圖像投影儀和光學(xué)組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像投影儀和包含圖像投影儀的光學(xué)組件，其適合在平視顯示器中使 用，并且配置成實(shí)現(xiàn)斑點(diǎn)和波紋的減少。
【背景技術(shù)】
[0002] 在投影組件中，投射到投影屏幕上的光可造成降低投影圖像的分辨率的斑點(diǎn)。例 如，在包括平視顯示器的投影組件中，相干光投射到平視顯示器上，從而使得投影圖像出現(xiàn) 在平視顯示器上。
[0003] 在包括平視顯示器的投影組件中，平視顯示器通常以透明屏幕(例如，車輛的擋風(fēng) 玻璃）的形式提供;相干光投射到透明屏幕上，以使得虛擬圖像在屏幕之外的某個(gè)點(diǎn)處可 見。透明屏幕的表面不是完全光滑的；因此，當(dāng)相干光投射到透明屏幕上時(shí)，透明屏幕將使 相干光隨機(jī)地漫射，從而造成隨機(jī)干涉，隨機(jī)干涉造成降低虛擬圖像的分辨率的斑點(diǎn)。
[0004] 為了解決出現(xiàn)在包括平視顯示器的投影組件中的這種斑點(diǎn)問題，已知的是提供顯 微透鏡陣列形式(或顯微鏡陣列形式)的平視顯示器。顯微透鏡陣列中的每個(gè)透鏡的表面是 完全光滑的，因此它將不使它所接收的相干光隨機(jī)地漫射；因此，不造成隨機(jī)干涉或斑點(diǎn)。 但是，當(dāng)相干光投射到顯微透鏡陣列上時(shí)，顯微透鏡陣列將造成稱為波紋的規(guī)則衍射和規(guī) 則干涉。波紋作為虛擬圖像上的強(qiáng)度變化出現(xiàn);因此，波紋有損投影圖像的質(zhì)量。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中的許多解決方案專有地解決了斑點(diǎn)或波紋的問題，但是沒有一種解決 方案提供同時(shí)解決兩個(gè)問題的單個(gè)充足的解決方案。US20040257664公開一種針對斑點(diǎn)的 解決方案，但是該解決方案不能有效減少波紋，因?yàn)樵撓到y(tǒng)沒有配置成在多光束之間形成 一定角度，由此通過使第二光束的干涉最大值在第一光束的干涉最大值之間配合來允許用 第二光束的干涉平均第一光束的干涉。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)的其它解決方案利用防波紋濾光器或防混淆濾光器，但是這些解決方案 沒有提供手段來實(shí)現(xiàn)充分的斑點(diǎn)減少;而且，這些解決方案沒有并入諸如顯微透鏡陣列的 斑點(diǎn)減少手段，因?yàn)樗鼈兺渡淦窆?，并且顯微透鏡陣列無法減少偏振光中的斑點(diǎn)，因?yàn)轱@ 微透鏡的斑點(diǎn)或波紋圖案對于偏振的兩個(gè)正交方向是相同的。
[0007] 本發(fā)明的目的是緩解或消除上述問題中的至少一些問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種圖像投影儀，它包括：用于提供光束的光源； MEMS鏡，布置成使得它可以接收光束，并且可以圍繞至少一個(gè)振蕩軸振蕩以便掃描所述光 束;一個(gè)或多個(gè)多光束生成器，所述一個(gè)或多個(gè)多光束生成器中的每個(gè)多光束生成器包括 布置成接收由MEMS鏡反射的光束的平面分束器以及可接收光束中透射穿過平面分束器的 部分的平面反射器，從而使得所述一個(gè)或多個(gè)多光束生成器中的每個(gè)多光束生成器可以生 成多個(gè)光束，并且其中平面分束器和平面反射器布置成平行；以及聚焦透鏡，布置成接收由 所述一個(gè)或多個(gè)多光束生成器生成的多個(gè)光束;其中，在所述一個(gè)或多個(gè)多光束生成器的 每個(gè)多光束生成器中，平面分束器和平面反射器之間的距離(h)使得平面分束器和平面反 射器之間的光學(xué)距離(0D)大于或等于光束的相干長度的一半。
[0009] 優(yōu)選地，光束是準(zhǔn)直光束。優(yōu)選地，光源配置成提供準(zhǔn)直光束。
[0010] 所述一個(gè)或多個(gè)多光束生成器可以包括定義平面分束器的平面分束器元件以及 定義平面反射器的平面反射器元件，平面分束器元件和平面反射器元件平行布置并且隔開 一定距離，以使得在平面分束器元件和平面反射器元件之間存在空氣間隙，并且其中光學(xué) 距離(0D)定義為：
[0013]其中't'是平面分束器元件的厚度，'ΘΓ是光束在平面分束器元件上的入射角， 'ηΓ是光束在入射在平面分束器元件上之前經(jīng)過的材料的折射率，'η'是平面分束器元件 的折射率，'h'是平面分束器元件和平面反射器元件之間的距離，'η3'是空氣間隙中的空氣 的折射率。
[0014]所述一個(gè)或多個(gè)多光束生成器可以包括:透明材料塊;位于透明材料塊的第一表 面上的半反射材料平面涂層，它定義平面分束器；以及提供在該透明材料塊的第二相對表 面上的反射材料平面涂層，它定義平面反射器，并且其中光學(xué)距離(0D)定義為：
[0016]其中h是半反射材料涂層和反射材料涂層之間的距離，并且02是：
[0018] 其中' Θ, '是光束在半反射材料平面涂層上的入射角(Α0Ι)，'ηΓ是光束在入射在 半反射材料平面涂層上之前經(jīng)過的材料的折射率，'η'是半反射材料平面涂層的折射率。
[0019] 圖像投影儀可以包括布置成進(jìn)行光學(xué)通信的多個(gè)多光束生成器，并且其中所述多 個(gè)多光束生成器中的每個(gè)多光束生成器的平面分束器和平面反射器位于不同定向的平面 上或布置成平行于不同定向的平面。
[0020] 平面分束器可以配置成具有40%反射-60%透射的分束比。優(yōu)選地，平面分束器配 置成具有45 %反射和55 %透射的分束比。
[0021] 平面分束器可以布置成使得光束中透射穿過平面分束器并由平面反射器反射的 部分可以直接傳到聚焦透鏡，而不經(jīng)過平面分束器。例如，平面分束器的位置可以從平面反 射器的位置偏移，以使得平面分束器不完全覆蓋平面反射器?；蛘?，平面分束器可以具有比 平面反射器小的尺寸，以使得平面分束器不完全覆蓋平面反射器。偏移定位和更小尺寸的 組合也是可能的。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種光學(xué)組件，它包括:根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán) 利要求所述的圖像投影儀;布置成接收經(jīng)過聚焦透鏡的光的屏幕，其中屏幕配置成使它接 收的光漫射;以及平視顯示器，布置成接收由屏幕漫射的光。
[0023] 屏幕優(yōu)選是漫射體;屏幕可以是顯微透鏡陣列、顯微鏡陣列或白板。
[0024] 優(yōu)選地，圖像投影儀定位成使得圖像投影儀的聚焦透鏡位于距離屏幕等于聚焦透 鏡的焦距的距離的位置。
[0025] 光學(xué)組件可以配置成具有大于觀看者的數(shù)值孔徑的數(shù)值孔徑。優(yōu)選地，光學(xué)組件 可以配置成具有大于代表觀看者的數(shù)值孔徑的預(yù)定義數(shù)值孔徑值的數(shù)值孔徑。最優(yōu)選地， 光學(xué)組件可以配置成具有大于0.016的數(shù)值孔徑。光學(xué)組件的數(shù)值孔徑定義為（d/2)/ (F.Μ)，其中Μ是平視顯示器的放大倍數(shù)，F(xiàn)是聚焦透鏡的焦距，并且d是從多光束生成器輸出 的兩個(gè)連續(xù)多光束之間在所述多光束入射在聚焦透鏡上之前的距離。
[0026] 光學(xué)組件可以配置成使得' d '滿足以下條件：
[0027] d = 2(t tan02+h tan03)cos9i
[0030]其中' t '是平面分束器的厚度，' '是光束在平面分束器上的入射角(AOI)，'ηΓ 是光束在入射在平面分束器上之前經(jīng)過的材料的折射率，'η'是平面分束器的折射率，'h' 是平面分束器和平面反射器之間的距離，'n3'是占據(jù)平面分束器和平面反射器之間的空間 的材料的折射率。例如，'t'可以是平面分束器元件的厚度，'Θ,'可以是光束在平面分束器 元件上的入射角(Α0Ι )，'ηΓ是光束在入射在平面分束器元件上之前經(jīng)過的材料的折射率 (例如，'η?？梢允强諝獾恼凵渎剩?，'η'可以是平面分束器元件的折射率，'h'是平面分束器 元件和平面反射器元件之間的距離，' n3 '是占據(jù)平面分束器元件和平面反射器元件之間的 空間的材料的折射率(例如，'n3'可以是空氣的折射率）。
[0031 ]光學(xué)組件可以配置成使得' d '滿足以下條件：
[0033] 其中'h'是平面分束器和平面光束反射器之間的距離，η是平面分束器和平面光束 反射器之間的材料的折射率，θ,是光束在半反射材料涂層上的入射角。例如，'h'可以是提 供在透明塊的表面上的半反射材料涂層和提供在透明塊的相對表面上的反射材料涂層之 間的距離，η可以是透明塊的折射率，9 1可以是光束在半反射材料涂層上的入射角。
[0034] 光學(xué)組件可以配置成使得' d '滿足以下條件：
[0036]其中F是聚焦透鏡的焦距，k是作為多光束生成器的階的整數(shù)，并且θρ等于：
[0038]其中λ是光束的波長，并且'Ρ'是顯微透鏡陣列的節(jié)距。
[0039] k可以是任何整數(shù)0、1、2、3、4一，它優(yōu)選應(yīng)當(dāng)選擇成使得它將使得00大于或等于相 干光束的相干長度的一半。它也可以選擇成使得確保，對于光束中所使用的所有波長A，0D 大于或等于相干光束的相干長度的一半(例如，在h = 5.12的情況下，對于紅色、綠色和藍(lán)色 光束，分別選擇k = 4、5、6)。
[0040] 光學(xué)組件可以配置成使得平面分束器和平面反射器之間的距離'h'等于：
[0042]其中'η'是平面分束器和平面反射器之間的材料的折射率，θ,是光束在分束器上 的入射角，并且'd'是從多光束生成器輸出的兩個(gè)連續(xù)多光束之間在所述多光束入射在聚 焦透鏡上之前的距離。
[0043] 優(yōu)選地，平面分束器和平面反射器之間的距離'h'介于0.5mm和10mm之間。更優(yōu)選 地，平面分束器和平面反射器之間的距離' h '介于之間。
[0044]屏幕可以包括顯微透鏡陣列。顯微透鏡陣列可以包括不同尺寸的顯微透鏡，以使 得顯微透鏡陣列在顯微透鏡陣列中的顯微透鏡之間具有多個(gè)不同的節(jié)距長度。
[0045]屏幕可以包括顯微鏡陣列。顯微鏡陣列可以包括不同尺寸的顯微鏡，以使得顯微 鏡陣列在顯微鏡之間具有多個(gè)不同的節(jié)距長度。連續(xù)顯微透鏡或顯微鏡之間的節(jié)距(P)可 以等于：
[0046] P=(Peff/cos0scan)
[0047] 其中Peff是預(yù)定義有效節(jié)距值，并且0scan是來自投影儀裝置的光在顯微透鏡或顯 微鏡上的入射角。通常，預(yù)定義有效節(jié)距值將是用戶希望所掃描的光在入射在顯微透鏡/顯 微鏡陣列上時(shí)經(jīng)歷的節(jié)距值。由于P沿掃描角度變化（即，顯微透鏡或顯微鏡的尺寸變化(隨 掃描方向增大或減?。?，所以Prff在整個(gè)掃描角度中在預(yù)定義值保持恒定。
[0048] 連續(xù)顯微透鏡或顯微鏡之間的節(jié)距(P)可以等于：
[0050]其中k是作為多光束生成器的階的整數(shù)，是光束在平面分束器上的入射角，F(xiàn)是 準(zhǔn)直透鏡的焦距，λ是光束的波長，'h'是平面分束器和平面反射器之間的距離，η是平面分 束器和平面反射器之間的材料的折射率。
[00511在另一個(gè)實(shí)施例中，來自光源的獨(dú)立的紅色、綠色和藍(lán)色光束的連續(xù)發(fā)射與ΜΕΜΕ 鏡的振蕩同步，以使得紅色、綠色和藍(lán)色光束入射在聚焦透鏡的預(yù)定義相應(yīng)點(diǎn)上，從而補(bǔ)償 色差，以確保紅色、綠色和藍(lán)色光束由聚焦透鏡聚焦到屏幕的相同點(diǎn)上。優(yōu)選地，紅色、綠色 和藍(lán)色光束定義像素的紅色、綠色和藍(lán)色;并且因此，每個(gè)光束中的紅光、綠光和藍(lán)光的量 與即將投影的像素中的紅光、綠光和藍(lán)光的量成比例。
【附圖說明】
[0052]借助于僅通過示例方式給出并由附圖圖示的本發(fā)明的實(shí)施例的描述將更好地理 解本發(fā)明，附圖中：
[0053]圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)組件的平面圖；
[0054]圖2示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)組件的透視圖；
[0055] 圖3示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)組件的透視圖；
[0056] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)組件的平面圖；
[0057]圖5a提供可在本發(fā)明的光學(xué)組件中使用的屏幕的備選配置的正視圖；圖5b示出由 于使用標(biāo)準(zhǔn)顯微透鏡陣列作為屏幕而引起的問題；
[0058]圖6提供根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)組件的透視圖；
[0059] 圖7示出一個(gè)光束的干涉圖案的最大值覆蓋另一光束的干涉圖案的最小值。
【具體實(shí)施方式】
[0060] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)組件1的平面圖。光學(xué)組件1包括根據(jù)本發(fā) 明一個(gè)實(shí)施例的圖像投影儀2和顯微透鏡陣列3形式的屏幕3。顯微