TWI396036B - 用於一投影系統之光源切換裝置 - Google Patents

Description

用於一投影系統之光源切換裝置

此發明係關於一種用於一投影系統之光源切換裝置，更具體而言，係關於一種可依特定時序選擇不同光源，以將光源提供至投影系統之光源切換裝置。

為節省電力消耗和裝置體積，許多投影系統逐漸採用發光二極體(LED)作為光源。發光二極體具有起動時間短的優點，運用在投影系統中，可解決傳統高壓汞燈投影系統無法快速開機的問題。由於光源的運用受到光展量(tendue)守恆的限制，意指僅有限定的光源面積及光線角度內始為有效光。當欲增加投影系統的光源亮度時，並非僅由增加發光二極體之數目可以解決，使得提升發光二極體為光源之投影系統的亮度，為此業界長久以來之瓶頸。

習知投影系統係以間斷脈衝驅動發光二極體，藉由輸入較高的電流以提升亮度，其示意圖係如第1圖所示。此投影系統1包含第一發光二極體模組11a、第二發光二極體模組11b、一鏡輪13、一馬達(圖未示出)、一數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)15、一稜鏡17與一成像透鏡19。每一發光二極體模組11a、11b均具有紅色、綠色及藍色發光二極體(圖未示出)，三者輪流發光，以提供光線，而鏡輪13則設置於此二發光二極體模組11a、11b之間。

鏡輪13包含複數個交錯設置的扇形反射區域及穿透區域，以其 軸心旋轉。當使第一發光二極體模組11a發光時，馬達驅動鏡輪13之其中一穿透區域同步地旋轉至與第一發光二極體模組11a之光束射出方向對應之位置，使光束通過穿透區域並往一輸出方向射出；當使第二發光二極體模組11b發光，此時第一發光二極體模組11a停止發射光束，且鏡輪13之其中一反射區域旋轉至與第二發光二極體模組11b之光束射出方向對應之位置，使光束反射而同樣地往輸出方向射出。藉由上述動作，便能使二個發光二極體模組11a、11b以快速交錯之方式提供所需光線，且由肉眼觀之，此光線係一近乎連續之光線。

然而於實際運作上，因鏡輪13係由複數反射區域及穿透區域交錯組成，因此其間必形成若干交界區域。若任一發光二極體模組光束之全部或局部恰落於此交界區域，非但散失部分光線，亦降低出口光線之瞬時通量。為避免光線散失，便需控制發光二極體模組所產生光束儘可能避開交界區域，但由於發光二極體模組的設置位置已預先固定，故僅能使鏡輪13之交界區域旋轉而趨近光束之前，便提早熄滅發光二極體模組，再隨即啟動對向之發光二極體模組；換言之，亦即使交界區域儘可能落於關閉態，待交界區域通過對向的發光二極體模組後，再使另一發光二極體模組發亮。

雖然如此，發光二極體模組係提供一極度發散之光束，而非如橢球燈產生之聚光光束，亦非拋物面燈提供之平行光束。因此，發光二極體模組之光束投射於鏡輪13上時，將佔據相當之面積，上述控制發光二極體模組明滅之操作，恐無法達成預期之功效。 此外，鏡輪13具有多處交界區域，為避開每一交界處，鏡輪13便會有相當之面積無法利用，此舉無異提高發光通量之非連續性，並大幅減低了鏡輪13的使用效率。

另一方面，發光二極體模組之間的切換需同時配合鏡輪13及馬達等運轉元件。由於發光二極體模組之切換係由電訊號達成，而鏡輪13及馬達等運轉元件起動之反應較慢，再加上此等元件易有校準誤差和磨損，是故難以準確配合發光二極體光源的切換速度及切換時間間隔。除外，此架構完全採用鏡輪整合光束，而每使用一鏡輪便會使投影系統之尺寸大幅增加，限於業界對體積之要求，使得此架構能提高之亮度有限。

綜上所述，習知投影系統之發光二極體光源架構具有光通量不連續、光源切換速度較慢、體積龐大及元件配置複雜等問題，有鑑於此，提供一種快速切換光源、尺寸較小且整體元件配置簡易之光源系統，乃為此一業界所共同企盼達成的目標。

本發明之一目的係為提供一種用於一投影系統之光源切換裝置，使投影系統適可交替式地(alternately)提供一第一光線及一第二光線。此光源切換裝置可使投影系統不需藉由鏡輪即可增加光強度，且能使光通量更為連續、光源切換速度更快、縮小整體尺寸並且簡化元件配置。另外，這種光源切換裝置更可作為積光柱，在不增加集光率的情況下，仍能將亮度提高數倍。

為達到上述目的，本發明便提供一光源切換裝置，其包含一第一光線導引裝置、一第二光線導引裝置以及一可切換相位裝置。 第一光線導引裝置具有一第一入光面及與第一入光面非呈平行之一第二入光面。第二光線導引裝置具有一出光面。可切換相位裝置設於第一光線導引裝置及第二光線導引裝置之間，其具有一第一切換狀態及一第二切換狀態。當第一光線自第一入光面進入第一光線導引裝置時，可切換相位裝置適處於第一切換狀態，使第一光線於通過可切換相位裝置並進入第二光線導引裝置後，適可朝出光面向外投射；當第二光線自第二入光面進入第一光線導引裝置時，可切換相位裝置適處於第二切換狀態，使第二光線於通過可切換相位裝置並進入第二光線導引裝置後，適可朝出光面向外投射。

為達到上述目的，本發明另提供一光源切換裝置，其包含一第一光線導引裝置、一第二光線導引裝置、一第三光線導引裝置、一第一可切換相位裝置以及一第二可切換相位裝置。第一光線導引裝置具有一第一入光面及與第一入光面非呈平行之一第二入光面。第二光線導引裝置具有與第一入光面及第二入光面其中之一非呈平行之一第三入光面。第三光線導引裝置具有一出光面。第一可切換相位裝置設於第一光線導引裝置及第二光線導引裝置之間，其具有一第一切換狀態及一第二切換狀態。第二可切換相位裝置設於第二光線導引裝置及第三光線導引裝置之間，其具有一第三切換狀態及一第四切換狀態。其中當第一光線自第一入光面進入第一光線導引裝置時，第一可切換相位裝置適處於第一切換狀態，使第一光線於通過第一可切換相位裝置並進入第二光線導引裝置後，適可朝第二可切換相位裝置及第三光線導引裝置投 射，此時第二可切換開關適處於第三切換狀態，使第一光線通過第二可切換開關並進入第三光線導引裝置後，適可朝出光面向外投射。當第二光線自第二入光面進入第一光線導引裝置時，第一可切換相位裝置適處於第二切換狀態，使第二光線於通過第一可切換相位裝置並進入第二光線導引裝置後，適可朝第二可切換相位裝置及第三光線導引裝置投射，此時第二可切換開關適處於第三切換狀態，使第二光線通過第二可切換開關並進入第三光線導引裝置後，適可朝出光面向外投射。當第三光線自第三入光面進入第二光線導引裝置時，第二可切換相位裝置適處於第四切換狀態，使第三光線於通過第二可切換相位裝置並進入第三光線導引裝置後，適可朝出光面向外投射。

為讓本發明之上述目的、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。

本發明之第一實施例係為一光源切換裝置2，其包含一第一光線導引裝置21、一第二光線導引裝置23以及一可切換相位裝置25，如第2A圖及第2B圖所示。此光源切換裝置2係用於一投影系統(圖未示出)，其具有一第一發光二極體模組20與一第二發光二極體模組22，適可交替式地(alternately)提供一第一光線200及一第二光線220。各發光二極體模組具有一紅色發光二極體(圖未示出)、一藍色發光二極體(圖未示出)與一綠色發光二極體(圖未示出)。第一光線200與第二光線220係依一時序交替式地提供，於此實施例中，第一光線200與第二光線220恰均依50%之時序互 補且交替地提供光線。

第一光線導引裝置21包含一第一極化裝置211及一與第一極化裝置211相鄰設置之第一反射裝置213。第一極化裝置211具有一第一入光面2lla及一第二入光面2llb，第二入光面2llb與第一入光面211a非呈平行，於此實施例中，第二入光面2llb恰與第一入光面2l1a相鄰且垂直。於此實施例中，第一極化裝置211係包含一第一極化分光鏡(polarizing beam splitter,PBS)215，其係為一矩形體，具有一第一對角斜面。第一極化分光鏡215更具有一第一極化分光面，坐落於前述第一對角斜面上。第一反射裝置213係包含一第一反射鏡217，且第一反射裝置213係為一三角稜鏡，其具有一第一斜面，前述第一反射鏡217便坐落於第一斜面上。

第二光線導引裝置23具有一出光面231a。第二光線導引裝置23包含一第二極化裝置231及一與第二極化裝置231相鄰設置之第二反射裝置233，第二極化裝置231界定出前述出光面231a，此出光面231a恰與第一入光面21la及第二入光面21lb其中一者垂直，於此實施例中，出光面23la之延伸線適與第一入光面21la之延伸線垂直。於此實施例中，第二極化裝置231係包含一第二極化分光鏡235，其係為一矩形體，具有一第二對角斜面。第二極化分光鏡235更具有一第二極化分光面，坐落於前述第二對角斜面上。第二反射裝置233係包含一第二反射鏡237，且第二反射裝置233係為一三角稜鏡，其具有一第二斜面，前述第二反射鏡237便坐落於第二斜面上。

於本實施例中，第一極化裝置211之第一極化分光鏡215與第 二極化裝置231之第二極化分光鏡235均為一MacNeille稜鏡，此種稜鏡係可使平行極化光穿透，並使垂直極化光反射。

可切換相位裝置25設於第一光線導引裝置21及第二光線導引裝置23之間，其具有一第一切換狀態及一第二切換狀態。第一切換狀態與第二切換狀態其中之一為代表可切換相位裝置25處於改變光極化方向之切換相位狀態，另一者為代表可切換相位裝置25處於不改變光極化方向之非切換相位狀態。於此實施例中，第一切換狀態係為非切換相位狀態，第二切換狀態則為切換相位狀態。第一切換狀態及第二切換狀態係根據第一光線200與第二光線220之時序提供。於此實施例中，可切換相位裝置25係為一可切換相位延遲器(switchable retarder)；且此可切換相位延遲器可為一液晶(liquid crystal,LC)層、一鐵電液晶層(ferro－electric liquid crystal,FLC)、一半波片濾波器(half wave plate filter)、一法拉第旋轉器(Faraday rotator)、一勃克爾盒(Pockels cell)或一克爾盒(Kerr cell)。如第2A圖所示，當第一發光二極體模組20所產生之第一光線200自第一入光面2lla進入第一光線導引裝置21中的第一極化裝置211後，適可由第一極化分光鏡215分離成一第一次級穿透光200a及一第一次級反射光200b，更確實而言，經由MacNeille稜鏡分光後，所述第一次級穿透光200a係為一平行極化光(P極化光)，而第一次級反射光200b係為一垂直極化光(S極化光)。由於此時可切換相位裝置25適處於第一切換狀態，亦即非切換相位狀態，故於通過可切換相位裝置25時，第一次級穿透光200a及第一次級反射光200b的偏振相位均沒有受到改變。

第一次級穿透光200a由第一極化分光鏡215分出後，通過可切換相位裝置25進入第二光線導引裝置23，並經由第二反射鏡237所反射而朝向第二極化分光鏡235投射。因為第一次級穿透光200a此時為一平行極化光，故適可通過為MacNeille稜鏡之第二極化分光鏡235，並朝出光面231a向外投射。

另一方面，第一次級反射光200b由第一極化分光鏡215分出後，係經由第一反射鏡217反射，通過可切換相位裝置25並進入第二光線導引裝置23，朝向第二極化分光鏡235投射。因為第一次級反射光200b此時為一垂直極化光，故適可被第二極化分光鏡235所反射，亦即被MacNeille稜鏡所反射，並朝出光面231a向外投射。

其中，第一次級穿透光200a與第一次級反射光200b於分別於通過第二極化分光鏡235及受到第二極化分光鏡235反射時，恰可結合為原先之第一光線200，以朝出光面23la向外投射。

如第2B圖所示，當第二發光二極體模組22所產生之第二光線220自第二入光面2llb進入第一光線導引裝置21中的第一極化裝置211後，適可由第一極化分光鏡215分離成一第二次級穿透光220b及一第二次級反射光220a。更確實而言，經由MacNeille稜鏡分光後，所述第二次級穿透光220b係為一平行極化光，而第二次級反射光220a係為一垂直極化光。由於此時可切換相位裝置25適處於第二切換狀態，亦即切換相位狀態，故通過可切換相位裝置25時，第二次級穿透光220b及第二次級反射光220a之偏振相位皆受到改變，而分別轉變成一垂直極化光及一平行極化光。

第二次級穿透光220b由第一極化分光鏡215分出後，係經由第一反射鏡217反射，通過可切換相位裝置25並進入第二光線導引裝置23，朝向第二極化分光鏡235投射。因為此時可切換相位裝置25適處於第二切換狀態，第二次級穿透光220b通過可切換相位裝置25後則轉變為一垂直極化光，故接著被第二極化分光鏡235反射，並朝出光面231a向外投射。

第二次級反射光220a由第一極化分光鏡215分出後，通過可切換相位裝置25進入第二光線導引裝置23，並經由第二反射鏡所反射而朝向第二極化分光鏡235投射。因為此時可切換相位裝置25適處於第二切換狀態，第二次級反射光220a通過可切換相位裝置25後則轉變為一平行極化光故接著可穿透第二極化分光鏡235，並朝出光面231a向外投射。

其中，第二次級穿透光220b與第二次級反射光220a分別受到第二極化分光鏡235反射及通過第二極化分光鏡235後，恰可結合為原先之第二光線220，以朝出光面23la向外投射。

於此實施例中，光源切換裝置2係一體成型；於其他實施態樣中，光源切換裝置2亦可由數個部分組成。無論為一體成型或是分別組合而成，光源切換裝置2可視為複數個稜鏡之結合。且於此實施例中，光源切換裝置2更可作為一積光柱之用。切換所得之光線毋需積光柱便可在光源切換裝置2中均勻化。

上述實施例之光源切換裝置係可應用於一投影系統3，其立體示意圖係如第3圖所示，投影系統3包含上述實施例之光源切換裝置2、一第一發光二極體模組20、一第二發光二極體模組22、一 稜鏡34、一數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)36與一成像透鏡38。

各個發光二極體模組20、22包含一紅色發光二極體31、一藍色發光二極體33與一綠色發光二極體(圖未示出)、數個透鏡35、一叉型折光板(X－Plate)37。各發光二極體模組20、22之三個發光二極體依特定時序產生光線，並經由透鏡35聚光及叉型折光板37分光後，產生第一光線與第二光線。第一光線與第二光線係交替地依一時序提供。

第一發光二極體模組20與第二發光二極體模組22所產生之第一光線與第二光線分別依時序進入光源切換裝置2，經由光源切換裝置2內部之可切換相位裝置(圖未示出)依時序切換，且在光源切換裝置2中均勻化後，分別射出。投射出之第一光線與第二光線係相互交替，故可視為一連續光線。此連續光線再經由稜鏡34反射、數位微鏡裝置36成像後，便自成像透鏡38射出。

本發明之第二實施例亦為一光源切換裝置4，其包含一第一光線導引裝置41、一第二光線導引裝置43、一第三光線導引裝置45、一第一可切換相位裝置47以及一第二可切換相位裝置49，如第4A圖、第4B圖及第4C圖所示。此光源切換裝置4同樣可應用於一投影系統(圖未示出)，其包含一第一發光二極體模組40、一第二發光二極體模組42與一第三發光二極體模組44，適可分別交替式地提供一第一光線400、一第二光線420及一第三光線440。各發光二極體模組40、42、44具有一紅色發光二極體(圖未示出)、一藍色發光二極體(圖未示出)與一綠色發光二極體(圖未示出)。第 一光線400、第二光線420與第三光線440係依一時序交替式地提供。

第一光線導引裝置41包含一第一極化裝置411及一與第一極化裝置411相鄰設置之第一反射裝置413，第一極化裝置411具有並界定出第一入光面41la及第二入光面4llb，第二入光面4llb與第一入光面4lla非呈平行，於此實施例中，第二入光面4llb恰與第一入光面4l1a相鄰且垂直。於此實施例中，第一極化裝置411係包含一第一極化分光鏡415，其係為一矩形體，具有一第一對角斜面。第一極化分光鏡415更具有一第一極化分光面，坐落於前述第一對角斜面上。第一反射裝置413係包含一第一反射鏡417，且第一反射裝置413係為一三角稜鏡，其具有一第一斜面，前述第一反射鏡417便坐落於第一斜面上。

第二光線導引裝置43具有與第一入光面4lla及第二入光面4llb其中之一非呈平行之一第三入光面433a，於此實施例中，第三入光面433a適位於第二入光面4llb之延伸線上，以適與第一入光面41la垂直。第二光線導引裝置43包含一第二極化裝置431及一與第二極化裝置431相鄰設置之第三極化裝置433，第二極化裝置431界定出前述第三入光面433a，於此實施例中，第三入光面433a恰與第二入光面4llb相鄰，且恰與第一入光面41la垂直。於此實施例中，第二極化裝置431係包含一第二極化分光鏡435，其係為一矩形體，具有一第二對角斜面。第二極化分光鏡435更具有一第二極化分光面，坐落於前述第二對角斜面上。第三極化裝置433係包含一第三極化分光鏡437，其係為一矩形體，具有一 第三對角斜面。第三極化分光鏡437更具有一第三極化分光面，坐落於前述第三對角斜面上。

第三光線導引裝置45具有一出光面45la。第三光線導引裝置45包含一第四極化裝置451及一與第四極化裝置451相鄰設置之第二反射裝置453，第四極化裝置451界定出前述出光面451a，出光面451a之延伸線於此恰與第一入光面4lla之延伸線垂直。於此實施例中，第四極化裝置451係包含一第四極化分光鏡455，其係為一矩形體，具有一第四對角斜面。第四極化分光鏡455更具有一第四極化分光面，坐落於前述第四對角斜面上。第二反射裝置453係包含一第二反射鏡457，且第二反射裝置453係為一三角稜鏡，其具有一第二斜面，前述第二反射鏡457便坐落於第二斜面上。

於此實施例中，第一光線導引裝置41中之第一極化裝置411之第一極化分光鏡415、第二光線導引裝置43中之第二極化裝置431之第二極化分光鏡435與第三光線導引裝置45中之第四極化裝置451之第四極化分光鏡455均為一MacNeille稜鏡，此種稜鏡係可使平行極化光穿透，並使垂直極化光反射。唯一不同的是，第三光線導引裝置45中，第三極化裝置433之第三極化分光鏡437係為一柏氏－費斯納爾(Bertrand－Feussner)稜鏡，此種稜鏡則係使平行極化光反射，並使垂直極化光穿透。

第一可切換相位裝置47設於第一光線導引裝置41及第二光線導引裝置43之間，其具有一第一切換狀態及一第二切換狀態。第一切換狀態與第二切換狀態其中之一為代表第一可切換相位裝置 47處於改變光極化方向之切換相位狀態，另一者為代表第一可切換相位裝置47處於不改變光極化方向之非切換相位狀態。於此實施例中，第一切換狀態係為非切換相位狀態，第二切換狀態則為切換相位狀態。第一切換狀態及第二切換狀態係根據第一光線400、第二光線420與第三光線440之時序提供。

第二可切換相位裝置49設於第二光線導引裝置43及第三光線導引裝置45之間，其具有一第三切換狀態及一第四切換狀態。第三切換狀態與第四切換狀態其中之一為代表第二可切換相位裝置49處於改變光極化方向之切換相位狀態，另一者為代表第二可切換相位裝置49處於不改變光極化方向之非切換相位狀態。於此實施例中，第三切換狀態係為非切換相位狀態，第四切換狀態則為切換相位狀態。第三切換狀態及第四切換狀態亦同樣根據第一光線400、第二光線420與第三光線440之時序提供。

於此實施例中，第一可切換相位裝置47及/或第二可切換相位裝置49係為一可切換相位延遲器；且此可切換相位延遲器可為一液晶層、一鐵電液晶層、一半波片濾波器、一法拉第旋轉器、一勃克爾盒或一克爾盒。

如第4A圖所示，當第一發光二極體模組40所產生之第一光線400自第一入光面4lla進入第一光線導引裝置41之第一極化裝置411後，適可由第一極化分光鏡415分離成一第一次級穿透光400a及一第一次級反射光400b。更確實而言，第一次級穿透光400a係為一平行極化光，第一次級反射光400b係為一垂直極化光。此時第一可切換相位裝置47適處於第一切換狀態，亦即非切換相位 狀態，故使第一光線400的偏振狀態未受改變，而在進入第二光線導引裝置43後，適可進入第三光線導引裝置45；同時，第二可切換開關49適處於第三切換狀態，亦即非切換相位狀態，使第一光線400的偏振狀態未受改變，而適可由第三光線導引裝置45朝出光面451a向外投射。

更詳細而言，第一次級穿透光400a由第一極化分光鏡415分離後，亦即由MacNeille稜鏡分離後，在不切換相位之狀態下通過第一可切換相位裝置47並進入第二極化裝置431。由於第一次級穿透光400a此時仍為一平行極化光，因此可通過係為MacNeille稜鏡之第二極化分光鏡435，並朝第三光線導引裝置45投射，接著在不切換相位之狀態下通過第二可切換相位裝置49，並經由第二反射裝置453所包含之第二反射鏡457反射，進入第四極化裝置451。由於第一次級穿透光400a此時仍為一平行極化光，因此可以通過穿過第四極化裝置451中係為MacNeille稜鏡之第四極化分光鏡455，並朝出光面45la向外投射。

另一方面，第一次級反射光400b由第一極化裝置411之第一極化分光鏡415分離後，係經由第一反射裝置413之第一反射鏡417反射，在不切換相位之狀態下通過第一可切換相位裝置47並進入第三極化裝置433。由於此時第一次級反射光400b仍為一垂直極化光，故可通過係為柏氏－費斯納爾(Bertrand－Feussner)稜鏡之第三極化分光鏡437而朝第三光線導引裝置45投射。在不切換相位之狀態下，第一次級反射光400b接著通過第二可切換相位裝置49並進入第四極化裝置451後，因為第一次級反射光400b此時仍為 一垂直極化光，故會被係為MacNeille稜鏡之第四極化分光鏡455所反射，並朝出光面45la向外投射。

其中，第一次級穿透光400a與第一次級反射光400b分別通過第四極化分光鏡455及受到第四極化分光鏡455反射後，恰可結合為原先之第一光線400，以朝出光面45la向外投射。

如第4B圖所示，當第二發光二極體模組42所產生之第二光線420自第二入光面4llb進入第一光線導引裝置41之第一極化裝置411後，適可由係為MacNeille稜鏡之第一極化分光鏡415分離成一第二次級穿透光420b及一第二次級反射光420a。更確實而言，第二次級穿透光420b係為一平行極化光，第二次級反射光400b係為一垂直極化光。此時第一可切換相位裝置47適處於第二切換狀態，亦即切換相位狀態，故第二光線420的偏振狀態受到改變，而適可進入第三光線導引裝置45中；同時，第二可切換開關49適處於第三切換狀態，亦即非切換相位狀態，使第二光線420的偏振狀態未受改變，而適可由第三光線導引裝置45朝出光面45la向外投射。

更詳細而言，第二次級穿透光420b由第一極化分光鏡415分離後，亦即由MacNeille稜鏡分離後，係經由第一反射裝置413之第一反射鏡417反射，通過第一可切換相位裝置47並進入第三極化裝置433。由於此時第二次級穿透光420b受到第一可切換相位裝置47之切換，而由一平行極化光改變成為一垂直極化光，故可通過係為柏氏－費斯納爾(Bertrand－Feussner)稜鏡之第三極化分光鏡437而朝第三光線導引裝置45投射。在通過第二可切換相位裝置 49並進入第四極化裝置451後，因為此時第二可切換相位裝置49係處於非切換相位狀態，因而第二次級穿透光420b未受到第二可切換相位裝置49之切換，仍為一垂直極化光，故會被係為MacNeille稜鏡之第四極化分光鏡455反射，並朝出光面451a向外投射。

另一方面，第二次級反射光420a由係為MacNeil1e稜鏡之第一極化裝置411之第一極化分光鏡415分離後，通過第一可切換相位裝置47並進入第二極化裝置431。由於此時第二次級反射光420a受到第一可切換相位裝置47之切換，而由一垂直極化光改變成為一平行極化光，故可通過係為MacNeille稜鏡之第二極化分光鏡437而朝第三光線導引裝置45投射。在通過第二可切換相位裝置49並經由第二反射裝置453中之第二反射鏡457反射，進入第四極化裝置451後，因為此時第二可切換相位裝置49係處於非切換相位狀態，因而第二次級反射光420a未受到第二可切換相位裝置49之切換，仍為一平行極化光，故可穿過係為MacNeille稜鏡之第四極化分光鏡455，而朝出光面451a向外投射。

其中，第二次級穿透光420b與第二次級反射光420a分別受到係為MacNeille稜鏡之第四極化分光鏡455反射及穿透通過第四極化分光鏡455後，恰可結合為原先之第二光線420，以朝出光面45la向外投射。

如第4C圖所示，當第三發光二極體模組44所產生之第三光線440自第三入光面433a進入第二光線導引裝置43之第二極化裝置431後，適可由係為MacNeille稜鏡之第二極化分光鏡435分離成 一第三次級穿透光440b及一第三次級反射光440a。更確實而言，第三次級穿透光440b係為一平行極化光，第三次級反射光440a係為一垂直極化光。第二可切換相位裝置49適處於第四切換狀態，亦即切換相位狀態，使第三光線440之偏振狀態受到改變，而在進入第三光線導引裝置45後，適可朝出光面451a向外投射中；同時，第三光線440並不受第一可切換相位裝置47之狀態影響，換言之，第一可切換相位裝置47此時可為切換相位狀態或非切換相位狀態。

更詳細而言，第三次級穿透光440b由係為MacNeille稜鏡之第二極化分光鏡435分離後，因為是一水平極化光而受到第三極化裝置433之第三極化分光鏡437反射，亦即受到柏氏－費斯納爾(Bertrand－Feussner)稜鏡所反射，而朝第三光線導引裝置45投射。 在通過第二可切換相位裝置49時，由於受到處於第四切換狀態之第二可切換相位裝置49切換，第三次級穿透光440b由一平行極化光轉變為一垂直極化光，於是進入第三光線導引裝置45後，經由第四極化裝置451之第四極化分光鏡455反射，亦即經由MacNeille稜鏡反射，而朝出光面451a向外投射。

第三次級反射光440a由係為MacNeil1e稜鏡之第二極化分光鏡435分離後，係朝向第三光線導引裝置45投射。在通過第二可切換相位裝置49時，受到第四切換狀態之第二可切換相位裝置49切換，第三次級反射光440a由一垂直極化光轉變為一平行極化光，再經由第二反射裝置453之第二反射鏡457反射，進入第四極化裝置451。由於此時第三次級反射光440a為一平行極化光， 故可穿透過係為MacNeille稜鏡之第四極化分光鏡455，並朝出光面451a向外投射。其中，第三次級穿透光440b與第三次級反射光440a分別受到第四極化分光鏡455反射及通過第四極化分光鏡455後，恰可結合為原先之第三光線440，以朝出光面45la向外投射。

同樣地，本實施例之光源切換裝置4亦可應用於一投影系統，此投影系統包含一第一發光二極體模組、一第二發光二極體模組、一第三發光二極體模組、一稜鏡、一數位微鏡裝置與一成像透鏡。習知此項技術者可輕易推及其運作原理及內部元件配置，故於此不另贅述。

本發明並不限於上述各實施例中特定數目之光線導引裝置與可切換相位裝置之組合，此外，以上所提之各元件可以其他具備相同功能之元件代替，故習知此項技術者應可輕易推及本發明之其他實施態樣。

例如，若將上述各實施例中所述之光源切換裝置之所有極化裝置之特性倒置，亦即將原為MacNeille稜鏡(讓平行極化光穿透，並使垂直極化光反射)之極化裝置置換成柏氏－費斯納爾(Bertrand－Feussner)稜鏡(讓平行極化光反射，並使垂直極化光穿透)之極化裝置、將原為柏氏－費斯納爾(Bertrand－Feussner)稜鏡之極化裝置置換為MacNeille稜鏡之極化裝置，此時各實施例中所述之所有次級穿透光與次級反射光於所有光學路徑中之偏振方向均正好相反，亦即垂直極化光與平行極化光均分別相互置換為平行極化光與垂直極化光。此時，若再將所有相位切換裝置維持如同 上述各實施例中所述的切換模式，則次級穿透光與次級反射光仍適可沿完全相同之光學路徑，達到切換光源之目的。其詳細光學路徑以及切換原理，相似於上述各實施例，因此在此不贅述。

藉由本發明之光源切換裝置，投影系統內之光源配置更具彈性。經由光源切換裝置之轉向，便能將設置於不同方向、位置之光源所產生之光線由同一平面射出。由於可切換相位裝置與光源之提供均由電訊號控制，是故不但能迅速且相配合地反應，更不會有製作上的誤差或使用時的磨損等情況發生。此光源切換裝置可使投影系統不需如習知般使用鏡輪，而能使光通量更為連續、光源切換速度更快、縮小整體尺寸並且簡化元件配置。另外，這種光源切換裝置更可作為積光柱，在不增加集光率的情況下，仍能將亮度提高數倍。

上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，以及闡釋本發明之技術特徵，而非用於限制本發明之保護範疇。任何熟悉本技術者之人士均可在不違背本發明之技術原理及精神的情況下，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。因此，本發明之權利保護範圍應如後述之申請專利範圍所列。

1‧‧‧投影系統

11a‧‧‧第一發光二極體模組

11b‧‧‧第二發光二極體模組

13‧‧‧鏡輪

15‧‧‧數位微鏡裝置

17‧‧‧稜鏡

19‧‧‧成像透鏡

2‧‧‧光源切換裝置

20‧‧‧第一發光二極體模組

200‧‧‧第一光線

200a‧‧‧第一次級穿透光

200b‧‧‧第一次級反射光

21‧‧‧第一光線導引裝置

211‧‧‧第一極化裝置

211a‧‧‧第一入光面

211b‧‧‧第二入光面

213‧‧‧第一反射裝置

215‧‧‧第一極化分光鏡

217‧‧‧第一反射鏡

22‧‧‧第二發光二極體模組

220‧‧‧第二光線

220b‧‧‧第二次級穿透光

220a‧‧‧第二次級反射光

23‧‧‧第二光線導引裝置

231a‧‧‧出光面

231‧‧‧第二極化裝置

233‧‧‧第二反射裝置

235‧‧‧第二極化分光鏡

237‧‧‧第二反射鏡

25‧‧‧可切換相位裝置

3‧‧‧投影系統

31‧‧‧紅色發光二極體

33‧‧‧藍色發光二極體

34‧‧‧稜鏡

35‧‧‧透鏡

36‧‧‧數位微鏡裝置

37‧‧‧叉型折光板

38‧‧‧成像透鏡

4‧‧‧光源切換裝置

40‧‧‧第一發光二極體模組

400‧‧‧第一光線

400a‧‧‧第一次級穿透光

400b‧‧‧第一次級反射光

41‧‧‧第一光線導引裝置

411‧‧‧第一極化裝置

413‧‧‧第一反射裝置

411a‧‧‧第一入光面

411b‧‧‧第二入光面

415‧‧‧第一極化分光鏡

417‧‧‧第一反射鏡

42‧‧‧第二發光二極體模組

420‧‧‧第二光線

420b‧‧‧第二次級穿透光

420a‧‧‧第二次級反射光

43‧‧‧第二光線導引裝置

431‧‧‧第二極化裝置

433‧‧‧第三極化裝置

433a‧‧‧第三入光面

435‧‧‧第二極化分光鏡

437‧‧‧第三極化分光鏡

44‧‧‧第三發光二極體模組

440‧‧‧第三光線

440b‧‧‧第三次級穿透光

440a‧‧‧第三次級反射光

45‧‧‧第三光線導引裝置

451a‧‧‧出光面

451‧‧‧第四極化裝置

453‧‧‧第二反射裝置

455‧‧‧第四極化分光鏡

457‧‧‧第二反射鏡

47‧‧‧第一可切換相位裝置

49‧‧‧第二可切換相位裝置

第1圖係為習知投影系統示意圖；第2A圖係為根據本發明第一實施例之光源切換裝置引導第一光線之示意圖；第2B圖係為根據本發明第一實施例之光源切換裝置引導第二光線之示意圖； 第3圖係為應用本發明第一實施例之光源切換裝置引導之投影系統立體示意圖；第4A圖係為根據本發明第二實施例之光源切換裝置引導第一光線之示意圖；第4B圖係為根據本發明第二實施例之光源切換裝置引導第二光線之示意圖；以及第4C圖係為根據本發明第二實施例之光源切換裝置引導第三光線之示意圖。

2‧‧‧光源切換裝置

20‧‧‧第一發光二極體模組

200‧‧‧第一光線

200a‧‧‧第一次級穿透光

200b‧‧‧第一次級反射光

21‧‧‧第一光線導引裝置

211‧‧‧第一極化裝置

211a‧‧‧第一入光面

2l1b‧‧‧第二入光面

213‧‧‧第一反射裝置

215‧‧‧第一極化分光鏡

217‧‧‧第一反射鏡

22‧‧‧第二發光二極體模組

23‧‧‧第二光線導引裝置

231a‧‧‧出光面

231‧‧‧第二極化裝置

233‧‧‧第二反射裝置

235‧‧‧第二極化分光鏡

237‧‧‧第二反射鏡

25‧‧‧可切換相位裝置

Claims (24)

1. 一種用於一投影系統之光源切換裝置，該投影系統適可交替式地(alternately)提供一第一光線及一第二光線，該第一光線與該第二光線係分別由一第一發光二極體模組與一第二發光二極體模組提供，其中該第一光線與該第二光線係依一時序交替式地提供，該光源切換裝置包含：一第一光線導引裝置，具有一第一入光面及與該第一入光面非呈平行之一第二入光面；一第二光線導引裝置，具有一出光面；以及一可切換相位裝置，設於該第一光線導引裝置及該第二光線導引裝置之間，其具有一第一切換狀態及一第二切換狀態；其中，該第一切換狀態及該第二切換狀態係根據該第一光線與該第二光線之該時序提供，當該第一光線自該第一入光面進入該第一光線導引裝置時，該可切換相位裝置適處於該第一切換狀態，使該第一光線進入該第二光線導引裝置後，適可朝該出光面向外投射；當該第二光線自該第二入光面進入該第一光線導引裝置時，該可切換相位裝置適處於該第二切換狀態，使該第二光線進入該第二光線導引裝置後，適可朝該出光面向外投射。
2. 如請求項1所述之光源切換裝置，其中：該第一光線導引裝置包含：一第一極化裝置及一與該第一極化裝置相鄰設置之第一 反射裝置，該第一極化裝置具有該第一入光面及該第二入光面；該第二光線導引裝置包含：一第二極化裝置及一與該第二極化裝置相鄰設置之第二反射裝置，該第二極化裝置界定出該出光面；當該第一光線自該第一入光面進入該第一極化裝置後，適可分離成一第一次級穿透光及一第一次級反射光，其中該第一次級穿透光係通過該可切換相位裝置，並經由該第二反射裝置之反射，穿透該第二極化裝置後，朝該出光面向外投射；該第一次級反射光係自該第一極化裝置經由該第一反射裝置之反射，通過該可切換相位裝置，再經由該第二極化裝置反射朝該出光面向外投射；當該第二光線自該第二入光面，進入該第一極化裝置後，適可分離成一第二次級穿透光及一第二次級反射光，其中該第二次級穿透光係經由該第一反射裝置之反射，通過該可切換相位裝置，並經由該第二極化裝置反射朝該出光面向外投射；該第二次級反射光係自該第一極化裝置通過該可切換相位裝置，再經由該第二反射裝置之反射，穿透該第二極化裝置後，朝該出光面向外投射。
3. 如請求項2所述之光源切換裝置，其中：該第一極化裝置及該第二極化裝置適可反射垂直極化光(S極化光)，並允許平行極化光(P極化光)穿透。
4. 如請求項2所述之光源切換裝置，其中： 該一極化裝置，包含一一極化分光鏡(polarizing beam splitter,PBS)；該第一反射裝置，包含一第一反射鏡；該第二極化裝置，包含一第二極化分光鏡；該第二反射裝置，包含一第二反射鏡；其中該第一次級穿透光及該第一次級反射光，係由該第一極化分光鏡所分離，且通過該可切換相位裝置之該第一次級穿透光，係經由該第二反射鏡所反射，並穿透該第二極化分光鏡後，朝該出光面向外投射；通過該可切換相位裝置之該第一次級反射光，係經由該第二極化分光鏡之反射後，適朝該出光面向外投射；其中該第二次級穿透光及第二次級反射光，係由該第一極化分光鏡所分離，其中該第二次級穿透光係經由該第一反射鏡之反射，適通過該可切換相位裝置，並經由該第二極化分光鏡所反射；該第二次級反射光係自該第一極化分光鏡反射，適通過該可切換相位裝置，再經由該第二反射鏡之反射，穿透該第二極化分光鏡後，朝該出光面向外投射。
5. 如請求項4所述之光源切換裝置，其中該第一極化分光鏡及該第二極化分光鏡，均為一矩形體，其分別具有一第一對角斜面及一第二對角斜面，該第一極化分光鏡及第二極化分光鏡更分別具有一第一極化分光面與一第二極化分光面，該第一極化分光面與該第二極化分光面係分別坐落於該第一對角斜面及該第二對角斜面上。
6. 如請求項4所述之光源切換裝置，其中該第一反射裝置及該第二反射裝置均為一三角稜鏡，其分別具有一第一斜面及一第二斜面，該第一反射鏡及該第二反射鏡係分別坐落於該第一斜面及該第二斜面上。
7. 如請求項2所述之光源切換裝置，其中該第一次級穿透光與該第二次級穿透光係為一平行極化光(P極化光)，且該第一次級反射光與該第二次級反射光係為一垂直極化光(S極化光)。
8. 如請求項1所述之光源切換裝置，其中該第一切換狀態與該第二切換狀態其中之一為切換相位狀態，另一者為非切換相位狀態。
9. 如請求項1所述之光源切換裝置，其中各該發光二極體模組具有一紅色發光二極體、一藍色發光二極體與一綠色發光二極體。
10. 如請求項1所述之光源切換裝置，其中該可切換相位裝置係為一可切換相位延遲器(switchable retarder)。
11. 如請求項10所述之光源切換裝置，其中該可切換相位延遲器係為一液晶(liquid crystal,LC)層、一鐵電液晶層(ferro-electric liquid crystal,FLC)、一半波片濾波器(half wave plate filter)、一法拉第旋轉器(Faraday rotator)、一勃克爾盒(Pockels cell)與一克爾盒(Kerr cell)其中之一。
12. 如請求項1所述之光源切換裝置，其中該光源切換裝置係一體成型。
13. 一種用於一投影系統之光源切換裝置，該投影系統適可交替 式地(alternately)提供一第一光線、一第二光線及一第三光線，該光源切換裝置包含：一第一光線導引裝置，具有一第一入光面及與該第一入光面非呈平行之一第二入光面；一第二光線導引裝置，具有與該第一入光面及該第二入光面其中之一非呈平行之一第三入光面；一第三光線導引裝置，具有一出光面；一第一可切換相位裝置，設於該第一光線導引裝置及該第二光線導引裝置之間，其具有一第一切換狀態及一第二切換狀態；以及一第二可切換相位裝置，設於該第二光線導引裝置及該第三光線導引裝置之間，其具有一第三切換狀態及一第四切換狀態；其中當該第一光線自該第一入光面進入該第一光線導引裝置時，該第一可切換相位裝置適處於該第一切換狀態，使該第一光線適可進入該第三光線導引裝置中，此時該第二可切換開關適處於該第三切換狀態，使該第一光線適可朝該出光面向外投射；其中當該第二光線自該第二入光面進入該第一光線導引裝置時，該第一可切換相位裝置適處於該第二切換狀態，使該第二光線適可進入該第三光線導引裝置中，此時該第二可切換開關適處於該第三切換狀態，使該第二光線適可朝該出光面向外投射； 其中當該第三光線自該第三入光面進入該第二光線導引裝置時，該第二可切換相位裝置適處於該第四切換狀態，使該第三光線適可朝該出光面向外投射。
14. 如請求項13所述之光源切換裝置，其中：該第一光線導引裝置包含：一第一極化裝置及一與該第一極化裝置相鄰設置之第一反射裝置，該第一極化裝置界定出該第一入光面及該第二入光面；該第二光線導引裝置包含：一第二極化裝置及一與該第二極化裝置相鄰設置之第三極化裝置，該第二極化裝置界定出該第三入光面；該第三光線導引裝置包含：一第四極化裝置及一與該第四極化裝置相鄰設置之第二反射裝置，該第四極化裝置界定出該出光面；當該第一光線自該第一入光面，進入該第一極化裝置後，適可分離成一第一次級穿透光及一第一次級反射光，其中該第一次級穿透光係穿透該第一可切換相位裝置、該第二極化裝置與該第二可切換相位裝置，並經由該第二反射裝置之反射，穿透該第四極化裝置後，朝該出光面向外投射；該第一次級反射光係自該第一極化裝置經由該第一反射裝置之反射，穿透該第一可切換相位裝置、該第三極化裝置與該第二可切換相位裝置，再經由該第四極化裝置反射朝該出光面向外投射； 當該第二光線自該第二入光面，進入該第一極化裝置後，適可分離成一第二次級穿透光及一第二次級反射光，其中該第二次級穿透光係經由該第一反射裝置之反射，穿透該第一可切換相位裝置、該第三極化裝置與該第二可切換相位裝置，並經由該第四極化裝置反射朝該出光面向外投射；該第二次級反射光係自該第一極化裝置穿透該第一可切換相位裝置、該第二極化裝置與該第二可切換相位裝置，再經由該第二反射裝置之反射，穿透該第四極化裝置後，朝該出光面向外投射；當該第三光線自該第三入光面，進入該第二極化裝置後，適可分離成一第三次級穿透光及一第三次級反射光，其中該第三次級穿透光係經由該第三極化裝置反射，穿透該第二可切換相位裝置，並經由該第四極化裝置反射朝該出光面向外投射；該第三次級反射光係自該第二極化裝置穿透該第二可切換相位裝置，再經由該第二反射裝置之反射，穿透該第四極化裝置後，朝該出光面向外投射。
15. 如請求項14所述之光源切換裝置，其中：該第一極化裝置、該第二極化裝置及該第四極化裝置適可反射垂直極化光(S極化光)，並允許平行極化光(P極化光)穿透；以及該第三極化裝置適可反射平行極化光(P極化光)，並允許垂直極化光(S極化光)穿透。
16. 如請求項14所述之光源切換裝置，其中：該第一極化裝置，包含一第一極化分光鏡(polarizing beam splitter,PBS)；該第一反射裝置，包含一第一反射鏡；該第二極化裝置，包含一第二極化分光鏡；該第三極化裝置，包含一第三極化分光鏡；該第四極化裝置，包含一第四極化分光鏡；該第二反射裝置，包含一第二反射鏡；其中該第一次級穿透光及該第一次級反射光，係由該第一極化分光鏡所分離，其中通過該第一可切換相位裝置、該第二極化分光鏡與該第二可切換相位裝置之該第一次級穿透光，係經由該第二反射鏡所反射，並穿透該第四極化分光鏡後，朝該出光面向外投射；通過該第一可切換相位裝置、該第三極化分光鏡與該第二可切換相位裝置之該第一次級反射光，係經由該第四極化分光鏡之反射後，適朝該出光面向外投射；其中該第二次級穿透光及第二次級反射光，係由該第一極化分光鏡所分離，其中該第二次級穿透光係經由該第一反射鏡之反射，適通過該第一可切換相位裝置、該第三極化分光鏡與該第二可切換相位裝置，而由該第四極化裝置之第四極化分光鏡反射；該第二次級反射光係自該第一極化分光鏡反射，適通過該第一可切換相位裝置、該第二極化分光鏡與該第二可切換相位裝置，再經由該第二反射鏡之反射，穿透 該第四極化分光鏡後，朝該出光面向外投射；其中該第三次級穿透光及第三次級反射光，係由該第二極化分光鏡所分離，其中該第三次級穿透光係經由該第三極化分光鏡之反射，適通過該第二可切換相位裝置，再經由該第四極化分光鏡之反射後，朝該出光面向外投射；該第三次級反射光係自該第二極化分光鏡反射，適通過該第二可切換相位裝置，再經由該第二反射鏡之反射，穿透該第四極化分光鏡後，朝該出光面向外投射。
17. 如請求項16所述之光源切換裝置，其中該第一極化分光鏡、該第二極化分光鏡、該第三極化分光鏡及該第四極化分光鏡，均為一矩形體，其分別具有一第一對角斜面、一第二對角斜面、一第三對角斜面及一第四對角斜面，該第一極化分光鏡、該第二極化分光鏡、該第三極化分光鏡及該第四極化分光鏡更分別具有一第一極化分光面、一第二極化分光面、一第三極化分光面與一第四極化分光面，該第一極化分光面、該第二極化分光面、該第三極化分光面與該第四極化分光面係分別坐落於該第一對角斜面、該第二對角斜面、該第三對角斜面及該第四對角斜面上。
18. 如請求項16所述之光源切換裝置，其中該第一反射裝置及該第二反射裝置均為一三角稜鏡，其分別具有一第一斜面及一第二斜面，該第一反射鏡及該第二反射鏡係分別坐落於該第一斜面及該第二斜面上。
19. 如請求項14所述之光源切換裝置，其中該第一次級穿透光、 該第二次級穿透光與該第三次級穿透光係為一平行極化光(P極化光)，且該第一次級反射光、該第二次級反射光與該第三次級反射光係為一垂直極化光(S極化光)。
20. 如請求項13所述之光源切換裝置，其中該第一切換狀態與該第二切換狀態其中之一為切換相位狀態，另一者為非切換相位狀態，且該第三切換狀態與該第四切換狀態其中之一為切換相位狀態，另一者為非切換相位狀態。
21. 如請求項13所述之光源切換裝置，其中該第一光線、該第二光線與該第三光線係分別由一第一發光二極體模組、一第二發光二極體模組與一第三發光二極體模組提供，各該發光二極體模組具有一紅色發光二極體、一藍色發光二極體與一綠色發光二極體。
22. 如請求項13所述之光源切換裝置，其中該第一光線、該第二光線與該第三光線係依一時序交替式地提供。
23. 如請求項22所述之光源切換裝置，其中該第一切換狀態、該第二切換狀態及該第三切換狀態係根據該時序提供。
24. 如請求項13所述之光源切換裝置，其中該第二光線導引裝置包含一MacNeille稜鏡與一柏氏-費斯納爾(Bertrand-Feussner)稜鏡。