CN103792769A - 激光投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光投影系统，其包括一激光光源、一光学元件及一镜片模块。激光光源提供一激光光束。光学元件具有一第一表面及一第二表面，激光光束由第一表面全反射后通过第二表面。镜片模块设于光学元件的第二表面的邻侧，用以反射通过第二表面的激光光束，使得反射后的激光光束照射于一投影幕。

Description

激光投影系统

技术领域

本发明涉及一种激光投影系统，且特别是涉及一种可改善投影变形量的激光投影系统。

背景技术

传统的扫描式投影系统，光源所发出的光束经过两片反射镜反射后，入射至微机电元件(MEMS)。微机电元件以球座标系统扫描画面，扫描的画面转换成直角座标系统投影到平面上后，受到投影距离以及投影角度的差异影响，容易造成投影在屏幕上的影像画面形状扭曲，亦即，投影的画面发生失真（distortion）的现象，不但偏离原始影像画面的效果，且人眼对于此形状非常敏感，严重时会造成人眼不舒适。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光投影系统，此激光投影系统具有特殊的光学元件，可用以调整光路，进而改善因为投影变形而导致投影失真的情况。

为达上述目的，根据本发明一方面，提出一种激光投影系统，包括一激光光源、一光学元件及一镜片模块。激光光源提供一激光光束。光学元件具有一第一表面及一第二表面，激光光束是由第一表面全反射后通过第二表面。镜片模块设于光学元件的第二表面的邻侧，用以反射通过第二表面的激光光束，使得反射后的激光光束照射于一投影幕。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：

附图说明

图1为本发明一实施例的激光投影系统的示意图；

图2为本发明另一实施例的激光投影系统的示意图；

图3为本发明一实施例的激光扫描系统的成像方式示意图；

图4A～图4C为一种透镜几何变形计算方法的示意图；

图5为本发明一实施例的激光投影系统的示意图；

图6为如图5的激光投影系统的光束投影于投影幕的模拟图；

图7为本发明一实施例的光学元件的示意图。

主要元件符号说明

10、10’、30：激光投影系统

100、200：光源

102、302、402：光学元件

104、304：镜片模块

106：反射镜组

1060、1062、1064：反射镜

108：防尘盖

110：壳体

220、320：投影幕

3062：描述点

L：激光光束

L1、L2、L3：单色光束

X、Y、H、X’、Y’、H’：轴

P、P’：开孔

S1、S2、S3、S41、S42、S43：表面

θ1、θ2、θ3、θi：角

具体实施方式

图1绘示依照本发明一实施例的激光投影系统10的示意图。激光投影系统10可以包括激光光源100、光学元件102、镜片模块104、反射镜组106、防尘盖108及壳体110。激光光源100用以提供一激光光束L，在一实施例中，激光光源100可以包括至少包括波长不同的第一光束及第二光束，作为显示的光源，或者额外包括一红外光激光，以做为侦测光源，该侦测光源可侦测是否有物体进入投影范围或与投影幕的距离等等功能。

如图1所示，激光光源100的激光光束L例如包括红色（Red，R）光L1、绿色（Green，G）光L2及蓝色（Blue，B）光L3三种单色光束，但不以此为限。于此实施例的激光光源100的激光光束L具有自由对焦（focus-free）的特性。本实施例的光学元件102不会破坏激光光源100的激光光束L的自由对焦的特性，可以确保激光光源100的自由对焦的特性。

光学元件102例如一三角型、四角形或多角形的角柱或角锥，也就是说，光学元件102的一剖面例如三角型、四角形或多角形，在此实施例中，以具有三角型的剖面的光学元件102为例作说明，但不以此为限。光学元件102可以设于镜片模块104与激光光源100之间，以将光线引导至镜片模块104。与传统扫描式投影系统相比，传统的系统需要两片反射镜才能将激光光束引导至镜片模块，而本发明的光学元件102可用以取代该两片反射镜，因此，不但可以节省元件成本，也可以节省空间以利于激光投影系统10的微型化，还可以减少组装对位的时间成本以提升产能。

反射镜组106为选择性设置，用以调整激光光束L的路径。反射镜组106可以包括反射镜1060、反射镜1062及反射镜1064，用以反射红色光L1、绿色光L2及蓝色光L3的光束。较佳地，反射镜组106可以具有滤光功能，以控制经反射后的红色光L1、绿色光L2及蓝色光L3入射至光学元件102时的光波段为单色光，降低非属于R、G或B的色光入射以影响混光的情况。

壳体110用以容纳激光光源100、光学元件102、镜片模块104及反射镜组106。壳体110具有一开孔P，反射后的激光光束L是通过开孔P以照射于投影幕。为了避免空气中的悬浮粒子、灰尘等微粒（Particles）经由开孔P进入壳体110而毁坏激光投影系统10，可以选择性地设置一透明的防尘盖108，封住激光投影系统10的开孔P，以阻挡灰尘。

在此实施例中，激光光源100的激光光束L经反射镜106反射后，可以行进至光学元件102，经由光学元件102的不同表面的反射与折射后，入射至镜片模块104。镜片模块104可以包括单一镜片或镜片组，镜片模块104还可以包括一主动元件（未绘示），用以控制单一镜片或镜片组作二维方向的摆动。激光光束L经由镜片模块104的反射后即可照射于投影幕。由于镜片模块104可以作二维方向的摆动，受到镜片模块104反射的激光光束L于照射至投影幕时，会进行扫描运动而成像。

在一实施例中，激光投影系统10还包括一搭载机构（未绘示），使得激光光束L射出开孔P时是往上倾斜一角度，如此一来，当激光投影系统10放置在桌面上时，可以避免有部分影像照射到桌面上而无法正确投影。

在另一实施例中，光学元件102的任一表面倾斜于壳体110的表面，此处所指的壳体110的表面，为平行于纸面方向的表面，并未绘示于图中。通过调整光学元件102的任一表面倾斜于壳体110的表面，可以改变光束在光学元件102的光路，使得射出开孔P的激光光束L向上倾斜。因此，在不需要设置搭载机构的情况下，即可产生较佳的投影角度。于此实施例的光学元件102倾斜于壳体110的表面的角度、方向以及倾斜的表面，与激光投影系统10内部元件的配置有关，无特别限制。

图2绘示依照本发明另一实施例的激光投影系统10’的示意图。激光投影系统10’与图1的激光投影系统10很相近，其中相同的元件以相同的符号标示，容此不再赘述。差异在于激光投影系统10’中，光学元件102直接设置于壳体110’的开孔P’的位置上，以作为阻挡灰尘的防尘盖板。

由于光束经过传统的防尘盖界面时，会同时产生穿透光与反射光。其中，反射光会在传统防尘盖中来回反射直到能量消失为止。因此，光束在传统的防尘盖界面穿透与反射的过程中，通过界面的穿透光会对欲投影的画面造成亮度或色度的偏移，造成投影画面的品质降低。因此，在此实施例中，利用光学元件102取代原有防尘盖，不但可以减少元件数目及成本。而且，光学元件102的表面不互相平行，因此，利用光学元件102取代传统的防尘盖，杂散光(Stray light)并不会于光学元件102内来回反射，且杂散光的光路会跑出投影的画面以外而不影响画面品质。如此一来，可避免杂散光对于投影的影像品质造成影响。

图3绘示依照本发明一实施例的激光扫描系统的成像方式示意图。如图1所示，激光光源200的激光光束L经由有二维方向摆动的镜片模块104反射后，可产生渐进式扫描（Raster scan）或李沙育扫描（Lissajous scan）运动并照射于投影幕220的平面。通过人眼视觉暂留的原理，只要激光光束L的影像显示的重复时间小于视觉暂留时间，投影在投影幕220上的影像画面即可以在观赏者脑中聚合而形成一画面。此外，激光光束L经由有二维方向摆动的镜片模块104反射后投影于投影幕220的影像是否变形，与激光光束L的传递路径有关。以下将说明判断投影的影像是否变形失真的方法。

图4A～图4C绘示透镜几何变形（Lens Geometric Distortion，LGD）计算方法的示意图。请先参考图4A，其绘示未发生几何变形的情况，图4B绘示桶状失真(Barrier Distortion)的几何变形的示意图，图4C绘示针插状失真（Pincushion Distortion）几何变形的示意图。以图4A为例，横轴以X表示，纵轴以Y表示，X轴与Y轴的角分线的轴线以H表示，每一格线交点为模拟像素座标的描述点。

请同时参考图4A～图4C，以计算H轴的失真量为例，可以将变形的H’轴的值（绘示于图4B～图4C）与未变形的H轴的值(绘示于图4A)带入LGD的计算公式

即可以计算出H轴方向的失真量。同样地，将变形的X’轴的值与未变形的X轴的值带入LGD的计算公式

或将变形的Y’轴的值与未变形的Y轴的值带入LGD的计算公式

可以分别计算出X轴方向的失真量或Y轴方向的失真量。实际计算投影画面的失真程度时，将投影画面各轴方向的座标点带入LGD的计算公式，即可得到投影画面的失真结果。

图5绘示依照本发明一实施例的激光投影系统30的示意图。为了方便说明，在此所绘示的激光投影系统仅绘示出激光光束L、光学元件302、镜片模块304及投影幕320，而省略其他元件以简化说明。如图5所示，光学元件302具有第一表面S1、第二表面S2及第三表面S3，光学元件302的一剖面例如矩形，当然，也可以使用如图1的光学元件102或其他形状的光学元件，并不作限制。镜片模块304（例如一单一镜片）邻设于光学元件302的第二表面S2的邻侧。

激光光源（未绘示）的激光光束L是先通过第三表面S3后，入射至第一表面S1。激光光束L入射于第一表面S1的入射角θi大于全反射角θc，使得激光光束L会完全反射。全反射的激光光束L接着通过第二表面S2。第二表面S2可以包括一抗反射层，使得入射至第二表面S2的激光光束L不会发生反射而几乎完全通过第二表面S2。如此一来，可以充分利用光源发射的激光光束L。

当激光光束L通过第二表面S2后，即入射至镜片模块304，镜片模块304用以反射通过第二表面S2的激光光束L，使得反射后的激光光束L再次经过第二表面S2入射至第一表面S1然后照射于投影幕320。并且，镜片模块304可以作二维摆动，使得受到镜片模块304反射的激光光束L于照射至投影幕320时，会进行扫描运动。

图6绘示依照如图5的激光投影系统30的光束投影于投影幕320的模拟图。如图6所示，投影幕320上有多个描述点3062，各轴向的描述点3062均可依照前述的LGD计算公式，来计算失真（distortion）的最大变化量。以图6为例，失真的最大变化量为X=2.9%且Y=2.2%，相比较于一传统的扫描式投影系统的失真最大变化量（约为X=4.26%且Y=8.96%），有很明显的改善，证明光学元件302（绘示于图5）确实可以改善传统的扫描式投影机的投影画面的失真、变形的情况。

图7绘示依照本发明一实施例的光学元件402的示意图。如图7所示，光学元件402具有第一表面S41、第二表面S42及第三表面S43。第一表面S41与第三表面S43夹设一第一夹角θ1，第一表面S41与第二表面S42夹设一第二夹角θ2，第二表面S42与第三表面S43夹设一第三夹角θ3。第一夹角θ1的角度范围与激光光束于第一表面S41发生全反射的特性有关。在一实施例中，第一夹角θ1可以是1°~55°，第二夹角θ2可以是15°~45°。在一实施例中，第三表面S43具有两个不同的面，其上表面(靠近第一表面S41处)涂布一抗反射材料，下表面为一金属反射面。

在图7的实施例，是以剖面为三角形的形式的光学元件402作说明，其他形状的光学元件也应用于本发明的激光投影系统中，只要光学元件至少具有一第一表面及一第二表面，且第一表面可以使入射的激光光束全反射后通过第二表面，并经第二表面入射至镜片模块作扫描即可，并不特别限制光学元件的形状。

综上所述，本发明上述实施例的激光投影系统，其具有特殊的光学元件，可用以取代传统扫描式投影系统中的两片反射镜，不但可以节省元件成本，也可以节省空间，有利于激光投影系统的微型化。并且，本发明上述实施例的光学元件，可以保持激光光源的自由对焦的特性，且改善传统的扫描式投影机的投影画面的失真、变形的情况。

此外，在一实施例中，通过调整光学元件的表面倾斜角度，可以使得射出光的光束向上倾斜，因而可以省略搭载机构并维持较佳的投影角度。在一实施例中，光学元件可以直接设置于壳体的出光区的开孔上，作为阻挡灰尘的防尘盖板，不但可以减少元件数目及成本，还可避免杂散光对于投影的影像品质造成影响。

综上所述，虽然结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种激光投影系统，包括：

激光光源，提供一激光光束；

光学元件，具有第一表面及第二表面，该激光光束由该第一表面全反射后通过该第二表面；以及

镜片模块，设于该光学元件的该第二表面的邻侧，该镜片模块用以反射通过该第二表面的该激光光束，使得反射后的该激光光束照射于一投影幕。

2.如权利要求1所述的激光投影系统，还包括：

壳体，用以容纳该激光光源、该光学元件及该镜片模块，

其中，该壳体具有开孔，反射后的该激光光束通过该开孔以照射于该投影幕。

3.如权利要求2所述的激光投影系统，其中该光学元件设置于该开孔上，以作为一防尘盖板。

4.如权利要求1所述的激光投影系统，其中该激光光束由该镜片模块反射后，通过该第二表面，并经该第一表面投射至该投影幕。

5.如权利要求1所述的激光投影系统，其中该第二表面具有抗反射层。

6.如权利要求1所述的激光投影系统，其中该镜片模块为单一镜片或镜片组，该单一镜片或该镜片组以二维方向摆动，用以反射通过该第二表面的该激光光束，使得反射后的该激光光束以扫描的方式照射于该投影幕。

7.如权利要求1所述的激光投影系统，其中该光学元件还包括第三表面，用以使该激光光束通过后入射至该第一表面，并经该第一表面全反射至该第二表面。

8.如权利要求7所述的激光投影系统，其中该第一表面与该第三表面夹设一第一夹角，该第一表面与该第二表面夹设一第二夹角，该第一夹角的角度范围与该激光光束于该第一表面发生全反射有关。

9.如权利要求8所述的激光投影系统，其中该第一夹角是1°~55°，该第二夹角是15°~45°。

10.如权利要求8所述的激光投影系统，其中该光学元件是一角柱或一角锥，且该光学元件的该第一表面、该第二表面及该第三表面任一者，倾斜于该壳体的表面。

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