TWI683131B

TWI683131B - 光學裝置及其照明模組

Info

Publication number: TWI683131B
Application number: TW108109799A
Authority: TW
Inventors: 蕭湧能; 黃茹苹; 熊堅智
Original assignee: 大陸商信泰光學（深圳）有限公司; 亞洲光學股份有限公司
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2020-01-21
Also published as: TW202036082A

Abstract

一種照明模組，適於設置於一光學裝置中，並包括一光源組件以及一第一透鏡單元。該光源組件用以產生一光束，該光束具有一第一中心光軸。該第一透鏡單元具有一第一透鏡光軸，該光束穿透該第一透鏡單元後形成一照明光束，該照明光束具有一第二中心光軸，該第二中心光軸與該第一透鏡光軸交錯。本發明更提供一種光學裝置，該光學裝置包括該照明模組、一光調變模組和一導光模組，該照明光束經過該光調變模組而成為帶有一影像的一影像光束，該影像光束在該導光模組中傳輸後離開該導光模組且被該光學裝置的一使用者的眼睛接收。

Description

光學裝置及其照明模組

本發明是有關於一種光學裝置及其照明模組，特別是指一種能產生影像的光學裝置及其照明模組。

一般的光學裝置通常包括照明模組與光調變模組。為了方便，該照明模組所發出的光束常常被設計為垂直入射該光調變模組。然而，這樣的光學設計常常導致該光束在該光調變模組與後續的光學元件(例如光波導元件)之間有多次的反射，進而使該光學裝置所生成的影像產生鬼影現象。簡言之，該光學裝置影響了使用者的觀看品質。

有鑒於此，本發明提出一種光學裝置及其照明模組，該光學裝置係用以產生影像，而該照明模組所發出的光束係沿著相對於該照明模組的中心軸傾斜一角度的方向行進，以避免鬼影現象的產生。

本發明照明模組的一實施例適於設置於一光學裝置中，並包括一光源組件以及一第一透鏡單元。該光源組件用以產生一光束，該光束具有一第一中心光軸。該第一透鏡單元具有一第一透鏡光軸，該第一透鏡光軸與該第一中心光軸交錯，使得該光束穿透該第一透鏡單元後形成一照明光束，該照明光束具有一第二中心光軸，該第二中心光軸與該第一透鏡光軸交錯。該光學裝置包括一光調變模組和一導光模組，該照明光束經過該光調變模組而成為帶有一影像的一影像光束，該影像光束在該導光模組中傳輸後離開該導光模組且被該光學裝置的一使用者的眼睛接收。

本發明照明模組的另一實施例適於設置於一光學裝置中，並包括一光源組件以及一第一透鏡單元。該光源組件用以產生一光束，該光束具有一第一中心光軸。該第一透鏡單元具有一第一透鏡光軸，該第一透鏡光軸與該第一中心光軸平行卻不重疊，使得該光束穿透該第一透鏡單元後形成一照明光束，該照明光束具有一第二中心光軸，該第二中心光軸與該第一透鏡光軸交錯。該光學裝置包括一光調變模組和一導光模組，該照明光束經過該光調變模組而成為帶有一影像的一影像光束，該影像光束在該導光模組中傳輸後離開該導光模組且被該光學裝置的一使用者的眼睛接收。

在另一實施例中，該光源組件包括一光源、一準直元件以及一均勻化元件。該光源用以產生一光源光。該準直元件用以當該光源光通過該準直元件時使該光源光準直為一平行光束。該均勻化元件用以當該平行光束通過該均勻化元件時使該平行光束均勻化而成為具有該第一中心光軸的該光束。

在另一實施例中，該第二中心光軸與該第一透鏡光軸間的一夾角符合以下條件：3度≦θ≦8度，其中，θ為該第二中心光軸與該第一透鏡光軸間的該夾角。

本發明光學裝置的一實施例包括一前述之照明模組、一前述之光調變模組以及一前述之導光模組。其中，該影像光束以一入射角度入射該導光模組，且該入射角度符合以下條件：0度<α<90度，其中，α為該影像光束入射該導光模組的該入射角度。

在另一實施例中，該光調變模組包括一光閥、一第二透鏡單元以及一合光元件。該光閥用以將一畫面信息加入該照明光束以產生該影像光束。該第二透鏡單元用以讓該影像光束穿越並投射至該導光模組。該合光元件用以將來自該照明模組的該照明光束導引至該光閥，並且用以將來自該光閥的該影像光束導引至該第二透鏡單元。

在另一實施例中，該第二透鏡單元具有一第二透鏡光軸，該光調變模組輸出的該影像光束具有一第三中心光軸，該第二透鏡光軸與該第三中心光軸平行且在該第二透鏡單元的一入射面上相隔一距離，該距離符合以下條件：α’=tan-1(S/G)，其中，α’為該影像光束入射該導光模組的該入射角度，S為該第二透鏡光軸與該第三中心光軸間的該距離，G為該第二透鏡單元的一焦距。

在另一實施例中，該第二透鏡單元具有一第二透鏡光軸，該光調變模組輸出的該影像光束具有一第三中心光軸，該第二透鏡光軸與該第三中心光軸交錯。

在另一實施例中，該導光模組包括一繞射式光導板。

在另一實施例中，該入射角度更符合以下條件：0度<α<1.5度，其中，α為該影像光束入射該導光模組的該入射角度。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

11、11’、21‧‧‧照明模組

13、23‧‧‧光調變模組

15、25‧‧‧導光模組

100、200‧‧‧光學裝置

111、111’‧‧‧光源

113、113’‧‧‧準直元件

115、115’‧‧‧均勻化元件

117、117’‧‧‧第一透鏡單元

131、231‧‧‧光閥

133、233‧‧‧合光元件

135、235‧‧‧第二透鏡單元

151、251、171、331、333、351、353‧‧‧入射面

355‧‧‧出光面

A、A’、B、E、F、L1、L1’、K、Q‧‧‧中心光軸

C、D‧‧‧中心軸

N1、N2‧‧‧法線

R、S‧‧‧距離

L2、L2’、L3、L5‧‧‧透鏡光軸

θ 1、θ 2、θ 3、α、α’、β‧‧‧角度

第1圖為本發明的一實施例的光學裝置之示意圖。

第2圖為第1圖中的照明模組之示意圖。

第3圖為本發明的另一實施例的光學裝置的照明模組之示意圖。

第4圖為本發明的再一實施例的光學裝置之示意圖。

根據本發明的諸多實施例所提供的一光學裝置至少包括一照明模組、一光調變模組以及一導光模組。照明模組係用以產生一照明光束。光調變模組用以接收照明光束並將照明光束轉成帶有一影像的一影像光束。導光模組用以讓影像光束斜向入射後在其內部傳輸，至終在導光模組內傳輸的影像光束會被導光模組導引離開導光模組而被光學裝置的使用者的眼睛接收，也就是說，影像光束會被導光模組投射至使用者的眼睛。

所謂斜向入射是指影像光束在入射導光模組時，影像光束的中心光軸與導光模組的入射面的法線之間夾有一角度(即入射角度)，此入射角度大於0度小於90度。藉此，避免光學裝置產生鬼影而影響使用者觀看影像的品質。

以下將藉由不同的實施例來說明本發明實現可消除鬼影之光學裝置的範例。

請參閱第1圖，本發明一實施例的一光學裝置100包括一照明模組11、一光調變模組13以及一導光模組15。照明模組11具有一中心軸C，並係用以產生一照明光束。照明光束係沿著相對於中心軸C傾斜一角度θ 1的一方向行進。也就是說，照明光束具有一中心光軸A，此中心光軸A與照明模組11的中心軸C交錯，使得兩者之間的夾角為角度θ 1。光調變模組13係用以接收來自照明模組11的照明光束並將此照明光束轉成帶有一影像且具有一中心光軸B的一影像光束。而導光模組15係用以接收來自光調變模組13的影像光束，並使影像光束在內部傳輸後離開導光模組15且被導光模組15導引或投射至人眼，使得使用者可觀看影像光束所含的影像。

請參閱第2圖，在此實施例或其他實施例中，照明模組11包括一光源組件以及一第一透鏡單元117。光源組件用以產生一光束，此光束具有一中心光軸L1且朝第一透鏡單元117的方向前進。第一透鏡單元117則具有一透鏡光軸L2，且用以讓來自光源組件的光束通過而形成具有中心光軸A的照明光束。在此實施例或其他實施例中，第一透鏡單元117的透鏡光軸L2即為照明模組11的中心軸C。在此實施例或其他實施例中，來自光源組件的光束可循不同的路徑或方式入射至第一透鏡單元117，使得離開第一透鏡單元117的照明光束的中心光軸A與第一透鏡單元117的透鏡光軸L2之間夾角度θ 1。

舉例來說，上述的光源組件可例如包括一光源111、一準直元件113以及一均勻化元件115。準直元件113例如設置於光源111與均化元件115之間。

在操作光學裝置100時，光源111產生一光源光(未繪示)，而該光源光通過準直元件113準直為一平行光束(未繪示)。該平行光束接著藉由均勻化元件115均勻化，以形成具有中心光軸L1的該光束，而該光束入射第一透鏡單元117。由於第一透鏡單元117的透鏡光軸L2實質上平行於中心光軸L1但未重疊於中心光軸L1，也就是說，透鏡光軸L2與中心光軸L1實質上平行且在第一透鏡單元117的入射面171上於垂直於透鏡光軸L2或中心光軸L1的方向上相隔一距離R(如第2圖所示)。在本實施例或其他實施例中，距離R符合以下條件：0.5公釐≦R≦2公釐，然而本發明並不受限於此。該光束在通過第一透鏡單元117後會形成具有中心光軸A的照明光束，且中心光軸A與透鏡光軸L2交錯而與透鏡光軸L2夾有角度θ 1。

如第1圖所示，光調變模組13包括一光閥131、一合光元件133以及一第二透鏡單元135。照明模組11產生的照明光束將以角度θ 2自一入射面331入射光調變模組13，其中，入射面331具有一法線N1，而中心光軸A與入射面331的法線N1間夾有角度θ 2。在本實施例中，角度θ 2可實質上等於角度θ 1。在另一實施例中，角度θ 2也可不同於角度θ 1。在此實施例或其他實施例中，角度θ 1符合以下條件：3度≦θ 1≦8度。然而，本發明並不受限於此。

具體而言，照明光束先入射合光元件133，並被反射至光閥131。光閥131接著反射照明光束，並將一畫面信息(未繪示)加入照明光束以產生帶有該影像且的影像光束，接著影像光束通過合光元件133後成為具有中心光軸B的影像光束並入射第二透鏡單元135。第二透鏡單元135具有一透鏡光軸L3。當具有中心光軸B的影像光束入射第二透鏡單元135後，被第二透鏡單元135折射至導光模組15。詳細來說，具有中心光軸B的影像光束在通過第二透鏡單元135時被折射後會形成具有一中心光軸K 的影像光束，且此影像光束的中心光軸K與第二透鏡單元135的透鏡光軸L3之間夾有一角度θ 3並且在第二透鏡單元135的出光面355上會相隔一距離。為方便說明，第1圖中第二透鏡單元135僅顯示一片透鏡作為代表並繪示出影像光束在第二透鏡單元135內部相對應的傳遞路徑，然而本發明所屬技術領域具通常知識者當能瞭解，若第二透鏡單元135包含複數片透鏡時，影像光束在第二透鏡單元135內部的傳遞路徑將有所不同，此處將不另外贅述。在本實施例或其他實施例中，角度θ 3大於0度。具有中心光軸K的影像光束實際上是以一入射角度α自導光模組15的一入射面151入射導光模組15，其中，入射面151具有一法線N2，而影像光束的中心光軸K與法線N2夾有入射角度α。在本實施例或其他實施例中，入射角度α符合以下條件：0度<α<1.5度，然而本發明並不受限於此。在本實施例中，第二透鏡單元135的透鏡光軸L3可實質上平行於導光模組15的入射面151的法線N2，因此角度θ 3會實質上等於入射角度α。然而，本發明並不受限於此。也就是說，在其他實施例中，第二透鏡單元135的透鏡光軸L3可不平行於導光模組15的入射面151的法線N2，因此角度θ 3會不同於入射角度α。

最終，入射後的影像光束會在導光模組15中傳輸並被導光模組15導引離開導光模組15而朝向光學裝置100的一使用者的眼睛行進。在此實施例中，影像光束在導光模組中的傳輸方式是以繞射的方式傳輸。然而，本發明並不受限於此。舉例來說，影像光束在導光模組中的傳輸方式也可以是利用在內部全反射的方式傳輸。又或者，影像光束在導光模組中的傳輸方式也可以包含利用在內部全反射的方式傳輸以及利用繞射的方式傳輸。

由於本發明的照明模組11可產生沿著相對於照明模組11的中心軸C傾斜角度θ 1之方向行進的照明光束，使得最後影像光束得以斜向入射導光模組15，進而避免該影像產生鬼影現象。此外，由於入射角度α甚小，使得光調變模組13與導光模組15可以近乎相互平行地設置。舉例來說，光調變模組13的出光面355(例如第二透鏡單元135上垂直於透鏡光軸L3的出光面)與導光模組15的入射面151可幾近平行。相較於一般將整個光機引擎與導光模組傾斜設置來消除鬼影現象之裝置，本發明的光學裝置100不僅在系統設計上減少了難度，更縮小了體積。

在另一實施例中，請參閱第3圖，照明模組11’的光源組件包括一光源111’、一準直元件113’以及一均勻化元件115’，準直元件113’設置於光源111’與均勻化元件115’之間。光源組件係用以產生一光束(未繪示)，該光束具有一中心光軸L1’，而第一透鏡單元117’具有一透鏡光軸L2’。中心光軸L1’與透鏡光軸L2’交錯而夾有一角度β。操作時，當均勻化元件115’均勻化過的該光束沿著中心光軸L1’入射第一透鏡單元117’時，由於中心光軸L1’與透鏡光軸L2’交錯，使得該光束通過第一透鏡單元117’後，會形成具有中心光軸A’的照明光束，中心光軸A’與透鏡光軸L2’交錯而夾有一角度θ 1。其餘元件的設置與操作與前述實施例類似，故不在此贅述。

在又另一實施例中，請參閱第4圖，本發明的一光學裝置200包括一照明模組21、一光調變模組23以及一導光模組25。照明模組21產生的一照明光束係沿著照明模組21的中心軸D行進，以垂直入射光調變模組23，也就是說，照明光束的一中心光軸E實質地與照明模組21 的中心軸D重合，且實質地垂直於光調變模組23上對應照明模組21的一入射面333。在本實施例中，照明模組21可根據實際的應用而設計，只要輸出的照明光束的中心光軸E實質地垂直於照明模組21的出光面(亦即重合於中心軸D)即可，本發明並不限制任何可能的實施態樣。

此外，光調變模組23的光學設計也有些微不同。詳細來說，通過光調變模組23的光閥231與合光元件233後要前往第二透鏡單元235的影像光束具有一中心光軸F，光調變模組23的第二透鏡單元235具有一透鏡光軸L5，而中心光軸F與透鏡光軸L5實質地互相平行卻不重合。也就是說，中心光軸F與透鏡光軸L5實質上平行且在垂直於中心光軸F或透鏡光軸L5上的方向上相隔一距離S。因此，影像光束通過第二透鏡單元235後被折射而具有一中心光軸Q，從而以一入射角度α’自導光模組25的一入射面251入射導光模組25。只要入射角度α’在一預設範圍內，就可以消除因為導光模組25的反射而產生的鬼影現象。舉例來說，入射角度α’符合以下條件：5度<α’<10度及α’=tan-1(S/G)，其中S為中心光軸F與透鏡光軸L5間的垂直距離，G為第二透鏡單元235的焦距。在本實施例或其他實施例中，較佳距離S為0~3.5mm，較佳焦距G為7~16mm。然而，本發明並不受限於此。

藉此，光學裝置200得以避免輸出的影像中產生鬼影現象。此外，藉由讓影像光束斜向入射導光模組25，使得整個光機引擎的出光面(例如第二透鏡單元235上垂直於透鏡光軸L5的出光面355)與導光模組25的入射面251之間的夾角可大幅縮小，進而縮小了體積。

在又另一實施例中，上述的第二透鏡單元235與導光模組 25也可改成使入射第二透鏡單元235的影像光束的中心光軸F與第二透鏡單元235的透鏡光軸L5交錯，從而使離開第二透鏡單元235的影像光束斜向入射導光模組25。

雖然以上說明是分別藉由例如設計照明模組的方式或藉由例如設計光調變模組與導光模組間的配置關係的方式來避免產生鬼影，然而本發明並不限於此，也就是說，本領域技術人員可在參讀本發明所揭露之內容後，根據實際的需求，搭配上述一或多種實施態樣來達到或加強避免產生鬼影的效果。

舉例來說，第4圖的照明模組21也可以第2圖的照明模組11(或第3圖的照明模組11’)取代，或者直接將照明模組21相對於光調變模組23傾斜設置，亦即照明模組21的中心軸D或照明光束的中心光軸E相對於光調變模組23面向照明模組21的入射面331的法線夾一角度。

在本發明一或多個實施例中，光學裝置可例如為一頭戴式顯示器或投影式顯示器，可供使用者配戴在其頭部，使得導光模組輸出的影像光束得以投射至使用者的眼睛，讓使用者能觀看到光學裝置欲呈現的影像。為此，本發明的導光模組最外面設置有讓影像光束輸出的一出光面，此出光面面向使用者。並且，此出光面與影像光束入射導光模組的入射面的相對位置可根據實際的應用需求來設計。舉例來說，出光面與入射面可位於導光模組的同一側，或者可分別位於導光模組的相對兩側，或者可分別位於導光模組的緊鄰相接的兩側。

在本發明一或多個實施例中，可根據實際應用需求來設計各個透鏡單元。詳細來說，一個透鏡單元中可包含一或多個透鏡，且所述一或多個透鏡將構成一透鏡光軸。

在本發明一或多個實施例中，也可根據實際應用需求來設計準直元件。舉例來說，準直元件可為由一或多個透鏡組成的透鏡單元，且所述一或多個透鏡將構成一透鏡光軸。

在本發明一或多個實施例中，光源可例如為雷射二極體(Laser Diode,LD)或發光二極體(Light Emitting Diode,LED)，均勻化元件可例如為陣列透鏡或導光柱，光閥131可例如為矽基液晶反射面板(LCoS(Liquid Crystal on Silicon)Reflective Panel)或數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)，合光元件133可例如為偏極化分光鏡(Polarization Beam Splitter,PBS)或全反射稜鏡(TIR(Total Internal Reflection)Prism)，而導光模組15可例如包括一繞射式光導板(waveguide plate)及/或偏振式光導板。然而，本發明不受限於這些實施態樣，本領域技術人員跟參閱本發明的說明而根據實際應用需求來選用適當的元件。

11‧‧‧照明模組

13‧‧‧光調變模組

15‧‧‧導光模組

100‧‧‧光學裝置

131‧‧‧光閥

133‧‧‧合光元件

135‧‧‧第二透鏡單元

151、331、351‧‧‧入射面

355‧‧‧出光面

A、B、K‧‧‧中心光軸

C‧‧‧中心軸

N1、N2‧‧‧法線

L3‧‧‧透鏡光軸

θ 1、θ 2、θ 3、α‧‧‧角度

Claims

一種照明模組，適於設置於一光學裝置中，並包括：一光源組件，用以產生一光束，該光束具有一第一中心光軸；以及一第一透鏡單元，具有一第一透鏡光軸，該第一透鏡光軸與該第一中心光軸交錯，使得該光束穿透該第一透鏡單元後形成一照明光束，該照明光束具有一第二中心光軸，該第二中心光軸與該第一透鏡光軸交錯；其中，該光學裝置包括一光調變模組和一導光模組，該照明光束經過該光調變模組而成為帶有一影像的一影像光束，該影像光束在該導光模組中傳輸後離開該導光模組且被該光學裝置的一使用者的眼睛接收。
一種照明模組，適於設置於一光學裝置中，並包括：一光源組件，用以產生該光束，並且該光束具有一第一中心光軸；以及一第一透鏡單元，具有一第一透鏡光軸，該第一透鏡光軸與該第一中心光軸平行卻不重疊，使得該光束穿透該第一透鏡單元後形成一照明光束，該照明光束具有一第二中心光軸，該第二中心光軸與該第一透鏡光軸交錯；其中，該光學裝置包括一光調變模組和一導光模組，該照明光束經過該光調變模組而成為帶有一影像的一影像光束，該影像光束在該導光模組中傳輸後離開該導光模組且被該光學裝置的一使用者的眼睛接收。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之照明模組，其中該光源組件包括：一光源，用以產生一光源光；一準直元件，用以當該光源光通過該準直元件時使該光源光準直為一平行光束；以及一均勻化元件，用以當該平行光束通過該均勻化元件時使該平行光束均勻化而成為具有該第一中心光軸的該光束。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之照明模組，其中該第二中心光軸與該第一透鏡光軸間的一夾角符合以下條件：3度≦θ≦8度，其中，θ為該第二中心光軸與該第一透鏡光軸間的該夾角。
一種如申請專利範圍第1項或第2項所述的光學裝置，包括：該照明模組、該光調變模組和該導光模組；其中，該影像光束以一入射角度入射該導光模組，且該入射角度符合以下條件：0度<α<90度，其中，α為該影像光束入射該導光模組的該入射角度。
如申請專利範圍第5項所述之光學裝置，其中該光調變模組包括：一光閥，用以將一畫面信息加入該照明光束以產生該影像光束；一第二透鏡單元，用以讓該影像光束穿越並投射至該導光模組；以及一合光元件，用以將來自該照明模組的該照明光束導引至該光閥，並且用以將來自該光閥的該影像光束導引至該第二透鏡單元。
如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中該第二透鏡單元具有一第二透鏡光軸，該光調變模組輸出的該影像光束具有一第三中心光軸，該第二透鏡光軸與該第三中心光軸平行且在該第二透鏡單元的一入射面上相隔一距離，該距離符合以下條件：α’=tan-1(S/G)，其中，α’為該影像光束入射該導光模組的該入射角度，S為該第二透鏡光軸與該第三中心光軸間的該距離，G為該第二透鏡單元的一焦距。
如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中該第二透鏡單元具有一第二透鏡光軸，該光調變模組輸出的該影像光束具有一第三中心光軸，該第二透鏡光軸與該第三中心光軸交錯。
如申請專利範圍第5項所述之光學裝置，其中該導光模組包括一繞射式光導板。
如申請專利範圍第5項所述之光學裝置，其中該入射角度更符合以下條件：0度<α<1.5度，其中，α為該影像光束入射該導光模組的該入射角度。