TWI575297B - 投影機 - Google Patents
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Description
本發明描述一種投影機,尤指一種具有二軸翻轉式的數位微鏡裝置之投影機。
投影機利用成像原理並藉由數位微鏡裝置(Digital Micro-mirror Device),可將微小影像投影到上巨幅螢幕上,並提供足夠的亮度,將影像資訊分享給眾人。
第1圖係為傳統投影機50的元件架構圖,如第1圖所示,傳統投影機50包含了數位微鏡裝置10,全反射(Total Internal Reflection,TIR)稜鏡組11,反射鏡12,透鏡模組13,以及光導管(Light Pipe)14。為了定義視角方向,第1圖的右邊顯示了直角座標係的3個軸向。以第1圖而言,X軸為由原點向右的方向,Y軸為由原點向下的方向,Z軸為指入的方向。在傳統投影機50中,光線經由光導管14穿過透鏡模組13,再經由反射鏡12反射至全反射稜鏡組11,最後經由數位微鏡裝置10將成像光傳至鏡頭而投射至螢幕上。然而,傳統投影機50的數位微鏡裝置10因為物理特性的限制,只能接受入射光以斜射入射。因此,全反射稜鏡組11相對數位微鏡裝置10傾斜一角度設置(例如45度),這將導致傳統投影機50的體積受到限制,在追求微小化投影機的今日,傳統投影機50過大的體積將導致便利性不足而逐漸失去競爭力。
因此,發展一種體積較小的投影機是非常重要的。
本發明提出一種投影機,包含光源、數位微鏡裝置、鏡頭、第一稜柱及第二稜柱。光源係用以發出入射光。數位微鏡裝置於相互垂直的第一方向及第二方向分別具有第一邊及第二邊,第一邊長於第二邊,數位微鏡裝置接收並反射入射光為成像光,成像光沿第三方向行進,且第三方向垂直第一方向。鏡頭是用來接收並投射成像光,第一稜柱是設置於光源及數位微鏡裝置間,用來接收並傳遞光線。第一稜柱包含第一面、第二面及第三面。第一面是鄰近於光源且用來接收入射光,第二面是鄰接於第一面且用來反射入射光至數位微鏡裝置,第三面是平行於數位微鏡裝置且具有鄰接邊鄰接於第一面,而鄰接邊亦平行於第一邊。第二稜柱是設置於第一稜柱及鏡頭間,用來接收並傳遞成像光。第二稜柱包含第四面及第五面,第四面是平行於第二面,第五面是鄰接於第四面,且與鏡頭相對。
50、100‧‧‧投影機
S1‧‧‧第一稜柱
S2‧‧‧第二稜柱
10、20‧‧‧數位微鏡裝置
13、21‧‧‧透鏡模組
14、22‧‧‧光導管
23‧‧‧光源
24‧‧‧鏡頭
L1至L4‧‧‧光路
12、26‧‧‧反射鏡
11、25‧‧‧全反射稜鏡組
A1至A6‧‧‧夾角
TP1至TP4‧‧‧三角形平面
P1至P6‧‧‧平面
A‧‧‧入射光
B‧‧‧成像光
C‧‧‧長邊
D‧‧‧短邊
E‧‧‧鄰接邊
第1圖係為傳統投影機的元件架構圖。
第2圖係為本發明實施例之投影機的元件架構圖。
第3圖係為第2圖實施例之投影機內兩個稜柱結構的示意圖。
第4圖係為第2圖實施例之投影機的側視圖。
第5圖係為本發明另一實施例之投影機的光路模擬圖。
第2圖係為本發明實施例之投影機100的元件架構圖。如第2圖所示,投影機100包含了數位微鏡裝置(Digital Micro-mirror Device)20、透鏡模組21、光導管(Light Pipe)22、光源23、鏡頭24、第一稜柱S1以及第二稜柱S2。光源23用來發射入射光A。數位微鏡裝置20為一矩形的平面裝置,
具有複數微鏡以用來反射入射光A為成像光B,而數位微鏡裝置20具有相互垂直的長邊C與短邊D(於第4圖中所示)。在本實施例中,數位微鏡裝置20係為二軸翻轉式的晶片組(TRP(Tilt & Roll Pixel)DLP® PicoTM chipset),其微鏡可翻轉於ON、OFF兩狀態。當微鏡為OFF狀態時,各微鏡沿二軸各翻轉17度以將入射光A以約莫34~36度的角度反射為成像光B。鏡頭24用來接收成像光B。第一稜柱S1以及第二稜柱S2設置於透鏡模組21、數位微鏡裝置20與鏡頭24之間,用以接收由透鏡模組21傳來的入射光A、將其反射至數位微鏡裝置20,並傳遞成像光B至鏡頭24上。在投影機100中,光源23發射入射光A後,入射光A經由光導管22穿透透鏡模組21、沿光路L1傳至第一稜柱S1,並在第一稜柱S1內沿光路L2全反射至數位微鏡裝置20;數位微鏡裝置20反射入射光A為成像光B,成像光B沿光路L3回第一稜柱S1內,成像光B隨後依序穿透第一稜柱S1及第二稜柱S2,並沿光路L4進入鏡頭24,詳細的光線傳輸情況將於後文詳述。為了定義視角方向,第2圖的右上角顯示了直角座標係的3個軸向。以第2圖而言,X軸為指出方向,Y軸為由原點向上的方向,Z軸為原點向左的方向。在本實施例中,第一稜柱S1與第一稜柱S2之間,第一稜柱S1與數位微鏡裝置20之間存在間隙,但本發明不限於此,其它實施例中,第一稜柱S1與第一稜柱S2之間,第一稜柱S1與數位微鏡裝置20之間可為緊密貼合。以下將詳細說明投影機100中之第一稜柱S1與第一稜柱S2的結構,以及光線如何在兩個稜柱間反射的詳細過程。
第3圖係為第2圖實施例之投影機100內第一稜柱S1及第二稜柱S2結構的示意圖。在本實施例中,第一稜柱S1為三角稜柱,具有五個平面,包含第一三角型平面TP1、第二三角型平面TP2、第一面P1、第二面P2及第三面P3。而第一面P1與第二面P2相夾一個第一夾角A1,第二面P2與第三面P3相夾一個第二夾角A2、第三面P3與第一面P1相夾一個第三夾角A3。在本實施例中,第三夾角A3會大於第一夾角A1及第二夾角A2。舉例來說,
第一夾角A1為52.31度,第二夾角A2為29.50度,第三夾角A3為98.19度。第二稜柱S2亦為三角稜柱,具有五個平面,包含第三三角型平面TP3、第四三角型平面TP4、第四面P4、第五面P5及第六面P6。而第四面P4與第五面P5相夾一個第四夾角A4,第四面P4與第六面P6相夾一個第五夾角A5,第五面P5與第六面P6相夾一個第六夾角A6。在本實施例中,第四夾角A4可以相等於第二夾角A2。舉例來說,第四夾角A4為29.50度,第五夾角A5為95.50度,第六夾角A6為55.50度。在本實施例中,第一稜柱S1與第二稜柱S2要滿足以下的位置條件:第一稜柱S1的第三面P3平行於第二稜柱S2的第五面P5,第一稜柱S1的第二面P2平行於第二稜柱S2的第四面P4。並且,第一稜柱S1的第三面P3必須與第2圖中的數位微鏡裝置20平行(於Y軸平行),且第一稜柱S1的第三面P3與第一面P1的鄰接邊E必須與數位微鏡裝置20的長邊C平行(於X軸平行)。
以下將依據第2圖及第3圖的結構,詳述投影機100中入射光A及成像光B傳遞的過程。在第2圖中,入射光A自光源23發射後隨即被光導管22接收。本實施例所用的光導管可為楔形(Wedge)的光導管22,即光導管22接收入射光A之入光面積大於輸出入射光A之出光面積,因此可以有效提升光導管22收光量(coupling efficiency)。入射光A依序穿透光導管22及透鏡模組21。透鏡模組21的功能為利用聚焦的物理特性集束入射光A,使入射光A能準確地投射在數位微鏡裝置20。實施例中的透鏡模組21為至少一個以上的透鏡組成,其等效焦距在80~82mm之間,然而其它實施例亦可以使用其它焦距。入射光A穿過透鏡模組21之後垂直入射於第一稜柱S1的第一面P1,亦即入射光A入射的方向平行於第一面P1的法向量(Normal Vector)。入射光A於第一稜柱S1內依光路L1前進,直到被第一稜柱S1的第二面P2反射。這個反射在此為全反射(Total Internal Reflection),因此入射光A經由反射後仍會在相同介質(第一稜柱S1)內傳輸,而入射光A經由第二面P2被全反射後,沿光路L2前進,最後穿過第一稜柱S1的第三面P3而至
數位微鏡裝置20。在此,數位微鏡裝置20分別於X軸及Y軸具有長邊C及短邊D,而第一稜柱S1的第三面P3與第一面P1的鄰接邊E與數位微鏡裝置20的長邊C平行(於X軸平行)。因此,入射光A沿光路L2入射數位微鏡裝置20於X-Y平面可視為入射光A朝數位微鏡裝置20的長邊C入射(如第四圖所示)。在本實施例中,由於數位微鏡裝置20係為二軸翻轉式的晶片組(TRP(Tilt & Roll Pixel)DLP® PicoTM chipset),其微鏡沿二軸各翻轉17度。因此,入射光A沿光路L2入射數位微鏡裝置20時,會被約莫於以34~36度反射為成像光B。成像光B依序沿光路L3前進、穿過第一稜柱S1的第三面P3及第二面P2。在此,光路L3約莫與第三面P3垂直。成像光B於第一稜柱S1、第二稜柱S2間因空氣介質發生折射後,依序沿光路L4前進、穿過第二稜柱S2的第四面P4及第五面P5。在此,由於第二稜柱S2的第五面P5平行於第一稜柱S1的第三面P3,且光路L4平行光路L3,成像光B近乎垂直入射第二稜柱S2的第五面P5,因此成像光B直接穿透第五面P5而不會有任何反射,最後的成像光B就會被鏡頭24所接收。
在投影機100中,數位微鏡裝置20的大小對比於光導管22的大小約為1.65~1.85倍,等效於放大倍率約為1.65~1.85倍。而用於接收成像光B的鏡頭24,其光圈大小為F1.7的光圈。然而,本發明所用的放大倍率和光圈大小卻不以此為限,在其它實施例中可以使用任何放大倍率,以及任何光圈值(例如更大的F1.5光圈)來實現投影機100。
第4圖係為第2圖實施例之投影機100的側視圖。如第4圖所示,投影機100的側視圖外觀包含全反射(Total Internal Reflection,TIR)稜鏡組25、數位微鏡裝置20、透鏡模組21以及光導管22。為了定義視角方向,第4圖的右上角顯示了直角座標係的3個軸向。以第4圖而言,X軸為由原點向左的方向,Y軸為由原點向上的方向,Z軸為由指入方向。而全反射稜鏡組25包含了第3圖所述之第一稜柱S1及第二稜柱S2的架構。本發明之數位微鏡裝置20係使用二軸翻轉式的晶片組(TRP(Tilt & Roll Pixel)DLP® PicoTM
chipset),第一稜柱S1的第三面P3與第一面P1的鄰接邊E平行於數位微鏡裝置20的長邊C(如第3圖及第4圖所示),並且入射光A由光路L2朝數位微鏡裝置20的長邊C入射。因此,不同於第1圖中傳統的投影機50中,全反射稜鏡組11相對數位微鏡裝置10傾斜一角度設置。本發明之投影機100於第4圖中,全反射稜鏡組25與數位微鏡裝置20不會有多餘的夾角。而以Z軸向的視角而言,入射光A及成像光B幾乎以直線方向經由光導管22,透鏡模組21、全反射稜鏡組25傳遞至數位微鏡裝置20(入射光A及成像光B於第2圖中,分別在Y-Z平面於第一稜柱S1及數位微鏡裝置20發生反射,因此若以Z軸向的視角觀之,其為直線前進)。在第4圖中,因為全反射稜鏡組25與數位微鏡裝置20不會有多餘的夾角,因此投影機100的體積與傳統的投影機50相比,其空間配置性獲得優化。
第5圖係為本發明另一實施例之投影機200的入射光A光路模擬圖。如第5圖所示,投影機200的側視圖外觀包含全反射稜鏡組25、數位微鏡裝置20、透鏡模組21、光導管22以及反射鏡26。投影機200與投影機100相似,其差別僅在於利用了反射鏡26,將穿過透鏡模組的入射光A反射至全反射稜鏡組25中,以進一步的縮小投影機200體積。為了定義視角方向,第5圖的左上角顯示了直角座標係的3個軸向。在第5圖中,X軸為指出方向,Y軸為由原點向上的方向,Z軸為原點向左的方向。光導管22將入射光A傳至透鏡模組21中,而透鏡模組21將入射光A聚焦後,經由如第3圖所述之反射光路,將入射光A反射至數位微鏡裝置20的像素範圍內。而在入射光A反射的過程中,有可能有漏光的情況發生,然而這種漏光的能量與整體入射光A的能量相比是可忽略的。
綜上所述,本發明揭露一種投影機,其設計觀念為利用二軸翻轉式的數位微鏡裝置,使全反射稜鏡組與數位微鏡裝置不會有多餘的夾角。因此,相較於傳統的投影機,本發明的投影機其體積較小,且元件的空間配置性可以獲得進一步的優化,故更具使用上的便利性。
以上所述僅為本發明之較佳實施例,凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾,皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧投影機
S1‧‧‧第一稜柱
S2‧‧‧第二稜柱
20‧‧‧數位微鏡裝置
21‧‧‧透鏡模組
22‧‧‧光導管
23‧‧‧光源
24‧‧‧鏡頭
A‧‧‧入射光
B‧‧‧成像光
L1至L4‧‧‧光路
Claims (12)
- 一種投影機,包含:一光源,發出一入射光;一數位微鏡裝置,於相互垂直的一第一方向及一第二方向分別具有一第一邊及一第二邊,該第一邊長於該第二邊,該數位微鏡裝置接收並反射該入射光為一成像光,該成像光沿一第三方向行進,該第三方向垂直該第一方向;一鏡頭,接收並投射該成像光;及一第一稜柱,設置於該光源及該數位微鏡裝置間,接收並傳遞該等光,包含:一第一面,鄰近該光源且接收該入射光;一第二面,鄰接該第一面且反射該入射光至該數位微鏡裝置;及一第三面,平行該數位微鏡裝置且具有一鄰接邊鄰接該第一面,該鄰接邊平行該第一邊;及一第二稜柱,設置於該第一稜柱及該鏡頭間,接收並傳遞該成像光,包含:一第四面,平行該第二面;及一第五面,鄰接該第四面且與該鏡頭相對;其中該數位微鏡裝置係為一二軸翻轉式的數位微鏡裝置。
- 如請求項1所述之投影機,其中該第五面平行該第三面。
- 如請求項1所述之投影機,更包含:一第一夾角,位於該第一面及該第二面間;一第二夾角,位於該第二面及該第三面間;及一第三夾角,位於該第三面及該第一面間; 其中,該第三夾角大於該第一夾角及該第二夾角。
- 如請求項1所述之投影機,其中該入射光入射該第一面的方向係垂直於該第一面。
- 如請求項1所述之投影機,其中該第三方向係垂直於該第五面。
- 如請求項1所述之投影機,其中該第二面及該第四面之間具有一間隙。
- 如請求項1所述之投影機,其中該數位微鏡裝置與該第三面之間具有一間隙。
- 如請求項1所述之投影機,更包含:一透鏡模組,設於該光源及該第一面間。
- 如請求項8所述之投影機,其中該透鏡模組之有效焦距在80mm~82mm之間。
- 如請求項8所述之投影機,更包含:一光導管,設於該光源及該透鏡模組間,用以接收並傳遞該入射光。
- 如請求項10所述之投影機,其中該光導管係為一楔形(Wedge)光導管。
- 如請求項10所述之投影機,其中該光導管、該透鏡模組、該等稜柱、該數位微鏡裝置係組成一光機系統,該光機系統之放大倍率為1.65~1.85之間。
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