激光照明系统及其激光光斑消除方法与流程

本发明涉及一种激光照明系统及其激光光斑消除方法，尤指一种在激光束照射至待照明区的路径上设置至少一光学绕射元件，以使激光束经过该至少一光学绕射元件时能产生重新空间相位重新分配的变化或光能量分配的变化，使该待照明区上的任一点在至少一影像感测单元的反应时间内能包含至少两束激光束的部分光能量并产生迭加效果，以消除该影像感测单元所撷取该待照明区的影像的激光光斑。

背景技术：

激光束具有本质上良好的同调性(coherent)，其为波长一致、相位一致、单一频率且导向性佳的高能量光束，当其被应用为激光投影器的光源时，将会伴随产生激光光斑(laserspeckle)现象。激光光斑是同调性光源照射在一粗糙表面上，如一投影用屏幕或一半透明扩散板，所造成的不规则亮度分布，其起因为散射光在不同点因粗糙表面而产生不规则的建设性或破坏性干涉。光强度较亮者是建设性干涉所造成；光强度较暗者是破坏性干涉的结果；激光光斑事实上是影像检测单元(如人眼或镜头)所检测的噪声，将降低检测所得影像的影像清晰度与分辨率。若该影像检测单元为人眼，且将影响观察舒适度。因此，激光光斑为激光照明系统应予克服的现象。

针对激光光斑的问题，目前已有现有技术提出解决方法，如在投影用屏幕上增设一制动机构(actuator)如马达以驱使屏幕不断地移动或转动，以破坏激光束的同调性而减低干涉现象；或利用透镜将一影像产生模块所产生的影像聚焦于可移动或转动的一可随时间变更扩散器(time-varyingdiffuser)上，以破坏激光的同调性，从而缓和影像画面上的激光斑点现象，其原理是以高频率的震动造成相位差间的紊乱，使影像抵达人眼后不易察觉微小光点间的明暗差异，从而降低甚至消除激光光斑。但是，前述装置或方法皆是利用制动机构以驱动屏幕或扩散器(time-varyingdiffuser)相对于激光产生移动或转动，因此整体机构较复杂，产品制作成本也相对提高，且体积相对较大。

针对照明系统问题，相较于led，激光的量子效率有数百近千倍之高，其体积更小、生热更少、指向性更高等特性令诺贝尔得主中村修二相信未来十年内激光照明将会代替led照明，然而，激光照明技术现实上面临以下挑战：其一，激光光波长分布狭窄，无白色光谱激光；其二，激光光能具高度指向性易生激光安全问题；其三，激光同调性的干涉现象产生激光光斑(laserspeckle)使观察者不适，减低人眼视觉可辨识度或严重影响侦测影像的分辨率。为了解决上述激光照明问题，中村修二与osram等所采用的方式是将激光投射在荧光粉涂层以产生非同调性、低指向性的可见白光。然而，激光与荧光粉的异波长能量转换却将减损照明系统的量子效率，而且荧光粉所生光能完全没有指向性，若再通过反射镜与透镜系统修正能量分配以符相应的照明或显示应用的过程，又将严重减损其能量效率且增系统体积。反之，若可解决上述三项激光照明挑战，又可不经荧光粉转换，直接以激光作为照明光源，方能完全利用激光高量子效率，且达成体积小、高指向性优势及侦测距离增长且人眼视觉辨识度增高的优点，如此不仅适用白光照明，更可运用在夜视系统或机器视觉。此外，此发明系统所产生的光源不仅可应用于车头灯、台灯、路灯等各式照明，且可作为lcd、lcos等需外加光源的显示器系统。如今，白光激光运用指日可待，因此本发明的描述着重于如何设计激光照明系统及解决其激光光斑问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种激光照明系统，其包含至少一激光模块，供射出激光束；至少一扫描元件，供将该激光束扫描形成扫描光束；及至少一光学绕射元件，供使该扫描光束在经过该光学绕射元件之后能绕射形成照明光束，该照明光束再投射至一待照明区或该待照明区中至少一物体上以产生照明效果，用以供至少一影像感测单元能撷取该待照明区或该物体的影像；其中该至少一影像感测单元包含人体眼睛或光学感测元件，其中该影像感测单元具有一反应时间，该反应时间指该人体眼睛的视觉暂留时间或该光学感测元件的感测反应时间，在此可定义或视为该影像感测单元的最短反应时间；其中当该扫描光束经过该至少一光学绕射元件时，通过该至少一光学绕射元件的绕射效果，使该扫描光束能产生空间相位重新分配的变化或光能量分配的变化而转换形成照明光束，以使该待照明区或该待照明区中至少一物体上的任一点在该影像感测单元的反应时间内能包含至少两束照明光束的部分光能量并产生迭加效果，以消除影像感测单元所撷取的影像的激光光斑。

在本发明的激光照明系统一实施例中，该至少一光学绕射元件进一步包含一有效绕射区，使该扫描光束经过该有效绕射区而能产生有效的空间相位重新分配的变化或光能量分配的变化而转换形成照明光束，使该照明光束能在该待照明区中进一步形成一有效照明区。

在本发明的激光照明系统一实施例中，该至少一光学绕射元件设置于该扫瞄元件与该待照明区或该至少一物体之间的扫描光束的投射路径中，以使扫描光束能以反射方式或穿透方式经过该至少一光学绕射元件以产生重新空间相位重新分配的变化或光能量分配的变化。

在本发明的激光照明系统一实施例中，该光学绕射元件包含微光学绕射结构、传统光学结构(bulkoptics)、扩散片等依所需光能量与相位分布设计的结构中的一种或其组合不予限制。

在本发明的激光照明系统一实施例中，该激光照明系统可由多组不同激光模块组成一激光模块矩阵，该每个模块中可进一步增设准直元件(collimator)、聚焦元件等不限制，将激光束集中投射于扫描元件上。

在本发明的激光照明系统一实施例中，该激光模块矩阵中可进一步增设多组波长滤波器、多组偏振滤波器等不限制，将不同激光束合为同一束光，并可依激光的能量输出进行时间上的调配。

在本发明的激光照明系统一实施例中，该扫描元件可进行一维扫描或二维扫描，其中扫描轨迹能为周期性或非周期性，该周期性扫描轨迹可以为光栅扫描(rasterscanning)方式或利萨如扫描(lissajousscanning)方式，以周期小于感测单元的反应时间进行扫描；该非周期扫描轨迹是通过扫描迹轨迹的时间变化用以调整光能量的分布。

在本发明的激光照明系统一实施例中，该扫描元件为光束偏折装置，包含但不限于下列族群：折射率变化光束旋转元件(refractiveindexbeamsteeringdevice)、反射镜、微机电反射镜、微机电旋转镜面、旋转镜、多角反射镜(polygonmirror)、超声波光栅(ultrasonicgrating)其中的一种或其组合。

在本发明的再一目的在于提供一种激光照明系统的激光光斑消除方法，包含下列步骤：

步骤1：提供一激光照系统，该激光照明系统包含：至少一激光模块，供射出激光束；至少一扫描元件，供将该激光束扫描形成扫描光束；及至少一光学绕射元件，供使该扫描光束在经过该至少一光学绕射件之后能形成照明光束，该照明光束再投射至一待照明区或该待照明区中至少一物体上以产生照明效果，用以供一影像感测单元能检测该待照明区或该物体的影像；其中该影像感测单元包含人体眼睛或光学感测元件，其中该影像感测单元具有一反应时间，该反应时间指该人体眼睛的视觉暂留时间或该光学感测元件的感测反应时间。

步骤2：使该扫描光束在经过该至少一光学绕射元件时，通过该至少一光学绕射元件的绕射作用，使该扫描光束能产生空间相位重新分配的变化或光能量均匀分配的变化而转换成照明光束。

步骤3：使该待照明区或该待照明区中至少一物体上的任一点在该影像感测单元的反应时间内能包含至少两束照明光束的部分光能量并产生迭加效果，以消除影像感测单元所撷取的影像的激光光斑。

附图说明

图1为本发明的激光照明系统一实施例(具有单一激光模块及穿透式光学绕射元件)的立体示意图；

图2为本发明具有激光模块矩阵的穿透式激光照明系统一实施例的立体示意图；

图3为本发明的激光照明系统另一实施例(具有单一激光模块及反射式光学绕射元件)的立体示意图；

图4为本发明激光束经扫描元件至照射于待照明区(或有效照明区)的照射路径示意图。

附图标记说明：10、10a、10b、10c-激光模块；11、11a、11b、11c-激光束；12、12a、12b、12c、12a1、12b1、12c1、12a2、12b2、12c2-扫描光束；13、13a、13b、13c、13a1、13b1、13c1、13a2、13b2、13c2-照明光束；131、132、133、134、134、136-部分光；20-扫描元件；30-绕射元件；30a-有效绕射区；40-待照明区；40a-有效照明区；50-物体；60-影像感测单元；a-扫描方向；b-感测方向。

具体实施方式

为使本发明更加明确详实，兹列举较佳实施例并配合下列图示，将本发明的结构及其技术特征详述如后。

参考图1，该激光照明系统1主要包含：一激光模块10、一扫描元件20、一光学绕射元件30、一待照明区40或该待照明区中至少一物体50及至少一影像感测单元60。

该激光模块10能射出一激光束11；该扫描元件20在本实施例中为一光束偏折装置，包含但不限于下列族群：折射率变化光束旋转元件(refractiveindexbeamsteeringdevice)、反射镜、微机电反射镜、微机电旋转镜面、旋转镜、多角反射镜(polygonmirror)、超声波光栅(ultrasonicgrating)其中的一种或其组合。该扫描元件20能将该激光束11沿着扫描方向如箭头a所示方向但不限制，扫描形成多道扫描光束12，在第1图中以三道扫描光束12a、12b、12c为例说明，其中扫描光束12a、12b、12c是激光束11经由扫描元件20于不同时间(不同角度)所扫描形成的连续扫描光束但不限制。

在图1中，该光学绕射元件30使该扫描光束12(12a、12b、12c)以穿透方式入射该光学绕射元件30并绕射形成照明光束13(13a、13b、13c)，该照明光束13(13a、13b、13c)再照射至一待照明区40或该待照明区中至少一物体50上以产生照明效果，用以供至少一影像感测单元60(在图1中以一影像感测单元60代表但不限制)能朝箭头b方向(但不限制)撷取该待照明区40或该待照明区40中至少一物体50的影像。其中该影像感测单元60包含人体眼睛或光学感测元件，在此可定义或视为该影像感测单元的最短反应时间。

在图1中，当该扫描光束12(12a、12b、12c)经过该光学绕射元件30时，通过该光学绕射元件30的绕射效果，使该扫描光束12(12a、12b、12c)能产生空间相位重新分配的变化或光能量分配的变化而转换形成照明光束13(13a、13b、13c)，以使该待照明区40或该待照明区40中至少一物体50上的任一点如图1中α点所示，在该影像感测单元60的反应时间内能包含至少两束照明光束13(13a、13b、13c)的部分光，如图1所示，由三道扫描光束12a、12b、12c经由该光学绕射元件30绕射形成三道分别的照明光束13a、13b、13c，其中该待照明区40或该待照明区40中至少一物体50上的α点，在该影像感测单元60的反应时间内即能包含照明光束13a的部分光131、照明光束13b的部分光132、照明光束13c的部分光133的能量并产生迭加效果。其中该影像感测单元60包含人体眼睛或光学感测元件，其中该影像感测单元具有一反应时间，该反应时间指该人体眼睛的视觉暂留时间或该光学感测元件的感测反应时间，在本发明中，该反应时间可定义或视为该影像感测单元60的最短反应时间。

在此通过图4进一步解释，扫描光束12a、12b、12c经光学绕射元件30后形成三道分别的照明光束13a、13b、13c，其中该三道分别的照明光束13a、13b、13c的照明范围已被该光学绕射元件30绕射(扩散)成较大范围，也就是，部分光131只是照明光束13a绕射(扩散)后的一部分光，部分光132只是照明光束13b绕射(扩散)后的一部分光，部分光133只是照明光束13c绕射(扩散)后的一部分光，因此在该影像感测单元60的反应时间内，该待照明区40或该待照明区40中至少一物体50上的α点即能包含照明光束13a的部分光131、照明光束13b的部分光132、照明光束13c的部分光133的能量并产生迭加效果，以消除该影像感测单元60所撷取的影像的激光光斑。

在图1中，该光学绕射元件30进一步包含一有效绕射区30a，使该扫描光束12经过该有效绕射区30a时，通过该有效绕射区30a的绕射效果，使该扫描光束12能产生有效的空间相位重新分配的变化或光能量分配的变化而转换形成照明光束13，使该照明光束13能在该待照明区40中进一步形成一有效照明区40a，但非用以限制本发明。

参考图3，图3所示的实施例与图1大致相同，主要不同点在于图1所示实施例利用穿透式光学绕射元件30，而图3所示实施例利用反射式光学绕射元件30而已；故图3实施例的激光照明系统及消除激光光斑方法请参考图1的说明，在此不另叙述。

参考图2，该激光照明系统1主要包含：多个激光模块如10a、10b、10c但不限制、一扫描元件20、一光学绕射元件30、一待照明区40或该待照明区中至少一物体50及至少一影像感测单元60但不限制。

在图2中，该激光照明系统1由三不同激光模块组成一激光模块(10)矩阵，各模块中可进一步增设准直元件(collimator)、聚焦元件(图中未示)等但不限制，用以将激光束集中投射于该扫描元件20。又该激光模块矩阵中可进一步增设多组波长滤波器、多组偏振滤波器(图中未示)等但不限制，用以将不同激光束合为同一束光，并可依激光的能量输出进行时间上的调配。

在图2中以三激光模块10a、10b、及10c为例说明，各激光模块10a、10b、10c分别射出激光束11a、11b、11c，在本实施例中三激光模块10a、10b、10c可为rgb激光光源或白光光源等但不限制。该扫描元件20在本实施例中为一光束偏折装置，用以将各激光束11a、11b、11c沿着扫描方向如箭头a所示方向但不限制，扫描形成多道扫描光束12，在第2图中以六扫描光束12a1、12b1、12c1及12a2、12b2、12c2为例说明，其中扫描光束12a1、12b1、12c1及12a2、12b2、12c2是激光束11a、11b、11c经由扫描元件20于不同时间所扫描形成的连续扫描光束但不限制。

在图2中，该光学绕射元件30是用以使该扫描光束12以穿透方式入射该光学绕射元件30并绕射形成照明光束13，该照明光束13再投射至一待照明区40或该待照明区中至少一物体50上以产生照明效果，用以供至少一影像感测单元60(在图2中以一影像感测单元60代表但不限制)能朝箭头b方向(但不限制)撷取该待照明区40或该待照明区40中至少一物体50的影像；其中该至少一影像感测单元60包含人体眼睛或光学感测元件；其中该光学绕射元件30包含微光学绕射结构、传统光学结构(bulkoptics)、扩散片等依所需光能量与相位分布设计的结构中的一种或其组合。

在图2中，当该扫描光束12经过该光学绕射元件30时，通过该光学绕射元件30的绕射效果，使该扫描光束12能产生空间相位重新分配的变化或光能量分配的变化而转换形成照明光束13，以使该待照明区40或该待照明区40中至少一物体50上的任一点如图2中α点所示，在该影像感测单元60的反应时间内能包含至少两束照明光束13的部分光，如图2所示，六道扫描光束121a1、122b1、123c1及121a2、122b2、123c2经由该光学绕射元件30而分别绕射形成六道照明光束13a1、13b1、13c1及13a2、13b2、13c2，其中该待照明区40或该待照明区40中至少一物体50上的α点，在该影像感测单元60的反应时间内即能包含各照明光束13a1、13b1、13c1及13a2、13b2、13c2的各部分光131、132、133及134、135、136的能量并产生迭加效果，以消除影像感测单元60所撷取该待照明区或该物体的影像的激光光斑。

以图2为例说明但非用以限制本发明，各部分光131、132、133及134、135、136只是各照明光束13a1、13b1、13c1及13a2、13b2、13c2经该光学绕射元件30绕射(扩散)后的一部分光，而在该影像感测单元60的反应时间内，该待照明区40或该待照明区40中至少一物体50上的α点能包含各部分光131、132、133及134、135、136的能量并产生迭加效果，故可以消除该影像感测单元60所撷取的影像的激光光斑。

在图2中，当该待照明区40进一步包含一有效照明区40a时，使该至少一物体50进一步位于该有效照明区中，使该待照明区40或该待照明区40中至少一物体50上的α点在该影像感测单元60的反应时间内能包含各照明光束13a1、13b1、13c1及13a2、13b2、13c2的各部分光131、132、133及134、135、136的能量并产生迭加效果，故足以消除影像感测单元60所撷取的影像的激光光斑。

此外，本发明的激光模块(10)矩阵中(如图2所示)，各激光模块(10a、10b、10c)分别射出激光束(11a、11b、11c)能以不同入射角度入射于扫描元件20；又各激光模块(10a、10b、10c)可由多组不同波长激光组成；又各激光模块(10a、10b、10c)可由多组不同偏震(polarization)激光组成；又该扫描元件20的扫描轨迹可为周期性，并使扫描元件20的扫描周期小于影像感测单元60的反应时间，则可使影像感测单元60所撷取的影像得由该激光照明系统1上所有扫描光束12在绕射后的照射光束13的部分光所贡献，并可大幅降低激光光斑现象。由于以上所述并非本发明的诉求重点，故在此不再赘述。

本发明提供的激光照明系统的激光光斑消除方法，包含下列步骤：

步骤1：提供一激光照系统1，该激光照明系统1包含：至少一激光模块10，供射出激光束11；至少一扫描元件20，供将该激光束11扫描形成扫描光束12；及至少一光学绕射元件30，供使该扫描光束12在经过该至少一光学绕射件30之后能形成照明光束13，该照明光束13再投射至一待照明区40或该待照明区40中至少一物体50上以产生照明效果，用以供一影像感测单元60能检测该待照明区40或该物体50的影像；其中该影像感测单元60包含人体眼睛或光学感测元件，其中该影像感测单元60具有一反应时间，该反应时间指该人体眼睛的视觉暂留时间或该光学感测元件的感测反应时间。

步骤2：使该扫描光束12在经过该至少一光学绕射元件30时，通过该至少一光学绕射元件30的绕射作用，使该扫描光束12能产生空间相位重新分配的变化或光能量均匀分配的变化而转换成照明光束13。

步骤3：使该待照明区40或该待照明区40中至少一物体50上的任一点在该影像感测单元60的反应时间内能包含至少两束照明光束13的部分光能量并产生迭加效果，以消除影像感测单元60所撷取的影像的激光光斑。