反射式投影显示系统.pdf

本发明揭露一种反射式投影显示系统，其在亮态模式下接收一光线且将光线投射至一屏幕上。本发明的反射式投影显示系统包含一反射式微镜面板、一投影装置及一棱镜组。光线在到达反射式微镜面板之前是被棱镜组反射，在亮态模式下反射自反射式微镜面板的光线是直接通过棱镜组后被投影镜头接收，在暗态模式下反射自反射式微镜面板的光线是在靠近该反射式微镜面板的棱镜与相邻的空气夹层的界面上发生全反射。

1.  一种反射式投影显示系统，其特征在于：所述系统接收一光线且在一第一模式下将所述光线投射至一屏幕上，所述反射式投影显示系统包含：
一反射式微镜面板，具有复数微镜片，各所述等微镜片具有一旋转轴，且绕着所述旋转轴在一特定角度范围内摆动，所述反射式微镜面板在所述第一模式下将所述光线朝所述反射式投影显示系统的光轴方向反射，且在一第二模式下将所述光线朝远离所述反射式投影显示系统的光轴方向反射；
一投影装置，具有一投影镜头，其接收所述第一模式下反射自所述反射式微镜面板的所述光线，且将所述光线投射至所述屏幕上；及
一棱镜组，置于所述反射式微镜面板及所述投影装置之间，所述棱镜组具有一第一棱镜、一第二棱镜及一第三棱镜，所述第一棱镜与所述第二棱镜之间存在一第一空气夹层且所述第一棱镜与所述第三棱镜之间存在一第二空气夹层、所述第二棱镜与所述第三棱镜之间存在所述第二空气夹层，所述第三棱镜靠近所述反射式微镜面板配置；
其中，所述光线在到达所述反射式微镜面板之前是被所述第一棱镜反射，所述第一模式下反射自所述反射式微镜面板之所述光线是直接通过所述棱镜组后被所述投影镜头接收，所述第二模式下反射自所述反射式微镜面板的所述光线是在所述第三棱镜与所述第二空气夹层的界面上发生全反射；且
其中，所述反射式微镜面板在所述屏幕的横向方向上的跨距小于所述反射式微镜面板在所述屏幕的纵向方向上的跨距，且所述等微镜片的旋转轴是与所述屏幕的纵向方向呈光学平行。

2.  如权利要求1所述的反射式投影显示系统，其特征在于：所述等微镜片的旋转轴是与所述反射式微镜面板的长边呈光学平行。

3.  如权利要求1所述的反射式投影显示系统，其特征在于：所述第二模式下在所述第三棱镜与所述第二空气夹层的界面上发生全反射的所述光线是在所述第三棱镜内发生内部全反射。

4.  如权利要求1所述的反射式投影显示系统，其特征在于：所述第三棱镜周围设有光吸收物质。

5.  如权利要求1所述的反射式投影显示系统，其特征在于：所述等微镜片的形状是选自矩形、菱形、圆形及椭圆形其中之一。

6.  一种反射式投影显示系统，其特征在于：所述系统接收一光线且在一第一模式下将所述光线投射至一屏幕上，所述反射式投影显示系统包含：
一反射式微镜面板，具有复数微镜片，各所述等微镜片具有一旋转轴，且绕着所述旋转轴在一特定角度范围内摆动，所述反射式微镜面板在所述第一模式下将所述光线朝所述反射式投影显示系统的光轴方向反射，且在一第二模式下将所述光线朝远离所述反射式投影显示系统的光轴方向反射；
一投影装置，具有一投影镜头，其接收所述第一模式下反射自所述反射式微镜面板的所述光线，且将所述光线投射至所述屏幕上；及
一棱镜组，具有复数棱镜，置于所述反射式微镜面板及所述投影装置之间，相邻的所述等棱镜之间存在空气夹层；
其中，所述光线在到达所述反射式微镜面板之前是被所述棱镜组反射，所述第一模式下反射自所述反射式微镜面板的所述光线是直接通过所述棱镜组后被所述投影镜头接收，所述第二模式下反射自所述反射式微镜面板的所述光线是在靠近所述反射式微镜面板的所述等棱镜与相邻的所述等空气夹层的界面上发生全反射；且
其中，所述反射式微镜面板在所述屏幕的横向方向上的跨距小于所述反射式微镜面板在所述屏幕的纵向方向上的跨距，且所述等微镜片的旋转轴是与所述屏幕的纵向方向呈光学平行。

7.  如权利要求6所述的反射式投影显示系统，其特征在于：所述第二模式下在靠近所述反射式微镜面板的所述等棱镜与相邻的所述等空气夹层的界面上发生全反射的所述光线是在靠近所述反射式微镜面板的所述等棱镜内发生内部全反射。

8.  如权利要求6所述的反射式投影显示系统，其特征在于：所述等微镜片的旋转轴是与所述反射式微镜面板的长边呈光学平行。

9.  如权利要求6所述的反射式投影显示系统，其特征在于：靠近所述反射式微镜面板的所述等棱镜周围设有光吸收物质。

10.  如权利要求6所述的反射式投影显示系统，其特征在于：所述等微镜片的形状是选自矩形、菱形、圆形及椭圆形其中之一。

反射式投影显示系统
技术领域
本发明是关于一种反射式投影显示系统，尤其是关于一种使用反射式微镜片的投影显示系统。
背景技术
近年来，通过反射式微镜片投影成像在诸如背投电视等大尺寸显示器上的技术备受重视，且正积极发展着。此一技术主要是起源于1987年德州仪器公司所开发出的数字光处理技术(Digital light processingtechnology)，其成像原理叙述如下。
请参见图1，照明装置11输出均匀的入射光线111进入由二棱镜121及122组成的棱镜组(prism assembly)12，经反射后投射至数字微镜组件(Digital Micromirror Device；DMD)13上数以万计的微镜片(未显示)。这些位于数字微镜组件13上的微镜片都有独立的驱动电极与转向轴。在一亮态模式(bright state mode)下，这些微镜片会将入射光线111a反射，经棱镜121及122后进入投影镜头141并聚焦于屏幕(未显示)上；相对地，在一暗态模式下，这些微镜片会受电压驱动电极而倾斜一特定角度，而将入射光线111a偏射，使其通过棱镜组12后即偏离投影镜头141的光轴15。
然而，就此一现有投影显示系统1而言，由于暗态下的偏射光线111c是从棱镜组12的上方出射，故为了确保投影镜头141绝对不会接收到偏射光线111c而影响到投影显示系统1的对比度，棱镜组12与投影镜头141之间必须维持至少一定的距离L_D，以避免偏射光线111c进入投影镜头141，但这样的做法却会增加背焦距离L_B，而加大了投影显示系统1的整体厚度L_T，更增添了投影镜头141在广角设计上的困难度(投影镜头广角设计条件之一是背焦距离愈短愈好)。
另一方面，为了降低投影镜头141的设计及制造成本，尽管可采用小孔径ψ_P的投影镜头141，并藉此缩短投影镜头141与棱镜组12之间的距离L_D，进而缩短投影显示系统的整体厚度L_T，然而由于偏射光线111c的出射方向始终在棱镜组12的上方，因此在投影镜头141与棱镜组12之间距离L_D的缩减上始终受到限制，实际上并无法有效降低投影显示系统1的整体厚度。
因此，在近年来消费性市场对于投影显示系统在大尺寸屏幕上所能展现的影像品质要求愈来愈严格，以及期望技术成本能够降低的情况下，有必要寻求能够同时提升投影显示系统的对比度以及缩小投影显示系统整体厚度的解决方案。为了能够根本解决前述现有技术中的问题点，本发明提出一种使用反射式微镜组件的投影显示系统，其能在维持投影显示系统高亮度及高对比度的前提下，将投影显示系统的背焦距离缩至最短，且同时缩小了投影显示系统的整体厚度。
实用新型内容
本发明是为解决现有投影显示系统无法同时提高对比度及缩小系统厚度的问题点而提出。
本发明的目的在于，提供一种反射式投影显示系统，其具有高对比度。
本发明的另一目的在于，提供一种反射式投影显示系统，其具有最小的系统厚度。
本发明提供的反射式投影显示系统，是用以接收一光线且在一第一模式下将该光线投射至一屏幕上。
本发明提供的反射式投影显示系统包含一反射式微镜面板、一投影装置及一棱镜组。
一实施样态中，本发明的反射式微镜面板具有复数微镜片，各该等微镜片具有一旋转轴，且绕着该旋转轴在一特定角度范围内摆动，该反射式微镜面板在该第一模式下将该光线朝该反射式投影显示系统的光轴方向反射，且在一第二模式下将该光线朝远离该反射式投影显示系统的光轴方向反射。
此外，本发明的投影装置具有一投影镜头，其接收该第一模式下反射自该反射式微镜面板的该光线，且将该光线投射至该屏幕上。
本发明的棱镜组具有复数棱镜，置于该反射式微镜面板及该投影装置之间，相邻的该等棱镜之间存在空气夹层。
本发明的一特征在于，该光线在到达该反射式微镜面板之前是被该棱镜组反射，该第一模式下反射自该反射式微镜面板的该光线是直接通过该棱镜组后被该投影镜头接收，该第二模式下反射自该反射式微镜面板的该光线是在靠近该反射式微镜面板的该等棱镜与相邻的该等空气夹层的界面上发生全反射。
本发明的另一特征在于，该反射式微镜面板在该屏幕的横向方向上的跨距小于该反射式微镜面板在该屏幕的纵向方向上的跨距，且该等微镜片的旋转轴是与该屏幕的纵向方向平行。
本发明具有下列优点：第一、缩短投影显示系统的背焦；第二、确保暗态模式下的偏射光线及杂散光线不会进入投影镜头中，进而提升投影显示系统的对比度；第三、有效缩减投影显示系统的整体体积及厚度。
图1是一示意图，显示一现有技术的反射式投影显示系统；
图2A是一示意图，显示本发明第一实施例的反射式投影显示系统在亮态模式下的投影；
图2B是一示意图，显示本发明第一实施例的反射式投影显示系统在暗态模式下的投影；
图3是一示意图，显示本发明第一实施例的反射式投影显示系统中的反射式微镜面板与屏幕之间的配置关系；及
图4是一示意图，显示本发明第二实施例的反射式投影显示系统中的反射式微镜面板与屏幕之间的配置关系。
请参见图2A及图2B，本发明第一实施例的反射式投影显示系统2包含一照明装置21、一棱镜组22、一投影装置23及一反射式微镜面板24。棱镜组22是置于照明装置21、投影装置23及反射式微镜面板24之间。以下是逐一说明本实施例地反射式投影显示系统2的各个组件。
本实施例的照明装置21包含有一光源211、一灯罩212、一光导管(light guide)213、一中继透镜(relay lens)214及一聚光透镜215。光源211、灯罩212及光导管213的配置关系恰可使光源211所输出的光线进入光导管213且在经过中继透镜214及聚光透镜215后进入棱镜组22。
本实施例的棱镜组22包含三个内部全反射(totally internalreflection；TIR)棱镜221、222及223，棱镜221及棱镜222之间存在有一道空气夹层(air gap)224，而棱镜221及棱镜222与棱镜223之间也存在有一道空气夹层225。棱镜223是靠近反射式微镜面板24配置，且在周围设有光吸收介质226。
本实施例的投影装置23包括一投影镜头231及一镜筒232。投影镜头231是接收自反射式微镜面板24反射且通过棱镜组22的光线26b并将光线26b顺着光轴27的方向投影在屏幕25上，而镜筒232是用来阻隔投影显示系统外其它的杂散光线进入投影镜头231。
本实施例的反射式微镜面板24上是具有复数可变倾角的微镜片241，反射式微镜面板24及微镜片241的详细配置如图3所示。各个微镜片241是绕着一旋转轴242在一特定角度范围内旋转。
接着，将说明本实施例的反射式投影显示系统2的投影原理。
在亮态模式下，请参见图2A，照明装置21所输出的光线26在进入棱镜组22之后会先被棱镜221反射而到达反射式微镜面板24上。然后，经由反射式微镜面板24上的微镜片241所反射的光线26b是依序通过棱镜223、空气夹层225、棱镜221、空气夹层224及棱镜222后进入投影镜头231。
在暗态模式下，请参见图2B，照明装置21所输出的光线26在进入棱镜组22之后同样会先被棱镜221反射而到达反射式微镜面板24上。然而，此时反射式微镜面板24上的微镜片241是已绕着旋转轴242旋转了一特定角度，而使得入射光线26a反射至靠近于反射式微镜面板24的棱镜223与空气夹层225共享的界面上，并使得反射光线26c在棱镜223内部进行内部全反射。接着，这些在棱镜223内部进行内部全反射的光线将由棱镜223周围设置的光吸收介质226吸收，俾任何反射光线26c除偏离光轴27之外更完全不会进入投影镜头231。
在本实施例中，由于暗态模式下经由反射式微镜面板24上的微镜片241所反射的光线26c可完全被导离投影装置23的投影镜头231，因此投影镜头231与棱镜组22中的棱镜222之间的距离L_D可以缩减至相当小。另外，镜筒232的多寡只需要考虑亮态模式下的成像需求即可，而不需要加入额外的外围装置来避开暗态模式下的偏射光线，因此可有效提升整个投影显示系统2的对比度及亮度。
此外，也正因为暗态模式下经由反射式微镜面板24上的微镜片241所反射的光线26c可完全被导离投影装置23的投影镜头231，且投影镜头231可以靠近棱镜组22中的棱镜222配置，吾人可在不影响整个投影显示系统2对比度的情况下同时采用孔径ψ_P小的投影镜头231及厚度L_P较小的棱镜组22，以降低投影镜头及棱镜组的制造成本以及让投影镜头及棱镜组的设计更加容易。详言之，请参见图3，本实施例采用一长度为L1宽度为L2的呈长方形的反射式微镜面板24，举例来说，L1与L2的比例可以是4比3或是16比9，可采用正方形的微镜片241。配置上，反射式微镜面板24的短边24a是与屏幕25的横向方向(视觉的左右方)251呈光学平行，反射式微镜面板24的长边24b是与屏幕25的纵向方向(视觉的上下方)252呈光学平行，且微镜片241的旋转轴242是与屏幕25的纵向方向252呈光学平行。在此情况下，微镜片241的旋转轴242恰与反射式微镜面板24的长边24b平行。如此一来，反射式微镜面板24在屏幕25的横向方向251上便具有一最短跨距L2，进而依据此一反射式微镜面板24的最短跨距L2，相对应地采用孔径ψ_P小的投影镜头231以及厚度L_P小的棱镜组22，以进一步缩小投影显示系统2的背焦距离L_B且让整个投影显示系统2具有较小的体积而达到降低制造成本以及让投影镜头及棱镜的设计更加容易的目的。
举例而言，请再次参照图2A及2B，依本实施例所采用的棱镜组22的厚度L_P为15.1457mm，相较于图1所示的现有技术(25.31mm)缩小了约1.67倍，而投影显示系统2的背焦距离L_B为18.2531mm，相较于图1所示的现有技术(48.5431mm)缩小了约2.66倍。显然地，本发明利用三片式内部全反射棱镜组22及上述反射式微镜面板24的配置方式，将暗态模式下反射自反射式微镜面板24上微镜片241的光线26c导离投影镜头231，让投影镜头231及棱镜组22之间的距离L_D可以达到最短的配置距离，因而可以不必担心投影镜头231会收到偏射光线，故可采用孔径ψ_P小的投影镜头231及厚度L_P小的棱镜组22，进而有效地缩减投影显示系统的背焦距离L_B，且有效地缩减整个投影显示系统2的厚度L_T。
另一方面，在本发明第二实施例中，除了反射式微镜面板24配置成如图4所示之外，反射式投影显示系统2其它各部组件是与前述者同，在此不再赘述。本实施例仍采用一长度为L1宽度为L2的呈长方形的反射式微镜面板24，L1与L2的比例可以是4比3或是16比9，不同于第一实施例的是采用菱形的微镜片241a。本实施例中.反射式微镜面板24的短边24a是与屏幕25的横向方向251呈光学平行，也即反射式微镜面板24在屏幕25的横向方向251上的跨距L2小于其在屏幕25纵向方向252上的跨距L1，且微镜片241b的旋转轴242b与屏幕25的纵向方向252呈光学平行。换言之，基于本发明的概念.只要微镜片241b的配置满足其旋转轴242b与屏幕25纵向方向252呈光学平行，则本发明的反射式微镜面板的微镜片可以是任何形状.例如是长方形、圆形、椭圆形。
综上所述，本发明已通过上述的实施例及变化例来详加描述。然而，本领域的技术人员应当了解的是，本发明的所有的实施例在此仅为例示性而非为限制性，也就是说，在不脱离本发明实质精神及范围之内，上述所述及的反射式投影显示系统的其它变化例及修正例均为本发明所涵盖。因此，本发明是由所附的权利要求书加以界定。