TW202034059A

TW202034059A - 投影裝置

Info

Publication number: TW202034059A
Application number: TW108109915A
Authority: TW
Inventors: 羅翊戩
Original assignee: 中強光電股份有限公司
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2020-09-16
Also published as: US11789282B2; EP3715948B1; US20200292835A1; CN111694208B; TWI716834B; CN111694208A; EP3715948A1

Abstract

一種投影裝置，包括照明系統以及投影成像系統。照明系統適於發出照明光束，且照明系統包括光源模組以及光形調整模組。光源模組適於發出至少一光束。光形調整模組位於至少一光束的傳遞路徑上，且適於調整至少一光束的光形。至少一光束經由光形調整模組後形成照明光束，且照明光束具有光成像匹配角，其中光形調整模組包括至少一第一透鏡元件，至少一第一透鏡元件位於至少一光束的傳遞路徑上，適於調整至少一光束的均勻度。投影成像系統配置於照明光束的傳遞路徑上，投影成像系統包括反射式光閥，反射式光閥配置於照明光束的傳遞路徑上。

Description

投影裝置

本發明是有關於一種投影裝置，且特別是有關於一種應用於頭戴式顯示器的投影裝置。

隨著顯示技術的進步及人們對於高科技的渴望，近眼顯示器（Near Eye Display, NED）以及頭戴式顯示器（Head-mounted Display, HMD）是目前極具發產潛力的產品。在近眼顯示技術的相關應用上，目前可分為擴增實境（Augmented Reality, AR）技術以及虛擬實境（Virtual Reality, VR）技術。其中，光場顯示器（Light field near eye display, LFNED）由於具有當下的光場資訊，因此能夠達成事後對焦的效果，並能藉此提供有深度的影像資訊，而被廣泛應用於近眼顯示技術的擴增實境技術以及虛擬實境技術中。然而，目前的光場顯示器主要具有兩大問題，第一為影像光束易經由成像系統而形成雜光，並造成鬼影，第二為解析度易隨影像資訊的深度變寬後大幅下降。

“先前技術”段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在“先前技術”段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。

本發明提供一種投影裝置，具有良好的影像品質以及解析度。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提出一種投影裝置。投影裝置包括照明系統以及投影成像系統。照明系統適於發出照明光束，且照明系統包括光源模組以及光形調整模組。光源模組適於發出至少一光束。光形調整模組位於至少一光束的傳遞路徑上，且適於調整至少一光束的光形，至少一光束經由光形調整模組後形成照明光束，且照明光束具有光成像匹配角。光形調整模組包括至少一第一透鏡元件，至少一第一透鏡元件位於至少一光束的傳遞路徑上，適於調整至少一光束的均勻度。投影成像系統配置於照明光束的傳遞路徑上，且投影成像系統包括反射式光閥，反射式光閥配置於照明光束的傳遞路徑上，其中反射式光閥適於將照明光束調變成影像光束。

在本發明的一實施例中，影像光束的傳遞路徑上具有光瞳。

在本發明的一實施例中，至少一光束經由至少一第一透鏡元件後形成照明光束，照明光束的光成像匹配角與光瞳的視角匹配。

在本發明的一實施例中，光源模組包括至少一發光元件，適於提供至少一光束，至少一第一透鏡元件的數量與至少一發光元件的數量相同，各發光元件對應於各第一透鏡元件而設置。

在本發明的一實施例中，當至少一第一透鏡元件與至少一發光元件的數量為多個時，光形調整模組還包括多個分色元件，各分色元件對應於至少部分該些發光元件，且各分色元件設置於相對應的至少部分該些發光元件與投影成像系統之間。

在本發明的一實施例中，光形調整模組還包括第二透鏡元件，位於至少一光束的傳遞路徑上，並位於至少一第一透鏡元件與投影成像系統之間，且至少一光束經由至少一第一透鏡元件與第二透鏡元件後形成照明光束，照明光束的光成像匹配角與光瞳的視角匹配。

在本發明的一實施例中，上述的至少一光束具有多個子光束，且光形調整模組還包括一光擴散元件，光擴散元件位於這些子光束的傳遞路徑上，這些子光束經由光擴散元件後形成照明光束的多個子照明光束，其中各子光束具有一第一單位光發散角，各子照明光束具有一第二單位光發散角，且第二單位光發散角大於第一單位光發散角。

在本發明的一實施例中，上述的這些子照明光束的第二單位光發散角對應於影像光束的多個子影像光束的發散角。

在本發明的一實施例中，上述的光擴散元件為微結構式擴散片、表面散射式擴散片、體散射式擴散片與繞射元件中的任一者。

在本發明的一實施例中，當上述的光擴散元件為微結構式擴散片時，光擴散元件具有多個微結構擴散單元，這些微結構擴散單元與這些子光束相對應，且微結構擴散單元的尺寸大小介於10微米至500微米之間。

在本發明的一實施例中，上述的光形調整模組還包括一第二透鏡元件，位於至少一光束的傳遞路徑上，且至少一光束經由至少一第一透鏡元件與第二透鏡元件後形成照明光束，照明光束的光成像匹配角與光瞳的視角匹配。

在本發明的一實施例中，上述的第二透鏡元件位於第一透鏡元件與光擴散元件之間。

在本發明的一實施例中，上述的第二透鏡元件位於光擴散元件與投影成像系統之間。

在本發明的一實施例中，投影成像系統還包括偏振分光元件，配置於該照明光束的傳遞路徑上，其中偏振分光元件具有第一表面、第二表面以及第三表面，第一表面連接第二表面與第三表面，且第二表面與第三表面彼此相對，照明光束自第一表面進入偏振分光元件後，經由第二表面離開偏振分光元件，其中反射式光閥適於使影像光束傳遞至偏振分光元件，且自第二表面進入偏振分光元件，之後，影像光束經由偏振分光元件的第三表面離開偏振分光元件。

在本發明的一實施例中，上述的照明光束自偏振分光元件的第一表面進入時的光形與影像光束經由偏振分光元件的第三表面離開的光形相似，以使光成像匹配角與光瞳的視角匹配。

在本發明的一實施例中，上述的照明光束自偏振分光元件的第一表面進入時的角度與影像光束經由偏振分光元件的第三表面離開的角度相對應，以使光成像匹配角與光瞳的視角匹配。

在本發明的一實施例中，上述的光瞳的尺寸與影像光束的發光面的尺寸相對應。

在本發明的一實施例中，上述的投影成像系統還包括至少一光導，至少一光導位於光瞳與反射式光閥之間。

在本發明的一實施例中，上述的光源模組包括至少一發光元件，且至少一發光元件為激光發光元件，適於提供至少一光束。

在本發明的一實施例中，上述的光源模組包括至少一發光元件與至少一準直透鏡，至少一發光元件為發光二極體，至少一發光元件適於提供至少一光束，且與至少一準直透鏡相對應，至少一光束經由對應的至少一準直透鏡準直化。

在本發明的一實施例中，投影成像系統包括全反射稜鏡組件，其中全反射稜鏡組件包括第一稜鏡與第二稜鏡，其中第一稜鏡與第二稜鏡之間具有間隙，以及反射式光閥包括數位微镜元件。

基於上述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的實施例中，照明系統所形成的照明光束皆可經由光形調整模組的配置來形成適當的光成像匹配角，並且照明光束的子光束也皆能具有適當的單位光發散角。此外，投影裝置亦能藉由照明系統所形成的照明光束來滿足特定投影成像系統中的光路所需，進而得以消除雜光現象或影像的疊影現象，而具有良好的影像品質以及解析度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1A是本發明一實施例的一種投影裝置的光學架構示意圖。圖1B是圖1A的照明系統的光學架構示意圖。圖1C是圖1B的照明光束經過第一透鏡元件前後的光強度的均勻度分布的示意圖。圖1D至圖1F是圖1B的不同光擴散元件的示意圖。圖1G是圖1B的子照明光束的光形分布圖。圖1H是圖1A的子照明光束所形成的多個子照明區域的分布示意圖。請參照圖1A與圖1B，在本實施例中，投影裝置200可為近眼顯示裝置，而適於配置在使用者的至少一個眼睛的前方。具體而言，如圖1A所示，投影裝置200包括照明系統100以及投影成像系統210。更詳細而言，如圖1A 與圖1B所示，照明系統100適於發出照明光束IL，且照明系統100包括光源模組110以及光形調整模組120。光源模組110適於發出至少一光束CL，而光形調整模組120位於至少一光束CL的傳遞路徑上，且適於調整至少一光束CL的光形，至少一光束CL經由光形調整模組120後形成照明光束IL，且照明光束IL具有光成像匹配角MA。至少一光束CL的光形例如是光束的光斑的截面形狀，借由光形調整模組120調整光斑的截面形狀。

更詳細而言，如圖1B所示，在本實施例中，光源模組110包括至少一發光元件111，適於提供至少一光束CL。舉例而言，至少一發光元件111為激光發光元件(例如激光二極管laser diode)，至少一光束CL為準直光束。一般而言，為了使至少一光束CL在離開照明系統100之後所形成的照明光束IL滿足投影成像系統210中的光路的所需視角範圍及提供投影成像系統210所形成的各子影像光束SIB被傳遞至光瞳214時所需滿足的發散角範圍。照明光束IL的整體光形需要滿足特定的發光角度範圍（即光成像匹配角MA），且照明光束IL亦需使照明光束IL中用於提供各子影像光束SIB所對應的多個子照明光束SIL必須具備與各子影像光束SIB相應的發散角。然而，在本實施例中，由於發光元件111為激光發光元件，因此所提供的至少一光束CL的光分布的光展量極小，也並不均勻。並且，由於至少一光束CL的光展量過小，因此所形成的照明光束IL中用於提供各子影像光束SIB的多個子照明光束SIL的發散角也會過小。因此須搭配光形調整模組120來對至少一光束CL的均勻度以及光形進行調整，以形成能滿足投影成像系統210中的光路所需的照明光束IL。

具體而言，如圖1B所示，在本實施例中，光形調整模組120包括至少一第一透鏡元件121與光擴散元件123，且至少一第一透鏡元件121與光擴散元件123位於至少一光束CL的傳遞路徑上。具體而言，光形調整模組120的至少一第一透鏡元件121的數量與光源模組110的至少一發光元件111的數量相同，且各發光元件111對應於各第一透鏡元件121而設置。在本實施例中，第一透鏡元件121的數量與發光元件111的數量皆為一個，但本發明不以此為限。在其他實施例中，第一透鏡元件121的數量與發光元件111的數量亦可皆為多個，第一透鏡元件121的數量與光源模組110的至少一發光元件111的數量也可以不相同，但本發明不以此為限。

進一步而言，如圖1B與圖1C所示，在本實施例中，至少一第一透鏡元件121適於調整至少一光束CL的均勻度以及光形。如圖1C所示，至少一光束CL在通過至少一第一透鏡元件121後，光展量會變大並具有光強度均勻的光形，以投射到光擴散元件123。如此，如圖1B所示，至少一光束CL會經由至少一第一透鏡元件121而形成具有光成像匹配角MA的照明光束IL。

接著，如圖1B所示，在本實施例中，至少一光束CL亦具有多個子光束SCL，光擴散元件123位於這些子光束SCL的傳遞路徑上。舉例而言，本實施例中，光擴散元件123可為微結構式擴散片123a、表面散射式擴散片123b、體散射式擴散片123c與繞射元件(Diffraction optical element, DOE)中的任一者，而適於擴散這些子光束SCL的單位光發散角，以形成照明光束IL的多個子照明光束SIL。以下將搭配圖1D至圖1F進行進一步解說。

舉例而言，在圖1D的實施例中，光擴散元件123可為微結構式擴散片123a，而具有多個微結構擴散單元123u。如圖1B與圖1D所示，這些微結構擴散單元123u與這些子光束SCL相對應，且微結構擴散單元123u的尺寸大小介於10微米(um)至500微米(um)之間。在通過光擴散元件123前，各子光束SCL具有第一單位光發散角，而在通過光擴散元件123後，這些子光束SCL的單位光發散角擴大，而可形成能滿足投影成像系統210中的光路所需的多個子照明光束SIL。換言之，在圖1D的實施例中，各子照明光束SIL會具有第二單位光發散角，且第二單位光發散角大於第一單位光發散角。其中第一單位光發散角與第二單位光發散角的定義為所屬技術領域技術人員可以知曉的光束的光錐角度。

另一方面，在圖1E的實施例中，光擴散元件123亦可為表面散射式擴散片123b，其表面具有多個凹凸不平的結構，而能擴散這些子光束SCL的單位光發散角，並達到與圖1D的微結構式擴散片123a相同的功能，在此就不再贅述。此外，在圖1F的實施例中，光擴散元件123亦可為體散射式擴散片123c，其內部具有多個散射粒子PA，而能擴散這些子光束SCL的單位光發散角，並達到與圖1D的微結構式擴散片123a相同的功能，在此就不再贅述。

如此，如圖1A與圖1B所示，至少一光束CL經由光形調整模組120後所形成的照明光束IL具有光成像匹配角MA，且照明光束IL中用以提供各子影像光束的多個子照明光束SIL亦具有較大的第二單位光發散角（如圖1G所示），而能滿足投影成像系統210中的光路所需。

具體而言，請再次參照圖1A，在本實施例中，投影成像系統210配置於照明光束IL的傳遞路徑上，且投影成像系統210包括偏振分光元件(Polarizer Beam Splitter，PBS)211、反射式光閥213以及光瞳214。反射式光閥213可以是反射式的矽基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCOS）或者數位微镜元件（Digital Micro-mirror Device, DMD）等。具體而言，如圖1A所示，在本實施例中，偏振分光元件211與反射式光閥213皆配置於照明光束IL的傳遞路徑上，且光瞳214配置於影像光束IB的傳遞路徑上。舉例而言，在本實施例中，光瞳214可為投影成像系統210的出射瞳的位置或是使用者的眼睛的瞳孔的位置，當光瞳214的位置為使用者的眼睛的瞳孔時，投影裝置可應用於虛擬實境（Virtual Reality, VR）。

具體而言，如圖1A所示，在本實施例中，偏振分光元件211具有第一表面S1、第二表面S2以及第三表面S3，第一表面S1連接第二表面S2與第三表面S3，且第二表面S2與第三表面S3彼此相對。其中照明光束IL具有第一偏振方向(例如S極偏振方向)，照明光束IL自第一表面S1進入偏振分光元件211後，偏振分光元件211反射照明光束IL且經由第二表面S2離開偏振分光元件211，並被傳遞至反射式光閥213。接著，如1A所示，在本實施例中，反射式光閥213適於將照明光束IL調變成具有多個子影像光束SIB的影像光束IB，且影像光束IB具有第二偏振方向(例如P極偏振方向)；第一偏振方向垂直第二偏振方向。影像光束IB傳遞至偏振分光元件211，且自第二表面S2進入偏振分光元件211並穿透偏振分光元件211。之後，影像光束IB經由偏振分光元件211的第三表面S3離開偏振分光元件211，而被傳遞至光瞳214。

並且，如圖1A與圖1H所示，在本實施例中，投影成像系統210還包括微透鏡陣列212，各子照明光束SIL會借由微透鏡陣列212中所對應的微透鏡而於反射式光閥213上形成多個子照明區域SLR（如圖1H所示），且使反射式光閥213得以形成多個子影像光束SIB。並且，如圖1A與圖1G所示，在投影成像系統210的光路中，由於光路上所有子照明光束SIL的主光線在進入反射式光閥213前皆為平行光，並且如圖1G所示，子照明光束SIL的第二單位光發散角介於±10∘之間，因此子照明光束SIL所發出的光及其所形成的子影像光束SIB皆會循著相同的光路往返，而不會經過微透鏡陣列212與其對應的微透鏡相鄰的其他微透鏡，因此不會有雜光產生，也不會出現影像的疊影現象。

進一步而言，如圖1A所示，在本實施例中，照明光束IL自偏振分光元件211的第一表面S1進入時的角度與影像光束IB經由偏振分光元件211的第三表面S3離開的角度相對應；並且，照明光束IL自偏振分光元件211的第一表面S1進入時的光形與影像光束IB經由偏振分光元件211的第三表面S3離開的光形相似，例如光形的截面積成一比例。如此，照明光束IL的光成像匹配角MA得以與光瞳214的視角FOV匹配，而能形成投影成像系統210中所需視角FOV的光路設計的需求。

另一方面，子照明光束SIL的第二單位光發散角與影像光束IB的多個子影像光束SIB的發散角也相對應。如此，可使得光瞳214的尺寸與影像光束IB的發光面的尺寸相對應，並使所形成的影像亮度充足與品質良好。

如此一來，投影裝置200即能借由照明系統100所形成的照明光束IL來滿足投影成像系統210中的光路所需，進而得以消除雜光現象或影像的疊影現象，而具有良好的影像品質以及解析度。

圖2A至圖2C是圖1A的不同照明系統的光學架構示意圖。請參照圖2A至圖2C，圖2A至圖2C的實施例的照明系統300A、300B、300C與圖1B的照明系統100類似，而之間的差異如下所述。

請參照圖2A，在本實施例中，照明系統300A的光形調整模組320A還包括第二透鏡元件322，位於至少一光束CL的傳遞路徑上，且至少一光束CL經由至少一第一透鏡元件121與第二透鏡元件322後形成照明光束IL，照明光束IL的光成像匹配角MA與光瞳214的視角FOV匹配。舉例而言，在本實施例中，第二透鏡元件322為聚光透鏡，而可用於收斂照明光束IL的光成像匹配角MA。具體而言，如圖2A所示，在本實施例中，第二透鏡元件322可位於第一透鏡元件121與光擴散元件123之間（如圖2A所示的第二透鏡元件322a之處），也可位於光擴散元件123與投影成像系統210之間（如圖2A所示的第二透鏡元件322b之處）。如此，可使得照明光束IL在形成子照明光束SIL的光發散角時，亦能不使照明光束IL的光成像匹配角MA過大，而能適用於具有較小視角FOV的光瞳214的投影成像系統210。

另一方面，請參照圖2B，在本實施例中，照明系統300B的光源模組310B包括至少一發光元件311與至少一準直透鏡312，至少一發光元件311為發光二極管(Light Emitting Diode)，至少一發光元件適於提供至少一光束CL，且與至少一準直透鏡312相對應，至少一光束CL經由對應的至少一準直透鏡312準直化。如此，光源模組310B可用以取代圖1B的光源模組110，而達成與其類似的功能。並且，如圖2B所示，在本實施例中，照明系統300B的光形調整模組320B亦可增加第二透鏡元件322的設置，而達成與圖2A的光形調整模組320A類似的功能，相關說明請見上述段落，在此就不再贅述。此外，在本實施例中，由於發光二極體的發散角較大，因此可省略光擴散元件123的配置，而不用再擴散子光束SCL的單位光發散角。當光擴散元件123省略時，第二透鏡元件322即位於至少一第一透鏡元件121與投影成像系統210之間，而用以收斂光成像匹配角MA。在其他實施例中，至少一準直透鏡312與至少一第一透鏡元件121可以為單一膠合透鏡所取代，單一膠合透鏡具有至少一準直透鏡312與至少一第一透鏡元件121的光學功能而同樣地可達到圖2B所產生的效果。

另一方面，請參照圖2C，在本實施例中，照明系統300C的至少一第一透鏡元件121與至少一發光元件111的數量為多個，並且至少一發光元件111包括紅光激光元件111R、綠光激光元件111G、藍光激光元件111B，而適於分別提供紅光光束R、綠光光束G以及藍光光束B。並且，各第一透鏡元件121分別設置於各發光元件111的前方，以分別適於調整紅光光束R、綠光光束G或藍光光束B的光強度的均勻度以及光形。

另一方面，如圖2C所示，在本實施例中，光形調整模組320C還包括多個分色元件(Dichroic mirror)DN1、DN2，各分色元件DN1、DN2對應於至少部分這些發光元件111R、111G、111B，且各分色元件DN1、DN2設置於相對應的至少部分這些發光元件111R、111G、111B與投影成像系統之間。具體而言，如圖2C所示，在本實施例中，光形調整模組320C的分色元件DN1位於綠光光束G以及藍光光束B的傳遞路徑上，並且，分色元件DN1適於使綠光光束G反射以及使藍光光束B穿透，進一步使綠光光束G以及藍光光束B被傳遞至另一分色元件DN2。另一分色元件DN2位於紅光光束R以及來自分色元件DN1的綠光光束G以及藍光光束B的傳遞路徑上，分色元件DN2適於使綠光光束G與藍光光束B穿透以及使紅光光束R反射，如此，即可使綠光光束G、藍光光束B以及紅光光束R被傳遞至光形調整模組320C的光擴散元件123，並形成後續的照明光束IL。

如此，照明系統300A、300B、300C所形成的照明光束IL皆可經由第一透鏡元件121的配置來形成適當的光成像匹配角MA，並且照明光束IL的子光束SCL也皆能具有適當的單位光發散角，而能滿足投影成像系統210中的光路所需，而亦能達到前述的照明系統100的類似效果與優點，在此就不再贅述。並且，照明系統300A、300B、300C在應用至圖1A的投影裝置200時，亦可使投影裝置200達到前述的功能以及效果，其他相關細節在此就不再贅述。

圖3是本發明一實施例的另一種投影裝置的光學架構示意圖。請參照圖3，圖3的實施例的投影裝置400的投影成像系統410與圖1A的投影裝置200的投影成像系統210類似，而之間的差異如下所述。投影成像系統410還包括至少一光導(optical waveguide)415，至少一光導415位於光瞳414與反射式光閥213之間。更進一步說明至少一光導415位於光瞳414與偏振分光元件211之間。舉例而言，在本實施例中，光瞳414為使用者的至少一眼睛EY的瞳孔。也就是說，在本實施例中，至少一光導415適於將影像光束IB傳遞至使用者的至少一眼睛EY。並且，在本實施例中，至少一光導415亦允許環境光束SL的通過，而可應用於擴充實境（augmented reality）顯示技術的領域。

此外，投影裝置400亦能藉由照明系統100所形成的照明光束IL來滿足投影成像系統410中的光路所需，進而得以消除雜光現象或影像的疊影現象，而具有良好的影像品質以及解析度，而亦能達到前述的投影裝置200的類似效果與優點，在此就不再贅述。

本發明另一實施例的投影裝置的投影成像系統(未顯示)與圖1A的投影裝置200的投影成像系統210類似，而之間的差異如下所述。本實施例的投影裝置與圖1A的投影裝置200技術差異在於，本實施例中至少一光束CL不具有單一偏振方向，因此本實施例的投影成像系統的全反射稜鏡組件可取代圖1A的偏振分光元件211。本實施例的投影成像系統配置於照明光束IL的傳遞路徑上。投影成像系統包括全反射稜鏡組件。全反射稜鏡組件包括第一稜鏡(Prism)與第二稜鏡，其中第一稜鏡與第二稜鏡之間具有空氣間隙。在本實施例中，投影成像系統的反射式光閥包括數位微镜元件（Digital Micro-mirror Device, DMD）。具體而言，在本實施例中全反射稜鏡組件與反射式光閥皆配置於照明光束IL的傳遞路徑上。全反射稜鏡組件與光瞳214皆配置於影像光束IB的傳遞路徑上。舉例而言，在本實施例中光瞳214可為投影成像系統210的出射瞳的位置或是使用者的眼睛的瞳孔的位置，當光瞳214為使用者的眼睛的瞳孔時，投影裝置可應用於虛擬實境（Virtual Reality, VR）。具體而言，在本實施例中，全反射稜鏡組件具有第一表面、第二表面以及第三表面。第一稜鏡包括第一表面與第二表面。第二稜鏡包括第三表面。第一表面連接第二表面。第二表面與第三表面彼此相對。其中照明光束IL自第一表面進入全反射稜鏡組件後，全反射稜鏡組件反射照明光束IL且經由第二表面離開全反射稜鏡組件，並被傳遞至反射式光閥。接著，反射式光閥適於將照明光束IL調變成具有多個子影像光束SIB的影像光束IB。影像光束IB傳遞至全反射稜鏡組件，且自第二表面S2進入全反射稜鏡組件並穿透全反射稜鏡組件。之後，影像光束IB經由全反射稜鏡組件的第三表面S3離開全反射稜鏡組件，而被傳遞至光瞳214。

在本實施例中，投影成像系統還包括微透鏡陣列212，各子照明光束SIL會借由微透鏡陣列212中所對應的微透鏡而於反射式光閥213上形成多個子照明區域SLR（如圖1H所示），且使反射式光閥213得以形成多個子影像光束SIB。在投影成像系統的光路中，由於光路上所有子照明光束SIL的主光線在進入反射式光閥213前皆為平行光，並且子照明光束SIL的第二單位光發散角介於±10∘之間，因此子照明光束SIL所發出的光及其所形成的子影像光束SIB皆會循著相同的光路往返，而不會經過微透鏡陣列212與其對應的微透鏡相鄰的其他微透鏡，因此不會有雜光產生，也不會出現影像的疊影現象。

進一步而言，在本實施例中，照明光束IL自全反射稜鏡組件的第一表面進入時的角度與影像光束IB經由全反射稜鏡組件的第三表面離開的角度相對應；並且，照明光束IL自全反射稜鏡組件的第一表面進入時的光形與影像光束IB經由全反射稜鏡組件的第三表面離開的光形相似，例如光形的截面積成一比例。如此，照明光束IL的光成像匹配角MA得以與光瞳214的視角FOV匹配，而能形成投影成像系統中所需視角FOV的光路設計的需求。

此外，上述實施力的投影裝置亦能藉由照明系統所形成的照明光束IL來滿足投影成像系統中的光路所需，進而得以消除雜光現象或影像的疊影現象，而具有良好的影像品質以及解析度，而亦能達到前述的投影裝置的類似效果與優點，在此就不再贅述。

綜上所述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的實施例中，照明系統所形成的照明光束皆可經由光形調整模組的配置來形成適當的光成像匹配角，並且照明光束的子光束也皆能具有適當的單位光發散角。此外，投影裝置亦能藉由照明系統所形成的照明光束來滿足投影成像系統中的光路所需，進而得以消除雜光現象或影像的疊影現象，而具有良好的影像品質以及解析度。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件（element）的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。

100、300A、300B、300C:照明系統 110、310B:光源模組 111、111R、111G、111B、311:發光元件 120、320A、320B、320C:光形調整模組 121:第一透鏡元件 123:光擴散元件 123a:微結構式擴散片 123u:微結構擴散單元 123b:表面散射式擴散片 123c:體散射式擴散片 200、400:投影裝置 210、410:投影成像系統 211:偏振分光元件 212:微透鏡陣列 213:反射式光閥 214、414:光瞳 312:準直透鏡 322、322a、322b:第二透鏡元件 415:光導 B:藍光光束 CL:準直光束 DN1、DN2:分色元件 EY:眼睛 FOV:視角 G:綠光光束 IL:照明光束 IB:影像光束 MA:光成像匹配角 PA:散射粒子 R:紅光光束 SL:環境光束 SCL:子準直光束 SIL:子照明光束 SIB:子影像光束 SLR:子照明區域 S1:第一表面 S2:第二表面 S3:第三表面。

圖1A是本發明一實施例的一種投影裝置的光學架構示意圖。圖1B是圖1A的照明系統的光學架構示意圖。圖1C是圖1B的照明光束經過第一透鏡元件前後的光強度的均勻度分布的示意圖。圖1D至圖1F是圖1B的不同光擴散元件的示意圖。圖1G是圖1B的子照明光束的光形分布圖。圖1H是圖1A的子照明光束所形成的多個子照明區域的分布示意圖。圖2A至圖2C是圖1A的不同照明系統的光學架構示意圖。圖3是本發明一實施例的另一種投影裝置的光學架構示意圖。

100:照明系統

110:光源模組

111:發光元件

120:光形調整模組

121:第一透鏡元件

123:光擴散元件

CL:準直光束

IL:照明光束

MA:光成像匹配角

SCL:子準直光束

SIL:子照明光束

Claims

一種投影裝置，其特徵在於，所述投影裝置包括：照明系統，適於發出照明光束，且該照明系統包括：光源模組，適於發出至少一光束；以及光形調整模組，位於該至少一光束的傳遞路徑上，且適於調整該至少一光束的光形，該至少一光束經由該光形調整模組後形成該照明光束，且該照明光束具有光成像匹配角，其中該光形調整模組包括至少一第一透鏡元件，該至少一第一透鏡元件位於該至少一光束的傳遞路徑上，適於調整該至少一光束的均勻度；以及投影成像系統，配置於該照明光束的傳遞路徑上，且該投影成像系統包括反射式光閥，該反射式光閥配置於該照明光束的傳遞路徑上，其中該反射式光閥適於將該照明光束調變成影像光束。
如申請專利範圍第1項所述的投影裝置，其中該影像光束的傳遞路徑上具有光瞳。
如申請專利範圍第2項所述的投影裝置，其中該至少一光束經由該至少一第一透鏡元件後形成該照明光束，該照明光束的該光成像匹配角與該光瞳的視角匹配。
如申請專利範圍第1項所述的投影裝置，其中該光源模組包括至少一發光元件，適於提供該至少一光束，該至少一第一透鏡元件的數量與該至少一發光元件的數量相同，各該發光元件對應於各該第一透鏡元件而設置。
如申請專利範圍第4項所述的投影裝置，其中當該至少一第一透鏡元件與該至少一發光元件的數量為多個時，該光形調整模組還包括多個分色元件，各該分色元件對應於至少部分該些發光元件，且各該分色元件設置於相對應的至少部分該些發光元件與該投影成像系統之間。
如申請專利範圍第2項所述的投影裝置，其中該光形調整模組還包括第二透鏡元件，位於該至少一光束的傳遞路徑上，並位於該至少一第一透鏡元件與該投影成像系統之間，且該至少一光束經由該至少一第一透鏡元件與該第二透鏡元件後形成該照明光束，該照明光束的該光成像匹配角與該光瞳的視角匹配。
如申請專利範圍第1項所述的投影裝置，其中該至少一光束具有多個子光束，且該光形調整模組還包括光擴散元件，該光擴散元件位於該些子光束的傳遞路徑上，該些子光束經由該光擴散元件後形成該照明光束的多個子照明光束，其中各該子光束具有第一單位光發散角，各該子照明光束具有第二單位光發散角，且該第二單位光發散角大於該第一單位光發散角。
如申請專利範圍第7項所述的投影裝置，其中該些子照明光束的該第二單位光發散角對應於該影像光束的多個子影像光束的發散角。
如申請專利範圍第7項所述的投影裝置，其中該光擴散元件為微結構式擴散片、表面散射式擴散片、體散射式擴散片與繞射元件中的任一者。
如申請專利範圍第9項所述的投影裝置，其中當該光擴散元件為微結構式擴散片時，該光擴散元件具有多個微結構擴散單元，該些微結構擴散單元與該些子光束相對應，且微結構擴散單元的尺寸大小介於10微米至500微米之間。
如申請專利範圍第7項所述的投影裝置，其中該光形調整模組還包括第二透鏡元件，位於該至少一光束的傳遞路徑上，且該至少一光束經由該至少一第一透鏡元件與該第二透鏡元件後形成該照明光束，該照明光束的該光成像匹配角與該光瞳的視角匹配。
如申請專利範圍第11項所述的投影裝置，其中該第二透鏡元件位於該第一透鏡元件與該光擴散元件之間。
如申請專利範圍第11項所述的投影裝置，其中該第二透鏡元件位於該光擴散元件與該投影成像系統之間。
如申請專利範圍第2項所述的投影裝置，其中該投影成像系統還包括偏振分光元件，配置於該照明光束的傳遞路徑上，其中該偏振分光元件具有第一表面、第二表面以及第三表面，該第一表面連接該第二表面與該第三表面，且該第二表面與該第三表面彼此相對，該照明光束自該第一表面進入該偏振分光元件後，經由該第二表面離開該偏振分光元件，其中該反射式光閥適於使該影像光束傳遞至該偏振分光元件，且自該第二表面進入該偏振分光元件，之後，該影像光束經由該偏振分光元件的該第三表面離開該偏振分光元件。
如申請專利範圍第14項所述的投影裝置，其中該照明光束自該偏振分光元件的該第一表面進入時的光形與該影像光束經由該偏振分光元件的該第三表面離開的光形相似，以使該光成像匹配角與該光瞳的視角匹配。
如申請專利範圍第14項所述的投影裝置，其中該照明光束自該偏振分光元件的該第一表面進入時的角度與該影像光束經由該偏振分光元件的該第三表面離開的角度相對應，以使該光成像匹配角與該光瞳的視角匹配。
如申請專利範圍第2項所述的投影裝置，其中該光瞳的尺寸與該影像光束的發光面的尺寸相對應。
如申請專利範圍第2項所述的投影裝置，其中該投影成像系統還包括至少一光導，該至少一光導位於該光瞳與該反射式光閥之間。
如申請專利範圍第1項所述的投影裝置，其中該光源模組包括至少一發光元件，且該至少一發光元件為激光發光元件，適於提供該至少一光束。
如申請專利範圍第1項所述的投影裝置，其中該光源模組包括至少一發光元件與至少一準直透鏡，該至少一發光元件為發光二極管，該至少一發光元件適於提供該至少一光束，且與該至少一準直透鏡相對應，該至少一光束經由對應的該至少一準直透鏡準直化。
如申請專利範圍第1項所述的投影裝置，其中該投影成像系統包括全反射稜鏡組件，其中該全反射稜鏡組件包括第一稜鏡與第二稜鏡，其中該第一稜鏡與該第二稜鏡之間具有間隙，以及該反射式光閥包括數位微镜元件。