TWI737875B - 光路調整機構及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種光路調整機構包含第一對彈性件、第二對彈性件、框架及承載架。框架內側與第一對彈性件連接，框架外側與第二對彈性件連接，且框架與第一對彈性件、第二對彈性件一體成型。承載架設於框架內，並以第一對彈性件與框架連結，光學元件設在承載架上，且框架對應的兩端設有一體成型的彎折結構。

Description

光路調整機構及其製造方法
本發明關於一種光路調整機構。
近年來，各種影像顯示技術已廣泛地應用於日常生活上。於一影像顯示裝置中，例如可設置一光路調整機構改變光線於裝置內的行進光路，以提供例如提高成像解析度、改善畫面品質等各種效果。然而，習知光路調整機構的構件數目、重量、體積均較大，難以進一步微型化。因此，亟需一種結構簡單、可靠度高且可大幅減少重量及體積的光路調整機構設計。
「先前技術」段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在「先前技術」段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在「先前技術」段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明的其他目的和優點可以從本發明實施例所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
根據本發明的一個觀點，提供一種光路調整機構，包含第一對彈性件、第二對彈性件、框架及承載架。框架內側與第一對彈性件連接，框架外側與第二對彈性件連接，且框架與第一對彈性件、第 二對彈性件一體成型。承載架設於框架內，並以第一對彈性件與框架連結，光學元件設在承載架上，且框架對應的兩端設有一體成型的彎折結構。
根據本發明的另一個觀點，一種光路調整機構，包含外框、支撐座及光學元件。支撐座設於外框內，並以第一連接機件及第二連接機件與外框連結。光學元件設在支撐座上，且支撐座的外緣設有一體成型向上彎折的結構。
根據本發明的上述觀點，因磁力致動組的部分結構(例如永磁體或電磁鐵)直接設置於支撐座，可減少光路調整機構整體的體積、重量或元件數，故利於將光路調整機構小型化或薄型化以搭配各種微型電子裝置，且可設計僅單側具有磁力致動組以進一步減少體積及重量並降低製造成本。再者，設於支撐座的彎折結構可提高支撐座的結構強度，以減少作動時的變形量及軸向承受的扭力，且藉由調整彎折結構的配置可控制支撐座的自然頻率避免共振現象。
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，下文特舉實施例並配合所附圖式，作詳細說明如下。
100、200、300‧‧‧光路調整機構
110‧‧‧支撐座
112‧‧‧框架
114‧‧‧承載架
116‧‧‧彎折結構
120‧‧‧光學元件
132、134‧‧‧彈性件對
134a、134b‧‧‧連接機件
140‧‧‧外框
150‧‧‧磁力致動組
152、154、156、158‧‧‧電磁鐵
160‧‧‧壓電元件
162、164、166、168‧‧‧永磁體
310‧‧‧照明系統
312‧‧‧光源
312R、312G、312B‧‧‧發光二極體
314‧‧‧光束
314a‧‧‧子影像
316‧‧‧合光裝置
317‧‧‧集光柱
318‧‧‧鏡片組
319‧‧‧內部全反射稜鏡
320‧‧‧數位微鏡裝置
330‧‧‧投影鏡頭
350‧‧‧螢幕
400‧‧‧光學裝置
D‧‧‧對角線
N、S‧‧‧磁極
圖1為本發明一實施例之光路調整機構的示意圖。
圖2A及圖2B為圖1之光路調整機構的側視圖。
圖3為本發明另一實施例之光路調整機構的示意圖。
圖4A、4B、5A、5B為繪示一磁力致動組的磁作用示意圖。
圖6為本發明另一實施例之光路調整機構的構件分解圖。
圖7為本發明另一實施例的致動組件的示意圖。
圖8為本發明一實施例的光路調整機構應用於一光學系統 的示意圖。
圖9A-9J為本發明不同實施例之支撐座結構的示意圖。
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、左、右、前或後等，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並非用來限制本發明。
下述實施例中之揭露內容揭示一種光路調整機構，其可運用於不同光學系統(例如顯示裝置、投影裝置等等)以調整或變化光路俾提供例如提升成像解析度、提高影像品質(消除暗區、柔和化影像邊緣)等效果而不限定，且光路調整機構於光學系統中的設置位置及配置方式完全不限定。
圖1為本發明一實施例之光路調整機構的示意圖。如圖1所示，光路調整機構100包含一支撐座110、一光學元件120、一第一對彈性件132、一第二對彈性件134及一外框140。支撐座110包含一框架112及設於框架112內的承載架114，框架112的內側與第一對彈性件132連接，且框架112的外側與第二對彈性件134連接，承載架114設於框架112內，並以第一對彈性件132與框架112連結。因支撐座110的框架112外側利用第二對彈性件134連接至外框140，因此第二對彈性件134中的兩個彈性件可分別為支撐座110用以連結至外框140的一第一連接機件134a及一第二連接機件134b。光學元件120設在承載架114上，光學元件120例如可為一鏡片，且鏡片僅需能提供偏折光線的效果即可，其形式及種類並不限定，例如可為一透鏡(Lens)或一反射鏡(Mirror)。第二對彈性件134的兩端可藉由例如 螺絲或插銷的固定件分別連接並固定至外框140。支撐座110的外緣可設有補強結構，於本實施例中，補強結構可為與支撐座110一體成型的彎折結構116，且彎折結構116例如可於框架112對應的兩端向上彎折。需注意本領域之通常知識者當可理解可提高結構強度的補強結構並不限定為彎折結構，亦可為其他形式或外型的補強結構。彎折結構116可提高支撐座110的結構強度，以減少作動時的變形量及軸向承受的扭力，且藉由調整彎折結構116的配置可控制支撐座100的自然頻率以避免共振現象。彎折結構116的外型及分佈方式完全不限定，例如可為凸塊、折邊、彎角及擋牆等的至少其中之一。於一實施例中，彎折結構116可對稱分佈於支撐座110的兩對側以平衡兩側受力，但其並不限定。
圖9A-9J為本發明不同實施例之支撐座結構的示意圖。下表顯示不同實施例的彈性件(連接機件)的旋轉角度量及軸向扭力值的模擬數據，其中編號1-10分別對應圖9A-9J的支撐座樣本。比較一形態接近但無彎折結構的習知設計(一對照值為旋轉角度0.195度且X軸扭力值4.478N-mm)，由下表可清楚看出，圖9A-9J的不同的彎折結構配置方式，均能提供降低彈性件(連接機件)旋轉角度量及X軸扭力值的效果，故可減少作動時的變形量並提高元件使用壽命。
Figure 106145540-A0101-12-0004-1
Figure 106145540-A0101-12-0005-2
Figure 106145540-A0101-12-0005-3
於一實施例中，支撐座110、第一對彈性件132與第二對彈性件134的至少部分結構可為一體式結構以獲得例如減少零件數、簡化整體結構並縮短組裝工時的效果。於一實施例中，框架112、承載架114、第一對彈性件132及第二對彈性件134四者可利用相同材質(例如磁性材料)一體成型、其中兩個組件可先一體成形再與其餘元件組合、或者其中三個組件可先一體成形再與其餘元件組合均可。舉例而言，框架112與彎折結構116可與第一對彈性件132、第二對彈性件134利用相同材質(例如磁性材料)一體成型，或框架112與彎折結構116可與第一對彈性件132利用相同材質(例如磁性材料)一體成 型而不限定。
再者，請再參考圖1，一磁力致動組150可設於支撐座110下方，於本實施例中，磁力致動組150例如可包含設於支撐座110四個側邊的電磁鐵152、154、156、158，電磁鐵152、154可設於承載架114對應兩端的下方，且電磁鐵156、158可設於框架112對應兩端的下方。如圖2A所示，當電磁鐵152通電時可產生吸力吸引承載架114，使承載架114一端(例示為左端)朝下擺動，接著如圖2B所示，當電磁鐵154通電時可產生吸力吸引承載架114，使承載架114另一端(例示為右端)朝下擺動，因此當電磁鐵152、154交替通電可使承載架114連同其上的光學元件120以圖1所示的第一對彈性件132的軸向(Y軸方向)為軸心往復擺動或轉動。同理，如圖1所示，當電磁鐵156通電時可產生吸力吸引框架112的一端向下擺動，當電磁鐵158通電時可產生吸力吸引框架112相對的另一端向下擺動，因此當電磁鐵154及電磁鐵156交替通電時可使框架112的兩端輪流朝下擺動，使框架112連同其上的光學元件120可以圖1所示的第二對彈性件134的軸向(X軸方向)為軸心往復擺動或轉動。因此光學元件120可以產生兩個不同軸向上的轉動角度範圍，往復擺動或轉動至不同位置以將入射光偏折至不同方向，獲得調整或變化光線行進光路的效果。藉由本發明實施例的光路調整機構調整或變化光路，可視實際需求產生不同的效果，例如可用以提升投影解析度、提高影像品質(消除暗區、柔和化影像邊緣)等等而不限定。
藉由上述實施例的設計，因磁力致動組的部分結構(例如永磁體或電磁鐵)直接設置於支撐座，可減少光路調整機構整體的體積、重量或元件數，故利於將光路調整機構小型化或薄型化以搭配各種微型電子裝置，且可設計僅單側具有磁力致動組以進一步減少體積及重 量並降低製造成本。再者，設於支撐座的彎折結構可提高支撐座的結構強度，以減少作動時的變形量及軸向承受的扭力，且藉由調整彎折結構的配置可控制支撐座的自然頻率以避免共振現象。
圖3為本發明另一實施例之光路調整機構的示意圖。如圖3所示，光路調整機構200的磁力致動組150，包含設於支撐座110四個側邊的電磁鐵152、154、156、158及對應設於各個電磁鐵上方的永磁體162、164、166、168。電磁鐵152、154及永磁體162、164可設於承載架114對應兩端的下方，永磁體162、164可設於承載架114對應兩端的上方，電磁鐵156、158可設於框架112對應兩端的下方，且永磁體166、168可設於框架112對應兩端的上方，但磁力致動組150的配置不限定於此而可視實際需求加以變化。於一實施例中，如圖4A所示，永磁體162設於承載架114上且例如左側為S極且右側為N極，電磁鐵152的左側為N極且右側為S極可吸引永磁體162並使承載架114一端向下移動；如圖4B所示，永磁體164設於承載架114上且例如左側為S極且右側為N極，電磁鐵154的左側為S極且右側為N極可排斥永磁體164並使承載架114另一端向上移動，接著電磁鐵152、154再交換電流I的方向及磁極性使承載架114反向作動，如此交替變化即可使承載架114連同其上的光學元件120以第一對彈性件132的軸向(Y軸方向)為軸心往復擺動或轉動。再者，如圖5A所示，永磁體166設於框架112上且例如左側為S極且右側為N極，電磁鐵156的左側為N極且右側為S極可吸引永磁體166並使框架112一端向下移動；如圖5B所示，永磁體168設於框架112上且例如左側為S極且右側為N極，電磁鐵158的左側為S極且右側為N極可排斥永磁體164並使框架112另一端向上移動，接著電磁鐵156、158再交換電流I的方向及磁極性使框架112反向作 動，如此交替變化即可使框架112連同其上的光學元件120以第二對彈性件134的軸向(Y軸方向)為軸心往復擺動或轉動。因此光學元件120同樣可以產生兩個不同軸向上的轉動角度範圍，往復擺動或轉動至不同位置以將入射光偏折至不同方向的效果。於本實施例中，因同時利用交替變化的磁吸力及磁斥力驅動光學元件120，故可提高驅動光學元件120的力量，獲得增大光學元件120的擺盪幅度及可旋轉角度範圍的效果。基於此一設計，即使僅單側具有磁力致動組150仍可能提供足夠的轉動角度範圍，例如可如圖6所示，於另一實施例中，可省略電磁鐵154、156及對應的永磁體164、166，光路調整機構300僅利用電磁鐵152交替地吸引及排斥永磁體162使承載架114連同其上的光學元件120以Y軸方向為軸心往復擺動或轉動，且僅利用電磁鐵158交替地吸引及排斥永磁體168使框架112連同其上的光學元件120以X軸方向為軸心往復擺動或轉動，同樣可獲得兩個軸向上的光路偏移效果。因省略電磁鐵154、156及對應的永磁體164、166故可降低重量、體積及製造成本。再者，於另一實施例中，支撐座110於對角線D上方未設置電磁鐵154、156及永磁體164、166的部分亦可對應去除，以進一步降低重量、體積及製造成本。
於一實施例中，永磁體162、164、166、168的至少其中之一亦可用空心線圈取代，空心線圈和電磁鐵152、154、156、158搭配同樣可交替產生吸力及斥力。再者，如圖6所示，彎折結構116可用以容置磁力致動組150的一部分，例如可容置一永磁體、一電磁體或一空心線圈。
於另一實施例中，如圖7所示，亦可利用設置於支撐座110的一壓電元件160，透過在壓電元件160上施加電場可使壓電元件160產生壓縮或拉伸變形，意即可將電能轉為機械能以使支撐座110往復 擺動達到調整光路效果。
圖8為本發明一實施例的光路調整機構應用於一光學系統的示意圖。請參照圖8，光學裝置400包含照明系統310、光閥320、投影鏡頭330以及光路調整機構100。其中，照明系統310具有光源312，其適於提供光束314，且光閥320配置光束314的傳遞路徑上。此光閥320適於將光束314轉換為多數個子影像314a。此外，投影鏡頭330配置於這些子影像314a的傳遞路徑上，且光閥320係位於照明系統310與投影鏡頭330之間。另外，光路調整機構100可配置於光閥320與投影鏡頭330之間，例如可以在光閥320和內部全反射稜鏡319之間或是可以在內部全反射稜鏡319和投影鏡頭330之間，且位於這些子影像314a的傳遞路徑上。上述之光學裝置400中，光源312例如可包含紅光發光二極體312R、綠光發光二極體312G、及藍光發光二極體312B，各個發光二極體發出的色光經由一合光裝置316合光後形成光束314，光束314會依序經過集光柱(light integration rod)317、鏡片組318及內部全反射稜鏡(TIR Prism)319。之後，內部全反射稜鏡319會將光束314反射至光閥320。此時，光閥320會將光束314轉換成多數個子影像314a，而這些子影像314a會依序通過內部全反射稜鏡319及光路調整機構100，並經由投影鏡頭330將這些子影像314a投影於螢幕350上。於本實施例中，當這些子影像314a經過光路調整機構100時，光路調整機構100會改變部分這些子影像314a的傳遞路徑。也就是說，通過此光路調整機構100的這些子影像314a會投影在螢幕350上的第一位置(未繪示)，另一部份時間內通過此光路調整機構100的這些子影像314a則會投影在螢幕350上的第二位置(未繪示)，其中第一位置與第二位置係在水平方向(X軸)或/且垂直方向(Z軸)上相差一固定距離。於本實施例中，由於光路調整 機構100能使這些子影像314a之成像位置在水平方向或/且垂直方向上移動一固定距離，因此能提高影像之水平解析度或/且垂直解析度。當然，上述實施例僅為例示，本發明實施例的光路調整機構可運用於不同光學系統以獲得不同效果，且光路調整機構於光學系統中的設置位置及配置方式完全不限定。
本發明各個實施例的連接機件或彈性件可具有發生形變後當外力撤消時能朝恢復原來大小和形狀的方向變化的性質，其材質例如可為金屬或塑膠而不限定。再者，外框僅需能界定一容置空間即可，其可具不同形式或外形，且例如可為基座等而不限定。
本發明之「光學元件」用語，係指元件具有部份或全部可反射或穿透的材質所構成，通常包括玻璃或塑膠所組成。舉例來說，光學元件可以是透鏡、全反射稜鏡(TIR Prism)、反向全反射稜鏡組(RTIR Prism)、各種積分器、各種濾光片等。
本發明之「光閥」用語，在此產業中大多可用來指一種空間光調變器(Spatial Light Modulator,SLM)中的一些獨立光學單元。所謂空間光調變器，含有許多獨立單元(獨立光學單元)，這些獨立單元在空間上排列成一維或二維陣列。每個單元都可獨立地接受光學信號或電學信號的控制，利用各種物理效應(泡克爾斯效應、克爾效應、聲光效應、磁光效應、半導體的自電光效應或光折變效應等)改變自身的光學特性，從而對照明在該複數個獨立單元的照明光束進行調製，並輸出影像光束。獨立單元可為微型反射鏡或液晶單元等光學元件。亦即，光閥可以是數位微鏡元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)、矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS Panel)或是穿透式液晶面板等。
投影機是利用光學投影方式將影像投射至螢幕上的裝置， 在投影機產業中，一般依內部所使用的光閥的不同，將投影機分為陰極射線管(Cathode Ray Tube)式投影機、液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)式投影機、數位光投影機(Digital Light Projector,DLP)以及液晶覆矽(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)投影機因投影機運作時光線會透過LCD面板作為光閥，所以屬於穿透式投影機，而使用LCOS、DLP等光閥的投影機，則是靠光線反射的原理顯像，所以稱為反射式投影機。而於本實施例中，投影機為數位光投影機，而光閥320為數位微鏡元件(DMD)。
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。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‧‧‧光路調整機構
110‧‧‧支撐座
112‧‧‧框架
114‧‧‧承載架
116‧‧‧彎折結構
120‧‧‧光學元件
132、134‧‧‧彈性件對
134a、134b‧‧‧連接機件
140‧‧‧外框
150‧‧‧磁力致動組
152、154、156、158‧‧‧電磁鐵

Claims (10)

  1. 一種光路調整機構，包含：一第一對彈性件與一第二對彈性件；一框架，該框架內側與該第一對彈性件連接，該框架外側與該第二對彈性件連接，且該框架與該第一對彈性件、第二對彈性件一體成型；一承載架，設於該框架內，並以該第一對彈性件與該框架連結；以及一光學元件，設在該承載架上；其中該框架對應的兩端，設有與該框架一片式形成的彎折結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光路調整機構，其中該框架與該承載架構成一支撐座，該第一對彈性件具有一第一軸向，該第二對彈性件具有一第二軸向且包含一第一連接機件及一第二連接機件，且該第一軸向與該第二軸向不同。
  3. 一種光路調整機構，包含：一外框；一支撐座，設於該外框內，並以一第一連接機件及一第二連接機件，與該外框連結；以及一光學元件，設在該支撐座上；其中該支撐座的外緣，設有一片式向上彎折的結構。
  4. 如申請專利範圍第1或3項所述之光路調整機構，其中該彎折結構係為磁性材料所構成。
  5. 如申請專利範圍第1或3項所述之光路調整機構，其中該彎折結構係為凸塊、折邊、彎角及擋牆的至少其中之一。
  6. 如申請專利範圍第1或3項所述之光路調整機構，其中該彎 折結構可容置一永磁體、一電磁體或一空心線圈。
  7. 如申請專利範圍第2或3項所述之光路調整機構，更包含：至少一第一磁力致動組，用以使該光學元件以該第一軸向為軸心作動；以及至少一第二磁力致動組，用以使該光學元件以該第二軸向為軸心作動。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光路調整機構，其中該至少一第一磁力致動組包含分別設於該支撐座相對的一第一側及一第二側的兩第一磁力致動組，該至少二第二磁力致動組包含設於該支撐座相對的一第三側及一第四側的兩第二磁力致動組，且各該磁力致動組包含一電磁鐵。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之光路調整機構，其中該第一磁力致動組及該第二磁力致動組分別設於該支撐座的相鄰兩側，且各該磁力致動組包含一永磁體及一電磁鐵。
  10. 一種光路調整機構製造方法，包含：提供一外框；以及於該外框設置一支撐座及與該支撐座一片式形成的彎折結構，其中該彎折結構位於該支撐座的外緣，該支撐座設有一光學元件且具有互以一角度設置的一第一軸向及一第二軸向，該光學元件可以該第一軸向及該第二軸向為軸心作動。
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