TW201947311A - 光路調整機構及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種光路調整機構，包括承載座、反射鏡、框架、基座、第一對彈性件、第二對彈性件、及複數線圈。反射鏡設於承載座的第一側，且複數線圈設於承載座的第二側。第一對彈性件位於第一軸上並連接承載座與框架，第二對彈性件位於第二軸上並連接框架與基座。反射鏡在承載座的第一側形成一覆蓋區域，且第一線圈與第二線圈設於相對於覆蓋區域的承載座第二側的對應區域內。

Description

光路調整機構及其製造方法
本發明關於一種光路調整機構及光路調整機構製造方法。
近年來，各種影像顯示技術已廣泛地應用於日常生活上。於一影像顯示裝置中，例如可設置一光路調整機構改變光線於裝置內的行進光路，以提供例如提高成像解析度、改善畫面品質等各種效果。然而，習知光路調整機構的構件數目、重量、體積均較大，難以進一步微型化。因此，亟需一種結構簡單、可靠度高且可大幅減少重量及體積的光路調整機構設計。
「先前技術」段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在「先前技術」段落所揭露的內容可能包括一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在「先前技術」段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明的其他目的和優點可以從本發明實施例所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
根據本發明的一個觀點，提供一種光路調整機構，包括承載座、反射鏡、框架、基座、第一對彈性件、第二對彈性件、第一線 圈、第二線圈、第三線圈及第四線圈。反射鏡設於承載座的第一側，第一線圈、第二線圈、第三線圈與第四線圈，設於承載座的第二側，框架設於承載座外圍，且基座設有一第一固定點與一第二固定點，框架經由第一固定點與第二固定點固定於基座。第一對彈性件位於第一軸上並連接承載座與框架，第二對彈性件位於第二軸上並連接框架與基座，反射鏡在承載座的第一側形成一覆蓋區域，且第一線圈與第二線圈設於相對於覆蓋區域的承載座第二側的對應區域內。可將線圈或其他結構內縮至反射鏡的背側(疊合反射鏡的光反射區域)而不會影響光路，獲得進一步縮小整體體積的效果。
根據本發明的另一個觀點，提供一種光路調整機構，包括承載座、反射鏡、框架、基座、第一致動器及第二致動器。反射鏡設於承載座上，反射鏡具有反射面及相對於反射面的背面。設於承載座外圍的框架，設於框架外圍的基座。承載座與框架之間設有第一軸，框架與基座之間設有第二軸。第一致動器與第二致動器，設於承載座相對於反射鏡的另一側。反射鏡的背面與第一軸之間有一距離，可使反射鏡的反射面沿著第一軸作軸向擺動一角度。
根據本發明的上述觀點，因光學元件為反射鏡，因光線被反射後會偏離而不會通過光學元件，因此可將例如線圈或其他結構內縮至光學元件的背側(疊合光學元件的光反射區域)而不會影響光路，獲得進一步縮小整體體積的效果。又致動器的結構(例如線圈)只設置於承載座的一側，可減少光路調整機構整體的體積、重量或元件數，故利於將光路調整機構小型化或薄型化以搭配各種微型電子裝置。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例並配合所附圖式，作詳細說明如下。
100、200‧‧‧光路調整機構
110‧‧‧承載座
112‧‧‧承載座頂側
114‧‧‧承載座底側
118‧‧‧間隔元件
120‧‧‧光學元件
122‧‧‧反射面
124‧‧‧背面
132‧‧‧第一對彈性件
134‧‧‧第二對彈性件
140‧‧‧框架
150‧‧‧基座
150a、150b‧‧‧固定點
152、154、156、158‧‧‧電磁鐵
160a‧‧‧第一致動器
160b‧‧‧第二致動器
162、164、166、168‧‧‧線圈
172、174、176、178‧‧‧永磁體
310‧‧‧照明系統
312‧‧‧光源
312B‧‧‧藍光發光二極體
312G‧‧‧綠光發光二極體
312R‧‧‧紅光發光二極體
314‧‧‧光束
314a‧‧‧子影像
316‧‧‧合光裝置
317‧‧‧集光柱
318‧‧‧光學元件組
319‧‧‧全反射稜鏡
320‧‧‧光閥
330‧‧‧投影鏡頭
350‧‧‧螢幕
400‧‧‧光學裝置
A‧‧‧覆蓋區域
B‧‧‧對應區域
D‧‧‧對角線
E、E’‧‧‧端點
G‧‧‧距離
P‧‧‧墊片
N、S‧‧‧磁極
S10-S30‧‧‧方法步驟
圖1及圖2為本發明一實施例之光路調整機構的示意圖，其中圖1及圖2分別顯示未設置及設置有光學元件的光路調整機構示意圖。
圖3為沿圖2的A-A’線切割的剖面示意圖，圖4為沿圖2的B-B’線切割的剖面示意圖。
圖5為本發明另一實施例之光路調整機構的示意圖。
圖6A、6B、7A、7B為繪示另一致動架構的磁作用示意圖。
圖8為本發明另一實施例的致動組件的示意圖。
圖9為本發明一實施例的光路調整機構應用於一光學系統的示意圖。
圖10為本發明一實施例的光路調整機構的製造方法的流程圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
下述實施例中之揭露內容揭示一種光路調整機構，其可運用於不同光學系統(例如顯示裝置、投影裝置等等)以調整或變化光路俾提供例如提升成像解析度、提高影像品質(消除暗區、柔和化影像邊緣)等效果而不限定，且光路調整機構於光學系統中的設置位置及配置方式完全不限定。
圖1及圖2為本發明一實施例之光路調整機構的示意圖，其中圖1及圖2分別顯示未設置及設置有光學元件的光路調整機構示意圖。如圖1所示，光路調整機構100可具有一承載座110、一第一對彈性件132、一第二對彈性件134、一框架140及一基座150，框架140與承載座110可具有同一水平高度，第一對彈性件132連接承載座110與框架140，且第二對彈性件134連接框架140與基座150。於本實施例中，第一對彈性件132可構成平行X軸方向的第一軸，且第二對彈性件134可構成平行Y軸方向的第二軸。再者，光路調整機構100可具有一第一致動器160a及一第二致動器160b，於本實施例中，第一致動器160a可包括第一線圈162及一第二線圈164，且第二致動器160b可包括第三線圈166與第四線圈168。承載座110具有相對的一第一側(例如頂側112)與一第二側(例如底側114)，且線圈162、164、166與168均設於承載座110的同一側(例如底側114)。另外，承載座110上設有一間隔元件118。間隔元件118形成的方式及外形並不限定，於本實施例中，間隔元件118例如可由貼附於上表面112的一口字型墊片P所構成，但本發明不限定於此。於另一實施例中，間隔元件118例如可由膠體所構成，且膠體或墊片分佈的位置或面積並不限定。
如圖2所示，一光學元件120可設於承載座110的一側(例如頂側112)。光學元件120僅需能提供偏折光線的效果即可，其形式及種類並不限定，於本實施例中，光學元件120係為一反射鏡(reflective mirror)。基座150可具有至少二個固定點150a、150b，於本實施例中，第二對彈性件134的兩端可藉由例如螺絲或插銷的固定件分別連接至基座150的固定點150a、150b，使框架140固定於基座150內。
圖3為沿圖2的A-A’線切割的剖面示意圖，圖4為沿圖2的B-B’線切割的剖面示意圖。請同時參考圖3及圖4，承載座110的頂側112設有光學元件120，且第一線圈162、第二線圈164、第三線圈166與第四線圈168可設於承載座110其背向光學元件120的底側114。於本實施例中，第一線圈162與第二線圈164可位於第一對彈性件132的兩側且可位於承載座110下方，第三線圈166與第四線圈168可位於第二對彈性件134的兩側且可位於框架140下方，光學元件120在承載座頂側112形成一覆蓋區域A，且第一線圈162與第二線圈164可設於相對於覆蓋區域A的承載座底側114的對應區域B內。於一實施例中，至少第一線圈162與第二線圈164可疊合光學元件120用以反射影像光的區域。再者，於本實施例中，光學元件120係為一反射鏡而具有一反射面122及相對於反射面122的一背面124，當間隔元件118設於承載座110與光學元件120之間，光學元件背面124與承載座頂側112可形成一間隙，且使光學元件背面124與第一對彈性件132(第一軸)之間形成一距離G，該距離G有助於提供光學元件120於軸向上擺動的空間，例如可使光學元件120的反射面122沿著對第一對彈性件132(第一軸)作軸向擺動一角度。間隔元件118例如可為墊片或膠體等，僅需能提供形成距離G的效果即可，其形成的方式及分佈外形完全不限定。
如圖3的上方所示，當線圈162通電時可產生吸力吸引承載座110，使承載座110一端(例示為左端)朝下擺動，接著如圖3的下方所示，當線圈164通電時可產生吸力吸引承載座110，使承載座110另一端(例示為右端)朝下擺動，因此當線圈162、164交替通電可使承載座110連同其上的光學元件120以圖1所示的第一對彈性件132的軸向(X軸方向)為軸心往復擺動或轉動。同理，如圖4的上方 所示，當線圈166通電時可產生吸力吸引框架140的一端向下擺動；如圖4的下方所示，當線圈168通電時可產生吸力吸引框架140相對的另一端向下擺動，因此當線圈166及線圈168交替通電時可使框架140的兩端輪流朝下擺動，使框架140連同其上的光學元件120可以圖1所示的第二對彈性件134的軸向(Y軸方向)為軸心往復擺動或轉動。因此光學元件120可以產生兩個不同軸向上的轉動角度範圍，往復擺動或轉動至不同位置以將入射光偏折至不同方向，獲得調整或變化光線行進光路的效果。於本實施例中，上述距離G例如可提供光學元件120的擺動空間，確保光學元件120的一端於擺動時不會被框架140或其他構件阻擋到。於另一實施例中，若經適當配置使光學元件120於擺動時不會被其他構件阻擋，亦可不形成間隔元件118及該距離G。藉由本發明實施例的光路調整機構調整或變化光路，可視實際需求產生不同的效果，例如可用以提升投影解析度、提高影像品質(消除暗區、柔和化影像邊緣)等等而不限定。
於一實施例中，光學元件120的擺動角度可大於0.001度，且光學元件120的端點(例如圖4的端點E或端點E’)的擺動距離可大於0.1um。
於一實施例中，承載座110、第一對彈性件132與第二對彈性件134的至少部分結構可為一體式結構以獲得例如減少零件數、簡化整體結構並縮短組裝工時的效果。於一實施例中，框架140、承載座110、第一對彈性件132及第二對彈性件134四者可利用相同材質(例如磁性材料)一體成型、或者其中兩個組件可先一體成形再與其餘元件組合、或者其中三個組件可先一體成形再與其餘元件組合均可。舉例而言，框架140可與第一對彈性件132、第二對彈性件134利用相同材質(例如磁性材料)一體成型，或框架140可與第一對彈性件132 利用相同材質(例如磁性材料)一體成型而不限定。
藉由上述實施例的設計，因光學元件係為反射鏡，因光線被反射後會偏離而不會通過光學元件，因此可將例如線圈或其他結構內縮至光學元件的背側(疊合光學元件的光反射區域)而不會影響光路，獲得進一步縮小整體體積的效果。
圖5為本發明另一實施例之光路調整機構的示意圖。如圖5所示，光路調整機構200的第一致動器包括設於承載座110下方的電磁鐵152、154及對應電磁鐵152、154設於承載座110上的永磁體172、174，且光路調整機構200的第二致動器包括設於框架140下方的電磁鐵156、158及對應電磁鐵156、158設於框架140上的永磁體176、178，但致動器的配置不限定於此而可視實際需求加以變化。於一實施例中，各個電磁鐵可包括一鐵心及環繞鐵心的一線圈。於一實施例中，可用空心線圈取代電磁鐵。於一實施例中，如圖6A所示，永磁體172設於承載座110上且例如左側為S極且右側為N極，電磁鐵152的左側為N極且右側為S極可吸引永磁體172並使承載座110一端向下移動；如圖6B所示，永磁體174設於承載座110上且例如左側為S極且右側為N極，電磁鐵154的左側為S極且右側為N極可排斥永磁體174並使承載座110另一端向上移動，接著電磁鐵152、154再交換電流I的方向及磁極性使承載座110反向作動，如此交替變化即可使承載座110連同其上的光學元件120以第一對彈性件132的軸向(X軸方向)為軸心往復擺動或轉動。再者，如圖7A所示，永磁體176設於框架140上且例如左側為S極且右側為N極，電磁鐵156的左側為N極且右側為S極可吸引永磁體176並使框架140一端向下移動；如圖7B所示，永磁體178設於框架140上且例如左側為S極且右側為N極，電磁鐵158的左側為S極且右側為N極可 排斥永磁體174並使框架140另一端向上移動，接著電磁鐵156、158再交換電流I的方向及磁極性使框架140反向作動，如此交替變化即可使框架140連同其上的光學元件120以第二對彈性件134的軸向(Y軸方向)為軸心往復擺動或轉動。因此光學元件120同樣可以產生兩個不同軸向上的轉動角度範圍，往復擺動或轉動至不同位置以將入射光偏折至不同方向的效果。再者，永磁體172、174同時可作為承載座110上的間隔元件，當光學元件120設置於承載座110時，光學元件120與承載座110因間隔永磁體172、174而產生距離G，有助於提供光學元件120的擺動空間。於本實施例中，因同時利用交替變化的磁吸力及磁斥力驅動光學元件120，故可提高驅動光學元件120的力量，獲得增大光學元件120可旋轉角度範圍的效果。基於此一設計，即使僅單側具有致動器仍可能提供足夠的轉動角度範圍。例如於另一實施例中，可省略電磁鐵154、156及對應的永磁體174、176，光路調整機構200僅利用電磁鐵152交替地吸引及排斥永磁體172使承載座110連同其上的光學元件120以X軸方向為軸心往復擺動或轉動，且僅利用電磁鐵158交替地吸引及排斥永磁體178使框架140連同其上的光學元件120以Y軸方向為軸心往復擺動或轉動，同樣可獲得兩個軸向上的光路偏移效果。省略電磁鐵154、156及對應的永磁體174、176可進一步降低重量、體積及製造成本。於另一實施例中，可使用多個彈簧來取代電磁鐵154、156及對應的永磁體174、176。再者，於另一實施例中，承載座110、框架140及基座150於對應圖5所示的對角線D右側，亦即未設置電磁鐵154、156及永磁體174、176的右半部亦可對應去除，以再進一步降低重量、體積及製造成本。
於另一實施例中，如圖8所示，亦可利用設置於承載座110的一壓電元件160，透過在壓電元件160上施加電場可使壓電元 件160產生壓縮或拉伸變形，意即可將電能轉為機械能以使承載座110往復擺動達到調整光路效果。
圖9為本發明一實施例的光路調整機構應用於一光學系統的示意圖。請參照圖9，光學裝置400包括照明系統310、光閥320、投影鏡頭330以及光路調整機構100。其中，照明系統310具有光源312，其適於提供光束314，且光閥320配置光束314的傳遞路徑上。此光閥320適於將光束314轉換為多數個子影像314a。此外，投影鏡頭330配置於這些子影像314a的傳遞路徑上，且光閥320係位於照明系統310與投影鏡頭330之間。另外，光路調整機構100可配置於光閥320與投影鏡頭330之間，例如可以在光閥320和內部全反射稜鏡319之間或是可以在內部全反射稜鏡319和投影鏡頭330之間，且位於這些子影像314a的傳遞路徑上。上述之光學裝置400中，光源312例如可包括紅光發光二極體312R、綠光發光二極體312G、及藍光發光二極體312B，各個發光二極體發出的色光經由一合光裝置316合光後形成光束314，光束314會依序經過集光柱(light integration rod)317、光學元件組318及內部全反射稜鏡(TIR Prism)319。之後，內部全反射稜鏡319會將光束314反射至光閥320。此時，光閥320會將光束314轉換成多數個子影像314a，而這些子影像314a會依序通過內部全反射稜鏡319及光路調整機構100，並經由投影鏡頭330將這些子影像314a投影於螢幕350上。於本實施例中，當這些子影像314a經過光路調整機構100時，光路調整機構100會改變部分這些子影像314a的傳遞路徑。也就是說，通過此光路調整機構100的這些子影像314a會投影在螢幕350上的第一位置(未繪示)，另一部份時間內通過此光路調整機構100的這些子影像314a則會投影在螢幕350上的第二位置(未繪示)，其中第一位置與第二位置係在水平方向 (X軸)或/且垂直方向(Z軸)上相差一固定距離。於本實施例中，由於光路調整機構100能使這些子影像314a之成像位置在水平方向或/且垂直方向上移動一固定距離，因此能提高影像之水平解析度或/且垂直解析度。當然，上述實施例僅為例示，本發明實施例的光路調整機構可運用於不同光學系統以獲得不同效果，且光路調整機構於光學系統中的設置位置及配置方式完全不限定。
本發明各個實施例的彈性件可具有發生形變後當外力撤消時能朝恢復原來大小和形狀的方向變化的性質，其材質例如可為金屬或塑膠而不限定。再者，基座僅需能界定一容置空間即可，其可具不同形式或外形。
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、反射光學元件(reflective mirror)、全反射稜鏡(TIR Prism)、反向全反射稜鏡組(RTIR Prism)等。
本發明之「光閥」用語，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。
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320為數位微鏡元件(DMD)。
圖10為本發明一實施例的光路調整機構的製造方法的流程圖。請參考圖10，在本實施例中，光路調整機構的製造方法至少可以應用於光路調整機構100和200。在本實施例的光路調整機構製造方法中，首先提供一承載座、第一對彈性件及第二對彈性件，第一對彈性件將承載座連接至一框架，且第二對彈性件將框架連接至一基座(步驟S10)。承載座具有相對的一第一側及一第二側，第一對彈性件位於一第一軸上，且第二對彈性件位於一第二軸上。再者，將一光學元件設置於承載座的第一側(步驟S20)，且將一第一線圈、一第二線圈、一第三線圈與一第四線圈設置於承載座的第二側，其中光學元件在承載座的第一側形成一覆蓋區域，且至少將第一線圈與第二線圈設於相對於覆蓋區域的承載座第二側的對應區域內(步驟S30)。
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。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅 用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

Claims (10)

  1. 一種光路調整機構，包括：一承載座，具有相對的一第一側與一第二側；一反射鏡，設於該承載座的該第一側；一第一線圈、一第二線圈、一第三線圈與一第四線圈，設於該承載座的該第二側；一框架，設於該承載座的外圍；一基座，設有一第一固定點與一第二固定點，且該框架經由該第一固定點與該第二固定點固定於該基座；一第一對彈性件，該第一對彈性件位於一第一軸上，並連接該承載座與該框架；以及一第二對彈性件，該第二對彈性件位於一第二軸上，並連接該框架與該基座，其中該反射鏡在該承載座的該第一側形成一覆蓋區域，且該第一線圈與該第二線圈設於相對於該覆蓋區域的該承載座第二側的對應區域內。
  2. 一種光路調整機構，包括：一承載座；一反射鏡，設於該承載座上，該反射鏡具有一反射面及相對於該反射面的一背面；一框架，設於該承載座的外圍；一基座，設於該框架的外圍；一第一軸，設於該承載座與該框架之間；一第二軸，設於該框架與該基座之間；以及一第一致動器與一第二致動器，設於該承載座相對於該反射鏡的另一側； 其中該反射鏡的該背面與該第一軸之間設有一距離，可使該反射鏡的該反射面沿著該第一軸作軸向擺動一角度。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之光路調整機構，更包含：一間隔元件，設於該承載座與該反射鏡之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光路調整機構，其中該間隔元件係由一墊片或一膠體所構成。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之光路調整機構，其中該框架與該承載座具有同一水平高度，且該框架圍繞該承載座。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光路調整機構，更包括：對應該第一線圈、第二線圈、第三線圈與第四線圈設置的第一永磁鐵、第二永磁鐵、第三永磁鐵與第四永磁鐵。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光路調整機構，其中該承載座與該框架、該第一對彈性件及該第二對彈性件一體成型。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之光路調整機構，更包括：對應該第一致動器設置的至少一永磁鐵及對應該第二致動器設置的至少一永磁鐵。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之光路調整機構，其中該第一致動器位於該承載座的下方且包含至少一線圈，且該第二致動器位於該框架的下方且包含至少一線圈，該第一致動器用以使該光學元件以該對第一軸為軸心作動，且該第二致動器用以使該光學元件以該對第二軸為軸心作動。
  10. 一種光路調整機構製造方法，包括：提供一承載座，該承載座具有相對的一第一側及一第二側；提供第一對彈性件和第二對彈性件，其中該第一對彈性件連接該承載座與一框架，該第二對彈性件連接該框架與一基座； 於該第一側設置一反射鏡；以及於該第二側設置第一線圈、第二線圈、第三線圈與第四線圈，其中該反射鏡在該承載座的該第一側形成一覆蓋區域，且該第一線圈與該第二線圈設於相對於該覆蓋區域的該承載座第二側的對應區域內。
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