CN104950562B - 投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影装置，包含光源、电位镜、偏振选择器、光学模块、光调制器、镜头与棱镜组。光源提供光束。电位镜依时序将光束偏转至不同方向。偏振选择器选择性地改变光束的偏振态。光学模块具有入口与出口并包含偏振分光元件、反射镜、第一波长延迟片、直角三角棱镜与第二波长延迟片。通过偏振选择器的光束自入口进入光学模块，且光学模块将光束导引至出口。偏振分光元件依偏振态而将光束导引至不同光路。第一波长延迟片置于偏振分光元件与反射镜之间。直角三角棱镜的底面面向偏振分光元件设置。第二波长延迟片置于直角三角棱镜的腰面其中之一上。

Description

投影装置

技术领域

本发明涉及一种投影装置。

背景技术

利用人类的两眼视差，公知的立体显示装置以分别提供观赏者两眼不同的光源影像来达成立体显示。而其中的立体裸视显示器，顾名思义，不像其他的立体显示装置需要使用眼镜来区分左右眼光源影像，立体裸视显示器将具不同光源影像的光束分别传送到空间上不同的位置，因此若不同的光源影像同时传至观赏者的左右眼，观赏者即能够以裸视感受到立体影像。立体裸视显示技术能避免眼镜式立体显示技术的不便，是目前重要的发展方向。

发明内容

本发明的一态样提供一种投影装置，包含光源、电位镜、偏振选择器、光学模块、光调制器、镜头与棱镜组。光源用以提供光束。电位镜用以依时序将光束偏转至不同方向。偏振选择器用以选择性地改变光束的偏振态。光学模块具有入口与出口。通过偏振选择器的光束自入口进入光学模块，且光学模块将光束导引至出口。光学模块包含偏振分光元件、反射镜、第一波长延迟片、直角三角棱镜与第二波长延迟片。偏振分光元件具有入口与出口。偏振分光元件依入射入口的光束的偏振态而将光束导引至不同光路。第一波长延迟片置于偏振分光元件与反射镜之间。直角三角棱镜具有底面与相对的二腰面。直角三角棱镜的底面面向偏振分光元件设置。第二波长延迟片置于直角三角棱镜的腰面其中之一上。光调制器用以将通过光学模块的出口的光束依时序调制成多个影像。棱镜组用以将通过光学模块的出口的光束导引至光调制器，并用以将影像导引至镜头。

在一或多个实施方式中，反射镜置于偏振分光元件相对入口的一侧，且直角三角棱镜置于偏振分光元件相对出口的一侧。

在一或多个实施方式中，反射镜置于偏振分光元件相对出口的一侧，且直角三角棱镜置于偏振分光元件相对入口的一侧。

在一或多个实施方式中，直角三角棱镜的腰面皆为全反射面。

在一或多个实施方式中，光学模块还包含二反射层，分别置于直角三角棱镜的腰面上。

在一或多个实施方式中，偏振分光元件为偏振分光棱镜(Polarizing BeamSplitter,PBS)。

在一或多个实施方式中，光学模块还包含棱镜，置于偏振分光元件与第一波长延迟片之间。

在一或多个实施方式中，偏振选择器为液晶面板。当液晶面板处于开启状态时，液晶面板能够转变光束的偏振态，当液晶面板处于关闭状态时，光束通过液晶面板时维持该偏振态。

在一或多个实施方式中，电位镜于第一期间的旋转方向与电位镜于第二期间的旋转方向相反。

在一或多个实施方式中，光调制器于第一期间所调制的影像间隔相同于光调制器于第二期间所调制的影像间隔。

在上述实施方式中，藉由偏振选择器与光学模块，投影装置产生各视角的序列影像皆具有相同的画面频率(frame rate)。

附图说明

图1为本发明一实施方式的投影装置的立体图。

图2为光束的光轴所在处于光学模块的入口与出口的位置的关系图。

图3为图1的投影装置于第一期间的光路示意图。

图4为图1的光学模块于第一期间的光路示意图。

图5为图1的投影装置于第二期间的光路示意图。

图6为图1的光学模块于第二期间的光路示意图。

图7为本发明另一实施方式的直角三角棱镜、第二波长延迟片与反射层的侧视图。

图8为本发明另一实施方式的光学模块的侧视图。

图9为应用图1的投影装置的立体显示装置的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、2、3：光轴 100：投影装置

110：光源 120：电位镜

122、124：轴向 130：偏振选择器

140：光学模块 140a：入口

140b：出口 142：偏振分光元件

144：反射镜 146：第一波长延迟片

148：直角三角棱镜 148c：底面

148a、148b：腰面 152：第二波长延迟片

154、172、174、176：棱镜 156a、156b：反射层

160：光调制器 170：棱镜组

178：全反射界面 180：镜头

192、194、196、198：透镜 200：屏幕

202：成像面 210：第一透镜阵列

220：第二透镜阵列 300：准直透镜

O：观赏面 T0、T1、T2：时间

θ：投射夹角 Φ：投影夹角

具体实施方式

以下将以附图揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些公知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示之。

图1为本发明一实施方式的投影装置100的立体图。投影装置100包含光源110、电位镜120、偏振选择器130、光学模块140、光调制器160、棱镜组170与镜头180。光源110用以提供光束。电位镜120用以依时序将光束偏转至不同方向。偏振选择器130用以选择性地改变光束的偏振态。光学模块140具有入口140a与出口140b。通过偏振选择器130的光束自入口140a进入光学模块140，且光学模块140将光束导引至出口140b。光学模块140包含偏振分光元件142、反射镜144、第一波长延迟片146、直角三角棱镜148与第二波长延迟片152。偏振分光元件142具有入口140a与出口140b。偏振分光元件142依入射入口140a的光束的偏振态而将光束导引至二光路其中一者(详见后述)。第一波长延迟片146置于偏振分光元件142与反射镜144之间。直角三角棱镜148具有底面148c与相对的二腰面148a、148b。直角三角棱镜148的底面148c面向偏振分光元件142设置。第二波长延迟片152置于直角三角棱镜148的腰面148a。光调制器160用以将通过光学模块140的出口140b的光束依时序调制成多个影像。棱镜组170用以将通过光学模块140的出口140b的光束导引至光调制器160，并用以将影像导引至镜头180。

请一并参照图1与图2，其中图2为光束的光轴所在处于光学模块的入口140a与出口140b的位置的关系图。具体而言，当于第一期间(时间T0至时间T1)时，电位镜120往一方向旋转，因此光束的光轴打至入口140a的位置依时序而有所偏移(例如在图2中是往正方向偏移)。光束通过偏振选择器130后，其偏振态被改变。之后光束通过光学模块140，且自出口140b离开，此时光束的光轴依时序而有所偏移(例如在图2中是往正方向偏移)。当于第二期间(时间T1至时间T2)时，电位镜120往另一方向旋转，其中电位镜120于第一期间的旋转方向与电位镜120于第二期间的旋转方向相反。光束通过偏振选择器130并维持其偏振态。光束的光轴打至光学模块140的入口140a的位置依时序而有所偏移(例如在图2中是往负方向偏移)。在光束通过光学模块140后，光束自出口140b离开，并且其光轴依时序而有所偏移(例如在图2中是往正方向偏移)。

若电位镜120于第一期间的旋转方向与电位镜120于第二期间的旋转方向相反，且光束未通过偏振选择器130与光学模块140，则投影装置100所产生的各视角的影像画面重现频率会有所不同。中间视角(例如于时间(T1+T0)/2时所产生的影像的视角)，画面重现的时间间隔最短，愈近两端视角(例如于时间T1时所产生的影像的视角)，画面重现的时间间隔愈长。然而在本实施方式中，纵使电位镜120于第一期间的旋转方向与电位镜120于第二期间的旋转方向相反，使得于第一期间与第二期间时，光束在光学模块140的入口140a的偏移方向相反。然而在通过偏振选择器130与光学模块140后，不论于第一期间或第二期间，光束在光学模块140的出口140b皆沿同一方向偏移，因此投影装置100即可产生各视角皆具有与中间视角相同的最大的画面频率(frame rate)。

详细而言，请参照图3，其为图1的投影装置100于第一期间的光路示意图。其中为了清楚起见，图3以平面图绘示之，自光源110至电位镜120之间的区域是沿图1的俯视方向绘示的，且自电位镜120至镜头180之间的区域是沿图1的侧视方向绘示的。在本实施方式中，光源110可为激光，用以提供具P偏振态的光束，然而本发明不以此为限。偏振选择器130可为液晶面板。当液晶面板处于开启状态(定义为第一期间)时，液晶面板能够转变光束的偏振态。当液晶面板处于关闭状态(定义为第二期间)时，光束通过液晶面板时维持该偏振态。另外，投影装置100可还包含多个透镜192、194与196。透镜192与194分别置于光源110与电位镜120之间，透镜196置于电位镜120与偏振选择器130之间。因此在第一期间时，光源110发出P偏振态的光束。光束经过透镜192与194后打至电位镜120，电位镜120沿着轴向122旋转，因此光束被电位镜120依时序反射至不同方向。而光束接着再依序通过透镜196与偏振选择器130，因此光束的偏振态被偏振选择器130依时序转变为S偏振态。

接着请一并参照图3与图4，其中图4为图1的光学模块140于第一期间的光路示意图。在本实施方式中，光学模块140的反射镜144置于偏振分光元件142相对入口140a的一侧，且直角三角棱镜148置于偏振分光元件142相对出口140b的一侧。第一波长延迟片146与第二波长延迟片152皆为四分之一波长延迟片。直角三角棱镜148的腰面148a与148b(皆如图1所绘示)皆为全反射面。偏振分光元件142可为偏振分光棱镜(Polarizing BeamSplitter,PBS)，其中偏振分光元件142例如可容许具S偏振态的光束通过，且反射具P偏振态的光束。在一或多个实施方式中，光学模块140可还包含棱镜154，置于偏振分光元件142与第一波长延迟片146之间。

在第一期间时，具S偏振态的光束依时序打至入口140a。在图4中，不同时序的光束分别由其光轴1、2与3表示之，且标号的顺序表示时序的顺序。换言之，具光轴1的光束存在的时序早于具光轴2的光束，且具光轴2的光束存在的时序早于具光轴3的光束，亦即光束依时序往出图面的方向(对应图2的正方向)偏移。在此应注意的是，虽然在图4中以三个光轴为例示，也就是说，在第一期间时，电位镜120将光束依时序偏转至三个不同的方向，然而本发明不以此为限。本发明本领域的技术人员，可视实际需要，弹性选择偏转方向的数量。

具S偏振态的光束自入口140a进入偏振分光元件142，接着通过偏振分光元件142，依序通过棱镜154与第一波长延迟片146后被反射镜144反射，因此再度通过第一波长延迟片146。通过两次第一波长延迟片146的具S偏振态的光束转变为具P偏振态的光束，之后再通过棱镜154后回到偏振分光元件142。偏振分光元件142将光束反射至出口140b，如此一来，光束即离开光学模块140。而于出口140b的光束仍然依时序往出图面的方向偏移。

接着请回到图3。投影装置100可还包含透镜198，置于光学模块140与棱镜组170之间。棱镜组170包含棱镜172、174与176，其中棱镜172与174之间具有一全反射界面178，当入射光以大于全反射界面的角度入射全反射界面178时会被反射，反之则穿透。

离开光学模块140的光束依序通过透镜198后入射棱镜172，且以大于全反射角的角度打至全反射界面178，因此被全反射界面178反射至棱镜176后到达光调制器160。光调制器160将光束依时序调制成多个影像，其中图4的具光轴1、2与3的光束皆被调制成不同的影像。因此这些影像依序反射回棱镜组170，通过棱镜176与172后以小角度入射全反射界面178，因此穿透全反射界面178，通过棱镜174后打至镜头180。

接着请参照图5，其为图1的投影装置100于第二期间的光路示意图。其中图5的绘示方式与图3相同，因此便不再赘述。在第二期间时，光源110发出P偏振态的光束。光束经过透镜192与194后打至电位镜120，电位镜120沿着轴向124旋转(其中轴向124与图3的轴向122相反)，因此光束被电位镜120依时序反射至不同方向。光束接着再依序通过透镜196与偏振选择器130后，光束的偏振态仍然维持为P偏振态。

接着请一并参照图5与图6，其中图6为图1的光学模块140于第二期间的光路示意图。在第二期间时，具P偏振态的光束依时序打至入口140a，光束依时序往入图面的方向(对应图2的负方向)偏移。具P偏振态的光束自入口140a进入偏振分光元件142，接着被偏振分光元件142反射至直角三角棱镜148。光束自直角三角棱镜148的底面148c入射，其中在第一子时序时，具光轴1的光束先到达腰面148b，因此被腰面148b反射至腰面148a。之后具光轴1的光束打至第二波长延迟片152，且被腰面148a反射至底面148c，因此光束的偏振态转变为S偏振态，且光束回到偏振分光元件142，通过偏振分光元件142后自出口140b离开光学模块140。

在第二子时序时，部分具光轴2的光束先到达腰面148b，因此被腰面148b反射至腰面148a。之后该部分的光束打至第二波长延迟片152，且被腰面148a反射至底面148c，因此光束的偏振态转变为S偏振态，且该部分的光束回到偏振分光元件142。另一部分具光轴2的光束先到达腰面148a，打至第二波长延迟片152，且被腰面148a反射至腰面148b，因此该部分的光束的偏振态转变为S偏振态。的后该部分的光束被腰面148b反射至底面148c后回到偏振分光元件142。接着具光轴2的光束通过偏振分光元件142后自出口140b离开光学模块140。

在第三子时序时，具光轴3的光束先到达腰面148a，打至第二波长延迟片152，且被腰面148a反射至腰面148b，因此具光轴3的光束的偏振态转变为S偏振态。之后具光轴3的光束被腰面148b反射至底面148c后回到偏振分光元件142。接着具光轴3的光束通过偏振分光元件142后自出口140b离开光学模块140。而于出口140b的光束转为依时序往出图面的方向(对应图2的正方向)偏移。

接着请回到图5。离开光学模块140的光束依序通过透镜198后入射棱镜172，且以大于全反射角的角度打至全反射界面178，因此被全反射界面178反射至棱镜176后到达光调制器160。光调制器160将光束依时序调制成多个影像，其中图6的具光轴1、2与3的光束皆被调制成不同的影像，且图4与图6的具光轴1的光束被调制成相同的影像，具光轴2、3的光束亦然。换言之，光调制器160于第一期间所调制的影像相同于光调制器160于第二期间所调制的影像，且第一期间的各影像间隔相同于第二期间的各影像间隔。因此这些影像依序反射回棱镜组170，通过棱镜176与172后以小角度入射全反射界面178，因此穿透全反射界面178，通过棱镜174后打至镜头180。如此一来，只要依时序切换第一期间与第二期间，即能产生各视角相同画面频率(frame rate)的多视域影像。其中第一期间与第二期间的时间长度皆可为1/60秒(在使用来回旋转一次为1/30秒的电位镜120的情况下)，即投影装置100可达成60Hz的多视域影像，然而本发明不以此为限。

综合上述，纵使电位镜120于第一期间的旋转方向与电位镜120于第二期间的旋转方向相反，然而在通过偏振选择器130与光学模块140时，因偏振分光元件142能够依入射入口140a的光束的偏振态而将光束导引至不同光路(亦即往棱镜154的光路与往直角三角棱镜148的光路)，使得光束在光学模块140的出口140b皆沿同一方向偏移，因此投影装置100即可产生各视角皆具有与中间视角相同的最大的画面频率(frame rate)。

接着请参照图7，其为本发明另一实施方式的直角三角棱镜148、第二波长延迟片152与反射层156a、156b的侧视图。本实施方式与图1的实施方式的不同处在于反射层156a与156b的存在。在本实施方式中，光学模块140还包含二反射层156a与156b，分别置于直角三角棱镜148的腰面148a与148b上。反射层156a与156b例如是以镀膜方式形成于腰面148a与148b上。当光束入射腰面148a与148b的入射角小于腰面148a与148b的全反射角时，光束将会穿透腰面148a与148b而离开直角三角棱镜148，而反射层156a与156b则能够将光束反射回直角三角棱镜148。另外应注意的是，若光束入射腰面148a与148b的入射角大于其全反射角时，以图1的结构即可达到反射光束的目的。至于本实施方式的其他细节因与图1相同，因此便不再赘述。

接着请参照图8，其为本发明另一实施方式的光学模块140的侧视图。本实施方式与图1的实施方式的不同处在于光学模块140的各元件的相对位置。在本实施方式中，反射镜144置于偏振分光元件142相对出口140b的一侧，且直角三角棱镜148置于偏振分光元件142相对入口140a的一侧。因此在第一期间的光束会到达直角三角棱镜148，而在第二期间的光束会到达反射镜144。至于本实施方式的其他细节因与图1相同，因此便不再赘述。

接着请参照图9，其为应用图1的投影装置100的立体显示装置的示意图。立体显示装置包含投影装置100、屏幕200与准直透镜300。准直透镜300置于投影装置100与屏幕200之间。屏幕200包含第一透镜阵列210与第二透镜阵列220，第一透镜阵列210与第二透镜阵列220之间具有一成像面202。准直透镜300能够将点光源(即投影装置100)转变为面光源。投影装置100所产生的多个影像之间具有一投射夹角θ。影像通过准直透镜300后成为面光源而打至屏幕200。屏幕200的第一透镜阵列210将影像成像至成像面202，的后影像再通过第二透镜阵列220而打至观赏面O。第二透镜阵列220能够将投射夹角θ转变为投影夹角Φ，其中投影夹角Φ的值大于投射夹角θ的值。如此一来，即能够扩大观赏面O的可视角度。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种投影装置，包含：

一光源，用以提供一光束；

一偏振选择器，用以选择性地改变该光束的偏振态；其特征在于，还包括：

一电位镜，用以依时序将该光束偏转至不同方向；

一光学模块，具有一入口与一出口，通过该偏振选择器的该光束自该入口进入该光学模块，且该光学模块将该光束导引至该出口，其中该光学模块包含：

一偏振分光元件，具有该入口与该出口，该偏振分光元件依入射该入口的该光束的偏振态而将该光束导引至不同光路；

一反射镜；

一第一波长延迟片，置于该偏振分光元件与该反射镜之间；

一直角三角棱镜，具有一底面与相对的二腰面，其中该直角三角棱镜的该底面面向该偏振分光元件设置；以及

一第二波长延迟片，置于该直角三角棱镜的所述二腰面其中之一上；

一光调制器，用以将通过该光学模块的该出口的该光束依时序调制成多个影像；

一镜头；以及

一棱镜组，用以将通过该光学模块的该出口的该光束导引至该光调制器，并用以将该些影像导引至该镜头。

2.如权利要求1所述的投影装置，其中该反射镜置于该偏振分光元件相对该入口的一侧，且该直角三角棱镜置于该偏振分光元件相对该出口的一侧。

3.如权利要求1所述的投影装置，其中该反射镜置于该偏振分光元件相对该出口的一侧，且该直角三角棱镜置于该偏振分光元件相对该入口的一侧。

4.如权利要求1所述的投影装置，其中该直角三角棱镜的该些腰面皆为全反射面。

5.如权利要求1所述的投影装置，其中该光学模块还包含二反射层，分别置于该直角三角棱镜的所述二腰面上。

6.如权利要求1所述的投影装置，其中该偏振分光元件为一偏振分光棱镜。

7.如权利要求1所述的投影装置，其中该光学模块还包含：

一棱镜，置于该偏振分光元件与该第一波长延迟片之间。

8.如权利要求1所述的投影装置，其中该偏振选择器为一液晶面板，其中当该液晶面板处于开启状态时，该液晶面板能够转变该光束的偏振态，当该液晶面板处于关闭状态时，该光束通过该液晶面板时维持该偏振态。

9.如权利要求1所述的投影装置，其中该电位镜于一第一期间的旋转方向与该电位镜于一第二期间的旋转方向相反。

10.如权利要求9所述的投影装置，其中该光调制器于该第一期间所调制的影像间隔相同于该光调制器于该第二期间所调制的影像间隔。