專利名稱:激光投影系統(tǒng)的激光光斑抑制裝置及其抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明有關(guān)ー種激光光斑抑制裝置及其抑制方法供應(yīng)用于激光投影系統(tǒng)中,尤指一種在激光光源與屏幕之間的激光光束投射路徑上設(shè)置至少ー激光相位干擾元件,以使以反射方式或穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件的激光光束產(chǎn)生不均勻的空間相位變化,并使最后自屏幕出射的影像畫面的成像光的光束截面的相干長度縮小,而達(dá)成抑制激光光斑的效
果O
背景技術(shù):
請參考圖I及圖2所示,現(xiàn)有ー激光投影系統(tǒng)I 一般包含ー激光投影器10及至少ー屏幕20但不限制,其中該激光投影器10主要包含至少ー激光光源11如分別的R(紅色)、G (綠色)、B (藍(lán)色)三色激光光源但不限制供出射激光光束110如R(紅色)、G (綠色)、B(藍(lán)色)等三色激光光110 ; —合光模組12但不限制供可將前述的三色激光光110組成ー 激光光束111 ;及至少ー影像產(chǎn)生元件13供將激光光束形成成像光束112并由該激光投影器10的機(jī)売上至少ー出光ロ 101向外投射至該屏幕20上以形成影像畫面。該影像產(chǎn)生元件13可依不同的成像方式概分為兩種型態(tài),ー是使用光束偏折裝置如圖I所示,如反射鏡、微機(jī)電反射鏡(Micro-Electronic Mechanical System vibratiom Mirror,簡稱 MEMSmirror)、多角反射鏡(polygon mirror)、超音波光柵(ultrasonic grating)中的一種或其組合但不限制,而此種型態(tài)激光投影器10 —般設(shè)計(jì)包含ー激光光源模組、ー激光訊號(hào)調(diào)變模組、一合光模組、一旋轉(zhuǎn)平面鏡模組、一旋轉(zhuǎn)平面鏡控制模組及一訊號(hào)轉(zhuǎn)換模組但不限制;另ー是使用ニ維光亮度調(diào)整陣列如圖2所示,如DLP(Digital Light Processor,數(shù)位光線處理器)、LCOS(Liquid Crystal On Silicon,砂基液晶)顯像裝置、全像(Hologram)顯像裝置中的一種但不限制。由于本發(fā)明主要是針對ー激光投影系統(tǒng)I提供一激光光斑抑制裝置及其抑制方法,因此圖I及圖2僅用以表示ー激光投影系統(tǒng)I中激光投影器10及屏幕20的兩種不同架構(gòu),至于該激光投影器10的詳細(xì)結(jié)構(gòu)及其成像方式的相關(guān)技術(shù),如該影像產(chǎn)生元件13的成像方式及其技術(shù)等,在此不另作詳細(xì)說明。激光光束具有本質(zhì)上良好的同調(diào)性(coherent),其為波長一致、相位一致、單ー頻率且導(dǎo)向性佳的高能量光束,當(dāng)其被應(yīng)用為激光投影器的光源時(shí),將會(huì)伴隨產(chǎn)生激光光斑(laser speckle)現(xiàn)象。激光光斑乃是同調(diào)性光源照射在ー粗糙表面上,如一投影用屏幕20或一半透明擴(kuò)散板,所造成的不規(guī)則顆粒狀亮度分布,其起因?yàn)樯⑸涔庠诓煌c(diǎn)因粗糙表面而產(chǎn)生不規(guī)則的建設(shè)性或破壞性干渉。光強(qiáng)度較亮者乃是建設(shè)性干渉所造成;光強(qiáng)度較暗者乃是破壞性干渉的結(jié)果;激光光斑將導(dǎo)致投影影像的高度空間頻率干擾(spatialfrequency noise)問題,以人眼的解析度加上視覺暫留影響,這些來自投影屏幕上不同顆粒間的明暗散亂性光斑,即是對激光投影影像觀賞上的最大的缺點(diǎn)。針對激光光斑的問題,目前已有現(xiàn)有技術(shù)提出解決的方法,如在投影用屏幕20上增設(shè)ー制動(dòng)機(jī)構(gòu)(actuator)如馬達(dá)以驅(qū)使屏幕20不斷地移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng),以破壞激光光束的 同調(diào)性而減低干涉現(xiàn)象;或如我國發(fā)明公開第201019032號(hào),其利用透鏡將ー影像產(chǎn)生模組所產(chǎn)生的影像聚焦于可移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的一可隨時(shí)間變更擴(kuò)散器(Time-varying Diffuser)上,以破壞激光光的同調(diào)性,而緩和影像畫面上的激光斑點(diǎn)現(xiàn)象,其原理以高頻率的震動(dòng),造成相位差間的紊亂,使影像抵達(dá)人眼后不易察覺微小光點(diǎn)間的明暗差異,而降低甚至消除激光光斑。然,前述裝置或方法皆利用制動(dòng)機(jī)構(gòu)以驅(qū)動(dòng)屏幕20或擴(kuò)散器(Time-varyingDiffuser)相對于激光光產(chǎn)生移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng),因此整體機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜,產(chǎn)品制作成本也相對提高,且體積相對較大,不利于該激光投影器10的輕薄短小的設(shè)計(jì)要求。另,尚有其他業(yè)者提出解決激光斑點(diǎn)的設(shè)備,如美國TI公司的旋轉(zhuǎn)折射設(shè)備(refracting device with rotating),美國 Microvision 公司的光學(xué)反饋設(shè)備(opticalfeedback devices),美國 Corning 公司的周期階段遮蔽物(periodic phase mask)等,其機(jī)構(gòu)亦較為復(fù)雜,亦須付出較高的制作成本。因此如何采行較為簡便且具低成本的裝置與方法,以降低或乃至于消除激光光斑,是當(dāng)前相關(guān)業(yè)界亟待努力的重要課題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的提供一種激光投影系統(tǒng)的激光光斑抑制裝置及其抑制方法,該激光投影系統(tǒng)包含ー激光投影器及ー屏幕,其中該激光投影器包含至少ー激光光源供射出 激光光束及至少ー影像產(chǎn)生元件如光束偏折裝置或ニ維光亮度調(diào)整陣列供將該激光光束形成成像光束并由至少ー出光ロ投射至該屏幕上以形成影像畫面,該影像畫面并自屏幕出射而由人眼接收;本發(fā)明的激光光斑抑制裝置及其抑制方法利用至少ー激光光相位干擾元件,其是一具有適當(dāng)厚度的薄膜狀結(jié)構(gòu)體且其表面上設(shè)有至少ー相位干擾圖案如ー維散亂圖案(random pattern)、ー維周期性圖案、ニ維散亂圖案(random pattern)、ニ維周期性圖案(periodic pattern)中的ー種或其組合;并將該至少ー相位干擾元件設(shè)在該激光光源與該屏幕之間的激光光束或成像光束投射路徑上,以使該激光光束或成像光束以反射方式或以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案時(shí),能產(chǎn)生不均勻的空間相位變化,并使最后自屏幕出射的影像畫面成像光的光束截面的相干長度(correlation length)縮小,藉以抑制在該影像畫面上所產(chǎn)生的激光光斑;其中該光束截面的相干長度是ー參數(shù),用以表示一光束截面上的相位變化情形,當(dāng)該光束截面的相干長度越小時(shí),表示該光束截面的相位分布在單位截面積內(nèi)產(chǎn)生越多而密集的相位變化,當(dāng)成像光的光束截面的相干長度越小吋,則激光光斑的抑制效果越好。本發(fā)明的另一目的提供一種激光投影系統(tǒng)的激光光斑抑制裝置及其抑制方法,其中當(dāng)該相位干擾元件為反射式元件時(shí),該激光光束或成像光束以反射方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案;其中當(dāng)該相位干擾元件為穿透式元件時(shí),該激光光束或成像光束以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案,并可產(chǎn)生至少η的相位差變化,以能使該激光光束或成像光束產(chǎn)生建設(shè)性或破壞性的干涉變化,藉以抑制在該影像畫面上所產(chǎn)生的激光光斑。本發(fā)明的另一目的提供一種激光投影系統(tǒng)的激光光斑抑制裝置及其抑制方法,其中當(dāng)該影像產(chǎn)生元件為光束偏折裝置時(shí)如反射鏡、微機(jī)電反射鏡、多角反射鏡、超音波光柵中的ー種或其組合但不限制,該至少一相位干擾元件設(shè)置在下列位置該激光光源與該光束偏折裝置之間的激光光束投射路徑上、該光束偏折裝置的反射鏡面上,及該光束偏折裝置與該屏幕之間的成像光束投射路徑上,其中至少一位置上。
本發(fā)明的另一目的提供一種激光投影系統(tǒng)的激光光斑抑制裝置及其抑制方法,其中當(dāng)該影像產(chǎn)生元件為ニ維光亮度調(diào)整陣列時(shí)如DLP(Digital Light Processor,數(shù)位光線處理器)、LCOS(Liquid Crystal On Silicon, 夕基液晶)顯像裝置、全像(Hologram)顯像裝置中的一種但不限制,該至少一相位干擾元件設(shè)置在下列位置該激光光源與該影像產(chǎn)生元件之間的激光光束投射路徑上、該影像產(chǎn)生元件的表面上及該影像產(chǎn)生元件與該屏幕之間的成像光束投射路徑上,其中至少一位置上。本發(fā)明的另一目的提供一種激光投影系統(tǒng)的光斑抑制裝置及其抑制方法,其中該至少ー相位干擾元件進(jìn)ー步可設(shè)置在該激光投影器的出光ロ處,以使成像光束以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案再投射至該屏幕上以形成影像畫面。本發(fā)明的另一目的提供一種激光投影系統(tǒng)的光斑抑制裝置及其抑制方法,其中該至少ー相位干擾元件進(jìn)ー步可設(shè)置在該屏幕的表面上,以使影像畫面以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案再由人眼接收。本發(fā)明的另一目的提供一種激光投影系統(tǒng)的光斑抑制裝置及其抑制方法,其中當(dāng) 該激光光束或成像光束在投影至該屏幕之前經(jīng)過該相位干擾圖案時(shí),該激光光束或成像光束進(jìn)ー步可依時(shí)間的變化(以不同的時(shí)間)經(jīng)過該相位干擾圖案上的不同區(qū)域,以在人眼觀察的視覺暫留時(shí)間內(nèi)使激光光斑的對比因時(shí)間平均而再被降低或抑制。本發(fā)明的另一目的提供一種激光投影系統(tǒng)的光斑抑制裝置及其抑制方法,其中當(dāng)該激光光束或成像光束在投影至該屏幕之前經(jīng)過該相位干擾圖案時(shí),該激光光束或成像光束進(jìn)ー步可依時(shí)間的變化(以不同的時(shí)間)并以不同入射角經(jīng)過該相位干擾圖案,以在人眼觀察的視覺暫留時(shí)間內(nèi)使激光光斑的對比因時(shí)間平均而再被抑制。本發(fā)明的另一目的提供一種激光投影系統(tǒng)的光斑抑制裝置及其抑制方法,其中該激光光斑的抑制方法包含下列步驟提供至少ー激光光相位干擾元件,其上設(shè)有至少ー激光光相位干擾圖案,其中該激光光相位干擾圖案用以使激光光束或成像光束以反射方式或穿透方式經(jīng)過該相位干擾圖案時(shí)能產(chǎn)生不均勻的相位變化;將該至少ー激光光相位干擾元件設(shè)置于該激光光源與該屏幕之間的投射路徑上,以使激光光束或成像光束在投射至該屏幕上之前能以反射或穿透方式先經(jīng)過該至少ー相位干擾元件的激光光相位干擾圖案;及利用該激光光相位干擾圖案,對經(jīng)過該激光光相位干擾圖案的激光光束或成像光束產(chǎn)生不均勻的相位變化,并使最后由屏幕出射的影像畫面成像光的光束截面的相干長度縮小,以抑制在該影像畫面上產(chǎn)生激光光斑;其中該光束截面的相干長度是ー參數(shù),用以表示一光束截面上的相位變化情形,當(dāng)該光束截面的相干長度越小時(shí),表示該光束截面的相位分布在單位截面積內(nèi)產(chǎn)生越多而密集的相位變化,當(dāng)成像光的光束截面的相干長度越小吋,則激光光斑的抑制效果越好。為了達(dá)到上述目的本發(fā)明提供了一種激光投影系統(tǒng)的光斑抑制裝置,該激光投影系統(tǒng)包含ー激光投影器及ー屏幕,其中該激光投影器包含至少ー激光光源供射出激光光束及至少ー影像產(chǎn)生元件供將激光光束形成成像光束并由至少ー出光ロ投射至該屏幕上以形成影像畫面,該影像畫面自該屏幕出射而由人眼接收;該光斑抑制裝置包含至少ー激光光相位干擾元件設(shè)在該激光光源與該屏幕之間該激光光束或成像光束的投射路徑上以供該激光光束或成像光束經(jīng)過,其中該光相位干擾元件為一具有適當(dāng)厚度的薄膜狀結(jié)構(gòu)體,其表面上設(shè)有至少ー相位干擾圖案;其中當(dāng)該激光光束或成像光束在經(jīng)過該相位干擾圖案時(shí),能產(chǎn)生不均勻的空間相位變化,并使最后自屏幕出射的影像畫面的成像光束的光束截面的相干長度縮小,以抑制在該影像畫面上所產(chǎn)生的激光光斑;其中該相干長度是一用以界定一分布狀態(tài)的變化頻率情形的參數(shù),在此用以表示該激光光束或成像光束的相位變化頻率情形,當(dāng)該相干長度越小時(shí)表示該激光光束的相位分布在單位截面積內(nèi)產(chǎn)生越多而密集的相位變化,則激光光斑的抑制效果越好。實(shí)施時(shí),該激光光束或成像光束經(jīng)過該相位干擾圖案的方式包含以反射方式或以穿透方式經(jīng)過該相位干擾圖案。實(shí)施時(shí),該相位干擾圖案所具有的表面相干長度Pr小于該激光投影系統(tǒng)中該激光光束或成像光束在其投射路徑上所經(jīng)過的任一表面所具有的表面相干長度,其中該表面相干長度Pr用以表示一表面粗糙度的高度變化頻率情形,定義為ニ維圖案表面高度變化 在空間中的自我相關(guān)函數(shù)D(R)的高斯分布函數(shù)的系數(shù)
P2D(R) = exp(——-)
Pr其中R代表空間中的距離;其中當(dāng)該表面相干長度越小時(shí),表示該表面粗糙分布在單位長度內(nèi)越多而密集,則激光光斑的抑制的效果越好。實(shí)施時(shí),該相位干擾圖案所具有的表面相干長度(Pr)小于該激光光束直徑,其中該激光光束直徑的定義為該直徑定義的圓包含激光光束99%的能量。實(shí)施時(shí),該相位干擾圖案包含ー維散亂圖案、一維周期性圖案、ニ維散亂圖案、ニ維周期性圖案中的ー種或其組合。實(shí)施時(shí),該激光光束或成像光束在以反射方式經(jīng)過該至少ー激光光相位干擾元件的該至少一相位干擾圖案之后能產(chǎn)生至少η的相位差變化。實(shí)施吋,當(dāng)該激光光束或成像光束在以穿透方式經(jīng)過該至少ー激光光相位干擾元件的該至少一相位干擾圖案之后能產(chǎn)生至少η的相位差變化,以能使該激光光束或成像光束產(chǎn)生建設(shè)性或破壞性的干涉變化。實(shí)施時(shí),該相位干擾元件為一反射式元件,以使該激光光束或成像光束以反射方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案。實(shí)施時(shí),該相位干擾元件為ー穿透式元件,以使該激光光束或成像光束以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案。實(shí)施時(shí),該影像產(chǎn)生元件為光束偏折裝置,包含下列族群反射鏡、微機(jī)電反射鏡、多角反射鏡、超音波光柵中的ー種或其組合。實(shí)施吋,該至少一相位干擾元件設(shè)置在下列位置該激光光源與該光束偏折裝置之間的激光光束投射路徑上、該光束偏折裝置的反射鏡面上及該光束偏折裝置與該屏幕之間的成像光束投射路徑上,其中的至少一位置。實(shí)施吋,當(dāng)該激光光束或成像光束在投影至該屏幕之前經(jīng)過該相位干擾圖案吋,該激光光束或成像光束進(jìn)ー步依時(shí)間的變化經(jīng)過該相位干擾圖案上的不同區(qū)域,以在人眼觀察的視覺暫留時(shí)間內(nèi)使激光光斑的對比因時(shí)間平均而被降低或抑制。
實(shí)施吋,當(dāng)該激光光束或成像光束在投影至該屏幕之前經(jīng)過該相位干擾圖案吋,該激光光束或成像光束進(jìn)ー步依時(shí)間的變化并以不同入射角經(jīng)過該相位干擾圖案,以在人眼觀察的視覺暫留時(shí)間內(nèi)使激光光斑的對比因時(shí)間平均而被抑制。實(shí)施吋,該影像產(chǎn)生元件為ニ維光亮度調(diào)整陣列,下列族群DLP、LC0S、全像顯像裝置中的ー種。實(shí)施吋,該至少一相位干擾元件設(shè)置在下列位置該激光光源與該影像產(chǎn)生元件之間的激光光束投射路徑上、該影像產(chǎn)生元件的表面上及該影像產(chǎn)生元件與該屏幕之間的成像光束投射路徑上,其中的至少一位置。實(shí)施時(shí),該至少ー相位干擾元件設(shè)置在該激光投影器的出光ロ處,以使成像光束以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案投射至該屏幕上以形成影像畫面。實(shí)施時(shí),該至少ー相位干擾元件設(shè)置在該屏幕的表面上,以使影像畫面以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案再由人眼接收。 本發(fā)明還一種激光投影系統(tǒng)的光斑的抑制方法,其利用請求項(xiàng)I至17任一項(xiàng)所述的激光投影系統(tǒng)的光斑抑制裝置,該激光投影系統(tǒng)包含ー激光投影器及ー屏幕,其中該激光投影器包含至少ー激光光源供射出激光光束及至少ー影像產(chǎn)生元件將激光光束形成成像光束并由ー出光ロ射出至該屏幕上以形成影像畫面,該影像畫面并自屏幕出射而由人眼接收;該激光光斑的抑制方法包含下列步驟 提供至少ー激光光相位干擾元件,其上設(shè)有至少ー激光光相位干擾圖案,其中該激光光相位干擾圖案用以使激光光束或成像光束以反射方式或穿透方式經(jīng)過該相位干擾圖案時(shí)能產(chǎn)生不均勻的相位變化;將該至少ー激光光相位干擾元件設(shè)置于該激光光源與該屏幕之間的投射路徑上,以使激光光束或成像光束在投射至該屏幕上之前能以反射或穿透方式先經(jīng)過該至少ー相位干擾元件的激光光相位干擾圖案;及利用該激光光相位干擾圖案,對經(jīng)過該激光光相位干擾圖案的激光光束或成像光束產(chǎn)生不均勻的相位變化,并使最后由屏幕出射的影像畫面成像光的光束截面的相干長度縮小,以抑制在該影像畫面上產(chǎn)生激光光斑;該相干長度是一用以界定一分布狀態(tài)的變化頻率情形的參數(shù);其中該影像畫面的成像光的光束截面的相干長度是ー參數(shù),用以表不一光束截面上的相位變化情形。當(dāng)該光束截面的相干長度越小時(shí),表示該光束截面的相位分布在單位截面積內(nèi)產(chǎn)生越多而密集的相位變化;當(dāng)成像光束截面的相干長度越小時(shí),則激光光斑的抑制效果越好。
圖I是現(xiàn)有激光投影系統(tǒng)(設(shè)有光束偏折裝置)ー實(shí)施例示意圖;圖2是現(xiàn)有另ー種激光投影系統(tǒng)(非設(shè)有光束偏折裝置)ー實(shí)施例示意圖;圖3是本發(fā)明所應(yīng)用于圖I所示激光投影系統(tǒng)的ー實(shí)施例(第I實(shí)施例)示意圖;圖4是本發(fā)明的相位干擾元件的相位干擾圖案(ー維散亂圖案,random pattern)ー實(shí)施例示意圖(放大圖);圖5是本發(fā)明的相位干擾元件的相位干擾圖案(ー維周期性圖案,periodicpattern)另ー實(shí)施例示意圖(放大圖);
圖6是本發(fā)明的相位干擾元件與一微機(jī)電反射鏡(MEMS mirror)配合設(shè)置的ー實(shí)施例示意圖;圖7是本發(fā)明所應(yīng)用于圖2所示激光投影系統(tǒng)的ー實(shí)施例(第2實(shí)施例)示意圖;圖8是激光投影系統(tǒng)尚未利用本發(fā)明之前的抑制前光斑對比度與相干長度示意圖;圖9是激光投影系統(tǒng)已利用本發(fā)明之后的光斑對比度與相干長度示意圖。附圖標(biāo)記說明1-激光投影系統(tǒng);10-激光投影器;11-激光光源;110、111_激光光束;112_成像光束;12_合光模組;13_影像產(chǎn)生元件;131-透明保護(hù)蓋;14_出光ロ ;20-屏幕;30、30a-相位干擾元件;31、31a、31b_相位干擾圖案。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明系針對ー激光投影系統(tǒng)提供一光斑抑制裝置及其抑制方法,而不論該激光投影系統(tǒng)屬于那ー種成像方式或那ー種技術(shù)架構(gòu),本發(fā)明的光斑抑制裝置及其抑制方法均能適用,因此本發(fā)明直接引用如圖I及圖2所示兩種不同技術(shù)架構(gòu)的激光投影系統(tǒng)I來說明本發(fā)明的技術(shù)特征,但該圖I及圖2僅用以表示ー激光投影系統(tǒng)I中激光投影器10及屏幕20的兩種不同架構(gòu),非用以限制本發(fā)明。請參考圖3,其本發(fā)明應(yīng)用于圖I所示激光投影系統(tǒng)的ー實(shí)施例示意圖。該激光投影系統(tǒng)I用以說明本發(fā)明的技術(shù)特征但非用以限制本發(fā)明。該激光投影系統(tǒng)I如圖I所示,包含ー激光投影器10及ー屏幕20,其中該激光投影器10主要包含至少ー激光光源11供射出激光光束Iio及至少ー影像產(chǎn)生元件13,其中在該激光光源11與該影像產(chǎn)生元件13之間亦可設(shè)ー合光模組12但不限制供可將該激光光110組成ー激光光束111。在本實(shí)施例中該影像產(chǎn)生兀件13為ー光束偏折裝置如反射鏡、ー維或ニ維微機(jī)電反射鏡(MEMSmirror)、多角反射鏡(polygon mirror)、超音波光柵(ultrasonic grating)中的一種或其組合但不限制,供將激光光束110或111形成,如掃描形成,成像光束112 ;該成像光束112再由至少ー出光ロ 14投射至ー屏幕20上以形成影像畫面;該影像畫面再自該屏幕20出射而由人眼接收。本實(shí)施例的光斑抑制裝置3利用至少ー激光光相位干擾元件30設(shè)在該激光光源11與該屏幕20之間該激光光束110、111或成像光束112的投射路徑上,以供該激光光束110、111或成像光束112經(jīng)過。該相位干擾元件30 —具有適當(dāng)厚度的薄膜狀結(jié)構(gòu)體,其表面設(shè)有至少ー相位干擾圖案31,該至少一相位干擾圖案可為ー維散亂圖案(random pattern)如圖4所示、一 維周期性圖案如圖5所示、ニ維散亂圖案(random pattern)、ニ維周期性圖案(periodicpattern)中的ー種或其組合,如可利用兩個(gè)相位干擾元件30而其上各設(shè)ー單方向相位干擾圖案31,以使該兩個(gè)相位干擾元件30的組合應(yīng)用仍可達(dá)成一二維散亂圖案(randompattern)或一二維周期性圖案(periodic pattern)的作用功能。該相位干擾圖案31如圖4、5所示,可以濺鍍鋁薄膜方式或蝕刻方式以形成于該相位干擾元件30的表面上。該相位干擾圖案31所具有的表面相干長度,以Pr表示,小于入射于該相位干擾圖案31的激光光束110、111或112的直徑,其中該激光光束110、111及112的直徑的定義為該直徑定義的圓可包含激光光束99%的能量。又該相位干擾圖案31所具有的表面相干長度(Pr)小于該激光投影系統(tǒng)I中該激光光束110、111或成像光束112在其投射路徑上所經(jīng)過的任一表面所具有的表面相干長度(correlation length),該任一表面包含如圖3中所示微機(jī)電反射鏡(MEMS mirror) (13)的反射鏡面。其中該相干長度ー用以界定一分布(distribution)狀態(tài)的變化頻率情形的參數(shù);該表面相干長度,在此以Pr代表,用以表示一表面粗糙度的高度變化頻率情形,定義為ニ維圖案表面高度變化在空間中的自我相關(guān)函數(shù)D(R) (autocorrelation function)的高斯分布函數(shù)(Gaussian distribution)的系數(shù)D(R) - exp(——j)
Pr其中R代表空間中的距離;其中當(dāng)該表面相干長度越小時(shí),表示該表面粗糙分 布在單位長度內(nèi)越多而密集,則激光光斑的抑制的效果越好。關(guān)于粗糙表面的相干長度(correlation length) Χ 義ロ丁參考 J.A Ogilvy 的〃 Theory of Waves scattering fromrandom rough surfaces" ;Petry Beckmann 及 Andre Spizzichino 的〃 The scatteringof Electromagnetic Waves from random rough surface ";及 Joseph ff. Goodman的"Speckle Phenomena in Optics Theory and Application";若將光束截面的相位變化取代上述定義中粗糙表面高度變化,利用同樣的數(shù)學(xué)模型則可得到光束截面的相干長度定義。該光束截面的相干長度為ー參數(shù),用以表不一光束截面上的相位變化情形。當(dāng)該光束截面的相干長度越小時(shí),表示該光束截面的相位分布在單位截面積內(nèi)產(chǎn)生越多而密集的相位變化。當(dāng)成像光束截面的相干長度越小吋,則激光光斑的抑制效果越好。參考圖3所示,該至少一相位干擾元件30可依設(shè)計(jì)或組裝需要而設(shè)置在下列位置該激光光源11與該光束偏折裝置13之間的激光光束投射路徑上,該光束偏折裝置13的反射鏡面上,及該光束偏折裝置13與該屏幕20之間的成像光束112投射路徑上,等其中至少一位置上,如選擇罩設(shè)在出光ロ 14上供成像光束112穿透經(jīng)過后再向外掃描投射至屏幕20上以形成影像畫面;或如選擇罩設(shè)在該屏幕20的表面上,以使影像畫面以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件30的相位干擾圖案31再由人眼接收。該相位干擾元件30可為ー穿透式元件,即以透明材料制成該相位干擾元件30,此時(shí)該激光光束110、111或成像光束112(波長為λ)以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件30的相位干擾圖案31,并可在穿透經(jīng)過之后產(chǎn)生至少π的相位差變化,以能使該激光光束或成像光束產(chǎn)生建設(shè)性或破壞性的干涉變化,以抑制在該影像畫面上所產(chǎn)生的激光光斑。該相位干擾元件30可為一反射式元件,即以非透明材料制成該相位干擾元件30并形成反射面,或?qū)⒁煌该鞯南辔桓蓴_元件30平整貼覆在如圖3中所示微機(jī)電反射鏡(MEMS mirror) (13)的反射鏡面上而形成,此時(shí)該激光光束110、111或成像光束112以反射方式經(jīng)過該相位干擾元件30的相位干擾圖案31,并可反射經(jīng)過之后產(chǎn)生至少π的相位差變化,即在入射及出射該相位干擾元件30的相位干擾圖案31可分別產(chǎn)生至少π /2的相位差變化,以能使該激光光束或成像光束產(chǎn)生建設(shè)性或破壞性的干涉變化,以抑制在該影像畫面上所產(chǎn)生的激光光斑。請參考圖6,其本發(fā)明該相位干擾元件30與一微機(jī)電反射鏡(MEMS mirror) (13)配合設(shè)置的ー實(shí)施例示意圖。該相位干擾元件30可配合一微機(jī)電反射鏡(MEMS mirror)(13)的封裝制程,如常見的TO-can封裝方式,而設(shè)置在該微機(jī)電反射鏡(13),其為光束偏折裝置13的ー種型態(tài),的透明保護(hù)蓋131的內(nèi)側(cè)面上但不限制如圖6所示,使該激光光束111先穿透經(jīng)過ー對應(yīng)設(shè)置的相位干擾元件30的相位干擾圖案31而入射至該微機(jī)電反射鏡(13)的反射鏡面,經(jīng)由該微機(jī)電反射鏡(13)掃描形成成像光束112后又再穿透經(jīng)過另一對應(yīng)設(shè)置的相位干擾元件30a的相位干擾圖案31而向外投射,如此設(shè)計(jì)有利于本發(fā)明的相位干擾元件30的設(shè)置安裝作業(yè)及應(yīng)用,即在制造或封裝該微機(jī)電反射鏡(13)時(shí)就同時(shí)設(shè)置安裝該相位干擾元件30及30a ;又該兩對應(yīng)設(shè)置的相位干擾元件30及30a可分開設(shè)置,或形成一體但不限制而可一次貼置在該微機(jī)電反射鏡(13)的透明保護(hù)蓋131的內(nèi)側(cè)面上如圖6所示。當(dāng)該激光光束110、111或成像光束112以反射方式或以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件30的相位干擾圖案31吋,能產(chǎn)生不均勻的空間相位變化,并使最后自屏幕20出射的影像畫面的成像光的光束截面的相干長度(correlation length)縮小,以抑制在該影像畫面上所產(chǎn)生的激光光斑;其中該影像畫面的成像光的光束截面的相干長度ー參數(shù),用以表示一光束截面上的相位變化情形。當(dāng)該光束截面的相干長度越小時(shí),表示該光束截面的相 位分布在單位截面積內(nèi)產(chǎn)生越多而密集的相位變化。當(dāng)成像光束截面的相干長度越小吋,則激光光斑的抑制效果越好。再以圖6所示實(shí)施例為例說明但不限制,該激光光束111以一定的入射角穿透經(jīng)過該對應(yīng)設(shè)置的相位干擾元件30的相位干擾圖案31而入射至該微機(jī)電反射鏡(13)的反射鏡面,經(jīng)由該微機(jī)電反射鏡(13)以ー掃描角度掃描形成成像光束112后又再穿透經(jīng)過另一對應(yīng)設(shè)置的相位干擾元件30 (30a)的相位干擾圖案31而向外投射,即成像光束112的出射角在一預(yù)設(shè)的掃描幅度之間往復(fù)掃描,因此該成像光束112依時(shí)間的變化(即以不同的時(shí)間)穿透經(jīng)過該相位干擾元件30 (30a)的相位干擾圖案31上的不同區(qū)域31a、31b,則以在人眼觀察的視覺暫留時(shí)間而言,激光光斑的對比進(jìn)一歩會(huì)因時(shí)間平均而再被降低或抑制。再以圖6所示實(shí)施例為例說明但不限制,該成像光束112依時(shí)間的變化(即以不同的時(shí)間)并以不同入射角,如圖6中的Θ I、Θ 2,穿透經(jīng)過該相位干擾元件30a的相位干擾圖案31,因此以人眼觀察的視覺暫留時(shí)間而言,激光光斑的對比進(jìn)一歩會(huì)因時(shí)間平均而再被抑制。請參考圖7,其本發(fā)明應(yīng)用于圖2所示激光投影系統(tǒng)的ー實(shí)施例示意圖。該激光投影系統(tǒng)I用以說明本發(fā)明的技術(shù)特征但非用以限制本發(fā)明。該激光投影系統(tǒng)I如圖2所示,包含ー激光投影器10及ー屏幕20,其中該激光投影器10主要包含至少ー激光光源11供射出激光光束110及至少ー影像產(chǎn)生元件13,其中在該激光光源11與該影像產(chǎn)生元件13之間亦可設(shè)ー合光模組12但不限制供可將該激光光110組成ー激光光束111。本實(shí)施例中該影像產(chǎn)生兀件 13 為一下列族群DLP (Digital Light Processor)、LCOS (Liquid CrystalOn Silicon)、全像(Hologram)顯像裝置中的一種但不限制,供將激光光束110或111形成成像光束112,該成像光束112再由至少ー出光ロ 14投射至ー屏幕20上以形成影像畫面;該影像畫面再自該屏幕20出射而由人眼接收。本實(shí)施例的光斑抑制裝置3與圖3所示實(shí)施例大致相同,主要不同點(diǎn)在于該影像產(chǎn)生元件13的成像方式及技術(shù)架構(gòu)不同而已;因此本實(shí)施例的光斑抑制裝置3亦利用至少一激光光相位干擾兀件30設(shè)在該激光光源11與該屏幕20之間該激光光束110、111或成像光束112的投射路徑上,以供該激光光束110、111或成像光束112經(jīng)過。至于該相位干擾元件30及其表面所設(shè)相位干擾圖案31的結(jié)構(gòu)特征及作用功能則與圖3所示第I實(shí)施例相同。參考圖7所示,該至少一相位干擾元件30可依設(shè)計(jì)或組裝需要而設(shè)置在下列位置該激光光源11與該影像產(chǎn)生元件13之間的激光光束投射路徑上、該影像產(chǎn)生元件13如DLP(Digital Light Processor)的表面上及該影像產(chǎn)生元件13與該屏幕20之間的成像光束投射路徑上,其中的至少一位置上,如選擇罩設(shè)在出光ロ 14上供成像光束112穿透經(jīng)過后再向外掃描投射至屏幕20上以形成影像畫面;或如選擇罩設(shè)在該屏幕20的表面上,以使影像畫面以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件30的相位干擾圖案31再由人眼接收如罩設(shè)在出光ロ 14上供成像光束112穿透經(jīng)過后再向外掃描投射至屏幕20上以形成影像畫面。當(dāng)該激光光束110、111或成像光束112以反射方式或以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件30的相位干擾圖案31吋,能產(chǎn)生不均勻的空間相位變化,并使最后自屏幕20出射的影像畫面的成像光的相干長度(correlation length)縮小,藉以抑制在該影像畫面上所產(chǎn)生的激光光斑;其中該相干長度ー用以界定一分布(distribution)狀態(tài)的變化頻率情形 的參數(shù);其中該影像畫面的成像光的光束截面的相干長度ー參數(shù),用以表示一光束截面上的相位變化情形。當(dāng)該光束截面的相干長度越小時(shí),表示該光束截面的相位分布在單位截面積內(nèi)產(chǎn)生越多而密集的相位變化。當(dāng)成像光束截面的相干長度越小時(shí),則激光光斑的抑制效果越好。茲再舉例說明本發(fā)明的作用及功效該相位干擾圖案31可用ー長度周期Px及Py來表不,其高度變化h范圍應(yīng)大于四分之一波長λ (該激光光束或成像光束的波長為入),且Px,Py小于該激光光束110、111或成像光束112的直徑,以能使波長為λ的激光的相位產(chǎn)生建設(shè)性或破壞性干涉的變化,如當(dāng)激光光波長λ = 532nm, h(min) = 1/4 λ (133nm);則取激光光散射后的第I階(1st order)計(jì)算之;依據(jù)模擬(Simulation)試驗(yàn),確實(shí)可驗(yàn)證此一本發(fā)明可有效降低激光光斑。參閱圖8所示,其尚未利用本發(fā)明的光斑抑制裝置之前,激光光斑對比度與屏幕表面的粗糙度其相干長度(定義為Is)關(guān)系圖,由圖8可知激光光斑對比度隨著屏幕表面的粗糙度的相干長度逐漸增加(激光光斑對比度為60-100);再參閱圖9所示,以周期性圖案為例,且當(dāng)Px = Py = I波長,其已利用本發(fā)明的光斑抑制裝置之后,激光光斑對比度與屏幕表面的粗糙度其相干長度(定義為Is)比較圖,由圖9可知,加入一二維相位干擾元件30后,激光光斑的對比度明顯的降低,激光光斑對比度低于75以下,顯見本發(fā)明的光斑抑制裝置及其抑制方法確實(shí)可達(dá)成抑制激光光斑的具體功效。本發(fā)明的激光投影系統(tǒng)的激光光斑抑制方法,其中該激光投影系統(tǒng)I包含ー激光投影器10及ー屏幕20,其中該激光投影器10主要包含至少ー激光光源11供射出激光光束110及至少ー影像產(chǎn)生元件13,其中在該激光光源11與該影像產(chǎn)生元件13之間亦可設(shè)ー合光模組12但不限制供可將該激光光束110組成ー激光光束111 ;該影像產(chǎn)生元件13可將激光光束110或111形成成像光束112以由該激光投影器10的至少ー出光ロ 14投射至該屏幕20上以形成影像畫面供人眼觀看,激光光斑抑制方法包含下列步驟提供至少ー激光光的相位干擾元件30,其上設(shè)有至少ー激光光的相位干擾圖案31,其中該相位干擾圖案31用以使激光光束110、111或成像光束112以反射方式或穿透方式經(jīng)過該相位干擾圖案31時(shí)能產(chǎn)生不均勻的相位變化;將該至少ー相位干擾元件30設(shè)置于該激光光源11與該屏幕20之間的投射路徑上,以使激光光束110、111或成像光束112在投射至該屏幕20之前能以反射或穿透方式先經(jīng)過該至少ー相位干擾元件30的相位干擾圖案31 '及利用該相位干擾圖案31,對經(jīng)過該相位干擾圖案31的激光光束110、111或成像光束112產(chǎn)生不均勻的相位變化,并使最后由屏幕20出射的影像畫面成像光的相干長度縮小,以抑制在該影像畫面上產(chǎn)生激光光斑;其中該相干長度ー用以界定一分布(distribution)狀態(tài)的變化頻率情形的參數(shù);其中其中該影像畫面的之成像光的光束截面的相干長度ー參數(shù),用以表示一光束截面上的相位變化情形。當(dāng)該光束截面的相干長度越小時(shí),表示該光束截面的相位分布在単位截面積內(nèi)產(chǎn)生越多而密集的相位變化。當(dāng)成像光束截面的相干長度越小時(shí),則激光光斑的抑制效果越好。 以上所示僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例,對本發(fā)明而言僅是說明性的,而非限制性的。在本領(lǐng)域具通常智識(shí)理解,在本發(fā)明專利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進(jìn)行許多改 變,修改,甚至等效變更,但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種激光投影系統(tǒng)的激光光斑抑制裝置,該激光投影系統(tǒng)包含ー激光投影器及ー屏幕,其中該激光投影器包含至少ー激光光源供射出激光光束及至少ー影像產(chǎn)生元件供將激光光束形成成像光束并由至少ー出光ロ投射至該屏幕上以形成影像畫面,該影像畫面自該屏幕出射而由人眼接收;其特征在于,該激光光斑抑制裝置包含 至少ー激光光相位干擾元件設(shè)在該激光光源與該屏幕之間該激光光束或成像光束的投射路徑上以供該激光光束或成像光束經(jīng)過,其中該光相位干擾元件為一具有適當(dāng)厚度的薄膜狀結(jié)構(gòu)體,其表面上設(shè)有至少ー相位干擾圖案; 其中當(dāng)該激光光束或成像光束在經(jīng)過該相位干擾圖案時(shí),能產(chǎn)生不均勻的空間相位變化,并使最后自屏幕出射的影像畫面的成像光束的光束截面的相干長度縮小,以抑制在該影像畫面上所產(chǎn)生的激光光斑; 其中該相干長度是一用以界定一分布(distribution)狀態(tài)的變化頻率情形的參數(shù),在此用以表示該激光光束或成像光束的相位變化頻率情形,當(dāng)該相干長度越小時(shí)表示該激光光束的相位分布在單位截面積內(nèi)產(chǎn)生越多而密集的相位變化,則激光光斑的抑制效果越好。
2.如權(quán)利要求I所述的激光光斑抑制裝置,其特征在于,該激光光束或成像光束經(jīng)過該相位干擾圖案的方式包含以反射方式或以穿透方式經(jīng)過該相位干擾圖案。
3.如權(quán)利要求I所述的激光光斑抑制裝置,其特征在于,該相位干擾圖案所具有的表面相干長度(Pr)小于該激光投影系統(tǒng)中該激光光束或成像光束在其投射路徑上所經(jīng)過的任一表面所具有的表面相干長度,其中該表面相干長度(Pr)用以表示一表面粗糙度的高度變化頻率情形,定義為ニ維圖案表面高度變化在空間中的自我相關(guān)函數(shù)D(R)(autocorrelation function)的高斯分布函數(shù)的系數(shù) 其中R代表空間中的距離;其中當(dāng)該表面相干長度越小時(shí),表示該表面粗糙分布在單位長度內(nèi)越多而密集,則激光光斑的抑制的效果越好。
4.如權(quán)利要求3所述的激光光斑抑制裝置,其特征在于,該相位干擾圖案所具有的表面相干長度(Pr)小于該激光光束直徑,其中該激光光束直徑的定義為該直徑定義的圓包含激光光束99%的能量。
5.如權(quán)利要求I所述的激光光斑抑制裝置,其特征在于,該相位干擾圖案包含ー維散亂圖案(random pattern)、ー維周期性圖案、ニ維散亂圖案(random pattern)、ニ維周期性圖案(periodic pattern)中的ー種或其組合。
6.如權(quán)利要求I所述的激光光斑抑制裝置,其特征在于,該激光光束或成像光束在以反射方式經(jīng)過該至少ー激光光相位干擾元件的該至少一相位干擾圖案之后能產(chǎn)生至少η的相位差變化。
7.如權(quán)利要求I所述的激光光斑抑制裝置,其特征在干,當(dāng)該激光光束或成像光束在以穿透方式經(jīng)過該至少ー激光光相位干擾元件的該至少一相位干擾圖案之后能產(chǎn)生至少η的相位差變化,以能使該激光光束或成像光束產(chǎn)生建設(shè)性或破壞性的干涉變化。
8.如權(quán)利要求I所述的激光光斑抑制裝置,其特征在于,該相位干擾元件為一反射式元件,以使該激光光束或成像光束以反射方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案。
9.如權(quán)利要求I所述的激光光斑抑制裝置,其特征在于,該相位干擾元件為ー穿透式元件,以使該激光光束或成像光束以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案。
10.如權(quán)利要求I所述的激光光斑抑制裝置,其特征在于,該影像產(chǎn)生元件為光束偏折裝置,包含下列族群反射鏡、微機(jī)電反射鏡、多角反射鏡(polygon mirror)、超音波光柵(ultrasonic grating)中的一種或其組合。
11.如權(quán)利要求10所述的激光光斑抑制裝置,其特征在干,該至少一相位干擾元件設(shè)置在下列位置該激光光源與該光束偏折裝置之間的激光光束投射路徑上、該光束偏折裝置的反射鏡面上及該光束偏折裝置與該屏幕之間的成像光束投射路徑上,其中的至少一位置。
12.如權(quán)利要求10所述的激光光斑抑制裝置,其特征在干,當(dāng)該激光光束或成像光束在投影至該屏幕之前經(jīng)過該相位干擾圖案時(shí),該激光光束或成像光束進(jìn)ー步依時(shí)間的變化經(jīng)過該相位干擾圖案上的不同區(qū)域,以在人眼觀察的視覺暫留時(shí)間內(nèi)使激光光斑的對比因時(shí)間平均而被降低或抑制。
13.如權(quán)利要求10所述的激光光斑抑制裝置,其特征在干,當(dāng)該激光光束或成像光束在投影至該屏幕之前經(jīng)過該相位干擾圖案時(shí),該激光光束或成像光束進(jìn)ー步依時(shí)間的變化并以不同入射角經(jīng)過該相位干擾圖案,以在人眼觀察的視覺暫留時(shí)間內(nèi)使激光光斑的對比因時(shí)間平均而被抑制。
14.如權(quán)利要求I所述的激光光斑抑制裝置,其特征在于,該影像產(chǎn)生元件為ニ維光亮度調(diào)整陣列,下列族群DLP、LC0S、全像顯像裝置中的ー種。
15.如權(quán)利要求14所述的激光光斑抑制裝置,其特征在干,該至少一相位干擾元件設(shè)置在下列位置該激光光源與該影像產(chǎn)生元件之間的激光光束投射路徑上、該影像產(chǎn)生元件的表面上及該影像產(chǎn)生元件與該屏幕之間的成像光束投射路徑上,其中的至少一位置。
16.如權(quán)利要求I所述的激光光斑抑制裝置,其特征在干,該至少一相位干擾元件設(shè)置在該激光投影器的出光ロ處,以使成像光束以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案投射至該屏幕上以形成影像畫面。
17.如權(quán)利要求I所述的激光光斑抑制裝置,其特征在干,該至少一相位干擾元件設(shè)置在該屏幕的表面上,以使影像畫面以穿透方式經(jīng)過該相位干擾元件的相位干擾圖案再由人眼接收。
18.—種激光投影系統(tǒng)的激光光斑的抑制方法,其利用請求項(xiàng)I至17任ー項(xiàng)所述的激光投影系統(tǒng)的激光光斑抑制裝置,該激光投影系統(tǒng)包含ー激光投影器及ー屏幕,其中該激光投影器包含至少ー激光光源供射出激光光束及至少ー影像產(chǎn)生元件將激光光束形成成像光束并由ー出光ロ射出至該屏幕上以形成影像畫面,該影像畫面并自屏幕出射而由人眼接收;該激光光斑的抑制方法包含下列步驟 提供至少ー激光光相位干擾元件,其上設(shè)有至少ー 激光光相位干擾圖案,其中該激光光相位干擾圖案用以使激光光束或成像光束以反射方式或穿透方式經(jīng)過該相位干擾圖案時(shí)能產(chǎn)生不均勻的相位變化; 將該至少ー激光光相位干擾元件設(shè)置于該激光光源與該屏幕之間的投射路徑上,以使激光光束或成像光束在投射至該屏幕上之前能以反射或穿透方式先經(jīng)過該至少ー相位干擾元件的激光光相位干擾圖案;及利用該激光光相位干擾圖案,對經(jīng)過該激光光相位干擾圖案的激光光束或成像光束產(chǎn)生不均勻的相位變化,并使最后由屏幕出射的影像畫面成像光的光束 截面的相干長度縮小,以抑制在該影像畫面上產(chǎn)生激光光斑; 其特征在于,該相干長度(correlation length)是ー用以界定一分布(distribution)狀態(tài)的變化頻率情形的參數(shù);其中該影像畫面的成像光的光束截面的相干長度是ー參數(shù),用以表示一光束截面上的相位變化情形。當(dāng)該光束截面的相干長度越小時(shí),表示該光束截面的相位分布在單位截面積內(nèi)產(chǎn)生越多而密集的相位變化;當(dāng)成像光束截面的相干長度越小時(shí),則激光光斑的抑制效果越好。
全文摘要
一種激光投影系統(tǒng)的光斑抑制裝置及其抑制方法,其中該激光投影系統(tǒng)包含至少一激光光源供出射激光光束及至少一影像產(chǎn)生元件如光束偏折裝置如微機(jī)電反射鏡(MEMS mirror)或二維光亮度調(diào)整陣列如DLP(Digital Light Processor)供將激光光束形成成像光束并由至少一出光口投射至該屏幕上以形成影像畫面,該光斑抑制裝置利用至少一激光相位干擾元件,使其設(shè)在該激光光源與該屏幕之間的激光光束的投射路徑上供該激光光束以反射方式或穿透方式經(jīng)過,該相位干擾元件的表面設(shè)有至少一相位干擾圖案,以使該激光光束經(jīng)過該相位干擾圖案時(shí)能產(chǎn)生不均勻的空間相位變化,使最后自屏幕出射的影像畫面的成像光的光束截面的相干長度(correlation length)縮小,以達(dá)成有效抑制激光光斑的效果。
文檔編號(hào)G02B26/06GK102681198SQ20111006443
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月17日
發(fā)明者陳致曉 申請人:宏瞻科技股份有限公司