TWI498662B - 雷射投影設備 - Google Patents

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Description

雷射投影設備
本發明係關於一種雷射投影設備，尤指一種使用分光鏡與四分之一波片以及反射鏡之偏振光合光設計以直接縮減合光模組所產生之雷射光束之尺寸的雷射投影模組。
一般來說，常見之雷射投影設備係採用合光模組與分光模組之配置以產生可供後續投影成像所需之複數個成像色光，其相關配置係可參照第1圖，其為先前技術之一雷射投影設備10之簡示圖。如第1圖所示，雷射投影設備10包含一合光模組12、一導光模組14，以及一分光模組16，合光模組12包含複數個反射鏡18、複數個第一雷射光源20，以及複數個第二雷射光源22，導光模組14包含一凸透鏡24、一反射鏡26，以及一凹透鏡28。
由第1圖可知，複數個反射鏡18係採用彼此之間具有間隙的間隔擺設方式且相對於複數個第一雷射光源20以及複數個第二雷射光源22傾斜，複數個第一雷射光源20係分別對準複數個反射鏡18，而複數個第二雷射光源22則是分別與複數個反射鏡18交錯排列。藉此，複數個第一雷射光源20所射出之光線係可分別被複數個反射鏡18所反射，而複數個第二雷射光源22所射出之光線則是可分別通過複數個反射鏡18(從相鄰反射鏡18之間隙或是從反射鏡18之外側通過)以與複數個第一雷射光源20所射出之光線共同形成雷射光束而入射至凸透鏡24。如此一來，在依序穿透凸透鏡24、被反射鏡26反射且穿透凹透鏡28後，第一雷射光源20以及第二雷射光源22所共同形成之雷射光束即可被導光模組14縮小至可被分光模組16所接收 之尺寸。
最後，雷射光束即可被分光模組16分光為可供雷射投影設備10進行後續投影成像所需之複數個成像色光(如紅光、藍光，以及綠光等)，簡言之，以第一雷射光源20與第二雷射光源22均為一藍光雷射光源以經過合光模組12以及導光模組14而形成藍光雷射光束為例，如第1圖所示，分光模組16包含一分光鏡30、一螢光色輪32，以及複數個反射鏡34，藉此，當上述雷射光束進入分光模組16中而入射至分光鏡30時，分光鏡30會允許藍光雷射光束穿透以入射至螢光色輪32，此時，螢光色輪32上之螢光粉粒就會被藍光雷射光束所激發而產生異於藍光之成像色光(如紅光以及綠光等)並反射回分光鏡30，此外，穿透螢光色輪32之部分藍光雷射光束也會依序被複數個反射鏡34所反射而再次入射至分光鏡30。如此一來，在藍光雷射光束再次穿透分光鏡30且上述異於藍光之成像色光被分光鏡30反射後，分光模組16即可將藍光雷射光束分光為後續投影成像所需之複數個成像色光。
由上述可知，由於受限於反射鏡18必須間隔擺設之限制，因此合光模組12所提供之雷射光束就會出現尺寸過大而無法被分光模組16完全接收之問題，故雷射投影設備10必須配置導光模組14以將雷射光束縮小至可被分光模組16完全接收之尺寸。然而，上述導光模組14之配置就會大幅地增加雷射投影設備10之整體體積，而不利於雷射投影設備10之微型化設計。
本發明之目的之一在於提供一種使用分光鏡與四分之一波片以及反射鏡之偏振光合光設計以直接縮減合光模組所產生之雷射光束之尺寸的雷射投影模組，以解決上述之問題。
根據本發明之一實施例，本發明之雷射投影設備包含一合光模組 以及一分光模組。該合光模組包含一第一雷射光源組、一四分之一波片、一第一分光鏡，以及一反射鏡。該第一雷射光源組包含一第一雷射光源以及一第二雷射光源。該第一雷射光源用來發射一第一偏振光。該第二雷射光源與該第一雷射光源相對設置，用來發射一第二偏振光，該第一偏振光與該第二偏振光具有相同偏振性。該四分之一波片相鄰該第一雷射光源組。該第一分光鏡設置於該第一雷射光源以及該第二雷射光源之間且相對於該四分之一波片傾斜，用來反射該第一偏振光以使該第一偏振光沿一第一合光路徑行進，以及用來反射該第二偏振光以使該第二偏振光穿透該四分之一波片。該反射鏡平行排列於該四分之一波片之一側，用來將穿透該四分之一波片之該第二偏振光反射回該四分之一波片，以使該第二偏振光於再次穿透該四分之一波片後穿透該第一分光鏡，而與被該第一分光鏡反射之該第一偏振光合光於該第一合光路徑以形成一雷射光束。該分光模組用來接收該雷射光束以將該雷射光束分光為複數個成像色光。
綜上所述，相較於先前技術必須使用導光模組以將合光模組所產生之雷射光束縮小至可被分光模組完全接收之尺寸，本發明係利用分光鏡與四分之一波片以及反射鏡所形成之偏振光合光設計以省略導光模組之配置，從而達到合光模組所提供之雷射光束能夠直接縮減至可被分光模組完全接收之尺寸的目的，如此一來，本發明即可大幅地縮減雷射投影設備之整體體積以及簡化其內部光學元件之配置，而有利於雷射投影設備之微型化設計。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
10、100‧‧‧雷射投影設備
12、102‧‧‧合光模組
14‧‧‧導光模組
16、104‧‧‧分光模組
18、26、34、112‧‧‧反射鏡
20、118‧‧‧第一雷射光源
22、120‧‧‧第二雷射光源
24‧‧‧凸透鏡
28‧‧‧凹透鏡
30‧‧‧分光鏡
32‧‧‧螢光色輪
106‧‧‧第一雷射光源組
108‧‧‧四分之一波片
110‧‧‧第一分光鏡
114‧‧‧第二雷射光源組
116‧‧‧第二分光鏡
122‧‧‧第三雷射光源
124‧‧‧第四雷射光源
P1 ‧‧‧第一偏振光
P2 ‧‧‧第二偏振光
P3 ‧‧‧第三偏振光
P4 ‧‧‧第四偏振光
S1 ‧‧‧第一合光路徑
S2 ‧‧‧第二合光路徑
θ‧‧‧傾斜角度
L‧‧‧雷射光束
第1圖為先前技術之雷射投影設備之簡示圖。
第2圖為根據本發明之一實施例所提出之雷射投影設備之簡示圖。
請參閱第2圖，其為根據本發明之一實施例所提出之一雷射投影設備100之簡示圖，如第2圖所示，雷射投影設備100包含一合光模組102以及一分光模組104，分光模組104係連接於合光模組102以用來接收合光模組102所產生之雷射光束並將其分光為可供雷射投影設備100進行後續投影成像所需之複數個成像色光(如紅光、藍光，以及綠光等)，其中分光模組104之元件配置係可採用常見於先前技術中之分光設計，例如前述分光鏡與螢光色輪以及反射鏡之配置等，故於此不再贅述。合光模組102包含一第一雷射光源組106、一四分之一波片108、一第一分光鏡110、一反射鏡112、至少一第二雷射光源組114(於第2圖中顯示三個，但不受此限)，以及一第二分光鏡116。至於雷射投影設備100之其他元件(如成像模組、投影模組等)，其相關描述係常見於先前技術中，為求簡化說明，於此不再贅述。
第一雷射光源組106包含一第一雷射光源118以及一第二雷射光源120，第一雷射光源118係用來發射一第一偏振光P1 ，而第二雷射光源120則是與第一雷射光源118相對設置以用來發射一第二偏振光P2 ，其中第一雷射光源118以及第二雷射光源120較佳地為一藍光雷射二極體(但不受此限，其發光二極體類型係可根據雷射投影設備100之實際應用而有所變化)，且第一偏振光P1 與第二偏振光P2 具有相同偏振性而可均為常見之偏振光(如P偏振光或S偏振光等)。
四分之一波片108係相鄰第一雷射光源組106，用來使偏振光之偏振性於偏振光穿透四分之一波片108後產生四分之一相位差的改變，例如使S偏振光改變為圓偏振光等。第一分光鏡110係設置於第一雷射光源118以及第二雷射光源120之間以分別對準第一雷射光源118以及第二雷射光源 120且相對於四分之一波片108傾斜，第一分光鏡110係為可反射第一偏振光P1 與第二偏振光P2 、但允許與第一偏振光P1 與第二偏振光P2 具有不同偏振性之光線通過的光學元件，藉以用來反射第一偏振光P1 以使第一偏振光P1 沿一第一合光路徑S1 行進，以及用來反射第二偏振光P2 以使第二偏振光P2 穿透四分之一波片108。另外，在此實施例中，第一分光鏡110相對於四分之一波片108之一傾斜角度θ係較佳地等於45°，但不受此限。反射鏡112係平行排列於四分之一波片108之一側以用來將穿透四分之一波片108之第二偏振光P2 反射回四分之一波片108，以使第二偏振光P2 於再次穿透四分之一波片108後穿透第一分光鏡110，而與被第一分光鏡110反射之第一偏振光P1 合光於第一合光路徑S1 。
至於在第二雷射光源組114以及第二分光鏡116之配置方面，如第2圖所示，第二雷射光源組114係間隔排列於第一雷射光源組106之一側且包含一第三雷射光源122以及一第四雷射光源124，第三雷射光源122係用來發射一第三偏振光P3 ，而第四雷射光源124則是與第三雷射光源122相對設置以用來發射一第四偏振光P4 ，其中第三雷射光源122以及第四雷射光源124亦較佳地為一藍光雷射二極體(但不受此限，其發光二極體類型係可根據雷射投影設備100之實際應用而有所變化)，且第三偏振光P3 以及第四偏振光P4 係可與第一偏振光P1 以及第二偏振光P2 具有相同偏振性而可均為常見之偏振光(如P偏振光或S偏振光等)。第二分光鏡116係設置於第三雷射光源122以及第四雷射光源124之間以分別對準第三雷射光源122以及第四雷射光源124，第二分光鏡116相對於四分之一波片108傾斜而可與第一分光鏡110具有相同的傾斜角度θ，第二分光鏡116係為可反射第三偏振光P3 與第四偏振光P4 、但允許與第三偏振光P3 與第四偏振光P4 具有不同偏振性之光線通過之光學元件，藉以用來反射第三偏振光P3 以使第三偏振光P3 沿一第二合光路徑S2 行進，以及用來反射第四偏振光P4 以使第四偏振光P4 穿透四分之一波片108。此外，穿透四分之一波片108之第四偏振光P4 即可被反射鏡112反射回四分之一波片108，以使第四偏振光P4 於再次穿透四分之一波片108後穿透第二分光鏡116，而與被第二分光鏡116反射之第三偏振光P3 合光於第二合光路徑S2 。
需注意的是，第二分光鏡116係與第一分光鏡110交錯排列，更詳細地說，為了有效地縮減合光模組102所產生之雷射光束之尺寸，在此實施例中，雷射投影設備100係可較佳地採用第一分光鏡110以及第二分光鏡116在水平面上之投影係彼此相接之排列方式。
以下係以第一偏振光P1 、第二偏振光P2 、第三偏振光P3 ，以及第四偏振光P4 為S偏振光且第一分光鏡110以及第二分光鏡116相對應地採用可反射S偏振光、但允許P偏振光穿透之分光設計為例，針對雷射投影設備100之雷射光束產生過程進行詳細之描述，但不受此限，舉例來說，在另一實施例中，第一偏振光P1 、第二偏振光P2 、第三偏振光P3 ，以及第四偏振光P4 可改為P偏振光且第一分光鏡110以及第二分光鏡116相對應地改採用可反射P偏振光、但允許S偏振光穿透之分光設計，其相關說明係可參照此實施例類推，於此不再贅述。
如第2圖所示，透過上述配置，在第一偏振光P1 以及第二偏振光P2 分別入射至第一分光鏡110且第三偏振光P3 以及第四偏振光P4 分別入射至第二分光鏡116後，第一偏振光P1 以及第三偏振光P3 即可分別被第一分光鏡110以及第二分光鏡116所反射而分別沿著第一合光路徑S1 以及第二合光路徑S2 行進，而第二偏振光P2 以及第四偏振光P4 則是分別被第一分光鏡110以及第二分光鏡116所反射而入射至四分之一波片108。由上述可知，在第二偏振光P2 以及第四偏振光P4 穿透四分之一波片108後，第二偏振光P2 以 及第四偏振光P4 係可從S偏振光改變成相差四分之一相位差之圓偏振光，並接著被反射鏡112所反射而再次穿透四分之一波片108，藉此，第二偏振光P2 以及第四偏振光P4 係可再從圓偏振光改變成相差四分之一相位差之P偏振光而能夠分別穿透第一分光鏡110以及第二分光鏡116。
接下來，穿透第一分光鏡110之第二偏振光P2 與被第一分光鏡110所反射之第一偏振光P1 合光於第一合光路徑S1 ，且上述穿透第二分光鏡116之第四偏振光P4 與被第二分光鏡116所反射之第三偏振光P3 合光於第二合光路徑S2 ，從而達到第一偏振光P1 、第二偏振光P2 、第三偏振光P3 ，以及第四偏振光P4 可共同形成一雷射光束L(即藍光雷射光束)之目的。
最後，由上述可知，由於第一分光鏡110係與第二分光鏡116交錯排列(如第2圖所示之第一分光鏡110以及第二分光鏡116在水平面上之投影係彼此相接之排列方式)而不需採用彼此之間具有間隙之間隔擺設方式，因此合光模組102所提供之雷射光束L能夠直接縮減至可被分光模組104完全接收之尺寸，如此一來，雷射光束L即可直接進入分光模組104中而被分光為可供雷射投影設備100進行後續投影成像所需之複數個成像色光(如紅光、藍光，以及綠光等)，至於針對分光模組104之分光機制的相關描述，其係可參照前述先前技術類推，故於此不再贅述。
值得注意的是，上述第二雷射光源組114以及第二分光鏡116係可為一可省略之配置，也就是說，雷射投影設備100係可僅使用第一雷射光源組106與第一分光鏡110、四分之一波片108，以及反射鏡112之配置以產生雷射光束L，藉以簡化合光模組102之元件配置而達到進一步地縮減雷射投影設備100之整體體積的效果。
相較於先前技術必須使用導光模組以將合光模組所產生之雷射光束縮小至可被分光模組完全接收之尺寸，本發明係利用分光鏡與四分之一波片以及反射鏡所形成之偏振光合光設計以省略導光模組之配置，從而達到合光模組所提供之雷射光束能夠直接縮減至可被分光模組完全接收之尺寸的目的，如此一來，本發明即可大幅地縮減雷射投影設備之整體體積以及簡化其內部光學元件之配置，而有利於雷射投影設備之微型化設計。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧雷射投影設備
102‧‧‧合光模組
104‧‧‧分光模組
106‧‧‧第一雷射光源組
108‧‧‧四分之一波片
110‧‧‧第一分光鏡
112‧‧‧反射鏡
114‧‧‧第二雷射光源組
116‧‧‧第二分光鏡
118‧‧‧第一雷射光源
120‧‧‧第二雷射光源
122‧‧‧第三雷射光源
124‧‧‧第四雷射光源
P1 ‧‧‧第一偏振光
P2 ‧‧‧第二偏振光
P3 ‧‧‧第三偏振光
P4 ‧‧‧第四偏振光
S1 ‧‧‧第一合光路徑
S2 ‧‧‧第二合光路徑
θ‧‧‧傾斜角度
L‧‧‧雷射光束

Claims (4)

  1. 一種雷射投影設備，其包含：一合光模組，其包含：一第一雷射光源組，其包含：一第一雷射光源，用來發射一第一偏振光；以及一第二雷射光源，其與該第一雷射光源相對設置，用來發射一第二偏振光，該第一偏振光與該第二偏振光具有相同偏振性；一四分之一波片，其相鄰該第一雷射光源組；一第一分光鏡，其設置於該第一雷射光源以及該第二雷射光源之間且相對於該四分之一波片傾斜，用來反射該第一偏振光以使該第一偏振光沿一第一合光路徑行進，以及用來反射該第二偏振光以使該第二偏振光穿透該四分之一波片；一反射鏡，其平行排列於該四分之一波片之一側，用來將穿透該四分之一波片之該第二偏振光反射回該四分之一波片，以使該第二偏振光於再次穿透該四分之一波片後穿透該第一分光鏡，而與被該第一分光鏡反射之該第一偏振光合光於該第一合光路徑以形成一雷射光束；至少一第二雷射光源組，其間隔排列於該第一雷射光源組之一側，該至少一第二雷射光源組包含：一第三雷射光源，用來發射一第三偏振光；以及一第四雷射光源，其與該第三雷射光源相對設置，用來發射一第四偏振光，該第三偏振光以及該第四偏振光係與該第一偏振光具有相同偏振性；以及一第二分光鏡，其設置於該第三雷射光源以及該第四雷射光源之間，該第二分光鏡相對於該四分之一波片傾斜且與該第一分光鏡交錯 排列，該第二分光鏡用來反射該第三偏振光以使該第三偏振光沿一第二合光路徑行進，以及用來反射該第四偏振光以使該第四偏振光穿透該四分之一波片；以及一分光模組，用來接收該雷射光束以將該雷射光束分光為複數個成像色光；其中穿透該四分之一波片之該第四偏振光被該反射鏡反射回該四分之一波片，以使該第四偏振光於再次穿透該四分之一波片後穿透該第二分光鏡，而與被該第二分光鏡反射之該第三偏振光合光於該第二合光路徑，以與該第一偏振光以及該第二偏振光共同形成該雷射光束。
  2. 如請求項1所述之雷射投影設備，其中該第一雷射光源、該第二雷射光源、該第三雷射光源，以及該第四雷射光源均為一藍光雷射二極體。
  3. 如請求項1所述之雷射投影設備，其中該第一偏振光、該第二偏振光、該第三偏振光，以及該第四偏振光均為一P偏振光或一S偏振光。
  4. 如請求項1所述之雷射投影設備，其中該第一分光鏡以及該第二分光鏡分別相對於該四分之一波片之一傾斜角度實質上等於45°。
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