TWI528098B - 投影裝置 - Google Patents

Description

投影裝置

本發明是有關於一種投影裝置。

利用人類的兩眼視差，習知的立體顯示裝置以分別提供觀賞者兩眼不同的光源影像來達成立體顯示。而其中的立體裸視顯示器，顧名思義，不像其他的立體顯示裝置需要使用眼鏡來區分左右眼光源影像，立體裸視顯示器將具不同光源影像之光束分別傳送到空間上不同的位置，因此若不同的光源影像同時傳至觀賞者之左右眼，觀賞者即能夠以裸視感受到立體影像。立體裸視顯示技術能避免眼鏡式立體顯示技術的不便，是目前重要的發展方向。

本發明之一態樣提供一種投影裝置，包含光源、電位鏡、偏振選擇器、光學模組、光調制器、鏡頭與稜鏡組。光源用以提供光束。電位鏡用以依時序將光束偏轉至不同方向。偏振選擇器用以選擇性地改變光束的偏振態。光學模組具有入口與出口。通過偏振選擇器之光束自入口進入光學模組，且光學模組將光束導引至出口。光學模組包含偏振分光元件、反射鏡、第一波長延遲片、直角三角稜鏡與第二波長延遲片。偏振分光元件具有入口與出口。偏振分光元件依入射入口之光束的偏振態而將光束導引至不同光路。第一波長延遲片置於偏振分光元件與反射鏡之間。直角三角稜鏡具有底面與相對之二腰面。直角三角稜鏡之底面面向偏振分光元件設置。第二波長延遲片置於直角三角稜鏡之腰面其中之一上。光調制器用以將通過光學模組之出口的光束依時序調制成複數個影像。稜鏡組用以將通過光學模組之出口的光束導引至光調制器，並用以將影像導引至鏡頭。

在一或多個實施方式中，反射鏡置於偏振分光元件相對入口之一側，且直角三角稜鏡置於偏振分光元件相對出口之一側。

在一或多個實施方式中，反射鏡置於偏振分光元件相對出口之一側，且直角三角稜鏡置於偏振分光元件相對入口之一側。

在一或多個實施方式中，直角三角稜鏡之腰面皆為全反射面。

在一或多個實施方式中，光學模組更包含二反射層，分別置於直角三角稜鏡之腰面上。

在一或多個實施方式中，偏振分光元件為偏振分光稜鏡(Polarizing Beam Splitter, PBS)。

在一或多個實施方式中，光學模組更包含稜鏡，置於偏振分光元件與第一波長延遲片之間。

在一或多個實施方式中，偏振選擇器為液晶面板。當液晶面板處於開啟狀態時，液晶面板能夠轉變光束之偏振態，當液晶面板處於關閉狀態時，光束通過液晶面板時維持該偏振態。

在一或多個實施方式中，電位鏡於第一期間的旋轉方向與電位鏡於第二期間的旋轉方向相反。

在一或多個實施方式中，光調制器於第一期間所調制之影像間隔相同於光調制器於第二期間所調制之影像間隔。

在上述實施方式中，藉由偏振選擇器與光學模組，投影裝置產生各視角之序列影像皆具有相同的畫面頻率(frame rate)。

1、2、3‧‧‧光軸

100‧‧‧投影裝置

110‧‧‧光源

120‧‧‧電位鏡

122、124‧‧‧軸向

130‧‧‧偏振選擇器

140‧‧‧光學模組

140a‧‧‧入口

140b‧‧‧出口

142‧‧‧偏振分光元件

144‧‧‧反射鏡

146‧‧‧第一波長延遲片

148‧‧‧直角三角稜鏡

148a、148b‧‧‧腰面

148c‧‧‧底面

152‧‧‧第二波長延遲片

154、172、174、176‧‧‧稜鏡

156a、156b‧‧‧反射層

160‧‧‧光調制器

170‧‧‧稜鏡組

178‧‧‧全反射界面

180‧‧‧鏡頭

192、194、196、198‧‧‧透鏡

200‧‧‧螢幕

202‧‧‧成像面

210‧‧‧第一透鏡陣列

220‧‧‧第二透鏡陣列

300‧‧‧準直透鏡

O‧‧‧觀賞面

T0、T1、T2‧‧‧時間

θ‧‧‧投射夾角

Φ‧‧‧投影夾角

第1圖為本發明一實施方式之投影裝置的立體圖。

第2圖為光束之光軸所在處於光學模組之入口與出口之位置的關係圖。

第3圖為第1圖之投影裝置於第一期間之光路示意圖。

第4圖為第1圖之光學模組於第一期間的光路示意圖。

第5圖為第1圖之投影裝置於第二期間之光路示意圖。

第6圖為第1圖之光學模組於第二期間的光路示意圖。

第7圖為本發明另一實施方式之直角三角稜鏡、第二波長延遲片與反射層的側視圖。

第8圖為本發明另一實施方式之光學模組的側視圖。

第9圖為應用第1圖之投影裝置之立體顯示裝置的示意圖。

以下將以圖式揭露本發明的複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

第1圖為本發明一實施方式之投影裝置100的立體圖。投影裝置100包含光源110、電位鏡120、偏振選擇器130、光學模組140、光調制器160、稜鏡組170與鏡頭180。光源110用以提供光束。電位鏡120用以依時序將光束偏轉至不同方向。偏振選擇器130用以選擇性地改變光束的偏振態。光學模組140具有入口140a與出口140b。通過偏振選擇器130之光束自入口140a進入光學模組140，且光學模組140將光束導引至出口140b。光學模組140包含偏振分光元件142、反射鏡144、第一波長延遲片146、直角三角稜鏡148與第二波長延遲片152。偏振分光元件142具有入口140a與出口140b。偏振分光元件142依入射入口140a之光束的偏振態而將光束導引至二光路其中一者(詳見後述)。第一波長延遲片146置於偏振分光元件142與反射鏡144之間。直角三角稜鏡148具有底面148c與相對之二腰面148a、148b。直角三角稜鏡148之底面148c面向偏振分光元件142設置。第二波長延遲片152置於直角三角稜鏡148之腰面148a。光調制器160用以將通過光學模組140之出口140b的光束依時序調制成複數個影像。稜鏡組170用以將通過光學模組140之出口140b的光束導引至光調制器160，並用以將影像導引至鏡頭180。

請一併參照第1圖與第2圖，其中第2圖為光束之光軸所在處於光學模組之入口140a與出口140b之位置的關係圖。具體而言，當於第一期間(時間T0至時間T1)時，電位鏡120往一方向旋轉，因此光束之光軸打至入口140a的位置依時序而有所偏移(例如在第2圖中係往正方向偏移)。光束通過偏振選擇器130後，其偏振態被改變。之後光束通過光學模組140，且自出口140b離開，此時光束之光軸依時序而有所偏移(例如在第2圖中係往正方向偏移)。當於第二期間(時間T1至時間T2)時，電位鏡120往另一方向旋轉，其中電位鏡120於第一期間的旋轉方向與電位鏡120於第二期間的旋轉方向相反。光束通過偏振選擇器130並維持其偏振態。光束之光軸打至光學模組140之入口140a的位置依時序而有所偏移(例如在第2圖中係往負方向偏移)。在光束通過光學模組140後，光束自出口140b離開，並且其光軸依時序而有所偏移(例如在第2圖中係往正方向偏移)。

若電位鏡120於第一期間的旋轉方向與電位鏡120於第二期間的旋轉方向相反，且光束未通過偏振選擇器130與光學模組140，則投影裝置100所產生之各視角的影像畫面重現頻率會有所不同。中間視角(例如於時間(T1+T0)/2時所產生的影像之視角)，畫面重現的時間間隔最短，愈近兩端視角(例如於時間T1時所產生的影像之視角)，畫面重現的時間間隔愈長。然而在本實施方式中，縱使電位鏡120於第一期間的旋轉方向與電位鏡120於第二期間的旋轉方向相反，使得於第一期間與第二期間時，光束在光學模組140之入口140a的偏移方向相反。然而在通過偏振選擇器130與光學模組140後，不論於第一期間或第二期間，光束在光學模組140之出口140b皆沿同一方向偏移，因此投影裝置100即可產生各視角皆具有與中間視角相同之最大的畫面頻率(frame rate)。

詳細而言，請參照第3圖，其為第1圖之投影裝置100於第一期間之光路示意圖。其中為了清楚起見，第3圖以平面圖繪示之，自光源110至電位鏡120之間的區域係沿第1圖之上視方向繪示之，且自電位鏡120至鏡頭180之間的區域係沿第1圖之側視方向繪示之。在本實施方式中，光源110可為雷射，用以提供具P偏振態之光束，然而本發明不以此為限。偏振選擇器130可為液晶面板。當液晶面板處於開啟狀態(定義為第一期間)時，液晶面板能夠轉變光束之偏振態。當液晶面板處於關閉狀態(定義為第二期間)時，光束通過液晶面板時維持該偏振態。另外，投影裝置100可更包含複數個透鏡192、194與196。透鏡192與194分別置於光源110與電位鏡120之間，透鏡196置於電位鏡120與偏振選擇器130之間。因此在第一期間時，光源110發出P偏振態之光束。光束經過透鏡192與194後打至電位鏡120，電位鏡120沿著軸向122旋轉，因此光束被電位鏡120依時序反射至不同方向。而光束接著再依序通過透鏡196與偏振選擇器130，因此光束之偏振態被偏振選擇器130依時序轉變為S偏振態。

接著請一併參照第3圖與第4圖，其中第4圖為第1圖之光學模組140於第一期間的光路示意圖。在本實施方式中，光學模組140之反射鏡144置於偏振分光元件142相對入口140a之一側，且直角三角稜鏡148置於偏振分光元件142相對出口140b之一側。第一波長延遲片146與第二波長延遲片152皆為四分之一波長延遲片。直角三角稜鏡148之腰面148a與148b(皆如第1圖所繪示)皆為全反射面。偏振分光元件142可為偏振分光稜鏡(Polarizing Beam Splitter, PBS)，其中偏振分光元件142例如可容許具S偏振態的光束通過，且反射具P偏振態的光束。在一或多個實施方式中，光學模組140可更包含稜鏡154，置於偏振分光元件142與第一波長延遲片146之間。

在第一期間時，具S偏振態之光束依時序打至入口140a。在第4圖中，不同時序之光束分別由其光軸1、2與3表示之，且標號之順序表示時序之順序。換言之，具光軸1之光束存在的時序早於具光軸2之光束，且具光軸2之光束存在的時序早於具光軸3之光束，亦即光束依時序往出圖面的方向(對應第2圖之正方向)偏移。在此應注意的是，雖然在第4圖中以三個光軸為例示，也就是說，在第一期間時，電位鏡120將光束依時序偏轉至三個不同的方向，然而本發明不以此為限。本發明所屬領域具通常知識者，可視實際需要，彈性選擇偏轉方向的數量。

具S偏振態之光束自入口140a進入偏振分光元件142，接著通過偏振分光元件142，依序通過稜鏡154與第一波長延遲片146後被反射鏡144反射，因此再度通過第一波長延遲片146。通過兩次第一波長延遲片146的具S偏振態之光束轉變為具P偏振態之光束，之後再通過稜鏡154後回到偏振分光元件142。偏振分光元件142將光束反射至出口140b，如此一來，光束即離開光學模組140。而於出口140b之光束仍然依時序往出圖面的方向偏移。

接著請回到第3圖。投影裝置100可更包含透鏡198，置於光學模組140與稜鏡組170之間。稜鏡組170包含稜鏡172、174與176，其中稜鏡172與174之間具有一全反射界面178，當入射光以大於全反射界面的角度入射全反射界面178時會被反射，反之則穿透。

離開光學模組140的光束依序通過透鏡198後入射稜鏡172，且以大於全反射角的角度打至全反射界面178，因此被全反射界面178反射至稜鏡176後到達光調制器160。光調制器160將光束依時序調制成複數個影像，其中第4圖之具光軸1、2與3的光束皆被調制成不同的影像。因此這些影像依序反射回稜鏡組170，通過稜鏡176與172後以小角度入射全反射界面178，因此穿透全反射界面178，通過稜鏡174後打至鏡頭180。

接著請參照第5圖，其為第1圖之投影裝置100於第二期間之光路示意圖。其中第5圖之繪示方式與第3圖相同，因此便不再贅述。在第二期間時，光源110發出P偏振態之光束。光束經過透鏡192與194後打至電位鏡120，電位鏡120沿著軸向124旋轉(其中軸向124與第3圖之軸向122相反)，因此光束被電位鏡120依時序反射至不同方向。光束接著再依序通過透鏡196與偏振選擇器130後，光束之偏振態仍然維持為P偏振態。

接著請一併參照第5圖與第6圖，其中第6圖為第1圖之光學模組140於第二期間的光路示意圖。在第二期間時，具P偏振態之光束依時序打至入口140a，光束依時序往入圖面的方向(對應第2圖之負方向)偏移。具P偏振態之光束自入口140a進入偏振分光元件142，接著被偏振分光元件142反射至直角三角稜鏡148。光束自直角三角稜鏡148之底面148c入射，其中在第一子時序時，具光軸1之光束先到達腰面148b，因此被腰面148b反射至腰面148a。之後具光軸1之光束打至第二波長延遲片152，且被腰面148a反射至底面148c，因此光束之偏振態轉變為S偏振態，且光束回到偏振分光元件142，通過偏振分光元件142後自出口140b離開光學模組140。

在第二子時序時，部份具光軸2之光束先到達腰面148b，因此被腰面148b反射至腰面148a。之後該部份之光束打至第二波長延遲片152，且被腰面148a反射至底面148c，因此光束之偏振態轉變為S偏振態，且該部份之光束回到偏振分光元件142。另一部份具光軸2之光束先到達腰面148a，打至第二波長延遲片152，且被腰面148a反射至腰面148b，因此該部份之光束之偏振態轉變為S偏振態。之後該部份之光束被腰面148b反射至底面148c後回到偏振分光元件142。接著具光軸2之光束通過偏振分光元件142後自出口140b離開光學模組140。

在第三子時序時，具光軸3之光束先到達腰面148a，打至第二波長延遲片152，且被腰面148a反射至腰面148b，因此具光軸3之光束之偏振態轉變為S偏振態。之後具光軸3之光束被腰面148b反射至底面148c後回到偏振分光元件142。接著具光軸3之光束通過偏振分光元件142後自出口140b離開光學模組140。而於出口140b之光束轉為依時序往出圖面的方向(對應第2圖之正方向)偏移。

接著請回到第5圖。離開光學模組140的光束依序通過透鏡198後入射稜鏡172，且以大於全反射角的角度打至全反射界面178，因此被全反射界面178反射至稜鏡176後到達光調制器160。光調制器160將光束依時序調制成複數個影像，其中第6圖之具光軸1、2與3之光束皆被調制成不同的影像，且第4圖與第6圖之具光軸1之光束被調制成相同的影像，具光軸2、3之光束亦然。換言之，光調制器160於第一期間所調制之影像相同於光調制器160於第二期間所調制之影像，且第一期間之各影像間隔相同於第二期間之各影像間隔。因此這些影像依序反射回稜鏡組170，通過稜鏡176與172後以小角度入射全反射界面178，因此穿透全反射界面178，通過稜鏡174後打至鏡頭180。如此一來，只要依時序切換第一期間與第二期間，即能產生各視角相同畫面頻率(frame rate)之多視域影像。其中第一期間與第二期間的時間長度皆可為1/60秒(在使用來回旋轉一次為1/30秒的電位鏡120的情況下)，即投影裝置100可達成60 Hz之多視域影像，然而本發明不以此為限。

綜合上述，縱使電位鏡120於第一期間的旋轉方向與電位鏡120於第二期間的旋轉方向相反，然而在通過偏振選擇器130與光學模組140時，因偏振分光元件142能夠依入射入口140a之光束的偏振態而將光束導引至不同光路(亦即往稜鏡154的光路與往直角三角稜鏡148的光路)，使得光束在光學模組140之出口140b皆沿同一方向偏移，因此投影裝置100即可產生各視角皆具有與中間視角相同之最大的畫面頻率(frame rate)。

接著請參照第7圖，其為本發明另一實施方式之直角三角稜鏡148、第二波長延遲片152與反射層156a、156b的側視圖。本實施方式與第1圖之實施方式的不同處在於反射層156a與156b的存在。在本實施方式中，光學模組140更包含二反射層156a與156b，分別置於直角三角稜鏡148之腰面148a與148b上。反射層156a與156b例如是以鍍膜方式形成於腰面148a與148b上。當光束入射腰面148a與148b之入射角小於腰面148a與148b的全反射角時，光束將會穿透腰面148a與148b而離開直角三角稜鏡148，而反射層156a與156b則能夠將光束反射回直角三角稜鏡148。另外應注意的是，若光束入射腰面148a與148b之入射角大於其全反射角時，以第1圖之結構即可達到反射光束的目的。至於本實施方式之其他細節因與第1圖相同，因此便不再贅述。

接著請參照第8圖，其為本發明另一實施方式之光學模組140的側視圖。本實施方式與第1圖之實施方式的不同處在於光學模組140之各元件的相對位置。在本實施方式中，反射鏡144置於偏振分光元件142相對出口140b之一側，且直角三角稜鏡148置於偏振分光元件142相對入口140a之一側。因此在第一期間的光束會到達直角三角稜鏡148，而在第二期間的光束會到達反射鏡144。至於本實施方式之其他細節因與第1圖相同，因此便不再贅述。

接著請參照第9圖，其為應用第1圖之投影裝置100之立體顯示裝置的示意圖。立體顯示裝置包含投影裝置100、螢幕200與準直透鏡300。準直透鏡300置於投影裝置100與螢幕200之間。螢幕200包含第一透鏡陣列210與第二透鏡陣列220，第一透鏡陣列210與第二透鏡陣列220之間具有一成像面202。準直透鏡300能夠將點光源(即投影裝置100)轉變為面光源。投影裝置100所產生之複數個影像之間具有一投射夾角θ。影像通過準直透鏡300後成為面光源而打至螢幕200。螢幕200之第一透鏡陣列210將影像成像至成像面202，之後影像再通過第二透鏡陣列220而打至觀賞面O。第二透鏡陣列220能夠將投射夾角θ轉變為投影夾角Φ，其中投影夾角Φ之值大於投射夾角θ之值。如此一來，即能夠擴大觀賞面O的可視角度。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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。

 

100‧‧‧投影裝置

110‧‧‧光源

120‧‧‧電位鏡

130‧‧‧偏振選擇器

140‧‧‧光學模組

140a‧‧‧入口

140b‧‧‧出口

142‧‧‧偏振分光元件

144‧‧‧反射鏡

146‧‧‧第一波長延遲片

148‧‧‧直角三角稜鏡

148a、148b‧‧‧腰面

148c‧‧‧底面

152‧‧‧第二波長延遲片

154‧‧‧稜鏡

160‧‧‧光調制器

170‧‧‧稜鏡組

172、174、176‧‧‧稜鏡

180‧‧‧鏡頭

200‧‧‧螢幕

Claims (10)

1. 一種投影裝置，包含：
   一光源，用以提供一光束；
   一電位鏡，用以依時序將該光束偏轉至不同方向；
   一偏振選擇器，用以選擇性地改變該光束的偏振態；
   一光學模組，具有一入口與一出口，通過該偏振選擇器之該光束自該入口進入該光學模組，且該光學模組將該光束導引至該出口，其中該光學模組包含：
   一偏振分光元件，具有該入口與該出口，該偏振分光元件依入射該入口之該光束的偏振態而將該光束導引至不同光路；
   一反射鏡；
   一第一波長延遲片，置於該偏振分光元件與該反射鏡之間；
   一直角三角稜鏡，具有一底面與相對之二腰面，其中該直角三角稜鏡之該底面面向該偏振分光元件設置；以及
   一第二波長延遲片，置於該直角三角稜鏡之該些腰面其中之一上；
   一光調制器，用以將通過該光學模組之該出口的該光束依時序調制成複數個影像；
   一鏡頭；以及
   一稜鏡組，用以將通過該光學模組之該出口的該光束導引至該光調制器，並用以將該些影像導引至該鏡頭。
2. 如請求項1所述之投影裝置，其中該反射鏡置於該偏振分光元件相對該入口之一側，且該直角三角稜鏡置於該偏振分光元件相對該出口之一側。
3. 如請求項1所述之投影裝置，其中該反射鏡置於該偏振分光元件相對該出口之一側，且該直角三角稜鏡置於該偏振分光元件相對該入口之一側。
4. 如請求項1所述之投影裝置，其中該直角三角稜鏡之該些腰面皆為全反射面。
5. 如請求項1所述之投影裝置，其中該光學模組更包含二反射層，分別置於該直角三角稜鏡之該些腰面上。
6. 如請求項1所述之投影裝置，其中該偏振分光元件為一偏振分光稜鏡(Polarizing Beam Splitter, PBS)。
7. 如請求項1所述之投影裝置，其中該光學模組更包含：
   一稜鏡，置於該偏振分光元件與該第一波長延遲片之間。
8. 如請求項1所述之投影裝置，其中該偏振選擇器為一液晶面板，其中當該液晶面板處於開啟狀態時，該液晶面板能夠轉變該光束之偏振態，當該液晶面板處於關閉狀態時，該光束通過該液晶面板時維持該偏振態。
9. 如請求項1所述之投影裝置，其中該電位鏡於一第一期間的旋轉方向與該電位鏡於一第二期間的旋轉方向相反。
10. 如請求項9所述之投影裝置，其中該光調制器於該第一期間所調制之該些影像間隔相同於該光調制器於該第二期間所調制之該些影像間隔。