CN104977722A - 投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种投影装置，包括第一激光光源、第二激光光源、光束组合器以及成像单元。第一激光光源发出第一光束，第二激光光源发出第二光束。光束组合器由双折射材料制成，光束组合器具有一光接收面。第一光束及第二光束射入光接收面，第一光束及第二光束行经光束组合器之后整合为一合并光束，成像单元处理合并光束后产生投影影像。

Description

投影装置

技术领域

本发明是有关于一种投影装置，且特别是有关于一种包括光束组合器的投影装置。 

背景技术

在便携设备(例如手机)上面整合各式各样的功能与应用已经成为科技市场的主要研究发展趋势，而微型投影***即是其中之一。微型投影***可与便携设备结合，以投射画面讯息来便利个人随身的应用如播放影片、浏览网页，或进行社交活动如会议、视讯通话等。由此微型化设计、低功率消耗与方便携带等特性可达成日常生活中的各式需求。然而，因应未来趋势以及使用者需求，体积再微型化的微型投影***日益重要。 

因此，如何对投影机的光学***进行整合与微小化设计，乃目前业界所致力的课题之一。 

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明的目的是提出一种投影装置。 

根据本发明的一方面，提出一种投影装置，包括第一激光光源、第二激光光源、光束组合器以及成像单元。第一激光光源发出第一光束，第二激光光源发出第二光束。光束组合器由双折射材料制成，光束组合器具有一光接收面。第一光束及第二光束射入光接收面，第一光束及第二光束行经光束组合器之后整合为一合并光束，成像单元处理合并光束后产生投影影像。 

附图说明

图1绘示依照本发明第一实施例的投影装置的示意图。 

图2绘示依照本发明第二实施例的投影装置的示意图。 

图3绘示依照本发明第三实施例的投影装置的示意图。 

图4绘示依照本发明第四实施例的投影装置的示意图。 

【符号说明】 

1、2、3、4：投影装置 

12、22、32、42：光束组合器 

14：成像单元 

101、201、301、401：第一激光光源 

102、202、302、402：第二激光光源 

221、321、421：第一棱镜 

222、322、422：第二棱镜 

303、403：第三激光光源 

404：第四激光光源 

A1、A21、A22、A31、A32、A41、A42：光轴 

D：发光点间距 

D31、D32、D41、D42、D43：间距 

L1、L2、L3、L4：合并光束 

L11、L21、L31、L41：第一光束 

L12、L22、L32、L42：第二光束 

L33、L43：第三光束 

L44：第四光束 

T、T31、T32、T41、T42：厚度 

α：第一夹角 

β：第二夹角 

θ：夹角 

具体实施方式

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下： 

激光投影***需要依赖平行交叠且准直或聚焦的红、绿、蓝激光光源来产生影像光束。传统激光投影***一般是采用独立分离的红、绿、蓝激 光光源，即分别独立的三颗半导体激光元件，而当欲合并各激光光源的光束时，其一般需要3组滤光镜(filter)以及3组光准直器(collimator)分别对应各色激光元件，以产生各色光之间准直与交叠的光束。然而，其所需的额外光学元件将使得整体光学***占用较大的体积。 

为使得激光光源的体积缩小，目前的技术可采用多颗激光二极管整合式封装(multi-chip package)的激光光源，即激光二极管以阵列(laser diode array)的方式排列于单一封装中，其中各激光发光源之间的间距约在0.1mm～1mm的范围，例如是110μm。然而，由于各激光发光源之间的间距过小，因此阵列光源较难以达到平行交叠且准直或聚焦的激光束。举例而言，若采用传统架构使用单一光准直器来对应整合式封装的所有激光光源，则阵列内不同位置的激光光源经过上述单一光准直器后会产生聚焦后多光点的问题。若欲解决上述问题而欲合成一准直光束，则必须再使用分光镜(beam splitter)以及额外的滤光镜及光准直器以将整合式封装的各激光光源进行分光后再合成为一准直光束。然而如此即增加了体积与元件数量，丧失整合式封装的激光光源体积小的优势。 

鉴于上述问题，本揭露提出一种投影装置，包括一由双折射材料制成的光束组合器，能够将不同激光光源的光束整合为合并光束，使得整体光学***体积微型化，发挥半导体激光元件的高能量密度与小体积优势。在本揭露中，光束组合器的至少一特性参数与不同激光光源之间的至少一光束参数具有对应关系。兹说明本揭露各实施例如下。 

第一实施例 

图1绘示依照本发明第一实施例的投影装置的示意图。投影装置1包括第一激光光源101、第二激光光源102、光束组合器12以及成像单元14。第一激光光源101发出第一光束L11，第二激光光源102发出第二光束L12。光束组合器12是由双折射材料制成，光束组合器12具有一光接收面。第一光束L11及第二光束L12射入光接收面，第一光束L11及第二光束L12行经光束组合器12之后整合为一合并光束L1，成像单元14处理合并光束L1后产生投影影像。 

第一激光光源101例如是红光激光，第二激光光源102例如是蓝光激光，即分别是不同色的激光光源。此外，第一激光光源101与第二激光光 源102也可以是相同颜色的激光光源，例如皆是红光激光。第一激光光源101及第二激光光源102例如是激光二极管光源。 

第一光束L11的极化方向是与第二光束L12的极化方向垂直。如图1所示的例子中，第一光束L11的极化方向是平行于光束行进面(光束行进面是由第一光束L11以及第二光束L12的行进方向所定义的平面，在图1的例子中，光束行进面是与纸面平行)，为水平极化光(p-polarized)。第二光束L12的极化方向是垂直于光束行进面，为垂直极化光(s-polarized)。图1中亦绘示了第一光束L11以及第二光束L12的极化方向(实心点代表极化方向垂直于纸面)。 

第一激光光源101及第二激光光源102可以通过摆向旋转(例如将偏振片的角度旋转90度)、前置波板(例如是二分之一波板)或是于出光面配置双折射镀膜的方式，使得第一光束L11的极化方向与第二光束L12的极化方向垂直。 

第一激光光源101及第二激光光源102之间具有一发光点间距D。例如在整合式封装激光光源中，发光点间距大约为110μm。于此实施例中，第一光束L11以及第二光束L12的行进方向皆平行于光接收面的法线，于图1中光接收面为光束组合器12的左缘。光束组合组12例如是一长方体，图1中光束组合组12的左缘即代表一个面，其是用以接收个别激光光源的光接收面。 

光束组合器12是由双折射材料制成，双折射材料例如为方解石(calcite，CaCO₃)或是金红石(rutile，TiO₂)。由于双折射材料的特性，当极化方向互相垂直的第一光束L11以及第二光束L12行经光束组合器时，其折射率会不相同，且行进路线也会不相同。透过适当调整光束组合器12的厚度T，则第一光束L11以及第二光束L12可以整合为一合并光束L1。光束组合器12的双折射材料的光轴A1与光接收面的法线的夹角与光束的波长有关。 

于此实施例中，光束组合器12的双折射材料的光轴A1与光接收面的法线的夹角例如为45度，且光轴A1与第一光束L11及第二光束L12行进方向所定义的平面共平面，双折射材料的光轴如图1光轴A1所绘示的方向。 

在本实施例中，光束组合器12的特性参数例如为光束组合器12的厚度T，而不同激光光源之间的光束参数例如为激光光源间的发光点间距D。于实作中，可以依据封装时激光光源间的发光点间距D以对应调整光束组合器12的厚度T，亦可以依据光束组合器12的厚度T而对应调整激光光源间的发光点间距D。 

于此实施例中，光束组合器12的厚度T与激光光源间的发光点间距D具有对应关系。其中，光束组合器12的厚度T较佳为1mm～2mm之间，而激光光源间的发光点间距D对应地较佳为0.1mm～0.25mm之间。 

成像单元14处理合并光束L1后产生一投影影像。成像单元14例如包括一光准直器，合并光束L1经由光准直器准直或聚焦。来自不同激光光源的光束经光束组合器12整合为合并光束L1，因此成像单元14仅需一个光准直器，即可达到准直或聚焦的效果，进而能够节省硬件空间及成本。成像单元14例如还包括一扫描反射镜，扫描反射镜反射合并光束L1，以扫描的方式而产生投影影像，扫描反射镜例如为微机电***(MEMS)。投影装置1例如是微型激光扫描式投影机。 

第二实施例 

图2绘示依照本发明第二实施例的投影装置的示意图。投影装置2中，第一激光光源201发出第一光束L21，第二激光光源202发出第二光束L22，第一激光光源201与第二激光光源202可以是相同颜色亦可以是不同颜色。第一光束L21的极化方向与第二光束L22的极化方向垂直。第一光束L21行进方向与光束组合器22的光接收面的法线n间具有第一夹角α，第二光束L22行进方向与光束组合器22的光接收面的法线n间具有第二夹角β。第一光束L21以及第二光束L22分别位于光接收面的法线n的两侧。 

光束组合器22包括第一棱镜221以及第二棱镜222。第一棱镜221与第二棱镜222皆由双折射材料制成。第一棱镜221与第二棱镜222使用相同的双折射折料，例如由两块方解石、或由两块金红石，堆栈而形成的光束组合器22。 

于此实施例中，第一棱镜221的光轴A21垂直于法线n，第二棱镜222的光轴A22垂直于法线n，且第二棱镜222的光轴A22垂直于第一棱镜221 的光轴A1，第二棱镜222的光轴A22与第一光束L21及第二光束L22的行进方向所定义的平面共平面。如图2所示，第一棱镜221的光轴A21垂直于纸面的方向，第二棱镜222的光轴A22平行于纸面的方向。 

第一棱镜221及第二棱镜222于一接合面处彼此接合，第一棱镜221不与第二棱镜222接合的一表面为光接收面。接合面与光接收面的法线n之间具有夹角θ。夹角θ的大小与第一夹角α及第二夹角β相关。透过适当调整光束组合器22的夹角θ，则第一光束L21以及第二光束L22可以整合为一合并光束L2。 

在本实施例中，光束组合器22的特性参数例如为光束组合器22的接合面与光接收面的法线n之间的夹角θ，而不同激光光源之间的光束参数例如为第一光束L21及第二光束L22行进方向分别与光束组合器22的光接收面的法线n间的第一夹角α及第二夹角β。于实作中，可以依据封装时激光光源的第一夹角α及第二夹角β以对应调整光束组合器22的夹角θ，亦可以依据光束组合器22的夹角θ而对应调整激光光源间的第一夹角α及第二夹角β。 

于此实施例中，光束组合器22的接合面与光接收面的法线n之间的夹角θ与第一光束L21及第二光束L22行进方向分别与光束组合器22的光接收面的法线n间的第一夹角α及第二夹角β具有对应关系。其中，光束组合器22的接合面与光接收面的法线n之间的夹角θ较佳为45度～80度之间，而第一光束L21行进方向与光束组合器22的光接收面的法线n间的第一夹角α对应地较佳为2度～2度之间，而第二光束L22行进方向与光束组合器22的光接收面的法线n间的第二夹角β对应地较佳为2度～20度之间。 

第三实施例 

图3绘示依照本发明第三实施例的投影装置的示意图。投影装置3包括第一激光光源301、第二激光光源302以及第三激光光源303。第一激光光源301、第二激光光源302以及第三激光光源303的颜色可为各不相同、部分相同或完全相同。以颜色各不相同为例，第一激光光源301可以是蓝光激光，第二激光光源302可以是绿光激光，第三激光光源303可以是红光激光。第一激光光源301、第二激光光源302以及第三激光光源303 分别发出的第一光束L31、第二光束L32以及第三光束L33行经光束组合器32之后，整合为合并光束L3，其中第一光束L31的极化方向与第二光束L32的极化方向垂直，第三光束L33的极化方向与第一光束L31的极化方向垂直，或与第二光束L32的极化方向垂直。于图3所绘示的例子中，第三光束L33的极化方向与第二光束L32的极化方向相同。当三个激光光源分别为蓝、绿、红光激光，成像单元14接收合并光束L3之后，能够产生全彩的投影影像。 

此实施例中第一光束L31、第二光束L32以及第三光束L33皆平行于光接受面的法线。光束组合器33包括第一棱镜321以及第二棱镜322，第一棱镜321与第二棱镜322皆由双折射材料制成，例如皆由相同的双折射材料制成。第一棱镜321及第二棱镜322于一接合面处彼此接合，第一棱镜321不与第二棱镜322接合的一表面为光接收面，其中接合面与光接收面平行。 

此实施例的原理类似于第一实施例，光束组合器32的特性参数例如为光束组合器32的厚度T，而不同激光光源之间的光束参数例如为激光光源间的发光点间距D。在此实施例中，光束组合器32包含多个棱镜，光束组合器32的厚度T进一步包含各棱镜的厚度并对应于欲整合的激光光源间的发光点间距。于图3所绘示的例子中，第一激光光源301与第二激光光源302之间的发光点间距D31对应于第一棱镜的厚度T31，而第一激光光源301与第三激光光源303之间的发光点间距D32对应于第二棱镜的厚度T32。 

再者，第一棱镜321的光轴A31与光接收面的法线的夹角以及第二棱镜322的光轴A32与光接收面的法线的夹角与其接收光束的波长有关。于此实施例中，第一棱镜321的光轴A31与光接收面的法线的夹角例如为45度，第一棱镜321的光轴A31与第一光束L31及第二光束L32行进方向所定义的平面共平面。而第二棱镜322的光轴A32则进一步根据其接收光束的波长来决定其与光接收面的法线的夹角。 

第四实施例 

图4绘示依照本发明第四实施例的投影装置的示意图。此实施例与第三实施例不同之处，在于投影装置4还包括第四激光光源404。第四激光 光源404的颜色可以与第三激光光源403的颜色相同。第一激光光源401、第二激光光源402、第三激光光源403、第四激光光源404的颜色例如分别是蓝光、绿光、红光、红光。 

第四激光光源404的颜色虽与第三激光光源403的颜色相同，但两者的波长略有不同。通过布署波长不同的同色激光光源，可以降低光斑对比(speckle contrast)，因此投影影像的质量较佳，能使得人类眼睛观赏投影影像时较为舒适。 

第四激光光源404发出的第四光束L44，其极化方向垂直于第三激光光源403发出的第三光束L43的极化方向。第二激光光源402发出的第二光束L42，其极化方向垂直于第一激光光源401发出的第一光束L41的极化方向。第一光束L41、第二光束L42、第三光束L43以及第四光束L44行进方向皆平行于光接受面的法线。 

光束组合器42包括第一棱镜421以及第二棱镜422，第一棱镜421与第二棱镜422皆由双折射材料制成，例如皆由相同的双折射材料制成。第一棱镜421及第二棱镜422于一接合面处彼此接合，第一棱镜421不与第二棱镜422接合的一表面为光接收面，其中接合面与光接收面平行。再者，第一棱镜421的光轴A41与光接收面的法线的夹角以及第二棱镜422的光轴A42与光接收面的法线的夹角与其接收光束的波长有关。于此实施例中，第一棱镜421的光轴A41与光接收面的法线的夹角例如为45度，第一棱镜421的光轴A41与第一光束L41及第二光束L42行进方向所定义的平面共平面。而第二棱镜422的光轴A42则进一步根据其接收光束的波长来决定其与光接收面的法线的夹角。 

此实施例的原理类似于第一实施例及第三实施例，透过两阶段的棱镜设计，使得四个激光光源发出的光束能整合为一合并光束L4。光束组合器42的特性参数例如为光束组合器42的厚度T，而不同激光光源之间的光束参数例如为激光光源间的发光点间距D。在此实施例中，光束组合器42包含多个棱镜，光束组合器42的厚度T进一步包含各棱镜的厚度并对应于欲整合的激光光源间的发光点间距。于图4所绘示的例子中，例如第一光束L41及第二光束L42经由第一棱镜421整合，第三光束L43及第四光束L44亦经由第一棱镜421整合，整合后的二光束再经由第二棱镜422整 合为合并光束L4。因此，第一激光光源401与第二激光光源402之间的间距D41对应于第一棱镜421的厚度T41，第一激光光源401与第三激光光源403之间的间距D42对应于第二棱镜422的厚度T42，第三激光光源403与第四激光光源404之间的间距D43对应于第一棱镜的厚度T41。 

此实施例中包括4个激光光源，然基于类似原理，利用本揭露中的投影装置，亦可使得4个以上的激光光源发出的光束整合为一合并光束。 

于本发明上述的投影装置中，由于使用双折射材料制成的光束组合器，使得来自不同激光光源的光束，能够整合成为一合并光束，而能经由成像单元产生投影影像。不论是2～4个激光光源，皆可以仅利用一组光学元件(例如是一个光束组合器以及一个光准直器)即达成激光光的整合，相较于传统架构中对于3个可见光激光光源，需使用3个滤光镜以及3个光准直器，本揭露能够降低光学元件所占的空间并且节省成本。 

此外，本揭露中的投影装置适用大小范围符合激光阵列封装的机构特性需求，例如是激光二极管光源间的横向错位在0.1mm以上，或是小角度的激光二极管偏移。利用本揭露中的投影装置，能够解决阵列光源较难达到平行交叠且准直或聚焦的激光束。而由于多颗激光二极管整合式封装的激光光源本身体积即小，本揭露的投影装置所需体积亦小，正好发挥半导体激光元件小体积的优势，符合未来体积微型化的设计趋势。 

由于本揭露的投影装置亦可以使得4个以上的激光光源整合成一合并光束，意即可以布署多颗同色但波长各异的激光光源，如此能够有效降低光斑对比，提供更佳的投影影像质量。 

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，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后附的申请专利范围所界定的为准。 

Claims (12)

1.一种投影装置，其特征在于包括：

一第一激光光源，发出一第一光束；

一第二激光光源，发出一第二光束；

一光束组合器，由一双折射材料制成，该光束组合器具有一光接收面；以及

一成像单元；

其中，该第一光束及该第二光束射入该光接收面，该第一光束及该第二光束行经该光束组合器之后整合为一合并光束，该成像单元处理该合并光束后产生一投影影像。

2.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该第一光束的极化方向与该第二光束的极化方向垂直。

3.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该第一激光光源及该第二激光光源之间具有一发光点间距，其中该光束组合器的厚度与该发光点间距具有一对应关系。

4.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该双折射材料的光轴与该第一光束及该第二光束的行进方向所定义的平面共平面。

5.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该第一光束的行进方向与该光接收面的一法线间具有一第一夹角，该第二光束的行进方向与该法线间具有一第二夹角；

其中，该光束组合器包括一第一棱镜以及一第二棱镜，该第一棱镜及该第二棱镜于一接合面处彼此接合，该接合面与该光接收面之间的夹角与该第一夹角及该第二夹角具有一对应关系。

6.如权利要求5所述的投影装置，其特征在于，该第一棱镜的光轴垂直于该法线，该第二棱镜的光轴垂直于该法线，且该第二棱镜的光轴垂直于该第一棱镜的光轴。

7.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，还包括一第三激光光源，发出一第三光束，该第三光束射入该光接收面，

其中该光束组合器包括一第一棱镜以及一第二棱镜，该第一棱镜及该第二棱镜于一接合面处彼此接合，该接合面与该光接收面平行，

其中该第一激光光源与该第二激光光源之间的间距对应于该第一棱镜的厚度，该第一激光光源与该第三激光光源之间的间距对应于该第二棱镜的厚度；

其中该第一光束、该第二光束及该第三光束行经该光束组合器之后整合为该合并光束。

8.如权利要求7所述的投影装置，其特征在于，该第一棱镜的光轴与该第一光束及该第二光束行进方向所定义的平面共平面。

9.如权利要求7所述的投影装置，其特征在于，还包括一第四激光光源，发出一第四光束，该第四光束的极化方向垂直于该第三光束的极化方向；

其中该第四光束射入该光接收面，该第一光束、该第二光束、该第三光束及该第四光束行经该光束组合器之后整合为该合并光束。

10.如权利要求9所述的投影装置，其特征在于，该第三激光光源与该第四激光光源之间的间距对应于该第一棱镜的厚度。

11.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该第一激光光源及该第二激光光源通过摆向旋转、前置波板或于出光面配置双折射镀膜的方式，使该第一光束的极化方向与该第二光束的极化方向垂直。

12.如权利要求1所述的投影装置，其特征在于，该第一激光光源及该第二激光光源为多颗激光二极管整合式封装中的激光光源。