CN113741030A - 光机模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光机模块，光机模块包括至少两个激光源、多个准直镜、合光镜组、光圈、光束整形镜组、微机电扫描模块及扩束镜组。至少两个激光源经配置以分别产生具有不同波长的至少两个激光束。多个准直镜用于分别准直至少两个激光束以产生至少两个准直光束。合光镜组用于将至少两个准直光束合并为合成光束。光圈用于滤除合成光束的杂散光束。光束整形镜组用于将合成光束整形，以产生具有正圆形的整形光束。微机电扫描模块用于反射整形光束且在水平方向及垂直方向进行扫描以形成扫描光束。扩束镜组用于将扫描光束扩大为具有预定面积的扩张光束。
Description
技术领域
本发明涉及一种光机模块，尤其涉及一种可改善成像质量的光机模块。
背景技术
扩增实境技术(Augmented Reality,AR)，是一种实时计算摄影机的位置及角度并加上相应的图像、影片以及3D模型的技术。实现扩增实境技术的穿戴式装置可以有多种光学显示方式，其中波导形式的扩增实境头戴设备具有轻薄化及穿透的发展和提升空间，被认为是未来实现扩增实境技术的主流之一。
波导形式的扩增实境头戴系统一般包括投影部分及波导部分，其中投影部分目前主要采用激光束扫描(Laser Bean Scanning,LBS)技术，具有效率高，性能低的优点，更利于配合波导式增强完成头戴设备显示。
而在波导部分，可采用全像光学组件(Holographic Optical Element,HOE)，上述LBS的扫描光束可以直接进入HOE，并形成与LBS扫描光束相同视野(Field of view,FOV)的二维虚像画面。LBS光机的设计会因HOE的设计或需求而有所变动，然而，不良的光机设计将影响成像效果，同时可能造成FOV变小的缺点，或是使扫描画面出现杂散光而影响成像。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种可改善成像质量的光机模块。
为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一个技术方案是提供一种光机模块，所述光机模块包括至少两个激光源，经配置以分别产生具有不同波长的至少两个激光束；多个准直镜，用于分别准直所述至少两个激光束以产生至少两个准直光束；一合光镜组，用于将所述至少两个准直光束合并为一合成光束，其中，所述合成光束具有一第一光形，且所述第一光形为一椭圆形，且所述椭圆形具有在一第一长轴方向上的一第一长度及在一第一短轴方向上的一第二长度；一光圈，具有一通光孔，用于滤除所述合成光束的杂散光束；一光束整形镜组，用于将所述合成光束沿着所述第一短轴方向对所述第一光形整形，以产生具有一第二光形的一整形光束，其中，所述第二光形为一正圆形，且所述正圆形是以所述第一长度作为直径；一微机电扫描模块，用于反射所述整形光束且在一水平方向及一垂直方向进行扫描以形成一扫描光束；以及一扩束镜组，用于将所述扫描光束扩大为具有一预定面积的一扩张光束。
优选地，所述光束整形镜组包括一第一凹透镜及一第一凸透镜，所述第一凹透镜用于接收所述合成光束，所述第一凸透镜用于输出所述整形光束，且所述第一凹透镜与所述第一凸透镜相距一第一距离，且所述第一距离与所述第一凸透镜的焦距相等。
优选地，所述光束整形镜组是将所述合成光束沿着所述第一短轴方向以一扩大倍数整形为所述第二光形，所述扩大倍数为所述第二长度对所述第一长度的比例，且所述第一距离是由所述扩大倍数所决定。
优选地，所述第一凹透镜具有一第一焦距，所述第一凸透镜具有一第二焦距，所述第一凹透镜具有用于接收所述合成光束的一第二接收面，所述第一凸透镜具有用于输出所述整形光束的一第二输出面，所述第二接收面与所述第二输出面之间相隔一第三距离，所述第一焦距与所述第二焦距相加后与所述第三距离相等；其中，所述合成光束具有一第一面积，所述扩张光束具有一第二面积，且所述第一面积与所述第二面积的比值等于所述第一焦距与所述第二焦距的比值。
优选地，所述微机电扫描模块包括一垂直反射镜及一水平反射镜，分别用于反射所述整形光束且在所述水平方向及所述垂直方向进行扫描以形成所述扫描光束。
优选地，所述垂直反射镜及所述水平反射镜的面积至少大于所述第二光形的面积，且所述第一距离进一步由所述垂直反射镜及所述水平反射镜的面积所决定。
优选地，所述扩张光束用于输出至一全像光学组件的一输入耦合区，且所述预定面积对应于所述输入耦合区的面积。
优选地，所述扩束镜组包括多个透镜，多个所述透镜的数量为大于或等于二，且多个所述透镜分别为选自一凹透镜、一凸透镜、一球面镜或一非球面镜组成的群组。
优选地，所述扩束镜组包括沿着一光轴依序设置的一第二凸透镜、一第二凹透镜、一第三凸透镜及一第四凸透镜，其中所述第二凸透镜具有用于接收所述扫描光束的一第一接收面，所述第四凸透镜具有用于输出所述扩张光束的一第一输出面。
优选地，所述第一接收面与所述第一输出面之间相隔一第二距离，且所述第二距离与所述微机电扫描模块的一扫描角成反比，其中所述扫描角为所述扫描光束以一出射角从所述微机电扫描模块输出时，所述出射角的角度变化范围。
本发明的其中一个有益效果在于，本发明所提供的光机模块，其光束整形镜组可在激光束准直以及合光之后将激光束从椭圆整形成圆形，来避免因激光源的发散角公差，导致光束整形不良而影响最后成像质量的问题。再者，本发明的光束整形镜组是设置在微机电扫描模块之前而非之后，可避免减少FOV而不利最终的成像结果。
此外，本发明将扩束镜组设置在微机电扫描模块产生扫描光束之后进行扩束，通过提升扫描光束的直径以及平行度，来提升成像效果，同时可避免将扩束镜组设置在微机电扫描模块之前而导致扩束后的扩张光束大于微机电扫描模块的垂直反射镜及水平反射镜的尺寸，进而避免杂散光的出现。
再者，本发明通过光圈及光束整形镜组的组合架构将经过合光镜组的合成光束从椭圆整形成圆形，因此，当光机模块将具有正圆光形的光束输出在HOE上时，能够具有较佳的成像效果，且不易产生网格现象。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为根据本发明实施例示出的光机模块的架构示意图。
图2为根据本发明实施例示出的光圈的示意图。
图3为根据本发明实施例示出的光束整形镜组的结构示意图。
图4为根据本发明实施例示出的微机电扫描模块的架构示意图。
图5为根据本发明实施例示出的扩束镜组的架构示意图。
图6为根据本发明实施例示出的光圈、光束整形镜组、微机电扫描模块及扩束镜组的架构示意图。
图7为本发明实施例的光机模块应用于智能眼镜的立体示意图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所公开有关“光机模块”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
图1为根据本发明实施例示出的光机模块的架构示意图。参阅图1所示，本发明实施例提供一种光机模块1，其包括激光源R、G、B、多个准直镜10、合光镜组11、光圈12、光束整形镜组13、微机电扫描模块14及扩束镜组15。其中，光束整形镜组13及扩束镜组15可各自为中继透镜(relay lens)，中继透镜通常包括至少两个镜片，且所述至少两个镜片可以是普通球面透镜，也可以是非球面透镜。
激光源R、G、B分别代表不同颜色的激光源，其可分别为红色、绿色及蓝色激光二极管，然其选择与配置并不以此为限，图1仅为一实施例的例示，激光源R、G、B经配置以分别产生具有不同波长的多个激光束B1。由于激光束B1为发散光，因此，激光源R、G、B各自对应于一个准直镜10，这些准直镜10用于分别准直多个所述激光束B1以产生多个准直光束B2。需要说明的是，虽然采用了多个准直镜10，然而，由于激光源R、G、B的激光束B1各自具有不同的发散角，因此准直后会形成具有不同面积的准直光束B2。虽然本实施例描述了三个激光源R、G、B，但仅为举例，激光源的数量可为至少两个。
合光镜组11用于将多个所述准直光束B2合并为合成光束B3。合光镜组11可例如包括三个45度角镀膜斜面110、111及112，用于将准直光束B2合并为所述合成光束B3，并在合光方向Dc上输出合成光束B3，且合光镜组11进一步将合成光束B3的一部分通过镀膜斜面112在分光方向Ds上输出至光检测器17。详细而言，光检测器17可例如为光二极管，镀膜斜面112可额外分出一道能量较低的合成光束B3给光检测器17检测，其检测结果可用于控制光机模块1的画面呈现。再者，镀膜斜面110、111及112的镀膜参数可根据激光源R、G、B的输出能量以及光检测器17的接收能量范围来调整，镀膜参数可包括膜厚、透射率及反射率等参数。
此外，合光镜组11输出的合成光束B3具有第一光形LS1，且第一光形LS1为椭圆形。需要说明的是，由于激光源R、G、B的激光束B1各自在不同方向上具有不同的发散角，因此会使得第一光形LS1为非正圆的椭圆形，且如图1所示，所述椭圆形具有在第一长轴方向La1上的第一长度L1及在第一短轴方向Sa1上的第二长度L2。
光圈12具有通光孔120，直径范围约为0.7～0.9mm，依杂散光数量可进行调整，用于滤除合成光束B3的杂散光束。请进一步参考图2，其为根据本发明实施例示出的光圈的示意图。如图所示，光圈12的通光孔120具有在第二长轴方向La2上的第三长度L3及在第二短轴方向Sa2上的第四长度L4。
第二长轴方向La2需设计为与第一长轴方向La1相同，第二短轴方向Sa2亦与第一短轴方向Sa1相同。由于通光孔120是用于滤除合成光束B3的杂散光束，因此理论上通光孔120的尺寸需略大于第一光形LS1的尺寸，因此，第三长度L3大于第一长度L1。第三长度L3可在0.7至0.9mm的范围内，且可依合成光束B3的杂散光数量多寡而有所调整。在本发明的较佳实施例中，当第一长度L1例如为0.8mm，且第二长度L2例如为0.6mm时，第三长度L3可为0.9mm，第四长度可为0.45mm。由于可滤除杂散光，光圈12可避免因激光源R、G、B的发散角公差，导致光束整形不良而影响最后成像质量的问题。
光束整形镜组13用于将合成光束B3沿着第一短轴方向Sa1对第一光形LS1整形，以产生具有第二光形LS2的整形光束B4，其中，第二光形LS2为一正圆形，且所述正圆形是以第一长度L1作为直径。例如，所谓沿着第一短轴方向Sa1整形指的是将合成光束B3的第一光形LS1沿着第一短轴方向Sa1以扩大倍数整形为第二光形LS2，而扩大倍数为第二长度L2对第一长度L1的比例。
需要说明的是，经实验组装测试后发现，若光机模块将具有椭圆光形的光束输出在HOE上时，成像效果将不甚理想，且容易产生网格现象。因此，在本发明的实施例中，通过光圈12及光束整形镜组13的组合架构将经过合光镜组11的合成光束B3从椭圆整形成圆形。
可进一步参考图3，其为根据本发明实施例示出的光束整形镜组的结构示意图。参阅图3所示，举例而言，光束整形镜组13可包括第一凹透镜L01及第一凸透镜L11，第一凹透镜L01用于接收合成光束B3，第一凸透镜L11用于输出整形光束B4，且第一凹透镜L01与第一凸透镜L11相距第一距离D1，且第一距离D1与第一凸透镜L11的焦距相等。需要说明的，第一距离D1是由前述的扩大倍数所决定，也就是说，由第一长度L1对第二长度L2的比例所决定。此外，第一凹透镜L01及第一凸透镜L11的表面组合分别为凹面、平面以及平面、凸面，可以设想的，第一凹透镜L01及第一凸透镜L11的表面组合亦可为平面、凹面以及凸面、平面。光束整形镜组13的直径、厚度、曲率、形状、透镜数量等参数可视实际设计进行组合变化。
微机电扫描模块14用于反射整形光束B4且在水平方向H及垂直方向V进行扫描以形成扫描光束B5。可进一步参阅图4，其为根据本发明实施例示出的微机电扫描模块的架构示意图。举例而言，微机电扫描模块14包括垂直反射镜140及水平反射镜142，分别用于反射整形光束B4且在水平方向H及垂直方向V进行扫描以形成扫描光束B5。更详细而言，图4中示意性的显示一成像画面Scn，垂直反射镜140具有振动机制以沿着垂直方向V进行扫描以形成成像画面Scn的其中一行，水平反射镜142同样具有振动机制以沿着水平方向H进行扫描以形成成像画面Scn的其中一列，而垂直反射镜140及水平反射镜142可协同运作以形成完整的成像画面Scn。应理解，图4仅为示例，垂直反射镜140及水平反射镜142的摆放顺序不限于此，且在上述说明中，省略后续扩束镜组以及入射至HOE的描述。
此外，微机电扫描模块14具有一扫描角θ，其定义在于，扫描角θ为扫描光束B5以一出射角从微机电扫描模块14输出时，出射角度的角度变化范围。需要说明的是，此扫描角θ实质上对应于输出成像画面Scn时的视野(Field of View,FOV)，而由于本发明的光束整形镜组13是设置在微机电扫描模块14之前而非之后，可避免减少FOV而不利最终的成像结果。
另一方面，参考图1及图4所示，在一些实施例中，光机模块1还包括反射镜16，用于反射合成光束B3至垂直反射镜140或水平反射镜142，也可以弥补光机模块1的公差，让整形光束B4投射到微机电扫描模块14的反射镜16的中心Cm。较佳的，反射镜16的摆放角度应足以使整形光束B4反射至垂直反射镜140或水平反射镜142的中心Cm。然而，反射镜16并非必要架构，整形光束B4可直接入射至微机电扫描模块14，同时，设计者亦可依据机构需求通过反射镜16调整光路，且反射镜16的数量亦不限于1。
需要说明的是，垂直反射镜140及水平反射镜142的面积至少大于第二光形LS2的面积，且在光束整形镜组13中，第一距离D1进一步由垂直反射镜140及水平反射镜142的面积所决定。
进一步，扩束镜组15用于将扫描光束B5扩大为具有预定面积A1的扩张光束B6。扩束倍率可以是1.2倍、1.5倍或2.0倍等，约在0.8mm～3mm之间，并可依照不同HOE的光束尺寸需求进行更换调整，并不以此为限。其中扩束镜组15的直径、厚度、曲率、形状、透镜数量等参数可视实际设计进行组合变化。扩张光束B6用于输出至一全像光学组件(HOE)18的输入耦合区180，且预定面积A1对应于输入耦合区180的面积。详细而言，本发明通过光圈12及光束整形镜组13的组合架构将经过合光镜组11的合成光束B3从椭圆整形成圆形，因此，当光机模块1将具有正圆光形的光束输出在HOE 18上时，能够具有较佳的成像效果，且不易产生网格现象。
详细而言，扩束镜组15可包括多个透镜，多个所述透镜的数量为大于或等于二，且多个所述透镜分别为选自一凹透镜、一凸透镜、一球面镜或一非球面镜组成的群组，然而不以此为限。
可进一步参考图5，其为根据本发明实施例示出的扩束镜组的架构示意图。如图5所示，扩束镜组15例如是包括四个透镜，沿着光轴Ax依序设置的第二凸透镜L12、第二凹透镜L02、第三凸透镜L13及第四凸透镜L14，其中，第二凸透镜L12具有用于接收扫描光束B5的第一接收面S1，第四凸透镜L14具有用于输出扩张光束B6的第一输出面S2。在本实施例中，第一接收面S1与第一输出面S2之间相隔第二距离D2，且第二距离D2与微机电扫描模块14的扫描角θ成反比。更详细而言，如图5所示，扩束镜组15中的前三个透镜，也就是说，第二凸透镜L12、第二凹透镜L02以及第三凸透镜L13，是用于将合成光束B3的各个视场光线进行扩大，并利用最后一个透镜，亦即第四凸透镜L14，来使经过扩大的各个视场光线彼此平行，以达成平行光。
此外，光圈12、光束整形镜组13、微机电扫描模块14及扩束镜组15亦需要考虑彼此的尺寸来进行设计。请参考图6，其为根据本发明实施例示出的光圈、光束整形镜组、微机电扫描模块及扩束镜组的架构示意图。
如图6所示，视野θ1将依照微机电扫描模块14的扫描角θ决定，当扫描角θ越大，扩束镜组15的第一接收面S1与第一输出面S2之间的第二距离D2可以越短。例如，当扫描角θ为40度，第二距离D2为一预定值时，视野θ1为40度。然而，当扫描角θ减少至30度且第二距离D2维持在所述预定值时，视野θ1对应减少至30度。而当扫描角θ为40度，第二距离D2改变为大于所述预定值时，视野θ1为小于或等于40度。
在图6的实施例中，光束整形镜组13与图3的实施例相同，包括第一凹透镜L01及第一凸透镜L11，且第一凹透镜L01具有第一焦距，第一凸透镜L11具有第二焦距，其中，第一凹透镜L01具有用于接收合成光束B3的第二接收面S1’，第一凸透镜L11具有用于输出整形光束B4的第二输出面S2’。在本实施例中，第二接收面S1’与第二输出面S2’之间相隔第三距离D3，且第一焦距与第二焦距相加与第三距离D3相等。扩张光束B6具有面积A3，且需要对应合成光束B3的面积A2进行设计。较佳者，面积A2与面积A3的比值可等于第一焦距与第二焦距的比值。
在上述配置中，扩束镜组15设置在微机电扫描模块14产生扫描光束B5之后进行扩束，通过提升扫描光束B5的直径以及平行度，来提升成像效果，同时可避免将扩束镜组15设置在微机电扫描模块14之前而导致扩束后的扩张光束B6大于微机电扫描模块14的垂直反射镜140及水平反射镜142的尺寸，进而避免杂散光的出现。
请进一步参考图7，其为本发明实施例的光机模块应用于智能眼镜的立体示意图。请参阅图7所示，在图1至图6中所述的光机模块1可应用于智能眼镜1000，其中，智能眼镜1000可例如为一扩增实境(Augmented Reality，AR)眼镜，且光机模块1可设置于镜框200的镜脚201，但本发明不以此为限。
实施例的有益效果
本发明的其中一个有益效果在于，本发明所提供的光机模块，其光束整形镜组可在激光束准直以及合光之后将激光束从椭圆整形成圆形，来避免因激光源的发散角公差，导致光束整形不良而影响最后成像质量的问题。再者，本发明的光束整形镜组是设置在微机电扫描模块之前而非之后，可避免减少FOV而不利最终的成像结果。
此外，本发明将扩束镜组设置在微机电扫描模块产生扫描光束之后进行扩束，通过提升扫描光束的直径以及平行度，来提升成像效果，同时可避免将扩束镜组设置在微机电扫描模块之前而导致扩束后的扩张光束大于微机电扫描模块的垂直反射镜及水平反射镜的尺寸，进而避免杂散光的出现。
再者，本发明通过光圈及光束整形镜组的组合架构将经过合光镜组的合成光束从椭圆整形成圆形，因此，当光机模块将具有正圆光形的光束输出在HOE上时，能够具有较佳的成像效果，且不易产生网格现象。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种光机模块，其特征在于，所述光机模块包括：
至少两个激光源，经配置以分别产生具有不同波长的至少两个激光束；
多个准直镜，用于分别准直所述至少两个激光束以产生至少两个准直光束；
一合光镜组，用于将所述至少两个准直光束合并为一合成光束，其中，所述合成光束具有一第一光形，且所述第一光形为一椭圆形，且所述椭圆形具有在一第一长轴方向上的一第一长度及在一第一短轴方向上的一第二长度；
一光圈，具有一通光孔，用于滤除所述合成光束的杂散光束；
一光束整形镜组，用于将所述合成光束沿着所述第一短轴方向对所述第一光形整形，以产生具有一第二光形的一整形光束，其中，所述第二光形为一正圆形，且所述正圆形是以所述第一长度作为直径；
一微机电扫描模块，用于反射所述整形光束且在一水平方向及一垂直方向进行扫描以形成一扫描光束；以及
一扩束镜组，用于将所述扫描光束扩大为具有一预定面积的一扩张光束。
2.根据权利要求1所述的光机模块，其特征在于，所述光束整形镜组包括一第一凹透镜及一第一凸透镜，所述第一凹透镜用于接收所述合成光束，所述第一凸透镜用于输出所述整形光束，且所述第一凹透镜与所述第一凸透镜相距一第一距离，且所述第一距离与所述第一凸透镜的焦距相等。
3.根据权利要求2所述的光机模块，其特征在于，所述光束整形镜组是将所述合成光束沿着所述第一短轴方向以一扩大倍数整形为所述第二光形，所述扩大倍数为所述第二长度对所述第一长度的比例，且所述第一距离是由所述扩大倍数所决定。
4.根据权利要求2所述的光机模块，其特征在于，所述第一凹透镜具有一第一焦距，所述第一凸透镜具有一第二焦距，所述第一凹透镜具有用于接收所述合成光束的一第二接收面，所述第一凸透镜具有用于输出所述整形光束的一第二输出面，所述第二接收面与所述第二输出面之间相隔一第三距离，所述第一焦距与所述第二焦距相加后与所述第三距离相等；
其中，所述合成光束具有一第一面积，所述扩张光束具有一第二面积，且所述第一面积与所述第二面积的比值等于所述第一焦距与所述第二焦距的比值。
5.根据权利要求1所述的光机模块，其特征在于，所述微机电扫描模块包括一垂直反射镜及一水平反射镜，分别用于反射所述整形光束且在所述水平方向及所述垂直方向进行扫描以形成所述扫描光束。
6.根据权利要求5所述的光机模块，其特征在于，所述垂直反射镜及所述水平反射镜的面积至少大于所述第二光形的面积，且所述第一距离进一步由所述垂直反射镜及所述水平反射镜的面积所决定。
7.根据权利要求1所述的光机模块，其特征在于，所述扩张光束用于输出至一全像光学组件的一输入耦合区，且所述预定面积对应于所述输入耦合区的面积。
8.根据权利要求1所述的光机模块，其特征在于，所述扩束镜组包括多个透镜，多个所述透镜的数量为大于或等于二，且多个所述透镜分别为选自一凹透镜、一凸透镜、一球面镜或一非球面镜组成的群组。
9.根据权利要求8所述的光机模块，其特征在于，所述扩束镜组包括沿着一光轴依序设置的一第二凸透镜、一第二凹透镜、一第三凸透镜及一第四凸透镜，其中所述第二凸透镜具有用于接收所述扫描光束的一第一接收面，所述第四凸透镜具有用于输出所述扩张光束的一第一输出面。
10.根据权利要求9所述的光机模块，其特征在于，所述第一接收面与所述第一输出面之间相隔一第二距离，且所述第二距离与所述微机电扫描模块的一扫描角成反比，其中所述扫描角为所述扫描光束以一出射角从所述微机电扫描模块输出时，所述出射角的角度变化范围。
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