CN115885214A - Led照明投影仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于生成图像的帧的投影仪。投影仪可以用于在增强现实或虚拟现实设备中使用。投影仪包括：布置在平面中的元件阵列，每个元件包括具有不同的相应颜色的至少三个LED；以及收集器结构阵列，每个收集器结构被配置成在任何一个时间接收来自单个LED的光并减小LED发射光的角度。投影仪还包括投影仪单元，该投影仪单元被配置成接收来自收集器结构阵列的光并准直光使得形成帧。帧是全色的并且是由组合多个子帧而形成的，子帧通过元件阵列相对于收集器结构阵列的空间移动而形成，使得每个收集器结构在每个子帧期间接收来自不同LED的光，以及/或者子帧通过从每个LED发射的光的位移而形成，使得来自每个LED的光照明帧的多个像素。

Description

LED照明投影仪

技术领域

本发明涉及投影仪。特别地，用于在波导系统中使用的投影仪。

背景技术

用于手持设备诸如微型投影仪和可穿戴设备诸如虚拟现实(VR)和增强现实(AR)耳机的投影仪对于可能一次长时间地握持或佩戴设备的用户而言需要重量轻且舒适。

目前已知的投影系统包括用于生成光的光源、用于将该光形成光线路径的光学器件、用于使这些光线路径均匀的均匀化器以及用于将均匀化的光线路径中继到待照明的显示器上的中继器。

理想地，期望使用LED阵列作为用于生成光的光源，因为LED也可以产生图像，而不是依赖于具有调制显示器来生成图像，这需要单独照明器。随着微型LED的出现，它们的使用看起来可以实现越来越小的投影仪。

理论上，既能生成光又能产生图像的自发光面板应能改进反射面板的尺寸，因为不需要单独的元件来提供光。这也应产生图像的效率、亮度和对比度的改进。

然而，LED是朗伯发射器，因此在宽角度范围内发光。这可能导致系统效率的问题，因为可能损失大百分比的发射光。光学器件可以用于帮助确保收集最大量的发射光。然而，这增加了系统的尺寸。另外，由于每个LED仅生成单一颜色，因此需要不同颜色的多个LED来生成单个图像像素。这对特定尺寸的系统可实现的分辨率造成了限制。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种用于生成图像的帧的投影仪，该投影仪包括：布置在平面中的元件阵列，每个元件包括具有不同的相应颜色的至少三个LED；收集器结构阵列，每个收集器结构被配置成在任何一个时间接收来自单个LED的光并减小LED发射光的角度；投影仪单元，投影仪单元被配置成接收来自收集器结构阵列的光并准直光使得形成帧；其中，帧是全色的并且是由组合多个子帧而形成的，子帧通过元件阵列相对于收集器结构阵列的空间移动而形成，使得每个收集器结构在每个子帧期间接收来自不同LED的光，以及/或者子帧通过从每个LED发射的光的位移而形成，使得来自每个LED的光照明帧的多个像素。

LED是朗伯发射器，因此在宽角度范围内发光。收集器结构能够收集从LED发射的光，从而减小了光发射的角度。这提高了投影仪的效率，因为由LED发射的光可以被有效地收集到朝向显示器的光路中而不是被损失。

以这种方式，LED阵列可以在不与图像分辨率折衷的情况下被布置在小区域中，同时还提供全色显示，尽管单个收集器结构在任何一个时间只能由单个LED照明。元件和收集器的阵列相对于彼此的移动、以及/或者来自每个LED的光的位移，每一个都比帧速率快，可以实现全色的图像而不损失分辨率。

光的位移可以是空间位移或角度位移。例如，空间位移可以在光被准直之前发生。角度位移可以在光被准直之后发生。

优选地，至少三个LED中的每一个具有相关联的收集器结构。在一些布置中，每个收集器结构可以与单个LED相关联。在其他布置中，每个收集器结构可以与单个元件相关联，使得对于每个元件，至少三个LED与相同的收集器结构相关联。由于在任何一个时间只有来自单个LED的光可以由单个收集器收集，这可能需要收集器与LED之间的相对移动。

优选地，投影仪单元包括光学元件，光学元件被配置成可调节的，用于引起从每个LED发射的光的位移，使得来自每个LED的光照明帧的多个像素。

以这种方式，尽管具有不同颜色的不同LED，但是通过光学元件引起光的位移，使得光入射在每个帧的多个像素处，生成的帧的分辨率被保持。光学元件可以以如下速度移动，该速度使得它可以在等于或小于显示全色帧的时间段的时间段内将来自每个LED的光投射到显示器上的多个不同像素。

光学元件优选地是能够调节光的角度位置的光线角度移位器。例如，光学元件可以是可调节镜。镜可以被配置成在多个位置或取向之间切换，以便提供光的位移。可替选地，可以使用任何类型的机电设备，其可以被配置成引起光的方向的改变。

可替选地，位移可以是表观光学运动。这可以由摆动楔提供。摆动楔可以由玻璃构成。可替选地，光学元件可以是在角度上移动的移位板。例如，章动板可以位于收集器阵列之后投影仪单元之前。通过在不同方向上倾斜，板的章动可以提供光的位移。

光的位移可以通过光学元件的偏摆旋转(垂直轴)和/或俯仰旋转(横向轴)。因此，光可以经历偏摆和/或俯仰旋转。换言之，它可以在x方向和/或y方向上。这可以取决于LED在平面中的布置。如果在平面中的水平方向上布置不同颜色的LED，则可以由偏摆旋转引起位移。可替选地，如果在平面中的垂直方向上布置不同颜色的LED，则可以俯仰旋转引起位移。可替选地，它可以是俯仰和偏摆的组合。

在其他布置中，来自每个LED的光可以替代地(或另外地)通过收集器阵列和元件阵列相对于投影仪单元的移动来照明帧的多个像素。

投影仪单元还可以包括投影仪透镜和可调节光学元件。投影仪透镜将光从空间位置转换成角度位置以形成图像帧。可替选地，在从每个LED发射的光没有位移的布置中，投影仪单元可以仅包括投影仪透镜。

元件阵列可以被配置成可移动的，以提供元件阵列相对于收集器结构阵列的空间移动。以这种方式，收集器结构可以相对于投影仪中的其他光学器件是静止的。由于收集器是静止的，因此可能不需要进一步使光移位以形成帧。元件阵列可以包括用于提供移动的机构。该移动可以沿着平面。

可替选地，收集器结构阵列可以被配置成可移动的，以提供元件阵列相对于收集器结构阵列的空间移动。以这种方式，元件可以相对于投影仪中的其他光学器件和用户从其看到光的显示器是静止的。收集器阵列的移动使得能够在每个帧期间收集来自每个LED的光。元件阵列可以包括用于提供移动的机构。该移动可以沿着平面。

在一些布置中，在第一子帧期间，收集器结构可以接收来自至少三个LED中的第一LED的光，在第二子帧期间，收集器结构可以接收来自至少三个LED中的第二LED的光，以及在第三子帧期间，收集器结构可以接收来自至少三个LED中的第三LED的光。

优选地，每个收集器在相同的时间段内接收来自元件的每个LED的光。以这种方式，每个子帧可以具有相同的强度。

在一些布置中，在元件中有n个LED的情况下，可以有n个子帧。因此，收集器结构和/或元件可以在n个不同位置之间移动，即，不同位置的数量至少等于元件中LED的数量。

在其他布置中，收集器结构阵列和元件阵列二者都可以包括机构，使得它们都是可移动的以实现上述相对移动。

在一些布置中，元件沿着在平面中的第一方向上延伸的第一轴以及沿着在平面中的第二方向上延伸的第二轴布置，其中，第一轴和第二轴彼此正交，并且每个元件包括沿着至少第一方向布置的不同颜色的LED，其中，元件或收集器阵列被配置成可沿着第一方向相对于收集器移动。以这种方式，投影仪的分辨率可以沿着轴增加，其中该轴中的一些LED彼此颜色不同。例如，这可以在x轴或y轴上。这可以用于将该轴上的分辨率恢复为等于该轴上的LED的数量，尽管在轴上可以存在不同颜色的LED。

每个元件可以包括沿着第一方向和第二方向布置的不同颜色的LED，其中，元件或收集器阵列被配置成可沿着第一方向和第二方向移动。因此，尽管在每个轴上具有不同颜色的LED，但是可以在两个轴上增加分辨率。

取决于LED的布置，光的位移也可以在如上所述的元件和收集器的移动的方向上。

在一些布置中，每个子帧可以是单一颜色的。以这种方式，在每个子帧期间，每个收集器由具有相同颜色的LED照明。以这种颜色顺序方式，每个子帧的组合可以提供全色图像。

在其他布置中，每个子帧可以包括不同的颜色。例如，不同的收集器可以在每个子帧中收集来自不同颜色LED的光，其中每个收集器在子帧的组合上收集来自所有不同颜色LED的光以形成全色图像帧。

每个收集器可以与单个LED相关联，使得每个子帧包括不同的相应颜色中的每一种。以这种方式，在LED(和元件)之间可能没有相对于收集器结构的移动。在这种布置中，来自每个LED的光的位移确保分辨率没有损失。有利地，这需要更少的移动部件。这可以提供该投影仪是更安静设备的优点。

在一些布置中，每个LED被配置成在每个子帧中照明单个像素，其中光的位移使得被照明的单个像素在每个子帧中是不同的。以这种方式，在第一子帧期间，每个元件的每个LED均照明单个像素，并且在随后的子帧中，每个元件的每个LED照明在前一子帧中由不同颜色的LED照明的不同像素。这提供了全色的帧。例如，第一像素可以在第一子帧期间由具有第一颜色的LED照明，并且可以在第二子帧期间由具有第二颜色的LED照明。

在一些布置中，所形成的每个子帧可以在平面中移位一个像素。例如，在第一子帧期间，每个LED可以照明像素，并且在随后的子帧中，LED可以照明与前一帧中的像素相邻的像素。这可以是相邻列或相邻行中的像素。以这种方式，与前面的子帧相比，每个后续子帧可以平移(或上移/下移)像素。

优选地，收集器结构阵列是微型透镜阵列和/或逐渐变细的井结构。使用微型透镜，可以减小从LED发射的光线的角度。另外，它们的小尺寸使得它们能够在诸如微型投影仪的系统中使用。

可替选地，或除了微型透镜之外，收集器结构阵列可以是逐渐变细的井结构阵列。逐渐变细的井结构的壁用作从LED发射的光的管道。优选地，逐渐变细的井结构具有被配置成接收来自LED的光束的第一端以及用于发射所述光束的第二端。第一端优选地小于第二端，使得光可以在两个维度上扩展，并且光束角度通过逐渐变细的井结构而减小。优选地，逐渐变细的井结构的壁是玻璃，其中光沿着壁反射。可替选地，收集器可以是逐渐变细的光管，其用作光通过其的管道。光管也可以减小光束角度并在两个维度上扩展光。因此，收集器中保持了集光率。

至少三个LED可以包括红色LED、蓝色LED和绿色LED。以这种方式，每个帧可以是全色的。可替选地，LED可以是红色、黄色和蓝色。在元件中有四个LED的情况下，附加LED可以是白色的。

可替选地，元件可以包括相同颜色的多个LED。例如，元件可以包括红色、绿色、蓝色和红色的LED。在这种布置中，收集器可以被布置成在等于或小于显示每个单独帧的时间段的时间段内顺序地收集来自元件的四个LED中的每一个的光。以这种方式，每个LED可以对子帧做出贡献。由于红色LED效率较低，在某些情况下，通过具有多于一个的红色LED可以提高图像的效率。在其他布置中，可以使用颜色的任何组合。

优选地，每个元件包括三个LED或四个LED。在有三个LED的布置中，它们可以布置成一行。以这种方式，元件阵列可以被布置成使得每列可以包括相同颜色的LED。可替选地，三个LED可以布置成一列。以这种方式，元件阵列可以被布置成使得每行可以包括相同颜色的LED。可替选地，每个元件的LED可以对角地布置。

在每个元件包括四个LED的布置中，LED可以在平面中被布置成2乘2的配置。每个元件可以具有以2乘2矩阵布置的四个LED。换言之，每个元件可以具有两列和两行LED。在其他布置中，LED可以被布置成1乘3配置或如上所述的3乘1配置。可替选地，它们可以被布置成4乘1的配置。

优选地，在第一子帧中，至少三个LED中的第一LED照明第一像素，在第二子帧中，至少三个LED中的第二LED照明第一像素，以及在第三子帧中，至少三个LED中的第三LED照明第一像素。以这种方式，图像帧的每个像素由来自每个不同颜色LED的光形成，从而形成全色图像。

优选地，LED是微型LED。通过使用与微型透镜阵列或逐渐变细的井结构阵列耦合的微型LED，可以减小收集光学器件的尺寸。与其他类型的光源或常规LED相比，该设备的效率也得到了提高。如上所述，LED是朗伯发射器，即它们在通常为2π球面度的宽角度范围内发射光。微型LED在与微型透镜或微型井结构阵列耦合时不是朗伯发射器，并且在小得多的角度范围内发射，从而致使较少的光损失。

在一些布置中，子帧的数量等于元件中LED的数量。例如，在有三个LED时，可以有三个子帧。因此，对于包括RGB LED的元件，子帧的数量可以是三个。

在本发明的另一方面，提供了一种增强现实或虚拟现实设备，包括上述方面的投影仪。

根据另一方面，提供了一种投影仪显示系统，包括：用于显示图像的显示器；以及根据上述方面的投影仪。

显示器可以是波导。例如，它可以是用于增强现实(AR)或虚拟现实(VR)设备的波导。

根据另一方面，提供了一种使用投影仪生成图像的帧的方法，该方法包括：从布置在平面中的元件阵列发射光，每个元件包括具有不同的相应颜色的至少三个LED；在收集器结构阵列处接收从元件阵列发射的光，每个收集器结构在任何一个时间接收来自单个LED的光以减小LED发射光的角度；从收集器结构阵列发射角度已减小的光；在投影仪单元处接收来自收集器结构阵列的光并且准直光使得形成帧；其中，帧是全色的并且是由组合多个子帧而形成的，子帧通过元件阵列相对于收集器结构阵列的空间移动而形成，使得每个收集器结构在每个子帧期间接收来自不同LED的光，以及/或者子帧通过从每个LED发射的光的位移而形成，使得来自每个LED的光照明帧的多个像素。

附图说明

图1A和图1B分别是绿色LED面板的正面示意图和侧面示意图；

图2A和图2B分别是绿色LED面板和对应收集器的正面示意图和侧面示意图；

图3A和图3B分别是红色、绿色和蓝色LED的LED面板及其对应收集器的正面示意图和侧面示意图；

图4是根据本发明的实施方式的投影仪的俯视示意图，示出了将图像投影到波导中以供用户观看；

图5A至图5C是图4所示的投影仪的LED面板和收集器阵列的正面视图，示出了收集器相对于LED面板的不同位置；

图5D是由来自图5A至图5C所示的每个位置的光产生的全色图像帧的正面视图；

图6是根据本发明的另一实施方式的投影仪的俯视示意图，示出了将图像投影到波导中以供用户观看；

图7是图6所示的投影仪的LED面板和收集器阵列的正面视图；

图8A是示出对于如图6所示的投影仪如何从三个不同的子帧形成全色图像像素的示意图；

图8B是由来自图8A所示的三个不同子帧的光产生的全色图像帧的正面视图；

图9是使用图6所示的投影仪产生以生成图8B所示的全色图像帧的三个子帧的示意性正面视图；

图10是根据本发明的另一实施方式的投影仪的俯视示意图，示出了将图像投影到波导中以供用户观看；

图11A是如图10所示的投影仪的LED面板的示意性正面视图；

图11B是如图10所示的投影仪的收集器阵列的示意性正面视图；

图12A和图12B示出了对于如图10所示的投影仪的LED和收集器的示意图，示出了收集器相对于LED的不同位置；

图13A至图13D示出了对于如图10所示的投影仪收集器相对于LED阵列的移动的正面示意图；

图14示出了对于如图10所示的投影仪将来自第一位置的光转换为具有增加的分辨率的绿色子帧的光线角度移位器的示意图；

图15示出了由如图13A至图13D所示的收集器相对于LED阵列的位置中的每一个形成的一系列子帧以及所产生的全色图像帧的正面示意图；以及

图16A至图16E示出了使得可以增加由图13A至图13D所示的每个位置产生的图像的分辨率的光的示例移位的示意性正面视图。

具体实施方式

参照图1A至图3B示出并描述了使用LED作为投影仪的图像源的困难。

图1A示出了布置在平面中的绿色LED阵列2的正面视图。图1B示出了阵列2的三个绿色LED 2a以及从所述LED发射的光3的侧面视图。在图1A和其他附图的顶部处包括用以指示附图中所示的LED的颜色的键。如从图1B可以看出，由于LED是朗伯发射器，因此从每个LED 2a发射宽角度范围的光。这对于在投影显示器中使用是有问题的，因为来自每个LED的光分散在宽的区域上，而不是形成光束，该光束为投影和形成图像所需。

图2A示出了绿色LED阵列2的正面视图，示出了对朗伯发射问题的可能解决方案。收集器阵列6布置在绿色LED阵列2上方。图2B示出了该布置的侧面视图。如从图2B可以看出，收集器6减小了来自LED 2的光被发射的角度。然而，如在图1B和图2B中可以看出，当使用收集器6确保来自每个LED 2的所有光被其相关联的收集器收集时，LED 2a的尺寸较小。

图2A和图2B中所示的布置将仅产生单一颜色的图像，因为所有的LED发射绿光。图3A和图3B示出了能够产生全色图像的LED 2和收集器6的布置。在这种布置中，LED面板2包括绿色LED 2a、红色LED 2b和蓝色LED 2c。然而，对于相同的区域，与如图2A所示的单一颜色面板相比，相同颜色的LED的数量减少了1/3，因此产生每个维度上具有1/3的全色像素数量的图像。例如，如果图2A中所示的LED阵列在水平方向上形成1920个像素(即，在该维度上1920个LED)的图像，则图3A中的像素数量减少到640。这减小了当需要全色图像时可实现的分辨率大小。

这提出了以下问题：使用LED作为全色图像的投影仪图像源，同时在不大大增加系统的尺寸的情况下保持显示器的分辨率。

本发明的目的是克服这些问题以提供能够在不损害系统的尺寸和所实现的分辨率的情况下产生全色图像的投影仪。

图4示出了根据本发明的实施方式的投影仪1的俯视示意图。投影仪1被示出为将图像投影到波导101中。然后用户201观看图像。

投影仪1包括LED面板2。位于LED面板2旁边的是收集器阵列6。在收集器阵列6与波导101之间是包括投影仪透镜8的投影仪单元。

LED面板2产生光，既用作图像源又用作光源。来自LED的光被收集器6收集以减小从LED发射的光的角度，从而解决上述朗伯发射问题。然后来自收集器6的光在投影仪透镜8处被接收。投影仪透镜8准直将位置(空间)图像转换为角度图像的光。在LED面板2处，所生成的图像的每个像素具有空间位置。在将位置图像转换为角度图像的投影仪透镜8之后，每个像素由角度(在方位角和仰角上)表示。

然后图像被投影到波导101的输入光栅上。然后光向下投射到波导101，在输出光栅处离开波导101，在用户201的眼睛中被视为图像。

图5A示出了图4所示的投影仪1的LED面板2和收集器阵列6的正面视图。如可以看出，LED面板2具有绿色LED 2a、红色LED 2b和蓝色LED 2c。LED可以被认为布置在元件10中，每个元件10包括红色LED2b、绿色LED 2a和蓝色LED 2c。如可以看出，每个元件10的LED 2被布置成对角线布置。然而，在其他实施方式中，它们同样可以布置成水平或垂直布置。LED阵列2可以被有效地认为是如图2A所示的绿色LED 2a的相同布置，其中在每个绿色LED 2a之间的未使用空间中放置了附加的红色2b LED和蓝色2c LED。这提供了更好的空间利用，因为它能够将三种颜色的LED中的每一种放置在如图2A中的布局所示的相同区域内。

每个收集器结构6仅可以收集来自其正下方的LED的光。如图4中的箭头20a、20b所示，LED面板2可相对于收集器6移动。以这种方式，元件10的每个LED 2可以依次位于其相关联的收集器6下方，使得来自每个LED 2的光被收集器6收集。这在图5A至图5C中更详细地示出。

在图5A中，绿色LED 2a位于收集器6下方，使得收集器6仅收集来自绿色LED 2a的光，从而形成绿色子帧图像。

在图5B中，LED面板2已经移动，使得蓝色LED 2c位于收集器6下方，使得在该位置中仅收集来自蓝色LED 2c的光，从而形成蓝色子帧图像。

在图5C中，LED面板2已经移动，使得仅红色LED 2b位于收集器6下方，使得仅收集来自红色LED 2b的光，从而形成红色子帧图像。

LED面板在图5A至图5C所示的每个位置之间的移动可以以帧速率发生或者比帧速率更快地发生。因此，位置5A至5C中的每一个负责产生单一颜色子帧。通过组合每个子帧，产生如图5D所示的全色帧。全色帧中的像素数量等于收集器6的数量。因此，在产生全色图像时，分辨率没有损失。

图6示出了根据本发明的另一示例实施方式的投影仪1的示意性俯视图。投影仪1被示出为将图像投影到波导101中，随后由用户201观看图像。

图6所示的投影仪1具有LED面板2、收集器阵列6和投影仪透镜8，类似于图4所示的投影仪。另外，投影仪1包括布置在投影仪透镜8与波导101之间的光线角度移位器12。在图6所示的投影仪1中，与图4所示的实施方式不同，LED面板2相对于收集器阵列6不可移动。

图7示出了图6所示的投影仪1的LED面板2和收集器阵列6的正面视图。LED面板2包括绿色LED 2a、红色LED 2b和蓝色LED 2c。LED交替地布置，使得在x和y方向上没有两个相同颜色的LED彼此相邻布置。如图7中可以看出，在每行中，绿色LED 2a、红色LED 2b和蓝色LED 2c可以被认为是元件10。然而，元件的这种分类同样可以以列而不是行来看。

在图6和图7所示的实施方式的投影仪1中，每个LED具有对应的收集器6，使得每个收集器6总是收集来自相同LED 2的光。

光线角度移位器12可以使从每个LED发射的光在穿过收集器6和投影仪透镜8之后移位。如图8A中可以看出，来自每个颜色LED的光被移位，使得由投影仪形成的图像的每个像素被来自每个颜色LED的光照明。在每个子帧中，来自不同颜色LED的光照明每个像素。这提供了全色的图像，如图8B所示，其具有与收集器的数量(和LED的数量)相同的像素密度。因此，分辨率增加到1920×1920，而不是像没有位移时那样达到的640×640的分辨率。

图9示出了如何使用图6的投影仪获得不同颜色像素的组合的示例方法的示意性正面视图。子帧15a由多个像素22形成，每个像素被不同颜色的LED照明。

子帧15b通过来自每个LED的光的角度移位形成，使得光线角度移位器将来自每个LED的光在水平方向上移位一个像素。这可以是通过偏摆旋转实现的。由于LED以绿色、红色、蓝色的顺序布置在面板中，通过将子帧平移1个像素，先前由第一颜色照明的像素现在将由不同的第二颜色LED照明。在最后的第三子帧15c中，光在角度上进一步移位，使得图像水平地平移另一像素，使得三种颜色的最后一种颜色照明每个像素。这产生如图8B所示的具有与收集器(和LED)的数量相同数量的像素的全白色图像帧。

如图9中可以看出，任一侧的两列像素不会被每三种颜色的LED照明，导致图像的分辨率与LED数量的分辨率不完全相同。然而，当形成1920个像素的图像时，这4个冗余像素列具有可忽略的效果。

每个子帧15a、15b、15c之间的角度移位可以以3倍的帧速率发生，使得在显示每个帧的时间的1/3内形成每个子帧15a、15b和15c。

当每个子帧15a、15b、15c相对于彼此平移1个像素时，每个LED相对于其照明的像素发光。例如，看帧15a中的第一绿色LED 2a，它可以发射代表要投影的原始图像中的第一左上角像素的光。在帧15b中，绿色LED 2a可以发射代表要投影的原始图像的左上角的向内一个像素的光，以及在子帧15c中，绿色LED 2a可以发射代表要投影的原始图像的左上角的向内两个像素的光。这确保了最终图像的每个像素表示要被投影的原始图像中的单个像素。

在图6所示的投影仪中，光线角度移位器12是被配置成在适当位置移动的镜。然后来自收集器的光取决于镜的取向以不同的量被反射离开镜，从而引起光的位移。

当镜处于第一位置时，镜不引起光的移位，使得每个收集器(以及因此其相关联的LED)形成如子帧15a所示的图像中的像素。在镜移动到第二取向时，形成子帧15b，然后当镜子定向在第三位置时，最终形成第三子帧15c。光取决于镜的取向从镜的反射导致光的角度移位。

图10示出了根据本发明的另一示例实施方式的投影仪1的示意性俯视图。投影仪1被示出为将图像投影到波导101中，随后由用户201观看图像。

图10中所示的投影仪1具有LED面板2、收集器阵列6、投影仪透镜8和光线角度移位器12，类似于图6中所示的投影仪。在图10所示的投影仪1中，与图6所示的投影仪1不同，收集器阵列6是可移动的，而LED面板2是静止的。

图11A示出了图10所示的投影显示器1的LED阵列2的前视图。如可以看出，LED阵列包括不同颜色的LED。在图3A所示的示例中，LED是红色、绿色和蓝色的。LED被布置成元件10，每个元件由如虚线方形10所示的2×2方形LED阵列组成。每个元件10包括两个红色2b2d、一个绿色2a和一个蓝色LED 2c。元件10在LED阵列上重复。在该取向上的LED被紧密地封装，使得在相邻的LED之间没有空间。通过这种紧密封装的LED阵列，不可能将收集器一次定位在所有的LED上方。

图11B示出了收集器6的阵列的前视图。在该实施方式中，示出了收集器6的更多细节，示出了收集器是逐渐变细的井结构。

图12A和图12B示出了沿着如图2A所示的第一列LED的切片，使得仅红色2d LED和绿色2a LED被示出。示出了逐渐变细的井结构6的结构。尽管对于图4和图6所示的实施方式没有示出这些细节，但是这些实施方式的收集器6也可以是逐渐变细的井结构。

如图12A和图12B中可以看出，每个逐渐变细的井结构6包括在LED近端的入口14与LED远端的出口16之间延伸的管道17。每个逐渐变细的井结构具有形成逐渐变细的井结构6的结构的四个壁18a、18b、18c、18d。逐渐变细的井结构的壁是逐渐变细的，使得出口16的横截面面积大于入口14的横截面面积。这使得能够从LED阵列收集光，减少发射角度，同时增加光透射的面积。逐渐变细的井结构的壁18a至18d由玻璃形成，并且用于将光容纳在逐渐变细的井结构6的管道17内。

如上所述，在图10所示的实施方式中，收集器(逐渐变细的井结构)可相对于LED阵列移动。这在图12A、图12B以及图13A至图13D中示出。至于其他实施方式，每个收集器在任何一个时间仅能够收集来自单个LED的光。其原因在图12A和图12B中示出。在图12A中，逐渐变细的井结构6被定位成收集来自绿色LED 2a的光。在该配置中，逐渐变细的井结构6的入口14位于绿色LED 2a上方，使得绿光被逐渐变细的井结构6收集。通过由逐渐变细的井结构6的壁18反射绿光，绿光被包含在逐渐变细的井结构内。从LED发射的光的角度减小，而光发射的面积由于井结构的逐渐变细的特性而增加。在这种布置中，逐渐变细的井结构的壁位于红色LED 2d以及在该视图中未示出的其他红色LED 2b和蓝色LED 2c上方，使得来自这些LED的光不被收集。图12B示出了逐渐变细的井结构6相对于LED的不同取向，其中逐渐变细的井结构6被定位成收集来自红色LED 2d的光。在该配置中，逐渐变细的井结构6的入口14收集来自红色LED 2d的光，而来自其他LED 2a、2b、2c的光被逐渐变细的井结构的壁18阻挡。

图13A至图13D示出了逐渐变细的井结构6相对于LED阵列2的不同位置的正面视图。在图13A中，收集器位于绿色LED 2a上方，使得每个收集器被来自其相关联的元件10的绿色LED 2a的光照明。这如图12A所示。在图13B中，收集器阵列已经在+x方向上沿着平面移动，使得它们现在位于红色LED 12b上方，使得每个元件10的红色LED 12b照明收集器。在图13C中，收集器阵列在平面中沿-y方向移动，使得它们现在位于蓝色LED 12c上方，使得每个元件10的蓝色LED 12c照明收集器。在图13D中，收集器阵列在平面中沿-x方向移动，使得它们现在位于红色LED 12d上方，使得每个元件10的红色LED 12d照明收集器。然后对下一图像帧再次重复该过程。

当LED的间距(两个相邻LED中心之间的距离)在x和y方向两者上均为3μm时，收集器之间的间距可以为6μm。因此，收集器在x和y方向上的移动可以为3μm，以实现如图13A至图13D所示的移动。

图13A至图13D所示的每个位置之间的移动速度比帧速率快。实际上，移动速度是帧速率的四倍，以确保收集器针对每一帧位于图13A至图13D所示的每个位置。

如图14所示，当收集器被布置在图13A所示的位置——其中收集器被定位成收集来自绿色LED的光——时，光线角度移位器被配置成引起来自收集器的光的角度位移，以便增加所形成的所得绿色子帧的分辨率。因此，例如，不是形成在每个方向上为540个像素的图像(这将是没有光线角度移位器的情况)，图像的分辨率增加到1080个像素，使得它等于LED阵列2中的LED的数量。这被示出为绿色子帧30a。

通过对于图13A至图13D中所示的每个位置使用光线角度移位器引起角度移位，如图15所示产生四个子帧。子帧30a是如图14所示的绿色子帧。子帧30b是当收集器6处于图13B所示的位置时形成的红色子帧。子帧30c是当收集器6处于图13C所示的位置时形成的蓝色子帧。子帧30d是当收集器处于图13D所示的位置时形成的红色子帧。这些子帧中的每个子帧被组合在一起以形成全色帧32。全色帧和子帧30a至30d中的每一个都是1080×1080像素，致使分辨率没有损失。

现在将关于图16A至图16E描述角度移位器如何实现分辨率的增加的更多细节。图16A示出了由从三个收集器6发射的光形成的三个像素。例如，当处于图13A和图14所示的位置时，这可能是顶行中的前三个收集器发射绿光。这三个像素被标记为33a、33b和33c。如上所述，由于LED阵列为2×2且仅收集2×2LED中的单个LED的事实，因此该子帧在水平维度和垂直维度两者上的分辨率为540个像素，而不是期望的1080个像素。

LED可以由信号处理器(未示出)控制，该信号处理器提供控制LED形成图像的信号。在图16A所示的布置中，最初要投影的图像尺寸缩小到540×540像素，其中每个投影像素表示原始图像的四个像素的平均值。例如，像素33a是原始图像的4个像素的平均值，33b是原始图像的4个像素的平均值，以及33c是原始图像的4个像素的平均值。

然后光线角度移位器12使投射的光如图16B所示平移1/2像素，使得光被投射以形成三个像素33a、33b、33c，这三个像素相对于图16A中的像素成角度地移位1/2像素。虚线示出光在先前投影中的位置。当在图16B中的位置处投影时，LED由信号处理器控制以投影540×540像素的第二尺寸缩小的图像，该图像基于原始图像平移1个像素。以这种方式，图16B中的像素33a是原始图像的4个像素的平均值，但是从向内1个像素开始，即从原始图像的第二列像素开始。其他像素33b和33c也相应地移位。

然后光线角度移位器导致光如图16C所示向下移位1/2像素，使得光被投射以形成三个像素33a、33b、33c，这三个像素相对于图16B中的像素成角度地向下移位1/2像素。当在图16B中的位置处投影时，LED由信号处理器控制以投影540×540像素的第三尺寸缩小的图像，该图像基于原始图像平移1个像素并向下移位1个像素。以这种方式，图16C中的像素33a是原始图像的4个像素的平均值，但从向内1个像素和向下1个像素开始，即从第二行和原始图像的第二列像素开始。其他像素33b和33c也相应地移位。

然后光线角度移位器导致光如图16D所示平移1/2像素，使得光被投射以形成三个像素33a、33b、33c，这三个像素相对于图16C中的像素成角度地平移1/2像素。当在图16C中的位置处投影时，LED由信号处理器控制以投影540×540像素的第四尺寸缩小的图像，该图像基于原始图像向下平移1个像素。以这种方式，图16D中的像素33a是原始图像的4个像素的平均值，但从向下1个像素开始，即从原始图像的第二行像素开始。其他像素33b和33c也相应地移位。

图16E示出了根据如图16A至16D所示的这种移位产生的图像的一部分。如通过位置的不同移位的这种组合可以看出，图像内的像素35a、35b的数量大大增加。通过针对图13A至13D所示的每个位置执行这些移位中的每一个，形成在两个轴上都具有1080分辨率的每个帧30a、30b、30c和30d，从而形成全色1080帧32。通过对每个图像帧这样做，分辨率可以从540×540增加到1080×1080，从而形成具有这种增加的分辨率的全色图像。

如图16A至图16D所示的像素的移位在上面被描述为由引起像素的角度移位的光线角度移位器执行。在替选实施方式中，图16A至图16D中描述的效果可以反而通过光的空间移动而不是角度移动来实现。除了如图10以及图13A至图13D所示的收集器相对于LED的相对移动之外，还可以使用LED阵列2和收集器6的移动来产生效果，而不是具有光线角度移位器。例如，LED阵列2和收集器阵列6可以安装在允许两者相对于投影仪透镜8在平面中沿着x和y方向移动的机构上。该移动可以与图16A至图16D中所示的相同，其中在+x方向上移动1/2像素(即准直器尺寸的1/2)，在-y方向下移动1/2像素，在-x方向上平移1/2像素，然后最终向上返回(在+y方向上移动1/2像素)到原始位置。以这种方式，形成如图16A至图16D所示的像素。通过当收集器处于图13A至图13D所示的每个位置时进行的这种移动，可以实现如图15所示的全色帧32。

如所有以上实施方式中所示的LED可以是微型LED。由于微型LED的小尺寸，这在微型投影仪设计中是特别优选的。每个典型的微型LED可以具有小于0.04mm²的面积。然而，在其他布置中，取决于投影仪的使用，LED可以是标准尺寸的LED。

在以上描述中，术语“帧”用来指代图像(即由投影仪形成的图像)的帧。该帧可以由快速连续显示的一系列子帧构成，使得该帧对于观看者看起来是静止图像。可以以通常称为帧速率的速率及时更新帧。例如，投影仪可以以60Hz的帧速率操作显示帧。因此，在有三个子帧的上述实施方式中，子帧可以以180Hz显示。对于图4所示的实施方式，LED的移动可以为180Hz。对于图6所示的实施方式，图9中的每个子帧15、15b、15c之间的移位可以为180Hz。对于图10所示的实施方式，收集器在每个位置之间的移动可以为240Hz(因为有四个位置)。光在图16A至图16D所示的位置之间的移位可以为960Hz。以上是基于60Hz的帧速率，可以使用其他帧速率。

已经详细描述了本公开内容的各方面，明显的是，在不脱离如所附权利要求中限定的本公开内容的各方面的范围的情况下，可以进行修改和变化。

在以上关于图9的描述中，示出了通过在水平方向上平移一个像素形成子帧。可替选地，移位可以在垂直方向上，这将导致类似的结果。移位可以取决于元件及其各自LED的尺寸和取向。

上述分辨率不是限制性的，而仅是示例。例如，在描述了分辨率从640×640增加到1920×1920的情况下，应当理解，原始帧可以具有任何分辨率，并且可实现对应的增加。

上述实施方式中的收集器被描述为逐渐变细的井结构。可替选地，收集器阵列可以是微型透镜阵列。微型透镜可以通过收集来自LED的光并减小它们发射的角度来提供与逐渐变细的井结构相同的效果。因此，解决了朗伯发射问题。在其他布置中，上述实施方式的投影仪可以包括微型透镜阵列和逐渐变细的井结构阵列两者。

上述实施方式中所示的LED的颜色是RGB。然而，本发明不限于此，并且可以使用颜色LED的任何组合。例如，LED可以是红色、蓝色和黄色。可替选地，在图11A中，2×2阵列可以是绿色、红色、蓝色和白色LED。

另外，每个元件不限于具有所示的LED的颜色和数量。例如，图10所示的实施方式可以同样适用于不是2×2的元件。例如，元件可以是3×1的LED阵列，例如RGB。在这种布置中，收集器只需要在平面中的单个方向上移动，例如在x方向上移动。另外，图16A至图16B所示的位置范围将根据确保实现全分辨率而进行调整。

在示出的实施方式中，光的位移可以通过使用如关于图6和图10描述的角度移位器诸如可移动镜来实现，或者它可以是光的空间位移，例如通过如关于图10描述的LED阵列和收集器的移动来实现，而没有光线角度移位器。然而，作为另一替选方案，可以通过在角度上移动的移位板来提供位移。例如，章动板可以位于收集器阵列之后投影仪单元之前。通过在不同方向上倾斜，板的章动可以提供光的运动，而不是在投影仪透镜之后的光线角度移位器或者收集器和LED的光线的移动。可替选地，可以使用摆动玻璃楔来提供表观光学运动。光进入玻璃楔并且可以被折射，从而使光具有光学移位。通过该楔形物的移动，可以以针对以上实施方式描述的方式移动光，以便提供相同的期望效果。在其他布置中，可以使用用于引起光的移位的任何机构。

在图4所示的实施方式中，LED面板是可移动的，而收集器是静止的。在其他布置中，相反地，收集器是可移动的，而LED面板是静止的。然而，这可能需要光线角度移位器或类似机构，以使得由移动收集器形成的子帧彼此重叠以形成图像。

关于图16A至图16D示出和描述的布置是一个示例。可以以任何方式实现移动。另外，所显示的图像的采样不限于所描述的方式。

在上述实施方式中，投影仪被示出为将图像投影到波导中。然而，投影仪可以用来将光投射到任何类型的设备中和任何类型的显示器上，但不一定限于波导。

Claims (15)

1.一种用于生成图像的帧的投影仪，所述投影仪包括：

布置在平面中的元件阵列，每个元件包括具有不同的相应颜色的至少三个LED；

收集器结构阵列，每个收集器结构被配置成在任何一个时间接收来自单个LED的光并减小所述LED发射光的角度；

投影仪单元，所述投影仪单元被配置成接收来自所述收集器结构阵列的光并使所述光准直，使得帧被形成；

其中，所述帧是全色的并且是由组合多个子帧而形成的，所述子帧通过所述元件阵列相对于所述收集器结构阵列的空间移动而形成，使得每个收集器结构在每个子帧期间接收来自不同LED的光，以及/或者所述子帧通过从每个LED发射的光的位移而形成，使得来自每个LED的光照明所述帧的多个像素。

2.根据权利要求1所述的投影仪，其中，所述投影仪单元包括光学元件，所述光学元件被配置成能够调节以用于引起从每个LED发射的光的位移，使得来自每个LED的光照明所述帧的多个像素。

3.根据前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，所述元件阵列被配置成能够移动，以提供所述元件阵列相对于所述收集器结构阵列的空间移动。

4.根据前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，所述收集器结构阵列被配置成能够移动，以提供所述元件阵列相对于所述收集器结构阵列的空间移动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，每个子帧是单一颜色的。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的投影仪，其中，每个收集器与单个LED相关联，使得每个子帧包括所述不同的相应颜色中的每一种。

7.根据权利要求6所述的投影仪，其中，每个LED被配置成照明每个子帧中的单个像素，其中，所述光的位移使得所照明的单个像素在每个子帧中是不同的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，所述收集器结构阵列是微型透镜阵列或逐渐变细的井结构阵列。

9.根据前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，所述至少三个LED包括红色LED、蓝色LED和绿色LED。

10.根据前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，当每个元件包括四个LED时，所述LED在所述平面中被布置成2乘2的配置。

11.根据前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，在第一子帧中，所述至少三个LED中的第一LED照明第一像素，在第二子帧中，所述至少三个LED中的第二LED照明所述第一像素，以及在第三子帧中，所述至少三个LED中的第三LED照明所述第一像素。

12.根据前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，所述LED是微型LED。

13.一种增强现实或虚拟现实设备，包括前述权利要求中任一项所述的投影仪。

14.一种投影仪显示系统，包括：

用于显示图像的显示器；以及

根据权利要求1至12中任一项所述的投影仪。

15.一种使用投影仪生成图像的帧的方法，所述方法包括：

从布置在平面中的元件阵列发射光，每个元件包括具有不同的相应颜色的至少三个LED；

在收集器结构阵列处接收从所述元件阵列发射的光，每个收集器结构在任何一个时间接收来自单个LED的光以减小所述LED发射光的角度；

从收集器结构阵列发射角度已减小的光；

在投影仪单元处接收来自所述收集器结构阵列的光并且使所述光准直，使得帧被形成；

其中，所述帧是全色的并且是由组合多个子帧而形成的，所述子帧通过所述元件阵列相对于所述收集器结构阵列的空间移动而形成，使得每个收集器结构在每个子帧期间接收来自不同LED的光，以及/或者所述子帧通过从每个LED发射的光的位移而形成，使得来自每个LED的光照明所述帧的多个像素。

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