TWI696850B - 光投射器 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種用於一擴增實境頭戴式耳機之光投射器(2；102)。該光投射器包含：一影像產生器(4；104)，其經組態以使用非偏振光來提供一影像；及一分束器(6；106)，其經組態以自該影像產生器接收非偏振光且將其分成一第一路徑及一第二路徑。一第一光學配置經組態以在該第一路徑中自該分束器接收光，使得光被反射、聚焦及朝向該分束器導回。一第二光學配置經組態以在該第二路徑中自該分束器接收光，使得光被反射、聚焦及朝向該分束器導回，其中該第一光學配置及該第二光學配置分別包括第一鏡及第二鏡(12、22；112、122)。該分束器經組態以接收及組合來自該第一光學配置及該第二光學配置之光，使得非偏振之該組合光提供至一出射光瞳，且該第一光學配置及該第二光學配置相對於彼此成角度，使得來自該第一路徑之該影像與來自該第二路徑之該影像對準。

Description

光投射器

本發明係關於一種光投射器，特定言之，一種用於擴增實境或虛擬實境應用之光投射器。

在一擴增實境頭戴式耳機中，一透明波導提供於一使用者之單眼或雙眼前。一光投射器透射光朝向波導。來自投射器之光可由一輸入繞射光柵耦合至波導中。接著，光藉由全內反射來在波導內傳播且一輸出繞射光柵將光耦合出波導而朝向一觀看者。在使用中，一觀看者可自其外部環境看見透射穿過透明波導之光及自投射器看見投射光。此可提供一擴增實境體驗。

鳥浴盆(bird bath)投射器已用於產生朝向一擴增實境波導透射之一影像。鳥浴盆投射器之一操作原理係：其在一第一方向上提供光且接著聚焦光以在垂直於第一方向之一第二方向上輸出。分束器在鳥浴盆設計中常用於使光轉動90°。當使輸入光線性偏振時，此等設計可高效率操作。

共同待審之專利申請案GB 1714414.8描述一種使用一矽基液晶(LCOS)面板來產生反射光之一影像之鳥浴盆投射器。一般而言，使用線性偏振光來照射LCOS面板。可將LCOS面板像素設定為「亮」或「暗」。在一配置中，「暗」像素反射光且其偏振狀態不改變。「亮」像素可反射光且其偏振狀態轉換或變換。接著，可使用將僅使來自「亮」像素之光通過之一偏振濾光器(諸如一偏振分束器)來分離「亮」及「暗」像素。依此方式，可過濾來自「暗」像素之光，使得其不朝向一出射光瞳及擴增實境波導前進。此設計非常有效。然而，其僅適合於使輸入光線性偏振時。

可使用非偏振光源，但除非首先使其通過一線性偏振濾光器，線性偏振濾光器通常去除約50%之非偏振入射光。將期望產生可使用非偏振光源同時較高效率操作之一投射器。

擴增實境領域之一目的係提供具有投射光之一全色可穿戴顯示器。此等可穿戴顯示器內之光投射器面臨諸多挑戰。需要使一可穿戴顯示器中之電池保持小而輕，且因此需要小心管理電池資源。另外，需要使光學組件小型及穩固，使得其可易於整合於可經受粗加工之一頭戴式耳機內。

本發明之一目的係解決一些此等問題。

根據本發明之一態樣，提供一種用於一擴增實境頭戴式耳機之光投射器，其包括：一影像產生器，其經組態以使用非偏振光來提供一影像；一分束器，其經組態以自該影像產生器接收非偏振光且將其分成一第一路徑及一第二路徑；一第一光學配置，其經組態以在該第一路徑中自該分束器接收光，使得光被反射、聚焦及朝向該分束器導回；及一第二光學配置，其經組態以在該第二路徑中自該分束器接收光，使得光被反射、聚焦及朝向該分束器導回，其中該第一光學配置及該第二光學配置包括第一鏡及第二鏡；其中該分束器經組態以接收及組合來自該第一光學配置及該第二光學配置之光，使得非偏振之該組合光提供至一出射光瞳，且其中該第一光學配置及該第二光學配置相對於彼此成角度，使得來自該第一路徑之該影像與來自該第二路徑之該影像對準。

依此方式，非偏振光可自一投射器高效率輸出。該投射器之效率係最佳的，因為在與一分束器相互作用之後，來自該第一路徑及該第二路徑之光可經組合及提供至該出射光瞳。此可有利地減少該投射器之電力消耗，其可有助於節約一擴增實境頭戴式耳機中之有限電池資源。

較佳地，該第一鏡及該第二鏡具有用於聚焦光之一屈光度；例如，該等鏡可呈凹形。凹面鏡(其較佳呈球面)可在該第一路徑及該第二路徑中聚焦及反射光，使得來自該等各自路徑之影像可提供至該出射光瞳以注入至一擴增實境波導中。在一些實施例中，該第一光學配置及該第二光學配置可包括提供用於聚焦或準直光之一屈光度之一額外組件，諸如一透鏡。

較佳地，該分束器係經組態以反射一第一定向之線性偏振光及透射一第二定向之線性偏振光之一偏振分束器，其中該第一定向正交於該第二定向。因此，來自該影像產生器之非偏振光可分成該兩個分開路徑中之線性偏振分量。接著，自該第一路徑及該第二路徑回傳之光可在該偏振分束器處重組，使得非偏振光可提供於該出射光瞳處。使用一偏振分束器係有利的，因為其意謂該投射器可非常高效率(接近100%)操作。

該第一光學組件及該第二光學組件可包括四分之一波片。光可在該第一光學路徑及該第二光學路徑之各者中兩次遇到該等四分之一波片。依此方式，該四分之一波片可將來自該偏振分束器之線性偏振光變換為圓偏振光。該圓偏振光之偏手性可由來自該鏡之一反射逆轉。接著，與該四分之一波片之一第二相互作用可將該圓偏振光變換為具有垂直於原始偏振之定向之一定向之線性偏振光。因此，最初由該偏振分束器沿該第一光學路徑透射之光可在其與該分束器二次相互作用時被反射。同樣地，最初由該偏振分束器沿該第二光學路徑反射之光可在其與該分束器二次相互作用時被透射。此可產生高效率操作之一小型光學系統。

該分束器可包括非偏振光之一部分反射面。例如，該分束器可半鍍銀或其可包含二向色光學塗層。此等分束器較佳地透射及反射約50%之入射光且其等對其偏振狀態一般不敏感。

較佳地，該影像產生器係一LED陣列。微LED陣列可在一非常小面積中提供全色影像。自此等陣列輸出之光通常為非偏振的。可藉由高頻率操作紅色、綠色及藍色LED使得此等個別組件之組合由人眼感知為一全色影像來產生一全色影像。在其他配置中，非偏振影像可自各種替代源光學中繼至該分束器。

該分束器較佳為包括一頂面、一底面及四個側面之一矩形立方體。該第一光學配置、該第二光學配置、該出射光瞳及該影像產生器較佳地附接至各自側面。此可提供一小型及實體穩固設計，其中所有所需組件附接或接合至該分束器。因此，該分束器(其較佳呈立方體)可形成其他組件固定地安裝於其上之構建塊。

根據本發明之另一態樣，提供一種擴增實境頭戴式耳機，其包括：先前所界定之光投射器；一電源，其經組態以將電能供應至該光投射器；一波導，其經組態以自該光投射器出射光瞳接收光且使其朝向一觀看者耦合；及一座架，其經調適以戴在該觀看者之頭上。該電源可歸因於該投射器之提高效率而具有一較長壽命。替代地，一較小電池可具有類似於與較低效率投射器一起使用之先前電池之一壽命。

根據本發明之又一態樣，提供一種組裝一擴增實境頭戴式耳機之一光投射器之方法，其包括以下步驟：提供一影像產生器，該影像產生器經組態以使用非偏振光來提供一影像；配置一分束器以自該影像產生器接收非偏振光且將其分成一第一路徑及一第二路徑；配置一第一光學配置，該第一光學配置包含一第一鏡以在該第一路徑中反射及聚焦光以導引該光朝向該分束器；配置一第二光學配置，該第二光學配置包含一第二鏡以在該第二路徑中反射及聚焦光以導引該光朝向該分束器；及使該第一光學配置及該第二光學配置對準，使得當來自該第一路徑之該影像及來自該第二路徑之該影像由該分束器組合且作為非偏振光提供至一出射光瞳時，來自該第一路徑之該影像與來自該第二路徑之該影像對準。

圖1展示包括一照明源4之一光投射器2。在此實例中，照明源4係包含個別紅色、綠色及藍色LED之一微LED陣列。個別LED可經控制以產生一影像。紅色、綠色及藍色LED經依序高頻率操作使得人眼僅感知個別色彩之累積效應以提供一全色影像。自照明源4輸出之光係非偏振的。可使用使用非偏振光之任何類型之照明源作為一微LED陣列之一替代，其中影像中繼至照明源4之位置。

光投射器2包含一偏振分束器6 (諸如一線柵偏振器)、一場透鏡陣列8 (其包含一雙合透鏡)、一第一球面鏡12、一第一四分之一波片14、一第二球面鏡22及一第二四分之一波片24。包含球面鏡之此類型之光投射器有時指稱鳥浴盆投射器。

立方體偏振分束器6由N-BK7製成且具有8.5 mm×8.5 mm×11.5 mm之尺寸(且因此不是嚴格幾何意義上之立方體)。分束器6之空氣-玻璃表面施加有一寬頻抗反射塗層。分束器6之主動表面經配置以反射s偏振光及透射p偏振光。來自照明源4之非偏振光由分束器6分成第一路徑及第二路徑，其中第一路徑包括p偏振光且第二路徑包括s偏振光。

在與分束器6之第一相互作用之後透射具有p偏振光之第一光學路徑。接著，光入射於附接至分束器6之一表面之第一四分之一波片14上。第一四分之一波片14自偏振分束器6接收p偏振光且將其變換為右手圓偏振光。第一球面鏡12反射及準直光。偏振光之偏手性在反射之後逆轉，使得其變成左手圓偏振。

自第一球面鏡12反射之光在其朝向分束器6回傳時再次遇到第一四分之一波片14。第一四分之一波片14接收左手圓偏振光且將其變換為s偏振。經準直s偏振光在主動表面處由偏振分束器6高效率反射。接著，光自偏振分束器6射出，其中光接收於一光瞳透鏡11處。來自光瞳透鏡11之光可朝向一擴增實境波導(圖中未展示)導引。具有一高折射率之一折疊稜鏡(圖中未展示)可用於使光學路徑朝向擴增實境波導之一輸入光柵反射。

在與分束器6之第一相互作用之後反射具有s偏振光之第二光學路徑。s偏振光朝向接合至分束器6之一表面之第二四分之一波片24延伸。第二四分之一波片24接收s偏振光且將其變換為左手圓偏振光。第二球面鏡22反射及準直光。偏振光之偏手性在反射之後逆轉，使得其變成右手圓偏振。自第二球面鏡22反射之光在其朝向分束器6回傳時再次遇到第二四分之一波片24。第二四分之一波片24接收右手圓偏振光且將其變換為p偏振。經準直p偏振光在主動表面處由偏振分束器6高效率透射。接著，來自第二光學路徑之p偏振光與來自第一光學路徑之s偏振光組合且其等經組合在一起以形成可自偏振分束器6朝向光瞳透鏡11射出之非偏振光。

場透鏡8經組態以控制來自照明源4之光線且平衡偏振分束器6及第一球面鏡12及第二球面鏡22內所產生之像差。

由照明源4產生之影像由第一光學路徑及第二光學路徑兩者中之光載送。重要的是，當來自第一光學路徑及第二光學路徑之光在分束器6處重組時，來自兩個光學路徑之影像對準。任何不對準會導致可看見兩個分離影像，其係不受歡迎的。

來自第一光學路徑及第二光學路徑之影像在投射器2之組裝期間對準。第一鏡12固定地附接至分束器6。第二鏡22可移動，且其位置可調整。在組裝期間，一測試影像由照明源4產生。調整第二鏡22之位置及/或定向，直至來自第一路徑及第二路徑之影像完全對準。接著，第二鏡22可固定位置。投射器2中之所有光學組件附接至立方體分束器6之表面。因此，組件不可能在組裝之後變得不對準，即使在粗加工下。

圖2係本發明之另一實施例中之一光投射器102之一平面圖。在此實施例中，分束器106具有用於偏振光之一部分反射主動表面。在一實例中，分束器可半鍍銀或其可包含二向色光學塗層。此等分束器通常透射及反射約50%之入射光且對入射光之偏振不敏感。在此實施例中，不存在附接至分束器106之四分之一波片。

在此實例中，一影像由照明源104使用非偏振光來產生。來自照明源104之非偏振光由分束器106分成第一路徑及第二路徑，且約一半入射光提供至第一路徑且一半入射光提供至第二路徑。

第一光學路徑包括在與分束器106之第一相互作用之後透射之非偏振光。接著，光入射於第一球面鏡112上，第一球面鏡112準直光且使其朝向分束器106反射回。在與分束器106之第二相互作用中，透射約一半光且反射約一半光。反射光朝向出射光瞳111延伸，其中反射光可自投射器102射出。透射光朝向照明源104延伸回。

第二光學路徑包括在與分束器106之第一相互作用之後反射之非偏振光。接著，光入射於第二球面鏡122上，第二球面鏡122準直光且使其朝向分束器106反射回。在與分束器106之第二相互作用中，透射約一半光且反射約一半光。透射光與來自第一光學路徑之反射光重組。非偏振之重組光朝向出射光瞳111延伸，其中重組光可自投射器102射出。在第二光學路徑中，在與分束器106之第二相互作用之後反射之光朝向照明源104延伸回。

朝向照明源104延伸回之光在此配置中係「無用」光，因為其不自投射器102朝向一擴增實境波導射出。因此，在此配置中，投射器之最大光學效率係約50%。因此，使用部分反射分束器之實施例不如使用偏振分束器之實施例。

光學系統包括僅具有平面或球面之光學組件。不存在非球面組件，其有利地減少投射器之成本。

圖3係一擴增實境頭戴式耳機30之一透視圖。頭戴式耳機30包含在一使用者之眼前延伸之一波導32。一頭帶34在使用者之頭頂上延伸。頭帶34可變形且具彈性，使得其可適應不同大小之頭。一平衡重36提供於使用者之頭後以平衡使用者之頭前之組件之重量且提高頭戴式耳機之舒適度。平衡重36包含用於一投射器之控制電子器件40及一電池38。在頭帶34中朝向整合於鄰近於使用者之眉毛之一外殼42內之一投射器(圖中未展示)載送來自控制電子器件及電力電纜之控制信號。投射器可依上述方式操作以產生一影像且將其耦合至波導32中。此可允許一使用者看見投射影像及透過透明波導32透射之「真實世界」光。

2‧‧‧光投射器 4‧‧‧照明源 6‧‧‧偏振分束器 8‧‧‧場透鏡陣列 11‧‧‧光瞳透鏡 12‧‧‧第一球面鏡 14‧‧‧第一四分之一波片 22‧‧‧第二球面鏡 24‧‧‧第二四分之一波片 30‧‧‧擴增實境頭戴式耳機 32‧‧‧波導 34‧‧‧頭帶 36‧‧‧平衡重 38‧‧‧電池 40‧‧‧控制電子器件 42‧‧‧外殼 102‧‧‧光投射器 104‧‧‧照明源 106‧‧‧分束器 111‧‧‧出射光瞳 112‧‧‧第一球面鏡 122‧‧‧第二球面鏡

參考附圖，現依舉例方式描述本發明之實施例，其中： 圖1係本發明之一實施例中之一光投射器之一平面圖； 圖2係本發明之另一實施例中之一光投射器之一平面圖；及 圖3係本發明之另一實施例中之包含一光投射器之一擴增實境頭戴式耳機之一透視圖。

2‧‧‧光投射器

4‧‧‧照明源

6‧‧‧偏振分束器

8‧‧‧場透鏡陣列

11‧‧‧光瞳透鏡

12‧‧‧第一球面鏡

14‧‧‧第一四分之一波片

22‧‧‧第二球面鏡

24‧‧‧第二四分之一波片

Claims (6)

1. 一種用於一擴增實境頭戴式耳機之光投射器，其包括：一影像產生器，其經組態以使用非偏振光來提供一影像；一偏振分束器，其經組態以自該影像產生器接收非偏振光且藉由反射一第一定向之線性偏振光及透射一第二定向之線性偏振光，以將該非偏振光分成一第一路徑及一第二路徑，其中該第一定向正交於該第二定向；一第一光學配置，其經組態以在該第一路徑中自該分束器接收光，使得光被反射、聚焦及朝向該分束器導回；及一第二光學配置，其經組態以在該第二路徑中自該分束器接收光，使得光被反射、聚焦及朝向該分束器導回，其中該第一光學配置及該第二光學配置分別包括第一鏡、第二鏡、第一四分之一波片及第二四分之一波片，以使光在該第一路徑及該第二路徑中兩次遇到該第一四分之一波片及該第二四分之一波片；其中該偏振分束器經組態以接收及組合來自該第一光學配置及該第二光學配置之光，使得非偏振之該組合光提供至一出射光瞳，且其中該第一光學配置及該第二光學配置相對於彼此成角度，使得來自該第一路徑之該影像與來自該第二路徑之該影像對準。
2. 如請求項1之光投射器，其中該第一光學配置及該第二光學配置包括凹面鏡。
3. 如請求項1或請求項2之光投射器，其中該影像產生器係一LED陣 列。
4. 如請求項1或請求項2之光投射器，其中該分束器係包括一頂面、一底面及四個側面之一矩形立方體，其中該第一光學配置、該第二光學配置、該出射光瞳及該影像產生器附接至各自側面。
5. 一種擴增實境頭戴式耳機，其包括：如前述請求項中任一項之光投射器；一電源，其經組態以將電能供應至該光投射器；一波導，其經組態以自該光投射器出射光瞳接收光且使該光朝向一觀看者耦合；及一座架，其經調適以戴在該觀看者之頭上。
6. 一種組裝一擴增實境頭戴式耳機之一光投射器之方法，其包括以下步驟：提供一影像產生器，該影像產生器經組態以使用非偏振光來提供一影像；配置一偏振分束器以自該影像產生器接收非偏振光且藉由反射一第一定向之線性偏振光及透射一第二定向之線性偏振光，以將該非偏振光分成一第一路徑及一第二路徑，其中該第一定向正交於該第二定向；配置一第一光學配置，該第一光學配置包含一第一鏡以在該第一路徑中反射及聚焦光以導引該光朝向該分束器；配置一第二光學配置，該第二光學配置包含一第二鏡以在該第二路 徑中反射及聚焦光以導引該光朝向該分束器；配置第一四分之一波片及第二四分之一波片於該第一光學配置及該第二光學配置中，以使光在該第一路徑及該第二路徑中分別兩次遇到該第一四分之一波片及該第二四分之一波片；及使該第一光學配置及該第二光學配置對準，使得當來自該第一路徑之該影像及來自該第二路徑之該影像由該分束器組合且使用非偏振光來提供至一出射光瞳時，來自該第一路徑之該影像與來自該第二路徑之該影像對準。

Images