TWI430010B - 微投影裝置 - Google Patents

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Tsung Hsun Wu
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Description

微投影裝置
本發明係有關於投影裝置，尤其有關於微型投影裝置；且尤其有關於微型投影裝置的光路(程)安排。
投影裝置近年來由企業用產品市場擴展至家庭用甚至個人用可攜式的市場。而可攜式的產品應用，，投影裝置的體積為一主要議題，尤其是在光源模組及投影模組之厚(高)度問題，更是各廠商努力的方向。
目前現有技術，在發光二極體(LED)的光源模組上大都採用合光器(dichroic combiner)形成單一光路，但這無法有效減小體積。另外，光源均勻器(beam homogenization)則大都採用光管(light pipe形式，但其長度亦成為體積無法減小的原因。除此之外，採用一般傳統稜鏡(prism)組將光源照射至一反射式影像產生器上時，也將造成投影模組整體高(厚)度上的過大。
因此，市場上確實有需要更為微型化的投影裝置或模組，以便使投影裝置可攜，或進一步其他裝置結合。
本創作的主要目的，乃係提供一尺寸或容量較小化之投影裝置或模組。
本創作的另一目的，乃係提供一微型投影模組，供與手機模組結合，使成一具投影功能的手機。
本創作的再一目的，乃係提供一微型投影模組，其中光源可以採用LED光源的單一光路設計。
本創作的上述目的，得藉由一逆全反射式(reversed total internal reflection)遠心(telecentric)光學或藉由一全反射式(total internal reflection)遠心光學架構所達成。
詳言之，逆全反射式遠心(telecentric)光學架構包含一稜鏡組，其中稜鏡組包含一第一稜鏡，該第一稜鏡具有一主光輸入面與一主光輸出面，主光輸入面與一垂直參考面間之夾角為一第一角度，該主光輸出面與該垂直參考面間夾角為一第二角度，該第一角度約為28(±3)度且該第二角度約為32(±3)度，一方面滿足該反射式影像產生器所要求的照(入)射角度，另一方面可減少稜鏡組與反射式影像產生器間的高(厚)度(即Y方向)差異。
亦即，為了達成上述創作目的，本發明的微型投影裝置，供將一影像資訊投射至一表面上，包含：一光源模組，供產生一單一的第一光路；一光源均勻器(beam homogenization)，供輸入該第一光路，將第一光路的光施加均勻化(uniform)效果；一照明透鏡組(illumination lens)，供輸入經均勻化效果的第一光路，將第一光路重新導向至一第二光路，該第一光路與該第二光路間形成一夾角；一反射式影像產生器，供形成該影像資訊；一稜鏡組，供輸入該第二光路後，將第二光路投射至反射式影像產生器，其中，反射式影像產生器將第二光路反射後，形成具有該影像資訊的一第三光路，該第三光路經該稜鏡組反射後，產生一第四光路；一影像投影鏡組，位於該第四光路上，供將該影像資訊投射至該表面上。
除了上述第一實施例，本發明第二實施例的微型投影裝置，供將一影像資訊投射至一表面上，包含：一光源模組，供產生一單一的第一光路；一光源均勻器(beam homogenization)，供輸入該第一光路，將第一光路的光施加均勻化(uniform)效果；一照明透鏡(illumination lens)，供輸入經均勻化效果的第一光路，將第一光路進一步強化均勻化與照度效果；一反射式影像產生器，供形成該影像資訊；一稜鏡組，供輸入該強化均勻化與照度效果的 第一光路後，將第一光路全反射形成一第二光路照射該反射式影像產生器，其中，反射式影像產生器將第二光路反射後，形成具有該影像資訊的一第三光路，該第三光路穿過該稜鏡組；一影像投影鏡組，位於該第三光路上，供將該影像資訊投射至該表面上。
針對上述兩實施例的更具體的實施方式與細節技術，可參考申請專利範圍中各附屬項的附加敘述，於此不再贅言。
上述本發明的發明內容並不僅僅代表本發明的每一種實施方式或本發明的所有面向。
下方將結合附圖對本發明的各具體實施例進一步說明。雖然本發明結合了具體實施例進行說明，但是應當理解本發明可以有多種方式實施，而不僅限於這裏所揭露的具體實施例；本發明提供的具體實施例使得本發明公開更加充分和完整，且使得本領域技術人員能夠完全掌握本發明的範圍。
本發明第一實施例的投影裝置，係供用於將一影像資訊投射至一表面上，供大眾或個人閱覽所投影的內容，此投影裝置可以構成一單獨存在(standalone)的投影機，也得以模組方式存在而與其他可攜式裝置，例如手機，整合成一體而成為一可攜式的複合機裝置，例如具有投影功能的手機。
於以下的說明中，所謂『光路(程)』意指光所通過的路徑以及光本身，光本身可能未包含任何資訊，亦可能因為經過處理(例如經反射式影像產生器反射)而包含資訊，供於一表面上投影。而為了讓圖示易讀，圖示中的光路只繪示光源的主光線，其餘光線並未繪出。
如圖1所示，除了其他習知的元件或未來可能生產的附加元件，本發明第一實施例的投影裝置100包含一光源模組110，供產生一單一的第一光路L10；一光源均勻器(homogenization)120， 供輸入該第一光路L10，將第一光路的光施加均勻化(uniform)效果；一照明透鏡組(illumination lens)130，供輸入經均勻化效果的第一光路L10，將第一光路L10重新導向至一第二光路L13，該第一光路L10與該第二光路L13間形成一夾角；一反射式影像產生器160，供於其上形成該影像資訊；一稜鏡組140，供輸入該第二光路L13後，將第二光路L13投射至反射式影像產生器160，其中，反射式影像產生器160將第二光路L13反射後，形成具有該影像資訊的一第三光路L15，該具有該影像資訊的第三光路L15經該稜鏡組140全反射後，產生具有該影像資訊的一第四光路L17；一影像投影鏡組170，位於該第四光路L17上，供將該第四光路L17上的該影像資訊投射至表面180上。
於圖1實施例之架構下，於某些實施例中，光源模組110包含一LED光源113。而LED光源113採用RGGB的排列方式直接形成該單一的第一光路L10，如圖1所示。或，於某些實施例中(圖中未示)，LED光源分別採用R光源、G光源、B光源，然後經由一合光器(dichroic combiner)，光源模組110將R光源、G光源、B光源形成單一的第一光路L10。例如，美國專利申請案US 2006/0279710 A1所採用的合光方式，或美國專利申請案US 2006/0164600 A1所採用的合光方式，或美國專利核准案US 6644814 B2所採用的合光方式。不過，這些方式，會導致較大的投影裝置尺寸。
於圖1實施例之下，於某些實施例中，光源模組110包含一光源113與一光源方位調變模組(115、117)，光源方位調變模組(115、117)輸入該光源113所生的光而輸出該第一光路L10。關於照射角度的分佈，自該光源方位調變模組(115、117)射出的該第一光路L10具有適宜而均勻的之分布，此即為光源方位調變模組(115、117)的主要作用、功能。光源方位調變模組(115、117)的實施例包含常用、習知的準直透鏡(collimator)。
於圖1實施例之下，於某些實施例中，光源均勻器120包含 一微型透鏡陣列(lenslet array)，微型透鏡陣列形成一光輸入平面120I，光輸入平面120I成像於反射式影像產生器160上。如熟悉此項技藝人士所知，微型透鏡陣列包含同一平面的複數個微型透鏡，每一微型透鏡一般具有相同的焦距(focal length)。
於圖1實施例之下，於某些實施例中，微型透鏡陣列中的每一微型透鏡的曲率半徑約小於2，以便得到較佳的均勻化(uniform)效果。第一光路L10離開光源均勻器120後，即入射照明透鏡組(illumination lens set)130，將第一光路L10重新導向至一第二光路L13，該第一光路L10與該第二光路L13間形成一夾角。
照明透鏡組130主要包含照明透鏡131、135與方向導引器133(例如但不限於反射鏡面)。如熟悉此項技藝人士所知，照明透鏡131、135的主要作用在使光源照明強度(intensity)的分布盡可能的均勻(evenness)，且使低照明強度的不均勻(unevenness)部分，儘量地降低。照明透鏡131或照明透鏡135的一實施例可採用習知的聚光透鏡(condenser lens)，可使主光線平行此投影裝置的光軸，而偏移量降低。方向導引器133用以將第一光路L10導向至一第二光路L13。
於圖1實施例之下，於某些實施例中，稜鏡組140包含一第一稜鏡141，其中該第一稜鏡141具有一主光輸入面SB與一主光輸出面SD，如圖2a、2b、2c所示。主光輸入面SB與一垂直參考面SR間之夾角為一第一角度，該主光輸出面SD與該垂直參考面SR間夾角為一第二角度，該第一角度約為28度(±3度)、且該第二角度約為32度(±3度)，以滿足該反射式影像產生器160規格所要求的光照(入)射角度。於圖一實施例之下，於某些實施例中，稜鏡組140包含一第二稜鏡143，其中該第二稜鏡143為一全反射式(total internal reflection--TIR)稜鏡。因第二光路L13先穿透第一稜鏡141後，經過反射式影像產生器160的反射，取得投影資訊後形成第三光路L15，第三光路L15再經第二稜鏡140的全反射形成第四光路L17，此一稜鏡組140所被應用的架構因而 可稱之為逆全反射式(reversed total internal reflection)遠心(telecentric)光學架構。
如圖2a、2b、2c中第一稜鏡141的實施例所示，光由輸入面SB進入，由輸出面SD射出，此一第一稜鏡141(及/或第二稜鏡143)所揭露的設計參數，僅為一較佳的實施例，主要在於一方面滿足反射式影像產生器160所要求的光照(入)射角度，另一方面可減少稜鏡組140與反射式影像產生器160間的高(厚)度(即Y方向)的差異。回到圖1，於圖1實施例之下，於某些實施例中，該反射式影像產生器160包含一數位微鏡裝置(digital micromirrors device--DMD)。反射式影像產生器160前方通常會安排一像場透鏡(field lens)150，像場透鏡150的主要功能在於增加視角。
回到圖1，具有投影資訊的第三光路L15經第二稜鏡143的全反射後形成第四光路L17，此第四光路L17通過影像投影鏡組170後，資料被投影至平面180上。影像投影鏡組170一般包含多個不同功能的透鏡，達成正確放大與投影的功能。
也由於上述關於圖1、圖2a、圖2b、圖2c實施例的揭露，得以達成本發明前述的發明創作目的。經過模擬與實驗，使用0.22吋DMD於本發明的架構中，投影裝置的尺寸約可達21.5mm(X-長度方向)*6.5mm(Y-厚度方向)*20mm(Z-寬度方向)，其總體積數小於3cc，且能達到10lm/W之光效率。
以下接著敘述第二實施例。
如圖3所示，除了其他習知的元件或未來可能生產的附加元件，本發明第二實施例的投影裝置300包含一光源模組310，供產生一單一的第一光路L30；一光源均勻器(homogenization)320，供輸入該第一光路L30，將第一光路L30的光施加均勻化(uniform)效果；一照明透鏡330(illumination lens)，供輸入經均勻化效果的第一光路L30，將第一光路L30進一步強化均勻化與照度效果；一反射式影像產生器360，供形成該影像資訊；一稜鏡組340，供輸入該強化均勻化與照度效果的第一光路L30後，將第一光路 L30全反射形成一第二光路L33照射反射式影像產生器360，第一光路L30與第二光路L33形成一夾角，其中，反射式影像產生器360將第二光路L33反射後，形成具有該影像資訊的一第三光路L37，該第三光路L37穿過該稜鏡組340；一影像投影鏡組370，位於該第三光路L37上，供將該影像資訊投射至該表面380上。
於圖3實施例之架構下，於某些實施例中，光源模組310包含一LED光源313。而LED光源313採用RGGB的排列方式直接形成該單一的第一光路L30，如圖1所示。
或，於某些實施例中(圖中未示)，LED光源分別採用R光源、G光源、B光源，然後經由一合光器(dichroic combiner)，光源模組310將R光源、G光源、B光源形成單一的第一光路L30。例如，美國專利申請案US 2006/0279710 A1所採用的合光方式，或美國專利申請案US 2006/0164600 A1所採用的合光方式，或美國專利核准案US 6644814 B2所採用的合光方式。不過，這些方式，會導致較大的投影裝置尺寸。
於圖3實施例之下，於某些實施例中，光源模組310包含一光源313與一光源方位調變模組(315、317)，光源方位調變模組(315、317)輸入該光源313所生之光而輸出該第一光路L30。關於照射角度的分佈，自該光源方位調變模組(315、317)射出的第一光路L30具有適宜而均勻的之分布，此即為光源方位調變模組(315、317)的主要作用。光源方位調變模組(315、317)的實施例包含常用、習知的準直透鏡(collimator)。
於圖3實施例之下，於某些實施例中，光源均勻器320包含一微型透鏡陣列(lenslet array)，該微型透鏡陣列形成一光輸入平面320I，該光輸入平面320I成像於反射式影像產生器360上。
於圖3實施例之下，於某些實施例中，微型透鏡陣列中的每一微型透鏡的曲率半徑約小於2，以便得到較佳的均勻化(uniform)效果。
第一光路L30離開光源均勻器320後，即入射照明透鏡組 (illumination lens set)330。照明透鏡組330主要包含照明透鏡331、333。如熟悉此項技藝人士所知，照明透鏡331、333的主要作用在使光源照明強度(intensity)的分布盡可能的均勻(evenness)，且使低照明強度的不均勻(unevenness)部分，儘量地降低。照明透鏡331或照明透鏡333的一實施例可採用習知的聚光透鏡(condenser lens)，其可使主光線平行光軸，而且偏移量降低。
於圖3實施例之下，於某些實施例中，稜鏡組340包含一第一稜鏡341，其中第一稜鏡341具有一主光輸入面SB與一主光輸出面SD，如圖2a、2b、2c所示，主光輸入面SB與一垂直參考面SR間之夾角為一第一角度，該主光輸出面SD與該垂直參考面SR間夾角為一第二角度，該第一角度約為28度(±3度)、且該第二角度約為32度(±3度)，以滿足該反射式影像產生器360規格所要求的光照(入)射角度。第一稜鏡341係作為一全反射式(total internal reflection--TIR)稜鏡。因第一光路L30先經第一稜鏡341全反射後，經過反射式影像產生器360的反射，取得投影資訊後形成第三光路L37，此一稜鏡組340架構於圖3的應用因而可稱之為全反射式(TIR)遠心(telecentric)光學架構。但，第一稜鏡341亦可使用一般習知的稜鏡，不限於如圖2a、2b、2c所示的稜鏡。
第一稜鏡341(及/或第二稜鏡343)的設計參數值，主要需一方面滿足反射式影像產生器360所要求的光照(入)射角度，另一方面需可減少稜鏡組341與反射式影像產生器360間的高(厚)度(即Y方向)的差異。回到圖3，於圖一實施例之下，於某些實施例中，反射式影像產生器360包含一數位微鏡裝置(digital micromirrors device--DMD)。反射式影像產生器360前方通常會安排一像場透鏡(field lens)350，像場透鏡350的主要功能在於增加視角。
回到圖3，具有投影資訊的第三光路L37(由反射式影像產生 器360射出)再通過稜鏡組340、影像投影鏡組370後，資料被投影至平面380上。影像投影鏡組370一般包含多個不同功能的透鏡，達成精確放大與投影的功能。
也由於上述關於圖3、圖2a、圖2b、圖2c第二實施例的揭露，得以達成本發明前述的發明創作目的。經過實驗，使用0.22吋DMD於本發明的架構中，投影裝置的尺寸約可達21.5mm(X-長度方向)*6.5mm(Y-厚度方向)*20mm(Z-寬度方向)，其總體積數小於3cc，且能達到101m/W之光效率。
雖然通過附圖和前面的詳細描述對本發明的各個實施例進行了說明，但是應該理解本發明不僅限於在此公開的實施例，而可以在不違背本發明實質的前提下進行多種組態、修飾和等效變換。
180‧‧‧表面
380‧‧‧表面
SR‧‧‧參考面
SD‧‧‧光輸出面
SB‧‧‧光輸入面
100‧‧‧投影裝置
110‧‧‧光源模組
L10‧‧‧第一光路
120‧‧‧光源均勻器
130(包含透鏡131、135、方向導引器133)‧‧‧照明透鏡組
L13‧‧‧第二光路
160‧‧‧反射式影像產生器
140(包含第一稜鏡141、第二稜鏡143)‧‧‧稜鏡組
L15‧‧‧第三光路
L17‧‧‧第四光路
170‧‧‧影像投影鏡組
(115，117)‧‧‧準直透鏡
120I‧‧‧光輸入平面
150‧‧‧像場透鏡
113‧‧‧LED光源
300‧‧‧投影裝置
310‧‧‧光源模組
L30‧‧‧第一光路
320‧‧‧光源均勻器
330(包含透鏡330、333)‧‧‧照明透鏡
360‧‧‧反射式影像產生器
340(包含第一稜鏡341、第二稜鏡343)‧‧‧稜鏡組
L37‧‧‧第三光路
370‧‧‧影像投影鏡組
(315，317)‧‧‧準直透鏡
320I‧‧‧光輸入平面
350‧‧‧像場透鏡
313‧‧‧LED光源
通過參照以下詳細說明並結合附圖可對本發明的各項實施例有一個較完整的理解。
圖1揭露本發明第一實施例的投影裝置；圖2a揭露第一實施例中第一稜鏡的立體圖；圖2b揭露第一實施例中第一稜鏡的右側視圖；圖2c揭露第一實施例中第一稜鏡的頂側視；圖3揭露本發明第二實施例的投影裝置。
180‧‧‧表面
380‧‧‧表面
100‧‧‧投影裝置
110‧‧‧光源模組
L10‧‧‧第一光路
120‧‧‧光源均勻器
130(包含透鏡131、135、方向導引器133)‧‧‧照明透鏡組
L13‧‧‧第二光路
160‧‧‧反射式影像產生器
140(包含第一稜鏡141、第二稜鏡143)‧‧‧稜鏡組
L15‧‧‧第三光路
L17‧‧‧第四光路
170‧‧‧影像投影鏡組
(115，117)‧‧‧準直透鏡
120I‧‧‧光輸入平面
150‧‧‧像場透鏡
113‧‧‧LED光源

Claims (13)

  1. 一種微投影裝置，供將一影像資訊投射至一表面上，包含：一光源模組，供產生一單一的第一光路，光源模組包含一具紅綠綠藍(RGGB)形式的LED光源；一光源均勻器(beam homogenization)，供輸入該第一光路，將第一光路的光施加均勻化(uniform)效果，光源均勻器包含一微型透鏡陣列，該微型透鏡陣列形成一光輸入平面；一照明透鏡組(illumination lens)，供輸入經均勻化效果的第一光路，將第一光路重新導向至一第二光路，該第一光路與該第二光路間形成一夾角；一數位微鏡裝置型式的影像產生器，供形成該影像資訊；一稜鏡組，供輸入該第二光路後，將第二光路投射至數位微鏡裝置型式的影像產生器，其中，數位微鏡裝置型式的影像產生器將第二光路反射後，形成具有該影像資訊的一第三光路，該第三光路經該稜鏡組反射後，產生一第四光路；一影像投影鏡組，位於該第四光路上，供將該影像資訊投射至該表面上。
  2. 如請求項1所述之一種微投影裝置，其中該光輸入平面成像於數位微鏡裝置型式的影像產生器上。
  3. 如請求項1所述之一種微投影裝置，其中該稜鏡組包含一第一稜鏡，其中該第一稜鏡具有一主光輸入面與一主光輸出面，主光輸入面與一垂直參考面間之夾角為一第一角度，該主光輸出面與該垂直參考面間夾角為一第二角度，該第一角度約為28度且該第二角度約為32度，以滿足該數位微鏡裝置型式的影像產生器所要求的照射角度。
  4. 如請求項2所述之一種微投影裝置，其中該微型透鏡陣列具有複數個微型透鏡，每一微型透鏡的曲率半徑約小於2mm-1。
  5. 如請求項1所述之一種微投影裝置，其中該稜鏡組包含一第二稜鏡，其中該第二稜鏡為一全反射式(total internal reflection--TIR)稜鏡。
  6. 如請求項1所述之一種微投影裝置，其中該數位微鏡裝置型式的影像產生器包含複數個微鏡單元，每一微鏡單元因應一控制信號，得以垂直方位或以對角方位為中心翻轉。
  7. 一種微投影裝置，供將一影像資訊投射至一表面上，包含：一光源模組，供產生一單一的第一光路，光源模組包含一具紅綠綠藍(RGGB)形式的LED光源；一光源均勻器(beam homogenization)，供輸入該第一光路，將第一光路的光施加均勻化(uniform)效果，光源均勻器包含一微型透鏡陣列，該微型透鏡陣列形成一光輸入平面；一照明透鏡(illumination lens)，供輸入經均勻化效果的第一光路，將第一光路進一步強化均勻化與照度效果；一數位微鏡裝置型式的影像產生器，供形成該影像資訊；一稜鏡組，供輸入該強化均勻化與照度效果的第一光路後，將第一光路全反射形成一第二光路照射該數位微鏡裝置型式的影像產生器，其中，數位微鏡裝置型式的影像產生器將第二光路反射後，形成具有該影像資訊的一第三光路，該第三光路穿過該稜鏡組；一影像投影鏡組，位於該第三光路上，供將該影像資訊投射至該表面上。
  8. 如請求項7所述之一種微投影裝置，其中該光輸入平面成像於數位微鏡裝置型式的影像產生器上。
  9. 如請求項7所述之一種微投影裝置，其中該微型透鏡陣列具有複數個微型透鏡，每一微型透鏡的曲率半徑約小於2mm-1。
  10. 如請求項7所述之一種微投影裝置，其中該稜鏡組包含一第一稜鏡，其中該第一稜鏡為一全反射式(total internal reflection--TIR)稜鏡。
  11. 如請求項7所述之一種微投影裝置，其中該數位微鏡裝置型式的影像產生器包含複數個微鏡單元，每一微鏡單元因應一 控制信號，得以垂直方位或以對角方位為中心翻轉。
  12. 一種微投影裝置，供將一影像資訊投射至一表面上，包含：一光源模組，供產生一單一的第一光路；一光源均勻器(beam homogenization)，供於其上的一光輸入表面輸入該第一光路，將第一光路的光施加均勻化(uniform)效果；一照明透鏡組(illumination lens)，供輸入經均勻化效果的第一光路，將第一光路重新導向至一第二光路，該第一光路與該第二光路間形成一夾角；一數位微鏡裝置型式的影像產生器，供形成該影像資訊，其中該光輸入表面是成像於數位微鏡裝置型式的影像產生器；一稜鏡組，供輸入該第二光路後，將第二光路投射至數位微鏡裝置型式的影像產生器，其中，數位微鏡裝置型式的影像產生器將第二光路反射後，形成具有該影像資訊的一第三光路，該第三光路經該稜鏡組反射後，產生一第四光路，其中該稜鏡組包含一第一稜鏡，其中該第一稜鏡具有一主光輸入面與一主光輸出面，主光輸入面與一垂直參考面間之夾角為一第一角度，該主光輸出面與該垂直參考面間夾角為一第二角度，該第一角度且該第二角度被適當選取，以滿足該數位微鏡裝置型式的影像產生器所要求的照射角度；一影像投影鏡組，位於該第四光路上，供將該影像資訊投射至該表面上。
  13. 一種微投影裝置，供將一影像資訊投射至一表面上，包含：一光源模組，供產生一單一的第一光路；一光源均勻器(beam homogenization)，供輸入該第一光路，將第一光路的光施加均勻化(uniform)效果，其中該光源均勻器包含一微型透鏡陣列，該微型透鏡陣列形成一光輸入平面；一照明透鏡(illumination lens)，供輸入經均勻化效果的第 一光路，將第一光路進一步強化均勻化與照度效果；一數位微鏡裝置型式的影像產生器，供形成該影像資訊，其中該微型透鏡陣列之光輸入平面成像於數位微鏡裝置型式的影像產生器上；一稜鏡組，供輸入該強化均勻化與照度效果的第一光路後，將第一光路全反射形成一第二光路照射該數位微鏡裝置型式的影像產生器，其中，數位微鏡裝置型式的影像產生器將第二光路反射後，形成具有該影像資訊的一第三光路，該第三光路穿過該稜鏡組；一影像投影鏡組，位於該第三光路上，供將該影像資訊投射至該表面上。
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