TWI570499B - 投影裝置及用於其之光積分柱 - Google Patents

Description

投影裝置及用於其之光積分柱

本發明是有關於一種顯示裝置，尤其是有關於一種投影裝置及其光積分柱。

數位光學處理(digital light processing,DLP)投影裝置的光路設計必須考慮亮狀態(on state)光路、暗狀態(off state)光路以及平狀態(flat state)光路相對於投影鏡頭之光圈的位置，其中亮狀態、平狀態與暗狀態是指數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)的每一微鏡(micro-mirror)的翻轉狀態。被處於亮狀態的微鏡反射後的光束(以下簡稱亮狀態光束)的傳遞路徑即上述之亮狀態光路，亮狀態光路會進入投影鏡頭。被處於暗狀態的微鏡反射後的光束(以下簡稱暗狀態光束)的傳遞路徑即上述之暗狀態光路，暗狀態光路會偏離投影鏡頭。當數位微鏡元件的微鏡呈平躺狀態，被其所反射的光束(以下簡稱平狀態光束)的傳遞路徑即平狀態光路。

通常，為了增加投影裝置的光利用效率，會選用光圈較大的投影鏡頭，以增加投影鏡頭的收光面積。圖1是習知技術之亮狀態光束、平狀態光束及暗狀態光束與光圈的相對位置的示意圖。如圖1所示，由於採用光圈10較大的投 影鏡頭，亮狀態光束L1會充分進入投影鏡頭的光圈10中，所以能提升投影裝置的光利用效率，而暗狀態光束L2不會進入投影鏡頭的光圈10中。然而，平狀態光束L3會有少部分進入光圈10而造成漏光，導致投影裝置的對比度下降。

另一方面，若選用光圈較小的投影鏡頭，則可避免平狀態光束進入光圈而造成漏光的情形，但也會有部分亮狀態光束無法進入光圈，而降低投影裝置的光利用率。

本發明提供一種投影裝置，其具有較佳的光利用效率及對比度。

本發明另提供一種光積分柱，其可使投影裝置具有較佳的光利用效率及對比度。

本發明所提供的投影裝置包括光源模組、光閥、光積分柱以及投影鏡頭。光源模組適於提供照明光束，光閥配置於照明光束的傳遞路徑上，以將照明光束轉換成影像光束。光積分柱配置於光源模組與光閥之間，且位於照明光束的傳遞路徑上。光積分柱具有相對的入光端與出光端，入光端具有長度為X1的多個第一側邊與長度為Y1的多個第二側邊，出光端具有長度為X2且與這些第一側邊相對的多個第三側邊以及長度為Y2且與這些第二側邊相對的多個第四側邊，其中X2/X1>Y2/Y1。投影鏡頭配置於影像光束的傳遞路徑上。

本發明另提供一種光積分柱，具有相對的入光端與出光端，入光端具有長度為X1的多個第一側邊與長度為Y1的多個第二側邊，出光端具有長度為X2且與這些第一側邊相對的多個第三側邊以及長度為Y2且與這些第二側邊相 對的多個第四側邊，其中X2/X1>Y2/Y1。

在本發明的一實施例中，上述之光積分柱的出光端的形狀對應於光閥的主動面的形狀。

在本發明的一實施例中，上述之光積分柱的入光端的形狀對應於光源模組之出光面的形狀。

在本發明的一實施例中，上述之這些第一側邊與這些第三側邊平行於第一方向，這些第二側邊與這些第四側邊平行於第二方向，且第一方向垂直第二方向。

在本發明的一實施例中，上述之X1<X2。

在本發明的一實施例中，上述之Y1>Y2。

在本發明的一實施例中，上述之Y1<Y2。

在本發明的一實施例中，上述之X1<Y1。

本發明之投影裝置中，由於光積分柱的入光端的第一側邊與第二側邊以及出光端的第三側邊與第四側邊的長度X1、Y1、X2、Y2符合不等式：X2/X1>Y2/Y1，所以能窄化照明光束於光積分柱的出光端的出瞳影像(image of exit pupil)。如此，投影裝置可充分利用亮狀態光束，且有效防止平狀態光束漏光的情形，所以本發明之光積分柱能使投影裝置具有較佳的光利用效率及對比度。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

10‧‧‧光圈

100‧‧‧投影裝置

110‧‧‧光源模組

111‧‧‧出光面

120‧‧‧光閥

121‧‧‧主動面

122‧‧‧微鏡

130、230‧‧‧光積分柱

131、231‧‧‧入光端

132、232‧‧‧出光端

133、233‧‧‧第一側邊

134、234‧‧‧第二側邊

135、235‧‧‧第三側邊

136、236‧‧‧第四側邊

137a、137b、137c、137d、237a、237b、237c、237d‧‧‧側面

140‧‧‧投影鏡頭

141‧‧‧光圈

A‧‧‧轉軸

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

L1‧‧‧亮狀態光束

L2‧‧‧暗狀態光束

L3‧‧‧平狀態光束

M1‧‧‧影像光束

M11‧‧‧亮狀態光束

M12‧‧‧暗狀態光束

M13‧‧‧平狀態光束

N1‧‧‧照明光束

X1、X2、Y1、Y2‧‧‧長度

θ 1、θ 3‧‧‧入射角

θ 2、θ 4‧‧‧出射角

圖1是習知技術之亮狀態光束、平狀態光束及暗狀態光束與光圈的相對位置的示意圖。

圖2是本發明一實施例之投影裝置的示意圖。

圖3是圖2之光積分柱的立體示意圖。

圖4A是本發明一實施例之照明光束在光積分柱的Y-Z剖面中的示意圖。

圖4B是本發明一實施例之照明光束在光積分柱的X-Z剖面中的示意圖。

圖5是本發明一實施例之投影裝置之亮狀態光束、平狀態光束及暗狀態光束與光圈的相對位置的示意圖。

圖6是本發明另一實施例之光積分柱的立體示意圖。

圖2是本發明一實施例之投影裝置的示意圖。請參照圖2，本實施例中，投影裝置100包括光源模組110、光閥120、光積分柱130以及投影鏡頭140，其中光源模組110適於提供照明光束N1。光閥120配置於照明光束N1的傳遞路徑上，以將照明光束N1轉換成影像光束M1。投影鏡頭140配置於影像光束M1的傳遞路徑上，以將影像光束M1投影至螢幕上，進而於螢幕上形成影像畫面。光積分柱130配置於光源模組110與光閥120之間，且位於照明光束N1的傳遞路徑上，以均勻化照明光束N1並調整照明光束N1的出瞳影像(image of exit image)為非圓形(non-circular)。光積分柱130舉例為空心柱體，但不以此為限，亦可為實心柱體。

本實施例之光源模組110例如包括至少一發光二極體(light-emitting diode,LED)元件，但本發明並不限制光源模組110的種類。在光源模組110與光積分柱130之間以及光積分柱130與光閥120之間可視需求而另外設置其他光學元件(圖未示)，如透鏡、反射片、稜鏡等。此外，本實施 例之光閥120為反射式光閥，例如包括多個微鏡122的數位微鏡元件，這些微鏡122例如是呈陣列排列，而圖2中僅繪示出部分微鏡122用以示意。每個微鏡122皆具有轉軸A，使每個微鏡122可相對於轉軸A在預定的角度範圍(例如±12°或±10°)內擺動。本實施例中，每個微鏡122在平躺狀態時，其反射面例如是平行X-Y平面，而微鏡122的轉軸A例如是平行於Y軸。

本發明藉由改變習知光積分柱的結構，來克服習知技術的顯示裝置無法兼顧光利用效率與對比度的問題，以下將詳細說明本實施例之光積分柱130的詳細結構。

圖3是圖2之光積分柱的立體示意圖。請參照圖3，本實施例之光積分柱130具有相對的入光端131與出光端132，而照明光束N1經由入光端131進入光積分柱130，並從出光端132離開光積分柱130。入光端131具有長度為X1的多個第一側邊133與長度為Y1的多個第二側邊134，出光端132具有長度為X2且與這些第一側邊133相對的多個第三側邊135以及長度為Y2且與這些第二側邊134相對的多個第四側邊136，其中X2/X1>Y2/Y1。

在本實施例中，光積分柱130的入光端131例如呈矩形，並具有相對的二第一側邊133與相對的二第二側邊134，第一側邊133垂直於第二側邊134。第一側邊133的長度X1例如是小於第二側邊134的長度Y1。出光端132例如亦呈矩形，且具有相對的二第三側邊135與相對的二第四側邊136，第三側邊135垂直於第四側邊136。第一側邊133與第三側邊135平行於第一方向D1。第二側邊134與第四側邊136平行於第二方向D2，且第一方向D1垂直於第二方向D2。在本實施例中，第一方向D1例如是平行於圖2的X軸，而第二方向D2例如是平行於圖2的Y軸，以使光積分柱130的出 光端132的第四側邊136平行於圖2之微鏡122的轉軸A。然而，光積分柱130與光閥120的相對位置關係可依設計需求而定，本發明並不限定光積分柱130的出光端132的第四側邊136需平行於圖2之微鏡122的轉軸A。

此外，本實施例之光積分柱130更具有位於入光端131與出光端132之間的多個側面，本實施例是以四個側面137a、137b、137c、137d為例，但不以此為限。其中側面137a與側面137c相對，側面137b與側面137d相對。光積分柱130的側面137a及137c沿著-Z方向(從入光端131至出光端132的方向)逐漸變寬，而側面137b及137d沿著-Z方向(從入光端131至出光端132的方向)逐漸變窄，且側面137a、137b、137c及137d皆呈梯形，使得X2>X1，Y2<Y1。

在本實施例中，由於光積分柱130的入光端131的第一側邊133與第二側邊134以及出光端132的第三側邊135與第四側邊136的長度X1、Y1、X2、Y2符合不等式：|(X2-X1)/X1|>|(Y2-Y1)/Y1|。即，入光端131、出光端132在第一方向D1上之變化比例大於在第二方向D2上之變化比例。簡化上述不等式得X2/X1>Y2/Y1。以下將配合圖式來說明光積分柱130如何窄化照明光束N1於出光端132的出瞳影像(image of exit pupil)為非圓形(non-circular)。

圖4A是本發明一實施例之照明光束在光積分柱的Y-Z剖面中的示意圖，而圖4B是本發明一實施例之照明光束在光積分柱的X-Z剖面中的示意圖。請先參照圖4A，照明光束N1於光積分柱130內依循反射定律且經側面137a、137c多次反射。因光積分柱130於Y方向長度隨-Z方向逐漸變短，導致照明光束N1於側面137a、137c入/反射角逐漸變大，致使照明光束N1從出光端132出射時的出射角θ 2會大於入射角θ 1。而如圖4B所示，照明光束N1於光積分柱130內經側 面137b、137d多次反射，光積分柱130於X方向長度隨-Z方向逐漸變長。根據反射定律，從出光端132出射時的出射角θ 4會小於入射角θ 3。

承上述，由於出射角θ 4小於入射角θ 3且出射角θ 2大於入射角θ 1，照明光束N1於Y軸的長度會大於照明光束N1於X軸的長度，而在出光端132形成非圓形(non-circular)的出瞳影像。照明光束N1被光閥120轉換成影像光束M1後入射投影鏡頭140，因此傳遞至投影鏡頭140的光圈的影像光束M1的入瞳影像(image of entrance pupil)類似於橢圓形。

圖5是本發明一實施例之投影裝置之亮狀態光束、平狀態光束及暗狀態光束與光圈的相對位置的示意圖。請參照圖5，由於影像光束M1於出光端132的出瞳影像類似於橢圓形，所以亮狀態光束M11(被亮狀態的微鏡反射的影像光束)能充分進入投影鏡頭140的光圈141，而且平狀態光束M13(被平狀態的微鏡反射的影像光束)及暗狀態光束M12(被暗狀態的微鏡反射的影像光束)都不會進入投影鏡頭140的光圈141中。如此，能解決習知技術中平狀態光束漏光的問題，因此本實施例之光積分柱130能使投影裝置100兼具良好的光利用效率與對比度。

此外，請再參照圖2與圖3，光積分柱130的入光端131的形狀對應於光源模組110的出光面111的形狀，例如，入光端131與出光面111皆呈矩形，且二者各邊彼此相對應，使得光源模組110提供的照明光束N1經由光積分柱130的入光端131進入光積分柱130時能避免光損失。而光積分柱130的出光端132的形狀對應於光閥120的主動面121的形狀，以使從光積分柱130的出光端132出射的照明光束N1照射至光閥120的主動面121時，可大致恰好涵蓋整個光 閥120的主動面121，以提升光利用效率。

雖然上述實施例是以Y2<Y1為例，但本發明不以此為限，在另一實施例中，也可以將光積分柱設計成符合Y2>Y1的不等式。只要光積分柱符合不等式X2/X1>Y2/Y1或是|(X2-X1)/X1|>|(Y2-Y1)/Y1|即可窄化照明光束N1於出光端132的出瞳影像。

圖6是本發明另一實施例之光積分柱的立體示意圖。請參照圖6，本實施例之光積分柱230具有相對的入光端231與出光端232，而照明光束N1經由入光端231進入光積分柱230，並從出光端232離開光積分柱230。入光端231具有長度為X1的多個第一側邊233與長度為Y1的多個第二側邊234，出光端232具有長度為X2且與這些第一側邊233相對的多個第三側邊235以及長度為Y2且與這些第二側邊234相對的多個第四側邊236，其中X2/X1>Y2/Y1。

在本實施例中，光積分柱230的入光端231例如呈矩形，且具有相對的二第一側邊233與相對的二第二側邊234，第一側邊233垂直於第二側邊234。出光端232例如也呈矩形，且具有相對的二第三側邊235與相對的二第四側邊236，第三側邊235垂直於第四側邊236。此外，本實施例之光積分柱230更具有位於入光端231與出光端232之間的多個側面，本實施例是以四個側面237a、237b、237c、237d為例，但不以此為限。本實施例中，側面237a與側面237c相對，而側面237b與側面237d相對。光積分柱230的側面237a、237b、237c與237d皆沿著入光端231往出光端232的方向逐漸變寬，且側面237a、237b、237c與237d皆呈梯形，使得X1<X2，Y1<Y2。

在本實施例中，由於光積分柱230的入光端231的第一側邊233與第二側邊234以及出光端232的第三側邊 235與第四側邊236的長度X1、Y1、X2、Y2符合不等式：X2/X1>Y2/Y1，所以能窄化照明光束N1於出光端232的出瞳影像為非圓形。

綜上所述，本發明之投影裝置中，由於光積分柱的入光端的第一側邊與第二側邊以及出光端的第三側邊與第四側邊的長度X1、Y1、X2、Y2符合不等式：X2/X1>Y2/Y1，所以能窄化照明光束於出光端的出瞳影像為非圓形。如此，可在充分利用亮狀態光束的前提下，有效防止平狀態光束漏光的情形，所以本發明之光積分柱能使投影裝置具有較佳的光利用效率及對比度。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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，因此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‧‧‧投影裝置

110‧‧‧光源模組

111‧‧‧出光面

120‧‧‧光閥

121‧‧‧主動面

122‧‧‧微鏡

130‧‧‧光積分柱

140‧‧‧投影鏡頭

A‧‧‧轉軸

M1‧‧‧影像光束

N1‧‧‧照明光束

Claims (9)

1. 一種投影裝置，包括：一光源模組，適於提供一照明光束；一光閥，配置於該照明光束的傳遞路徑上，以將該照明光束轉換成一影像光束；一光積分柱，配置於該光源模組與該光閥之間，且位於該照明光束的傳遞路徑上，該光積分柱具有相對的一入光端與一出光端，該入光端具有長度為X1的多個第一側邊與長度為Y1的多個第二側邊，該出光端具有長度為X2且與該些第一側邊相對的多個第三側邊以及長度為Y2且與該些第二側邊相對的多個第四側邊，其中X2/X1>Y2/Y1，X1<X2，且Y2與Y1彼此不相等；以及一投影鏡頭，配置於該影像光束的傳遞路徑上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該光積分柱的該出光端的形狀對應於該光閥的一主動面的形狀。
3. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該光積分柱的該入光端的形狀對應於該光源模組之一出光面的形狀。
4. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該些第一側邊與該些第三側邊平行於一第一方向，該些第二側邊與該些第四側邊平行於一第二方向，且該第一方向垂直該第二方向。
5. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中Y1>Y2。
6. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中Y1<Y2。
7. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中X1<Y1。
8. 一種光積分柱，具有相對的一入光端與一出光端，該入光端具有長度為X1的多個第一側邊與長度為Y1的多個第二側邊，該出光端具有長度為X2且與該些第一側邊相對的多個第三側邊以及長度為Y2且與該些第二側邊相對的多個第四側邊，其中X2/X1>Y2/Y1，X1<X2，且Y2與Y1彼此不相等。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光積分柱，其中該些第一側邊與該些第三側邊平行於一第一方向，該些第二側邊與該些第四側邊平行於一第二方向，且該第一方向垂直該第二方向。