CN1912678A - 数字光学处理投影装置及其分光模块 - Google Patents

Abstract

一种数字光学处理投影装置包含光源、分光模块及合光模块，其中分光模块配合合光模块使用，合光模块包括多个合光元件及多个棱镜。分光模块包括分光元件，以将光线分光而成多道色光，色光分别射入各棱镜。各色光的色光于分光模块分光时之偏振光，与各色光的色光于合光模块合光时之偏振光像面方向相同。

Description

数字光学处理投影装置及其分光模块

技术领域

本发明涉及一种数字光学处理投影装置及使用于该投影装置之分光模块，特别是涉及一种数字光学处理投影装置及其分光模块之分光元件设计。

背景技术

请参照图1，其为台湾第93101928号专利申请案之数字光学处理投影装置之示意图。其亦由本案之申请人于2004年1月29日提出申请。该数字光学处理投影装置主要由合光模块(Optical Combiner Module)200、光源300、分光模块(Beam Splitter Module)400、多个数字微镜装置(DigitalMicro-mirror Device；DMD)500R、500G、500B，以及投影镜头(ProjectLens)600所构成。

光源300发出光线W经集光柱(Integrating Rod)310至分光模块400。分光模块400将光线W分为三原色光R、G、B。双向分光镜402及404将色光R、G与B分光。各色光R、G、B靠聚光镜(Condenser Lens)406、408及410，反射镜412、414、416、418、420及422入射至合光模块200。色光B反射至入射面242a，色光G反射至入射面232a。各色光R、G、B分别通过内部全反射棱镜(Total Internal Reflection Prism；TIR Prism)220a、230a、240a中之空气间隙反射至数字微镜装置500R、500G、500B，再被反射而直接穿透内部全反射棱镜220a、230a、240a。投影镜头600设置于合光模块200之后的各色光R、G、B的光路径上。后焦距(Back FocalLength)550则为数字光学处理投影装置之后焦距。

光是电磁波的一种，具有波的性质，即具有偏振之性质。就光学之理论而言，光波之电场方向具有两个自由度，即可将光分解为两个偏振向量。于此，定义光线行进方向与反射平面之法线构成之平面之法线方向为“S偏振方向”，而光线行进方向与反射平面之法线构成之平面方向为“P偏振方向”。光之振动则依S偏振方向及P偏振方向，分解为S偏振光及P偏振光。

就光之性质而言，S偏振光较利于反射，P偏振光较不利于反射。请参照图2A，其为在分光模块400中色光R之光谱曲线图。曲线S1为色光R之入射角为45度时，S偏振光之光谱曲线。曲线P1为色光R之入射角为45度时，P偏振光之光谱曲线。曲线S2为色光R之入射角为52度时，S偏振光之光谱曲线，曲线P2为色光R之入射角为52度时，P偏振光之光谱曲线。

请参照图2B，其为在合光模块200中色光R之光谱曲线图。曲线S3为色光R之入射角为45度时，S偏振光之光谱曲线。曲线P3为色光R之入射角为45度时，P偏振光之光谱曲线。曲线S4为色光R之入射角为52度时，S偏振光之光谱曲线，曲线P4为色光R之入射角为52度时，P偏振光之光谱曲线。

请参照图2A及图2B，就曲线S1、P1、S3及P3可发现，色光R之S偏振光之波长大于570nm时，色光R之S偏振光开始反射，而色光R之P偏振光之波长大于600nm后才反射，即反射率接近于100％。换言之，不论分光或合光之情况，S偏振光之特性都较利于反射。

但所属技术领域的技术人员可以理解，当色光R通过分光模块400时，其必须经过若干反射镜之折射才能到达合光模块200，因此色光R之S偏振光在连续折射之后，就会转变成P偏振光。就曲线S1而言，于分光模块400之色光R的S偏振光至合光模块200后，其光谱曲线即曲线P3。

由此可知，当分光模块400之色光R之S偏振光介于波长570nm至600nm之范围内，会在合光模块200呈现透射之状态，而有光损耗(LightLoss)之情况发生。色光B及G亦有相同之情况。光损耗之情形一旦发生，则造成最后经投影镜头成像时之图像光度不足，影响观赏画面之质量，使图像效果不如预期。

发明内容

鉴于上述情况，本发明之主要目的在于提供一种数字光学处理投影装置及其分光模块，使各色光于分光时之偏振光，与各色光于合光时之偏振光像面方向相同，进而避免光损耗之情况发生。

本发明提供一种分光模块，其配合合光模块使用，该合光模块包括合光元件及多个棱镜，该合光元件具有至少一个缺角，而棱镜之一的一侧邻接于该合光元件之缺角上。该分光模块包括分光元件，该分光元件将光线加以分光而成为多道色光，这些色光分别射入这些棱镜。其中这些色光之一于分光模块分光时之偏振光，与该色光于合光模块合光时之偏振光像面方向相同。

本发明的另一目的提出一种数字光学处理投影装置。该投影装置包括光源、分光模块、合光模块、多个数字微镜装置及投影镜头。

该分光模块包括分光元件，分光元件位于光源之后光线的光路径上，其中分光模块将光线分光而成为多道色光。

该合光模块位于分光模块之后各该色光的交会处，合光模块包括合光元件及多个棱镜。合光元件具有至少一个缺角，而这些棱镜邻近合光元件设置，这些棱镜之一的一侧邻接于合光元件之缺角上。

该多个数字微镜装置分别位于合光模块之后各该色光的光路径上。各色光被棱镜反射至这些数字微镜装置，再被数字微镜装置反射而直接穿透这些棱镜。该投影镜头设置于合光模块之后的这些色光的光路径上。其中，这些色光之一于分光模块分光时之偏振光，与该色光于合光模块合光时之偏振光像面方向相同。

为让本发明之上述目的、特征、及优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1为台湾第93101928号专利申请案之数字光学处理投影装置之示意图。

图2A为图1之分光模块中红色光R之光谱曲线图。

图2B为图1之合光模块中红色光R之光谱曲线图。

图3为依本发明之较佳实施例的数字光学处理投影装置之分解示意图。

图4A为依本发明之较佳实施例的分光元件示意图。

图4B为本发明之集光柱的示意图。

图5A为本发明较佳实施例之合光模块的立体图。

图5B为图5A中合光模块之透明示意图。

图6A为图5A中合光元件之立体图。

图6B为图5A中合光元件之透明示意图。

图7A为图5A中内部全反射棱镜之立体图。

图7B为图5A中内部全反射棱镜之透明示意图。

图7C为图5A中内部全反射棱镜之侧视图。

图8为于本发明较佳实施例之分光元件中蓝色光B0之光谱曲线图。主要元件标记说明

1：数字光学处理投影装置

200：合光模块

220a、230a、240a：内部全反射棱镜

300：光源

310：集光柱

320：合光模块

321：第一棱镜

321a：第一光入射面

321b：第一接合面

321c：第一光出射面

321e：空气间隙

322：合光元件

322a：顶面

322b：侧面

322c：底面

322d：缺角面

323、324、325：棱镜

323a、324a、325a：棱镜侧面

329：第二棱镜

329a：第二接合面

329b：第二光出射面

330：分光模块

331：分光元件

332(a)～(i)：反射镜

340：光源

350：集光柱

361、362、363：数字微镜装置

400：分光模块

402、404：双向分光镜

406、408、410：透光镜

412、414、416、418、420、422：反射镜

500R、500G、500B：数字微镜装置

550：后焦距

600、360：投影镜头

a1：长边

a2：短边

A：透光区域

C：缺角

FR、FB、FR’、FB’：光学镀膜

M：遮光区域

具体实施方式

请参照图3，其为依照本发明之较佳实施例的数字光学处理投影装置1，该投影装置1包括光源340、集光柱350、分光模块330、合光模块320、多个数字微镜装置361、362、363及投影镜头(Project Lens)360。

该光源340发出光线X，且通常采用高亮度、高色饱和度之白光，例如金属卤化物灯(Metal-halide Lamp)，或是超高效率灯(Ultra HighPerformance Lamp；UHP Lamp)。该集光柱350将光线X均匀化后射入分光模块330。该分光模块330将光线X分光而成三原色光，即红色光R0、绿色光G0及蓝色光B0，再将三原色光R0、G0及B0射入合光模块320。该合光模块320用以接收分光模块330之红色光R0、绿色光G0及蓝色光B0，并于数字微镜装置361、362、363成像。而合光模块320在成像合光后，再将合光经投影镜头360投射出。以下将针对此数字光学处理投影装置中的各构件依次进行详细之说明。

该分光模块330包括分光元件331、反射镜332(a)～(i)。该分光元件331将红色光R0及蓝色光B0反射至不同方向(例如各往左右方向、上下方向或类似方向射出)，而绿色光G0则直接穿透该分光元件331，以达到分光之目的。

图4A为本发明之较佳实施例的分光元件331之示意图。该分光元件331较佳为交叉分色滤光片(X-plate)。分光元件331内部具有光学镀膜FR及光学镀膜FB。当光线X入射于该分光元件331，光线X之红色光R0即被光学镀膜FR所反射。同理，光线X之蓝色光B0即被光学镀膜FB所反射。但绿色光G则不受影响，直接穿透该分光元件331。

反射镜332(a)～(i)则用以将三原色光R0、G0及B0连续折射而传递至合光模块320。例如反射镜332(a)～(c)将红色光R0连续折射传递至棱镜323，反射镜332(d)～(f)用以将蓝色光B0连续折射传递至棱镜324，反射镜332(g)～(i)将绿色光G0连续折射传递至棱镜325。

图4B为集光柱350之示意图，该集光柱350之输出端具有长边a1与短边a2。于本实施例中，长边a1与短边a2之比例为16∶9，且长边a1为垂直于水平方向。又红色光R0由该分光元件331之光学镀膜FR加以反射后，其反射方向例如平行于长边a1，红色光R0之反射方向例如为该分光元件331之正下方。蓝色光B0则由该分光元件331之光学镀膜FB所反射后，其反射方向例如平行于长边a1，蓝色光B0之反射方向例如为该分光元件331之正上方。但上述由上、下方向反射蓝色光及红色光之安排只是许许多多可行的方式之一。

图5A为依照本发明之较佳实施例的合光模块立体图，而图5B为图5A中合光模块之透明示意图。本实施例中该合光模块320主要由合光元件322以及多个邻近于合光元件322设置的棱镜323、324、325所构成，此处虽以三个棱镜323、324、325为例进行说明，但此并非用以限定本发明所需之棱镜数量。另外，前述邻近于该合光元件322设置的棱镜323、324、325可通过任意方式与合光元件322直接或间接组装为一体。

图6A及图6B分别为图4中之合光元件的立体图与透明示意图。在本实施例当中，该合光元件322具有至少一个缺角C，此处虽以三个缺角C为例进行说明，但此亦非用以限定该缺角C之数量，事实上该缺角C的数量可视需求而定。

本实施例之合光元件322可为交叉分色棱镜(X-prism)或是其它具有合光效果的光学元件。本实施例以交叉分色棱镜为例，其内部例如具有二个光学镀膜FR’、FB’，其中光学镀膜FR’是指能够反射红光波段之光学镀膜，而光学镀膜FB’是指能够反射蓝光波段之光学镀膜。此外，上述之交叉分色棱镜大致上呈正六面体，其通常具有四个侧面322b、顶面322a、底面322c以及三个缺角面322d，其中顶面322a与底面322c分别与侧面322b邻接，部分的缺角面322d会与顶面322a以及其中一侧面322b邻接，而部分的缺角面322d会与底面322c以及其中一侧面322b邻接。此外，缺角面322d的形状例如为正三角形。

请同时参照图5A、图5B、图6A以及图6B，棱镜323、324及325中至少一个的一侧邻接于合光元件322之缺角C上，以便该合光模块320所占据的体积能够有效地缩减。

图7A、图7B及图7C分别为图5A中内部全反射棱镜之立体图、透明示意图及侧视图。本实施例之棱镜323、324及325例如为内部全反射棱镜，而以下将以内部全反射棱镜323为例进行详细说明。

内部全反射棱镜323由第一棱镜321以及第二棱镜329所构成。该第一棱镜321具有第一光入射面321a、第一接合面321b以及第一光出射面321c。而该第二棱镜329具有第二接合面329a以及第二光出射面329b。此外，在该内部全反射棱镜323中，第二棱镜329之第二光出射面329b上例如包括透光区域A以及遮光区域M，而此遮光区域M用以滤除杂光。

请再参照图7C，在该内部全反射棱镜323中，第一接合面321b的部分区域与第二接合面329a之间维持空气间隙321e，而第一接合面321b的其它区域与合光元件322的一个缺角面322d邻接，且第二光出射面329b与其中一个侧面322b邻接。

请同时参照图5B及图7C，在本实施例中，内部全反射棱镜323例如为红光内部全反射棱镜，内部全反射棱镜324例如为蓝光内部全反射棱镜，全反射棱镜325例如为绿光内部全反射棱镜。其中，红光内部全反射棱镜323与蓝光内部全反射棱镜324可设置成位于合光元件322的相对侧。此外，每一个内部全反射棱镜323、324、325中的棱镜侧面323a、324a、325a分别位于第一平面(未表示)上，而合光元件322中的顶面322a位于第二平面(未表示)上，且第一平面与第二平面之夹角为45度。

承上所述，红光内部全反射棱镜323内例如还包括蓝光反射镀膜，此蓝光反射镀膜例如设置于第一棱镜321的第一接合面321b上，或者是设置于第二棱镜329的第二接合面329a上，以滤除蓝光波段以外之杂光。此外，蓝光内部全反射棱镜324内例如还包括红光反射镀膜，以滤除红光波段以外之杂光。

数字微镜装置361、362及363分别位于合光模块320之后各色光R0、G0、B0的光路径上。而各色光R0、G0、B0分别通过内部全反射棱镜323、324、325中之空气间隙反射至数字微镜装置361、362及363，再被数字微镜装置361、362及363反射而直接穿透内部全反射棱镜323、324、325。此外，投影镜头360设置于合光模块320之后的合光路径上。

各色光R0、G0、B0于合光元件合光时，其产生之合光光束与集光柱350之输出端之光线X比较，经由各色光中间传输之过程，合光光束的像面将是光线X作90度旋转后的像面。例如光线X经集光柱350后，其长边与地面垂直，其短边与地面平行。而合光光束为符合使用者之观赏效果，合光光束之长边方向已与地面呈平行，合光光束之短边方向则与地面呈垂直，长边与短边之比例例如为16∶9。

请参照图8，其为分光模块330中蓝色光B0之光谱曲线图。当蓝色光B0之入射角为45度时，曲线S5为蓝色光B0之S偏振光之光谱曲线，曲线P5为蓝色光B0之P偏振光之光谱曲线。当蓝色光B0之入射角为52度时，曲线S6为蓝色光B0之S偏振光之光谱曲线，曲线P6为蓝色光B0于P偏振方向之光谱曲线。

经过分光模块330之后，蓝色光B0之S及P偏振光，不会如现有技术一般，在合光模块200处碰到S及P偏振光像面方向不同之状态。亦即蓝色光B0在合光时，不会有部分波长的光因为是非反射之状态而造成透射。因此于合光模块320时，蓝色光B0之光谱曲线图并无变动。换言之，蓝色光B0于分光时之S偏振光与蓝色光B0于合光时之S偏振光像面方向相同。而色光R0及G0亦如色光B0所述，于分光时之S偏振光与合光时之S偏振光像面方向相同，因此于合光时并无光损耗之现象。

采用本发明所批露之数字光学处理投影装置及其分光模块时，各色光不会有光损耗的情况，而使得最后投影之画面可达预期的质量。且由于各棱镜间更密实接合之结构设计，故使各色光之光路变得较为简短，亦使得数字光学处理投影装置本身于制造上可明显缩小体积，增加使用者之接受度，进而提高市场竞争力。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与改进，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (28)

1.一种分光模块，配合合光模块使用，该合光模块包括合光元件及多个棱镜，其特征是该分光模块包括：

分光元件，将光线分光而成多道色光，这些色光分别射入该合光模块之棱镜；

其中，这些色光之一于该分光模块分光时之偏振光，与这些色光之一于该合光模块合光时之偏振光像面方向相同。

2.根据权利要求1所述之分光模块，其特征是该分光元件为交叉分色滤光片(X-plate)。

3.根据权利要求1所述之分光模块，其特征是该偏振光为该色光之S偏振光。

4.根据权利要求1所述之分光模块，其特征是该偏振光为该色光之P偏振光。

5.根据权利要求1所述之分光模块，其特征是该分光模块还包括多个反射镜，分别设置于该分光元件与上述这些棱镜之间之上述色光之光路径上。

6.根据权利要求1所述之分光模块，其特征是上述这些色光包括第一色光、第二色光及第三色光。

7.根据权利要求6所述之分光模块，其特征是该第一色光为红色光，该第二色光为蓝色光及该第三色光为绿色光。

8.根据权利要求6所述之分光模块，其特征是该分光元件具有第一色光镀膜及第二色光镀膜，该第一色光镀膜用以反射该第一色光，该第二色光镀膜用以反射该第二色光。

9.根据权利要求8所述之分光模块，其特征是该第三色光直接穿透该分光元件。

10.根据权利要求8所述之分光模块，其特征是该光线经由集光柱射出，又该第一色光及第二色光于该分光模块之反射方向与该集光柱之输出端之长边平行。

11.一种数字光学处理投影装置，其特征是包括：

光源，适于发出光线；

分光模块，包括：

分光元件，该分光元件位于该光源之后该光线的光路径上，其中该分光模块将该光线分光而成多道色光；

合光模块，位于该分光模块之后上述色光的交会处，该合光模块包括：

合光元件；及

多个棱镜，邻近该合光元件设置；

多个数字微镜装置(Digital Micro-mirror Device；DMD)，分别位于该合光模块之后上述色光的光路径上，其中上述色光被上述棱镜反射至数字微镜装置，再被上述数字微镜装置反射而直接穿透上述棱镜；及

投影镜头，设置于该合光模块之后的光路径上；

其中，上述色光之一于该分光模块分光时之偏振光，与上述色光之一于该合光模块合光时之偏振光像面方向相同。

12.根据权利要求11所述之数字光学处理投影装置，其特征是该分光元件为交叉分色滤光片。

13.根据权利要求11所述之数字光学处理投影装置，其特征是该偏振光为该色光之S偏振光。

14.根据权利要求11所述之数字光学处理投影装置，其特征是该偏振光系为该色光之P偏振光。

15.根据权利要求11所述之数字光学处理投影装置，其特征是该分光模块还包括多个反射镜，设置于该分光元件与该等棱镜之间之上述色光之光路径上。

16.根据权利要求11所述之数字光学处理投影装置，其特征是上述色光包括第一色光、第二色光及第三色光。

17.根据权利要求16所述之数字光学处理投影装置，其特征是该第一色光为红色光，该第二色光为蓝色光及该第三色光为绿色光。

18.根据权利要求16所述之数字光学处理投影装置，其特征是该分光元件具有第一色光镀膜及第二色光镀膜，该第一色光镀膜用以反射该第一色光，该第二色光镀膜用以反射该第二色光。

19.根据权利要求18所述之数字光学处理投影装置，其特征是该第三色光直接穿透该分光元件。

20.根据权利要求18所述之数字光学处理投影装置，其特征是还包括集光柱，该光线经该集光柱均匀化后入射至该分光模块；

其中，该第一色光及第二色光于该分光模块之反射方向与该集光柱之输出端之长边平行。

21.根据权利要求11所述之数字光学处理投影装置，其特征是该合光元件具有至少一个缺角，上述棱镜之一的一侧邻接于该合光元件之该缺角上。

22.根据权利要求21所述之数字光学处理投影装置，其特征是该合光元件的该缺角面的形状包括正三角形。

23.根据权利要求21所述之数字光学处理投影装置，其特征是该合光元件具有四个侧面、顶面、底面以及三个缺角面，其中该顶面及该底面分别与这些侧面邻接，这些缺角面之部分与该顶面及这些侧面之一邻接，而这些缺角面之部分亦与该底面及这些侧面之一邻接。

24.根据权利要求23所述之数字光学处理投影装置，其特征是上述棱镜包括三个内部全反射棱镜，且各该内部全反射棱镜包括：

第一棱镜，具有第一光入射面、第一接合面及第一光出射面；及

第二棱镜，具有第二接合面及第二光出射面，其中该第一接合面的部分区域与该第二接合面之间维持空气间隙，而该第一接合面的其它区域与上述缺角面之一邻接，且该第二光出射面与上述侧面之一邻接。

25.根据权利要求24所述之数字光学处理投影装置，其特征是各该内部全反射棱镜的棱镜侧面位于第一平面上，而该合光元件中的该顶面位于第二平面上，且该第一平面与该第二平面之夹角为45度。

26.根据权利要求24所述之数字光学处理投影装置，其特征是上述内部全反射棱镜包括红光内部全反射棱镜、蓝光内部全反射棱镜及绿光内部全反射棱镜，且该红光内部全反射棱镜与该蓝光内部全反射棱镜位于该合光元件的相对侧。

27.根据权利要求26所述之数字光学处理投影装置，其特征是还包括：

蓝光反射镀膜，设置于该红光内部全反射棱镜内；及

红光反射镀膜，设置于该蓝光内部全反射棱镜内。

28.根据权利要求24所述之数字光学处理投影装置，其特征是该第二棱镜之该第二光出射面上包括透光区域以及遮光区域。

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