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通過LED陣列來照亮SLM

（映維網(wǎng)Nweon?2023年08月08日）投影系統(tǒng)可以使用空間光調(diào)制器SLM生成圖像。在名為“Illuminating spatial light modulator with led array”的專利申請中，微軟提出了一種通過LED陣列來照亮SLM的方法。

投影系統(tǒng)可以使用空間分離的光源作為紅、綠、藍(lán)照明光來照亮SLM，其中每個(gè)空間分離的光源包括單個(gè)光源。光源發(fā)出的光線通過照明系統(tǒng)光學(xué)進(jìn)行成形和組合，以實(shí)現(xiàn)SLM照明的適當(dāng)光束整形和均勻化。

然而，光源和相應(yīng)的光學(xué)元件所占用的空間體積可能會(huì)使這種緊湊形式的投影系統(tǒng)的使用復(fù)雜化。圖2A示出利用這種空間分離光源的示例性投影系統(tǒng)200的框圖。圖2B顯示了投影系統(tǒng)200的展開表示200A。

更具體地說，投影系統(tǒng)200包括照明級201和圖像形成級203。照明級201包括綠色光源(例如綠色LED) 202、藍(lán)色光源(例如藍(lán)色LED) 204和紅色光源(例如紅色LED) 206。

來自綠色光源202的綠光通過光學(xué)器件208、210、212至光束組合器214。同樣，來自藍(lán)色光源204和紅色光源206的光通過光學(xué)元件216、218、220到達(dá)光束組合器214。光束組合器214將紅光、綠光和藍(lán)光組合成一束，并將光束引導(dǎo)到微透鏡陣列MLA 222。

微透鏡陣列222使光束均勻化，而這有助于形成光束。微透鏡陣列222將所述光輸出至棱鏡224，棱鏡224將所述光引導(dǎo)至透鏡226。然后透鏡226將光線引導(dǎo)到成像級203。

圖像形成級203的偏振分束器PBS 228引導(dǎo)光通過透鏡230并朝向SLM 232，而SLM 232由控制器233控制以形成圖像。

來自SLM 232的圖像光通過透鏡230和偏振分束器228返回，從反射器234（包含在偏振分束器228中）反射，然后通過透鏡236（包含在偏振分束器228中）向其他投影光學(xué)元件242進(jìn)行顯示。

如上所述，投影系統(tǒng)200可能難以適應(yīng)特定形狀參數(shù)，例如眼鏡。參考圖2B，包含綠色光源、光源透鏡和光束組合器214的尺寸244可以約為7mm。包括藍(lán)色/紅色光源和相應(yīng)的光源透鏡的尺寸246可能約為3mm。包括微透鏡陣列222、棱鏡224和透鏡226的尺寸248可以約為9毫米。包含偏振分束器228的尺寸250可約為5毫米。包含透鏡230和SLM 232的尺寸252可能約為3毫米。

與同一系統(tǒng)的未展開版本相比，投影系統(tǒng)200的光路的折疊可幫助沿著至少一個(gè)維度減小投影系統(tǒng)的尺寸。然而，進(jìn)一步縮小規(guī)模可能會(huì)帶來挑戰(zhàn)。例如，減小照明級201的尺寸可能導(dǎo)致在較短的路徑長度上正確塑造和均勻化光的困難。

因此，微軟提出可以利用紅色、藍(lán)色和綠色LED的一維或二維陣列作為光源來照亮SLM，而不是用于每種顏色的單獨(dú)的、空間分離的LED光源。

LED陣列的大小可以允許源發(fā)射射線在空間上更廣泛地分布，與使用每個(gè)顏色的單獨(dú)、空間分離的LED相比，這可以減少用于塑造和均勻化光的光路長度，并允許使用更少和/或更緊湊的照明系統(tǒng)光學(xué)元件來控制光的角度范圍和/或均勻化光。

圖3示出利用LED陣列302作為SLM照明光源的示例投影系統(tǒng)300。例如，投影系統(tǒng)300可用于投影增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備100中的圖像。

投影系統(tǒng)300包括照明臺(tái)302，其中包括LED陣列304和照明狀態(tài)光學(xué)系統(tǒng)306。LED陣列304包括以任何合適的空間排列的多個(gè)紅色LED、綠色LED和藍(lán)色LED。作為一個(gè)例子，LED陣列304可以包括2×3 LED網(wǎng)格，其中紅色LED、綠色LED和藍(lán)色LED各有兩個(gè)排列在任何合適的相對位置。

在其他實(shí)施例中，LED陣列304可以包括更大的網(wǎng)格，例如，6×6網(wǎng)格各具有12個(gè)紅色、綠色和藍(lán)色LED。

在一個(gè)示例中，LED可以包含發(fā)射器尺寸在數(shù)百微米量級的Micro LED。單個(gè)Micro LED可以具有任何合適的發(fā)射器形狀，例如矩形形狀。LED陣列可以封裝在同一個(gè)封裝中，并且封裝的總尺寸可以從2×2毫米到5×5毫米不等。

LED陣列304發(fā)出的光由照明級光學(xué)系統(tǒng)306的復(fù)合拋物面聚光器CPC 307形成。使用LED陣列304提供了不同顏色的光分布在更廣泛的區(qū)域。這有助于避免使用一組透鏡來塑造和準(zhǔn)直來自空間分離的每種顏色的單個(gè)LED的光，從而避免了使用光束合并器。

在其它示例中，可以使用通過二向色或光束組合器組合的不同顏色LED陣列。例如，一個(gè)LED陣列可以包括紅色和藍(lán)色LED，而另一個(gè)LED陣列可以包括綠色LED。每種顏色的LED陣列都可以包括復(fù)合拋物面聚光器。復(fù)合拋物面聚光器307控制光的角度范圍，并有助于消除用于準(zhǔn)直光的透鏡和/或其他光學(xué)元件的工作距離。

在其他示例中，可以使用透鏡陣列或用于減小光的角延伸的其他合適的準(zhǔn)直光學(xué)元件來代替復(fù)合拋物面聚光器。

由復(fù)合拋物面聚光器307形成的光通過照明級光學(xué)系統(tǒng)306的微透鏡陣列308、棱鏡310和透鏡312進(jìn)一步形成和引導(dǎo)。來自照明級光學(xué)系統(tǒng)306的光被定向到包括偏振分束器316、透鏡317和SLM 318的成像級314。

控制器320控制SLM 318以產(chǎn)生用于顯示的圖像。偏振光分束器316同時(shí)包括反射器324和透鏡326，它們將來自SLM 318的光重定向到投影光學(xué)元件322。在其他實(shí)施例中，利用LED陣列和復(fù)合拋物面聚光器的投影系統(tǒng)可以具有任何其他合適的配置。

所述照明級302的尺寸可以小于投影系統(tǒng)200的照明級201的尺寸，從而可以幫助減小包含投影系統(tǒng)300的投影裝置相對于包含投影系統(tǒng)200的裝置的尺寸。例如，尺寸324表示微透鏡陣列308上游的光學(xué)元件，其可能約為5mm，而投影系統(tǒng)200的相應(yīng)尺寸244則為7mm。因此，圖3B的布置可以更容易地適合于細(xì)長的形狀參數(shù)，例如眼鏡。

尺寸的進(jìn)一步減小可以通過消除投影系統(tǒng)300的復(fù)合拋物面聚光器，并使用平面非成像光學(xué)元件來幫助塑造和均勻化來自LED陣列的照明光來實(shí)現(xiàn)。

圖4示出一個(gè)示例投影系統(tǒng)400，其包括利用RGB LED陣列404和平面非成像光學(xué)元件406的照明臺(tái)402。投影系統(tǒng)400是可用于在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備100中投影圖像的投影系統(tǒng)的另一個(gè)示例。在本例中，平面非成像光學(xué)元件406的使用允許投影系統(tǒng)400省略微透鏡陣列，從而進(jìn)一步減小了投影系統(tǒng)的體積。

投影系統(tǒng)400進(jìn)一步包括偏振分束器416(其包括反射器417和透鏡418)、透鏡419和用于控制SLM 410的控制器420。在其他示例中，利用LED陣列和平面非成像光學(xué)器件的投影系統(tǒng)可以具有任何其他合適的配置。

任何合適的非成像光學(xué)器件都可以用作平面非成像光學(xué)器件406。平面非成像光學(xué)元件406可包括被配置為控制光的角分布并使來自LED陣列404的光均勻化的漫射器。因此，所述擴(kuò)散器執(zhí)行投影系統(tǒng)300的復(fù)合拋物面聚光器和微透鏡陣列的功能。

在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用工程漫射器，其可以配置為將漫射光指向優(yōu)選方向。工程擴(kuò)散器同時(shí)可以控制擴(kuò)散量，擴(kuò)散量可以在不同的軸之間變化。

在其它示例中，平面非成像光學(xué)元件406可另外或可選地包括亮度增強(qiáng)膜。例如，亮度增強(qiáng)膜可與LED陣列404合并為位于LED上方的膜。亮度增強(qiáng)膜利用折射和反射，將相對于系統(tǒng)光軸在一定角度范圍內(nèi)射出的光向成像級408折射，從而提高來自LED陣列404的光的效率。超出此范圍的光被亮度增強(qiáng)膜回收，直到它在允許的角度范圍內(nèi)退出。

在另一實(shí)施例中，平面非成像光學(xué)元件406可另外或可選地包括雙亮度增強(qiáng)膜。例如，雙亮度增強(qiáng)膜可與LED陣列404結(jié)合作為襯底。雙亮度增強(qiáng)膜是一種多層薄膜反射偏振器，可以輸出一種偏振的光，同時(shí)回收另一種偏振的光，從而輸出優(yōu)先偏振的光。

由于SLM 410可以配置為接收和調(diào)制偏振光（例如，其中SLM 410包括LCOS或透射LCD），雙亮度增強(qiáng)膜可以配置為主要輸出SLM 410接收方向的偏振光，從而提高光效。

在這種實(shí)施例中，光的空間分布可由LED陣列提供，而光的角度分布可由漫射器、亮度增強(qiáng)膜和/或雙亮度增強(qiáng)膜提供。

如上所述，平面非成像光學(xué)元件406的使用可以允許省略復(fù)合拋物面聚光器和微透鏡陣列，從而可以為投影系統(tǒng)400提供比投影系統(tǒng)300和投影系統(tǒng)200更緊湊的尺寸。作為尺寸示例，表示偏光分束器416上游光學(xué)元件的投影系統(tǒng)400的照明臺(tái)402的長度414可為6 mm。相比之下，照明級302的總長度為14毫米。

在進(jìn)一步的示例中，投影系統(tǒng)可以包括照明級光學(xué)系統(tǒng)，其利用光導(dǎo)來塑造和均勻化用于SLM照明的來自LED陣列的光。光導(dǎo)可能是相對薄而平，因此適合于小的設(shè)備形狀參數(shù)。

圖5示出包括LED陣列502和光導(dǎo)504的示例性投影系統(tǒng)500。

光導(dǎo)504通過全內(nèi)反射提供折疊光路，從而在比光導(dǎo)的尺寸長度長的光路上進(jìn)行均勻化和整形。光導(dǎo)504可以有任何合適的配置。作為一個(gè)示例，光導(dǎo)504可以采用矩形棱鏡的形式，并且長度在15mm至70mm的范圍內(nèi)。在這樣的實(shí)施例中，光導(dǎo)可具有5mm至15mm范圍內(nèi)的寬度，以及0.3 mm至6.0 mm范圍內(nèi)的厚度。在其它實(shí)施例中，光導(dǎo)504可具有任何其它合適的形狀和/或尺寸。

光導(dǎo)504包括耦入器506，耦入器506配置為將從LED陣列502接收的光耦合到光導(dǎo)504。光導(dǎo)進(jìn)一步包括耦出器508，其配置為將來自光導(dǎo)504的光耦合到成像級510的光學(xué)器件。在本例中，耦出器508將光向成像級510的偏振分束器512分開。

類似于上述的其它示例，偏振分束器512包括反射器513和透鏡514。來自偏振分束器512的光通過透鏡516照射SLM 518, SLM 518由控制器516控制。

對于其他示例，所得到的圖像如上所述進(jìn)行投影。在其它實(shí)施例中，包含光導(dǎo)的投影系統(tǒng)可并入任何其它合適的光學(xué)系統(tǒng)。

耦入器506和耦出器508各可包括任何合適的結(jié)構(gòu)，分別用于將光耦合到光導(dǎo)504和從光導(dǎo)504中耦出。例子包括折射或反射結(jié)構(gòu)，如反射鏡和棱鏡，以及光柵這樣的衍射結(jié)構(gòu)。

在圖5的示例中，來自LED陣列的光在矩形光導(dǎo)的平面耦合。在其它示例中，光導(dǎo)可包括安裝LED陣列的斜角或角邊。在這樣的例子中，光可以在不使用光柵或棱鏡的情況下耦合到光導(dǎo)中。

光導(dǎo)可以具有與圖5所示的不同的相對于成像臺(tái)的任何合適的方向。這種靈活性可以允許投影系統(tǒng)包括用于照亮SLM的光導(dǎo)和LED陣列，以適應(yīng)各種配置的設(shè)備。

圖6示出通過投影系統(tǒng)投影圖像的示例方法600，而投影系統(tǒng)如圖3B、圖4和圖5所示的投影系統(tǒng)。

在602，從照明臺(tái)的LED陣列向照明臺(tái)的照明臺(tái)光學(xué)系統(tǒng)輸出光。

在604，控制LED陣列在照明級光學(xué)系統(tǒng)上發(fā)出的光的角度程度并使其均勻化。

在618，將來自照明級光學(xué)系統(tǒng)的光輸出到包含SLM的成像級。

相關(guān)專利：Microsoft Patent | Illuminating spatial light modulator with led array

https://patent.nweon.com/29599

名為“Illuminating spatial light modulator with led array”的微軟專利申請最初在2022年1月提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。

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原文鏈接：https://news.nweon.com/111288