CN104656350B

CN104656350B - 投影机

Info

Publication number: CN104656350B
Application number: CN201510073259.3A
Authority: CN
Inventors: 简志雄
Original assignee: Qisda Optronics Suzhou Co Ltd; Qisda Corp
Current assignee: Qisda Optronics Suzhou Co Ltd; Qisda Corp
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2035-02-12
Also published as: CN104656350A

Abstract

本发明提供一种投影机包含光源、数字微镜装置、第一棱柱、第二棱柱及镜头。光源用以发出入射光。数字微镜装置用以接收并反射入射光为成像光。第一棱柱设置于光源及数字微镜装置间，用以接收并传递入射光。第二棱柱设置于第一棱柱及数字微镜装置间，用以接收并传递成像光。第一棱柱包含第一面、第二面、及邻接第一面且具有反射部的中继部。第二面传来的入射光经反射部反射，再穿透第二面。第二棱柱包含第四面、第五面及第六面。入射光穿透第四面及第五面至数字微镜装置。成像光穿透第五面，经第四面反射。当数字微镜装置为开启状态时，成像光穿透第六面。

Description

投影机

技术领域

本发明描述一种投影机，尤指一种具有二轴翻转式的数字微镜装置的投影机。

背景技术

投影机利用成像原理并藉由数字微镜装置(Digital Micro-mirror Device)，可将微小影像投影到巨幅荧幕上，并提供足够的亮度，将影像资讯分享给众人。

图1为传统投影机50的元件架构图，如图1所示，传统投影机50包含了数字微镜装置10，全反射(Total Internal Reflection，TIR)棱镜组11，反射镜12，透镜模组13，以及光导管(Light Pipe)14。为了定义视角方向，图1的右边显示了直角坐标系的3个轴向。以图1而言，X轴为由原点向右的方向，Y轴为由原点向下的方向，Z轴为指入的方向。在传统投影机50中，入射光经由光导管14穿过透镜模组13，再经由反射镜12反射至全反射棱镜组11，最后经由数字微镜装置10将成像光传至镜头而投射至荧幕上。然而，传统投影机50的数字微镜装置10因为物理特性的限制，只能接受入射光以斜射入射。因此，全反射棱镜组11相对数字微镜装置10倾斜角度设置(例如45度)，这将导致传统投影机50的体积受到限制，在追求微小化投影机的今日，传统投影机50过大的体积将导致便利性不足而逐渐失去竞争力。

因此，发展一种体积较小的投影机是非常重要的。

发明内容

本发明实施例描述了一种投影机，包含光源、数字微镜装置、第一棱柱、第二棱柱及镜头。光源用以发出入射光。数字微镜装置于相互垂直的第一方向及第二方向分别具有第一边及第二边，第一边长于第二边。数字微镜装置用以接收并反射入射光为成像光。第一棱柱是设置于光源及数字微镜装置间，用以接收并传递入射光。第一棱柱包含邻近光源且接收入射光的第一面，邻接第一面的第二面，及中继部。中继部是邻接第一面且具有反射部，用以将从第二面传来的入射光经由反射部反射后，再穿透第二面。第二棱柱是设置于第一棱柱及数字微镜装置间。第二棱柱包含第四面、第五面及第六面。第四面平行第二面且用以接收入射光，第五面邻接于第四面且平行数字微镜装置，第五面具有平行于第一边的邻接边，第六面邻接于第四面及第五面且与镜头相对。镜头用于接收并投射成像光。入射光穿透第四面及第五面至数字微镜装置。成像光穿透第五面且经第四面反射，当数字微镜装置系为一开启状态时，成像光穿透第六面。

较佳的，该数字微镜装置为二轴翻转式的数字微镜装置。

较佳的，该第五面垂直该第六面。

较佳的，该第六面平行该第一面。

较佳的，还包含：

第一夹角，位于该第一面及该第二面间；

第二夹角，位于该第二面及该第三面间；及

第三夹角，位于该中继部及该第一面间；

其中，该第三夹角大于该第一夹角及该第二夹角。

较佳的，该入射光垂直入射该第一面。

较佳的，间隙存在于该第二面及该第四面间。

较佳的，间隙存在于该数字微镜装置与该第五面间。

较佳的，还包含：透镜模组，设于该光源及该第一面间。该透镜模组的有效焦距在80mm～82mm之间。还包含：光导管，设于该光源及该透镜模组间，用以接收并传递该入射光。该光导管为楔形光导管。该光导管、该透镜模组、该第一棱柱、该第二棱柱、该数字微镜装置组成光机系统，该光机系统的放大倍率为1.7～1.9之间。

较佳的，该中继部包含第三面，该反射部为位于该第三面上的镜面涂层。

较佳的，该中继部包含第三面，该反射部为平凸透镜(Plano-Convex Lens)，该平凸透镜包含：第七面及第八面，该第七面邻接该第三面，第八面相对该第七面且具有镜面涂层，该镜面涂层用以反射该入射光。

与现有技术相对比，本发明设计观念为利用二轴翻转式的数字微镜装置，使全反射棱镜组与数字微镜装置不会有多余的夹角。因此，相较于传统的投影机，本发明的投影机其体积较小，且元件的空间配置性可以获得进一步的优化。

附图说明

图1为传统投影机的元件架构图。

图2为本发明第一实施例的投影机的元件架构图。

图3为图2实施例的投影机内两个棱柱结构的示意图。

图4为图2实施例的投影机的光路模拟图。

图5为本发明第二实施例的投影机的光机系统的示意图。

图6为图5实施例的投影机的光机系统的侧视图。

具体实施方式

图2为本发明第一实施例的投影机100的元件架构图，图3为图2的投影机100内两个棱柱结构的示意图，而图4描述了投影机100的光路模拟图。以下将依序说明本发明第一实施例的投影机100的架构、棱镜组的结构以及投影机100内光线传递过程与实际光路模拟的结果。如图2所示，投影机100包含了数字微镜装置(Digital Micro-mirror Device)20、透镜模组21、光导管(LightPipe)22、光源23、镜头24、第一棱柱S1及第二棱柱S2。其中，光导管22、透镜模组21、第一棱柱S1、第二棱柱S2及数字微镜装置20构成投影机100中的光机系统(Optical Mechanical System)OMS。光源23用来发射入射光A。数字微镜装置20为矩形的平面装置，具有复数个微镜以用来反射入射光A为成像光B，而数字微镜装置20具有相互垂直的长边C与短边D(于图6所示)。在本实施例中，数字微镜装置20为二轴翻转式的晶片组(TRP(Tilt&Roll Pixel)Pico^TMchipset)，其微镜沿二对角线各翻转12度，等效相对于长边C方向(X轴向)翻转17度，用以将入射光A以约34度反射为成像光B。镜头24用来接收成像光B。第一棱柱S1以及第二棱柱S2设置于透镜模组21、数字微镜装置20与镜头24之间，用以接收由透镜模组21传来的入射光A，将其反射至数字微镜装置20，并传递成像光B至镜头24上。第一棱柱S1具有中继部R。中继部R邻接第一面P1(于图3所示)且具有反射部26。在本实施例中，反射部26可为第一棱柱S1于第三面P3(于图3所示)上的镜面涂层，或是一个具有镜面的平凸透镜(Plano-Convex Lens)等装置。光源23发射入射光A后，入射光A经由光导管22穿透透镜模组21，沿光路L1至第一棱柱S1，并在第一棱柱S1内沿光路L2反射至反射部26。入射光A经反射部26反射后，依序沿光路L3、L4至数字微镜装置20。数字微镜装置20将入射光A反射为成像光B。当数字微镜装置20为一开启状态(On state)时，成像光B于第二棱柱S2内沿光路L5传递并依据光路L6穿透第二棱柱S2而被镜头24接收。入射光A及成像光B行进过程的细节将于后文详述。为了定义视角方向，图2的右下角显示了直角坐标系的3个轴向。在图2中，X轴为指出方向，Y轴为由原点向上的方向，Z轴为原点向左的方向。在本实施例中，第一棱柱S1与第二棱柱S2之间存在间隙，第二棱柱S2与数字微镜装置20之间存在间隙，但本发明不限于此，其它实施例中，第一棱柱S1与第二棱柱S2之间，第二棱柱S2与数字微镜装置20之间可为紧密贴合。后文将详细说明投影机100中的第一棱柱S1与第二棱柱S2的结构，以及入射光A及成像光B在两个棱柱间行进过程。

图3为投影机100内第一棱柱S1及第二棱柱S2结构的示意图。在本实施例中，第一棱柱S1为三角棱柱，具有五个平面，包含第一三角型平面TP1、第二三角型平面TP2、第一面P1、第二面P2及中继部R。中继部R邻接于第一面P1且包含第三面P3。而第一面P1与第二面P2相夹第一夹角A1，第二面P2与第三面P3相夹第二夹角A2、第三面P3与第一面P1相夹第三夹角A3。在本实施例中，第三夹角A3会大于第一夹角A1及第二夹角A2。举例来说，第一夹角A1为35.5度，第二夹角A2为45.0度，第三夹角A3为99.5度。第二棱柱S2亦为三角棱柱，具有五个平面，包含第三三角型平面TP3、第四三角型平面TP4、第四面P4、第五面P5及第六面P6。而第四面P4与第五面P5相夹第五夹角A5，第四面P4与第六面P6相夹第四夹角A4，第五面P5与第六面P6相夹第六夹角A6。在本实施例中，第五夹角A5相等于第二夹角A2。举例来说，第五夹角A5为45.0度，第四夹角A4亦为45.0度，而第六夹角A6为90.0度。在本实施例中，第一棱柱S1与第二棱柱S2在较佳实施例中会满足以下的位置条件：第一棱柱S1的第二面P2平行于第二棱柱S2的第四面P4，第二棱柱S2的第五面P5平行于图2中的数字微镜装置20(于Z轴平行)，第二棱柱S2的第五面P5垂直于第六面P6，且第二棱柱S2的第五面P5与第六面P6的邻接边E平行于数字微镜装置20的长边C(于X轴平行)。应了解的是，端视投影机100设计需求，第一棱柱S1的第一面P1平行于第二棱柱S2的第六面P6。以下将依据图2及图3的结构，详述投影机100中入射光A及成像光B行进过程。

在投影机100中，入射光A自光源23被发射后随即被光导管22接收。本实施例所用的光导管可为楔形(Wedge)的光导管22，即光导管22接收入射光A的入光端面积大于输出入射光A的出光端面积，因此可以有效提升光导管22的收光量(Coupling Efficiency)。入射光A依序穿透光导管22及透镜模组21。透镜模组21的功能为利用聚焦的物理特性集束入射光A，使入射光A照射数字微镜装置20上的微镜。实施例中的透镜模组21为至少一个以上的透镜组成，其等效焦距在80～82mm之间，然而其它实施例亦可以使用其它焦距。在本实施例中，入射光A穿过透镜模组21之后垂直入射于第一棱柱S1的第一面P1，亦即入射光A入射的方向平行于第一面P1的法向量(Normal Vector)。入射光A于第一棱柱S1内沿着光路L1前进，并于第一棱柱S1的第二面P2发生全反射(TotalInternal Reflection)。被第二面P2全反射后的入射光A继续沿光路L2前进至中继部R中的反射部26。中继部R包含第三面P3，在本实施例中，反射部26为于第三面P3上的镜面镀膜结构。反射部26反射入射光A沿光路L3回第一棱柱S1中。入射光A沿光路L3穿过第二面P2后，于第一棱柱S1与第二棱柱S2间因空气介质而发生折射，并依序穿过第二棱柱S2的第四面P4、沿光路L4前进、穿过第五面P5，最后被数字微镜装置20接收。在此，由于数字微镜装置20为矩形结构，分别于X轴及Z轴具有长边C及短边D，而第二棱柱S2的第五面P5与第六面P6的邻接边E与数字微镜装置20的长边C平行(于X轴平行)。因此，入射光A沿光路L4入射数字微镜装置20于XZ平面上可视为入射光A朝数字微镜装置20的长边C的入射(如图6所示)。在本实施例中，由于数字微镜装置20为二轴翻转式的晶片组(TRP(Tilt&Roll Pixel)Pico^TMchipset)，当数字微镜装置20为一开启状态(On state)时，其微镜沿二对角线各翻转12度。因此，入射光A沿光路L4入射数字微镜装置20时，会被约以34度反射为成像光B。成像光B依序沿光路L5前进，穿过第五面P5而进入了第二棱柱S2中。成像光B依序沿光路L5至第四面P4，并在第四面P4被反射。被第四面P4反射后的成像光B沿光路L6穿透第六面P6至镜头24。在本实施例中，成像光B在第四面P4的反射为全反射。在本实施例中，成像光B近乎垂直入射于第二棱柱S2的第六面P6，故成像光B将直接穿透第六面P6而被镜头24接收。换言之，成像光B于第六面P6不会发生任何反射或折射。

图4为本发明的投影机100的入射光A及成像光B的光路模拟图。图4视角的定义方向与图2相同，故不再赘述。在图4中，光导管22将入射光A传至透镜模组21中。透镜模组21将入射光A聚焦后，经由如图2所述的光路，将入射光A的光束范围反射至数字微镜装置20的像素范围内。随后，入射光A被数字微镜装置20反射为成像光B，并传至镜头24中。镜头24接收成像光B后，便将成像光B投影到大荧幕上使之成像。本发明之投影机100利用二轴翻转式的数字微镜装置20，使全反射棱镜组与数字微镜20装置不会有多余的夹角(第五面P5与第六面P6的邻接边E与数字微镜装置20的长边C平行)。因此，相较于传统的投影机50，本发明的投影机100其体积较小。然而，为了更进一步优化投影机的体积，本发明另一实施例提出了投影机200的架构，描述于下。

图5为本发明另一实施例的投影机200的光机系统OMS的示意图，而图6为投影机200的光机系统OMS的侧视图。如图5所示，投影机200的光机系统OMS与投影机100类似，包含数字微镜装置20、透镜模组21、光导管(LightPipe)22及全反射棱镜组(Total Internal Reflection，TIR)25。而图5的视角方向与图2及图4相同，故不再赘述。投影机200与投影机100的差异点在于，在投影机200中，其光机系统OMS的等效焦距可为透镜模组21与中继部R内具有镜面的平凸透镜27匹配而成，该平凸透镜(Plano-Convex Lens)可作为反射部，该平凸透镜包含：第七面及第八面，该第七面邻接该第三面，该第八面相对该第七面且具有镜面涂层，该镜面涂层用以反射该入射光。而投影机100的等效焦距即为透镜模组21的焦距。换言之，投影机200可用更短的光路距离达成光机系统OMS的等效焦距。在图6中，投影机200的光机系统OMS的视角定义为：X轴为由原点向下的方向，Y轴为指出方向，Z轴为由原点向左的方向。因此，图5中的入射光A穿过光导管22、透镜模组21、全反射棱镜组25而到达数字微镜装置20的光路方向，以图6中的视角观之，入射光A为直线前进(图5中入射光A的光路变化于YZ平面，因此以图6的XZ平面观之，光路为直线方向)。因为投影机200的光机系统OMS的等效焦距可为透镜模组21与中继部R内具有镜面的平凸透镜27匹配而成，故入射光A的光路距离被缩短。由此观之，投影机200的空间配置性能获得更进一步的优化。

本发明的投影机100及投影机200中，数字微镜装置20的微镜反射区与光导管22的出光端面积比值约为1.7～1.9倍，等效于光机系统OMS放大倍率约为1.7～1.9倍。而用于接收成像光的镜头24，其光圈大小为F1.7的光圈值。然而，本发明所用的放大倍率和光圈大小却不以此为限，在其它实施例中可以使用任何放大倍率，以及任何光圈值(例如更大的F1.5光圈)来实现投影机100及投影机200。

综上所述，本发明揭露一种投影机，其设计观念为利用二轴翻转式的数字微镜装置，使全反射棱镜组与数字微镜装置不会有多余的夹角。因此，相较于传统的投影机，本发明的投影机其体积较小，且元件的空间配置性可以获得进一步的优化。此外，本发明的投影机在光机系统中也引入了具有反射面的平凸透镜，因此能缩短光路距离，并进一步优化投影机内的空间配置性和体积。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明权利要求所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。

Claims

1.一种投影机，其特征在于，包含：

光源，发出入射光；

数字微镜装置，该数字微镜装置为二轴翻转式的数字微镜装置，该数字微镜装置于相互垂直的第一方向及第二方向分别具有第一边及第二边，该第一边长于该第二边，该数字微镜装置接收并反射该入射光为成像光；

第一棱柱，设置于该光源及该数字微镜装置间，接收并传递该入射光，该第一棱柱包含：

第一面，邻近该光源且接收该入射光；

第二面，邻接该第一面；及

中继部，邻接该第一面且具有反射部，该入射光经该第二面反射至该反射部后穿透该第二面；

第二棱柱，设置于该第一棱柱及该数字微镜装置间，接收并传递该入射光及该成像光，该第二棱柱包含：

第四面，平行该第二面且接收该入射光；

第五面，邻接该第四面且平行该数字微镜装置；及

第六面，邻接该第四面及该第五面，该第六面与该第五面的邻接边平行该第一边；及

镜头，与该第六面相对以接收并投射该成像光；

其中，该入射光穿透该第四面及该第五面至该数字微镜装置，该成像光穿透该第五面且经该第四面反射，当该数字微镜装置为开启状态时，该成像光穿透该第六面。

2.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，该第五面垂直该第六面。

3.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，该第六面平行该第一面。

4.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，还包含：

第一夹角，位于该第一面及该第二面间；

第二夹角，位于该第二面及该中继部间；及

第三夹角，位于该中继部及该第一面间；

其中，该第三夹角大于该第一夹角及该第二夹角。

5.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，该入射光垂直入射该第一面。

6.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，间隙存在于该第二面及该第四面间。

7.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，间隙存在于该数字微镜装置与该第五面间。

8.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，还包含：

透镜模组，设于该光源及该第一面间。

9.如权利要求8所述的投影机，其特征在于，该透镜模组的有效焦距在80mm～82mm之间。

10.如权利要求8所述的投影机，其特征在于，还包含：

光导管，设于该光源及该透镜模组间，用以接收并传递该入射光。

11.如权利要求10所述的投影机，其特征在于，该光导管为楔形光导管。

12.如权利要求10所述的投影机，其特征在于，该光导管、该透镜模组、该第一棱柱、该第二棱柱、该数字微镜装置组成光机系统，该光机系统的放大倍率为1.7～1.9之间。

13.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，该中继部包含第三面，该反射部为位于该第三面上的镜面涂层。

14.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，该中继部包含第三面，该反射部为平凸透镜(Plano-Convex Lens)，该平凸透镜包含：

第七面，邻接该第三面；及

第八面，相对该第七面且具有镜面涂层，该镜面涂层用以反射该入射光。