TWI479253B - 光源系統及包含該光源系統之投影裝置 - Google Patents

Description

光源系統及包含該光源系統之投影裝置

本發明係關於一種用於一投影裝置之光源系統，特別是一種用以產生一可見光畫面以及一紅外光畫面之一投影裝置之光源系統。

由於人類的眼睛只能觀察到波長範圍約400nm至700nm間之可見光，而於夜晚或可見光微弱時，存在於自然環境之物體所輻射之光(如月光、星光)之波長範圍主要約為700nm至1,000nm間，因此人眼無法在黑暗的情況下觀察到周圍的環境。特別在軍事作戰時，如何在夜晚能夠清楚觀察週遭環境則顯得非常重要。因此，在軍事及民航中，用來訓練飛行員的訓練模擬器中，其夜間模擬是最主要的項目之一。

一般的夜視鏡(Night vision goggle,NVG)能夠讓波長介於650nm~880nm之間的光(主要為紅外光)，轉換成為波長介於400nm~700nm之間的可見光。在大部份的情況下，人類眼睛較佳能夠接收夜視鏡所轉換的可見光之波長接近在550nm。

請參閱第1A圖及第1B圖，習知的夜視投影機1可產生一可見光畫面以及一紅外光畫面。請參閱第1A圖，模擬可見光畫面時，藉由控制開啟光源11，關閉光源12，使光源11所產生之光線11a透過可見光濾光片112，再經由反射鏡131、133的反射後，到達光處理元件14，被處理為可見光畫面，最後經由鏡片15投射出去。請參閱第1B圖，模擬夜視畫面時，藉由控制關閉光源11、啟動光源12，使光源12所產生之光線12a穿過紅外光濾光片122成為紅外光後，經由反射鏡132、134的反射，到達光處理元件14，被處理為紅外光畫面，最後同樣經由鏡片15投射出去，以 呈現紅外光畫面。此時，使用者藉由夜視鏡，觀看該紅外光畫面，以模擬夜間狀況。然而，光源11、12所發出之光線11a及光線12a均須分別透過可見光濾光片112及紅外光濾光片122之過濾後，再經由反射鏡131、132、133、134多次的反射後才能分別形成可見光畫面及紅外光畫面，因此光線11a及光線12a會在上述過濾及多次的反射過程中不斷減損，影響所產生之畫面之亮度。此外，可見光濾光片112及紅外光濾光片122將吸收大量被過濾下來之光能，而產生大量之熱能，造成諸多問題。另一方面，此種夜視投影機1因內部元件眾多通常都會有體積龐大的缺點。

另一習知夜視模擬系統2，請參閱第2圖。追蹤元件24追蹤夜視鏡21的觀看方向，影像產生器23依據夜視鏡21之觀看方向，控制顯示器22產生對應之紅光畫面至夜視鏡21。此種方式，雖然能讓使用者體驗使用夜視鏡時所觀看之畫面，然而此種模擬器需要複雜且精密的零件，並且無法多人同時觀看同一紅外光畫面，降低夜間演練之臨場感。另一方面，習知夜視模擬系統2無法提供可見光畫面，當欲於同一場所提供進行日間演練之可見光畫面時，尚需要透過其他設備的輔助。

有鑑於此，提供一種可用於投影裝置之光源系統，可同時提供一般可見光的畫面以及用於模擬夜間狀況之紅外光畫面，無須繁雜的零件設備，並且提高亮度、光利用效率並降低熱能產生，乃為此一業界期望達成之目標。

本發明之主要目的在於提供一種能夠同時提供可見光畫面以及紅外光畫面之投影裝置及其光源系統，其具高亮度、高光利用效率及低熱能產生之特性。

為達到上述目的，本發明之投影裝置包含一成像系統以及一光源系統，該光源系統包含一第一光源裝置、一第二光源裝置以及一第一光導引裝置。該第一光源裝置產生一可見光，並且該第二光源裝置直接產生實質上單純之一紅外光。該第一光導引裝置適以導引該可見光及該紅外光至該成像系統進行處理，以使該可見光形成一可見光畫面並且使該紅外 光形成一紅外光畫面。

為讓上述目的、技術特徵和優點能更明顯易懂，下文係以較佳實施例配合所附圖式進行詳細說明。

1‧‧‧夜視投影機

11‧‧‧光源

11a‧‧‧光線

112‧‧‧可見光濾光片

12‧‧‧光源

12a‧‧‧光線

122‧‧‧紅外光濾光片

131、132、133、134‧‧‧反射鏡

14‧‧‧光處理元件

15‧‧‧鏡片

2‧‧‧夜視模擬系統

21‧‧‧夜視鏡

22‧‧‧顯示器

23‧‧‧影像產生器

24‧‧‧追蹤元件

3‧‧‧光源系統

31‧‧‧第一光源裝置

311‧‧‧紅光光源

312‧‧‧綠光光源

313‧‧‧藍光光源

32‧‧‧第二光源裝置

33‧‧‧光導引裝置、第二光導引裝置

34‧‧‧色輪

35‧‧‧切換裝置

36‧‧‧第一光導引裝置

4‧‧‧成像系統

41‧‧‧光處理元件

42a‧‧‧第一光處理元件

42b‧‧‧第二光處理元件

42c‧‧‧第三光處理元件

42d‧‧‧第四光處理元件

5‧‧‧投影裝置

L‧‧‧可見光

IR‧‧‧紅外光

R‧‧‧紅光

G‧‧‧綠光

B‧‧‧藍光

第1A圖係為習知夜視投影機模擬可見光畫面之示意圖；第1B圖係為習知夜視投影機模擬紅外光畫面之示意圖；第2圖係為習知夜視模擬系統之示意圖；第3A圖係為本發明第一實施例之示意圖；第3B圖係為本發明第一實施例之不同波段之光線依時序輸出之示意圖；第4A圖係為本發明第二實施例輸出可見光畫面之示意圖；第4B圖係為本發明第二實施例輸出紅外光畫面之示意圖；以及第5圖係為本發明第三實施例之示意圖。

首先請參第3A圖，本發明之投影裝置5包含一成像系統4以及一光源系統3。光源系統3包含一第一光源裝置31、一第二光源裝置32以及一光導引裝置33。第一光源裝置31適以產生一可見光L，而第二光源裝置32為一紅外光光源。第二光源裝置32以不藉由紅外光濾光片或其他間接之方式，直接產生實質上單純之一紅外光IR。光導引裝置33適以導引可見光L及紅外光IR輸出至成像系統4進行處理，使可見光L形成一可見光畫面，並使紅外光IR形成一紅外光畫面。

其中，第二光源裝置32直接產生實質上單純之紅外光，其波長範圍介於650nm至880nm之間，符合夜視鏡的頻譜響應(spectral response)，可透過夜視鏡觀看，以模擬夜間狀況。再者，光導引裝置33包含一二色(dichroic)層，容許可見光L穿透並反射紅外光IR至成像系統4。

於本發明中，成像系統4用以使可見光L及紅外光IR分別形成可見光畫面及紅外光畫面之光處理元件41，可為液晶顯示(Liquid Crystal Display)元件、數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)，或矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon,LCOS)元件，並且本發明之投影裝置5可以是數位光處理(Digital Light Processing,DLP)投影裝置或是液晶(Liquid Crystal Display,LCD)投影裝置等具有投影顯示功能之設備。

為方便說明，以下將以本發明較佳實施例進行詳細描述。需說明者，本發明的較佳實施例並非用以限制本發明須在如較佳實施例所述之任何特定的環境、應用或特殊方式方能實施。因此，關於較佳實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以限制本發明。

本發明之第一實施例請參考第3A圖及第3B圖。如第3B圖所示，第一光源裝置31及第二光源裝置32依時序控制，分別發出一紅光R、一綠光G、一藍光B及紅外光IR。請參考第3A圖，當第一光源裝置31依時序發出的紅光R、綠光G、藍光B時，將穿透光導引裝置33輸出至成像系統4之光處理元件41進行處理。紅光R、綠光G及藍光B被光處理元件41分別處理為一紅光畫面、一綠光畫面及一藍光畫面，並投射出去，以重疊形成一可見光畫面。隨後，第二光源裝置32接續第一光源裝置31發出紅外光IR，並經由光導引裝置33之二色層反射，並導引至成像系統4，經由光處理元件41處理為紅外光畫面，並投射出去。

較佳地，第一光源裝置31可包含一紅光發光二極體、一綠光發光二極體及一藍光發光二極體，其依時序控制分別發出紅光R、綠光G及藍光B；而第二光源裝置32可為直接發射實質上單純之紅外光IR之紅外光發光二極體。抑或，第一光源裝置31包含一紅光雷射光源、一綠光雷射光源及一藍光雷射光源，其依時序控制分別發出紅光R、綠光G及藍光B；而第二光源裝置32可為直接發射實質上單純之紅外光IR之紅外光雷射光源。

另需說明的是，在其他的變化態樣中，第一光源裝置31可以是將上述雷射光源與發光二極體進行混搭，例如紅光雷射光源、綠光發光二極體及藍光發光二極體。此外，綠光G的來源也可以是由藍光雷射光 源或由藍光發光二極體激發綠色螢光粉(圖未示)以產生綠光G。同樣地，紅外光IR的來源也可以是紅外光發光二極體及紅外光雷射光源的混搭。

本領域具通常知識者還可輕易推及，可使本實施例上述光導引裝置33具有相反特性之二色層，並將第一光源裝置31及第二光源裝置32之位置顛倒，如此光導引裝置33同樣可將第一光源裝置31所產生之可見光L反射至成像系統4，並讓第二光源裝置32所產生之紅外光IR穿透至成像系統4，以產生並投射可見光畫面及紅外光畫面。

本發明第二實施例請參閱第4A及4B圖。本發明第二實施例與第一實施例不同在於，第一光源裝置31係為一白光光源，並且光源系統3更包含一色輪34(Color Wheel)及一切換裝置35。藉由依時序控制色輪34，使第一光源裝置31之可見光L穿透色輪34時分別依時序過濾為紅光R、綠光G及藍光B。

於本實施例中，第一光源裝置31可為一白光發光二極體、一高壓氣體放電燈(High Intensity Discharge Lamp,HID Lamp)或一超高壓汞燈(Ultra High Pressure Lamp,UHP Lamp)。第二光源裝置32可以是可發射紅外光之發光二極體(Light emitting diode,LED)或雷射光源。

請參考第4A圖，由於本較佳實施例之第一光源裝置31係為白光光源，因此必需在光導引裝置33與成像系統4之間設置色輪34。其中，色輪34包含一紅色區段、一綠色區段、一藍色區段以及一透明區段，可依時序控制分別將第一光源裝置31之可見光L過濾為一紅光R、一綠光G及一藍光B，並於該透明區段容許第二光源裝置32之紅外光IR穿透。切換裝置35係設置於該第一光源裝置31與光導引裝置33間，用以控制可見光L進入光導引裝置33。光導引裝置33適以導引可見光L及紅外光IR，並輸出至成像系統4之光處理元件41進行處理，以使可見光L形成可見光畫面，並且使紅外光IR形成紅外光畫面。以下將對其過程進行更詳細之敘述。

請參考第4A圖，第一光源裝置31持續發出可見光L，當切換裝置35遠離第一光源裝置31時，切換裝置35允許第一光源裝置31之可見光L進入光導引裝置33。此時，第二光源裝置32關閉。可見光L 通過光導引裝置33後，色輪34依時序控制依序旋轉至紅色區段、綠色區段、藍色區段，使可見光L分別被色輪34過濾為紅光R、綠光G及藍光B，最後輸出至成像系統4中，由光處理元件41分別處理為紅光畫面、綠光畫面及藍光畫面，並投射出去，以重疊形成可見光畫面。

請參考第4B圖，當色輪34旋轉至透明區段時，切換裝置35將位於第一光源裝置31之前方，以阻擋可見光L進入光導引裝置33，藉此避免可見光L進入成像系統4及光處理元件41。此時，第二光源裝置32開啟，並且直接產生實質上單純之紅外光IR至光導引裝置33。第一光導引裝置33將紅外光IR反射至色輪34。此時，色輪34依時序控制使紅外光IR穿透色輪34之透明區段，並使紅外光IR輸出至成像系統4之光處理元件41，以進行處理並形成紅外光畫面。

在此需注意者係，若第二實施例之光源裝置31採用白光發光二極體，則本實施例之光源系統3可不包含切換裝置35，僅需於色輪34依時序控制使紅外光IR穿透色輪34之透明區段時，關閉第一光源裝置31之白光發光二極體，使其不發射可見光L。再者，如同第一實施例，本領域具通常知識者可輕易推及第一、第二光源裝置31、32之變化態樣。如同第一實施例，本實施例亦可使第二實施例之光導引裝置33具有相反特性之二色層，並將第一光源裝置31及第二光源裝置32之位置顛倒，如此第一光源裝置31所產生之可見光L以及第二光源裝置32所產生之紅外光IR仍可輸出至成像系統4，以產生並投射可見光畫面及紅外光畫面。

本發明之第三實施例請參閱第5圖。與前述實施例不同在於，本發明之第三實施例之成像系統包含一第一光處理元件42a、一第二光處理元件42b、一第三光處理元件42c、一第四光處理元件42d及一第一光導引裝置36。其中，第一光源裝置31所產生之可見光係區分為紅光R、綠光G及藍光B。於本實施例中，第一光源裝置可包含產生紅光R之一紅光光源311、產生綠光G之一綠光光源312及產生藍光B之一藍光光源313，藉此分別產生紅光R、綠光G及藍光B。第一光源裝置31(圖面未繪示)所產生之紅光R、綠光G與藍光B以及第二光源裝置32所產生之紅外光IR，係分別對應輸出至第一光處理元件42a、第二光處理元件42b、第三光處理 元件42c、第四光處理元件42d，以分別使紅光R形成紅光畫面，使綠光G形成綠光畫面，使藍光B形成藍光畫面，並使紅外光IR形成紅外光畫面。

請參閱第5圖，光源系統3之第一光導引裝置36選擇性地導引紅光畫面、綠光畫面及藍光畫面，以合併並形成為可見光畫面，並輸出至第二光導引裝置33。

第二光導引裝置33適以將可見光畫面及紅外光畫面導引至成像系統中，並投射出去。於本實施例中，藉由第二光導引裝置33之二色層之特性，可見光畫面將穿透第二光導引裝置33進入成像系統，而紅外光畫面將藉由第二光導引裝置33反射，進入成像系統。

較佳地，本實施例之紅光光源311、綠光光源312及藍光光源313分別為產生紅光R之一紅光發光二極體、產生綠光G之一綠光發光二極體及產生藍光B之一藍光發光二極體。或者，第一光源裝置之紅光光源311、綠光光源312及藍光光源313分別為一紅光雷射光源、一綠光雷射光源及一藍光雷射光源。更如上文所述，發光二極體與雷射兩種光源之間可以混搭；綠光光源312也可以是透過藍光雷射或由藍光發光二極體激發綠色螢光粉而得。再者，第一光導引裝置36較佳地係選自十字稜鏡組(X-cube)及十字鏡片組(X-plate)所成之群組，以選擇性地導引並合併上述紅光畫面、綠光畫面及藍光畫面，以形成為可見光畫面。

本領域具通常知識者亦可輕易推及，可使第三實施例之第二光導引裝置33具有相反特性之二色層，並將第一光源裝置(如第5圖所示之紅光光源311、綠光光源312及藍光光源313)連同對應之第一、二及三光處理元件42a、42b、42c及第一光導引裝置36之位置，與第二光源裝置32連同對應之第四光處理元件42d之位置，相互顛倒。如此，第二光導引裝置33亦可將第一光源裝置所產生之可見光L反射至成像系統，並讓第二光源裝置32所產生之紅外光IR穿透至成像系統，以產生並投射可見光畫面及紅外光畫面。

於第三實施例中，第一光源裝置亦可不包含分別產生紅光R、綠光G及藍光B之紅光光源311、綠光光源312及藍光光源313，而僅包含一產生白光之光源，並利用相對應之濾光片，將第一光源裝置所產生 之白光，分別過濾為紅光R、綠光G及藍光B，並利用光學元件將其分別導引至對應之第一、二及三光處理元件42a、42b、42c。

綜上所述，本發明提供一種用於投影裝置之光源系統，可以產生一可見光畫面以及一紅外光畫面之光源系統，其中紅外光畫面係藉由一光源直接產生實質上單純之紅外光，並將該紅外光進行處理後所產生。有別於其他習知之夜視模擬系統，本發明之光源系統可於同一設備中同時產生紅外光畫面以及可見光畫面，無須繁雜之零件設備，並且無須紅外光濾光片過濾產生紅外光，藉此可避免紅外光畫面之亮度大幅降低，以及紅外光濾光片吸收大量被過濾下來之光能，而產生大量之熱能等諸多問題。

上述之較佳實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利範圍應以申請專利範圍為準。

311‧‧‧紅光光源

312‧‧‧綠光光源

313‧‧‧藍光光源

32‧‧‧第二光源裝置

33‧‧‧第二光導引裝置

36‧‧‧第一光導引裝置

42a‧‧‧第一光處理元件

42b‧‧‧第二光處理元件

42c‧‧‧第三光處理元件

42d‧‧‧第四光處理元件

5‧‧‧投影裝置

L‧‧‧可見光

IR‧‧‧紅外光

R‧‧‧紅光

G‧‧‧綠光

B‧‧‧藍光

Claims (16)

1. 一種用於一投影裝置之光源系統，該光源系統包含：一第一光源裝置，用以產生：一紅光，輸出至一第一光處理元件以處理成一紅光畫面；一綠光，輸出至一第二光處理元件以處理成一綠光畫面；以及一藍光，輸出至一第三光處理元件以處理成一藍光畫面；一第一光導引裝置，用以結合該紅光畫面、該綠光畫面及該藍光畫面以處理成一可見光畫面；一第二光源裝置，直接產生實質上單純之一紅外光，並且輸出該紅外光至一第四光處理元件以處理成一紅外光畫面；以及一第二光導引裝置，導引該可見光畫面及該紅外光畫面以投射向該投影裝置之一成像系統。
2. 如請求項1所述之光源系統，其中該第一光導引裝置選擇性導引該紅光畫面、綠光畫面及藍光畫面，並投射出去，以重疊形成一可見光畫面。
3. 如請求項2所述之光源系統，其中該第一光導引裝置係選自十字稜鏡組(X-cube)及十字鏡片組(X-plate)所成之群組。
4. 如請求項1所述之光源系統，其中該第一光源裝置包含產生該紅光之一紅光發光二極體、產生該綠光之一綠光發光二極體及產生該藍光之一藍光發光二極體，依時序控制分別發出一紅光、一綠光及一藍光。
5. 如請求項1所述之光源系統，其中該第一光源裝置包含一紅光雷射光源、一綠光雷射光源及一藍光雷射光源，依時序控制分別發出一紅光、一綠光及一藍光。
6. 如請求項1所述之光源系統，其中該等光處理元件係為液晶顯示(Liquid Crystal Display)元件、數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)，或矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon,LCOS)元件。
7. 如請求項1所述之光源系統，其中該第一光源裝置為一白光光源，該白光光源被分別過濾為一紅光、一綠光及一藍光。
8. 如請求項1所述之光源系統，其中該第二光導引裝置包含一二色(dichroic)層，容許該可見光穿透並反射該紅外光至該成像系統。
9. 一種投影裝置，包含：一成像系統，包含一第一光處理元件、一第二光處理元件、一第三光處理元件及一第四光處理元件；以及一光源系統，包含：一第一光源裝置，用以產生：一紅光，輸出至該第一光處理元件以處理成一紅光畫面；一綠光，輸出至該第二光處理元件以處理成一綠光畫面；以及一藍光，輸出至該第三光處理元件以處理成一藍光畫面；一第一光導引裝置，用以結合該紅光畫面、該綠光畫面及該藍光畫面以處理成一可見光畫面；一第二光源裝置，直接產生實質上單純之一紅外光，並且輸出該紅外光至該第四光處理元件以處理成一紅外光畫面；以及一第二光導引裝置，導引該可見光畫面及該紅外光畫面以投射向該成像系統。
10. 如請求項9所述之投影裝置，其中該第一光導引裝置選擇性導引該紅光畫面、該綠光畫面及該藍光畫面，並投射出去，以重疊形成該可見光畫面。
11. 如請求項10所述之投影裝置，其中該第一光導引裝置係選自十字稜鏡組(X-cube)及十字鏡片組(X-plate)所成之群組。
12. 如請求項9所述之投影裝置，其中該第一光源裝置包含產生該紅光之一紅光發光二極體、產生該綠光之一綠光發光二極體及產生該藍光之一藍光發光二極體，依時序控制分別發出一紅光、一綠光及一藍光。
13. 如請求項9所述之投影裝置，其中該第一光源裝置包含一紅光雷射光源、一綠光雷射光源及一藍光雷射光源，依時序控制分別發出一紅光、一綠光及一藍光。
14. 如請求項9所述之投影裝置，其中該等光處理元件係為液晶顯示(Liquid Crystal Display)元件、數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)，或矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon,LCOS)元件。
15. 如請求項9所述之投影裝置，其中該第一光源裝置為一白光光源，該白光光源被分別過濾為一紅光、一綠光及一藍光。
16. 如請求項9所述之投影裝置，其中該第二光導引裝置包含一二色(dichroic)層，容許該可見光穿透並反射該紅外光至該成像系統。