DE212017000261U1

DE212017000261U1 - Optisches System mit kompaktem Kollimator-Bildprojektor

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Publication number: DE212017000261U1
Application number: DE212017000261.1U
Authority: DE
Original assignee: Lumus Ltd
Current assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2017-12-03
Publication date: 2019-08-05
Anticipated expiration: 2027-12-04
Also published as: CN208953803U; JP3226588U; KR20190000456U; EP3371642A1; TW201825938A; US20180157057A1; JP2020503535A; WO2018100582A1; TWM577117U; EP3371642A4

Abstract

Optisches System; welches umfasst:
(a) ein Bild-Kollimator-Prisma, das ein Lichtwellen-leitendes Material umfasst, worin das Prisma mehrere externe Oberflächen aufweist, die einschließen: eine Lichtwellen-Eingangsoberfläche und eine Lichtwellen-Ausgangsoberfläche, eine Bild-Displayoberfläche und eine Kollimatoroberfläche, eine in dem Prisma auf einer zu der Lichtwellen-Eingangsoberfläche schrägen Fläche angeordnete polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung;
(b) eine Quelle von polarisiertem Licht, die mit der Lichtwellen-Eingangsoberfläche verbunden ist;
(c) eine mit der Bild-Displayoberfläche des Prismas verbundene reflektierende Displayeinrichtung, worin die reflektierende Displayeinrichtung einem Bild entsprechende räumliche Modulation von reflektiertem Licht erzeugt, worin die reflektierende Displayeinrichtung durch von der Strahlteiler-Anordnung reflektiertes Licht der polarisierenden Quelle beleuchtet wird, worin die reflektierende Displayeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass das hellen Bereichen des Bildes entsprechende reflektierte Licht eine relativ zu der Quelle von polarisiertem Licht gedrehte Polarisierung aufweist;
(d) mindestens eine Verzögerungsplatte, die mit mindestens einem Teil der Kollimatoroberfläche verbundene ist; und
(e) mindestens ein Lichtwellen-Kollimatorbauteil, das mit dem mindestens einen Teil der Verzögerungsplatte überlappt, so dass ein Bild von der reflektierenden Displayeinrichtung durch die polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung selektiv übertragen wird, durch das Kollimatorbauteil kollimiert wird, von der polarisierungsselektiven Strahlteiler-Anordnung reflektiert wird und durch die Ausgangsoberfläche projiziert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Systeme und, insbesondere, ein optisches System mit einem kompaktem Kollimator-Bildprojektor.
Kompakte optische Geräte werden insbesondere in dem Feld kopf-getragener Displays (HMD) benötigt, worin ein optisches Modul Funktionen der Bilderzeugung (ein „Imager“) und Kollimation des Bildes in die Unendlichkeit zur Ausgabe an das Auge des Betrachters leistet. Das Bild kann von einem Displaygerät, entweder direkt von einem räumlichen Lichtmodulator (SLM), wie einer Kathodenstrahlröhre (CRT), einem Flüssigkristall-Display (LCD), einem Flüssigkristall auf Silikon (LCoS), einem digitalen Mikrospiegelaktor (DMD), einem OLED Display, einer Scannquelle oder verwandten Geräten, oder indirekt, mittels einer Relaylinse oder einem optischen Faserbündel erhalten werden. Das aus einer Anordnung von Pixeln zusammengesetzte Bild, wird durch eine Kollimator-Anordnung in die Unendlichkeit fokussiert und typischerweise durch eine reflektierende Oberfläche oder eine als ein Kombinator wirkende teilweise reflektierende Oberfläche, entsprechend für Nicht-Durchsicht-Anwendungen und Durchsicht-Anwendungen in das Auge des Betrachters übertragen. Typischerweise wird für diese Zwecke eine konventionelle, optische Freiraumdatenübertragung verwendet.
Wenn das erwünschte Sichtfeld (FOV) des Systems vergrößert wird, werden konventionelle optische Module dieses Typs, sogar Geräte moderater Leistung, schwerer und massiger und daher unpraktischer. Dies ist ein größerer Nachteil für alle Arten von Displays, aber speziell bei kopf-getragenen Anwendungen, bei denen das System notwendigerweise so leicht und kompakt wie möglich sein muss.
Das Streben nach Kompaktheit hat zu verschiedenen unterschiedlichen komplexen optischen Lösungen geführt, von denen viele für die meisten praktischen Anwendungen immer noch nicht hinreichend kompakt sind, und gleichzeitig, unter Nachteilen bezüglich Kosten, Komplexität und Herstellungsfähigkeit leiden. Die Eye-Motion-Box (EMB), über die die volle Reichweite optischer Sichtwinkel sichtbar ist, ist in einigen Fällen klein, beispielsweise kleiner als 6 mm, was die Leistung des optischen Systems sogar für kleine Bewegungen des optischen Systems relativ zu dem Auge des Betrachters empfindlich macht, und versagt dabei, für komfortables Lesen von Text über solche Displays Pupillenbewegung hinreichend Rechnung zu tragen.
Eine besonders vorteilhafte Familie von Lösungen für kopf-getragene Displays (HMD) und Nah-Augen-Displays sind kommerziell von Lumus Ltd. (Israel) verfügbar, die typischerweise Lichtleiter-Substrate (Wellenleiter) mit teilweise reflektierenden Oberflächen oder anderen anwendbaren optischen Elementen zur Übermittlung eines Bildes an das Auge des Nutzers verwenden. Verschiedene Aspekte der Lumus Ltd. Technologie sind in den nachstehenden PCT Patent-Publikationen beschrieben, die hiermit durch Referenz als bereitgestellter relevanter Hintergrund zur vorliegenden Erfindung aufgenommen sind: WO 01/95027 , WO 2006/013565 , WO 2006/085309 , WO 2006/085310 , WO 2007/054928 , WO 2008/023367 und WO 2008/129539 .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein optisches System mit einem kompakten Kollimator-Bildprojektor. Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine einfache und kompakte Lösung für weite Sichtfelder zusammen mit relativ großen EMB-Werten bereit. Das so erhaltene optische System kann zum Bereitstellen eines großen, hochwertigen Bildes eingebaut werden, was ebenso großen Bewegungen des Auges Rechnung trägt.
Nach den Lehren einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein optisches System bereitgestellt, welches umfasst: (a) ein Bild-Kollimator-Prisma, welches ein Lichtwellen-leitendes Material umfasst, worin das Prisma mehrere externe Oberflächen aufweist, die eine Lichtwellen-Eingangsoberfläche und eine Lichtwellen-Ausgangsoberfläche, eine Bild-Displayoberfläche und eine Kollimatoroberfläche einschließen, eine polarisierungssselektive Strahlteiler-Anordnung, die in dem Prisma auf einer zu der Lichtwellen-Eingangsoberfläche schrägen Fläche angeordnet ist; (b) eine mit der Lichtwellen-Eingangsoberfläche verbundene Quelle von polarisiertem Licht; (c) eine mit der Bild-Displayoberfläche des Prismas verbundene reflektierende Displayeinrichtung, worin die reflektierende Displayeinrichtung räumliche Modulation von reflektiertem Licht erzeugt, das einem Bild entspricht, worin die reflektierende Displayeinrichtung durch von der Strahlteiler-Anordnung reflektiertem Licht von der polarisierten Quelle beleuchtet wird, worin die reflektierende Displayeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass das hellen Bereichen des Bildes entsprechende reflektierte Licht eine relativ zu der Quelle von polarisiertem Licht gedrehte Polarisierung aufweist; (d) mindestens eine Verzögerungsplatte, die mit mindestens einem Teil der Kollimatoroberfläche verbunden ist; und (e) mindestens ein Lichtwellen-Kollimatorbauteil, dass mit mindestens einem Teil der Verzögerungsplatte überlappt, so dass ein Bild der reflektierenden Displayeinrichtung selektiv durch den polarisierungsselektiven Strahlteileraufbau übertragen wird, durch das Kollimatorbauteil kollimiert wird, von der polarisierungsselektiven Strahlteiler-Anordnung reflektiert und durch die Ausgangsoberfläche projiziert wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Lichtwellen-Eingangsoberfläche und eine Lichtwellen-Ausgangsoberfläche des Prismas parallel.
Gemäß einem weiteren Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens ein Winkel zwischen benachbarten Oberflächen des Prismas nicht rechtwinklig.
Gemäß einem weiteren Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Prisma ein quaderförmiges Prisma, und in einem Fall ein würfelförmiges Prisma.
Gemäß einem weiteren Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die polarisierungssselektive Strahlteiler-Anordnung ein Drahtgitter-Strahlteiler.
Gemäß einem weiteren Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung eine Komponenten-Strahlteiler-Anordnung, welche umfasst: (a) ein erstes der Quelle von polarisiertem Licht nächstes Strahlteiler-Element; (b) einen absorptiven Polarisator; und (c) ein zweites dem Lichtwellen-Kollimatorbauteil nächstes Strahlteiler-Element.
Gemäß weiteren Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Strahlteiler-Element ein Drahtgitter-Strahlteiler-Element.
Gemäß einem weiteren Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein mit der Lichtwellen-Ausgangsoberfläche des Prismas verbundener Ausgangspolarisator ebenso bereitgestellt, worin der Ausgangspolarisator zu der polarisierungsselektiven Strahlteiler-Anordnung gekreuzt orientiert ist, um Extinktion jeder Beleuchtung von einer Quelle von polarisiertem Licht sicherzustellen, die die polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung durchquert.
Gemäß einem weiteren Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die reflektierende Displayeinrichtung ein Flüssigkristall-auf-Silikon-Display.
Gemäß einem weiteren Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein mindestens zwei größere parallel zueinander liegende Oberflächen aufweisendes Lichtleiter-Substrat, und eine Lichtwellen-Eintrittsöffnung ebenso bereitgestellt, worin die Lichtwellen-Eintrittsöffnung mit der Lichtwellen-Ausgangsoberfläche des Prismas optisch gekoppelt ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Lichtleiter-Substrat mindestens eine teilweise reflektierende sich in dem Substrat mit einem schrägen Winkel zu den größeren Flächen erstreckende Oberfläche.
Gemäß einem weiteren Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt die mindestens eine Verzögerungsplatte eine erste Verzögerungsplatte, die eine an einer Polarisierungsachse ausgerichtete schnelle Achse aufweist und eine zweite Verzögerungsplatte, die eine mit 45 Grad zu einer Polarisierungsachse ausgerichtete schnelle Achse aufweist, ein.
Der Ausdruck „Lichtleiter“, wie hier in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet, bezieht sich auf alle lichtleitenden Körper, vorzugsweise lichtleitende feste Körper, die ebenso als „optische Substrate“ bezeichnet werden können.
Figurenliste
Die Erfindung wird unter Bezug zu den begleitenden Zeichnungen hier lediglich beispielhaft beschrieben, worin:

1 eine schematische Explosionsplan-Ansicht eines optischen Systems ist, das einen kompakten Kollimator-Bildprojektor bereitstellt, der aufgebaut und betreibbar nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine durch Zufügen eines Ausgangspolarisators modifizierte schematische Explosionsplan-Ansicht des optischen Systems aus 1 ist;
3 eine zu 2 ähnliche schematische Ansicht ist, die einen möglichen Pfad einer unbeabsichtigten Strahlung einer Lichtquelle erläutert, die einen Ausgang des Bildprojektors erreicht;
4 eine weiter explodierte schematische Explosionsplan-Ansicht des optischen Systems aus 2 ist, die Details eines bevorzugten Einbaus einer polarisierungsselektiven Strahlteiler-Anordnung zeigt, die mehrere polarisierende Elemente einschließt;
5 eine zu 4 ähnliche schematische Ansicht ist, die einen möglichen Pfad einer unbeabsichtigten Strahlung einer Lichtquelle erläutert, die einen Ausgang des Bildprojektors erreicht;
6 ein Graph ist, der Variationen der Übertragung eines unbeabsichtigten optischen Signals für verschiedene unterschiedliche Kombinationen polarisierender Elemente als eine Funktion des Schrägstrahl-Winkels aus der Ebene zeigt;
7 eine schematische Planansicht des optischen Systems aus 1, 2 und 4 nach Aufbau von verschiedenen Bauteilen in eine einheitliche Struktur ist;
8 eine schematische Planansicht eines optischen Systems ist, das das mit einem Lichtleiter-Substrat gekoppelte Gerät aus 7 einschließt;
9 eine schematische Planansicht eines zu dem aus 7 ähnlichen optischen Systems ist, das mit nicht rechtwinkliger Geometrie eingebaut wurde; und
10 ein Graph ist, der ein Verhältnis zwischen Display-Kontrast-Ratio des Hintergrund-Rauschens erläutert.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung ist ein optisches System mit einem kompakten Kollimator-Projektor, der mit einem Lichtleiter-Substrat gekoppelt ist.
Die Grundsätze und der Betrieb optischer Systeme nach der vorliegenden Erfindung können mit Bezug zu den Zeichnungen und den begleitenden Beschreibungen besser verstanden werden.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, 1, 2, 4 und 7-8 erläutern verschiedene Umsetzungen eines generell mit 100 bezeichneten optischen Systems, das nach verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung konstruiert und betrieben wird. Nach allgemeinen Gesichtspunkten schließt System 100 ein aus einem Lichtwellen-leitendem Material gebildetes Bild-Kollimator-Prisma 102 ein, das eine Anzahl externer Oberflächen aufweist, die eine Lichtwellen-Eingangsoberfläche 8, eine Lichtwellen-Ausgangsoberfläche 20, eine Bild-Displayoberfläche 12 und eine Kollimatoroberfläche 18 einschließen. Eine polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung 10 (auf die kurz mit „PBS 10“ verwiesen werden kann) ist in Prisma 102 auf einer zu der Lichtwellen-Eingangsoberfläche 8 schrägen Fläche angeordnet.
Eine Quelle von polarisiertem Licht, hier als eine Kombination einer Lichtquelle 62 mit einem Polarisator 4 gezeigt, ist mit der Lichtwellen-Eingangsoberfläche 8 verbunden. Eine reflektierende Displayeinrichtung ist mit der Bild-Displayoberfläche des Prismas verbunden, worin die mit der Bild-Displayoberfläche 12 verbundene reflektierende Displayeinrichtung 70 einem Bild entsprechende räumliche Modulation von reflektiertem Licht erzeugt. Die reflektierende Displayeinrichtung 70 ist durch von Strahlteiler-Anordnung 10 reflektiertes Licht von der polarisierenden Quelle beleuchtet. Reflektierende Displayeinrichtung 70 ist derart ausgestaltet, das das einem hellen Bereich eines gewünschten Bildes entsprechende reflektierte Licht eine relativ zu der Quelle von polarisiertem Licht gedrehte Polarisierung aufweist. Wie daher in den vorstehend erwähnten Zeichnungen gezeigt, tritt polarisiertes Licht durch Eingangsoberfläche 8 mit einer ersten Polarisierung, typischerweise einer S-Polarisierung relativ zu Strahlteiler-Anordnung 10, in Prisma 102 ein und wird gegen die Bild-Displayoberfläche 12 reflektiert, wo es auf die reflektierende Displayeinrichtung 70 trifft. Hellen Bereichen des Bildes entsprechende Pixel werden mit modulierter, gedrehter Polarisierung (typischerweise P-Polarisierung) reflektiert, so dass Strahlung von den hellen Pixeln durch die Strahlteiler-Anordnung 10 übertragen wird und die Kollimatoroberfläche 18 erreicht, wo sie mindestens eine mit mindestens einem Teil der Kollimatoroberfläche verbundene Verzögerungsplatte durchquert, vorzugsweise eine Viertelwellen-Platte 14, in mindestens ein Lichtwellen-Kollimatorbauteil 16 eintritt, das mit mindestens einem Teil der Verzögerungsplatte überlappt und zurück durch Viertelwellen-Platte 14 reflektiert wird. Das doppelte Passieren durch eine Viertelwellen-Platte 14, die mit ihrer schnellen Achse bei 45 Grad zu der Polarisierungsachse ausgerichtet ist, dreht die Polarisierung (z.B. Überführen der P-Polarisierung zu S-Polarisierung) so dass die kollimierte Bildbeleuchtung an Strahlteiler-Anordnung 10 gegen Ausgangsoberfläche 20 reflektiert wird.
In einem insbesondere bevorzugten, aber nicht beschränkenden Satz von Anwendungen der vorliegenden Erfindung, ist die Lichtwellen-Ausgangsoberfläche 20 des Bild-Kollimator-Prismas 102 optisch gekoppelt an eine Lichtwellen-Eintrittsöffnung eines Lichtleiter-Substrats 36, das mindestens zwei größere zueinander parallele Oberflächen 32 und 34 aufweist. In diesem Fall wird ein Bild von der durch die Lichtquelle über Reflektion in Strahlteiler-Anordnung 10 beleuchtete reflektierende Displayeinrichtung 70 durch Kollimatorbauteil 16 kollimiert und von Strahlteiler-Anordnung 10 reflektiert, um durch Ausgangsoberfläche 20 und in die Eingangsöffnung des Lichtleiter-Substrats 36 zu treten, um sich in dem Substrat durch interne Reflektion fortzusetzen.
An dieser Stelle ist klar, dass die vorliegende Erfindung ein insbesondere vorteilhaftes optisches System bereitstellt. Insbesondere durch Verwenden einer einzelnen polarisierungsselektiven Strahlteiler-Anordnung 10, um der reflektierenden Displayeinrichtung 70 Beleuchtung zu liefern und kollimiertes Licht von Kollimatorbauteil 16 zu Ausgangsoberfläche 20 zu reflektieren, ist es möglich einen hoch-kompakten Einbau des Kollimator-Prismas 102 mit insbesondere kurzer Brennweite zu erreichen, was vorteilhaft zum Bereitstellen eines weiten FOV-Displays für eine vorgegebene Größe einer reflektierenden Displayeinrichtung sein kann, in Gegensatz zu Geräten des Standes der Technik, die typischerweise zwei separate Prisma-Aufbauten für diese zwei Funktionen erfordern.
Eine Konsequenz der hier definierten kompakten Ausgestaltung ist, dass in bestimmten Umsetzungen, die Beleuchtungsquelle der Ausgangsöffnung des Prismas gegenüber liegt. Dies kann in einigen Fällen spezielle Vorkehrungen erfordern, um sicherzustellen, dass keine Lichtquelle durch den Strahlteiler strömt und durch die Austrittsöffnung austritt um das Lichtleiter-Substrat zu erreichen, was Rauschen erhöhen und Bild-Kontrast senken könnte. Verschiedene untenstehend beschriebene Ausführungsformen offenbaren verschiedene besonders bevorzugte Umsetzungen in denen Elemente zur Verstärkung der Extinktion der Lichtstrahlung sogar bei äußerst spitzen Einfall-Winkeln vom Erreichen des Lichtleiter-Substrats bereitgestellt werden.
Verschiedene besonders bevorzugte Umsetzungen der vorliegenden Erfindung nutzen die Tatsache, dass in einigen räumlichen Lichtmodulatoren (SLM) Mikro-Display-Quellen, wie LCD- oder LCOS-Displays, der Betrieb auf polarisiertem auf das Gerät einfallende Licht basiert, das in einem anderen Polarisierungszustand reflektiert wird. Nicht polarisierend reflektierende SLM können ebenso durch Zufügen einer Viertelwellen-Platte an dem Eingang zu dem SLM verwendet werden. Dies wird diese Typen von SLM ebenso zu einem Polarisierungs-drehenden, zur Verwendung in den Geräten der vorliegenden Erfindung geeigneten, SLM machen, da der doppelte Pfad des Lichtstrahls durch die Viertelwellen-Platte in den einfallenden und ausfallenden Pfaden die Lichtstrahl-Polarisierung dreht.
In den folgenden Beschreibungen, wird auf LCOS als ein Beispiel eines reflektierenden und Polarisierungs-drehenden Micro-Displays Bezug genommen, aber es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass dies nur ein nicht einschränkendes Beispiel ist, und andere Polarisierungs-drehende, mit „reflektierende Displayeinrichtungen“ Bezug genommene, Micro-Displays ebenso anwendbar sind.
Das Kollimator-Prisma 102 basiert auf zwei mit 6 und 22 in 1 bezeichnete Prismen, von denen mindestens eines auf der Hypotenusenseite bereitgestelltes mit einem Polarisierungs-Strahlteiler (PBS) mindestens einen Teil der polarisierungsselektiven Strahlteiler-Anordnung 10 ausbildet, das die S-Polarisierung reflektiert und in die P-Polarisierung überführt. Die zwei Hypotenusenseiten der Prismen sind aneinander zementiert, um einen zementierten Kollimator-Prisma-Aufbau auszubilden. Dieses einzelne zementierte Prisma wird zur Beleuchtung der LCOS und ebenso zur Kollimation der LCOS verwendet.
Die geometrische Form des zementierten Prismas 102 kann nach der Anwendung variieren, und basiert nicht notwendigerweise auf rechtwinkligen Oberflächen. In bestimmten bevorzugten Umsetzungen sind Lichtwellen-Eingangsoberfläche 8 und Lichtwellen-Ausgangsoberfläche 20 des Prismas parallel. In bestimmten besonders bevorzugten Umsetzungen, ist das Prisma ein quaderförmiges Prisma, z.B., mit zueinander rechtwinklig stehenden rechtwinkligen Flächen, und in bestimmten besonders bevorzugten hier erläuterten Beispielen, ist es ein würfelförmiges Prisma, wo jedes Komponenten-Prisma 6 und 22 eine 45 Grad rechtwinklige Querschnittsform aufweist. Abhängig von den Details der jeweiligen Anwendung, kann es bevorzugt sein, nicht rechtwinklige Prisma-Oberflächen und polarisierende Strahlteiler-Anordnungen zu verwenden, die mit anderen Winkeln als 45 Grad angeordnet sind. Ein nicht beschränkendes Beispiel eines nicht rechtwinkligen Gerätes ist in 9 gezeigt. Außer direkt von der nicht rechtwinkligen Geometrie-Variante resultierende Änderungen, sind die Struktur und Funktion des Gerätes aus 9 ähnlich zu denen aus 1, wobei analoge Elementen gleich bezeichnet werden.
Ein einfallender Lichtstrahl 2, der von einem LED stammen kann, ein Laser oder jede andere Lichtquelle 62, durchquert, wie in 1 gezeigt, einen linearen Polarisator 4. Der lineare Polarisator 4 wird nicht benötigt in einem Fall, wo Lichtquelle 62 selber polarisiert ist, obwohl es dennoch vorteilhaft sein kann, hohe Qualität des polarisierten Lichts sicherzustellen. Der einfallende Lichtstrahl 2 wird mit Bezug zu der Oberfläche der PBS 10, wie in 1 gezeigt, linear S-polarisiert. Wie gezeigt, werden die S-polarisierten Eingangslichtwellen 2 von der Lichtquelle durch seine Eingangsoberfläche 8 in Prisma 102 gekoppelt (welches als ein aus Prismen 6 und 22 mit PBS 10 dazwischen aufgebautes optisches „Lichtleiter“-Gerät betrachtet werden kann), das aus einem Lichtwellen-übertragenden Material besteht. Der Reflektion von PBS 10 folgend, werden die Lichtwellen aus dem Substrat durch eine externe Oberfläche 12 von Prisma 6 ausgekoppelt. Die Lichtwellen werden durch das LCOS-Element 70 reflektiert, das den S-Polarisierungszustand für das helle Bild-Signal in P-Polarisierung wandelt. Die P-polarisierten Lichtwellen treten durch Oberfläche 12 erneut in das optische Element 6 ein. Die nun P-polarisierten Lichtwellen durchqueren PBS 10, werden dann aus dem Lichtleiter durch die externe Oberfläche 18 des Prismas 22 ausgekoppelt. Die Lichtwellen durchqueren dann mindestens eine Viertelwellen-Verzögerungsplatte 14, werden durch ein reflektierendes und kollimierendes optisches Element 16 reflektiert, z.B., einen sphärischen Kollimatorspiegel, kehren um, um erneut durch die Verzögerungsplattes 14 zu durchqueren und treten durch externe Oberfläche 18 erneut in den Lichtleiter ein. Am meisten bevorzugt werden zwei Verzögerungsplatten mit ihrer schnellen Achse entsprechend bei 0° und 45° zu der Polarisierungsachse verwendet. Das doppelte Passieren durch die 45°-Verzögerungsplatte 14 wandelt den Lichtstrahl von P-Polarisierung zu S-Polarisierung. Die 0°-Verzögerungsplatte hilft wirksame Extinktion von nicht beabsichtigten hochwinkligen schrägen Strahlen am polarisierenden Strahlteiler 28 sicherzustellen. Der Lichtstrahl wird dann durch PBS 10 reflektiert und verlässt Prisma 22 durch die externe Oberfläche 20. Diese Lichtwellen enthalten die durch das LCOS modulierte und durch das reflektierende optische Element 16 kollimierte Bild-Information. In einigen Ausgestaltungen, wird dieser Strahl an einen optisches Kombinator-Element gekoppelt, das diesen reflektieren wird, um durch das Auge oder eine Kamera betrachtet zu werden. Die Durchführung dieser Ausführungsform ist von PBS 10 abhängig, das ein hochwirksamer Polarisator ist. Weitere Beispiele werden gezeigt, wo dieser Polarisator weniger wirksam ist und zusätzliche Elemente verwendet werden, um hohen Bild-Kontrast zu erreichen.
Eine andere Ausführungsform ist in 2 gezeigt, in der ein linearer Polarisator 30 zugefügt ist zu der Lichtwellen-Ausgangsoberfläche 20. Polarisator 30 ist mit seiner Polarisierungsachse parallel zu Polarisator 4 orientiert, um die von PBS 10 reflektierte S-Polarisierung weiterzuleiten. Das Zufügen dieses Polarisators hilft, direkt von Lichtquelle 62 geleitetes unerwünschtes Licht auszulöschen. Ein beispielhafter Pfad, von solchem unerwünschten Licht ist in 3 gezeigt. Ein Strahl von Lichtwellen 34 ist als eine gestrichelte Linie gezeigt. Einfallende Lichtwellen 34, die von einem LED, einem Laser oder jeder anderen Lichtquelle 62 stammen können, durchqueren, wie in 3 erläutert, einen linearen Polarisator 4 (linearer Polarisator 4 ist optional in dem Fall, wo die Lichtquelle selber polarisiert ist). Die Lichtwellen werden in Bezug zu der Fläche des PBS 10 linear S-polarisiert. Jedoch haben schräge Strahlen (aus der Zeichnungs-Ebene) einen kleinen P-Polarisierungs-Anteil relativ zu PBS 10. Diese Lichtwellen treten durch Oberfläche 8, werden in Prisma 102 gekoppelt, durchqueren PBS 10, durchqueren externe Oberfläche 20 des Prismas 22 und erreichen den linearen Polarisator 30. Das unerwünschte P-polarisierte Licht wird durch den linearen Polarisator 30 entfernt, was ein hohes Kontrast-Verhältnis der Bild-Information erlaubt. Zu diesem Zweck, hat der lineare Polarisator 30 seine Polarisierungs-Achse parallel zu der des linearen Polarisators 4. Diese Ausgestaltung ist wirksam, wenn für PBS 10 angenommen wird, gut an einen idealen Weitspektrum-Polarisator anzunähern. Weitere Beispiele werden nachstehend diskutiert, um Situationen anzusprechen, wo dieser Polarisator nicht ideal ist. Der zusätzliche Polarisator ist ebenso nützlich den Wirkungen jeder Spannungsdoppelbrechung, die in den optischen Pfad eingebracht werden könnten, entgegenwirken zu helfen.
Eine andere Ausführungsform ist in 4 erläutert, in der die polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung 10 eine Komponenten-Strahlteiler-Anordnung ist, die ein erstes der Quelle von polarisiertem Licht nächstes polarisierendes Strahlteiler-Element (PBS) 24, einen absorptiven Polarisator 26, und ein zweites dem Lichtwellen-Kollimatorbauteil 16 nächstes polarisierendes Strahlteiler-Element (PBS) 28 einschließt. Die polarisierenden Strahlteiler-Elemente 24 und 28 können als jede Form von polarisierendem Strahlteiler ausgeführt sein, die aus vielen Schichten dielektrischer Beschichtungen und metallischen Drahtgitter-Streifen ausgebildete polarisierende Strahlteiler einschließen, aber nicht auf diese beschränkt sind. In einer nachstehend beschriebenen besonders bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens das erste polarisierende Strahlteiler-Element 24 ein Drahtgitter-Element.
Wie vorstehend ausgeführt basiert das optische Gerät auf zwei mit 6 und 22 bezeichneten Prismen, worin jedes auf der entsprechenden Hypotenusen-Seite 24 und 28 eine PBS aufweist, die die S-Polarisierung reflektieren und die P-Polarisierung übertragen. Obwohl in den Zeichnungen, verschiedene Bestandteile für die Klarheit schematisch mit Abständen zwischen einander erläutert sind, sind benachbarte parallele Oberflächen typischerweise mit optischem Zement zusammen zementiert, um feste einheitliche Strukturen auszubilden. Daher sind in diesem Fall die zwei Hypotenusenseiten des Prismas mit einem linearen Polarisator 26 dazwischen, der die P-Polarisierung überträgt, aneinander zementiert, wodurch dieser Aufbau zu einem zementierten Würfelprisma wird. Der absorptive Polarisator 26 trägt erheblich zur Extinktion der S-Polarisierung, die PBS 24 und 28 durchquert, bei, da in wirklichkeitsnahen Anwendungen diese PBS nicht ideal sind und nicht die ganze S-Polarisierung reflektieren. Insbesondere wo dielektrische PBS Elemente für Element 24 und 28 verwendet werden, schließt die selektive Übertragung für hochwinklige schräge Strahlen einen Bestandteil von S-Polarisierung ein. Diese Bestandteile werden durch den absorptiven Polarisator 26 entfernt, der ein Cartesischer (feste Achse) Polarisator ist.
Wie vorstehend erwähnt, können verschiedene Anwendungen der vorliegenden Erfindung Prismen mit nicht rechtwinkligen Formen verwenden. In bestimmten Fällen, kann es erwünscht sein, einen Unterschied in der Ausrichtung zwischen Strahlteiler-Elementen 24 und 28 zu haben. In einem solchen Fall kann ein zusätzlicher Keil (nicht gezeigt) zwischen den Strahlteiler-Elementen bereitgestellt sein, um den erwünschten Unterschied im Ausrichtungswinkel zu erreichen.
In allen anderen Gesichtspunkten ist die Struktur und Funktion des Gerätes aus 4 zu der vorstehend im Kontext mit 1-3 beschriebenen äquivalent, und wird im Bezug zu der Beschreibung verstanden werden. In einigen besonders bevorzugten aber nicht einschränkenden Anwendungen, wird der Ausgangsbild-Strahl von Lichtwellen-Ausgangsoberfläche 20 gekoppelt, vorzugsweise durch Polarisator 30, an ein optisches Kombinator-Element, das diesen reflektieren wird, um von dem Auge oder einer Kamera betrachtet zu werden, wie nachstehend mit Bezug zu 8 weiter diskutiert.
Ein Verwenden der vorstehend beschriebenen Komponenten-Strahlteiler-Anordnung hilft, weiter zur Extinktion von jedem unerwünschtem direktem Licht von der Lichtquelle 62, das das optische Gerät verlassen könnte, beizutragen. Dies ist in 5 gezeigt. Der mögliche Pfad eines Strahls von Lichtwellen ist als gestrichelte Linie in 5 gezeigt. Einfallende Lichtwellen 34, die von einem LED, einem Laser oder jeder anderen Lichtquelle 62 sein können, durchqueren, wie in 5 gezeigt, einen linearen Polarisator 4 (der lineare Polarisator 4 ist optional im Fall, in dem die Lichtquelle selber polarisiert ist). Um den Projektor-Ausgang zu erreichen, müssen die Lichtwellen, die relativ zu der Fläche des PBS-Aufbaus 10 linear S-polarisiert sind und in Prisma 102 durch Oberfläche 8 eintreten, PBS 24, linearen Polarisator 26, PBS 28, externe Oberfläche 20 des Prismas 22, und linearen Polarisator 30 durchqueren. Diese Lichtwellen, die schräge Strahlen einschließen, beinhalten ebenso unerwünschtes S-polarisiertes Licht, das direkt von der Lichtquelle 62 kommt. Der lineare Polarisator 26 hilft, die Stärke dieser Lichtwellen auszulöschen, um eine hohe Kontrast-Ratio der Bild-Information zu ermöglichen. Zu diesem Zweck hat der lineare Polarisator 26 seine Polarisierungsachse bei 90 Grad zu der des linearem Polarisator 4 ausgerichtet. Alle schrägen Strahlen mit P-polarisiertem direktem Licht von der Lichtquelle, die PBS 24 und 28 und Polarisator 26 durchdringen, werden durch Polarisator 30 gedämpft, der seine Polarisierungs-Achse parallel zu linearem Polarisator 4 ausgerichtet hat.
Die Wirksamkeit der Extinktion von Lichtwelle 34 nach verschiedenen unterschiedlichen Umsetzungen wird nachstehend diskutiert.
Die Extinktion von zwei kommerziell verfügbaren linearen Polarisatoren, kann, wenn bei 90 Grad zueinander ausgerichtet, was als kreuzpolarisierende Position bezeichnet wird, unter 0.01% für senkrecht auf die Polarisier-Fläche einfallendes Licht erreichen. Jedoch kann bei einem geneigten Lichtstrahl, beispielsweise etwa ±17 Grad von senkrechtem Einfall, die Extinktion unterschiedlich sein. Das Messen der Extinktion von Lichtstrahlen mit 17 Grad zu der Senkrechten, in der Fläche von 4, zeigt, dass die Extinktion fast die gleiche wie bei senkrechtem Einfall ist. Wenn es einen Bestandteil des Lichtstrahl-Neigungswinkels außerhalb (senkrecht) der Fläche von 4 gibt, steigt der Transmissionsgrad. Dies ist durch den Graph in 6 für verschiedene unterschiedliche Kombinationen von Polarisator-Elementen gezeigt. Alle Kurven sind von polarisiertem sichtbaren Licht, das mindestens einen linearen Polarisator oder Strahlteiler durchquert hat, die verschiedene mögliche Umsetzungen einer polarisierungsselektiven Strahlteiler-Anordnung 10, in einigen Fällen durch einen zweiten Polarisator 30 an dem Ausgang gefolgt, bilden und entsprechen dem Grad von Extinktion, der erreicht wird. Kurve 110 ist die Extinktionsfunktion wenn der Polarisator 26 ein linearer Polarisator in gekreuzter Orientierung zwischen den dielektrischen PBS-Beschichtungs-Elementen 24 und 28 ist. Kurve 116 ist die Extinktionsfunktion, wenn die polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung 10 ausschließlich als ein Drahtgitter-Strahlteiler umgesetzt ist. Analysieren des übertragenen Strahls, in diesen zwei Fällen ohne Polarisator 30, zeigt, dass der Strahl eine S-Polarisierung aufweist und ebenso einen P-Polarisierung-Bestandteil mit Bezug zu der Ausrichtung des PBS-Aufbaus 10. Das Zufügen des linearen Polarisators 30 reduziert den P-Polarisierungs-Bestandteil, wie in Kurve 112 für die PBS-linearer-Polarisator-PBS-Kombination, und in Kurve 118 für die nur für Strahlteiler-Anordnung 10 verwendete Drahtgitter-Strahlteiler gezeigt. Das Zufügen des linearen Polarisators 30 ist daher als hoch vorteilhaft zur Reduktion des Rauschens und Verstärken des Kontrastes zu sehen. Die höchste Extinktion über den gesamten Winkelbereich, gezeigt durch Kurve 114, wurde erreicht, wenn die Strahlteiler-Anordnung 10 ein Drahtgitter als PBS-Element 24, Polarisator 26, und ein dielektrisches PBS-Element 28, gefolgt von Polarisator 30 als Teil der Auskopplungs-Anordnung einschließt.
Es ist typischerweise vorteilhaft, einige oder alle der verschiedenen in 4 gezeigten Komponenten des Projektor-Gerätes anzufügen, um einen einzelnes kompaktes Element mit einem weit einfacheren mechanischen Modul zu bilden. Wie bereits erwähnt, sind Prismen 6 und 22 mit PBS-Aufbau 10 zusammen zementiert. Abhängig von den Details der anschließenden Komponenten der optischen Gesamtgestalt, kann es für einige oder alle der anderen Polarisator 4 und 30, das reflektierende und kollimierende Element 16 und Verzögerer 14 möglich sein, auf die Prismen zementiert zu sein. 7 erläutert solch ein Modul, worin alle Elemente, außer dem LCOS 70 und der Lichtquelle 62 zementiert sind. Diese Elemente sind vorzugsweise benachbart zu den entsprechenden Oberflächen des Aufbaus befestigt, sind aber nicht darauf zementiert.
Das soweit beschriebene Gerät kann in einer großen Reichweite von Anwendungen verwendet werden, wofür ein kollimiertes Bild erzeugender Miniatur-Projektor benötigt wird. Beispiele geeigneter Anwendungen schließen ein, aber sind nicht beschränkt auf, verschiedene bildgebende Anwendungen, wie kopf-getragene Displays (HMDs) und Head-Up-Displays (HUDs), Mobiltelefone, Kompakt-Displays, 3-D-Displays, Kompakt-Strahl-Expander, wie auch nicht bildgebende Anwendungen, wie Flachbildanzeigen, kompakte Beleuchtungen und Scanner. Auf dem Wege der Erläuterung einer insbesondere bevorzugten aber nicht einschränkenden Teilgruppe von Anwendungen, erläutert 8 ein Projektor-Gerät 42 detailliert bezüglich der Struktur in 7, kombiniert mit einem Substrat 36, um ein optisches System zu bilden. Solch ein Substrat 36 schließt typischerweise mindestens zwei größere Oberflächen 32 und 34 und ein oder mehrere teilweise reflektierende Oberflächen 66 und ein optisches Keil-Element 38, zum Kuppeln von Licht in das Substrat, ein. Die Ausgangs-Lichtwellen 40 des Projektor-Gerätes 42 treten in das Substrat 36 durch den Keil 38 ein. Die einfallenden Lichtwellen (vis-a-vis dem Substrat 36) sind in dem Substrat durch totale internale Reflektion (TIR) gefangen, wie in 8 erläutert. Das Auskoppeln aus dem Wellenleiter kann durch teilweise reflektierende Oberflächen 66 oder durch beugende Elemente oder jede andere geeignete Auskupplungs-Anordnung geleistet werden. Das Keil-Element 38 ist nur erläuternd für eine nicht einschränkende optische Kupplungs-Anordnung, und andere Element und Ausgestaltungen können verwendet werden, um das Licht von dem optischen Gerät in das Substrat 36 zu koppeln.
Die Wirkung des direkten Lichtstrahls von der Lichtquelle zum dem optischen Substrat 36 auf den Kontrast (minimaler Kontrastwert des Systems) des durch das LCOS erzeugten Bildes, wie in 5 erläutert, wird angegeben durch: $Kontrast = \frac{S w (L C O S)}{S b (L C O S) + N d i r + N s c a t}$
wobei,

• Sw das weiße Bild von dem LCOS ist,
• Sb das schwarze Bild von dem LCOS ist,
• Nscat unbeabsichtigt in Substrat 36 eintretendes Licht als ein Ergebnis von Streuung ist,
• Ndir das restliche in Substrat 36 eintretende direkte LED-Licht ist.
• Ndir ist das unbeabsichtigte Rauschen, das das durch das LCOS erzeugte Bild stört.

Mit der Annahme, das Nscat sehr niedrig ist, ist die Wirkung von Ndir auf den Kontrast in 10 gezeigt. Der Kontrast ist durch die Extinktion des direkten Lichtstrahls (Ndir) beschränkt. Daher ist es wichtig, maximale Dämpfung dieses direkten Lichtstrahls zu erhalten, wie durch die hier offenbarten Strukturen und optischen Ausgestaltungen vorgeschlagen.
In dem Maß, in dem die beiliegenden Ansprüche ohne viele Abhängigkeiten formuliert wurden, wurde dies nur zum Erfüllen formaler juristischer Anforderungen getan, die solche vielen Abhängigkeiten nicht erlauben. Es sollte beachtet werden, dass alle möglichen Kombinationen von Merkmalen, die durch Einfügen vielfacher Abhängigkeiten in die Ansprüche eingeschlossen wären, explizit vorgesehen sind und als Teil der Erfindung betrachtet werden sollten.
Es wird gewürdigt, dass die vorstehende Beschreibung nur als Beispiele dienen soll, und dass viele andere Ausführungsformen im Umfang der vorliegenden Erfindung möglich sind, wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein optisches System (100) schließt einen Bild-Kollimator-Prisma (102) ein, das externe Oberflächen aufweist, die jeweils verbunden sind mit: einer polarisierenden Quelle; einer reflektierenden Displayeinrichtung (70); mindestens einem Lichtwellen-Kollimatorbauteil (16) und einer Lichtwellen-Ausgangsoberfläche (20). Eine polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung (10) ist in dem Prisma (102) auf einer zu der Lichtwellen-Eingangsoberfläche (8) schrägen Fläche angeordnet. Die reflektierende Displayeinrichtung ist durch Licht erleuchtet, das von der Strahlteiler-Anordnung (10) reflektiert wird, und Drehung der Polarisierung erzeugt, die hellen Bereichen des Bildes entspricht. Ein Bild der reflektierenden Displayeinrichtung (70) wird selektiv durch die polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung (10) übertragen, wird durch das Kollimatorbauteil (16) kollimiert, von der polarisierungsselektiven Strahlteiler-Anordnung (10) reflektiert und durch die Ausgangsoberfläche (20) projiziert. In einigen Umsetzungen, unterstützt ein zusätzlicher, an oder nahe bei der Ausgangsoberfläche angeordneter, Polarisator, die Extinktion unbeabsichtigter Lichtstrahlen zu optimieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 0195027 [0005]
WO 2006/013565 [0005]
WO 2006/085309 [0005]
WO 2006/085310 [0005]
WO 2007/054928 [0005]
WO 2008/023367 [0005]
WO 2008/129539 [0005]

Claims

Optisches System; welches umfasst: (a) ein Bild-Kollimator-Prisma, das ein Lichtwellen-leitendes Material umfasst, worin das Prisma mehrere externe Oberflächen aufweist, die einschließen: eine Lichtwellen-Eingangsoberfläche und eine Lichtwellen-Ausgangsoberfläche, eine Bild-Displayoberfläche und eine Kollimatoroberfläche, eine in dem Prisma auf einer zu der Lichtwellen-Eingangsoberfläche schrägen Fläche angeordnete polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung; (b) eine Quelle von polarisiertem Licht, die mit der Lichtwellen-Eingangsoberfläche verbunden ist; (c) eine mit der Bild-Displayoberfläche des Prismas verbundene reflektierende Displayeinrichtung, worin die reflektierende Displayeinrichtung einem Bild entsprechende räumliche Modulation von reflektiertem Licht erzeugt, worin die reflektierende Displayeinrichtung durch von der Strahlteiler-Anordnung reflektiertes Licht der polarisierenden Quelle beleuchtet wird, worin die reflektierende Displayeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass das hellen Bereichen des Bildes entsprechende reflektierte Licht eine relativ zu der Quelle von polarisiertem Licht gedrehte Polarisierung aufweist; (d) mindestens eine Verzögerungsplatte, die mit mindestens einem Teil der Kollimatoroberfläche verbundene ist; und (e) mindestens ein Lichtwellen-Kollimatorbauteil, das mit dem mindestens einen Teil der Verzögerungsplatte überlappt, so dass ein Bild von der reflektierenden Displayeinrichtung durch die polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung selektiv übertragen wird, durch das Kollimatorbauteil kollimiert wird, von der polarisierungsselektiven Strahlteiler-Anordnung reflektiert wird und durch die Ausgangsoberfläche projiziert wird.
Optisches System nach Anspruch 1, worin die Lichtwellen-Eingangsoberfläche und eine Lichtwellen-Ausgangsoberfläche des Prismas parallel sind.
Optisches System nach Anspruch 1, worin mindestens ein Winkel zwischen benachbarten Oberflächen des Prismas nicht rechtwinklig ist.
Optisches System nach Anspruch 1, worin das Prisma ein quaderförmiges Prisma ist.
Optisches System nach Anspruch 1, worin das Prisma eine würfelförmiges Prisma ist.
Optisches System nach Anspruch 1, worin die polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung ein Drahtgitter-Strahlteiler ist.
Optisches System nach Anspruch 1, worin die polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung eine Komponenten-Strahlteiler-Anordnung ist, welche umfasst: (a) ein der Quelle von polarisiertem Licht nächstes erstes Strahlteiler-Element; (b) ein absorptiver Polarisator; und (c) eine dem Lichtwellen-Kollimatorbauteil nächstes zweites Strahlteiler-Element.
Optisches System nach Anspruch 7, worin das erste Strahlteiler-Element ein Drahtgitter-Strahlteiler-Element ist.
Optisches System nach Anspruch 7, welches weiter einen mit der Lichtwellen-Ausgangsoberfläche des Prismas verbundenen Ausgangspolarisator umfasst, worin der Ausgangspolarisator zu dem absorptiven Polarisator gekreuzt orientiert ist, um Extinktion jeder Beleuchtung von der Quelle von polarisiertem Licht sicherzustellen, das den absorptiven Polarisator durchquert.
Optisches System nach Anspruch 1, welches weiter einen mit der Lichtwellen-Ausgangsoberfläche des Prismas verbundenen Ausgangspolarisator umfasst, worin der Ausgangspolarisator zu der polarisierungsselektiven Strahlteiler-Anordnung gekreuzt orientiert ist, um Extinktion jeder Beleuchtung von der Quelle von polarisiertem Licht, das die polarisierungsselektive Strahlteiler-Anordnung durchquert, sicherzustellen.
Optisches System nach Anspruch 1, worin die reflektierende Displayeinrichtung ein Flüssigkristall-auf-Silikon-Display umfasst.
Optisches System nach Anspruch 1, welches weiter ein Lichtleiter-Substrat umfasst, das mindestens zwei zueinander parallele größere Oberflächen aufweist, und eine Lichtwellen-Eintrittsöffnung, worin die Lichtwellen-Eintrittsöffnung mit der Lichtwellen-Ausgangsoberfläche des Prismas optisch gekoppelt ist.
Optisches System nach Anspruch 12, worin das Lichtleiter-Substrat mindestens eine sich in dem Substrat mit einem schrägen Winkel zu den größeren Flächen erstreckende teilweise reflektierende Oberfläche beinhaltet.
Optisches System nach Anspruch 1, worin die mindestens eine Verzögerungsplatte eine erste Verzögerungsplatte, die eine an einer Polarisierungsachse ausgerichtete schnelle Achse aufweist und eine zweite Verzögerungsplatte, die eine mit 45 Grad zu einer Polarisierungsachse ausgerichtete schnelle Achse aufweist, einschließt.