CN102681198A - 激光投影系统的激光光斑抑制装置及其抑制方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光投影系统的光斑抑制装置及其抑制方法，其中该激光投影系统包含至少一激光光源供出射激光光束及至少一影像产生元件如光束偏折装置如微机电反射镜(MEMS mirror)或二维光亮度调整阵列如DLP(Digital Light Processor)供将激光光束形成成像光束并由至少一出光口投射至该屏幕上以形成影像画面，该光斑抑制装置利用至少一激光相位干扰元件，使其设在该激光光源与该屏幕之间的激光光束的投射路径上供该激光光束以反射方式或穿透方式经过，该相位干扰元件的表面设有至少一相位干扰图案，以使该激光光束经过该相位干扰图案时能产生不均匀的空间相位变化，使最后自屏幕出射的影像画面的成像光的光束截面的相干长度(correlation length)缩小，以达成有效抑制激光光斑的效果。
Description
技术领域
本发明有关一种激光光斑抑制装置及其抑制方法供应用于激光投影系统中，尤指一种在激光光源与屏幕之间的激光光束投射路径上设置至少一激光相位干扰元件，以使以反射方式或穿透方式经过该相位干扰元件的激光光束产生不均匀的空间相位变化，并使最后自屏幕出射的影像画面的成像光的光束截面的相干长度缩小，而达成抑制激光光斑的效果。
背景技术
请参考图1及图2所示，现有一激光投影系统1一般包含一激光投影器10及至少一屏幕20但不限制，其中该激光投影器10主要包含：至少一激光光源11如分别的R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)三色激光光源但不限制供出射激光光束110如R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)等三色激光光110；一合光模组12但不限制供可将前述的三色激光光110组成一激光光束111；及至少一影像产生元件13供将激光光束形成成像光束112并由该激光投影器10的机壳上至少一出光口101向外投射至该屏幕20上以形成影像画面。该影像产生元件13可依不同的成像方式概分为两种型态，一是使用光束偏折装置如图1所示，如：反射镜、微机电反射镜(Micro-Electronic Mechanical System vibratiom Mirror，简称MEMS mirror)、多角反射镜(polygon mirror)、超音波光栅(ultrasonic grating)中的一种或其组合但不限制，而此种型态激光投影器10一般设计包含：一激光光源模组、一激光讯号调变模组、一合光模组、一旋转平面镜模组、一旋转平面镜控制模组及一讯号转换模组但不限制；另一是使用二维光亮度调整阵列如图2所示，如：DLP(Digital Light Processor，数位光线处理器)、LCOS(LiquidCrystal On Silicon，矽基液晶)显像装置、全像(Hologram)显像装置中的一种但不限制。由于本发明主要是针对一激光投影系统1提供一激光光斑抑制装置及其抑制方法，因此图1及图2仅用以表示一激光投影系统1中激光投影器10及屏幕20的两种不同架构，至于该激光投影器10的详细结构及其成像方式的相关技术，如该影像产生元件13的成像方式及其技术等，在此不另作详细说明。
激光光束具有本质上良好的同调性(coherent)，其为波长一致、相位一致、单一频率且导向性佳的高能量光束，当其被应用为激光投影器的光源时，将会伴随产生激光光斑(laser speckle)现象。激光光斑乃是同调性光源照射在一粗糙表面上，如一投影用屏幕20或一半透明扩散板，所造成的不规则颗粒状亮度分布，其起因为散射光在不同点因粗糙表面而产生不规则的建设性或破坏性干涉。光强度较亮者乃是建设性干涉所造成；光强度较暗者乃是破坏性干涉的结果；激光光斑将导致投影影像的高度空间频率干扰(spatial frequency noise)问题，以人眼的解析度加上视觉暂留影响，这些来自投影屏幕上不同颗粒间的明暗散乱性光斑，即是对激光投影影像观赏上的最大的缺点。
针对激光光斑的问题，目前已有现有技术提出解决的方法，如在投影用屏幕20上增设一制动机构(actuator)如马达以驱使屏幕20不断地移动或转动，以破坏激光光束的同调性而减低干涉现象；或如我国发明公开第201019032号，其利用透镜将一影像产生模组所产生的影像聚焦于可移动或转动的一可随时间变更扩散器(Time-varying Diffuser)上，以破坏激光光的同调性，而缓和影像画面上的激光斑点现象，其原理以高频率的震动，造成相位差间的紊乱，使影像抵达人眼后不易察觉微小光点间的明暗差异，而降低甚至消除激光光斑。然，前述装置或方法皆利用制动机构以驱动屏幕20或扩散器(Time-varyingDiffuser)相对于激光光产生移动或转动，因此整体机构较为复杂，产品制作成本也相对提高，且体积相对较大，不利于该激光投影器10的轻薄短小的设计要求。
另，尚有其他业者提出解决激光斑点的设备，如美国TI公司的旋转折射设备(refracting device with rotating)，美国Microvision公司的光学反馈设备(opticalfeedback devices)，美国Corning公司的周期阶段遮蔽物(periodic phase mask)等，其机构亦较为复杂，亦须付出较高的制作成本。因此如何采行较为简便且具低成本的装置与方法，以降低或乃至于消除激光光斑，是当前相关业界亟待努力的重要课题。
发明内容
本发明的主要目的提供一种激光投影系统的激光光斑抑制装置及其抑制方法，该激光投影系统包含一激光投影器及一屏幕，其中该激光投影器包含至少一激光光源供射出激光光束及至少一影像产生元件如光束偏折装置或二维光亮度调整阵列供将该激光光束形成成像光束并由至少一出光口投射至该屏幕上以形成影像画面，该影像画面并自屏幕出射而由人眼接收；本发明的激光光斑抑制装置及其抑制方法利用至少一激光光相位干扰元件，其是一具有适当厚度的薄膜状结构体且其表面上设有至少一相位干扰图案如一维散乱图案(randompattern)、一维周期性图案、二维散乱图案(random pattern)、二维周期性图案(periodic pattern)中的一种或其组合；并将该至少一相位干扰元件设在该激光光源与该屏幕之间的激光光束或成像光束投射路径上，以使该激光光束或成像光束以反射方式或以穿透方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案时，能产生不均匀的空间相位变化，并使最后自屏幕出射的影像画面成像光的光束截面的相干长度(correlation length)缩小，藉以抑制在该影像画面上所产生的激光光斑；其中该光束截面的相干长度是一参数，用以表示一光束截面上的相位变化情形，当该光束截面的相干长度越小时，表示该光束截面的相位分布在单位截面积内产生越多而密集的相位变化，当成像光的光束截面的相干长度越小时，则激光光斑的抑制效果越好。
本发明的另一目的提供一种激光投影系统的激光光斑抑制装置及其抑制方法，其中当该相位干扰元件为反射式元件时，该激光光束或成像光束以反射方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案；其中当该相位干扰元件为穿透式元件时，该激光光束或成像光束以穿透方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案，并可产生至少π的相位差变化，以能使该激光光束或成像光束产生建设性或破坏性的干涉变化，藉以抑制在该影像画面上所产生的激光光斑。
本发明的另一目的提供一种激光投影系统的激光光斑抑制装置及其抑制方法，其中当该影像产生元件为光束偏折装置时如反射镜、微机电反射镜、多角反射镜、超音波光栅中的一种或其组合但不限制，该至少一相位干扰元件设置在下列位置：该激光光源与该光束偏折装置之间的激光光束投射路径上、该光束偏折装置的反射镜面上，及该光束偏折装置与该屏幕之间的成像光束投射路径上，其中至少一位置上。
本发明的另一目的提供一种激光投影系统的激光光斑抑制装置及其抑制方法，其中当该影像产生元件为二维光亮度调整阵列时如DLP(Digital LightProcessor，数位光线处理器)、LCOS(Liquid Crystal On Silicon，矽基液晶)显像装置、全像(Hologram)显像装置中的一种但不限制，该至少一相位干扰元件设置在下列位置：该激光光源与该影像产生元件之间的激光光束投射路径上、该影像产生元件的表面上及该影像产生元件与该屏幕之间的成像光束投射路径上，其中至少一位置上。
本发明的另一目的提供一种激光投影系统的光斑抑制装置及其抑制方法，其中该至少一相位干扰元件进一步可设置在该激光投影器的出光口处，以使成像光束以穿透方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案再投射至该屏幕上以形成影像画面。
本发明的另一目的提供一种激光投影系统的光斑抑制装置及其抑制方法，其中该至少一相位干扰元件进一步可设置在该屏幕的表面上，以使影像画面以穿透方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案再由人眼接收。
本发明的另一目的提供一种激光投影系统的光斑抑制装置及其抑制方法，其中当该激光光束或成像光束在投影至该屏幕之前经过该相位干扰图案时，该激光光束或成像光束进一步可依时间的变化(以不同的时间)经过该相位干扰图案上的不同区域，以在人眼观察的视觉暂留时间内使激光光斑的对比因时间平均而再被降低或抑制。
本发明的另一目的提供一种激光投影系统的光斑抑制装置及其抑制方法，其中当该激光光束或成像光束在投影至该屏幕之前经过该相位干扰图案时，该激光光束或成像光束进一步可依时间的变化(以不同的时间)并以不同入射角经过该相位干扰图案，以在人眼观察的视觉暂留时间内使激光光斑的对比因时间平均而再被抑制。
本发明的另一目的提供一种激光投影系统的光斑抑制装置及其抑制方法，其中该激光光斑的抑制方法包含下列步骤：
提供至少一激光光相位干扰元件，其上设有至少一激光光相位干扰图案，其中该激光光相位干扰图案用以使激光光束或成像光束以反射方式或穿透方式经过该相位干扰图案时能产生不均匀的相位变化；
将该至少一激光光相位干扰元件设置于该激光光源与该屏幕之间的投射路径上，以使激光光束或成像光束在投射至该屏幕上之前能以反射或穿透方式先经过该至少一相位干扰元件的激光光相位干扰图案；及
利用该激光光相位干扰图案，对经过该激光光相位干扰图案的激光光束或成像光束产生不均匀的相位变化，并使最后由屏幕出射的影像画面成像光的光束截面的相干长度缩小，以抑制在该影像画面上产生激光光斑；其中该光束截面的相干长度是一参数，用以表示一光束截面上的相位变化情形，当该光束截面的相干长度越小时，表示该光束截面的相位分布在单位截面积内产生越多而密集的相位变化，当成像光的光束截面的相干长度越小时，则激光光斑的抑制效果越好。
为了达到上述目的本发明提供了一种激光投影系统的光斑抑制装置，该激光投影系统包含一激光投影器及一屏幕，其中该激光投影器包含至少一激光光源供射出激光光束及至少一影像产生元件供将激光光束形成成像光束并由至少一出光口投射至该屏幕上以形成影像画面，该影像画面自该屏幕出射而由人眼接收；该光斑抑制装置包含：
至少一激光光相位干扰元件设在该激光光源与该屏幕之间该激光光束或成像光束的投射路径上以供该激光光束或成像光束经过，其中该光相位干扰元件为一具有适当厚度的薄膜状结构体，其表面上设有至少一相位干扰图案；
其中当该激光光束或成像光束在经过该相位干扰图案时，能产生不均匀的空间相位变化，并使最后自屏幕出射的影像画面的成像光束的光束截面的相干长度缩小，以抑制在该影像画面上所产生的激光光斑；
其中该相干长度是一用以界定一分布状态的变化频率情形的参数，在此用以表示该激光光束或成像光束的相位变化频率情形，当该相干长度越小时表示该激光光束的相位分布在单位截面积内产生越多而密集的相位变化，则激光光斑的抑制效果越好。
实施时，该激光光束或成像光束经过该相位干扰图案的方式包含以反射方式或以穿透方式经过该相位干扰图案。
实施时，该相位干扰图案所具有的表面相干长度Pr小于该激光投影系统中该激光光束或成像光束在其投射路径上所经过的任一表面所具有的表面相干长度，其中该表面相干长度Pr用以表示一表面粗糙度的高度变化频率情形，定义为二维图案表面高度变化在空间中的自我相关函数D(R)的高斯分布函数的系数：
其中R代表空间中的距离；其中当该表面相干长度越小时，表示该表面粗糙分布在单位长度内越多而密集，则激光光斑的抑制的效果越好。
实施时，该相位干扰图案所具有的表面相干长度(Pr)小于该激光光束直径，其中该激光光束直径的定义为该直径定义的圆包含激光光束99％的能量。
实施时，该相位干扰图案包含一维散乱图案、一维周期性图案、二维散乱图案、二维周期性图案中的一种或其组合。
实施时，该激光光束或成像光束在以反射方式经过该至少一激光光相位干扰元件的该至少一相位干扰图案之后能产生至少π的相位差变化。
实施时，当该激光光束或成像光束在以穿透方式经过该至少一激光光相位干扰元件的该至少一相位干扰图案之后能产生至少π的相位差变化，以能使该激光光束或成像光束产生建设性或破坏性的干涉变化。
实施时，该相位干扰元件为一反射式元件，以使该激光光束或成像光束以反射方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案。
实施时，该相位干扰元件为一穿透式元件，以使该激光光束或成像光束以穿透方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案。
实施时，该影像产生元件为光束偏折装置，包含下列族群：反射镜、微机电反射镜、多角反射镜、超音波光栅中的一种或其组合。
实施时，该至少一相位干扰元件设置在下列位置：该激光光源与该光束偏折装置之间的激光光束投射路径上、该光束偏折装置的反射镜面上及该光束偏折装置与该屏幕之间的成像光束投射路径上，其中的至少一位置。
实施时，当该激光光束或成像光束在投影至该屏幕之前经过该相位干扰图案时，该激光光束或成像光束进一步依时间的变化经过该相位干扰图案上的不同区域，以在人眼观察的视觉暂留时间内使激光光斑的对比因时间平均而被降低或抑制。
实施时，当该激光光束或成像光束在投影至该屏幕之前经过该相位干扰图案时，该激光光束或成像光束进一步依时间的变化并以不同入射角经过该相位干扰图案，以在人眼观察的视觉暂留时间内使激光光斑的对比因时间平均而被抑制。
实施时，该影像产生元件为二维光亮度调整阵列，下列族群：DLP、LCOS、全像显像装置中的一种。
实施时，该至少一相位干扰元件设置在下列位置：该激光光源与该影像产生元件之间的激光光束投射路径上、该影像产生元件的表面上及该影像产生元件与该屏幕之间的成像光束投射路径上，其中的至少一位置。
实施时，该至少一相位干扰元件设置在该激光投影器的出光口处，以使成像光束以穿透方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案投射至该屏幕上以形成影像画面。
实施时，该至少一相位干扰元件设置在该屏幕的表面上，以使影像画面以穿透方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案再由人眼接收。
本发明还一种激光投影系统的光斑的抑制方法，其利用请求项1至17任一项所述的激光投影系统的光斑抑制装置，该激光投影系统包含一激光投影器及一屏幕，其中该激光投影器包含至少一激光光源供射出激光光束及至少一影像产生元件将激光光束形成成像光束并由一出光口射出至该屏幕上以形成影像画面，该影像画面并自屏幕出射而由人眼接收；该激光光斑的抑制方法包含下列步骤：
提供至少一激光光相位干扰元件，其上设有至少一
激光光相位干扰图案，其中该激光光相位干扰图案用以使激光光束或成像光束以反射方式或穿透方式经过该相位干扰图案时能产生不均匀的相位变化；
将该至少一激光光相位干扰元件设置于该激光光源与该屏幕之间的投射路径上，以使激光光束或成像光束在投射至该屏幕上之前能以反射或穿透方式先经过该至少一相位干扰元件的激光光相位干扰图案；及利用该激光光相位干扰图案，对经过该激光光相位干扰图案的激光光束或成像光束产生不均匀的相位变化，并使最后由屏幕出射的影像画面成像光的光束截面的相干长度缩小，以抑制在该影像画面上产生激光光斑；
该相干长度是一用以界定一分布状态的变化频率情形的参数；其中该影像画面的成像光的光束截面的相干长度是一参数，用以表示一光束截面上的相位变化情形。当该光束截面的相干长度越小时，表示该光束截面的相位分布在单位截面积内产生越多而密集的相位变化；当成像光束截面的相干长度越小时，则激光光斑的抑制效果越好。
附图说明
图1是现有激光投影系统(设有光束偏折装置)一实施例示意图；
图2是现有另一种激光投影系统(非设有光束偏折装置)一实施例示意图；
图3是本发明所应用于图1所示激光投影系统的一实施例(第1实施例)示意图；
图4是本发明的相位干扰元件的相位干扰图案(一维散乱图案，randompattern)一实施例示意图(放大图)；
图5是本发明的相位干扰元件的相位干扰图案(一维周期性图案，periodicpattern)另一实施例示意图(放大图)；
图6是本发明的相位干扰元件与一微机电反射镜(MEMS mirror)配合设置的一实施例示意图；
图7是本发明所应用于图2所示激光投影系统的一实施例(第2实施例)示意图；
图8是激光投影系统尚未利用本发明之前的抑制前光斑对比度与相干长度示意图；
图9是激光投影系统已利用本发明之后的光斑对比度与相干长度示意图。
附图标记说明：1-激光投影系统；10-激光投影器；11-激光光源；110、111-激光光束；112-成像光束；12-合光模组；13-影像产生元件；131-透明保护盖；14-出光口；20-屏幕；30、30a-相位干扰元件；31、31a、31b-相位干扰图案。
具体实施方式
本发明系针对一激光投影系统提供一光斑抑制装置及其抑制方法，而不论该激光投影系统属于那一种成像方式或那一种技术架构，本发明的光斑抑制装置及其抑制方法均能适用，因此本发明直接引用如图1及图2所示两种不同技术架构的激光投影系统1来说明本发明的技术特征，但该图1及图2仅用以表示一激光投影系统1中激光投影器10及屏幕20的两种不同架构，非用以限制本发明。
请参考图3，其本发明应用于图1所示激光投影系统的一实施例示意图。该激光投影系统1用以说明本发明的技术特征但非用以限制本发明。该激光投影系统1如图1所示，包含一激光投影器10及一屏幕20，其中该激光投影器10主要包含至少一激光光源11供射出激光光束110及至少一影像产生元件13，其中在该激光光源11与该影像产生元件13之间亦可设一合光模组12但不限制供可将该激光光110组成一激光光束111。在本实施例中该影像产生元件13为一光束偏折装置如反射镜、一维或二维微机电反射镜(MEMS mirror)、多角反射镜(polygon mirror)、超音波光栅(ultrasonic grating)中的一种或其组合但不限制，供将激光光束110或111形成，如扫描形成，成像光束112；该成像光束112再由至少一出光口14投射至一屏幕20上以形成影像画面；该影像画面再自该屏幕20出射而由人眼接收。
本实施例的光斑抑制装置3利用至少一激光光相位干扰元件30设在该激光光源11与该屏幕20之间该激光光束110、111或成像光束112的投射路径上，以供该激光光束110、111或成像光束112经过。
该相位干扰元件30一具有适当厚度的薄膜状结构体，其表面设有至少一相位干扰图案31，该至少一相位干扰图案可为一维散乱图案(random pattern)如图4所示、一维周期性图案如图5所示、二维散乱图案(random pattern)、二维周期性图案(periodic pattern)中的一种或其组合，如可利用两个相位干扰元件30而其上各设一单方向相位干扰图案31，以使该两个相位干扰元件30的组合应用仍可达成一二维散乱图案(random pattern)或一二维周期性图案(periodic pattern)的作用功能。该相位干扰图案31如图4、5所示，可以溅镀铝薄膜方式或蚀刻方式以形成于该相位干扰元件30的表面上。
该相位干扰图案31所具有的表面相干长度，以Pr表示，小于入射于该相位干扰图案31的激光光束110、111或112的直径，其中该激光光束110、111及112的直径的定义为该直径定义的圆可包含激光光束99％的能量。
又该相位干扰图案31所具有的表面相干长度(Pr)小于该激光投影系统1中该激光光束110、111或成像光束112在其投射路径上所经过的任一表面所具有的表面相干长度(correlation length)，该任一表面包含如图3中所示微机电反射镜(MEMS mirror)(13)的反射镜面。其中该相干长度一用以界定一分布(distribution)状态的变化频率情形的参数；该表面相干长度，在此以Pr代表，用以表示一表面粗糙度的高度变化频率情形，定义为二维图案表面高度变化在空间中的自我相关函数D(R)(autocorrelation function)的高斯分布函数(Gaussiandistribution)的系数：
其中R代表空间中的距离；其中当该表面相干长度越小时，表示该表面粗糙分布在单位长度内越多而密集，则激光光斑的抑制的效果越好。关于粗糙表面的相干长度(correlation length)定义可参考J.A Ogilvy的″Theory of Wavesscattering from random rough surfaces″；Petry Beckmann及Andre Spizzichino的″The scattering of Electromagnetic Waves from random rough surface″；及JosephW.Goodman的″Speckle Phenomena in Optics：Theory and Application″；若将光束截面的相位变化取代上述定义中粗糙表面高度变化，利用同样的数学模型则可得到光束截面的相干长度定义。该光束截面的相干长度为一参数，用以表示一光束截面上的相位变化情形。当该光束截面的相干长度越小时，表示该光束截面的相位分布在单位截面积内产生越多而密集的相位变化。当成像光束截面的相干长度越小时，则激光光斑的抑制效果越好。
参考图3所示，该至少一相位干扰元件30可依设计或组装需要而设置在下列位置：该激光光源11与该光束偏折装置13之间的激光光束投射路径上，该光束偏折装置13的反射镜面上，及该光束偏折装置13与该屏幕20之间的成像光束112投射路径上，等其中至少一位置上，如选择罩设在出光口14上供成像光束112穿透经过后再向外扫描投射至屏幕20上以形成影像画面；或如选择罩设在该屏幕20的表面上，以使影像画面以穿透方式经过该相位干扰元件30的相位干扰图案31再由人眼接收。
该相位干扰元件30可为一穿透式元件，即以透明材料制成该相位干扰元件30，此时该激光光束110、111或成像光束112(波长为λ)以穿透方式经过该相位干扰元件30的相位干扰图案31，并可在穿透经过之后产生至少π的相位差变化，以能使该激光光束或成像光束产生建设性或破坏性的干涉变化，以抑制在该影像画面上所产生的激光光斑。
该相位干扰元件30可为一反射式元件，即以非透明材料制成该相位干扰元件30并形成反射面，或将一透明的相位干扰元件30平整贴覆在如图3中所示微机电反射镜(MEMS mirror)(13)的反射镜面上而形成，此时该激光光束110、111或成像光束112以反射方式经过该相位干扰元件30的相位干扰图案31，并可反射经过之后产生至少π的相位差变化，即在入射及出射该相位干扰元件30的相位干扰图案31可分别产生至少π/2的相位差变化，以能使该激光光束或成像光束产生建设性或破坏性的干涉变化，以抑制在该影像画面上所产生的激光光斑。
请参考图6，其本发明该相位干扰元件30与一微机电反射镜(MEMS mirror)(13)配合设置的一实施例示意图。该相位干扰元件30可配合一微机电反射镜(MEMS mirror)(13)的封装制程，如常见的TO-can封装方式，而设置在该微机电反射镜(13)，其为光束偏折装置13的一种型态，的透明保护盖131的内侧面上但不限制如图6所示，使该激光光束111先穿透经过一对应设置的相位干扰元件30的相位干扰图案31而入射至该微机电反射镜(13)的反射镜面，经由该微机电反射镜(13)扫描形成成像光束112后又再穿透经过另一对应设置的相位干扰元件30a的相位干扰图案31而向外投射，如此设计有利于本发明的相位干扰元件30的设置安装作业及应用，即在制造或封装该微机电反射镜(13)时就同时设置安装该相位干扰元件30及30a；又该两对应设置的相位干扰元件30及30a可分开设置，或形成一体但不限制而可一次贴置在该微机电反射镜(13)的透明保护盖131的内侧面上如图6所示。
当该激光光束110、111或成像光束112以反射方式或以穿透方式经过该相位干扰元件30的相位干扰图案31时，能产生不均匀的空间相位变化，并使最后自屏幕20出射的影像画面的成像光的光束截面的相干长度(correlationlength)缩小，以抑制在该影像画面上所产生的激光光斑；其中该影像画面的成像光的光束截面的相干长度一参数，用以表示一光束截面上的相位变化情形。当该光束截面的相干长度越小时，表示该光束截面的相位分布在单位截面积内产生越多而密集的相位变化。当成像光束截面的相干长度越小时，则激光光斑的抑制效果越好。
再以图6所示实施例为例说明但不限制，该激光光束111以一定的入射角穿透经过该对应设置的相位干扰元件30的相位干扰图案31而入射至该微机电反射镜(13)的反射镜面，经由该微机电反射镜(13)以一扫描角度扫描形成成像光束112后又再穿透经过另一对应设置的相位干扰元件30(30a)的相位干扰图案31而向外投射，即成像光束112的出射角在一预设的扫描幅度之间往复扫描，因此该成像光束112依时间的变化(即以不同的时间)穿透经过该相位干扰元件30(30a)的相位干扰图案31上的不同区域31a、31b，则以在人眼观察的视觉暂留时间而言，激光光斑的对比进一步会因时间平均而再被降低或抑制。再以图6所示实施例为例说明但不限制，该成像光束112依时间的变化(即以不同的时间)并以不同入射角，如图6中的θ1、θ2，穿透经过该相位干扰元件30a的相位干扰图案31，因此以人眼观察的视觉暂留时间而言，激光光斑的对比进一步会因时间平均而再被抑制。
请参考图7，其本发明应用于图2所示激光投影系统的一实施例示意图。该激光投影系统1用以说明本发明的技术特征但非用以限制本发明。该激光投影系统1如图2所示，包含一激光投影器10及一屏幕20，其中该激光投影器10主要包含至少一激光光源11供射出激光光束110及至少一影像产生元件13，其中在该激光光源11与该影像产生元件13之间亦可设一合光模组12但不限制供可将该激光光110组成一激光光束111。本实施例中该影像产生元件13为一下列族群：DLP(Digital Light Processor)、LCOS(Liquid Crystal On Silicon)、全像(Hologram)显像装置中的一种但不限制，供将激光光束110或111形成成像光束112，该成像光束112再由至少一出光口14投射至一屏幕20上以形成影像画面；该影像画面再自该屏幕20出射而由人眼接收。
本实施例的光斑抑制装置3与图3所示实施例大致相同，主要不同点在于该影像产生元件13的成像方式及技术架构不同而已；因此本实施例的光斑抑制装置3亦利用至少一激光光相位干扰元件30设在该激光光源11与该屏幕20之间该激光光束110、111或成像光束112的投射路径上，以供该激光光束110、111或成像光束112经过。至于该相位干扰元件30及其表面所设相位干扰图案31的结构特征及作用功能则与图3所示第1实施例相同。
参考图7所示，该至少一相位干扰元件30可依设计或组装需要而设置在下列位置：该激光光源11与该影像产生元件13之间的激光光束投射路径上、该影像产生元件13如DLP(Digital Light Processor)的表面上及该影像产生元件13与该屏幕20之间的成像光束投射路径上，其中的至少一位置上，如选择罩设在出光口14上供成像光束112穿透经过后再向外扫描投射至屏幕20上以形成影像画面；或如选择罩设在该屏幕20的表面上，以使影像画面以穿透方式经过该相位干扰元件30的相位干扰图案31再由人眼接收如罩设在出光口14上供成像光束112穿透经过后再向外扫描投射至屏幕20上以形成影像画面。
当该激光光束110、111或成像光束112以反射方式或以穿透方式经过该相位干扰元件30的相位干扰图案31时，能产生不均匀的空间相位变化，并使最后自屏幕20出射的影像画面的成像光的相干长度(correlation length)缩小，藉以抑制在该影像画面上所产生的激光光斑；其中该相干长度一用以界定一分布(distribution)状态的变化频率情形的参数；其中该影像画面的成像光的光束截面的相干长度一参数，用以表示一光束截面上的相位变化情形。当该光束截面的相干长度越小时，表示该光束截面的相位分布在单位截面积内产生越多而密集的相位变化。当成像光束截面的相干长度越小时，则激光光斑的抑制效果越好。
兹再举例说明本发明的作用及功效：该相位干扰图案31可用一长度周期Px及Py来表示，其高度变化h范围应大于四分之一波长λ(该激光光束或成像光束的波长为λ)，且Px，Py小于该激光光束110、111或成像光束112的直径，以能使波长为λ的激光的相位产生建设性或破坏性干涉的变化，如：
当激光光波长λ＝532nm，h(min)＝1/4λ(133nm)；
则取激光光散射后的第1阶(1st order)计算之；
依据模拟(Simulation)试验，确实可验证此一本发明可有效降低激光光斑。
参阅图8所示，其尚未利用本发明的光斑抑制装置之前，激光光斑对比度与屏幕表面的粗糙度其相干长度(定义为ls)关系图，由图8可知激光光斑对比度随着屏幕表面的粗糙度的相干长度逐渐增加(激光光斑对比度为60-100)；再参阅图9所示，以周期性图案为例，且当Px＝Py＝1波长，其已利用本发明的光斑抑制装置之后，激光光斑对比度与屏幕表面的粗糙度其相干长度(定义为ls)比较图，由图9可知，加入一二维相位干扰元件30后，激光光斑的对比度明显的降低，激光光斑对比度低于75以下，显见本发明的光斑抑制装置及其抑制方法确实可达成抑制激光光斑的具体功效。
本发明的激光投影系统的激光光斑抑制方法，其中该激光投影系统1包含一激光投影器10及一屏幕20，其中该激光投影器10主要包含至少一激光光源11供射出激光光束110及至少一影像产生元件13，其中在该激光光源11与该影像产生元件13之间亦可设一合光模组12但不限制供可将该激光光束110组成一激光光束111；该影像产生元件13可将激光光束110或111形成成像光束112以由该激光投影器10的至少一出光口14投射至该屏幕20上以形成影像画面供人眼观看，激光光斑抑制方法包含下列步骤：
提供至少一激光光的相位干扰元件30，其上设有至少一激光光的相位干扰图案31，其中该相位干扰图案31用以使激光光束110、111或成像光束112以反射方式或穿透方式经过该相位干扰图案31时能产生不均匀的相位变化；
将该至少一相位干扰元件30设置于该激光光源11与该屏幕20之间的投射路径上，以使激光光束110、111或成像光束112在投射至该屏幕20之前能以反射或穿透方式先经过该至少一相位干扰元件30的相位干扰图案31；及
利用该相位干扰图案31，对经过该相位干扰图案31的激光光束110、111或成像光束112产生不均匀的相位变化，并使最后由屏幕20出射的影像画面成像光的相干长度缩小，以抑制在该影像画面上产生激光光斑；
其中该相干长度一用以界定一分布(distribution)状态的变化频率情形的参数；其中其中该影像画面的之成像光的光束截面的相干长度一参数，用以表示一光束截面上的相位变化情形。当该光束截面的相干长度越小时，表示该光束截面的相位分布在单位截面积内产生越多而密集的相位变化。当成像光束截面的相干长度越小时，则激光光斑的抑制效果越好。
以上所示仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的。在本领域具通常智识理解，在本发明专利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (18)
1.一种激光投影系统的激光光斑抑制装置，该激光投影系统包含一激光投影器及一屏幕，其中该激光投影器包含至少一激光光源供射出激光光束及至少一影像产生元件供将激光光束形成成像光束并由至少一出光口投射至该屏幕上以形成影像画面，该影像画面自该屏幕出射而由人眼接收；其特征在于，该激光光斑抑制装置包含：
至少一激光光相位干扰元件设在该激光光源与该屏幕之间该激光光束或成像光束的投射路径上以供该激光光束或成像光束经过，其中该光相位干扰元件为一具有适当厚度的薄膜状结构体，其表面上设有至少一相位干扰图案；
其中当该激光光束或成像光束在经过该相位干扰图案时，能产生不均匀的空间相位变化，并使最后自屏幕出射的影像画面的成像光束的光束截面的相干长度缩小，以抑制在该影像画面上所产生的激光光斑；
其中该相干长度是一用以界定一分布(distribution)状态的变化频率情形的参数，在此用以表示该激光光束或成像光束的相位变化频率情形，当该相干长度越小时表示该激光光束的相位分布在单位截面积内产生越多而密集的相位变化，则激光光斑的抑制效果越好。
2.如权利要求1所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该激光光束或成像光束经过该相位干扰图案的方式包含以反射方式或以穿透方式经过该相位干扰图案。
3.如权利要求1所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该相位干扰图案所具有的表面相干长度(Pr)小于该激光投影系统中该激光光束或成像光束在其投射路径上所经过的任一表面所具有的表面相干长度，其中该表面相干长度(Pr)用以表示一表面粗糙度的高度变化频率情形，定义为二维图案表面高度变化在空间中的自我相关函数D(R)(autocorrelation function)的高斯分布函数的系数：
其中R代表空间中的距离；其中当该表面相干长度越小时，表示该表面粗糙分布在单位长度内越多而密集，则激光光斑的抑制的效果越好。
4.如权利要求3所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该相位干扰图案所具有的表面相干长度(Pr)小于该激光光束直径，其中该激光光束直径的定义为该直径定义的圆包含激光光束99％的能量。
5.如权利要求1所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该相位干扰图案包含一维散乱图案(random pattern)、一维周期性图案、二维散乱图案(randompattern)、二维周期性图案(periodic pattern)中的一种或其组合。
6.如权利要求1所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该激光光束或成像光束在以反射方式经过该至少一激光光相位干扰元件的该至少一相位干扰图案之后能产生至少π的相位差变化。
7.如权利要求1所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，当该激光光束或成像光束在以穿透方式经过该至少一激光光相位干扰元件的该至少一相位干扰图案之后能产生至少π的相位差变化，以能使该激光光束或成像光束产生建设性或破坏性的干涉变化。
8.如权利要求1所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该相位干扰元件为一反射式元件，以使该激光光束或成像光束以反射方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案。
9.如权利要求1所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该相位干扰元件为一穿透式元件，以使该激光光束或成像光束以穿透方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案。
10.如权利要求1所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该影像产生元件为光束偏折装置，包含下列族群：反射镜、微机电反射镜、多角反射镜(polygonmirror)、超音波光栅(ultrasonic grating)中的一种或其组合。
11.如权利要求10所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该至少一相位干扰元件设置在下列位置：该激光光源与该光束偏折装置之间的激光光束投射路径上、该光束偏折装置的反射镜面上及该光束偏折装置与该屏幕之间的成像光束投射路径上，其中的至少一位置。
12.如权利要求10所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，当该激光光束或成像光束在投影至该屏幕之前经过该相位干扰图案时，该激光光束或成像光束进一步依时间的变化经过该相位干扰图案上的不同区域，以在人眼观察的视觉暂留时间内使激光光斑的对比因时间平均而被降低或抑制。
13.如权利要求10所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，当该激光光束或成像光束在投影至该屏幕之前经过该相位干扰图案时，该激光光束或成像光束进一步依时间的变化并以不同入射角经过该相位干扰图案，以在人眼观察的视觉暂留时间内使激光光斑的对比因时间平均而被抑制。
14.如权利要求1所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该影像产生元件为二维光亮度调整阵列，下列族群：DLP、LCOS、全像显像装置中的一种。
15.如权利要求14所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该至少一相位干扰元件设置在下列位置：该激光光源与该影像产生元件之间的激光光束投射路径上、该影像产生元件的表面上及该影像产生元件与该屏幕之间的成像光束投射路径上，其中的至少一位置。
16.如权利要求1所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该至少一相位干扰元件设置在该激光投影器的出光口处，以使成像光束以穿透方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案投射至该屏幕上以形成影像画面。
17.如权利要求1所述的激光光斑抑制装置，其特征在于，该至少一相位干扰元件设置在该屏幕的表面上，以使影像画面以穿透方式经过该相位干扰元件的相位干扰图案再由人眼接收。
18.一种激光投影系统的激光光斑的抑制方法，其利用请求项1至17任一项所述的激光投影系统的激光光斑抑制装置，该激光投影系统包含一激光投影器及一屏幕，其中该激光投影器包含至少一激光光源供射出激光光束及至少一影像产生元件将激光光束形成成像光束并由一出光口射出至该屏幕上以形成影像画面，该影像画面并自屏幕出射而由人眼接收；该激光光斑的抑制方法包含下列步骤：
提供至少一激光光相位干扰元件，其上设有至少一
激光光相位干扰图案，其中该激光光相位干扰图案用以使激光光束或成像光束以反射方式或穿透方式经过该相位干扰图案时能产生不均匀的相位变化；
将该至少一激光光相位干扰元件设置于该激光光源与该屏幕之间的投射路径上，以使激光光束或成像光束在投射至该屏幕上之前能以反射或穿透方式先经过该至少一相位干扰元件的激光光相位干扰图案；及利用该激光光相位干扰图案，对经过该激光光相位干扰图案的激光光束或成像光束产生不均匀的相位变化，并使最后由屏幕出射的影像画面成像光的光束截面的相干长度缩小，以抑制在该影像画面上产生激光光斑；
其特征在于，该相干长度(correlation length)是一用以界定一分布(distribution)状态的变化频率情形的参数；其中该影像画面的成像光的光束截面的相干长度是一参数，用以表示一光束截面上的相位变化情形。当该光束截面的相干长度越小时，表示该光束截面的相位分布在单位截面积内产生越多而密集的相位变化；当成像光束截面的相干长度越小时，则激光光斑的抑制效果越好。
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