TWI585459B - 影像投影機及光學組件 - Google Patents

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TWI585459B TW104129209A TW104129209A TWI585459B TW I585459 B TWI585459 B TW I585459B TW 104129209 A TW104129209 A TW 104129209A TW 104129209 A TW104129209 A TW 104129209A TW I585459 B TWI585459 B TW I585459B
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Description

影像投影機及光學組件
本發明係關於影像投影機及包括影像投影機的光學組件，適用於抬頭顯示器，以及，配置成實現減少斑點及莫瑞波紋(morié)。
在投影組件中，投射至投影屏幕的光會造成斑點，而降低投射的影像之解析度。舉例而言，在包括抬頭顯示器的投影組件中，同調光投射至抬頭顯示器上，以致於投射影像呈現於抬頭顯示器上。
在包括抬頭顯示器的投影組件中，抬頭顯示器典型上以透明屏幕的形式設置(例如汽車的擋風玻璃)；同調光投射至透明屏幕上，以致於虛擬影像在屏幕外的某點是可見的。透明屏幕的表面絕非完美平滑的；因此，當同調光投射至透明屏幕上時，透明屏幕將隨機地漫射同調光，因而產生會造成降低虛擬影像的解析度之斑點之隨機干擾。
為了解決發生在包括抬頭顯示器的光學組件中的斑點問題，已知提供微透鏡陣列形式(或是微鏡陣列形式)的 抬頭顯示器。微透鏡陣列中各透鏡的表面完美地平滑，因此，其將不會隨機地漫射其收到的同調光；因而不會產生隨機干擾或斑點。但是當同調光投射至微透鏡陣列時，微透鏡陣列將造成稱為莫瑞波紋的規律繞射及規律干擾。莫瑞波紋在虛擬影像中呈現強度變異；因此，莫瑞波紋有損投射影像的品質。
先前技術中很多解決之道是專門克服斑點或莫瑞波紋的問題，但是，沒有任何解決之道提供克服此二問題的單一適當解決之道。美國專利US20040257664揭示斑點解決之道，但是，由於系統未配置成在眾多光束之間產生角度，而此角度係藉由使第二光束的干涉最大值在第一光束的干涉最大值之間適配以允許第一光束的干涉由第二光束的干涉平均，因此，此解決之道無法有效降低莫瑞波紋。
先前技術的其它解決之道是使用去莫瑞波紋濾波器或是去假象濾波器，但是，這些解決之道未提供適當的斑點減少之機構；此外，這些解決之道無法將例如微透鏡陣列等斑點減少機構併入，這是因為它們投射偏振光，且由於微透鏡的斑點或莫瑞波紋圖案對於偏振的二正交取向都是相同的，所以，微透鏡陣列無法降低偏振光中的斑點。
本發明的目的是減輕或緩和至少某些上述問題。
根據本發明的態樣，提供影像投影機，包括：光源，用於提供光束；MEMS鏡，配置成可以接收光束，以及， 圍繞至少一振盪軸振盪以掃描該光束；一或多個多光束產生器，一或多個多光束產生器中的各多光束產生器均包括：配置成接收MEMS鏡反射的光束之平面分光器、以及接收透射平面分光器的部份光束之平面反射器，以致於一或多個多光束產生器中的各多光束產生器都可以產生多光束，其中，平面分光器及平面反射器配置成平行的；以及，聚焦透鏡，配置成接收一或多個多光束產生器產生的多光束，其中，在一或多個多光束產生器中的各多光束產生器中，平面分光器與平面反射器之間的距離(h)使得平面分光器與平面反射器之間的光學距離(OD)大於或等於光束的同調長度的一半。
較佳地，光束是準直光束。較佳地，光源配置成提供準直光束。
一或多個多光束產生器包括平面分光器元件、及平面反射器元件，平面分光器元件界定平面分光器，平面反射器元件界定平面反射器，平面分光器元件及平面反射器元件配置成平行以及相間隔以致於在平面分光器元件與平面反射器元件之間有氣隙，以及，其中，光學距離(OD)定義如下： 其中，「t」是平面分光器元件的厚度，「θi」是平面分光器元件上光束的入射角，「n1」是光束在入射於平面分光 器元件之前通過的材料之折射率，「n」是平面分光器元件的折射率，「h」是平面分光器元件與平面反射器元件之間的距離，「n3」是氣隙中空氣的折射率。
一或多個多光束產生器包括透明材料區、以及界定平面分光器之該區的第一表面上的半反射材料的平面塗層、以及界定平面反射器之該區的第二相對表面上所提供的反射材料的平面塗層，其中，光學距離(OD)定義如下： 其中，h是半反射材料的塗層與反射材料的塗層之間的距離，以及，θ 2是 其中，「θi」是半反射材料的平面塗層上光束的入射角(AOI)，，「n1」是光束在入射於半反射材料的平面塗層上之前通過的材料之折射率，「n」是半反射材料的平面塗層的折射率。
影像投影機包括多個配置成光通訊之多光束產生器，以及，其中，多個多光束產生器中的各多光束產生器之平面分光器及平面反射器設於、或是配置成平行於不同取向的平面。
平面分光器配置成具有40%反射對60%透射之分光比。較佳地，平面分光器配置成具有45%反射及55%透射之分光比。
平面分光器配置成使得透射過平面分光器且由平面反 射器反射之部份光束會直接通至聚焦透鏡，而不會通過平面分光器。舉例而言，平面分光器的位置偏離平面反射器的位置，以致於平面分光器未完全地重疊平面反射器。或者，平面分光器比平面反射器具有更小的尺寸，以致於平面分光器未完全地重疊平面反射器。偏離定位及較小尺寸等二者的結合也是可能的。
根據本發明的態樣，提供光學組件，包括：根據任一申請專利範圍請求項的影像投影機；以及配置成接收通過聚焦透鏡的光之屏幕，其中，屏幕配置成漫射其接收的光；以及，配置成接收屏幕漫射的光之抬頭顯示器。
屏幕較佳的是漫射器；屏幕可為微透鏡陣列、微鏡陣列、或是白板。
較佳地，影像投影機設置成使得影像投影機的聚焦透鏡位於離屏幕之距離等於聚焦透鏡的焦距。
光學組件配置成具有的數值孔徑大於觀看者的數值孔徑。較佳地，光學組件配置成具有的數值孔徑大於代表觀看者的數值孔徑的預定數值孔徑。最較佳地，光學組件配置成具有大於0.016的數值孔徑。光學組件的數值孔徑定義為(d/2)/(F.M)，其中，M是抬頭顯示器的倍率，F是聚焦透鏡的焦距，以及，d是從多光束產生器輸出且多光束在入射於聚焦透鏡之前的二連續多光束之間的距離。
光學組件配置成使得「d」滿足下述條件： d=2(t tan θ 2+h tan θ 3)cos θ i 其中，「t」是平面分光器元件的厚度，「θi」是平面分光器元件上光束的入射角，「n1」是光束在入射於平面分光器之前通過的材料之折射率，「n」是平面分光器的折射率，「h」是平面分光器與平面反射器之間的距離，「n3」是佔據平面分光器與平面反射器之間的空間之材料的折射率。舉例而言：「t」是平面分光器元件的厚度，「θi」是平面分光器元件上光束的入射角(AOI)，「n1」是光束在入射於平面分光器元件之前通過的材料之折射率(例如，「n1」可為空氣的折射率)，「n」是平面分光器元件的折射率，「h」是平面分光器元件與平面反射器元件之間的距離，「n3」是佔據平面分光器元件與平面反射器元件之間的空間之材料的折射率(例如，「n3」是空氣的折射率)。
光學組件可配置成使得「d」滿足下述條件： 其中，「h」是平面分光器與平面反射器之間的距離，n是平面分光器與平面光反射器之間的材料折射率「θi」是半反射材料元件上光束的入射角。舉例而言，「h」是設於透明區的表面上半反射材料的塗層與設於透明區的相對表面上的反射材料的塗層之間的距離，n是透明區的折射 率，θi是半反射材料的塗層上光束的入射角。
光學組件可以配置成使得「d」滿足下述條件： 其中，F是聚焦透鏡的焦距，k是整數，是多光束產生器的級，以及，θ P等於下述： 其中，λ是光束的波長以及「P」是微透鏡陣列的間距。
k可為任何整數：0,1,2,3,4,...，其應較佳地被選擇成其會使OD大於或等於同調光束的同調光的一半。其也可被選擇成確保OD大於或等於光束中使用的所有波長λ之同調光束的同調長度的一半(舉例而言，其中，h=5.12，選擇k=4,5,6分別用於紅、綠、藍光)。
光學組件配置成平面分光器與平面反射器之間的距離「h」等於： 其中，「n」是平面分光器與平面反射器之間的材料的折射率，θi是平面分光器上光束的入射角，「d」是從多光束產生器輸出的且多光束在入射於聚焦透鏡之前的二連續多光束之間的距離。
較佳地，平面分光器與平面反射器之間的距離「h」是在0.5mm與10mm之間。更較佳地，平面分光器與平面反射器之間的距離「h」是在3mm-4mm之間。
屏幕包括微透鏡陣列。微透鏡陣列包括不同尺寸的微 透鏡，以致於微透鏡陣列在微透鏡陣列中具有眾多不同的微透鏡間的間距長度。
屏幕包括微鏡陣列。微鏡陣列包括不同尺寸的微鏡，以致於微鏡陣列具有眾多不同的微鏡間的間距長度。在連續的微透鏡或微鏡之間的間距(P)可以等於：P=(Peff/cos Θscan)其中，Peff是預定的有效間距值，以及，θscan是來自於投影裝置的光入射於微透鏡或微鏡上的入射角。典型地，預定的有效間距值將是使用者希望當掃描光入射於微透鏡/微鏡陣列上時掃描光遭遇到的間距值。由於P延著掃描角而變(亦即，微透鏡或微鏡的尺寸會變化(取決於掃描方向而增加或降低)，所以，在整個掃描角，Peff維持不變在預定值。
在連續微透鏡、或微鏡之間的間距(P)等於： 其中，k是整數，是多光束產生器的級，θi是平面分光器的光束入射角，F是準直透鏡的焦距，λ是光束的波長，「h」是平面分光器與平面反射器之間的距離，n是平面分光器與平面反射器之間的材料的折射率。
在另外的實施例中，來自光源的獨立紅、綠及藍光束的連續發射是與MEMS鏡的振盪同步，以致於紅、綠及藍光束入射於聚焦透鏡上預定的分別點，以補償色差，確保紅、綠、及藍光由聚焦透鏡聚焦於屏幕上的相同點。較 佳地，紅、綠及藍光束界定像素的紅、綠及藍光顏色；因此，在各光束中的紅、綠及藍光的量與要被投射的像素中的紅、綠及藍光的量成比例。
1‧‧‧光學組件
2‧‧‧影像投影機
3‧‧‧微透鏡陣列
4‧‧‧光源
5‧‧‧光束
6‧‧‧MEMS鏡
8‧‧‧多光束產生器
9‧‧‧平面分光器
10‧‧‧平面反射器
11‧‧‧聚焦透鏡
17‧‧‧像素
20‧‧‧光學組件
21‧‧‧抬頭顯示器
30‧‧‧光學組件
40‧‧‧光學組件
41‧‧‧多光束產生器
42‧‧‧平面分光器塗層
43‧‧‧平面反射塗層
46‧‧‧玻璃塊
50‧‧‧微透鏡陣列
51‧‧‧微透鏡
60‧‧‧光學組件
61‧‧‧多光束產生器
62‧‧‧多光束產生器
64‧‧‧第一平面
65‧‧‧第二平面
80‧‧‧多光束產生器
81‧‧‧玻璃塊
82‧‧‧平面分光器塗層
83‧‧‧平面反射塗層
90‧‧‧平面分光器元件
100‧‧‧平面反射器元件
借助於僅為舉例說明且以圖式顯示之本發明的實施例說明，將可更佳地瞭解本發明，其中：圖1顯示根據本發明的實施例之光學組件的平面圖；圖2顯示根據本發明的另外實施例之光學組件的透視圖；圖3顯示根據本發明的另外實施例之光學組件的透視圖；圖4顯示根據本發明的實施例之光學組件的平面視圖；圖5a提供本發明的光學組件中使用的屏幕之替代配置的前視圖；圖5b說明使用標準微透鏡陣列作為屏幕而產生之問題；圖6提供根據本發明的另外實施例之光學組件的透視圖；圖7顯示覆蓋另一光束的干涉圖案的最小量之光束的干涉圖案的最大量。
圖1顯示根據本發明的實施例之光學組件1的平面視圖。光學組件1包括根據本發明的實施例之影像投影機2、及微透鏡陣列3的形式之屏幕3。微透鏡陣列3包括微透鏡3'的陣列。
應瞭解，屏幕3不侷限於微透鏡陣列；屏幕3可以採取任何適當的形式，舉例而言，屏幕3可以是微鏡陣列或是例如牆面、白板或標準的投影幕等漫射體。此外，在本舉例說明的實施例中，在微透鏡陣列3中的各微透鏡3'是相同尺寸；因此，遍及微透鏡陣列3，在微透鏡陣列3中的微透鏡3'之間的距離「P」是固定的。但是，將如同參考本發明的另一實施例所述般，微透鏡陣列包括具有不同尺寸的微透鏡，以致於遍及整個微透鏡陣列，在微透鏡陣列中的微透鏡之間的間距不同。間距「P」是微透鏡的中心至其鄰近微透鏡的中心之間的距離。
影像投影機2包括：光源4，提供準直光束5；以及，MEMS鏡6，配置成其可接收準直光束5。MEMS鏡6配置成其圍繞二正交振盪軸7a、b振盪，以致於其可在二維度上掃描準直光束5。將瞭解，MEMS鏡6可以配置成圍繞任何數目的振盪軸振盪。舉例而言，MEMS鏡6可配置成圍繞單一振盪軸振盪，以致於其在一維度上掃描準直光束5。在另外的變化中，影像投影機2包括二MEMS鏡，配置成彼此光通訊，MEMS鏡之一配置成圍繞一振盪軸振盪，以及，第二MEMS鏡配置成圍繞與第一振盪軸正交的第二振盪軸振盪，以致於二MEMS鏡可以集體地 在二維度上掃描準直光束5。
影像投影機2又包括多光束產生器8。多光束產生器8包括配置成接收MEMS鏡6反射的準直光束5之平面分光器元件90的形式之平面分光器9。平面分光器元件90反射準直光束5的部份5b以及使準直光束5的另一部份5a透射。平面分光器元件90配置成具有40%的反射對60%的透射之分光比。
多光束產生器8又包括平面反射器元件100(例如鏡子)的形式之平面反射器10，可接收及接著反射透射過平面分光器元件90之準直光束的部份5a。多光束產生器8因而從單一準直光束5產生多光束15a-c。為了清楚起見，在圖3中僅顯示三多光束15a-c，但是，應瞭解，多光束產生器8可以產生任何數目的多光束。
平面分光器元件90及平面反射器元件100配置成平行。平面分光器元件90及平面反射器元件100又配置成使得平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的光學距離大於或等於準直光束5的同調長度的一半(典型地，準直光束5的同調長度將是固定值；但是，準直光束5的同調長度是產生準直光束5的光源4之特性且被給定為光源4的規格的一部份)。光學距離定義如下： 其中，「OD」是光學距離，「t」是平面分光器元件90的 厚度，「θi」是平面分光器元件90上準直光束5(較佳地中央光束)的入射角(AOI)，「n1」是準直光束5在入射於平面分光器元件90之前通過的材料之折射率(例如，在本實例中，準直光束在入射於平面分光器元件90之前通過的材料為空氣，以致於「n1」等於折射率「空氣」)，「n」是平面分光器元件90的折射率，「h」是平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的距離，「n3」是佔據平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的空間13之材料的折射率。在本實例中，在平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的空間13是由「空氣」佔據(亦即，在平面分光器元件90與平面反射器元件100之間有氣隙13)以及準直光束5在入射於平面分光器元件90之前會通過空氣，以致於n1=n3=1，所以，在本實例中，光學路徑定義如下：
雖然圖1中顯示的本實例顯示多光束產生器8包括分別界定平面分光器9及平面反射器的平面分光器元件90及平面反射器元件100，以及由氣隙分開；但是，應瞭解，多光束產生器8可以具有任何其它適當的配置。舉例而言，在另一實施例中，材料區塊，較佳地，具有厚度「h」的透明材料(例如玻璃)佔據空間13。平面分光器9及平面反射器10接合、緊靠、或是形成於材料區塊的相對側上，因而平面分光器9及平面反射器10是固定距 離「h」分開(在此情形中，「h」等於材料區塊的厚度)。在此情形中，光學距離定義如下： 其中，「h」是平面分光器9與平面反射器10之間的距離(亦即，材料區塊的厚度)及θ 2是 其中，「θi」是平面分光器元件90上準直光束5(較佳地中央光束)的入射角(AOI)，「n1」是準直光束5在入射於平面分光器元件90之前通過的材料之折射率(例如，在本實例中，準直光束在入射於平面分光器元件90之前通過的材料為空氣，以致於「n1」等於折射率「空氣」)，「n」是平面分光器元件90的折射率。
舉例而言，在圖1中所示的實施例變異中，多光束產生器包括玻璃塊，在玻璃塊的一表面上具有分光器塗層，而在玻璃塊的第二相對表面上具有反射塗層。在此變異中，分光器塗層界定平面分光器9，反射塗層界定平面反射器10，以及，光學距離定義如下： 其中，「h」是分光器塗層(亦即，平面分光器9)與反射塗層(亦即平面反射器10)之間的距離；換言之，「h」等於玻璃區塊的厚度，以及，θ 2是 其中，「θi」是平面分光器9上準直光束5(較佳地中央光束)的入射角(AOI)，「n1」是準直光束5在入射於平面分光器9之前通過的材料之折射率(例如折射率「空氣」)，「n」是平面分光器9的折射率。影像投影機2又包括聚焦透鏡11，配置成接收從多光束產生器8輸出的多光束15a-c。
影像投影機2配置離微透鏡陣列3的距離「F」等於聚焦透鏡11的焦距。
有利地，在圖1中所示的實施例中，平面分光器9(平面分光器元件90)及平面反射器10(平面反射器元件100)造成準直光束5分裂成多光束15a-c；由於光學距離大於或等於準直光束的同調長度的一半，所以，多光束是「獨立的」；假使在二光束的光學路徑之間的差異大於產生二光束的光源的同調長度時，二光束是「獨立的」。參考圖1中所示的光學組件1，光束15a僅由平面分光器元件90反射，而連續的(或是相鄰的)光束15b由平面分光器元件90透射及由平面反射器元件100反射，以及，再度由平面分光器元件90透射。由於平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的光學距離大於或等於準直光束5的同調長度的一半，所以，光束15b行經的光學距離比光束15a行經的光學距離還多出至少等於光源4的同調長度的量。因此，連續的(亦即，相鄰的)多光束15a及15b是彼此獨立的。其它連續的(亦即相鄰 的)多光束(15c等等)也具有至少相差大於或等於光源4的同調長度之距離的光學路徑。
由於平面分光器9(平面分光器元件90)及平面反射器10(平面反射器元件100)平行配置，所以，接著使用聚焦透鏡11而將多光束15a-c聚焦於微透鏡陣列3上的相同點16，以將投射影像的單一像素17界定於點16。由於準直光束5由多光束產生器8分裂成多個獨立光束15a-c，所以，多個獨立光束15a-c均產生它們自己的斑點及莫瑞圖案；因此，當多光束15a-c聚焦於相同點16上時，多個獨立光束15a-c中的各光束的斑點及莫瑞圖案將在點16重疊並因而將平均；因此，觀看像素17的觀看者可看見的斑點及莫瑞圖案將減少。事實上，在觀視像素17時，觀看者的眼睛會將斑點及莫瑞圖案平均。依此方式，將影像的各像素投射至微透鏡陣列3，以致於投射於微透鏡陣列3上的整個影像上的斑點及莫瑞圖案會減少。
為確保平面分光器9(平面分光器元件90)與平面反射器10(平面反射器元件100)之間的光學距離大於或等於準直光束的同調長度的一半，製造者典型上會計算分光器9上的準直光束5(較佳地，中央光束)的最小入射角「θi」。舉例而言，以下述方式找出最小入射角：當MEMS鏡6靜止時(亦即，MEMS鏡6未振盪)，由MEMS鏡6反射朝向分光器9的準直光束5界定什麼被稱為「中央光束」。應注意，在本實施例中，以及，對於此處所述的各其它實施例，當MEMS鏡6靜止時，其是未 圍繞振盪軸7a、b振盪，且假定當MEMS鏡6靜止時，其將位於振盪振幅的中心；舉例而言，假使MEMS鏡6在±45°之間振盪，則當MEMS鏡6靜止時，其將位於0°。
製造者可以調整及測量分光器9上的中央光束的入射角「θi」。然後，最小入射角等於中央光束的入射角「θi」減掉MEMS鏡掃描準直光束5之最大角度的一半。假使最小入射角的值小於0°，則將0°取為最小入射角。然後，使用上述光學距離「OD」公式以及使用構成多光束產生器之材料的已知折射率，製造者可以調整尺度「t」及「h」，以致於光學距離大於或等於知道的準直光束的同調光長度的一半。
在另一型式的光學組件中，設置眾多不同的光源，用以產生多個獨立的光束15a-c，各光源產生多個獨立光束15a-c中之一。由於各光束將來自不同的光源，所以，多光束15a-c將是「獨立的」。舉例而言，第一光源可用以產生光束15a，第二光源可用以產生光束15b，第三光源可用以產生光束15c。在此變異中，不需要平面分光器9及平面反射器10；以及，光學組件配置成第一、第二及第三光源產生分別的光束15a-c，它們直接通至聚焦透鏡11。
圖2顯示根據本發明的另外實施例之光學組件20的透視圖。光學組件包括很多與圖1中所示的光學組件1相同的特點，類似的特點以相同的代號表示。
光學組件20又包括抬頭顯示器21，配置成接收來自 微透鏡陣列3的光。抬頭顯示器21配置成離微透鏡陣列3一距離「L」，其中，L等於：(Ze-z)/M其中，Ze是離預定位置之距離，其中，光學組件20投射虛擬影像22至觀看者應看到虛擬影像22之預定位置，「z」是在抬頭顯示器21與觀看者應看到虛擬影像22的預定位置之間的距離，「M」是抬頭顯示器21的倍率。由聚焦透鏡11聚焦於微透鏡陣列3上的多光束15a-c會被微透鏡陣列3漫射。被漫射的光23通過抬頭顯示器21而投射虛影像22於超出抬頭顯示器21的位置。虛擬影像22將是與被投射至微透鏡陣列3上的影像相同的影像，但是，當虛擬影像22由抬頭顯示器21放大(或縮小)時，虛擬影像可以更大(或更小)。
光學組件20配置成其具有的數值孔徑大於正觀看虛擬影像22之觀看者27的數值孔徑。較佳地，光學組件20配置成其具有的數值孔徑大於代表觀看者的數值孔徑之預定的數值孔徑；預定的數值孔徑通常是0.016。0.016是在離觀看者300mm或更遠之虛擬影像位置處，瞳孔尺寸在1至10mm之間的觀看者之最大數值孔徑。
光學組件20的數值孔徑定義如下：(d/2)/(F.M)其中，M是抬頭顯示器21的倍率，F是聚焦透鏡11的焦距，以及，「d」是從多光束產生器8輸出且在入射於聚焦透鏡11之前測得的二連續(亦即，二相鄰的)多光束 15a-c之間的距離且以等式表示如下：d=2(t tan θ 2+h tan θ 3)cos θ i 其中，「t」是平面分光器元件90的厚度，「θi」是平面分光器元件90上準直光束5(較佳中央光束)的入射角(AOI)，「n1」是準直光束5在入射於平面分光器元件90之前通過的材料之折射率(在本實例中為折射率「空氣」)，「n」是平面分光器元件90的折射率，「h」是平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的距離，「n3」是佔據平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的空間13之材料的折射率(在本實例中為折射率「空氣」)。
在圖2中所示之較佳的實施例變異中，「d」較佳地滿足下述等式： 其中，θ P等於： 其中，λ是準直光束5的波長，以及，「P」是微透鏡陣列3的間距，其為微透鏡陣列3中的微透鏡中心至相鄰微透鏡的中心之距離，k是界定多光束產生器8的級的整數，以及，θ P是在多光束15a-c中之一的干涉最大量 (或最小量)之間的角度分離；這意指第一光束15a的連續干涉最大量將發生於0 θ P、1 θ P、2 θ P、3 θ P...等等。為了多光束15a-c(例如第二光束15b)中之另一光束的干涉圖案的最大量重疊第一光束15a的干涉圖案之最小量，其干涉圖案的最大量必須在第一光束15a的干涉圖案的二連續最大量之間適配；因此，第二光束15b的干涉圖案的最大量必須發生在θ=θ P/2、1.5 θ P、2.5 θ P、3.5 θ P、...等等。
因此，使用條件θ=θ P/2、1.5 θ P、2.5 θ P、3.5 θ P、...等等之「d」的計算產生d=Ftan(Θ)=Ftan(Θ p /2)。
由於干涉是週期性的，所以，此等式對於每一奇整數(2k+1)的倍數也為真，以致於：d=Ftan[(2k+1)Θ p /2]。
有利的是，當滿足用於「d」的此條件時，又進一步增加莫瑞圖案的減少。
在分光器90上的準直光束5(較佳地中心光束)的入射角(AOI)「θ i」是在準直光束5與平面分光器元件90的平面9a之垂直向量之間的角度。較佳地，AOI是在中央光束與平面分光器元件90的平面9a之垂直向量之間的角度，其中，當MEMS鏡6靜止時(亦即，未圍繞振盪軸7a,b振盪，換言之，當MEM鏡6未被致動時)，中央光束是被反射朝向平面9a的光束。舉例而言，可以使用中央光束以作計算而找出用於平面分光器元件90的 厚度「t」以及用於平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的距離「h」之適當的尺度，以確保平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的「OD」大於或等於準直光束5的同調長度一半以及光學組件20的數值孔徑大於觀看者27的數值孔徑。
藉由測量當MEMS鏡靜止時投射於分光器9上的準直光束5與平面分光器元件90的表面9a的法向量之間的角度，而找出中央光束。平面分光器的折射率(n)是典型上來自材料資料表的已知值。然後，選擇用於「t」及「h」的適當尺度，以致於平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的光學距離「OD」大於或等於準直光束5的同調長度的一半，以及，以致於光學組件20的數值孔徑(亦即，(d/2)/(FM))大於觀看者27的數值孔徑。
觀看者27的數值孔徑由下述定義：(y/2)/(Ze)其中，y是觀看者27的瞳孔尺寸，以及，Ze是離預定位置的距離，其中，光學組件20投射虛擬影像22至預定位置，其中，觀看者將觀看虛擬影像22。瞳孔尺寸取決於各觀看者的面相及週圍光條件且在1至10mm的尺寸之間變化。相對於觀看者27之虛擬影像22的位置/距離較佳地是預定值且等於「Ze=(L.M)+z」，其中，「L」是微透鏡陣列3與抬頭顯示器21之間的距離，「z」是對於觀看者27的眼睛之預定位置與抬頭顯示器21之間的距 離。「L」是使用等式L=(Ze-z)/M而決定的且典型上在1至500mm之間。「z」較佳地為預定值且典型上在500至1200nm之間。在500至1200mm之間的距離是汽車的駕駛人的眼睛與汽車中抬頭顯示器21的位置之間的典型距離。「M」較佳的是預定值，其是虛擬影像22的位置之代表；藉由改變「M」，可以改變虛擬影像22的位置。典型上，用於「M」的預定值是由製造者給定的。
在製造期間，給定用於Ze、z、M及L的固定預定值。抬頭顯示器的倍率M較佳地是在1至20的範圍中。聚焦透鏡的焦距F較佳地在5至1000mm的範圍中，以及，對於d：t及h較佳地在0.1至100mm的範圍中，以及，n較佳地在1至4的範圍中，θ i較佳地在0至89°的範圍中，以致於d較佳地在9.5×10-4mm至55mm的範圍中。
製造者會將平面反射器元件100及平面分光器元件90定位，以取得用於「h」、「d」的適當值，以及將調整微透鏡陣列3的位置及/或影像投影機2的位置以及以具有適當焦距的聚焦透鏡取代聚焦透鏡11，從而達到「F」的適當值，以確保光學組件20具有的數值孔徑大於正觀看虛擬影像22的觀看者27之數值孔徑，以及使得平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的光學距離(OD)大於或等於準直光束5的同調長度的一半。注意，假使微透鏡陣列3的位置及/或影像投影機2的位置移動時，則具有適當焦距的聚焦透鏡是以與微透鏡陣列相 離一距離而定位於影像投影機2與微透鏡陣列3之間的的聚焦透鏡，所述距離是等於聚焦透鏡的焦距「F」。
舉例而言，在正常照明條件下，觀看者27的眼睛可以測量3mm，以致於「y=3mm」。由於對於汽車應用的抬頭顯示器，典型上希望使虛擬影像投射至正好在汽車的前方，所以，希望虛擬影像22是在與觀看者27相距「Ze=2250mm」的距離處，因此，觀看者27的數值孔徑是0.00067。典型上，為了系統堅實，「M」會等於6。為了取得良好的虛擬影像品質，像素密度必須至少60像素/度。這意指虛擬影像尺寸及解析度上的條件。舉例而言，影像具有720p解析度，這意指影像具有1280×720像素。假使從2250mm的距離觀看影像時，必須具有846×473mm的最大尺寸以具有60像素/度的最小值。依據6的倍率，微透鏡陣列3上的影像測量為141×79mm。因此，可調整微透鏡陣列3及/或聚焦透鏡11的位置、及/或以具有適當焦距的聚焦透鏡取代聚焦透鏡11，以取得可確保在微透鏡陣列3上產生小於或等於141×79mm尺寸的影像之F的適當尺寸，否則，虛擬影像22的品質將降低。實際上，其將取決於MEMS鏡6的全光學掃描角度。總是能夠以MEMS鏡投影系統取得恰當的影像尺寸。假使微透鏡陣列3上的影像太小時，以具有適當的焦距之聚焦透鏡來取代聚焦透鏡11，或者移動影像投影機2更遠離微透鏡陣列3直到微透鏡陣列上的影像尺寸小於或等於141×79mm的尺寸。類似地，假使微透鏡陣列3上的影像太 大時，則可將影像投影機2移動更遠離微透鏡陣列3以及以具有適當焦距的聚焦透鏡來取代聚焦透鏡11，直到微透鏡陣列上的影像尺寸小於或等於141×79mm尺寸。一旦找到可提供小於或等於141×79mm尺寸之微透鏡陣列3上的影像尺寸之用於「F」的值時，則接著決定用於平面分光器元件90的厚度「t」之適當值以及用於平面分光器元件90與反射器元件100之間的距離「h」之適當值，以致於在平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的「OD」大於或等於準直光束5的同調長度的一半，以及，光學組件20的數值孔徑大於觀看者27的數值孔徑。典型地，「F=200mm」，以致於「d」必須大於或等於2×F×M×0.00067=1.61mm。
在本實施例中，在平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的空間13由空氣佔據，以及，準直光束5在入射於平面分光器元件90之前會通過空氣以致於n1=n3=1，入射角「θ i」是45°，以及，平面分光器材料是玻璃，以致於「n=1.52」，所以，在本實例中，光學距離定義為：「OD=t/0.885+h/0.707」；選擇用於「t」及「h」的適當值，使得平面分光器元件90與平面反射器元件100之間的光學距離(OD)大於或等於準直光束5的同調長度的一半，舉例而言，在紅光二極體雷射的情形中，準直光束5的同調長度的一半為1mm。從這些數目，可以調整光學組件20中用於「t」及「h」的尺寸，以致於光學組件20的「OD」至少是1mm且「d」是至少1.61 mm。
有利地，在圖2中所示之此光學組件20的實施例中，由於平面分光器元件90與平面反射器元件100平行配置且具有大於準直光束5的同調長度的一半之光學距離，所以，其影像投影機2提供與圖1中所示的光學組件1的影像投影機2相同的減少的斑點及減少的莫瑞圖案之優點。此外，由於光學組件20配置成其具有的數值孔徑大於觀看虛擬影像22的觀看者27之數值孔徑，所以，由眾多獨立的光束15a-c中的各光束產生之斑點圖案彼此分開；這造成進一步降低斑點。
此外，由於在光學組件20中，在從多光束產生器8輸出且在入射於聚焦透鏡11上之前被測得之二連續的(亦即二相鄰的)多光束15a-c之間的距離「d」等於下述：d=2(t tan θ 2+h tan θ 3)cos θ i
由於用於「d」的此條件確保多光束15a-c中至少之一的干涉圖案之最大量更精準地重疊多光束15a-c中至少之另一的干涉圖案之最小量，反之亦然，所以，可以取得更佳的莫瑞圖案減少；實際上，將有很多多光束15a-c以及不同光束之很多干涉圖案的最大量與最小量的更精準重疊。
在實施例中，「d」滿足下述等式： 其中，θ P等於： 其中，λ是準直光束5的波長，以及，「P」是微透鏡陣列3的間距，其為微透鏡陣列3中的微透鏡中心至相鄰微透鏡的中心之距離，k是界定多光束產生器8的級的整數，以及，θ P是在多光束15a-c中之一的干涉最大量之間的角度分離，則有利地取得莫瑞圖案進一步減少。
圖3顯示根據本發明的另一實施例之光學組件30的透視圖。圖3中所示的光學組件30具有很多與圖2中所示的光學組件20的特點相同的特點，類似的特點以相同的代號表示。
但是，與圖2中所示的實施例相對地，光學組件30包括根據本發明的另外實施例之影像投影機2b，其包括多光束產生器80，多光束產生器80在平面分光器9與平面反射器10之間具有玻璃塊81(將瞭解，本發明不侷限於要求玻璃塊；將瞭解，在多光束產生器80中可以使用任何適當的光學透明材料)。平面分光器塗層82設於玻璃塊81的一表面83上，平面反射塗層84設於玻璃塊的第二相對表面85上。平面分光器塗層82包括半反射材料，以及，平面反射塗層84包括反射材料。玻璃塊的相對立表面83、85是平坦的且彼此平行的，以致於平面分光器塗層82及平面反射塗層84是平行及平面的。在本實施例中，平面分光器塗層82界定平面分光器9，平面反射塗層84界定平面反射器10，以及，在平面分光器9(平面分光器塗層82)與平面反射器10(平面反射塗層 84)之間的光學距離定義如下： 其中，h是平面分光器塗層82與平面反射塗層84之間的距離(亦即，玻璃塊81的塊體之厚度「T」)，以及，θ2是 其中，「θi」是平面分光器塗層82上準直光束5(較佳中央光束)的入射角(AOI)，「n1」是準直光束5在入射於平面分光器元件9之前通過的材料之折射率(例如，在本實例中，準直光束5在入射於平面分光器9之前通過的材料是空氣，所以，「n1」等於「空氣」的折射率)，「n」是平面分光器塗層82的折射率。
在本實例中，平面分光器塗層82與平面反射塗層84之間的距離「h」等於下述： 其中，「d」是從多光束產生器80輸出且在入射於聚焦透鏡11之前的二連續(亦即，二相鄰的)多光束(例如15a及15b或是15b及15c)之間的距離，「θi」是平面分光器塗層82上準直光束5(較佳中央光束)的入射角(AOI)，「n」是玻璃塊81的材料之折射率。
舉例而言，光學組件30的製造者可以選擇具有適當厚度「T」的玻璃塊，以致於符合上述用於「h」的條件。
當符合用於「h」的此條件時，由於多光束15a-c中至少之一的干涉圖案之最大量更精準地重疊多光束15a-c中至少之另一的干涉圖案之最小量，反之亦然，所以可取得更好的莫瑞圖案減少；實際上，將有很多多光束15a-c以及不同光束之很多干涉圖案的最大量與最小量的更精準重疊。
光學組件30配置成其具有的數值孔徑大於觀看虛擬影像22的觀看者27的數值孔徑。較佳地，光學組件30配置成其具有的數值孔徑大於代表觀看者的數值孔徑之預定的數值孔徑；預定的數值孔徑值通常是0.016。0.016是在離觀看者300mm或更遠之虛擬影像位置處，瞳孔尺寸在1至10mm之間的觀看者之最大數值孔徑。
光學組件30的數值孔徑定義如下：(d/2)/(F.M)其中，M是抬頭顯示器21的倍率，F是聚焦透鏡11的焦距，以及，「d」是從多光束產生器8輸出且在入射於聚焦透鏡11之前測得的二連續(亦即，二相鄰的)多光束15a-c之間的距離且由等式給定。
光學組件30配置成使得從多光束產生器80輸出且在入射於聚焦透鏡11之前測得的二連續(亦即，二相鄰的)多光束(例如15a及15b或是15b及15c)之間的距離「d」等於下述： 其中，「n」是玻璃塊81的折射率，「θi」是平面分光器 塗層82上準直光束5的入射角(典型地，將θi取為分光器塗層82上中心光束的入射角)，以及，「h」是平面分光器塗層82與平面反射塗層84之間的距離(亦即，「h」等於玻璃塊81的厚度「T」)。
在圖3中所示的實施例之更較佳變異中，光學組件30配置成使得從多光束產生器80輸出且在入射於聚焦透鏡11之前測得的二連續(亦即，二相鄰的)多光束(例如15a及15b或是15b及15c)之間的距離「d」等於下述： 其中，θ P等於： 其中，λ是準直光束5的波長，以及，「P」是微透鏡陣列3的間距，其為微透鏡陣列3中的微透鏡中心至其相鄰的微透鏡的中心之距離，k是界定多光束產生器80的級的整數，以及，θ P是在多光束15a-c中之一的干涉最大量(或最小量)之間的角度分離；這意指第一光束15a的連續干涉最大量將發生於0 θ P、1 θ P、2 θ P、3 θ P...等等。為了多光束15a-c(例如第二光束15b)中之另一光束的干涉圖案的最大量重疊第一光束15a的干涉圖案之最小量，其干涉圖案的最大量必須在第一光束15a的干涉圖案的二連續最大量之間適配；因此，第二光束15b的干涉圖案的最大量必須發生在θ=θ P/2、1.5 θ P、2.5 θ P、3.5 θ P、...等等。
因此，使用條件θ=θ P/2、1.5 θ P、2.5 θ P、3.5 θ P、...等等之「d」的計算產生下述：d=Ftan(Θ)=Ftan(Θ p /2)。
由於干涉是週期性的，所以，此等式對於每一奇整數(2k+1)的倍數也為真，以致於：d=Ftan[(2k+1)Θ p /2]。
當光學組件30配置成使得「d」滿足此條件時，又進一步達成減少莫瑞圖案。
在分光器塗層82上的準直光束5的入射角(AOI)「θ i」是在準直光束5與平面分光器塗層82之垂直向量之間的角度。較佳地，AOI是在準直光束5的中央光束與平面分光器塗層82的垂直向量之間的角度，其中，當MEMS鏡6靜止時，準直光束5的中央光束是被反射朝向平面分光器塗層82的光束。
舉例而言，當設計或製造光學組件20時可以考慮中央光束的AOI以找出用於「h」的合適尺寸(亦即，找出用於玻璃塊81的厚度之適當尺寸)，以致於在平面分光器塗層82與平面反射塗層84之間的「OD」大於或等於準直光束5的同調長度的一半以及使得光學組件20的數值孔徑(亦即，(d/2)/(FM))大於觀看者27的數值孔徑。
藉由測量當MEMS鏡靜止時投射於分光器9上的準直光束5與及垂直於平面分光器元件9的表面83之法向 量之間的角度，而找出中央光束。平面分光器的折射率(n)是典型上來自材料資料表的已知值。然後，選擇用於「h」的適當尺度，以致於平面分光器塗層82與平面反射塗層84之間的光學距離「OD」大於或等於準直光束5的同調長度的一半，以及，以致於光學組件30的數值孔徑(亦即，(d/2)/(FM))大於觀看者27的數值孔徑。
觀看者27的數值孔徑由(y/2)/(Ze)定義，其中，y是觀看者27的瞳孔尺寸，以及，Ze是離預定位置的距離，其中，光學組件30投射虛擬影像22至預定位置，其中，觀看者將觀看虛擬影像22。瞳孔尺寸取決於各觀看者的面相及週圍光條件且在1至10mm的尺寸之間變化。虛擬影像22的位置較佳地是預定值且等於「Ze=(L.M)+z」，其中，「L」是微透鏡陣列3與抬頭顯示器21之間的距離，「z」是對於觀看者27的眼睛之預定位置與抬頭顯示器21之間的距離。「L」是使用等式L=(Ze-z)/M而決定的且典型上在1至500mm之間。「z」較佳地為預定值且典型上在500至1200nm之間。在500至1200mm之間的距離是汽車的駕駛人的眼睛與汽車中抬頭顯示器21的位置之間的典型距離。「M」較佳的是預定值，其是虛擬影像22的位置之代表；藉由改變「M」，可以改變虛擬影像22的位置。典型上，用於「M」的預定值是由製造者給定的。
在製造期間，給定用於Ze、z、M及L的固定預定 值。抬頭顯示器的倍率M較佳地是在1至20的範圍中。聚焦透鏡的焦距F較佳地在5至1000mm的範圍中，以及，對於d：h較佳地在0.1至100mm的範圍中，以及，n較佳地在1至4的範圍中，θ i較佳地在0至89°的範圍中，以致於d較佳地在9.5×10-4mm至55mm的範圍中。
光學組件30的製造者選擇具有適當的厚度「T」之玻璃塊，以致於符合上述用於「h」的條件且將調整微透鏡陣列3及/或投影機2的位置以及以具有適當焦距的聚焦透鏡來取代聚焦透鏡11，以取得用於「F」的適當值，而確保光學組件30組構成具有的數值孔徑大於觀看虛擬影像22的觀看者27之數值孔徑，以及使得平面分光器塗層82與平面反射塗層84之間的光學距離大於或等於準直光束5的同調長度的一半。
舉例而言，在正常照明條件下，觀看者27的眼睛可以測量3mm，以致於「y=3mm」。由於對於汽車應用的抬頭顯示器，典型上希望使虛擬影像投射至正好在汽車的前方，所以，希望虛擬影像22是在與觀看者27相距「Ze=2250mm」的距離處，因此，觀看者27的數值孔徑是0.00067。典型上，為了系統堅實，「M」會等於6。為了取得良好的虛擬影像品質，像素密度必須至少60像素/度。這意指虛擬影像尺寸及解析度上的條件。舉例而言，影像具有720p解析度，這意指影像具有1280×720像素。假使從2250mm的距離觀看影像時，其必須具有846×473mm的最大尺寸以具有60像素/度的最小值。依據6的倍 率，微透鏡陣列3上的影像測量為141×79mm。因此，可調整微透鏡陣列3及/或聚焦透鏡11的位置、及/或以具有適當焦距的聚焦透鏡取代聚焦透鏡11，以取得可確保在微透鏡陣列3上產生小於或等於141×79mm尺寸的影像之用於F的適當尺寸，否則，虛擬影像22的品質將降低。實際上，其將取決於MEMS鏡6的全光學掃描角度。總是能夠以MEMS鏡投影系統取得恰當的影像尺寸。假使微透鏡陣列3上的影像太小時，以具有適當的焦距之聚焦透鏡來取代聚焦透鏡11，或者移動影像投影機2b更遠離微透鏡陣列3直到微透鏡陣列上的影像尺寸小於或等於141×79mm的尺寸。類似地，假使微透鏡陣列3上的影像太大時，則可將影像投影機2移動更遠離微透鏡陣列3以及以具有適當焦距的聚焦透鏡來取代聚焦透鏡11，直到微透鏡陣列上的影像尺寸小於或等於141×79mm。一旦找到可提供小於或等於141×79mm尺寸之微透鏡陣列3上的影像尺寸之用於「F」的值時，則接著決定用於平面分光器塗層82與平面反射塗層84之間的距離「h」之適當值，以致於在平面分光器塗層82與平面反射塗層84之間的「OD」大於或等於準直光束5的同調長度的一半，以及，光學組件30的數值孔徑大於觀看者27的數值孔徑。典型地，「F=200mm」，以致於「d」必須大於或等於2×F×M×0.00067=1.61mm。
在本實施例中，在平面分光器塗層82與平面反射塗層84之間的空間81由玻璃佔據，以及，準直光束5在入 射於平面分光器塗層82之前會通過空氣以致於n1=1，以及，入射角「θi」是45°，以及，分光器材料是玻璃，以致於「n=1.52」，所以，在本實例中，光學距離定義為：「OD=h/0.707」；選擇用於「h」的適當值，使得平面分光器塗層82與平面反射塗層84之間的光學距離(OD)大於或等於準直光束5的同調長度的一半，舉例而言，在紅光二極體雷射的情形中，準直光束5的同調長度的一半為1mm。從這些數目，可以調整光學組件30中用於「h」的尺寸，以致於光學組件30的「OD」至少是1mm且「d」是至少1.61mm。
有利地，在圖3中所示之本實施例中，由於平面分光器塗層82與平面反射塗層84平行配置且具有大於準直光束5的同調長度的一半之光學距離，所以，其影像投影機2b提供與圖1中所示的光學組件1的影像投影機2相同的減少的斑點及減少的莫瑞圖案之優點。此外，由於光學組件30配置成其具有的數值孔徑大於觀看虛擬影像22的觀看者27之數值孔徑，所以，由眾多獨立的光束15a-c中的各光束產生之斑點圖案彼此分開；這造成進一步降低斑點。
此外，由於在光學組件30中，在平面分光器塗層82與平面反射塗層84之間的距離「h」等於下述：
由於用於「h」的此條件確保多光束15a-c中至少之一的干涉圖案之最大量更精準地重疊多光束15a-c中至少 之另一的干涉圖案之最小量，反之亦然，所以，光學組件30可以取得改良之莫瑞圖案減少；實際上，將有很多多光束15a-c以及不同光束之很多干涉圖案的最大量與最小量的更精準重疊。
此外，當光學組件30配置成使得「d」滿足下述條件時，可以取得多光束15a-c的很多干涉圖案的最大量與最小量的更精準重疊：
在最較佳實施例中，「h」等於5.12mm。當多光束15a-c分別是藍、綠及紅光束；以及，均具有45°的入射角θ i；以及具有分別的波長值λblue=0.438μm λgreen=0.520μm λred=0.638μm，以及分別的k值k blue=6 k green=5 k red=4，以及分別的n值：n blue=1.47 n green=1.46 n red=1.46，則這提供最佳化的莫瑞圖案減少。
圖7顯示圖2及3中所示的實施例中取得的莫瑞圖案減少。圖7顯示第二光束15b的干涉圖案的最大量71重疊第一光束15a的干涉圖案的最小量72，以及，第一光束15a的干涉圖案的最大量73重疊第二光束15b的干涉 圖案的最小量(未見於圖中)。
圖4顯示根據本發明的另一實施例之光學組件40的平面視圖。圖4中所示的光學組件40具有很多與圖1中所示的光學組件1的特點相同的特點，類似的特點以相同的代號表示。將瞭解，光學組件40具有圖2及3中所示的光學組件20、30的任一或更多特點或條件。
與圖1中所示的光學組件相對地，根據本發明的另外實施例之光學組件40包括根據本發明的另外實施例之影像投影機2c，其包括多光束產生器41，多光束產生器41包括玻璃塊46(將瞭解，本發明不侷限於要求玻璃塊46；將瞭解，在多光束產生器41中可以使用任何適當的光學透明材料)。平面分光器塗層42(包括半反射材料)的形式之平面分光器9設於玻璃塊81的一表面49a上，以及，平面反射塗層43(包括反射材料)的形式之平面反射器10設於玻璃塊46的第二相對表面49b上。在本實施例中，平面分光器塗層42界定平面分光器9，以及，平面反射塗層43界定平面反射器10。第一及第二表面49a、b是平坦的且彼此平行，以致於平面分光器塗層42及平面反射塗層43是平行的及平面的。
重要地，平面分光器塗層42配置成使得從平面反射器塗層43反射的光45從平面反射器塗層43直接通至聚焦透鏡11，而不通過平面分光器42。這達到係藉由將平面分光器塗層42僅定位在玻璃塊46的第一表面49a的一部份上，以致於平面分光器塗層42不會重疊整個平面反 射器塗層43，及/或藉由設置周長小於平面反射器塗層43的周長之平面分光器42以致於平面分光器塗層42不會重疊整個平面反射器塗層43。在圖4中所示的本實施例中，平面分光器塗層42僅設於玻璃塊46的第一表面49a的一部份上，以致於平面分光器塗層42不會重疊整個平面反射器塗層43。通過平面分光器塗層42的準直光束45因而由平面反射器塗層43反射直接至聚焦透鏡11，而不通過平面分光器塗層42。多重分光器41包括玻璃塊46，以及，在玻璃塊46的一表面上的平面分光器塗層42界定平面分光器塗層42，而設於玻璃塊46的相反表面上的平面反射器塗層43界定平面反射器43。
有利地，由於平面反射器43反射的光束45從平面反射器43直接通至聚焦透鏡11，而不會通過平面分光器42，所以，僅有二光束48a、48b會由多重分光器41從單一準直光束45產生，且這二光束48a、b具有類似的光學功率。當這二光束48a、b由聚焦透鏡11聚焦至微透鏡陣列3上的相同點16時，二光束48a、b中的各光束將產生具有同強度且彼此有角度地偏移的干涉圖案，例如光束48a中之一的干涉圖案的最大量位於另一光束48b的干涉圖案之最小量處；由於二光束48a、b具有相同的光功率，所以，干涉圖案將完美地平均以取得具有減少的莫瑞圖案之固定的光功率影像。
將瞭解，在圖4中所示的實施例的變異中，在多光束產生器中未設置玻璃塊；相反地，多光束產生器簡單地採 用圖1中所示的光學組件1的影像投影機2的多光束產生器8的形式，其包括由氣隙13分開之機械上獨立的結構之平面分光器元件90及平面反射器元件100。在此變異中，平面分光器元件90及平面反射器元件100簡單地定位成平面分光器元件90完全不重疊平面反射器元件100；或者，平面分光器元件90尺寸化成具有的周長小於平面反射器元件100的周長，以致於平面分光器元件90完全不重疊平面反射器元件100；因而允許從平面反射器元件100反射的光45直接從平面反射器元件100通至聚焦透鏡11，而不通過平面分光器元件90。
圖6顯示根據本發明的另一實施例之光學組件60。光學組件60包含很多與圖1-4中所示的光學組件(1,20,30,40)的特點相同的特點，類似的特點以相同的代號表示。將瞭解，光學組件60包含圖1-4中所示的實施例的任何特點。
不似其它實施例，光學組件60包括眾多多光束產生器61、62，配置成彼此光通訊。各多光束產生器61、62均包括已經說明的其它光學組件的任何實施例中所示的多光束產生器8、41、80的一或更多特點。
眾多多光束產生器中的各多光束產生器均具有不同的取向，以致於它們均位於或是平行於不同取向的平面64、65上。在本實例中，多光束產生器61的平面分光器9及平面反射器10位於或是平行於第一平面64，以及，多光束產生器62的平面分光器9及平面反射器10位於或 是平行於第二平面65。第一平面64及第二平面65取向成平面64與65之間有120°角。較佳地，多光束產生器61的第一平面64延著(101)取向，以及，多光束產生器62的第二平面65延著(-1 -1 0)取向。然後，在二平面之間的角度是120°。平面的取向是由垂直於平面的向量(x y z)界定。第一平面64取向成垂直於(1 0 1)向量66，而第二平面65取向成垂直於(-1 -1 0)向量67。
將瞭解，雖然光學組件60僅顯示設於不同平面64、65上的二多光束產生器61、62，但是，在光學組件60中可以設置任何數目的多光束產生器，各多光束產生器與另一多光束產生器光通訊，以及，各多光束產生器的平面分光器9及平面反射器10設於或平行於不同取向的平面上。
有利地，由於光學組件60包括二多光束產生器61、62，二多光束產生器61、62光通訊且設於或平行於不同取向的平面64、65，而因為當使用二多光束產生器61、62時會產生多光束的2D陣列69，這將能夠進一步減少斑點及莫瑞圖案而達成。2D多光束陣列69中的各多光束由聚焦透鏡11聚焦至微透鏡陣列3上的相同點16，以界定單一像素17。然後，在點16產生多斑點圖案或莫瑞圖案，以致於它們2D地平均，而提供改良的斑點及莫瑞圖案減少。以此方式投射影像的各像素，以致於整個投射影像的斑點及莫瑞圖案減少。
如同圖1中所示的實施例中所述般，在微透鏡陣列3 中的微透鏡3'的尺寸都是相等的，但是，在本發明的變異中，微透鏡陣列3可以配置成如圖5a中所示般具有不同尺寸的微透鏡。圖5a顯示可用於本發明的任何實施例中之屏幕3的替代配置之透視圖。圖5a顯示包括不同尺寸的微透鏡51之微透鏡陣列50的形式之屏幕3。因此，在微透鏡陣列50中，微透鏡陣列50中的微透鏡51之間的間距「P」在微透鏡50不同。更精確而言，在本實例中，在微透鏡陣列50中的微透鏡51的尺寸會從中心行53的微透鏡朝向微透鏡陣列51的最外行54的微透鏡增加。延著各分別行53、54的微透鏡尺寸相等；但是，在實施例的變異中，延著各分別行53、54的微透鏡尺寸可以增加或降低。
在實施例的另外變異中，在微透鏡陣列50中的微透鏡51的尺寸會從中心列56的微透鏡朝向微透鏡陣列51的最外列微透鏡57增加。延著各分別列56、57的微透鏡的尺寸可以相等；但是，在本發明的另外的變異中，延著各分別列56、57的微透鏡的尺寸可以增加或降低。
具體而言，在微透鏡陣列50中的微透鏡51的尺寸是使得連續微透鏡51之間的間距等於下述：(Peff/cos Θscan)其中，Peff是預定的有效間距值，以及，θ scan)是從微透鏡51上的投影機裝置發射的光束之入射角。「有效間距」是延著進入的光方向θ scan之微透鏡的間距的投影。
圖5b顯示微透鏡陣列的所有微透鏡具有相等尺寸之 微透鏡陣列產生的問題。當光束被掃描橫過微透鏡陣列時，微透鏡陣列上的光束入射角將隨著掃描振幅而變；當光束朝向最外部的微透鏡被掃描時，入射角將降低，以致於光束遭遇到低於相鄰微透鏡的中心之間的實體距離之「有效間距」；這會造成改變延著掃描振幅(其中，掃描振幅是振盪的MEMS鏡6掃描準直光束5的振幅)。由於在干涉圖案的二最大量之間的角度由θ P=λ/P界定，所以，當掃描振幅增加時，「有效間距」變得較小，因此，θ P變得較大且MBG的計算厚度對於完美地平均掉干涉圖案並不是最佳化的。有利地，圖5a中所示的微透鏡陣列解決此問題；由於微透鏡尺寸化成使得連續的微透鏡51之間的間距等於(Peff/cos θ scan)，所以，其會補償MEMS鏡6對光束的掃描，以致於遍及整個掃描振幅，光束遭受的「有效間距」是相等的。
在圖5中所示的微透鏡陣列50的另外的變異中；在微透鏡陣列中的微透鏡51又尺寸化成使得它們補償平面分光器9上準直光束5的入射角變化，此入射角變化係當準直光束5被振盪的MEMS鏡6掃描時發生的。在此情形中，光學組件將較佳地採取圖3中所示的光學組件30的形式且光學組件30將配置成使得平面分光器9(平面分光器塗層82)與平面反射器10(反射塗層84)之間的距離「h」由下述給定：
在平面分光器塗層82與反射塗層84之間的玻璃塊 81的厚度「T」界定平面分光器9(平面分光器塗層82)與平面反射器10之間的距離「h」)，因此，光學組件30配置成藉由選取具有適當厚度的玻璃塊81而符合上述用於「h」的條件。
光學組件30配置成使得從多光束產生器80輸出且在入射於聚焦透鏡11之前測得的二連續(亦即二相鄰)的多光束15a-c之間的距離「d」是：
光學組件30配置成使得用於「h」及「d」的上述條件對於「中央光束」是符合的。當掃描角的振幅增加時，θ i將改變且滿足「d」上的條件之「h」的要求值也將因而改變。但是，由於平面分光器及反射器應較佳的是平面的，所以，難以具有改變的厚度「h」。在本解決之道中，藉由設有在微透鏡之間具有增加的間距之微透鏡陣列而使得輸入角θ i改變但「d」上的條件仍然固定，則可變的θ p=λ/P會隨著掃描角度而變。較佳地，在微透鏡陣列50中的微透鏡之間的間距P應較佳地根據下述等式而變： 其中，藉由光學組件30的設計而固定本等式的所有變數，且θ i會隨著MEMS鏡6的掃描而改變。
將瞭解，雖然圖5a中顯示的屏幕3是微透鏡陣列50 的形式，但是，屏幕3可以替代地為具有微鏡陣列之形式，而所述微鏡陣列在連續微鏡之間具有與上述微透鏡陣列50相同的間距條件。也將瞭解，任何上述光學組件可以具有圖5a中所示的屏幕3。而且，將瞭解屏幕3替代地包括微鏡陣列，以及，類似地，微鏡陣列中連續的微鏡之間的間距可以等於(Peff/cos θ scan)。
此外，將瞭解，在各上述影像投影機2、2b、2c及/或光學組件實施例1、20、30、40、60中，聚焦透鏡11可以採取任何適當的形式；舉例而言，聚焦透鏡11可以是簡單的會聚透鏡，平凸透鏡、雙凸透鏡、或是F-θ透鏡。增加地、或是替代地，聚焦透鏡11又可配置成校正色差；舉例而言，聚焦透鏡11可以是消色差透鏡，例如配置成校正色差之具有表面光柵的透鏡或消色差雙合透鏡。
在各上述影像投影機2、2b、2c及/或光學組件實施例1、20、30、40、60中，光源4可以配置成脈衝地發射準直光束5，各脈衝光界定投射的影像之單一像素。各脈衝包括用於界定投射的影像之對應像素所需的紅、綠、及藍光束的量；因此，在此情形中，同時在相同脈衝中，由光源發射紅、綠及藍光束。在相同脈衝中具有紅、綠、及藍光束會產生的一問題是各紅、綠、及藍光束入射於聚焦透鏡11的相同位置上；結果，由於色差，紅、綠、及藍光束將會聚焦於屏幕3上的不同點，因而有損投射的像素之解析度。
為了緩和或減輕此問題，光源4可以配置成以多個獨立脈衝連續地發發射紅、綠、及藍光束的脈衝，而不是同時在相同脈衝中發射它們。較佳地，紅、綠、及藍光束的發射時間與振盪的MEMS鏡6的取向同步，以致於紅、綠及藍光束在聚焦透鏡11上預定的分別位置入射。預定的分別位置使得紅、綠、及藍光束由聚焦透鏡11聚焦於屏幕3上的相同點。
聚焦透鏡11的色差是已知值；典型地，可從透鏡製造者得知，或是使用光學上熟知的等式而算出；也可使用設在聚焦透鏡11之後的偵測器測得它。因此，可知用於投射影像的各像素之色差。光學組件也包含位置感測器，位置感測器配置成測量MEMS鏡6圍繞其振盪軸7a、7b的振盪速度及位置，以致於可以一直都知道MEMS鏡6的振盪速度及位置。知道MEMS鏡6的速度及位置，以及知道聚焦透鏡11對於各紅、綠及藍光束的色差，可允許計算綠、紅及藍光束的發射時間以補償色差，以致於紅、綠及藍光束被聚焦透鏡11聚焦至屏幕3上的相同點。
舉例而言，由於色差的效應，在MEMS鏡的給定掃描角時，像素的藍光位置相對於像素的綠光位置偏移「x mm」的固定距離。在此給定的掃描角α，MEMS鏡6的振盪速度是ω度/秒，以及，被掃描的點16以「v」mm/s的速度在屏幕3上移動。為了補償色差效應，光源4配置成對要投射的各像素連續地發射獨立的紅、綠及藍光脈 衝；紅、綠、藍脈衝在屏幕3上結合並形成像素。各脈衝中的紅、綠及藍光脈衝的量是根據要投射的像素中的紅、綠及藍光顏色的量。重要地，在本發明中，當MEMS鏡6被偵測到在其給定的掃描角α時，且以「ω」度/秒的速度振盪時，在界定像素的綠色部份之綠光脈衝之後，以「t=x/v」秒的時間延遲，發射界定像素的藍色部份之藍光脈衝，以致於藍及綠光脈衝在屏幕3上的相同位置16處入射以形成像素17。對於紅光脈衝的發射，進行類似的操作。「t」界定連續的紅、綠及藍脈衝之間的時間延遲。由於MEMS鏡6的速度及色差在MEMS鏡6的振盪振幅變化期間也會變化，所以，對於MEMS鏡6的各位置，紅、綠及藍光束發射之時間延遲會不同。因此，來自光源4之獨立的紅、綠及藍光束的發射與MEMS鏡的振盪同步，以致於紅、綠及藍光束入射於聚焦透鏡11上預定的分別點，使得它們由聚焦透鏡11聚焦至屏幕3上的相同點，而可以被用以校正色差。
在不悖離後附的申請專利範圍中所界定的本發明的範圍之下，習於此技藝者將清楚知道可對說明之本發明的實施例作出各式各樣的修改及變化。雖然配合特定較佳實施例而說明本發明，但是，應瞭解所主張之本發明不應被不當地侷限於這些具體實施例。
2‧‧‧影像投影機
3‧‧‧微透鏡陣列
3’‧‧‧微透鏡
4‧‧‧光源
5‧‧‧光束
5a、5b‧‧‧部份
6‧‧‧MEMS鏡
7a、7b‧‧‧振盪軸
8‧‧‧多光束產生器
9‧‧‧平面分光器
9a‧‧‧平面
10‧‧‧平面反射器
11‧‧‧聚焦透鏡
13‧‧‧氣隙(空間)
15a-c‧‧‧多光束
16‧‧‧點
17‧‧‧像素
90‧‧‧平面分光器元件
100‧‧‧平面反射器元件

Claims (15)

  1. 一種影像投影機(2,2b,2c)，包含：光源(4)，用於提供光束(5)；MEMS鏡(6)，配置成可以接收該光束(5)，以及，圍繞至少一振盪軸(7a,b)振盪以掃描該光束(5)；一或更多多光束產生器(8,80,41,61,62)，該一或更多多光束產生器中的各多光束產生器均包含：配置成接收該MEMS鏡(6)反射的該光束(5)之平面分光器(9)、以及接收透射過該平面分光器(9)的部份該光束(5)之平面反射器(10)，以致於該一或更多多光束產生器(8,80,41)中的各多光束產生器都可以產生多光束(15a-c)，以及，其中，該平面分光器(9)及該平面反射器(10)配置成平行的；以及，聚焦透鏡(11)，配置成接收該一或更多多光束產生器(8,80,41,61,62)產生的多光束(15a-c)；其中，在該一或更多多光束產生器(8,80,41,61,62)中的各多光束產生器中，該平面分光器(9)與該平面反射器(10)之間的距離(h)使得該平面分光器(9)與該平面反射器(10)之間的光學距離(OD)大於或等於該光束(5)的同調長度的一半。
  2. 如申請專利範圍第1項之影像投影機，其中，該一或更多多光束產生器包含平面分光器元件(90)、及平面反射器元件(100)，該平面分光器元件界定該平面分光器(9)，以及，該平面反射器元件(100)界定該平面反射器(10)，該平面分光器元件(90)及該平面反射器元件(100)配 置成平行以及相間隔以致於在該平面分光器元件(90)與平面反射器元件(100)之間有氣隙(13)，以及，其中，該光學距離(OD)定義如下： 其中，「t」是該平面分光器元件的厚度，「θi」是該平面分光器元件上光束的入射角，「n1」是光束在入射於該平面分光器元件之前通過的材料之折射率，「n」是該平面分光器元件的折射率，「h」是該平面分光器元件與該平面反射器元件之間的距離，「n3」是該氣隙(13)中空氣的折射率。
  3. 如申請專利範圍第1項之影像投影機，其中，該一或更多多光束產生器包含透明材料區(46,81)、以及界定該平面分光器(9)之該區的第一表面(83)上的半反射材料的平面塗層(82)、以及界定該平面反射器(10)之該區的第二相對表面(85)上提供的反射材料的平面塗層(84)，其中，該光學距離(OD)定義如下： 其中，h是該半反射材料的塗層(82)與該反射材料的塗層(84)之間的距離，以及，θ 2是 其中，「θi」是該半反射材料的平面塗層(82)上該光束(5)的入射角(AOI)，，「n1」是該光束(5)在入射於半反射材料的平面塗層(82)上之前通過的該材料之折射率，「n」是該半反射材料的平面塗層(82)的折射率。
  4. 如申請專利範圍第1-3項中任一項之影像投影機，其中，該影像投影機包含多個配置成光通訊之多光束產生器，以及，其中，該多個多光束產生器中的各多光束產生器之該平面分光器(9)及平面反射器(10)設於、或是配置成平行於不同取向的平面(64,65)。
  5. 如申請專利範圍第1-3項中任一項之影像投影機，其中，該平面分光器(9)配置成具有40%反射對60%透射之分光比。
  6. 如申請專利範圍第1-3項中任一項之影像投影機，其中，該平面分光器(9,42)配置成使得透射過該平面分光器(9,24)且由該平面反射器(10,43)反射之部份該光束會直接通至該聚焦透鏡(11)，而不會通過該平面分光器(9,42)。
  7. 一種光學組件(1,20,30,40,60)，包含：根據前述請專利範圍中任一項的影像投影機；以及配置成接收通過該聚焦透鏡(11)的光之屏幕(3)，其中，該屏幕(3)配置成漫射收到的光；以及，配置成接收該屏幕漫射的光之抬頭顯示器。
  8. 如申請專利範圍第7項之光學組件，其中，該光學組件配置成具有的數值孔徑大於代表觀看者的數值孔徑 之預定的數值孔徑值，其中，該光學組件的數值孔徑定義為(d/2)/(F.M)，其中，M是該抬頭顯示器的倍率，F是該聚焦透鏡(11)的焦距，以及，d是從該多光束產生器輸出的且多光束(15a-c)入射於該聚焦透鏡(11)之前的二連續多光束(15a-c)之間的距離。
  9. 如申請專利範圍第8項之光學組件，具有如申請專利範圍第2項之影像投影機，其中，該光學組件配置成使得「d」滿足下述條件：d=2(t tan θ 2+h tan θ 3)cos θ i 其中，「t」是該平面分光器元件(90)的厚度，「θi」是該平面分光器元件(90)上該光束(5)的入射角，「n1」是該光束(5)在入射於該平面分光器元件(90)之前通過的材料之折射率，「n」是該平面分光器元件(90)的折射率，「h」是該平面分光器元件(90)與該平面反射器元件(100)之間的距離，「n3」是佔據平面分光器元件(90)與平面反射器元件(100)之間的空間(13)之材料的折射率。
  10. 如申請專利範圍第8項之光學組件，具有如申請專利範圍第3項之影像投影機，其中，該光學組件配置成使得「d」滿足下述條件： 其中，「h」是該半反射材料的塗層(82)與該反射材料的 塗層(84)之間的距離，n是該透明材料區(46,81)的折射率，θi是半反射材料的塗層(82)上該光束的入射角。
  11. 如申請專利範圍第8項之光學組件，其中，該光學組件配置成使得「d」滿足下述條件： 其中，F是該聚焦透鏡11的焦距，k是整數，是該多光束產生器的級，以及，θ P等於下述： 其中，λ是該光束的波長以及「P」是該微透鏡陣列的間距。
  12. 如申請專利範圍第10項之光學組件，其中，該光學組件配置成使得該平面分光器與該平面反射器之間的距離「h」滿足下述條件： 其中，「n」是該平面分光器與該平面反射器之間的材料的折射率，θi是該平面分光器上該光束的入射角，「d」是從該多光束產生器輸出且在多光束(15a-c)入射於該聚焦透鏡(11)之前的二連續多光束15a-c之間的距離。
  13. 如申請專利範圍第8-12項中任一項的光學組件，其中，該屏幕包含微透鏡陣列，以及，其中，該微透鏡陣列包含不同尺寸的微透鏡，以致於該微透鏡陣列具有眾多不同的微透鏡間的間距長度，或者，其中，該屏幕包含微鏡陣列，其中，該微鏡陣列包含不同尺寸的微鏡，以 致於該微鏡陣列具有眾多不同的微鏡間的間距長度。
  14. 如申請專利範圍第13項之光學組件，其中，在連續微透鏡或微鏡之間的間距(P)等於：P=(Peff/cos Θscan)其中，Peff是預定的有效間距值，以及，θscan是來自於該投影裝置的光入射於該微透鏡或該微鏡上的入射角。
  15. 如申請專利範圍第13項之光學組件，其中，在連續微透鏡、或微鏡之間的間距(P)等於： 其中，k是整數，是該多光束產生器的級，θi是該平面分光器的光束入射角，F是該準直透鏡的焦距，λ是該光束的波長，「h」是該平面分光器與該平面反射器之間的距離，n是該平面分光器與該平面反射器之間的材料的折射率。
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