CN106921855A - 无棱镜模组、非远心架构的投影机 - Google Patents

无棱镜模组、非远心架构的投影机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有(17度翻转角度的)二轴翻转式数位微镜元件的投影机中，优化光源模组以及透镜组的位置，使得自光源模组沿着第一光路所提供的入射光，经由透镜组放大处理后，沿第二光路将入射光提供至二轴翻转式数位微镜元件，并且于透镜组的第一群透镜采用特定规格的两个球面透镜或一个非球面透镜，第二群透镜采用特定规格的一个非球面透镜。如此一来，在具有无棱镜模组、非远心架构的投影机中，不需使用全反射棱镜，可以进一步减少***中的元件数量、降低成本与提高效率。

Description

无棱镜模组、非远心架构的投影机
技术领域
本发明有关一种投影机，尤指一种具有二轴翻转式数位微镜元件的数位光处理投影机。
背景技术
数位光处理(digital light processing,DLP)投影机主要分为有全反射棱镜(total internal reflection,TIR)以及无全反射棱镜的架构。无全反射棱镜架构的投影机省略了全反射棱镜的建制成本，相较于具有全反射棱镜的投影机可提高效率以及具有成本上的优势。然而主流的DLP投影机因其中的数位微镜元件(digital micromirrordevice,DMD)单轴翻转的设计，使得DMD前端的光源/导光管以及透镜组必须以特定的入射角提供光线，如图9所示，图9为现有技术的投影机9的元件架构示意图，传统的投影机9包含了数位微镜装置90，全反射(Total Internal Reflection，TIR)棱镜组91，反射镜92，透镜模组93，以及导光管(Light Pipe)94。在传统投影机9中，光线经由导光管94穿过透镜模组93，再经由反射镜92反射至全反射棱镜组91，最后经由数位微镜装置90将成像光传至镜头而投射至萤幕上。然而，传统投影机9中绕单轴旋转的数位微镜装置90因为物理特性的限制，只能接受入射光以斜射入射。因此，全反射棱镜组91相对数位微镜装置90倾斜一角度设置(例如45度)，这将导致传统投影机9的体积受到限制，在追求微小化投影机的今日，传统投影机9过大的体积将导致便利性不足而逐渐失去竞争力。此外，由于透镜组配置位置的限制，在设计传统的无全反射棱镜架构的DLP投影机时，常面临DMD出射光路与镜头透镜组干涉的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无棱镜模组、非远心架构的投影机以解决上述问题。
为达到上述目的，本发明提供一种无棱镜模组、非远心架构的投影机，包含：光源模组，用以提供入射光；二轴翻转式数位微镜元件，用以接收该入射光并转化为成像光；透镜组，设置于该光源模组与该二轴翻转式数位微镜元件之间，该透镜组用以传递该入射光至该二轴翻转式数位微镜元件，该透镜组仅包含第一群透镜以及第二群透镜，该第二群透镜与该第一群透镜的有效焦距比值大于等于1.4且小于等于1.8；以及投影镜头，用以接收并投射该成像光。
较佳的，该第一群透镜仅为两个球面透镜。
较佳的，该两个球面透镜的间距大于等于5毫米且小于等于15毫米。
较佳的，该第一群透镜仅为一非球面透镜。
较佳的，该非球面透镜的折射率大于等于1.69且小于等于1.85。
较佳的，该第二群透镜仅为一非球面透镜，该非球面透镜的折射率大于等于1.48且小于等于1.75。
为达到上述目的，本发明另提供一种无棱镜模组、非远心架构的投影机，包含：光源模组，用以提供入射光；二轴翻转式数位微镜元件，用以接收该入射光并转化为成像光；透镜组，设置于该光源模组与该二轴翻转式数位微镜元件之间，该透镜组用以传递该入射光至该二轴翻转式数位微镜元件，该透镜组仅包含第一群透镜以及第二群透镜，该第一群透镜仅包含两个球面透镜；以及投影镜头，用以接收并投射该成像光。
较佳的，该两个球面透镜的间距大于等于5毫米且小于等于15毫米。
较佳的，该第二群透镜仅为一非球面透镜，该非球面透镜的折射率大于等于1.48且小于等于1.75。
为达到上述目的，本发明还提供一种无棱镜模组、非远心架构的投影机，包含：光源模组，用以提供入射光；二轴翻转式数位微镜元件，用以接收该入射光并转化为成像光；透镜组，用来传递该入射光，该透镜组包含第一群透镜以及第二群透镜，该第一群透镜仅包含一个非球面透镜；以及投影镜头，用以接收并投射该成像光。
较佳的，该第一群透镜的该非球面透镜的折射率大于等于1.69且小于等于1.85。
较佳的，该第二群透镜仅为非球面透镜，该非球面透镜的折射率大于等于1.48且小于等于1.75。
较佳的，该第一群透镜设置于该光源模组与该二轴翻转式数位微镜元件之间，该第二群透镜设置于该第一群透镜与该二轴翻转式数位微镜元件之间。
较佳的，该第二群透镜另设置于该二轴翻转式数位微镜元件与该投影镜头之间。
较佳的，该透镜组的各透镜分别具有中心轴，多个该中心轴彼此错位。
与现有技术相比，本发明的投影机，不使用棱镜模组的非远心架构中，在第一群透镜仅使用一个非球面透镜或两个球面透镜的配置下，可进一步降低***的元件成本，并解决透镜组与投影镜头的干涉问题。
附图说明
图1以及图2为本发明所提供的无棱镜模组、非远心架构的投影机第一实施例的各元件于不同视角的相对位置示意图。
图3为本发明的投影机第二实施例的各元件的示意图。
图4为本发明的投影机第三实施例的各元件的示意图。
图5为投影机1的二轴翻转式数位微镜元件50将入射光A转化为成像光B的光路示意图。
图6以及图7为本发明的投影机第四实施例的各元件于不同视角的相对位置示意图。
图8为本发明的投影机第五实施例的示意图。
图9为现有技术的投影机的元件架构示意图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及后续的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」或「连接」一词在此为包含任何直接及间接的电气或结构连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接/连接于第二装置，则代表该第一装置可直接电气/结构连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气/结构连接至该第二装置。
请参考图1以及图2，其为本发明所提供的无棱镜模组、非远心投影机第一实施例的各元件于不同视角的相对位置示意图。投影机1为一种数位光处理(digital lightprocessing,DLP)投影机，其包含光源模组10、透镜组40、二轴翻转式数位微镜元件50以及投影镜头60。其中，光源模组10、透镜组40组成了投影机1的照明单元，光源模组10用以发出入射光A。特别说明的是，二轴翻转式数位微镜装置50为德州仪器的TRP(Tilt&Roll Pixel)PicoTM晶片组，具有多个微镜(如图5)，用来将入射光A反射而形成成像光B。透镜组40设置于光源模组10与二轴翻转式数位微镜元件50之间。光源模组10包含光源(未图示)及导光管11，光源模组10沿着第一光路R1提供入射光A，经由透镜组40传递放大后，由透镜组40沿着第二光路R2将该入射光A传递至二轴翻转式数位微镜元件50，而二轴翻转式数位微镜元件50接收入射光A并转化为成像光B，并反射成像光B沿着第三光路R3传送，而投影镜头60则接收并投射出成像光B。
本发明的透镜组40仅包含了第一群透镜20以及第二群透镜30，在非远心架构，且具有二轴翻转DMD的架构下，第二群透镜30(照明单元的后群透镜)与第一群透镜20(照明单元的前群透镜)的有效焦距比值大于等于1.4且小于等于1.8，换言之，透镜组40的放大倍率(Magnification)即为前述数值，其代表了二轴翻转式数位微镜元件50的有效面积(即微镜总面积)与导光管11出光端面积的比值。在此架构下，照明单元的后群透镜与前群透镜的该有效焦距比值若高于前述上限，表示导光管11的出光端面积过小、导光管11出光少、导致投影较暗；若后群透镜与前群透镜的该有效焦距比值低于前述下限，表示导光管11的出光端面积过大、入射光A经透镜组40形成的光斑面积溢出(overfill)二轴翻转式数位微镜元件50的有效面积(即微镜总面积)、溢出损耗(overfill losses，即多余的入射光)过多，容易形成杂散光而影响投影影像的对比度。具体而言，第一群透镜20设置于光源模组10与二轴翻转式数位微镜元件50之间，第二群透镜30设置于第一群透镜20与二轴翻转式数位微镜元件50之间。于图1以及图2的实施例中，第一群透镜20仅由两个球面透镜21,22所构成，并且两个球面透镜21,22两镜片间的间距D1大于等于5毫米且小于等于15毫米。第二群透镜30仅为一非球面透镜，且该非球面透镜的折射率大于等于1.48且小于等于1.75。如此可以节省投影机1的成本，并且仍维持较小的影像变形与像差。
请参考图3，图3为本发明的投影机第二实施例的各元件的示意图。在第二实施例中，第二群透镜30(照明单元的后群透镜)设置于第一群透镜20(照明单元的前群透镜)与二轴翻转式数位微镜元件50之间，第二群透镜30亦位于二轴翻转式数位微镜元件50与投影镜头60之间，可以避免第二群透镜30与投影镜头60的干涉，并且在此架构下，投影镜头60具有较大设计空间提供大范围的缩放倍率(Zoom in/out)。
请参考图4，图4为本发明的投影机第三实施例的各元件的示意图。与第一实施例不同的是，为优化修正像差，第三实施例的投影机3的第一群透镜20仅由一个非球面透镜23所构成，且非球面透镜23的折射率大于等于1.69且小于等于1.85。第三实施例的第一群透镜20以一个非球面透镜23取代第一实施例中的两个球面透镜21,22，也能节省成本。
特别说明的是，本发明的投影机中照明单元的各透镜皆为离轴设计，每一个透镜分别具有中心轴，而这些中心轴彼此错位。也就是说，各透镜中心并不位于同一光轴上，以修正各透镜间光程差、***像差、影像变形。
请参考图5，图5为投影机1的二轴翻转式数位微镜元件50将入射光A转化为成像光B的光路示意图。为便于说明，以二轴翻转式数位微镜元件50的水平边以及垂直边分别定义为实质上彼此垂直的X轴以及Y轴，而与第三光路R3平行(故而实质上与X轴、Y轴垂直)的方向定义为Z轴。二轴翻转式数位微镜元件50具有多个正方形的微镜52，彼此排列为M列N行的阵列，其中每一微镜52可先后沿着第一对角轴O1实质上转动特定角度(例如12度)，并沿着第二对角轴O2实质上转动特定角度(例如12度)，使每一个微镜52形成实质上具有17度的翻转角度(相对于X-Y平面)，其中第一对角轴O1以及第二对角轴O2分别与X轴(以及与Y轴)实质上呈45度夹角，且彼此实质上垂直。相较于仅能沿着单一对角轴转动12度的微镜而言，在总面积不变的条件下，二轴翻转式数位微镜元件50的每一个微镜52均具有更大的翻转角度，使得其光学扩展量(Etendue，面积乘以翻转角度)变大，可自透镜组40收集到更多的光线以传递出去。
由于本发明的投影机1中的二轴翻转式数位微镜元件50具有17度翻转角度的微镜52，使得光源模组10以及透镜组40可相对设置于二轴翻转式数位微镜元件50的水平边(X轴)下方且倾斜提供入射光A给二轴翻转式数位微镜元件50，同时投影机1不需使用全反射棱镜(total internal reflection,TIR)，更可以达到节省成本与提高效率的目的。具体而言，如图2以及图5所示，入射光A依第二光路R2自光源模组10经透镜组40至二轴翻转式数位微镜元件50设置后，成像光B依第三光路R3入射投影镜头60，第二光路R2实质上会垂直于X轴并且与第三光路R3之间具有夹角θ。在本发明的较佳实施例中，考量非远心投影机设计要求(镜头中心高于数位微镜元件中心)及微镜52翻转角度，第二光路R2与第三光路R3夹角θ实质上介于36度与40度之间(较佳地，介于38.5度与39.5度之间)，也就是说透镜组40在二轴翻转式数位微镜元件50的水平边(X轴，长边)下方以36度至40度斜角倾斜向二轴翻转式数位微镜元件50提供入射光A，可解决第二群透镜30与投影镜头60的干涉问题。
在图1以及图2的第一实施例中，透镜组40的第一群透镜20以及第二群透镜30之间并未对光路进行路径的改变，因此第一实施例的第一光路R1以及第二光路R2实质上相同。然而本发明并不以此为限，请参考图6至图8，其中图6以及图7为本发明所提供的投影机第四实施例的各元件于不同视角的相对位置示意图，图8为本发明所提供的投影机第五实施例的示意图。在第四实施例中，与第一实施例相同的元件以相同的编号表示，且此处不再赘述。第四实施例的投影机4中，照明单元还包含反射镜70，反射镜70设置于透镜组40的第一群透镜20(照明单元的前群透镜)以及第二群透镜30(照明单元的后群透镜)之间，反射镜70可将沿着第一光路R1自第一群透镜20出射的该入射光反射至第二群透镜30，以使第二群透镜30沿第二光路R2将该入射光提供至二轴翻转式数位微镜元件50。这样的设计使得投影机4中光源模组10以及第一群透镜20可设置于相异于第一实施例的投影机1中光源模组10以及第一群透镜20位置，以缩减投影机4于特定方向(如：X轴)上的尺寸、进一步缩小投影机4整体的体积，同时仍能维持第一群透镜20与第二群透镜30之间的光径长度。在第四实施例中，反射镜70分别与第一群透镜20以及第二群透镜30呈45度夹角，因此第一光路R1以及第二光路R2彼此垂直，然而本发明不以此为限，第一光路R1以及第二光路R2亦可透过反射镜70的适当配置而彼此呈任意特定夹角。至于图8的第五实施例，与图4的第三实施例相同的元件以相同的编号表示，此处不再赘述，并且第五实施例中，照明单元另外包含了反射镜70，设置于第一群透镜20(照明单元的前群透镜)以及第二群透镜30(照明单元的后群透镜)之间，同样用来改变入射光的光路，以进一步缩小投影机5整体的体积，同时仍能维持第一群透镜20与第二群透镜30之间的光径长度。
本发明的投影机针对具有17度翻转角度的二轴翻转式数位微镜元件，设置光源模组以及透镜组的位置，使得自光源模组沿着第一光路所提供的入射光，经由透镜组放大处理后，沿第二光路将入射光提供至二轴翻转式数位微镜元件，并且在透镜组的第一群透镜采用特定规格的两个球面透镜或一个非球面透镜，第二群透镜采用特定规格的一个非球面透镜。如此一来，在具有无棱镜模组、非远心架构的投影机中，不需使用全反射棱镜，可以进一步减少***中的元件数量、降低成本与提高效率。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (15)

1.一种无棱镜模组、非远心架构的投影机，其特征在于，包含：
光源模组，用以提供入射光；
二轴翻转式数位微镜元件，用以接收该入射光并转化为成像光；
透镜组，设置于该光源模组与该二轴翻转式数位微镜元件之间，该透镜组用以传递该入射光至该二轴翻转式数位微镜元件，该透镜组仅包含第一群透镜以及第二群透镜，该第二群透镜与该第一群透镜的有效焦距比值大于等于1.4且小于等于1.8；以及
投影镜头，用以接收并投射该成像光。
2.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，该第一群透镜仅为两个球面透镜。
3.如权利要求2所述的投影机，其特征在于，该两个球面透镜的间距大于等于5毫米且小于等于15毫米。
4.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，该第一群透镜仅为一非球面透镜。
5.如权利要求4所述的投影机，其特征在于，该非球面透镜的折射率大于等于1.69且小于等于1.85。
6.如权利要求1所述的投影机，其特征在于，该第二群透镜仅为一非球面透镜，该非球面透镜的折射率大于等于1.48且小于等于1.75。
7.一种无棱镜模组、非远心架构的投影机，其特征在于，包含：
光源模组，用以提供入射光；
二轴翻转式数位微镜元件，用以接收该入射光并转化为成像光；
透镜组，设置于该光源模组与该二轴翻转式数位微镜元件之间，该透镜组用以传递该入射光至该二轴翻转式数位微镜元件，该透镜组仅包含第一群透镜以及第二群透镜，该第一群透镜仅包含两个球面透镜；以及
投影镜头，用以接收并投射该成像光。
8.如权利要求7所述的投影机，其特征在于，该两个球面透镜的间距大于等于5毫米且小于等于15毫米。
9.如权利要求7所述的投影机，其特征在于，该第二群透镜仅为一非球面透镜，该非球面透镜的折射率大于等于1.48且小于等于1.75。
10.一种无棱镜模组、非远心架构的投影机，其特征在于，包含：
光源模组，用以提供入射光；
二轴翻转式数位微镜元件，用以接收该入射光并转化为成像光；
透镜组，用来传递该入射光，该透镜组包含第一群透镜以及第二群透镜，该第一群透镜仅包含一个非球面透镜；以及
投影镜头，用以接收并投射该成像光。
11.如权利要求10所述的投影机，其特征在于，该第一群透镜的该非球面透镜的折射率大于等于1.69且小于等于1.85。
12.如权利要求10所述的投影机，其特征在于，该第二群透镜仅为非球面透镜，该非球面透镜的折射率大于等于1.48且小于等于1.75。
13.如权利要求1、7或10所述的投影机，其特征在于，该第一群透镜设置于该光源模组与该二轴翻转式数位微镜元件之间，该第二群透镜设置于该第一群透镜与该二轴翻转式数位微镜元件之间。
14.如权利要求13所述的投影机，其特征在于，该第二群透镜另设置于该二轴翻转式数位微镜元件与该投影镜头之间。
15.如权利要求1、7或10所述的投影机，其特征在于，该透镜组的各透镜分别具有中心轴，多个该中心轴彼此错位。
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