CN115113391A - 光机模块与投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种光机模块与投影装置。光机模块包括光源单元、第一扩散元件、偏振分光元件、第二扩散元件以及光阀。光源单元发出光束。第一扩散元件位于光束的传递路径上。偏振分光元件位于光束的传递路径上，其中第一扩散元件位于偏振分光元件与光源单元之间。第二扩散元件具有至少一个光学面以反射与扩散光束，光束通过第二扩散元件后形成照明光束，照明光束具有光成像匹配角。光阀配置于照明光束的传递路径上，光阀将照明光束调变成影像光束。本发明可在保持照明光束的光成像匹配角的同时降低进入偏振分光元件前光束的多个子光束的扩散角。由此，投影装置即能借由光机模块所形成的照明光束来满足投影镜头中的光路所需，而具有良好的影像品质以及解析度。

Description

光机模块与投影装置
技术领域
本发明是有关于一种光学模块与光学装置，且特别是有关于一种光机模块与投影装置。
背景技术
随着显示技术的进步及人们对于高科技的渴望，近眼显示器(Near Eye Display,NED)以及头戴式显示器(Head-mounted Display,HMD)是目前极具发展潜力的产品。在近眼显示技术的相关应用上，目前可分为扩增实境(Augmented Reality,AR)技术以及虚拟实境(Virtual Reality,VR)技术。其中，光场显示器(Light field near eye display,LFNED)由于具有当下的光场资讯，因此能够达成事后对焦的效果，并能借此提供有深度的影像资讯，而被广泛应用于近眼显示技术的扩增实境技术以及虚拟实境技术中。
一般而言，在近眼显示技术的光机模块中会利用偏振分光元件、微透镜阵列以及聚焦透镜等光学元件等光路设计，来使进入成像***的影像光束可以符合成像***的光瞳。然而，由于偏振分光元件的分光特性，会使得大角度入射的不同波段的光束具有不同的穿透率，因此对于大角度入射的光束，容易造成色偏的现象。因此，当成像***需要一定角度以上的视场角时，可能会导致以大角度入射偏振分光元件的收光效率下降或者是离轴色彩的不均匀，进而影响成像品质。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的习知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种光机模块，具有良好的影像品质以及解析度。
本发明提供一种投影装置，具有良好的影像品质以及解析度。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种光机模块。光机模块包括光源单元、第一扩散元件、偏振分光元件、第二扩散元件以及光阀。光源单元用以发出光束。第一扩散元件位于光束的传递路径上。偏振分光元件位于光束的传递路径上，其中第一扩散元件位于偏振分光元件与光源单元之间。第二扩散元件具有至少一个光学面，至少一个光学面用以反射与扩散光束，且光束通过第二扩散元件后形成照明光束，且照明光束具有光成像匹配角。光阀配置于照明光束的传递路径上，其中光阀用以将照明光束调变成影像光束。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种投影装置。投影装置包括前述的光机模块以及投影镜头。投影镜头位于影像光束的传递路径上，且用以将影像光束投射出投影装置。
基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，投影装置与光机模块借由第一扩散元件与第二扩散元件的配置，而使光束的多个子光束的单位光发散角可先后陆续被扩大，而可形成能满足投影镜头中的光路所需的多个子照明光束。如此一来，投影装置即能借由光机模块所形成的照明光束来满足投影镜头中的光路所需，而具有良好的影像品质以及解析度。如此，可在保持照明光束的光成像匹配角的同时，降低光束的多个子光束在面向第一表面的偏振光学面的扩散角。如此，针对偏振分光元件的面向第一表面的偏振光学面上的涂布膜的特性，其可设计为适用于具有较小光扩散角的光束，进而可减少产品成本，以及保持成像品质。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1A是本发明一实施例的一种投影装置的光学架构示意图。
图1B是图1A的一种微结构的结构示意图。
图2是本发明一实施例的另一种投影装置的光学架构示意图。
图3是本发明一实施例的又一种投影装置的光学架构示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1A是本发明一实施例的一种投影装置的光学架构示意图。图1B是图1A的一种微结构的结构示意图。请参照图1A与图1B，在本实施例中，投影装置200例如是一近眼显示装置，而用以配置在一使用者的至少一个眼睛前方。具体而言，如图1A所示，投影装置200包括光机模块100以及投影镜头210。具体而言，光机模块100包括光源单元110、第一扩散元件120、偏振分光元件130、第二扩散元件140以及光阀150，投影镜头210的数量绘示为多个是用以示例性地表示可包含多个用以成像的透镜，本案不以此为限，投影镜头210的数量也可为一个。在本实施例中，光源单元110包括激光发光元件(laser diode,LD)，用以提供光束60，即，光束60为激光光束。激光发光元件例如是蓝光光源、红光光源以及绿光光源，但本案不以此为限。光源单元110还包括分色元件(Dichroic Mirror)，用于穿透或反射来自蓝光光源、红光光源以及绿光光源所发射的色光。
此外，在本实施例中，光阀150例如为反射式光阀，可用以将照明光束70调变成影像光束80。
更具体而言，如图1A所示，在本实施例中，第一扩散元件120、偏振分光元件130与第二扩散元件140位于光束60的传递路径上。第一扩散元件120位于偏振分光元件130与光源单元110之间，用以扩散光束60。第二扩散元件140具有至少一个光学面，而可用以反射与扩散光束60。举例而言，第一扩散元件120包括第一微透镜阵列121，第二扩散元件140包括第二微透镜阵列141以及光学反射镜142，在本实施例中，至少一个光学面包括第二微透镜阵列141的表面以及光学反射镜142的表面。并且，第二扩散元件140的第二微透镜阵列141位于光学反射镜142与偏振分光元件130之间，且光学反射镜142的反射面背向偏振分光元件130。
在本实施例中，偏振分光元件130具有第一表面S1、第二表面S2、第三表面S3、第四表面S4以及偏振光学面PBS，第一表面S1与第二表面S2彼此相对，第三表面S3与第四表面S4彼此相对，且第三表面S3与第四表面S4连接第一表面S1与第二表面S2。如图1A所示，光束60通过第一扩散元件120后自第一表面S1进入偏振分光元件130。之后，光束60经由第二表面S2离开偏振分光元件130，并被传递至第二扩散元件140。并且，光束60经由第二扩散元件140的第二微透镜阵列141对光束60的子光束的单位光发散角进行两次扩散。并且，光束60经由第二扩散元件140的光学反射镜142，可被反射回偏振分光元件130。并且，由于光机模块100还包括位于第二扩散元件140与偏振分光元件130之间的四分之一波片160。因此，当光束60的子光束反射回偏振分光元件130后，会改变其偏振态，而可经由偏振分光元件130面向的偏振光学面PBS反射并通过第三表面S3后被传递至光阀150。
接着，如图1A所示，在本实施例中，光阀150用以将照明光束70调变成具有多个子影像光束的影像光束80后，影像光束80依序通过偏振分光元件130的第三表面S3、偏振光学面PBS以及第四表面S4后离开偏振分光元件130，而被传递至光瞳PL。举例而言，在本实施例中，光瞳PL可为投影镜头210的出射瞳或是使用者的眼睛的瞳孔，当光瞳PL为使用者的眼睛的瞳孔时，投影装置200可应用于虚拟实境(Virtual Reality,VR)技术中。
一般而言，为了使光束60在离开光机模块100之后所形成的照明光束70满足投影镜头210中的光路的所需视角范围及提供投影镜头210所形成的各子影像光束被传递至光瞳PL时所需满足的发散角范围，照明光束70的整体光形需要满足特定的发光角度范围，即照明光束70的光成像匹配角与光瞳PL的视角匹配。
进一步而言，在本实施例中，第一扩散元件120与第二扩散元件140可用以调整光束60的多个子光束的均匀度以及光形，至少一个光束60在通过第一扩散元件120与第二扩散元件140后，其子光束的光展量会变大并具有均匀的光形。如此，至少一个光束60的多个子光束可经由第一扩散元件120与第二扩散元件140而形成具有光成像匹配角的照明光束70。
本实施例中，举例而言，第一微透镜阵列121具有多个微结构MS或第二微透镜阵列141具有多个微结构MS，如图1B所示。这些微结构MS与这些子光束相对应，而能扩散这些子光束的单位光发散角，以形成照明光束70的多个子照明光束。于本实施例中，多个微结构MS的平均宽度为150微米(μm)，但本案不以此为限，也可以设定为100微米(μm)或其他数值。
此外，第一扩散元件120与第二扩散元件140除了可包括微透镜阵列外，还可包括表面散射式扩散片、体散射式扩散片与绕射元件中的任一者，而用以扩散光束60的子光束的单位光发散角，以形成照明光束70的多个子照明光束。
举例而言，第一扩散元件120与第二扩散元件140亦可采用表面散射式扩散片的第一扩散片与第二扩散片来取代第一微透镜阵列121与第二微透镜阵列141的配置，第一扩散片与第二扩散片的表面具有多个凹凸不平的结构，而能扩散这些子光束的单位光发散角，并达到与图1B所示的第一微透镜阵列121与第二微透镜阵列141的微结构MS相同的功能，在此就不再赘述。
如此，光束60的多个子光束在通过第一扩散元件120与第二扩散元件140后，光束60的多个子光束的单位光发散角可先后陆续被扩大，而可形成能满足投影镜头210中的光路所需的多个子照明光束。并且，由于光束60的多个子光束是先后经由第一扩散元件120与第二扩散元件140来调整光形，因此可分段调整其扩散角，其中第一扩散元件120会先对光束60的多个子光束进行一次光扩散的作用，且第二扩散元件140会再对来回通过的光束60的多个子光束进行两次光扩散的作用。如此，可在保持照明光束70的光成像匹配角的同时，降低光束60的多个子光束在面向第一表面S1的偏振光学面PBS的扩散角。如此，针对偏振分光元件130的面向第一表面S1的偏振光学面PBS上的涂布膜的特性，其可设计为适用于具有较小光扩散角的光束60，进而可减少产品成本，以及保持成像品质。
如此，至少一个光束60经由光形调整模块120后所形成的照明光束70具有光成像匹配角，且照明光束70中用以提供各子影像光线的多个子照明光束亦具有较大的场角，而能满足投影镜头210中的光路所需，而可满足光瞳PL所需的发散角范围。如此一来，投影装置200即能借由光机模块100所形成的照明光束70来满足投影镜头210中的光路所需，而具有良好的影像品质以及解析度。
图2是本发明一实施例的另一种投影装置的光学架构示意图。请参照图2，图2的实施例的投影装置200A与图1A的投影装置200类似，而之间的差异如下所述。在本实施例中，投影装置200A的第二扩散元件140A包括微结构光学片141A，微结构光学片141A具有第一光学面OS1与第二光学面OS2，且第二扩散元件140A的至少一个光学面包括第二微透镜阵列141的第一光学面OS1与第二光学面OS2，其中第一光学面OS1位于偏振分光元件130与第二光学面OS2之间，第一光学面OS1为形成有多个微透镜元件ML的表面，第二光学面OS2为反射面。并且，在本实施例中，第二光学面OS2可为平面，且当第二光学面OS2为平面时，第二扩散元件140A还可包括光学透镜LE，位于微结构光学片141A与偏振分光元件130之间。并且，在本实施例中，位于第一光学面OS1上的微透镜元件ML亦能扩散这些子光束的单位光发散角，并达到与图1B所示的微结构MS相同的功能，在此就不再赘述。于另一实施例中，第一光学面OS1为微反射镜阵列的表面，光束到达第一光学面OS1后即被反射，在此实施例中，可不设置第二光学面OS2。
如此，投影装置200A亦能借由第一扩散元件120与第二扩散元件140A的配置，而使光束60的多个子光束的单位光发散角可先后陆续被扩大，而可形成能满足投影镜头210中的光路所需的多个子照明光束，进而亦能达到前述的投影装置200的类似效果与优点，在此就不再赘述。
图3是本发明一实施例的又一种投影装置的光学架构示意图。请参照图3，图3的实施例的投影装置200B的第二扩散元件140B与图2的投影装置200A的第二扩散元件140A类似，而之间的差异如下所述。第二扩散元件140B包括微结构光学片141B，微结构光学片141B的第二光学面OS2为曲面。并且，第二扩散元件140B具有多个微结构，微结构用以扩散光束60，其中微结构可设置在微结构光学片141B的第二光学面OS2上，也可设置在第一光学面OS1上，且在本实施例中，第一光学面OS1为平面。并且，在本实施例中，第二扩散元件140B的微结构亦能扩散这些子光束的单位光发散角，并达到与图1B所示的微结构MS相同的功能，在此就不再赘述。
如此，投影装置200B亦能借由第一扩散元件120与第二扩散元件140B的配置，而使光束60的多个子光束的单位光发散角可先后陆续被扩大，而可形成能满足投影镜头210中的光路所需的多个子照明光束，进而亦能达到前述的投影装置200A的类似效果与优点，在此就不再赘述。
综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，投影装置与光机模块借由第一扩散元件与第二扩散元件的配置，而使光束的多个子光束的单位光发散角可先后陆续被扩大，而可形成能满足投影镜头中的光路所需的多个子照明光束。如此一来，投影装置即能借由光机模块所形成的照明光束来满足投影镜头中的光路所需，而具有良好的影像品质以及解析度。如此，可在保持照明光束的光成像匹配角的同时，降低光束的多个子光束在面向第一表面的偏振光学面的扩散角。如此，针对偏振分光元件的面向第一表面的偏振光学面上的涂布膜的特性，其可设计为适用于具有较小光扩散角的光束，进而可减少产品成本，以及保持成像品质。
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
附图标记说明
60：光束
70：照明光束
80：影像光束
100：光机模块
110：光源单元
120：第一扩散元件
121：第一微透镜阵列
130：偏振分光元件
140、140A、140B：第二扩散元件
141：第二微透镜阵列
141A、141B：微结构光学片
142：光学反射镜
150：光阀
160：四分之一波片
200、200A、200B：投影装置
210：投影镜头
LE：光学透镜
ML：微透镜元件
MS：微结构
OS：光学面
OS1：第一光学面
OS2：第二光学面
PL：光瞳
PBS：偏振光学面
S1：第一表面
S2：第二表面
S3：第三表面
S4：第四表面。

Claims (20)

1.一种光机模块，其特征在于，所述光机模块包括：
光源单元，用以发出光束；
第一扩散元件，位于所述光束的传递路径上；
偏振分光元件，位于所述光束的传递路径上，其中所述第一扩散元件位于所述偏振分光元件与所述光源单元之间；
第二扩散元件，具有至少一个光学面，所述至少一个光学面用以反射与扩散所述光束，且所述光束通过所述第二扩散元件后形成照明光束，且所述照明光束具有光成像匹配角；以及
光阀，配置于所述照明光束的传递路径上，其中所述光阀用以将所述照明光束调变成影像光束。
2.根据权利要求1所述的光机模块，其中所述第一扩散元件为第一微透镜阵列或第一扩散片。
3.根据权利要求1所述的光机模块，其中所述第二扩散元件包括：
第二微透镜阵列或第二扩散片；以及
光学反射镜，其中所述第二微透镜阵列或所述第二扩散片位于所述光学反射镜与所述偏振分光元件之间，且所述光学反射镜的反射面背向所述偏振分光元件。
4.根据权利要求1所述的光机模块，其中所述第二扩散元件包括微结构光学片，所述微结构光学片的其中一个表面为曲面，且所述曲面上具有多个微结构，所述微结构用以扩散所述光束。
5.根据权利要求1所述的光机模块，其中所述第二扩散元件包括微结构光学片，所述微结构光学片具有第一光学面与第二光学面，其中所述第一光学面位于所述偏振分光元件与所述第二光学面之间，所述第一光学面为形成有多个微透镜元件的表面，所述第二光学面为反射面。
6.根据权利要求5所述的光机模块，其中所述第二光学面为曲面。
7.根据权利要求5所述的光机模块，其中所述第二光学面为平面，且所述第二扩散元件还包括：
光学透镜，位于所述微结构光学片与所述偏振分光元件之间。
8.根据权利要求1所述的光机模块，其中所述第二扩散元件包括微结构光学片，所述微结构光学片具有第一光学面，其中所述第一光学面位于所述偏振分光元件与所述第二光学面之间，所述第一光学面为微反射镜阵列的表面。
9.根据权利要求1所述的光机模块，还包括：
四分之一波片，位于所述第二扩散元件与所述偏振分光元件之间。
10.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括：
光机模块，用以提供影像光束，且所述光机模块包括：
光源单元，用以发出光束；
第一扩散元件，位于所述光束的传递路径上；
偏振分光元件，位于所述光束的传递路径上，其中所述第一扩散元件位于所述偏振分光元件与所述光源单元之间；
第二扩散元件，具有至少一个光学面，所述至少一个光学面用以反射与扩散所述光束，且所述光束通过所述第二扩散单元后形成照明光束，且所述照明光束具有光成像匹配角；以及
光阀，配置于所述照明光束的传递路径上，其中所述光阀用以将所述照明光束调变成影像光束；以及
投影镜头，配置于所述影像光束的传递路径上，用以将所述影像光束投影出所述投影装置。
11.根据权利要求10所述的投影装置，其中所述投影镜头具有光瞳。
12.根据权利要求11所述的投影装置，其中所述照明光束的所述光成像匹配角与所述光瞳的视角匹配。
13.根据权利要求10所述的投影装置，其中所述第一扩散元件为第一微透镜阵列或第一扩散片。
14.根据权利要求10所述的投影装置，其中所述第二扩散元件包括：
第二微透镜阵列或第二扩散片；以及
光学反射镜，其中所述第二微透镜阵列或所述第二扩散片位于所述光学反射镜与所述偏振分光元件之间，且所述光学反射镜的反射面背向所述偏振分光元件。
15.根据权利要求10所述的投影装置，其中所述第二扩散元件包括微结构光学片，所述微结构光学片的其中一个表面为曲面，且所述曲面上具有多个微结构，所述微结构用以扩散所述光束。
16.根据权利要求10所述的投影装置，其中所述第二扩散元件包括微结构光学片，所述微结构光学片具有第一光学面与第二光学面，其中所述第一光学面位于所述偏振分光元件与所述第二光学面之间，所述第一光学面为形成有多个微透镜元件的表面，所述第二光学面为反射面。
17.根据权利要求16所述的投影装置，其中所述第二光学面为曲面。
18.根据权利要求16所述的投影装置，其中所述第二光学面为平面，且所述第二扩散元件还包括：
光学透镜，位于所述微结构光学片与所述偏振分光元件之间。
19.根据权利要求10所述的投影装置，其中所述第二扩散元件包括微结构光学片，所述微结构光学片具有第一光学面，其中所述第一光学面位于所述偏振分光元件与所述第二光学面之间，所述第一光学面为微反射镜阵列的表面。
20.根据权利要求10所述的投影装置，还包括：
四分之一波片，位于所述第二扩散元件与所述偏振分光元件之间。
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