TWI292051B - Illumination system and projection apparatus - Google Patents

Description

I29205JU— 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(illumination system)及 投影裝置，且特別是有關於一種具有多光源(multiple light sources)的照明系統及投影裝置。 【先前技術】 * 隨著光學投影技術的進步，能夠輸出高畫質及高亮度 影像之投影裝置已經被大量開發並廣泛使用。投影裝置主 要是由照明系統、光閥(light valve)以及成像系統所構成， 而照明系統所提供光源的強度往往是影響投影影像亮度的 重要關鍵，因此，改良照明系統乃成為一個重要的研究課 題0 請參考圖1’美國第6，196,699號專利所揭示之雙燈照 明系統100包括一第一燈具110、一第二燈具120及一反 射器130，其中第一燈具11〇與第二燈具12〇相對，且第 一燈具110與第二燈具120之光軸位於同一軸線5〇上，而 ⑩ 反射器13〇是配置於第一燈具110與第二燈具120之間。 反射器130具有兩個反射面132、134，且其與軸線50之 •間的夾角分別為45度。 -第一與第二燈具110、120分別包括一燈芯112、122 與一拋物面燈罩114、124。燈芯112、122適於提供一發 散光，而拋物面燈罩114、124是用以使發散光形成平行光 束112a、122a，且此兩平行光束n2a、122a之光軸平行 於轴線50。此外，部分平行光束U2a、122a是經由反射 1292051 twf.doc/g 器130之反射面132、134反射而形成一合成光束140。未 被反射器130反射的另一部分平行光束112a、122a是經由 拋物面燈罩124、114反射至反射器130,再由反射面134、 132反射而形成合成光束140。 上述之雙燈照明系統100中，平行光束112a、122a 是經過多次反射後才形成合成光束14Q，而每一次反射皆

會稍微降低平行光束112a、122a的平行度。這會使得合成 光束140具有較大的發散角度（Divergenceangie)，因而 使合成光束之光學不變量(Etendue，E)增加，所謂Etendue 係，示發光或集光的幾何極限值，其定義為Ε=πΑχ sin (θ^2) ’其中a為光束之截面積，θι，2為光束之發散角 度。然投影裝置之Etendue值係取決於所使用之光閥（例 如·數位微鏡裝置（Digital Micro-mirror Device，DMD)) 的規而習知照明糸統提供之Etendue大於DMD所需要 =值’。故會使光利用效率降低，而將照明系統提供之光束 冗度知失，使得無法達到提升投影裝置之亮度。 ，外’由於平行光束U2a、ma分別直接照射第二 且、i、燈具120、110，且重複經過燈芯112、122，所以容 發ίϊϊί112、122過熱而損壞。而且’若其中有一燈具 暗的情騎造成投縣置所投影出㈣像有一半較 影裝置的Ϊ燈照明系統100的架構較大’使得投 的趨勢下，龐大，在現今電子產品追求短小輕薄 的設叶1賴的雙燈_系統⑽顯然不符合現今 7 1292Ol§5l5twf.doc/g 【發明内容】 本發明的一目的，係提供一種照明系統，其提供之光 束具有較佳的收斂程度及較高亮度。 本發明的另一目的，係提供一種投影裝置，包括可提 供收斂程度較佳及較高亮度之光束的照明系統，以提高投 影裝置之亮度及光使用效率。 * 為達上述或是其他目的，本發明提出一種照明系統， 其包括一第一偏極化光源、一第二偏極化光源及一偏極分 光元件(Polarization Beam Splitter，PBS)。第一偏極化光源 適於提供一具有一第一偏振方向之第一光束，而第二偏極 化光源適於提供一具有一第二偏振方向之第二光束，其中 第二偏振方向與第一偏振方向互為正交。偏極分光元件是 配置於第一光束與第二光束之光路交會處，而偏極分光元 件適於反射第一光束，並使第二光束穿過，其中被偏極分 光元件反射之第一光束以及穿過偏極分光元件之第二光束 重豐。偏極分光元件例如為一偏極分光鏡(p〇larizati〇n

Beam Splitter Mirror)或一偏極分光棱鏡(p〇iarizau〇n Beam Splitter Prism) 〇 此外，為達上述或是其他目的，本發明另提出一種投 影裝置，其包括一如前述之照明系統、一光閥及一成像系 統。照明系統適於提供一合成光束，而合成光束是由第一 光束與第二光束重疊所形成。光閥是配置於合成光束之光 路上，並適於將合成光束轉換成一影像，且成像系統是配 置於影像之光路上。 doc/g

I29205JU 第一偏極化光源包括一第一光源及一第一偏極化元 件。弟一光源適於產生第一光束，而第一偏極化元件是配 置於第一光束之光路上，並位於第一光源與偏極分光元件 之間。第一偏極化光源更包括一第一透鏡陣列。第一透鏡 陣列(Lens Array)是配置於第一光束之光路上，且位於第一 光源與第一偏極化元件之間。第二偏極化光源包括一第二 光源及一第二偏極化元件。第二光源適於產生第二光束， 而第二偏極化元件是配置於第二光束之光路上，並位於第 二光源與偏極分光元件之間。第二偏極化光源更包括一第 二透鏡陣列。第二透鏡陣列是配置於第二光束之光路上， 且位於第二光源與第二偏極化元件之間。第一或第二偏極 化元件例如為一偏極化轉換器(PS converter)。第一或第二 光源例如為一雷射光源、一發光二極體或一電弧發光燈泡。 綜上所述’在本發明之照明系統及投影裝置中，偏極 分光元件是將具有不同偏振方向的第一與第二光束進行合 光並且使第一與第二光束經偏極分光元件後其光路重疊， 藉以形成合成光束。由於第一與第二光束並未經過多次反 射，所以第一與第二光束不易發散，如此合成光束之發散 角度約等於單光源時之發散角度，即光束具有較佳的^斂 紅度。此外，即使單一偏極化光源發生故障時，也不會造 成投影裝置所投影出的影像會有一半偏暗的情形。曰 ▲為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 ；twf.doc/g 【實施方式】 請參考圖2A，本發明之照明系統200包括一第一偏 極化光源210、一第二偏極化光源220及一偏極分光元件 230。第一偏極化光源210適於提供一具有一第一偏振方向 之第一光束210a，而第二偏極化光源220適於提供一具有 一第二偏振方向之第二光束220a，其中第二偏振方向與第 一偏振方向互為正交，第一光束210a及第二光束220a可 為線性極化光、圓極化光或橢圓極化光。在本實施例中， 第一光束210a及第二光束220a為線性極化光，第一偏振 方向為垂直方向，而第二偏振方向為水平方向，且第一偏 極化光源210及第二偏極化光源220其光軸相互垂直，使 第一光束210a及第二光束220a之光路方向相互垂直。 偏極分光元件230是配置於第一光束210a與第二光 束220a之光路交會處，而偏極分光元件230適於反射第一 光束210a，並使第二光束220a穿過，其中被偏極分光元 件230反射之第一光束210a與穿過偏極分光元件230之第 二光束210b重疊’以形成一合成光束240。本實施例中， 偏極分光元件230與第一光束210a及第二光束220a之光 路方向夾角為45度’使得第一光束21 〇a經由偏極分光元 件230反射後會轉90度並沿第二光束220a之光路方向行 進’第二光束220a會直接穿透偏極分光元件230後沿原光 路方向行進，藉以達到兩光束匯聚且重疊為合成光束24〇。 由於第二光束220a是直接穿過偏極分光元件230,且 第一光束210a也僅經過一次偏極分光元件230的反射之後 129205s! L5twf_doc/g 便與第二光束220a重疊而形成合成光束240,所以相較於 習知技藝中平行光束112a、122a必須經過多次反射後才形 成合成光束140而言(如圖1所示），第一與第二光束210a、 220a不易發散，因此合成光束240的光學角度分佈具有較 高的集中度，亦即合成光束240具有較佳的收斂程度，故 第一光束210a與第二光束220a合成後之光學不變量 (Etendue )不會加大，使照明系統之Etendue與單一光源 之Etendue相同，相較於單一光源之照明系統，本發明可 提供相同Etendue但亮度較高之照明系統，故可使投影裝 置之亮度提升同時不會影響光利用效率。 此外，當第一光束210a自第一偏極化光源210射出 後，並不會再照射回第一偏極化光源210或是照射至第二 偏極化光源220。如此可以避免加速第一與第二偏極化光 源210、220的老化，因而第一與第二偏極化光源210、220 具有較長的使用壽命。類似地，由於第二光束220a亦不會 照射回第二偏極化光源220或是照射至第一偏極化光源 210，所以亦可避免加速第一與第二偏極化光源210、220 的老化。第一偏極化光源210及第二偏極化光源220均為 獨立的光源系統，彼此不會相互干擾。因此，可以分別獨 立設計第一與第二偏極化光源210、220的傳熱系統，以使 第一與第二偏極化光源210、220均能處於合適的工作溫 度。 另外，偏極分光元件230可為一偏極分光鏡，且其面 對第一偏極化光源220之表面231上可形成一不可見光濾 11 I2920§51 5twf.doc/g =赠、除第-光束21〇a中之紅外光及紫外光，亦可於表 上形成-鍍膜，藉由調整觀的規格以調整第一光 束210a中紅光、綠光及藍光之個別穿透率的比重，藉以調 變照明系統之色溫。本發明並不限定偏極分光元件23〇的 種類’而偏極分光元件23〇亦可為—偏極分光棱鏡（圖未 示）。 凊，芩考圖2A，在本實施例中，第一偏極化光源21〇 包括一第一光源212及一第一偏極化元件214。第一光源 212適於產生未偏極化之第一光束21%。第一偏極化元件 214是配置於第一光束21〇b之光路上，並位於第一光源212 與偏極分光元件230之間，其中第一偏極化元件214適於 將第一光束210b轉換為具有第一偏振方向的第一光束 210a。第二偏極化光源220包括一第二光源222及一第二 偏極化元件224。第二光源222適於產生未偏極化之第二 光束220b。第二偏極化元件224是配置於第二光束220b 之光路上，並位於第二光源222與偏極分光元件230之間， 其中第二偏極化元件224適於將第二光束220b轉換為具有 弟^一偏振方向的第二光束220a。 在本實施例中，第一偏極化元件214或第二偏極化元 件224例如為一偏極化轉換器（Converter)。不過，本 發明並不限定第一與第二偏極化元件214、224的種類，舉 例而言，第一與第二偏極化元件214、224亦可以為一偏振 请再參考圖2A ’為使第一與第二光束210b、220b在 12 itwf.doc/g 通過第一與第二偏極化元件214、224時能有較佳的偏振效 果。第一偏極化光源210可以更包括一第一透鏡陣列216, 而第二偏極化光源220可以更包括一第二透鏡陣列226， 其中第一透鏡陣列216是配置於第一光束210b之光路上， 且位於第一光源212與第一偏極化元件214之間，而第二 透鏡陣列226是配置於第二光束220b之光路上，且位於第 二光源222與第二偏極化元件224之間。 承上述，在本實施例中，第一與第二光源212、222 例如為一電弧發光燈泡，且電弧發光燈泡的型態可以是金 屬鹵素燈泡或是超高壓汞燈泡等等。不過，本發明並不限 定第一與第二光源212、222的種類，以下將另舉實施例並 配合圖示說明。 圖2B及圖2C分別為本發明之兩個實施例之照明系統 的結構示意圖。請參考圖2B及圖2C，本實施例之照明系 統200a、200b與照明系統200(如圖2A所示)相似，其差 別在於照明系統200a之第一與第二光源212a、222a為一 發光二極體，而照明系統200b之第一與第二光源212b、 222b為一雷射光源。 在前述的多個實施例中，照明系統200、200a、200b 的架構均非常精簡不佔空間’有利於降低投影裝置整體的 體積。 請參考圖3A ’本發明之投影裝置3⑻包括一照明系 統310、一光閥320及一成像系統33〇。照明系統31〇可為 前述各實施例之照明系統(如圖2A〜2C所示）或其他具有 13 I29205i5twf,oc/g 本發明特徵的照明系統。照明系統310適於提供合成光束 240而合成光束240疋由被偏極分光元件230反射之第一 光束210a與穿過偏極分光元件230之第二光束220a重疊 所形成，其中第一光束210a是由第一偏極化光源210所提 供，而第二光束220a是由第二偏極化光源220所提供。 承上述，光閥320是配置於合成光束240之光路上， 並適於將合成光束240轉換成一影像340。成像系統330 . 是配置於影像340之光路上，並適於將影像340投影至屏 幕（圖未示）成像。由於合成光束24〇是由第一光束21〇a 與第二光束220a重疊所形成，且第一與第二光束21〇a、 220a是分別由各自獨立的第一與第二偏極化光源21〇、22〇 所提供，所以即使單一偏極化光源損壞，也不會造成影像 有一半偏暗的情形。 在本實施例中，成像系統330例如是由多數個透鏡332 所構成。此外，光閥320為一穿透式光閥，具體而言，光 閥320可以為一穿透式液晶面板。不過，本發明並不限定 | 光閥320的種類，以下將另舉實施例並配合圖示說明。 圖3B為依照本發明另一實施例之投影裝置的結構示 意圖。請參考圖3B，本實施例之投影裝置300a與投影裝 置300(如圖3A所示)相似，其差別在於投影裝置3〇〇a之 光閥320a為一反射式光閥，具體而言，光閥320a可以為 一數位微鏡裝置或一單晶矽液晶面板。 綜上所述，本發明之照明系統及投影裝置至少具有下 列優點：

用壽命 Ι292··_ 一、由於第二光束是直接穿過偏極分光元件，且第一 光束也僅經過一次偏極分光元件的反射之後便與第二光束 重疊而形成合成光束，所以第—與第二光束不易發^，因 而合成光束即具有較佳的收斂程度，使合成光束可與單光 源之照明系統具有相同之Etendue。 ” 、二:由於合成光束是由第-光束與第二光束重疊所形 成，且第一與第二光束是分別由各自獨立的第一與第二偏 極化光源所提供，所以即使單一偏極化光源損壞，也不會 造成影像會有一半偏暗的情形。 、，三第一光束與第二光束均不會照射回第一偏極化光 源或是第二偏極化光源，如此可以避免加速第一與第二偏 極，光源老化，因而第一與第二偏極化光源具有較長的使 四、第一與第二偏極化光源的傳熱系統可以分別獨立

设计，以使第一與第二偏極化光源均能處於合適的工作溫 度。 /JnL 五、照明系統的架構非常精簡不佔空間，有利於 才又衫衣置整體的體積，以滿足短小輕薄的趨勢。 _

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，任何熟習此者，在不脫離本發明 和範圍内’當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之= 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 …I 【圖式簡單說明】 ^ 圖1為習知雙燈照明系統的結構示意圖。 15 丨 twf.doc/g 圖2A為依照本發明一實施例之照明系統的結構示意 圖。 圖2B及圖2C分別為依照本發明之兩個實施例之照明 系統的結構示意圖。 圖3A為依照本發明一實施例之投影裝置的結構示意 圖。 < 圖3B為依照本發明另一實施例之投影裝置的結構示 意圖。 【主要元件符號說明】 50 :轴線 100 :雙燈照明系統 110 :第一燈具 120 :第二燈具 112、122 :燈芯 112a、122a :平行光束 114、124 ·•拋物面燈罩 130 :反射器 132 :反射面 140 :合成光束： 200、200a、200b ··照明系統 210 ··第一偏極化光源 210a、210b ··第一光束 212、212a、212b :第一光源 214 :第一偏極化元件 216 :第一透鏡陣列 220 :第二偏極化光源 220a、220b :第二光束 222、222a、222b :第二光源 224 :第二偏極化元件 226 :第二透鏡陣列 230 :偏極分光元件 240 :合成光束 231 :表面 ^twf.doc/g 300、300a :投影裝置 310 ··照明系統 320、320a ··光閥 330 :成像系統 332 :投影透鏡 340 :影像

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Claims (1)

1. doc/g I292Q§L, 十、申請專利範圍： 1 · 一種照明系統，包括： 二第-偏極化光源，適於提供—具有—第—偏振方向 之弟"光束， -第二偏極化光源，適於提供—具有—第二偏振 =第了光束’且該第二偏振方向與該第一偏振方向互為^ 交；以及 -偏極分光元件，配胁該第—光束與該第二 光路父會處，而該偏極分光元件適於反射該第—光束 使該第二光束穿過’ ^被該偏極分航件反射之該第 束以及穿過該偏極分光元件之該第三光束重疊。 2. 如申請專利範㈣1項所述之照明系統，其中該第 -偏極化光源及該第二偏極化域之光軸相互垂 極分光元件與該些光軸夾角為45度。 Μ偏 3. 如申請專利範圍第丨項所述 -偏極化錢包括： 仪之”、、枝统’其中該第 -第-光源’適於產生該第一光束；以及 -第-偏極化元件，配置於該第—光束 位於該第一光源與該偏極分光元件之間。 且 4. 如申請專利範圍第3項所述之照明 一偏極化光源更包括—第-透鏡陣列，配置於該第二^ 之光路上’且位於該第—切、與 化^ 5. 如申請專利範圍第3項所述之 匕兀 -偏極化元件包括—偏極化轉換;;U錢，其中該第 ：twf.doc/g 6·如申請專利範圍第3項所述之照明系統，其中該第 一光源包括一雷射光源、一發光二極體或一電弧發光燈泡。 7·如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該第 二偏極化光源包括： 一第二光源，適於產生該第二光束；以及 一第二偏極化元件，配置於該第二光束之光路上，且 位於該第二光源與該偏極分光元件之間。

   一 8·如巾請專利範圍第7項所述之照明系統，其中該第 j極化光源更包括_第二透鏡陣列，配置於該第二光束 、’路上，且位於該第二光源與該第二偏極化元件之間。 9·如巾請專利範圍第7項所述之照明系統，其中該第 一極化元件包括一偏極化轉換器。 二光^7項二之照明系統，其中該第 一 ΐΐΓ 源、—發光二極體或—電弧發光燈泡。

   極分光專利範圍第1項所述之照明系統，其中該偏 t件包括-偏極分光鏡或—偏極分光稜鏡。 12·—種投影裝置，包括： 照明系統，包括·· -偏極化光源’適於提供一具有一第 万向之第一光朿； 方向 '第二偏極化光源’適於提供一具有一第二偏振 向垂i第二光束，且該第二偏振方向與該第一偏振方 偏極分光元件，配置於該第一光束與該第二光 itwf.doc/g 二光路2: ί ’而該偏極分光元件適於反射該第- 射之該^一 偏極分光元件反 击:、/以及穿過該偏極分光元件之該第二光 束重豐，以形成一合成光束； 光閥配置於該合成光束之光路上 成光束轉換成一影像；以及 、、肝β口 一成像系統，配置於該影像之光路上。

   13·如申凊專利範圍第12項所述之投影裝置，其中該 第-偏極化絲及該第二偏極化光源之光軸相互垂直，該 偏極分光元件與該些光路方向夾角為45度。 /

   14·如申請專利範圍第12項所述之投影裝置，其中該 第一偏極化光源包括一適於產生該第一光束之第一光源及 一配置於該第一光束之光路上第一偏極化元件，該第一偏 極化元件位於該第一光源與該第一偏極分光元件之間，該 第二偏極化光源包括一適於產生該第二光束之第二光源及 一配置於該第二光束之光路上第二偏極化元件，該第二偏 極化元件位於該第二光源與該第二偏極分光元件之間。 15.如申請專利範圍第η項所述之投影裝置，其中該 第一偏極化光源更包括一第一透鏡陣列，配置於該第一光 束之光路上，且位於該第一光源與該第一偏極化元件之 間，該該第二偏極化光源更包括一第二透鏡陣列，配置於 該第二光束之光路上，且位於該第二光源與該第二偏極化 元件之間。 16·如申請專利範圍第14項所述之投影裝置，其中該 I292Q51L,0C/g 第一偏極化元件及該第二偏極化元件分別包括一偏極化轉 換器。 17·如申請專利範圍第14項所述之投影裝置，其中該 第一光源及該第二光源分別包括一雷射光源、一發光二極 體或一電弧發光燈泡。 18·如申請專利範圍第η項所述之投影裝置，其中該 偏極分光元件包括一偏極分光鏡或一偏極分光稜鏡。 19·如申請專利範圍第12項所述之投影裝置，其中該 丨偏極分光元件包括一偏極分光鏡，該偏極分光鏡面對該第 一偏極化光源之表面設有一不可見光濾光層。 20·如申請專利範圍第12項所述之投影裝置，其中該 偏極分光7L件包括一偏極分光鏡，該偏極分光鏡面對該第 一偏極化光源之表面上形成一鍍膜，藉以調整該第一光束 之色溫。

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