CN108693686B - 投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种投影装置，包括照明系统、光阀、光学致动元件以及投影镜头。照明系统提供照明光束。光阀的图像显示面包括第一区域及第二区域。第一区域的多个第一像素用以将对应的照明光束转换成多个第一子图像光束。第二区域的多个第二像素用以将对应的照明光束转换成多个第二子图像光束。这些第一子图像光束的其中之一在光学致动元件内的传递路径为第一传递路径。这些第二子图像光束的其中之一在光学致动元件内的传递路径为第二传递路径。第一传递路径的长度小于第二传递路径的长度，藉此投影装置可具有良好的图像质量。

Description

投影装置
技术领域
本发明涉及一种投影装置，且特别涉及一种具有非远心光学系统的投影装置。
背景技术
一般的背投影显示产品主要藉由光学引擎产生图像，并投射在屏幕上。为了使光学引擎投射于屏幕上的图像分辨率更高。现有技术中的背投影显示产品所采取的技术手段为在背投影显示产品中的图像光束传递路径上设置透光板，并且控制透光板在一帧时间(Frame Period)内以一角度作来回振动。因此，当来自成像元件的图像光束传递至透光板时，图像光束的传递方向可以透过透光板的振动而改变且会在此帧时间内切换。接着，经过透光板后的图像光束经由镜头投影至屏幕上。当透光板未偏转至该角度时，图像光束透过镜头投射于屏幕上一预设位置，当透光板偏转至该角度时，被偏移的图像光束透过镜头投射于屏幕上另一预设位置，且两个位置有部分重叠。由于图像光束的传递方向被透光板所改变，因此使用者可以在此帧时间内看到图像光束在屏幕上的不同位置的图像。现有技术中的背投影显示产品的成像元件的图像分辨率例如为2720x1530，而通过在此帧时间内不同位置图像的叠合，投射至屏幕上的图像可以达到4K(3846x 2163)分辨率的效果。
然而，现有技术中的背投影显示产品仍具有以下的缺点。举例来说，从邻近于镜头的光轴处入射镜头的图像光束称为主光束(Chief Ray)，从远离于镜头的光轴处入射镜头的图像光束称为离轴光束(Off-axis Ray)。离轴光束入射于镜头的入射角大于主光束入射于镜头的入射角。换言之，图像光束在镜头的不同处的入射角不同。因此，当透光板偏转一角度时，离轴光束所形成的部分图像因折射的程度较大而会偏离于主光束所形成的部分图像，而在图像的交界处之间产生扭曲(Distortion)的现象。扭曲现象会造成图像的质量不佳。此外，由于一般的背投影显示产品中的镜头的光轴与成像元件之间通常存在有偏移(Offset)。由于偏移的关系，会使得上述扭曲的现象变得更为严重。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的现有技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种投影装置，其具有良好的图像质量。
本发明的其它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。
本发明的实施例提供一种投影装置，包括照明系统、光阀、光学致动元件以及投影镜头。照明系统包括光源。光源提供照明光束。光阀配置于照明光束的传递路径上。光阀包括图像显示面，用以将照明光束转换成图像光束。光学致动元件配置于图像光束的传递路径上。光学致动元件用以在一帧时间内偏移图像光束的传递方向。投影镜头用以接收来自光学致动元件的图像光束，且将图像光束在显示媒介上形成图像画面。光阀的图像显示面包括第一区域及第二区域。第一区域包括多个第一像素，用以将对应的照明光束转换成多个第一子图像光束。第二区域包括多个第二像素，用以将对应的照明光束转换成多个第二子图像光束。这些第一子图像光束及这些第二子图像光束形成部分图像光束。这些第一子图像光束的其中之一在光学致动元件内的传递路径为第一传递路径。这些第二子图像光束的其中之一在光学致动元件内的传递路径为第二传递路径。第一传递路径的长度小于第二传递路径的长度，其中投影镜头具有光轴，且光学致动元件包括透光元件及致动器，透光元件具有彼此相对的第一端以及第二端，透光元件的第一端相对于第二端较邻近于投影镜头的光轴，其中，透光元件的宽度由第一端往第二端的方向递减；以及致动器用以控制透光元件以使透光元件沿着转轴来回偏转，转轴平行于光阀的图像显示面。
基于上述，在本发明实施例的投影装置中，第二子图像光束相较于第一子图像光束会先传递至光学致动元件，因此第一子图像光束在光学致动元件内的传递路径的长度(即第一传递路径)小于第二子图像光束在光学致动元件内的传递路径的长度(即第二传递路径)。第二子图像光束离开光学致动元件的位置可以更靠近第一子图像光束离开光学致动元件的位置。随后，第二子图像光束入射于投影镜头的位置可以更靠近第一子图像光束入射于投影镜头的位置。换言之，第一子图像光束入射于投影镜头的入射角的大小较为接近第二子图像光束入射于投影镜头的入射角的大小。如此一来，第一子图像光束所形成的部分图像画面与第二子图像光束所形成的部分图像画面之间因折射造成的距离差异较小，因此本发明实施例的投影装置具有良好的图像质量。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并结合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的一种投影装置的示意图；
图2是图1的投影装置在一帧时间内所呈现的位于不同位置处的图像画面示意图；
图3是图1的光阀的图像显示面的上视示意图；
图4是图1的投影装置投影至显示媒介的图像画面的示意图；
图5是第一子图像光束与第二子图像光束在图1中的光学致动元件中的传递路径示意图；
图6是依照本发明的另一实施例的一种投影装置的示意图；以及
图7是第一子图像光束与第二子图像光束在图6中的光学致动元件中的传递路径示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下结和附图的一优选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1是依照本发明的一实施例的一种投影装置的示意图。图2是图1的投影装置在一帧时间内所呈现的位于不同位置处的图像画面示意图。图3是图1的光阀的图像显示面的上视示意图。图4是图1的投影装置投影至显示媒介的图像画面的示意图。图5是第一子图像光束与第二子图像光束在图1中的光学致动元件中的传递路径示意图。
请参照图1，在本实施例中，投影装置100包括照明系统110、光阀120、光学致动元件130以及投影镜头140。详言之，照明系统110具体化为非远心照明系统(Non-telecentricIllumination System)。于以下段落中会详细地说明上述元件的具体描述。
在本实施例中，照明系统110包括光源112、滤光层114、积分柱116(IntegrationRod)、聚光透镜118以及反射元件119。光源112提供照明光束B。在本实施例中，光源112的种类例如是高强度气体放电灯(High Intensity Discharge,HID)、高压汞灯(High pressuremercury lamp)、激光光源(Laser light source)、发光二极管(Light Emitting Diode,LED)或其它适合发出光束的光源，但本发明并不以此为限制。滤光层114例如是红外光或紫外光滤光片(IR/UV filter)。聚光透镜118例如是凸透镜或者是其它具有聚光功能的透镜元件，但本发明并不以此为限制。反射元件119例如是反射镜(Reflector Mirror)，或者是其它具有反射功能的元件，但本发明并不以此为限制。
在本实施例中，光阀120配置于照明光束B’的传递路径上。具体来说，照明光束B由光源112发出后依序通过滤光层114、积分柱116以及聚光透镜118后传递至反射元件119。反射元件119反射照明光束B。反射后的照明光束B’传递至光阀120。光阀120包括图像显示面122，且光阀120用以将照明光束B’转换成图像光束IB。在本实施例中，光阀120例如是数字微镜装置(Digital Micro-mirror Device,DMD)、反射式的硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon,LCOS)等，或者透射式的空间光调制器，例如透光液晶面板(Transparent LiquidCrystal Panel)，但本发明并不以此为限制。
在本实施例中，反射后的照明光束B’通过光学致动元件130。光学致动元件130配置于图像光束IB的传递路径上，且用以在一帧时间内偏移图像光束IB的传递方向，其中图像光束IB包括第一子图像光束SIB1与第二子图像光束SIB2。投影镜头140用以接收来自光学致动元件130的图像光束IB，且将图像光束IB投影于显示媒介SR(例如是屏幕或墙面)，以在显示媒介SR上形成图像画面IS(如粗黑线所示出)。在本实施例中，光学致动元件130还包括透光元件132以及致动器134。透光元件132的材料例如是玻璃(Glass)、透光塑料等，但本发明并不以此为限。致动器134例如是马达(Motor)，但本发明并不以此为限。投影镜头140具有光轴OA。透光元件132具有相对的第一端E1与第二端E2。透光元件132的第一端E1相对于透光元件132的第二端E2邻近于投影镜头140的光轴OA。致动器134用以控制透光元件132以使透光元件132沿着一平行于光阀120的图像显示面122的转轴RA来回偏转，其中投影镜头140的光轴OA大体上垂直图像显示面122的转轴RA，但不以此为限。请参照图1，透光元件132可为一楔形元件且楔形元件的宽度由第一端E1往第二端E2的方向递减，透光元件132朝向光阀120的表面至少能全部接收从光阀120的图像显示面122所发出的图像光束IB。具体而言，透光元件132的横截面的一种实施形态为梯形，但本发明并不以此为限制，其中透光元件132的横截面与纸面平行。只要在满足透光元件130的宽度由第一端E1往第二端E2的方向递减的条件下，本领域的技术人员可以依照设计上的需求来对透光元件的形状作适当的调整。透光元件132的横截面垂直于光阀120的图像显示面122。横截面所呈现的梯形的倾斜度为1度。详细来说，透光元件132的横截面的两邻近于第一端E1的底角θ1、θ2皆为89度，透光元件132的横截面的两邻近于第二端E2的顶角θ3、θ4皆为91度，但本发明并不以此为限制。
承上述，当图像光束IB通过透光元件132时，致动器134使透光元件132沿着转轴RA以一预设角度来回快速偏转，因此图像光束IB的传递方向会被偏转的透光元件132所改变。在不同时点下的图像光束IB经由投影镜头140后而投射在显示媒介SR上以形成位于不同位置的图像画面IS。请参照图2，在本实施例中，帧时间例如是由两个不同时点T0、T1所定义出来的。图2中以实线示出的图像画面ISt0为图像光束IB在时点T0所形成的图像画面，其包含多个图像像素(未标号)，且图2中以虚线示出的图像画面ISt1为图像光束IB在时点T1所形成的图像画面，其包含被偏移的该些图像像素(未标号)。更进一步说明，当在时点T0时，透光元件132未偏转至该预设角度，图像光束IB形成图像画面ISt0；当在时点T1时，透光元件132沿着转轴RA偏转至该预设角度，图像光束IB被改变方向而形成图像画面ISt1。透过光学致动元件130的偏转，图像画面ISt0中各像素(pixel)朝一预设方向偏移一预设距离，例如是1/2像素，而形成图像画面ISt1。因此，本实施例的投影装置100透过透光元件132以及致动器134的配置方式，可以在一帧时间内在显示媒介SR上形成不同位置的图像画面ISt0、ISt1，两图像画面ISt0、ISt1部分叠合，如此一来可以提高图像画面的分辨率。
请参照图1以及图3，在本实施例中，图3是图1的光阀的图像显示面的上视示意图。光阀120的图像显示面122包括第一区域R1以及第二区域R2。于图3中，第一区域R1是由粗黑虚线之间所围成的区域，且第二区域R2是由细黑虚线之间所围成的区域。具体来说，第一区域R1为图像显示面122的中央区域，而第二区域R2为图像显示面122的边缘区域，但本发明并不以此为限制。第二区域R2相对于第一区域R1较靠近投影镜头140的光轴OA，即第二区域R2相对于第一区域R1较靠近透光元件134的第一端E1。第一区域R1包括多个第一像素P1。第二区域R2包括多个第二像素P2。这些第一像素P1用以将对应的照明光束B’转换成多个第一子图像光束SIB1。这些第二像素P2用以将对应的照明光束B转换成多个第二子图像光束SIB2。这些第一子图像光束SIB1与这些第二子图像光束SIB2形成部分图像光束IB。请再参照图1，在本实施例中，于入射至投影镜头140时，第一子图像光束SIB1相对于第二子图像光束SIB2较为靠近投影镜头140的光轴OA，因此第一子图像光束SIB1可被称为主光束(ChiefRay)，且第二子图像光束SIB2可被称为离轴光束(Off-axis Ray)。
请参照图4，在本实施例中，图像画面IS具有第三区域R3以及第四区域R4。第三区域R3包括多个第三图像像素P3。第四区域R4包括多个第四图像像素P4。第三区域R3对应图像显示面122的第一区域R1，该些第三图像像素P3也分别对应至该些第一像素P1。第四区域R4对应图像显示面122的第二区域R2，该些第四图像像素P4也分别对应至该些第二像素P2。第四区域R4相对于第三区域R3较远离图像画面IS的中心。这些第一子图像光束SIB1于第三区域R3形成图像画面IS的一部分(例如是图像画面IS的中央部分)，且这些第二子图像光束SIB2于第四区域R4形成图像画面IS的另一部分(例如是图像画面IS的边缘部分)。
请参照图5，在本实施例中，以这些第一子图像光束SIB1的其中之一光束与这些第二子图像光束SIB2的其中之一光束为示意，这些第一子图像光束SIB1的其中之一在光学致动元件130内的传递路径为第一传递路径，在本实施例的光学致动元件130包括透光元件132。这些第二子图像光束SIB2的其中之一在光学致动元件130内的传递路径为第二传递路径。第一传递路径的长度小于第二传递路径的长度。具体而言，这些子图像光束SIB1的其中之一由透光元件132的第一位置PS1进入透光元件132，且由透光元件132的第二位置PS2离开透光元件132。这些子图像光束SIB2的其中之一由透光元件132的第三位置PS3进入透光元件132，且由透光元件132的第四位置PS4离开透光元件132。第三位置PS3相较于第一位置PS1邻近于透光元件132的第一端E1。第四位置PS4相较于第二位置PS2邻近于透光元件132的第一端E1。第一位置PS1与第二位置PS2定义出第一传递路径。第三位置PS3与第四位置PS4定义出第二传递路径。
承上述，在本实施例的投影装置100中，第二子图像光束SIB2相较于第一子图像光束SIB1会先传递至光学致动元件130，因此第一子图像光束SIB1在光学致动元件130内的传递路径的长度(即第一传递路径)小于第二子图像光束SIB2在光学致动元件130内的传递路径的长度(即第二传递路径)。第二子图像光束SIB2离开光学致动元件130的位置可以更靠近第一子图像光束SIB1离开光学致动元件130的位置。随后，第二子图像光束SIB2(离轴光束)入射于投影镜头140的位置可以更靠近第一子图像光束SIB1(主光束)入射于投影镜头140的位置。换言之，第一子图像光束SIB1入射于投影镜头140的入射角的大小较为接近第二子图像光束SIB2入射于投影镜头140的入射角的大小。如此一来，当透光元件132偏转至预设角度时，第一子图像光束SIB1于第三区域R3所形成的部分图像画面与第二子图像光束SIB2于第四区域R4所形成的部分图像画面之间因折射造成的距离差异较小，即该些第四图像像素P4不会因为透光元件132偏转而偏离第三区域R3的该些第三图像像素P3，而使得扭曲的现象较为不明显，因此本实施例的投影装置100具有良好的图像质量。
值得一提的是，本实施例的投影装置100通过使透光元件130的梯形横截面的倾斜度为1度的设计，可以使图像画面中的图像像素的扭曲程度小于两个不同时点T0、T1的图像画面的同一图像像素位移的3％。
在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的部分内容，省略了相同技术内容的说明，关于相同的元件名称可以参考前述实施例的部分内容，下述实施例不再重复赘述。
图6是依照本发明的另一实施例的一种投影装置的示意图。图7是第一子图像光束与第二子图像光束在图6中的光学致动元件中的传递路径示意图。
请参照图6，图6的投影装置100a大致类似于图1的投影装置100，其主要差异在于：光学致动元件130a包括透光元件132a、致动器134以及棱镜结构136(Prism Structure)。透光元件132a的横截面为矩形且矩形横截面垂直于光阀120的图像显示面122。棱镜结构136设置于光阀120与投影镜头140之间。棱镜结构136具有彼此相对的第一端E1以及第二端E2。棱镜结构136的第一端E1相对于棱镜结构136的第二端E2较邻近于投影镜头140的光轴OA。棱镜结构136的宽度由第一端E1往第二端E2的方向递减。详细来说，在本实施例中，棱镜结构136位于透光元件132a与投影镜头140之间。在其它未示出的实施例中，棱镜结构136可配置于透光元件132a与光阀120之间，不以此为限。
请参照图7，在本实施例中，以这些第一子图像光束SIB1的其中之一光束与这些第二子图像光束SIB2的其中之一光束为示意，这些第一子图像光束SIB1的其中之一在光学致动元件130a内的传递路径为第一传递路径。这些第二子图像光束SIB2的其中之一在光学致动元件130a内的传递路径为第二传递路径。第一传递路径的长度小于第二传递路径的长度。具体而言，这些第一子图像光束SIB1的其中之一由棱镜结构136的第一位置PS1进入棱镜结构136，且由棱镜结构136的第二位置PS2离开棱镜结构136。这些第二子图像光束SIB2的其中之一由棱镜结构136的第三位置PS3进入棱镜结构136，且由棱镜结构136的第四位置PS4离开棱镜结构136。第三位置PS3相较于第一位置PS1邻近于棱镜结构136的第一端E1。第四位置PS4相较于第二位置PS2邻近于棱镜结构136的第一端E1。第一位置PS1与第二位置PS2定义出第一传递路径。第三位置PS3与第四位置PS4定义出第二传递路径。本实施例的投影装置100a的光学效果类似于图1中实施例的投影装置100的光学效果，于此不再赘述。因此，本实施例的投影装置100a具有良好的图像质量。
综上所述，本发明的实施例的投影装置至少具有下列其中一个优点：在本发明的实施例的投影装置中，第二子图像光束相较于第一子图像光束会先传递至光学致动元件，因此第一子图像光束在光学致动元件内的传递路径的长度(即第一传递路径)小于第二子图像光束在光学致动元件内的传递路径的长度(即第二传递路径)。第二子图像光束离开光学致动元件的位置可以更靠近第一子图像光束离开光学致动元件的位置。随后，第二子图像光束入射于投影镜头的位置可以更靠近第一子图像光束入射于投影镜头的位置。换言之，第一子图像光束入射于投影镜头的入射角的大小较为接近第二子图像光束入射于投影镜头的入射角的大小。如此一来，第一子图像光束所形成的部分图像画面与第二子图像光束所形成的部分图像画面之间因折射造成的距离差异较小，而使得扭曲的现象较为不明显，因此本发明实施例的投影装置具有良好的图像质量
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及本发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。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。此外，本说明书或申请专利范围中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(Element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
符号说明
100、100a：投影装置
110：照明系统
112：光源
114：滤光层
116：积分柱
118：聚光透镜
119：反射元件
120：光阀
122：图像显示面
130：光学致动元件
132、132a：透光元件
134：致动器
136：棱镜结构
140：投影镜头
B、B’：照明光束
E1：第一端
E2：第二端
IB：图像光束
SIB1：第一子图像光束
SIB2：第二子图像光束
IS、ISt0、ISt1：图像画面
P1：第一像素
P2：第二像素
P3：第三图像像素
P4：第四图像像素
R1：第一区域
R2：第二区域
R3：第三区域
R4：第四区域
PS1：第一位置
PS2：第二位置
PS3：第三位置
PS4：第四位置
SR：显示媒介
OA：光轴
RA：转轴
θ1、θ2：底角
θ3、θ4：顶角

Claims (8)

1.一种投影装置，包括：照明系统、光阀、光学致动元件以及投影镜头；其中，
所述照明系统包括光源，所述光源提供照明光束；
所述光阀配置于所述照明光束的传递路径上，所述光阀包括图像显示面，用以将所述照明光束转换成图像光束；
所述光学致动元件配置于所述图像光束的传递路径上，所述光学致动元件用以在帧时间内偏移所述图像光束的传递方向；以及
所述投影镜头用以接收来自所述光学致动元件的所述图像光束且将所述图像光束投影于显示媒介，以在所述显示媒介上形成图像画面，
其中，所述光阀的所述图像显示面包括第一区域及第二区域，所述第一区域包括多个第一像素，用以将对应的所述照明光束转换成多个第一子图像光束，所述第二区域包括多个第二像素，用以将对应的所述照明光束转换成多个第二子图像光束，所述多个第一子图像光束及所述多个第二子图像光束形成部分所述图像光束，
所述多个第一子图像光束的其中之一在所述光学致动元件内的传递路径为第一传递路径，所述多个第二子图像光束的其中之一在所述光学致动元件内的传递路径为第二传递路径，且所述第一传递路径的长度小于所述第二传递路径的长度，
其中所述投影镜头具有光轴，且所述光学致动元件包括透光元件及致动器，所述透光元件具有彼此相对的第一端以及第二端，所述透光元件的所述第一端相对于所述第二端较邻近于所述投影镜头的所述光轴，其中，所述透光元件的宽度由所述第一端往所述第二端的方向递减；以及所述致动器用以控制所述透光元件以使所述透光元件沿着转轴来回偏转，所述转轴平行于所述光阀的所述图像显示面。
2.如权利要求1所述的投影装置，其中所述投影镜头具有光轴，所述第二区域相对于所述第一区域较靠近所述光轴。
3.如权利要求1所述的投影装置，其中所述透光元件的横截面为梯形，所述横截面垂直于所述光阀的所述图像显示面。
4.如权利要求1所述的投影装置，其中所述多个第一子图像光束的其中之一由所述透光元件的第一位置进入所述透光元件且由所述透光元件的第二位置离开所述透光元件，且所述多个第二子图像光束的其中之一由所述透光元件的第三位置进入所述透光元件且由所述透光元件的第四位置离开所述透光元件，所述第三位置相较于所述第一位置邻近于所述第一端，且所述第四位置相较于所述第二位置邻近于所述第一端，
其中，所述第一位置与所述第二位置定义出所述第一传递路径，所述第三位置与所述第四位置定义出所述第二传递路径。
5.如权利要求1所述的投影装置，其中所述图像画面具有对应所述第一区域的第三区域以及对应于所述第二区域的第四区域，所述第四区域相对于所述第三区域较远离所述图像画面的中心，其中所述多个第一子图像光束于所述第三区域形成所述图像画面的一部分，且所述多个第二子图像光束于所述第四区域形成所述图像画面的另一部分。
6.如权利要求1所述的投影装置，其中所述照明系统还包括：滤光层、积分柱、聚光透镜以及反射元件；其中，来自所述光源的所述照明光束依序通过所述滤光层、所述积分柱以及所述聚光透镜后并传递至所述反射元件，所述反射元件反射所述照明光束，且反射后的所述照明光束传递至所述光阀。
7.如权利要求1所述的投影装置，其中所述照明系统为非远心照明系统。
8.如权利要求3所述的投影装置，其中所述梯形的倾斜度为1度。
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