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TWI481948B - 光投影系統 - Google Patents

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TWI481948B
TWI481948B TW102139835A TW102139835A TWI481948B TW I481948 B TWI481948 B TW I481948B TW 102139835 A TW102139835 A TW 102139835A TW 102139835 A TW102139835 A TW 102139835A TW I481948 B TWI481948 B TW I481948B
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TW102139835A
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TW201518842A (zh
Inventor
Ming Kuen Lin
Tsung Hsun Wu
Original Assignee
Qisda Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Qisda Corp filed Critical Qisda Corp
Priority to TW102139835A priority Critical patent/TWI481948B/zh
Priority to US14/527,770 priority patent/US9470965B2/en
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Description

光投影系統
本發明關於一種光投影系統，尤指一種具有多光源之光投影系統。
目前投影機多採單一光源設計，如需增加投影影像的亮度，僅能透過增加光源的照度來達成。於實作上，通常透過使用更高功率的光源來實現照度的增加，但是高功率的光源於運作中產生的熱亦難抑制，將使得光源溫度可能過高而影響發光效率且損及光源的使用壽命。對此問題，目前亦有採用多光源設計之投影機，其將多個光源產生之光線導入單一導光柱內並加以混合均勻，進而提昇投影影像的亮度。然而，由於光源產生之光線通常不甚均勻，有其分佈特性(例如高斯分佈)，一般多光源集光設計並未基於光分佈特性來考慮入光配置，而僅是將光源的出光方向朝向導光柱設置，此仍易造成自導光柱之出光端投射至影像調變裝置上的光線均勻性不足的現象，此現象亦引起投影影像亮度不均勻的問題。
鑑於先前技術中的問題，本發明的目的之一在於提供一種光投影系統，利用穿透面及反射面以進中多個光源產生之光線，並考慮穿透面及反射面之寬度以使投射出導光柱之光線分佈能保持一定的均勻度。
本發明之光投影系統包含一投影鏡頭、一影像調變裝置、一導光柱、一第一光源及一第二光源。該投影鏡頭用以投射一影像光。該影像調變裝置具有一面板寬度，用以形成該影像光。該導光柱用以接收並均勻化複數光線，該導光柱上定義一軸向且包含一第一端及一第二端，該第一端包含一 穿透面以及設置於該穿透面之一第一側之一反射面，該反射面之法向與該軸向間有一第一夾角，該穿透面大致垂直於該軸向，該反射面具有一第一寬度，該穿透面具有一第二寬度，其中該第一寬度及該第二寬度分別除以該面板寬度之值均介於0.13及0.35之間。該第一光源用以發射一第一光線，該第一光線由該穿透面入射入該導光柱內。該第二光源用以發射一第二光線，該第二光線由該導光柱之一第一側表面入射，經該反射面反射入該導光柱內。其中，該導光柱均勻化該第一光線及該第二光線且自該第二端傳遞至該影像調變裝置形成該影像光，並經由該投影鏡頭投射。
相較於先前技術，本發明透過控制該穿透面及該反射面對該影像調變裝置之寬度比，以使分別於該穿透面及該反射面上之光通量具有一定的均勻度，進而使得自該第二端投射至該影像調變裝置之光線(由該第一光線及該第二光線混合)亦能均勻分布，該影像光投射產生之影像亮度亦均勻。因此，本發明能有效解決習知多光源集光設計因未考慮光源出光分佈特性而可能引起導光柱投射光線均勻性不足、投影影像亮度不均勻等問題。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
1、4、5‧‧‧光投影系統
3‧‧‧屏幕
12‧‧‧投影鏡頭
13‧‧‧透鏡
14‧‧‧影像調變裝置
14a‧‧‧面板寬度
16、17a、17b、17c、56、57‧‧‧導光柱
16a、56a‧‧‧軸向
16b‧‧‧矩形截面
16c‧‧‧寬度方向
16d‧‧‧高度方向
18、19、20、21、22‧‧‧光源
22a、22b、24a、24b‧‧‧反射件
142‧‧‧影像光
162、562‧‧‧第一端
164、564‧‧‧第二端
182、192、202、212、222‧‧‧光線
1622、5622‧‧‧穿透面
1622a、5622a‧‧‧第一側
5622b‧‧‧第二側
1622b、1624b、5622c、5624b、5626b‧‧‧寬度
1624、5624、5626‧‧‧反射面
1624a、1624c、5624a、5624c、5626a、5626c‧‧‧夾角
1626、5628‧‧‧第一側表面
1628、5630‧‧‧第二側表面
第1圖為根據本發明之一第一實施例之一光投影系統之示意圖。
第2圖為第1圖中光投影系統之導光柱之示意圖。
第3圖為根據另一實施例之導光柱之示意圖。
第4圖為根據又一實施例之導光柱之示意圖。
第5圖為根據又一實施例之導光柱之示意圖。
第6圖為根據本發明之一第二實施例之一光投影系統之示意圖。
第7圖為根據本發明之一第三實施例之一光投影系統之示意圖。
第8圖為根據另一實施例之導光柱之示意圖。
請參閱第1圖，其為根據本發明之一第一實施例之一光投影系統1之示意圖。光投影系統1包含一投影鏡頭12、一影像調變裝置14、一導光柱16、一第一光源18及一第二光源20。第一光源18及第二光源20分別用以產生一第一光線182及一第二光線202。第一光線182及第二光線202進入導光柱16後，導光柱16均勻化第一光線182及第二光線202且將均勻混合的第一光線182及第二光線202傳遞至影像調變裝置14。影像調變裝置14根據影像資料將第一光線182及第二光線202形成一影像光142，影像光142再經由投影鏡頭12投射至一屏幕3上，形成影像。
請亦參閱第2圖，第2圖為導光柱16之示意圖。於本實施例中，導光柱16大致呈一柱狀結構，其上定義一軸向16a，導光柱16沿軸向16a延伸並具有一矩形截面16b(以虛線影線表示)，此矩形截面16b定義一寬度方向16c(即矩形截面16b之長邊方向)及一高度方向16d(即矩形截面16b之短邊方向)。導光柱16包含一第一端162及一第二端164，導光柱16自第一端162接收並均勻化複數光線(例如第一光線182及第二光線202)，並自第二端164傳遞出均勻混合的光線。第一端162包含一穿透面1622以及設置於穿透面1622之一第一側1622a之一第一反射面1624，第一反射面1624之法向與軸向16a間有一第一夾角1624a(舉例如第3圖所示45度)，穿透面1622大致垂直於軸向16a。第一光線182由穿透面1622入射入導光柱16內。第二光線202由導光柱16之一第一側表面1626入射，經第一反射面1624反射入導光柱16內。第一光線182及第二光線202經導光柱16均勻化後，自第二端164射出，再經由多個透鏡13(此處僅以一個示意)投射至影像調變裝置14上。影像調變裝置14可為例如但不限於一數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)，第一光線182及第二光線202即經由透鏡13投射至微鏡分佈的區域，此區域通常亦為一矩形。影像調變裝置14根據影像資料透過控制微鏡的開、關狀態之手段以將混合的第一光線182及第二光線202形成影像光 142，影像光142再經由投影鏡頭12投射至一屏幕3上，形成影像。一般而言，導光柱16於第二端164之截面(或謂出光面)其比例等同影像調變裝置14，但尺寸小於前述區域，因透鏡13具有放大率。導光柱16均勻化(homogenize)第一光線182及第二光線202以大致吻合地投射於微鏡上，此外，透鏡13亦具有調整混合的第一光線182及第二光線202之行進角度的功能。
其中，影像調變裝置14具有一面板寬度14a(即前述微鏡分佈的區域之寬度，對應該矩形之長邊)，第一反射面1624於垂直於高度方向16d之方向上具有一第一寬度1624b，穿透面1622於寬度方向16c上具有一第二寬度1622b，第一寬度1624b及第二寬度1622b分別除以面板寬度14a之值均介於0.13及0.35之間。當第一光源18及第二光源20之出光分佈相對於其出光方向為一高斯分佈時，前述寬度比的控制可使位於高斯分佈中間部分強度較高、均勻度較佳之光線能進入導光柱16內，且能使於穿透面1622及第一反射面1624上之光通量具有一定的均勻度，進而使得自第二端164投射至影像調變裝置14之光線(即由第一光線182及第二光線202混合)亦能均勻分布，由影像光142投射至屏幕3上產生之影像之亮度亦能均勻。因此，本發明之導光柱16能有效率地擷取第一光源18及第二光源20發射之光線且於穿透面1622及第一反射面1624上之光通量具有相當的均勻度，真正有效提昇投影影像整體亮度及維持亮度均勻。
補充說明的是，當寬度比過小時，易造成僅擷取到光源18或20中央一小部分之光線，使得光線擷取量比例過小，捨棄的量過大，反而造成能量過度耗損，提昇之亮度輸出與增加的功率輸入不成比例，亦即此時輸入功率使用率反較於單一光源系統之輸入功率使用率大幅降低。又，當寬度比過大時，因高斯分佈的特性，將使得於穿透面1622或第一反射面1624上之光通量明顯不均勻，此將使投射至影像調變裝置14之光線亦不均勻，投影影像的亮度亦不均勻。此外，寬度比過大意謂導光柱16尺寸較大，後續搭配的相關光學元件(透鏡13等)亦須加大尺寸，易造成光投影系統1尺寸過大， 徒增製造成本。
於本實施例中，於導光柱16中，第一反射面1624與穿透面1622之間形成一第三夾角1624c，第三夾角1624c介於90度至180度之間，例如135度。考量光強度呈高斯分佈且因應業界常用的數位微鏡裝置約呈4：3、16：10、16：9，出光面(導光柱16於第二端164之截面)與二入光面(穿透面1622與第一反射面1624)於高度方向16d等高，且二入光面較為接近正方形以利擷取強度較高、均勻度較佳之光線能進入導光柱16內，提高導光柱16的收光效率。導光柱16包含與第一側表面1626相對之一第二側表面1628，第一反射面1624之兩側邊分別鄰接於穿透面1622及第二側表面1628，但本發明不以此為限。例如，如第3圖所示，根據一實施例中，其導光柱17a與導光柱16結構大致相同，主要不同之處在於導光柱17a之第一反射面1624與穿透面1622不相鄰。導光柱17a可取代導光柱16而使用於光投影系統1中。
此外，於導光柱16中，第一側表面1626與第一反射面1624位於穿透面1622之兩側，但本發明不以此為限。例如，如第4圖所示，根據一實施例中，其導光柱17b與導光柱16結構大致相同，主要不同之處在於導光柱17b之第一側表面1626與第一反射面1624均位於穿透面1622之同一側。導光柱17b亦可取代導光柱16而使用於光投影系統1中。於導光柱17b中，第一反射面1624與穿透面1622之間形成之第三夾角1624c介於180度至270度之間，例如225度。第一反射面1624之兩側邊分別鄰接穿透面1622及第一側表面1626，但本發明不以此為限。例如，如第5圖所示，根據一實施例中，其導光柱17c與導光柱17b結構大致相同，主要不同之處在於導光柱17c之第一反射面1624與穿透面1622不相鄰。同樣地，導光柱17c亦可直接取代導光柱16而使用於光投影系統1中。
於光投影系統1中，穿透面1622及第一反射面1624分別僅對應單一光源18、20，但本發明不以此為限。請參閱第6圖，其為根據本發明之 一第二實施例之一光投影系統4之示意圖。光投影系統4與光投影系統1結構大致相同，故於光投影系統4中，相同特徵仍沿用光投影系統1之元件編號，光投影系統1之相關說明於此亦有適用，不另贅述。光投影系統4與光投影系統1主要不同之處在於光投影系統4更包含一第四光源19、一第五光源21、一第一反射件22a、一第二反射件22b、一第三反射件24a及一第四反射件24b。第一反射件22a及第二反射件22b鄰近穿透面1622設置(例如上下交錯設置)，第四光源19用以發一第四光線192，其中第一光線182經第一反射件22a反射以由穿透面1622入射至導光柱16，第四光線192經第二反射件22b反射以由穿透面1622入射至導光柱16。第三反射件24a及第四反射件24b鄰近第一側表面1626設置(例如上下交錯設置)，第五光源21用以發一第五光線212，其中第二光線202經第三反射件24a反射後射入第一側表面1626，再經第一反射面1624反射於導光柱16中，以及第五光線212經第四反射件24b反射後射入第一側表面1626，再經第一反射面1624反射於導光柱16中。藉此，穿透面1622及第一反射面1624可分別對應雙光源18、19及20、21輸入，以能擷取更多的光線以更進一步地增強自第二端164之出光強度，亦即增強投影影像的亮度。
於前述實施例中，導光柱16之第一端162僅配置兩個光擷取介面(即穿透面1622及第一反射面1624)，但本發明不以此為限。請參閱第7圖，其為根據本發明之一第三實施例之一光投影系統5之示意圖。光投影系統5與光投影系統1結構邏輯大致相同，相較於光投影系統1，光投影系統5使用具有三個光擷取面之導光柱56，故除了第一光源18及第二光源20，光投影系統5更包含一第三光源22，用以發射一第三光線222；關於光投影系統5各部件之其他說明可逕參閱光投影系統1之相關說明，不另贅述。詳細地來說，導光柱56與導光柱16之結構大致相同，主要不同之處在於導光柱56之第一端562具有一穿透面5622、一第一反射面5624及一第二反射面5626，穿透面5622大致垂直於導光柱56之軸向56a，第一反射面5624與軸向56a 間有一第一夾角5624a，第二反射面5626與軸向56a間有一第二夾角5626a，第一反射面5624及第二反射面5626鄰接穿透面5622且分別設置於穿透面5622之相對的第一側5622a及第二側5622b。第一光源18發射之第一光線182由穿透面5622入射入導光柱56內。第二光源20發射之第二光線202由導光柱56之一第一側表面5628入射，經第一反射面5624反射入導光柱56內。第三光源22發射之第三光線222由導光柱56之一第二側表面5630入射，經第二反射面5626反射入導光柱56內。導光柱56均勻化其內之第一光線182、第二光線202、第三光線222並經由第二端564傳送至影像調變裝置14。其中，相同於光投影系統1對穿透面1622及第一反射面1624之寬度定義，第一反射面5624具有一第一寬度5624b，穿透面5622具有一第二寬度5622c，第二反射面5626具有一第三寬度5626b。第一寬度5624b、第二寬度5622c及第三寬度5626b分別除以面板寬度14a之值均介於0.13及0.35之間。藉此，光投影系統5可擷取更多的光線以增強自第二端564之出光強度，亦即增強投影影像的亮度。
另外，於實際應用中，第一光源18、第二光源20及第三光源22可分別為一單色光，例如使用LED光源以產生紅色光、綠色光及藍色光。藉此，導光柱56可直接投射所需色光(包含單色及混色)至影像調變裝置14上，而無需再經色輪取出所需色光，減少因濾光而造成的能量損耗。補充說明的是，於光投影系統5亦可採用光投影系統4「雙光源輸入」之配置，不另贅述。
於光投影系統5之導光柱56中，第一反射面5624及第二反射面5626分別與穿透面5622之間形成之夾角5624c、5626c皆介於180度至270度之間，例如225度。考量光強度呈高斯分佈且因應業界常用的數位微鏡裝置約呈4：3、16：10、16：9，出光面(導光柱56於第二端564之截面)與三入光面(穿透面5622、第一反射面5624、第二反射面5626)等高，且三入光面接近正方形以利擷取強度較高、均勻度較佳之光線能進入導光柱56內。 為提高導光柱56的收光效率，本發明提出三入光面滿足以下條件：0.13<W(1,2,3) /WP <0.35。WP 表示影像調變裝置14之面板寬度14a；W1 表示第一反射面5624之第一寬度5624b；W2 表示穿透面5622之第二寬度5622c；W3 表示第二反射面5626之第三寬度5626b。於本實施例中，W1 =W3 =W2 。舉例說明，若面板寬度14a是24mm、高度是14mm，而透鏡13放大率是2.4，則第二寬度5622c約為24/2.4/3=3.33mm，W2 /WP 約為0.139，而穿透面5622約為(寬x高)3.33x5.83mm2 。若透鏡13放大率是1.4時，則第二寬度5622c約為24/1.4/3=5.71mm，W2 /WP 最小值約為0.238，W2 /WP 最大值約為0.34。
於第三實施例光投影系統5中，第一反射面5624與第一側表面5628均位於穿透面5622之同一側，第二反射面5626與第二側表面5630亦均位於穿透面5622之同一側，但本發明不以此為限。例如，如第8圖所示，根據一實施例中，其導光柱57與導光柱56結構大致相同，主要不同之處在於導光柱57之第一反射面5624及第二反射面5626分別與穿透面5622之間形成之夾角5624c、5626c皆介於90度至180度之間，例如135度。此時，第一反射面5624與第一側表面5628位於穿透面5622之兩側，第二反射面5626與第二側表面5630亦位於穿透面5622之兩側，且僅第一反射面5624與穿透面5622鄰接。於實作上，第一反射面5624亦得採與第二反射面5626之設置方式而亦不與穿透面5622鄰接，不另贅述。另外補充說明的是，於導光柱56、57之結構中，穿透面5622位於第一反射面5624及第二反射面5626之間，但本發明不以此為限。於實作上，穿透面5622、第一反射面5624及第二反射面5626之排列位置(包含相對於軸向56a及垂直於軸向56a之橫向之位置)，可視實際光源設置位置而調整，此排列可為所屬技術領域中具有通常知識者基於本說明書之揭露而可輕易完成，不另贅述。
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。
5‧‧‧光投影系統
3‧‧‧屏幕
12‧‧‧投影鏡頭
13‧‧‧透鏡
14‧‧‧影像調變裝置
14a‧‧‧面板寬度
56‧‧‧導光柱
56a‧‧‧軸向
18、20、22‧‧‧光源
142‧‧‧影像光
562‧‧‧第一端
564‧‧‧第二端
182、202、222‧‧‧光線
5622‧‧‧穿透面
5622a‧‧‧第一側
5622b‧‧‧第二側
5622c、5624b、5626b‧‧‧寬度
5624、5626‧‧‧反射面
5624a、5624c、5626a、5626c‧‧‧夾角
5628‧‧‧第一側表面
5630‧‧‧第二側表面

Claims (10)

  1. 一種光投影系統，包含：一投影鏡頭，用以投射一影像光；一影像調變裝置，具有一面板寬度，用以形成該影像光；一導光柱，用以接收並均勻化複數光線，該導光柱上定義一軸向且包含一第一端及一第二端，該第一端包含一穿透面以及設置於該穿透面之一第一側之一第一反射面，該第一反射面之法向與該軸向間有一第一夾角，該穿透面大致垂直於該軸向，該第一反射面具有一第一寬度，該穿透面具有一第二寬度，其中該第一寬度及該第二寬度分別除以該面板寬度之值均介於0.13及0.35之間；一第一光源，用以發射一第一光線，該第一光線由該穿透面入射入該導光柱內；以及一第二光源，用以發射一第二光線，該第二光線由該導光柱之一第一側表面入射，經該第一反射面反射入該導光柱內；其中，該導光柱均勻化該第一光線及該第二光線且自該第二端傳遞至該影像調變裝置形成該影像光，並經由該投影鏡頭投射。
  2. 如請求項1所述之光投影系統，更包含一第三光源，用以發射一第三光線，其中該導光柱之該第一端包含設置於該穿透面之一第二側之一第二反射面，該第二反射面之法向與該軸向間有一第二夾角，該第三光線由該導光柱之一第二側表面入射，經該第二反射面反射入該導光柱內，以及該導光柱將在該導光柱內之該第一光線、經該第一反射面反射的該第二光線及經該第二反射面反射的該第三光線混合並經由該第二端傳送至該影像調變裝置。
  3. 如請求項2所述之光投影系統，其中該第一側與該第二側相對。
  4. 如請求項2所述之光投影系統，其中該第一反射面與該第二反射面至少一 者與該穿透面相鄰設置或不相鄰設置。
  5. 如請求項1所述之光投影系統，其中該第一反射面與該穿透面之間形成一第三夾角，該第三夾角介於90度至180度之間。
  6. 如請求項1所述之光投影系統，其中該導光柱包含與該第一側表面相對之一第二側表面，該第一反射面之兩側邊分別鄰接於該穿透面及該第二側表面。
  7. 如請求項1所述之光投影系統，其中該第一反射面與該穿透面之間形成一第三夾角，該第三夾角介於180度至270度之間。
  8. 如請求項1所述之光投影系統，其中該第一反射面之兩側邊分別鄰接該穿透面及該第一側表面。
  9. 如請求項1所述之光投影系統，更包含一第四光源、一第一反射件及一第二反射件，該第一反射件及該第二反射件鄰近該穿透面設置，該第四光源用以發一第四光線，其中該第一光線及該第四光線分別經該第一反射件及該第二反射件反射以由該穿透面入射至該導光柱。
  10. 如請求項1所述之光投影系統，更包含一第五光源、一第三反射件及一第四反射件，該第三反射件及該第四反射件鄰近該第一側表面設置，該第五光源用以發一第五光線，其中該第二光線及該第五光線分別經該第三反射件及該第四反射件反射以由該導光柱之該第一側表面入射，經該第一反射面反射入該導光柱。
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