TWI664449B - 投影裝置、投影系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種投影裝置包含雷射光源及雙折射消偏振鏡。雷射光源用以發射雷射光束。雷射光束於穿透雙折射消偏振鏡後形成包含複數個極化態樣均勻的投影光束，進而投影光束投影至投影螢幕。

Description

投影裝置、投影系統及其方法

本揭示內容是關於一種投影裝置、一種投影系統及一種投影方法，且特別是關於改善畫面色塊的一種投影裝置、一種投影系統及一種投影方法。

光是一種電磁波，電磁波的偏振(極化)具有方向性。當利用光線投影產生影像時，若光線打在螢幕上不同位置的偏振(極化)方向分布不均勻，在經過會影響偏振方向的介質反射或透射後，畫面會出現色塊或暗塊。

本揭示內容的一態樣係關於一種投影裝置，包含雷射光源及雙折射消偏振鏡。雷射光源用以發射雷射光束。雷射光束於穿透雙折射消偏振鏡後形成包含複數個極化態樣的投影光束，而投影光束投影至投影螢幕。極化態樣為相異的複數個偏振方向。

本揭示內容的另一態樣係關於一種投影系統，包含：雷射光源、雙折射消偏振鏡及投影鏡頭。雷射光源用以發射雷射光束。雷射光束於穿透雙折射消偏振鏡後形成包含複數個極化態樣的投影光束，而極化態樣為相異的複數個偏振方向。投影鏡頭用以將投影光束輸出投影。

本揭示內容的另一態樣係關於一種投影方法，包含：由雷射光源發射雷射光束；由雙折射消偏振鏡將雷射光束形成包含複數個極化態樣的投影光束，而極化態樣為相異的複數個偏振方向；以及由投影鏡頭將投影光束輸出投影。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所描述的具體實施例僅用以解釋本案，並不用來限定本案，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭示內容所涵蓋的範圍。

請參考第1圖。第1圖係根據習知技術所繪示一種3D投影機100之示意圖。若由3D投影機100投射包含左右兩眼之影像畫面140的光波的偏振(極化)方向不均勻，兼之光波在經過偏振片120透射產生兩種偏振方向互相垂直的影像畫面160時，因偏振片對於不同偏振(極化)方向光波的透射率不同，所產生的影像畫面160的不同位置的色彩或亮度即會出現差異。

相似地，請參考第2圖。第2圖係根據習知技術所繪示一種背投式投影機200之示意圖。因屏幕220的材料在製程時，不同位置會殘留不同應力，使其結構略有不同。若投影機200輸出到屏幕220不同位置的光波偏振(極化)方向不均勻，因屏幕220對於不同位置上具有不同偏振(極化)方向光波的吸收率不同，所產生的影像畫面的不同位置的色彩或亮度即會出現差異。

換言之，若投影在畫面不同位置的光波偏振(極化)方向不均勻，在經過會影響偏振方向的介質(例如：偏振片、屏幕)反射或透射後，因介質具有二向色性，對於不同偏振(極化)方向光波的折射率、反射率或吸收率不同，畫面的不同位置會產生色彩或亮度的差異。因此，本揭示內容提出一種投影裝置、一種投影系統及一種投影方法，可應用於各種投影設備，例如3D投影機、背投式投影機等等，得以使光波偏振(極化)方向均勻。

請參考第3圖。第3圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種投影系統300之示意圖。在部分實施例中，投影系統300包含雷射光源310、雙折射消偏振鏡(birefringent depolarizer)330及投影鏡頭370。在其他部分實施例中，投影系統300更包含螢光色輪320、補償元件340、分光色輪350、積分柱360及／或投影螢幕380。在部分實施例中，雷射光源310、螢光色輪320、雙折射消偏振鏡330、補償元件340、分光色輪350、積分柱360及投影鏡頭370可分別設置於投影設備當中的適當位置，使得投影設備將輸出的影像投影至投影螢幕380。

如第3圖所示，雷射光源310用以發射雷射光束LB。在部分實施例中，雷射光源310包含多個雷射子光源，以分別產生多個對應的雷射子光束。舉例來說，雷射光源310可包含藍色雷射子光源、紅色雷射子光源及綠色雷射子光源。藍色雷射子光源產生藍色雷射子光束，紅色雷射子光源產生紅色雷射子光束，綠色雷射子光源產生綠色雷射子光束。

在其他部分實施例中，雷射光源310透過螢光色輪320產生不同顏色的多個子光束。舉例來說，如第3圖所示，雷射光源310包含藍色雷射光源，藍色雷射光源發出的藍色雷射光束經由鏡片反射進入螢光色輪320，藍色雷射光束透過螢光色輪320的螢光粉激發產生紅色光束及綠色光束。如此一來，經過螢光色輪320後的光束便可包含紅色、藍色、綠色的子光束。

繼續參考第3圖，包含一或多個雷射子光束的雷射光束LB經由鏡片反射進入雙折射消偏振鏡330。雙折射消偏振鏡330包含雙折射光學材料，用以使雷射光束LB於穿透雙折射消偏振鏡330後形成包含複數個極化態樣的投影光束PB，且該些極化態樣為相異的複數個偏振方向。為方便說明起見，關於雙折射消偏振鏡330的具體內容將於後續段落中進行說明。

在部分實施例中，補償元件340可為折射或反射補償元件，在光路徑上置於雙折射消偏振鏡330之後。如第3圖所示，投影光束PB經由補償元件340補償因經過雙折射消偏振鏡330而產生偏差的光路徑。補償元件340可由平面鏡、反射菱鏡等等實現。藉此，補償元件340便可用以調整投影光束PB的光路徑。在其他部分實施例中，投影系統300可配合因經過雙折射消偏振鏡330而偏差的光線行進方向做設計。

接著，在部分實施例中，該投影光束進入分光色輪350，經由分光色輪350進行分光後進入積分柱360。積分柱360置於雙折射消偏振鏡330之後，用以使投影光束PB的亮度均勻化。在其他部分實施例中，投影光束PB射入投影鏡頭370，投影鏡頭370用以將投影光束PB輸出投影至投影螢幕380，而投影螢幕380置於投影鏡頭370之後，用以反射或透射投影光束PB形成投影影像。投影螢幕380可由具有二向色性的晶體材料所製成，對於相異偏振方向的光波具有相異的吸收率。

由於經由雙折射消偏振鏡330分散出來的該投影光束PB包含相異多個偏振方向的極化態樣，因而投影到投影螢幕380上不同位置的投影影像的光波偏振方向分布為均勻的。如此一來，即便投影螢幕380對於不同偏振方向的光波具有相異的吸收率，投影螢幕380上不同位置的投影影像不會有色彩或亮度的差異。

為進一步說明雙折射光學材料的光學特性，請參考第4圖。第4圖係根據本揭示內容之其他部分實施例繪示一種雙折射光學材料之示意圖。在第4圖所示實施例中，光學鏡片430為雙折射光學材料。雙折射光學材料對於入射光具有兩種折射率的特性。如圖中所示，當具有任意偏振方向的入射光I-ray進入光學鏡片430後，會分出兩種不同光波偏振方向的第一透射光o-ray及第二透射光e-ray。第一透射光o-ray和第二透射光e-ray的光波偏振方向相互垂直。根據雙折射光學材料的光學特性，當入射光I-ray以一特定角度射入光學鏡片430時，入射光I-ray不會分成兩種不同光波偏振方向的折射光，此特定角度的入射軸稱為光學鏡片430的晶軸。

接著，請參考第5A、5B圖。第5A、5B圖係分別為根據本揭示內容之部分實施例繪示一種雙折射消偏振鏡330之正面及側面示意圖。如圖中所示，在部分實施例中，雙折射消偏振鏡330為上窄下寬之楔形，包含第一透射面A和第二透射面B。在部分實施例中，上方窄邊TL的厚度可為約2.2毫米，下方寬邊BL的厚度可為約3.25毫米。

當入射光進入雙折射消偏振鏡330的不同位置上時，若光路徑通過介質部分的厚度不同，其光程差不同，即不同位置的光波射出時會產生不同方向的偏振。如第6圖所示，以一圓形代表光波射出雙折射消偏振鏡330後的截面，並以不同網點分別用以表示在光波截面的相異位置上包含不同極化態樣的偏振方向610～650。換言之，當入射光照射在雙折射消偏振鏡330的面積越大，或雙折射消偏振鏡330的上方窄邊TL、下方寬邊BL厚度差異越大，其光程差變化的週期越多，射出光波的偏振方向的均勻性越高。

具體而言，請再次參考第5圖。如第5B圖所示，雷射光束LB由第一透射面A入射雙折射消偏振鏡330，並由第二透射面B射出。在部分實施例中，雙折射消偏振鏡330的第一透射面A平行於XY平面，雙折射消偏振鏡330的晶軸C-axis平行Y軸，雷射光束LB以平行Z軸方向垂直入射第一透射面A，而第二透射面B與XY平面夾角可為約2度。

在部分實施例中，雙折射消偏振鏡330為固定設置。在其他部分實施例中，雙折射消偏振鏡330可在XY平面上轉動。又在其他部分實施例中，雙折射消偏振鏡330可沿X軸、Y軸或Z軸平行來回移動。

值得注意的是，上述雙折射消偏振鏡330的構造及尺寸、角度等參數僅為方便說明起見之示例，並非用以限制本案。本領域具備通常知識者可依據實際需求設計不同幾何結構(例如：厚度、角度、形狀、面積……等等)之雙折射消偏振鏡330。

請參考第6圖。如上所述，當雷射光束LB的偏振方向與雙折射消偏振鏡330的晶軸C-axis維持一特定夾角入射時，經過雙折射消偏振鏡330後形成包含多個極化態樣的投影光束PB。此外，如圖中所示，在成像平面上以不同網點所代表該投影光束PB的多個偏振方向610～650為漸進變化且分佈均勻的。

具體而言，如第6圖所示，在部分實施例中，投影光束的直徑約為20毫米，而投影光束分為五種偏振方向610～650，其中相鄰兩者的偏振方向為漸進變化。舉例來說，偏振方向610為沿Y軸的線偏振，偏振方向630為圓偏振，偏振方向650為沿X軸的線偏振，偏振方向620為介於偏振方向610和630之間的橢圓偏振，而偏振方向640為介於偏振方向630和650之間的橢圓偏振。

值得注意的是，雖然第6圖中繪示五種偏振方向的極化態樣，但其大小、寬度及偏振方向僅為方便說明起見的示例，並非用以限制本揭示內容。

換言之，在設置投影系統300時，可根據實際入射光源所擁有的光波偏振狀況，與雙折射消偏振鏡330的晶軸C-axis測試出最適合的相對角度，以使得畫面上各個位置光波極化態樣分布均勻。

請參考第7圖。第7圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種投影方法之流程圖。為方便及清楚說明起見，下述投影方法700是配合第3圖～第6圖所示實施例進行說明，但不以此為限，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可對作各種更動與潤飾。如第7圖所示，投影方法700包含操作S710～S760。

首先，在操作S710中，由雷射光源310發射雷射光束LB。

接著，在操作S720中，由雙折射消偏振鏡330使得雷射光束於穿透該雙折射消偏振鏡330後形成包含複數個極化態樣的投影光束PB，其極化態樣為相異的複數個偏振方向。

接著，在操作S730中，由補償元件340補償雷射光束LB與輸出投影光束PB之間因經過雙折射消偏振鏡330而偏差的光路徑。

接著，在操作S740中，以積分柱360使投影光束PB的亮度均勻化。

接著，在操作S750中，由投影鏡頭370將投影光束PB輸出投影。

接著，在操作S760中，由投影螢幕380接收投影光束PB投影。

上述投影方法700是配合第3圖～第6圖所示實施例進行說明，但不以此為限，任何所屬技術領域具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可對作各種更動與潤飾。

雖然本文將所公開的方法示出和描述為一系列的步驟或事件，但是應當理解，所示出的這些步驟或事件的順序不應解釋為限制意義。例如，部分步驟可以以不同順序發生和／或與除了本文所示和／或所描述之步驟或事件以外的其他步驟或事件同時發生。另外，實施本文所描述的一個或多個態樣或實施例時，並非所有於此示出的步驟皆為必需。此外，本文中的一個或多個步驟亦可能在一個或多個分離的步驟和／或階段中執行。

綜上所述，本案透過應用上述各個實施例中，入射雷射光束LB穿透雙折射消偏振鏡330後形成包含多個極化態樣的投影光束PB，而該些極化態樣為多個不同的偏振方向610～650，且該些偏振方向610～650為漸進變化且分佈均勻，因此投影光束PB在投影螢幕380上不同位置所形成的投影影像不會產生色彩或亮度上的差異。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，所屬技術領域具有通常知識者在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧投影機

120‧‧‧偏振片

140‧‧‧光波

160‧‧‧影像

200‧‧‧投影機

220‧‧‧屏幕

300‧‧‧投影系統

310‧‧‧雷射光源

320‧‧‧螢光色輪

330‧‧‧雙折射消偏振鏡

340‧‧‧補償元件

350‧‧‧分光色輪

360‧‧‧積分柱

370‧‧‧投影鏡頭

380‧‧‧投影螢幕

430‧‧‧光學鏡片

610～650‧‧‧偏振方向

700‧‧‧投影方法

I-ray‧‧‧入射光

o-ray‧‧‧第一透射光

e-ray‧‧‧第二透射光

LB‧‧‧雷射光束

PB‧‧‧投影光束

A‧‧‧第一透射面

B‧‧‧第二透射面

C-axis‧‧‧晶軸

TL‧‧‧上方窄邊

BL‧‧‧下方寬邊

X、Y、Z‧‧‧方向

S710～S760‧‧‧操作

第1圖係根據習知技術所繪示一種投影裝置之示意圖。 第2圖係根據習知技術所繪示另一種投影裝置之示意圖。 第3圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種投影系統之示意圖。 第4圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種雙折射光學材料之示意圖。 第5A、5B圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種雙折射消偏振鏡之示意圖。 第6圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種投影光束偏振方向分布之示意圖。 第7圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種投影方法之流程圖。

Claims (12)

1. 一種投影裝置，包含：一雷射光源，用以發射一雷射光束；一雙折射消偏振鏡，該雙折射消偏振鏡係為單一楔形，該雙折射消偏振鏡置於一投影鏡頭前，其中當該雷射光束於穿透該雙折射消偏振鏡後，該雷射光束形成包含複數個極化態樣的一投影光束；以及一補償元件，置於該雙折射消偏振鏡之後，用以補償該投影光束因經過該雙折射消偏振鏡而偏差的光路徑，該投影光束經由該投影鏡頭投影至一投影螢幕，其中該些極化態樣係為相異的複數個偏振方向。
2. 如請求項1所述之投影裝置，其中當該雙折射消偏振鏡的晶軸與該雷射光束入射時的偏振方向維持一特定夾角時，該投影光束的該些極化態樣分布均勻。
3. 如請求項1所述之投影裝置，其中該投影螢幕對相異偏振方向的光波具有相異的吸收率。
4. 一種投影系統，包含：一雷射光源，用以發射一雷射光束；一雙折射消偏振鏡，該雙折射消偏振鏡係為單一楔形，其中當該雷射光束於穿透該雙折射消偏振鏡後，該雷射光束形成包含複數個極化態樣的一投影光束，該些極化態樣係為相異的複數個偏振方向；一補償元件，置於該雙折射消偏振鏡之後，用以補償該雷射光束與該投影光束之間因經過該雙折射消偏振鏡而偏差的光路徑；以及一投影鏡頭，置於該補償元件之後，用以將補償後的該投影光束輸出投影。
5. 如請求項4所述之投影系統，其中當該雙折射消偏振鏡的晶軸與該雷射光束入射時的偏振方向維持一特定夾角時，該投影光束的該些極化態樣分布均勻。
6. 如請求項4所述之投影系統，其中該雷射光源包含複數個子光源，該雷射光束包含複數個子光束，該些子光源分別產生對應的該些子光束。
7. 如請求項4所述之投影系統，其中更包含：一積分柱，置於該雙折射消偏振鏡之後，用以使該投影光束的亮度均勻化。
8. 如請求項4所述之投影系統，更包含：一投影螢幕，置於該投影鏡頭之後，用以反射或透射該投影光束以形成投影影像。
9. 如請求項8所述之投影系統，其中該投影螢幕對相異偏振方向的光波具有相異的吸收率。
10. 一種投影方法，包含：由一雷射光源發射一雷射光束；由一雙折射消偏振鏡將該雷射光束形成包含複數個極化態樣的一投影光束，該些極化態樣係為相異的複數個偏振方向；由一補償元件補償該雷射光束與該投影光束之間因經過該雙折射消偏振鏡而偏差的光路徑；以及由一投影鏡頭將補償後的該投影光束輸出投影，其中該雙折射消偏振鏡係為單一楔形，該雙折射消偏振鏡置於該投影鏡頭前。
11. 如請求項10所述之投影方法，其中當該雙折射消偏振鏡的晶軸與該雷射光束入射時的偏振方向維持一特定夾角時，該投影光束的該些極化態樣分布均勻。
12. 如請求項10所述之投影方法，更包含：由一投影螢幕接收該投影光束投影。