏡輪12，係由複數反射部121及穿透部122所交錯組成，因此其間必然形成若干交界區域。若任一發光二極體光束之全部或局部恰落於此交界區域，非但散失部分光線，亦降低出口光線之瞬時通量。

為避免上述之光散失，在控制時就必須使二發光二極體所生光束，儘可能避開此交界區域，但由於二發光二極體的設置位置係預先被固定，因此只有使交界區域在鏡輪12在轉近光束前即提早使發光二極體熄滅，再趕緊啟動對向之發光二極體。換言之，即要使交界區域儘可能落於關閉態(Off－State,即圖式之B所標示之「狹窄波谷段」)，待交界區域通過對向的發光二極體後再容許另一發光二極體發亮。

雖然如此，眾所周知者，發光二極體係提供一極度發散之光束，其並非聚光之橢球燈，亦非提供平行光之拋物面燈，因此發光二極體之光束投射於鏡輪12上時，將佔據相當之面積，上述提前作動燈泡亮滅之措施，恐無法如願達成預期之結果；再加上鏡輪12上有多處交界區域，為避開每一道交界處，鏡輪12上自始即有相當面積無法被利用，此狀況均無異減短該所需之連續發光通量的A段「平坦波峰段」，且增加不需要之B段「狹窄波谷段」，亦即增加發光通量之非連續性，大幅地減低鏡輪12所能正常提供之使用效率。

有鑑於此，提供一種部分或同時解決上述缺失之光源模組，及使用該裝置之顯示系統，乃為此一業界所共同企盼達成的目標。

本發明之一目的，在於提供一種光源模組及使用此光源模阻之顯示裝置，其實際發光效率提升、光通量充足、且連續性亦可維持而不受肉眼察覺。

為達上述目的，本發明之光源模組包含一鏡輪以及至少二次光源模組。鏡輪具有一中心轉軸及一本體部。本體部設於轉軸之一外周緣，其包含一內部區域及一外部區域，而外部區域係形成於內部區域之一外周緣。外部區域具有至少一反射區域及至少一穿透區域，至少一反射區域與至少一穿透區域係接續沿內部區域之一外周緣排列。至少二次光源模組分設於鏡輪之二相對側，各個次光源模組具有一發光二極體以及至少一聚光元件，適可將發光二極體所投射出之一光束，進行收斂，使其投射至至少一反射區域及至少一穿透區域其中之一。

本發明之顯示系統係包含一光源系統、一光導引系統以及一成像系統。光源系統係提供成像所需之光線，其包含一第一光源模組及一第二光源模組。光導引系統適可將光源系統產生之光線導引至成像系統，使成像系統得以將導引之光線進行成像。其中第一光源模組包含如前所述之光源模組，其提供一第一色光；第二光源模組提供複數與第一色光不同顏色之複數色光，俾根據一預設之整合時序，點亮第一色光及不同顏色之複數色光，以進入光導引系統。

在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，所屬技術領域具有通常知識者便可瞭解本發明之其他目的，以及本發明之技術手段及實施態樣。

本發明之第一實施例係為一種顯示系統3，如第3A圖所示，此顯示系統3包含一光源系統31、一光導引系統33及一成像系統35。於此實施例中，顯示系統3係為一數位光處理(digital light processing,DLP)投影機。

光源系統31係用以提供成像所需之光線，其包含一第一光源模組311及一第二光源模組321。第一光源模組311包含一鏡輪313、二個次光源模組以及一控制器(圖未示出)。

配合參閱第5圖，鏡輪313具有一中心轉軸310與一本體部312，於此實施例中，本體部312係呈一圓盤型，舉例而言，可為一直徑為5公分之圓盤(直徑可視實際需求調整)。本體部312設於轉軸之一外周緣，本體部312包含一內部區域及一外部區域，外部區域係形成於內部區域之一外周緣。外部區域具有複數反射區域314及複數穿透區域316，這些反射區域314與穿透區域316係交錯沿內部區域之外周緣排列，使相異區域接續排列於外周緣上。圖式中，反射區域314係間隔設置於內部區域之外周緣，兩相鄰之反射區域314間形成一鏤空區域，而各該鏤空區域適對應界定出各該穿透區域316。於此實施例中，反射區域314與穿透區域316之數目皆為二個，如第5圖所示，但熟知此項技術者可推及反射區域314與穿透區域316之數目皆僅一個或一個以上之實施態樣。

第一次光源模組與第二次光源模組分別相對於鏡輪313而對稱設置，第一次光源模組具有一第一發光二極體3151以及一第一聚光元件3153。第一聚光元件3153適可收斂第一發光二極體3151所投射出之光線，使其根據一第一時序(G₁ )，順序投射至該等反射區域314。第二次光源模組具有一第二發光二極體3171以及一第二聚光元件3173。第二聚光元件3173適可收斂第二發光二極體3171所投射出之光線，使其根據一第二時序(G₂ )，順序投射至該等穿透區域316。於此實施例中，上述聚光元件可為一透鏡；而第一發光二極體3151與第二發光二極體3171皆為綠色發光二極體。

控制器(圖未示出)電性連接至二個次光源模組，以分別控制第一時序(G₁ )及第二時序(G₂ )之輸入電壓。於本實施例中，第一時序(G₁ )及第二時序(G₂ )均以一波段脈衝型態，提供交錯之輸入電壓。

由第3B圖所示之時序圖可知，第一發光二極體3151與第二發光二極體3171係於不同時間發光，經由鏡輪313之反射區域314與穿透區域316，二發光二極體所產生之光線之路徑恰為重疊，以提供一第一色光至光導引系統33，且此第一色光係為一綠色光。反射區域314與穿透區域316兩者之交錯設置係用以配合第一次光源模組與第二次光源模組之切換使用。第一時序(G₁ )之三次波段脈衝係為第一發光二極體3151產生之光線投射到鏡輪313之反射區域314；第二時序(G₂ )之三次波段脈衝則為第二發光二極體3171產生之光線投射到鏡輪313之穿透區域316。其中，上述各個發光二極體的切換速度極快，且此切換速度係與鏡輪313之穿透區域316與反射區域314數目、鏡輪313之旋轉速度相關。

第二光源模組321係用以提供複數與第一色光不同顏色之複數色光，其中複數色光之數目係為(但不限於)二個。第二光源模組321包含一第三發光二極體3211、一第四發光二極體3213與一合光元件3215，合光元件3215適可將第三發光二極體3211與第四發光二極體3213所產生之光線轉向至光導引系統33。於此實施例中，第三發光二極體3211係根據一第三時序(B)提供一藍色光，第四發光二極體3213係係根據一第四時序(R)提供一紅色光。

第一光源模組311與第二光源模組321 內之該等發光二極體係根據如第3B圖所示之一預設由第一、第二、第三與第四時序之整合時序，點亮第一色光及不同顏色之複數色光(藍色光與紅色光)，以進入光導引系統33。

本實施例中，光導引系統33係為一合光鏡，合光鏡適可將光源系統31之第一光源模組311所產生之第一色光直接導引至成像系統35，並可將第二光源模組321所產生之複數色光轉向導引至成像系統35。合光鏡及前述第二光源模組321之合光元件3215亦可為一叉型折光板(X－Plate)、一分光鏡(dichroic mirror)、三角稜鏡或一濾光鏡。

於此實施例中，成像系統35包含一透鏡陣列(lens array)組37、一數位微鏡裝置(digital micromirror device,DMD)351以及一稜鏡39。是故透鏡陣列組37接著將經光導引系統33導引之第一色光與複數色光進行均勻亮度之處理後，再交由數位微鏡裝置351將光線進行成像，最後藉由稜鏡39將成像投射至螢幕。

本發明之第二實施例係為一種顯示系統4，此顯示系統4包含一光源系統、一光導引系統43及一成像系統。於此實施例中，顯示系統4係為一液晶顯示(liquid crystal display,LCD)投影機。如第4A圖所示，顯示系統4與顯示系統3(見第3A圖)大體上相似，主要係為各光學元件之排列及設置有所差異；此外，如第4B圖所示，顯示系統4所適用之整合時序亦與顯示系統3之時序大相逕庭。

於第二實施例中，除各光源模組之配放位置與第二光源模組421之時序外，光源系統與其包含之一第一光源模組411及一第二光源模組421係與第一實施例相同。第一光源模組411與第二光源模組421內之該等發光二極體係根據如第4B圖所示由第一、第二、第三與第四時序之預設整合時序，點亮第一色光(綠色光)及不同顏色之複數色光(藍色光與紅色光)。其中，第一色光經過第一透鏡陣列組471之均勻亮度處理後，直接投射至成像系統；而複數色光經過一第二透鏡陣列組473之均勻亮度處理後，投射入光導引系統43。

光導引系統43包含三個分光鏡，第一分光鏡431適可分離第二光源模組421經合光元件4215組合之藍色光與紅色光，接著第二分光鏡433與第三分光鏡435再分別將藍色光與紅色光轉向導引以投射入成像系統。於此實施例中，分光鏡及前述第二光源模組421之合光元件4215可為一叉型折光板、一分光鏡、三角稜鏡或一濾光鏡；此外，第二分光鏡433與第三分光鏡435亦可使用反射鏡代替。

成像系統適可將綠色光、紅色光及藍色光進行成像。於此實施例中，成像系統包含三個液晶裝置451與一雙色稜鏡(x cube)453，三個液晶裝置451分別用以處理第一光源模組411產生之綠色光以及自光導引系統43之第一分光鏡431分離出之紅色光、藍色光。最後，雙色稜鏡453結合來自三個液晶裝置451的綠色光、紅色光與藍色光以成像，並投射至螢幕。

於上述各實施例中，顯示系統可視情況增加聚光元件於光源系統與光導引系統之間、光導引系統與成像系統之間或光源系統中，此外亦可增添其他光學元件以改變光線路徑，進而縮小顯示系統之尺寸。

本發明係將發光二極體以特定時序間斷點燈，使各發光二極體可承受更高電流，進而提升亮度，而實施例中，間斷點燈之第一光源模組之二發光二極體更得以提升綠色光之效率，此外，上述收斂之綠色光束可大幅減少光束投射於鏡輪上之面積，相較於習知技術的鏡輪上較大投射面積而延遲時序切換時機，再者，本發明之反射區域與穿透區域配置方式，更增加鏡輪面積之使用效率並得到更連續的「平坦波峰段」，因而避免如習知技術切換時之光線散失情形，更不會降低光線之瞬時通量。是故，採用本發明之顯示裝置可以最佳之發光效率達到成像顯示之目的。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利範圍應以申請專利範圍為準。

1．．．光源模組

111．．．第一發光二極體

112．．．第二發光二極體

12．．．鏡輪

121．．．反射部

122．．．穿透部

123．．．軸心

3．．．顯示系統

31．．．光源系統

310．．．中心轉軸

311．．．第一光源模組

312．．．本體部

313．．．鏡輪

314．．．反射區域

3151．．．第一發光二極體

3153．．．第一聚光元件

316．．．穿透區域

3171．．．第二發光二極體

3173．．．第二聚光元件

321．．．第二光源模組

3211．．．第三發光二極體

3213．．．第四發光二極體

3215．．．合光元件

33．．．光導引系統

35．．．成像系統

351．．．數位微鏡裝置

37．．．透鏡陣列組

39．．．稜鏡

4．．．顯示系統

411．．．第一光源模組

421．．．第二光源模組

4215．．．合光元件

43．．．光導引系統

431．．．第一分光鏡

433．．．第二分光鏡

435．．．第三分光鏡

451．．．液晶裝置

453．．．雙色稜鏡

471．．．第一透鏡陣列組

473．．．第二透鏡陣列組

G₁ ．．．第一時序

G₂ ．．．第二時序

B．．．第三時序

R．．．第四時序

第1A圖係先前技術中，鏡輪及光源間之位置配置示意圖；第1B圖係第1A圖之鏡輪平面示意圖；第2圖係第1圖之交替式發光循環(duty cycle)架構下的發光通量隨時間變化之關係圖；第3A圖係本發明第一實施例之顯示系統示意圖；第3B圖係根據第3A圖架構之發光時序圖；第4A圖係本發明第二實施例之顯示系統示意圖；第4B圖係根據第4A圖架構之發光時序圖；以及第5圖係本發明第一實施例之鏡輪示意圖。

3．．．顯示系統

31．．．光源系統

311．．．第一光源模組

313．．．鏡輪

3151．．．第一發光二極體

3153．．．第一聚光元件

3171．．．第二發光二極體

3173．．．第二聚光元件

321．．．第二光源模組

3211．．．第三發光二極體

3213．．．第四發光二極體

3215．．．合光元件

33．．．光導引系統

35．．．成像系統

351．．．數位微鏡裝置

37．．．透鏡陣列組

39．．．稜鏡

Claims (13)

1. 一種數位光處理顯示系統，包含：一光源系統，提供成像所需之光線，其包含一第一光源模組及一第二光源模組，該第一光源模組包含：一鏡輪，具有一中心轉軸及一本體部；該本體部設於該中心轉軸之一外周緣，該本體部包含一內部區域及一外部區域，該外部區域形成於該內部區域之一外周緣；其中該外部區域具有至少一反射區域及至少一穿透區域，該至少一反射區域與該至少一穿透區域係接續沿該內部區域之該外周緣排列；以及至少二次光源模組，分設於該鏡輪之二相對側，各該次光源模組具有一發光二極體以及至少一聚光元件，該聚光元件適可將該發光二極體所投射出之一光束，進行收斂，使其投射至該至少一反射區域及該至少一穿透區域其中之一；一光導引系統，用以導引該光源系統提供之光線；及一成像系統，適可將導引之光線進行成像；其中該第一光源模組之該至少二次光源模組係根據一第一時序及一第二時序，提供一第一色光；該第二光源模組具有不受該第一時序及該第二時序影響之一第三時序及一第四時序，以提供複數與該第一色光不同顏色之複數色光，俾根據該第一時序及該第二時序、該第三時序、該第四時序三者交錯而成之一預設之整合時序，點亮該第一色光及不同顏色之複數色光，以進入該光導引系統。
2. 如請求項1所述之數位光處理顯示系統，其中該至少二次光源模組之該發光二極體係投射出相同顏色之光束。
3. 如請求項2所述之數位光處理顯示系統，其中該相同顏色之光束係為一綠色光，且該等複數色光包含一藍色光及一紅色光。
4. 如請求項1所述之數位光處理顯示系統，其中該鏡輪之該本體部係呈一圓盤型。
5. 如請求項1所述之數位光處理顯示系統，其中該外部區域具有複數反射區域及複數穿透區域，該等反射區域與該等穿透區域係交錯沿該內部區域之該外周緣排列。
6. 如請求項5所述之數位光處理顯示系統，其中該等反射區域係間隔設置於該內部區域之該外周緣，使各相鄰之反射區域間形成一鏤空區域，該等鏤空區域係對應界定出該等穿透區域。
7. 如請求項5所述之數位光處理顯示系統，其包含二次光源模組，分別關於該鏡輪對稱設置，各該次光源模組具有一發光二極體以及一聚光元件，適可將該發光二極體所投射出之光束，進行收斂，使其投射至各該反射區域及各該穿透區域其中之一。
8. 如請求項5所述之數位光處理顯示系統，其中：該至少二次光源模組，包含一第一次光源模組及一第二次光源模組，分別關於該鏡輪對稱設置，該第一次光源模組具有一第一發光二極體以及一第一聚光元件，該第一聚光元件適可將該第一發光二極體所投射出之光束，進行收斂，使其根據一第一時序，順序投射至該等反射區域；該第二次光源模組具有一第二發光二極體以及一第二聚光元件，該第二聚光元件適可將該第二發光二極體所投射出之光束，進行收斂，使其根據一第二時序，順序投射至該等穿透區域；及該第一時序及該第二時序，均以一脈衝型態，提供交錯之輸入電壓。
9. 如請求項8所述之數位光處理顯示系統，另包含一控制器，電性連接至該二次光源模組，以控制該第一時序及該第二時序之 輸入電壓。
10. 如請求項1-9中任一項所述之數位光處理顯示系統，其中，該聚光元件係一透鏡。
11. 如請求項1所述之數位光處理顯示系統，其中該第二光源模組更包含一合光元件，適可將該等複數色光轉向至光導引系統。
12. 如請求項1所述之數位光處理顯示系統，其中該光導引系統包含一叉型折光板(X-Plate)。
13. 如請求項1所述之數位光處理顯示系統，其中該光導引系統包含一稜鏡(Prism)。