光线导引组件及包含该光线导引组件的投影装置.pdf

本发明是一种光线导引组件及包含该光线导引组件的投影装置的。该投影装置包含一照明机构、至少一数字微镜元件以及一光线导引组件，其中该光线导引组件包括多个界面。该照明机构提供一光束，该光束沿一第一主轴入射且光束并未产生偏转，通过光线导引组件的多个界面，使光束依序于该多个界面上进行多次全反射。之后，光束行进至该至少一数字微镜元件后沿一第二主轴反射出。

1.  一种用于一投影装置的光线导引组件，该投影装置包含一照明机构及一数字微镜元件，该照明机构适可提供一光束，该光束沿一第一主轴入射，通过该光线导引组件，至该数字微镜元件反射后沿一第二主轴射出，该光线导引组件包含：
多个界面，适可使该光束依序于该多个界面上进行多次全反射，其中这些全反射的进行方向是平行于一参考面，且该第一主轴与该第二主轴亦相互平行。

2.  根据权利要求1所述的光线导引组件，其特征在于还包含至少一棱镜，该至少一棱镜具有多个表面，适界定出该多个界面。

3.  根据权利要求2所述的光线导引组件，其特征在于该至少一棱镜具有：
一第一棱镜，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，借此，该光束沿该第一主轴入射于该第一棱镜中后，适可于该第一棱镜的第一表面、第二表面及第三表面依序全反射后，进入该数字微镜元件，沿该第二主轴射出。

4.  根据权利要求3所述的光线导引组件，其特征在于该至少一棱镜还具有：
一第二棱镜，具有一第一表面及一第二表面，其中该第一棱镜的第三表面与该第二棱镜的第一表面至少局部相邻，借此，当该光束进入该数字微镜元件后，反射经过该第二棱镜后射出。

5.  根据权利要求4所述的光线导引组件，其特征在于还包含一介质，夹置于该第一棱镜的第三表面与该第二棱镜的第一表面间，且该介质的一折射率是小于该第一棱镜及该第二棱镜的折射率。

6.  根据权利要求5所述的光线导引组件，其特征在于该第一棱镜及该第二棱镜的折射率，均分别介于1.6至2.0。

7.  根据权利要求5所述的光线导引组件，其特征在于该介质为空气。

8.  根据权利要求7所述的光线导引组件，其特征在于该光束进入该数字微镜元件后，反射经过该第二棱镜后，沿一第二主轴方向射出，其中该第一主轴方向与该第二主轴方向，是相互平行。

9.  根据权利要求8所述的光线导引组件，其特征在于该第一棱镜的第三表面及该第二棱镜的第一表面相平行。

10.  一种投影装置，包括：
一照明机构，适可提供一光束；
至少一数字微镜元件；以及
一光线导引组件，该光束沿一第一主轴方向入射，通过该光线导引组件，至该数字微镜元件反射后沿一第二主轴射出，该光线导引组件包括：
多个界面，适可使该光束依序于该多个界面上进行多次全反射，其中这些全反射的进行是平行于一参考面，且该第一主轴与该第二主轴亦相互平行。

11.  根据权利要求10所述的投影装置，其特征在于还包含一投影镜头，其中该光束自该数字微镜元件反射至该投影镜头。

12.  根据权利要求11所述的投影装置，其特征在于还包含一积光柱，用以均匀自该照明机构所发出的该光束，其中该积光柱的一剖面的一长方向是一水平方向，且平行于该数字微镜元件的一剖面的一长方向。

13.  根据权利要求12所述的投影装置，其特征在于该照明机构具有二发光元件，水平相对设置，各该发光元件所射出的光束适可经一次反射后，分别射入该积光柱的该剖面的一左侧部与一右侧部。

14.  根据权利要求10所述的投影装置，其特征在于还包括三个数字微镜元件并且还包含一菲利浦棱镜，该菲利浦棱镜是设置于这些数字微镜元件与该光线导引组件之间，该光束是透过该菲利浦棱镜而分出三色光，而后这些色光分别射入每一数字微镜元件，当这些色光由这些数字微镜元件反射出来后，再通过该菲利浦棱镜合成这些三色光而后进入该光线导引组件。

15.  根据权利要求10所述的投影装置，其特征在于还包含至少一棱镜，该至少一棱镜具有多个表面，适界定出该多个界面。

16.  根据权利要求15所述的投影装置，其特征在于该至少一棱镜具有：
一第一棱镜，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，借此，该光束沿该第一主轴入射于该第一棱镜中后，适可于该第一棱镜的第一表面、第二表面及第三表面依序全反射后，进入该数字微镜元件，沿该第二主轴射出。

17.  根据权利要求16所述的投影装置，其特征在于该至少一棱镜还具有：
一第二棱镜，具有一第一表面及一第二表面，其中该第一棱镜的第三表面与该第二棱镜的第一表面至少局部相邻，当该光束进入该数字微镜元件后，反射经过该第二棱镜后射出。

18.  根据权利要求17所述的投影装置，其特征在于还包含一介质，夹置于该第一棱镜的第三表面与该第二棱镜的第一表面间，且该介质的一折射率是小于该第一棱镜及该第二棱镜的折射率。

19.  根据权利要求18所述的投影装置，其特征在于该第一棱镜及该第二棱镜的折射率，均分别介于1.6至2.0。

20.  根据权利要求18所述的投影装置，其特征在于该介质为空气。

21.  根据权利要求20所述的投影装置，其特征在于该光束进入该数字微镜元件后，反射经过该第二棱镜后，沿一第二主轴方向射出，其特征在于该第一主轴方向与该第二主轴方向，是相互平行。

22.  根据权利要求21所述的投影装置，其特征在于该第一棱镜的第三表面及该第二棱镜的第一表面平行。

光线导引组件及包含该光线导引组件的投影装置
技术领域
本发明是关于一种光学结构，特别是关于应用于投影装置中的光线导引组件及该投影装置。
背景技术
数字光学处理(Digital Light Processing，下称DLP)投影机是一种特殊光源调变方式的投影显示器，是由德州仪器公司(Texas Instruments)所发展出来的投影系统。其最大特点是为一全数字反射式投影机，不仅能使投影影像更为细致，同时能有效缩小投影机的体积与重量，达到轻、薄、短、小的目的。DLP投影机并分为单片式与三片式两种，主要应用在超轻量便携式及高亮度型投影机。
DLP投影机的构造是由光源、色轮、数字微镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)芯片及投影镜头所构成。光源经过光源的光罩集光后，通过透镜的聚焦，通过色轮的红绿蓝三色滤光片，最后入射DMD芯片上。DMD上每个图素的内存会记录该图素的信号数字值，并将数字信号送给驱动电极来产生微小反射镜的正负角度偏转与控制偏转时间。通过色轮转动速度的控制，达到红绿蓝三原色交错的效果以形成全彩色的效果。
如图1所示，是为利用现有的DLP技术的投影装置1的示意图。投影装置1包含一灯源101、一色轮103、一积光柱105、一中继镜组107、一内部全反射(TotalInternal Reflection，TIR)棱镜109(包含：一第一棱镜109a、一第二棱镜109b)、一DMD 111以及一投影镜头113。需特别说明的是，色轮103具有光的三原色，红、绿、蓝等，其分别两两相邻，各自成一部份。第一棱镜109a的一表面1091与第二棱镜109b的一表面1092之间留有一气隙(Air Gap)110，且二表面1091、1092实质上是相互平行。
灯源101发出一白色光束(如箭头方向所示)，该白色光束适可穿过可旋转的色轮103，将白色光束区分为不同色光。其次，色光通过积光柱105后射至中继镜组107。需特别说明的是，中继镜组107包含一第一反射镜107a及一第二反射镜107b，当色光自积光柱105出射后，分别通过第一反射镜107a及第二反射镜107b的反射，至第一棱镜109a。第一反射镜107a及第二反射镜107b并非位于同一平面，因而造成经过这些表面反射的光束产生三维方向的旋转。
当色光进入第一棱镜109a后，经过一次内全反射，出射至DMD 111。之后，通过DMD 111将色光选择性地再反射回第一棱镜109a内，然后依序通过第一棱镜109a、气隙110，以及第二棱镜109b。最后，色光适可进入投影镜头113，以投射出影像。
然而，前述的投影装置1的设计具有以下缺点：
第一、由于现有的投影装置中的积光柱105其剖面几何形状(例如：其边长比例为16∶9的一长方形，长方形的长方向位于垂直方向)通常与DMD 111剖面的几何形状(例如：边长比例为9∶16的一长方形，长方形的长方向位于水平方向)间具有旋转90度的关系。具体说，当光束通过积光柱105后，该光束亦具有长方向在上下垂直方向边长比例为16∶9的一长方形剖面，当此入射光束受到第一反射镜107a的旋转导引后，其反射光束的剖面的法线方向相对于入射方向将被旋转一角度，并入射至第二反射镜107b。接着，再通过第二反射镜107b的旋转导引后，其第二次反射光束的剖面法线方向将再被旋转一角度而进入TIR棱镜109，使得进入TIR棱镜109的光束的剖面是为长方向在水平方向具有边长比例为9∶16的一长方形，然后经TIR棱镜109的全反射至DMD 111后，经投影镜头113成像于外。上述的反射光束将使光束的亮度衰减，因此降低投影装置内光源的利用效率，以至于最后成像亮度不足；
第二、前述投影装置的积光柱与多光源间为了有效收光，因此在光学结构的设计上，采用左、右二光源上、下配置(亦即，以左上、右下或者左下、右上的不对称方式设置二光源)与三个积光柱的方式(亦即，以二个积光柱在靠近光源的一端作上、下配置，另一积光柱则在远离光源的一端，用以整合前述二积光柱的光束)，有效收集光束，如此一来，现有的多光源投影装置的设计相形困难，空间利用效率亦不佳；
第三、前述投影装置1中需利用一固定结构(图未示)定位反射镜组107a、107b，然而由于前述镜组的定位角度直接影响光路，因此必须精准定位这些镜组，以确保光路前进的正确，如此一来，将使镜组的定位程序复杂、繁琐，不利投影装置的大量生产。
有鉴于此，如何改善前述现有的投影装置复杂的光路设计，减少光源亮度耗损等问题，进而提升影像品质以及达成小型化及轻量化的目的，这是业界亟需解决的问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种用于一投影装置的光线导引组件，其利用改良式TIR棱镜设计，以取代现有的投影装置中的反射镜，进而克服现有的光束于光路中亮度损耗的问题，并简化现有的投影装置的组件配置。
为达上述目的，本发明提供一种用于一投影装置的光线导引组件，该投影装置包含一照明机构(Illumination Mechanism)及一数字微镜元件(DMD)。照明机构适可提供一光束，该光束沿一第一主轴入射，通过光线导引组件，至数字微镜元件反射后沿一第二主轴射出。该光线导引组件包含多个界面，这些界面适可使光束依序于这些界面上进行多次全反射，其中这些全反射的进行是平行于一参考面，且第一主轴与第二主轴亦相互平行。
本发明的又一目的在于提供一种投影装置，该投影装置利用改良式TIR棱镜设计，不仅可减短投影装置中投影镜头的后焦长度，以缩小投影装置的体积，有利投影装置小型化与轻量化的发展，亦可便于投影装置整合多光源系统，并增加投影装置的投影镜头收集光束的能力，提高影像输出的品质。
为达上述目的，本发明提供一投影装置，其包含一照明机构、至少一数字微镜元件以及一光线导引组件。照明机构适可提供一光束，而光线导引组件用以导引光束的行进方向。光束沿一第一主轴方向入射，通过光线导引组件，至数字微镜元件反射后沿一第二主轴射出。其中光线导引组件包括多个界面，这些界面适可使该光束依序于这些界面上进行多次全反射，且这些全反射的进行是平行于一参考面，且该第一主轴与该第二主轴亦相互平行。
在参阅附图及随后描述的实施方式后，此技术领域具有通常知识者便可了解本发明的其它目的，以及本发明的技术手段及实施态样。
附图说明
图1是为现有的利用DLP技术的投影装置的示意图；
图2是本发明一实施例中投影装置的示意图；
图3是本发明一实施例中光线导引组件的示意图；
图4是本发明一实施例中光束于光线导引组件内的传播行为的示意图；以及
图5是本发明一实施例中光束入射至积光柱的示意图。
具体实施方式
以下将通过实施例来解释本发明内容，然而，本发明的实施例仅为阐释本发明的目的，并非用以限制本发明需在如实施例所述的任何特定的环境、应用或特殊方式方能实施。需说明者，以下实施例及附图中，与本发明非直接相关的组件已省略而未绘示。
请参考图2，其是本发明一投影装置4的一实施例的示意图。投影装置4包含一照明机构401、一色轮403、一积光柱405、一中继镜组406、一DMD 211、一光线导引组件2以及一投影镜头413。须说明的是，图2所示的实施例是以一DMD芯片予以说明的，但并不以此为限，熟知此技术领域的通常知识者可于了解本发明后配合一菲利浦(Philips)棱镜(图未示)而应用于具有三片DMD芯片的投影装置上，因此，关于具三片DMD芯片投影装置的应用现略而未述。此外，本发明投影装置特别适合于整合多光源的照明机构，但亦不以多光源为限，以下将以照明机构401包含二发光元件401a、401b为例具体说明本发明的特征。
请合并参考图3所示，其主要绘示一投影装置4中光线导引组件2的示意图。本发明的光线导引组件2包含至少一棱镜，各棱镜具有多个表面，适足界定出多个界面。以本实施例为例，光线导引组件2包含一第一棱镜209a与一第二棱镜209b，第一棱镜209a与第二棱镜209b皆为三角棱镜，其中第一棱镜209a约为一等腰三角棱镜，具有一第一表面2091、一第二表面2092及一第三表面2093。另一方面，第二棱镜209b约为一直角三角棱镜，具有一第一表面2094、一第二表面2095及一第三表面2096，且第一棱镜209a的第三表面2093及第二棱镜209b的第一表面2094实质上平行。
更进一步来说，第一棱镜209a及第二棱镜209b具有高折射率，举例而言，第一、二棱镜209a、209b是折射率介于1.6至2.0的玻璃材料，例如折射率为1.8的SF57玻璃材料，但不以此为限。第一、二棱镜209a、209b之间局部相邻处夹置一介质210，具体而言，介质210夹置于第一棱镜209a的第三表面2093与第二棱镜209b的第一表面2094间，介质210的折射率是小于第一、二棱镜209a、209b，以减少光束的发散角度，有利光束自第一棱镜209a(密介质)射至与介质210(疏介质)交界的界面时发生全反射。于本实施中，介质210是空气，其折射率实质为1.0。
本发明投影装置4的特征之一在于本发明由照明机构401射出的光束可于光线导引组件2内进行多次全反射，借以简化现有的光学架构中中继镜组的反射镜组(例如图1的反射镜107a、107b)。具体而言，本实施例的照明机构401所提供的光束依序通过积光柱405、色轮403后将沿第一主轴p1入射光线导引组件2的第一棱镜209a。由于第一棱镜209a远高于介质210的折射率，因此每当光束行进至第一棱镜209a与介质210间交界的界面时，容易发生全反射。而且，二者折射率的差值越大，发生全反射的临界角越小，越易发生全反射。
具体而言，于本实施例中，光束将于第一棱镜209a内进行三次全反射，再由第一棱镜209a射入DMD 211，光束经分布于DMD 211上的微镜(图未示)反射后，沿第二主轴p2射出，然后再经过投影镜头413而成像，其中第一主轴p1与第二主轴p2是相互平行，且前述三次全反射是光束依序于第一棱镜209a的第一表面2091、第二表面2092及第三表面2093上发生。
需进一步说明的是，前述这些全反射是平行于一参考面。具体说，当光束沿第一主轴p1入射时，其中光束是以一平面波w1的方式向前传播，请参考图4所示。光束的平面波w1是分布于三维空间(以坐标是(x，y，z)为例)中的xz平面上，而光束的行进方向(亦即，平面波w1的一法线方向n1)是与三维空间坐标是(x，y，z)中的y轴方向平行。当光束在第一棱镜209a内进行全反射时，平面波w1的法线方向n1的变化均与xy平面平行，亦即，本发明进入光线导引组件2的光束均保持着平行于xy平面的行进方向，因此光束并不会产生三维方向的旋转。
承上所述，由于本发明的光线导引组件2适足导引光束产生多次平行一参考面的全反射而不会产生三维方向的旋转，因此前述本发明投影装置所揭露的光学架构特别适合于多光源的整合配置。具体而言，由于光束于光线导引组件2中行进时，只会产生全反射而不会产生三维方向的旋转，因此本发明积光柱405剖面的边长比例可与DMD 211剖面的边长比例相同(例如，二剖面皆为纵边与横边比例为9∶16的长方形，且长方形的长方向是水平方向)。另一方面，由于积光柱405剖面为长方向是位于水平方向的长方形，因此，于光路配置上，可将积光柱405的横剖面区分为左、右二区域405a、405b，用以分别接收来自照明机构401左、右光源射出的光束，如图5所示。换言之，本发明投影装置4内的照明机构401即可轻易地以水平对称方式设置二发光元件401a、401b，使发光元件401a、401b所射出的光束通过棱镜4011二侧边的反射后，可沿第一主轴p1方向分别由积光柱405的405a、405b区域收集，方便投影装置4对其内部空间作有效的利用配置。相较现有的左、右二光源为了配合积光柱而必须于左、右方向上另作上、下不对称的配置方式(亦即，以左上、右下或者左下、右上的方式设置二光源)，本发明的投影装置4可有效利用投影装置内的有限空间，使其体积可更加小型化。
须说明的是，本发明的光线导引组件2可导引光束于其内部进行平行于一参考面的全反射，因而本发明投影装置4的中继镜组406即可省略现有的光学架构下的二反射镜(例如图1的反射镜107a、107b)配置，进而达成轻量化的目的，并解决了现有的定位反射镜的繁琐步骤及定位精准度难以控制等问题。此外，现有的光路中光束亮度因多次反射而造成损耗的问题亦可同时获得解决。
此外，本发明投影装置4的另一特征在于光线导引组件2中第一棱镜209a的厚度可大幅减少。请参考图3，其原因在于当DMD 211上的微镜相对于第二主轴p2倾斜12度时，第一棱镜209a的夹角(θ)与第一棱镜209a的折射率(N)具有θ＝sin-1(1/N)-sin-1(0.21/N)的负相关关系，例如：当折射率(N)为1.8时，第一棱镜209a夹角(θ)为27.11度；当折射率(N)为2.0时，第一棱镜209a夹角(θ)为24度。因此，当棱镜209a的折射率越大，第一棱镜209a的夹角(θ)越小，相对而言，该棱镜的厚度即越小。尤其重要的是，当棱镜厚度越小时，投影镜头413的内侧端与数字微镜装置211之间的一后焦距h即可对应地减小，用以进一步缩小投影装置4的体积，并可使投影镜头收集光束的能力大为提高，改善了影像的输出品质。
上述的实施例仅用来例举本发明的实施态样，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的范畴。任何熟悉此技术者可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利范围应以本申请权利要求范围为准。