TWI723660B - 雷射投影系統、穿戴式影像投射裝置及改善雷射投影影像的方法 - Google Patents

雷射投影系統、穿戴式影像投射裝置及改善雷射投影影像的方法 Download PDF

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Abstract

一種雷射投影系統包含雷射投影裝置及微透鏡陣列。雷射投影裝置具有光源，雷射投影裝置投射光束，以掃描的方式形成至少一掃描軌跡線，至少一掃描軌跡線係由複數光點組成；微透鏡陣列設置於雷射投影裝置的投射的射程上，光束投射於微透鏡陣列上，微透鏡陣列包含複數個微透鏡，且微透鏡的個數對應於光點，其中微透鏡的排列方式是依據光點的分布對應設置。本發明還提出一種穿戴式影像投射裝置及改善雷射投影影像的方法。

Description

雷射投影系統、穿戴式影像投射裝置及改善雷射投影影像的方法
一種雷射投影系統，尤指一種具有可改善雷射投影影像的微透鏡陣列的雷射投影系統。
投影技術隨著科技發展日益進步，以普遍使用於人們的生活領域中，例如商業會議、電影欣賞或研究教學等。
近期雷射成為投影技術的核心，業者不斷在雷射投影裝置上投入研究，因其具有更佳的影像呈現，且雷射光在物理條件下具光效率高、應用免對焦優勢，在個人使用上極為便利。
然而，對於雷射投影技術而言，仍會有影像失真、光亮度不均勻，在局部呈現暗區(光斑，speckle)等等的問題。
本發明提出一實施例之一種雷射投影系統，包含雷射投影裝置及微透鏡陣列。
雷射投影裝置具有光源，雷射投影裝置投射光束，以掃描的方式形成至少一掃描軌跡線，至少一掃描軌跡線係由複數光點組成；微透鏡陣列設置於雷射投影裝置的投射的射程上，光束投射於微透鏡陣列上， 微透鏡陣列包含複數個微透鏡，且微透鏡的個數對應於光點。其中微透鏡的排列方式是依據光點的分布對應設置，微透鏡的排列方式係依據光點的分布對應設置，微透鏡的設置參數包含微透鏡中相鄰二者之間的一間隔距離、微透鏡的形狀、微透鏡的大小及微透鏡厚度中至少一者。
如上述的雷射投影系統，在一實施例中，微透鏡中相鄰二者之間的間隔距離，自至少一掃描軌跡線的中央處向遠離該中央處的方向逐漸縮小。
如上述的雷射投影系統，在一實施例中，各微透鏡的大小自該至少一掃描軌跡線的中央處至二端處逐漸縮小。
如上述的雷射投影系統，在一實施例中，微透鏡中相鄰二者之間的間隔距離，與光點中相鄰二者之間的間距相同。
如上述的雷射投影系統，在一實施例中，微透鏡包含凸透鏡、雙凸透鏡、凹透鏡、雙凹透鏡、凹凸透鏡其中之一或其組合。
如上述的雷射投影系統，在一實施例中，各微透鏡的表面形狀為圓形或多邊形。
如上述的雷射投影系統，在一實施例中，進一步包含光學裝置，設置於微透鏡陣列的一側；其中光束經穿過微透鏡陣列後形成實像，光學裝置接收實像後轉換為虛像。
如上述的雷射投影系統，在一實施例中，其中光學裝置包含導光元件及光學鏡組。
本發明還提出一種穿戴式影像投射裝置，包含上述的雷射投影系統及穿戴式裝置，雷射投影系統設置於穿戴式裝置，以形成穿戴式影 像投射裝置。
本發明還提出一實施例之一種改善雷射投影影像的方法，包含提供微透鏡陣列，所述的微透鏡陣列接收影像光源的光束投射，光束以掃描方式形成至少一掃描軌跡線，所述至少一掃描軌跡線是由複數光點組成。
微透鏡陣列包含複數個微透鏡，且微透鏡的個數對應於光點，其中，微透鏡的排列方式是依據光點的分布對應設置，微透鏡的設置參數包含微透鏡中相鄰二者之間的間隔距離、微透鏡的形狀、微透鏡的大小及微透鏡厚度中至少一者。
經由上述一個或多個實施例的雷射投影系統，對應掃描軌跡線中光點而設計微透鏡陣列的結構，如此改善投影影像發生暗區的問題。此外，雷射投影系統投射的影像還具有亮度均勻以及影像具有高清晰度的優點。
本發明還提出一實施例之一種穿戴式影像投射裝置，在穿戴式裝置上設置有上述的雷射投影系統，同具有上述的改善影像顯示的功效。
本發明還提出一實施例之一種改善雷射投影影像的方法，藉由設計微透鏡陣列的結構能夠使投射影像的產生無失真的效果，並且具有均勻光亮度、使影像清晰的效果。
100:雷射投影系統
200:穿戴式影像投射裝置
11:雷射投影裝置
12:微透鏡陣列
121:基板
122:微透鏡
13:光學裝置
131:導光元件
132:光學鏡組
14:虛像
2:穿戴式裝置
A:投射方向
L:掃描軌跡線
P:光點
W:間隔距離
T:光點間距
D1:方向
D2:方向
[圖1]係本發明一實施例之雷射投影系統之架構示意圖。
[圖2A-圖2E]分別係本發明一實施例之雷射投影系統之微透鏡陣列之局部示意圖。
[圖3]係本發明一實施例之掃描軌跡線之示意圖。
[圖4]係本發明一實施例之雷射投影系統中微透鏡陣列使用狀態示意圖。
[圖5A]係本發明一實施例之雷射投影系統中微透鏡陣列使用狀態示意圖。
[圖5B]係圖5A所示實施例之雷射投影系統使用狀態示意圖。
[圖6]係本發明一實施例之雷射投影系統中微透鏡陣列使用狀態示意圖。
[圖7]係本發明一實施例之雷射投影系統之架構示意圖。
[圖8]係圖7所示實施例的使用狀態示意圖。
[圖9]係本發明一實施例之雷射投影系統之使用狀態示意圖。
[圖10]係本發明一實施例之穿戴式影像投射裝置的外觀示意圖。
請參閱圖1至圖4，圖1為本發明一實施例之雷射投影系統100之架構示意圖。雷射投影系統100包含雷射投影裝置11及微透鏡陣列12(以下同)。圖2A至圖2E分別為本發明一實施例之雷射投影系統100之微透鏡陣列12之局部示意圖，在此以側視的視角示意。圖3為本發明一實施例之掃描軌跡線L之示意圖。圖4為本發明一實施例之雷射投影系統100中，微透鏡陣列12使用狀態示意圖。
雷射投影裝置11具有光源，雷射投影裝置11投射光束，以 掃描的方式形成至少一掃描軌跡線L，至少一掃描軌跡線L係由複數光點P組成。也就是說，雷射投影裝置11作為影像光源，內部具有MEMS微振鏡，隨著MEMS微振鏡的擺動速度使投射的光束產生不同掃描軌跡線L，掃描軌跡線L類似正弦波的波形，或者類似利薩茹(Lissajous)曲線，如圖3所示。然而，下列圖式所繪示出的掃描軌跡線L僅為一例示，非限定本發明所述掃描軌跡線L的態樣。掃描軌跡線L上是由多個光點P所組成。
微透鏡陣列12設置於雷射投影裝置11的投射射程上，光束投射於微透鏡陣列12上，微透鏡陣列12包含複數個微透鏡122，微透鏡122排列分布，且微透鏡122的個數對應於光點P。在此實施例中，微透鏡122設置於一透明的基板121上(如圖2A所示)，或是設置在基板121相對的二側面上(如圖2B所示)。需說明的是，如圖2A所示的實施例，投射方向A可以在基板121的一側，也可以在基板121相對的另一側上，本發明並無限制。
如圖2C所示，基板121的相對兩側面上皆設置有微透鏡122，位在不同側面上的微透鏡122，以相對錯開的方式排列分布，而相鄰兩者的微透鏡122之間的間隔距離W是一樣的。所述的間隔距離W指的是微透鏡122中心與另一微透鏡122中心的最短距離。此外，參考圖2D及圖2E，所述的微透鏡122可以為凸透鏡、雙凸透鏡(如圖2D所示)或是特殊設計的透鏡(如圖2E所示)，換言之，微透鏡122可包含凸透鏡、雙凸透鏡、凹透鏡、雙凹透鏡、凹凸透鏡其中之一或其組合，本發明並無限定，圖式僅為例示而非為列舉。
本發明的微透鏡122的排列方式是依據光點P的分布對應設 置，例如改變微透鏡122中相鄰二者之間的間隔距離W、微透鏡122的形狀、微透鏡122的大小及微透鏡122厚度等設置參數。所述的設置參數可以為一個以上，例如同時改變微透鏡122中相鄰二者之間的間隔距離W及微透鏡122的形狀，在一實施例中，微透鏡122的大小對應間隔距離W改變。在另一實施例中，微透鏡122厚度對應微透鏡122的大小改變。更具體的說明詳見下述。
如圖4所示，在此須說明的是，在此實施例中，掃描軌跡線L具有複數個，在橫向上串接形成類似正弦波的態樣，掃描軌跡線L上具有多個光點P，為清楚說明微透鏡122的設置與光點P的關係，僅示意局部的微透鏡122及光點P。光點P被涵蓋在微透鏡122內，掃描軌跡線L往兩端的方向D1、D2上，光點P間的距離較為密集，即光點P之間的距離逐漸縮小，然不限於此，因此微透鏡122(例如是四邊形)對應於光點P的分布狀況，微透鏡122中相鄰二者之間的間隔距離W，亦對應的自掃描軌跡線L的中央處向遠離該中央處的方向逐漸縮小、緊密。相鄰的微透鏡122之間非一定緊密排列，如圖2A至圖2E、圖4所示，相鄰的微透鏡122之間具有間隔距離W。此外，在此實施例中，微透鏡122的大小，亦自掃描軌跡線L的中央處至二端處逐漸縮小。掃描軌跡線L以類似正弦波的圖形掃描可以改善影像失真的問題。而以上圖4所示的實施例中的微透鏡陣列12的結構，則可以改善雷射投影於畫面出現暗區(光斑)的問題，整體表現可以均勻亮度，使畫面清晰呈現。
在一些實施例中，類似於圖4所示的實施例，微透鏡122中相鄰二者之間的間隔距離W，自掃描軌跡線L的中央處至二端處(即以遠 離中央處的方向)逐漸縮小、緊密。然而，各微透鏡122的大小是相同的。
請參閱圖5A及圖5B，圖5A為本發明一實施例之雷射投影系統100中，微透鏡陣列12使用狀態示意圖。圖5B是圖5A所示實施例之雷射投影系統100使用狀態示意圖。與圖4所示的實施例不同的是，在此實施例中，微透鏡122中相鄰二者之間的間隔距離W，與光點P中相鄰二者之間的間距T相同。也就是說，微透鏡122排列周期與光點P的分布的周期相同，並且微透鏡122的大小是自掃描軌跡線L的中央處至二端處逐漸縮小。如圖5B所示微透鏡陣列12設置於雷射投影裝置11的投射方向上。當雷射投影裝置11的影像投射於微透鏡陣列12上時，將形成成像均勻的顯示畫面。換言之，以此微透鏡陣列12的結構，同樣可以改善雷射投影於畫面發生暗區的現象，並且兼具均勻亮度，使畫面清晰呈現的效果。
請參閱圖6，為本發明一實施例之雷射投影系統100中，微透鏡陣列12使用狀態示意圖。在此實施例中，光點P間的間距T，自掃描軌跡線L的中央處至二端處逐漸縮小；微透鏡122的排列間隔緊密，對應於光點P分布，其大小亦自掃描軌跡線L的中央處至二端處逐漸縮小，與上述實施例不同的地方在於排列的形狀，自掃描軌跡線L的中央處至二端處傾斜排列，上述關於微透鏡122的形狀，包含微透鏡122的排列形狀，圖6所示的實施例僅為一例示，本發明並不限定微透鏡122傾斜排列或旋轉排列的形狀。
綜上多個實施例，本發明並無限定微透鏡陣列12的結構，端視使用人依上述設置參數，選擇適用的微透鏡陣列12。
在上述的實施例中，各微透鏡122以表面的法線方向觀察的 形狀為方形，然而本發明並無限定，在一些實施例中，微透鏡122的表面也可以是圓形或多邊形的形狀。
請參閱圖7至圖8，圖7為本發明一實施例之雷射投影系統100之架構示意圖。圖8為圖7所示實施例的使用狀態示意圖。
雷射投影系統100進一步包含光學裝置13，光學裝置13設置於微透鏡陣列12的一側，包含導光元件131及光學鏡組132，在此實施例中導光元件131為一反射片。當光束經穿過微透鏡陣列12後形成實像，光學裝置13接收實像後反射至使用者眼中，使用者可在光學裝置13的一側看到虛像14。
請參閱圖9，為本發明一實施例之雷射投影系統100之使用狀態示意圖。雷射投影系統100包含雷射投影裝置11、微透鏡陣列12、光學鏡組132以及導光元件131。雷射投影裝置11用以產生影像，該影像是利用微機電(MEMS)之快速擺動在空間中呈現完整的畫面。微透鏡陣列12設置於雷射投影裝置11之一側，光學鏡組132設置於微透鏡陣列12之一側，導光元件131設置於光學鏡組132之一側。在此實施例中，利用雷射投影裝置11所產生之影像依序直線經過大致平行排列的微透鏡陣列12及光學鏡組132後進入導光元件131，此時使用者的眼睛可透過導光元件131看到放大之光學虛像14。依據圖9所示的實施例，可應用於一穿戴式影像投射裝置上，例如眼鏡。
請參閱圖10，為本發明一實施例之穿戴式影像投射裝置的外觀示意圖。穿戴式影像投射裝置200包含雷射投影系統100及穿戴式裝置2，穿戴式裝置2在此實施例中為眼鏡，然而並不以此為限。穿戴式裝置2 供使用者配戴使用，將雷射投影系統100設置在穿戴式裝置2上，使用者在配戴穿戴式裝置2後，可觀看到光學成像(例如是圖8或9之虛像14)。以此穿戴式影像投射裝置200，可應用在擴增實境(Augmented Reality，AR)的顯像領域上，然而，本發明並無限定穿戴式影像投射裝置200的用途。
本發明還提出一實施例之一種改善雷射投影影像的方法，包含提供微透鏡陣列12，所述的微透鏡陣列12接收影像光源的光束投射，光束以掃描方式形成掃描軌跡線L，所述掃描軌跡線L是由複數光點P組成。關於掃描軌跡線L、光點P以及微透鏡陣列12的說明請參閱圖1至圖6以及相關段落的說明，在此不再贅述。
經由上述一個或多個實施例的雷射投影系統100，掃描軌跡線L可以達到投影影像無失真的效果。搭配掃描軌跡線L中光點P，微透鏡陣列12的結構設計可以改善影像光斑現象且具有使影像亮度均勻及使影像具有高清晰度的優點。
本發明還提出一實施例之一種穿戴式影像投射裝置，在穿戴式裝置上設置有雷射投影系統，同具有上述的改善影像顯示的功效。
本發明還提出一實施例之一種改善雷射投影影像的方法，藉由掃描軌跡線L及設計微透鏡陣列12的結構能夠使投射影像的產生無失真的效果，改善影像有光斑的問題，並且具有均勻光亮度、使影像清晰的效果。
122         微透鏡 L            掃描軌跡線 P             光點 W           間隔距離 D1          方向 D2          方向

Claims (10)

  1. 一種雷射投影系統，包含：一雷射投影裝置，具有一光源，該雷射投影裝置投射一光束，以一掃描的方式形成至少一掃描軌跡線，該至少一掃描軌跡線係由複數光點組成；以及一微透鏡陣列，設置於該雷射投影裝置的一投射的射程上，該光束投射於該微透鏡陣列上，該微透鏡陣列包含複數個微透鏡，且該些微透鏡的個數對應於該些光點；其中，該些微透鏡的排列方式係依據該些光點的分布對應設置；該些微透鏡的大小，自該至少一掃描軌跡線的中央處至二端處逐漸縮小；該些微透鏡的設置參數包含該些微透鏡中相鄰二者之間的一間隔距離、該些微透鏡的形狀、該些微透鏡的大小及該些微透鏡厚度中至少一者。
  2. 如請求項1所述之雷射投影系統，其中該些微透鏡中相鄰二者之間的該間隔距離，自該至少一掃描軌跡線的中央處向遠離該中央處的方向逐漸縮小。
  3. 如請求項1所述之雷射投影系統，其中該些微透鏡中相鄰二者之間的該間隔距離，與該些光點中相鄰二者之間的一間距相同。
  4. 如請求項1所述之雷射投影系統，其中該些微透鏡包含一凸透鏡、一雙凸透鏡、一凹透鏡、一雙凹透鏡、一凹凸透鏡其中之一或其組合。
  5. 如請求項1所述之雷射投影系統，其中各該微透鏡的表面形狀為圓形或多邊形。
  6. 如請求項1所述之雷射投影系統，進一步包含一光學裝置，設置於該微透鏡陣列的一側；其中該光束經穿過該微透鏡陣列後形成一實像，該光學裝置接收該實像後轉換為一虛像。
  7. 如請求項6所述之雷射投影系統，其中該光學裝置包含一導光元件及一光學鏡組。
  8. 如請求項1所述之雷射投影系統，其中該至少一掃描軌跡線為一類似正弦波波形或一類似利薩茹(Lissajous)曲線。
  9. 一種改善雷射投影影像的方法，包含提供一微透鏡陣列，該微透鏡陣列接收一影像光源的一光束投射，該光束以一掃描方式形成至少一掃描軌跡線，該至少一掃描軌跡線係由複數光點組成；該微透鏡陣列包含複數個微透鏡，且該些微透鏡的個數對應於該些光點，其中，該些微透鏡的排列方式係依據該些光點的分布對應設置；該些微透鏡的大小，自該至少一掃描軌跡線的中央處至二端處逐漸縮小；該些微透鏡的設置參數包含該些微透鏡中相鄰二者之間的一間隔距離、該些微透鏡的形狀、該些微透鏡的大小及該些微透鏡厚度中至少一者。
  10. 一種穿戴式影像投射裝置，包含：如請求項1至8任一項所述的雷射投影系統；及一穿戴式裝置，該雷射投影系統設置於該穿戴式裝置，以形成該穿戴式影像投射裝置。
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