专利名称：具有降低尺寸大小并提高对比度的投影机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种投影机，更明确地说，是涉及一种具有创新设计的棱镜 组以减小尺寸同时并提高对比度的投影机。
背景技术：
请参考图1。图1为一背景技术具较小尺寸的投影机100的示意图。如 图1所示，投影机100包含一照明系统110、一镜头组120、一微镜模块(Digital Micro-mirror Device, DMD)130及一棱镜组(prism assembly) 140。
照明系统110产生光线，并射入棱镜组140，然后反射至微镜模块130, 微镜模块130再将光线反射。微镜模块130具有一防尘盖及多个微镜片M。 微镜模块130中的微镜片M用来反射照明系统110经由棱镜组反射的光线。 每个微镜片M则分别根据一控制信号，依照一旋转轴，旋转至亮态(on state)SoN(图l微镜模块130中的实线部分)或至暗态(offstate)SoFF(图1微镜模 块130中虚线部分)。微镜片M可顺向或逆向地旋转一角度6s。更明确地说， 微镜片M在未收到控制信号时为平态SFLAT,平行于微镜模块130的防尘盖。 当收到开启的控制信号时，微镜片M顺向旋转角度es;当收到关闭的控制 信号时，微镜片M逆向旋转角度es。因此，微镜片M在亮态SoN与暗态S0FF 之间的夹角为29s。在亮态ScM时，微镜片M会将入射光线反射，经由棱镜 组140,进入镜头组120,以将光线投影于屏幕上。在暗态SoFF时，微镜片 M会旋转29s的角度，而将入射光线反射，经由棱镜组140,使其通过棱镜 组140后即以偏离镜头组120的光轴A2的方向前进而不进入镜头组120。
棱镜组140包含二棱镜TA与Te及一介质层X。棱镜TA、棱镜TB常见
为玻璃柱体，棱镜丁a包含三平面Pi、 P2及P3，棱镜TB包含三平面P4、 P5 及P6。介质层X常见为空气层，设置于棱镜TA的平面P2与棱镜TB的平面
P4之间。棱镜ta、 Tb具有一折射率Np介质层X具有一折射率N2,折射 率N2小于折射率N,,意即介质层X相比较于棱镜TA与TB为一疏介质。在当光线从照明系统110入射至棱镜ta的平面P2、且入射角小于棱镜ta的全
反射角情形下，于平面P2发生全反射。另外，平面P3平行于微镜模块130、
平面Ps平行于镜头组120(意即垂直于镜头组120的光轴A2)。平面Pi与P2 之间的夹角为P。平面P2与Ps之间的夹角为a。平面P6与P5之间的夹角为 Y，且夹角y为一锐角或直角，意即夹角Y的角度小于或等于一直角。
照明系统IIO常见为气体放电灯，通过椭球灯罩4吏光线汇聚并延一光轴 A!射出。换言之，照明系统110为一具有焦数^(f-number)的光源，其光轴 Ai约略垂直于平面Pi。
请继续参考图1。照明系统110循光轴Ai行进的光线，经过平面P!, 射入棱镜ta之后，在平面P2发生全反射，经过平面P3,入射至微镜模块130 的平面(即微镜模块130的防尘盖)，且与微镜模块130的平面的法线夹角 为eAC)I。然后微镜片M再将入射光线反射。在亮态S，时，微镜片M所反 射的光线(图1中实线部分)，会经过平面P3，在平面P2到P4间发生折射， 然后从平面P5射出，进入镜头组120。在暗态SoFF时，孩t镜片M所反射的 光线(图1中虚线部分)，会经过平面P3，在平面P2到P4间发生折射，然后
从平面P5射出，以偏离镜头组120的光轴A2的方向前进而不进入镜头组120。 请参考图2。图2为背景技术的投影机100在暗态时对比度不佳的示意
图。照明系统IIO边缘的光线，经过平面Pp射入棱镜ta之后，在平面P2
发生全反射，经过平面P3，入射至孩i镜模块130。由于照明系统110具有焦 数F,因此照明系统110边缘的光线与中央的光线方向不相同。在亮态S， 时，微镜片M所反射的光线(图2中实线部分)，会经过平面P3,在平面P2
到P4间发生折射，然后从平面Ps射出，进入镜头组120。在暗态SoFF时，
微镜片M所反射的光线(图2中虚线部分)，会经过平面P3，在平面P2到P4
间发生折射，然后射至平面Ps，且在平面P6发生全反射后，再从平面Ps射
出，而如图2所示，进入镜头组120。如此，投影枳j 100的对比度便会降低。 请参考图3。图3为一背景技术具高对比度的投影机200的示意图。在 图3中，除棱镜组240外，其余元件皆与投影机100相同，相关功能性描述 在此不再赘述。
棱镜组240同样也包含二棱镜Ta与丁b及一介质层X。照明系统110循 光轴A,行进的光线，经过平面Pp射入棱镜丁a之后，在平面P2发生全反
射，经过平面p3,入射至微镜模块130，且与微镜模块130的法线夹角为eA0I。然后微镜片M再将入射光线反射。在亮态S，时，微镜片M所反射的光线(图
3中实线部分)，会经过平面P3，在平面P2到P4间发生折射，然后从平面Ps
射出，进入镜头组120。在暗态S。ff时，微镜片M所反射的光线(图3中虚
线部分)，会经过平面P3，在平面P2到P4间发生折射，然后从平面Ps射出，
以偏离镜头组120的光轴A2的方向前进而不进入镜头组120。
请参考图4。图4为背景技术的投影机200在暗态时提高对比度的示意 图。照明系统110边缘的光线，经过平面Pi,射入棱镜TA之后，在平面P2 发生全反射，经过平面P3，入射至微镜模块130。由于照明系统110具有焦 数F，因此照明系统110边缘的光线与中央的光线方向不相同。在亮态SoN 时，微镜片M所反射的光线(图4中实线部分)，会经过平面P3,在平面P2
到P4间发生折射，然后从平面P3射出，进入镜头组120。在暗态SoFF时，
微镜片M所反射的光线(图4中虚线部分)，会经过平面P3，在平面P2到P4 间发生折射，然后从平面Ps射出，而如图4所示，并不会进入镜头组120。 如此，投影机200的对比度将可因此提高。然而，相比较于棱镜组140，棱 镜组240具有较大尺寸，而使得投影机200的体积增大，也会造成使用者的 不便。
因此，背景技术的投影机IOO,在暗态时，无法将所有光线偏离镜头组 120(即，仍有杂光入射镜头组120)，导致投影机100的对比度不佳，甚至有 漏光的情况。如此差的成像品质，着实有改进的必要。而背景技术的投影机 200，为提高对比度而加大棱镜組240中的棱镜Tb尺寸，连带影响投影机200 体积增加，造成使用者的不便。
发明内容
本发明提供一种具有降低尺寸大小并提高对比度的投影机。该投影机包 含一照明系统，具有一第一光轴，用来发射该第一光线； 一微镜模块，包含 多个微镜片，该多个微镜片可旋转至一第一角度或一第二角度； 一棱镜组， 包含一介质层，具有一参考折射率； 一第一棱镜，没置于该介质层的一第一 侧且具有一棱镜折射率，该棱镜折射率大于该参考^"射率，该第一棱镜用来 接收该第一光线并相对于该第一侧全反射一第二光线至该微镜模块；及一第 二棱镜，设置于该介质层的一第二侧且具有该棱镜折射率；及一镜头组，具 有一第二光轴，当该微镜模块的该多个微镜片旋转至该第一角度时，该多个微镜片反射该第二光线经由该第一棱镜、该介质层、该第二棱镜入射至该镜
头组；其中当该微镜模块的该多个微镜片旋转至该第二角度时，该多个微镜 片反射该第二光线至该棱镜组，该第二光线在该棱镜组内经由两次全反射后 以远离该第二光轴的方向射出该棱#;组。
图1为一背景技术具较小尺寸的投影机的示意图； 图2为背景技术具较小尺寸的投影机在暗态时对比度降低的示意图； 图3为一背景技术具较高对比度的投影机的示意图； 图4为背景技术的投影机在暗态时提高对比度的示意图； 图5为根据本发明的精神实现的 一第 一 实施例的投影机的示意图； 图6为说明利用本发明第 一 实施例的棱镜组以提高对比度并进而减少漏 光的示意图7为说明本发明的第一实施例的棱镜组与背景技术具较高对比度的投
影机的棱镜组的尺寸比较的示意图8为根据本发明的精神实现的一第二实施例的投影机的示意图9为说明利用本发明第二实施例的棱镜组以提高对比度并进而减少漏
光的示意图10为说明本发明的第二实施例的棱镜组与背景技术具较高对比度的 投影机的棱镜组的尺寸比较的示意图11为本发明根据限定的夹角的实际数值图。
主要元件符号说明
100、 200、 300、 400 投影才几
110 照明系统
120 镜头组
130 微镜模块
140、 240、 340、 440 棱镜组
TA、 TB 棱镜
P!、 P2、 P3、 P4、 P5、 P6、 P7 平面
a、 p、 y、 eA0I、 es 角度
S， 亮态暗态
Sflat 平态
A" A2 光轴 F 焦数 M 微镜片
具体实施例方式
因此，本发明提出一种改良的棱镜组，以兼顾投影机的对比度及尺寸。 请参考图5。图5为根据本发明的精神实现的一第一实施例的投影机300
的示意图。在图5中，除棱镜组340外，其余元件皆与才殳影机IOO相同，相
关功能性描述在此不再赘述。
棱镜组340为将棱^:组140的部分区块内缩，以形成如图5所示的形状。
同样地，棱镜组340包含二棱镜ta与Ts及一介质层X。棱镜ta、棱镜丁b
举例为玻璃柱体，棱镜ta包含三平面P!、 P2及P"棱镜tb包含三平面P4、 P5及P6。介质层X举例为空气层，设置于棱镜ta的平面P2与棱镜tb的平
面P4之间。棱镜ta、 Tb具有一折射率N,，介质层X具有一折射率N2,折
射率N2小于折射率N"另外，平面P3平行于微镜模块130、平面P5平行于
镜头组120(意即垂直于镜头组120的光轴A2)。平面Pt与P2之间的夹角为卩。
平面P2与P3之间的夹角为(X。平面Ps与P6之间的夹角为Y，且本发明在此
实施例的特征为夹角Y为一钝角。
请继续参考图5。照明系统110循光轴Aj亍进的光线，经过平面P!, 射入棱镜ta之后，在平面P2发生全反射，经过平面P3,入射至纟敬镜模块130, 且与微镜模块130的法线夹角为eA0I。微镜片M再将入射光线反射。在亮态 S，时，微镜片M所反射的光线(图5中实线部分)，会经过平面p3，在平面
P2到P4间发生折射，然后从平面Ps射出，进入镜头组120。在暗态SoFF时，
微镜片M所反射的光线(图5中虚线部分)，会经过平面P3，在平面P2到P4
间发生折射，然后射至平面P6,在平面P6发生第一次全反射，然后反射至 平面P5、再于平面Ps发生第二次全反射，然后从平面P!射出，以偏离镜头
组120的光轴A2的方向前进而不进入镜头组120。另外，图5中点线部分为 说明背景技术的棱镜组140在暗态下所射出的光线。
请参考图6。图6为说明利用本发明第一实施例的棱镜组以提高对比度并进而减少漏光的示意图。照明系统110边缘的光线，经过平面Pp射入棱 镜Ta之后，在平面P2发生全反射，经过平面P3，入射至微镜模块130。由
于照明系统110具有焦数F，因此照明系统110边缘的光线与中央的光线方 向不相同。在亮态SoN时，微镜片M所反射的光线(图6中实线部分)，会经
过平面P3,在平面P2到P4间发生折射，然后从平面P3射出，进入镜头组120。 在暗态SoFF时，微镜片M所反射的光线(图6中虚线部分)，会经过平面P3， 在平面P2到PJ司发生折射，然后射至平面P6,在平面P6发生第一次全反射， 然后反射至平面P5、再于平面Ps发生第二次全反射，然后从平面P,射出，
以偏离镜头组120的光轴A2的方向前进而不进入镜头组120。相较于背景技 术的投影机100在此状态射出的光线(图6中点线部分)，本发明于此状态射 出的光线将不会进入镜头组120而导致对比度不佳。如此，利用本发明的第 一实施例的棱镜组340,便能在棱镜组有限尺寸下，有效提高投影机的对比 度、減低投影机在暗态漏光的情形。
请参考图7。图7为说明本发明的第一实施例的棱镜组340与背景技术 的棱镜组240尺寸比较的示意图。如图所示，本发明的第一实施例的棱镜组 340,相比较于背景技术的棱镜组240，仍具有较小的尺寸，而同样可以提高 投影机的对比度。
请参考图8。图8为根据本发明的精神实现的一第二实施例的投影机400 的示意图。在图8中，除棱镜组440外，其余元件皆与l殳影机IOO相同，相 关功能性描述在此不再赘述。
棱镜组440为将棱镜组140的部分区块内缩，并在平面P2与P3之间， 设置一横截面P7，以形成如图8所示的形状。同样地，棱镜组440包含二棱 镜1\与Te及一介质层X。棱镜TA、棱镜TB举例为玻璃柱体，棱镜TA包含
四平面P,、 P2、 P3及P7，棱镜Ts包含三平面P4、 Ps及P6。换句话说，棱镜
组440将棱镜组340的棱镜Ta的平面P2与P3截去部分，以产生横截面P7。 介质层X举例为空气层，设置于棱镜TA的平面P2与棱镜TB的平面P4之间。 棱镜TA、 Te具有一折射率Np介质层X具有一折射率N2,折射率N2小于 折射率N!。另夕卜，平面P3平行于微镜模块130、平面Ps平行于镜头组120(意 即垂直于镜头组120的光轴A2)。平面Pi与P2之间的夹角为(3。平面P2与 P3之间的夹角为a。
请继续参考图8。照明系统110循光轴A，行进的光线，经过平面P1;射入棱镜ta之后，在平面P2发生全反射，经过平面P3，入射至微镜模块130，
且与微镜模块130的法线夹角为eAOI。然后微镜片M再将入射光线反射。在 亮态S，时，微镜片M所反射的光线(图8中实线部分)，会经过平面P3，在 平面P2到P4间发生折射，然后从平面Ps射出，进入4竟头组120。在暗态S0FF 时，《效镜片M所反射的光线(图8中虚线部分)，会经过平面P3，在横截面 P7发生第一次全反射，然后反射至平面P2、于平面P2发生第二次全反射， 然后从平面P!射出，以偏离镜头组120的光轴A2的方向前进而不进入镜头 组120。另外，图5中点线部分为说明背景技术的棱镜组140在暗态下所射 出的光线。
请参考图9。图9为说明利用本发明第二实施例的棱镜组以提高对比度 并进而减少漏光的示意图。照明系统IIO边缘的光线，经过平面Pp射入棱 鏡Ta之后，在平面P2发生全反射，经过平面P3，入射至樣i镜模块130。由 于照明系统IIO具有焦数F,因此照明系统110边》彖的光线与中央的光线方 向不相同。在亮态SoN时，微镜片M所反射的光线(图9中实线部分)，会经 过平面P"在平面P2到P4间发生折射，然后从平面Ps射出，进入镜头组120。 在暗态SoFF时，微镜片M所反射的光线(图9中虚线部分)，会经过平面P2,
在横截面P7发生第一次全反射，然后反射至平面P2、于平面P2发生第二次
全反射，然后从平面Pi射出，以偏离镜头组120的光轴A2的方向前进而不 进入镜头组120。相较于背景技术的投影机100于此状态射出的光线(图9中 点线部分)，本发明于此状态射出的光线将不会进入镜头组120而导致对比 度不佳。利用本发明的第二实施例的棱镜组440,便能在棱镜组有限尺寸下， 有效提高投影机的对比度、减低投影机在暗态漏光的情形。
请参考图10。图10为说明本发明的第二实施例的棱镜组440与背景技 术的棱镜组240尺寸比较的示意图。如图所示，本发明的第二实施例的棱镜 组440,相比较于背景技术的棱镜组240,具有较小的尺寸，而同样可以提 高投影机的对比度。
另外，值得注意的是，在本发明的第一实施例与第二实施例中，入射角 0AOI约略大于等于微镜片M可旋转角度20s,以提高经由微镜模块130反射 后的光线在棱镜丁a、 Tb的穿透率。举例来说，微镜片M可旋转的角度20s 为24度时，在背景技术的投影机中，入射角e細同样设定为24度，如此便 能在亮态时，将照明系统所发射出的光线平行于镜头组120的光轴A2射出。然而此种作法，在光线由棱镜TA进入到棱镜TB时，入射角较大，而使得光
线的穿透率较低。而在本发明中，当微镜片M可旋转的角度20s为24度时， 入射角0AM可设计为25度。如此在亮态时，照明系统所发射出的光线将经 由折射与反射后，以约略偏斜于镜头组120的光轴A2的方向射出，而同时 能使得在光线进入到棱镜TB时，入射角较小，而使得光线的穿透率较高。 而本发明调整入射角0Ad的方式，可为旋转照明系统110的角度，也就是调 整光轴At的角度，使得光轴A!仍与平面Pj乃约略垂直，但入射角6ac^可因 此增加为25度。
另外，本发明更限定了夹角a、 (3及y的大小，以更提高投影机的对比 度。限定如下
a=(aiN+a0UT)/2 …(l) (3=a+sin-1 [sin(e aoD/N! ] ... (2) Y=(180-eCRra) …(3) 其中
aiN=0CRi-sin" [sin(2es-ec騰)/Nd
aou产9cRi-sin"[sin(9c匿+eAo广26s)/Ni]
9cR尸sin"(l/Ni)
0coNE=sin-1 (NA)
NA=1/(2F)
其中NA为照明系统110的数值孔径(Numerical Aperture, NA)、夹角eCRI 为光线从空气进入本发明的棱镜组的全反射条件的临界角、eC0NE为照明系 统110发射光束与光轴Ai的夹角。由于光源的能量为一高斯分布，当夹角a 等于arN或aouT时，在亮态时投影机所投射出的光量为最少。因此本发明便 将夹角a限定为(Hn与(Xout的平均，如此在亮态时投影冲几所投射出的光量便 能最多。
请参考图11。图11为本发明根据上述限定所得出夹角a与卩的实际数 值的示意图。如图11所示，在类型1中，焦数F为2.4,入射角0Aoz设定为 24度，则a与卩分别为33.37与48.92度、在类型3中，焦数F为2.4,入 射角0Aot设定为26度，则a与卩分别为32.07与48.87度，而在类型2中， 焦数F为2.4，入射角0Ao!设定为25度，则a与卩分别为32.72与48.89度。 其中类型2为本发明的投影机能具有最高表现的设计。综上所述，本发明提出一种改良的棱镜组，以使投影机在暗态时，光线 能够在棱镜组中经过两次全反射后才射出，如此可提高投影机的对比度并进 而降低在暗态时漏光的现象，同时并降低棱镜组的尺寸以增加使用者的便利 性。而根据本发明的精神，所提出的一第一实施例的棱镜组，能够将原本的 棱镜组尺寸缩小，进而使得利用本发明的棱镜组的投影机能够具有较小的尺 寸而同时具有较高的对比度。而根据本发明的精神，所提出的一第二实施例 的棱镜组，同样能够将原本的棱镜组尺寸缩小，且利用棱镜组中一棱镜的角 度为钝角，提高对比度并进而降低漏光现象，进而使得利用本发明的棱镜组 的投影机能够具有较小的尺寸而同时具有较高的对比度。因此，使用者可利 用本发明所提供的棱镜组与投影机，P争低投影机的使用空间，同时并提升投 影机的对比度，而获得更大的便利性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变 化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种具有降低尺寸大小并提高对比度的投影机，包含照明系统，具有第一光轴，用来发射该第一光线；微镜模块，包含多个微镜片，该多个微镜片可旋转至第一角度或第二角度；棱镜组，包含介质层，具有一参考折射率；第一棱镜，设置于该介质层的第一侧且具有一棱镜折射率，该棱镜折射率大于该参考折射率，该第一棱镜用来接收该第一光线并相对于该第一侧全反射第二光线至该微镜模块；及第二棱镜，设置于该介质层的第二侧且具有该棱镜折射率；及镜头组，具有第二光轴，当该微镜模块的该多个微镜片旋转至该第一角度时，该多个微镜片反射该第二光线经由该第一棱镜、该介质层、该第二棱镜入射至该镜头组；其中当该微镜模块的该多个微镜片旋转至该第二角度时，该多个微镜片反射该第二光线至该棱镜组，该第二光线在该棱镜组内经由两次全反射后以远离该第二光轴的方向射出该棱镜组。
2. 如权利要求1所述的投影机，其中该第一棱镜包含 第一面，用来接收该第一光线；第二面，连接该第一面并设置于该介质层的该第一侧，用来反射该第一 光线以形成该第二光线；及第三面，连接该第一面与该第二面，并平行于该孩t镜模块。
3. 如权利要求2所述的投影机，其中该第二棱镜包含 第四面，设置于该介质层的该第二侧；第五面，连接该第四面并垂直于该镜头组的该第二光轴；及 第六面，连接该第四面及该第五面，当该微镜模块的该多个微镜片旋转 至该第二角度时，该多个微镜片反射该第二光线至第二棱镜的该第六面，该 第二光线于该第二棱镜的该第六面发生第一次全反射至第二棱镜的该第五 面，并在该第五面发生第二次全反射后以远离该第二光轴的方向射出该棱镜 组。
4. 如权利要求3所述的投影机，其中当该微镜^^莫块的该多个微镜片旋转至该第一角度时，该多个微镜片反射该第二光线，该第二光线经由该第一棱 镜的该第三面、该第一棱镜的该第二面、该介质层、该第二棱镜的该第四面 及该第二棱镜的该第五面至该镜头组。
5. 如权利要求3所述的投影机，其中该第一棱镜的该第二面与该第三面 的第一夹角a根据下列公式所设定a-(arN+aouT)/2;aiN=0cRi-sin" [sin(2es画0c羅)/N!]; aou产0CRi画sirf1 [sin(eCONE+6Aoi-20s)/ NJ; ecR产sin"(l/N,);及 9c。NE=sin-1(NA);其中a表示该第二面与该第三面间的该第一夹角、Ni为该棱镜折射率、 0AOI为该第二光线经由该棱镜组入射于该微镜模块的入射角、2es为该第 一 角 度与该第二角度的差值、eCRI为光线进入该棱镜组的全反射临界角、NA为该照明系统的数值孔径值、eC0NE为该照明系统的该第一光线与该第一光轴夹角。
6. 如权利要求5所述的投影机，其中该eAOT约略大于该20s。
7. 如权利要求5所述的投影机，其中该第一棱镜的该第一面与该第一棱 镜的该第二面的一第二夹角根据下列公式所设定(3-a+sin國1 [sin(6細)/ NJ;其中卩为该第一棱镜的该第一面与该第二面的该第二夹角。
8. 如权利要求7所述的投影机，其中该第二棱4竟的该第五面与该第六面 的 一第三夹角根据下列公式所设定Y=(180-eCRI-a);其中y为该第二棱镜的该第五面与该第六面的该第三夹角。
9. 如权利要求2所述的投影机，其中该第一棱镜更包含一横截面，设置 于该第一棱镜的该第二面与该第三面之间。
10. 如权利要求9所述的投影机，其中当该微镜模块的该多个微镜片旋转 至该第二角度时，该多个微镜片反射该第二光线至该第一棱镜的该横截面， 该第二光线于该第一棱镜的该横截面发生第一次全反射至该第一棱镜的该. 第二面，并在该第一棱镜的该第二面发生第二次全反射后以远离该第二光轴 的方向射出该第一棱4竟。
全文摘要
本发明公开一种具有较小尺寸与较高对比度的投影机，其包含一棱镜组、一照明系统及一微镜模块。在亮态时，该照明系统所发出的光线经由该棱镜组及该微镜模块，反射至一屏幕上。在暗态时，该照明系统所发出的光线经由该棱镜组及该微镜模块，在该投影机内反射而不射至该屏幕。该棱镜组包含两块棱镜及一介质层。该棱镜组适切地设计该两块棱镜的形状以使得该投影机在暗态时能够让反射光线在该棱镜组内形成两次内部全反射而不射至该屏幕，并且能够减小该棱镜组的体积以缩小该投影机的尺寸。
文档编号G02B27/00GK101576701SQ20081008878
公开日2009年11月11日 申请日期2008年5月7日 优先权日2008年5月7日
发明者林明坤 申请人:佳世达科技股份有限公司