CN1580867A - 数字光处理投影系统及其投影方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种数字光处理投影系统，其具有一照明装置、一光路切换组件、一投影装置及一棱镜组。棱镜组被置于照明装置、光路切换组件及投影装置之间，其具有多个棱镜且两相邻棱镜之间存在空气夹层。本发明的照明装置所输出的光线在被光路切换组件接收之前直接通过棱镜及空气夹层，第一模式下反射自光路切换组件的该光线在被投影镜头接收之前在一棱镜与空气夹层的界面上全反射，且第二模式下反射自光路切换组件的该光线在紧邻于光路切换组件的棱镜中经内部全反射后由一光吸收介质吸收。

Description

数字光处理投影系统及其投影方法

技术领域

本发明主要关于一种光学投影系统及其投影方法，尤其是关于一种数字光处理(digital light processing；DLP)投影系统及其投影方法。

现有技术

数字光处理技术是德州仪器公司自1987年开始发展的技术，此一技术中所使用的光学组件为数字微镜组件(Digital MicromirrorDevice；DMD)。数字光处理投影系统成像的原理，是利用数字微镜组件上数以万计的微小镜片将光线反射至屏幕上以形成影像。详言之，这些位于数字微镜组件上的微小镜片都有独立的驱动电极与支撑柱、转向轴。当数字光处理投影系统处于一亮态时，这些微小镜片会将投射至镜片的光线反射入投影镜头并聚焦于屏幕上，而当数字光处理投影系统处于一暗态时，这些微小镜片会受电压驱动电极而倾斜一特定角度，使得镜面的调整可以将投射至镜片的光线反射至他处而无法进入投影镜头。

如图1A所示，在现行的数字光处理投影系统10中，当投影系统处于亮态时，来自光源的非均匀光线先透过照明装置11转换成均匀的入射光线17，再进入棱镜组12，经内部全反射(total internalreflection；TIR)后投射至数字微镜组件13上的微小镜片(未显示)，再由这些微小镜片将入射光线17反射入投影镜头14进而投射至屏幕16上。相对地，当数字光处理投影系统10处于暗态时，数字微镜组件13上的微小镜片(未显示)会将入射光线17偏射，使其通过棱镜组12后即偏离投影镜头14的光轴，并利用投影镜头光圈(optical stop)15将偏射光线18及其杂散光线19遮蔽，避免这些不要的光线进入投影镜头14。在此一数字光处理投影系统10中，光圈15的设计是影响对比(contrast)的关键因素。

然而，就现有数字光处理投影系统10而言，其具有下列缺点。第一、由于透过照明装置11转换成的均匀入射光线17在投射至数字微镜组件13上之前先经过棱镜组12的反射，所以在亮态下进行投影时，容易会有因棱镜组12的色散效应所造成的色差现象，且此一色差现象不容易消除。第二、在暗态下，为了确保偏射光线18及其杂散光线19不会进入投影镜头14，棱镜组12与投影镜头14之间通常要维持一定的距离，但此举却会增加背焦，而影响投影镜头整体成像的品质。第三、为了达到完全的暗态，有时会加入额外的光圈来阻挡偏射光线18及杂散光线19，然过度地加入光圈却会导致投影系统在亮态下的流明降低。

美国专利5604624号曾经揭露一种投影显示的光学系统，提出了“在暗态下利用一第二组空气间隙将来自数字微镜组件上反射镜的光线反射至他处”的构想，该光学系统如图1B所示。

请参见图1B，当该投影显示光学系统10a处于亮态时，来自光源的非均匀光线先透过照明装置11转换成均匀的入射光线17，再进入棱镜组12a，经棱镜组12a与第一组空气间隙121的界面内部全反射后投射至数字微镜组件13上的微小镜片(未显示)，再由这些微小镜片将入射光线17反射入投影镜头14进而投射至屏幕16上。相对地，当投影显示光学系统10a处于暗态时，数字微镜组件13上的微小镜片(未显示)会将入射光线17偏射，使其经棱镜组12a与第二组空气间隙122的界面内部全反射而偏离投影镜头14的光轴，并利用投影镜头光圈(optical stop)15将偏射光线18a及其杂散光线19a遮蔽，避免这些不要的光线进入投影镜头14。

然而，该系统在暗态下时，部分偏射光线18a的杂散光线19a仍可能会进入投影镜头14，因此棱镜组12a与投影镜头14之间仍须保持一定距离或者须加入额外的光圈，而使得系统的背焦无法有效地降低以及导致系统的流明降低。在此情况下，该投影显示光学系统10a的成像品质及对比度将受到影响。

因此，为了能够根本解决现有技术中的问题点及困难，本发明提出一种数字光处理投影系统，在不影响系统亮度的情况下，有效地改善投影系统的杂散光线问题及缩短投影系统的背焦。

发明内容

本发明为解决现有数字光处理投影系统的问题点及困难而提出。

本发明的目的在于，提供一种数字光处理投影系统及其投影方法，其有效且完全地避免在暗态下的偏射光线及杂散光线进入投影系统。

本发明的另一目的在于，提供一种数字光处理投影系统，其具有最小背焦且其光圈设计只须考虑投影系统在亮态下的状态。

本发明的构想采用逆向操作的内部全反射(reverse TIR)棱镜组，且搭配额外设置的空气夹层(air gap)来达成上述目的。

本发明的数字光处理投影系统包含一照明装置、一光路切换组件、一投影装置及一棱镜组。照明装置具有一光源，用以输出光线。光路切换组件具有多个微小镜片，用以接收该光源所发出的光线，且分别在一亮模式及一暗模式下反射该光线以达到切换的作用。投影装置具有一投影镜头，用以接收亮模式下反射自光路切换组件的该光线。

另外，本发明的棱镜组被置于照明装置、数字微镜组件及投影装置之间，其中棱镜组具有多个棱镜，而两相邻棱镜之间存在有空气夹层。

尤其，照明装置所输出的光线在被光路切换组件接收之前直接通过棱镜组中的棱镜及空气夹层，而亮模式下反射自光路切换组件的光线在被投影镜头接收之前在棱镜组中一棱镜与空气夹层之界面上全反射，且暗模式下反射自光路切换组件的光线在紧邻于光路切换组件的棱镜与空气夹层的界面之间不断内部全反射。

另一方面，本发明也揭露上述数字光处理投影系统的投影方法，所包含的步骤如下所述。

将该照明装置输出的光线导入该棱镜组，使该光线通过该棱镜组不反射而射至该光路切换组件；将一第一模式下到达该光路切换组件的该光线反射回该棱镜组，使该光线经全反射后进入该投影装置；及将一第二模式下到达该光路切换组件的该光线反射回该棱镜组，使该光线在第一个遭遇的空气夹层与该等棱镜的界面上全反射且在该等棱镜中不断产生内部全反射现象。

本发明具有下列优点：第一、缩短投影系统的背焦；第二、有效维持投影系统的对比及流明；第三、确保杂散光线不会进入投影镜头中。

附图简单说明

图1A为一示意图，显示一现有技术的数字光处理投影统；

图1B为一示意图，显示另一现有技术的数字光处理投影统；

图2A为一示意图，显示本发明第一实施例的数字光处理投影统及其在亮模式下的投影方式；

图2B为一示意图，显示本发明第一实施例的数字光处理投影统及其在暗模式下的投影方式；

图3A为一示意图，显示本发明第二实施例的数字光处理投影统及其在亮模式下的投影方式；及

图3B为一示意图，显示本发明第二实施例的数字光处理投影统及其在暗模式下的投影方式。

组件符号说明

10、10a、20、30  数字光处理投影系统

11  照明装置

12、12a、22、32  棱镜组

13、23、33  光路切换组件

17、18、18a、19、19a  光线

121、122  空气间隙

21、31  照明装置

211、311  光源

212、312  灯罩

213、313  光导管

214、314  中继透镜

215、315 聚光透镜

221、222、223、321、322、323  棱镜

2221、2222、3221、3231、3232  界面

224、225、324、325  空气夹层

226、326  光吸收介质

24、34  投影装置

14、241、341  投影镜头

15、242、342  光圈

16、25、35  屏幕

26、28、28a、29、36、38、38a、39  光线

具体实施方式

请参见图2A及图2B，本发明一第一实施例之数字光处理投影系统20主要包含一照明装置21、一棱镜组22、一光路切换组件23及一投影装置24。棱镜组22置于照明装置21、光路切换组件23及投影装置24之间。以下逐一说明本实施例的数字光处理投影统20的各个组件。

本实施例的照明装置21包含有一光源211、一灯罩212、一光导管(light guide)213、一中继透镜(relay lens)214及一聚光透镜215。光源211、灯罩212及光导管213的配置恰可使光源211所输出的光线进入光导管213且在经过中继透镜214及聚光透镜215后进入棱镜组22。另外，光路切换组件23上具有多个微小镜片(未显示)，当光源211所发出的光线入射光路切换组件23时，该多个微小镜片会被驱动转动，使得该光线可藉多个微小镜片以不同的角度反射而达到光线路切换的功能。

另一方面，本实施例的棱镜组22包含三个棱镜221、222及223，棱镜221及棱镜222之间存在有一道空气夹层224，而棱镜222与棱镜223之间亦存在有一道空气夹层225。空气夹层224及225的存在可让反射自光路切换组件23的光线28在棱镜222与空气夹层224的界面2221上产生内部全反射，或者让反射自光路切换组件23的光线28a在棱镜222与空气夹层225的界面2222上产生内部全反射。此外，本实施例的棱镜222的周围还设有光吸收介质226，用以将棱镜222内部进行内部全反射的光线29吸收。

在本实施例中，来自照明装置21的光线26在进入棱镜组22后、到达光路切换组件23之前，并不在棱镜组22中产生内部全反射。详言之，光线26依序直接通过棱镜221、空气夹层224及棱镜222而到达光路切换组件23。就此而言，本实施例的棱镜组22与现有技术中将来自照明装置11的入射光线17先行反射至数字微镜组件13上的棱镜组12并不同。

另外，本实施例的投影装置24包括一投影镜头241及一光圈242。投影镜头241接收前述反射自光路切换组件23且通过棱镜组22的光线并将光线投影在屏幕25上，而光圈242用来阻隔非必要的光线射入投影镜头241。

接着，就本实施例的数字光处理投影统20的投影方法而言，在此分为亮态(或亮模式)及暗态(或暗模式)两方面来说明。

在亮态(或亮模式)方面，请参见图2A，照明装置21所输出的光线26会直接依序通过棱镜221、空气夹层224及棱镜222而到达光路切换组件23上。之后，光路切换组件23上的微小镜片(未显示)会将入射光线26反射至棱镜222与空气夹层224的界面2221上，并使得反射光线28在界面2221上经内部全反射后通过棱镜223，进而直接被投影镜头241接收且投射至屏幕25上。

在暗态(或暗模式)方面，请参见图2B，照明装置21所输出的光线26依然会直接依序通过棱镜221、空气夹层224及棱镜222而到达光路切换组件23上。然而，此时光路切换组件23上的微小镜片(未显示)的倾角会被调整，使得入射光线26反射至邻近于数字微镜组件23的棱镜222与空气夹层225的界面2222上，并使得反射光线28a在界面2222及2221之间不断内部全反射。接着，这些在棱镜222中不断内部全反射的光线29将由棱镜222周围设置的光吸收介质226吸收，其使任何反射自光路切换组件23的光线28a及其杂散光线不会进入投影镜头241。

特别说明的是，在本实施例中，由于在暗态(或暗模式)下，反射自光路切换组件23的光线28a可完全被导离投影装置24的投影镜头241，因此投影镜头241可以紧邻棱镜组22中的棱镜223。换言之，棱镜组22的棱镜223与投影镜头241之间的最短距离为零。

请参见图3A及图3B，本发明一第二实施例的数字光处理投影统30主要包含一照明装置31、一棱镜组32、一光路切换组件33及一投影装置34。棱镜组32置于照明装置31、光路切换组件33及投影装置34之间。另外，光路切换组件33上具有多个微小镜片(未显示)，这些微小镜片的倾角可调整的，使得来自照明装置31的光线36可藉这些微小镜片以不同的角度反射而达到光线路切换的功能。以下逐一说明本实施例的数字光处理投影系统30的各个组件。

本实施例的照明装置31包含有一光源311、一灯罩312、一光导管313、一中继透镜314及一聚光透镜315。光源311、灯罩312及光导管313的配置恰可使光源311输出的光线进入光导管313，且在经过中继透镜314及聚光透镜315后进入棱镜组32。

另一方面，本实施例的棱镜组32包含三个棱镜321、322及323，棱镜321及棱镜322之间存在有一道空气夹层324，而棱镜322与棱镜323之间也存在有一道空气夹层325。空气夹层324及325的设置可让反射自光路切换组件33的光线38在棱镜322与空气夹层224的界面3221上产生内部全反射或让反射自光路切换组件33的光线38a在棱镜323与空气夹层225的界面3231上产生内部全反射。此外，本实施例的棱镜323的周围更设有光吸收介质326，用以将棱镜323内部进行内部全反射的光线39吸收。

在本实施例中，照明装置31所输出的光线36在进入棱镜组32后、到达光路切换组件33之前，并不会在棱镜组32中产生全反射。详言之，光线36依序直接通过棱镜321、空气夹层324、棱镜322、空气夹层325及棱镜323，而到达光路切换组件33。就此而言，本实施例的棱镜组32与现有技术中将来自照明装置11的入射光线17先行反射至光路切换组件13上的棱镜组12并不同。

另外，本实施例的投影装置34包括一投影镜头341及一光圈342。投影镜头341接收前述反射自光路切换组件33且经反射后通过棱镜组32的光线并将光线投影在屏幕35上，而光圈342用来控制进入投影统30所需的光线。

接着，就本实施例的数字光处理投影统30的投影方法而言，在此分为亮态(或亮模式)及暗态(或暗模式)两方面来说明。

在亮态(或亮模式)方面，请参见图3A，照明装置31所输出的光线36会直接依序通过棱镜321、空气夹层324、棱镜322、空气夹层325及棱镜323而到达数字微镜组件33上。之后，光路切换组件33上的镜片(未显示)会将入射光线36反射至棱镜322与空气夹层324的界面3221上，并使得反射光线38在界面3221上反射后直接被投影镜头341接收且投射至屏幕35上。

在暗态(或暗模式)方面，请参见图3B，照明装置31所输出的光线36依然会直接依序通过棱镜321、空气夹层324、棱镜322、空气夹层325及棱镜323而到达光路切换组件33上。然而，此时光路切换组件33上的镜片倾角会被调整，使得反射光线38a反射至紧邻于光路切换组件33的棱镜323与空气夹层225的界面3231上，并使得反射光线38a在界面3231及界面3232之间不断内部全反射。接着，这些在棱镜323内部不断内部全反射的光线39将由棱镜323周围设置的光吸收介质326吸收。如此一来，便可确保反射自光路切换组件33的光线38a不会进入投影镜头341。

特别说明的是，在本实施例中，由于在暗态(或暗模式)下，反射自光路切换组件33的光线38a可完全被导离投影装置34的投影镜头341，因此投影镜头341可以紧邻棱镜组32中的棱镜322。换言之，棱镜组22的棱镜322与投影镜头341之间的最短距离为零。

在本发明第一实施例及第二实施例中，由于照明装置21及31所输出的光线26及36在暗态下被光路切换组件23及33上的镜片反射至棱镜组22及32中的某一棱镜222及323中不断内部全反射，因此投射统中的投影镜头并不会接收到由光路切换组件23及33上的镜片所反射出的光线或其杂散光线。尤其，本发明还利用光吸收介质226及326来加以吸收上述被局限于棱镜中不断内部全反射的光线，以确保投影系统的投影镜头绝不会受到任何杂散光线的影响。如此一来，投影影像的对比自然可提高。

另一方面，由于在暗态下所有可能进入投影镜头的杂散光线均被导离投影系统，因而投影镜头可以紧邻棱镜组，使得背焦可以缩短。尤其，本发明第二实施例的系统背焦更较第一实施例的背焦为短。

此外，由于暗态下已无杂散光线会对系统造成影响，因此光圈的配置也只需要考虑亮态下的成像需求即可，而不需要加入额外的光圈来避开暗态下的杂散光线。如此一来，还具有强化整体系统亮度及对比效果的优势。

综上，本发明已由上述的实施例及变化例来详加描述。然而，本领域的技术人员当了解的是，本发明的所有的实施例在此仅为例示性而非为限制性，亦即，在不脱离本发明实质精神及范围内，上述所述及的数字光处理投影统及其投影方法的其它变化例及修正例均为本发明所涵盖。因此，本发明权利要求加以界定。

Claims (15)

1.一种数字光处理投影系统，其包含：

一照明装置，具有一光源，其输出一光线；

一光路切换组件，具有多个微小镜片，其接收该光线，且分别在一第一模式及一第二模式下反射该光线；

一投影装置，具有一投影镜头，其接收该第一模式下反射自该光路切换组件的该光线；及

一棱镜组，置于该照明装置、该光路切换组件及该投影装置之间，该棱镜组具有多个棱镜且两相邻棱镜之间存在有空气夹层；

其中，该照明装置所输出的该光线在被该光路切换组件接收之前直接通过该等棱镜及空气夹层，该第一模式下反射自该光路切换组件的该光线在被该投影镜头接收之前在一该类棱镜与空气夹层的界面上全反射，且该第二模式下反射自该光路切换组件的该光线在紧邻于该光路切换组件的一该类棱镜中不断地内部全反射。

2.如权利要求1所述的数字光处理投影系统，其中紧邻于该光路切换组件的该棱镜周围设有光吸收物质。

3.如权利要求1所述的数字光处理投影系统，其中该棱镜组与该投影镜头之间的最短距离为零。

4.如权利要求1所述的数字光处理投影系统，其中该照明装置还具有一光导管及一中继透镜。

5.如权利要求1所述的数字光处理投影系统，其中该投影装置还具有一光圈。

6.一种数字光处理投影系统，还包含：

一照明装置，具有一光源，其输出一光线；

一光路切换组件，具有多个微小镜片，其接收该光线，且分别在一第一模式及一第二模式下反射该光线；

一投影装置，具有一投影镜头，其接收该第一模式下反射自该光路切换组件的该光线；及

一棱镜组，置于该照明装置、该光路切换组件及该投影装置之间，该棱镜组具有一第一棱镜、一第二棱镜及一第三棱镜，该第一棱镜与该第二棱镜之间存在一第一空气夹层且该第二棱镜与该第三棱镜之间存在一第二空气夹层，

其中，该照明装置所输出的该光线在被该光路切换组件接收之前依序通过该第一棱镜、该第一空气夹层及该第二棱镜，该第一模式下反射自该光路切换组件的该光线在被该投影镜头接收之前在该第二棱镜与该第一空气夹层的界面上全反射后通过该第三棱镜，且该第二模式下反射自该光路切换组件的该光线在该第二棱镜中不断内部全反射。

7.一种数字光处理投影系统，其包含：

一照明装置，具有一光源，其输出一光线；

一光路切换组件，具有多个微小镜片，其接收该光线，且分别在一第一模式及一第二模式下反射该光线；

一投影装置，具有一投影镜头，其接收该第一模式下反射自该光路切换组件的该光线；及

一棱镜组，置于该照明装置、该光路切换组件及该投影装置之间，该棱镜组具有一第一棱镜、一第二棱镜及一第三棱镜，该第一棱镜与该第二棱镜之间存在一第一空气夹层且该第二棱镜与该第三棱镜之间存在一第二空气夹层；

其中，该照明装置所输出的该光线在被该光路切换组件接收之前依序通过该第一棱镜、该第一空气夹层、该第二棱镜、该第二空气夹层及该第三棱镜，该第一模式下反射自该光路切换组件的该光线在被该投影镜头接收之前在该第二棱镜与该第一空气夹层的界面上全反射，且该第二模式下反射自该光路切换组件的该光线在该第三棱镜中不断内部全反射。

8.一种数字光处理投影系统的投影方法，该数字光处理投影系统至少包含一照明装置、一光路切换组件、一投影装置及一设有多个棱镜及空气夹层的棱镜组，该方法包含下列步骤：

将该照明装置输出的一光线导入该棱镜组，使该光线通过该棱镜组不反射而到达该光路切换组件；

将一第一模式下到达该光路切换组件的该光线反射回该棱镜组，使该光线经全反射后进入该投影装置；及

将一第二模式下到达该光路切换组件的该光线反射回该棱镜组，使该光线在第一个遭遇的该类空气夹层与该等棱镜的界面上全反射且在该等棱镜中不断内部全反射。

9.如权利要求8所述的数字光处理投影系统的投影方法，还包含下列步骤：

将该第二模式下在该类棱镜中内部全反射的该光线吸收。

10.如权利要求8所述的数字光处理投影系统的投影方法，还包含下列步骤：

将该第一模式下进入该投影装置的该光线投射至一屏幕上。

11.如权利要求8所述的数字光处理投影系统的投影方法，其中该第一模式是亮模式且该第二模式是暗模式。

12.一种数字光处理投影系统的投影方法，该数字光处理投影系统至少包含一光源、一光路切换组件、一投影镜头、一第一棱镜、一第二棱镜及一第三棱镜，该第一棱镜及该第二棱镜之间存在一第一空气夹层且该第二棱镜及该第三棱镜之间存在一第二空气夹层，该方法包含下列步骤：

让该光源输出的一光线依序通过该第一棱镜、该第一空气夹层、该第二棱镜，不经反射而到达该光路切换组件；

将一第一模式下到达该光路切换组件的该光线反射至该第一棱镜与该第一空气夹层的界面，使该光线经全反射后进入该投影镜头；及

将一第二模式下到达该光路切换组件的该光线反射回该第二棱镜与该第二空气夹层的界面，使该光线经全反射后在该第二棱镜中不断地内部全反射。

13.如权利要求12所述的数字光处理投影系统的投影方法，还包含下列步骤：

将该第二模式下在该第二棱镜中内部全反射的该光线吸收；及

将该第一模式下进入该投影镜头的该光线投射至一屏幕上。

14.一种数字光处理投影系统之投影方法，该数字光处理投影系统至少包含一光源、一光路切换组件、一投影镜头、一第一棱镜、一第二棱镜及一第三棱镜，该第一棱镜及该第二棱镜之间存在一第一空气夹层且该第二棱镜及该第三棱镜之间存在一第二空气夹层，该方法包含下列步骤：

让该光源输出的一光线依序通过该第一棱镜、该第一空气夹层、该第二棱镜、该第二空气夹层及该第三棱镜，不经反射而到达该光路切换组件；

将一第一模式下到达该光路切换组件的该光线反射至该第一棱镜与该第一空气夹层的界面，使该光线经全反射后进入该投影镜头；及

将一第二模式下到达该光路切换组件的该光线反射回该第三棱镜与该第二空气夹层的界面，使该光线经全反射后在该第三棱镜中不断地内部全反射。

15.如权利要求14所述的数字光处理投影系统的投影方法，还包含下列步骤：

将该第二模式下在该第三棱镜中内部全反射的该光线吸收；及

将该第一模式下进入该投影镜头的该光线投射至一屏幕上。

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