TWI418863B - 導光元件以及投影裝置 - Google Patents

Description

導光元件以及投影裝置

本發明是有關於一種導光元件與投影裝置，且特別是有關於一種有助於提高光利用效率的導光元件與投影裝置。

圖1繪示為習知的一種投影裝置。請參照圖1，習知投影裝置100包括一照明系統(illumination system)110、一反射式液晶面板(liquid crystal on silicon panel,LCOS panel)120以及一偏光分光鏡(polarizing beam splitter,PBS)130。照明系統110適於發出一照明光束(illumination beam)112，其中照明光束112包含了具有S偏振方向的第一光束112A以及具有P偏振方向的第二光束112B。照明光束112經過偏光分光鏡130的作用後，第一光束112A會被偏光分光鏡130反射而傳遞至反射式液晶面板120。同時，第二光束112B會直接穿過偏光分光鏡130而無法被利用。第一光束112A經過反射式液晶面板120的作用後會轉變成具有P偏振方向的顯示光束122，因此顯示光束122可以直接穿過偏光分光鏡130而進行顯示。

由此可知，習知的投影裝置100至少有部份的光源，例如第二光束112B，無法被利用，而造成能量上的損耗。此外，投影裝置100一般對於照明光束112的準直性要求較高，而常常需要透過額外的構件，例如斯乃爾透鏡等，(圖 1中未繪示出來)來調整照明光束112的準直性。因此，習知的投影裝置100除了無法具備良好的光利用率外，在體積的設計上也無法更為精簡。

本發明提供一種導光元件，可將光線導引至準直的出光方向。

本發明提供一種投影裝置，具有可將光線的行徑方向調整至準直方向的導光元件，且可將P偏振方向的光線轉變成S偏振方向的光線因而具有理想的光利用率。

本發明提供一種導光元件，用以使入射的一光線沿一水平方向射出。導光元件包括一第一導光板以及一第二導光板。第一導光板具有提供一入光面的一入光結構、一第一上表面結構以及一第一下表面結構。入光結構與第一上表面結構位在第一導光板的一第一側，而第一下表面結構位在第一導光板的一第二側，且第一側與第二側相對。第二導光板連接於第一導光板的第二側，第二導光板具有一第二上表面結構以及一第二下表面結構。第二上表面結構與第二下表面結構分別位在第二導光板的相對兩側，且第二上表面結構位在第二導光板鄰近於第一導光板的第二側。光線由入光面進入該導光元件後，光線的一第一部分在第一導光板內依序被第一下表面結構以及第一上表面結構全反射後實質上沿水平方向射出第一導光板。光線的一第二部分在第二導光板內依序被第二下表面結構以及第二上表面結構全反射後實質上沿水平方向射出第二 導光板。

本發明另提出一種投影裝置，包括前述的導光元件、光源、一第一反射層、一第二反射層、一偏光分光鏡、一1/4波片以及一反射式顯示面板。光源配置於導光元件的入光面上。在水平方向上，第一反射層與第二反射層分別位於導光元件的相對兩側。偏光分光鏡位於第二反射層與導光元件之間。1/4波片位於導光元件與第一反射層之間。反射式顯示面板、導光元件以及第二反射層分別位於偏光分光鏡的不同側。

基於上述，本發明在堆疊的多個導光板中分別形成對應的表面結構。如此一來，進入導光元件的光線會在表面結構與空氣的交界發生全反射，而使光線被導入所需的行進方向上。藉由不同導光板上的表面結構設計，使得不同導光板可分別將不同入射角度的光線都導入所需的行進方向。因此，本發明的導光元件應用於投影裝置中可以提供準直的照明光線。此外，本發明的導光元件搭配反射層與1/4波片的配置就可以有效將投影裝置的光源轉換成可被利用的偏振狀態。所以，本發明的投影裝置更可具有理想的光利用率。

為讓本發明之上述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。

圖2繪示為本發明一實施例的導光元件示意圖。請參 照圖2，導光元件200包括依序堆疊的一第一導光板210以及一第二導光板220。第一導光板210具有一第一上表面結構212、一第一下表面結構214以及一入光結構216。第二導光板220具有一第二上表面結構222以及一第二下表面結構224。

第一導光板210與第二導光板220堆疊在一起，且第一導光板210的一第一側210A與一第二側210B例如是彼此相對的兩側。入光結構216與第一上表面結構212皆位於第一導光板210的第一側210A，而第一下表面結構214則位於第一導光板210的第二側210B。此外，第二導光板220配置於第一導光板210的第二側210B。

在本實施例中，入光結構216例如提供一入光面216A以供光線L入射導光元件200，且本實施例的入光面216A與水平方向H的夾角θ1例如由10度至80度。具體而言，第一上表面結構212、第一下表面結構214、第二上表面結構222以及第二下表面結構224例如各自是一凹槽結構或是多個微小凹槽結構。光線L入射於導光元件200後，有一部份的入射光L1a在第一下表面結構214被全反射以形成第一反射光L1b並朝向第一上表面結構212行進。接著，第一反射光L1b在第一上表面結構212將再次被全反射以形成第一出射光L1c，並且第一出射光L1c實質上以水平方向H射出於導光元件200。

同樣地，光線L入射於導光元件200後，未被第一下表面結構214反射的另一部份入射光L2a在第二下表面結 構224被全反射以形成第二反射光L2b並朝向第二上表面結構222行進。接著，第二反射光L2b在第二上表面結構222將再次被全反射以形成第二出射光L2c，並且第二出射光L2c實質上以水平方向H射出於導光元件200。因此，本實施例中，導光元件200的設計可調整光線L的行進方向，使得不同行進方向的入射光L1a與L2a經過導光元件200的導光作用後實質上沿著一水平方向H射出。

詳言之，第一導光板210的第一上表面結構212例如是由第一上反射面212A以及一第一上輔助面212B所構成的凹槽。相似地，第一下表面結構214也例如是由第一下反射面214A以及一第一下輔助面214B所構成的凹槽。在第二導光板220中，第二上表面結構222也是由第二上反射面222A以及第二上輔助面222B所構成，而第二下表面結構224由第二下反射面224A以及第二下輔助面224B所構成。

在本實施例中，第一導光板210以及第二導光板220的材質例如是壓克力(PMMA)等高分子材料，其折射率大於空氣的折射率。第一下反射面214A為第一導光板210與空氣的交界，而第二下反射面224A為第二導光板220與空氣的交界。因此，本實施例可調整第一下反射面214A以及第二下反射面224A相對於水平方向H的夾角θ2、θ3以使第一入射光L1a與第二入射光L2a的入射角度大於內全反射(Total Internal Reflection,TIR)的臨界角，而將第一入射光L1a與第二入射光L2a全反射。

同時，第一上反射面212A以及第二上反射面222A相對於水平方向H的夾角(未標示)也可以經由適度的調整以使第一出射光L1c以及第二出射光L2c沿著水平方向H射出於導光元件200。另外，第一上輔助面212B、第一下輔助面214B、第二上輔助面222B以及第二下輔助面224B可以選擇性地垂直於水平方向H或是不垂直於水平方向H。

在本實施例中，第一下反射面214A與第二下反射面224A的傾斜方向相同，且第一下反射面214A與水平方向H的夾角θ2例如大於第二下反射面224A與水平方向的夾角θ3。因此，光線L進入導光元件200後，有一部份(例如第一入射光L1a)會在第一導光板210射出，而剩餘的部份將行進至第二導光板220以使另一部份的光線L(例如第二入射光L2a)在第二導光板220射出。如此一來，導光元件200的設計可使得光線L的不同部份分別由第一導光板210以及第二導光板220沿著水平方向H射出，而有助於提供一水平方向出光的準直光源。

不過，導光元件200的設計不以此為限，在其他的實施例中，導光元件200可以由兩個以上的導光板堆疊而成。舉例來說，圖3繪示為本發明另一實施例的導光元件。請參照圖3，導光元件300除了包括有圖2之第一導光板210與第二導光板220外，更包括有一第三導光板330以及一第四導光板340。第一、第二、第三以及第四導光板210、220、330、340依序堆疊。在本實施例中，第一導光 板210與第二導光板220的設計可參照前述實施例的描述，在此不另贅述。

另外，第三導光板330具有一第三上表面結構332以及一第三下表面結構334，而第四導光板340具有一第四上表面結構342以及一第四下表面結構344。第三導光板330以及第四導光板340的設計實質上與第二導光板220相似。不過，第三下表面結構334的第三下反射面334A與水平方向H相交一夾角θ4，而第四下表面結構344的第四下反射面344A與水平方向H相交一夾角θ5，其中夾角θ2~θ5皆不相同。在一實施例中，第一下反射面214A、第二下反射面224A、第三下反射面334A以及第四下反射面344A的傾斜方向相同時，夾角θ2~θ5之間的關係例如是逐漸減小。也就是說，夾角θ2<夾角θ3<夾角θ4<夾角θ5。如此一來，光線L的不同部分將分別在第一、第二、第三以及第四導光板210、220、330以及340以水平方向H射出導光元件300。

當然，本實施例並不限定第一下反射面214A、第二下反射面224A、第三下反射面334A以及第四下反射面344A的傾斜方向須為相同。在其他的實施例中，由圖3來看，第一下反射面214A、第二下反射面224A、第三下反射面334A以及第四下反射面344A之間的傾斜狀態可以是依序沿著逆時針方向旋轉，以反射不同行進方向的入射光。

以上實施例中的導光板210、220、330以及340皆以 一個上表面結構以及一個下表面結構的方式來說明，不過本發明不限於此。圖4繪示為本發明一實施例的導光板的示意圖。請參照圖4，導光板400可以包括有多個上表面結構402以及多個下表面結構404，並且上表面結構402的位置可以對應於下表面結構404的位置。如此一來，導光板400應用於前述實施例的導光元件200以及300時，導光板400可導引光線L的一部份使其沿著近乎水平方向H射出於導光板400。

圖5繪示為本發明一實施例的投影裝置示意圖。請參照圖5，投影裝置500包括一導光元件510、光源520、一第一反射層530、一第二反射層540、一偏光分光鏡550、一1/4波片560以及一反射式顯示面板570。導光元件510例如可選自於前述實施例所描述的導光元件200或300，或是導光元件510也可以由多個圖4所繪示的導光板400堆疊而成。

導光元件510具有一入光面512且光源520配置於導光元件510的入光面512上。第一反射層530與第二反射層540分別位於導光元件510的相對兩側。偏光分光鏡550位於第二反射層540與導光元件510之間。1/4波片560則位於導光元件510與第一反射層530之間。反射式顯示面板570、導光元件510以及第二反射層540分別位於偏光分光鏡550的不同側。另外，光源520包括至少一發光二極體光源，而第一反射層530與第二反射層540例如各自為一鏡面反射層。

由前述實施例可知，光源520所發出的光線在經過導光元件510的作用之後將會沿近乎水平方向H射出導光元件510。因此，光源520所發出的光線可以準直地入射偏光分光鏡550，而不需設置有其他的光線準直元件，藉此簡化投影裝置500所需的構件數目。另外，在本實施例中，第一反射層530與第二反射層540係分別位於導光元件510在水平方向H上的相對兩側。因此，投影裝置500可以具有理想的光利用效率。

詳細而言，光源520所發出的光線經導光元件510作用後例如以光線X的形式入射於偏光分光鏡550。此時，偏光分光鏡550會將光線X中S偏振方向的偏振光Xs反射以朝向反射式顯示面板570行進，並使光線X中P偏振方向的偏振光Xp直接穿過。隨後，偏振光Xs經過反射式顯示面板570的反射將轉變成為反射偏振光Xpr1，其具有P偏振方向的偏振態。因此，反射偏振光Xpr1可以直接穿過偏光分光鏡550而進行顯示。

另一方面，本實施例的投影裝置500中設置有第二反射層540。因此，穿過偏光分光鏡550的偏振光Xp會被反射並保持原有的P偏振方向偏振態。此時，偏振光Xp會進一步穿過偏光分光鏡550、導光元件510以及1/4波片560，隨後照射於第一反射層530。偏振光Xp受到第一反射層530反射並再次經過1/4波片560會轉變成另一反射偏振光Xsr。此時，反射偏振光Xsr具有S偏振方向的偏振態，因此反射偏振光Xsr會被偏光分光鏡550反射而朝 向反射式顯示面板570行進。反射偏振光Xsr經過反射式顯示面板570的作用後會以P偏振方向的狀態射出反射式顯示面板570，亦即反射偏振光Xsr會轉變為反射偏振光Xpr2。由於偏光分光鏡550可允許反射偏振光Xpr2通過，反射偏振光Xpr2也可進行顯示。

由此可知，平行於水平方向H行進的光線X所包含的偏振光Xs以及偏振光Xp中，偏振光Xs可以直接被偏光分光鏡550反射而進行顯示。同時，偏振光Xp在經過第一反射層530、第二反射層540以及1/4波片560的作用後也可轉變為可被利用的反射偏振光Xsr。因此，投影裝置500除了不需額外的光準直構件外還具有理想的光利用效率。

綜上所述，本發明在導光板上下表面分別設置有表面結構，並將多個導光板疊置在一起以構成導光元件。光線在表面結構上發生全反射的作用下，本發明的導光元件有助於將光源導引至準直的出光方向，而有助於應用在投影裝置中。如此一來，投影裝置不需要額外的光線準直構件即可具有理想的光線利用效率。另外，本發明將導光元件、反射層以及1/4波片配置於偏光分光鏡旁，以改變光線的偏振狀態而成為投影裝置可利用的光線。因此，本發明的投影裝置可以具有理想的光利用效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，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，故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。

100、500‧‧‧投影裝置

110‧‧‧照明系統

120‧‧‧反射式液晶面板

130、550‧‧‧偏光分光鏡

112‧‧‧照明光束

112A‧‧‧第一光束

112B‧‧‧第二光束

122‧‧‧顯示光束

200、300、510‧‧‧導光元件

210‧‧‧第一導光板

210A‧‧‧第一側

210B‧‧‧第二側

212‧‧‧第一上表面結構

212A‧‧‧第一上反射面

212B‧‧‧第一上輔助面

214‧‧‧第一下反射結構

214A‧‧‧第一下反射面

214B‧‧‧第一下輔助面

216‧‧‧入光結構

216A、512‧‧‧入光面

220‧‧‧第二導光板

222‧‧‧第二上表面結構

222A‧‧‧第二上反射面

222B‧‧‧第二上輔助面

224‧‧‧第二下表面結構

224A‧‧‧第二下反射面

224B‧‧‧第二下輔助面

330‧‧‧第三導光板

332‧‧‧第三上表面結構

334‧‧‧第三下表面結構

334A‧‧‧第三下反射面

340‧‧‧第四導光板

342‧‧‧第四上表面結構

344‧‧‧第四下表面結構

344A‧‧‧第四下反射面

400‧‧‧導光板

402‧‧‧上表面結構

404‧‧‧下表面結構

520‧‧‧光源

530‧‧‧第一反射層

540‧‧‧第二反射層

560‧‧‧1/4波片

570‧‧‧反射式顯示面板

H‧‧‧水平方向

L、X‧‧‧光線

L1a‧‧‧第一入射光

L1b‧‧‧第一反射光

L1c‧‧‧第一出射光

L2a‧‧‧第二入射光

L2b‧‧‧第二反射光

L2c‧‧‧第二出射光

Xp、Xs‧‧‧偏振光

Xpr1、Xpr2、Xsr‧‧‧反射偏振光

θ1~θ5‧‧‧夾角

圖1繪示為習知的一種投影裝置。

圖2繪示為本發明一實施例的導光元件示意圖。

圖3繪示為本發明另一實施例的導光元件。

圖4繪示為本發明一實施例的導光板的示意圖。

圖5繪示為本發明一實施例的投影裝置示意圖。

200‧‧‧導光元件

210‧‧‧第一導光板

210A‧‧‧第一側

210B‧‧‧第二側

212‧‧‧第一上表面結構

212A‧‧‧第一上反射面

212B‧‧‧第一上輔助面

214‧‧‧第一下反射結構

214A‧‧‧第一下反射面

214B‧‧‧第一下輔助面

216‧‧‧入光結構

216A‧‧‧入光面

220‧‧‧第二導光板

222‧‧‧第二上表面結構

222A‧‧‧第二上反射面

222B‧‧‧第二上輔助面

224‧‧‧第二下表面結構

224A‧‧‧第二下反射面

224B‧‧‧第二下輔助面

H‧‧‧水平方向

L‧‧‧光線

L1a‧‧‧第一入射光

L1b‧‧‧第一反射光

L1c‧‧‧第一出射光

L2a‧‧‧第二入射光

L2b‧‧‧第二反射光

L2c‧‧‧第二出射光

θ1~θ3‧‧‧夾角

Claims (10)

1. 一種導光元件，用以使入射的一光線沿一水平方向射出，該導光元件包括：一第一導光板，具有提供一入光面的一入光結構、一第一上表面結構以及一第一下表面結構，該入光結構與該第一上表面結構位在該第一導光板的一第一側，而該第一下表面結構位在該第一導光板的一第二側，該第一側與該第二側相對，其中該入光結構的該入光面與該水平方向相交於一第一角度，其由10度至80度；以及一第二導光板，連接於該第一導光板的該第二側，該第二導光板具有一第二上表面結構以及一第二下表面結構，該第二上表面結構與該第二下表面結構分別位在該第二導光板的相對兩側，且該第二上表面結構位在該第二導光板鄰近於該第一導光板的該第二側，其中該光線由該入光面進入該導光元件後，該光線的一第一部分在該第一導光板內依序被該第一下表面結構以及該第一上表面結構全反射後實質上沿該水平方向射出該第一導光板；以及該光線的一第二部分在該第二導光板內依序被該第二下表面結構以及該第二上表面結構全反射後實質上沿該水平方向射出該第二導光板。
2. 如申請專利範圍第1項所述之導光元件，其中該第一上表面結構、該第一下表面結構、該第二上表面結構以及該第二下表面結構各自為一凹槽結構。
3. 如申請專利範圍第1項所述之導光元件，其中該第 一導光板在該第一上表面結構與空氣的交界而構成一第一上反射面，以將該光線的該第一部分全反射。
4. 如申請專利範圍第1項所述之導光元件，其中該第一導光板在該第一下表面結構與空氣的交界以構成一第一下反射面，以將該光線的該第一部分全反射。
5. 如申請專利範圍第1項所述之導光元件，其中該第二導光板在該第二上表面結構與空氣的交界而構成一第二上反射面，以將該光線的該第二部分全反射。
6. 如申請專利範圍第1項所述之導光元件，其中該第二導光板在該第二下表面結構與空氣的交界以構成一第二下反射面，以將該光線的該第二部分全反射。
7. 如申請專利範圍第1項所述之導光元件，更包括：一第三導光板，配置於該第二導光板遠離該第一導光板的一側，該第三導光板具有提供一第三上反射面的一第三上表面結構以及提供一第三下反射面的一第三下表面結構，該第三上表面結構與該第三下表面結構分別位在該第三導光板的相對兩側，且該第三上表面結構位在該第三導光板鄰近於該第二導光板的一側，其中該光線的一第三部分在該第三導光板內被該第三下反射面全反射並朝向該第三上反射面照射，而經過該第三上反射面的全反射後實質上沿該水平方向射出該第三導光板；以及一第四導光板，配置於該第三導光板遠離該第二導光板的一側，該第四導光板具有提供一第四上反射面的一第四上表面結構以及提供一第四下反射面的一第四下表面結構，該第四上表面結構與該第四下表面結構分別位在該第四導光板的相對 兩側，且該第四上表面結構位在該第四導光板鄰近於該第三導光板的一側，其中該光線的一第四部分在該第四導光板內被該第四下反射面全反射並朝向該第四上反射面照射，而經過該第四上反射面的全反射後實質上沿該水平方向射出該第四導光板。
8. 一種投影裝置，包括如申請專利範圍第1項至第7項任一項所述之導光元件；一光源，配置於該導光元件的該入光面上；一第一反射層；一第二反射層，其中在該水平方向上，該第一反射層與該第二反射層分別位於該導光元件的相對兩側；一偏光分光鏡，位於該第二反射層與該導光元件之間；一1/4波片，位於該導光元件與該第一反射層之間；以及一反射式顯示面板，該反射式顯示面板、該導光元件以及該第二反射層分別位於該偏光分光鏡的不同側。
9. 如申請專利範圍第8項所述之投影裝置，其中該第一反射層與該第二反射層各自為一鏡面反射層。
10. 如申請專利範圍第8項所述之投影裝置，其中該光源包括至少一發光二極體光源。