TWM653357U

TWM653357U - 用於以可旋轉的方式構造光導管的設備

Info

Publication number: TWM653357U
Application number: TW112204852U
Authority: TW
Inventors: 希蒙格拉巴尼克; 齊翁艾森菲爾德
Original assignee: 以色列商魯姆斯有限公司
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2024-04-01

Abstract

基於光導管的輸出的對稱旋轉軸線與投影光學器件的輸入軸線重合，光導管可以繞旋轉軸線旋轉，以便使光導管與相關的眼鏡的框架、或者相應地與眼鏡的佩戴者的太陽穴對準。因此，可以實現顯示系統的改善的或優化的美學外觀。根據實施方式細節和對圖像投影部件的要求，顯示系統的光導管可以與眼鏡的框架對準，或者甚至可以被隱藏在框架內。如果透鏡(波導管)的廣角傾斜改變，則光導管的旋轉可以被應用於光導管，以使光導管再次處於與太陽穴對準的位置，從而避免對光導管的重新設計的需要。

Description

用於以可旋轉的方式構造光導管的設備

本創作總體上涉及光導管，並且特別地，本創作涉及在不需要重新設計的情況下可以相對於相關的系統部件部署的光導管。

廣角傾斜被定義為透鏡相對於對象的主要凝視繞水平軸線的傾斜。以一種簡單的方式，廣角傾斜可以被解釋為“透鏡底部朝向臉頰的旋轉”。通常，這些傾斜在0度至12度範圍內，並且傾斜在3度與7度之間被認為是正常的。廣角傾斜通常取決於一副眼鏡如何安置在使用者的(佩戴者的)臉上。

廣角傾斜量根據使用和使用者而不同。透鏡可以被用於顯示用於諸如增強現實(Augmented Reality,AR)和虛擬實境(Virtual Reality,VR)之類的應用的圖像。在這些情況下，需要部件來提供圖像以供透鏡顯示。部件可以包括電源、圖像源、光源、光學操縱和投影。可以使用的一個部件是光導管。光管通常被用於組合多種波長的光(例如來自RGB LED光源)和/或均勻穿過光導管的出口孔以輸入到光波導管裝置或系統的均質化光。

出於美觀的原因，期望使光導管與眼鏡的框架對準。然而，系統的不同部件和部件的不同取向、比如透鏡和廣角傾斜會改變相關部件的相對構型(幾何關係)，包括改變常規的光導管的取向。常規的解決方案是重新設計光導管，使得光導管可以與眼鏡的框架對準。

根據本實施方式的教導，提供了一種設備，包括：投影光學器件，投影光學器件包括空間光調製器(Spatial Light Modulator,SLM)，投影光學器件具有投影光學器件輸入表面，投影光學器件輸入表面具有與空間光調製器的輸入表面對應的x軸線和y軸線；以及光導管，光導管具有沿著光導管的長軸從光導管輸入表面到光導管輸出表面的光導管軸線以及垂直於光導管輸出表面和投影光學器件輸入表面的輸出z軸線，光導管與光導管軸線以相對於x軸線、y軸線和z軸線傾斜的角度部署。在優選實施方式中，光導管軸線與旋轉軸線不平行。

在可選實施方式中，還包括各向異性漫射器，各向異性漫射器配置成接收來自光導管輸出表面的輸出光並向投影光學器件輸入表面提供漫射光，漫射器平行於光導管輸出表面佈置並且以與投影光學器件輸入表面的x軸線和y軸線不平行的方式旋轉。

在另一可選實施方式中，各向異性漫射器具有相對於在第二方向上將光散射到較小角度範圍而言在第一方向上將光散射到較大角度範圍的非對稱功能。

在另一可選實施方式中，漫射器以與光導管輸出表面接觸的方式部署。

在另一可選實施方式中，光導管和漫射器配置在照明系統中，照明系統還包括光源，光源經由第一菲涅爾透鏡向光導管輸入表面提供輸入光。

在另一可選實施方式中，照明系統還包括第二菲涅爾透鏡和偏振器，經由第二菲涅爾透鏡和偏振器向照明系統輸出表面提供漫射光。

在另一可選實施方式中，光導管配置在照明系統中，照明系統可旋轉地連接至投影光學器件。

在另一可選實施方式中，照明系統還包括各向異性漫射器，各向異性漫射器可操作地連接到光導管，使得光導管和漫射器相對於旋轉軸線同步旋轉。在另一可選實施方式中，照明系統還包括各向異性漫射器，使得光導管和漫射器相對於旋轉軸線獨立旋轉。

在另一可選實施方式中，光導管軸線與旋轉軸線不平行。

根據本實施方式的教導，提供了一種部署設備的方法，其中，光導管與使用者的眼鏡的框架的框架軸線基本上對準，框架軸線是沿著框架的縱向軸線，框架位於眼鏡的透鏡與使用者的耳朵之間。

一種設備，包括光導管，光導管具有沿著光導管的長軸從光導管輸入表面到光導管輸出表面的光導管軸線以及垂直於光導管輸出表面和投影光學器件的旋轉軸線，光導管與光導管軸線部署成與直立圓錐體的幾何結構的側向表面基本上對準，直立圓錐體具有與旋轉軸線重合的頂點，錐體具有與旋轉軸線對準的錐體軸線，並且頂點與光導管輸出表面基本上對準。

一種部署如請求項1的設備的方法，其中，旋轉軸線與框架軸線之間的第一角基本上等於旋轉軸線與光導管軸線之間的第二角，框架軸線是沿著框架的縱向軸線，使得使光導管繞旋轉軸線旋轉將光導管軸線與框架軸線之間的間隔角最小化，從而使光導管與框架基本上平行對準。

1:光源

10:旋轉軸線(輸出軸線、z軸線)

100:微顯示器投影儀(POD)

11:框架/邊框

110:軸線

14:直立圓錐體(錐體)

14L:側向表面、錐體表面

14V:頂點

2:光導管

2N:光導管輸入(表面)

2T:光導管輸出(表面)、輸出光

20:光導光學元件(LOE)、波導管

22A:第一菲涅爾透鏡

22B:第二菲涅爾透鏡

24:投影光學器件

24N:投影光學器件輸入表面

26:照明系統

26T:照明系統輸出表面

28C:光

28D:漫射光

28N:輸入光

28T:輸出光

3:漫射器

30:光導管軸線

300:顯示系統

32A:輸出角

34A:輸入角(第一角、輸入角)

36A:輸出光角

38A、38B:間隔角(角度)

4:偏振器

40A:半孔角

5:第一棱鏡

50A:角度

50B:非零角(角度)

6:第二棱鏡

60:眼睛

7:偏振分束器(PBS)

8:空間光調製器(LCOS)

9:準直器

在本文中將參照圖式僅通過示例的方式來描述實施方式，在圖式中：圖1A是微顯示器投影儀的設計的第一視圖。

圖1B是微顯示器投影儀的設計的第二視圖。

圖2A和圖2B是光在光導管中傳播的細節的第一視圖和第二視圖，圖2A和圖2B對應於相應的圖1A的第一視圖和圖1B的第二視圖。

圖3A是具有在豎向平面中與框架不對準的光導管2的顯示系統。

圖3B是具有在水平平面中與框架正確地對準的光導管2的顯示系統。

圖4A和圖4B示出了光導管在其上旋轉的錐體、側向表面的第一視圖和第二視圖，圖4A和圖4B對應於相應的圖1A的第一視圖和圖1B的第二視圖。

圖5A和圖5B在每個圖中示出了與LOE和相對於框架旋轉(以相同的旋轉)的光導管成一體的POD的視圖。

參照圖式和所附描述可以更好地理解根據本實施方式的設備的原理和操作。本創作是一種用於以可旋轉的方式構造光導管的設備。該設備有助於在不需要重新設計光導管的情況下將光導管相對於相關的部件的各種構型進行構造。

基於光導管的輸出的對稱軸線(旋轉軸線、輸出軸線)與投影光學器件的輸入軸線重合，光導管可以在該軸線上(圍繞該軸線)旋轉，以便使光導管與相關的眼鏡的框架、或者相應地使用者(眼鏡的佩戴者)的太陽穴對準。因此，可以實現顯示系統的改善的或優化的美學外觀。根據實施方式細節和對圖像投影部件的要求，光導管可以與眼鏡的框架對準，或者甚至可以被隱藏在框架內。如果透鏡(波導管)的廣角傾斜改變，則光導管的旋轉可以被應用於光導管，以使光導管再次處於與太陽穴對準的位置，從而避免對光導管的重新設計的需要。

光導管具有在本說明書的上下文中被稱為“旋轉軸線”的輸出軸線，並且從光導管輸出的光繞該旋轉軸線是旋轉對稱的。光導管構造成與光導管的縱向軸線以相對於旋轉軸線恆定的傾斜部署。光導管軸線的延伸不需要與投影光學器件的偏振分束器、反射偏振器(Polarization Beam Splitter,PBS)對準。

參照圖1A，示出了微顯示器投影儀的設計的第一視圖，以及圖1B示出了微顯示器投影儀的設計的第二視圖。元件未按照比例繪製。為了簡潔和清楚，在本說明書中使用典型的示例性部件。本領域技術人員將認識到可以使用其他部件和構型。例如，替代的光源、光傳播的各個階段中的附加的、移除的或替代的透鏡、替代的圖像生成技術等。

示例性微顯示器投影儀(POD 100)包括示例性照明系統26和示例性投影光學器件24。示例性照明系統26包括光源1、第一菲涅爾(Fresnel)透鏡22A、光導管2、漫射器3和附接至偏振器4的第二菲涅爾透鏡22B。示例性投影光學器件24包括第一棱鏡5、偏振分束器(PBS)7、空間光調製器(例如，空間光模組、液晶覆矽(Liquid Crystal On Silicon,LCOS)8、第二棱鏡6和準直器9。POD 100的輸出被發送至顯示器，比如被發送至波導管、例如光導光學元件(Light-guide Optical Element,LOE)20。

光源1可以是例如具有三個空間分離的LED的RGB LED模組，每個LED分別為紅色、綠色和藍色。通常使用第一菲涅爾透鏡22A來聚焦從光源1產生和輸出的不同的光，以使光集中，從而用於更有效地輸入(注入)到光導管2中。在光在光導管2中的傳播期間，輸入的顏色組合(混合、均質化)以在漫射器3的輔助下在光導管2的出口孔處產生光，從而將均勻的白光輻照度輸出作為輸入提供給投影光學器件24。通常，第二菲涅爾透鏡22B與漫射器3間隔開。

當前實施方式的照明系統26通常輸出來自偏振器4的偏振光。照明系統26具有照明系統輸出表面26T，該照明系統輸出表面26T將從照明系統26出來的光提供給投影光學器件24的投影光學器件輸入表面24N。偏振光通過示例性投影光學器件24接收、經由第一棱鏡5傳播、並且從PBS 7的第一側朝向空間光調製器(SLM)、比如示例性LCOS 8反射。LCOS 8是使用來自照明系統的光來生成圖像的技術的非限制性示例。從LCOS 8反射回來之後，圖像光的偏振旋轉90度，因此圖像光通過第一棱鏡5傳播並穿過PBS 7和第二棱鏡6而到達準直器9。準直器9的實施方式的一個示例是使用與四分之一波片集成的準直鏡(比如球面鏡或與球面鏡結合的透鏡)。準直圖像光在從準直器9反射後具有旋轉90度的偏振，因此通過第二棱鏡6傳播並被PBS 7反射。然後，準直圖像光從POD 100輸出。輸出的圖像光被發送至顯示器、比如發送到波導管，在這種情況下發送至光導光學元件(LOE)20。

投影光學器件輸入表面24N具有與LCOS 8的輸入表面對應的x軸線和y軸線。投影光學器件輸入表面24N和LCOS 8的輸入表面的兩個表面可以彼此平行或使用彼此成相對角度的反射光學路徑。兩個表面的取向對應，在光學上等效於來自投影光學器件輸入表面24N和LCOS 8的輸入表面的直線路徑。在光學路徑在投影光學器件24中反射並且兩個表面成相對角度的情況下，軸線將被相應地被反射。

參照圖2A和圖2B，示出了光在光導管中傳播的細節的第一視圖和第二視圖，圖2A和圖2B對應於相應的圖1A的第一視圖和圖1B的第二視圖的。在光導管2中被組合的光28C的傳播通常通過全內反射(Total Internal Reflection,TIR)來進行。光導管2的旋轉軸線10被示出為垂直於投影光學器件24的輸入。在本檔的上下文中，旋轉軸線10也被稱為“輸出軸線”，並且在圖中為“z軸線”。雖然該輸出軸線稱為“旋轉”軸線，但該描述並不是限制性的，並且實施方式包括相對於投影光學器件24旋轉和靜止的光導管2和照明系統26。光導管軸線30被示出為在組合光28C沿著光導管2傳播的方向上沿著光導管2的長軸、通常沿著光導管2的長度從光導管輸入2N到光導管輸出2T。

從光源1產生的光在由光導管2的輸入角孔限定的錐體中在光導管輸入2N處進入光導管2。在圖2B中，來自光源1的光由相對於光導管軸線30以輸入角34A進入光導管2的單束輸入光28N表示。在本說明書的上下文中，輸入角34A也被稱為“第一角”，或簡稱為“輸入角”。相應地，光28C通過光導管2傳播並組合之後，組合的光28C作為輸出光28T離開光導管2。輸出光28T以被示出為輸出光角36A的角度離開光導管2。輸出光2T通過漫射器3被散射(漫射)在由光導管輸出角32A(最大散射角、第二角、輸出角)相對於旋轉軸線10限定的錐體內側，從而提供漫射光28D。使用漫射器3、光源1的設計和第一菲涅爾透鏡22A的組合，離開漫射器3的漫射光28D的輻射相對於旋轉軸線10基本上旋轉對稱。

當前實施方式的特徵是下述創新性的洞察和認識，即光導管2可以被設計和配置成使得輸出光28T，並且因此漫射光28D都相對於旋轉軸線10大致旋轉對稱。該特徵允許光導管2相對於投影光學器件24傾斜(光導管軸線30不平行於旋轉軸線10)。由於光導管光輸出光28T在角度(輸出角32A)和空間分佈方面相對於旋轉軸線10基本上對稱，所以光導管2繞旋轉軸線10的旋轉不會影響POD 100的光學性能。

當前實施方式的另一特徵是漫射器3作為各向異性漫射器的優選實施方式，該各向異性漫射器具有相對於在第二方向上將光散射到較小角度範圍而言在第一方向上將光散射到較大角度範圍的非對稱功能。可選地，並且優選地另外，各向異性漫射器3(輸入和輸出表面)與光導管輸出表面2T平行並對準。因此，光導管2的傾斜取向對應於漫射器以與投影光學器件輸入表面24N不平行(不對準)的方式旋轉。也就是說，漫射器3的第一方向和第二方向以與投影光學器件輸入表面24N的x軸線和y軸線不平行的方式旋轉。

應當注意的是，為了圖式簡化目的，通常僅描繪了一條光線。光也可以稱為“光”或“光束”。本領域技術人員將認識到的是，所描繪的光(光線)是實際的光的樣本光束，該樣本光束通常由多個光束以稍微不同的角度形成。除非明確地稱為光的末端(邊緣)，否則所示出的光線通常是光的質心。在光對應於圖像的情況下，中心光線是來自圖像中心或圖像中心圖元的中心光線。

參照圖3A，示出了包括與波導管(LOE)20成一體的且與框架11有關的POD 100的顯示系統300的視圖(例如，示出了由使用者佩戴的眼鏡的一部分)。在當前的圖中，光導管2在相對於使用者的眼睛60的豎向平面中與框架11不對準。應當注意的是，在當前的圖中未示出漫射器3、第二菲涅爾透鏡22B和偏振器4。在這種情況下，LOE 20用作眼鏡的透鏡。例如，由於波導管(LOE 20)的廣角傾斜，照明系統26傾斜到頁面中，因此光導管軸線30相對於投影光學器件24傾斜到頁面中。光導管軸線30與旋轉軸線10不重合。POD 100相對於波導管的傾斜導致光導管2與眼鏡的框架11的太陽穴不對準。間隔角38A在光導管2與框架11之間(沿著框架11的長度在光導管軸線30與框架的縱向軸線110之間)。理想情況下，在光導管2與框架11之間不應該存在間隔角38A，即間隔角38A應該接近並且基本上為零。在間隔角38A大於給定量的情況下，光導管2與框架11不對準，並且所產生的顯示系統300和眼鏡一體化的美學外觀弱於光導管2與框架11對準的情況下的美學外觀。

參照圖3B，示出了包括與LOE 20成一體的且與邊框11有關的POD 100的顯示系統300的視圖(例如，示出了由使用者佩戴的眼鏡的一部分)。在當前的圖中，光導管2在相對於使用者的眼睛60的水平平面中與框架11正確地對準。應當注意的是，由於POD 100實際上相對於波導管(LOE)20傾斜(旋轉)，因此簡化了當前的圖。間隔角38B基本上為零，使光導管軸線30在水平平面中與框架的縱向軸線110平行對準。

參照圖4A和圖4B，示出了光導管在其上旋轉的錐體、側向表面的第一視圖和第二視圖，圖4A和圖4B對應於相應的圖1A的第一視圖和圖1B的第二視圖。直立圓錐體14的幾何結構具有與旋轉軸線10和光導管輸出表面2T重合的頂點14V。頂點14V還與光導管軸線30的交點重合。通常，光導管輸出表面2T平行於漫射器3的表面的平面，與漫射器3基本接觸，使得頂點14V也與旋轉軸線10和漫射器3的交點重合。錐體14的頂點14V通常在輸出光28T首先照射到漫射器上的方向上位於漫射器3的表面上。錐體14的軸線與旋轉軸線10基本上重合。錐體14具有側向表面14L。在當前的圖中示出了位於側向表面14L與錐體的軸線之間的半孔角40A。光導管軸線30與側向表面14L基本上對準。錐體14的頂點14V在光導管輸出表面2T處對準。錐體的表面(側向表面14L)是通過繞旋轉軸線10掃略光導管軸線30而形成的。側向表面14L描述了在保持POD 100的操作、特別是保持相對於旋轉軸線10對稱的光(輸出光28T，因此漫射光28D)的輻射的同時用於配置光導管2的可能位置。本領域技術人員將認識到的是，基於當前的描述，光導管2可以例如沿著旋轉軸線10(z軸線方向)(在旋轉軸線10的方向上)移位。應當注意的是，在圖4B中，光導管軸線30和錐體表面14L稍微偏移以便於在圖中觀看，儘管實際上光導管軸線30和錐體表面14L基本上重合。

作為參考，在數學領域中，也將“頂點(vertex)”稱為“頂點(apex)”。錐體的軸線是穿過頂點的直線(如果有的話)，底部(以及整個錐體)圍繞該頂點具有圓形對稱性。錐體的底部的周長被稱為“準線”，準線與頂點之間的線段中的每條線段都是該錐體的側向表面的一條“母線”或“發生線”。圓錐體的“底部半徑”是圓錐體的底部的半徑，通常被簡稱為錐體的半徑。直立圓錐體的孔徑是兩條母線直線之間的最大角。例如，如果母線與軸線成θ角，則孔徑為2θ。

當前實施方式的特徵是，光導管2可以繞旋轉軸線10旋轉，同時將頂點14V保持在光導管輸出表面2T處，並且光導管2的均勻白光輻照度輸出不依賴於(獨立於)光導管2的這種旋轉。換言之，光導管2可以繞旋轉軸線10旋轉，同時將光導管軸線30保持在錐體14的側向表面14L上，並且光導管將提供不依賴於光導管2的旋轉的均勻的白光輻照度輸出。

通過使光導管2繞旋轉軸線10旋轉，可以發現光導管2的取向(光導管2在錐體14的側向表面14L上的位置)與眼鏡的框架11、並且因此與使用者(眼鏡的佩戴者)的太陽穴呈期望的角度(旋轉)(期望的間隔角38A和38B)，同時保持光導管2、照明系統26和POD 100的操作。在一般情況下，眼鏡的框架11不位於側向表面14L上。因此，可能不存在繞旋轉軸線10的光導管旋轉，這可以使間隔角38A和38B都等於零。例如，在圖3A中，間隔角38A大得無法接受，而在圖3B中，間隔角38B幾乎為零。光導管旋轉的目的是找到光導管2在錐體14的側向表面14L上的最佳位置，該位置使間隔角38A和38B最小化，並使顯示系統300在美學上看起來很能接受。

光導管2可以繞軸線──該軸線是光導管光輸出2T的對稱軸線──旋轉，以便將光導管2與眼鏡框架11的太陽穴對準，從而實現顯示系統300的期望的美學外觀。如果波導管(LOE 20)的廣角傾斜改變，則可以應用光導管2的旋轉以使光導管2再次處於與太陽穴對準的位置，從而避免對光導管2的重新設計的需要。

參照圖5A和圖5B，在每個圖中示出了與LOE 20和相對於框架11旋轉(以相同的旋轉)的光導管2成一體的POD 100的視圖。光導管2進行旋轉使得光導管2與框架11以可接受的方式對準。應當注意的是，在當前的圖5A中，未示出漫射器3、第二菲涅爾透鏡22B和偏振器4。應當注意的是，由於POD 100實際上相對於波導管(LOE)20傾斜(旋轉)，因此簡化了當前的圖5B。在當前的圖中，光導管2幾乎旋轉，但不完全平行於框架11。這可以通過光導管2與框架11之間(光導管軸線30與框架的軸線110之間)的水平平面中的非零角50B來看到。應當注意的是，在諸如主要為豎向的另一平面中，角度50A可以基本上為零。角度50A和50B的定義類似於上述角度38A和38B。儘管不能完全對準，但在眼鏡框架的給定美學約束內，與諸如非零角50B的最佳(基本上平行)的偏差是可以接受的。

替代性地，可能期望非零角50B來定向光導管2和/或照明系統26和POD 100。以遠離眼鏡的框架11和/或使用者的期望角度來實現藝術、設計或美學效果。

雖然當前的描述使用光導管2作為示例性照明系統26的一部分以提供均勻的白光，但是該描述不是限制性的。可以預見，根據當前的描述，光導管可以以其他構型部署。一個非限制性的示例是利用成像光學元件(代替光源1)來部署光導管2。在這種情況下，光導管2將來自使用者的太陽穴附近、例如眼鏡框架11中的圖像投影儀的圖像資訊傳送到LOE 20中的耦合元件。使用光導管2，圖像被注入到LOE 20中的圖像取向將不依賴於光導管2繞旋轉軸線10的旋轉。可以使用補償，例如，作為圖像源的圖像投影儀可以與光導管2一起旋轉和/或獨立於光導管2旋轉。

應當注意的是，上述示例、所使用的圖式標記和示例性計算用於說明描述該實施方式。無意的印刷錯誤、數學錯誤和/或簡化計算的使用無損於本創作的實用性和基本優點。

就所撰寫的沒有多項引用的所附權利要求書來說，這樣做僅是為了適應不允許這樣的多項引用的司法管轄區的形式要求。應當注意的是，通過提供權利要求多項引用而暗含的所有可能的特徵組合可以被明確地想到並且應當被認為是本創作的一部分。

應當理解的是，以上描述僅旨在用作示例，並且在所附權利要求所限定的本創作的範圍內，許多其他實施方式也是可能的。