CN110320735B - 投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种投影装置包含光源、光反射元件、光阀以及光束调整元件。光源配置以提供照明光束。光反射元件配置以反射照明光束。光阀配置以将光反射元件所反射的照明光束转换为影像光束。光束调整元件光耦合于光源与光反射元件之间，并包含准直透镜模块。准直透镜模块具有分别位于其相反侧的入光面以及出光面。入光面与出光面分别具有沿着不同方向延伸的第一光轴以及第二光轴。因此，本发明的投影装置可达到高光学效率与相对低失真，以及可获得高影像品质。

Description

投影装置
技术领域
本发明涉及一种投影装置。
背景技术
当投影装置在进行影像投影时，其光阀通常会将照明光束转换成影像光束，并将影像光束反射至投影镜头。影像光束接着再由投影镜头投影至屏幕上以成像。
在设计具有DLP架构的光引擎时，光学效率与均匀性难以达到良好的品质。一些现有设计的投影装置可能使用全反射棱镜(TIR prism)、反式全反射棱镜(RTIR prism)或多面镜作为光转换部件以实现高光学效率以及低照光失真(crosstalk)，但此投影装置的尺寸可能无法轻易地缩减，且此投影装置所提供的影像可能具有小的视角(例如，约40度)。
另一种现有设计的投影装置使用场镜作为光转换部件，其允许投影装置具有较小的体积以及较大的视角。然而，这种设计的投影装置可能具有差的光学效率以及相对高的失真，这将造成投影出来的影像的品质大幅降低。
因此，提出一种可解决上述问题的投影装置，是目前业界亟欲投入研发资源解决的问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明的一目的在于提出一种可有效解决前述问题的投影装置。
为了达到上述目的，依据本发明的一实施方式，一种投影装置包含光源、光反射元件、光阀以及光束调整元件。光源配置以提供照明光束。光反射元件配置以反射照明光束。光阀配置以将光反射元件所反射的照明光束转换为影像光束。光束调整元件光耦合于光源与光反射元件之间，并包含准直透镜模块。准直透镜模块具有分别位于其相反侧的入光面以及出光面。入光面与出光面分别具有沿着不同方向延伸的第一光轴以及第二光轴。
于本发明的一或多个实施方式中，光束调整元件进一步包含光均化模块。光均化模块在光源与准直透镜模块之间，并具有第三光轴。第一光轴与第三光轴之间的角度相异于第二光轴与第三光轴之间的角度。
于本发明的一或多个实施方式中，光均化模块为光积分器。
于本发明的一或多个实施方式中，光积分器包含多个微透镜。微透镜彼此附接并排列成阵列。
于本发明的一或多个实施方式中，第三光轴穿过微透镜的重心。
于本发明的一或多个实施方式中，第三光轴穿过微透镜中的一者。
于本发明的一或多个实施方式中，光均化模块包含单件式微透镜阵列。
于本发明的一或多个实施方式中，准直透镜模块为一体化透镜结构。
于本发明的一或多个实施方式中，准直透镜模块包含两子透镜。两子透镜按序排列于光源与光反射元件之间。入光面与出光面分别在两子透镜上。
于本发明的一或多个实施方式中，两子透镜彼此附接。
于本发明的一或多个实施方式中，两子透镜彼此分离。
于本发明的一或多个实施方式中，投影装置进一步包含投影镜头。投影镜头配置以接收影像光束。
于本发明的一或多个实施方式中，投影装置进一步包含场镜。场镜光耦合于光反射元件与光阀之间，并光耦合于光阀与投影镜头之间。
于本发明的一或多个实施方式中，投影装置进一步包含场镜。场镜在光反射元件与光阀之间。照明光束被反射而经由场镜抵达光阀。影像光束传播经过场镜。
于本发明的一或多个实施方式中，入光面为准直透镜模块面向且最靠近光源的部位。
于本发明的一或多个实施方式中，出光面为准直透镜模块面向且最靠近光反射元件的部位。
于本发明的一或多个实施方式中，第一光轴通过入光面的中心。
于本发明的一或多个实施方式中，第一光轴垂直于入光面。
于本发明的一或多个实施方式中，第二光轴通过出光面的中心。
于本发明的一或多个实施方式中，第二光轴垂直于出光面。
综上所述，在本发明的投影装置中，光束调整元件的准直透镜模块具有分裂光轴(亦即，不连续光轴)。具体来说，准直透镜模块的入光面与出光面分别具有沿着不同方向延伸的两光轴。此外，光束调整元件的光均化模块具有一光轴，且入光面的光轴与光均化模块的光轴之间的角度相异于出光面的光轴与光均化模块的光轴之间的角度。因此，本发明的投影装置可达到高光学效率与相对低失真，以及可获得高影像品质。
以上所述仅用以阐述本发明所欲解决的问题、解决问题的技术手段、及其产生的技术效果等等，本发明的具体细节将在下文的实施方式及相关附图中详细介绍。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，说明书附图的说明如下：
图1为示出根据本发明一些实施方式的投影装置的示意图。
图2为示出图1中的光束调整元件的放大图。
图3为示出投影装置的一些部件以及传播于其间的照明光束与影像光束的光线的示意图。
图4为示出根据本发明一些实施方式的投影装置的示意图。
图5为示出根据本发明一些实施方式的投影装置的示意图。
图6为示出根据本发明一些实施方式的投影装置的示意图。
图7为示出根据本发明一些实施方式的投影装置的示意图。
附图标记说明：
100、200、300、400、500：投影装置
110：光源
120：光阀
130、230、330、430、530：光束调整元件
132、232、332：准直透镜模块
132a、232a1、332a1：入光面
132b、232b1、332b1：出光面
134、434、534：光均化模块
134a：微透镜
140：光反射元件
150：投影镜头
160：场镜
170：保护盖
232a、232b、332a、332b：子透镜
534a、534b：微透镜阵列
A1：第一光轴
A2：第二光轴
C1、C2：中心
C3：重心
L1：照明光束
L11、L21：中央光线
L12、L13、L22、L23：外围光线
L2：影像光束
θ1、θ2：角度
具体实施方式
以下将以附图公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式示出，且不同实施方式中的相同元件以相同的元件符号标示。
请参照图1。图1为示出根据本发明一些实施方式的投影装置100的示意图。如图1所示，投影装置100包含光源110、光阀120、光束调整元件130以及光反射元件140。光源110配置以提供照明光束L1。为了简化，照明光束L1在图1中是以光线的形式描绘。于一些实施方式中，光源110包含至少一发光二极管(light emitting diode,LED)、高压汞灯(ultrahigh pressure lamp,UHP lamp)或是类似物。
光反射元件140配置以反射由光源110传播而来的照明光束L1。于一些实施方式中，光反射元件140例如为反射镜，但本发明并不以此为限。光阀120配置以将光反射元件140所反射的照明光束L1转换为影像光束L2。为了简化，影像光束L2在图1中是以光线的形式描绘。
光束调整元件130光耦合于光源110与光反射元件140之间。换言之，照明光束L1从光源110经由光束调整元件130传播至光反射元件140。光束调整元件130包含准直透镜模块132以及光均化模块134。光均化模块134在光源110与准直透镜模块132之间。光均化模块134配置以均化通过光均化模块134的照明光束L1，以及调整通过光均化模块134的照明光束L1的光形。举例来说，若光阀120的主动面(照明光束L1于此被转换成影像光束L2)具有矩形的形状，则传递至光阀120的照明光束L1的光形也呈现矩形为较佳。调整照明光束L1的光形的方式可通过光均化模块134来实现。
准直透镜模块132在光均化模块134与光反射元件140之间。准直透镜模块132配置以窄化由光均化模块134传播而来的照明光束L1。“窄化”可意味着使得照明光束L1的光线在特定方向上变得更加对准，或者使得照明光束L1的空间横截面变得更小。
如图1所示，投影装置100进一步包含投影镜头150。投影镜头150配置以接收影像光束L2。并且，投影装置100进一步包含场镜160。场镜160光耦合于光反射元件140与光阀120之间，并光耦合于光阀120与投影镜头150之间。换言之，场镜160在照明光束L1与影像光束L2的传播路径上。更详细来说，照明光束L1被反射而经由场镜160抵达光阀120，且影像光束L2从光阀120经由场镜160传播至投影镜头150。场镜160配置以会聚影像光束L2，并将影像光束L2传递至投影镜头150。于一些实施方式中，如图1所示，投影装置100可进一步包含保护盖170。保护盖170在光阀120与场镜160之间，并在光阀120前方以保护光阀120。
于一些实施方式中，光阀120例如为数字微型反射镜元件(digital micro-mirrordevice,DMD)，其在其主动面上具有数十万个以矩形阵列排列的微镜子分别对应至待显示影像中的像素。这些镜子可以单独旋转至开启状态或关闭状态。在开启状态中，由光反射元件140反射的照明光束L1被镜子反射以形成影像光束L2，此影像光束L2传播到投影镜头150，使得像素在屏幕显示为亮的。在关闭状态中，由光反射元件140反射的照明光束L1被镜子引导到别处，使得像素显示为暗的。
请参照图2。图2为示出图1中的光束调整元件130的放大图。准直透镜模块132具有分别位于其相反侧的入光面132a以及出光面132b。入光面132a为准直透镜模块132面向且最靠近光源110的部位。出光面132b为准直透镜模块132面向且最靠近光反射元件140的部位。入光面132a与出光面132b分别具有沿着不同方向延伸的第一光轴A1以及第二光轴A2。具体来说，第一光轴A1通过入光面132a的中心C1，并垂直于入光面132a。第二光轴A2通过出光面132b的中心C2，并垂直于出光面132b。换句话说，准直透镜模块132具有分裂光轴(亦即，不连续光轴)。于一些实施方式中，入光面132a的中心C1指的是入光面132a的形心。于一些实施方式中，出光面132b的中心C2指的是出光面132b的形心。另一方面，第一光轴A1与第三光轴A3之间的角度θ1相异于第二光轴A2与第三光轴A3之间的角度θ2。
通过前述光学配置，投影装置100可达到高光学效率与相对低失真，以及可获得高影像品质。具体来说，通过在投影装置100中采用具有分裂光轴的光束调整元件130，照明光束L1入射至光阀120的立体角度可以很好地控制。举例来说，照明光束L1入射至光阀120的主光线角度(chief ray angle)可被控制少于3度。
于实际应用中，准直透镜模块132的一些设计参数(例如，角度θ1、角度θ2、入光面132a的形状、出光面132b的形状…等)可通过光学模拟软件的辅助而调整，进而很好地控制照明光束L1入射至光阀120的立体角度。
请参照图3。图3为示出投影装置100的一些部件以及传播于其间的照明光束L1与影像光束L2的光线的示意图。如图3所示，由于照明光束L1的主光线角度可以很好地控制，照明光束L1的光线(例如，中央光线L11与外围光线L12、L13)可以实质上相同的入射角抵达光阀120的主动面，因此离开光阀120的影像光束L2的光线(例如，例如，中央光线L21与外围光线L22、L23)可实质上相互平行。于一些实施方式中，离开光阀120的影像光束L2的光线可实质上垂直于光阀120的主动面。如此，影像光束L2可以更容易地完全进入投影镜头150，因此投影装置100的光学效率损失可以有效地减少。相反地，在采用具有单一光轴(亦即，未分裂)的光束调整元件的现有投影装置中，照明光束的光线无法以预定的入射角抵达光阀，这导致照明光束的不均匀性，进而降低光学效率(例如，约20％或更高)。
进一步来说，投影装置100中具有分裂光轴的光束调整元件130还可以针对因场镜160在照明光束L1的传播路径上而引起的像差均匀化，从而可以减少失真的产生，并且入射在光阀120上的照明光束L1可以更均匀(亦即，照明光束L1的光斑尺寸更均匀)。相反地，具有单一光轴的现有光束调整元件可能会在照明光束入射光阀时导致照明区域的变形。
于一些实施方式中，如图1与图2所示，准直透镜模块132为一体化透镜结构。另一方面，光均化模块134为光积分器。光积分器包含多个微透镜134a。微透镜134a彼此附接并排列成阵列(例如，矩形阵列)。第三光轴A3穿过微透镜134a的重心C3，其中重心C3在微透镜134a中的一者上。于其他一些实施方式中，重心C3可与微透镜134a分离。
请参照图4。图4为示出根据本发明一些实施方式的投影装置200的示意图。如图4所示，于一些实施方式中，投影装置200包含光源110、光阀120、光束调整元件230、光反射元件140、投影镜头150、场镜160以及保护盖170，其中光束调整元件230包含准直透镜模块232以及光均化模块134。光源110、光阀120、光均化模块134、光反射元件140、投影镜头150、场镜160以及保护盖170相同或相似于图1所示的实施方式，因此这些元件的描述相同，且为了简洁而在此恕不赘述。相比于图1所示的实施方式，光束调整元件230的准直透镜模块232包含两个子透镜232a、232b。两子透镜232a、232b彼此附接，并按序排列于光源110与光反射元件140之间。两子透镜232a、232b分别具有入光面232a1与出光面232b1。入光面232a1为准直透镜模块232面向且最靠近光源110的部位。出光面232b1为准直透镜模块232面向且最靠近光反射元件140的部位。入光面232a1的光轴、出光面232b1的光轴与光均化模块134的光轴之间的关系相同或相似于图1所示的实施方式，因此这些元件的描述相同，且为了简洁而在此恕不赘述。于一些实施方式中，准直透镜模块232所包含的子透镜的数量可大于二。
请参照图5。图5为示出根据本发明一些实施方式的投影装置300的示意图。如图5所示，于一些实施方式中，投影装置300包含光源110、光阀120、光束调整元件330、光反射元件140、投影镜头150、场镜160以及保护盖170，其中光束调整元件330包含准直透镜模块332以及光均化模块134。光源110、光阀120、光均化模块134、光反射元件140、投影镜头150、场镜160以及保护盖170相同或相似于图4所示的实施方式，因此这些元件的描述相同，且为了简洁而在此恕不赘述。相比于图4所示的实施方式，光束调整元件330的准直透镜模块332也包含两个子透镜332a、332b，但两子透镜332a、332b彼此分离。两子透镜332a、332b分别具有入光面332a1与出光面332b1。入光面332a1为准直透镜模块332面向且最靠近光源110的部位。出光面332b1为准直透镜模块332面向且最靠近光反射元件140的部位。入光面332a1的光轴、出光面332b1的光轴与光均化模块134的光轴之间的关系相同或相似于图1所示的实施方式，因此这些元件的描述相同，且为了简洁而在此恕不赘述。于一些实施方式中，准直透镜模块332可在两子透镜332a、332b之间包含一或多个额外的子透镜。
请参照图6。图6为示出根据本发明一些实施方式的投影装置400的示意图。如图6所示，于一些实施方式中，投影装置400包含光源110、光阀120、光束调整元件430、光反射元件140、投影镜头150、场镜160以及保护盖170，其中光束调整元件430包含准直透镜模块132以及光均化模块434。光源110、光阀120、准直透镜模块132、光反射元件140、投影镜头150、场镜160以及保护盖170相同或相似于图1所示的实施方式，因此这些元件的描述相同，且为了简洁而在此恕不赘述。相比于图1所示的实施方式，光均化模块434为光积分器，且此积分器为一体化透镜结构。光均化模块434也配置以均化通过光均化模块434的照明光束L1，以及调整通过光均化模块434的照明光束L1的光形。
请参照图7。图7为示出根据本发明一些实施方式的投影装置500的示意图。如图7所示，于一些实施方式中，投影装置500包含光源110、光阀120、光束调整元件530、光反射元件140、投影镜头150、场镜160以及保护盖170，其中光束调整元件530包含准直透镜模块132以及光均化模块534。光源110、光阀120、准直透镜模块132、光反射元件140、投影镜头150、场镜160以及保护盖170相同或相似于图1所示的实施方式，因此这些元件的描述相同，且为了简洁而在此恕不赘述。相比于图1所示的实施方式，光均化模块534包含两个微透镜阵列534a、534b。两微透镜阵列534a、534b中的每一者为单件式结构。两微透镜阵列534a、534b按序排列于光源110与准直透镜模块132之间。光均化模块534也配置以均化通过光均化模块534的照明光束L1，以及调整通过光均化模块534的照明光束L1的光形。
由以上对于本发明的具体实施方式的详述，可以明显地看出，在本发明的投影装置中，光束调整元件的准直透镜模块具有分裂光轴(亦即，不连续光轴)。具体来说，准直透镜模块的入光面与出光面分别具有沿着不同方向延伸的两光轴。此外，光束调整元件的光均化模块具有一光轴，且入光面的光轴与光均化模块的光轴之间的角度相异于出光面的光轴与光均化模块的光轴之间的角度。因此，本发明的投影装置可达到高光学效率与相对低失真，以及可获得高影像品质。
虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并不用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (15)

1.一种投影装置，其特征在于，包含：
一光源，配置以提供一照明光束；
一光反射元件，配置以反射该照明光束；
一光阀，配置以将该光反射元件所反射的该照明光束转换为一影像光束；以及
一光束调整元件，光耦合于该光源与该光反射元件之间，并包含一准直透镜模块，该准直透镜模块具有分别位于其相反侧的一入光面以及一出光面，其中该入光面与该出光面分别具有沿着不同方向延伸的一第一光轴以及一第二光轴。
2.如权利要求1所述的投影装置，其中该光束调整元件进一步包含：
一光均化模块，在该光源与该准直透镜模块之间，并具有一第三光轴，其中该第一光轴与该第三光轴之间的一角度相异于该第二光轴与该第三光轴之间的一角度。
3.如权利要求2所述的投影装置，其中该光均化模块为一光积分器。
4.如权利要求3所述的投影装置，其中该光积分器包含多个微透镜，所述多个微透镜彼此附接并排列成一阵列。
5.如权利要求4所述的投影装置，其中该第三光轴穿过所述多个微透镜的一重心。
6.如权利要求2所述的投影装置，其中该光均化模块包含一单件式微透镜阵列。
7.如权利要求1所述的投影装置，其中该准直透镜模块为一一体化透镜结构。
8.如权利要求1所述的投影装置，其中该准直透镜模块包含两子透镜，该两子透镜按序排列于该光源与该光反射元件之间，并且该入光面与该出光面分别在该两子透镜上。
9.如权利要求1所述的投影装置，进一步包含一投影镜头，该投影镜头配置以接收该影像光束。
10.如权利要求9所述的投影装置，进一步包含一场镜，该场镜光耦合于该光反射元件与该光阀之间，并光耦合于该光阀与该投影镜头之间。
11.如权利要求1所述的投影装置，进一步包含一场镜，该场镜在该光反射元件与该光阀之间，其中该照明光束被反射而经由该场镜抵达该光阀，并且该影像光束传播经过该场镜。
12.如权利要求1所述的投影装置，其中该入光面为该准直透镜模块面向且最靠近该光源的一部位。
13.如权利要求1所述的投影装置，其中该出光面为该准直透镜模块面向且最靠近该光反射元件的一部位。
14.如权利要求1所述的投影装置，其中该第一光轴通过该入光面的一中心。
15.如权利要求1所述的投影装置，其中该第二光轴通过该出光面的一中心。
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