TWI384255B - 投影取像裝置 - Google Patents

Description

投影取像裝置

本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種兼具投影及取像功能的投影取像裝置。

圖1A是一種習知投影取像裝置在進行投影時的結構示意圖，而圖1B為圖1A所繪示的投影取像裝置在進行取像時的結構示意圖。請同時參考圖1A與圖1B，習知投影取像裝置100包括一照明系統110、一液晶面板120、一成像鏡頭130、一光偵測器140、一反射鏡150及一致動器160。

請先參考圖1A，當投影取像裝置100進行影像投影時，照明系統110會提供一照明光束112，而液晶面板120會將照明光束112轉換成影像光束122。此時，反射鏡150位於第一位置P1，其會將影像光束122反射至成像鏡頭130，而成像鏡頭130會將影像光束122投影至一螢幕50上以形成影像畫面。

請再參考圖1B，當投影取像裝置100進行取像時，致動器160會使反射鏡150從第一位置P1樞轉至第二位置P2，成像鏡頭130便可以將來自一物體60的物體光束62成像於光偵測器140上，而物體光束62在此時不會受到反射鏡150的遮擋。如此一來，光偵測器140便能夠感測到物體60的影像。

習知投影取像裝置100需採用致動器160才能在投影 功能與取像功能之間切換。然而，致動器160會使得投影取像裝置100的結構複雜化，並導致投影取像裝置100的體積增加。此外，多採用了致動器160亦會增加投影取像裝置100的材料成本。

本發明提供一種投影取像裝置，其兼具投影與取像功能，且具有較為簡化的結構。

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。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例提出一種投影取像裝置，其包括一照明系統、一數位微鏡元件、一光偵測器以及一內部全反射單元。照明系統適於提供一照明光束。數位微鏡元件配置於照明光束的傳遞路徑上，並包括多個微鏡結構。每一微鏡結構適於在一開狀態(on－state)與一關狀態(off－state)之間切換。當至少部分這些微鏡結構處於開狀態時，會將照明光束反射成一影像光束，影像光束係傳遞至一物側。當至少部分這些微鏡結構處於關狀態時，會將來自物側的一物體光束反射至光偵測器。內部全反射單元包括一第一稜鏡以及一第二稜鏡。第一稜鏡具有一入光面及一第一全反射面。來自照明系統的照明光束會經由入光面進入第一稜鏡中，並被第一全反射面全反射至數位微鏡元件。被處於開狀態的至少部分這些微鏡結構反射而成之影像光束會穿透第一全反射面而傳遞至物側，且來自物側的物體光束會穿 透第一全反射面而傳遞至數位微鏡元件。第二稜鏡具有一第一光學表面及一第二全反射面。第一光學表面與第一全反射面之間保持有一第一間隙。被處於關狀態的至少部分這些微鏡結構反射之物體光束會依序通過第一全反射面、第一間隙及第一光學表面，且接著被第二全反射面全反射至光偵測器。

在本發明之一實施例中，投影取像裝置更包括一成像鏡頭。成像鏡頭配置於影像光束與物體光束的傳遞路徑上，並位於物側與內部全反射單元之間。成像鏡頭例如為一變焦鏡頭。當被處於開狀態的至少部分這些微鏡結構反射而成之影像光束傳遞至物側時，成像鏡頭的光圈值例如是落在從2.0至2.4的範圍內。當被處於關狀態的至少部分這些微鏡結構反射之物體光束傳遞至光偵測器時，成像鏡頭的光圈值例如是落在從2.8至3.5的範圍內。

在本發明之一實施例中，照明系統包括一光源以及一第一透鏡。光源適於提供照明光束。第一透鏡配置於照明光束的傳遞路徑上，並位於光源與第一稜鏡之間。來自物側的物體光束可依序通過第二全反射面與第一全反射面而在數位微鏡元件與物側之間產生一第一次成像面，物體光束並可被處於關狀態的至少部分這些微鏡結構反射至光偵測器，且在光偵測器上產生一第二次成像面。光偵測器例如為一電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)或是互補金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)感測元件。

在本發明之一實施例中，投影取像裝置更包括一第二透鏡。第二透鏡配置於物體光束的傳遞路徑上，並位於第二稜鏡與光偵測器之間。投影取像裝置更可包括一第三稜鏡。第三稜鏡配置於第一稜鏡及第二稜鏡旁。來自數位微鏡元件的影像光束會依序通過第一全反射面及第三稜鏡。來自物側的物體光束會依序通過第三稜鏡及第一全反射面而傳遞至數位微鏡元件。第三稜鏡與第一全反射面之間可保持有一第二間隙，且第三稜鏡與第二全反射面之間可保持有一第三間隙。

在本發明之一實施例中，第一稜鏡更具有一第二光學表面。被第一全反射面全反射之照明光束會通過第二光學表面而傳遞至數位微鏡元件，且物體光束會通過第二光學表面而傳遞至數位微鏡元件。第二稜鏡可更具有一第三光學表面。被第二全反射面全反射之影像光束會通過第三光學面傳遞至光偵測器。來自入光面之照明光束可被第一全反射面全反射。被處於關狀態的至少部分這些微鏡結構反射之物體光束可被第二全反射面全反射。

本發明之實施例之投影取像裝置是利用其數位微鏡元件本身之微鏡結構的開狀態與關狀態，來分別形成投影時之影像光束的傳遞路徑與取像時之物體光束的傳遞路徑，而不需藉由其他元件來產生投影及取像時的光路徑。因此，本發明之實施例的投影取像裝置之結構較為簡化，進而可具有較小的體積及較低的成本。

為讓本發明之上述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。

下列各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可用以實施之特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」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，而非用來限制本發明。

圖2為本發明之一實施例之投影取像裝置的結構示意圖。請參考圖2，本實施例之投影取像裝置200包括一照明系統210、一數位微鏡元件220、一光偵測器230以及一內部全反射單元240。照明系統210適於提供一照明光束212。在本實施例中，照明系統210包括一光源214以及至少一第一透鏡216，其中光源214適於提供照明光束212，而第一透鏡216配置於照明光束212的傳遞路徑上。具體而言，光源214例如為發光二極體(light emitting diode,LED)、高壓汞燈(ultra high pressure lamp,UHP lamp)或其他適當之發光元件，而第一透鏡216則適於會聚光源214所發出的照明光束212，並使其傳遞至內部全反射單元240。

內部全反射單元240包括一第一稜鏡242以及一第二稜鏡244。第一稜鏡242具有一入光面242a及一第一全反射面242b。來自照明系統210的照明光束212會經由入光面242a進入第一稜鏡242中，並被第一全反射面242b全反射至數位微鏡元件220。在本實施例中，第一稜鏡242 更具有一第二光學表面242c，其中被第一全反射面242b全反射之照明光束212會通過第二光學表面242c而傳遞至數位微鏡元件220。第二稜鏡244具有一第一光學表面244a與一第二全反射面244b，其中第一光學表面244a與第一全反射面242b之間保持有一第一間隙244c，因此第一全反射面242b具有全反射功能。在本實施例中，第一間隙244c例如是一空氣間隙。然而，在其他實施例中，第一間隙244c亦可以是其他氣體之間隙或真空間隙。

圖3為圖2所繪示之數位微鏡元件的放大示意圖。請參照圖2與圖3，數位微鏡元件220配置於照明光束212的傳遞路徑上，並包括多個微鏡結構222。每一微鏡結構222適於在一開狀態與一關狀態之間切換。當至少部分這些微鏡結構222處於開狀態時，數位微鏡元件220會將照明光束212反射成一影像光束224，影像光束224係傳遞至一物側。具體而言，被處於開狀態的至少部分這些微鏡結構222反射而成的影像光束224會穿透第一全反射面242b而傳遞至物側。

在本實施例中，投影取像裝置200更包括一成像鏡頭260。成像鏡頭260配置於影像光束224與物體光束252的傳遞路徑上，並位於物側與內部全反射單元240之間。當投影取像裝置在進行影像投影時，成像鏡頭260適於將來自數位微鏡元件220的影像光束224投射至物側的一螢幕70上以形成影像畫面。此外，為了使投影取像裝置在進行影像投影時可具有較佳的顯示品質，當被處於開狀態的 至少部分這些微鏡結構222反射而成之影像光束224傳遞至物側時，成像鏡頭260的光圈值例如是落在2.0至2.4的範圍內，亦即具有此時的光圈孔徑較大，以使所投影出的影像畫面具有較高的亮度。

承上述，投影取像裝置200在進行影像投影時，係利用數位微鏡元件220本身的微鏡結構222的開狀態來形成投影時影像光束224的傳遞路徑，並同時搭配內部全反射單元240以及成像鏡頭260的使用，而可呈現較佳的投影顯示效果。

另外，投影取像裝置200在進行取像時，則是利用數位微鏡元件220本身的微鏡結構222的關狀態來形成取像時物體光束252的傳遞路徑，同樣地搭配內部全反射單元240以及成像鏡頭260的使用，而可呈現較佳的取像品質，詳細的說明如下。

來自物側的一物體光束252會穿透第一稜鏡242的第一全反射面242b而傳遞至數位微鏡元件220，其中物體光束252例如是由一物體80所反射或發出的光線。在本實施例中，物體光束252會通過第二光學表面242c而傳遞至數位微鏡元件220。換言之，來自物側的物體光束252可依序地穿透第一稜鏡242的第一全反射面242b與第二光學表面242c而傳遞至數位微鏡元件220。

接著，當數位微鏡元件220的至少部分這些微鏡結構222處於關狀態時，數位微鏡元件220會將來自物側的物體光束252反射至光偵測器230。在本實施例中，被處於 關狀態的至少部分這些微鏡結構222反射之物體光束252會依序通過第二光學表面242c、第一全反射面242b、第一間隙244c及第一光學表面244a，且接著被第二全反射面244b全反射至光偵測器230。在本實施例中，第二稜鏡244更具有一第三光學表面244d。具體而言，被第二全反射面244b全反射之物體光束252會通過第三光學表面244d而傳遞至光偵測器230，以使光偵測器230能夠擷取物體80的影像。在本實施例中，光偵測器230例如是一電荷耦合元件或是一互補金氧半導體感測元件。

同樣地，為了使投影取像裝置200在進行取像時可具有較佳的成像品質，當被處於關狀態的至少部分這些微鏡結構222反射之物體光束252傳遞至光偵測器230時，成像鏡頭260的光圈值例如是落在2.8至3.5的範圍內。如此一來，於光偵測器230上之成像便能夠具有適當的亮度。

在本實施例中，投影取像裝置200更包括一第三稜鏡246。第三稜鏡246配置於第一稜鏡242及第二稜鏡244旁，其中來自數位微鏡元件220的影像光束224會依序通過第一全反射面242b及第三稜鏡246。詳細來說，來自物側的物體光束252會依序通過第三稜鏡246及第一全反射面242b而傳遞至數位微鏡元件220。另外，第三稜鏡246與第一全反射面242b之間保持有一第二間隙246a，且第三稜鏡246與第二全反射面244b之間保持有一第三間隙246b。具體而言，上述之第一間隙244c、第二間隙246a及第三間隙246b例如為空氣間隙，如此一來，來自入光面 242a之照明光束212會被第一全反射面242b全反射，而被處於關狀態的至少部分這些微鏡結構222反射之物體光束252會被第二全反射面244b全反射，其中全反射原理係透過稜鏡與間隙之間的折射率不同來達到光學的全反射，所屬領域之具有通常知識者當可了解其中原理，在此不再贅述。在其他實施例中，第一間隙244c、第二間隙246a及第三間隙246b亦可以是其他氣體間隙或真空間隙。

承上述，在本實施例之投影取像裝置200中，主要是透過數位微鏡元件220的微鏡結構222的開狀態與關狀態來分別形成影像光束224及物體光束252的傳遞路徑，以分別達到投影與取像之功能。此外，搭配內部全反射單元240的使用，以折射或全反射照明光束212、影像光束224以及物體光束252，可使影像光束224藉由成像鏡頭260進行影像投影，並使物體光束252成像於光偵測器230上。如此一來，投影取像裝置200在投影及取像時可以共用較多的元件(例如成像鏡頭、內部全反射單元及數位微鏡元件等)，且不需藉由其他元件或致動器來產生投影及取像時的光路徑，即可達到投影與取像之功效。因此，本實施例之投影取像裝置200具有較為簡化的結構，進而可具有較小的體積及較低的成本。

在本實施例中，成像鏡頭260例如是一變焦鏡頭，以使投影取像裝置200可以在不同距離的螢幕70上投影出不同尺寸的影像畫面，並使不同距離的物體80能夠成像於光偵測器230上。

圖4為投影取像裝置進行取像時的局部示意圖。請同時參照圖2與圖4，投影取像裝置200在進行取像時，來自物側的物體光束252會依序通過第二全反射面244b與第一全反射面242b而在數位微鏡元件220與物側之間產生一第一次成像面272，物體光束252並被處於關狀態的至少部分這些微鏡結構222反射至光偵測器230，且在光偵測器230上產生一第二次成像面274。具體而言，第一次成像面272可由成像鏡頭260會聚而成，而第二次成像面274可由至少一第二透鏡232會聚而成，其中第二透鏡232是配置於物體光束252的傳遞路徑上，並位於第二稜鏡244與光偵測器230之間。

一般來說，若第一次成像面位於數位微鏡元件220上時，由於這些微鏡結構222之間的間隙會將成像切割，因此當物體光束252傳遞至光偵測器230，且在光偵測器230上產生第二次成像面時，第二次成像亦會被間隙的成像切割成多個小區塊，進而降低了取像品質，這就是所謂的視窗效應(window effect)。為了解決上述之問題，成像鏡頭260可以是採用調焦鏡頭，來使物體光束252的第一次成像面272位於數位微鏡元件220與物側之間，而不使第一次成像面272落於數位微鏡元件220上。如此一來，便可以有效避免視窗效應的產生，因此落在光偵測器230上之第二次成像面274的第二次成像便能夠具有較佳的成像品質。

綜上所述，在本發明之實施例的投影取像裝置中，是 藉由數位微鏡元件的微鏡結構的開狀態與關狀態來分別形成影像光束及物體光束的光路徑，以分別達到投影功能與取像光能，因此不需採用其他元件或致動器來形成投影及取像時的光路徑。如此一來，便能夠簡化投影取像裝置的結構，以使投影取像裝置能夠具有較小的體積及較低的成本。再者，在進行取像時，本發明之實施例的投影取像裝置可使物體光束之第一次成像面落在物側與數位微鏡元件之間以避免視窗效應，如此可使投影取像裝置在進行取像時具有較佳的取像品質。

雖然本發明已以多個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，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，摘要部分和標題僅是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。

50‧‧‧螢幕

60‧‧‧物體

62、252‧‧‧物體光束

100、200‧‧‧投影取像裝置

110、210‧‧‧照明系統

112、212‧‧‧照明光束

120‧‧‧液晶面板

122‧‧‧影像光束

130、260‧‧‧成像鏡頭

140、230‧‧‧光偵測器

150‧‧‧反射鏡

152‧‧‧方向

160‧‧‧致動器

214‧‧‧光源

216‧‧‧第一透鏡

220‧‧‧數位微鏡元件

222‧‧‧微鏡結構

232‧‧‧第二透鏡

240‧‧‧內部全反射單元

242‧‧‧第一稜鏡

242a‧‧‧入光面

242b‧‧‧第一全反射面

242c‧‧‧第二光學表面

244‧‧‧第二稜鏡

244a‧‧‧第一光學表面

244b‧‧‧第二全反射面

244c‧‧‧第一間隙

244d‧‧‧第三光學表面

246‧‧‧第三稜鏡

246a‧‧‧第二間隙

246b‧‧‧第三間隙

70‧‧‧螢幕

80‧‧‧物體

272、274‧‧‧成像面

圖1A是一種習知投影取像裝置在進行投影時的結構示意圖。

圖1B為圖1A所繪示的投影取像裝置在進行取像時的結構示意圖。

圖2為本發明之一實施例之投影取像裝置的結構示意圖。

圖3為圖2所繪示之數位微鏡元件的放大示意圖。

圖4為投影取像裝置進行取像時的局部示意圖。

70‧‧‧螢幕

80‧‧‧物體

200‧‧‧投影取像裝置

210‧‧‧照明系統

212‧‧‧照明光束

214‧‧‧光源

216‧‧‧第一透鏡

220‧‧‧數位微鏡元件

222‧‧‧微鏡結構

230‧‧‧光偵測器

232‧‧‧第二透鏡

240‧‧‧內部全反射單元

242‧‧‧第一稜鏡

242a‧‧‧入光面

242b‧‧‧第一全反射面

242c‧‧‧第二光學表面

244‧‧‧第二稜鏡

244a‧‧‧第一光學表面

244b‧‧‧第二全反射面

244c‧‧‧第一間隙

244d‧‧‧第三光學表面

246‧‧‧第三稜鏡

246a‧‧‧第二間隙

246b‧‧‧第三間隙

260‧‧‧成像鏡頭

Claims (12)

1. 一種投影取像裝置，包括：一照明系統，適於提供一照明光束；一數位微鏡元件，配置於該照明光束的傳遞路徑上，並包括多個微鏡結構，每一該微鏡結構適於在一開狀態與一關狀態之間切換，當至少部分該些微鏡結構處於該開狀態時，會將該照明光束反射成一影像光束，該影像光束係傳遞至一物側；一光偵測器，當至少部分該些微鏡結構處於該關狀態時，會將來自該物側的一物體光束反射至該光偵測器；以及一內部全反射單元，包括：一第一稜鏡，具有一入光面及一第一全反射面，其中來自該照明系統的該照明光束會經由該入光面進入該第一稜鏡中，並被該第一全反射面全反射至該數位微鏡元件，被處於該開狀態的至少部分該些微鏡結構反射而成之該影像光束會穿透該第一全反射面而傳遞至該物側，且來自該物側的該物體光束會穿透該第一全反射面而傳遞至該數位微鏡元件；以及一第二稜鏡，具有一第一光學表面及一第二全反射面，該第一光學表面與該第一全反射面之間保持有一第一間隙，被處於該關狀態的至少部分該些微鏡結構反射之該物體光束會依序通過該第一全反射面、該第一間隙及該第一光學表面，且接著被該第二全反射 面全反射至該光偵測器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之投影取像裝置，更包括一成像鏡頭，配置於該影像光束與該物體光束的傳遞路徑上，並位於該物側與該內部全反射單元之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之投影取像裝置，其中該成像鏡頭為一變焦鏡頭。
4. 如申請專利範圍第2項所述之投影取像裝置，其中當被處於該開狀態的至少部分該些微鏡結構反射而成之該影像光束傳遞至該物側時，該成像鏡頭的光圈值是落在從2.0至2.4的範圍內。
5. 如申請專利範圍第2項所述之投影取像裝置，其中當被處於該關狀態的至少部分該些微鏡結構反射之該物體光束傳遞至該光偵測器時，該成像鏡頭的光圈值是落在從2.8至3.5的範圍內。
6. 如申請專利範圍第1項所述之投影取像裝置，其中該照明系統包括：一光源，適於提供該照明光束；以及至少一第一透鏡，配置於該照明光束的傳遞路徑上，並位於該光源與該第一稜鏡之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之投影取像裝置，其中來自該物側的該物體光束會依序通過該第二全反射面與該第一全反射面，且在該數位微鏡元件與該物側之間產生一第一次成像面，該物體光束並被處於該關狀態的至少部分該些微鏡結構反射至該光偵測器，且在該光偵測器上產 生一第二次成像面。
8. 如申請專利範圍第1項所述之投影取像裝置，其中該光偵測器為一電荷耦合元件或是互補金氧半導體感測元件。
9. 如申請專利範圍第1項所述之投影取像裝置，更包括一第二透鏡，配置於該物體光束的傳遞路徑上，並位於該第二稜鏡與該光偵測器之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之投影取像裝置，更包括一第三稜鏡，配置於該第一稜鏡及該第二稜鏡旁，其中來自該數位微鏡元件的該影像光束會依序通過該第一全反射面及該第三稜鏡，來自該物側的該物體光束會依序通過該第三稜鏡及該第一全反射面而傳遞至該數位微鏡元件，該第三稜鏡與該第一全反射面之間保持有一第二間隙，且該第三稜鏡與該第二全反射面之間保持有一第三間隙。
11. 如申請專利範圍第1項所述之投影取像裝置，其中該第一稜鏡更具有一第二光學表面，被該第一全反射面全反射之該照明光束會通過該第二光學表面而傳遞至該數位微鏡元件，且該物體光束會通過該第二光學表面而傳遞至該數位微鏡元件。
12. 如申請專利範圍第1項所述之投影取像裝置，其中該第二稜鏡更具有一第三光學表面，被第二全反射面全反射之該物體光束會通過該第三光學面傳遞至該光偵測器。