CN101726972B - 均光装置及包含该均光装置的数字光学处理投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种均光装置及及包含该均光装置的数字光学处理投影系统。均光装置包含一入光面、一出光面以及界定于其间的一均光部，其中入光面与出光面分别具有第一外形轮廓及第二外形轮廓，而第二外形轮廓对于一投影平面的一第一投影，相对于第一外形轮廓对于该投影平面的一第二投影，关于均光装置的一纵长轴向形成一旋转角度。藉此，提供成像所需光线的光源可简易地设置于投影系统中，不需随着数字微镜装置而倾斜设置，亦不需额外增加中继透镜，即可透过将光线投射至均光装置后，产生均匀光束完全涵盖数字微镜装置，以进行成像。

Description

均光装置及包含该均光装置的数字光学处理投影系统

技术领域

本发明是关于一均光装置，特别是一种用于一数字光学投影系统内的均光装置。

背景技术

随着投影技术的成熟，投影机的使用也越来越广泛，消费者对于投影机有了更多元的选择，相对的，对其成像品质的要求也随之增加。一般而言，投影系统主要包含照明子系统以及成像子系统，其中业界特别着重于照明子系统中提高元件配置可靠性、减小整体体积以及增加光源效率，藉此进而加强后端成像子系统的成像亮度。

照明子系统包含有光源组件、透镜及均光装置，而于一现有数字光学处理(digital light processing，DLP)投影系统中，为了改善成像亮度的不足，大多采用多光源组件以提供更充足的光线。由于光源组件是以散射的方式传播光线，形成一分布不均匀的光源，使得照射在投影系统内的一成像元件的光线亦不均匀。因此，在设计上通常还会利用一反射罩将散射光线反射至一预设的光路，并通过均光装置将光线均匀化，继而形成一方形的亮区而投射于成像元件上，使成像元件充分均匀受光，而形成投影影像；实务上，均光装置是一积分柱(integrator)，而成像元件是一数字微镜装置(digital micromirror device，DMD)。须说明的是，所述亮区必须完全涵盖住整个数字微镜装置，方能使数字微镜装置反射出完整的投影影像。

由数字微镜装置所形成的投影影像是往投影镜头投射，而后于屏幕上形成一正立的影像以供使用者正常观看。由于某些规格要求或设计需求，使得数字微镜装置需偏转一角度设置，造成数字微镜装置相对亮区产生偏转而使数字微镜装置的某些部分超出亮区所涵盖的范围，影响投影影像。此时，上述方形的亮区必须随数字微镜装置呈同一角度偏转，方能使数字微镜装置再度被亮区完全涵盖住，而形成完整的投影影像。

详细而言，如图1所示，若均光装置1未随着数字微镜装置而偏转，则通过均光装置1所射出的一光线12无法使数字微镜装置D完全为亮区X(如图1中斜线部分)所涵盖，导致无法正常成像。为了使亮区X以最小的面积完全涵盖且均匀地照射在数字微镜装置D上，均光装置1的设置必须随着数字微镜装置D偏转一角度。于上述情况下，为了使均光装置能接受一最大的光通量，需使照明子系统整体随着偏转该一角度，而照明子系统中的多光源组件也跟着倾斜一角度。

然而，多光源组件的倾斜设置不仅造成投影系统内部结构上的设计变为复杂、庞大，同时倾斜摆放的光源组件使得散热风扇无法有效地产生一流畅的对流流场，将导致散热效能不佳。再者，由于热空气上升的原理，光源组件所产生的大量废热亦将累积于倾斜的灯泡以及反射罩的前端上缘处，经过一段时间的影响，过高的温度将缩减灯泡寿命并导致光源组件损坏。

为了达成均光装置输出的光照偏转，另一种作法是在均光装置后端使用较为复杂的中继透镜(relay lens)，藉以引导光线均匀且完整的涵盖到数字微镜装置上，因此均光装置可不必偏转设置，同时避免了多光源组件必须倾斜设置的缺失。但此作法相对地将增加投影系统的配置的复杂性，同时成本亦随之提高。

综上所述，现行数字光学处理投影系统在配合多光源组件等内部条件的限制下，光源组件必须随着积分柱的偏转而倾斜设置，造成了结构上设计的复杂、整体体积的增加以及光源组件的散热不良，并非解决之道。而为了避免光源组件的倾斜设置而增设额外的中继透镜，则会使得成本相对的增加；此外，光学路径行程过长亦将造成光学效率的降低；同时，过于复杂的结构设计与过多的光学元件，也将导致投影系统体积的增加。

因此，为避免上述因偏转一角度而造成的缺失，同时又能达到成本控制，减小投影系统的整体体积，而于投影系统中提供更有效的成像光源，此为此业界所亟需共同努力的目标。

发明内容

本发明提供一均光装置，此均光装置是应用于一种具有多个光源的数字光学处理投影系统，以接受多个光源所产生的光束，进而将光束均匀的涵盖照射在投影系统内而相对于均光装置呈现一角度偏转的数字微镜装置，且多光源系统不需倾斜设置。

为达上述目的，本发明的均光装置包含一入光面、一出光面以及界定于其间的一均光部，其中，入光面具有一第一外形轮廓，而出光面具有与第一外形轮廓相同的一第二外形轮廓。出光面的第二外形轮廓对于一投影平面的投影，相对关于入光面的一第一外形轮廓对于上述投影平面的投影，关于均光装置的一纵长轴向成一旋转角度。

透过设置上述的均光装置，数字光学处理投影系统内的多个光源所发出的光束，适可由入光面进入均光装置并于均光部内逐次反射，通过出光面形成一均匀光束而射出，光束适可完整地涵盖成像系统的数字微镜装置，以便数字微镜装置进行成像。藉此，多光源系统是可以一较简易的方式水平设置于投影系统的中，同时亦不必再透过额外的中继透镜即可将光束涵盖照射于数字微镜装置上，更可避免多光源系统因倾斜设置对投影系统所造成不良的影响。

附图说明

为让本发明的上述目的、技术特征和优点能更明显易懂，下文将配合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，其中：

图1是现有的自均光装置所投射出的均匀光束未能完全涵盖一数字微镜装置的示意图；

图2A是本发明的均光装置的一实施例的实心积分柱立体图；

图2B是根据本发明的一实施例的一照明子系统立体图；

图3是本发明实施例的均光装置的一第一外形轮廓与一第二外形轮廓分别于一投影平面的投影图；以及

图4是本发明的均光装置的一实施例的空心积分柱立体图。

具体实施方式

本发明的一实施例是一均光装置，其示意图请参考图2A所示，此均光装置2是应用于数字光学投影系统(图未示出)。详细而言，数字光学投影系统包含一照明子系统3(如图2B所示，且为了便于说明，图中仅显示部分必要的元件)以及一成像子系统(图未示出)。

请参考图2B，照明子系统3包含多个光源33a、33b、33c及33d及均光装置2，藉此提供一均匀光束至成像子系统以供成像用。于本实施例中，照明子系统3还包含一现有均光装置31，延伸连接至本发明的均光装置2。现有均光装置31包含一上部31a和一下部31b，以分别接受前段的多光源33a和33d及后段的多光源33b和33c，以得到光源的最大光通量。于本实施例中，均光装置2、现有均光装置31中的上部31a和下部31b均为个别元件；然而于其它实施例中，均光装置2、均光装置31的上部31a和下部31b还可一体成型。成像子系统具有一数字微镜装置(图未示出)以及一投影镜头(图未示出)，数字微镜装置适以接受由均光装置2所投射出的均匀光束，并转动于其上的多个微镜(图未示出)，将光束继续反射至投影镜头，其中由均光装置2所射出的均匀光束于数字微镜装置上形成一亮区，并且使该亮区得以完全涵盖数字微镜装置，以便数字微镜装置得以完整且均匀受照。投影镜头包含多个透镜(图未示出)，由数字微镜装置反射的光束藉由穿过多个透镜，投射于一屏幕上，而形成投影影像。

如图2A所示，均光装置2包含一入光面21、一出光面23以及界定于其间的一均光部25。入光面21具有一第一外形轮廓，出光面23与入光面21平行且具有一第二外形轮廓，于此实施例中，第一外形轮廓适与第二外形轮廓相同，两者具有相同的尺寸，且面积相等。然而于其它实施态样中，第一外形轮廓亦相同于第二外形轮廓，且出光面23的第二外形轮廓是入光面21的第一外形轮廓的一相同比例下的放大尺寸，使具有较大的面积，藉以配合相应的数字微镜装置的尺寸，虽然附图未逐一标明，但均属可行的替代方案。

请同时参考图3，其为均光装置2于一投影平面P的投影图，其中，投影平面P是与入光面21及出光面23平行。相对应于出光面23暨其第二外形轮廓可于投影平面P上正向投影而产生一呈矩形的第一投影23’；相同地，相对应于入光面21暨其第一外形轮廓亦可于投影平面P上正向投影而产生一呈矩形的第二投影21’。而第一投影23’与第二投影21’是以均光装置2的一纵长轴向22(纵长轴向22与投影平面P的交点于图3中是以一交叉点22’示出)为中心，相对地形成一旋转角度θ。详细而言，亦即于图3中，纵长轴向22所代表的交叉点22’与各投影21’、23’的左上角的二顶点e、e’(分别相对应于图2A中的顶点a、a’)各自连线后，会形成夹角θ；于本实施例中，此旋转角度θ为7.25°。配合实际应用时，旋转角度θ不大于90°。

于此实施例中，由于数字光学处理投影系统中的主要成像元件是一具有矩形外形的数字微镜装置。因此，本实施例的均光装置2，其入光面21的第一外形轮廓与出光面23的第二外形轮廓皆为一矩形，以便于与现有的数字微镜装置搭配应用。

又如图2A所示，界定于入光面21与出光面23之间的均光部25是由多个连续外表面2a所构成。于本实施例中，多个连续外表面2a是相邻的三角形表面。详细而言，均光装置2的均光部25是相邻的八个三角形表面，有别于如图1所示的传统均光装置1的均光部的外表面(其是由四个相邻的矩形所组成，而各相邻矩形互为垂直)。

更详细而言，如图2A所示，均光装置2的入光面21具有四个顶点，分别为a、b、c及d；相同地，出光面23亦具有四个顶点，对应于入光面21的四个顶点分别为a’、b’、c’及d’，其中顶点d’由于视角关系，图中并未示出。均光部25的外形是各相对应的顶点(即a对应a’、b对应b’、c对应c’以及d对应d’)以直线连接的关系而界定于入光面21及出光面23之间。本实施例中均光部25由相邻的八个三角形表面构成，然而于其它实施例中，均光部还可基于上述的构成关系，由多个任意多边形平面甚或曲面相邻构成，只要如图3所示，维持入光面21与出光面23的各外形轮廓于投影平面P的各投影21’、23’，关于代表纵长轴向22的交叉点22’间的相对关系即可，并不以本实施例为限。

本实施例的均光装置2是如图2A所示的一实心积分柱(integration rod)，其外表面2a镀有一反射膜；而于其它实施例中，均光装置2’亦可为图4所示的一空心积分柱。空心积分柱具有一壳体27及形成于壳体中的一光通道(light tunnel)29，而光通道29所形成的容置空间具有相似于图2A的实心积分柱的外形，而空心积分柱的光通道29所形成的容置空间，其详细的结构线条，图中并未示出。空心积分柱的外壳27的一内表面2b镀有一反射膜。藉此，无论为实心积分柱的均光装置2或空心积分柱的均光装置2’，均可利用上述镀于各表面2a、2b的反射膜，将光线逐次反射，而达到将入射至均光装置的各光线均匀射出的效果。

另一方面，为了配合于数字光学投影系统中不同类别的光源选用，均光装置的材质可针对不同强度的光源，而选自石英、玻璃及塑料所组成的群组，举例而言，石英是用于高功率光源，例如氙气灯或某些水银灯，而较低功率的水银灯则可使用BK7材质。而其它光源(如发光二极管)则可使用塑料制成的均光装置。需说明的是，反射膜可视实际需求而设置，而均光装置所采用的材料并不以上述为限。

借助上述的结构与特征，本发明的均光装置设置于数字光学投影系统中，当多个光源所提供的光线入射至入光面21，其适可由入光面21入光并进入均光装置2中，各光线于均光部25内逐次反射均匀化后，形成一均匀光束，再通过出光面23投射出。因为这些外形轮廓呈矩形，而分别于投影平面P上的投影亦呈矩形，藉此，光线因第二外形轮廓而自出光面23射出后所形成矩形的亮区，得以与呈矩形的数字微镜装置搭配，该亮区得以完全涵盖数字微镜装置，以供形成完整的投影影像。

综上所述，借助本发明的均光装置结构特征，适可将由入光面射入的光束，经过均光部均匀化后，由出光面射出而完全涵盖照射于数字微镜装置上。藉此，包含本发明均光装置的数字光学处理投影系统中，照明子系统不需如现有技术那样随数字微镜装置而偏转设置，而多光源亦可以一较简易的水平方式配置，可避免复杂的机械结构造成系统体积的增加，亦可避免倾斜的照明子系统导致散热效能降低；另一方面，本发明均光装置亦可改善于现有技术中，须由额外的中继透镜方能使光束完全涵盖数字微镜装置的缺失，藉此缩短光学路径、增进光学效率，同时节省成本。

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应如后述的本申请权利要求范围所列。

Claims (11)

1.一种均光装置，用于一数字光学处理投影系统中，包含：

一入光面，具有一第一外形轮廓；

一出光面，与该入光面平行，其具有一第二外形轮廓，该第二外形轮廓的形状与该第一外形轮廓的形状相同；以及

一均光部，界定于该入光面及该出光面之间；

其中，该第二外形轮廓对于一投影平面的一第一投影，相对于该第一外形轮廓对于该投影平面的一第二投影，关于该均光装置的一纵长轴向，形成一旋转角度。

2.根据权利要求1所述的均光装置，其特征在于该旋转角度系不大于90°。

3.根据权利要求1所述的均光装置，其特征在于该入光面的该第一外形轮廓的形状与该出光面的该第二外形轮廓的形状均为一矩形，且具有实质相同的尺寸。

4.根据权利要求1所述的均光装置，其特征在于该入光面的该第一外形轮廓的形状与该出光面的该第二外形轮廓的形状均为一矩形，且该第二外形轮廓的尺寸是该第一外形轮廓的尺寸等比例放大。

5.根据权利要求1所述的均光装置，其特征在于该均光部是由多个连续外表面所组合而成。

6.根据权利要求5所述的均光装置，其特征在于各该外表面是一三角形表面。

7.根据权利要求1所述的均光装置，其特征在于该均光装置是一空心积分柱，该空心积分柱具有一壳体及形成于该壳体中的一光通道。

8.根据权利要求1所述的均光装置，其特征在于该均光装置是一实心积分柱，且该实心积分柱的一外表面镀有一反射膜。

9.根据权利要求7所述的均光装置，其特征在于该空心积分柱的壳体的一内表面镀有一反射膜。

10.根据权利要求1所述的均光装置，其特征在于该均光装置的材质是选自石英、玻璃及塑料所组成的群组。

11.一种数字光学处理投影系统，包含：

一照明子系统，提供一均匀的光束，该照明子系统具有：

多光源；及

根据权利要求1所述的均光装置；

其中该多光源的光线的至少一部份，是自该均光装置的入光面进入该均光装置，并通过该均光部的均匀化后，由该出光面投射出该均匀的光束；

一成像子系统，具有：

一数字微镜装置；及

一投影镜头；

其中该均匀的光束是得以完全涵盖该数字微镜装置。

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