CN104765237A - 光学投影装置 - Google Patents

Abstract

一种光学投影装置，用以与一投影镜头配合组合一光学投影系统，该光学投影装置用以产生一投射光线，投影光线通过投影镜头投射至一投影幕。该光学投影装置包含第一固态光源产生器、第二固态光源产生器、第一波长转换模块及空间光调制模块。第一固态光源产生器用以产生第一光束，第二固态光源产生器用以产生第二光束，第一波长转换模块用以与第一光束发生波长转换并产生波长转换光束。空间光调制模块用以将波长转换光束区分为第三光束及第四光束，并使第二光束、第三光束及第四光束通过投影镜头传递至投影幕。

Description

光学投影装置

技术领域

本发明涉及投影装置，且特别是涉及利用两片数字微型反射镜元件搭配双固态光源的光学投影装置。

背景技术

雷射搭配荧光剂作为光源的投影机技术已越来越普及，但是因雷射塔价格昂贵，因此市面上使用此类光源技术的投影机多采用单片式数字光源处理技术(Digital Light Processing,DLP)以降低成本。

使用单片式数字光源处理技术的投影机仅使用一个数字微型反射镜元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)来调制影像，因此必须搭配一个色轮(color wheel)来产生各种不同颜色的光谱(例如通常组成白光光谱的三原色：红色光谱、绿色光谱及蓝色光谱)，并序列地将所述不同颜色的光谱传递至数字微型反射镜元件加以调制，使观察者可以因为视觉暂留而感觉出各种不同颜色。

前述使用单片式数字光源处理技术的投影机因为只需要使用一个数字微型反射镜元件，故可大幅地降低制作成本及整体体积。然而，使用单片式数字处理技术的投影机却有其在亮度及色彩饱和度无法同时满足的缺点，其主要因为使用单片式数字光源处理技术的投影机受到序列式色彩调制的限制，亮度效率大大地降低。而为了补偿亮度效率，多会使用二次色(secondary color)来提高亮度，但如此却使得色彩饱和度降低。

此外，色轮的机械结构限制也使得色破裂(Color Breaking)情况产生。从广义上说，在某些状态下，序列式的颜色调制会无法满足视觉暂留所需条件而使观看者看到非预期的彩色闪动画面，故此缺点无法满足某些高阶应用的要求。

目前用来取代使用单片式数字光源处理技术架构的投影机，以避免色破裂及亮度效率低的缺点的是三片式数字光源处理技术的投影机。三片式数字光源处理技术的投影机使用三片数字微型反射镜元件，故在单光源下可利用分色镜将白色分成红色光谱、绿色光谱及蓝色光谱，并同时供给三片数字微型反射镜元件同时处理，因此就不会有色破裂及亮度效率的缺点，且色彩饱和度佳。但是，使用三片数字微型反射镜元件及数量相对应于三片数字微型反射镜元件的周边光学元件却让所述投影机的制作成本及体积大幅增加。

发明内容

本发明揭示内容的目的在于提供一种光学投影装置，所述光学投影装置利用两片数字微型反射镜元件搭配双固态光源，可以在亮度效率、色彩鲜艳度及成本等特性上取得较佳平衡。

本发明于一实施方式中，提供一种光学投影装置，包含一种光学投影装置，用以与一投影镜头配合组合一光学投影系统，该光学投影装置用以产生一投射光线，该投影光线通过该投影镜头投射至一投影幕，该光学投影装置包含一第一固态光源产生器、一第二固态光源产生器、一光学模块、一第一波长转换层、一第一分光滤片、一第二分光滤片及一空间光调制模块。第一固态光源产生器用以产生一第一光束。第二固态光源产生器用以产生一第二光束。光学模块位于第一固态光源产生器、第二固态光源产生器及投影镜头之间。第一波长转换模块位于第一固态光源产生器及光学模块之间，波长转换模组用以与第一光束发生波长转换并产生一波长转换光线。第一分光滤片用以反射波长转换光线并供第一光束穿透，第二分光滤片用以反射第二光束并供波长转换光束穿透。空间光调制模块位于光学模块及投影镜头之间，空间光调制模块用以将第一光束区分为第三光束及第四光束，并使第二光束、第三光束及第四光束通过投影镜头传递至投影幕。

综上，本发明的结构解决单片式数字光源处理技术的投影机因受到序列式色彩调制的限制而使亮度效率降低问题，以及使用二次色(secondarycolor)来提高亮度却使得色彩饱和度降低的问题；且本发明的结构更具有三片式数字光源处理技术的投影机不会产生色破裂及提高亮度效率的优点，且其体积与制造成本都低于三片式数字光源处理技术的投影机，因此本发明结构兼具单片式与三片式数字光源处理技术的投影机的高亮度、色彩饱和、无色破裂、体积小雨成本低优点。

附图说明

图1为本发明第一实施方式的光学投影系统的结构图。

图2为本发明第一实施方式的第一波长转换模块的俯视图。

图3为本发明第一实施方式的光学投影系统的一操作示意图。

图4为本发明第一实施方式的光学投影系统的另一操作示意图。

图5为本发明第一实施方式的第一空间光调制器及第二空间光调制器的一动作时续图。

图6为本发明第一实施方式的第一空间光调制器及第二空间光调制器的另一动作时续图。

图7为本发明第二实施方式的光学投影系统的结构图。

其中，附图标记说明如下：

1    光学投影系统

10   投影镜头

12   光学投影装置

120  第一固态光源产生器

122  第二固态光源产生器

124  第一波长转换模块

1240 承载件

1242 波长转换层

1244 旋转件

126  第一分光滤片

128  第二分光滤片

130  光学模块

1300 光通道元件

1302 第一透镜

1304 第二透镜

1306 反射镜

132  空间光调制模块

1320 全反射棱镜

1322 分光棱镜

1324 第一空间光调制器

1326 第二空间光调制器

1330 第一全反射棱镜部

1332 第二全反射棱镜部

1340 第一分光棱镜部

1342 第二分光棱镜部

1344 分光镀膜层

136  控制器

140  第二波长转换模块

I1   光轴

I2   光轴

具体实施方式

请参考随附图示，本发明的以上及额外目的、特征及优点将通过本发明的较佳实施例的以下阐释性及非限制性详细描叙予以更好地理解。

配合参阅图1，为本发明第一实施方式的光学投影系统的结构图。光学投影系统1包含一投影镜头10及一光学投影装置12，光学投影装置12用以产生一投射光束，所述投射光束通过投影镜头10投射至一投影幕(图未示)。

光学投影装置12包含一第一固态光源产生器120、一第二固态光源产生器122、一第一波长转换模块124、一第一分光滤片126、一第二分光滤片128、一光学模块130、一空间光调制模块132及一控制器136。

第一固态光源产生器120具有一光轴I1,第一固态光源产生器120用以产生一第一光束；所述光轴I1为第一固态光源产生器120产生的第一光束在空间中光强度分布的对称轴。在本实施方式中，第一固态光源产生器120产生的第一光束具有蓝光光谱。然而，在实际实施时，第一光束并不仅仅被局限为蓝光光谱。第一固态光源产生器120为雷射光束产生器。

第二固态光源产生器122具有一光轴I2，第二固态光源产生器122用以产生一第二光束；所述光轴I2为第二固态光源产生器122产生的第二光束在空间中光强度分布的对称轴。在本实施方式中，第二固态光源产生器122的光轴I2大致平行于第一固态光源产生器120的光轴I1，并朝向相同的方向分别产生第一光束及第二光束；实际实施时，第二固态光源产生器122的光轴I2也可以是大致垂直于第一固态光源产生器120的光轴I1，或与第一固态光源产生器120的光轴I1夹一特定角度。再者，第二固态光源产生器122产生的第二光束为蓝光光束，且第二光束的发光光谱相同于第一光束的发光光谱。然而，在实际实施时，第二光束并不仅仅被局限为具有蓝光光谱，意即第二光束的发光光谱可以相异于第一光束的发光光谱。第二固态光源产生器122为雷射光源产生器。

第一波长转换模块124位于第一固态光源产生器120及投影镜头10之间，第一波长转换模块124包含一承载件1240、一波长转换层1242及一旋转件1244。承载件1240是使用金属(例如为铝)制作而成，可以加速导离第一光束所挟带的热能；当然，在实际实施时，承载件1240也可以是使用其他材质(例如为玻璃制作而成)。在本实施方式中，承载件1240的外型大致呈圆形环状，如图2所示。

波长转换层1242涂布于承载件1240面对第一固态光源产生器120的表面上，波长转换层1242涂布紧邻于承载件1240的外缘，并呈环状布设方式。当第一光束传递至波长转换层1242时，会与波长转换层1242发生波长转换并产生一波长转换光束。在本实施方式中，波长转换光束具有黄光光谱。

第一分光滤片126位于第一固态光源发射器120及第一波长转换模块124之间，用以供具有特定发光波长的光线通过，并反射具有另一特定发光波长的光线。在本实施方式中，第一分光滤片126会反射波长转换光线并供第一光束通过。由上述内容可以得知，第一固态光源产生器120产生的第一光束可以穿透第一分光滤片126，而第一固态光源产生器120发出的第一光束在传递至第一波长转换模块124并与波长转换层1242发生波长转换后产生的波长转换光束会被第一分光滤片反射，并朝向投影镜头10的方向传递。

再参阅图1，第二分光滤片128位于第二固态光源产生器122及投射镜头10之间，并位于波长转换光束的传递路径上。第二分光滤片128可供具有特定波长的光线通过，并反射具有另一特定波长的光线。在本实施方式中，第二分光滤片128会反射第二光束并供波长转换光束穿透。由上述内容可以得知，第二分光滤片128会反射第二固态光源发射器122发出的第二光束，而波长转换光束可以穿透第二分光滤片128。

光学模块130位于第二分光滤片128及投影镜头10之间。光学模块130包含一光通道元件1300、一第一透镜1302、一第二透镜1304及一反射镜1306。光通道元件1300设置邻近于第二分光滤片128，光通道元件1300可为光导管或柱状透镜。

第一透镜1302位于光通道元件1300及投影镜头10之间，第二透镜1304位于第一透镜1302及投影镜头10之间，反射镜1306位于第一透镜1302及第二透镜1304之间。光学模块130主要是用以将第一固态光源产生器120产生的第一光束经波长转换模组124后的波长转换光束及第二固态光源产生器122产生的第二光束传递至空间光调制模块132。

空间光调制模块132位于光学模块130及投影镜头10之间。空间光调制模块132包含一全反射棱镜1320、一分光棱镜1322、一第一空间光调制器1324及一第二空间光调制器1326。

全反射棱镜1320是利用全反射的原理反射波长转换光束及第二光束，使波长转换光束及第二光束进入分光棱镜1322。

分光棱镜1322包含一第一分光棱镜部1340、一第二分光棱镜部1342及一分光镀膜层1344。第一分光棱镜部1340设置邻近于第一全反射棱镜1330。第二分光棱镜部1342设置远离于第一全反射棱镜1330。分光镀膜层1344设于第一分光棱镜部1340及第二分光棱镜部1342之间，分光镀膜层1344可将波长转换光束分光并产生穿透分光镀膜层1344的第三光束及由分光镀膜层1344反射的第四光束。第三光束具有红色光谱，第四光束具有绿色光谱。经由分光镀膜层1344反射后的第四光束传递至第一空间光调制器1324，第三光束穿透分光镀膜层1344传递至第二空间光调制器1326。

第一空间光调制器1324对应第一分光棱镜部1340设置，用以接收由第一分光棱镜部1340向外折射的光线。第二空间光调制器1326对应第二分光棱镜部1342设置，用以接收穿透第二分光棱镜部1342的光线。当光束传递至第一空间光调制器1324或第二空间光调制器1326时，第一空间光调制器1324及第二空间光调制器1326通过翻转设于表面的微结构以反射传递于其上的光束，并将第二光束、第三光束及第四光束经全反射棱镜1320传递进入投影镜头10。

此外，光学投影装置12还包含一控制器136，控制器136电连接于第一固态光源产生器120及第二固态光源产生器122，使第一固态光源产生器120及第二固态光源产生器122依序产生第一光束及第二光束。

配合参阅图3，为本发明第一实施方式的光学投影系统的一操作示意图。在此操作中，第一固态光源产生器120产生第一光束，所述第一光束通过第一分光滤片126传递至第一波长转换模块124。所述第一光束系与第一波长转换模块124的波长转换层1242发生波长转换并产生波长转换光束，同时第一波长转换模块124反射所述波长转换光束，使波长转换光束传递至第一分光滤片126。

传递至第一分光滤片126的波长转换光束的发光波长不同于第一光束，且波长转换光束具有黄色光谱，故第一分光滤片126会反射波长转换光束，并使得波长转换光束传递至第二分光滤片128。第二分光滤片供波长转换光线通过并使波长转换光线得以传递至光学模块130。进入光学模块130后传递至空间光调制模块132。

进入空间光调制模块132的波长转换光束先传递至全反棱镜1320，并传递至分光棱镜1322。进入分光棱镜1322的波长转换光束通过第一分光棱镜部1340传递至分光镀膜层1344，分光镀膜层1344使得波长转换光束区分为第三光束及第四光束。第四光束由分光镀膜层1344反射后传递至第一空间光调制器1324，第三光束穿透分光镀膜层1344并传递至第二空间光调制器1326。在本实施方式中，第四光束具有绿光光谱，第三光束具有红光光谱，实际实施时则不以此为限。

第一空间光调制器1324表面的微结构反射第四光束，使第四光束经全反射棱镜1320进入投影镜头10。第二空间光调制器1326表面的微结构反射第三光束，使第三光束经全反射棱镜1320进入投影镜头10。

由上述内容可以得知，在第一固态光源产生器120被启动时，其所产生的第一光束在通过第一波长转换模块124及空间光调制模块132后，会产生第三光束及第四光束；从广义上说，在第一固态光源产生器120启动时，投影镜头10可以接收到第三光束及第四光束。

配合参阅图4，为本发明第一实施方式的光学投影系统的另一操作示意图。在此操作中，第二固态光源产生器120产生第二光束，所述第二光束由第二分光滤片128反射并传递至光学模块130。进入光学模块130后传递至空间光调制模块132。

进入空间光调制模块132的第二光束先传递至全反棱镜1320，并传递至分光棱镜1322。进入分光棱镜1322的第二光束通过第一分光棱镜部1340传递至分光镀膜层1344，分光镀膜层1344反射第二光束使第二光束传递至第一空间光调制器1324。

第一空间光调制器1324表面的微结构系反射第二光束，使第二光束经全反射透镜1320进入投影镜头10。

由上述内容可以得知，在第二固态光源产生器122被启动时，其所产生的第二光束在通过第一波长转换模块124及空间光调制模块132后，会进入投影镜头10；从广义上说，在第二固态光源产生器122启动时，投影镜头10可以接收到第二光束。

通过适当地调整第一固态光源产生器120及第二固态光源产生器122的启动时间，使第一固态光源产生器120及第二固态光源产生器122交替地发光，就可以有效地维持通过投影镜头10的光束的白平衡。前述电连接在第一固态光源产生器120及第二固态光源产生器122的控制器136就是用来控制第一固态光源产生器120及第二固态光源产生器122的启动时间，借此改变第二光束、第三光束及第四光束的能量变化，同时搭配第一空间光调制器1324及第二空间光调制器1326的控制，以实现白平衡的控制。

配合参阅图5，为本发明第一实施方式的第一空间光调制器及第二空间光调制器的一动作时续图。欲在投影幕得到全白光，必须使红光光谱、绿光光谱及蓝光光谱同时通过投影镜头10投影至投影幕。在第一固态光源产生器120、第一空间光调制器1324及第二空间光调制器1326同时被启动时，会有第三光束(即红光光谱)及第四光束(即绿光光谱)通过投影镜头10传递至投影幕。当第二固态光源产生器122启动时，且第一空间光调制器1324启动、第二空间光调制器1326关闭时，会有第二光束通过投影镜头10传递至投影幕。虽然红光光谱、绿光光谱及蓝光光谱不是同时产生的，但是搭配第一空间光调制器1324的动作及人眼视觉暂留原理，可以让观测者误以为这三个颜色的光谱是同时存在的，所以观察者会认为投影幕上出现白色画面。

配合参阅图6，为本发明一实施方式的第一空间光调制器及第二空间光调制器的另一动作时续图。欲在投影幕得到紫光，必须使红光光束及蓝光光束同时通过投影镜头10投影至投影幕。在第一固态光源产生器120、第一空间光调制器1324关闭，以及第二空间光调制器1326被启动时，会有第三光束(即红光光谱)通过投影镜头10传递至投影幕。当第二固态光源产生器122启动时，且第一空间光调制器1324启动、第二空间光调制器1326关闭时，会有第二光束通过投影镜头10传递至投影幕。虽然红光光谱及蓝光光谱不是同时产生的，但是搭配第一空间光调制器1324与第二空间光调制器1326的动作及人眼视觉暂留原理，可以让观测者误以为这两个颜色的光谱是同时存在的，所以观察者会认为投影幕上出现紫色画面。

然而以上所述，仅为本发明的较佳实施例，当不能限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书范围及说明书内容所作的等效变化与修饰等，皆应仍属本发明的权利要求书涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种光学投影装置，用以与一投影镜头配合组合一光学投影系统，该光学投影装置用以产生一投射光线，该投影光线通过该投影镜头投射至一投影幕，该光学投影装置包含：

一第一固态光源产生器，该第一固态光源产生器用以产生一第一光束；

一第二固态光源产生器，该第二固态光源产生器用以产生一第二光束；

一光学模块，位于该第一固态光源产生器、该第二固态光源产生器及投影镜头之间；

一第一波长转换模块，位于该第一固态光源产生器及该光学模块之间，该波长转换模组用以与该第一光束发生波长转换并产生一波长转换光线；

一第一分光滤片，用以反射波长转换光线并供第一光束穿透；

一第二分光滤片，用以反射第二光束并供波长转换光束穿透；以及

一空间光调制模块，位于该光学模块及该投影镜头之间，该空间光调制模块用以将第一光束区分为第三光束及第三光束，并使该第二光束、该第三光束及该第四光束通过该投影镜头传递至该投影幕。

2.如权利要求1所述的光学投影装置，还包含一控制器，电连接于该第一固态光源产生器及该第二固态光源产生器，该控制器控制该第一固态光源产生器及该第二固态光源产生器交替地发光。

3.如权利要求1所述的光学投影装置，其中该光学系统包含：

一光通道元件；

一反射镜，位于该光通道元件及该空间光调制模块之间；

一第一透镜，位于该光通道元件及该反射镜之间；以及

一第二透镜，位于该反射镜及该空间光调制模块之间。

4.如权利要求1所述的光学投影装置，其中该空间光调制模块包含：

一分光棱镜，用以将该波长转换光束区分为该第三光束及该第四光束：

一第一全反射棱镜，设置邻近于光学模块，用以接收通过光学模块的波长转换光束及第二光束，并使该波长转换光束及该第二光束传递至分光棱镜；

一第一空间光调制器，用以接收并反射该第二光束及该第三光束；以及

一第二空间光调制器，用以接收并反射该第四光束。

5.如权利要求1所述的光学投影装置，其中该第一波长转换模块包含：

一承载件；

一波长转换层，部分覆盖该承载件；以及

一旋转件，连接该承载件。

6.如权利要求1所述的光学投影装置，还包含一第二波长转换模块，位于该第二固态光源产生器及该第二分光滤片之间。

7.如权利要求1所述的光学投影装置，其中该第一光束具有蓝光光谱、第二光束具有蓝光光谱、第三光束具有绿光光谱，第四光束具有红光光谱，波长转换光束具有黄光光谱。

8.如权利要求1所述的光学投影装置，其中该第一固态光源产生器及该第二固态光源产生器分别为雷射光源产生器。

9.如权利要求1所述的光学投影装置，其中该第一分光滤片位于该第一固态光源产生器及该第一波长转换模块之间，该第二分光滤片位于该第二固态光源产生器及该光学模块之间。