CN115176458B - 具有增强的激光效率和眼睛安全的近眼显示器 - Google Patents

具有增强的激光效率和眼睛安全的近眼显示器 Download PDF

Info

Publication number
CN115176458B
CN115176458B CN202180017325.9A CN202180017325A CN115176458B CN 115176458 B CN115176458 B CN 115176458B CN 202180017325 A CN202180017325 A CN 202180017325A CN 115176458 B CN115176458 B CN 115176458B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
spot
eye display
eye
scan
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202180017325.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115176458A (zh
Inventor
耶谢·丹齐格
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lumus Ltd
Original Assignee
Lumus Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lumus Ltd filed Critical Lumus Ltd
Publication of CN115176458A publication Critical patent/CN115176458A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115176458B publication Critical patent/CN115176458B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3129—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] scanning a light beam on the display screen
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0093—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for monitoring data relating to the user, e.g. head-tracking, eye-tracking
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G3/00—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes
    • G09G3/02—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes by tracing or scanning a light beam on a screen
    • G09G3/025—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes by tracing or scanning a light beam on a screen with scanning or deflecting the beams in two directions or dimensions
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G5/00—Control arrangements or circuits for visual indicators common to cathode-ray tube indicators and other visual indicators
    • G09G5/10—Intensity circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3129—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] scanning a light beam on the display screen
    • H04N9/3135—Driving therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • H04N9/315—Modulator illumination systems
    • H04N9/3164—Modulator illumination systems using multiple light sources
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G2310/00—Command of the display device
    • G09G2310/08—Details of timing specific for flat panels, other than clock recovery
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G3/00—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes
    • G09G3/20—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters
    • G09G3/34—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters by control of light from an independent source
    • G09G3/3433—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters by control of light from an independent source using light modulating elements actuated by an electric field and being other than liquid crystal devices and electrochromic devices
    • G09G3/346—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters by control of light from an independent source using light modulating elements actuated by an electric field and being other than liquid crystal devices and electrochromic devices based on modulation of the reflection angle, e.g. micromirrors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
  • Control Of Indicators Other Than Cathode Ray Tubes (AREA)
  • Transforming Electric Information Into Light Information (AREA)
  • Laser Surgery Devices (AREA)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)

Abstract

一种用于向观看者显示图像的近眼显示器，该近眼显示器具有增强的激光效率和增强的眼睛安全特征。显示器包括：激光源，其生成一个或更多个激光斑；以及扫描驱动器，其跨图像场扫描激光斑。通过调制处于3个功率水平即接近零水平、接近阈值水平和激射水平的激光源以及通过使调制与扫描驱动器同步来使电能消耗最小化。在另一个实施方式中，激光模块生成两个或更多个激光斑，所述两个或更多个激光斑扫描图像场上的非交叠线。扫描被配置成即使在扫描故障情况下也防止观看者的眼睛处的光强度超过眼睛安全水平。

Description

具有增强的激光效率和眼睛安全的近眼显示器
相关申请的交叉引用
本申请涉及并且要求下列共同拥有的美国临时专利申请的优先权，下列所有临时专利申请与本申请的发明人相同：于2020年4月20日提交的并且题为“Near-eye Displaywith Reduced Eye Intensity”的US 63/012,283；以及于2020年4月27日提交的并且题为“Laser Driver Modulation for a Laser Projector”的US 63/015726。上述临时申请的公开内容通过引用整体并入本文中。
技术领域
本发明涉及近眼显示器，并且特别地，本发明涉及具有增强的激光效率和眼睛安全的近眼显示器。
背景技术
激光照射通常用于近眼显示器中，以提供亮度与室外景色的亮度相当的虚像。在彩色显示器中，图像由红色、绿色和蓝色激光生成的亮斑形成。由致动器控制的一个或两个镜在视场(field of view，FOV)上扫描该亮斑。
在这样的近眼显示器的设计中，存在两个相互冲突的亮度要求。一方面，扫描亮斑的亮度必须足够高以使图像在世界景色的背景上可见。另一方面，亮度必须足够低，使得进入观察者眼睛的组合光强度在眼睛安全限度内。对于人眼特别敏感的蓝光波长而言尤其如此。
电池供电的近眼显示器的另一个考虑因素是减少提供足够的激光照射所需的电力。当激光谐振腔被激光驱动器激发或泵浦至激射阈值水平时，发出激光脉冲，该激射阈值水平超过腔中的内部功率损耗。激光脉冲的持续时间通常比驱动器激发脉冲所需的总时间短得多。这限制了可以实现的以每秒脉冲数为单位的脉冲重复率。
实现高脉冲重复率的一种方式是将谐振腔保持在连续激发状态，该状态刚好低于激射阈值。然而，这需要激光驱动器的连续操作和大量电能的消耗。
发明内容
本发明提供一种近眼显示器，其在确保眼睛安全并且节约电能的同时提供明亮的虚像。
根据当前公开的主题的一个方面，提供了一种用于向观看者显示图像的近眼显示器。显示器包括：激光驱动器，其控制激光模块，该激光模块生成至少三个激光斑；以及扫描驱动器，其与扫描模块通信，该扫描模块在图像场内移动激光斑。激光驱动器提供由基线功率水平、接近阈值功率水平和激射功率水平表征的功率调制。功率调制的定时与扫描驱动器同步，并且通过图像图案与表征激光斑的位置不确定性的一个或更多个不确定性椭圆的卷积来确定。
根据一些方面，功率调制的定时被配置成使近眼显示器的电能消耗最小化。
根据一些方面，显示器包括控制器，该控制器具有图像生成器和至少两个照射控制器。
根据一些方面，至少两个照射控制器被配置成使功率调制的定时与扫描驱动器以及图像生成器同步。
根据当前公开的主题的另一方面，提供了一种用于向观看者显示图像的近眼显示器。显示器包括：激光模块，其生成至少三个非交叠激光斑，这些激光斑中的每一个生成射到观看者眼睛上的表观光强度；以及扫描驱动器，其与扫描模块通信，该扫描模块在图像场内沿至少两个独立扫描方向移动激光斑。此外，在扫描模块的正常运行期间和/或在激光斑不能沿扫描方向中的任何一个方向或全部方向移动的扫描模块故障期间，激光斑穿过非交叠的线。
根据一些方面，激光斑中的至少两个具有不同的光波长。
根据一些方面，激光斑布置成在与扫描方向之一基本平行或成斜角的一条或更多条线中。
根据一些方面，在扫描模块的正常工作期间和/或在激光斑不能沿扫描方向中的任何一个方向或全部方向移动的扫描模块故障期间，激光斑的表观光强度的组合没有超过预定眼睛安全水平。
根据一些方面，扫描模块包括谐振扫描仪和线性扫描仪。
根据一些方面，显示器包括传感器，该传感器测量谐振扫描仪的位置。
根据一些方面，扫描模块包括双轴镜和双轴致动器。
附图说明
在本文中参照附图仅通过示例的方式来描述本发明。
图1：根据本发明的实施方式的近眼显示器的示例性光学布局。
图2A、图2B和图2C：示出根据本发明的实施方式的示例性激光功率调制的图。
图3A、图3B、图3C和图3D：示出根据本发明的当扫描示例性图像场时的激光功率调制的定时的图。
图4A、图4B、图4C和图4D：示出根据本发明的实施方式的第一三光斑扫描方法的图。
图5A、图5B、图5C和图5D：示出根据本发明的实施方式的第二三光斑扫描方法的图。
图6A、图6B和图6C：示出根据本发明的实施方式的示例性六光斑扫描方法的图。
图7：使用本发明的激光功率调制和六光斑扫描方法的近眼激光显示器的控制器的示例性框图。
具体实施方式
本发明包括许多不同的方面，这些方面中的每一个解决与使用激光照射实现近眼显示器有关的问题，并且可以单独有利地使用或协同地结合以提供显著的优点。参照附图和所附说明书，可以更好地理解根据本发明的近眼激光显示器的原理和操作。
图1示出了根据本发明的近眼显示器100的示例性光学布局。照射光学模块104包括激光模块109，该激光模块109具有三个激光源，标记为红色(R)、绿色(G)、和蓝色(B)，所述激光源的强度由激光驱动器108控制。激光源生成三个发散的激光束，所述激光束在被镜121反射并且被透镜122折射时沿不同的路径传播并且几何地组合。组合的束由扫描模块123沿两个正交方向扫描，扫描模块123由扫描驱动器112实时控制。如图1所示，扫描模块123可以包括谐振扫描仪124和线性扫描仪125，或者替选地，扫描模块123可以包括双轴镜和双轴致动器。谐振扫描仪124通常包括位置传感器，该位置传感器能够在扫描期间精确测量激光斑位置。成像透镜126提供光瞳成像，以将扫描束耦合到波导光瞳127中。激光驱动器108和扫描驱动器112由控制器(在图7中示出)同步，以生成图像，该图像由投影光学模块128投影到观看者的眼睛129。
用于增强的激光效率的激光功率调制
图2A、图2B和图2C示出了用于说明根据本发明的示例性激光功率调制的曲线图。图2A示出了在纵轴上的激光功率与横轴上的时间的曲线图，假设此时是“理想”情况，在该理想情况下：(a)产生激射的阈值电流为零，并且(b)激光驱动器的定时精度是完美的，即，在需要在激光显示图像场内生成可见图像图案的时间精确地触发激光脉冲。在这种理想情况下，激光驱动器只需要从时间2DS至时间2DE工作。
图2B示出了用于将激光功率保持在非零激射阈值水平或刚好低于非零激射阈值水平的示例性激光功率调制的曲线图，包括考虑定时不准确性的时间裕度。用于保持阈值的激光功率在时间1TS(“阈值开始，threshold start”)开始，并且在时间1TL稳定。时间1TLE对应于阈值泵浦的结束。在没有泵浦的情况下，激光功率将衰减并且在时间1TE处达到其起始水平。为简单起见，上升时间(1TL至1TS)被示为大致等于衰减时间(1TE至1TLE)。阈值时间间隔(1TLE至1TL)的大小取决于在由激光驱动器108计算激光功率调制参数时对激光斑的预测位置的估计精度。(因为由安装在谐振扫描仪124上的位置传感器提供的激光斑的精确位置测量通常仅在激光驱动器调制计算结束时可用，因此需要预测。)此外，相邻激光脉冲生成恒定的连续阈值驱动，该阈值驱动仅在脉冲之间存在相当大的时间间隔时才衰减。
图2C示出了根据本发明的原理的用于产生激光脉冲的示例性激光功率调制的曲线图。最佳功率调制207由实曲线表示，该实曲线本质上是图2A和图2B中的图的叠加。如虚线轮廓205所指示的，图2B中的平稳段可以相对于2A中的峰偏移，而不影响最佳功率调制207。调制207由三个激光功率水平表征：基线功率水平207A、接近阈值功率水平207B和激射功率水平207C。接近阈值功率水平207B刚好略低于由点划线指示的阈值水平。
由激光驱动器提供的总电能与图2C中的实曲线下方的不包括阴影区域203的面积成比例。现有技术的激光功率调制方案所消耗的能量确实包括这些阴影区域，因为现有技术的方案保持谐振腔处于刚好低于激射阈值的连续激发状态。与现有技术相比，本发明的激光功率调制在定时方面略微涉及更多，但是本发明的能量效率要高得多。这对于电池操作的近眼显示器非常重要。
图3A、图3B、图3C和图3D示出了用于说明根据本发明的当扫描示例性图像场时的激光功率调制的定时的图。在图3A中，图像场346由激光斑342扫描，激光斑342的运动由扫描驱动器112控制。光斑沿箭头345的方向移动，形成覆盖整个图像场346的扫描图案。
图3B示出了在图像场346内由黑色三角形表示的示例性图像图案347的扫描。激光驱动器108在激光束扫描图像图案347的内部期间将激射功率升高到激射阈值水平以上。在现有技术的激光功率调制方案中，激光驱动器108在激光斑扫描图像场346的空白区域时也将保持阈值水平的激光功率，这导致电力的浪费以及激光模块的可能的过度加热。
图3C示出了根据本发明的用于确定激光功率调制定时的不确定的椭圆300A和椭圆300B。椭圆表示(作为图像场346中的光斑扫描线344分别在阈值时间1TS和激光开始时间2DS处的激光斑位置的不确定性。椭圆在X方向上是细长的，其近似与谐振扫描仪124的扫描方向一致。与线性扫描仪125的扫描运动相比，在该X方向上的扫描运动非常快。椭圆的尺寸也说明了激光功率调制的上升时间(1TL至1TS)和衰减时间(1TE至1TLE)。
图3D示出了当扫描示例性图像图案347时本发明的激光功率调制的定时。线345指示由激光斑扫描的线。形状302A和形状302B分别表示示例性图像图案347与不确定性椭圆300A和不确定性椭圆300B的卷积。在对应的激光功率调制时间1TS、2DS、2DE、1TLE和1TE处指示出了激光斑的位置。这些调制时间使近眼显示器的电能的消耗最小化，同时确保激光模块与扫描协同地照射图像图案347。
具有增强的眼睛安全的扫描方法
在近眼显示器中，激光生成的图像的亮度通常具有与室外白天亮度大致相同的亮度，通常为约5000NIT，其中一NIT等于每平方米一坎德拉的白光强度。
下面的论述呈现了在以下三种情况中的每一种中扫描模块123的故障对眼睛安全的影响：
(a)谐振扫描仪124和线性扫描仪125无法操作；
(b)仅线性扫描仪无法操作；以及
(c)仅谐振扫描仪无法操作。
在情况(a)中，激光斑在单个图像像素上保持固定位置，并且该像素中的表观光强度上升至5000NIT×N，其中N是图像像素的数目。例如，对于N＝800×600＝480000，强度上升至2.4×109NIT。这近似是当一个人直接凝视太阳时射到视网膜上的亮度的1.5倍。这样的高强度对观看者的眼睛显然是有害的。至少，观看者将通过眨眼并且最终通过完全移除近眼显示器来响应。
在情况(b)中，线性扫描仪125无法操作，并且谐振扫描仪124继续正常操作。下面呈现：针对表1中给出的示例性图像场扫描参数，在该情况下表观光强度的计算。注意，所呈现的计算是近似的，并且为了说明而进行了简化。为了确保符合眼睛安全规则，通常需要更多涉及的计算。
表1：图像场扫描参数
在双向照射并且无扫描开销的假设下来计算谐振扫描镜的频率fM。谐振扫描仪124以等于27微秒的时间TL在一条线上扫描；然而，因为线性扫描仪125无法操作，所以相同的线被连续地扫描多次。每像素的表观强度等于2.4×109NIT/NP＝3×106NIT。尽管这仍然相当高并且使观看者不舒服，但是该表观强度远小于太阳的强度，并且不会损害眼睛，其耗散了几微秒时间的热能。
在情况(c)中，谐振扫描仪124无法操作，并且线性扫描仪125继续正常操作。在这种情况下，激光斑缓慢地从一条线移动到下一条线，但是在每条线的相同水平位置上停留相对长的时间，该时间等于TF，为16毫秒。因为光斑如此缓慢地移动，所以射到眼睛上的表观强度几乎与情况(a)相同，即2.4×109NIT。因此，在情况(a)和情况(c)中，扫描仪故障威胁近眼显示器观看者的眼睛安全，并且在情况(b)中，扫描仪故障可能引起眼睛不适但不会造成损害。
图4A至图4D、图5A至图5D和图6A至图6D示出了了本发明的扫描方法如何克服由上述扫描仪故障的情况引起的对眼睛安全的威胁的各种示例性实施方式。
图4A、图4B、图4C和图4D示出了用于说明根据本发明的实施方式的第一三光斑扫描方法的图。在图4A中，图像平面410上的三个激光斑480A、激光斑481A以及激光斑482A对应于来自三个不同激光源的照射。由箭头指示的X轴和Y轴分别表示扫描仪124的扫描轴和扫描仪125的扫描轴。在图4A中，激光斑布置在基本平行于X轴的线上。图4B示出了分别通过扫描激光斑480A、激光斑481A和激光斑482A而形成的图像场480B、图像场481B和图像场482B。注意，三个图像场相对于彼此水平地移位。在图4B中，三个光斑的扫描图案由短划线、实线和点划线指示。与现有技术的组合光斑相比，三个激光斑的优点在于，光强度是分布的，使得每个光斑具有总强度的近似1/3。因此，如在上面的情况(a)中，如果扫描仪124和扫描仪125二者都无法操作，每个光斑的强度仅是组合光斑的强度的约1/3，即(1/3)(2.4×109)＝8×108NIT。
图4C是示出如在上面的情况(b)中那样当仅线性扫描仪125无法操作时三个光斑即光斑480A、光斑481A和光斑482A的运动的图。在这种情况下，三个光斑相继在同一条线496上扫描多次。由于扫描图案几乎交叠，在短时间间隔内照射观看者眼睛的相同部分。例如，在与眼睛的热积分时间相当的几微秒的时间段内，在三个交叠线段480C、线段481C和线段482C上进行三个斑的扫描。由于交叠，观看者的表观光强度近似等于组合的所有三个光斑的表观光强度，即2.4×109NIT/NP＝3×106NIT。
图4D是示出如上面的情况(c)中那样当仅谐振扫描仪124无法操作时三个光斑即光斑480A、光斑481A和光斑482A的运动的图。在这种情况下，三个光斑即光斑480A、光斑481A和光斑482A分别在三条分离(非交叠)线480D、线481D和线482D上扫描。因此，在这种情况下的表观光强度仅是组合光斑的表观光强度的约1/3，即(1/3)(2.4×109)＝8×108NIT。
因此，对于图4A至图4D所示的三光斑扫描方法，在扫描仪故障的所有三种情况下，观看者的眼睛处的表观光强度在眼睛安全限度内。
图5A、图5B、图5C和图5D示出了用于说明根据本发明的另一实施方式的第二三光斑扫描方法。图5A示出了与三个不同激光源对应的三个激光斑即激光斑590A、激光斑591A和激光斑592A出现在图像平面510上时的位置。由箭头指示的X轴和Y轴分别表示扫描仪124的扫描轴和扫描仪125的扫描轴。在图5A中，激光斑布置在与X轴形成斜角的线上。图5B示出了分别通过扫描激光斑590A、激光斑591A和激光斑592A而形成的图像场590B、图像场591B和图像场592B。注意，三个图像场相对于彼此既水平又竖直地移位。在图5B中，三个光斑的扫描图案由短划线、实线和点划线指示。此外，因为扫描图案完全不交叠，所以与现有技术的组合光斑相比，在正常操作期间，每个像素的表观光强度降低约1/3。此外，如果如在上面的情况(a)中那样扫描仪124和扫描仪125都无法操作，每个斑的强度仅是组合斑的强度的约1/3，即(1/3)(2.4×109)＝8×108NIT。
图5C和图5D示出了两个扫描仪中的一个因为故障而无法操作时的3个光斑即光斑590A、光斑591A和光斑592A的移动。在图5C中，与上面的情况(b)中那样谐振扫描仪524工作而线性扫描仪525无法操作。在这种情况下，三个光斑在分离(非交叠)的线590C、线591C和线592C上扫描，并且观看者的表观光强度仅是图4C中的组合光斑的表观光强度的1/3，即(1/3)(3×106)＝1×106NIT。在图5D中，如上面的情况(c)中那样扫描仪25工作而线性扫描仪24无法操作。在这种情况下，三个光斑即光斑580A、光斑581A和光斑582A分别在三条分离(非交叠)的线590D、线591D和线592D上扫描。因此，在这种情况下，表观光强度是组合光斑的表观光强度的约1/3，即(1/3)(2.4×109)＝8×108NIT。
因此，对于图5A至图5D所示的三光斑扫描方法，在扫描仪故障的所有三种情况下，观看者的眼睛处的表观光强度在眼睛安全限度内。
图6A、图6B和图6C示出根据本发明另一实施方式的六光斑扫描方法的图。图6A示出了与六个不同激光源对应的六个激光斑即激光斑600A至激光斑605A在图像平面610上的取向。如前文，由箭头所指示的X和Y轴分别表示扫描仪124的扫描轴和扫描仪125的扫描轴。在图6A中，六个激光斑布置在与X轴形成斜角的两条线上。由六个激光斑扫描的图像场相对于彼此既水平又竖直地移位。此外，因为扫描图案完全不交叠，所以与现有技术的组合光斑相比，在正常操作期间，每个像素的表观光强度降低约1/6。此外，如在上面的情况(a)中，如果扫描仪124和扫描仪125都无法操作，则每个光斑的强度仅是组合光斑的强度的约1/6，即(1/6)(2.4×109)＝4×108NIT。
图6B和6C示出了当两个扫描仪中的一个因为故障而无法操作时六个光斑即光斑600A至光斑605A的运动。在图6B中，如上面的情况(b)中那样谐振扫描仪124工作而线性扫描器125无法操作。在这种情况下，六个光斑在六条分离的(非交叠)线600B至线605B上扫描，并且观看者的表观光强度是图4C中的组合光斑的表观光强度的1/6，即(1/6)(3×106)＝5×105NIT。在图6C中，如上面的情况(c)中那样线性扫描仪125工作而谐振扫描仪124无法操作。在这种情况下，六个光斑在六条分离的(非交叠的)线600C至线605C上扫描，并且观看者的表观光强度是组合斑的表观光强度的约1/6，即(1/6)(2.4×109)＝4×108NIT。
因此，对于图6A至图6C所示的六光斑扫描方法，在扫描仪故障的所有三种情况下，观看者的眼睛处的表观光强度在眼睛安全限度内。
控制器框图
图7示出了使用本发明的激光功率调制和六光斑扫描方法的近眼激光显示器的控制器700的示例性框图。图像生成器702将图像数据提供给两个三激光照射控制器203A和照射控制器203B，所述照射控制器203A和照射控制器203B产生两个彩色图像，这两个彩色图像交叠并且被投影到观看者。在由照射控制器203A控制的三个激光斑的位置与由照射控制器203B控制的三个激光斑的位置之间基本没有相关性；因此，六个激光斑中的每一个通常照射扫描图像中的不同像素。有时光斑交叠，引起强度增加，并且有时它们不交叠，引起分辨率增加。统计地，使用两个交叠图像导致扫描图像的像素吞吐量增加近似等于2的平方根倍。
两个照射控制器703A(或照射控制器703B)中的每一个包括：预处理单元704A(或预处理单元704B)，其针对光学失真和颜色/白平衡来校正图像；卷积单元705A(或卷积单元705B)，其将图3C所示的不确定性椭圆与从图像生成器702接收到的图像图案进行卷积；求和(或叠加)单元707A(或求和(或叠加)单元707B)；协调单元710A(或协调单元710B)，其接收来自扫描驱动器112的输入信号并且向激光驱动器108A(或激光驱动器108B)提供内插和触发信号，激光驱动器108A(或激光驱动器108B)控制激光模块109A(或激光模块109B)中的三个激光的强度。
扫描模块123包括线性扫描仪125和谐振扫描仪124(这也在图1中示意性地示出)。谐振扫描仪的瞬时位置由传感器(未示出)测量并且被发送到协调模块710A和协调模块710B，协调模块710A和协调模块710B与相应的激光驱动器108A和激光驱动器108B通信。
图7中单独单元的呈现是为了清楚的目的；在特定实现方式中，可能期望将单独的单元的功能集成到单个模块中。此外，图7中的框图可以被扩展为包括多于两个的照射控制器703A和照射控制器703B并且可以被扩展为在图像场内生成多于六个的激光斑。这将使得能够通过进一步降低观看者的眼睛处的表观光强度来进一步提高眼睛安全，并且还将使得能够额外增加像素吞吐量。
应当理解的是，上面的描述仅旨在用作示例，并且许多其他实施方式是可能的，并且包括在上面描述的和在所附权利要求中限定的本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种用于向观看者显示图像的近眼显示器，所述近眼显示器包括：
激光驱动器，所述激光驱动器控制激光模块；
激光模块，所述激光模块生成至少三个激光斑；以及
扫描驱动器，所述扫描驱动器与扫描模块通信，所述扫描模块在图像场内移动激光斑；
其中，所述激光驱动器提供由基线功率水平、低于阈值的功率水平和激射功率水平表征的功率调制；并且
其中，所述功率调制的定时与所述扫描驱动器同步，并且通过图像图案与表征所述激光斑的位置不确定性的一个或更多个不确定性椭圆的卷积来确定。
2.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中所述功率调制的定时被配置成使所述近眼显示器的电能消耗最小化。
3.根据权利要求1所述的近眼显示器，还包括控制器，所述控制器包括图像生成器和至少两个照射控制器。
4.根据权利要求3所述的近眼显示器，其中，所述至少两个照射控制器被配置成使所述功率调制的定时与所述扫描驱动器和所述图像生成器同步。
5.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述激光斑中的至少两个具有不同的光波长。
6.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述激光斑布置在与扫描方向之一平行或成斜角的一条或更多条线上。
7.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述扫描模块包括双轴镜和双轴致动器。
CN202180017325.9A 2020-04-20 2021-03-22 具有增强的激光效率和眼睛安全的近眼显示器 Active CN115176458B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063012283P 2020-04-20 2020-04-20
US63/012,283 2020-04-20
US202063015726P 2020-04-27 2020-04-27
US63/015,726 2020-04-27
PCT/IL2021/050319 WO2021214745A1 (en) 2020-04-20 2021-03-22 Near-eye display with enhanced laser efficiency and eye safety

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115176458A CN115176458A (zh) 2022-10-11
CN115176458B true CN115176458B (zh) 2024-06-07

Family

ID=78270355

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180017325.9A Active CN115176458B (zh) 2020-04-20 2021-03-22 具有增强的激光效率和眼睛安全的近眼显示器

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11592676B2 (zh)
EP (1) EP4088449A4 (zh)
JP (1) JP2023521710A (zh)
KR (1) KR20220151658A (zh)
CN (1) CN115176458B (zh)
IL (1) IL297048B2 (zh)
WO (1) WO2021214745A1 (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104956252A (zh) * 2012-11-28 2015-09-30 微软公司 用于近眼显示设备的***显示器
CN110402410A (zh) * 2017-02-28 2019-11-01 赛伊视觉公司 使用空间光调制器的近眼显示装置
CN110679147A (zh) * 2017-03-22 2020-01-10 奇跃公司 用于显示***的基于深度的凹式渲染

Family Cites Families (89)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5096520A (en) 1990-08-01 1992-03-17 Faris Sades M Method for producing high efficiency polarizing filters
US5608742A (en) 1995-08-18 1997-03-04 Spectra Physics Lasers, Inc. Diode pumped, fiber coupled laser with depolarized pump beam
US5852693A (en) 1996-11-26 1998-12-22 Ultratech Stepper, Inc. Low-loss light redirection apparatus
US5905837A (en) 1997-07-22 1999-05-18 Nec Usa, Inc. Side emitting optical fiber
US6222677B1 (en) 1999-04-12 2001-04-24 International Business Machines Corporation Compact optical system for use in virtual display applications
IT1312567B1 (it) 1999-05-21 2002-04-22 Antibioticos Spa Processo per la sintesi di derivati beta-lattamici.
US6611369B2 (en) 1999-09-06 2003-08-26 Furukawa Electric Co., Ltd. Optical signal amplifier
JP4797150B2 (ja) 2000-03-14 2011-10-19 オリンパス株式会社 走査機構およびこれを用いた機械走査型顕微鏡
US6404542B1 (en) 2000-07-10 2002-06-11 Sdl, Inc. Multiple emitter semiconductor laser pump source for scaling of pump power and generation of unpolarized light for light signal amplification
KR100839574B1 (ko) 2000-06-05 2008-06-19 루머스 리미티드 기판 유도형 광 빔 확장기
US6362919B1 (en) 2000-08-22 2002-03-26 Axsun Technologies, Inc. Laser system with multi-stripe diode chip and integrated beam combiner
US20020186179A1 (en) 2001-06-07 2002-12-12 Knowles Gary R. Optical display device
US6924926B2 (en) 2001-08-03 2005-08-02 Xtera Communications, Inc. Laser diode pump sources
US6542227B2 (en) 2001-09-04 2003-04-01 Rosemount Aerospace, Inc. System and method of measuring flow velocity in three axes
US6741764B2 (en) 2001-11-13 2004-05-25 Adc Telecommunications, Inc. Polarization beam separator and combiner
JP2003224327A (ja) 2002-01-30 2003-08-08 Mitsubishi Electric Corp 無偏光光源装置およびラマン増幅器
US7189306B2 (en) 2002-02-22 2007-03-13 Gervais Gibson W Process of treating lignocellulosic material to produce bio-ethanol
IL148804A (en) 2002-03-21 2007-02-11 Yaacov Amitai Optical device
PT1467491E (pt) 2002-05-02 2007-03-30 Fraunhofer Ges Forschung Codificação aritmética de coeficientes de transformação
LT5257B (lt) 2003-12-19 2005-08-25 Uždaroji akcinė bendrovė MGF "Šviesos konversija" Ryškį išsaugojantis lazerinių pluoštų formuotuvas
US7661810B2 (en) 2005-03-02 2010-02-16 Fujifilm Corporation Image recording apparatus and inkjet apparatus for double-side recording
JP4987708B2 (ja) * 2005-06-20 2012-07-25 パナソニック株式会社 ２次元画像表示装置、照明光源及び露光照明装置
US7364306B2 (en) 2005-06-20 2008-04-29 Digital Display Innovations, Llc Field sequential light source modulation for a digital display system
US7515346B2 (en) 2006-07-18 2009-04-07 Coherent, Inc. High power and high brightness diode-laser array for material processing applications
WO2008041648A1 (fr) 2006-09-29 2008-04-10 Panasonic Corporation Dispositif d'émission de lumière laser et dispositif d'affichage d'image utilisant celui-ci
US20080106493A1 (en) * 2006-11-03 2008-05-08 Motorola, Inc. Laser display having reduced power consumption and method of operating the same
US7626744B2 (en) 2007-02-27 2009-12-01 Ricoh Company, Limited Optical scanning device and image forming apparatus
EP1975679A1 (en) 2007-03-31 2008-10-01 Sony Deutschland Gmbh Image generating apparatus
JP2009162825A (ja) 2007-12-28 2009-07-23 Seiko Epson Corp 画像表示装置
DE102008063634B4 (de) 2008-12-18 2021-03-11 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Leuchtmittel und Projektor mit mindestens einem solchen Leuchtmittel
US8602896B2 (en) 2009-03-05 2013-12-10 Igt Methods and regulated gaming machines including game gadgets configured for player interaction using service oriented subscribers and providers
CN102449520B (zh) 2009-05-28 2015-01-07 西铁城控股株式会社 光源装置
US8488245B1 (en) 2011-03-07 2013-07-16 TeraDiode, Inc. Kilowatt-class diode laser system
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
DE102010034216A1 (de) 2010-08-07 2012-02-09 Minebea Co., Ltd. Wälzlager
US8444275B2 (en) * 2010-08-12 2013-05-21 Eastman Kodak Company Light source control for projector with multiple pulse-width modulated light sources
US8724222B2 (en) 2010-10-31 2014-05-13 TeraDiode, Inc. Compact interdependent optical element wavelength beam combining laser system and method
WO2013095482A2 (en) 2010-12-29 2013-06-27 3M Innovative Properties Company Refractive polarization converter and polarized color combiner
US9229156B2 (en) 2011-07-07 2016-01-05 Reald Inc. Laser systems and methods
US8665178B1 (en) 2012-03-01 2014-03-04 Google, Inc. Partially-reflective waveguide stack and heads-up display using same
US9297889B2 (en) 2012-08-14 2016-03-29 Microsoft Technology Licensing, Llc Illumination light projection for a depth camera
US9167217B2 (en) * 2013-05-02 2015-10-20 Microvision, Inc. High efficiency laser modulation
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
CN105917277B (zh) 2014-01-07 2020-04-17 视瑞尔技术公司 用于全息重建的显示设备
CN104977722A (zh) 2014-04-03 2015-10-14 光宝科技股份有限公司 投影装置
WO2015188058A1 (en) 2014-06-06 2015-12-10 Bribbla Dynamics Llc Cascaded beam combiner
JP2016033867A (ja) 2014-07-31 2016-03-10 ソニー株式会社 光学部材、照明ユニット、ウェアラブルディスプレイ及び画像表示装置
DE102015105807A1 (de) 2015-04-16 2016-10-20 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronische Leuchtvorrichtung
JPWO2016181459A1 (ja) 2015-05-11 2018-03-01 オリンパス株式会社 プリズム光学系、プリズム光学系を用いた画像表示装置及びプリズム光学系を用いた撮像装置
US20170285343A1 (en) * 2015-07-13 2017-10-05 Mikhail Belenkii Head worn display with foveal and retinal display
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
FR3040319B1 (fr) 2015-08-25 2017-11-24 Saint Gobain Appareil laser modulaire
CN106560743B (zh) * 2015-10-05 2019-11-19 船井电机株式会社 投射装置
JP6691369B2 (ja) * 2015-10-21 2020-04-28 株式会社日立エルジーデータストレージ レーザ投射表示装置およびレーザ光源の駆動方法
JP6259435B2 (ja) 2015-10-28 2018-01-10 ファナック株式会社 レーザ光を合波して出力するレーザ発振器
US10254389B2 (en) 2015-11-06 2019-04-09 Artilux Corporation High-speed light sensing apparatus
US10429639B2 (en) * 2016-01-31 2019-10-01 Paul Lapstun Head-mounted light field display
IL244181B (en) 2016-02-18 2020-06-30 Amitai Yaakov Compact head-up display system
US10473933B2 (en) 2016-02-19 2019-11-12 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide pupil relay
US10025093B2 (en) * 2016-04-13 2018-07-17 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide-based displays with exit pupil expander
US20180009733A1 (en) 2016-07-06 2018-01-11 Lexmark International, Inc. Two step method of producing triarlyamine compounds having two alkyl alcohols in a single reaction vessel
CN113156647B (zh) 2016-10-09 2023-05-23 鲁姆斯有限公司 光学装置
US10955530B2 (en) 2016-12-23 2021-03-23 Cepton Technologies, Inc. Systems for vibration cancellation in a lidar system
US10313643B2 (en) 2017-03-13 2019-06-04 Omnivision Technologies, Inc. Imaging system having four image sensors
EP3596526B1 (en) 2017-03-15 2024-02-28 Magic Leap, Inc. Techniques for improving a fiber scanning system
WO2018175542A1 (en) 2017-03-21 2018-09-27 Magic Leap, Inc. Method and system for fiber scanning projector
IL269290B1 (en) 2017-03-21 2024-05-01 Magic Leap Inc Methods, devices and systems for illuminating spatial light modulators
US11138746B2 (en) 2017-07-03 2021-10-05 Ricoh Company, Ltd. Diagnostic support system and diagnostic support method
US10177872B1 (en) 2017-09-25 2019-01-08 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Orthogonally polarized VCSELs
CA3077661C (en) 2017-10-16 2024-05-28 Oorym Optics Ltd. Highly efficient compact head-mounted display system
US10361537B2 (en) * 2017-10-23 2019-07-23 Microsoft Technology Licensing, Llc Dynamic supply voltage control circuit for laser diode
US10658814B2 (en) * 2017-10-23 2020-05-19 Microsoft Technology Licensing, Llc Laser diode priming to reduce latency
US10649215B2 (en) * 2017-10-25 2020-05-12 North Inc. Free space multiple laser diode module with fast axis collimator
BR112020010057A2 (pt) 2017-11-21 2020-11-03 Lumus Ltd. dispositivo óptico
WO2019104413A1 (en) * 2017-12-03 2019-06-06 Frank Jones Enhancing the performance of near-to-eye vision systems
KR20200097289A (ko) 2017-12-10 2020-08-18 루머스 리미티드 이미지 프로젝터
WO2019149352A1 (en) 2018-01-31 2019-08-08 Trumpf Laser Gmbh Laser diode based line illumination source and laser line illumination
DE102018102961A1 (de) 2018-02-09 2019-08-14 Msg Lithoglas Gmbh Bauteilanordnung, Package und Package-Anordnung sowie Verfahren zum Herstellen
JP7090238B2 (ja) 2018-04-27 2022-06-24 日亜化学工業株式会社 光源モジュール
EP4123849A1 (en) 2018-05-14 2023-01-25 Civan Advanced Technologies Ltd. Laser beams methods and systems
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
TW202115445A (zh) 2019-09-15 2021-04-16 以色列商魯姆斯有限公司 橫向光導管
JP2022546940A (ja) 2019-09-16 2022-11-10 ルムス エルティーディー． ヘッドマウントディスプレイ用小型投影器
CN114731021A (zh) 2019-09-30 2022-07-08 奥斯兰姆奥普托半导体股份有限两合公司 激光封装及具有激光封装的***
US11561400B2 (en) * 2019-10-11 2023-01-24 Google Llc Wearable heads-up display with optical path fault detection
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
EP4078288A4 (en) 2019-12-19 2023-06-07 Lumus Ltd. IMAGE PROJECTOR WITH A PHASE IMAGE GENERATOR
JP2023508307A (ja) 2019-12-30 2023-03-02 ルーマス リミテッド 光導波路を用いた検出および測距システム
US12015446B2 (en) * 2020-08-04 2024-06-18 Intel Corporation Optical transceivers with multi-laser modules

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104956252A (zh) * 2012-11-28 2015-09-30 微软公司 用于近眼显示设备的***显示器
CN110402410A (zh) * 2017-02-28 2019-11-01 赛伊视觉公司 使用空间光调制器的近眼显示装置
CN110679147A (zh) * 2017-03-22 2020-01-10 奇跃公司 用于显示***的基于深度的凹式渲染

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Mohammed Moshiul Hoque.Proactive approach of making eye contact with the target human in multi-party settings.《16th Int'l Conf. Computer and Information Technology》.2014,全文. *
偏光3D显示器对视功能影响的研究;王彦君;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;全文 *
高帧频紧凑型自适应光学扫描激光检眼镜;江慧绿;廖娜;李超宏;厉以宇;陈浩;黄锦海;王勤美;;光学学报;20151110(11);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20230019255A1 (en) 2023-01-19
JP2023521710A (ja) 2023-05-25
IL297048B2 (en) 2023-09-01
CN115176458A (zh) 2022-10-11
TW202146978A (zh) 2021-12-16
US11592676B2 (en) 2023-02-28
WO2021214745A1 (en) 2021-10-28
EP4088449A1 (en) 2022-11-16
EP4088449A4 (en) 2023-07-05
IL297048B1 (en) 2023-05-01
IL297048A (en) 2022-12-01
KR20220151658A (ko) 2022-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI827663B (zh) 具有雷射二極體照明的近眼顯示器
JP6189423B2 (ja) 指向性光源用制御システム
US9040923B2 (en) Eye tracking system and related methods
CN112292628B (zh) 用于波导显示器的单芯片超光亮发光二极管阵列
EP3939246A1 (en) Image projector
EP2112832A1 (en) Image display device
US10488917B2 (en) Gaze-tracking system and method of tracking user's gaze using reflective element
EP3610318A1 (en) Foveated mems scanning display
US20170351090A1 (en) Head-up display device
US20220155599A1 (en) Eye accommodation distance measuring device and method for head-mounted display, and head-mounted display
JP2022531073A (ja) 発光ダイオードアレイにおけるピーク電流使用量の削減
KR20220084159A (ko) 향상된 균일도를 갖고/갖거나 눈 보호를 향상시키는 레이저 조명 디스플레이
CN115176458B (zh) 具有增强的激光效率和眼睛安全的近眼显示器
TWI842987B (zh) 具有增強的雷射效率和眼睛安全的近眼顯示器
EP3724870B1 (en) Variable emission period for scanned-beam display
JP7163230B2 (ja) 視線検出装置、視線検出方法、及び表示装置
JP7515149B2 (ja) レーザーダイオード照明を備えたニアアイディスプレイ
US20240115345A1 (en) Illumination system for surgical microscope with tunable coaxial and oblique beams
JP7407488B2 (ja) 選択的に活性化可能なファセットを含む光学系
KR20230141398A (ko) 프로젝터 구동방법
JP2014197057A (ja) プロジェクタおよびヘッドアップディスプレイ装置
CN116413921A (zh) 用于减少头戴式显示器中的波导反射的偏振机构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant