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TWI425301B - 高光機效率的投影裝置 - Google Patents

高光機效率的投影裝置 Download PDF

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TWI425301B
TWI425301B TW099103873A TW99103873A TWI425301B TW I425301 B TWI425301 B TW I425301B TW 099103873 A TW099103873 A TW 099103873A TW 99103873 A TW99103873 A TW 99103873A TW I425301 B TWI425301 B TW I425301B
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optical path
illumination lens
light
image
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TW099103873A
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TW201128289A (en
Inventor
Ming Kuen Lin
Tsung Hsun Wu
Original Assignee
Qisda Corp
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Priority to US13/011,923 priority patent/US8696137B2/en
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Description

高光機效率的投影裝置
本發明係有關高光機效率的微投影裝置，尤其有關於微投影裝置的光路(程)設計。
投影裝置近年來由企業用產品市場擴展至家庭用甚至個人用可攜式的市場。而可攜式的產品應用，除縮小投影裝置的體積外，提高光機效率，也是各廠商努力的方向。
為了縮小體積，微投影裝置多採用一LED光源模組單一光路之設計，但其缺點之一是亮度不足。但若為改善亮度，利用兩個以上光源模組採用合光器(dichroic combiner)形成單一光路時，將會無法有效縮小體積。例如，美國專利申請案US 2006/0279710 A1、US 2006/0164600 A1或美國專利核准案US 6644814 B2所採用的合光方式，會導致較大的投影裝置尺寸。因此，市場上確實有需要體積與光機效率兼顧的微型投影裝置或模組。
為兼顧微型投影機的光機效率及其體積大小的最佳化，通常須取得以下幾個設計條件的平衡：1.光源光路越少越好，2.光學設計須儘量滿足共軛成像，3.將其光路折疊成最小體積。
本創作的主要目的，乃係提供一小尺寸且具高光機效率之投影裝置或模組。
本創作的次一目的，乃係提供一實現共軛成像的微型投影裝置或模組。
本創作的再一目的，乃係提供一兩光路LED光源的微型投影裝置或模組。
本創作的上述目的，得藉由一逆全反射式遠心(telecentric)光學架構所達成。
詳言之，逆全反射式遠心光學架構包含一稜鏡組，其中稜鏡組包含一第一稜鏡，該第一稜鏡具有一主光輸入面與一主光輸出面，主光輸入面與一垂直參考面間之夾角為一第一角度，該主光輸出面與該垂直參考面間夾角為一第二角度，該第一角度約為28(±3)度且該第二角度約為32(±3)度，一方面滿足該反射式影像產生器所要求的照(入)射角度，另一方面可減少稜鏡組與反射式影像產生器間的高(厚)度(即Y方向)差異。
亦即，為了達成上述創作目的，本發明的投影裝置，供將一影像資訊投射至一表面上，包含：一光源模組，包含一第一光源、一第二光源、一第一光源調變鏡、一第二光源調變鏡，該第一光源經該第一光源調變鏡後為第一調變光源，該第二光源經第二光源調變鏡後為第二調變光源；一光源合成器，供合成該第一調變光源、該第二調變光源為一單一之第一光路，該第一光路係定義一第一方向；一光源均勻器，供使該第一光路均勻化；一照明透鏡組，將供該均勻化之第一光路導至一第二光路；一反射式影像產生器，供形成該影像資訊；一稜鏡組，將第二光路導至該反射式影像產生器，其中，該反射式影像產生器反射該第二光路後，形成具有該影像資訊的一第三光路，該第三光路經該稜鏡組反射後，產生一第四光路；一影像投影鏡組，位於該第四光路上，將該影像資訊投射至該表面上，其中該第二光源所形成之光路定義一第二方向，該第二方向大致垂直於該第一方向，且相對於該第二方向，該第二光源係設置於該第一光源與影像投影鏡組之間，其中該照明透鏡組照明透鏡組依據一成像公式使分佈於該光源均勻器上之光源能實質上共軛成像於影像投影鏡組。
除了上述第一實施例，本發明第二實施例的一種投影裝置，供將一影像資訊投射至一表面上，包含：一光源模組，其包含一第一光源、一第二光源、一第一光源調變鏡、一第二光源調變鏡，第一光源照射第一光源調變鏡而輸出第一調變光源，第二光源照射第二光源調變鏡而輸出第二調變光源；一光源合成器，供將該第一調變光源、第二調變光源合成，而產生一單一的第一光路，該第一光路定義一縱向；一光源均勻器，供輸入該第一光路，將第一光路的光施加均勻化效果；一照明透鏡組，供輸入經均勻化效果的第一光路，將第一光路重新導向至一第二光路，該第一光路與該第二光路間形成一夾角，該照明透鏡組包含一第一照明透鏡、一方向導引器與一第二照明透鏡，方向導引器用以將將第一光路導向至第二光路，第一照明透鏡的焦距為f1，第二照明透鏡的焦距為f2；一反射式影像產生器，供形成該影像資訊；一稜鏡組，供輸入該第二光路後，將第二光路投射至反射式影像產生器，其中，反射式影像產生器將第二光路反射後，形成具有該影像資訊的一第三光路，該第三光路經該稜鏡組反射後，產生一第四光路；一影像投影鏡組，位於該第四光路上，供將該影像資訊投射至該表面上，其中該第二光源所射出之光路定義一橫向，該橫向大致垂直於該第一光路，且相對於該橫向，該第二光源係設置於該第一光源與影像投影鏡組之間，其中該照明透鏡組照明透鏡組依據一成像公式使分佈於該光源均勻器上之光源能實質上共軛成像於影像投影鏡組，其中第一照明透鏡與第二照明透鏡間的有效透鏡距離為d，該光源模組於該光源均勻器的一輸出側上產生一第一虛擬光源，該成像公式為：該第一虛擬光源係置於該第一照明透鏡的焦距f1內，使其產生與第一虛擬光源同側之一第二虛擬光源之虛像，該第二虛擬光源被設置的位置距離該第二照明透鏡為D值，其中該D值為該f2之一倍以上、兩倍以下(f2<D＜2f2)，如此使該虛擬光源能實質上共軛成像於影像投影鏡組。
針對上述兩實施例的更具體的其他實施例細節，可參考申請專利範圍中各附屬項的附加敘述，於此不再重複贅言。
上述本發明的發明內容並無法完整說明本發明的每一種實施方式或本發明的所有面向。
下方將結合附圖對本發明的各具體實施例進一步說明。雖然本發明結合了具體實施例進行說明，但是應當理解本發明可以有多種方式實施，而不僅限於這裏所揭露的具體實施例；本發明提供的具體實施例使得本發明公開更加充分和完整，且使得本領域技術人員能夠完全掌握本發明的範圍。
本發明第一實施例的投影裝置，係供用於將一影像資訊投射至一表面上，供大眾或個人閱覽所投影的內容，此投影裝置可以構成一單獨存在的投影機，也得以模組方式存在而與其他可攜式裝置，例如手機，整合成一體而成為一可攜式的複合機裝置，例如具有投影功能的手機。
於以下的說明中，所謂『光路(程)』意指光所通過的路徑以及光本身，光本身可能未包含任何資訊，亦可能因為經過處理(例如經反射式影像產生器反射)而包含資訊，供於一表面上投影。而為了讓圖示易讀，圖示中的光路只繪示光源的主光線，其餘光線並未繪出。另外，於以下的說明中，所謂『共軛成像』意指，上一級光學透鏡的輸出光瞳面實質上成像於下一級光學透鏡的輸入光瞳面。
如圖1所示，除了其他習知的元件或未來可能生產的附加元件外，本發明第一實施例的投影裝置100包含一光源模組110，包含一第一光源(例如LED的綠光G)、一第二光源(例如LED的紅光R與藍光B)、一第一光源調變鏡(例如，但不限於，包含準直透鏡115A、117A)、一第二光源調變鏡(例如，但不限於，包含準直透鏡115B、117B)，該第一光源經該第一光源調變鏡後為第一調變光源L00，該第二光源經第二光源調變鏡後為第二調變光源L01。
投影裝置100進一步包含一光源合成器111，供合成該第一調變光源L00、該第二調變光源L01為一單一之第一光路L10，該第一光路L10係定義一第一方向。
投影裝置100進一步包含一光源均勻器(beam homogenizer)120，以均勻化(uniform)第一光路L10。
投影裝置100進一步包含一照明透鏡組(illumination lens)130，供輸入經均勻化效果的第一光路L10，將第一光路L10重新導向至一第二光路L13，該第一光路L10與該第二光路L13間形成一夾角。
投影裝置100進一步包含一反射式影像產生器160，供於其上形成該影像資訊；以及一稜鏡組140，供輸入該第二光路L13後，將第二光路L13投射至反射式影像產生器160，其中，反射式影像產生器160將第二光路L13反射後，形成具有該影像資訊的一第三光路L15，該具有該影像資訊的第三光路L15經該稜鏡組140全反射後，產生具有該影像資訊的一第四光路L17。
投影裝置100進一步包含一影像投影鏡組170，位於該第四光路L17上，供將該第四光路L17上的該影像資訊投射至表面上。
如圖1所示，為了提高光源的亮度，LED光源分別採用兩路光源，G光源一路、B光源與R光源一路，兩路光源然後經由一合光器111，形成單一的第一光路L10。
光源方位調變模組(115A、117A，與115B、117B)分別輸入該光G，(R，B)源所生的光，而輸出光路L00、L01。關於照射角度的分佈，輸出光路L00、L01上的光具有適宜而均勻的之分布，此即為光源方位調變模組的主要作用、功能。光源方位調變模組的實施例包含常用、習知的準直透鏡(collimator)。
於某些實施例中，光源之第一光源的對應光路L00大致平行於該第一光路L10,而該光源模組之第二光源的對應光路L01大致垂直於該第一光路L10，且第二光源與搭配的光源方位調變模組係置於該第一光源與影像投影鏡組170之間，如圖1所示。
於圖1實施例之下，於某些實施例中，光源均勻器120包含一微型透鏡陣列(lenslet array)，微型透鏡陣列形成一光輸入平面120I與光輸出平面120J，光輸入平面120I成像於反射式影像產生器160上。如熟悉此項技藝人士所知，微型透鏡陣列包含同一平面的複數個微型透鏡，每一微型透鏡一般具有相同的焦距(focal length)。
於圖1實施例之下，於某些實施例中，微型透鏡陣列中的每一微型透鏡的曲率半徑約小於2，以便得到較佳的均勻化(uniform)效果。第一光路L10離開光源均勻器120後，即入射照明透鏡組(illumination lens set)130，將第一光路L10重新導向至一第二光路L13，該第一光路L10與該第二光路L13間形成一夾角。
照明透鏡組130主要包含照明透鏡131、135與方向導引器133(例如但不限於反射鏡面)。如熟悉此項技藝人士所知，照明透鏡131、135的主要作用在使光源照明強度(intensity)的分布盡可能的均勻(evenness)，且使低照明強度的不均勻(unevenness)部分，儘量地降低。照明透鏡131或照明透鏡135的一實施例可採用習知的聚光透鏡(condenser lens)，可使主光線平行此投影裝置的光軸，而偏移量降低。方向導引器133用以將將第一光路L10導向至一第二光路L13。
於圖1實施例之下，於某些實施例中，稜鏡組140包含一第一稜鏡141，其中該第一稜鏡141具有一主光輸入面SB 與一主光輸出面SD ，如圖2a、2b、2c所示。主光輸入面SB 與一垂直參考面SR 間之夾角為一第一角度，該主光輸出面SD 與該垂直參考面SR 間夾角為一第二角度，該第一角度約為28度(±3度)、且該第二角度約為32度(±3度)，以滿足該反射式影像產生器160規格所要求的光照(入)射角度。於圖一實施例之下，於某些實施例中，稜鏡組140包含一第二稜鏡143，其中該第二稜鏡143為一全反射式(total internal reflection--TIR)稜鏡。因第二光路L13先穿透第一稜鏡141後，經過反射式影像產生器160的反射，取得 投影資訊後形成第三光路L15，第三光路L15再經第二稜鏡143的全反射形成第四光路L17，此一稜鏡組140所被應用的架構因而可稱之為逆全反射式(retro total internal reflection)遠心(telecentric)光學架構。
如圖2a、2b、2c中第一稜鏡141的實施例所示，光由輸入面SB進入，由輸出面SD射出，此一第一稜鏡141(及/或第二稜鏡143)所揭露的設計參數，僅為一較佳的實施例，主要在於一方面滿足反射式影像產生器160所要求的光照(入)射角度，另一方面可減少稜鏡組140與反射式影像產生器160間的高(厚)度(即Y方向)的差異。
回到圖1，於圖1實施例之下，於某些實施例中，該反射式影像產生器160包含一數位微鏡裝置(digital micromirrors device--DMD)。反射式影像產生器160前方通常會安排一像場透鏡(field lens)150，像場透鏡150的主要功能在於增加視角。
回到圖1，具有投影資訊的第三光路L15經第二稜鏡143的全反射後形成第四光路L17，此第四光路L17通過影像投影鏡組170後，資料被投影至平面上。影像投影鏡組170一般包含多個不同功能的透鏡，達成正確放大與投影的功能。
也由於上述關於圖1、圖2a、圖2b、圖2c實施例的揭露，得以達成本發明前述的發明創作目的。
以下藉由圖3、4、5，敘述本創作的光學設計如何達成共軛成像。
圖3中包含(由左自右)光源均勻器120、照明透鏡131、照明透鏡135、稜鏡組140、反射式影像產生器160，圖3為圖1的有效光程路徑圖，顯示照明透鏡131與照明透鏡135間之有效光程距離為d。圖3另供揭露光源均勻器120輸入面120I之微型透鏡被設計成像於該影像產生器160。為了能共軛成像於投影鏡組170，該照明透鏡組130中照明透鏡131與照明透鏡135間之間距d需有效的拉開。為有效利用此一拉開產生的空間(與光路L10約略垂直的方向)，本創作將第二光源(R,B)與其光源方位調變模組(115B、117B)置於第一光源(G)與影像投影鏡組170之間。
圖4揭露光源均勻器120輸出側120J處之第一多重虛擬光源。當光源發設光線經光源方位調變鏡組(115A,117A,115B,117B)調變為一近似平行光之光源後，經光源合成器111將兩光源合成為一第一光路L10。光源產生一第一多虛擬光源於該均勻器之輸出側120J上。而該第一多虛擬光源經該照明透鏡組成像於照明透鏡131的輸入瞳附近，且該第一多虛擬光源位於第一透鏡131的焦距(f1)內，使其產生一與第一多虛擬光源同側(以第一透鏡131為基準)之第二多虛擬光源之(虛)像。易言之，第二多虛擬光源之(虛)像距離第二透鏡135的距離D，其中D大於d。本創作的成像公式(即關係)為，該D值為該f2之一倍以上、兩倍以下(f2<D＜2f2)，如此使該第二虛擬光源能實質上共軛成像於影像投影鏡組，即聚焦形成一第三多虛擬光源於影像投影鏡組的入瞳附近。
圖5即揭露投影鏡組170入瞳處所聚焦形成之第三多重虛擬光源成像。
藉由以上各圖式的本創作較佳實施例，可得知本創作的各個目的或功效都因此獲得了實現。亦即，藉由一逆全反射式遠心光學架構，本創作確實可提供一尺寸或容量較小化且具高光機效率之投影裝置或模組，亦可提供一實現共軛成像的微型投影裝置或模組，亦可提供一兩光路LED光源的微型投影裝置或模組。
雖然通過附圖和前面的詳細描述對本發明的各個實施例進行了說明，但是應該理解本發明不僅限於在此公開的實施例，而可以在不違背本發明實質的前提下進行多種組態、修飾和等效變換。
SR ．．．參考面
SD ．．．光輸出面
SB ．．．光輸入面
100．．．投影裝置
110．．．光源模組
L10．．．第一光路
120．．．光源均勻器
130(包含透鏡131、135、方向導引器133)．．．照明透鏡組
L13．．．第二光路
160．．．反射式影像產生器
140(包含第一稜鏡141、第二稜鏡143)．．．稜鏡組
L15．．．第三光路
L17．．．第四光路
170．．．影像投影鏡組
(115A，117A，115B，117B)．．．準直透鏡
120I．．．光輸入平面
150．．．像場透鏡
111．．．光源合成器
120J．．．光輸出平面
L00．．．第一光源光路
L01．．．第二光源光路
通過參照以下詳細說明並結合附圖可對本發明的各項實施例有一個較完整的理解。
圖1揭露本發明一實施例的投影裝置；
圖2a揭露一實施例中第一稜鏡的立體圖；
圖2b揭露一實施例中第一稜鏡的右側視圖；
圖2c揭露一實施例中第一稜鏡的頂側視；
圖3揭露本發明實施例中，光源均勻器120第一面之微型透鏡被設計成像於該影像產生器160。
圖4揭露本發明實施例中，光源均勻器120輸出側之第一多重虛擬光源。
圖5揭露本發明實施例中，投影鏡組170入瞳處之第三多重虛擬光源產生成像。
100．．．投影裝置
110．．．光源模組
L10．．．第一光路
120．．．光源均勻器
130(包含透鏡131、135、方向導引器133)．．．照明透鏡組
L13．．．第二光路
160．．．反射式影像產生器
140(包含第一稜鏡141、第二稜鏡143)．．．稜鏡組
L15．．．第三光路
L17．．．第四光路
170．．．影像投影鏡組
(115A，117A，115B，117B)．．．準直透鏡
120I．．．光輸入平面
150．．．像場透鏡
111．．．光源合成器
120J．．．光輸出平面
L00．．．第一光源光路
L01．．．第二光源光路

Claims (9)

  1. 一種投影裝置，供將一影像資訊投射至一表面上，包含：一光源模組，包含一第一光源、一第二光源、一第一光源調變鏡、一第二光源調變鏡，該第一光源經該第一光源調變鏡後為第一調變光源，該第二光源經第二光源調變鏡後為第二調變光源；一光源合成器，供合成該第一調變光源、該第二調變光源為一單一之第一光路，該第一光路係定義一第一方向；一光源均勻器(beam homogenizer)，供使該第一光路均勻化(uniform)；一照明透鏡組(illumination lens)，將供該均勻化之第一光路導至一第二光路；一反射式影像產生器，供形成該影像資訊；一稜鏡組，將第二光路導至該反射式影像產生器，其中，該反射式影像產生器反射該第二光路後，形成具有該影像資訊的一第三光路，該第三光路經該稜鏡組反射後，產生一第四光路；一影像投影鏡組，位於該第四光路上，將該影像資訊投射至該表面上，其中該第二光源所形成之光路定義一第二方向，該第二方向大致垂直於該第一方向，且相對於該第二方向，該第二光源係設置於該第一光源與影像投影鏡組之間，其中該照明透鏡組照明透鏡組依據一成像公式使分佈於該光源均勻器上之光源能實質上共軛成像於影像投影鏡組。
  2. 如請求項1所述之一種投影裝置，其中該光源均勻器包含一微型透鏡陣列，該微型透鏡陣列形成一光輸入平面，該光輸入平面成像於該反射式影像產生器上。
  3. 如請求項1所述之一種投影裝置，其中該稜鏡組包含一第一稜鏡，其中該第一稜鏡具有一主光輸入面與一主光輸出面，主光輸入面與一垂直參考面間之夾角為一第一角度，該主光輸出面 與該垂直參考面間夾角為一第二角度，25度≦該第一角度≦31度且29度≦該第二角度≦35度，以滿足該反射式影像產生器所要求的照射角度。
  4. 如請求項1所述之一種投影裝置，其中該稜鏡組包含一第二稜鏡，其中該第二稜鏡為一全反射式(total internal reflection)稜鏡。
  5. 如請求項1所述之一種投影裝置，該照明透鏡組包含一第一照明透鏡、一方向導引器與一第二照明透鏡，方向導引器用以將該第一光路導至該第二光路，其中該第一照明透鏡與該第二照明透鏡間之光程距離為d，該d值係使該影像資訊能實質共軛成像於該影像投影鏡組。
  6. 如請求項1所述之一種投影裝置，其中第一光源包含LED的綠光光源，第二光源包含LED的紅、藍光光源。
  7. 如請求項5所述之一種投影裝置，其中該第一光源與該影像投影鏡組間得容納該第二光源。
  8. 如請求項5所述之一種投影裝置，其中該第一照明透鏡的焦距為f1，第二照明透鏡的焦距為f2，該光源模組於該光源均勻器的一輸出側上產生一第一虛擬光源，該第一虛擬光源係置於該第一照明透鏡的焦距f1內，使其產生與該第一虛擬光源同側之一第二虛擬光源之虛像，該第二虛擬光源係距離該第二照明透鏡D處，其中該D值為該f2之一倍以上、兩倍以下(f2<D<2f2)，如此使該虛擬光源能實質上共軛成像於影像投影鏡組。
  9. 一種投影裝置，供將一影像資訊投射至一表面上，包含：一光源模組，包含一第一光源、一第二光源、一第一光源調變鏡、一第二光源調變鏡，第一光源照射第一光源調變鏡而輸出第一調變光源，第二光源照射第二光源調變鏡而輸出第二調變光源；一光源合成器，供將該第一調變光源、第二調變光源合成，而產生一單一的第一光路，該第一光路定義一縱向；一光源均勻器(beam homogenizer)，供輸入該第一光路，將第一光路的光施加均勻化(uniform)效果；一照明透鏡組(illumination lens)，供輸入經均勻化效果的第一光路，將第一光路重新導向至一第二光路，該第一光路與該第二光路間形成一夾角，該照明透鏡組包含一第一照明透鏡、一方向導引器與一第二照明透鏡，方向導引器用以將將第一光路導向至第二光路，第一照明透鏡的焦距為f1，第二照明透鏡的焦距為f2；一反射式影像產生器，供形成該影像資訊；一稜鏡組，供輸入該第二光路後，將第二光路投射至反射式影像產生器，其中，反射式影像產生器將第二光路反射後，形成具有該影像資訊的一第三光路，該第三光路經該稜鏡組反射後，產生一第四光路；一影像投影鏡組，位於該第四光路上，供將該影像資訊投射至該表面上，其中該第二光源所射出之光路定義一橫向，該橫向大致垂直於該第一光路，且相對於該橫向，該第二光源係設置於該第一光源與影像投影鏡組之間，其中該照明透鏡組照明透鏡組依據一成像公式使分佈於該光源均勻器上之光源能實質上共軛成像於影像投影鏡組，其中第一照明透鏡與第二照明透鏡間的有效透鏡距離為d，該光源模組於該光源均勻器的一輸出側上產生一第一虛擬光源，該成像公式為：該第一虛擬光源係置於該第一照明透鏡的焦距f1內，使其產生與第一虛擬光源同側之一第二虛擬光源之虛像，該第二虛擬光源被設置的位置距離該第二照明透鏡為D值，其中該D值為該f2之一倍以上、兩倍以下(f2<D＜2f2)，如此使該虛擬光源能實質上共軛成像於影像投影鏡組。
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