投影系统及其光路转折装置 【技术领域】
本发明是关于一种投影系统及其光路转折装置，特别是关于一种具有高照明效率的投影系统及其光路转折装置(optical path transferdevice)。
背景技术
现有的光学式投影显示器原理，是将光源发出的光线投射至一光路切换装置(optical path switching device)，光路切换装置具有多个可切换光路的微小光路切换组件，这些微小光路切换组件组合成影像，再投射至显示屏幕。以德州仪器(TI)制造的数字微镜装置(DigitalMicromirror Device；DMD)为例，其是由多个微反射镜所构成，借由选择性控制镜面于两不同倾斜角度，以使光线在穿透投影系统(亦即亮态模式)及不穿透投影系统(亦即暗态模式)两种状态之间相互切换，借以变化显示器上各个像素单元的亮度。
图1是绘示投影系统100的示意图。图2A是绘示图1的内部全反射棱镜112与光路切换装置114的局部示意图。图2B是绘示图2A的X-Y方向的示意图。图2C是绘示图2A的X-Z方向的示意图。
如同图1所示，投影系统100的光路是为光束I自光源(light source)102射出，经聚光结构104的聚光后，依序经过色彩选择结构106、光均匀化装置108、传递透镜组(relay lens)110、内部全反射棱镜(totalinternal reflection prism，TIR prism)112后，投射于光路切换装置114上。之后，经由光路切换装置114的切换，使含有影像讯号的光束I经过投影透镜组(projection lens)116，而投射于显示装置(displaydevice)118上，而呈现出影像。
一般而言，为提高投影画面的清晰度，投影透镜组116与光路切换装置114之间是采取轴上(On-axis)设计，亦即反射的光束I，是以近似平行投影透镜组116的光轴方向进入其中。为满足此一条件，经由内部全反射棱镜112反射后的光束I，是以倾斜一定角度θ方式投射至光路切换装置114上。换言之，在此类的投影系统100中，光束I是采取离轴(Off-axis)方式，以一定倾斜角θ投射至光路切换装置114上。
请同时参照图2A至图2C，光束I自内部全反射棱镜112的入射端面120垂直射入内部全反射棱镜112内，再以离轴(Off-axis)方式投射至光路切换装置114上。从X-Y方向来看(如同图2B所示)，光束I是以投射角度θ投射于光路切换装置114上。另从X-Z方向来看(如同图2C所示)，光束I在习知内部全反射棱镜112内所行进的光路，是与内部全反射棱镜112的两侧壁面122相互平行。
请参照图3，光束I经由习知内部全反射棱镜112后，会因其投射于光路切换装置114的角度θ，使其投射图案126产生拉伸变形而形成近似平行四边形，其范围必然大于呈现矩形的光路切换装置114地光接收面124，而造成不必要的光能的浪费，进而降低其照明效率。
【发明内容】
因此，为解决上述问题，本发明是提供一种投影系统，其能确保光束完全进入光路切换装置的光接收区域而有效提高照明效率。
为此，本发明是提供一种投影系统，此系统至少具有光源、传递模块、光路切换装置及光路转折装置。光源是用以提供光束，传递模块则用以传递前述光束。光路切换装置是用以接收并切换光束，且具有至少一光接收面。光路转折装置是位于传递模块与光路切换装置之间，用以使光束以一入射角度投射于光路切换装置上，且光路转折装置是具有一入射端面，此入射端面是在与光束入射方向相互垂直的方向上倾斜偏移。
另外，本发明另提供一种光路转折装置，适用于使一光束投射于光接收装置，此光路转折装置是由至少二光路转折结构及至少一气隙所组成。此光路转折结构是用以转折光束，且其具有一入射端面。气隙是位于相邻二光路转折结构之间。其中入射端面是在与光束入射方向相互垂直的方向上倾斜偏移。
在上述本发明的结构中，光接收装置包括光路切换装置。光路切换装置是选自数字微镜装置及反射式硅基液晶所组成的族群其中之一。另外，光束是垂直入射入射端面，且入射端面是与两侧的壁面夹有一角度，此角度是随着光束入射角度而变。
在上述本发明的投影系统中，也可以含有聚光结构，以聚集光束。另外，也可以含有色彩选择结构，以改变光束的色彩。再者，也可以含有光均匀化装置，以均匀化光束。另外，也可以含有显示装置，以显示来自光路切换装置的光束所含有的影像讯息。再者，于光路切换装置与显示装置之间也可以含有投影透镜组，用以传递光束。另外，传递模块是由至少一透镜所组成，用以改变光束的焦距及投射尺寸。再者，光路转折装置是选自内部全反射棱镜或反转内部全反射棱镜所组成的族群其中之一。
另外，在上述本发明的结构中，光束经光路转折装置后投射于光路切换装置的投影图案是与光路切换装置的光接收面的形状、尺寸近似。
借由上述本发明的设计，利用预先对光路转折装置的入射端面进行倾斜设计，可完全抵销离轴入射导致的投射图案变形效应，获得实际投射图案能完全迭合光路切换装置的光接收区域的效果，亦即使光束能完全进入光路切换装置上的光接收区域，大幅提高照明效率。
【附图说明】
图1是绘示投影系统的示意图。
图2A是绘示图1的内部全反射棱镜与光路切换装置的局部示意图。
图2B是绘示图2A的X-Y方向的示意图。
图2C是绘示图2A的X-Z方向的示意图。
图3是绘示光束经习知内部全反射棱镜而得的投影图案的示意图。
图4A是绘示本发明的光路转折装置的示意图。
图4B是绘示图4A的X-Z方向的示意图。
图5是绘示光束经本发明的光路转折装置而得的投影图案的示意图。
图6A是绘示本发明的光路转折装置的示意图。
图6B是绘示图6A的X-Y方向的示意图。
符号说明：
100：投影系统
102：光源
104：聚光结构
106：色彩选择结构
108：光均匀化装置
110：传递透镜组
112：内部全反射棱镜
114：光路切换装置
116：投影透镜组
118：显示装置
120、202：入射端面
122、204：壁面
124：光接收面
126、206：投射图案
128：传递模块
130：显示模块
200：光路转折装置
200a、200b：光路转折结构
208：气隙
I：光束
θ、α：角度
【具体实施方式】
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：
图4A是绘示本发明的光路转折装置200的示意图。图4B是绘示图4A的X-Z方向的示意图。请同时参照图4A与图4B，本发明的光路转折装置200是由至少二光路转折结构200a、200b所组成，且光路转折结构200a、200b之间是设有气隙208。其中，入射端面202是在与光束I入射方向相互垂直的方向上倾斜偏移，且入射端面202与其两侧壁面204的法线方向的夹角是为角度α。光路转折装置200是用以使入射的光束进行转向的动作，再从其它方向射出。
光路转折装置200例如是内部全反射棱镜(total internalreflection prism，TIR prism)、反转内部全反射棱镜(reversed totalinternal reflection prism，Reversed TIR prism)。光路转折结构200a、200b例如是棱镜，其材质例如是玻璃或其它折射率大于1的光穿透材料。
光路转折结构200a、200b的折射率是远大于气隙208的折射率，因此当光束I射至光路转折结构200a、200b之间的接口时，会因接口的折射率及入射角度的差异而产生内部全反射的效果，进而使光束I投射于光路切换装置114上。
另外，请同时参照图4A与图4B，光束I自光路转折装置200的入射端面202射入光路转折装置200内，再以离轴(Off-axis)方式投射至光路切换装置114上。从X-Y方向来看，光束I是先垂直射入入射端面202，再以投射角度θ(亦即在Y方向上，光束I与光路切换装置114的法线方向的夹角)投射于光路切换装置114上。另从X-Z方向来看(如同图4B所示)，光束I在射入光路转折装置200之际，其光路是以与光路转折装置200的两侧壁面204成角度α的方式射入光路转折装置200中，经光路切换装置114的切换后，以相同的角度射出光路转折装置200而射至投影透镜组116(请参照图1)。
图5所示是为光束I经本发明的光路转折装置200而得的投影图案206的示意图。由图示可知，光束I经由光路转折装置200后，会因其投射于光路切换装置114的角度θ，使其投射图案产生拉伸变形。另由于光路转折装置200的与入射方向(亦即Y方向)相垂直的入射端面202是倾斜有角度α，因而其会导致前述拉伸变形的未变形侧先行拉伸，进而使最后投射于光路切换装置114的投射图案206形成近似矩形，其范围是与呈现矩形的光路切换装置114的光接收面124大致相等。如此，即可避免光能的浪费，进而大幅提高其照明效率。
请同时参照图1与图4A，其中图1的内部全反射棱镜112是以本发明的光路转折装置200替代。本发明的投影系统100是由光源(lightsource)102、传递模块128、光路转折装置200、光路切换装置114及显示模块130所组成，其中光路转折装置200的入射端面202是与其两侧壁面204的法线方向的夹角是为角度α。
光源102是用以产生照明光束I，并提供给投影系统100使用。光源102例如是点光源或线光源。另外，当光束I自光源102射出后，也可以利用一聚光结构104聚集光束I，以使光束I聚焦于传递模块128上。
传递模块128是位于光源102与光路转折装置200之间，用以传递光束I及变更光束I的投射尺寸。传递模块128例如是由色彩选择结构106、光均匀化装置108及传递透镜组110所组成。色彩选择结构106是用以改变光束I的色彩，以使不同时间或不同位置所通过的光束I带有不同的色彩。色彩选择结构106例如是色轮(color wheel)、偏光板等。
光均匀化装置108是用以接收来自光源102的光束I，并射出均匀分布的光束I。光均匀化装置108周边壁面为反射面，光束I自光均匀化装置108的入射端面射入后，经反射壁面多次反射，再由光均匀化装置108的投射端面射出均匀分布的光束。光均匀化装置108例如是光导管(lightturnel)。
传递透镜组(relay lens)110是用以传递光束I并将光束I进行对焦及调整投射尺寸等动作。传递透镜组110例如是由多个透镜所组合而成，这些透镜彼此间可为相同型式的透镜，也可以为不同型式的透镜。各个透镜间可存在有气隙或透镜彼此间相互接触。
光路转折装置200是用以改变光束I的行进方向。本发明的光路转折装置200的相关结构已详述于前，故在此不予赘述。
光路切换装置114是具有多个光路切换组件(未绘示)，借由各个光路切换组件的个别光路切换，以控制投射于各光路切换组件的光束I是否朝投射模块130投射，其中前述光路切换组件是构成光接收面(例如是图5所示的光接收面124)。光路切换装置114例如是数字微镜装置(Digital Micromirror Device，DMD)或是反射式硅基液晶(LiquidCrystal on Silicon，LCoS)或是其它光接收装置。另外，光束I投射于光路切换装置114时，此光束I与光路切换装置114的法线方向是形成有一夹角，此夹角是为前述的离轴投射角度θ(亦即在图4A中，光束I在Y轴方向以角度θ投射至光路切换装置114上。
投射模块130是用以接收来自光路切换装置114的光束I，并呈现出光束I内所含有的影像讯息。投射模块130例如是由投影透镜组(projection lens)116及显示装置(display device)118所组成。
投影透镜组116是用以传递光束I并将光束I进行对焦及调整投射尺寸等动作。投影透镜组116例如是由多个透镜所组合而成，这些透镜彼此间可为相同型式的透镜，也可以为不同型式的透镜。各个透镜间可存在有气隙或透镜彼此间相互接触。
显示装置118是用以接收来自光路切换装置114的光束I，并将光束I内所包含的影像讯息转换成影像呈现出来。显示装置118例如是液晶屏幕(screen)、投影屏幕、显示器等。
请参照图5，在本发明的投影系统100中，光束I自光源102射出后，经本发明的光路转折装置200后，会因其投射于光路切换装置114的角度θ，使其投射图案产生拉伸变形。另由于光路转折装置200的与入射方向(亦即Y方向)相垂直的入射端面202是倾斜有角度α，因而其会导致前述拉伸变形的未变形侧先行拉伸，进而使最后投射于光路切换装置114的投射图案206形成近似矩形，其范围是与呈现矩形的光路切换装置114的光接收面124大致相等。如此，即可避免光能的浪费，进而大幅提高其照明效率。
另外，本发明的光路转折装置虽以由二棱镜及一气隙所组成的棱镜组所构成，然其并非用以限定本发明，本发明的光路转折装置也可以由二个以上的棱镜及气隙所组合而成，例如是图6A所示的反转型光路转折装置300。
请同时参照图6A与图6B，图式是为本发明光路转折装置的另一实例的示意图。由图中可知，本发明的反转型光路转折装置300是由光路转折结构306a、306b、306c所组成，其中光路转折结构306a所具有的入射端面302与两侧壁面304的法线方向之间夹有倾斜角度α。如此，光束I经此具有倾斜角度α的入射端面302，并以角度θ投射至光路切换装置114上，此时可借由两者的变形而形成与光路切换装置114的光接收面形状相近的投影图案。
接着，以一实例来进一步说明本发明的光路转折装置可达到的效果。请参照图4A与图4B，假设光束I投射至光路切换装置114的角度θ为22度至24度时，本发明的光路转折装置200的入射端面202仅需与两侧壁面204的法线方向之间夹有约8度左右的夹角(即图式中的α角)，则光束I投射至光路切换装置114上的投影图案206会与光路切换装置114的光接收面124近似，甚至完全迭合。如此，即可避免浪费光束I内所含有的能量，进而达到大幅提高照明效率的目的。
熟悉此项技艺人士当能理解，本发明预先改变光导管端面外形的做法，完全可适用于具不同光接收区域外形的光路切换装置。仅需针对不同外形的光接收区域相对调整光路切换装置的入射端面与其两侧壁面的夹角或尺寸所应变化的幅度，同样能达成抵销离轴投射的变形效应而使投射图案完全迭合至光接收区域的效果。
因此，借由本发明的设计，利用预先对光路转折装置的入射端面进行倾斜设计，可完全抵销离轴入射导致的投射图案变形效应，获得实际投射图案能完全迭合光路切换装置的光接收区域的效果，亦即使光束能完全进入光路切换装置上的光接收区域，大幅提高照明效率。