TW201305713A - 投影系統 - Google Patents

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Abstract

一種「投影系統」，設有一方柱形主棱鏡，於一側邊設為光源投射的出光側，另三邊設為光源投射的入光側，該主棱鏡的方形截面兩相對角間設有一偏極分光膜(PBS)；且該主棱鏡於三個光源投射的入光側上分設有一延遲片(retarder)及楔形光學板，諸楔形光學板上又設有可供特定光通過或反射之鍍膜層；如此則能使光源先經過偏極分光處理，得到P及S的偏極光線，再由一陣列透鏡及偏光轉換膜整合為同一偏極光，以利偏極分光鏡(PBS)及投影鏡頭將所有收集的光線投射出去，結構更為簡單，光源不會浪費，且節省成本。

Description

投影系統
本發明「投影系統」，係指一種外接(或內建)於手機、照相機、錄影機(DV)內，在拍攝影片後的立即欣賞或檢視結果，也適合電腦系統檔案之放映，更可做為stand along(獨立系統)使用，裝置可外接此一系統而直接投影；為一種適合數位產品使用的液晶投影系統。
一般的投影系統最大需要突破之處，就是亮度不足的問題(光線損失過多)，尤其是微投影系統方面；另外需要改善之處，即是加工製程上的精度及成本的考量，如何設計出一種加工方便，同時光損失較少，同時能應用在獨立系統，或內建(或外接)於數位電子產品使用，才是一種最佳的投影系統設計。
針對習用投影系統亮度不足的問題，主要係使用光源色彩之合光技術作為常見之解決方案。請參看第10圖所示，係一般習用投影系統的色彩合光裝置示意圖，包含有一方形棱鏡91及三個光源模組90；其中，該方形棱鏡91的四個邊角，於兩兩相對的方向，分別連接穿叉構成一X形鍍膜92，該X形鍍膜92上分別具有能反射或透過紅或綠或藍光線的能力。
三組光源模組90分別各設於方形棱鏡91的三個側邊，且每一光源模組90，包含有一發光二極體(紅R、綠G、藍B的其中之一)及準直透鏡，當三組光源模組90的(紅R、綠G、藍B)發光二極體光線準直射出進入方形棱鏡91，經過X形鍍膜92的作用後，再由方形棱鏡91的出光側(如第10圖的下方箭頭所示)射出，但這種結構設計具有下列的缺點：首先，X形鍍膜為交叉的設計，入射角為四十五度，大角度入射角會造成可入射波長穿透率或反射率下降，故各光源的發光波長區段有一部份會因大角度入射而被鍍膜特性截除形成損失，一般依鍍膜特性及加工的精密，可造成百分之三十以上的損失，造成光度的不足，浪費能源，是主要的缺點。
其次，X形鍍膜在製造上，鍍膜的效率並不好，且組裝費時，而且設備的精度相對要求甚高，因此成本提高，製程繁鎖，為其另一缺點。
再則，習用微投影系統受限於體積因素僅有光源色彩之合光技術，並無同時處理偏極光線(polarized light)中的P光線(LP)及S光線(LS)的分離，因此在投射時有一半的偏極光在進入另一偏極分光鏡(Polarization beam splitter，即PBS)構件後無法利用，造成光線的損失，導致亮度不足，是習用的又一主要缺點。
本發明之投影系統主要係以一方柱形主棱鏡為主，在該主棱鏡一側邊設為光源投射的出光側，另三邊設為光源投射的入光側，該主棱鏡的方形截面兩相對角間設有一偏極分光膜(PBS)；且該主棱鏡於三個光源投射的入光側上分設有一延遲片(retarder)及楔形光學板(Optical Wedge Plate)，諸楔形光學板上又設有可供特定光通過或反射之鍍膜層；如此則能使光源先經過偏極分光處理，得到P及S的偏極光線，再由一陣列透鏡及偏光轉換膜整合為同一偏極光，以利後方之偏極分光鏡(PBS)及投影鏡頭將所有收集的光線投射出去，結構更為簡單，且光源不會浪費，且節省成本。
為使　貴審查委員能清楚了解本發明之內容，僅以下列說明搭配圖式，說明如后。
請參看第1、2圖所示，本發明至少包含有：一主棱鏡20，係為一方柱形體，在一側邊設為光源投射的出光側21，另三邊則設為光源投射的入光側22,23,24，而在主棱鏡20的方形截面兩相對角間設有一偏極分光膜30(即Polarization beam splitter，簡稱PBS)；為製造方便，請參看第2圖所示，該主棱鏡20可由二個三角形柱的單元棱鏡201,202(例如：三角棱鏡)所組成。
主棱鏡20於光源投射的入光側22,23,24上分設有一延遲片(retarder) 220,230,240，且該延遲片220,230,240能將投射光線的偏極光線(polarized light)裡的p、s偏極互換。
三個楔形光學板40a,40b,40c(即Optical Wedge Plate)分別設於主棱鏡20入光側22,23,24之延遲片220,230,240外側，且該楔形光學板40a,40b,40c之內側邊41係與延遲片220,230,240相鄰(入射面平行，不一定需要緊貼)，而外側邊42則與延遲片220,230,240及入光側22,23,24間形成一角度。
如第2圖所示的楔形光學板40a,40b,40c與主棱鏡20的搭配，其實是有另一種等效取代的方式，請參看第7圖所示，係由一或二塊光學平板(Optical Plate)40a1,40a2,40b1,40c1與主棱鏡20的入光側22,23,24間形成一銳角所構成，如第7圖左側具有二面塗層80,81，故需用二片光學平板40a1,40a2取代，其他只要用一片光學平板取代40b1,40c1即可；至於該光學平板40a1,40a2,40b1,40c1與主棱鏡20的入光側22,23,24間所形成一銳角可以是間隙，也可以由光學平板40a1,40a2,40b1,40c1或主棱鏡20的肉厚所延伸，甚至另相同介質填充，只要不影響光之進行，皆可等效實施(此處係運用習知技藝即可完成，則不贅繪圖式說明)。
請參看第2圖所示，三塊楔形光學板40a,40b,40c裡的其中一塊楔形光學板40a(如第2圖的左側)的內側邊41與外側邊42均設有一塗層80,81；而另二個楔形光學板40b,40c(如第2圖的中間及左側)則分別於外側邊42及內側邊41各設有一塗層82,83。上揭諸楔形光學板40a,40b,40c之塗層80,81,82,83係為可供特定光通過或反射之鍍膜層或貼膜；本發明對於的諸塗層80,81,82,83供特定光通過或反射的一種實施例為如下：如第2圖所示，左側楔形光學板40a，內側邊41的塗層81(第二圖中沒標示塗層81)為藍光反射而紅光、綠光穿透，在外側邊42的塗層80為紅光反射而綠光穿透；在中間楔形光學板40b外側邊42的塗層82為綠光、藍光反射而紅光穿透；在右邊楔形光學板40c內側邊41的塗層83為紅光、綠光反射而藍光穿透。
據此，請配合參看第2、3圖所示，若以紅色光線LR自主棱鏡20的中間的入光側23射入，其中紅色光線LR的P極偏極光線LP(以虛線表示，以下相同)可穿過偏極分光膜30，並自主棱鏡20的出光側21射出；而紅色光線LR的S極偏極光線LS(以實線表示，以下相同)遇到偏極分光膜30則被反射後射至並穿過右側的延遲片240，再經一楔形光學板40c內側邊41的塗層83將紅光反射，再次穿過右側的延遲片240，經來回穿透延遲片240後，原S極偏極光線LS即受延遲片240相位延遲特性影響而轉變為P極的偏極光線LP(虛線)，並穿過偏極分光膜30後，射至並穿過延遲片220並在左側楔形光學板40a內側邊41的塗層81穿透，卻在外側邊42被塗層80將紅光反射，再經延遲片220射至偏極分光膜30，同理來回穿透延遲片220後，原P極的偏極光線LP即轉變為S極偏極光線LS(實線)，再由偏極分光膜30反射至主棱鏡20的出光側21射出，如此則能將紅光的S極的偏極光線LS和P極的偏極光線LP以適當角度分開並射出主棱鏡20。
同理，請配合參看第2、4圖所示，若以綠色光線LG自主棱鏡20的左邊的入光側22射入，其中綠色光線LG的S極偏極光線LS(以實線表示，以下相同)遇到偏極分光膜30則被反射至主棱鏡20的出光側21射出；而綠色光線LG的P極偏極光線LP(以虛線表示，以下相同)可穿過偏極分光膜30，遇到右側的延遲片240，及其後之一楔形光學板40c，由其內側邊41的塗層83將綠光反射並結合延遲片240特性將原偏極光轉變成為S極的偏極光線LS(實線)後射至偏極分光膜30，再向上反射至延遲片230及其後之中央楔形光學板40b，由其外側邊42的塗層82反射並結合延遲片230特性將原偏極光轉變成為P極的偏極光線LP(虛線)後，射至偏極分光膜30，穿透之，再自主棱鏡20的出光側21射出，如此則能將綠光的S極的偏極光線LS和P極的偏極光線LP以適當角度分開並射出主棱鏡20。
請配合參看第2、5圖所示，若以藍色光線LB自主棱鏡20的右邊的入光側24射入，其中藍色光線LB的P極偏極光線LP(以虛線表示，以下相同)可穿過偏極分光膜30，經延遲片220及左側楔形光學板40a，由其內側邊41的塗層81反射並結合延遲片220特性將原偏極光轉變成為S極的偏極光線LS(實線)後射至偏極分光膜30，再反射至主棱鏡20的出光側21射出；而藍色光線LB的S極偏極光線LS(以實線表示，以下相同)遇偏極分光膜30即向上反射經延遲片230及中央楔形光學板40b，由其外側邊42的塗層82反射並結合延遲片230特性將原偏極光轉變成為P極的偏極光線LP(虛線)後，射至偏極分光膜30，穿透之，再自主棱鏡20的出光側21射出，如此則能將藍光的S極的偏極光線LS和P極的偏極光線LP以適當角度分開並射出主棱鏡20。
上述之延遲片220,230,240可為1/4波相位延遲片(Quarter Wave Plate)或其他等效之光學延遲膜構成，可改變穿透光之偏極特性。其詳細之操作原理及相位延遲軸與偏極光電場方向間之方位對準條件等，均為習知技藝，在此不另贅述。
上述在內側邊41與外側邊42均設有一塗層80,81的楔形光學板40a，最佳位置是設於主棱鏡20出光側21的相鄰邊，如第2圖的左右側楔形光學板40a,40c可以互換，皆是本發明案的簡單替換。
上述的主棱鏡20或諸楔形光學板40a,40b,40c因安全因素，在各角端略為削整倒角或呈圓滑角，在未影響本發明的光線行進，都是可以被使用及利用的。
請參看第1圖所示，以三個光源模組10分別設於主棱鏡20的三個入光側22,23,24處，並與諸楔形光學板40a,40b,40c相對設置，該光源模組10包含有紅色、綠色、藍色其中一個色源的單光源11a,11b,11c及準直透鏡組，本發明之實施例係設有第一準直透鏡12及第二準直透鏡13，使由單光源11a,11b,11c發出的光線經第一準直透鏡12及第二準直透鏡13，使光線能準直的射入主棱鏡20。
由第3、4、5圖所示的S極偏極光線LS及P極偏極光線LP分別自主棱鏡20的出光側21射出後，如第6圖所示，將經過一陣列透鏡50，且該陣列透鏡50於兩端各設有數個緊密排列的透鏡單元51,52；該陣列透鏡50中段可設為鏤空或由另二塊陣列透鏡所等效取代(此為簡易轉變，不另贅繪圖式)，當距離較遠時，可以節省材料及重量。
請參看第1、6、9圖所示，一偏光轉換膜60，係置於上揭陣列透鏡50下方的透鏡單元52位置，該偏光轉換膜60表面係設有間隔的覆層，而構成了具相位延遲特性的偏光轉換區61及未作動的透光區62，該偏光轉換區61及透光區62各佔陣列透鏡52中各個透鏡單元面積的一半位置(如第6圖所示，不另加標號)；且該偏光轉換區61之覆層具半波相位延遲(half-wave plate)特性，而該覆層之相位延遲軸與偏極光之電場偏振方向間呈45度或135度夾角，該覆層之半波相位延遲特性及方位設置，可令二種入射偏極光線LS,LP之偏極特性互換。
一聚光透鏡14，係置於偏光轉換膜60的背側，使由偏光轉換膜60透出的光線能有效被收集。
請參看第8圖所示，為本發明應用的實施例圖，係在本發明案的聚光透鏡14後方，再加上習有的偏極分光鏡70及投影鏡頭700，則如第6圖所示，該二種偏極光線LS,LP進入陣列透鏡50；當第一種偏極光線LS進入透鏡單元51,52後，射入偏光轉換膜60的透光區62，再進入聚光透鏡23後射出，而第二種偏極光線LP進入透鏡單元51,52後，射入偏光轉換膜60的偏光轉換區61，將原本的偏極光線LP轉成另一種偏極光線LS，再進入聚光透鏡23後射出；使所有射出的光線均變成為偏極光線LS，然後再朝偏極分光鏡70(Polarization beam splitter，即PBS)及投影鏡頭700而將經充分收集且具單一偏極的高亮度光線LS射出。
本發明的投影系統設計具有如下之優點：本發明之主棱鏡內，係設有一道呈對角連接的偏極分光膜，此種鍍膜適用於完整的光波長，不因入射角度而截除光源波段，故能節省能源，得到更多的光線(亮度)，是本發明主要的優點。
本發明所使用的偏極分光膜，較習用的X形鍍膜而言，在製造上鍍膜的效率以本發明案為高，不但省時且加工容易，成本相對降低，為另一優點。
本發明係為一種投影系統卻具有將入射光線中的P偏極光線(LP)及S偏極光線(LS)分離並轉換為單一偏極光的功能，因此在配合液晶面板投射時更能有效收集光線，是本發明案再一優點。
唯，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍，其他如附加各種習知既有的棱鏡組或棱形的角度略加改變，棱鏡肉厚的些微變化填充，以及使用不同折射率材質的單元棱鏡組成主棱鏡等，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之等效取代與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。
綜上所述，本發明實具有專利之新穎性，及對產業的利用價值更是具有進步性與實用性，應予專利的保護，符合專利之新穎性及實用性的要件，乃爰依專利法之規定，向　鈞局提起專利之申請。
10．．．光源模組
11a．．．單光源
11b．．．單光源
11c．．．單光源
12．．．第一準直透鏡
13．．．第二準直透鏡
14．．．聚光透鏡
20．．．主棱鏡
201．．．單元棱鏡
202．．．單元棱鏡
21．．．出光側
22．．．入光側
220．．．延遲片
23．．．入光側
230．．．延遲片
24．．．入光側
240．．．延遲片
30．．．偏極分光鏡
40a．．．楔形光學板
40a1．．．光學平板
40a2．．．光學平板
40b．．．楔形光學板
40b1．．．光學平板
40c．．．楔形光學板
40c1．．．光學平板
41．．．內側邊
42．．．外側邊
50．．．陣列透鏡
51．．．透鏡單元
52．．．透鏡單元
60．．．偏光轉換膜
61．．．偏光轉換區
62．．．透光區
70．．．偏極分光鏡
700．．．投影鏡頭
80．．．塗層
81．．．塗層
82．．．塗層
83．．．塗層
90．．．光源模組
91．．．方形棱鏡
92．．．X形鍍膜
LR．．．光線
LG．．．光線
LB．．．光線
LP．．．光線
LS．．．光線
第1圖　係本發明之組合結構圖。
第2圖　係本發明之部份結構(主棱鏡與楔形棱鏡)分解圖。
第3圖　係應用本發明時，光源自(本圖形)中央方向射入時的光線投射示意圖。
第4圖　係應用本發明時，光源自(本圖形)左側方向射入時的光線投射示意圖。
第5圖　係應用本發明時，光源自(本圖形)右側方向射入時的光線投射示意圖。
第6圖　係應用本發明時，光源自主棱鏡出光側射出，並進入陣列透鏡及偏光轉換膜的光線示意圖。
第7圖　係本發明主棱鏡與楔形光學板組合的等效取代實施例圖。
第8圖　係應用本發明加上投影鏡頭等相關設備時的投影實施例圖。
第9圖　係本發明之偏光轉換膜結構示意圖。
第10圖　係習用投影結構示意圖。
10．．．光源模組
11a．．．單光源
11b．．．單光源
11c．．．單光源
12．．．第一準直透鏡
13．．．第二準直透鏡
14．．．聚光透鏡
20．．．主棱鏡
30．．．偏極分光膜
40a．．．楔形光學板
40b．．．楔形光學板
40c．．．楔形光學板
50．．．陣列透鏡
51．．．透鏡單元
52．．．透鏡單元
60．．．偏光轉換膜
61．．．偏光轉換區
62．．．透光區

Claims (10)

  1. 一種「投影系統」，至少包含有：一主棱鏡，係為一方柱形體，在一側邊設為光源投射的出光側，另三邊則設為光源投射的入光側，而在主棱鏡的方形截面兩相對角間設有一偏極分光膜(即Polarization beam splitter，簡稱PBS)；且該主棱鏡於光源投射的入光側上分設有一延遲片(retarder)；三個楔形光學板分別設於主棱鏡入光側之延遲片外側，且該楔形光學板之內側邊係與延遲片相鄰，而外側邊則與延遲片及入光側間形成一角度；且上述的楔形光學板中，其中一個楔形光學板的內側邊與外側邊均設有一塗層；而另二個楔形光學板則分別於外側邊及內側邊各設有一塗層，且該設於諸楔形光學板上之塗層係為可供特定光通過或反射之鍍膜層；三個光源模組分別設於主棱鏡的三個入光側處，並與諸楔形光學板相對設置，該光源模組包含有紅色、綠色、藍色其中一個色源的單光源及準直透鏡組；一陣列透鏡，於兩端各設有數個緊密排列的透鏡單元；一偏光轉換膜，係置於陣列透鏡下方的透鏡單元位置，該偏光轉換膜的表面係設有間隔的覆層，而構成了具相位延遲特性的偏光轉換區及未作動的透光區。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之「投影系統」，其中，該主棱鏡係由二個單元棱鏡所組成。
  3. 如申請專利範圍第2項所述，其中組成主棱鏡之該二個單元棱鏡係由不同折射率之玻璃所組成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之「投影系統」，其中，該內側邊與外側邊均設有一塗層的楔形光學板，是設於主棱鏡出光側的相鄰邊。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之「投影系統」，其中，該陣列透鏡與偏光轉換膜係相對，且該偏光轉換膜上的偏光轉換區及透光區係各佔於陣列透鏡的透鏡單元面積的一半。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之「投影系統」，其中，該楔形光學板係由一或二片光學平板取代，並與主棱鏡的入光側間形成一銳角所構成。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之「投影系統」，其中，光學平板與主棱鏡的入光側間所形成的銳角是係由光學平板或主棱鏡的肉厚所延伸。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之「投影系統」，其中，一楔形光學板之內側邊塗層為藍光反射而紅光、綠光穿透，在外側邊的塗層為紅光反射而綠光穿透。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之「投影系統」，其中，一楔形光學板外側邊的塗層為綠光、藍光反射而紅光穿透。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之「投影系統」，其中，一楔形光學板內側邊的塗層為紅光、綠光反射而藍光穿透。
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