TW202201106A

TW202201106A - Ｌｅｄ照明投影機

Info

Publication number: TW202201106A
Application number: TW110118776A
Authority: TW
Inventors: 大衛伍茲; 布倫南彭內爾
Original assignee: 英國商波動光學有限公司
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2022-01-01
Also published as: US20230236488A1; WO2021259642A1; EP4168852A1; KR20230027094A

Abstract

本發明係關於一種用於產生一影像之一圖框之投影機。該投影機可用於一擴增實境或虛擬實境裝置中。該投影機包括：一元件陣列，其配置於一平面中，各元件包括具有不同各自色彩之至少三個LED；及一集光器結構陣列，各集光器結構經組態以在任何一個時間接收來自一單一LED的光且減小該LED發射光之角度。該投影機進一步包括一投影機單元，該投影機單元經組態以接收來自該集光器結構陣列的該光且準直該光使得一圖框經形成。該圖框係全色的且由組合複數個子圖框形成，該等子圖框透過該元件陣列相對於該集光器結構陣列之一空間移動，使得各集光器結構在各子圖框期間接收來自一不同LED的光，及/或自各LED發射之該光之一位移使得來自各LED之該光照明該圖框之多個像素形成。

Description

LED照明投影機

本發明係關於投影機。特定言之，用於波導系統中之投影機。

用於手持式裝置之投影機(諸如微型投影機)及用於佩戴型裝置(諸如虛擬實境(VR)及擴增實境(AR)手機)之投影機需要輕量且對於一次可固持或佩戴裝置達長時段之使用者係舒適的。

當前已知投影系統包含用於產生光之一源、用於將此光形成至射束路徑中之光學器件、用於使此等射束路徑均質之一均質器及用於將均質化射束路徑中繼至待照明之顯示器上之一中繼器。

理想地，將可期望使用一LED陣列以用作用於產生光之源，此係因為LED亦可產生影像，而非依賴於具有需要一單獨照明器之用於產生影像之一調變顯示器。隨著微型LED之出現，其等之使用將似乎可實現愈來愈小之投影機。

理論上，產生光及產生影像兩者之自發射面板應提供反射面板之大小之改良，此係因為不需要單獨元件來提供光。此應亦導致影像之效率、亮度及對比度之改良。

然而，LED係朗伯(Lambertian)發射器且因此在廣範圍之角度內發射光。此可導致系統效率之問題，此係因為一大百分比之經發射光可損失。光學器件可用於幫助確保收集最大量之經發射光。然而，此增加系統之大小。另外，由於各LED僅產生一單一色彩，故需要具有不同色彩之多個LED以產生一單一影像像素。此限制一特定大小之系統可達成之解析度。

根據本發明之一態樣，提供一種用於產生一影像之一圖框之投影機，該投影機包括：一元件陣列，其配置於一平面中，各元件包括具有不同各自色彩之至少三個LED；一集光器結構陣列，各集光器結構經組態以在任何一個時間接收來自一單一LED的光且減小該LED發射光之角度；一投影機單元，其經組態以接收來自該集光器結構陣列的該光且準直該光使得一圖框經形成；其中該圖框係全色的且由組合複數個子圖框形成，該等子圖框透過該元件陣列相對於該集光器結構陣列之一空間移動，使得各集光器結構在各子圖框期間接收來自一不同LED的光，及/或自各LED發射之該光之一位移使得來自各LED之該光照明該圖框之多個像素形成。

LED係朗伯發射器且因而在廣範圍之角度內發射光。集光器結構實現自LED發射之光之收集，從而減小發射光之角度。此增強投影機之效率，此係因為藉由LED發射之光可經有效地收集至朝向一顯示器之一光路徑中而非損失。

以此方式，LED陣列可配置至一小區域中同時亦提供一全色顯示器而不損及影像解析度，儘管一單一集光器結構在任何一個時間僅能夠藉由一單一LED照明。元件及集光器陣列相對於彼此之移動及/或來自各LED之光之位移(各如此快於圖框速率完成)可達成一全色影像而無解析度之損失。

光之位移可係一空間或角度位移。例如，一空間位移可發生在光經準直之前。一角度位移可發生在光經準直之後。

較佳地，至少三個LED之各者具有一相關聯集光器結構。在一些配置中，各集光器結構可與一單一LED相關聯。在其他配置中，各集光器結構可與一單一元件相關聯，使得針對各元件，至少三個LED與相同集光器結構相關聯。由於僅來自一單一LED之光在任何一個時間可藉由一單一集光器收集，故此會需要集光器與LED之間之相對移動。

較佳地，投影機單元包括一光學元件，該光學元件經組態以可調整以引起自各LED發射之光之位移使得來自各LED之光照明圖框之多個像素。

以此方式，透過光學元件引起光之位移使得其針對各圖框入射於多個像素處而維持經產生圖框之解析度，儘管具有具備不同色彩之不同LED。光學元件可以使得其可在等於或小於在其內顯示全色圖框之時間段之一時間段內將來自各LED之光投射至顯示器上之複數個不同像素之一速度移動。

光學元件較佳係能夠調整光之角度位置之一射束角度移位器。例如，光學元件可係一可調整鏡。鏡可經組態以在複數個位置或定向之間切換以便提供光之移位。替代地，可使用可經組態以引起光之方向之改變之任何類型之機電裝置。

替代地，位移可係一明顯光學運動。此可藉由一振盪楔提供。振盪楔可由玻璃構成。替代地，光學元件可係成角度移動之一移位板。例如，一盤旋板可定位於集光器陣列之後於投影機單元之前。透過不同方向上之傾斜，板之盤旋可提供光之位移。

光之位移可係透過光學元件之一側傾旋轉(垂直軸)及/或一縱傾旋轉(橫向軸)。因此，光可經歷一側傾及/或縱傾旋轉。換言之，其可在x方向及/或y方向上。此可取決於LED在平面中之配置。若不同色彩之LED在水平方向上配置於平面中，則位移可由一側傾旋轉引起。替代地，若不同色彩之LED在垂直方向上配置於平面中，則位移可由一縱傾旋轉引起。替代地，其可係縱傾及側傾之一組合。

在其他配置中，作為透過集光器陣列及元件陣列相對於投影機單元之一移動之代替(或補充)，來自各LED之光可照明圖框之多個像素。

投影機單元可進一步包括一投影機鏡頭及可調整光學元件。投影機鏡頭將來自空間位置之光轉換為角度位置以形成影像圖框。替代地，在其中不存在自各LED發射之光之移位之配置中，投影機單元可僅包括投影機鏡頭。

元件陣列可經組態以可移動以提供元件陣列相對於集光器結構陣列之空間移動。以此方式，集光器結構相對於投影機中之其他光學器件可係靜態的。由於集光器係靜態的，故形成圖框可不需要光之進一步移位。元件陣列可包括用於提供移動之一機構。移動可係沿著平面。

替代地，集光器結構陣列可經組態以可移動以提供元件陣列相對於集光器結構陣列之空間移動。以此方式，元件相對於投影機中之其他光學器件及使用者自其觀看光之顯示器可係靜態的。集光器陣列之移動實現在各圖框期間收集來自各LED之光。元件陣列可包括用於提供移動之一機構。移動可係沿著平面。

在一些配置中，在一第一子圖框期間，集光器結構可接收來自至少三個LED之一第一者的光，在一第二子圖框期間，集光器結構可接收來自至少三個LED之一第二者的光，且在一第三子圖框期間，集光器結構可接收來自至少三個LED之一第三者的光。

較佳地，各集光器針對相同時間段接收來自元件之各LED的光。以此方式，各子圖框可具有相同強度。

在其中在一元件中存在n 個LED之一些配置中，可存在n 個子圖框。因此，集光器結構及/或元件可在n 個不同位置之間移動，即，不同位置之數目至少等於一元件中之LED之數目。

在其他配置中，集光器結構陣列及元件陣列兩者可包括使得其兩者可移動以達成上述相對移動之機構。

在一些配置中，元件沿著在平面中在一第一方向上延伸之一第一軸且沿著在平面中在一第二方向上延伸之一第二軸配置，其中第一軸及第二軸彼此正交，且各元件包括至少沿著第一方向配置之具有不同色彩之LED，其中元件或集光器陣列經組態以可相對於集光器沿著第一方向移動。以此方式，投影機之解析度可沿著一軸增加，其中該軸上之一些LED之色彩彼此不同。例如，此可在x軸或y軸上。此可用於恢復該軸上之解析度以等於該軸上之LED之數目，儘管有不同色彩之LED可存在於軸上之事實。

各元件可包括沿著第一方向及第二方向配置之不同色彩之LED，其中元件或集光器陣列經組態以可沿著第一及第二方向移動。因此，在兩個軸上可增加解析度，儘管在各軸上具有不同色彩之LED。

取決於LED之配置，光之位移亦可在如上文針對元件及集光器之移動描述之方向上。

在一些配置中，此子圖框可係一單一色彩。以此方式，在各子圖框期間，各集光器由具有相同色彩之LED照明。各子圖框以此色彩循序方式之組合可提供一全色影像。

在其他配置中，各子圖框可包括不同色彩。例如，不同集光器可自各子圖框中之不同色彩之LED收集光，其中各集光器在子圖框之組合內自全部不同色彩之LED收集光以形成全色影像圖框。

各集光器可與一單一LED相關聯，使得各子圖框包括不同各自色彩之各者。以此方式，可不存在LED (及元件)相對於集光器結構之間之移動。在此配置中，來自各LED之光之位移確保無解析度之損失。有利地，此需要更少移動部分。此可提供此投影機係一更安靜裝置之優點。

在一些配置中，各LED經組態以照明各子圖框中之一單一像素，其中光之移位引起在各子圖框中待照明的單一像素不同。以此方式，在一第一子圖框期間，各元件之各LED各照明一單一像素且在後續子圖框中照明在先前子圖框中藉由一不同色彩之LED照明之一不同像素。此提供一全色圖框。例如，一第一像素可在一第一子圖框期間藉由具有一第一色彩之一LED照明，且在一第二子圖框期間可藉由具有一第二色彩之一LED照明。

在一些配置中，經形成之各子圖框可在平面中移位達一個像素。例如，在一第一子圖框期間，各LED可照明一像素且在一後續子圖框中，LED可照明鄰近先前圖框中之像素之一像素。此可係鄰近行或鄰近列中之一像素。以此方式，相較於前一個子圖框，各後續子圖框可橫跨(或向上/向下)移位達一像素。

較佳地，集光器結構陣列係一微透鏡陣列及/或錐形井結構陣列。使用微透鏡，可減小自LED發射之光射束之角度。另外，其等小大小實現其等用於諸如微型投影機之系統中。

作為微透鏡之替代或補充，集光器結構陣列可係一錐形井結構陣列。錐形井結構之壁用作用於自LED發射之光之一導管。較佳地，錐形井結構具有經組態以自LED接收一光束之一第一端及用於發射該光束之一第二端。第一端較佳小於第二端，使得光可在兩個維度上擴展且光束角度藉由錐形井結構減小。較佳地，錐形井結構之壁係玻璃，其中光沿著壁反射。替代地，集光器可係用作光行進穿過其之一導管之一錐形光導管。光導管亦可減小光束角度且使光在兩個維度上擴展。因此，使用集光器保持光展量。

至少三個LED可包括一紅色LED、一藍色LED及一綠色LED。以此方式，各圖框可係全色的。替代地，LED可係紅色、黃色及藍色的。在在一元件中存在四個LED之情況下，額外LED可係白色的。

替代地，元件可包括具有相同色彩之多個LED。例如，元件可包括係紅色、綠色、藍色及紅色之LED。在此配置中，集光器可經配置以在等於或小於在其內顯示各個別圖框之時間段之一時間段內自元件之四個LED之各者依序收集光。以此方式，各LED可促成一子圖框。在一些情境中，歸因於紅色LED效率更低，影像之效率可藉由具有一個以上紅色LED而改良。在其他配置中，可使用色彩之任何組合。

較佳地，各元件包括三個LED或四個LED。在其中存在三個LED之配置中，其等可以一列配置。以此方式，元件陣列可經配置使得各行可包括具有相同色彩之LED。替代地，三個LED可以一行配置。以此方式，元件陣列可經配置使得各列可包括具有相同色彩之LED。替代地，各元件之LED可經對角線配置。

在其中各元件包括四個LED之配置中，LED可在平面中以一2乘2組態配置。各元件可具有以一2乘2矩陣配置之四個LED。換言之，各元件可具有兩行及兩列LED。在其他配置中，LED可以如上文描述之一3乘1組態或一1乘3組態配置。替代地，其等可以一4乘1組態配置。

較佳地，在一第一子圖框中，至少三個LED之一第一LED照明一第一像素，在一第二子圖框中，至少三個LED之一第二LED照明該第一像素，且在一第三子圖框中，至少三個LED之一第三LED照明該第一像素。以此方式，影像圖框之各像素藉由來自形成全色影像之不同色彩之LED之各者之光形成。

較佳地，LED係微LED。藉由使用與一微透鏡陣列或一錐形井結構陣列耦合之微LED，可減小集光光學器件之大小。相較於其他類型之光源或習知LED，亦改良裝置之效率。如上文概述，LED係朗伯發射器，即，其等在廣範圍之角度(通常2π立體角)內發射光。當與一微透鏡或微井結構陣列耦合時，微LED非朗伯發射器且在一遠更小範圍之角度內發射，從而導致更少光損失。

在一些配置中，子圖框之數目等於一元件中之LED之數目。例如，當存在三個LED時，可存在三個子圖框。因此，針對包括RGB LED之一元件，子圖框之數目可係三。

在本發明之一進一步態樣中，提供包括上述態樣之投影機之一擴增實境或虛擬實境裝置。

根據一進一步態樣，提供一種投影機顯示系統，其包括：一顯示器，其用於顯示一影像；及根據上文之態樣之投影機。

顯示器可係一波導。例如，其可係用於一擴增實境(AR)或虛擬實境(VR)裝置之一波導。

根據本發明之一進一步態樣，提供一種使用一投影機產生一影像之一圖框之方法，該方法包括：自配置於一平面中之一元件陣列發射光，各元件包括具有不同各自色彩之至少三個LED；在一集光器結構陣列處接收自該元件陣列發射之該光，各集光器結構在任何一個時間接收來自一單一LED的光以減小該LED發射光之角度；自一集光器結構陣列發射已在角度上減小之該光；在一投影機單元處接收來自該集光器結構陣列的該光且準直該光使得一圖框經形成；其中該圖框係全色的且由組合複數個子圖框形成，該等子圖框透過該元件陣列相對於該集光器結構陣列之一空間移動，使得各集光器結構在各子圖框期間接收來自一不同LED的光，及/或自各LED發射之該光之一位移使得來自各LED之該光照明該圖框之多個像素形成。

參考圖1A至圖3B展示且描述使用LED作為用於投影機之一影像源之困難。

圖1A展示配置於一平面中之綠色LED之一陣列2的一正視圖。圖1B展示陣列2之三個綠色LED 2a以及自該等LED發射之光3之一側視圖。一圖例包含於圖1A及其他圖之頂部處以指示圖中展示之LED之色彩。如自圖1B可見，光在廣範圍之角度內自各LED 2a經發射，此係因為LED係朗伯發射器。此對於用於一投影顯示器中係有問題的，此係因為來自各LED之光分散在一廣區域內而非形成投射且形成一影像所需之一光束。

圖2A展示一綠色LED陣列2的一正視圖，其展示對於朗伯發射之問題之一潛在解決方案。一集光器陣列6配置於綠色LED陣列2上方。圖2B展示此配置之一側視圖。如自圖2B可見，集光器6減小發射來自LED 2之光之角度。然而，如圖1B及圖2B中可見，當使用集光器6以確保來自各LED 2之全部光由其相關聯集光器收集時，LED 2a之大小更小。

圖2A及圖2B中展示之配置將僅產生具有一單一色彩之一影像，此係因為全部LED發射綠色光。圖3A及圖3B展示能夠用於產生一全色影像之LED 2及集光器6之一配置。在此配置中，LED面板2包括綠色LED 2a、紅色LED 2b及藍色LED 2c。然而，針對相同區域，具有相同色彩之LED之數目減小1/3，因此產生相較於如圖2A中展示之一單色面板，在各維度上具有全色像素之數目之1/3之一影像。例如，若圖2A中展示之LED陣列形成在水平方向上具有1920個像素之一影像(即，在此維度上具有1920個LED)，則圖3A中之像素之數目減小至640。此減小在需要一全色影像時可達成之解析度大小。

此對於使用LED作為用於一全色影像之一投影機影像源同時維持顯示器之解析度而不大大增加系統之大小呈現一問題。

本發明之一目的係克服此等問題以提供能夠產生一全色影像而不損及系統之大小及經達成解析度之一投影機。

圖4展示根據本發明之一實施例之一投影機1的一示意性俯視圖。投影機1經展示為將一影像投射至波導101中。影像接著由使用者201觀看。

投影機1包括一LED面板2。一集光器陣列6緊鄰LED面板2定位。包括投影機鏡頭8之投影機單元介於集光器陣列6與波導101之間。

LED面板2產生光，從而用作影像源及光源兩者。來自LED之光由集光器6收集以減小自LED發射光之角度，從而解決上文描述之朗伯發射問題。接著在投影機鏡頭8處接收來自集光器6之光。投影機鏡頭8準直光，從而將位置(空間)影像轉換為一角度影像。在LED面板2處，經產生影像之各像素具有一空間位置。在其中位置影像已被轉換為角度影像之投影機鏡頭8之後，各像素由一角度(方位角及仰角)表示。

影像接著經投射至波導101之一輸入光柵上。光接著沿著波導101向下投射，從而在在使用者201之眼睛中被視為一影像之一輸出光柵處離開波導101。

圖5A展示圖4中展示之投影機1之LED面板2及集光器陣列6的一正視圖。如可見，LED面板2具有綠色LED 2a、紅色LED 2b及藍色LED 2c。LED可被視為配置成元件10，各元件10包括一紅色LED 2b、綠色LED 2a及藍色LED 2c。如可見，各元件10之LED 2以一對角線配置經配置。然而，在其他實施例中，其等可以一水平或垂直配置經相等地配置。LED陣列2可有效地被視為如圖2A中展示之綠色LED 2a之相同配置，其中一額外紅色LED 2b及藍色LED 2c定位於綠色LED 2a之各者之間之未使用空間中。此提供空間之一更佳使用，此係因為其實現三個色彩之LED之各者在如圖2A中之佈局中展示之相同區域內之放置。

各集光器結構6可僅自在其正下方之LED收集光。LED面板2可相對於集光器6移動，如藉由圖4中之箭頭20a、20b指示。以此方式，一元件10之各LED 2可依序定位於其相關聯集光器6下方，使得由集光器6收集來自各LED 2之光。此在圖5A至圖5C中更詳細展示。

在圖5A中，綠色LED 2a定位於集光器6下方，使得集光器6僅自綠色LED 2a收集光，從而形成一綠色子圖框影像。

在圖5B中，LED面板2已移動，使得藍色LED 2c定位於集光器6下方，使得在此位置中，僅收集來自藍色LED 2c之光，從而形成一藍色子圖框影像。

在圖5C中，LED面板2已移動，使得僅紅色LED 2b定位於集光器6下方，使得僅收集來自紅色LED 2b之光，從而形成一紅色子圖框影像。

LED面板在圖5A至圖5C中展示之各位置之間之移動可以或快於圖框速率發生。因此，位置5A至圖5C之各者負責產生一單色子圖框。透過組合各子圖框，產生一全色圖框，如圖5D中展示。全色圖框中之像素之數目等於集光器6之數目。因此，當產生全色影像時，不存在解析度之損失。

圖6展示根據本發明之另一例示性實施例之一投影機1的一示意性俯視圖。投影機1經展示為將一影像投射至波導101中，該影像隨後由一使用者201觀看。

類似於如圖4中展示之投影機，圖6中展示之投影機1具有一LED面板2、一集光器陣列6及一投影機鏡頭8。另外，投影機1包含配置於投影機鏡頭8與波導101之間之射束角度移位器12。在圖6中展示之投影機1中，不同於圖4中展示之實施例，LED面板2無法相對於集光器陣列6移動。

圖7展示圖6中展示之投影機1之LED面板2及集光器陣列6的一正視圖。LED面板2包含綠色LED 2a、紅色LED 2b及藍色LED 2c。LED交替配置使得在x及y方向上，無具有相同色彩之兩個LED緊鄰彼此配置。如圖7中可見，在各列中，一綠色LED 2a、一紅色LED 2b及一藍色LED 2c可被視為一元件10。然而，可查看行而非列相等地進行一元件之此分類。

在圖6及圖7中展示之實施例之投影機1中，各LED具有一對應集光器6，使得各集光器6始終自相同LED 2收集光。

射束角度移位器12可引起自各LED發射之光在行進穿過集光器6及投影機鏡頭8之後經移位。如在圖8A中可見，來自各彩色LED之光經移位使得藉由投影機形成之影像之各像素由來自各彩色LED之光照明。在各子圖框中，來自一不同色彩之LED之光照明各像素。此提供具有與集光器之數目(及LED之數目)相同之像素密度之一全色影像，如圖8B中展示。因此，代替如不使用位移之情況下將達成之一640x640解析度，解析度增加至1920 x1920。

圖9展示可如何使用圖6之投影機獲得不同色彩之像素之組合之一例示性方法之一示意性正視圖。子圖框15a由各由一不同色彩之LED照明之數個像素22形成。

子圖框15b係透過對來自各LED之光進行一角度移位使得射束角度移位器將來自各LED之光在水平方向上移位一像素而形成。此可係透過一側傾旋轉。由於LED以綠色、紅色、藍色之序列配置於面板中，故透過將子圖框橫跨移位達1個像素，先前由一第一色彩照明之一像素現將由一不同第二色彩之LED照明。在最後第三子圖框15c中，光在角度上經進一步移位，使得影像經水平橫框移位達再一個像素，使得三個色彩之最後者照明各像素。此產生具有與集光器(及LED)之數目相同之數目個像素之全白色影像圖框，如圖8B中展示。

如圖9中可見，在各側處之兩行像素將未由各三個色彩之LED照明，從而導致影像之解析度不與LED之數目之解析度完全相同。然而，當形成1920個像素之一影像時，此4個冗餘行之像素具有一可忽略影響。

各子圖框15a、15b、15c之間之角度移位可以圖框速率之3倍發生，使得針對顯示各圖框之時間之一1/3形成各子圖框15a、15b、15c。

由於各子圖框15a、15b、15c相對於彼此橫跨移位達1個像素，故各LED相對於其正在照明之像素發射光。例如，查看第一綠色LED 2a，在圖框15a中，其可發射代表待投射之原始影像中之第一左上像素之光。在圖框15b中，綠色LED 2a可發射代表來自待投射之原始影像之左上側中之一個像素之光，且在子圖框15c中，綠色LED 2a可發射代表來自待投射之原始影像之左上側中之兩個像素之光。此確保最後影像之各像素表示待投射之原始影像中之一單一像素。

在圖6中展示之投影機中，射束角度移位器12係經組態以在位置上移動之一鏡。取決於鏡之定向，來自集光器之光接著自鏡反射一不同量，從而引起光之位移。

當鏡在一第一位置中時，鏡不引起光之移位，使得各集光器(及引起其相關聯LED)在如展示為子圖框15a之影像中形成一像素。在鏡移動至一第二定向之後，形成子圖框15b，且接著最後當鏡定向於一第三位置中時，形成一第三子圖框15c。光自鏡取決於其定向之反射導致光之角度位移。

圖10展示根據本發明之另一例示性實施例之一投影機1的一示意性俯視圖。投影機1經展示為將一影像投射至波導101中，該影像隨後由一使用者201觀看。

類似於如圖6中展示之投影機，圖10中展示之投影機1具有一LED面板2、一集光器陣列6、一投影機鏡頭8及射束角度移位器12。在圖10中展示之投影機1中，不同於圖6中展示之投影機1，集光器陣列6可移動且LED面板2係靜態的。

圖11A展示圖10中展示之投影顯示器1之LED陣列2的一正視圖。如可見，LED陣列包含不同色彩之LED。在圖3A中展示之實例中，LED係紅色、綠色及藍色的。LED配置成元件10，各元件由LED之一2x2正方形陣列構成，如虛線正方形10中展示。各元件10包含兩個紅色LED 2b、2d、一個綠色LED 2a及一個藍色LED 2c。元件10跨LED陣列重複。LED在此定向中緊密堆積使得在相鄰LED之間無空間。使用LED之此經緊密堆積陣列，無法同時在全部LED上方定位一集光器。

圖11B展示集光器陣列6的一正視圖。在此實施例中，展示集光器6之進一步細節，從而展示集光器係錐形井結構。

圖12A及圖12B展示沿著如圖11A中展示之第一行LED之一切面，使得僅展示紅色LED 2d及綠色LED 2a。展示錐形井結構6之結構。雖然未針對圖4及圖6中展示之實施例展示此等細節，但此等實施例之集光器6亦可係錐形井結構。

如圖12A及圖12B中可見，各錐形井結構6包括在處於接近LED之端處之一入口14與處於在LED遠端之端處之一出口16之間伸展之一導管17。各錐形井結構具有形成錐形井結構6之結構之四個壁18a、18b、18c、18d。錐形井結構之壁係錐形使得出口16之橫截面面積大於入口14之橫截面面積。此實現自LED陣列收集光，從而減小發射角同時增加透射光之面積。錐形井結構之壁18a至18d由玻璃形成且用於將光裝納在錐形井結構6之導管17內。

如上文概述，在圖10中展示之實施例中，集光器(錐形井結構)可相對於LED陣列移動。此展示在圖12A、圖12B及圖13A至圖13D中。如針對其他實施例，各集光器在任何一個時間僅能夠自一單一LED收集光。此之原因展示在圖12A及圖12B中。在圖12A中，錐形井結構6經定位以自綠色LED 2a收集光。在此組態中，錐形井結構6之入口14定位於綠色LED 2a上方使得由錐形井結構6收集綠色光。藉由自錐形井結構6之壁18反射綠色光而將綠色光裝納在錐形井結構內。減小自LED發射光之角度，而歸因於井結構之錐形性質，增加光經發射遍及之面積。在此配置中，錐形井結構之壁定位於紅色LED 2d上方，且在此視圖中未展示其他紅色及藍色LED 2b、2c，使得未收集來自此等LED之光。圖12B展示錐形井結構6相對於LED之一不同定向，其中錐形井結構6經定位以自紅色LED 2d收集光。在此組態中，錐形井結構6之入口14自紅色LED 2d收集光而來自其他LED 2a、2b、2c之光由錐形井結構之壁18阻擋。

圖13A至圖13D展示錐形井結構6相對於LED陣列2之不同位置的正視圖。在圖13A中，集光器定位於綠色LED 2a上方，使得各集光器由來自其相關聯元件10之綠色LED 2a之光照明。此如圖12A中展示。在圖13B中，集光器陣列已沿著平面在+x方向上移動，使得其等現定位於紅色LED 2b上方，使得各元件10之紅色LED 2b照明集光器。在圖13C中，集光器陣列已在平面中在-y方向上移動，使得其等現定位於藍色LED 2c上方，使得各元件10之藍色LED 2c照明集光器。在圖13D中，集光器陣列已在平面中在-x方向上移動，使得其等現定位於紅色LED 2d上方，使得各元件10之紅色LED 2d照明集光器。程序接著針對下一影像圖框再次重複。

當LED之間距(兩個相鄰LED之中心之間之距離)在x及y方向兩者上係3 µm時，集光器之間之間距可係6 µm。因此，集光器之移動在x及y方向上可達3 µm以達成如圖13A至圖13D中展示之移動。

圖13A至圖13D中展示之各位置之間之移動係以快於圖框速率之一速度。事實上，移動速度係圖框速率之四倍以確保集光器針對各圖框在圖13A至圖13D中展示之各位置處。

如圖14中繪示，當集光器配置於圖13A中展示之其中其等經定位以自綠色LED收集光之位置中時，射束角度移位器經組態以引起來自集光器之光之一角度位移以便增加經形成之所得綠色子圖框之解析度。因此，例如，代替在各方向上形成係540個像素之一影像(其將係不使用射束角度移位器之情況)，影像之解析度增加至1080個像素，使得其等於LED陣列2中之LED之數目。此經展示為綠色子圖框30a。

藉由使用射束角度移位器引起圖13A至圖13D中展示之各位置之角度移位，產生四個子圖框，如圖15中展示。子圖框30a係如圖14中展示之綠色子圖框。子圖框30b係在集光器6處於如圖13B中展示之位置中時形成之一紅色子圖框。子圖框30c係在集光器6處於圖13C中展示之位置中時形成之一藍色子圖框。子圖框30d係在集光器處於圖13D中展示之位置中時形成之一紅色子圖框。此等子圖框之各者經組合在一起以形成全色圖框32。子圖框30a至30d之各者及全色圖框32係1080x1080個像素，從而不導致解析度之損失。

現將相對於圖16A至圖16E描述關於角度移位器如何實現解析度之一增加之進一步細節。圖16A展示藉由自三個集光器6發射之光形成的三個像素。例如，當在圖13A及圖14中展示之發射綠色光之位置中時，此可係在頂部列中之前三個集光器。三個像素標記為33a、33b及33c。如上文概述，歸因於LED陣列係2x2且僅2x2 LED之一單一者經收集之事實，此子圖框之解析度在水平維度及垂直維度兩者上係540個像素，而非所要的1080個像素。

LED可藉由提供控制LED以形成影像之信號之一信號處理器(未展示)控制。在圖16A中展示之配置中，最初，待投射影像經大小縮小至540x540個像素，其中各經投射像素表示原始影像之四個像素之一平均值。例如，像素33a係原始影像之4個像素之平均值，33b係原始影像之4個像素之一平均值，且33c係原始影像之4個像素之一平均值。

射束角度移位器12接著引起經投射光橫跨達½像素之一移位，如圖16B中展示，使得光經投射以形成相對於圖16A中之像素經角度移位達½像素的三個像素33a、33b、33c。虛線展示先前投射中光之位置。當投射在圖16B中展示之位置處時，LED由信號處理器控制以投射係基於橫跨移位達1個像素之原始影像之540x540個像素之一第二經大小縮小影像。以此方式，圖16B中之像素33a係原始影像之4個像素之平均值但自向內1個像素開始，即，自原始影像之第二行像素開始。亦相應地移位其他像素33b及33c。

射束角度移位器接著導致光向下達½像素之一移位，如圖16C中展示，使得光經投射以形成相對於圖16B中之像素經向下角度移位達½像素的三個像素33a、33b、33c。當投射在圖16B中展示之位置處時，LED由信號處理器控制以投射係基於橫跨移位達1個像素且向下移位達1個像素之原始影像之540x540個像素之一第三經大小縮小影像。以此方式，圖16C中之像素33a係原始影像之4個像素之平均值但自向內1個像素且向下1個像素開始，即，自原始影像之第二行像素及第二列開始。亦相應地移位其他像素33b及33c。

射束角度移位器接著導致光橫跨達½像素之一移位，如圖16D中展示，使得光經投射以形成相對於圖16C中之像素經橫跨角度移位達½像素的三個像素33a、33b、33c。當投射在圖16C中展示之位置處時，LED由信號處理器控制以投射係基於橫跨向下移位達1個像素之原始影像之540x540個像素之一第四經大小縮小影像。以此方式，圖16D中之像素33a係原始影像之4個像素之平均值但自向下1個像素開始，即，自原始影像之第二列像素開始。亦相應地移位其他像素33b及33c。

圖16E展示自如圖16A至圖16D中展示之此移位產生之影像之一部分。如可見，透過位置上之不同移位之此組合，大大增加影像內之像素35a、35b之數目。藉由針對圖13A至圖13D中展示之各位置實行此等移位之各者，圖框30a、30b、30c及30d之各者經形成以在形成全色1080圖框32之兩個軸上具有一1080解析度。藉此針對各影像圖框如此做，解析度可自540x540增加至1080x1080，從而形成具有此經增加解析度之一全色影像。

上文將如圖16A至圖16D中展示之像素之移位描述為藉由引起像素之一角度移位之射束角度移位器執行。在一替代實施例中，圖16A至圖16D中描述之效應可代替性地透過光之一空間移動而非一角度移位達成。代替具有一射束角度移位器，可使用LED陣列2及集光器6之一移動產生該效應，此係如圖10及圖13A至圖13D中展示之集光器相對於LED之相對移動之補充。例如，LED陣列2及集光器陣列6可安裝於容許兩者相對於投影機鏡頭8在沿著x及y方向上之平面中之移動之一機構上。移動可係與圖16A至圖16D中展示之在+x方向上達½像素(即，準直器之大小之½)、在-y方向上向下達½像素、在-x方向上橫跨達像素之½且接著最後向上返回(在+y方向上之1/2像素)至原始位置之一移動相同。以此方式，形成如圖16A至圖16D中展示之像素。使用當集光器在圖13A至圖13D中展示之各位置中時實行之此移動，可達成如圖15中展示之一全色圖框32。

如在上文之全部實施例中展示之LED可係微LED。歸因於微LED之小大小，此在微型投影機設計中尤其較佳。各典型微型LED可具有小於0.04 mm² 之一面積。然而，在其他配置中，取決於投影機之使用，LED可係標準大小LED。

在上文之描述中，術語圖框用於指代一影像(即，藉由投影機形成之一影像)之一圖框。圖框可由快速連續顯示之一系列子圖框構成，使得圖框對於觀看者似乎為一靜態影像。可以通常稱為圖框速率之一速率及時更新圖框。例如，投影機可操作成以60 Hz之一圖框速率顯示圖框。因此，在其中存在三個子圖框之上文之實施例中，其等可以180 Hz顯示。針對圖4中展示之實施例，LED之移動可以180 Hz。針對圖6中展示之實施例，圖9中之子圖框15a、15b、15c之各者之間之移位可係以180 Hz。針對圖10中展示之實施例，集光器在各位置之間之移動可係240 Hz (此係因為存在四個位置)。光在圖16A至圖16D中展示之位置之間之移位可係以960 Hz。上文係基於60 Hz之一圖框速率，可使用其他圖框速率。

已詳細描述本發明之所述態樣，將明白，進行修改及變動而不脫離如在隨附發明申請專利範圍中界定之本發明之態樣之範疇係可行的。

在關於圖9之上文描述中，經展示，透過在水平方向上橫跨達一個像素之一移位形成子圖框。替代地，移位可係在垂直方向上，此將導致一類似結果。移位可取決於元件及其等各自LED之大小及定向。

上文描述之解析度非限制性，且僅係實例。例如，在描述解析度自640x640增加至1920x1920之情況下，將理解，原始圖框可具有任何解析度且一對應增加將可達成。

將上文之實施例中之集光器描述為錐形井結構。替代地，集光器陣列可係一微透鏡陣列。微透鏡可藉由自LED收集光且減小其等發射之角度而提供與錐形井結構相同之效應。因此，解決朗伯發射之問題。在其他配置中，上文之實施例之投影機可包括微透鏡陣列及錐形井結構陣列兩者。

上文之實施例中展示之LED之色彩係RGB。然而，本發明不限於此且可使用彩色LED之任何組合。例如，LED可係紅色、藍色及黃色的。替代地，在圖11A中，2x2陣列可係綠色、紅色、藍色及白色LED。

另外，各元件不限於具有經展示LED之色彩及數目。例如，圖10中展示之實施例可相等地適用於非2x2之元件。例如，元件可係LED之一3x1陣列，諸如RGB。在此配置中，集光器將僅需要在平面中之一單一方向上(例如，在x方向上)移動。另外，將相應地調整圖16A至圖16B中展示之位置之範圍以確保達成全解析度。

在經展示實施例中，光之位移可透過使用如相對於圖6及圖10描述之一角度移位器(諸如一可移動鏡)達成，或其可係在不使用射束角度移位器之情況下諸如透過如相對於圖10描述之LED及集光器之陣列之移動之光的一空間位移。然而，作為一進一步替代例，位移可藉由成角度移動之一移位板提供。例如，一盤旋板可定位於集光器陣列之後投影機單元之前。透過不同方向上之傾斜而非在投影機鏡頭之後之一射束角度移位器或LED之射束及集光器之移動，板之盤旋可提供光之一運動。替代地，一振盪玻璃楔可用於提供明顯光學運動。光進入玻璃楔且可經折射使得光被引起具有一光學移位。透過此楔之移動，光可以針對上文之實施例描述之方式移動以便提供相同所要效應。在其他配置中，可使用用於引起光之一移位之任何機構。

在圖4中展示之實施例中，在集光器靜態之情況下，LED面板可移動。在其他配置中，其可係其他方式，其中集光器可移動且LED面板係靜態的。然而，此會需要一射束角度移位器或類似機構以便使得藉由移動集光器而形成之子圖框彼此重疊以形成影像。

相對於圖16A至圖16D展示且描述之配置係一個實例。移動可以任何方式達成。另外，經顯示影像之取樣不限於所述方式。

在上文之實施例中，將投影機展示為將一影像投射至一波導中。然而，投影機可用於將一光投射至任何類型之裝置中且至任何類型之顯示器上，其不需要限於一波導。

1:投影機/投影顯示器 2:陣列/LED面板 2a:綠色LED 2b:紅色LED 2c:藍色LED 2d:紅色LED 3:光 6:集光器陣列/集光器 8:投影機鏡頭 10:元件/虛線正方形 12:射束角度移位器 14:入口 15a:子圖框 15b:子圖框 15c:子圖框 16:出口 17:導管 18a:壁 18b:壁 18c:壁 18d:壁 20a:箭頭 20b:箭頭 22:像素 30a:子圖框 30b:子圖框 30c:子圖框 30d:子圖框 32:全色圖框 33a:像素 33b:像素 33c:像素 35a:像素 35b:像素 101:波導 201:使用者

圖1A及圖1B分別係一綠色LED面板的示意性正視圖及側視圖；

圖2A及圖2B分別係一綠色LED面板及對應集光器的示意性正視圖及側視圖；

圖3A及圖3B分別係紅色、綠色及藍色LED之一LED面板及其等對應集光器的示意性正視圖及側視圖；

圖4係根據本發明之一實施例之經展示將一影像投射至一波導中以供一使用者觀看之一投影機的一示意性俯視圖；

圖5A至圖5C係圖4中展示之投影機之LED面板及集光器陣列的正視圖，其展示集光器相對於LED面板之不同位置；

圖5D係由來自圖5A至圖5C中展示之位置之各者之光產生之全色影像圖框的一正視圖；

圖6係根據本發明之一進一步實施例之經展示將一影像投射至一波導中以供一使用者觀看之一投影機的一示意性俯視圖；

圖7係圖6中展示之投影機之LED面板及集光器陣列的一正視圖；

圖8A係展示如何由用於如圖6中展示之投影機之三個不同子圖框形成一全色影像像素的一示意圖；

圖8B係由來自圖8A中展示之三個不同子圖框之光產生之全色影像圖框的一正視圖；

圖9係使用圖6中展示之投影機產生以便產生圖8B中展示之全色影像圖框之三個子圖框之一示意性正視圖；

圖10係根據本發明之一進一步實施例之經展示將一影像投射至一波導中以供一使用者觀看之一投影機之一俯視示意圖；

圖11A係如圖10中展示之投影機之一LED面板之一示意性正視圖；

圖11B係如圖10中展示之投影機之一集光器陣列之一示意性正視圖；

圖12A及圖12B展示LED及集光器的一示意圖，其等展示集光器相對於如圖10中展示之投影機之LED之一不同位置；

圖13A至圖13D展示集光器相對於如圖10中展示之投影機之LED陣列之移動的示意性正視圖；

圖14展示將來自一第一位置之光轉換為具有如圖10中展示之投影機之經增加解析度之一綠色子圖框之射束角度移位器的一示意圖；

圖15展示藉由如圖13A至圖13D中展示之集光器相對於LED陣列之位置之各者形成之子圖框系列及經產生之全色影像圖框的一示意性正視圖；及

圖16A至圖16E展示光之一例示性移位使得可增加藉由圖13A至圖13D中展示之各位置產生的影像之解析度的一示意性正視圖。

2:陣列/LED面板

2a:綠色LED

2b:紅色LED

2c:藍色LED

6:集光器陣列/集光器

10:元件/虛線正方形

Claims

一種用於產生一影像之一圖框之投影機，該投影機包括：一元件陣列，其配置於一平面中，各元件包括具有不同各自色彩之至少三個LED；一集光器結構陣列，各集光器結構經組態以在任何一個時間接收來自一單一LED的光且減小該LED發射光之角度；一投影機單元，其經組態以接收來自該集光器結構陣列的該光且準直該光使得一圖框經形成；其中該圖框係全色的且由組合複數個子圖框形成，該等子圖框透過該元件陣列相對於該集光器結構陣列之一空間移動，使得各集光器結構在各子圖框期間接收來自一不同LED的光，及/或自各LED發射之該光之一位移使得來自各LED之該光照明該圖框之多個像素形成。
如請求項1之投影機，其中該投影機單元包括一光學元件，該光學元件經組態以可調整以引起自各LED發射之該光之該位移使得來自各LED之該光照明該圖框之多個像素。
如請求項1或2之投影機，其中該元件陣列經組態以可移動以提供該元件陣列相對於該集光器結構陣列之該空間移動。
如請求項1或2之投影機，其中該集光器結構陣列經組態以可移動以提供該元件陣列相對於該集光器結構陣列之該空間移動。
如請求項1或2之投影機，其中各子圖框係一單一色彩。
如請求項1或2之投影機，其中各集光器與一單一LED相關聯，使得各子圖框包括該等不同各自色彩之各者。
如請求項6之投影機，其中各LED經組態以照明各子圖框中之一單一像素，其中該光之該移位引起在各子圖框中該待照明單一像素不同。
如請求項1或2之投影機，其中該集光器結構陣列係一微透鏡陣列或一錐形井結構陣列。
如請求項1或2之投影機，其中該至少三個LED包括一紅色LED、一藍色LED及一綠色LED。
如請求項1或2之投影機，其中當各元件包括四個LED時，該等LED在該平面中以一2乘2組態配置。
如請求項1或2之投影機，其中在一第一子圖框中，該至少三個LED之一第一LED照明一第一像素，在一第二子圖框中，該至少三個LED之一第二LED照明該第一像素，且在一第三子圖框中，該至少三個LED之一第三LED照明該第一像素。
如請求項1或2之投影機，其中該等LED係微LED。
一種擴增實境或虛擬實境裝置，其包括如前述請求項中任一項之投影機。
一種投影機顯示系統，其包括：一顯示器，其用於顯示一影像；及如請求項1至12中任一項之投影機。
一種使用一投影機產生一影像之一圖框之方法，該方法包括：自配置於一平面中之一元件陣列發射光，各元件包括具有不同各自色彩之至少三個LED；在一集光器結構陣列處接收自該元件陣列發射之該光，各集光器結構在任何一個時間接收來自一單一LED的光以減小該LED發射光之角度；自一集光器結構陣列發射已在角度上減小之該光；在一投影機單元處接收來自該集光器結構陣列的該光且準直該光使得一圖框經形成；其中該圖框係全色的且由組合複數個子圖框形成，該等子圖框透過該元件陣列相對於該集光器結構陣列之一空間移動，使得各集光器結構在各子圖框期間接收來自一不同LED的光，及/或自各LED發射之該光之一位移使得來自各LED之該光照明該圖框之多個像素形成。