TWI763914B

TWI763914B - 光學積分柱、光學元件及其製造方法及光學裝置

Info

Publication number: TWI763914B
Application number: TW107130087A
Authority: TW
Inventors: 胡雅文; 劉維楚; 雲麒錐
Original assignee: 揚明光學股份有限公司
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2022-05-11
Also published as: TW202009591A

Abstract

一種光學積分柱，包括由光學積分柱之第一端至第二端，依序設置的徑向截面積漸小的內部斜面以及徑向截面積漸大的內部斜面。一種光學元件與光學裝置亦被提出。

Description

光學積分柱、光學元件及其製造方法及光學裝置

本發明是有關於一種光學積分柱、光學元件及其製造方法及光學裝置。

在顯示技術中，投影裝置在某些應用場合上扮演著無法被取代的角色。舉例而言，投影裝置可以達到以小體積的裝置顯示超大尺寸的畫面的效果，這點是其他顯示器（例如液晶顯示器、有機發光二極體顯示器等）無法達到的效果。因此，投影裝置在會議、電影院的場合有著無法被取代的地位。

投影裝置產生影像的原理，是利用光閥將光源所發出的照明光束調制成影像光束，再利用投影鏡頭將影像光束投射於屏幕上以形成影像。由於光閥的有效區域通常例如呈矩形，因此在將光源所發出的照明光束投射於有效區時，通常需要先對照明光束進行整形，以使投射於光閥上的光斑亦呈現與有效區域對應的形狀（例如矩形）。光積分柱（light integration rod）便是其中一種能對照明光束作上述整形的元件。

為了使投射於光閥的光斑的面積不至於超出有效區域的面積過多而導致光能量損失，則光積分柱的出光口不宜過大。然而，一般的光積分柱之入光口的面積與出光口的面積是一樣大的，如此容易使來自光源的照明光束投射於入光口處的光斑相對入光口的面積過大，導致過多的光能量損失。若為了避免這樣的光能量損失，將光積分柱的徑向截面積放大，而同時放大了入光口與出光口的面積，則過大的出光口會導致投射於光閥上的光斑的面積超出有效區域的面積過多，而同樣無法避免光能量的損失。

本發明提供一種光學積分柱，其能夠有效提升光利用率。

本發明提供一種光學元件及其製造方法，其能夠有效提升光學元件的光利用率。

本發明提供一種光學裝置，其能夠有效提升光利用率。

本發明的一實施例提出一種光學積分柱，包括由光學積分柱之第一端至第二端，依序設置的徑向截面積漸小的內部斜面以及徑向截面積漸大的內部斜面。由於徑向截面積漸小的內部斜面的設計有助於提升光學積分柱入光端的徑向截面積，因此可以提升光學積分柱的收光效率。另一方面，徑向截面積漸大的內部斜面的設計則可有效縮小照明光束從光學積分柱出光端出射的光錐角，以維持光展量，而使得光學積分柱有良好的光利用率。

本發明的一實施例提出一種光學元件，包括第一錐狀積分柱及第二錐狀積分柱。在第一錐狀積分柱接近其一端處，設有第一徑向截面，而在第一錐狀積分柱接近其另一端處，設有第二徑向截面，其中第一截面的面積大於第二截面的面積。在第二錐狀積分柱接近其一端處，設有第三徑向截面，而在第二錐狀積分柱接近其另一端處，設有第四徑向截面，其中第四截面的面積大於第三徑向截面的面積。此外，第一徑向截面、第二徑向截面、第三徑向截面及第四徑向截面係沿同一方向依序排列。第一截面的面積大於第二截面的面積的第一錐狀積分柱的設計有助於提升光學元件的入光端的徑向截面積，因此可以提升光學元件的收光效率。另一方面，第四徑向截面的面積大於第三徑向截面的面積的第二錐狀積分柱的設計則可有效縮小照明光束從光學元件的出光端出射的光錐角，以維持光展量，而使得光學系統有良好的光利用率。

本發明的一實施例提出一種光學裝置，包括光源及積分柱。積分柱設於光源的光路下游，且積分柱由光路上游至下游，依序設有徑向截面積漸小的內部斜面以及徑向截面積漸大的內部斜面。由於徑向截面積漸小的內部斜面的設計有助於提升積分柱入光端的徑向截面積，因此可以提升積分柱的收光效率。另一方面，徑向截面積漸大的內部斜面的設計則可有效縮小照明光束從積分柱出光端出射的光錐角，以維持光展量，而使得積分柱有良好的光利用率。所以，光學裝置可以具有較好的光利用率。

本發明的一實施例提出一種光學元件的製造方法，包括組裝第一錐狀積分柱和第二錐狀積分柱。其中，在第一錐狀積分柱接近其一端處，設有第一徑向截面，在第一錐狀積分柱接近其另一端處，設有第二徑向截面，第一截面的面積大於第二截面的面積。在第二錐狀積分柱接近其一端處，設有第三徑向截面，在第二錐狀積分柱接近其另一端處，設有第四徑向截面，第四截面的面積大於第三徑向截面的面積。第一徑向截面、第二徑向截面、第三徑向截面及第四徑向截面係沿同一方向依序排列。第一截面的面積大於第二截面的面積的第一錐狀積分柱的設計有助於提升光學元件的入光端的徑向截面積，因此可以提升光學元件的收光效率。另一方面，第四徑向截面的面積大於第三徑向截面的面積的第二錐狀積分柱的設計則可有效縮小照明光束從光學元件的出光端出射的光錐角，以維持光展量，而使得光學系統有良好的光利用率。因此，光學元件的製造方法可製造出光利用率良好的光學元件。

在本發明的實施例的光學積分柱與光學裝置中，由於徑向截面積漸小的內部斜面的設計有助於提升光學積分柱或積分柱的入光端的徑向截面積，因此可以提升光學積分柱或積分柱的收光效率。另一方面，徑向截面積漸大的內部斜面的設計則可有效縮小照明光束從光學積分柱或積分柱的出光端出射的光錐角，以維持光展量，而使得光學系統有良好的光利用率。此外，在本發明的實施例的光學元件及其製造方法中，第一截面的面積大於第二截面的面積的第一錐狀積分柱的設計有助於提升光學元件的入光端的徑向截面積，因此可以提升光學元件的收光效率。另一方面，第四徑向截面的面積大於第三徑向截面的面積的第二錐狀積分柱的設計則可有效縮小照明光束從光學元件的出光端出射的光錐角，以維持光展量，而使得光學系統有良好的光利用率。

為讓本發明的上述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。

圖1為本發明的一實施例的光學裝置的剖面示意圖，圖2為圖1中的光學元件的剖面示意圖，圖3A為圖1中的光學元件的立體示意圖，圖3B為圖1中的光學元件於其第一端的正視圖，而圖3C為圖1中的光學元件於其第二端的後視圖。請參照圖1、圖2及圖3A至圖3C，本實施例的光學裝置100包括一光源110及一光學元件200。在本實施例中，光學裝置100為一投影裝置或一照明系統（例如為投影裝置中的照明系統）。光源110可包括至少一個發光元件（例如發光二極體、雷射二極體、高壓汞燈、其他光源或其組合）、合光元件（可包括分色鏡（dichromic mirror）、反射鏡、稜鏡、分光鏡、分光稜鏡、偏振分光鏡或其組合）、色輪、螢光輪、透鏡、反射鏡、稜鏡或其組合等投影裝置的照明系統中所可能採用的光學元件。光學元件200例如為光積分柱，或稱為光學積分柱，或簡稱為積分柱，其設於光源110的光路下游。光學元件200由光路上游至下游，依序設有一徑向截面積漸小的內部斜面213以及一徑向截面積漸大的內部斜面223。也就是說，由光學元件200的一第一端E1（例如為入光端）至一第二端E2（例如為出光端）依序設置徑向截面積漸小的內部斜面213及徑向截面積漸大的內部斜面223。上述的徑向是指與光學元件200的光軸B垂直的方向，而徑向截面是指與光軸B垂直的截面。

舉例而言，光學元件200包括一第一錐狀積分柱210及一第二錐狀積分柱220。在第一錐狀積分柱210接近其一端（例如上述第一端E1）處，設有一第一徑向截面A1，而在第一錐狀積分柱210接近其另一端（例如一第三端E3）處，設有一第二徑向截面A2，其中第一截面A1的面積大於第二截面A2的面積。在第二錐狀積分柱220接近其一端（例如一第四端E4）處，設有一第三徑向截面A3，而在第二錐狀積分柱220接近其另一端（例如上述第二端E2）處，設有一第四徑向截面A4，其中第四截面A4的面積大於第三徑向截面A3的面積。此外，第一徑向截面A1、第二徑向截面A2、第三徑向截面A3及第四徑向截面A4係沿同一方向（例如從光路上游至光路下游的方向）依序排列。

在本實施例中，光學裝置100更包括一光閥120，設於光學元件200的光路下游。在本實施例中，光閥120為數位微鏡元件（digital micro-mirror device, DMD）。然而，在其他實施例中，光閥120亦可以是矽基液晶面板（liquid-crystal-on-silicon panel, LCOS panel）、穿透式液晶面板或其他適當的空間光調變器（spatial light modulator, SLM）。

光源110用以提供一照明光束112，而照明光束112經由光學元件200的第一端E1進入光學元件220內部後，被徑向截面積漸小的內部斜面213及徑向截面積漸大的內部斜面223反射後，產生了光均勻化與光束整形的至少其中之一的效果，並由光學元件200的第二端E2離開光學元件220。接著，照明光束112被投射於光閥120上，以對光閥120提供照明。在本實施例中，來自第二端E2的照明光束112可被光傳遞系統130投射至光閥120上。光閥120可將照明光束112調制成影像光束，而影像光束可被一投影鏡頭投射至屏幕上以形成影像。此外，影像光束也可藉由光傳遞系統130傳遞至投影鏡頭。光傳遞系統130可包括透鏡、場鏡、內部全反射稜鏡（total internal reflection prism, TIR prism）、反射鏡或其他適當的光學元件。

在本實施例的光學元件200與光學裝置100中，由於徑向截面積漸小的內部斜面213的設計有助於提升光學元件200的第一端E1（即入光端）的徑向截面積（即第一截面A1的面積），因此可以提升光學元件200的收光效率。另一方面，雖然徑向截面積漸小的內部斜面213的傾斜方向會擴大照明光束112出射光學元件200時的光錐角，但徑向截面積漸大的內部斜面223的設計（即相對於徑向截面積漸小的內部斜面213的傾斜方向為反向傾斜）則可有效縮小照明光束112從光學元件200的第二端E2（即出光端出射的光錐角。如此一來，照明光束112在通過傾斜方向相反的徑向截面積漸小的內部斜面213與徑向截面積漸大的內部斜面223後的光錐角之大小得以維持，進而維持光展量，而使得光學系統有良好的光利用率。

在本實施例中，光學元件200於光路下游的一端（即第二端E2）的徑向截面（即第四徑向截面A4）的形狀對應於光閥120的有效區域122的形狀。所謂有效區域122是指能夠調制照明光束112的區域。一般而言，有效區域122例如呈矩形，因此第四徑向截面A4亦可呈矩形，而使得自第四徑向截面A4出射的照明光束112在照射至光閥120時所產生的光斑為略大於有效區域122且涵蓋有效區域122的矩形。如此一來，照明光束112的大部分光能量便都能夠被光閥120所利用，而提升光學裝置100的光利用率。此外，第一徑向截面A1、第二徑向截面A2、第三徑向截面A3及光學元件200的任一徑向截面亦可皆呈矩形，而第一錐狀積分柱210與第二錐狀積分柱220可以是呈方錐狀。

在本實施例中，光學元件200可包括一第一空心柱體部212與一第二空心柱體部222，其分別環繞出一第一光通道空間214與一第二光通道空間224，以供照明光束112在其中行進。此外，第一空心柱體部212的內壁面與第二空心柱體部222的內壁面分別形成徑向截面積漸小的內部斜面213與徑向截面積漸大的內部斜面223，且皆為用以反射照明光束112的反射面。第一空心柱體部212的內壁面與第二空心柱體部222的內壁面可以採用鍍反射膜或表面處理的方式以形成反射面。

此外，第一錐狀積分柱210的第三端E3可對準於第二錐狀積分柱220的第四端E4，例如第一空心柱體部212在第三端E3處的一端可對準於第二空心柱體部222在第四端E4處的一端。第一空心柱體部212在第三端E3處的一端與第二空心柱體部222在第四端E4處的一端可相抵靠接觸或彼此連接，或者兩者間可存在一微小的間隙但彼此對準。或者，第一空心柱體部212與第二空心柱體部222的整體可為一體成型。

在其他實施例中，上述第一光通道空間214與第二光通道空間224的空間可分別被一第一實心透光柱體部與一第二實心透光柱體部所取代。第一空心柱體部212可被一第一反射膜所取代，而第一反射膜設於第一實心透光柱體部的外表面，且通常第一反射膜的厚度比第一空心柱體部212的厚度薄。第二空心柱體部222可被一第二反射膜所取代，而第二反射膜設於第二實心透光柱體部的外表面，且通常第二反射膜的厚度比第二空心柱體部222的厚度薄。第一反射膜的內表面與第二反射膜的內表面（即分別與第一實心透光柱體部及第一實心透光柱體部接觸的表面）分別形成徑向截面積漸小的內部斜面213與徑向截面積漸大的內部斜面223。也就是說，第一空心柱體部212與第二空心柱體部222所佔的位置分別被第一反射膜與第二反射膜取代，只是第一反射膜與第二反射膜的厚度比第一空心柱體部212與第二空心柱體部222的厚度薄。照明光束112可被第一實心透光柱體部與一第二實心透光柱體部的材質傳遞，而穿透第一實心透光柱體部與第二實心透光柱體部。第一反射膜與第二反射膜則可將照明光束112反射。在一實施例中，為了讓照明光束112穩定地在第一實心透光柱體部與第二實心透光柱體部中傳遞，第一實心透光柱體部與第二實心透光柱體部的材質可採用耐高溫的透明材質，例如石英、玻璃、藍寶石玻璃等。

此外，第一實心透光柱體部在第三端E3處的一端可對準於第二實心透光柱體部在第四端E4處的一端。第一實心透光柱體部在第三端E3處的一端與第二實心透光柱體部在第四端E4處的一端可相抵靠接觸或彼此連接，或者兩者間可存在一微小的間隙但彼此對準。或者，第一實心透光柱體部與第二實心透光柱體部的整體可為一體成型。

另外，在上述各不同實施例中，是以第二徑向截面A2的面積等於第三徑向截面A3的面積為例。然而，在其他實施例中，第二徑向截面A2的面積亦可以小於第三徑向截面A3的面積，如此在徑向截面積漸小的內部斜面213中傳遞的照明光束112亦可良好地傳遞至徑向截面積漸大的內部斜面223中。

請再參照圖1，本發明的一實施例亦提出一種光學元件200的製造方法，包括組裝上述第一錐狀積分柱210和上述第二錐狀積分柱220，以形成上述光學元件200。組裝的方式可以是將第一錐狀積分柱210的第三端E3與第二錐狀積分柱220的第四端E4膠合，或利用一固定件將第一錐狀積分柱210的第三端E3與第二錐狀積分柱220的第四端E4。或者，組裝的方式亦可以是將第一錐狀積分柱210和第二錐狀積分柱220分別固定於光學裝置100的殼體或其內部承載座，並使第一錐狀積分柱210的第三端E3對準第二錐狀積分柱220的第四端E4。本實施例的光學元件200的製造方法可製作出具有提升光利用率的效果的光學元件200。

綜上所述，在本發明的實施例的光學積分柱與光學裝置中，由於徑向截面積漸小的內部斜面的設計有助於提升光學積分柱或積分柱的入光端的徑向截面積，因此可以提升光學積分柱或積分柱的收光效率。另一方面，徑向截面積漸大的內部斜面的設計則可有效縮小照明光束從光學積分柱或積分柱的出光端出射的光錐角，以維持光展量，而使得光學系統有良好的光利用率。此外，在本發明的實施例的光學元件及其製造方法中，第一截面的面積大於第二截面的面積的第一錐狀積分柱的設計有助於提升光學元件的入光端的徑向截面積，因此可以提升光學元件的收光效率。另一方面，第四徑向截面的面積大於第三徑向截面的面積的第二錐狀積分柱的設計則可有效縮小照明光束從光學元件的出光端出射的光錐角，以維持光展量，而使得光學系統有良好的光利用率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧光學裝置110‧‧‧光源112‧‧‧照明光束120‧‧‧光閥122‧‧‧有效區域130‧‧‧光傳遞系統200‧‧‧光學元件210‧‧‧第一錐狀積分柱212‧‧‧第一空心柱體部213‧‧‧徑向截面積漸小的內部斜面214‧‧‧第一光通道空間220‧‧‧第二錐狀積分柱222‧‧‧第二空心柱體部223‧‧‧徑向截面積漸大的內部斜面224‧‧‧第二光通道空間A1‧‧‧第一徑向截面A2‧‧‧第二徑向截面A3‧‧‧第三徑向截面A4‧‧‧第四徑向截面B‧‧‧光軸E1‧‧‧第一端E2‧‧‧第二端E3‧‧‧第三端E4‧‧‧第四端

圖1為本發明的一實施例的光學裝置的剖面示意圖。圖2為圖1中的光學元件的剖面示意圖。圖3A為圖1中的光學元件的立體示意圖。圖3B為圖1中的光學元件於其第一端的正視圖。圖3C為圖1中的光學元件於其第二端的後視圖。

100‧‧‧光學裝置

110‧‧‧光源

112‧‧‧照明光束

120‧‧‧光閥

122‧‧‧有效區域

130‧‧‧光傳遞系統

200‧‧‧光學元件

210‧‧‧第一錐狀積分柱

212‧‧‧第一空心柱體部

213‧‧‧徑向截面積漸小的內部斜面

214‧‧‧第一光通道空間

220‧‧‧第二錐狀積分柱

222‧‧‧第二空心柱體部

223‧‧‧徑向截面積漸大的內部斜面

224‧‧‧第二光通道空間

E1‧‧‧第一端

E2‧‧‧第二端

E3‧‧‧第三端

E4‧‧‧第四端

Claims

一種光學積分柱，包括：由該光學積分柱之一第一端至一第二端，依序設置的一徑向截面積漸小的內部斜面以及一徑向截面積漸大的內部斜面；一第一實心透光柱體部；一第二實心透光柱體部；一第一反射膜，設於該第一實心透光柱體部的外表面；以及一第二反射膜，設於該第二實心透光柱體部的外表面，其中該第一反射膜與該第二反射膜依序設於該第一端與該第二端之間，且該第一反射膜的內表面與該第二反射膜的內表面分別形成該徑向截面積漸小的內部斜面與該徑向截面積漸大的內部斜面。
如申請專利範圍第1項所述的光學積分柱，其中該光學積分柱的徑向截面呈矩形。
一種光學元件，包括：一第一錐狀積分柱，在該第一錐狀積分柱接近其一端處，設有一第一徑向截面，在該第一錐狀積分柱接近其另一端處，設有一第二徑向截面，其中該第一截面的面積大於該第二截面的面積；以及一第二錐狀積分柱，在該第二錐狀積分柱接近其一端處，設有一第三徑向截面，在該第二錐狀積分柱接近其另一端處，設有一第四徑向截面，其中該第四截面的面積大於該第三徑向截面的面積，且該第一徑向截面、第二徑向截面、該第三徑向截面及第四徑向截面係沿同一方向依序排列，其中該第二徑向截面的面積小於該第三徑向截面的面積。
如申請專利範圍第3項所述的光學元件，其中該第一錐狀積分柱與該第二錐狀積分柱呈方錐狀。
一種光學裝置，包括：一光源；以及如申請專利範圍第1項所述的光學積分柱，設於該光源的光路下游，且該光學積分柱由光路上游至下游，依序設有該徑向截面積漸小的內部斜面以及該徑向截面積漸大的內部斜面。
如申請專利範圍第5項所述的光學裝置，更包括一光閥，設於該光學積分柱的光路下游。
一種光學元件的製造方法，包括：組裝一第一錐狀積分柱和一第二錐狀積分柱，其中該第一錐狀積分柱包括一徑向截面積漸小的內部斜面、一第一實心透光柱體部以及一第一反射膜，該第一反射膜設於該第一實心透光柱體部的外表面，該第一反射膜的內表面形成該徑向截面積漸小的內部斜面，該第二錐狀積分柱包括一徑向截面積漸大的內部斜面、一第二實心透光柱體部以及一第二反射膜，該第二反射膜設於該第二實心透光柱體部的外表面，該第二反射膜的內表面形成該徑向截面積漸大的內部斜面，該徑向截面積漸小的內部斜面以及該徑向截面積漸大的內部斜面由該第一錐狀積分柱之一第一端至該第二錐狀積分柱之一第二端依序設置，在該第一錐狀積分柱接近其一端處，設有一第一徑向截面，在該第一錐狀積分柱接近其另一端處，設有一第二徑向截面，該第一截面的面積大於該第二截面的面積，在該第二錐狀積分柱接近其一端處，設有一第三徑向截面，在該第二錐狀積分柱接近其另一端處，設有一第四徑向截面，該第四截面的面積大於該第三徑向截面的面積，且該第一徑向截面、第二徑向截面、該第三徑向截面及第四徑向截面係沿同一方向依序排列。
一種光學積分柱，包括：由該光學積分柱之一第一端至一第二端，依序設置的一徑向截面積漸小的內部斜面以及一徑向截面積漸大的內部斜面；以及一第一空心柱體部與一第二空心柱體部，其中該第一空心柱體部的內壁面與該第二空心柱體部的內壁面分別形成該徑向截面積漸小的內部斜面與該徑向截面積漸大的內部斜面，該第一空心柱體部的內壁面與該第二空心柱體部的內壁面以鍍反射膜以外的表面處理方式而形成反射面。
一種光學元件，包括：一第一錐狀積分柱，在該第一錐狀積分柱接近其一端處，設有一第一徑向截面，在該第一錐狀積分柱接近其另一端處，設有一第二徑向截面，其中該第一截面的面積大於該第二截面的面積；一第二錐狀積分柱，在該第二錐狀積分柱接近其一端處，設有一第三徑向截面，在該第二錐狀積分柱接近其另一端處，設有一第四徑向截面，其中該第四截面的面積大於該第三徑向截面的面積，且該第一徑向截面、第二徑向截面、該第三徑向截面及第四徑向截面係沿同一方向依序排列，其中該第二徑向截面的面積小於或等於該第三徑向截面的面積；以及一固定件，其中該第一錐狀積分柱與該第二錐狀積分柱藉由該固定件而組裝在一起。