CN110908226A - 光学积分柱、光学元件及其制造方法及光学装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学积分柱，包括由光学积分柱的第一端至第二端，依序设置的径向截面积渐小的内部斜面以及径向截面积渐大的内部斜面。一种光学元件与光学装置亦被提出。

Description

光学积分柱、光学元件及其制造方法及光学装置
技术领域
本发明涉及一种光学积分柱、光学元件及其制造方法及光学装置。
背景技术
在显示技术中，投影装置在某些应用场合上扮演着无法被取代的角色。举例而言，投影装置可以达到以小体积的装置显示超大尺寸的画面的效果，这点是其他显示器(例如液晶显示器、有机发光二极管显示器等)无法达到的效果。因此，投影装置在会议、电影院的场合有着无法被取代的地位。
投影装置产生影像的原理，是利用光阀将光源所发出的照明光束调制成影像光束，再利用投影镜头将影像光束投射于屏幕上以形成影像。由于光阀的有效区域通常例如呈矩形，因此在将光源所发出的照明光束投射于有效区时，通常需要先对照明光束进行整形，以使投射于光阀上的光斑亦呈现与有效区域对应的形状(例如矩形)。光积分柱(l ight integrat ion rod)便是其中一种能对照明光束作上述整形的元件。
为了使投射于光阀的光斑的面积不至于超出有效区域的面积过多而导致光能量损失，则光积分柱的出光口不宜过大。然而，一般的光积分柱的入光口的面积与出光口的面积是一样大的，如此容易使来自光源的照明光束投射于入光口处的光斑相对入光口的面积过大，导致过多的光能量损失。若为了避免这样的光能量损失，将光积分柱的径向截面积放大，而同时放大了入光口与出光口的面积，则过大的出光口会导致投射于光阀上的光斑的面积超出有效区域的面积过多，而同样无法避免光能量的损失。
发明内容
本发明提供了一种光学积分柱，其能够有效提升光利用率。
本发明提供了一种光学元件及其制造方法，其能够有效提升光学元件的光利用率。
本发明提供一种光学装置，其能够有效提升光利用率。
本发明的一实施例提出一种光学积分柱，包括由光学积分柱的第一端至第二端，依序设置的径向截面积渐小的内部斜面以及径向截面积渐大的内部斜面。由于径向截面积渐小的内部斜面的设计有助于提升光学积分柱入光端的径向截面积，因此可以提升光学积分柱的收光效率。另一方面，径向截面积渐大的内部斜面的设计则可有效缩小照明光束从光学积分柱出光端出射的光锥角，以维持光展量，而使得光学积分柱有良好的光利用率。
本发明的一实施例提出一种光学元件，包括第一锥状积分柱及第二锥状积分柱。在第一锥状积分柱接近其一端处，设有第一径向截面，而在第一锥状积分柱接近其另一端处，设有第二径向截面，其中第一截面的面积大于第二截面的面积。在第二锥状积分柱接近其一端处，设有第三径向截面，而在第二锥状积分柱接近其另一端处，设有第四径向截面，其中第四截面的面积大于第三径向截面的面积。此外，第一径向截面、第二径向截面、第三径向截面及第四径向截面沿同一方向依序排列。第一截面的面积大于第二截面的面积的第一锥状积分柱的设计有助于提升光学元件的入光端的径向截面积，因此可以提升光学元件的收光效率。另一方面，第四径向截面的面积大于第三径向截面的面积的第二锥状积分柱的设计则可有效缩小照明光束从光学元件的出光端出射的光锥角，以维持光展量，而使得光学系统有良好的光利用率。
本发明的一实施例提出一种光学装置，包括光源及积分柱。积分柱设于光源的光路下游，且积分柱由光路上游至下游，依序设有径向截面积渐小的内部斜面以及径向截面积渐大的内部斜面。由于径向截面积渐小的内部斜面的设计有助于提升积分柱入光端的径向截面积，因此可以提升积分柱的收光效率。另一方面，径向截面积渐大的内部斜面的设计则可有效缩小照明光束从积分柱出光端出射的光锥角，以维持光展量，而使得积分柱有良好的光利用率。所以，光学装置可以具有较好的光利用率。
本发明的一实施例提出一种光学元件的制造方法，包括组装第一锥状积分柱和第二锥状积分柱。其中，在第一锥状积分柱接近其一端处，设有第一径向截面，在第一锥状积分柱接近其另一端处，设有第二径向截面，第一截面的面积大于第二截面的面积。在第二锥状积分柱接近其一端处，设有第三径向截面，在第二锥状积分柱接近其另一端处，设有第四径向截面，第四截面的面积大于第三径向截面的面积。第一径向截面、第二径向截面、第三径向截面及第四径向截面沿同一方向依序排列。第一截面的面积大于第二截面的面积的第一锥状积分柱的设计有助于提升光学元件的入光端的径向截面积，因此可以提升光学元件的收光效率。另一方面，第四径向截面的面积大于第三径向截面的面积的第二锥状积分柱的设计则可有效缩小照明光束从光学元件的出光端出射的光锥角，以维持光展量，而使得光学系统有良好的光利用率。因此，光学元件的制造方法可制造出光利用率良好的光学元件。
在本发明的实施例的光学积分柱与光学装置中，由于径向截面积渐小的内部斜面的设计有助于提升光学积分柱或积分柱的入光端的径向截面积，因此可以提升光学积分柱或积分柱的收光效率。另一方面，径向截面积渐大的内部斜面的设计则可有效缩小照明光束从光学积分柱或积分柱的出光端出射的光锥角，以维持光展量，而使得光学系统有良好的光利用率。此外，在本发明的实施例的光学元件及其制造方法中，第一截面的面积大于第二截面的面积的第一锥状积分柱的设计有助于提升光学元件的入光端的径向截面积，因此可以提升光学元件的收光效率。另一方面，第四径向截面的面积大于第三径向截面的面积的第二锥状积分柱的设计则可有效缩小照明光束从光学元件的出光端出射的光锥角，以维持光展量，而使得光学系统有良好的光利用率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的一实施例的光学装置的剖面示意图。
图2为图1中的光学元件的剖面示意图。
图3A为图1中的光学元件的立体示意图。
图3B为图1中的光学元件于其第一端的正视图。
图3C为图1中的光学元件于其第二端的后视图。
具体实施方式
图1为本发明的一实施例的光学装置的剖面示意图，图2为图1中的光学元件的剖面示意图，图3A为图1中的光学元件的立体示意图，图3B为图1中的光学元件于其第一端的正视图，而图3C为图1中的光学元件于其第二端的后视图。请参照图1、图2及图3A至图3C，本实施例的光学装置100包括一光源110及一光学元件200。在本实施例中，光学装置100为一投影装置或一照明系统(例如为投影装置中的照明系统)。光源110可包括至少一个发光元件(例如发光二极管、激光二极管、高压汞灯、其他光源或其组合)、合光元件(可包括分色镜(di chromi c mirror)、反射镜、棱镜、分光镜、分光棱镜、偏振分光镜或其组合)、色轮、萤光轮、透镜、反射镜、棱镜或其组合等投影装置的照明系统中所可能采用的光学元件。光学元件200例如为光积分柱，或称为光学积分柱，或简称为积分柱，其设于光源110的光路下游。光学元件200由光路上游至下游，依序设有一径向截面积渐小的内部斜面213以及一径向截面积渐大的内部斜面223。也就是说，由光学元件200的一第一端E1(例如为入光端)至一第二端E2(例如为出光端)依序设置径向截面积渐小的内部斜面213及径向截面积渐大的内部斜面223。上述的径向是指与光学元件200的光轴B垂直的方向，而径向截面是指与光轴B垂直的截面。
举例而言，光学元件200包括一第一锥状积分柱210及一第二锥状积分柱220。在第一锥状积分柱210接近其一端(例如上述第一端E1)处，设有一第一径向截面A1，而在第一锥状积分柱210接近其另一端(例如一第三端E3)处，设有一第二径向截面A2，其中第一截面A1的面积大于第二截面A2的面积。在第二锥状积分柱220接近其一端(例如一第四端E4)处，设有一第三径向截面A3，而在第二锥状积分柱220接近其另一端(例如上述第二端E2)处，设有一第四径向截面A4，其中第四截面A4的面积大于第三径向截面A3的面积。此外，第一径向截面A1、第二径向截面A2、第三径向截面A3及第四径向截面A4沿同一方向(例如从光路上游至光路下游的方向)依序排列。
在本实施例中，光学装置100更包括一光阀120，设于光学元件200的光路下游。在本实施例中，光阀120为数字微镜器件(di gi tal mi cro-mirror devi ce,DMD)。然而，在其他实施例中，光阀120亦可以是硅基液晶面板(l iqui d-crystal-on-s i l i con panel,LCOS panel)、穿透式液晶面板或其他适当的空间光调制器(spat ial l i ghtmodulator,SLM)。
光源110用以提供一照明光束112，而照明光束112经由光学元件200的第一端E1进入光学元件220内部后，被径向截面积渐小的内部斜面213及径向截面积渐大的内部斜面223反射后，产生了光均匀化与光束整形的至少其中之一的效果，并由光学元件200的第二端E2离开光学元件220。接着，照明光束112被投射于光阀120上，以对光阀120提供照明。在本实施例中，来自第二端E2的照明光束112可被光传递系统130投射至光阀120上。光阀120可将照明光束112调制成影像光束，而影像光束可被一投影镜头投射至屏幕上以形成影像。此外，影像光束也可藉由光传递系统130传递至投影镜头。光传递系统130可包括透镜、场镜、内部全反射棱镜(total internal reflect ion pri sm,TIR pri sm)、反射镜或其他适当的光学元件。
在本实施例的光学元件200与光学装置100中，由于径向截面积渐小的内部斜面213的设计有助于提升光学元件200的第一端E1(即入光端)的径向截面积(即第一截面A1的面积)，因此可以提升光学元件200的收光效率。另一方面，虽然径向截面积渐小的内部斜面213的倾斜方向会扩大照明光束112出射光学元件200时的光锥角，但径向截面积渐大的内部斜面223的设计(即相对于径向截面积渐小的内部斜面213的倾斜方向为反向倾斜)则可有效缩小照明光束112从光学元件200的第二端E2(即出光端出射的光锥角。如此一来，照明光束112在通过倾斜方向相反的径向截面积渐小的内部斜面213与径向截面积渐大的内部斜面223后的光锥角的大小得以维持，进而维持光展量，而使得光学系统有良好的光利用率。
在本实施例中，光学元件200于光路下游的一端(即第二端E2)的径向截面(即第四径向截面A4)的形状对应于光阀120的有效区域122的形状。所谓有效区域122是指能够调制照明光束112的区域。一般而言，有效区域122例如呈矩形，因此第四径向截面A4亦可呈矩形，而使得自第四径向截面A4出射的照明光束112在照射至光阀120时所产生的光斑为略大于有效区域122且涵盖有效区域122的矩形。如此一来，照明光束112的大部分光能量便都能够被光阀120所利用，而提升光学装置100的光利用率。此外，第一径向截面A1、第二径向截面A2、第三径向截面A3及光学元件200的任一径向截面亦可皆呈矩形，而第一锥状积分柱210与第二锥状积分柱220可以是呈方锥状。
在本实施例中，光学元件200可包括一第一空心柱体部212与一第二空心柱体部222，其分别环绕出一第一光通道空间214与一第二光通道空间224，以供照明光束112在其中行进。此外，第一空心柱体部212的内壁面与第二空心柱体部222的内壁面分别形成径向截面积渐小的内部斜面213与径向截面积渐大的内部斜面223，且皆为用以反射照明光束112的反射面。第一空心柱体部212的内壁面与第二空心柱体部222的内壁面可以采用镀反射膜或表面处理的方式以形成反射面。
此外，第一锥状积分柱210的第三端E3可对准于第二锥状积分柱220的第四端E4，例如第一空心柱体部212在第三端E3处的一端可对准于第二空心柱体部222在第四端E4处的一端。第一空心柱体部212在第三端E3处的一端与第二空心柱体部222在第四端E4处的一端可相抵靠接触或彼此连接，或者两者间可存在一微小的间隙但彼此对准。或者，第一空心柱体部212与第二空心柱体部222的整体可为一体成型。
在其他实施例中，上述第一光通道空间214与第二光通道空间224的空间可分别被一第一实心透光柱体部与一第二实心透光柱体部所取代。第一空心柱体部212可被一第一反射膜所取代，而第一反射膜设于第一实心透光柱体部的外表面，且通常第一反射膜的厚度比第一空心柱体部212的厚度薄。第二空心柱体部222可被一第二反射膜所取代，而第二反射膜设于第二实心透光柱体部的外表面，且通常第二反射膜的厚度比第二空心柱体部222的厚度薄。第一反射膜的内表面与第二反射膜的内表面(即分别与第一实心透光柱体部及第一实心透光柱体部接触的表面)分别形成径向截面积渐小的内部斜面213与径向截面积渐大的内部斜面223。也就是说，第一空心柱体部212与第二空心柱体部222所占的位置分别被第一反射膜与第二反射膜取代，只是第一反射膜与第二反射膜的厚度比第一空心柱体部212与第二空心柱体部222的厚度薄。照明光束112可被第一实心透光柱体部与一第二实心透光柱体部的材料传递，而穿透第一实心透光柱体部与第二实心透光柱体部。第一反射膜与第二反射膜则可将照明光束112反射。在一实施例中，为了让照明光束112稳定地在第一实心透光柱体部与第二实心透光柱体部中传递，第一实心透光柱体部与第二实心透光柱体部的材料可采用耐高温的透明材料，例如石英、玻璃、蓝宝石玻璃等。
此外，第一实心透光柱体部在第三端E3处的一端可对准于第二实心透光柱体部在第四端E4处的一端。第一实心透光柱体部在第三端E3处的一端与第二实心透光柱体部在第四端E4处的一端可相抵靠接触或彼此连接，或者两者间可存在一微小的间隙但彼此对准。或者，第一实心透光柱体部与第二实心透光柱体部的整体可为一体成型。
另外，在上述各不同实施例中，是以第二径向截面A2的面积等于第三径向截面A3的面积为例。然而，在其他实施例中，第二径向截面A2的面积亦可以小于第三径向截面A3的面积，如此在径向截面积渐小的内部斜面213中传递的照明光束112亦可良好地传递至径向截面积渐大的内部斜面223中。
请再参照图1，本发明的一实施例亦提出一种光学元件200的制造方法，包括组装上述第一锥状积分柱210和上述第二锥状积分柱220，以形成上述光学元件200。组装的方式可以是将第一锥状积分柱210的第三端E3与第二锥状积分柱220的第四端E4胶合，或利用一固定件将第一锥状积分柱210的第三端E3与第二锥状积分柱220的第四端E4。或者，组装的方式亦可以是将第一锥状积分柱210和第二锥状积分柱220分别固定于光学装置100的壳体或其内部承载座，并使第一锥状积分柱210的第三端E3对准第二锥状积分柱220的第四端E4。本实施例的光学元件200的制造方法可制作出具有提升光利用率的效果的光学元件200。
综上所述，在本发明的实施例的光学积分柱与光学装置中，由于径向截面积渐小的内部斜面的设计有助于提升光学积分柱或积分柱的入光端的径向截面积，因此可以提升光学积分柱或积分柱的收光效率。另一方面，径向截面积渐大的内部斜面的设计则可有效缩小照明光束从光学积分柱或积分柱的出光端出射的光锥角，以维持光展量，而使得光学系统有良好的光利用率。此外，在本发明的实施例的光学元件及其制造方法中，第一截面的面积大于第二截面的面积的第一锥状积分柱的设计有助于提升光学元件的入光端的径向截面积，因此可以提升光学元件的收光效率。另一方面，第四径向截面的面积大于第三径向截面的面积的第二锥状积分柱的设计则可有效缩小照明光束从光学元件的出光端出射的光锥角，以维持光展量，而使得光学系统有良好的光利用率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光学积分柱，其特征在于，包括：
由所述光学积分柱的一第一端至一第二端，依序设置的一径向截面积渐小的内部斜面以及一径向截面积渐大的内部斜面。
2.如权利要求1所述的光学积分柱，其特征在于，所述光学积分柱的径向截面呈矩形。
3.如权利要求1或2所述的光学积分柱，其特征在于，所述光学积分柱更包括一第一空心柱体部与一第二空心柱体部，其中所述第一空心柱体部的内壁面与所述第二空心柱体部的内壁面分别形成所述径向截面积渐小的内部斜面与所述径向截面积渐大的内部斜面。
4.如权利要求1或2所述的光学积分柱，其特征在于，所述光学积分柱更包括：
一第一实心透光柱体部；
一第二实心透光柱体部；
一第一反射膜，设于所述第一实心透光柱体部的外表面；
一第二反射膜，设于所述第二实心透光柱体部的外表面，其中所述第一反射膜与所述第二反射膜依序设于所述第一端与所述第二端之间，且所述第一反射膜的内表面与所述第二反射膜的内表面分别形成所述径向截面积渐小的内部斜面与所述径向截面积渐大的内部斜面。
5.一种光学元件，其特征在于，包括：
一第一锥状积分柱，在所述第一锥状积分柱接近其一端处，设有一第一径向截面，在所述第一锥状积分柱接近其另一端处，设有一第二径向截面，其中所述第一截面的面积大于所述第二截面的面积；以及
一第二锥状积分柱，在所述第二锥状积分柱接近其一端处，设有一第三径向截面，在所述第二锥状积分柱接近其另一端处，设有一第四径向截面，其中所述第四截面的面积大于所述第三径向截面的面积，且所述第一径向截面、第二径向截面、所述第三径向截面及第四径向截面沿同一方向依序排列。
6.如权利要求5所述的光学元件，其特征在于，所述第一锥状积分柱与所述第二锥状积分柱呈方锥状。
7.如权利要求5或6所述的光学元件，其特征在于，所述第二径向截面的面积小于或等于所述第三径向截面的面积。
8.一种光学装置，其特征在于，包括：
一光源；以及
一积分柱，设于所述光源的光路下游，且所述积分柱由光路上游至下游，依序设有一径向截面积渐小的内部斜面以及一径向截面积渐大的内部斜面。
9.如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置更包括一光阀，设于所述积分柱的光路下游。
10.一种光学元件的制造方法，包括：
组装一第一锥状积分柱和一第二锥状积分柱，其中在所述第一锥状积分柱接近其一端处，设有一第一径向截面，在所述第一锥状积分柱接近其另一端处，设有一第二径向截面，所述第一截面的面积大于所述第二截面的面积，在所述第二锥状积分柱接近其一端处，设有一第三径向截面，在所述第二锥状积分柱接近其另一端处，设有一第四径向截面，所述第四截面的面积大于所述第三径向截面的面积，且所述第一径向截面、第二径向截面、所述第三径向截面及第四径向截面沿同一方向依序排列。
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