TW202132836A - Led照明型波導管投影顯示器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種投影顯示器及一種用於照明一投影顯示器之方法。該投影顯示器包括：一波導管，其包括具有複數個線性繞射特徵之一輸入光栅，該輸入光栅經組態以將光耦合輸入至該波導管中；及一LED陣列，其經組態以形成作為一輸入光瞳光學中繼至該輸入光栅上之一照明光瞳，使得在該輸入光栅處，該輸入光瞳具有平行於該等線性繞射特徵之一方向上大於垂直於該等線性繞射特徵之一方向上之一形狀。

Description

LED照明型波導管投影顯示器
本發明係關於包括一照明器及一波導管之投影顯示器。
將繞射波導管用於成像顯示器已為吾人所熟知。此類型之成像顯示器可能存在導致輸出影像中出現非所要效應之諸多問題。另外，期望提高此等系統之效率。
圖1展示利用一繞射波導管2之一先前技術投影顯示器100。波導管2具有一輸入光栅4及與輸入光栅4隔開之一輸出光栅10。輸入光栅具有複數個線性繞射特徵6。
當在使用中時，一投影器(未展示)將光投影至輸入光栅4上以形成一輸入光瞳8。輸入光瞳8呈圓形形狀。輸入光栅4透過波導管2內之一系列全內反射繞射輸入光瞳8之光朝向輸出光栅10。在輸出光栅10處，輸入光瞳8被複製為一系列輸出光瞳12。在光與輸出光栅10之各相互作用中，一些光作為一輸出光瞳複製12繞射出波導管以形成影像。剩餘光繼續使用輸出光栅10形成進一步繞射以形成進一步輸出光瞳12。
輸入光栅4之大小通常經最佳化以最大化耦合輸入光之效率。此確保最大光量入射於輸入光栅4上，使得其不損失。然而，若輸入光瞳太大，則會發生再相互作用之非所要效應。此係繞射光在其由輸入光栅4初始繞射之後與輸入光栅4再相互作用之位置。
圖2A中展示再相互作用，圖2A展示圖1之波導管2之一側視圖。可看出，在其由輸入光栅4初始繞射之後，光在再次入射於輸入光栅4所在之波導管之表面上之前經歷一單一全內反射。由於最短光線行走14短於相互作用之間的輸入光栅4之長度16，因此光與輸入光栅4再相互作用，如點15中所展示。此導致效率損失，因為一些此再相互作用光損失。
圖2B展示一波導管2，其中最短光線行走14長於與輸入光栅4相互作用之第一點與輸入光栅4之端之間的距離。因此，無相互作用發生。
最短光線行走14之長度取決於波導管之寬度18。顯然，波導管2越厚，最短光線行走越長，因為光必須在其反射離開波導管之表面之前於波導管2中進行更遠。此意謂相同大小之輸入光栅4發生再相互作用之機會更小。然而，針對諸多應用，為了效率及/或製造要求，期望具有薄波導管2。
僅减小輸入光瞳之大小係减少再相互作用之一選擇。關於一較小光瞳，可减小輸入光栅之長度。然而，若光瞳太小，則輸出影像中會出現非所要間隙以引起一「條帶」效應。另外，垂直於線性繞射特徵之方向上之色散總會導致輸入光瞳在此維度上之一些加寬。
因此，期望解决再相互作用問題(尤其是其中無法减小其厚度之波導管之再相互作用問題)，同時亦確保避免條帶。
根據本發明之一態樣，提供一種投影顯示器，其包括：一波導管，其包括具有複數個線性繞射特徵之一輸入光栅，該輸入光栅經組態以將光耦合輸入至該波導管中；及一LED陣列，其經組態以形成作為一輸入光瞳光學中繼至該輸入光栅上之一照明光瞳，使得在該輸入光栅處，該輸入光瞳具有平行於該等線性繞射特徵之一方向上大於垂直於該等線性繞射特徵之一方向上之一形狀。
形成具有在平行於輸入光栅之線性繞射特徵而非垂直於線性繞射特徵之一方向上較大之一形狀之一輸入光瞳有助於避免再相互作用。此係因為一小輸入光瞳在垂直於線性繞射特徵之維度上減少再相互作用之機會之事實。
在平行於線性繞射特徵之維度上，再相互作用不是問題。因此，具有在平行於線性繞射特徵之方向上較大之一輸入光瞳使輸入光瞳之總大小能夠較大而不經歷再相互作用。期望具有一大光瞳，因為若光瞳太小，則其會在輸出影像中引起條帶。在平行於線性繞射特徵之方向上最大化輸入光瞳之大小增大輸入光瞳之總大小。此減少條帶，但不以經歷再相互作用為代價。
投影顯示器可進一步包括定位於LED陣列與剩餘投影光學器件之間的一錐形光管陣列，其中錐形光管陣列經組態以在作為輸入光瞳光學中繼至輸入光栅上之前自LED陣列接收光。
依此方式，將自LED之各者發射之光高效收集至一對應錐形光管中。光管充當一導管以在兩個維度(2D)上擴展光束，同時減小光之發射角，即，減小光之數值孔徑。光具有一較大面積，但在錐形光管之第二端處之出口孔處以比自LED入射於光管之第一端處之光明顯更小之角範圍發射。
角範圍之減小允許任何後續透鏡以比無光管更高之效率及精度將光管之出口孔之一影像中繼至波導管。對小型投影器而言，此一高效光學配置通常太大。
較佳地，LED陣列之各LED具有一各自錐形光管。
由於各LED具有一對應錐形光管，因此錐形光管陣列較佳地經配置成相同於LED陣列之配置之圖案。光管之錐形透過具有小於自其發射光之第二端之第一端(其中光自LED接收)來達成。錐形光管亦擴展自LED傳輸之光束。在一些情況中，此擴展可使光束寬度增大3倍，此對應於入射於錐形光管之第一端上之光之面積比自該光管之第二端發射之光擴展9倍。然而，在其他實施例中，擴展可使光束寬度增大任何倍數，例如2倍、4倍、5倍。
各錐形光管之端可具有相同於輸入光瞳之形狀之一形狀。波導管處之輸入光瞳之形狀可由錐形光管之形狀形成。在進入錐形光管之後自LED傳輸之光可能沒有所要形狀。錐形光管可確保光具有平行於線性繞射特徵之一方向上大於垂直於輸入光栅之線性繞射特徵之一方向上之一形狀。例如，錐形光管之端之縱橫比較佳為16:9。替代地，縱橫比可為5:4、4:3及16:10之任何者。另外，各錐形光管之兩端之形狀亦可經塑形以匹配輸入光瞳。
替代地，在其他實施例中，光管之任一端之形狀可不同於輸入光瞳之形狀。在此等實施例中，可在光管之第二端(最靠近波導管)與波導管之間提供一光學組件以形成輸入光瞳之形狀。
替代地或另外，LED陣列可經配置於一2D表面上，其中LED陣列之空間配置之形狀相同於輸入光瞳之形狀。例如，LED陣列可具有上文所討論之任何縱橫比。LED陣列可經配置成一橢圓形狀。替代地，其可經配置成一橢圓形狀。藉由將LED陣列配置成一橢圓配置，來自LED陣列之照明光瞳將具有輸入光瞳之形狀。替代地，可提供其他構件來產生輸入光瞳之形狀。
較佳地，波導管具有一寬度且輸入光栅具有一長度，且根據波導管之寬度及輸入光栅之長度來選擇輸入光瞳之大小，使得光僅具有與輸入光栅之一單一相互作用。此確保輸入光瞳足够小，使得其不引起與輸入光栅之再相互作用。因此，一旦光已被繞射且被全內反射，則其不與輸入光栅相互作用。在此配置中，輸入光栅之寬度經界定為垂直於輸入光栅之長度。最短光線行走經界定為光與輸入光栅之第一相互作用與發生一單一全內反射之後光與波導管之後續相互作用之間的距離。最短光線行走由波導管之寬度判定。一較厚波導管提供比一較薄波導管更大之一最短光線行走。此係因為在一較厚波導管中，光在與波導管相互作用之前必須行進更遠。在諸多情况中，期望使波導管之寬度變薄或具有某一厚度。此可歸因於設計約束或提高效能。然而，一較薄波導管在垂直於輸入光栅之線性繞射特徵之方向上需要一較小輸入光瞳以避免再相互作用。
投影顯示器可包括複數個LED陣列，各LED陣列發射一特定色彩之光。依此方式，可在輸入光栅處產生特定色彩之輸入光瞳。LED之色彩可為紅色、綠色及藍色。替代地，其可為紅色、黃色及藍色。各LED陣列可依一特定波長或波長範圍發射。各LED陣列可將一不同色彩之光發射至其他LED陣列之各者。
LED陣列可具有分佈於整個LED陣列中之不同色彩。此無需二向色組合器來組合不同色彩之光。LED之色彩可為紅色、綠色及藍色(RGB)。在一些實施例中，LED之不同色彩可經配置成一重複圖案。在其他實施例中，不同色彩之LED可跨陣列隨機分佈。LED陣列可含有相同數目個各色彩之LED。替代地，當LED係微型LED時，由於綠色微型LED之效率較高，可存在更多綠色LED。
較佳地，波導管係複數個波導管，各波導管之輸入光栅經組態以將一不同色彩之光耦合輸入至其他波導管之各者之輸入光栅。藉由具有一波導管堆疊，各波導管可經配置以傳輸一特定色彩之光。各波導管之輸入光栅可經特別組態以僅耦合輸入一單一色彩光。替代地，各波導管可耦合輸入多個色彩。
複數個LED陣列可經配置於一2D表面上，各LED陣列在該2D表面上自各其他LED陣列偏移。表面可為一印刷電路板或熟習技術者已知之任何類型之表面。
LED陣列可依一第一軸上之LED列及一第二軸上之LED行之一圖案配置於2D表面上。依此方式，LED跨2D表面配置。此可呈一有序圖案。替代地，LED可跨2D表面隨機配置。
較佳地，LED陣列中之各列LED相對於其相鄰LED列偏移。各行亦可相對於其相鄰行偏移。換言之，各列與其兩個最近列異相。在一些實施例中，此可為90°異相。
在一些實施例中，LED陣列可經配置成一六方堆積格式。有利地，此六方堆積或蜂窩結構實現LED在最小空間量中之最密堆積。此提供LED在最小面積中之最大密度以最大化有用LED面積且因此提高投影顯示器之效率。
較佳地，各波導管之輸入光栅自其他波導管之各者之輸入光栅偏移，使得僅一單一色彩之光入射於各輸入光栅上。
輸入光栅之各者之位置可偏移相同於該色彩之對應LED陣列之量。依此方式，經配置以接收一特定色彩光之輸入光栅之各者經偏移使得其與該色彩之LED陣列對準。此意謂一單一色彩之光入射於各輸入光栅上。此提高效率，因為光不透過與未經組態以耦合輸入該色彩光之輸入光栅之無用相互作用而損失。輸入光栅可在垂直於波導管之寬度之一方向上偏移。替代地或另外，其可在平行於波導管之寬度之一方向上偏移。
較佳地，複數個波導管包括一第一波導管、一第二波導管及一第三波導管，第一波導管之輸入光栅經組態以耦合輸入紅光，第二波導管之輸入光栅經組態以耦合輸入藍光，且第三波導管之輸入光栅經組態以耦合輸入綠光。替代地，複數個波導管可為兩個波導管。替代地，其可經組態以耦合輸入其他色彩，例如紅色、黃色及藍色。
輸入光瞳之形狀可為橢圓形或矩形。具有此形狀之一輸入光瞳避免再相互作用，同時減少條帶。其亦提供輸出光栅中輸入光瞳之複製之改良重疊。
較佳地，波導管進一步包括一輸出光栅，輸出光栅經組態以自輸入光栅接收光且多次複製輸入光瞳以形成將光耦合輸出波導管之一出射光瞳。
LED陣列可為一微型LED陣列。藉由使用與一微透鏡陣列或微錐形管陣列耦合之微型LED，可減小收集光學器件之大小。亦比其他類型之光源或習知LED提高裝置之效率。LED係朗伯(Lambertian)發射體，即，其在一寬角範圍(通常為2π立體弧度)內發射光。當與一微透鏡或微錐陣列耦合時，微型LED並非為朗伯發射體且在一明顯較小角範圍內發射以導致較少光損失。裝置可提供相較於使用當前已知小型照明器設計之光引擎之每瓦特2倍至3倍流明。
較佳地，線性繞射特徵係凹槽。替代地，其可為全像分光元件或任何其他類型之線性繞射光栅。
較佳地，投影顯示器進一步包括定位於LED陣列與波導管之間的矽上液晶(LCOS)顯示器。LCOS顯示器可定位於LED陣列與波導管之輸入光栅之間的光路徑中。LCOS顯示器可使用自LED入射於其上之光形成一影像。接著，影像可作為輸入光瞳投影至波導管之輸入光栅上。替代地，可使用任何其他類型之影像產生構件。顯示器可為任何類型之非自發光顯示器，其包含透射式液晶顯示器、反射式液晶顯示器、數位光處理顯示器或動態反射鏡陣列。
照明器光瞳可形成於將照明光瞳之一影像中繼至輸入光栅上或輸入光柵附近之投影光學器件上。此中繼影像可形成輸入光瞳。
根據另一態樣，提供一種擴增實境(AR)或虛擬實境(VR)裝置，其包括上述態樣之投影顯示器。較佳地，AR或VR裝置係一AR或VR頭戴耳機。
根據另一態樣，提供一種照明一投影顯示器之方法，其包括：自一LED陣列發射光以形成一照明光瞳；使該照明光瞳作為一輸入光瞳光學中繼至一波導管之一輸入光栅上以將該光耦合至該波導管中，使得在該輸入光栅處，該輸入光瞳具有平行於該波導管之線性繞射特徵之一方向上大於垂直於該波導管之該等線性繞射特徵之一方向上之一形狀；及將該光投影出該波導管以形成一影像。
圖3A係根據本發明之一實施例之一波導管投影顯示器200之一示意性正面圖。波導管投影顯示器200包含一波導管2及一照明器(歸因於圖之定向而未展示)。照明器呈一LED陣列之形式。
波導管2具有一輸入光栅4及一輸出光栅10。輸出光栅10與輸入光栅4隔開。輸入光栅4具有複數個線性繞射特徵6。線性繞射特徵6係用於繞射入射於輸入光栅4上之光。線性繞射特徵在一第一方向上延伸，第一方向垂直於光在其繞射出輸入光栅之後行走之路徑。此被稱為跨軌跡方向。沿軌跡方向經界定為垂直於線性繞射特徵。
自照明器(未展示)產生之光在輸入光栅處產生一輸入光瞳8。照明器之光源係一LED陣列。可看出，輸入光瞳8具有平行於輸入光栅4之線性繞射特徵6之方向(由元件符號a指示)上大於垂直於輸入光栅4之線性繞射特徵6之一方向(由元件符號b指示)上之一形狀。此在跨軌跡方向上長於沿軌跡方向。在圖3A所展示之實例中，輸入光瞳8具有一矩形形狀。然而，可使用平行於線性繞射特徵長於垂直於線性繞射特徵之任何形狀。習知輸入光瞳呈圓形，如圖1中所展示。藉由使輸入光瞳8之大小在垂直於線性繞射特徵之方向上保持較小來避免光與輸入光瞳再相互作用。然而，在平行於線性繞射特徵6之方向上具有一大輸入光瞳8可確保輸入光瞳8之總大小不太小以避免因透過具有一太小光瞳而具有一條帶輸出而經歷之問題。
在光由輸入光栅4繞射之後，其透過一系列全內反射來反射向輸出光栅10。一旦到達輸出光栅10，則光繞射以引起作為輸出光瞳12之輸入光瞳複製以各將光耦合出波導管。在與輸出光栅10之各相互作用中，一些光繼續產生輸入光瞳12之進一步複製以導致所要影像擴展。光之路徑由圖3A中展示於輸出光瞳之頂部上之線表示(如同先前技術系統之圖1)。
自圖3A可看出，輸出光栅10處之輸出光瞳12具有實質上相同於輸入光栅4處之輸入光瞳8之形狀。有利地，圖3A中所展示之輸出光瞳12之矩形形狀導致比圖1中所展示之先前技術之圓形光瞳複製明顯更好之輸出光栅10處之光瞳複製之一重疊。此形成一更平滑及更均勻影像且無條帶。
圖3B展示圖3A之投影顯示器200之一側面圖。波導管2具有上文所描述之輸入光栅4及輸出光栅10。LED陣列20經展示為配置於2D表面22上。LED陣列20產生入射於輸入光栅4上以形成輸入光瞳8之光，如上文所描述。
圖4展示根據本發明之波導管可如何配置於一實例投影顯示器300中之另一實例。在此實例中，存在三個波導管2a、2b及2c，其等各具有一各自輸入光栅4a、4b及4c及輸出光栅10a、10b及10c。在圖4所展示之實例中，各波導管經組態以將一不同色彩傳輸至其他波導管之各者。波導管2a及其光栅4a及10a經組態以傳輸藍光，波導管2b及其光栅4b及10b經組態以傳輸綠光，且波導管2c及其光栅4c及10c經組態以傳輸紅光。在此配置中，LED陣列20傳輸紅色、綠色及藍色光。
LED陣列20經組態以將光傳輸至波導管2a、2b及2c之各者之輸入光栅上以形成具有上文相對於圖3A所描述之形狀之一輸入光瞳8。
圖5展示圖3B及圖4中之配置中所展示之LED陣列20之一實例佈局。
LED陣列20經展示為配置於表面22上。圖5僅展示表面22之一實例部分，且表面22可含有呈重複圖案之數百個LED。LED陣列之此矩形配置形成輸入光瞳及其所要矩形形狀。
可看出，LED陣列20經配置成列48a、48b、48c及48d及行40a、40b、40c。列48b中之LED自列48a及48c中之LED偏移。同樣地，各行40b亦相對於相鄰行40a、40c偏移。此規律重複圖案將跨表面22擴展，使得LED緊密堆積。
各LED之間的距離(亦稱為節距)由箭頭44展示。節距大於由箭頭46指示之各個別LED之大小。可提供LED之間的此空間來容納耦合來自LED之光的光學器件，諸如光管。
LED 42a、42b、42c上之字母「R」、「B」及「G」指示LED 42a、42b、42c之色彩。不同色彩之LED跨LED陣列20分佈。
如上文所討論，形成於波導管2之輸入光栅4處之輸入光瞳8之形狀在平行於輸入光栅4之線性繞射特徵6之方向上大於垂直於線性繞射特徵6之方向上。輸入光瞳係照明光瞳之中繼影像。LED陣列可經空間配置以匹配輸入光栅尺寸。另外，變形光學器件亦可用於改變LED陣列之比例以匹配輸入光栅處所要之形狀。
確保輸入光瞳8具有所要形狀之一替代或額外方式係透過使用光管。圖6中展示一實例光管。可看出，錐形光管30包括一第一端34及一第二端32，光管30沿其長度L延伸於第一端34與第二端32之間。可看出，第一端34之面積小於第二端32之面積，光管30之長度L在兩端之間漸縮。光管30之第一端34覆蓋一LED之輸出，使得自LED發射之最大比例光進入光管30。
可看出，第一端34及第二端32之橫截面使得當光離開光管30時，其具有匹配光管之第二端32之橫截面形狀之一輪廓。在此情況中，此係矩形。此意謂離開光管30之光束之形狀可在入射於輸入光栅上時形成平行於輸入光栅之線性繞射特徵之方向上大於垂直於線性繞射特徵6之方向上之一輸入光瞳8。
圖7展示本發明之投影顯示器之一實例照明器部分60。照明器部分60包含一LED陣列20、一錐形光管陣列30、一場微透鏡陣列50、一準直微透鏡陣列52及一中繼透鏡54。
LED陣列經配置於印刷電路板表面22上以使LED 42a、42b及42c之各者配置於該表面22上。
圖7亦展示照明器30用於照明之LCOS面板56。應瞭解，可使用任何類型之非發光面板。接著，將來自LCOS面板之光反射至波導管2之輸入光栅4上，如上文所描述。
LED 42a、42b、42c之各者耦合至一各自錐形光管30a、30b、30c及一各自場微透鏡50a、50b、50c及準直微透鏡52a、52b、52c。
LED陣列20包括紅色、綠色及藍色LED。為簡單起見，圖7中僅展示各色彩LED之一單一LED。然而，LED陣列20包含各色彩之諸多LED。LED陣列20可包含配置於面板22上之數百個LED。例如，LED陣列20可具有400個LED。
各錐形光管30a、30b、30c緊密接近其對應LED 42a、42b、42c配置，使得由LED 42a、42b、42c發射之光被收集至光管30中。通常，自各LED 42a、42b、42c發射之超過90%光由其各自光管30a、30b、30c收集。
各光管30a、30b及30c經漸縮使得最靠近LED 42a、42b、42c之端小於最遠離LED 42a、42b、42c最遠之端，如下文將討論。錐形光管30a、30b、30c之各者係透明材料之一實心管。
研究LED 42a及其對應光管30a，一旦接收於光管30a中，則自LED 42a發射之光在其沿光管長度行進通過光管時由光管30a全內反射。每當光被全內反射時，光之角度減小。歸因於光管30a之錐形性質，一旦光離開光管30a，則光束已擴大，而光束角度已減小。
接著，離開光管30a之光入射於提高光束之均勻性之一場微透鏡50a上以使光管30a之出射光瞳成像。接著，光入射於準直微透鏡52a上，準直微透鏡52a準直光以產生光管30a之出口孔之一準直影像。接著，此光入射於中繼透鏡54上，中繼透鏡54將光投影至LCOS面板56上以產生光管30a之出口孔之準直影像且使其聚焦至面板56上。
光自各LED 42a、42b、42c透過其對應光管30a、30b、30c、場微透鏡50a、50b、50c及準直微透鏡52a、52b、52c投影，如上文所討論。例如，來自LED 42b之光通過光管30b、場微透鏡50b、準直微透鏡52b、接著至中繼透鏡54上，且來自LED 42c之光通過光管30c、場微透鏡50c、準直微透鏡52c、接著至中繼器54上。單一中繼透鏡54將此光投影至整個LCOS面板56上。因此，光管30a、30b、30c之發射端(出口孔)之各者之一影像投影至整個LCOS面板56顯示器上以導致該等影像疊加以覆蓋面板56之整個面積。
可在圖7中看出，來自LED 42a及光管30a之光投影至面板上之點58a、58b及58c之各者處。類似地，來自LED 42b及光管30b之光投影至面板上之點58a、58b及58c之各者處，來自LED 42c及光管30c之光同樣如此。因此，面板56由LED陣列20及錐形光管30均質照明，光路徑之各者之疊加提供面板56處所要之强度。儘管圖7展示來自各LED之光入射於影像之離散部分(即，點58a、58b、58c)上，但此等點之間的距離實際上足够小，使得整個顯示器看起來被照明。
具有一LED陣列、對應光管及微透鏡允許減小照明光學器件之體積以允許呈一遠遠更小體積之一高效照明器設計。此以高效率及小體積實現顯示器上之一均質化均勻輻照度。
如上文所概述，LED可為微型LED。使用微型LED來小型化此高效設計意謂照明器之長度減小。然而，總體積隨小型化因數線性縮放。因此，照明器比使用一單一光源時更小型。由於光管陣列中之各光管跨整個顯示器成像，因此具有一陣列確保填充投影器之入射光瞳且達成足够照明强度。各典型微型LED可具有小於0.04 mm2 之一面積。
圖7中所展示之色彩(R、G、B)僅供說明且LED 42a、42b及42c可為任何色彩。例如，其等可全部為相同色彩。針對色序照明器，來自各色彩之各LED之光在一不同時間點發射。在此色序模式中，來自具有相同色彩之LED 20之光將依上文所描述之方式一起入射於面板56上。
圖8A及圖8B展示根據本發明之另一實例之一替代投影顯示器400。投影顯示器400具有三個波導管2a、2b及2c，其等各具有一各自輸入光栅4a、4b、4c。波導管2a經組態以傳播藍光，波導管2b經組態以傳播綠光，且波導管2c經組態以傳播紅光。
投影顯示器400亦包含三個LED陣列：藍色LED陣列20a、綠色LED陣列20b及紅色LED陣列20c。LED陣列之各者在面板22上彼此偏移。偏移係在沿軌跡方向上，即，在光在波導管中傳播於輸入光栅與輸出光栅之間的方向上。LED陣列之各者在其各自輸入光栅處產生具有上述形狀之一輸入光瞳。
可藉由具有此交錯LED陣列及輸入光栅來達成由色彩分割光瞳。輸入光栅之此配置意謂一特定色彩之光僅入射於經組態以繞射該色彩光之光栅上。此提高投影顯示器之效率，因為光不因由未經組態以繞射該色彩光之輸入光栅無用繞射而損失。例如，若輸入光栅彼此對準，則紅光將必須通過經組態以分別繞射綠光及藍光之輸入光栅4b及輸入光栅4a。無用紅光繞射可發生於此等光栅4a及4b之任一者中以因此意謂一些紅光損失以降低系統之效率。相對於光栅4a之綠光亦會發生一對應情形。藉由偏移輸入光栅來避免此潜在問題。此可透過使一特定色彩之LED陣列之各者偏移相同於對應輸入光栅之量。藉由各輸入光栅僅接收一單一色彩之光，輸入光栅無需透射其他色彩。
儘管圖8A (及圖3B及圖4)中所展示之輸入光栅展示於最靠近LED陣列之波導管之表面上，但應瞭解，其可替代地位於波導管之對置面上。在此替代配置中，光在由輸入光栅繞射之前必須通過波導管。此將允許金屬化輸入光栅。金屬化輸入光栅不允許光通過光栅，其僅允許光繞射。此可進一步提高輸入光栅之耦合頻率。
在其他配置中，不是使LED陣列偏移相同於輸入光栅之偏移之量，而是可提供額外光學器件來確保各波導管僅接收一單一色彩之光。
圖3A、圖4及圖8A展示具有將光直接傳輸至波導管之輸入光栅上之一LED陣列之本發明之投影系統。應瞭解，此可為一簡化配置且其他光學器件可位於LED與波導管之間。一此配置可為圖7中所展示之配置。然而，可使用其他配置。為在波導管之輸出處產生一影像，可能需要用於自LED光產生一影像之一裝置。此可為一LCOS或LCD型投影器。此裝置之輸出中繼來自LED陣列之光以在輸入光栅處形成具有所需形狀之輸入光瞳，如上文所描述。
藉由具有一LED陣列20及一光管陣列30，各光管之長度L可較小。此進一步藉由使用一LED陣列來實現，其中各LED具有一小尺寸(例如微型LED)，因為較小LED在一較小面積上發射。LED之大小與所需光學路徑之長度(即，LED與面板56之間的距離)成正比。因此，藉由使用微型LED (其等之各者具有一傳統光源之一1/20大小)，此能夠使光學路徑減小至1/20。此提供高達95%之一提高體積節省。例如，通常40 mm長之一光學路徑可減小至2 mm。
歸因於減小照明器之大小，投影顯示器可為一手持或可穿戴裝置。例如，投影顯示器可為一虛擬實境或擴增實境頭戴耳機，其中大小約束係至關重要的。
儘管已詳細描述本發明之態樣，但應明白，可在不背離隨附申請專利範圍中所界定之本發明之態樣之範疇的情況下進行修改及變動。由於可在不背離本發明之態樣之範疇的情況下對上述構造、產品及方法作出各種改變，因此意欲將以上描述中所含及附圖中所展示之所有事項解譯為意在說明而非限制。
在上文中，已在涉及由LED發射及由各波導管傳輸之光時使用術語「色彩」。此係指光之波長。通常存在與一色彩相關聯之一波長範圍。
可使用替代配置來產生輸入光瞳之所要形狀而非僅光管之形狀。例如，可使用諸如透鏡之各種光學器件來確保光具有所要形狀。替代地，LED本身可具有所要形狀，使得其以所要形狀發射而無需額外光學器件。
儘管所展示之光管30係透明材料之一實心管(其中光束沿該管之內部長度全內反射)，但可使用引起光束2D擴展同時減小光束角之任何類型之光管。例如，錐形光管30可由具有反射內側之一中空管製成。
熟習技術者應瞭解，可使用提供中繼透鏡功能之任何透鏡陣列，而非僅一單一透鏡。例如，此可涉及具有複數個中繼透鏡。另外，儘管圖7中展示一場微透鏡陣列，但不是必需存在一場微透鏡陣列。
光管之端之形狀不限於為圖中所展示之矩形。例如，光管之端可為橢圓形。
2:波導管 2a:波導管 2b:波導管 2c:波導管 4:輸入光栅 4a:輸入光栅 4b:輸入光栅 4c:輸入光栅 6:線性繞射特徵 8:輸入光瞳 10:輸出光栅 10a:輸出光栅 10b:輸出光栅 10c:輸出光栅 12:輸出光瞳 14:最短光線行走 15:點 16:長度 18:寬度 20:LED陣列 20a:藍色LED陣列 20b:綠色LED陣列 20c:紅色LED陣列 22:表面/面板 30:錐形光管/錐形光管陣列 30a:錐形光管 30b:錐形光管 30c:錐形光管 32:第二端 34:第一端 40a:行 40b:行 40c:行 42a:LED 42b:LED 42c:LED 44:節距 46:LED大小 48a:列 48b:列 48c:列 48d:列 50:場微透鏡陣列 50a:場微透鏡 50b:場微透鏡 50c:場微透鏡 52:準直微透鏡陣列 52a:準直微透鏡 52b:準直微透鏡 52c:準直微透鏡 54:中繼透鏡/中繼器 56:矽上液晶(LCOS)面板 58a:點 58b:點 58c:點 60:照明器部分 100:先前技術投影顯示器 200:波導管投影顯示器 300:投影顯示器 400:投影顯示器 a:方向 b:方向 L:長度
圖1係一先前技術波導管投影顯示器之一示意性正面圖；
圖2A及圖2B係一先前技術波導管投影顯示器之示意性側面橫截面圖；
圖3A係根據本發明之一實施例之一波導管投影顯示器之一示意性正面圖；
圖3B係圖3A中所展示之投影顯示器之波導管之示意性正面圖。
圖4係根據本發明之一實施例之另一實例投影顯示器之一示意性側面圖；
圖5係根據本發明之一實施例之投影顯示器之一實例LED陣列之一示意圖；
圖6係根據本發明之一實施例之用於投影顯示器中之一錐形光管之一透視圖；
圖7係本發明之一實施例中之投影顯示器之一實例照明器之一示意圖；
圖8A係根據本發明之另一實例實施例之投影顯示器之一示意性側面圖；及
圖8B係圖8A中所展示之投影顯示器之波導管之一示意性正面圖。
2:波導管
4:輸入光栅
6:線性繞射特徵
8:輸入光瞳
10:輸出光栅
12:輸出光瞳
200:波導管投影顯示器
a:方向
b:方向

Claims (15)

  1. 一種投影顯示器，其包括： 一波導管，其包括具有複數個線性繞射特徵之一輸入光栅，該輸入光栅經組態以將光耦合輸入至該波導管中；及 一LED陣列，其經組態以形成作為一輸入光瞳光學中繼至該輸入光栅上之一照明光瞳，使得在該輸入光栅處，該輸入光瞳具有平行於該等線性繞射特徵之一方向上大於垂直於該等線性繞射特徵之一方向上之一形狀。
  2. 如請求項1之投影顯示器，其進一步包括： 一錐形光管陣列，其定位於該LED陣列與該波導管之間，其中該錐形光管陣列經組態以在作為該輸入光瞳光學中繼至該輸入光栅上之前自該LED陣列接收光。
  3. 如請求項2之投影顯示器，其中該LED陣列之各LED具有一各自錐形光管。
  4. 如請求項2或3之投影顯示器，其中各錐形光管之端具有相同於該輸入光瞳之該形狀之一形狀。
  5. 如請求項1至3中任一項之投影顯示器，其中該波導管具有一寬度且該輸入光栅具有一長度，且根據該波導管之該寬度及該輸入光栅之該長度來選擇該輸入光瞳之大小，使得該光僅具有與該輸入光栅之一單一相互作用。
  6. 如請求項1至3中任一項之投影顯示器，其進一步包括複數個LED陣列，各LED陣列發射一特定色彩之光。
  7. 如請求項6之投影顯示器，其中該波導管係複數個波導管，各波導管之該輸入光栅經組態以將一不同色彩之光耦合輸入至其他波導管之各者之該等輸入光栅。
  8. 如請求項7之投影顯示器，其中該複數個LED陣列經配置於一2D表面上，各LED陣列在該2D表面上自各其他LED陣列偏移。
  9. 如請求項8之投影顯示器，其中各波導管之該輸入光栅自其他波導管之各者之該等輸入光栅偏移，使得僅一單一色彩之光入射於各輸入光栅上。
  10. 如請求項6之投影顯示器，其中該複數個LED陣列經配置於一2D表面上，其中該LED陣列之空間配置之形狀相同於該輸入光瞳之該形狀。
  11. 如請求項1至3中任一項之投影顯示器，其中該輸入光瞳之該形狀係橢圓形或矩形。
  12. 如請求項1至3中任一項之投影顯示器，其中該波導管進一步包括一輸出光栅，該輸出光栅經組態以自該輸入光栅接收光且多次複製該輸入光瞳以形成將該光耦合出該波導管之一出射光瞳。
  13. 如請求項1至3中任一項之投影顯示器，其中該LED陣列係一微型LED陣列。
  14. 一種擴增實境或虛擬實境裝置，其包括如請求項1至13中任一項之投影顯示器。
  15. 一種照明一投影顯示器之方法，其包括： 自一LED陣列發射光以形成一照明光瞳； 使該照明光瞳作為一輸入光瞳光學中繼至一波導管之一輸入光栅上以將該光耦合至該波導管中，使得在該輸入光栅處，該輸入光瞳具有平行於該波導管之線性繞射特徵之一方向上大於垂直於該波導管之該等線性繞射特徵之一方向上之一形狀；及 將該光投影出該波導管以形成一影像。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201916369D0 (en) 2019-11-11 2019-12-25 Wave Optics Ltd Led illuminated waveguide projector display
CN113777790A (zh) * 2021-09-14 2021-12-10 深圳市光舟半导体技术有限公司 波导衍射装置和显示眼镜
WO2024033091A1 (en) * 2022-08-09 2024-02-15 Snap Inc. Light projector

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08316125A (ja) * 1995-05-19 1996-11-29 Hitachi Ltd 投影露光方法及び露光装置
US5829858A (en) * 1997-02-18 1998-11-03 Levis; Maurice E. Projector system with light pipe optics
KR100403599B1 (ko) * 2001-11-06 2003-10-30 삼성전자주식회사 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 시스템
EP1639394A2 (en) * 2003-06-10 2006-03-29 Elop Electro-Optics Industries Ltd. Method and system for displaying an informative image against a background image
JP4776285B2 (ja) * 2005-07-01 2011-09-21 ソニー株式会社 照明光学装置及びこれを用いた虚像表示装置
EP1942364A1 (en) 2005-09-14 2008-07-09 Mirage Innovations Ltd. Diffractive optical relay and method for manufacturing the same
US20090128781A1 (en) * 2006-06-13 2009-05-21 Kenneth Li LED multiplexer and recycler and micro-projector incorporating the Same
JP2010039086A (ja) * 2008-08-01 2010-02-18 Sony Corp 照明光学装置及び虚像表示装置
US8965152B2 (en) * 2008-12-12 2015-02-24 Bae Systems Plc Waveguides
WO2014109115A1 (ja) * 2013-01-10 2014-07-17 ソニー株式会社 画像表示装置、画像生成装置及び透過型空間光変調装置
US9535253B2 (en) * 2015-02-09 2017-01-03 Microsoft Technology Licensing, Llc Display system
US10690916B2 (en) * 2015-10-05 2020-06-23 Digilens Inc. Apparatus for providing waveguide displays with two-dimensional pupil expansion
US10025093B2 (en) 2016-04-13 2018-07-17 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide-based displays with exit pupil expander
JP2020514783A (ja) * 2017-01-26 2020-05-21 ディジレンズ インコーポレイテッド 均一出力照明を有する導波管
JP2020508484A (ja) * 2017-02-15 2020-03-19 マジック リープ， インコーポレイテッドＭａｇｉｃ Ｌｅａｐ，Ｉｎｃ． アーチファクト軽減を組み込むプロジェクタアーキテクチャ
US10921580B2 (en) 2018-03-07 2021-02-16 Microsoft Technology Licensing, Llc Systems and methods of increasing pupil size in a display system
CN208188393U (zh) * 2018-05-07 2018-12-04 太若科技(北京)有限公司 波导组件和显示装置
CN109901298A (zh) 2019-02-28 2019-06-18 京东方科技集团股份有限公司 光波导及显示设备
CN110231714B (zh) * 2019-06-17 2021-01-29 杭州光粒科技有限公司 一种增强ar眼镜光波导光强均匀性的方法
GB201916369D0 (en) * 2019-11-11 2019-12-25 Wave Optics Ltd Led illuminated waveguide projector display

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