CN102313990A - 激光扫描虚拟图像显示器 - Google Patents

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Abstract

一种虚拟图像投影仪，包括：激光器，其被配置成形成窄光束；第一扩张光学器件和第二扩张光学器件；第一重定向光学器件和第二重定向光学器件，第一重定向光学器件和第二重定向光学器件中的每一个具有衍射光栅；以及控制器。第一扩张光学器件被布置成接收窄光束且将一维扩张光束投射到第二扩张光学器件内。第二扩张光学器件被布置成接收一维扩张光束且投射二维扩张光束。第一重定向光学器件和第二重定向光学器件中的每一个在操作上耦接到换能器。第一重定向光学器件被布置成将窄光束以第一进入角导向至第一扩张光学器件内。第二重定向光学器件被配置成将一维扩张光束以第二进入角导向至第二扩张光学器件内。控制器被配置成偏置换能器以改变第一进入角和第二进入角。

Description

激光扫描虚拟图像显示器
背景技术
一种紧凑型显示系统可耦接到护目镜、头盔或其它护眼部佩戴物。这些配置使得佩戴者能够有隐私地且移动地观看来自计算机、媒体播放器或其它电子装置的图像。当适于并行地显示两个不同图像(每只眼睛一个)时，该系统可用于立体显示(例如，虚拟-现实)应用。
由于人眼不能在小于数厘米远处聚焦于图像上，一种紧凑型显示系统可被配置成提供显示图像为虚拟图像（例如，在位于距眼睛超过数厘米处的焦平面中形成的图像）。在这个领域中所面临的一个挑战是使用紧凑、牢靠的光学布置来形成这种图像，其也提供合适的图像分辨率和保真度。
发明内容
本公开的一实施例提供一种虚拟图像投影仪。该投影仪包括：被配置成形成窄光束的激光器；第一扩张光学器件和第二扩张光学器件；第一重定向光学器件和第二重定向光学器件；以及控制器。第一扩张光学器件和第二扩张光学器件各具有衍射光栅。第一扩张光学器件被布置成接收窄光束且将一维扩张光束投射到第二扩张光学器件内。第二扩张光学器件被布置成接收一维扩张光束且投射二维扩张光束，二维扩张光束提供虚拟图像。第一重定向光学器件和第二重定向光学器件中的每一个在操作上耦接到换能器。第一重定向光学器件被布置成将窄光束以第一进入角导向至第一扩张光学器件内。第二重定向光学器件被布置成将一维扩张光束以第二进入角导向至第二扩张光学器件内。控制器被配置成偏置换能器以改变第一进入角和第二进入角。
上文所提供的发明内容以简化形式介绍了本公开的选定部分，其将在下文中进一步描述。其并不意味着指出所主张的主题的关键或至关重要的特征。而是，所主张的主题仅由权利要求限定且并不限于解决本文所提到的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1和图2示出根据本公开的实施例的实例性头戴式显示装置。
图3示出根据本公开的实施例的实例性投影仪的各个方面。
图4示出根据本公开的实施例的实例性照射器的各个方面。
图5、图6和图7示出根据本公开的实施例的实例性投影仪的各个方面。
图8示出根据本公开的实施例的用于投射虚拟显示图像的实例性方法。
具体实施方式
现将以举例说明的方式且参考上文所列出的实例性实施例来描述本公开的主题。在一个或多个实施例中可基本上相同的构件、过程步骤和其它元件被等同地标识且以最少重复进行描述。但应了解，等同地标识的元件也可能会在某种程度上不同。应当指出的是，包括于本公开中的附图是示意性的且通常未必按照比例绘制。而是，在附图所示的各种图比例尺、宽高比和构件数量可有意地变化以使得特定特征或关系易于观察。
图1示出在一实施例中的实例性头戴式显示装置10。装置10为视频显示眼部佩戴物(eyewear)的实例。其非常类似一副普通的眼镜或太阳镜。但是，这种装置包括投影仪12A和12B，其投射虚拟显示图像供佩戴者观看。更特定而言，虚拟显示图像直接投射于佩戴者眼前。为此，装置10包括可佩戴的支架14，可佩戴的支架14被配置成将投影仪定位于佩戴者眼前较短距离处，这将在下文中进一步描述。在图示实施例中，可佩戴的支架呈常规眼睛框的形式。在一实施例中，每个投影仪可投射16:9宽高比的图像，该图像将呈现给佩戴者就如同其对角线为21英寸且在臂长度处观看一样。装置10还包括控制器16，其控制投影仪的内部构件以形成虚拟显示图像，这将在下文中进一步描述。
在一实施例中，投影仪12A和12B可投射无限远物体的虚拟显示图像，其中人眼的晶状体调整至无限或接近无限焦距以聚焦于这些物体上。另外，投影仪可至少部分地为透明的，使得佩戴者可看到外部物体以及虚拟显示图像。在图1所示的实施例中，装置10包括布置于投影仪前方的透镜18A和18B。透镜可被配置成校正外部物体的焦点和/或亮度以符合佩戴者的舒适和视觉需要。这种布置可允许佩戴者在有限距离远的外部物体与无限距离远的虚拟显示图像之间转移他或她的焦点。
在一实施例中，控制器16可使得投影仪12A和12B并行投射相同虚拟显示图像使得佩戴者的右眼和左眼同时接收相同图像。在另一实施例中，投影仪可并行投射略微不同的图像，使得佩戴者感知到立体(即三维)图像。
图2示出一实施例中的另一实例性头戴式显示装置20。该装置20为具有显示遮护件22的头盔，在显示遮护件22后方布置投影仪12A和12B。装置20可用于从视频游戏到航空应用的应用范围中。
图3示出在一实施例中的实例性投影仪12的各个方面。该投影仪包括照射器24，在图4中示意性地示出。红光激光器26、绿光激光器28和蓝光激光器30耦接于照射器中。红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器可例如为半导体激光器-低功率二极管激光器，或者任何其它合适激光器。在图3所示的实施例中，红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器经由控制器16被独立地偏置和调制。照射器24包括合并光学器件32A和32B（例如波导或部分涂银的镜子）。合并光学器件可被布置成将自激光器中每一个的单色发射合并以形成窄光束34。在本公开中，“光束”为准直辐射的任何形式（在实际限度内既不会聚也不发散）。同样在实际限度内，‘窄光束’为具有点状截面的光束。在一实施例中，照射器24可被配置成形成1.0毫米(mm)或更小截面的窄光束。该光束的发散可为大约一个波长除以光束直径，例如，对于光束直径为1.0mm的绿光而言，发散可为0.5/1000弧度或者0.03度。
显示图像可通过使激光束扫掠二维区域同时调制该光束以照射该区域中的选定点而形成。当该区域在适于聚焦的深度处包括反射或散射表面时，直接显示图像可形成于该表面上。或者，甚至在没有这种表面可用时，也可形成虚拟显示图像。虚拟显示图像可例如被构造成使得自图像的给定位点的光以平行射线行进穿过观察者的瞳孔。当到焦点时，此图像向观察者表现为远物体的图像。在原则上，窄光束34可直接用于形成这种图像。但是，这将需要在观察者眼睛中相对较少的接受体上聚焦相对较强的激光发射。相比而言，本文所述的系统和装置使用扩张光学器件来扩展窄光束使得其填充或过度填充观察者的瞳孔，同时保持光束的准直方位。
在一实施例中，现参看图3，投影仪12包括第一扩张光学器件36和第二扩张光学器件38。第一扩张光学器件被布置成接收窄光束34且将一维扩张光束40投射到第二扩张光学器件内。第二扩张光学器件被布置成接收一维扩张光束且投射二维扩张光束42，从二维扩张光束42形成虚拟显示图像。在图示实施例中，第一扩张光学器件和第二扩张光学器件为多面体波导，多面体波导通过全内反射(TIR)来传输光。在一实施例中，第一扩张光学器件可具有40mm的长度，1.4mm的高度和1.7mm的深度；第二扩张光学器件可具有40mm的长度，40mm的高度和1.2mm的深度。自然，本公开涵盖除了这些明确陈述的尺寸之外的其它尺寸和尺寸范围。第一扩张光学器件和第二扩张光学器件包括例如玻璃、丙烯酸酯或聚碳酸酯的整体件，同时也可设想到其它合适的透明结构。在一实施例中，第一扩张光学器件和第二扩张光学器件可机械地耦接到可佩戴的支架14上。可佩戴的支架可被配置成将第二扩张光学器件定位于佩戴者的一只眼睛前较短距离处。
图5更详细地示出第一扩张光学器件36。在图示实施例中，第一扩张光学器件的端面44定位成邻近照射器24且被布置成从照射器接收窄光束34。窄光束直接穿过第一扩张光学器件到相对端面46；在相对端面46处，窄光束遇到第一重定向光学器件48。
包括反射镜或光束转向折射结构的第一重定向光学器件48以大于TIR临界角的角度将窄光束34反射回到第一扩张光学器件36内。因此，被布置成与第一重定向光学器件相对的第一扩张光学器件的端面46为光学器件的进入面；该进入面是倾斜的，以相对于临界角增加反射的窄光束的入射角。在一实施例中，第一重定向光学器件包括1.1mm乘1.0mm的平面镜。
在第一扩张光学器件36内，反射的窄光束34通过TIR远离该进入面传播。但是，TIR条件部分地被衍射光栅50所破坏。反射的窄光束与衍射光栅沿着第一重定向光学器件长度在多个TIR点处相互作用。在每次反射时，某些光从该光学器件衍射出来且进入到其上方的空气空间内，形成一维扩张光束40，即，在该光学器件的长度方向中扩张的光束。一维扩张光束首先从第一扩张光学器件出来的面为该光学器件的出射面52。在此处所设想到的各种实施例中，衍射光栅可凸起、转移或另外形成于该出射面上。在其它实施例中，衍射光栅可形成于该光学器件的不同面上，例如在与该出射面相对的面上。在另外的实施例中，衍射光栅可在平行于出射面的平面上形成于波导内或甚至形成为体积全息图（volume hologram）。
衍射光栅50可相对较弱，使得窄光束34在穿过第一扩张光学器件36传播时保留大部分其强度。因此，一维扩张光束40可沿着光学器件的长度具有近似恒定的强度。在期望对强度进行更严格控制，或者在使衍射光栅更强以增加光效率的实施例中，衍射光栅50可被配置成使得衍射光的量相对于传播光随着沿着该光学器件的距离的增加而增加。以此方式，可补偿传播窄光束中的强度损失。在一实施例中，合适的光栅特征可随着沿光学器件的距离的增加而增加或减小以保证这种效果。
在任何虚拟图像中，图像位点的明显X、Y位置由来自该位点的光射线进入眼睛的方向所决定。该方向可以由任两个非共面的角度来限定。因此，为了使用光束来照射虚拟图像的特定位点，需要沿着两个非共面角来控制光束方位。为此目的，第一重定向光学器件48枢转地安装且耦接到换能器54，换能器54被配置成使光学器件枢转。因此，第一重定向光学器件被布置成以第一进入角（即，垂直于光学器件的进入面所测量的入射角）将窄光束34导向至第一扩张光学器件内。此外，投影仪12包括第二重定向光学器件56(在图3和图5中省略，但在图6中示出)。类似于第一重定向光学器件，第二重定向光学器件也枢转地安装且耦接到换能器58。如在下文中进一步描述，第二重定向光学器件被配置成将一维扩张光束40以第二进入角导向至第二扩张光学器件内。
‘换能器’在本文中是用于响应于电信号引起物理变化的任何装置的术语。在一非限制性实例中，换能器可通过施加到它的电压或电流将相应平移力或扭转力施加给光学器件。在另一实例中，换能器可通过施加到它的电压或电流来相应地实现光学器件的光学性质变化。因此，换能器54和58可各包括例如压电、静电或电磁电动的元件。在一实施例中，换能器54的电动元件可与换能器58的电动元件相同或相似。在其它实施例中，这些换能器的电动元件可不同，因为所设想的运动范围和频率对于第一重定向光学器件48和第二重定向光学器件56而言可不同(参见下文)。
现返回至图4，控制器16被配置成偏置第一重定向光学器件48的换能器54以改变第一进入角。控制器也被配置成偏置第二重定向光学器件56的换能器58以改变第二进入角。另外，控制器被配置成与第一进入角和第二进入角同步地调制激光器26、28和30的强度以形成可通过第二扩张光学器件看到的虚拟显示图像。
图5示出耦接到换能器54的第一重定向光学器件48。换能器被配置成使第一重定向光学器件绕附图中标记为A的轴线枢转。此动作控制第一进入角，其中，窄光束34进入第一扩张光学器件。在图示实施例中，A轴线平行于第一扩张光学器件的进入面对准。在一实施例中，换能器54被配置成使第一重定向光学器件48相对于出射面52在26度的范围内，即在-3度与23度的范围内枢转。根据几何光学的已知原理，一维扩张光束40的出射方位与第一进入角、波长和衍射光栅50相对于窄光束传播平面的栅条方位有关。在一实施例中，第一扩张光学器件的衍射光栅的栅条可制成（scratched）垂直于窄光束的传播平面且平行于附图中标记为A的轴线。
图6示出安装了第二重定向光学器件56的第一扩张光学器件36的另一视图。类似于第一重定向光学器件48，第二重定向光学器件也可包括镜子或光束转弯折射结构。在一实施例中，第二重定向光学器件包括1.1mm乘40mm的平面镜。第二重定向光学器件被布置成与第一扩张光学器件的出射面52相对。在此配置中，一维扩张光束40在从第二重定向光学器件反射后通过第一扩张光学器件的出射面反射回来。其然后通过第一扩展光学器件往回传输向着第二扩张光学器件38行进。
现返回至图3，换能器58耦接至第二重定向光学器件且被配置成使第二重定向光学器件绕附图中标记为B的轴线枢转。此动作控制第二进入角，其中一维扩张光束40进入第二扩张光学器件。图7示出第二重定向光学器件，为了清楚起见其被隔离且相对于其在图3中的方位旋转。在图示实施例中，B轴线平行于第一扩张光学器件36的出射面52和第二扩张光学器件的进入面60对准。在一实施例中，换能器58被配置成使第二重定向光学器件56相对于照射平面在11度的范围内，例如1度至12度的范围内枢转。
第二扩张光学器件38的出射面62为二维扩张光束42从该光学器件出来的面。在图示实施例中，此出射面支承衍射光栅64。在一实施例中，第二扩张光学器件的衍射光栅的栅条制成平行于B轴线。
现返回至图6，第二重定向光学器件可更大且被配置成比第一重定向光学器件更缓慢地枢转。在一实施例中，第二重定向光学器件可以五十至六十赫兹的速率枢转以扫描虚拟显示图像的水平行，而第一重定向光学器件更快地枢转，以对于每一行而言扫描显示图像的竖直列。
上文所述的配置允许以各种方法来投射虚拟显示图像。现继续参考上述配置以举例说明的方式来描述某些这样的方法。但应了解，通过其它配置也允许此处所述的方法和完全在本公开的精神内的其它方法。
图8示出用于投射虚拟显示图像的实例性方法66。在标记68处，来自多个激光器的单色发射被合并以形成窄光束。在标记70处，枢转第一重定向光学器件以将窄光束以第一进入角导向至第一扩张光学器件。在标记72处，使来自第一扩张光学器件的窄光束中的一些从该光学器件衍射出来以形成一维扩张光束。在标记74处，使第二重定向光学器件枢转以将来自第一扩张光学器件的一维扩张光束以第二进入角导向至第二扩张光学器件。在标记76处，使来自第二扩张光学器件的一维扩张光束中的一些从该光学器件衍射出来以形成二维扩张光束。在标记78处，与第一进入角和第二进入角同步地调制窄光束使得二维扩张光束形成可通过第二扩张光学器件看到的虚拟显示图像。自标记78，该方法返回。
在一实施例中，使窄光束和一维扩张光束中的一些衍射的步骤包括：经由全内反射来通过第一扩张光学器件和第二扩张光学器件的波导部来传输光束；和经由布置于波导部上的弱衍射光栅来使全内反射被破坏。另外，调制该窄光束可包括：根据对于每个激光器不同的相位映射来向多个激光器中的每一个施加调制。这是因为光从第一扩张光学器件和第二扩张光学器件的波导部衍射出来的角度在很大程度上取决于波长。
图8的方面并不旨在限制。举例而言，设想到其它实施例，其中第一重定向光学器件和第二重定向光学器件可通过换能器偏置以改变第一进入角和第二进入角，而无需绕轴线物理地旋转。在一实施例中，重定向光学器件本身可为静态的，但可具有受换能器控制的光学性质。通过控制光学性质，可有源地控制窄光束和/或一维扩张光束进入第一扩张光学器件和第二扩张光学器件的角度。
从前文的描述，显然，通过重新布置且重新配置各种光学构件，某些其它配置可用于投射虚拟显示图像。在某些情况下，图示实施例提供优于某些替代配置的优点。举例而言，能将光从第一重定向光学器件直接导向至第二重定向光学器件且然后导向到扩张光学器件内。但是，此替代配置可需要比图示实施例对扩张光学器件的波导部更严格的尺寸和平滑度的公差，这是因为激光束的射线会在它们一离开第一重定向光学器件时就将开始成扇形散开。在这些射线已经反射离开第二重定向光学器件时，最初窄光束的截面现在则大幅增加。这种条件可导致不太方便的较大扩张光学器件高效俘获光。另外，由于射线在它们进入扩张光学器件时继续成扇形散开，分辨率将丢失，直到射线以与光学器件表面完全成直角的方式被接受。 
相比而言，本文所述的配置以下列顺序引导光束：重定向光学器件、扩张光学器件、重定向光学器件、扩张光学器件。因此，在从第一重定向光学器件反射离开之后，窄光束具有更小的呈扇形散开的机会，这是因为其由第一扩张光学器件的波导部及时约束。而且，其并未遇到第一扩张光学器件的侧部，因此这个光学器件的尺寸和平滑度的公差在很大程度上放宽。虽然在上述配置中迫使第二重定向光学器件相对较长，但这并非严格的限制，因为仅需要大约一百赫兹的振荡以提供在竖直方向足够快的扫描。
应了解，在不偏离本公开的范围的情况下，本文所述和/或图示的过程步骤中的一些在一些实施例中可被省略。同样，可并不总是需要所示的过程步骤顺序以实现预期结果，但提供这些是为了易于说明和描述，图示举措、功能或操作中的一个或多个可重复执行，这取决于所用的具体策略。
最后应了解，上文所述的物品、系统和方法是本公开的实施例，非限制性实例，也可设想到其各种变型和拓展。因此，本公开包括本文所公开的物品、系统和方法的所有新颖且非显而易见的组合和子组合以及其任何等同和所有等同。

Claims (15)

1.一种虚拟图像投影仪(12)，包括：
激光器(26, 28, 30)，其被配置成形成窄光束(34)；
第一扩张光学器件和第二扩张光学器件，每个扩张器件具有衍射光栅(50)，第一扩张光学器件(36)被布置成接收窄光束且将一维扩张光束(40)投射到第二扩张光学器件(38)内，第二扩张光学器件被布置成接收一维扩张光束且投射二维扩张光束(42)；
第一重定向光学器件和第二重定向光学器件，所述第一重定向光学器件和第二重定向光学器件中的每一个在操作上耦接到换能器(54,58)，所述第一重定向光学器件(48)被布置成将所述窄光束以第一进入角导向至所述第一扩张光学器件内，所述第二重定向光学器件(56)被布置成将所述一维扩张光束以第二进入角导向至所述第二扩张光学器件内；和
控制器(16)，其被配置成偏置所述换能器以改变所述第一进入角和第二进入角。
2.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述控制器还被配置成与所述第一进入角和第二进入角同步地调制所述激光器的强度以形成可通过所述第二扩张光学器件看到的虚拟显示图像。
3.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述激光器在多个激光器中，以及其中所述投影仪还包括一个或多个合并光学器件，该合并光学器件被布置成合并来自所述激光器的单色发射以形成所述窄光束。
4.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述第一扩张光学器件和第二扩张光学器件为多面体波导，该多面体波导通过全内反射来传输光。
5.根据权利要求4所述的投影仪，其特征在于，所述第一扩张光学器件或第二扩张光学器件的衍射光栅被配置成：相对于反射光，衍射光的量随着经过所述光学器件传输的距离的增加而增加。
6.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述第一扩张光学器件包括进入面和出射面，所述窄光束通过所述进入面导向至所述第一扩张光学器件内，所述一维扩张光束通过所述出射面离开所述第一扩张光学器件。
7.根据权利要求6所述的投影仪，其特征在于，所述第一重定向光学器件和第二重定向光学器件各枢转地安装且耦接到换能器，其中所述第一重定向光学器件被布置成与所述进入面相对且在平行于所述进入面的轴线上枢转，且其中所述第二重定向光学器件被布置成与所述出射面相对且在平行于所述出射面的轴线上枢转。
8.根据权利要求6所述的投影仪，其特征在于，所述窄光束通过所述第一扩张光学器件传输且在从所述第一重定向光学器件反射回到所述进入面之前离开所述进入面。
9.根据权利要求6所述的投影仪，其特征在于，所述一维扩张光束在从所述第二重定向光学器件反射之后通过所述出射面被反射回来，且通过所述第一扩张光学器件往回传输向着所述第二扩张光学器件行进。
10.根据权利要求6所述的投影仪，其特征在于，所述出射面支承所述第一扩张光学器件的衍射光栅。
11.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述第二扩张光学器件包括进入面和出射面，所述一维扩张光束通过所述进入面导向至所述第二扩张光学器件内，所述二维扩张光束从所述出射面离开所述第二扩张光学器件，且其中所述出射面支承所述第二扩张光学器件的衍射光栅。
12.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述第一重定向光学器件或第二重定向光学器件包括反射镜。
13.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述第一重定向光学器件小于所述第二重定向光学器件且被配置成比所述第二重定向光学器件更快地枢转。
14.根据权利要求1所述的投影仪，其特征在于，所述第一重定向光学器件和第二重定向光学器件分别在第一轴线与第二轴线上枢转，其中所述第一扩张光学器件的衍射光栅的栅条平行于所述第一轴线，且其中所述第二扩张光学器件的衍射光栅的栅条平行于所述第二轴线。
15.一种用于投射虚拟显示图像的方法(66)，所述方法包括：
偏置(70)第一重定向光学器件从而将窄光束以第一进入角导向至第一扩张光学器件内；
使来自所述第一扩张光学器件的所述窄光束中的一些衍射(72)以形成一维扩张光束；
枢转(74)第二重定向光学器件以使来自所述第一扩张光学器件的所述一维扩张光束以第二进入角导向至第二扩张光学器件内； 
使来自所述第二扩张光学器件的所述一维扩张光束中的一些衍射(76)以形成二维扩张光束；
与所述第一进入角和第二进入角同步地调制(78)所述窄光束，使得所述二维扩张光束形成可通过所述第二扩张光学器件看到的虚拟显示图像。
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