CN109375458A - 光积分模块及其适用的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光积分模块及其适用的光学系统，该光学系统包括光源及光积分模块。光积分模块包括光积分柱、光学组件以及抗反射层。光积分柱具有入口，且光学组件覆盖于光积分柱的入口。光学组件具有透光表面，其中透光表面的表面积大于光积分柱的入口的截面积。抗反射层形成于透光表面。其中，入射光穿透抗反射层，并沿光通路径穿透光学组件，再入射于光积分柱的入口。

Description

光积分模块及其适用的光学系统

本申请是申请人为“台达电子工业股份有限公司”、申请日为2014年12月05日、优先权日为2014年01月16日、申请号为201410737239.7、发明名称为“光积分模块及其适用的光学系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种光积分柱，尤指一种可防止灰尘覆盖于光积分柱入口的光积分模块及其所适用的光学系统。

背景技术

近年来，各式各样的投影机被广泛地应用于各种不同的影像用途。举例而言，投影机可在教室、会议室、研讨室或家庭剧院等场所举办演讲、主持会议或进行课程教学。通过投影机的处理，由影像信号源所提供的影像信号可被放大并显示于投影屏幕上。

图1为常用的数字光处理(digital light processing,DLP)投影系统中光由灯具到投影镜头的路径示意图。如图1所示，投影系统1包括灯具11、光积分柱12(例如，光通道)、中继透镜组13、全内部反射棱镜14(total internal reflection prism,TIR prism)、数字微镜装置15(digital micro-mirror device,DMD)以及投影镜头16。具有椭圆形反射镜的灯具11输出光束11a，并将光束11a汇聚到光积分柱12内。通过光积分柱12进行均匀化的光束11a穿透中继透镜组13以及全内部反射棱镜14，接着入射于数字微镜装置15上。然后，数字微镜装置15将经过均匀化的光进行调控并通过投影镜头16投射于屏幕(未图示)上。

图2为光汇聚于光积分柱入口表面的示意图。如图1所示，通常在使用光积分柱12时会在入口表面及出口表面涂布抗反射层，以增加光穿透率。由于从灯具11所发出的汇聚光束11a会聚焦于光积分柱12的入口表面121，使光积分柱12的入口表面121的表面温度相对较高。因此，对形成于光积分柱12的入口表面121的抗反射涂层而言，耐高温是重要的。

随着灯具11的功率的增加，光积分柱12的入口表面121的温度亦大幅的升高，且随着投影系统1使用越久，灰尘越可能附着于光积分柱12的表面。由于灰尘会吸收热量使灰尘附着处的表面温度上升，可能造成抗反射涂层受损，因此，为解决此问题，通常会移除抗反射涂层。然而，移除抗反射层会使光积分柱12的光穿透率下降，造成光通量降低。一般来说，玻璃的折射系数大约为1.5，根据菲涅耳方程式(Fresnel equations)可知，未涂布抗反射涂层的玻璃大约有4％的反射率。同样根据菲涅耳方程式可知，一般涂布合适的抗反射涂层可将反射率减少至1％以下。换言之，若移除光积分柱12的抗反射涂层，光学系统会损失大约3％的光通量。

有鉴于此，如何发展一种光积分模块及其适用的光学系统，以解决常用技术的缺失，实为本领域技术人员目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光积分模块及其适用的光学系统，通过将具有较大表面积的光学组件设置于光积分柱的入口，以解决常用的光积分柱因光源效率提升，而无法保留抗反射涂层的问题，或者因灰尘堆积使抗反射涂层过热受损的问题。

本发明的另一目的在于提供一种光积分模块及其适用的光学系统，将具有较大表面积的透光元件设置于光积分柱的入口，以增加入射于抗反射层的入射面积，降低光的密度以及抗反射涂层的工作温度，借以保留抗反射层并防止抗反射层受损，达到提升光积分模块整体光通率的优点。

根据本发明的构想，本发明的一较广实施样式为提供一种光积分模块，包括光积分柱、光学组件以及抗反射层。光积分柱具有入口，且光学组件覆盖于光积分柱的入口。光学组件具有透光表面，其中透光表面的表面积大于光积分柱的入口的截面积。抗反射层形成于透光表面。其中，入射光穿透抗反射层，并沿光通路径穿透光学组件，再入射于光积分柱的入口。

根据本发明的构想，本发明的另一较广实施样式为提供一种光学系统，包括光积分模块及光源。光积分模块包括光积分柱、光学组件以及抗反射层。光积分柱具有入口，且光学组件覆盖于光积分柱的入口前方。光学组件具有透光表面，其中透光表面的表面积大于光积分柱的入口的截面积。抗反射层形成于透光表面。光源提供入射光入射于抗反射层。其中，入射光穿透抗反射层，并沿光通路径穿透光学组件，再入射于光积分柱的入口。

根据本发明的构想，本发明的又一较广实施样式为提供一种光积分模块，包括光积分柱、光学组件以及抗反射层。光积分柱具有入口，且光学组件光耦合于光积分柱的入口。光学组件具有透光表面，其中透光表面的表面积大于光积分柱的入口的截面积。抗反射层形成于透光表面。其中，光学组件设置于光通路径的上游，光积分柱设置于光通路径的下游，入射光穿透抗反射层并沿该光通路径传输。

本发明的光积分模块及其适用的光学系统通过将具有较大表面积的光学组件设置于光积分柱的入口的前方，使光源入射于抗反射层的面积增加，降低光的密度以及抗反射层的工作温度，由此，在提升光源的功率的同时可保留抗反射层，达到提升光积分模块整体的光通率的优点。此外，通过光源入射于抗反射层的面积增加，使堆积于抗反射层表面的灰尘适度的分散，避免抗反射层过热受损，达到维持光积分模块整体光通率的优点。

附图说明

图1为常用的数字光处理投影系统中光由灯具到投影镜头的路径示意图。

图2为光汇聚于光积分柱入口表面的示意图。

图3为本发明较佳实施例的光学系统的光路径示意图。

图4A为本发明的具有平凸光学透镜的光积分模块的示意图。

图4B为本发明的具有平板玻璃的光积分模块的示意图。

图4C为本发明的另一具有平凸光学透镜的光积分模块的示意图。

图4D为本发明的另一具有平板玻璃的光积分模块的示意图。

图4E为本发明又一较佳实施例的光积分模块的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1：投影系统

2：光学系统

11、21：灯具

11a、21a：光束

12、220：光积分柱

121：入口表面

13、23：中继透镜组

14、24：全内部反射棱镜

15、25：数字微镜装置

16、26：投影镜头

22：光积分模块

221：光学组件

2210：透光元件

2211：固定元件

222：抗反射层

C：空间

E1：入口

E2：出口

R：光通路径

S1：透光表面

S2：背表面

S3：内部表面

S4：接合面

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的样式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图式在本质上是当作说明的用，而非架构于限制本发明。

请参阅图3并配合图4A、图4B、图4C、图4D以及图4E，图3为本发明较佳实施例的光学系统的光路径示意图，图4A为本发明的具有平凸光学透镜的光积分模块的示意图；图4B为本发明的具有平板玻璃的光积分模块的示意图；图4C为本发明的另一具有平凸光学透镜的光积分模块的示意图；图4D为本发明的另一具有平板玻璃的光积分模块的示意图；以及图4E为本发明又一较佳实施例的光积分模块的示意图。如图3及图4A所示，光学系统2(或称投影系统)包括光源21、光积分模块22、中继透镜组23、全内部反射棱镜24、影像产生装置25以及投影镜头26。光源21可为灯具、发光二极管模块(light-emitting diode,LED)或激光模块，用以提供汇聚的光束21a，使光束21a汇聚于光积分模块22。影像产生装置25可为数字微镜装置。接着，经由光积分模块22进行均匀化的光束21a依序穿透中继透镜组23以及全内部反射棱镜24，并入射于影像产生装置25上。然后，影像产生装置25将经过均匀化的光进行调控并通过投影镜头26投射于屏幕(未图示)上。其中，于图3、图4A、图4B、图4C、图4D以及图4E所示的光束21a仅为实际光束的部分标示，然而实际的光束为完整且连续的形式，且光通路径R是用以示意光进入光积分模块22所走的路径。

再如图3所示，光积分模块22包括光积分柱220、光学组件221以及抗反射层222。光积分柱220为可透光的实心柱体，且其材质以玻璃为较佳，其中，光积分柱220具有一入口E1及一出口E2，以当光线入射于光积分柱220的入口E1后，会经由出口E2离开光积分柱220。光学组件221覆盖于光积分柱220的入口E1前方，且光学组件221具有透光表面S1，并将抗反射层222形成于透光表面S1上，即光源21所提供的光束21a先穿透抗反射层222再入射于光学组件221的透光表面S1。接着，光束21a沿光通路径R穿透光学组件221并入射于光积分柱220的入口E1，使光束21a进入光积分柱220。然后，利用光积分柱220进行内部全反射，将光束均匀化并经由出口E2输出。

此外，如图4A、图4B、图4C、图4D以及图4E所示，光学组件221的透光表面S1具有一表面积，光积分柱220的入口E1具有一截面积，且透光表面S1的表面积大于入口E1的截面积。亦即，本发明利用增设光学组件221于光积分柱220之前，使抗反射层222形成于光学组件221的透光表面S1，并使光学组件221光耦合于光积分柱220的入口E1，由此光束21a入射于抗反射层222的入射面积将可增加，且可降低光的密度，并避免抗反射层222过热。此外，在提升光源21的功率的同时可保留抗反射层222，达到提升光积分模块22整体的光通率的优点。再则，随着光学系统2使用越久，堆积于抗反射层222的灰尘越多，即使灰尘将吸收的光源能量转变为热能，通过光源入射于抗反射层222的入射面积增加，使堆积于抗反射层222的表面的灰尘适度的分散，可避免抗反射层222过热受损，达到维持光积分模块22整体的光通率的优点。

于一些实施例中，光学组件221可为平凸光学透镜或平板玻璃(如图4A及图4B所示)。于另一些实施例中，光学组件221可为利用透光元件2210与固定元件2211所组成的复合元件(如图4C及图4D所示)。于其他实施例中，光学组件221可为光积分柱220的延伸(如图4E所示)。换言之，光学组件221可为任何具有一定厚度且可让光通过的表面扩增组件，具有透光表面S1，其中该表面扩增组件设置于光通路径R的上游，光积分柱220设置于光通路径R的下游，且表面扩增组件的透光表面S1的表面积大于光积分柱220的入口E1的截面积，以通过将表面扩增组件设置于光通路径R的上游，增加入射于抗反射层222的入射面积，降低光的密度以及抗反射涂层的工作温度。

请再参阅图4A以及图4B，光学组件221具有透光表面S1以及与透光表面S1相对的背表面S2，且入射于透光表面S1的入射光沿光通路径R依序穿透透光表面S1以及背表面S2，再入射于光积分柱220的入口E1。于图4A所示的实施例中，光学组件221为平凸光学透镜，其中透光表面S1可为任意平滑凸面，并以球面为较佳，且背表面S2为平面。于图4B所示的实施例中，光学组件221为平板玻璃，且透光表面S1以及背表面S2皆为平面。于一些实施例中，光学组件221的背表面S2与光积分柱220的入口E1相接触，并利用例如黏着剂，使光学组件221黏合并固定于光积分柱220的前方，但不以此为限。于一较佳实施例中，光积分柱220是与光学组件221一体成型，换言之，光积分柱220的入口E1对应于光学组件221的背表面S2处则连成一体。于一些实施例中，光学组件221的背表面S2的表面积大于光积分柱220的出口E1的截面积。

请再参阅图4C以及图4D，光学组件221包括透光元件2210以及固定元件2211，且透光元件2210具有透光表面S1以及与透光表面S1相对的内部表面S3。其中，透光元件2210固设于固定元件2211，固定元件2211固设于光积分柱220，并通过透光元件2210的内部表面S3、固定元件2211以及光积分柱220定义形成一空间C，使内部表面S3与光积分柱220间隔该空间C。由此，入射于透光表面S1的入射光沿光通路径R依序穿透透光表面S1、内部表面S3以及空间C，再入射于光积分柱220的入口E1，以增强光学组件221与光积分柱220的连结强度，并节省透光材料的成本。

再如图4C所示，光学组件221的透光元件2210为平凸光学透镜，其中透光表面S1可为任意平滑凸面，并以球面为较佳，且内部表面S3系为平面。如图4D所示，光学组件的透光元件2210为平板玻璃，即透光表面S1以及内部表面S3皆为平面。于本实施例中，固定元件2211的材质可为塑胶或铁合金，但不以此为限。

请再参阅图4E，光学组件221具有接合面S4，接合面S4与透光表面S1相对，接合面S4与光积分柱220的入口E1相组接，且较佳为光学组件221的接合面S4的截面积等于光积分柱220的入口E1的截面积，使光学组件221构成渐缩的结构。于一些实施例中，光积分柱220的入口E1的截面积大于出口E2的截面积，光学组件221的外周面与光积分柱220的外周面齐平(level)，使光学组件221与光积分柱220共同构成渐缩结构，借以降低制造成本。于一些实施例中，光学组件221的接合面S4与光积分柱220的入口E1相接触，并利用例如黏着剂，使光学组件221黏合并固定于光积分柱220的前方，但不以此为限。于一较佳实施例中，光积分柱220是与光学组件221一体成型，换言之，光积分柱220的入口E1对应于光学组件221的接合面S4处则连成一体。

综上所述，本发明的光积分模块及其适用的光学系统通过将具有较大表面积的光学组件设置于光积分柱的入口的前方，使光源入射于抗反射层的面积增加，降低光的密度以及抗反射层的工作温度，由此，在提升光源的功率的同时可保留抗反射层，达到提升光积分模块整体的光通率的优点。此外，通过光源入射于抗反射层的面积增加，使堆积于抗反射层表面的灰尘适度的分散，避免抗反射层过热受损，达到维持光积分模块整体光通率的优点。

本发明得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如权利要求所欲保护的范围。

Claims (13)

1.一种光积分模块，用于投影系统，该投影系统包括一光源以提供一入射光,且该入射光为汇聚光束，该光积分模块包括：

一光积分柱，具有一入口；

一光学组件，覆盖于该光积分柱的该入口，且该光学组件具有一透光表面，其中该透光表面的一表面积大于该光积分柱的该入口的一截面积；以及一抗反射层，形成于该透光表面，该抗反射层直接接触并完全覆盖该透光表面，且该透光表面上仅形成该抗反射层；

其中，该入射光穿透该抗反射层，并沿一光通路径穿透该光学组件，再入射于该光积分柱的该入口；以及

该光学组件为一平凸光学透镜，且该透光表面为一凸面。

2.如权利要求1所述的光积分模块，其中该光学组件还具有一背表面，该背表面与该透光表面相对，且该背表面与该光积分柱的该入口接触，使入射于该抗反射层的该入射光穿透该透光表面并沿该光通路径穿透该背表面，再入射于该入口。

3.如权利要求1所述的光积分模块，其中该光学组件还具有与该透光表面相对的一接合面，该接合面与该光积分柱的该入口相组接，且该光学组件的该接合面的一截面积等于该光积分柱的该入口的该截面积，使该光学组件构成一渐缩结构。

4.如权利要求3所述的光积分模块，其中该光积分柱还具有与该入口相对的一出口，该光积分柱的该入口的该截面积大于该出口的一截面积，该光学组件的一外周面与该光积分柱的一外周面齐平，使该光学组件及该光积分柱共同构成一渐缩结构。

5.如权利要求1所述的光积分模块，其中该光学组系通过一黏着剂与该光积分柱接合。

6.如权利要求1所述的光积分模块，其中该光学组件与该光积分柱一体成型。

7.如权利要求1所述的光积分模块，其中该光学组件还包括一透光元件及一固定元件，该透光元件具有与该透光表面相对的一内部表面，且该透光元件固设于该固定元件，该固定元件固设于该光积分柱，并通过该固定元件、该透光元件及该光积分柱定义形成一空间。

8.一种光学系统，用于投影系统，包括：

一光积分模块，包括：

一光积分柱，具有一入口；

一光学组件，覆盖于该光积分柱的该入口前方，且该光学组件具有一透光表面，其中该透光表面的一表面积大于该光积分柱的该入口的一截面积；以及

一抗反射层，形成于该透光表面，该抗反射层直接接触并完全覆盖该透光表面，且该透光表面上仅形成该抗反射层；以及

一光源，提供一入射光入射于该抗反射层,且该入射光为汇聚光束；

其中，该入射光穿透该抗反射层，并沿一光通路径穿透该光学组件，再入射于该光积分柱的该入口；以及

该光学组件为一平凸光学透镜，且该透光表面为一凸面。

9.一种光积分模块，用于投影系统，包括：

一光积分柱，具有一入口；

一光学组件，光耦合于该光积分柱的该入口，且该光学组件具有一透光表面，其中该透光表面的一表面积大于该光积分柱的该入口的一截面积；以及

一抗反射层，形成于该透光表面，该抗反射层直接接触并完全覆盖该透光表面，且该透光表面上仅形成该抗反射层；

其中，该光学组件设置于一光通路径的上游，该光积分柱设置于该光通路径的下游，以及一入射光穿透该抗反射层并沿该光通路径传输，且该入射光为汇聚光束；以及

该光学组件为一平凸光学透镜，且该透光表面为一凸面。

10.如权利要求9所述的光积分模块，其中该光学组件还具有一背表面，该背表面与该透光表面相对，且该背表面与该光积分柱的该入口接触，使入射于该抗反射层的该入射光穿透该透光表面并沿该光通路径穿透该背表面，再入射于该入口。

11.如权利要求9所述的光积分模块，其中该光学组件还具有与该透光表面相对的一接合面，该接合面与该光积分柱的该入口相组接，且该光学组件的该接合面的一截面积等于该光积分柱的该入口的该截面积，使该光学组件构成一渐缩结构。

12.如权利要求11所述的光积分模块，其中该光积分柱还具有与该入口相对的一出口，该光积分柱的该入口的该截面积大于该出口的一截面积，该光学组件的一外周面与该光积分柱的一外周面齐平，使该光学组件及该光积分柱共同构成一渐缩结构。

13.如权利要求9所述的光积分模块，其中该光学组件还包括一透光元件及一固定元件，该透光元件具有与该透光表面相对的一内部表面，且该透光元件固设于该固定元件，该固定元件固设于该光积分柱，并通过该固定元件、该透光元件及该光积分柱定义形成一空间。