使用集成光子學模塊的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種使用集成光子學模塊的系統(tǒng)，包括：系統(tǒng)資源，可用作提供視頻信號、電力和用戶接口；安裝系統(tǒng)，被構(gòu)造成容納集成光子學模塊；和其中具有孔的外殼，所述孔對準集成光子學模塊的出射面的位置和集成光學引擎部分。
【專利說明】使用集成光子學模塊的系統(tǒng)
[0001]分案申請
[0002]本申請是申請?zhí)枮?00780012965.0的中國專利申請的分案申請，上述申請的申請日為2007年4月11日，發(fā)明名稱為“集成光子學模塊以及使用該集成光子學模塊的設
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[0003]相關申請的交叉引用
[0004]本申請要求于2006年4月11日提交的美國臨時專利申請系列號60/791，074的優(yōu)先權(quán)，且通過參考將其結(jié)合于此。
【背景技術(shù)】
[0005]視頻顯示器廣泛地用于各種應用中，包括便攜式和固定位置的應用。在至少一些應用中，且尤其是在一些便攜式應用中，可視屏幕尺寸至今已受到產(chǎn)品封裝的物理尺寸的限制。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種系統(tǒng)，包括:系統(tǒng)資源，可用作提供視頻信號、電力和用戶接口 ；安裝系統(tǒng)，被構(gòu)造成容納集成光子學模塊；和其中具有孔的外殼，所述孔對準集成光子學模塊的出射面的位置和集成光學引擎部分。
[0007]集成光子學模塊提供了 一種可集成到一系列系統(tǒng)內(nèi)的小型掃描束(swept-beam)顯示器。根據(jù)一些實施例，小型掃描束顯示器可被構(gòu)造成投射物理尺寸大于系統(tǒng)、產(chǎn)品或容納集成光子學模塊的封裝件的物理尺寸的圖像。
[0008]根據(jù)一些實施例，集成光子學模塊包括一個或多個光源諸如激光器、束成形光學器件、組合光學器件、MEMS掃描器以及一個或多個機械部件諸如光學框架，以便于安裝和保持光學對準。根據(jù)一些實施例，集成光子學模塊可包括MEMS驅(qū)動電子器件、光源驅(qū)動電子器件、傳感器、以及視頻電子器件中的一些或全部。根據(jù)各種實施例，MEMS驅(qū)動電子器件可包括MEMS控制器、一個(多個)D/A和/或A/D轉(zhuǎn)換器以及一個(多個)MEMS驅(qū)動放大器。視頻控制器電子器件可包括光源控制器、一個(多個)D/A轉(zhuǎn)換器和一個(多個)光源驅(qū)動放大器。根據(jù)其它實施例，集成光子學模塊的輸出可代替諸如被構(gòu)造成將光傳送到遠程掃描器的光纖耦合器這樣的束掃描器的不同接口。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是根據(jù)實施例的集成光子學模塊的框圖。
[0010]圖2是根據(jù)實施例的至少一部分集成光子學模塊的透視圖。
[0011]圖3是根據(jù)實施例的至少一部分集成光子學模塊的另一透視圖。
[0012]圖4是根據(jù)實施例的至少一部分集成光子學模塊的另一透視圖。
[0013]圖5是根據(jù)實施例的包括外部尺寸的至少一部分集成光子學模塊的另一透視圖。
[0014]圖6是根據(jù)實施例的圖2 - 5的至少一部分集成光子學模塊的局部剖視圖。[0015]圖7是根據(jù)實施例的圖2 - 5的至少一部分集成光子學模塊的另一局部剖視圖。
[0016]圖8是根據(jù)實施例的圖2 - 5的至少一部分集成光子學模塊的另一局部剖視圖。
[0017]圖9是根據(jù)實施例的圖2 - 8的集成光子學模塊的一些主要光學部件的視圖。
[0018]圖10是根據(jù)實施例的用于圖2 - 8的集成光子學模塊的光學框架的視圖。
[0019]圖11是根據(jù)實施例的包括機械耦合電路板的至少一部分集成光子學模塊的透視圖。
[0020]圖12是根據(jù)實施例的可用在圖2 - 8的集成光子學模塊中的MEMS掃描器的透視圖。
[0021]圖13是示出根據(jù)實施例的用于集成光子學模塊三種應用的示例性束形狀和束成形光學器件的視圖。
[0022]圖14是示出根據(jù)實施例的用于集成光子學模塊的束成形光學器件的分立變型形式和集成變型形式的視圖。
[0023]圖15是示出根據(jù)實施例的用于便攜式掃描束投影儀的至少一部分集成光子學模塊的視圖。
[0024]圖16是示出根據(jù)實施例使圖15的至少一部分集成光子學模塊適合于掃描束平視顯示器(head-up display)應用的視圖。
[0025]圖17是示出根據(jù)實施例將圖16的透鏡元件集成到集成透鏡中的視圖。
[0026]圖18是根據(jù)實施例的至少一部分集成光子學模塊的透視圖，示出了光傳導路徑和可選的適配器光學器件的布置。
[0027]圖19是示出根據(jù)實施例的至少一部分集成光子學模塊的束組合器和光源的關系的視圖。
[0028]圖20是示出根據(jù)實施例的至少一部分集成光子學模塊中的光傳導的視圖。
[0029]圖21是示出根據(jù)另一實施例的至少一部分集成光子學模塊中的光傳導的視圖。
[0030]圖22是示出根據(jù)另一實施例的至少一部分集成光子學模塊中的光傳導的視圖。
[0031]圖23是示出根據(jù)另一實施例的至少一部分集成光子學模塊中的光傳導的視圖。
[0032]圖24是示出根據(jù)另一實施例的至少一部分集成光子學模塊中的光傳導的視圖。
[0033]圖25A是示出根據(jù)另一實施例的至少一部分集成光子學模塊中的光傳導的視圖。
[0034]圖25B是示出根據(jù)實施例的包括非成像檢測器的至少一部分集成光子學模塊的視圖。
[0035]圖25C是示出根據(jù)實施例的具有焦面檢測器的至少一部分集成光子學模塊的視圖。
[0036]圖2?是示出根據(jù)實施例的至少一部分集成光子學模塊的視圖，其中掃描器被對準以接收通過選擇性反射鏡的調(diào)制合成束。
[0037]圖25E是示出根據(jù)實施例的至少一部分集成光子學模塊中的光傳導的視圖，其中束掃描器處于除垂直于標稱圖像投射方向以外的平面內(nèi)。
[0038]圖26是示出根據(jù)另一實施例的至少一部分集成光子學模塊中的光傳導的視圖，其中一個光源與束組合器軸向?qū)省?br>
[0039]圖27是根據(jù)實施例的包括至少一部分集成光子學模塊的掃描器控制器的框圖。
[0040]圖28是根據(jù)實施例的包括具有至少一部分集成光子學模塊的掃描器控制器和光源的顯示器控制器的框圖。
[0041]圖29是示出根據(jù)實施例的集成到移動電子設備中的集成光子學模塊的使用的視圖。
[0042]圖30是示出根據(jù)實施例的集成光子學模塊在平視顯示器應用中的使用的視圖。
[0043]圖31是使用根據(jù)實施例的集成光子學模塊的便攜式掃描束投影顯示器的透視圖。
【具體實施方式】
[0044]圖1是根據(jù)實施例的包括用于顯示圖像諸如視頻圖像的集成光子學模塊102的電子器件101的框圖。根據(jù)說明性實施例，集成光子學模塊102可包括與系統(tǒng)資源104的接口。視頻控制器電子器件106接收輸入視頻信號，并可具體化為包括系統(tǒng)控制器和軟件108的集成視頻專用集成電路(ASIC)。視頻控制器電子器件106可在視頻存儲器110中至少臨時緩沖所接收的視頻圖像，該視頻存儲器110可包括幀緩沖存儲器和屏幕顯示菜單。當?shù)綍r間顯示新的視頻幀的時候，視頻控制器電子器件106就從視頻存儲器110讀取高速緩存的視頻幀并將一個或多個光源驅(qū)動器112順序驅(qū)動至與輸入視頻信號中的像素值對應的一系列亮度值。根據(jù)實施例，光源驅(qū)動器112驅(qū)動一個或多個光源116,該一個或多個光源116可包括在集成光子學模塊102的集成光學引擎部分114中。光源116產(chǎn)生一條或多條調(diào)制光束，可通過組合器和束成形光學器件118將該光束成形并組合成調(diào)制合成光束119。光源116例如可包括紅、綠和藍色的已調(diào)制激光。根據(jù)一些實施例，調(diào)制合成光束119可被導向到掃描器120，該掃描器120例如是MEMS掃描器，可操作其以在視場(FOV)內(nèi)掃描調(diào)制合成束從而產(chǎn)生圖像。
[0045]當視頻控制器電子器件106驅(qū)動光源驅(qū)動器112時，它同時驅(qū)動掃描器驅(qū)動器122，該掃描器驅(qū)動器122可選地具體化為掃描器驅(qū)動ASIC，根據(jù)一些實施例，該掃描器驅(qū)動ASIC也可含有掃描器驅(qū)動器和軟件124。可操作掃描器驅(qū)動器122以驅(qū)動掃描器120,從而以周期性掃描模式順序掃描在整個FOV上的發(fā)射光作為調(diào)制掃描光束125。
[0046]掃描器120偏轉(zhuǎn)在整個FOV上的調(diào)制光束以產(chǎn)生掃描光束125。通過終端光學器件126可選地調(diào)節(jié)和/或中繼(relay)掃描光束125以產(chǎn)生視頻圖像128。
[0047]總之，光源116、組合器和束成形光學器件118、以及掃描器120，與機械安裝結(jié)構(gòu)、致動器等一起，可包括集成光學引擎112 ;其也可包括集成光子學模塊。掃描光束125的瞬時位置順序地照亮FOV中的點，該FOV包括顯示器表面、出瞳擴張器(EPE)、或投射屏幕。為了顯示圖像，順序照亮FOV中的基本所有點，標稱為具有正比于與每個點對應的輸入視頻圖像像素的亮度的功率量。
[0048]當束照亮點時，一部分照明光束被反射或散射成散射能量。一部分散射光能可傳送到一個或多個觀察者130。觀察者眼中和頭腦中的視覺連續(xù)性將FOV中被照亮的點的順序結(jié)合到可識別視頻圖像128中，該可識別視頻圖像128可包括靜止圖像和/或運動圖像。
[0049]根據(jù)一些實施例，也可對準光檢測器(未示出)以從FOV接收一部分散射光能。可將多種處理應用于所接收的散射光能以提供功能性。在檢測器功能性的一些實施例中，檢測器可包括為集成光子學模塊的一部分。可以經(jīng)由向后聚光(retro-collective)或共焦布置來對準這種檢測器以接收從掃描器掃描出來的能量，或者可以經(jīng)由凝視型(staring)檢測裝置來對準這種檢測器以直接從FOV或者通過中繼光學器件從FOV接收光。
[0050]光源116可包括多個發(fā)射器，諸如發(fā)光二極管(LED)、激光器、熱源、電弧光源、熒光光源、氣體放電光源或其它類型的發(fā)射器。根據(jù)一個實施例，光源116包括具有大約635至670納米(nm)波長的紅色激光二極管。根據(jù)另一個實施例，光源116包括三個激光器，其包括可用于發(fā)出大約635nm束的紅色二極管激光器；綠色二極管泵浦固態(tài)(DPSS)激光器，諸如由約1064nm波長的紅外激光二極管激勵的頻率耦合或第二諧波發(fā)生器(SHG)激光器，可操作該綠色SHG激光器以發(fā)出約532nm的綠色光束；以及可用于發(fā)出約473nm的光的藍色激光二極管。雖然可直接調(diào)制一些激光器，但是其它激光器需要外部調(diào)制諸如聲光調(diào)制器(Α0Μ)。在使用外部調(diào)制器的情況下，考慮部分光源116。激光二極管光源示例為以下示出的集成光子學模塊實施例的部分。
[0051]對準束組合和成形光學器件118以接收由光源發(fā)出的光束并將一些或所有束組合成單條束。束組合和成形光學器件118也可以包括束成形光學器件諸如一個或多個圓形透鏡(circularizing lenses)、準直透鏡、聚焦透鏡、中繼透鏡(relay lenses)和/或孔徑及波長選擇光學器件諸如雙折射濾光器(birefringent filter)、凝膠濾光器(gelfilter)、熱反射鏡等。此外，雖然所描述的波長已經(jīng)在可見光范圍內(nèi)，但是其它波長也可在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0052]根據(jù)各種實施例，掃描器120可使用很多公知技術(shù)形成，所述公知技術(shù)諸如有旋轉(zhuǎn)反射鏡的多邊形(rotating mirrored polygon)、音圈上的反射鏡、固定到高速馬達上的反射鏡、雙壓電晶片梁(bimorph beam)上的反射鏡、同軸或“共軸”回轉(zhuǎn)掃描元件、MEMS掃描器或其它類型。MEMS掃描器可以是例如名稱為“MEMS DEVICE HAVINGSIMPLIFIED DRIVE”的美國專利申請序列號10/984327中描述的類型，通過參考將其結(jié)合于此。
[0053]在ID掃描器的情況下,掃描器可包括被驅(qū)動以沿著單個軸掃描輸出束的第一束導向器和被驅(qū)動以在第二軸上掃描輸出束的第二束導向器。在這種系統(tǒng)中，兩個掃描器都稱作掃描器120。在2D掃描器的情況下，驅(qū)動掃描器120被驅(qū)動以沿著多個軸(可選地，通過終端光學器件126)掃描輸出束125，從而順序照亮視場內(nèi)的像素，以生成圖像128。
[0054]對于小型和/或便攜式顯示器系統(tǒng)101，由于MEMS掃描器的頻率、耐用性、可重復性和/或能量效率較高，因此通常優(yōu)選這種器件。根據(jù)特定性能、環(huán)境或構(gòu)造，對于一些應用優(yōu)選批量的微加工或者表面微加工的娃MEMS掃描器。在圖12中的透視圖中不出了一個示例性MEMS掃描器實施例。對于其它應用優(yōu)選其它實施例。
[0055]掃描器120的2D MEMS掃描器實施例在幀周期內(nèi)在覆蓋整個投射屏幕或投射屏幕所選區(qū)域的模式中高速掃描一個或多個光束125。典型幀頻例如可以是60Hz。通常，諧振地運行一個或兩個掃描軸是有利的。在一個實施例中，以約19KHz諧振運行一個軸，同時以鋸齒模式非諧振地運行另一個軸以產(chǎn)生漸進掃描模式。以單條束漸進掃描的雙向方法，以大約19KHz的掃描頻率水平掃描和以60Hz的鋸齒模式垂直掃描能接近SVGA分辨率。在一個這種系統(tǒng)中，靜電驅(qū)動水平掃描移動和磁性驅(qū)動垂直掃描移動?？蛇x地，可磁性或電容性驅(qū)動水平掃描。靜電驅(qū)動可包括靜電板、梳狀驅(qū)動裝置或相似方法。在各種實施例中，可成正弦地或諧振地驅(qū)動兩個軸。
[0056]集成光子學模塊102可具體化為單色的、全彩色的或超光譜的。一些實施例中，也希望在用于很多彩色顯示器的常規(guī)RGB通道之間添加彩色通道。在此，應理解術(shù)語灰度級和相關討論涉及這些實施例以及本發(fā)明范圍內(nèi)的其它方法或應用中的每一個。在下述的控制裝置和方法中，像素灰度級在單色系統(tǒng)情況下可包括單個值，在彩色或超光譜系統(tǒng)的情況下可包括RGB三基色或更多基色?？蓪μ囟ㄍǖ?例如紅、綠和藍色通道)單獨施加控制或?qū)λ型ǖ廊w施加控制，例如亮度調(diào)制。
[0057]系統(tǒng)資源104可包括電源132、用戶界面134、視頻界面136、和封裝件138。視頻界面例如可包括USB端口、藍牙、W1-F1、火線、SD插座、IRdA端口或其它接口，以接受用于投射的圖像。根據(jù)各種實施例，可使用各種接口包括藍牙、USB等使視頻界面與視頻控制電子裝置106通信。根據(jù)實施例，系統(tǒng)資源包括能夠從無源存儲器件例如USB驅(qū)動、SD卡或其它存儲器檢索圖像或視頻，并單獨或以幻燈片放映圖像或視頻的操作系統(tǒng)。這例如對于從數(shù)碼相機接收存儲器件以及將最近捕獲的圖像放映給朋友或家人是有用的。
[0058]圖2、3和4是根據(jù)實施例的集成光子學模塊102的集成光學引擎部分114的一系列透視圖。光學框架202相互光學對準地支撐三個光源204、206和208 ;束成形光學器件(未示出);束組合器210 ；以及束掃描器120，以通過所示的輸出面212傳送掃描調(diào)制束。圖5提供根據(jù)實施例的集成光子學模塊102的集成光學引擎部分114的尺寸。如可看到的，封裝件的外部尺寸(高11.5mm深23mm寬40mm，或者小于高I / 2英寸深I英寸寬13 / 8英寸)很小，從而甚至允許容易地集成到尺寸受限的便攜式電子器件中?？傆嬚檬?0.6立方厘米(0.65立方英寸)。如可從下面的圖中看到的，該封裝件在光源之間提供相對寬裕的間隙。通過在光源之間生成更緊密的間隙能夠進一步縮窄封裝件的寬度。
[0059]根據(jù)一些實施例，光學框架202可熱耦合到光源204、206和208。這種熱耦合可允許光學框架用作光源的散熱器。熱敏電阻、熱電耦等可熱耦合到光學框架202以監(jiān)測溫度。如果確定溫度超出了操作范圍，則可改變、停止光輸出。
[0060]圖6、7和8是根據(jù)實施例的與圖2 - 4的各透視圖對應的、集成光子學模塊102的集成光學引擎部分114的一系列透視局部剖視圖?？煽闯鰣D示束成形光學器件602、604和606被設置成從各光源204、206或208接收光束。當光源204包括SHG激光器時，其相應的束成形光學器件602可包括排除紅外濾波器(infrared-excluding filter),其被構(gòu)造用以防止紅外泵浦光(infrared pump light)射出光源204。可看出束組合器210的各反射鏡608、610和612被對準以接收和沿著束組合器的長軸將來自光源206、204和208的光束導向作為合成束。對準選擇性折疊反射鏡614以接收合成束并將其導向到掃描器120的MEMS掃描器618部件的反射鏡616?？蓪蔬x擇性折疊反射鏡614以從基本垂直于標稱反射鏡(中心交叉)位置的方向朝向掃描反射鏡616發(fā)射合成束。這種配置可用于最小化掃描束的幾何失真。根據(jù)實施例的、包括掃描器120的磁體620和接口電纜622的附加部件也可從圖6 — 8中看到。
[0061]圖9是示出根據(jù)實施例對準圖2 - 8的集成光子學模塊的一些主要光學部件的視圖。這些部件如上所述。可看到集成光子學模塊的束組合器210中的掃描束出射面212。
[0062]圖10是根據(jù)實施例的圖2 - 8的集成光子學模塊的光學框架202的視圖。根據(jù)實施例，光學框架202可由金屬諸如鋁、鈦等使用壓鑄件工藝制造?？蛇x地，光學框架202可包括注射成型的塑性材料諸如玻璃填充或其它尺寸穩(wěn)定的塑性材料。任選地，對光學框架進行二次加工操作以提供精細尺寸容限以及或者實現(xiàn)其它設計參數(shù)選擇。根據(jù)其它實施例，光學框架202可使用加工和/或片狀金屬形成操作制造?？蛇x的材料和制造工藝對本領域技術(shù)人員是顯而易見的，且除非另外指出，都落入各種實施例的范圍內(nèi)。光學框架202可任選是一件或兩件部件，如所示出的。任選地，光學框架202可包括較大量的部件諸如印刷電路板和其上的部件、分離的發(fā)射器/光學器件/組合器以及掃描部分等。
[0063]光學框架202可包括形成以接收各光源206、204和208以及相關聯(lián)的束成形光學器件的鉆孔1002、1004和1006。光學框架202可進一步包括形成為接收和對準選擇性折疊反射鏡、束組合器等的一個或多個定位面1008 (所示的1008a、1008b、1008c和1008d)。面1010可形成為成一直線地接收掃描器(未示出)。此外，其它安裝面和功能部件1012可沿著其它軸形成。
[0064]根據(jù)一些實施例，光學部件可利用蓋部(未示出)諸如固定裝置(例如螺絲、鉚釘?shù)?、使用粘合劑、通過夾具等機械夾持到光學框架202中。根據(jù)其它實施例，一個或多個光學部件可使用分立或集成固定技術(shù)、粘合劑(例如UV-固化光學粘合劑)等機械耦合到光學框架202。根據(jù)實施例，在部件直接耦合到光學框架的情況下，可省略分離的蓋部。
[0065]圖11是根據(jù)實施例的包括機械耦合電路板1102的集成光子學模塊的至少一部分的透視圖。電路板1102可任選地形成集成光子學模塊102的集成光學引擎部分114的結(jié)構(gòu)部分。根據(jù)各種實施例，電路板1102可包含傳感器、光源驅(qū)動器、掃描器控制器、視頻控制器電子器件以及存儲器中的一個或多個。如上所述，各種傳感器、光源驅(qū)動器、掃描器控制器、視頻控制器電子器件以及存儲器可采取很多種形式，包括但不限于常規(guī)的微處理器或微控制器以及相關聯(lián)的部件、單個集成ASIC、兩個或多個ASIC、兩個或多個ASIC加上諸如DSP或常規(guī)CISC或RISC微處理器的一個或多個微處理器、諸如視頻存儲器IC的存儲器、其它集成部件、分立部件以及軟件。此外，可操作其以將視頻信號轉(zhuǎn)換成優(yōu)選模式的媒體模塊可被集成到控制器中以及集成到電路板1102上。MEMS掃描器120和光源116可直接與電路板1102接口。
[0066]圖12是根據(jù)實施例可用在集成光子學模塊中掃描光束的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)掃描器618的透視圖。MEMS掃描器618可由一層單晶硅晶片1202和一層諸如派熱克斯玻璃(pyrex glass)的介電材料晶片1204形成,且根據(jù)常規(guī)絕緣體上娃(SOI)技術(shù)氣密地接合所述晶片。所述層可使用諸如氫氧化鉀(KOH)蝕刻、深反應離子蝕刻(DRIE)及其組合等方法部分或全部地被蝕刻以形成整體微加工(bulk micromachined)的MEMS掃描器。根據(jù)一個實施例，扭轉(zhuǎn)鉸鏈和反射鏡掃描板(下述)被部分蝕刻以形成減薄的結(jié)構(gòu)，調(diào)整該結(jié)構(gòu)以提供所需的諧振頻率、能量存儲、質(zhì)量、彈簧常數(shù)等。
[0067]MEMS掃描器618包括由掃描板上的反射金屬或電介質(zhì)的四分之一波長疊層形成的掃描反射鏡616。反射鏡和掃描板從平衡環(huán)1208被懸置在扭轉(zhuǎn)快速掃描鉸鏈1206a和1206b上?？刹僮髋まD(zhuǎn)快速掃描鉸鏈1206a和1206b以允許反射鏡606相對于平衡環(huán)1208圍繞由它們的中心線限定的軸旋轉(zhuǎn)。反過來，平衡環(huán)從安裝框架1212懸置在扭轉(zhuǎn)慢速掃描鉸鏈1210a和1210b上?？刹僮髋まD(zhuǎn)慢速掃描鉸鏈1210a和1210b以允許平衡環(huán)和反射鏡相對于安裝框架1212圍繞由它們的中心線限定的軸旋轉(zhuǎn)。包括電磁線圈的致動器1214被形成在平衡環(huán)上用于驅(qū)動圍繞慢速掃描軸和快速掃描軸的旋轉(zhuǎn)?？山?jīng)由MEMS放大器(未示出)通過導線1216 (以及接口電纜622，未示出)從MEMS控制器接收包含慢速掃描波形和快速掃描波形的合成的信號。致動器1214形成合成周期性磁場，該磁場對由掃描器磁體620(未示出，但是在上面的圖中可看到)形成的外部磁場排斥或吸引(push and pull)。[0068]由于直接驅(qū)動平衡環(huán)1208，因此慢速掃描驅(qū)動器可提供任意驅(qū)動波形，選擇該波形以排除會激勵快速掃描的頻率。根據(jù)實施例，慢速掃描波形可近似于與諸如60Hz幀頻對應的周期性頻率(periodic frequency)下的鋸齒波或不對稱的三角波。鋸齒慢速掃描波形可照這樣操作以提供以所需角度回掃(retrace)的垂直幀掃描。
[0069]快速掃描驅(qū)動信號包括周期性波形諸如正弦波形，選擇該波形以與反射鏡和掃描板616的諧振頻率對應?？刹僮飨到y(tǒng)中微小的不對稱以通過快速掃描柔性件(flexure)1206a和1206b將平衡環(huán)1208以快速掃描頻率移動中的微小波動傳送到反射鏡616。通過諧振放大移動中的微小波動以提供所需快速掃描角度。
[0070]MEMS掃描器618可進一步包括各種傳感器以將反饋提供到MEMS控制器。這些可包括扭轉(zhuǎn)鉸鏈中的壓敏電阻(PZR)應變傳感器、溫度結(jié)(temperature junction)或熱敏電阻等。根據(jù)實施例，反射鏡和掃描板616具有約1.2mm的直徑，足以接收合成輸入束而沒有束限幅(beam clipping)。
[0071]示出了在一個未通電或“中止(rest)”位置處具有掃描板和形成于其上的掃描反射鏡616的MEMS掃描器618。根據(jù)實施例，可通過施加DC偏置至致動器而在慢速掃描軸中在通電中止位置(powered rest position)處傾斜反射鏡。DC偏置可圍繞由慢速掃描扭轉(zhuǎn)鉸鏈1210a、1210b定義的慢速掃描軸而將標稱“傾斜”施加到平衡環(huán)1208。可操作MEMS掃描器的可選實施例以在兩個軸上建立反射鏡616的通電中止平面。例如，MEMS掃描器可形成有形成在掃描板上的致動器1214。除了在平衡環(huán)1208上的致動器1214提供相對于慢速掃描軸中止傾斜以外，還可操作在掃描板上的致動器中的DC偏置以圍繞由扭轉(zhuǎn)鉸鏈1206a、1206b限定的快速掃描軸而將標稱傾斜施加到反射鏡616。
[0072]可使用中止位置中的這種標稱傾斜，例如以更加精確地將反射鏡616對準集成光學組件(未示出)。
[0073]圖13是示出根據(jù)實施例的示例性束形狀119、125和束成形光學器件602、604和606的視圖，其中所述束成形光學器件602、604和608用于與集成光子學模塊的三種應用對應的三種結(jié)構(gòu)1302、1304和1306。
[0074]根據(jù)與平視顯示器對應的第一種構(gòu)造1302，可從集成光子學模塊的輸出面212(未示出)將束119、125聚焦到大約IOOmm距離處的腰部(waist) 1308。根據(jù)各種實施例，來自多個光源204、206和208的發(fā)射束可由束組合器210組合成調(diào)制合成束，且束掃描器120掃描所調(diào)制的合成束作為掃描調(diào)制束125，如圖所示。IOOmm的示例性距離對應于出瞳擴張器(未示出)的距離。在這種應用中，出瞳擴張器通常都在終端光學器件126 (未示出)之前插入，以提供擴張的出瞳或在其中將圖像投射到觀察者視網(wǎng)膜上的窺眼箱(eye-box)。
[0075]根據(jù)與便攜式掃描束視頻投影儀相對應的第二種構(gòu)造1304，可將束119、125聚焦到距集成光子學模塊的輸出面212 (未示出)大約500mm處的腰部1308。根據(jù)各種實施例，來自多個光源204、206和208的發(fā)射束可由束組合器210組合成調(diào)制合成束，且束掃描器120掃描所調(diào)制的合成束作為掃描調(diào)制束125。根據(jù)各種實施例，終端光學器件126可設置在束路徑中，如圖所示。500mm的示例性距離對應于自投射表面的標稱工作距離。
[0076]根據(jù)與頭戴(head-worn)掃描束或視網(wǎng)膜顯不器對應的第三種結(jié)構(gòu)1306,將束119聚焦到自集成光子學模塊的輸出面212 (未示出)大約IOmm距離的腰部1308。根據(jù)各種實施例，來自光源204、206和208的發(fā)射束可由束組合器210組合成調(diào)制合成束119，且將該調(diào)制合成束發(fā)射到光纖中，用于傳送到顯示器的頭戴部分。IOmm的示例性距離與集成光子學模塊的輸出面和光纖輸入I禹合器之間的距離相對應。根據(jù)各種實施例，可以是單模光纖的光纖將調(diào)制合成束119傳送到觀測者眼睛附近的末端。光通常以發(fā)散角射出光纖的末端，該發(fā)散角基本上與由輸入或近端的束得到的會聚角相對應。射出光纖(未示出)末端的光可被聚焦到與光測者眼睛距離相對應的距離，通過末端安裝的束掃描器(未示出)以周期性模式掃描，并通過終端光學器件(未示出)中繼到觀測者眼睛。
[0077]從圖13的圖中得到的一個一般觀察結(jié)果是集成光子學模塊適合于在各種應用中操作。附加地或可選地，集成光子學模塊設計的變型適合于各種應用，其中一些于圖13中示出。圖14 一 18以及此處文字的和固有的其它描述示出了一些方法，這些方法用以提供具有在整個應用范圍內(nèi)具有共用性或者設計共用性的集成光子學模塊。
[0078]圖14是示出用于根據(jù)實施例的集成光子學模塊的束成形光學器件的分立變型形式和集成變型形式的視圖。根據(jù)實施例，平視顯示器應用1302可使用圓形透鏡1402、準直透鏡1404、平頂透鏡(top hat lens)1406以及聚焦透鏡1408中的一些或全部，以使它的束成形。任選的圓形透鏡1402可提供像散校正以將在兩個軸中每一個上具有不同散度的很多激光器的輸出轉(zhuǎn)換成在任意軸上都具有基本相同的散度的徑向?qū)ΨQ束。這種透鏡可以提供光功率損失最小的圓形。附加地或者可選地，限幅孔徑可用在該系統(tǒng)中。準直透鏡1404提供具有基本平行的邊的束形狀以引入到平頂透鏡1406。平頂透鏡1406將輸入束的高斯能量分布轉(zhuǎn)換成在其整個截面上具有基本相同功率的平頂形狀的輸出束。聚焦透鏡1408將束聚焦到工作距離，如上所指出的。
[0079]平頂束在卷積(convolve)回平頂能量分布之前卷積通過正弦型能量分布。因此，希望對于平頂透鏡1406選擇焦距以在視距處產(chǎn)生卷積的平頂函數(shù)?？蛇x擇聚焦透鏡1408的焦距以在EPE處產(chǎn)生腰部，該EPE例如可以是規(guī)則的微透鏡陣列(MLA)。EPE在遠場產(chǎn)生小束(beamlet)以提供擴展區(qū)域，在該區(qū)域上方觀測者的視網(wǎng)膜會接收到視頻圖像。通過選擇平頂形復合掃描束，由EPE產(chǎn)生的小束在所需觀測距離范圍內(nèi)也可以是平頂形(在卷積通過正弦能量分布之后)。平頂形小束相互“傾斜”且降低或消除在整個窺眼箱上的功率的可見變化。
[0080]如從由圖14中的頂視圖表示的HUD(平視顯示器)應用1302中可看到的，將圓形、準直、平頂和聚焦透鏡1402、1404、1406和1408組合成一個或多個集成透鏡1410。
[0081]根據(jù)實施例，便攜式投射應用1304可使用圓形透鏡1402和聚焦透鏡1408中的一些或全部以使它的束成形。如同HUD應用1302 —樣，任選圓形透鏡1402可提供像散校正，以將在兩個軸中每一個上具有不同散度的很多激光器的輸出轉(zhuǎn)換成在任一軸上具有基本相等散度的徑向?qū)ΨQ束。這種透鏡可提供光功率損失最小的圓形。附加地或可選地，在該系統(tǒng)中可使用限幅孔徑。聚焦透鏡1408將束聚焦到如上所示的工作距離。任選地，在便攜式投射實施例中也可使用其它透鏡例如準直和平頂透鏡。
[0082]如可在由圖14中間的圖表示的便攜式投射應用1304中看到的，圓形和聚焦透鏡1402和1408可組合成一個或多個集成透鏡1412。
[0083]根據(jù)實施例，頭盔顯示器應用1306可使用圓形透鏡1402和聚焦透鏡1408中的一些或全部以使它的束成形。與HUD和便攜式投射應用1302和1304 —樣，任選的圓形透鏡1402可提供像散校正以將在兩個軸中每一個上具有不同散度的很多激光器的輸出轉(zhuǎn)換成在任一軸上具有基本相等散度的徑向?qū)ΨQ束。這種透鏡可提供光功率損失最小的圓形。附加地或可選地，在該系統(tǒng)中可使用限幅孔徑。聚焦透鏡1408將束聚焦至如上所示的工作距離。任選地，在頭盔顯示器實施例中也可使用其它透鏡諸如準直和平頂透鏡。
[0084]如在由圖14下部的圖所表示的頭盔顯示器應用1306中可看到的，圓形和聚焦透鏡1402和1408可組合成一個或多個集成透鏡1414。
[0085]集成透鏡1416表示上述集成透鏡1410、1412和1414的實體(physical)實施例。
[0086]圖15 — 17表示用于通過在全部多個光學元件上分配束成形功能而在可用在各種應用中的集成光子學模塊中提供至少公共部分的方法。圖15是示出根據(jù)實施例的用于便攜式掃描束投影儀1502的集成光子學模塊的一部分的視圖。來自光源116的束通過束成形光學器件602、604和606成形且通過束組合器210組合以形成如上所述的調(diào)制合成束119。
[0087]圖16是示出根據(jù)實施例的、用于圖15的便攜式投影儀的集成光子學模塊部分1502的使用的視圖，從而為圖13所特別示出的具有不同束形狀的HUD1602提供一部分集成光子學模塊。如圖16中所示，集成光子學模塊部分1502可與合成束成形光學組件1604組合在一起。根據(jù)說明性實施例，可操作集成光子學模塊部分1502以提供具有適合于便攜式掃描束視頻投影儀的特性、例如具有約500mm腰距(waist distance)的束的調(diào)制合成束，如通過圖13所示。此時束可被引入到包括準直透鏡1404、平頂透鏡1406和彩色平衡聚焦光學器件1606的一系列透鏡中。涉及到組合為光學組件1604的這一系列透鏡1404、1406和1606被構(gòu)造成將束由適合于便攜式掃描束視頻投影儀的形狀轉(zhuǎn)換為適合于HUD的形狀，例如是具有平頂功率分布和IOOmm焦距的形狀。
[0088]圖17是示出根據(jù)實施例將光學組件1604集成到合成透鏡1704中以形成用于HUD的集成光子學模塊部分1702的視圖。
[0089]圖18是根據(jù)實施例的至少一部分集成光子學模塊114的透視圖，示出了可選適配器光學器件的光傳導路徑和布置。集成光子學模塊114包括被構(gòu)造成用于便攜式掃描視頻投影儀的部分1502和被構(gòu)造成用以接收來自部分1502的調(diào)制合成束并產(chǎn)生具有不同特性的調(diào)制合成束119的適配器光學器件1704。根據(jù)該實施例，部分1502和適配器光學器件1704包括被構(gòu)造成用于平視顯示器的一部分集成光子學模塊1702。如上所述，通過掃描器120以周期性模式掃描調(diào)制合成束以形成該實例中可用于提供視頻圖像給車輛操作者的調(diào)制掃描束125，其中該車輛裝配有包括具有該模塊114的集成光子學模塊的HUD。
[0090]圖19是不出光源204、206和208與根據(jù)實施例的至少一部分集成光子學模塊的束組合器210之間的關系的視圖。圖19包括用于將分離的R、G和B光束1902、1904和1906組合成單個的、合成光束119的束組合器210的側(cè)視圖以及根據(jù)實施例的RGB束源114的視圖。
[0091]束組合器210包括三個分段1908、1910和1912，三者結(jié)合在一起且由透明材料如玻璃或適合于光學應用的聚合物制成。組合器210還包括在X-Z平面上的具有3W長度和矩形截面的輸入面1914，且包括在Y-Z平面上的具有W高度和正方形截面的輸出面1916。在一個實施例中，W=5.5毫米(mm),而在另一實施例中，ff=3.5mm。輸入面1914和輸出面1916都是平坦的、光學性能表面。名稱為“APPRATUS AND METHOD FOR COMBINING MULTIPLEELECTROMAGNETIC INTO A COMPOSITE BEAM” 的美國專利申請序列號 10/828，876 討論了組合器210的制造，由此共同指定且通過參考并入本文。[0092]第一分段1908在X-Y平面上具有高和寬為W的平行四邊形截面，并且包括形成部分組合器輸入面1914的分段輸入面(segment input face) 1918和用于將R束1902朝向組合器輸出面1916反射后的反射面608。在一個實施例中，通過涂覆常規(guī)光學涂層將面608制成反射的。人們可以根據(jù)束組合器系統(tǒng)的參數(shù)選擇該涂層(以及如下討論的其它涂層)的反射特性和透射特性。輸入面1918和反射面608之間的角度α是銳角。在優(yōu)選實施例中，α =45°以允許R束1902在X尺寸上具有等于W的最大寬度。也就是說，如果α =45°，則只要R束適當?shù)嘏c輸入面1918對準，W寬度的R束全部都將投射到反射面608上。然而，如果將組合器210設計成用于具有寬度小于W的R束1902，則面608的反射區(qū)域限于R束將照在上面的區(qū)域?？蛇x地，可使角度α大于45°。但是由于角度α對于所有分段1908、1910和1902都是相同的，因此人們應在改變α的值之前考慮對其它分段1910和1912的影響。而且，如果α不等于45°，則R束與束源114的角度被調(diào)整成使得反射后的R束仍垂直于輸出面1916。
[0093]相似地，第二分段1910在X-Y平面中具有高度和寬度為W的平行四邊形截面，并且包括形成部分組合器輸入面1914的分段輸入面1920和反射面610，該反射面610沿著分段1908和1910之間的界面且通過反射后的R束1902并將G束1904朝向組合器輸出面1916反射。在一個實施例中，通過對面610和與面610相接的分段1908的面中的一個或兩個涂覆常規(guī)光學涂層而將面610制成反射的。輸入面1920和反射面610之間的角度α是銳角，且優(yōu)選等于45°以允許G束1904在W尺寸上具有等于W的最大寬度。但是，如果對于具有寬度小于W的G束1904設計組合器210，則面610的反射區(qū)域限于G束將照在上面的區(qū)域?？蛇x地，可使得角度α大于45°。但是由于角度α對于所有分段1908、1910和1912都是相同的，因此人們應在改變α的值之前考慮對其它分段1908和1912的影響。而且，如果α不等于45°，則G束與束源114的角度被調(diào)整成使得反射后的G束保持垂直于輸出面1916。
[0094]第三分段1912在X-Y平面上具有三角形截面，并且包括組合器輸出面1916、分段輸入面1922以及反射面612，其中，所述分段輸入面1922具有寬度W且形成部分組合器輸入面1914，所述反射面612沿著分段1910和1912之間的界面且通過反射后的R和G束1902和1904并將B束朝向組合器輸出面反射。在一個實施例中，通過對面612和與面612相接的分段1910的面涂覆常規(guī)光學涂層而將面612制成反射的。在輸入面1922和反射面612之間的角度α是銳角，且優(yōu)選等于45°以允許B束1906在X尺寸上具有等于W的最大寬度。但是如果對于寬度小于W的B束1906設計組合器210，則面612的反射區(qū)域限于B束將照在上面的區(qū)域。可選地，可使得角度α大于45°。但是由于角度α對于所有分段1908、1910和1912都是相同的，因此人們應當在改變α的值之前考慮對其它分段1908和1910的作用。而且，如果α不等于45°，則B束與束源114的角度被調(diào)整成使得反射后的B束垂直于輸出面1916。而且,在優(yōu)選實施例中,在分段輸入面1922和輸出面1916之間的角度β基本上是直角。
[0095]圖20是示出根據(jù)實施例2001的至少一部分集成光子學模塊中的光傳導的視圖。可包括三個光源204、206和208的光源116被構(gòu)造用以將調(diào)制光束通過其相應的束成形光學器件602、604和606射向束組合器210。光源被構(gòu)造用以發(fā)射偏振光束。可選地，束成形光學器件602、604和/或606可包括被構(gòu)造用以向所不的束組合器210提供S偏振光的偏振器。任選地，反射鏡608、610和612可被構(gòu)造用以組合輸入束的S偏振分量并將P偏振分量朝向光講(未不出)傳導。束組合器的各反射鏡608、610和612將來自發(fā)射器206、204和208的調(diào)制光束組合成S偏振的調(diào)制合成光束。適配器光學器件1704可任選地被插入到束路徑當中以接收來自束組合器的輸出面1916的光。
[0096]包括偏振束分離器的選擇性折疊反射鏡614將調(diào)制合成束119導向到掃描器120的反射鏡616?？蓪蔬x擇性折疊反射鏡614以將合成束從基本垂直于標稱反射鏡(中心交叉)位置的方向射向掃描反射鏡616。這種配置用于最小化掃描束中的幾何失真。
[0097]作為在束組合器210中提供S偏振光的可選方式，可通過偏振束分離器614提供束的一些或全部偏振，可操作偏振束分離器以將S調(diào)制合成束119的偏振分量導向到掃描反射鏡616并將光的P分量傳送到光講(未不出)。
[0098]將偏振束分離器614構(gòu)造成優(yōu)選反射S偏振光且由此將S偏振光朝向掃描器120反射。S偏振調(diào)制合成束在其路徑上通過偏振旋轉(zhuǎn)器2002射向掃描反射鏡616。偏振旋轉(zhuǎn)器可構(gòu)造為四分之一波片，可操作該四分之一波片以在S偏振光射到掃描鏡片616之前將其轉(zhuǎn)換成圓偏振光。如上所述，可操作掃描器120以在整個視場上以周期性模式掃描束，以產(chǎn)生掃描調(diào)制光束125。在通過掃描反射鏡616反射(和掃描)之后，掃描束在此通過偏振旋轉(zhuǎn)器2002。偏振旋轉(zhuǎn)器將當前來自掃描反射鏡的圓偏振束轉(zhuǎn)換成P偏振光。
[0099]P偏振光朝向偏振束分離器614傳播。偏振束分離器614被構(gòu)造成優(yōu)選通過P偏振光且由此允許P偏振掃描束125通向F0V。
[0100]作為使用偏振光的可選方式，圖20的系統(tǒng)可使用非偏振光或者橢圓偏振光。在這種可選實施例中，折疊反射鏡614可包括選擇性反射器例如半鍍銀反射鏡。所射達的束119中的一部分通過折疊反射鏡614，例如通向光阱(未示出)，而一部分光能被導向到掃描反射鏡616。在可選實施例中省略偏振旋轉(zhuǎn)器。掃描束119再次射在半鍍銀反射鏡614上且其一部分通向F0V。被反射的該部分被反射回光源和/或被反射向光阱。
[0101]圖20的構(gòu)造的幾個可選實施例也是可行的。圖21是示出根據(jù)另一實施例2101的光傳導的視圖，其中將合成束119成傾斜角度地射向掃描器120。掃描束125以一模式通向F0V，與圖20的方法相比該模式具有一些梯形失真量。根據(jù)一些實施例，當掃描束不再次通向折疊反射鏡時，該調(diào)制合成束119不需要被偏振并且折疊反射鏡614不需要是選擇性反射器。
[0102]圖22示出了其中將掃描器120構(gòu)造成位于束組合器的、與光源116相反的一側(cè)上的實施例2201。掃描光束由此在光源116 “后面”的方向上通向F0V。
[0103]圖23是示出實施例2301的視圖，其中折疊反射鏡可包括被構(gòu)造成固態(tài)光學器件的偏振光束分離器。
[0104]圖24是示出實施例2401的視圖，其中折疊反射鏡614集成到束組合器210中。所不出的實施例不出折疊反射鏡614作為偏振束分離器。如上所述，折疊反射鏡朝向掃描器120反射第一偏振光。偏振旋轉(zhuǎn)器2002被構(gòu)造成在掃描器120的往返雙程中旋轉(zhuǎn)偏振90度，優(yōu)選朝向掃描器反射輸入能量和優(yōu)選朝向FOV傳送掃描束。
[0105]實施例2401使用被構(gòu)造在與束組合反射鏡608、610和612的平面平行的平面內(nèi)的折疊反射鏡614。
[0106]圖25A是示出實施例2510的視圖，其中折疊反射鏡614被集成到束組合器210中。該實施例具有以相對于光源116向前的方向輸出掃描束125的構(gòu)造。折疊反射鏡614的平面被構(gòu)造成基本與組合反射鏡608、610和612的平面成直角。
[0107]圖25B是示出實施例2502的視圖，其中包括具有非成像檢測器的集成光子學模塊的至少一部分。該實施例2502包括光檢測模塊2504，其可包括任選的光漫射器2506、任選的隔板2508、任選的反射側(cè)壁2510、和非成像光檢測器2512。如上所述，在整個FOV上掃描被任選地制成非調(diào)制的P偏振掃描束125。一部分掃描束125從FOV中的物體散射開作為散射光2514。通常，對于非鏡面物體，散射光2514是非偏振的或者是橢圓偏振的。該散射光也通常被形成為一束平行的光線或者一束離散的光線，所述光線基本上布滿了選擇性折疊反射鏡614。選擇性折疊反射鏡614接收散射束2514并朝向任選的光漫射器2506反射它的S偏振分量(如所示的)。任選的光漫射器2506被構(gòu)造成在所示出的散射角度上散射所接收的光線。散射光線通過隔板2508射在光檢測器2512上。一部分散射光線以不可能被檢測器接收到的角度散射。任選的反射側(cè)壁2510可用于將這種“損耗的”能量再次朝向檢測器2512反射。可操作例如被構(gòu)造成接收波長對應于光源的發(fā)射波長的檢測器2512以將所接收的光能轉(zhuǎn)換成電信號。根據(jù)實施例，集成光子學模塊2502被構(gòu)造成發(fā)射紅、綠和藍色激光作為合成掃描束125，濾波檢測器2512以從FOV接收相應的紅、綠和藍色散射光。
[0108]操作中，來自檢測器2512的電信號可與像素掃描同步讀取以產(chǎn)生FOV的視頻圖像。
[0109]可將一個或多個任選檢測器2516構(gòu)造成接收來自FOV的P偏振分量，任選地通過一個或多個聚焦透鏡。如果將束組合器210的反射鏡608、610和612制成波長選擇性反射鏡，則可操作由任選的一個(多個)檢測器2516所接收的信號以接收來自FOV的光并產(chǎn)生相應的電信號，該電信號并非由掃描束產(chǎn)生。例如將這種光用于確定FOV處的環(huán)境光,反過來，這可用于確定發(fā)光器的亮度、彩色平衡等。
[0110]圖25C是示出實施例2503的視圖，其中包括具有焦平面檢測器陣列的集成光子學模塊的至少一部分。實施例2503包括光檢測模塊2518，該光檢測模塊2518可包括透鏡或透鏡系統(tǒng)2520、孔徑2522、隔板塊2524以及諸如CXD或CMOS像素相關陣列(pixelatedarray)的焦平面檢測器陣列2526。
[0111]如上所述，在整個FOV上掃描任選地制成非調(diào)制的P偏振掃描束125。一部分掃描束125從FOV中的物體散射作為散射光2514。通常，對于非鏡面物體，散射光2514可以是非偏振的或是橢圓偏振的。散射光也通常形成為一束平行光線或一束離散光線，基本布滿選擇性折疊反射鏡614。選擇性折疊反射鏡614接收散射束2514并朝向透鏡2520反射它的S偏振分量(如所示的)。透鏡2520和孔徑2522被構(gòu)造用以在隔板2524的遠表面處形成共軛圖像平面?？刹僮鹘蛊矫鏅z測器陣列2526以檢測FOV的共軛圖像并將其轉(zhuǎn)換成相應的電信號。操作中，例如在掃描器的回掃期間，可讀取焦平面檢測器陣列2526并以視頻幀頻刷新，以產(chǎn)生FOV的視頻圖像。
[0112]如所指出的，如此成像的光可通過選擇性折疊反射鏡614由被選擇用于反射的S偏振光形成?？蛇x地，例如在透鏡2520和孔徑2522之間可包括偏振旋轉(zhuǎn)器例如檢測路徑四分之一波片(未示出)，以將平面偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光。這種方法例如有利于避免與焦平面檢測器2526相關的偏振依賴(polarization-dependent)接收作用。
[0113]對于圖25B和25C的說明性實施例可選地，檢測器2512和2526可被構(gòu)造成直接接收來自FOV的散射光而不是接收來自選擇性折疊反射鏡614的散射光。
[0114]對于包括光檢測子系統(tǒng)、諸如圖25B和25C的相應說明性實施例的子系統(tǒng)2504和2518的應用，系統(tǒng)的控制器部分理所當然被構(gòu)造成可用于接收來自檢測器的電信號、將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(或者對于具有集成ADC的檢測器僅接收數(shù)字信號)、并且將所接收的信號組合成視頻圖像、將所接收的圖像解碼成相應的數(shù)據(jù)諸如解碼的條形碼或OCR數(shù)據(jù)、或者另一方面對所接收的數(shù)據(jù)進行處理以根據(jù)應用來執(zhí)行功能。
[0115]一些實施例可使用來自檢測器2512、2526的信號以更改光源激勵的深度和/或時序，從而更改掃描調(diào)制束125，例如以補償投射表面的不均勻性、距離和/或環(huán)境光。在名稱為“PROJECTION DISPLAY WITH SCREEN COMPENSATION”的美國專利申請序列號11/284，043中公開了用于進行這種補償?shù)囊恍嵤├?，通過參考將其結(jié)合于此。
[0116]其它實施例可使用來自檢測器2512、2526的信號，以例如通過更改光源和束掃描器的移動之間的相位關系來補償集成光子學模塊和投射表面之間的相對移動。在名稱為“PROJECTION DISPLAY WITH MOTION COMPENSATION”的美國專利申請序列號 11/635，799 中公開了進行補償?shù)囊恍嵤├?，通過參考將其結(jié)合于此。
[0117]圖2?是與圖25A的實施例2501對應的實施例2527，但是其中移動掃描器120且以90度定向選擇性折疊反射鏡614以通過調(diào)制合成束而反射掃描束125。具有S偏振的至少一部分調(diào)制合成束119被從束組合器210射出并且通過選擇性折疊反射鏡614，通過偏振旋轉(zhuǎn)器2002并射在掃描器120的反射鏡616上。對準選擇性折疊反射鏡614從而通過處于與調(diào)制合成束119的角度相對應的角度的平面偏振光而反射處于垂直偏振角度的平面偏振光。光旋轉(zhuǎn)器2002在合成調(diào)制束119通往掃描反射鏡616的路徑中將它的偏振旋轉(zhuǎn)至圓偏振。掃描反射鏡616以通過偏振旋轉(zhuǎn)器2002的周期性掃描模式掃描所接收光束的反射光束。偏振旋轉(zhuǎn)器將掃描束的偏振從圓偏振旋轉(zhuǎn)至其取向與調(diào)制合成束119在從束組合器210射出時的取向基本成90度的平面偏振。選擇性折疊反射鏡614將旋轉(zhuǎn)后的掃描束朝向視場反射作為掃描束125。在圖25D的實例中，掃描束125具有S偏振。
[0118]圖25E是示出根據(jù)實施例的至少一部分集成光子學模塊2529中的光傳導的視圖，其中束掃描器在除了垂直于標稱圖像投射方向以外的平面中。與圖25A的實施例一樣,例如被構(gòu)造成偏振束分離器的偏振選擇性反射鏡614被構(gòu)造用以沿著所指示的方向?qū)⒄{(diào)制合成光束導向至偏振旋轉(zhuǎn)器2002。在通過偏振旋轉(zhuǎn)器之后，豎直的折疊反射鏡2530將調(diào)制合成光束導向到束掃描組件120 (被反射鏡2530部分遮掩)，以射在掃描反射鏡(未不出)上。此時掃描光離開反射鏡2530被反射回去,通過偏振束分離器2002,且由于掃描光的旋轉(zhuǎn)后的偏振，所以通過選擇性折疊反射鏡614并進入到視場中作為掃描束125。根據(jù)一個實施例，將掃描反射鏡構(gòu)造成標稱上處于圖的平面中且因此位于平行于標稱視頻投射軸的平面中。除了其它事物之外，該方法還可通過允許掃描組件120的永久磁鐵在厚度尺寸上具有較小的外部尺寸而提供在垂直于圖的尺寸上較薄的封裝件。折疊反射鏡2530例如可以是至少在與光源116的輸出波長對應的波長上反射基本所有射在其上的光的第一表面金屬、電介質(zhì)或其它反射鏡。當然，偏振旋轉(zhuǎn)器2002的位置可改變，例如位于豎直的折疊反射鏡2530和掃描反射鏡(未不出)之間。
[0119]圖26是示出可選實施例2601的視圖，其中一個光源204被構(gòu)造成從束組合器210的一端射出它的束。如所不出的，它的束通過束成形光學器件602射入與折疊掃描器120和反射鏡614端相對的一端。實施例2601在使用體積大的光源204時尤其有利。
[0120]圖27是包括具有根據(jù)實施例的至少一部分集成光子學模塊的掃描器控制器的框圖 2701。
[0121]根據(jù)圖27的實施例，掃描器控制器122包括印刷電路板上的柔性電路互連、掃描控制ASIC2702、數(shù)字信號處理器(DSP) 2704和支撐電路，其中，所述數(shù)字信號處理器(DSP)2704可用作共處理器，所述支撐電路包括電源電路和存儲器?？勺⒁獾?，圖27的實施例與圖1的掃描器控制器122相比稍微降低了集成度，其中將大部分控制功能集成到掃描器控制器ASIC中。根據(jù)各種實施例，操作的一般理論是相似的。
[0122]可操作掃描器控制器122以驅(qū)動雙軸MEMS掃描器，同時在整個控制器互連2706上將適當?shù)臅r序信息提供至控制器電子器件106 (圖27中未示出)。可另外操作掃描器控制器122以控制環(huán)境光級(light level)并處理自動相位校準脈沖，并任選地將這些測量結(jié)果中繼到視頻控制器電子器件。
[0123]如圖12中所描述和不出的，一個掃描器實施例包括MEMS掃描器,所述MEMS掃描器具有用于兩個軸的PZR傳感器和兩個軸上的磁性驅(qū)動。
[0124]根據(jù)一些實施例，掃描器控制器122可物理安裝在集成光子學模塊的光學引擎部分114(未示出)附近。根據(jù)一些實施例，諸如上面描述的頭盔顯示器，掃描器控制器122可位于掃描器附近的末端位置處并且可物理上與光源116 (未示出)以及束組合器和束成形光學器件118 (未示出)的至少一部分分離，其中光源和束成形光學器件被構(gòu)造成從近端位置通過光纖至末端位置將光提供給MEMS掃描器618的反射鏡。相似地，視頻控制器電子器件106 (未示出)可安裝在光源和束成形光學器件附近并通過電、射頻、或光學接口 2706與安裝在末端的掃描器控制器122通信。在這種實施例中，它適合于將這種集成光子學模塊中的近端部分安裝在可支撐在使用者的皮帶上的小型封裝件中以及將系統(tǒng)的末端部分安裝在頭盔封裝件中。
[0125]根據(jù)實施例，DSP2704可根據(jù)名稱為“CIRCUITFOR DRIVING A PLANT AND RELATEDSYSTEM AND METHODS”的美國專利申請序列號11/266，584中公開的方法，提供慢速掃描快速傅里葉變換(FFT)處理以提供慢速掃描的調(diào)整和有效衰減(active damping)，通過參考將該美國專利申請結(jié)合于此。此外，DSP2704可以提供功能性，包括下列功能中的一項或多項:與視頻控制器電子器件的數(shù)據(jù)通信；提供用于輸入MEMS掃描器校準數(shù)據(jù)的接口 ；在正常操作期間將與MEMS操作相關的參數(shù)、自動相位調(diào)整結(jié)果、從環(huán)境光傳感器2707接收的環(huán)境亮度、從溫度傳感器2708接收的溫度等傳送到視頻控制光學器件；現(xiàn)場升級固件和軟件的接口 ；確保關鍵操作的適當時序的任務安排；初始化和調(diào)整快速掃描振蕩寄存器；以及PZR傳感器的開環(huán)溫度補償。
[0126]根據(jù)實施例，掃描器驅(qū)動ASIC2702可以為混合信號(模擬和數(shù)字)器件，其可用以提供MEMS控制和提供自動相位(自動相位調(diào)整)校正。可操作掃描驅(qū)動ASIC2702以驅(qū)動和控制雙軸MEMS掃描器618。雙軸MEMS掃描器618可以是用壓敏電阻(PZR)反饋傳感器在兩個軸上進行磁性激勵的類型。根據(jù)實施例，掃描器驅(qū)動ASIC2702可包括各種模擬和數(shù)字功能中的一些或全部，所述各種模擬和數(shù)字功能例如包括:用PZR偏置電路2709將用戶可編程電流偏置提供至PZR反饋傳感器；提供在可編程振幅下可用以使快速掃描軸自諧振的閉環(huán)振蕩電路2710，其中AGC參數(shù)可調(diào)節(jié)以允許軟起動并調(diào)整控制選項；提供鎖相環(huán)(PLL)以產(chǎn)生慢速掃描取樣時鐘(50至200kHz)，該時鐘與快速掃描諧振頻率同步，其中倍增因子是可編程的；提供慢速掃描模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)2712，其中來自PZR放大器的慢速掃描輸入信號被轉(zhuǎn)換成用于DSP處理器2704的數(shù)字信號，其中ADC分辨率可以是12至16位，取樣率是50至200kHz ;提供慢速掃描數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 2714，其中慢速掃描波形的數(shù)字輸入信號被轉(zhuǎn)換成模擬電壓并在求和電路2716中用快速掃描驅(qū)動信號求和；提供表示反射鏡角度處于可接受范圍內(nèi)的反射鏡狀態(tài)信號；提供自動相位傳感器接口電路，其中該電路與一個(多個)外部光檢測器2718 —起操作以調(diào)節(jié)用于自動相位功能的信號并測量調(diào)節(jié)結(jié)果；以及提供SPI串聯(lián)數(shù)字接口 2720以與視頻控制器電子器件通信并允許向內(nèi)部寄存器的讀取/寫入存取，用于初始化和監(jiān)測。
[0127]快速掃描振蕩器塊2710使用PZR反饋信號以建立閉環(huán)振蕩電路。振蕩頻率由掃描器的快速掃描軸的諧振頻率確定。振蕩的振幅通過具有可編程設置點的AGC電路來控制。來自該回路的輸出是FS諧振頻率的方形波的FS SYNC，其提供了主同步信號，以驅(qū)動其它系統(tǒng)部件。諧振頻率可從約5kHz至40kHz變化。
[0128]從MEMS掃描器618上的慢速掃描PZR接收慢速掃描位置信號，之后放大、濾波并在慢速掃描ADC2712中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。將該數(shù)字信號發(fā)送到DSP2704用于分析。DSP將在慢速掃描DAC2714中轉(zhuǎn)換為模擬信號的數(shù)字指令信號發(fā)送回去。在求和電路2716中用快速掃描輸出對模擬慢速掃描驅(qū)動信號進行求和，且將該和發(fā)送到外部功率放大器2722，該外部功率放大器2722放大求和后的模擬信號以將驅(qū)動功率提供到掃描器618。
[0129]自動相位電路2724與一個或多個外部光檢測器2718 —起工作。掃描束125 (未示出)周期性地穿過一個(多個)檢測器2718。模擬接口電路2724響應于激光束交叉點產(chǎn)生脈沖并且脈沖長度是被傳送到DSP2704的信息。
[0130]將快速掃描振蕩器2710設計成模擬“自諧振”電路，其從MEMSPZR傳感器取得實時位置信息，應用適當?shù)恼穹鲆婧拖辔谎舆t并且基于反射鏡的反饋信號來驅(qū)動諧振中的反射鏡?？山?jīng)由SPI處理器接口來調(diào)整具有寄存器的塊以提供MEMS特性，從而適應器件間、批次間和/或設計間的容限。
[0131]如結(jié)合圖12所描述的，集成到MEMS掃描器618上的管芯柔性件(die flexure)中的PZR應變傳感器感應反射鏡的快速掃描移動。通過PZR偏置電路2709向PZR傳感器提供可調(diào)節(jié)的DC偏置電流。偏置電流可以利用軟件控制的值或者利用外部電阻器來編程。PZR反饋差動感測信號在具有可調(diào)節(jié)增益的低噪音差動預放大器(differentialpre-amplifier)2722中被放大。差動預放大器2722的增益可以是軟件控制的或者是利用外部電阻器設置的，以對于給定反射鏡角度偏差提供校準信號電平(在峰間電壓中)。預放大器2722輸出在限制了噪音帶寬的帶通濾波器2725中被濾波。帶通濾波器2725可包括在低通濾波器之前的高通濾波器。帶通濾波器2725的輸出信號可用于驅(qū)動掃描控制系統(tǒng)。諧振時，在驅(qū)動信號和掃描移動之間存在90度相移。為了保持閉環(huán)振蕩，通過移相器2726將額外90度的相移引入到回路中。在比較器2728中“清算(square up)”移相器2726的輸出以產(chǎn)生數(shù)字快速掃描同步信號。對于慢速掃描驅(qū)動以及在視頻控制器電子器件106 (未示出)中進行的視頻信號處理，快速掃描同步信號可通過鎖相環(huán)輸出2730傳導到DSP2704并且用作主時基(primary time base)。
[0132]自動增益控制(AGC)電路可用于將振蕩振幅保持在一非常精確的值。該回路可包括振幅檢測器、可變增益放大器以及AGC控制器。振幅檢測器產(chǎn)生與帶通濾波器2725的輸出振幅成比例的DC電壓。該電壓與AGC控制器中的設置點相當，該AGC控制器執(zhí)行比例積分微分(PID)控制計算法。PID控制器的輸出用作可變增益放大器2732的控制電壓輸入。
[0133]反射鏡角度和頻率監(jiān)控電路(frequency watchdog circuit) 2734控制振幅檢測器的輸出。如果振幅超出可編程設置點，則保護電路發(fā)出立即禁止(disable)驅(qū)動信號的關閉指令。二次安全電路(secondary safety circuit)監(jiān)測驅(qū)動信號的振幅,并防止其超出可編程值。
[0134]圖28是根據(jù)實施例的用于集成光子學模塊控制器的框圖2801，該集成光子學模塊控制器包括視頻控制器106、掃描驅(qū)動器122以及束掃描器618。
[0135]可操作視頻控制器106以執(zhí)行以下操作中的一些或全部:從系統(tǒng)資源接收視頻信號；任選地在視頻存儲器中超高速緩存所接收的視頻數(shù)據(jù)；將信號轉(zhuǎn)換成德伽馬(de-gamma)信號；將德伽馬信號轉(zhuǎn)換成平衡彩色信號；緩沖線(buffering lines);進行插值以確定由掃描束掃描的實際像素位置的值作為所接收視頻信號中的理想像素位置的函數(shù)；確定光源的亮度值；進行光源補償和校正；以及與從像素時鐘接收到的時序信號同步地將補償后的亮度值傳送到光源驅(qū)動電路，其中所述像素時鐘由MEMS控制模塊122所提供的水平和垂直同步脈沖產(chǎn)生。
[0136]任選地，視頻控制器106可包括可用以將所接收的視頻模式轉(zhuǎn)換成較佳視頻模式的媒體模塊2802。根據(jù)一個實施例，可操作媒體模塊2802以將所接收的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號。根據(jù)其它實施例，可省略媒體模塊或者可集成媒體模塊作為系統(tǒng)資源。
[0137]名稱為“CIRCUIT FOR DETECTING A CLOCK ERROR IN ASffEPT-BEAM SYSTEMAND RELATED SYSTEMS AND M0TH0DS”的美國專利申請序列號11/316，326、名稱為“CIRCUIT FOR DETECTING A CLOCK ERROR IN A SCANNED IMAGE SYSTEM AND RELATEDCIRCUITS, SYSTEM, AND M0TH0DS” 的美國專利申請序列號 11/316，683、名稱為 “METHOD ANDAPPARATUS FOR ILLUMINATING A FIELD-OF-VIEff AND CAPTURING AN IMAGE”的美國專利申請序列號 10/630，062、名稱為 “APPARATUS AND METHOD FOR B1-DIRECTIONALLY SWEEPINGAN IMAGE BEAM IN THE VERTICAL DIMENSION AND RELATED APPARATI AND METHODS”的美國專利申請序列號 10/441，916、名稱為 “ELECTRONICALLY SCANNED BEAM DISPLAY” 的美國專利申請序列號 10/118，861、名稱為“APPARATUSES AND METHODS FOR UTILIZING NON-1DEALLIGHT SOURCES” 的美國專利申請序列號 10/933，033、名稱為 “SCANNED DISPLAY WITHVARIATION COMPENSATION” 的美國專利號 6，661，393、以及名稱同樣為 “SCANNED DISPLAYWITH VARIATION COMPENSATION”的美國專利號6，445，362中公開了集成光子學模塊控制器2801的可操作性的幾個實施例的各方面，通過參考全部結(jié)合于此。
[0138]圖29是示出根據(jù)實施例2901使用集成到移動電子設備2902中的集成光子學模塊102的視圖。如可看到的，該實施例被構(gòu)造成在標稱上對準便攜式電子設備2902的頂部尺寸或長邊尺寸的方向上發(fā)出調(diào)制光的掃描束125。任選地,集成光子學模塊102可被構(gòu)造成在不同方向上或者在多個方向上射出掃描束。可選地，集成光子學模塊102被構(gòu)造成將圖像投射到擴散器的背側(cè)上，由此形成背投屏幕。
[0139]移動設備2902可包括一系列設備類型，其包括但不限于:條形碼掃描器、便攜式計算機、掌上計算機、移動電話、便攜式音頻設備諸如MP3播放器、基于硬盤的便攜式音頻播放器、便攜式視頻播放器、基于硬盤的便攜式視頻播放器、數(shù)字游戲系統(tǒng)、商業(yè)演示指示器、激光指示器、前投電視或者背投電視等。
[0140]圖30是示出根據(jù)實施例3001在車用平視顯示器應用中使用集成光子學模塊的視圖。可選實施例或應用可包括用于飛機、船只、摩托車等的HUD。
[0141]車輛3002可包括容納了儀表組3006的儀表板3004。儀表組包括具有光學部分104的集成光子學模塊201,所述光學部分104被構(gòu)造成通過中繼光學器件3008而將掃描束圖像投射向乘客3010，其中所述中繼光學器件3008可包括車輛擋風玻璃?？蓸?gòu)造該系統(tǒng)用以提供與乘客3010的一只或兩只眼睛的位置對應的出瞳或窺眼箱3012。
[0142]這種系統(tǒng)可用于向觀測者呈現(xiàn)各種信息，包括但不限于可任選地與車輛3002的方位相關的廣告內(nèi)容、微光前向圖像(low-light forward image)、車輛限界信息、地圖或駕駛方向、娛樂內(nèi)容、緊急通告等。
[0143]圖31是根據(jù)實施例3101使用集成光子學模塊的便攜式掃描束投射顯示器3102的透視圖。如圖31中所示，根據(jù)實施例的構(gòu)造，便攜式投射顯示器3102可拿在用戶3010手中。示出了被構(gòu)造成根據(jù)用戶愿望在與便攜式視頻投影儀3102的主體縱向?qū)实姆较?106上通過掃描束125投射圖像的輸出光學元件3104。
[0144]根據(jù)另一實施例，便攜式視頻投影儀3102可投射和/或檢測控制區(qū)域(controlfield)。任選地，通過檢測器諸如散射光檢測器控制顯示器視場以使得能夠反饋供鼠標、指示器等使用，如用戶所希望的，例如用于控制所投射的圖像。
[0145]如圖31中所示出的，根據(jù)實施例，便攜式掃描束投射顯示器3102可包括具有安裝于其上的輸出光學兀件3104的主體。根據(jù)一些實施例,可旋轉(zhuǎn)輸出兀件3104至一系列位置。例如，在第一位置處，用設備主體遮蔽光學元件且將設備切換到“關閉”或睡眠狀態(tài)。例如使用光學編碼器、旋轉(zhuǎn)開關等感應光學元件3104的位置以自動切換模式。在另一示例性位置處，可旋轉(zhuǎn)光學元件3104從而通常以適合與工作臺面交叉的一個或多個角度將圖像向前投射。任選地自動旋轉(zhuǎn)所投射的圖像使得“頂部”朝向設備3102主體的底部定位，以便于面向主體前面的用戶觀測。在第三示例性位置處，旋轉(zhuǎn)光學元件3104至通常向前且與工作臺面平行的位置，例如通常垂直于便攜式視頻投影儀3102主體的長軸，從而將圖像投射到墻上而將主體設置在臺上?？蓮呐c工作臺面平行向上或向下調(diào)節(jié)該位置以選擇墻上的圖像高度?？扇芜x地自動旋轉(zhuǎn)所投射的圖像，以在墻上投射其“頂部”取向在向上的方向上的圖像。
[0146]在圖31中示出的第四位置處，旋轉(zhuǎn)光學元件3104至通常與便攜式視頻投影儀3102主體的縱軸平行的位置。這種模式下，例如在給出特別演示時，圖像投影儀可便利地拿在用戶手中并且瞄向垂直或水平表面。
[0147]如上所指出的，用在各種應用中的集成光子學模塊可包括圖像捕獲功能。被捕獲的圖像可用于執(zhí)行各種功能。例如希望圖29的系統(tǒng)2901的實施例除了提供投影顯示器之外還可用作激光相機。
[0148]圖30的系統(tǒng)3001可包括分析被捕獲的視頻以根據(jù)一個或多個車輛乘客3010所確定的特性而發(fā)出警報聲、執(zhí)行系統(tǒng)關閉、轉(zhuǎn)換成“自動駕駛”、存儲視頻或靜止圖像等。例如，如果確定司機或者駕駛員3010是近睡眠狀態(tài)，就使用警報以喚醒個別人。如果確定不能識別乘客，且警報系統(tǒng)已經(jīng)禁止或者另外被損害，則系統(tǒng)會捕獲乘客圖像、關閉車輛和/或通知表示該狀態(tài)的法律實施。如果分析一連串視頻幀確定乘客喝醉了，則該系統(tǒng)通知乘客將車輛拉到路邊且隨后執(zhí)行至少部分系統(tǒng)關閉直到機能障礙不再是個問題。
[0149]相似地，系統(tǒng)3001可根據(jù)所檢測的FOV或環(huán)境照明等來調(diào)節(jié)顯示亮度、內(nèi)容等。
[0150]如之前描述的，系統(tǒng)3101可依照所捕獲的圖像進行操作以控制顯示內(nèi)容。這種操作可用于例如“搖攝(pan)”顯示全景作為較大部分虛像、校正顯示表面不規(guī)則性、補償顯示表面和便攜式視頻投影儀之間的相對移動等。
[0151]前述的本發(fā)明概述、附圖的簡要說明以及具體說明以幫助讀者容易理解的方式描述了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例。其它結(jié)構(gòu)、方法和等同物也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在此描述的本發(fā)明的范圍應當僅由權(quán)利要求書限制。
【權(quán)利要求】
1.一種系統(tǒng)，包括: 系統(tǒng)資源，可用作提供視頻信號、電力和用戶接口 ； 安裝系統(tǒng)，被構(gòu)造成容納集成光子學模塊；和 其中具有孔的外殼，所述孔對準集成光子學模塊的出射面的位置和集成光學引擎部分。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括蜂窩電話；并且 還包括集成光子學模塊； 由此蜂窩電話可用作通過所述孔投射視頻圖像。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括機動車輛和所述視頻信號，所述視頻信號包括限界信息；并且 還包括: 束分離表面，其與乘客位置對準；和 集成光子學模塊，其可用作朝向所述束分離表面投射所述限界信息； 由此所述乘客可通過所述束分離表面同時觀測限界信息和操作環(huán)境。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括數(shù)碼相機；并且 還包括: 用戶接口，可用于捕獲圖像；和 集成光子學模塊，其可由觀測者操作，用于觀測所捕獲的圖像。
【文檔編號】H04N9/31GK103458251SQ201310355794
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2007年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2006年4月11日
【發(fā)明者】蘭黛爾·B·斯帕拉古, 喬舒亞·O·米勒, 瑪格麗特·K·布朗, 馬克·O·弗里曼, 馬爾滕·尼斯滕, 薛彬, 克里斯托弗·A·維克勒夫 申請人:微視公司