CN114846400A - 使用相位图像生成器的图像投影仪 - Google Patents

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Abstract

一种具有高光学效率的图像投影仪，该图像投影仪在距观看者任意距离处投射图像。该图像投影仪包括：照射模块，该照射模块具有至少一个空间相干光源；相位图像生成器，该相位图像生成器具有光学相移元件阵列；电子图像控制器，该电子图像控制器以电的方式连接至相位图像生成器；以及波导，该波导包括至少一个嵌入式部分反射器。该波导被定位在照射模块与波导之间，或者被定位在波导与观看者之间。该相位图像生成器可以包括用于消除色斑的相移、用于校正光学像差的相移和/或用于对由具有不同光程长度的光线引起的干涉进行补偿的相移。

Description

使用相位图像生成器的图像投影仪
相关申请的交叉引用
本申请要求本申请发明人于2019年12月19日提交的美国临时专利申请第62/950,207号的权益，其通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明内容涉及显示器，并且更特别地，本发明内容涉及使用相位图像生成器的图像投影仪。
背景技术
图像投影仪例如在近眼显示器中使用的那些图像投影仪将光学图像注入波导，然后波导将图像传送到观看者的眼睛。通过对照射光的相位和/或幅度进行调制来形成光学图像，照射光由非相干光源或相干光源提供。
在非相干光源的情况下，通常通过使用例如空间光调制器(spatial lightmodulator，SLM)或液晶显示器(liquid crystal display，LCD)空间地调制光幅度来形成图像。典型地，这种幅度调制引起光强度的损失，这降低了图像投影仪的光学效率，并且严格限于投影到无穷远的图像。
在相干光源的情况下，通常由扫描激光***提供照射，在扫描激光***中，随时间调制激光束的强度，并且通过旋转镜快速扫描激光束的方向。此处同样地，***也限于投影到无穷远的图像，并且此外，难以实现所需的扫描镜旋转速度。
发明内容
本发明内容是使用相位图像生成器(例如，全息光学元件(holographic opticalelement，HOE)或硅上液晶装置(liquid crystal on silicon device，LCOS))的紧凑的、光学有效的图像投影仪。图像被投影在距观看者的任意距离处，其中，光强度或光学效率损失很小或没有损失。
在本申请中，术语“激光”在用作名词或形容词时旨在包括在头戴式显示器中使用的各种照射源，例如，激光二极管和发光二极管(light-emitting diode，LED)。此外，光学术语中的术语“平面”(例如，像平面和焦平面)的使用被理解为是指可以是严格的数学意义上的平面或者可以不是严格的数学意义上的平面的表面。
根据本公开的主题的一个方面，提供了一种具有高光学效率的图像投影仪，该图像投影仪包括：照射模块，该照射模块具有至少一个空间相干光源；相位图像生成器，该相位图像生成器具有光学相移元件阵列；电子图像控制器，该电子图像控制器与相位图像生成器电通信；以及波导，该波导被定位在照射模块与观看者之间并且具有至少一个嵌入式部分反射器。
根据一些方面，相位图像生成器被定位在照射模块与波导之间，或者被定位在波导与观看者之间。
根据一些方面，相位图像生成器被定位在波导的入射光瞳处或者被定位在入射光瞳的图像处。
根据一些方面，相位图像生成器生成至少两个衍射级，所述至少两个衍射级被耦入到波导中。
根据一些方面，相位图像生成器是透射式或反射式的。
根据一些方面，图像投影仪包括正透镜，该正透镜被定位在波导与相位图像生成器之间。
根据一些方面，相位图像生成器包括液晶显示器、硅上液晶装置、全息光学元件和/或空间光调制器。
根据一些方面，相位图像生成器包括用于消除色斑的时变相移器。
根据一些方面，相位图像生成器包括用于校正光学像差和/或对由具有不同光程长度的光线引起的干涉进行补偿的相移。
根据一些方面，至少一个空间相干光源具有随时间调制的强度。
根据一些方面，至少一个空间相干光源包括激光二极管、二极管泵浦固态激光器和/或超发光发光二极管(super-luminescent light emitting diode，SLED)。
根据一些方面，照射模块包括具有不同的波长的至少两个光源。
根据一些方面，照射模块还包括聚焦光学元件。
根据一些方面，聚焦光学元件是透镜、反射镜或双锥形光学部件。
根据一些方面，至少一个嵌入式部分反射器包括衍射光栅、衍射光学元件和/或部分反射表面。
根据一些方面，图像投影仪包括图像幅度调制器。
根据一些方面，图像投影仪包括光学分束器，该光学分束器可以是偏振分束器。
根据一些方面，图像投影仪包括漫射器，该漫射器可以是光学扩展量扩展器。
根据一些方面，图像投影仪包括微透镜阵列、一个或更多个扫描镜、用于跟踪观看者的眼睛的当前视线的眼睛跟踪摄像装置和/或体布拉格光栅(Volume Bragg Grating)。
附图说明
在本文中参照附图仅通过示例的方式描述本发明内容。
图1是根据本发明内容的第一实施方式的图像投影仪的光学示意图。
图2和图3分别示出了用于图1的图像投影仪的第一示例性光学布局和第二示例性光学布局。
图4A是根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪的光学示意图。
图4B是根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪的光学示意图。
图5A是根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪的光学示意图。
图5B是根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪的光学示意图。
图5C是根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪的光学示意图。
图5D是根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪的光学示意图。
图5E和图5F分别示出了图5D的照射子模块内的发射器的第一布置和第二布置。
图6A和图6B分别示出了根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪600A的俯视图和侧视图中的光学示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明内容的图像投影仪100的光学布局的示意图。照射源101是空间相干光源，例如，激光二极管、二极管泵浦固态激光器(diode pumped solid-statelaser，DPSS)或超发光发光二极管(super-luminescent light emitting diode，SLED)。通常通过以时变周期序列在红光照射源、绿光照射源和蓝光照射源之间交替生成彩色图像。
准直光学器件105将光透射到相位图像生成器110，相位图像生成器110接收来自电子图像控制器112的电信号。可以通过例如透射LCD、反射LCOS或HOE来实现相位图像生成器。箭头113A、箭头113B和箭头113C示出了与入射照射的不同角度相对应的样本光线路径。通常使用可编程数字计算机来实现图像控制器112。
光学器件模块140将照射耦入到波导150中。如虚线所示，聚焦光学器件115将相位调制光聚焦到图像焦平面120上。杂散衍射级被图像孔径光阑121阻挡。准直光学器件125将光传送到出瞳光阑131内的由虚线示出的出瞳130。为了高光学效率，相位图像生成器110优选地被定位在出瞳130的图像处。穿过出瞳130的光被注入到波导150中。
作为选项，为了扩展进入准直光学器件125的光锥的数值孔径，可以将漫射器或微透镜阵列(micro-lens array，MLA)定位在图像焦平面120中。作为另一个选项，为了提高照射效率，可以对图像相位和/或幅度进行近似。
虽然图1中未示出，但是可以添加诸如LCD或SLM的图像幅度调制器，以使得能够在无需使用附加的光学元件的情况下在相位和幅度二者上进行图像的操纵。当幅度调制器被定位成靠近相位图像生成器110或靠近出瞳130时，所添加的幅度调制与由相位图像生成器110提供的相位调制一起使得能够完全重建期望图像。当幅度调制器被定位在图像焦平面120处或靠近图像焦平面120时，添加的幅度调制可以被用于改善图像质量，并且通常将使得能够更好地逼近期望图像。
可以可选地使用相位和/或幅度上的图像近似来提高照射效率。另外，为了保持光强度，相位图像生成器110可以被配置成将光转向至幅度调制器的选定部分。此外，幅度调制器可以用于通过过滤出散射光来增强图像对比度，否则散射光将穿过图像焦平面。
图2示出了使用三个偏振分束器的图1的图像投影仪的第一示例性光学布局。照射源201是偏振的空间相干光源，例如，激光二极管或二极管泵浦固态(diode pumped solid-state，DPSS)激光器。准直光学器件205将照射传送到偏振分束器(polarizing beamsplitter，PBS)208，偏振分束器208将光反射到反射相位图像生成器210上。经相位调制的光穿过聚焦光学器件215并且被PBS 218反射到图像焦平面220上。PBS 228将光反射到准直光学器件225中，并且然后，光被反射到出瞳230中。诸如LCOS的可选的幅度调制器可以被定位在图像焦平面220处。
图3示出了使用折射光学元件的图1的图像投影仪的第二示例性光学布局。来自照射源301的光被准直光学器件305准直，并且被PBS 308转向到反射图像相位生成器310上。图像相位生成器位于被成像到出瞳330上的平面上。光学器件模块340将照射耦入到波导350中。聚焦光学器件315将经相位调制的光聚焦到图像焦平面320上，该图像焦平面320由于场曲率的影响而弯曲。为了放大进入准直光学器件325的光的数值孔径，弯曲的MLA被可选地放置在图像焦平面320上。在准直之后，光被反射器328反射到出瞳330中，并且然后被耦入到波导350中。
在许多情况下，期望在由照射源301发射的光进入波导350之前对光进行去偏振。对于具有窄光谱宽度的激光源，去偏振片通常是厚的并且在紧凑图像投影仪中使用是不切实际的。更实用的替选解决方案是对于三种照射颜色(例如，红色、绿色和蓝色)中的每一种使用具有略微不同波长的两个激光源。在图3中，双折射窗326被配置成使来自两个激光源的光具有正交偏振。通过这种技术，在图像相位生成器中顺序生成六个图像(例如，2个用于红色，2个用于绿色，2个用于蓝色)，并且所得彩色图像被有效地去偏振。六个图像中的每一个图像通常在相位图像生成器中需要不同的相位模式。
图4A示出了根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪400A的光学示意图。来自偏振照射源401的光被PBS平面418反射到相位图像生成器410上。相位图像生成器410生成与例如衍射级+1和衍射级-1相对应的衍射级413，该衍射级是彼此的镜像并且生成相反取向的两个图像。如图所示，衍射级通过波导表面处的全内反射(total internalreflection，TIR)传播通过波导450，并且通过嵌入式部分反射器428耦合至输出平面430。部分反射器可以例如被实现为衍射光栅、DOE或部分反射面。
图4B示出了根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪400B的光学示意图。在这种情况下，相位图像生成器410位于到波导450的入口的图像处，并且光学器件模块440用于将来自源401的照射耦入到波导中。光学器件模块440的元件类似于图3中的光学器件模块340的元件。
与图3的实施方式中的单个图像相比，在图4A和图4B中，两个图像被注入到波导中。实际上，通过使用二维波导，也可以将图4A和图4B的实施方式扩展为包括四个图像的注入。此外，波导可以被配置成包括双折射部或双折射窗。在2018年4月12日公布的并且题为“Aperture Multiplier Using a Rectangular Waveguide”的国际申请号WO 2018/0659751A1中提供了附加的细节。
在图4A和图4B中，相位图像生成器410将入射照射朝向波导450反射。然而，替选实施方式是可能的，在替选实施方式中，相位图像生成器是透明的，并且入射照射在相位图像生成器的与图4A和图4B中所示相反的侧面上进入。
图5A示出了根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪500A的光学示意图。照射模块501A以相对于波导的长轴(与X-Y-Z坐标系的Z轴平行)的注入角度α将具有均匀相前(例如，平坦波前)的相干光束注入到波导550中。嵌入式部分反射器528实质上扩展波前并且将光耦入到SLM 510A中，SLM 510A是光学相位和/或幅度调制器。对于增强现实(Augmented Reality，AR)应用，SLM优选地是透射仅相位调制器，例如LCOS，其不阻挡环境光。波导550实质上用作SLM的薄照射源，其调制入射相前以生成期望的图像。SLM还可以对从不同反射器528反射的光波的相对相位的差异进行补偿，以消除不希望的干涉效应。
例如，借助于扫描微镜(未示出)在照射模块501A中改变注入方向α。每个这样的方向与全息图像投影的特定方向相对应。通过改变α，可以在比SLM提供的视场(field-of-view，FOV)更大的视场上扫描投影图像。输出相前560A、输出相前560B和输出相前560C将图像信息传送到观看者570。
图5B示出了根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪500B的光学示意图。照射模块501B将相干光束沿方向α注入到波导550。介于波导550与SLM 510B之间的正透镜515B聚焦相干光但不影响环境光。透镜515B可以被实现为例如被配置成在窄光谱范围内具有高衍射效率的体布拉格光栅(Volume Bragg Grating，VBG)衍射元件或全息表面。更一般地，透镜515B可以包括堆叠在一起的三个VBG元件，使得每个VBG衍射与红色、绿色或蓝色照射相对应的特定波长。
正透镜515B也可以位于SLM 510B与观看者之间。可以通过施加至SLM的像素的额外的相移来补偿透镜515B的可能像差。SLM生成衍射级513A、衍射级513B和衍射级513C，衍射级513A、衍射级513B和衍射级513C分别聚焦在透镜515B的输出焦平面530中的位置A、位B和位C处。点B和点C之间的间隔距离在图5B中由(h)表示。
如果间隔距离(h)足够大，例如，大于观看者570的眼睛瞳孔直径，则观看者一次只能看到一个衍射级。如果间隔距离小于期望的眼动盒(Eye Motion Box，EMB)，如在相对大的SLM像素间距的情况下，需要控制衍射级之一的位置(例如，位置B)，使得该位置跟踪观看者570的眼睛瞳孔的瞬时位置。通过调整注入方向α来实现对焦平面530中的位置B的控制。借助于用于跟踪观看者眼睛的当前视线的眼睛跟踪摄像装置575，将观看者570的瞬时眼睛位置定位在眼动盒(Eye Motion Box，EMB)内。基本上，每个注入方向与在波导内的照射束的路径相对应，并且在焦平面530中产生衍射级B的特定位置。
用于控制投影仪500B的操作的***参数列于下表1中。
表1：***参数
符号 定义
R 出瞳距离
D,p SLM的宽度和像素间距
λ 照射波长
Fi,Fd 波导(照射)和显示器FOV
H 衍射级之间的距离
W EMB宽度
***参数通过下列数学式关联：
Figure BDA0003701197160000081
Figure BDA0003701197160000082
W＝2*R*tan(Fi/2) (3)
数值示例
例如，假定R＝20mm，Fd＝38.6度(对于对角线为50度的方形显示器)，式(1)得到D＝13.2mm。式(2)是近似的。对于与蓝光相对应的p＝3微米和λ＝0.447微米，式(2)得出h＝3mm，该值近似为眼睛瞳孔的直径。然后SLM将包含至少N×N像素，其中，N＝D/p＝4400。对于W＝±5mm(或总计10mm)，式(3)近似得出Fi＝±14度。
图5C示出了根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪500C的光学示意图，该图像投影仪500C使用透明二维(two-dimensional，2D)波导550C。相干照射模块501C包括柱面光学器件517C，该柱面光学器件例如可以被实现为透镜、反射镜或双锥形光学部件。照射被聚焦为束514C，束514C在Y-Z平面中被准直并且在X-Z平面(例如，波导的平面)中被聚焦到漫射器518C上。漫射器用作光学扩展量扩展器，该光学扩展量扩展器增加束在X-Z平面中的发散角。
柱面镜525C反射束以形成后向传播的准直束516C。束516C通过嵌入式部分反射镜528C从2D波导550C射向透镜515C和SLM 510C(由虚线示出)。关于2D波导成像***的更多细节可以在2020年10月25日提交的题为“Displays Employing Astigmatic Optics andAberration Compensation”的国际申请第PCT/IL2020/051114号中找到。
图5D示出了根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪500D的光学示意图。代替图5C的照射模块501C和光学扩展量扩展器518C，图5D中的投影仪包括相干照射模块501D。模块501D包含4个照射子模块——照射子模块503A、照射子模块503B、照射子模块503C和照射子模块503D。每个子模块包含4个发射器，使得模块501D总共包含4x 4＝16个发射器。假设衍射级之间的间隔距离为3mm(如图5B中参数h所指示的)，4x 4阵列可以覆盖12mm x 12mm的EMB。根据EMB的期望尺寸，不同的阵列尺寸是可能的，例如，对于较小的EMB，可以使用较小的阵列尺寸。发射器被打开和关闭，其中在任何给定的时间一个发射器在操作，并且由SLM 510C产生的衍射级在透镜515C的焦平面内的不同位置生成图像。图像投影仪500D的优点在于其不需要扫描镜或附加光学器件模块(例如，图3中的模块340、图4B中的模块440和图5C中的模块501C)。
图5E示出了图像投影仪500D的照射子模块503A内部的发射器的第一布置。类似的布置适用于子模块503B、子模块503C和子模块503D。光纤504A、光纤504B、光纤504C和光纤504D分别为微光学准直器505A、微光学准直器505B、微光学准直器505C和微光学准直器505D提供照射，微光学准直器505A、微光学准直器505B、微光学准直器505C和微光学准直器505D各自对准不同的注入角度。准直光被柱面光学器件526收集并且被注入到波导550C中，使得来自每个光纤的光在平面Y-Z平面(例如，与波导的平面正交的平面)中被准直并且在平面X-Z平面(例如，波导的平面)中被发散。保持器524提供机械支撑以保持所有元件被正确对准。
图5F示出了作为替选的图像投影仪500D的照射子模块503A'内的发射器的第二布置。四个相干源504F(例如，半导体激光二极管芯片)被集成在封装件527F内的单个基板上。通过MLA 529F和MLA530F，发射束在波导的X-Z平面中发散并且在Y-Z平面(例如，与波导的平面正交的平面)中准直。
图6A和图6B分别以俯视图和侧视图示出了根据本发明内容的另一实施方式的图像投影仪600A的光学示意图。照射源601结合了相位图像生成器610和柱面或双锥形光学器件615，该光学器件615将衍射级613A和衍射级613B聚焦到光阑616的平面上。如图所示，光阑透射衍射级613A并且阻挡衍射级613B。柱面镜625将透射的光反射回波导650，波导650的嵌入式部分反射镜628朝向观看者570射出图像。分别与光学器件615和柱面镜625对应的焦距f1和焦距f2的比率确定图像FOV在一个空间维度上的放大率。图像投影仪600A具有高度紧凑的优点，然而，该投影仪中的衍射级阻挡和图像放大率限于波导650的平面。
在以下部分中呈现了用于确定相位图像生成器的相位模式的考虑事项。
色斑抑制
当在图像投影仪中使用相干照射源时，色斑可能降低成像质量。为了减轻色斑的影响，可以在相位图像生成器中或者在包括单个像素的单独的专用相位调制器中将随机、时变、全局相移添加到像素的2D阵列。观看者眼睛中连续图像的时间平均显著地减少了斑点假象。
用于色斑抑制的单像素专用相位调制器通常会需要小于一毫秒的切换时间。低功率相位调制器通常具有较长的切换时间。通过串联组合几个低功率相位调制器(在它们之间具有亚毫秒延迟)可以构造具有必需切换时间的廉价实现方式。
光程长度补偿
注入到2D波导中的光从波导内部的多个嵌入式部分反射器反射。在波导区域上延伸并且位置与取向不同的反射光线具有不同的光程长度，并且因此会在观看者的FOV中产生干涉效应。为了消除干涉效应，可以将对光程长度差补偿的附加相移编码到相位图像生成器的相位模式中。
照射源的空间和时间相干长度确定所需编码的类型。在一种操作模式中，例如，在分布式反馈(distributed feedback，DFB)激光二极管的情况下，时间相干长度比波导的出瞳(即，波导的以下区域，对于给定的眼睛的位置，光从波导的该区域耦出至观看者的眼睛)大。使用眼睛***(例如，图5B中的眼睛跟踪摄像装置575)准确地知道眼睛的位置，并且然后，可以计算所有的光程长度差并且将其编码到相位图像生成器中。以这种方式，可以实现全3D成像。
在第二操作模式中，照射源的时间相干长度比波导的出瞳短但是比观看者的眼睛瞳孔的直径长。对于投影到无穷远的图像，图像平面中的每个像素由投影光的单个角度取向(例如，单个“k向量”)组成，并且不同的角度取向不干涉。在这种情况下，不需要准确了解眼睛位置。
像差校正
在相位图像生成器的像素的2D阵列中编码的相移还可以包括以下项，该项对源于图像投影仪自身的光学器件中的光学像差进行校正。在2020年6月23日提交的题为“Display with Foveated Optical Correction”的国际申请第PCT/IL2020/050700号中进一步详细描述了这样的校正。
应当理解，以上描述仅旨在用作示例，并且许多其他实施方式可能在如上所述的本发明内容的范围内。

Claims (26)

1.一种具有高光学效率的图像投影仪，包括：
照射模块，所述照射模块包括至少一个空间相干光源；
相位图像生成器，所述相位图像生成器包括光学相移元件阵列；
电子图像控制器，所述电子图像控制器与所述相位图像生成器电通信；以及
波导，所述波导介于所述照射模块与观看者之间并且所述波导包括至少一个嵌入式部分反射器。
2.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述相位图像生成器介于所述照射模块与所述波导之间，或者介于所述波导与所述观看者之间。
3.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述相位图像生成器被定位在所述波导的入射光瞳处或者被定位在所述入射光瞳的图像处。
4.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述相位图像生成器生成至少两个衍射级，所述至少两个衍射级被耦入到所述波导中。
5.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述相位图像生成器是透射式的。
6.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述相位图像生成器是反射式的。
7.根据权利要求6所述的图像投影仪，所述图像投影仪还包括正透镜，所述正透镜介于所述波导与所述相位图像生成器之间或者介于所述相位图像生成器与所述观看者之间。
8.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述相位图像生成器包括选自包括以下的组的部件：液晶显示器、硅上液晶装置、全息光学元件和空间光调制器。
9.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述相位图像生成器包括用于消除色斑的时变相移器。
10.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述相位图像生成器包括用于校正光学像差的相移器。
11.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述相位图像生成器包括用于对由具有不同光程长度的光线引起的干涉进行补偿的相移器。
12.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述至少一个空间相干光源具有随时间调制的强度。
13.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述至少一个空间相干光源包括选自包括以下的组的部件：激光二极管、二极管泵浦固态激光器和超辐射发光二极管(SLED)。
14.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述照射模块包括具有不同波长的至少两个光源。
15.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述照射模块还包括聚焦光学元件。
16.根据权利要求15所述的图像投影仪，其中，所述聚焦光学元件是透镜、反射镜或者双锥形光学部件。
17.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述至少一个嵌入式部分反射器包括选自包括以下的组的部件：衍射光栅、衍射光学元件以及部分反射表面。
18.根据权利要求1所述的图像投影仪，所述图像投影仪还包括图像幅度调制器。
19.根据权利要求1所述的图像投影仪，所述图像投影仪还包括光学分束器。
20.根据权利要求19所述的图像投影仪，其中，所述光学分束器是偏振分束器。
21.根据权利要求1所述的图像投影仪，所述图像投影仪还包括漫射器。
22.根据权利要求21所述的图像投影仪，其中，所述漫射器是光学扩展量扩展器。
23.根据权利要求1所述的图像投影仪，所述图像投影仪还包括微透镜阵列。
24.根据权利要求1所述的图像投影仪，所述图像投影仪还包括一个或更多个扫描镜。
25.根据权利要求1所述的图像投影仪，所述图像投影仪还包括眼睛跟踪摄像装置，用于跟踪所述观看者的眼睛的当前视线。
26.根据权利要求1所述的图像投影仪，所述图像投影仪还包括至少一个体布拉格光栅。
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020095245A1 (en) 2018-11-08 2020-05-14 Lumus Ltd. Optical Devices and Systems with Dichroic Beamsplitter Color Combiner
JP7489115B2 (ja) 2019-01-15 2024-05-23 ルムス エルティーディー． 対称導光光学素子を製造する方法
JP7424635B2 (ja) 2019-01-24 2024-01-30 ルムス エルティーディー． 二次元の拡大を伴う導光光学素子を含む光学システム
EP3987340B1 (en) 2019-06-23 2024-03-13 Lumus Ltd. Display with foveated optical correction
TW202115445A (zh) 2019-09-15 2021-04-16 以色列商魯姆斯有限公司 橫向光導管
WO2021124315A1 (en) 2019-12-19 2021-06-24 Lumus Ltd. Image projector using a phase image generator
KR20220151658A (ko) 2020-04-20 2022-11-15 루머스 리미티드 레이저 효율 및 눈 안전성이 향상된 근안 디스플레이
IL297051B2 (en) 2020-05-24 2023-10-01 Lumus Ltd Manufacturing method of light-conducting optical components
EP4162314A4 (en) 2021-02-25 2023-11-22 Lumus Ltd. MULTIPLER WITH OPTICAL APERTURE AND RECTANGULAR WAVEGUIDE
US20220334392A1 (en) * 2021-04-16 2022-10-20 Nvidia Corporation Holographic virtual reality display
WO2023281369A1 (en) 2021-07-04 2023-01-12 Lumus Ltd. Color shifted optical system for near-eye displays
DE212022000206U1 (de) * 2021-10-10 2024-02-29 Lumus Ltd. Bildprojektor für augennahe Anzeige
US11741861B1 (en) 2022-02-08 2023-08-29 Lumus Ltd. Optical system including selectively activatable facets
WO2024105653A1 (en) * 2022-11-20 2024-05-23 Lumus Ltd. Optical systems including two-dimensional expansion light-guide optical elements with intermediate expansion region

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1503239A (zh) * 2002-11-19 2004-06-09 ������������ʽ���� 多层光盘的信息重放方法及信息重放装置
US20070159673A1 (en) * 2005-11-21 2007-07-12 Freeman Mark O Substrate-guided display with improved image quality
CN101667433A (zh) * 2008-09-05 2010-03-10 株式会社理光 像差校正元件
US20110037953A1 (en) * 2007-09-25 2011-02-17 Explay Ltd. Micro-projector
JP2015099323A (ja) * 2013-11-20 2015-05-28 セイコーエプソン株式会社 プロジェクター
CN107430283A (zh) * 2015-01-06 2017-12-01 伊奎蒂公司 具有光学耦合的头戴式成像设备
WO2018211074A1 (de) * 2017-05-19 2018-11-22 Seereal Technologies S.A. Anzeigevorrichtung mit einem lichtleiter
CN109154720A (zh) * 2016-05-18 2019-01-04 鲁姆斯有限公司 头戴式成像设备
CN109612384A (zh) * 2018-11-01 2019-04-12 南京理工大学 一种基于频谱亚像素平移的倾斜像差校正补偿方法

Family Cites Families (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2153546A (en) 1984-02-02 1985-08-21 Pilkington Perkin Elmer Ltd Optical filtering devices
US5096520A (en) 1990-08-01 1992-03-17 Faris Sades M Method for producing high efficiency polarizing filters
US5398171A (en) 1993-09-02 1995-03-14 General Electric Company Light guide termination arrangement for producing a convergent beam output
TW401530B (en) 1996-03-12 2000-08-11 Seiko Epson Corp Polarized light separation device, method of fabricating the same and projection display apparatus using the polarized light separation device
US20020075454A1 (en) 2000-12-15 2002-06-20 Hsiung Lin Chi Optical path design of a reflecting liquid crystal projector
JP3730582B2 (ja) 2002-03-04 2006-01-05 株式会社日立製作所 色分離合成光学系及びそれを用いた投写型液晶表示装置
US20050017465A1 (en) 2003-07-24 2005-01-27 Bergstrom Skegs, Inc. Wear rod for a snowmobile ski
KR20070002513A (ko) 2005-06-30 2007-01-05 삼성전자주식회사 공기청정기
IL171820A (en) 2005-11-08 2014-04-30 Lumus Ltd A polarizing optical component for light coupling within a conductive substrate
DE102006024356B4 (de) 2006-05-19 2016-09-29 Seereal Technologies S.A. Holographische Projektionsvorrichtung zur Rekonstruktion von Szenen und Verfahren zur holographischen Rekonstruktion
JP2010039086A (ja) 2008-08-01 2010-02-18 Sony Corp 照明光学装置及び虚像表示装置
GB0902468D0 (en) 2009-02-16 2009-04-01 Light Blue Optics Ltd Optical systems
CN102449520B (zh) 2009-05-28 2015-01-07 西铁城控股株式会社 光源装置
WO2012014798A1 (ja) 2010-07-30 2012-02-02 ソニー株式会社 光源ユニット、照明装置および表示装置
JP5950939B2 (ja) 2010-12-29 2016-07-13 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 屈折型偏波変換器及び偏光色合成器
US9630220B2 (en) 2013-07-05 2017-04-25 Juin-Ping KUAN Air-wiping device opening and closing in one level plane
JP6323743B2 (ja) 2013-12-13 2018-05-16 大日本印刷株式会社 光走査装置、照明装置、投射装置および光学素子
CN104977722A (zh) 2014-04-03 2015-10-14 光宝科技股份有限公司 投影装置
JP6791840B2 (ja) * 2014-08-14 2020-11-25 エムティティ イノベーション インコーポレイテッドＭｔｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ 光源
US10007046B2 (en) 2015-08-14 2018-06-26 Radiant Opto-Electronics (Suzhou) Co., Ltd. Light guide film, backlight module and display device having the same
GB2547929B (en) * 2016-03-03 2018-02-21 Daqri Holographics Ltd Display system
GB2547926B (en) 2016-03-03 2020-04-29 Dualitas Ltd Display system
JP6677036B2 (ja) 2016-03-23 2020-04-08 セイコーエプソン株式会社 画像表示装置及び光学素子
KR20180052357A (ko) * 2016-11-10 2018-05-18 삼성전자주식회사 확장된 시야창을 제공하는 홀로그래픽 디스플레이 장치
WO2018134933A1 (ja) 2017-01-19 2018-07-26 オリンパス株式会社 光モジュールおよび内視鏡
US10313643B2 (en) 2017-03-13 2019-06-04 Omnivision Technologies, Inc. Imaging system having four image sensors
JP7249285B2 (ja) 2017-03-21 2023-03-30 マジック リープ， インコーポレイテッド 空間光変調器を照明するための方法、デバイス、およびシステム
JP6916504B2 (ja) * 2017-03-31 2021-08-11 日本電気株式会社 投射装置、投射画像制御方法、および投射画像制御プログラム
CN107323375B (zh) * 2017-06-27 2019-12-03 京东方科技集团股份有限公司 车载显示***、交通设备和图像显示方法
EP4215980A1 (en) 2017-07-19 2023-07-26 Lumus Ltd. Lcos illumination via loe
US10639697B2 (en) 2017-07-24 2020-05-05 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method of manufacturing pipe assembly
JP2019117237A (ja) 2017-12-26 2019-07-18 シャープ株式会社 ヘッドマウントディスプレイ
JP6911878B2 (ja) 2019-02-28 2021-07-28 セイコーエプソン株式会社 画像表示装置および虚像表示装置
US10880529B2 (en) * 2019-04-09 2020-12-29 GM Global Technology Operations LLC Speckle reduction with image dithering
GB201909179D0 (en) 2019-06-26 2019-08-07 Wave Optics Ltd Pupil relay system
TW202127106A (zh) 2019-09-04 2021-07-16 以色列商魯姆斯有限公司 具有二向色光束組合器的光學裝置、結合二向色光束組合器使用的光學裝置及其製造方法
EP4031931A4 (en) 2019-09-16 2023-02-22 Lumus Ltd. COMPACT PROJECTOR FOR VISIO HEADSETS
TW202119095A (zh) 2019-10-23 2021-05-16 以色列商魯姆斯有限公司 具有提高的均勻性和/或眼睛安全性的雷射照射顯示器
WO2021124315A1 (en) 2019-12-19 2021-06-24 Lumus Ltd. Image projector using a phase image generator

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1503239A (zh) * 2002-11-19 2004-06-09 ������������ʽ���� 多层光盘的信息重放方法及信息重放装置
US20070159673A1 (en) * 2005-11-21 2007-07-12 Freeman Mark O Substrate-guided display with improved image quality
US20110037953A1 (en) * 2007-09-25 2011-02-17 Explay Ltd. Micro-projector
CN101667433A (zh) * 2008-09-05 2010-03-10 株式会社理光 像差校正元件
JP2015099323A (ja) * 2013-11-20 2015-05-28 セイコーエプソン株式会社 プロジェクター
CN107430283A (zh) * 2015-01-06 2017-12-01 伊奎蒂公司 具有光学耦合的头戴式成像设备
CN109154720A (zh) * 2016-05-18 2019-01-04 鲁姆斯有限公司 头戴式成像设备
WO2018211074A1 (de) * 2017-05-19 2018-11-22 Seereal Technologies S.A. Anzeigevorrichtung mit einem lichtleiter
CN109612384A (zh) * 2018-11-01 2019-04-12 南京理工大学 一种基于频谱亚像素平移的倾斜像差校正补偿方法

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