用于投影设备的集光装置

摘要

本发明是关于一种用于投影设备的集光装置，包含沿一对称轴线对称设置的第一集光柱及第二集光柱，该第一集光柱及该第二集光柱的出光端部，是朝向对称轴线。借此，光线适可分别通过该第一集光柱及该第二集光柱，并于出光端部射出后，平行地沿该对称轴线行进。

权利要求

1.一种用于投影设备的集光装置，包含一第一集光柱及一第二集光柱，分别具有一折射率介于1.5至1.7，且沿一对称轴线对称设置，该第一集光柱及该第二集光柱分别具有：一纵长方向，与该对称轴线形成一第一夹角，介于5度至20度；

一本体部，沿该纵长方向延伸；

一出光端部，是朝向该对称轴线，该出光端部包含一出射面，该出射面的一法线与该纵长方向形成一第二夹角，介于30度至45度；以及一入光端部，与该出光端部相对，该入光端部包含一入射面；

借此，一第一光线及一第二光线适可分别通过该第一集光柱及该第二集光柱的该入射面，进入该本体部，循该纵长方向，且自该出射面折射后，平行地沿该对称轴线行进。

2.根据权利要求1所述的集光装置，其特征在于各该第一集光柱与该第二集光柱的入射面与其纵长方向垂直。

3.根据权利要求1所述的集光装置，其特征在于该第一集光柱及该第二集光柱分别呈一锥体，自该入光端部至该出光端部，具有一递增的截面积。

4.根据权利要求1所述的集光装置，其特征在于还包含二反射镜，这些反射镜与该第一集光柱与该第二集光柱的出射面，共同限定出一具有一开口面的空间，使该第一光线及该第二光线适可经该空间而由该开口面，平行地沿该对称轴线行进。

5.根据权利要求1所述的集光装置，其特征在于这些出射面于垂直该对称轴线方向形成一投影面，该投影面为一矩形，且该矩形的长宽比为4∶3、16∶9或16∶10。

6.根据权利要求1所述的集光装置，其特征在于还包含一光导引元件，邻设于该第一集光柱及该第二集光柱的入光端部，用以导引该第一光线及该第二光线进入该第一集光柱及该第二集光柱的该入射面。

7.根据权利要求6所述的集光装置，其特征在于该光导引元件是一反射棱镜。

8.根据权利要求7所述的集光装置，其特征在于该反射棱镜包含相邻的一第一反射面及一第二反射面。

9.根据权利要求8所述的集光装置，其特征在于该第一光线是来自一第一光源及一第二光源，且分别通过该第一反射面及该第二反射面所形成。

10.根据权利要求9所述的集光装置，其特征在于该第二光线是来自一第三光源及一第四光源，分别通过该第一反射面及该第二反射面所形成。

说明书

用于投影设备的集光装置

技术领域

[0001] 本发明是关于一种用于投影设备的集光装置；特别是一种利用集光柱整合多光源的集光装置。

背景技术

[0002] 投影设备现今已成为办公室、家庭及会议室等场所普遍使用的影像设备，通常包含有光源、棱镜、色轮、成像镜头及其它光学元件所组成。其中，光源所产生的光线，须通过集光柱加以整合后，进入色轮及成像镜头而投射出去，集光柱的配置与设计，已成为投影设备的关键技术。

[0003] 在投影设备的众多型式中，数字光处理投影设备(Digital Light Processing，DLP)能接受数字信号，然后产生一系列的数字光脉冲。现有的数字光处理投影设备的内部配置如图1所示，投影设备1包含：光源11、集光柱12、色轮13、光耦合装置14、数字微镜装置(Digital Micromirror Device，DMD)15、及镜头16等，图1所示仅以单片式数字微镜装置15及单一光源11为例。在光源11的选用上，由于超高压汞灯(Ultra High Pressure Lamp，UHP)具有成本较低、发光效率高等优点，成为光源的优先选择。

[0004] 在图1所示的配置下，色轮13用以将光源11所产生的光线，转变为三原色光。具体说，光线通过集光柱12后，即会初步成像，旋转的色轮13通常设置在集光柱12的后端，以选择性地产生三原色光。然后，光线进入光耦合装置14，并通过数字微镜装置15的各个微镜结构控制其反射，最后由镜头16投射出去。

[0005] 在现有技术中，为了增加光源所提供光线的强度，可考虑采用整合多光源的照明结构。图2A所示是整合二个光源的照明结构，其中，第一光源211及第二光源212所分别产生的光线，通过一棱镜221进行合光后，再进入集光柱223中。如图所示，第一光源211的光线是通过棱镜221进行内部反射，第二光源212的光线则于棱镜221内部折射，以整合至朝同一方向投射。第一光源211及第二光源212可相应投影设备的内部配置，摆设于不同位置，而最终经集光柱223整合成适用于数字微镜装置尺寸的均匀光源。

[0006] 另一种为整合四光源的现有的结构，如图2B所示。第一光源211、第二光源212、第三光源213及第四光源214两两相对且呈水平设置于投影设备内，其中，第一光源211与第二光源212彼此相对，设置于第一反射棱镜231及第一集光柱241的二侧，光源所发射的光线通过第一反射棱镜231反射后，沿第一集光柱241的纵长方向加以整合；同样地，第三光源213与第四光源214相对设置于第二反射棱镜232及第二集光柱242的二侧，光源所发射的光线通过第二反射棱镜232反射后，沿第二集光柱242的纵长方向加以整合；最后，所有光线会再进入第三集光柱243中，以整合形成符合数字微镜装置尺寸的均匀光源。

[0007] 然而，先前技术的结构仍存在许多缺点。首先，上述方式皆须于最后设置用于整合的集光柱(例如前述的集光柱223或第三集光柱243)，来消除前端棱镜交界暗线等缺点，并将来自不同光源的光线，整合成符合数字微镜装置尺寸；可想见地，在合光过程中使用愈多的集光柱或光学元件，所造成的光损失就愈多，且在组装上的复杂度亦会增加。

[0008] 此外，现有的光源配置方式，在散热的安排上较为困难。由于各光源的灯芯处会局部产生高温，皆需要各别配置风扇针对灯芯加以散热，并额外配置系统风扇以将投影设备内部的热空气导出，然而如图2B所示的现有的结构，由于光源皆是设置于同一水平位置，在诸多风扇的配置上将较为复杂，风流的循环不顺畅，而导致整体散热效率不佳、操作温度过高、灯芯使用寿命降低，且不利于投影设备内部的元件配置。而且，将光源设置于同一水平高度，更有抽换不易的缺点，使得维修成本提高。

[0009] 有鉴于此，提供一种可整合多光源的集光装置，这是业界亟待解决的一个问题。

发明内容

[0010] 本发明的一目的在于提供一种用于投影设备的集光装置，其可用于整合多光源。通过省却部分后端集光柱的设置，可使得合光的结构更为简化，避免不必要的光损失，提高光源的利用效率。

[0011] 本发明的另一目的在于提供一种用于投影设备的集光装置，通过集光柱的材料选择及结构设计，配合将二集光柱沿一对称轴线以一角度对称配置，来将光线整合至平行对称轴线的方向行进，形成符合数字微镜装置尺寸的均匀光源。如此一来，可使得光源位置的安排较为简易，且在散热及维修置换等考量上，亦较容易达成。

[0012] 为达上述目的，本发明提供一种用于投影设备的集光装置，包含沿一对称轴线对称设置的第一集光柱及第二集光柱，该第一集光柱及该第二集光柱分别具有一纵长方向、一本体部、一出光端部及一入光端部。其中，该本体部是沿纵长方向延伸，该出光端部包含一出射面且朝向该对称轴线，而该入光端部是与该出光端部相对且包含一入射面；借此，来自不同光源的第一光线及第二光线，适可分别通过该第一集光柱及该第二集光柱的该入射面，进入该本体部，循该纵长方向，且自该出射面折射后，平行地沿该对称轴线行进。

附图说明

[0013] 为让本发明的上述目的、技术特征、和优点能更明显易懂，下面将配合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，其中：

[0014] 图1是现有的投影设备内部的示意图；

[0015] 图2A是现有的用于二光源的集光装置的示意图；

[0016] 图2B是现有的用于四光源的集光装置的示意图；

[0017] 图3A是本发明第一实施例的平面图；

[0018] 图3B是本发明第一实施例的立体图；

[0019] 图4是本发明第一实施例的局部平面示意图；以及

[0020] 图5是本发明第二实施例的立体图。

具体实施方式

[0021] 以下将通过实施例来解释本发明的集光装置，然而，本发明的实施例并非用以限制本发明需在如实施例所述的任何特定的环境、应用或特殊方式方能实施。因此，关于实施例的说明仅为阐释本发明的目的，而非用以限制本发明。需说明者，以下实施例及附图中，与本发明非直接相关的元件已省略而未绘示；且所绘示的元件尺寸是求容易了解，亦非用以限制本发明。

[0022] 本发明集光装置的第一实施例请一并参阅图3A及图3B，其是应用于具有二光源(包含第一光源70a及第二光源70b)的投影设备，其中，图3A是投影设备的照明系统的平面示意图，而图3B为其立体图。集光装置3包含第一集光柱31及第二集光柱33，其中，第一集光柱31与第二集光柱33是沿一对称轴线L对称设置。

[0023] 为更明确阐释本发明的技术，进一步定义第一集光柱31与第二集光柱33分别具有一纵长方向，第一集光柱31与第二集光柱33的本体部310、330，是分别沿其纵长方向延伸，且第一集光柱31与第二集光柱33的二端，分别为出光端部311、331及相对的入光端部313、333，第一集光柱31与第二集光柱33，是配置成分别以出光端部311、331朝向对称轴线L的方向。如图所示，第一光源70a、第二光源70b所分别发射出的第一光线30a及第二光线30b，可分别通过第一集光柱31的入光端部313的入射面、以及第二集光柱33的入光端部333处的入射面，分别进入本体部310、330中，并经出光端部311、331的出射面折射后，平行地沿对称轴线L前进。

[0024] 于本实施例的附图中，绘示的入光端部313、333的入射面实质上是分别与第一集光柱31及第二集光柱33的纵长方向垂直，而第一光源70a、第二光源70b所发射的第一光线30a与第二光线30b，是以垂直入射面的方式，进入入光端部313、333。须说明的是，入射面并非限定与纵长方向垂直，当然亦可设计第一光线30a及第二光线30b以折射方式，相对于入射面以一角度折射进入本体部310、330内后，沿着纵长方向前进；所属领域具有通常知识者可依其既有知识，针对光线进入的方式加以设计，在此不作限定。

[0025] 为更明确地阐述本发明的技术概念，针对图3A的局部结构进行探讨，请进一步参阅图4，其仅部分绘示第一光源70a所发射的第一光线30a，通过第一集光柱31导引的示意图。首先，定义第一集光柱31的纵长方向与对称轴线L(图4未标示标号L)形成第一夹角α，换言之，由于本发明的集光结构在于使光线与对称轴线L平行，且光线进入本体部310后是循纵长方向前进，因此第一夹角α亦为光线于本体部310的行进方向与出射光线的夹角，如图4所示。

[0026] 此外，再进一步定义于出光端部311的出射面的法线N，与第一集光柱31的纵长方向间的夹角，为第二夹角θi，而出射光线与出射面的法线N间，具有一夹角θo＝α+θi。由图4所示的第一集光柱31的结构可以清楚看出，第一集光柱31于出光端部311实际上是具有一楔形结构，该楔形结构具有一角度φ，使得第一光线30a行进至出光端部311时，并非垂直通过出射面，光线在通过出光端部311的出射面，进入空气介质时，便产生折射现象。

[0027] 由图4所绘示的结构，是以下列关系式表示：

[0028] φ＝θi； (式1)

[0029] θ0＝α+θi； (式2)

[0030] 而光线在通过出光端部311的出射面，折射进入空气(空气介质的折射率假设为1)时，将依循下列关系式：

[0031] n·sin(θi)＝sin(θ0) (式3)

[0032] 其中，n为第一集光柱31的折射率；将(式1)、(式2)带入(式3)后，可以得到-1α＝sin (n·sinφ)-φ。通过第一光线30a沿纵长方向行进至出光端部311时，会发生折射现象，使得光线的行进偏转一角度(即第一夹角α)，至与对称轴线L平行的方向前进。
换言之，为了让光线通过第一集光柱31导引后，可平行于对称轴线L前进，可通过调整第一集光柱31的折射率n、或者第一集光柱31的楔形结构的角度φ，来达成适当的折射角度。

[0033] 于本实施例中，第一集光柱31的折射率n较佳是介于1.5至1.7，第一夹角α较佳是介于5度至20度，而第二夹角θi较佳介于30度至45度。此外，考量光线的实际行进路径，第一集光柱31可设计呈一锥体，自入光端部313至出光端部311，具有一递增的截面积，再配合出光端部311的楔形结构，使得光线通过第一集光柱31导引后，可平行于对称轴线L前进。

[0034] 而第二集光柱33的配置是与前述第一集光柱31对称，第二光源70b所产生的第二光线30b，依据同样的原理，通过第二集光柱33导引后，自其出光端部331的出光面折射出，并平行于对称轴线L的方向前进，其原理与结构，与第一集光柱31无异，仅是对称于对称轴线L的位置摆设不同，在此不另赘述。

[0035] 请再次参阅图3A及图3B，本实施例的集光装置3更佳是包含二反射镜35，分别设置于第一集光柱31与该第二集光柱33的出光端部311、331二侧。借此，这些反射镜35与第一集光柱31与第二集光柱33的出射面，共同限定出一空间S，其具有一开口面，经整合的光线可自该开口面投射出来，并实质上平行地沿对称轴线L行进，提供至色轮或其它光学元件。如此一来，可减少光线于集光装置3侧缘处的泄漏，同时形成以空气为介质的中空集光结构(hollow rod)，有助于消除第一集光柱31与第二集光柱33交界处于投影面形成暗线的可能性。实际上，空间S的开口面，可视为集光装置3的出光面，于垂直该对称轴线方向所形成的投影面，由于光线通过此投影面后，最终将导引至数字微镜装置后通过镜头投射出去，故较佳是设计该投影面符合数字微镜装置的尺寸，例如设计该投影面呈现一矩形，其长宽比实质上为4:3、16:9或16:10。

[0036] 本发明的第二实施例是将第一实施例所揭露的集光装置3，应用于整合四个光源，如图5所示。本实施例的集光装置3，还包含一光导引元件39，举例而言，光导引元件39是一反射棱镜，邻设于第一集光柱31及第二集光柱33的入光端部313、333。如此一来，第一光源70a、第二光源70b、第三光源70c以及第四光源70d所发射的光线，先通过光导引元件39，再导引进入第一集光柱31及该第二集光柱33的入射面，使得第一实施例的结构，可扩充应用于四个光源的情况。

[0037] 图5所示的光导引元件39包含相邻的第一反射面391及第二反射面393，第一光源70a所产生的光线是通过第一反射面391反射后进入第一集光柱31，第二光源70b所产生的光线是通过第二反射面393反射后进入第一集光柱31，第三光源70c所产生的光线是通过第一反射面391反射后进入第二集光柱33，第四光源70d所产生的光线是通过第二反射面393反射后进入第二集光柱33。换言之，第一光源70a及第二光源70b发射的光线分别行进至第一反射面391及第二反射面393后，形成如第一实施例的第一光线30a，进入第一集光柱31的入射面；同样地，前述第一实施例的第二光线30b是来自第三光源70c及第四光源70d，分别通过第一反射面391及第二反射面393所形成。最后，第一光线30a及第二光线30b适可分别通过第一集光柱31及第二集光柱33的入射面，进入该本体部310、330，分别循纵长方向，且自出射面折射后，实质上平行地沿对称轴线L行进。

[0038] 本实施例的配置，改善了如图2B所示的现有技术将光源摆设于同一水平面，导致散热组件较难规划的缺点，反而是将第一光源70a、第二光源70b、第三光源70c以及第四光源70d，实质上配置于同一侧，如此一来，若需针对各光源的散热配置风扇时，可朝同一方向吹送冷却风流，再以系统风扇将热风朝同一方向导引及排除，在散热组件的规划上将较为容易。

[0039] 综上所述，本发明所揭露的集光装置，通过二集光柱沿一对称轴线以一角度对称配置，并配合集光柱的材料选择及结构设计，将光线整合至平行对称轴线的方向行进，可用于整合多光源，并形成符合数字微镜装置尺寸的均匀光源。相较于先前技术，省却部分后端集光柱的设置，简化合光结构，避免不必要的光损失；此外，还具有光源位置的安排较为简易，以及容易散热及维修置换等优点。

[0040] 上述的实施例仅用来例举本发明的实施态样，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的范畴。任何熟悉此技术者可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利范围应以本申请权利要求所限定的范围为准。