CN111492300A - 激光投影仪和衍射显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在波导平面上呈现图像的激光投影仪。该投影仪包括能够发出多色光束(11)或多个窄波长光束(11A，11B，11C)的激光源(10，10A，10B，10C)和用于将由光源发出的光定向到波导平面的不同光瞳(16A，16B，16C)的引导元件(12A，12B)，不同光瞳在波导平面中相对于彼此移位。本发明还涉及一种包括这种投影仪的个人显示设备。

Description

激光投影仪和衍射显示设备

技术领域

本发明涉及衍射波导显示器。特别地，本发明涉及一种用于基于衍射波导的个人显示器的投影仪。

背景技术

在已知的波导显示器中，要显示的图像传播所通过的波导元件可以是单层或多层波导。已知，在单个波导中入耦合(in-coupling)并且传送整个图像，即所有波长及其全视场(FOV)。还已知，为了增加元件的FOV，将图像的波长分离到不同的层。在这种情况下，每个层包含单独的入耦合光栅，这些入耦合光栅彼此上下放置，并且被设计为仅将特定波长范围衍射到对应波导层中并且使其余波长穿过下面的层。然而，这种系统的性能并不是最佳的，特别是对于基于激光的图像投影仪而言。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的至少一些缺点，并且提供新颖的衍射波导元件及其投影仪。

本发明基于产生具有不同波长并且在波导平面上在空间上被分离到波导的不同光瞳中的至少三个窄波长光束的想法。

特别地，本发明的特征在于独立权利要求中所述的内容。

根据一个方面，提供了一种用于在波导平面上呈现图像的激光投影仪。该投影仪包括：能够发出多色光束或多个窄波长光束的激光源；以及用于将由光源发出的光定向到波导平面的不同光瞳的引导元件，不同光瞳在波导平面中相对于彼此移位，其中激光源和引导元件适于产生在波导平面上在空间上分离到上述不同光瞳中的至少三个窄波长光束，并且其中激光源和引导元件适于将上述窄波长光束以不同角度引导到上述不同光瞳，从而激光源包括适于产生与上述至少三个窄波长光束相对应的至少三个初始光束的至少三个不同激光子源，初始光束以不同角度传播到引导元件上，并且引导元件还适于将初始光束以不同角度分别朝着上述不同光瞳反射。

根据另一方面，提供了一种包括波导的波导显示元件，该波导包括彼此上下堆叠的至少三个波导层。还提供了与每个波导层相关联并且在层的平面中相对于彼此移位的衍射入耦合光栅，该入耦合光栅形成耦合到波导的不同光波长范围的输入光瞳，并且还提供了衍射出耦合(out-coupling)装置，该衍射出耦合装置用于耦合通过光瞳入耦合并且在各层中从波导传播出的光，从而形成多色图像。

在波导平面或波导的层的平面中相对于彼此移位是指在横向于波导(多层)的法线的方向上的移位。

根据另一方面，提供了一种包括衍射波导元件和上述类型的激光投影仪的个人显示设备。该投影仪适于在波导的输入光瞳上使用三个不同的波长通道提供三个图像。

本发明提供了显著的益处。在波导结构中，每种原色在单独的波导中传播，进入输入光瞳的光必须相应地分离。这表示，不仅要针对在波导内部传播的波长(颜色)，而且还要针对需要穿过波导的颜色，必须优化波导的入耦合光栅。因此，当使用诸如激光器等窄带光源时，在优化波导功能时不能充分利用光的窄带特性。针对每种原色使用单独的入耦合光瞳可以消除这个缺点，因为当进入相应波导时，原色已经被分离。因此，在波导结构的优化中需要做出的折衷较少，这导致系统的整体性能更好。

因此，在波导平面中在空间上分离输入光瞳可以确保所有颜色以高的效率和最小失真耦合到波导。

到达最远层的波长不需要通过其他颜色的入耦合光栅，从而完全避免了光束分裂和杂散波。通过本发明的实施例还可以避免穿过波导层，从而避免了表面反射和吸收损耗。

波导元件适用于个人显示设备，诸如头戴式显示器(HMD)和平视显示器(HUD)。

目前公开的激光投影仪对于目前公开的波导元件是理想的。它也可以使用一个或多个小型激光源和一个或多个MEMS反射镜在小空间中实现。

由所提出的几何形状引起的图像失真可以通过合适的光栅设计和/或软件校正来消除。

从属权利要求涉及本发明的选定实施例。

接下来，参考附图更详细地讨论本发明的实施例及其优点。

附图说明

图1A示出了投影仪和波导的横截面侧视图的示例。

图1B示出了根据本发明的投影仪和波导的横截面侧视图。

图1C示出了投影仪和波导的横截面侧视图的另一示例。

图1D示出了根据本发明的投影仪和波导的另一横截面侧视图。

图1E示出了投影仪和波导的横截面侧视图的另一示例。

图1F示出了根据本发明的投影仪和波导的另一横截面侧视图。

图2A和2B以俯视图示出了两种替代的输入光瞳配置。

图3详细示出了输入光瞳的一种可能的照射方案。

具体实施方式

图1A示出了具有激光源10的示例，该激光源10发出初始多色光束11，该初始多色光束11包含基本上沿着同一路径传播的三个波长。初始光束11撞击反射镜12A，该反射镜12A上包含有衍射光栅。光栅式反射镜12A将不同波长作为单色光束13A、13B、13C衍射到不同角度。单色光束13A、13B、13C撞击波导元件20的横向移位的输入光瞳16A、16B、16C。元件20包含彼此上下堆叠的三个波导层14A、14B、14C。输入光瞳16A，16B、16C通过分别在层14A、14B、14C的表面上提供光栅来形成，这些光栅被选择以将光束13A、13B、13C的波长分别耦合到层14A、14B、14C。

在该示例中，层14A、14B、14C具有不同的覆盖，使得光束13A、13B、13C能够直接进入入耦合光栅。

光在波导层14A、14B、14C中传播，除非光通过出耦合布置18被耦合出，该出耦合布置18通常每层包括单独的出耦合光栅。出耦合光栅彼此对准，由此用户50可以看到多色图像。

反射镜12A优选地是移动微机电(MEMS)反射镜，该移动微机电(MEMS)反射镜被配置为与激光源10的输出同步地在输入光瞳上的整个图像区域上扫描光束13A、13B、13C。

图1B示出了一个实施例，其中来自分离的激光源10A、10B、10C的三个单色光束11A、11B、11C以不同的角度朝着反射镜12B传播。反射镜12B将光束13A、13B、13C分别朝着输入光瞳16A、16B、16C重定向。在该示例中，反射镜12B不需要是光栅式的，但是例如，可以使用普通的反射MEMS反射镜。

图1C示出了一个示例，其中使用多色光源10和三个分离的反射镜22A、22B、22C。前两个反射镜22A、22B是部分透射的，并且仅反射选定波长。当反射镜22A、22B、22C与输入光瞳26A、26B、26C对准时，反射光束13A、13B、13C彼此平行并且以相同角度与入耦合光栅相遇。特别地，扫描光束的中心光线可以被布置为以直角与输入光瞳26A、26B、26C相遇。

也可以使用三个分离的激光源/反射镜对。

图1D示出了图1B的设置的变型。三个分离的激光源在本文中不是直接瞄准反射镜12B，而是首先瞄准诸如棱镜光束组合器等光束组合器19。与在多色激光源中使用的普通组合器相反，输出光束11A、11B、11C没有被布置为重叠，而是以不同角度瞄准反射镜12B。

图1E示出了一个示例，其对于投影仪部分与图1A的实施例相同，但是波导30包括在输入光瞳26A、26B、26C的区域处重叠的三个完全层。第一输入光瞳26A可以由第一光束13A直接进入，但是其他传入光束13B、13C分别穿过保留在光路上的波导层24A、24A/24B，然后撞击输入光瞳26B、26C的入耦合光栅。

图1F示出了一个实施例，其中投影仪不是扫描型的，并且不需要移动的反射镜，而是固定的反射镜，或者根本没有反射镜。图像投影仪60是能够一次呈现整个图像的广域投影仪。现在应用于本发明的多光瞳波导30，投影仪在其投影范围内发出三个分离的图像，这三个分离的图像对应于所选择的波导通道，彼此移位并且瞄准输入光瞳26A、26B、26C。反射镜22不是强制性的，但是投影仪60可以直接瞄准输入光瞳26A、26B、26C。像上面更详细讨论的扫描激光示例一样，每个波长通道也可以有单独的图像源或投影仪。

图1F的基本设置(即，瞄准不同波长以分离广域图像锥的各部分)也可以与扫描投影仪一起使用，例如激光加MEMS反射镜投影仪。

图2A和2B分别示出了用于波导层14A、14B、14C的输入光瞳16A、16B、16C的两种替代定位方案。在图2A中，光瞳是线性地定位的，而在图2B中是三角形地定位的。在这两种情况下，它们的光栅取向和/或波导中的任何中间光学元件都可以被选择为使得光被定向到层14A、14B、14C的出耦合光栅18A、18B、18C。除线性和三角形以外的其他配置也是可能的。

为了例示不同的可能性，与图2A中的圆形相反，图2B中的光瞳形状为矩形。同样，元件中光瞳的尺寸可以不同。这是有益的，例如以考虑到光瞳距投影仪镜的不同距离以及因此在更远光瞳处“光锥”的扩大。

在一些实施例中，光瞳形状是投影角校正的，例如具有椭圆形或偏斜矩形的形状。

图3示出了在图1A、1B、1D、1E和1F的实施例的情况下的输入光瞳的照射。传入的中心光束13A、13B、13C分别以角度17A、17B、17C到达光瞳16A、16B、16C。这些角度之一可以是直角，但是至少两个角度必须不同于直角。值得注意的是，在任何情况下，传入光线13A、13B、13C之间存在角度。这导致对于每个输入光瞳，传入光的中心光束的视场角是不同的。为了对此进行补偿，输入光瞳16A、16B、16C的入耦合光栅可以不同并且被配置为校正经入耦合的光的FOV，从而保持出耦合图像的完整性。

另一失真来源是图像朝着输入光瞳的远端区域的拉伸，即，在光束扫描(扫描激光投影仪)过程中或在广域图像的远端区域(广域投影仪)中，当角度减小时。作为示例，在输入光瞳16C处示出了角度为17C'的远端光线13C'。这种失真可以在投影仪端被校正(通常作为软件校正)，该校正通过对待投影图像进行对应修改使得拉伸得到补偿。

在图1C的实施例中，不存在FOV移位误差，即，中心光线角17A、17B、17C为90度，但是拉伸问题(角度17C')保持较小程度并且可以以类似方式来校正。

所示出的两种波导元件类型中的任何一种可以与本文中讨论的任何投影仪配置一起使用。

接下来，总结本发明的实施例。实施例可以自由地组合。

在一些实施例中，至少两个入耦合光栅位于波导层之间，一个或多个波导层覆盖入耦合光栅以允许光传递到入耦合光栅。这具有元件厚度恒定的优点。

在一些实施例中，波导层具有不同的平面内覆盖，并且每个入耦合光栅位于相应波导层的表面上的元件的外表面上。由于没有中间层，因此可以使入耦合效率最大化。通过在下面的层的输入光瞳的位置处提供不同尺寸的层和/或向顶层提供孔来实现不同的覆盖。

输入光瞳不必具有相同的尺寸和形状。

在一些实施例中，激光源和引导元件适于将窄波长光束以不同的角度定向到不同的输入光瞳，并且在输入光瞳处的入耦合光栅被配置为使针对每个光瞳以不同中心角到达的光束入耦合并且针对经入耦合的光进行视场移位校正。该校正可以通过光栅微结构的适当设计来进行，使得同一视场有效地在每个光瞳处耦合到波导。

在一些实施例中，激光源和引导元件适于将窄波长光束作为在空间上彼此移位的平行光束定位到输入光瞳，并且输入光瞳被配置为将以相同角度到达的光入耦合到波导层。在这种情况下，不需要FOV移位校正。但是，如上所述，优选地，朝着光瞳的远端区域拉伸的图像被校正。

在一些实施例中，输入光瞳在波导的平面中相对于彼此线性地或呈三角形地定位并且彼此不重叠。

在一些实施例中，在光栅周期和/或光栅微结构轮廓方面，每个入耦合光栅相对于其他入耦合光栅是不同的。这允许单独优化光的传播特性。例如，与仅使用单个光栅的情况相比，可以将不同波长的传播跳长度调节为彼此更接近。

在一些实施例中，激光源适于产生多色光束，并且引导元件适于将窄波长光束与多色光束分离。在一些实施例中，引导元件包括光栅式反射镜，该光栅式反射镜能够将来自多色光束的至少三个窄波长光束分离成朝着波导平面的不同角度。

在一些实施例中，激光源包括适于产生与窄波长光束相对应的至少三个初始光束的至少三个不同的激光子源，初始光束以不同角度传播到引导元件上，并且引导元件还适于以不同角度分别朝着不同区域反射初始光束。在一些实施例中，子源是位于不同位置且处于朝着引导元件定向的不同角度的激光源。在替代实施例中，激光源包括三个激光源和适于以不同角度朝着引导元件产生窄波长光束的棱镜耦合器。

在一些实施例中，引导元件包括一个或多个微机电反射镜。在一些实施例中，一个或多个反射镜是可移动的，从而向输入光瞳内的不同位置上产生扫描光束以便形成图像。

在一些实施例中，不同光瞳在波导平面上相对于彼此线性地或呈三角形地定位并且彼此不重叠。

在一些实施例中，激光图像投影仪是扫描激光束投影仪，该扫描激光束投影仪被配置为同时或以交错方式用不同波长的激光束扫描输入光瞳。在替代实施例中，激光图像投影仪是被配置为将不同波长的子图像同时呈现给输入光瞳的大面积投影仪。

在一些实施例中，每个输入光瞳包括衍射入耦合光栅，并且波导还包括彼此对准以为用户呈现多色图像的多个出耦合光栅。

在一些实施例中，提供了一种用于投影仪的驱动器，该驱动器包括软件装置，该软件装置用于校正由引导元件对窄波长光束进行的空间分离引起的图像失真(换言之，远端光束相对于中心光束的偏差)，诸如拉伸和/或强度失真。

本发明的实施例可以以其不同形式用于各种个人显示设备、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和混合现实(MR)设备中，例如近眼显示器(NED)和其他头戴式显示器(HMD)以及平视显示器(HUD)。

尽管这里没有详细讨论，但是除了入耦合和出耦合光栅，波导或其各个层还可以包括其他衍射光学元件，诸如出射光瞳扩展器光栅或光束重定向光栅。

Claims (9)

1.一种用于在波导平面上呈现图像的激光投影仪，包括：

-激光源，所述激光源能够发出多个窄波长光束，

-引导元件，所述引导元件用于将由所述激光源发出的光定向到所述波导平面的不同光瞳，所述不同光瞳在所述波导平面中相对于彼此移位，

其中，所述激光源和所述引导元件适于产生在所述波导平面上在空间上分离到所述不同光瞳中的至少三个窄波长光束，

其中，所述激光源和所述引导元件适于将所述窄波长光束以不同角度定向到所述不同光瞳，从而所述激光源包括适于产生与所述至少三个窄波长光束相对应的至少三个初始光束的至少三个不同激光子源，所述初始光束以不同角度传播到所述引导元件上，并且所述引导元件还适于将所述初始光束以不同角度分别朝着所述不同光瞳反射。

2.根据权利要求1所述的投影仪，其中，所述子源是位于不同位置且处于朝着所述引导元件定向的不同角度的激光源。

3.根据权利要求1或2所述的投影仪，其中，所述激光源包括三个激光源和棱镜耦合器，所述棱镜耦合器适于以不同角度朝着所述引导元件产生所述窄波长光束。

4.根据前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，所述引导元件包括一个或多个微机电反射镜。

5.根据前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，所述引导元件是可移动的，从而向所述输入光瞳内的不同位置上产生扫描光束以形成所述图像。

6.根据前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，所述不同光瞳在所述波导平面上相对于彼此线性地或呈三角形地定位并且彼此不重叠。

7.一种衍射式个人显示设备，包括：

-衍射波导，所述衍射波导具有波导平面并且包括在所述波导平面中彼此移位的至少三个输入光瞳，

-投影仪，所述投影仪用于将至少三个窄波长光束投射到所述输入光瞳，

其中，所述投影仪是根据前述权利要求中任一项所述的投影仪。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述波导包括至少三个波导层，并且所述输入光瞳位于不同的层。

9.根据权利要求7或8所述的设备，其中，每个输入光瞳包括衍射入耦合光栅，并且所述波导还包括用于向用户呈现多色图像的彼此对准的多个出耦合光栅。

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