CN214122670U - 匀光模块与投影装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种匀光模块以及投影装置。匀光模块用于将光束均匀化，且包括非等向性扩散元件以及光均匀化元件。非等向性扩散元件位于光束的传递路径上，其中光束通过非等向性扩散元件后在第一方向上具有第一扩散角，在第二方向上具有第二扩散角，且第一扩散角大于第二扩散角。光均匀化元件位于来自非等向性扩散元件的光束的传递路径上，且光均匀化元件包括多个光学单元，多个光学单元的任一个在第一方向上的尺寸大于在第二方向上的尺寸，其中第一方向垂直于第二方向。本实用新型的匀光模块及投影装置能够使光束具有良好的均匀度。

Description

匀光模块与投影装置
技术领域
本实用新型关于一种光学模块与光学装置，且特别是关于一种匀光模块与投影装置。
背景技术
近来以发光二极管(light-emitting diode,LED)和激光二极管(laser diode)等固态光源为主的投影装置渐渐在市场上占有一席之地。由于激光二极管具有高于约20％的发光效率，为了突破发光二极管的光源限制，因此渐渐发展了以激光二极管为作为投影机所需光源的机种。
一般而言，以激光二极管作为光源的投影装置包含有光源模块、匀光模块、光阀、投影镜头(Projection Lens)等光学模块的设置。具体而言。合光模块所提供的光束通过匀光模块，以使光束均匀化，并传递至后续的光阀上，并透过投影镜头投影至屏幕上。
然而，现行的投影装置的光源模块所提供的光束在空间中的不同维度的角度与匀光模块的不同维度的收光角的关系并不互相对应。因此，当光束在其中一维度的角度与匀光单元的同一维度的收光角媒合时，光束在另一维度的角度与匀光单元的对应维度的收光角就无法媒合。举例而言，当匀光模块为微阵列透镜时，其包含多个透镜单元。各透镜单元在一长轴方向与一短轴方向分别具有不同的收光角。当将光束的角度媒合透镜单元在短轴方向的收光角时，会导致通过透镜单元的光束在长轴方向上分布不均，而造成各色光的光斑空间分布不均匀，如此，通过光阀的光束会出现色光分离的现象，若投影镜头的光圈值(F/#)较小时，会使影像画面产生颜色不均的现象。另一方面，当将光束的角度媒合透镜单元在长轴方向的收光角时，则光束在通过透镜单元时，在短轴方向上容易有一部分光束入射到其他非对应的透镜单元上，而造成杂散光，导致效率损耗。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本实用新型内容，因此在“背景技术”段落所公开的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的现有技术。在“背景技术”段落所公开的内容，不代表该内容或者本实用新型一个或多个实施例所要解决的问题，在本实用新型申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
实用新型内容
本实用新型提供一种匀光模块，能够使通过的光束具有良好的均匀度。
本实用新型提供一种投影装置，能够提供具有良好品质的影像画面。
本实用新型的其他目的和优点可以从本实用新型所公开的技术特征中得到进一步的了解。
为达到上述的一或部分或全部目的或是其他目的，本实用新型的一实施例提出一种匀光模块。匀光模块用于将光束均匀化，且包括非等向性扩散元件以及光均匀化元件。非等向性扩散元件位于光束的传递路径上，其中光束通过非等向性扩散元件后在第一方向上具有第一扩散角，在第二方向上具有第二扩散角，且第一扩散角大于第二扩散角。光均匀化元件位于来自非等向性扩散元件的光束的传递路径上，且光均匀化元件包括多个光学单元，多个光学单元的任一个在第一方向上的尺寸大于在第二方向上的尺寸，其中第一方向垂直于第二方向。
为达到上述的一或部分或全部目的或是其他目的，本实用新型的一实施例提出一种投影装置。投影装置包括光源模块，前述的匀光模块、光阀以及投影镜头。光源模块用于提供光束。匀光模块位于来自光源模块的光束的传递路径上，且用于将光束并转换成照明光束。光阀位于照明光束的传递路径上，且用于将照明光束转换成影像光束。投影镜头位于影像光束的传递路径上且用于投影出影像光束。
基于上述，本实用新型的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本实用新型的实施例中，通过非等向性扩散元件的配置，光束的第一扩散角可与光均匀化元件的各光学单元的第一收光角进行媒合，且光束的第二扩散角可与光均匀化元件的各光学单元的第二收光角进行媒合，并且，当第一扩散角与第二扩散角的第二比值与第一收光角与第二收光角的第一比值的比值大于0.56且小于1.50时，可避免影像画面产生颜色不均的现象，进而使投影装置能够提供具有良好品质的影像画面。
为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本实用新型一实施例的一种投影装置的方块图。
图2A是光束通过图1的非等向性扩散元件的示意图。
图2B是图1的光均匀化元件的上视图。
图2C是图1的光均匀化元件的侧视图。
图3A是光束通过图1的匀光模块的光路示意图。
图3B是光束通过图1的匀光模块的光路示意图。
图4A是通过图1的光均匀化元件中光学单元的任一之光束于空间的分布示意图。
图4B是图1的照明光束的各色光照射于光阀上的角度空间分布示意图。
图4C是通过一对照例的光均匀化元件中光学单元的任一之光束于空间的分布示意图。
图4D是一对照例的照明光束的各色光照射于光阀上的角度空间分布示意图。
图5是图1的另一种光均匀化元件的侧视图。
表1是不同实施例的第一比值与第二比值的数据表。
附图标记列表
10：光源模块
60：光束
70：照明光束
80：影像光束
IL：照明系统
100、500：匀光模块
110：非等向性扩散元件
120、520：光均匀化元件
200：投影装置
210：光阀
220：投影镜头
211：长边
212：短边
D1：第一方向
D2：第二方向
D3：第三方向
ML1：第一微透镜阵列
ML2：第二微透镜阵列
OU：光学单元
OS1：第一光学面
OS2：第二光学面
ST：光圈
SP、SP1、SP2、SP3：光斑。
具体实施方式
有关本实用新型的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型。
图1是本实用新型一实施例的一种投影装置的方块图。请参照图1，在本实施例中，投影装置200包括照明系统IL、光阀210以及投影镜头220。照明系统IL用于提供照明光束70。光阀210配置于照明光束70的传递路径上，以将照明光束70调变成影像光束80。投影镜头220配置于影像光束80的传递路径上，并用于将影像光束80投射至成像面(其例如是屏幕或墙壁)上，以形成影像画面。由于这些不同颜色的照明光束70照射在光阀210上后，光阀210依时序将不同颜色的照明光束70转换成影像光束80并传递至投影镜头220。因此，光阀210所转换出的影像光束80被投射出投影装置200的影像画面便能够成为彩色画面。在本实施例中，光阀210例如为数字微镜元件(digital micro-mirror device，DMD)，投影镜头220例如是包括具有屈光度的一或多个光学镜片的组合，光学镜片例如包括双凹透镜、双凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜、平凸透镜、平凹透镜等非平面镜片或其各种组合。本实用新型对投影镜头220的型态及其种类并不加以限制。
进一步而言，如图1所示，在本实施例中，照明系统IL包括光源模块10与匀光模块100，光源模块10用于提供光束60，匀光模块100用于将光束60均匀化后输出照明光束70。匀光模块100包括非等向性扩散元件110以及光均匀化元件120。以下将搭配图2A至图3B，针对匀光模块100的结构进行进一步地解说。
图2A是光束通过图1的非等向性扩散元件的示意图。图2B是图1的光均匀化元件的上视图。图2C是图1的光均匀化元件的侧视图。图3A是光束通过图1的匀光模块的光路示意图。图3B是光束通过图1的匀光模块的光路示意图。具体而言，如图2A所示，非等向性扩散元件110位于光束60的传递路径上。在本实施例中，非等向性扩散元件110可使通过之光束60在不同方向具有不同的扩散角，即非等向性扩散元件110在第一方向D1上的扩散能力与第二方向D2上的扩散能力不同。在本实施例中，非等向性扩散元件110在第一方向D1上的扩散能力大于第二方向D2上的扩散能力。换言之，光束60通过非等向性扩散元件110后在第一方向D1上具有第一扩散角，在第二方向D2上具有第二扩散角，且第一扩散角大于第二扩散角，其中第一方向D1垂直于第二方向D2。并且，如图2A所示，在本实施例中，来自光源模块10的光束60沿第三方向通过非等向性扩散元件110，且第三方向D3与第一方向D1与第二方向D2相垂直。
此外，在本实施例中，非等向性扩散元件110例如相对于光均匀化元件120为静止，但本实用新型不局限于此。在其他实施例中，匀光模块100可更包括一致动器，连接至非等向性扩散元件110，且用以驱使非等向性扩散元件110往复运动，以使通过非等向性扩散元件110的光束60的扩散角度出现时序性的改变，进而使光束60的光斑分布能随时间而改变，而可消除散斑效应。
另一方面，如图1、图2B与图2C所示，光均匀化元件120位于来自非等向性扩散元件110的光束60的传递路径上，且光均匀化元件120包括多个光学单元OU。举例而言，在本实施例中，光均匀化元件120为单片式微透镜阵列。光均匀化元件120具有彼此相对的第一光学面OS1以及第二光学面OS2，且第一光学面OS1为单片式微透镜阵列面向非等向性扩散元件110的表面，第二光学面OS2为单片式微透镜阵列背向非等向性扩散元件110的表面。多个光学单元OU为单片式微透镜阵列的多个排成阵列的微透镜单元，且配置于第一光学面OS1及第二光学面OS2。
具体而言，如图2B与图2C所示，多个光学单元OU的任一个在第一方向D1上的尺寸大于在第二方向D2上的尺寸。换言之，由于各光学单元OU在第一方向D1上的尺寸大于在第二方向D2上的尺寸，因此，第一方向D1为各光学单元OU的长轴方向，而第二方向D2为各光学单元OU的短轴方向，其与光阀210的长边211方向与短边212方向彼此对应。换言之，在本实施例中，光束60通过光均匀化元件120的各光学单元OU后在第一方向D1上具有第一收光角，在第二方向D2上具有第二收光角，第一收光角与第二收光角的比值为第一比值，则光阀210的长边211的尺寸(长度)与光阀210的短边212的尺寸(长度)的比值也会等于第一比值。
进一步而言，在本实施例中，由于非等向性扩散元件110可使光束60在不同方向具有不同的扩散角，因此光束60在通过非等向性扩散元件110后，其第一扩散角与第二扩散角可对应光均匀化元件120的各光学单元OU的第一收光角与第二收光角进行调整。如此，如图3A与图3B所示，通过非等向性扩散元件110的光束60的第一扩散角可与通过光均匀化元件120的各光学单元OU的光束60的第一收光角进行媒合，且通过非等向性扩散元件110的光束60的第二扩散角可与通过光均匀化元件120的各光学单元OU的光束60的第二收光角进行媒合。如此，光束60在通过光均匀化元件120后可在空间中具有均匀的分布，且被传递至光阀210时角度分布均匀。举例而言，在本实施例中，第一扩散角与第二扩散角的比值可为第二比值，而第二比值与第一比值的比值大于0.56且小于1.50。
以下将搭配表1以及图4A至图4D来对上述数值的意义进行进一步地解说。图4A是通过图1的光均匀化元件120中光学单元OU的任一之光束60于空间的分布示意图。图4B是图1的照明光束70的各色光照射于光阀210上的角度空间分布示意图。图4C是通过一对照例的光均匀化元件120中光学单元OU的任一之的光束60于空间的分布示意图。图4D是一对照例的照明光束70的各色光照射于光阀210上的角度空间分布示意图。表1是不同实施例的第一比值与第二比值的数据表。具体而言，图4A及图4C是光束60通过光均匀化组件120中一光学单元OU的出射面于空间的分布示意。如表1所示，在本实施例中，假设光阀210的长边211的尺寸(长度)与光阀210的短边212的尺寸(长度)的比为16比9，则光均匀化元件120的第一比值为16/9，约为1.78。并且，在本实施例中，非等向性扩散元件110的第二比值的下限值为1，这是由于若第二比值小于1的话，光束60在第一方向D1上的第一扩散角反而会小于在第二方向D2上的第二扩散角，这与光学上的需求不吻合。另一方面，在考虑非等向性扩散元件110的第二比值的上限值的情况时，需进一步考虑当第一扩散角扩散过大时，通过光均匀化元件120的光束60的光斑SP会与任一光学单元OU无法完全重合，则会使得照明光束70入射光阀210时，照明光束70的光斑角度与光阀210的角度空间的有效区域无法完全叠合(如图4C所示)，如此，各色光的光斑角度会呈离散分布，如此，当投影镜头220的光圈值较小时，各色光被投影镜头220的光圈ST的遮挡比例不同，可能会使各色光的光斑SP1、SP2、SP3的角度呈现分离的色区(如图4D所示)，进而使得三色光色亮度差异变大，造成色偏较严重，或是造成纯色亮度降低，使白点亮度降低。在本实施例中，非等向性扩散元件110的第二比值的上限值例如为2.67，如此，可允许色偏在容许值范围内。如此，在本实施例中，当第二比值与第一比值的比值大于0.56且小于1.50时，则可避免影像画面产生颜色不均的现象，进而使投影装置200能够提供具有良好品质的影像画面。并且，当第二比值与第一比值的比值相等时，光束60通过光均匀化元件120时，光束60的光斑SP会与任一光学单元OU完全重合，则照明光束70的光斑角度与光阀210的角度空间的有效区域会有机会完全叠合，而使各色光的光斑SP1、SP2、SP3的角度的色区完整，进而能够消除色偏现象(如图4A与图4B所示)，而使得投影装置200能够提供具有较佳品质的影像画面。
此外，值得注意的是，前述实施例虽是以光阀210的长边211的尺寸与光阀210的短边212的尺寸的比为16比9来作为数据的例示，但本实用新型不局限于此。在其他实施例中，当光阀210的长边211与短边212的比例改变时，光均匀化元件120的第一收光角与第二收光角的第一比值也随之改变，并且，非等向性扩散元件110的第二比值的上限值与下限值也会随之改变，而只要第二比值与第一比值的比值大于0.56且小于1.50时，即可避免影像画面产生颜色不均的现象。
另一方面，值得注意的是，在前述的实施例中，光均匀化元件120虽以单片式微透镜阵列为例，但本实用新型不局限于此。在另一实施例中，光均匀化元件120亦可为双片式微透镜阵列，并且，通过非等向性扩散元件110的配置，亦可达到避免影像画面产生颜色不均的现象的功能。以下将另举部分实施例作为说明。
图5是图1的另一种光均匀化元件的侧视图。请参照图5，匀光模块500的光均匀化元件520与图2C的光均匀化元件120类似，而差异如下所述。具体而言，如图5所示，在本实施例中，匀光模块500的光均匀化元件520包括彼此对齐的第一微透镜阵列ML1以及第二微透镜阵列ML2，第一微透镜阵列ML1以及第二微透镜阵列ML2之间有一间距，且第一光学面OS1为第一微透镜阵列ML1面向非等向性扩散元件110的表面，第二光学面OS2为第二微透镜阵列ML2背向非等向性扩散元件110的表面。光均匀化元件520的多个光学单元OU包括第一微透镜阵列ML1的多个微透镜单元以及第二微透镜阵列ML2的多个微透镜单元。如此，通过非等向性扩散元件110的光束60在先后通过第一微透镜阵列ML1的多个微透镜单元以及第二微透镜阵列ML2的多个微透镜单元后在第一方向D1上具有第一收光角，在第二方向D2上具有第二收光角，第一收光角与第二收光角的比值也为第一比值。如此，由于匀光模块500与匀光模块100具有类似的结构，因此，亦能达到与匀光模块100类似的效果与优点，在此就不再赘述。并且，当光均匀化元件520取代图2C的光均匀化元件120而被应用至图1的投影装置200时，亦能使投影装置200达到前述的效果与优点，在此就不再赘述。
综上所述，本实用新型的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本实用新型的实施例中，通过非等向性扩散元件的配置，光束的第一扩散角可与光均匀化元件的各光学单元的第一收光角进行媒合，且光束的第二扩散角可与光均匀化元件的各光学单元的第二收光角进行媒合，并且，当第一扩散角与第二扩散角的第二比值与第一收光角与第二收光角的第一比值的比值大于0.56且小于1.50时，可避免影像画面产生颜色不均的现象，进而使投影装置能够提供具有良好品质的影像画面。
以上所述，仅为本实用新型的优选实施例而已，不能以此限定本实用新型实施的范围，即凡是依照本实用新型权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本实用新型专利涵盖的范围内。另外本实用新型的任一实施例或权利要求不须达成本实用新型所公开的全部目的或优点或特点。此外，说明书摘要和实用新型名称仅是用来辅助专利文件检索，并非用来限制本实用新型的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

Claims (15)

1.一种匀光模块，用于将光束均匀化，其特征在于，所述匀光模块包括非等向性扩散元件以及光均匀化元件，其中：
所述非等向性扩散元件位于所述光束的传递路径上，其中所述光束通过所述非等向性扩散元件后在第一方向上具有第一扩散角，在第二方向上具有第二扩散角，且所述第一扩散角大于所述第二扩散角；以及
所述光均匀化元件位于来自所述非等向性扩散元件的所述光束的传递路径上，且所述光均匀化元件包括多个光学单元，所述多个光学单元的任一个在所述第一方向上的尺寸大于在所述第二方向上的尺寸，其中所述第一方向垂直于所述第二方向。
2.根据权利要求1所述的匀光模块，其特征在于，所述光束通过所述光均匀化元件的各所述多个光学单元后在所述第一方向上具有第一收光角，在所述第二方向上具有第二收光角，所述第一收光角与所述第二收光角的比值为第一比值，所述第一扩散角与所述第二扩散角的比值为第二比值，其中所述第二比值与所述第一比值的比值大于0.56且小于1.50。
3.根据权利要求1所述的匀光模块，其特征在于，所述光均匀化元件为微透镜阵列，且所述多个光学单元为多个微透镜单元，且所述微透镜单元在所述第一方向上的尺寸大于在所述第二方向上的尺寸。
4.根据权利要求1所述的匀光模块，其特征在于，所述匀光模块还包括致动器，连接至所述非等向性扩散元件，且用以驱使所述非等向性扩散元件运动。
5.根据权利要求1所述的匀光模块，其特征在于，所述非等向性扩散元件相对于所述光均匀化元件为静止。
6.根据权利要求1所述的匀光模块，其特征在于，所述光均匀化元件具有彼此相对的第一光学面以及第二光学面，且所述光均匀化元件为单片式微透镜阵列，所述第一光学面为所述单片式微透镜阵列面向所述非等向性扩散元件的表面，所述第二光学面为所述单片式微透镜阵列背向所述非等向性扩散元件的表面，所述多个光学单元为所述单片式微透镜阵列的多个微透镜单元且配置于所述第一光学面及所述第二光学面。
7.根据权利要求1所述的匀光模块，其特征在于，所述光均匀化元件具有彼此相对的第一光学面以及第二光学面，且包括彼此对齐的第一微透镜阵列以及第二微透镜阵列，所述第一光学面为所述第一微透镜阵列面向所述非等向性扩散元件的表面，所述第二光学面为所述第二微透镜阵列背向所述非等向性扩散元件的表面，所述多个光学单元包括所述第一微透镜阵列的多个微透镜单元以及所述第二微透镜阵列的多个微透镜单元。
8.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括光源模块、匀光模块、光阀以及投影镜头，其中：
所述光源模块用于提供光束；
所述匀光模块位于来自所述光源模块的所述光束的传递路径上，且用于将所述光束并转换成照明光束，所述匀光模块包括非等向性扩散元件以及光均匀化元件，其中：
所述非等向性扩散元件位于所述光束的传递路径上，其中所述光束通过所述非等向性扩散元件后在第一方向上具有第一扩散角，在第二方向上具有第二扩散角，且所述第一扩散角大于所述第二扩散角；以及
所述光均匀化元件位于来自所述非等向性扩散元件的所述光束的传递路径上，且所述光均匀化元件包括多个光学单元，所述多个光学单元的任一个在所述第一方向上的尺寸大于在所述第二方向上的尺寸，其中所述第一方向垂直于所述第二方向；
所述光阀位于所述照明光束的传递路径上，且用于将所述照明光束转换成影像光束；以及
所述投影镜头位于所述影像光束的传递路径上，且用于投影出所述影像光束。
9.根据权利要求8所述的投影装置，其特征在于，所述光束通过所述光均匀化元件的各所述多个光学单元后在所述第一方向上具有第一收光角，在所述第二方向上具有第二收光角，所述第一收光角与所述第二收光角的比值为第一比值，所述第一扩散角与所述第二扩散角的比值为第二比值，所述第一扩散角与所述第二扩散角的比值为第二比值，其中所述第二比值与所述第一比值的比值大于0.56且小于1.50。
10.根据权利要求9所述的投影装置，其特征在于，所述光阀具有长边与短边，且所述光阀的所述长边的尺寸与所述光阀的所述短边的尺寸的比值等于所述第一比值。
11.根据权利要求8所述的投影装置，其特征在于，所述光均匀化元件为微透镜阵列，且所述多个光学单元为多个微透镜单元，且所述多个微透镜单元在所述第一方向上的尺寸大于在所述第二方向上的尺寸。
12.根据权利要求8所述的投影装置，其特征在于，所述投影装置还包括致动器，连接至所述非等向性扩散元件，且用以驱使所述非等向性扩散元件运动。
13.根据权利要求8所述的投影装置，其特征在于，所述非等向性扩散元件相对于所述光均匀化元件为静止。
14.根据权利要求8所述的投影装置，其特征在于，所述光均匀化元件具有彼此相对的第一光学面以及第二光学面，且所述光均匀化元件为单片式微透镜阵列，所述第一光学面为所述单片式微透镜阵列面向所述非等向性扩散元件的表面，所述第二光学面为所述单片式微透镜阵列背向所述非等向性扩散元件的表面，所述多个光学单元为所述单片式微透镜阵列的多个微透镜单元且配置于所述第一光学面及所述第二光学面。
15.根据权利要求8所述的投影装置，其特征在于，所述光均匀化元件具有彼此相对的第一光学面以及第二光学面，且包括彼此对齐的第一微透镜阵列以及第二微透镜阵列，所述第一光学面为所述第一微透镜阵列面向所述非等向性扩散元件的表面，所述第二光学面为所述第二微透镜阵列背向所述非等向性扩散元件的表面，所述多个光学单元包括所述第一微透镜阵列的多个微透镜单元以及所述第二微透镜阵列的多个微透镜单元。
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