CN116819795A - 浮空投影操作装置、浮空投影装置及其全像光学模组 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种浮空投影操作装置、浮空投影装置及其全像光学模组。全像光学模组包括一第一棱镜阵列以及一第二棱镜阵列。第一棱镜阵列包括复数个第一棱镜，两个该第一棱镜的第一表面彼此相对叠置以形成一第一光学界面。第二棱镜阵列包括复数个第二棱镜，两个第二棱镜的该二表面彼此相对叠置以形成一第二光学界面。光线以第一入射角入射该第一光学界面全反射而产生第一反射光线，或以第二入射角入射该第一光学界面全反射而产生第二反射光线。第一反射光线或第二反射光线进入第二棱镜阵列且以第三入射角入射第二光学界面全反射而产生第三反射光线。

Description

浮空投影操作装置、浮空投影装置及其全像光学模组
技术领域
本发明有关于一种光学投影设备的技术领域，特别是有关于一种由棱镜构成且用于对光路进行弯折的全像光学模组，以此全像光学模组使观察者在视觉上产生浮空影像的浮空投影装置以及利用浮空投影装置形成操作界面的浮空投影操作装置。
背景技术
浮空投影技术是将显示器产生的影像光线经过反射后改变光线行进方向的光路，当光线进入观察者的眼睛时，使观察者产生浮空的视觉影像。浮空投影由于其利用全像成像技术，可以增加影像的真实感，藉此增加与观察者或使用者的互动感，因此近来浮空投影设备广泛地用于各种表演活动中。
现有的浮空投影装置是利用全像光学元件(holographic optical element，HOE)将光线反射后，进入使用者的眼睛而产生浮空的影像，现有的全像光学元件是在表面镀膜后形成反射光线的镜面，因此现有的全像光学元件需使用镀膜制程及材料，如此会使得全像光学元件的制造成本增加，而且也会增加制造全像光学元件的工序。
发明内容
本发明的目的在于提供一种浮空投影操作装置、浮空投影装置及其全像光学模组，本发明的全像光学模组使用棱镜作为光线反射的元件，光线进入棱镜后，利用光线从密介质(棱镜)进入疏介质(空气)的状态下，以大于临界角度入射会产生全反射的现象，使光线反射后以适当角度进入使用者的眼睛而产生浮空的影像。
本发明的全像光学模组的一实施例包括一第一棱镜阵列以及一第二棱镜阵列。第一棱镜阵列包括复数个第一棱镜，每个该第一棱镜具有一第一表面，两个该第一棱镜的该第一表面彼此相对叠置以形成一第一光学界面。第二棱镜阵列包括复数个第二棱镜，每个该第二棱镜具有一第二表面，两个该第二棱镜的该第二表面彼此相对叠置以形成一第二光学界面。光线进入该第一棱镜阵列，而且以一第一入射角入射该第一光学界面，并且由该第一光学界面的其中一个该第一棱镜的该第一表面全反射而产生一第一反射光线。另一光线进入该第一棱镜阵列，而且以一第二入射角入射该第一光学界面，并且由该第一光学界面的另一个该第一棱镜的该第一表面全反射而产生一第二反射光线。该第一反射光线或该第二反射光线进入该第二棱镜阵列，而且以一第三入射角入射该第二光学界面，而且由该第二光学界面的其中一个该第二棱镜的该第二表面全反射而产生一第三反射光线。
在另一实施例中，第一入射角大于或等于45度。
在另一实施例中，第二入射角大于或等于45度。
在另一实施例中，该第三反射光线与水平线的夹角大于或等于45度且小于或等于60度。
在另一实施例中，第二棱镜阵列叠置于第一棱镜阵列，且一个第一棱镜的一第三表面与一个第二棱镜的该第四表面相对设置而形成一第三光学界面，第一反射光线或第二反射光线穿过第三光学界面进入第二棱镜阵列。
在另一实施例中，每个第一棱镜更包括一第五表面，第一棱镜为一三棱镜，其中第一表面、第三表面及第五表面彼此两两连接，且第三表面与第五表面的连接处的夹角为90度，第一表面与第三表面的连接处的夹角为45度，第一表面与第五表面的连接处的夹角为45度。
在另一实施例中，每个第二棱镜更包括一第六表面，第二棱镜为一三棱镜，其中该第二表面、该第四表面及该第六表面彼此两两连接，且该第四表面与该第六表面的连接处的夹角为90度，该第二表面与该第四表面的连接处的夹角为60度至65度，该第二表面与该第六表面的连接处的夹角为25度至30度。
在另一实施例中，每个第二棱镜更包括一第六表面，第二棱镜为一三棱镜，其中该第二表面、该第四表面及该第六表面彼此两两连接，且该第四表面与该第六表面的连接处的夹角为90度，该第二表面与该第四表面的连接处的夹角为25度至30度，该第二表面与该第六表面的连接处的夹角为60度至65度。
本发明提供一种浮空投影装置，其包括显示模组以及全像光学模组。显示模组发出形成一影像的多道光线。全像光学模组使该等光线的光路弯折，而沿一视觉产生方向行进，对一观察者在视觉上产生一浮空影像。
在另一实施例中，其更包括一影像放大模组，该等光线穿过影像放大模组使影像放大后进入全像光学模组。
在另一实施例中，影像放大模组包括一菲涅尔透镜(Fersnel lens)，该等光线通过菲涅尔透镜。
在另一实施例中，其更包括一光路调整模组，光线依序通影像放大模组及该光路调整模组，使得该等光线向全像光学模组所在的位置集中后进入全像光学模组。
在另一实施例中，光路调整模组包括复数个光学微结构，该等光学微结构排列成一二维结构。
在另一实施例中，该等光学微结构为凸透镜，且该等凸透镜的尺寸相等或不相等。
本发明提供一种浮空投影操作装置，其包括：浮空投影装置、一讯号发射器、一讯号接收器以及一处理器。讯号发射器持续地发出侦测讯号，侦测讯号与形成影像的至少其中一个光线同步地通过全像光学模组而沿该视觉产生方向行进。讯号接收器可于视觉产生方向上持续地接收侦测讯号。处理器连接于讯号接收器，当讯号接收器接收到侦测讯号时，侦测讯号被持续地传送至处理器。当处理器未接收到侦测讯号时，处理器产生一控制讯号。
本发明的浮空投影装置，藉由设置第一棱镜阵列及第二棱镜阵列，而且使形成影像的光线以适当角度入射第一光学界面及第二光学界面，使光线在第一光学界面及第二光学界面产生全反射，藉此使光线依循特定的光路进入使用者或观察者的眼睛而在视觉上产生浮空的影像。
附图说明
图1是本发明的全像光学模组的一实施例的其中一列第一棱镜阵列与一列第二棱镜阵列堆栈的立体图。
图2是图1的全像光学模组的立体分解图。
图3A是本发明的全像光学模组的一实施例的前视图，其中第三反射光线与显示装置所在平面间的夹角为45度。
图3B是本发明的全像光学模组的另一实施例的前视图，其中第三反射光线与显示装置所在平面间的夹角为30度。
图3C为本发明的全像光学模组的又另一实施例的前视图。
图4为本发明的全像光学模组的一实施例的三维结构的立体图。
图5为本发明的浮空投影装置的一实施例的剖视图。
图6为本发明的浮空投影装置的另一实施例的剖视图。
图7为本发明的浮空投影操作装置的一实施例的剖视图。
图号说明：
10：第一棱镜阵列
11：第一棱镜
11a、11b：第一棱镜
12：第一光学界面
20：第二棱镜阵列
21：第二棱镜
21a、21b：第二棱镜
30：第三光学界面
100：全像光学模组
111：第一表面
113：第三表面
115：第五表面
200：显示模组
212：第二表面
214：第四表面
216：第六表面
300：影像放大模组
400：光路调整模组
1000、1000’：浮空投影装置
2000：讯号发射器
3000：讯号接收器
4000：处理器
L1：光线
L11：第一反射光线
L12：第二反射光线
L13：第三反射光线
L2：光线
L21：第一反射光线
L22：第二反射光线
L23：第三反射光线
Ln：光线
Lm：光线
Q：浮空影像
Si：侦测讯号
So：控制讯号。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3A及图4，其表示本发明的全像光学模组的一实施例。本实施例的全像光学模组100包括一第一棱镜阵列10以及一第二棱镜阵列20。第一棱镜阵列10及第二棱镜阵列20可以使用压印的方式成型于压克力基材。
如图1及图2所示，第一棱镜阵列10包括复数个第一棱镜11，每个第一棱镜11包括设置在下排的第一棱镜11a及设置在上排的第一棱镜11b。本实施例的每个第一棱镜11为三棱镜，其包括一第一表面111、一第三表面113以及一第五表面115，第一表面111、第三表面113以及第五表面115彼此两两相接而形成截面呈三角形的三棱镜形状的微结构。其中第一表面111构成三角形的斜边，第三表面113以及第五表面115构成三角形的两股，因此第三表面113与第五表面115间的夹角为90度，第一表面111与第三表面113间的夹角为45度，第一表面111与第五表面115间的夹角为45度。下排的第一棱镜11a与上排的第一棱镜11b具有相同的结构，下排的第一棱镜11a的第一表面111与上排的第一棱镜11b的第一表面111相对设置以形成第一光学界面12。下排的第一棱镜11a的第一表面111与上排的第一棱镜11b的第一表面111之间相叠紧贴且无气隙。
如图1、图2及图3所示，第二棱镜阵列20包括复数个第二棱镜21，每个第二棱镜21包括设置在下排的第二棱镜21a及设置在上排的第二棱镜21b。本实施例的每个第二棱镜11为三棱镜，其包括一第二表面212、一第四表面214以及一第六表面216，第二表面212、第四表面214以及第六表面216彼此两两相接而形成截面呈三角形的三棱镜形状的微结构。其中第二表面212构成三角形的斜边，第四表面214以及第六表面216构成三角形的两股，因此本实施例的第四表面214与第六表面216的夹角为90度，第二表面212与第四表面214间的夹角为61度，第二表面212与第六表面216间的夹角为29度。下排的第二棱镜21a与上排的第二棱镜21b具有相同的结构，下排的第二棱镜21a的第二表面212与上排的第二棱镜21b的第二表面212相对设置以形成第二光学界面22。下排的第二棱镜21a的第二表面212与上排的第二棱镜21b的第二表面212之间相叠紧贴且无气隙。
另外，下排的第二棱镜21a的第四表面214与上排的第一棱镜11b的第三表面113相对设置以形成一第三光学界面30。
如图3A所示，下方显示模组200或单一光源的光线L1从下排的第一棱镜11a的第三表面113进入第一棱镜阵列10，由于光线L1垂直入射第三表面113，入射的光线L1除部分由第三表面113反射的外，其余皆穿过第三表面113进入第一棱镜11a，而且进一步以第一入射角入射位于第一光学界面12的第一棱镜11a的第一表面111。如前所述，第一棱镜11与第二棱镜21都是由压克力材料制作，压克力材料的折射率大约为1.49，另外由于光线从密介质到疏介质会产生全反射，根据折射定律(斯涅尔定律)n1sinθ1＝n2sinθ2，n1为第一棱镜11a的折射率(压克力材料的折射率为1.49)，n2为空气的折射率(1.000027≒1)，当产生全反射时，θ2＝90度，因此可以算出产生全反射时光线入射第一表面111的临界入射角θ1为42.1度。本实施例的光线L1是以45度的第一入射角入射，其大于42.1度的临界入射角，因此光线L1会在第一表面111产生全反射而形成第一反射光线L11，第一反射光线L11以平行于第一表面111的方向行进，并且进入相邻的另一个上排第一棱镜11b。在本实施例中，第一反射光线L11是进入位于左方的上排第一棱镜11b，但不限于此，在另一实施例中，第一表面111的倾斜方向与本实施例相反，使第一反射光线L11是进入位于右方的上排第一棱镜11b。
进入上排第一棱镜11b的第一反射光线L11以45度的第二入射角入射位于第一光学界面12的上排第一棱镜11b的第一表面111，同样由于其第二入射角大于全反射的临界入射角，第一反射光线L11在第一棱镜11b的第一表面111再度被反射而形成一第二反射光线L12，第二反射光线L12穿过由第一棱镜11b的第三表面113与下排第二棱镜21a的第四表面214所形成的第三光学界面30，而且以61度的第三入射角入射于位于第二光学界面22的第二表面212，而且由第二表面212全反射后形成一第三反射光线L13。本实施例的第三反射光线L13与上排第二棱镜21b的第四表面214间形成30度的夹角。
显示模组200发出的另一光线L2从下排的另一个第一棱镜11a的第三表面113进入第一棱镜阵列10，然后在第一光学界面12由下排第一棱镜11a的第一表面111反射后形成第一反射光线L21，第一反射光线L21同样也进入相邻的上排第一棱镜11b，并于第一光学界面12由上排第一棱镜11b的第一表面111反射后形成第二反射光线L22，第二反射光线L22进入第二棱镜阵列20的下排第二棱镜21a，并于第二光学界面22由下排第二棱镜21a的第二表面212反射后，形成第三反射光线L23，第三反射光线L23与上排第二棱镜21b的第四表面214间同样形成30度的夹角。
请参阅图5，其表示本发明的浮空投影装置的一实施例。本实施例的浮空投影装置1000包括一全像光学模组100以及一显示模组200。从设置于水平面上的显示模组200发出的形成一影像的多道光线L1-Ln进入全像光学模组100后，全像光学模组100使多道光线的光路弯折后以一倾斜角度(第三反射光线L23与水平设置的第四表面214间形成的30度角)进入观察者或使用者的眼睛，即沿一视觉产生方向行进。当观察者或使用者的眼睛感知第三反射光线L23时，观察者或使用者的眼睛在视觉上产生浮空的影像Q，如同显示模组200产生的影像在30度倾斜方向上的产生投影。
请参阅图3B，其表示本发明的全像光学模组的另一实施例。本实施例与的3A图的实施例的差异在于，第二棱镜21a、21b的第二表面212与第四表面214间的夹角为63.4度，第二表面212与第六表面216间的夹角为26.6度，第三反射光线L12及L23与第四表面214间形成45度的夹角。
请参阅图3C，其表示本发明的全像光学模组的又另一实施例。本实施例与的3A图的实施例的差异在于，第二棱镜21a、21b的第二表面212与第四表面214间的夹角为63.4度，第二棱镜21a、21b的第二表面212与第四表面214间的夹角为30度，第二表面212与第六表面216间的夹角为60度。如此第三反射光线L12及L23会朝向第一棱镜模组10的方向行进，本实施例可应用于全像光学模组100设置于比使用者高的位置，第三反射光线L12及L23朝下方行进而进入使用者的眼睛时，产生浮空的影像。
请参阅图6，其表示本发明的浮空投影装置的另一实施例。本实施例的浮空投影装置1000’除了全像光学模组100及显示模组200以外，还包括一影像放大模组300，影像放大模组300包括一菲涅尔透镜(Fersnel lens)，光线L1-Ln通过菲涅尔透镜，藉此显示模组200产生的影像达到放大的效果，如此，可以使用尺寸较小的显示模组200。本实施例的浮空投影装置1000’还包括一光路调整模组400，光线L1-Ln依序通过影像放大模组300及光路调整模组400，使得光线L1-Ln向全像光学模组100所在的位置集中后进入全像光学模组100。光路调整模组400是希望将发散的光线朝中间汇聚，其包括复数个光学微结构(图未示)，光学微结构(图未示)为微凸透镜阵列或微三角棱镜阵列皆可。
请参阅图7，其表示本发明的浮空投影操作装置的一实施例，本实施例的浮空投影操作装置包括：上述浮空投影装置1000或1000’、一讯号发射器2000、一讯号接收器3000以及一处理器4000。讯号发射器2000持续地发出侦测讯号Si，侦测讯号Si与形成影像的至少其中一个光线Lm同步地通过全像光学模组100而沿视觉产生方向行进。讯号接收器3000可于视觉产生方向上持续地接收侦测讯号Si。处理器4000连接于讯号接收器3000，当讯号接收器3000接收到侦测讯号Si时，侦测讯号Si被持续地传送至处理器4000。当处理器4000未接收到侦测讯号Si时，处理器4000产生一控制讯号So。本实施例的浮空投影操作装置可用于各种操作设备，以浮空的影像作为操作界面，例如计算机的键盘或电梯的操作按钮。浮空投影装置1000或1000’形成浮空的操作界面的影像，侦测讯号Si的行进路径可以对应于操作界面的按键影像。当使用者以手按压浮空的按键影像时，手会遮断侦测讯号Si，使处理器4000无法接收到侦测讯号Si，因此处理器4000会产生与操作该按键对应的控制讯号So，以便控制设备的作动。
本发明的浮空投影装置，藉由设置第一棱镜阵列及第二棱镜阵列，而且使形成影像的光线以适当角度入射第一光学界面及第二光学界面，使光线在第一光学界面及第二光学界面产生全反射，藉此使光线依循特定的光路进入使用者或观察者的眼睛而在视觉上产生浮空的影像。

Claims (16)

1.一种全像光学模组，用于一浮空投影装置(1000、1000’)，其特征在于，该全像光学模组(100)包括：
一第一棱镜阵列(10)，包括复数个第一棱镜(11、11a、11b)，每个该第一棱镜(11、11a、11b)具有一第一表面(111)，两个该第一棱镜(11、11a、11b)的该第一表面(111)彼此相对叠置以形成一第一光学界面(12)；以及
一第二棱镜阵列(20)，包括复数个第二棱镜(21、21a、21b)，每个该第二棱镜(21、21a、21b)具有一第二表面(212)，两个该第二棱镜(21、21a、21b)的该第二表面(212)彼此相对叠置以形成一第二光学界面(22)；
其中一光线(L2)进入该第一棱镜阵列(10)，而且以一第一入射角入射该第一光学界面(12)，并且由该第一光学界面(12)的其中一个该第一棱镜(11a)的该第一表面(111)全反射而产生一第一反射光线(L21)；
其中另一光线(L11)进入该第一棱镜阵列(10)，而且以一第二入射角入射该第一光学界面(12)，并且由该第一光学界面(12)的另一个该第一棱镜(11b)的该第一表面(111)全反射而产生一第二反射光线(L12)；
其中该第二反射光线(L12)进入该第二棱镜阵列(20)，而且以一第三入射角入射该第二光学界面(22)，而且由该第二光学界面(22)的其中一个该第二棱镜(21a)的该第二表面(212)全反射而产生一第三反射光线(L13)。
2.如权利要求1所述的全像光学模组，其特征在于，其中该第一反射光线(L21)进入该第一棱镜阵列(10)的相邻的另外两个相互叠置的该第一棱镜(11b)。
3.如权利要求1所述的全像光学模组，其特征在于，其中该第一入射角大于或等于45度。
4.如权利要求1所述的全像光学模组，其特征在于，其中该第二入射角大于或等于45度。
5.如权利要求1所述的全像光学模组，其特征在于，其中该第三反射光线与每个该第二棱镜(21)的一第四平面(214)的夹角大于或等于30度且小于或等于45度。
6.如权利要求1所述的全像光学模组，其特征在于，其中该第二棱镜阵列(20)叠置于该第一棱镜阵列(10)，且一个该第一棱镜(11b)的一第三表面(113)与一个该第二棱镜(21a)的一第四表面(214)相对设置而形成一第三光学界面(30)，该第二反射光线(L12)穿过该第三光学界面(30)进入该第二棱镜阵列(20)。
7.如权利要求6所述的全像光学模组，其特征在于，其中每个该第一棱镜(11、11a、11b)更包括一第五表面(115)，该第一棱镜(11、11a、11b)为一三棱镜，其中该第一表面(111)、该第三表面(113)及该第五表面(115)彼此两两连接，且该第三表面(113)与该第五表面(115)的连接处的夹角为90度，该第一表面(111)与该第三表面(113)的连接处的夹角为45度，该第一表面(111)与该第五表面(115)的连接处的夹角为45度。
8.如权利要求6或7所述的全像光学模组，其特征在于，其中每个该第二棱镜(21、21a、21b)更包括一第六表面(216)，该第二棱镜(21、21a、21b)为一三棱镜，其中该第二表面(212)、该第四表面(214)及该第六表面(216)彼此两两连接，且该第四表面(214)与该第六表面(216)的连接处的夹角为90度，该第二表面(212)与该第四表面(214)的连接处的夹角为60度至65度，该第二表面(212)与该第六表面(216)的连接处的夹角为25度至30度。
9.如权利要求6或7所述的全像光学模组，其特征在于，其中每个该第二棱镜(21、21a、21b)更包括一第六表面(216)，该第二棱镜(21、21a、21b)为一三棱镜，其中该第二表面(212)、该第四表面(214)及该第六表面(216)彼此两两连接，且该第四表面(214)与该第六表面(216)的连接处的夹角为90度，该第二表面(212)与该第四表面(214)的连接处的夹角为25度至30度，该第二表面(212)与该第六表面(216)的连接处的夹角为60度至65度。
10.一种浮空投影装置，其特征在于，其包括：
一显示模组(200)，发出形成一影像的多道光线；
一如权利要求1至9中任一所述的全像光学模组(100)；
其中该全像光学模组(100)使该等光线的光路弯折，而沿一视觉产生方向行进，对一观察者在视觉上产生一浮空影像(Q)。
11.如权利要求10所述的浮空投影装置，其特征在于，其更包括一影像放大模组(300)，该等光线穿过该影像放大模组(300)使该影像放大后进入该全像光学模组(100)。
12.如权利要求11所述的浮空投影装置，其特征在于，其中该影像放大模组(300)包括一菲涅尔透镜，该等光线通过该菲涅尔透镜。
13.如权利要求11所述的浮空投影装置，其特征在于，其更包括一光路调整模组(400)，该光线依序通过该影像放大模组(300)及该光路调整模组(400)，使得该等光线向该全像光学模组(100)所在的位置集中后进入该全像光学模组(100)。
14.如权利要求13所述的浮空投影装置，其特征在于，其中该光路调整模组(400)包括复数个光学微结构，该等光学微结构排列成一二维结构。
15.如权利要求14所述的浮空投影装置，其特征在于，其中该等光学微结构为凸透镜，且该等凸透镜的尺寸相等或不相等。
16.一种浮空投影操作装置，其特征在于，其包括：
一如权利要求10至15中任一项所述的浮空投影装置(1000、1000’)；
一讯号发射器(2000)，持续地发出侦测讯号(Si)，该侦测讯号(Si)与形成该影像的至少其中一个该光线同步地通过该全像光学模组(100)而沿该视觉产生方向行进；
一讯号接收器(3000)，可于该视觉产生方向上持续地接收该侦测讯号(Si)；以及
一处理器(4000)，连接于该讯号接收器(3000)，当该讯号接收器(3000)接收到该侦测讯号(Si)时，该侦测讯号(Si)被持续地传送至该处理器(4000)；
其中当该处理器(4000)未接收到该侦测讯号(Si)时，该处理器(4000)产生一控制讯号(So)。
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