TW202146978A - 具有增強的雷射效率和眼睛安全的近眼顯示器 - Google Patents

具有增強的雷射效率和眼睛安全的近眼顯示器 Download PDF

Info

Publication number
TW202146978A
TW202146978A TW110113481A TW110113481A TW202146978A TW 202146978 A TW202146978 A TW 202146978A TW 110113481 A TW110113481 A TW 110113481A TW 110113481 A TW110113481 A TW 110113481A TW 202146978 A TW202146978 A TW 202146978A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
laser
display
eye
scanning
spot
Prior art date
Application number
TW110113481A
Other languages
English (en)
Inventor
尤奇 丹齊格
Original Assignee
以色列商魯姆斯有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 以色列商魯姆斯有限公司 filed Critical 以色列商魯姆斯有限公司
Publication of TW202146978A publication Critical patent/TW202146978A/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3129—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] scanning a light beam on the display screen
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0093—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for monitoring data relating to the user, e.g. head-tracking, eye-tracking
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G3/00—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes
    • G09G3/02—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes by tracing or scanning a light beam on a screen
    • G09G3/025—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes by tracing or scanning a light beam on a screen with scanning or deflecting the beams in two directions or dimensions
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G3/00—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes
    • G09G3/20—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters
    • G09G3/34—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters by control of light from an independent source
    • G09G3/3433—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters by control of light from an independent source using light modulating elements actuated by an electric field and being other than liquid crystal devices and electrochromic devices
    • G09G3/346—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters by control of light from an independent source using light modulating elements actuated by an electric field and being other than liquid crystal devices and electrochromic devices based on modulation of the reflection angle, e.g. micromirrors
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G5/00—Control arrangements or circuits for visual indicators common to cathode-ray tube indicators and other visual indicators
    • G09G5/10—Intensity circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3129—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] scanning a light beam on the display screen
    • H04N9/3135—Driving therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • H04N9/315—Modulator illumination systems
    • H04N9/3164—Modulator illumination systems using multiple light sources
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G2310/00—Command of the display device
    • G09G2310/08—Details of timing specific for flat panels, other than clock recovery

Abstract

一種用於向觀看者顯示圖像的近眼顯示器，該近眼顯示器具有增強的雷射效率和增強的眼睛安全特徵。顯示器包括：雷射源，其生成一個或更多個雷射斑；以及掃描驅動器，其跨圖像場掃描雷射斑。通過調製處於3個功率水準即接近零水準、接近閾值水準和激射水準的雷射源以及通過使調製與掃描驅動器同步來使電能消耗最小化。在另一個實施方式中，雷射模組生成兩個或更多個雷射斑，所述兩個或更多個雷射斑掃描圖像場上的非交疊線。掃描被配置成即使在掃描故障情況下也防止觀看者的眼睛處的光強度超過眼睛安全水準。

Description

具有增強的雷射效率和眼睛安全的近眼顯示器
本發明涉及近眼顯示器，並且特別地，本發明涉及具有增強的雷射效率和眼睛安全的近眼顯示器。
雷射照射通常用於近眼顯示器中，以提供亮度與室外景色的亮度相當的虛像。在彩色顯示器中，圖像由紅色、綠色和藍色雷射生成的亮斑形成。由致動器控制的一個或兩個鏡在視場(Field Of View,FOV)上掃描該亮斑。
在這樣的近眼顯示器的設計中，存在兩個相互衝突的亮度要求。一方面，掃描亮斑的亮度必須足夠高以使圖像在世界景色的背景上可見。另一方面，亮度必須足夠低，使得進入觀察者眼睛的組合光強度在眼睛安全限度內。對於人眼特別敏感的藍光波長而言尤其如此。
電池供電的近眼顯示器的另一個考慮因素是減少提供足夠的雷射照射所需的電力。當雷射諧振腔被雷射驅動器激發或泵浦至激射閾值水準時，發出雷射脈衝，該激射閾值水準超過腔中的內部功率損耗。雷射脈衝的持續時間通常比驅動器激發脈衝所需的總時間短得多。這限制了可以實現的以每秒脈衝數為單位的脈衝重複率。
實現高脈衝重複率的一種方式是將諧振腔保持在連續激發狀態，該狀態剛好低於激射閾值。然而，這需要雷射驅動器的連續操作和大量電能的消耗。
本發明提供一種近眼顯示器，其在確保眼睛安全並且節約電能的同時提供明亮的虛像。
根據當前公開的主題的一個方面，提供了一種用於向觀看者顯示圖像的近眼顯示器。顯示器包括：雷射驅動器，其控制雷射模組，該雷射模組生成至少三個雷射斑；以及掃描驅動器，其與掃描模組通信，該掃描模組在圖像場內移動雷射斑。雷射驅動器提供由基線功率水準、接近閾值功率水準和激射功率水準表徵的功率調製。功率調製的定時與掃描驅動器同步，並且通過圖像圖案與表徵雷射斑的位置不確定性的一個或更多個不確定性橢圓的卷積來確定。
根據一些方面，功率調製的定時被配置成使近眼顯示器的電能消耗最小化。
根據一些方面，顯示器包括控制器，該控制器具有圖像生成器和至少兩個照射控制器。
根據一些方面，至少兩個照射控制器被配置成使功率調製的定時與掃描驅動器以及圖像生成器同步。
根據當前公開的主題的另一方面，提供了一種用於向觀看者顯示圖像的近眼顯示器。顯示器包括：雷射模組，其生成至少三個非交疊雷射斑，這些雷射斑中的每一個生成射到觀看者眼睛上的表觀光強度；以及掃描驅動器，其與掃描模組通信，該掃描模組在圖像場內沿至少兩個獨立掃描方向移動雷射斑。此外，在掃描模組的正常運行期間和/或在雷射斑不能沿掃描方向中的任何一個方向或全部方向移動的掃描模組故障期間，雷射斑穿過非交疊的線。
根據一些方面，雷射斑中的至少兩個具有不同的光波長。
根據一些方面，雷射斑佈置成在與掃描方向之一基本平行或成斜角的一條或更多條線中。
根據一些方面，在掃描模組的正常工作期間和/或在雷射斑不能沿掃描方向中的任何一個方向或全部方向移動的掃描模組故障期間，雷射斑的表觀光強度的組合沒有超過預定眼睛安全水準。
根據一些方面，掃描模組包括諧振掃描器和線性掃描器。
根據一些方面，顯示器包括感測器，該感測器測量諧振掃描器的位 置。
根據一些方面，掃描模組包括雙軸鏡和雙軸致動器。
100:近眼顯示器
104:照射光學模組
108、108A、108B:雷射驅動器
109、109A、109B:雷射模組
112:掃描驅動器
121:鏡
122:透鏡
123:掃描模組
124:諧振掃描器
125:線性掃描器
126:透鏡
127:波導光瞳
128:投影光學模組
129:觀看者的眼睛
203:陰影區域
203A、203B:照射控制器
205:虛線輪廓
207:最佳功率調製
207A:基線功率水準
207B:接近閾值功率水準
207C:激射功率水準
300A、300B:橢圓
302A、302B:形狀
342、480A、481A、482A、590A、591A、592A、600A、601A、602A、603A、604A、605A:雷射斑
344:光斑掃描線
345:線
346、480B、481B、482B、590B、591B、592B:圖像場
347:圖像圖案
410、510、610:圖像平面
480C、481C、482C:線段
480D、481D、482D、496、590C、591C、592C、590D、591D、592D、600B、601B、602B、603B、604B、605B、600C、601C、602C、603C、604C、605C:線
700:控制器
702:圖像生成器
703A、703B:照射控制器
704A、704B:處理單元
705A、705B:卷積單元
707A、707B:求和(或疊加)單元
710A、710B:協調單元
TE、TL、TLE、TS:時間
在本文中參照附圖僅通過示例的方式來描述本發明。
圖1：根據本發明的實施方式的近眼顯示器的示例性光學佈局。
圖2A、圖2B和圖2C：示出根據本發明的實施方式的示例性雷射功率調製的圖。
圖3A、圖3B、圖3C和圖3D：示出根據本發明的當掃描示例性圖像場時的雷射功率調製的定時的圖。
圖4A、圖4B、圖4C和圖4D：示出根據本發明的實施方式的第一三光斑掃描方法的圖。
圖5A、圖5B、圖5C和圖5D：示出根據本發明的實施方式的第二三光斑掃描方法的圖。
圖6A、圖6B和圖6C：示出根據本發明的實施方式的示例性六光斑掃描方法的圖。
圖7：使用本發明的雷射功率調製和六光斑掃描方法的近眼雷射顯示器的控制器的示例性框圖。
本發明包括許多不同的方面，這些方面中的每一個解決與使用雷射照射實現近眼顯示器有關的問題，並且可以單獨有利地使用或協同地結合以提供顯著的優點。參照附圖和所附說明書，可以更好地理解根據本發明的近眼雷射顯示器的原理和操作。
圖1示出了根據本發明的近眼顯示器100的示例性光學佈局。照射光學模組104包括雷射模組109，該雷射模組109具有三個雷射源，標記為紅色(R)、綠色(G)、和藍色(B)，所述雷射源的強度由雷射驅動器108控制。雷射源生成三個發散的雷射光束，所述雷射光束在被鏡121反射並且被透鏡122 折射時沿不同的路徑傳播並且幾何地組合。組合的束由掃描模組123沿兩個正交方向掃描，掃描模組123由掃描驅動器112即時控制。如圖1所示，掃描模組123可以包括諧振掃描器124和線性掃描器125，或者替選地，掃描模組123可以包括雙軸鏡和雙軸致動器。諧振掃描器124通常包括位置感測器，該位置感測器能夠在掃描期間精確測量雷射斑位置。成像透鏡126提供光瞳成像，以將掃描束耦合到波導光瞳127中。雷射驅動器108和掃描驅動器112由控制器(在圖7中示出)同步，以生成圖像，該圖像由投影光學模組128投影到觀看者的眼睛129。
用於增強的雷射效率的雷射功率調製
圖2A、圖2B和圖2C示出了用於說明根據本發明的示例性雷射功率調製的曲線圖。圖2A示出了在縱軸上的雷射功率與橫軸上的時間的曲線圖，假設此時是“理想”情況，在該理想情況下：(a)產生激射的閾值電流為零，並且(b)雷射驅動器的定時精度是完美的，即，在需要在雷射顯示圖像場內生成可見圖像圖案的時間精確地觸發雷射脈衝。在這種理想情況下，雷射驅動器只需要從時間2DS至時間2DE工作。
圖2B示出了用於將雷射功率保持在非零激射閾值水準或剛好低於非零激射閾值水準的示例性雷射功率調製的曲線圖，包括考慮定時不準確性的時間裕度。用於保持閾值的雷射功率在時間1TS(“閾值開始，Threshold Start,TS”)開始，並且在時間1TL穩定。時間1TLE對應於閾值泵浦的結束。在沒有泵浦的情況下，雷射功率將衰減並且在時間1TE處達到其起始水準。為簡單起見，上升時間(1TL至1TS)被示為大致等於衰減時間(1TE至1TLE)。閾值時間間隔(1TLE至1TL)的大小取決於在由雷射驅動器108計算雷射功率調製參數時對雷射斑的預測位置的估計精度。(因為由安裝在諧振掃描器124上的位置感測器提供的雷射斑的精確位置測量通常僅在雷射驅動器調製計算結束時可用，因此需要預測。)此外，相鄰雷射脈衝生成恒定的連續閾值驅動，該閾值驅動僅在脈衝之間存在相當大的時間間隔時才衰減。
圖2C示出了根據本發明的原理的用於產生雷射脈衝的示例性雷射功率調製的曲線圖。最佳功率調製207由實曲線表示，該實曲線本質上是圖 2A和圖2B中的圖的疊加。如虛線輪廓205所指示的，圖2B中的平穩段可以相對於2A中的峰偏移，而不影響最佳功率調製207。調製207由三個雷射功率水準表徵：基線功率水準207A、接近閾值功率水準207B和激射功率水準207C。接近閾值功率水準207B剛好略低於由點劃線指示的閾值水準。
由雷射驅動器提供的總電能與圖2C中的實曲線下方的不包括陰影區域203的面積成比例。現有技術的雷射功率調製方案所消耗的能量確實包括這些陰影區域，因為現有技術的方案保持諧振腔處於剛好低於激射閾值的連續激發狀態。與現有技術相比，本發明的雷射功率調製在定時方面略微涉及更多，但是本發明的能量效率要高得多。這對於電池操作的近眼顯示器非常重要。
圖3A、圖3B、圖3C和圖3D示出了用於說明根據本發明的當掃描示例性圖像場時的雷射功率調製的定時的圖。在圖3A中，圖像場346由雷射斑342掃描，雷射斑342的運動由掃描驅動器112控制。光斑沿線345的方向移動，形成覆蓋整個圖像場346的掃描圖案。
圖3B示出了在圖像場346內由黑色三角形表示的示例性圖像圖案347的掃描。雷射驅動器108在雷射光束掃描圖像圖案347的內部期間將激射功率升高到激射閾值水準以上。在現有技術的雷射功率調製方案中，雷射驅動器108在雷射斑掃描圖像場346的空白區域時也將保持閾值水準的雷射功率，這導致電力的浪費以及雷射模組的可能的過度加熱。
圖3C示出了根據本發明的用於確定雷射功率調製定時的不確定的橢圓300A和橢圓300B。橢圓表示(作為圖像場346中的光斑掃描線344分別在閾值時間1TS和雷射開始時間2DS處的雷射斑位置的不確定性。橢圓在X方向上是細長的，其近似與諧振掃描器124的掃描方向一致。與線性掃描器125的掃描運動相比，在該X方向上的掃描運動非常快。橢圓的尺寸也說明了雷射功率調製的上升時間(1TL至1TS)和衰減時間(1TE至1TLE)。
圖3D示出了當掃描示例性圖像圖案347時本發明的雷射功率調製的定時。線345指示由雷射斑掃描的線。形狀302A和形狀302B分別表示示例性圖像圖案347與不確定性橢圓300A和不確定性橢圓300B的卷積。在對應的雷射功率調製時間1TS、2DS、2DE、1TLE和1TE處指示出了雷射斑的位置。這些調製時間使近眼顯示器的電能的消耗最小化，同時確保雷射模組與掃描協 同地照射圖像圖案347。
具有增強的眼睛安全的掃描方法
在近眼顯示器中，雷射生成的圖像的亮度通常具有與室外白天亮度大致相同的亮度，通常為約5000 NIT，其中一NIT等於每平方米一坎德拉的白光強度。
下面的論述呈現了在以下三種情況中的每一種中掃描模組123的故障對眼睛安全的影響：
(a)諧振掃描器124和線性掃描器125無法操作；
(b)僅線性掃描器無法操作；以及
(c)僅諧振掃描器無法操作。在情況(a)中，雷射斑在單個圖像圖元上保持固定位置，並且該圖元中的表觀光強度上升至5000 NIT×N，其中N是圖像圖元的數目。例如，對於N=800×600=480000，強度上升至2.4×109 NIT。這近似是當一個人直接凝視太陽時射到視網膜上的亮度的1.5倍。這樣的高強度對觀看者的眼睛顯然是有害的。至少，觀看者將通過眨眼並且最終通過完全移除近眼顯示器來回應。
在情況(b)中，線性掃描器125無法操作，並且諧振掃描器124繼續正常操作。下麵呈現：針對表1中給出的示例性圖像場掃描參數，在該情況下表觀光強度的計算。注意，所呈現的計算是近似的，並且為了說明而進行了簡化。為了確保符合眼睛安全規則，通常需要更多涉及的計算。
Figure 110113481-A0202-12-0006-1
Figure 110113481-A0202-12-0007-2
 在雙向照射並且無掃描開銷的假設下來計算諧振掃描鏡的頻率fM。諧振掃描器124以等於27微秒的時間TL在一條線上掃描；然而，因為線性掃描器125無法操作，所以相同的線被連續地掃描多次。每圖元的表觀強度等於2.4×109 NIT/NP=3×106 NIT。儘管這仍然相當高並且使觀看者不舒服，但是該表觀強度遠小於太陽的強度，並且不會損害眼睛，其耗散了幾微秒時間的熱能。
在情況(c)中，諧振掃描器124無法操作，並且線性掃描器125繼續正常操作。在這種情況下，雷射斑緩慢地從一條線移動到下一條線，但是在每條線的相同水準位置上停留相對長的時間，該時間等於TF，為16毫秒。因為光斑如此緩慢地移動，所以射到眼睛上的表觀強度幾乎與情況(a)相同，即2.4×109 NIT。因此，在情況(a)和情況(c)中，掃描器故障威脅近眼顯示器觀看者的眼睛安全，並且在情況(b)中，掃描器故障可能引起眼睛不適但不會造成損害。
圖4A至圖4D、圖5A至圖5D和圖6A至圖6D示出了了本發明的掃描方法如何克服由上述掃描器故障的情況引起的對眼睛安全的威脅的各種示例性實施方式。
圖4A、圖4B、圖4C和圖4D示出了用於說明根據本發明的實施方式的第一三光斑掃描方法的圖。在圖4A中，圖像平面410上的三個雷射斑480A、雷射斑481A以及雷射斑482A對應於來自三個不同雷射源的照射。由箭頭指示的X軸和Y軸分別表示諧振掃描器124的掃描軸和諧振掃描器125的掃描軸。在圖4A中，雷射斑佈置在基本平行於X軸的線上。圖4B示出了分別通過掃描雷射斑480A、雷射斑481A和雷射斑482A而形成的圖像場480B、圖像場481B和圖像場482B。注意，三個圖像場相對于彼此水準地移位。在圖4B中，三個光斑的掃描圖案由短劃線、實線和點劃線指示。與現有技術的組合光斑相比，三個雷射斑的優點在於，光強度是分佈的，使得每個光斑具有總強度的近似1/3。 因此，如在上面的情況(a)中，如果諧振掃描器124和線性掃描器125二者都無法操作，每個光斑的強度僅是組合光斑的強度的約1/3，即(1/3)(2.4×109)=8×108 NIT。
圖4C是示出如在上面的情況(b)中那樣當僅線性掃描器125無法操作時三個雷射斑即雷射斑480A、雷射斑481A和雷射斑482A的運動的圖。在這種情況下，三個光斑相繼在同一條線496上掃描多次。由於掃描圖案幾乎交疊，在短時間間隔內照射觀看者眼睛的相同部分。例如，在與眼睛的熱積分時間相當的幾微秒的時間段內，在三個交疊線段480C、線段481C和線段482C上進行三個斑的掃描。由於交疊，觀看者的表觀光強度近似等於組合的所有三個光斑的表觀光強度，即2.4×109 NIT/NP=3×106 NIT。
圖4D是示出如上面的情況(c)中那樣當僅諧振掃描器124無法操作時三個雷射斑即雷射斑480A、雷射斑481A和雷射斑482A的運動的圖。在這種情況下，三個雷射斑即雷射斑480A、雷射斑481A和雷射斑482A分別在三條分離(非交疊)線480D、線481D和線482D上掃描。因此，在這種情況下的表觀光強度僅是組合光斑的表觀光強度的約1/3，即(1/3)(2.4×109)=8×108 NIT。
因此，對於圖4A至圖4D所示的三光斑掃描方法，在掃描器故障的所有三種情況下，觀看者的眼睛處的表觀光強度在眼睛安全限度內。
圖5A、圖5B、圖5C和圖5D示出了用於說明根據本發明的另一實施方式的第二三光斑掃描方法。圖5A示出了與三個不同雷射源對應的三個雷射斑即雷射斑590A、雷射斑591A和雷射斑592A出現在圖像平面510上時的位置。由箭頭指示的X軸和Y軸分別表示諧振掃描器124的掃描軸和線性掃描器125的掃描軸。在圖5A中，雷射斑佈置在與X軸形成斜角的線上。圖5B示出了分別通過掃描雷射斑590A、雷射斑591A和雷射斑592A而形成的圖像場590B、圖像場591B和圖像場592B。注意，三個圖像場相對于彼此既水準又豎直地移位。在圖5B中，三個光斑的掃描圖案由短劃線、實線和點劃線指示。此外，因為掃描圖案完全不交疊，所以與現有技術的組合光斑相比，在正常操作期間，每個圖元的表觀光強度降低約1/3。此外，如果如在上面的情況(a)中那樣諧振掃描器124和線性掃描器125都無法操作，每個斑的強度僅是組合斑的強度的約1/3，即(1/3)(2.4×109)=8×108 NIT。
圖5C和圖5D示出了兩個掃描器中的一個因為故障而無法操作時的3個光斑即雷射斑590A、雷射斑591A和雷射斑592A的移動。在圖5C中，與上面的情況(b)中那樣諧振掃描器524工作而線性掃描器525無法操作。在這種情況下，三個光斑在分離(非交疊)的線590C、線591C和線592C上掃描，並且觀看者的表觀光強度僅是圖4C中的組合光斑的表觀光強度的1/3，即(1/3)(3×106)=1×106 NIT。在圖5D中，如上面的情況(c)中那樣掃描器25工作而線性掃描器24無法操作。在這種情況下，三個光斑即光斑580A、光斑581A和光斑582A分別在三條分離(非交疊)的線590D、線591D和線592D上掃描。因此，在這種情況下，表觀光強度是組合光斑的表觀光強度的約1/3，即(1/3)(2.4×109)=8×108 NIT。
因此，對於圖5A至圖5D所示的三光斑掃描方法，在掃描器故障的所有三種情況下，觀看者的眼睛處的表觀光強度在眼睛安全限度內。
圖6A、圖6B和圖6C示出根據本發明另一實施方式的六光斑掃描方法的圖。圖6A示出了與六個不同雷射源對應的六個雷射斑即雷射斑600A至雷射斑605A在圖像平面610上的取向。如前文，由箭頭所指示的X和Y軸分別表示諧振掃描器124的掃描軸和線性掃描器125的掃描軸。在圖6A中，六個雷射斑佈置在與X軸形成斜角的兩條線上。由六個雷射斑掃描的圖像場相對于彼此既水準又豎直地移位。此外，因為掃描圖案完全不交疊，所以與現有技術的組合光斑相比，在正常操作期間，每個圖元的表觀光強度降低約1/6。此外，如在上面的情況(a)中，如果諧振掃描器124和線性掃描器125都無法操作，則每個光斑的強度僅是組合光斑的強度的約1/6，即(1/6)(2.4×109)=4×108 NIT。
圖6B和6C示出了當兩個掃描器中的一個因為故障而無法操作時六個光斑即雷射斑600A至雷射斑605A的運動。在圖6B中，如上面的情況(b)中那樣諧振掃描器124工作而線性掃描器125無法操作。在這種情況下，六個光斑在六條分離的(非交疊)線600B至線605B上掃描，並且觀看者的表觀光強度是圖4C中的組合光斑的表觀光強度的1/6，即(1/6)(3×106)=5×105 NIT。在圖6C中，如上面的情況(c)中那樣線性掃描器125工作而諧振掃描器124無法操作。在這種情況下，六個光斑在六條分離的(非交疊的)線600C至線605C上掃描，並且觀看者的表觀光強度是組合斑的表觀光強度的約1/6，即(1/6) (2.4×109)=4×108 NIT。
因此，對於圖6A至圖6C所示的六光斑掃描方法，在掃描器故障的所有三種情況下，觀看者的眼睛處的表觀光強度在眼睛安全限度內。
控制器框圖。
圖7示出了使用本發明的雷射功率調製和六光斑掃描方法的近眼雷射顯示器的控制器700的示例性框圖。圖像生成器702將圖像資料提供給兩個三雷射照射控制器203A和照射控制器203B，所述照射控制器203A和照射控制器203B產生兩個彩色圖像，這兩個彩色圖像交疊並且被投影到觀看者。在由照射控制器203A控制的三個雷射斑的位置與由照射控制器203B控制的三個雷射斑的位置之間基本沒有相關性；因此，六個雷射斑中的每一個通常照射掃描圖像中的不同圖元。有時光斑交疊，引起強度增加，並且有時它們不交疊，引起解析度增加。統計地，使用兩個交疊圖像導致掃描圖像的圖元輸送量增加近似等於2的平方根倍。
兩個照射控制器703A(或照射控制器703B)中的每一個包括：預處理單元704A(或預處理單元704B)，其針對光學失真和顏色/白平衡來校正圖像；卷積單元705A(或卷積單元705B)，其將圖3C所示的不確定性橢圓與從圖像生成器702接收到的圖像圖案進行卷積；求和(或疊加)單元707A(或求和(或疊加)單元707B)；協調單元710A(或協調單元710B)，其接收來自掃描驅動器112的輸入信號並且向雷射驅動器108A(或雷射驅動器108B)提供內插和觸發信號，雷射驅動器108A(或雷射驅動器108B)控制雷射模組109A(或雷射模組109B)中的三個雷射的強度。
掃描模組123包括線性掃描器125和諧振掃描器124(這也在圖1中示意性地示出)。諧振掃描器的暫態位置由感測器(未示出)測量並且被發送到協調單元710A和協調單元710B，協調單元710A和協調單元710B與相應的雷射驅動器108A和雷射驅動器108B通信。
圖7中單獨單元的呈現是為了清楚的目的；在特定實現方式中，可能期望將單獨的單元的功能集成到單個模組中。此外，圖7中的框圖可以被擴展為包括多於兩個的照射控制器703A和照射控制器703B並且可以被擴展為在 圖像場內生成多於六個的雷射斑。這將使得能夠通過進一步降低觀看者的眼睛處的表觀光強度來進一步提高眼睛安全，並且還將使得能夠額外增加圖元輸送量。
應當理解的是，上面的描述僅旨在用作示例，並且許多其他實施方式是可能的，並且包括在上面描述的和在所附權利要求中限定的本發明的範圍內。
100:近眼顯示器
104:照射光學模組
108:雷射驅動器
109:雷射模組
112:掃描驅動器
121:鏡
122:透鏡
123:掃描模組
124:諧振掃描器
125:線性掃描器
126:透鏡
127:波導光瞳
128:投影光學模組
129:觀看者的眼睛

Claims (11)

  1. 一種用於向觀看者顯示圖像的近眼顯示器，所述顯示器包括：
    雷射驅動器，所述雷射驅動器控制雷射模組；
    雷射模組，所述雷射模組生成至少三個雷射斑；以及
    掃描驅動器，所述掃描驅動器與掃描模組通信，所述掃描模組在圖像場內移動所述雷射斑；
    其中，所述雷射驅動器提供由基線功率水準、接近閾值功率水準和激射功率水準表徵的功率調製；並且
    其中，所述功率調製的定時與所述掃描驅動器同步，並且通過圖像圖案與表徵所述雷射斑的位置不確定性的一個或更多個不確定性橢圓的卷積來確定。
  2. 如請求項1所述的顯示器，其中所述功率調製的定時被配置成使所述近眼顯示器的電能消耗最小化。
  3. 如請求項1所述的顯示器，還包括控制器，所述控制器包括圖像生成器和至少兩個照射控制器。
  4. 如請求項3所述的顯示器，其中，所述至少兩個照射控制器被配置成使所述功率調製的定時與所述掃描驅動器和所述圖像生成器同步。
  5. 一種用於向觀看者顯示圖像的近眼顯示器，所述顯示器包括：
    雷射模組，所述雷射模組生成至少三個非交疊雷射斑；
    所述雷射斑中的每一個生成射到所述觀看者的眼睛上的表觀光強度；以及
    掃描驅動器，所述掃描驅動器與掃描模組通信，所述掃描模組在圖像場內沿至少兩個獨立掃描方向移動所述雷射斑；
    其中，在所述掃描模組的正常運行期間和/或在所述雷射斑不能沿所述掃描方向中的任何一個方向或全部方向移動的所述掃描模組故障期間，所述雷射斑穿過非交疊線。
  6. 如請求項1或權利要求5所述的顯示器，其中，所述雷射斑中的至少兩 個具有不同的光波長。
  7. 如請求項1或權利要求5所述的顯示器，其中，所述雷射斑佈置在與所述掃描方向之一平行或成斜角的一條或更多條線上。
  8. 如請求項5所述的顯示器，其中，在所述掃描模組的正常工作期間和/或在所述雷射斑不能沿所述掃描方向中的任何一個方向或全部方向移動的所述掃描模組故障期間，所述雷射斑的表觀光強度的組合均不超過預定眼睛安全水準。
  9. 如請求項5所述的顯示器，其中，所述掃描模組包括諧振掃描器和線性掃描器。
  10. 如請求項5所述的顯示器，還包括感測器，所述感測器測量所述諧振掃描器的位置。
  11. 如請求項1或權利要求5所述的顯示器，其中，所述掃描模組包括雙軸鏡和雙軸致動器。
TW110113481A 2020-04-20 2021-04-14 具有增強的雷射效率和眼睛安全的近眼顯示器 TW202146978A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063012283P 2020-04-20 2020-04-20
US63/012,283 2020-04-20
US202063015726P 2020-04-27 2020-04-27
US63/015,726 2020-04-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW202146978A true TW202146978A (zh) 2021-12-16

Family

ID=78270355

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110113481A TW202146978A (zh) 2020-04-20 2021-04-14 具有增強的雷射效率和眼睛安全的近眼顯示器

Country Status (8)

Country Link
US (1) US11592676B2 (zh)
EP (1) EP4088449A4 (zh)
JP (1) JP2023521710A (zh)
KR (1) KR20220151658A (zh)
CN (1) CN115176458A (zh)
IL (1) IL297048B2 (zh)
TW (1) TW202146978A (zh)
WO (1) WO2021214745A1 (zh)

Family Cites Families (93)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5096520A (en) 1990-08-01 1992-03-17 Faris Sades M Method for producing high efficiency polarizing filters
US5608742A (en) 1995-08-18 1997-03-04 Spectra Physics Lasers, Inc. Diode pumped, fiber coupled laser with depolarized pump beam
US5852693A (en) 1996-11-26 1998-12-22 Ultratech Stepper, Inc. Low-loss light redirection apparatus
US5905837A (en) 1997-07-22 1999-05-18 Nec Usa, Inc. Side emitting optical fiber
US6222677B1 (en) 1999-04-12 2001-04-24 International Business Machines Corporation Compact optical system for use in virtual display applications
IT1312567B1 (it) 1999-05-21 2002-04-22 Antibioticos Spa Processo per la sintesi di derivati beta-lattamici.
US6611369B2 (en) 1999-09-06 2003-08-26 Furukawa Electric Co., Ltd. Optical signal amplifier
JP4797150B2 (ja) 2000-03-14 2011-10-19 オリンパス株式会社 走査機構およびこれを用いた機械走査型顕微鏡
US6404542B1 (en) 2000-07-10 2002-06-11 Sdl, Inc. Multiple emitter semiconductor laser pump source for scaling of pump power and generation of unpolarized light for light signal amplification
ATE473464T1 (de) 2000-06-05 2010-07-15 Lumus Ltd Optischer strahlaufweiter mit substratlichtwellenleitung
US6362919B1 (en) 2000-08-22 2002-03-26 Axsun Technologies, Inc. Laser system with multi-stripe diode chip and integrated beam combiner
US20020186179A1 (en) 2001-06-07 2002-12-12 Knowles Gary R. Optical display device
US6924926B2 (en) 2001-08-03 2005-08-02 Xtera Communications, Inc. Laser diode pump sources
US6542227B2 (en) 2001-09-04 2003-04-01 Rosemount Aerospace, Inc. System and method of measuring flow velocity in three axes
US6741764B2 (en) 2001-11-13 2004-05-25 Adc Telecommunications, Inc. Polarization beam separator and combiner
JP2003224327A (ja) 2002-01-30 2003-08-08 Mitsubishi Electric Corp 無偏光光源装置およびラマン増幅器
US7189306B2 (en) 2002-02-22 2007-03-13 Gervais Gibson W Process of treating lignocellulosic material to produce bio-ethanol
IL148804A (en) 2002-03-21 2007-02-11 Yaacov Amitai Optical device
ES2277174T3 (es) 2002-05-02 2007-07-01 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Forderung Der Angewandten Forschung E.V. Codificacion aritmetica de coeficientes de transformacion.
LT5257B (lt) 2003-12-19 2005-08-25 Uždaroji akcinė bendrovė MGF "Šviesos konversija" Ryškį išsaugojantis lazerinių pluoštų formuotuvas
US7661810B2 (en) 2005-03-02 2010-02-16 Fujifilm Corporation Image recording apparatus and inkjet apparatus for double-side recording
US8016428B2 (en) * 2005-06-20 2011-09-13 Panasonic Corporation 2-dimensional image display device or illumination device for obtaining uniform illumination and suppressing speckle noise
US7364306B2 (en) 2005-06-20 2008-04-29 Digital Display Innovations, Llc Field sequential light source modulation for a digital display system
US7515346B2 (en) 2006-07-18 2009-04-07 Coherent, Inc. High power and high brightness diode-laser array for material processing applications
JP5457031B2 (ja) 2006-09-29 2014-04-02 パナソニック株式会社 レーザ発光装置とそれを用いた画像表示装置
US20080106493A1 (en) 2006-11-03 2008-05-08 Motorola, Inc. Laser display having reduced power consumption and method of operating the same
US7626744B2 (en) 2007-02-27 2009-12-01 Ricoh Company, Limited Optical scanning device and image forming apparatus
EP1975679A1 (en) 2007-03-31 2008-10-01 Sony Deutschland Gmbh Image generating apparatus
JP2009162825A (ja) 2007-12-28 2009-07-23 Seiko Epson Corp 画像表示装置
DE102008063634B4 (de) 2008-12-18 2021-03-11 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Leuchtmittel und Projektor mit mindestens einem solchen Leuchtmittel
US8602896B2 (en) 2009-03-05 2013-12-10 Igt Methods and regulated gaming machines including game gadgets configured for player interaction using service oriented subscribers and providers
WO2010137661A1 (ja) 2009-05-28 2010-12-02 シチズンホールディングス株式会社 光源装置
US8488245B1 (en) 2011-03-07 2013-07-16 TeraDiode, Inc. Kilowatt-class diode laser system
EP2600473B1 (en) 2010-07-30 2019-01-09 Sony Corporation Light source unit, illumination device, and display device
DE102010034216A1 (de) 2010-08-07 2012-02-09 Minebea Co., Ltd. Wälzlager
US8444275B2 (en) * 2010-08-12 2013-05-21 Eastman Kodak Company Light source control for projector with multiple pulse-width modulated light sources
US8724222B2 (en) 2010-10-31 2014-05-13 TeraDiode, Inc. Compact interdependent optical element wavelength beam combining laser system and method
WO2013095482A2 (en) 2010-12-29 2013-06-27 3M Innovative Properties Company Refractive polarization converter and polarized color combiner
US9229156B2 (en) 2011-07-07 2016-01-05 Reald Inc. Laser systems and methods
US8665178B1 (en) 2012-03-01 2014-03-04 Google, Inc. Partially-reflective waveguide stack and heads-up display using same
US9297889B2 (en) 2012-08-14 2016-03-29 Microsoft Technology Licensing, Llc Illumination light projection for a depth camera
US20140146394A1 (en) * 2012-11-28 2014-05-29 Nigel David Tout Peripheral display for a near-eye display device
US9167217B2 (en) * 2013-05-02 2015-10-20 Microvision, Inc. High efficiency laser modulation
JP2015099323A (ja) 2013-11-20 2015-05-28 セイコーエプソン株式会社 プロジェクター
WO2015104239A2 (en) 2014-01-07 2015-07-16 Seereal Technologies S.A. Display device for holographic reconstruction
CN104977722A (zh) 2014-04-03 2015-10-14 光宝科技股份有限公司 投影装置
WO2015188058A1 (en) 2014-06-06 2015-12-10 Bribbla Dynamics Llc Cascaded beam combiner
JP2016033867A (ja) 2014-07-31 2016-03-10 ソニー株式会社 光学部材、照明ユニット、ウェアラブルディスプレイ及び画像表示装置
DE102015105807A1 (de) 2015-04-16 2016-10-20 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronische Leuchtvorrichtung
JPWO2016181459A1 (ja) 2015-05-11 2018-03-01 オリンパス株式会社 プリズム光学系、プリズム光学系を用いた画像表示装置及びプリズム光学系を用いた撮像装置
US20170285343A1 (en) * 2015-07-13 2017-10-05 Mikhail Belenkii Head worn display with foveal and retinal display
US10007046B2 (en) 2015-08-14 2018-06-26 Radiant Opto-Electronics (Suzhou) Co., Ltd. Light guide film, backlight module and display device having the same
FR3040319B1 (fr) 2015-08-25 2017-11-24 Saint Gobain Appareil laser modulaire
CN106560743B (zh) 2015-10-05 2019-11-19 船井电机株式会社 投射装置
JP6691369B2 (ja) 2015-10-21 2020-04-28 株式会社日立エルジーデータストレージ レーザ投射表示装置およびレーザ光源の駆動方法
JP6259435B2 (ja) 2015-10-28 2018-01-10 ファナック株式会社 レーザ光を合波して出力するレーザ発振器
US10254389B2 (en) 2015-11-06 2019-04-09 Artilux Corporation High-speed light sensing apparatus
US10429639B2 (en) * 2016-01-31 2019-10-01 Paul Lapstun Head-mounted light field display
IL244181B (en) 2016-02-18 2020-06-30 Amitai Yaakov Compact head-up display system
US10473933B2 (en) 2016-02-19 2019-11-12 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide pupil relay
US10025093B2 (en) * 2016-04-13 2018-07-17 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide-based displays with exit pupil expander
US20180009733A1 (en) 2016-07-06 2018-01-11 Lexmark International, Inc. Two step method of producing triarlyamine compounds having two alkyl alcohols in a single reaction vessel
WO2018065975A1 (en) 2016-10-09 2018-04-12 Lumus Ltd Aperture multiplier using a rectangular waveguide
US10690754B2 (en) 2016-12-23 2020-06-23 Cepton Technologies, Inc. Scanning apparatuses and methods for a lidar system
US11294182B2 (en) * 2017-02-28 2022-04-05 Cy Vision Inc. Near-to-eye display device using a spatial light modulator
US10313643B2 (en) 2017-03-13 2019-06-04 Omnivision Technologies, Inc. Imaging system having four image sensors
CN114660801A (zh) 2017-03-15 2022-06-24 奇跃公司 改进光纤扫描系统的技术
CN115047627A (zh) 2017-03-21 2022-09-13 奇跃公司 用于照射空间光调制器的方法、设备和系统
AU2018239353C1 (en) 2017-03-21 2023-03-30 Magic Leap, Inc. Method and system for fiber scanning projector
US11644669B2 (en) * 2017-03-22 2023-05-09 Magic Leap, Inc. Depth based foveated rendering for display systems
US11138746B2 (en) 2017-07-03 2021-10-05 Ricoh Company, Ltd. Diagnostic support system and diagnostic support method
US10177872B1 (en) 2017-09-25 2019-01-08 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Orthogonally polarized VCSELs
EP3698199A1 (en) 2017-10-16 2020-08-26 Oorym Optics Ltd. Highly efficient compact head-mounted display system
US10361537B2 (en) * 2017-10-23 2019-07-23 Microsoft Technology Licensing, Llc Dynamic supply voltage control circuit for laser diode
US10658814B2 (en) 2017-10-23 2020-05-19 Microsoft Technology Licensing, Llc Laser diode priming to reduce latency
US10527856B2 (en) * 2017-10-25 2020-01-07 North Inc. Free space multiple laser diode module with fast axis collimator
CN111373296B (zh) 2017-11-21 2023-02-28 鲁姆斯有限公司 用于近眼显示器的光学孔径扩展布置
CA3084546C (en) * 2017-12-03 2023-01-31 Frank Jones Enhancing the performance of near-to-eye vision systems
WO2019111237A1 (en) 2017-12-10 2019-06-13 Lumus Ltd. Image projector
WO2019149352A1 (en) 2018-01-31 2019-08-08 Trumpf Laser Gmbh Laser diode based line illumination source and laser line illumination
DE102018102961A1 (de) 2018-02-09 2019-08-14 Msg Lithoglas Gmbh Bauteilanordnung, Package und Package-Anordnung sowie Verfahren zum Herstellen
JP7090238B2 (ja) 2018-04-27 2022-06-24 日亜化学工業株式会社 光源モジュール
EP4336681A2 (en) 2018-05-14 2024-03-13 Civan Advanced Technologies Ltd. Laser beams methods and systems
CA3104479A1 (en) 2018-07-14 2020-01-23 Daylight Solutions, Inc. Methods and systems for spectral beam-combining
TW202127106A (zh) 2019-09-04 2021-07-16 以色列商魯姆斯有限公司 具有二向色光束組合器的光學裝置、結合二向色光束組合器使用的光學裝置及其製造方法
TW202115445A (zh) 2019-09-15 2021-04-16 以色列商魯姆斯有限公司 橫向光導管
EP4031931A4 (en) 2019-09-16 2023-02-22 Lumus Ltd. COMPACT PROJECTOR FOR VISIO HEADSETS
CN114731021A (zh) 2019-09-30 2022-07-08 奥斯兰姆奥普托半导体股份有限两合公司 激光封装及具有激光封装的系统
US11561400B2 (en) * 2019-10-11 2023-01-24 Google Llc Wearable heads-up display with optical path fault detection
TW202119095A (zh) 2019-10-23 2021-05-16 以色列商魯姆斯有限公司 具有提高的均勻性和/或眼睛安全性的雷射照射顯示器
CN114846400A (zh) 2019-12-19 2022-08-02 鲁姆斯有限公司 使用相位图像生成器的图像投影仪
JP2023508307A (ja) 2019-12-30 2023-03-02 ルーマス リミテッド 光導波路を用いた検出および測距システム
US20200403705A1 (en) * 2020-08-04 2020-12-24 Intel Corporation Optical transceivers with multi-laser modules

Also Published As

Publication number Publication date
EP4088449A4 (en) 2023-07-05
EP4088449A1 (en) 2022-11-16
IL297048B2 (en) 2023-09-01
WO2021214745A1 (en) 2021-10-28
KR20220151658A (ko) 2022-11-15
JP2023521710A (ja) 2023-05-25
IL297048B1 (en) 2023-05-01
US20230019255A1 (en) 2023-01-19
CN115176458A (zh) 2022-10-11
US11592676B2 (en) 2023-02-28
IL297048A (en) 2022-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102651647B1 (ko) 이미지 프로젝터
EP2112832B1 (en) Image display device
CN112292628B (zh) 用于波导显示器的单芯片超光亮发光二极管阵列
JP2022534628A (ja) レーザーダイオード照明を備えたニアアイディスプレイ
EP3610318A1 (en) Foveated mems scanning display
US20220120901A1 (en) Adjustment Method, Terminal and Computer-Readable Storage Medium
US11327314B2 (en) Suppressing coherence artifacts and optical interference in displays
JP2007517244A (ja) シルエット・ブランキングを有するレーザ・プロジェクタ
US10114215B1 (en) Scanning laser devices with reduced exit pupil disparity
JP2009086366A (ja) 光走査装置、光走査型画像表示装置及び網膜走査型画像表示装置
JP2010161152A (ja) 画像表示装置
TW202146978A (zh) 具有增強的雷射效率和眼睛安全的近眼顯示器
US11025871B1 (en) Driving scanning projector display with pulses shorter than pixel duration
JP7163230B2 (ja) 視線検出装置、視線検出方法、及び表示装置
US20220269094A1 (en) Multiple laser light source sets for scanning display systems
US11953696B2 (en) Display device
CN113365037B (zh) 特征表面投影系统及特征表面的投影方法
US20220269099A1 (en) Systems and methods to separate scanning mirror input and output light
US20230066767A1 (en) Systems and methods to minimize double-bounce in waveguides
JP2014197057A (ja) プロジェクタおよびヘッドアップディスプレイ装置
WO2024005931A1 (en) Passive world-referenced display alignment with reflective facet lightguides