TWI803532B - 圖案投射裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

圖案投射裝置包括矩陣式光源、成像鏡頭及車燈燈罩。矩陣式光源由多個發光元件組成，可發出具有一圖案的影像光。成像鏡頭位於矩陣式光源的光路下游，成像鏡頭包含具屈光度的一透鏡及一非對稱式光學元件。車燈燈罩位於非對稱式光學元件的光路下游。非對稱式光學元件係由下列中選出：圓柱狀透鏡、雙錐形透鏡、柱狀陣列透鏡、楔形透鏡、楔形平板或前述元件的組合。

Description

圖案投射裝置及其製造方法
本發明是有關於一種圖案投射裝置及其製造方法，且特別是有關於一種具有矩陣式光源之圖案投射裝置及其製造方法。
目前的投影裝置所投射出來的畫面的長寬比與其矩陣式光源的長寬比一致。假若要投射出另一種長寬比的畫面，必須將光源更換成另一種矩陣式光源，甚為不便。基於此，有需要提出一種新的且能夠改善前述問題的投影裝置。
本發明係有關於一種圖案投射裝置及其製造方法，可改善前述問題。
根據本發明之一實施例，提出一種交通工具的圖案投射裝置。圖案投射裝置包括矩陣式光源、成像鏡頭及車燈燈罩。矩陣式光源由多個發光元件組成，可發出具有一圖案的影像光。成像鏡頭位於矩陣式光源的光路下游，成像鏡頭包含具屈光度的透鏡及非對稱式光學元件(anamorphic optical element)。車燈燈罩位於非對稱式光學元件的光路下游。其中，非對稱式光學元件係由下列中選出：圓柱狀透鏡、雙錐形透鏡、柱狀陣列透鏡、楔形透鏡、楔形平板或前述元件的組合。如此，無需光閥，矩陣式光源本身可發出具有圖案的影像光，且具有第一長寬比的影像光穿透非對稱式光學元件後，影像光的第一長寬比會改變成第二長寬比。
根據本發明之另一實施例，提出一種圖案投射裝置。圖案投射裝置包括矩陣式光源及成像鏡頭。矩陣式光源可發出具有一圖案的第一光束，矩陣式光源包括基板及多個自發光的發光元件，此些發光元件配置在基板上。成像鏡頭位於矩陣式光源的光路下游，且包含至少一具屈光度的透鏡和一非對稱式光學元件，其中，非對稱式光學元件係由下列中選出：圓柱狀透鏡、雙錐形透鏡、柱狀陣列透鏡、楔形透鏡、楔形平板或前述元件的組合。第一光束穿透成像鏡頭後成為第二光束，第二光束具有小於等於0.5的長寬比。如此，圖案投射裝置透過非對稱式光學元件對第二光束提供一預期的長寬比變化。
根據本發明之另一實施例，提出一種圖案投射裝置的製造方法。製造方法包括以下步驟。提供一矩陣式光源，可發出具有一圖案的一第一光束，矩陣式光源包括一基板及多個自發光的發光元件，此些發光元件配置在基板上；將一成像鏡頭裝配在矩陣式光源的光路下游，且成像鏡頭包含至少一具屈光度的透鏡和一非對稱式光學元件，其中，非對稱式光學元件係由下列中選出：圓柱狀透鏡、雙錐形透鏡、柱狀陣列透鏡、楔形透鏡、楔形平板或前述元件的組合。成像鏡頭允許第一光束穿透後成為一第二光束，其中，第二光束在一成像面具有一小於等於0.5的長寬比。
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，並配合所附圖式詳細說明如下：
請參照第1A~1D圖，第1A及1B圖繪示依照本發明一實施例之圖案投射裝置100的示意圖，第1C圖繪示第1A圖之矩陣式光源110之示意圖，而第1D圖繪示第1A圖之微透鏡陣列120之示意圖。
圖案投射裝置100包括矩陣式光源110、微透鏡陣列(Microlens Array)120及成像鏡頭130。
矩陣式光源110可發出具有第一長寬比，且包含至少一圖案的第一光束L1。微透鏡陣列120位於矩陣式光源110與成像鏡頭130之間的光路。成像鏡頭130位於矩陣式光源110的光路下游。成像鏡頭130至少包含具屈光度的透鏡133和一非對稱式光學元件(anamorphic optical element)131，透鏡133可以是一或多個，透鏡133可配置在光源110與非對稱式光學元件131之間的光路，或是，非對稱式光學元件131可以配置在光源110與透鏡133之間的光路。非對稱式光學元件131允許第一光束L1穿透後成為第二光束L2，且第二光束L2具有第二長寬比，第二長寬比與第一長寬比相異。換言之，成像鏡頭130可改變矩陣式光源110的出光的長寬比，使第二光束L2的第二長寬比不會受到矩陣式光源110的長寬比所限制。
如第1A~1C圖所示，矩陣式光源110包括基板111及數個發光元件112。發光元件112配置在基板111上。第一長寬比例如是此些發光元件112的鋪排區域的第一長度W11及第二長度W12的比值(W11/W12)。第二長寬比例如是第二光束L2投射在成像面T1的投射區域的第三長度W21及第四長度W22的比值(W21/W22)。第1A圖的成像面T1以垂直於光軸為例說明，然視圖案投射裝置100的實際用途而定，如第9圖的成像面T1由第一成像面T11與第二成像面T12所組成，第二成像面T12可以是路面，而圖案投射裝置100發出的第二光束可同時照射第一成像面T11與第二成像面T12，以照明路面及前方路況，而分別照射到第一成像面T11與第二成像面T12的部分第二光束的長寬比各為小於等於0.5。
此外，在本實施例中，各發光元件112例如是自發光的發光元件。在此情況下，矩陣式光源110不需要背光模組。在一實施例中，發光元件112例如是微型發光二極體(Micro LED)，利用微縮製程技術可以讓Micro LED 介於約1微米~約10微米，其可透過巨量轉移等適合技術配置在基板111上，再封裝成單一Micro LED晶片，其尺寸小於100微米，與有機發光二極體(OLED)一樣能夠實現每個畫素(pixel)單獨定址，單獨驅動發光（自發光），但相較OLED更加省電，且反應速度更快。在另一實施例中，發光元件112例如是次毫米發光二極體(Mini LED)，次毫米發光二極體介於約100微米~約200微米之間。但根據晶電公司的分類為例，一般的發光二極體晶粒是介於約200微米～約300微米，而Mini LED介於約50微米～約60微米，而Micro LED則是在約15微米，所以尺寸並不適合用來唯一分類，只能輔助分類，還是要以是否可自發光和LED生產技術來區分。
在實施例中，多個發光元件112可獨立受控發光，使此些發光元件112的一些發光，而另一些可不發光，使第一光束L1呈現一圖案。換言之，矩陣式光源110可發出具有圖案的第一長寬比的第一光束L1(影像光)，而具有第二長寬比的第二光束L2(影像光)對應呈現長寬比不同的圖案。此外，透過對多個發光元件112的控制，可改變第一光束L1的圖案。在其它實施例中，此些發光元件112可同時發出不同光色(不同色溫)的色光，各發光元件112可發出例如是紅光、藍光、綠光與白光等多個不同色光。或者，所有發光元件112可發出具有不同灰階的單一光色的色光，如白光或任何色溫的色光。
綜上可知，本發明實施例之圖案投射裝置100可利用同一矩陣式光源110發出一具有圖案的第一光束L1。在一實施例中，第一光束L1的圖案與第二光束L2的圖案是相同的，僅長寬比不同。此外，前述圖案的內容是可變化。在另一實施例中，前述圖案可呈現彩色(多種光色)，然亦可呈現多個灰階的單光色，如白光或其它色溫的光色。
由於矩陣式光源110的發光元件112可發出一具圖案的光束，如第1A及1B圖所示，由於矩陣式光源110本身可發出影像光，因此矩陣式光源110與成像鏡頭130之間的光路可不配置任何光閥，然本發明實施例不受此限。此外，如第1A及1B圖可知，本實施例之圖案投射裝置100的矩陣式光源110與成像鏡頭130之間的光路可不配置有習知的合光模組或合光元件。
此外，如第1C圖所示，數個發光元件112排列成一n´m的矩陣，其中n及m為等於或大於1的正整數，且n與m的和大於2，且n與m的數值可相等或相異。在一實施例中，n及m的值可介於約1~約1000000之間，如數個、數十、數百、數千、數萬或數十萬等，甚至更多。如此，可提高第一光束L1之圖案的解析度且/或使第一光束L1提供更多圖案變化。
如第1D圖所示，微透鏡陣列120包含數個微透鏡結構121。此些微透鏡結構121可將第一光束L1聚光，使聚光後的第一光束L1’大部分或全部入射至成像鏡頭130。在另一實施例中，圖案投射裝置100可省略微透鏡陣列120，在此情況下，第一光束L1自矩陣式光源110發出後，可不經過任何實體光學元件，而直接投射至成像鏡頭130，然本發明實施例不受此限。
如第1A及1B圖所示，在本實施例中，非對稱式光學元件131係以圓柱狀透鏡(cylindrical lens)為例說明。詳言之，圓柱狀透鏡沿第一方向(如沿Y軸向)不具有屈光度，而沿第二方向(如沿X軸向)具有一屈光度，第一方向與第二方向實質上垂直。如此，圓柱狀透鏡可維持第一光束L1’沿第一方向的長度，但放大第一光束L1’沿第二方向的長度，使第二光束L2的第二長寬比與第一光束L1的第一長寬比相異。在另一實施例中，第1A及1B圖之柱狀透鏡也可以轉動90度配置，如此，圓柱狀透鏡沿第一方向(如沿X軸向)不具有屈光度，而沿第二方向(如沿Y軸向)具有屈光度。
請參照第2A~2B圖，其繪示依照本發明另一實施例之圖案投射裝置200的示意圖。
圖案投射裝置200包括矩陣式光源110、微透鏡陣列120(選擇性)及成像鏡頭230。成像鏡頭230包括具屈光度的透鏡233及非對稱式光學元件231，透鏡233可以是一或多個。在本實施例中，非對稱式光學元件231為柱狀陣列透鏡(Lenticular Lens)，其可提供類似前述圓柱狀透鏡改變第一光束L1之長寬比的技術效果。
如第2A及2B圖所示，柱狀陣列透鏡沿第一方向(如沿X軸向)不具屈光度，而沿第二方向(如沿Y軸向)具有屈光度，第一方向與第二方向實質上垂直。如此，柱狀陣列透鏡可維持第一光束L1’沿第一方向的長度，但放大第一光束L1’沿第二方向的長度，使第二光束L2的第二長寬比與第一光束L1的第一長寬比相異。在另一實施例中，第2A及2B圖之柱狀陣列透鏡也可以轉動90度配置，如此，柱狀陣列透鏡沿第一方向(如沿Y軸向)不具有屈光度，而沿第二方向(如沿X軸向)具有屈光度。
請參照第3A~3B圖，其繪示依照本發明另一實施例之圖案投射裝置300的示意圖。
圖案投射裝置300包括矩陣式光源110、微透鏡陣列120(選擇性)及成像鏡頭330。成像鏡頭330包括非對稱式光學元件331和具屈光度的透鏡333，透鏡333可以是一或多個。在本實施例中，非對稱式光學元件331為雙錐形透鏡(Biconic lens)，其可提供類似前述圓柱狀透鏡及柱狀陣列透鏡改變第一光束L1’之長寬比的技術效果。
如第3A及3B圖所示，雙錐形透鏡沿第一方向(如沿Y軸向)具第一屈光度，而沿第二方向(如沿X軸向)具有第二屈光度，其中第一屈光度與第二屈光度相異。由於第一屈光度與第二屈光度相異，因此雙錐形透鏡使穿透的第二光束L2沿第一方向的第一焦距F1及第二方向的第二焦距F2不同，藉此使第二光束L2的第二長寬比與第一光束L1’的第一長寬比相異。在另一實施例中，第3A及3B圖之雙錐形透鏡也可以轉動90度配置，如此，雙錐形透鏡沿第一方向(如沿X軸向)及第二方向(如沿Y軸向)同樣具有屈光度。
請參照第4~6圖，其繪示依照本發明其它實施例之非對稱式光學元件的示意圖。前述成像鏡頭130、230或330之非對稱式光學元件可以非對稱式光學元件430取代。在此些實施例中， 非對稱式光學元件430可包含至少二透鏡，如第一透鏡431及第二透鏡432。第一透鏡431例如是楔形平板(Wedge plate)、楔形透鏡(Wedge lens)或具有屈光度的透鏡，而第二透鏡432例如是楔形平板、楔形透鏡或具有屈光度的透鏡。藉由第一透鏡431與第二透鏡432的組合，可使第二光束L2的圖案變形(第二光束L2長寬比與第一光束L1(未繪示)相異)且可補償色散。前述楔形平板或楔形透鏡係利用光程差改變達到第二光束L2之長寬比改變。此外，前述具有屈光度的透鏡例如是前述非對稱式光學元件131、231或331，或者其它具有一平面、一球面、非球面或具有其它曲率曲面的透鏡。
本發明實施例並不限定成像鏡頭所包含的非對稱式光學元件的種類，除了前述圓柱狀透鏡、雙錐形透鏡、柱狀陣列透鏡及楔形透鏡外，只要是能夠改變第一光束L1之長寬比的單一透鏡、數個透鏡的組合、反射鏡、單一楔形平板、數個楔形平板的組合或楔形平板與透鏡的組合，皆可做為本發明實施例之非對稱式光學元件之應用。
請參照第7圖及第8圖，其繪示依照本發明另一實施例之圖案投射裝置500的示意圖。本實施例之圖案投射裝置500以應用在一交通工具的車燈為例說明。然，本發明實施例之圖案投射裝置可視實際需求應用於其它需要照明或投射圖案的光學產品，不限於應用於車燈產品。
圖案投射裝置500包括光源殼510、前述矩陣式光源110、微透鏡陣列120、鏡筒530、前述成像鏡頭130、230及330、電路板540、散熱鰭片550、風扇560及燈罩570。在另一實施例中，若無需求，圖案投射裝置500也可選擇性省略光源殼510、鏡筒530、電路板540、散熱鰭片550、風扇560與燈罩570至少一者。
矩陣式光源110設置在光源殼510內，以受到光源殼510的保護且可避免漏光。成像鏡頭(130、230或330)設置在鏡筒530內，以受到鏡筒530的保護。在本實施例中，矩陣式光源110配置且電性連接於電路板540，使外部訊號(未繪示)可透過電路板540控制矩陣式光源110的發光模式。矩陣式光源110的發熱可透過熱管(heat pipe)(未繪示)傳導至散熱鰭片550。風扇560可將散熱鰭片550的熱強制排出圖案投射裝置500外。燈罩570可覆蓋光源殼510、矩陣式光源110、微透鏡陣列120、鏡筒530、成像鏡頭(130、230或330)、電路板540、散熱鰭片550及風扇560，以保護此些元件。在另一實施例中，燈罩570內可配置二組以上的圖案投射模組，一組圖案投射模組包含光源殼510、矩陣式光源110、微透鏡陣列120、鏡筒530、成像鏡頭(130、230或330)、電路板540、散熱鰭片550及風扇560。
燈罩570允許第二光束L2穿透而離開燈罩570。從燈罩570射出的第二光束L2可投射至路面或遠方標的物。如第9圖所示，第二光束L2的第二長寬比指的是射出燈罩570之第二光束L2投射至路面或遠方標的物的第一成像面或第二成像面的長寬比。第二長寬比的比值例如是小於等於0.5。
如第7圖所示，矩陣式光源110配置在電路板540之表面540s上，且表面540s的法線方向N1實質上平行於矩陣式光源110的光軸OP1。
此外，雖然圖未繪示，然圖案投射裝置500更可包含一電源板(power board)，其電性連接於電路板540，可傳輸電力(電力例如來自於圖案投射裝置500外部的電源)給電路板540。在另一實施例中，電源板可被配置在圖案投射裝置500之外部，並透過線路(未繪示)電性連接於電路板540。
此外，前述圖案投射裝置的其中一種製造方法例如包括：提供一矩陣式光源，可發出具有一圖案的一第一光束，矩陣式光源包括一基板及多個自發光的發光元件，此些發光元件配置在基板上。然後，將一成像鏡頭裝配在矩陣式光源的光路下游，且成像鏡頭包含至少一具屈光度的透鏡和一非對稱式光學元件，其中，非對稱式光學元件係由下列中選出：圓柱狀透鏡、雙錐形透鏡、柱狀陣列透鏡、楔形透鏡、楔形平板或前述元件的組合，其中，第一光束穿透成像鏡頭後成為一第二光束，第二光束在一成像面具有一小於等於0.5的長寬比。
如本發明實施例的圖案投射裝置所示，無需光閥，矩陣式光源本身可發出具有圖案的影像光，且具有第一長寬比的影像光穿透非對稱式光學元件後，影像光的第一長寬比會改變成具有第二長寬比的第二光束，用以提供一預期的長寬比變化。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明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，當可作各種之更動與潤飾。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。
100、200、300、500:圖案投射裝置110:矩陣式光源111:基板112:發光元件120:微透鏡陣列121:微透鏡結構130、230、330:成像鏡頭131、231、331、430:非對稱式光學元件431:第一透鏡432:第二透鏡510:光源殼530:鏡筒540:電路板540s:表面550:散熱鰭片560:風扇570:燈罩L1、L1’:第一光束L2:第二光束F1:第一焦距F2:第二焦距N1:法線方向OP1:光軸T1:成像面T11:第一成像面T12:第二成像面W11:第一長度W12:第二長度W21:第三長度W22:第四長度
第1A及1B圖繪示依照本發明一實施例之圖案投射裝置的示意圖。 第1C圖繪示第1A圖之矩陣式光源之示意圖。 第1D圖繪示第1A圖之微透鏡陣列之示意圖。 第2A~2B圖繪示依照本發明另一實施例之圖案投射裝置的示意圖。 第3A~3B圖繪示依照本發明另一實施例之圖案投射裝置的示意圖。 第4~6圖繪示依照本發明其它實施例之非對稱式光學元件的示意圖。 第7圖繪示依照本發明另一實施例之圖案投射裝置的示意圖。 第8圖繪示依照本發明另一實施例之圖案投射裝置的示意圖。 第9圖繪示依照本發明另一實施例之圖案投射裝置投射第二光束的示意圖。
100:圖案投射裝置
110:矩陣式光源
111:基板
112:發光元件
120:微透鏡陣列
130:成像鏡頭
131:非對稱式光學元件
133:鏡頭
L1、L1’:第一光束
L2:第二光束
T1:成像面
W11:第一長度
W21:第三長度

Claims (11)

  1. 一種交通工具的圖案投射裝置，包括：一矩陣式光源，由多個發光元件組成，可發出具有一圖案的影像光；一成像鏡頭，位於該矩陣式光源的光路下游，該成像鏡頭包含：具屈光度的一透鏡；以及一非對稱式光學元件(anamorphic optical element)；以及一車燈燈罩，位於該非對稱式光學元件的光路下游；其中，該矩陣式光源的光路下游不設有矩陣透鏡，而該非對稱式光學元件係由下列中選出：圓柱狀透鏡、雙錐形透鏡、楔形透鏡、楔形平板或前述元件的組合。
  2. 一種圖案投射裝置，包括：一矩陣式光源，可發出具有一圖案的一第一光束，該矩陣式光源包括多個自發光的發光元件；以及一成像鏡頭，位於該矩陣式光源的光路下游，且包含至少一具屈光度的透鏡和一非對稱式光學元件，其中，該非對稱式光學元件係由下列中選出：圓柱狀透鏡、雙錐形透鏡、楔形透鏡、楔形平板或前述元件的組合； 其中，該矩陣式光源的光路下游不設有矩陣透鏡，而該第一光束穿透該成像鏡頭後成為一第二光束，該第二光束在一成像面具有一小於等於0.5的長寬比。
  3. 如請求項1或2所述之圖案投射裝置，其中，該矩陣式光源與該成像鏡頭之間的光路不具有光閥。
  4. 如請求項1或2所述之圖案投射裝置，其中該些發光元件滿足下列條件之一：(1)該些發光元件排列成n×m矩陣型，其中n及m為介於1~1000000之間的正整數；(2)該些發光元件係以巨量轉移技術配置在一基板上。
  5. 如請求項1或2所述之圖案投射裝置，其中該些發光元件滿足下列條件之一：(1)該些發光元件用以發出相異光色的色光；(2)該些發光元件用以發出相同光色的色光。
  6. 如請求項1或2所述之圖案投射裝置，其中該非對稱式光學元件滿足下列條件之一：(1)沿一第一方向具有一第一屈光度且沿一第二方向具有一第二屈光度，該第一屈光度與該第二屈光度係相異，該第一方向與該第二方向實質上垂直；(2)沿一第一方向不具有屈光度，而沿一第二方向具有一屈光度，該第一方向與該第二方向實質上垂直；(3)該非對稱式光學元件更包括一反射鏡。
  7. 如請求項1或2所述之圖案投射裝置，其中該矩陣式光源所發出之該第一光束直接投射至該成像鏡頭。
  8. 如請求項1或2所述之圖案投射裝置，更包括： 一電路板，具有一表面；其中，該矩陣式光源配置在該電路板之該表面上，且該表面的法線方向實質上平行於該矩陣式光源的光軸。
  9. 如請求項1或2所述之圖案投射裝置，更包括：一微透鏡陣列(Microlens array)，位於該矩陣式光源與該成像鏡頭之間的光路。
  10. 如請求項1或2所述之圖案投射裝置，其中該圖案為彩色圖案或具灰階之單色圖案。
  11. 一種圖案投射裝置之製造方法，包括：提供一矩陣式光源，可發出具有一圖案的一第一光束，該矩陣式光源包括一基板及多個自發光的發光元件，該些發光元件配置在該基板上；以及將一成像鏡頭裝配在該矩陣式光源的光路下游，且該成像鏡頭包含至少一具屈光度的透鏡和一非對稱式光學元件，其中，該矩陣式光源的光路下游不設有矩陣透鏡，且該非對稱式光學元件係由下列中選出：圓柱狀透鏡、雙錐形透鏡、楔形透鏡、楔形平板或前述元件的組合，其中，該第一光束穿透該成像鏡頭後成為一第二光束，該第二光束在一成像面具有一小於等於0.5的長寬比。
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