光投影器模块的制作方法

本发明涉及一种光投影器模块。

背景技术：

1、光投影器模块通常用于虚拟现实(vr)或增强现实(ar)眼镜、头盔或平视显示器中，用于广泛的应用，如导航、训练、娱乐、教育或工作。光源将携带由像素组成的图像的单色或多色(例如，红、绿、蓝)光束发射到移动微机电系统(mems)扫描反射镜上，该扫描反射镜将光束偏转到紧接的多个方向(角度)：图像的每个像素有一个方向(角度)。例如，mems扫描反射镜围绕垂直轴线快速摆动并且围绕水平轴线缓慢摆动，以便扫掠这些方向，并且因此，在显示区域的像素上逐列和逐行扫描光束。

2、在vr应用中，显示区域通常是用户眼睛前方的(微型)反射屏。在ar应用中，显示区域是半透明组合器，其将光束重定向到用户的眼睛，同时将其与来自周围环境的光场同时叠置。在任一情况下，用户眼睛的角膜和晶状体将来自特定方向的光束聚焦到视网膜上的一个图像点上，使得视网膜上的所有图像点然后形成由用户感知的图像。在头戴式显示器中，光投影器甚至可以将所扫描的光束直接投影到用户的眼睛中，而不需要任何反射屏或半透明组合器。在一般的视频投影机应用中，光投影器模块可以用于将图像投影到外部屏幕上，例如反射墙或电影屏幕。

3、对于在vr或ar眼镜、头盔和其它头戴式显示器中使用的光投影器模块，希望将光投影器模块安装在尽可能靠近显示区域的距离处，以便为用户提供尽可能大的视场，其中显示区域是半透明组合器、微型屏幕或用户的眼睛。然而，在现有技术的光投影器模块中，由于模块的内部设计，安装距离具有下限。为了获得更大的视场，并因此获得更大的图像，必须使用附加的光学器件或更大的光投影器模块，然而，这对于佩戴者来说是笨重的。

4、在申请人的较早提交但较晚公布的申请ep4092471a1中，其构成了根据epc第54(3)条的现有技术，已经公开了一种紧凑且轻质的光投影器模块，其允许靠近显示阵列的安装，但仍留有改进的空间。

技术实现思路

1、本发明的目的是改进现有技术并且提供一种光投影器模块，其能够尽可能靠近显示区域地安装以为用户最大化视场和图像，并且同时是紧凑的和轻重量的以获得最大的佩戴者舒适性。

2、该目的通过一种光投影器模块来实现，该光投影器模块包括：

3、基板，其具有均在纵向方向和横向方向上延伸的两个相对的侧面，

4、光源，其安装在所述两个相对的侧面中的一个侧面上，用于在垂直于所述两个相对的侧面并且平行于所述纵向方向的透射平面中透射光束，

5、微机电系统mems扫描组件，其具有安装在所述两个相对的侧面中的另一侧面上并从其延伸的臂，并具有可移动地安装在所述臂上用于在显示区域上扫描所述光束的扫描反射镜，以及

6、光导，其安装在所述基板或所述臂上，用于将所述光束从所述光源朝向所述扫描反射镜引导，

7、其中，所述光导配置为在平行于所述纵向方向(l)的引导平面中引导所述光束。

8、通过将光源和透镜组安置在基板的一个侧面上，而将mems扫描组件安置在基板的另一侧面上，利用光导将光束从透镜组引导到mems扫描组件的扫描反射镜，并且通过将扫描反射镜放置在从基板的另一侧面延伸的臂上，能够将投影光束并因此投影模块的输出图像的扫描反射镜安装成靠近任何期望的显示区域，无论它是半透明组合器、反射(微型)屏幕还是甚至直接地用户的眼睛。

9、在平行于纵向方向的一个单一引导平面内引导光束是特别有利的。首先，光导能够在横向方向上具有小的延伸，这能够实现整个光投影器模块的特别窄的设计。其次，光束能够仅以少量所需的偏转到达扫描反射镜，从而允许简单且紧凑的光导，并且令人惊讶地，允许将扫描反射镜安装得特别靠近显示区域。第三，由于小数量的所需光束偏转，光束的任何偏振(如果有意偏振)能够容易地在整个光导中保持。因此，创造了具有大视场和保留的光束偏振的非常紧凑且重量轻的光投影器模块，其能够不引人注目地集成到任何头戴式(“可穿戴”)显示设备中，例如集成到或vr或ar眼镜的镜腿或框架中，以获得最大的佩戴者舒适性。

10、为了最小化光导在横向方向上的延伸，引导平面优选地垂直于所述两个相对的侧面。这样，光导可以在横向上与光束的直径一样小，以将光束朝向扫描反射镜引导。

11、光束可以经由任何数量的偏转被朝向扫描反射镜引导，例如经由单个反射镜的一次单次偏转，使光束沿着围绕基板的纵向端的l形或v形光束路径偏转。然而，在一个有利的实施例中，光导具有面向所述基板的所述一个侧面的第一反射镜表面和面向基板的所述另一侧面的第二反射镜表面，用于在所述引导平面中沿着c形光路引导所述光束。因此，通过在第一和第二反射镜表面处的两次连续反射，光导以节省空间的方式围绕基板的纵向端部折叠光束。因此，光导和扫描反射镜能够容纳在该纵向端部处的小空间内，并且扫描反射镜能够特别靠近显示区域。

12、在采用所述两个反射镜表面的优选实施例中，所述光导包括光学引导棱镜，并且所述第一和第二反射镜表面由所述光学引导棱镜的棱镜表面形成。因此，第一和第二反射镜表面能够作为单个部件(引导棱镜)的部分容易地安装在基板上，并且通过设计永久地且精确地彼此对准。

13、有利地，所述第一反射镜表面以小于60°、优选地在20°至40°的范围内、特别优选地为大约30°的角度α面向所述基板的所述一个侧面。这允许“低的”第一反射镜表面，即在基板的所述一个侧面上方具有小的高度的反射镜表面。此外，与所述引导棱镜组合，对于各种材料，这种角度α允许借助于全内反射(tir)将光束引导到引导棱镜内部。

14、当所述第二反射镜表面另外以大于120°-2·α的角度β，优选地在80°至100°的范围内，特别优选地约90°面向所述基板的所述另一侧面时，所述扫描反射镜能够特别靠近所述显示区域放置并且扫描宽范围的方向(角度)。此外，与所述引导棱镜结合，这样的角度β允许借助于进一步的全内反射来引导光束。

15、当所述臂和所述基板的所述另一侧面另外围成在290°-2·(α+β)至340°-2·(α+β)的范围内、优选地在10°至90°的范围内、特别优选地在50°至70°的范围内的角度γ时，入射到(处于其静止姿势的)所述扫描反射镜上的角度在20°至70°的范围内。一方面，这种入射角足够大以实现大视场，另一方面，这种入射角足够小以避免在扫描反射镜的操作中的入射掠射角，由于所谓的余弦效应，这可能导致扫描光束的直径的不希望的大变化。

16、为了投影彩色图像，所述光源可以配置成发射各自具有不同波长的第一、第二和第三部分光束，这些部分光束在横向方向上互相间隔，并且所述光源可以包括光束组合器以将所述第一、第二和第三部分光束组合成所述光束。

17、优选地，所述光束组合器具有第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一反射表面和第一波长选择表面，所述第一反射表面用于将所述第一部分光束在所述横向方向上朝向所述第二部分光束转移，所述第一波长选择表面对于所转移的第一部分光束是反射的并且对于所述第二部分光束是透射的以用于将所转移的第一部分光束和所述第二部分光束共线地组合成中间光束，所述第二部分具有第二反射表面和第二波长选择表面，所述第二反射表面用于在所述横向方向上将所述第三部分光束朝向所述中间光束转移，所述第二波长选择表面对于所转移动的第三部分光束是反射的并且对于所述中间光束是透射的以用于将所转移的第三部分光束和所述中间光束共线地组合成所述光束。以这种方式，多个部分光束可以在小的横向空间内被组合，使得光束组合器可以在横向方向上具有特别小的延伸。此外，通过照射在同一个第一波长选择镜上，能够特别精确地对准第一和第二部分光束，同样地通过照射在同一个第二波长选择镜上能够特别精确地对准中间光束(包括第一和第二部分光束)和第三部分光束。

18、有利地，所述光源配置为在所述第一部分光束和所述第三部分光束之间发射所述第二部分光束。因此，第二部分光束、光导和扫描反射镜可以在横向上居中，并且光投影器模块可以在横向方向上具有特别小的延伸。

19、当所述光源配置成在平行于所述透射平面的相应平面中，优选地在所述纵向方向上发射所述第一部分光束、所述第二部分光束和所述第三部分光束中的每一个，并且其中所述反射和波长选择表面中的每一个相对于纵向方向和横向方向两者以45°的角度倾斜时是有益的。由此，光束组合器能够在纵向方向上具有特别小的延伸。此外，第二部分光束在没有任何偏转的情况下穿过光束组合器，并且因此可以特别简单且精确地与其他部分光束组合和对准。

20、在另一优选实施例中，所述第二波长选择表面对于所述中间光束是部分反射的，而对于所述第三部分光束是部分透射的，以将所述第一部分光束、所述第二部分光束和所述第三部分光束的每个的一部分耦合输出到光传感器上。当从第三部分光束观察时，以节省空间的方式放置在第二波长选择镜后面的这个光传感器允许测量和校准图像光束。

21、为了光投影器模块的容易制造，所述第一反射表面和所述第二反射表面以及所述第一波长选择表面和所述第二波长选择表面可以由连接到块状体的一组光学棱镜的选定棱镜侧面上的涂层形成。通过在连接的光学棱镜的单个块状体上提供反射表面和波长选择表面，这些表面通过设计永久地和精确地彼此对准，并且可以容易地安装在基板上。

22、在采用所述棱镜的块状体的有利变型中，所述第一部分光束、所述第二部分光束和所述第三部分光束中的每一个与其入射的所述块状体的那一侧面垂直地入射所述块状体。因此，能够避免部分光束在入射块状块时的折射，并且能容易地保持部分光束的相互对准和任何可选的偏振。类似地，当所述光束与其出射的所述块状体的那一侧面垂直地出射所述块状体以避免其在出射块状体时折射时是有利的。

23、在另一可选地可组合的实施例中，所述光束组合器可以将多于三个部分光束组合成所述光束。在一个实施例中，所述光源配置成发射第四部分光束，所述第四部分光束具有不同的波长并且在横向方向上相对于所述第一部分光束、所述第二部分光束和所述第三部分光束相互间隔开，所述光束组合器具有第三反射表面，用于将所述第四部分光束在横向方向上朝向第一部分光束转移，所述第一反射表面是波长选择表面，其对于所述第一部分光束是反射的而对于所转移的第四部分光束是透射的，以用于共线地组合所述第一和第四部分光束，所述第一波长选择表面对于所述第四部分光束也是反射的，并且所述第二波长选择表面对于所述第四部分光束也是透射的。因此，第一反射表面以及第一波长选择表面和第二波长选择表面共同用于第四部分光束，保持了部件的数量和光束组合器所需的空间较小。

24、在另一实施例中，所述光源配置成发射第五部分光束，所述第五部分光束具有不同的波长并且在横向方向上相对于所述第一部分光束、所述第二部分光束和所述第三部分光束相互间隔开，所述光束组合器具有第四反射表面，用于将所述第五部分光束在横向方向上朝向第三部分光束转移，所述第二反射表面是波长选择表面，其对于所述第三部分光束是反射的而对于所转移的第五部分光束是透射的，以用于共线地组合所述第三和第五部分光束，并且所述第二波长选择表面对于所述第五部分光束也是反射的。类似地，在该实施例中，第二反射表面和第二波长选择表面共同用于第五部分光束，以保持部件的数量和用于光束组合器的所需空间较小。