CN101806990B - 高光机效率的投影装置 - Google Patents
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Abstract
本发明关于一种高光机效率的微投影装置，供将影像资讯投射至一表面上，所述投影装置包含光源模组、光源合成器、光源均匀器、照明透镜组、反射式影像产生器以及影像投影镜组。藉由逆全反射式远心光学架构，本发明确实可提供尺寸或容量较小化且具高光机效率的投影装置或模组，亦可提供实现共轭成像的微型投影装置或模组，亦可提供两光路LED光源的微型投影装置或模组。
Description
技术领域
本发明有关一种投影装置，尤其有关于高光机效率的微投影装置的光路(程)设计。
背景技术
投影装置近年来由企业用产品市场扩展至家庭用甚至个人用可携式的市场。而可携式的产品应用，除缩小投影装置的体积外，提高光机效率，也是各厂商努力的方向。
为了缩小体积，微投影装置多采用LED光源模组单一光路的设计，但其缺点是亮度不足。但若为改善亮度，利用两个以上光源模组采用合光器(dichroiccombiner)形成单一光路时，将会无法有效缩小体积。例如，美国专利申请案US2006/0279710A1、US2006/0164600A1或美国专利核准案US6644814B2所采用的合光方式，会导致较大的投影装置尺寸。因此，市场上确实有需要体积与光机效率兼顾的微型投影装置或模组。
为兼顾微型投影机的光机效率及其体积大小的最佳化，通常须取得以下几个设计条件的平衡：1.光源光路越少越好，2.光学设计须尽量满足共轭成像，3.将其光路折迭成最小体积。
发明内容
本发明的主要目的之一是提供小尺寸且具高光机效率的投影装置或模组。
本发明的另一目的是提供实现共轭成像的微型投影装置或模组。
本发明的再一目的是提供两光路LED光源的微型投影装置或模组。
本发明的上述目的，藉由逆全反射式远心(telecentric)光学架构所达成。
具体来说，逆全反射式远心光学架构包含棱镜组，其中棱镜组包含第一棱镜，该第一棱镜具有主光输入面与主光输出面，主光输入面与垂直参考面间的夹角为第一角度，该主光输出面与该垂直参考面间夹角为第二角度，该第一角度约为28(±3)度且该第二角度约为32(±3)度，一方面满足该反射式影像产生器所要求的照(入)射角度，另一方面可减少棱镜组与反射式影像产生器间的高(厚)度(即Y方向)差异。
亦即，为了达成上述发明目的，本发明的投影装置，供将影像资讯投射至一表面上，包含：光源模组，包含第一光源、第二光源、第一光源调变镜、第二光源调变镜，该第一光源经该第一光源调变镜后为第一调变光源，该第二光源经第二光源调变镜后为第二调变光源；光源合成器，供合成该第一调变光源、该第二调变光源为单一的第一光路，该第一光路定义第一方向；光源均匀器，供使该第一光路均匀化；照明透镜组，将供该均匀化的第一光路导向至第二光路；反射式影像产生器，供形成该影像资讯；棱镜组，将第二光路导向至该反射式影像产生器，其中，该反射式影像产生器反射该第二光路后，形成具有该影像资讯的第三光路，该第三光路经该棱镜组反射后，产生第四光路；该棱镜组包含第一棱镜，其中该第一棱镜具有主光输入面与主光输出面，主光输入面与垂直参考面间的夹角为第一角度，该主光输出面与该垂直参考面间夹角为第二角度，该第一角度的范围为25度至31度且该第二角度的范围为29度至35度，以满足该反射式影像产生器所要求的照射角度；影像投影镜组，位于该第四光路上，将该影像资讯投射至该表面上，其中该第二光源所形成的光路定义第二方向，该第二方向大致垂直于该第一方向，且相对于该第二方向，该第二光源设置于该第一光源与影像投影镜组之间，其中该照明透镜组照明透镜组依据成像公式使分布于该光源均匀器上的光源能实质上共轭成像于影像投影镜组。
除了上述第一实施方式，本发明提供第二实施方式的一种投影装置，供将影像资讯投射至一表面上，包含：光源模组，其包含第一光源、第二光源、第一光源调变镜、第二光源调变镜，第一光源照射第一光源调变镜而输出第一调变光源，第二光源照射第二光源调变镜而输出第二调变光源；光源合成器，供将该第一调变光源、第二调变光源合成，而产生单一的第一光路，该第一光路定义纵向；光源均匀器，供输入该第一光路，将第一光路的光施加均匀化效果；照明透镜组，供输入经均匀化效果的第一光路，将第一光路导向至第二光路，该第一光路与该第二光路间形成夹角，该照明透镜组包含第一照明透镜、方向导引器与第二照明透镜，方向导引器用以将将第一光路导向至第二光路，第一照明透镜的焦距为f1，第二照明透镜的焦距为f2；反射式影像产生器，供形成该影像资讯；棱镜组，供输入该第二光路后，将第二光路投射至反射式影像产生器，其中，反射式影像产生器将第二光路反射后，形成具有该影像资讯的第三光路，该第三光路经该棱镜组反射后，产生第四光路；该棱镜组包含第一棱镜，其中该第一棱镜具有主光输入面与主光输出面，主光输入面与垂直参考面间的夹角为第一角度，该主光输出面与该垂直参考面间夹角为第二角度，该第一角度的范围为25度至31度且该第二角度的范围为29度至35度，以满足该反射式影像产生器所要求的照射角度；影像投影镜组，位于该第四光路上，供将该影像资讯投射至该表面上，其中该第二光源所射出的光路定义横向，该横向大致垂直于该第一光路，且相对于该横向，该第二光源设置于该第一光源与影像投影镜组之间，其中该照明透镜组照明透镜组依据成像公式使分布于该光源均匀器上的光源能实质上共轭成像于影像投影镜组，其中第一照明透镜与第二照明透镜间的有效透镜距离为d，该光源模组于该光源均匀器的输出侧上产生第一虚拟光源，该成像公式为：该第一虚拟光源置于该第一照明透镜的焦距f1内，使其产生与第一虚拟光源同侧的第二虚拟光源的虚像，该第二虚拟光源被设置的位置距离该第二照明透镜为D值，其中该D值为该f2的一倍以上、两倍以下(f2＜D＜2·f2)，如此使该虚拟光源能实质上共轭成像于影像投影镜组。
藉由逆全反射式远心光学架构，本发明确实可提供尺寸或容量较小化且具高光机效率的投影装置或模组，亦可提供实现共轭成像的微型投影装置或模组，亦可提供两光路LED光源的微型投影装置或模组。
于本发明的优点与精神可以由以下的附图说明及具体实施方式详述得到进一步的了解。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式的投影装置。
图2a是一具体实施方式中第一棱镜的立体图。
图2b是一具体实施方式中第一棱镜的右侧视图。
图2c是一具体实施方式中第一棱镜的顶侧视。
图3是本发明具体实施方式中光源均匀器第一面的微型透镜被设计成像于影像产生器。
图4是本发明具体实施方式中光源均匀器输出侧的第一多重虚拟光源。
图5是本发明具体实施方式中投影镜组入瞳处的第三多重虚拟光源产生成像。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的各具体实施方式进一步说明。虽然本发明结合了具体实施方式进行说明，但是应当理解本发明可以有多种方式实施，而不仅限于这里所揭露的具体实施方式；本发明提供的具体实施方式使得本发明公开更加充分和完整，且使得本领域技术人员能够完全掌握本发明的范围。
本发明第一实施方式的投影装置，供用于将影像资讯投射至一表面上，供大众或个人阅览所投影的内容，此投影装置可以构成单独存在的投影机，也得以模组方式存在而与其他可携式装置，例如手机，整合成一体而成为可携式的复合机装置，例如具有投影功能的手机。
于以下的说明中，所谓“光路(程)”意指光所通过的路径以及光本身，光本身可能未包含任何资讯，亦可能因为经过处理(例如经反射式影像产生器反射)而包含资讯，供于一表面上投影。而为了让图示易读，图示中的光路只绘示光源的主光线，其余光线并未绘出。另外，于以下的说明中，所谓“共轭成像”意指，上一级光学透镜的输出光瞳面实质上成像于下一级光学透镜的输入光瞳面。
如图1所示，除了其他习知的元件或未来可能生产的附加元件外，本发明第一实施方式的投影装置100包含光源模组110，包含第一光源(例如LED的绿光G)、第二光源(例如LED的红光R与蓝光B)、第一光源调变镜(例如，但不限于，包含准直透镜115A、117A)、第二光源调变镜(例如，但不限于，包含准直透镜115B、117B)，该第一光源经该第一光源调变镜后为第一调变光源L00，该第二光源经第二光源调变镜后为第二调变光源L01。
投影装置100进一步包含光源合成器111，供合成该第一调变光源L00、该第二调变光源L01为单一的第一光路L10，该第一光路L10定义第一方向。
投影装置100进一步包含光源均匀器(beam homogenizer)120，以均匀化(uniform)第一光路L10。
投影装置100进一步包含照明透镜组(illumination lens)130，供输入经均匀化效果的第一光路L10，将第一光路L10重新导向至第二光路L13，该第一光路L10与该第二光路L13间形成夹角。
投影装置100进一步包含反射式影像产生器160，供于其上形成该影像资讯；以及棱镜组140，供输入该第二光路L13后，将第二光路L13投射至反射式影像产生器160，其中，反射式影像产生器160将第二光路L13反射后，形成具有该影像资讯的第三光路L15，该具有该影像资讯的第三光路L15经该棱镜组140全反射后，产生具有该影像资讯的第四光路L17。
投影装置100进一步包含影像投影镜组170，位于该第四光路L17上，供将该第四光路L17上的该影像资讯投射至表面上。
如图1所示，为了提高光源的亮度，LED光源分别采用两路光源，G光源一路、B光源与R光源一路，两路光源然后经由合光器111，形成单一的第一光路L10。
光源方位调变模组(115A、117A，与115B、117B)分别输入该光G，(R，B)源所生的光，而输出光路L00、L01。关于照射角度的分布，输出光路L00、L01上的光具有适宜而均匀的分布，此即为光源方位调变模组的主要作用、功能。光源方位调变模组的实施方式包含常用、习知的准直透镜(collimator)。
于某些实施方式中，光源的第一光源的对应光路L00大致平行于该第一光路L10，而该光源模组的第二光源的对应光路L01大致垂直于该第一光路L10，且第二光源与搭配的光源方位调变模组置于该第一光源与影像投影镜组170之间，如图1所示。
于图1实施方式之下，于某些实施方式中，光源均匀器120包含微型透镜阵列(lenslet array)，微型透镜阵列形成光输入平面120I与光输出平面120J，光输入平面120I成像于反射式影像产生器160上。如熟悉此项技艺人士所知，微型透镜阵列包含同一平面的复数个微型透镜，每一微型透镜一般具有相同的焦距(focal length)。
于图1实施方式之下，于某些实施方式中，微型透镜阵列中的每一微型透镜的曲率半径约小于2，以便得到较佳的均匀化(uniform)效果。第一光路L10离开光源均匀器120后，即入射照明透镜组(illumination lens set)130，将第一光路L10重新导向至第二光路L13，该第一光路L10与该第二光路L13间形成夹角。
照明透镜组130主要包含第一照明透镜131、第二照明透镜135与方向导引器133(例如但不限于反射镜面)。如熟悉此项技艺人士所知，第一照明透镜131、第二照明透镜135的主要作用在使光源照明强度(intensity)的分布尽可能的均匀(evenness)，且使低照明强度的不均匀(unevenness)部分，尽量地降低。第一照明透镜131或第二照明透镜135的实施方式可采用习知的聚光透镜(condenser lens)，可使主光线平行此投影装置的光轴，而偏移量降低。方向导引器133用以将将第一光路L10导向至第二光路L13。
于图1实施方式之下，于某些实施方式中，棱镜组140包含第一棱镜141，其中该第一棱镜141具有主光输入面SB与主光输出面SD，如图2a、2b、2c所示。主光输入面SB与垂直参考面SR间的夹角为第一角度，该主光输出面SD与该垂直参考面SR间夹角为第二角度，该第一角度约为28度(±3度)、且该第二角度约为32度(±3度)，以满足该反射式影像产生器160规格所要求的光照(入)射角度。于图一实施方式之下，于某些实施方式中，棱镜组140包含第二棱镜143，其中该第二棱镜143为全反射式(total internal reflection--TIR)棱镜。因第二光路L13先穿透第一棱镜141后，经过反射式影像产生器160的反射，取得投影资讯后形成第三光路L15，第三光路L15再经第二棱镜140的全反射形成第四光路L17，此棱镜组140所被应用的架构因而可称之为逆全反射式(retrototal internal reflection)远心(telecentric)光学架构。
如图2a、2b、2c中第一棱镜141的实施方式所示，光由输入面SB进入，由输出面SD射出，此第一棱镜141(及/或第一棱镜143)所揭露的设计参数，仅为较佳的实施方式，主要在于一方面满足反射式影像产生器160所要求的光照(入)射角度，另一方面可减少棱镜组140与反射式影像产生器160间的高(厚)度(即Y方向)的差异。
回到图1，于图1实施方式之下，于某些实施方式中，该反射式影像产生器160包含数位微镜装置(digital micromirrors device--DMD)。反射式影像产生器160前方通常会安排像场透镜(field lens)150，像场透镜150的主要功能在于增加视角。
回到图1，具有投影资讯的第三光路L15经第二棱镜143的全反射后形成第四光路L17，此第四光路L17通过影像投影镜组170后，资料被投影至平面上。影像投影镜组170一般包含多个不同功能的透镜，达成正确放大与投影的功能。
也由于上述关于图1、图2a、图2b、图2c实施方式的揭露，得以达成本发明前述的发明目的。
以下藉由图3、4、5，叙述本发明的光学设计如何达成共轭成像。
图3中包含(由左自右)光源均匀器120、第一照明透镜131、第二照明透镜135、棱镜组140、反射式影像产生器160，图3为图1的有效光程路径图，显示第一照明透镜131与第二照明透镜135间的有效光程距离为d。图3另供揭露光源均匀器120输入面120I的微型透镜被设计成像于该影像产生器160。为了能共轭成像于投影镜组170，该照明透镜组130中第一照明透镜131与第二照明透镜135间的间距d需有效的拉开。为有效利用此拉开产生的空间(与光路L10约略垂直的方向)，本发明将第二光源(R，B)与其光源方位调变模组(115B、117B)置于第一光源(G)与影像投影镜组170之间。
图4揭露光源均匀器120输出侧120J处的第一多重虚拟光源。当光源发射光线经光源方位调变镜组(115A，117A，115B，117B)调变为近似平行光的光源后，经光源合成器111将两光源合成为第一光路L10。光源产生第一多虚拟光源于该均匀器的输出侧120J上。而该第一多虚拟光源经该照明透镜组成像于第一照明透镜131的输入瞳附近，且该第一多虚拟光源位于第一照明透镜131的焦距(f1)内，使其产生与第一多虚拟光源同侧(以第一照明透镜131为基准)的第二多虚拟光源的(虚)像。换句话说，第二多虚拟光源的(虚)像距离第二透镜135的距离D，其中D大于d。本发明的成像公式(即关系)为，该D值为该f2的一倍以上、两倍以下(f2＜D＜2·f2)，如此使该第二虚拟光源能实质上共轭成像于影像投影镜组，即聚焦形成第三多虚拟光源于影像投影镜组的入瞳附近。
图5即揭露投影镜组170入瞳处所聚焦形成的第三多重虚拟光源成像。
藉由以上各图式的本发明较佳实施方式，可得知本发明的各个目的或功效都因此获得了实现。亦即，藉由逆全反射式远心光学架构，本发明确实可提供尺寸或容量较小化且具高光机效率的投影装置或模组，亦可提供实现共轭成像的微型投影装置或模组，亦可提供两光路LED光源的微型投影装置或模组。
根据以上具体实施方式的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的具体实施方式来对本发明加以限制。
Claims (8)
1.一种投影装置，供将影像资讯投射至一表面上，其特征在于该投影装置包含：
光源模组，包含第一光源、第二光源、第一光源调变镜、第二光源调变镜，该第一光源经该第一光源调变镜后为第一调变光源，该第二光源经第二光源调变镜后为第二调变光源；
光源合成器，供合成该第一调变光源、该第二调变光源为单一的第一光路，该第一光路定义第一方向；
光源均匀器，供使该第一光路均匀化；
照明透镜组，将供该均匀化的第一光路导向至第二光路；
反射式影像产生器，供形成该影像资讯；
棱镜组，将第二光路导向至该反射式影像产生器，其中，该反射式影像产生器反射该第二光路后，形成具有该影像资讯的第三光路，该第三光路经该棱镜组反射后，产生第四光路；该棱镜组包含第一棱镜，其中该第一棱镜具有主光输入面与主光输出面，主光输入面与垂直参考面间的夹角为第一角度，该主光输出面与该垂直参考面间夹角为第二角度，该第一角度的范围为25度至31度且该第二角度的范围为29度至35度，以满足该反射式影像产生器所要求的照射角度；
影像投影镜组，位于该第四光路上，将该影像资讯投射至该表面上，其中该第二光源所形成的光路定义第二方向，该第二方向大致垂直于该第一方向，且相对于该第二方向，该第二光源设置于该第一光源与影像投影镜组之间，其中该照明透镜组依据成像公式使分布于该光源均匀器上的光源能共轭成像于影像投影镜组。
2.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于：该光源均匀器包含微型透镜阵列，该微型透镜阵列形成光输入平面，该光输入平面成像于该反射式影像产生器上。
3.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于：该第一角度为28度且该第二角度为32度。
4.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于：该棱镜组包含第二棱镜，其中该第二棱镜为全反射式棱镜。
5.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于：该照明透镜组包含第一照明透镜、方向导引器与第二照明透镜，该方向导引器用以将该第一光路导向至该第二光路，其中该第一照明透镜与该第二照明透镜间具有光程距离，该光程距离使该影像资讯能共轭成像于该影像投影镜组。
6.根据权利要求5所述的投影装置，其特征在于：该第一照明透镜的焦距为f1，该第二照明透镜的焦距为f2，该光源模组于该光源均匀器的输出侧上产生第一虚拟光源，该第一虚拟光源置于该第一照明透镜的焦距f1内，使其产生与该第一虚拟光源同侧的第二虚拟光源的虚像，该第二虚拟光源的虚像与该第二照明透镜的距离为D，其中该D值为该f2的一倍以上、两倍以下(f2＜D＜2·f2)，如此使该虚拟光源能共轭成像于影像投影镜组。
7.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于：该第一光源包含LED的绿光光源，该第二光源包含LED的红光与蓝光的光源。
8.一种投影装置，供将影像资讯投射至一表面上，其特征在于该投影装置包含：
光源模组，包含第一光源、第二光源、第一光源调变镜、第二光源调变镜，第一光源照射第一光源调变镜而输出第一调变光源，第二光源照射第二光源调变镜而输出第二调变光源；
光源合成器，供将该第一调变光源、第二调变光源合成，而产生单一的第一光路，该第一光路定义纵向；
光源均匀器，供输入该第一光路，将第一光路的光施加均匀化效果；
照明透镜组，供输入经均匀化效果的第一光路，将第一光路重新导向至一第二光路，该第一光路与该第二光路间形成夹角，该照明透镜组包含第一照明透镜、方向导引器与第二照明透镜，方向导引器用以将将第一光路导向至第二光路，第一照明透镜的焦距为f1，第二照明透镜的焦距为f2；
反射式影像产生器，供形成该影像资讯；
棱镜组，供输入该第二光路后，将第二光路投射至反射式影像产生器，其中，反射式影像产生器将第二光路反射后，形成具有该影像资讯的第三光路，该第三光路经该棱镜组反射后，产生第四光路；该棱镜组包含第一棱镜，其中该第一棱镜具有主光输入面与主光输出面，主光输入面与垂直参考面间的夹角为第一角度，该主光输出面与该垂直参考面间夹角为第二角度，该第一角度的范围为25度至31度且该第二角度的范围为29度至35度，以满足该反射式影像产生器所要求的照射角度；
影像投影镜组，位于该第四光路上，供将该影像资讯投射至该表面上，其中该第二光源所射出的光路定义横向，该横向垂直于该第一光路，且相对于该横向，该第二光源设置于该第一光源与影像投影镜组之间，其中该照明透镜组依据成像公式使分布于该光源均匀器上的光源能共轭成像于影像投影镜组，其中第一照明透镜与第二照明透镜间的有效透镜距离为d，该光源模组于该光源均匀器的输出侧上产生第一虚拟光源，该成像公式为：该第一虚拟光源置于该第一照明透镜的焦距f1内，使其产生与第一虚拟光源同侧的第二虚拟光源的虚像，该第二虚拟光源被设置的位置距离该第二照明透镜为D值，其中该D值为该f2的一倍以上、两倍以下(f2＜D＜2·f2)，如此使该第二虚拟光源能共轭成像于影像投影镜组。
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