棱镜元件及投影设备
技术领域
本实用新型是有关一种棱镜元件(prism element)及应用所述棱镜元件的投影设备，尤其是一种有利于改善漏光及提高投影画面对比度的棱镜元件及投影设备。
背景技术
投影设备中通常设置有棱镜元件，以将光源系统产生的照明光束导向光阀。棱镜元件主要是由两个三角棱镜(第一棱镜及第二棱镜)黏合而成，且两个三角棱镜之间维持约5微米至10微米的间隙，以使进入棱镜元件的照明光束能在两个三角棱镜的界面发生全反射而往光阀前进，以形成影像光束，最后经由镜头于屏幕上形成投影影像。棱镜元件的不透光表面一般会加以染黑(例如涂布黑漆)，用以吸收杂散光以增加投影影像的对比。然而，当两个三角棱镜之间的间隙过小或是照明光束的入射角小于棱镜的全反射角时，照明光束可能直接穿过第一棱镜及间隙到达第二棱镜；此时，若照明光束的能量太高，容易使第二棱镜的不透光表面(涂布有黑漆)烧焦，导致光线未被黑漆吸收，甚至借由反射及散射作用而进入投影镜头内，造成漏光。
本「背景技术」段落只是用来帮助了解本实用新型内容，因此在「背景技术」中所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中的技术人员所知道的已知技术。此外，在「背景技术」中所揭露的内容并不代表该内容或者本实用新型一个或多个实施例所要解决的问题，也不代表在本实用新型申请前已被所属技术领域中的技术人员所知晓或认知。
实用新型内容
本实用新型提供一种棱镜元件及投影设备，可改善漏光及提高投影画面对比度的问题。
本实用新型的其他目的和优点可以从本实用新型所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本实用新型所提供的棱镜元件用于配置在照明系统与光阀之间，且棱镜元件包括第一棱镜以及第二棱镜。第一棱镜包括第一侧面、第二侧面以及第三侧面，第一侧面、第二侧面以及第三侧面依序连接。第二棱镜配置于第三侧面处，包括入射面、出射面以及穿透面，入射面、出射面以及穿透面依序连接，且入射面与第三侧面面对面设置，穿透面与出射面的法线之间的夹角角度为±20°。照明系统提供的照明光束穿过第一侧面进入第一棱镜后，穿过第三侧面的照明光束形成穿透光束，穿透光束由入射面进入第二棱镜并由穿透面离开第二棱镜。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本实用新型所提供的投影设备包括照明系统、光阀、投影镜头以及上述的棱镜元件，照明系统提供照明光束，光阀配置于照明光束的传递路径上，以将照明光束转换成影像光束，投影镜头配置于影像光束的传递路径上，棱镜元件配置于照明系统、光阀与投影镜头之间，以将照明光束导向光阀的主动面并将影像光束导向投影镜头。
在本实用新型的棱镜元件及投影设备中，由于形成在穿透面与出射面的法线之间的夹角角度为±20°，故照明光束的第一光束可直接穿透棱镜的穿透面，而不会反射回第二棱镜内并且到达投影设备的投影镜头及光阀，达到避免漏光并提高投影画面对比度的优点。此外，由于第一光束直接穿透第二棱镜的穿透面，故可减少热能于透镜元件上的累积量，降低热能对投影画面品质的影响。另外，于透镜元件的工序上可省去涂布黑漆于第二棱镜上的步骤，故可减少制程时间。因此，本实用新型棱镜元件及投影设备至少具有避免漏光、提高投影画面对比度、降低热能对投影画面品质的影响以及减少制程时间的优点。
为让本实用新型之上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1为本实用新型一实施例的棱镜元件的侧视示意图；
图2为本实用新型另一实施例的棱镜元件的侧视示意图；
图3为本实用新型又一实施例的棱镜元件的侧视示意图；
图4为本实用新型再一实施例的棱镜元件的侧视示意图；
图5为本实用新型一实施例的投影设备的侧视示意图；以及
图6为本实用新型另一实施例的投影设备的侧视示意图。
具体实施方式
有关本实用新型之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图之一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型。
图1为本实用新型一实施例的棱镜元件的侧视示意图。请参考图1，本实施例的棱镜元件100用于配置在照明系统(图未示)与光阀300之间，棱镜(prism)元件100包括第一棱镜110以及第二棱镜120。第一棱镜110包括第一侧面111、第二侧面112及第三侧面113，且第一侧面111、第二侧面112以及第三侧面113依序连接。第二棱镜120配置于第一棱镜110的第三侧面113处，第二棱镜120包括入射面121、出射面122以及穿透面123，且入射面121、出射面122及穿透面123依序连接，入射面121与第三侧面113以面对面的方式设置，穿透面123与出射面122的法线124之间形成夹角β。照明系统提供的照明光束L1穿过第一侧面111进入第一棱镜110后，穿过第三侧面113的照明光束L1形成穿透光束L2，穿透光束L2由入射面121进入第二棱镜120并由穿透面123离开第二棱镜120。另外，在本实施例中，入射面121与第三侧面113之间形成间隙(gap)，间隙具有空气。黏着层130配置于间隙的四周，用于固定第一棱镜110与第二棱镜120。此外，在本实施例中，第一棱镜110与第二棱镜120为三角棱镜，但本实用新型不局限于此，在其他实施例中，第一棱镜110与第二棱镜120可以是四边形棱镜。
在本实施例中，上述的第二侧面112面朝向光阀300的主动面310。当照明光束L1穿过第一侧面111进入第一棱镜110后，当照明光束L1照射在第三侧面113的入射角度大于全反射临界角度时，第三侧面113形成全反射界面，被全反射界面反射的照明光束L1形成次照明光束Ls，次照明光束Ls穿过第二侧面，朝向光阀300传递，光阀300将次照明光束Ls转换为影像光束L3。进一步来说，照明光束L1具有光锥角度分布的光束。当照明光束L1照射在第三侧面113的入射角度小于全反射临界角度时，穿过第三侧面113的照明光束L1形成穿透光束L2。进一步来说，次照明光束Ls朝向光阀300传递时，次照明光束Ls由第二侧面112离开第一棱镜110，接着到达光阀300的主动面310。此外，在本实施例中，第一棱镜110的第二侧面112与光阀300的主动面310相互平行，第二棱镜120的出射面122与第一棱镜110的第二侧面112相互平行，但本实用新型不局限于此。
在本实施例中，所述穿透面123与出射面122的法线124之间的夹角β必须介于(α+θC-θTIR)与(θTIR-α-θC)之间，以使穿透光束L2通过穿透面123，降低穿透光束L2在穿透面123产生全反射的百分率，避免造成部分穿透光束L2全反射至投影镜头或光阀300内，进而影响影像光束L3形成的影像的品质。其中θTIR为第一棱镜110的全反射临界角，根据司乃耳定律，θTIR与第一棱镜130的材质(折射率)有关，在本实施例中，第一棱镜110及第二棱镜120为玻璃，故θTIR大约等于42°。α为照明光束L1的主光线BC与出射面122之间的夹角，图1中所绘示的参考线R与第二棱镜120的出射面122平行，α标示于主光线BC与参考线R之间的角度。θC为照明光束L1的光束角(cone angle)，在本实施例中，α大约等于10°，θC大约等于12°。据此，在本实施例中，夹角β例如可为±20°；举例而言，如图1所绘示，夹角β为20°，但本实用新型不局限于此。
上述的穿透面123的光穿透率可为例如90％以上，以提高穿透光束L2的穿透效果。在本实施例中，可借由抛光或镀上抗反射层的方式提高穿透面123的光穿透率，但本实用新型不局限于此。
上述的棱镜元件100还包括光吸收元件140，光吸收元件140配置于穿透面123远离入射面121的一侧，且光吸收元件140与穿透面123之间形成间隔不直接接触。光吸收元件140用于吸收由穿透面123离开第二棱镜120的穿透光束L2。在本实施例中，光吸收元件140可为例如黑漆层或是其他光吸收材料层，黑漆层可涂布于例如邻近于棱镜元件100的投影设备之机壳的内侧面上，但本实用新型不局限于此。在其他实施例中，光吸收元件140可配置于机壳中而非机壳的内侧面上。投影设备例如是投影机。
图2为本实用新型另一实施例的棱镜元件的侧视示意图。请参考图2，在本实施例的棱镜元件100a中，穿透面123a与出射面122a的法线124a之间的夹角β为0°。
图3为本实用新型又一实施例的棱镜元件的侧视示意图。请参考图3，在本实施例的棱镜元件100b中，穿透面123b与出射面122b的法线124b之间的夹角β为-20°，第二棱镜120还包括底面125b，底面125b连接于入射面121b与穿透面123b之间。借由底面125b，整体棱镜元件100b的底部增大，使得整体棱镜元件100b的定位容易，因而提高整体棱镜元件100b的稳定性。同时，第二棱镜120b的表面积增加，使得第二棱镜120的散热效果提升，棱镜元件100b用于高功率的投影设备上。
图4为本实用新型再一实施例的棱镜元件的侧视示意图。请参考图3及4，本实施例的棱镜元件100c与图3的所绘示的棱镜元件100b的不同之处在于：在本实施例的棱镜元件100c中，穿透面123c与出射面122c的法线124c之间的夹角β为0°。
在本实用新型实施例的棱镜元件100、100a、100b、100c中，由于形成在穿透面123、123a、123b、123c与出射面122、122a、122b、122c的法线124、124a、124b、124c之间的夹角β为±20°，故穿透光束L2可直接穿透第二棱镜120的穿透面123、123a、123b、123c，而不会让大部分的穿透光束L2反射回第二棱镜120、120b、120b、120c内并且传递至投影设备的投影镜头及光阀300，避免形成漏光之外，可提高投影画面对比度的优点。此外，由于穿透光束L2直接穿透第二棱镜120的穿透面123、123a、123b、123c，故可减少热能于透镜元件(第二棱镜)上的累积量，降低热能对投影画面品质的影响。另外，于透镜元件的工序上可省去涂布黑漆于第二棱镜120、120b、120b、120c上的步骤，故可减少制程时间。
图5为本实用新型一实施例的投影设备的侧视示意图。请参考图1及5，本实施例的投影设备400包括照明系统200、光阀300、投影镜头410以及上述的棱镜元件100。照明系统200提供照明光束L1，光阀300配置于照明光束L1的传递路径上，光阀300将照明光束L1转换成影像光束L3，投影镜头410配置于影像光束L3的传递路径上，棱镜元件100配置于照明系统200、光阀300与投影镜头410之间，将照明光束L1导向光阀300的主动面310并将影像光束L3导向投影镜头410。举例而言，照明光束L1穿过第一侧面111进入第一棱镜110，穿过第三侧面113的照明光束L1形成穿透光束L2，被第三侧面113全反射的照明光束L1形成次照明光束Ls，次照明光束Ls朝向光阀300传递，光阀300转换次照明光束Ls为影像光束L3。影像光束L3由第二侧面112进入第一棱镜110并穿过第三侧面113及入射面121，进入第二棱镜120后，由出射面122离开第二棱镜120并朝向投影镜头410传递，投影镜头410投射影像光束L3于屏幕上以形成影像画面。另一方面，穿透光束L2由穿透面123离开第二棱镜120后，可朝设置于机壳中或机壳的内侧面上的光吸收元件140前进以被光吸收元件140吸收。虽然图5是以图1的棱镜元件100为例，但棱镜元件100可替换成上述任一实施例的棱镜元件100a、100b、100c。
上述的光阀300可以是反射式光阀300。反射式光阀300可以为数字微镜元件(digital micro-mirror device,DMD)或硅基液晶面板(liquid crystal on siliconpanel,LCOS panel)，但本实用新型不局限于此。投影镜头410例如包括具有屈光度的一个或多个光学透镜的组合，例如包括双凹透镜、双凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜、平凸透镜以及平凹透镜等非平面透镜的各种组合。在一实施例中，投影镜头410也可以包括平面光学透镜。
在一实施例中，照明系统200包括光源装置210及波长转换装置220，光源装置210用于提供激发光束Le。波长转换装置220配置于激发光束Le的传递路径上。波长转换装置220用于将激发光束Le转换成转换光束Lt，照明光束L1包括激发光束Le及转换光束Lt，激发光束Le及转换光束Lt一同往棱镜元件100传递。光源装置210例如是包括发光二极管(LightEmitting Diode,LED)或激光二极管(Laser Diode,LD)的二极管模块或者是由多枚二极管模块所组成的矩阵，但本实用新型不局限于此。波长转换装置220例如是荧光轮(PhosphorWheel)，时序性地投射出激发光束Le及转换光束Lt以形成照明光束L1，但本实用新型不局限于此。此外，照明系统200可还包括其他光学元件，例如：用以将激发光束Le传递至波长转换装置220的聚光透镜230与分色片240，以及用以将照明光束L1均匀化并传递至棱镜元件100的光均匀化元件250等，光均匀化元件250可以是例如光积分柱(Light Integral Rod)。
图6为本实用新型另一实施例的投影设备的侧视示意图。请参考图1、5及6，本实施例的投影设备400a与图5所绘示的投影设备400的不同之处在于：照明系统200a的光源装置210a为灯泡，例如超高压汞灯(UHP Mercury Lamp)，搭配使用色轮260(Color Wheel)，以产生时序性的色光。
在本实用新型实施例的棱镜元件及投影设备中，由于形成在穿透面与出射面的法线之间的夹角角度为±20°，故穿透光束可直接穿透第二棱镜的穿透面，而大部分的穿透光束不会被穿透面反射回第二棱镜内而被传递到投影设备的投影镜头及光阀，达到避免漏光并提高投影画面对比度的优点。此外，由于大部分的穿透光束直接穿透第二棱镜的穿透面，故可减少热能于透镜元件上的累积量，降低热能对投影画面品质的影响。另外，于透镜元件的工序上可省去涂布黑漆于第二棱镜上的步骤，故可减少制程时间。因此，本实用新型实施例的棱镜元件及投影设备具有避免漏光、提高投影画面对比度、降低热能对投影画面品质的影响以及减少制程时间的优点。
惟以上所述者，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能以此限定本实用新型实施之范围，即凡是依本实用新型权利要求书及实用新型内容所作之简单的等效变化与修改，皆仍属本实用新型专利涵盖之范围内。另外，本实用新型的任一实施例或权利要求不须达成本实用新型所揭露之全部目的或优点或特点。此外，摘要和实用新型名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本实用新型之权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的「第一」、「第二」等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
