TWM591175U - 緊湊准直光學裝置和系統 - Google Patents

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馬利 曼沙羅夫
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Abstract

一種光學系統，包括光學部件的佈置，其包括與第一棱鏡的第三表面相關聯的第一偏振選擇反射器PSR。第一棱鏡包括入射表面，該入射表面具有對應於第一PSR的第一直角軸的法線。第一棱鏡包括垂直於入射表面的第二表面，並且具有對應於第一PSR的第二直角軸的法線。光學部件的佈置限定了以下光路：該光路朝向第一PSR傳播，穿越第一PSR，然後沿第一方向穿越第二PSR，並且然後從第二方向從第二PSR沿輸出圖像方向反射。第二PSR相對於第一PSR傾斜，使得輸出圖像方向傾斜於第一PSR的第一直角軸和第二直角軸。

Description

緊湊准直光學裝置和系統
本創作涉及光學系統，以及特別地涉及具有緊湊准直圖像投射器的光學系統。
在頭戴式顯示器(HMD，head-mounted display)領域中特別需要緊湊光學裝置，其中光學模組執行圖像生成(“成像器”)和圖像到無限遠的准直以便傳遞給觀看者的眼睛的功能。圖像可以從顯示裝置獲得，直接從空間光調變器(SLM，spatial light modulators)例如陰極射線管(CRT，cathode ray tude)、液晶顯示器(LCD，liquid crystal display)、矽基液晶(LCoS)、數位微鏡器件(DMD，digital micro-mirror device)、有機發光二極體(OLED，organic light emitting diode)顯示器、微發光二極體(LED，light emitting diode)陣列、掃描源或類似裝置獲得，或間接借助於中繼透鏡或光纖束獲得。由像素陣列組成的圖像通過准直裝置聚焦到無限遠並且通常通過作為組合器的部分反射表面或反射表面傳送到觀察者的眼睛中，分別用於非透視應用和透視應用。通常，傳統的自由空間光學模組被用於這些目的。
隨著系統的期望視場(FOV，field-of-view)增加，這種類型的傳統光學模組變得更笨重和更龐大，因此即使對於中等性能的裝置也是不切實際的。這是所有類型顯示器的主要缺點，但在頭戴式應用中尤其如此，在頭戴式應用中，系統必須盡可能輕便和緊湊。
對緊湊性的要求導致了幾種不同的複雜光學解決方案，其中許多方案對於大多數實際應用來說仍然不夠緊湊，並且同時在成本、複雜性和可製造性方面存在缺陷。在一些情況下，全範圍的光學視角可見 的眼睛運動盒(EMB，eye-motion-box)較小，例如小於6mm，使得光學系統的性能對於光學系統相對於觀察者的眼睛的即使小的運動仍敏感，並且不能適應足夠的瞳孔運動以便從這種顯示器中舒適地閱讀文本。
用於HMD和近眼顯示器的特別有利的一系列解決方案可從Lumus Ltd.(魯姆斯有限公司)(以色列)購得，其通常採用具有至少一組部分反射表面的光導基板(光導光學元件[LOE，lightguide optical elements]、光導、波導)或用於將圖像傳送至使用者的眼睛的其他合適的光學元件。在以下PCT專利公佈中描述了魯姆斯有限公司的技術的各個方面，這些PCT專利公佈通過引用結合到本文中作為提供本創作的相關背景：WO 01/95027，WO 2006/013565，WO 2006/085309，WO 2006/085310，WO 2007/054928，WO 2008/023367和WO 2008/129539。
根據本實施方式的教導，提供了一種光學系統，該光學系統包括：光學部件的佈置，其包括第一偏振選擇反射器PSR(PBS-A)、第二PSR(polarization-selective reflector)(PBS-B)和光導(124)，光學部件的佈置限定光路，光路至少部分地由光限定，該光路限定為：朝向第一PSR(PBS-A)傳播(光L6)，穿越(光L6)第一PSR(PBS-A)，然後沿第一方向(光L6)穿越第二PSR(PBS-B)，然後從從第二方向(光L7)從第二PSR(PBS-B)沿輸出圖像方向(光L8)反射，並且其中，第二PSR(PBS-B)相對於第一PSR(PBS-A)呈傾斜配置(PRISM-BA)，使得輸出圖像方向(光L8)進入光導(124)。
在可選實施方式中，第一偏振選擇反射器PSR(PBS-A)與第一棱鏡(PRISM-A)的第三表面(A3)相關聯，第一棱鏡還包括入射表面(A1)，入射表面(A1)具有對應於第一PSR(PBS-A)的第一直角軸(A1N)的法線，並且第一棱鏡還包括第二表面(A2)，第二表面(A2)垂直於入射表面(A1)，並且第二表面(A2)具有對應於第一PSR(PBS-A)的第二直角軸(A2N)的法線，並且第二PSR(PBS-B)相對於第一PSR(PBS-A)呈傾斜配置(PRISM-BA)，使得輸出圖像方向 (L8)傾斜於第一PSR(PBS-A)的第一直角軸(A1N)和第二直角軸(A2N)。
根據本實施方式的教導，提供了一種光學系統，該光學系統包括光學部件的佈置，其包括第一偏振選擇反射器PSR(PBS-A)，第一PSR與第一棱鏡的第三表面(A3)相關聯，第一棱鏡還包括入射表面(A1)，入射表面具有對應於第一PSR的第一直角軸(A1N)的法線，第一棱鏡還包括第二表面(A2)，第二表面垂直於入射表面，並且第二表面具有對應於第一PSR的第二直角軸(A2N)的法線，以及第二PSR(PBS-B)，光學部件的佈置限定光路，光路至少部分地由光限定，該光路限定為：朝向第一PSR(光L6)傳播，穿越第一PSR(光L6)，然後沿第一方向(光L6)穿越第二PSR，然後從第二方向從第二PSR沿輸出圖像方向(光L8)反射，並且其中第二PSR相對於第一PSR呈傾斜配置(PRISM-BA)，使得輸出圖像方向傾斜於第一PSR的第一直角軸和第二直角軸。
在可選實施方式中，第三表面與第一直角軸和第二直角軸基本成45度角。
在另一可選實施方式中，光學部件的佈置還包括准直器(101)，准直器被配置在光路中。
在另一可選實施方式中，准直器包括具有透鏡光軸(120N)的透鏡(120)，光學部件的佈置包括配置在光路中的反射元件(122)，並且其中反射元件的表面的法線(122N)相對於第一PSR的第一直角軸和第二直角軸呈傾斜配置(122A)。
在另一可選實施方式中，反射元件是鏡子。在另一可選實施方式中，反射元件是透鏡。在另一可選實施方式中，第一PSR的法線(PBS-AN)相對於透鏡光軸(120N)成45°(度)角度(PBS-AA)。
在另一可選實施方式中，還包括：提供圖像輸入光(L4)的圖像光提供器(110)，光路包括圖像輸入光(L4)，准直器被部署在位於圖像光提供器(110)下游且位於第一PSR上游的光路中，准直器包 括：與透鏡相鄰的第一四分之一波片(WAVE-A)，第一棱鏡(PRISM-A)，其具有：接收圖像輸入光的入射表面(A1)，以及與第一四分之一波片(WAVE-A)相鄰的第二表面(A2)，以及與第一PSR(PBS-A)相鄰的第三表面(A3)，第二棱鏡(PRISM-B)，其具有：與第一PSR(PBS-A)相鄰的第四表面(B1)，以及與第二PSR(PBS-B)相鄰的第五表面(B2)，第二四分之一波片(WAVE-B)，其與反射元件(122)相鄰，以及第三棱鏡(PRISM-C)，其具有：與第二PSR(PBS-B)相鄰的第七表面(C1)，與第二四分之一波片(WAVE-B)相鄰的第八表面(C2)，以及第九表面(C3)，被配置成使得光路包括：圖像輸入光(L4)，其經由入射表面(A1)進入第一棱鏡，從第一PSR反射(L5)，穿越第一四分之一波片(WAVE-A)，從透鏡(120)反射(L6)，重新穿越第一四分之一波片(WAVE-A)，經第一棱鏡(PRISM-A)穿過第一PSR，經第二棱鏡(PRISM-B)沿第一方向穿過第一PSR，經第三棱鏡，穿越第二四分之一波片(WAVE-B)，從鏡子反射(L7)，重新穿越第二四分之一波片，第三棱鏡從第二PSR的第二方向反射(L8)穿越第三棱鏡，以及光路的從第九表面(C3)沿輸出圖像方向的輸出。
在另一可選實施方式中，還包括：光導基板(124)，其具有至少兩個主平行外表面和至少一組部分反射內表面，被配置成使得從第九表面(C3)輸出的光路進入光導基板。
在另一可選實施方式中，光路包括未准直圖像光的輸入。
在另一可選實施方式中，准直器被部署在位於第一PSR與第二PSR之間的光路中。
在另一可選實施方式中，准直器被部署在位於第二PSR下游的光路中。
在另一可選實施方式中，從第二PSR(PBS-B)反射的光是對應於圖像的准直光。
在另一可選實施方式中，其中，在從第二PSR(PBS-B)反射之後，准直光然後從系統輸出。
在另一可選實施方式中，其中，輸出圖像方向在相對於系統的輸出表面的法線(D2N)的給定角度範圍內。
110‧‧‧圖像光提供器
112‧‧‧照明器
120N‧‧‧透鏡光軸
120‧‧‧第一透鏡
122‧‧‧鏡子
122N‧‧‧法線
122A,PBS-AA,L8A‧‧‧角度
124‧‧‧光導基板
126‧‧‧部分反射內表面
320‧‧‧第三透鏡
420‧‧‧第四透鏡
422‧‧‧第四鏡子
520‧‧‧第五透鏡
522‧‧‧第五鏡子
620‧‧‧第六透鏡
622‧‧‧第六鏡子
720‧‧‧第七透鏡
722‧‧‧第七鏡子
801-1‧‧‧第八准直器
801-2‧‧‧第九准直器
820-1‧‧‧第八透鏡
820-3‧‧‧第九透鏡
PBS-A‧‧‧第一PSR
PBS-B‧‧‧第二PSR
PBS-C‧‧‧第三PBS
PBS-5A‧‧‧第五PSR
PBS-7A‧‧‧第七PSR
WAVE-A‧‧‧第一四分之一波片
WAVE-B‧‧‧第二四分之一波片
WAVE-C‧‧‧第三偏振波片
WAVE-3A‧‧‧第三四分之一波片
WAVE-4B‧‧‧第四四分之一波片
WAVE-5A‧‧‧第五四分之一波片
WAVE-6A‧‧‧第六四分之一波片
WAVE-7B‧‧‧第七四分之一波片
WAVE-8A‧‧‧第八四分之一波片
WAVE-8B‧‧‧第九四分之一波片
PRISM-A‧‧‧第一棱鏡
PRISM-B‧‧‧第二棱鏡
PRISM-C‧‧‧第三棱鏡
PRISM-D‧‧‧第四棱鏡
PRISM-BA‧‧‧傾斜配置
PRISM-E‧‧‧第五棱鏡
PRISM-F‧‧‧第六棱鏡
PRISM-4C‧‧‧棱鏡
PRISM-7A‧‧‧第七棱鏡
PRISM-8C‧‧‧第八棱鏡
POL-A‧‧‧第一偏振器
LCOS-114‧‧‧矽基液晶
POL-B‧‧‧第二偏振器
A1‧‧‧入射表面
A2‧‧‧第二表面
A3‧‧‧第三表面
A1N‧‧‧第一直角軸
A2N‧‧‧第二直角軸
B1‧‧‧第四表面
B2‧‧‧第五表面
B3‧‧‧第六表面
C1‧‧‧第七表面
C2‧‧‧第八表面
C3‧‧‧第九表面
D1‧‧‧第十表面
D2‧‧‧第十一表面
100,300,400,500,600,700,800‧‧‧光學系統
101,301,401,501,601,701,801‧‧‧准直器(准直光源)
103,403,503,603,703,803‧‧‧緊湊准直器
L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L34,L35,L45,L46,L47,L54,L55,L555,L56,L64,L65,L655,L66,L75,L76,L8,L84,L85,L855‧‧‧光(光路)
本文僅通過示例的方式參照圖式描述實施方式，在圖式中：第1圖示出了光學系統的第一示意圖；第2圖示出了光學系統的第二草圖，其示出了光軸和角度；第3圖示出了准直器的替選位置的第一示例的示意圖；第4圖示出了准直器的替選位置的第二示例的示意圖；第5圖示出了准直器的替選位置的第三示例的示意圖；第6圖示出了准直器的替選位置的第四示例的示意圖；第7圖示出了准直器的替選位置的第五示例的示意圖；第8圖示出了准直器的替選位置的第六示例的示意圖。
[第一實施方式-第1圖至第2圖]
參照圖式及所附描述，可以更好地理解根據本實施方式的系統的原理和操作。本創作是用於將光、具體地准直光投射至光學元件的緊湊光學系統。當前實施方式的特徵是使用一對非平行偏振選擇反射器在單個棱鏡塊內形成楔形配置(非平行)以輸出准直光的圖像。在給出投射器棱鏡中的主分束器(偏振選擇反射器，PSR)的情況下，使用相對於主PSR傾斜的──更具體地相對於主PSR的直角軸傾斜的──額外PSR可以提供在調整准直圖像光的輸出光束角度上的額外的自由度，例如用於耦合到LOE中。從系統輸出的光的輸出光束角度可以在相對於系統的輸出表面的法線的給定角度範圍內。
參照第1圖，示出了根據本創作的各個方面構造和操作的通常標記為100的光學系統的第一草圖。為了圖式和說明書的簡單和清楚，介面，例如棱鏡之間的提供光束分離的介面，作為單獨的元件被示為 偏振選擇反射器(PSR)。為了簡化本說明書和圖式中的參考而不作任何限制，將偏振選擇反射器示為偏振分束器(PBS)的典型實現。對於本領域技術人員而言將明顯的是，偏振選擇反射器/PSR/PBS可以被使用各種技術實現為離散元件或集成到棱鏡中，所述技術包括但不限於多層介電塗層和線柵金屬條例如由Moxek製造的線柵金屬條。在PBS是塗層的情況下，塗層被施加到一個或更多個棱鏡的一個或更多個表面上，然後棱鏡可以彼此光學附接(例如，粘合在一起)。在這種情況下，PBS可以不是離散元件(在以下描述中被描述為“相鄰”)，然而，用於描述配置的術語“相鄰”的使用對於本領域技術人員而言將是明顯的。可以適當地使用上述PBS的實現方式的任何組合。例如，塗層和/或線柵的組合為單個介面提供不同的偏振選擇，每個選擇在不同的方向上(介面的相對側透射/反射朝向介面的每一側傳播的光)。
針對PBS使用術語“穿越”和“反射”是本領域中描述光與PBS的相互作用所常用的。例如，到達PBS的第一表面(側面)的大部分光將(穿越)繼續以從PBS的第二表面(側面)傳播，或者(反射)返回以傳播離開PBS的第一表面。本領域技術人員知道這些相互作用的物理現象可以包括吸收、折射、透射等。
本圖式不是按比例繪製的，包括元件和光路的取向和角度，以及簡化光路並且未示出介面處的折射。光路僅由一個光線/光束描繪。通常，在本文通過光束表示圖像的任何地方，應當注意，光束是圖像的樣本光束，其通常由成略微不同的角度的多個光束形成，每個光束對應於圖像的點或像素。所示的光線通常是圖像的形心。也就是說，光對應於圖像，並且中心光線是來自圖像中心或圖像中心像素的中心光線。
用於光或光路的標誌符(L1，L3，L6等)也用於經過光路的相應部分的光的類型(照明、偏振圖像光、圖像的准直光等)。根據使用的語境，對光路或光的類型的提及對於本領域技術人員而言將是明顯的。
通常，光學系統100包括緊湊准直器103，緊湊准直器 103具有包括第一PSR(PBS-A)和第二PSR(PBS-B)的至少兩個偏振選擇反射器(PSR)。光路至少部分地由光限定，該光穿越第一PSR(PBS-A)，然後沿第一方向穿越第二PSR(PBS-B)，並且然後自第二PSR從第二方向(PBS-B)反射。
還參照第2圖，示出了光學系統100的第二草圖，其示出了光軸和角度。一個重要特徵是准直器(101，准直元件，准直光源)部署在光路中並且第一PSR(PBS-A)與第二PSR(PBS-B)不平行。換句話說，在第一PSR與第二PSR(PBS-A與PBS-B)之間存在(非零)角度，通常是呈傾斜配置(PRISM-BA)。准直器提供准直圖像輻射，即對應於圖像的光。
為了幫助讀者，注意，在本說明書中，通常尾碼“A”用於作為角度的要素，尾碼“N”用於作為法線的要素。
光學系統100的示例性實現方式包括准直器101，准直器101包括具有透鏡光軸(第2圖的120N)的第一透鏡120和與第一透鏡120相鄰的第一四分之一波片(WAVE-A)。反射光學元件通常使用鏡子實現，但這是非限制性的，並且可以使用其他部件例如下面描述的透鏡。為簡單起見，在本說明書中使用非限制性示例鏡子。在當前示例中，反射元件122(鏡子)位於第二PSR(PBS-B)之後的光路中。反射光學元件具有反射元件表面的法線(第2圖，122N)。在這種情況下，反射元件122(鏡子)具有反射元件122(鏡子)的表面的法線(122N)。鏡子的法線122N與第一透鏡120的透鏡光軸120N不平行。換句話說，法線122N與透鏡光軸120N之間存在(非零)角度122A。
在典型的示例性配置中，第一PSR(PBS-A)的法線(PBS-AN)相對於第一透鏡120的透鏡光軸120N成45°(度)的角度(PBS-AA)。
緊湊准直器103的輸入(光L4)是未准直光。在示例性實現方式中，圖像光由圖像光提供器110提供。圖像光提供器110可以由部件例如液晶顯示器(LCD)、矽基液晶(LCoS)、數位微鏡器件 (DMD)、OLED顯示器和微LED陣列來實現，矽基液晶(LCoS)例如為LCOS-114。
示例性圖像光提供器110在第1圖中被示出為包括照明器112，照明器112提供經過第五棱鏡PRISM-E的照明光L1，照明光L1從第三PBS(PBS-C)反射光L2，經過可選的第一偏振器POL-A到LCOS-114。從LCOS-114的反射是(未准直)圖像(光)L3，L3穿越第五棱鏡PRISM-E，第三PBS(PBS-C)，第六棱鏡PRISM-F，並且然後穿越第二偏振器POL-B和1/2 λ第三偏振波片WAVE-C。得到的未准直圖像光L3經由入射表面(A1)從圖像光提供器110輸出到緊湊准直器103中作為未准直輸入圖像光L4。圖像光提供器110和緊湊准直器103可以彼此相鄰(接觸)，或者經由間隙對準。
第一棱鏡(PRISM-A)具有作為接收圖像光L4的光波入射表面(A1)的第一表面，以及與第一四分之一波片(WAVE-A)相鄰的第二表面(A2)。第二表面(A2)通常垂直於入射表面(A1)。第一棱鏡(PRISM-A)的第三表面(A3)與第一PSR(PBS-A)相關聯(相鄰)。入射表面(A1)具有對應於第一PSR(PBS-A)的第一直角軸(A1N)的法線。第二表面(A2)示出為垂直於入射表面(A1)的典型示例性構造，並且第二表面(A2)具有對應於第一PSR(PBS-A)的第二直角軸(A2N)的法線。第二PSR(PBS-B)相對於第一PSR(PBS-A)呈傾斜配置(PRISM-BA)，因此輸出圖像方向的光L8相對於第一PSR(PBS-A)的第一直角軸(A1N)和第二直角軸(A2N)傾斜。
第二棱鏡(PRISM-B)具有與第一PSR(PBS-A)相鄰的第四表面(B1)，與第二PSR(PBS-B)相鄰的第五表面(B2)，以及與第一棱鏡(PRISM-A)入射表面(A1)相對的第六表面(B3)。
第二四分之一波片(WAVE-B)與反射元件122(鏡子)相鄰。
第三棱鏡(PRISM-C)具有與第二PSR(PBS-B)相鄰的第七表面(C1)，與第二四分之一波片(WAVE-B)相鄰的第八表面 (C2)，以及第九表面(C3)。
第四棱鏡(PRISM-D)具有與第九表面(C3)相鄰的第十表面(D1)和第十一表面(D2)。
在一些實現方式中，可以將棱鏡組合，例如，可以將第三棱鏡(PRISM-C)和第四棱鏡(PRISM-D)構造為單個棱鏡。
在當前示例性實現方式中，光路包括經由入射表面(A1)進入第一棱鏡(PRISM-A)的圖像輸入光(L4)，以及從第一PSR(PBS-A)的反射光(L5)。反射光(L5)的光路穿越第一棱鏡(PRISM-A)和第一四分之一波片(WAVE-A)，從第一透鏡120反射(光L6)，重新穿越第一四分之一波片(WAVE-A)、第一棱鏡(PRISM-A)，朝向第一PSR(PBS-A)傳播(行進)且沿第一方向穿過第一PSR(PBS-A)(光L6)。光路的方向指的是衝擊在PSR的一側。在第一PSR(PBS-A)的情況下，光從第一棱鏡(PRISM-A)朝向第一PSR(PBS-A)的第一側面行進到第三表面(A3)，穿越第一PSR(PBS-A)且從第一PSR的與第二棱鏡(PRISM-B)的第四表面(B1)相鄰/相關聯的第二側面離開第一PSR(PBS-A)。
光(L6)繼續穿過第二棱鏡(PRISM-B)，沿第一方向穿過第二PSR(PBS-B)，穿過第三棱鏡(PRISM-C)和第二四分之一波片(WAVE-B)。然後，光L7從反射元件122(鏡子)反射，重新穿越第二四分之一波片(WAVE-B)，第三棱鏡(PRISM-C)，並從第二PSR(PBS-B)從第二方向反射輸出光L8，穿越第三棱鏡(PRISM-C)，第四棱鏡(PRISM-D)，並從第十一表面(D2)輸出。
在第二PSR(PBS-B)的情況下，光朝向第二PSR(PBS-B)的第一側面──即，從第二棱鏡(PRISM-B)向第五表面(B2)──行進，穿越第二PSR(PBS-B)且從第二PSR(PBS-B)的與第三棱鏡(PRISM-C)的第七表面(C1)相鄰/相關聯的第二側面離開第二PSR(PBS-B)。在反射之後，光L7沿第二方向衝擊在第二PSR(PBS-B)的第二側面上(即，從第三棱鏡(PRISM-C)到第七表面 (C1))，從第二PSR(PBS-B)的第二側面反射為反射輸出光L8。
該實現方式的特徵在於，可以在相對於系統的第十一表面(D2)的法線(第2圖，D2N)的給定角度範圍內調整來自系統的輸出光(L8)(輸出圖像方向)的輸出光束角度(L8A)。
來自緊湊光學准直器103的輸出光L8在光學系統100中繼續以進入光導基板(LOE)124。因此，輸出圖像方向(光L8)為進入光導基板(124)。LOE具有至少兩個主平行外表面和至少一組部分反射內表面126。
在當前示例性實現方式中，照明器提供由第三PBS(PBS-C)反射到光L2的偏振光(s偏振，s-pol)L1。L2的從LCOS-114的反射將偏振改變為p偏振(p-pol)的光L3，並且1/2 λ第三偏振波片WAVE-C將偏振改變為s-pol未准直輸入圖像光L4。s-pol光L4被第一PSR(PBS-A)反射到光L5，並且從准直光源101中的第一偏振波片WAVE-A的兩次穿越而出現為p-pol光L6。p-pol光L6穿越第一PSR(PBS-A)和第二PSR(PBS-B)，此後第二波片WAVE-B的兩次穿越產生s-pol光L7，該s-pol光L7由第二PSR(PBS-B)反射並作為s-pol光L8從緊湊准直器103輸出。
[替選實施方式-第3圖至第8圖]
在替選實現方式中，可以省略一個或更多個棱鏡或所有棱鏡。例如，在第1圖中，光學系統100可以被構造成沒有第一棱鏡(PRISM-A)、第二棱鏡(PRISM-B)和/或第三棱鏡(PRISM-C)。
在替選實施方式中，光路中的准直元件(准直器)不在第一PSR(PBS-A)的上游，而是由位於沿光路的其他位置處的一個或更多個元件實現。在這種情況下，當前圖式的透鏡(120)可以用鏡子代替。在另一種情況下，光L6可以是未准直的輸入光。
參照第3圖，示出了准直器的替選位置的第一示例的草圖。在替選緊湊准直器303的該第一示例光學系統300中，准直器(准直光源)301可以部署在第一PSR(PBS-A)與第二PSR(PBS-B)之間的光 路中。第二棱鏡(PRISM-B)的第六表面(B3)與第三四分之一波片(WAVE-3A)相鄰，第三四分之一波片又與第三透鏡(320)相鄰。在當前示例中，圖像光被示出為光L34，該光L34穿越第一PSR(PBS-A)和第三四分之一波片(WAVE-3A)，從第三透鏡320反射(光L35)，重新穿越第三四分之一波片(WAVE-3A)、第二棱鏡(PRISM-B)，從第一PSR(PBS-A)沿第一方向(光L6)反射。
參照第4圖，示出了准直器的替選位置的第二示例的草圖。在替選緊湊准直器403的該第二示例光學系統400中，准直器(准直光源401)可以部署在第二PSR(PBS-B)的下游的光路中。在當前圖式中，該第二示例用與第二表面(A2)相鄰的第四鏡子(422)替換第一透鏡(120)，並用第四四分之一波片(WAVE-4B)和第四透鏡420替換反射元件(鏡子)122以實現准直器(401)。第三棱鏡(PRISM-C)已被棱鏡(PRISM-4C)替換，棱鏡(PRISM-4C)的一個邊緣與第四四分之一波片(WAVE-4B)相鄰。
在當前示例中，經由入射表面(A1)進入第一棱鏡(PRISM-A)的圖像輸入光(L4)從第一PSR(PBS-A)反射(光L45)。反射光的光(L45)穿越第一棱鏡(PRISM-A)並從第四鏡子(422)反射(光L46)，重新穿越第一棱鏡(PRISM-A)，朝向第一棱鏡(PRISM-A)傳播(行進)且穿過第一PSR(PBS-A)。光(L6)繼續穿過第二棱鏡(PRISM-B)，沿第一方向穿過第二PSR(PBS-B)，穿過棱鏡(PRISM-4C)和第四四分之一波片(WAVE-4B)。然後，光從第四透鏡420反射(光L47)，重新穿越第四四分之一波片(WAVE-4B)，棱鏡(PRISM-4C)，並且反射輸出光L8。該示例的特徵在於准直器(401)[特別地，第四四分之一波片(WAVE-4B)的表面]與棱鏡(PRISM-4C)的第八表面(C2)不相鄰且成角度。准直器(401)的光軸[第四四分之一波片(WAVE-4B)的表面]平行於第四鏡子(422)的光軸]。
參照第5圖，示出了准直器的替選位置的第三示例的草圖。在替選緊湊准直器503的該第三示例光學系統500中，准直器(准直 光源501)可以部署在光路中相對於第一PSR(PBS-A)(現在用第五PSR(PBS-5A)替換)的替選位置處。在當前示例中，圖像光被示出為光L54，該光L54穿越第五PSR(PBS-5A)和第五四分之一波片(WAVE-5A)，從第五透鏡(520)反射(光L55)，從第五PSR(PBS-5A)反射為光L555，從第五鏡子(522)反射為朝向第二PSR(PSB-B)的光L56。該示例的特徵在於第五PSR(PBS-5A)，其通常定位成從第一PSR(PBS-A)的取向旋轉90°。在該示例中，不使用第一棱鏡(PRISM-A)並且第五四分之一波片(WAVE-5A)表面類似於入射表面(A1)並且第五鏡子(522)表面類似於第二表面(A2)，第二表面(A2)具有分別對應於第一PSR[在該示例中為第五PSR(PBS-5A)]的第一直角軸(A1N)和第二直角軸(A2N)的法線。
參照第6圖，示出了准直器的替選位置的第四示例的草圖。在替選緊湊准直器603的該第四示例光學系統600中，准直器(准直光源601)可以部署在光路中相對於第一PSR(PBS-A)(現在用第五PSR(PBS-5A)替換)的替選位置處。在當前示例中，圖像光被示出為光L64，該光L64穿越第五PSR(PBS-5A)並從第六鏡子(622)反射為光L65，光L65從第五PSR(PBS-5A)反射為光L655，光L655然後穿越第六四分之一波片(WAVE-6A)，從第六透鏡(620)反射為朝向第二PSR(PSB-B)的光L66。在該示例中，不使用第一棱鏡(PRISM-A)並且第六鏡子(622)表面類似於入射表面(A1)並且第六四分之一波片(WAVE-6A)表面類似於第二表面(A2)，第二表面(A2)具有分別對應於第一PSR[在該示例中為第五PSR(PBS-5A)]的第一直角軸(A1N)和第二直角軸(A2N)的法線。
參照第7圖，示出了准直器的替選位置的第五示例的草圖。在替選緊湊准直器703的該第五示例光學系統700中，准直器(准直光源701)可以部署在第二PSR(PBS-B)的下游的光路中。在當前圖式中，該第五示例用與第七PSR(PBS-7A)替換第一PSR(PBS-A)，並用第七鏡子(722)替換第一透鏡(120)，並且用第七四分之一波片(WAVE- 7B)和第七透鏡720替換反射元件122(鏡子)以實現准直器(701)。另外，第七棱鏡(PRISM-7A)被添加為與第一棱鏡(PRISM-A)相鄰，以便與第七鏡子(722)鄰接。在當前示例中，使用兩個棱鏡[第一棱鏡(PRISM-A)和第七棱鏡(PRISM-7A)]來闡明第二表面(A2)的放置。在使用單個棱鏡[代替第一棱鏡(PRISM-A)和第七棱鏡(PRISM-7A)]的情況下，第二表面(A2)將是單個棱鏡內部的構造線，仍然垂直於入射表面(A1)。
在當前示例中，圖像輸入光(L4)從第七PSR(PBS-7A)反射(光L75)。反射光的光(L75)從第七鏡子(722)反射(光L76)，朝向第七PSR(PBS-7A)傳播並穿過第七PSR(PBS-7A)。光(L76)繼續以沿第一方向穿過第二PSR(PBS-B)，穿過第三棱鏡(PRISM-C)和第七四分之一波片(WAVE-7B)。然後，光從第七透鏡720反射(光L77)，重新穿越第七四分之一波片(WAVE-7B)、第三棱鏡(PRISM-C)，並且反射輸出光L8。該示例的特徵在於准直器(701)[特別地，第七四分之一波片(WAVE-7B)的表面]與第三棱鏡(PRISM-C)的第八表面(C2)相鄰。另外，與通常相對於輸入圖像光L4成45°的第一PSR(PBS-A)不同，第七PSR(PBS-7A)相對於輸入圖像光L4成45°以外的角度，並且第七鏡子(722)相應地相對於第七PSR(PBS-7A)成45°以外的角度，以對準傳播光(L76)以用於准直器701的准直。在該示例中，第二表面(A2)不與第七鏡子(722)相鄰，因為第七鏡子(722)相對於入射表面(A1)成斜角。
參照第8圖，示出了准直器的替選位置的第六示例的草圖。在替選緊湊准直器803的該第六示例光學系統800中，准直器(准直光源801)可以部署為在若干位置處的部件。在當前圖式中，該示例將第一四分之一波片(WAVE-A)和第一透鏡(120)保持為第九准直器(801-2)，然而，如將要描述的，現在在第一光路中的不同位置處。添加第八四分之一波片(WAVE-8A)和第八透鏡(820-1)作為第八准直器(801-1)。用第九四分之一波片(WAVE-8B)和相應的第九透鏡820-3替換反 射元件122(鏡子)，從而實現准直器(401)。第三棱鏡(PRISM-C)已被第八棱鏡(PRISM-8C)替換，第八棱鏡(PRISM-8C)的一個邊緣與第九四分之一波片(WAVE-8B)相鄰。
在當前示例中，圖像輸入光(L84)穿越第五PSR(PBS-5A)和第八四分之一波片(WAVE-8A)，從第八透鏡(820-1)反射為光L85，光L85從第五PSR(PBS-5A)反射為光L855，穿越第一四分之一波片(WAVE-A)，從第一透鏡(120)反射為光L86，光L86重新穿越第五PSR(PBS-5A)，穿越第八棱鏡(PRISM-8C)和第九四分之一波片(WAVE-8B)。然後，光從第九透鏡820-3反射(光L7)，重新穿越第九四分之一波片(WAVE-8B)、第八棱鏡(PRISM-8C)，並且反射輸出光L8。該示例的特徵在於使用多個四分之一波片和透鏡。在該示例中，不使用第一棱鏡(PRISM-A)並且第八四分之一波片(WAVE-8A)表面類似於入射表面(A1)，並且第一四分之一波片(WAVE-A)為第二表面(A2)，第二表面(A2)具有分別對應於第一PSR[在該示例中為第五PSR(PBS-5A)]的第一直角軸(A1N)和第二直角軸(A2N)的法線。
通常，從第二PSR(PBS-B)反射的光是對應於圖像的准直光。在光L7從第二PSR(PBS-B)反射之後，然後從緊湊准直器803設備輸出准直輸出光L8。
在各種實施方式中，可以在元件(緊湊准直器)的外肋中的每個中部署一個至三個透鏡。例如，光學系統100包括一個透鏡，並且第六示例800包括三個透鏡。
注意，上述示例、使用的數字和示例性計算用於說明描述本實施方式。無意的印刷錯誤、數學錯誤和/或簡化計算的使用不會減損本創作的實用性和基本優點。
就所附申請專利範圍是在沒有多項應用的情況下來撰寫的而言，這僅僅是為了適應不允許這種多項引用的管轄區域中的形式要求。注意，通過使申請專利範圍多項應用而暗示的所有可能的特徵組合被明確地設想並且應該被認為是本創作的一部分。
應當理解，以上描述僅旨在用作示例，並且在所附申請專利範圍中限定的本創作的範圍內，許多其他實施方式是可能的。
110‧‧‧圖像光提供器
120‧‧‧第一透鏡
122‧‧‧鏡子
124‧‧‧光導基板
PBS-B‧‧‧第二PSR
126‧‧‧部分反射內表面
WAVE-A‧‧‧第一四分之一波片
PBS-A‧‧‧第一PSR
WAVE-C‧‧‧第三偏振波片
PBS-C‧‧‧第三PBS
POL-A‧‧‧第一偏振器
WAVE-B‧‧‧第二四分之一波片
POL-B‧‧‧第二偏振器
LCOS-114‧‧‧矽基液晶
A2‧‧‧第二表面
A1‧‧‧入射表面
B1‧‧‧第四表面
A3‧‧‧第三表面
B3‧‧‧第六表面
B2‧‧‧第五表面
C2‧‧‧第八表面
C1‧‧‧第七表面
D1‧‧‧第十表面
C3‧‧‧第九表面
D2‧‧‧第十一表面
100‧‧‧光學系統
101‧‧‧准直器(准直光源)
103‧‧‧緊湊准直器
112‧‧‧照明器
L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8‧‧‧光(光路)

Claims (18)

  1. 一種光學系統，包括：(a)光學部件的佈置，包括：(i)第一偏振選擇反射器(PBS-A)，(ii)第二偏振選擇反射器(PBS-B)，以及(iii)光導(124)，(b)所述光學部件的佈置限定光路，所述光路至少部分地由光限定，所述光路限定為：(i)朝向所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)傳播，(ii)穿越所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)，(iii)然後沿第一方向穿越所述第二偏振選擇反射器(PBS-B)，並且(iv)然後從第二方向從所述第二偏振選擇反射器(PBS-B)沿輸出圖像方向反射，並且(c)其中所述第二偏振選擇反射器(PBS-B)相對於所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)呈傾斜配置(PRISM-BA)，使得所述輸出圖像方向進入所述光導(124)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中，所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)與第一棱鏡(PRISM-A)的第三表面(A3)相關聯，(A)所述第一棱鏡(PRISM-A)還包括入射表面(A1)，所述入射表面(A1)具有對應於所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)的第一直角軸(A1N)的法線，並且(B)所述第一棱鏡(PRISM-A)還包括第二表面(A2)，所述第二表面(A2)垂直於所述入射表面(A1)，並且所述第二表面(A2)具有對應於所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)的第二直角軸(A2N)的法線，並且 所述第二偏振選擇反射器(PBS-B)相對於所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)呈傾斜配置(PRISM-BA)，使得所述輸出圖像方向傾斜於所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)的所述第一直角軸(A1N)和所述第二直角軸(A2N)。
  3. 一種光學系統，包括：(a)光學部件的佈置，包括：(i)第一偏振選擇反射器(PBS-A)，其與第一棱鏡(PRISM-A)的第三表面(A3)相關聯，(A)所述第一棱鏡(PRISM-A)還包括入射表面(A1)，所述入射表面(A1)具有對應於所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)的第一直角軸(A1N)的法線，並且(B)所述第一棱鏡(PRISM-A)還包括第二表面(A2)，所述第二表面(A2)垂直於所述入射表面(A1)，並且所述第二表面(A2)具有對應於所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)的第二直角軸(A2N)的法線，以及(C)第二偏振選擇反射器(PBS-B)，(b)所述光學部件的佈置限定光路，所述光路至少部分地由光限定，所述光路限定為：(i)朝向所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)傳播，(ii)穿越所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)，(iii)然後沿第一方向穿越所述第二偏振選擇反射器(PBS-B)，並且(iv)然後從第二方向從所述第二偏振選擇反射器(PBS-B)沿輸出圖像方向反射，並且(c)其中所述第二偏振選擇反射器(PBS-B)相對於所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)呈傾斜配置(PRISM-BA)，使得所述輸出圖像方向傾斜於所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)的所述第一直角軸(A1N)和所述第二直角軸(A2N)。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的光學系統，其中，所述第三表面(A3)與所述第一直角軸(A1N)和所述第二直角軸(A2N)基本成45度角。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的光學系統，其中，所述光學元件的佈置還包括准直器(101)，所述准直器(101)被配置在所述光路中。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的光學系統，其中：(a)所述准直器(101)包括具有透鏡光軸(120N)的透鏡(120)，(b)所述光學元件的佈置包括配置在所述光路中的反射元件(122)，並且其中，所述反射元件(122)的表面的法線(122N)相對於所述第一偏振選擇反射器的所述第一直角軸(A1N)和所述第二直角軸(A2N)呈傾斜配置(122A)。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的光學系統，其中，所述反射元件(122)是鏡子。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的光學系統，其中，所述反射元件(122)是透鏡。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的光學系統，其中：(a)所述第一偏振選擇反射器的法線(PBS-AN)相對於所述透鏡光軸(120N)成45°(度)角度(PBS-AA)。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的光學系統，還包括：(a)提供圖像輸入光的圖像光提供器(110)，(b)所述光路包括所述圖像輸入光，(c)所述准直器被部署在位於所述圖像光提供器(110)下游且位於所述第一偏振選擇反射器上游的所述光路中，所述准直器包括：(i)與所述透鏡相鄰的第一四分之一波片(WAVE-A)，(d)所述第一棱鏡(PRISM-A)，其具有：(i)接收所述圖像輸入光的所述入射表面(A1)，以及 (ii)與所述第一四分之一波片(WAVE-A)相鄰的所述第二表面(A2)，以及(iii)與所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)相鄰的所述第三表面(A3)，(e)第二棱鏡(PRISM-B)，其具有：(i)與所述第一偏振選擇反射器(PBS-A)相鄰的第四表面(B1)，以及(ii)與所述第二偏振選擇反射器(PBS-B)相鄰的第五表面(B2)，(f)第二四分之一波片(WAVE-B)，其與所述反射元件(122)相鄰，以及(g)第三棱鏡(PRISM-C)，其具有：(i)與所述第二偏振選擇反射器(PBS-B)相鄰的第七表面(C1)，(ii)與所述第二四分之一波片(WAVE-B)相鄰的第八表面(C2)，以及(iii)第九表面(C3)(h)被配置成使得所述光路包括：(i)所述圖像輸入光，其經由所述入射表面(A1)進入所述第一棱鏡(PRISM-A)，(ii)從所述第一偏振選擇反射器反射，穿越所述第一四分之一波片(WAVE-A)，(iii)從所述透鏡(120)反射，重新穿越所述第一四分之一波片(WAVE-A)，經所述第一棱鏡(PRISM-A)穿過所述第一偏振選擇反射器，經所述第二棱鏡(PRISM-B)沿第一方向穿過所述第二偏振選擇反射器，經所述第三棱鏡(PRISM-C)，穿越所述第二四分之一波片(WAVE-B)， (iv)從所述鏡子反射，重新穿越所述第二四分之一波片(WAVE-B)，(v)所述第三棱鏡(PRISM-C)從所述第二偏振選擇反射器的所述第二方向反射，(vi)穿越所述第三棱鏡(PRISM-C)，以及(vii)所述光路的從所述第九表面(C3)沿所述輸出圖像方向的輸出。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的光學系統，還包括：(a)第四棱鏡(PRISM-D)，其具有：(i)與所述第九表面(C3)相鄰的第十表面(D1)，以及(ii)第十一表面(D2)，從所述第九表面(C3)輸出的所述光路穿越所述第四棱鏡(PRISM-D)並且從所述第十一表面(D2)沿所述輸出圖像方向輸出。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的光學系統，還包括：(a)光導基板(124)，其具有至少兩個主平行外表面和至少一組部分反射內表面(126)，(b)被配置成使得從所述第九表面(C3)輸出的所述光路進入所述光導基板(124)。
  13. 如申請專利範圍第3項所述的光學系統，其中，所述光路包括未准直圖像光的輸入。
  14. 如申請專利範圍第5項所述的光學系統，其中，所述准直器被部署在位於所述第一偏振選擇反射器與所述第二偏振選擇反射器之間的所述光路中。
  15. 如申請專利範圍第5項所述的光學系統，其中，所述准直器被部署在位於所述第二偏振選擇反射器下游的所述光路中。
  16. 如申請專利範圍第3項所述的光學系統，其中，從所述第二偏振選擇反射器(PBS-B)反射的光是對應於圖像的准直光。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的光學系統，其中，在從所述第二偏振選擇反射器(PBS-B)反射之後，所述准直光然後從所述系統輸出。
  18. 如申請專利範圍第3項所述的光學系統，其中，所述輸出圖像方向在相對於所述系統的輸出表面的法線(D2N)的給定角度範圍內。
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