TW202210929A - 具有中間圖像平面的反射ｓｌｍ圖像投影儀 - Google Patents

Abstract

一種圖像投影儀，其包括空間光調製器(Spatial Light Modulator，SLM)，該空間光調製器由來自照明源的光照射以反射與圖像對應的光。具有正光焦度的第一光學裝置將從SLM反射的光聚焦在圖像平面處。具有正光焦度的第二光學裝置將來自圖像平面的光準直為準直的輸出圖像。

Description

具有中間圖像平面的反射SLM圖像投影儀

本發明涉及圖像投影儀，並且特別地本發明涉及基於反射空間光調製器(Spatial Light Modulator，SLM)的圖像投影儀。

許多顯示系統(特別地是近眼顯示器)採用圖像投影儀，該圖像投影儀將準直圖像輸出到光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)中，該光導光學元件將圖像傳送在使用者的眼睛前方，在使用者的眼睛前方將圖像朝向眼睛耦出以供觀看。

圖像投影儀通常包括圖像生成元件和準直光學器件以生成準直圖像輸出。用於圖像生成器的一個期望的選項是通常被實現為矽基液晶(Liquid-Crystal On Silicon，LCOS)晶片的反射空間光調製器(SLM)，該反射空間光調製器利用偏振的照明來照射並且反射具有與圖像像素強度對應的選擇性旋轉偏振的照明。然後，在到達準直光學器件之前通過偏振分束器(Polarizing Beam Splitter，PBS)來選擇圖像。

本發明是基於反射SLM並且具有中間圖像平面的圖像投影儀。

根據本發明的實施方式的教導，提供了一種用於輸出準直圖像的圖像投影儀，該圖像投影儀包括：(a)照明源；(b)空間光調製器，由來自照明源的光照射以反射與圖像對應的光；(c)具有正光焦度的第一光學裝置，被佈置成將從空間光調製器反射的光聚焦在圖像平面處；以及(d)具有正光焦度的第二光學裝置，被佈置成將來自圖像平面的光準直為準直的輸出圖像。

根據本發明的實施方式的另一特徵，至少第二光學裝置包括與包含偏振分束器的稜鏡的表面相關聯的反射透鏡。

根據本發明的實施方式的另一特徵，稜鏡與光導光學元件(LOE) 光學集成，該光導光學元件具有用於通過內反射引導光的一對平行的主外表面，其中，稜鏡的在偏振分束器與LOE之間的部分具有外表面，該外表面與LOE的主外表面中的一個主外表面共面並且形成LOE的主外表面中的該一個主外表面的延伸。

根據本發明的實施方式的另一特徵，從空間光調製器經由第一光學裝置和第二光學裝置到圖像輸出的光路徑穿過兩個偏振分束器，並且其中，圖像平面位於兩個偏振分束器之間。

根據本發明的實施方式的另一特徵，兩個偏振分束器是平行的。

根據本發明的實施方式的另一特徵，兩個偏振分束器被包括在稜鏡內，並且其中，第一光學裝置和第二光學裝置被實現為與稜鏡的表面相關聯的反射透鏡。

根據本發明的實施方式的另一特徵，還提供了在空間上與圖像平面相關聯的至少一個光學元件。

根據本發明的實施方式的另一特徵，至少一個光學元件包括場透鏡。

根據本發明的實施方式的另一特徵，至少一個光學元件包括漫射器。

根據本發明的實施方式的另一特徵，至少一個光學元件包括微透鏡陣列。

204:光導光學元件

316:照明源

318:偏振分束器

320:空間光調製器(SLM)

322:第一光學裝置

322’:第一光學裝置

324:圖像平面

326:偏振分束器

328:第二光學裝置

330:稜鏡

332:外表面

334:孔徑

336:稜鏡

338:緩衝層

424:光學元件

LCOS:矽基液晶

本文中參照圖式僅通過示例的方式描述本發明，在圖式中：

圖1A是根據本發明的實施方式的教導構造和操作的圖像投影儀的示意性側視圖；

圖1B是與圖1A類似的示出了在投影儀的圖像平面處包括光學元件的圖像投影儀的變型實現方式的視圖；以及

圖2是根據本發明的另一實施方式的教導構造和操作的圖像投影儀的示意性側視圖。

本發明是一種用於輸出準直圖像的圖像投影儀。

參照圖式和所附描述可以更好地理解根據本發明的圖像投影儀的原理和操作。

現在參照圖式，圖1A示出了根據本發明的實施方式的教導構造和操作的用於輸出準直圖像的圖像投影儀的非限制性實現方式。一般而言，圖像投影儀包括空間光調製器(SLM)320，該空間光調製器由來自照明源316的光(由箭頭示意性地表示)照射以反射與圖像對應的光。具有正光焦度的第一光學裝置322被佈置成將從SLM 320反射的光聚焦在圖像平面324處。具有正光焦度的第二光學裝置328被佈置成將來自圖像平面324的光準直為準直的輸出圖像。

與其中SLM自身必須在準直光學器件的焦平面處的佈置相比，來自反射SLM的光在圖像投影儀元件內的中間圖像平面324處的聚焦提供了顯著的優點。具體地，為了利用相對小的投影儀實現投影圖像的大角度視場(Field Of View，FOV)，準直光學器件的焦距應當相對短。然而，反射SLM需要用於SLM的前照明的照明系統。這限制了SLM可以定位到準直光學器件的接近程度，通常導致準直光學器件的尺寸增大、FOV減小和/或其他設計折衷。通過提供第一光學裝置322以在投影儀內的圖像平面324處生成圖像，解除了這些設計限制，為照明系統留下了充足的空間，同時允許使用具有短焦距的準直光學器件。根據下面的描述和圖式，本發明的該優點和其他優點將變得更加清楚。

在某些特別優選的實現方式中，至少第二光學裝置328被實現為與包含偏振分束器326的稜鏡330的表面相關聯的反射透鏡。有利地，圖像平面324可以落在稜鏡330內的某個平面處，而無需在該平面處存在任何特定結構。替選地，在某些實現方式中，可以期望在焦平面處或在焦平面附近佈置一個或更多個光學元件，如以下將參照圖1B所例示的。

在某些應用中，將圖像投影儀與光導光學元件(LOE)204集成，該光導光學元件204通常是具有兩個平行主外表面的平板型波導，在這兩個平行主外表面內圖像照明通過全內反射(Total Internal Reflection，TIR)進行傳播。在某些優選的實現方式中，稜鏡330的在偏振分束器326與LOE 204之間的部 分具有外表面332，該外表面332與LOE 204的主要外表面之一共面，並且形成LOE 204的主要外表面之一的延伸。這利於通過在LOE入口處生成反射的(共軛)圖像來將光學孔徑334填充到LOE 204中。LOE 204可以是本領域已知的任何類型的LOE，例如，採用成組部分反射內表面來實現一個維度或兩個維度上的孔徑擴展並且朝向觀察者的眼睛耦出圖像照明的LOE。替選地，或者附加地，LOE可以採用衍射光學元件來實現一個維度或兩個維度的光學孔徑擴展並且朝向觀察者的眼睛耦出圖像照明，所有這些都是本領域已知的。

在圖1A所示的優選但非限制性的示例中，從SLM 320經由第一光學裝置322和第二光學裝置328到圖像輸出的光路徑穿過偏振分束器318和偏振分束器326這兩個偏振分束器，並且圖像平面324位於兩個偏振分束器之間。有利地，偏振分束器318和偏振分束器326這兩個偏振分束器是平行的。這有助於使輸出圖像中的雜訊最小化，因為來自照明源316的例如由於偏斜入射角度而洩漏通過PBS 318的任何原始照明(未被完全過濾)將在偏振分束器(第二PBS)326處遇到完全相同的條件，並且因此也將在不變得與圖像照明混合的情況下穿過PBS 326。

本發明的圖像投影儀關於中間圖像平面的位置、準直光學器件的焦度和光學器件的整體尺寸提供了相當大的設計自由度。如果中間圖像平面324被設計成更靠近第二光學裝置328，則與SLM晶片尺寸相比，受到光學像差和中間圖像的所需尺寸的限制，可以減小光學器件的尺寸以及/或者增大FOV。然後，根據中間圖像的所需位置及其相對於SLM晶片尺寸的尺寸來設計第一光學裝置322。

在此處示出的實現方式中，偏振分束器318和偏振分束器326這兩個偏振分束器被包括在稜鏡330內，並且將第一光學裝置322和第二光學裝置328二者實現為與稜鏡的表面相關聯的反射透鏡。每個透鏡與四分之一波片集成，該四分之一波片在通過反射生成的兩次通過之後實現偏振的旋轉，從而在對應的PBS表面處實現透射後反射(transmission-followed-by-reflection)或者反射後透射(reflection-followed-by-transmission)，如本領域中已知的。

照明源316可以是本領域已知的任何合適的照明源，包括但不限於LED和雷射二極體。照明源可以包括不同顏色的源，不同顏色的源可以被快 速切換以在視頻的單個幀週期內照射分色圖像，以生成彩色圖像。照明源可以包括用於引導和/或均勻化照明的各種光學部件，所有這些都是本領域已知的。

SLM 320可以是任何合適類型的SLM，並且特別地是前發光SLM。適用於實現本發明的SLM的一個特別優選的示例是LCOS(矽基液晶)晶片。SLM通常是也延伸到此處示出的側視圖中的頁面中的矩形陣列，並且此處示出的所有其他光學部件根據由SLM的縱橫比限定的相對大小類似地延伸到頁面中，這對於本領域的普通技術人員將清楚的。

應當注意，此處示出的光路徑用於由來自照明源316的從PBS 318反射的光照射的SLM 320的中心像素的光。從SLM反射的發散光穿過PBS 318並且由第一光學裝置322聚焦。會聚光再次被PBS 318反射以在圖像平面324處生成圖像。來自該平面的發散光被PBS 326反射到第二光學裝置328上。經反射的準直光被耦入波導中，同時經反射的準直光中的一些被外表面332反射。

圖1B示出了通常與圖1A的圖像投影儀等同的圖像投影儀，但是在該圖像投影儀中在圖像平面324處或在圖像平面324附近(即，在空間上與圖像平面324相關聯)佈置有至少一個光學元件424。光學元件424可以是透鏡(通常為菲涅耳透鏡)，其被佈置成至少部分地校正光學裝置的場曲率。附加地或替選地，光學元件424可以包括漫射器或微透鏡陣列(Micro-Lens array，MLA)，該漫射器或微透鏡陣列用於調節照明的傳播，以跨圖像投影儀輸出的光學孔徑生成更均勻的輸出強度。在所有其他方面，圖1B的圖像投影儀在結構和功能上等同於上述圖1A的圖像投影儀。

現在轉向圖2，其示出了功能上與圖1的實現方式類似但採用自由空間光學器件生成內部像平面的本發明的第二實現方式。

具體地，在這種情況下，由照明源316經由PBS 318照射的SLM 320與第一光學裝置322'對準，此處，第一光學裝置322'被實現為通常採用一個或更多個折射透鏡的自由空間光學裝置，其被佈置成將從SLM 320反射的光聚焦在圖像平面324處。具有正光焦度的第二光學裝置328被佈置成將來自圖像平面324的光準直為準直的輸出圖像(此處被示出為在入口孔徑334處進入LOE 204)。此處，第二光學裝置328被實現為與包括PBS 326的PBS稜鏡330 的表面相關聯的反射透鏡，以將來自圖像平面324的光朝向準直光學器件引導。經反射的準直光(如以上提及的，在兩次穿過四分之一波片之後)穿過PBS 326以到達孔徑334——部分直接到達孔徑334以及部分在外表面332處另外反射之後到達孔徑334。

提供耦入稜鏡336以利於圖像照明在第一光學裝置322'之後的耦入。提供低折射率材料的空氣空間或緩衝層338，以維持從第二光學裝置328傳播到出口/入口孔徑334的準直光的TIR條件。

應當理解，以上描述僅旨在用作示例，並且在如所附請求項所限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式也是可能的。

204:光導光學元件

316:照明源

318:偏振分束器

320:空間光調製器(SLM)

322:第一光學裝置

324:圖像平面

326:偏振分束器

328:第二光學裝置

330:稜鏡

332:外表面

334:孔徑

Claims (10)

1. 一種用於輸出準直圖像的圖像投影儀，所述圖像投影儀包括：

   (a)照明源；

   (b)空間光調製器，由來自所述照明源的光照射以反射與圖像對應的光；

   (c)具有正光焦度的第一光學裝置，被佈置成將從所述空間光調製器反射的光聚焦在圖像平面處；以及

   (d)具有正光焦度的第二光學裝置，被佈置成將來自所述圖像平面的光準直為準直的輸出圖像。
2. 如請求項1所述的圖像投影儀，其中，至少所述第二光學裝置包括與包含偏振分束器的稜鏡的表面相關聯的反射透鏡。
3. 如請求項2所述的圖像投影儀，其中，所述稜鏡與光導光學元件(LOE)光學集成，所述光導光學元件具有用於通過內反射引導光的一對平行的主外表面，其中，所述稜鏡的在所述偏振分束器與所述光導光學元件之間的部分具有外表面，所述外表面與所述光導光學元件的所述主外表面中的一個主外表面共面，並且形成所述光導光學元件的所述主外表面中的所述一個主外表面的延伸。
4. 如請求項1所述的圖像投影儀，其中，從所述空間光調製器經由所述第一光學裝置和所述第二光學裝置到圖像輸出的光路徑穿過兩個偏振分束器，並且其中，所述圖像平面位於所述兩個偏振分束器之間。
5. 如請求項4所述的圖像投影儀，其中，所述兩個偏振分束器是平行的。
6. 如請求項4所述的圖像投影儀，其中，所述兩個偏振分束器被包括在稜鏡內，並且其中，所述第一光學裝置和所述第二光學裝置被實現為與所述稜鏡的表面相關聯的反射透鏡。
7. 如請求項1所述的圖像投影儀，還包括在空間上與所述圖像平面相關聯的至少一個光學元件。
8. 如請求項7所述的圖像投影儀，其中，所述至少一個光學元 件包括場透鏡。
9. 如請求項7所述的圖像投影儀，其中，所述至少一個光學元件包括漫射器。
10. 如請求項7所述的圖像投影儀，其中，所述至少一個光學元件包括微透鏡陣列。

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