TWI418739B - 光學系統 - Google Patents

Description

光學系統

本發明有關一種光學系統，特別關於一種可產生非軸對稱光束之光學系統。

數位光處理(digital light processing,DLP)投影機的組件大致可分成光學系統(optical system)、數位微鏡裝置(digital micromirror device,DMD)及投影透鏡組(projection lens assembly)。其中，光學系統可產生一入射光束，照射於數位微鏡裝置；數位微鏡裝置包括多個微反射鏡，照射於微反射鏡上的入射光束會被反射；藉由控制每一個微反射鏡的偏轉角度，可決定入射光束的哪些部份可被反射入投影透鏡組中而投影出去。

進一步地說明，請參閱第1圖，數位微鏡裝置的每一個微反射鏡7可具有兩種狀態：亮狀態(on)及暗狀態(off)，分別以微反射鏡7的旋轉角度來區分。在亮狀態時，微反射鏡7約旋轉12度；在暗狀態時，微反射鏡7約旋轉-12度。不同狀態下，光學系統產生的入射光束81會被微反射鏡7反射成不同方向的第一反射光束71及第二反射光束72。

此外，入射光束81也會照射到數位微鏡裝置的平面結構(，例如兩微反射鏡7之間的平面，圖未示)，然後被該平面結構反射成另一反射光束，稱為雜光(stray light)73。

在理想情況下，只有亮狀態的第一反射光束71可通過投影透鏡組9的光圈91而進入投影透鏡組9中，然後再由投影透鏡組9投 射出，而第二反射光束72及雜光73不會通過光圈91。但實際上，雜光73會部分地進入投影透鏡組9中。此原因為，雜光73在垂直微反射鏡7的轉軸74的方向75上，有過大的擴散角度α，使得雜光73在方向75上，會進入至光圈91中；此舉會降低投影透鏡組9投射出的影像的對比度(contrast)。

為了改善此缺失，有些方案被提出，例如美國專利公告號US 7,246,923及US 7,101,050所揭露者。該些方案中，光學系統可產生一非軸對稱(non-radially symmetrical)之光束來照射於數位微鏡裝置上，使得微反射鏡所反射出的反射光束、及平面結構反射出的雜光皆呈非軸對稱；此時，投影透鏡組的光圈的形狀也為非軸對稱。

非軸對稱的反射光束及雜光在垂直微反射鏡的轉軸方向(例如第1圖的方向75)上，皆有較小的擴散角。如此，雜光較不會進入到投影透鏡組的光圈中，使得投影透鏡組投射出的影像的對比度可被提升。

另一方面，在平行微反射鏡的轉軸的方向上，非軸對稱的反射光束會有較大的擴散角，使得反射光束可有較大的光展量(Etendue)。因此，在亮狀態下，較大光展亮的反射光束可進入到光圈中，使得投影透鏡組投射出的影像的亮度可被提升。

換言之，當光學系統所產生的光束為非軸對稱時，對於投影透鏡組投射出的影像的對比度及亮度，皆有助益。

然而上述方案中，光學系統會利用到一些較特殊的光學元件， 例如聚光器(collector)或積分器(integrator)等，可能會使光學系統的製造成本提高。

有鑑於此，提供一種可改善上述缺失的光學系統，乃為此業界亟待解決的問題。

本發明之一目的在於提供一種光學系統，其可產生一非軸對稱錐形光線構成之光束，且較無使用到特殊的光學元件。

為達上述目的，本發明所揭露的光學系統，包括：一光源模組；一第一透鏡陣列，位於該光源模組的一側，且包含多個第一透鏡，該些第一透鏡依照一第一圖案排列，該第一圖案呈現非軸對稱且具有一第一長軸；以及一第二透鏡陣列，位於該第一透鏡陣列的一側而與該光源模組相對，該第二透鏡陣列包含多個第二透鏡，該些第二透鏡依照一第二圖案排列且第二透鏡的光軸對齊第一透鏡的光軸，該第二圖案呈現非軸對稱且具有一第二長軸，其中，該第二長軸相對該第一長軸偏轉一第一角度。

藉此，光源模組可產生一遠心(telecentric)光束，光束中每一條光線由一軸對稱光錐(light cone)構成。第一透鏡陣列及第二透鏡陣列可將該遠心光束轉換成一束非軸對稱光錐構成之光線照射於一目標區域。

為讓上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂，下文係以較佳之實施例配合所附圖式進行詳細說明。

請參閱第2圖，為本發明的光學系統的第一較佳實施例與一目 標區域的示意圖。該光學系統1可包括：一光源模組11、一第一透鏡陣列12及一第二透鏡陣列13。

光源模組11可產生一遠心光束，光束中每一條光線由一軸對稱光錐(light cone)構成；第一透鏡陣列12及第二透鏡陣列13可將該遠心光束重新分佈(redistribute)及重疊(overlap)，形成一非軸對稱光錐構成的光束。為簡潔說明之目的，『非軸對稱光錐構成的光束』在後文中，可簡稱為非軸對稱的光束。

以下將進一步說明光學系統1各元件的技術內容。

光源模組11構成方式有多種，本實施例中，光源模組11包括一發光二極體陣列111及一準直透鏡陣列112。請參閱第3圖，為第2圖的光學系統的光源模組的示意圖。發光二極體陣列111包括多個發光二極體1111，每個發光二極體1111皆有一個矩形的發光面1111A，用以發射出光線L1(如第2圖所示)。

發光面1111A發出的光線L1之最大發散角可達90度(視發光二極體的種類而定)，為了易於將發出的光線準直，發光面1111A可覆蓋一層角度選擇膜(angle selective film)，使得發散角小於40度的光線L1才可通過角度選擇膜。

準直透鏡陣列112位於該些發光二極體1111的一側，也就是位在發光二極體1111發射出的光線L1的光路上。準直透鏡陣列112包括多個準直透鏡1121，該些準直透鏡1121分別光學地(optically)耦合該些發光二極體1111，也就是指，該些發光二極體1111發出的光線可通過至該些準直透鏡1121。當光線L1通過準直透鏡1121 後，即會形成具有方向性的光線L2(如第2圖所示)。

值得一提的是，每個準直透鏡1121的截面可為六角型(較接近圓形)，以較佳地涵蓋發光二極體1111發射出的光線L1，減少光損失。此外，發光二極體1111的數目可不用與準直透鏡1121的數目相同，發光二極體1111可只為一個。

雖然本實施例是以單個光源模組11為例，但本發明並不侷限於此。於其他實施例(圖未示)中，光學系統可包括多個(例如三個)光源模組，每個光源模組可分別產生不同顏色(例如紅、黃及綠)的遠心光束。該些遠心光束可透過一合光元件(combining optical component)15結合，然後傳遞至第一透鏡陣列12。換言之，如果只有單個光源模組11，則合光元件15為可省略的。

請復參閱第2圖，第一透鏡陣列12位於光源模組11(準直透鏡陣列112)的一側，用以將光源模組11產生的遠心光束匯聚至第二透鏡陣列13中。

第一透鏡陣列12包含多個第一透鏡121，其種類可為平凸透鏡或雙凸透鏡等可聚光之透鏡。請參閱第4圖，為第2圖的光學系統的第一透鏡陣列的示意圖。該些第一透鏡121各具有一矩形的第一截面121A，且該些第一透鏡121依照一第一圖案122排列，也就是指，該些第一透鏡121會相互地並排(或鄰接)，以使得該些第一透鏡121的第一截面121A共同地構成該第一圖案122。

該第一圖案122呈現非軸對稱，意指該第一圖案122可為長方形或橢圓形等非圓形之圖案。因此，該些第一透鏡121的第一截 面121A會共同地構成類似長方形或橢圓形的圖案。此外，由於為非軸對稱，第一圖案122會具有一第一長軸1221。第一長軸1221表示第一圖案122較長尺寸的方向，且第一長軸1221跟第一透鏡121的第一截面121A的其中一邊平行。

請參閱第5圖，為第2圖的準直透鏡陣列及第一透鏡陣列的位置關係示意圖。前文提及，第一透鏡陣列12是用以將光源模組11產生的遠心光束匯聚至第二透鏡陣列13。因此，為了減少遠心光束未通過第一透鏡陣列12而造成的光損失，準直透鏡陣列112的準直透鏡1121可排列接近於第一圖案122，以使得準直透鏡陣列112所發射出的遠心光束大都可進入第一透鏡陣列12。

值得一提的是，準直透鏡1121的數目可不需與第一透鏡121的數目一致。

請復參閱第2圖，第二透鏡陣列13位於第一透鏡陣列12的一側而與光源模組11相對；換言之，第一透鏡陣列12位於第二透鏡陣列13及光源模組11之間。第二透鏡陣列13用以將匯聚至第二透鏡陣列13中的光線，重新分佈及重疊，以形成非軸對稱的光束。

第二透鏡陣列13包含多個第二透鏡131，其可為平凸透鏡或是雙凸透鏡等可聚光之透鏡。該些第二透鏡131的數目與第一透鏡121的數目一致，且該些第二透鏡131分別光學地(optically)耦合該些第一透鏡121，意指，該些第一透鏡121發射出的光可進入該些第二透鏡131中；或是指，第二透鏡131的光軸可對齊第一透鏡121的光軸。

請參閱第6圖，為第2圖的光學系統的第二透鏡陣列的示意圖。該些第二透鏡131各具有一矩形的第二截面131A，且該些第二透鏡131依照一第二圖案132排列，也就是，該些第二透鏡131會相互地並排(或鄰接)，以使得該些第二透鏡131的第二截面131A共同地構成該第二圖案132。

與第一圖案122相似，該第二圖案132也呈現非軸對稱，因此該些第二透鏡131的第二截面131A會構成類似長方形或橢圓形的圖案。此外，第二圖案132具有一第二長軸1321，來表示第二圖案132較長尺寸的方向；且此第二長軸1321與第二透鏡131的第二截面131A的其中一邊平行。

請參閱第7圖，為第2圖的第一透鏡陣列及第二透鏡陣列的位置關係示意圖。第二圖案132的第二長軸1321相對於第一長軸1221偏轉一第一角度θ₁，使得每個第一透鏡121也相對第二透鏡131偏轉該第一角度θ₁。

請參閱第8圖，為第2圖的第一透鏡及第二透鏡的尺寸關係示意圖。為了減少第一透鏡121及第二透鏡131光耦合時的光損失，第一透鏡121的第一截面121A之面積及第二透鏡131的第二截面131A面積可設置成實質上相同(可能因為製造公差或誤差而有些差異)；第一截面121A的長x1與寬y1，與第二截面131A的長x2與寬y2，將符合方程式(1)：

如此，當第一截面121A的長x1與寬y1已知時，可透過方程式 (1)，來求得第二截面131A的長x2與寬y2。

當方程式(1)符合後，第一透鏡陣列12的行(row)會偏移一第一偏移量s1，第二透鏡陣列13的列(column)則偏移一第二偏移量s2。第一偏移量s1、第一截面121A的寬y1及第一角度θ₁之關係為：s1=y1˙tan θ₁，第二偏移量s2、第二截面131A的長x2及第一角度θ₁之關係為：s2=x2˙tan θ₁。

請參閱第9圖，為第2圖的第一透鏡陣列及第二透鏡陣列的另一位置關係示意圖。另一方面，當方程式(1)符合後，第一透鏡陣列12的第一透鏡121之中心1211，會對齊第二透鏡陣列13的第二透鏡131之中心1311，以進一步減少光損失。

請復參閱第2圖，藉由第一透鏡陣列12及第二透鏡陣列13的相互偏轉，光源模組11所產生的遠心光束即可轉換成非軸對稱光錐構成之光束。爾後，光學系統1可藉由多個中繼透鏡(relay lens)14，將非軸對稱光錐構成之光束照射於目標區域2上。

請參閱第10圖，為第2圖的目標區域的示意圖。目標區域2可為任何被非軸對稱之光束照射時，可產生有益效果的區域。本實施例中，目標區域2是由一數位微鏡裝置的多個微反射鏡21所形成，或言之，該些微反射鏡21分佈於該目標區域2中。該些微反射鏡21各沿一轉軸211進行偏轉(擺動)，以選擇是否將非軸對稱之光束反射至一投影透鏡組3中。

目標區域2的形狀為一矩形，且定義有一延伸方向22，延伸方向22與目標區域2的其中一邊平行，且轉軸211(或轉軸211的假 想延伸線)相對於延伸方向22偏轉一第二角度θ₂。請配合參閱第7圖，第一圖案122與第二圖案132所夾的第一角度θ₁實質上可與第二角度θ₂相等，以使得入射到目標區域2的非軸對稱之光束的發散角較大之方向，能沿著微反射鏡21的轉軸211。這樣，非軸對稱之光束在目標區域2上反射出的雜光，較不會進入到投影透鏡組3中。

請復參閱第2圖，值得一提的是，鑑於該些第一透鏡121透過該些第二透鏡131成像於目標區域2上，第一透鏡121的第一截面121A之形狀可對應目標區域2之形狀，以減少光損失。同理，鑑於該些發光二極體1111透過該些第一透鏡121成像於第二透鏡131上，發光二極體1111的發光面1111A之形狀可對應第二透鏡131的第二截面131A之形狀。

因此，只要知道目標區域2的長寬比，即可得到較佳的第一截面121A的長寬比；爾後再配合方程式(1)，可得到較佳的第二截面131A的長寬比，以及第二截面131A所對應的發光面1111A的長寬比。

舉例而言，若目標區域2的長寬比為16：9(即1.77：1)，第一截面121A的長寬比會對應地為16：9；然後依據方程式(1)，在第一角度θ₁為45度下，第二截面131A的長寬比可得到約為：1：1.125，發光二極體1111的發光面1111A的長寬比也對應地為：1：1.125。

在某些情況下，依據方程式(1)所求得的特定長寬比，並無法輕易尋找符合的發光二極體1111，可能市場上沒有販賣或是難以製 造。較佳地的解決方法為，以接近的長寬比來替代；例如所求得的特定長寬比為1：1.125時，可用具有長寬比為1：1的發光面1111A的發光二極體1111來替代。

而當發光二極體1111的發光面1111A長寬比被替代後，第二透鏡131的第二截面131A長寬比可隨之改變。在此情況下，第二截面131A的面積與第一截面121A的面積將變為不相同。

請參閱第11圖，為第2圖的第一透鏡與第二透鏡在主光軸偏移後的示意圖。為了使面積不同的第二透鏡131與第一透鏡121光耦合時的光損失降低，第二透鏡131的主光軸會偏移，不位於第二透鏡131的中心1311；第一透鏡121的主光軸也是。

詳言之，第二透鏡131的主光軸會偏移至第二透鏡131的頂點1312，且頂點1312會對齊第一透鏡121的中心1211；第一透鏡121的主光軸會偏移至第一透鏡121的頂點1212，且頂點1212會對齊第二透鏡131的中心1311。如此，從第一投鏡121投射來的不同方向之光線L3在通過第二透鏡131後，可變成同方向之光線。

請參閱第12圖，為第2圖的第二透鏡陣列在主光軸偏移前與後的比較示意圖。為方便說明，主光軸偏移後的第二透鏡陣列及第二透鏡另標號為13’及131’，且另加上剖面線表示主光軸偏移前的第二透鏡。每一個第二透鏡131’的主軸偏移量幾乎不相同，通常位於較外圍的第二透鏡131’會有較大的偏移量。請參閱第13圖，為第12圖的第二透鏡陣列在主光軸偏移後的所產生的非軸對稱之光束的示意圖。第二透鏡陣列13’所產生的非軸對稱之光束的形狀，會對應第二透鏡陣列13’的形狀。

綜上所述，本發明的光學系統可具有至少以下特點：

1、藉由偏轉的第一透鏡陣列及第二透鏡陣列，光學系統即可產生非軸對稱之光束，光學系統不需較特殊的光學元件。

2、第一透鏡的截面形狀與目標區域的形狀可相對應，而第二透鏡的截面形狀與光源模組的發光面的形狀可相對應，藉此減少光損失。

3、第一透鏡的截面與第二透鏡的截面可有相同的面積，且可符合方程式(1)，藉此減少光損失。

4、第一透鏡的主光軸及第二透鏡的主光軸可偏移，以減少第一透鏡的截面與第二透鏡的截面面積不一致時，所造成的光損失。

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保護範疇。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，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

[本發明]

1‧‧‧光學系統

11‧‧‧光源模組

111‧‧‧發光二極體陣列

1111‧‧‧發光二極體

1111A‧‧‧發光面

112‧‧‧準直透鏡陣列

1121‧‧‧準直透鏡

12‧‧‧第一透鏡陣列

121‧‧‧第一透鏡

1211‧‧‧中心

1212‧‧‧頂點

121A‧‧‧第一截面

122‧‧‧第一圖案

1221‧‧‧第一長軸

13、13’‧‧‧第二透鏡陣列

131、131’‧‧‧第二透鏡

1311‧‧‧中心

1312‧‧‧頂點

131A‧‧‧第二截面

132‧‧‧第二圖案

1321‧‧‧第二長軸

14‧‧‧中繼透鏡

15‧‧‧合光元件

2‧‧‧目標區域

21‧‧‧微反射鏡

211‧‧‧轉軸

22‧‧‧延伸方向

3‧‧‧投影透鏡組

θ₁‧‧‧第一角度

θ₂‧‧‧第二角度

L1、L2、L3‧‧‧光線

[習知]

7‧‧‧微反射鏡

71‧‧‧第一反射光束

72‧‧‧第二反射光束

73‧‧‧雜光

74‧‧‧轉軸

75‧‧‧方向

81‧‧‧入射光束

9‧‧‧投影透鏡組

91‧‧‧光圈

第1圖為習知的光學系統、微反射鏡及投影透鏡組的示意圖；第2圖為本發明的光學系統的第一較佳實施例與目標區域的示意圖；第3圖為第2圖的光學系統的光源模組的示意圖；第4圖為第2圖的光學系統的第一透鏡陣列的示意圖； 第5圖為第2圖的準直透鏡陣列及第一透鏡陣列的位置關係示意圖；第6圖為第2圖的光學系統的第二透鏡陣列的示意圖；第7圖為第2圖的第一透鏡陣列及第二透鏡陣列的位置關係示意圖；第8圖為第2圖的第一透鏡及第二透鏡的尺寸關係示意圖；第9圖為第2圖的第一透鏡陣列及第二透鏡陣列的另一位置關係示意圖；第10圖為第2圖的目標區域的示意圖；第11圖，為第2圖的第一透鏡與第二透鏡在主光軸偏移後的示意圖。

第12圖為第2圖的第二透鏡陣列在主光軸偏移前與後的比較示意圖。

第13圖為第12圖的第二透鏡陣列在主光軸偏移後的所產生的非軸對稱之光束的示意圖。

1‧‧‧光學系統

11‧‧‧光源模組

111‧‧‧發光二極體陣列

1111‧‧‧發光二極體

112‧‧‧準直透鏡陣列

12‧‧‧第一透鏡陣列

121‧‧‧第一透鏡

13‧‧‧第二透鏡陣列

131‧‧‧第二透鏡

14‧‧‧中繼透鏡

15‧‧‧合光元件

2‧‧‧目標區域

3‧‧‧投影透鏡組

L1、L2‧‧‧光線

Claims (12)

1. 一種光學系統，包括：一光源模組；一第一透鏡陣列，位於該光源模組的一側，且包含多個第一透鏡，該些第一透鏡依照一第一圖案排列，該第一圖案呈現非軸對稱且具有一第一長軸；以及一第二透鏡陣列，位於該第一透鏡陣列的一側，並與該光源模組相對，該第二透鏡陣列包含多個第二透鏡，該些第二透鏡依照一第二圖案排列且光學地(optically)耦合該些第一透鏡，該第二圖案呈現非軸對稱且具有一第二長軸，其中，該第二長軸相對該第一長軸偏轉一第一角度；其中，各該第一透鏡具有一第一截面及一主光軸，而該第一截面垂直於該主光軸，該些第一截面共同地構成該第一圖案；各該第二透鏡具有一第二截面及一主光軸，而該第二截面垂直於該第二透鏡的該主光軸，該些第二截面共同地構成該第二圖案；藉此，該光源模組用以產生一準直光束，該第一透鏡陣列及該第二透鏡陣列用以將該準直光束轉換成一非軸對稱之光束於一目標區域。
2. 如請求項1所述之光學系統，其中該目標區域係由一數位微鏡裝置的多個微反射鏡所形成，該些微反射鏡各沿一轉軸進行偏轉，該目標區域定義有一延伸方向，該轉軸相對於該延伸方向偏轉一第二角度，該第二角度實質上與該第一角度相等。
3. 如請求項1所述之光學系統，其中該第一截面之形狀與該目標區域之形狀相對應。
4. 如請求項3所述之光學系統，其中該第一截面及該目標區域各為一矩形，該第一截面的一長寬比與該目標區域的一長寬比實質上相同。
5. 如請求項3所述之光學系統，其中該第二截面之面積與該第一截面之面積實質上相同。
6. 如請求項1所述之光學系統，其中該些第一透鏡之中心分別對齊該些第二透鏡之中心。
7. 如請求項1所述之光學系統，其中該些第一透鏡之中心分別對齊該些第二透鏡之頂點，該些第一透鏡之頂點分別對齊該些第二透鏡之中心。
8. 如請求項1所述之光學系統，其中該光源模組包含至少一發光二極體及一準直透鏡陣列，該準直透鏡陣列位於該至少一發光二極體之一側，該準直透鏡陣列用以將該至少一發光二極體所產生的光線轉換成該準直光束。
9. 如請求項8所述之光學系統，其中該至少一發光二極體具有一發光面，該發光面之形狀與該第二截面之形狀相對應。
10. 如請求項9所述之光學系統，其中該第二截面及該發光面各為一矩形，該第二截面的一長寬比與該發光面的一長寬比實質上相同。
11. 如請求項1所述之光學系統，其中該第一圖案或該第二圖案為長方形或橢圓形。
12. 如請求項1所述之光學系統，其中該第一角度為45度。