CN101165541B

CN101165541B - 用于数字光处理投影装置的光处理结构

Info

Publication number: CN101165541B
Application number: CN2006101402638A
Authority: CN
Inventors: 陈锡钊; 黄俊杰
Original assignee: Delta Optoelectronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc; Delta Optoelectronics Inc
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-10-20
Also published as: CN101165541A

Abstract

本发明涉及一种用于数字光处理投影装置的光处理结构，其中该DLP投影装置包含多个数字微镜装置，该光处理结构包含分光架构、反射架构以及合光架构。分光架构使用分光镜和色轮作为分光之用。反射架构包含多个反射棱镜，对应该多个数字微镜装置设置。合光架构由两个三角棱镜所组成的合光棱镜组组成。由于此等架构所需投影物镜的镜头后焦较短，促使整体光处理结构趋近较小体积，利于产品的小型化及高质量。

Description

用于数字光处理投影装置的光处理结构

技术领域

本发明涉及用于数字光处理(DLP)投影装置的光处理结构，且特别涉及一种用于多个数字微镜装置(DMD)架构的DLP投影装置中的光处理结构。

背景技术

图1为台湾第93101928号专利申请案的数字光学处理投影装置的示意图。该案由本案申请人于2004年1月29日提出申请。该数字光学处理投影装置主要由合光模块(Coupling Module)200、光源300、分光模块(Splitting Module)400、三个数字微镜装置500R、500G、500B，以及投影物镜(Project Lens)600所构成。

光源300发出光线W经积分柱(Integration Rod)310至分光模块400。分光模块400将光线W分为三原色光红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)。双向分光镜402及404将色光R、G与B分开。各色光R、G、B通过汇聚透镜(Condenser Lens)406、408及410，反射镜412、414、416、418、420及422入射至合光模块200。色光B反射至入射面242a，色光G反射至入射面232a。各色光R、G、B分别通过内部全反射棱镜(Total InternalReflection Prism；TIR Prism)220a、230a、240a中的空气间隙反射至数字微镜装置500R、500G、500B，再被反射而直接穿透内部全反射棱镜220a、230a、240a。投影物镜600配置于合光模块200之后的各色光R、G、B的光路径上。后焦(Back Focal Length)550则为数字光学处理投影装置的后焦。

由于光是电磁波的一种，具有光波偏振的性质。就光学理论而言，光可分为二偏振向量。于此，定义光线行进方向与反射平面的法线构成的平面法线方向为”S偏振方向”，而光线行进方向与反射平面的法线构成的平面方向为”P偏振方向”。光的振动则依S偏振方向及P偏振方向，分为S偏振光及P偏振光。当此S偏振光及P偏振光通过分光模块或合光模块内的分光镀膜时，若非以垂直角度入射(称为零度入射)，则S、P偏振光将具有波长飘移量，且入射角度愈大，波长飘移量愈大。

公知技术所存在的问题之一为，前述S、P偏振光于分光时的波长飘移量与S、P偏振光于合光时的波长飘移量，二者不同所致。详言之。当不同的色光通过分光模块400时S、P偏振光的波长飘移量，与色光通过合光模块200时的波长飘移量不一致，而有光损耗(Light Loss)的情况发生。光损耗的情形一旦发生，将造成投影物镜成像时的影像光度不足，影响观赏画面的质量。

公知技术所存在的另一问题为传统三片DMD式的DLP投影装置中，其合光模块乃由交叉分色棱镜(X-Prism)配合三组内部全反射棱镜组合而成，故棱镜的体积较大，棱镜的重量较重，因此价格也较贵。此外，还有公知技术发展出两片式的DLP投影装置(未绘示)，此系统采用色轮作为三原色中二色的分色系统，再以一个Philip棱镜加TIR棱镜的组合总成做为分光和合光系统。此系统由于使用分光棱镜同时作为分光及合光之用，故棱镜的体积较大、重量亦重，所需要的投影物镜的后焦也较长，对镜头的设计困难度加大。

综上所述，实有必要针对前述DLP投影装置中分光与合光的光处理结构重新设计，以符合组装更容易、体积更小、重量更轻、色彩更饱和等需求，以提升产品质量。

发明内容

本发明的一个目的，为提供一种用于数字光处理(DLP)投影装置的光处理结构，其中该DLP投影装置使用分光镜和色轮做为分光系统，再利用由两个三角棱镜所组成的合光棱镜组作为合光系统。由于该合光棱镜组的体积小，其所需要投影物镜的镜头后焦较短，可以降低镜头的设计负担，重量轻且价格便宜。

本发明之另一目的，为提供一种用于数字光处理(DLP)投影装置之光处理结构，其中合光棱镜中三角棱镜的角度设计与配合的光学镀膜，可以使分光与合光时S、P偏振光的波长飘移量趋于一致，因此可以抑制光耗损现象，提高投影影像质量。

为达到上述目的，本发明所披露的一种用于数字光处理投影装置的光处理结构，其中该DLP投影装置包含多个数字微镜装置，该光处理结构包含分光架构、反射架构以及合光架构。其中分光架构包含至少一个分光组件，用以将主入射光分离为多个次入射光。反射架构包含多个光反射组件，分别接收该多个次入射光，并将之反射至该多个DMD上。合光架构包含合光棱镜组，具有两个三角棱镜，各该三角棱镜的其中一个斜面互相邻接，接收自该多个DMD上处理后的该多个次入射光，加以耦合并向外传送至投影透镜而成像。

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它目的，以及本发明的技术手段及实施方式。

附图说明

图1为公知技术中，数字光学处理投影装置的示意图；

图2为本发明横式光处理结构的示意图；

图3为本发明分光镜的分光频谱图；

图4为本发明合光棱镜组的示意图；

图5为本发明合光棱镜的合光频谱图；以及

图6为本发明直式光处理结构的示意图。

主要元件标记说明

10：光源 20、21：数字微镜装置

30：投影物镜 40：第一透镜组

42：分光镜 44：色轮

46：积分柱 50：第二透镜组

51、52：内部全反射棱镜 62：合光棱镜组

64：三角棱镜 66：缺角面

200：合光模块 220a：内部全反射棱镜

230a：内部全反射棱镜 232a：入射面

240a：内部全反射棱镜 242a：入射面

310：积分柱 300：光源

400：分光模块 402：双向分光镜

404：双向分光镜 406：汇聚透镜

408：汇聚透镜 410：汇聚透镜

412：反射镜 414：反射镜

416：反射镜 418：反射镜

420：反射镜 422：反射镜

500R：数字微镜装置 500G：数字微镜装置

500B：数字微镜装 550：后焦

600：投影物镜 641：侧面

具体实施方式

图2表示本发明用于数字光处理投影装置的光处理结构之一实施例，其中该DLP投影装置包含光源10、多个数字微镜装置(图中所示为两个数字微镜装置20、21)、投影物镜30以及本发明的光处理结构。该光处理结构包含分光架构、反射架构以及合光架构。

详言之，分光架构包含至少一个分光组件，用以将光源10所发射的主入射光分离为多个次入射光。于具体实施例中，该分光组件可为分光镜42，依据不同的光源种类以及不同的分光需求，分光镜中的分光镀膜用以将该主入射光分离为多个不同颜色的次入射光。

其次，分光架构还包含色轮44，用以配合分光镜42进行各色光的分色操作。此外，分光架构可还包含积分柱46，用以进行色光均匀化的操作。于本实施例中，色轮44设于分光镜42的前方，而积分柱46则设于分光镜42及色轮44之间。

本发明如图所示的实施例中，分光架构中配合分色的色轮44，用以将光源10发射的主入射光颜色分为红色、绿色和蓝色三原色，或是采用红色、绿色、蓝色和蓝绿色四色等其它色系组合皆可。

简言之，本实施例的入射光线由光源10发射进入色轮44分色后，先经积分柱均匀化处理，再经过分光镜42分色，即会将主入射光分为例如一条红色光路，及一条绿色和蓝色混合光路(其中，绿光或蓝光是用色轮轮流选出)，分别进入反射架构中不同的反射组件，详如后述。另一方面，本发明分光镜的分光频谱图，如图3所示，图中显示以平板镀膜而成的分光镜，其S、P偏振光的波长漂移量介于20纳米至30纳米之间。

须说明的是，前述实施例中分光架构的颜色配置，主要是考虑配合该例中的光源10采用高压水银灯泡之故，盖因水银灯炮所发射的光谱中，红光的光量较其它二者为低，因此，为充分利用该红光的分量，因此，在设计分光镜与色轮时，特别设计使红色与蓝、绿二色光分离，以提供足够量的红光，以免各原色光的配比不平均。

但所属技术领域的技术人员可以理解，当DLP投影装置使用不同种类的光源时，分光架构所分离的色光亦须随之调整，以求光源的有效利用及成像的高质量。当然，色轮44也非仅设限位于分光镜42或积分柱46之前，亦可将之设于分光镜42后方的任何光路上，以配合分光镜处理上述这些次入射光中的一个的控制，而于另一未配置色轮的光路上，保持单一主要色系的输出。

于本发明的较佳实施例中，光处理结构可还包含第一透镜组40以及第二透镜组50。其中，第一透镜组40用以汇集其中一次入射光，第二透镜组50用以汇集另一次入射光。例如，第一透镜组40用以汇集红色次入射光，而第二透镜组50用以汇集蓝色与绿色次入射光。

其次，请继续参照图2，本发明的反射架构包含多个光反射组件，用以分别接收来自分光架构所分离的多个次入射光，并将之反射至多个DMD上。如前述的实施例中，由于本发明DLP投影装置中光源10所发射的主入射光经分光架构分离为两条次要光路，因此，于本实施例中的反射架构亦配合地利用两个DMD 20、21及两个相对应的光反射组件，分别位于分光架构后上述这些次入射光的光路径上，先由光反射组件接收两条光路上的次入射光，对应地反射至该两个DMD 20、21内，再由该两个DMD 20、21反射后直接穿透该两个光反射组件，射入合光架构中。于较佳实施例中，该光反射组件为内部全反射棱镜51、52。

较佳者，本发明的合光架构为合光棱镜组62，其具有两个三角棱镜64，其中各该三角棱镜64的其中一面最长斜面互相邻接，以组合成该合光棱镜组62。此合光棱镜组62用以接收自上述这些DMD 20、21上处理后的上述这些次入射光，加以耦合后，并向外传送至投影物镜30。

于较佳的实施例中，合光棱镜组62的各三角棱镜64均为等腰三角棱镜。更特别地，其各该相对侧面的各底角，实质上介于40-45度之间。换言之，若底角为45度时，合光棱镜组62由两个等腰直角三角棱镜所组成；若底角为40度时，合光棱镜组62则由两个具有40度、40度、100度侧面641的三角棱镜所组成。此外，请参照图4，图中表示于较佳实施例中，该等腰三角棱镜64包含至少一个缺角，其形成于各该等腰三角棱镜64的一个底角上。其中，各该等腰三角棱镜64的该相邻缺角共同地界定出缺角面66，用以实质地减少合光棱镜组62与上述这些内部全反射棱镜间的几何干涉，该缺角面的形状最佳者为正三角形。

此外，合光棱镜组62中各三角棱镜64的斜面连接面还包含复合镀膜层(未绘示)，披覆于该两个三角棱镜64的两个斜面的至少其中之一面。于三角棱镜64的斜面上镀制此复合镀膜层的主要目的，是使接收来自DMD反射的上述这些次入射光通过该复合镀膜层后，上述这些次入射光的S、P偏振光的波长漂移量，与上述这些次入射光先前通过分光镀膜时的S、P偏振光的波长漂移量，二者可以实质上趋于一致或相同。简言之，即合光光谱的S、P偏振光波长漂移量和分光镜一致，介于20纳米至30纳米之间，如图5所示。更进一步叙述先前提及的合光路径，红色次入射光，透过该复合镀膜层，进行反射；该蓝绿混合次入射光，则透过该复合镀膜层，进行穿透后，与该反射的红色次入射光，进行耦合后，向外传出。

于具体应用时，该复合膜层由多层具有高、低折射率的分光镀膜所制镀而成，其中高折射率(H)的分光镀膜可以利用例如氧化钛(TiO₂，其折射率约为2.1)或具有等同效果的材料，而低折射率(L)的分光镀膜可以利用例如氧化硅(SiO₂，其折射率约为1.6)或具有等同效果的材料。其中，该复合膜层的层数介于60层至110层间，较佳者介于80层至100层间。

须强调的是，由于棱镜镀膜的S、P偏振光的波长漂移量和光的入射角度有一些相关性。故当本发明合光棱镜组62的等腰三角棱镜64的侧面641两个底角的夹角较小，则进入合光棱镜组62的入射光的入射角亦较小，因而复合膜层的S、P偏振光的波长漂移量随之变小，实际镀制复合膜层于三角棱镜64上时，即可大幅降低镀制高质量复合膜层的费用。此外，由于本发明合光棱镜组的分光镀膜采用低极化分光设计(LowPolarization)，故合光棱镜组62若改采用分光平板(亦即，平板玻璃上镀制复合膜层)或其它等效设计，亦可以达到同样的功能。

另一方面，为了整体系统的摆设考虑。本发明光处理架构的光路不一定是横式光路，也可以采用直式设计，以配合不同的DLP投影装置的机构配置，仅需在分光镜后的两条光路上，保持实质上相同的距离即可，以减少零件干涉的问题，如图6所示。

综上所述，本发明利用具有两个个三角棱镜的合光棱镜组62作为合光作用，可以减少投影物镜的后焦距，使镜头的设计较为简单，而且本发明的合光棱镜组62重量较公知技术者为轻，于实际使用操作时较不受重力的影响。本发明的DLP投影装置于使用上不慎摔落时，合光棱镜组62的空间定位上亦较不受到重力加速度的撞击影响，而造成位置误差，进而影响成像的质量，故DLP投影装置的使用寿命，可因此延长。

以上实施例仅用以例举本发明的实施方式，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明之范畴。任何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，因此本发明的权利范围应以权利要求所主张的内容为依据。

Claims

1.一种用于数字光处理投影装置的光处理结构，其特征是该数字光处理投影装置包含多个数字微镜装置，该光处理结构包含：

分光架构，包含：

至少一个分光组件，用以将主入射光分离为多个次入射光；

反射架构，包含：

多个光反射组件，分别接收该多个次入射光，并将之反射至该多个数字微镜装置上；

合光架构，包含：

合光棱镜组，具有两个三角棱镜，各该三角棱镜中的一个斜面互相邻接，各该三角棱镜的斜面连接面还包含复合镀膜层，披覆于该两个三角棱镜的两个斜面的至少其中之一面，用以接收自该多个数字微镜装置上处理后的该多个次入射光，加以耦合并向外传送；

其中，该分光架构于进行分光时，所测量的S与P偏振光的波长漂移量，与具有该复合镀膜层的该合光架构于合光时，所测量的S与P偏振光的波长漂移量，实质上相同。

2.根据权利要求1所述的光处理结构，其中该数字光处理投影装置包含两个数字微镜装置及两个相对应的光反射组件。

3.根据权利要求2所述的光处理结构，其特征是各该光反射组件为全反射棱镜组。

4.根据权利要求1所述的光处理结构，其特征是各该三角棱镜为等腰直角三角棱镜。

5.根据权利要求1所述的光处理结构，其特征是各该三角棱镜为等腰三角棱镜，其各底角实质上介于40-45度间。

6.根据权利要求1所述的光处理结构，其特征是该合光棱镜组还包含复合镀膜层，披覆于该三角棱镜的斜面的至少其中之一面。

7.根据权利要求1所述的光处理结构，其特征是该偏振光波长漂移量实质上介于20纳米至30纳米之间。

8.根据权利要求1所述的光处理结构，其特征是该至少一个分光组件，包含分光镜，用以将该主入射光分离为多个不同颜色的次入射光。

9.根据权利要求8所述的光处理结构，其特征是该分光架构还包含色轮。

10.根据权利要求9所述的光处理结构，其特征是该色轮设于该分光镜前方。

11.根据权利要求10所述的光处理结构，其特征是还包含积分柱，设于该分光镜及该色轮之间。

12.根据权利要求11所述的光处理结构，其特征是该色轮设于该分光镜后方，处理上述这些次入射光中的一个。

13.根据权利要求2所述的光处理结构，其特征是该合光棱镜组还包含复合镀膜层，披覆于该三角棱镜的斜面的至少其中之一面。

14.根据权利要求13所述的光处理结构，其特征是该至少一个分光组件，包含分光镜，用以将该主入射光分离为红色次入射光、及蓝绿混合次入射光。

15.根据权利要求14所述的光处理结构，其特征是该红色次入射光，透过该复合镀膜层，进行反射；该蓝绿混合次入射光，透过该复合镀膜层，进行穿透后，与该反射的红色次入射光，进行耦合后，向外传出。

16.根据权利要求1所述的光处理结构，其特征是还包含：

第一透镜组，汇集该主入射光；及

第二透镜组，汇集上述这些多个入射光的至少其中之一。

17.根据权利要求6所述的光处理结构，其特征是该复合镀膜层包含至少一层具有高折射率的分光镀膜以及至少一层具有低折射率的分光镀膜。

18.根据权利要求17所述的光处理结构，其特征是该高折射率的分光镀膜为氧化钛。

19.根据权利要求17所述的光处理结构，其特征是该低折射率的分光镀膜为氧化硅。

20.根据权利要求17所述的光处理结构，其特征是该复合膜层的层数介于80层至100层之间。