TW201333619A - 立體投影光源系統 - Google Patents

Abstract

本發明為一種立體投影光源系統，包含一光源模組、一色輪模組、二反射器以及一波段濾色器。光源模組設置於色輪模組之一可轉動的轉盤的一第一側，而二反射器及多波段濾色器則設置於轉盤與第一側相對的一第二側，且多波段濾色器位於二反射器之間，與二反射器光耦合。藉由此種配置，該立體投影光源系統可於不同時序，提供不同波段之光線至投影機的光閥，讓投影機得以投射出一左眼視角影像及右眼視角影像給使用者觀看，以構成一立體影像。

Description

立體投影光源系統

本發明為一光源系統，特別為一立體投影光源系統。

一般習知的立體投影光源系統，大多採用色輪或採用二液晶開關的方式，使一光源系統所產生的第一光線及第二光線分別被轉換成左右眼視角影像，最後再將轉換後的左右眼視角影像投射至觀看者視域上。

詳細而言，若以RGB色輪為例，採用色輪作為分光的光學元件時，色輪須具有至少六個濾色區，使左右眼各分配到三濾色區（紅色濾色區、綠色濾色區及藍色濾色區）。實際操作時，使用者僅需搭配一被動式眼鏡即可觀看到一立體影像。但此種配置的缺點在於，因色輪須至少涵蓋六個濾色區，使得色輪的體積難以縮小；換言之，此種配置將難以實現立體投影光源系統的微型化之目標。

另一方面而言，若採用液晶開關作為分光的方式，雖液晶開關操作上不需機構作動，故可克服機構上容易磨損的問題，但是卻具有需精準地操作液晶開關的問題，而所需的操作精準度也較色輪高；此外，更需在設計上特別考量注意同步的問題，否則會使用者無法觀看到一立體影像或是觀看到的立體影像的品質不佳。簡言之，使用液晶開關之立體投影光源系統較複雜，且成本不易降低。

因此，如何設計出可搭配被動式眼鏡、具有較低成本、精簡的光學配置、體積微型化或提升亮度之立體投影光源系統，乃為此業界亟需努力之目標。

本發明之一目的為提供一種精簡的光學配置的立體投影光源系統。而本發明之又一目的為提供一種體積微型化之立體投影光源系統。

為達上述目的，本發明所揭露的立體投影光源系統，包含一光源模組、一色輪模組、二反射器以及一多波段濾色器。光源模組設置於色輪模組之一可轉動的轉盤的一第一側，而二反射器及多波段濾色器則設置於轉盤與第一側相對的一第二側，且多波段濾色器位於二反射器之間，與二反射器光耦合。進一步而言，色輪模組之轉盤具有一濾色區及沿著轉盤徑向對稱濾色區設置的一反射區。濾色區隨著轉盤的轉動而與二反射器光耦合。

實際操作時，光源模組分別用以產生一第一光線及一第二光線。第一光線與第二光線分別具有一光路，而色輪模組之濾色區及反射區分別設置於二光路上。當第一光線或第二光線通過濾色區時，第一光線或第二光線中具有一第一波段的一第三光線可通過濾色區；而第三光線通過濾色區後，與二反射器的其中一個光耦合，被反射器反射而進入多波段濾色器。最後，多波段濾色器僅使第三光線之具有第二波段的一第四光線通過其中，並反射第三光線之具有第三波段的一第五光線；若第一光線或第二光線射入轉盤上之反射區時，則第一光線或第二光線被反射區反射。其中，第二波段及第三波段涵蓋於第一波段之中。

為了讓上述的目的、技術特徵和優點能夠更為本領域之人士所知悉並應用，下文係以本發明之數個較佳實施態樣以及附圖進行詳細的說明。

以下將透過實施方式來解釋本發明內容，本發明係關於一立體投影光源模組。需說明者，在下述實施態樣以及附圖中，關於實施方式之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以直接限制本發明，同時，以下實施態樣及圖式中，與本發明非直接相關之元件均已省略而未繪示；且圖式中各元件間之尺寸關係以及元件數量僅為求容易瞭解，非用以限制實際比例、實際大小及實際數量。

請一併參考第1至第4圖，第1圖及第2圖分別為本發明之立體投影光源系統之第一實施態樣於第一時序與第二時序之光路示意圖，第3圖為本發明之立體投影光源系統之第一實施態樣之色輪模組之前視圖，而第4圖則為本發明之立體投影光源系統之第一實施態樣之多波段濾波器之波長與穿透率之關係示意圖。

於第一實施態樣中，立體投影光源系統1可包含一光源模組12、一色輪模組14、二反射器16以及一多波段濾色器18。光源模組12可具有二光源122、124，且二光源122、124可分別產生一第一光線12A及一第二光線12B。該二光源122、124可分別為一高壓汞燈等可產生全色光(白光)的光源，故第一光線12A及第二光線12B分別為一全色光。

色輪模組14具有一可轉動的轉盤141及一致動器（圖未示出），該致動器連接轉盤141，並可轉動轉盤141。為了清晰顯示色輪模組14在立體投影光源系統1中與其他構件的相互搭配情況，僅繪示色輪模組14之轉盤141。

光源模組12可設置於色輪模組14的轉盤141的一第一側(例如前側)，而二反射器16及多波段濾色器18可設置於轉盤141的與第一側相對的一第二側(例如後側)。此外，色輪模組14之轉盤141更具有一濾色區142（如第3圖所示）及沿著轉盤141徑向地對稱設置的一反射區144（如第3圖所示）。本實施態樣中，色輪模組14之濾色區142更可具有一紅色濾光區、一綠色濾光區及一藍色濾光區。

二反射器16（162、164）可分別為一反射鏡，以至少反射紅光、綠光及藍光。此外，濾色區142隨著轉盤141的轉動，可與該二反射器16的其中一個光耦合。

需說明的是，前述或後述所提及的「光耦合」係泛指光學元件之間的光線相互傳遞的情形，也就是指，若兩光學元件光耦合，表示其中一光學元件發出的光線可傳遞至另一光學元件上。

多波段濾色器18可與二反射器16光耦合。多波段濾色器18可為一透明板，其上設置有多層光學鍍膜，以使多個特定波段的光線可通過其中，並使多個特定波段的光線反射。請參閱第4圖，本實施態樣中，多波段濾色器18可使藍色光線中的B2波段、綠色光線中的G2波段及紅色光線中的R2波段反射，而使藍色光線中的B1波段、綠色光線中的G1波段及紅色光線中的R1波段通過。

接著說明立體投影光源系統1的運作過程。為了易於理解及說明，立體投影光源系統1的運作過程被分成第一時序及第二時序來說明；此分法僅為說明上之便利，並非限制其操作的順序。實際操作時，第一時序與第二時序為交替切換之狀態。此外，為了方便理解，第1圖及第2圖中之不同波段之光線，皆採用不同的線段繪示。

請先參考第1圖及第3圖，於第一時序時，色輪模組14之反射區144轉動至對應光源122的位置，換言之，反射區144此時設置於第一光線12A之光路上，而光源122產生之第一光線12A將被反射區144反射；當第一光線12A被反射區144反射後，則會被其它元件（圖未示）遮蔽或吸收，無法通過轉盤141。

色輪模組14之濾色區142則是轉動至對應光源124的位置，換言之，此時濾色區142設置於第二光線12B之光路上，而光源124產生之第二光線12B將部分地通過濾色區142。詳言之，第二光線12B中具有一第一波段的一第三光線（圖中以虛線繪示）才能通過濾色區142，並非全部的第二光線12B皆通過濾色區142。

本實施態樣中，濾色區142具有綠色濾色區、紅色濾色區及藍色濾色區，故第一波段對應為綠光、紅光及藍光的波段。隨著轉盤141的轉動，綠色濾色區、紅色濾色區及藍色濾色區依序位於第二光線12B之光路，而可通過濾色區142的第三光線將依序為綠光、紅光及藍光；若濾色區142另具有一黃光濾色區時，第三光線還可為一黃光。

通過濾色區142的第三光線會傳遞至反射器162，然後被反射器162反射而抵達至多波段濾色器18。接著，多波段濾色器18使第三光線中具有一第二波段的一第四光線（圖中以粗框線之箭頭繪示）通過，第三光線中具有其餘波段的光線則會被多波段濾色器18反射。第二波段為第4圖所示的B1、G1或R1波段，故第四光線仍為綠光、紅光或藍光，而第四光線的第二波段涵蓋於第三光線的第一波段中。

第四光線接著傳遞至反射器164，被反射器164反射而進入一投影機的光閥（DMD、LCD或LCoS，圖未示），使投影機投射出一視角影像（例如左眼視角影像）。

請接著參考第2圖及第3圖，於第二時序時，色輪模組14之反射區144轉動至對應光源124的位置，換言之，反射區144此時設置於第二光線12B之光路上，而第二光線12B會被反射區144反射而無法通過轉盤141。濾色區142則是轉動至對應光源122的位置，亦即設置於第一光線12A之光路上。與第一時序的第二光線12B相似，只有第一光線12A中具有第一波段的第三光線（圖中以虛線繪示）可通過濾色區142。

通過濾色區142的第三光線會被反射器164反射而傳遞至多波段濾色器18；接著，第三光線中具有第三波段的一第五光線（圖中以粗框實線之箭頭繪示）被多波段濾色器18反射，而第三光線中具有其餘波段的光線則會穿過多波段濾色器18。第三波段為第4圖所示的B2、G2或R2波段，故第五光線仍為綠光、紅光或藍光，而第五光線的第三波段涵蓋於第三光線的第一波段中。

爾後，第五光線傳遞至反射器164，然後被反射器164反射而進入投影機的光閥，使投影機投射出另一視角影像（例如右眼視角影像）。

簡言之，藉由以上配置，於不同時序中，投影機之光閥可分別接收到具有第二波段的第四光線及具有第三波段之第五光線，並將第四光線與第五光線分別形成左眼視角影像及右眼視角影像，投射給使用者觀看。使用者可藉由配戴具有特殊濾色器的眼鏡，來使左眼只看到該左眼視角影像，而右眼指看到右眼視角影像，然後在腦中構成一立體影像。

立體投影光源系統1更可於反射器164之一側，設置與反射器164光耦合之一均光元件19，以使第四光線與第五光線進入投影機之光閥前可先均勻化。均光元件19可為一陣列透鏡（lens array）、一蠅眼透鏡（fly lens）、一集光柱（integration rod）或一光導管（light tunnel）。

此外，立體投影光源系統1更可包含二第一透鏡17，此二第一透鏡17沿著色輪模組14之轉盤141的軸向對稱地設置，且此二第一透鏡17設置於多波段濾色器18的相反的兩側。此二透鏡17可將第四光線或第五光線準直。

請參考第5圖及第6圖，分別為本發明之立體投影光源系統之第二實施態樣之第一時序與第二時序之光路示意圖。與第一實施態樣的立體投影光源系統1相似處在於，第二實施態樣之立體投影光源系統2亦包含一光源模組22、一色輪模組24、二反射器26以及一多波段濾色器28，且光源模組22也具有二光源222、224，可分別產生一第一光線及一第二光線。

與立體投影光源系統1相異處有二：第一，立體投影光源系統2之光源222、224夾一角度，斜向設置於色輪模組24之轉盤241之第一側；第二，立體投影光源系統2更包含一光再循環元件組23，設置於二光源222、224與色輪模組24之轉盤241之間。

光再循環元件組23可將被色輪模組24的反射區（同第3圖所示）被反射的第一或第二光線引導至色輪模組24的濾色區（同第3圖所示）。光再循環元件組23可包含二全內反射稜鏡（TIR prism）232、234及二透鏡236，其中，二全內反射稜鏡232、234與二透鏡236分別沿著轉盤241的軸向對稱地設置，且二透鏡236設置於二全內反射稜鏡232、234之間。

光再循環元件組23的功用將更詳細說明如下。請參閱第5圖，立體投影光源系統2運作於第一時序時，色輪模組24之反射區轉動至對應光源222的位置，使光源222所發出之第一光線被色輪模組24之反射區反射；然而，被反射區反射的第一光線可藉由光再循環元件組23引導至色輪模組24之濾色區。

相似地，請參閱第6圖，立體投影光源系統2運作於第二時序時，色輪模組24之反射區轉動至對應光源224的位置，使得光源224所發出之第二光線被色輪模組24之反射區反射；然而，被反射區反射的第一光線可藉由光再循環元件組23引導至色輪模組24之濾色區。

由上述可知，藉由光再循環元件組23，第一光線及第二光線皆可到達色輪模組24之濾色區，以部分地通過色輪模組24之濾色區。因此，立體投影光源系統2所輸出至投影機的光閥的光線的亮度可大幅增加。

到達色輪模組24之濾色區後的第一光線及第二光線如何與濾色區作用，與第一實施態樣的相似，故將省略說明之。

請參考第7至第9圖，第7圖及第8圖為本發明之立體投影光源系統之第三實施態樣之第一時序與第二時序之光路示意圖，第9圖則為本發明之立體投影光源系統之第三實施態樣之光源模組之分光元件組之部分示意圖。

本實施態樣的立體投影光源系統3也包括色輪模組34、多波段濾色器38及反射器等與立體投影光源系統1或2相似的元件，而立體投影光源系統3與立體投影光源系統1、2相異處在於：立體投影光源系統3僅使用一光源32搭配一分光元件組33，來達成與立體投影光源系統1、2相似的功能。

詳細而言，立體投影光源系統3之光源模組包含一光源32及一分光元件組33。光源32可產生一光線，分光元件組33與光源32光耦合，且分光元件組33設置於光源32與轉盤341之間（皆設置於色輪模組34的轉盤341之第一側），用以將光源32所產生的光線分割成第一光線及第二光線。

分光元件組33可包含：一第一反射器331、一全內反射稜鏡332、一第二反射器333及二透鏡334；其中，全內反射稜鏡332設置於第一反射器331及第二反射器332之間，二透鏡334則沿著色輪模組34之轉盤341的軸向對稱地設置，且二透鏡334設置於全內反射稜鏡332及第二反射器333之間。

請參考第9圖，依據全內反射稜鏡332之特性，入射角大於臨界角之光線將被全內反射稜鏡332的空氣層反射，反之則穿透。利用此特性，光源32所產生的光線即可分割成第一光線及第二光線。

請參考第7圖，立體投影光源系統3運作於第一時序時，光源32與色輪模組34之反射區（同第3圖所示）相對，而光源32所產生的光線先進入分光元件組33之全內反射稜鏡332。

光線中入射角大於全內反射稜鏡332的臨界值的第二光線會被反射，傳遞至第一反射器331，然後再次進入全內反射稜鏡332中。此時第二光線的入射角小於臨界角，故第二光線將會穿透全內反射稜鏡332。藉由二透鏡334之調整後，第二光線被第二反射器333反射，抵達至色輪模組34之濾色區。

光源32所產生的光線中的第一光線因為入射角小於全內反射稜鏡332的臨界角，故第一光線可直接穿透全內反射稜鏡332，然後被色輪模組34之反射區反射。被反射的第一光線會再次進入全反射稜鏡332，被全反射稜鏡332及第二反射器33引導至色輪模組332之濾色區(同第3圖所示)。

請參考第8圖，立體投影光源系統3運作於第二時序時，光源32與色輪模組34之濾色區相對，而光源32所產生的光線被分光元件組33分成第一光線及第二光線。第二光線會傳遞至色輪模組34之濾色區，而第一光線會傳遞至色輪模組34之反射區。第一光線被反射區141反射後，經由分光元件組33的導引，可傳遞至色輪模組34之濾色區。

由上述可知，無論是第一時序或是第二時序，光源32所產生的光線皆會抵達至色輪模組34之濾色區，而非如第一實施態樣之立體投影光源系統1在任一時序內只有第一光線或第二光線才可抵達濾色區，因此立體投影光源系統3輸出至投影機的光閥的光線的亮度也可大幅增加。

抵達色輪模組34之濾色區後的第一光線及第二光線如何與濾色區作用，與第一實施態樣的相似，故將省略說明之。

請參考第10圖，為本發明之立體投影光源系統之色輪模組之轉盤之又一實施態樣之示意圖。與第一實施態樣之色輪模組14相異處在於：本實施態樣之色輪模組的轉盤441的反射區444亦具有三部分，與濾色區442的三部分間隔地設置；濾色區442及反射區444依然沿著轉盤441的徑向對稱地設置。轉盤441應用於立體投影光源系統1、2或3時，也可達成與轉盤141一樣的功能、作用。

綜上所述，本發明之立體投影光源系統可於不同時序時，將不同波段的光線傳遞至投影機的光閥，使得投影機得以投射出一左眼視角影像及一右眼視角影像給使用者觀看。此外，本發明之立體投影光源系統至少具有較低製造成本、精簡的光學配置、體積微型化及提升輸出光線的亮度之功效。

上述之實施態樣僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

1、2、3．．．立體投影光源系統

12、22、32．．．光源模組

122、124、222、224、32．．．光源

12A．．．第一光線

12B．．．第二光線

14、24、34．．．色輪模組

141、241、341、441．．．轉盤

142．．．濾色區

144．．．反射區

16、26．．．二反射器

162、164．．．反射器

17．．．第一透鏡

18、28、38．．．多波段濾色器

19．．．均光元件

23．．．光再循環元件組

232、234．．．全反射稜鏡

236．．．透鏡

33．．．分光元件組

331．．．第一反射器

332．．．全內反射鏡

333．．．第二反射器

334．．．透鏡

第1圖係為本發明之立體投影光源系統之第一實施態樣於第一時序之光路示意圖；

第2圖係為本發明之立體投影光源系統之第一實施態樣於第二時序之光路示意圖；

第3圖係為本發明之立體投影光源系統之第一實施態樣之色輪模組之轉盤之前視圖；

第4圖則為本發明之立體投影光源系統之第一實施態樣之多波段濾波器之波長與穿透率之關係示意圖；

第5圖係為本發明之立體投影光源系統之第二實施態樣於第一時序之光路示意圖；

第6圖係為本發明之立體投影光源系統之第二實施態樣於第二時序之光路示意圖；

第7圖係為本發明之立體投影光源系統之第三實施態樣於第一時序之光路示意圖；

第8圖係為本發明之立體投影光源系統之第三實施態樣於第二時序之光路示意圖；

第9圖係為本發明之立體投影光源系統之第三實施例之分光元件組之部分元件之示意圖；以及

第10圖係為本發明之立體投影光源系統之色輪模組之轉盤之又一實施態樣之前視圖。

2．．．立體投影光源系統

22．．．光源模組

222、224．．．光源

23．．．光再循環元件組

232、234．．．全反射稜鏡

236．．．透鏡

24．．．色輪模組

241．．．轉盤

26．．．反射器

28．．．多波段濾色器

Claims (11)

1. 一立體投影光源系統，包含：
   　　一光源模組，用以分別產生一第一光線及一第二光線；
   　　一色輪模組，具有一可轉動的轉盤，該光源模組設置於該轉盤的一第一側，該轉盤具有一濾色區及一反射區，該濾色區及該反射區沿著該轉盤的一徑向對稱地設置，且該轉盤轉動時，該濾色區設置於該第一光線及該第二光線的任一光路上，同時該反射區設置於該第一光線及該第二光線的另一光路上，該濾色區用以讓該第一光線或第二光線中具有一第一波段的一第三光線通過其中，而該反射區用以反射該第一光線或第二光線；
   　　二反射器，設置於該轉盤與該第一側相對的一第二側，該濾色區隨著該轉盤的轉動而與該二反射器的其中一個光耦合；以及
   　　一多波段濾色器，設置於該轉盤的第二側，位於該二反射器之間，且與該二反射器光耦合，該多波段濾色器用以讓該第三光線中的具有一第二波段的一第四光線通過其中，並用以反射該第三光線中的具有一第三波段的一第五光線，而該第二波段及該第三波段涵蓋於該第一波段中。
2. 如請求項1所述之立體投影光源系統，其中該第三光線為紅光、綠光、黃光或藍光。
3. 如請求項1所述之立體投影光源系統，其中該光源模組包含二光源，分別用以產生該第一光線及該第二光線。
4. 如請求項3所述之立體投影光源系統，其中該光源模組更包含一光再循環元件組，設置於該二光源與該轉盤之間，用以將被該轉盤的反射區反射的該第一光線或該第二光線引導至該轉盤的濾色區。
5. 如請求項4所述之立體投影光源系統，其中該光再循環元件組包含二全內反射稜鏡（TIR prism），該二全內反射稜鏡沿著該轉盤的一軸向對稱地設置。
6. 如請求項5所述之立體投影光源系統，其中該光再循環元件組更包含二透鏡，該二透鏡沿著該轉盤的軸向對稱地設置，且該二透鏡設置於該二全內反射稜鏡之間。
7. 如請求項1所述之立體投影光源系統，其中該光源模組包含一光源以及一分光元件組，該光源用以產生一光線，該分光元件組與該光源光耦合，並設置於該光源與該轉盤之間，用以將該光源所產生的光線分割成該第一光線及該第二光線。
8. 如請求項7所述之立體投影光源系統，其中該分光元件組包含一全內反射稜鏡、一第一反射器及一第二反射器，該全內反射稜鏡設置於該第一反射器及該第二反射器之間。
9. 如請求項8所述之立體投影光源系統，其中該分光元件組更包含二透鏡，該二透鏡沿著該轉盤的軸向對稱地設置，且該二透鏡設置於該全內反射稜鏡及該第二反射器之間。
10. 如請求項1至9的任一項所述之立體投影光源系統，更包含一均光元件，與該二反射器的其中一個光耦合，該均光元件為一陣列透鏡（lens array）、一蠅眼透鏡（fly lens）、一集光柱（integration rod）或一光導管（light tunnel）。
11. 如請求項1至9的任一項所述之立體投影光源系統，更包含二第一透鏡，該二第一透鏡沿著該轉盤的軸向對稱地設置，且該二第一透鏡設置於該多波段濾色器的相反的兩側。