CN106842510A - 投影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种投影系统，使用二轴翻转式数字微镜装置并根据二轴翻转式数字微镜装置的特性来进行组件的空间配置以及光路的设计，使得棱镜组与数字微镜装置之间不会有多余的夹角。此外，在设计了具有特定规格的照明单元后，使得前群的第一透镜组仅使用一个非球面透镜，后群的第二透镜组也仅使用一个透镜，仍能维持一定的成像表现，进而达成缩小投影机体积的目的。

Description

投影系统
技术领域
本发明有关一种投影系统，尤指一种具有二轴翻转式数字微镜装置的远心投影系统。
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上巨幅屏幕上，并提供足够的亮度，将影像信息分享给众人。
传统投影机包含了单轴数字微镜装置，全反射(Total Internal Reflection，TIR)棱镜组，反射镜，透镜模块以及光导管(Light Pipe)。在传统投影机中，光线经由光导管穿过透镜模块，再经由反射镜反射至全反射棱镜组，最后经由单轴数字微镜装置将成像光传至镜头而投射至屏幕上。然而，传统投影机中绕单轴旋转的单轴数字微镜装置因为物理特性的限制，只能接受入射光以斜射入射。因此，全反射棱镜组相对数字微镜装置倾斜一个角度设置(例如45度)，这将导致传统投影机的体积受到限制，在追求微小化投影机的今日，传统投影机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
本发明的目的在于提供一种投影系统，采用二轴翻转式数字微镜装置。
为达到上述目的，本发明提供了一种投影系统，包含有：
光源模块，用以发出入射光；
二轴翻转式数字微镜装置，用以接收该入射光并转换成成像光；
棱镜组，设置于该光源模块与该二轴翻转式数字微镜装置之间；
第一透镜组，设置于该棱镜组与该光源模块之间且靠近该光源模块，用以传递该入射光，该第一透镜组仅包含一个非球面透镜；
第二透镜组，设置于该第一透镜组与该棱镜组之间，用以传递来自该第一透镜组的该入射光，该第二透镜组仅包含一个透镜；以及
镜头，用以接收并投射该成像光。
较佳的，该第一透镜组的该非球面透镜的折射率大于等于1.67。
较佳的，该第二透镜组的后群有效焦距与该第一透镜组的前群有效焦距的比值大于等于1.8且小于等于2.1。
较佳的，该第一透镜组与该第二透镜组的镜片间距离大于等于10毫米且小于等于19毫米。
较佳的，该第二透镜组仅包含一个非球面透镜，且该非球面透镜的折射率大于等于1.48且小于等于1.75；或者，该第二透镜组仅包含一个球面透镜，且该球面透镜的折射率大于等于1.75。
较佳的，该棱镜组包含第一棱镜以及第二棱镜，其中：
该第一棱镜包含第一面以及相邻接的第二面，该入射光依序穿过该第一面及该第二面；
该第二棱镜设置于该第一棱镜与该二轴翻转式数字微镜装置之间，该第二棱镜包含第三面、第四面以及第五面，该第三面邻接于该第四面以及该第五面，该第四面面向该二轴翻转式数字微镜装置，该入射光依序穿过该第三面、该第四面传递至该二轴翻转式数字微镜装置且转化为该成像光，该成像光依序穿过该第四面、经该第三面反射、穿过该第五面传递至该镜头。
较佳的，该第二透镜组与该第一棱镜重叠。
较佳的，该二轴翻转式数字微镜装置为具有相对两条第一长边与相对两条第一短边的第一矩形，该第二棱镜的该第四面为具有相对两条第二长边与相对两条第二短边的第二矩形，且该两条第二长边平行于该两个第一长边，该两条第二短边平行于该两条第一短边。
较佳的，该第一透镜组设置于该第一棱镜与该光源模块之间，该第二透镜组设置于该第一透镜组与该第一棱镜之间，该镜头面对该第二棱镜的该第五面。
较佳的，该第一棱镜的折射率小于该第二棱镜的折射率。
较佳的，该第二棱镜为等腰直角三角形棱镜柱体，且该第二棱镜的折射率大于等于1.6。
较佳的，另包含：
反射模块，设置于该第一透镜组与该第二透镜组之间，该反射模块用以将来自该第一透镜组的该入射光反射至该第二透镜组；以及
遮光件，设置于该第一透镜组与该反射模块之间。
较佳的，该投影系统为远心投影系统。
与现有技术相比，本发明提供了一种投影系统，使用二轴翻转式数字微镜装置并根据二轴翻转式数字微镜装置的特性来进行组件的空间配置以及光路的设计，使得棱镜组与数字微镜装置之间不会有多余的夹角。此外，在设计了具有特定规格的照明单元后，使得前群的第一透镜组仅使用一个非球面透镜，后群的第二透镜组也仅使用一个透镜，仍能维持一定的成像表现，进而达成缩小投影机体积的目的。
附图说明
图1为本发明具有单一前群透镜的投影系统的实施例的组件架构示意图。
图2为图1所示的投影系统的组件架构的局部放大示意图。
图3为图1所示的投影系统的组件架构的俯视示意图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的「包括」为开放式的用语，故应解释成「包括但不限定于」。
请参考图1，图1为本发明具有单一前群透镜的投影系统的实施例的组件架构示意图。本实施例的投影系统2为远心(telecentric)投影系统，其包含了光源模块201、第一透镜组202、第二透镜组203、棱镜组、二轴翻转式数字微镜装置21以及镜头24。其中，光源模块201、第一透镜组202以及第二透镜组203组成了投影系统2的照明单元20，照明单元20的光源模块201用以发出入射光A。二轴翻转式数字微镜装置21被玻璃(cover glass)25覆盖且用以接收照明单元20所发出的入射光A并转换成成像光B。特别说明的是，二轴翻转式数字微镜装置21为德州仪器的TRP(Tilt&Roll Pixel)PicoTM芯片组，具有多个微镜(未图示)用来反射入射光A为成像光B。
棱镜组包含了第一棱镜22以及第二棱镜23，设置于光源模块20与二轴翻转式数字微镜装置21之间。第一透镜组202设置于第一棱镜22与光源模块201之间且靠近光源模块201，第二透镜组203设置于第一透镜组202与第一棱镜22之间。光源模块201包括光源LS以及导光组件LG，光源LS发出入射光A，导光组件LG设置于光源LS与第一透镜组202之间。上述导光组件LG、第一透镜组202以及第二透镜组203的功能皆是在于传递光源LS所发出的入射光A，且第一透镜组202与第二透镜组203具有聚焦的物理特性，并通过此特性来集束入射光A，使得入射光A能够准确地投射在二轴翻转式数字微镜装置21。本实施例的照明单元20另外包括了反射模块204。反射模块204设置于第一透镜组202与第二透镜组203之间，反射模块204用来将来自第一透镜组202的入射光A反射至第二透镜组203。另外，在照明单元20中，也可于第一透镜组202与反射模块204之间设置遮光件205。当第一透镜组202将入射光A聚焦于反射模块204的前方时，利用遮光件205阻挡不必要的光线进入到镜头24中，进而有效提高成像质量。特别说明的是，在本实施例的投影系统2的组件架构中配置反射模块204以及遮光件205仅为本发明的其中一个实施例，本发明并不以此为限，在其它的实施例中，可以视产品的实际需求而将反射模块204以及遮光件205从投影系统2的组件架构中移除。
本发明在维持一定的成像表现的前提下，对投影系统2的构成组件数量以及体积进行进一步的极小化，因此在本发明的实施例中，第一透镜组202(照明单元20的前群透镜)仅包含一个第一透镜Ls1，而第二透镜组203(照明单元20的后群透镜)仅包括一个第二透镜Ls2，也就是说，投影系统2的照明单元20仅采用两个透镜来集束入射光A以投射至二轴翻转式数字微镜装置21，这样可进一步缩短投影系统2的长度。第一透镜Ls1位于光源模块201的导光组件LG与反射模块204之间，第二透镜Ls2位于反射模块204与第一棱镜22之间。更具体而言，第一透镜Ls1为非球面透镜，第二透镜Ls2则可以是球面透镜或非球面透镜。其中，第一透镜Ls1的折射率大于等于1.67，如此，当前群的第一透镜Ls1配置为高折射率的单一非球面透镜时，可以维持较小的影像变形及修正像差(Optical aberration)。当第二透镜Ls2是非球面透镜时，其折射率大于等于1.48且小于等于1.75，而当第二透镜Ls2是球面透镜时，为折射率大于等于1.75，如此，当后群的第二透镜Ls2配置为低折射率的单一非球面透镜，或是高折射率的单一球面透镜时，以维持较小的影像变形，达到修正像差(Opticalaberration)的目的。
在本实施例中，第一透镜Ls1具有面向反射模块204的出光面F6，第二透镜Ls2具有面向反射模块204的入光面F7，第一透镜Ls1的出光面F6与反射模块204相距第一距离D1，反射模块204与第二透镜Ls2的入光面F7相距第二距离D2。在本实施例中，第一距离D1与第二距离D2的总和，也就是第一透镜组202与第二透镜组203的镜片间距离大于等于10毫米且小于等于19毫米。更进一步地，第二透镜组203的(后群)有效焦距与第一透镜组202的(前群)有效焦距的比值大于等于1.8且小于等于2.1，换言之，第一透镜组202与第二透镜组203的放大倍率(Magnification)即为前述数值(即，第二透镜组203的(后群)有效焦距与第一透镜组202的(前群)有效焦距的比值)，其代表了二轴翻转式数字微镜装置21的有效面积(即微镜总面积)与导光组件LG出光端面积的比值。在此架构下，后群透镜与前群透镜的有效焦距的比值(放大倍率)若高于前述上限(即，2.1)，表示导光组件LG的出光端面积过小、导光组件LG出光少、导致投影较暗；若后群透镜与前群透镜的有效焦距的比值低于前述下限(即，1.8)，表示导光组件LG的出光端面积过大、入射光A经第一透镜组202与第二透镜组203形成的光斑面积溢出(overfill)二轴翻转式数字微镜装置21的有效面积(即微镜总面积)、溢出损耗(overfill losses，即多余的入射光)过多，容易形成杂散光于照明单元20中而影响投影影像的对比度。在以上针对第一透镜组202以及第二透镜组203的优化设定之后，本实施例的投影系统2能够在光路不受机构干涉的影响下，进一步有效达成缩小整体体积以及组件数量的目的，并且当投影系统2使用更为先进的0.37英寸(或更小)的二轴翻转式数字微镜装置21时，其所产生的光学表现与第一透镜组具有两个(或以上)的透镜的系统几乎无差异。
请参考图1至图3，其中图2为图1所示的投影系统的组件架构的局部放大示意图，图3为图1所示的投影系统的组件架构的俯视示意图。如图1至图3所示，二轴翻转式数字微镜装置21的外观构形可以是矩形的平面装置，其为具有相对的两个第一长边211与相对的两个第一短边212的第一矩形。更具体而言，在本实施例中，二轴翻转式数字微镜装置21的多个微镜(在本图中未绘示出)可翻转于开启(ON)、关闭(OFF)两状态，当微镜为开启状态时，各微镜先后沿着二对角线各翻转第一角度(例如12度)，等效相对于第一长边211方向(X轴向)翻转第二角度(例如17度)，用以将入射光A以第三角度(大约34～36度)反射为成像光B。第一棱镜22设置于照明单元20与二轴翻转式数字微镜装置21之间，第一棱镜22包括第一面F1以及与第一面F1相邻接的第二面F2。第二棱镜23设置于第一棱镜22与二轴翻转式数字微透镜装置21之间，且第二棱镜23包括第三面F3、第四面F4以及第五面F5，其中第三面F3邻接于第四面F4与第五面F5，第四面F4面向二轴翻转式数字微镜装置21，第五面F5面向镜头24。第二棱镜23的第四面F4可以是矩形，其为具有相对两个第二长边231与相对两个第二短边232的第二矩形，且第二棱镜23的第二长边231平行于二轴翻转式数字微镜装置21的第一长边211，第二棱镜23的第二短边232平行于二轴翻转式数字微镜装置21的第一短边212。在本实施例中，第二棱镜23可以是等腰直角三角形棱镜柱体，但本发明并不以此为限。镜头24相对于第二棱镜的第五面F5，镜头24用以接收并投射成像光B。
在本实施例中，第二透镜Ls2所具有面向第一棱镜22的出光面F8与第一棱镜22的第一面F1之间具有间隙，但本发明并不以此为限，在其它实施例中，第二透镜Ls2的出光面F8也可以以黏合或其他固接的方式与第一棱镜22的第一面F1彼此重叠，以进一步降低系统的整体高度，达到薄型化的目的。另外在本实施例中，第一棱镜22的第二面F2接触于第二棱镜23的第三面F3，并且第一棱镜22的折射率小于第二棱镜23的折射率。具体而言，第一棱镜22的折射率较佳地约为1.51633，而第二棱镜23的折射率大于等于1.6(较佳地约为1.666718)以确保成像光B于第三面F3发生全反射，但本发明并不以此为限。此外，第一棱镜22的材质可以是OHARA公司所制造型号为S-BSL7的玻璃材料，第二棱镜23可以是OHARA公司所制造型号为S-BAH11的玻璃材料，但本发明并不以此为限。在本发明的其它实施例中，第一棱镜22的第二面F2与第二棱镜23的第三面F3之间也可具有空气介质，也就是在第一棱镜22的第二面F2与第二棱镜23的第三面F3之间具有间隙。在这样的情况下，则可不需要考虑第一棱镜22与第二棱镜23的折射率。
以下就本实施例的投影系统2的入射光A以及成像光B的光路行进过程作更一步的描述。如图1与图2所示，本实施例的光源LS发出入射光A后随即被导光组件LG接收。在本实施例中，导光组件LG可以是楔形(Wedge)的光导管，也就是导光组件LG接收入射光A的入光面积大于输出入射光A的出光面积，因此，可以有效提升收光量(coupling efficiency)。当入射光A依序穿过导光组件LG、第一透镜Ls1、遮光件205、反射模块204以及第二透镜Ls2后，入射光A垂直入射于第一棱镜22的第一面F1，亦即入射光A入射的方向平行于第一面F1的法向量(Normal Vector)。入射光A于第一棱镜22内依光路L1前进，依序穿过第一棱镜22的第二面F2以及第二棱镜23的第三面F3与第四面F4直到被二轴翻转式数字微镜装置21反射转化成为成像光B。具体而言，二轴翻转式数字微镜装置21分别于X轴及Y轴具有第一长边211与第一短边212，而第二棱镜23的第四面F4分别于X轴及Y轴具有第二长边231与第二短边232。由于第二棱镜23的第二长边231平行于二轴翻转式数字微镜装置21的第一长边211，因此入射光A沿光路L1入射二轴翻转式数字微镜装置21于X-Y平面可视为入射光A朝二轴翻转式数字微镜装置21的第一长边211入射(如图3所示)。于X-Y平面中，入射光A以大致平行Y轴且垂直X轴的方向入射二轴翻转式数字微镜装置21，经多个微镜反射成与Z轴夹340的成像光B。成像光B于第二棱镜23内依光路L2前进，依序穿过第二棱镜23的第四面F4直到被第二棱镜23的第三面F3反射，此处的反射可以是全反射(Total Internal Reflection)。因此，成像光B经由反射后仍会在相同介质(第二棱镜23)内传输，而成像光B经由第三面F3被全反射后，沿光路L3前进，最后穿过第二棱镜23的第五面F5而传递至投影系统2的镜头24。
本发明实施例的投影系统2，使用二轴翻转式数字微镜装置(即TRP(Tilt&RollPixel)PicoTM chipset)，由于第二棱镜23的第二长边231平行于二轴翻转式数字微镜装置21的第一长边211，因此，入射光A沿光路L1入射二轴翻转式数字微镜装置21于X-Y平面可视为入射光A朝二轴翻转式数字微镜装置21的第一长边211入射。根据二轴翻转式数字微镜装置21的特性来进行组件的空间配置以及光路的设计，使得棱镜组(第一棱镜22与第二棱镜23的组合)与数字微镜装置之间不会有多余的夹角，此外，在设计了具有特定规格的照明单元后，使得前群的第一透镜组可仅使用一个非球面透镜，后群的第二透镜组也仅使用一个透镜，仍能维持一定的成像表现。因此，组件的空间配置以及光路的设计都能进一步得到优化，进而达成缩小投影机体积的目的。
综上，本发明提供了一种投影系统，使用二轴翻转式数字微镜装置并根据二轴翻转式数字微镜装置的特性来进行组件的空间配置以及光路的设计，使得棱镜组与数字微镜装置之间不会有多余的夹角。此外，在设计了具有特定规格的照明单元后，使得前群的第一透镜组仅使用一个非球面透镜，后群的第二透镜组也仅使用一个透镜，仍能维持一定的成像表现，进而达成缩小投影机体积的目的。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (13)

1.一种投影系统，其特征在于，包含有：
光源模块，用以发出入射光；
二轴翻转式数字微镜装置，用以接收该入射光并转换成成像光；
棱镜组，设置于该光源模块与该二轴翻转式数字微镜装置之间；
第一透镜组，设置于该棱镜组与该光源模块之间且靠近该光源模块，用以传递该入射光，该第一透镜组仅包含一个非球面透镜；
第二透镜组，设置于该第一透镜组与该棱镜组之间，用以传递来自该第一透镜组的该入射光，该第二透镜组仅包含一个透镜；以及
镜头，用以接收并投射该成像光。
2.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，该第一透镜组的该非球面透镜的折射率大于等于1.67。
3.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，该第二透镜组的后群有效焦距与该第一透镜组的前群有效焦距的比值大于等于1.8且小于等于2.1。
4.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，该第一透镜组与该第二透镜组的镜片间距离大于等于10毫米且小于等于19毫米。
5.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，该第二透镜组仅包含一个非球面透镜，且该非球面透镜的折射率大于等于1.48且小于等于1.75；或者，该第二透镜组仅包含一个球面透镜，且该球面透镜的折射率大于等于1.75。
6.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，该棱镜组包含第一棱镜以及第二棱镜，其中：
该第一棱镜包含第一面以及相邻接的第二面，该入射光依序穿过该第一面及该第二面；
该第二棱镜设置于该第一棱镜与该二轴翻转式数字微镜装置之间，该第二棱镜包含第三面、第四面以及第五面，该第三面邻接于该第四面以及该第五面，该第四面面向该二轴翻转式数字微镜装置，该入射光依序穿过该第三面、该第四面传递至该二轴翻转式数字微镜装置且转化为该成像光，该成像光依序穿过该第四面、经该第三面反射、穿过该第五面传递至该镜头。
7.如权利要求6所述的投影系统，其特征在于，该第二透镜组与该第一棱镜重叠。
8.如权利要求6所述的投影系统，其特征在于，该二轴翻转式数字微镜装置为具有相对两条第一长边与相对两条第一短边的第一矩形，该第二棱镜的该第四面为具有相对两条第二长边与相对两条第二短边的第二矩形，且该两条第二长边平行于该两个第一长边，该两条第二短边平行于该两条第一短边。
9.如权利要求6所述的投影系统，其特征在于，该第一透镜组设置于该第一棱镜与该光源模块之间，该第二透镜组设置于该第一透镜组与该第一棱镜之间，该镜头面对该第二棱镜的该第五面。
10.如权利要求6所述的投影系统，其特征在于，该第一棱镜的折射率小于该第二棱镜的折射率。
11.如权利要求6所述的投影系统，其特征在于，该第二棱镜为等腰直角三角形棱镜柱体，且该第二棱镜的折射率大于等于1.6。
12.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，另包含：
反射模块，设置于该第一透镜组与该第二透镜组之间，该反射模块用以将来自该第一透镜组的该入射光反射至该第二透镜组；以及
遮光件，设置于该第一透镜组与该反射模块之间。
13.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，该投影系统为远心投影系统。
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