复合相位转换元件及投影装置的制作方法

本发明是有关于一种光学元件及光学装置，且特别是有关于一种复合相位转换元件及投影装置。

背景技术：

投影装置为一种用以产生大尺寸画面的显示装置，随着科技技术的演进与创新，一直不断的在进步。投影装置的成像原理是将照明系统所产生的照明光束借由光阀转换成影像光束，再将影像光束通过投影镜头投射到投射目标物(例如：荧幕或墙面上)，以形成投影画面。

此外，照明系统也随着市场对投影装置亮度、色彩饱和度、使用寿命、无毒环保等等要求，一路从超高效能灯泡(ultra-high-performancelamp，uhplamp)、发光二极管(light-emittingdiode，led)，一直进化到目前最先进的激光二极管(laserdiode，ld)光源。但在照明系统中，目前产生红绿光较符合成本的做法为，使用蓝光激光二极管发出激发光束至荧光色轮，并利用激发光束激发荧光色轮的荧光粉来产生黄绿光。接着，再经由滤光元件将所需的红光或绿光滤出以使用。

然而，于已知的照明系统架构中，激发光束进入投影装置后的偏振极性会被投影装置内部的光学元件破坏，使得从投影装置投射出的光束的偏振方向及强度变的散乱不一，进而造成显示画面的光亮度不均的问题。因此，若投影装置在偏振立体模式(镜头外加偏振片)产生立体影像的显示画面时，将使从镜头及偏振片投影出的影像画面出现画面颜色不均匀或亮暗不均匀的现象。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本

技术实现要素：
，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明提供一种复合相位转换元件及投影装置，投影装置在偏振立体模式时，可使显示画面的成色或亮暗均匀，让使用者观察出均匀度较佳的立体显示画面。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种复合相位转换元件，配置于至少一个光束的传递路径上。复合相位转换元件包括至少一个偏光元件，包括在同一平面上的多个偏光区，其中偏光区的至少二者具有不同的偏振方向，至少一个光束同时穿透至少一个偏光元件的偏光区的至少二者而分别形成至少二个子光束，且至少二个子光束的偏振状态对应于其所穿透的偏光区的至少二者的偏振方向。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种投影装置，包括照明系统、至少一个光阀以及镜头。照明系统用于提供照明光束。照明系统包括至少一个激发光源以及复合相位转换元件以及至少一个激发光源适于提供至少一个激发光束。复合相位转换元件配置于至少一个激发光束的传递路径上。复合相位转换元件包括至少一个偏光元件，至少一个偏光元件包括在同一平面上的多个偏光区，其中偏光区的至少二者具有不同的偏振方向，至少一个光束同时穿透至少一个偏光元件的偏光区的至少二者而分别形成至少二个子光束，且至少二个子光束的偏振状态对应于其所穿透的偏光区的至少二者的偏振方向。照明光束包括至少二个子光束。至少一个光阀设置于照明光束的传递路径上，适于将照明光束转换为影像光束。镜头设置于影像光束的传递路径上，适于将影像光束转换为投影光束。

基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的复合相位转换元件或配置有复合相位转换元件的投影装置中，偏光元件包括在同一平面上的多个偏光区，且这些偏光区的至少二者具有不同的偏振方向。因此可使光束穿透偏光元件，且穿透偏光元件的光束于不同位置具有不同的偏振状态。如此一来，投影装置在偏振立体模式(即投影镜头外加偏振片)时，可使得显示画面的成色或亮暗均匀，进而让使用者透过偏振式立体眼镜观察出均匀度较佳的立体显示画面。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例的投影装置示意图。

图2为图1的复合相位转换元件示意图。

图3为本发明另一实施例的复合相位转换元件示意图。

图4为本发明又一实施例的复合相位转换元件示意图。

图5为本发明另一实施例的投影装置示意图。

图6为图5的复合相位转换元件示意图。

图7为本发明又一实施例的投影装置示意图。

附图标记说明

10、10a、10b：投影装置

50：光阀

60：投影镜头

100、100a、100b：照明系统

105：光源

110：激发光源

120：辅助光源

130、130a、130b、130c、130d：复合相位转换元件

132：偏光元件

132_1：第一偏光元件

132_2：第二偏光元件

134：转轴

136：驱动元件

138：反射件

140：匀光元件

150：波长转换元件

160：分光元件

170：反射元件

180：滤光装置

a1、a2、b1、b2：偏光区

c、d、e：位置

l：光束

l1：激发光束

l2：辅助光束

l3：受激发光束

lb：照明光束

li：影像光束

lp：投影光束。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1为本发明一实施例的投影装置示意图。请参考图1。在本实施例中，投影装置10用于提供投影光束lp。具体而言，投影装置10包括照明系统100、至少一个光阀50以及投影镜头60，且照明系统100用于提供照明光束lb。光阀50配置于照明光束lb的传递路径上，用于将照明光束lb转换成至少一个影像光束li。所谓照明光束lb是指照明系统100在任意时间提供至光阀50的光束。投影镜头60配置于影像光束li的传递路径上，用于将影像光束li转换成投影光束lp，而投影光束lp从投影装置10被投射至投影目标(未绘示)，例如荧幕或墙面。

在应用于立体显示的技术中，本实施例的投影装置10可应用作为偏振式立体影像投影机。具体而言，两台投影装置10在偏振立体模式(即于两台投影装置10的投影镜头60外配置不同偏振方向的偏振片或于两台投影装置10内建不同偏振方向的偏振片)时，可使用两台投影装置10所提供投影光束lp分别通过偏振片以产生不同偏振状态的影像画面，进而让使用者透过偏振式立体眼镜观察出立体的显示画面，例如使用者所配戴的立体眼镜分别配置用于左眼镜片和右眼镜片的两个偏振元件，且两个偏振元件对应于两台投影装置的两个偏振片所产生的偏振状态的影像画面而让使用者的左右眼分别接收对应投影机所投射出的影像画面，进而达到立体显示的效果。

详细而言，在本实施例中，光阀50例如是液晶覆硅板(liquidcrystalonsiliconpanel，lcospanel)、数位微镜元件(digitalmicro-mirrordevice,dmd)等反射式光调变器。于一些实施例中，光阀50也可以是透光液晶面板(transparentliquidcrystalpanel)、电光调变器(electro-opticalmodulator)、磁光调变器(maganeto-opticmodulator)、声光调变器(acousto-opticmodulator，aom)等穿透式光调变器。本发明对光阀50的型态及其种类并不加以限制。光阀50将照明光束lb转换为影像光束li的方法，其详细步骤及实施方式可以由本领域公知常识获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。在本实施例中，光阀50的数量为一个，例如是使用单个数位微镜元件(1-dmd)的投影装置10，但在其他实施例中则可以是多个，本发明并不限于此。

投影镜头60例如包括具有屈光度的一个或多个光学镜片的组合，例如包括双凹透镜、双凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜、平凸透镜以及平凹透镜等非平面镜片的各种组合。于一实施例中，投影镜头60也可以包括平面光学镜片，以反射或穿透方式将来自光阀50的影像光束li投射至投影目标。本发明对投影镜头60的型态及其种类并不加以限制。

此外，在一些实施例中，投影装置10还可选择性地包括聚光、折射或反射功能的光学元件，用以将照明系统100发出的照明光束lb引导至光阀50，以及，用以将光阀50发出的影像光束li引导至投影镜头60，进而产生投影光束lp，但本发明不限于此。

照明系统100包括至少一个光源105、复合相位转换元件130以及匀光元件140。具体而言，照明系统100还包括波长转换元件150、至少一个分光元件160、至少一个反射元件170以及滤光装置180。

光源105用于提供至少一个光束l。详细而言，光源105包括激发光源110以及辅助光源120，其中激发光源110提供激发光束l1，辅助光源120提供辅助光束l2。在本实施例中，激发光源110为可发出蓝色激发光束的激光二极管(laserdiode，ld)且可为激光二极管阵列，辅助光源120为可发出红色激发光束的激光二极管或可发出红色光束的发光二极管(led)。换句话说，在本实施例中，光源105皆为激光发光装置。

波长转换元件150配置于激发光束l1的传递路径上，且位于激发光源110与匀光元件140之间。波长转换元件150具有至少一种波长转换材料以转换激发光束l1为受激发光束l3。在本实施例中，例如是将蓝色激发光束转换成绿色光束或黄色光束或黄绿色光束。在不同实施例中，波长转换元件150的波长转换材料的配置可依不同类型的照明系统100而改变，本发明对波长转换元件150的配置型态及其种类并不加以限制。

至少一个分光元件160配置于激发光束l1及/或辅助光束l2的传递路径上，而至少一个反射元件170用以反射或导引上述光束。举例而言，在本实施例中，至少一个分光元件160包括反射蓝光分光镜(dichroicmirrorwithbluereflect，dmb)以及反射绿橘光分光镜(dichroicmirrorwithgreenandorangereflect，dmgo)，其中反射蓝光分光镜(分光元件160)位于辅助光源120及复合相位转换元件130之间，用以反射通过波长转换元件150的激发光束l1且允许来自辅助光源120的辅助光束l2穿透。反射绿橘光分光镜(分光元件160)位于滤光装置180及复合相位转换元件130之间，用以反射受激发光l3及允许激发光束l1、辅助光束l2穿透，进而让所有所需光束汇集传递至滤光装置180。在不同实施例中，分光元件160以及反射元件170的配置及种类可依不同类型的照明系统100而改变，本发明对分光元件160以及反射元件170的配置型态及其种类并不加以限制。

滤光装置180配置于激发光源110与匀光元件140之间，即位于反射绿橘光分光镜(分光元件160)及匀光元件140之间，滤光装置180具有不同色的滤光片让辅助光束l2以及受激发光束l3通过以对应产生照明光束lb的红光部分以及绿光部分，滤光装置170具有扩散片或透光区让激发光束l1通过以对应产生照明光束lb的蓝光部分。具体而言，在本实施例中，滤光装置180为可旋转滤色轮(filterwheel)装置，用于依时序对激发光束l1、辅助光束l2或受激发光束l3产生扩散及/或滤光效果，使通过滤光装置180的光束的色纯度增加。在不同实施例中，滤光装置180中不同色的滤光片的配置可依不同类型的照明系统100而改变，本发明对滤光装置180的配置型态及其种类并不加以限制。

匀光元件140用于让至少一个激发光束l1的部分通过以形成照明光束lb。意即，匀光元件140配置于激发光束l1、辅助光束l2以及受激发光束l3的传递路径上，用以调整上述光束的光斑形状，以使从匀光元件140出射的照明光束lb的光斑形状能配合光阀50的工作区的形状(例如为矩形)，且使光斑各处具有一致或接近的光强度。在本实施例中，匀光元件140例如是积分柱，但在其他实施例中，匀光元件140也可以是其它适当型态的光学元件，本发明不限于此。

图2为图1的复合相位转换元件示意图。请参考图1及图2。复合相位转换元件130配置于光束l的传递路径上，包括至少一个偏光元件132，偏光元件132可例如为二分之一波片、四分之一波片、去偏振片、圆偏振片或四分之一波片与线偏振片的组合。在本实施例中，偏光元件132数量为单个，且由上述材料中的其中之一制作而成，但本发明并不限于此。

详细而言，在本实施例中，偏光元件132包括在同一平面上的多个偏光区a，其中这些偏光区a的至少二者具有不同的偏振方向，以使光束l同时穿透偏光元件132的这些偏光区a的至少二者而分别形成至少二个子光束(未绘示)，且此二个子光束的偏振状态对应于其所穿透的偏光区a的偏振方向。举例而言，在本实施例中，若偏光元件132为二分之一波片所制成，而相邻偏光区a1、a2的偏振方向配置不同，使相邻偏光区a1、a2的偏振方向所对应的两光轴夹角呈45度(即形成具有不同偏振状态的子光束)。因此，当激发光束l1或辅助光束l2传递通过偏光元件132时，将产生复合偏振方向(即包含对应偏光区a1、a2的偏振方向)的激发光束l1或辅助光束l2，即通过偏光区a1、a2的两个子光束的偏振状态为相互垂直的方向。在一些实施例中，偏光元件132还可包括至少一个透光区(未绘示)，偏光元件132的透光区可例如为挖空区、或是配置透光玻璃，用以使光束l通过而不改变偏振状态，但本发明并不限于此。

换句话说，由于激发光束l1为具偏极性(线偏振)的光，故激发光束l1穿透偏光元件132后会因偏光元件132的类型而改变偏振状态。因此，当激发光束l1同时穿透偏光元件132中的不同偏光区a时，穿透偏光元件132的激发光束l1于不同位置具有不同的偏振状态。意即，照明系统100在运作时，激发光束l1会借由复合相位转换元件130而产生出不同偏振方向的出射光，而出射光的光强度相同，故人眼将感受到强度均匀且无特定偏振方向的影像画面。如此一来，当两台投影装置10在偏振立体模式(即于投影镜头60外配置偏振片或于投影装置10内建偏振片)时，使得两台投影装置10中通过复合相位转换元件130的光束再依序穿透投影镜头60及偏振片后，可于荧幕上产生成色及亮暗均匀的影像画面，进而让使用者透过偏振式立体眼镜观察出均匀度较佳的立体显示画面。此外，在本实施例中，复合相位转换元件130不需使用马达，因此可进一步节省空间及减少消耗功率。同理，上述的辅助光束l2或其他光束传递至复合相位转换元件130也有相同的效果，故不再赘述。

在本实施例中，复合相位转换元件130的制作方式可以是在单一偏振材料进行切割制程，以产生多个与上述该些偏光区a相同大小的子偏振材料。接着，将所切割下的子偏振材料拼接成偏光元件132。在上述切割的步骤中，可选择每个子偏振材料皆由同一方向进行切割制程，进而可获得偏振方向相互平行或垂直的偏光区a，如图2所绘示。或者是，在上述切割的步骤中，可选择每个子偏振材料皆由不同方向进行切割制程，进而可获得不同偏振方向的偏光区b1、b2，如图3所绘示的其中一个偏光元件132_2，该偏光元件132_2具有多个偏光区b，其中偏光区b1、b2的偏振方向相互夹有一角度。在上述切割的步骤中，可切割类似图2及图3的正方形，或者切割其他种类的几何图形，例如是三角形或六边形，本发明并不限于此。

在另一实施例中，复合相位转换元件130还可包括振荡元件(未绘示)，用以使偏光元件132沿一对称轴来回振荡，进而借由偏光元件132的振荡而改变所通过光束l的传递路径。因此，可借由适当地偏移光束l的传递路径，而达到提升画面解析度的效果。

图3为本发明另一实施例的复合相位转换元件示意图。请参考图3。本实施例的复合相位转换元件130a类似于图2的复合相位转换元件130。两者不同之处在于，在本实施例中，偏光元件132的数量为两个，且在光束l的传递方向上彼此错位。具体而言，复合相位转换元件130a的偏光元件132包括第一偏光元件132_1以及第二偏光元件132_2，且第一偏光元件132_1与第二偏光元件132_2为相同的偏振材料，且第一偏光元件132_1的所述多个偏光区a与第二偏光元件132_2的所述多个偏光区b彼此错位配置。但在一些实施例中，第一偏光元件132_1与第二偏光元件132_2可为不同的偏振材料，本发明并不限于此。如此一来，可提升激发光束l1或辅助光束l2的偏振均匀度，在应用于偏振立体模式时，可在荧幕上产生成色及亮暗均匀的影像画面，进而让使用者透过偏振式立体眼镜观察出均匀度较佳的立体显示画面。

图4为本发明另一实施例的复合相位转换元件示意图。在本实施例中，复合相位转换元件130b的偏光元件132为液晶元件，该偏光元件132具有多个偏光区a，每个偏光区a为具有液晶的单元，该些偏光区a可以分别通入不同电流，或时序性地通入不同电流，以改变穿透偏光区a的光束l的偏振状态。详细而言，在本实施例中，偏光元件132可借由通过不同的电流来改变所穿透的光束l的偏振方向角度，而光束l所改变的偏振方向角度依据偏光元件132所通过的电流大小。因此，在同一时间下，偏光元件132可借由通有不同电流大小的多个偏光区a，对应地改变所穿透的光束l偏振方向角度，使得每个所穿透的光束l的偏振状态皆不同。如此一来，在应用于偏振立体模式时，可在荧幕上产生成色及亮暗均匀的影像画面，进而让使用者透过偏振式立体眼镜观察出均匀度较佳的立体显示画面。

图5为本发明另一实施例的投影装置示意图。图6为图5的复合相位转换元件示意图。请参考图5及图6。本实施例的投影装置10a的复合相位转换元件130c类似于图2的复合相位转换元件130。两者不同之处在于，在本实施例中，复合相位转换元件130c为可旋转式光学元件。详细而言，复合相位转换元件130c还包括转轴134以及驱动元件136。偏光元件132连接于转轴134，驱动元件134用以驱动转轴132旋转，且偏光元件132可为圆盘状。驱动元件136用以带动偏光元件132以转轴134为旋转中心轴时序性地转动，且当偏光元件132转动时，穿透偏光元件132的光束l的偏振状态随时间而变化。在本实施例中，驱动元件136例如为马达，连接转轴134，且光束l穿透偏光元件132的非中心处。然而在一些实施例中，驱动元件136例如可为带动组件，且光束l穿透偏光元件132的中心处，本发明并不限于此。如此一来，可进一步提升激发光束l1或辅助光束l2的偏振均匀度，在应用于偏振立体模式时，可在荧幕上产生成色及亮暗均匀的影像画面，进而让使用者透过偏振式立体眼镜观察出均匀度较佳的立体显示画面。

值得一提的是，复合相位转换元件130c可选择性地配置于照明系统100a或投影装置10a的多个不同位置。详细而言，复合相位转换元件130c可配置于辅助光源120与波长转换元件150之间，更进一步说，复合相位转换元件130c位于反射绿橘光分光镜(分光元件160)及辅助光源120之间，如图5所显示的位置c。如此一来，可让通过波长转换元件150的激发光束l1及从辅助光源120发出的辅助光束l2通过，进而使激发光束l1及辅助光束l2的偏振态时序性均匀，具有良好的显示效果。然而在不同的实施例中，亦可以将复合相位转换元件130c配置于波长转换元件150与滤光装置180之间，更进一步说，复合相位转换元件130c位于反射绿橘光分光镜(分光元件160)及滤光装置180之间，如图5所显示的位置d，以让激发光束l1、辅助光束l2以及受激发光束l3通过。在另一不同的实施例中，投影装置10a可不包括滤光装置180，而复合相位转换元件130c可包括滤光元件(未绘示)，滤光元件与偏光元件132的配置位置重叠，即复合相位转换元件130c配置于滤光元件上。换句话说，即将复合相位转换元件130c结合滤光元件而形成滤光装置，如图5所显示的位置e。

除此之外，另值得一提的是，在一些实施例中，可将图5的复合相位转换元件130c进一步增加偏光元件132的数量为两个，形成类似于图3的复合相位转换元件130a。在此实施例中，可进一步控制两偏光元件132(132_1、132_2)的其中一者于平行于光束l的传递方向上时序性地转动，即一个偏光元件132静止不转动。或者是，使两偏光元件132于平行于光束l的传递方向上时序性地转动，且两偏光元件132的转动速度不同，即两个偏光元件132皆转动但转速不同。在此说明，偏光组件于平行于光束l的传递方向上时序性的转动即为所述偏光组件以平行于光束l的传递方向为旋转轴而时序性的转动。因此，可进一步提升激发光束l1或辅助光束l2的偏振均匀度。如此一来，在投影装置应用于偏振立体模式时，可在荧幕上产生成色及亮暗均匀的影像画面，进而让使用者透过偏振式立体眼镜观察出均匀度较佳的立体显示画面。

图7为本发明另一实施例的投影装置示意图。请参考图7。本实施例的复合相位转换元件130d类似于图1的复合相位转换元件130。两者不同之处在于，在本实施例中，复合相位转换元件130d为反射式的光学元件。详细而言，在本实施例中，复合相位转换元件130d还包括反射件138，配置于偏光元件132，用以将穿透偏光元件132的子光束进行反射。详细地说，复合相位转换元件130d位于反射绿橘光分光镜(分光元件160)及辅助光源120之间，来自波长转换元件150的激发光束l1及来自辅助光源120发出的辅助光束l2穿透偏光元件132后被反射件138反射至反射绿橘光分光镜(分光元件160)，进而使激发光束l1及辅助光束l2的偏振态时序性均匀。因此，可进一步减少投影装置10b的占用体积，且可使使用者透过偏振式立体眼镜观察出均匀度较佳的立体显示画面。

综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的复合相位转换元件或配置有复合相位转换元件的投影装置中，偏光元件包括在同一平面上的多个偏光区，且这些偏光区的至少二者具有不同的偏振方向。因此可使光束穿透偏光元件，且穿透偏光元件的光束于不同位置具有不同的偏振状态。如此一来，投影装置在偏振立体模式(即投影镜头外加偏振片)时，可使得显示画面的成色或亮暗均匀，进而让使用者透过偏振式立体眼镜观察出均匀度较佳的立体显示画面。

以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及发明说明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利覆盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。