TW202104977A - 瞳孔中繼系統 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種用於照明一擴增實境或虛擬實境頭戴式裝置之一波導之雷射掃描投影系統。該雷射掃描投影系統包括經組態以朝向一對偏振光束分離器發射光之一雷射源。該等偏振光束分離器透過複數個四分之一波片將光引導至複數個鏡上。該雷射掃描投影系統進一步包括具有一輸入之一波導，該輸入經組態以接收該光，使得形成於雷射掃描器處之出射瞳孔被中繼至該波導中。

Description

瞳孔中繼系統
本發明係關於一種用於照明一波導之雷射掃描投影系統。本發明亦係關於一種包括具有一波導之一顯示器之虛擬實境或擴增實境頭戴式裝置，及一種用於照明該波導之雷射掃描投影系統。
在擴增實境器件中使用波導係眾所周知的。一影像透過一輸入光柵自一光源耦合至波導中。擴增實境器件之佩戴者可透過波導觀看耦入影像，從而將虛擬影像疊加於佩戴者之真實世界視野上。
當將影像投影至波導中時，重要的是，投影器之出射瞳孔與波導上之所期望位置(諸如波導上之輸入光柵)重合。此確保影像之有效耦入且不存在漸暈。
儘管此可使用習知投影器成功地達成，但在使用雷射掃描投影器時此係不可能的。雷射掃描投影器受約束使得，該投影器之出射瞳孔在掃描鏡上。雷射掃描器通常採用掃描鏡之偏軸照明。此可致使變得難以在不中斷照明光束之情況下使波導移動靠近掃描器之一問題。歸因於出射瞳孔與輸入光柵之間的實體位移，以及自該鏡出射之光之角度範圍，一些光將漸暈並消失。此問題針對較大視場而變嚴重。
一種克服此問題之方式係使用透鏡中繼瞳孔以在相對於波導之一輸入光柵之一所期望位置處產生一出射瞳孔。此可能在輸入光柵處，或在多個輸入光柵之間的一波導堆疊中。然而，將需要一複雜透鏡系統來達成一成功瞳孔中繼。此將變得難以在一合理尺寸之視場內以一緊湊方式做到。此使將雷射掃描投影器用於擴增實境顯示器係不可行的。要求小巧、緊湊且具有一輕重量之頭戴式擴增實境顯示器的情況尤其如此。
本發明旨在解決將雷射掃描投影器用於擴增或虛擬實境顯示器之此等問題。
根據本發明之一態樣，提供一種用於照明一擴增實境或虛擬實境頭戴式裝置之一波導之雷射掃描投影系統，該系統包括：一雷射源，其經組態以發射光；一第一偏振光束分離器，其經組態以接收來自該雷射源之該光；一第一四分之一波片，其經組態以接收來自該第一偏振光束分離器之該光；一雷射掃描器，其包括可樞轉地安裝之一掃描鏡，經組態以接收來自該第一四分之一波片之該光且跨一視場角引導該光，由此形成一出射瞳孔；一第二偏振光束分離器，該第二偏振光束分離器經組態以接收來自該雷射掃描器通過該第一四分之一波片及該第一偏振光束分離器之該光；一第二四分之一波片，其經配置於該第二偏振光束分離器之一第一面處，經組態以接收來自該第二偏振光束分離器之該光；一第一鏡，其經配置於該第二偏振光束分離器之該第一面處，該第一鏡經組態以接收來自該第二偏振光束分離器通過該第二四分之一波片之該光，且將該光反射通過該第二四分之一波片朝向該第二偏振光束分離器；一第三四分之一波片，其經配置於該第二偏振光束分離器之一第二面處，經組態以接收來自該第二偏振光束分離器之該光；一第二鏡，其經配置於該第二偏振光束分離器之該第二面處，該第二鏡經組態以接收來自該第二偏振光束分離器已被該第一鏡反射之後通過該第三四分之一波片之該光，該第二鏡經組態以將該光反射通過該第三四分之一波片朝向該第二偏振光束分離器；一第四四分之一波片，其經配置於該第二偏振光束分離器之一第三面處，經組態以接收來自該第二偏振光束分離器之該光；一第三鏡，其經配置於該第二偏振光束分離器之該第三面處，該第三鏡經組態以接收來自該第二偏振光束分離器已被該第二鏡反射之後通過該第四四分之一波片之該光，該第三鏡經組態以將該光反射通過該第四四分之一波片朝向該第二偏振光束分離器；一波導，其包括一輸入，該輸入經組態以接收來自該第一偏振光束分離器已被該第三鏡反射之後通過該第二偏振光束分離器之該光，使得形成於該雷射掃描器處之該出射瞳孔被中繼至該波導中。
此組件配置允許入射於該雷射掃描器上之光同軸。此係藉由該第一偏振光束分離器引導來自該雷射源之光，使得其平行於該雷射掃描鏡之法線(同軸)入射而非成一掠射角入射來達成。此允許在不中斷來自該雷射之照明光束之情況下將該波導定位成靠近該雷射掃描器。另外，使該光多次入射於該等偏振光束分離器上進一步實現在折疊光路徑時達成一緊湊設計。此在用於需要一小尺寸之應用之一波導中係有利的，諸如在虛擬實境或擴增實境頭戴式裝置中。
另外，一關鍵益處係同軸照明減少由該掃描鏡對該光束之最大畸變，從而消除校正該畸變之需要。
該雷射掃描系統確保將由該掃描鏡界定之瞳孔作為一出射瞳孔中繼至該波導中。另外，該雷射掃描投影系統配置允許控制該波導中之影像尺寸/出射瞳孔尺寸。此係在確保該雷射掃描器之出射瞳孔有效地耦入至該波導中，使得該影像不漸暈之同時達成。
該光穿過該雷射掃描系統之傳遞係由偏振光束分離器及四分之一波片光學組件控制。
取決於入射光之偏振，該第一偏振光束分離器及該第二偏振光束分離器允許入射於其等上之光傳遞穿過或被反射。此確保該光在入射至該波導中之前循序地入射於該第一鏡、該第二鏡及該第三鏡上。
該等四分之一波片將該光之偏振狀態自線性偏振改變為圓偏振，且反之亦然。四分之一波片之配置可使得光束在入射於該第一鏡、該第二鏡及該第三鏡之至少一者上時係圓偏振的。特定而言，該等四分之一波片之配置可使得該光在自該第一鏡、該第二鏡及該第三鏡之各者反射之後入射於該第二偏振光束分離器上時係線性偏振的。
形成於該雷射掃描器處之出射瞳孔被中繼至該波導中，使得該出射瞳孔經形成於該波導內之一位置處。此可能在該波導之輸入處。替代地，該出射瞳孔可經形成於該波導內之任何其他位置處。針對單個波導，該出射瞳孔可經形成於該波導之輸入光柵處。此可實現該光之最佳耦入效率。在該波導係一波導堆疊之情況下，該出射瞳孔可經形成於該波導堆疊中之第一波導之輸入與該波導堆疊中之最終波導之間的某個位置處。
該輸入可為該波導之一輸入光柵。該輸入光柵將該光耦合至該波導中。替代地，該輸入可為適合於將該光耦合至該波導中之一透鏡或反射器。
較佳地，該第一鏡、該第二鏡或該第三鏡之兩者各具有與另一鏡之一主軸正交之一主軸。
例如，該第一鏡可具有配置於一第一方向上之一主軸，且該第二鏡及該第三鏡可具有配置於與該第一方向正交之一第二方向上之一主軸。以此方式，該第二鏡及該第三鏡彼此面對，其中該第一鏡實質上垂直於該第二鏡及該第三鏡配置。該等偏振光束分離器可用來在該等鏡之間引導該光。
該第一鏡、該第二鏡或該第三鏡之至少一者可為凹面的。此致使該光在其反射出該等凹面鏡時會聚。此使來自該雷射掃描器之發散光能夠會聚，使得其可經耦合至該波導中。較佳地，該第一鏡及該第三鏡係凹面的。以此方式，此致使該光在其反射出該第一鏡及/或該第三鏡時會聚。
較佳地，該第一鏡、該第二鏡或該第三鏡之至少一者係凸面的。以此方式，此致使光束在反射出該凸面鏡時發散。此實現該雷射掃描投影系統之一緊湊設計。較佳地，該第二鏡係凸面的。藉由具有一第二凸面鏡，自該第一鏡反射之會聚光可反射出該第二鏡，使得其發散。
較佳地，該第一鏡、該第二鏡或該第三鏡之至少兩者具有彼此不同之一焦距。以此方式，此允許在該輸入光柵處控制出射瞳孔尺寸。該焦距可具有-0.5 mm至-無限或+0.5 mm至+無限之一範圍。
焦距差可透過具有彼此不同之曲率半徑之鏡來達成。該等鏡之曲率半徑影響該光之會聚或發散量。針對一凹面鏡，與具有一較小曲率半徑之一鏡相比，一較大曲率半徑導致較少會聚。針對一凸面鏡，與一較小曲率半徑相比，一較大曲率半徑導致較少發散。
在其他配置中，該等鏡之一者可為平面的且具有無限曲率半徑。此可在不必校正散光之情況下使用。該平面鏡可為第二鏡。
在其他配置中，焦距差可藉由由具有彼此不同之折射率之玻璃製成之鏡來達成。以此方式，該第一鏡、該第二鏡或該第三鏡之至少一者可由具有不同於其他鏡之玻璃之一折射率之一玻璃製成。替代地或另外，該等偏振光束分離器之一或多者可由具有一不同折射率之一玻璃製成。
該等偏振光束分離器及/或第一鏡、第二鏡或第三鏡可由任何類型之光學玻璃製成。此可包含在透鏡之構造中使用之具有已知折射率之任何透明均質玻璃。例如，該等鏡可由一光學硼矽冕玻璃製成，另外被稱為N-BK7。替代地，可使用任何其他類型之玻璃、聚合物或其他光學透明材料。
在一些配置中，該第一鏡、該第二鏡或該第三鏡之至少兩者可具有彼此不同之一焦距。以此方式，藉由在該等鏡之至少兩者之焦距之間具有一差，可達成解析度增強。此實現控制中繼至該波導中之瞳孔尺寸。在一些配置中，該第一鏡及該第三鏡可具有彼此不同之一焦距。此可增加形成於該波導處之出射瞳孔之影像之尺寸。此可導致該波導處之解析度之一改良。另外，此可導致波導偽影之一減小，諸如較厚基板中之帶化(banding)。在其他配置中，所有該第一鏡、該第二鏡及該第三鏡可具有彼此不同之一焦距。焦距差可藉由諸多不同方式來達成。例如，該等鏡之曲率半徑存在一差，或藉由具有由具一不同折射率之一玻璃製成之鏡或偏振光束分離器，如上文所解釋。
該第二偏振光束分離器可與該等鏡接觸，使得在該第二偏振光束分離器與該等鏡之間不存在氣隙。在其他配置中，該等鏡之一或多者可與該第二偏振光束分離器隔開，使得在該第二偏振光束分離器與該一或多個鏡之間存在一氣隙。有利地，具有此氣隙可有助於製造容限。在一個配置中，在該第三鏡與該第二偏振光束分離器之間可存在一氣隙。在此配置中，藉由使該第一鏡、該第二鏡及該第三鏡之焦距彼此不同，可將形成於該雷射掃描器處之輸入出射瞳孔及中繼至該波導中之出射瞳孔維持相同尺寸(即，1X放大率)。替代地，此可透過在該第一鏡或該第二鏡與該第二偏振光束分離器之間具有一氣隙來達成。
較佳地，中繼至該波導中之出射瞳孔大於形成於該雷射掃描器處之出射瞳孔。在其他配置中，中繼至該波導中之出射瞳孔可具有相同於形成於該雷射掃描器處之出射瞳孔之尺寸(即，1X放大率)。可控制中繼至該波導中之出射瞳孔之尺寸，使得其針對該波導之所期望特性而最佳化。可控制該尺寸以確保耦入至該輸入光柵或至該波導內之一特定位置。此可確保不損失光且最大化效率及均勻性。在其他配置中，中繼至該波導中之出射瞳孔可小於由該雷射掃描器形成之出射瞳孔。
較佳地，該雷射源係一RGB雷射源。以此方式，該雷射掃描投影系統使能夠形成一全彩色影像。替代地，該雷射源可為單色雷射源或多色雷射源。例如，該雷射源不限於RGB且可使用任何其他色彩。在一些配置中，該雷射源可為一超發光二極體。
該雷射掃描鏡可為一微機電系統(MEMS)器件。該掃描鏡可為一檢流計(galvo)掃描鏡。替代地，可使用任何類型之反射或折射掃描元件。
該第一鏡、該第二鏡或第三鏡之任一者可為球面、非球面、拋物面或自由曲面鏡。
在一些配置中，該雷射掃描投影系統之尺寸可為大約10 mm。在其他配置中，其可更大，例如大約100 mm或更大。在其他配置中，其可更小，例如大約1 mm或更小。
根據本發明之一態樣，提供一種虛擬實境或擴增實境頭戴式裝置，其包括：用於照明一波導之一雷射掃描投影系統，該雷射掃描投影系統如上述態樣中所陳述。
根據本發明之一態樣，提供一種使用一雷射掃描投影系統照明一擴增實境或虛擬實境頭戴式裝置之一波導之方法；該方法包括：自一雷射源發射光；在一第一偏振光束分離器處接收來自該雷射源之該光；在一第一四分之一波片處接收來自該第一偏振光束分離器之該光；在包括可樞轉地安裝之一掃描鏡之一雷射掃描器處接收該光，所接收之該光來自該第一四分之一波片且跨一視場角引導該光，由此形成一出射瞳孔；在一第二偏振光束分離器處接收來自該雷射掃描器通過該第一四分之一波片及該第一偏振光束分離器之該光；在經配置於該第二偏振光束分離器之一第一面處之一第二四分之一波片處接收該光，所接收之該光來自該第二偏振光束分離器；在經配置於該第二偏振光束分離器之該第一面處之一第一鏡處接收該光，所接收之該光來自該第二偏振光束分離器通過該第二四分之一波片，且將該光反射通過該第二四分之一波片朝向該第二偏振光束分離器；在經配置於該第二偏振光束分離器之一第二面處之一第三四分之一波片處接收該光，所接收之該光來自該第二偏振光束分離器；在經配置於該第二偏振光束分離器之該第二面處之一第二鏡處接收該光，所接收之該光來自該第二偏振光束分離器已被該第一鏡反射之後通過該第三四分之一波片，且該第二鏡將該光反射通過該第三四分之一波片朝向該第二偏振光束分離器；在經配置於該第二偏振光束分離器之一第三面處之一第四四分之一波片處接收來自該第二偏振光束分離器之該光；在經配置於該第二偏振光束分離器之該第三面處之一第三鏡處接收該光，所接收之該光來自該第二偏振光束分離器已被該第二鏡反射之後通過該第四四分之一波片，且該第三鏡將該光反射通過該第四四分之一波片朝向該第二偏振光束分離器；在一波導之一輸入處接收來自該第一偏振光束分離器已被該第三鏡反射之後通過該第二偏振光束分離器之該光，使得形成於該雷射掃描器處之該出射瞳孔被中繼至該波導中。
圖1展示本發明之一雷射掃描投影系統100。
一RGB雷射源2經配置成經引導以在一第一方向上發射光。在圖1中所展示之配置中，第一方向係沿著y軸。一雷射掃描器4與雷射源2隔開。雷射掃描器4沿著x及y軸在負x及y方向上與雷射源2分離。雷射掃描器4經配置以實質上在垂直於第一方向之一第二方向上，即，實質上沿著x軸反射光。
一第一偏振光束分離器6經定位於雷射源2與雷射掃描器4之間。第一偏振光束分離器6具有一第一面7a、第二面7b、第三面7c及第四面7d。第一面7a及第三面7c在彼此平行之一平面中。第二面7b及第四面7d在彼此平行之平面中。第一面7a及第三面7c在與第二面7b及第四面7d正交之一平面中。
該雷射源經配置於第一偏振光束分離器6之第四面7d處。該雷射掃描器經配置於第一偏振光束分離器6之第三面7c處。
在第一偏振光束分離器6與雷射掃描器4之間定位一第一四分之一波片8。
一第二偏振光束分離器10經定位成在其沿著光學路徑離雷射掃描器4最遠之第一面7a處相鄰於第一偏振光束分離器6。第二偏振光束分離器10比第一偏振光束分離器6沿著正x軸更遠。
第二偏振光束分離器10具有一第一面14a、第二面14b、第三面14c及第四面14d。第一面14a及第三面14c在彼此平行之一平面中。第二面14b及第四面14d在彼此平行之平面中。第一面14a及第三面14c在與第二面14b及第四面14d正交之一平面中。
三個鏡12a、12b、12c圍繞第二偏振光束分離器10配置於第二偏振光束分離器10之面之三者處。
第一鏡12a經定位於第二偏振光束分離器10之第一面14a處。第一鏡12a係凹面的。第一面14a係沿著光學路徑距雷射掃描器4最遠之面。第一鏡12a之主軸係沿著x軸引導。
第二鏡12b經定位於第二偏振光束分離器10之第二面14b處。第二鏡12b係凸面的。第二鏡12b之主軸與第一鏡12a之主軸正交。第二鏡12b之主軸係沿著y軸引導。
第三鏡12c經定位於第二偏振光束分離器10之第四面14d處。第三鏡12c係凹面的。第三鏡12c之主軸平行於第二鏡12b之主軸。第三鏡12c之主軸係沿著y軸引導。
在鏡12a、12b、12c之各者與第二偏振光束分離器10之間係一四分之一波片16a、16b、16c。
一波導18經配置為使其最大軸平行於x軸。該波導具有定位於波導18之輸入端22處之一輸入光柵20。波導18之輸入端22經定位於第一偏振光束分離器6之第二面7b處。
現在將參考圖1至圖5描述光穿過雷射掃描投影系統100之路徑。
圖1展示穿過雷射掃描投影系統100之完整光線路徑。圖2至圖5展示光線路徑之一部分，其展示雷射投影系統100之一部分。
如圖1中可見，雷射源2沿著y軸發射光。光在第一偏振光束分離器6之第四面7d處入射於第一偏振光束分離器6上。當光在S偏振狀態下線性偏振時，其被第一偏振光束分離器6反射。第一偏振光束分離器6致使光沿著x軸反射，使得其在第一偏振光束分離器6之第三面7c處出射第一偏振光束分離器6。
接著，光入射於四分之一波片8上。四分之一波片8將線性偏振光改變為圓偏振光。接著，光入射於雷射掃描器4上。
雷射掃描器4包含安裝於一樞軸上之一鏡。該鏡沿著y軸跨一視場角掃描，從而產生一出射瞳孔。被雷射掃描器4反射之光發散。在反射時，偏振之旋向性(handedness)改變。
如自圖2可見，來自雷射掃描器4之光接著回傳穿過四分之一波片8。四分之一波片8在P偏振狀態下將光自圓偏振光改變為線性偏振光。接著，光入射於第一偏振光束分離器6之第三面7c上。當光處於P偏振狀態時，光直接傳遞穿過第一偏振光束分離器6，從而在其第一面7a處出射。接著，光傳遞穿過第二偏振光束分離器10之第三面14c。正如第一偏振光束分離器6之情況，因為光處於P偏振狀態，所以光直接傳遞穿過第二偏振光束分離器10，從而在其第一面14a處出射。
接著，光傳遞穿過一四分之一波片16a。四分之一波片16a將光自線性偏振光改變為圓偏振光。
接著，光入射於第一鏡12a上。如圖3中可見，光被第一鏡12a反射回朝向第二偏振光束分離器10。反射光現在會聚。被第一鏡12a反射之光再次傳遞穿過四分之一波片16a。四分之一波片16a在S偏振狀態下將圓偏振光改變為線性偏振光。
接著，光穿過第一面14a傳遞至第二偏振光束分離器10中。當光處於S偏振狀態時，其沿著y軸反射以出射第二偏振光束分離器10之第二面14b。
接著，光傳遞穿過四分之一波片16b。四分之一波片16b將光自線性偏振光改變為圓偏振光。
接著，光入射於第二鏡12b上。如圖4中可見，光被第二鏡12b反射回朝向第二偏振光束分離器10。反射光現在發散。被第二鏡12b反射之光再次傳遞穿過四分之一波片16b。四分之一波片16b在P偏振狀態下將圓偏振光改變為線性偏振光。
接著，光穿過第二面14b傳遞至第二偏振光束分離器10中。當光處於P偏振狀態時，其沿著y軸行進穿過第二偏振光束分離器10以出射第二偏振光束分離器10之第四面14d。
接著，光傳遞穿過一四分之一波片16c。四分之一波片16c將光自線性偏振光改變為圓偏振光。
接著，光入射於第三鏡12c上。如自圖5中可見，光被第三鏡12c反射回朝向第二偏振光束分離器10。反射光現在會聚。被第三鏡12c反射之光再次傳遞穿過四分之一波片16c。四分之一波片16c在S偏振狀態下將圓偏振光改變為線性偏振光。
接著，光穿過第四面14d傳遞至第二偏振光束分離器10中。當光處於S偏振狀態時，其沿著x軸反射以出射第二偏振光束分離器10之第三面14c。
接著，光穿過其第一面7a傳遞至第一偏振光束分離器6中。當光處於S偏振狀態時，其沿著y軸反射以出射第一偏振光束分離器6之第二面7b。
接著，光入射於波導18之輸入光柵20上。如自圖5可見，所有光耦合至輸入光柵20中。此致使雷射掃描器之出射瞳孔被中繼至輸入光柵20上。
上文所描述之雷射掃描投影系統100提供一種將來自雷射掃描器4之光耦合至波導18中之緊湊方式。此使其可用於頭戴式擴增實境顯示器(HMD)。另外，由於鏡12a、12b及12c與入射於其等上之光同軸，因此當該等鏡以偏軸照明配置時，其等不太容易出現像差。
圖6展示雷射掃描投影系統之一進一步配置。該等組件被賦予相同於圖1至圖5中所展示之組件之元件符號。此配置之不同之處在於，第一偏振光束分離器6經配置使得其中心反射軸經定向成不同於第二偏振光束分離器之定向之一定向。與圖1至圖5中所展示之第一偏振光束分離器相較，第一偏振光束分離器經定向成180°。此致使光穿過該系統所採用之路徑不同於圖1至5圖中之光路徑。光採用之路徑相同於圖1至圖5中之路徑，直至最終反射出第一偏振光束分離器6為止。在圖6中，如上文所描述，光在被鏡12a、12b、12c之各者反射之後接著被反射，使得其在入射於波導(未展示)上之前透過側7d出射第一偏振光束分離器。當然，儘管未展示，但圖6中之雷射源2將代替地定位於第一偏振光束分離器之不同於圖1中所展示之側之一側處，諸如在側7b處。
在其他配置中，第一偏振光束分離器6可代替地相對於圖1至圖5中所展示之第一偏振光束分離器以任何角度定向。在一個配置中，第一偏振光束分離器6可相對於圖1至圖5中所展示之第一偏振光束分離器6成90°角。在此配置中，在第一偏振光束分離器與第二偏振光束分離器之間將需要半波片。
利用本發明之雷射掃描投影系統100，可控制中繼至波導18中之出射瞳孔之尺寸。此可藉由改變鏡12a、12b、12c之焦距，例如藉由改變其等的曲率來達成。
例如，可增加經中繼瞳孔之尺寸，使得其大於形成於雷射掃描器處之瞳孔。此具有減少波導偽影，諸如較厚基板中之帶化之一益處。
另外，可藉由具有一較大出射瞳孔來改變使用本發明之雷射掃描投影系統100時達成之解析度。雷射掃描投影器通常受其等窄光束寬度限制。當由觀看者之一眼睛直接觀看時，雷射未充滿該眼睛之晶狀體。此藉由查看以下方程式中之標準瑞利準則可見
Figure 02_image001
其中θ係以弧度為單位之角解析度，λ係以米為單位之光之波長，且D係以米為單位之透鏡孔徑之直徑。在雷射未充滿眼睛之晶狀體的情況下，此減小上述方程式中之D。此限制經達成解析度。實例 1 ：第一鏡 12a 及第三鏡 12c 之焦距相同，從而導致零瞳孔放大率。 掃描器處達成之視場係35.4° 波導處達成之視場係35.4° 經中繼出射瞳孔之尺寸係1 mm 550 nm之繞射限制解析度=2.3弧分。實例 2 ：第一鏡 12a 及第三鏡 12c 之焦距不相同，從而導致一 1.4 x 瞳孔放大率。 掃描器處達成之視場係35.4° 波導處達成之視場係25° 經中繼出射瞳孔之尺寸係1.4 mm 550 nm之繞射限制解析度=1.65弧分
如上文在實例1中可見，第一鏡12a及第三鏡12c之焦距相同，使得經中繼出射瞳孔具有1 mm之一直徑且中繼放大率係1x。而在實例2中藉由改變第一鏡12a及第三鏡12c之焦距使，得其等不相同，因此中繼放大率係1.4x來達成1.4 mm之一更大的經中繼出射瞳孔。
如自上述實例可見，該系統可經設計使得放大經中繼出射瞳孔且必然減小視場。因此，經達成之解析度增強係以視場為代價。然而，針對特定應用，此解析度改良比視場損失重要。
可藉由具有不同於第三鏡12b之曲率半徑之第一鏡12a之一曲率半徑來達成改變鏡12a及第三鏡12c之焦距。例如，在一典型闡釋性實例中，該等鏡之各者之曲率半徑可為：第一鏡12a R=12.25 mm，第二鏡12b R=6.47 mm，第三鏡12c R=15.46 mm。利用此配置，針對1 mm之一輸入瞳孔直徑，達成直徑1.55 mm之一出射瞳孔。此等值僅僅係闡釋性的且可增加達一或多個數量級。
替代地，可藉由其他方式達成改變焦距，諸如藉由具有彼此具不同折射率之玻璃之鏡。
在其他配置中，可存在呈一波導堆疊形式之複數個波導18，該等波導係沿著y方向堆疊。雷射掃描投影系統使出射瞳孔能夠相對於波導疊堆中之波導在一最佳位置處中繼。此可不必在該等波導之一者之輸入光柵處，如上文所概述。代替地，在該堆疊中之波導間中繼出射瞳孔可能係有益的。針對兩個波導，此可能恰好係各波導上之各自輸入光柵之間的中途。替代地，出射瞳孔可經中繼以形成於該堆疊之波導之一特定者處。此可能以較低效率之波導為目標，其可提供一改良系統效能。
該波導堆疊可包含一紅色波導、一綠色波導及一藍色波導。若期望控制一特定色彩之一波導之效率，則可中繼出射瞳孔，使得其形成於彼特定波導內。替代地，出射瞳孔可以類似於圖1至圖6中所展示之一方式中繼至該波導堆疊中之第一波導之輸入光柵上。
圖1至圖6中所展示之偏振光束分離器係偏振光束分離器立方體。上圖描述偏振光束分離器之四個面。然而，熟習此項技術者將理解，偏振光束分離器可具有進一步面。所描述配置係當在2D平面中觀看時之配置，其中偏振光束分離器立方體經配置使得其等以上文所描述之方式引導光。
本發明亦包含對上述方法及裝置之眾多修改及變動。
雷射掃描投影系統可用於擴增實境或虛擬實境頭戴式顯示器。替代地，其等可用於任何類型之擴增實境或虛擬實境顯示器。
上述配置中所描述之雷射源係一RGB雷射。然而，取決於所需用途，雷射掃描投影系統可與任何類型之雷射一起使用。此可為任何類型之可見波長源。例如，在其他配置中，該雷射可為單色雷射源。
該輸入光柵可不必為該波導之一輸入光柵。替代地，其可為將光耦合至該波導中之任何輸入。例如，其可為適合於將光耦合至該波導中之一透鏡或反射器。
該波導可為經組態以接收光之任何類型之波導。在一些配置中，該波導可為一繞射波導。在其他配置中，該波導可為一反射波導。
雷射掃描投影系統之光學器件之配置可根據其使用要求進行修改。例如，該第一鏡、該第二鏡及該第三鏡可經定位於第二偏振光束分離器之替代所描述配置之面上。替代地，可改變光之偏振，使得其採用一不同路徑穿過雷射掃描投影系統。例如，光可藉由具有一不同初始偏振狀態而首先入射於第三鏡而非第一鏡上。
另外，可將額外光學組件插入至上文所描述之雷射掃描投影系統中。例如，可插入一進一步鏡、偏振光束分離器、四分之一波片或其他光學組件。此可能致使光路徑之一方向變化。在其他配置中，光學組件可用達成相同或一類似效應之其他光學組件置換。例如，可移除、取代或重新定位四分之一波片。另外或替代地，可在中繼之前或之後包含額外透鏡。此等透鏡可能輔助校正像差。
在上文描述一組件已接收來自另一組件之光之情況下，不必直接接收來自彼組件之光。在一些替代配置中，光可在其入射於最終組件上之前與一額外中間組件相互作用。
2:RGB雷射源 4:雷射掃描器 6:第一偏振光束分離器 7a:第一面 7b:第二面/側 7c:第三面 7d:第四面/側 8:第一四分之一波片 10:第二偏振光束分離器 12a:第一鏡 12b:第二鏡 12c:第三鏡 14a:第一面 14b:第二面 14c:第三面 14d:第四面 16a:四分之一波片 16b:四分之一波片 16c:四分之一波片 18:波導 20:輸入光柵 22:輸入端 100:雷射掃描投影系統
圖1係本發明之一實施例中之雷射掃描投影系統之一示意圖；
圖2至圖5係本發明之一實施例中之雷射掃描投影系統之部分之示意圖，其等展示光在其傳遞穿過該系統時之路徑；及
圖6係本發明之一進一步實施例中之雷射掃描投影系統之一部分之一示意圖，其展示光在其傳遞穿過該系統時之路徑。
2:RGB雷射源
4:雷射掃描器
6:第一偏振光束分離器
7a:第一面
7b:第二面/側
7c:第三面
7d:第四面/側
8:第一四分之一波片
10:第二偏振光束分離器
12a:第一鏡
12b:第二鏡
12c:第三鏡
14a:第一面
14b:第二面
14c:第三面
14d:第四面
16a:四分之一波片
16b:四分之一波片
16c:四分之一波片
18:波導
20:輸入光柵
22:輸入端
100:雷射掃描投影系統

Claims (12)

  1. 一種用於照明一擴增實境或虛擬實境頭戴式裝置之一波導之雷射掃描投影系統，該系統包括： 一雷射源，其經組態以發射光； 一第一偏振光束分離器，其經組態以接收來自該雷射源之該光； 一第一四分之一波片，其經組態以接收來自該第一偏振光束分離器之該光； 一雷射掃描器，其包括可樞轉地安裝之一掃描鏡，經組態以接收來自該第一四分之一波片之該光且跨一視場角引導該光，由此形成一出射瞳孔； 一第二偏振光束分離器，該第二偏振光束分離器經組態以接收來自該雷射掃描器通過該第一四分之一波片及該第一偏振光束分離器之該光； 一第二四分之一波片，其經配置於該第二偏振光束分離器之一第一面處，經組態以接收來自該第二偏振光束分離器之該光； 一第一鏡，其經配置於該第二偏振光束分離器之該第一面處，該第一鏡經組態以接收來自該第二偏振光束分離器通過該第二四分之一波片之該光，且將該光反射通過該第二四分之一波片朝向該第二偏振光束分離器； 一第三四分之一波片，其經配置於該第二偏振光束分離器之一第二面處，經組態以接收來自該第二偏振光束分離器之該光； 一第二鏡，其經配置於該第二偏振光束分離器之該第二面處，該第二鏡經組態以接收來自該第二偏振光束分離器已被該第一鏡反射之後通過該第三四分之一波片之該光，該第二鏡經組態以將該光反射通過該第三四分之一波片朝向該第二偏振光束分離器； 一第四四分之一波片，其經配置於該第二偏振光束分離器之一第三面處，經組態以接收來自該第二偏振光束分離器之該光； 一第三鏡，其經配置於該第二偏振光束分離器之該第三面處，該第三鏡經組態以接收來自該第二偏振光束分離器已被該第二鏡反射之後通過該第四四分之一波片之該光，該第三鏡經組態以將該光反射通過該第四四分之一波片朝向該第二偏振光束分離器； 一波導，其包括一輸入，該輸入經組態以接收來自該第一偏振光束分離器已被該第三鏡反射之後通過該第二偏振光束分離器之該光，使得形成於該雷射掃描器處之該出射瞳孔被中繼至該波導中。
  2. 如請求項1之雷射掃描投影系統，其中該第一鏡、該第二鏡或該第三鏡之兩者各具有與另一鏡之一主軸正交之一主軸。
  3. 如請求項2之雷射掃描投影系統，其中該第一鏡具有配置於一第一方向上之一主軸，且該第二鏡及第三鏡具有配置於與該第一方向正交之一第二方向上之一主軸。
  4. 如請求項1至3中任一項之雷射掃描投影系統，其中該第一鏡、該第二鏡或該第三鏡之至少一者係凹面的。
  5. 如請求項1至3中任一項之雷射掃描投影系統，其中該第一鏡、該第二鏡或該第三鏡之至少一者係凸面的。
  6. 如請求項1至3中任一項之雷射掃描投影系統，其中該第一鏡、該第二鏡或該第三鏡之至少兩者具有彼此不同之一焦距。
  7. 如請求項6之雷射掃描投影系統，其中該不同焦距係透過具有彼此不同之曲率半徑或由具有彼此不同之折射率之玻璃製成之該等鏡達成。
  8. 如請求項1至3中任一項之雷射掃描投影系統，其中中繼至該波導中之該出射瞳孔大於形成於該雷射掃描器處之該出射瞳孔。
  9. 如請求項1至3中任一項之雷射掃描投影系統，其中該雷射源係一RGB雷射源。
  10. 如請求項1至3中任一項之雷射掃描投影系統，其中該第一鏡、該第二鏡或該第三鏡之任一者係球面、非球面、拋物面或自由曲面鏡。
  11. 一種虛擬實境或擴增實境頭戴式裝置，其包括： 用於照明一波導之一雷射掃描投影系統，該雷射掃描投影系統如請求項1至10中任一項所陳述。
  12. 一種使用一雷射掃描投影系統照明一擴增實境或虛擬實境頭戴式裝置之一波導之方法；該方法包括： 自一雷射源發射光； 在一第一偏振光束分離器處接收來自該雷射源之該光； 在一第一四分之一波片處接收來自該第一偏振光束分離器之該光； 在包括可樞轉地安裝之一掃描鏡之一雷射掃描器處接收該光，所接收之該光來自該第一四分之一波片且跨一視場角引導該光，由此形成一出射瞳孔； 在一第二偏振光束分離器處接收來自該雷射掃描器通過該第一四分之一波片及該第一偏振光束分離器之該光； 在經配置於該第二偏振光束分離器之一第一面處之一第二四分之一波片處接收該光，所接收之該光來自該第二偏振光束分離器； 在經配置於該第二偏振光束分離器之該第一面處之一第一鏡處接收該光，所接收之該光來自該第二偏振光束分離器通過該第二四分之一波片，且將該光反射通過該第二四分之一波片朝向該第二偏振光束分離器； 在經配置於該第二偏振光束分離器之一第二面處之一第三四分之一波片處接收該光，所接收之該光來自該第二偏振光束分離器； 在經配置於該第二偏振光束分離器之該第二面處之一第二鏡處接收該光，所接收之該光來自該第二偏振光束分離器已被該第一鏡反射之後通過該第三四分之一波片，且該第二鏡將該光反射通過該第三四分之一波片朝向該第二偏振光束分離器； 在經配置於該第二偏振光束分離器之一第三面處之一第四四分之一波片處接收來自該第二偏振光束分離器之該光； 在經配置於該第二偏振光束分離器之該第三面處之一第三鏡處接收該光，所接收之該光來自該第二偏振光束分離器已被該第二鏡反射之後通過該第四四分之一波片，且該第三鏡將該光反射通過該第四四分之一波片朝向該第二偏振光束分離器； 在一波導之一輸入處接收來自該第一偏振光束分離器已被該第三鏡反射之後通過該第二偏振光束分離器之該光，使得形成於該雷射掃描器處之該出射瞳孔被中繼至該波導中。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201909179D0 (en) * 2019-06-26 2019-08-07 Wave Optics Ltd Pupil relay system
TWI848176B (zh) 2019-09-15 2024-07-11 以色列商魯姆斯有限公司 橫向光導管
WO2021124315A1 (en) 2019-12-19 2021-06-24 Lumus Ltd. Image projector using a phase image generator
WO2022179428A1 (zh) * 2021-02-26 2022-09-01 华为技术有限公司 光学组件、投影模组和增强现实设备
EP4348339A4 (en) 2021-07-04 2024-10-09 Lumus Ltd COLOR-SHIFT OPTICAL SYSTEM FOR CLOSE-EYE DISPLAYS
WO2023058034A1 (en) * 2021-10-10 2023-04-13 Lumus Ltd. Image projector for near-eye display
EP4367553A4 (en) 2022-05-04 2024-10-23 Lumus Ltd MODIFIED COLOR AND SLOPE MEDIATION LAYER

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL177618A (en) * 2006-08-22 2015-02-26 Lumus Ltd Optical component in conductive substrate
EP2142953B1 (en) * 2007-04-22 2019-06-05 Lumus Ltd A collimating optical device and system
US7997735B2 (en) * 2008-03-27 2011-08-16 Corning Incorporated Systems and methods for speckle reduction
KR102378457B1 (ko) * 2013-11-27 2022-03-23 매직 립, 인코포레이티드 가상 및 증강 현실 시스템들 및 방법들
TWI546610B (zh) * 2014-03-12 2016-08-21 香港科技大學 投影裝置和偏振光柵的製造方法
GB2529003B (en) * 2014-08-03 2020-08-26 Wave Optics Ltd Optical device
US10126552B2 (en) * 2015-05-18 2018-11-13 Rockwell Collins, Inc. Micro collimator system and method for a head up display (HUD)
US10247943B1 (en) * 2015-05-18 2019-04-02 Rockwell Collins, Inc. Head up display (HUD) using a light pipe
NZ745246A (en) * 2016-02-24 2020-01-31 Magic Leap Inc Polarizing beam splitter with low light leakage
US10739593B2 (en) * 2016-02-29 2020-08-11 Magic Leap, Inc. Virtual and augmented reality systems and methods
US10025093B2 (en) * 2016-04-13 2018-07-17 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide-based displays with exit pupil expander
WO2018039273A1 (en) * 2016-08-22 2018-03-01 Magic Leap, Inc. Dithering methods and apparatus for wearable display device
CN112987303A (zh) * 2016-09-21 2021-06-18 奇跃公司 用于具有出瞳扩展器的光学系统的系统和方法
EP3532881A4 (en) * 2016-10-28 2019-11-13 Magic Leap, Inc. METHOD AND SYSTEM FOR A BROAD FIELD OF VISION DISPLAY DEVICE HAVING A SCAN REFLECTOR
DE212017000261U1 (de) * 2016-12-02 2019-08-05 Lumus Ltd. Optisches System mit kompaktem Kollimator-Bildprojektor
JP2020502573A (ja) * 2016-12-15 2020-01-23 フサオ イシイ レーザービームスキャナーを用いたウェアラブルディスプレイの光学系
CA3051016C (en) * 2017-02-16 2023-08-15 Magic Leap, Inc. Method and system for display device with integrated polarizer
CN110446963B (zh) * 2017-03-21 2021-11-16 奇跃公司 用于光纤扫描投影仪的方法和系统
US9971150B1 (en) * 2017-04-28 2018-05-15 Microsoft Technology Licensing, Llc Compact display engine with MEMS scanners
US9958684B1 (en) * 2017-04-28 2018-05-01 Microsoft Technology Licensing, Llc Compact display engine with MEMS scanners
CN109116556A (zh) * 2017-06-23 2019-01-01 芋头科技（杭州）有限公司 一种成像显示系统
US11561406B2 (en) * 2017-12-10 2023-01-24 Lumus Ltd. Image projector
CN108415162A (zh) * 2018-01-18 2018-08-17 北京灵犀微光科技有限公司 近眼显示设备
JP2019069773A (ja) * 2019-01-16 2019-05-09 パイオニア株式会社 ヘッドアップディスプレイ
GB201909179D0 (en) * 2019-06-26 2019-08-07 Wave Optics Ltd Pupil relay system

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