CN111630417A - 光投影仪 - Google Patents

Abstract

公开了用于增强现实耳机的光投影仪(2；102)。光投影仪包括：图像产生器(4；104)，其构造成用非偏振光提供图像；以及分束器(6；106)，其构造成接收来自图像产生器的非偏振光并将其分成第一路径和第二路径。第一光学装置构造成接收来自分束器的在第一路径中的光，使光被反射、聚焦并导向回分束器。第二光学装置构造成接收来自分束器的在第二路径中的光，使得光被反射、聚焦并导向回分束器，其中，第一光学装置和第二光学装置分别包括第一镜(12；112)和第二镜(22；122)。分束器构造成接收和组合来自第一光学装置和第二光学装置的光，使非偏振的组合光被提供至出射光瞳，且第一光学装置和第二光学装置相对于彼此成角度，使得来自第一路径的图像与来自第二路径的图像对准。

Description

光投影仪

技术领域

本发明涉及光投影仪，特别地涉及用于增强现实应用或虚拟现实应用的光投影仪。

背景技术

在增强现实耳机中，透明的波导设置在用户的眼睛前面。光投影仪将光朝向波导透射。来自投影仪的光可以通过输入衍射光栅耦合至波导中。然后，光通过全内反射在波导内传播并且输出衍射光栅将光耦合出波导并朝向观察者。在使用中，观察者可以看到通过透明的波导透射的来自其的外部环境光、以及来自投影仪的投射光。这可以提供增强现实体验。

鸟浴投影仪已经被用于产生要被朝向增强现实波导传输的图像。鸟浴投影仪的工作原理是鸟浴投影仪沿第一方向提供光，然后聚焦光以沿垂直于第一方向的第二方向输出。分束器通常用在鸟浴设计中以将光转动过90°。当输入光被线性偏振时，这些设计可以以高效率运行。

共同未决的专利申请GB 1714414.8描述了一种鸟浴投影仪，该鸟浴投影仪使用硅基液晶(LCOS)面板来以反射光产生图像。通常，LCOS面板用线偏振光照射。LCOS面板像素可以设置成“亮”或“暗”。在一种布置中，“暗”像素在其偏振状态不变的情况下反射光。“亮”像素可以在其偏振态偏移或转换的情况下反射光。然后“亮”像素和“暗”像素可以通过使用偏振滤光器——比如偏振分束器——分离，该偏振滤光器将仅使来自“亮”像素的光通过。以这种方式，可以过滤来自“暗”像素的光，使得来自“暗”像素的光不朝向出射光瞳和增强现实波导行进。这种设计非常有效。然而，这种设计仅适用于输入光被线性偏振的情况。

可以使用非偏振光源，但前提是它们首先穿过线性偏振滤光器，这通常会拒绝大约50％的非偏振入射光。将令人满意的是生产一种能够在以较高的效率操作的同时使用非偏振光源的投影仪。

发明内容

增强现实领域中的目标是提供具有投射光的全色可穿戴显示器。关于这些可穿戴显示器内的光投影仪存在许多挑战。可穿戴显示器中的电池需要保持小型并且轻重量，因此电池资源需要谨慎地管理。此外，光学部件需要被制成紧凑且稳健的，以使光学部件可以容易地结合在可以承受粗糙处理的耳机中。

本发明的目的是解决这些问题中的一些问题。

根据本发明的方面，提供了一种用于增强现实耳机的光投影仪，该光投影仪包括：图像产生器，该图像产生器构造成用非偏振光提供图像；分束器，该分束器构造成接收来自图像产生器的非偏振光并将其分成第一路径和第二路径；第一光学装置，该第一光学装置构造成接收来自分束器的在第一路径中的光，使得光被反射、聚焦并导向回分束器；以及第二光学装置，该第二光学装置构造成接收来自分束器的在第二路径中的光，使得光被反射、聚焦并导向回分束器，其中第一光学装置和第二光学装置包括第一镜和第二镜；其中分束器构造成接收和组合来自第一光学装置和第二光学装置的光，使得非偏振的组合光被提供至出射光瞳，并且其中，第一光学装置和第二光学装置相对于彼此成角度使得来自第一路径的图像与来自第二路径的图像对准。

在这种方式中，可以以高的效率从投影仪输出非偏振光。由于在与分束器相互作用之后来自第一路径和第二路径的光可以被组合并提供至出射光瞳，因此优化了投影仪的效率。这可以有利地减少投影仪的功耗，这有助于节省增强现实耳机中有限的电池资源。

优选地，第一镜和第二镜具有聚焦光的光学功率；例如，镜可以是凹面的。优选为球形的凹面镜可以聚焦并反射第一路径和第二路径中的光，使得来自相应路径的图像可以被提供至出射光瞳以射入至增强现实波导中。在一些实施方式中，第一光学装置和第二光学装置可以包括比如透镜的附加部件，该附件部件提供光学功率以聚焦或校准光。

优选地，分束器是偏振分束器，该偏振分束器构造成反射第一取向的线偏振光并透射第二取向的线偏振光，其中第一取向与第二取向正交。因此，来自图像产生器的非偏振光可以被分成在两个分离路径中的线性偏振部分。然后，从第一路径和第二路径返回的光可以在偏振分束器处重新组合使得可以在出射光瞳处提供非偏振光。偏振分束器的使用是有利的，因为这意味着投影仪可以以非常高的效率——接近于100％——操作。

第一光学部件和第二光学部件可以包括四分之一波片。光可以在第一光路和第二光路中的每一个中遇到四分之一波片两次。在这种方式中，四分之一波片可以将来自偏振分束器的线偏振光转换成圆偏振光。圆偏振光的旋向性可以通过来自镜的反射来反转。然后，与四分之一波片的第二相互作用可以将圆偏振光转换成线偏振光，该线偏振光具有与原始偏振的取向垂直的取向。因此，最初由偏振分束器沿着第一光路透射的光当光与分束器第二次相互作用时可以被反射。同样地，最初由偏振分束器沿着第二光路反射的光当光与分束器第二次相互作用时可以被透射。这可以生产出以高的效率运行的紧凑光学系统。

分束器可以包括用于非偏振光的部分反射表面。例如，分束器可以是半镀银的，或者分束器可以包括二向色光学涂层。这些分束器优选地透射并反射约50％的入射光，并且它们通常对入射光的偏振状态不敏感。

优选地，图像产生器是LED阵列。微LED阵列可以在非常小的区域中提供全色图像。来自这些阵列的光输出通常是非偏振的。可以通过红色LED、绿色LED和蓝色LED的高频操作来产生全色图像，使得这些独立的组件的组合被人眼感知为全色图像。在其他布置中，非偏振图像可以根据各种替代源光学地转送至分束器。

分束器优选地是矩形立方体，该矩形立方体包括顶面、底面和四个侧面。第一光学装置、第二光学装置、出射光瞳和图像产生器优选地附接至相应的侧面。这可以提供紧凑且物理上稳健的设计，在该设计中所有必要的部件都附接或结合至分束器。因此，优选为立方体的分束器可以形成牢固地安装有其他部件的构造块。

根据本发明的另一个方面，提供了一种增强现实耳机，包括：如前所限定的光投影仪；电源，该电源构造成将电能供应至光投影仪；波导，该波导构造成接收来自光投影仪出射光瞳的光并将其耦合朝向观察者；以及安装件，该安装件适应于安装在观察者的头上。由于投影仪的效率增加，电源可以提供有更长的寿命。或者，与用于具有较低效率的投影仪的以前的电池相比，可以提供具有类似寿命的更小的电池。

根据本发明的又一个方面，提供了一种组装用于增强现实耳机的光投影仪的方法，该方法包括以下步骤：设置图像产生器，该图像产生器构造成用非偏振光提供图像；布置分束器以接收来自图像发生器的非偏振光并将其分成第一路径和第二路径；布置包括第一镜的第一光学装置以反射和聚焦在第一路径中的光，使得光被导向分束器；布置包括第二镜的第二光学装置以反射和聚焦在第二路径中的光，使得光被导向分束器；以及对准第一光学装置和第二光学装置，使得当来自第一路径的图像与来自第二路径的图像被分束器组合并作为非偏振光提供至出射光瞳时，来自第一路径的图像与来自第二路径的图像对准。

附图说明

现在参照附图通过示例描述本发明的实施方式，其中：

图1是本发明的实施方式中的光投影仪的平面图；

图2是本发明的另一个实施方式中的光投影仪的平面图；以及

图3是本发明的另一个实施方式中的包括光投影仪的增强现实耳机的立体图。

具体实施方式

图1示出了包括照明光源4的光投影仪2。在该示例中，照明光源4是包括独立的红色LED、绿色LED和蓝色LED的微LED阵列。可以控制独立的LED以产生图像。红色LED、绿色LED和蓝色LED以高频率按顺序地操作，使得人眼仅感知到各个颜色的累积效应从而提供全色图像。来自照明光源4的光输出是非偏振的。作为微LED阵列的替代，可以使用采用非偏振光的任何类型的照明光源，其中图像被转送至照明光源4的位置。

光投影仪2包括：比如线栅偏振器的偏振分束器6；包括双合透镜的场镜阵列8；第一球面镜12；第一四分之一波片14；第二球面镜22；以及第二四分之一波片24。包括球面镜的这种光投影仪有时被称为鸟浴投影仪。

立方偏振分束器6由N-BK7制成并且具有8.5×8.5×11.5mm的尺寸(并不因此为在严格的几何意义上的立方体)。分束器6的空气-玻璃表面施加有宽波段的抗反射涂层。分束器6的作用表面布置成反射s偏振光并透射p偏振光。来自照明光源4的非偏振光被分束器6分成第一路径和第二路径，其中第一路径包括p偏振光且第二路径包括s偏振光。

具有p偏振光的第一光路在与分束器6的第一相互作用下透射。然后光入射在第一四分之一波片14上，该第一四分之一波片14附接至分束器6的一个表面。第一四分之一波片14接收来自偏振分束器6的p偏振光并将其转换成右旋圆偏振光。第一球面镜12反射并校准光。偏振光的旋向性在反射时反转使得偏振光的旋向性变成左旋圆偏振。

来自第一球面镜12的反射光在其朝向分束器6传回时再一次遇到第一四分之一波片14。第一四分之一波片14接收左旋圆偏振光并将其转换成s偏振。校准的s偏振光被偏振分束器6在作用表面处以高效率反射。然后光可以离开偏振分束器6，在那里光被接收在光瞳透镜11处。来自光瞳透镜11的光可以被导向增强现实波导(未示出)。具有高折射率的折叠棱镜(未示出)可以用于将光路反射朝向增强现实波导的输入光栅。

具有s偏振光的第二光路在与分束器6的第一相互作用下被反射。s偏振光朝向第二四分之一波片24延伸，该第二四分之一波片24结合至分束器6的表面。第二四分之一波片24接收s偏振光并将其转换成左旋圆偏振光。第二球面镜22反射并校准光。偏振光的旋向性在反射时反转，使得偏振光的旋向性变为右旋圆偏振。来自第二球面镜22的反射光在其朝向分束器6传回时再一次遇到第二四分之一波片24。第二四分之一波片24接收右旋圆偏振光并将其转换成p偏振。校准的p偏振光由偏振分束器6在作用表面处以高效率透射。然后使来自第二光路的p偏振光与来自第一光路的s偏振光组合，并且来自第二光路的p偏振光与来自第一光路的s偏振光组合在一起以形成非偏振光，该非偏振光可以朝向光瞳透镜11离开偏振分束器6。

场镜8构造成控制来自照明光源4的光线并平衡在偏振分束器6和第一球面镜12及第二球面镜22内产生的像差。

由照明光源4产生的图像由第一光路和第二光路中的光承载。重要的是，当来自第一光路和第二光路的光在分束器6处重新组合时，来自两个光路的图像对准。任何的未对准将导致可见的两个分离的图像，这是不合需求的。

来自第一光路和第二光路的图像在投影仪2的组装期间对准。第一镜12固定地附接至分束器6。第二镜22是可移动的并且其位置可以调节。在组装期间，测试图像由照明光源4产生。调节第二镜22的位置和/或取向直至来自第一路径和第二路径的图像精确地对准。然后可以将第二镜22固定就位。投影仪2中的所有光学部件都附接至立方分束器6的表面。因此，即使在粗糙处理下组件也不大可能在组装后变得未对准。

图2是本发明的另一个实施方式中的光投影仪102的平面图。在该实施方式中，分束器106具有用于非偏振光的部分反射作用表面。在一个示例中，分束器可以是半涂银的，或者分束器可以包括二向色光学涂层。这些分束器通常透射并反射约50％的入射光而对入射光的偏振无敏感性。在该实施方式中，没有附接至分束器106的四分之一波片。

在该示例中，图像由使用非偏振光的照明光源104产生。来自照明光源104的非偏振光被分束器106分成第一路径和第二路径，并且大约一半的入射光提供至第一路径且一半的入射光提供至第二路径。

第一光路包括在与分束器106的第一相互作用下透射的非偏振光。然后光入射在第一球面镜112上，该第一球面镜112校准光并将其反射回分束器106。在与分束器106的第二相互作用下，约一半的光被透射并且约一半的光被反射。反射光延伸朝向出射光瞳111，在该出射光瞳111处反射光可以离开投影仪102。透射光向回延伸朝向照明光源104。

第二光路包括在与分束器106的第一相互作用下反射的非偏振光。然后光入射在第二球面镜122上，该第二球面镜122校准光并将其反射回分束器106。在与分束器106的第二相互作用下，约一半的光被透射且约一半的光被反射。透射光与来自第一光路的反射光重新组合。非偏振的重新组合的光朝向出射光瞳111延伸，在该出射光瞳111处非偏振的重新组合的光可以离开投影仪102。在第二光路中，在与分束器106的第二相互作用下反射的光向回延伸朝向照明光源104。

在这种布置中向回朝向照明光源104延伸的光是“浪费的”光，因为其不离开投影仪102朝向增强现实波导。因此，在这种布置中，投影仪的最大光学效率约为50％。因此，使用部分反射分束器的实施方式次优选于使用偏振分束器的实施方式。

光学系统包括仅具有平面表面或球形表面的光学部件。不存在非球面组件，这有利地减少了投影仪的成本。

图3是增强现实耳机30的立体图。耳机30包括在用户的眼睛前方延伸的波导32。头带34在使用者的头部的顶部上延伸。头带34是可变形的且弹性的使得头带34可以适应于不同尺寸的头部。配重平衡物36设置在使用者的头部的后部处以抵消在使用者的头部的前方处的部件的重量并增加耳机的舒适度。配重平衡物36包括用于投影仪的控制电子设备40以及电池38。来自控制电子设备的控制信号和电力电缆被载于头带34中朝向投影仪(未示出)，该投影仪结合在邻近用户的眉毛的外壳42内。投影仪可以以上述方式操作以产生图像并将其耦合至波导32中。这可以允许用户看到投影的图像以及透过透明的波导32透射的“真实世界”的光。

Claims (9)

1.一种用于增强现实耳机的光投影仪，所述光投影仪包括：

图像产生器，所述图像产生器构造成用非偏振光提供图像；

分束器，所述分束器构造成接收来自所述图像产生器的非偏振光并将该非偏振光分成第一路径和第二路径；

第一光学装置，所述第一光学装置构造成接收来自所述分束器的在所述第一路径中的光，使得光被反射、聚焦并导回向所述分束器；以及

第二光学装置，所述第二光学装置构造成接收来自所述分束器的在所述第二路径中的光，使得光被反射、聚焦并导回向所述分束器，其中，所述第一光学装置和所述第二光学装置分别包括第一镜和第二镜，

其中，所述分束器构造成接收并组合来自所述第一光学装置和所述第二光学装置的光，使得为非偏振的组合光被提供至出射光瞳，并且其中，所述第一光学装置和所述第二光学装置相对于彼此成角度使得来自所述第一路径的图像与来自所述第二路径的图像对准。

2.根据权利要求1所述的光投影仪，其中，所述第一光学装置和所述第二光学装置包括凹面镜。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的光投影仪，其中，所述分束器是偏振分束器，所述偏振分束器构造成反射第一取向的线偏振光并透射第二取向的线偏振光，其中，所述第一取向与所述第二取向正交。

4.根据权利要求3所述的光投影仪，其中，所述第一光学部件和所述第二光学部件包括四分之一波片。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的光投影仪，其中，所述分束器包括部分反射表面。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的光投影仪，其中，所述图像产生器是LED阵列。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的光投影仪，其中，所述分束器是包括顶面、底面和四个侧面的矩形立方体，其中，所述第一光学装置、所述第二光学装置、所述出射光瞳和所述图像产生器附接至相应的侧面。

8.一种增强现实耳机，所述增强现实耳机包括：

根据前述权利要求中的任一项所述的光投影仪；

电源，所述电源构造成将电能供应至所述光投影仪；

波导，所述波导构造成接收来自所述光投影仪的出射光瞳的光并将该光耦合朝向观察者；以及

安装件，所述安装件适应于配装在观察者的头上。

9.一种组装用于增强现实耳机的光投影仪的方法，所述方法包括以下步骤：

设置构造成用非偏振光提供图像的图像产生器；

布置分束器以接收来自所述图像发生器的非偏振光并将该非偏振光分成第一路径和第二路径；

布置包括第一镜的第一光学装置以反射和聚焦在所述第一路径中的光，使得光被导向所述分束器；

布置包括第二镜的第二光学装置以反射和聚焦在所述第二路径中的光，使得光被导向所述分束器；以及

对准所述第一光学装置和所述第二光学装置，使得当来自所述第一路径的图像与来自所述第二路径的图像被所述分束器组合并作为非偏振光提供至出射光瞳时，来自所述第一路径的图像与来自所述第二路径的图像对准。

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