TWI627488B - 單一前群透鏡的投影系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供了一種投影系統，使用二軸翻轉式數位微鏡裝置並根據二軸翻轉式數位微鏡裝置的特性來進行元件的空間配置以及光路的設計，使得稜鏡組與數位微鏡裝置之間不會有多餘的夾角。此外，在設計了具有特定規格的照明單元後，使得前群的第一透鏡組僅使用一個非球面透鏡，後群的第二透鏡組也僅使用一個透鏡，仍能維持一定的成像表現，進而達成縮小投影機體積的目的。

Description

單一前群透鏡的投影系統

本發明有關一種投影系統，尤指一種具有二軸翻轉式數位微鏡裝置的投影系統。

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。

傳統投影機包含了單軸數位微鏡裝置，全反射(Total Internal Reflection，TIR)稜鏡組，反射鏡，透鏡模組以及光導管(Light Pipe)。在傳統投影機中，光線經由光導管穿過透鏡模組，再經由反射鏡反射至全反射稜鏡組，最後經由單軸數位微鏡裝置將成像光傳至鏡頭而投射至螢幕上。然而，傳統投影機中繞單軸旋轉的單軸數位微鏡裝置因為物理特性的限制，只能接受入射光以斜射入射。因此，全反射稜鏡組相對數位微鏡裝置傾斜一角度設置(例如45度)，這將導致傳統投影機的體積受到限制，在追求微小化投影機的今日，傳統投影機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。

為了解決上述問題，本發明的實施例中提供了一種單一前群透鏡的投影系統，包含有一光源模組、一二軸翻轉式數位微鏡裝置、一稜鏡組、一第一透鏡組、一第二透鏡組以及一鏡頭。該光源模組用以發出一入射光，該二軸翻轉式數位微鏡裝置用以接收該入射光並轉換成一成像光，該稜鏡組設置於該光源模組與該二軸翻轉式數位微鏡裝置之間。該第一透鏡組設置於該稜鏡組與該光源模組之間且靠近該光源模組，用以傳遞該入射光，該第一透鏡組僅包含一非球面透鏡。該第二透鏡組設置於該第一透鏡組與該稜鏡組之間，用以傳遞來自該第一透鏡組的該入射光，該第二透鏡組僅包含一透鏡。該鏡頭用以接收並投射該成像光。

本發明所提供的投影系統中，其中該第一透鏡組的該非球面透鏡的折射率大於等於1.67。

本發明所提供的投影系統中，其中該第二透鏡組的後群有效焦距與該第一透鏡組的前群有效焦距的比值大於等於1.8且小於等於2.1。

本發明所提供的投影系統中，其中該第一透鏡組與該第二透鏡組的鏡片間距離大於等於10毫米且小於等於19毫米。

本發明所提供的投影系統中，其中該第二透鏡組僅包含一非球面透鏡，且該非球面透鏡的折射率大於等於1.48且小於等於1.75。

本發明所提供的投影系統中，其中該第二透鏡組僅包含一球面透鏡，且該球面透鏡的折射率大於等於1.75。

本發明所提供的投影系統中，其中該稜鏡組包含一第一稜鏡以及一第二稜鏡，其中該第一稜鏡包含一第一面以及相鄰接的一第二面，該入射光依序穿過該第一面及該第二面。該第二稜鏡設置於該第一稜鏡與該二軸翻轉式數位微鏡裝置之間，該第二稜鏡包含一第三面、一第四面以及一第五面，該第三面鄰接於該第四面以及該第五面，該第四面面向該二軸翻轉式數位微鏡裝置，該入射光依序穿過該第三面、該第四面傳遞至該二軸翻轉式數位微鏡裝置且轉化為該成像光，該成像光依序穿過該第四面、經該第三面反射、穿過該第五面傳遞至該鏡頭。其中該第二透鏡組與該第一稜鏡重疊。

本發明所提供的投影系統中，其中該二軸翻轉式數位微鏡裝置為具有相對二第一長邊與相對二第一短邊的一第一矩形，該第二稜鏡的該第四面為具有相對二第二長邊與相對二第二短邊的一第二矩形，且該些第二長邊平行於該些第一長邊，該些第二短邊平行於該些第一短邊。

本發明所提供的投影系統中，其中該第一透鏡組設置於該第一稜鏡與該光源模組之間，該第二透鏡組設置於該第一透鏡組與該第一稜鏡之間，該鏡頭面對該第二稜鏡的該第五面。

本發明所提供的投影系統中，其中該第一稜鏡的折射率小於該第二稜鏡的折射率。

本發明所提供的投影系統中，其中該第二稜鏡為一等腰直角三角形稜鏡柱體，且該第二稜鏡的折射率大於等於1.6。

本發明所提供的投影系統中，另包含一反射模組以及一遮光件。該反射模組設置於該第一透鏡組與該第二透鏡組之間，該反射模組用以將來自該第一透鏡組的該入射光反射至該第二透鏡組。該遮光件設置於該第一透鏡組與該反射模組之間。

本發明所提供的投影系統中，其中該投影系統為遠心投影系統。

本發明的目的就是在提供一種投影系統，藉由其優化的元件空間配置以及光路架構設計，有效降低投影系統的高度，進而縮小投影機的整體體積。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能及結構上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」或「連接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣或結構連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接/連接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣/結構連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣/結構連接至該第二裝置。

請參考第1圖，第1圖為本發明具有單一前群透鏡的投影系統的一實施例的元件架構示意圖。本實施例的投影系統2為遠心(telecentric)投影系統，其包含了一光源模組201、一第一透鏡組202、一第二透鏡組203、一稜鏡組、一二軸翻轉式數位微鏡裝置21以及一鏡頭24。其中，光源模組201、第一透鏡組202以及第二透鏡組203組成了投影系統2的照明單元20，照明單元20的光源模組201用以發出一入射光A。二軸翻轉式數位微鏡裝置21被玻璃(cover glass)25覆蓋且用以接收照明單元20所發出的入射光A並轉換成一成像光B。特別說明的是，二軸翻轉式數位微鏡裝置21為德州儀器的TRP(Tilt & Roll Pixel) DLP□ Pico ^TM晶片組，具有多個微鏡(未圖示)用來反射入射光A為成像光B。

稜鏡組包含了一第一稜鏡22以及一第二稜鏡23，設置於光源模組20與二軸翻轉式數位微鏡裝置21之間。第一透鏡組202設置於第一稜鏡22與光源模組201之間且靠近光源模組201，第二透鏡組203設置於第一透鏡組202與第一稜鏡22之間。光源模組201包括光源LS以及導光元件LG，光源LS發出入射光A，導光元件LG設置於光源LS與第一透鏡組202之間。上述導光元件LG、第一透鏡組202以及第二透鏡組203的功能皆是在於傳遞光源LS所發出的入射光A，且第一透鏡組202與第二透鏡組203具有聚焦的物理特性，並透過此一特性來集束入射光A，使得入射光A能夠準確地投射在二軸翻轉式數位微鏡裝置21。本實施例之照明單元20另外包括了一反射模組204。反射模組204設置於第一透鏡組202與第二透鏡組203之間，反射模組204用來將來自第一透鏡組202的入射光A反射至第二透鏡組203。另外，在照明單元20中，也可於第一透鏡組202與反射模組204之間設置遮光件205。當第一透鏡組202將入射光A聚焦於反射模組204的前方時，利用遮光件205阻擋不必要的光線進入到鏡頭24中，進而有效提高成像品質。特別說明的是，在本實施例之投影系統2的元件架構中配置反射模組204以及遮光件205僅為本發明的其中之一實施例，本發明並不以此為限，在其它的實施例中，可以視產品的實際需求而將反射模組204以及遮光件205從投影系統2的元件架構中移除。

本發明在維持一定的成像表現的前提下，對投影系統2的構成元件數量以及體積進行進一步的極小化，因此在本發明的實施例中，第一透鏡組202（照明單元20的前群透鏡）僅包含一個第一透鏡Ls1，而第二透鏡組203（照明單元20的後群透鏡）僅包括一個第二透鏡Ls2，也就是說，投影系統2的照明單元20僅採用兩個透鏡來集束入射光A以投射至二軸翻轉式數位微鏡裝置21，這樣可進一步縮短投影系統2的長度。第一透鏡Ls1位於光源模組201的導光元件LG與反射模組204之間，第二透鏡Ls2位於反射模組204與第一稜鏡22之間。更具體而言，第一透鏡Ls1為一非球面透鏡，第二透鏡Ls2則可以是球面透鏡或非球面透鏡。其中，第一透鏡Ls1的折射率大於等於1.67，如此，當前群的第一透鏡Ls1配置為高折射率的單一非球面透鏡時，可以維持較小的影像變形及修正像差(Optical aberration)。而當第二透鏡Ls2是非球面透鏡時，其折射率大於等於1.48且小於等於1.75，而當第二透鏡Ls2是球面透鏡時，為折射率大於等於1.75，如此，當後群的第二透鏡Ls2配置為低折射率的單一非球面透鏡，或是高折射率的單一球面透鏡時，以維持較小的影像變形，達到修正像差(Optical aberration)的目的。

在本實施例中，第一透鏡Ls1具有面向反射模組204的出光面F6，第二透鏡Ls2具有面向反射模組204的入光面F7，第一透鏡Ls1的出光面F6與反射模組204相距第一距離D1，反射模組204與第二透鏡Ls2的入光面F7相距第二距離D2。在本實施例中，第一距離D1與第二距離D2的總和，也就是第一透鏡組202與第二透鏡組203的鏡片間距離大於等於10毫米且小於等於19毫米。更進一步地，第二透鏡組203的（後群）有效焦距與第一透鏡組的（前群）有效焦距的比值大於等於1.8且小於等於2.1，換言之，第一透鏡組202與第二透鏡組203的放大倍率（Magnification）即為前述數值，其代表了二軸翻轉式數位微鏡裝置21的有效面積（即微鏡總面積）與導光元件LG出光端面積的比值。在此架構下，後群透鏡與前群透鏡的有效焦距的比值（放大倍率）若高於前述上限，表示導光元件LG的出光端面積過小、導光元件LG出光少、導致投影較暗；若後群透鏡與前群透鏡的有效焦距的比值低於前述下限，表示導光元件LG的出光端面積過大、入射光A經第一透鏡組202與第二透鏡組203形成之光斑面積溢出（overfill）二軸翻轉式數位微鏡裝置21的有效面積（即微鏡總面積）、溢出損耗（overfill losses，即多餘的入射光）過多，容易形成雜散光於照明單元20中而影響投影影像的對比度。在以上針對第一透鏡組202以及第二透鏡組203的優化設定之後，本實施例之投影系統2能夠在光路不受機構干涉的影響下，進一步有效達成縮小整體體積以及元件數量的目的，並且當投影系統2使用更為先進的0.37英吋（或更小）的二軸翻轉式數位微鏡裝置21時，其所產生的光學表現與第一透鏡組具有兩個（或以上）的透鏡的系統幾乎無差異。

請參考第1圖至第3圖，其中第2圖為第1圖所示的投影系統的元件架構的局部放大示意圖，第3圖為第1圖所示的投影系統的元件架構的俯視示意圖。如第1圖至第3圖所示，二軸翻轉式數位微鏡裝置21的外觀構形可以是矩形的平面裝置，其為具有相對的二第一長邊211與相對的二第一短邊212的一第一矩形。更具體而言，在本實施例中，二軸翻轉式數位微鏡裝置21的多個微鏡(在本圖中未繪示出)可翻轉於開啟(ON)、關閉(OFF)兩狀態，當微鏡為開啟狀態時，各微鏡先後沿著二對角線各翻轉第一角度(例如12度)，等效相對於第一長邊211方向(X軸向)翻轉第二角度(例如17度)，用以將入射光A以第三角度(大約34~36度)反射為成像光B。第一稜鏡22設置於照明單元20與二軸翻轉式數位微鏡裝置21之間，第一稜鏡22包括第一面F1以及與第一面F1相鄰接的第二面F2。第二稜鏡23設置於第一稜鏡22與二軸翻轉式數位微透鏡裝置21之間，且第二稜鏡23包括第三面F3、第四面F4以及第五面F5，其中第三面F3鄰接於第四面F4與第五面F5，第四面F4面向二軸翻轉式數位微鏡裝置21，第五面F5面向鏡頭24。第二稜鏡23的第四面F4可以是矩形，其為具有相對二第二長邊231與相對二第二短邊232的一第二矩形，且第二稜鏡23的第二長邊231平行於二軸翻轉式數位微鏡裝置21的第一長邊211，第二稜鏡23的第二短邊232平行於二軸翻轉式數位微鏡裝置21的第一短邊212。在本實施例中，第二稜鏡23可以是一等腰直角三角形稜鏡柱體，但本發明並不以此為限。鏡頭24相對於第二稜鏡的第五面F5，鏡頭24用以接收並投射成像光B。

在本實施例中，第二透鏡Ls2所具有面向第一稜鏡22的出光面F8與第一稜鏡22的第一面F1之間具有間隙，但本發明並不以此為限，在其它實施例中，第二透鏡Ls2的出光面F8也可以以黏合或其他固接的方式與第一稜鏡22的第一面F1彼此重疊，以進一步降低系統的整體高度，達到薄型化的目的。另外在本實施例中，第一稜鏡22的第二面F2接觸於第二稜鏡23的第三面F3，並且第一稜鏡22的折射率小於第二稜鏡23的折射率。具體而言，第一稜鏡22的折射率較佳地約為1.51633，而第二稜鏡23的折射率大於等於1.6（較佳地約為1.666718）以確保成像光B於第三面F3發生全反射，但本發明並不以此為限。此外，第一稜鏡22的材質可以是OHARA公司所製造型號為S-BSL7的玻璃材料，第二稜鏡23可以是OHARA公司所製造型號為S-BAH11的玻璃材料，但本發明並不以此為限。在本發明的其它實施例中，第一稜鏡22的第二面F2與第二稜鏡23的第三面F3之間也可具有空氣介質，也就是在第一稜鏡22的第二面F2與第二稜鏡23的第三面F3之間具有間隙。在這樣的情況下，則可不需要考慮第一稜鏡22與第二稜鏡23的折射率。

以下就本實施例之投影系統2的入射光A以及成像光B的光路行進過程作更一步的描述。如第1圖與第2圖所示，本實施例之光源LS發出入射光A後隨即被導光元件LG接收。在本實施例中，導光元件LG可以是楔形(Wedge)的光導管，也就是導光元件LG接收入射光A之入光面積大於輸出入射光A之出光面積，因此可以有效提升收光量(coupling efficiency)。當入射光A依序穿過導光元件LG、第一透鏡Ls1、遮光件205、反射模組204以及第二透鏡Ls2後，入射光A垂直入射於第一稜鏡22的第一面F1，亦即入射光A入射的方向平行於第一面F1的法向量(Normal Vector)。入射光A於第一稜鏡22內依光路L1前進，依序穿過第一稜鏡22的第二面F2以及第二稜鏡23的第三面F3與第四面F4直到被二軸翻轉式數位微鏡裝置21反射轉化成為成像光B。具體而言，二軸翻轉式數位微鏡裝置21分別於X軸及Y軸具有第一長邊211與第一短邊212，而第二稜鏡23的第四面F4分別於X軸及Y軸具有第二長邊231與第二短邊232。由於第二稜鏡23的第二長邊231平行於二軸翻轉式數位微鏡裝置21的第一長邊211，因此入射光A沿光路L1入射二軸翻轉式數位微鏡裝置21於X-Y平面可視為入射光A朝二軸翻轉式數位微鏡裝置21的第一長邊211入射(如第3圖所示)。於X-Y平面中，入射光A以大致平行Y軸且垂直X軸的方向入射二軸翻轉式數位微鏡裝置21，經多個微鏡反射成與Z軸夾34 ⁰的成像光B。成像光B於第二稜鏡23內依光路L2前進，依序穿過第二稜鏡23的第四面F4直到被第二稜鏡23的第三面F3反射，此處的反射可以是全反射(Total Internal Reflection)。因此，成像光B經由反射後仍會在相同介質(第二稜鏡23)內傳輸，而成像光B經由第三面F3被全反射後，沿光路L3前進，最後穿過第二稜鏡23的第五面F5而傳遞至投影系統2的鏡頭24。

本發明實施例之投影系統2，使用二軸翻轉式數位微鏡裝置(即TRP(Tilt & Roll Pixel) DLP□ Pico ^TMchipset)，由於第二稜鏡23的第二長邊231平行於二軸翻轉式數位微鏡裝置21的第一長邊211，因此，入射光A沿光路L1入射二軸翻轉式數位微鏡裝置21於X-Y平面可視為入射光A朝二軸翻轉式數位微鏡裝置21的第一長邊211入射。根據二軸翻轉式數位微鏡裝置21的特性來進行元件的空間配置以及光路的設計，使得稜鏡組(第一稜鏡22與第二稜鏡23的組合)與數位微鏡裝置之間不會有多餘的夾角，此外，在設計了具有特定規格的照明單元後，使得前群的第一透鏡組可僅使用一個非球面透鏡，後群的第二透鏡組也僅使用一個透鏡，仍能維持一定的成像表現。因此，元件的空間配置以及光路的設計都能進一步得到優化，進而達成縮小投影機體積的目的。 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。

2‧‧‧投影系統

20‧‧‧照明單元

21‧‧‧二軸翻轉式數位微鏡裝置

22‧‧‧第一稜鏡

23‧‧‧第二稜鏡

24‧‧‧鏡頭

25‧‧‧玻璃

201‧‧‧光源模組

202‧‧‧第一透鏡組

203‧‧‧第二透鏡組

204‧‧‧反射模組

205‧‧‧遮光件

211‧‧‧第一長邊

212‧‧‧第一短邊

231‧‧‧第二長邊

232‧‧‧第二短邊

LS‧‧‧光源

LG‧‧‧導光元件

Ls1‧‧‧第一透鏡

Ls2‧‧‧第二透鏡

F1‧‧‧第一面

F2‧‧‧第二面

F3‧‧‧第三面

F4‧‧‧第四面

F5‧‧‧第五面

F6,F8‧‧‧出光面

F7‧‧‧入光面

D1‧‧‧第一距離

D2‧‧‧第二距離

A‧‧‧入射光

B‧‧‧成像光

第1圖為本發明具有單一前群透鏡的投影系統的一實施例的元件架構示意圖。 第2圖為第1圖所示的投影系統的元件架構的局部放大示意圖。 第3圖為第1圖所示的投影系統的元件架構的俯視示意圖。

Claims (12)

1. 一種單一前群透鏡的投影系統，包含有：一光源模組，用以發出一入射光；一二軸翻轉式數位微鏡裝置，用以接收該入射光並轉換成一成像光，該二軸翻轉式數位微鏡裝置為具有相對二第一長邊與相對二第一短邊的一第一矩形；一稜鏡組，設置於該光源模組與該二軸翻轉式數位微鏡裝置之間，該稜鏡組包含一第一稜鏡以及一第二稜鏡，其中：該第一稜鏡包含一第一面以及相鄰接的一第二面，該入射光依序穿過該第一面及該第二面；該第二稜鏡設置於該第一稜鏡與該二軸翻轉式數位微鏡裝置之間，該第二稜鏡包含一第三面、一第四面以及一第五面，該第三面鄰接於該第四面以及該第五面，該第四面面向該二軸翻轉式數位微鏡裝置；該第二稜鏡的該第四面為具有相對二第二長邊與相對二第二短邊的一第二矩形，且該些第二長邊平行於該些第一長邊，該些第二短邊平行於該些第一短邊；一第一透鏡組，設置於該稜鏡組與該光源模組之間且靠近該光源模組，用以傳遞該入射光，該第一透鏡組僅包含一非球面透鏡；一第二透鏡組，設置於該第一透鏡組與該稜鏡組之間，用以傳遞來自該第一透鏡組的該入射光，該第二透鏡組僅包含一透鏡；以及一鏡頭，用以接收並投射該成像光；其中該入射光依序穿過該第三面、該第四面傳遞至該二軸翻轉式數位微鏡裝置且轉化為該成像光，該成像光依序穿過該第四面、經該第三面反射、穿過該第五面傳遞至該鏡頭。
2. 如請求項1所述的投影系統，其中該第一透鏡組的該非球面透鏡的折射率大於等於1.67。
3. 如請求項1所述的投影系統，其中該第二透鏡組的後群有效焦距與該第一透鏡組的前群有效焦距的比值大於等於1.8且小於等於2.1。
4. 如請求項1所述的投影系統，其中該第一透鏡組與該第二透鏡組的鏡片間距離大於等於10毫米且小於等於19毫米。
5. 如請求項1所述的投影系統，其中該第二透鏡組僅包含一非球面透鏡，且該非球面透鏡的折射率大於等於1.48且小於等於1.75。
6. 如請求項1所述的投影系統，其中該第二透鏡組僅包含一球面透鏡，且該球面透鏡的折射率大於等於1.75。
7. 如請求項1所述的投影系統，其中該第二透鏡組與該第一稜鏡重疊。
8. 如請求項1所述的投影系統，其中該第一透鏡組設置於該第一稜鏡與該光源模組之間，該第二透鏡組設置於該第一透鏡組與該第一稜鏡之間，該鏡頭面對該第二稜鏡的該第五面。
9. 如請求項1所述的投影系統，其中該第一稜鏡的折射率小於該第二稜鏡的折射率。
10. 如請求項1所述的投影系統，其中該第二稜鏡為一等腰直角三角形稜鏡柱體，且該第二稜鏡的折射率大於等於1.6。
11. 如請求項1所述的投影系統，另包含：一反射模組，設置於該第一透鏡組與該第二透鏡組之間，該反射模組用以將來自該第一透鏡組的該入射光反射至該第二透鏡組；以及一遮光件，設置於該第一透鏡組與該反射模組之間。
12. 如請求項1所述的投影系統，其中該投影系統為一遠心投影系統。