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GEBIET UND HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anzeigen und insbesondere auf einen Bildprojektor zur Verwendung in Datenhelmen und Augmented-Reality-Systemen.
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Eine Unterkategorie von Bildprojektoren, welche zur Verwendung in einem Datenhelm geeignet ist, nutzt einen oder mehrere typischerweise unter Verwendung eines schnellen Schnellabtastspiegels abgetastete Laserstrahlen in einem Abtastmuster bei gleichzeitigem Variieren der Strahlintensität, um so ein Bild zu erzeugen. Das Bild wird auf eine Bildebene fokussiert und dann mittels Kollimationsoptik kollimiert, um ein Ausgabebild an der optischen Blende der Projektorausgabe zu erzeugen. Damit die Ausgabeblende mit dem Bild befüllt wird, wird ein Strahlexpander (oder numerischer Blendenexpander) wie beispielsweise eine Mikrolinsenanordnung an der Bildebene bereitgestellt.
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Wenn ein Laserprojektor in einen Hohlleiter eingekoppelt wird, ist es vorteilhaft, die folgenden Bedingungen einzuhalten:
- 1. Die Ebene des Abtastspiegels muss auf die Blende für die optische Ausgabe abgebildet werden, welche dem Eingang in einen Hohlleiter entspricht, welcher genutzt wird, um das Bild vor das Auge des Benutzers zu übertragen.
- 2. Eine Mikrolinsenanordnung oder ein Diffusor (im Weiteren MLA) muss an der Brennebene eingeführt werden, um den Strahl zu expandieren, damit er die Ausgabeblende (Eingang in den Hohlleiter) befüllt.
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Es ist wichtig, den Laserstrahl fokussiert zu halten, während vollständige Abdeckung der Interimbrennebene und der MLA beibehalten wird, um ein hochwertiges Bild über das projizierte Bild aufrechtzuerhalten. Daher ist eine Überlappung der Feldkrümmung der Optik vor und nach der MLA von Bedeutung. Verschiedene Funktionen eines Lasserabtastbildprojektors werden in PCT-Veröffentlichung
WO 2021/053661 A1 beschrieben, welche gemeinsam mit der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist.
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Polarisierende Strahlteiler (PBS) in Kombination mit einer reflektierenden Linse sind im Stand der Technik dafür bekannt, eine konvexe Feldkrümmung zu ergeben. Darüber hinaus erzeugt ein abtastender, fokussierender Laserstrahl ebenfalls eine konvexe Feldkrümmung. Eine Kombination des PBS mit einem konvergierenden Laserstrahl neigt jedoch dazu, große physikalische Dimensionen aufzuweisen, welche in Fastaugenanzeigeanwendungen von Nachteil sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist ein Bildprojektor zur Verwendung in Datenhelmen und Augmented-Reality-Systemen.
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Gemäß der Lehren einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Projektor zum Projizieren eines kollimierten Bildes über eine Blende für die optische Ausgabe bereitgestellt, wobei der Projektor umfasst: (a) ein Abtastausleuchtungsteilsystem, umfassend: (i) eine Lichtquelle, welche zumindest einen Lichtstrahl erzeugt, (ii) eine Abtastanordnung, welche bereitgestellt ist, um den zumindest einen Lichtstrahl in einer winkeligen Abtastbewegung in zumindest eine Dimension abzulenken, und (iii) einen Modulator, welcher mit der Lichtquelle und der Abtastanordnung verknüpft und bereitgestellt ist, um Helligkeit des zumindest einen Lichtstrahls gleichzeitig mit der winkeligen Abtastbewegung zu modulieren; (b) reflektierende konvergierende Optik, welche zumindest eine reflektierende konvergierende Linse beinhaltet, wobei die reflektierende konvergierende Optik bereitgestellt ist, um den zumindest einen abgetasteten Lichtstrahl zu fokussieren, um ein echtes Bild zu bilden, wobei die reflektierende konvergierende Optik eine konvexe Feldkrümmung aufweist, um das echte Bild an einer nicht planaren Brennfläche zu bilden; (c) eine durchlässige strahlverbreitende Konfiguration, welche bereitgestellt ist, um sich im Wesentlichen an die nicht planare Brennfläche anzupassen; und (d) eine lichtbrechende optische Anordnung, welche zumindest eine Brechungslinse beinhaltet, welche bereitgestellt ist, um Licht aus der durchlässigen strahlverbreitenden Konfiguration zu kollimieren, um aus der Blende für die optische Ausgabe als kollimiertes Bild hervorzugehen, wobei die lichtbrechende optische Anordnung eine konkave Feldkrümmung aufweist.
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Gemäß einer weiteren Funktion der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Lichtquelle einen Laser und eine Kollimationslinse zum Erzeugen eines kollimiert auf der Abtastanordnung einfallenden Strahls.
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Gemäß einer weiteren Funktion der vorliegenden Erfindung ist die Abtastanordnung eine zweidimensionale Abtastanordnung zum Erzeugen einer winkeligen Abtastbewegung um zwei Achsen.
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Gemäß einer weiteren Funktion der vorliegenden Erfindung wird auch eine Strahlteilerfläche bereitgestellt, um einen Lichtweg von der Abtastanordnung zu der Brennfläche zu definieren, in welchem der zumindest eine Strahl zumindest einmal übertragen und zumindest einmal durch die Strahlteilerfläche reflektiert wird.
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Gemäß einer weiteren Funktion der vorliegenden Erfindung ist die Strahlteilerfläche ein polarisierender Strahlteiler, und wobei eine Viertelwellenplatte mit der reflektierenden konvergierenden Optik verknüpft ist.
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Gemäß einer weiteren Funktion der vorliegenden Erfindung ist die Strahlteilerfläche ein nicht polarisierender, teilreflektierender Strahlteiler.
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Gemäß einer weiteren Funktion der vorliegenden Erfindung ist die Strahlteilerfläche in einem transparentem Prisma enthalten, und wobei die reflektierende konvergierende Optik mit einer Fläche des transparenten Prismas verknüpft ist.
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Gemäß einer weiteren Funktion der vorliegenden Erfindung ist die durchlässige strahlverbreitende Konfiguration als eine Mikrolinsenanordnung implementiert.
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Gemäß einer weiteren Funktion der vorliegenden Erfindung sind die reflektierende konvergierende Optik und die lichtbrechende optische Anordnung so konfiguriert, dass die konvexe Feldkrümmung der reflektierenden konvergierenden Optik im Wesentlichen mit der konkaven Feldkrümmung der lichtbrechenden optischen Anordnung übereinstimmt.
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Gemäß einer weiteren Funktion der vorliegenden Erfindung sind die reflektierende konvergierende Optik und die lichtbrechende optische Anordnung so konfiguriert, dass die Abtastanordnung an der Blende für die optische Ausgabe abgebildet wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird hierin mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen nur beispielhaft beschrieben, wobei:
- 1A und 1B schematische Seitenansichten einer Fastaugenanzeige auf Hohlleiterbasis sind, welche zwei Geometrien zum Einkoppeln von Bildausleuchtung in den Hohlleiter darstellen;
- 1C eine Vorderansicht einer Fastaugenanzeige auf Hohlleiterbasis ist, welche die Verwendung von ersten und zweiten Sätzen von teilreflektierende Innenflächen zum Expandieren einer optischen Blende eines Bildprojektors in zwei Dimensionen darstellt; und
- 2 eine schematische Darstellung eines Bildprojektors zur Verwendung in den Anzeigen von 1A-1C ist, welcher gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung angefertigt und betrieben wird.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegende Erfindung ist ein kompakter Bildprojektor zur Verwendung in Datenhelmen und Augmented-Reality-Systemen.
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Die Prinzipien und Arbeitsweise eines Bildprojektors nach der vorliegenden Erfindung werden möglicherweise mit Bezug auf die Zeichnungen und beiliegende Beschreibung besser verstanden.
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Wir beziehen uns nun auf die Zeichnungen: 1A-1C stellen nicht einschränkende Beispiele eines Kontexts dar, in welchem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. In 1A wird eine Fastaugen-Projektionseinheit gezeigt, welche einen Bildprojektor 200 beinhaltet, welcher Bildlicht mit einem Bildwinkel durch ein durchlässiges Kopplungsprisma 202T und durch eine vertikale Blende 203V in einen Hohlleiter 204 projiziert. Das Licht breitet sich in dem Hohlleiter aus, wobei es durch interne Totalreflexion reflektiert wird. Teilreflektoren (oder „Facetten“) 206, welche in den Hohlleiter im Auskoppelbereich 210 eingebettet sind, reflektieren das Bild aus dem Hohlleiter (gestrichelte Pfeile) heraus zu dem Betrachter mit Augapfelzentrum 208 hin. 1 B zeigt eine alternative Form des Einkoppelns in den Hohlleiter unter Verwendung eines reflektierenden Kopplungsprismas 202R, welches einen Spiegel auf seiner Rückfläche aufweist.
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Die Konfiguration des Hohlleiters kann eine Expansion der optischen Blende in einer Dimension oder in zwei Dimensionen („2D“) erreichen. 1C zeigt schematisch eine Vorderansicht eines Hohlleiters mit 2D-Blendenexpansion. Hier injiziert Bildprojektor 200 ein Bild durch ein Kopplungsprisma 202 durch eine seitliche Blende 203L (203V ist ebenfalls vorhanden, in dieser Ausrichtung jedoch nicht sichtbar) in Hohlleiter 204. Der Bildlichtstrahl 220A breitet sich seitlich in dem Hohlleiter aus, wenn er durch interne Totalreflexion zwischen Oberflächen des Hohlleiters reflektiert wird. Hier werden zwei Sätze von Facetten genutzt: Satz 206L expandiert die Blende seitlich, indem er das geführte Bild progressiv in eine andere geführte Richtung 220B reflektiert, während Facettensatz 206V die Blende vertikal expandiert, indem er das Bild progressiv aus Bereich 210 in dem Hohlleiter auf das Auge des Betrachters auskoppelt Die obigen Beispiele stellen ein nicht einschränkendes Beispiel eines Kontexts bereit, in welchem der Bildprojektor der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, es muss jedoch klar sein, dass er auch in einem breiten Bereich von anderen optischen Anordnungen vorteilhaft verwendet werden kann, darunter Lichtleiter, welche diffraktive optische Elemente oder Kombinationen von reflektierenden und diffraktiven Elementen einsetzen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind.
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2 stellt eine Implementierung eines Projektors 200 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Bereitstellen eines kollimierten Bildes an einer Blende für die optische Ausgabe 24 dar, welche in Verwendung mit der Eingabeblende 203L und 203V des Hohlleiters ausgerichtet ist.
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Allgemein beinhaltet Projektor 200 ein Abtastausleuchtungsteilsystem, welches eine Lichtquelle, welche typischerweise einen Laser beinhaltet, welcher zumindest einen Lichtstrahl erzeugt, eine Abtastanordnung, welche bereitgestellt ist, um den zumindest einen Lichtstrahl in einer winkeligen Abtastbewegung in zumindest eine Dimension abzulenken, und eine Steuerung 34 beinhaltet, welche mit der Lichtquelle und der Abtastanordnung verknüpft und bereitgestellt ist, um Helligkeit des zumindest einen Lichtstrahls gleichzeitig mit der winkeligen Abtastbewegung zu modulieren. Der Projektor beinhaltet weiter reflektierende konvergierende Optik, welche zumindest eine reflektierende konvergierende Linse 18 beinhaltet, Die reflektierende konvergierende Optik ist bereitgestellt, um den abgetasteten Lichtstrahl zu fokussieren, um ein echtes Bild zu bilden, wobei die reflektierende konvergierende Optik eine konvexe Feldkrümmung aufweist, um das echte Bild an einer nicht planaren Brennfläche zu bilden. Eine durchlässige strahlverbreitende Konfiguration 20, welche bevorzugt als Mikrolinsenanordnung implementiert ist, ist bereitgestellt, um sich im Wesentlichen an die nicht planare Brennfläche anzupassen. Eine lichtbrechende optische Anordnung 22, welche zumindest eine Brechungslinse beinhaltet, ist bereitgestellt, um Licht aus der durchlässigen strahlverbreitenden Konfiguration zu kollimieren, um aus der Blende für die optische Ausgabe als kollimiertes Bild hervorzugehen, wobei die lichtbrechende optische Anordnung eine konkave Feldkrümmung aufweist.
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Die Lichtquelle beinhaltet bevorzugt einen Laser 10 und eine Kollimationslinse 12 zum Erzeugen eines im Wesentlichen kollimiert auf der Abtastanordnung einfallenden Strahls. Die Abtastanordnung an sich ist bevorzugt ein Schnellabtastspiegel 14 mit Montage auf einem passenden Abtastmechanismus und Steuerung durch eine Abtaststeuerung 32, alles wie im Stand der Technik bekannt. Besonders bevorzugt ist die Abtastanordnung eine zweidimensionale Abtastanordnung zum Erzeugen einer winkeligen Abtastbewegung um zwei Achsen. Dies kann durch die Verwendung eines einzelnen Spiegels, welcher sich um zwei Achsen neigt, oder durch Bereitstellen zweier Spiegel mit Einzelachsen erfolgen. Alternativ kann das Ausleuchtungssystem in bestimmten Implementierungen einen Vektor bereitstellen, welcher eine Vielzahl von Lichtstrahlen enthält (nicht dargestellt), welche mehrere Reihen von Pixeln abdecken, sodass unter Verwendung einer eindimensionalen (einachsigen) Abtastbewegung ein Sichtfeld konstruiert werden kann.
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Eine besonders bevorzugte Implementierung des Projektors stellt eine Strahlteilerfläche 16 bereit, um einen Lichtweg von der Abtastanordnung 14 zu der Brennfläche 20 zu definieren, in welchem der zumindest eine Strahl zumindest einmal übertragen und zumindest einmal durch die Strahlteilerfläche reflektiert wird. In bestimmten Ausführungsformen ist die Strahlteilerfläche vorteilhaft als ein polarisierender Strahlteiler (PBS) implementiert, wobei in diesem Fall eine Viertelwellenplatte mit der reflektierenden konvergierenden Optik 18 verknüpft ist. Die bevorzugte Konfiguration von PBS 16, wie in 2 gezeigt, stellt nur eine einzelne Reflexion bereit und folglich setzt sich der Austritt von Restlicht vor und nach der Reflexion nicht durch das System fort. Dadurch wird die Abnahme der Bildqualität minimiert. Alternativ kann ein nicht polarisierender teilreflektierender Strahlteiler wie beispielsweise ein teilweise versilberter Reflektor, verwendet werden, um eine unpolarisierte Konfiguration zu implementieren. In jedem Fall kann die Strahlteilerfläche vorteilhaft in einem transparentem Prisma inkludiert werden, wobei die reflektierende konvergierende Optik mit einer Fläche des transparenten Prismas verknüpft ist.
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Die durchlässige strahlverbreitende Konfiguration 20 wird vorteilhaft als eine Mikrolinsenanordnung implementiert, obwohl andere numerische blendenexpandierende Elemente wie beispielsweise ein direktionaler Diffusor ebenfalls verwendet werden können. Optional kann die MLA in lichtbrechendes Material eingebettet und dadurch in das erste Element der lichtbrechenden optischen Anordnung 22 integriert werden.
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Der Betrieb des Bildprojektors (mithilfe eines Beispiels, in dem nicht einschränkenden Fall einer PBS-Implementierung beschrieben) ist wie folgt. Licht aus Laser 10 wird durch Linse 12 kollimiert und trifft auf Abtastspiegel 14 auf. Der abgetastete Strahl (dargestellt als mehrere Pfeile) gelangt durch PBS 16 auf die reflektierende Linse 18. Die Linse beinhaltet eine Wellenplatte, welche die Strahlpolarisierung rotiert und den Strahl darüber hinaus fokussiert. Die konvergierenden Strahlen werden durch PBS 16 reflektiert und werden auf der (nicht planaren) Bild „ebene“ fokussiert, welche MLA 20 beinhaltet. Während die einzelnen Strahlen durch die MLA 20 gelangen, eignen sie sich erhöhte Divergenz an, sodass jeder Strahl (entspricht einem Pixel des Bildes), nachdem er durch Kollimationsoptik 22 gelangt ist, die Ausgabeblende 24 mit einem kollimierten Strahl in einem entsprechenden Winkel befüllt. Die lichtbrechende Optik 22 weist eine konkave Feldkrümmung auf, welche zumindest teilweise die konvexe Feldkrümmung der reflektierenden konvergierenden Optik aufhebt, was verglichen mit einer voll reflektierenden oder voll lichtbrechenden Implementierung zu verbesserter Bildqualität führt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist, die reflektierende Optik in dem Lichtweg vor der strahlverbreitenden Konfiguration bereitzustellen, da die schmale Verbreitung der Strahlen die Verwendung einer höchst kompakten reflektierenden konvergierenden Optik mit viel weniger Gewicht und Ausdehnung erlaubt, als bei Verwendung eines reflektierenden optischen Systems zum Kollimieren in der großen numerischen Blendenoptik nach der strahlverbreitenden Konfiguration erforderlich wäre.
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Erhöhte Bildqualität wird durch teilweise Aufhebung der entgegengesetzten Feldkrümmungen der zwei optischen Anordnungen erreicht, selbst wenn sie nicht exakt übereinstimmen. Wenn es zu keiner Übereinstimmung kommt, wird die MLA bevorzugt so gekrümmt, dass sie der hinteren Feldkrümmung der lichtbrechenden optischen Anordnung 22 entspricht.
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In bestimmten, besonders bevorzugten Implementierungen sind die reflektierende konvergierende Optik und die lichtbrechende optische Anordnung so konfiguriert, dass die konvexe Feldkrümmung der reflektierenden konvergierenden Optik im Wesentlichen mit der konkaven Feldkrümmung der lichtbrechenden optischen Anordnung übereinstimmt, damit sie einander exakter aufheben. Die Feldkrümmung der reflektierenden konvergierenden Optik kann durch Ändern der Divergenz des Strahls nach Linse 12 (sodass er nicht perfekt kollimiert ist) und entsprechendes Modifizieren der Leistung der reflektierenden Linse 18 und/oder durch Ändern des Abstands des Abtastspiegels 14 von der reflektierenden Linse modifiziert werden. Zusätzlich oder alternativ kann die hintere Feldkrümmung der lichtbrechenden optischen Anordnung 22 durch Ändern des Designs der lichtbrechenden Elemente modifiziert werden.
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Zusätzlich sind die reflektierende konvergierende Optik und die lichtbrechende optische Anordnung bevorzugt so konfiguriert, dass der Abtastspiegel 14 an der Blende für die optische Ausgabe 24 abgebildet wird, wodurch gewährleistet wird, dass die abgetastete Ausleuchtung effizient in den Hohlleiter eingekoppelt wird.
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Es wird anerkannt, dass die obige Beschreibungen nur als Beispiele gedacht sind, und dass viele andere Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, wie in den angehängten Ansprüchen definiert, möglich sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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