TWI664486B - 無稜鏡模組、非遠心架構的投影機 - Google Patents

無稜鏡模組、非遠心架構的投影機 Download PDF

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本發明係於具有(17度翻轉角度的)二軸翻轉式數位微鏡元件的投影機中，優化光源模組以及透鏡組的位置，使得自光源模組沿著第一光路所提供的入射光，經由透鏡組放大處理後，沿第二光路將入射光提供至二軸翻轉式數位微鏡元件，並且於透鏡組的第一群透鏡採用特定規格的兩個球面透鏡或一個非球面透鏡，第二群透鏡採用特定規格的一個非球面透鏡。如此一來，在具有無稜鏡模組、非遠心架構的投影機中，不需使用全反射稜鏡，可以進一步減少系統中的元件數量、降低成本與提高效率。

Description

無稜鏡模組、非遠心架構的投影機
本發明有關一種投影機，尤指一種具有二軸翻轉式數位微鏡元件的數位光處理投影機。
數位光處理(digital light processing,DLP)投影機主要分為有全反射稜鏡(total internal reflection,TIR)以及無全反射稜鏡的架構。無全反射稜鏡架構的投影機省略了全反射稜鏡的建製成本，相較於具有全反射稜鏡的投影機可提高效率以及具有成本上的優勢。然而主流的DLP投影機因其中的數位微鏡元件(digital micromirror device,DMD)單軸翻轉的設計，使得DMD前端的光源/導光管以及透鏡組必須以特定的入射角提供光線，如第9圖所示，第9圖為習知投影機9的元件架構示意圖，傳統的投影機9包含了數位微鏡裝置90，全反射(Total Internal Reflection，TIR)稜鏡組91，反射鏡92，透鏡模組93，以及導光管(Light Pipe)94。 在傳統投影機9中，光線經由導光管94穿過透鏡模組93，再經由反射鏡92反射至全反射稜鏡組91，最後經由數位微鏡裝置90將成像光傳至鏡頭而投射至螢幕上。然而，傳統投影機9中繞單軸旋轉的數位微鏡裝置90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91相對數位微鏡裝置90傾斜一角度設置(例如45度)，這將導致傳統投影機9的體積受到限制，在追求微小化投影機的今日，傳統投影機9過大的體積將導致便利性不足而逐漸失去競爭力。 此外，由於透鏡組配置位置的限制，在設計傳統的無全反射稜鏡架構的DLP投影機時，常面臨DMD出射光路與鏡頭透鏡組干涉的難題。
為了解決上述問題，本發明其中一實施例中提供了一種無稜鏡模組、非遠心架構的投影機，包含有一光源模組、一二軸翻轉式數位微鏡元件、一透鏡組以及一投影鏡頭。該光源模組用以提供一入射光，該二軸翻轉式數位微鏡元件用以接收該入射光並轉化為一成像光。該透鏡組設置於該光源模組與該二軸翻轉式數位微鏡元件之間，該透鏡組用以傳遞該入射光至該二軸翻轉式數位微鏡元件，該透鏡組僅包含一第一群透鏡以及一第二群透鏡，該第二群透鏡與該第一群透鏡的一有效焦距比值大於等於1.4且小於等於1.8。該投影鏡頭用以接收並投射該成像光。
本發明另一個實施例提供了一種無稜鏡模組、非遠心架構的投影機，包含有一光源模組、一二軸翻轉式數位微鏡元件、一透鏡組以及一投影鏡頭。該光源模組用以提供一入射光，該二軸翻轉式數位微鏡元件用以接收該入射光並轉化為一成像光。該透鏡組設置於該光源模組與該二軸翻轉式數位微鏡元件之間，該透鏡組用以傳遞該入射光至該二軸翻轉式數位微鏡元件，該透鏡組僅包含一第一群透鏡以及一第二群透鏡，該第一群透鏡僅為兩個球面透鏡。 該投影鏡頭用以接收並投射該成像光。
本發明又一個實施例提供了一種無稜鏡模組、非遠心架構的投影機，包含有一光源模組、一二軸翻轉式數位微鏡元件、一透鏡組以及一投影鏡頭。該光源模組用以提供一入射光，該二軸翻轉式數位微鏡元件用以接收該入 射光並轉化為一成像光。該透鏡組用來傳遞該入射光，該透鏡組僅包含一第一群透鏡以及一第二群透鏡，該第一群透鏡僅為一個非球面透鏡。該投影鏡頭用以接收並投射該成像光。
本發明的實施例所提供的無稜鏡模組、非遠心架構的投影機中，其中該第一群透鏡設置於該光源模組與該二軸翻轉式數位微鏡元件之間，該第二群透鏡設置於該第一群透鏡與該二軸翻轉式數位微鏡元件之間。
本發明的實施例所提供的無稜鏡模組、非遠心架構的投影機中，其中該第二群透鏡另設置於該二軸翻轉式數位微鏡元件與該投影鏡頭之間。
本發明的實施例所提供的無稜鏡模組、非遠心架構的投影機中，其中該第一群透鏡的該兩個球面透鏡的一間距大於等於5毫米且小於等於15毫米。
本發明的實施例所提供的無稜鏡模組、非遠心架構的投影機中，其中該第一群透鏡的該非球面透鏡的折射率大於等於1.69且小於等於1.85。
本發明的實施例所提供的無稜鏡模組、非遠心架構的投影機中，其中該第二群透鏡僅為一非球面透鏡，該非球面透鏡的折射率大於等於1.48且小於等於1.75。
本發明的實施例所提供的無稜鏡模組、非遠心架構的投影機中，其中該透鏡組的各透鏡分別具有一中心軸，該等中心軸彼此錯位。
本發明的投影機，不使用稜鏡模組的非遠心架構中，在第一群透鏡僅使用一個非球面透鏡或兩個球面透鏡的配置下，可進一步降低系統的元件成本，並解決透鏡組與投影鏡頭的干涉問題。
1,2,3,4,5,9‧‧‧投影機
10‧‧‧光源模組
11,94‧‧‧導光管
20‧‧‧第一群透鏡
21,22‧‧‧球面透鏡
23‧‧‧非球面透鏡
30‧‧‧第二群透鏡
40‧‧‧透鏡組
50‧‧‧二軸翻轉式數位微鏡元件
52‧‧‧微鏡
60‧‧‧投影鏡頭
70,92‧‧‧反射鏡
90‧‧‧數位微鏡裝置
91‧‧‧全反射稜鏡組
93‧‧‧透鏡模組
A‧‧‧入射光
B‧‧‧成像光
D1‧‧‧間距
R1‧‧‧第一光路
R2‧‧‧第二光路
R3‧‧‧第三光路
X,Y,Z‧‧‧軸
θ‧‧‧微鏡光路夾角
O1‧‧‧第一對角軸
O2‧‧‧第二對角軸
第1圖以及第2圖為本發明所提供的無稜鏡模組、非遠心架構的投影機一第一實施例的各元件於不同視角的相對位置示意圖。
第3圖為本發明的投影機一第二實施例的各元件的示意圖。
第4圖為本發明的投影機一第三實施例的各元件的示意圖。
第5圖為投影機1的二軸翻轉式數位微鏡元件50將入射光A轉化為成像光B的光路示意圖。
第6圖以及第7圖為本發明的投影機一第四實施例的各元件於不同視角的相對位置示意圖。
第8圖為本發明的投影機一第五實施例的示意圖。
第9圖為習知投影機的元件架構示意圖。
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圖以及第2圖，其為本發明所提供的無稜鏡模組、非遠心投影機一第一實施例的各元件於不同視角的相對位置示意圖。投影機1為一種數位光處理(digital light processing,DLP)投影機，其包含一光源模組10、一透鏡組40、一二軸翻轉式數位微鏡元件50以及一投影鏡頭60。其中，光源模組10、透鏡組40組成了投影機1的照明單元，光源模組10用以發出一入射光A。特別說明的是，二軸翻轉式數位微鏡裝置50為德州儀器的TRP(Tilt & Roll Pixel)DLP® PicoTM晶片組，具有多個微鏡(如第5圖)，用來將入射光A反射而形成一成像光B。 透鏡組40設置於光源模組10與二軸翻轉式數位微鏡元件50之間。光源模組10包含光源(未圖示)及導光管11，光源模組10沿著一第一光路R1提供入射光A，經由透鏡組40傳遞放大後，由透鏡組40沿著一第二光路R2將該入射光A傳遞至二軸翻轉式數位微鏡元件50，而二軸翻轉式數位微鏡元件50接收入射光A並轉化為成像光B，並沿著一第三光路R3反射成像光B，而投影鏡頭60則接收並投射出成像光B。
本發明的透鏡組40僅包含了一第一群透鏡20以及一第二群透鏡30，在非遠心架構，且具有二軸翻轉DMD的架構下，第二群透鏡30(照明單元的後群透鏡)與第一群透鏡20(照明單元的前群透鏡)的一有效焦距比值大於等於1.4且小於等於1.8，換言之，透鏡組40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元件50的有效面積(即微鏡總面積)與導光管11出光端面積的比值。在此架構下，照明單元的後群透鏡與前群透鏡的該有 效焦距比值若高於前述上限，表示導光管11的出光端面積過小、導光管11出光少、導致投影較暗；若後群透鏡與前群透鏡的該有效焦距比值低於前述下限，表示導光管11的出光端面積過大、入射光A經透鏡組40形成之光斑面積溢出(overfill)二軸翻轉式數位微鏡元件50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，容易形成雜散光而影響投影影像的對比度。具體而言，第一群透鏡20設置於光源模組10與二軸翻轉式數位微鏡元件50之間，第二群透鏡30設置於第一群透鏡20與二軸翻轉式數位微鏡元件50之間。於第1圖以及第2圖的實施例中，第一群透鏡20僅由兩個球面透鏡21,22所構成，並且兩個球面透鏡21,22兩鏡片間的一間距D1大於等於5毫米且小於等於15毫米。第二群透鏡30僅為一非球面透鏡，且該非球面透鏡的折射率大於等於1.48且小於等於1.75。如此可以節省投影機1的成本，並且仍維持較小的影像變形與像差。
請參考第3圖，第3圖為本發明的投影機一第二實施例的各元件的示意圖。在第二實施例中，第二群透鏡30(照明單元的後群透鏡)設置於第一群透鏡20(照明單元的前群透鏡)與二軸翻轉式數位微鏡元件50之間，第二群透鏡30亦位於二軸翻轉式數位微鏡元件50與投影鏡頭60之間，可以避免第二群透鏡30與投影鏡頭60的干涉，並且在此架構下，投影鏡頭60具有較大設計空間提供大範圍的縮放倍率(Zoom in/out)。
請參考第4圖，第4圖為本發明的投影機一第三實施例的各元件的示意圖。與第一實施例不同的是，為優化修正像差，第三實施例的投影機3的第一群透鏡20僅由一個非球面透鏡23所構成，且非球面透鏡23的折射率大於等於1.69且小於等於1.85。第三實施例的第一群透鏡20以一個非球面透鏡23取代第一實施 例中的兩個球面透鏡21,22，也能節省成本。
特別說明的是，本發明的投影機中照明單元的各透鏡皆為離軸設計，每一個透鏡分別具有一中心軸，而這些中心軸彼此錯位。也就是說，各透鏡中心並不位於同一光軸上，以修正各透鏡間光程差、系統像差、影像變形。
請參考第5圖，第5圖為投影機1的二軸翻轉式數位微鏡元件50將入射光A轉化為成像光B的光路示意圖。為便於說明，以二軸翻轉式數位微鏡元件50的水平邊以及垂直邊分別定義為實質上彼此垂直的X軸以及Y軸，而與第三光路R3平行(故而實質上與X軸、Y軸垂直)的方向定義為Z軸。二軸翻轉式數位微鏡元件50具有複數個正方形的微鏡52，彼此排列為M列N行的陣列，其中每一微鏡52可先後沿著一第一對角軸O1實質上轉動一特定角度(例如12度)，並沿著一第二對角軸O2實質上轉動一特定角度(例如12度)，使每一個微鏡52形成實質上具有17度的翻轉角度(相對於X-Y平面)，其中第一對角軸O1以及第二對角軸O2分別與X軸(以及與Y軸)實質上呈45度夾角，且彼此實質上垂直。相較於僅能沿著單一對角軸轉動12度的微鏡而言，在總面積不變的條件下，二軸翻轉式數位微鏡元件50的每一個微鏡52均具有更大的翻轉角度，使得其光學擴展量(Etendue，面積乘以翻轉角度)變大，可自透鏡組40收集到更多的光線以傳遞出去。
由於本發明的投影機1中的二軸翻轉式數位微鏡元件50具有17度翻轉角度的微鏡52，使得光源模組10以及透鏡組40可相對設置於二軸翻轉式數位微鏡元件50的水平邊(X軸)下方且傾斜提供入射光A給二軸翻轉式數位微鏡元件50，同時投影機1不需使用全反射稜鏡(total internal reflection,TIR)，更可以達 到節省成本與提高效率的目的。具體而言，如第2圖以及第5圖所示，入射光A依第二光路R2自光源模組10經透鏡組40至二軸翻轉式數位微鏡元件50設置後，成像光B依第三光路R3入射投影鏡頭60，第二光路R2實質上會垂直於X軸並且與第三光路R3之間具有一夾角θ。在本發明的較佳實施例中，考量非遠心投影機設計要求(鏡頭中心高於數位微鏡元件中心)及微鏡52翻轉角度，第二光路R2與第三光路R3夾角θ實質上介於36度與40度之間(較佳地，介於38.5度與39.5度之間)，也就是說透鏡組40在二軸翻轉式數位微鏡元件50的水平邊(X軸，長邊)下方以36度至40度斜角傾斜向二軸翻轉式數位微鏡元件50提供入射光A，可解決第二群透鏡30與投影鏡頭60的干涉問題。
在第1圖以及第2圖的第一實施例中，透鏡組40的第一群透鏡20以及第二群透鏡30之間並未對光路進行路徑的改變，因此第一實施例的第一光路R1以及第二光路R2實質上相同。然而本發明並不以此為限，請參考第6圖至第8圖，其中第6圖以及第7圖為本發明所提供的投影機一第四實施例的各元件於不同視角的相對位置示意圖，第8圖為本發明所提供的投影機一第五實施例的示意圖。 在第四實施例中，與第一實施例相同的元件以相同的編號表示，且此處不再贅述。第四實施例的投影機4中，照明單元另包含一反射鏡70，設置於透鏡組40的第一群透鏡20(照明單元的前群透鏡)以及第二群透鏡30(照明單元的後群透鏡)之間，反射鏡70可將沿著第一光路R1自第一群透鏡20出射之該入射光反射至第二群透鏡30，以使第二群透鏡30沿第二光路R2將該入射光提供至二軸翻轉式數位微鏡元件50。這樣的設計使得光源模組10以及第一群透鏡20可設置於相異於第一實施例的位置，以縮減投影機4於特定方向(如：X軸)上的尺寸、進一步縮小投影機4整體的體積，同時仍能維持第一群透鏡20與第二群透鏡30之間的光徑長度。在第四實施例中，反射鏡70分別與第一群透鏡20以及第二群透鏡30呈 45度夾角，因此第一光路R1以及第二光路R2彼此垂直，然而本發明不以此為限，第一光路R1以及第二光路R2亦可透過反射鏡70的適當配置而彼此呈任意一特定夾角。至於第8圖的第五實施例，與第4圖的第三實施例相同的元件以相同的編號表示，此處不再贅述，並且第五實施例中，照明單元另外包含了反射鏡70，設置於第一群透鏡20(照明單元的前群透鏡)以及第二群透鏡30(照明單元的後群透鏡)之間，同樣用來改變入射光的光路，以進一步縮小投影機5整體的體積，同時仍能維持第一群透鏡20與第二群透鏡30之間的光徑長度。
本發明的投影機針對具有17度翻轉角度的二軸翻轉式數位微鏡元件，設置光源模組以及透鏡組的位置，使得自光源模組沿著第一光路所提供的入射光，經由透鏡組放大處理後，沿第二光路將入射光提供至二軸翻轉式數位微鏡元件，並且在透鏡組的第一群透鏡採用特定規格的兩個球面透鏡或一個非球面透鏡，第二群透鏡採用特定規格的一個非球面透鏡。如此一來，在具有無稜鏡模組、非遠心架構的投影機中，不需使用全反射稜鏡，可以進一步減少系統中的元件數量、降低成本與提高效率。
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。

Claims (13)

  1. 一種無稜鏡模組、非遠心架構的投影機，包含有：一光源模組，用以提供一入射光；一二軸翻轉式數位微鏡元件，用以接收該入射光並轉化為一成像光；一透鏡組，設置於該光源模組與該二軸翻轉式數位微鏡元件之間，該透鏡組用以傳遞該入射光至該二軸翻轉式數位微鏡元件，該透鏡組僅包含一第一群透鏡以及一第二群透鏡，該第二群透鏡與該第一群透鏡的一有效焦距比值大於等於1.4且小於等於1.8；以及一投影鏡頭，用以接收並投射該成像光。
  2. 如請求項1所述的投影機，其中該第一群透鏡僅為兩個球面透鏡。
  3. 如請求項2所述的投影機，其中該兩個球面透鏡的一間距大於等於5毫米且小於等於15毫米。
  4. 如請求項1所述的投影機，其中該第一群透鏡僅為一非球面透鏡。
  5. 如請求項4所述的投影機，其中該非球面透鏡的折射率大於等於1.69且小於等於1.85。
  6. 如請求項1所述的投影機，其中該第二群透鏡僅為一非球面透鏡，該非球面透鏡的折射率大於等於1.48且小於等於1.75。
  7. 一種無稜鏡模組、非遠心架構的投影機，包含有：一光源模組，用以提供一入射光；一二軸翻轉式數位微鏡元件，用以接收該入射光並轉化為一成像光；一透鏡組，設置於該光源模組與該二軸翻轉式數位微鏡元件之間，該透鏡組用以傳遞該入射光至該二軸翻轉式數位微鏡元件，該透鏡組僅包含一第一群透鏡以及一第二群透鏡，該第一群透鏡僅包含兩個球面透鏡，該第二群透鏡僅為一非球面透鏡，該非球面透鏡的折射率大於等於1.48且小於等於1.75；以及一投影鏡頭，用以接收並投射該成像光。
  8. 如請求項7所述的投影機，其中該兩個球面透鏡的一間距大於等於5毫米且小於等於15毫米。
  9. 一種無稜鏡模組、非遠心架構的投影機，包含有：一光源模組，用以提供一入射光；一二軸翻轉式數位微鏡元件，用以接收該入射光並轉化為一成像光；一透鏡組，用來傳遞該入射光，該透鏡組包含一第一群透鏡以及一第二群透鏡，該第一群透鏡僅包含一個非球面透鏡，該第一群透鏡的該非球面透鏡的折射率大於等於1.69且小於等於1.85；以及一投影鏡頭，用以接收並投射該成像光。
  10. 如請求項9所述的投影機，其中該第二群透鏡僅為一非球面透鏡，該非球面透鏡的折射率大於等於1.48且小於等於1.75。
  11. 如請求項1,7,9所述的投影機，其中該第一群透鏡設置於該光源模組與該二軸翻轉式數位微鏡元件之間，該第二群透鏡設置於該第一群透鏡與該二軸翻轉式數位微鏡元件之間。
  12. 如請求項11所述的投影機，其中該第二群透鏡另設置於該二軸翻轉式數位微鏡元件與該投影鏡頭之間。
  13. 如請求項1,7,9所述的投影機，其中該透鏡組的各透鏡分別具有一中心軸，該等中心軸彼此錯位。
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