TWI410738B - 透鏡陣列組及投影裝置 - Google Patents

Description

透鏡陣列組及投影裝置

本發明係關於一種用於投影裝置之透鏡組，特別是關於一種用於減少投影裝置內部光損耗之透鏡組。

由於發光二極體(Light Emitting Diode,LED)具有高使用壽命、低使用溫度與可立即開關切換等優點，因此逐漸取代超高壓水銀燈泡(Ultra High Performance,UHP)作為投影裝置之光源。當採用發光二極體作為投影裝置之光源時，同樣需考慮其內部光學元件之設計調配，俾得到較佳之光利用度以及光分布均勻度。

關於光利用度，由於發光二極體大多製作成正方形，因此發光二極體所發射出之光線投射形狀實質上亦屬正方形。然而，當正方形之光線投射至非正方形之微型顯示裝置(Micro-display device)，如數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)、液晶顯示裝置(Liquid Crystal Display,LCD)或矽基液晶裝置(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)等時(因微型顯示裝置須為特定矩形比例以符合顯示需求)，將會造成光線之形狀無法與微型顯示裝置形狀符合，使得光利用度降低。為了讓光線於投射至微型顯示裝置時，其光損失達到最小，許多改變光線投射形狀之光學元件便順勢而生。其中常見的有錐型光導管(tapered light pipe)、變形稜鏡(anamorphic prism)或圓柱鏡(cylinder lens)等。即便利用上述之光學元件改變發光二極體之光線投射形狀，藉以符合投射於微型顯示裝置之相對比例，但當光線通過上述之光學元件後，光源形狀受到改變，易導致光源形狀和投影鏡頭開口不匹配等問題。

再考慮到光分布均勻度，使用單一透鏡進行聚焦時，容易因光線經過單一透鏡投射至微型顯示裝置時之光線分布不均勻，而導致成像之影像其中心範圍之光度過高，但周邊範圍之光度不足。因此，業界便發展透鏡陣列來改善此缺點。

請參考第1A圖，其係為一投影裝置1，包含一發光二極體光源模組11、透鏡陣列13、14及一微型顯示裝置15。發光二極體光源模組11具有數個發光二極體12，其所產生之光線係利用二透鏡陣列13、14上之複數個透鏡單元131、141聚焦，使光線重新分成多個區塊投射，藉以降低光線於單一透鏡之聚焦中易過於集中之問題，如此一來，便能達成光線均勻分布於微型顯示裝置15之功效。

關於詳細光學路徑描述，請同時參考第1B圖以及第1C圖。第1B圖係一第一光學路徑示意圖，此時，透鏡陣列13係將發光二極體光源模組11之光線聚焦至透鏡陣列14之透鏡單元141。為了讓光線之利用度增加，透鏡單元141之長寬比係以發光二極體光源模組11之長寬比製作，換句話說，為了使發光二極體光源模組11之光線於聚焦後，能夠完全被利用並且不產生漏光，因此透鏡單元141之長寬比係與發光二極體光源模組11中之發光二極體之長寬比相同。隨即，參考第1C圖，其為一第二光學路徑示意圖，於第二光學路徑中，由於各透鏡單元131之所透射出之光線，需透過透鏡陣列14聚焦至微型顯示裝置15，因此，透鏡單元131以及透鏡單元141於設計上必須製作為一樣之面積尺寸，如此才能夠將各透鏡單元131之光線透過相對應之透鏡單元141聚焦至微型顯示裝置15。然而，如前所述，透鏡單元131需配合透鏡單元141之形狀設計，因此，透鏡陣列組並無法改變發光二極體12之光線投射形狀，則於第二光學路徑中，又將造成光線投射形狀與微型顯示裝置15形狀比例不一而造成光損失之問題。

因此，如何在投影裝置之有效空間內，利用簡易之光學元件配置便能同時滿足光利用度以及光分布均勻度的需求，乃為此業界亟需努力之目標。

為解決前述之問題，本發明之目的在於提供一種用於一投影裝置之透鏡陣列組，其既可達成改變發光二極體光線投射形狀之長寬比，使其符合微型顯示裝置之長寬比，並可同時讓投射至微型顯示裝置之光線均勻化。

為完成前述目的，本發明係提供一種用於一投影裝置之透鏡陣列組，包含複數第一透鏡陣列及一複數第二透鏡陣列。各第一透鏡陣列具有複數第一透鏡單元，各第一透鏡單元係一矩形，且各第一透鏡單元具有一第一側邊以定義一第一方向；各第二透鏡陣列平行於各第一透鏡陣列，且具有複數第二透鏡單元，各第二透鏡單元係一矩形，且各第二透鏡單元具有一第二側邊以定義一第二方向。其中第一方向於第二透鏡陣列上之一投影，相對於第二方向，實質上形成一旋轉角度(θ)，各第二透鏡單元係與各第一透鏡單元對應設置，且各第一透鏡單元之一中心與相對應之各第二透鏡單元之一中心同軸。

本發明之另一目的係提供一種投影裝置，包含一發光二極體光源模組、一前述透鏡陣列組及一微型顯示裝置。發光二極體光源模組適以產生一光線，而此光線便通過透鏡陣列組投射至微型顯示裝置以進行成像。

根據上述內容，本發明之第一透鏡單元採用適當形狀，藉以調整光線之投射形狀，令其符合微型顯示裝置之長寬比，避免光線損失，而第一透鏡單元與第二透鏡單元之對應關係更能達成投射光線之均勻化。

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、優點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之一種透鏡陣列組。需說明者，本發明之實施例並非用以限制本發明需在如實施例所述之任何特定之環境、應用或特殊方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以限制本發明。

首先，請參考第2A圖，其為本發明之一投影裝置2之示意圖，投影裝置2包括一發光二極體光源模組21、一透鏡陣列組23以及一微型顯示裝置24。發光二極體光源模組21包含一紅色發光二極體21a、一綠光發光二極體21b、一藍光發光二極體21c及一合光元件21d，該等發光二極體21a、21b、21c以一時序產生一光線，並經由合光元件21d將光線導引至透鏡陣列組23之方向。需說明的是，發光二極體光源模組21之內部結構僅用以示意，熟知此項技術領域者當可輕易推及其他實施態樣。

接著請一併參考第2A圖、第3A圖以及第3B圖，透鏡陣列組23具有複數第一透鏡陣列231及複數第二透鏡陣列232；而各個第一透鏡陣列231均包含複數第一透鏡單元2310，各個第二透鏡陣列232則包含複數第二透鏡單元2320。整體之第二透鏡陣列232係面平行於整體之第一透鏡陣列231，各第二透鏡單元2320與各第一透鏡單元2310係為對應設置。須特別說明，由於各第一透鏡單元2310與各第二透鏡單元2320對應設置，是故需以特定對應旋轉角度關係，而其詳情將於後續內容進行解說。

由於微型顯示裝置24係呈一矩形，而發光二極體光源模組21亦為一矩形光源，因此設計時，亦使第一透鏡單元2310與第二透鏡單元2320呈矩形，且分別具有一第一矩形輪廓及一第二矩形輪廓。詳言之，使第一透鏡單元2310之第一矩形輪廓之長寬比與微型顯示裝置24之矩形之長寬比一致；且使第二透鏡單元2320之第二矩形輪廓與之長寬比與發光二極體光源模組21之矩形光源之長寬比一致(原因後述)。以本實施例而言，微型顯示裝置24之矩形之長寬比為4：3，因此第一矩形輪廓之長寬比亦為4：3，而發光二極體光源模組21之矩形光源之長寬比為1：1，則第二矩形輪廓之長寬比亦為1：1；於其他實施態樣中，依照不同長寬比的微型顯示裝置24，第一矩形輪廓之長寬比亦可為5：4、16：9或其他比例。

請同時參考第2B圖以及第3B圖，其中，第2B圖係透鏡陣列組之一第一光學路徑示意圖，第3B圖係由第2A圖A至A’方向觀看透鏡陣列組之部分示意圖。首先，於第2B圖所示之第一光學路徑中，第一透鏡陣列231之各第一透鏡單元2310係用以將發光二極體光源模組21所產生之光線聚焦至第二透鏡陣列232上之第二透鏡單元2320。因此，各第一透鏡單元2310之聚焦位置，實質上係落於相對應之各第二透鏡單元2320之中心位置。須特別說明者，第一透鏡陣列231之第一透鏡單元2310之形狀並不會改變發光二極體光源模組21之光線投射形狀，其僅為用以聚焦之透鏡。而由於發光二極體光源模組21產生之光線經過第一透鏡陣列231後其形狀不會改變，因此為了避免光線之漏失，第二透鏡陣列232之第二透鏡單元2320之形狀係根據發光二極體光源模組21之形狀設計；換言之，亦即將各第二透鏡單元2320之尺寸比例依照發光二極體光源模組21之尺寸比例製作，即如前所述之第二矩形輪廓之長寬比1：1。如此一來，發光二極體光源模組21產生之光線經過第一透鏡陣列231聚焦至第二透鏡陣列232時，光線將完全被第二透鏡陣列232所使用。

請同時參考第2C圖以及第3B圖，其中，第2C圖係透鏡陣列組之一第二光學路徑示意圖。首先，於第二光學路徑中，第二透鏡陣列232係用以將第一透鏡陣列231之第一透鏡單元2310所投射出之光線，經由後續之光學裝置(未繪示)聚焦至微型顯示裝置24上，俾使微型顯示裝置24進行後續成像。各第一透鏡單元2310之一聚焦位置實質上係落於相對應之各第二透鏡單元2320之中心位置，而各第二透鏡單元2320之一聚焦位置，實質上係落於微型顯示裝置24之位置以進行成像。須特別說明者，第二透鏡陣列232之第二透鏡單元2320之形狀並不會改變第一透鏡陣列231之第一透鏡單元2310所投射出之光線投射形狀，其僅為用以聚焦之透鏡。而由於第一透鏡陣列231之第一透鏡單元2310之投射光線經過第二透鏡陣列232後，其形狀不會改變，因此為了避免光線之漏失，第一透鏡陣列231之各第一透鏡單元2310之形狀係根據微型顯示裝置24之形狀設計；換言之，亦即將各第一透鏡單元2310之尺寸比例依照微型顯示裝置24之尺寸比例製作，即如前所述第一矩形輪廓之長寬比4：3。如此一來，第一透鏡陣列231之各第一透鏡單元2310所投射之光線，經過第二透鏡陣列232聚焦至微型顯示裝置24時，將完全不會產生光漏失。

更詳細而言，請同時參考第2A圖以及第3C圖，因於第一光學路徑中，第一透鏡陣列231之第一透鏡單元2310係用以將發光二極體光源模組21之光線聚焦至第二透鏡陣列232之第二透鏡單元2320上；且於第二光學路徑中，第二透鏡陣列232之第二透鏡單元2320係用以將第一透鏡陣列231之第一透鏡單元2310所投射之光線聚焦至微型顯示裝置24上。為同時滿足上述二者，第一透鏡單元2310以及第二透鏡單元2320於設置上時需將各自之鏡心對齊，即如第3B圖所示，第一透鏡單元2310之中心(換句話說，即為鏡心)與第二透鏡單元2320之中心(換句話說，即為鏡心)係實質上屬同軸之對齊狀態。又因複數第一透鏡單元2310與複數第二透鏡單元2320係數量相同且一一對應，如此一來，第一光學路徑以及第二光學路徑於各自之光學聚焦時，將不會因鏡心之偏移而產生光漏失、光線偏斜或光線無法完全利用之現象。

由於需考慮到第一透鏡單元2310、第二透鏡單元2320之長寬比應各別符合微型顯示裝置24以及發光二極體光源模組21之長寬比，故當發光二極體光源模組21之長寬比不同於微型顯示裝置24之長寬比時，相對地第一透鏡單元2310、第二透鏡單元2320將具有不同之長寬比，如此一來，第一透鏡單元2310、第二透鏡單元2320於各自之透鏡陣列中設置時，將必須做適度之調整，才能達成鏡心對齊且互相對應之配置。

為能適宜調配第一透鏡單元2310、第二透鏡單元2320之設置，請同時參考第4A圖以及第4B圖，其為第一透鏡單元2310、第二透鏡單元2320之相對位置示意圖。首先參考第4A圖，第一透鏡單元2310具有一第一側邊以及一第三側邊，分別具有一第一邊長x₁ 與一第三邊長y₁ ；而第二透鏡單元2320具有一第二側邊以及一第四側邊，分別具有一第二邊長x₂ 與一第四邊長y₂ 。其中，第一透鏡單元2310之第一側邊係定義一第一方向2311，且第三側邊垂直於第一方向2311；第二透鏡單元2320之第二側邊係定義一第二方向2321，且第四側邊垂直於第二方向2321，於本實施例中，第二方向2321實質上係為一水平方向。第一方向2311於第二透鏡陣列232上之一投影，相對於第二方向2321，實質上形成一旋轉角度θ，其值係。須特別說明者，於本實施例中，第一透鏡單元2310為長方形，第二透鏡單元2320為正方形，而第一側邊係為一長邊；於其他實施態樣中，若當第一透鏡單元2310、第二透鏡單元2320皆不為正方形時，第一透鏡單元2310、第二透鏡單元2320之第一側邊及第二側邊係同時為長邊或同時為短邊。

而於角度旋轉之後，尚需對各個第一透鏡陣列231以及各個第二透鏡陣列232之配置作調整，才能達成各個第一透鏡單元2310正確地對應至各個第二透鏡單元2320。首先，請再次參考第3B圖，其中，複數第一透鏡陣列231彼此間係沿第一方向2311平行設置，且複數第二透鏡陣列232彼此間係沿第二方向2321垂直設置。接著，請一併參考第4B圖，相鄰第一透鏡陣列231中，第一透鏡單元2310於排列時，將與以第一側邊相鄰之第一透鏡單元2310間，具有平行於第一方向2311之一第一相對位移量s₁ ；相鄰第二透鏡陣列232中，第二透鏡單元2320於排列時，將與以第四側邊相鄰之第二透鏡單元2320間，具有垂直於第二方向2321之一第二相對位移量s₂ ，其中，第一相對位移量s₁ 與第二相對位移量s₂ 之數值係分別根據方程式s₁ =y ₁ ×sinθ及s₂ =x ₂ ×sinθ而得。

換言之，透過上述之配置，可將具有相同數量以及相同面積、但不同長寬比之複數第一透鏡單元2310以及複數第二透鏡單元2320做一一對應之配置，且不會產生第一透鏡單元2310之鏡心與其相對應之第二透鏡單元2320之鏡心無法對齊之情況。

綜上所述，本發明之透鏡陣列組23應用於投影裝置2時，藉由將第一透鏡陣列231之第一透鏡單元2310以及第二透鏡陣列232之第二透鏡單元2320進行上述配置，使第一透鏡單元2310之第一矩形輪廓對應微型顯示裝置24的長寬比，且第二透鏡單元2320之第二矩形輪廓對應發光二極體光源模組21的長寬比，便能將發光二極體光源模組21之光線投射形狀之長寬比轉換成符合微型顯示裝置24之形狀之長寬比，以保持最大之光線利用度，並且可同時將發光二極體光源模組21之光線均勻地投射至微型顯示裝置24上，能有效地提供微型顯示裝置24成像所需之光線，減少光線漏失，有效地解決了先前技術中之難題。

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

11．．．發光二極體光源模組

12．．．發光二極體

13．．．第一透鏡陣列

131．．．透鏡單元

14．．．第二透鏡陣列

141．．．透鏡單元

15．．．微型顯示裝置

2．．．投影裝置

21．．．發光二極體光源模組

21a．．．紅色發光二極體

21b．．．綠色發光二極體

21c．．．藍色發光二極體

21d．．．合光元件

23．．．透鏡陣列組

231．．．第一透鏡陣列

2310．．．第一透鏡單元

2311．．．第一方向

232．．．第二透鏡陣列

2320．．．第二透鏡單元

2321．．．第二方向

24．．．微型顯示裝置

第1A圖係先前技術之投影裝置之示意圖；

第1B圖係第1A圖之投影裝置之第一光學路徑之示意圖；

第1C圖係第1A圖之投影裝置之第二光學路徑之示意圖；

第2A圖係本發明之投影裝置之示意圖；

第2B圖係第2A圖之投影裝置之第一光學路徑之示意圖；

第2C圖係第2A圖之投影裝置之第二光學路徑之示意圖；

第3A圖係本發明之第一透鏡陣列與第二透鏡陣列示意圖；

第3B圖係由第2A圖A至A’方向觀看透鏡陣列組之部分示意圖；

第3C圖係本發明之第一透鏡陣列之第一透鏡單元與第二透鏡陣列之第二透鏡單元之相對位置示意圖；

第4A圖係本發明之第一透鏡陣列之第一透鏡單元與第二透鏡陣列之第二透鏡單元之相對位置調整示意圖；以及

第4B圖係本發明之第一透鏡陣列之第一透鏡單元與第二透鏡陣列之第二透鏡單元之另一相對位置示意圖。

231．．．第一透鏡陣列

2310．．．第一透鏡單元

2311．．．第一方向

232．．．第二透鏡陣列

2320．．．第二透鏡單元

2321．．．第二方向

Claims (20)

1. 一種用於一投影裝置之透鏡陣列組，包含：複數第一透鏡陣列，各該第一透鏡陣列具有複數第一透鏡單元，各該第一透鏡單元係一矩形，且各該第一透鏡單元具有一第一側邊以定義一第一方向；以及複數第二透鏡陣列，平行於該等第一透鏡陣列，各該第二透鏡陣列具有複數第二透鏡單元，各該第二透鏡單元係一矩形，且各該第二透鏡單元具有一第二側邊以定義一第二方向；其中該第一方向於該第二透鏡陣列上之一投影，相對於該第二方向，實質上形成一旋轉角度(θ )，各該第二透鏡單元係與各該第一透鏡單元對應設置，且各該第一透鏡單元之一中心與相對應之各該第二透鏡單元之一中心同軸。
2. 如請求項1所述之透鏡陣列組，其中該等側邊均為長邊或均為短邊。
3. 如請求項2所述之透鏡陣列組，其中包含：各該第一透鏡陣列係沿該第一方向平行設置，相鄰該等第一透鏡陣列之相鄰該等第一透鏡單元具有一第一相對位移量(s₁ )；以及各該第二透鏡陣列係沿該第二方向垂直設置，相鄰該等第二透鏡陣列之相鄰該等第二透鏡單元具有一第二相對位移量(s₂ )。
4. 如請求項3所述之透鏡陣列組，其中該第一透鏡單元具有一第一矩形輪廓，該第二透鏡單元具有一第二矩形輪廓。
5. 如請求項4所述之透鏡陣列組，其中該第一矩形輪廓與該第二矩形輪廓具有相同之面積。
6. 如請求項5所述之透鏡陣列組，其中該等第一透鏡單元與該等第二透鏡單元係數量相同。
7. 如請求項6所述之透鏡陣列組，其中：各該第一透鏡單元更具有垂直於該第一方向之一第三側邊，該第一側邊與該第三側邊分別具有一第一邊長x₁ 與一第三邊長y₁ ；各該第二透鏡單元更具有垂直於該第二方向之一第四側邊，該第二側邊與該第四側邊分別具有一第二邊長x₂ 與一第四邊長y₂ ；以及該旋轉角度(θ )之數值係根據方程式：
8. 如請求項7所述之透鏡陣列組，其中：該第一相對位移量(s₁ )之數值係根據方程式：s₁ =y ₁ ×sinθ ；以及該第二相對位移量(s₂ )之數值係根據方程式：s₂ =x ₂ ×sinθ 。
9. 如請求項1所述之透鏡陣列組，其中各該第一透鏡單元之一聚焦位置，實質上係相對應之各該第二透鏡單元之位置。
10. 一種投影裝置，包含：一發光二極體光源模組，適以產生一光線；一如請求項1所述之透鏡陣列組；以及 一微型顯示裝置，其中該光線係通過該透鏡陣列組投射至該微型顯示裝置。
11. 如請求項10所述之投影裝置，其中該等側邊均為長邊或均為短邊。
12. 如請求項11所述之投影裝置，其中：各該第一透鏡陣列係沿該第一方向平行設置，相鄰該等第一透鏡陣列之相鄰該等第一透鏡單元具有一第一相對位移量(s₁ )；以及各該第二透鏡陣列係沿該第二方向垂直設置，相鄰該等第二透鏡陣列之相鄰該等第二透鏡單元具有一第二相對位移量(s₂ )。
13. 如請求項12所述之投影裝置，其中該第一透鏡單元具有一第一矩形輪廓，該第二透鏡單元具有一第二矩形輪廓。
14. 如請求項13所述之投影裝置，其中該第一矩形輪廓與該第二矩形輪廓具有相同之面積。
15. 如請求項14所述之投影裝置，其中該等第一透鏡單元與該等第二透鏡單元係數量相同。
16. 如請求項15所述之投影裝置，其中：各該第一透鏡單元更具有垂直於該第一方向之一第三側邊，該第一側邊與該第三側邊分別具有一第一邊長x₁ 與一第三邊長y₁ ；各該第二透鏡單元更具有垂直於該第二方向之一第四側邊，該第二側邊與該第四側邊分別具有一第二邊長x₂ 與一第 四邊長y₂ ；以及該旋轉角度(θ )之數值係根據方程式：
17. 如請求項16所述之投影裝置，其中：該第一相對位移量(s₁ )之數值係根據方程式：s₁ =y ₁ ×sinθ ；以及該第二相對位移量(s₂ )之數值係根據方程式：s₂ =x ₂ ×sinθ 。
18. 如請求項13所述之投影裝置，其中該微型顯示裝置係為一矩形，並且具有與該第一矩形輪廓相同之長寬比。
19. 如請求項18所述之投影裝置，其中該發光二極體光源模組係為一矩形光源，該矩形光源具有與該第二矩形輪廓相同之長寬比。
20. 如請求項10所述之投影裝置，其中各該第一透鏡單元之一聚焦位置，實質上係相對應之各該第二透鏡單元之位置，而各該第二透鏡單元之一聚焦位置，實質上係該微型顯示裝置之位置。