CN101598890B - 投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影系统，其包含一第一光源模块、一第二光源模块、一棱镜模块、一透镜装置以及一数字微镜装置。上述二光源模块依特定时序分别提供第一光线及第二光线；棱镜模块中定义有一第一反射机制及一第二反射机制；数字微镜装置具有多个微镜。第一光线进入棱镜模块并经第一反射机制反射后，射出至微镜上，当微镜处于第一角度时，适可将第一光线反射至透镜装置以进行成像。第二光线进入棱镜模块并经第二反射机制反射后，射出至微镜上，当微镜处于第二角度时，适可将第二光线反射至透镜装置以进行成像。因此配合特定时序及微镜角度，便能在两个光源模块间进行切换。

Description

投影系统

技术领域

本发明关于一投影系统；特别是利用一数字微镜装置(Digital MicromirrorDevice)进行两光源模块间切换的投影系统。

背景技术

随着科技快速发展，信息显示科技日新月异，投影机的应用也越来越普及。除了在办公室、会议使用比例的增加外，投影机更逐渐成为家庭中不可或缺的娱乐家电。在应用各种显示技术的投影机中，采用美国德州仪器公司提供的核心技术与元件所构成的数字光学处理(Digital Light Processing，DLP)投影机，因同时具备了对比高、体积小且重量轻等优点，而逐渐成为市场主流。其中，为了提高投影机的可靠度、延长光源寿命以及增加显示亮度，业界更提出了一种可时序性切换交替使用的双光源模块，俾增进数字光学处理投影机的显示品质。

如图1所示，其为一种传统的投影装置1，投影装置1包含一光源系统11及一成像系统13。光源系统11用以提供成像所需的光线，其包含一镜轮111、一第一光源模块113、一第二光源模块115以及一控制器(图未示出)。镜轮111具有交错排列的多个反射区域及多个穿透区域，用以配合第一光源模块113与第二光源模块115的切换使用。各光源模块113、115均具有一绿色、一红色及一蓝色发光二极管。

控制器分别控制第一光源模块113及第二光源模块115根据一第一主时序及一第二主时序而发射出光束，以形成投射至镜轮111的反射区域的一第一光线及投射至镜轮111的穿透区域的一第二光线。而所形成的第一光线与第二光线分别经由镜轮111的反射区域与穿透区域进入成像系统13以进行成像。

于此传统的投影装置1中，由于镜轮111需以马达驱动，导致整体装置的体积增加且产生噪音。再加上镜轮111为机械式的转动结构，切换速度较慢，于时序性切换时、抑或在反射区域与穿透区域交界处均造成光线散失，同时降低了光线的瞬时光通量。

如图2所示，其为另一传统的双光源投影装置2，其包含一光源系统21以及一成像系统23。光源系统21用以提供成像所需的光线，其包含一第一光源(图未示出)、一第二光源(图未示出)、一色轮211、一光源驱动器213、一数字微镜装置驱动器215以及一第一数字微镜装置(Digital Micromirror Device，DMD)217。其中数字微镜装置驱动器215用以输出一第一控制信号210a以及一第二控制信号210b，分别控制第一数字微镜装置217上的多个微镜旋转至一第一角度212a或一第二角度212b。

第一光源根据第一时序而形成一第一光线214a，并投射至第一数字微镜装置217，经过第一数字微镜装置217上旋转至第一角度212a的微镜装置(图未示出)反射后，第一光线214a通过色轮211并继续投射至成像系统23。而第二光源则根据第二时序而形成一第二光线214b，投射至第一数字微镜装置217，经过第一数字微镜装置217上旋转至第二角度212b的微镜装置反射后，第二光线214b通过色轮211并继续投射至成像系统23。成像系统23所包含的一第二数字微镜装置231则根据第一光线214a及第二光线214b，分别调整其微镜装置(图未示出)，进而将成像投射至一屏幕233。

于此先前技术中，投影装置2系以信号控制第一数字微镜装置217进行双光源间的切换，与投影装置1相较下，可提供较快的切换速度以及较小的系统体积。然而，与其它投影装置多出的第一数字微镜装置217相较下，同时也增加了光损耗，使成像亮度降低；而多出昂贵的数字微镜装置更大幅增加了装置成本。

由上述可知，现有的投影装置或以机械式进行切换而导致效率不佳，或以昂贵的数字微镜装置进行切换而折损亮度并增加成本。是故，在具有一定的使用可靠度、延长光源寿命以及增加成像亮度等基础上，使具有双光源的投影装置能够在双光源间快速切换，且能兼顾体积、成本、亮度及成像品质，便为此业界所亟需共同努力的目标。

发明内容

本发明的一目的在于提供一投影系统，此投影系统系基于双光源模块的架构下，以既有的数字微镜装置经由电子信号控制光源模块间的切换，不仅能延长光源寿命进而提高系统的可靠度，更能提升切换速度、减少光线损耗、降低成本及整体体积。

为达上述目的，本发明的投影系统包含一第一光源模块、一第二光源模块、一棱镜模块、一数字微镜装置以及一透镜装置。第一光源模块及第二光源模块依照一预设的时序，分别提供第一光线及第二光线，并投射进入棱镜模块。棱镜模块包含三个棱镜以及两个间隙，藉以定义一第一反射机制与一第二反射机制。棱镜模块接收第一光源模块及第二光源模块所提供的第一光线及第二光线后，分别利用第一反射机制与第二反射机制，将光线反射至数字微镜装置。数字微镜装置中的多个微镜可旋转至一第一角度或一第二角度。当多个微镜位于第一角度时，适可将第一光线成像并投射至一屏幕；当多个微镜位于第二角度时，适可将第二光线成像并投射至屏幕。通过电子信号控制既有的数字微镜装置中的微镜角度，便能选择配合时序发光的光源模块，达到光源切换的功效。

在参阅附图及随后描述的实施方式后，本发明所属技术领域中具有通常知识者便可了解本发明的目的，以及本发明的技术手段及实施态样。

附图说明

图1为一传统投影装置示意图；

图2为另一传统投影装置示意图；

图3A为本发明第一实施例中投影系统的第一光线的光路示意图；

图3B为本发明第一实施例中投影系统的第二光线的光路示意图；

图4为本发明第一实施例投影系统的棱镜模块中各棱镜内角示意图；

图5为本发明第一实施例的元件电性连接图；

图6A为本发明第二实施例投影系统中光源模块叠置的示意图；以及

图6B为本发明第二实施例投影系统中散热模块邻设于光源模块的示意图。

具体实施方式

本发明的第一实施例为一投影系统3，其光路示意图如图3A及图3B所示，电路控制图则如图5所示。于此实施例中，投影系统3为一数字光学处理投影机(Digital Light Processing projector，DLP projector)。投影系统3包含一双光源模块，分别为一第一光源模块31及一第二光源模块33，该投影系统3还包含一棱镜模块35、一数字微镜装置(Digital Micromirror Device，DMD)37、一透镜装置39、一时序控制器50、一第一光源驱动器51、一第二光源驱动器52、一第一开关53以及一第二开关54。需说明的是，为便于说明及简化图式，投影系统3的部分光学元件并未描述及绘出；前述各元件(例如第一光源模块31、第二光源模块33及棱镜模块35间)的尺寸及间距亦仅为示意，并非确切比例；而各元件的相对位置亦不限于本文所述，熟悉此项领域技术者可轻易推及至其它实施态样。

经由电路控制，第一光源模块31以及第二光源模块33适可分别提供一第一光线312以及一第二光线332。详细而言，请参考图5，第一光源驱动器51通过第一开关53与第一光源模块31及第二光源模块33电性连接，第二光源驱动器52则通过第二开关54与第一光源模块31及第二光源模块33电性连接。而时序控制器50则与第一开关53及第二开关54电性连接。

时序控制器50输出预设的一第一时序信号及一第二时序信号，其分别代表一第一时序以及一第二时序，而第一时序信号及第二时序信号均传送至第一开关53、第二开关54及数字微镜装置37，以控制该等光源模块31、33依据该等时序信号交替式地提供成像所需的光线。

更详细而言，时序控制器50发出第一时序信号(相当于输出一脉冲电压)至第一开关53及第二开关54，使第一光源驱动器51及第二光源驱动器52所提供的电流通过，驱动第一光源模块31，使其发出第一光线312，同时第二光源模块33不提供光线；另一方面，时序控制器50同时亦以第一时序信号控制数字微镜装置37。

时序控制器50发出第二时序信号(相当于输出另一脉冲电压)至第一开关53及第二开关54，使第一光源驱动器51及第二光源驱动器52所提供的电流通过，驱动第二光源模块33，使其发出第二光线332，同时第一光源模块31不提供光线；另一方面，时序控制器50同时亦以第二时序信号控制数字微镜装置37。

需说明的是，上述的时序控制器50的配置方式与数量，并不以此为限，举例而言，时序控制器50亦可分别装置于该等光源模块31、33中，并用以分别提供该等光源模块31、33时序性的控制信号。

棱镜模块35包含一第一棱镜351、一第二棱镜353以及一第三棱镜355，并具有一第一入光面352、一第一出光面354、一第二入光面356及一第二出光面358；于此实施例中，棱镜模块35为一全反射棱镜(Total Internal Reflection prism，TIRprism)。第一棱镜351具有一第一侧边351a、一第二侧边351b及一底边351c，第二棱镜353具有一斜边353a、一侧边353b及一底边353c，第三棱镜355具有一斜边355a及一底边355b。

第一棱镜351的第一侧边351a与第三棱镜355的一底边355b相互对应且接近，其间并定义有一第一间隙(air gap)32，通过此第一间隙32及两侧的第一棱镜351与第三棱镜355便构成了一第一反射机制；第一棱镜351的第二侧边351b与第二棱镜353的一斜边353a相互对应且接近，其间并定义有一第二间隙34，通过此第二间隙34及两侧的第一棱镜351与第二棱镜353便构成了一第二反射机制。

同时，第一棱镜351的底边351c定义为棱镜模块35的第一入光面352，第二棱镜353的侧边353b以及底边353c则分别定义棱镜模块35的一第二入光面356以及一第一出光面354，第三棱镜355的斜边355a则是定义为棱镜模块35的第二出光面358。

于此实施例中，各棱镜均具有一相同折射率n，配合参阅图4，其中第一棱镜351为一等腰三角形，具有一第一内角2Φ，此第一内角2Φ为等腰三角形的顶角；第二棱镜353与第三棱镜355均为一直角三角形，且均具有一第二内角Φ。于其它较佳实施态样中，第一棱镜351可为一正三角形。

再回到图3A及图3B，数字微镜装置37邻设于第一出光面354，且具有数个微镜371(未完全绘出)，此等微镜371适面对第一出光面354。如前所述，数字微镜装置37与时序控制器50电性连接，当时序控制器50输出第一时序信号时，更输出影像相关信息(例如一第一影像信号)至数字微镜装置37，以同时控制微镜371旋转至第一角度372；而当时序控制器50输出第二时序信号时，更输出影像相关信息(例如一第二影像信号)至数字微镜装置37，以同时控制微镜371旋转至第二角度374，其中第二角度374与第一角度372之值实质相等且呈镜像相反。

于此，将该等微镜371所旋转的第一角度372及第二角度374的绝对值设为δ，依其间所具有的对应关系，定义为下式：Φ＝sin^-1(1/n)-sin^-1(sin δ/n)。根据此式，熟知此项技术领域者便能在棱镜角度Φ、棱镜折射率n以及微镜旋转角度绝对值δ三个变量中进行调整，相互配合设计出不同实施态样。举例而言，此实施例的第一角度372及第二角度374的绝对值(亦即δ)均采用12°。

透镜装置39邻设于第二出光面358，用以集中来自第一光源模块31及第二光源模块33的第一光线312及第二光线332并投射出影像。下文将详述各元件的运作过程及相关光线路径。

请先参考图3A，第一光源模块31接受到第一时序信号时，便依第一时序产生第一光线312。第一光线312经由第一入光面352进入棱镜模块35，透过第一反射机制反射后，第一光线312将自第一出光面354射出，继而投射至数字微镜装置37的该等微镜371上。同时，时序控制器50更控制该等微镜371依据影像相关信息旋转至第一角度372，用以将第一光线312成像并且反射，通过第一出光面354返回棱镜模块35，而后第一光线312将经由第二出光面358射出，进入透镜装置39加以聚集，并投影至一屏幕(图未示出)上形成影像画面。

请再参考图3B，第二光源模块33接受到第二时序信号时，便依第二时序产生第二光线332。第二光线332经由第二入光面356进入棱镜模块35，透过第二反射机制反射后，第二光线332将自第一出光面354射出，继而投射至数字微镜装置37的该等微镜371上。同时，时序控制器50更控制该等微镜371依据影像相关信息旋转至第二角度374，用以将第二光线332成像并且反射，通过第一出光面354返回棱镜模块35，而后第二光线332如同第一光线312而经由第二出光面358射出，进入透镜装置39加以聚集，并投影至一屏幕上形成影像画面。需说明的是，由于第二光源模块33是相对第一光源模块31设置于棱镜模块35的另一侧，是故两光源模块31、33对数字微镜装置37的入射光方向成镜像相反。因此，对于同一影像，用以配合第二光线332而形成该影像的第二影像信号，需与用以配合第一光线312而形成该影像的第一影像信号呈相反表示。详言之，若第一影像信号表示为正向(high)信号，则第二影像信号则表示为反向(low)信号，反之亦然。

于第一实施例中，第一光源模块31及第二光源模块33均为一高压汞灯，于其它实施态样中亦可利用发光二极管模块作为双光源模块31、33的发光来源，同时配合时序交替地使用，谨举例说明如下。

本发明的第二实施例如图6A所示，于此实施例中，投影系统3’的双光源模块为第一发光二极管模块31’及第二发光二极管模块33’。每一发光二极管模块31’、33’分别包含一红色发光二极管31a及33a、一绿色发光二极管31b、33b以及一蓝色发光二极管31c及33c，并利用合光板311、313(例如十字分光镜片组(X plate))汇聚各个颜色的发光二极管所产生的色光，而后发光二极管模块31’、33’所产生的光线，便被引导至棱镜模块35。

详细而言，第一发光二极管模块31’接收到第一时序信号后，依第一时序产生第一光线312，根据实际上的光路需求，经由一第一集光柱41a及至少一反射镜43a、43b反射后再透过第一入光面352进入棱镜模块35。另一方面，第二发光二极管模块33’接收到第二时序信号后，依第二时序产生第二光线332，并根据实际上的光路需求，经由一第二集光柱41b及至少一反射镜43c、43d反射后，透过第二入光面356进入棱镜模块35。进入棱镜模块35之后，第一光线312与第二光线332的光路便与第一实施例相同，故于此不另赘述。

以本实施例而言，如图6A所示，第一发光二极管模块31’及第二发光二极管模块33’以堆栈方式设置。于此实施例中，投影系统3’中更设置有散热模块，用以针对各发光二极管模块31’、33’散热，而该等散热模块亦可以堆栈方式设置。

如图6B所示，散热模块包含一第一散热模块36及一第二散热模块(图未示出)。第一散热模块36与第一发光二极管模块31’对应设置。相似地，一第二散热模块(图未示出)与第二发光二极管模块33’对应设置。其中，第一散热模块36及第二散热模块(图未示出)均由多个风扇36a、多个散热片36b及多个空气流道36c组成。更详细而言，第一散热模块36与第二散热模块(图未示出)分别环绕于发光二极管模块31’、33’周围，并以多个散热片36b邻接各个发光二极管。通过多个风扇36a的抽风及排风作用，使冷却气流行经多个散热片36b及多个空气流道36c，达成散热的功效。

藉此，各发光二极管模块31’、33’及该等散热模块以堆栈方式集中设置于投影系统3’中，可有效简化结构设计的复杂性，使投影系统3’的整体体积有效减小。较佳地，该等散热模块更可一体成型，以便更进一步精简设计结构，并同时增加散热功效。需说明的是，本实施例的散热模块仅用以说明，熟知此领域技术者当可轻易推及其它设置态样。上述的实施例较佳地应用于以发光二极管作为发光光源的投影装置，以增加投影影像的亮度。须注意的是，上述仅用于说明，并非用以限制本发明。

于本发明的投影系统中，其双光源模块的使用改善了过去单光源损坏导致投影系统无法使用的状况，提升了投影系统的亮度及可靠性。而于使用双光源的投影系统中，本发明与现有机械式或以额外的数字微镜装置进行光源切换的方式相较下，更具有切换迅速、体积小、成本低廉且不易有光线漏失等优点，符合业界及使用者所需。

上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，以及阐释本发明的技术特征，而非用于限制本发明的保护范畴。任何熟悉本技术者的人士均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况下，可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围。因此，本发明的权利保护范围以权利要求为准。

Claims (18)

1.一种投影系统，包含：

一棱镜模块，具有一第一入光面、一第二入光面、一第一出光面及一第二出光面，并定义一第一反射机制及一第二反射机制；

一第一光源模块，提供一第一光线；

一第二光源模块，提供一第二光线；

一数字微镜装置，邻设于该第一出光面，且具有多个微镜，面对该第一出光面，该等微镜适可自一第一角度旋转至一第二角度；以及

一投射影像的透镜装置，邻设于该第二出光面；

其中：

该第一光线适可自该第一入光面进入该棱镜模块，经由该第一反射机制反射后，自该第一出光面射出至该数字微镜装置的该等微镜上，当该等微镜处于该第一角度时，该第一光线适可由该等数字微镜反射回该棱镜模块内，而后由该第二出光面射出，进入该透镜装置；

该第二光线适可自该第二入光面进入该棱镜模块，经由该第二反射机制反射后，自该第一出光面射出至该数字微镜装置的该等微镜上，当该等微镜处于该第二角度时，该第二光线适可由该等数字微镜反射回该棱镜模块内，而后由该第二出光面射出，进入该透镜装置。

2.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，该棱镜模块为一内部全反射棱镜模块。

3.如权利要求2所述的投影系统，其特征在于，该棱镜模块包含：

一第一棱镜，为一等腰三角形，具有一底边以界定该第一入光面；

一第二棱镜，为一直角三角形，具有一侧边以界定该第二入光面，及一底边以界定该第一出光面；以及

一第三棱镜，为一直角三角形，具有一斜边以界定该第二出光面。

4.如权利要求3所述的投影系统，其特征在于：

该第一棱镜另包含一第一侧边及一第二侧边，第三棱镜另包含一底边，其中该第一侧边与该第三棱镜的该底边互相对应且接近，以构成该第一反射机制；及

该第二棱镜另包含一斜边，该第二棱镜的该斜边与该第二侧边互相对应且接近，以构成该第二反射机制。

5.如权利要求3所述的投影系统，其特征在于，该第一棱镜与该第三棱镜之间定义有一第一间隙，该第一棱镜与该第二棱镜之间定义有一第二间隙。

6.如权利要求3所述的投影系统，其特征在于，该等微镜所旋转的该第一角度及该第二角度的绝对值均为δ，各该棱镜均具有一折射率n，该第一棱镜具有一第一内角2Φ，该第二棱镜与该第三棱镜均具有一第二内角Φ，且其间具有一对应关系Φ＝sin^-1(1/n)-sin^-1(sinδ/n)。

7.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，该第二角度与该第一角度的值实质相等且呈镜像相反。

8.如权利要求7所述的投影系统，其特征在于，该第一角度及该第二角度的绝对值均为12°。

9.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，该第一光源模块与该第二光源模块为一高压汞灯。

10.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，各该光源模块具有一红色发光二极管、一蓝色发光二极管与一绿色发光二极管。

11.如权利要求10所述的投影系统，其特征在于，该第一光源模块与该第二光源模块系堆栈设置，而该第一光线及该第二光线分别经至少一反射镜反射后，进入该第一入光面及该第二入光面。

12.如权利要求11所述的投影系统，其特征在于，更包含一第一散热模块与一第二散热模块，分别与该第一光源模块及该第二光源模块对应设置，其中该第一散热模块与该第二散热模块是堆栈设置。

13.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，该第一光源模块与该第二光源模块依一时序交替提供该第一光线及该第二光线。

14.如权利要求13所述的投影系统，其特征在于，更包含一第一光源驱动器及一第二光源驱动器。

15.如权利要求14所述的投影系统，其特征在于，该第一光源驱动器通过一第一开关与该第一光源模块及该第二光源模块电性连接。

16.如权利要求15所述的投影系统，其特征在于，该第二光源驱动器通过一第二开关与该第一光源模块及该第二光源模块电性连接。

17.如权利要求16所述的投影系统，其特征在于，更包含一时序控制器与该第一开关及该第二开关电性连接。

18.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，该投影系统为一数字光学处理投影系统。

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