CN103365046B

CN103365046B - 投影装置及其集光柱

Info

Publication number: CN103365046B
Application number: CN201210081866.0A
Authority: CN
Inventors: 郑权得; 缪征达
Original assignee: Coretronic Corp
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: US9696615B2; US20130250249A1; CN103365046A

Abstract

一种投影装置及其集光柱，该集光柱具有相对的入光端与出光端。入光端与出光端分别呈矩形，入光端具有两个第一长边与两个第一短边，出光端具有两个第二长边与两个第二短边，其中第一长边平行于第二短边，第一短边平行于第二长边。本发明另提出一种投影装置，其包括光源、光阀、投影镜头及上述集光柱。光源适于提供照明光束，照明光束经由入光端进入集光柱并由出光端离开集光柱。光阀适于将投射于其上的照明光束转换成影像光束，而投影镜头配置于影像光束的传播路径上。本发明的集光柱能提升投影装置的光利用效率。

Description

投影装置及其集光柱

技术领域

本发明涉及一种显示装置，且特别涉及一种投影装置及其集光柱。

背景技术

随着科技的进步，投影装置不仅性能获得提升，且整体体积也大幅缩减，加上售价不若以往昂贵，因此投影装置已愈来愈普及，而有关于投影装置的专利也愈来愈多。例如，美国专利公告号6371617、7090357、台湾专利公告号I300834等专利都揭露了投影装置的架构。

图1是已知一种投影装置的示意图，而图2是图1中的一种已知集光柱120(light integration rod)的立体示意图。请参照图1与图2，已知投影装置100包括光源110、集光柱120、全内反射棱镜(total internal reflection prism，TIRprism)130、数字微镜元件(digital micro-mirror device，DMD)140以及投影镜头150。光源110用以提供照明光束(illumination beam)112，集光柱120用以收集照明光束112并将照明光束112输出至全内反射棱镜130。集光柱120的入光面121与出光面122分别呈矩形，其中出光面122的面积大于入光面121的面积，且入光面121的长边123平行于出光面122的长边124，入光面121的短边125平行于出光面122的短边126。

全内反射棱镜130具有全反射面132，而照明光束112会由全反射面132反射至数字微镜元件140。数字微镜元件140会将照明光束112转换成影像光束113，且因影像光束113入射全反射面132的角度小于临界角(critical angle)，所以影像光束113会通过全反射面132而传播至投影镜头150。投影镜头150则用以将影像光束113投影至屏幕(图未示)上，以于屏幕上形成影像。

数字微镜元件140具有主动区142以及覆盖主动区142的保护片144，其中主动区142包括多个微镜(图未示)。每一微镜可在正负12度角之间转动，其中转动至正12度角的微镜处于开状态(on-state)，其可将光线反射至投影镜头150内。转动至负12度角的微镜处于关状态(off-state)，被处于关状态的微镜所反射的光线将不会进入投影镜头150。换言之，被处于开状态的微镜反射至投影镜头150内的光线即为上述的影像光束113。此外，除了主动区142的微镜会反射光线之外，有少部分的光线会被保护片144反射。

图3是图1的投影镜头的光圈处的光斑(light spot)模拟示意图。请参照图1与图3，影像光束113的光斑形状会类似于圆形，但由于影像光束113入射全内反射棱镜130的全反射面132时，部分光线的入射角过大而无法通过全反射面132，导致光损失。因此，在投影镜头的光圈处的光斑S1右侧会有全内反射棱镜130所造成的光损失区域。

此外，影像光束113被保护片144反射而造成的光斑(以虚线S2示意)与光斑S1有部分重叠，而光斑S2的与光斑S1重叠的部分会进入投影镜头150内形成杂散光。为了消除杂散光，需另以遮罩(mask)来遮挡光斑S2与光斑S1重叠的区域，如图4所示，其为投影镜头150内设置遮罩后光圈处的光斑模拟示意图。由图4可知，虽然遮罩能消除杂散光，但其会导致光斑S1的左侧也有光损失区域。因此，已知投影装置100的光利用效率较差。

发明内容

本发明提供一种投影装置，以提升光利用效率。

本发明另提供一种集光柱，以提升投影装置的光利用效率。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种投影装置，包括光源、集光柱、光阀(light valve)以及投影镜头。光源用以提供照明光束，集光柱具有相对的入光端与出光端，照明光束经由入光端进入集光柱并由出光端离开集光柱。入光端与出光端分别形成矩形，入光端具有一第一长边与一第一短边，出光端具有一第二长边与一第二短边，其中第一长边平行于第二短边，第一短边平行于第二长边。光阀用以将投射于其上的照明光束转换成影像光束，而投影镜头配置于影像光束的传播路径上。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明另一实施例提出一种集光柱，其具有相对的入光端与出光端。入光端与出光端分别形成矩形，入光端具有两个第一长边与两个第一短边，出光端具有两个第二长边与两个第二短边。第一长边平行于第二短边，第一短边平行于这些第二长边。

在本发明的集光柱中，由于入光端的第一长边平行于出光端的第二短边，入光端的第一短边平行于出光端的第二长边，所以能改变影像光束在投影镜头内的光斑形状，以减少光损失进而提升本发明的投影装置的光利用效率。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

图1是一种已知的投影装置的示意图。

图2是图1中集光柱的立体示意图。

图3是图1的投影镜头的光圈处的光斑的模拟示意图。

图4是图1的投影镜头内设置遮罩后光圈处的光斑的模拟示意图。

图5是本发明一实施例的投影装置的示意图。

图6是图5中集光柱与光源的立体示意图。

图7是图5的投影镜头的光圈处的光斑的模拟示意图。

图8是图5的投影镜头内设置遮罩后光圈处的光斑的模拟示意图。

图9是本发明一实施例中照明光束于集光柱的入光端的光斑的示意图。

图10是本发明一实施例中照明光束于光阀的主动区的光斑的示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图5是本发明一实施例的投影装置的示意图。请参照图5，本实施例的投影装置200包括光源210、集光柱220、光阀230以及投影镜头240。光源210具有发光区211，用以提供照明光束212。集光柱220具有相对的入光端221与出光端222，照明光束212经由入光端221进入集光柱220中，于集光柱220中产生反射，并由出光端222离开集光柱220。光阀230用于将照射于其上的照明光束212转换成影像光束213，而投影镜头240配置于影像光束213的传播路径上。投影镜头240用以将影像光束213投影至屏幕上，以于屏幕上形成影像。

投影装置200还包括至少一聚光元件250，配置于光源210与集光柱220的入光端221之间，且位于照明光束212的传播路径上。聚光元件250可为准直元件(collimating element)或其他种类的光学元件(如聚光透镜)，其用以将照明光束汇聚至集光柱220的入光端221。此外，投影装置200还可包括至少一透镜260，配置于集光柱220的出光端222与光阀230之间，且位于照明光束212的传播路径上。透镜260用以将照明光束212汇聚至光阀230。另外，投影装置200还包括全内反射棱镜270，配置于透镜260与光阀230之间，且位于照明光束212的传播路径上。此全内反射棱镜270具有全反射面272，以将照明光束212反射至光阀230，并使影像光束213通过。更详细地说，因影像光束213入射全反射面272的角度小于临界角，所以影像光束213会通过全反射面272而传播至投影镜头240。

图5中所绘示的聚光元件250及透镜260的数量仅作为举例之用，并非用以限制本发明。此外，在另一实施例中，可省略全内反射棱镜270，但是光阀230、投影镜头240及其他元件的摆设位置及角度需作适当的调整。

上述的光源210例如包括呈阵列排列的多个点光源(图未示)，这些点光源可为发光二极管或其他半导体发光元件，而光源210的发光区211包括这些点光源。虽然本实施例是以一个光源210为例，但在其他实施例中，光源的数量可为多个，并搭配合光元件(图未示)将这些光源所提供的照明光束合并，以提供至集光柱220。此外，光阀230例如是反射式光阀，如数字微镜元件或单晶硅液晶面板(liquid crystal on silicon panel，LCOS panel)等。光阀230具有主动区231，其用以将照明光束212转换成影像光束213。在光阀230为数字微镜元件的实施例中，主动区231包括多个微镜(图未示)，其中处于开状态的微镜可将光线反射至投影镜头240内，而被处于开状态的微镜反射的光线即形成影像光束213。此外，光阀230可更具有保护片232，遮盖主动区231。虽然本实施例是以反射式光阀为例，但在其它实施例中，光阀也可以是穿透式光阀，但投影镜头240与穿透式光阀之间的相对位置需适当调整。

图6是图5中集光柱与光源的立体示意图。请参照图5与图6，本实施例的集光柱220是以实心柱为例，但在另一实施例中，集光柱也可为由多个板片结合而成的空心柱。此外，集光柱220的入光端221与出光端222分别呈矩形，入光端221具有两个第一长边223与两个第一短边225，出光端222具有两个第二长边224与两个第二短边226，其中第一长边223平行于第二短边226，第一短边225平行于第二长边224。根据入光端221的集光率(etendue)等于出光端222的集光率的原理，照明光束212从出光端222出光时，因X轴方向的长度变大，所以光线的角度会变小，且因Z轴方向的长度变小，所以光线的角度会变大，也就是说，照明光束212在X轴(第二长边)方向上的出光角度小于在Z轴(第二短边)方向上的出光角度，如此将改变光斑的形状。因此，影像光束213在投影镜头240内的光斑形状也会对应改变。

图7是图5的投影镜头的光圈处的光斑的模拟示意图。请参照图5与图7，在投影镜头内的光圈处的光斑S3例如是近似于椭圆形。在一实施例中，光斑S3的长轴L1的F数(F number)例如约为F/1.5，光斑S3的短轴L2的F数例如约为F/2.4。相较于已知技术呈圆形的光斑，本实施例的光斑S3形状变得略为狭长，因此可减少影像光束213通过全内反射元件270的全反射面272所造成的光损失，并减少光斑S3与被保护片232反射而造成的光斑的重叠面积，甚至使光斑S3与被保护片232反射而造成的光斑几乎不重叠。如图8所示，其为投影镜头240内设置遮罩后光圈处的光斑模拟示意图。比较图7与图8可发现，遮罩对光斑S3的面积影响不大，所以确实能减少光损失。因此，本实施例的投影装置200具有较佳的光利用效率。

图9是本发明一实施例中照明光束于集光柱的入光端的光斑的示意图。请参照图6与图9，本实施例的光源210的发光区211呈矩形，并具有两个第三长边214与两个第三短边215。第三长边214例如是对应入光端221的第一长边223，而第三短边215例如是对应入光端221的第一短边225，以使照明光束于入光端221的光斑S4形状与入光端221的形状匹配。如此，大部分的照明光束能进入集光柱220内，所以能提升光利用效率。

图10是本发明一实施例中照明光束于光阀的主动区的光斑的示意图。请参照图6与图10，光阀的主动区231呈矩形并具有两个第四长边233与两个第四短边234。第四长边233例如是对应于出光端222的第二长边224，第四短边234例如是对应于出光端222的第二短边226，以使照明光束于主动区231的光斑S5形状与主动区231的形状匹配。如此，大部分的照明光束能传播至主动区231，所以能提升光利用效率。

综上所述，在本发明中，由于集光柱的入光端的第一长边平行于集光柱的出光端的第二短边，且集光柱的入光端的第一短边平行于集光柱的出光端的第二长边，所以能使影像光束在投影镜头内的光斑形状变得略为狭长，如此能减少影像光束的光损失，进而提升本发明的投影装置的光利用效率。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的变型与改动，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的为准。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。另外，说明书中提及的第一长边、第二长边、第一短边、第二短边等用语，仅用以表示元件的名称，并非用来限制元件数量上的上限或下限。

Claims

1.一种投影装置，包括：

一光源，用以提供一照明光束；

一集光柱，具有相对的一入光端与一出光端，该照明光束经由该入光端进入该集光柱并由该出光端离开该集光柱，该入光端与该出光端分别呈矩形，该入光端具有一第一长边与一第一短边，该出光端具有一第二长边与一第二短边，该第一长边平行于该第二短边，该第一短边平行于该第二长边；

一光阀，用以将投射于该光阀上的该照明光束转换成一影像光束；以及

一投影镜头，配置于该影像光束的传播路径上，其中

该光源具有一发光区，该发光区呈矩形并具有对应该第一长边的一第三长边和对应该第一短边的一第三短边，以使该照明光束于该入光端的光斑形状与该入光端的形状匹配，

该光阀具有一主动区，该主动区呈矩形并具有对应于该第二长边的一第四长边与对应于该第二短边的一第四短边，以使该照明光束于该主动区的光斑形状相应于该主动区的形状。

2.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该光阀为数字微镜元件，且该光阀还具有一保护片，遮盖该主动区。

3.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该影像光束在该投影镜头内的光斑形状呈椭圆形。

4.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该光源包括呈阵列排列的多点光源。

5.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，还包括至少一聚光元件，配置于该光源与该集光柱的该入光端之间，且位于该照明光束的传播路径上。

6.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，还包括至少一透镜，配置于该集光柱的该入光端与该光阀之间，且位于该照明光束的传播路径上。

7.如权利要求6所述的投影装置，其特征在于，还包括一全内反射棱镜，配置于该透镜与该光阀之间，且位于该照明光束的传播路径上，该全内反射棱镜具有一反射面，以将该照明光束反射至该光阀，并使由该光阀投射的该影像光束通过。

8.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该照明光束在该第二长边的出光角度与在该第二短边的出光角度不同。

9.如权利要求8所述的投影装置，其特征在于，该照明光束在该第二长边的出光角度小于在该第二短边的出光角度。

10.一种集光柱，接收一光源提供的一照明光束，且该光源具有一发光区，该集光柱具有相对的一入光端与一出光端，该入光端与该出光端分别呈矩形，该入光端具有两个第一长边与两个第一短边，该出光端具有两个第二长边与两个第二短边，这些第一长边平行于这些第二短边，这些第一短边平行于该些第二长边，其中该发光区呈矩形并具有对应于这些第一长边的两个第三长边和对应于这些第一短边的两个第三短边，以使该照明光束在该入光端的光斑形状与该入光端的形状匹配。

11.如权利要求10所述的集光柱，其特征在于，该照明光束在该第二长边的出光角度与第二短边的出光角度不同。

12.如权利要求10所述的集光柱，其特征在于，该照明光束在该第二长边的出光角度小于该第二短边的出光角度。