TWI392955B - 光線導引模組及包含該光線導引模組之投影裝置 - Google Patents

Description

光線導引模組及包含該光線導引模組之投影裝置

本發明係關於一種光學結構，特別是關於應用於投影裝置中之光線導引模組及該投影裝置。

數位光學處理(Digital Light Processing，下稱DLP)投影機是一種特殊光源調變方式的投影顯示器，是由德州儀器公司(Texas Instruments)所發展出來的投影系統。其最大特點是為一全數位反射式投影機，不僅能使投影影像更為細緻，同時能有效縮小投影機的體積與重量，達到輕、薄、短、小的目的。DLP投影機並分為單片式與三片式兩種，主要應用在超輕量攜帶型及高亮度型投影機。

DLP投影機的構造是由光源、色輪、數位微鏡元件(Digital Micromirror Device，DMD)晶片及投影鏡頭所構成。光源經過光源之光罩集光後，藉由透鏡的聚焦，通過色輪的紅綠藍三色濾光片，最後入射DMD晶片上。DMD上每個圖素的記憶體會記錄該圖素的訊號數位值，並將數位訊號送給驅動電極來產生微小反射鏡的正負角度偏轉與控制偏轉時間。藉由色輪轉動速度之控制，達到紅綠藍三原色交錯的效果以形成全彩色之效果。

如第1圖所示，係為利用習知DLP技術的投影裝置1之示意圖。投影裝置1包含一燈源101、一色輪103、一積光柱105、一中繼鏡組107、一TIR(Total Internal Reflection，內部全反射)稜鏡 109(包含：一第一稜鏡109a、一第二稜鏡109b)、一DMD 111以及一投影鏡頭113。需特別說明的是，色輪103具有光的三原色，紅、綠、藍等，其分別兩兩相鄰，各自成一部份。第一稜鏡109a之一表面1091與第二稜鏡109b之一表面1092之間留有一氣隙(Air Gap)110，且二表面1091、1092實質上係相互平行。

燈源101發出一白色光束(如箭頭方向所示)，該白色光束適可穿過可旋轉的色輪103，將白色光束區分為不同色光。其次，色光通過積光柱105後射至中繼鏡組107。需特別說明的是，中繼鏡組107係包含一第一反射鏡107a及一第二反射鏡107b，當色光自積光柱105出射後，分別經由第一反射鏡107a及第二反射鏡107b之反射，至第一稜鏡109a。第一反射鏡107a及第二反射鏡107b並非位於同一平面，因而造成經過該等表面反射之光束產生三維方向的旋轉。

當色光進入第一稜鏡109a後，經過一次內全反射，出射至DMD 111。之後，藉由DMD 111將色光選擇性地再反射回第一稜鏡109a內，然後依序通過第一稜鏡109a、氣隙110，以及第二稜鏡109b。最後，色光適可進入投影鏡頭113，以投射出影像。

然而，前述之投影裝置1的設計具有以下缺點：第一、由於習知投影裝置中之積光柱105其剖面幾何形狀(例如：其邊長比例為16：9之一長方形，長方形之長方向位於垂直方向)通常與DMD 111剖面之幾何形狀(例如：邊長比例為9：16之一長方形，長方形之長方向位於水平方向)間具有旋轉90度之關係。詳言之，當光束通過積光柱105後，該光束亦具有長 方向在上下垂直方向邊長比例為16：9之一長方形剖面，當此入射光束受到第一反射鏡107a之旋轉導引後，其反射光束的剖面的法線方向相對於入射方向將被旋轉一角度，並入射至第二反射鏡107b。接著，再經由第二反射鏡107b之旋轉導引後，其第二次反射光束的剖面法線方向將再被旋轉一角度而進入TIR稜鏡109，使得進入TIR稜鏡109之光束的剖面係為長方向在水平方向具有邊長比例為9：16之一長方形，然後經TIR稜鏡1 09之全反射至DMD 111後，經投影鏡頭113成像於外。上述之反射光束將使光束之亮度衰減，因此降低投影裝置內光源之利用效率，以至於最後成像亮度不足；第二、前述投影裝置之積光柱與多光源間為了有效收光，因此在光學結構之設計上，採用左、右二光源上、下配置(亦即，以左上、右下或者左下、右上之不對稱方式設置二光源)與三個積光柱的方式(亦即，以二個積光柱在靠近光源之一端作上、下配置，另一積光柱則在遠離光源之一端，用以整合前述二積光柱之光束)，有效收集光束，如此一來，習知多光源投影裝置之設計相形困難，空間利用效率亦不佳；第三、前述投影裝置1中需利用一固定結構(圖未示)定位反射鏡組107a、107b，然而由於前述鏡組之定位角度直接影響光路，因此必須精準定位該些鏡組，以確保光路前進之正確，如此一來，將使鏡組之定位程序複雜、繁瑣，不利投影裝置之大量生產。

有鑑於此，如何改善前述習知投影裝置複雜的光路設計，減少光源亮度耗損等問題，進而提升影像品質以及達成小型化及輕量 化之目的，乃為業界亟需解決之問題。

本發明之一目的在於提供一種用於一投影裝置之光線導引模組，其利用改良式TIR稜鏡設計，以取代習知投影裝置中之反射鏡，進而克服習知光束於光路中亮度損耗之問題，並簡化習知投影裝置之元件配置。

為達上述目的，本發明提供一種用於一投影裝置之光線導引模組，該投影裝置包含一照明架構(Illumination Mechanism)及一數位微鏡元件(DMD)。照明架構適可提供一光束，該光束沿一第一主軸入射，經由光線導引模組，至數位微鏡元件反射後沿一第二主軸射出。該光線導引模組包含複數介面，該等介面適可使光束依序於該等介面上進行複數次全反射，其中該等全反射之進行係平行於一參考面，且第一主軸與第二主軸亦相互平行。

本發明之又一目的在於提供一種投影裝置，該投影裝置利用改良式TIR稜鏡設計，不僅可減短投影裝置中投影鏡頭之後焦長度，以縮小投影裝置之體積，有利投影裝置小型化與輕量化之發展，亦可便於投影裝置整合多光源系統，並增加投影裝置之投影鏡頭收集光束的能力，提高影像輸出的品質。

為達上述目的，本發明提供一投影裝置，其包含一照明架構、至少一數位微鏡元件以及一光線導引模組。照明架構適可提供一光束，而光線導引模組用以導引光束的行進方向。光束沿一第一主軸方向入射，經由光線導引模組，至數位微鏡元件反射後沿一 第二主軸射出。其中光線導引模組包括複數介面，該等介面適可使該光束依序於該等介面上進行複數次全反射，且該等全反射之進行係平行於一參考面，且該第一主軸與該第二主軸亦相互平行。

在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，此技術領域具有通常知識者便可瞭解本發明之其他目的，以及本發明之技術手段及實施態樣。

以下將透過實施例來解釋本發明內容，然而，本發明的實施例僅為闡釋本發明之目的，並非用以限制本發明需在如實施例所述之任何特定的環境、應用或特殊方式方能實施。需說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件已省略而未繪示。

請參考第2圖，其係為本發明一投影裝置4之一實施例之示意圖。投影裝置4包含一照明架構401、一色輪403、一積光柱405、一中繼鏡組406、一DMD 211、一光線導引模組2以及一投影鏡頭413。須說明的是，第2圖所示之實施例乃以一DMD晶片說明之，但並不以此為限，熟知此技術領域之通常知識者可於瞭解本發明後配合一菲利浦(Philips)稜鏡(圖未示)而應用於具有三片DMD晶片之投影裝置上，因此，關於具三片DMD晶片投影裝置之應用茲略而未述。此外，本發明投影裝置特別適合於整合多光源之照明架構，但亦不以多光源為限，以下將以照明架構401包含二發光元件401a、401b為例具體說明本發明之特徵。

請合併參考第3圖所示，其主要繪示一投影裝置4中光線導引 模組2之示意圖。本發明之光線導引模組2包含至少一稜鏡，各稜鏡具有複數表面，適足界定出複數介面。以本實施例為例，光線導引模組2包含一第一稜鏡209a與一第二稜鏡209b，第一稜鏡209a與第二稜鏡209b皆為三角稜鏡，其中第一稜鏡209a約為一等腰三角稜鏡，具有一第一表面2091、一第二表面2092及一第三表面2093。另一方面，第二稜鏡209b約為一直角三角稜鏡，具有一第一表面2094、一第二表面2095及一第三表面2096，且第一稜鏡209a之第三表面2093及第二稜鏡209b之第一表面2094實質上平行。

更進一步來說，第一稜鏡209a及第二稜鏡209b具有高折射率，舉例而言，第一、二稜鏡209a、209b係為折射率介於1.6至2.0之玻璃材料，例如折射率為1.8的SF57玻璃材料，但不以此為限。第一、二稜鏡209a、209b之間局部相鄰處夾置一介質210，具體而言，介質210夾置於第一稜鏡209a之第三表面2093與第二稜鏡209b之第一表面2094間，介質210之折射率係小於第一、二稜鏡209a、209b，以減少光束之發散角度，有利光束自第一稜鏡209a(密介質)射至與介質210(疏介質)交界之介面時發生全反射。於本實施中，介質210係為空氣，其折射率實質為1.0。

本發明投影裝置4之特徵之一在於本發明由照明架構401射出之光束可於光線導引模組2內進行複數次全反射，藉以簡化習知光學架構中中繼鏡組之反射鏡組(例如第1圖之反射鏡107a、107b)。具體而言，本實施例之照明架構401所提供之光束依序通過積光柱405、色輪403後將沿第一主軸p1入射光線導引模組2 之第一稜鏡209a。由於第一稜鏡209a遠高於介質210之折射率，因此每當光束行進至第一稜鏡209a與介質210間交界之介面時，容易發生全反射。而且，二者折射率的差值越大，發生全反射之臨界角越小，越易發生全反射。

具體而言，於本實施例中，光束將於第一稜鏡209a內進行三次全反射，再由第一稜鏡209a射入DMD 211，光束經分佈於DMD 211上之微鏡(圖未示)反射後，沿第二主軸p2射出，然後再經過投影鏡頭413而成像，其中第一主軸p1與第二主軸p2係相互平行，且前述三次全反射係光束依序於第一稜鏡209a之第一表面2091、第二表面2092及第三表面2093上發生。

需進一步說明的是，前述該等全反射係平行於一參考面。詳言之，當光束沿第一主軸p1入射時，其中光束係以一平面波w1的方式向前傳播，請參考第4圖所示。光束的平面波w1係分佈於三維空間(以坐標系(x,y,z)為例)中的xz平面上，而光束的行進方向(亦即，平面波w1之一法線方向n1)係與三維空間坐標系(x,y,z)中的y軸方向平行。當光束在第一稜鏡209a內進行全反射時，平面波w1之法線方向n1的變化均與xy平面平行，亦即，本發明進入光線導引模組2之光束均保持著平行於xy平面之行進方向，因此光束並不會產生三維方向的旋轉。

承上所述，由於本發明之光線導引模組2適足導引光束產生多次平行一參考面之全反射而不會產生三維方向之旋轉，因此前述本發明投影裝置所揭露之光學架構特別適合於多光源之整合配置。具體而言，由於光束於光線導引模組2中行進時，只會產生 全反射而不會產生三維方向之旋轉，因此本發明積光柱405剖面之邊長比例可與DMD 211剖面之邊長比例相同(例如，二剖面皆為縱邊與橫邊比例為9：16之長方形，且長方形之長方向係水平方向)。另一方面，由於積光柱405剖面為長方向係位於水平方向之長方形，因此，於光路配置上，可將積光柱405之橫剖面區分為左、右二區域405a、405b，用以分別接收來自照明架構401左、右光源射出之光束，如第5圖所示。換言之，本發明投影裝置4內之照明架構401即可輕易地以水平對稱方式設置二發光元件401a、401b，使發光元件401a、401b所射出之光束經由稜鏡4011二側邊之反射後，可沿第一主軸p1方向分別由積光柱405之405a、405b區域收集，方便投影裝置4對其內部空間作有效的利用配置。相較習知左、右二光源為了配合積光柱而必須於左、右方向上另作上、下不對稱之配置方式(亦即，以左上、右下或者左下、右上之方式設置二光源)，本發明之投影裝置4可有效利用投影裝置內的有限空間，使其體積可更加小型化。

須說明的是，本發明之光線導引模組2可導引光束於其內部進行平行於一參考面之全反射，因而本發明投影裝置4之中繼鏡組406即可省略習知光學架構下之二反射鏡(例如第1圖之反射鏡107a、107b)配置，進而達成輕量化的目的，並解決了習知定位反射鏡之繁瑣步驟及定位精準度難以控制等問題。此外，習知光路中光束亮度因多次反射而造成損耗之問題亦可同時獲得解決。

此外，本發明投影裝置4之另一特徵在於光線導引模組2中第一稜鏡209a的厚度可大幅減少。請參考第3圖，其原因在於當 DMD 211上之微鏡相對於第二主軸p2傾斜12度時，第一稜鏡209a的夾角(θ)與第一稜鏡209a的折射率(N)具有θ＝sin^－1 (1/N)一sin^－1 (0.21/N)之負相關關係，例如：當折射率(N)為1.8時，第一稜鏡209a夾角(θ)為27.11度；當折射率(N)為2.0時，第一稜鏡209a夾角(θ)為24度。因此，當稜鏡209a的折射率越大，第一稜鏡209a的夾角(θ)越小，相對而言，該稜鏡的厚度即越小。尤其重要的是，當稜鏡厚度越小時，投影鏡頭413之內側端與數位微鏡裝置211之間的一後焦距h即可對應地減小，用以進一步縮小投影裝置4的體積，並可使投影鏡頭收集光束的能力大為提高，改善了影像的輸出品質。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利範圍應以申請專利範圍為準。

1‧‧‧投影裝置

101‧‧‧燈源

103‧‧‧色輪

105‧‧‧積光柱

107‧‧‧中繼鏡組

107a‧‧‧第一反射鏡

107b‧‧‧第二反射鏡

109‧‧‧TIR稜鏡

109a‧‧‧第一稜鏡

109b‧‧‧第二稜鏡

1091‧‧‧表面

1092‧‧‧表面

110‧‧‧氣隙

111‧‧‧數位微鏡元件

113‧‧‧投影鏡頭

2‧‧‧光線導引模組

209a‧‧‧第一稜鏡

209b‧‧‧第二稜鏡

2091‧‧‧第一表面

2092‧‧‧第二表面

2093‧‧‧第三表面

2094‧‧‧第一表面

2095‧‧‧第二表面

2096‧‧‧第三表面

210‧‧‧介質

211‧‧‧數位微鏡元件

4‧‧‧投影裝置

401‧‧‧照明架構

401a、401b‧‧‧發光元件

4011‧‧‧稜鏡

403‧‧‧色輪

405‧‧‧積光柱

405a‧‧‧左區域

405b‧‧‧右區域

406‧‧‧中繼鏡組

413‧‧‧投影鏡頭

w1‧‧‧平面波

n1‧‧‧法線方向

p1‧‧‧第一主軸

p2‧‧‧第二主軸

h‧‧‧後焦距

θ‧‧‧夾角

第1圖係為習知利用DLP技術的投影裝置之示意圖；第2圖係為本發明一實施例中投影裝置之示意圖；第3圖係為本發明一實施例中光線導引模組之示意圖；第4圖係為本發明一實施例中光束於光線導引模組內之傳播行為之示意圖；以及第5圖係為本發明一實施例中光束入射至積光柱之示意圖。

2‧‧‧光線導引模組

209a‧‧‧第一稜鏡

209b‧‧‧第二稜鏡

2091‧‧‧第一表面

2092‧‧‧第二表面

2093‧‧‧第三表面

2094‧‧‧第一表面

2095‧‧‧第二表面

2096‧‧‧第三表面

210‧‧‧介質

211‧‧‧數位微鏡元件

p1‧‧‧第一主軸

p2‧‧‧第二主軸

θ‧‧‧夾角

Claims (17)

1. 一種用於一投影裝置之光線導引模組，該投影裝置包含一照明架構(illumination mechanism)及一數位微鏡元件(DMD)，該照明架構適可提供一光束，該光束沿一第一主軸入射，經由該光線導引模組，至該數位微鏡元件反射後沿一第二主軸射出，該光線導引模組包含：一第一稜鏡，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，適界定出複數介面，適可使該光束依序於該第一表面、第二表面及第三表面上進行複數次全反射，其中該等全反射之進行方向係平行於一參考面，且該第一主軸與該第二主軸亦相互平行；其中，該第一稜鏡之折射率實質上介於1.6至2.0。
2. 如請求項1所述之光線導引模組，更包含：一第二稜鏡，具有一第一表面及一第二表面，其中該第一稜鏡之第三表面與該第二稜鏡之第一表面至少局部相鄰，藉此，當該光束進入該數位微鏡元件後，反射經過該第二稜鏡後射出。
3. 如請求項2所述之光線導引模組，更包含一介質，夾置於該第一稜鏡之第三表面與該第二稜鏡之第一表面間，且該介質之一折射率係小於該第一稜鏡及該第二稜鏡之折射率。
4. 如請求項3所述之光線導引模組，其中該第二稜鏡之折射率實質上介於1.6至2.0。
5. 如請求項3所述之光線導引模組，其中該介質為空氣。
6. 如請求項5所述之光線導引模組，其中該光束進入該數位微鏡元件後，反射經過該第二稜鏡後，沿一第二主軸方向射出，其中該第一主軸方向與該第二主軸方向，實質上係相互平行。
7. 如請求項6所述之光線導引模組，其中該第一稜鏡之第三表面及該第二稜鏡之第一表面實質上平行。
8. 一種投影裝置，包括：一照明架構，適可提供一光束；至少一數位微鏡元件；以及一光線導引模組，該光束沿一第一主軸方向入射，經由該光線導引模組，至該數位微鏡元件反射後沿一第二主軸射出，該光線導引模組包括：一第一稜鏡，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，適界定出複數介面，適可使該光束依序於該第一表面、第二表面及第三表面上進行複數次全反射，其中該等全反射之進行係平行於一參考面，且該第一主軸與該第二主軸亦相互平行；其中，該至少一稜鏡之折射率實質上介於1.6至2.0。
9. 如請求項8所述之投影裝置，更包含一投影鏡頭，其中該光束自該數位微鏡元件反射至該投影鏡頭。
10. 如請求項9所述之投影裝置，更包含一積光柱，用以均勻自該照明架構所發出之該光束，其中該積光柱之一剖面之一長方向係一水平方向，且平行於該數位微鏡元件之一剖面之一長方向。
11. 如請求項10所述之投影裝置，其中該照明架構具有二發光元件，水平相對設置，各該發光元件所射出之光束適可經一次反射後，分別射入該積光柱之該剖面之一左側部與一右側部。
12. 如請求項8所述之投影裝置，其中該光線導引模組更包括：一第二稜鏡，具有一第一表面及一第二表面，其中該第一稜鏡之第三表面與該第二稜鏡之第一表面至少局部相鄰，當該光束進入該數位微鏡元件後，反射經過該第二稜鏡後射出。
13. 如請求項12所述之投影裝置，更包含一介質，夾置於該第一稜鏡之第三表面與該第二稜鏡之第一表面間，且該介質之一折射率係小於該第一稜鏡及該第二稜鏡之折射率。
14. 如請求項13所述之投影裝置，其中該第二稜鏡之折射率實質上介於1.6至2.0。
15. 如請求項13所述之投影裝置，其中該介質為空氣。
16. 如請求項15所述之投影裝置，其中該光束進入該數位微鏡元件後，反射經過該第二稜鏡後，沿一第二主軸方向射出，其中該第一主軸方向與該第二主軸方向，實質上係相互平行。
17. 如請求項16所述之投影裝置，其中該第一稜鏡之第三表面及該第二稜鏡之第一表面實質上平行。