TWI490627B - 光學投影裝置 - Google Patents

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TWI490627B
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Ming Yo Hsu
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Delta Electronics Inc
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Description

光學投影裝置
本發明是關於投影裝置，且特別是有關於利用兩片數位微型反射鏡元件搭配雙固態光源的光學投影裝置。
雷射搭配螢光劑作為光源的投影機技術已愈來愈普及，但是因雷射價格昂貴，因此市面上使用此類光源技術的投影機多採用單片式數位光源處理技術(Digital Light Processing,DLP)以降低成本。
使用單片式數位光源處理技術之投影機僅使用單一個數位微型反射鏡元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)來調制影像，因此必須搭配一個色輪(color wheel)來產生各種不同顏色的光譜(例如通常組成白光光譜的三原色：紅色光譜、綠色光譜及藍色光譜)，並序列地將所述不同顏色的光譜傳遞至數位微型反射鏡元件加以調製，使觀察者可以因為視覺暫留而感覺出各種不同顏色。
前述使用單片式數位光源處理技術之投影機因為只需要使用單一個數位微型反射鏡元件，故可大幅地降低製作成本及整體體積。然而，使用單片式數位處理技術之投影機卻有其在亮度及色彩飽和度無法同時滿足的缺點，其主要因為使用單片式數位光源處理 技術之投影機受到序列式色彩調制的限制，亮度效率大大地降低。而為了補償亮度效率，多會使用二次色(secondary color)來提高亮度，但如此卻使得色彩飽和度降低。
此外，色輪的機械結構限制也使得色破裂(Color Breaking)情況的產生。申言之，在某些狀態下，序列式的顏色調製會無法滿足視覺暫留所需條件而使觀看者看到非預期的彩色閃動畫面，故此一缺點無法滿足某些高階應用的要求。
目前用來取代使用單片式數位光源處理技術架構之投影機，以避免色破裂及亮度效率低的缺點的是三片式數位光源處理技術之投影機。三片式數位光源處理技術之投影機使用三片數位微型反射鏡元件，故在單光源下可利用分色鏡將白色分成紅色光譜、綠色光譜及藍色光譜，並同時供給三片數位微型反射鏡元件同時處理，因此就不會有色破裂及亮度效率的缺點，且色彩飽和度佳。但是，使用三片數位微型反射鏡元件及數量相對應於三片數位微型反射鏡元件的週邊光學元件卻讓所述投影機的製作成本及體積大幅增加。
本發明揭示內容之一技術態樣在於提供一種光學投影裝置，所述光學投影裝置利用兩片數位微型反射鏡元件搭配雙固態光源，可以在亮度效率、色彩鮮豔度及成本等特性上取得較佳平衡。
本技術態樣於一實施方式中，提供一種光學投影裝置，包含一種光學投影裝置，用以與一投影鏡頭配合組合一光學投影系統，該光學投影裝置用以產生一投射光線，該投影光線透過該投影鏡頭 投射至一投影幕，該光學投影裝置包含一第一固態光源產生器、一第二固態光源產生器、一光學模組、一第一波長轉換層、一第一分光濾片、一第二分光濾片及一空間光調制模組。第一固態光源產生器用以產生一第一光束。第二固態光源產生器用以產生一第二光束。光學模組位於第一固態光源產生器、第二固態光源產生器及投影鏡頭之間。第一波長轉換模組位於第一固態光源產生器及光學模組之間，波長轉換模組用以與第一光束發生波長轉換並產生一波長轉換光線。第一分光濾片用以反射波長轉換光線並供第一光束穿透，第二分光濾片用以反射第二光束並供波長轉換光束穿透。空間光調制模組位於光學模組及投影鏡頭之間，空間光調制模組用以將第一光束區分為第三光束及第四光束，並使第二光束、第三光束及第四光束供過投影鏡頭傳遞至投影幕。
1‧‧‧光學投影系統
10‧‧‧投影鏡頭
12‧‧‧光學投影裝置
120‧‧‧第一固態光源產生器
122‧‧‧第二固態光源產生器
124‧‧‧第一波長轉換模組
1240‧‧‧承載件
1242‧‧‧波長轉換層
1244‧‧‧旋轉件
126‧‧‧第一分光濾片
128‧‧‧第二分光濾片
130‧‧‧光學模組
1300‧‧‧光通道元件
1302‧‧‧第一透鏡
1304‧‧‧第二透鏡
1306‧‧‧反射鏡
132‧‧‧空間光調制模組
1320‧‧‧全反射棱鏡
1322‧‧‧分光棱鏡
1324‧‧‧第一空間光調制器
1326‧‧‧第二空間光調制器
1330‧‧‧第一全反射稜鏡部
1332‧‧‧第二全反射棱鏡部
1340‧‧‧第一分光棱鏡部
1342‧‧‧第二分光棱鏡部
1344‧‧‧分光鍍膜層
136‧‧‧控制器
140‧‧‧第二波長轉換模組
I1、I2‧‧‧光軸
第一圖為本發明第一實施方式之光學投影系統之架構圖。
第二圖為本發明第一實施方式之第一波長轉換模組之俯視圖。
第三圖為本發明第一實施方式之光學投影系統之一操作示意圖。
第四圖為本發明第一實施方式之光學投影系統之另一操作示意圖。
第五圖為本發明第一實施方式之第一空間光調制器及第二空間光調制器的一動作時續圖。
第六圖為本發明第一實施方式之第一空間光調制器及第二空間光調制器的另一動作時續圖。
第七圖為本發明第二實施方式之光學投影系統之架構圖。
請參考隨附圖示，本揭示內容之以上及額外目的、特徵及優點將透過本揭示內容之較佳實施例之以下闡釋性及非限制性詳細描敘予以更好地理解。
配合參閱第一圖，為本發明第一實施方式之光學投影系統之架構圖。光學投影系統1包含一投影鏡頭10及一光學投影裝置12，光學投影裝置12用以產生一投射光束，所述投射光束通過投影鏡頭10投射至一投影幕(圖未示)。
光學投影裝置12包含一第一固態光源產生器120、一第二固態光源產生器122、一第一波長轉換模組124、一第一分光濾片126、一第二分光濾片128、一光學模組130、一空間光調制模組132及一控制器136。
第一固態光源產生器120具有一光軸I1，第一固態光源產生器120用以產生一第一光束；所述光軸I1為第一固態光源產生器120產生之第一光束在空間中光強度分布的對稱軸。在本實施方式中，第一固態光源產生器120產生的第一光束具有藍光光譜。然而，在實際實施時，第一光束並不僅僅被侷限為藍光光譜。第一固態光源產生器120為雷射光束產生器。
第二固態光源產生器122具有一光軸I2，第二固態光源產生器122用以產生一第二光束；所述光軸I2為第二固態光源產生器122產生之第二光束在空間中光強度分布的對稱軸。在本實施方式中，第二固態光源產生器122的光軸I2大致平行於第一固態光源產生器 120的光軸I1，並朝向相同的方向分別產生第一光束及第二光束；實際實施時，第二固態光源產生器122的光軸I2也可以是大致垂直於第一固態光源產生器120的光軸I1，或與第一固態光源產生器120的光軸I1夾一特定角度。再者，第二固態光源產生器122產生的第二光束為藍光光束，且第二光束的發光光譜相同於第一光束的發光光譜。然而，在實際實施時，第二光束並不僅僅被侷限為具有藍光光譜，意即第二光束的發光光譜可以相異於第一光束的發光光譜。第二固態光源產生器122為雷射光源產生器。
第一波長轉換模組124位於第一固態光源產生器120及投影鏡頭10之間，第一波長轉換模組124包含一承載件1240、一波長轉換層1242及一旋轉件1244。承載件1240是使用金屬(例如為鋁)製作而成，可以加速導離第一光束所挾帶的熱能；當然，在實際實施時，承載件1240也可以是使用其他材質(例如為玻璃)製作而成。在本實施方式中，承載件1240的外型大呈圓形環狀，如第二圖所示。
波長轉換層1242塗佈在於承載件1240面對第一固態光源產生器120的表面上，波長轉換層1242是塗佈緊鄰於承載件1240的外緣，並呈環狀佈設方式。當第一光束傳遞至波長轉換層1242時，會與波長轉換層1242發生波長轉換並產生一波長轉換光束。在本實施方式中，波長轉換光束具有黃光光譜。
第一分光濾片126位於第一固態光源發射器120及第一波長轉換模組124之間，用以供具有特定發光波長的光線通過，並反射具有另一特定發光波長的光線。在本實施方式中，第一分光濾片126會反射波長轉換光線並供第一光束通過。由上述內容可以得知， 第一固態光源產生器120產生的第一光束可以穿透第一分光濾片126，而第一固態光源產生器120發出之第一光束在傳遞至第一波長轉換模組124並與波長轉換層1242發生波長轉換後產生的波長轉換光束會被第一分光濾片反射，並朝向投影鏡頭10的方向傳遞。
復參閱第一圖，第二分光濾片128位於第二固態光源產生器122及投射鏡頭10之間，並位於波長轉換光束的傳遞路徑上。第二分光濾片128可供具有特定波長的光線通過，並反射具有另一特定波長的光線。在本實施方式中，第二分光濾片128會反射第二光束並供波長轉換光束穿透。由上述內容可以得知，第二分光濾片128會反射第二固態光源發射器122發出之第二光束，而波長轉換光束可以穿透第二分光濾片128。
光學模組130位於第二分光濾片128及投影鏡頭10之間。光學模組130包含一光通道元件1300、一第一透鏡1302、一第二透鏡1304及一反射鏡1306。光通道元件1300設置鄰近於第二分光濾片128，光通道元件1300可例如為光導管或柱狀透鏡。
第一透鏡1302位於光通道元件1300及投影鏡頭10之間，第二透鏡1304位於第一透鏡1302及投影鏡頭10之間，反射鏡1306位於第一透鏡1302及第二透鏡1304之間。光學模組130主要是用以將第一固態光源產生器120產生的第一光束經波長轉換模組124後的波長轉換光束及第二固態光源產生器122產生的第二光束傳遞至空間光調制模組132。
空間光調制模組132位於光學模組130及投影鏡頭10之間。空間光 調制模組132包含一全反射棱鏡1320、一分光棱鏡1322、一第一空間光調制器1324及一第二空間光調制器1326。
全反射棱鏡1320是利用全反射的原理反射波長轉換光束及第二光束，使波長轉換光束及第二光束進入分光稜鏡1322。
分光棱鏡1322包含一第一分光棱鏡部1340、一第二分光棱鏡部1342及一分光鍍膜層1344。第一分光稜鏡部1340設置鄰近於第一全反射棱鏡1330。第二分光棱鏡部1342設置遠離於第一全反射棱鏡1330。分光鍍膜層1344設於第一分光棱鏡部1340及第二分光棱鏡部1342之間，分光鍍膜層1344可將波長轉換光束分光並產生穿透分光鍍膜層1344的第三光束及由分光鍍膜層1344反射的第四光束。第三光束具有紅色光譜，第四光束具有綠色光譜。經由分光鍍膜層1344反射後之第四光束係傳遞至第一空間光調制器1324，第三光束係穿透分光鍍膜層1344傳遞至第二空間光調制器1326。
第一空間光調制器1324對應第一分光棱鏡部1340設置，用以接收由第一分光棱鏡部1340向外折射的光線。第二空間光調制器1326對應第二分光棱鏡部1342設置，用以接收穿透第二分光棱鏡部1342的光線。當光束傳遞至第一空間光調制器1324或第二空間光調制器1326時，第一空間光調制器1324及第二空間光調制器1326係藉由翻轉設於表面的微結構以反射傳遞於其上的光束，並將第二光束、第三光束及第四光束經全反射稜鏡1320傳遞進入投影鏡頭10。
此外，光學投影裝置12更包含一控制器136，控制器136電連接於第一固態光源產生器120及第二固態光源產生器122，使第一固態 光源產生器120及第二固態光源產生器122依序產生第一光束及第二光束。
配合參閱第三圖，為本發明第一實施方式之光學投影系統之一操作示意圖。在此操作中，第一固態光源產生器120產生第一光束，所述第一光束通過第一分光濾片126傳遞至第一波長轉換模組124。所述第一光束係與第一波長轉換模組124之波長轉換層1242發生波長轉換並產生波長轉換光束，同時第一波長轉換模組124反射所述波長轉換光束，使波長轉換光束傳遞至第一分光濾片126。
傳遞至第一分光濾片126的波長轉換光束的發光波長不同於第一光束，且波長轉換光束具有黃色光譜，故第一分光濾片126會反射波長轉換光束，並使得波長轉換光束傳遞至第二分光濾片128。第二分光濾片供波長轉換光線通過並使波長轉換光線得以傳遞至光學模組130。進入光學模組130後傳遞至空間光調制模組132。
進入空間光調制模組132的波長轉換光束係先傳遞至全反棱鏡1320，並傳遞至分光棱鏡1322。進入分光棱鏡1322的波長轉換光束係通過第一分光棱鏡部1340傳遞至分光鍍膜層1344，分光鍍膜層1344係使得波長轉換光束區分為第三光束及第四光束。第四光束係由分光鍍膜層1344反射後傳遞至第一空間光調制器1324，第三光束係穿透分光鍍膜層1344並傳遞至第二空間光調制器1326。在本實施方式中，第四光束具有綠光光譜，第三光束具有紅光光譜，實際實施時則不以此為限。
第一空間光調制器1324表面的微結構係反射第四光束，使第四光束經全反射稜鏡1320進入投影鏡頭10。第二空間光調制器1326表面的微結構係反射第三光束，使第三光束經全反射稜鏡1320進入投影鏡頭10。
由上述內容可以得知，在第一固態光源產生器120被啟動時，其所產生的第一光束在通過第一波長轉換模組124及空間光調制模組132後，會產生第三光束及第四光束；申言之，在第一固態光源產生器120啟動時，投影鏡頭10可以接收到第三光束及第四光束。
配合參閱第四圖，為本發明第一實施方式之光學投影系統之另一操作示意圖。在此操作中，第二固態光源產生器120產生第二光束，所述第二光束通過係由第二分光濾片128反射並傳遞至光學模組130。進入光學模組130後傳遞至空間光調制模組132。
進入空間光調制模組132的第二光束先傳遞至全反棱鏡1320，並傳遞至分光棱鏡1322。進入分光棱鏡1322的第二光束係通過第一分光棱鏡部1340傳遞至分光鍍膜層1344，分光鍍膜層1344係反射第二光束使第二光束傳遞至第一空間光調制器1324。
第一空間光調制器1324表面的微結構係反射第二光束，使第二光束經全反射透鏡1320進入投影鏡頭10。
由上述內容可以得知，在第二固態光源產生器122被啟動時，其所產生的第二光束在通過第一波長轉換模組124及空間光調制模組132後，會進入投影鏡頭10；申言之，在第二固態光源產生器122啟動時，投影鏡頭10可以接收到第二光束。
藉由適當地調整第一固態光源產生器120及第二固態光源產生器122的啟動時間，使第一固態光源產生器120及第二固態光源產生器122交替地發光，就可以有效地維持通過投影鏡頭10之光束的白平衡。前述電連接在第一固態光源產生器120及第二固態光源產生器122的控制器136就是用來控制第一固態光源產生器120及第二固態光源產生器122的啟動時間，藉以改變第二光束、第三光束及第四光束的能量變化，同時搭配第一空間光調制器1324及第二空間光調制器1326的控制，以實現白平衡的控制。
配合參閱第五圖，為本發明第一實施方式之第一空間光調制器及第二空間光調制器的一動作時續圖。欲在投影幕得到全白光，必須使紅光光譜、綠光光譜及藍光光譜同時通過投影鏡頭10投影至投影幕。在第一固態光源產生器120、第一空間光調制器1324及第二空間光調制器1326同時被啟動時，會有第三光束(即紅光光譜)及第四光束(即綠光光譜)通過投影鏡頭10傳遞至投影幕。當第二固態光源產生器122啟動時，且第一空間光調制器1324啟動、第二空間光調制器1326關閉時，會有第二光束通過投影鏡頭10傳遞至投影幕。雖然紅光光譜、綠光光譜及藍光光譜不是同時產生的，但是搭配第一空間光調制器1324的動作及人眼視覺暫留原理，可以讓觀測者誤以為這三個顏色的光譜是同時存在的，所以觀察者會認為投影幕上出現白色畫面。
配合參閱第六圖，為本發明一實施方式之第一空間光調制器及第二空間光調制器的另一動作時續圖。欲在投影幕得到紫光，必須使紅光光束及藍光光束同時通過投影鏡頭10投影至投影幕。在第一固態光源產生器120、第一空間光調制器1324關閉，以及第二 空間光調制器1326被啟動時，會有第三光束(即紅光光譜)通過投影鏡頭10傳遞至投影幕。當第二固態光源產生器122啟動時，且第一空間光調制器1324啟動、第二空間光調制器1326關閉時，會有第二光束通過投影鏡頭10傳遞至投影幕。雖然紅光光譜及藍光光譜不是同時產生的，但是搭配第一空間光調制器1324與第二空間光調制器1326的動作及人眼視覺暫留原理，可以讓觀測者誤以為這兩個顏色的光譜是同時存在的，所以觀察者會認為投影幕上出現紫色畫面。
然以上所述者，僅為本創作之較佳實施例，當不能限定本創作實施之範圍，即凡依本創作申請專利範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本創作之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。
1‧‧‧光學投影系統
10‧‧‧投影鏡頭
12‧‧‧光學投影裝置
120‧‧‧第一固態光源產生器
122‧‧‧第二固態光源產生器
124‧‧‧第一波長轉換模組
1240‧‧‧承載件
1244‧‧‧旋轉件
126‧‧‧第一分光濾片
128‧‧‧第二分光濾片
130‧‧‧光學模組
1300‧‧‧光通道元件
1302‧‧‧第一透鏡
1304‧‧‧第二透鏡
1306‧‧‧反射鏡
132‧‧‧空間光調制模組
1320‧‧‧全反射棱鏡
1322‧‧‧分光棱鏡
1324‧‧‧第一空間光調制器
1326‧‧‧第二空間光調制器
1330‧‧‧第一全反射棱鏡部
1332‧‧‧第二全反射棱鏡部
1340‧‧‧第一分光稜鏡部
1342‧‧‧第二分光棱鏡部
1344‧‧‧分光鍍膜層
136‧‧‧控制器
I1、I2‧‧‧光軸

Claims (7)

  1. 一種光學投影裝置，用以與一投影鏡頭配合組合一光學投影系統，該光學投影裝置用以產生一投射光線，該投影光線透過該投影鏡頭投射至一投影幕，該光學投影裝置包含：一第一固態光源產生器，該第一固態光源產生器用以產生一第一光束；一第二固態光源產生器，該第二固態光源產生器用以產生一第二光束；一光學模組，位於該第一固態光源產生器、該第二固態光源產生器及該投影鏡頭之間；一第一波長轉換模組，位於該第一固態光源產生器及該光學模組之間，該第一波長轉換模組用以與該第一光束發生波長轉換並產生一波長轉換光線；一第一分光濾片，用以反射該波長轉換光線並供該第一光束穿透；一第二分光濾片，用以反射該第二光束並供該波長轉換光束穿透；以及一空間光調制模組，位於該光學模組及該投影鏡頭之間，該空間光調制模組用以將該第一光束區分為一第三光束及一第四光束，並使該第二光束、該第三光束及該第四光束通過該投影鏡頭傳遞至該投影幕，該空間光調制模組包含：一分光棱鏡，用以將該波長轉換光束區分為該第三光束及該第四 光束；一第一全反射棱鏡，設置鄰近於該光學模組，用以接收通過該光學模組之該波長轉換光束及該第二光束，並使該波長轉換光束及該第二光束傳遞至該分光棱鏡；一第一空間光調制器，用以接收並反射該第二光束及該第三光束；以及一第二空間光調制器，用以接收並反射該第四光束。
  2. 如請求項1所述之光學投影裝置，更包含一控制器，電連接於該第一固態光源產生器及該第二固態光源產生器，該控制器控制該第一固態光源產生器及該第二固態光源產生器交替地發光。
  3. 如請求項1所述之光學投影裝置，其中該光學系統包含：一光通道元件；一反射鏡，位於該光通道元件及該空間光調制模組之間；一第一透鏡，位於該光通道元件及該反射鏡之間；以及一第二透鏡，位於該反射鏡及該空間光調制模組之間。
  4. 如請求項1所述之光學投影裝置，其中該第一波長轉換模組包含：一承載件；一波長轉換層，部分覆蓋該承載件；以及一旋轉件，連接該承載件。
  5. 如請求項1所述之光學投影裝置，其中該第一光束具有藍光光譜、該第二光束具有藍光光譜、該第三光束具有綠光光譜，該第四光束具有紅光光譜，該波長轉換光束具有黃光光譜。
  6. 如請求項1所述之光學投影裝置，其中該第一固態光源產生器及該第二固態光源產生器分別為雷射光源產生器。
  7. 如請求項1所述之光學投影裝置，其中該第一分光濾片位於該第一固態光源產生器及該第一波長轉換模組之間，該第二分光濾片位於該第二固態光源產生器及該光學模組之間。
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