CN101866102A - 使用楔形透镜的投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种使用楔形透镜的投影装置，供将影像信息投射至表面上，包含光源模块、照明透镜组、反射式影像产生器、棱镜组及影像投影镜组。光源模块产生第一光路；照明透镜组输入第一光路，输出第二光路；反射式影像产生器形成影像信息；棱镜组供输入第二光路后，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，形成具有影像信息的第三光路；影像投影镜组将第三光路上的影像信息投射至表面上。其中照明透镜组包含楔形透镜，供与棱镜组搭配而对反射式影像产生器提供适当的光源入射角及出射角。楔形透镜能降低照明透镜组的光轴与反射式影像产生器的光轴间所需的高度落差，同时缩小出射角。

Description

使用楔形透镜的投影装置

技术领域

本发明有关于投影装置，尤其有关于采用楔形透镜的微型投影装置。

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。针对可携式的产品应用，投影装置的体积与光机效率为重要的议题，尤其须考虑反射式影像产生器所要求的特定入射角。

一般而言，目前现有的投影装置包含光源模块、照明透镜组、反射式影像产生器、棱镜组、影像投影镜组。其中反射式影像产生器通常为数字微镜装置数组所组成。每一微反射镜因应控制信号，得以其对角线为转轴而翻转，分别将光线反射进入下游的影像投影镜组(On)、或反射后远离影像投影镜组(Off)。并且该每一微反射镜的排列可分为矩形排列(相对水平参考线，翻转轴呈45度)或钻石排列(相对水平参考线，翻转轴呈90度)。而针对不同的排列方式，需有不同的光源入射角度，否则反射式影像产生器无法提供正确的影像产生功能。为满足其入射角度的要求，通常该棱镜组的设计位置却又往往无法兼顾期望的体积大小与其光机效率。

图6揭露数字微镜装置采用矩形排列的情况时，主入射光(Light)所需的入射方向须从左上方进入。因此，棱镜组(含)之前的光学组件需位于反射式影像产生器的左上方，因而有最低要求的X方向差值与Y方向差值。

图7揭露数字微镜装置采用钻石形排列的情况，主入射光(LIght)所需的入射方向须从左方进入。因此，棱镜组(含)之前的光学组件需位于反射式影像产生器的左方，因而有最低要求的Y方向差值。

因此，市场上确实有需要新颖性的设计，以便使投影装置缩小体积并提升光机效率。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种使用楔形透镜的投影装置，使用楔形透镜的投影装置藉由具有楔形透镜的照明透镜组所达成，具有期望的体积大小与光机效率。

为达上述目的，本发明提供一种使用楔形透镜的投影装置，供将影像信息投射至表面上，该投影装置包含光源模块、照明透镜组、反射式影像产生器、棱镜组以及影像投影镜组。光源模块供产生第一光路；照明透镜组供输入第一光路，输出第二光路；反射式影像产生器供形成该影像信息；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，形成具有该影像信息的第三光路；影像投影镜组供将该第三光路上的影像信息投射至该表面上；其中该照明透镜组包含楔形透镜，楔形透镜供与棱镜组搭配而对反射式影像产生器提供第一光源入射角及第一光源出射角，且使用该楔形透镜时该照明透镜组的光轴与该反射式影像产生器的光轴间所需的第一高度落差以及该第一光源出射角分别小于未使用该楔形透镜时该照明透镜组的光轴与该反射式影像产生器的光轴间所需的第二高度落差以及第二光源出射角。

其中，根据一实施例，该楔形透镜定义光输入面、光输出面、长度、宽度、厚度方向及长度方向中轴线，其中，该楔形透镜的光输入面的长度方向形状相对该长度方向中轴线呈对称关系，该楔形透镜的光输出面的长度方向形状相对该长度方向中轴线呈非对称关系。

根据一实施例，该反射式影像产生器为数字微镜装置，该数字微镜装置具有复数个微镜单元，每一微镜单元因应控制信号，得以翻转轴为轴心而翻转。

其中，根据一实施例，该翻转轴相对水平参考线呈45度。此时，其中该棱镜组包含第一棱镜与第二棱镜，该第一棱镜所照射的光满足该反射式影像产生器所要求的照射角度，而该第二棱镜为全反射式棱镜。

其中，根据一实施例，该翻转轴相对水平参考线呈90度。此时，其中该棱镜组包含全反射直角棱镜，其中该全反射直角棱镜具有主光输入面与主光输出面，该全反射直角棱镜所照射的光满足该反射式影像产生器所要求的照射角度。

其中，根据一实施例，光输出面与长度方向中轴线定义交点，于该交点上的光输出面的法线向量与长度方向中轴线的夹角值介于-2.5度与-15.5度之间。

其中，根据一实施例，光源模块包含采用R光源、G光源、B光源的LED光源，该光源模块经由合光器，将R光源、G光源、B光源形成该第一光路。

本发明提供一种使用楔形透镜的投影装置，供将影像信息投射至表面上，该投影装置包含光源模块、光源均匀器、照明透镜组、反射式影像产生器、棱镜组以及影像投影镜组。光源模块供产生单一的第一光路；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第二光路，该第一光路与该第二光路间形成夹角；反射式影像产生器供形成该影像信息；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，该反射式影像产生器将该第二光路反射后，形成具有该影像信息的第三光路；影像投影镜组位于该第三光路上，供将该影像信息投射至该表面上。其中该照明透镜组包含楔形透镜，供与棱镜组搭配而对反射式影像产生器提供第一光源入射角及第一光源出射角，且使用该楔形透镜时该照明透镜组的光轴与该反射式影像产生器的光轴间所需的第一高度落差以及该第一光源出射角分别小于未使用该楔形透镜时该照明透镜组的光轴与该反射式影像产生器的光轴间所需的第二高度落差以及第二光源出射角。

与现有技术相比，本发明的使用楔形透镜的投影装置藉由具有楔形透镜的照明透镜组所达成，而楔形透镜能降低照明透镜组的光轴与反射式影像产生器的光轴间所需的高度落差，同时缩小光源出射角，使用楔形透镜的投影装置具有期望的体积大小与光机效率。

上述本发明的发明内容并不仅仅代表本发明的每一种实施方式或本发明的所有面向。

关于本发明的优点与精神可以藉由以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

附图说明

图1揭露本发明第一实施例的投影装置；

图2揭露图1实施例的效果；

图3揭露本发明第二实施例的投影装置；

图4实施例另揭露第一光路的形成；

图5揭露图4架构下，于影像投影镜组370的光(入)瞳面处410的光足迹分布图；

图6为数字微镜装置采用矩形排列的情况；

图7为数字微镜装置采用钻石形排列的情况；

图8揭露楔形透镜的实施例。

具体实施方式

下方将结合附图对本发明的各具体实施例进一步说明。虽然本发明结合了具体实施例进行说明，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例；本发明提供的具体实施例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。

本发明第一实施例的投影装置，供用于将影像信息投射至表面上，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，也可以模块方式存在而与其它可携式装置，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信息，亦可能因为经过处理(例如经反射式影像产生器反射)而包含信息，供于表面上投影。而为了让图标易读，图标中的光路只绘示光源的主光线，其余光线并未绘出。

如图1所示，除了其它习知的组件或未来可能生产的附加组件，针对如图6情形的组态，本发明第一实施例的投影装置100包含光源模块110、光源均匀器(homogenizer)120、照明透镜组130、反射式影像产生器160、棱镜组140以及影像投影镜组170。光源模块110供产生单一的第一光路L10；光源均匀器(homogenizer)120供输入该第一光路L10，将第一光路的光施加均匀化效果；照明透镜组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；反射式影像产生器160供于其上形成该影像信息；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，形成具有该影像信息的光路，该反射式影像产生器160具有该影像信息的光路经该棱镜组140全反射后，产生具有该影像信息的第三光路L17；影像投影镜组170位于该第三光路L17上，供将该第三光路L17上的该影像信息投射至表面(未绘示)上。

其中，该照明透镜组130包含楔形透镜135，楔形透镜135供与棱镜组140搭配而对反射式影像产生器160提供第一光源入射角(angle of incidence)及第一光源出射角(angle of emission)，且使用该楔形透镜135时该照明透镜组130的光轴与该反射式影像产生器160的光轴间所需的第一高度落差以及该第一光源出射角分别小于未使用该楔形透镜135时该照明透镜组130的光轴与该反射式影像产生器160的光轴间所需的第二高度落差以及第二光源出射角。亦即该楔形透镜135能降低照明透镜组130的光轴与反射式影像产生器160的光轴间所需的高度落差，同时缩小光源出射角。

如此可达成本发明的主要目的，提供具有期望的小尺寸与高光机效率的投影装置或模块。

再言之，由于数字微镜装置是沿45度翻转，主要光线须从左上方入射，故习知影像产生器与照明透镜组的光轴必须有足够X方向(长度)与Y方向(高度或称厚度)的落差，以提供足够的入射角。但因本发明采用楔形透镜135，该楔形透镜135能降低照明透镜组130的光轴与反射式影像产生器160的光轴间所需要的高度(Y方向)落差，同时缩小出射角。

该楔形透镜135定义光输入面135I、光输出面135Φ、长度方向、宽度方向、厚度方向及长度方向中轴线，其中，该楔形透镜135的光输入面135I的长度方向形状相对该长度方向中轴线呈对称关系，该楔形透镜的光输出面135Φ的长度方向形状相对该长度方向中轴线呈不对称关系或非对称关系。

于图1实施例的架构下，于某些实施例中，光源模块110包含LED光源。而LED光源可采用RGGB的排列方式直接形成该单一的第一光路L10。

于图1实施例之下，于某些实施例中，光源模块110包含光源与光源方位调变模块，光源方位调变模块输入该光源所生的光而输出该第一光路L10。关于照射角度的分布，自该光源方位调变模块射出的该第一光路L10具有适宜而均匀的分布，此即为光源方位调变模块的主要作用、功能。光源方位调变模块的实施例包含常用、习知的准直透镜(collimator)。

于图1实施例之下，于某些实施例中，光源均匀器120包含微型透镜数组(lenslet array)，微型透镜数组形成光输入平面120I，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，微型透镜数组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)。

如熟悉此项技艺人士所知，照明透镜131、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。照明透镜131的一实施例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，而使偏移量降低。方向导引器133用以将第一光路L10导向至第二光路L13。

第一棱镜141与第二棱镜143的一实施例可参考台湾专利申请号981299852的内容。

由于第一棱镜141与楔形透镜135的搭配，本发明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，如图2所示。另外，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。

具有投影信息的光路经第二棱镜143的全反射后形成第三光路L17，此第三光路L17通过影像投影镜组170后，数据被投影至平面上。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。

由于上述关于图1实施例的揭露，得以达成本发明前述的发明创作目的。经过模拟与实验，使用0.22英寸DMD于本发明的架构中，投影装置的高(厚)度尺寸约缩小达6 mm，且能达到10 lm/W以上之光机效率。

如图3所示，除了其它习知的组件或未来可能生产的附加组件，针对如图7情形的组态，本发明第二实施例的投影装置300包含光源模块310、光源均匀器(homogenizer)320、照明透镜组330、反射式影像产生器360、全反射直角棱镜340以及影像投影镜组370。光源模块310供产生单一的第一光路L10；光源均匀器(homogenizer)320供输入该第一光路L10，将第一光路的光施加均匀化效果；照明透镜组330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；反射式影像产生器360供于其上形成该影像信息；全反射直角棱镜340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360，其中该全反射直角棱镜340具有主光输入面与主光输出面，该全反射直角棱镜340所照射的光满足该反射式影像产生器360所要求的照(入)射角度；反射式影像产生器360将第二光路L13反射后，形成具有该影像信息的光路，该具有该影像信息的光路经全反射直角棱镜340全反射后，产生具有该影像信息的第三光路L17；影像投影镜组370位于该第三光路L17上，供将该第三光路L17上的该影像信息投射至表面(未绘示)上。

该照明透镜组330包含楔形透镜335，供与全反射直角棱镜340搭配而对反射式影像产生器360提供适当的第一光源入射角及第一光源出射角，且使用该楔形透镜135时该照明透镜组130的光轴与该反射式影像产生器160的光轴间所需的第一高度落差以及该第一光源出射角分别小于未使用该楔形透镜135时该照明透镜组130的光轴与该反射式影像产生器160的光轴间所需的第二高度落差以及第二光源出射角。亦即该楔形透镜335能降低照明透镜组330的光轴与反射式影像产生器360的光轴间所需的高度落差，同时缩小光源出射角。如此可达成本发明的主要目的，提供具有期望的小尺寸与高光机效率的投影装置或模块。

由于此时数字微镜装置是沿90度翻转，主要光线须从左方入射，故习知影像产生器与照明透镜组的光轴必须有足够的Y方向(高度或称厚度)的落差，以提供足够的入射角。但因本发明采用楔形透镜335，该楔形透镜335能降低照明透镜组330的光轴与反射式影像产生器360的光轴间所需要的高度(Y方向)落差，同时缩小出射角。

该楔形透镜335定义光输入面、光输出面、长度方向、宽度方向、厚度方向、长度方向中轴线，其中，该楔形透镜335的光输入面的长度方向形状相对该长度方向中轴线呈对称关系，该楔形透镜的光输出面的长度方向形状相对该长度方向中轴线呈不对称关系，如同前述。

于图3实施例之架构下，于某些实施例中，光源模块310包含LED光源。而LED光源可采用RGGB的排列方式直接形成该单一的第一光路L10。或，于某些实施例中(如图4所示)，LED光源分别采用R光源、G光源、B光源，然后经由合光器，光源模块310将R光源、G光源、B光源形成单一的第一光路L10。

于图3实施例之下，于某些实施例中，光源模块310包含光源与光源方位调变模块，光源方位调变模块输入该光源所生的光而输出该第一光路L10。关于照射角度的分布，自该光源方位调变模块射出的该第一光路L10具有适宜而均匀的分布，此即为光源方位调变模块的主要作用、功能。光源方位调变模块的实施例包含常用、习知的准直透镜(collimator)，如同前述。

如同前述，于图3实施例之下，于某些实施例中，光源均匀器320包含微型透镜数组(lenslet array)，微型透镜数组形成光输入平面，光输入平面成像于反射式影像产生器360上。如熟悉此项技艺人士所知，微型透镜数组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)。

如熟悉此项技艺人士所知，照明透镜331、335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。照明透镜331的一实施例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，而使偏移量降低。方向导引器333用以将将第一光路L10导向至第二光路L13。

由于全反射直角棱镜340与楔形透镜335的搭配，本发明一方面满足反射式影像产生器360所要求的光照(入)射角度，另一方面可减少全反射直角棱镜340与反射式影像产生器360间的高(厚)度(即Y方向)的差。具有投影信息的光路经全反射直角棱镜340的全反射后形成第三光路L17，此第三光路L17通过影像投影镜组370后，数据被投影至平面上。影像投影镜组370一般包含多个不同功能的透镜，达成正确放大与投影的功能。

由于上述关于图3实施例的揭露，得以达成本发明前述的发明创作目的。经过模拟与实验，使用0.22英寸DMD于本发明的架构中，投影装置的高(厚)度尺寸约缩小达6 mm，且能达到10 lm/W以上的光机效率。

参考图5，为图4架构下，于影像投影镜组370的光(入)瞳面处410的光足迹分布图(footprint diagram)。

不管是图1、图3、图4的实施例，如图8所示，其中所使用的楔形透镜的光输出面So与长度方向中轴线CLx定义交点P，于该交点P上的光输出面So的法线向量与长度方向中轴线CLx的夹角值(简称法线向量夹角)介于-2.5度与-15.5度之间，例如-6.5度。

表一分别揭露于本发明(采楔形透镜，-6.5度)与习知技术(不采楔形透镜，0.0度)不同设计，主光线进入反射式影像产生器的不同入射角(AOI-angle of incidence)。

表一

虽然通过附图和前面的详细描述对本发明的各个实施例进行了说明，但是应该理解本发明不仅限于在此公开的实施例，而可以在不违背本发明实质的前提下进行多种组态、修饰和等效变换。

例如，楔形透镜可以等效变换为：楔形透镜定义光输入面、光输出面、长度方向、宽度方向、厚度方向、长度方向中轴线，其中，楔形透镜的光输入面的长度方向形状相对该长度方向中轴线呈不对称关系，该楔形透镜的光输出面的长度方向形状相对该长度方向中轴线呈对称关系。或者，楔形透镜定义光输入面、光输出面、长度方向、宽度方向、厚度方向、长度方向中轴线，其中，楔形透镜的光输入面的长度方向形状相对该长度方向中轴线呈不对称关系，该楔形透镜的光输出面的长度方向形状相对该长度方向中轴线亦呈不对称关系。此类修饰都是本发明的均等范围，而为权利要求所意图涵盖保护的。

Claims (10)

1.一种使用楔形透镜的投影装置，供将影像信息投射至表面上，其特征在于该投影装置包含：

光源模块，供产生第一光路；

照明透镜组，供输入该第一光路，输出第二光路；

反射式影像产生器，供形成该影像信息；

棱镜组，供输入该第二光路后，将第二光路投射至该反射式影像产生器，其中，反射式影像产生器将该第二光路反射后，形成具有该影像信息的第三光路；

影像投影镜组，供将该第三光路上的该影像信息投射至该表面上；

其中该照明透镜组包含楔形透镜，该楔形透镜供与棱镜组搭配而对反射式影像产生器提供第一光源入射角及第一光源出射角，且使用该楔形透镜时该照明透镜组的光轴与该反射式影像产生器的光轴间所需的第一高度落差以及该第一光源出射角分别小于未使用该楔形透镜时该照明透镜组的光轴与该反射式影像产生器的光轴间所需的第二高度落差以及第二光源出射角。

2.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于该楔形透镜定义光输入面、光输出面、长度、宽度、厚度方向及长度方向中轴线，其中，该楔形透镜的光输入面的长度方向形状相对该长度方向中轴线呈对称关系，该楔形透镜的光输出面的长度方向形状相对该长度方向中轴线呈非对称关系。

3.如权利要求2所述的投影装置，其特征在于该反射式影像产生器为数字微镜装置，该数字微镜装置具有复数个微镜单元，每一微镜单元因应控制信号以翻转轴为轴心而翻转。

4.如权利要求3所述的投影装置，其特征在于该翻转轴相对水平参考线呈45度。

5.如权利要求4所述的投影装置，其特征在于该棱镜组包含第一棱镜与第二棱镜，该第一棱镜所照射的光满足该反射式影像产生器所要求的照射角度，而该第二棱镜为全反射式棱镜。

6.如权利要求3所述的投影装置，其特征在于该翻转轴相对水平参考线呈90度。

7.如权利要求6所述的投影装置，其特征在于该棱镜组包含全反射直角棱镜，其中该全反射直角棱镜具有主光输入面与主光输出面，该全反射直角棱镜所照射的光满足该反射式影像产生器所要求的照射角度。

8.如权利要求7所述的投影装置，其特征在于该光输出面与该长度方向中轴线定义交点，于该交点上的光输出面的法线向量与长度方向中轴线的夹角值介于-2.5度与-15.5度之间。

9.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于光源模块包含采用R光源、G光源、B光源的发光二极管光源，该光源模块经由合光器，将R光源、G光源、B光源形成该第一光路。

10.一种使用楔形透镜的投影装置，供将影像信息投射至表面上，其特征在于该投影装置包含：

光源模块，供产生单一的第一光路；

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第二光路，该第一光路与该第二光路间形成夹角；

反射式影像产生器，供形成该影像信息；

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，该反射式影像产生器将该第二光路反射后，形成具有该影像信息的第三光路；

影像投影镜组，位于该第三光路上，供将该影像信息投射至该表面上；

其中该照明透镜组包含楔形透镜，供与棱镜组搭配而对反射式影像产生器提供第一光源入射角及第一光源出射角，且使用该楔形透镜时该照明透镜组的光轴与该反射式影像产生器的光轴间所需的第一高度落差以及该第一光源出射角分别小于未使用该楔形透镜时该照明透镜组的光轴与该反射式影像产生器的光轴间所需的第二高度落差以及第二光源出射角。

Images