CN111149042A - 具有激光二极管照明的近眼显示器 - Google Patents

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Abstract

近眼显示器具有光导光学元件(LOE)，该光导光学元件具有两个平行的主外表面。图像投射仪将图像照明引入LOE中，以便通过内反射传播。图像投射仪包括由控制器操作的一个或更多个发光激光二极管。耦出装置包括用于朝向观察者的眼睛将照明耦出LOE的、与主外表面成倾斜角度的与LOE相关联的一组相互平行的部分反射表面。发光激光二极管具有作为二极管启动功率的函数的、生成光的相干长度的特征变化。控制器以生成具有下述相干长度的光的二极管启动功率水平来启动激光二极管，该相干长度小于耦出装置的相邻部分反射表面之间的间隔的二倍。

Description

具有激光二极管照明的近眼显示器
技术领域
本发明涉及近眼显示器，并且特别地涉及一个或更多个激光二极管用作照明源的近眼显示器。
背景技术
已知提供了采用放置在用户的眼睛之前的透明光导光学元件(LOE)或“波导”的近眼显示器。来自图像投射仪的图像被引入LOE中并且在LOE内通过内反射传送到用户眼睛前方的区域，其中通过合适的输出耦合机制朝向用户的眼睛将该图像耦出LOE。输出耦合机制可以基于通常嵌入在LOE中的呈倾斜角度的部分反射器或“小平面”的阵列，或者可以采用衍射图案。
图像投射仪通常采用两种方法中的一种。根据第一种方法，照明源照明空间光调制器(例如，硅基液晶(LCOS)芯片)的表面，空间光调制器调制透射的每个像素的照明强度。替选地，可以将精细照明光束的强度调制为精细照明光束被引导以扫描图像像素以提供每个像素所需的照明水平，从而形成图像。
通过按顺序组合每种是由不同的光源生成的三种颜色——红色、绿色和蓝色(RGB)——形成彩色显示器，从而生成RGB彩色图像的视觉印象。彩色激光器的相对功率通常被设置成提供白色的感知。系统的最大功率定义为最大白色功率。
由于具有小形状因子和高输出，激光二极管是用于在近眼显示器的图像投射仪中使用的潜在有利的照明源。然而，已经发现，由激光二极管生成的光的相干性往往引起与干涉相关的伪像，例如，生成被称为“斑点”的可观察到的伪像，其影响观察到的图像质量。
发明内容
本发明是近眼显示器。
根据本发明的实施方式的教导，提供了一种用于将图像投射到观察者的眼睛的近眼显示器，该近眼显示器包括：(a)光导光学元件(LOE)，该光导光学元件具有为平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；(b)图像投射仪，该图像投射仪用于投射与图像对应的照明，该图像投射仪光学耦合至该LOE，以将照明引入该LOE中，以便通过在该第一主外表面和该第二主外表面处的内反射而在该LOE内传播，该图像投射仪包括：(i)至少一个发光激光二极管，以及(ii)控制器，该控制器用于启动该激光二极管以生成光；以及(c)耦出装置，该耦出装置包括用于朝向观察者的眼睛将照明耦出该LOE的、与第一主外表面成倾斜角度的与该LOE相关联的多个相互平行的部分反射表面，该耦出装置在多个部分反射表面的相邻表面之间具有间隔，其中，该发光激光二极管具有作为二极管启动功率的函数的、生成光的相干长度的特征变化，并且其中，该控制器被配置成以生成具有小于该间隔的二倍的相干长度的光的二极管启动功率水平来启动该激光二极管。
根据本发明的实施方式的另一特征，该控制器被配置成使该二极管启动功率水平在不包括与所述函数的最大值对应的至少一个二极管启动功率水平的至少一个值范围内变化。
根据本发明的实施方式的另一特征，该控制器被配置成使该二极管启动功率水平在使得该相干长度低于阈值的至少一个值范围内变化。
根据本发明的实施方式的另一特征，该二极管启动功率水平接近该函数的最小值。
根据本发明的实施方式的另一特征，该二极管启动功率水平大于该激光二极管的最大标称功率额定值。
根据本发明的实施方式的另一特征，多个部分反射表面被内部地安置在该LOE内。
根根据本发明的实施方式的另一特征，该至少一个发光激光二极管被实现为生成不同颜色的可见光的至少三个发光激光二极管。
根据本发明的实施方式的另一特征，该至少一个发光激光二极管被部署为照明部署在该图像投射仪的图像平面中的空间光调制器的至少一部分。
根据本发明的实施方式的另一特征，该控制器被配置成实现亮度调节，并且其中，该亮度调节的至少一部分是使用由该激光二极管生成的光的脉冲的脉冲宽度调制来实现的。
根据本发明的实施方式的另一特征，该图像投射仪还包括扫描装置，该扫描装置被配置用于跨该投射仪的图像平面扫描来自该激光二极管的照明。
根据本发明的实施方式的另一特征，该图像投射仪还包括电可切换光衰减器，该电可切换光衰减器被部署用于使从该图像投射仪输出的来自该激光二极管的光的输出强度与扫描同步地变化。
根据本发明的实施方式的另一特征，该图像投射仪还包括位于由该激光二极管生成的光的路径中的路径倍增反射器装置，该路径倍增反射器装置包括全反射器和至少一个部分反射器，该至少一个部分反射器被部署成平行于该全反射器并且与该全反射器间隔超过该相干长度的一半。
根据本发明的实施方式的另一特征，该图像投射仪还包括位于由该激光二极管生成的光的路径中的路径倍增漫射器装置，该路径倍增漫射器装置包括反射器和漫射器层，该漫射器层被部署成平行于该反射器并且与该反射器间隔超过该相干长度的一半，使得由该激光二极管生成的光通过该漫射器层、从该反射器反射并且再次通过该漫射器层。
附图说明
本文中仅通过示例的方式参照附图描述了本发明，在附图中：
图1是根据本发明的实施方式的采用多个激光二极管作为照明源而构造和操作的近眼显示器的示意性等距视图；
图2A是示意性地示出针对来自图1的近眼显示器的激光二极管的、作为输出功率的函数的相干长度的变化的图；
图2B是针对输出光束的不同相干程度的激光二极管输出的空间照明分布的示意性表示；
图2C是与图2A类似的示出了应用最大相干长度阈值来限定针对图1的近眼显示器中的激光二极管的操作的允许的启动功率水平的图；
图3A是示出了针对使用相等持续周期时间以实现白平衡的三个不同颜色的激光二极管的、作为时间的函数的相对启动功率水平的图；
图3B是与图3A类似的示出了针对每个激光二极管使用全功率以及针对每个颜色使用相应周期的不同持续时间的对应的白平衡的图；
图3C是与图3B类似的示出了使用相对于最大标称功率额定值的150％功率水平以实现与图3B相同的感知输出照明的图；
图3D是与图3B类似的示出了通过脉冲宽度调制获得的50％感知照明水平的图；
图3E是与图3D类似的示出了通过将针对每个激光二极管的离散优选功率水平的选择与脉冲宽度调制结合在一起而获得的50％感知照明的实现的图；
图4A是基于空间光调制器的用于图1的近眼显示器的图像投射仪的示例性光学配置的侧视图；
图4B和图4C分别是来自图4A的示出了使用部分反射器以在激光二极管与空间光调制器之间生成多个光路的棱镜反射器和反射透镜的放大表示；
图5A是与4B类似的示出了在两个反射器之间注入来自激光二极管的光的图；
图5B是与图4B类似的示出了使用多个部分反射器的图4B的修改的图；
图6是与图4B类似的部署有漫射器层以生成多路径效果的图；以及
图7是图1的近眼显示器的实现的光学部件的示意性侧视图，其示出了基于窄扫描光束的调制的图像投射仪。
具体实施方式
本发明是近眼显示器。
参考附图和所附说明书，可以更好地理解根据本发明的近眼显示器的原理和操作。
介绍-相干长度变化
原则上，非相干照明将是近眼显示应用的优选替选方案，因为非相干照明产生平滑的图像而没有称为“斑点”的非均匀性。通过利用空间和时间上不相关的波前来实现非相干性。
激光器中的内部波前被称为从激光器向外辐射作为输出光束或波前的“模”。激光器中特定的模的存在取决于激光功率(功率越大，模越多)和激光器长度(每个模以特定长度周期性地存在)。这些模通常具有多个横向空间分布和波长。激光器中活跃的模越多，输出光束的相干性越小。
可以使用被称为辐射的“相干长度”的参数来量化激光(或其他)辐射的相干程度。相干长度是相干波保持特定相干程度的传播距离。当所有干涉波所采用的路径相差小于相干长度时，波干涉强。相反，如果随后组合的不同光路的路径长度的差异相差大于相干长度，则干涉效应通常小。
针对可以通过实验评估的可测量参数，可以使用迈克尔逊干涉仪来测量相干长度，并且相干长度是自干涉激光束的光路长度差，其对应于1/e＝37％条纹可见度，其中条纹可见度V定义为：
Figure BDA0002353350520000051
其中I是跨条纹图案的强度的最大值或最小值。
激光二极管往往具有相对短的腔和很少的活跃模，并且活跃模的实际数量根据操作条件而变化。因此，二极管激光器中的相干长度通常从几毫米(或甚至几厘米)低至小于一毫米来变化。
通过使所提供的电流变化而使施加到激光二极管的泵功率变化改变了有效的激光相干长度。图2A示出了作为输出功率(其与输入的泵功率单调相关)的函数的相干长度的示例。
相干长度与激光器中的活跃模的数量成反比地相关。在低功率(区域10)下，激光器接近单模(纵向和横向)操作，并且相干长度最大。随着功率增加，更多模变得活跃，从而提供了随着增加的功率相干长度减小的总体趋势。高阶模周期性地变得活跃，从而生成叠加在相干长度减小的总体趋势上的起伏函数，如图中所示。如果条件对于高阶模而言有利，则高阶模变得活跃，导致如点14所示的相干长度的局部最小值。在有效腔长度变得不太利于这些模的情况下，这些模变得不活跃并且相干长度朝向局部最大值12增加。该过程周期性地持续直到最高激光额定功率(点16)。作为二极管启动功率的函数的、由激光二极管生成的生成光的相干长度的总体特征变化可以如图2A所示是连续的，或者可以具有不连续性。
系统概述
图1示意性地示出了用于将图像投射到观察者的眼睛(未示出)的近眼显示器60的概述。近眼显示器包括具有为平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面的光导光学元件(LOE)或“波导”62。投射与图像对应的照明的图像投射仪64光学耦合至LOE 62，以将照明引入LOE中，以便通过在第一主外表面和第二主外表面处的内反射而在LOE内传播。例如，图像投射仪64与LOE 62的光学耦合可以通过任何合适的光学耦合(例如，经由具有倾斜角度的输入表面的耦合棱镜、或者经由反射耦合装置、经由LOE的主外表面的侧边缘和/或一个主外表面)来实现。耦入装置的细节对于本发明并不重要，并且未在该示意性表示中示出。
图像投射仪64包括至少一个发光激光二极管66以及用于启动激光二极管以生成光的控制器68，控制器68优选地采用来自小型车载电池(未示出)或一些其他合适电源的电力。图像投射仪64通常还包括空间光调制器(例如，LCOS芯片)，该空间光调制器被部署在图像投射仪的图像平面中，以便被来自发光激光二极管的光至少部分地照明。(如果仅部分地照明，则通过使用额外的激光二极管或通过引入跨LCOS的照明区域的扫描运动来实现LCOS芯片的完全照明，例如共同转让的PCT专利申请公布第WO2019/111237 A1号中所描述的。)空间光调制器调制图像的每个像素的投射强度，从而生成图像。替选地，图像投射仪可以包括扫描装置，该扫描装置通常使用快速扫描镜实现，该快速扫描镜扫描来自激光二极管的跨投射仪的图像平面的照明，同时光束的强度逐像素与运动同步地变化，从而为每个像素投射期望的强度。在两种情况下，提供准直光学器件以生成准直到无限远的输出投射图像。如本领域所公知的，上述部件中的一些或全部通常布置在一个或更多个PBS立方体或其他棱镜装置的表面上。
应当理解，控制器68包括电子部件(例如至少一个处理器或处理电路系统)用于与LCOS或其他图像发生器的启动同步地驱动激光二极管，或者在下面讨论的扫描激光器实现中，用于与扫描机构和任何衰减器同步地驱动激光二极管，所有这些都是本领域已知的。因此，如本领域普通技术人员容易地理解的那样，控制器将包括无论是被实现为专用硬件、ASIC、在合适软件的控制下操作的通用处理器还是被实现为任何硬件/软件/固件组合的所有相关的驱动器电路系统。
如上所述，用于将图像耦入到LOE中——例如通过使用耦入反射器或通过呈合适角度的耦合棱镜——的合适的耦入配置在本领域中是公知的。图像投射仪与LOE之间的耦合可以是直接的，或者可以是经由附加的孔径扩展装置，该孔径扩展装置用于扩展图像跨其被注入LOE的平面的孔径的尺寸。除非另有说明，否则投射仪和耦入配置两者的细节通常类似于可从鲁姆斯有限公司(LUMUS Ltd.)(以色列)商购获得的已知配置，并且为了简明呈现，这里仅对其示意性地表示。
近眼显示器还包括耦出装置(由虚线矩形70示意性地表示)，耦出装置被部署用于朝向观察者的眼睛将照明耦出LOE以由观察者观察。将在下面参照图7进一步讨论的耦出装置通常实现为部署在LOE 62内、与主外表面成倾斜角度的多个相互平行的部分反射表面(或“小平面”)。耦出装置在多个部分反射表面的相邻表面之间具有间隔。小平面通常具有角度相关涂层，以在某些角度提供高透光率以及在其他角度提供部分反射，以仅耦出所需图像(而不是其共轭图像)。包括这样的小平面的LOE的各种实现方式可从鲁姆斯有限公司(以色列)商购获得。
本发明的近眼显示器60通常是头戴式显示器，因此优选地包括支承装置，该支承装置被配置用于在第二主外表面与观察者的眼睛呈面向关系的情况下相对于观察者的头部支承LOE 62。支承装置在图1中示意性地示出为眼镜框架结构，其包括用于相对于观察者的耳朵支承显示器的侧72。这只是还包括头带安装结构和与头盔相关联的显示器的多个选项中的一个。支承装置本身的细节对于本发明并不重要，并且本文不再详细描述。本文的描述始终涉及适合于向用户或“观察者”的一只眼睛提供图像的显示器的部件，但是如本领域已知的那样优选地是以立体视觉装置向用户的每只眼睛提供，其中显示给每只眼睛合适的图像。其他硬件部件(例如电源、通信子系统、传感器、输入设备等)都根据设备设计和预期应用通常被添加到近眼显示器，这对于本领域普通技术人员来说将是清楚的。
激光器激活的选择性功率水平
根据本发明的某些实施方式的一个方面，控制器68被配置成以二极管启动功率的水平启动一个或更多个激光二极管66，该二极管启动功率生成具有足够小到减少或消除用户观察到的图像中可见的干涉相关伪像的相干长度的光。因此，根据一个特别优选的选项，控制器68以与在作为每个激光二极管的二极管启动功率的函数的、生成光的相干长度的特征变化中的一个或更多个极小值14或全局最小值18(例如，如图2A所示)对应的离散功率水平来操作每个激光二极管66，从而使干涉相关效应最小化。局部极小值和/或全局最小值可能优于最大输出功率水平16。在这些最小相干长度点处，图像相对于角度扩展20(与功率水平10和功率水平12的操作相关联)具有较小的斑点噪声并且空间照明分布较宽，如图2B中的22(与功率水平14和功率水平18相关联)所示。通过调节系统的其他部件或参数(例如，通过在LCOS上缩放图像数据、通过脉冲宽度调制或通过使用外部衰减器(如参照下面图7中的衰减器113描述的))来实现中间亮度功率水平(在优选的离散功率水平之间)。
在一些情况下，通过激活未被特别选择以对应于相干长度函数的极小值而是接近函数的最小值的选择性功率水平，可以消除或充分减少干涉相关效应的可见性。在该上下文中，“接近最小值”优选地定义为位于与函数的最小值与相邻最大值之间的相干长度范围的下半部分对应的范围内。
在某些优选实现方式中，有利的是实现控制器68使得激光二极管的功率水平可以在一个或更多个允许的值范围内连续地变化(即，通过多个紧密间隔的水平)，该范围不包括与所述函数的最大值对应的至少一个二极管启动功率水平。
替选地，可以由使得相干长度低于特定阈值的值范围来有利地限定允许的值范围。图2C示出了相干长度阈值应用于图2A的相干长度函数。低于阈值的区域被加阴影，并且根据该方法来限定控制器68可以操作激光二极管66的允许的功率水平的范围。
以一个特别优选的示例的方式，如果相干长度保持小于耦出配置的相邻部分反射表面之间的间隔的二倍，则通常消除诸如斑点的干涉效应，或者将干涉效应至少降低到其不打扰用户的可接受的水平。
图2A的图可能由于激光器热沉温度而变化。在某些情况下，针对典型的操作温度来校准系统可能就足够了。在一些特别优选的实现方式中，采用温度传感器来向控制器提供输入，并且根据温度校准图表(参数定义的或查找表)来确定优选的功率水平或允许的功率水平范围。
替选地，空间传感器可以用于检测激光器的实际空间噪声并将驱动功率设置成最小的空间噪声。在特定示例性实现方式中用于这样的传感器的合适位置的示例被示出为图4A中的元件23A和元件23B以及图7中的元件115。
应注意，诸如图2A中的相干长度对功率函数对于每个激光二极管是特定的，并且可以在值和形式两者方面显著变化。因此，当处理具有多个源(例如，RGB彩色显示器)的系统时，根据激光二极管的特定特性对每个激光二极管执行功率水平管理。在一些情况下，二极管中的一个或更多个可以在不需要施加限制的功率水平的整个操作范围内具有足够短的相干长度，而另一个二极管可能需要在功率水平的非常有限的范围内操作。在某些情况下，特别是在相干长度超过正常功率水平操作范围内的期望阈值的情况下，可能优选在大于激光二极管的最大标称功率额定值的功率下(例如，以150％的功率)操作激光二极管中的一个或更多个，以达到降低的相干长度条件。只要时间平均功率输出保持低于额定值，通常可以在短时段内超过最大功率额定值而不损坏激光二极管。
空间光调制器实现方式
在实现方式的第一子集中，激光二极管泛光照明用作图像生成器的空间光调制器，例如LCOS芯片。激光平均功率决定了观察者所感知的LCOS的最亮像素的整体亮度。通过使用不同颜色的顺序照明来生成颜色。
到目前为止用于避免斑点的、关于每个激光二极管的操作功率所描述的限制必须与实现来自所有激光颜色(红色、绿色和蓝色)的连续灰度级水平的需要相协调，并且光源的功率必须被校准以便获得在最大投射功率下进入观察者的白色照明。
为了实现白平衡，如图3A所示，通常在不同的相对功率下激活按顺序操作的颜色源。在许多情况下，红色源具有低的最大功率，因此在最大功率R1下操作，而其他光源(G1，B1)在较低功率下激活以实现白平衡。当以这种方式操作时，相对于每个源在全功率下的操作减小系统的最大输出功率。(这只是示例，并且根据光学系统的源功率和光谱透射率，红色以外的颜色可能是白色输出功率的“瓶颈”)。
作为优选的替选方案，可以通过如图3B所示修改每个颜色源的时隙在颜色序列操作中实现白平衡。在该示例中，红色时隙基本上是较大R2并且其他颜色源被适当地修改(G2，B2)，所以它们各自在最大输出功率下操作。
例如，如果在相等的时间段序列(图3A)中，在R1_功率＝100％、R2_功率＝66％和B1_功率＝33％下实现白平衡，那么在经修改时隙下，定时将是R2_定时＝50％、G2_定时＝33％和B2_定时＝16％。因此，总输出功率将增加50％。
激光器的平均总输出功率受限。超过此限制将导致激光器损坏。图3C示出了根据本发明的实施方式的一个方面的激活方案，在该激活方案中，峰值强度增加到150％，而通过将脉冲持续时间缩短2/3来保持最大平均功率。因此，未超过激光器最大功率但是在操作期间，根据需要激活更多模并且输出光束不那么相干。在这个过程中，牺牲了一些效率，因为激光二极管中的高阶模往往具有更多的内部损耗。激光功率限制在峰值功率与脉冲持续时间之间可以是非线性的，并且该限制不应被超过。
为了在不损害对用于操作激光二极管的允许的功率水平的上述限制的情况下使整体图像亮度变化，可以使用脉冲宽度调制(PWM)有利地实现功率减少。对于简单的系统管理，白平衡的时隙设置为常量。图3D示出了通过减少每个时隙内的照明时间的降低的照明水平。在该示例中，源的激活时间减少一半，以便生成一半系统亮度(相对于3B)，同时通过采用与图2A中的最小相干长度点18对应的照明功率来保持照明质量。
图3E示出了该方法的修改，其中，PWM方法与可用于与每个激光二极管的多个优选离散功率水平的使用相结合。在该图中，颜色顺序化的输出被设置成为如2D中的50％。在该示例中，点划线表示激光器的优选功率水平(根据经验确定，针对每个激光器而不同，并且针对每个激光二极管优选地对应于诸如图2A的点14和点18的点)。所选择的功率水平是在通过每个彩色激光器的照明时间实现精细功率调节时尽可能最低的。
相干多路径减少
即使在如上所述采取预防措施来减小相干长度的情况下，在多个光路具有比相干长度短的路径差的任何地方仍可能发生干涉效应。例如，这可能发生在漫射器和(偏振分束器中的偏振管理所需的)诸如波片的其他薄光学元件中，其中从薄元件的前表面与后表面两者反射照明。根据本发明的某些实现方式的另一个优选特征，通过将激光波前分裂为非相干子波前来进一步减小这些干涉图案。这些子波前中的每一个子波前具有相差大于波前的相干长度的不同光路。
图4A示出了具有单独的照明和成像光路的光学图像投射仪。具有照明和成像的交叠光路的其他类似系统也是相关的，但为了清楚起见，选择这种空间分离的配置用于说明。
激光器30将发散光线透射到棱镜32上。反射光线穿过漫射器34，该漫射器34分散光线以照明图像发生器(LCOS)42的全部(为清楚起见未示出分散的光线)。在漫射器34之后，PBS(偏振分束器)36将透射的光线转移到反射光学器件38上，反射光学器件38将光线聚焦到LCOS42上。反射的光线穿过PBS 40和PBS 44以被反射器46准直到入口48上到达波导(未示出)。这个入口是光学系统的终止。优选地，通过使漫射器光瞳34为48的共轭图像平面来优选地优化照明效率。如在本领域已知的，在光学器件38和光学器件46的前面提供四分之一波片以转换偏振以便实现通过PBS的所需反射或透射。可以通过将空间传感器(像素传感器)放置在具有照明残余的光路上来执行非均匀性感测。例如放置在23A上或优选地在23B上，其中漫射器34的相位图案被转换成强度图案。
根据本发明的某些实施方式的一个方面，通过在照明光学部分(从激光二极管到LCOS限定)中生成多个路径来减少斑点。图4B示出了一个实现方式，在该实现方式中，棱镜32包括两个反射表面：50A是部分反射器，以及50B优选是全(100％)反射器。如该图中的箭头所示，部分光被50A反射，部分光被50B反射，部分光在两个表面之间的多次反射之后被反射。优选地，这些反射器之间来回的光路(考虑折射率和传播角)大于如前所述的照明激光器的相干长度。在某些情况下，这将要求50A与50B之间的间隔为至少约1mm。少数相互非相干反射照明漫射器和其他部件以生成不同的非均匀性图案。这些图案是非相干组合的，因此提供了与作为各个反射的平方根加权平均的随机非均匀性的平均值对应的视觉印象。通过向50A引入更多部分反射平面，生成更多反射并且进一步减少斑点噪声。图4C示出了该概念的替选实现方式，其中包括与反射光学器件38的弯曲(凹入)全反射器52B平行的弯曲(凹入)部分反射器52A。这通过与图4B相同的原理操作，但是当从52A的后表面反射时多个内反射经历相反(凸起)光学功率，从而确保施加到所有反射的净光学功率与来自凹表面之一的单个反射保持相同。
图5A示出了图4B的变型，其中在外部100％反射平面50B与内部部分反射平面54之间引入来自源30的光。在这种配置中，平面54的反射率高，从而生成更多的非相干反射。注入光可以是准直的，并且平面54和平面50B可以不平行，从而改善生成的波前均匀性。来自层54与层50B之间的输出耦合可以通过使用称为“小平面”的平行部分反射器实现。
图5B示出了图4B的另一变型，其中包括更多平面。平面50B是100％反射器，而其他平面是部分反射的(50A和50C)。更多的反射平面能够生成更多的非相干波前，从而进一步减少斑点噪声。
所描述的中间反射器的部分反射率可以通过适当的涂层设计被设计成波长选择性和角度选择性。斑点最可能在较长波长中可见，因此在红色时较高的反射率是优选的。如果横向扩展是极限，则反射率可以被设计成在较高角度时较低。
图6示出了减少斑点噪声的另一配置。在这种配置中，漫射器34重新定位为靠近100％反射器50B的漫射器55。漫射器55的角度扩展应使得两次通过它生成作为漫射器34的等效的光扩展(实际上是扩展的平方根上的一个)。漫射器55与反射面50B之间的距离应大于相干长度。优选地，修改光学器件38(图4A)以在反射器平面50B上生成终止48的图像。该配置生成非均匀性和斑点的非相干平均，从而改善图像质量。
扫描激光照明
如上所述，生成用于近眼显示器的图像的替选方法采用扫描窄光束以生成图像的激光扫描配置。在这种情况下，需要激光功率的连续变化。优选在保持短相干长度时实现该连续变化。图7示出了可以如何实现该连续变化的方法。
图7描述了由透镜112准直以生成准直光束的激光源110。这里，光束示意性地示出为两个相互相干的(具有相同相位)光束La1和光束Lb1。根据本发明的一个方面的某些特别优选的实现方式，光束通过可变衰减器113。在某些实现方式中，光束还通过分束器109，其中，优选具有低比例反射的部分反射分束器，并且转移的光束传递到功率检测器115上。然后，由通常使用MEMS技术实现的高速扫描镜117反射透射的光束，然后透射的光束进入波导114以通过全内反射反射。反射光束被标记为光束La2和光束Lb2。当这两条光线照射在部分反射器平面116a上时，这两条光线被部分地反射为光线La3和光线Lb3。由于表面116a是平面的，因此这两条光线继续相对于彼此相干。因此，透镜118(表示观察者眼睛)将光线聚焦到斑点120(视网膜)上。由于La3和Lb3彼此相干而不是在斑点120中，因此La3和Lb3将生成相长干涉。
光线Lb2的一部分由部分反射器平面116a透射，并继续从小平面116b反射为光线Lb4。该光线也被透镜118聚焦到斑点120上。小平面116a与小平面116b之间的距离未精确地设定在波长的一部分内。因此，Lb4与Lb3和La3的干涉是未定义的。Lb4和Lb3的光程差标记为DL，但是对于一系列不同的场，Lb4和Lb3的光程差可以粗略地近似为部分反射表面之间的间隔的两倍。根据如上所述的本发明的实现方式的原理，激光器的启动功率水平优选地被选择为确保相干长度将小于DL。因此，实现了最大可能的激光效率，而不在从各个小平面反射的光之间生成干涉。
在图7的描述中，为了简化呈现起见，仅示出了两个部分反射表面116a和116b。通常，在实际的实现方式中，使用更多的小平面，所有小平面都是平面的且平行的。在使用非均匀间隔的情况下，优选地根据部分反射表面间隔的最小值来设定相干长度的阈值。
在激光器的扫描期间可以采用多种方法来实现光束的功率调制。在足够高速的衰减器113(例如，某些干涉式高速可切换衰减器)可用的情况下，激光器110的功率可以被设置成与图2A中的点14或点18对应的离散值之一，或者可以在这些值之间被快速地切换，并且高速光衰减器可以用于提供中间光功率水平。在如图2C所示激光二极管启动功率水平的连续范围可用的情况下，优选地针对快速变化的像素强度值使用激光二极管启动功率水平的变化，同时可以使用衰减器113针对整个图像或者针对图像内的像素区域将允许的强度范围转置到输出强度范围的较低部分。在这种情况下，可以使用LCD元件实现合适的可变光衰减器。
附加地或替选地，在某个像素所需的像素强度值落入启动功率水平的禁止(即，高于阈值的相干长度)区域的情况下，可以通过用低于和高于“正确”水平的允许的功率水平在(相关颜色的)连续帧中交替地照明该像素来实现可接受的视觉效果，使得由观察者的眼睛融合的总像素强度近似于所需的像素强度。在一些情况下，低于正确水平的强度可以是零，这意味着可以在一帧中用更高强度照明该像素，然后在下一帧中保持为暗。
来自激光器的功率优选地由功率计115监控，功率计115将检测到的强度提供给控制器(这里未示出)以进行校准。这种布置的结果是具有低相干长度和连续变化功率的高效激光扫描图像投射仪。
就在没有多项引用的情况下撰写所附权利要求书来说，这样做仅是为了适应不允许这样的多项引用的司法管辖区的形式要求。应当注意，通过使权利要求多项引用而隐含的特征的所有可能组合被明确地设想并且应该被认为是本发明的一部分。
应当理解，以上描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求中限定的本发明的范围内，许多其他实施方式是可能的。

Claims (13)

1.一种用于将图像投射到观察者的眼睛的近眼显示器，所述近眼显示器包括：
(a)光导光学元件(LOE)，所述光导光学元件具有为平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；
(b)图像投射仪，所述图像投射仪用于投射与图像对应的照明，所述图像投射仪光学耦合至所述LOE，以将照明引入所述LOE中，以便通过在所述第一主外表面和所述第二主外表面处的内反射而在所述LOE内传播，所述图像投射仪包括：
(i)至少一个发光激光二极管，以及
(ii)控制器，所述控制器用于启动所述激光二极管以生成光；以及
(c)耦出装置，所述耦出装置包括用于朝向所述观察者的眼睛将照明耦出所述LOE的、与所述第一主外表面成倾斜角度的与所述LOE相关联的多个相互平行的部分反射表面，所述耦出装置在所述多个部分反射表面的相邻表面之间具有间隔，
其中，所述发光激光二极管具有作为二极管启动功率的函数的、生成光的相干长度的特征变化，并且其中，所述控制器被配置成以生成具有小于所述间隔的二倍的相干长度的光的二极管启动功率水平来启动所述激光二极管。
2.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述控制器被配置成使所述二极管启动功率水平在不包括与所述函数的最大值对应的至少一个二极管启动功率水平的至少一个值范围内变化。
3.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述控制器被配置成使所述二极管启动功率水平在使得所述相干长度低于阈值的至少一个值范围内变化。
4.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述二极管启动功率水平接近所述函数的最小值。
5.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述二极管启动功率水平大于所述激光二极管的最大标称功率额定值。
6.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述多个部分反射表面被内部地安置在所述LOE内。
7.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述至少一个发光激光二极管被实现为生成不同颜色的可见光的至少三个发光激光二极管。
8.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述至少一个发光激光二极管被部署为照明部署在所述图像投射仪的图像平面中的空间光调制器的至少一部分。
9.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述控制器被配置成实现亮度调节，并且其中，所述亮度调节的至少一部分是使用由所述激光二极管生成的光的脉冲的脉冲宽度调制来实现的。
10.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述图像投射仪还包括扫描装置，所述扫描装置被配置用于跨所述投射仪的图像平面扫描来自所述激光二极管的照明。
11.根据权利要求10所述的近眼显示器，其中，所述图像投射仪还包括电可切换光衰减器，所述电可切换光衰减器被部署用于使从所述图像投射仪输出的来自所述激光二极管的光的输出强度与所述扫描同步地变化。
12.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述图像投射仪还包括位于由所述激光二极管生成的光的路径中的路径倍增反射器装置，所述路径倍增反射器装置包括全反射器和至少一个部分反射器，所述至少一个部分反射器被部署成平行于所述全反射器并且与所述全反射器间隔超过所述相干长度的一半。
13.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述图像投射仪还包括位于由所述激光二极管生成的光的路径中的路径倍增漫射器装置，所述路径倍增漫射器装置包括反射器和漫射器层，所述漫射器层被部署成平行于所述反射器并且与所述反射器间隔超过所述相干长度的一半，使得由所述激光二极管生成的光通过所述漫射器层、从所述反射器反射并且再次通过所述漫射器层。
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