TW201627744A - 投影機 - Google Patents

Abstract

投影機包含光源、數位微鏡裝置、第一稜柱、第二稜柱及鏡頭。光源用以發出入射光。數位微鏡裝置用以接收並反射入射光為成像光。第一稜柱設置於光源及數位微鏡裝置間，用以接收並傳遞入射光。第二稜柱設置於第一稜柱及數位微鏡裝置間，用以接收並傳遞成像光。第一稜柱包含第一面、第二面、及鄰接第一面且具有反射部的中繼部。第二面傳來的入射光經反射部反射，再穿透第二面。第二稜柱包含第四面、第五面及第六面。入射光穿透第四面及第五面至數位微鏡裝置。成像光穿透第五面，經第四面反射。當數位微鏡裝置為開啟狀態時，成像光穿透第六面。

Description

投影機

本發明描述一種投影機，尤指一種具有二軸翻轉式的數位微鏡裝置之投影機。

投影機利用成像原理並藉由數位微鏡裝置(Digital Micro-mirror Device)，可將微小影像投影到巨幅螢幕上，並提供足夠的亮度，將影像資訊分享給眾人。

第1圖係為傳統投影機50的元件架構圖，如第1圖所示，傳統投影機50包含了數位微鏡裝置10，全反射(Total Internal Reflection，TIR)稜鏡組11，反射鏡12，透鏡模組13，以及光導管(Light Pipe)14。為了定義視角方向，第1圖的右邊顯示了直角座標系的3個軸向。以第1圖而言，X軸為由原點向右的方向，Y軸為由原點向下的方向，Z軸為指入的方向。在傳統投影機50中，入射光經由光導管14穿過透鏡模組13，再經由反射鏡12反射至全反射稜鏡組11，最後經由數位微鏡裝置10將成像光傳至鏡頭而投射至螢幕上。然而，傳統投影機50的數位微鏡裝置10因為物理特性的限制，只能接受入射光以斜射入射。因此，全反射稜鏡組11相對數位微鏡裝置10傾斜一角度設置(例如45度)，這將導致傳統投影機50的體積受到限制，在追求微小化投影機的今日，傳統投影機50過大的體積將導致便利性不足而逐漸失去競爭力。

因此，發展一種體積較小的投影機是非常重要的。

本發明一實施例描述了一種投影機，包含光源、數位微鏡裝置、第一稜柱、第二稜柱及鏡頭。光源係用以發出入射光。數位微鏡裝置於相互垂直的第一方向及第二方向分別具有第一邊及第二邊，第一邊長於第二邊。數位微鏡裝置係用以接收並反射入射光為成像光。第一稜柱是設置於光源及數位微鏡裝置間，用以接收並傳遞入射光。第一稜柱包含鄰近光源且接收入射光的第一面，鄰接第一面的第二面，及中繼部。中繼部是鄰接第一面且具有反射部，用以將從第二面傳來的入射光經由反射部反射後，再穿透第二面。第二稜柱是設置於第一稜柱及數位微鏡裝置間。第二稜柱包含第四面、第五面及第六面。第四面平行第二面且用以接收入射光，第五面鄰接於第四面且平行數位微鏡裝置，第五面具有平行於第一邊的鄰接邊，第六面鄰接於第四面及第五面且與鏡頭相對。鏡頭用於接收並投射成像光。入射光穿透第四面及第五面至數位微鏡裝置。成像光穿透第五面且經第四面反射，當數位微鏡裝置係為一開啟狀態時，成像光穿透第六面。

50、100、200‧‧‧投影機

10、20‧‧‧數位微鏡裝置

13、21‧‧‧透鏡模組

14、22‧‧‧光導管

23‧‧‧光源

24‧‧‧鏡頭

26‧‧‧反射部

S1‧‧‧第一稜柱

S2‧‧‧第二稜柱

L1至L6‧‧‧光線路徑

11、25‧‧‧全反射稜鏡組

12‧‧‧反射鏡

A1至A6‧‧‧夾角

TP1至TP4‧‧‧三角形平面

P1至P6‧‧‧平面

27‧‧‧平凸透鏡

A‧‧‧入射光

B‧‧‧成像光

C‧‧‧長邊

D‧‧‧短邊

E‧‧‧鄰接邊

R‧‧‧中繼部

OMS‧‧‧光機系統

第1圖係為傳統投影機的元件架構圖。

第2圖係為本發明第一實施例之投影機的元件架構圖。

第3圖係為第2圖實施例之投影機內兩個稜柱結構的示意圖。

第4圖係為第2圖實施例之投影機的光路模擬圖。

第5圖係為本發明第二實施例之投影機之光機系統的示意圖。

第6圖係為第5圖實施例之投影機之光機系統的側視圖。

第2圖為本發明第一實施例之投影機100的元件架構圖，第3圖 為第2圖之投影機100內兩個稜柱結構的示意圖，而第4圖描述了投影機100的光路模擬圖。以下將依序說明本發明第一實施例之投影機100的架構，稜鏡組的結構，以及投影機100內光線傳遞過程與實際光路模擬的結果。如第2圖所示，投影機100包含了數位微鏡裝置(Digital Micro-mirror Device)20、透鏡模組21、光導管(Light Pipe)22、光源23、鏡頭24、第一稜柱S1及第二稜柱S2。其中，光導管22、透鏡模組21、第一稜柱S1、第二稜柱S2及數位微鏡裝置20構成投影機100中之光機系統(Optical Mechanical System)OMS。光源23用來發射入射光A。數位微鏡裝置20為一矩形的平面裝置，具有複數微鏡以用來反射入射光A為成像光B，而數位微鏡裝置20具有相互垂直的長邊C與短邊D(於第6圖所示)。在本實施例中，數位微鏡裝置20係為二軸翻轉式的晶片組(TRP(Tilt & Roll Pixel)DLP® Pico^TM chipset)，其微鏡沿二對角線各翻轉12度，等效相對於長邊C方向(X軸向)翻轉17度，用以將入射光A以約莫34度反射為成像光B。鏡頭24用來接收成像光B。第一稜柱S1以及第二稜柱S2設置於透鏡模組21、數位微鏡裝置20與鏡頭24之間，用以接收由透鏡模組21傳來的入射光A，將其反射至數位微鏡裝置20，並傳遞成像光B至鏡頭24上。第一稜柱S1具有中繼部R。中繼部R鄰接第一面P1(於第3圖所示)且具有反射部26。在本實施例中，反射部26可為第一稜柱S1於第三面P3(於第3圖所示)上的鏡面塗層，或是一個具有鏡面的平凸透鏡(Plano-Convex Lens)等裝置。光源23發射入射光A後，入射光A經由光導管22穿透透鏡模組21，沿光路L1至第一稜柱S1，並在第一稜柱S1內沿光路L2反射至反射部26。入射光A經反射部26反射後，依序沿光路L3、L4至數位微鏡裝置20。數位微鏡裝置20將入射光A反射為成像光B。當數位微鏡裝置20為一開啟狀態(On state)時，成像光B於第二稜柱S2內沿光路L5傳遞並依據光路L6穿透第二稜柱S2而被鏡頭24接收。入射光A及成像光B行進過程的細節將於後文詳述。為了定義視角方向，第2圖的右下角顯示了直角座標系的3個軸向。在第2圖中，X軸為指出方向，Y軸為 由原點向上的方向，Z軸為原點向左的方向。在本實施例中，第一稜柱S1與第二稜柱S2之間，第二稜柱S2與數位微鏡裝置20之間存在間隙，但本發明不限於此，其它實施例中，第一稜柱S1與第二稜柱S2之間，第二稜柱S2與數位微鏡裝置20之間可為緊密貼合。後文將詳細說明投影機100中之第一稜柱S1與第二稜柱S2的結構，以及入射光A及成像光B在兩個稜柱間行進過程。

第3圖係為投影機100內第一稜柱S1及第二稜柱S2結構的示意圖。在本實施例中，第一稜柱S1為三角稜柱，具有五個平面，包含第一三角型平面TP1、第二三角型平面TP2、第一面P1、第二面P2及中繼部R。中繼部R鄰接於第一面P1且包含第三面P3。而第一面P1與第二面P2相夾第一夾角A1，第二面P2與第三面P3相夾第二夾角A2、第三面P3與第一面P1相夾第三夾角A3。在本實施例中，第三夾角A3會大於第一夾角A1及第二夾角A2。舉例來說，第一夾角A1為35.5度，第二夾角A2為45.0度，第三夾角A3為99.5度。第二稜柱S2亦為三角稜柱，具有五個平面，包含第三三角型平面TP3、第四三角型平面TP4、第四面P4、第五面P5及第六面P6。而第四面P4與第五面P5相夾第五夾角A5，第四面P4與第六面P6相夾第四夾角A4，第五面P5與第六面P6相夾第六夾角A6。在本實施例中，第五夾角A5相等於第二夾角A2。舉例來說，第五夾角A5為45.0度，第四夾角A4亦為45.0度，而第六夾角A6為90.0度。在本實施例中，第一稜柱S1與第二稜柱S2在較佳實施例中會滿足以下的位置條件：第一稜柱S1的第二面P2平行於第二稜柱S2的第四面P4，第二稜柱S2的第五面P5平行於第2圖中的數位微鏡裝置20(於Z軸平行)，第二稜柱S2的第五面P5垂直於第六面P6，且第二稜柱S2的第五面P5與第六面P6的鄰接邊E平行於數位微鏡裝置20的長邊C(於X軸平行)。應瞭解的是，端視投影機100設計需求，第一稜柱S1的第一面P1平行於第二稜柱S2的第六面P6。以下將依據第2圖及第3圖的結構，詳述投影機100中入射光A及成像光B行進過程。

在投影機100中，入射光A自光源23被發射後隨即被光導管22接收。本實施例所用的光導管可為楔形(Wedge)的光導管22，即光導管22接收入射光A之入光端面積大於輸出入射光A之出光端面積，因此可以有效提升光導管22的收光量(Coupling Efficiency)。入射光A依序穿透光導管22及透鏡模組21。透鏡模組21的功能為利用聚焦的物理特性集束入射光A，使入射光A照射數位微鏡裝置20上之微鏡。實施例中的透鏡模組21為至少一個以上的透鏡組成，其等效焦距在80~82mm之間，然而其它實施例亦可以使用其它焦距。在本實施例中，入射光A穿過透鏡模組21之後垂直入射於第一稜柱S1的第一面P1，亦即入射光A入射的方向平行於第一面P1的法向量(Normal Vector)。入射光A於第一稜柱S1內沿著光路L1前進，並於第一稜柱S1的第二面P2發生全反射(Total Internal Reflection)。被第二面P2全反射後的入射光A繼續沿光路L2前進至中繼部R中的反射部26。中繼部R包含第三面P3，在本實施例中，反射部26係為於第三面P3上的鏡面鍍膜結構。反射部26反射入射光A沿光路L3回第一稜柱S1中。入射光A沿光路L3穿過第二面P2後，於第一稜柱S1與第二稜柱S2間因空氣介質而發生折射，並依序穿過第二稜柱S2的第四面P4、沿光路L4前進、穿過第五面P5，最後被數位微鏡裝置20接收。在此，由於數位微鏡裝置20為矩形結構，分別於X軸及Z軸具有長邊C及短邊D，而第二稜柱S2的第五面P5與第六面P6的鄰接邊E與數位微鏡裝置20的長邊C平行(於X軸平行)。因此，入射光A沿光路L4入射數位微鏡裝置20於XZ平面上可視為入射光A朝數位微鏡裝置20的長邊C的入射(如第6圖所示)。在本實施例中，由於數位微鏡裝置20係為二軸翻轉式的晶片組(TRP(Tilt & Roll Pixel)DLP® Pico^TM chipset)，當數位微鏡裝置20為一開啟狀態(On state)時，其微鏡沿二對角線各翻轉12度。因此，入射光A沿光路L4入射數位微鏡裝置20時，會被約莫以34度反射為成像光B。成像光B依序沿光路L5前進，穿過第五面P5而進入了第二稜柱S2中。成像光B依序沿光路L5至第四面P4，並在第四面 P4被反射。被第四面P4反射後的成像光B沿光路L6穿透第六面P6至鏡頭24。在本實施例中，成像光B在第四面P4的反射係為全反射。在本實施例中，成像光B係近乎垂直入射於第二稜柱S2的第六面P6，故成像光B將直接穿透第六面P6而被鏡頭24接收。換言之，成像光B於第六面P6不會發生任何反射或折射。

第4圖係為本發明之投影機100的入射光A及成像光B的光路模擬圖。第4圖視角的定義方向與第2圖相同，故不再贅述。在第4圖中，光導管22將入射光A傳至透鏡模組21中。透鏡模組21將入射光A聚焦後，經由如第2圖所述之光路，將入射光A的光束範圍反射至數位微鏡裝置20的像素範圍內。隨後，入射光A被數位微鏡裝置20反射為成像光B，並傳至鏡頭24中。鏡頭24接收成像光B後，便將成像光B投影到大螢幕上使之成像。本發明之投影機100利用二軸翻轉式的數位微鏡裝置20，使全反射稜鏡組與數位微鏡20裝置不會有多餘的夾角(第五面P5與第六面P6的鄰接邊E與數位微鏡裝置20的長邊C平行)。因此，相較於傳統的投影機50，本發明的投影機100其體積較小。然而，為了更進一步優化投影機的體積，本發明另一實施例提出了投影機200的架構，描述於下。

第5圖係為本發明另一實施例之投影機200的光機系統OMS之示意圖，而第6圖係為投影機200的光機系統OMS的側視圖。如第5圖所示，投影機200之光機系統OMS與投影機100類似，包含數位微鏡裝置20、透鏡模組21、光導管(Light Pipe)22及全反射稜鏡組(Total Internal Reflection，TIR)25。而第5圖的視角方向與第2圖及第4圖相同，故不再贅述。投影機200與投影機100的差異點在於，在投影機200中，其光機系統OMS的等效焦距可為透鏡模組21與中繼部R內具有鏡面的平凸透鏡27匹配而成，而投影機100的等效焦距即為透鏡模組21的焦距。換言之，投影機200可用更短的光路距離達成光機系統OMS的等效焦距。在第6圖中，投影機200之光機系統OMS的視角定義為：X軸為由原點向下的方向，Y軸為指出方向，Z軸 為由原點向左的方向。因此，第5圖中的入射光A穿過光導管22、透鏡模組21、全反射稜鏡組25而到達數位微鏡裝置20的光路方向，以第6圖中的視角觀之，入射光A為直線前進(第5圖中入射光A的光路變化於YZ平面，因此以第6圖的XZ平面觀之，光路為直線方向)。因為投影機200之光機系統OMS的等效焦距可為透鏡模組21與中繼部R內具有鏡面的平凸透鏡27匹配而成，故入射光A的光路距離被縮短。由此觀之，投影機200的空間配置性能獲得更進一步的優化。

本發明之投影機100及投影機200中，數位微鏡裝置20的微鏡反射區與光導管22的出光端面積比值約為1.7~1.9倍，等效於光機系統OMS放大倍率約為1.7~1.9倍。而用於接收成像光的鏡頭24，其光圈大小為F1.7的光圈值。然而，本發明所用的放大倍率和光圈大小卻不以此為限，在其它實施例中可以使用任何放大倍率，以及任何光圈值(例如更大的F1.5光圈)來實現投影機100及投影機200。

綜上所述，本發明揭露一種投影機，其設計觀念為利用二軸翻轉式的數位微鏡裝置，使全反射稜鏡組與數位微鏡裝置不會有多餘的夾角。因此，相較於傳統的投影機，本發明的投影機其體積較小，且元件的空間配置性可以獲得進一步的優化。此外，本發明之投影機在光機系統中也引入了具有反射面的平凸透鏡，因此能縮短光路距離，並進一步優化投影機內的空間配置性和體積。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧投影機

20‧‧‧數位微鏡裝置

21‧‧‧透鏡模組

22‧‧‧光導管

23‧‧‧光源

24‧‧‧鏡頭

26‧‧‧反射部

S1‧‧‧第一稜柱

S2‧‧‧第二稜柱

L1至L6‧‧‧光路

A‧‧‧入射光

B‧‧‧成像光

R‧‧‧中繼部

OMS‧‧‧光機系統

Claims (15)

1. 一種投影機，包含：一光源，發出一入射光；一數位微鏡裝置，於相互垂直的一第一方向及一第二方向分別具有一第一邊及一第二邊，該第一邊長於該第二邊，該數位微鏡裝置接收並反射該入射光為一成像光；一第一稜柱，設置於該光源及該數位微鏡裝置間，接收並傳遞該入射光，包含：一第一面，鄰近該光源且接收該入射光；一第二面，鄰接該第一面；及一中繼部，鄰接該第一面且具有一反射部，該入射光經該第二面反射至該反射部後穿透該第二面；一第二稜柱，設置於該第一稜柱及該數位微鏡裝置間，接收並傳遞該等光，包含：一第四面，平行該第二面且接收該入射光；一第五面，鄰接該第四面且平行該數位微鏡裝置，該第五面具有一鄰接邊平行該第一邊；及一第六面，鄰接該第四面及該第五面且與鏡頭相對；及一鏡頭，接收並投射該成像光；其中，該入射光穿透該第四面及該第五面至該數位微鏡裝置，該成像光穿透該第五面且經該第四面反射，當該數位微鏡裝置係為一開啟狀態時，該成像光穿透該第六面。
2. 如請求項1所述之投影機，其中該數位微鏡裝置係為一二軸翻轉式的數位微鏡裝置。
3. 如請求項1所述之投影機，其中該第五面垂直該第六面。
4. 如請求項1所述之投影機，其中該第六面平行該第一面。
5. 如請求項1所述之投影機，更包含：一第一夾角，位於該第一面及該第二面間；一第二夾角，位於該第二面及該第三面間；及一第三夾角，位於該中繼部及該第一面間；其中，該第三夾角大於該第一夾角及該第二夾角。
6. 如請求項1所述之投影機，其中該入射光垂直入射該第一面。
7. 如請求項1所述之投影機，其中一間隙存在於該第二面及該第四面間。
8. 如請求項1所述之投影機，其中一間隙存在於該數位微鏡裝置與該第五面間。
9. 如請求項1所述之投影機，更包含：一透鏡模組，設於該光源及該第一面間。
10. 如請求項9所述之投影機，其中該透鏡模組之有效焦距在80mm~82mm之間。
11. 如請求項9所述之投影機，更包含：一光導管，設於該光源及該透鏡模組間，用以接收並傳遞該入射光。
12. 如請求項11所述之系統，其中該光導管係為一楔形(Wedge)光導管。
13. 如請求項11所述之投影機，其中該光導管、該透鏡模組、該等稜柱、該數位微鏡裝置係組成一光機系統，該光機系統之放大倍率為1.7~1.9之間。
14. 如請求項1所述之投影機，其中該中繼部包含一第三面，該反射部係為位於該第三面上之一鏡面塗層。
15. 如請求項1所述之投影機，其中該中繼部包含一第三面，該反射部係為一平凸透鏡(Plano-Convex Lens)，包含：一第七面，鄰接該第三面；及一第八面，相對該第七面且具有一鏡面塗層，該鏡面塗層用以反射該入射光。