TWM623587U - 光學系統 - Google Patents

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TWM623587U
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illumination
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collimating lens
spatial light
light modulator
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希蒙 格拉巴尼克
尤奇 丹齊格
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以色列商魯姆斯有限公司
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Abstract

本創作涉及一種光學系統，其包括具有用於通過內反射導引圖像光的一對平行的主外表面以及橫向的耦入表面的光導光學元件(Light-guide Optical Element,LOE)。圖像投影器包括棱鏡，該棱鏡具有與照明裝置相關聯的第一表面、與反射式空間光調變器(Spatial Light Modulator,SLM)相關聯的第二表面、具有四分之一波片和反射準直透鏡的第三表面以及在光學上耦接至光導光學元件的耦入表面的第四表面。偏振分束器(Polarization Beam Splitter,PBS)佈置在棱鏡內，以限定從照明裝置經由空間光調變器和準直透鏡到光導光學元件的耦入表面的光路。棱鏡的第五表面形成光導光學元件的主外表面中的一個主外表面的延續。

Description

光學系統
本創作涉及一種光學系統，並且特別地，本創作涉及耦接至作為顯示系統的一部分的光導光學元件(LOE)的圖像投影器。
許多近眼顯示系統包括放置在使用者眼睛之前的透明光導光學元件或“波導”，光導光學元件或“波導”通過內反射在光導光學元件內傳送圖像，並且然後在一維或二維上實現光學孔徑擴展並且通過合適的輸出耦接機構朝向使用者的眼睛耦出圖像。孔徑擴展和輸出耦接機構可以基於嵌入式部分反射器或“小平面”，或者可以採用衍射光學元件。
本創作涉及一種光學系統。
根據本創作的實施方式的教導，提供了一種光學系統，該光學系統包括：(a)光導光學元件，光導光學元件具有一對平行的主外表面，主外表面用於通過主外表面處的內反射導引圖像光，光導光學元件具有橫向的耦入表面；以及(b)圖像投影器，該圖像投影器包括棱鏡，該棱鏡具有：(i)第一表面，該第一表面與照明裝置相關聯；(ii)第二表面，該第二表面與反射式空間光調變器(SLM)相關聯；(iii)第三表面，該第三表面具有四分之一波片和反射準直透鏡；(iv)第四表面，該第四表面在光學上耦接至光導光學元件的耦入表面；(v)偏振分束器(PBS)，該偏振分束器佈置在棱鏡內以限定光路，使得來自照明裝置的照明將空間光調變器照明，並且使得來自空間光調變器的反射圖像照明被準直透鏡準直並且朝向耦入表面引導；(vi)第五表面，該第五表面不平行於第一表面、第二表面、第三表面和第四表面中的所有表面，第五表面與光導光學元件的主外表面中的一個主外表面共面並且在光學上連續，其中，由準直透鏡準直的圖像照明的一部分在到達耦入表面之前在第五表面處被內反 射。
根據本創作的實施方式的其他特徵，偏振分束器被部署成將來自照明裝置的照明朝向空間光調變器反射，將從空間光調變器反射的反射圖像照明朝向準直透鏡傳輸，並且將來自準直透鏡的準直圖像照明朝向耦入表面反射。
根據本創作的實施方式的其他特徵，第二表面和第三表面與第五表面傾斜地成角度。
根據本創作的實施方式的其他特徵，第二表面平行於第三表面。
根據本創作的實施方式的其他特徵，第三表面與第五表面形成在50度至70度之間的角度。
根據本創作的實施方式的其他特徵，空間光調變器是矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)晶片。
根據本創作的實施方式的其他特徵，偏振分束器被部署成將來自照明裝置的照明朝向空間光調變器傳輸，將來自空間光調變器的反射圖像照明朝向準直透鏡反射，並且將來自準直透鏡的準直圖像照明朝向耦入表面傳輸。
10:近眼顯示器
12:光導光學元件/波導
14:圖像投影器
16:第一區域
17:反射表面/小平面
18:第二區域
19:反射小平面
20:側部
22:控制器
300:第一表面
302:照明裝置
304:第二表面
306:空間光調變器
308:第三表面
310:第四表面
350:偏振分束器
352:準直透鏡
356:棱鏡/面
357:線
358:波導入口/表面
P、S:偏振
VII-VII:線
V-V:線
X:軸/方向
Y:軸/方向
本文僅通過示例參照附圖描述了本創作，在附圖中：
圖1A和圖1B是使用根據本創作的教導構造和操作的光導光學元件實現的光學系統的示意性等距視圖，分別示出了自頂向下投射配置和側向投射配置；
圖2是示出了耦接至光導光學元件的圖像投影器的定位的圖1A的光導光學元件的實現方式的示意性前視圖；
圖3是圖2的圖像投影器的示意性放大等距視圖；
圖4是圖3的圖像投影器的側視圖；
圖5是沿著圖4中的線V-V截取的示意性橫截面圖；
圖6是圖2的圖像投影器的替代性實現方式的側視圖；以及
圖7是沿著圖6中的線VII-VII截取的示意性橫截面圖。
本創作的某些實施方式提供了包括耦接至光導光學元件的圖像投影器的光學系統。
在圖1A和圖1B中示意性地圖示了根據本創作的實施方式的教導的呈採用光導光學元件12的近眼顯示器──通常被指定為10──的形式的裝置的示例性實現方式。近眼顯示器10採用光學地耦接成將圖像投射到光導光學元件(可互換地被稱為“波導”、“基板”或“平板”)12中的緊湊型圖像投影器(或“POD”)14，在光導光學元件12內，圖像光通過一組相互平行的平坦外表面處的內反射而在一個維度中被捕獲。
光導光學元件通常包括如下裝置：其用於在一維或二維上擴展投射圖像的光學孔徑，以及用於通常基於內部部分反射表面的使用或基於衍射光學元件將圖像照明朝向觀察者的眼睛耦出。在圖2中進一步示意性地圖示的一組非限制性實現方式中，從圖像投影器14投射到光導光學元件12中的光射向一組彼此平行並且相對於圖像光的傳播方向斜向傾斜的部分反射表面(可互換地被稱為“小平面”)17，其中，每個相繼的小平面使圖像光的一部分偏轉成偏轉方向，其也在基板內通過內反射被捕獲/引導。該第一組小平面17未在圖1A和圖1B中單獨圖示，而是位於光導光學元件的被指定為16的第一區域中，並且在圖2中示意性地示出。在相繼的小平面處的這種部分反射實現了第一維度的光學孔徑擴展。在本創作的第一組優選但非限制性示例中，前面提及的小平面17組與基板的主外表面正交。在該情況下，投射圖像及其在第一區域16內傳播時經歷內反射的其共軛均被偏轉並且成為沿偏轉方向傳播的共軛圖像。在替代性的一組優選但非限制性示例中，第一組部分反射表面17相對於光導光學元件的主外表面傾斜地成角度。在後一種情況下，投射圖像或其共軛形成在光導光學元件內傳播的所需偏轉圖像，而另一反射可以例如通過在小平面上採用角度選擇塗層來最小化，角度選擇塗層使得小平面對於由不需要其反射的圖像呈現的入射角的範圍相對透明。
第一組部分反射表面將圖像照明從通過全內反射(Total infernal reflection,TIR)被捕獲在基板內的傳播的第一方向偏轉到也通過全內反射被捕獲在基板內的傳播的第二方向。
然後，經偏轉的圖像照明進入基板的第二區域18，可以將該基板的第二區域18實現為相鄰的不同基板或者實現為單個基板的延續，在基板的第二區域18中，耦出裝置(另一組部分反射小平面19或衍射光學元件)逐漸將圖像照明的一部分朝向位於被限定為眼動盒(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。整體裝置可以針對每個眼睛單獨實現，並且優選地相對於用戶的頭部被支承，其中，每個光導光學元件12面對使用者的對應眼睛。在如此處所示的一個特別優選的選擇中，將支承裝置實現為具有用於相對於用戶的耳朵來支承裝置的側部20的眼鏡框架。也可以使用其他形式的支承裝置，包括但不限於頭帶、面罩或懸掛在頭盔上的裝置。
本文在附圖和申請專利範圍中參照X軸和Y軸，其中，X軸沿光導光學元件的第一區域的大體延伸方向水平(圖1A)或豎向(圖1B)延伸，並且Y軸垂直於X軸延伸，即，在圖1A中豎向延伸並且在圖1B中水平延伸。
以非常粗略的術語而言，可以認為第一光導光學元件、或光導光學元件12的第一區域16在X方向上實現孔徑擴展，而第二光導光學元件、或光導光學元件12的第二區域18在Y方向上實現孔徑擴展。應當注意的是，如圖1A中所示的取向可以被視為“自頂向下”實現方式，在該實現方式中進入光導光學元件的主要(第二區域)的圖像照明從上邊緣進入，而圖1B中所示的取向可以被視為“側向投射”實現方式，在該實現方式中水平部署此處被稱為Y軸的軸。在其餘附圖中，將在“自頂向下”取向的背景下示出本創作的某些實施方式的各種特徵，類似於圖1A。然而，應當理解的是，所有這些特徵同樣適用於也落入本創作的範圍內的側向投射實現方式。在某些情況下，其他中間取向也是適用的，並且除非明確被排除，否則其他中間取向也包括在本創作的範圍內。
應當理解的是，近眼顯示器10包括各種附加部件，通常包括用於致動圖像投影器14的控制器22，其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。應當理解的是，控制器22包括用於驅動圖像投影器的所有必需的電子部件，例如至少一個處理器或處理電路，所有這些均為本領域已知的。
本創作的教導主要涉及圖像投影器14的實現方式以及圖像投影器14與光導光學元件12在光學上耦接的方式。在圖3至圖7中示出了根據本創作的某些實施方式的教導的圖像投影器14的放大詳細視圖。
在圖3至圖5中圖示了實現方式圖像投影器14。圖像投影器產生準直圖像，在準直圖像中每個圖像像素的光是準直到無窮遠的平行光束，其中，角度方向對應於像素位置。因此，圖像照明跨越與兩個維度中的角視場對應的角度範圍。
最小化基於空間光調變器比如矽基液晶晶片的圖像投影器的光學尺寸包括組合以下三個功能：
1.為矽基液晶照明
2.準直從矽基液晶反射的圖像
3.將耦接棱鏡組合成波導
在需要短焦距進行圖像準直的情況下，組合上述所有功能尤其具有挑戰性。圖3至圖5示出了雙通棱鏡可以如何通過將偏振分束器平面設置為與波導平面近似垂直(90度±20度)來組合上述功能。圖3示出了這種光學裝置的等距視圖。照明入口用粗箭頭標記。偏振分束器平面是標記為350的陰影平面，並且反射準直透鏡是352。棱鏡356的底平面是發生全內反射的平面，並且是波導12的延續。波導的入口358位於棱鏡的側面。明顯的是，偏振分束器350平面沿著線357幾乎垂直(90度±20度)穿過全內反射平面356。
圖5的俯視圖示出了光束在棱鏡內的傳播。照明由偏振分束器350反射到矽基液晶上。來自矽基液晶的反射圖像(此處僅顯示為來自單個圖像像素的光束的箭頭)朝向反射準直透鏡352反射並且穿過偏振分束器350而沒有來自棱鏡側面的反射。來自矽基液晶的準直光束由偏振分束器反射到波導入口358孔徑上。這些光束中的一些光束在偏振分束器反射360P1之後經歷全內反 射360T1，而其他光束在偏振分束器反射360P2之後經歷全內反射360T2，並且還有一些其他光束(未示出)在到達波導入口358之前不經歷全內反射。為了清楚起見，圖4的側視圖示出了相同的光束，但僅示出了偏振分束器反射。
因此，此處圖示的圖像投影器14採用棱鏡，棱鏡具有與由箭頭示意性表示的照明裝置302相關聯的第一表面300、與反射空間光調變器306相關聯的第二表面304、具有四分之一波片和反射準直透鏡352的第三表面308、以及在光學上耦接至光導光學元件12的耦入表面(入口)358的第四表面310。偏振分束器350佈置在棱鏡內以限定光路，使得來自照明裝置302的照明將空間光調變器306照明，並且使得來自空間光調變器306的反射圖像照明被準直透鏡352準直並且朝向耦入表面358引導。
圖像投影器14的棱鏡還具有第五表面356，第五表面356不平行於第一表面300、第二表面304、第三表面308和第四表面310中的所有表面。本創作的某些優選實現方式的特定特徵在於，第五表面356與光導光學元件12的主外表面中的一個主外表面共面並且在光學上連續。由準直透鏡352準直的圖像照明的一部分優選地在到達耦入表面358之前在第五表面356處被內反射。
在此處圖示的實現方式中，偏振分束器350被部署成將來自照明裝置的照明朝向空間光調變器306反射，將從空間光調變器反射的反射圖像照明朝向準直透鏡352傳輸，並且將來自準直透鏡的準直圖像照明朝向耦入表面358反射。
照明裝置302可以是本領域已知的任何合適的照明源，包括但不限於LED和雷射二極體。照明源可以包括可以快速切換的不同顏色的源，以便在視頻的單個幀週期內照明分色圖像，從而生成彩色圖像。照明源可以包括用於引導和/或均勻照明的各種光學部件，所有這些都是本領域已知的。照明源還優選地包括偏振器以確保輸入照明相對於偏振分束器350是S偏振的，從而避免輸入照明直接朝向波導洩漏。
如圖4中最佳觀察的，第二表面304和第三表面308優選地與第五表面356傾斜地成角度，並且第二表面304優選地平行於第三表面308。準 直透鏡352的光學軸線優選地限定投影圖像的主光線相對於第五表面356和光導光學元件12的主外表面的傾角的角度，從而限定圖像投射到波導中的角度的傾斜。這種配置對於相對較淺的投射角度特別有效。第三表面308的優選示例性取向與第五表面356形成在50度至70度之間的角度，優選地對應於圖像的主光線相對於波導的主外表面的在20度至40度的傾角。
圖6和圖7圖示了圖像投影器14的替代性配置，其中，等效部件被類似地標記。與圖3至圖5的實現方式的有關偏振分束器350的反射-透射-反射光路相反，圖6和圖7的實現方式採用有關偏振分束器的透射-反射-透射光路。
具體地，如圖7中最佳觀察到的，偏振分束器350在此處被部署成將來自照明裝置302的照明朝向空間光調變器306傳輸，將來自空間光調變器的反射圖像照明朝向準直透鏡352反射，並且將來自準直透鏡的準直圖像照明朝向耦入表面358傳輸。在這種情況下，照明裝置302的偏振器被實現成產生相對於偏振分束器350的P偏振。偏振分束器350和第二面304的傾斜角度和/或空間光調變器306在第二面上的取向可以被調節，以便將空間光調變器與準直透鏡352的光學軸線正確對準。
在所有其他方面，圖6和圖7的實現方式的結構和操作將通過與如上所述的圖3至圖5的實現方式的結構和操作類似而被完全理解。
應當理解的是，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。
10:近眼顯示器
12:光導光學元件/波導
14:圖像投影器
16:第一區域
18:第二區域
20:側部
22:控制器
X:軸/方向
Y:軸/方向

Claims (7)

  1. 一種光學系統，其特徵在於，包括：
    (a)光導光學元件，所述光導光學元件具有一對平行的主外表面，所述主外表面用於通過所述主外表面處的內反射導引圖像光，所述光導光學元件具有橫向的耦入表面；以及
    (b)圖像投影器，所述圖像投影器包括棱鏡，所述棱鏡具有：
    (i)第一表面，所述第一表面與照明裝置相關聯；
    (ii)第二表面，所述第二表面與反射式空間光調變器相關聯；
    (iii)第三表面，所述第三表面具有四分之一波片和反射準直透鏡；
    (iv)第四表面，所述第四表面在光學上耦接至所述光導光學元件的所述耦入表面；
    (v)偏振分束器，所述偏振分束器佈置在所述棱鏡內以限定光路，使得來自所述照明裝置的照明將所述空間光調變器照明，並且使得來自所述空間光調變器的反射圖像照明被所述準直透鏡準直並且朝向所述耦入表面引導；以及
    (vi)第五表面，所述第五表面不平行於所述第一表面、所述第二表面、所述第三表面和所述第四表面中的所有表面，所述第五表面與所述光導光學元件的所述主外表面中的一個主外表面共面並且在光學上連續，其中，由所述準直透鏡準直的所述圖像照明的一部分在到達所述耦入表面之前在所述第五表面處被內反射。
  2. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述偏振分束器被部署成將來自所述照明裝置的照明朝向所述空間光調變器反射，將從所述空間光調變器反射的反射圖像照明朝向所述準直透鏡傳輸，並且將來自所述準直透鏡的準直圖像照明朝向所述耦入表面反射。
  3. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第二表面和所述第三表面與所述第五表面傾斜地成角度。
  4. 如請求項3所述的光學系統，其中，所述第二表面平行於所述第三表面。
  5. 如請求項3所述的光學系統，其中，所述第三表面與所述第五表面形成在50度至70度之間的角度。
  6. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述空間光調變器是矽基液晶晶片。
  7. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述偏振分束器被部署成將來自所述照明裝置的照明朝向所述空間光調變器傳輸，將來自所述空間光調變器的反射圖像照明朝向所述準直透鏡反射，並且將來自所述準直透鏡的準直圖像照明朝向所述耦入表面傳輸。
TW110210709U 2020-09-11 2021-09-10 光學系統 TWM623587U (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063076971P 2020-09-11 2020-09-11
US63/076,971 2020-09-11

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Publication Number Publication Date
TWM623587U true TWM623587U (zh) 2022-02-21

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ID=78408929

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Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110210709U TWM623587U (zh) 2020-09-11 2021-09-10 光學系統

Country Status (6)

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US (1) US11644676B2 (zh)
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