专利名称：用于投影系统中的光管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于投影系统中的光管，特别是涉及一种中空的锥形光管。
随着光学科技的不断进步，投影装置已广泛地应用于各种场合。一般在设计投影装置时，光线亮度通常是一个重要的考虑因素。概括的说，光线越强，投影的亮度越高，投影的效果也越好。
请参考
图1。图1为现有光管10应用于一投影系统12的示意图。投影系统12包括有一光源装置14，用来产生一光线11并将光线11导引至光管10内，以及一成像装置16，用来接收光管10所收集的光线投影至一屏幕13以形成一图像画面。光管10为一中空的长方体，设于光源装置14与成像装置16之间，用来收集并传导光线11。光管10包括有一入光开口(entrancepupil)18，以及一出光开口(exit pupil)19。入光开口18用来接收光源装置14所产生的光线11，进入入光开口18的光线11经由出光开口19而被导引至成像装置16。
请参考图2。图2为射入图1入光开口18的光线位置(position)分布图。图2的横轴坐标为图1所示平面15上距入光开口18中心的距离，纵轴坐标为光线强度(intensity)。如图2所示，越接近入光开口18中心的光线强度越强，越远离入光开口18中心的光线强度越弱。而且，并不是所有的光线11都可以被光管10所收集，距离入光开口18中心较近的光线24会进入光管10，距离入光开口18中心较远的光线25会溢漏于光管10之外。
请参考图3。图3为射入图1入光开口18的光线入射角度(angular)分布图。图3的横轴坐标为平面15上光线的入射角度，纵轴坐标为光线强度。如图3所示，传统灯泡光线的入射角集中在18～20度附近，又由于光管10为均匀的长方体，所以射出出光开口19的光线的射出角度也集中在18～20度。由于位于成像装置16内的光学元件，如液晶面板(LCD)、数字微镜装置(DMD)等，都有入射角度的限制，故射出出光开口19的光线的射出角度不可过大，通常超过30度的光线即无法为液晶面板所调变(modulate)。
请参考图4。图4为另一现有光管20应用于图1投影系统12的示意图。与光管10不同的是，光管20为一锥形体，且光管20的出光开口23大于入光开口23，其目的在于缩小光线的射出角度。
一般在设计光管10、20时，必须在不使光线射出角度过大的前提下，尽量使溢漏于光管10、20外的光线25减少，以达成提高集光效率，增强光线亮度的目的。然而，由于现有光管10、20的入光开口18、22等于或小于出光开口19、23，所以在不考虑增加光管10、20体积的情形下，溢漏于光管10、20外的光线25通常相当多。尤其，若使用电弧长度较长的电弧灯作为光源时，虽然如图3所示的光线入射角度可较小，但同时如图2所示的光线位置分布图也会趋于平缓，导致溢漏于光管10、20之外的光线增加，集光效率更加不尽理想。
本发明的目的在于提出一种用于投影系统中的光管，其出光开口的形状为等比例缩小入光开口的形状，以增加集光效率，改善上述缺点。
本发明的目的是这样实现的，即提供一种用于投影系统的光管，该投影系统包括有一光源装置，用来产生一光线并将该光线导引至该光管内，以及一成像装置，用来利用该光管所收集的光线以形成一图像画面，该光管设于该光源装置与该成像装置之间，且为一中空的锥形(taper-shape)管，该光管包括有四梯形平板，每一梯形平板包括有一上边、一下边以及两侧边，该四梯形平板的侧边相互连接，并因此而形成该光管；一入光开口(entrance pupil)，位于该光管的一端且由该四梯形平板的四下边所形成，该光源装置产生的光线经由该入光开口而被导引至该光管内；以及一出光开口(exit pupil)，位于该光管的另一端且由该四梯形平板的四上边所形成，该光管收集的光线经由该出光开口而被导引至该成像装置；其中该出光开口的面积小于该入光开口的面积，且该出光开口的形状为等比例缩小该入光开口的形状，以增加该光管的集光效率。
下面结合附图，详细说明本发明的实施例，其中图1为现有光管应用于一投影系统的示意图；图2为射入图1入光开口的光线位置分布图；图3为射入图1入光开口的光线入射角度分布图；图4为另一现有光管应用于图1投影系统的示意图5为本发明光管应用于一投影系统的示意图；图6为图5所示光管的外视图；图7为射入图5入光开口的光线位置分布图；图8为射入图5入光开口的光线入射角度分布图；图9为射出图5光管的光线的射出角度分布图；图10为射出图5光管的光线强度相对于开口比例的分布图；图11为图5光管与图1光管相比的集光效率改善示意图。
请参考图5。图5为本发明的光管40应用于一投影系统42的示意图。投影系统42包括有一光源装置44，用来产生一光线46并将光线46导引至光管40内，以及一成像装置48，用来利用光管40所收集的光线46投影至一屏幕64以形成一图像画面。光管40设置于光源装置44与成像装置48之间，投影系统42可为一投影机或一液晶显示器(liquid crystal display，LCD)。
如图5所示，光源装置44包括有一电弧灯(arc lamp)54，用来产生光线46，以及一集光装置(collector means)56，为一半椭圆形的灯罩，用来集中电弧灯54所产生的光线46，并将光线46导引至光管40内。电弧灯54为一长电弧的超高压汞灯(Ushio，150W，NSH150)，其电弧55的长度约为1.8mm。
成像装置48包括有一显示面板(display panel)58设置于一成像路径61上，多个光学透镜(optic lens)60A、60B、60C设于光管40与显示面板58之间，用来将光管40所收集的光线46导引至显示面板58上以形成图像画面，以及一投影透镜(projection lens)62，设于显示面板58以及屏幕64之间，用来将图像画面投影至屏幕64上。
请参考图6。图6为图5所示光管40的外视图。光管40为一中空的锥形(taper-shape)管，其由四梯形平板62所构成。每一梯形平板62包括有一上边62A、一下边62B以及两侧边62C，四梯形平板62的侧边62C相互连接，并因此而形成光管40。光管40另包括有四反射壁(reflector wall；coatmirror)49，分别设于四梯形平板62的内侧面，用来将光线46以反射的方式导引至成像装置48。反射壁49可吸收光线46中的红外线，并反射光线46中的可见光。
如图5所示，光管40包括有一入光开口(entrance pupil)50，以及一出光开口(exit pupil)52。入光开口50为设于光管40一端的方形开口，其由四梯形平板62的四下边62B所形成。出光开口52为设于光管40另一端的方形开口，其由四梯形平板62的四上边62A所形成。光源装置44产生的光线46经由入光开口50而被导引至光管40内，光管40所收集的光线46经由出光开口52而被导引至成像装置48。光管40出光开口52的面积小于入光开口50的面积，且出光开口52的形状为等比例缩小入光开口50的形状。入光开口50的大小与出光开口52的大小比值定义为一开口比例P。在本实施例中，光管40的长度为25mm，入光开口50的长宽比以及出光开口52的长宽比为4/3或16/9，光管40的开口比例P约为1.25～1.35。
请参考图7。图7为射入图5入光开口50的光线位置分布图。与图2类似，图7的横轴坐标为平面51A上离入光开口50中心的距离，纵轴坐标为光线强度。如图7所示，由于本发明光管40的入光开口50大于出光开口52，且出光开口52的形状为等比例缩小入光开口50的形状，故与图2相比，虽然电弧灯54的光线位置分布较为平缓，本发明光管40可接收的光线66仍较多，而溢漏的光线67则较少，集光效率因而得以提高。
请参考图8。图8为射入图5入光开口50的光线入射角度分布图。与图3类似，图8的横轴坐标为平面51A上光线的入射角度，纵轴坐标为光线强度。如图8所示，由于本实施例所使用的光源为一长电弧的超高压汞灯(Ushio，150W，NSH150)，故光线的入射角集中在10～14度。
请参考图9。图9为射出图5光管40的光线射出角度分布图。图9的横轴坐标为平面51B上光线的射出角度，纵轴坐标为光线强度。如图9所示，光线的射出角集中在β。β虽大于14度，但距离30度仍远，故仍可满足显示面板58入射角度的限制。
请参考图10。图10为射出图5光管40的光线强度相对于开口比例P的分布图。图7显示经由光学模拟软件模拟本发明光管40的结果，其横轴坐标为开口比例P，即入光开口50大小与出光开口52大小的比值，纵轴坐标为射出光管40的有效光线的强度。开口比例P越大，光管40所能收集的光线越多，射出光管40的光线强度越强。然而，开口比例P也不能无限制的扩大，否则射出光管40的光线射出角度可能过大，而无法为显示面板58所调变。如图6所示，当开口比例P约为1.25～1.35时，射出光管40的有效光线强度最强，光管40可具有最佳的集光效率。
请参考图11。图11为图5光管40相比较于图1光管10的集光效率改善示意图。图11的横轴坐标为开口比例P，纵轴坐标为射出光管40的光线强度相比较于射出光管10的光线强度的改善百分率，即集光效率改善百分率。如图11所示，当开口比例P到达1.1时，即有显著约4％的效率增加效果，而当开口比例P为1.25～1.35时，本发明光管40的光线强度更可比现有光管10多出6～7％，由此可知本发明光管40的集光效率要优于现有光管10。
此外，上述实施例光管40以光管40的长度为25mm、电弧灯54的电弧长度为1.8mm为例，事实上，只要知道光源特性、集光装置种类、光管长度、电弧长度等，即可依本发明的结构计算出最佳的开口比值P，以获得最佳的集光效率。与现有的光管10、20相比，本发明光管40由四梯形平板62所构成，其出光开口52的面积小于入光开口50的面积，且出光开口52的形状为等比例缩小入光开口50的形状，故可在有限的空间中，增加光管40集光效率。且由光学模拟软件所得的最佳化设计结果可知，本发明光管40的射出光线的强度比现有的光管10高，即说明了本发明具有提高集光效率的功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
权利要求
1.一种用于投影系统的光管，该投影系统包括有一光源装置，用来产生一光线并将该光线导引至该光管内，以及一成像装置，用来利用该光管所收集的光线以形成一图像画面，该光管设于该光源装置与该成像装置之间，且为一中空的锥形(taper-shape)管，该光管包括有四梯形平板，每一梯形平板包括有一上边、一下边以及两侧边，该四梯形平板的侧边相互连接，并因此而形成该光管；一入光开口(entrance pupil)，位于该光管的一端且由该四梯形平板的四下边所形成，该光源装置产生的光线经由该入光开口而被导引至该光管内；以及一出光开口(exit pupil)，位于该光管的另一端且由该四梯形平板的四上边所形成，该光管收集的光线经由该出光开口而被导引至该成像装置；其中该出光开口的面积小于该入光开口的面积，且该出光开口的形状为等比例缩小该入光开口的形状，以增加该光管的集光效率。
2.如权利要求1所述的光管，其中该入光开口的长宽比以及该出光开口的长宽比为4/3。
3.如权利要求1所述的光管，其中该入光开口的长宽比以及该出光开口的长宽比为16/9。
4.如权利要求1所述的光管，其另包括有四反射壁(reflector wall)分别设于该四梯形平板的内侧面，用来反射该光线中的可见光。
5.如权利要求1所述的光管，其中该投影系统的光源装置包括有一电弧灯(arc lamp)，用来产生该光线；以及一集光装置(collector means)，用来集中该电弧灯所产生的光线，并将该光线导引至该入光开口内。
6.如权利要求5所述的光管，其中该电弧灯的电弧长度约为1.8mm。
7.如权利要求6所述的光管，其中该光管的长度约为25mm。
8.如权利要求7所述的光管，其中该入光开口的大小与该出光开口的大小比例为1.1～1.35，以使该光管的集光效率为最佳。
9.如权利要求1所述的光管，其中该投影系统的成像装置包括有一显示面板(display panel)，设置于一成像路径上；多个光学透镜(optic lens)，设于该光管与该显示面板之间，用来将该光管所收集的光线导引至该显示面板上，以形成该图像画面；以及一投影透镜(projection lens)，设于该显示面板以及一屏幕之间，用来将该图像画面投影至该屏幕上。
10.如权利要求1所述的光管，其中该投影系统为一投影机或一液晶显示器(liquid crystal display，LCD)。
全文摘要
一种用于投影系统的光管,包括光源装置,用来将光导至光管内,及成像装置,利用光管所收集的光线形成图像画面。光管设于光源装置与成像装置间,且为中空锥形管,其包括入、出光开口。入光开口为设于光管一端的方形开口,光线经入光开口而引到光管内。出光开口为设于光管另一端的方形开口,且出光开口的面积比入光开口的小,光线经出光开口而被引到成像装置。出光开口形状为等比例缩小入光开口的形状,以增加光管集光效率。
文档编号H04N5/74GK1330279SQ0011846
公开日2002年1月9日 申请日期2000年6月30日 优先权日2000年6月30日
发明者陈荣耀 申请人:明碁电脑股份有限公司