CN108508686B - 投影装置及显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭露了一投影装置，包括了一进气口、一排气口、更设有一光学引擎、一散热片、一风扇以及一迭像镜。进气口与排气口之间形成一第一通道，第一通道可使一进气的气流通过；光学引擎设有一光源及一成像镜组，而成像镜组可输出一投影光线；散热片与光学引擎连接，散热片的部份与第一通道接触；风扇设于第一通道的气流方向上；迭像镜可接收成像镜组的投影。成像镜组的投影方向与进气方向为实质相反。

Description

投影装置及显示系统

技术领域

本发明涉及一种投影装置及显示系统，尤其涉及一种具有改良散热系统的投影装置及显示系统。

背景技术

科技的发展推进时代的进步，且由于消费者的需求变化大，因此市面上的微型投影机不断地推陈出新。而为因应消费者对亮度需求的提高，许多业者亦将采用更高功率的半导体类光源。而随之而来的问题是，高功率光源会产生更多的热能，提高投影机内部的温度，而热能会使半导体类光源的发光效能降低并有可能造成成像镜组中的透镜因热变型从而加剧系统出光品质的劣化。因此，散热往往是微型投影装置的其中一个主要瓶颈。而通常的解决方式，不外乎加大散热鳍片的面积，但如此即会导致系统的整体积增加。而除了投影机外，包括例如是抬头显示器的显示系统亦有相关散热不易而影响效率的问题。

发明内容

本发明的一实施例提供了一种投影装置，藉由对各部件相对位置的安排，能在控制投影机整体体积的同时提升系统的散热效率，从而得以确保其光学品质。

举例来说，投影装置大致包括有一外壳、一光学引擎、一散热片、一风扇以及一迭像镜(Combiner)。外壳的一侧有进气口及出光口，而相反侧有一排气口。进口气可定义一进气方向，进气口与排气口之间形成一第一通道，所述第一通道可使一进气的气流通过。而光学引擎的至少部份置于外壳中，光学引擎有一光源以及一成像镜组，成像镜组有一投影方向，其投影方向面对出光口以输出一投影光线并让其进入迭像镜。迭像镜可以将投影光线与外界影像结合后输出一结合影像。另外，光学引擎的一表面处耦接有一散热片以对其进行冷却。而散热片相对于光学引擎的另一侧则设置于第一通道之中，以让进入的冷空气带走光学引擎的热能。而散热片中的各散热鳍片定义有至少一散热通道，称为第二通道，以限制空气的流动方向，第二通道的延伸方向与第一通道的延伸方向为大致相同。而风扇则设置于气流方向上，以加速空气流动的速度。

藉由减少空气的转折，其阻力得相对应的减少，从而使空气得顺畅地进、出外壳而提升其散热效果。另一方面，热风由与出光口相反方向的排气口排出，亦防止排气口的热风对投影光线造成影响。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1A是本发明的第一实施例的投影装置的立体示意图。

图1B是本发明的第一实施例的投影装置于另一视角的示意图。

图2A是本发明的第一实施例中光学引擎的示意图。

图2B是本发明的第一实施例中成像镜组的示意图。

图3是本发明的第二实施例的投影装置的示意图。

具体实施方式

有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的多个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”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。另外，下列实施例中所使用的用语“第一”、“第二”是为了辨识相同或相似的元件而使用，并非用以限定该元件。另外，以下实施例只针对投影装置及显示系统做进一步的说明，本领域技术人员可依照实际需求而将此连接系统应用于任何所需要的状况。

图1A、1B绘述了本发明的第一实施例的投影装置于各不同角度的示意图。请一并参阅图1A及图1B，投影装置1系统包括有一外壳10、一光学引擎20、一热槽30(HEAT SINK)、一风扇40、一迭像镜(Combiner)50以及复数枚电路板61、62、63。

以下先说明外壳10的设计。一般来说，外壳10指一内部具有容置空间的机构件，可用于包裹保护各元件并维持各元件的相对位置关系。于本例中，外壳10由两个盖体相互组合而成。而两个盖体分别选用塑胶材料以一体成形制程所制作。外壳10表面具有多个穿孔，按其用途，为一进气口11、一排气口12以及一出光口13。进气口11及排气口12由一结构来定义，泛指一结构中可允许气流通过的空间。进气口11可以定义一进气方向D1，亦即空气进入外壳10的方向。而进气口11与排气口12之间形成一第一通道T1。举例来说，第一通道T1可指外壳内部于进气口11与排气口12之间的空间。再者，另一方面，于本例中，进气口11及排气口12分别设于外壳10的两个方向的相反表面，空气由进气口11进入而由排气口12输出，且进气口11与排气口12可大致置于同一高度。再者，出光口13建议设置与排气口12不同的表面，其用意在于避免排气口12的热风所产生的热流造成折射率的变化，从而影响成像品质。如图所示，若将进气口11设定为前表面，排气口12为后表面，则于本例中，出光口13设置于前表面处。亦即进气口11与出光口13设于同一表面。

以另一角度观之，需注意的是，出光口13的功能主要在出光，亦即出光口13仅需让光线通过即可，未必需允许空气流通。亦即，即使一开口未与外界连通，只要其相对于外壳10的另一部份为可透光，其亦可被视为出光口13。再者，出光口13亦可以嵌入透镜或是其他例如是保护盖等元件来提供特定的功能，其不影响出光口13的认定。以本例来说，出光口即设置有一保护盖。再者，于本例中，进气口11与排气口12大致地设置于一直线上，藉此可以进一步减少风阻，增加风流量。

以下说明光学引擎20的设计。一般来说，光学引擎20的分类包括了激光扫描、液晶显示器(LCD)、数字光源处理(DLP)、硅基液晶(LCOS)等。请参酌图2A，图2A绘述了光学引擎20的一具体实施例的示意图。于本例中，光学引擎20的种类为DLP，其可至少包括光源22、合光元件组24、光阀26以及成像镜组28四个主要部份。光源22用于产生照明光，光源22中的各个发光元件222A、222B发出不同颜色的光线后，会输入合光元件组24，并由合光元件组24作汇合后输入光阀26，光阀26会将照明光转变为具有影像资料的投影光PL，而投影光PL接着会经由成像镜组28调整并输出。

而一般来说，光源22的性质及数量按光阀26种类以及合光元件组24架构的不同而会有所调整。通常来说，光源22会包括多颗发光元件222A、222B。而各发光元件222A、222B可以是多颗不同波长区间的可视光发光二极管芯片。惟发光元件222A、222B并不以此为限，其亦得以非可视光芯片或是激光芯片配合波长转换材料或是其他应用于投影领域的光源22亦可。举例来说，于本例中，是采用双通道式合光架构。更明确的说，光源22包括一第一发光元件222A及第二发光元件222B。第一发光元件222A可输出红光及蓝光，而第二发光元件222B则可输出绿光。而第一发光元件222A包括有一蓝光发光二极管(LED)配合一设于其表面的红光萤光粉，蓝光LED输入红光萤光粉后，部份蓝光激发萤光粉并输出红光，而部份蓝光则穿透萤光粉层。而另一方面，第二发光元件222B可输出绿光，其包括有一发光二极管(LED)。而需注意的是，前者所述的第一发光元件222A可包括一颗或是一颗以上的封装体。而当红光及蓝光分别设于两枚封装体时，红光可封装体可以包括一蓝光LED、黄光萤光粉及滤光片的结合，在采前述的结构时，蓝光LED会进入黄光萤光粉并激发出一黄色光线，接着滤光片会滤除红光以外的波长以此输出红光。于本例中，第一发光元件222A一封装了一枚蓝光LED芯片及一红光LED芯片的封装体。而光源22中的发光元件222A、222B除了可以发出可视光的发光二极管芯片外，其亦得以非可视光芯片或是激光芯片配合波长转换材料来提供光线。附带一提的是，光源22亦可以以双通道而前述提及的红光、绿光及蓝光三色会随后经由合光元件组24来汇合形成一照明光并输送至光阀26。前述的汇合可理解为使各光线按一大致相同的路径行进，各光线可以是同时或是分时行进的，其不会影响合光的流程。

一般来说，合光元件组24用于将各光线汇集到至少单一光路上。通常包括透镜、反射镜、各种形状的分光片(例如片状或是X状)、极性分光片、滤光片、均光件(例如是均光棒(ROD)、蝇眼透镜(FLYEYE)等)、楔型透光件或是色轮、萤光轮的任一者或其组合。而前述的所谓透镜，举例来说，是指入光面或出光面的任一者的曲率半径非为无限者，亦即为曲面。于本例中，合光元件组24依光入射的先后顺序，于相对于两发光元件222的各侧分别包括有一屈光度为正的两透镜241、242；接着光线会依序经过楔型合光件243、蝇眼透镜244、一屈光度为正的透镜245、反光镜246、屈光度为正的场镜247、玻璃保护盖CG，最后，进入光阀26；而照明光线进入光阀26后会被转换成一包括有一影像资料的投影光线PL，投影光PL会经过前述的场镜进入成像镜组28或是投影镜头。

一般来说，光阀26可以是例如LCD、DMD、LCOS、底片等各种可把照明光转化成投影光线PL的元件或是装置，投影光线PL通常相对于一影像的。于本例中，光阀26至少包括一数字微型镜片装置(DMD)。

另一方面，成像镜组28或是投影镜头至少包括单一具有屈光度的透镜以及一孔径光栏284(STOP)。举例来说，请参酌图2B，图2B绘述了成像镜组28的一具体实施例的示意图。由图2B可见，于本例中，成像镜组28得设于放大侧OS以及缩小侧IS之间。而当本例的成像镜组28被应用为投影镜头时，其放大侧指镜头输出投影光PL的一侧，反之，缩小侧则指镜头相对于光阀26的一侧。

如图所绘述，成像镜组28得包括，依放大侧OS往缩小侧IS沿光轴排列的第二透镜282、一孔径光栏284(STOP)(或称光圈)、第一透镜286及第三透镜288。再者，孔径光栏284得视设计的需要而独立设置感是整合于透镜的表面，本发明不对其多加限制。

于本例中，第一透镜286、第二透镜282、第三透镜288的屈光度分别为负、正及负。值得注意的是，于本例中，孔径光栏284设于第一透镜286及第二透镜282之间，亦即，孔径光栏284往出光方向、投影方向或是出射方向D4只有单一枚具有屈光度的透镜。而于需要时，孔径光栏284往投影镜头的出射方向D4端得不具有透镜。

而本例的光学系统中各元件及其外部元件的细部参数，可参阅下列表1至表2。

[表1]

表一记载了成像镜组28中各透镜的光学参数的值，所述的表面编号中*号是代表所述表面为一非球面；反之，则为球面。而表面编号则指镜头由放大侧往缩小侧排列的光学元件的表面的排列顺序。另外，表一中的半径及厚度/间隔的单位为毫米(mm)。

由前述表格可得悉，于本例中，投影镜头包括有三枚具有屈光度的透镜。从投影光线PL的出光口13起算依序为，第二透镜282、孔径光栏284、第一透镜286及第三透镜288。第二透镜282及第三透镜288的两个表面均分别为非球面透镜。

而就本例中各非球面表面的设计参数，可见表二如下：

[表2]

	表面S1	表面S2	表面S6	表面S7
					k	-0.10322	0.021622	2.851412	-0.02162809
A<sub>2</sub>	0	0	0	0
					A<sub>4</sub>	4.2786E-03	4.7757E-03	-6.6591E-04	9.2097E-03
A<sub>6</sub>	5.2221E-05	-1.3994E-04	-6.6794E-04	-6.4783E-04
					A<sub>8</sub>	-3.3462E-06	1.6883E-05	8.9464E-05	1.9084E-05
A<sub>10</sub>	6.4040E-07	-1.1131E-06	-5.1307E-06	8.4116E-06
					A<sub>12</sub>	3.6550E-09	4.6044E-08	1.0167E-08	-2.8232E-06

而其相对应的运算公式为公式1，如下：

[公式1]

于前例的成像镜组28中，其焦距约9.788毫米，成像镜组28的视场角约40.86度，成像镜组28的远心角约1度。此外，(|R6|+R7)/(|R6|-R7)等于1.709，|FG1|/FL2等于9.172，R7/F等于0.277，|FG1|/F等于6.072，FG2/FG3等于1.698，而D/F等于2.424，FG3/F等于1.377。其中，R6表示第三透镜288的朝向放大侧OS的一表面的曲率半径，R7表示第三透镜288的朝向缩小侧IS的凹面的曲率半径，FG1表示第二透镜282的有效焦距，FL2表示第一透镜286的有效焦距。F表示成像镜组的有效焦距，FG2表示第一透镜286及第三透镜288的有效焦距，FG3表示场镜的有效焦距。

以下将说明热槽30的设计。一般来说，热槽30可以许多形式来呈现的。举例来说，热槽30可以包括散热鳍片组、制冷芯片、金属电路板(MCPCB)、导热材料层、金属导热片、热管或前述任一者及其组合。而于本例中，热槽30为一散热鳍片组。散热鳍片组由一基座32及自所述基座往其高度方向延伸而成的多片鳍片34组成。而其中的两片鳍片34间具有一沿鳍片的长度方向延伸的通道，让空气可以快速流动，前述的通道其则称的为第二通道T2。

以下将说明风扇40的设计。风扇40一般来说泛指使流体向特定方向流动的装置。而风扇40通常包括叶轮，而按其作动式，风扇40又包括轴流式，离心式，斜流式，横流式等型式。然而，有些时候，风扇40可以不包括叶轮，而以内置的压缩机创造压差以驱动流体亦可。以本实施例为例，于本例中，风扇40指一轴流式风扇40，亦即其气流大致垂直叶轮流动的。

以下将说明迭像镜50(Combiner)的设计。一般来说，迭像镜50泛指一至少部份透光的光学元件，使用者除了可以经由其看到光学元件后的外界境物外，其更可以利用例如是全反射的方式将另一影像源70的影像呈现在使用者U的眼部。更明确的说，迭像镜50可以被理解为使投影光线PL与外界影像合并、重迭的光学元件。而于本例中，所述迭像镜50为一透明且具有自由曲面的玻璃，其可接收所述成像镜组的投影。

在说明各元件的设计后，以下将就一具体实施例说明各元件的相对关系。请参酌图1A及图1B，由图可见，光学引擎20、热槽30及风扇40的至少部份分别置放于投影装置1的外壳10之中，而迭像镜50则置于外壳10之外。于本例中，光学引擎20会经过外壳10的出光口13输出一投影光线PL，而投影光线PL会经由迭像镜50的反射进入使用者的眼睛中。与此同时，光学引擎20在产生投影光线PL的过程中会产生热。而为了将所述热能带出，故将热槽30设置于光学引擎20的表面处。惟在实际应用时，热槽30可以藉由例如是热管等导热元件来与光学引擎连接，而不以直接接触为限。至另一方面，为使热槽30的热能可有效地被带离，在进气口11与排气口12之间的第一通道T1中或其延伸路径上会设置有一风扇40来加速空气进入/离开外壳10的速度。

除此之外，承前所述，本例的热槽30为一包括多枚散热鳍片32的散热鳍片组，而任两片鳍片32间具有一沿鳍片32的长度方向延伸的第二通道T2。通常来说，在摆放热槽30时，将第二通道T2的延伸方向与第一通道T1的延伸方向设为一致时，其效果较佳。另外，当热槽30的至少部份置于进气口11与排气口12之间的第一通道T1中或是至少与第一通道T1接触时，其效率得更进一步的被改善。

另一方面，于本例中，光学引擎20呈一扁平状，而作为主要热源的两枚发光元件222A、222B则设置于尺寸较短的厚度方向的两个不同内侧表面处。然而，热槽30并非直接置放在侧表面的热源处，取而代之的，是设置在面积较大的顶表面，并藉由经弯折的热传导件或是金属板(未绘述)来将热源的热能传导至所述热槽30。藉此，允许冷却空气能以较小的阻力流通所述第二通道T2并取得较高的散热效率。

再者，于本例中，风扇40藉由螺丝固锁于排气口12的内侧处。换句话说，风扇40设置于进气口11与排气口12之间的第一通道T1的延伸轴线上，以减少气体流动时的阻力从而进一步的提升空气流动的速度。另外，除了将风扇40固定于外壳10相对于进气口11或排气口12处外，亦可将风扇40设置在外壳内部的进气口11或排气口12之间的空间内，又或是外壳外部相对于进气口11及排气口12的轴线的延伸处均可，风扇40与外壳10不必需要有机构式连接。除此之外，成像镜组28的出射方向D4、出光方向或是投影方向与所述进气方向D1亦可以为实质相反。

另一方面，成像镜组28所输出的投影光PL可通过出光口13往投影方向或是出射方向D4出射。而热空气可经由排气口12沿一排气方向D2离开外壳。藉由将输出热空气的排气口12与出射投影光PL的出光口13置于外壳10的不同表面，可防止热空气对折射率的变化影响成像品质。

另外，于本例中，亦包括了三片以排线相连的电路板61、62、63。电路板61设置在外壳10内，于光学引擎20相反于出射方向的侧表面相对于发光元件222B的热源处，与外壳10之间的空间中。而电路板62则与散热片20一并设置在光学引擎20的相同表面上。而电路板63则设置于外壳10内部相对于光学引擎20的另一内侧面处，而热槽30及电路板62同时设于电路板63与光学引擎20之间。藉此配置，可防止与第一通道的干涉现像，使第一通道T1中的空气可畅顺地流通。

请参阅图3，图3揭露了第二具体实施例的示意图。第二实施例与第一实施例相似，故以下仅对其较主要的不同处进行说明。首先，与前例的较不同处在于，于本例中，其为一显示系统2，其包括有一影像源70，可输出一影像光IL。而影像源可以是各种屏幕。而屏幕可以，例如，包括投影机及其投影屏幕、LCD、OLED等能输出影像光的电子装置。

影像源70的所述影像光IL的出射方向D4与所述进气方向D1为实质相反。

再者，在进气口11与所述排气口12之间亦可形成有一气流通道T3以供空气于其中流通。而气流通道T3指入气口11与排气口12之间的直线区间，又或者前述区间以上再加上外壳10内部连通的周边空间。

如此，以上各例藉由减少空气的转折，其阻力得相对应的减少，从而使空气得顺畅地进、出而提升其散热效果。另一方面，热风由与出光口相反方向的排气口排出，亦防止排气口的热风对投影光线造成影响。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一投影装置，其特征在于，包括：

设有一进气口，可定义一进气方向；

设有一排气口，所述进气口与所述排气口之间形成一第一通道，所述第一通道可使一进气的气流通过；

一光学引擎，设有一光源及一成像镜组，而所述成像镜组可输出一投影光线；

一热槽，与所述光学引擎连接，所述热槽的部份与所述第一通道接触；

一风扇，设于所述第一通道的气流方向上；以及

一迭像镜，可接收所述成像镜组的投影；

其中，所述成像镜组的投影方向与所述进气方向为实质相反。

2.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述成像镜组中，由所述迭像镜往所述成像镜组的方向，依序包括一孔径光栏以及具有屈光度的一第一透镜。

3.如权利要求2所述的投影装置，其特征在于，所述成像镜组中，所述孔径光栏在所述迭像镜之间更包括一具有屈光度的一第二透镜，且所述第二透镜为所述孔径光栏及所述迭像镜之间的唯一透镜。

4.如权利要求3所述的投影装置，其特征在于，所述第二透镜面向所述迭像镜的表面为一凹面，所述迭像镜具有屈光度。

5.如权利要求3所述的投影装置，其特征在于，所述投影装置还包括有一外壳，所述外壳的一侧设有一进气口及一出光口，所述外壳的另一侧设有一排风口，所述成像镜组输出的一投影光线经由所述出光口沿一出射方向输出。

6.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述热槽包括多枚散热鳍片，任两片所述散热鳍片之间具有一第二通道，所述第二通道的延伸方向与所述第一通道的延伸方向为实质相同。

7.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述投影装置具有一电路板以及一外壳，所述外壳具有一进气口、一排气口及一出光口，所述成像镜组输出的一投影光线经由所述出光口沿一出射方向输出，所述进气口与所述出光口设置于所述外壳的同一表面，所述光学引擎及热槽设置于所述外壳之内部，所述风扇设置于所述进气口或所述排气口处，所述第一通道设置于所述电路板及所述光学引擎之间，所述热槽包括多枚散热鳍片，任两片所述散热鳍片之间具有一第二通道，所述第二通道的延伸方向与所述第一通道的延伸方向为实质相同，所述成像镜组中，由所述迭像镜往所述成像镜组的方向，依序包括具有屈光度的第二透镜、孔径光栏以及具有屈光度的一第一透镜，且所述第二透镜为所述孔径光栏及所述迭像镜之间的唯一透镜，所述第二透镜面向所述迭像镜的表面为一凹面，所述迭像镜具有屈光度。

8.一显示系统，其特征在于，包括：

一影像源，可输出一影像光；

一进气口可使空气进入，并定义一进气方向；

一排气口，可使空气排出；在所述进气口与所述排气口之间形成一第一通道，可使一空气流通过；

一热槽，所述热槽的部份曝露在所述第一通道中；

一风扇，设于所述第一通道的气流方向上；以及

一迭像镜；

其中，所述影像源的所述影像光的出射方向与所述进气方向为实质相反。

9.如权利要求8所述的显示系统，其特征在于，所述影像源为一屏幕。

10.如权利要求8所述的显示系统，其特征在于，所述热槽具有多枚散热鳍片，任两片所述散热鳍片之间具有一第二通道，所述第二通道的延伸方向与所述第一通道的延伸方向为实质相同。

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