TWI382201B - 影像投影及偵測裝置 - Google Patents

Description

影像投影及偵測裝置

本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種影像投影及偵測裝置。

圖1為一種習知影像投影及偵測裝置的結構示意圖。請參考圖1，習知影像投影及偵測裝置100包括一光學引擎110、多個電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)120及一紅外光發射系統130。光學引擎110提供一影像光束112，其中影像光束112會被投射至位於物側的一屏幕40上以形成影像畫面。紅外光發射系統130提供一紅外光束132，其中紅外光束132會朝向物側傳遞，且部分紅外光束132會穿透屏幕40。

當來自物側的一物體50(例如是手指)靠近屏幕40時，通過屏幕40的部份紅外光束132會被物體50反射而形成一傳遞至電荷耦合元件120的物體光束134。如此一來，電荷耦合元件120便可偵測到物體50的影像。

在習知影像投影及偵測裝置100的光路架構中，影像光束112、紅外光束132及物體光束134沒有共用相同的傳遞路徑，且其傳遞路徑彼此獨立，這會使得光學引擎110、電荷耦合元件120及紅外光發射系統130整體之空間利用率較低，進而使影像投影及偵測裝置100的體積難以縮小。此外，由於這些光束之傳遞路徑彼此獨立，亦會使得光學引擎110、電荷耦合元件120及紅外光發射系統130 的位置不易校正。

另外，由於紅外光發射系統130所發出的紅外光束132沒有經過成像鏡頭及光束整形元件(beam shaping element)的作用，因此無法均勻地投射在屏幕40上，如此會造成在屏幕40上的某區域之紅外光束132的光強度較高，而在其他區域之紅外光束132的光強度較低。所以，習知影像投影及偵測裝置100須具有多個電荷耦合元件120，這些電荷耦合元件120的增益(gain)值彼此不同。增益值較大的電荷耦合元件120用以偵測屏幕40上光強度較低的區域，而增益值較小者用以偵測光強度較高的區域。若只採用一個電荷耦合元件120，則只有一個增益值，這會造成屏幕40上光強度較強的區域在電荷耦合元件120上的成像過飽合，而光強度較弱的區域在電荷耦合元件120上的成像之亮度過弱而難以辦識。然而，若採用多個電荷耦合元件120又會造成影像投影及偵測裝置100的結構過於複雜且龐大。

本發明提供一種影像投影及偵測裝置，其可具有較小的體積。

本發明之一實施例提出一種影像投影及偵測裝置，其包括一照明系統、一光閥、一不可見光發射系統、一合光元件、一分光元件以及一光偵測器。照明系統提供一照明光束，其中照明光束為一可見光束。光閥配置於照明光束的傳遞路徑上，並將照明光束轉換成一影像光束。不可見 光發射系統提供一不可見光束。合光元件配置於照明光束、影像光束與不可見光束的傳遞路徑上，其中合光元件使來自照明系統的照明光束傳遞至光閥。合光元件使影像光束及不可見光束傳遞至分光元件，而分光元件使影像光束及至少部分不可見光束傳遞至物側。位於物側的一物體會將至少部份不可見光束反射，以形成一傳遞回分光元件的物體光束。分光元件使來自物體的至少部分物體光束傳遞至光偵測器。

在本發明之一實施例中，影像投影及偵測裝置更包括一第一成像鏡頭。第一成像鏡頭配置於影像光束與不可見光束的傳遞路徑上，並位於分光元件與合光元件之間。影像投影及偵測裝置可更包括一第二成像鏡頭。第二成像鏡頭配置於影像光束、至少部分不可見光束及至少部分物體光束的傳遞路徑上，並位於分光元件與物側之間。影像投影及偵測裝置可更包括一第三成像鏡頭。第三成像鏡頭配置於至少部分物體光束的傳遞路徑上，並位於分光元件與光偵測器之間。

在本發明之一實施例中，合光元件包括一第一稜鏡、一第二稜鏡以及一濾光膜。第一稜鏡具有一第一入光面以及一第一全反射面。來自照明系統的照明光束可經由第一入光面進入第一稜鏡中，並被第一全反射面全反射至光閥。第二稜鏡具有一第二入光面以及一第一光學表面。第一全反射面與第一光學表面之間可保持有一間隙。濾光膜配置於第一全反射面與第一光學表面之間。來自光閥的影 像光束可穿透第一全反射面、濾光膜及第一光學表面而傳遞至分光元件。來自不可見光發射系統的不可見光束可經由第二入光面進入第二稜鏡中，然後被濾光膜反射至分光元件。第二稜鏡可更具有一第二全反射面，其中來自第二入光面之不可見光束會被第二全反射面全反射至濾光膜。另外，合光元件可更包括一第三稜鏡，其配置於第一全反射面與濾光膜之間，並具有一第二光學表面與一第一出光面。濾光膜連接第一光學表面與第一出光面，而第二光學表面與第一全反射面之間保持有一第二間隙。來自第一全反射面的影像光束會依序穿透第二光學表面與第一出光面而傳遞至濾光膜。

在本發明之一實施例中，合光元件包括一第一稜鏡、一第二稜鏡以及一濾光膜。第一稜鏡具有一第一全反射面與一第一出光面。來自照明系統的照明光束可通過第一全反射面而傳遞至光閥，而來自光閥的影像光束可被第一全反射面全反射而穿透第一出光面。第二稜鏡具有一第一入光面與一第二入光面，其中第一出光面與第一入光面互相面對。濾光膜配置於第一出光面與第一入光面之間，並連接第一稜鏡與第二稜鏡。來自第一出光面的影像光束可依序穿透濾光膜及第一入光面而傳遞至分光元件，而來自不可見光發射系統的不可見光束可經由第二入光面進入第二稜鏡中，然後被濾光膜反射至分光元件。第二稜鏡可更具有一第二出光面。來自第二入光面的不可見光束可被第二出光面全反射至濾光膜，而來自濾光膜的不可見光束可穿 透第二出光面而傳遞至分光元件。來自第一入光面的影像光束可穿透第二出光面而傳遞至分光元件。合光元件可更包括一第三稜鏡以及一第四稜鏡。第三稜鏡配置於照明光束的傳遞路徑上，並位於照明系統與第一稜鏡之間。第三稜鏡具有一第三入光面與一第三出光面。第三出光面與第一全反射面之間可保持有一第一間隙。來自照明系統的照明光束可依序穿透第三入光面、第三出光面及第一全反射面而傳遞至光閥。第四稜鏡配置於影像光束與不可見光束的傳遞路徑上，並位於第二稜鏡與分光元件之間。第四稜鏡具有一第四入光面與一第四出光面。第二出光面與第四入光面之間可保持有一第二間隙。來自第二出光面的不可見光束及影像光束可依序穿透第四入光面及第四出光面而傳遞至分光元件。

在本發明之一實施例中，不可見光束及物體光束例如皆為紅外光束。分光元件例如是一部分穿透部分反射器。來自合光元件的影像光束可穿透部分穿透部分反射器而傳遞至物側。部分不可見光束可穿透部分穿透部分反射器而傳遞至物側。部分物體光束可被部分穿透部分反射器反射至光偵測器。光偵測器例如為一電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)或互補金氧半導體感測元件(complementary metal oxide semiconductor sensor,CMOS sensor)。

在本發明之一實施例中，影像投影及偵測裝置更包括一波片，其配置於影像光束、不可見光束及物體光束的傳 遞路徑上，並位於分光元件與物側之間。照明系統所提供的照明光束及不可見光發射系統所提供的不可見光束各自具有一第一偏振方向，而分光元件例如為一偏振分光器(polarizing beam splitter,PBS)，讓具有第一偏振方向的照明光束及不可見光束傳遞至物側。物體光束在穿透波片後會具有一第二偏振方向，而偏振分光器讓具有第二偏振方向的物體光束傳遞至光偵測器。第一偏振方向可實質上垂直於第二偏振方向。波片例如為一四分之一波片。

在本發明之一實施例中，具有第一偏振方向的照明光束及不可見光束會穿透偏振分光器而傳遞至物側，而具有第二偏振方向的物體光束會被偏振分光器反射至光偵測器。在本發明之一實施例中，具有第一偏振方向的照明光束及不可見光束會被偏振分光器反射至物側，而具有第二偏振方向的物體光束會穿透偏振分光器而傳遞至光偵測器。

在本發明之一實施例中，不可見光發射系統包括一不可見光光源以及一光均勻化元件。不可見光光源提供不可見光束。光均勻化元件配置於不可見光束的傳遞路徑上，並位於不可見光光源與合光元件之間。光均勻元件可為一光積分柱或一透鏡陣列。不可見光發射系統可為多個呈陣列配置的發光二極體(light emitting diode,LED)或一有機發光二極體(organic light emitting diode,OLED)。

由於本發明之實施例之影像投影及偵測裝置是利用合光元件與分光元件來使影像光束、不可見光束及物體光 束共用部分的傳遞路徑，因此影像投影及偵測裝置中的各元件之空間利用率較高，這能夠使影像投影及偵測裝置具有較小的體積。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

下列各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可用以實施之特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而非用來限制本發明。

第一實施例

圖2為本發明之第一實施例之影像投影及偵測裝置的結構示意圖。請參考圖2，本實施例之影像投影及偵測裝置200包括一照明系統210、一光閥220、一不可見光發射系統230、一合光元件240、一分光元件250以及一光偵測器260。照明系統210提供一照明光束212，其中照明光束212為一可見光束。在本實施例中，照明系統210包括一燈源216及一光均勻化元件218。燈源216提供照明光束212，而光均勻化元件218配置於照明光束212的傳遞路徑上，以將照明光束212均勻化。在本實施例中，燈源216例如為高壓汞燈(ultra high pressure lamp,UHP lamp)。然而，在其他實施例中，燈源216亦可以是發光二極體(light emitting diode,LED)或其他適當之發光元件。此 外，在本實施例中，光均勻化元件218例如為一光積分柱。然而，在其他實施例中，光均勻化元件218亦可以是透鏡陣列。

不可見光發射系統230提供一不可見光束232。在本實施例中，不可見光發射系統230例如是多個呈陣列配置的發光二極體或一有機發光二極體。具體而言，不可見光束232例如是一紅外光束。然而，在其他實施例中，不可見光束232亦可以是其他波段的不可見光束。在另一實施例中，請參照圖3，上述之不可見光發射系統230可用不可見光發射系統230’取代，其中不可見光發射系統230’可以包括一不可見光光源230a以及一光均勻化元件230b。不可見光光源230a例如是雷射二極體、發光二極體或其他適於發出不可見光的發光元件，提供不可見光束232。在本實施例中，光均勻化元件230b例如為一光積分柱，其配置於不可見光束232的傳遞路徑上，並位於不可見光光源230a與合光元件240之間。然而，在其他實施例中，光均勻化元件230b亦可以是一透鏡陣列。

請再參考圖2，光閥220配置於照明光束212的傳遞路徑上，並將照明光束212轉換成一影像光束214。在本實施例中，光閥220例如是一數位微鏡元件(digital micro－mirror device,DMD)。然而，在其他實施例中，光閥220亦可以是一矽基液晶面板(liquid－crystal－on－silicon panel,LCOS panel)或其他適當的光閥。

合光元件240配置於照明光束212、影像光束214與 不可見光束232的傳遞路徑上，其中合光元件240使來自照明系統210的照明光束212傳遞至光閥220。此外，合光元件240亦使來自光閥220的影像光束214及不可見光束232傳遞至分光元件250。在本實施例中，合光元件240包括一第一稜鏡242、一第二稜鏡244以及一濾光膜246。

具體而言，第一稜鏡242具有一第一入光面242a以及一第一全反射面242b。來自照明系統210的照明光束212可經由第一入光面242a進入第一稜鏡242中，並被第一全反射面242b全反射至光閥220。全反射的產生係起因於稜鏡與其外部環境之折射率的不同，且光在出射稜鏡時的角度大於臨界角。在本實施例中，第一稜鏡242更具有一第三光學表面242d，而來自第一全反射面242b的照明光束212會穿透第三光學表面242d而傳遞至光閥220。

另外，第二稜鏡244具有一第二入光面244a以及一第一光學表面244b。第一全反射面242b與第一光學表面244b之間保持有一間隙242c，以使第一全反射面242b可以發揮全反射的功效。在本實施例中，間隙242c例如是一空氣間隙。然而，在其他實施例中，間隙242c亦可以是其他氣體之間隙或真空間隙。

在本實施例中，濾光膜246配置於第一全反射面242b與第一光學表面244b之間。在本實施例中係以濾光膜246配置於第一光學表面244b上為例，如圖2所示。濾光膜246反射不可見光，且讓可見光穿透。在本實施例中，濾光膜246例如是一紅外光濾光膜，其反射紅外光，並讓可 見光穿透。換言之，濾光膜246反射不可見光束232，並讓影像光束214穿透。具體而言，來自光閥220的影像光束214可穿透第一全反射面242b、濾光膜246及第一光學表面244b而傳遞至分光元件250，而來自不可見光發射系統230的不可見光束232可經由第二入光面244a進入第二稜鏡244中，然後被濾光膜246反射至分光元件250。如此一來，影像光束214以及不可見光束232在合光元件240至分光元件250之間便可共用相同的傳遞路徑。

在本實施例中，第二稜鏡244更具有一第二全反射面244c。具體而言，來自第二入光面244a之不可見光束232會被第二全反射面244c全反射至濾光膜246，如圖2所示。值得一提的是，在其他實施例中，若適當調整第二稜鏡244的第二入光面244a與第一光學表面244b之夾角，則入射至第二稜鏡244的不可見光束232可直接地傳遞至濾光膜246上，而不須經由第二全反射面244c之反射。

在另一實施例中，請參考圖4，亦可以用合光元件240’來取代上述合光元件240(如圖3所繪示)。合光元件240’與合光元件240類似，而兩者的差異如下所述。合光元件240’可更包括一第三稜鏡248，其配置於第一全反射面242b與濾光膜246之間，並具有一第二光學表面248a與一第一出光面248b。濾光膜246連接第一光學表面244b與第一出光面248b，而第二光學表面248a與第一全反射面242b之間保持有一間隙248c，其中間隙248c類似於上述之間隙242c，相關說明不再重述。來自第一全反射面 242b的影像光束214會依序穿透第二光學表面248a與第一出光面248b而傳遞至濾光膜246。在此架構下之濾光膜246與第一全反射面242b可以是不平行，如此濾光膜246的擺設角度便可以是特別針對不可見光束232的傳遞路徑而設計，以將不可見光束232反射至第一成像鏡頭282。另外，光均勻化元件230b的出光端230b’至第一成像鏡頭282的光路徑長可以設計得近似或相等於光閥220至第一成像鏡頭282的光路徑長，如此可提升不可見光束232的照明效果及均勻度。

請再參考圖2，分光元件250使影像光束214及至少部分不可見光束232傳遞至物側，而位於物側的一物體60會將部分不可見光束232反射，以形成一傳遞回分光元件250的物體光束234。在本實施例中，物體光束234例如是一紅外光束。然而，在其他實施例中，物體光束234亦可以是其他波段的不可見光束。分光元件250例如是一部分穿透部分反射器，其能夠反射部分不可見光，並能夠讓部分不可見光穿透，但能夠讓可見光穿透。在本實施例中，分光元件250例如是一能夠反射一半的紅外光，且能夠讓另一半的紅外光穿透的半穿透半反射鏡(Half pass filter)。來自合光元件240的影像光束214會穿透部分穿透部分反射器而傳遞至物側，而部分不可見光束232會穿透部分穿透部分反射器而傳遞至物側。另外，來自物側的部分物體光束234會被部分穿透部分反射器反射至光偵測器260。

在本實施例中，影像投影及偵測裝置200更包括一第 一成像鏡頭282，其配置於影像光束214與不可見光束232的傳遞路徑上，並位於分光元件250與合光元件240之間。具體而言，第一成像鏡頭282可針對影像光束214的波長、光錐角度及光閥220的尺寸來設計，而使得影像投影及偵測裝置200在進行影像投影時，可依使用者的需求而做最佳化的設計，並使其具有較佳的顯示品質。

另外，影像投影及偵測裝置200更包括一第二成像鏡頭284，其配置於影像光束214、至少部分不可見光束232及至少部分物體光束234的傳遞路徑上，並位於分光元件250與物側之間。第二成像鏡頭284係為影像投影及偵測裝置200進行影像投影或影像偵測時的共用鏡頭。舉例來說，當影像投影及偵測裝置200進行影像投影時，來自光閥的影像光束214會依序通過合光元件240、第一成像鏡頭282、分光元件250以及第二成像鏡頭284，而最後被第二成像鏡頭284投影至物側的一屏幕70上以形成影像畫面。

在本實施例中，影像投影及偵測裝置200更包括一第三成像鏡頭286，其配置於至少部分物體光束234的傳遞路徑上，並位於分光元件250與光偵測器260之間。當影像投影及偵測裝置200在進行影像偵測時，來自物側之物體60的至少部分物體光束234會依序穿透第二成像鏡頭284，被分光元件250反射及穿透第三成像鏡頭286而傳遞至光偵測器260。具體而言，第三成像鏡頭286可針對不可見光束232的波長、光偵測器260的尺寸以及偵測物體 光束234的光錐角度來設計，使得影像投影及感測裝置200在感測影像時具有較佳的感測品質。光偵測器260例如是一電荷耦合元件或一互補金氧半導體感測元件。另外，在本實施例中，影像投影及偵測裝置200可同時進行影像投影及影像偵測，而物體60例如為使用者的手指。當手指移動至屏幕70上之影像畫面中的任意位置時，光偵測器260便能夠感測到手指的影像。手指影像之訊號可傳遞至與影像投影及偵測裝置200電性連接的電腦，電腦便能夠判讀出手指影像相對於影像畫面的位置。如此一來，使用者便能夠藉由將手指移動至屏幕70上的特定位置來操作電腦。屏幕70例如是透光桌面上的經霧化的平面結構，影像投影及偵測裝置200則將影像畫面投影至透光桌面上，而使用者可藉由手指移動到桌面上的特定位置來操作電腦。

由於本實施例之影像投影及偵測裝置200採用合光元件240及分光元件250來進行合光與分光，因此影像光束214及不可見光束232可共用合光元件240與分光元件250之間的傳遞路徑，而影像光束214、不可見光束232與物體光束234可共用分光元件250至物側的傳遞路徑，因此影像投影及偵測裝置200中之各元件的空間利用率較佳，所以影像投影及偵測裝置200的體積可以有效地被縮小。

此外，在本實施之影像投影及偵測裝置200中，由於不可見光束232與影像光束214是循著相同的傳遞路徑傳遞至物側，且同樣是受到第一成像鏡頭282與第二成像鏡頭284折射作用，因此不可見光束232可均勻地照射於屏幕70上。此外， 再加上物體光束234與不可見光束232在分光元件250與物側之間的傳遞方向相反且傳遞路徑重疊，且物體光束234與不可見光束232同樣是受到第二成像鏡頭284的折射作用，所以光偵測器260在屏幕70上偵測到的亮度是均勻的，因此影像投影及偵測裝置200僅須藉由單一個光偵測器260利用一個增益值來偵測物體光束234即可。如此一來，便不會像習知影像投影及偵測裝置那樣須具有多個光偵測器，因此本實施例之影像投影及偵測裝置200能夠進一步地具有較小的體積。

第二實施例

圖5繪示圖2之影像投影及偵測裝置中之合光元件的另一種變化。換言之，上述之合光元件240也可以是用下述之合光元件270來取代。請參考圖5，合光元件270包括一第一稜鏡272、一第二稜鏡274以及一濾光膜276。在本實施例中，第一稜鏡272具有一第一全反射面272a與一第一出光面272b。具體而言，來自照明系統210的照明光束212可通過第一全反射面272a而傳遞至光閥220，而來自光閥220的影像光束214可被第一全反射面272a全反射而穿透第一出光面272b。另外，第二稜鏡274具有一第一入光面274a與一第二入光面274b，其中第一出光面272b與第一入光面274a互相面對。

濾光膜276配置於第一出光面272b與第一入光面274a之間，並連接第一稜鏡272與第二稜鏡274。來自第一出光面272b的影像光束214可依序穿透濾光膜276及第一入光面274a而傳遞至分光元件250，而來自不可見光發 射系統230的不可見光束232可經由第二入光面274b進入第二稜鏡274中，然後被濾光膜276反射至分光元件250。

另外，第二稜鏡274更具有一第二出光面274c。來自第二入光面274b的不可見光束232可被第二出光面274c全反射至濾光膜276，而來自濾光膜276的不可見光束232可穿透第二出光面274c而傳遞至分光元件250。再者，來自第一入光面274a的影像光束214可穿透第二出光面274c而傳遞至分光元件250。

在本實施例中，合光元件270更包括一第三稜鏡278以及一第四稜鏡279。第三稜鏡278配置於照明光束212的傳遞路徑上，並位於照明系統210與第一稜鏡272之間。具體而言，第三稜鏡278具有一第三入光面278a與一第三出光面278b，其中第三出光面278b與第一全反射面272a之間保持有一第一間隙278c。第一間隙278c例如是一空氣間隙。然而，在其他實施例中，第一間隙278c亦可以是其他氣體之間隙或真空間隙。另外，來自照明系統210的照明光束212會依序穿透第三入光面278a、第三出光面278b及第一全反射面272a而傳遞至光閥220，如圖5所示。

另外，第四稜鏡279配置於影像光束214與不可見光束232的傳遞路徑上，並位於第二稜鏡274與分光元件250之間。在本實施例中，第四稜鏡279具有一第四入光面279a與一第四出光面279b，其中第二出光面274c與第四入光面279a之間保持有一第二間隙279c。第二間隙279c例如是一空氣間隙，然而，在其他實施例中，第二間隙279c 亦可以是其他氣體之間隙或真空間隙。另外，來自第二出光面274c的不可見光束232及影像光束214會依序穿透第四入光面279a及第四出光面279b而傳遞至分光元件250。

換言之，上述影像投影及偵測裝置200中的合光元件240若以本實施例之合光元件270取代，同樣地可使影像光束214以及不可見光束232在合光元件270至分光元件250之間共用相同的傳遞路徑。

第三實施例

圖6為本發明第三實施例之影像投影及偵測裝置300的結構示意圖，而圖7為本發明第三實施例之另一影像投影及偵測裝置300’的結構示意圖。請參考圖6，本實施例之影像投影及偵測裝置300與上述影像投影及偵測裝置200(如圖2所繪示)結構相似，而二者之不同處如下所述。在影像投影及偵測裝置300中，照明系統210’所提供的照明光束212’具有一第一偏振方向D1，因此影像光束214’亦會具有第一偏振方向D1。此外，不可見光發射系統230’所提供的不可見光束232’亦具有第一偏振方向D1。

分光元件250’例如是一偏振分光器，讓具有第一偏振方向D1的照明光束212’及不可見光束232’傳遞至物側。在本實施例中，第一偏振方向D1例如為P偏振方向，而分光元件250’讓具有第一偏振方向D1的照明光束212’及不可見光束232’通過而傳遞至物側。影像投影及偵測裝置300更包括了一波片290，在本實施例中例如為一四分之一波片，其配置於影像光束214’、不可見光束232’及物體光 束234’的傳遞路徑上，並位於分光元件250’與物側之間。來自物側之物體60的物體光束234’在穿透波片290後會具有一第二偏振方向D2，而第二偏振方向D2實質上垂直於第一偏振方向D1。在本實施例中，第二偏振方向D2例如為S偏振方向。分光元件250’讓具有第二偏振方向D2的物體光束234’傳遞至光偵測器260，在本實施例中，分光元件250’亦即是將具有第二偏振方向D2的物體光束234’反射至光偵測器260。

值得注意的是，本發明並不限定第一偏振方向D1與第二偏振方向D2分別為P偏振方向與S偏振方向，在其他實施例中，第一偏振方向D1與第二偏振方向D2亦可以分別為S偏振方向與P偏振方向，或者分別為其他兩種不同的偏振方向。

本實施例之影像投影及偵測裝置300具有與上述影像投影及偵測裝置200(如圖2所繪示)類似的功效，而在此不再重述。

請參考圖7，在影像投影及偵測裝置300’中，分光元件250”為一偏振分光器，其將具有第一偏振方向D1的影像光束214’及不可見光束232’反射至物側，而來自物側的物體光束234’在通過波片290後會具有第二偏振方向D2，並接著穿透分光元件250”而傳遞至光偵測器260。在本實施例中，第一偏振方向D1與第二偏振方向D2分別為P偏振方向與S偏振方向。然而，在其他實施例中，第一偏振方向與第二偏振方向亦可以分別為S偏振方向與P偏 振方向，或者分別為其他兩種不同的偏振方向。影像投影及偵測裝置300’具有與影像投影及偵測裝置300(如圖6所繪示)相同的優點與功效，在此不再重述。

需要注意的是，圖6與圖7所繪示之不可見光發射系統230係採用如圖3所示之不可見光發射系統230’，當然，在其他實施例中，不可見光發射系統230’亦可以是如圖2所繪示之不可見光發射系統230，圖6與圖7僅為舉例說明，非限於此。同樣地，圖6與圖7所繪示之合光元件240也可以是採用如圖5所繪示之合光元件270。

綜上所述，在本發明之實施例的影像投影及偵測裝置中，首先，透過藉由合光元件及分光元件來對影像光束及不可見光束進行合光與分光，使影像光束及不可見光束可共用合光元件與分光元件之間的傳遞路徑，以及使影像光束、不可見光束與物體光束可共用分光元件至物側的傳遞路徑，進而可提升影像投影及偵測裝置中之各元件的空間利用率，如此一來，影像投影及偵測裝置的體積將可有效地被縮小。

另外，由於不可見光束與影像光束是循著相同的傳遞路徑傳遞至物側，且同樣是受到第一成像鏡頭與第二成像鏡頭折射作用，因此不可見光束可均勻地照射於屏幕上。再者，物體光束與不可見光束在分光元件與物側之間的傳遞方向相反且傳遞路徑重疊，且物體光束與不可見光束同樣是受到第三成像鏡頭的折射作用，所以屏幕在光偵測器上的亮度是均勻的，因此影像投影及偵測裝置僅須藉由單一個光偵測器利用一個增益值來偵測物體光束即可。如此一來，影像投影及偵測裝置便 能更進一步地具有較小的體積。

雖然本發明已以多個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

40、70‧‧‧屏幕

50、60‧‧‧物體

100、200、300、300’‧‧‧影像投影及偵測裝置

110‧‧‧光學引擎

112、214‧‧‧影像光束

120‧‧‧電荷耦合元件

130‧‧‧紅外光發射系統

230、230’‧‧‧不可見光發射系統

132‧‧‧紅外光束

134、234‧‧‧物體光束

210‧‧‧照明系統

212‧‧‧照明光束

220‧‧‧光閥

230a‧‧‧不可見光光源

230b‧‧‧光均勻化元件

230b’‧‧‧出光端

232‧‧‧不可見光束

240、240’、270‧‧‧合光元件

242、272‧‧‧第一稜鏡

242a、274a‧‧‧第一入光面

242b、272a‧‧‧第一全反射面

242c、248c‧‧‧間隙

242d‧‧‧第三光學表面

244、272‧‧‧第二稜鏡

244a、274b‧‧‧第二入光面

244b‧‧‧第一光學表面

244c‧‧‧第二全反射面

246、276‧‧‧濾光膜

248、278‧‧‧第三稜鏡

248a‧‧‧第二光學表面

272b、248b‧‧‧第一出光面

250‧‧‧分光元件

260‧‧‧光偵測器

274c‧‧‧第二出光面

278a‧‧‧第三入光面

278b‧‧‧第三出光面

278c‧‧‧第一間隙

279‧‧‧第四稜鏡

279a‧‧‧第四入光面

279b‧‧‧第四出光面

279c‧‧‧第二間隙

282‧‧‧第一成像鏡頭

284‧‧‧第二成像鏡頭

286‧‧‧第三成像鏡頭

290‧‧‧波片

D1‧‧‧第一偏振方向

D2‧‧‧第二偏振方向

圖1為一種習知影像投影及偵測裝置的結構示意圖。

圖2為本發明第一實施例之影像投影及偵測裝置的結構示意圖。

圖3為圖2所繪示之另一種實施形態的不可見光發射系統的示意圖。

圖4為圖2所繪示之另一種實施形態的合光元件的示意圖。

圖5繪示圖2之影像投影及偵測裝置中之合光元件的另一種變化。

圖6本發明第三實施例之影像投影及偵測裝置的結構示意圖。

圖7本發明第三實施例之另一影像投影及偵測裝置的結構示意圖。

60‧‧‧物體

70‧‧‧屏幕

200‧‧‧影像投影及偵測裝置

210‧‧‧照明系統

212‧‧‧照明光束

214‧‧‧影像光束

216‧‧‧燈源

218‧‧‧光均勻化元件

220‧‧‧光閥

230‧‧‧不可見光發射系統

232‧‧‧不可見光束

234‧‧‧物體光束

240‧‧‧合光元件

242‧‧‧第一稜鏡

242a‧‧‧第一入光面

242b‧‧‧第一全反射面

242c‧‧‧間隙

244‧‧‧第二稜鏡

244a‧‧‧第二入光面

244b‧‧‧第一光學表面

244c‧‧‧第二全反射面

246‧‧‧濾光膜

250‧‧‧分光元件

260‧‧‧光偵測器

282‧‧‧第一成像鏡頭

284‧‧‧第二成像鏡頭

286‧‧‧第三成像鏡頭

Claims (20)

1. 一種影像投影及偵測裝置，包括：一照明系統，適於提供一照明光束，其中該照明光束為一可見光束；一光閥，配置於該照明光束的傳遞路徑上，並適於將該照明光束轉換成一影像光束；一不可見光發射系統，適於提供一不可見光束，其中該不可見光束為一紅外光束；一合光元件，配置於該照明光束、該影像光束與該不可見光束的傳遞路徑上，其中該合光元件適於使來自該照明系統的該照明光束傳遞至該光閥；一分光元件，其中該合光元件適於使該影像光束及該不可見光束傳遞至該分光元件，且該分光元件適於使該影像光束及至少部分該不可見光束傳遞至一物側，位於該物側的一物體會將該至少部分不可見光束反射，以形成一傳遞回該分光元件的物體光束；以及一光偵測器，其中該分光元件適於使來自該物體的至少部分該物體光束傳遞至該光偵測器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之影像投影及偵測裝置，更包括一第一成像鏡頭，配置於該影像光束與該不可見光束的傳遞路徑上，並位於該分光元件與該合光元件之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之影像投影及偵測裝置，更包括一第二成像鏡頭，配置於該影像光束、該至少 部分不可見光束及該至少部分物體光束的傳遞路徑上，並位於該分光元件與該物側之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之影像投影及偵測裝置，更包括一第三成像鏡頭，配置於該至少部分物體光束的傳遞路徑上，並位於該分光元件與該光偵測器之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之影像投影及偵測裝置，其中該合光元件包括：一第一稜鏡，具有一第一入光面以及一第一全反射面，其中來自該照明系統的該照明光束會經由該第一入光面進入該第一稜鏡中，並被該第一全反射面全反射至該光閥；一第二稜鏡，具有一第二入光面以及一第一光學表面，其中該第一全反射面與該第一光學表面之間保持有一第一間隙；以及一濾光膜，配置於該第一光學表面上，其中來自該光閥的該影像光束會穿透該第一全反射面、該濾光膜及該第一光學表面而傳遞至該分光元件，而來自該不可見光發射系統的該不可見光束會經由該第二入光面進入該第二稜鏡中，然後被該濾光膜反射至該分光元件。
6. 如申請專利範圍第5項所述之影像投影及偵測裝置，其中該第二稜鏡更具有一第二全反射面，而來自該第二入光面之該不可見光束會被該第二全反射面全反射至該濾光膜。
7. 如申請專利範圍第5項所述之影像投影及偵測裝 置，其中該合光元件更包括一第三稜鏡，配置於該第一全反射面與該濾光膜之間，並具有一第二光學表面與一第一出光面，其中該濾光膜連接該第一光學表面與該第一出光面，而該第二光學表面與該第一全反射面之間保持有一第二間隙，來自該第一全反射面的該影像光束會穿透該第二光學表面與該第一出光面而傳遞至該濾光膜。
8. 如申請專利範圍第1項所述之影像投影及偵測裝置，其中該合光元件包括：一第一稜鏡，具有一第一全反射面與一第一出光面，其中來自該照明系統的該照明光束會通過該第一全反射面而傳遞至該光閥，而來自該光閥的該影像光束會被該第一全反射面全反射而穿透該第一出光面；一第二稜鏡，具有一第一入光面與一第二入光面，其中該第一出光面與該第一入光面互相面對；以及一濾光膜，配置於該第一出光面與該第一入光面之間，並連接該第一稜鏡與該第二稜鏡，其中來自該第一出光面的該影像光束會穿透該濾光膜及該第一入光面而傳遞至該分光元件，而來自該不可見光發射系統的該不可見光束會經由該第二入光面進入該第二稜鏡中，然後被該濾光膜反射至該分光元件。
9. 如申請專利範圍第8項所述之影像投影及偵測裝置，其中該第二稜鏡更具有一第二出光面，來自該第二入光面的該不可見光束會被該第二出光面全反射至該濾光膜，來自該濾光膜的該不可見光束會穿透該第二出光面而 傳遞至該分光元件，而來自該第一入光面的該影像光束會穿透該第二出光面而傳遞至該分光元件。
10. 如申請專利範圍第9項所述之影像投影及偵測裝置，其中該合光元件更包括：一第三稜鏡，配置於該照明光束的傳遞路徑上，並位於該照明系統與該第一稜鏡之間，其中該第三稜鏡具有一第三入光面與一第三出光面，該第三出光面與該第一全反射面之間保持有一第一間隙，來自該照明系統的該照明光束會穿透該第三入光面、該第三出光面及該第一全反射面而傳遞至該光閥；以及一第四稜鏡，配置於該影像光束與該不可見光束的傳遞路徑上，並位於該第二稜鏡與該分光元件之間，其中該第四稜鏡具有一第四入光面與一第四出光面，該第二出光面與該第四入光面之間保持有一第二間隙，來自該第二出光面的該不可見光束及該影像光束會穿透該第四入光面及該第四出光面而傳遞至該分光元件。
11. 如申請專利範圍第1項所述之影像投影及偵測裝置，其中該物體光束為一紅外光束。
12. 如申請專利範圍第1項所述之影像投影及偵測裝置，其中該分光元件為一部分穿透部分反射器，來自該合光元件的該影像光束會穿透該部分穿透部分反射器而傳遞至該物側，部分該不可見光束會穿透該部分穿透部分反射器而傳遞至該物側，而部分該物體光束會被該部分穿透部分反射器反射至該光偵測器。
13. 如申請專利範圍第1項所述之影像投影及偵測裝置，更包括一波片，配置於該影像光束、該不可見光束及該物體光束的傳遞路徑上，並位於該分光元件與該物側之間，其中該照明系統所提供的該照明光束及該不可見光發射系統所提供的該不可見光束各自具有一第一偏振方向，而該分光元件為一偏振分光器，讓具有該第一偏振方向的該照明光束及該不可見光束傳遞至該物側，該物體光束在穿透該波片後會具有一第二偏振方向，而該偏振分光器讓具有該第二偏振方向的該物體光束傳遞至該光偵測器。
14. 如申請專利範圍第13項所述之影像投影及偵測裝置，其中該第一偏振方向實質上垂直於該第二偏振方向。
15. 如申請專利範圍第13項所述之影像投影及偵測裝置，其中該波片為一四分之一波片。
16. 如申請專利範圍第13項所述之影像投影及偵測裝置，其中具有該第一偏振方向的該照明光束及該不可見光束會穿透該偏振分光器而傳遞至該物側，而具有該第二偏振方向的該物體光束會被該偏振分光器反射至該光偵測器。
17. 如申請專利範圍第13項所述之影像投影及偵測裝置，其中具有該第一偏振方向的該照明光束及該不可見光束會被該偏振分光器反射至該物側，而具有該第二偏振方向的該物體光束會穿透該偏振分光器而傳遞至該光偵測器。
18. 如申請專利範圍第1項所述之影像投影及偵測裝 置，其中該不可見光發射系統包括一不可見光光源以及一光均勻化元件，其中該不可見光光源適於提供該不可見光束，而該光均勻化元件配置於該不可見光束的傳遞路徑上，並位於該不可見光光源與該合光元件之間。
19. 如申請專利範圍第18項所述之影像投影及偵測裝置，其中該光均勻元件為一光積分柱或一透鏡陣列。
20. 如申請專利範圍第1項所述之影像投影及偵測裝置，其中該不可見光發射系統為多個呈陣列配置的發光二極體或一有機發光二極體。