CN103365049A - 用于一投影装置的光学模块及投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于一投影装置的光学模块及投影装置，该光学模块包含一曲面反射元件、一第一滤光元件、一第二滤光元件以及一时序控制单元。该曲面反射元件具有一焦点、一穿透部、一第一反射部及一第二反射部。时序控制单元具有一第一转换部与一第二转换部。一第一波段光线射入该穿透部且通过该第一转换部并转换为一第二波段光线，该第二波段光线并经由该第二反射部及该第一滤光元件转换为一第一出射光线，该第一波段光线另射入该穿透部且通过该第二转换部转换为该第二波段光线，该第二波段光线并经由该第一反射部及该第二滤光元件转换为一第二出射光线。

Description

用于一投影装置的光学模块及投影装置

技术领域

本发明关于一种光学模块及应用该光学模块的投影装置，尤其关于一种利用曲面反射元件以简化光路架构，且降低成本的光学模块及3D投影装置。

背景技术

固态光源如发光二极体(Light emitting diode，LED)或激光(Laser diode，LD)虽然具有使用寿命长、体积小以及不含汞等优点，然而当应用为投影装置的发光光源时，固态光源所提供的亮度与传统高压汞灯相比，两者间仍存在有相当大差距。因此，固态光源的利用虽然已经愈趋普遍，但在投影领域中仍还未可全面取代掉传统的高压汞灯。

另一方面，为使投影装置里的发光光源得以均匀地投射出红、蓝、绿三原色光以供设置于投影装置内部的一合光总成进行合光作业，在现有技术中多采用下列两种方式进行红、蓝、绿三原色光的输出：第一种方式利用固态光源投射出一白光，并使该白光通过具有红、蓝、绿三色的色轮，从而个别产生相对应的红、蓝、绿三时序光的方式进行合光输出；第二种则为利用固态光源的蓝光激光，用以激发涂布在旋转转盘上的荧光粉以产生红、蓝、绿或黄色光的方式，借着将该蓝光激光所发出的蓝色光与该红、绿或黄色光进行合光后输出，从而获得所需的影像。

然而，上述两种方式虽皆可利用固态光源所发射的光束形成红、蓝、绿三色光或再加上黄色光以完成合光作业，不过由于光源先天光学特性的限制，上述两种合光方式所得的光线皆较为发散，效率也不高。尤其为了在单一台投影机进行立体影像的分光处理，利用一旋转滤光转轮与色轮同步转动以交互提供不同波长区域的分光影像给左、右眼，以达到左眼接收左影像，右眼接收右影像，而产生立体影像。

然而无论是转动速率及转动角度，传统立体成像技术的旋转滤光转轮难以与色轮达到最佳的旋转一致性。有鉴于此，如何解决滤光转轮与色轮的同步乃为此一业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用曲面反射元件可简化光路架构，并解决左右眼影像不同步，且降低成本的光学模块及投影装置。

为实现上述目的，本发明的光学模块包含一曲面反射元件、一第一滤光元件、一第二滤光元件以及一时序控制单元。该曲面反射元件具有一焦点，且具有一穿透部、一第一反射部及一第二反射部。该穿透部设置于该第一反射部上。该第二滤光元件设置于该第一滤光元件之一侧。该时序控制单元具有一第一转换部与一第二转换部，该第一转换部与该第二转换部分别设有一波段转换元件，且该第一转换部与该第二转换部分别于一第一时间区间与一第二时间区间通过该焦点。在该第一时间区间内，一第一波段光线射入该穿透部且通过该第一转换部并转换为一第二波段光线，该第二波段光线并经由该第二反射部及该第一滤光元件转换为一第一出射光线。在该第二时间区间内，该第一波段光线射入该穿透部且通过该第二转换部转换为该第二波段光线，该第二波段光线并经由该第一反射部及该第二滤光元件转换为一第二出射光线。

为实现上述目的，本发明的一种投影装置包含至少一第一光源，提供一第一波段光线，至少一第二光源，提供一第三波段光线，如前所述的光学模块，用来将该第二波段光线转换为反向偏移该预设波段的该第一出射光线，及正向偏移该预设波段的该第二出射光线，以及一均光元件，用来均匀该第三波段光线、该第一出射光线及该第二出射光线及该第二波段光线，并透过一光调变器与一镜头组依时序传送该第一出射光线及该第二出射光线。

为让上述目的、技术特征、和优点能更明显易懂，下文以较佳实施例配合所附图式进行详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例的投影装置的示意图；

图2为本发明实施例的时序控制单元的转盘的示意图；以及

图3为本发明实施例的第二波段光线经反向、正向偏移预设波段W后形成的第一出射光线与第二出射光线的部分光谱比较图。

其中，附图标记说明如下：

10  投影装置

12  第一光源

121  第一波段光线

122  第二波段光线

123  第一出射光线

124  第二出射光线

14  第二光源

141  第三波段光线

16  光学模块

18  均光元件

19  反射镜模块

20  光调变器

20a  数字微镜装置

20b  三角棱镜

20c  透镜组

22  镜头组

24  曲面反射元件

241  焦点

242  穿透部

243  第一反射部

244  第二反射部

26  第一滤光元件

28  第二滤光元件

30  光反射元件

32  时序控制单元

321  转轴

322  转盘

322A  第一转换部

322B  第二转换部

3221  第一绿光转换区

3222  第二绿光转换区

3223  第一红光转换区

3224  第二红光转换区

3225  第一黄光转换区

3226  第二黄光转换区

3227  透光区

3228  反射区

3228a  反射镜面

34  波段转换元件

34G、34R、34Y  子波段转换元件

36  第一集光元件

38  第二集光元件

40  第三集光元件

W  预设波段

λ  波长

具体实施方式

请参阅图1，图1为本发明实施例的一投影装置10的示意图。投影装置10包含有一第一光源12、一第二光源14、一光学模块16、一均光元件18、一反射镜模块19、一光调变器20以及一镜头组22。

第一光源12将所发射的激光光线经由反射镜模块19反射后行进至第二集光元件38以进行汇聚，以提供汇聚后的一第一波段光线121，该反射镜模块19由至少一至多个对应第一光源12的反射镜所构成。在一第一时间区间内，光学模块16可将第一波段光线121转换为一第二波段光线122，并将第二波段光线122反向偏移一预设波段W，以转换一第一出射光线123；而于一第二时间区间内，光学模块16可将第二波段光线122正向偏移预设波段W，以转换一第二出射光线124。因此，第一出射光线123与第二出射光线124可依时序区分为左、右眼的影像，并经过光调变器20与镜头组22输出后，使观看者通过3D眼镜即可见得立体影像。

第二光源14可提供一第三波段光线141，其作用为补足第一波段光线121所欠缺的光强度与色彩彩度。举例来说，第一光源12为一短波蓝光发射器，光学模块16可将短波蓝光激发为绿光、红光及黄光波段的光线，因此第二光源14另可为一长波蓝光发射器，用来补充第一波段光线121利用光学模块16所产生光色彩所缺乏的蓝光波段。

此外，均光元件18可用来均匀第一出射光线123、第二出射光线124及第三波段光线141，而均匀后的第一出射光线123、第二出射光线124及第三波段光线141接着由光调变器20与镜头组22输出，以形成具有完整色彩资讯的立体影像。其中，均光元件18可为一数组透镜或一蝇眼透镜。在此实施例中，光调变器20包含一数字微镜装置或一液晶显示装置，而在其他较佳实施例中，更可搭配使用至少一三角棱镜20b或透镜组20c，并不以此实施例为限。

光学模块16包含有一曲面反射元件24、一第一滤光元件26、一第二滤光元件28、一光反射元件30以及一时序控制单元32。曲面反射元件24具有一焦点241、一穿透部242、一第一反射部243与一第二反射部244。焦点241位于第一反射部243及第二反射部244之间，且穿透部242设置于第一反射部243上，因此第一波段光线121可经由穿透部242进入曲面反射元件24内部并照射至焦点241。

详细来说，时序控制单元32可至少由一转轴321与一转盘322所组成。为清楚说明转盘322的实施形式，请一并参阅图2，图2为本发明实施例的时序控制单元32的转盘322的示意图。

如图1及图2所示，转盘322大体上可区隔为两半部，亦即设置于转盘322之一第一面(正面)的第一转换部322A及设置于转盘322之一第二面(反面)的第二转换部322B，其中第一转换部322A及第二转换部322B分别设有一波段转换元件34，且第一转换部322A与第二转换部322B分别在一第一时间区间与一第二时间区间通过曲面反射元件24的焦点241。

需留意，图1的实施例仅显示以通过焦点241的部分波段转换元件34及另一半部的部分波段转换元件34作为代表来说明，至于设置在转盘322上的其它部份之波段转换元件34则在图式中简化暂不绘制，但是此简化并非用以限定本发明转盘322上波段转换元件34的多种变化实施形式。

具体来说，本实施例的第一转换部322A包含一第一绿光转换区部3221、一第一红光转换区3223、一第一黄光转换区3225及一透光区3227，且第二转换部322B包含一第二绿光转换区3222、一第二红光转换区3224、一第二黄光转换区3226以及一反射区3228。

详言之，波段转换元件34可包含子波段转换元件34G、34R、34Y，其中六个转换区3221、3222、3223、3224、3225、3226可分别设置有相对应的子波段转换元件34G、34R、34Y，例如绿光、红光与黄光荧光物质(phosphor)，至于透光区3227以及反射区3228则不设置任何子波段转换元件。转盘322配合对应的时间区间，可使各转换区在转盘322转动时依序通过曲面反射元件24的焦点241，以使第一波段光线121可通过穿透部242而激发位于各转换区上的子波段转换元件34R、34G、34Y，或是经透光区3227、反射区3228，进而形成第二波段光线122。

更进一步来说，当第一波段光线121在一时间区间内激发子波段转换元件34R时，第二波段光线122即具有红光波长；当第一波段光线121在另一时间区间内激发子波段转换元件34G时，第二波段光线122即具有绿光波长；当第一波段光线121在又一时间区间内激发子波段转换元件34Y时，第二波段光线122即具有黄光波长。

在此实施例中，转盘322的基板为透明介质，且可区分为第一面(正面)以及第二面(反面)，转盘332的反面设置邻近曲面反射元件24的穿透部242。转盘322的正面设置第一绿光转换区3221、第一红光转换区3223、第一黄光转换区3225以及透光区3227，第一绿光转换区3221、第一红光转换区3223、第一黄光转换区3225分别设置绿光、红光与黄光荧光物质(phosphor)，而透光区3227不设置任何物质仅为透明基板的一区块。

因此，第一波段光线121可照射至第一转换部322A的各转换区(3221、3223与3225)及透光区3227，第一波段光线121可激发各转换区(3221、3223与3225)上的子波段转换元件(例如34G、34R、34Y)，而转换为一第二波段光线122，并再经第一滤光元件26以形成一第一出射光线123。特别说的是，在本实施例中，直接穿透透光区3227的第一波段光线121可提供具蓝光波段的光线。

举例来说，图1已绘示第一波段光线121依时序照射至第一绿光转换区3221与第一红光转换区3223上的波段转换元件34(例如图2子绘示的子波段转换元件34G、34R)后所依序激发的两道光线，该两道光线为分别具有绿光波长及红光波长的第二波段光线122，接着再依序转换成第一出射光线123。

如图2所示，转盘322的反面设置第二绿光转换区3222、第二红光转换区3224、第二黄光转换区3226，以及反射区3228，其中该多个转换区具有反射镜面并分别设置绿光、红光与黄光荧光物质，而该反射区3228仅具有反射镜面3228a而不设置任何物质。

因此当第一波段光线121照射至转盘322反面的各转换区(3222、3224与3226)，即可利用其上的子波段转换元件34G、34R、34Y依序各自转换成一第二波段光线122，接着再转换成一第二出射光线124，至于反射区3228的反射镜面3228a则可将具蓝光波段的第一波段光线121于反射区3228直接反射。

举例来说，图1已绘示第一波段光线121依时序照射至第二绿光转换区3222与第二红光转换区3224上的波段转换元件34(例如子波段转换元件34G、34R)后依序所激发出的两道光线，该两道光线为分别具有绿光波长及红光波长的第二波段光线122，并再经第二滤光元件28以转换成一第二出射光线124。

再回到图1，详细介绍光学模块16在投影装置10中的光行路径及各光学元件的功能。光学模块16另包含有一第一集光元件36，且投影装置10另包含一第二集光元件38与一第三集光元件40。第一集光元件36设置于光反射元件30与第一滤光元件26及第二滤光元件28之间。第二集光元件38设置于第一光源12与曲面反射元件之间24。第三集光元件40设置于均光元件18与第一滤光元件26及第二滤光元件28之间。各集光元件(36、38与40)的功能为延长光路，以利于光学元件之间有效地传递各波段光线。

如图1及图2所示，首先，在该第一时间区间内，第一波段光线121(短波蓝光)自第一光源12发出，透过第二集光元件38汇聚并传送至曲面反射元件24，并射入穿透部242而通过位于焦点241之第一转换部322A。通过设置在第一转换部322A的第一绿光转换区部3221的波段转换元件34(例如子波段转换元件34G)，第一波段光线121可先被转换为一具有绿光波长的第二波段光线122，接着经由转盘322以传递至第二反射部244，依序经由第二反射部244与光反射元件30进入第一滤光元件26，且同时利用第一滤光元件26的波段平移特性而将此第二波段光线122正反向偏移预设波段W，以转换为一第一出射光线123。

另一方面，随着时序控制单元32的快速旋转，在该第二时间区间内，第一波段光线121接着可照射至位于焦点241的第二绿光转换区3222。在此实施例中，设定第一绿光转换区部3221与第二绿光转换区3222分别位于转盘322的径向边缘的相对面位置，且设置同样色彩的子波段转换元件(例如两具绿色荧光粉之子波段转换元件34G)。第二绿光转换区3222及其子波段转换元件34G可将第一波段光线121转换为另一具有绿光波长的第二波段光线122，并利用转盘322的反射镜面而反射至第一反射部243，接着依序经由第一反射部243与光反射元件30进入第二滤光元件28，且利用第二滤光元件28的波段平移特性而将第二波段光线122正向偏移预设波段W，以转换为一第二出射光线124。

其中，光反射元件30可设置于曲面反射元件24与第一滤光元件26及第二滤光元件28之间，且第二滤光元件28可平行排列于第一滤光元件26的一侧，以使第一滤光元件26与第二滤光元件28可批次地接收第二波段光线122，用以分别形成经反向及正向偏移预设波段W的第一出射光线123与第二出射光线124。第一集光元件36可将来自光反射元件30的第二波段光线122稳定地分别传递至第一滤光元件26和第二滤光元件28，用以分别形成第一出射光线123与第二出射光线124。第三集光元件40则可将经反向、正向偏移的第一出射光线123与第二出射光线124，以及来自第二光源14的第三波段光线141稳定地传递至均光元件18，故本发明的光学模块16可将第一出射光线123、第二出射光线124及第三波段光线141维持较一致的光行进方向与入射角度来进入光调变器20及镜头组22，由此形成高品质的立体影像。

请参阅图3，图3为本发明实施例的第二波段光线122经反向、正向偏移预设波段W后形成的第一出射光线123与第二出射光线124的部分光谱比较图。各色彩(例如红色、绿色及蓝色)的波段和人眼所能观察到的波段范围相比相对狭小，因此本发明的光学模块16即利用第一滤光元件26与第二二滤光元件28使具有绿色、红色或黄色波长的第二波段光线122分别反向及正向偏移(亦即如图3所示的左右双向)预设波段W，以形成第一出射光线123与第二出射光线124。因此，观察者的左、右眼得以利用波长偏移量来区分左右眼的影像，并可保持影像的原色，进一步视得立体影像。

如图3所示，红光的波长(λ)范围约为620-750nm，绿光的波长范围约为495-570nm，且蓝光的波长范围约为450-495nm。第一滤光元件26与第二滤光元件28分别将各色光的第一出射光线123及第二出射光线124，选择性地以波长范围的均值为中点，进行反向及正向(减少与增加)波段边移，以于保持原有色光的同时，亦可据此有效区分左右眼影像的差异。

曲面反射元件24可具有一双曲面，例如第一反射部243与第二反射部244，且双曲面可选择性为一椭球面或一抛物面。波段转换元件34(荧光物质或磷光物质)可放置于双曲面的焦点241。光学模块16将第一波段光线121分别于第一及第二时间区间分别转换成第一出射光线123与第二出射光线124，且通过第一滤光元件26与第二滤光元件28的设置，第一出射光线123及第二出射光线124分别相对于第二波段光线122沿着反向与正向偏移预设波段W来区分左右眼的影像。

再者，各波段转换元件34仅包含绿光、红光及黄光荧光物质，因此光学模块16另将第二光源14的第三波段光线141以平行于经偏移预设波段W的第一出射光线123与第二出射光线124的方向输出，如图1所示，因此自第三集光元件40传输至均光元件18的光束即可包含有蓝光、绿光、黄光与红光等波段的光线，且左右眼影像(分别偏移预设波段W的第一出射光线123及第二出射光线124，部分如图3所绘示)可透过均光元件18、光调变器20与镜头组22组合而成具完整色彩资讯的立体影像。

综上所述，本发明的光学模块16将第一波段光线(短波蓝光)依序打入时序控制单元32的第一及第二转换部，通过其转盘322以一预定速率转动，以使第一波段光线121可激发各波段转换元件上的多种荧光物质，分别生成数道第二波段光线122(绿光、黄光与红光)，且各第二波段光线122可依据时序控制单元32的透明介质及反射镜面的设计而依循光学模块16的光路而分别传递到第一滤光元件26与第二滤光元件28，因此转换为沿着反向及正向偏移预设波段的第一出射光线121及第二出射光线122，以区分左右眼影像。接着，第三波段光源(长波蓝光)可自第一滤光元件23与第二滤光元件28后始加入投影装置的光路，用以补足第二波段光线122所欠缺的蓝光波段，最后右眼影像(正向偏移预设波段的第二出射光线124)及左眼影像(反向偏移预设波段的第一出射光线123)再透过均光元件18、光调变器20与镜头组22，形成具有完整色彩资讯(光之三原色)的立体影像。

上述的实施例仅用来例举本发明的实施形式，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的保护范围。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保护范围，本发明的权利保护范围应以权利要求为准。

Claims (14)

1.一种应用于一投影装置的光学模块，包含：

一曲面反射元件，具有一焦点，且具有一穿透部、一第一反射部及一第二反射部，该穿透部设置于该第一反射部上；

一第一滤光元件；

一第二滤光元件，设置于该第一滤光元件的一侧；以及

一时序控制单元，具有一第一转换部与一第二转换部，该第一转换部与该第二转换部分别设有一波段转换元件，且该第一转换部与该第二转换部分别于一第一时间区间与一第二时间区间通过该焦点；

其中，在该第一时间区间内，一第一波段光线射入该穿透部且通过该第一转换部并转换为一第二波段光线，该第二波段光线并经由该第二反射部及该第一滤光元件转换为一第一出射光线，于该第二时间区间内，该第一波段光线射入该穿透部且通过该第二转换部转换为该第二波段光线，该第二波段光线并经由该第一反射部及该第二滤光元件转换为一第二出射光线。

2.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，该光学模块还包含一光反射元件，设置于该曲面反射元件与该第一滤光元件及该第二滤光元件之间。

3.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，在该第一时间区间内，该第一滤光元件将该第二波段光线反向偏移一预设波段以形成该第一出射光线，且在该第二时间区间内，该第二滤光元件将该第二波段光线正向偏移该预设波段以形成该第二出射光线。

4.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，该时序控制单元的该第一转换部包含一第一红光转换区、一第一绿光转换区、一第一黄光转换区以及一透光区，且该第二转换部包含一第二红光转换区、一第二绿光转换区、一第二黄光转换区以及一反射区。

5.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，该光学模块还包含一第一集光元件，该第一集光元件设置于该光反射元件与该第一滤光元件及该第二滤光元件之间。

6.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，该光学模块还将至少一第三波段光线以平行于该第一出射光线及该第二出射光线的一方向射出。

7.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，该曲面反射元件具有一双曲面，且该双曲面为一椭球面或一抛物面。

8.如权利要求1所述的光学模块，其中各该波段转换元件包含一绿光、红光及黄光荧光物质。

9.一种投影装置，包含：

至少一第一光源，提供一第一波段光线；

至少一第二光源，提供一第三波段光线；

一如权利要求1-8任一所述的光学模块，用来将该第二波段光线转换为反向偏移该预设波段的该第一出射光线，及正向偏移该预设波段的该第二出射光线；以及

一均光元件，用来均匀该第三波段光线、该第一出射光线及该第二出射光线，并透过一光调变器与一镜头组依时序传送该第一出射光线及该第二出射光线。

10.如权利要求9所述的投影装置，其特征在于，该投影装置还包含有一第二集光元件，设置于该第一光源与该曲面反射元件之间。

11.如权利要求9所述的投影装置，其特征在于，该投影装置还包含有一第三集光元件，设置于该均光元件与该第一滤光元件及该第二滤光元件之间。

12.如权利要求9所述的投影装置，其特征在于，该均光元件为一数组透镜或一蝇眼透镜。

13.如权利要求9所述的投影装置，其特征在于，该光调变器为一数字微镜装置或一液晶显示装置。

14.如权利要求9所述的投影装置，其特征在于，该第一光源为一短波蓝光发射器，且该第二光源为一长波蓝光发射器。

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