特許 7624741 ヘッドマウントディスプレイ用小型投影器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-23

(45)【発行日】2025-01-31

(54)【発明の名称】ヘッドマウントディスプレイ用小型投影器

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20250124BHJP

   G02B 5/02 20060101ALI20250124BHJP

   G02B 3/00 20060101ALI20250124BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B5/02 A

G02B3/00 A

【請求項の数】 25

(21)【出願番号】P 2022511116

(86)(22)【出願日】2020-09-07

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-11-10

(86)【国際出願番号】 IL2020050974

(87)【国際公開番号】W WO2021053661

(87)【国際公開日】2021-03-25

【審査請求日】2023-08-18

(31)【優先権主張番号】62/900,673

(32)【優先日】2019-09-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/026,778

(32)【優先日】2020-05-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/061,513

(32)【優先日】2020-08-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】518010049

【氏名又は名称】ルムス エルティーディー．

【氏名又は名称原語表記】Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ．

【住所又は居所原語表記】８ Ｐｉｎｃｈａｓ Ｓａｐｉｒ Ｓｔｒｅｅｔ， ７４０３６３１ Ｎｅｓｓ Ｚｉｏｎａ， Ｉｓｒａｅｌ

(74)【代理人】

【識別番号】110003797

【氏名又は名称】弁理士法人清原国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ダンジガー，ヨチャイ

(72)【発明者】

【氏名】ゴールドスタイン，ネタネル

【審査官】河村 麻梨子

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００１／００００１２４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１０／０３５６０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０５６７４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０６５２４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０６－１６４０７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１２３６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０１６１１９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１７５５４２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２６／１０、２７／０１－２７／０２

Ｈ０４Ｎ ５／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ディスプレイデバイスで使用するための投影器であって、前記投影器が、照射部と、中継部と、開口数拡大器（ＮＡＥ）と、を備え、
前記照射部は、１つ以上の照射源、光を像面上に集束させる集束レンズ、および前記集束レンズと前記像面との間に挿入された走査装置を含み、
前記中継部は、前記像面からの光を射出瞳上にコリメートする光学反射レンズを含み、
前記中継部は、走査面が前記射出瞳の画像共役であるように構成され、前記射出瞳は導波管の入射瞳として機能し、
前記ＮＡＥは、前記照射部から光を受け取ることであって、前記受け取った光が第１の平均開口数を有する、受け取ることと、前記中継部に光を透過させることであって、前記透過された光が、１よりも大きいＮＡＥの平均拡大率によって前記第１の平均開口数よりも大きい第２の平均開口数を有する、透過させることと、を行うように構成され、
前記ＮＡＥの表面が、前記中継部および前記照射部に起因する像面湾曲収差を少なくとも部分的に修正するために湾曲している、小型投影器。

【請求項2】

前記走査装置が、集束ビームによって照射される、請求項１に記載の投影器。

【請求項3】

前記照射部が、前記走査装置と前記像面との間に、かつ、前記像面の近位に挿入された視野レンズをさらに備える、請求項１に記載の投影器。

【請求項4】

前記走査装置から前記視野レンズに伝搬する光のビーム直径が、少なくとも２分の１に減少する、請求項３に記載の投影器。

【請求項5】

前記走査装置が、２つの実質的な直交軸の周りを回転する単一のミラー、または各々が単一の軸の周りを回転する２つのミラーを備える、請求項１に記載の投影器。

【請求項6】

前記１つ以上の照射源が、レーザダイオード、並列レーザダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）、マイクロＬＥＤ、およびＬＣＯＳ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）照射デバイスを含む群から選択される照射源を含む、請求項１に記載の投影器。

【請求項7】

前記照射部が、前記１つ以上の照射源によって放出される照射出力を監視するための１つ以上の光検出器を備える、請求項１に記載の投影器。

【請求項8】

前記１つ以上の光検出器が、少なくとも１つのスペクトルフィルタを含む、請求項７に記載の投影器。

【請求項9】

前記照射部が、反射レンズを含む、請求項１に記載の投影器。

【請求項10】

並列構成で配置された少なくとも２つの照射源を含み、照射源の各々によって放出された光の第１の部分が、前記走査装置および前記集束レンズによって伝導される、請求項１に記載の投影器。

【請求項11】

前記照射部が、前記１つ以上の照射源によって放出される照射出力を監視するための２つ以上の光検出器を備え、
前記照射源の各々によって放出された光の第２の部分が、複数の前記光検出器から成る光検出器アレイに向かって反射される、請求項１０に記載の投影器。

【請求項12】

光の前記第２の部分が、前記照射源の速軸に沿って放出され、前記速軸は、広範なビーム発散を有する、請求項１１に記載の投影器。

【請求項13】

前記並列構成の最外側のビーム間の間隔が、少なくとも０．１ミリメートルに及ぶ、請求項１０に記載の投影器。

【請求項14】

前記ＮＡＥの表面が、前記中継部および前記照射部のうちの少なくとも１つに起因する像面湾曲収差を少なくとも部分的に修正するために湾曲している、請求項１に記載の投影器。

【請求項15】

前記ＮＡＥが、部品間のすき間なしに光学部品間に埋め込まれている、請求項１に記載の投影器。

【請求項16】

前記ＮＡＥが、少なくとも部分的に透過させるか、または部分的に反射するマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）または光拡散器として実装される、請求項１に記載の投影器。

【請求項17】

前記ＮＡＥが、比較的高い光出力のＭＬＡの表面上に重ね合わせた比較的低い光出力の拡散器を含む拡散ＭＬＡとして実装される、請求項１に記載の投影器。

【請求項18】

前記ＮＡＥの平均拡大率の値が、２～５の範囲にある、請求項１に記載の投影器。

【請求項19】

前記中継部が、１つ以上の偏光光学素子を含む、請求項１に記載の投影器。

【請求項20】

前記中継部が、偏光ビームスプリッタおよび反射コリメータレンズを含む、請求項１９に記載の投影器。

【請求項21】

ヘッドマウントディスプレイデバイスで使用するための小型投影器であって、前記投影器が、照射部と、中継部と、開口数拡大器（ＮＡＥ）と、を備え、
前記照射部は、１つ以上の照射源、および光を像面上に集束させる集束レンズを含み、
前記中継部は、前記像面からの光を射出瞳上にコリメートする光学反射レンズを含み、
前記ＮＡＥは、前記照射部から光を受け取ることであって、前記受け取った光が第１の平均開口数を有する、受け取ることと、前記中継部に光を透過させることであって、前記透過された光が、１よりも大きいＮＡＥの平均拡大率によって前記第１の平均開口数よりも大きい第２の平均開口数を有し、
前記ＮＡＥは、その湾曲が前記中継部および前記照射部のうちの少なくとも１つに起因する像面湾曲収差を少なくとも部分的に修正するように構成されている曲面を備える、小型投影器。

【請求項22】

前記ＮＡＥの平均拡大率の値が、２～５の範囲にある、請求項２１に記載の投影器。

【請求項23】

ヘッドマウントディスプレイデバイスで使用するための小型投影器であって、前記投影器が、照射部と、中継部と、開口数拡大器（ＮＡＥ）と、を備え、
前記照射部は、１つ以上の照射源、光を像面に集束させる集束レンズ、および前記集束レンズと前記像面との間に挿入された走査装置を含み、前記走査装置は、集束ビームによって照射され、
前記中継部は、前記像面からの光を射出瞳上にコリメートする光学反射レンズを含み、
前記ＮＡＥは、前記照射部から光を受け取ることであって、前記受け取った光が第１の平均開口数を有する、受け取ることと、前記中継部に光を透過させることであって、前記透過された光が、１よりも大きいＮＡＥの平均拡大率によって前記第１の平均開口数よりも大きい第２の平均開口数を有する、透過させることと、を行うように構成された、小型投影器。

【請求項24】

前記照射部が、前記走査装置と前記像面との間に、かつ、前記像面の近位に挿入された視野レンズをさらに備える、請求項２３に記載の投影器。

【請求項25】

前記走査装置から前記視野レンズに伝搬する光のビーム直径が、少なくとも２分の１に減少する、請求項２４に記載の投影器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ディスプレイに関し、具体的には、ヘッドマウントディスプレイおよび拡張現実システムで使用するための小型投影器に関する。

【背景技術】

【0002】

ニアアイディスプレイまたはヘッドアップディスプレイでは、レーザ投影器の機能は、走査されたレーザビームを導波管に結合することであり、この導波管は、照射を視聴者の目に伝達する。通常、レーザビームは走査ミラーによって画像視野上で走査され、瞳孔撮像は導波管へのビーム結合を維持するために使用される。

【0003】

画像をニアアイのヘッドマウントディスプレイに投影するには、導波管の入射瞳が、
ａ）均一な画像を作り出すために完全に照射されており、および、
ｂ）投影された視野を走査している間でも、導波管に完全に結合されているべきである。

【0004】

レーザ投影器の場合、レーザビームは通常、開口数拡大器（以下、ＮＡＥ）と呼ばれる光学素子上のスポットに集束され、その後、光がコリメートされて射出瞳に向けられる。ＮＡＥは、例えば、拡散器またはマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）によって実装され得る。ＮＡＥの後、光はコリメートされ、射出瞳に向けられる。１つ以上の走査ミラーを有する走査装置を使用して、投影された視野上でレーザビームを操縦する。走査装置は通常、レーザ投影器の限界光学開口を形成する。

【0005】

カラーレーザ投影器では、赤、緑、および青のレーザからの光照射は、通常、走査装置によって走査され、ＮＡＥによって拡大される単一のコリメートされたビームに統合される。投影器の光学システムとその関連する機械的サポートは、かさばり、ヘッドマウントディスプレイに実装するのが困難であることが多い。従来技術のレーザ投影器の撮像性能は、主に、球面、色、および／または像面湾曲の光学収差によって制限される。球面収差は、レーザ集束レンズが大きい開口数に光線を集束させなければならないため、大きい投影視野（ＦＯＶ）を形成するときに発生する。色収差は、赤、緑、および青のレーザ照射の光線路が異なることによってもたらされる。像面湾曲収差は、屈折光学素子の場合のように正であってもよく、または反射光学素子の場合のように負であってもよい。従来技術のレーザ投影器では、上記の収差により、達成可能な画像解像度を厳しく制限する。

【発明の概要】

【0006】

本発明は、光学収差の主な原因を少なくとも部分的に修正することによって高い画像解像度を提供する革新的な小型投影器である。投影器は、照射部と、ＮＡＥと、中継部とで構成されている。また、いくつかの実施形態では、中継部の射出瞳のすぐ近くに配設された光学停止部を含む。

【0007】

本出願では、名詞または形容詞として使用するときの「レーザ」という用語は、レーザダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）、マイクロＬＥＤなどのヘッドマウントディスプレイで使用される様々な照射源、およびＬＣＯＳ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）照射デバイスを含むことを意図している。さらに、像面、共役平面、および主平面などの光学用語での「平面」という用語の使用は、厳密に数学的な意味で平面であってもよく、またはそうでなくてもよい表面を指すと理解される。

【0008】

本開示の主題の一態様によれば、照射部と、中継部と、開口数拡大器（ＮＡＥ）と、を含み、照射部は、１つ以上の照射源、光を像面上に集束させる集束レンズ、および集束レンズと像面との間に配設された走査装置を有し、中継部は、像面からの光を射出瞳上にコリメートする光学素子を含み、ＮＡＥは、照射部から光を受け取ることであって、受け取った光が第１の平均開口数を有する、受け取ることと、中継部に光を透過させることであって、透過された光が、１よりも大きいＮＡＥの平均拡大率によって第１の平均開口数よりも大きい第２の平均開口数を有する、透過させることと、を行うように構成された、ヘッドマウントディスプレイデバイスで使用するための小型投影器が提供される。

【0009】

いくつかの態様によれば、走査装置は、集束ビームによって照射される。

【0010】

いくつかの態様によれば、照射部はまた、走査装置と像面との間に、および像面の近位に配設された視野レンズを含む。

【0011】

いくつかの態様によれば、走査装置から視野レンズに伝搬する光のビーム直径は、少なくとも２分の１に減少する。

【0012】

いくつかの態様によれば、走査装置は、２つの実質的な直交軸の周りを回転する単一のミラー、または各々が単一の軸の周りを回転する２つのミラーを備える。

【0013】

いくつかの態様によれば、照射源は、レーザダイオード、並列レーザダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）、マイクロＬＥＤ、およびＬＣＯＳ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）照射デバイスで構成される群から選択される照射源を含む。

【0014】

いくつかの態様によれば、照射部は、１つ以上の照射源によって放出される照射出力を監視するための１つ以上の光検出器を備える。

【0015】

いくつかの態様によれば、１つ以上の光検出器は、スペクトルフィルタを含む。

【0016】

いくつかの態様によれば、照射部は、反射レンズを含む。

【0017】

いくつかの態様によれば、投影器は、並列構成で配置された少なくとも２つの照射源を含み、照射源の各々によって放出された光の第１の部分は、走査装置および集束レンズによって透過される。

【0018】

いくつかの態様によれば、照射源の各々によって放出された光の第２の部分は、光検出器アレイに向かって反射される。

【0019】

いくつかの態様によれば、光の第２の部分は、広範なビーム発散を有する照射源の速軸に沿って放出される。

【0020】

いくつかの態様によれば、並列構成の最外側のビーム間の間隔は、少なくとも０．１ミリメートルに及ぶ。

【0021】

いくつかの態様によれば、ＮＡＥの表面は、中継部および／または照射部に起因する像面湾曲収差を少なくとも部分的に修正するために湾曲している。

【0022】

いくつかの態様によれば、ＮＡＥは、部品間のすき間なしに光学部品間に埋め込まれている。

【0023】

いくつかの態様によれば、ＮＡＥは、少なくとも部分的に透過させるか、または部分的に反射するマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）または光拡散器として実装される。

【0024】

いくつかの態様によれば、ＮＡＥは、比較的高い光出力のＭＬＡの表面に重ね合わせた比較的低い光出力の拡散器を含む拡散ＭＬＡとして実装される。

【0025】

いくつかの態様によれば、ＮＡＥの平均拡大率の値は、２～５の範囲にある。

【0026】

いくつかの態様によれば、中継部は、屈折コリメートレンズまたは反射コリメートレンズを含む。

【0027】

いくつかの態様によれば、中継部は、１つ以上の偏光光学素子を含む。

【0028】

いくつかの態様によれば、中継部は、偏光ビームスプリッタおよび反射コリメータレンズを含む。

【0029】

いくつかの態様によれば、集束レンズおよび中継部は、走査装置の走査面が射出瞳の画像共役であるように構成されている。

【0030】

本開示の主題の別の態様によれば、導波管に光学的に結合された中継部を含み、この中継部が射出瞳を有し、この導波管が入射瞳を有する、ヘッドマウントディスプレイデバイスで使用するための小型投影器が提供される。

【0031】

いくつかの態様によれば、横軸停止部および／または垂直軸停止部は、射出瞳および／または入射瞳に、またはそれに近接して配設されている。

【0032】

いくつかの態様によれば、中継部は、射出瞳を入射瞳に光学的に接続する結合プリズムを備える。

【0033】

いくつかの態様によれば、結合プリズムの１つ以上の表面は、横軸停止部および／または垂直軸停止部を含む。

【0034】

本開示の主題の別の態様によれば、照射部と、中継部と、開口数拡大器（ＮＡＥ）と、を含み、照射部は、１つ以上の照射源、および光を像面上に集束させる集束レンズを含み、中継部は、像面からの光を射出瞳上にコリメートする光学素子を含み、ＮＡＥは、照射部から光を受け取ることであって、受け取った光が第１の平均開口数を有する、受け取ることと、中継部に光を透過させることであって、透過された光が、１よりも大きいＮＡＥの平均拡大率によって第１の平均開口数よりも大きい第２の平均開口数を有する、透過させることと、を行うように構成されており、ＮＡＥは、中継部および／または照射部に起因する像面湾曲収差を、その湾曲が少なくとも部分的に修正するように構成されている曲面を含む、ヘッドマウントディスプレイデバイスで使用するための小型投影器が提供される。

【0035】

いくつかの態様によれば、ＮＡＥの平均拡大率の値は、２～５の範囲にある。

【0036】

本開示の主題の別の態様によれば、照射部と、中継部と、開口数拡大器（ＮＡＥ）と、を含み、照射部は、１つ以上の照射源、光を像面上に集束させる集束レンズ、および集束レンズと像面との間に配設された走査装置を含み、走査装置は、集束ビームによって照射されており、中継部は、像面からの光を射出瞳上にコリメートする光学素子を含み、ＮＡＥは、照射部から光を受け取ることであって、受け取った光が第１の平均開口数を有する、受け取ることと、中継部に光を透過させることであって、透過された光が、１よりも大きいＮＡＥの平均拡大率によって第１の平均開口数よりも大きい第２の平均開口数を有する、透過させることと、を行うように構成された、ヘッドマウントディスプレイデバイスで使用するための小型投影器が提供される。

【0037】

いくつかの態様によれば、照射部はまた、走査装置と像面との間に、および像面に近接して配置された視野レンズを含む。

【0038】

いくつかの態様によれば、走査装置から視野レンズに伝搬する光のビーム直径は、少なくとも２分の１に減少する。

【図面の簡単な説明】

【0039】

本発明は、添付の図面を参照して、例としてのみ本明細書に記載されている。同様の参照番号は、図面に類似した、または同様の要素を示すために使用される。

【0040】

【図1】本発明の原理による、レーザ投影器の主要な光学部品の概略図である。

【図2A】図１の像面に隣接する像面湾曲の図である。

【図2B】図１の像面に隣接する像面湾曲の図である。

【図3】本発明の第１の実施形態による、例示的なレーザ投影器の分解光学レイアウトである。

【図4】図３の実施形態による走査の場合の光線追跡図である。

【図5】本発明の第２の実施形態による、例示的なレーザ投影器の分解光学レイアウトである。

【図6】本発明の原理による、埋め込まれたＮＡＥの構造の詳細を示す図である。

【図7A】先行技術によるＮＡＥ表面の図である。

【図7B】本発明による埋め込まれたＮＡＥ表面の図である。

【図8A】本発明による、複数のレーザビームを有するレーザ投影器のための例示的な照射部の概略光学レイアウトである。

【図8B】本発明による、複数のレーザビームを有するレーザ投影器のための例示的な照射部の概略光学レイアウトである。

【図8C】本発明による、複数のレーザビームを有するレーザ投影器のための例示的な照射部の概略光学レイアウトである。

【図9A】本発明による、レーザ投影器および関連する導波管の部分の側面図である。

【図9B】走査ミラーの例示的な回転を示す、レーザ投影器の部分の斜視図である。

【図10A】迷光が投影器の射出瞳を通過するのを防止するように構成されている、垂直軸停止部および横軸停止部の例示的な実装を示す図である。

【図10B】迷光が投影器の射出瞳を通過するのを防止するように構成されている、垂直軸停止部および横軸停止部の例示的な実装を示す図である。

【図10C】迷光が投影器の射出瞳を通過するのを防止するように構成されている、垂直軸停止部および横軸停止部の例示的な実装を示す図である。

【図11A】本発明による、例示的な停止構成を示す図である。

【図11B】本発明による、例示的な停止構成を示す図である。

【図11C】本発明による、例示的な停止構成を示す図である。

【図11D】本発明による、例示的な停止構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0041】

図１は、本発明の原理による、小型投影器１００の主要な光学部品の概略図を示している。投影器は、照射部１００Ｕ、１つ以上の光学素子を含むＮＡＥ１００Ｍ、および中継部１００Ｌの３つの主要部で構成されている。照射部は、１つ以上の照射源を含み、これは、例えば、レーザまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。

【0042】

レーザ２０１からの光は、集束ビームを形成する集束レンズ２２３によって像面２１５上に集束される。集束ビームは、例えば、図１に示すような２つの走査ミラー２２４および２２５で構成することができるか、または２つの回転軸を有する単一の走査ミラーで構成することができる走査装置２１１によって２つの直交方向に操縦される。走査装置２１１を集束ビーム内に配設することにより、走査ミラー２２５後、像面２１５から遠く離れた場所に追加のレンズを配設する必要がなくなる。従来技術のレーザ投影器に見られるこのような追加のレンズには、かなりの重量と複雑さを追加するという欠点がある。

【0043】

視野レンズ２１９を通過するビームは、像面２１５上に集束され、次にコリメータレンズ２１８によって平行ビームに形成される。視野レンズ２１９は、好ましくは、焦点位置およびビーム発散に軽微な影響を及ぼし、また、走査装置と瞳孔面２３４との間の瞳孔撮像を可能にするために、像面２１５の近位にある。

【0044】

像面２１５に入る光線は、２１４で示される比較的狭い開口数を有する。例えば、照射部１００Ｕ内の集束ビームの直径は、集束レンズ２２３の主平面で１．３ｍｍ、ミラー２２４で０．８ｍｍ、視野レンズ２１９の主平面でわずか０．２５ｍｍであり得る。像面２１５では、レーザスポットの直径は、通常、０．０１ｍｍ、または１０ミクロン程度である。

【0045】

開口数を拡大するＮＡＥ１００Ｍが存在しない場合、コリメータレンズ２１８に入る光は、図１の破線矢印で示すように、コリメートされた狭いビームを形成し、射出瞳２３４を満たさない。その結果、視聴者の目に光を結合する導波管の入射瞳における画像が不完全になる。ＮＡＥ１００Ｍの効果は、実線矢印で示すように、開口数を拡大し、それにより射出瞳２３４を満たすことである。すべての残余散乱光は、停止部２６０によって吸収される。

【0046】

「Ｒ」で示されるＮＡＥの平均拡大率は、１以上の値を有する。一般に、「開口数」という用語は、ビーム伝搬軸に垂直な方向のビームの半角度を示す。円形の断面形状を有するビームの場合、ビームの角度幅を特徴付けるには、度単位の開口数の単一の値で十分である。非円形の断面形状を有するより一般的なビームの場合、開口数の平均値は、ビームの立体角にわたって平均化することによって計算することができる。この場合、「ＮＡＥの平均拡大率」という用語は、ＮＡＥを出るビームの平均開口数とＮＡＥに入るビームの平均開口数との間の度の単位／度の比率を示す。

【0047】

図１では、投影器１００は、レーザビームを像面２１５上に集束させる機構、および射出瞳２３４に入るビームをコリメートする機構の、本質的に２つの集束機構を有する。これらの集束機構の各々は、像面湾曲に寄与する。

【0048】

図２（ａ）および図２（ｂ）では、ＮＡＥによる像面湾曲修正がないと仮定した場合の像面２１５に隣接する像面湾曲を示している。照射部１００Ｕに面する側の像面湾曲は、点線２１５Ａで表されている。中継部１００Ｌに面する側の像面湾曲は、それぞれ、図２（ａ）および図２（ｂ）の破線２１５Ｂ１および２１５Ｂ２によって示されるように、２つの可能性がある。図２（ａ）では、線２１５Ａおよび２１５Ｂ１の湾曲は、同じ向きを有する、つまり、中継部２００Ｌから見たときには両方とも凹面状である。線２１５および２１５Ｂ１の湾曲に従ってＮＡＥ１００Ｍに曲面を実装することにより、正味の像面湾曲を少なくとも部分的に修正して、投影された画像の解像度を最適化することが可能である。

【0049】

図２（ｂ）では、線２１５Ａおよび２１５Ｂ２の湾曲は、逆向きである。この場合、ＮＡＥ１００Ｍの曲面は、主に線２１５Ｂ２の湾曲向きに従って実装されるべきである。これについては、中継部の特定の光学レイアウトに関連して、以下でさらに詳細に説明する。

【0050】

図３では、本発明の第１の実施形態による、例示的なレーザ投影器２００の光学レイアウトを示している。投影器２００は、照射部２００Ｕ、ＮＡＥ２００Ｍ、および中継部２００Ｌの３つの部で構成されている。レーザ２０１からの光は、焦点アクチュエータ３４５の制御下にある、Ｃｏｒｎｉｎｇ社製のＣｏｒｎｉｎｇ（登録商標）Ｖａｒｉｏｐｔｉｃ（登録商標）可変焦点液体レンズなどの動的焦点調整デバイス３４０を通過する。次に、光は折り畳みミラー２２２によって反射され、集束レンズ２２３を通過する。レンズ２２３は、好ましくは、複レンズまたは非球面レンズである。走査ミラー２２４および２２５は、ビームを視野レンズ２１９に向け、視野レンズ２１９は、走査ミラー２２４または２２５の共役平面と射出瞳２３４との間に瞳孔像を生成するためにビームを傾斜させる。任意選択で、ミラー２２２は、部分的に透過可能であってもよく、光検出器２３５は、ミラー２２２を透過した光を受け取るために、図に示すように配設されてもよい。光検出器２３５は、放出された照射出力レベルなど、レーザ２０１の様々な放出パラメータを監視するために使用され得る。

【0051】

レーザ焦点スペーサ２２７は、照射部２００Ｕの位置合わせ中に、像面２１５上のレーザスポットに最適に焦点を合わせるために使用される。ＮＡＥ２００Ｍは、ＮＡＥキャリア２２８、および像面２１５のすぐ近くにあるＮＡＥ基板２２９を含む。ＮＡＥ２００Ｍに出入りするビームの開口数は、それぞれ、矢印２２０Ｕと２２０Ｌとで表される。コリメータ焦点スペーサ２３０は、中継部２００Ｌの位置合わせ中に、射出瞳２３４への光のコリメーションを最適化するために使用される。図３の分解された光学レイアウトにおいて、ＮＡＥ基板２２９とスペーサ２３０との間に現れる空間は、説明を明確にするためのものであり、部品間のすき間であることを意図するものではない。実際、部品間のすき間は投影器の機械的構造および組み立てを複雑にする傾向があり、構造的完全性および湿度ならびに粒子汚染に対する密閉を損なう可能性があるため、ＮＡＥ基板２２９とスペーサ２３０とは接触しているのが好ましい。

【0052】

コリメータ焦点スペーサ２３０を通過する光は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２３１によって反射コリメータレンズ２３２上に反射される。コリメートされた反射ビームは、ＰＢＳ２３１および偏光マニピュレータ２３３を通過して、射出瞳２３４に移動する。偏光マニピュレータ２３３は、液晶アクチュエータなどの偏光アクチュエータ３３５によって制御される偏光スクランブラまたはアクティブ焦点デバイスのいずれかである。偏光マニピュレータ２３３の使用は、レーザ２０１が明確に定義された偏光を有する場合にのみ可能である。

【0053】

図３の実施形態では、像面２１５における像面湾曲は、図２Ａに示すものと同様であり、線２１５Ａおよび２１５Ｂ１の湾曲は同じ向きを有する。照射部２００Ｕの線２１５Ａの湾曲は、主に、集束光によって照射される集束レンズ２２３、ならびに走査ミラー２２４および２２５によって生成される。中継部２００Ｌの線２１５Ｂ１の湾曲は、主に反射コリメータレンズ２３２によって生成される。中継部の開口数が比較的大きいため、中継部は照射部よりも像面湾曲の焦点ぼけを与え、したがって、画像劣化を防止するために、より厳密に補正されなければならない。レーザスポットサイズを最小化し、投影された画像視野の画像解像度を最大化するために、ＮＡＥ基板２２９の物理的湾曲は、線２１５Ｂ１の湾曲と実質的に同じになるように設計されるべきである。

【0054】

図４は、図３の実施形態による走査の場合の光線追跡図である。走査ミラー２２５は、視聴者が見た視野（ＦＯＶ）の異なる部分を照射するために傾斜される。図３の実施形態における視野レンズ２１９の光出力は、ミラー２２４または２２５の走査面が射出瞳２３４の画像共役となるように決定される。このようにして、コリメートされた光は、走査装置による軸外走査中であっても、射出瞳２３４を通過し続ける。

【0055】

図５では、本発明の第２の実施形態による、例示的なレーザ投影器３００の光学レイアウトを示している。投影器３００は、照射部３００Ｕ、ＮＡＥ３００Ｍ、および中継部３００Ｌの３つの部で構成されている。図３のように、走査ミラー２２４および２２５は、ビームを視野レンズ２１９に向け、視野レンズ２１９は、走査ミラー２２４または２２５の共役平面と射出瞳２３４との間に瞳孔像を生成するためにビームを傾斜させる。ＮＡＥ３００Ｍは、ＮＡＥキャリア３２８およびＮＡＥ基板３２９を含む。ＮＡＥ３００Ｍに出入りするビームの開口数は、矢印３２０Ｕと３２０Ｌとで示している。中継部３００Ｌは、屈折素子３３２を含む。コリメートされた光は、偏光マニピュレータ２３３および射出瞳２３４を通過する。

【0056】

レーザ投影器３００の撮像視野全体の解像度を最適化するために、ＮＡＥ基板３２９の湾曲は、図３のＮＡＥ基板２２９の湾曲とは向きが反対である。この理由は次のとおりである。図５の実施形態では、像面２１５における像面湾曲は、図２Ｂに示すものと同様であり、線２１５Ａおよび２１５Ｂ２の湾曲は逆向きを有する。線２１５Ｂ２の像面湾曲は、主に中継部３００Ｌの屈折素子３３２によってもたらされる。

【0057】

矢印３２０Ｌにおける中継部の開口数は、矢印３２０Ｕにおける照射部の開口数よりも多い。被写界深度（ＤＯＦ）は、開口数に反比例するため、中継部のＤＯＦは、通常は０．５ｍｍ程度である照射部のＤＯＦと比較して比較的小さく、通常は０．１ｍｍ程度である。結果として、ＮＡＥ基板３２９の湾曲は、主に中継部の湾曲によって左右され、その向きは、線２１５Ｂ２によって表される向きに対応する。ＮＡＥ基板３２９の湾曲度は、像面湾曲による焦点ぼけの度合いがＮＡＥ基板の両側でほぼ同じになるように決定される。ＮＡＥ基板３２９の最適な表面形状は、レーザ投影器３００のいくつかの実装形態では球形であってもよく、他の実装形態では非球面であってもよい。

【0058】

図６は、本発明の原理による、埋め込まれたＮＡＥ６００の構造の詳細を示す図である。埋め込まれたＮＡＥは、湿度や汚染の影響を受けにくく、エアギャップを有する従来技術のＮＡＥよりも機械的に堅牢である。ＮＡＥ６００の素子は、平坦な表面を有するものとして示されているが、例えば、それぞれ、図３および図５のＮＡＥ基板２２９および３２９の場合のように、表面がまた湾曲していてもよい。素子３５０および３５６は、ＮＡＥ６００に隣接するスペーサを表し、これらは、図３に示すスペーサ２２７および２３０に類似している。

【0059】

ＮＡＥ６００に出入りする光の開口数は、それぞれ、矢印３６０と３６２とで概略的に示される。ＮＡＥの平均拡大率Ｒの値は、一般には１よりも大きく、通常２～５の範囲にある。ＮＡＥキャリア３５２は、接着剤３５８を接合面３７８に塗布することにより、ＮＡＥ基板３５４に接着される。ＮＡＥキャリアの屈折率をｎ（３５２）で表し、接着剤の屈折率をｎ（３５８）で示す。従来技術のＮＡＥのように、接着剤を１に等しい屈折率を有する部品間のすき間で置き換える場合、Ｒの値は［ｎ（３５８）－ｎ（３５２）］／［ｎ（３５２）－１］に等しい係数で減少することになる。したがって、部品間のすき間を導入すると、ＮＡＥの平均拡大率Ｒが減少する。

【0060】

図７Ａは、従来技術による、ＮＡＥ表面３７６の図であり、この表面は、拡散器またはマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）の表面に対応することができる。走査レーザからの入射光線３６８は、平滑な領域で表面３７６に衝突し、散乱は、光線３７０によって表されるように、開口数の増加を引き起こす。しかしながら、入射光線３６９は、隣接する拡散器またはマイクロレンズとの間の鋭く尖った領域で表面３７６に衝突する。この場合、通常の散乱線３７２に加えて、散乱はまた、広範な角度で回折される光線３７５を生じる。これらの光線は多重散乱を引き起こし、投影された画像の一部のピクセルで画像コントラストを低下させる。

【0061】

図７Ｂは、本発明による埋め込まれたＮＡＥ表面３７８の図である。表面３７８には、鋭く尖った領域がない。この場合の入射光線３６９は、光線３７２および３７８を生じ、これらはすべて、ＮＡＥを離れる際に開口数の所望の増加に寄与する。図７Ａの従来技術のように、広範な角度で回折された光線は存在しない。結果として、本発明の埋め込まれたＮＡＥは、従来技術の拡散器またはＭＬＡが示す画像コントラストの劣化を受けない。

【0062】

ＮＡＥ表面３７８がＭＬＡとして実装されるとき、ＭＬＡ上の照射スポットの半値全幅直径は、回折作用を回避するために、隣接するマイクロレンズ間のピッチよりも好ましくは１～４倍大きくあるべきである。

【0063】

図７ＢのＮＡＥを透過した光は、不均一な強度の照射を生じる可能性がある。不均一性を修正するために、ＮＡＥは「拡散ＭＬＡ」を用いて実装することができ、この場合、ＭＬＡの全体的な曲面上に拡散器を重ね合わせる。拡散器の光出力は、ＭＬＡの光出力と比較して小さいことが好ましい。例えば、拡散器によって提供される開口数の拡大は、ＭＬＡの開口数の５分の１～３分の１にすぎない場合がある。上に開示された本発明の原理に従って構築された拡散ＭＬＡでは、ＭＬＡの不均一性は効果的に平均化され、一方、拡散器の不均一性は重要ではない。

【0064】

図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃでは、本発明による、複数のレーザビームを有するレーザ投影器のための例示的な照射部の概略光学レイアウトを示している。レーザモジュール８０１は、例えば、赤、緑、および青の照射に対応する波長を有するビーム４０１、４０２、および４０３を放出する。通常、ビームは、レーザモジュール８０１内に並列構成で配置された３つの隣接するレーザ源によって放出される。最外側のレーザビームは、通常０．１ｍｍ以上離れている。レーザは、これらのビームがすべて集束レンズ２２３を通過し、走査ミラー２２４および２２５を照射するように位置合わせされる。光検出器アレイ４１２によるレーザモジュール８０１のリアルタイム監視は、出力スパイクを防止し、照射出力レベルおよび各放出ビームの安定性に対する厳密な制御を維持するために不可欠である。

【0065】

図８Ａでは、ビーム４０１、４０２、および４０３は、部分的に反射する表面４０６Ａによって部分的に反射される。各ビーム内の光の一部は、表面４０６Ａを透過し、次に表面４０８Ａによって反射され、レンズ４１０によって光検出器アレイ４１２上に集束される。レンズ４１０は、レーザモジュール８０１内の複数のレーザの光源面を光検出器アレイ４１２上に画像化し、その結果、アレイ４１２内の各光検出器が単一のレーザに対応する光出力を受け取る。光検出器間の光クロストークを低減するために、光検出器アレイの異なる部分が異なるレーザ波長に敏感になるように、１つ以上のスペクトルフィルタをアレイ４１２に適用することが好ましい。

【0066】

図８Ｂでは、湾曲して反射する表面４０８Ｂは、反射および集束の２つの機能を単一の素子に組み合わせ、これは、図８Ａの表面４０８Ａおよびレンズ４１０に取って代わる。

【0067】

レーザダイオードによって放出されるレーザビームなどのレーザビームは、通常、ビーム発散角が比較的広い「速」軸と、ビーム発散角が比較的狭い「遅」軸とを特徴とする。図８Ｃは、レーザ出力を監視するために使用される光線が、走査ミラー２２４および２２５に衝突しない、大角度で速軸上に放出される光線である概略光学レイアウトを示している。

【0068】

図８Ｃでは、中心穴または開口を有する反射ミラー４１４は、撮像に使用される光が中心穴を通過し、完全に（１００％）反射ミラー４０６Ｃによって走査ミラーに向かって反射されるように位置付けられる。大角度で速軸上に放出された光は、ミラー４１４によって反射され、次にレンズ４１０によって光検出器アレイ４１２上に集束される。発散する照射ビームの片側からのみ光を集めることを含む、他の形状のミラー４１４が可能である。

【0069】

図８Ａ、図８Ｂ、および図８Ｃに示す概略光学レイアウトは、例示的なものであり、多くの代替構成が可能である。例えば、折り畳み反射器として機能する反射素子４０６Ａ、４０６Ｂおよび４０６Ｃは、図面の平面内にあるものとして示されている。しかしながら、反射素子を図の平面の外側に配設することで、より小型で光効率の高い構成を実現することができることが多い。さらに、アレイ４１２およびレンズ４１０は、図３の反射器２２２Ｃの真後ろに配設することができ、それにより、反射ミラー４０８の必要性が排除される。

【0070】

図９Ａは、本発明による、レーザ投影器および関連する導波管の部分の側面図である。走査ミラー２２４および２２５が投影器システムの最小開口であることが多い限りにおいて、走査装置の走査面が射出瞳２３４の画像共役であるときに最適な光透過が達成される。また、射出瞳は、図９Ａに示すように、導波管４５０の入射瞳としても役立つ。レーザ投影器の光学部品のサイズおよび形状は、射出瞳２３４が導波管４５０の入射瞳と完全に重なるように決定される。

【0071】

図９Ｂは、走査ミラーの例示的な回転を示す、レーザ投影器の部分の斜視図である。図９Ｂでは、走査ミラー２２５は、入射レーザ光およびレーザ投影器の他の部品に対して９０度の角度で傾斜している。射出瞳２３４も回転され、その結果、ミラー２２５の走査面は射出瞳の画像共役であり続ける。

【0072】

図１０Ａ、１０Ｂ、および１０Ｃは、垂直軸停止部および横軸停止部の例示的な実装を示す図であり、これらの停止部は、迷光が、画像歪みおよびコントラストの劣化を生じさせ得る投影器の射出瞳の通過を防止するように構成されている。光学停止部は、垂直軸停止部４６４および横軸停止部４６０で構成されており、垂直軸は、図９Ａに示すように、導波管の厚さの方向を指し示し、横軸は、垂直軸および導波管内部の光の伝播方向に垂直な方向を指し示している。

【0073】

図１０Ａでは、迷光は、矢印２９９によって表されるように、ＮＡＥにおける広範な角度散乱によって生成される可能性がある。図１０Ｂは、結合プリズム４６２の表面に取り付けられた横軸停止部４６０を示す上面図である。図１０Ｃは、結合プリズム４６２の異なる表面に取り付けられた垂直軸停止部４６４を示す側面図である。

【0074】

図１０Ａ～１０Ｃでは、停止部４６０および４６４は、射出瞳２３４の位置からいくらか変位している。この変位は、一部の散乱光が射出瞳２３４を通過して導波管４５０に入ることを可能にし得るため、望ましくない。

【0075】

図１１Ａ～図１１Ｄは、本発明による例示的な停止部構成を示す図であり、停止部は、射出瞳２３４のすぐ近くに配設されている。様々な停止部品は、４６０Ａ、４６０Ｂ、４６０Ｃ、および４６０Ｄで示されている。

【0076】

図１１Ａ、図１１Ｃ、および図１１Ｄでは、結合プリズムは、導波管４５０の横に配設されている。図１１Ｃでは、横軸部品４６０Ｃは、結合プリズムと導波管４５０との間の境界面上にある。これには、垂直軸停止部４６４を射出瞳に非常に近づけることができるという利点がある。図１１Ｂでは、結合プリズムは、導波管４５０の上部に配設されている。これには、横軸停止部の部品４６０Ｂを射出瞳に非常に近づけることができるという利点がある。

【0077】

図１１Ｄでは、追加の垂直軸停止部品４６０Ｄが導入されて、ＮＡＥから発生しない迷光を遮断する。停止部品４６０Ｄは、一般に、射出瞳２３４よりも幅が広く、停止部品４６０Ｂと組み合わせて実装することができる。

【0078】

図１１Ａ、図１１Ｂ、および図１１Ｃの構成は、走査ミラーが実質的に分離されており、また、投影器内の他の光学素子の開口に比べて小さいレーザ投影器の実施形態に特に適している。

【0079】

上記の説明は例としてのみ役立つことを意図し、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲内で多くの他の実施形態が可能であることが理解される。例えば、投影器の照射部の照射源は、レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）マイクロＬＥＤ、および／またはＬＣＯＳ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）照射デバイスであってもよい。別の例として、中継部と導波管との間の結合プリズムは、透過モードの代わりに反射モードで動作することができる。さらに、ＮＡＥの他の多くの構成は、図６および図７Ｂに明示的に示されているものに加えて、光学設計の当業者には容易に明らかであるように、本明細書に開示された原理に基づいて可能である。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】