TW202401083A - 顏色混合緊湊型圖像投影儀的均勻性增強 - Google Patents
顏色混合緊湊型圖像投影儀的均勻性增強 Download PDFInfo
- Publication number
- TW202401083A TW202401083A TW112120554A TW112120554A TW202401083A TW 202401083 A TW202401083 A TW 202401083A TW 112120554 A TW112120554 A TW 112120554A TW 112120554 A TW112120554 A TW 112120554A TW 202401083 A TW202401083 A TW 202401083A
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- waveguide
- light
- partially reflective
- interface
- coupling
- Prior art date
Links
- 238000002156 mixing Methods 0.000 title claims description 49
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 51
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 45
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 45
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 45
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 44
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 18
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 12
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 12
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 claims description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 7
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 238000003491 array Methods 0.000 claims 2
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 21
- 230000008569 process Effects 0.000 description 15
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229920006332 epoxy adhesive Polymers 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- 239000004984 smart glass Substances 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 1
- JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N barium titanate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[O-][Ti]([O-])([O-])[O-] JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 210000005069 ears Anatomy 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 210000003128 head Anatomy 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 235000012149 noodles Nutrition 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
-
- 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
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0938—Using specific optical elements
- G02B27/095—Refractive optical elements
- G02B27/0972—Prisms
-
- 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
- G02B27/10—Beam splitting or combining systems
- G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
- G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
- G03B21/14—Details
- G03B21/20—Lamp housings
- G03B21/208—Homogenising, shaping of the illumination light
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
- Devices For Indicating Variable Information By Combining Individual Elements (AREA)
Abstract
光投射系統可以包括用於發射與圖像對應的光的分立光源矩陣。系統還可以包括由透明材料形成並且具有耦入介面和耦出介面的波導，該耦入介面用於將與圖像對應的光耦入到波導中，該耦出介面用於將圖像耦出波導。系統可以包括用於增強光投射系統的顏色均勻性的內部部分反射表面以及一個或更多個部分透鏡。
Description
本發明涉及光學系統，並且具體涉及用於分立光源矩陣緊湊型圖像投影儀的顏色混合的均勻性增強的新技術。
消費者對改進的人機界面的需求導致對高品質圖像頭戴式顯示器(Head-Mounted Display，HMD)或近眼顯示器(通常稱為智能眼鏡)的興趣增加。這些裝置可以提供虛擬實境(Virtual Reality，VR)或增強現實(Augmented Reality，AR)體驗，增強用戶與數位內容和他們的周圍環境交互的方式。
消費者在使用HMD時尋求更好的圖像品質、沉浸式體驗和更大的舒適度。他們期望顯示器具有高解析度、鮮豔的顏色和最小的失真，以創造真實和令人愉快的觀看體驗。此外，由於用戶經常長時間穿戴這些裝置，因此舒適度是關鍵因素。消費者期望輕量、光滑的設計，其在各種場景下不會那麼礙眼並且更方便穿戴。較小的裝置也提供改善的便攜性，使得在不同的環境中更容易攜帶和使用這些裝置。因此，對更高性能但更小且更緊湊的HMD的需求不斷增長。
緊湊型圖像投影儀是頭戴式顯示器(HMD)的重要部件，因為這些緊湊型圖像投影儀顯著影響HMD的性能和形狀因子。一種普遍的緊湊型圖像投影儀是分立光源矩陣投影儀，其採用例如RGB的分立顏色並且將分立顏色融合以嘗試實現期望的色譜。然而，在常規上，分立光源矩陣投影儀並沒有實現最佳的顏色混合，以及/或者需要相對較大的尺寸來在產生輸出光之前充分混合分立顏色。因此，對於通過最佳顏色混合使視覺品質最大化，同時使緊湊型圖像投影
儀的尺寸和重量最小化存在著需求。
本發明內容公開了在增強緊湊型圖像投影儀系統中的顏色混合的同時保持其尺寸相對較小的技術。
光投射系統可以包括用於發射與圖像對應的光的分立光源矩陣。系統還可以包括由透明材料形成並且具有耦入介面和耦出介面的波導，該耦入介面用於將與圖像對應的光耦入到波導中，該耦出介面用於將圖像耦出波導。系統可以包括用於增強光投射系統的顏色均勻性的內部部分反射表面以及一個或更多個部分透鏡。
這種方法在保持系統尺寸相對較小的同時實現了改善的顏色混合。這在有空間限制或者緊湊型系統設計是重要因素的應用中可能是有利的。
結合在說明書中並且構成說明書一部分的圖式示出了各種示例系統、方法等，這些示例系統、方法示出了本發明的各方面的各種示例實施方式。將認識到，圖中所示出的元件邊界(例如，框、框的組或者其他形狀)表示邊界的一個示例。本領域普通技術人員將認識到，可以將一個元件設計為多個元件，或者可以將多個元件設計為一個元件。可以將被示出為另一元件的內部部件的元件實現為外部部件，並且反之，可以將被示出為另一元件的外部部件的元件實現為內部部件。此外，元件可以不按比例繪製。
1:光導光學元件(LOE)
10,20,30,40,50,60,70,80,90:波導
100:近眼顯示裝置
112,77,97:透鏡
116,118:區域
12,14,45,65:面
120:側部
122:控制器
130:緊湊型圖像投影儀/POD
132:分立光源矩陣
134:LCD面板
136:透鏡系統
138:間隔件
16,25:表面(介面)
18:端部
200:示例性方法(過程)
201,202,204,206,208:框
圖1示出了用於近眼顯示器(Near-Eye Display，NED)的示例性光學系統的示意圖。
圖2是用於圖1的NED的示例性投影光學裝置(Projecting Optical Device，POD)的示意性俯視圖。
圖2A示出了用於圖2的POD的波導的立體圖。
圖2B示出了示例性波導，其包括沿波導的長度延伸的內部部分反射表面或介面。
圖2C示出了圖2A和圖2B的波導的顏色混合圖表。
圖3A示出了用於圖2的POD的波導的立體圖。
圖3B示出了示例性波導，其包括沿波導的長度延伸的內部部分反射表面或介面。
圖3C示出了圖3A和圖3B的波導的顏色混合圖表。
圖4A示出了具有圓形截面的波導。
圖4B示出了具有圓形截面的波導，該波導包括沿波導的長度延伸的內部部分反射表面或介面。
圖4C示出了圖4A和圖4B的波導的顏色混合圖表。
圖5A示出了具有與圖2A的波導類似的構造的波導，該波導包括耦入介面處的部分透鏡。
圖5B至圖5D示出了用於正方形截面波導的部分透鏡。
圖5E和圖5F示出了圓柱體波導的部分透鏡。
圖5G示出了圖5A的波導的顏色混合圖表。
圖6A示出了具有耦入介面處的部分透鏡和沿波導的部分反射表面二者的波導。
圖6B示出了圖6A的波導的顏色混合圖表。
圖7A示出了具有耦入介面處的部分透鏡和沿波導的部分反射表面二者的矩形波導。
圖7B示出了圖7A的波導的顏色混合圖表。
圖8示出了用於顏色混合波導的均勻性增強的示例性方法的流程圖。
本發明的某些實施方式提供了光投射系統和光學系統，以用於實現例如可以是虛擬實境或增強現實顯示器的頭戴式顯示器(HMD)或近眼顯示器(通常稱為智能眼鏡)的光學孔徑擴展。消費者對更好和更舒適的人機界面的需求刺激了對更好的圖像品質和更小的裝置的需求。
緊湊型圖像投影儀是頭戴式顯示器的重要部件，因為這些緊湊型圖像投影儀顯著影響頭戴式顯示器的性能和形狀因子。一種普遍的緊湊型圖像投
影儀是分立光源矩陣投影儀，其採用例如RGB的分立顏色並且嘗試將分立顏色融合以實現期望的色譜。然而，在常規上，分立光源矩陣投影儀並沒有實現最佳的顏色混合，以及/或者需要相對較大的尺寸來在產生輸出光之前充分混合分立顏色。
在一個實施方式中，在分立光源矩陣與緊湊型圖像投影儀的輸出端之間插入波導改善顏色混合。波導接收由獨立的發光元件(例如發光二極體(Light Emitting Diode，LED))發射的分立顏色(例如RGB)，並且沿其長度引導分立顏色。在波導的端表面處，混合和融合的顏色被組合以產生視覺上均勻的輸出。
在常規上，在其他條件相同的情況下，波導越長，顏色混合越好。較長的波導提供較好的顏色混合，並且因此，圖像品質較好。不幸的是，較長的波導也會增加系統的整體尺寸。
在一個實施方式中，在波導中插入部分反射介面會改善顏色混合，並且減少波導的所需長度。這種方法利用介面的反射特性來增強波導內不同顏色的光之間的相互作用。當光遇到部分反射介面時，一部分光被反射回到波導，而其餘的光繼續傳播穿過波導。通過策略性地在波導內放置該介面，反射的光可以被重定向回到波導，從而使得其能夠與其他顏色進一步相互作用。引入部分反射介面可以增加光在波導內的光程長度，從而有效地延長混合距離。這導致即使在波導的較短物理長度內也能改善顏色混合。
介面的反射特性(例如反射率和透射率)可以被仔細調整，以實現所需水準的顏色混合。部分反射介面的最佳設計參數(包括材料特性和在波導內的定位)可以通過模擬或實驗優化來確定。
這種方法有效地減少了波導的所需長度，同時仍能實現有效的顏色混合。這在空間限制或者緊湊的系統設計是重要因素的應用中可能是有利的。
在另一實施方式中，在投影儀的波導的入口處使用部分透鏡改善波導顏色混合的性能。通過使用部分透鏡覆蓋波導光輸入區域的一部分，可以以稍微不同的角度將從分立顏色投影儀的不同區域發射的光線引導到波導中。這可
能有助於增強波導內的顏色的混合。
一個或多個部分透鏡可以被定位在分立光源矩陣與波導之間的波導的入口處，覆蓋例如波導光輸入區域的50%。部分透鏡可以具有改變光線的方向性的彎曲形狀或者特定表面特徵。一個或多個部分透鏡重定向從波導光輸入區域的覆蓋部分發出的光線。與不穿過部分透鏡而直接進入波導的光線相比，這些重定向的光線以稍微不同的角度進入波導。通過將不同角度的光線引入波導，改善了波導內的顏色的相互作用和混合。變化的角度實現光波的更高效交疊和相互作用，從而導致增強的顏色融合和混合。
使用一個或多個部分透鏡優化光從顏色序列投影儀到波導的耦入，從而在較短的長度上提高顏色混合的效率。這有助於將來自投影儀的不同區域的光跨波導分佈，從而促進顏色的更好的整合。
本發明的某些實施方式提供了用於實現光學孔徑擴展的光學系統，以用於平視顯示器，並且最優選地為可以是虛擬實境顯示器或者增強現實顯示器的近眼顯示器的目的。
圖1示出了根據本發明的實施方式的教導的總體上標記為近眼顯示裝置100的近眼顯示裝置的示例性實現方式，該近眼顯示裝置採用光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)1。近眼顯示裝置100採用被光學地耦合以將圖像注入到LOE 1中的緊湊型圖像投影儀(或者“POD”)130，在LOE 1內，圖像光通過一組平面外表面(“主表面”)處的全內反射被捕獲在一個維度。這裡近眼顯示裝置100僅作為示例提供，並且本文公開的發明技術不限於這樣的裝置、採用部分反射小表面的裝置等。
在LOE 1內，通過用於對圖像照射進行逐漸地重定向的一個或更多個佈置來實現來自POD 130的光的光學孔徑擴展，該佈置通常採用一組部分反射表面(可互換地稱為“小平面”)，這些小平面相互平行並且相對於圖像光的傳播的方向斜向傾斜，其中每個相繼的小平面都將一部分圖像光偏轉到偏轉方向。對於一維孔徑擴展，小平面還將圖像光朝向用戶的眼睛耦出。在一些情況下，如此處所示，通過在LOE 1的區域116中採用第一組小平面以逐漸地重定向LOE
內的圖像照射，還通過全內反射來捕獲/引導該圖像照射，從而實現二維孔徑擴展。然後，經偏轉的圖像照射進入到LOE 1的第二基板區域118中，該第二基板區域118可以實現為相鄰的不同基板或者實現為單個基板的延續，在該第二基板區域118中，耦出佈置(例如，另一組部分反射小平面)逐漸地將圖像照射的一部分朝向位於被限定為眼動箱(Eye-Motion Box，EMB)的區域內的觀察者的眼睛耦出，從而實現第二維度的光學孔徑擴展。使用衍射光學元件(Diffractive Optical Element，DOE)來在區域116和區域118中的一者或二者內重定向和/或耦出圖像照射，可以獲得類似的功能。儘管下面的文本和數字著眼於嵌入式折射光學元件而不是衍射式光學元件，但是本發明同樣適用於基於衍射或折射嵌入式元件的近眼顯示器。
整個裝置可以針對每隻眼睛分別來實現，並且優選地，整個裝置相對於用戶的頭部被支承，其中每個POD 130和LOE 1為用戶的對應眼睛服務。在這裡示出的一個特別優選的選項中，支承佈置被實現為面部安裝的一組透鏡(例如，Rx透鏡、太陽鏡等，在本文中通俗地稱為“眼鏡”)，其具有：透鏡112以及框架，POD 130和LOE 1可操作地連接至該透鏡112，該框架具有用於相對於用戶的耳朵支承該裝置的側部120。也可以使用其他形式的支承佈置，包括但不限於頭帶、面罩或者懸掛在頭盔上的裝置。
近眼顯示器100可以包括各種附加部件，通常包括用於致動POD 130的控制器122，該控制器122通常採用來自小型板載電池(未示出)或一些其他合適的電源的電力。控制器122可以包括所有必要的電子部件，例如用於驅動圖像投影儀的至少一個處理器或處理電路。
圖2是示例性POD 130的簡化示意性俯視圖。示出的POD 130的元件沒有按比例顯示。如上所述，近眼顯示裝置100採用被光學耦合以將圖像注入到LOE 1中的緊湊型圖像投影儀或者POD 130。在本發明的實施方式中，POD 130包括分立光源矩陣132。分立光源矩陣是指單獨的光源以網格或矩陣圖案佈置的構造。矩陣內的每個光源都獨立發光，並且可以單獨控制。在一個示例中，分立光源矩陣是指投影系統，該投影系統利用以矩陣形式佈置的單獨的光源(例如發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)或鐳射二極體)的陣列。每個
光源對應於特定的顏色通道，通常是紅色(red，R)、綠色(green，G)和藍色(blue，B)，以用於RGB顏色再現，如圖2所示。通過控制矩陣內的每個單獨的光源的強度，可以實現不同的顏色和強度。這允許精確的顏色控制和寬範圍的顏色和色調的創建。
這樣的包括分立光源矩陣132的緊湊型圖像投影儀130的一個示例是包括LED(例如RGB)作為光源的矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)系統。在該特定的LCoS系統中，光路從作為主光源的高強度LED的分立光源矩陣132開始。
在圖2的所圖示實施方式中，POD 130還包括如下面參照圖7A更詳細描述的波導90。在分立光源矩陣132前面插入波導90會改善顏色混合。波導90可以接收分立顏色(例如RGB)，例如由分立光源矩陣132的獨立發光元件(例如LED)發射的顏色，並且沿其長度引導分立顏色。
液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)面板本身可以由具有微小濾波器的陣列的表面構成。每個過波器對應於最終圖像中的像素或子像素。LCD面板的調製元件是放置在交叉偏振器之間的LCD面板134的液晶材料層。
當分立光源矩陣132的LED發光時，光穿過波導90並且到達LCD面板134。液晶層選擇性地控制透射的光的量。通過調整液晶分子的取向，偏振器吸收光，從而允許對每個像素的光強度和顏色的精確控制。
來自LCD面板134的調製光然後穿過投影透鏡系統136，該投影透鏡系統136聚焦並且投射光，從而形成最終投射圖像。透鏡系統136可以通過使發散的光線折射來使光線準直以變得平行並且聚焦在無限遠處。透鏡系統136還可以提供任何必要的光學校正，以確保清晰和準確的投射。在圖2的所圖示實施方式中，POD 130還包括LCD面板134與透鏡系統136之間的透明(例如，玻璃)間隔件138。
POD 130可以對應於除了LCD之外的投影儀，以及/或者分立光源矩陣132可以對應於其他類型的微型顯示器。例如，許多LCoS和數位光處理(Digital Light Processing，DLP)投影儀採用色序(color sequential)技術。這些
替選系統可以被定義為分立光源矩陣系統，並且也可以受益於本文所公開的技術。
在圖2的所圖示實施方式中，POD 130包括如下面詳細描述的內部部分反射表面45和部分透鏡97。
圖2A示出了類似於圖2的波導90的可以形成POD 130的一部分的示例性波導10。波導10可以由透明材料形成，並且具有用於支援光沿波導10的長度的傳播的至少兩個的主外表面12、主外表面14。波導10還具有用於將圖像耦入到波導10中的耦入介面16。在圖2A的示例中，作為示例，波導10具有2mm×2mm的正方形截面。
在圖2A的所圖示實施方式中，圖2的POD 130的分立光源矩陣132對應於四元2×2 LED陣列。作為示例，波導的入口尺寸是2mm×2mm，其中每個分立LED是1mm×1mm。來自分立光源矩陣132的光通過耦入介面16被引入到波導10中，從而產生圖示的順序為GB：RG(第一行：綠色，藍色；第二行：紅色，綠色)的耦入圖案。
圖2C示出了在波導10的端部18處檢測到的根據波導10的長度變化的顏色分佈。為了圖示的目的(這裡沒有再現顏色的能力)，將顏色示出為灰色的色調。顏色的增加的均勻性對應於在波導10的端部18處的增加的消色差，而增加的對比度對應於在端部18處的增加的色度。
從圖2C可以看出，波導10沿光行進的總體方向的長度在顏色混合過程中起作用。與較短的波導10(2.5mm)相比，較長的波導10(5mm)為各個顏色提供了更多的相互作用和混合的機會，從而產生更均勻和融合的輸出。與較短的波導10(2.5mm和5mm)相比，更長的波導10(10mm)為各個顏色提供更加多的相互作用和混合的機會，從而產生更均勻和融合的輸出。
圖2B示出了示例性波導20，波導20與波導10類似，不同之處在於波導20包括沿波導20的長度(光行進的總體方向)延伸的內部部分反射表面或介面25。在圖2B的所圖示實施方式中，介面25被放置為斜於波導20的正方形截面(垂直於長度的截面)的平面。在圖示實施方式中，介面25被橫向
於兩個G(綠色)LED斜地設置。
表面25可以塗覆有部分反射塗層。本實施方式假設如下的反射塗層，使得對於所有波長和所有角度，表面25都反射入射在其上的光的50%。舉例來說，這可以通過使用兩個棱鏡形成波導20來實現，每個棱鏡都具有三角形截面和波導20的長度。一個或兩個棱鏡的介面表面可以塗覆有部分反射塗層。然後，這兩個棱鏡可以被黏合在一起，使得兩個棱鏡之間的介面對應於內部部分反射表面25。
圖2C示出了在包括內部部分反射表面25的波導20的端部18處檢測到的根據波導20的長度變化的顏色分佈。從圖2C可以看出，顏色混合從波導10到波導20由於波導20具有部分反射表面25而得以改善。
對於所有波長和角度具有相同反射率的理想塗層可能難以實現。然而，還可以通過在表面25上使用高折射率膠層來改善混合。例如，如上所述，這可以通過使用兩個棱鏡形成波導20來實現，每個棱鏡都具有三角形截面和波導20的長度。可以使用高折射率膠將這兩個棱鏡黏合在一起，使得兩個棱鏡之間的介面對應於內部部分反射表面25。高折射率膠或黏合劑的一個示例是含有高折射率顆粒或者添加劑的環氧基黏合劑。這些添加劑通常是具有高折射率的材料例如二氧化鈦(TiO2，titanium dioxide)或者鈦酸鋇(BaTiO3，barium titanate)的細顆粒。當與環氧樹脂黏合劑混合時，這些高折射率顆粒或者添加劑將環氧樹脂黏合劑的折射率增大到高於棱鏡的表面的折射率。
雖然圖2B公開了沿波導20的正方形截面的對角線定位的部分反射表面25，但是還可以考慮具有不同幾何形狀的表面和截面的其他實施方式。例如，對於其中出口端部18的面具有與入口端部16的面不同尺寸的截面的逐漸變細的波導，可以實現類似的結果。
圖3A、圖3B和圖3C示出了類似的構造，不同之處在於POD 130的波導30具有矩形截面。在該實施方式中，如圖3A所示，POD 130的分立光源矩陣132包含BGR：RGB格式的3×2佈置的LED。作為示例，截面為3mm×2mm。在圖3B中，波導40包括沿中央G LED的對角線設置的部分反射表面45
(類似於表面25)。內部的部分反射表面45將矩形截面劃分為兩個相等的梯形。圖3C示出了內部部分反射表面45的效果。從圖3C可以看出，顏色混合隨著波導30、波導40的長度而改善，並且重要的是，顏色混合隨著在波導40中包括內部部分反射表面45而改善。
圖4A和圖4B示出了用於改善顏色混合的應用於具有圓形截面的波導的類似原理。雖然正方形和矩形截面的波導更常用，但是圓形波導在某些場景下也有其自己的應用和優勢。
在圖4A和圖4B中，四元LED的陣列形式的分立光源矩陣132被引入，以將光照在波導50即圓形截面的波導的輸入表面16上。圓形截面可以被設置成使得圓正好內接四元陣列。例如，如果正方形邊量度為1mm，則圓直徑Φ等於
。對於波導60，引入了部分反射表面65，將GB：RG陣列在G處劃分為兩組3個LED。這裡再次假設塗層對所有角度和波長都反射光的50%。從圖4C可以看出，顏色混合隨著波導50、波導60的長度而改善，並且重要的是，顏色混合隨著在波導60中包括內部部分反射表面65而改善。
除了上述部分反射表面之外，部分透鏡也可以用於改善POD 130的顏色混合性能。部分透鏡對應於小於波導的輸入表面或整個耦入介面16。例如，部分透鏡可以對應於耦入介面16的區域的25%至75%。
圖5A示出了具有與圖2A的波導10類似構造的波導70，不同之處在於，波導70在耦入介面16即波導70的光入口處包括部分透鏡77。在圖5A的所圖示實施方式中，圖2的分立光源矩陣132對應於四元2×2LED陣列。來自分立光源矩陣132的光通過耦入介面16被引入到波導70中，從而產生GB：RG(第一行：綠色，藍色；第二行：紅色，綠色)順序的耦入圖案，如圖2A所示。然而，圖5A的實施方式包括部分透鏡77。
在所圖示實施方式中，透鏡77具有環形截面，覆蓋了波導70的耦入介面16的區域的50%。外圓的直徑與耦入介面16的寬度/高度(四元LED陣列的寬度/高度)相同，並且內圓(其處沒有透鏡77)的直徑約為整個寬度/高度的0.6。因此，透鏡77覆蓋了耦入介面16的區域的50%。
透鏡77以這樣的方式分離由分立光源矩陣132照射的光：使得光的50%將被透鏡折射以被集中在與未被透鏡折射的光相對的位置，並且因此，混合改善。這樣的50%分離可以通過如下透鏡來實現：如圖5B所示的具有環形截面的透鏡；具有如圖5C的部分填充區域所示的與內圓交疊(區域的50%)的截面的透鏡；或者具有如圖5D所示的部分填充正方形截面的透鏡。
圖5E示出了環形50%部分透鏡，並且圖5F示出了用於圓柱體波導的正方形50%部分透鏡。這些部分透鏡可以是部分圓柱體透鏡，其平坦的表面抵靠著波導的耦入介面16來設置。
如上所述，使用部分透鏡以與內部部分表面類似的方式對顏色混合做出貢獻。圖5G示出了與波導10相比，在包括部分透鏡77的波導70的端部18處檢測到的根據波導70的長度變化的顏色分佈。從圖5G可以看出，顏色混合從波導10到波導70由於波導70具有部分透鏡77而得以改善。
圖6A示出了具有耦入介面16處的部分透鏡77和沿波導80的部分反射表面25二者的波導80。圖6B中示出了顏色混合結果。圖6B示出了在沒有通過部分透鏡或部分反射表面混合的情況下(波導10)的顏色分佈與在通過高折射率(例如1.7；阿貝數(Abbe)=30)的內部表面25和50%部分透鏡77混合的情況下(波導80)的顏色分佈的對比。如圖6B所示，相對於可比較長度(例如10mm)的結果幾乎是理想均勻的，這對應於幾乎完美的白色。
圖7A示出了圖2的矩形波導90，其具有耦入介面16處的兩個部分透鏡97以及沿波導90的部分反射表面45。按照3×2 RGB：BGR陣列的六元LED分立光源矩陣132的相同邏輯，可以在一半LED區域(耦入介面16的區域)上引入一組兩個圓柱體透鏡97。透鏡97被定位成使得透鏡97與一半BR LED和RB LED以及四分之一GG LED交疊。透鏡97可以是半圓柱體，其具有以下能力：沿水平方向將GG LED光朝向RB LED折射，並且反之亦然。使用半圓柱體透鏡而不是半球形透鏡可能有更好的混合效果。然而，也應當考慮半球形透鏡，因為半球形透鏡也可以產生對現有技術的改善。透鏡97的確切焦距可能需要隨著波導90的確切長度而改變。如圖7A所示，部分圓柱體透鏡97可以被引入在波導90前面，同時內部部分反射表面45也被引入波導90。
圖7B中示出了顏色混合結果。圖7B示出了在沒有通過部分透鏡或部分反射表面混合的情況下(波導10)的顏色分佈與通過高折射率(例如1.7；阿貝數(Abbe)=30)的內部表面45和50%部分透鏡97(曲率半徑為1.5mm，圓錐常數為零，並且尺寸為H=1mm和W=0.375mm)混合的情況下(波導90)的顏色分佈的比較。如圖7B所示，相對於可比較長度(例如10mm)的結果幾乎是理想均勻的，這對應於幾乎完美的白色。
參照圖8的流程圖可以更好地理解示例性方法。儘管出於簡化說明的目的，所示出的方法被示出並且描述為一系列框，但是應當認識到，這些方法不受框的順序的限制，因為一些框可以以與示出和描述的順序不同的順序進行或者與其他框同時進行。此外，實現示例性方法可能需要少於所有示出的框。此外，附加方法、替選方法或二者都可以採用未示出的附加框。
在流程圖中，框表示可以用邏輯實現的“處理框”。處理框可以表示方法步驟或者用於執行方法步驟的裝置元件。流程圖並未描繪用於任何特定程式設計語言、方法或樣式(例如，過程式、物件導向)的語法。而是，流程圖示出了本領域技術人員可以用於開發邏輯以執行所示出的處理的功能信息。將認識到，在一些示例中，未示出諸如臨時變數、常式迴圈等的程式元素。還將認識到，電子和軟體應用可能涉及動態和靈活的過程，使得所示出的框可以以不同於所示出的序列的其他序列來執行，或者這些框可以被組合或分離成多個部件。將認識到，可以使用諸如機器語言、過程式、物件導向或人工智能技術的各種程式設計方法來實現這些過程。
圖8示出了用於示例性方法200的流程圖。如圖8所示，過程200可以包括：提供用於發射與圖像對應的光的分立光源矩陣(框201)。過程200還可以包括：提供波導，該波導具有用於將與圖像對應的光耦入到波導中的耦入介面、波導內的內部部分反射介面或者在波導的輸入端處的一個或多個部分透鏡(框202)。同樣如圖8所示，過程200可以包括：將分立光源矩陣定位成與波導的耦入介面進行光通信(框204)。
如圖8還示出的，在第一實施方式中，過程200可以包括：從內部部分反射介面反射由分立光源矩陣發射的光的第一部分，並且使由分立光源矩
陣發射的光的第二部分透射穿過內部部分反射介面，以改善顏色混合(框206)。
在第二實施方式中，單獨地或與第一實施方式相結合地，過程200包括：使用一個或更多個透鏡來分離由分立光源矩陣輸出的光，以使得光的25%至75%被一個或更多個透鏡折射以被集中在與未被一個或更多個透鏡折射的光相對的位置(框208)。
在第三實施方式中，單獨地或與第一實施方式或第二實施方式相結合地，投影儀的分立光源矩陣部件選自具有以下項的組：數位光處理(Digital Light Processing，DLP)投影儀、LCD或者LCoS(Liquid Crystal on Silicon，矽基液晶)投影儀和LED陣列。
在第四實施方式中，單獨地或與第一實施方式至第三實施方式中的一個或更多個相結合地，內部部分反射介面塗覆有部分反射塗層以及/或者包括高折射率膠。
在第五實施方式中，單獨地或與第一實施方式至第四實施方式中的一個或更多個相結合地，波導是具有圓形截面的圓柱體，並且內部部分反射介面被定位成劃分圓形截面。
儘管圖8示出了過程200的示例框，但是在一些實施方式中，與圖8中所描繪的框相比，過程200可以包括附加的框、更少的框、不同的框或者不同佈置的框。圖1示出了用於近眼顯示器(Near-Eye Display，NED)的示例性光學系統的示意圖。另外地或替選地，可以並行地執行過程200的框中的兩個或更多個框。
定義
下面包括本文所採用的所選術語的定義。該定義包括落入術語範圍內並且可以用於實現方式的部件的各種示例或形式。示例不旨在是限制性的。術語的單數形式和複數形式二者均可以在定義內。
“可操作連接”或實體通過其“可操作地連接”的連接是其中可以發送或接收信號、物理通信或邏輯通信的連接。通常，可操作連接包括物理介面、電介面或資料介面，但是應當注意，可操作連接可以包括足以允許可操作控制的
這些或其他類型連接的不同組合。例如，兩個實體可以通過能夠彼此直接或通過一個或更多個中間實體(如處理器、作業系統、邏輯、軟體或其他實體)傳送信號來可操作地連接。邏輯或物理通信通道可以用來創建可操作連接。
就在具體實施方式或請求項中採用術語“包括(includes)”或“包含(including)”而言，其旨在以與將術語“包括(comprising)”用作請求項中的過渡詞的情況下解釋該術語“包括(comprising)”時類似的方式為包括性的。此外，就在具體實施方式或請求項中採用術語“或”(例如，A或B)而言，其旨在意指“A或B或二者”。當申請人旨在指示“僅A或B而非二者”時，則將採用術語“僅A或B而非二者”。因此，本文中術語“或”的使用是包括性的，而不是排他性的使用。參見Bryan A.Garner的現代法律用法詞典624(A Dictionary of Modern Legal Usage 624)(1995年第二版)。
儘管已經通過描述示例示出了示例系統、方法等，並且儘管已經相當詳細地描述了示例，但是申請人的意圖不是限制或以任何方式將範圍限制為這樣的細節。當然，為了描述本文所描述的系統、方法等，不可能描述部件或方法的每個可想到的組合。另外的優點和修改對本領域技術人員將是明顯的。因此，本發明不限於所示出和描述的具體細節、代表性裝置和說明性示例。因此，本發明旨在包含落入所附請求項的範圍內的變更、修改和變型。此外，先前的描述並不意指限制本發明的範圍。而是，本發明的範圍由所附請求項及其等同方案來確定。
200:示例性方法(過程)
201,202,204,206,208:框
Claims (20)
- 一種用於顏色混合的均勻性增強的光投射系統，包括：分立光源矩陣，用於發射與圖像對應的光；波導，所述波導由透明材料形成並且具有耦入介面和耦出介面，所述耦入介面用於將與所述圖像對應的所述光耦入到所述波導中，所述耦出介面用於將所述圖像耦出所述波導；內部部分反射表面，被設置在所述波導中沿所述波導的長度延伸，所述內部部分反射表面被定位成斜跨與所述波導的長度垂直的截面；以及一個或更多個部分透鏡，被設置在所述分立光源矩陣與所述耦入介面之間，所述一個或更多個部分透鏡覆蓋所述分立光源矩陣的區域或所述耦入介面的區域的僅25%至75%。
- 如請求項1所述的光投射系統，其中，所述內部部分反射表面塗覆有部分反射塗層或者對應於高折射率材料。
- 如請求項1所述的光投射系統，其中，所述內部部分反射表面包括具有反射塗層的塗覆表面，所述塗覆表面對於所有波長和入射角反射所述光的約50%。
- 如請求項1所述的光投射系統，所述波導包括兩個棱鏡，每個棱鏡具有三角形截面，所述兩個棱鏡被黏合在一起，所述兩個棱鏡之間的介面對應於所述內部部分反射表面。
- 如請求項1所述的光投射系統，所述光投射系統對應於投影儀，所述投影儀選自包括以下的組：數位光處理(DLP)投影儀、LCD(液晶顯示器)、LCoS(矽基液晶)投影儀和LED陣列。
- 一種用於顏色混合的均勻性增強的光投射系統，包括：分立光源矩陣，用於發射與圖像對應的光；波導，所述波導由透明材料形成並且具有耦入介面和耦出介面，所述耦入介 面用於將與所述圖像對應的所述光耦入到所述波導中，所述耦出介面用於將所述圖像耦出所述波導；以及內部部分反射表面，被設置在所述波導中沿所述波導的長度延伸，所述內部部分反射表面被定位成斜跨與所述波導的長度垂直的截面。
- 如請求項6所述的光投射系統，其中，所述內部部分反射表面塗覆有部分反射塗層或者對應於高折射率材料。
- 如請求項6所述的光投射系統，其中，所述內部部分反射表面包括具有反射塗層的塗覆表面，所述塗覆表面對於所有波長和角度反射所述光的約50%。
- 如請求項6所述的光投射系統，所述波導包括兩個棱鏡，每個棱鏡具有三角形截面，所述兩個棱鏡被黏合在一起，所述兩個棱鏡之間的介面對應於所述內部部分反射表面。
- 如請求項6所述的光投射系統，其中，所述波導逐漸變細，具有不同尺寸的截面，並且所述內部部分反射表面被斜地定位。
- 一種用於顏色混合的均勻性增強的光投射系統，包括：分立光源矩陣，用於發射與圖像對應的光；波導，所述波導由透明材料形成並且具有耦入介面和耦出介面，所述耦入介面用於將與所述圖像對應的所述光耦入到所述波導中，所述耦出介面用於將所述圖像耦出所述波導；以及一個或更多個部分透鏡，被設置在所述分立光源矩陣與所述耦入介面之間，所述一個或更多個部分透鏡覆蓋a)所述耦入介面的區域的25%至75%或者b)所述分立光源矩陣的輸出區域的25%至75%。
- 如請求項11所述的光投射系統，其中，所述波導是具有圓形截面的圓柱體，並且所述內部部分反射表面被定位成劃分所述圓形截面。
- 如請求項11所述的光投射系統，其中，所述波導是圓柱體，並且所述一個或更多個部分透鏡具有環形截面。
- 如請求項11所述的光投射系統，其中，所述內部部分反射表面塗覆有部分反射塗層以及/或者包括高折射率膠。
- 如請求項11所述的光投射系統，所述分立光源矩陣對應於投影儀，所述投影儀選自包括以下的組：數位光處理(DLP)投影儀、LCD、LCoS(矽基液晶)投影儀和LED陣列。
- 一種用於增強緊湊型光投影儀的顏色均勻性的方法，包括：提供用於發射與圖像對應的光的分立光源矩陣；提供具有矩形或圓形截面的波導，所述波導具有用於將與所述圖像對應的光耦入到所述波導中的耦入介面以及所述波導內的內部部分反射介面；將所述分立光源矩陣定位成與所述波導的耦入介面進行光通信；以及從所述內部部分反射介面反射由所述分立光源矩陣發射的所述光的第一部分，並且使由所述分立光源矩陣發射的所述光的第二部分透射穿過所述內部部分反射介面，以改善所述緊湊型光投影儀的輸出的顏色混合。
- 如請求項16所述的方法，包括：使用一個或更多個透鏡來分離由所述分立光源矩陣輸出的所述光，以使得所述光的50%被所述一個或更多個透鏡折射以被集中在與未被所述一個或更多個透鏡折射的光相對的位置。
- 如請求項16所述的方法，其中，所述緊湊型光投影儀選自包括以下的組：數位光處理(DLP)投影儀、LCD、LCoS(矽基液晶)投影儀和LED陣列。
- 如請求項16所述的方法，其中，所述內部部分反射介面塗覆有部分反射塗層以及/或者包括高折射率膠。
- 如請求項16所述的方法，其中，所述波導是具有圓形截面的圓柱體，並且所述內部部分反射介面被定位成劃分所述圓形截面。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202263347595P | 2022-06-01 | 2022-06-01 | |
| US63/347,595 | 2022-06-01 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202401083A true TW202401083A (zh) | 2024-01-01 |
Family
ID=89025572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW112120554A TW202401083A (zh) | 2022-06-01 | 2023-06-01 | 顏色混合緊湊型圖像投影儀的均勻性增強 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TW202401083A (zh) |
| WO (1) | WO2023235687A1 (zh) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108445573B (zh) * | 2017-02-16 | 2023-06-30 | 中强光电股份有限公司 | 光波导元件以及显示装置 |
| CA3100472C (en) * | 2018-05-23 | 2023-05-16 | Lumus Ltd. | Optical system including light-guide optical element with partially-reflective internal surfaces |
| EP3891551A4 (en) * | 2019-01-09 | 2022-12-07 | Vuzix Corporation | VIEW COLOR CORRECTION FOR VIRTUAL IMAGES OF NEAR-EYES |
| CN114026483A (zh) * | 2019-02-22 | 2022-02-08 | 石井房雄 | 一种带小型均质机的显像设备 |
| CN112637576B (zh) * | 2020-12-15 | 2024-06-28 | 青岛海信激光显示股份有限公司 | 投影设备以及投影控制方法 |
-
2023
- 2023-05-29 WO PCT/US2023/067591 patent/WO2023235687A1/en active Application Filing
- 2023-06-01 TW TW112120554A patent/TW202401083A/zh unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023235687A1 (en) | 2023-12-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108369300B (zh) | 使用具有相应不同的发射峰值的多个不同的窄带光进行成像的系统和方法 | |
| JP2022160457A (ja) | ウェアラブルディスプレイのための照明装置 | |
| US7710655B2 (en) | Display with image-guiding substrate | |
| US7542209B2 (en) | Compact head mounted display devices with tilted/decentered lens element | |
| US7450310B2 (en) | Head mounted display devices | |
| US7206133B2 (en) | Light distribution apparatus and methods for illuminating optical systems | |
| US7360899B2 (en) | Beamsplitting structures and methods in optical systems | |
| US20070177275A1 (en) | Personal Display Using an Off-Axis Illuminator | |
| US20050013005A1 (en) | Optical combiner designs and head mounted displays | |
| TW201937230A (zh) | 多光束元件式近眼顯示器、系統、與方法 | |
| US10754162B2 (en) | Projection apparatus and head-mounted display device | |
| US20220043267A1 (en) | Head-mounted display with narrow angle backlight | |
| JP7018961B2 (ja) | ディスプレイを備えた電子デバイス用光学システム | |
| US20230061564A1 (en) | Optical Waveguide System and Near-eye Display | |
| EP3968080A1 (en) | Head-mounted display | |
| CN114967160B (zh) | 投影显示组件和增强现实显示设备 | |
| US20230044063A1 (en) | Ar headset with an improved displa | |
| US12078809B2 (en) | Augmented reality display device | |
| JP2001305477A (ja) | 虚像表示装置 | |
| TW202401083A (zh) | 顏色混合緊湊型圖像投影儀的均勻性增強 | |
| CN118974641A (zh) | 颜色混合紧凑型图像投影仪的均匀性增强 | |
| CN115079410B (zh) | 显示模组及显示装置 | |
| TW202427010A (zh) | 分束器和耦合棱鏡裝置 | |
| TW202223445A (zh) | 用於補償色差的光學元件 | |
| KR20240046495A (ko) | 안경에 대한 디스플레이 시스템 |