CN112462564B - 激光光学投影模块及包含其的穿戴装置 - Google Patents

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Abstract

一种激光光学投影模块及包含其的穿戴装置，激光光学投影模块包括一激光束扫描装置、一第一光学透镜组、以及一微透镜阵列成像元件。激光束扫描装置具有一激光光源及一微机电微镜，激光光源发射激光光束至微机电微镜，微机电微镜摆动以反射激光光束并投射出去。第一光学透镜组设置于激光束扫描装置的一侧，第一光学透镜组缩小激光束扫描装置投射出来的激光光束的光点，并减少光点之间的间距。微透镜阵列成像元件设置于第一光学透镜组的一侧，并位于激光光束的投射方向上，微透镜阵列成像元件具有多个微透镜，激光光束经过微透镜而形成均匀且平行的成像光线，以形成均匀的成像图像。

Description

激光光学投影模块及包含其的穿戴装置
技术领域
本发明涉及一种光学投影模块及穿戴装置，尤其涉及一种应用激光作为光源的激光光学投影模块及使用其的穿戴装置，例如眼镜，以提供增强现实的显示图像。
背景技术
为着供游戏或移动设备的使用者可以利用透明或半透明显示器以查看周围环境，可供透视且混合现实显示设备***，或者称为增强现实(Augmented Reality,AR)***，已逐渐被开发出来。使用者一面能够通过设备的透明或半透明显示器查看周围环境，另一面还能够看到虚拟图像，叠加或同时显示在周围环境。
这些显示设备主要需要投射图像的光机(optical engine)以及透明或半透明的显示器。光机接受另一设备的图像等信息后，投射至透明或半透明的显示器。由于受限于各种元件的体积限制、以及光源的限制，因此如何缩小这些显示设备的体积，又能提供更宽视野及更高分辨率的图像，是该项技术领域所欲解决的其中一项重要课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种激光光学投影模块，在于缩小元件的尺寸并提高图像的分辨率。
为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是，提供一种激光光学投影模块，其包括一激光束扫描装置、一第一光学透镜组、以及一微透镜阵列成像元件。所述激光束扫描装置具有一激光光源及一微机电微镜，所述激光光源发射激光光束至所述微机电微镜，所述微机电微镜摆动以反射所述激光光束并投射到对应的像素位置，从而扫描投射出一图像。所述第一光学透镜组设置于所述激光束扫描装置的一侧，所述第一光学透镜组具有多个第一透镜，所述第一透镜缩小所述激光束扫描装置投射出来的所述激光光束的光点，并减少所述光点之间的间距。所述微透镜阵列成像元件设置于所述第一光学透镜组的一侧，并位于所述激光光束经过所述第一光学透镜组的投射方向上，所述微透镜阵列成像元件具有多个排列成阵列的微透镜，所述激光光束经过所述微透镜而形成均匀且平行的成像光线，以形成均匀的成像图像。
本发明所要解决的技术问题还在于，针对现有技术的不足提供一种穿戴装置，不仅在于缩小元件的尺寸并提高图像的分辨率，还在于结合体积小、亮度高、功耗小及发热量低的光机。
为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是，另外提供一种穿戴装置，其包括一激光束扫描装置、一第一光学透镜组、一微透镜阵列成像元件、一第二光学透镜组以及一光学透视元件。所述激光束扫描装置具有一激光光源及一微机电微镜，所述激光光源发射激光光束至所述微机电微镜，所述微机电微镜摆动以反射所述激光光束并投射到对应的像素位置，从而扫描投射出一图像。所述第一光学透镜组设置于所述激光束扫描装置的一侧，所述第一光学透镜组具有多个第一透镜，所述第一透镜缩小所述激光束扫描装置投射出来的所述激光光束的光点，并减少所述光点之间的间距。所述微透镜阵列成像元件设置于第一光学透镜组的一侧，并位于所述激光光束经过所述第一光学透镜组后的投射方向上，所述微透镜阵列成像元件具有多个排列成阵列的微透镜，所述激光光束经过所述微透镜而形成均匀且平行的成像光线，以形成均匀的成像图像。所述第二光学透镜组设置于所述微透镜阵列成像元件的一侧，以接收所述微透镜阵列成像元件的所述成像图像，所述第二光学透镜组放大所述成像图像。所述光学透视元件设置于所述第二光学透镜组的一侧，所述光学透视元件包含胶合的多个半穿半反镜片，每一所述半穿半反镜片具有多层的镀膜，以接收经过所述第二光学透镜组放大后所述成像光线。
本发明的至少一有益效果在于，本发明所提供的激光光学投影模块，其安排第一光学透镜组位于激光束扫描装置与微透镜阵列成像元件之间。激光束扫描装置产生的光点的尺寸，通过第一光学透镜组可以缩小光点的尺寸，以缩小微透镜阵列成像元件的尺寸并提高分辨率。此外，本发明将激光光学投影模块应用于穿戴装置，例如增强现实的眼镜，其中激光光学投影模块以微机电微镜作为光机，优点在于体积小、亮度高、功耗小、以及发热量低。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明第一实施例的激光光学投影模块的示意图。
图2为本发明投射激光光束至微透镜阵列成像元件的示意图。
图3为本发明的第一光学透镜组缩小光点尺寸的示意图。
图4为本发明的激光光学投影模块投射出图像的示意图。
图5为本发明的光线经过光学透视元件被人眼查看的示意图。
图6为本发明第二实施例的激光光学投影模块的示意图。
图7为本发明具有激光光学投影模块的穿戴装置的示意图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
应当可以理解的是，虽然本文中可能会使用到“第一”、“第二”、“第三”等术语来描述各种元件或者信号，但这些元件或者信号不应受这些术语的限制。这些术语主要是用以区分一元件与另一元件，或者一信号与另一信号。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
[第一实施例]
参阅图1至图5所示，本发明第一实施例提供一种激光光学投影模块100，其包括一激光束扫描装置(Laser Beam Scanning device,LBS)10、一第一光学透镜组(firstoptical lens)20、一微透镜阵列成像元件(micro lens array,MLA)30、一第二光学透镜组(second optical lens)40及一光学透视元件50。简要的说，第一光学透镜组20设置于激光束扫描装置10的一侧。微透镜阵列成像元件30与激光束扫描装置10相对地设置于第一光学透镜组20一侧。第二光学透镜组40与第一光学透镜组20相对地设置于微透镜阵列成像元件30的一侧。光学透视元件50与微透镜阵列成像元件30相对地置于第二光学透镜组40的一侧。其中人眼E及图像P也示意呈现于光学透视元件50的两侧以表达本发明所达成的技术特征。激光束扫描装置10所产生的图像光束依序穿过第一光学透镜组20、微透镜阵列成像元件30及第二光学透镜组40，然后进入光学透视元件50后，光线部分穿透光学透视元件50及部分反射而进入人眼E，人眼E可以通过光学透视元件50看到虚像的图像P。
如图2所示，激光束扫描装置10可以包括有一激光光源11及一微机电微镜12。所述激光光源11发射激光光束至所述微机电微镜12。激光光源11可以包括红光激光、绿光激光及蓝光激光的三色激光112，经过准直单元114，发出准直的激光光束。然而，本实施例也可以使用其他颜色激光。激光光源11可以是单色激光。微机电微镜12可以是一微机电***(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)的扫描镜(scanning mirror)。微机电微镜12快速摆动以反射激光光束并投射到对应的像素位置，从而在空间中扫描投射出一图像。
本发明的微机电微镜12有别于传统的硅基液晶(LCoS,Liquid Crystal onSilicon)投影技术以及数字光处理(DLP,Digital Light Procession)投影技术。硅基液晶(LCoS)的基础技术是利用液晶分子来进行反射，缺点是亮度和分辨率不佳，功耗大，体积大。数字光处理(DLP)的投影是由数字微镜设备(DMD,Digital Micromirror Device)的矩阵式微型反射镜反射光线以产生图像。两者都需要外部白光光源，若应用于增强现实的装置，将增加整体的体积。相较于上述两者，微机电微镜12适合作为增强现实装置的光机，优点在于体积小、亮度高、功耗小、以及发热量低。
如图2所示，本实施例的第一光学透镜组20设置于激光束扫描装置10的出光侧。第一光学透镜组20具有多个第一透镜21，22，23，多个所述第一透镜21，22，23可以是凸透镜与凹透镜的组合，本实施例中，所述第一光学透镜组20的每一第一透镜21，22，23具有非规则曲面，用以缩小激光束扫描装置10投射出来的激光光束B的光点S，并减少光点S之间的间距D1。当第一光学透镜组20与激光束扫描装置10之间的距离越近，第一光学透镜组20的尺寸将会缩小。相对应地，为着配合微透镜阵列成像元件30的面积，第一光学透镜组20的有效焦距能相对应地设计变小。
如图2及图3所示，微透镜阵列成像元件(MLA)30设置于第一光学透镜组20的一侧，并位于激光光束B经过所述第一光学透镜组20的投射方向上。换句说话，第一光学透镜组20位于激光束扫描装置10与微透镜阵列成像元件30之间。微透镜阵列成像元件30具有多个排列成阵列的微透镜32。本实施例中，多个微透镜32可以是形成在一透明基板的一侧或两侧，形成单凸的微透镜或双凸的微透镜。激光光束B经过微透镜32而形成均匀且平行的成像光线，以形成均匀的成像图像。借此，本发明可以提供均匀且平行的成像光线。
本实施例中，所述微透镜32为凸透镜，相邻的两个所述微透镜32具有相同的间距(pitch)D2，所述激光束扫描装置10的所述光点S的尺寸等于或小于所述微透镜的间距D2。相邻两个微透镜32的透镜间距D2与激光光束B的光点S尺寸愈小愈好，可以提供更好的分辨率。举例说明，假设微透镜阵列成像元件30的长宽为12mm×6mm，并假设激光束扫描装置10经过第一光学透镜组20入射到微透镜阵列成像元件30有1024×768个扫描点。此时，微透镜阵列成像元件30的间距(pitch)D2为12mm/1024＝11.7μm。激光束扫描装置10所产生的光点S之间的间距D1需要是11.7μm，激光光束B的光点S尺寸等于或小于11.7μm。
另一举例说明，本发明为着提高分辨率，可以缩小激光束扫描装置10与微透镜阵列成像元件30之间的距离X，相对应的，微透镜阵列成像元件30的尺寸需要缩小。假设微透镜阵列成像元件30的长宽为6mm×3mm，并假设激光束扫描装置10经过第一光学透镜组20入射到微透镜阵列成像元件30有1024×768个扫描点。此时，微透镜阵列成像元件30的间距(pitch)D2为6mm/1024＝5.8μm。
综合上述举例，本实施例中，所述微透镜阵列成像元件30的微透镜32的间距D2可以是5微米至12微米(μm)之间。然而，本发明并不限制于此。
本发明的其中一项特征在于，安排第一光学透镜组20位于激光束扫描装置10与微透镜阵列成像元件30之间。激光束扫描装置10产生的光点S的尺寸，通过第一光学透镜组20可以缩小光点S的尺寸，以缩小微透镜阵列成像元件30的尺寸并提高分辨率。反面而言，若缺少第一光学透镜组20，激光束扫描装置10产生的光点S的尺寸将受到微机电微镜12的尺寸限制而无法缩小。
当激光束扫描装置10产生的激光光束B经过第一光学透镜组20的多片带有非规则曲面的第一透镜，光线受到非规则曲面的表面而改变行径路线，包括相位(phase)改变以及光程(optical path)改变。
如图2及图3所示，本实施例中，当微透镜阵列成像元件30的间距(pitch)D2与光点S相同时，本实施例可以减低散斑(speckle)，以提供较佳的成像品质。本实施例可以通过设计第一光学透镜组20，使得激光束扫描装置10的光点尺寸缩小。因此，激光束扫描装置10的光点S的尺寸SA等于微透镜32的间距D2时，所述第一光学透镜组20的厚度TL加上第一光学透镜组20的焦距f不超过微机电微镜12到微透镜阵列成像元件30之间的距离X。
如图3所示，本实施例设计第一光学透镜组20以前，需要先确认第一光学透镜组20的焦距f能否符合***的设计。参照F-Theta lens的关系式
光点的尺寸(spot size)＝C×λ×(f/A)
其中：C为变迹因子(factor of apodization)与镜片的材料有关；λ为波长；f为有效焦距；A为光束尺寸。
如图4所示，第二光学透镜组40设置于微透镜阵列成像元件30的一侧，以接收微透镜阵列成像元件30均匀且平行的成像图像。第二光学透镜组40放大成像图像，目的在于将微透镜阵列成像元件30的每一光点可以有效地进入光学透视元件50。微透镜阵列成像元件30的光点代表图像显示的每一个物点(object point)。每一个物点发出的光线有一个发散角度。本发明的激光光学投影模块100所欲达成的其中一项目的在于，使最后看到的虚像位于无穷远处。因此，通过第二光学透镜组40可以修正微透镜阵列成像元件30的光点的光程及光型。具体的说，第二光学透镜组40可以具有多个第二透镜，分别具有不同折射率及不同色散系数，例如高折射及低折射的材料组合，以及高色散及低色散材料的组合，借此可以减少像差(aberration)及色差(chromatic aberration)。本实施例利用第二透镜的表面形状及厚度，使得不同角度的光线最后能平行地进入光学透视元件50，并且不同物点朝着各自方向前进。也就是说，第二光学透镜组40修正经过微透镜阵列成像元件30的成像光线，使不同角度的成像光线平行地进入所述光学透视元件50。
本实施例中，第二光学透镜组40的形状可以搭配光学透视元件50的形状。具体的说，例如光学透视元件50的长宽比例为16:9，本实施例可以设计第二光学透镜组40的外形为16:9，以达到最小的体积。
如图2所示，本发明的激光光学投影模块可以只包括激光束扫描装置10、第一光学透镜组20、微透镜阵列成像元件30，也可以投影出图像。换句话说，本发明的激光光学投影模块不一定需要投射至光学透视元件50。
如图4及图5所示，所述光学透视元件50置于第二光学透镜组40的一侧，也就是出光侧。本实施例中，光学透视元件50，例如可以是导光元件(light guide opticalelement,LOE)，其包含胶合的多个半穿半反镜片M，每一半穿半反镜片具有多层的镀膜，以接收经过第二光学透镜组40放大后的成像光线。光学透视元件50反射第二光学透镜组40放大后的成像光线至人眼E，并使人眼E可以通过光学透视元件50看到放大后的光学图像P。
成像有一重要的参数为视角(FOV,field of view)，或称视场、视野、视域。视角与人眼E所能看到的成像尺寸有关系。视角可以经过设计而更改，不同的视角影响微透镜阵列成像元件30的尺寸与位置。
请参阅图4，视角(FOV)与微透镜阵列成像元件(MLA)30的尺寸及间距之间的关系式：
一半像高＝有效焦距(EFL)*tan(半FOV)
Diagonal FOV＝2*tan-1(MLA diagonal size/2/f)
假设微透镜阵列成像元件(MLA)30的长宽比例为16:9
微透镜阵列成像元件(MLA)30的水平尺寸(宽)：
Figure GDF0000018065330000071
其中d为微透镜阵列成像元件30的对角尺寸(MLA diagonal size)
微透镜阵列成像元件30的垂直尺寸(高)：
Figure GDF0000018065330000081
依分辨率设定为1024×600
微透镜阵列成像元件30的水平间距(pitch)为MLA H size/1024
微透镜阵列成像元件30的垂直间距(pitch)为MLA V size/600
具体范例说明如下：
设定本实施例的视角FOV为30度，接着决定焦距f为25.7mm，也就是第二光学透镜组40的有效焦距(EFL)。
0.5*d/25.7＝tan(30°/2)
微透镜阵列成像元件30的对角尺寸d＝2*tan(30°/2)*25.7＝13.77mm因此算出微透镜阵列成像元件30的对角尺寸为13.77mm
由于画面以16:9的比例呈现，可以得出：
MLA H size＝12mm；MLA V size＝6.75mm
依分辨率设定为1024×600，可以得出：
微透镜阵列成像元件30的水平间距(pitch)为12mm/1024＝11.72μm(取小数点后两位)
微透镜阵列成像元件30的垂直间距(pitch)为6.75mm/600＝11.25μm
微透镜阵列成像元件30的尺寸确定后，微透镜阵列成像元件30与微机电微镜12之间的距离X也能确定，其中h为微透镜阵列成像元件30的一半高度(6.75/2)mm。由于微机电微镜12投射的画面大小随着距离而改变，因此微机电微镜12的投射画面大小需要与微透镜阵列成像元件30一样，方能符合设计。假设微机电微镜12一半的水平扫描角为20.13°，一半的垂直扫描角为11.65°。上述距离X的算式如下：
X＝h/tan(11.65°)＝(6.75/2)/tan(11.65°)＝16.37mm(取小数点后两位)
[第二实施例]
如图6所示，为本发明的激光束扫描装置的第二实施例。与图1的实施例不同的地方在于，本实施例省略第二光学透镜组，其包括激光束扫描装置10、第一光学透镜组20、微透镜阵列成像元件30、以及光学透视元件50。由于激光光束B经过微透镜阵列成像元件30的微透镜32可以形成均匀且平行的成像光线，以形成均匀的成像图像。本发明仍可以提供均匀且平行的成像光线进入光学透视元件50。
如图7所示，本发明的激光光学投影模块100可以应用于穿戴装置以提供增强现实的显示图像，具体的说，以光学投影眼镜200为例。光学投影眼镜200包括激光束扫描装置10、第一光学透镜组20、微透镜阵列成像元件30、第二光学透镜组40以及光学透视元件50。其中激光束扫描装置10、第一光学透镜组20、微透镜阵列成像元件30及第二光学透镜组40可以设置于光学投影眼镜200的镜脚201。光学透视元件50结合于眼镜200的镜片202。此外，光学投影眼镜200可以设置电源供应装置60及控制电路板70于镜脚201。电源供应装置60可以提供电力给激光束扫描装置10，控制电路板70可以连接外部装置(图略)以传送相关信息给激光束扫描装置10。然而，本发明并不限制于此，本发明的激光光学投影模块100也作为其他图像投影装置的光机，例如虚拟实境(virtual reality，VR)的装置，或抬头显示装置(heads up display)。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求内。

Claims (10)

1.一种激光光学投影模块，其特征在于，包括：
一激光束扫描装置，具有一激光光源及一微机电微镜，所述激光光源发射激光光束至所述微机电微镜，所述微机电微镜摆动以反射所述激光光束并投射到对应的像素位置，从而扫描投射出一图像；
一第一光学透镜组，设置于所述激光束扫描装置的一侧，所述第一光学透镜组具有多个第一透镜，所述第一透镜缩小所述激光束扫描装置投射出来的所述激光光束的光点，并减少所述光点之间的间距；以及
一微透镜阵列成像元件，设置于所述第一光学透镜组的一侧，并位于所述激光光束经过所述第一光学透镜组的投射方向上，所述微透镜阵列成像元件具有多个排列成阵列的微透镜，所述激光光束经过所述微透镜而形成均匀且互相平行的成像光线，以形成均匀的成像图像。
2.如权利要求1所述的激光光学投影模块，其特征在于，所述第一光学透镜组的每一所述第一透镜具有非规则曲面。
3.如权利要求1所述的激光光学投影模块，其特征在于，所述微透镜为凸透镜或双凸透镜，相邻的两个所述微透镜具有相同的透镜间距，所述激光束扫描装置的所述光点的尺寸等于或小于所述微透镜间距。
4.如权利要求3所述的激光光学投影模块，其特征在于，所述微透镜阵列成像元件的所述微透镜的间距为5微米至12微米。
5.如权利要求3所述的激光光学投影模块，其特征在于，所述激光束扫描装置的所述光点的尺寸等于所述微透镜间距时，所述第一光学透镜组的厚度加上所述第一光学透镜组的焦距不超过所述微机电微镜到所述微透镜阵列成像元件之间的距离。
6.如权利要求1所述的激光光学投影模块，其特征在于，还包括一第二光学透镜组，所述第二光学透镜组设置于所述微透镜阵列成像元件的一侧，以接收所述微透镜阵列成像元件的所述成像图像，所述第二光学透镜组放大所述成像图像。
7.如权利要求6所述的激光光学投影模块，其特征在于，所述第二光学透镜组具有多个第二透镜，分别具有不同折射率及不同色散系数。
8.如权利要求6所述的激光光学投影模块，其特征在于，还包括一光学透视元件，所述光学透视元件置于所述第二光学透镜组的一侧，所述光学透视元件包含胶合的多个半穿半反镜片，每一所述半穿半反镜片具有多层的镀膜，以接收经过所述第二光学透镜组放大后所述成像光线。
9.如权利要求8所述的激光光学投影模块，其特征在于，所述第二光学透镜组修正经过所述微透镜阵列成像元件的成像光线，使不同角度的成像光线平行地进入所述光学透视元件。
10.一种具有激光光学投影模块的穿戴装置，其特征在于，包括：
一激光束扫描装置，具有一激光光源及一微机电微镜，所述激光光源发射激光光束至所述微机电微镜，所述微机电微镜摆动以反射所述激光光束并投射到对应的像素位置，从而扫描投射出一图像；
一第一光学透镜组，设置于所述激光束扫描装置的一侧，所述第一光学透镜组具有多个第一透镜，所述第一透镜缩小所述激光束扫描装置投射出来的所述激光光束的光点，并减少所述光点之间的间距；
一微透镜阵列成像元件，设置于第一光学透镜组的一侧，并位于所述激光光束经过所述第一光学透镜组后的投射方向上，所述微透镜阵列成像元件具有多个排列成阵列的微透镜，所述激光光束经过所述微透镜而形成均匀且互相平行的成像光线，以形成均匀的成像图像；
一第二光学透镜组，设置于所述微透镜阵列成像元件的一侧，以接收所述微透镜阵列成像元件的所述成像图像，所述第二光学透镜组放大所述成像图像；以及
一光学透视元件，设置于所述第二光学透镜组的一侧，所述光学透视元件包含胶合的多个半穿半反镜片，每一所述半穿半反镜片具有多层的镀膜，以接收经过所述第二光学透镜组放大后所述成像光线。
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