CN113557708A - 图像投影仪 - Google Patents

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Abstract

图像投影仪包括具有多个照明源的照明装置和倾斜镜组件，其均在控制器的控制下操作。光学装置将来自照明源的照明朝向镜引导并且引导到图像平面上。准直装置准直来自图像平面的照明以生成导向出射光阑的准直图像。控制器(830)根据数字图像的内容、与镜(814)的倾斜运动同步地调制照明源(808)中的每一个的强度。在某些实现方式中，照明源(808)被间隔开。尽管倾斜运动使每个照明源跨视场的维度中的仅一部分扫描，但是全部照明源一起跨一个维度的整体扫描。

Description

图像投影仪
技术领域
本发明涉及图像投影仪，并且特别地涉及具有用于对波导入口照明的各种配置的图像投影仪。
背景技术
已知通过对空间光调制器例如液晶显示器(LCD)、硅基液晶(LCOS)调制器或数字光处理(DLP)系统的数字微镜装置进行照明并且准直用于输出至用户的眼睛的经调制图像来投射图像。这样的投影仪通常用于近眼式显示器，其中通常将投射图像引入光导中，图像通过内反射沿光导传播，直至通常地由部分反射表面或衍射元件耦出至用户的眼睛，这可能有助于扩展将图像从其朝向眼睛投射的有效光学孔径。
近眼式显示器通常包括两个主模块：光导光学元件(“LOE”或“波导”)和图像投影仪(有时被称为“投射光学设备”或“POD”)。进入波导的入射瞳决定了投影仪所需的出射瞳。因此，投影仪的出射瞳位于距其光学器件向前一定距离处。光从投影仪进入波导的光学耦合装置确定了该距离。
图1A示出了现有的对角方法，其中投影仪12A将图像光发送穿过棱镜13进入波导14。在该配置中，投影仪12A与波导入射瞳之间的光学距离相对较短。
图1B示出了将光耦合至波导中的垂直方法。在该图中，投影仪12B被示出为发射主光线16A。光线以使得光线在波导14内通过全内反射(TIR)被捕获的角度从镜面18反射。
在图1A和图1B中，临界点(实际上是延伸到附图的页面中的边缘)32至少在所示的宽度维度中确定进入波导的入射瞳。显然，从投影仪到该入射瞳的光路在图1A中比在图1B中更短。
实际上在两个维度中限定波导的光学孔径。在特别优选的实现方式中，在投影仪出射瞳与观察者眼睛之间执行两个维度的孔径扩展。这可以通过使用用于第一扩展维度的独立波导来实现，如图2A(对应于PCT公开WO2018065975的图12，其全部内容通过引用并入本文中)的波导所例示，其中，至波导24的入射瞳由两个边缘26和28限定。这些边缘不一定在同一平面上。图2B示出了通过使用两组包括的部分反射表面来执行2D孔径扩展的“1D”或平板型波导30。在该情况下，波导边缘34确定入射瞳(标记区域)的一侧，而另一维度35上的边缘未被唯一地限定(示意性地示为箭头36)，从而允许该维度中的入射瞳沿波导平面变化。
发明内容
本发明是图像投影仪。
根据本发明实施方式的教导，提供了一种图像投影仪，用于经由出射光阑投射准直图像以便注入光导光学元件的输入光阑，准直图像是具有视场的数字图像的表示，图像投影仪包括：(a)照明装置，包括多个照明源；(b)倾斜镜组件，包括镜以及用于驱动镜的倾斜运动的驱动器；(c)控制器，其与驱动器和照明装置电连接；以及(d)光学装置，包括多个光学元件，光学装置被配置成：(i)将来自多个照明源的照明朝向镜引导；(ii)将从镜反射的照明朝向图像平面引导；并且(iii)准直来自图像平面的照明以生成导向出射光阑的准直图像，其中，控制器根据数字图像的内容、与镜的倾斜运动同步地调制照明源中的每一个的强度，并且其中，多个照明源被间隔开，并且倾斜运动使得来自照明源中的每一个的照明跨视场的一个维度中的仅一部分扫描，而来自多个照明源的照明一起跨一个维度的整体扫描。
根据本发明实施方式的另一特征，光学装置基本上将镜成像到出射光阑。
根据本发明实施方式的另一特征，倾斜镜组件是双轴扫描装置中的一部分，使得来自照明源中的每一个的照明以二维扫描模式跨图像平面扫描。
根据本发明实施方式的另一特征，间隔开的照明源是在两个维度上间隔开的照明源的二维阵列中的一部分，并且其中，二维扫描模式使得来自照明源中的每一个的照明跨视场的每个维度中的仅一部分扫描，而来自多个照明的照明一起跨视场的两个维度的整体扫描。
根据本发明实施方式的另一特征，间隔开的照明源中的每一个是下述一组照明源中的一部分，所述一组照明源协作以生成跨越视场的与视场的扫描方向维度垂直的维度的基本上连续的照明模式。
根据本发明实施方式的另一特征，光学装置被配置成将从镜反射的照明聚焦在图像平面处，使得照明源中的每一个在图像平面处与数字图像的单个像素对应地生成瞬时光斑。
根据本发明实施方式的另一特征，还提供了在图像平面处设置的空间光调制器，并且其中，光学装置被配置成从照明源中的每一个生成对空间光调制器的多个像素元件进行照明的照明斑，空间光调制器由控制器与照明装置协作地驱动以生成数字图像的再现。
根据本发明实施方式的另一特征，多个照明源全部都是单色的，并且其中，多个照明源中的每一个与不同颜色的两个附加照明源相关联，以构成红绿蓝三色照明源。
根据本发明实施方式的教导，还提供了一种图像投影仪，用于经由出射光阑投射准直图像以便注入光导光学元件的输入光阑，准直图像是具有视场的数字图像的表示，图像投影仪包括：(a)照明装置，包括多个照明源；(b)倾斜镜组件，包括镜以及用于驱动镜的倾斜运动的驱动器；(c)空间光调制器，其具有单独控制的像素元件；(d)控制器，其与空间光调制器、驱动器和照明装置电连接；以及(e)光学装置，包括多个光学元件，光学装置被配置成：(i)将来自多个照明源的照明朝向镜引导；(ii)将从镜反射的照明朝向空间光调制器引导，使得来自照明源中的每一个的照明生成对空间光调制器的多个像素元件进行照明的照明斑；并且(iii)准直来自空间光调制器的照明以生成导向出射光阑的准直图像，其中，控制器与镜的倾斜运动同步地、与照明源中的每一个的强度调制协作地驱动空间光调制器，以生成数字图像的再现，并且其中，多个照明源包括至少一组单独控制的照明源，所述至少一组单独控制的照明源生成跨越视场的与视场的主扫描方向维度垂直的维度中的至少一部分的基本上连续的照明模式。
根据本发明实施方式的另一特征，该组单独控制的照明源生成跨越视场的与视场的主扫描方向维度垂直的维度中的整体的基本上连续的照明模式。
根据本发明实施方式，还提供了一种图像投影仪，用于经由出射光阑投射准直图像以便注入光导光学元件的输入光阑，准直图像是具有视场的数字图像的表示，图像投影仪包括：(a)照明装置，包括不同颜色的多个照明源；(b)倾斜镜组件，包括镜以及用于驱动镜在多个位置之间的倾斜运动的驱动器；(c)空间光调制器，其具有单独控制的像素元件；(d)控制器，其与空间光调制器和驱动器电连接；以及(e)光学装置，包括多个光学元件，光学装置被配置成：(i)将来自多个照明源的照明朝向镜引导；(ii)将从镜反射的照明朝向空间光调制器引导，使得来自照明源中的一个照明源的照明对空间光调制器照明；并且(iii)准直来自空间光调制器的照明以生成导向出射光阑的准直图像，其中，控制器驱动驱动器以使镜在所述位置中的第一位置与所述位置中的第二位置之间移位，从而在照明颜色之间切换，在第一位置中，空间光调制器被照明源中的第一照明源完全照明，在第二位置中，空间光调制器被照明源中的第二照明源完全照明，控制器与照明颜色之间的切换同步地启动空间光调制器，以针对照明颜色中的每一个生成数字图像的相应内容。
根据本发明实施方式的另一特征，在镜的位置中的每一个中，光学装置被配置成将照明源中的一个照明源的图像聚焦到空间光调制器上。
根据本发明实施方式，还提供了一种图像投影仪，用于经由出射光阑投射准直图像以便注入光导光学元件的输入光阑，准直图像是具有视场的数字图像的表示，图像投影仪包括：(a)照明装置，包括至少一个照明源；(b)第一倾斜镜组件，包括第一镜以及用于驱动第一镜绕第一倾斜轴的倾斜运动的第一驱动器；(c)第二倾斜镜组件，包括第二镜以及用于驱动第二镜绕第二倾斜轴的倾斜运动的第二驱动器；(d)控制器，其与第一驱动器和第二驱动器以及与照明装置电连接；以及(e)光学装置，包括多个光学元件，光学装置被配置成：(i)将来自至少一个照明源的照明朝向第一镜引导；(ii)将从镜反射的照明朝向第二镜引导；以及(iii)准直来自第二镜的照明以生成导向出射光阑的准直图像，其中，控制器根据数字图像的内容、与第一镜和第二镜的倾斜运动同步地调制至少一个照明源的强度，并且其中，光学装置被配置成使得第一镜和第二镜两者基本上位于包含图像投影仪的出射光阑的图像的平面中。
根据本发明实施方式的另一特征，至少一个照明源被实现为多个间隔开的照明源，并且其中，第一镜和第二镜中之一的倾斜运动使得来自照明源中的每一个的照明跨视场的一个维度中的仅一部分扫描，而来自多个照明源的照明一起跨一个维度的整体扫描。
根据本发明实施方式的另一特征，间隔开的照明源是在两个维度上间隔开的照明源的二维阵列中的一部分，并且其中，第一镜和第二镜中的每一个的倾斜运动使得来自照明源中的每一个的照明跨视场的每个维度中的仅一部分扫描，而来自多个照明的照明一起跨视场的两个维度的整体扫描。
附图说明
本文中仅以示例方式参照附图描述了本发明，在附图中：
以上讨论的图1A和图1B是根据两个传统方法的光学地耦合至光导光学元件的图像投影仪的示意性侧视图；
以上讨论的图2A和图2B是示出与图像耦入至光导光学元件中有关的某些几何定义的示意性等距视图；
图3A和图3B是根据本发明某些实施方式的教导构造和操作的图像投影仪的两个示意图；
图4A至图4C是根据本发明实施方式构造和操作的用于实现图像投影仪的第一光学装置的示意性侧视图，其示出了穿过装置的光线路径的不同子集；
图5A至图5D是根据本发明实施方式构造和操作的用于实现图像投影仪的第二光学装置的示意性侧视图，其示出了在具有和不具有扫描镜移位的情况下穿过装置的光线路径的不同子集；
图6A和图6B是根据本发明实施方式构造和操作的用于实现图像投影仪和输出波导的第三光学装置的示意性侧视图和仰视图；
图7A至图7C是根据本发明实施方式构造和操作的用于实现图像投影仪的采用了两个单轴倾斜镜组件的第四光学装置的示意性侧视图，其示出了穿过装置的光线路径的不同子集；
图7D至图7F是根据本发明实施方式构造和操作的用于实现图像投影仪的、采用了均位于使出射瞳重新成像的不同平面处的两个单轴倾斜镜组件的第五光学装置的示意性侧视图，其示出了穿过装置的光线路径的不同子集；
图8A至图8D是根据本发明实施方式的教导的用于图像投影仪中使用的各种照明模式和相应扫描模式的示意图；
图9A是类似于图7A的光学装置的示意性侧视图，其示出了使用间隔开的照明源来实现降低的扫描角度要求；
图9B至图9D是用于在根据图9A的图像投影仪中使用的各种照明模式和相应扫描模式的示意图；
图10A是用于实现投影仪的光学装置的示意性侧视图，其中的扫描装置用于在照明源之间切换；
图10B是空间光调制器在多个照明源(选择中心LED的)上的覆盖区的示意图；
图10C和图10D是分别类似于图10A和图10B的视图，其示出了对替选LED的选择；
图11是用于实现本发明的各种实施方式的系统的框图；以及
图12是采用可变强度照明的强度降低的照明方案的示意图。
具体实施方式
本发明是一种图像投影仪。
参照附图和所附描述可以更好地理解根据本发明的图像投影仪的原理和操作。
通过介绍的方式，本发明涉及具有采用倾斜镜组件的各种装置的图像投影仪，其中照明系统作为图像生成子系统的一部分。可以在概念上将本文中描述的主题细分为本发明的多个不同方面，每个方面本身独立，但最优选地有利地以各种组合使用多个不同方面。下面讨论的本发明的各个方面的所有组合应当被认为在本发明的范围内，除非被明确指出是不相容的。
现在参照附图，图3A示意性地示出了用于经由出射光阑45投射准直图像的根据本发明的第一方面的图像投影仪。图像穿过图像平面46，至少在某些实施方式中，在图像平面处，由提供像素元件的二维阵列的空间光调制器(SLM)生成图像，像素元件中的每一个能够控制以调制由像素元件透射或反射的光的特性(通常是偏振)。透射光SLM的示例是液晶显示器(LCD)，而反射SLM的示例是硅基液晶(LCOS)装置或数字光处理(DLP)装置。在此，示意图示出了从左到右沿光路前进，但是应当理解，如下面将以示例所例示的那样，该光路可以在各种反射元件处折叠，包括在LCOS 46处折叠。至少一个光学元件的准直装置44被配置成准直来自图像平面(例如，空间光调制器)的照明以生成导向出射光阑45的准直图像以便注入光导光学元件(波导)的输入光阑。
图像投影仪还包括从照明光阑42传送照明的照明装置，以及在照明光阑42与图像平面46之间的光路中设置的照明光学器件43。优选地，为了实现高光学效率，将照明光学器件43和准直装置44配置成使得照明光阑42的图像基本上落在出射光阑45上。这实现了“瞳成像”，确保从照明光阑42朝向SLM引导的照明光线高效地导向出射光阑45。
可以从任何合适的光源41将光传送至入射光阑42，并且光可以由任何合适的部件集中，无论是光学成像部件(透镜、镜)还是非成像(光管、漫射器)部件。在照明光阑42之后，仅使用成像光学部件，使得实现“瞳成像”。出射光阑45优选地是进入诸如图1A、图1B、图2A和图2B中所示的将图像中继给观察者(未示出)的光导光学元件的入口。在完美瞳成像的情况下，穿过光阑42并且落在照明光学器件43上的任何光线将到达出射光阑45(经受图像调制)并且进入波导，从而实现最大照明效率。实际上，可以通过使照明光阑的图像“基本上”落在出射光阑45上来实现本发明的该方面的许多优点，在此采用“基本上”是指离开照明光阑42并且到达照明光学器件43的光线中的至少一半并且更优选至少80％落在出射光阑45上。
穿过出射光阑45到达LOE的图像必须是准直的，即用均匀地填充光阑45的平行光线集表示图像中的每个点。可以使用以下三个主替选方案来实现图像形成：
1.扫描：源41是点源，并且通过使用光阑42处的扫描镜扫描连续像素以及根据针对图像的每个像素的图像信息对照明强度的同步调制来生成图像。在该情况下，在图像平面46处不需要调制器。
2.空间调制：将空间光调制器放置在图像平面46处，图像平面对应于准直装置44的焦平面。调制器可以是例如LCOS、LCD或DLP装置。
3.组合：在平面46处空间调制的情况下在光阑42处扫描。
图3B示出了等同于图3A的架构，仅仅在出射瞳45与第一透镜44之间具有更大距离，更适于实现某些光学设计，例如图1B中的垂直耦合。45与44之间的较大距离决定了使用较大的透镜44，并且还使瞳图像平面42更接近图像平面46地偏移。因此，空间限制通常决定与照明光阑42相邻地并且通常沿光路在照明光阑的前面放置透镜43。
在下面给出的示例中，将参照LCOS空间光调制器，但是应当注意，这是空间光调制器的非限制性示例，并且本领域普通技术人员基于本文中的描述可以容易地实现采用其他类型的空间光调制器的变型实现方式。包含扫描仪的双PBS的光学装置
图4A至图4C示出了等同于图3A的基于两个PBS(偏振分束器)的架构。光源51将光发射至PBS 40a上，到达透镜53并且到达扫描反射镜52上。此后，贯穿该文献，被认为是已知事实的是，如本领域公知的那样，在PBS反射之后和PBS透射之前使用四分之一波片，以及在PBS透射之后和PBS反射之前使用四分之一波片，但是为了简化表示，将省去该细节。光从镜52反射并且穿过PBS 40a，由镜57(其可以是如图所示的平面镜或者可以具有光学功率)反射，由PBS 40a和PBS 40b反射以被引导到LCOS成像矩阵56上。光从LCOS穿过PBS 40b到达透镜54上，返回到PBS 40b并且到达出射瞳55上，出射瞳55也是波导的入射瞳。
图4B示出了在扫描镜52上聚焦并且由瞳55上的光学器件再次聚焦的光线中的仅一部分。以此方式，出射瞳的图像处的扫描镜可以执行扫描，同时保持进入瞳55的照明。
图4C示出了聚焦在LCOS 56上并且还聚焦在源平面51中的图像场中的单个点。以此方式，扫描仪52可以将来自51的照明光斑扫描到LCOS56中。在优选实施方式中，如果使用单光斑源(例如激光器)然后光路中放置有漫射器，则在LCOS上照明多个像素。替选地，在所有光路不具有漫射器或其他非成像部件的情况下，可以用反射透镜(平的或弯曲的)代替LCOS，并且可以通过成像光学器件保持激光聚焦。
显然，在图4A至图4C的配置中，图像平面56与瞳图像52之间的距离相对较大(由于瞳55与透镜54之间的距离相对较短)，因此该配置更适于如图1A所述的对角耦合。
在图5A中，出射瞳65进一步远离透镜64，因此将扫描镜63放置在相对于图4A中的配置距66处的图像更短的光路上。如图5B所示，在此，在不具有穿过PBS 40a的另外的光路的情况下，出射瞳65重新聚焦到平面62。该配置相当于图3B中示出的配置并且该配置在实现图1B中示出的耦合装置时是有用的。
图5C和图5D示出了镜62的扫描，因此光源61照明作为出射瞳65或作为照明LCOS66的场的不同角度点。
如前所述，还可以在66处放置静态镜(没有任何空间光调制器的情况下)并且使用来自小光斑照明源(例如，激光束、S-LED、边缘发射二极管等)的聚焦束，对于小光斑照明源，焦平面处的聚焦照明光斑不大于图像像素的尺寸，以仅通过扫描实现有效的图像生成。
不具有瞳成像的单轴扫描仪
图6A和图6B示出了具有如图1B所述的垂直耦合的投影仪的光学装置。图6A示出了侧视图并且图6B示出了仰视图。在该情况下，波导14具有由32限定的入射瞳。反射镜18的耦合取向垂直于投影仪PBS的取向，以便在图6B的仰视图中更好地看到。
根据现在为止针对优选实现方式阐述的原理，波导的入射瞳32(示为光线焦点166C)将成像到扫描镜162上(如图4B和图5B所示)。然而，如果扫描仪仅在一个维度上扫描并且扫描轴如图6B中的虚线所示，那么只要选择合适的波导配置，就可以放宽瞳成像要求。在该示例中，瞳图像在166D处(不在镜162上)。在该情况下，扫描将使出射瞳从投影仪沿箭头36行进(图2B)。只要波导包括二维瞳扩展，沿波导的这种类型的瞳移动就不会降低耦合效率。
分开的瞳
在本发明的例如将在下面更详细地描述的某些实施方式中，可能期望执行跨图像平面的照明的、通常以光栅模式的二维扫描，其中将第一更快速的扫描方向称为主扫描方向，将垂直于主扫描方向的方向称为次扫描方向。尽管可以使用单个镜执行双轴扫描，但是在许多情况下，可以通过采用两个分开的扫描镜实现更低的成本和改进的可靠性，每个扫描镜具有其自身的致动器，每个致动器提供绕单轴的倾斜。在使用两个单轴扫描仪的情况下，不可能将这两个轴镜放置在作为出射瞳图像的单个平面中。根据本发明的方面，可以基本上在包含相应轴的有效波导瞳图像的平面上放置每个单轴扫描镜。波导瞳对于两个不同轴的这些不同位置在图2A中被例示为边缘26和28，并且在图2B中被例示为维度34和35。
图7A示出了具有包括两个不同镜302和304的两个倾斜镜组件的示例性系统，每个镜具有其自身的、作为驱动器(未示出)的一部分的致动器。光来源于源300，被反射到第一扫描镜302上，然后被反射到第二扫描镜304上。然后在被投射到波导(未示出)之前光继续到达LCOS(或镜)306和准直透镜308，在波导处光照射在折叠镜18上然后照射在波导入口312上。该系统是具有到波导的两个有效不同入口孔径的系统的另一示例：在波导内引导照明的维度中的入射瞳由波导孔径312(对应于图1B的边缘34)界定，同时可以将横向维度(垂直于绘图平面)中的瞳光阑设计成位于折叠镜18处(尽管其他位置也是可以的)。
图7B示出了将折叠镜18上的点成像到扫描镜302。因此，扫描镜302的扫描轴应当与页面(用点划线示出)水平。图7C示出了将瞳平面312上的点成像到扫描镜304上。因此，应当将扫描镜304实现为具有垂直于绘图平面的旋转轴。
双瞳成像
作为图7A的方法的替选方案，根据本发明的另一方面，可以通过在两个分开的镜上对出射瞳312进行两次成像来有利地实现双轴扫描。图7D示意性地示出了第一瞳图像42V(竖直扫描仪)如何被重新成像到另一瞳图像42H(水平扫描仪)上。
图7E和图7F示出了包括双瞳成像的光学装置，其中点源300在没有空间图像调制器的情况下扫描图像。图7E示出了来自出射瞳312的点被成像到第一竖直扫描镜42V上并且被重新成像到水平扫描镜42H上。图形312示出了点源在出射瞳312处被准直。在用调制的单个激光器或其他单像素照明源进行扫描以生成图像时，可以有利地使用该架构。替选地，该架构可以有利地用于各种多源照明方案，并且特别适合于下面描述的各种“间隔开的源”照明方案。
扫描照明方案
到此为止，已提出了许多新颖的光学装置以提供扫描照明的能力，无论是作为主图像生成机制或者是与空间光调制器结合使用。下面提出了许多具体实现方式，上述光学装置中的一个或更多个有助于这些实现方式，并且可以使用上述光学装置中的一个或更多个有利地实现这些实现方式。
通过介绍的方式，图11是示出通常被标记为800的图像投影仪的主要部件的框图，图像投影仪用于经由出射光阑投射准直图像以便注入光导光学元件的输入光阑(波导入口802)。准直图像是如作为图像输入804提供给系统的具有特定期望视场的数字图像的表示。一般而言，图像投影仪800包括照明装置806，照明装置包括多个照明源808，在此被编号为源1、2、……、n(尽管某些实现方式可能具有仅两个照明源)。下面将在每个申请的上下文中详细讨论所使用的照明源808的类型以及这些源的相对设置。扫描装置810包括具有镜814的至少一个倾斜镜组件812以及用于驱动镜814的倾斜运动的驱动器816。可以使用一系列本领域公知的市场上能买到的产品来实现倾斜镜组件。在需要双轴扫描的情况下，可以使用也是市场上能买到的双轴倾斜镜组件，或者可以使用单轴倾斜镜组件812作为主扫描机构，辅以具有其自身的镜820和驱动器822的次倾斜镜组件818。
本发明的各个方面(尽管不是全部，如下详述)还采用空间光调制器(SLM)824，空间光调制器具有由合适的驱动器电路828驱动的像素阵列826中的单独控制的像素元件，所有这些均是本领域公知的。SLM可以采用任何合适的技术，例如用于透射配置的LCD或者用于反射配置的LCOS或DLP装置。在每个情况下，SLM本身通常是标准的市场上能买到的产品。
将通常包括一个或更多个处理器832和至少一个数据存储装置834的控制器830设置成与空间光调制器824(如果存在)、倾斜镜组件驱动器816(和822，如果存在)以及照明装置806电连接。可以使用专用电路、在合适软件下操作的通用处理器或本领域已知的硬件、固件和/或软件的任何其他组合实现控制器830。此外，可以在两个或更多个物理子系统之间细分控制器830的结构和功能，并且可以由远程装置和/或由虚拟机器或不然被定义为“云”计算机的动态分配的资源执行控制器的一些功能。
各种部件之间的光学关系由光学装置836限定，光学装置包括多个光学元件(通常包括基于反射和/或折射透镜、镜、分束器、四分之一波片的任何组合的准直光学器件和照明光学器件)以及限定用于使部件保持光学对准的表面的透明块。如上所述，可以在图3A至图7C的设计中找到用于实现本发明的各个方面的合适的光学装置的示例。
通常，光学装置836的各种元件被设置成将来自多个照明源808的照明朝向镜814(和820，如果存在)引导，将从镜反射的照明朝向SLM 824(存在的情况下)引导，并且准直来自SLM 824的照明以生成导向出射光阑和波导入口的准直图像。
尽管可以仅使用折射光学部件和自由空间光学器件实现本发明，但是在许多情况下，优选的是采用在照明光学器件与出射光阑之间的光学路径中没有气隙的实现方式，并且最优选地，从照明光阑到出射光阑没有气隙。将具有光学功率的至少一些(如果不是全部)元件优选地实现为反射透镜。本文中描述的装置的光路通常包括固有地包括一些内部空气空间的某些部件，例如激光光源和扫描镜部件。然而，即使在此，部件优选地是密封部件，其可以与光学系统的其余部分没有任何“部件间气隙”的情况下集成，即除了密封部件内的内部空间之外没有气隙。使用没有部件间气隙的架构有助于确保最小的由于环境变化或污物渗入系统而导致的随时间的性能降低。
如本文中所述的本发明的各种实现方式采用多个可单独控制(即强度调制)的照明源，每个照明源跨SLM扫描，同时瞬时照明多个像素元件。换言之，来自照明源中的每一个的照明生成对空间光调制器的多个像素元件进行照明的照明斑，并且随着扫描装置使照明模式跨SLM移动，每个斑的照明强度变化。作为结果的二维像素阵列的不同区域的顺序照明允许以各种方式节省照明功率。首先，在不需要图像内容的区域中，不需要启动照明源，从而节省大量功率。这样的应用的示例是增强现实应用，其中显示区域中的大部分保持不活动，以允许对现实世界的无扰动回顾，并且仅启动显示器的所选区域以提供增强现实内容。
在其他情况下，即使显示器的区域是活动的，仍然可以根据局部最大所需显示强度来节省显示功率。具体地，根据本发明的某些实现方式的另一方面，显示控制器被配置成：(a)确定与二维阵列区域中的每一个对应的数字图像中的一部分中的数字图像的像素的最大所需强度；(b)确定足以在至少一个区域内生成相应最大所需强度的区域的经降低照明水平；(c)针对所述至少一个区域内的像素生成用于基于经降低照明水平生成所需投射图像强度的经修改像素强度映射；并且(d)启动照明装置以照明具有经降低照度水平的至少一个区域，同时根据经修改像素强度映射启动至少一个区域内的像素元件。
在此参照一维扫描模式示出该特征，但可以针对更复杂的照明扫描模式等同地实现该特征。图12示出了与用于跨视场908显示的输入图像对应的简单模式900(出于说明性目的)。输入图像跨视场908具有可变图像强度。较深图像在此描绘较高强度。该图像为单色，并且三个这样的图像生成针对所有颜色的每个帧。虚线是为了便于参照图形的不同表示之间的特征。顺便指出，无论何时在本文中提及“视场”，这可交换地是指由在投影仪出射瞳处的准直图像中的图像的像素跨越的角度范围(角视场)以及在图像平面(例如LCOS表面)处的空间视场。
如果要用恒定最大强度的光束扫描LCOS，则模式900中所示的该图像将按原样加载，并且用最大强度束扫描将生成期望的输出图像。作为替选方案，根据本发明的一方面，图表902示出了图形900的每列的“最大所需强度”。然后，该模式用于随着照明模式(在此假设为跨越与主扫描方向垂直的维度的线)跨LCOS扫描而设置激光强度的相应轮廓。在照明强度降低的区域中，LCOS 824需要较少衰减。图像904示出了跨LCOS的作为结果的照明强度。在扫描开始时(覆盖阵列的区域905a)，不存在激光照明。对于区域905b，使用对应于“经降低照明水平”的中间强度。区域905c以最大强度照明并且在最后部分(区域905d)处不需要照明。
图像906对应于经修改像素强度映射以使得906的经修改像素强度与来自904的给定列(或更一般地，照明区域)的照明水平的乘积将生成期望的输出图像强度900。因此，通过用照明图像904分割所需图像900来生成图像906(加载到LCOS的实际图像)。
实际上，每个照明区域通常同时在扫描方向上覆盖多个列，因此，即使照明输出由阶梯函数驱动，照明图像904通常也将平滑渐变，由于当照明线通过时每列的整个照明强度将是照明的积分。作为由照明水平904划分的期望输出图像900的加载图像906的计算保持有效。在每个情况下，控制器830与镜814的倾斜运动同步地、与照明源808中的每一个的强度调制协作地驱动空间光调制器824以生成数字图像的再现。
矢量源
在本发明的某些实现方式中，多个照明源808包括至少一组单独控制的照明源，其生成跨越视场的与视场的主扫描方向维度垂直的维度中的至少一部分并且在某些情况下跨越视场的维度中的整体的基本上连续的照明模式。这减少了所需重复频率和/或扫描装置所需的扫描运动速度。
图8A示出了将在跨LCOS有源区域258(56或66)成像时来自源(例如51或61)的光被分布为线或其他椭圆形260的架构。可以通过在扫描镜前方或附近沿光路放置的椭圆形漫射器生成该线分布。也可以通过将激光器的发射输出小平面成像在LCOS上或者通过上述的组合来生成该线分布。
在此以及在其他示例中，照明源808最优选地是激光器，并且通过合适的光学器件准直到扫描镜814上，扫描镜814优选地实现为高速镜(通常使用MEMS技术)。只要SLM被适当照明，也可以使用非准直照明。优选的是，光斑尺寸足够大以在任何时刻覆盖相对大量的像素，通常至少10个像素，优选至少100个像素，并且在一些优选情况下至少1000个像素或超过10,000个像素(例如100×100个像素或更大)，从而降低扫描速度要求。例如，可以通过来自源808的发射器束的形状、源准直光学器件的光学特性、在扫描镜上设置漫射器和/或在照明路径中设置漫射器来修改照明光斑的形状。在使用漫射器的情况下，漫射器优选地是具有输出光的特定选择角度分布的有结构的漫射器，例如来自RPC Photonics(NY，USA)的那些市场上能买到的漫射器。
与图8A中示出的单个源相反，图8B至图8D示出了更优选实现方式，其中至少一组单独控制的照明源生成跨越视场的与视场的主扫描方向维度垂直的维度中的至少一部分并且在某些情况下跨越视场的维度中的整体的基本上连续的照明模式。在该情况下，扫描运动优选地使得来自每个单独的照明源的照明斑不扫描整个图像视场，但是多个照明源(对于任何给定的颜色)连同扫描运动一起确保覆盖SLM 824的整个活动区域(对于每个颜色)。
图8B示出了激光器阵列600的照明分布(在该情况下，在源平面51或61处呈直线放置的三个激光器)，其中每个激光器照明各自仅是LCOS的维度的一部分但是一起跨越LCOS的一个维度中的整体的带或斑。这允许倾斜镜组件812使用简单的单轴扫描来覆盖SLM的整个有效区域。每个带或斑同时照明LCOS的多个像素。如上参照图12所述，根据相应带或斑中所需的最大图像强度来调制每个激光器的强度，并且调制LCOS像素的强度以提供根据照明强度缩放的期望的像素强度。因此，如果对应于特定位置处的特定激光器的区域内的最大像素强度是最大强度的60％，则相应激光器优选地以60％强度启动，而具有60％强度的LCOS像素将以100％(最大)强度启动，并且需要40％强度输出的像素将以66％强度启动。如果在相邻区域中存在需要80％强度的像素，则相应激光器优选地以80％强度启动，并且该区域中需要40％强度的任何像素将以50％亮度水平启动。
可以用使用连续扫描动作的稍微更复杂的计算来应用相同原理，并且整体像素强度依赖于激光照明模式穿过给定像素的时段的照明强度以及像素强度设置的积分。如前所述，矩形或椭圆形漫射器(或所示圆形)可以用于生成每个激光器的照明模式，但具有比图8A的角散度更低的角散度。
如果机械限制妨碍并排放置激光器，则如图8C中示意性所示可以使用交错配置。如果不同颜色(例如R、G和B)需要不同阵列，则交错配置也是可以的。在该情况下，线性扫描运动应当足够长以确保每个照明区域跨LCOS的整个有效区域扫描。
图8D示意性地示出了交错配置还可以用于2D扫描，从而启用扫描仪的第二轴的降低的扫描速度。
如果照明源的图像覆盖LCOS的大部分区域，则可以在步进和照明模式下激活扫描仪。
在此，激光器指的是高亮度源。例如，也可以使用具有小散度的明亮LED(例如S-LED或边缘发光LED)。
扫描间隔开的源
作为对上述连续分组的照明模式的补充或替选方案，根据本发明的另一方面，本发明的某些实现方式采用间隔开的照明源以减小要跨越要投射的图像的视场所需的扫描运动的角度范围。具体地，通过使用间隔开的照明源，可以减小倾斜镜组件812的倾斜运动以使得来自照明源中的每一个的照明跨视场的一个维度中的仅一部分扫描，而来自多个照明源的照明一起跨一个维度中的整体扫描。
通过对该特征的介绍的方式，并且为了有助于理解本发明而不以任何方式将本发明限制于任何特定的理论基础，投影仪的扫描镜通常必须保持系统的光学扩展量(角度和空间尺寸的乘积)。例如，如果波导的入射瞳是2.5mm并且注入的图像的角度场是40度，那么光学扩展量将是：
2.5[mm]×40[deg]＝100[mm deg]
扫描镜必须通过使尺寸和角度倾斜的乘积具有相同值来满足该参数。例如，具有2mm孔径的镜必须具有以下光学扫描角度：
100[mm deg]/2[mm]＝50[deg]
然而，在许多情况下，难以在相同部件处获得大孔径和大角度扫描。根据本发明的一个方面，间隔开的源用于分割图像场，从而降低对扫描镜的光学扩展量要求。该配置适用于照明如前所述的图像生成矩阵(LCOS)或适用于图像的激光点扫描，其中扫描激光点照明的调制是唯一图像生成机制。图9A示出了类似于图7A的架构，其中激光源630A、631A和632A是单独调制的等效激光源，而表面636是没有SLM的反射镜(或透镜)。以此方式，激光束在出射瞳312进入波导时被准直。扫描仪304和302位于适当的瞳图像位置(如上参照图7A所述)并且具有适当的尺寸。
如图9B所示，等效激光源对图像场640的不同子场中的点630B至632B(分别地)照明。场中的点630B、631B和632B是由相应激光器生成的孔径312内的角度照明点(尺寸尽可能小并且限定图像清晰度)。如曲线箭头示意性地所示，跨场扫描这些光斑。3×1激光器照明的布置将图像场640分成与被示为虚线矩形的每个激光器相关联的三个(在该示例中)较小子场。因此，镜304(主高速扫描器)所需的角度扫描幅度减小3倍至50/3＝17度的光学偏转(从一侧到另一侧)。在扫描期间，单独调制每个激光器以生成由特定激光器扫描的图像的适当部分。
在图9C中，示出了3×2布置，使得水平角度图像扫描(通过镜304进行)再次除以3，而通过镜302进行的竖直扫描被除以2。
图9D示出了要角度地分开的颜色源。在此，彩色激光器637R、637G和637B是分开的(例如，通过平面300中的空间位置)。针对所有子场和颜色，扫描镜同时扫描跨图像的照明角度点。
图9中的多个分开的激光器各自负责提供整体图像亮度中的仅子部分，并且因此可以提供不超过眼睛安全水平的更高亮度的显示输出。
在具有直接激光照明(无LCOS)的系统中，激光器在300处的放置可以在根据光学器件的场曲率的弯曲轮廓上。具体地，可以有利地将每个激光器放置在激光器所分配的子场的平均焦距处。以此方式，可以补偿场曲率中的大部分。
尽管适合于实现直接扫描图像生成机制，但是本发明的该方面不限于这样的应用，并且还可以根据上述原理使用该方面来处于有利地位，其中每个照明源照明位于平面636处的SLM的一组(多个)像素。在该情况下，上述间隔开的照明源中的每一个有利地是下述一组照明源中的一部分，该组照明源协作以生成跨越视场中的、与视场的主扫描方向维度垂直的至少一部分的基本上连续的照明模式。
切换源
现在转向图10A至图10D，示出了本发明的另一方面，根据该方面，使用倾斜镜组件在不同颜色的照明源之间切换。具体地，多个照明源808在此包括不同颜色的照明源，并且控制器830驱动扫描装置驱动器816以使镜子814在至少第一位置与第二位置之间移位，在第一位置中，空间光调制器824被照明源中的第一照明源完全照明，在第二位置中，空间光调制器被照明源中的第二照明源完全照明，从而在照明颜色之间切换。控制器830还与照明颜色之间的切换同步地启动空间光调制器824，以针对照明颜色中的每一个生成数字图像的相应内容。这消除了采用光管或漫射器来混合不同颜色的照明源的需要。
图10A示出了扫描镜506的第一位置。在该位置中，中心LED 660被成像到LCOS 507上。图10B示出了LCOS 680在中心LED 660上的覆盖区，优选地由LED 660提供全帧照明。
图10C示出了在第二位置倾斜的扫描镜506。在该状态下，激活LED670(例如具有不同颜色)并且将其成像到LCOS 507上，用图12D中的覆盖区680示出。该照明切换与将相应分色图像加载到LCOS上同步。不同颜色LED之间的快速照明切换序列以及适当的图像加载生成所感知的全色图像。
可选地，除了三个RGB LED之外，LED配置还可以包括白色LED(未示出)。
可以用单色迷你LED的矩阵代替LED 650、660和670中的一部分或全部，从而实现每个颜色的序列选择性照明。在该情况下，将适当的照明模式与加载到LCOS同步地加载到照明矩阵。
可以用激光照明的漫射器代替LED 650、660和670中的一部分或全部，从而在镜506在每个激光器照明期间轻微振动时实现更准直的照明(更少损耗)，以消除斑点。
应当理解，以上描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求书中限定的本发明的范围内，许多其他实施方式是可以的。

Claims (15)

1.一种图像投影仪，用于经由出射光阑投射准直图像以便注入光导光学元件的输入光阑，所述准直图像是具有视场的数字图像的表示，所述图像投影仪包括：
(a)照明装置，包括多个照明源；
(b)倾斜镜组件，包括镜以及用于驱动所述镜的倾斜运动的驱动器；
(c)控制器，其与所述驱动器和所述照明装置电连接；以及
(d)光学装置，包括多个光学元件，所述光学装置被配置成：
(i)将来自所述多个照明源的照明朝向所述镜引导；
(ii)将从所述镜反射的照明朝向图像平面引导；并且
(iii)准直来自所述图像平面的照明以生成导向所述出射光阑的准直图像，
其中，所述控制器根据所述数字图像的内容、与所述镜的所述倾斜运动同步地调制所述照明源中的每一个的强度，并且其中，所述多个照明源被间隔开，并且所述倾斜运动使得来自所述照明源中的每一个的照明跨视场的一个维度中的仅一部分扫描，而来自所述多个照明源的照明一起跨所述一个维度的整体扫描。
2.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述光学装置基本上将所述镜成像到所述出射光阑。
3.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述倾斜镜组件是双轴扫描装置中的一部分，使得来自所述照明源中的每一个的照明以二维扫描模式跨所述图像平面扫描。
4.根据权利要求3所述的图像投影仪，其中，间隔开的所述照明源是在两个维度上间隔开的照明源的二维阵列中的一部分，并且其中，所述二维扫描模式使得来自所述照明源中的每一个的照明跨视场的每个维度中的仅一部分扫描，而来自所述多个照明的照明一起跨视场的两个维度的整体扫描。
5.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，间隔开的所述照明源中的每一个是下述一组照明源中的一部分，所述一组照明源协作生成跨越视场的与视场的扫描方向维度垂直的维度的基本上连续的照明模式。
6.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述光学装置被配置成将从所述镜反射的照明聚焦在所述图像平面处，使得所述照明源中的每一个在所述图像平面处与所述数字图像的单个像素对应地生成瞬时光斑。
7.根据权利要求1所述的图像投影仪，还包括在所述图像平面处设置的空间光调制器，并且其中，所述光学装置被配置成从所述照明源中的每一个生成对所述空间光调制器的多个像素元件进行照明的照明斑，所述空间光调制器由所述控制器与所述照明装置协作地驱动以生成数字图像的再现。
8.根据任一前述权利要求所述的图像投影仪，其中，所述多个照明源全部都是单色的，并且其中，所述多个照明源中的每一个与不同颜色的两个附加照明源相关联，以构成红绿蓝三色照明源。
9.一种图像投影仪，用于经由出射光阑投射准直图像以便注入光导光学元件的输入光阑，所述准直图像是具有视场的数字图像的表示，所述图像投影仪包括：
(a)照明装置，包括多个照明源；
(b)倾斜镜组件，包括镜以及用于驱动所述镜的倾斜运动的驱动器；
(c)空间光调制器，其具有单独控制的像素元件；
(d)控制器，其与所述空间光调制器、所述驱动器和所述照明装置电连接；以及
(e)光学装置，包括多个光学元件，所述光学装置被配置成：
(i)将来自所述多个照明源的照明朝向所述镜引导；
(ii)将从所述镜反射的照明朝向所述空间光调制器引导，使得来自所述照明源中的每一个的照明生成对所述空间光调制器的多个所述像素元件进行照明的照明斑；并且
(iii)准直来自所述空间光调制器的照明以生成导向所述出射光阑的准直图像，
其中，所述控制器与所述镜的所述倾斜运动同步地、与所述照明源中的每一个的强度调制协作地驱动所述空间光调制器，以生成所述数字图像的再现，
并且其中，所述多个照明源包括至少一组单独控制的照明源，所述至少一组单独控制的照明源生成跨越视场的与视场的主扫描方向维度垂直的维度中的至少一部分的基本上连续的照明模式。
10.根据权利要求9所述的图像投影仪，其中，所述一组单独控制的照明源生成跨越视场的与视场的主扫描方向维度垂直的维度中的整体的基本上连续的照明模式。
11.一种图像投影仪，用于经由出射光阑投射准直图像以便注入光导光学元件的输入光阑，所述准直图像是具有视场的数字图像的表示，所述图像投影仪包括：
(a)照明装置，包括不同颜色的多个照明源；
(b)倾斜镜组件，包括镜以及用于驱动所述镜在多个位置之间的倾斜运动的驱动器；
(c)空间光调制器，其具有单独控制的像素元件；
(d)控制器，其与所述空间光调制器和所述驱动器电连接；以及
(e)光学装置，其包括多个光学元件，所述光学装置被配置成：
(i)将来自所述多个照明源的照明朝向所述镜引导；
(ii)将从所述镜反射的照明朝向所述空间光调制器引导，使得来自所述照明源中的一个照明源的照明对所述空间光调制器照明；并且
(iii)准直来自所述空间光调制器的照明以生成导向所述出射光阑的准直图像，
其中，所述控制器驱动所述驱动器以使所述镜在所述位置中的第一位置与所述位置中的第二位置之间移位，从而在照明颜色之间切换，在所述第一位置中，所述空间光调制器被所述照明源中的第一照明源完全照明，在所述第二位置中，所述空间光调制器被所述照明源中的第二照明源完全照明，所述控制器与照明颜色之间的切换同步地启动所述空间光调制器，以针对照明颜色中的每一个生成所述数字图像的相应内容。
12.根据权利要求11所述的图像投影仪，其中，在所述镜的所述位置中的每一个中，所述光学装置被配置成将所述照明源中的一个照明源的图像聚焦到所述空间光调制器上。
13.一种图像投影仪，用于经由出射光阑将准直图像投射到光导光学元件的入射光阑上，所述准直图像是具有视场的数字图像的表示，所述图像投影仪包括：
(a)照明装置，包括至少一个照明源；
(b)第一倾斜镜组件，包括第一镜以及用于驱动所述第一镜绕第一倾斜轴的倾斜运动的第一驱动器；
(c)第二倾斜镜组件，包括第二镜以及用于驱动所述第二镜绕第二倾斜轴的倾斜运动的第二驱动器；
(d)控制器，其与所述第一驱动器和所述第二驱动器以及与所述照明装置电连接；以及
(e)光学装置，包括多个光学元件，所述光学装置被配置成：
(i)将来自所述至少一个照明源的照明朝向所述第一镜引导；
(ii)将从所述镜反射的照明朝向所述第二镜引导；以及
(iii)准直来自所述第二镜的照明以生成导向所述出射光阑的准直图像，
其中，所述控制器根据所述数字图像的内容、与所述第一镜和所述第二镜的所述倾斜运动同步地调制所述至少一个照明源的强度，
并且其中，所述光学装置被配置成使得所述第一镜和所述第二镜两者基本上位于包含所述光导光学元件的所述入射光阑的图像的平面中。
14.根据权利要求13所述的图像投影仪，其中，所述至少一个照明源被实现为多个间隔开的照明源，并且其中，所述第一镜和所述第二镜中之一的所述倾斜运动使得来自所述照明源中的每一个的照明跨视场的一个维度中的仅一部分扫描，而来自所述多个照明源的照明一起跨所述一个维度的整体扫描。
15.根据权利要求14所述的图像投影仪，其中，间隔开的所述照明源是在两个维度上间隔开的照明源的二维阵列中的一部分，并且其中，所述第一镜和所述第二镜中的每一个的所述倾斜运动使得来自所述照明源中的每一个的照明跨视场的每个维度中的仅一部分扫描，而来自所述多个照明的照明一起跨视场的两个维度的整体扫描。
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