专利名称：动态遮罩及照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学遮罩及照明系统，且特别是涉及一种可调节光通量的动态遮罩及照明系统。
背景技术：
随着显示技术的进步，各种不同于传统阴极射线管(cathode ray tub, CRT)的显 示装置已被大量地研发及推广，这些显示装置包括液晶显示器(liquid crystal display, LCD)、等离子体显示器(plasma display panel，PDP)、有机发光二极管(organic light emitting diode,OLED)显示器等平面显示器。另外，被大量研发及推广的显示器尚包括投 影机(projector)及背投影显示器(rear proj ection display)等投影装置(proj ection apparatus)。虽然时下日常生活中的显示器是以液晶显示器及等离子体显示器为主流，但投影 装置由于可以在较低的成本下提供超大尺寸(例如大于52时)的画面，因此在超大尺寸显 示的领域有着无法被取代的地位。此外，随着制造技术的进步，投影机的量产也朝着更低成 本、更低价格的方向迈进，因此时下投影机除了应用于办公室或教学研究单位以作简报之 外，更有推广至家庭剧院的趋势。在投影装置中，设置有照明系统以提供照明光束，并使其照射于光阀上。光阀会将 照明光束转换为影像光束，且影像光束被投影镜头投射于屏幕上以产生影像画面。当投影 装置投射出全黑的画面时，由于光阀在实际应用时并无法阻断所有的光而使其不传递至镜 头与屏幕，因此仅管是在全黑的画面下，屏幕上依然会有基本的亮度存在。当此基本的亮度 过高时，便会导致黑画面不够黑，进而使投影装置所投影出的影像画面的对比下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动态遮罩，其能够快速地调节光通量。本发明的另一目的在于提供一种照明系统，其能够快速地调节光通量，并能提升 投影装置所投影出的影像画面的对比。本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种动态 遮罩，其适用于一照明系统。照明系统包括至少一光源，光源适于发出一照明光束。动态遮 罩包括一板件，其适于配置于照明光束的传递路径上，以调节照明光束的光通量。板件具有 至少一长条状开口，长条状开口具有相对的一第一端与一第二端。长条状开口相对于一对 称轴镜像对称，且对称轴为一由第一端延伸至第二端的直线。长条状开口的宽度由第一端 往第二端递增，且板件适于在与对称轴平行的方向上移动。在本发明的一实施例中，长条状开口具有相对的一第一边与一第二边。第一边连 接第一端与第二端，第二边连接第一端与第二端，且第一边与第二边相对于对称轴镜像对 称。第一边近似于一多项式函数曲线，多项式函数曲线所对应的多项式函数的最高次数大于或等于6，且第一边与多项式函数曲线的相关系数大于0. 8。多项式函数曲线可以y = f(x)来描述，其中f(x)为此多项式函数，第一端与对称轴的交点定义为原点，由原点沿着 对称轴往第二端的方向定义为+χ方向，由原点往第一边并与对称轴垂直的方向定义为+y 方向。此多项式函数的大于1次的所有偶次项系数例如皆小于零，此多项式函数的所有奇 次项系数例如皆大于零，且此多项式函数的常数项大于零。此多项式的大于等于1次的所 有项的系数的绝对值随着项的次数变高而递减。
在本发明的一实施例中，板件适于垂直于照明光束的光轴。当板件移动至使第一 端对准照明光束时，照明光束通过板件的光通量为Li，当板件移动至使第二端对准照明光 束的光轴时，照明光束通过板件的光通量为L2，且动态遮罩可符合0 < L1/L2 < 25%。照 明光束的光轴可通过长条状开口所对应的对称轴。第一端例如为一封闭端，且第二端例如 为一开放端。在本发明的一实施例中，光源的数量例如为二个，长条状开口的数量例如为二个， 且这些光源所发出的这些照明光束的光轴分别通过这些长条状开口所对应的这些对称轴。 这些长条状开口的这些对称轴可彼此平行。这些长条状开口的这些第二端可彼此相邻接。 当板件移动至使这些长条状开口的这些第一端分别对准这些照明光束时，这些照明光束通 过板件的光通量为Li，当板件移动至使这些长条状开口的这些第二端分别对准这些照明光 束时，这些照明光束通过板件的光通量为L2，且照明系统可符合0 < L1/L2 < 25%。本发明的另一实施例提出一种照明系统，其包括上述光源及上述动态遮罩。在本发明的一实施例中，照明系统更包括一光均勻化元件，其配置于照明光束的 传递路径上，其中板件位于光源与光均勻化元件之间。在本发明的实施例的动态遮罩及使用其的照明系统中，由于板件具有相对于一直 线形对称轴镜像对称的长条状开口，因此板件通过在一直线上移动就可调节照明光束的光 通量，如此便能够缩短调节光通量的时间，进而有效提升采用此照明系统的投影装置所投 影出的影像画面的对比。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图 作详细说明如下。
图IA为本发明的一实施例的照明系统的结构示意图；图IB为图IA中的板件在A方向上的视图；图2为图IB中的长条状开口的一边、近似其的函数与阿基米德螺线的曲线图；图3为图IA的照明系统的光通量变化曲线图；图4为采用具阿基米德螺线边缘的弧形开口的板件所得到的光通量变化曲线图；图5A为本发明的另一实施例的照明系统的结构示意图；图5B为图5A中的板件于A方向上的视图；图6为图5B中的长条状开口的一边、近似其的函数及阿基米德螺线的曲线图；图7为图5A的照明系统的光通量变化曲线图。主要元件符号说明100、100，照明系统
110:光源112:照明光束
120 光均勻化元件130、130，板件132、132，长条状开口140 致动器150 合光元件160 透镜170 动态遮罩A、D:方向El 第一端E2、E2，第二端0 原点S 对称轴Sl 第一边S2 第二边W:宽度
具体实施例方式有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一较佳 实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如「上」、「下」、 「前」、「后」、「左」、「右」等，仅是参考附加附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明， 而非用来限制本发明。图IA为本发明的一实施例的照明系统的结构示意图，而图IB为图IA中的板件在 A方向上的视图。请参照图IA与图1B，本实施例的照明系统100包括一光源110及一动态 遮罩170。光源110适于发出一照明光束112。在本实施例中，光源110例如为一高压汞灯 (ultra high pressure lamp，UHPlamp)。然而，在其他实施例中，光源也可以是其他适当的 发光元件。动态遮罩170包括一板件130，其适于配置于照明光束112的传递路径上，以调 节照明光束112的光通量。在本实施例中，板件130例如为一金属板件或一镀有遮光膜的 玻璃板件。板件130具有一长条状开口 132，长条状开口 132具有相对的一第一端El与一 第二端E2。长条状开口 132相对于一对称轴S镜像对称，且对称轴S为一由第一端El延伸 至第二端E2的直线。长条状开口 132的宽度W由第一端El往第二端E2递增，且板件130 适于在与对称轴S平行的方向D上移动。在本实施例中，板件130实质上适于垂直于照明 光束112的光轴，且照明光束112的光轴通过长条状开口 132所对应的对称轴S。此外，长 条状开口 132的第一端El例如为一封闭端，且第二端E2例如为一开放端。在本实施例中， 照明系统100更包括一光均勻化元件120，其配置于照明光束112的传递路径上，其中板件 130位于光源110与光均勻化元件120之间，光均勻化元件用以使照明光束112均勻化。在 本实施例中，光均勻化元件120例如为一光积分柱。在其他实施例中，光均勻化元件120的 朝向板件130的一端(即入光端)的周围可配置有其他适当的光学元件或机构件，以使长条状开口 132的第二端E2形成封闭端。当照明光束112射向长条状开口 132上宽度W较窄的部分时，照明光束112通过长 条状开口 132的光通量会较低，而其被板件130遮挡的比例会较高。反之，当照明光束112 射向长条状开口 132上宽度W较宽的部分时，照明光束112通过长条状开口 132的光通量 会较高，而其被板件130遮挡的比例会较低。换言之，当板件1 30沿着方向D移动而使长条 状开口 132从以其第一端El对准照明光束112的位置移动至以其第二端E2对准照明光束 112的位置时，照明光束112通过板件130的光通量会递增。在本实施例中，可通过一连接 至板件130的致动器140驱使板件130移动，其中致动器140例如为一马达(如步进马达) 或其他适当的致动器。在本实施例中，长条状开口 132具有相对的一第一边Sl与一第二边S2。第一边 Sl连接第一端El与第二端E2，第二边S2连接第一端El与第二端E2，且第一边Sl与第二 边S2相对于对称轴S镜像对称。第一边Sl近似于一多项式函数曲线，在本实施例中，多项 式函数曲线所对应的多项式函数的最高次数大于或等于6，且第一边Sl与此多项式函数曲 线的相关系数大于0.8。在本实施例中，多项式函数曲线可以y = f(x)来描述，其中f(x)为此多项式函 数。第一端El与对称轴S的交点定义为原点0，由原点0沿着对称轴S往第二端E2的方向 定义为+χ方向，由原点0往第一边Sl并与对称轴S垂直的方向定义为+y方向。在本实施 例中，此多项式函数的大于1次的所有偶次项系数皆小于零，此多项式函数的所有奇次项 系数皆大于零，且此多项式函数的常数项大于零。再者，在本实施例中，此多项式函数的大 于等于1次的所有项的系数的绝对值随着项的次数变高而递减，以使第一边Sl形成一平滑 曲线，其具有逐渐远离对称轴S的趋势。以下举出两个多项式函数的实例，但本发明并不以 此为限，任何所属领域中具有通常知识者在参照本发明后当可以其他大于或等于6次的适 当的多项式函数来设计第一边Si，但其也应在本发明的保护范畴内。在一实施例中，多项式函数可如下所述f (χ) = -2 X 1(Γ7χ6+2 X IO-5X5-O. 0004χ4+0. 0053χ3_0· 026Ix2+0. 0752χ+0. 17................................................................(1)式此外，在本实施例中，第一边Sl与(1)式的相关系数R2例如为0. 9999。在另一实施例中，多项式函数可如下所述f (χ) = -4 X 1(Γ7χ6+3 X IO-5X5-O. 0008χ4+0. 0097χ3-0· 0521χ2+0. 1184Χ+0. 1182....................................................................(
2)式另外，在本实施例中，第一边Sl与⑵式的相关系数R2例如为0. 9987。为了更为具体地说明本发明的实施例的优点与功效，以下提出一对照组，其动态 遮罩的板件具有弧形开口，且弧形开口的侧边为阿基米德螺线，且此侧边可用下列函数来 描述f ( θ ) = a θ.....................................................(3)式其中，a为常数，且θ为板件绕着弧形开口的几何中心转动的角度。此外，也可将(3)式的极座标表示式转换为f(x)=a，x ......................................................(4)
式 其中，a’为常数，而χ可视为板件在转动时，照明光束相对弧形开口的移动距离。图2为上述⑴式、⑴式所近似的第一边、(2)式、(2)式所近似的第一边及(4) 式的曲线图，其中纵轴代表y值(即函数值)，而横轴代表χ值。由图2可发现，(4)式所描 绘出的曲线是呈线性变化，而(1)式与(2)式所描绘出的曲线的斜率大体上随着χ值变大 而递增。此外，请参照图IA及图1B，若对称轴S相对光均勻化元件120以互相垂直的一第 一方向与一第二方向摆放，且使第一方向与第二方向皆垂直于照明光束112的光轴时，可 得到如图3的光通量变化曲线图，其中纵轴代表照明光束112通过板件130的光通量，而横 轴代表照明光束112落在长条状开口 132上的位置。再者，(3)式所代表的具有阿基米德螺线边缘的弧形开口的板件可得到如图4的 光通量变化曲线图，其中纵轴代表照明光束通过板件的光通量，而横轴代表板件的转动角 度。由图4可知，当具有阿基米德螺线边缘的弧形开口的板件的转动角度较小时，只要转动 角度稍有变化，光通量就会变化得很剧烈，这会导致当使用者对光通量的需求是落在较小 的某个量值上时，动态遮罩会难以将光通量精确地控制在这个量值上。换言之，动态遮罩 对光通量的控制在量值较小的时候误差会变得很大，这样的动态遮罩将无法搭配德州仪器 (Texas Instruments Incorporated)白勺 DynamicBlackTM 运算技术来使用。相比较之下，由图3可知，在本发明的上述二个实施例中的以⑴式及⑵式所近 似的板件130所得到的光通量变化曲线图中，光通量与照明光束112落在长条状开口 132 的位置的关系是呈现线性关系及伽马曲线的关系，换言之，当位置座标值较小时，光通量也 呈较为缓慢的变化。如此一来，当使用者对光通量的量值的需求较小时，本实施例的动态遮 罩170也有足够的能力将光通量精确地调节至某一特定值。因此，本实施例的动态遮罩170 能够搭配德州仪器(Texas Instruments Incorporated)的DynamicBlack 运算技术来使 用，其中DynamicBlack 运算技术可用以控制动态遮罩170的作动，亦即是控制板件130的 移动位置。当板件130移动至使第一端El对准照明光束112时，照明光束112通过板件130 的光通量为Li。当板件130移动至使第二端E2对准照明光束112时，照明光束112通过 板件130的光通量为L2。在本实施例中，动态遮罩170可符合0 < L1/L2 < 25%。此外， 当板件130移动至使第二端E2对准照明光束112时，照明光束112通过板件130的光通量 L2在本实施例中为照明系统100的最大光通量。如此一来，当将本实施例的照明系统100 应用于投影装置中，并搭配投影装置的控制系统所提供的演算法(例如DynamicBlack 运 算技术)来控制板件130的移动时，可使投影装置所投影出的影像画面的对比至少提高至 4倍。另外，若不搭配控制系统所提供的演算法，而直接调整板件130的位置时，则影像画 面的对比甚至可提高至10到20倍。因此，本实施例的照明系统100确实可提高影像画面 (例如动态影像画面)的对比。再者，由于板件130是采用长条状开口 132，而不是采用具有阿基米德螺线边缘的 弧形开口，因此板件130的体积较小，所以能缩小动态遮罩170的体积，进而缩小照明系统100的体积。除此之外，呈直线形的长条状开口 132也可缩短板件130的作动行程，进而缩短板件130的作动时间，因此本实施例的动态遮罩170能够因应影像信号的改变而快速地 将光通量调节至最佳状态。图5A为本发明的另一实施例的照明系统的结构示意图，而图5B为图5A中的板 件于A方向上的视图。请参照图5A与图5B，本实施例的照明系统100’与上述照明系统 100 (如图IA所绘示)类似，而两者的差异如下所述。本实施例的照明系统100’包括二个 光源110，且板件130’具有二个长条状开口 132’。在本实施例中，这些光源110所发出的 这些照明光束112的光轴分别通过这些长条状开口 132’的对称轴S。此外，在本实施例中， 这些光源110所发出的这些照明光束112可经由一合光元件150来合光，并经由透镜160 来集光，其中合光元件150例如为一棱镜。在本实施例中，这些长条状开口 132’的这些对称轴S彼此实质上平行。此外，在 本实施例中，这些长条状开口 132’的这些第二端E2’彼此相邻接。以下举出一个近似长条 状开口 132’的第一边Sl的多项式函数的实例，但本发明不以此为限f (χ) = -2 X 1(Γ7χ6+1(Γ5χ5-0· 0003χ4+0. 003χ3_0· 0126χ2+0. 0477χ+0. 1778................................................(5)式另外，在本实施例中，第一边Sl与(5)式的相关系数R2例如为0. 9994。图6为上述(5)式、(5)式所近似的第一边及上述⑷式的曲线图，其中纵轴代表 y值(即函数值)，而横轴代表χ值。图7为照明光束通过以(5)式所近似的板件130’的 光通量变化图，其中纵轴代表照明光束112通过板件130’的光通量，而横轴代表照明光束 112落在长条状开口 132’上的位置。由图7可知，本实施例的板件130’可使光通量相对 于位置大约呈线性变化，如此一来，板件130’便可具有上述板件130(如图IB所绘示)所 能达成的功效。此外，由于板件130’具有二个长条状开口 132’，因此适用于具有两个光源 110的照明系统100’ (即双灯照明系统)。这是因为，若单个长条状开口的板件应用于双灯 照明系统时，长条状开口会无法对准两个光源所分别产生的两道照明光束中的光强度最强 处，这种情形尤其发生于使照明光束照射在长条状开口的宽度较小的那一端。然而，本实施 例采用二个长条状开口 132’分别对准两个照明光束112则不会有上述问题产生。再者，当板件130’移动至使这些长条状开口 132’的这些第一端El分别对准这些 照明光束112时，这些照明光束112通过板件130’的光通量为Li，而当板件130’移动至使 这些长条状开口 132’的这些第二端E2’分别对准这些照明光束112时，这些照明光束112 通过板件130’的光通量为L2。在本实施例中，照明系统100’符合0 < L1/L2 < 25%，而 L2为照明系统100’的最大光通量。照明系统100’具有类似上述照明系统100(如图IA所 绘示)的优点与功效，在此不再赘述。值得注意的是，本发明并不限定照明系统所具有的光源数量为一个或两个，也不 限定板件所具有的长条状开口的数量为一个或两个，在其他实施例中，照明系统也可以具 有三个以上的光源，而其板件也可对应具有三个以上的长条状开口。此外，在本实施例中， 当照明系统具有四个光源时，可利用其他合光元件将四个照明光束合并为两个照明光束， 因此仍可采用具有两个长条状开口的板件来调节光通量。综上所述，在本发明的实施例的动态遮罩及使用其的照明系统中，由于板件的长条状开口的边缘是以大于或等于6次的多项式函数来描述，因此光通量与照明光束落在长 条状开口的位置的关系是呈现线性关系或伽马曲线的关系。换言之，当位置座标值较小时， 光通量也呈较为缓慢的变化。如此一来，当使用者对光通量的量值的需求较小时，本发明的 实施例的动态遮罩及照明系统也有足够的能力将光通量精确地调节至某一特定值。此外，由于光通量与照明光束落在长条状开口的位置的关系是呈现线性关系或伽 马曲线的关系，因此当将本发明的实施例的照明系统应用于投影装置中，并搭配投影装置 的控 制系统所提供的演算法来控制板件的移动时，可有效提高影像画面(例如动态影像画 面)的对比。再者，由于本发明的实施例中的板件是采用长条状开口，而不是采用具有阿基米 德螺线边缘的弧形开口，因此板件的体积较小，所以能缩小动态遮罩及照明系统的体积。除 此之外，呈直线形的长条状开口也可缩短板件的作动行程，进而缩短动态遮罩的作动时间， 因此本发明的实施例的动态遮罩及照明系统能够因应影像信号的改变而快速地将光通量 调节至最佳状态。另外，在本发明的实施例的照明系统中，由于板件具有多个长条状开口， 因此适用于具有多个光源的照明系统。以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围， 即大凡依本发明权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专 利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的 或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发 明的权利范围。
权利要求
一种动态遮罩，适用于一照明系统，该照明系统包括至少一光源，该光源适于发出一照明光束，该动态遮罩包括板件，适于配置于该照明光束的传递路径上，以调节该照明光束的光通量，其中该板件具有至少一长条状开口，该长条状开口具有相对的一第一端与一第二端，该长条状开口相对于一对称轴镜像对称，且该对称轴为一由该第一端延伸至该第二端的直线，该长条状开口的宽度由该第一端往该第二端递增，且该板件适于在与该对称轴平行的方向上移动。
2.如权利要求1所述的动态遮罩，其中该长条状开口具有相对的一第一边与一第二 边，该第一边连接该第一端与该第二端，该第二边连接该第一端与该第二端，该第一边与该 第二边相对于该对称轴镜像对称，且该第一边近似于一多项式函数曲线，该多项式函数曲 线所对应的多项式函数的最高次数大于或等于6，且该第一边与该多项式函数曲线的相关 系数大于0.8。
3.如权利要求2所述的动态遮罩，其中该多项式函数曲线是以y= f(x)来描述，f(x) 为该多项式函数，该第一端与该对称轴的交点定义为原点，由该原点沿着该对称轴往该第 二端的方向定义为+X方向，由该原点往该第一边并与该对称轴垂直的方向定义为+y方向， 该多项式函数的大于1次的所有偶次项系数皆小于零，该多项式函数的所有奇次项系数皆 大于零，该多项式函数的常数项大于零，且该多项式函数的大于等于1次的所有项的系数 的绝对值随着项的次数变高而递减。
4.如权利要求1所述的动态遮罩，其中该板件适于垂直于该照明光束的一光轴。
5.如权利要求1所述的动态遮罩，其中当该板件移动至使该第一端对准该照明光束 时，该照明光束通过该板件的光通量为Li，当板件移动至使该第二端对准该照明光束时，该 照明光束通过该板件的光通量为L2，且0 < L1/L2 < 25%。
6.如权利要求1所述的动态遮罩，其中该照明光束的一光轴通过该对称轴。
7.如权利要求1所述的动态遮罩，其中该第一端为一封闭端，且该第二端为一开放端。
8.如权利要求1所述的动态遮罩，其中该至少一光源为二光源，该至少一长条状开口 为二长条状开口，且该些光源所发出的该些照明光束的光轴分别通过该些长条状开口所对 应的该些对称轴。
9.如权利要求8所述的动态遮罩，其中该些对称轴彼此平行。
10.如权利要求8所述的动态遮罩，其中该些长条状开口的该些第二端彼此相邻接。
11.如权利要求8所述的动态遮罩，其中当该板件移动至使该些长条状开口的该些第 一端分别对准该些照明光束时，该些照明光束通过该板件的光通量为Li，当该板件移动至 使该些长条状开口的该些第二端分别对准该些照明光束时，该些照明光束通过该板件的光 通量为 L2，且 0 < L1/L2 < 25%。
12.—种照明系统，包括至少一光源，该光源适于发出一照明光束；以及动态遮罩，包括板件，适于配置于该照明光束的传递路径上，以调节该照明光束的光通量，其中该板件 具有至少一长条状开口，该长条状开口具有相对的一第一端与一第二端，该长条状开口相 对于一对称轴镜像对称，且该对称轴为一由该第一端延伸至该第二端的直线，该长条状开 口的宽度由该第一端往该第二端递增，且该板件适于在与该对称轴平行的方向上移动。
13.如权利要求12所述的照明系统，还包括一光均勻化元件，适于配置于该照明光束 的传递路径上，其中该板件位于该光源与该光均勻化元件之间。
全文摘要
本发明公开一种动态遮罩及照明系统，其中该动态遮罩适用于一照明系统。照明系统包括至少一光源，光源适于发出一照明光束。动态遮罩包括一板件，其适于配置于照明光束的传递路径上，以调节照明光束的光通量。板件具有至少一长条状开口，长条状开口具有相对的一第一端与一第二端。长条状开口相对于一对称轴镜像对称，且对称轴为一由第一端延伸至第二端的直线。长条状开口的宽度由第一端往第二端递增，且板件适于在与对称轴平行的方向上移动。一种使用此动态遮罩的照明系统也被提出。
文档编号F21V14/08GK101865426SQ20091013271
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月14日 优先权日2009年4月14日
发明者林惠珍, 郑权得 申请人:中强光电股份有限公司