TWI484282B

TWI484282B - 投影裝置

Info

Publication number: TWI484282B
Application number: TW099138164A
Authority: TW
Inventors: Jui Ping Chang; Hui Ping Chen; Hsin Tai Wu; Cheng Wei Tien
Original assignee: Young Optics Inc
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2015-05-11
Also published as: US8721086B2; TW201219957A; US20120113395A1

Description

投影裝置

本發明是有關於一種投影裝置，且特別是有關於一種可降低雜散光的投影裝置。

一般而言，當投影裝置在進行影像投影時，光閥會將照明光束轉換成影像光束並將影像光束反射至投影鏡頭，之後，再透過投影鏡頭將影像光束投影至屏幕上以成像。然而，隨著投影裝置的體積趨於薄型化，投影裝置內部的各光學元件之間的距離便會越來越短。如此一來，光束於投影裝置內部傳遞時，便容易因為光學元件之間的彼此距離過近，而產生雜散光的問題。

中華民國專利第I325091號揭露一種投影裝置，其包括照明系統、數位微鏡元件、投影鏡頭及內部全反射稜鏡，其中照明系統包含多個透鏡。另外，中華民國專利第I292509號亦揭露一種投影裝置，其具有照明系統、數位微鏡裝置及投影鏡頭，其中照明系統包括光源、集光柱、透鏡與反射片。此外，中華民國新型專利第M314352號揭露一種投影顯示裝置，其包括光源、光閥、稜鏡組及投影鏡頭。稜鏡組由第一稜鏡及第二稜鏡組成。然而，上述這些傳統架構於降低雜散光方面的成效仍非常有限。

本發明提出一種投影裝置，其可改善雜散光之現象，因而具有良好的成像品質。

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。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例提供一種投影裝置，其包括一照明系統、一光閥、一光束調整元件以及一光反射單元。照明系統適於提供照明光束。光反射單元配置於照明光束的傳遞路徑上。光閥配置於照明光束的傳遞路徑上，且位於照明系統與光反射單元之間。光閥具有主動面，而此主動面適於將來自該光反射單元的照明光束轉換為影像光束。光束調整元件配置於照明光束的傳遞路徑上，且位於照明系統與光閥之間，並適於反射來自光閥的光線，其中此光線非影像光束。

基於上述，本發明之實施例可達到下列優點或功效之至少其一。在本發明之實施例的投影裝置中，由於光束調整元件之光軸與光閥之主動面的法向量不相互垂直，因此，被光閥所反射之不預期形成影像光束的光線在傳遞至光束調整元件後，會被光束調整元件所反射，且此光線不會進入投影鏡頭內，如此投影裝置可呈現出良好的成像品質。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉多個實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

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多個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」、「前」、「後」、「左」、「右」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，而非用來限制本發明。

圖1為本發明一實施例之投影裝置的示意圖。請參照圖1，本實施例之投影裝置100包括一照明系統110、一光閥120、一光束調整元件130以及一光反射單元140。照明系統110適於提供一照明光束L1。在本實施例中，照明系統110具有至少一光源，該光源可以是一發光二極體(light emitting diode,LED)光源、高壓汞燈(ultra high pressure lamp,UHP lamp)或是其他適當的光源。

另外，光閥120配置於照明光束L1的傳遞路徑上，且位於照明系統110與光反射單元140之間。光閥120具有一主動面122，而主動面122適於將來自光反射單元140的照明光束L1轉換為一影像光束L2。在本實施例中，光閥120例如是數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)作為舉例說明。然而，在其他實施例中，光閥120亦可以是矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)。

此外，光束調整元件130配置於照明光束L1的傳遞路徑上，且位於照明系統110與光閥120之間。具體而言，光束調整元件130包括至少一透鏡132，其中透鏡132具有第一光軸A1，且第一光軸A1與主動面122的法向量N1不相互垂直，舉例而言，第一光軸A1與主動面122的法向量N1之間的夾角θ不等於90度。在本實施例中，透鏡132的第一光軸A1與主動面122的法向量N1之間的夾角θ實質上落在大於等於91.5度至小於等於120度的範圍。

請繼續參考圖1，本實施例之光束調整元件130更可包括光均勻化元件134。光均勻化元件134配置於照明光束L1的傳遞路徑上並位於透鏡132與照明系統110之間，其中光均勻化元件134具有第二光軸A2。在本實施例中，光均勻化元件130例如是以如圖1所繪示的透鏡陣列134a作為舉例說明，而透鏡陣列134a可包括兩子透鏡陣列，其作用除了可提高通過透鏡陣列134a的照明光束L1之光均勻度之外，還可調整通過光均勻化元件134的照明光束L1之光形。具體而言，若光閥120的主動面122為矩形時，則傳遞至光閥120的照明光束L1之光形以呈現矩形為較佳，而調整照明光束L1的光形的方式便可透過光均勻化元件134來達成。

承上述，光均勻化元件134的第二光軸A2例如與透鏡132的第一光軸A1平行。換言之，本實施例之光均勻化元件134與透鏡132兩者的光軸(即第一光軸A1與第二光軸A2)與照明系統110的光軸實質上重疊。

另外，光反射單元140配置於照明光束L1的傳遞路徑上。在本實施例中，光反射單元140例如是以圖1所繪示的反射鏡142作為舉例，其中反射鏡142配置於照明光束L1的傳遞路徑上，但可不位於影像光束L2的傳遞路徑上。

請繼續參照圖1，在本實施例中，投影裝置100可包括一投影鏡頭150。投影鏡頭150配置影像光束L2之傳遞路徑上。另外，投影裝置100更包括一場鏡160，其中場鏡160可用以會聚影像光束L2並將影像光束L2傳遞至投影鏡頭150。場鏡160配置於照明光束L1與影像光束L2的傳遞路徑上，且位於光束調整元件130與光閥120之間，並位於光閥120與投影鏡頭150之間。此外，在光閥120前方還可配置一玻璃蓋170以保護光閥120。

具體而言，當投影裝置100在進行影像投影時，光閥120便會將照明光束L1轉換成影像光束L2，並將影像光束L2反射至投影鏡頭150上，而投影鏡頭150便可將影像光束L2投影至屏幕(未繪示)上藉以成像，一般來說，當光閥120處於開狀態(on-state)時，投影裝置100可將影像光束L2投影至屏幕。

然而，當投影裝置100欲產生暗畫面或是暫時不成像時，光閥120可被切換成暗狀態(off-state)而使來自光反射單元140的照明光束L1不會反射至投影鏡頭150；更進一步地說，此時，來自光反射單元140的照明光束L1被光閥120反射後的光線(即照明光束L1依序穿透光束調整元件130、被反射單元140反射及被光閥120反射之後所產生的光線，而此光線非影像光束L2)形成一雜散光束L3，且此雜散光束L3可被光束調整元件130所反射而不會傳遞至投影鏡頭150，如此屏幕便不會產生雜散光點。

傳統上，當光閥處於關狀態時，光閥所反射的雜散光束容易被傳遞至投影鏡頭，因而投影至屏幕上的影像容易具有雜散光線，如圖2A所示，其中圖2A繪示傳統之透鏡的光軸與主動面之法向量之間的夾角呈90度時投影裝置於屏幕上成像的示意圖。由圖2A可發現，傳統的投影裝置在屏幕上的成像區P1的左側會產生許多由雜散光束所造成的光點。

然而，如圖1所示，本實施例之投影裝置100透過使透鏡132之第一光軸A1與光閥120之主動面122的法向量N1之間的夾角θ例如為不等於90度。於是，當光閥120處於關狀態時，照明光束L1反射至光閥120之後所產生的雜散光束L3可被透鏡132所反射而偏離不會傳遞至投影鏡頭150。如此一來，本實施例之投影裝置100在屏幕上的成像區P1的左側之雜散光點的分佈與密度(如圖2B所示)便會相對於傳統的投影裝置所產生之雜散光點的分佈與密度(如圖2A所示)而有大幅的改善。舉例來說，若將夾角θ的設計值設定為傳統之投影裝置所採用的90度時，則屏幕上的成像區P1的左側之雜散光點可高達9.84%；而本實施例之投影裝置110例如將夾角θ的設計值設定為100度(即不等於90度)時，則屏幕上的成像區P1的左側之雜散光點效率可大幅降低至0.694%，此數值意謂著可達到幾乎無雜散光點的效果。換言之，透過本實施例之概念使得絕大部分的雜散光束L3可被透鏡132所反射。圖1所繪示之雜散光束L3例如偏向投影鏡頭150的左側，因而不會進入投影鏡頭150內，如此投影裝置100可呈現出良好的投影品質與影像畫面。

圖3為本發明另一實施例之投影裝置的示意圖。請同時參考圖1與圖3，本實施例之投影裝置100a與上述的投影裝置100採用相同的概念與相似的結構，二者不同之處在於：投影裝置100a之光均勻化元件134的第二光軸A2實質上與透鏡132的第一光軸A1不平行。也就是說，圖3中光均勻化元件134與透鏡132兩者的光軸(即第一光軸A1與第二光軸A2)及照明系統110的光軸不重疊。然而，本實施例之投影裝置100a同樣具有投影裝置100所提及的優點，在此不再贅述。

圖4為本發明又一實施例之投影裝置的示意圖。請同時參考圖1與圖4，本實施例之投影裝置100b與上述的投影裝置100採用相同的概念與相似的結構，二者不同之處在於：投影裝置100b之光均勻化元件134為光積分柱134b。具體而言，光積分柱134b除了可使通過透鏡陣列134a的照明光束L1均勻化之外，還可調整通過光均勻化元件134的照明光束L1之光形，以配合光閥120的主動面122之形狀。此外，還可利用多個透鏡132(例如兩個至四個，未繪示)來搭配光積分柱134b，以提升影像品質。然而，本實施例之投影裝置100b同樣具有投影裝置100所提及的優點，在此不再贅述。

值得一提的是，投影裝置100b亦可採用前述之投影裝置100a之結構設計，意即是，在投影裝置100b中，光均勻化元件134的第二光軸A2實質上亦可與透鏡132的第一光軸A1不平行，此部份端視使用者的需求與設計而定，本發明並不限制。

圖5為本發明再一實施例之投影裝置的示意圖。請同時參考圖1與圖5，本實施例之投影裝置200與上述的投影裝置100採用相同的概念與相似的結構，即透鏡132之光軸A1與光閥120之主動面122的法向量N1之間的夾角θ不等於90度，二者不同之處在於：圖5中夾角θ實質上落在大於等於70度至小於等於88.5度的範圍。具體而言，由於夾角θ實質上落在大於等於70度至小於等於88.5度的範圍，因此，絕大部分的雜散光束L3在被透鏡132之後，便會如圖5所繪示之偏向投影鏡頭150的右側而不會進入投影鏡頭150內。換言之，由於本實施例之投影裝置200大致採用同於投影裝置100之概念，但將透鏡132旋轉成不同方向之角度而造成夾角θ的數值落在不同範圍，因此投影裝置200具有投影裝置100所提及的優點，在此不再贅述。

另外，圖6為本發明更一實施例之投影裝置的示意圖。請同時參考圖5與圖6，本實施例之投影裝置200a與上述的投影裝置200採用相同的概念與相似的結構，二者不同之處在於：投影裝置200a之光均勻化元件134的第二光軸A2實質上與透鏡132的第一光軸A1不平行。也就是說，圖6中光均勻化元件134與透鏡132兩者的光軸(即第一光軸A1與第二光軸A2)及照明系統110的光軸不重疊。然而，本實施例之投影裝置200a同樣具有投影裝置200所具有之優點，在此不再贅述。

圖7為本發明還一實施例之投影裝置的示意圖。請同時參考圖5與圖7，本實施例之投影裝置200b與上述的投影裝置200採用相同的概念與相似的結構，二者不同之處在於：投影裝置200b之光均勻化元件134為一光積分柱134b。同樣地，光積分柱134b除了可使通過透鏡陣列134a的照明光束L1均勻化之外，還可調整通過光均勻化元件134的照明光束L1之光形，以配合光閥120的主動面122之形狀。然而，本實施例之投影裝置200b同樣具有投影裝置200所提及的優點，在此不再贅述。

值得一提的是，投影裝置200b亦可採用前述之投影裝置200a之結構設計，意即是，在投影裝置200b中，光均勻化元件234的第二光軸A2實質上亦可與透鏡232的第一光軸A1不平行，此部份端視使用者的需求與設計而定，本發明並不限制。

需說明的是，在上述投影裝置100、100a、100b、200、200a、200b中，光反射單元140是以反射鏡142作為舉例說明，但於其他實施形態中，光反射單元140亦可採用內部全反射稜鏡作為實施態樣，其說明如圖8所繪示的投影裝置300。

請同時參考圖1與圖8，投影裝置300與投影裝置100採用相同的概念與相似的結構，二者不同之處在於：投影裝置300之光反射單元140為內部全反射稜鏡(TIR)144，內部全反射稜鏡144配置於照明光束L1與影像光束L2的傳遞路徑上，並位於光束調整元件130與光閥120之間，且位於光閥120與投影鏡頭150之間。具體而言，通過透鏡132的照明光束L1會被內部全反射稜鏡144全反射而傳遞至光閥120上。而後，光閥120可將照明光束L1轉換成影像光束L2並將影像光束L2反射回內部全反射稜鏡144，此時影像光束可通過內部全反射稜鏡144而傳遞至投影鏡頭150，並透過投影鏡頭150投射至屏幕上而成像。然而，本實施例之投影裝置300同樣具有投影裝置100所提及的優點，在此不再贅述。

需要說明的是，上述透過內部全反射稜鏡144來取代前述之平面鏡142的架構亦可應用於前述投影裝置100a、100b、200、200a或200b中，在此不再贅述。

另外，上述投影裝置100、100a、100b、200、200a、200b中例如設置具有場鏡160與玻璃蓋170作為實施範例，然而，於其他實施形態中，亦可採用不具有場鏡160或玻璃蓋170的架構，如圖9中所繪示的投影裝置400採取同時不具有場鏡160與玻璃蓋170的架構便是其中一例。詳細而言，由於場鏡160可用來將影像光束L2會聚並傳遞至投影鏡頭150，而玻璃蓋170可用來保護光閥120，因此若投影裝置400不具有場鏡160與玻璃蓋170時，並不影響投影裝置400進行投影成像。然而，本實施例之投影裝置400同樣具有投影裝置100所具有之優點，在此不再贅述。需要說明的是，上述前述投影裝置100、100a、100b、200、200a、200b中之任一亦可採取不具有場鏡160或玻璃蓋170的架構，然而，這樣的架構仍具有前述降低絕大部分之雜散光束L3進入投影鏡頭150內之功效，在此不再贅述。

另外，在上述投影裝置100、100a、100b、200、200a、200b、300、400中，光均勻化元件134與透鏡132例如皆為彼此分離且各自獨立之光學元件，於其他實施例中，如圖10所繪示之投影裝置500，光均勻化元件134與透鏡132還可為彼此貼合的型態，意即是，光均勻化元件134與透鏡132之間不具空隙。此外，投影裝置500之光均勻化元件134與透鏡132二者的材質可為相同或不同，其中當光均勻化元件134與透鏡132二者的材質相同時還可採取一體成型的設計(未繪示)。

另外，在上述投影裝置100、100a、100b、200、200a、200b、300、400、500中，照明系統110例如是以白光光源110a作為舉例說明，於其他實施例中，前述的照明系統110亦可採用如圖11A與圖11B所分別繪示的照明系統110b與照明系統110c，其相關說明如下述。

在圖11A所繪示的實施形態中，照明系統110b包括一第一光源114a、一第二光源114b與一合光元件114c。第一光源114a適於提供一第一色光C1與一第二色光C2，第二光源114b適於提供一第三色光C3。合光元件114c適於反射來自第一光源114a的第一色光C1與第二色光C2，而來自第二光源114b的第三色光C3適於通過合光元件114c。具體而言，合光元件114c包括一第一反射元件R1與一第二反射元件R2。第一反射元件R1與第二反射元件R2並排設置且不交叉，其中第一反射元件R1反射第一色光C1，第二反射元件R2反射第二色光C2，且第三色光C3通過第一反射元件R1與第二反射元件R2。

承上述，於照明系統110b中，第一光源114a例如是可發出雙色的發光二極體，而第二光源114b例如是可發出單色的發光二極體。具體而言，第一色光C1、第二色光C2與第三色光C3可分別為紅光、藍光與綠光，透過合光元件114c可使第一色光C1與第二色光C2分別被第一反射元件R1與第二反射元件R2反射，而第三色光C3則可通過第一反射元件R1與第二反射元件R2，從而這三色光可合光為白光。

上述照明系統110b中的第一光源114a與第二光源114b例如為各自獨立的兩個元件，在其他實施例中，照明系統例如採用可發出三種色光的單一光源(未繪示)，而此單一光源搭配具有第一反射元件R1與第二反射元件R2的合光元件114c，可達到與照明系統110b實質上相同的效果。

此外，其他實施例也可採用具有三個反射元件的合光元件(未繪示)，其中這三個反射元件彼此並排設置且不交叉，並可分別反射三種色光。當然，本發明並不限制形成三種色光之光源的組成結構與個數。

在圖11B所繪示的實施形態中，照明系統110c包括一第一光源116a、一第二光源116b、一第三光源116c與一合光元件116d。第一光源116a適於提供一第一色光C1。第二光源適於提供一第二色光C2。第三光源116c適於提供一第三色光C3。合光元件116d適於反射第一色光C1與第二色光C2，而第三色光C3適於通過合光元件116d。具體而言，合光元件116d包括一第一反射元件R1’與一第二反射元件R2’，其中第一反射元件R1’與第二反射元件R2’交叉設置。第一反射元件R1’反射第一色光C1，第二反射元件R2’反射第二色光C2，且第三色光C3通過第一反射元件R1’與第二反射元件R2’。

承上述，於照明系統110c中，第一光源116a例如是可發出紅色的發光二極體，第二光源116b例如是可發出藍色的發光二極體，而第三光源116c例如是可發出綠色的發光二極體。類似地，可透過合光元件116d使第一色光C1與第二色光C2分別被第一反射元件R1’與第二反射元件R2’反射，而第三色光C3可通過第一反射元件R1’與第二反射元件R2’，從而這三色光合光為白光。

上述照明系統110c中的第一光源116a、第二光源116b與第三光源116c例如為各自獨立的三個元件，在其他實施例中，照明系統例如採用可發出三種色光的單一光源(未繪示)，而此單一光源搭配具有第一反射元件R1’與第二反射元件R2’的合光元件116d，可達到與照明系統110c實質上相同的效果。

需要說明的是，上述幾種照明系統(例如110b、110c等)亦可應用於前述投影裝置100、100a、100b、200、200a、200b、300、400、500中的任一架構中，在此不再贅述。

綜上所述，本發明之實施例可達到下列優點或功效之至少其一。本發明之實施例藉由光束調整元件中的透鏡之光軸與光閥之主動面的法向量的夾角不等於90度，則光束調整元件可將被光閥所反射的雜散光束反射至偏離投影鏡頭的位置，即雜散光束不會進入投影鏡頭內。換言之，由於雜散光束不會進入投影鏡頭內，故投影屏幕上的雜散光點便可大幅降低，如此一來，即使投影裝置的體積趨於薄型化而使投影裝置內部的各光學元件之間的距離便會越來越短，降低雜散光束或甚至消除雜散光束等功效亦能輕易達成。在本發明之實施例中，光束調整元件中的透鏡之光軸與光閥之主動面的法向量的夾角實質上可落在大於等於91.5度至小於等於120度的範圍或是落在大於等於91.5度至小於等於120度的範圍。整體而言，本實施例之投影裝置具有良好成像品質。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。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，摘要部分和標題僅是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。

100、100a、100b、200、200a、200b、300、400、500．．．投影裝置

110、110b、110c．．．照明系統

110a．．．白光光源

114a、116a．．．第一光源

114b、116b．．．第二光源

114c、116d．．．合光元件

116c．．．第三光源

120．．．光閥

122．．．主動面

130．．．光束調整元件

132．．．透鏡

134．．．光均勻化元件

134a．．．透鏡陣列

134b．．．光積分柱

140．．．光反射單元

142．．．反射鏡

144．．．內部全反射稜鏡

150．．．投影鏡頭

160．．．場鏡

170．．．玻璃蓋

A1．．．第一光軸

A2．．．第二光軸

C1．．．第一色光

C2．．．第二色光

C3．．．第三色光

R1、R1’．．．第一反射元件

R2、R2’．．．第二反射元件

L1．．．照明光束

L2．．．影像光束

L3．．．雜散光束

N1．．．法向量

θ．．．夾角

P1．．．成像區

圖1為本發明一實施例之投影裝置的示意圖。

圖2A繪示傳統之透鏡的光軸與主動面之法向量之間的夾角呈90度時投影裝置於屏幕上成像的示意圖。

圖2B繪示本實施例之透鏡的光軸與主動面之法向量之間的夾角不為90度時投影裝置於屏幕上成像的示意圖。

圖3為本發明另一實施例之投影裝置的示意圖。

圖4為本發明又一實施例之投影裝置的示意圖。

圖5為本發明再一實施例之投影裝置的示意圖。

圖6為本發明更一實施例之投影裝置的示意圖。

圖7為本發明還一實施例之投影裝置的示意圖。

圖8繪示一種採用內部全反射稜鏡之實施形態之投影裝置的示意圖。

圖9繪示一種不具有場鏡與玻璃蓋之投影裝置的示意圖。

圖10繪示一種光均勻化元件與透鏡貼合之投影裝置的示意圖。

圖11A與圖11B分別繪示其他實施形態之照明系統的示意圖。

100．．．投影裝置

110．．．照明系統