CN101308319A - 光学投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学投影系统，包含光源模块、分光模块、信号模块、合光模块，及投影镜头；其中，光源模块输出光束；该分光模块包括分离该光束成第一色光与双色光的第一分光件、分离该双色光成第二色光与第三色光的第二分光件、反射件群，及三个分别全反射这些色光的全反射棱镜组；该信号模块包括三个分别可反射这些色光并使其含有影像信号的双稳态空间光源调变组件；该合光模块包括会反射该第一色光的第一合光面，及与该第一合光面交叉并会反射该第三色光的第二合光面；该投影镜头供含有影像信号的这些色光投影输出。

Description

光学投影系统

技术领域

本发明涉及一种光学投影系统，特别是一种具有三个双稳态空间光源调变组件的光学投影系统。

背景技术

在我们世界里的视觉是模拟形式，但当我们利用电子信号来获取、储存和传送该模拟现象时，采用数字技术却能带来许多重大优点；而数字投影和显示技术能接受数字视讯之后，产生一系列的数字光脉冲；当这些光脉冲进入我们的眼睛后，大脑会把它解译成为彩色模拟影像；而使用具有多个反射性光开关的双稳态空间光源调变组件(Bistable Spatial light modulator)，例如：数字微型反射镜组件(Digital Micromirror Device，简称DMD)，或者是微型反射镜数组组件(Micro-mirror Array)，即是一种用来达到数字投影和显示的技术。

参阅图1，一种现有光学投影系统1，包含光源模块11、中继透镜组12、全反射棱镜组13、分合光模块14、信号模块15，及投影镜头16。该光源模块11输出白色光束111；该中继透镜组12供会聚并传送该光束111；该全反射棱镜组13具有可供该光束111进行全反射的反射面131；该分合光模块14具有两个呈三角柱形的棱镜141、呈四边形的棱镜142，及分别位于这些棱镜141、142之间的第一分光面143与第二分光面144；该信号模块15具有三个分别邻近该分合光模块14的数字微型反射镜组件151。

当该白色光束111经该全反射棱镜组13反射面131全反射之后，进入该分合光模块14内，由该第一分光面143将该光束111分离出第一色光112及双色光113，其中该第一色光112经该数字微型反射镜组件151反射后含有影像信号，而该双色光113再经由该第二分光面144分离出第二色光114及第三色光115，如此该第二、第三色光114、115分别再经这些位微型反射镜组件151反射后含有影像信号，最后，这些色光112、114、115再会合于该分合光模块14内一起射出，并经由该投影镜头16投影和显示于一个屏幕(图未示)上。

现有光学投影系统1的光路设计是让这些数字微型反射镜组件151位于该投影镜头16的后焦点(Back Focus)上，但因为现有的光学投影系统1在该投影镜头16与各数字微型反射镜组件151之间需要存在有该全反射棱镜组13，及该分合光模块14的三个棱镜141、142，所以该投影镜头16需要有极长的后焦长度(Back Focal Length，简称BFL)用以容置上述组件，例如，需要大于100mm以上的后焦长度才足够容纳；因此，该投影镜头16为具有如此长的后焦长度，需要数量众多的透镜才能制成，例如，十片以上的透镜；造成了该投影镜头16的生产良率下降的问题。另外，整体光学投影系统1的体积尺寸也因为该投影镜头16的后焦长度过长而妨碍朝向小型化的设计。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中光学投影系统的后焦长度较长的缺陷，提供一种可以使用短后焦长度的投影镜头的光学投影系统。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种光学投影系统，包含：光源模块，输出光束；分光模块，包括分离该光束成第一色光与双色光的第一分光件、分离该双色光成第二色光与第三色光的第二分光件、反射并导引这些色光的反射件群，及三个分别供该反射件群导引后的这些色光进行全反射的全反射棱镜组；信号模块，包括三个分别可反射经这些全反射棱镜组全反射后的这些色光并使其含有影像信号的双稳态空间光源调变组件；合光模块，包括用于反射含有影像信号的该第一色光的第一合光面，及与该第一合光面交叉并会反射含有影像信号的该第三色光的第二合光面；及投影镜头，与这些双稳态空间光源调变组件分别围绕于该合光模块，并供含有影像信号的这些色光投影输出。

在本发明所述的光学投影系统中，其中，该合光模块更包括四个直角三角形的棱镜，这些棱镜组合成矩形并形成相互交叉的该第一合光面与第二合光面。

在本发明所述的光学投影系统中，其中，该分光模块的这些全反射棱镜组分别介于该合光模块与这些双稳态空间光源调变组件之间。

在本发明所述的光学投影系统中，其中，该第一色光离开该第一分光件的方向与第二色光离开该第二分光件的方向是呈相反方向，且该第三色光离开该第二分光件的方向与该第二色光离开该第二分光件的方向是呈相互垂直。

在本发明所述的光学投影系统中，其中，该分光模块更包括多个分别介于这些反射件与全反射棱镜组之间的聚光透镜。

在本发明所述的光学投影系统中，其中，该分光模块更包括分别介于该光源模块与第一分色件之间的中继透镜组。

在本发明所述的光学投影系统中，其中，该光源模块光束入射于该中继透镜组的方向是平行于该投影镜头投影输出的方向。

在本发明所述的光学投影系统中，其中，该信号模块的每一双稳态空间光源调变组件各是数字微型反射镜组件。

在本发明所述的光学投影系统中，其中，该投影镜头与其中的一个双稳态空间光源调变组件是沿第一轴向分别排列于该合光模块的其中两侧，而另外两个双稳态空间光源调变组件则是沿第二轴向分别排列于该合光模块的另外两侧，且该第一、第二轴向是相互垂直。

在本发明所述的光学投影系统中，其中，该分光模块的第一、第二分光件与该反射件群均是位于上层位置，而这些全反射棱镜组、这些双稳态空间光源调变组件、该合光模块、与该投影镜头均是位于下层位置。

本发明的功效在于：该投影镜头与各双稳态空间光源调变组件之间，只存在该合光模块与一个全反射棱镜组，所以使用具有短后焦长度的投影镜头，即可以容置上述组件，确实能达到本发明的目的。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有一种光学投影系统的光路示意图；

图2是一个俯视示意图，说明本发明光学投影系统的一个较佳实施例；

图3是该较佳实施例一个侧视示意图；

图4是一个光路示意图，说明该较佳实施例其中一个分光模块的光路；及

图5是一个光路示意图，说明该较佳实施例其中信号模块、合光模块，及投影镜头的光路。

附图标号说明：

2光学投影系统            3光源模块

31光束                   311第一色光

311’双色光              312第二色光

313第三色光              32光源

4分光模块                41中继透镜组

42第一分光件             43第二分光件

44聚光透镜               45反射件群

45’中继反射件           45”主反射件

46全反射棱镜组           47聚光透镜

5信号模块                51双稳态空间光源调变组件

6合光模块                61棱镜

62第一合光面             63第二合光面

7投影镜头                X 第一轴向

Y 第二轴向

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合附图的一个较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。

参阅图2、图3、图4，本发明光学投影系统2包含光源模块3、分光模块4、信号模块5、合光模块6，及投影镜头7。

该光源模块3，包括可输出白色光束31的光源32。

该分光模块4，包括可供该光束31会聚并传送的中继透镜组41(RelayLens)、分离该光束31成第一色光311与双色光311’的第一分光件42、分离该双色光311’成第二色光312与第三色光313的第二分光件43、介于这些分光件42、43之间的聚光透镜44、具有两个中继反射件45’及三个主反射件45”并且可反射并导引这些色光311、312、313的反射件群45、三个分别供该反射件群45导引后的这些色光311、312、313进行全反射的全反射棱镜组46，及三个分别介于这些全反射棱镜组46与这些主反射件45’之间的聚光透镜47。其中，该反射件群45的这些中继反射件45’是分别供自该第二分光件42离开的该第二、第三色光312、313反射转向，而这些主反射件45”则是分别邻近于该全反射棱镜组46并且分别供经该中继反射件45’的该第二、第三色光312、313反射转向。另外，在该第一、第二分光件42、43上分别覆盖有只会反射该第一、第二色光311、312的材料，如此，该第一分光件42上只会反射该第一色光311而使得该双色光311’通过；而该第二分光件43则只会反射该第二色光312而使得该第三色光313通过，达到将该光束31分离成三道个别色光的目的。例如，在本实施例中，该第一分光件42只会反射红色光、而该第二分光件43则只会反射该蓝色光，如此，被分离的该第一色光311即是红色光，被分离的该第二色光312即是蓝色光，而第三色光313即是绿色光；另外，如果改变该第一分光件42与第二分光件43的覆盖材料，则这些色光311、312、313所代表的颜色也可以跟着改变。

另外，如图4所示，该第一、第二分光件42、43的设置角度可使该第一色光311离开该第一分光件42时的方向，与该第二色光312离开该第二分光件43时的方向是呈相反方向，而且该第三色光313离开该第二分光件43时的方向则是分别与该第二色光312离开该第二分光件43时的方向呈相互垂直(如图4所示)。另外，该中继透镜组41、该分光件42、43、介于该分光件42、43之间的该聚光透镜44，及该反射件群45均是位于上层位置(如图3所示)；而这些全反射棱镜组46等组件则是位于一下层位置(如图3所示)；藉由该反射件群45其中分别邻近全反射棱镜组46的三个主反射件45”在上、下层方向上转动45度(如图3所示)、三个聚光透镜47在该上、下层方向上转动45度(如图3所示)，及该全反射棱镜组46在该上、下层方向上也转动45度(如图3所示)，可将这些色光311、312、313分别由上层位置导引到下层位置。

该信号模块5，位于该下层位置，并包括三个分别可反射经该全反射棱镜组46全反射后的这些色光311、312、313，并使其含有影像信号的双稳态空间光源调变组件51(Bistable Spatial light modulator)；在本实施例中，每一双稳态空间光源调变组件51各是数字微型反射镜组件(Digital Micromirror Device，简称DMD)，或者，也可以是微型反射镜数组组件(Micro-mirror Array)；均可在接受数字视讯之后，产生一系列的数字光脉冲。

该合光模块6，位于该下层位置，并包括四个直角三角形的棱镜61，及由这些棱镜61组合成矩形并形成相互交叉的第一合光面62与第二合光面63；其中，在该第一、第二合光面62、63分别覆盖有只会反射该第一、第三色光311、313的材料，如此，该第一合光面62上只会反射含有影像信号的该第一色光311，而该第二合光面63则只会反射含有影像信号的该第三色光313。例如，在本实施例中，该第一合光面62只会反射呈红色的第一色光311、而该第二合光面63则只会反射呈绿色的第三色光313。

该投影镜头7，位于该下层位置并与该双稳态空间光源调变组件51分别围绕于该合光模块6，且供含有影像信号的这些色光311、312、313投影输出。

在本实施例中，该投影镜头7与其中的一个双稳态空间光源调变组件51是沿第一轴向X分别排列于该合光模块6的其中两侧，而另外两个双稳态空间光源调变组件51则是沿第二轴向Y分别排列于该合光模块6的另外两侧，且该第一、第二轴向X、Y是相互垂直；另外，该全反射棱镜组46则是分别介于该合光模块6与该双稳态空间光源调变组件51之间。以上详细地说明位于该下层位置的其中各组件彼此之间的相对位置。

以下说明本发明光学投影系统2内的光路设计及运作机制：

参阅图4，首先说明由该光源32输出的该光束31如何在该分光模块4中行进以便达到分光的效果。当该光束31由该光源32出射，会先经该中继透镜组41的会聚与传送，接着经该第一分光件42，此时，该光束被分离成该第一色光311与该双色光311’；其中的该第一色光311经该第一分光件42反射后，再经在该上、下层方向上转动45度的主反射件45”、聚光透镜47，进入全反射棱镜组46，最后全反射进入对应的双稳态空间光源调变组件51。另外的双色光311’在通过该第一分光件42后，经过该聚光透镜44，接着经该第二分光件43，此时，该双色光311’被分离成该第二色光312与第三色光313，其中的该第二色光312经该第二分光件43反射后，经中继反射件45’，再经在该上、下层方向上转动45度的主反射件45”、聚光透镜47，进入全反射棱镜组46，最后全反射进入对应的双稳态空间光源调变组件51；而该第三色光313也在通过该第二分光件43后，经中继反射件45’，再经在该上、下层方向上转动45度的主反射件45”、聚光透镜47，进入全反射棱镜组46，最后全反射进入对应的双稳态空间光源调变组件51。

参阅图5，接着说明这些色光311、312、313如何分别由这些双稳态空间光源调变组件51、经该合光模块6，再进入该投影镜头7。当该第一色光311进入对应的双稳态空间光源调变组件51后，该双稳态空间光源调变组件51会反射该第一色光311并使其含有影像信号，接着，该第一色光311经该全反射棱镜组46后进入该合光模块6，再经该第一合光面62的反射后转换方向。另外，该第三色光313也如同该第一色光311一样，由相应的双稳态空间光源调变组件51反射后，经该全反射棱镜组46后进入该合光模块6，不同之处在于该第三色光313会被该第二合光面63反射而转换方向。另外该第二色光312也如同该第一色光311一样，由相应的双稳态空间光源调变组件51反射后，经该全反射棱镜组46后进入该合光模块6，不同之处在于该第二色光312可直接穿过该合光模块6而没有经任何的反射。

如此，被该第一合光面62反射转向的该第一色光311、与被该第二合光面63反射转向的该第三色光313，及直接穿过的该第二色光312在该合光模块6内合并，形成含有各双稳态空间光源调变组件51影像信号的光束，最后经该投影镜头7投影并输出于屏幕上(图未示)。

综合上述，将本发明光学投影系统2可达到的功效及优点详细说明如下：

一、可以使用短后焦长度的投影镜头7：在本发明光学投影系统2的光路设计中，这些双稳态空间光源调变组件51是位于该投影镜头7的后焦点(BackFocus)上，而在该投影镜头7与各双稳态空间光源调变组件51之间，只需要存在有该合光模块6与一个全反射棱镜组46即可，相较于现有的光学投影系统1需要存在有该全反射棱镜组13，及该分合光模块14中具有分光与合光作用的三个棱镜141、142，本发明光学投影系统2确实可以使用具有短后焦长度的投影镜头7，即可容纳上述的全反射棱镜组46与合光模块6。如此，改善了该投影镜头7因为需要长后焦长度所造成生产良率下降的问题。

二、整体光学投影系统2的体积尺寸可以朝向小型化设计：现有的光学投影系统1的设计，因为该投影镜头16与各数字微型反射镜组件151之间，需要存在有该全反射棱镜组13，及该分合光模块14中具有分光与合光作用的三个棱镜141、142，所以无法缩短整体的长度尺寸；另外，因为该光束111是由横向侧引入，所以整体的宽度尺寸必须容纳该中继透镜组12及该全反射棱镜组14而无法缩短；但是本发明光学投影系统2使用了短后焦长度的投影镜头7，使得整体的长度尺寸可缩短，另外，将该光束31的入射方向也经改向设计，使得该光束31入射于该中继透镜组41的方向是平行于该投影镜头7投影输出的方向，所以整体的宽度尺寸也可缩短，如此，达到小型化设计的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即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，均仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种光学投影系统，其特征在于，包含：

光源模块，输出光束；

分光模块，包括分离所述光束成第一色光与双色光的第一分光件、分离所述双色光成第二色光与第三色光的第二分光件、反射并导引这些色光的反射件群，及三个分别供所述反射件群导引后的这些色光进行全反射的全反射棱镜组；

信号模块，包括三个分别用于反射经这些全反射棱镜组全反射后的这些色光并使其含有影像信号的双稳态空间光源调变组件；

合光模块，包括用于反射含有影像信号的所述第一色光的第一合光面，及与所述第一合光面交叉并用于反射含有影像信号的所述第三色光的第二合光面；及

投影镜头，与这些双稳态空间光源调变组件分别围绕于所述合光模块，并供含有影像信号的这些色光投影输出。

2.依据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述合光模块更包括四个直角三角形的棱镜，这些棱镜组合成一矩形并形成相互交叉的所述第一合光面与第二合光面。

3.依据权利要求2所述的光学投影系统，其特征在于，所述分光模块的这些全反射棱镜组分别介于所述合光模块与这些双稳态空间光源调变组件之间。

4.依据权利要求3所述的光学投影系统，其特征在于，所述第一色光离开所述第一分光件的方向与第二色光离开所述第二分光件的方向是呈相反方向，且所述第三色光离开所述第二分光件的方向与所述第二色光离开所述第二分光件的方向是呈相互垂直。

5.依据权利要求4所述的光学投影系统，其特征在于，所述分光模块更包括多个分别介于这些反射件与全反射棱镜组之间的聚光透镜。

6.依据权利要求5所述的光学投影系统，其特征在于，所述分光模块更包括分别介于所述光源模块与第一分色件之间的中继透镜组。

7.依据权利要求6所述的光学投影系统，其特征在于，所述光源模块光束入射于所述中继透镜组的方向是平行于所述投影镜头投影输出的方向。

8.依据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述信号模块的每一双稳态空间光源调变组件各是数字微型反射镜组件。

9.依据权利要求2所述的光学投影系统，其特征在于，所述投影镜头与其中的一个双稳态空间光源调变组件是沿第一轴向分别排列于所述合光模块的其中两侧，而另外两个双稳态空间光源调变组件则是沿第二轴向分别排列于所述合光模块的另外两侧，且所述第一、第二轴向是相互垂直。

10.依据权利要求9所述的光学投影系统，其特征在于，所述分光模块的第一、第二分光件与所述反射件群均是位于上层位置，而这些全反射棱镜组、这些双稳态空间光源调变组件、所述合光模块、与所述投影镜头均是位于下层位置。

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