CN115016212A - 投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种投影装置，该投影装置包括激光光源、波长转换元件、扩散元件、滤光元件、分光元件、第一、第二光阀以及投影镜头。波长转换元件具有波长转换区与非波长转换区。扩散元件具有第一区域与第二区域。扩散元件与波长转换元件同步转动，以使在转动过程中第一区域与第二区域分别对应于波长转换区与非波长转换区。滤光元件设置于第一区域。滤光元件用以滤除激光光源所发出的激光光束。分光元件用以将通过扩散元件的第一区域及滤光元件的第一光束中的第一、第二子光束分别导引至第一、第二光阀，且用以将通过扩散元件的第二区域的第二光束导引至第一、第二光阀的其中之一。本发明提出的投影装置可具有良好的色纯度。

Description

投影装置
技术领域
本发明关于一种光学装置，且特别是关于一种投影装置。
背景技术
在一般的激光投影机中，其所使用的激光光源通常用以发出激光光束以激发荧光轮上的荧光材料，使其发出受激发光束(例如黄光光束)。在激光投影机中，激光光束及受激发光束进一步作为照明光束。激光投影机中的光阀再将照明光束转换成影像光束并借由投影镜头将影像光束投射至屏幕上，以形成影像。
但是，在荧光材料的光转换过程中，荧光材料并无法将激光光束完整地转换成受激发光束。这些没有被转换的激光光束与黄光光束在同一时间区间内传递至光阀，而此现象导致影像画面的色纯度不纯。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所公开的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的现有技术。在“背景技术”段落所公开的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种投影装置，其具有良好的色纯度。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所公开的技术特征中得到进一步的了解。
为达到上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提供一种投影装置，包括激光光源、波长转换元件、扩散元件、滤光元件、分光元件、第一光阀及第二光阀以及投影镜头。激光光源用以发出激光光束。波长转换元件设置于激光光源的光路下游，且波长转换元件具有波长转换区与非波长转换区。波长转换区与非波长转换区依序切入激光光束的传递路径上。扩散元件设置于波长转换元件的光路下游。扩散元件具有第一区域与第二区域。扩散元件与波长转换元件同步转动，以使在转动过程中第一区域与第二区域分别对应于波长转换区与非波长转换区。滤光元件设置于第一区域。滤光元件用以滤除激光光束。分光元件设置于滤光元件的光路下游。第一光阀与第二光阀设置于分光元件的光路下游。分光元件用以将通过扩散元件的第一区域及滤光元件的第一光束中的第一子光束与第二子光束分别导引至第一光阀与第二光阀，以及分光元件用以将通过扩散元件的第二区域的第二光束导引至第一光阀与第二光阀中的一个。投影镜头设置于第一光阀与第二光阀的光路下游。
基于上述，在本发明实施例的投影装置中，由于波长转换元件的波长转换区对应于扩散元件的第一区域，且第一区域上设有可滤除激光光束的滤光元件，故未被波长转换物质转换的激光光束不易传递至后端的第一、第二光阀，故投影装置具有良好的色纯度。
附图说明
图1A与图1B分别为本发明的一实施例在第一、第二时间区间的光路示意图。
图2为波长转换元件的上视示意图。
图3为扩散元件的上视示意图。
图4A与图4B分别为本发明的另一实施例在第一、第二时间区间的光路示意图。
图5为另一实施例的波长转换元件的上视示意图。
图6A与图6B分别为本发明的又一实施例在第一、第二时间区间的光路示意图。
附图标记列表
100、100a、100b：投影装置
110：激光光源
120、120a：波长转换元件
122：转盘
124：波长转换物质
126：透光元件
128：反射元件
130：扩散元件
140：滤光元件
150、152：分光元件
154：光学元件
160：匀光元件
170：第一光阀
180：第二光阀
190：投影镜头
B1、B2：第一、第二光束
C：控制器
CB：转换光束
CP：补充光源
CRA1、CRA2：第一、第二中心转轴
EB：激光光束
IMB1～IMB3：第一～第三影像光束
L1～L11：透镜
P：棱镜
R1、R2：第一、第二区域
M1～M3：反射镜
NWCR、NWCRa：非波长转换区
NT：缺口
WCR：波长转换区
OA：光学棱镜组
θ1～θ4：第一～第四弧度。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选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发明。
图1A与图1B分别为本发明的一实施例在第一、第二时间区间的光路示意图。图2为波长转换元件的上视示意图。图3为扩散元件的上视示意图。
请参照图1A与图1B，于本实施例中，投影装置100包括激光光源110、波长转换元件120、扩散元件130、滤光元件140、分光元件150、152、第一光阀170、第二光阀180、投影镜头190。于以下段落中会详细地说明上述各元件。
激光光源110用以发出激光光束EB，其例如是一个激光发光元件或包括多个激光发光元件排列而成的阵列，或，由一或多个发光元件、反射镜或透镜所组成的光学元件总成，本发明并不局限于此。激光发光元件的种类例如是激光二极管(Laser Diode)。并且，激光光束EB的光谱的峰值波长(Peak Wavelength)例如是落在蓝光波长区间内，且例如是落在440纳米至470纳米的范围内，但不局限于此。上述峰值波长被定义为光强度频谱中最大光强度所对应的波长。
波长转换元件120用于使通过此波长转换元件120的光束转换成不同波长的光束(转换光束)。请参照图2，在本实施例中，波长转换元件120包括波长转换区WCR与非波长转换区NWCR。具体来说，波长转换元件120具有转盘122、波长转换物质124、透光元件126与第一中心转轴CRA1。转盘122设有缺口NT，透光元件126设于缺口NT。波长转换物质124例如是光致发光材料，其例如是荧光胶层或量子点，但不局限于此。于本实施例中，波长转换物质124例如是黄色荧光胶层。透光元件126嵌设于缺口NT中，且其例如是具有高透光系数的材料组成，例如是玻璃，但不局限于此。于本实施例中，当波长转换材料124被短波长光束照射时会产生光致发光现象而发出长波长光束(此称为波长转换现象)，故波长转换物质124所设置的区域界定出波长转换区WCR，且波长转换物质124(或转盘122)适于反射波长转换后的光束。透光元件126所界定的区域则可被光束穿透而输出并不进行波长转换，故透光元件126界定出非波长转换区NWCR，亦可被称为光穿透区。因此，本实施例的波长转换元件120的实施态样例如是穿透式的波长转换元件。波长转换区WCR及非波长转换区NWCR环绕第一中心转轴CRA1设置。波长转换区WCR相对于第一中心转轴CRA1具有第一弧度θ1，-而非波长转换区NWCR相对于第一中心转轴CRA1具有第二弧度θ2，其中第一弧度θ1例如大于第二弧度θ2。
请再同时参照图3，投影装置100的扩散元件130用以使通过此扩散元件的光束扩散/散射，其例如是扩散轮(Diffusor Wheel)。扩散元件130具有第一区域R1与第二区域R2。在本实施例中，扩散元件130设有扩散结构(未示出)，例如第一区域R1与第二区域R2均设有扩散结构，例如设置于扩散元件130的表面，但不局限于此。于其他实施例中，扩散元件130的内部例如是设有扩散粒子，本发明并不局限于此。扩散元件130的第一、第二区域R1、R2之间的差异是：扩散元件130的第一区域R1更设有滤光元件140，而第二区域R2不设有滤光元件140。此外，扩散元件130具有第二中心转轴CRA2。第一区域R1及第二区域R2环绕第二中心转轴CRA2设置。第一区域R1相对于第二中心转轴CRA2具有第三弧度θ3。第二区域R2具有第四弧度θ4，其中第三弧度θ3例如大于第四弧度θ4。请同时参照图2与图3，第一弧度θ1与第三弧度θ3相等。第二弧度θ2与第四弧度θ4相等。
进一步来说，滤光元件140可以滤除特定波长范围的光束且使除了此特定波长范围的光束之外的光束通过。在本实施例中，滤光元件140例如是蓝光滤光膜，其可使蓝光被滤除而可使其他波长的光束通过。
请参照图1A与图1B，分光元件150、152系泛指具有分光功能的光学元件。于本实施例中，分光元件为分光镜(Dichroic Mirror,DM)，其具有波长选择性，为利用波长/颜色进行分光的分色片，但不局限于此。在本实施例中，分光元件150被设计为可使蓝光、红光穿透且可反射绿光。分光元件152被设计为可使蓝光穿透，而反射其他波长的光束，例如黄光。
投影装置100可更包括匀光元件160，匀光元件160系指可让通过此匀光元件160的光束均匀化的光学元件。在本实施例中，匀光元件160例如是积分柱(Integration Rod)、透镜阵列或其他具有光均匀化效果的光学元件，但不局限于此。
光学棱镜组OA系指包括多个棱镜的光学元件。在本实施例中，光学棱镜组OA具有导引光束传递方向的功能，其中一棱镜标示为P。
光阀170、180系指数位微镜元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)、硅基液晶面板(Liquid-crystal-on-silicon Panel,LCOS Panel)或是液晶面板(Liquid CrystalPanel,LCD)等空间光调变器之任一个，但不局限于此。
投影镜头190例如是包括具有屈光度的一或多个光学镜片的组合，光学镜片例如包括双凹透镜、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镜片的各种组合。本发明对投影镜头190的型态及其种类并不加以限制。
此外，在本实施例中，为方便调整激发光束EB及/或转换光束CB的光路，投影装置100内部可以选择性地增设一至多个反射镜M1～M3以及透镜L1～L8，但本发明并不特别限制反射镜及透镜的数量及设置位置。，其中光学棱镜组OA包括多个棱镜，其中的一棱镜标示为P。
于以下的段落中会详细地说明上述元件之间的配置关系以及在投影装置100中的光学行为。
请参照图1A与图1B，在本实施例中，波长转换元件120设置于激光光源110的光路下游。扩散元件130设置于波长转换元件120的光路下游。光学棱镜组OA设置于扩散元件130的光路下游且位于扩散元件130、第一光阀170与第二光阀180三者之间。分光元件150设置于滤光元件140的光路下游，且设置于(例如镀膜(coating)或涂层)光学棱镜组OA中其中一棱镜P的表面上。分光元件152设置于激光光源110的光路下游，且设置于扩散元件130的光路上游。匀光元件160设置于分光元件150与扩散元件130之间的光路。第一光阀170、第二光阀180设置于分光元件150的光路下游。投影镜头190设置于第一光阀170以及第二光阀180的光路下游。
详细来说，在投影装置100运作的过程中，波长转换元件120的波长转换区WCR与非波长转换区NWCR依序切入激光光束EB的传递路径上。并且，波长转换元件120与扩散元件130同步转动，以使在转动过程中第一区域R1与第二区域R2分别对应于波长转换区WCR与非波长转换区NWCR，亦即波长转换元件120的波长转换区WCR与扩散元件130的第一区域R1同时切入光束(例如激光光束EB及/或转换光束CB)的传递路径。
请参照图1A，在第一时间区间中，波长转换元件120的波长转换区WCR以及设置于第一区域R1上的滤光元件140切入激光光束EB的传递路径上，且扩散元件130的第一区域R1及设置于第一区域R1上的滤光元件140切入转换光束CB的传递路径上。因此，当激光光源110发出激光光束EB后，激光光束EB依序传递(以下各实施例省略各透镜及各反射镜的叙述)至分光元件152以及波长转换物质124。波长转换物质124被大部分的激光光束EB(约99％)激发出转换光束CB，由于波长转换物质124例如是黄色荧光胶层，故转换光束CB的峰値波长例如是落在黄光波长区间。接着，转换光束CB传递至分光元件152、滤光元件140、扩散元件130(第一区域R1)、匀光元件160、光学棱镜组OA以及分光元件150。转换光束CB例如穿透第一区域R1。分光元件150将通过第一区域R1与滤光元件140的转换光束CB(作为第一光束B1)分成两道峰値波长不同的第一子光束CB1(红光光束)与第二子光束CB2(绿光光束)。详细来说，分光元件150可使转换光束CB中的第一子光束CB1穿透，且将转换光束CB中的第二子光束CB2反射，藉此以分别导引第一子光束CB1与第二子光束CB2至第一光阀170与第二光阀180。第一光阀170将第一子光束CB1转换成第一影像光束IMB1，而第二光阀180将第二子光束CB2转换成第二影像光束IMB2。第一、第二影像光束IMB1、IMB2再被光学棱镜组OA导引至投影镜头190，投影镜头190再将第一、第二影像光束IMB1、IMB2投影至投影媒介(例如是投影幕)。
另一方面，在第一时间区间中，激光光束EB传递至波长转换元件120后，仍有少部分并未被波长转换物质124(约1％)所转换，故少部分的激光光束EB将传递至滤光元件140。由于滤光元件140用以滤除蓝光，故其可滤除在第一时间区间中的激光光束EB，而不会传递至后端的第一或第二光阀170、180。
请参照图1B，在第二时间区间中，非波长转换区NWCR(透光元件126)与扩散元件130的第二区域R2同时切入激光光束EB的传递路径上。因此，当激光光源110发出激光光束EB后，激光光束EB依序传递至分光元件152、透光元件126(非波长转换区NWCR)、分光元件152、扩散元件130(第二区域R2)、匀光元件160、光学棱镜组OA以及分光元件150。激光光束EB例如穿透透光元件126并传递至且穿透第二区域R2。分光元件150将通过第二区域R2的激发光束EB(作为第二光束B2)导引至第一、第二光阀170、180中的一个。详细来说，激发光束EB穿透分光元件150后传递至第一光阀170。第一光阀170将激发光束EB转换成第三影像光束IMB3。第三影像光束IMB3再被光学棱镜组OA导引至投影镜头190，投影镜头190再将第三影像光束IMB3投影至投影媒介。
承上述，在本实施例的投影装置100中，由于波长转换元件120的波长转换区WCR对应于扩散元件130的第一区域R1，且第一区域R1上设有可滤除激光光束EB的滤光元件140，故未被波长转换物质122转换的激光光束EB不易传递至后端的第一、第二光阀170、180，而影响投影装置100所投影出来的影像画面的色纯度，故投影装置100具有良好的光学品质。
在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的部分内容，省略了相同技术内容的说明，关于相同的元件名称可以参考前述实施例的部分内容，下述实施例不再重复赘述。
图4A与图4B分别为本发明的另一实施例在第一、第二时间区间的光路示意图。图5为另一实施例的波长转换元件的上视示意图。
请参照图4A与图4B，图4A与图4B实施例的投影装置100a大致上类似于图1A与图1B的投影装置100，其主要差异在于：波长转换元件的不同。请参照图5，在本实施例中，波长转换元件120a的非波长转换区NWCRa包括反射元件128。也就是说，非波长转换区NWCRa由反射元件128所界定，反射元件128系设置于转盘122的缺口NT。请同时参照图4A与图4B，投影装置100a更包括光学元件154，设置于分光元件152旁。光学元件154例如反射镜，但本发明不局限于此。在其他实施例，光学元件154例如为分光元件，用以反射激光光束EB且使其他光束穿透。在本实施例中，透镜的数量大幅减为三个透镜L9～L11。故，投影装置100a所占用的体积较小。
于以下的段落中会详细地说明在投影装置100a中的光学行为。
请参照图4A，在第一时间区间中，波长转换元件120a的波长转换区WCR切入激光光束EB的传递路径上，且扩散元件130的第一区域R1及滤光元件140切入转换光束CB的传递路径上。因此，当激光光源110发出激光光束EB后，激光光束EB依序传递至分光元件152以及波长转换物质124。大部分的激光光束EB传递至波长转换物质124而激发出转换光束CB。接着，转换光束CB再依序传递至分光元件152、滤光元件140、扩散元件130的第一区域R1、匀光元件160、光学棱镜组OA以及分光元件150。后续的光路类似于图1A的相关段落说明，于此不再赘述。
另一方面，在第一时间区间中，激光光束EB仍有少部分并未被波长转换物质124所转换。故少部分的激光光束EB被波长转换物质124(或转盘122)反射后，依序传递至分光元件152、光学元件154、分光元件152以及滤光元件140，此少部分的激光光束EB会被滤光元件140所滤除，而不会传递至后端的第一或第二光阀170、180。
请参照图4B，在第二时间区间中，波长转换元件120a的非波长转换区NWCRa(反射元件128)与扩散元件130的第二区域R2切入激光光束EB的传递路径上。因此，当激光光源110发出激光光束EB后，激光光束EB依序传递至分光元件152、反射元件128、分光元件152、分光元件154、分光元件152、扩散元件130的第二区域R2、匀光元件160、光学棱镜组OA以及分光元件150。激光光束EB被反射元件128反射后传递至且穿透第二区域R2。后续的光路类似于图1B的相关段落说明，于此不再赘述。
图6A与图6B分别为本发明的又一实施例在第一、第二时间区间的光路示意图。
图6A与图6B实施例的投影装置100b大致上类似于图1A与图1B的投影装置100，其主要差异在于：投影装置100b更包括补充光源CP，其用以发出补充色光束CPL。补充光源CP设于分光元件150的光路上游。于本实施例中，补充光源CP例如是红光光源，而补充色光束CPL的峰值波长所落在的波长区间例如是落在红光波长区间。此外，投影装置100b更包括控制器C，其用以控制补充光源CP发出光束与否。
于以下的段落中会详细地说明在投影装置100b中的光学行为。
请参照图6A，在第一时间区间中，光路类似于图1A的光路说明，于此不再赘述，其主要差异在于：控制器C控制补充光源CP于第一时间区间发出补充色光束CPL。补充色光束CPL被光学棱镜组OA导引至分光元件150。分光元件150将补充色光束CPL导引至第一光阀170与第二光阀180中的一个，例如由于补充色光束CPL为红光光束，故其可穿透分光元件150并与第一子光束CB1一起传递至第一光阀170，而一起被第一光阀170转换成第一影像光束IMB1，故可加强第一影像光束IMB1的光强度。特别说明的是，在本实施例中，光学元件M3例如是可使补充色光束CPL穿透且可反射其他波长光束的光学元件，但不限于此。
请参照图6B，在第二时间区间中，光路类似于图1B的光路说明，于此不再赘述。控制器C控制补充光源CP于第一时间区间不发出补充色光束CPL。
应注意的是，上述的补充光源CP、补充色光束CPL以红光光源与红光光束为例，但本领域的技术人员可依据设计需求来改变补充光源所发出的色光颜色。举例来说，于另一实施例中，补充光源CP亦可以为绿光元件，其所发出的补充色光束CPL例如是绿光光束，本发明并不局限于此。
综上所述，在本发明实施例的投影装置中，由于波长转换元件的波长转换区对应于扩散元件的第一区域，且第一区域上设有可滤除激光光束的滤光元件，故未被波长转换物质转换的激光光束不易传递至后端的第一、第二光阀，故投影装置具有良好的色纯度。
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依照本发明权利要求书及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，说明书摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索，并非用来限制本发明的权利范围。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。

Claims (10)

1.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括激光光源、波长转换元件、扩散元件、滤光元件、分光元件、第一光阀及第二光阀以及投影镜头，其中
所述激光光源用以发出激光光束；
所述波长转换元件设置于所述激光光源的光路下游，且所述波长转换元件具有波长转换区与非波长转换区，其中所述波长转换区与所述非波长转换区依序切入所述激光光束的传递路径上；
所述扩散元件设置于所述波长转换元件的光路下游，所述扩散元件具有第一区域与第二区域，所述扩散元件与所述波长转换元件同步转动，以使在转动过程中所述第一区域与所述第二区域分别对应于所述波长转换区与所述非波长转换区；
所述滤光元件设置于所述第一区域，其中所述滤光元件用以滤除所述激光光束；
所述分光元件设置于所述滤光元件的光路下游；
所述第一光阀与所述第二光阀设置于所述分光元件的光路下游，
其中，
所述分光元件用以将通过所述扩散元件的所述第一区域及所述滤光元件的第一光束中的第一子光束与第二子光束分别导引至所述第一光阀与所述第二光阀，以及所述分光元件用以将通过所述扩散元件的所述第二区域的第二光束导引至所述第一光阀与所述第二光阀中的一个；以及
所述投影镜头设置于所述第一光阀与所述第二光阀的光路下游。
2.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，
在第一时间区间内，所述波长转换区、所述扩散元件的所述第一区域及所述滤光元件切入所述激光光束的传递路径上，所述波长转换区被所述激光光束激发后发出转换光束，所述转换光束传递至所述第一区域与所述滤光元件，其中穿透所述第一区域的所述转换光束做为所述第一光束；
在第二时间区间内，所述非波长转换区与所述扩散元件的所述第二区域切入所述激光光束的传递路径上，并且所述激光光束依序传递至所述非波长转换区以及所述第二区域，穿透所述第二区域的所述激光光束做为所述第二光束。
3.根据权利要求2所述的投影装置，其特征在于，
所述非波长转换区包括反射元件，在所述第二时间区间内，所述激光光束被所述反射元件反射后传递至所述第二区域。
4.根据权利要求2所述的投影装置，其特征在于，
所述非波长转换区包括透光元件，在所述第二时间区间内，所述激光光束穿透所述透光元件后传递至所述第二区域。
5.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，
所述波长转换元件具有第一中心转轴，所述波长转换区及所述非波长转换区环绕所述第一中心转轴设置，所述波长转换区具有第一弧度，所述非波长转换区具有第二弧度，
所述扩散元件具有第二中心转轴，所述第一区域及所述第二区域环绕所述第二中心转轴设置，所述第一区域具有第三弧度，所述第二区域具有第四弧度，
其中，所述第一弧度与所述第三弧度相等，所述第二弧度与所述第四弧度相等。
6.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述第一区域与所述第二区域设有扩散结构。
7.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述投影装置还包括补充光源，用以发出补充色光束，所述补充光源设于所述分光元件的光路上游，其中所述分光元件将所述补充色光束导引至所述第一光阀与所述第二光阀中的一个。
8.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述投影装置还包括光学棱镜组，设置于所述扩散元件的光路下游且位于所述扩散元件、所述第一光阀与所述第二光阀三者之间，
其中所述分光元件设置于所述光学棱镜组中的其中一棱镜的表面上。
9.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述波长转换区包括波长转换物质。
10.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述投影装置还包括匀光元件，位于所述分光元件与所述扩散元件之间的光路上。
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