TW200815905A - Optical projection apparatus and total internal reflection prism thereof - Google Patents

Description

200815905 Fl'68/ zizi3twf.doc/e 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種 投影裝置及其内部全反射稜鏡(total internal reflection prism, TIR prism) ° 【先前技術】 請參照圖1，習知投影裝置50具有一照明系統 (illumination system)52、一内部全反射稜鏡100、一數位微 鏡裝置(digital micro-mirror device，DMD)54 以及一投影鏡 頭56以。内部全反射棱鏡100是由一第一稜鏡no與一第 一稜鏡120所組成，其中第一棱鏡Π0為一三角形棱鏡， 其具有連接成三角形的一第一表面112、一第二表面Π4 與一第三表面116。第二稜鏡120為一光程補償稜鏡，其 具有一入光面122與一出光面124，其中出光面124與第 一表面112相對，且出光面124與第一表面112之間存在 一空氣間隙(air gap)。此外，數位微鏡裝置54是配置於第 二表面114旁，投影鏡頭56是配置於第三表面116旁，而 照明系統52是配置於入光面122旁。 一…、明系統52所提供的照明光束(inuminati〇n beam)i〇2 曰由入光面122進入第二稜鏡12()，再經由出光面124進 入空氣間隙，穿過空氣間隙後經第一表面112進入第一稜 、兄」10再由第一表面114穿出第一稜鏡丨1〇而投射在數 位微鏡裝置54上。數位微鏡裝置54會將照明光束1⑽轉 換成-影像光幻〇4，並使影像光束1〇4從第二表面ιΐ4 5 200815905 F16^/ Zi^l3twf.doc/e 進入第一稜鏡110。接著，影像光束1〇4會在第一表面l〇2 產生全反射後再由第三表面116穿出第一稜鏡110至投影 鏡頭56,而投影鏡頭56會將影像光束1〇4投影於一螢幕(未 繪示)上，以於螢幕上形成影像。其中，第二稜鏡120是用 於補償照明光束102及影像光束1〇4在第一稜鏡110中造 成的光程差。 習知技術中，出光面124與第一表面112之間存在空 氣間隙，以使影像光束104傳遞至第一表面112發生全反 射。然而，由於第二稜鏡120的折射率約1·8，其遠大於 空氣的折射率，所以照明光束102傳遞至出光面124時， 部分照明光束102容易因入射角過大而造成全反射(如光 束103所示），所以不能被有效地利用。如此，將降低螢幕 上的影像之亮度。 【發明内容】 本發明之一目的是提供一種投影裝置及其内部全反 射稜鏡，以降低照明光束在内部全反射稜鏡内發生全反射 的機率，.以提高影像亮度。 本發明之另一目的是提供一種投影裝置及其内部全 反射稜鏡，減少第一稜鏡中的雜散光在第一表面發生全反 射的機率，使雜散光能自第一表面出射，以避免雜散光影 響影像的對比.。 為達上述或是其他目的，本發明提出一種投影裝置， 包括一内部全反射稜鏡、一照明系統、一反射式光閥(light valve)與一投影鏡頭。内部全反射稜鏡包括一第一稜鏡、 6 200815905 π D6 / ζ i213twf.doc/e

一第二稜鏡與一抗全反射層。第一稜鏡具有一第一表面、 一第二表面與—第三表面。第二稜鏡具有一入光面與一出 光面’其中出光面與第一表面相對，且出光面與第_表面 之間存在一間隙。抗全反射層是連接於部分出光面與部分 第一表面之間。此外，照明系統配置於入光面旁，且適於 朝向入光面提供一照明光束。反射式光閥是配置於第二表 ，旁，且位於照明光束的傳遞路徑上。反射式光閥適於將 照明光束轉換成一影像光束。投影鏡頭是配置於第三表面 旁，且位於影像光束的傳遞路徑上。 在本發明之一實施例中，上述之出光面及第一表面上 具有一被照明光束照射之照明區域，而第一表面上具有一 被影像光束騎之影像區域。抗全反射層之—侧連接於^ 一表面之未與影像區域重疊之照明區域上，另一侧拯 其相對的出光面上。 安於

在本發明之一實施例中 nl，抗全反射層的折射率為^ nl-n4 I > | nl-n3 | 〇 在本發明之一實施例中 η2’抗全反射層的折射率為^ η2-η4 | > | η2-η3 | 〇 在本發明之一實施例中 係大於一空氣的折射率。 在本發明之一實施例中 (optical adhesive) 〇 ’上述之弟一棱鏡的折射率為 3,而空氣的折射率為n4，且丨 ，上述之第二稜鏡的折射率為 3 ’而空氣的折射率為n4，且| ’上述之抗全反射層的折射率 ’上述之抗全反射層為光學腰 200815905 A —3twf.d〇c/e 、在，發明之一實施例中，上述之抗全反射層之一侧是 連接於第一表面上未被影像光束照射的區域，另一侧是連 接於其相對的出光面上。 在本發明之一實施例中，上述之入光面為一曲面。 在本發明之一實施例中，上述之照明光束是依序通過 入光面、出光面、第一表面與第二表面後入射於反射式光 閥上，且影像光束是經由第二表面而傳遞至第一表面，並 Φ 被第一表面反射後而自第三表面出射至該投影鏡頭。 、本發明另提出一種上述之内部全反射稜鏡。 本發明又提出一種投影裝置，包括一内部全反射稜 鏡、如、明糸統、一反射式光閥與一投影鏡頭。内部全反 射稜鏡包括一第一稜鏡與一第二稜鏡。第一稜鏡具有一第 一表面、一第二表面與一第三表面，而第二稜鏡具有一入 光面與一出光面。部分出光面與部分第一表面相連，且其 餘部分出光面與其餘部分第一表面之間存在一間隙。此 外’照明系統配置於入光面旁，且適於朝入光面提供一照 •明光束。反射式光閥是配置於第二表面旁，且位於照明光 束的傳遞路栏上。反射式光閥適於將照明光束轉換成一影 像光束。投影鏡頭是配置於第三表面旁，且位於影像光束 的傳遞路徑上。 在本發明之一實施例中，上述之間隙是位在第一表面 上被影像光束所照射的區域與其相對的出光面之間。 本發明另提出一種内部全反射稜鏡，其為上述第二種 投影裝置的内部全反射稜鏡。 200815905 J.丄 / ^ X 213twf.doc/e 一夫在本毛明中，由於第一種内部全反射的第一稜鏡與第 之？！：抗全反射層，而第二種内部全反射稜鏡的 弟_文鏡人第一稜鏡有部分相連，所以可有效降低昭明光 束發生全反射的機率。因此，本㈣之投影裝置可提升影 像的亮度。 為瓖本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下。 【實施方式】 請參照圖2A，本實施例之投影裝置200包括一内部 全反射稜鏡300、一照明系統210、一反射式光閥220與一 投影鏡頭230。内部全反射稜鏡300包括一第一稜鏡310、 一弟一稜鏡320與一抗全反射層330。第一稜鏡310例如 是一二角形稜鏡，其具有連接成一三角形的一第一表面 312、一第二表面314與一第三表面316，其中第一表面 312、一第二表面314與一第三表面316例如皆為平面。第 二稜鏡320為一光程補償稜鏡，其用以補償光束在第一稜 鏡310内的光程差。第二棱鏡320具有一入光面322與一 出光面324，其中出光面324與第一表面312相對，且出 光面324與第一表面312之間存在一間隙，間隙例如是空 氣。 照明系統210係配置於入光面322旁，且照明系統210 包括一透鏡240。照明系統210適於朝向入光面322提供 一照明光束212，透鏡240可將照明光束212聚焦於反射 13twf.doc/e 200815905 式光閥220上。反射式光閥220可為數位微鏡裝置或單晶 石夕液晶面板(liquid crystal on silicon panel，LCOS panel)，其 配置於第二表面314旁，且位於照明光束212的傳遞路徑

上。反射式光閥220適於將照明光束212轉換成一影像光 束213。投影鏡頭230是配置於第三表面316旁，且位於 影像光束213的傳遞路徑上。照明光束212是依序通過入 光面322、出光面324、第一表面312與第二表面314後入 射於反射式光閥220上，後由反射式光閥220反射之影像 光束213經由第二表面314而傳遞至第一表面312，並被 第一表面312全反射後而自第三表面312出射至投影鏡頭 230,最後，透過投影鏡頭230將影像光束213投影至一榮 幕(未繪示)上，進而在螢幕上形成影像。 請參照圖2B，抗全反射層330是連接於部分出光面 324與部分第一表面312之間。於本實施例中，出光面324 及第一表面312上具有一被照明光束212照射之照明區域 212a。第一表面312上具有一被影像光束213照射之影像 區域213a。抗全反射層330之一侧連接於第一表面312之 未與影像區域213a重疊之照明區域212a上(如圖2B之斜 線區域），另一側連接於其相對的出光面324上。當昭明光 束212傳遞至出光面324時，由於出光面324上:部'分照 明區域212有設置抗全反射層330，因此，可降低照明光 束212發生全反射的機率，因此能提高照明光束Μ】的 用效率二進而提升影像的亮度。而且，影像光束213不合 照射於第-表面312上有設置抗全反射層33Q之區域，二 10 .213twf.doc/e 200815905 不會影響影像光束213於第-表面312上全反射的致去 在本實施财，抗全反射層33()的材f可為光學二 是與透鏡她賴質。此外，抗全反朗33()的 ^ 視第一稜鏡310與第二稜鏡32〇的折射率而調f^ 效地降低照明光束212在出光面324發生全反射的機宏有 具體而言，若第-稜鏡31〇的折射率為nl，第二卞

的折射率為n2,抗全反射層33〇的折射率為心，而 折射率為n4，則在本實施例中，可限定n3>n4、」二4 〉丨 nl-n3 丨或是 I n2-n4 I > | n2-n3 I。 比較本貫施例之投影裝^ 2〇〇與習知技術的投影裝置 (如斤圖1所不）’若習知技術中的第一稜鏡ιι〇與本實施例 之弟-稜鏡31G的折射率皆為16G96，f知技術中二 棱鏡12Q與本實施例之第二稜鏡32〇的折射率皆為 1、·5354且本貝知例之抗全反射層的折射率為m%。 以ASAP模擬軟體進行模擬的結果顯示，習知投影裝置投 衫於赏幕上的影像其光通量(㈣為67 1325，而本實施例 之杈影裝i 200投影於螢幕上的影像其光通量為 72.5392。因此，相較於習知技術，本實施例之投影裝置 200的影像亮度可增加。 。叫苓-圖3A與圖3β，本實施例之投影裝置200a與 圖2A之投影裝置2〇〇相似，差別處僅在於内部全反射稜 ，的抗全反射層。而本實施例之内部全反射稜鏡3〇〇a的抗 王反射層330a之一側是連接於第一表面312上未被影像光 束213照射的區域(如圖3B之斜線區域），另一侧是連接於 11 200815905 r i 〇〇 / ^i^i3twf.doc/e 其相對的出光面324卜。4 + 队 ,L ^ 上如此，除了可降低照明光束212 發生全反射的機率外，予πίν # i μ 、米 光在第-表面3!2發生=反射一稜鏡310中的雜散 表面3i2出射，以避免；，使雜散光能自第- 夂免隸政光傳遞至投影鏡頭230而爭變 影像的對比。此外，當反射貝幻〇而如善 μ、w 射式摘Q為數位微鏡裝置時， .=亦、匕於關-狀態(〇ff_state)之數位微鏡裝置的 鏡片（ninrors)所反射的光束215 〇 • 請參照圖4，本實施例之内部全反射稜鏡300b盥圖 2A之内部全反射稜鏡相似，差別處在於内部全反射棱 鏡300之第二稜鏡32〇的入光面322為平面，而内部全反 射稜鏡300b之第二稜鏡遍的入光面现為曲面。由於 =具有聚光的效果，故將此内部全反射稜鏡3_應用於 才又衫I置200時，不需藉由透鏡24〇來聚光，因此能節省 透鏡240的材料成本。此外，圖3A之第二稜鏡32〇的入 光面322亦可為曲面。 _ 凊茶照圖5A與圖5B，本實施例之内部全反射稜鏡4〇〇 包括一第一稜鏡410與一第二稜鏡420。第一稜鏡410具 第一表面412、一第二表面414與一第三表面416,而 第二稜鏡420具有一入光面422與一出光面424。部分出 光面424與部分第一表面412相連，且其餘部分出光面424 與其餘部分第一表面412之間存在一間隙402,而間隙402 内的介質例如是空氣。内部全反射稜鏡400應用於投影裝 置中時’間隙402是位在第一表面412上被影像光束213 所照射的區域（即影像區域213a-)-與其相對的-岀-先―面424 12 200815905 Γ ιυο/ z,i^!3twf.doc/e 之間。間隙402之設置可使影像光束213傳遞至第一表面 412時發生全反射並自第三表面416出射。此外，第一表 面412與出光面424相連之區域可降低照明光束212傳遞 至出光面424時發生全反射的機率，以提高影像的亮度， 並可減少第一稜鏡410中的雜散光在第一表面412發生全 反射的枝平，使雜散光能自第一表面412出射，以避免雜 散光影響影像的對比。 ” • —雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限f本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不 脫離本發明之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾， =本發明之僻隻範圍當視後社巾請專利翻所界定者 為準。 【圖式簡單說明】 圖1是習知投影裝置的示意圖。 圖2A是本發明—實施例之投影裝置的示意圖。 _ -圖2B是照明光束與影像光束投射於圖2A之第一表面 的不意圖。 圖3A是本發明另一實施例之投影裝置的示意圖。 一圖3B是照明光束與影像光束投射於圖3A之第一表面 的不意圖。 圖4疋本發明又_實施例之内部全反射稜鏡的示意 圖。 ^ 圖5A是本發明再一實施例之内部全反射稜鏡的示意 圖。 13 200815905 r ιυο/ /,i^i3twf.d〇c/e 圖5B是照明光束與影像光束投射於圖5A之弟一表面 的示意圖。 【主要元件符號說明】 50、200、200a :投影裝置 52、210 :照明系統 54 :數位微鏡裝置 56、230 :投影鏡頭 100、300、300a、300b、400 :内部全反射稜鏡

102、 212 :照明光束 103、 215 :光束 104、 213 :影像光束 110、310、410 :第一稜鏡 112、312、412 :第一表面 114、314、414 :第二表面 116、316、416 :第三表面 120、320、320b、420 ··第二棱鏡 122、322、322b、422 :入光面 124、324、424 :出光面 220 :反射式光閥 240 :透鏡 330、330a :抗全反射層 402 :間隙 212a :照明區域 213a :影像區域 14

Claims (1)

1. 200815905 π 〇6 / z 1 ^ 13twf. doc/e 十、申請專利範圍： 1.一種投影裝置，包括·· 一内部全反射稜鏡，包括： 一第一稜鏡，具有一第一表面 第三表面； 弟二表面與一

   一第二稜鏡，具有一入光面與一出光面，其中該 出光面與該第-表面相對，且該出光面與該第 = 之間存在一間隙； 又面 抗王反射層，連接於部分該出光面與部 一表面之間； 、 該第 一照明系統 提供一照明光束 配置於該入光面旁，適於朝向該入光面 一反射式光閥 光束的傳遞路徑上 轉換成一影像光束 配置於戎第二表面旁，且位於該照明 ，其中遠反射式光閥適於將該照明光束 ;以及

   一投影鏡頭 束的傳遞路徑上 配置於该第二表面旁，且位於該影像光 15 ___13twf.doc/e 200815905 氣的折射率為n4，且I nl-n4 I > I nl-n3 I。 4. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該第 二稜鏡的折射率為n2，該抗全反射層的折射率為n3，而空 氣的折射率為n4，且| n2-n4 | > | n2-n3丨。 5. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該抗 全反射層的折射率係大於一空氣的折射率。 6. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該抗 全反射層為光學膠。 7. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該入 光面為一曲面。 8. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該抗 全反射層之一侧是連接於第一表面上未被該影像光束照射 的區域，另一侧是連接於其相對的出光面上。 9. 如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該照 明光束是依序通過該入光面、該出光面、該第一表面與該 第二表面後入射於該反射式光閥上，且該影像光束是經由 該第二表面而傳遞至該第一表面，並被該第一表面反射後 而自該第三表面ill射至該投影鏡頭。 10. —種内部全反射稜鏡，包括： 一第一稜鏡，具有一第一表面、一第二表面與一第三 表面； 一第二稜鏡，具有一入光面與一出光面，其中該出光 面與該第一表面相對，且該出光面與該第一表面之間存在 一間隙；以及 16 200815905 Fit>5/ Zi213twf.doc/e 面之^抗全反射層，連接於部分該出光面與部分該第一表 11.如申請專補圍第1G項所述之㈣ 辦出光面糊-表面上具有一被一照明光之 ,%、明區域、亥弗-表面上具有—被一影像光束 旦 區域，該抗全反射層之一側連接 第一 :、土之衫像 ，域重宜之㈣£域上’另—側連接於其相對的該出光^ —» · η.如申請專利範圍第1G項所述之 其中該第-稜鏡的折射率為nl，該抗為 n3’而空氣的折射率為n4，且丨nl‘丨〉Ui:?為 13·如申請專利範圍第1Q項所述之 其中該第W折射率—全反射層^ ^為 …而空氣的折射率為…且丨⑽卜丨必^卞為 申料利範圍第1Q項所述之内部全反射棱鏡， 其中该抗王反射層的折射率係大於—空氣的折射率。 糊範目第1G賴述之㈣纽射稜鏡， 其中该抗全反射層為光學膠。 立中翻範^1G項所叙㈣全反射稜鏡， ^層之一側疋連接於第—表面上未被-影像 先束π射的_，另—側是連接於其 17.—種投影裝置，包括： 上 内部全反射稜鏡，包括·· 第二表面與一 一第一稜鏡，具有一第―表面、 17 n3twf.doc/e 200815905 第三表面； 一第一稜鏡，具有一 光面與部分第 部分第一 入光面與一出光面，部分出 且其餘部分出光面與其餘· 表面之間存在~間隙； 適於朝向該入光面 -照明系統，配置於該 提供一照明光束； 九面方 一反射式光閥， 光束的傳遞路徑上，龙心麵二表面旁，且位於該照明 轉換成-影像光束；^〜反射式光_於縣照明光束 —投影鏡頭’配置於該 束的傳遞路徑上。 —：方，且位於該影像光 18·如申請專利範囹坌 間隙是位在該第一表面上被誃：：述之投影裝置，其中該 相對的該出光面之間。"心光束所照射的區域與其 19·一種内部全反射稜鏡，包括： 一第一稜鏡，具有一第一表面、一 表面；以及 乐一表面與一第三 —第二稜鏡，具有一入光面與—出 與部分第一表面相連，且其餘部分出光面2，部分出光面 表面之間存在一間隙。 輿其餘部分第_ 20.如申請專利範圍第19項所述之内A 其中该間隙是位在該第一表面上被一參二王反射稜鏡， 域與其相對的該出光面之間。 光束所照射的區 18