TWI402603B - 光學引擎 - Google Patents

Description

光學引擎

本發明是有關於一種光學引擎(optical engine)，且特別是有關於一種可同時提供可見光影像光束與不可見光束的光學引擎。

一般來說，投影裝置是將其內部之光閥(light valve)所產生的影像投影至屏幕上以供觀賞，若再搭配紅外線光源與光偵測器(optical detector)的使用，則可使投影裝置同時具有投影及影像偵測的功能，以實現觸控式螢幕的應用。

具體而言，具有觸控式螢幕功能的投影裝置通常會具有光學引擎、多個電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)及紅外光發射系統。光學引擎適於提供影像光束，其中影像光束會被投射至位於物側的屏幕上以形成影像畫面。紅外光發射系統則適於提供紅外光束，其中紅外光束會朝向物側傳遞，且部分紅外光束會穿透屏幕。因此，當來自物側的一物體(例如是手指)靠近屏幕時，通過屏幕的部份紅外光束會被物體反射而形成傳遞至電荷耦合元件的物體光束。如此一來，電荷耦合元件便可偵測到物體的影像。

在習知具有觸控式螢幕功能的投影裝置中，由於影像光束及紅外光束沒有共用相同的傳遞路徑，且其傳遞路徑彼此獨立，這會使得光學引擎、電荷耦合元件及紅外光發射系統整體之空間利用率較低，進而使投影裝置的體積難以縮小。另外，由於這些光束之傳遞路徑彼此獨立，亦會使得光學引擎、電荷耦合元件及紅外光發射系統的位置不易校正。

再者，紅外光發射系統所發出的紅外光束須經過光束整形元件(beam shaping element)的作用才能照射在屏幕上的每個區域，但仍無法均勻地投射在屏幕上，如此會造成在屏幕上的某區域之紅外光束的光強度較高，而在其他區域之紅外光束的光強度較低。所以，習知投影裝置須具有多個電荷耦合元件，且這些電荷耦合元件的增益(gain)值彼此不同。增益值較大的電荷耦合元件用以偵測屏幕上光強度較低的區域，而增益值較小者用以偵測光強度較高的區域。

換言之，若只採用一個電荷耦合元件，則只有一個增益值，這會造成屏幕上光強度較強的區域在電荷耦合元件上的成像過飽合，而光強度較弱的區域在電荷耦合元件上的成像之亮度過弱而難以辦識。然而，若採用多個電荷耦合元件又會造成投影裝置的結構過於複雜且龐大。

另一種具有觸控式螢幕功能的習知投影裝置則是使紅光、綠光、藍光及紅外光依序投射於光閥上，再經由光閥的作用而使影像光束及紅外光束傳遞至物側。然而，由於光閥在一週期時間內須額外處理紅外光，因此會使得控制光閥的演算法(algorithm)變得較為複雜，進而使投影裝置的成本上升。此外，光閥用以處理紅外光的時間須足夠，才能使電荷耦合元件足以辦識，但這會佔用了光閥處理可見光的時間，導致投影裝置所提供的影像畫面之亮度較低。此外，由於紅外光的處理時間僅佔光閥的總處理時間的一部分，因此電荷耦合元件對於物側之物體的辦識度亦難以提升。

本發明提供一種光學引擎，其所提供的影像光束與不可見光束可同時具有較高的強度，且影像光束與不可見光束的行進方向可以較為接近。

本發明之一實施例提出一種光學引擎，其包括一照明系統、一分光元件、一第二分色單元(dichroic unit)及一光閥。照明系統適於提供一可見光束與一不可見光束。分光元件配置於可見光束與不可見光束的傳遞路徑上，且分光元件包括一第一分色單元及一光路轉折單元。第一分色單元相對可見光束與不可見光束傾斜配置。光路轉折單元相對可見光束與不可見光束傾斜配置，並與第一分色單元維持一間距。來自照明系統之可見光束與不可見光束之其一會被第一分色單元反射，且來自照明系統之可見光束與不可見光束之另一會依序穿透第一分色單元、被光路轉折單元反射及穿透第一分色單元。可見光束與不可見光束在離開分光元件後，可見光束的光軸與不可見光束的光軸會互相分離。第二分色單元配置於來自分光元件的可見光束與不可見光束的傳遞路徑上，其中可見光束會穿透第二分色單元，且不可見光束會被第二分色單元反射。光閥配置於來自第二分色單元的可見光束的傳遞路徑上，並適於將可見光束轉換為一影像光束，其中影像光束會穿透第二分色單元，並與被第二分色單元反射之不可見光束合併。

在本發明之一實施例中，在照明系統與分光元件之間的可見光束的光軸與不可見光束的光軸實質上重合。第一分色單元與光路轉折單元可彼此實質上平行。分光元件可更包括一透光基板，其具有相對之一第一表面與一第二表面，且第一分色單元與光路轉折單元分別配置於第一表面與第二表面上。第一分色單元例如為一分色膜(dichroic film)，且光路轉折單元例如為一分色膜或一反射膜(reflective film)。穿透第二分色單元的影像光束的光軸與被第二分色單元反射的不可見光束的光軸可實質上重合。

在本發明之一實施例中，光學引擎更包括一內部全反射稜鏡，其包括一第一稜鏡及一第二稜鏡。第一稜鏡具有一入光面及一全反射面，其中來自分光元件的可見光束與不可見光束會依序經由入光面進入第一稜鏡中及被全反射面全反射至第二分色單元。第二稜鏡配置於全反射面的一側，並與全反射面維持一間隙，其中穿透第二分色單元的影像光束及被第二分色單元反射的不可見光束會依序穿透全反射面及第二稜鏡。

在本發明之一實施例中，光學引擎可更包括一第三稜鏡及一第四稜鏡。第三稜鏡鄰近第一稜鏡，並位於第一稜鏡與第二分色單元之間。第四稜鏡鄰近第三稜鏡，其中第二分色單元為一分色膜，且第二分色單元位於第三稜鏡與第四稜鏡之間的一交界處。第二分色單元可位於交界處的中央部分或佈滿整個交界處。在本發明之一實施例中，光學引擎更包括一第四稜鏡，其鄰近第一稜鏡，其中第二分色單元為一分色膜，且第二分色單元位於第一稜鏡與第四稜鏡之間的一交界處。

在本發明之一實施例中，光學引擎更包括一內部全反射稜鏡，其包括一第一稜鏡及一第二稜鏡。第一稜鏡具有一全反射面及一出光面，其中來自分光元件的可見光束與不可見光束會依序經由全反射面進入第一稜鏡中及傳遞至第二分色單元，且穿透第二分色單元的影像光束及被第二分色單元反射的不可見光束會依序被全反射面全反射及經由出光面離開第一稜鏡。第二稜鏡配置於全反射面的一側，並與全反射面維持一間隙，其中來自分光元件的可見光束與不可見光束會穿透第二稜鏡而傳遞至全反射面。

在本發明之一實施例中，光學引擎更包括一第三稜鏡及一第四稜鏡。第三稜鏡鄰近第一稜鏡，並位於第一稜鏡與第二分色單元之間。第四稜鏡鄰近第三稜鏡，其中第二分色單元為一分色膜，且第二分色單元位於第三稜鏡與第四稜鏡之間的一交界處。第二分色單元可位於交界處的中央部分或佈滿整個交界處。在本發明之一實施例中，光學引擎更包括一第四稜鏡，其鄰近第一稜鏡，其中第二分色單元為一分色膜，且第二分色單元位於第一稜鏡與第四稜鏡之間的一交界處。

在本發明之一實施例中，第二分色單元相對光閥的主動面傾斜一傾斜角，且傾斜角小於或等於10度。光學引擎可更包括一投影鏡頭，其配置於穿透第二分色單元的影像光束及被第二分色單元反射的不可見光束的傳遞路徑上。光學引擎可更包括一不可見光分光器及一光偵測器。不可見光分光器配置於穿透第二分色單元的影像光束及被第二分色單元反射的不可見光束的傳遞路徑上，其中影像光束會穿透不可見光分光器而傳遞至投影鏡頭，部分不可見光束會穿透不可見光分光器而傳遞至投影鏡頭，且另一部分不可見光束會被不可見光分光器反射。投影鏡頭適於將影像光束及部分不可見光束投射至一物側，且位於物側的一物體會將部分不可見光束反射成一物體光束。物體光束會穿透投影鏡頭而傳遞至不可見光分光器，且不可見光分光器會將部分物體光束反射至光偵測器。

在本發明之一實施例中，光學引擎更包括一成像鏡頭，其配置於上述部分物體光束的傳遞路徑上，並位於不可見光分光器與光偵測器之間。照明系統可包括一可見光發光模組、一不可見光發光模組及一合光模組。可見光發光模組適於提供可見光束。不可見光發光模組適於提供不可見光束。合光模組配置於可見光束與不可見光束的傳遞路徑上，並適於將可見光束與不可見光束合併。

基於上述，由於本發明之實施例之光學引擎具有分光元件以將可見光束與不可見光束分離，因此被光閥反射而成的影像光束與被第二分色單元反射的不可見光束的光軸可以較為靠近，進而使影像光束與不可見光束的傳遞方向較為接近。如此一來，當影像光束與不可見光束投射於屏幕時，影像光束在屏幕上所形成的影像畫面及不可見光束在屏幕上所形成的照明便可同時具有較為均勻的亮度分佈。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

下列各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可用以實施之特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而非用來限制本發明。

圖1A為本發明之一實施例之光學引擎的結構示意圖，而圖1B為圖1A中之照明系統的結構示意圖。請參照圖1A及圖1B，本實施例之光學引擎100包括一照明系統110、一分光元件120、一第二分色單元130及一光閥140。照明系統110適於提供一可見光束V與一不可見光束U，而分光元件120配置於可見光束V與不可見光束U的傳遞路徑上。在本實施例中，照明系統110與分光元件120之間的可見光束V的光軸與不可見光束U的光軸實質上重合。照明系統110可包括一可見光發光模組112、一不可見光發光模組114及一合光模組116。可見光發光模組112適於提供上述可見光束V，而不可見光發光模組114適於提供上述不可見光束U。合光模組116配置於可見光束V與不可見光束U的傳遞路徑上，並適於將可見光束V與不可見光束U合併。

具體而言，在本實施例中，可見光發光模組112包括一紅色發光元件113a、一綠色發光元件113b、一藍色發光元件113c及多個透鏡113d。紅色發光元件113a適於發出紅色光束R，綠色發光元件113b適於發出綠色光束G，藍色發光元件113c適於發出藍色光束B，其中紅色光束R、綠色光束G及藍色光束B會分別穿透這些透鏡113d。在本實施例中，不可見光發光模組114包括一紅外光發光元件115a及一透鏡115b。不可見光束U例如為紅外光光束，而紅外光發光元件115a適於發出此不可見光束U，且不可見光束U會穿透透鏡115b。此外，紅色發光元件113a、綠色發光元件113b、藍色發光元件113c及紅外光發光元件115a例如皆為發光二極體。然而，在其他實施例中，紅色發光元件113a、綠色發光元件113b、藍色發光元件113c及紅外光發光元件115a亦可以是雷射二極體或其他適當的發光元件。

在本實施例中，合光模組116包括分色鏡117a、117b、117c、117d及一光均勻化元件117e。分色鏡117a適於將不可見光束U反射，分色鏡117b適於將不可見光束U與紅色光束R的傳遞路徑合併，分色鏡117c適於將不可見光束U、紅色光束R及綠色光束G的傳遞路徑合併，而分色鏡117d適於將不可見光束U、紅色光束R、綠色光束G及藍色光束B的傳遞路徑合併。紅色光束R、綠色光束G及藍色光束B會形成上述可見光束V，換言之，分色鏡117d會將不可見光束U與可見光束V合併。被合併的不可見光束U與可見光束V會經過光均勻化元件117e的均勻化作用後，傳遞至分光元件120。在本實施例中，光均勻化元件117e例如為透鏡陣列，然而，在其他實施例中，光均勻化元件亦可以是光積分柱。

值得注意的是，本發明並不限定不可見光束U、紅色光束R、綠色光束G及藍色光束B的排列位置及合光順序是如圖1B所繪示之由左而右的位置及順序，在其他實施例中，不可見光束U、紅色光束R、綠色光束G及藍色光束B亦可以其他合光順序合光，並可以其他方式排列。

分光元件120配置於可見光束V與不可見光束U的傳遞路徑上，且分光元件120包括一第一分色單元122及一光路轉折單元124。第一分色單元122相對可見光束V與不可見光束U傾斜配置。光路轉折單元124相對可見光束V與不可見光束U傾斜配置，並與第一分色單元122維持一間距T。在本實施例中，第一分色單元122與光路轉折單元124之間可配置有一透光基板126，以使第一分色單元122與光路轉折單元124維持間距T。透光基板126具有相對之一第一表面126a及一第二表面126b，且第一分色單元122與光路轉折單元124分別配置於第一表面126a與第二表面126b上。

來自照明系統110之可見光束V與不可見光束U之其一會被第一分色單元122反射，且來自照明系統110之可見光束V與不可見光束U之另一會依序穿透第一分色單元122、被光路轉折單元124反射及再次穿透第一分色單元122。在本實施例中，是以不可見光束U被第一分色單元122反射，而可見光束V依序穿透第一分色單元122、被光路轉折單元124反射及再次穿透第一分色單元122為例。然而，在其他實施例中，亦可以是可見光束V被第一分色單元122反射，而不可見光束U依序穿透第一分色單元122、被光路轉折單元124反射及再次穿透第一分色單元122。

在本實施例中，第一分色單元122例如為一分色膜，其適於反射不可見光束U，並適於讓可見光束V通過。此外，光路轉折單元124例如為一適於反射可見光束V的分色膜，然而，在其他實施例中，光路轉折單元124亦可以是一反射膜。

由於第一分色單元122與光路轉折單元124相對可見光束V與不可見光束U傾斜配置，且第一分色單元122與光路轉折單元124彼此間有間距T，因此可見光束V與不可見光束U在離開分光元件120後，可見光束V的光軸與不可見光束U的光軸會互相分離。在本實施例中，第一分色單元122與光路轉折單元124可彼此實質上平行，如此一來，便能夠使可見光束V的光軸與不可見光束U的光軸實質上平行而不重合。

第二分色單元130配置於來自分光元件120的可見光束V與不可見光束U的傳遞路徑上，其中可見光束V會穿透第二分色單元130，且不可見光束U會被第二分色單元130反射。光閥140配置於來自第二分色單元130的可見光束V的傳遞路徑上，並適於將可見光束V轉換為一影像光束I，其中影像光束I會穿透第二分色單元130，並與被第二分色單元130反射之不可見光束U合併。由於來自分光元件120的可見光束V的光軸與不可見光束U的光軸彼此分離，因此穿透第二分色單元130的影像光束I的光軸可以較為靠近被第二分色單元130反射的不可見光束U的光軸。在本實施例中，由於來自分光元件120的可見光束V的光軸與不可見光束U的光軸彼此實質上平行而不重合，經由適當地控制第二分色單元130與光閥140的距離及控制第二分色單元130相對光閥140的主動面142之傾斜角θ，便可使穿透第二分色單元130的影像光束I的光軸與被第二分色單元130反射的不可見光束U的光軸實質上重合。在本實施例中，傾斜角θ小於或等於10度。此外，光閥140例如為數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)，而主動面142則為光閥140之用以對光進行處理的一面。然而，在其他實施例中，光閥140亦可以是矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)。

光學引擎100更包括一內部全反射稜鏡150，其包括一第一稜鏡152及一第二稜鏡154。第一稜鏡152具有一入光面153a及一全反射面153b，其中來自分光元件120的可見光束V與不可見光束U會依序經由入光面153a進入第一稜鏡152中及被全反射面153b全反射至第二分色單元130。具體而言，被全反射面153b全反射之可見光束V與不可見光束U會經由第一稜鏡152之表面153c傳遞至第二分色單元130。第二稜鏡154配置於全反射面153b的一側，並與全反射面153b維持一間隙A，其中穿透第二分色單元130的影像光束I及被第二分色單元130反射的不可見光束U會依序穿透全反射面153b及第二稜鏡154。第二稜鏡154可達到補償光程的功效，以使影像光束I與不可見光束U較為均勻。

在本實施例中，光學引擎100可更包括一第三稜鏡132及一第四稜鏡134。第三稜鏡132鄰近第一稜鏡152，並位於第一稜鏡152與第二分色單元130之間。第四稜鏡134鄰近第三稜鏡132，其中第二分色單元130為一分色膜，且第二分色單元130位於第三稜鏡132與第四稜鏡134之間的一交界處133。在本實施例中，第二分色單元130例如為一適於反射紅外光並適於讓可見光通過的分色膜。此外，在本實施例中，第二分色單元130可佈滿整個交界處133。

值得注意的是，本發明並不限定內部全反射稜鏡150、第二分色單元130及其他稜鏡的配置方式及設計方式是如同圖1A所繪示，以下舉出內部全反射稜鏡150、第二分色單元130及其他稜鏡之可能的其他配置方式及設計方式。

請參照圖2A及圖2B，在本實施例中，第二分色單元130’是位於交界處133的中央部分，而交界處133與第二分色單元130’的正視圖如圖2B所繪示。由於只要第二分色單元130’能夠涵蓋不可見光束U的照射範圍即可對不可見光束U進行反射，因此第二分色單元130’不一定要佈滿整個交界處133。

請參照圖3，在本實施例中，是將圖1A中之第一稜鏡152及第三稜鏡132合併成一第一稜鏡152’，而第四稜鏡134承靠第一稜鏡152’，且第二分色單元130位於第一稜鏡152’與第四稜鏡134之間的交界處133。

請參照圖4，在本實施例中，是將圖1A中之第一稜鏡152分割為一第一稜鏡152”及一第四稜鏡134”，而第四稜鏡134”承靠第一稜鏡152”，且第二分色單元130位於第一稜鏡152”與第四稜鏡134”之間的交界處133。

值得注意的是，在圖3及圖4所繪示之實施例中，第二分色單元130是佈滿整個交界處133。然而，在其他實施例中，亦可用位於交界處133中央部分的第二分色單元來取代圖3及圖4中之第二分色單元130。

請參照圖1A，在本實施例中，光學引擎100更包括一投影鏡頭160，其配置於穿透第二分色單元130的影像光束I及被第二分色單元130反射的不可見光束U的傳遞路徑上。在本實施例中，光學引擎100更包括一不可見光分光器170及一光偵測器180。不可見光分光器170配置於穿透第二分色單元130的影像光束I及被第二分色單元130反射的不可見光束U的傳遞路徑上，其中影像光束I會穿透不可見光分光器170而傳遞至投影鏡頭160，部分不可見光束U會穿透不可見光分光器170而傳遞至投影鏡頭160，且另一部分不可見光束U會被不可見光分光器170反射。具體而言，不可見光分光器170例如為一紅外光半穿透半反射鏡，其適於讓可見光及約50%的紅外光通過，並適於反射約50%的紅外光。

影像光束I及上述部分不可見光束U會被投影鏡頭160投射至一物側，例如是投射至位於物側的屏幕50。如此一來，光學引擎100便能夠在屏幕50上形成影像畫面，如此之光學引擎100便可視為一投影裝置。位於物側的一物體60會將部分不可見光束U反射成一物體光束O。物體光束O會穿透投影鏡頭160而傳遞至不可見光分光器170，且不可見光分光器170會將部分物體光束O反射至光偵測器180。在本實施例中，光學引擎100更包括一成像鏡頭190，其配置於上述部分物體光束O的傳遞路徑上，並位於不可見光分光器170與光偵測器180之間。

在本實施例中，物體60例如是使用者的手指，使用者的手指所反射的不可見光能夠被成像於光偵測器180上。光偵測器180例如為一電荷耦合元件或一互補式金氧半導體感測元件(complementary metal oxide semiconductor sensor,CMOS sensor)，其可電性連接至一處理器(processer)，例如是電腦的處理器。處理器在判讀手指所產生的成像之後，便能夠產生控制訊號以控制電腦。如此一來，使用者便能夠藉由手指在屏幕上移動或點選來操作電腦，如此之光學引擎100便可視為一具觸控功能的投影裝置。

圖5為圖1B之照明系統所產生的各色光束之時序分佈圖。請參照圖1A、圖1B及圖5，在本實施例之光學引擎100中，由於可見光束V是經由光閥140的反射作用而產生傳遞至物側的影像光束I，而不可見光束U則是經由第二分色單元130的反射作用而傳遞至物側，換言之不可見光束U不會傳遞至光閥140，因此可見光束V與不可見光束U在一週期時間內可被同時發出，其中形成可見光束V的紅色光束R、綠色光束G及藍色光束B則可依序被發出而後停止發出。相較於可見光束與不可見光束同時經過光閥的反射作用之光學引擎，其可見光束與不可見光束須以時序的方式交替被發出而後停止發出，而使得可見光束及不可見光束在一週期時間內被發出的時間僅佔一週期時間的一部分，本實施例之光學引擎100的可見光束V及不可見光束U由於在任何週期時間內均可被同時發出，因此可見光束V與不可見光束U的平均光強度可以較強。如此一來，光學引擎100便能夠產生亮度較高的影像畫面，且由於不可見光束U的平均光強度較強，這亦可使光學引擎100之光偵測器180的辦識度提升。再者，如圖1A、圖1B及圖5所示，不可見光束U的控制與可見光束V的控制是分開的，且亦與光閥140的控制分開，因此光學引擎100可採用較為簡化的演算法來控制可見光發光模組112、不可見光發光模組114及光閥140，進而使光學引擎100的成本降低。

另外，由於本實施例之光學引擎100具有分光元件120以將可見光束V與不可見光束U分離，因此被光閥140反射而成的影像光束I的光軸與被第二分色單元130反射的不可見光束U的光軸可以較為靠近，甚至重合，進而使影像光束I與不可見光束U的傳遞方向較為接近。如此一來，當影像光束I與不可見光束U被投影鏡頭160投射於屏幕50時，影像光束I在屏幕50上所形成的影像畫面及不可見光束U在屏幕50上所形成的照明便可同時具有較為均勻的亮度分佈。此外，由於影像光束I與不可見光束U的傳遞方向較為接近，因此影像光束I入射屏幕的入射角及不可見光束U入射屏幕的入射角便可以較為接近，所以在適當的屏幕擺設角度之下，影像光束I與不可見光束U便可同時具有較高之穿透螢幕的效率。如此一來，除了影像畫面的亮度可以被提升之外，照射於物體60上的不可見光束U便可以更多，進而提升了光偵測器180的辦識度。再者，由於被物體60反射的物體光束O亦經由投影鏡頭160傳遞至光偵測器180，因此光偵測器180可以平均地接收來自屏幕50的不可見光。如此一來，本實施例可採用一個光偵測器180，並在同一時間內採用一個增益值，就能夠有效辦識物側的物體60。

圖6為圖1A中之屏幕的位置示意圖。請參照圖1A及圖6，若將屏幕等分為九個區域，位於四個角落的區域的中心點分別為p1點、p3點、p7點及p9點，且位於中央的區域的中心點為p5點時，不可見光束U於屏幕上所形成的照明之均勻度UNI可定義為：

UNI=(I_p1 +I_p3 +I_p7 +I_p9 )/I_p5

其中，I_p1 、I_p3 、I_p5 、I_p7 及I_p9 分別為p1點、p3點、p5點、p7點及p9點的照度。由光學模擬可知，在本實施例中，均勻度UNI可達到86%，由此可驗證本實施例之光學引擎100確實能夠提供均勻的不可見光照明。

圖7為圖1A中之屏幕的區域圖。請參照圖7，若將屏幕等分為16個等分，即等分為D1區～D16區等16個區域，則經光學模擬本實施例之光學引擎100後，影像光束I與不可見光束U於D1區至D16區且於x方向與y方向之平均入射角差值的絕對值可如下表所示：

舉例而言，D14那列之第3欄的數值0.8即代表影像光束I與不可見光束U於y方向上的平均入射角差值的絕對值在D14區內為0.8度，而表中的其他數值所代表的意義則可以此類推。由上表可知，屏幕50上影像光束I與不可見光束U的平均入射角差值的絕對值最大為3.6，由此可驗證本實施例之光學引擎100所提供的影像光束I與不可見光束U之入射屏幕50的入射角確實較為接近，如此便可同時提升影像光束I及不可見光束U穿透屏幕50之穿透率。

圖8為本發明之另一實施例之光學引擎的結構示意圖。請參照圖8，本實施例之光學引擎200與上述光學引擎100(如圖1A所繪示)類似，而兩者的差異如下所述。在光學引擎200中，可見光束V會被分光元件220的第一分色單元222反射至第二分色單元130，而不可見光束U會依序穿透第一分色單元222、被光路轉折單元224反射及穿透第一分色單元222而傳遞至第二分色單元130。此外，在本實施例中，內部全反射稜鏡250的第一稜鏡252具有一全反射面153b及一出光面253c。來自分光元件220的可見光束V與不可見光束U會依序經由全反射面153b進入第一稜鏡252中及傳遞至第二分色單元130，且穿透第二分色單元130的影像光束I及被第二分色單元130反射的不可見光束U會依序被全反射面153b全反射及經由出光面253c離開第一稜鏡252而傳遞至投影鏡頭160。

第二稜鏡254配置於全反射面153b的一側，並與全反射面153b維持間隙A，其中來自分光元件220的可見光束V與不可見光束U會穿透第二稜鏡254而傳遞至全反射面153b。此外，在本實施例中，第三稜鏡132是位於第一稜鏡252的表面253a與第二分色單元130之間，而第四稜鏡134則承靠第三稜鏡132，且第二分色單元130位於第三稜鏡132與第四稜鏡134的交界處133。

本實施例之光學引擎200亦具有上述光學引擎100(如圖1A所繪示)的優點與功效，在此不再重述。此外，以下舉出內部全反射稜鏡250、第二分色單元130及其他稜鏡之可能的其他配置方式及設計方式。

請參照圖9，在本實施例中，是將圖8中之第一稜鏡252及第三稜鏡132合併成一第一稜鏡252’，而第四稜鏡134承靠第一稜鏡252’，且第二分色單元130位於第一稜鏡252’與第四稜鏡134之間的交界處133。

請參照圖10，在本實施例中，是將圖8中之第一稜鏡252分割為一第一稜鏡252”及一第四稜鏡234”，而第四稜鏡234”承靠第一稜鏡252”，且第二分色單元130位於第一稜鏡252”與第四稜鏡234”之間的交界處133。

值得注意的是，本發明之前述各實施例中的第三稜鏡及第四稜鏡是以用膠互相黏合為例，且第一稜鏡與第四稜鏡亦是以用膠互相黏合為例，然而，在其他實施例中，第三稜鏡與第四稜鏡亦可保持一空氣間隙，而第二分色單元可位於第三稜鏡或第四稜鏡的表面上。同樣地，第一稜鏡與第四稜鏡亦可以保持一空氣間隙，而第二分色單元可位於第一稜鏡或第四稜鏡的表面上。此外，在上述實施例中，第三稜鏡與第一稜鏡是保持一空氣間隙，然而，在其他實施例中，第三稜鏡與第一稜鏡亦可以是用膠互相黏合。

綜上所述，在本發明之實施例之光學引擎中，由於可見光束是經由光閥的反射作用而產生傳遞至物側的影像光束，而不可見光束則是經由第二分色單元的反射作用而傳遞至物側，換言之不可見光束不會傳遞至光閥，因此可見光束與不可見光束在一週期時間內可被同時發出。由於本發明之實施例之光學引擎的可見光束及不可見光束在任何週期時間內均可被同時發出，因此可見光束與不可見光束的平均光強度可以較強。如此一來，光學引擎便能夠產生亮度較高的影像畫面，且由於不可見光束的平均光強度較強，這亦可使光學引擎之光偵測器的辦識度提升。再者，由於不可見光束的控制與可見光束的控制是分開的，且亦與光閥的控制分開，因此光學引擎之可採用較為簡化的演算法來控制可見光發光模組、不可見光發光模組及光閥，進而使光學引擎的成本降低。

另外，由於本發明之實施例之光學引擎具有分光元件以將可見光束與不可見光束分離，因此被光閥反射而成的影像光束的光軸與被第二分色單元反射的不可見光束的光軸可以較為靠近，甚至重合，進而使影像光束與不可見光束的傳遞方向較為接近。如此一來，當影像光束與不可見光束被投影鏡頭投射於屏幕時，影像光束在屏幕上所形成的影像畫面及不可見光束在屏幕上所形成的照明便可同時具有較為均勻的亮度分佈。此外，由於影像光束與不可見光束的傳遞方向較為接近，因此影像光束入射屏幕的入射角與不可見光束入射屏幕的入射角便可以較為接近，所以在適當的屏幕擺設角度之下，影像光束與不可見光束便可同時具有較高之穿透螢幕的效率。如此一來，除了影像畫面的亮度可以被提升之外，照射於物體上的不可見光束便可以更多，進而提升了光偵測器的辦識度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

50．．．屏幕

60．．．物體

100、200．．．光學引擎

110．．．照明系統

112．．．可見光發光模組

113a．．．紅色發光元件

113b．．．綠色發光元件

113c．．．藍色發光元件

113d、115b．．．透鏡

114．．．不可見光發光模組

115a．．．紅外光發光元件

116．．．合光模組

117a、117b、117c、117d．．．分色鏡

117e．．．光均勻化元件

120、220．．．分光元件

122、222．．．第一分色單元

124、224．．．光路轉折單元

126．．．透光基板

126a．．．第一表面

126b．．．第二表面

130、130’．．．第二分色單元

132．．．第三稜鏡

133．．．交界處

134、134”、234”．．．第四稜鏡

140．．．光閥

142．．．主動面

150、250．．．內部全反射稜鏡

152、152’、152”、252、252’、252”．．．第一稜鏡

153a．．．入光面

153b．．．全反射面

153c、253a．．．表面

154．．．第二稜鏡

160‧‧‧投影鏡頭

170‧‧‧不可見光分光器

180‧‧‧光偵測器

190‧‧‧成像鏡頭

253c‧‧‧出光面

A‧‧‧間隙

B‧‧‧藍色光束

D1~D16‧‧‧區域

G‧‧‧綠色光束

I‧‧‧影像光束

O‧‧‧物體光束

p1、p3、p5、p7、p9‧‧‧點

R‧‧‧紅色光束

T‧‧‧間距

U‧‧‧不可見光束

V‧‧‧可見光束

θ‧‧‧傾斜角

圖1A為本發明之一實施例之光學引擎的結構示意圖，而圖1B為圖1A中之照明系統的結構示意圖。

圖2A為本發明之另一實施例之內部全反射稜鏡、第二分色單元及其他稜鏡的結構示意圖。

圖2B為圖2A中之交界處與第二分色單元的正視圖。

圖3與圖4為本發明之另二實施例之內部全反射稜鏡、第二分色單元及其他稜鏡的結構示意圖。

圖5為圖1B之照明系統所產生的各色光束之時序分佈圖。

圖6為圖1A中之屏幕的位置示意圖。

圖7為圖1A中之屏幕的區域圖。

圖8為本發明之另一實施例之光學引擎的結構示意圖。

圖9與圖10為本發明之另二實施例之內部全反射稜鏡、第二分色單元及其他稜鏡的結構示意圖。

50．．．屏幕

60．．．物體

100．．．光學引擎

110．．．照明系統

120．．．分光元件

122．．．第一分色單元

124．．．光路轉折單元

126．．．透光基板

126a．．．第一表面

126b．．．第二表面

130．．．第二分色單元

132．．．第三稜鏡

133．．．交界處

134．．．第四稜鏡

140．．．光閥

142．．．主動面

150．．．內部全反射稜鏡

152．．．第一稜鏡

153a．．．入光面

153b．．．全反射面

153c．．．表面

154．．．第二稜鏡

160．．．投影鏡頭

170．．．不可見光分光器

180．．．光偵測器

190．．．成像鏡頭

A．．．間隙

I．．．影像光束

O．．．物體光束

T．．．間距

U．．．不可見光束

V．．．可見光束

θ．．．傾斜角

Claims (20)

1. 一種光學引擎，包括：一照明系統，適於提供一可見光束與一不可見光束；一分光元件，配置於該可見光束與該不可見光束的傳遞路徑上，該分光元件包括：一第一分色單元，相對該可見光束與該不可見光束傾斜配置；以及一光路轉折單元，相對該可見光束與該不可見光束傾斜配置，並與該第一分色單元維持一間距，其中來自該照明系統之該可見光束與該不可見光束之其一會被該第一分色單元反射，且來自該照明系統之該可見光束與該不可見光束之另一會依序穿透該第一分色單元、被該光路轉折單元反射及穿透該第一分色單元，該可見光束與該不可見光束在離開該分光元件後，該可見光束的光軸與該不可見光束的光軸會互相分離；一第二分色單元，配置於來自該分光元件的該可見光束與該不可見光束的傳遞路徑上，該照明系統所提供的該可見光束依序經過該分光元件及該第二分色單元，且該照明系統所提供的該不可見光束依序經過該分光元件及該第二分色單元，其中該可見光束會穿透該第二分色單元，且該不可見光束會被該第二分色單元反射；以及一光閥，配置於來自該第二分色單元的該可見光束的傳遞路徑上，並適於將該可見光束轉換為一影像光束，其 中該影像光束會穿透該第二分色單元，並與被該第二分色單元反射之該不可見光束合併。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學引擎，其中在該照明系統與該分光元件之間的該可見光束的光軸與該不可見光束的光軸實質上重合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學引擎，其中該第一分色單元與該光路轉折單元彼此實質上平行。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學引擎，其中該分光元件更包括一透光基板，具有相對之一第一表面與一第二表面，且該第一分色單元與該光路轉折單元分別配置於該第一表面與該第二表面上，該第一分色單元為一分色膜，且該光路轉折單元為一分色膜或一反射膜。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學引擎，其中穿透該第二分色單元的該影像光束的光軸與被該第二分色單元反射的該不可見光束的光軸實質上重合。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學引擎，更包括一內部全反射稜鏡，該內部全反射稜鏡包括：一第一稜鏡，具有一入光面及一全反射面，其中來自該分光元件的該可見光束與該不可見光束會經由該入光面進入該第一稜鏡中及被該全反射面全反射至該第二分色單元；以及一第二稜鏡，配置於該全反射面的一側，並與該全反射面維持一間隙，其中穿透該第二分色單元的該影像光束及被該第二分色單元反射的該不可見光束會穿透該全反射 面及該第二稜鏡。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學引擎，更包括：一第三稜鏡，鄰近該第一稜鏡，並位於該第一稜鏡與該第二分色單元之間；以及一第四稜鏡，鄰近該第三稜鏡，其中該第二分色單元為一分色膜，且該第二分色單元位於該第三稜鏡與該第四稜鏡之間的一交界處。
8. 如申請專利範圍第7項所述之光學引擎，其中該第二分色單元位於該交界處的中央部分或佈滿整個該交界處。
9. 如申請專利範圍第6項所述之光學引擎，更包括一第四稜鏡，鄰近該第一稜鏡，其中該第二分色單元為一分色膜，且該第二分色單元位於該第一稜鏡與該第四稜鏡之間的一交界處。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光學引擎，其中該第二分色單元位於該交界處的中央部分或佈滿整個該交界處。
11. 如申請專利範圍第1項所述之光學引擎，更包括一內部全反射稜鏡，包括：一第一稜鏡，具有一全反射面及一出光面，其中來自該分光元件的該可見光束與該不可見光束會經由該全反射面進入該第一稜鏡中及傳遞至該第二分色單元，且穿透該第二分色單元的該影像光束及被該第二分色單元反射的該不可見光束會被該全反射面全反射及經由該出光面離開該 第一稜鏡；以及一第二稜鏡，配置於該全反射面的一側，並與該全反射面維持一間隙，其中來自該分光元件的該可見光束與該不可見光束會穿透該第二稜鏡而傳遞至該全反射面。
12. 如申請專利範圍第11項所述之光學引擎，更包括：一第三稜鏡，鄰近該第一稜鏡，並位於該第一稜鏡與該第二分色單元之間；以及一第四稜鏡，鄰近該第三稜鏡，其中該第二分色單元為一分色膜，且該第二分色單元位於該第三稜鏡與該第四稜鏡之間的一交界處。
13. 如申請專利範圍第12項所述之光學引擎，其中該第二分色單元位於該交界處的中央部分或佈滿整個該交界處。
14. 如申請專利範圍第11項所述之光學引擎，更包括一第四稜鏡，鄰近該第一稜鏡，其中該第二分色單元為一分色膜，且該第二分色單元位於該第一稜鏡與該第四稜鏡之間的一交界處。
15. 如申請專利範圍第14項所述之光學引擎，其中該第二分色單元位於該交界處的中央部分或佈滿整個該交界處。
16. 如申請專利範圍第1項所述之光學引擎，其中該第二分色單元相對該光閥的主動面傾斜一傾斜角，且該傾斜角小於或等於10度。
17. 如申請專利範圍第1項所述之光學引擎，更包括 一投影鏡頭，配置於穿透該第二分色單元的該影像光束及被該第二分色單元反射的該不可見光束的傳遞路徑上。
18. 如申請專利範圍第17項所述之光學引擎，更包括：一不可見光分光器，配置於穿透該第二分色單元的該影像光束及被該第二分色單元反射的該不可見光束的傳遞路徑上，其中該影像光束會穿透該不可見光分光器而傳遞至該投影鏡頭，部分該不可見光束會穿透該不可見光分光器而傳遞至該投影鏡頭，且另一部分該不可見光束會被該不可見光分光器反射；以及一光偵測器，其中該投影鏡頭適於將該影像光束及該部分不可見光束投射至一物側，且位於該物側的一物體會將該部分不可見光束反射成一物體光束，該物體光束會穿透該投影鏡頭而傳遞至該不可見光分光器，且該不可見光分光器適於將部分該物體光束反射至該光偵測器。
19. 如申請專利範圍第18項所述之光學引擎，更包括一成像鏡頭，配置於該部分物體光束的傳遞路徑上，並位於該不可見光分光器與該光偵測器之間。
20. 如申請專利範圍第1項所述之光學引擎，其中該照明系統包括：一可見光發光模組，適於提供該可見光束；一不可見光發光模組，適於提供該不可見光束；以及一合光模組，配置於該可見光束與該不可見光束的傳遞路徑上，並適於將該可見光束與該不可見光束合併。