掃描束顯示器引擎的製作方法

2023-05-11 04:31:41 2

專利名稱：掃描束顯示器引擎的製作方法
掃描束顯示器引擎本申請要求於2006年4月11日提交的美國臨時專利申請系列號60/791，074的優先權，且通過參考將其結合於此。分案申請本申請是第200780012965. O號專利申請(國際申請號PCT/US2007/009145)的分案申請。第200780012965. O號專利申請的申請日為2007年4月11日，發明名稱為「集成光子學模塊以及使用該集成光子學模塊的設備」。
背景技術：
視頻顯示器廣泛地用於各種應用中，包括可攜式和固定位置的應用。在至少一些應用中，且尤其是在一些可攜式應用中，可視屏幕尺寸至今已受到產品封裝的物理尺寸的限制。

發明內容
集成光子學模塊提供了一種可集成到一系列系統內的小型掃描束(swept-beam) 顯示器。根據一些實施例，小型掃描束顯示器可被構造成投射物理尺寸大於系統、產品或容納集成光子學模塊的封裝件的物理尺寸的圖像。根據一些實施例，集成光子學模塊包括一個或多個光源諸如雷射器、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，以便於安裝和保持光學對準。根據一些實施例，集成光子學模塊可包括MEMS驅動電子器件、光源驅動電子器件、傳感器、以及視頻電子器件中的一些或全部。根據各種實施例，MEMS驅動電子器件可包括MEMS控制器、一個(多個)D/A和/或A/D轉換器以及一個(多個)MEMS驅動放大器。 視頻控制器電子器件可包括光源控制器、一個(多個)D/A轉換器和一個(多個)光源驅動放大器。根據其它實施例，集成光子學模塊的輸出可代替諸如被構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。


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圖11是根據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。圖12是根據實施例的可用在圖2-8的集成光子學模塊中的MEMS掃描器的透視圖。圖13是示出根據實施例的用於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。圖14是示出根據實施例的用於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。圖15是示出根據實施例的用於可攜式掃描束投影儀的至少一部分集成光子學模塊的視圖。圖16是示出根據實施例使圖15的至少一部分集成光子學模塊適合於掃描束平視顯示器(head-up display)應用的視圖。圖17是示出根據實施例將圖16的透鏡元件集成到集成透鏡中的視圖。圖18是根據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。圖19是示出根據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係的視圖。圖20是示出根據實施例的至少一部分集成光子學模塊中的光傳導的視圖。圖21是示出根據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。圖22是示出根據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。圖23是示出根據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。圖24是示出根據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。圖25A是示出根據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。圖25B是示出根據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。圖25C是示出根據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。圖2 是示出根據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製合成束。圖25E是示出根據實施例的至少一部分集成光子學模塊中的光傳導的視圖，其中束掃描器處於除垂直於標稱圖像投射方向以外的平面內。圖26是示出根據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對準。圖27是根據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。圖28是根據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。圖29是示出根據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。圖30是示出根據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。
圖31是使用根據實施例的集成光子學模塊的可攜式掃描束投影顯示器的透視圖。
具體實施例方式圖I是根據實施例的包括用於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。根據說明性實施例，集成光子學模塊102可包括與系統資源104的接口。視頻控制器電子器件106接收輸入視頻信號，並可具體化為包括系統控制器和軟體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中至少臨時緩衝所接收的視頻圖像，該視頻存儲器110可包括幀緩衝存儲器和屏幕顯示菜單。當到時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並將一個或多個光源驅動器112順序驅動至與輸入視頻信號中的像素值對應的一系列亮度值。根據實施例，光源驅動器112驅動一個或多個光源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產生一條或多條調製光束，可通過組合器和束成形光學器件118將該光束成形並組合成調製合成光束119。 光源116例如可包括紅、綠和藍色的已調製雷射。根據一些實施例，調製合成光束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)內掃描調製合成束從而產生圖像。當視頻控制器電子器件106驅動光源驅動器112時，它同時驅動掃描器驅動器 122，該掃描器驅動器122可選地具體化為掃描器驅動ASIC，根據一些實施例，該掃描器驅動ASIC也可含有掃描器驅動器和軟體124。可操作掃描器驅動器122以驅動掃描器120, 從而以周期性掃描模式順序掃描在整個FOV上的發射光作為調製掃描光束125。掃描器120偏轉在整個FOV上的調製光束以產生掃描光束125。通過終端光學器件126可選地調節和/或中繼(relay)掃描光束125以產生視頻圖像128。總之，光源116、組合器和束成形光學器件118、以及掃描器120，與機械安裝結構、 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，標稱為具有正比於與每個點對應的輸入視頻圖像像素的亮度的功率量。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性將FOV中被照亮的點的順序結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。根據一些實施例，也可對準光檢測器(未示出)以從FOV接收一部分散射光能。可將多種處理應用於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。可以經由向後聚光(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。光源116可包括多個發射器，諸如發光二極體(LED)、雷射器、熱源、電弧光源、螢光光源、氣體放電光源或其它類型的發射器。根據一個實施例，光源116包括具有大約635 至670納米(nm)波長的紅色雷射二極體。根據另一個實施例，光源116包括三個雷射器，其包括可用於發出大約635nm束的紅色二極體雷射器；綠色二極體泵浦固態(DPSS)雷射器， 諸如由約1064nm波長的紅外雷射二極體激勵的頻率耦合或第二諧波發生器(SHG)雷射器， 可操作該綠色SHG雷射器以發出約532nm的綠色光束；以及可用於發出約473nm的光的藍色雷射二極體。雖然可直接調製一些雷射器，但是其它雷射器需要外部調製諸如聲光調製器(AOM)。在使用外部調製器的情況下，考慮部分光源116。雷射二極體光源示例為以下示出的集成光子學模塊實施例的部分。對準束組合和成形光學器件118以接收由光源發出的光束並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(gel filter)、熱反射鏡等。此外，雖然所描述的波長已經在可見光範圍內，但是其它波長也可在本發明的範圍內。根據各種實施例，掃描器120可使用很多公知技術形成，所述公知技術諸如有旋轉反射鏡的多邊形(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」迴轉掃描元件、MEMS 掃描器或其它類型。MEMS掃描器可以是例如名稱為「MEMS DEVICE HAVING SIMPLIFIED DRIVE」的美國專利申請序列號10/984327中描述的類型，通過參考將其結合於此。在ID掃描器的情況下,掃描器可包括被驅動以沿著單個軸掃描輸出束的第一束導向器和被驅動以在第二軸上掃描輸出束的第二束導向器。在這種系統中，兩個掃描器都稱作掃描器120。在2D掃描器的情況下，驅動掃描器120被驅動以沿著多個軸(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的像素，以生成圖像128。對於小型和/或可攜式顯示器系統101，由於MEMS掃描器的頻率、耐用性、可重複性和/或能量效率較高，因此通常優選這種器件。根據特定性能、環境或構造，對於一些應用優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。對於其它應用優選其它實施例。掃描器120的2D MEMS掃描器實施例在幀周期內在覆蓋整個投射屏幕或投射屏幕所選區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解析度。在一個這種系統中，靜電驅動水平掃描移動和磁性驅動垂直掃描移動。可選地，可磁性或電容性驅動水平掃描。靜電驅動可包括靜電板、梳狀驅動裝置或相似方法。在各種實施例中，可成正弦地或諧振地驅動兩個軸。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，也希望在用於很多彩色顯示器的常規RGB通道之間添加彩色通道。在此，應理解術語灰度級和相關討論涉及這些實施例以及本發明範圍內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情況下可包括單個值，在彩色或超光譜系統的情況下可包括RGB三基色或更多基色。可對特定通道(例如紅、綠和藍色通道)單獨施加控制或對所有通道全體施加控制，例如亮度調製。
系統資源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埠、藍牙、Wi-Fi、火線、SD插座、IRdA埠或其它接口，以接受用於投射的圖像。根據各種實施例，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。根據實施例，系統資源包括能夠從無源存儲器件例如USB驅動、SD卡或其它存儲器檢索圖像或視頻，並單獨或以幻燈片放映圖像或視頻的作業系統。這例如對於從數位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。圖2、3和4是根據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傳送掃描調製束。 圖5提供根據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，或者小於高1/2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可攜式電子器件中。總計正好是10. 6 立方釐米(O. 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。根據一些實施例，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以監測溫度。 如果確定溫度超出了操作範圍，則可改變、停止光輸出。圖6、7和8是根據實施例的與圖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。可看出圖示束成形光學器件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雷射器時，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。對準選擇性摺疊反射鏡614以接收合成束並將其導向到掃描器120的 MEMS掃描器618部件的反射鏡616。可對準選擇性摺疊反射鏡614以從基本垂直於標稱反射鏡(中心交叉)位置的方向朝向掃描反射鏡616發射合成束。這種配置可用於最小化掃描束的幾何失真。根據實施例的、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。圖9是示出根據實施例對準圖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。圖10是根據實施例的圖2-8的集成光子學模塊的光學框架202的視圖。根據實施例，光學框架202可由金屬諸如鋁、鈦等使用壓鑄件工藝製造。可選地，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其它設計參數選擇。根據其它實施例， 光學框架202可使用加工和/或片狀金屬形成操作製造。可選的材料和製造工藝對本領域技術人員是顯而易見的，且除非另外指出，都落入各種實施例的範圍內。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、分離的發射器/光學器件/組合器以及掃描部分等。光學框架202可包括形成以接收各光源206、204和208以及相關聯的束成形光學器件的鑽孔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摺疊反射鏡、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。根據一些實施例，光學部件可利用蓋部(未示出)諸如固定裝置(例如螺絲、鉚釘等)、使用粘合劑、通過夾具等機械夾持到光學框架202中。根據其它實施例，一個或多個光學部件可使用分立或集成固定技術、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。圖11是根據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的結構部分。根據各種實施例，電路板1102可包含傳感器、光源驅動器、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、光源驅動器、掃描器控制器、視頻控制器電子器件以及存儲器可採取很多種形式，包括但不限於常規的微處理器或微控制器以及相關聯的部件、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、分立部件以及軟體。此外，可操作其以將視頻信號轉換成優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。圖12是根據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(MEMS) 掃描器618的透視圖。MEMS掃描器618可由一層單晶矽晶片1202和一層諸如派熱克斯玻璃(pyrex glass)的介電材料晶片1204形成,且根據常規絕緣體上娃(SOI)技術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。根據一個實施例，扭轉鉸鏈和反射鏡掃描板(下述)被部分蝕刻以形成減薄的結構，調整該結構以提供所需的諧振頻率、能量存儲、質量、彈簧常數等。MEMS掃描器618包括由掃描板上的反射金屬或電介質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1208被懸置在扭轉快速掃描鉸鏈1206a和 1206b上。可操作扭轉快速掃描鉸鏈1206a和1206b以允許反射鏡606相對於平衡環1208 圍繞由它們的中心線限定的軸旋轉。反過來，平衡環從安裝框架1212懸置在扭轉慢速掃描鉸鏈1210a和1210b上。可操作扭轉慢速掃描鉸鏈1210a和1210b以允許平衡環和反射鏡相對於安裝框架1212圍繞由它們的中心線限定的軸旋轉。包括電磁線圈的致動器1214被形成在平衡環上用於驅動圍繞慢速掃描軸和快速掃描軸的旋轉。可經由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)。由於直接驅動平衡環1208，因此慢速掃描驅動器可提供任意驅動波形，選擇該波形以排除會激勵快速掃描的頻率。根據實施例，慢速掃描波形可近似於與諸如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。
快速掃描驅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。可作業系統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。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。這些可包括扭轉鉸鏈中的壓敏電阻(PZR)應變傳感器、溫度結(temperature junction)或熱敏電阻等。根據實施例，反射鏡和掃描板616具有約I. 2mm的直徑，足以接收合成輸入束而沒有束限幅(beam clipping)。示出了在一個未通電或「中止(rest) 」位置處具有掃描板和形成於其上的掃描反射鏡616的MEMS掃描器618。根據實施例，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鉸鏈1210a、1210b定義的慢速掃描軸而將標稱「傾斜」施加到平衡環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1208上的致動器1214提供相對於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。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)。圖13是示出根據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用於與集成光子學模塊的三種應用對應的三種結構1302、1304和1306。根據與平視顯示器對應的第一種構造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。根據各種實施例，來自多個光源204、206和208的發射束可由束組合器210組合成調製合成束，且束掃描器120掃描所調製的合成束作為掃描調製束125，如圖所示。IOOmm的示例性距離對應於出瞳擴張器(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膜上的窺眼箱(eye-box)。根據與可攜式掃描束視頻投影儀相對應的第二種構造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。根據各種實施例， 來自多個光源204、206和208的發射束可由束組合器210組合成調製合成束，且束掃描器 120掃描所調製的合成束作為掃描調製束125。根據各種實施例，終端光學器件126可設置在束路徑中，如圖所示。500mm的示例性距離對應於自投射表面的標稱工作距離。根據與頭戴(head-worn)掃描束或視網膜顯示器對應的第三種結構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。根據各種實施例，來自光源204、206和208的發射束可由束組合器210組合成調製合成束119，且將該調製合成束髮射到光纖中，用於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。根據各種實施例，可以是單模光纖的光纖將調製合成束119傳送到觀測者眼睛附近的末端。光通常以發散角射出光纖的末端，該發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，並通過終端光學器件(未示出)中繼到觀測者眼睛。從圖13的圖中得到的一個一般觀察結果是集成光子學模塊適合於在各種應用中操作。附加地或可選地，集成光子學模塊設計的變型適合於各種應用，其中一些於圖13中示出。圖14-18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範圍內具有共用性或者設計共用性的集成光子學模塊。圖14是示出用於根據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雷射器的輸出轉換成在任意軸上都具有基本相同的散度的徑向對稱束。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。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， 希望對於平頂透鏡1406選擇焦距以在視距處產生卷積的平頂函數。可選擇聚焦透鏡1408 的焦距以在EPE處產生腰部，該EPE例如可以是規則的微透鏡陣列(MLA)。EPE在遠場產生小束(beamlet)以提供擴展區域，在該區域上方觀測者的視網膜會接收到視頻圖像。通過選擇平頂形複合掃描束，由EPE產生的小束在所需觀測距離範圍內也可以是平頂形(在卷積通過正弦能量分布之後)。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。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。根據實施例，可攜式投射應用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雷射器的輸出轉換成在任一軸上具有基本相等散度的徑向對稱束。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，在可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。如可在由圖14中間的圖表示的可攜式投射應用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。根據實施例，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和可攜式投射應用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雷射器的輸出轉換成在任一軸上具有基本相等散度的徑向對稱束。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。
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。集成透鏡1416表示上述集成透鏡1410、1412和1414的實體(physical)實施例。圖15-17表示用於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是示出根據實施例的用於可攜式掃描束投影儀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製合成束119。圖16是示出根據實施例的、用於圖15的可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HUD 1602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以提供具有適合於可攜式掃描束視頻投影儀的特性、例如具有約500mm腰距(waist distance)的束的調製合成束，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被構造成將束由適合於可攜式掃描束視頻投影儀的形狀轉換為適合於HUD的形狀，例如是具有平頂功率分布和IOOmm焦距的形狀。圖17是示出根據實施例將光學組件1604集成到合成透鏡1704中以形成用於HUD 的集成光子學模塊部分1702的視圖。圖18是根據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包括被構造成用於可攜式掃描視頻投影儀的部分1502和被構造成用以接收來自部分1502的調製合成束並產生具有不同特性的調製合成束119的適配器光學器件1704。根據該實施例，部分1502和適配器光學器件 1704包括被構造成用於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製合成束以形成該實例中可用於提供視頻圖像給車輛操作者的調製掃描束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。圖19是不出光源204、206和208與根據實施例的至少一部分集成光子學模塊的束組合器210之間的關係的視圖。圖19包括用於將分離的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的側視圖以及根據實施例的RGB束源114的視圖。束組合器210包括三個分段1908、1910和1912，三者結合在一起且由透明材料如玻璃或適合於光學應用的聚合物製成。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，W = 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 MULTIPLE ELECTROMAGNETICINTO A COMPOSITE BEAM」的美國專利申請序列號 10/828，876討論了組合器210的製造，由此共同指定且通過參考併入本文。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，並且包括形成部分組合器輸入面1914的分段輸入面(segment input face) 1918和用於將R束1902朝向組合器輸出面1916反射後的反射面608。在一個實施例中，通過塗覆常規光學塗層將面608製成反射的。人們可以根據束組合器系統的參數選擇該塗層(以及如下討論的其它塗層) 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。在優選實施例中，α =45°以允許R束1902在X尺寸上具有等於W的最大寬度。也就是說，如果α = 45°，則只要R束適當地與輸入面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設計成用於具有寬度小於W的R束1902，則面608的反射區域限於R束將照在上面的區域。可選地，可使角度α大於45°。但是由於角度α對於所有分段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不等於45°，則R束與束源114的角度被調整成使得反射後的 R束仍垂直於輸出面1916。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，並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後的R束1902並將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塗覆常規光學塗層而將面610製成反射的。輸入面1920和反射面610之間的角度α 是銳角，且優選等於45°以允許G束1904在W尺寸上具有等於W的最大寬度。但是，如果對於具有寬度小於W的G束1904設計組合器210，則面610的反射區域限於G束將照在上面的區域。可選地，可使得角度α大於45°。但是由於角度α對於所有分段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不等於45°，則G束與束源114的角度被調整成使得反射後的G束保持垂直於輸出面1916。第三分段1912在X-Y平面上具有三角形截面，並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後的R和G束 1902和1904並將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的面塗覆常規光學塗層而將面612製成反射的。在輸入面1922和反射面 612之間的角度α是銳角，且優選等於45°以允許B束1906在X尺寸上具有等於W的最大寬度。但是如果對於寬度小於W的B束1906設計組合器210，則面612的反射區域限於 B束將照在上面的區域。可選地，可使得角度α大於45°。但是由於角度α對於所有分段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不等於45°，則B束與束源114的角度被調整成使得反射後的B束垂直於輸出面1916。而且,在優選實施例中,在分段輸入面1922和輸出面1916之間的角度β基本上是直角。圖20是示出根據實施例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被構造用以將調製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。光源被構造用以發射偏振光束。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可被構造用以組合輸入束的S偏振分量並將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將來自發射器206、204 和208的調製光束組合成S偏振的調製合成光束。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。包括偏振束分離器的選擇性摺疊反射鏡614將調製合成束119導向到掃描器120 的反射鏡616。可對準選擇性摺疊反射鏡614以將合成束從基本垂直於標稱反射鏡(中心交叉)位置的方向射向掃描反射鏡616。這種配置用於最小化掃描束中的幾何失真。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調製合成束119的偏振分量導向到掃描反射鏡616並將光的P分量傳送到光講(未不出)。將偏振束分離器614構造成優選反射S偏振光且由此將S偏振光朝向掃描器120 反射。S偏振調製合成束在其路徑上通過偏振旋轉器2002射向掃描反射鏡616。偏振旋轉器可構造為四分之一波片，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，以產生掃描調製光束125。在通過掃描反射鏡616反射(和掃描)之後，掃描束在此通過偏振旋轉器2002。偏振旋轉器將當前來自掃描反射鏡的圓偏振束轉換成P偏振光。P偏振光朝向偏振束分離器614傳播。偏振束分離器614被構造成優選通過P偏振光且由此允許P偏振掃描束125通向F0V。作為使用偏振光的可選方式，圖20的系統可使用非偏振光或者橢圓偏振光。在這種可選實施例中，摺疊反射鏡614可包括選擇性反射器例如半鍍銀反射鏡。所射達的束119 中的一部分通過摺疊反射鏡614,例如通向光講(未不出)，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。圖20的構造的幾個可選實施例也是可行的。圖21是示出根據另一實施例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。根據一些實施例，當掃描束不再次通向摺疊反射鏡時，該調製合成束119不需要被偏振並且摺疊反射鏡614不需要是選擇性反射器。圖22示出了其中將掃描器120構造成位於束組合器的、與光源116相反的一側上的實施例2201。掃描光束由此在光源116 「後面」的方向上通向F0V。圖23是示出實施例2301的視圖，其中摺疊反射鏡可包括被構造成固態光學器件的偏振光束分離器。圖24是示出實施例2401的視圖，其中摺疊反射鏡614集成到束組合器210中。所不出的實施例不出摺疊反射鏡614作為偏振束分離器。如上所述，摺疊反射鏡朝向掃描器 120反射第一偏振光。偏振旋轉器2002被構造成在掃描器120的往返雙程中旋轉偏振90 度，優選朝向掃描器反射輸入能量和優選朝向FOV傳送掃描束。實施例2401使用被構造在與束組合反射鏡608、610和612的平面平行的平面內的摺疊反射鏡614。圖25A是示出實施例2510的視圖，其中摺疊反射鏡614被集成到束組合器210中。 該實施例具有以相對於光源116向前的方向輸出掃描束125的構造。摺疊反射鏡614的平面被構造成基本與組合反射鏡608、610和612的平面成直角。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
13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上掃描被任選地製成非調製的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，對於非鏡面物體，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摺疊反射鏡614。選擇性摺疊反射鏡614接收散射束2514並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。任選的反射側壁2510可用於將這種「損耗的」能量再次朝向檢測器2512反射。可操作例如被構造成接收波長對應於光源的發射波長的檢測器2512以將所接收的光能轉換成電信號。根據實施例，集成光子學模塊2502被構造成發射紅、綠和藍色雷射作為合成掃描束125，濾波檢測器2512以從FOV接收相應的紅、綠和藍色散射光。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生FOV的視頻圖像。可將一個或多個任選檢測器2516構造成接收來自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製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的光並產生相應的電信號，該電信號並非由掃描束產生。例如將這種光用於確定FOV處的環境光,反過來，這可用於確定發光器的亮度、彩色平衡等。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2520、孔徑2522、隔板塊2524以及諸如CCD或CMOS像素相關陣列(pixelated array)的焦平面檢測器陣列2526。如上所述，在整個FOV上掃描任選地製成非調製的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，對於非鏡面物體，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，基本布滿選擇性摺疊反射鏡614。選擇性摺疊反射鏡614接收散射束2514並朝向透鏡2520反射它的S偏振分量(如所示的)。透鏡2520和孔徑2522被構造用以在隔板2524的遠表面處形成共軛圖像平面。可操作焦平面檢測器陣列2526以檢測FOV的共軛圖像並將其轉換成相應的電信號。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並以視頻幀頻刷新，以產生FOV的視頻圖像。如所指出的，如此成像的光可通過選擇性摺疊反射鏡614由被選擇用於反射的S 偏振光形成。可選地，例如在透鏡2520和孔徑2522之間可包括偏振旋轉器例如檢測路徑四分之一波片(未示出)，以將平面偏振光轉換成圓偏振光。這種方法例如有利於避免與焦平面檢測器2526相關的偏振依賴(polarization-dependent)接收作用。對於圖25B和25C的說明性實施例可選地，檢測器2512和2526可被構造成直接接收來自FOV的散射光而不是接收來自選擇性摺疊反射鏡614的散射光。對於包括光檢測子系統、諸如圖25B和25C的相應說明性實施例的子系統2504和 2518的應用，系統的控制器部分理所當然被構造成可用於接收來自檢測器的電信號、將模擬信號轉換成數位訊號(或者對於具有集成ADC的檢測器僅接收數位訊號)、並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據諸如解碼的條形碼或OCR數據、或者另一方面對所接收的數據進行處理以根據應用來執行功能。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，從而更改掃描調製束125，例如以補償投射表面的不均勻性、距離和/或環境光。在名稱為「PROJECTION DISPLAY WITH SCREEN COMPENSATION」的美國專利申請序列號 11/284，043 中公開了用於進行這種補償的一些實施例，通過參考將其結合於此。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係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 中公開了進行補償的一些實施例，通過參考將其結合於此。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度定向選擇性摺疊反射鏡614以通過調製合成束而反射掃描束125。具有S偏振的至少一部分調製合成束119被從束組合器210射出並且通過選擇性摺疊反射鏡614，通過偏振旋轉器2002並射在掃描器120的反射鏡616上。對準選擇性摺疊反射鏡614從而通過處於與調製合成束119的角度相對應的角度的平面偏振光而反射處於垂直偏振角度的平面偏振光。光旋轉器2002在合成調製束119通往掃描反射鏡616的路徑中將它的偏振旋轉至圓偏振。掃描反射鏡616以通過偏振旋轉器2002的周期性掃描模式掃描所接收光束的反射光束。偏振旋轉器將掃描束的偏振從圓偏振旋轉至其取向與調製合成束119在從束組合器210射出時的取向基本成90度的平面偏振。選擇性摺疊反射鏡614將旋轉後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。圖25E是示出根據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於標稱圖像投射方向以外的平面中。與圖25A的實施例一樣,例如被構造成偏振束分離器的偏振選擇性反射鏡614被構造用以沿著所指示的方向將調製合成光束導向至偏振旋轉器2002。在通過偏振旋轉器之後，豎直的摺疊反射鏡2530將調製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,且由於掃描光的旋轉後的偏振，所以通過選擇性摺疊反射鏡614並進入到視場中作為掃描束125。根據一個實施例，將掃描反射鏡構造成標稱上處於圖的平面中且因此位於平行於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於圖的尺寸上較薄的封裝件。摺疊反射鏡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、電介質或其它反射鏡。當然，偏振旋轉器2002的位置可改變，例如位於豎直的摺疊反射鏡2530和掃描反射鏡(未不出)之間。圖26是示出可選實施例2601的視圖，其中一個光源204被構造成從束組合器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射入與摺疊掃描器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。圖27是包括具有根據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。
根據圖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ASIC 2702、數位訊號處理器(DSP) 2704和支撐電路，其中，所述數位訊號處理器 (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。可注意到，圖27的實施例與圖I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。根據各種實施例，操作的一般理論是相似的。可操作掃描器控制器122以驅動雙軸MEMS掃描器，同時在整個控制器互連2706 上將適當的時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以控制環境光級(light level)並處理自動相位校準脈衝，並任選地將這些測量結果中繼到視頻控制器電子器件。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掃描器具有用於兩個軸的PZR傳感器和兩個軸上的磁性驅動。根據一些實施例，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 可位於掃描器附近的末端位置處並且可物理上與光源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並通過電、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，它適合於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的末端部分安裝在頭盔封裝件中。根據實施例，DSP2704 可根據名稱為 「CIRCUIT FOR DRIVING A PLANT AND RELATED SYSTEM 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立葉變換(FFT)處理以提供慢速掃描的調整和有效衰減(active damping), 通過參考將該美國專利申請結合於此。此外，DSP 2704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據通信；提供用於輸入MEMS掃描器校準數據的接口 ；在正常操作期間將與MEMS操作相關的參數、自動相位調整結果、從環境光傳感器2707 接收的環境亮度、從溫度傳感器2708接收的溫度等傳送到視頻控制光學器件；現場升級固件和軟體的接口 ；確保關鍵操作的適當時序的任務安排；初始化和調整快速掃描振蕩寄存器；以及PZR傳感器的開環溫度補償。根據實施例，掃描器驅動ASIC 2702可以為混合信號(模擬和數字)器件，其可用以提供MEMS控制和提供自動相位(自動相位調整)校正。可操作掃描驅動ASIC 2702以驅動和控制雙軸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。根據實施例，掃描器驅動ASIC 2702可包括各種模擬和數字功能中的一些或全部，所述各種模擬和數字功能例如包括用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振蕩電路2710，其中AGC參數可調節以允許軟起動並調整控制選項；提供鎖相環(PLL)以產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；提供慢速掃描模數轉換器(ADC) 2712，其中來自PZR放大器的慢速掃描輸入信號被轉換成用於DSP處理器2704的數位訊號，其中ADC解析度可以是12至16位，取樣率是50至200kHz ;提供慢速掃描數模轉換器(DAC) 2714，其中慢速掃描波形的數字輸入信號被轉換成模擬電壓並在求和電路2716中用快速掃描驅動信號求和；提供表不反射鏡角度處於可接受範圍內的反射鏡狀態信號；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 —起操作以調節用於自動相位功能的信號並測量調節結果；以及提供SPI串聯數字接口 2720以與視頻控制器電子器件通信並允許向內部寄存器的讀取/寫入存取，用於初始化和監測。快速掃描振蕩器塊2710使用PZR反饋信號以建立閉環振蕩電路。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。 來自該迴路的輸出是FS諧振頻率的方形波的FS SYNC，其提供了主同步信號，以驅動其它系統部件。諧振頻率可從約5kHz至40kHz變化。從MEMS掃描器618上的慢速掃描PZR接收慢速掃描位置信號，之後放大、濾波並在慢速掃描ADC 2712中轉換成數位訊號。將該數位訊號發送到DSP 2704用於分析。DSP將在慢速掃描DAC 2714中轉換為模擬信號的數字指令信號發送回去。在求和電路2716中用快速掃描輸出對模擬慢速掃描驅動信號進行求和，且將該和發送到外部功率放大器2722， 該外部功率放大器2722放大求和後的模擬信號以將驅動功率提供到掃描器618。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響應於雷射束交叉點產生脈衝並且脈衝長度是被傳送到DSP 2704的信息。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，應用適當的振幅增益和相位延遲並且基於反射鏡的反饋信號來驅動諧振中的反射鏡。可經由SPI處理器接口來調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。如結合圖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傳感器提供可調節的DC偏置電流。偏置電流可以利用軟體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節增益的低噪音差動預放大器(differential pre-amplifier) 2722中被放大。差動預放大器2722的增益可以是軟體控制的或者是利用外部電阻器設置的，以對於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的輸出信號可用於驅動掃描控制系統。 諧振時，在驅動信號和掃描移動之間存在90度相移。為了保持閉環振蕩，通過移相器2726 將額外90度的相移引入到迴路中。在比較器2728中「清算(square up) 」移相器2726的輸出以產生數字快速掃描同步信號。對於慢速掃描驅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輸出2730傳導到DSP 2704 並且用作主時基(primary time base)。自動增益控制(AGC)電路可用於將振蕩振幅保持在一非常精確的值。該迴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。
反射鏡角度和頻率監控電路(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，則保護電路發出立即禁止(disable)驅動信號的關閉指令。二次安全電路(secondary safety circuit)監測驅動信號的振幅,並防止其超出可編程值。圖28是根據實施例的用於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、掃描驅動器122以及束掃描器618。可操作視頻控制器106以執行以下操作中的一些或全部從系統資源接收視頻信號；任選地在視頻存儲器中超高速緩存所接收的視頻數據；將信號轉換成德伽馬 (de-gamma)信號；將德伽馬信號轉換成平衡彩色信號；緩衝線(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；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後的亮度值傳送到光源驅動電路，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衝產生。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換成較佳視頻模式的媒體模塊2802。根據一個實施例，可操作媒體模塊2802以將所接收的模擬視頻信號轉換成數字視頻信號。根據其它實施例，可省略媒體模塊或者可集成媒體模塊作為系統資源。名稱為「CIRCUITFOR DETECTING A CLOCK ERROR IN A SWEPT-BEAM SYSTEM AND 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 RELATED CIRCUITS, SYSTEM, AND M0TH0DS」的美國專利申請序列號 11/316，683、名稱為「METHOD AND APPARATUS FORILLUMINATING 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 BI-DIRECTIONALLY SWEEPING AN IMAGE BEAM IN THE VERTICAL DIMENSION AND RELATED APPARATI ANDMETH0DS」 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-IDEAL LIGHT SOURCES」 的美國專利申請序列號 10/933，033、名稱為 「SCANNED DISPLAY WITH VARIATION COMPENSATION」 的美國專利號 6，661，393、以及名稱同樣為 「SCANNED DISPLAY WITH 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，通過參考全部結合於此。圖29是示出根據實施例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，該實施例被構造成在標稱上對準可攜式電子設備2902的頂部尺寸或長邊尺寸的方向上發出調製光的掃描束125。任選地,集成光子學模塊102可被構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被構造成將圖像投射到擴散器的背側上，由此形成背投屏幕。行動裝置2902可包括一系列設備類型，其包括但不限於條形碼掃描器、可攜式計算機、掌上計算機、行動電話、可攜式音頻設備諸如MP3播放器、基於硬碟的可攜式音頻播放器、可攜式視頻播放器、基於硬碟的可攜式視頻播放器、數字遊戲系統、商業演示指示器、雷射指示器、前投電視或者背投電視等。圖30是示出根據實施例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於飛機、船隻、摩託車等的HUD。車輛3002可包括容納了儀表組3006的儀錶板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。可構造該系統用以提供與乘客3010的一隻或兩隻眼睛的位置對應的出瞳或窺眼箱3012。這種系統可用於向觀測者呈現各種信息，包括但不限於可任選地與車輛3002的方位相關的廣告內容、微光前向圖像(low-light forward image)、車輛限界信息、地圖或駕駛方向、娛樂內容、緊急通告等。圖31是根據實施例3101使用集成光子學模塊的可攜式掃描束投射顯示器3102 的透視圖。如圖31中所示，根據實施例的構造，可攜式投射顯示器3102可拿在用戶3010 手中。示出了被構造成根據用戶願望在與可攜式視頻投影儀3102的主體縱向對準的方向 3106上通過掃描束125投射圖像的輸出光學元件3104。根據另一實施例，可攜式視頻投影儀3102可投射和/或檢測控制區域(control field)。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滑鼠、指示器等使用，如用戶所希望的，例如用於控制所投射的圖像。如圖31中所示出的，根據實施例，可攜式掃描束投射顯示器3102可包括具有安裝於其上的輸出光學兀件3104的主體。根據一些實施例,可旋轉輸出兀件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。例如使用光學編碼器、旋轉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，可旋轉光學元件3104從而通常以適合與工作檯面交叉的一個或多個角度將圖像向前投射。任選地自動旋轉所投射的圖像使得「頂部」朝向設備3102主體的底部定位，以便於面向主體前面的用戶觀測。在第三示例性位置處，旋轉光學元件3104至通常向前且與工作檯面平行的位置，例如通常垂直於可攜式視頻投影儀3102主體的長軸，從而將圖像投射到牆上而將主體設置在臺上。可從與工作檯面平行向上或向下調節該位置以選擇牆上的圖像高度。可任選地自動旋轉所投射的圖像，以在牆上投射其「頂部」取向在向上的方向上的圖像。在圖31中示出的第四位置處，旋轉光學元件3104至通常與可攜式視頻投影儀 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並且瞄向垂直或水平表面。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。被捕獲的圖像可用於執行各種功能。例如希望圖29的系統2901的實施例除了提供投影顯示器之外還可用作雷射相機。圖30的系統3001可包括分析被捕獲的視頻以根據一個或多個車輛乘客3010所確定的特性而發出警報聲、執行系統關閉、轉換成「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，就使用警報以喚醒個別人。如果確定不能識別乘客，且警報系統已經禁止或者另外被損害，則系統會捕獲乘客圖像、關閉車輛和/ 或通知表示該狀態的法律實施。如果分析一連串視頻幀確定乘客喝醉了，則該系統通知乘客將車輛拉到路邊且隨後執行至少部分系統關閉直到機能障礙不再是個問題。相似地，系統3001可根據所檢測的FOV或環境照明等來調節顯示亮度、內容等。
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如之前描述的，系統3101可依照所捕獲的圖像進行操作以控制顯示內容。這種操作可用於例如「搖攝(pan) 」顯示全景作為較大部分虛像、校正顯示表面不規則性、補償顯示表面和可攜式視頻投影儀之間的相對移動等。前述的本發明概述、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本發明的示例性實施例。其它結構、方法和等同物也在本發明的範圍內。在此描述的本發明的範圍應當僅由權利要求書限制。
權利要求
1.一種掃描束顯不器引擎，包括光學框架，其被構造成機械安裝到主系統；至少一個光源，其耦合到外殼並且可用作發射調製光束；和耦合到外殼的MEMS掃描器，該掃描器被對準以接收所述調製光束並且可用作在整個視場上周期性地掃描所述調製光束作為掃描束，以生成投射視頻圖像。
2.如權利要求I所述的掃描束顯示器引擎，其中所述光源包括至少兩個光源且還包括束組合器，其機械耦合到所述光學框架並由此被保持對準，並且被構造成將調製光束從至少兩條光束組合成複合調製光束；並且其中對準所述MEMS掃描器來接收的調製光束包括複合調製光束。
3.如權利要求I所述的掃描束顯示器引擎，還包括選擇性摺疊反射鏡，其被對準以接收所述調製光束並將該調製光束導向所述MEMS掃描器。
4.如權利要求3所述的掃描束顯示器引擎，其中所述選擇性摺疊反射鏡被構造成將一個偏振平面基本導向所述MEMS掃描器。
5.如權利要求4所述的掃描束顯示器引擎，還包括偏振旋轉器，其被對準以從所述選擇性摺疊反射鏡接收所述調製光束並且可用作將平面偏振調製光束轉換成導向所述MEMS掃描器的圓偏振束。
6.如權利要求5所述的掃描束顯示器引擎，其中所述偏振旋轉器進一步被對準以從所述MEMS掃描器接收圓偏振掃描束，並且被構造成將所述圓偏振掃描束轉換成與從所述選擇性摺疊反射鏡接收的光的偏振平面基本成直角取向的平面偏振掃描束。
7.如權利要求6所述的掃描束顯示器引擎，其中對準所述MEMS掃描器以從基本垂直於該MEMS掃描器的反射鏡表面的方向、從偏振旋轉器接收所述圓偏振束。
8.如權利要求4所述的掃描束顯示器引擎，還包括至少一個光檢測器，該光檢測器被對準以從所述選擇性摺疊反射鏡接收散射光。
全文摘要
本發明涉及一種掃描束顯示器引擎，包括光學框架，其被構造成機械安裝到主系統；至少一個光源，其耦合到外殼並且可用作發射調製光束；和耦合到外殼的MEMS掃描器，該掃描器被對準以接收所述調製光束並且可用作在整個視場上周期性地掃描所述調製光束作為掃描束，以生成投射視頻圖像。
文檔編號H04N9/31GK102595147SQ201210019529
公開日2012年7月18日 申請日期2007年4月11日 優先權日2006年4月11日
發明者喬舒亞·O·米勒, 克里斯多福·A·維克勒夫, 蘭黛爾·B·斯帕拉古, 瑪格麗特·K·布朗, 薛彬, 馬克·O·弗裡曼, 馬爾滕·尼斯滕 申請人:微視公司