TW202125038A - 用於頭戴式顯示器的緊湊型投影儀 - Google Patents

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TW202125038A TW109131737A TW109131737A TW202125038A TW 202125038 A TW202125038 A TW 202125038A TW 109131737 A TW109131737 A TW 109131737A TW 109131737 A TW109131737 A TW 109131737A TW 202125038 A TW202125038 A TW 202125038A
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尤奇 丹齊格
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Abstract

一種用於頭戴式顯示裝置的緊湊型投影儀，該緊湊型投影儀包括照明部、中繼部和數值孔徑擴展器(numerical aperture expander，NAE)。該照明部包括一個或更多個照明源、掃描器以及將光會聚到圖像平面上的聚焦透鏡。NAE接收來自照明部的光，擴大光的平均數值孔徑，並且將光透射至中繼部。該中繼部包括將來自圖像平面的光準直到出射光瞳上的光學元件。該投影儀還可以配備有橫軸和/或縱軸光闌，橫軸和/或縱軸光闌防止雜散光穿過出射光瞳。

Description

用於頭戴式顯示器的緊湊型投影儀
本發明涉及顯示器，並且特別地涉及用於頭戴式顯示器和增強現實系統的緊湊型投影儀。
在近眼顯示器或平視顯示器中，雷射投影儀的功能是將掃描的雷射光束耦合到波導中，該波導將照明透射到觀看者的眼睛中。通常，通過掃描鏡在圖像場上掃描雷射光束，並且使用光瞳成像來保持光束耦合到波導中。
為了將圖像投影到近眼頭戴式顯示器中，波導的入射光瞳應當：
a)被充分照射以產生均勻的圖像，並且
b)完全耦合至波導，即使在掃描投影場時也是如此。
在雷射投影儀的情況下，通常將雷射光束聚焦到將被稱為數值孔徑擴展器(numerical aperture expander，在下文中簡稱NAE)的光學元件上的光斑上，之後將光準直並引導至出射光瞳。NAE可以例如通過漫射器或微透鏡陣列(micro-lens array，MLA)來實現。在NAE之後，將光準直並引導至出射光瞳。具有一個或更多個掃描鏡的掃描器用於在投影場上操縱雷射光束。掃描器通常形成雷射投影儀的限制光學孔徑。
在彩色雷射投影儀中，從紅色雷射器、綠色雷射器和藍色雷射器發出的光通常被合併成單個準直光束，單個準直光束被掃描器掃描並且由NAE擴展。投影儀的光學系統及其相關聯的機械支承件通常體積大並且難以在頭戴式顯示器中實現。
習知技術雷射投影儀的成像性能主要受到球面、色度和/或場曲光學像差的限制。當形成大的投影視場(field of view，FOV)時會發生球面像差，因為雷射聚焦透鏡必須將光線聚焦在較大的數值孔徑中。通過用於紅色、綠色和藍色雷射照明的不同光線路徑引入了色差。場曲像差在折射光學元件的情況下可以為正，而在反射光學元件的情況下為負。上述像差嚴重限制了習知技術雷射投影儀可獲得的圖像解析度。
本發明是一種新的緊湊型投影儀，該緊湊型投影儀通過至少部分地校正光學像差的主要來源來提供高圖像解析度。該投影儀包括照明部、NAE和中繼部。一些實施方式還包括緊鄰中繼部的出射光瞳處放置的光闌。
在本發明中，術語“雷射”在用作名詞或形容詞時，旨在包括用於頭戴式顯示器的各種照明源，例如雷射二極體、發光二極體(light-emitting diode，LED)、微型LED、以及矽上液晶(liquid crystal on silicon，LCOS)照明設備。此外，在光學術語中使用術語“平面”，例如圖像平面、共軛平面和主平面，應當理解為是指在嚴格的數學意義上可以是平面的或可以不是平面的表面。
根據本發明主題的一個方面，提供了一種用於頭戴式顯示裝置的緊湊型投影儀，該緊湊型投影儀包括：照明部、中繼部和數值孔徑擴展器(numerical aperture expander，NAE)；該照明部具有一個或更多個照明源、聚焦透鏡以及掃描器，所述聚焦透鏡將光會聚到圖像平面上，所述掃描器放置在聚焦透鏡與圖像平面之間；該中繼部包括光學元件，所述光學元件將來自圖像平面的光準直到出射光瞳上；並且NAE被配置成：從照明部接收光，所接收的光具有第一平均數值孔徑；並且將光透射至中繼部，所透射的光具有第二平均數值孔徑，第二平均數值孔徑比第一平均數值孔徑大，是第一平均數值孔徑NAE平均擴展比倍，NAE平均擴展比大於一。
根據一些方面，掃描器被會聚光束照射。
根據一些方面，照明部還包括場透鏡，所述場透鏡放置在掃描器與圖像平面之間並且靠近圖像平面。
根據一些方面，從掃描器傳播到場透鏡的光的光束直徑減小至少二分之一。
根據一些方面，掃描器包括繞兩個基本上正交的軸旋轉的單個鏡或各自繞單個軸旋轉的兩個鏡。
根據一些方面，照明源包括從包括以下的組中選擇的照明源：雷射二極體、並排雷射二極體、發光二極體(LED)、微型LED和矽上液晶(LCOS)照明設備。
根據一些方面，照明部包括一個或更多個光電感測器，用於監測由一個或更多個照明源發出的照明功率。
根據一些方面，所述一個或更多個光電感測器包括光譜濾波器。
根據一些方面，照明部包括反射透鏡。
根據一些方面，投影儀包括以並排配置佈置的至少兩個照明源，其中，由各個照明源中的每個照明源發出的光的第一部分被掃描器和聚焦透鏡透射。
根據一些方面，由各個照明源中的每個照明源發出的光的第二部分被朝向光電感測器陣列反射。
根據一些方面，光的第二部分沿著照明源的快軸發出，該快軸具有寬光束發散。
根據一些方面，並排配置的最外面的光束之間的間隔跨越至少0.1毫米。
根據一些方面，NAE的表面是彎曲的，以至少部分地校正由中繼部和照明部中的至少一個引起的場曲率像差。
根據一些方面，NAE被嵌入在光學部件之間，而不存在部件間間隙。
根據一些方面，NAE被實現為至少部分地透射或部分地反射的微透鏡陣列(MLA)或光學漫射器。
根據一些方面，NAE被實現為漫射MLA，漫射MLA包括疊加在具有相對高光功率的MLA的表面上的具有相對低光功率的漫射器。
根據一些方面，NAE平均擴展比的值在從二到五的範圍內。
根據一些方面，中繼部包括折射準直透鏡或反射準直透鏡。
根據一些方面，中繼部包括一個或更多個偏振光學元件。
根據一些方面，中繼部包括偏振分束器和反射準直透鏡。
根據一些方面，聚焦透鏡和中繼部被配置成使得掃描器的掃描平面是出射光瞳的圖像共軛。
根據本發明主題的另一方面，提供了一種用於頭戴式顯示裝置的緊湊型投影儀，該緊湊型投影儀包括光學上耦合至波導的中繼部，該中繼部具有出射光瞳並且波導具有入射光瞳。
根據一些方面，橫軸光闌和/或縱軸光闌被放置在出射光瞳和/或入射光瞳處或者被放置在出射光瞳和/或入射光瞳附近。
根據一些方面，中繼部包括耦合棱鏡，該耦合棱鏡將出射光瞳光學地連接至入射光瞳。
根據一些方面，耦合棱鏡的一個或更多個表面包括橫軸光闌和/或縱軸光闌。
根據本發明主題的另一方面，提供了一種用於頭戴式顯示裝置的緊湊型投影儀，該緊湊型投影儀包括：照明部、中繼部和數值孔徑擴展器(NAE)，該照明部包括一個或更多個照明源以及將光會聚到圖像平面上的聚焦透鏡；該中繼部包括將來自圖像平面的光準直到出射光瞳上的光學元件；該NAE被配置成從照明部接收光，所接收的光具有第一平均數值孔徑，並且NAE被配置成將光透射至中繼部，所透射的光具有第二 平均數值孔徑，第二平均數值孔徑比第一平均數值孔徑大，是第一平均數值孔徑的NAE平均擴展比倍，該NAE平均擴展比大於一；並且該NAE包括彎曲表面，該彎曲表面的曲率被配置成至少部分地校正由中繼部和/或照明部中的至少一個引起的場曲率像差。
根據一些方面，NAE平均擴展比的值在從二到五的範圍內。
根據本發明主題的另一方面，提供了一種用於頭戴式顯示裝置的緊湊型投影儀，該緊湊型投影儀包括：照明部、中繼部和數值孔徑擴展器(NAE)；該照明部包括一個或更多個照明源、將光會聚到圖像平面上的聚焦透鏡、以及放置在聚焦透鏡與圖像平面之間的掃描器，該掃描器被會聚光束照射；該中繼部包括光學元件，該光學元件將來自圖像平面的光準直到出射光瞳上；並且NAE被配置成：從照明部接收光，所接收的光具有第一平均數值孔徑；並且將光透射至中繼部，所透射的光具有第二平均數值孔徑，第二平均數值孔徑比第一平均數值孔徑大，是第一平均數值孔徑的NAE平均擴展比倍，該NAE平均擴展比大於一。
根據一些方面，照明部還包括場透鏡，該場透鏡放置在掃描器與圖像平面之間並且靠近圖像平面。
根據一些方面，從掃描器傳播到場透鏡的光的光束直徑減小至少二分之一。
100:緊湊型投影儀
100U,200U,300U:照明部
100M,200M,300M,600:數值孔徑擴展器(NAE)
100L,200L,300L:中繼部
200,300:雷射投影儀
201:雷射器
211:掃描器
214:相對窄的數值孔徑
215:圖像平面
215A,215B1,215B2:虛線
216:擴大的數值孔徑
218:準直透鏡
219:場透鏡
220U,220L,299,320U,320L,360,362:箭頭
222:折疊鏡
222C:反射器
223:聚焦透鏡
224,225:掃描鏡
227:雷射聚焦間隔件
228,328,352:NAE載體
229,329,354:NAE基板
230:準直器聚焦間隔件
231:偏振分束器(PBS)
232:反射準直透鏡
233:偏振操縱器
234:光瞳平面，出射光瞳
235:光電感測器
260:光闌
332:折射元件
335:偏振致動器
340:動態聚焦設備
345:聚焦致動器
350,356:元件
358:黏合劑
368,369:入射光線
370,372,374,375:光線
376,378,408A,408B:表面
401,402,403:光束
406A,406B,406C:反射元件
408,414:反射鏡
410:透鏡
412:光電感測器陣列
450:波導
460:橫軸光闌
460A,460B,460C,460D:光闌部件
462:耦合棱鏡
464:縱軸光闌
801:雷射器模組
在本文中參照圖式僅通過示例的方式描述本發明。相同的圖式標記用於表示圖式中相似或相同的元件。
圖1是根據本發明的原理的雷射投影儀的主要光學部件的示意性表示。
圖2(a)和圖2(b)是圖1中圖像平面附近的場曲率的圖示。
圖3是根據本發明的第一實施方式的示例性雷射投影儀的分解光學佈局。
圖4是在掃描的情況下圖3的實施方式的光線追蹤圖。
圖5是根據本發明的第二實施方式的示例性雷射投影儀的分解光學佈局。
圖6是示出根據本發明的原理的嵌入式NAE的構造細節的圖。
圖7A是根據習知技術的NAE表面的圖。
圖7B是根據本發明的嵌入式NAE表面的圖。
圖8A、圖8B和圖8C是根據本發明的用於具有多個雷射光束的雷射投影儀的示例性照明部的示意性光學佈局。
圖9A是根據本發明的雷射投影儀和相關聯的波導的部分的側視圖。
圖9B是示出掃描鏡的示例性旋轉的雷射投影儀的部分的透視圖。
圖10A、圖10B和圖10C是示出被配置成防止雜散光穿過投影儀的出射光瞳的縱軸光闌和橫軸光闌的示例性實現方式的圖。
圖11A至圖11D是示出根據本發明的示例性光闌配置的圖。
圖1示出了根據本發明的原理的緊湊型投影儀100的主光學部件的示意性表示。該投影儀包括三個主要部分：照明部100U、包括一個或更多個光學元件的NAE 100M以及中繼部100L。照明部包括一個或更多個照明源，所述一個或更多個照明源例如可以是雷射器或發光二極體(LED)。
來自雷射器201的光通過聚焦透鏡223被聚焦在圖像平面215上，聚焦透鏡223形成會聚光束。通過掃描器211在兩個正交方向上引導會聚光束，該掃描器211可以例如包括如圖1所示的兩個掃描鏡即掃描鏡224和掃描鏡225，或者包括具有兩個旋轉軸的單個掃描鏡。將掃描器211放置在會聚光束中，避免了在掃描鏡225後面並且遠離圖像平面215放置附加透鏡的需要。在習知技術雷射投影儀中發現的這樣的附加透鏡具有增加相當大的重量和複雜性的缺點。
穿過場透鏡219的光束被聚焦到圖像平面215上，並且然後通過準直透鏡218形成平行光束。場透鏡219優選地處於圖像平面215的附近，從而對聚焦位置和光束發散的影響忽略不計，並且使得能夠在掃 描器與光瞳平面234之間進行光瞳成像。
進入圖像平面215的光線具有相對窄的數值孔徑214。例如，照明部100U中的會聚光束的直徑在聚焦透鏡223的主平面處可以為1.3mm，在掃描鏡224處可以為0.8mm，並且在場透鏡219的主平面處可以僅為0.25mm。在圖像平面215處，雷射光斑直徑通常在0.01mm或10微米的數量級。
在不存在擴大數值孔徑的NAE 100M的情況下，進入準直透鏡218的光將形成窄的準直光束，如圖1中的虛線箭頭所示，並且將不會填充出射光瞳234。結果將是波導的入射光瞳處的不完整圖像，該入射光瞳將光耦合到觀看者的眼睛中。NAE 100M的作用是使得具有擴大的數值孔徑216，如實箭頭所示，並且從而填充出射光瞳234。任何殘留的散射光被光闌260吸收。
用“R”表示的NAE平均擴展比具有大於或等於一的值。通常，術語“數值孔徑”表示光束在垂直於光束傳播軸的方向上的半形。對於具有圓形截面形狀的光束，以度數為單位的數值孔徑的單個值足以表徵光束的角寬度。對於具有非圓形截面形狀的更一般的光束，可以通過對光束的立體角求平均來計算數值孔徑的平均值。在這種情況下，術語“NAE平均擴展比”表示離開NAE的光束的平均數值孔徑與進入NAE的光束的平均數值孔徑之間的以度/度為單位的比率。
在圖1中，緊湊型投影儀100實質上具有兩個聚焦機構，一個聚焦機構用於將雷射光束聚焦到圖像平面215上，並且另一個聚焦機構用於準直進入出射光瞳234的光束。這些聚焦機構中的每一個都作用於場曲率。
圖2(a)和圖2(b)示出了假設不通過NAE進行場曲率校正的情況下圖像平面215附近的場曲率。在面向照明部100U的一側上的場曲率由虛線215A表示。在面向中繼部100L的一側上的場曲率具有兩種可能性，如分別由圖2(a)中的虛線215B1和圖2(b)中的虛線215B2所示。在圖2(a)中，虛線215A和虛線215B1的曲率具有相同的取向；即， 從中繼部200L觀看時，兩者都是凹的。通過根據虛線215A和虛線215B1的曲率在NAE 100M中實現彎曲表面，可以至少部分地校正淨場曲率並且優化投影圖像的解析度。
在圖2(b)中，虛線215A和虛線215B2的曲率具有相反的取向。在這種情況下，NAE 100M中的彎曲表面應當主要根據虛線215B2的曲率取向來實現。這將在下面結合中繼部的特定光學佈局進行進一步詳細解釋。
圖3示出了根據本發明第一實施方式的示例性雷射投影儀200的光學佈局。雷射投影儀200包括三個部分：照明部200U、NAE 200M和中繼部200L。來自雷射器201的光在聚焦致動器345的控制下穿過動態聚焦設備340，例如由康寧公司製造的Corning®Varioptic®可變焦液體透鏡。然後，光被折疊鏡222反射並且穿過聚焦透鏡223。聚焦透鏡223優選地是雙合透鏡或非球面透鏡。掃描鏡224和掃描鏡225將光束引導至場透鏡219，場透鏡219使光束傾斜以便在掃描鏡224或掃描鏡225的共軛平面與出射光瞳234之間生成光瞳成像。可選地，折疊鏡222可以是部分透射的，並且可以如圖所示放置光電感測器235以接收透射通過折疊鏡222的光。光電感測器235可以用於監測雷射器201的各種發射參數，例如發出的照明功率水平。
雷射聚焦間隔件227用於在對照明部200U的對準期間將雷射光斑最佳地聚焦在圖像平面215上。NAE 200M包括NAE載體228和NAE基板229，該NAE基板229緊鄰圖像平面215。進入和離開NAE 200M的光束的數值孔徑分別由箭頭220U和箭頭220L表示。準直器聚焦間隔件230用於在對中繼部200L的對準期間優化對進入出射光瞳234的光的準直。在圖3的分解光學佈局中，出現在NAE基板229與準直器聚焦間隔件230之間的空間是為了清楚地說明，而不是旨在作為部件間間隙。事實上，NAE基板229和準直器聚焦間隔件230優選地接觸，因為部件間間隙趨向於使投影儀的機械構造和組裝複雜化，並且可能損害結構完整性以及防止潮濕和顆粒污染的密封性。
穿過準直器聚焦間隔件230的光被偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)231反射到反射準直透鏡232上。準直的反射光束穿過PBS 231和偏振操縱器233，到達出射光瞳234。偏振操縱器233是由諸如液晶致動器的偏振致動器335控制的偏振擾頻器或有源聚焦設備。僅當雷射器201具有明確定義的偏振時，才可能使用偏振操縱器233。
對於圖3的實施方式，圖像平面215處的場曲率類似於圖2(a)所示的場曲率，在圖2(a)中虛線215A和虛線215B1的曲率具有相同的取向。照明部200U中的虛線215A的曲率主要由聚焦透鏡223以及被會聚光照射的掃描鏡224和掃描鏡225來生成。中繼部200L中的虛線215B1的曲率主要由反射準直透鏡232來生成。由於中繼部中的數值孔徑相對較大，因此相比於照明部，中繼部對場曲率散焦的貢獻更大，並且因此必須對光束進行更緊密地補償以防止圖像劣化。為了使雷射光斑尺寸最小並且使投影圖像場中的圖像解析度最大，NAE基板229的物理曲率應當被設計成與虛線215B1的曲率基本相同。
圖4是在掃描的情況下圖3的實施方式的光線追蹤圖。使掃描鏡225傾斜以便照射觀看者所觀看的視場(FOV)的不同部分。確定圖3的實施方式中的場透鏡219的光功率，使得掃描鏡224或掃描鏡225的掃描平面是出射光瞳234的圖像共軛。以這種方式，即使在掃描器進行離軸掃描期間，準直的光也會繼續穿過出射光瞳234。
圖5示出了根據本發明第二實施方式的示例性雷射投影儀300的光學佈局。雷射投影儀300包括三個部分：照明部300U、NAE 300M和中繼部300L。如圖3中所示的那樣，掃描鏡224和掃描鏡225將光束引導至場透鏡219，場透鏡219使光束傾斜以便在掃描鏡224或掃描鏡225的共軛平面與出射光瞳234之間生成光瞳成像。NAE 300M包括NAE載體328和NAE基板329。進入和離開NAE 300M的光束的數值孔徑由箭頭320U和箭頭320L指示。中繼部300L包括折射元件332。準直的光穿過偏振操控器233和出射光瞳234。
為了優化雷射投影儀300的成像場上的解析度，NAE基 板329的曲率與圖3中的NAE基板229的曲率取向相反。其原因如下。對於圖5的實施方式，圖像平面215處的場曲率類似於圖2(b)所示的場曲率，其中，虛線215A和虛線215B2的曲率具有相反的取向。虛線215B2的場曲率主要由中繼部300L中的折射元件332引入。
箭頭320L處的中繼部中的數值孔徑大於箭頭320U處的照明部中的數值孔徑。由於場深度(depth of field，DOF)與數值孔徑成反比，因此與照明部的DOF相比，中繼部的DOF相對較小，通常在0.1mm的數量級，而照明部的DOF通常在0.5mm的數量級。因此，NAE基板329的曲率主要由中繼部的曲率控制，中繼部的曲率的取向對應於由虛線215B2所表示的取向。確定NAE基板329的彎曲度，使得由於場曲率引起的散焦度在NAE基板的兩側上大致相同。NAE基板329的最佳表面形狀在雷射投影儀300的一些實現方式中可以是球面的，而在其他實現方式中可以是非球面的。
圖6是示出根據本發明原理的嵌入式NAE 600的構造細節的圖。與習知技術的具有氣隙的NAE相比，嵌入式NAE受到潮濕和污染的影響較小，並且機械上更堅固。儘管NAE 600的元件被示為具有平坦表面，但是這些表面也可以是彎曲的，例如，如分別在圖3中的NAE基板229和圖5中NAE基板329的情況下那樣。元件350及元件356表示NAE 600附近的間隔件，其類似於圖3中所示的雷射聚焦間隔件227及準直器聚焦間隔件230。
進入和離開NAE 600的光的數值孔徑分別由箭頭360和箭頭362示意性地指示。NAE平均擴展比R的值一般大於一並且通常在2至5的範圍內。通過將黏合劑358施加到結合表面378上，NAE載體352黏附到NAE基板354上。NAE載體的折射率用n(352)表示，並且黏合劑的折射率用n(358)表示。如果黏合劑由折射率等於一的部件間間隙代替，如習知技術NAE中那樣，則R值將減小等於[n(358)-n(352)]/[n(352)-1]的倍數。因此，引入部件間間隙將減小NAE平均擴展比R。
圖7A是根據習知技術的NAE表面376的圖，其中該表 面可以對應於漫射器或微透鏡陣列(MLA)的表面。來自掃描雷射器的入射光線368在平滑的區域處撞擊NAE表面376，並且散射使得數值孔徑增加，如光線370所示。然而，入射光線369在相鄰漫射器或微透鏡之間的尖銳區域處撞擊NAE表面376。在這種情況下，除了正常散射光線372之外，散射還產生以廣角衍射的光線375。這些光線會引起多重散射並且降低投影圖像的一些像素中的圖像對比度。
圖7B是根據本發明的嵌入式NAE表面378的圖。表面378不存在尖銳的區域。在這種情況下，入射光線369產生光線372和光線374，光線372和光線374都有助於在離開NAE時數值孔徑的期望增加。不存在如圖7A的習知技術中那樣以廣角衍射的光線。因此，本發明的嵌入式NAE不會遭受習知技術漫射器或MLA所表現出的圖像對比度降低。
當將NAE表面378實現為MLA時，MLA上的照射光斑的全寬半最大直徑優選地應當比相鄰微透鏡之間的間距大一到四倍，以避免衍射效應。
透射通過圖7B的NAE的光可能產生非均勻強度的照明。為了校正非均勻性，可以利用“漫射MLA”來實現NAE，在漫射MLA中漫射器疊加在MLA的通常彎曲的表面上。與MLA的光功率相比，漫射器的光功率優選地較小。例如，由漫射器提供的數值孔徑擴展可以僅是MLA的數值孔徑擴展的五分之一到三分之一。在根據上述公開的本發明原理構造的漫射MLA中，MLA的非均勻性被有效地平均掉，而漫射器的非均勻性是不顯著的。
圖8A、圖8B和圖8C示出了根據本發明的用於具有多個雷射光束的雷射投影儀的示例性照明部的示意性光學佈局。雷射器模組801發射光束401、光束402和光束403，這些光束具有例如對應於紅色、綠色和藍色照明的波長。通常，由在雷射器模組801內以並排配置佈置的三個相鄰雷射源發射光束。最外面的雷射光束通常間隔0.1mm或更多。對準雷射器，使得它們的光束全部穿過聚焦透鏡223，並且照射掃描鏡224和掃描鏡225。為了防止功率尖峰並且保持對每個發射光束的照明功率水平 和穩定性的嚴格控制，通過光電感測器陣列412實時監測雷射器模組801是必要的。
在圖8A中，光束401、光束402和光束403被部分反射表面406A部分反射。每個光束中的光的一部分透射通過表面406A，並且然後被表面408A反射並且被透鏡410聚焦到光電感測器陣列412上。透鏡410將雷射器模組801中的多個雷射器的源平面成像到光電感測器陣列412上，使得光電感測器陣列412中的每個光電感測器接收與單個雷射器相對應的光功率。為了減少光電感測器之間的光學串擾，優選地將一個或更多個光譜濾波器應用於光電感測器陣列412，使得光電感測器陣列的不同部分對不同雷射波長敏感。
在圖8B中，彎曲的反射表面408B將反射和聚焦兩種功能組合在單個元件中，該元件替代了圖8A的表面408A和透鏡410。
雷射光束(如由雷射二極體發射的雷射光束)通常由“快”軸和“慢”軸表徵，在“快”軸中光束發散角度相對較寬，而在“慢”軸中光束發散角度相對較窄。圖8C示出了示意性光學佈局，在該示意性光學佈局中用於監測雷射功率的光線是以大角度在快軸上發射的光線，這些光線不會撞擊在掃描鏡224和掃描鏡225上。
在圖8C中，具有中心孔或孔徑的反射鏡414被定位成使得用於成像的光穿過中心孔並且被全(100%)反射鏡406C朝向掃描鏡反射。以大角度在快軸上發射的光被反射鏡414反射，並且然後被透鏡410聚焦到光電感測器陣列412上。包括僅從發散照射光束的一側收集光的反射鏡414的其他形狀也是可能的。
圖8A、圖8B和圖8C中所示的示意性光學佈局是示例性的，並且許多替選配置是可能的。例如，充當折疊反射器的反射元件406A、反射元件406B和反射元件406C被示出為在圖式的平面中。然而，通常可以通過將反射元件放置在圖的平面之外來實現更緊湊且更輕便高效的配置。此外，可以將光電感測器陣列412和透鏡410直接放置在圖3中的反射器222C後面，由此消除對反射鏡408的需要。
圖9A是根據本發明的雷射投影儀和相關聯的波導的部分的側視圖。在掃描鏡224和掃描鏡225通常是投影儀系統中的最小孔徑的情況下，當掃描器的掃描平面是出射光瞳234的圖像共軛時，實現了最佳的光透射。如圖9A所示，出射光瞳還用作波導450的入射光瞳。雷射投影儀中的光學部件的尺寸和形狀被確定成使得出射光瞳234與波導450的入射光瞳完全重疊。
圖9B是示出掃描鏡的示例性旋轉的雷射投影儀的部分的透視圖。在圖9B中，使掃描鏡225相對於入射雷射以及相對於雷射投影儀的其他部件以90度角傾斜。還使出射光瞳234旋轉，使得掃描鏡225的掃描平面繼續作為出射光瞳的圖像共軛。
圖10A、圖10B和圖10C是示出縱軸光闌和橫軸光闌的示例性實現方式的圖，縱軸光闌和橫軸光闌被配置成防止雜散光穿過投影儀的出射光瞳，在投影儀的出射光瞳處雜散光可能會造成圖像失真和對比度劣化。光闌包括縱軸光闌464和橫軸光闌460，其中縱軸指向波導厚度的方向，如圖9A所示，並且橫軸指向垂直於縱軸和波導內部的光傳播方向的方向。
在圖10A中，雜散光可能由NAE中的廣角散射生成，如箭頭299所示。圖10B是示出附接至耦合棱鏡462的表面的橫軸光闌460的俯視圖。圖10C是示出附接至耦合棱鏡462的不同表面的縱軸光闌464的側視圖。
在圖10A至圖10C中，橫軸光闌460和縱軸光闌464相對於出射光瞳234的位置稍微移位。該位移是非期望的，因為這可能會允許一些散射的光穿過出射光瞳234並進入波導450。
圖11A至圖11D是示出根據本發明的示例性光闌配置的圖，在該示例性光闌配置中，將光闌緊鄰出射光瞳234放置。各種光闌部件由460A、460B、460C和460D表示。
在圖11A、圖11C和圖11D中，將耦合棱鏡放置在波導450旁邊。在圖11C中，橫軸部件460C在耦合棱鏡與波導450之間的界面 上。這具有使縱軸光闌464能夠非常靠近出射光瞳的優點。在圖11B中，將耦合棱鏡放置在波導450的頂部上。這具有使橫軸光闌的部件460B能夠非常靠近出射光瞳的優點。
在圖11D中，引入了附加的縱軸光闌部件460D，以阻擋不是源自NAE的雜散光。光闌部件460D通常比出射光瞳234寬，並且可以與光闌部件460B組合實現。
圖11A、圖11B和圖11C中的配置特別適合於雷射投影儀的實施方式，在該實施方式中掃描鏡基本上是分開的並且相對於投影儀中其他光學元件的孔徑較小。
應當理解，以上描述僅旨在用作示例，並且在所附申請專利範圍中限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式也是可能的。例如，投影儀的照明部中的照明源可以是雷射器、發光二極體(LED)、微型LED和/或矽上液晶(LCOS)照明設備。作為另一示例，中繼部與波導之間的耦合棱鏡可以以反射模式而不是透射模式進行操作。此外，基於本文中公開的原理，除了在圖6和圖7B中明確示出的配置之外，NAE的許多其他配置也是可能的，這對於光學設計領域的技術人員將是明顯的。
100:緊湊型投影儀
100U:照明部
100M:數值孔徑擴展器(NAE)
100L:中繼部
201:雷射器
211:掃描器
214:相對窄的數值孔徑
215:圖像平面
216:擴大的數值孔徑
218:準直透鏡
219:場透鏡
223:聚焦透鏡
224,225:掃描鏡
234:光瞳平面，出射光瞳
260:光闌

Claims (31)

  1. 一種用於頭戴式顯示裝置的緊湊型投影儀，所述投影儀包括照明部、中繼部和數值孔徑擴展器(numerical aperture expander，NAE)，
    所述照明部包括一個或更多個照明源、聚焦透鏡和掃描器，所述聚焦透鏡將光會聚到圖像平面上，所述掃描器***在所述聚焦透鏡與所述圖像平面之間；
    所述中繼部包括光學元件，所述光學元件將來自所述圖像平面的光準直到出射光瞳上；並且
    所述NAE被配置成：從所述照明部接收光，所接收的光具有第一平均數值孔徑；並且將光透射至所述中繼部，所透射的光具有第二平均數值孔徑，所述第二平均數值孔徑比所述第一平均數值孔徑大，是所述第一平均數值孔徑的NAE平均擴展比倍，所述NAE平均擴展比大於一。
  2. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述掃描器被會聚光束照射。
  3. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述照明部還包括場透鏡，所述場透鏡***在所述掃描器與所述圖像平面之間並且靠近所述圖像平面。
  4. 如請求項3所述的投影儀，其中，從所述掃描器傳播到所述場透鏡的光的光束直徑減小至少二分之一。
  5. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述掃描器包括繞兩個基本上正交的軸旋轉的單個鏡或各自繞單個軸旋轉的兩個鏡。
  6. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述一個或更多個照明源包括從包括以下的組中選擇的照明源：雷射二極體、並排雷射二極體、發光二極體(light-emitting diode，LED)、微型LED和矽上液晶(liquid crystal on silicon，LCOS)照明設備。
  7. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述照明部包括一個或更多個光電感測器，用於監測由所述一個或更多個照明源發出的照明功率。
  8. 如請求項7所述的投影儀，其中，所述一個或更多個光電感測器包括至少一個光譜濾波器。
  9. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述照明部包括反射透鏡。
  10. 如請求項1所述的投影儀，包括以並排配置佈置的至少兩個照明源，其中，由各個照明源中的每個照明源發出的光的第一部分由所述掃描器和所述聚焦透鏡透射。
  11. 如請求項10所述的投影儀，其中，由所述各個照明源中的每個照明源發出的光的第二部分被朝向光電感測器陣列反射。
  12. 如請求項11所述的投影儀，其中，光的所述第二部分沿著所述各個照明源的快軸發出，所述快軸具有寬光束發散。
  13. 如請求項10所述的投影儀，其中，所述並排配置的最外面的光束之間的間隔跨越至少0.1毫米。
  14. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述NAE的表面是彎曲的，以至少部分地校正由所述中繼部和所述照明部中的至少一個引起的場曲率像差。
  15. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述NAE被嵌入在光學部件之間，而不存在部件間間隙。
  16. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述NAE被實現為至少部分地透射或部分地反射的微透鏡陣列(micro-lens array，MLA)或光學漫射器。
  17. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述NAE被實現為漫射MLA，所述漫射MLA包括疊加在具有相對高光功率的MLA的表面上的具有相對低光功率的漫射器。
  18. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述NAE平均擴展比的值在從二到五的範圍內。
  19. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述中繼部包括折射準直透鏡或反射準直透鏡。
  20. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述中繼部包括一個或更多個偏振光學元件。
  21. 如請求項20所述的投影儀，其中，所述中繼部包括偏振分束器和 反射準直透鏡。
  22. 如請求項1所述的投影儀，其中，所述聚焦透鏡和所述中繼部被配置成使得所述掃描器的掃描平面是所述出射光瞳的圖像共軛。
  23. 一種用於頭戴式顯示裝置的緊湊型投影儀，所述投影儀包括與波導光通信的中繼部，所述中繼部具有出射光瞳並且所述波導具有入射光瞳。
  24. 如請求項23所述的投影儀，其中，橫軸光闌和/或縱軸光闌被定位在所述出射光瞳和/或所述入射光瞳處或者被定位在所述出射光瞳和/或所述入射光瞳附近。
  25. 如請求項23所述的投影儀，其中，所述中繼部包括耦合棱鏡，所述耦合棱鏡將所述出射光瞳光學地連接至所述入射光瞳。
  26. 如請求項25所述的投影儀，其中，所述耦合棱鏡的一個或更多個表面包括橫軸光闌和/或縱軸光闌。
  27. 一種用於頭戴式顯示裝置的緊湊型投影儀，所述投影儀包括照明部、中繼部和數值孔徑擴展器(NAE)，
    所述照明部包括一個或更多個照明源以及聚焦透鏡，所述聚焦透鏡將光會聚到圖像平面上；
    所述中繼部包括光學元件，所述光學元件將來自所述圖像平面的光準直到出射光瞳上；
    所述NAE被配置成從所述照明部接收光，所接收的光具有第一平均數值孔徑；並且將光透射至所述中繼部，所透射的光具有第二平均數值孔徑，所述第二平均數值孔徑比所述第一平均數值孔徑大，是所述第一平均數值孔徑的NAE平均擴展比倍，所述NAE平均擴展比大於一；並且
    所述NAE包括彎曲表面，所述彎曲表面的曲率被配置成至少部分地校正由所述中繼部和所述照明部中的至少一個引起的場曲率像差。
  28. 如請求項27所述的投影儀，其中，所述NAE平均擴展比的值在從二到五的範圍內。
  29. 一種用於頭戴式顯示裝置的緊湊型投影儀，所述投影儀包括照明 部、中繼部和數值孔徑擴展器(NAE)，
    所述照明部包括一個或更多個照明源、聚焦透鏡以及掃描器，所述聚焦透鏡將光會聚到圖像平面上，所述掃描器***在所述聚焦透鏡與所述圖像平面之間，所述掃描器被會聚光束照射；
    所述中繼部包括光學元件，所述光學元件將來自所述圖像平面的光準直到出射光瞳上；並且
    所述NAE被配置成：從所述照明部接收光，所接收的光具有第一平均數值孔徑；並且將光透射至所述中繼部，所透射的光具有第二平均數值孔徑，所述第二平均數值孔徑比所述第一平均數值孔徑大，是所述第一平均數值孔徑的NAE平均擴展比倍，所述NAE平均擴展比大於一。
  30. 如請求項29所述的投影儀，其中，所述照明部還包括場透鏡，所述場透鏡***在所述掃描器與所述圖像平面之間並且靠近所述圖像平面。
  31. 如請求項30所述的投影儀，其中，從所述掃描器傳播到所述場透鏡的光的光束直徑減小至少二分之一。
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