JP3235064U - 導光光学素子に結合された画像プロジェクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】導光光学素子に結合された画像プロジェクタを含む光学システムを提供する。【解決手段】光学システムは、内部反射によって画像光を誘導するための一対の平行な主要な外面及び横方向の結合面を備えた導光光学素子(LOE)12に結合された画像プロジェクタ14を含む。画像プロジェクタ14は、照明装置302に関連付けされた第1の表面300と、反射型空間光変調器(SLM)306に関連付けられた第2の表面304と、1/4波長板と反射型コリメートレンズ352を備えた第3の表面308と、LOE12の結合面に光学的に結合された第4の表面310とを有するプリズムを含む。偏光ビームスプリッター(PBS)350がプリズム内に配置され、照明装置302からSLM306及びコリメートレンズ352を経由してLOE12の結合面までの光路を画定する。プリズムの第5の表面は、LOE12の主要な外面の1つの延長を形成する。【選択図】図5
Description
本考案は、光学システムに関するものであり、特に、表示システムの一部として導光光学素子(LOE)に結合された画像プロジェクタに関するものである。
多くのニアアイ表示システムは、ユーザの眼の前に配置された透明な導光光学素子(LOE)又は「導波路」を含み、これは、内部反射によってLOE内で画像を伝達し、1次元又は2次元で光学的開口拡大を実現し、適切な出力結合メカニズムによってユーザの眼に向けて画像を結合する。開口拡大及び出力結合メカニズムは、埋め込み型部分反射器又は「ファセット」に基づくことができ、或いは回折光学素子を使用することができる。
本考案は光学システムである。
本考案の実施形態の教示は、光学システムを提供し、該光学システムは、(a)主要な外面での内部反射によって画像光を誘導するための一対の平行な主要な外面を有する導光光学素子(LOE)であって、横方向の結合面を有するLOEと、(b)プリズムを備えた画像プロジェクタとを含み、該プリズムは、(i)照明装置に関連付けられた第1の表面と、(ii)反射型空間光変調器(SLM)に関連付けられた第2の表面と、(iii)1/4波長板と反射型コリメートレンズを備えた第3の表面と、(iv)LOEの結合面に光学的に結合された第4の表面と、(v)照明装置からの照明がSLMを照明し、SLMからの反射像照明がコリメートレンズによってコリメートされて結合面に向けられるように、光路を画定するためにプリズム内に配置された偏光ビームスプリッター(PBS)と、(vi)第1の表面、第2の表面、第3の表面、第4の表面の全てに平行ではなく、LOEの主要な外面の1つと同一平面上にあり、光学的に連続している第5の表面であって、コリメートレンズによってコリメートされた画像照明の一部は、結合面に到達する前に、第5の表面で内部反射される第5の表面とを有する。
本考案の実施形態の更なる特徴によれば、PBSは、照明装置からSLMに向かって照明を反射し、SLMからコリメートレンズに向かって反射された反射像照明を透過させ、コリメートレンズから結合面に向かってコリメートされた画像照明を反射するように配置される。
本考案の実施形態の更なる特徴によれば、第2の表面及び第3の表面は、第5の表面に対して斜めに角度が付けられる。
本考案の実施形態の更なる特徴によれば、第2の表面は、第3の表面と平行になる。
本考案の実施形態の更なる特徴によれば、第3の表面は、第5の表面と50度から70度の間の角度を形成する。
本考案の実施形態の更なる特徴によれば、SLMは、液晶オンシリコン(LCOS)チップである。
本考案の実施形態の更なる特徴によれば、PBSは、照明装置からSLMに向かって照明を透過させ、SLMからコリメートレンズに向かって反射像照明を反射し、コリメートレンズからコリメートされた画像照明を結合面に向かって透過させるために配置される。
本考案は、一例として、添付の図面を参照して本明細書に記載され、ここで、
本考案の特定の実施形態は、導光光学素子(LOE)に結合された画像プロジェクタを含む光学システムを提供する。
本考案の実施形態の教示によるLOE12を使用する、一般に10と示されるニアアイ表示装置形態のデバイスの例示的な実装は、図1A及び1Bに概略的に示される。ニアアイ表示装置10は、画像をLOE(言い換えれば、「導波路」、「基板」又は「スラブ」と呼ばれる)12に注入ように光学的に結合されたコンパクトな画像プロジェクタ(又は「POD」)14を使用し、LOE12内に、画像光は、相互に平行な平面の外面のセットでの内部反射によって1次元に捕捉される。
LOEは、典型的には、注入された画像の光学的開口を1次元又は2次元に拡大し、典型的には内部の部分反射面の使用又は回折光学素子のいずれかに基づき、観察者の眼に向かって画像照明を結合するための装置を含む。図2で更に概略的に示される一組の非限定的な実装では、画像プロジェクタ14からLOE12に注入された光は、互いに平行であり、画像光の伝搬方向に対して斜めになり、連続する各ファセットが画像光の一部を偏向された方向に偏向し、基板内の内部反射によって捕捉/誘導される一組の部分反射面(言い換えば、「ファセット」と呼ばれる)17に衝突する。このファセット17の第1のセットは、図1A及び1Bに個別に示されないが、16と示されるLOEの第1の領域に位置し、図2に概略的に示される。連続するファセットでのこの部分反射は、光学的開口拡大の1次元を実現する。本考案の好ましいが非限定的な例の第1のセットでは、前述のファセット17のセットは、基板の主要な外面に直交する。この場合、注入された画像と、領域16内を伝搬するときに内部反射を受けるその共役の両方が偏向され、偏向された方向に伝搬する共役画像になる。本考案の好ましいが非限定的な例の代替的なセットでは、前述のファセット17の第1のセットは、LOEの主要な外面に直交する。後者の場合、注入された画像又はその共役のいずれかが、LOE内を伝搬する所望の偏向された画像を形成するが、他の反射は、例えば、反射が必要とされない画像によって提示される入射角の範囲に対してそれらを比較的透明にするファセットに角度選択的コーティングを使用することによって最小化され得る。
部分反射面の第1のセットは、基板内の全反射(TIR)によって捕捉された第1の伝搬方向から、同じく基板内のTIRによって捕捉された第2の伝搬方向に画像照明を偏向させる。
次に、偏向された画像照明は、隣接する別個の基板として、又は単一の基板の延長として実装され得る第2の基板領域18に通過し、ここで、結合装置(部分的に反射するファセット19の更なるセット又は回折光学素子のいずれか)は、眼球運動ボックス(EMB)として画定された領域内に位置する観察者の眼に向かって画像照明の一部を漸進的に結合し、従って、光学的開口拡大の2次元を実現する。デバイス全体は、各眼に対して別々に実装され得、好ましくは、各LOE12がユーザの対応する眼に面するように、ユーザの頭に対して支持される。本明細書示されるような1つの特に好ましいオプションでは、支持装置は、ユーザの耳に対してデバイスを支持するための側面20を備えた眼鏡フレームとして実装される。ヘッドバンド、バイザー、又はヘルメットから吊り下げられたデバイスを含むがそれらに限定されない、他の形態の支持装置も使用され得る。
本明細書では、図面及び実用新案登録請求の範囲において、LOEの第1の領域の一般的な伸長方向に水平(図1A)又は垂直(図1B)に、即ち、図1Aでは垂直に、図1Bでは水平に延びるX軸、及びそれに垂直に延びるY軸を参照する。
非常に大まかに言えば、第1のLOE又はLOE 12第1の領域16は、X方向の開口拡大を実現し、LOE 12の第2のLOE又は第2の領域18は、Y方向の開口拡大を実現すると見なされ得る。図1Aに示される配向は、「下向き」実装と見なされ得、この実装では、LOEのメイン(第2の領域)に入る画像照明が上端から入り、一方、図1Bに示される配向は、「側注」実装と見なされ得、Y軸と呼ばれる軸が水平に配置されることに注意する。残りの図面では、本考案の特定の実施形態の様々な特徴が、図1Aと同様に、「下向き」配向の文脈で示される。しかし、これらの特徴の全ては、側注実装にも等しく適用可能であり、これもまた本考案の範囲内にあることを理解すべきである。特定の場合では、他の中間配向も適用可能であり、明示的に除外される場合を除き、本考案の範囲内に含まれる。
ニアアイ表示装置10は、典型的には、画像プロジェクタ14を作動させるためのコントローラ22を含む様々な追加の部品を含み、典型的には、小型の車載バッテリ(図示せず)又は他の適切な電源からの電力を使用することが理解される。コントローラ22は、全て当技術分野で知られるように、画像プロジェクタを駆動するための少なくとも1つのプロセッサ又は処理回路などの全ての必要な電子部品を含むことが理解される。
本考案の教示は、主に、画像プロジェクタ14の実装、及びそれがLOE12に光学的に結合される方法に関する。本考案の特定の実施形態の教示による画像プロジェクタ14の拡大詳細図が図3〜7に示される。
実装画像プロジェクタ14は、図3〜5に示される。画像プロジェクタは、コリメートされた画像を生成し、即ち、コリメートされた画像では、各画像ピクセルの光は、ピクセルの位置に対応する角度方向で、無限遠にコリメートされた平行ビームである。従って、画像照明は、2次元の視野角に対応する角度の範囲に及ぶ。
液晶オンシリコン(LCOS)チップなどの空間光変調器(SLM)に基づく画像プロジェクタの光学サイズを最小化することは、次の3つの機能を組み合わせる必要があり、
1. LCOSを照明する
2. LCOSから反射された画像をコリメートする
3. 結合プリズムを導波路に組み合わせる
1. LCOSを照明する
2. LCOSから反射された画像をコリメートする
3. 結合プリズムを導波路に組み合わせる
上記の全ての機能を組み合わせるのは、画像コリメーションに短い焦点距離が必要な場合に特に困難である。図3〜5は、PBS平面を導波路平面に対してほぼ垂直(90度±20度)に設定することにより、複光路プリズムが上記の機能をどのように組み合わせることができるかを示す。図3は、そのような光学装置の等角図を示す。照明の入口は太い矢印でマークされる。PBS平面は350とマークされた影付きの平面であり、コリメート反射レンズは352である。プリズム356の底面は、TIR反射が起こる平面であり、導波路12の延長である。導波路への入口358は、プリズムの側面にある。PBS平面350が線357に沿ってほぼ垂直に(90度±20度)TIR平面356と交差することは明らかである。
図5の上面図は、プリズム内のビームの伝搬を示す。照明はPBS 350によってLCOSに反射される。LCOSからの反射像(ここでは、単一の画像ピクセルからのビームの矢印としてのみ示される)は、反射レンズ352に向かって反射し、プリズムの側面からの反射なしにPBS350を通過する。LCOSからのコリメートされたビームは、PBSによって導波路入口開口358に反射される。これらのビームのいくつかは、PBS反射360P1の後にTIR反射360T1を経験し、他のビームは、PBS反射360P2の後にTIR反射360T2を経験し、更に他の(図示せず)は、導波路入口358に到達する前にTIRを経験しない。図4の側面図は、説明をわかりやすくするために、同じビームを示すが、PBS反射までしか示さない。
従って、本明細書に示す画像プロジェクタ14は、矢印302によって概略的に表される、照明装置に関連付けられた第1の表面300と、反射SLM306に関連付けられた第2の表面304と、1/4波長板及び反射コリメートレンズ352を備えた第3の表面308と、LOE12の結合面(入口)358に光学的に結合された第4の表面310とを有するプリズムを使用する。PBS350は、照明装置302からの照明がSLM306を照明し、SLM306からの反射像照明がコリメートレンズ352によってコリメートされて結合面358に向けられるように、光路を画定するためにプリズム内に配置される。
画像プロジェクタ14のプリズムはまた、第1の表面、第2の表面、第3の表面及び第4の表面300、304、308及び310の全てに平行でない第5の表面356を有する。第5の表面356がLOE12の主要な外面の1つと同一平面上にあり、光学的に連続していることは、本考案の特定の好ましい実施形態の特定の特徴である。コリメートレンズ352によってコリメートされた画像照明の一部は、好ましくは、結合面358に到達する前に、第5の表面356で内部反射される。
本明細書に示す実装では、PBS350は、照明装置からSLM306に向かって照明を反射し、SLMから反射された反射像照明をコリメートレンズ352に向かって透過させ、コリメートレンズから結合面358に向かってコリメートされた画像照明を反射するように配置される。
照明源302は、LED及びレーザーダイオードを含むがそれらに限定されない、当技術分野で知られる任意の適切な照明源であり得る。照明源は、色画像を生成するためにビデオの単一のフレーム期間内に色分解画像を照明するために迅速に切り替えられ得る異なる色の光源を含み得る。照明源は、全て当技術分野で知られるように、照明を方向付け及び/又は均質化するための様々な光学部品を含み得る。照明源はまた、好ましくは、入力照明が導波路に直接向かって漏れることを回避するために、入力照明がPBS 350に対してS偏光されることを確実にするための偏光子を含む。
図4に最もよく見られるように、第2の表面304及び第3の表面308は、好ましくは第5の表面356に対して斜めに角度が付けられ、第2の表面304は好ましくは第3の表面308に平行である。コリメートレンズ352の光軸は、好ましくは、第5の表面356及びLOE12の主要な外面に対する投影画像の主光線の傾斜角を画定し、従って導波路への画像の注入角度の傾斜角を画定する。この構造は、比較的浅い注入角度で特に効果的である。第3の表面308の好ましい例示的な配向は、第5の表面356と50度から70度の間の角度を形成し、好ましくは、導波路の主要な外面に対する20〜40度での画像の主光線の傾斜角に対応する。
図6及び7は、同様にラベル付けされた同等の部品を備えた画像プロジェクタ14の代替構造を示す。PBS350に関連付けられた図3〜5の実装の反射−透過−反射光路とは対照的に、図6及び7の実装は、PBSに関連付けられた透過−反射−透過光路を使用する。
具体的には、図7で最もよく見られるように、本明細書では、PBS350は、照明装置302からSLM306に向かって照明を透過させ、SLMからコリメートレンズ352に向かって反射画像照明を反射し、コリメートレンズから結合面358に向かってコリメートされた画像照明を透過させるように配置される。この場合、照明装置302の偏光子は、PBS 350に対してP偏光を生成するように実装される。PBS350及び第2の面304の傾斜角、及び/又は第2の表面のSLM306の配向は、SLMをコリメートレンズ352の光軸と正しく位置合わせするために調整され得る。
他の全ての点で、図6及び7の実装の構造と操作は、上記の図3〜5の実装との類推によって完全に理解される。
上記の説明は例としてのみ役立つことを意図し、添付の実用新案登録請求の範囲で定義される本考案の範囲内で他の多くの実施形態が可能であることを理解すべきである。
Claims (7)
- 光学システムであって、
(a) 主要な外面での内部反射によって画像光を誘導するための一対の平行な前記主要な外面を有する導光光学素子(LOE)であって、横方向の結合面を有する前記LOEと、
(b) プリズムを備えた画像プロジェクタとを含み、プリズムは、
(i) 照明装置に関連付けられた第1の表面と、
(ii) 反射型空間光変調器(SLM)に関連付けられた第2の表面と、
(iii) 1/4波長板と反射型コリメートレンズを備えた第3の表面と、
(iv) 前記LOEの前記結合面に光学的に結合された第4の表面と、
(v) 前記照明装置からの照明が前記SLMを照明し、前記SLMからの反射像照明が前記コリメートレンズによってコリメートされて前記結合面に向けられるように、光路を画定するために前記プリズム内に配置された偏光ビームスプリッター(PBS)と、
(vi) 前記第1の表面、第2の表面、第3の表面、第4の表面の全てに平行ではなく、前記LOEの前記主要な外面の1つと同一平面上にあり、光学的に連続している第5の表面であって、前記コリメートレンズによってコリメートされた前記画像照明の一部は、前記結合面に到達する前に、前記第5の表面で内部反射される、第5の表面とを有する、光学システム。 - 前記PBSは、前記照明装置から前記SLMに向かって照明を反射し、前記SLMから反射された反射像照明を前記コリメートレンズに向かって透過させ、前記コリメートレンズから前記結合面に向かってコリメートされた画像照明を反射するように配置される、請求項1に記載の光学システム。
- 前記第2の表面及び前記第3の表面は、前記第5表面に対して斜めに角度が付けられる、請求項1に記載の光学システム。
- 前記第2の表面は、前記第3の表面に平行である、請求項3に記載の光学システム。
- 前記第3の表面は、前記第5の表面と50度から70度の間の角度を形成する、請求項3に記載の光学システム。
- 前記SLMは、液晶オンシリコン(LCOS)チップである、請求項1に記載の光学システム。
- 前記PBSは、前記照明装置から前記SLMに向かって照明を透過させ、前記SLMから前記コリメートレンズに向かって反射像照明を反射し、前記コリメートレンズから前記結合面に向かってコリメートされた画像照明を透過させるように配置される、請求項1に記載の光学システム。
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