TWI438547B - 多向穿透式彩色影像投射裝置及其方法 - Google Patents

Description

多向穿透式彩色影像投射裝置及其方法

本發明係有關於一種投影裝置，特別是有關於一多向穿透式影像投射裝置。

隨著資訊以及電腦市場不斷的擴充下，電子產品在輕薄短小、多功能速度快之趨勢的推動下快速成長。基於高科技時代的來臨，電信網路以及網際網路為近年來新興之產業，通訊系統也伴隨行動電話整合科技的開發也不斷提供使用者更便利取得資訊之方式。因此，通訊科技一躍變為新寵兒，通訊裝置中附屬之商業也因聯繫需求與資訊取得之便利而蓬勃發展。不論是網際網路、行動通訊設備、個人數位助理已經充斥於整個生活之空間，而網路與通訊業者也推陳出新提供商業服務協助客戶將其資料傳送或是取得以擴大市場以及服務之範圍。在電子元件方面則朝向多元多功能發展，如輕薄短小、多功能速度快之趨勢，而通訊服務業者或資訊提供服務者亦必須提供多元、全方位以及最新之資訊給客戶。而目前較為使用之手持式通訊裝置包含行動電話、股票機以及個人數位助理系統(或個人用電子記事簿裝置)，亦即一般所謂之Personal Digital Assistant(PDA)，其已日漸普及於一般人之生活中成為不可或缺之電子產品。而上述電子裝置的整合系統也普遍充斥生活之間。

目前大部分之投影裝置採用單光源多液晶顯示螢幕，透過投射鏡頭放大。但此種構造需要以白光透過分光鏡及反射鏡分光，光學機構過於複雜，無法縮小化。另有採用DMD晶片者，但其成本過高且需一色輪，易造成機械震動。另有採用分色電路者，但其需將同一影像分成三種色調在加以合成，不僅投射手段過於複雜且需分色電路。

第一圖為先前技術，利用白色光源通過極化分光器PBS將光導向具有彩色濾光片的LCOS(LCD on Silicon)上，光穿透液晶後，經過矽基板反射再穿過PBS，經由鏡頭投射。基於其光路徑經過多次折射、反射，且最重要的是彩色濾光片將遮蔽許多光線造成光通過率不足，造成光被吸收或耗損而造成亮度不足，且極化分光器PBS將過濾掉一半的極化偏振光。是以需提昇光源功率而耗電，且因白色光源而產生大量的熱。

參閱第二圖，為目前穿透式投影機，基於體積龐大，十分笨拙且不易攜帶，亦產生高熱且效率差，因此具有許多缺失。圖所示為傳統投射裝置之光學路徑，其包含白色光源22，經過透鏡組24以及濾光裝置30、32分別過濾兩種光，再經過反射鏡片38反射進入稜鏡，剩餘之顏色經過光學裝置34、36將其導入稜鏡，最後分別經過三顏色顯示元件28進入稜鏡組合，透過投射鏡片26投射。且其需要光中繼鏡片組(relay lens)40、42。其揭露投影設備之光學系統，其利用白色光源透過三組分光鏡片將白光成紅、藍、綠三色，再透過顯示裝置後由稜鏡組合。基於其採用複雜之光學系統包含許多濾鏡、反射裝置等，因此無法降低體 積。

基於先前技術採用之光學系統包含分光鏡且配置許多鏡片，因此降低體積之程度有限。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種多向穿透式影像投射裝置，可使得多數光源對於顯示器的相對位置為光學上同一位置以降低光偏差效應。

一種多向穿透式彩色影像投射裝置，包含：一種穿透式彩色影像投射裝置，包含：光控制單元；多白色光源，電性耦合該光控制單元用以控制該多白色光源之各獨立光源；光導引裝置，導引該多白色光源所放射的光，其中該多白色光源分別配置於該光導引裝置之側；彩色顯示器，對應配置於該光導引裝置，用以顯示影像，藉由該多白色光源穿透該彩色顯示器；及投射鏡頭，對應配置於該彩色顯示器，用以將該彩色影像投射。光導引裝置包含分色鏡或X方塊稜鏡；其中上述之多白色光源包含雷射、發光二極體或有機發光元件；彩色顯示器包含電漿顯示器、有機發光顯示器、場放射顯示器、液晶顯示器、電子紙或IMOD顯示器，其中該穿透式彩色影像投射裝置可以內建於或外接於手持裝置中，該手持裝置包含手機、筆電、平板電腦、媒體播放器、衛星定位系統、數位影像擷取裝置。

一種影像投射方法，包含：提供一光控制單元及多白色光源，電性耦合該光控制單元用以放射該多白色光源之各獨立光；提供一光導引裝置以利於導引該多白色光源之各光至一顯示器，俾使該各光穿透彩色顯示器；及以投射鏡頭對應配置於該彩色顯示器，用以將影像投射。其中上述之該光導引裝置包含分色鏡或X方塊稜鏡，其中上述之多白色光源包含雷射、發光二極體或有機發光元件；該顯示器包含電漿顯示器、有機發光顯示器、場放射顯示器、液晶顯示器。

一種光導引架構，包含：複數光導引裝置，排列於光路徑上；複數光源，各自配置於該複數光導引裝置之側；其中上述複數光導引裝置，用以導引該複數光源。其中上述之該複數光導引裝置包含分色鏡、X方塊稜鏡或其組合。若上述之該複數光導引裝置數目為三，則包含七側可配置光源。若上述之該複數光導引裝置數目為四，則包含九側可配置光源。

本發明在一時間點，可控制只開啟一光源，不同時開啟複數光源，故可達節能省電效果，就光源部分，可達至少兩倍續航力。

本發明採白光與光導引架構可縮短先前技術之光學路徑，提高流明度。本發明採單一顯示器，較先前技術省卻兩顯示器成本。利用光控制單元除可控制發光次序外，亦可獨自控制各光等，以達多段流明調整目的。

為使本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，本文舉較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下，然下述各實施例只做一說明非用以限定本發明。

本發明亦可內建或外接於手持通訊裝置中，包含手機、個人數位助理以及智慧型手機。手持無線通訊裝置一般包含行動電話、傳呼裝置、個人數位助理或類似之裝置。

上述無線通訊裝置之系統架構一般包含無線通訊模組，可適用於雙向傳輸之協定，行動電話以及個人數位助理至少包含雙向通訊模組。以雙向通訊模組而言，所使用的通訊協定為GSM、CDMA、PHS或雙向呼叫器通訊協定等格式。經由雙向通訊模組所接收由服務提供者所提供之訊息，經過解碼裝置解碼以轉換成可辨識之訊號。上述之無線通訊裝置包含一微處理器或中央處理單元以及一使用者介面與微處理器耦合以利於指令之輸入，其輸入之方式可以為利用觸控或聲控語音輸入。雙向通訊模組所接收之訊號經由微處理器並載出儲存於記憶體單元中之資料或程式進行處理，如比對通訊協定、解讀以及判斷。本裝置亦可適用於GPS、筆記型電腦或多媒體播放器等。

第三圖所示為本發明之穿透式影像投射裝置，包含多單色光源1100R、1100G、1100B，例如紅光源1100R、綠光源1100G、藍光源1100B，可分別放射紅、綠、藍三色光，色光控制單元1000(第四圖)電性耦接上述之参單色光源1100R、1100G、1100B以利其分別依序放射至少三色光。以一實施例而言，灰階顯示裝置1200用以顯示灰階影像，其較佳為灰階液晶(LCD)顯示器，其基板為透明以利光穿透。多單色光源1100為至少3單色光，以利於各自放射藍、綠及紅光以利於合成彩色。於液晶面板之影像可為 灰階，再透過依序放射参單色光，例如藍、綠及紅光，其三者的三色光線分別穿透LCD，使得紅、綠及藍光影像透過投射鏡頭1300放大投射到螢幕，上述三色光之放射次序可以任意排列，其組合例如為藍綠紅、藍紅綠、綠紅藍、綠藍紅、藍紅綠或藍綠紅等次序。一光導引裝置1350，使上述各別之光源1100R、1100G、1100B配置於光導引裝置1350之三側，以利於將個別的光導向顯示器1200。上述之光導引裝置1350可以為X方塊稜鏡(X-cube)或是分色鏡(dichroic mirror)。基於上述三色光源依序放射，使得人眼在視覺暫留內，看到一彩色影像。上述多單色光源1100透過色光控制單元1000控制其各自之強度與放射時間，端視色彩資訊而定。為強化其光強度，避免過暗，上述多單色光源1100除包含3單色光外，亦可以包含白光配置以利加強亮度，所述之白光可穿插於上述三色光之任意排列之中；為增加色彩度，亦可穿插黃光。液晶顯示器1200之影像顯示係由影像訊號輸入單元1400饋入(第四圖)。基於本發明係依據放射至少三單色光，且依序穿透灰階顯示器1200依序放射RGB影像，經過投射鏡頭1300至顯示幕，故無需稜鏡，而易於縮小體積與簡化裝配對位等複雜度與簡化光機構。若選擇LED、雷射、有機發光(EL；electroluminescence)元件等發光元件，除可縮小本裝置外，相較於燈泡具較佳散熱效果。上述之顯示裝置1200亦可採用有機發光顯示裝置、電漿顯示裝置、電致發光顯示裝置或場放射顯示裝置。

簡言之，利用色光控制單元1000控制各個獨立單色光之放射順序與強弱度以利於混合成彩色，當個單色光自顯示器1200穿透時，可以使顯示器1200上之灰階影像形成單色彩影像，透過投射鏡頭1300將各單色光之影像依序投射，再利用人眼視覺暫留現象，令人眼看到合成後之彩色影像。因此本發明採用不耗熱之多數單色光源，做為成像光源，利用單一灰階顯示器1200，藉由依序將各單色光放射穿透該單一灰階顯示器1200，以利於不同時產生至少三色階之影像，依投射鏡頭不同時投射到螢幕上，但基於視覺暫留現象，人眼以為同時到達而合成彩色光。故本發明優點為無須採用複雜光學機構，可降低成本與簡化結構，再者，本發明無需利用稜鏡合光，故可將三邊光源，配置於單邊。故，本發明大大減化光學機構。而較佳實施例中，顯示器1200包含液晶用以顯示灰階影像。採用灰階影像時，在液晶顯示裝置可以不需要彩色濾光片，因為彩色濾光片造成極大的遮光，造成流明度稍不足。若省卻此濾光片，可以對於微型化有所幫助，可以提升流明度以及減少耗電。

上述之放射光源可以為發光二極體(LED)、雷射，以單顆3單獨光源，或是多顆配置成一線或是相鄰配置，如第三圖A所示，或是將發光二極體配置成矩陣，三原色間隔重複配置，構成矩陣，如第三圖B所示，其中只做為一例示，非用以限制本發明，可依需求配置任意數目的行與列，且其間可插入白色或黃色。上述之放射光源亦可以採 用有機發光、場放射元件放射紅、綠以及藍光。投射鏡頭1300，配置於顯示器1200側，一顯示幕可放置於適當位置用以投射成像。因此儲存在手持通訊裝置、媒體播放器或電腦記憶體中資料、檔案、電玩變可以透過投射顯示裝置放大投射至外部。基於本發明採用有機激發、光放射、雷射等元件，其輕薄短小，故可以使得被整合於手機之中。參閱第四圖，無線傳輸模組1500，可以自外界接收影像，透過影像訊號輸入單元1400輸入所欲投影之訊號或影像。亦可以透過記憶卡或隨身碟1600輸入所欲投影之訊號或影像，如此可以省卻攜帶電腦之不便，亦可以透過輸入介面1700，例如USB、HDMI等連接手機，以投射手機內影像或資訊。

在上述各實施例之架構下，一變更架構請參閱第四圖A，與上述第三圖與第四圖之差異在於，本實例採用彩色顯示器，其可以為液晶彩色顯示器、彩色電漿(PLASMA)顯示器、彩色有機發光顯示器(OLED)、彩色電子紙顯示器、彩色IMOD顯示器(interferometric modulation；IMOD)、彩色場放射顯示器(FED)。故可以將光源改為至少一個白光源1100W，在白光源1100W與顯示器間可以配置勻光器或是聚焦元件，參第六圖。本實例以具有多(方)向，如三個白光源1100W作為說明，可應用到其他數目之光源。例如，可以控制三個白光源在視覺暫留期間輪流放射光源，形成3白光依序穿透過彩色顯示器，在視覺暫留期間，人眼感受到三重疊流明度之彩色影像，而在一定時間上，光只開啟三分之一的時間，可節省電源之消耗。除此之外，在環境光較弱時，人眼可以較易觀察到影像，故可以降低流明度，而只開啟一個光源或兩個光源(同時開啟或輪流依序開啟)以節省電源；可以在環境光較強時，人眼不易觀察到影像，為提升流明度可以三個白光源同時開啟，如此達到多段、多向控制光源流明度之目的。上述之控制可透過光控制單元1000A達成。此外可配置光感應器1000B，耦合光控制單元1000A，依據所感測外在環境之明暗，調節光源亮度。如依序開啟其時脈可以參閱第四圖B，上圖為光源輪流依序開啟，下圖為光源同時開啟光源，而提升流明度。光導引裝置1350可用複數個X方塊稜鏡(X-cube)或是分色鏡(dichroic mirror)組合，可達多光源之配置，此可用於白光或三原色光源或四色光源成像。為配置多向光源使其相對於顯示器而言在光學上為相似相對位置，或類似等距光學路徑，以減少光偏差問題，請參照第四圖C。一種光導引架構，包含：複數光導引裝置1350，排列於光路徑上；複數光源，各自配置於該複數光導引裝置1350之側；其中上述複數光導引裝置1350，用以導引該複數光源，光源數目可依需求選擇。其中上述之複數光導引裝置1350可包含分色鏡、X方塊稜鏡或其組合。若上述之該複數光導引裝置數目為三，則包含七側可配置光源。若上述之該複數光導引裝置數目為四，則包含九側可配置光源。就上述之例子而言，相對於顯示器而言，至少六個或九個光源之光路徑等長，故易於控制光源，可以提供多向、多段之光源控制。

第五圖所示為本裝置整合於手持裝置10，如手機之功能方塊圖。亦可以為數位相機、數位攝影機、GPS、多媒體播放裝置等，其包含SIM連接器130用以承載SIM卡135。而SIM卡並非手機必要之裝置，如PHS系統就無需使用。本手持通訊裝置10包含射頻通訊模組其包含天線105、此天線105連接收發裝置110，其用以接收或傳輸訊號。射頻通訊模組也包含CODEC 115、DSP 120以及A/D轉換器。本發明之裝置包含中央控制IC 100，用以控制訊號以及資料之處理、電力控制以及輸出入訊號之處理。一輸入單元150、內建顯示單元160、作業系統(OS)145、電源140分別電性耦合(couple)到上述之控制IC 100。本裝置亦包含記憶體155耦合到上述之控制IC 100，做為資料以及作業系統之儲存。依照不同之屬性，可包含ROM、RAM、非揮發性快閃記憶體等。射頻通訊模組可以處理述訊號之接收、基頻之處理、數位訊號之處理等。SIM卡硬體介面則承載SIM卡。最後語音訊號被送到輸出裝置如喇叭/麥克風單元190。記憶體單元可以區分為三個部分，分別為罩幕式唯讀記憶體(MASK ROM)、非揮發性記憶體例如快閃記憶體(FLASH)以及靜態隨機存取記憶體(SRAM)三個部分。一般，不更動之資料可儲存於罩幕式唯讀記憶體(MASK ROM)之中，系統操作軟體或固定之應用程式一般可以儲存於非揮發記憶體之中且執行其它之指令，可以在無電源狀態下仍能保留其內部資料，有電源時可以重複讀出或寫入。影像擷取單元152電性耦合至控制IC 100。

故本發明優點為無須採用濾光片與多數光學鏡片稜鏡，可簡化光學結構。以微型化考量，因為彩色濾光片將遮掉或耗損許多光線而先前技術之光學路徑過長，本發明採用灰階顯像配合至少参色獨立光源，以色序產生R、G、B参影像，再利用視覺暫留產生彩色完全解決上述問題。

參閱第六圖A，若有需求，可以配置勻光器3210於光源1100與光導引裝置1350間，或是配至光導引裝置1350間與顯示器1200間，如第六圖B。勻光器3210可為一菲涅爾透鏡位於光源之側，光源位於大約其焦距處，可使點光源通過菲涅爾透鏡成平行光速。菲涅爾透鏡具有被截為一段一段曲率不變的不連續曲面，曲面被劃分得很細，故看上去像一圈一圈的紋路，也就是菲涅爾透鏡包含一系列同心圓紋路(即菲涅爾帶)達到聚光效果，反之將光源置於焦距，可形成平行光速通過。且菲涅爾透鏡同時降低厚度利於微型化。可被視作一系列的稜鏡按照環形排列，其中邊緣較為尖銳，而中心則是較為平滑的凸面。菲涅爾透鏡的設計容許大幅度地削減透鏡厚度及重量與體積。在光源前配置菲涅爾透鏡可以適用於上述各實施例。亦可以使用準直器(collimator，第六圖C)或、(聚光)透鏡、內部反射結構、光柵替換上述之菲涅爾透鏡或與菲涅爾透鏡共同使用以利於產生平行光。準直器包含一曲面鏡片，光源置於其焦點。準直器面對光源的鏡面之曲率較大，另一鏡面之曲率較小。準直器亦可校正其他光學元件是否位於光軸上，故其不但可使光源成平行光束亦可做為校正用途。上述之菲涅爾透鏡或準直器亦可以配置於顯示裝置與投射鏡頭間，投射鏡頭至於其焦點述。參閱第六圖D。一菲涅爾透鏡或準直器3210置於投射透鏡1300與顯示器1200間，且上述之投射透鏡置於菲涅爾透鏡或準直器3210之焦點。在上述各實施例之光源背部，可以依據需求配置反光片以反射光線進入顯示器。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍，凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

1000．．．色光控制單元

1000A．．．光控制單元

1000B．．．光感應器

1100W．．．白色光源

1100R、1100G、1100B．．．單色光源

1100W．．．白色光源

1200．．．顯示器

1300．．．投射鏡頭

1400．．．影像訊號輸入單元

1500．．．無線傳輸模組

1600．．．記憶卡

1700．．．輸入介面

10．．．手持通訊裝置

IC100．．．控制

105．．．天線

110．．．收發裝置

115．．．語音編碼解碼器

120．．．DSP

125．．．D/A轉換器

130．．．SIM卡連接器

135．．．SIM卡

140．．．電源

145．．．OS

150．．．輸入單元

155．．．記憶體

190．．．揚聲器及/或麥克風

3210．．．勻光器或菲涅爾透鏡

第一圖顯示先前技術示意圖。

第二圖顯示先前技術示意圖。

第三圖顯示本發明功能方塊示意圖。

第三圖A、B顯示本發明光源示意圖。

第四圖顯示本發明功能方塊示意圖。

第四圖A、B、C顯示本發明光源示意圖。

第五圖顯示本發明耦接手持裝置功能方塊示意圖。

第六圖A至第六圖D顯示本發明勻光器配置示意圖。

1000A．．．光控制單元

1000B．．．光感應器

1100W．．．白光源

1200A．．．顯示器

1300．．．投射鏡頭

1350．．．光導引裝置

Claims (13)

1. 一種多向穿透式彩色影像投射裝置，包含：光控制單元；多白色光源，電性耦合該光控制單元，用以控制該多白色光源之各獨立光源，不同或同時開啟；光導引裝置，導引該多白色光源所放射的光，其中該多白色光源分別配置於該光導引裝置之側；彩色顯示器，對應配置於該光導引裝置，用以顯示影像，藉由該多白色光源穿透該彩色顯示器；及投射鏡頭，對應配置於該彩色顯示器，用以將該彩色影像投射。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多向穿透式彩色影像投射裝置，其中該光導引裝置包含分色鏡或X方塊稜鏡。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之多向穿透式彩色影像投射裝置，其中上述之多白色光源包含雷射、發光二極體或有機發光元件；該彩色顯示器包含電漿顯示器、有機發光顯示器、場放射顯示器、液晶顯示器、電子紙或IMOD顯示器。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之多向穿透式彩色影像投射裝置，其中該穿透式彩色影像投射裝置可以內建於或外接於手持裝置中，該手持裝置包含手機、筆 電、平板電腦、媒體播放器、衛星定位系統、數位影像擷取裝置。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述之多向穿透式彩色影像投射裝置，其中更包含光感應器，耦合於該光控制單元，依據所感測外在環境之明暗，調節光源亮度。
6. 如申請專利範圍第1或2項所述之多向穿透式彩色影像投射裝置，其中更包含準直器或菲涅爾透鏡於該顯示器與該投射鏡頭間。
7. 一種多向影像投射方法，包含：提供一光控制單元及多白色光源，電性耦合該光控制單元用以放射該多白色光源之各獨立光，該光控制單元，控制該多白色光源之各獨立光源不同或同時開啟；提供一光導引裝置以利於導引該多白色光源之各光至一顯示器，俾使該各光穿透彩色顯示器，上述之該光導引裝置包含分色鏡或X方塊稜鏡；及以投射鏡頭對應配置於該彩色顯示器，用以將影像投射。
8. 如申請專利範圍第7項所述之多向影像投射方法，其中更包含光感應器，耦合於該光控制單元，依據所感測外在環境之明暗，調節光源亮度。
9. 如申請專利範圍第7項所述之影像投射方法，其中上述之多白色光源包含雷射、發光二極體或有機發光元件；該顯示器包含電漿顯示器、有機發光顯示器、場放射顯示器、液晶顯示器。
10. 一種多向光導引架構，包含：複數光導引裝置，排列於光路徑上；複數光源，各自配置於該複數光導引裝置之側；其中上述複數光導引裝置，用以導引該複數光源；其中上述之該複數光導引裝置數目為三，包含七側可配置光源。
11. 如申請專利範圍第10項所述之多向光導引架構，其中上述之該複數光導引裝置包含分色鏡、X方塊稜鏡或其組合。
12. 如申請專利範圍第10或11項所述之其中更包含光感應器，耦合於該光控制單元，依據所感測外在環境之明暗，調節光源亮度。
13. 一種多向光導引架構，包含：複數光導引裝置，排列於光路徑上；複數光源，各自配置於該複數光導引裝置之側； 其中上述複數光導引裝置，用以導引該複數光源；其中上述之該複數光導引裝置數目為四，包含九側可配置光源。