CN101078862B - 多光源投影装置及其合光模块 - Google Patents

Abstract

一种多光源投影装置及其合光模块。多光源投影装置包含光线输入区域；光导管、色轮、合光模块及多光源，皆设于光线输入区域，多光源投射出多光束，通过合光模块后，依序通过色轮及光导管。合光模块，包含合光装置，聚光装置及反射装置；且反射装置可转折光束方向，使多光源的中心的连接线实质上垂直于光的图像投影方向。

Description

多光源投影装置及其合光模块

技术领域

本发明涉及一种光学投影装置，更详细来说，是涉及一种具有多光源的投影装置及其合光模块。

背景技术

现今投影装置产品非常多元，举凡数字式光处理投影装置(DLP)、液晶投影装置(LCD)以及反射式单晶硅(LCOS)投影装置等，皆各自提供给不同的消费群体。以目前市面上常见的数字式光处理投影装置(DLP)为例，DLP投影装置以微机电系统(MEMS)为技术基础，配合采用德州仪器公司(TI)开发的DMD芯片(digital micromirror device)，构成该投影装置的主要构架。一般而言，DLP投影装置的成像原理为光线自光源射出后，即通过色轮(color wheel)进行分色，一般将颜色细分为绿、蓝以及红色后，进入光机，通过光导管将光线整合后，再进入DMD芯片，通过DMD芯片接收图像输入信号，使其上细微的镜片偏转，将正确的光线及图像投射进入镜头，最后通过镜头的投影方向，将图像呈现在荧幕上。相较于其他原理制造的投影装置，DLP投影装置具有高亮度、色彩重现性正确、高对比、可使机身迷你轻巧化等优点。

由于DLP投影装置在画面表现上的优异，因此各家厂商无不重视于DLP投影装置及其周边配合组件的开发研究，以达到尽善尽美的投影效果。一般而言，应用DLP投影装置作为图像显示工具时，因其必须具有高亮度、可投射画面大等特色，因此于DLP投影装置中，采用双光源的合光系统，以提高其图像亮度，有其必要。

如前所述(参照图1)，典型的单光源投影光机构架中，光源11所投射出的光束，会先经过色轮15的分色后，再进入光导管14中，将所分色的光线均匀化后送出至光机10的后端，进行图像处理后，再由镜头16将图像朝投影方向17发射出。其中，该经过色轮15的光束，必需是单一光束，方可进行分色。

因此如图2所示的双光源11，12，其所产生的双光束，必须先经过适当的合光机制，合成单一光束后，才能穿过色轮，送入单一光导管，否则即需预设多个不同的光导管，以分别接收不同光源所产生的多光束；此种状况下，因多光束尚未耦合，将导致色轮的分色动作不得先光导管的光线均匀化动作进行，故机构的配置上，色轮便需置于光导管的后端，使光束先进入光导管，将已均匀化的光线使用某种机制耦合后，再行分色。故图1的单光源构架与图2的双光源构架，因光导管14与色轮15间的相对位置不同，故二者不可能共用光机10。

再以三角棱镜13的合光元件为例，若欲采用双光源11，12构架，使双光束通过棱镜13后，得合为较趋近于单一光束的光束，使其先通过色轮，则上述这些光源所发射出的光束，势必通过接近三角棱镜13的顶点131，方能克竟其功；此状况若不将光源内移，则必需将三角棱镜13外移一段距离，若再加上容置色轮15的空间，则合光后原本强度即已减损的单一光束，再进入色轮15前，尚必需经历该段距离，势必使得合光后的强度进一步减损，无异破坏合光效率，使图像亮度及色彩皆受到影响。

通常使用于DLP投影装置的双光源11，12为椭球灯，一般业界所采用的椭球灯，因发出强光所产生的高热，会因空气浮力而上移至两个电极之间的上方，而形成高热区，为确保椭球灯的电极寿命，厂商通常会要求使用者在使用中，不得将椭球灯进行上、下仰、俯角度超过20度之调整，以避免电极部分处于该高热区，而遭高温破坏。如图2所示的安排，两相对椭球灯的灯芯所在连接线，与镜头16的图像投射方向17实质上平行，此状况无异是当镜头16依使用者的投影需要，而向上或向下调整超过20度，即很容易导致双椭球灯的其中之一，超过该安全的临界状态，此也为现有技术所潜在的一项严重瑕疵。

承上所述，为了发挥DLP投影装置中双灯合光的最大效能，与延长光源寿命等目的，实有必要构建一种投影装置及其合光模块，通用于单灯、双灯甚至多光源投影系统中。

发明内容

本发明之一目的，在于提供一种多光源投影装置，包含：光线输入区域；光导管(light tunnel)、色轮、合光模块及多光源，皆设于该光线输入区域，该多光源投射出多光束，通过该合光模块后，依序通过该色轮及该光导管；其中该合光模块，包含合光装置，聚光装置及反射装置；且该反射装置可转折光束方向，使该多光源的中心的连接线实质上垂直于光的图像投影方向。

本发明的另一目的，在于提供一种用于多光源投影装置中的合光模块，该多光源投影装置包含光线输入区域；光导管、色轮、合光模块及多光源，皆设于该光线输入区域上，该多光源投射出多光束，通过该合光模块后，依序通过该色轮及该光导管；该合光模块包含合光装置，聚光装置及反射装置；且该反射装置可转折光束方向，使该多光源的中心的连接线实质上垂直于光的图像投影方向。

本发明的多光源投影装置以及合光模块，可共用原来单灯构架下的光机，且由于可将色轮配置在导光管的前端，因而可维持较佳的色彩表现。再者，光源的排列方向实质上垂直于图像投影方向，而使机身不会因使用上需要调整倾斜时，影响到光源的寿命。此等设计不仅有效地提高合光效率，并使光线强度及均匀度均有所提高，且有效地延长投影装置的光源使用寿命。

在参照附图及随后描述的实施方式后所属技术领域的技术人员便可了解本发明的其他目的，以及本发明的技术手段及实施方式。

附图说明

图1是为公知具有单灯构架的投影装置示意图；

图2是为公知具有双灯构架的投影装置示意图；

图3是为本发明多光源投影装置的示意图；及

图4是为本发明合光效率对于焦距比值的曲线图。

主要元件标记说明

10：光机             11：光源

12：光源             13：棱镜

131：顶点            14：光导管

15：色轮             16：镜头

17：投影方向         40：投影装置

42：光机             421：镜头

422：投影方向        43：光导管

431：前端            432：后端

433：中心轴          44：色轮

46：合光模块         460：棱镜

462：反射镜          464：第一聚光透镜

466：第二聚光透镜    468：第三聚光透镜

47：光源             48：光源

49：耦合光束

具体实施方式

由于本发明的发明特征着重在合光模块及应用其技术的多光源投影装置，因此以下的说明，主要以投影装置中的合光模块、其配置、光路径及周边相关的元件为主，其余元件及其投影装置的基本技术兹不赘述。

参照图3，投影装置40主要包含光机(optical engine)42，该光机具有光线输入区域及图像输出区域。光导管(light tunnel)43、色轮(colorwheel)44、合光模块46及至少两光源47、48，皆设于该光线输入区域；镜头421，则设于该图像输出区域。其中，光源种类应用上以高压气体放电灯(high intensity discharge；HID)的椭球形灯为较佳的实施例说明。

光导管43具有前端431及与该前端431相对的后端432，通过该光线输入区域的色轮44及光导管43后的光束，将通过光机42内部进行图像处理，而使处理过的图像，沿投影方向422(如图中的虚线箭头所示)，自镜头421投射而出。

较佳者，本发明所披露的合光模块46包含合光棱镜460、反射镜462、第一聚光透镜464及第二聚光透镜466。于本发明的较佳实施例中，合光模块46还包含第三聚光透镜468，位于第一聚光透镜464及反射镜462之间。更佳者，第三聚光透镜468的位置是可依据需求而调整，以进一步调整自合光棱镜460耦合的光束49的聚焦程度。同理，合光棱镜460也可调整位置，以调整光源47、48的入射光束进入合光棱镜460的光线耦合强度。通常所属技术领域的技术人员可知，该合光棱镜460，及该第一聚光透镜464、第二聚光透镜466及该第三聚光透镜468是可依需求改变数目，及单独或整体设计为可调整位置的元件，以便对其聚焦位置及光线强度进行控制。另外，聚焦透镜464、466、468选择式地设于反射镜462的前端、后端或前后两端，因其皆可不同程度地达到相当的光线汇聚功能，故皆属可行的作法。

进一步地说，合光棱镜460接收分别来自光源47、48的入射光束后，将入射光束耦合，并转折其方向，以产生耦合光束49.耦合光束49依次地通过第一聚光透镜464、第三聚光透镜468，经实质上与该光导管43的中心轴433呈实质上45度角的反射镜462反射后，即沿该中心轴433方向运行，通过该第二聚光透镜，再通过色轮44，到达光导管43的前端431后，再通过后端432穿出，通过光机42的图像处理后，最后所处理过的图像即沿镜头421的投影方向422投射出，而形成图像于显示屏(图中未表示)上.上述具有聚焦装置及反射装置的合光模块设计，将使得自合光装置耦合的光线，再到达色轮44及光导管43前，不论光线强度及位置精确度，皆仍能保持相当的水准，故自光导管43穿出的光线，其色彩饱和度与单灯构架相同，亮度却较单灯构架突出许多.

由图3可看出，光源47、48的中心所构成的连接线，较佳是垂直于投影方向422，此设计是基于光源的寿命考虑。首先，先简单地介绍椭球形气体放电灯的基本原理，该椭球灯内具有两个相对电极。当电场施加于两个电极时，自由电子将被此外加电场加速。当被加速的自由电子与气体原子碰撞后，气体原子吸收了自由电子的动能(kinetic energy)而处于受激发状态(excited state)。当此受激发状态的原子返回基态(ground state)后，所吸收的能量就会以辐射的方式释放出来，因而产生光线。在气体放电灯工作过程中，会不断释放热，该热通过热气上升原理，一般会集中于两个电极位置间的上方，形成高热区。

制造灯具的厂商，通常会要求使用者在使用中，不得将椭球灯进行上、下仰、俯角度超过20度的调整，以避免电极部分处于该高热区，而遭高温破坏。如图3所示，两个相对椭球灯的灯芯所在连接线，与镜头421的图像投射方向422实质上垂直的设计，使得当镜头421依使用者的投影需要，而向上或向下调整，由于该调整是沿两个相对椭球灯灯芯所在连接线为虚拟轴线的方式转动，故不会牵动双椭球灯的上下摆动(如图2所示公知技术即会牵动椭球灯上下摆动)，因此，不容易导致双椭球灯，超过上述所言的安全临界温度，使灯具的寿命得以延长。

如前所述，于本发明的较佳实施例中，第三聚光镜468是设置于第一聚光透镜464及反射镜462之间。若第一聚光透镜464具有焦距f1，第二聚光透镜466具有焦距fb，第三聚光透镜468具有焦距f3。其中焦距f1与焦距f3的合成焦距fa，其关系式为，

其中d代表第一聚光透镜与第三聚光透镜间的距离。合成焦距fa与第二聚光镜的焦距fb的比值r＝fa/fb。图4表示该焦距比值r与合光效率的关系图，其中纵轴为合光效率，横轴为焦距比值r。通过调整第三聚光透镜468的位置，即可调整合光效率，由图中可看出，当r介于1.07～1.09的范围内有最佳的合光效率。因此，相较于公知技术，本发明通过单独调整第三聚光透镜468的位置，可达到依照使用者需求，而调整合光效率的目的。

本发明的另一实施例，在于提供一种合光模块，用以执行如同公知所述的功能。此合光模块包含棱镜、第一聚光透镜、第二聚光透镜及反射镜，合光模块还可包含可调整位置的第三聚光透镜。此合光模块的元件功能已于前项说明，且能够执行公知所述的功能，故在此不赘述。

以上实施例仅用以例举本发明的实施方式，以及阐明本发明的技术特征，并非用来限制本发明的范畴。举例而言，聚光透镜可采用其他类似功能的聚光装置。色轮也未限定必须设置于光导管的前端，所属技术领域的技术人员也可在不同的考虑需求，将色轮安排于光导管的后端。因此，所属技术领域的技术人员，均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况下，对上述实施例进行修改及变化，因此本案之权利范围应以上述权利要求所主张的内容为依据。

Claims (24)

1.一种多光源投影装置，其特征是包含：

光线输入区域；

光导管、色轮、合光模块及多光源，皆设于该光线输入区域，该多光源投射出多光束，通过该合光模块后，依序通过该色轮及该光导管；其中：

该合光模块，包含合光装置，聚光装置及反射装置；且该反射装置可转折光束方向，使该多光源的中心的连接线实质上垂直于光的图像投影方向。

2.根据权利要求1所述的多光源投影装置，其特征是该合光装置为合光棱镜。

3.根据权利要求1所述的多光源投影装置，其特征是该聚光装置具有第一聚光透镜，设于该反射装置的前端；及第二聚光透镜，设于该反射装置的后端。

4.根据权利要求3所述的多光源投影装置，其特征是该聚光装置还具有第三聚光透镜，设于该第一聚光透镜与该反射装置之间。

5.根据权利要求1所述的多光源投影装置，其特征是该反射装置为反射镜。

6.根据权利要求5所述的多光源投影装置，其特征是该多光源是包含两个光源。

7.根据权利要求6所述的多光源投影装置，其特征是该光导管具有中心轴，该通过该反射装置后的光束实质上沿该中心轴运行。

8.根据权利要求7所述的多光源投影装置，其特征是还包含图像输出区域，该图像输出区域包含镜头，使已处理的图像沿投影方向投射出，其中该光导管的中心轴与该反射镜实质上呈45度角，而与该投影方向实质上垂直。

9.根据权利要求8所述的多光源投影装置，其特征是该两个光源关于该合光装置是相对设置。

10.根据权利要求4所述的多光源投影装置，其特征是改变第三聚光透镜的位置，可调整合光效率，该合光效率与焦距比r有关，其中，该焦距比r是第一聚光透镜与第三聚光透镜的合成焦距与第二聚光透镜的焦距的比值。

11.根据权利要求10所述的多光源投影装置，其特征是当该焦距比r介于1.07～1.09，该合光模块有最佳的合光效率。

12.根据权利要求1所述的多光源投影装置，其特征是各该光源是高压气体放电灯。

13.根据权利要求12所述的多光源投影装置，其特征是各该光源是椭球型灯。

14.一种用于多光源投影装置中的合光模块，其特征是该多光源投影装置包含光线输入区域；光导管、色轮、合光模块及多光源，皆设于该光线输入区域上，该多光源投射出多光束，通过该合光模块后，依序通过该色轮及该光导管；该合光模块包含合光装置，聚光装置及反射装置；且该反射装置可转折光束方向，使该多光源的中心的连接线实质上垂直于光的图像投影方向。

15.根据权利要求14所述的合光模块，其特征是该合光装置为合光棱镜。

16.根据权利要求14所述的合光模块，其特征是该聚光装置具有第一聚光透镜，设于该反射装置的前端；及第二聚光透镜，设于该反射装置的后端。

17.根据权利要求16所述的合光模块，其特征是该聚光装置还具有第三聚光透镜，设于该第一聚光透镜与该反射装置之间。

18.根据权利要求14所述的合光模块，其特征是该反射装置为反射镜。

19.根据权利要求18所述的合光模块，其特征是该多光源是包含两个光源。

20.根据权利要求19所述的合光模块，其特征是该光导管具有中心轴，该通过该反射装置后的光束实质上沿该中心轴运行。

21.根据权利要求20所述的合光模块，其特征是还包含图像输出区域，该图像输出区域包含镜头，使已处理的图像沿投影方向投射出，其中该光导管的中心轴与该反射镜实质上呈45度角，而与该投影方向实质上垂直。

22.根据权利要求21所述的合光模块，其特征是该两个光源关于该合光装置是相对设置。

23.根据权利要求17所述的合光模块，其特征是改变第三聚光透镜的位置，可调整合光效率，该合光效率与焦距比r有关，其中，该焦距比r是第一聚光透镜与第三聚光透镜的合成焦距与第二聚光透镜的焦距的比值。

24.根据权利要求23所述的合光模块，其特征是当该焦距比r介于1.07～1.09，该合光模块有最佳的合光效率。

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