TW201339641A - 用於一投影裝置之光學模組及投影裝置 - Google Patents

Abstract

一種光學模組，包含一曲面反射元件、一第一濾光元件、一第二濾光元件以及一時序控制單元。該曲面反射元件具有一焦點、一穿透部、一第一反射部及一第二反射部。時序控制單元具有一第一轉換部與一第二轉換部。一第一波段光線射入該穿透部且通過該第一轉換部並轉換為一第二波段光線，該第二波段光線並經由該第二反射部及該第一濾光元件轉換為一第一出射光線，該第一波段光線另射入該穿透部且通過該第二轉換部轉換為該第二波段光線，該第二波段光線並經由該第一反射部及該第二濾光元件轉換為一第二出射光線。

Description

用於一投影裝置之光學模組及投影裝置

本發明係關於一種光學模組及應用該光學模組之投影裝置，尤其係關於一種利用曲面反射元件以簡化光路架構，且降低成本的光學模組及3D投影裝置。

固態光源如發光二極體（Light emitting diode，LED）或雷射（Laser diode，LD）雖然具有使用壽命長、體積小以及不含汞等優點，然而當應用為投影裝置之發光光源時，固態光源所提供的亮度與傳統高壓汞燈相比，兩者間仍存在有相當大差距。因此，固態光源的利用雖然已經愈趨普遍，但在投影領域中仍還未可全面取代掉傳統的高壓汞燈。

　另一方面，為使投影裝置裡的發光光源得以均勻地投射出紅、藍、綠三原色光以供設置於投影裝置內部之一合光總成進行合光作業，於先前技術中多採用下列兩種方式進行紅、藍、綠三原色光之輸出：第一種方式係利用固態光源投射出一白光，並使該白光通過具有紅、藍、綠三色之色輪，從而個別產生相對應之紅、藍、綠三時序光之方式進行合光輸出；第二種則為利用固態光源之藍光雷射，用以激發塗佈在旋轉轉盤上之螢光粉以產生紅、藍、綠或黃色光之方式，藉著將該藍光雷射所發出之藍色光與該紅、綠或黃色光進行合光後輸出，從而獲得所需之影像。

然而，上述兩種方式雖皆可利用固態光源所發射之光束形成紅、藍、綠三色光或再加上黃色光以完成合光作業，不過由於光源先天光學特性的限制，上述兩種合光方式所得之光線皆較為發散，效率也不高。尤其為了在單一台投影機進行立體影像之分光處理，係利用一旋轉濾光轉輪與色輪同步轉動以交互提供不同波長區域的分光影像給左、右眼，以達到左眼接收左影像，右眼接收右影像，而產生立體影像。

然而無論是轉動速率及轉動角度，傳統立體成像技術的旋轉濾光轉輪難以與色輪達到最佳的旋轉一致性。有鑑於此，如何解決濾光轉輪與色輪的同步乃為此一業界亟待解決的問題。

本發明之一目的在於提供一種利用曲面反射元件可簡化光路架構，並解決左右眼影像不同步，且降低成本的光學模組及投影裝置。

為達上述目的，本發明的光學模組包含一曲面反射元件、一第一濾光元件、一第二濾光元件以及一時序控制單元。該曲面反射元件具有一焦點，且具有一穿透部、一第一反射部及一第二反射部。該穿透部設置於該第一反射部上。該第二濾光元件設置於該第一濾光元件之一側。該時序控制單元具有一第一轉換部與一第二轉換部，該第一轉換部與該第二轉換部係分別設有一波段轉換元件，且該第一轉換部與該第二轉換部係分別於一第一時間區間與一第二時間區間通過該焦點。於該第一時間區間內，一第一波段光線射入該穿透部且通過該第一轉換部並轉換為一第二波段光線，該第二波段光線並經由該第二反射部及該第一濾光元件轉換為一第一出射光線。於該第二時間區間內，該第一波段光線射入該穿透部且通過該第二轉換部轉換為該第二波段光線，該第二波段光線並經由該第一反射部及該第二濾光元件轉換為一第二出射光線。

為達上述目的，本發明的一種投影裝置包含至少一第一光源，提供一第一波段光線，至少一第二光源，提供一第三波段光線，如前所述之光學模組，用來將該第二波段光線轉換為反向偏移該預設波段之該第一出射光線，及正向偏移該預設波段之該第二出射光線，以及一均光元件，用來均勻該第三波段光線、該第一出射光線及該第二出射光線及該第二波段光線，並透過一光調變器與一鏡頭組依時序傳送該第一出射光線及該第二出射光線。

為讓上述目的、技術特徵、和優點能更明顯易懂，下文係以較佳實施例配合所附圖式進行詳細說明。

請參閱第1圖，第1圖為本發明實施例之一投影裝置10之示意圖。投影裝置10包含有一第一光源12、一第二光源14、一光學模組16、一均光元件18、一反射鏡模組19、一光調變器20以及一鏡頭組22。

第一光源12將所發射之雷射光線經由反射鏡模組19反射後行進至第二集光元件38以進行匯聚，以提供匯聚後之一第一波段光線121，該反射鏡模組19係包括至少一至複數個對應第一光源12之反射鏡所構成。於一第一時間區間內，光學模組16可將第一波段光線121轉換為一第二波段光線122，並將第二波段光線122反向偏移一預設波段W，以轉換一第一出射光線123；而於一第二時間區間內，光學模組16可將第二波段光線122正向偏移預設波段W，以轉換一第二出射光線124。藉此，第一出射光線123與第二出射光線124可依時序區分為左、右眼之影像，並經過光調變器20與鏡頭組22輸出後，使觀看者藉由3D眼鏡即可見得立體影像。

第二光源14可提供一第三波段光線141，其作用為補足第一波段光線121所欠缺之光強度與色彩彩度。舉例來說，第一光源12為一短波藍光發射器，光學模組16可將短波藍光激發為綠光、紅光及黃光波段的光線，因此第二光源14另可為一長波藍光發射器，用來補充第一波段光線121利用光學模組16所產生光色彩所缺乏之藍光波段。

此外，均光元件18可用來均勻第一出射光線123、第二出射光線124及第三波段光線141，而均勻後的第一出射光線123、第二出射光線124及第三波段光線141接著由光調變器20與鏡頭組22輸出，以形成具有完整色彩資訊的立體影像。其中，均光元件18可為一陣列透鏡或一蠅眼透鏡。於此實施例中，光調變器20係包含一數位微鏡裝置或一液晶顯示裝置，而於其他較佳實施例中，更可搭配使用至少一三角稜鏡20b或透鏡組20c，並不以此實施例為限。

光學模組16包含有一曲面反射元件24、一第一濾光元件26、一第二濾光元件28、一光反射元件30以及一時序控制單元32。曲面反射元件24具有一焦點241、一穿透部242、一第一反射部243與一第二反射部244。焦點241位於第一反射部243及第二反射部244之間，且穿透部242設置於第一反射部243上，因此第一波段光線121可經由穿透部242進入曲面反射元件24內部並照射至焦點241。

詳細來說，時序控制單元32可至少由一轉軸321與一轉盤322所組成。為清楚說明轉盤322之實施態樣，請一併參閱第2圖，第2圖為本發明實施例之時序控制單元32之轉盤322的示意圖。

如第1圖及第2圖所繪示，轉盤322大體上可區隔為兩半部，亦即設置於轉盤322之一第一面(正面)之第一轉換部322A及設置於轉盤322之一第二面(反面)之第二轉換部322B，其中第一轉換部322A及第二轉換部322B分別設有一波段轉換元件34，且第一轉換部322A與第二轉換部322B係分別於一第一時間區間與一第二時間區間通過曲面反射元件之焦點。

需留意，第1圖之實施例僅顯示以通過焦點241之部分波段轉換元件34及另一半部之部分波段轉換元件34作為代表來說明，至於設置於轉盤322上之其它部份之波段轉換元件34則於圖式中簡化暫不繪製，惟此簡化並非用以限定本發明轉盤322上波段轉換元件34的多種變化實施態樣。

具體來說，本實施例之第一轉換部322A包含一第一綠光轉換區部3221、一第一紅光轉換區3223、一第一黃光轉換區3225及一透光區3227，且第二轉換部322B包含一第二綠光轉換區3222、一第二紅光轉換區3224、一第二黃光轉換區3226以及一反射區3228。

詳言之，波段轉換元件34可包含子波段轉換元件34G、34R、34Y，其中六個轉換區3221、3222、3223、3224、3225、3226可分別設置有相對應的子波段轉換元件34G、34R、34Y，例如綠光、紅光與黃光螢光物質（phosphor），至於透光區3227以及反射區3228則不設置任何子波段轉換元件。轉盤322配合對應的時間區間，可使各轉換區於轉盤322轉動時依序通過曲面反射元件24之焦點241，以使第一波段光線121可通過穿透部242而激發位於各轉換區上的子波段轉換元件34R、34G、34Y，或是經透光區3227、反射區3228，進而形成第二波段光線122。

更進一步來說，當第一波段光線121於一時間區間內激發子波段轉換元件34R時，第二波段光線122即具有紅光波長；當第一波段光線121於另一時間區間內激發子波段轉換元件34G時，第二波段光線122即具有綠光波長；當第一波段光線121於又一時間區間內激發子波段轉換元件34Y時，第二波段光線122即具有黃光波長。

於此實施例中，轉盤322的基板為透明介質，且可區分為第一面(正面)以及第二面(反面)，轉盤332之反面係設置鄰近曲面反射元件24之穿透部242。轉盤322之正面設置第一綠光轉換區3221、第一紅光轉換區3223、第一黃光轉換區3225以及透光區3227，第一綠光轉換區3221、第一紅光轉換區3223、第一黃光轉換區3225係分別設置綠光、紅光與黃光螢光物質（phosphor），而透光區3227不設置任何物質僅為透明基板之一區塊。

因此，第一波段光線121可照射至第一轉換部322A之各轉換區（3221、3223與3225）及透光區3227，第一波段光線121可激發各轉換區（3221、3223與3225）上的子波段轉換元件（例如34G、34R、34Y），而轉換為一第二波段光線122，並再經第一濾光元件26以形成一第一出射光線123。特別說的是，於本實施例中，直接穿透透光區3227的第一波段光線121係可提供具藍光波段之光線。

舉例來說，第1圖已繪示第一波段光線121依時序照射至第一綠光轉換區3221與第一紅光轉換區3223上之波段轉換元件34（例如第2圖子繪示的子波段轉換元件34G、34R）後所依序激發之兩道光線，該兩道光線為分別具有綠光波長及紅光波長的第二波段光線122，接著再依序轉換成第一出射光線123。

如第2圖所示，轉盤322之反面設置第二綠光轉換區3222、第二紅光轉換區3224、第二黃光轉換區3226，以及反射區3228，其中該等轉換區具有反射鏡面並分別設置綠光、紅光與黃光螢光物質，而該反射區3228僅具有反射鏡面3228a而不設置任何物質。

因此當第一波段光線121照射至轉盤322反面的各轉換區(3222、3224與3226），即可利用其上之子波段轉換元件34G、34R、34Y依序各自轉換成一第二波段光線122，接著再轉換成一第二出射光線124，至於反射區3228之反射鏡面3228a則可將具藍光波段之第一波段光線121於反射區3228直接反射。

舉例來說，第1圖已繪示第一波段光線121依時序照射至第二綠光轉換區3222與第二紅光轉換區3224上之波段轉換元件34（例如子波段轉換元件34G、34R）後依序所激發出之兩道光線，該兩道光線為分別具有綠光波長及紅光波長的第二波段光線122，並再經第二濾光元件28以轉換成一第二出射光線124。

再回到第1圖，詳細介紹光學模組16於投影裝置10中之光行路徑及各光學元件之功能。光學模組16另包含有一第一集光元件36，且投影裝置10另包含一第二集光元件38與一第三集光元件40。第一集光元件36設置於光反射元件30與第一濾光元件26及第二濾光元件28之間。第二集光元件38設置於第一光源12與曲面反射元件之間24。第三集光元件40設置於均光元件18與第一濾光元件26及第二濾光元件28之間。各集光元件（36、38與40）之功能為延長光路，以利於光學元件之間有效地傳遞各波段光線。

如第1圖及第2圖所示，首先，於該第一時間區間內，第一波段光線121（短波藍光）自第一光源12發出，透過第二集光元件38匯聚並傳送至曲面反射元件24，並射入穿透部242而通過位於焦點241之第一轉換部322A。藉由設置在第一轉換部322A之第一綠光轉換區部3221的波段轉換元件34（例如子波段轉換元件34G），第一波段光線121可先被轉換為一具有綠光波長之第二波段光線122，接著經由轉盤322以傳遞至第二反射部244，依序經由第二反射部244與光反射元件30進入第一濾光元件26，且同時利用第一濾光元件26的波段平移特性而將此第二波段光線122正反向偏移預設波段W，以轉換為一第一出射光線123。

另一方面，隨著時序控制單元32的快速旋轉，於該第二時間區間內，第一波段光線121接著可照射至位於焦點241的第二綠光轉換區3222。於此實施例中，設定第一綠光轉換區部3221與第二綠光轉換區3222分別位於轉盤322之徑向邊緣的相對面位置，且設置同樣色彩的子波段轉換元件（例如兩具綠色螢光粉之子波段轉換元件34G）。第二綠光轉換區3222及其子波段轉換元件34G可將第一波段光線121轉換為另一具有綠光波長之第二波段光線122，並利用轉盤322之反射鏡面而反射至第一反射部243，接著依序經由第一反射部243與光反射元件30進入第二濾光元件28，且利用第二濾光元件28的波段平移特性而將第二波段光線122正向偏移預設波段W，以轉換為一第二出射光線124。

其中，光反射元件30可設置於曲面反射元件24與第一濾光元件26及第二濾光元件28之間，且第二濾光元件28可平行排列於第一濾光元件26之一側，以使第一濾光元件26與第二濾光元件28可批次地接收第二波段光線122，用以分別形成經反向及正向偏移預設波段W之第一出射光線123與第二出射光線124。第一集光元件36可將來自光反射元件30之第二波段光線122穩定地分別傳遞至第一濾光元件26和第二濾光元件28，用以分別形成第一出射光線123與第二出射光線124。第三集光元件40則可將經反向、正向偏移的第一出射光線123與第二出射光線124，以及來自第二光源14的第三波段光線141穩定地傳遞至均光元件18，故本發明之光學模組16可將第一出射光線123、第二出射光線124及第三波段光線141維持較一致的光行進方向與入射角度來進入光調變器20及鏡頭組22，藉此形成高品質的立體影像。

請參閱第3圖，第3圖為本發明實施例之第二波段光線122經反向、正向偏移預設波段W後形成之第一出射光線123與第二出射光線124的部分光譜比較圖。各色彩（例如紅色、綠色及藍色）的波段和人眼所能觀察到的波段範圍相比係相對狹小，因此本發明之光學模組16即利用第一濾光元件26與第二濾光元件28使具有綠色、紅色或黃色波長的第二波段光線122分別反向及正向偏移（亦即如第3圖所示之左右雙向）預設波段W，以形成第一出射光線123與第二出射光線124。藉此，觀察者的左、右眼得以利用波長偏移量來區分左右眼的影像，並可保持影像之原色，進一步視得立體影像。

如第3圖所示，紅光的波長（λ）範圍約為620-750nm，綠光的波長範圍約為495-570nm，且藍光的波長範圍約為450-495nm。第一濾光元件26與第二濾光元件28分別將各色光的第一出射光線123及第二出射光線124，選擇性地以波長範圍之均值為中點，進行反向及正向（減少與增加）波段邊移，以於保持原有色光的同時，亦可據此有效區分左右眼影像的差異。

曲面反射元件24可具有一雙曲面，例如第一反射部243與第二反射部244，且雙曲面可選擇性為一橢球面或一拋物面。波段轉換元件34（螢光物質或磷光物質）可放置於雙曲面的焦點241。光學模組16將第一波段光線121分別於第一及第二時間區間分別轉換成第一出射光線123與第二出射光線124，且藉由第一濾光元件26與第二濾光元件28之設置，第一出射光線123及第二出射光線124係分別相對於第二波段光線122沿著反向與正向偏移預設波段W來區分左右眼的影像。

再者，各波段轉換元件34僅包含綠光、紅光及黃光螢光物質，因此光學模組16另將第二光源14之第三波段光線141以平行於經偏移預設波段W的第一出射光線123與第二出射光線124的方向輸出，如第1圖所示，因此自第三集光元件40傳輸至均光元件18的光束即可包含有藍光、綠光、黃光與紅光等波段的光線，且左右眼影像（分別偏移預設波段W的第一出射光線123及第二出射光線124，部分如第3圖所繪示）可透過均光元件18、光調變器20與鏡頭組22組合而成具完整色彩資訊的立體影像。

綜上所述，本發明之光學模組係將第一波段光線（短波藍光）依序打入時序控制單元之第一及第二轉換部，藉由其轉盤以一預定速率轉動，以使第一波段光線可激發各波段轉換元件上之多種螢光物質，分別生成數道第二波段光線（綠光、黃光與紅光），且各第二波段光線可依據時序控制單元之透明介質及反射鏡面之設計而依循光學模組的光路而分別傳遞到第一濾光元件與第二濾光元件，藉此轉換為沿著反向及正向偏移預設波段的第一出射光線及第二出射光線，以區分左右眼影像。接著，第三波段光源（長波藍光）可自第一濾光元件與第二濾光元件後始加入投影裝置的光路，用以補足第二波段光線所欠缺的藍光波段，最後右眼影像（正向偏移預設波段的第二出射光線）及左眼影像（反向偏移預設波段的第一出射光線）再透過均光元件、光調變器與鏡頭組，形成具有完整色彩資訊（光之三原色）的立體影像。

上述之實施例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。

10．．．投影裝置

12．．．第一光源

121．．．第一波段光線

122．．．第二波段光線

123．．．第一出射光線

124．．．第二出射光線

14．．．第二光源

141．．．第三波段光線

16．．．光學模組

18．．．均光元件

19．．．反射鏡模組

20．．．光調變器

20a．．．數位微鏡裝置

20b．．．三角稜鏡

20c．．．透鏡組

22．．．鏡頭組

24．．．曲面反射元件

241．．．焦點

242．．．穿透部

243．．．第一反射部

244．．．第二反射部

26．．．第一濾光元件

28．．．第二濾光元件

30．．．光反射元件

32．．．時序控制單元

321．．．轉軸

322．．．轉盤

322A．．．第一轉換部

322B．．．第二轉換部

3221．．．第一綠光轉換區

3222．．．第二綠光轉換區

3223．．．第一紅光轉換區

3224．．．第二紅光轉換區

3225．．．第一黃光轉換區

3226．．．第二黃光轉換區

3227．．．透光區

3228．．．反射區

3228a．．．反射鏡面

34．．．波段轉換元件

34G、34R、34Y．．．子波段轉換元件

36．．．第一集光元件

38．．．第二集光元件

40．．．第三集光元件

W．．．預設波段

λ．．．波長

第1圖為本發明實施例之投影裝置之示意圖；

第2圖為本發明實施例之時序控制單元之轉盤的示意圖；以及

第3圖為本發明實施例之第二波段光線經反向、正向偏移預設波段W後形成之第一出射光線與第二出射光線的部分光譜比較圖。

10．．．投影裝置

12．．．第一光源

121．．．第一波段光線

122．．．第二波段光線

123．．．第一出射光線

124．．．第二出射光線

14．．．第二光源

141．．．第三波段光線

16．．．光學模組

18．．．均光元件

19．．．反射鏡模組

20．．．光調變器

20a．．．數位微鏡裝置

20b．．．三角稜鏡

20c．．．透鏡組

22．．．鏡頭組

24．．．曲面反射元件

241．．．焦點

242．．．穿透部

243．．．第一反射部

244．．．第二反射部

26．．．第一濾光元件

28．．．第二濾光元件

30．．．光反射元件

32．．．時序控制單元

321．．．轉軸

322．．．轉盤

34．．．波段轉換元件

36．．．第一集光元件

38．．．第二集光元件

40．．．第三集光元件

Claims (14)

1. 一種應用於一投影裝置之光學模組，包含：
   　　一曲面反射元件，具有一焦點，且具有一穿透部、一第一反射部及一第二反射部，該穿透部設置於該第一反射部上；
   　　一第一濾光元件；
   　　一第二濾光元件，設置於該第一濾光元件之一側；以及
   　　一時序控制單元，具有一第一轉換部與一第二轉換部，該第一轉換部與該第二轉換部係分別設有一波段轉換元件，且該第一轉換部與該第二轉換部係分別於一第一時間區間與一第二時間區間通過該焦點；
   　　其中，於該第一時間區間內，一第一波段光線射入該穿透部且通過該第一轉換部並轉換為一第二波段光線，該第二波段光線並經由該第二反射部及該第一濾光元件轉換為一第一出射光線，於該第二時間區間內，該第一波段光線射入該穿透部且通過該第二轉換部轉換為該第二波段光線，該第二波段光線並經由該第一反射部及該第二濾光元件轉換為一第二出射光線。
2. 如請求項1所述之光學模組，其中該光學模組更包含一光反射元件，設置於該曲面反射元件與該第一濾光元件及該第二濾光元件之間。
3. 如請求項1所述之光學模組，其中，於該第一時間區間內，該第一濾光元件係將該第二波段光線反向偏移一預設波段以形成該第一出射光線，且於該第二時間區間內，該第二濾光元件係將該第二波段光線正向偏移該預設波段以形成該第二出射光線。
4. 如請求項1所述之光學模組，其中該時序控制單元之該第一轉換部包含一第一紅光轉換區、一第一綠光轉換區、一第一黃光轉換區以及一透光區，且該第二轉換部包含一第二紅光轉換區、一第二綠光轉換區、一第二黃光轉換區以及一反射區。
5. 如請求項1所述之光學模組，其中該光學模組更包含一第一集光元件，設置於該光反射元件與該第一濾光元件及該第二濾光元件之間。
6. 如請求項1所述之光學模組，其中該光學模組更將至少一第三波段光線以平行於該第一出射光線及該第二出射光線的一方向射出。
7. 如請求項1所述之光學模組，其中該曲面反射元件具有一雙曲面，且該雙曲面係為一橢球面或一拋物面。
8. 如請求項1所述之光學模組，其中各該波段轉換元件包含一綠光、紅光及黃光螢光物質（phosphor）。
9. 一種投影裝置，包含：
   　　至少一第一光源，提供一第一波段光線；
   　　至少一第二光源，提供一第三波段光線；
   　　一如請求項1所述之光學模組，用來將該第二波段光線轉換為反向偏移該預設波段之該第一出射光線，及正向偏移該預設波段之該第二出射光線；以及
   　　一均光元件，用來均勻該第三波段光線、該第一出射光線及該第二出射光線，並透過一光調變器與一鏡頭組依時序傳送該第一出射光線及該第二出射光線。
10. 如請求項9所述之投影裝置，其中該投影裝置更包含有一第二集光元件，設置於該第一光源與該曲面反射元件之間。
11. 如請求項9所述之投影裝置，其中該投影裝置更包含有一第三集光元件，設置於該均光元件與該第一濾光元件及該第二濾光元件之間。
12. 如請求項9所述之投影裝置，其中該均光元件為一陣列透鏡或一蠅眼透鏡。
13. 如請求項9所述之投影裝置，其中該光調變器係為一數位微鏡裝置或一液晶顯示裝置。
14. 如請求項9所述之投影裝置，其中該第一光源為一短波藍光發射器，且該第二光源為一長波藍光發射器。