TW201925902A

TW201925902A - 投影機

Info

Publication number: TW201925902A
Application number: TW106142799A
Authority: TW
Inventors: 林祐震; 胡雅文; 雲麒錐
Original assignee: 揚明光學股份有限公司
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2019-07-01
Also published as: CN109884842B; TWI670560B; CN109884842A

Abstract

一種投影機包括光源、均光元件、光閥、第一光學元件及可透光的第二光學元件。光源可輸出照明光束，且均光元件、光閥、第一光學元件及第二光學元件設於照明光束的行進路徑上。第一光學元件及第二光學元件設於光閥及均光元件之間。第二光學元件設置在第一光學元件的一表面上且具有屈光度，第二光學元件設有一曲面，且第二光學元件的曲面的面積小於照明光束在第二光學元件位置的面積。

Description

投影機

本發明關於一種投影機，本發明關於一種具有較佳畫面均勻度的投影機。

投影機投射出之畫面常存在亮度均勻性不佳，例如中央區域較亮而四周較暗的問題。如圖1所示，當利用多台投影機拼接出一電視拼牆畫面100，若亮度均勻性不佳會凸顯接縫處不連續的問題，降低拼接畫面的整體品質及視效。

根據本發明的一個觀點，提供一種投影機，包括光源、均光元件、光閥、第一光學元件及可透光的第二光學元件。光源可輸出照明光束，且均光元件、光閥、第一光學元件及第二光學元件設於照明光束的行進路徑上。第一光學元件及第二光學元件設於光閥及均光元件之間。第二光學元件設置在第一光學元件的一表面上且具有屈光度，第二光學元件設有一曲面，且第二光學元件的曲面的面積小於照明光束在第二光學元件位置的面積。

根據本發明的另一個觀點，提供一種投影機，包括光源、積分器、光閥、第一光學元件及可透光的第二光學元件。光源可輸出照明光束，且積分器、光閥、第一光學元件及第二光學元件設於照明光束的行進路徑上。第一光學元件及第二光學元件設於光閥及積分器之間。第二光學元件具有屈光度且設有一曲面，且第二光學元件的曲面部份完全被照明光束所涵蓋。

根據本發明的上述觀點，藉由在光學元件表面上或不同光學元件之間設置具屈光度的曲面結構以提供光發散效果，可減少畫面亮度較高區域的光量而提高整體亮度均勻性，例如可改善投影畫面中心亮度過高而邊緣過暗的亮度不均問題。再者，當利用多台投影機拼接出一電視拼牆畫面時，因各個投影畫面的亮均一致，故拼接後的整體畫面不會形成亮度明顯變化的拼接線，提高畫面品質及視效。

為讓本發明更明顯易懂，以下用實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

1、2‧‧‧投影機

10‧‧‧光源

12‧‧‧均光元件

12’‧‧‧積分器

12a‧‧‧出光面

14‧‧‧轉向鏡

16‧‧‧光學元件

18‧‧‧支撐件

20‧‧‧光學元件

20a‧‧‧曲面

30‧‧‧光閥

100‧‧‧電視拼牆畫面

C‧‧‧中央區塊

I‧‧‧照明光束

L‧‧‧透鏡

N‧‧‧凹槽

P‧‧‧周邊區塊

T‧‧‧全內反射稜鏡

TS‧‧‧迎光面

MR‧‧‧邊緣

圖1繪述一投影拼接畫面的示意圖。

圖2繪述了本發明一實施例的投影機概要示意圖。

圖3繪述了本發明另一實施例的投影機概要示意圖。

圖4繪述了本發明另一實施例的第二光學元件概要示意圖。

圖5繪述了本發明另一實施例的第二光學元件概要示意圖。

圖6繪述本發明一實施例的投影機的畫面亮均值取點方式的示意圖。

有關本發明前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式的多個實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。另外，下列實施例中所使用的用語「第一」、「第二」是為了辨識相同或相似的元件而使用，且方向用語例如「前」、「後」等，僅是參考附加圖式的方向，並非用以限定所述元件。

請參閱圖2，圖2繪述了本發明一實施例的投影機的概要示意圖。投影機1中，依照明光束的行進路徑，依序包括有設於照明光束I的行進路徑上的光源10、均光元件12、光學元件16、光學元件20、光學元件22以及光閥30。光學元件16設於光閥30及均光元件12之間。

於本具體實施例中，光源10可為傳統熱電光源、螢光燈、發光二極體或雷射發光二極體發光元件等可提供一照明光束I的元件。於本例中，光源10為一經封裝且具有螢光粉的白光發光二極體模組。

於本發明中，「均光元件」12是指透鏡陣列(LENS ARRAY)、積分柱式(INTEGRATE ROD)、可轉動的稜鏡以及其他可用於讓光線均勻的光學元件或光學模組。於本例中，均光元件12為一實心積分柱。

本發明之「光學元件」用語，係指元件具有部份或全部可反射或穿透的材質所構成，通常包括玻璃或塑膠所組成。舉例來說，光學元件可以是透鏡、全反射稜鏡(TIR Prism)、反向全反射稜鏡組(RTIR Prism)、各種積分器、各種濾光片等。於本具體實施例中，光學元件16為一屈光度為正的雙凸透鏡。

於本具體實施例中，光學元件20為一具有負屈光度且可透光的透鏡。光學元件20設有具屈光度的一凹陷曲面20a，曲面20a設於光學元件20的迎光面或入光面。而相反於曲面20a的背光面或出光面則為一無屈光度的實質平面。

於本具體實施例中，光學元件22可以是場鏡、由多枚稜鏡所組成的全內反射稜鏡(TIR PRISM)T或是包括單一稜鏡的反向式全內反射稜鏡組(RTIR PRISM)。於本實施例中，光學元件22為一由兩枚全稜鏡所形成的全內反射稜鏡組，光學元件22的各入光面及出光面均為平面。

光閥(Light valve)30一詞已為投影產界廣泛使用，在此產業中大多可用來指一種空間光調變器(Spatial Light Modulator,SLM)中的一些獨立光學單元。所謂空間光調變器，含有許多獨立單元(獨立光學單元)，這些獨立單元在空間上排列成一維或二維陣列。每個單元都可獨立地接受光學信號或電學信號的控制，利用各種物理效應(泡克爾斯效應、克爾效應、聲光效應、磁光效應、半導體的自電光效應或光折變效應等)改變自身的光學特性，從而對照明在該複數個獨立單元的照明光束進行調製，並輸出影像光束。獨立單元可為微型反射鏡或液晶單元等光學元件。亦即，光閥可以是數位微鏡元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)、矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS Panel)或是穿透式液晶面板等。

而投影機是利用光學投影方式將影像投射至螢幕上的裝置，在投影機產業中，一般依內部所使用的光閥30的不同，將投影機分為陰極射線管(Cathode Ray Tube)式投影機、液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)式投影機、數位光投影機(Digital Light Projector,DLP)以及液晶覆矽(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)投影機因投影機運作時光線會透過LCD面板作為光閥，所以屬於穿透式投影機，而使用LCOS、DLP等光閥的投影機，則是靠光線反射的原理顯像，所以稱為反射式投影機。而於本實施例中，投影機為數位光投影機，而光閥30為數位微鏡元件(DMD)。

於本實施例中，照明光束I經光閥30轉換為影像光束後會經由光學元件22輸出，而光學元件20在設置於影像光束的行進路徑外時，其較不會影響影像光束的光型，為較佳之設計。光學元件20可設置在光學元件22(全反射稜鏡T)的一入光表面處。如圖2所示，光源10發出的照明光束I經由均光元件12均勻化後，穿過透鏡L，經由光學元件20進入全內反射稜鏡22投射至光閥30。因光學元件20可設有具屈光度的一曲面20a，且曲面20a可提供光發散效果，當曲面20a配置在光學元件22的對應畫面亮度較高區域的位置時，可減少該畫面區域的光量而提高整體亮度均勻性。舉例而言，若有投影畫面中心亮度較高的問題，光學元件20可如圖2所示設於全內反射稜鏡22的迎光面TS的中央，提供發散中央區域光線的效果，藉以將入射至光閥30中心的光線發散至光閥30的邊緣區域，改善投影畫面中心亮度過高而邊緣過暗的亮度不均問題。

需注意於本發明各個實施例中，光學元件20的設置方式並不限定，例如可以光硬化膠利用膠合方式設於透鏡16或全內反射稜鏡22的入光面或出光面。另外，亦可在透鏡16的迎光面(圖5左側)或出光面(圖5右側)直接形成一凹槽N以形成具光發散效果的光學元件20。凹槽N所構成的曲面可為非球面或是自由表面(Free-form surface)，如圖5所示者，即為其例。

再者，請參閱圖4，其繪述本發明光學元件20於另一實施例的示意圖。如圖4所示，於本實施例中，光學元件16為透鏡，光學元件20可設於透鏡L的迎光面(圖4左側)或出光面(圖4右側)以發散入射至其中的光線，且光學元件20的曲面20a於垂直光軸方向上的長度可小於透鏡16的通光孔徑。或是，光學元件20的曲面部份在一垂直於光軸的平面上的垂直投影，亦可以較光學元件L的通光孔徑的部份於前述平面的垂直投影小，並完全被光學元件16的曲面部份的投影像所完全涵蓋於其中。另外，再請參閱圖2，於本具體實施例中，光學元件20的曲面部份完全被照明光束I的範圍所完全涵蓋，亦即，光學元件20未有未被照明光束I照射的部份。

於另一實施例中，光學元件20例如可整合在稜鏡表面而形成具有凸起結構的全內反射稜鏡T。

本發明各個實施例所提及的光學元件20僅需具有可發散光線的曲面即可，其外形並不限定。該曲面可為凹面、凸面、自由表面或其他可干擾或改變光路的曲面型態而不限定。舉例而言，當光束通過如圖1所示的凹面20a可直接被發散；而當光束通過一凸面時，該凸面可先將光束匯聚至焦點之後再發散，發散後的光線再進入全內反射稜鏡及光閥，同樣可獲得將入射至光閥中心的光線發散至光閥邊緣區域的效果，亦即光學元件20可以是雙凸透鏡。因此，本領域技術人員可依照實際需求，將可發散光線的曲面型態配置於光路中的選定位置並應用於所需要的環境而不限定。另外，雖然圖2中僅示意繪出單一透鏡L，但熟習本領域之技藝者當能理解光學元件16與光閥30間可設有複數透鏡。

圖3繪述了本發明另一實施例的投影機的概要示意圖。投影機 2，依照明光束的行進路徑，依序包括有設於照明光束I的行進路徑上的光源10、積分器12’、光學元件14、光學元件16、可透光的光學元件20、光學元件22及光閥30。積分器12’、光閥30、光學元件16及光學元件20均設於照明光束I的行進路徑上，且光學元件16及光學元件20均設於積分器12’與光閥30之間。

於本具體實施例中，光源10為一經封裝且具有螢光粉的白光發光二極體發光模組。

本發明之「積分器」12’用語或稱光積分器，可用於光線的均勻化。積分器可包括兩種型式，即透鏡陣列(LENS ARRAY)或積分柱式(INTEGRATE ROD)。積分柱式光積分器可以是中空或非中空構造的杆、柱狀積分器。而透鏡陣列式積分器可以是一複眼透鏡。於本例中，積分器12’為一實心積分柱。

於本具體實施例中，光學元件16為一屈光度為正的雙凸透鏡。光學元件20為一屈光度為負的雙凹透鏡。於本實施例中，光學元件20可為獨立設置的透鏡且可藉由一支撐件18支撐以設於透鏡L與全內反射稜鏡T之間的光路上。光學元件20週邊的支撐件18例如可為透光的平板玻璃或是單一或多條透光的支撐桿，且光學元件20與支撐件18可以是一體成形(ONE PIECE FORMED)並為中間是曲面且旁邊是平面的元件。光學元件T為一由兩枚全稜鏡所形成的全內反射稜鏡組，光學元件T的各入光面及出光面均為平面。光閥係指一數位微鏡元件(DMD)。積分器12’為一積分柱，其包括有一出光面12a。

於本具體實施例中，光學元件16是一透鏡，位於積分器12’與光閥30之間。雖然圖3中僅示意繪出單一透鏡16，但熟習本領域之技藝者當能理解積分器12’與光閥30間可設有複數透鏡。光學元件20可設置在積分器12’與光閥30之間，於本實施例中，光學元件20可設置在透鏡16與全內反射稜鏡22之間，且光學元件20設有至少一具屈光度的曲面20a。光學元件20同樣可用於將中間部份的光線散射到週邊以加強四周的光強度，從而增強投影畫面的均勻性。再者，於本實施例中，可另提供一轉向鏡18以彎折照明光束I的行進路徑俾縮小投影機2所占體積，轉向鏡18例如可設於積分器12’與透鏡L之間。

於一實施例中，光學元件20的曲面20a可完全被照明光束I所涵蓋，舉例而言，如圖1及圖2所示，曲面20a完全落入均光元件12(或積分器12’)所發出的光束的最外邊緣所界定的區域範圍內，亦即若照明光束I於光學元件20沿垂直光軸方向的延伸平面形成一投射區域，投影區域的邊沿MR如圖3所繪示，曲面20a會完全落入該投射區域內，且曲面20a的面積會小於照明光束I在光學元件20位置的投射區域的面積。

於一實施例中，光學元件20具屈光度的曲面20a於垂直光軸方向上的長度，會小於光路前方的光學元件(例如透鏡16)或者光路後方的光學元件(例如全內反射稜鏡22)的通光孔徑(clear aperture)，或者同時小於其前、後方相鄰的光學元件的通光孔徑。於此「通光孔徑」用語是指透鏡或稜鏡表面形成以助產生光學性能的部分區域的直徑。舉例而言，透鏡或稜鏡於外周區域形成有一凸緣(flange)或其他結構用以供定位組裝等用途，該定位組裝結構是位於透鏡或稜鏡的光學有效直徑外。另外，光學元件20係分別鄰設光學元件16及光學元件22之一側，且其各者之間無其他元件並設有空隙。

圖4繪述了光學元件20的其他變化。如圖4所示，於本實施例中，光學元件16可為透鏡，光學元件20可設於透鏡16的迎光面(圖4左側)或出光面(圖4右側)以發散入射至其中的光線，且光學元件20的曲面20a於垂直光軸方向上的長度可小於透鏡16的通光孔徑。需注意於本發明各個實施例中，光學元件20設置在光學元件16表面的方式並不限定，例如可以光硬化膠利用膠合方式設於透鏡16或全內反射稜鏡22。於另一實施例中，如圖5所示，亦可在透鏡16的迎光面(圖5左側)或出光面(圖5右側)直接形成一凹槽N以形成具光發散效果的光學元件20。凹槽N所構成的曲面可為非球面或是自由表面(Free-form surface)。於另一實施例中，光學元件20例如可整合在稜鏡表面而形成具有凸起結構的全內反射稜鏡22。

本發明各個實施例所提及的光學元件僅需具有可發散光線的曲面即可，其外形並不限定。再者，曲面可為凹面、凸面、自由表面或其他可干擾或改變光路的曲面型態而不限定。舉例而言，當光束通過如圖1所示的凹面20a可直接被發散；而當光束通過一凸面時，該凸面可先將光束匯聚至焦點之後再發散，發散後的光線再進入全內反射稜鏡及光閥，同樣可獲得將入射至光閥中心的光線發散至光閥邊緣區域的效果。因此，本領域技術人員可依照實際需求，將可發散光線的曲面型態配置於光路中的選定位置並應用於所需要的環境而不限定。

下表顯示全內反射稜鏡22貼合有或未貼合光學元件20的亮均值實測數據。

表中之亮均值ECU-8定義為畫面周邊亮度除以中心亮度之百分比值，其中周邊亮度為圖6所示的8個周邊區塊P中具有最小亮度的區塊亮度值，且中心亮度定義為圖6所示的最中央區塊C的亮度值。由表中可清楚看出貼合有第二光學元件的亮均值ECU-8均大於95%(95.9%、95.3%)而明顯改善畫面亮度均勻性。

藉由上述各個實施例的設計，藉由在光學元件表面上或不同光學元件之間設置具屈光度的曲面結構以提供光發散效果，可減少畫面亮度較高區域的光量而提高整體亮度均勻性，例如可改善投影畫面中心亮度過高而邊緣過暗的亮度不均問題。再者，當利用多台投影機拼接出一電視拼牆畫面時，因各個投影畫面的亮均一致，故拼接後的整體畫面不會形成亮度明顯變化的拼接線，提高畫面品質及視效。

本發明在運用時，各種細節可以自由變化。例如，前述的一例中有提及利用一較小的光學元件將照明光線的中間部份光線往外散射，以達到均勻畫面中央、邊沿亮度的目的。而前述較小的光學元件除置於稜鏡的入光面外，亦可置於不同的位置；而且除了負屈光度的透鏡外，其屈光度亦可以是正的，以藉由光程來讓光線重新聚焦後發散亦可達到相似的功能，如此，即為其例。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一投影機，包括：一光源，可輸出一照明光束；一均光元件，設於該照明光束的行進路徑上；一光閥，設於該照明光束的行進路徑上；一第一光學元件，設於該光閥及該均光元件之間，並位於該照明光束的行進路徑上；以及一可透光的第二光學元件，設於該光閥及該均光元件之間，並位於該照明光束的行進路徑上，該第二光學元件設置在該第一光學元件的一表面上，該第二光學元件具有屈光度，該第二光學元件設有一曲面，且該第二光學元件的該曲面的面積，小於該照明光束在該第二光學元件位置的面積。
如申請專利範圍第1項所述之投影機，其中該均光元件為一積分器。
一投影機，包括：一光源，可輸出一照明光束；一積分器，設於該照明光束的行進路徑上；一光閥，設於該照明光束的行進路徑上；一第一光學元件，設於該光閥及該積分器之間並位於該照明光束的行進路徑上；以及一可透光的第二光學元件，設於該光閥及該積分器之間並位於該照明光束的行進路徑上，該第二光學元件具有屈光度，該第二光學元件設有一曲面，且該第二光學元件的該曲面在該照明光束於該第二光學元件位置的照明範圍內，且該第二光學元件的該曲面小於該照明範圍。
如申請專利範圍第1或3項所述之投影機，其中該第二光學元件係設置於該第一光學元件之表面。
如申請專利範圍第4項所述之投影機，其中該第一光學元件係一稜鏡或透鏡。
如申請專利範圍第1或3項所述之投影機，其中該第二光學元件的一出光面設於該第一光學元件的光路上游。
如申請專利範圍第1或3項所述之投影機，其中該第二光學元件與該第一光學元件之間無其他光學元件，並且設有空隙。
如申請專利範圍第7項所述之投影機，其中該第一光學元件係一透鏡。
如申請專利範圍第1或3項所述之投影機，其中該第二光學元件之屈光度為正。
如申請專利範圍第3項所述之投影機，其中，該投影機沿該照明光束的行進路徑，依序包括該積分器、該第二光學元件、該第一光學元件及該光閥；該積分器為一積分柱，該第一光學元件為一全內反射稜鏡組，該第二光學元件為具有負屈光度的一透鏡；該第二光學元件的出光面，貼附於該全內反射稜鏡組之一入光表面，且該全內反射稜鏡組包括二稜鏡。