CN1206560C - 投影显示装置的光学系统 - Google Patents

Abstract

一种投影显示装置的光学系统，由光源产生光束，投射并进入棱镜，经棱镜第一表面射出，直接照射至平行设于第一表面邻近的光阀，经光阀反射后，再穿入棱镜第一表面，以一较大于全反射临界角度入射至全反射面，通过全反射原理将光束反射出第二表面，射入投影镜头形成投影画面，以增加穿透率，并简化光学系统的零件及体积。

Description

投影显示装置的光学系统

技术领域

本发明涉及一种图像投影显示装置，特别是涉及关于用于投影显示装置中的光学系统。

背景技术

随着科技的蓬勃发展，投影显示装置被运用到各种领域，作为会议视讯、产品展示或家庭剧院等。同时为了符合现代消费的潮流，投影显示装置也朝向轻、薄、短、小的需求，以及降低成本提高产品市场竞争力方向发展。

请参阅图1，现有美国专利第5552922号的光学系统10，在数字微镜片元件11(Digital Micro-mirror Device，DMD)与投影镜头12间，设两相邻且间隔的第一棱镜13、第二棱镜14，并由一侧的光源15产生照明光束151，照明光束151由第一棱镜13的一表面131射入，以大于全反射临界角度投射至另一表面132，通过表面132的全反射，将照明光束151由第三表面133穿出，投射于数字微镜片元件11，再由数字微镜片元件11上的微镜片阵列，将数字微镜片元件11所产生的图像信息光束152，再次反射进入第一棱镜13的第三表面133，并以低于临界角度入射至表面132，穿出表面132，然后进入第一棱镜13与第二棱镜14相邻间隔的空隙，接着射入第二棱镜14的表面141，穿过第二棱镜14由另一表面142射出，并投射进投影镜头12，形成投影画面。

然而，由于前述现有装置由光源15产生的照明光束151及形成图像信息光束152，在投射进入投影镜头12前，需经过六次入射表面(以单一光路径为例，如虚线圈示处)，每次入射均有部分光束被反射而产生损失；再加上第一棱镜13与第二棱镜14相邻间隔的空隙，使图像信息光束152相对穿透角度过大，也会降低穿透率造成损失，因此现有装置整体穿透率只能达到约92％。同时，如图2所示，由于数字微镜片元件11上的微镜片111，所以以对角为轴转动，在不同角度形成的开状态(ON-state)或闭状态(OFF-state)，而光源15以特定方向153入射至数字微镜片元件11时，为配合数字微镜片111对角转动的特性，现有装置将数字微镜片元件11对角线112平行第三表面133的上下端设置，导致第三表面133面积增大，不仅使材料成本增加，也会增加其他光学元件的背焦，使整个光学系统的体积增大，而无法符合轻、薄、短、小的消费需求。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种投影显示装置的光学系统，通过光源光束直接穿过棱镜照射光阀，以增加穿透率减少损失，提高照明效率。

本发明的另一目的在于提供一种投影显示装置的光学系统，减少光束辗转入射次数，降低反射损失，增加照明效率。

本发明的又一目的在于提供一种投影显示装置的光学系统，通过光阀设置适当位置，缩小整体光学系统体积。

本发明的再一目的在于提供一种投影显示装置的光学系统，简化光学系统的零件，降低成本。

本发明的目的是这样实现的，即提供一种投影显示装置的光学系统，包括：一光源，产生光束；一光阀，接受并反射光源的光束；一投影镜头，位于光阀反射的光路径上；以及一棱镜，置于光源、光阀及投影镜头之间，该棱镜包括一斜边，该斜边为一全反射面，且该光源邻近该全反射面设置，该光源的光束可由该全反射面进入，并穿过该棱镜后照射至该光阀，之后该光阀的反射光束进入于该棱镜内并由该全反射面反射后，投射至该投影镜头内。

进一步说，本发明是由光源产生光束，投射并进入棱镜，经棱镜第一表面射出，直接照射至平行设于第一表面邻近的光阀，经光阀反射后，再穿入棱镜第一表面，以一较大于全反射临界角度入射至全反射面，通过全反射原理将光束反射出第二表面，射入投影镜头形成投影画面。另在光源与全反射面间加设透镜与副棱镜等，以弥补光程差。

附图说明

图1为美国专利第5552922号的光学系统示意图；

图2为图1现有装置的光阀与棱镜相对位置图；

图3为本发明第一实施例的光学系统的光路径图；

图4为本发明第一实施例的光阀与棱镜相对位置图；

图5为本发明第二实施例的光学系统的光路径图；

图6为本发明第三实施例的光学系统的光路径图；

图7为本发明第四实施例的光学系统的光路径图；

图8为本发明另一与第四实施例光学系统光路径相反的实施例光路径图。

具体实施方式

请参阅图3，本发明第一实施例投影显示装置的光学系统20，主要是在光源21、光阀22(例如数字微镜片元件、全反射式光阀等)及投影镜头23等之间，设置一三角柱形状的棱镜24，其中光源21设在邻近棱镜24截面的斜边全反射面241，光阀22与投影镜头23则分设于邻近棱镜24的两股第一表面242及第二表面243，构成一光学系统20。

本实施例光学系统20的光路径，由光源21产生光束211，以特定角度照射并进入棱镜24，穿越棱镜24后由第一表面242穿出，投射至平行第一表面242的光阀22，形成具有图像的光束212，并经光阀22反射后，再次进入棱镜24第一表面242，并以一大于全反射临界角度投射至全反射面241，通过全反射原理将光束212反射出第二表面243，射入投影镜头23形成投影画面。

本实施例所构成的光学系统20，由光源21至投影镜头23的光路径，如虚线圈示，仅于穿过全反射面241、穿出穿入第一表面242及穿出第二表面243等四处，会造成光束部分反射，形成损失，比现有装置六次的部分反射损失少。此外，本实施例的光学系统20，无空隙存在，也可减少相对穿透角度过大对穿透率影响，使本实施例的穿透率可达约98％。

此外，如图4所示，本实施例光源21是由上方直接穿过棱镜24照射至光阀22，不仅增加光束211穿透率减少损失，提高照明效率，也可使光阀22四边以平行第一表面242四边的相对位置设置，使反射光束212并不会受到棱镜24周边干涉，而可以大于全反射临界角投射至全反射面241，然后被全反射出第二表面243，最后进入投影镜头23。因此，棱镜24的体积得以缩小，使相配合光学元件的背焦减小，降低整体光学系统的体积，从而节省零件材料成本。

续请参阅图5，本发明第二实施例投影显示装置的光学系统30，其结构是在光源31、光阀32及投影镜头33等中间，设置一直角柱的棱镜34，其中光源31设在邻近棱镜34截面斜边的全反射面341，光阀32与投影镜头33则分设于邻近棱镜34的两股表面，另在光源31与全反射面341间加设一非对称透镜35。本实施例由光源31产生的光束，经过直角柱棱镜34、光阀32、全反射面34及投影镜头33的光路径，与第一实施例光路径相似，而本实施例加设非对称透镜35的目的，主要是通过光在不同介质中速度不同的特性，以不同厚度的非对称性透镜35，弥补从光源31至光阀32的光束两侧光程差，使光束能均匀聚焦于光阀32，而可减少投图像差及变形。

如图6所示，本发明第三实施例投影显示装置的光学系统40，是在光源41、光阀42及投影镜头43等中间，设置一角柱状棱镜44，其中光源41设在棱镜44的全反射面441附近，光阀42与投影镜头43则分设于邻近直角柱棱镜44的两股表面，在光源41与全反射面441间加设一角柱状的副棱镜45，副棱镜45的一表面与全反射面441间隔一空隙451。本实施例通过角柱状的副棱镜45取代第三实施例的透镜35的目的，也是通过光在不同介质中速度不同的特性，以不等厚度的副棱镜45，弥补从光源41至光阀42的光束两侧光程差，以适当调整照明光束均匀聚焦于光阀42，减少投影像差及变形，同时维持照明光源直接照射光阀42的目的及功效。

此外，如图7所示，本发明第四实施例投影显示装置的光学系统50，为使光源51、光阀52与投影镜头53等主要构件间的相对设置位置，能有所改变，使投影显示装置的光学系统组合时更具配置弹性，本实施例通过改变第三实施例副棱镜45的截面形状，使光源51所产生的光束511，进入副棱镜55后，以大于全反射临界角投射至反射面551，经全反射后再穿过空隙552及棱镜54，投射至光阀52，再反射至全反射面541，经全反射穿出棱镜54，投射至投影镜头53，使光源51相对设置位置可改变。同理，如图8所示，本发明另一实施例也可将第四实施例的投影镜头53与光源51的位置相互对调，使光束511进入棱镜54后，经棱镜54全反射面541反射投射至光阀52，再反射穿过棱镜54及空隙552进入副棱镜55，并以大于全反射临界角投射至副棱镜55的反射面551，经全反射穿出副棱镜55后，投射至投影镜头53。达到投影作用，以增加配置弹性。

以上所述的仅为用以方便说明本发明的较佳实施例，本发明的范围不限于该各较佳实施例，凡按本发明所作的任何变更，在不脱离本发明的精神下，都属于本发明权利要求保护范围。

Claims (9)

1.一种投影显示装置的光学系统，包括：

一光源，产生光束；

一光阀，接受并反射光源的光束；

一投影镜头，位于光阀反射的光路径上；以及

一棱镜，置于光源、光阀及投影镜头之间，该棱镜包括一斜边，该斜边为一全反射面，且该光源邻近该全反射面设置，该光源的光束可由该全反射面进入，并穿过该棱镜后照射至该光阀，之后该光阀的反射光束进入于该棱镜内并由该全反射面反射后，投射至该投影镜头内。

2.依权利要求1所述的投影显示装置的光学系统，其中该棱镜为角柱棱镜。

3.依权利要求1所述的投影显示装置的光学系统，其中该棱镜为直角棱镜。

4.依权利要求2或3所述的投影显示装置的光学系统，其中该光源、光阀及投影镜头分别设于棱镜的不同表面邻近。

5.依权利要求1所述的投影显示装置的光学系统，其中该光阀的四边分别平行于所面对棱镜表面的四边设置。

6.依权利要求1所述的投影显示装置的光学系统，其中该全反射面与光源之间设有一透镜。

7.依权利要求6所述的投影显示装置的光学系统，其中该透镜为非对称透镜。

8.依权利要求1所述的投影显示装置的光学系统，其中该全反射面与光源之间设一副棱镜，其为角柱状并与全反射面间隔一空隙。

9.依权利要求8所述的投影显示装置的光学系统，其中该副棱镜具有一反射面，使光源光束进入副棱镜后，以大于全反射临界角投射至反射面，经反射面反射再穿过棱镜，投射至光阀。

Images