CN111722400B - 光学装置及其照明模块 - Google Patents

Abstract

一种照明模块，适于设置于光学装置中，并包括光源组件以及第一透镜单元。该光源组件用以产生一光束，该光束具有第一中心光轴。该第一透镜单元具有第一透镜光轴，该光束穿透该第一透镜单元后形成照明光束，该照明光束具有第二中心光轴，该第二中心光轴与该第一透镜光轴交错。本发明更提供一种光学装置，该光学装置包括该照明模块、光调变模块和导光模块，该照明光束经过该光调变模块而成为带有影像的影像光束，该影像光束在该导光模块中传输后离开该导光模块且被该光学装置的用户的眼睛接收。

Description

光学装置及其照明模块

技术领域

本发明是有关于一种光学装置及其照明模块，特别是指一种能产生影像的光学装置及其照明模块。

背景技术

一般的光学装置通常包括照明模块与光调变模块。为了方便，该照明模块所发出的光束常常被设计为垂直入射该光调变模块。然而，这样的光学设计常常导致该光束在该光调变模块与后续的光学组件(例如光波导组件)之间有多次的反射，进而使该光学装置所生成的影像产生鬼影现象。简言之，该光学装置影响了用户的观看质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的光学装置影响了用户的观看质量的缺陷，提供一种光学装置及其照明模块，该光学装置用以产生影像，而该照明模块所发出的光束沿着相对于该照明模块的中心轴倾斜一角度的方向行进，以避免鬼影现象的产生。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，提供照明模块的一实施例，适于设置于光学装置中，并包括光源组件以及第一透镜单元。该光源组件用以产生一光束，该光束具有第一中心光轴。该第一透镜单元具有第一透镜光轴，该第一透镜光轴与该第一中心光轴交错，使得该光束穿透该第一透镜单元后形成照明光束，该照明光束具有第二中心光轴，该第二中心光轴与该第一透镜光轴交错。该光学装置包括光调变模块和导光模块，该照明光束经过该光调变模块而成为带有影像的影像光束，该影像光束在该导光模块中传输后离开该导光模块且被该光学装置的用户的眼睛接收。

本发明照明模块的另一实施例适于设置于光学装置中，并包括光源组件以及第一透镜单元。该光源组件用以产生一光束，该光束具有第一中心光轴。该第一透镜单元具有第一透镜光轴，该第一透镜光轴与该第一中心光轴平行却不重迭，使得该光束穿透该第一透镜单元后形成照明光束，该照明光束具有第二中心光轴，该第二中心光轴与该第一透镜光轴交错。该光学装置包括光调变模块和导光模块，该照明光束经过该光调变模块而成为带有影像的影像光束，该影像光束在该导光模块中传输后离开该导光模块且被该光学装置的用户的眼睛接收。

在另一实施例中，该光源组件包括光源、准直组件以及均匀化组件。该光源用以产生光源光。该准直组件用以当该光源光通过该准直组件时使该光源光准直为平行光束。该均匀化组件用以当该平行光束通过该均匀化组件时使该平行光束均匀化而成为具有该第一中心光轴的该光束。

在另一实施例中，该第二中心光轴与该第一透镜光轴间的一夹角符合以下条件：3度≦θ≦8度，其中，θ为该第二中心光轴与该第一透镜光轴间的该夹角。

本发明光学装置的一实施例包括前述的照明模块、前述的光调变模块以及前述的导光模块。其中，该影像光束以一入射角度入射该导光模块，且该入射角度符合以下条件：0度<α<90度，其中，α为该影像光束入射该导光模块的该入射角度。

在另一实施例中，该光调变模块包括光阀、第二透镜单元以及合光组件。该光阀用以将画面信息加入该照明光束以产生该影像光束。该第二透镜单元用以让该影像光束穿越并投射至该导光模块。该合光组件用以将来自该照明模块的该照明光束导引至该光阀，并且用以将来自该光阀的该影像光束导引至该第二透镜单元。

在另一实施例中，该第二透镜单元具有第二透镜光轴，该光调变模块输出的该影像光束具有第三中心光轴，该第二透镜光轴与该第三中心光轴平行且在该第二透镜单元的一入射面上相隔一距离，该距离符合以下条件：α’＝tan-1(S/G)，其中，α’为该影像光束入射该导光模块的该入射角度，S为该第二透镜光轴与该第三中心光轴间的该距离，G为该第二透镜单元的一焦距。

在另一实施例中，该第二透镜单元具有第二透镜光轴，该光调变模块输出的该影像光束具有第三中心光轴，该第二透镜光轴与该第三中心光轴交错。

在另一实施例中，该导光模块包括绕射式光导板。

在另一实施例中，该入射角度更符合以下条件：0度<α<1.5度，其中，α为该影像光束入射该导光模块的该入射角度。

实施本发明的光学装置及其照明模块，具有以下有益效果：该光学装置用以产生影像，而该照明模块所发出的光束沿着相对于该照明模块的中心轴倾斜一角度的方向行进，以避免鬼影现象的产生。

附图说明

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：

图1为本发明的一实施例的光学装置的示意图。

图2为图1中的照明模块的示意图。

图3为本发明的另一实施例的光学装置的照明模块的示意图。

图4为本发明的再一实施例的光学装置的示意图。

具体实施方式

根据本发明的诸多实施例所提供的光学装置至少包括一照明模块、光调变模块以及导光模块。照明模块用以产生照明光束。光调变模块用以接收照明光束并将照明光束转成带有影像的影像光束。导光模块用以让影像光束斜向入射后在其内部传输，至终在导光模块内传输的影像光束会被导光模块导引离开导光模块而被光学装置的用户的眼睛接收，也就是说，影像光束会被导光模块投射至用户的眼睛。

所谓斜向入射是指影像光束在入射导光模块时，影像光束的中心光轴与导光模块的入射面的法线之间夹有一角度(即入射角度)，此入射角度大于0度小于90度。藉此，避免光学装置产生鬼影而影响用户观看影像的质量。

以下将藉由不同的实施例来说明本发明实现可消除鬼影的光学装置的范例。

请参阅图1，本发明一实施例的光学装置100包括照明模块11、光调变模块13以及导光模块15。照明模块11具有中心轴C，并用以产生照明光束。照明光束沿着相对于中心轴C倾斜一角度θ1的方向行进。也就是说，照明光束具有中心光轴A，此中心光轴A与照明模块11的中心轴C交错，使得两者之间的夹角为角度θ1。光调变模块13用以接收来自照明模块11的照明光束并将此照明光束转成带有影像且具有中心光轴B的影像光束。而导光模块15用以接收来自光调变模块13的影像光束，并使影像光束在内部传输后离开导光模块15且被导光模块15导引或投射至人眼，使得用户可观看影像光束所含的影像。

请参阅图2，在此实施例或其他实施例中，照明模块11包括光源组件以及第一透镜单元117。光源组件用以产生一光束，此光束具有中心光轴L1且朝第一透镜单元117的方向前进。第一透镜单元117则具有透镜光轴L2，且用以让来自光源组件的光束通过而形成具有中心光轴A的照明光束。在此实施例或其他实施例中，第一透镜单元117的透镜光轴L2即为照明模块11的中心轴C。在此实施例或其他实施例中，来自光源组件的光束可循不同的路径或方式入射至第一透镜单元117，使得离开第一透镜单元117的照明光束的中心光轴A与第一透镜单元117的透镜光轴L2之间夹角度θ1。

举例来说，上述的光源组件可例如包括光源111、准直组件113以及均匀化组件115。准直组件113例如设置于光源111与均化组件115之间。

在操作光学装置100时，光源111产生光源光(未绘示)，而该光源光通过准直组件113准直为平行光束(未绘示)。该平行光束接着藉由均匀化组件115均匀化，以形成具有中心光轴L1的该光束，而该光束入射第一透镜单元117。由于第一透镜单元117的透镜光轴L2实质上平行于中心光轴L1但未重迭于中心光轴L1，也就是说，透镜光轴L2与中心光轴L1实质上平行且在第一透镜单元117的入射面171上于垂直于透镜光轴L2或中心光轴L1的方向上相隔一距离R(如图2所示)。在本实施例或其他实施例中，距离R符合以下条件：0.5公厘≦R≦2公厘，然而本发明并不受限于此。该光束在通过第一透镜单元117后会形成具有中心光轴A的照明光束，且中心光轴A与透镜光轴L2交错而与透镜光轴L2夹有角度θ1。

如图1所示，光调变模块13包括光阀131、合光组件133以及第二透镜单元135。照明模块11产生的照明光束将以角度θ2自入射面331入射光调变模块13，其中，入射面331具有法线N1，而中心光轴A与入射面331的法线N1间夹有角度θ2。在本实施例中，角度θ2可实质上等于角度θ1。在另一实施例中，角度θ2也可不同于角度θ1。在此实施例或其他实施例中，角度θ1符合以下条件：3度≦θ1≦8度。然而，本发明并不受限于此。

具体而言，照明光束先入射合光组件133，并被反射至光阀131。光阀131接着反射照明光束，并将画面信息(未绘示)加入照明光束以产生带有该影像且的影像光束，接着影像光束通过合光组件133后成为具有中心光轴B的影像光束并入射第二透镜单元135。第二透镜单元135具有一透镜光轴L3。当具有中心光轴B的影像光束入射第二透镜单元135后，被第二透镜单元135折射至导光模块15。详细来说，具有中心光轴B的影像光束在通过第二透镜单元135时被折射后会形成具有中心光轴K的影像光束，且此影像光束的中心光轴K与第二透镜单元135的透镜光轴L3之间夹有一角度θ3并且在第二透镜单元135的出光面355上会相隔一距离。为方便说明，图1中第二透镜单元135仅显示一片透镜作为代表,并绘示出影像光束在第二透镜单元135内部相对应的传递路径，然而本领域的技术人员当能了解，若第二透镜单元135包含复数片透镜时，影像光束在第二透镜单元135内部的传递路径将有所不同，此处将不另外赘述。在本实施例或其他实施例中，角度θ3大于0度。具有中心光轴K的影像光束实际上是以一入射角度α自导光模块15的一入射面151入射导光模块15，其中，入射面151具有法线N2，而影像光束的中心光轴K与法线N2夹有入射角度α。在本实施例或其他实施例中，入射角度α符合以下条件：0度<α<1.5度，然而本发明并不受限于此。在本实施例中，第二透镜单元135的透镜光轴L3可实质上平行于导光模块15的入射面151的法线N2，因此角度θ3会实质上等于入射角度α。然而，本发明并不受限于此。也就是说，在其他实施例中，第二透镜单元135的透镜光轴L3可不平行于导光模块15的入射面151的法线N2，因此角度θ3会不同于入射角度α。

最终，入射后的影像光束会在导光模块15中传输并被导光模块15导引离开导光模块15而朝向光学装置100的用户的眼睛行进。在此实施例中，影像光束在导光模块中的传输方式是以绕射的方式传输。然而，本发明并不受限于此。举例来说，影像光束在导光模块中的传输方式也可以是利用在内部全反射的方式传输。又或者，影像光束在导光模块中的传输方式也可以包含利用在内部全反射的方式传输以及利用绕射的方式传输。

由于本发明的照明模块11可产生沿着相对于照明模块11的中心轴C倾斜角度θ1的方向行进的照明光束，使得最后影像光束得以斜向入射导光模块15，进而避免该影像产生鬼影现象。此外，由于入射角度α甚小，使得光调变模块13与导光模块15可以近乎相互平行地设置。举例来说，光调变模块13的出光面355(例如第二透镜单元135上垂直于透镜光轴L3的出光面)与导光模块15的入射面151可几***行。相较于一般将整个光机引擎与导光模块倾斜设置来消除鬼影现象的装置，本发明的光学装置100不仅在***设计上减少了难度，更缩小了体积。

在另一实施例中，请参阅图3，照明模块11’的光源组件包括光源111’、准直组件113’以及均匀化组件115’，准直组件113’设置于光源111’与均匀化组件115’之间。光源组件用以产生一光束(未绘示)，该光束具有中心光轴L1’，而第一透镜单元117’具有透镜光轴L2’。中心光轴L1’与透镜光轴L2’交错而夹有角度β。操作时，当均匀化组件115’均匀化过的该光束沿着中心光轴L1’入射第一透镜单元117’时，由于中心光轴L1’与透镜光轴L2’交错，使得该光束通过第一透镜单元117’后，会形成具有中心光轴A’的照明光束，中心光轴A’与透镜光轴L2’交错而夹有一角度θ1。其余组件的设置与操作与前述实施例类似，故不在此赘述。

在又另一实施例中，请参阅图4，本发明的光学装置200包括照明模块21、光调变模块23以及导光模块25。照明模块21产生的照明光束系沿着照明模块21的中心轴D行进，以垂直入射光调变模块23，也就是说，照明光束的中心光轴E实质地与照明模块21的中心轴D重合，且实质地垂直于光调变模块23上对应照明模块21的入射面333。在本实施例中，照明模块21可根据实际的应用而设计，只要输出的照明光束的中心光轴E实质地垂直于照明模块21的出光面(亦即重合于中心轴D)即可，本发明并不限制任何可能的实施态样。

此外，光调变模块23的光学设计也有些微不同。详细来说，通过光调变模块23的光阀231与合光组件233后要前往第二透镜单元235的影像光束具有中心光轴F，光调变模块23的第二透镜单元235具有透镜光轴L5，而中心光轴F与透镜光轴L5实质地互相平行却不重合。也就是说，中心光轴F与透镜光轴L5实质上平行且在垂直于中心光轴F或透镜光轴L5上的方向上相隔一距离S。因此，影像光束通过第二透镜单元235后被折射而具有中心光轴Q，从而以一入射角度α’自导光模块25的入射面251入射导光模块25。只要入射角度α’在一预设范围内，就可以消除因为导光模块25的反射而产生的鬼影现象。举例来说，入射角度α’符合以下条件：5度<α’<10度及α’＝tan-1(S/G)，其中S为中心光轴F与透镜光轴L5间的垂直距离，G为第二透镜单元235的焦距。在本实施例或其他实施例中，较佳距离S为0～3.5mm，较佳焦距G为7～16mm。然而，本发明并不受限于此。

藉此，光学装置200得以避免输出的影像中产生鬼影现象。此外，藉由让影像光束斜向入射导光模块25，使得整个光机引擎的出光面(例如第二透镜单元235上垂直于透镜光轴L5的出光面355)与导光模块25的入射面251之间的夹角可大幅缩小，进而缩小了体积。

在又另一实施例中，上述的第二透镜单元235与导光模块25也可改成使入射第二透镜单元235的影像光束的中心光轴F与第二透镜单元235的透镜光轴L5交错，从而使离开第二透镜单元235的影像光束斜向入射导光模块25。

虽然以上说明是分别藉由例如设计照明模块的方式或藉由例如设计光调变模块与导光模块间的配置关系的方式来避免产生鬼影，然而本发明并不限于此，也就是说，本领域技术人员可在参读本发明所揭露的内容后，根据实际的需求，搭配上述一或多种实施态样来达到或加强避免产生鬼影的效果。

举例来说，图4的照明模块21也可以图2的照明模块11(或图3的照明模块11’)取代，或者直接将照明模块21相对于光调变模块23倾斜设置，亦即照明模块21的中心轴D或照明光束的中心光轴E相对于光调变模块23面向照明模块21的入射面331的法线夹一角度。

在本发明一或多个实施例中，光学装置可例如为一头戴式显示器或投影式显示器，可供使用者配戴在其头部，使得导光模块输出的影像光束得以投射至使用者的眼睛，让用户能观看到光学装置欲呈现的影像。为此，本发明的导光模块最外面设置有让影像光束输出的一出光面，此出光面面向使用者。并且，此出光面与影像光束入射导光模块的入射面的相对位置可根据实际的应用需求来设计。举例来说，出光面与入射面可位于导光模块的同一侧，或者可分别位于导光模块的相对两侧，或者可分别位于导光模块的紧邻相接的两侧。

在本发明一或多个实施例中，可根据实际应用需求来设计各个透镜单元。详细来说，一个透镜单元中可包含一或多个透镜，且所述一或多个透镜将构成一透镜光轴。

在本发明一或多个实施例中，也可根据实际应用需求来设计准直组件。举例来说，准直组件可为由一或多个透镜组成的透镜单元，且所述一或多个透镜将构成一透镜光轴。

在本发明一或多个实施例中，光源可例如为雷射二极管(Laser Diode,LD)或发光二极管(Light Emitting Diode,LED)，均匀化组件可例如为数组透镜或导光柱，光阀131可例如为硅基液晶反射面板(LCoS(Liquid Crystal on Silicon)Reflective Panel)或数字微镜装置(Digital Micromirror Device,DMD)，合光组件133可例如为偏极化分光镜(Polarization Beam Splitter,PBS)或全反射棱镜(TIR(Total Internal Reflection)Prism)，而导光模块15可例如包括一绕射式光导板(waveguide plate)及/或偏振式光导板。然而，本发明不受限于这些实施态样，本领域技术人员跟参阅本发明的说明而根据实际应用需求来选用适当的组件。

Claims (11)

1.一种照明模块，适于设置于光学装置中，其特征在于，包括：

光源组件，用以产生一光束，该光束具有第一中心光轴；以及

第一透镜单元，具有第一透镜光轴，使得该光束穿透该第一透镜单元后形成照明光束，该照明光束具有第二中心光轴，该第二中心光轴与该第一透镜光轴交错；

其中，该光学装置包括光调变模块和导光模块，该照明光束经过该光调变模块而成为带有影像的影像光束，该影像光束在该导光模块中传输后离开该导光模块且被该光学装置的用户的眼睛接收；

该第一透镜单元与该光调变模块的入射面平行设置；

通过该第二中心光轴与该第一透镜光轴交错，使该照明模块可产生沿着一中心轴倾斜一角度的方向行进的照明光束，使得最后影像光束得以斜向入射该导光模块。

2.如权利要求1所述的照明模块，其特征在于，该第一透镜光轴与该第一中心光轴交错，或者该第一透镜光轴与该第一中心光轴平行却不重迭。

3.如权利要求1或2所述的照明模块，其特征在于，该光源组件包括：

光源，用以产生光源光；

准直组件，用以当该光源光通过该准直组件时使该光源光准直为平行光束；以及

均匀化组件，用以当该平行光束通过该均匀化组件时使该平行光束均匀化而成为具有该第一中心光轴的该光束。

4.如权利要求1或2所述的照明模块，其特征在于，该第二中心光轴与该第一透镜光轴间的一夹角符合以下条件：

3度≦θ≦8度，其中，θ为该第二中心光轴与该第一透镜光轴间的该夹角。

5.一种光学装置，其特征在于，包括：

权利要求1-4任意一项所述的照明模块、该光调变模块和该导光模块；

其中，该影像光束以一入射角度入射该导光模块，且该入射角度符合以下条件：

0度<α<90度，其中，α为该影像光束入射该导光模块的该入射角度。

6.如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，该光调变模块包括：

光阀，用以将画面信息加入该照明光束以产生该影像光束；

第二透镜单元，用以让该影像光束穿越并投射至该导光模块；以及

合光组件，用以将来自该照明模块的该照明光束导引至该光阀，并且用以将来自该光阀的该影像光束导引至该第二透镜单元。

7.如权利要求6所述的光学装置，其特征在于，该第二透镜单元具有第二透镜光轴，该光调变模块输出的该影像光束具有第三中心光轴，该第二透镜光轴与该第三中心光轴平行且在该第二透镜单元的一入射面上相隔一距离，该距离符合以下条件：

α’＝tan-1(S/G)，其中，α’为该影像光束入射该导光模块的该入射角度，S为该第二透镜光轴与该第三中心光轴间的该距离，G为该第二透镜单元的一焦距。

8.如权利要求6所述的光学装置，其特征在于，该第二透镜单元具有第二透镜光轴，该光调变模块输出的该影像光束具有第三中心光轴，该第二透镜光轴与该第三中心光轴交错。

9.如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，该导光模块包括绕射式光导板。

10.如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，该入射角度更符合以下条件：

0度<α<1.5度，其中，α为该影像光束入射该导光模块的该入射角度。

11.一种光学装置，其特征在于，包括：

如权利要求1所述的照明模块、该光调变模块和该导光模块；

其中，该光调变模块包括：

光阀，用以将画面信息加入该照明光束以产生该影像光束；

第二透镜单元，用以让该影像光束穿越并投射至该导光模块；以及

合光组件，用以将来自该照明模块的该照明光束导引至该光阀，并且用以将来自该光阀的该影像光束导引至该第二透镜单元；

该第二透镜单元具有第二透镜光轴，该光调变模块输出的该影像光束具有第三中心光轴，该第二透镜光轴与该第三中心光轴平行且在该第二透镜单元的一入射面上相隔一距离，该距离符合以下条件：

α’＝tan-1(S/G)，其中，α’为该影像光束入射该导光模块的该入射角度，S为该第二透镜光轴与该第三中心光轴间的该距离，G为该第二透镜单元的一焦距；

其中，该影像光束以一入射角度入射该导光模块，且该入射角度符合以下条件：

0度<α<90度，

其中，α为该影像光束入射该导光模块的该入射角度。

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