CN221726309U - 用于近眼显示器的图像投影仪 - Google Patents

Abstract

一种投影仪(200)具有：扫描照明子系统；反射会聚光学器件(18)，其聚焦扫描的光束来以凸场曲率在非平面焦表面处形成真实图像；透射式射束扩展配置(20)，其符合非平面焦表面；以及折射光学装置(22)，其对来自透射式射束扩展配置的光进行准直，以作为准直图像从输出光学孔径(24)出现。折射光学装置具有凹场曲率，该凹场曲率至少部分地与反射会聚光学器件的凸场曲率抵消。

Description

用于近眼显示器的图像投影仪

技术领域

本实用新型涉及显示器，并且特别地涉及用于头戴式显示器和增强现实系统的图像投影仪。

背景技术

适于用于头戴式显示器的图像投影仪的一个子类别采用一个或更多个激光束，所述一个或更多个激光束通常通过使用快速扫描镜以扫描模式来扫描，该快速扫描镜同时同步改变射束强度以生成图像。图像被聚焦至图像平面，并且然后被准直光学器件准直以在投影仪输出光学孔径处生成输出图像。为了用图像填充输出孔径，将诸如微透镜阵列的射束扩展器(或数值孔径扩展器)部署在图像平面处。

当将激光投影仪耦合到波导中时，优选地满足以下条件：

1.扫描镜的平面应当成像到输出光学孔径上，该输出光学孔径对应于用于将图像传送至用户的眼睛前面的波导的入口。

2.微透镜阵列或漫射器(此处为MLA)应当在焦平面处引入，以扩展光束以填充出射孔径(波导的入口)。

保持激光束聚焦同时保留临时焦平面和MLA的完全覆盖对于保持跨投影图像的高质量图像是重要的。因此，在MLA之前和之后与光学器件的场曲率交叠是重要的。在与本实用新型共同转让的PCT公布WO 2021/053661A1中公开了激光扫描图像投影仪的各种特征。

与反射透镜组合的偏振分束器(PBS)在本领域中是已知的，其导致凸场曲率。此外，扫描聚焦激光束也生成凸场曲率。然而，将PBS与会聚激光束组合往往具有大的物理尺寸，这在近眼显示器应用中是不利的。

实用新型内容

本实用新型是用于头戴式显示器和增强现实系统的图像投影仪。

根据本实用新型的实施方式的教导，提供了一种用于经由输出光学孔径投射准直图像的投影仪，该投影仪包括：(a)扫描照明子系统，其包括：(i)光源，该光源生成至少一个光束，(ii)扫描装置，其被部署成在至少一个维度上以角扫描运动来使至少一个光束偏转，以及(iii)调制器，其与光源和扫描装置相关联，并且被部署成与角扫描运动同步地调制至少一个光束的亮度；(b)反射会聚光学器件，其包括至少一个反射会聚透镜，反射会聚光学器件被部署成聚焦至少一个扫描的光束以形成真实图像，反射会聚光学器件具有凸场曲率以在非平面焦表面处形成真实图像；(c)透射式射束扩展配置，其被部署成基本上符合非平面焦表面；以及(d)折射光学装置，其包括至少一个折射透镜，折射光学装置被部署成对来自透射式射束扩展配置的光进行准直，以作为准直图像从输出光学孔径出现，折射光学装置具有凹场曲率。

根据本实用新型的另一特征，光源包括用于生成入射在扫描装置上的准直射束的准直透镜和激光器。

根据本实用新型的另一特征，扫描装置是用于生成绕两个轴的角扫描运动的二维扫描装置。

根据本实用新型的另一特征，还设置了分束器表面，该分束器表面被部署成限定从扫描装置到焦表面的光路，在该光路中，至少一个射束被分束器表面透射至少一次并且被分束器表面反射至少一次。

根据本实用新型的另一特征，分束器表面是偏振分束器，并且其中，四分之一波片与反射会聚光学器件相关联。

根据本实用新型的另一特征，分束器表面是非偏振的部分反射分束器。

根据本实用新型的另一特征，分束器表面包括在透明棱镜内，并且其中，反射会聚光学器件与透明棱镜的表面相关联。

根据本实用新型的另一特征，透射式射束扩展配置实现为微透镜阵列。

根据本实用新型的另一特征，反射会聚光学器件和折射光学装置被配置成使得反射会聚光学器件的凸场曲率与折射光学装置的凹场曲率基本上一致。

根据本实用新型的另一特征，反射会聚光学器件和折射光学装置被配置成使得扫描装置在输出光学孔径处成像。

附图说明

在本文中参照附图仅通过示例的方式描述了本实用新型，在附图中：

图1A和图1B是示出了用于将图像照明耦入到波导中的两个几何结构的基于波导的近眼显示器的示意性侧视图；

图1C是示出了使用第一组部分反射内表面和第二组部分反射内表面以在二维上扩展图像投影仪的光学孔径的基于波导的近眼显示器的正视图；以及

图2是根据本实用新型的教导构造和操作的用于图1A至图1C的显示器的图像投影仪的示意性表示。

具体实施方式

本实用新型是用于头戴式显示器和增强现实系统的紧凑型图像投影仪。

参照附图和所附描述可以更好地理解根据本实用新型的图像投影仪的原理和操作。

现在参照附图，图1A至图1C示出了可以使用本实用新型的上下文的非限制性示例。在图1A中示出了近眼显示光学引擎，其包括图像投影仪200，该图像投影仪通过透射耦合棱镜202T以及通过竖直孔径203V将具有角场的图像光投射到波导204中。光在波导中传播，通过全内反射被反射。在耦出区域210中嵌入波导中的部分反射器(或“小平面”)206将图像从波导朝向具有眼球中心208的观察者反射(虚线箭头)。图1B示出了通过使用在其后表面上具有镜的反射耦合棱镜202R耦合到波导中的替选形式。

波导配置可以实现一维或二维(“2D”)的光学孔径扩展。图1C示意性地示出了2D孔径扩展波导的正视图。此处，图像投影仪200通过耦合棱镜202使图像穿过横向孔径203L(203V也存在，但从该取向不可见)注入到波导204中。当图像光线220A在波导面之间通过TIR反射时，图像光线在波导中横向传播。此处使用两组小平面：组206L通过将引导的图像逐渐地反射到不同的引导方向220B来横向地扩展孔径，而小平面组206V通过将图像从波导上的区域210逐渐地耦出到观察者的眼睛上来竖直地扩展孔径。以上示例提供了可以使用本实用新型的图像投影仪的上下文的非限制性示例，但是应当理解，其也可以有利地用于广泛的其他光学装置，包括采用衍射光学元件、或者反射元件和衍射元件的组合的光导，如本领域中已知的。

图2示出了根据本实用新型的实施方式的用于在输出光学孔径24处提供准直图像的投影仪200的实现方式，该输出光学孔径在使用中与波导的输入孔径203L和203V对准。

一般而言，投影仪200包括扫描照明子系统，该扫描照明子系统包括：通常包括激光器的光源，该光源生成至少一个光束；扫描装置，其被部署成在至少一个维度上以角扫描运动来使至少一个光束偏转；以及控制器34，其与光源和扫描装置相关联，该控制器被部署成与角扫描运动同步地调制至少一个光束的亮度。投影仪还包括反射会聚光学器件，该反射会聚光学器件包括至少一个反射会聚透镜18。反射会聚光学器件被部署成聚焦扫描的光束以形成真实图像，反射会聚光学器件具有凸场曲率，以在非平面焦表面处形成真实图像。优选地实现为微透镜阵列的透射式射束扩展配置20被部署成基本上符合非平面焦表面。包括至少一个折射透镜的折射光学装置22被部署成对来自透射式射束扩展配置的光进行准直，以作为准直图像从输出光学孔径出现，折射光学装置具有凹场曲率。

光源优选地包括用于生成入射到扫描装置上的基本上准直的射束的准直透镜12和激光器10。扫描装置本身优选地是安装在适当的扫描机构上并且由扫描控制器32驱动的快速扫描镜14，所有这些在本领域中是已知的。最优选地，扫描装置是用于生成绕两个轴的角扫描运动的二维扫描装置。这可以通过使用绕两个轴倾斜的单个镜，或者通过采用两个单轴镜来实现。替选地，在某些实现方式中，照明系统可以提供包含覆盖多行像素的多个光束(未示出)的矢量，使得可以使用一维(单轴)扫描运动来构造视场。

投影仪的一个特别优选的实现方式采用分束器表面16，该分束器表面被部署成限定从扫描装置14到焦表面20的光路，在该光路中，至少一个射束被分束器表面透射至少一次并被分束器表面反射至少一次。在某些实施方式中，分束器表面有利地实现为偏振分束器(PBS)，在这种情况下，四分之一波片与反射会聚光学器件18相关联。图2中所示的PBS16的优选配置仅采用单次反射，并且因此反射之前和之后的残余漏光不会继续通过系统。这使图像质量劣化最小化。替选地，可以使用非偏振的部分反射分束器例如部分镀银的反射器来实现非偏振配置。在任一情况下，分束器表面可以有利地包括在透明棱镜内，其中反射会聚光学器件与透明棱镜的表面相关联。

透射式射束扩展配置20有利地实现为微透镜阵列，但是也可以使用诸如定向漫射器的其他数值孔径扩展元件。可选地，MLA可以嵌入折射材料中，并且从而集成到折射光学装置22的第一元件中。

图像投影仪的操作(在PBS实现方式的非限制性情况下通过示例的方式描述)如下。来自激光器10的光被透镜12准直并且照射到扫描镜14上。扫描的射束(表示为多个箭头)穿过PBS16到达反射透镜18上。该透镜包括使射束偏振进行旋转并且还对射束进行聚焦的波片。会聚射束被PBS16反射并且聚焦在包括MLA 20的(非平面)图像“平面”上。当每个射束穿过MLA 20时，其获取增加的发散度，使得在穿过准直光学器件22之后，每个射束(对应于图像的像素)以对应的角度用准直射束填充出射孔径24。折射光学器件22具有至少部分地与反射会聚光学器件的凸场曲率抵消的凹场曲率，从而导致与全反射或全折射实现方式相比增强的图像质量。此外，已经发现特别有利的是在射束扩展配置之前在光路中采用反射光学器件，因为射束的窄扩展使得能够使用高度紧凑的反射会聚光学器件，其重量和体积比在射束扩展配置之后在大数值孔径光学器件中使用用于准直的反射光学系统所需的重量和体积小得多。

通过部分抵消两个光学装置的相反场曲率，即使它们不精确地匹配，也实现增强的图像质量。如果存在不匹配，则MLA优选地被弯曲以适配折射光学装置22的后场曲率。

在某些特别优选的实现方式中，反射会聚光学器件和折射光学装置被配置成使得反射会聚光学器件的凸场曲率与折射光学装置的凹场曲率基本上一致，以更精确地彼此抵消。可以通过改变射束在透镜12之后的发散度(使得其不是完美准直的)并对应地修改反射透镜18的焦度以及/或者通过改变扫描镜14与反射透镜的距离来修改反射会聚光学器件的场曲率。附加地或替选地，可以通过改变折射元件的设计来修改折射光学装置22的后场曲率。

此外，反射会聚光学器件和折射光学装置优选地被配置成使得扫描镜14在输出光学孔径24处成像，从而确保扫描的照明被高效地耦合到波导中。

将认识到，以上描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求限定的本实用新型的范围内许多其他实施方式是可能的。

Claims (10)

1.一种用于经由输出光学孔径投射准直图像的投影仪，其特征在于，所述投影仪包括：

(a)扫描照明子系统，所述扫描照明子系统包括：

(i)光源，所述光源生成至少一个光束，

(ii)扫描装置，所述扫描装置被部署成在至少一个维度上以角扫描运动来使所述至少一个光束偏转，以及

(iii)调制器，所述调制器与所述光源和所述扫描装置相关联，并且被部署成与所述角扫描运动同步地调制所述至少一个光束的亮度；

(b)反射会聚光学器件，所述反射会聚光学器件包括至少一个反射会聚透镜，所述反射会聚光学器件被部署成聚焦至少一个扫描的光束以形成真实图像，所述反射会聚光学器件具有凸场曲率，以在非平面焦表面处形成所述真实图像；

(c)透射式射束扩展配置，所述透射式射束扩展配置被部署成基本上符合所述非平面焦表面；以及

(d)折射光学装置，所述折射光学装置包括至少一个折射透镜，所述折射光学装置被部署成对来自所述透射式射束扩展配置的光进行准直，以作为准直图像从所述输出光学孔径出现，所述折射光学装置具有凹场曲率。

2.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述光源包括用于生成入射在所述扫描装置上的准直射束的准直透镜和激光器。

3.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述扫描装置是用于生成绕两个轴的角扫描运动的二维扫描装置。

4.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，还包括分束器表面，所述分束器表面被部署成限定从所述扫描装置到所述焦表面的光路，在所述光路中，至少一个射束被所述分束器表面透射至少一次并且被所述分束器表面反射至少一次。

5.根据权利要求4所述的投影仪，其特征在于，所述分束器表面是偏振分束器，并且其中，四分之一波片与所述反射会聚光学器件相关联。

6.根据权利要求4所述的投影仪，其特征在于，所述分束器表面是非偏振的部分反射分束器。

7.根据权利要求4所述的投影仪，其特征在于，所述分束器表面包括在透明棱镜内，并且其中，所述反射会聚光学器件与所述透明棱镜的表面相关联。

8.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述透射式射束扩展配置实现为微透镜阵列。

9.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述反射会聚光学器件和所述折射光学装置被配置成使得所述反射会聚光学器件的所述凸场曲率与所述折射光学装置的所述凹场曲率基本上一致。

10.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述反射会聚光学器件和所述折射光学装置被配置成使所述扫描装置在所述输出光学孔径处成像。