TWI744445B - 光路調整機構及其製造方法 - Google Patents

光路調整機構及其製造方法 Download PDF

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TWI744445B TW106145342A TW106145342A TWI744445B TW I744445 B TWI744445 B TW I744445B TW 106145342 A TW106145342 A TW 106145342A TW 106145342 A TW106145342 A TW 106145342A TW I744445 B TWI744445 B TW I744445B
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Abstract

一種光路調整機構，包含框架、承載架、光學元件、永磁體及電磁鐵。承載架設於框架內，並以第一彈性件與第二彈性件與框架連接，且第一彈性件與第二彈性件可實質以一第一軸向作擺動。光學元件設在承載架上，永磁體及電磁鐵之一只設於承載架的一端上，且永磁體與電磁鐵間的超距力方向與第一軸向實質垂直。

Description

光路調整機構及其製造方法
本發明關於一種光路調整機構。
近年來，各種影像顯示技術已廣泛地應用於日常生活上。於一影像顯示裝置中，例如可設置一光路調整機構改變光線於裝置內的行進光路，以提供例如提高成像解析度、改善畫面品質等各種效果。然而，習知光路調整機構的構件數目、重量、體積均較大，難以進一步微型化。因此，亟需一種結構簡單、可靠度高且可大幅減少重量及體積的光路調整機構設計。
「先前技術」段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在「先前技術」段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在「先前技術」段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明的其他目的和優點可以從本發明實施例所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
根據本發明的一個觀點，提供一種光路調整機構，包含框架、承載架、光學元件、永磁體及電磁鐵。承載架設於框架內，並以第一彈性件與第二彈性件與框架連接，且第一彈性件與第二彈性件可 實質以一第一軸向作擺動。光學元件設在承載架上，永磁體及電磁鐵之一只設於承載架的一端上，且永磁體與電磁鐵間的超距力方向與第一軸向實質垂直。
根據本發明的另一個觀點，提供一種光路調整機構包含框架、承載座、第一連接機件、第二連接機件及磁力致動組。承載座包含光學元件及支架，支架可以第一軸線作擺動，且光學元件與支架為一體成型。第一連接機件與第二連接機件連接在承載座兩端並與框架連接，且磁力致動組包含一永磁體及一電磁鐵。第一軸線區分承載座為第一部份及第二部份，且永磁體只設在第一部份及第二部份兩者的其中之一的一端上。
根據本發明的上述觀點，因磁力致動組的部分結構(例如永磁體或電磁鐵)直接設置於承載座上，可減少光路調整機構整體的體積、重量或元件數，故利於將光路調整機構小型化或薄型化以搭配各種微型電子裝置，且可設計僅單側具有磁力致動組以進一步減少體積及重量並降低製造成本。再者，於僅單側具有磁力致動組的設計中，例如可利用交替變化的吸力及斥力驅動光學元件以提高光學元件的擺盪幅度，如此即使僅單側具有磁力致動組仍能提供足夠的轉動角度範圍。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例並配合所附圖式，作詳細說明如下。
100、200、300‧‧‧光路調整機構
110‧‧‧承載座
110a‧‧‧延伸部
112‧‧‧光學元件
114‧‧‧支架
120‧‧‧磁力致動組
122‧‧‧電磁鐵
122a‧‧‧鐵芯
122b‧‧‧線圈
124‧‧‧永磁體
130、130a、130b‧‧‧連接機件
132、134‧‧‧彈性件
140‧‧‧框架
150‧‧‧壓電元件
152、154‧‧‧墊片
302‧‧‧彈性件
310‧‧‧照明系統
312‧‧‧光源
312R、312G、312B‧‧‧發光二極體
314‧‧‧光束
314a‧‧‧子影像
316‧‧‧合光裝置
317‧‧‧集光柱
318‧‧‧鏡片組
319‧‧‧內部全反射稜鏡
320‧‧‧數位微鏡裝置
330‧‧‧投影鏡頭
350‧‧‧螢幕
A‧‧‧軸線
C‧‧‧軸向
L‧‧‧長軸方向
M、N‧‧‧位置
P、Q‧‧‧旋轉方向
T‧‧‧超距力方向
θ‧‧‧角度
圖1為本發明一實施例之光路調整機構的示意圖。
圖2A及圖2B為繪示本發明一實施例的磁力致動組的磁作用示意圖。
圖3為本發明一實施例之承載座的致動狀態示意圖。
圖4為本發明另一實施例之光路調整機構的示意圖。
圖5A及圖5B為繪示本發明另一實施例的磁力致動組的磁作用示意圖。
圖6為本發明另一實施例之光路調整機構的示意圖。
圖7為本發明另一實施例的致動組件的示意圖。
圖8為本發明一實施例的光路調整機構應用於一光學系統的示意圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
下述實施例中之揭露內容揭示一種光路調整機構，其可運用於不同光學系統(例如顯示裝置、投影裝置等等)以調整或變化光路俾提供例如提升成像解析度、提高影像品質(消除暗區、柔和化影像邊緣)等效果而不限定，且光路調整機構於光學系統中的設置位置及配置方式完全不限定。
圖1為本發明一實施例之光路調整機構的示意圖。如圖1所示，光路調整機構100包含一承載座110、一磁力致動組120、至少一連接機件130及一框架140。於本實施例中，承載座110包含一可偏折光線的光學元件112及一可承載光學元件112的支架114，支架114因可承載光學元件112故亦可視為一承載架。承載座或承載架的作動形式例如可為轉動、振動、移動等而不限定。光學元件112例 如可為一鏡片，且鏡片僅需能提供偏折光線的效果即可，其形式及種類並不限定，例如可為一透鏡(Lens)或一反射鏡(Mirror)。支架114與光學元件112可為相同材質或不同材質均可，且支架114可與光學元件112一體成型。磁力致動組120例如可包含電磁鐵122及永磁體124，電磁鐵122例如可包含一鐵芯122a及繞設於鐵芯122a的線圈122b，永磁體124例如可為一永久磁鐵且可設於承載座110的一端上，且電磁鐵122例如可設於框架140。於本實施例中，連接機件130例如可包含具恢復力的第一彈性件132及第二彈性件134，且第一彈性件132或第二彈性件134的兩端可藉由例如螺絲或插銷的固定件分別連接並固定至框架140及支架114。
如圖2A及圖2B所示，於一實施例中，永磁體124設於承載座110上且例如左側為S極且右側為N極，藉由改變電磁鐵122的線圈122b中電流I的流動方向可改變電磁鐵122的磁極性，當電磁鐵122的左側為N極且右側為S極時(圖2A)可吸引永磁體124並使承載座110一端向下移動，當電流I的流動方向相反時電磁鐵122的左側為S極且右側為N極時(圖2B)可排斥永磁體124並使承載座110一端向上移動。因此，藉由電磁鐵122的磁極***替變化，電磁鐵122可交替地吸引及排斥永磁體124而使彈性件132、134實質以圖1所示的軸向C作擺動並使承載座110作動。因此，如圖3所示，於一實施例中，電磁鐵122的與永磁體124間的吸力可讓光學元件112及支架114以軸線A為軸心沿旋轉方向P轉動至位置M，且電磁鐵122的與永磁體124間的斥力可將光學元件112及支架114沿相反的旋轉方向Q轉動至位置N，因此光學元件112可以軸線A為軸心在轉動角度θ範圍內往復擺動或轉動至不同位置以將入射光偏折至不同方向，獲得調整或變化光線行進光路的效果。於一實施例中，光 學元件112的轉動角度θ範圍可為-1至1度，且較佳範圍為+/-0.2至+/-0.5度。藉由本發明實施例的光路調整機構調整或變化光路，可視實際需求產生不同的效果，例如可用以提升投影解析度、提高影像品質(消除暗區、柔和化影像邊緣)等等而不限定。
請再參考圖1，於本實施例中，軸線A可實質重合軸向C，但其並不限定。軸線A可將承載座110分為一第一部分及一第二部份，且於本實施例中僅第一部分(例示為軸線A左側)的一端設有電磁鐵122或永磁體124，亦即永磁體124及電磁鐵122之一只設於支架114的一端上，如此可提供減少體積及重量並降低製造成本的效果。再者，因吸力及斥力兩者可朝相反方向驅動光學元件112，因此同時利用交替變化的吸力及斥力驅動光學元件112可提高光學元件112的擺盪幅度，如此即使僅單側具有磁力致動組仍能提供足夠的轉動角度範圍。再者，如圖1所示，於本實施例中，永磁體124與電磁鐵122間的超距力方向T(例如圖2A及圖2B所示的吸力及斥力方向)，可與彈性件132、134的擺動軸向C實質垂直，以例如提供提高轉動扭矩的效果，但本發明並不限定於此。再者，於一實施例中，軸線A可實質重合軸向C但不限定，且電磁鐵122或永磁體124的長軸方向L可與軸線A或軸向C實質平行。
如圖4所示，於另一實施例中，光路調整機構200可具有兩個磁力致動組120，且兩個磁力致動組120可設置於承載座110的兩側但不限定。第一連接機件130a與一第二連接機件130b連接承載座110的兩端與框架140。再者，永磁體124設置於承載座110上的方式並不限定。於本實施例中，承載座110的兩側可分別延伸出一延伸部110a，且永磁體124可黏貼於延伸部110a上。於另一實施例中，永磁體124亦可如連接機件130a、130b般利用螺絲或插銷的固定件 固定至承載座110。再者，於一實施例中。可設置一墊片於承載座110與該永磁體124之間(例如墊片152)、或者承載座110與電磁鐵122之間(例如墊片154)，以降低承載座110作動時的噪音。
磁力致動組120僅需能產生驅動承載座110的效果即可，其組成構件並不限定。於一實施例中，如圖3A及圖3B所示，永磁體124及電磁鐵122的N、S磁級可形成於水平方向的左、右側，於另一實施例中，如圖5A及圖5B所示，永磁體124及電磁鐵122的N、S磁級可形成於鉛直方向的上、下方而不限定。需注意圖5A、5B的配置方式僅產生一處的N-S磁級配對，但圖3A、3B所示的配置方式會產生兩處(左側及右側)的N-s磁級配對，因此圖5A、5B的配置方式會導致較少的磁力線數量(即磁力相對較弱)。再者，永磁體124及電磁鐵122相對軸線A的配置方向及磁力作用面積可視需求變化而不限定。
圖6為本發明另一實施例之光路調整機構的示意圖。如圖6所示，光路調整機構300具有設於框架140與承載座110一端之間的彈性件302。彈性件302可抵撐承載座110的一端，使承載座110停留於一預定位置。當電磁鐵122通電時可產生吸力吸引永磁體124，使承載座110一端旋轉一角度並壓縮彈性件302，當電磁鐵122未通電時彈性件302的恢復力可讓承載座110回到該預定位置。本實施例藉由作用方向相反的磁吸力及彈性恢復力，不需交替產生的磁吸力及磁斥力(不需改變電磁鐵122的電流方向)，亦可獲得使承載座110(包含光學元件112及支架114)以軸線A作擺動的效果。再者，於一實施例中，亦可省略彈性件302，直接利用連接機件130(例如彈性件132、134)本身的彈性恢復力達到同樣的效果。另外，於一實施例中，永磁體124亦可由磁性材料取代，電磁鐵122通電時可吸引磁性材料而 獲得相同效果。
於上述的實施例中，永磁體124係設於承載支架114的一端且電磁鐵122設於框架140，但本發明不限於此，亦可將電磁鐵122設於承載支架114的一端且永磁體124設於框架140亦可。於一實施例中，永磁體124亦可用空心線圈取代，空心線圈和電磁鐵122搭配同樣可交替產生吸力及斥力。
藉由上述實施例的設計，因磁力致動組的部分結構(例如永磁體或電磁鐵)直接設置於承載座上，可減少光路調整機構整體的體積、重量或元件數，故利於將光路調整機構小型化或薄型化以搭配各種微型電子裝置，且可設計僅單側具有磁力致動組以進一步減少體積及重量並降低製造成本。再者，於僅單側具有磁力致動組的設計中，例如可利用交替變化的吸力及斥力驅動光學元件以提高光學元件的擺盪幅度，如此即使僅單側具有磁力致動組仍能提供足夠的轉動角度範圍。
本發明各個實施例的連接機件或彈性件可具有發生形變後當外力撤消時能朝恢復原來大小和形狀的方向變化的性質，其材質例如可為金屬或塑膠而不限定。再者，框架僅需能界定一容置空間即可，其可具不同形式或外形，且例如可為基座或外框等而不限定。
於一實施例中，可利用改變插銷配重、螺絲配重、增加質量塊、設置壓板等方式調整承載座的自然頻率，使承載座的自然頻率可避免共振現象，且較高的自然頻率可提高承載座的反應速度，且可使用較小的致動器即可讓承載座達到預設的旋轉角度。
於一實施例中，光路調整機構的至少部分結構可為一體式結構以獲得例如減少零件數、簡化整體結構並縮短組裝工時的效果。舉例而言，連接機件、光學元件及支架三者可利用相同材質(例如塑 膠或金屬)一體成形，或其中兩個組件先一體成形，例如光學元件及支架先一體成形、或者連接機件、支架先一體成形後再與其餘元件組合亦可，此時組合的固定方式可以是插銷膠合、點膠或以螺絲固定。於另一實施例中，連接機件、光學元件、支架及框架四者可利用相同材質(例如塑膠或金屬)一體成形，或其中至少兩個組件先一體成形後，再與其餘元件組合亦可。
於另一實施例中，如圖7所示，亦可利用設置於承載座110的一壓電元件150，透過在壓電元件150上施加電場可使壓電元件150產生壓縮或拉伸變形，意即可將電能轉為機械能以使承載座110往復擺動達到調整光路效果。
圖8為本發明一實施例的光路調整機構應用於一光學系統的示意圖。請參照圖8，光學裝置400包含照明系統310、光閥320、投影鏡頭330以及光路調整機構100。其中，照明系統310具有光源312，其適於提供光束314，且光閥320配置光束314的傳遞路徑上。此光閥320適於將光束314轉換為多數個子影像314a。此外，投影鏡頭330配置於這些子影像314a的傳遞路徑上，且光閥320係位於照明系統310與投影鏡頭330之間。另外，光路調整機構100可配置於光閥320與投影鏡頭330之間，例如可以在光閥320和內部全反射稜鏡319之間或是可以在內部全反射稜鏡319和投影鏡頭330之間，且位於這些子影像314a的傳遞路徑上。上述之光學裝置400中，光源312例如可包含紅光發光二極體312R、綠光發光二極體312G、及藍光發光二極體312B，各個發光二極體發出的色光經由一合光裝置316合光後形成光束314，光束314會依序經過集光柱(light integration rod)317、鏡片組318及內部全反射稜鏡(TIR Prism)319。之後，內部全反射稜鏡319會將光束314反射至光閥320。此時，光閥320會將 光束314轉換成多數個子影像314a，而這些子影像314a會依序通過內部全反射稜鏡319及光路調整機構100，並經由投影鏡頭330將這些子影像314a投影於螢幕350上。於本實施例中，當這些子影像314a經過光路調整機構100時，光路調整機構100會改變部分這些子影像314a的傳遞路徑。也就是說，通過此光路調整機構100的這些子影像314a會投影在螢幕350上的第一位置(未繪示)，另一部份時間內通過此光路調整機構100的這些子影像314a則會投影在螢幕350上的第二位置(未繪示)，其中第一位置與第二位置係在水平方向(X軸)或/且垂直方向(Z軸)上相差一固定距離。於本實施例中，由於光路調整機構100能使這些子影像314a之成像位置在水平方向或/且垂直方向上移動一固定距離，因此能提高影像之水平解析度或/且垂直解析度。當然，上述實施例僅為例示，本發明實施例的光路調整機構可運用於不同光學系統以獲得不同效果，且光路調整機構於光學系統中的設置位置及配置方式完全不限定。
本發明之「光學元件」用語，係指元件具有部份或全部可反射或穿透的材質所構成，通常包括玻璃或塑膠所組成。舉例來說，光學元件可以是透鏡、全反射稜鏡(TIR Prism)、反向全反射稜鏡組(RTIR Prism)、各種積分器、各種濾光片等。
光閥(Light valve)320一詞已為投影產界廣泛使用，在此產業中大多可用來指一種空間光調變器(Spatial Light Modulator,SLM)中的一些獨立光學單元。所謂空間光調變器，含有許多獨立單元(獨立光學單元)，這些獨立單元在空間上排列成一維或二維陣列。每個單元都可獨立地接受光學信號或電學信號的控制，利用各種物理效應(泡克爾斯效應、克爾效應、聲光效應、磁光效應、半導體的自電光效應或光折變效應等)改變自身的光學特性，從而對照明在該複數 個獨立單元的照明光束進行調製，並輸出影像光束。獨立單元可為微型反射鏡或液晶單元等光學元件。亦即，光閥可以是數位微鏡元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)、矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS Panel)或是穿透式液晶面板等。
投影機是利用光學投影方式將影像投射至螢幕上的裝置，在投影機產業中，一般依內部所使用的光閥的不同，將投影機分為陰極射線管(Cathode Ray Tube)式投影機、液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)式投影機、數位光投影機(Digital Light Projector,DLP)以及液晶覆矽(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)投影機因投影機運作時光線會透過LCD面板作為光閥，所以屬於穿透式投影機，而使用LCOS、DLP等光閥的投影機，則是靠光線反射的原理顯像，所以稱為反射式投影機。而於本實施例中，投影機為數位光投影機，而光閥320為數位微鏡元件(DMD)。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
100‧‧‧光路調整機構
110‧‧‧承載座
112‧‧‧光學元件
114‧‧‧支架
120‧‧‧磁力致動組
122‧‧‧電磁鐵
122a‧‧‧鐵芯
122b‧‧‧線圈
124‧‧‧永磁體
130‧‧‧連接機件
132、134‧‧‧彈性件
140‧‧‧框架
A‧‧‧軸線
C‧‧‧軸向
L‧‧‧長軸方向
T‧‧‧超距力方向

Claims (10)

  1. 一種光路調整機構，包含：一框架；一承載架，設於該框架內，並以一第一彈性件與一第二彈性件與該框架連接，其中該第一彈性件與該第二彈性件可實質以一第一軸向作擺動；一光學元件，設在該承載架上且可透射或反射由一光閥發出的多畫素平面影像光；以及一永磁體及一電磁鐵，該永磁體及該電磁鐵之一只設於該承載架的一端上，且該永磁體與該電磁鐵間的超距力方向與該第一軸向實質垂直，其中該光學元件以一軸線為軸心作動，且該永磁體的一長軸方向實質上平行該軸線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光路調整機構，其中該軸線實質重合該第一軸向。
  3. 一種光路調整機構，包含：一框架；一承載座，包含一光學元件及一支架，該支架可以一軸線作擺動，且該光學元件與該支架為一體成型；一第一連接機件與一第二連接機件，連接在該承載座兩端並與該框架連接；以及一磁力致動組，包含一永磁體及一電磁鐵；其中該框架僅設於該軸線的一側，該軸線區分該承載座為一第一部份及一第二部份，且該永磁體只設在第一部份及該第二部份兩者的其中之一的一端上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光路調整機構，其中該永磁體 的一長軸方向實質上平行該軸線。
  5. 如申請專利範圍第1或3項所述之光路調整機構，其中該電磁鐵包含一鐵芯及繞設於該鐵芯的線圈，且該電磁鐵的磁極***替變化。
  6. 如申請專利範圍第1或3項所述之光路調整機構，其中該電磁鐵交替地吸引及排斥該永磁體。
  7. 如申請專利範圍第1或3項所述之光路調整機構，其中該光學元件包含一反射片或一透鏡。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之光路調整機構，更包含：一墊片，設置於該承載座與該電磁鐵之間。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之光路調整機構，更包含：一彈性件，設於該承載座的該端與該框架之間。
  10. 一種光路調整機構製造方法，包含：提供一框架；於該框架設置一承載座，其中該承載座包含一光學元件且以一軸線作擺動，且該光學元件可透射或反射由一光閥發出的多畫素平面影像光；利用一第一連接機件與一第二連接機件連接該承載座兩端與該框架；以及於該軸線的兩側擇一設置一磁力致動組以驅動該承架，其中該磁力致動組包含一永磁體及一電磁鐵，該永磁體與該電磁鐵間的超距力方向與該軸線實質垂直，且該永磁體的一長軸方向實質上平行該軸線。
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