CN1591164A - 投影照明***及其投影照明方法 - Google Patents

Abstract

一种投影照明***，包含一光导管及具有光接收区域的一光路切换装置。光导管设置于光源与光路切换装置间的光路，经光导管端面发出的光束以与光接收区域的平面法线构成一角度的方式入射至光接收区域，其所产生的投射图案形状相对光导管端面形状于沿该离轴角度变化方向产生一拉伸变化。光导管的端面形状为沿离轴角度方向的内角较相邻内角大的一平行四边形。

Description

投影照明***及其投影照明方法

技术领域

本发明提供一种投影照明***，特别是一种可有效提高照明效率的投影照明***。

背景技术

现有的光学式投射显示器原理，是将光源发出的光束投射至一光路切换装置，光路切换装置具有多个可切换光路的微小光路切换元件，这些微小光路切换元件组合成影像，再经由投影***投射至显示屏幕。以德州仪器(TI)制造的数字微镜装置(Digital Micromirror 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，以使光束在穿透投影***(亦即亮态模式)及不穿透投影***(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为一包含光路切换装置102的现有投影***100示意图，显示当微反射镜102a倾斜角度选择为亮态模式时的光路。如图1所示，经由照明***而来的入射光束I，会经由光路切换装置102的微反射镜102a反射后，通过内部全反射棱镜104进入到投影装置106。一般而言，为使投影画面清晰可见，投影装置106需采用一轴上(On-axis)设计，亦即由微反射镜102a反射而来的光束，需以平行或近似平行投影装置106光轴的方向进入其中。为满足此一条件，经由内部全反射棱镜104反射后的入射光束I，需设计以倾斜一定角度θ方式入射至微反射镜102a，换言之，采用微反射镜102a的投影照明***设计，入射光束I必需采离轴(Off-axis)方式以一定倾斜角进入光路切换装置102。

图2A为一现有照明***110的示意图，显示现有的照明***110其入射光束偏离光路切换装置102的光接收区域平面法线一角度θ的离轴入射情形。图2B为一示意图，分别显示光导管114的端面、入射光束经由光导管114离轴投射至光路切换装置102的投射图案及光路切换装置102的光接收区域。于此例中，光接收区域分布于光路切换装置102的一表面。

如图2A所示，光源112发出的光束先会聚至一光导管114，光导管114周边壁面为反射面，光束经反射壁面多次反射后由光导管出口端射出均匀分布的光束，再经由传递透镜组116投射至光路切换装置102上。

如前所述，入射光束必需采一离轴(Off-axis)方式进入光路切换装置102会导致如下缺点。当照明***110的入射光束偏离光路切换装置102法线一角度θ入射时，入射光束经由光导管114的端面于光路切换装置102上产生的投射图案，参考图2B，其沿离轴角度θ变化方向(即光路切换装置102的法线方向至照明***110光轴的夹角方向)会产生一拉伸变形，且当偏离的θ角角度越大，投射图案沿该离轴角度θ变化方向的拉伸变形会更明显。以图2B所示为例，为搭配一般为矩形的光路切换装置102，而将光导管114端面设计为矩形时，入射光束经光导管114的矩形端面投射至光路切换装置102时，原本应为矩形的投射图案因离轴入射导致的拉伸变形而使投射图案变形为邻角不等的平行四边形。因此，部分投射光束即无法进入光路切换装置102的光接收区域内，明显造成光线的浪费而使照明效率降低。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种投影照明***，其能确保入射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。

依本发明，提供一种投影照明***包含一光源、一光导管及具有光接收区域的一光路切换装置。该光接收区域用以接收一光源所发出的光束，且该光接收区域为一矩形。光导管设置于光源与光路切换装置间的光路，经光导管端面发出的光束以与光接收区域的平面法线构成一离轴角度的方式入射至光接收区域而形成一投射图案。考虑投射图案形状相对光导管端面形状于沿离轴角度变化方向产生的拉伸变化，本发明的特征为光导管的端面形状，为基于矩形光接收区域形状设计的一平行四边形，该平行四边形离轴角度方向的内角设计为较相邻内角大，且沿着该离轴角度方向的该内角随该离轴角度的增加而增加，以消除该形状拉伸变化影响，使投射至光接收区域的投射图案其形状及面积与光接收区域实质相同。

本发明还提供一种投影照明***，包含：

一光路切换装置，具有一光接收区域；及

一光导管，具有一端面，经该端面射出一光束，该光束以与该光接收区域的平面法线构成一离轴角度方式投射至该光接收区域而形成一投射图案，该光导管端面沿该离轴角度方向上的对角线尺寸小于其余对角线的尺寸；

其中该投射图案的形状及面积与该光接收区域实质相同。

借由本发明的设计，考虑离轴投射后实际图案的角度变化情况，当利用预先对光导管的端面所进行的反向变形设计，可完全抵消离轴入射的投射图案变形效应，获得实际投射图案其形状及面积能与光接收区域相同的效果，亦即使入射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为一现有投影***的示意图，显示当微反射镜倾斜角度选择为亮态模式时的光路。

图2A为一现有照明***示意图，显示照明***的光轴偏离光接收区域平面法线一角度θ的离轴入射情形。

图2B为显示光导管的截面、入射光束经由光导管离轴投射至光路切换装置的投射图案及光路切换装置的光接收区域示意图。

图3为依本发明的一实施例，显示一投影照明***的示意图。

图4A为说明现有光导管端面设计的示意图。

图4B为说明本发明光导管端面设计的示意图。

图5为依本发明的另一实施例，显示一投影照明***的示意图。

组件符号说明

10    投影照明***

12    光源

14    光导管

16    光路转折装置

20        光路切换装置

20a       光路切换元件

22        投影装置

24        椭球反射镜

26        内部全反射棱镜

28        传递透镜组

30、30′  投射端面

32、32′  投射图案

34        形状修正元件

100       投影***

102       光路切换装置

102a      微反射镜

104       内部全反射棱镜

106       投影装置

110       照明***

112       光源

114       光导管

116       传递透镜组

具体实施方式

图3为依本发明的一实施例，显示一投影照明***10的示意图。如图3所示，投影照明***10包含光源12、光导管14、光路转折装置16及光路切换装置20，且光路切换装置20具有至少一光路切换元件20a。

光源12，用以提供照明光线给投影照明***10。于光源12的周围可设置一集光器以汇聚光源12所发出的光束，此集光器例如一椭球反射镜24。光路转折装置16，用以将来自光导管14的光束传递至光路切换装置20上。光路转折装置16例如是由用以变更投射方向的内部全反射棱镜26及用以变更投射尺寸的传递透镜组28所组成。内部全反射棱镜26为中间间隔一气隙(Air Gap)的两棱镜胶合而成，借由气隙与棱镜界面的全反射以使光束投射于光路切换装置20上。

光路切换装置20，具有多个光路切换元件20a，该光路切换元件20a形成为光路切换装置20的光接收区域，借由各个光路切换元件20a的个别光路切换，以控制投射于各光路切换元件20a的光束是否朝投影装置22投射。光路切换装置20例如是数字微镜装置(DigitalMicromirror Device；DMD)或是反射式硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon；LCoS)。另外，前述光束投射于各光路切换元件20a时，此光束与光路切换元件20a的法线方向形成有一夹角，此夹角为前述的离轴角度θ。

光导管14，用以接收来自光源12的光束，并射出均匀分布的光束。光导管14周边壁面为反射面，光束自光导管14的入射端面射入后，经反射壁面多次反射，再由光导管14的投射端面射出均匀分布的光束。之后，此光束以离轴角度θ的方式，照射于光路切换装置20的光路切换元件20a上。

本发明的特征为自光导管14射出的光束照射于光路切换装置20时，此光束的投射面积与形状与光路切换元件20a相符合。为达到此一目的，本发明的光导管14投射端面形状预先设计成沿离轴角度θ方向向内压缩部分尺寸，而变形为沿离轴角度方向的内角较相邻内角大的一平行四边形。如此当光导管14射出的光束以离轴投射的方式投射于光路切换装置20时，恰能抵消离轴投射时的形状变化效应，使其投射面积及形状能与光路切换元件20a相符合。

如下以一实例具体说明现有光导管114与本发明光导管14的差异。在此实例中，离轴角度θ为24度，作为光接收区域的光路切换元件20a、102a布满于光路切换装置20、102表面上，且其光接收区域形状为矩形。请同时参照图2B及图4A，光导管114的投射端面30的形状为内角角度α、β＝90度的矩形，其所投射出的投射图案32会沿离轴角度θ变化方向产生一拉伸变形，而使投射图案32拉伸为内角角度α′＝88度且内角角度β′＝92度的平行四边形。在此种情形下(亦即，使用现有的光导管时)，由于投射图案32大于光路切换装置102的光接收区域，因而造成部分光束并未投射于光路切换装置102上，进而降低其照明效率。

因此，请同时参考图3及图4B，本发明光导管14的投射端面30’预先进行反向形状变更，以使投射的图案32’与光路切换装置20的形状及面积完全吻合。以上述实例而言，投射端面30’将图4A所示的端面30的内角角度α、β分别变更为β’、α’，亦即将原本的90度α角变更为92度的β’角，原本的90度β角变更为88度的α’角，使投射端面30’成为沿离轴角度方向的内角较相邻内角大的一平行四边形。亦即，在沿离轴角度θ变化方向上，端面30’会从原先的尺寸D内缩成尺寸d，使端面30’其沿离轴角度θ变化方向的对角线尺寸比另一对角线短，当光束自端面30’射出后，因投射图案32’会沿离轴角度θ变化方向产生一拉伸变形，而使投射图案32’拉伸变化为角度约为90度且两对角线尺寸实质相等的矩形，此形状与光路切换装置20的形状相吻合，而可获得避免光束能量浪费的效果进而提高照明效率。

因此，如图3所示，当光束经由光导管14的投射端面发出后，会先经由传递透镜组28再进入内部全反射棱镜26，于棱镜与空气间隙的界面处产生全反射，此时反射光以离轴方式入射至光路切换装置20上。借由本发明的设计，利用预先对光导管的投射端面所进行变形设计，可完全抵消光束经全反射棱镜26反射后，离轴入射至光路切换装置20产生的投射图案变形效应，获得实际投射图案其形状及面积能与光接收区域相同的效果，亦即使经光导管而来的入射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。再者，当离轴入射角度增加时，人们可知投射图案其沿离轴角度方向的拉伸变形会更加明显，因此平行四边形的光导管端面沿该离轴角度方向的内角应设计为随该离轴角度的增加而增大，换言之，光导管端面沿离轴角度方向上的对角线尺寸应设计为随该离轴角度的增加而减少，确保投射图案的形状及面积与该光接收区域相同。

本领域普通技术人员当能理解，本发明预先改变光导管端面形状的做法，完全可适用于具不同光接收区域形状的光路切换装置。仅需针对不同形状的光接收区域，相对调整光导管端面的角度或尺寸所应变化的幅度，即能达成抵消离轴投射的变形效应而使光导管的投射光束完全进入光接收区域。举例而言，若光路切换装置的光接收区域为一邻角不等的平行四边形外形时，则可采用一具相应角变化的矩形光导管端面，该矩形光导管端面经离轴投射后的实际投射图案会变化为一邻角不等的平行四边形，而可使投射光束完全进入光接收区域。

再者，修正光导管端面形状的方式并不限定，例如可于制造光导管时直接改变入射光束于光导管的出口端面形状，或可如图5所示，另外连接一形状修正元件34于端面上亦可，形状修正元件34可为例如一内部全反射组件。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种投影照明***，其特征在于包含：

一光路切换装置，具有一光接收区域，该光接收区域用以接收一光源所发出的光束，且该光接收区域为一矩形；及

一光导管，设置于该光源与该光路切换装置间的光路，经该光导管一端面发出的该光束以与该光接收区域的平面法线构成一离轴角度方式投射至该光接收区域而形成一投射图案，该光导管端面形状一平行四边形，且该平行四边形沿该离轴角度方向的内角较相邻内角大；

其中该平行四边形沿着该离轴角度方向的该内角随该离轴角度的增加而增大，且该投射图案的形状及面积与该光接收区域实质相同。

2.根据权利要求1所述的投影照明***，其特征在于还包含一光路转折装置，设置于该光导管与该光路切换装置间的光路上，该光路转折装置为一内部全反射棱镜与一传递透镜组的组合，且该光导管端面发出的该光束经该内部全反射棱镜反射后离轴投射至该光接收区域。

3.根据权利要求1所述的投影照明***，其特征在于还包含一椭球反射镜设置于该光源周围，以将该光源所发出的该光束会聚至该光导管的另一端面。

4.根据权利要求1所述的投影照明***，其中该光路切换装置为一数字微镜装置或一反射式硅基液晶。

5.一种投影照明***，其特征在于包含：

一光路切换装置，具有一光接收区域；及

一光导管，具有一端面，经该端面射出一光束，该光束以与该光接收区域的平面法线构成一离轴角度方式投射至该光接收区域而形成一投射图案，该光导管端面沿该离轴角度方向上的对角线尺寸小于其余对角线的尺寸；

其中该投射图案的形状及面积与该光接收区域实质相同。

6.根据权利要求5所述的投影照明***，其特征在于该光导管端面沿该离轴角度方向上的对角线尺寸随该离轴角度的增加而减小。

7.根据权利要求5所述的投影照明***，其特征在于该光接收区域形状为矩形，且该光导管端面形状为邻角不等的平行四边形。

8.根据权利要求5所述的投影照明***，其特征在于该光接收区域形状为邻角不等的平行四边形，且该光导管端面形状为矩形。

9.一种投影照明方法，包含如下步骤：

于一光源与具有一矩形光接收区域的一光路切换装置间的光路设置一光导管；

将通过该光导管端面的光束以与该光接收区域的平面法线构成一离轴角度方式入射至该光接收区域而形成一投射图案，该投射图案形状相对该端面形状于沿该离轴角度变化方向产生一拉伸变化；及

将该光导管端面形状取为一沿该离轴角度方向的内角较相邻内角大的平行四边形，以抵消该拉伸变化使该投射图案的形状及面积与该光接收区域实质相同。

10.根据权利要求9所述的投影照明方法，其特征在于该光导管端面的形状变化，是借由将该端面连接一由内部全反射组件构成的形状修正元件来完成。

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