CN1103455C

CN1103455C - 光均匀化装置

Info

Publication number: CN1103455C
Application number: CN 00128800
Authority: CN
Inventors: 陈豪智
Original assignee: BenQ Corp
Current assignee: BenQ Corp
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2003-03-19
Anticipated expiration: 2020-09-22
Also published as: CN1344953A

Abstract

一种光均匀化装置，用来将光源产生的光束作亮度均匀化处理，在光叠合装置中，第一叠合透镜为凸透镜，设于分束装置的后侧，接收分束装置传来的多条近似平行的光束；第二叠合透镜为一凹透镜，平行地设置于第一叠合透镜之后且位于第一叠合透镜的焦距之内，接收第一叠合透镜所传来的多条光束。所述第一、二叠合透镜的光轴相互重合并形成一中心轴。上述光均匀化装置满足了光路短、光束尺寸小以及光束平行的要求，提高了整体光机的性能。

Description

光均匀化装置

本发明涉及一种光均匀化装置。

请参阅图1。图1为现有光均匀化装置10的示意图。光均匀化装置10应用于投影装置，用来将光源11产生的光束L作亮度均匀化处理，以供投影之用。现有光均匀化装置10包括：分束装置12，用来将光源11传来的光束L转换成多条近似平行的光束l；光叠合装置14，用来将多条光束l叠合以形成比光源11所发出原光束更为均匀的叠合光束L^*。

如图1所示，分束装置12包括多个第一分束透镜16，以及多个第二分束透镜18。多个第二分束透镜18与多个第一分束透镜16相对应。多个第一分束透镜16为平凸透镜，用来接收来自光源11的光束L，并将之转换成多条光束l。多个第二分束透镜18亦为平凸透镜，且位于多个第一分束透镜16的焦距之外，用来接收多条光束l，并将之传至光叠合装置14。

光叠合装置14包括第一叠合透镜20和第二叠合透镜22。第一叠合透镜20为一平凸透镜，设于分束装置12的多个第二分束透镜18的后侧，用来接收分束装置12传来的多条近似平行的光束l。第二叠合透镜22为一凸透镜，平行地设置于第一叠合透镜20之后，用来接收第一叠合透镜20所传来的多条光束l。如图1所示，多条光束l在经过第一及第二叠合透镜20、22的过程中，会逐渐叠和，并形成叠合光束L^*。

一般而言，光源11发出的光束L的亮度并不均匀，故由光束L所分出的多条光束l的亮度并不相同。但由于叠合光束L^*是由多条光束l叠合而成，故叠合光束L^*可比原光束L的亮度更加平均，如此以达到光均匀化的目的。

通常在设计小型的投影装置时，会同时希望光路短、光束尺寸W小、以及光束平行，以提高整体光机的性能。光路短可使投影装置小型化；光束尺寸W小可使其后所使用的各种光学元件，如透镜、分色镜、偏振分束器等的体积得以缩小，以缩小整体光机体积，并降低成本。另外，因为一般的分色镜、穿透式液晶显示板及反射式液晶显示板皆有入射角范围的限制，故若同时入射的各个光束较接近平行，则可不太受到穿透式或反射式液晶显示板入射角范围的限制。

请参阅图2。图2为图1光均匀化装置10与一分色镜24配合使用的光路示意图。现以光束L所形成的一光束l′以及一光束l″为例，如前所述，若光束l′与光束l″未能接近平行，则光束l′与光束l″入射至分色镜24的入射角θ′、θ″就会不同，又因为分色镜24的入射角具有一定的范围限制，故若光束l′与光束l″入射角θ′、θ″的差异过大，就无法同时满足该入射角范围的限制。通常若欲解决此一问题，就必须使用较昂贵的元件(如渐层镀膜的分色镜)，以同时满足不同的入射角。

然而，对于现有光均匀化装置10而言，要同时要求光路短、光束尺寸小、以及光束接近平行，设计上实有困难。就分束装置12的部分来看，如图1所示，第二分束透镜18通常必须设于第一分束透镜16的焦距之后，以使自第二分束透镜18射出的光束能以稍微发散的状态射出，故第二分束透镜18与第一分束透镜16之间的光路就至少不能比第一分束透镜16的焦距短。而就光叠合装置14的部分来看，若要光束尺寸W小，则第二叠合透镜22的曲率就要大，但如此又会造成光束朝中间聚缩，使光束不很平行。故现有光均匀化装置10的结构并无法满足光路短、光束尺寸小、以及光束接近平行的设计需求。

因此，本发明的主要目的是提供一种光均匀化装置，该装置能够实现缩短光路、减少光束尺寸、以及使光束更接近平行的设计目标。

为实现本发明的目的，提供了一种光均匀化装置，用来将一光源产生的光束作亮度均匀化处理，所述光均匀化装置包括：一分束装置，用来将所述光源传来的光束转换成多条近似平行的光束；以及一光叠合装置，用来将所述多条光束叠合以形成一比光源所发出原光束更为均匀的叠合光束，其特征在于，所述光叠合装置包括：

第一叠合透镜，为一凸透镜，设于所述分束装置的后侧，用来接收所述分束装置传来的多条近似平行的光束；

第二叠合透镜，为一凹透镜，平行地设置于所述第一叠合透镜之后且位于所述第一叠合透镜的焦距之内，用来接收所述第一叠合透镜所传来的多条光束，其中所述第一叠合透镜与所述第二叠合透镜的光轴相互重合以形成一中心轴，

其中，当从所述分束装置传来的多条光束经过所述光叠合装置的第一叠合透镜时，多条光束会朝所述中心轴的方向偏折，当所述多条光束经过所述第二叠合透镜时，所述多条光束会朝着与所述中心轴平行的方向偏折，而在所述分束装置传来的多条光束经过所述第一及第二叠合透镜的过程中，所述多条光束会逐渐叠合以形成所述叠合光束。

为实现本发明的目的，还提供了一种光均匀化装置，用来将一光源所产生的光束作亮度均匀化处理，所述光均匀化装置包括一分束装置，用来将所述光源传来的光束转换成多条近似平行的光束，其特征在于，所述分束装置包括：

一第一透镜组，其包括多个第一分束透镜，所述多个第一分束透镜为多个凸透镜，且以阵列的型态排列成一第一平面，用来接收所述光源传来的光束；以及

一第二透镜组，其包括多个与所述多个第一分束透镜相对应的第二分束透镜，所述多个第二分束透镜为多个凹透镜，且以阵列的型态排列成一第二平面，所述第二平面系与所述第一平面平行，所述多个第二分束透镜位于所述多个第一分束透镜的焦距之内；

其中，当所述光源传来的光束经过所述第一透镜组时，每一个第一分束透镜会将其接收到的光束朝其自身光轴的方向聚缩以形成一光束，而所述多个第一分束透镜可将所述光源传来的光束转换成所述多条光束，当所述多条光束经过所述第二透镜组时，每一个第二分束透镜会将相对应的第一分束透镜传来的光束朝着远离其自身光轴的方向偏折，并呈发散状。

为实现本发明的目的，还提供了一种具有一光均匀化装置的投影装置，所述投影装置包括：一光源，用来产生一光束；多个分色镜，用来将所述光束分离成红绿蓝三束单色光；多个反射镜，用来反射所述红绿蓝三束单色光；多个分束镜；多个反射式液晶显示板，其内含一半波长延迟装置，用来调制所述红绿蓝三束单色光，使之内含一影像信息；一色合成方体，用来将所述红绿蓝三束单色光的所述影像信息合成一束内含影像的光束；以及一投影镜头组，用来将所述内含影像的光束投影至一萤幕。所述光均匀化装置包括：一分束装置，用来将所述光源传来的光束转换成多条近似平行的光束；以及一光叠合装置，用来将所述多条光束叠合以形成一较原光源所发出光束更为均匀的叠合光束，其特征在于，所述光叠合装置包括：

一第一叠合透镜，为一凸透镜，设于所述分束装置的后侧，用来接收所述分束装置传来的多条近似平行的光束；

一第二叠合透镜，为一凹透镜，平行地设置于所述第一叠合透镜之后且位于所述第一叠合透镜的焦距之内，用来接收所述第一叠合透镜所传来的多条光束，其中所述第一叠合透镜与所述第二叠合透镜的光轴相互重合以形成一中心轴；

其中，当所述分束装置传来的多条光束经过所述光叠合装置的第一叠合透镜时，所述多条光束会朝所述中心轴的方向偏折，当所述多条光束经过所述第二叠合透镜时，所述多条光束会朝着与所述中心轴平行的方向偏折，而在所述分束装置传来的多条光束经过所述第一及第二叠合透镜的过程中，所述多条光束会逐渐叠合以形成所述叠合光束。

本发明的优点在于，由于在本发明的光均匀化装置中采用了凹透镜，缩短了光路的长度，同时使得出射的光束基本平行。因此，能够容易地同时满足光路短、光束尺寸小、以及光束平行的设计要求，提高了整体光机的性能。

下面参照附图详细地描述本发明的优选实施例。附图中，

图1为现有光均匀化装置的示意图；

图2为图1光均匀化装置与一分色镜配合使用的光路示意图；

图3为本发明光均匀化装置应用于一投影装置的示意图；

图4为本发明光均匀化装置的示意图；

图5为图4分束装置的第一分束透镜以及与其相对应的第二分束透镜的示意图；

图6为图4光均匀化装置的分束装置与图1现有分束装置的分束装置的比较示意图；

图7为图4光均匀化装置的光叠合装置与图1现有光叠合装置的光路比较示意图。

请参阅图3。图3为本发明光均匀化装置40应用于投影装置42的示意图。投影装置42用来将光束L调制成含影像的光束L′，并投影至萤幕44上以形成影像画面。投影装置42包括：光源46，用来产生光束L；三个分色镜48、49、50，用来将光束L分离成红、绿、蓝三束单色光R、G、B；二个反射镜51、52，用来反射三束单色光R、G、B；三个偏振分束器53、54、55；三个反射式液晶显示板(内含半波长延迟装置；half wave retarder)56、57、58，用来调制三单色光R、G、B，使之内含影像信息；一色合成方体(Colorcube；X-cube)60，用来将内含影像的三单色光R、G、B合成内含影像的光束L′；以及投影镜头组62，用来将内含影像的光束L′投影至萤幕44，以形成影像画面。而本发明的光均匀化装置40用来将原先未均匀化的光束L作亮度均匀化处理，并送至分色镜48、49，使该投影至萤幕44的影像画面的亮度更均匀。

请参阅图4。图4为本发明光均匀化装置40的示意图。光均匀化装置40包括：分束装置66，用来将光源46传来的光束L转换成多条近似平行的光束l；以及光叠合装置68，用来将多条光束l叠合以形成比光源46所发出的原光束L更为均匀的叠合光束L^*。

分束装置66包括第一透镜组70以及第二透镜组72。第一透镜组70包括多个第一分束透镜74，多个第一分束透镜74为多个平凸透镜，且以阵列的型态排列成第一平面76，用来接收光源46传来的光束L。第二透镜组72包括多个与多个第一分束透镜74相对应的分束透镜78，多个第二分束透镜78为多个平凹透镜，且以阵列的型态排列成第二平面80，第二平面80与第一平面76平行，且多个第二分束透镜78位于多个第一分束透镜74的焦距之内。

光叠合装置68包括第一叠合透镜82以及第二叠合透镜84，第一叠合透镜82为平凸透镜，设于分束装置66的第二透镜组72的后侧，用来接收分束装置66传来的多条光束1。第二叠合透镜84为凹透镜，平行地设置于第一叠合透镜82之后，且位于第一叠合透镜82的焦距之内，用来接收第一叠合透镜82所传来的多条光束l。第二叠合透镜84位于第一叠合透镜82的焦距之内。第一叠合透镜82与第二叠合透镜84的光轴相互重合以形成一中心轴86，且中心轴86垂直于第一及第二平面76、80并通过第一及第二透镜组70、72的中心部位85、87。(一透镜的光轴是指，若一光束沿与该透镜垂直的一个轴线射入该透镜，而该光束仍会沿该轴线的方向射出，不会偏折，则该轴线称为该透镜的光轴。以下提及的“某透镜的光轴”，亦同此说明。)

如图4所示，当光源46传来的光束L经过第一透镜组70时，每一个第一分束透镜74会将其接收到的光束朝其自身光轴88的方向聚缩以形成光束l，而多个第一分束透镜74可将光源46传来的光束L转换成多条光束l。当多条光束l经过第二透镜组72时，每一个第二分束透镜78会将相对应的第一分束透镜74传来的光束l朝着远离其自身光轴90的方向偏折，并呈发散状。

当分束装置66传来的多条光束l经过光叠合装置68的第一叠合透镜82时，多条光束l会朝中心轴86的方向偏折，但仍呈发散状，当多条光束l经过第二叠合透镜84时，多条光束l会朝着与中心轴86平行的方向偏折，且每一条光束l均会发散而分布于整个投影面板。在分束装置66传来的多条光束1经过第一及第二叠合透镜82、84的过程中，每一条多条光束l会叠合，以形成较原光束L更均匀的叠合光束L^*。

请参阅图5。图5为图4分束装置66的第一分束透镜74以及与其相对应的第二分束透镜78的示意图。分束装置66的每一个第二分束透镜78的光轴90不与相对应的第一分束透镜74的光轴88叠合，且第二分束透镜78的光轴90朝远离中心轴86的方向偏移一偏移量d，以使自多个第二分束透镜78射出的多条光束l得以朝中心轴86的方向偏折，分摊位于多个第二分束透镜78后的第一叠合透镜82聚合光束l的工作。此处，仅仅选择性地考虑偏移量d，可令偏移量d为零，亦即不分担第一叠合透镜82的聚合光束l的工作。各个第二分束透镜78的光轴偏移量d随着第二分束透镜78与中心轴86距离的远近而有不同，第二分束透镜78距中心轴86越远，光轴偏移量d越大；距中心轴86越远，光轴偏移量d越小。

请参阅图6。图6为图4分束均匀化装置40的分束装置66与图1现有分束装置10的分束装置12的比较示意图。由于现有分束装置12的第一分束透镜16与第二分束透镜18皆为凸透镜，故第二分束透镜18必须设于第一分束透镜16的焦距之后，以使自第二分束透镜18射出的光束能以适度的发散角射出，以便能有效照明整个投影面板。但正因如此，使得现有第一分束透镜16与第二分束透镜18之间的距离无法缩短，导致光程过长，光机体积过大。然而对本发明光均匀化装置40的分束装置66而言，在本发明光均匀化装置40所使用的第一分束透镜74与现有光均匀化装置10的第一分束透镜16焦距相同的情形下，因为本发明的第二分束透镜78为凹透镜，故本发明的第二分束透镜78可设于第一分束透镜74的焦距前，而仍能使自第二分束透镜78射出的光束以适度的发散角射出，如此即可达到缩短光程、减少光机体积的目的。

请参阅图7，图7为图4光均匀化装置40的光叠合装置68与图1现有光叠合装置14的光路比较示意图。由于现有光叠合装置14的第一叠合透镜20与第二叠合透镜22皆为凸透镜，故叠合光束L^*的工度W无法缩小。然而，对本发明光均匀化装置40的光叠合装置68而言，其第一叠合透镜82可为一曲率较大的凸透镜，以使光束l迅速朝中心轴86偏折，而由于其第二叠合透镜84为凹透镜，故可使光束l朝向平行于中心轴86的方向偏折，如此既可使光束尺寸W缩小，又可同时达到减少元件体积、符合LCD面板入射角限制的要求。此外，由于第一叠合透镜82会使光束l迅速朝中心轴86聚合，故亦可缩短第一叠合透镜82与第二叠合透镜84之间的距离，达到缩短光程的效果。

以上是针对光均匀化装置40本身所做的说明。投影装置42还可包括一偏振转换器(Polarization Converter)，设置于第一透镜组70以及第二透镜组72之间，或是第二透镜组72与第一叠合透镜82之间，用来将多条光束l作偏振处理，以使该多条光束l具有相同的偏振方向或偏振态。又由于某些偏振转换器会将光束一分为二，所以在该偏振转换器设置于第一透镜组70以及第二透镜组72之间时，射至第二透镜组72的光束的数目会倍增，此时仅须将第二透镜组72的第二分束透镜78的数目及位置做相对应的调整，同样可以达到本发明的目的。

又，以上实施例是以反射式液晶显示的投影装置为例，事实上，本发明的光均匀化装置亦可应用于穿透式液晶显示投影装置或是其他型态的投影装置，如使用数字式微型反射镜器件(digital micro-mirror device；DMD)的投影装置，甚至一般的投影机等。只要是应用到光均匀化装置的场合，皆可以运用本发明以使光源均匀化。

相比于现有的光均匀化装置10，本发明光均匀化装置40具有凹透镜形式的第二分束透镜78以及第二叠合透镜84，因此可以改变光束l的行进路径，使光程缩短，光束尺寸W变小，并使多条光束l叠合的能量密度更均匀，进而达到增加投影质量、缩小体积、减低成本的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的等效变化与修改，皆应落入本发明的范围内。

Claims

1.一种光均匀化装置，用来将一光源产生的光束作亮度均匀化处理，所述光均匀化装置包括：一分束装置，用来将所述光源传来的光束转换成多条近似平行的光束；以及一光叠合装置，用来将所述多条光束叠合以形成一比光源所发出原光束更为均匀的叠合光束，

其特征在于，所述光叠合装置包括：

2.如权利要求1所述的光均匀化装置，其特征在于，所述分束装置包括一第一透镜组，所述第一透镜组包括多个第一分束透镜，所述多个第一分束透镜以阵列的型态排列成一第一平面，用来接收所述光源传来的光束，其中，每一第一分束透镜将所述光源传来的光束转换成一光束，而所述多个第一分束透镜可将所述光源传来的光束转换成所述多条光束。

3.如权利要求2所述的光均匀化装置，其特征在于，所述分束装置还包括一第二透镜组，介于所述第一透镜组与所述第一叠合透镜之间，所述第二透镜组包括多个与所述多个第一分束透镜相对应的第二分束透镜，所述多个第二分束透镜以阵列的型态排列成一第二平面，且所述第二平面与所述第一平面平行，所述第二分束透镜用来接收与其相对应的第一分束透镜所传来的光束。

4.如权利要求3所述的光均匀化装置，其特征在于，所述中心轴垂直于所述第一及第二平面并通过所述第一及第二透镜组的中心部位。

5.如权利要求4所述的光均匀化装置，其特征在于，所述分束装置的多个第一分束透镜为多个凸透镜，而所述多个第二分束透镜为多个凹透镜，且所述多个第二分束透镜位于所述多个第一分束透镜的焦距之内，每一个第一分束透镜可将其接收的光束朝其自身光轴的方向加以偏折，以形成所述多条光束中的一光束，而每一个第二分束透镜则可将相对应的第一分束透镜传来的光束朝远离其自身光轴的方向加以偏折，并呈发散状。

6.如权利要求5所述的光均匀化装置，其特征在于，所述多个第二分束透镜中至少有一个第二分束透镜的光轴不与相对应的第一分束透镜的光轴叠合，而且所述第二分束透镜的光轴朝远离所述中心轴的方向偏移，以使自所述第二分束透镜射出的光束朝所述中心轴的方向偏折。

7.如权利要求5所述的光均匀化装置，其特征在于，所述多个第一分束透镜为多个平凸透镜，而所述多个第二分束透镜为多个平凹透镜。

8.一种光均匀化装置，用来将一光源所产生的光束作亮度均匀化处理，所述光均匀化装置包括一分束装置，用来将所述光源传来的光束转换成多条近似平行的光束，

其特征在于，所述分束装置包括：

9.如权利要求8所述的光均匀化装置，其特征在于，还包括一中心轴，垂直于所述第一及第二平面并通过所述第一及第二透镜组的中心部位。

10.如权利要求9所述的光均匀化装置，其特征在于，所述多个第二分束透镜中至少有一个第二分束透镜的光轴不与相对应的第一分束透镜的光轴叠合，且所述第二分束透镜的光轴朝远离所述中心轴的方向偏移，以使自所述第二分束透镜射出的光束朝所述中心轴的方向偏折。

11.如权利要求9所述的光均匀化装置，其特征在于，还包括：

一光叠合装置，用来将所述分束装置传来的多条光束叠合以形成一比光源所发出原光束更均匀的叠合光束，所述光叠合装置包括：

一第一叠合透镜，设于所述分束装置的后侧，用来接收所述分束装置传来的多条近似平行的光束；以及

一第二叠合透镜，平行地设置于所述第一叠合透镜之后，用来接收所述第一叠合透镜所传来的多条光束，所述第一叠合透镜与所述第二叠合透镜的光轴与所述中心轴重合；

其中，当所述分束装置传来的多条光束经过所述第一及第二叠合透镜的过程中，所述多条光束会被逐渐叠合，以形成一较原光源所发出的光束更均匀的一叠合光束。

12.如权利要求11所述的光均匀化装置，其特征在于，所述第一叠合透镜为一凸透镜，而所述第二叠合透镜为一凹透镜，且所述第二叠合透镜位于所述第一叠合透镜的焦距之内，其中当所述分束装置传来的多条光束经过所述第一叠合透镜时，所述多条光束会朝所述中心轴的方向聚缩，当所述聚缩的多条光束经过所述第二叠合透镜时，所述聚缩的多条光束会朝着与所述中心轴平行的方向偏折，但仍维持发散状态。

13.如权利要求8所述的光均匀化装置，其特征在于，所述多个第一分束透镜为多个平凸透镜，而所述多个第二分束透镜为多个平凹透镜。

14.一种具有一光均匀化装置的投影装置，所述投影装置包括：

一光源，用来产生一光束；

多个分色镜，用来将所述光束分离成红绿蓝三束单色光；

多个反射镜，用来反射所述红绿蓝三束单色光；

多个分束镜；

多个反射式液晶显示板，其内含一半波长延迟装置，用来调制所述红绿蓝三束单色光，使之内含一影像信息；

一色合成方体，用来将所述红绿蓝三束单色光的所述影像信息合成一束内含影像的光束；以及

一投影镜头组，用来将所述内含影像的光束投影至一萤幕，

所述光均匀化装置包括：一分束装置，用来将所述光源传来的光束转换成多条近似平行的光束；以及一光叠合装置，用来将所述多条光束叠合以形成一较原光源所发出光束更为均匀的叠合光束，

其特征在于，所述光叠合装置包括：

15.如权利要求14所述的投影装置，其特征在于，所述分束装置包括一第一透镜组，所述第一透镜组包括多个第一分束透镜，所述多个第一分束透镜以阵列的型态排列成一第一平面，用来接收所述光源传来的光束，其中每一第一分束透镜可将所述光源传来的光束转换成一光束，而所述多个第一分束透镜可将所述光源传来的光束转换成所述多条光束。

16.如权利要求15所述的投影装置，其特征在于，所述分束装置还包括一第二透镜组，介于所述第一透镜组与所述第一叠合透镜之间，所述第二透镜组包括多个与所述多个第一分束透镜相对应的第二分束透镜，所述多个第二分束透镜以阵列的型态排列成一第二平面，且所述第二平面与所述第一平面平行，所述第二分束透镜用来接收与其相对应的第一分束透镜所传来的光束。

17.如权利要求16所述的投影装置，其特征在于，所述分束装置的多个第一分束透镜为多个凸透镜，而所述多个第二分束透镜为多个凹透镜，且所述多个第二分束透镜位于所述多个第一分束透镜的焦距之内，每一个第一分束透镜可将其接收的光束朝其自身光轴的方向加以聚缩，以形成所述多条光束中的一光束，而每一个第二分束透镜则可将相对应的第一分束透镜传来的光束朝远离其自身光轴的方向加以偏折，并呈发散状。

18.如权利要求17所述的投影装置，其特征在于，所述多个第二分束透镜中至少有一个第二分束透镜的光轴不与相对应的第一分束透镜的光轴叠合，且所述第二分束透镜的光轴系朝远离所述中心轴的方向偏移，以使自所述第二分束透镜射出的光束朝所述中心轴的方向偏折，且呈发散状态。