专利名称：集成光子学模块以及使用该集成光子学模块的设备的制作方法
集成光子学模块以及使用该集成光子学模块的设备
本申请要求于2006年4月11日提交的美国临时专利申请系列号 60/791,074的优先权，且通过参考将其结合于此。
背景技术：
视频显示器广泛地用于各种应用中，包括便携式和固定位置的应 用。在至少一些应用中，且尤其是在一些便携式应用中，可视屏幕尺 寸至今已受到产品封装的物理尺寸的限制。
发明内容
集成光子学模块提供了一种可集成到一系列系统内的小型扫描束 (swept-beam)显示器。根据一些实施例，小型扫描束显示器可被构造 成投射物理尺寸大于系统、产品或容纳集成光子学模块的封装件的物 理尺寸的图像。
根据一些实施例，集成光子学模块包括一个或多个光源诸如激光 器、束成形光学器件、组合光学器件、mems扫描器以及一个或多个 机械部件诸如光学框架，以便于安装和保持光学对准。根据一些实施 例，集成光子学模块可包括mems驱动电子器件、光源驱动电子器件、 传感器、以及视频电子器件中的一些或全部。根据各种实施例，mems 驱动电子器件可包括mems控制器、 一个(多个)d/a和/或a/d转 换器以及一个(多个)mems驱动放大器。视频控制器电子器件可包 括光源控制器、 一个(多个)d/a转换器和一个(多个)光源驱动放 大器。根据其它实施例，集成光子学模块的输出可代替诸如被构造成 将光传送到远程扫描器的光纤耦合器这样的束扫描器的不同接口。
图1是根据实施例的集成光子学模块的框图。 图2是根据实施例的至少一部分集成光子学模块的透视图。 图3是根据实施例的至少一部分集成光子学模块的另一透视图。 图4是根据实施例的至少一部分集成光子学模块的另一透视图。 图5是根据实施例的包括外部尺寸的至少一部分集成光子学模块 的另一透视图。
图6是根据实施例的图2 — 5的至少一部分集成光子学模块的局部
剖视图。
图7是根据实施例的图2 — 5的至少一部分集成光子学模块的另一 局部剖视图。
图8是根据实施例的图2 — 5的至少一部分集成光子学模块的另一 局部剖视图。
图9是根据实施例的图2 — 8的集成光子学模块的一些主要光学部 件的视图。
图10是根据实施例的用于图2 — 8的集成光子学模块的光学框架 的视图。
图ll是根据实施例的包括机械耦合电路板的至少一部分集成光子 学模块的透视图。
图12是根据实施例的可用在图2 — 8的集成光子学模块中的 mems扫描器的透视图。
图13是示出根据实施例的用于集成光子学模块三种应用的示例性 束形状和束成形光学器件的视图。
图14是示出根据实施例的用于集成光子学模块的束成形光学器件 的分立变型形式和集成变型形式的视图。
图15是示出根据实施例的用于便携式扫描束投影仪的至少一部分 集成光子学模块的视图。
图16是示出根据实施例使图15的至少一部分集成光子学模块适 合于扫描束平视显示器(head-up display)应用的视图。
图17是示出根据实施例将图16的透镜元件集成到集成透镜中的 视图。图18是根据实施例的至少一部分集成光子学模块的透视图，示出 了光传导路径和可选的适配器光学器件的布置。
图19是示出根据实施例的至少一部分集成光子学模块的束组合器 和光源的关系的视图。
图20是示出根据实施例的至少一部分集成光子学模块中的光传导
的视图。
图21是示出根据另一实施例的至少一部分集成光子学模块中的光 传导的视图。
图22是示出根据另一实施例的至少一部分集成光子学模块中的光 传导的视图。
图23是示出根据另一实施例的至少一部分集成光子学模块中的光 传导的视图。
图24是示出根据另一实施例的至少一部分集成光子学模块中的光 传导的视图。
图25a是示出根据另一实施例的至少一部分集成光子学模块中的 光传导的视图。
图25b是示出根据实施例的包括非成像检测器的至少一部分集成 光子学模块的视图。
图25c是示出根据实施例的具有焦面检测器的至少一部分集成光 子学模块的视图。
图25d是示出根据实施例的至少一部分集成光子学模块的视图， 其中扫描器被对准以接收通过选择性反射镜的调制合成束。
图25e是示出根据实施例的至少一部分集成光子学模块中的光传 导的视图，其中束扫描器处于除垂直于标称图像投射方向以外的平面 内。
图26是示出根据另一实施例的至少一部分集成光子学模块中的光 传导的视图，其中一个光源与束组合器轴向对准。
图27是根据实施例的包括至少一部分集成光子学模块的扫描器控 制器的框图。
图28是根据实施例的包括具有至少一部分集成光子学模块的扫描器控制器和光源的显示器控制器的框图。
图29是示出根据实施例的集成到移动电子设备中的集成光子学模 块的使用的视图。
图30是示出根据实施例的集成光子学模块在平视显示器应用中的
使用的视图。
图31是使用根据实施例的集成光子学模块的便携式扫描束投影显
示器的透视图。
具体实施例方式
图1是根据实施例的包括用于显示图像诸如视频图像的集成光子
学模块102的电子器件101的框图。根据说明性实施例，集成光子学 模块102可包括与系统资源104的接口。视频控制器电子器件106接 收输入视频信号，并可具体化为包括系统控制器和软件108的集成视 频专用集成电路(asic)。视频控制器电子器件106可在视频存储器 110中至少临时缓冲所接收的视频图像，该视频存储器iio可包括帧缓 冲存储器和屏幕显示菜单。当到时间显示新的视频帧的时候，视频控 制器电子器件106就从视频存储器110读取高速缓存的视频帧并将一 个或多个光源驱动器112顺序驱动至与输入视频信号中的像素值对应 的一系列亮度值。根据实施例，光源驱动器112驱动一个或多个光源 116，该一个或多个光源116可包括在集成光子学模块102的集成光学 引擎部分114中。光源116产生一条或多条调制光束，可通过组合器 和束成形光学器件11s将该光束成形并组合成调制合成光束119。光源 116例如可包括红、绿和蓝色的已调制激光。根据一些实施例，调制合 成光束119可被导向到扫描器120，该扫描器120例如是mems扫描 器，可操作其以在视场(fov)内扫描调制合成束从而产生图像。
当视频控制器电子器件106驱动光源驱动器112时，它同时驱动 扫描器驱动器122，该扫描器驱动器122可选地具体化为扫描器驱动 asic，根据一些实施例，该扫描器驱动asic也可含有扫描器驱动器 和软件124。可操作扫描器驱动器122以驱动扫描器120,从而以周期性扫描模式顺序扫描在整个fov上的发射光作为调制扫描光束125。
扫描器120偏转在整个fov上的调制光束以产生扫描光束125。 通过终端光学器件126可选地调节和/或中继(relay)扫描光束125 以产生视频图像128。
总之，光源116、组合器和束成形光学器件118、以及扫描器120， 与机械安装结构、致动器等一起，可包括集成光学引擎112;其也可包 括集成光子学模块。扫描光束125的瞬时位置顺序地照亮fov中的点， 该fov包括显示器表面、出瞳扩张器(epe)、或投射屏幕。为了显 示图像，顺序照亮fov中的基本所有点，标称为具有正比于与每个点 对应的输入视频图像像素的亮度的功率量。
当束照亮点时， 一部分照明光束被反射或散射成散射能量。 一部 分散射光能可传送到一个或多个观察者130。观察者眼中和头脑中的视 觉连续性将fov中被照亮的点的顺序结合到可识别视频图像128中， 该可识别视频图像128可包括静止图像和/或运动图像。
根据一些实施例，也可对准光检测器(未示出)以从fov接收一 部分散射光能。可将多种处理应用于所接收的散射光能以提供功能性。 在检测器功能性的一些实施例中，检测器可包括为集成光子学模块的 一部分。可以经由向后聚光(retro-collective)或共焦布置来对准这种 检测器以接收从扫描器扫描出来的能量，或者可以经由凝视型(staring) 检测装置来对准这种检测器以直接从fov或者通过中继光学器件从 fov接收光。
光源116可包括多个发射器，诸如发光二极管(led)、激光器、 热源、电弧光源、荧光光源、气体放电光源或其它类型的发射器。根 据一个实施例，光源116包括具有大约635至670纳米(mn)波长的 红色激光二极管。根据另一个实施例，光源116包括三个激光器，其包括可用于发出大约635nm束的红色二极管激光器；绿色二极管泵浦 固态(dpss)激光器，诸如由约1064nm波长的红外激光二极管激励 的频率耦合或第二谐波发生器(shg)激光器，可操作该绿色shg激 光器以发出约532nm的绿色光束；以及可用于发出约473nm的光的蓝 色激光二极管。虽然可直接调制一些激光器，但是其它激光器需要外 部调制诸如声光调制器(aom)。在使用外部调制器的情况下，考虑 部分光源116。激光二极管光源示例为以下示出的集成光子学模块实施 例的部分。
对准束组合和成形光学器件118以接收由光源发出的光束并将一 些或所有束组合成单条束。束组合和成形光学器件118也可以包括束 成形光学器件诸如一个或多个圆形透镜(circularizing lenses)、准直透 镜、聚焦透镜、中继透镜(relay lenses)和/或孔径及波长选择光学器 件诸如双折射滤光器(birefringent filter)、凝胶滤光器(gel filter)、 热反射镜等。此外，虽然所描述的波长已经在可见光范围内，但是其 它波长也可在本发明的范围内。
根据各种实施例，扫描器120可使用很多公知技术形成，所述公 知技术诸如有旋转反射镜的多边形(rotating mirrored polygon)、音圈 上的反射镜、固定到高速马达上的反射镜、双压电晶片梁(bimorph beam)上的反射镜、同轴或"共轴"回转扫描元件、mems扫描器或 其它类型。mems扫描器可以是例如名称为"mems device having simplified drive"的美国专利申请序列号10/984327中描述的类型， 通过参考将其结合于此。
在id扫描器的情况下，扫描器可包括被驱动以沿着单个轴扫描输 出束的第一束导向器和被驱动以在第二轴上扫描输出束的第二束导向 器。在这种系统中，两个扫描器都称作扫描器120。在2d扫描器的情 况下，驱动扫描器120被驱动以沿着多个轴(可选地，通过终端光学 器件126)扫描输出束125，从而顺序照亮视场内的像素，以生成图像128。
对于小型和/或便携式显示器系统101，由于mems扫描器的频 率、耐用性、可重复性和/或能量效率较高，因此通常优选这种器件。 根据特定性能、环境或构造，对于一些应用优选批量的微加工或者表 面微加工的硅mems扫描器。在图12中的透视图中示出了一个示例性 mems扫描器实施例。对于其它应用优选其它实施例。
扫描器120的2d mems扫描器实施例在帧周期内在覆盖整个投 射屏幕或投射屏幕所选区域的模式中高速扫描一个或多个光束125。典 型帧频例如可以是60hz。通常，谐振地运行一个或两个扫描轴是有利 的。在一个实施例中，以约19khz谐振运行一个轴，同时以锯齿模式 非谐振地运行另一个轴以产生渐进扫描模式。以单条束渐进扫描的双 向方法，以大约19khz的扫描频率水平扫描和以60hz的锯齿模式垂 直扫描能接近svga分辨率。在一个这种系统中，静电驱动水平扫描 移动和磁性驱动垂直扫描移动。可选地，可磁性或电容性驱动水平扫 描。静电驱动可包括静电板、梳状驱动装置或相似方法。在各种实施 例中，可成正弦地或谐振地驱动两个轴。
集成光子学模块102可具体化为单色的、全彩色的或超光谱的。 一些实施例中，也希望在用于很多彩色显示器的常规rgb通道之间添 加彩色通道。在此，应理解术语灰度级和相关讨论涉及这些实施例以 及本发明范围内的其它方法或应用中的每一个。在下述的控制装置和 方法中，像素灰度级在单色系统情况下可包括单个值，在彩色或超光 谱系统的情况下可包括rgb三基色或更多基色。可对特定通道(例如 红、绿和蓝色通道)单独施加控制或对所有通道全体施加控制，例如 亮度调制。
系统资源104可包括电源132、用户界面134、视频界面136、和 封装件138。视频界面例如可包括usb端口、蓝牙、wi-fi、火线、sd插座、irda端口或其它接口，以接受用于投射的图像。根据各种实施
例，可使用各种接口包括蓝牙、usb等使视频界面与视频控制电子装 置106通信。根据实施例，系统资源包括能够从无源存储器件例如usb 驱动、sd卡或其它存储器检索图像或视频，并单独或以幻灯片放映图 像或视频的操作系统。这例如对于从数码相机接收存储器件以及将最 近捕获的图像放映给朋友或家人是有用的。
图2、 3和4是根据实施例的集成光子学模块102的集成光学引擎 部分114的一系列透视图。光学框架202相互光学对准地支撑三个光 源204、 206和208;束成形光学器件(未示出)；束组合器210;以 及束扫描器120，以通过所示的输出面212传送扫描调制束。图5提供 根据实施例的集成光子学模块102的集成光学引擎部分114的尺寸。 如可看到的，封装件的外部尺寸(高11.5mm深23mm宽40mm，或者 小于高1 / 2英寸深1英寸宽13/ 8英寸)很小，从而甚至允许容易地 集成到尺寸受限的便携式电子器件中。总计正好是10.6立方厘米(0.65 立方英寸)。如可从下面的图中看到的，该封装件在光源之间提供相 对宽裕的间隙。通过在光源之间生成更紧密的间隙能够进一步縮窄封 装件的宽度。
根据一些实施例，光学框架202可热耦合到光源204、 206和208。
这种热耦合可允许光学框架用作光源的散热器。热敏电阻、热电耦等 可热耦合到光学框架202以监测温度。如果确定温度超出了操作范围， 则可改变、停止光输出。
图6、 7和8是根据实施例的与图2 — 4的各透视图对应的、集成 光子学模块102的集成光学引擎部分114的一系列透视局部剖视图。 可看出图示束成形光学器件602、 604和606被设置成从各光源204、 206或208接收光束。当光源204包括shg激光器时，其相应的束成 形光学器件602可包括排除红外滤波器(infrared-excluding filter)，其 被构造用以防止红外泵浦光(infrared pump light)射出光源204。可看出束组合器210的各反射镜608、 610和612被对准以接收和沿着束组 合器的长轴将来自光源206、 204和208的光束导向作为合成束。对准 选择性折叠反射镜614以接收合成束并将其导向到扫描器120的 mems扫描器618部件的反射镜616。可对准选择性折叠反射镜614 以从基本垂直于标称反射镜(中心交叉)位置的方向朝向扫描反射镜 616发射合成束。这种配置可用于最小化扫描束的几何失真。根据实施 例的、包括扫描器120的磁体620和接口电缆622的附加部件也可从 图6 — 8中看到。
图9是示出根据实施例对准图2 — 8的集成光子学模块的一些主要 光学部件的视图。这些部件如上所述。可看到集成光子学模块的束组 合器210中的扫描束出射面212。
图10是根据实施例的图2 — 8的集成光子学模块的光学框架202 的视图。根据实施例，光学框架202可由金属诸如铝、钛等使用压铸 件工艺制造。可选地，光学框架202可包括注射成型的塑性材料诸如 玻璃填充或其它尺寸稳定的塑性材料。任选地，对光学框架进行二次 加工操作以提供精细尺寸容限以及或者实现其它设计参数选择。根据 其它实施例，光学框架202可使用加工和/或片状金属形成操作制造。 可选的材料和制造工艺对本领域技术人员是显而易见的，且除非另外 指出，都落入各种实施例的范围内。光学框架202可任选是一件或两 件部件，如所示出的。任选地，光学框架202可包括较大量的部件诸 如印刷电路板和其上的部件、分离的发射器/光学器件/组合器以及 扫描部分等。
光学框架202可包括形成以接收各光源206、 204和208以及相关 联的束成形光学器件的钻孔1002、 1004和1006。光学框架202可进一 步包括形成为接收和对准选择性折叠反射镜、束组合器等的一个或多 个定位面1008 (所示的1008a、 1008b、 1008c和1008d)。面1010可
形成为成一直线地接收扫描器(未示出)。此外，其它安装面和功能部件1012可沿着其它轴形成。
根据一些实施例，光学部件可利用盖部(未示出)诸如固定装置 (例如螺丝、铆钉等)、使用粘合剂、通过夹具等机械夹持到光学框 架202中。根据其它实施例， 一个或多个光学部件可使用分立或集成
固定技术、粘合剂(例如uv-固化光学粘合剂)等机械耦合到光学框 架202。根据实施例，在部件直接耦合到光学框架的情况下，可省略分 离的盖部。
图11是根据实施例的包括机械耦合电路板1102的集成光子学模 块的至少一部分的透视图。电路板1102可任选地形成集成光子学模块 102的集成光学引擎部分114的结构部分。根据各种实施例，电路板 1102可包含传感器、光源驱动器、扫描器控制器、视频控制器电子器 件以及存储器中的一个或多个。如上所述，各种传感器、光源驱动器、 扫描器控制器、视频控制器电子器件以及存储器可采取很多种形式， 包括但不限于常规的微处理器或微控制器以及相关联的部件、单个集 成asic、两个或多个asic、两个或多个asic加上诸如dsp或常规 cisc或risc微处理器的一个或多个微处理器、诸如视频存储器ic的 存储器、其它集成部件、分立部件以及软件。此外，可操作其以将视 频信号转换成优选模式的媒体模块可被集成到控制器中以及集成到电 路板1102上。mems扫描器120和光源116可直接与电路板1102接 □。
图12是根据实施例可用在集成光子学模块中扫描光束的微电子机 械系统(mems)扫描器618的透视图。mems扫描器618可由一层 单晶硅晶片1202和一层诸如派热克斯玻璃(pyrex glass)的介电材料 晶片1204形成，且根据常规绝缘体上硅(soi)技术气密地接合所述 晶片。所述层可使用诸如氢氧化钾(koh)蚀亥lj、深反应离子蚀刻(drie) 及其组合等方法部分或全部地被蚀刻以形成整体微加工(bulk micromachined)的mems扫描器。根据一个实施例，扭转铰链和反射镜扫描板(下述)被部分蚀刻以形成减薄的结构，调整该结构以提供 所需的谐振频率、能量存储、质量、弹簧常数等。
mems扫描器618包括由扫描板上的反射金属或电介质的四分之 一波长叠层形成的扫描反射镜616。反射镜和扫描板从平衡环1208被 悬置在扭转快速扫描铰链1206a和1206b上。可操作扭转快速扫描铰链 1206a和1206b以允许反射镜606相对于平衡环1208围绕由它们的中 心线限定的轴旋转。反过来，平衡环从安装框架1212悬置在扭转慢速 扫描铰链1210a和1210b上。可操作扭转慢速扫描铰链1210a和1210b 以允许平衡环和反射镜相对于安装框架1212围绕由它们的中心线限定 的轴旋转。包括电磁线圈的致动器1214被形成在平衡环上用于驱动围 绕慢速扫描轴和快速扫描轴的旋转。可经由mems放大器(未示出) 通过导线1216 (以及接口电缆622，未示出)从mems控制器接收包 含慢速扫描波形和快速扫描波形的合成的信号。致动器1214形成合成 周期性磁场，该磁场对由扫描器磁体620 (未示出，但是在上面的图中 可看到)形成的外部磁场排斥或吸引(push and pull)。
由于直接驱动平衡环1208，因此慢速扫描驱动器可提供任意驱动 波形，选择该波形以排除会激励快速扫描的频率。根据实施例，慢速 扫描波形可近似于与诸如60hz帧频对应的周期性频率(periodic frequency)下的锯齿波或不对称的三角波。锯齿慢速扫描波形可照这 样操作以提供以所需角度回扫(retrace)的垂直帧扫描。
快速扫描驱动信号包括周期性波形诸如正弦波形，选择该波形以 与反射镜和扫描板616的谐振频率对应。可操作系统中微小的不对称 以通过快速扫描柔性件(flexure) 1206a和1206b将平衡环1208以快 速扫描频率移动中的微小波动传送到反射镜616。通过谐振放大移动中 的微小波动以提供所需快速扫描角度。
mems扫描器618可进一步包括各种传感器以将反馈提供到mems控制器。这些可包括扭转铰链中的压敏电阻(pzr)应变传感 器、温度结(temperature junction)或热敏电阻等。根据实施例，反射 镜和扫描板616具有约1.2mm的直径，足以接收合成输入束而没有束 限巾虽(beam clipping)。
示出了在一个未通电或"中止(rest)"位置处具有扫描板和形成 于其上的扫描反射镜616的mems扫描器618。根据实施例，可通过 施加dc偏置至致动器而在慢速扫描轴中在通电中止位置(powered rest position)处倾斜反射镜。dc偏置可围绕由慢速扫描扭转铰链1210a、 1210b定义的慢速扫描轴而将标称"倾斜"施加到平衡环1208。可操 作mems扫描器的可选实施例以在两个轴上建立反射镜616的通电中 止平面。例如，mems扫描器可形成有形成在扫描板上的致动器1214。 除了在平衡环1208上的致动器1214提供相对于慢速扫描轴中止倾斜 以外，还可操作在扫描板上的致动器中的dc偏置以围绕由扭转铰链 1206a、 1206b限定的快速扫描轴而将标称倾斜施加到反射镜616。
可使用中止位置中的这种标称倾斜，例如以更加精确地将反射镜 616对准集成光学组件(未示出)。
图13是示出根据实施例的示例性束形状119、 125和束成形光学 器件602、 604和606的视图，其中所述束成形光学器件602、 604和 608用于与集成光子学模块的三种应用对应的三种结构1302、 1304和 1306。
根据与平视显示器对应的第一种构造1302，可从集成光子学模块 的输出面212 (未示出)将束119、 125聚焦到大约100mm距离处的腰 部(waist) 1308。根据各种实施例，来自多个光源204、 206和208的 发射束可由束组合器210组合成调制合成束，且束扫描器120扫描所 调制的合成束作为扫描调制束125，如图所示。100mm的示例性距离 对应于出瞳扩张器(未示出)的距离。在这种应用中，出瞳扩张器通常都在终端光学器件126 (未示出)之前插入，以提供扩张的出瞳或在
其中将图像投射到观察者视网膜上的窥眼箱(eye-box)。
根据与便携式扫描束视频投影仪相对应的第二种构造1304，可将 束119、 125聚焦到距集成光子学模块的输出面212 (未示出)大约 500mm处的腰部1308。根据各种实施例，来自多个光源204、 206和 208的发射束可由束组合器210组合成调制合成束，且束扫描器120扫 描所调制的合成束作为扫描调制束125。根据各种实施例，终端光学器 件126可设置在束路径中，如图所示。500mm的示例性距离对应于自 投射表面的标称工作距离。
根据与头戴(head-worn)扫描束或视网膜显示器对应的第三种结 构1306，将束119聚焦到自集成光子学模块的输出面212 (未示出) 大约10mm距离的腰部1308。根据各种实施例，来自光源204、 206和 208的发射束可由束组合器210组合成调制合成束119，且将该调制合 成束发射到光纤中，用于传送到显示器的头戴部分。10mm的示例性距 离与集成光子学模块的输出面和光纤输入耦合器之间的距离相对应。 根据各种实施例，可以是单模光纤的光纤将调制合成束19传送到观 测者眼睛附近的末端。光通常以发散角射出光纤的末端，该发散角基 本上与由输入或近端的束得到的会聚角相对应。射出光纤(未示出) 末端的光可被聚焦到与光测者眼睛距离相对应的距离，通过末端安装 的束扫描器(未示出)以周期性模式扫描，并通过终端光学器件(未 示出)中继到观测者眼睛。
从图13的图中得到的一个一般观察结果是集成光子学模块适合于 在各种应用中操作。附加地或可选地，集成光子学模块设计的变型适 合于各种应用，其中一些于图13中示出。图14一18以及此处文字的 和固有的其它描述示出了一些方法，这些方法用以提供具有在整个应 用范围内具有共用性或者设计共用性的集成光子学模块。图14是示出用于根据实施例的集成光子学模块的束成形光学器件 的分立变型形式和集成变型形式的视图。根据实施例，平视显示器应
用1302可使用圆形透镜m02、准直透镜14(m、平顶透镜(top hat lens) 1406以及聚焦透镜1408中的一些或全部，以使它的束成形。任选的圆 形透镜1402可提供像散校正以将在两个轴中每一个上具有不同散度的 很多激光器的输出转换成在任意轴上都具有基本相同的散度的径向对 称束。这种透镜可以提供光功率损失最小的圆形。附加地或者可选地， 限幅孔径可用在该系统中。准直透镜1404提供具有基本平行的边的束 形状以引入到平顶透镜1406。平顶透镜1406将输入束的高斯能量分布 转换成在其整个截面上具有基本相同功率的平顶形状的输出束。聚焦 透镜1408将束聚焦到工作距离，如上所指出的。
平顶束在巻积(convolve)回平顶能量分布之前巻积通过正弦型能 量分布。因此，希望对于平顶透镜1406选择焦距以在视距处产生巻积 的平顶函数。可选择聚焦透镜1408的焦距以在epe处产生腰部，该 epe例如可以是规则的微透镜阵列(mla) 。 epe在远场产生小束 (beamlet)以提供扩展区域，在该区域上方观测者的视网膜会接收到 视频图像。通过选择平顶形复合扫描束，由epe产生的小束在所需观 测距离范围内也可以是平顶形(在巻积通过正弦能量分布之后)。平 顶形小束相互"倾斜"且降低或消除在整个窥眼箱上的功率的可见变 化。
如从由图14中的顶视图表示的hud(平视显示器)应用1302中可 看到的，将圆形、准直、平顶和聚焦透镜1402、 1404、 1406和1408 组合成一个或多个集成透镜1410。
根据实施例，便携式投射应用1304可使用圆形透镜1402和聚焦 透镜1408中的一些或全部以使它的束成形。如同hud应用1302 —样， 任选圆形透镜1402可提供像散校正，以将在两个轴中每一个上具有不 同散度的很多激光器的输出转换成在任一轴上具有基本相等散度的径向对称束。这种透镜可提供光功率损失最小的圆形。附加地或可选地， 在该系统中可使用限幅孔径。聚焦透镜1408将束聚焦到如上所示的工 作距离。任选地，在便携式投射实施例中也可使用其它透镜例如准直 和平顶透镜。
如可在由图14中间的图表示的便携式投射应用1304中看到的， 圆形和聚焦透镜1402和1408可组合成一个或多个集成透镜1412。
根据实施例，头盔显示器应用1306可使用圆形透镜1402和聚焦 透镜1408中的一些或全部以使它的束成形。与hud和便携式投射应 用1302和1304 —样，任选的圆形透镜1402可提供像散校正以将在两 个轴中每一个上具有不同散度的很多激光器的输出转换成在任一轴上 具有基本相等散度的径向对称束。这种透镜可提供光功率损失最小的 圆形。附加地或可选地，在该系统中可使用限幅孔径。聚焦透镜1408 将束聚焦至如上所示的工作距离。任选地，在头盔显示器实施例中也 可使用其它透镜诸如准直和平顶透镜。
如在由图14下部的图所表示的头盔显示器应用1306中可看到的， 圆形和聚焦透镜1402和1408可组合成一个或多个集成透镜1414。
集成透镜1416表示上述集成透镜1410、 1412和1414的实体 (physical)实施例。
图15 — 17表示用于通过在全部多个光学元件上分配束成形功能而 在可用在各种应用中的集成光子学模块中提供至少公共部分的方法。 图15是示出根据实施例的用于便携式扫描束投影仪1502的集成光子 学模块的一部分的视图。来自光源116的束通过束成形光学器件602、 604和606成形且通过束组合器210组合以形成如上所述的调制合成束 119。图16是示出根据实施例的、用于图15的便携式投影仪的集成光
子学模块部分1502的使用的视图，从而为图13所特别示出的具有不 同束形状的hud 1602提供一部分集成光子学模块。如图16中所示， 集成光子学模块部分1502可与合成束成形光学组件1604组合在一起。 根据说明性实施例，可操作集成光子学模块部分1502以提供具有适合 于便携式扫描束视频投影仪的特性、例如具有约500mm腰距(waist distance)的束的调制合成束，如通过图13所示。此时束可被引入到包 括准直透镜1404、平顶透镜1406和彩色平衡聚焦光学器件1606的一 系列透镜中。涉及到组合为光学组件1604的这一系列透镜1404、 1406 和1606被构造成将束由适合于便携式扫描束视频投影仪的形状转换为 适合于hud的形状，例如是具有平顶功率分布和100mm焦距的形状。
图17是示出根据实施例将光学组件1604集成到合成透镜1704中 以形成用于hud的集成光子学模块部分1702的视图。
图18是根据实施例的至少一部分集成光子学模块114的透视图， 示出了可选适配器光学器件的光传导路径和布置。集成光子学模块114 包括被构造成用于便携式扫描视频投影仪的部分1502和被构造成用以 接收来自部分1502的调制合成束并产生具有不同特性的调制合成束 119的适配器光学器件1704。根据该实施例，部分1502和适配器光学 器件1704包括被构造成用于平视显示器的一部分集成光子学模块 1702。如上所述，通过扫描器120以周期性模式扫描调制合成束以形 成该实例中可用于提供视频图像给车辆操作者的调制扫描束125，其中 该车辆装配有包括具有该模块114的集成光子学模块的hud。
图19是示出光源204、 206和208与根据实施例的至少一部分集 成光子学模块的束组合器210之间的关系的视图。图19包括用于将分 离的r、 g和b光束1902、 1904和1906组合成单个的、合成光束119 的束组合器210的侧视图以及根据实施例的rgb束源114的视图。束组合器210包括三个分段1908、 1910和1912，三者结合在一起 且由透明材料如玻璃或适合于光学应用的聚合物制成。组合器210还 包括在x-z平面上的具有3w长度和矩形截面的输入面1914，且包括 在y-z平面上的具有w高度和正方形截面的输出面1916。在一个实施 例中，w=5.5毫米(mm)，而在另一实施例中，w=3.5mm。输入面 1914和输出面1916都是平坦的、光学性能表面。名称为"appratus and method for combining multiple electromagnetic into a composite beam"的美国专利申请序列号10/828,876讨论 了组合器210的制造，由此共同指定且通过参考并入本文。
第一分段1908在x-y平面上具有高和宽为w的平行四边形截面， 并且包括形成部分组合器输入面1914的分段输入面(segment i叩ut face) 1918和用于将r束1902朝向组合器输出面1916反射后的反射 面608。在一个实施例中，通过涂覆常规光学涂层将面608制成反射的。 人们可以根据束组合器系统的参数选择该涂层(以及如下讨论的其它 涂层)的反射特性和透射特性。输入面1918和反射面608之间的角度 a是锐角。在优选实施例中，a =45°以允许r束1902在x尺寸上具 有等于w的最大宽度。也就是说，如果。=45° ，则只要r束适当地 与输入面1918对准，w宽度的r束全部都将投射到反射面608上。然 而，如果将组合器210设计成用于具有宽度小于w的r束1902，则面 608的反射区域限于r束将照在上面的区域。可选地，可使角度a大于 45° 。但是由于角度a对于所有分段1908、 1910和1902都是相同的， 因此人们应在改变a的值之前考虑对其它分段1910和1912的影响。 而且，如果a不等于45。，则r束与束源114的角度被调整成使得反 射后的r束仍垂直于输出面1916。
相似地，第二分段1910在x-y平面中具有高度和宽度为w的平 行四边形截面，并且包括形成部分组合器输入面1914的分段输入面 1920和反射面610，该反射面610沿着分段1908和1910之间的界面 且通过反射后的r束1902并将g束1904朝向组合器输出面1916反射。在一个实施例中，通过对面610和与面610相接的分段1908的面中的 一个或两个涂覆常规光学涂层而将面610制成反射的。输入面1920和 反射面610之间的角度a是锐角，且优选等于45°以允许g束1904 在w尺寸上具有等于w的最大宽度。但是，如果对于具有宽度小于w 的g束1904设计组合器210，则面610的反射区域限于g束将照在上 面的区域。可选地，可使得角度a大于45° 。但是由于角度a对于所 有分段1908、 1910和1912都是相同的，因此人们应在改变a的值之 前考虑对其它分段1908和1912的影响。而且，如果a不等于45。， 则g束与束源114的角度被调整成使得反射后的g束保持垂直于输出 面1916。
第三分段1912在x-y平面上具有三角形截面，并且包括组合器 输出面1916、分段输入面1922以及反射面612，其中，所述分段输入 面1922具有宽度w且形成部分组合器输入面1914，所述反射面612 沿着分段1910和1912之间的界面且通过反射后的r和g束1902和 1904并将b束朝向组合器输出面反射。在一个实施例中，通过对面612 和与面612相接的分段1910的面涂覆常规光学涂层而将面612制成反 射的。在输入面1922和反射面612之间的角度a是锐角，且优选等于 45°以允许b束1906在x尺寸上具有等于w的最大宽度。但是如果 对于宽度小于w的b束1906设计组合器210，则面612的反射区域限 于b束将照在上面的区域。可选地，可使得角度a大于45。。但是由 于角度a对于所有分段1908、 1910和1912都是相同的，因此人们应 当在改变a的值之前考虑对其它分段1908和1910的作用。而且，如 果a不等于45。，则b束与束源114的角度被调整成使得反射后的b 束垂直于输出面1916。而且，在优选实施例中，在分段输入面1922和 输出面1916之间的角度0基本上是直角。
图20是示出根据实施例2001的至少一部分集成光子学模块中的 光传导的视图。可包括三个光源204、 206和208的光源116被构造用 以将调制光束通过其相应的束成形光学器件602、 604和606射向束组合器210。光源被构造用以发射偏振光束。可选地，束成形光学器件
602、 604和/或606可包括被构造用以向所示的束组合器210提供s 偏振光的偏振器。任选地，反射镜608、 610和612可被构造用以组合 输入束的s偏振分量并将p偏振分量朝向光阱(未示出)传导。束组 合器的各反射镜608、 610和612将来自发射器206、 204和208的调 制光束组合成s偏振的调制合成光束。适配器光学器件1704可任选地 被插入到束路径当中以接收来自束组合器的输出面1916的光。
包括偏振束分离器的选择性折叠反射镜614将调制合成束119导 向到扫描器120的反射镜616。可对准选择性折叠反射镜614以将合成 束从基本垂直于标称反射镜(中心交叉)位置的方向射向扫描反射镜 616。这种配置用于最小化扫描束中的几何失真。
作为在束组合器210中提供s偏振光的可选方式，可通过偏振束 分离器614提供束的一些或全部偏振，可操作偏振束分离器以将s调 制合成束119的偏振分量导向到扫描反射镜616并将光的p分量传送 到光阱(未示出)。
将偏振束分离器614构造成优选反射s偏振光且由此将s偏振光 朝向扫描器120反射。s偏振调制合成束在其路径上通过偏振旋转器 2002射向扫描反射镜616。偏振旋转器可构造为四分之一波片，可操 作该四分之一波片以在s偏振光射到扫描镜片616之前将其转换成圆 偏振光。如上所述，可操作扫描器120以在整个视场上以周期性模式 扫描束，以产生扫描调制光束125。在通过扫描反射镜616反射(和扫 描)之后，扫描束在此通过偏振旋转器2002。偏振旋转器将当前来自 扫描反射镜的圆偏振束转换成p偏振光。
p偏振光朝向偏振束分离器614传播。偏振束分离器614被构造 成优选通过p偏振光且由此允许p偏振扫描束125通向fov。作为使用偏振光的可选方式，图20的系统可使用非偏振光或者椭 圆偏振光。在这种可选实施例中，折叠反射镜614可包括选择性反射
器例如半镀银反射镜。所射达的束119中的一部分通过折叠反射镜614， 例如通向光阱(未示出)，而一部分光能被导向到扫描反射镜616。在 可选实施例中省略偏振旋转器。扫描束119再次射在半镀银反射镜614 上且其一部分通向fov。被反射的该部分被反射回光源和/或被反射 向光阱。
图20的构造的几个可选实施例也是可行的。图21是示出根据另 一实施例2101的光传导的视图，其中将合成束119成倾斜角度地射向 扫描器120。扫描束125以一模式通向fov，与图20的方法相比该模 式具有一些梯形失真量。根据一些实施例，当扫描束不再次通向折叠 反射镜时，该调制合成束119不需要被偏振并且折叠反射镜614不需 要是选择性反射器。
图22示出了其中将扫描器120构造成位于束组合器的、与光源u6 相反的一侧上的实施例2201。扫描光束由此在光源116"后面"的方 向上通向fov。
图23是示出实施例2301的视图，其中折叠反射镜可包括被构造 成固态光学器件的偏振光束分离器。
图24是示出实施例2401的视图，其中折叠反射镜614集成到束 组合器210中。所示出的实施例示出折叠反射镜614作为偏振束分离 器。如上所述，折叠反射镜朝向扫描器120反射第一偏振光。偏振旋 转器2002被构造成在扫描器120的往返双程中旋转偏振90度，优选 朝向扫描器反射输入能量和优选朝向fov传送扫描束。
实施例2401使用被构造在与束组合反射镜608、 610和612的平 面平行的平面内的折叠反射镜614。图25a是示出实施例2510的视图，其中折叠反射镜614被集成到 束组合器210中。该实施例具有以相对于光源116向前的方向输出扫 描束125的构造。折叠反射镜614的平面被构造成基本与组合反射镜 608、 610和612的平面成直角。
图25b是示出实施例2502的视图，其中包括具有非成像检测器的 集成光子学模块的至少一部分。该实施例2502包括光检测模块2504， 其可包括任选的光漫射器2506、任选的隔板2508、任选的反射侧壁 2510、和非成像光检测器2512。如上所述，在整个fov上扫描被任选 地制成非调制的p偏振扫描束125。 一部分扫描束125从fov中的物 体散射开作为散射光2514。通常，对于非镜面物体，散射光2514是非 偏振的或者是椭圆偏振的。该散射光也通常被形成为一束平行的光线 或者一束离散的光线，所述光线基本上布满了选择性折叠反射镜614。 选择性折叠反射镜614接收散射束2514并朝向任选的光漫射器2506 反射它的s偏振分量(如所示的)。任选的光漫射器2506被构造成在 所示出的散射角度上散射所接收的光线。散射光线通过隔板2508射在 光检测器2512上。 一部分散射光线以不可能被检测器接收到的角度散 射。任选的反射侧壁2510可用于将这种"损耗的"能量再次朝向检测 器2512反射。可操作例如被构造成接收波长对应于光源的发射波长的 检测器2512以将所接收的光能转换成电信号。根据实施例，集成光子 学模块2502被构造成发射红、绿和蓝色激光作为合成扫描束125，滤 波检测器2512以从fov接收相应的红、绿和蓝色散射光。
操作中，来自检测器2512的电信号可与像素扫描同步读取以产生 fov的视频图像。
可将一个或多个任选检测器2516构造成接收来自fov的p偏振 分量，任选地通过一个或多个聚焦透镜。如果将束组合器210的反射 镜608、 610和612制成波长选择性反射镜，则可操作由任选的一个(多个)检测器2516所接收的信号以接收来自fov的光并产生相应的电 信号，该电信号并非由扫描束产生。例如将这种光用于确定fov处的 环境光，反过来，这可用于确定发光器的亮度、彩色平衡等。
图25c是示出实施例2503的视图，其中包括具有焦平面检测器阵 列的集成光子学模块的至少一部分。实施例2503包括光检测模块2518， 该光检测模块2518可包括透镜或透镜系统2520、孔径2522、隔板块 2524以及诸如ccd或cmos像素相关阵列(pixelated array)的焦平 面检测器阵列2526。
如上所述，在整个fov上扫描任选地制成非调制的p偏振扫描束 125。 一部分扫描束125从fov中的物体散射作为散射光2514。通常， 对于非镜面物体，散射光2514可以是非偏振的或是椭圆偏振的。散射 光也通常形成为一束平行光线或一束离散光线，基本布满选择性折叠 反射镜614。选择性折叠反射镜614接收散射束2514并朝向透镜2520 反射它的s偏振分量(如所示的)。透镜2520和孔径2522被构造用 以在隔板2524的远表面处形成共轭图像平面。可操作焦平面检测器阵 列2526以检测fov的共轭图像并将其转换成相应的电信号。操作中， 例如在扫描器的回扫期间，可读取焦平面检测器阵列2526并以视频帧 频刷新，以产生fov的视频图像。
如所指出的，如此成像的光可通过选择性折叠反射镜614由被选 择用于反射的s偏振光形成。可选地，例如在透镜2520和孔径2522 之间可包括偏振旋转器例如检测路径四分之一波片(未示出)，以将 平面偏振光转换成圆偏振光。这种方法例如有利于避免与焦平面检测 器25m相关的偏振依赖(polarization-dependent)接收作用。
对于图25b和25c的说明性实施例可选地，检测器2512和2526
可被构造成直接接收来自fov的散射光而不是接收来自选择性折叠反 射镜614的散射光。对于包括光检测子系统、诸如图25b和25c的相应说明性实施例 的子系统2504和2518的应用，系统的控制器部分理所当然被构造成 可用于接收来自检测器的电信号、将模拟信号转换成数字信号(或者 对于具有集成adc的检测器仅接收数字信号)、并且将所接收的信号 组合成视频图像、将所接收的图像解码成相应的数据诸如解码的条形 码或ocr数据、或者另一方面对所接收的数据进行处理以根据应用来 执行功能。
一些实施例可使用来自检测器2512、 2526的信号以更改光源激励 的深度和/或时序，从而更改扫描调制束125，例如以补偿投射表面的 不均匀性、距离和/或环境光。在名称为"projection display with screen compensation"的美国专利申请序列号11/284,043 中公开了用于进行这种补偿的一些实施例，通过参考将其结合于此。
其它实施例可使用来自检测器2512、 2526的信号，以例如通过更 改光源和束扫描器的移动之间的相位关系来补偿集成光子学模块和投 射表面之间的相对移动。在名称为"projection display with motion compensation"的美国专利申请序列号11/635,799中公
开了进行补偿的一些实施例，通过参考将其结合于此。
图25d是与图25a的实施例2501对应的实施例2527，但是其中 移动扫描器120且以90度定向选择性折叠反射镜614以通过调制合成 束而反射扫描束125。具有s偏振的至少一部分调制合成束119被从束 组合器210射出并且通过选择性折叠反射镜614，通过偏振旋转器2002 并射在扫描器120的反射镜616上。对准选择性折叠反射镜614从而 通过处于与调制合成束119的角度相对应的角度的平面偏振光而反射 处于垂直偏振角度的平面偏振光。光旋转器2002在合成调制束119通 往扫描反射镜616的路径中将它的偏振旋转至圆偏振。扫描反射镜616 以通过偏振旋转器2002的周期性扫描模式扫描所接收光束的反射光束。偏振旋转器将扫描束的偏振从圆偏振旋转至其取向与调制合成束
119在从束组合器210射出时的取向基本成90度的平面偏振。选择性 折叠反射镜614将旋转后的扫描束朝向视场反射作为扫描束125。在图 25d的实例中，扫描束125具有s偏振。
图25e是示出根据实施例的至少一部分集成光子学模块2529中的 光传导的视图，其中束扫描器在除了垂直于标称图像投射方向以外的 平面中。与图25a的实施例一样，例如被构造成偏振束分离器的偏振 选择性反射镜614被构造用以沿着所指示的方向将调制合成光束导向 至偏振旋转器2002。在通过偏振旋转器之后，竖直的折叠反射镜2530 将调制合成光束导向到束扫描组件120 (被反射镜2530部分遮掩)， 以射在扫描反射镜(未示出)上。此时扫描光离开反射镜2530被反射 回去，通过偏振束分离器2002,且由于扫描光的旋转后的偏振，所以 通过选择性折叠反射镜614并进入到视场中作为扫描束125。根据一个 实施例，将扫描反射镜构造成标称上处于图的平面中且因此位于平行 于标称视频投射轴的平面中。除了其它事物之外，该方法还可通过允 许扫描组件120的永久磁铁在厚度尺寸上具有较小的外部尺寸而提供 在垂直于图的尺寸上较薄的封装件。折叠反射镜2530例如可以是至少 在与光源116的输出波长对应的波长上反射基本所有射在其上的光的 第一表面金属、电介质或其它反射镜。当然，偏振旋转器2002的位置 可改变，例如位于竖直的折叠反射镜2530和扫描反射镜(未示出)之 间。
图26是示出可选实施例2601的视图，其中一个光源204被构造 成从束组合器210的一端射出它的束。如所示出的，它的束通过束成 形光学器件602射入与折叠扫描器120和反射镜614端相对的一端。 实施例2601在使用体积大的光源204时尤其有利。
图27是包括具有根据实施例的至少一部分集成光子学模块的扫描 器控制器的框图2701。根据图27的实施例，扫描器控制器122包括印刷电路板上的柔性
电路互连、扫描控制asic 2702、数字信号处理器(dsp) 2704和支撑 电路，其中，所述数字信号处理器(dsp) 2704可用作共处理器，所 述支撑电路包括电源电路和存储器。可注意到，图27的实施例与图1 的扫描器控制器122相比稍微降低了集成度，其中将大部分控制功能 集成到扫描器控制器asic中。根据各种实施例，操作的一般理论是相 似的。
可操作扫描器控制器122以驱动双轴mems扫描器，同时在整个 控制器互连2706上将适当的时序信息提供至控制器电子器件106 (图 27中未示出)。可另外操作扫描器控制器122以控制环境光级(light level)并处理自动相位校准脉冲，并任选地将这些测量结果中继到视 频控制器电子器件。
如图12中所描述和示出的， 一个扫描器实施例包括mems扫描 器，所述mems扫描器具有用于两个轴的pzr传感器和两个轴上的磁 性驱动。
根据一些实施例，扫描器控制器122可物理安装在集成光子学模 块的光学引擎部分114 (未示出)附近。根据一些实施例，诸如上面描 述的头盔显示器，扫描器控制器122可位于扫描器附近的末端位置处 并且可物理上与光源116 (未示出)以及束组合器和束成形光学器件 118 (未示出)的至少一部分分离，其中光源和束成形光学器件被构造 成从近端位置通过光纤至末端位置将光提供给mems扫描器618的反 射镜。相似地，视频控制器电子器件106 (未示出)可安装在光源和束 成形光学器件附近并通过电、射频、或光学接口 2706与安装在末端的 扫描器控制器122通信。在这种实施例中，它适合于将这种集成光子 学模块中的近端部分安装在可支撑在使用者的皮带上的小型封装件中 以及将系统的末端部分安装在头盔封装件中。根据实施例，dsp 2704可根据名称为"circuit for driving a plant and related system and methods"的美国专利申请序 列号11/266,584中公开的方法，提供慢速扫描快速傅里叶变换(fft) 处理以提供慢速扫描的调整和有效衰减(active damping)，通过参考 将该美国专利申请结合于此。此外，dsp 2704可以提供功能性，包括 下列功能中的一项或多项与视频控制器电子器件的数据通信；提供 用于输入mems扫描器校准数据的接口；在正常操作期间将与mems 操作相关的参数、自动相位调整结果、从环境光传感器2707接收的环 境亮度、从温度传感器2708接收的温度等传送到视频控制光学器件； 现场升级固件和软件的接口；确保关键操作的适当时序的任务安排； 初始化和调整快速扫描振荡寄存器；以及pzr传感器的开环温度补偿。
根据实施例，扫描器驱动asic 2702可以为混合信号(模拟和数 字)器件，其可用以提供mems控制和提供自动相位(自动相位调整) 校正。可操作扫描驱动asic 2702以驱动和控制双轴mems扫描器 618。双轴mems扫描器618可以是用压敏电阻(pzr)反馈传感器在 两个轴上进行磁性激励的类型。根据实施例，扫描器驱动asic 2702 可包括各种模拟和数字功能中的一些或全部，所述各种模拟和数字功 能例如包括用pzr偏置电路2709将用户可编程电流偏置提供至pzr 反馈传感器；提供在可编程振幅下可用以使快速扫描轴自谐振的闭环 振荡电路2710，其中agc参数可调节以允许软起动并调整控制选项； 提供锁相环(pll)以产生慢速扫描取样时钟(50至200khz)，该时 钟与快速扫描谐振频率同步，其中倍增因子是可编程的；提供慢速扫 描模数转换器(adc) 2712，其中来自pzr放大器的慢速扫描输入信 号被转换成用于dsp处理器2704的数字信号，其中adc分辨率可以 是12至16位，取样率是50至200khz;提供慢速扫描数模转换器(dac) 2714，其中慢速扫描波形的数字输入信号被转换成模拟电压并在求和 电路2716中用快速扫描驱动信号求和；提供表示反射镜角度处于可接 受范围内的反射镜状态信号；提供自动相位传感器接口电路，其中该电路与一个(多个)外部光检测器2718—起操作以调节用于自动相位
功能的信号并测量调节结果；以及提供spi串联数字接口 2720以与视 频控制器电子器件通信并允许向内部寄存器的读取/写入存取，用于 初始化和监测。
快速扫描振荡器块2710使用pzr反馈信号以建立闭环振荡电路。 振荡频率由扫描器的快速扫描轴的谐振频率确定。振荡的振幅通过具 有可编程设置点的agc电路来控制。来自该回路的输出是fs谐振频 率的方形波的fssync，其提供了主同步信号，以驱动其它系统部件。 谐振频率可从约5khz至40khz变化。
从mems扫描器618上的慢速扫描pzr接收慢速扫描位置信号， 之后放大、滤波并在慢速扫描adc2712中转换成数字信号。将该数字 信号发送到dsp 2704用于分析。dsp将在慢速扫描dac 2714中转换 为模拟信号的数字指令信号发送回去。在求和电路2716中用快速扫描 输出对模拟慢速扫描驱动信号进行求和，且将该和发送到外部功率放 大器2722，该外部功率放大器2722放大求和后的模拟信号以将驱动功 率提供到扫描器618。
自动相位电路2724与一个或多个外部光检测器2718 —起工作。 扫描束125 (未示出)周期性地穿过一个(多个)检测器2718。模拟 接口电路2724响应于激光束交叉点产生脉冲并且脉冲长度是被传送到 dsp 2704的信息。
将快速扫描振荡器2710设计成模拟"自谐振"电路，其从mems pzr传感器取得实时位置信息，应用适当的振幅增益和相位延迟并且 基于反射镜的反馈信号来驱动谐振中的反射镜。可经由spi处理器接口 来调整具有寄存器的块以提供mems特性，从而适应器件间、批次间 和/或设计间的容限。如结合图12所描述的，集成到mems扫描器618上的管芯柔性 件(die flexure)中的pzr应变传感器感应反射镜的快速扫描移动。通 过pzr偏置电路2709向pzr传感器提供可调节的dc偏置电流。偏 置电流可以利用软件控制的值或者利用外部电阻器来编程。pzr反馈 差动感测信号在具有可调节增益的低噪音差动预放大器(differential pre-amplifier) 2722中被放大。差动预放大器2722的增益可以是软件 控制的或者是利用外部电阻器设置的，以对于给定反射镜角度偏差提 供校准信号电平(在峰间电压中)。预放大器2722输出在限制了噪音 带宽的带通滤波器2725中被滤波。带通滤波器2725可包括在低通滤 波器之前的高通滤波器。带通滤波器2725的输出信号可用于驱动扫描 控制系统。谐振时，在驱动信号和扫描移动之间存在90度相移。为了 保持闭环振荡，通过移相器2726将额外90度的相移引入到回路中。 在比较器2728中"清算(square up)"移相器2726的输出以产生数字 快速扫描同步信号。对于慢速扫描驱动以及在视频控制器电子器件106 (未示出)中进行的视频信号处理，快速扫描同步信号可通过锁相环 输出2730传导到dsp 2704并且用作主时基(primary time base)。
自动增益控制(agc)电路可用于将振荡振幅保持在一非常精确 的值。该回路可包括振幅检测器、可变增益放大器以及agc控制器。 振幅检测器产生与带通滤波器2725的输出振幅成比例的dc电压。该 电压与agc控制器中的设置点相当，该agc控制器执行比例积分微 分(pid)控制计算法。pid控制器的输出用作可变增益放大器2732 的控制电压输入。
反射镜角度和频率监控电路(frequency watchdog circuit) 2734控 制振幅检测器的输出。如果振幅超出可编程设置点，则保护电路发出 立即禁止(disable)驱动信号的关闭指令。二次安全电路(secondary safety circuit)监测驱动信号的振幅，并防止其超出可编程值。
图28是根据实施例的用于集成光子学模块控制器的框图2s01，该集成光子学模块控制器包括视频控制器106、扫描驱动器122以及束扫
描器618。
可操作视频控制器106以执行以下操作中的一些或全部从系统 资源接收视频信号；任选地在视频存储器中超高速缓存所接收的视频 数据；将信号转换成德伽马(de-gamma)信号；将德伽马信号转换成 平衡彩色信号；缓冲线(buffering lines);进行插值以确定由扫描束扫 描的实际像素位置的值作为所接收视频信号中的理想像素位置的函 数；确定光源的亮度值；进行光源补偿和校正；以及与从像素时钟接 收到的时序信号同步地将补偿后的亮度值传送到光源驱动电路，其中 所述像素时钟由mems控制模块122所提供的水平和垂直同步脉冲产 生。
任选地，视频控制器106可包括可用以将所接收的视频模式转换 成较佳视频模式的媒体模块2802。根据一个实施例，可操作媒体模块 2802以将所接收的模拟视频信号转换成数字视频信号。根据其它实施 例，可省略媒体模块或者可集成媒体模块作为系统资源。
名称为"circuit for detecting a clock error in a swept-beam system and related systems and mothods "的美国专利申请序列号11/316,326 、名称为"circuit for detecting a clock error in a scanned image system and related circuits, system, and mothods"的美国专利申 请序列号11/316,683、名称为"method and apparatus for illuminating a field-of-view and capturing an image" 的美国专利申请序列号10/630,062 、名称为"apparatus and method for bi-directionally sweeping an image beam in the vertical dimension and related apparati and methods "的美国专禾u申请序列号10/441,916 、名称为 "electronically scanned beam display"的美国专利申请序列号10/118,861、名称为"apparatuses and methods for utilizing non-ideal light sources"的美国专利申请序列号 10/933,033 、 名称为"scanned display with variation compensation"的美国专利号6,661,393 、以及名称同样为 "scanned display with variation compensation"的美国 专利号6，445，362中公开了集成光子学模块控制器2801的可操作性的 几个实施例的各方面，通过参考全部结合于此。
图29是示出根据实施例2901使用集成到移动电子设备2卯2中的 集成光子学模块102的视图。如可看到的，该实施例被构造成在标称 上对准便携式电子设备2902的顶部尺寸或长边尺寸的方向上发出调制 光的扫描束125。任选地，集成光子学模块102可被构造成在不同方向 上或者在多个方向上射出扫描束。可选地，集成光子学模块102被构 造成将图像投射到扩散器的背侧上，由此形成背投屏幕。
移动设备2902可包括一系列设备类型，其包括但不限于条形码 扫描器、便携式计算机、掌上计算机、移动电话、便携式音频设备诸 如mp3播放器、基于硬盘的便携式音频播放器、便携式视频播放器、 基于硬盘的便携式视频播放器、数字游戏系统、商业演示指示器、激 光指示器、前投电视或者背投电视等。
图30是示出根据实施例3001在车用平视显示器应用中使用集成 光子学模块的视图。可选实施例或应用可包括用于飞机、船只、摩托 车等的hud。
车辆3002可包括容纳了仪表组3006的仪表板3004。仪表组包括 具有光学部分104的集成光子学模块201，所述光学部分104被构造成 通过中继光学器件3008而将扫描束图像投射向乘客3010，其中所述中 继光学器件3008可包括车辆挡风玻璃。可构造该系统用以提供与乘客 3010的一只或两只眼睛的位置对应的出瞳或窥眼箱3012。这种系统可用于向观测者呈现各种信息，包括但不限于可任选地
与车辆3002的方位相关的广告内容、微光前向图像(low-light forward image)、车辆限界信息、地图或驾驶方向、娱乐内容、紧急通告等。
图31是根据实施例3101使用集成光子学模块的便携式扫描束投 射显示器3102的透视图。如图31中所示，根据实施例的构造，便携 式投射显示器3102可拿在用户3010手中。示出了被构造成根据用户 愿望在与便携式视频投影仪3102的主体纵向对准的方向3106上通过 扫描束125投射图像的输出光学元件3104。
根据另一实施例，便携式视频投影仪3102可投射和/或检测控制 区域(control field)。任选地，通过检测器诸如散射光检测器控制显 示器视场以使得能够反馈供鼠标、指示器等使用，如用户所希望的， 例如用于控制所投射的图像。
如图31中所示出的，根据实施例，便携式扫描束投射显示器3102 可包括具有安装于其上的输出光学元件3104的主体。根据一些实施例， 可旋转输出元件3104至一系列位置。例如，在第一位置处，用设备主 体遮蔽光学元件且将设备切换到"关闭"或睡眠状态。例如使用光学 编码器、旋转开关等感应光学元件3104的位置以自动切换模式。在另 一示例性位置处，可旋转光学元件3104从而通常以适合与工作台面交 叉的一个或多个角度将图像向前投射。任选地自动旋转所投射的图像 使得"顶部"朝向设备3102主体的底部定位，以便于面向主体前面的 用户观测。在第三示例性位置处，旋转光学元件3104至通常向前且与 工作台面平行的位置，例如通常垂直于便携式视频投影仪3102主体的 长轴，从而将图像投射到墙上而将主体设置在台上。可从与工作台面平 行向上或向下调节该位置以选择墙上的图像高度。可任选地自动旋转所 投射的图像，以在墙上投射其"顶部"取向在向上的方向上的图像。在图31中示出的第四位置处，旋转光学元件3104至通常与便携 式视频投影仪3102主体的纵轴平行的位置。这种模式下，例如在给出 特别演示时，图像投影仪可便利地拿在用户手中并且瞄向垂直或水平 表面。
如上所指出的，用在各种应用中的集成光子学模块可包括图像捕 获功能。被捕获的图像可用于执行各种功能。例如希望图29的系统2901 的实施例除了提供投影显示器之外还可用作激光相机。
图30的系统3001可包括分析被捕获的视频以根据一个或多个车 辆乘客3010所确定的特性而发出警报声、执行系统关闭、转换成"自 动驾驶"、存储视频或静止图像等。例如，如果确定司机或者驾驶员 3010是近睡眠状态，就使用警报以唤醒个别人。如果确定不能识别乘 客，且警报系统已经禁止或者另外被损害，则系统会捕获乘客图像、 关闭车辆和/或通知表示该状态的法律实施。如果分析一连串视频帧 确定乘客喝醉了，则该系统通知乘客将车辆拉到路边且随后执行至少 部分系统关闭直到机能障碍不再是个问题。
相似地，系统3001可根据所检测的fov或环境照明等来调节显 示亮度、内容等。
如之前描述的，系统3101可依照所捕获的图像进行操作以控制显 示内容。这种操作可用于例如"摇摄(pan)"显示全景作为较大部分 虚像、校正显示表面不规则性、补偿显示表面和便携式视频投影仪之 间的相对移动等。
前述的本发明概述、附图的简要说明以及具体说明以帮助读者容 易理解的方式描述了根据本发明的示例性实施例。其它结构、方法和 等同物也在本发明的范围内。在此描述的本发明的范围应当仅由权利 要求书限制。
权利要求
1. 一种适合于集成在电子装置中的集成光子学模块，包括第一对准框架；可调制红色激光二极管，其安装到所述第一对准框架且可用作沿着第一轴发射红光调制束；可调制绿色shg激光器，其安装到所述第一对准框架且可用作沿着平行于所述第一轴的第二轴发射绿光调制束；可调制蓝色激光二极管，其安装到所述第一对准框架且可用作沿着平行于所述第一和第二轴的第三轴发射蓝光调制束；束组合器，其安装到所述第一对准框架并被对准以接收所述红、绿和蓝光调制束，并且将所接收的束组合成调制合成束并沿着第四轴射出该合成束；束扫描器，其安装到所述第一对准框架，被对准以沿着第五轴接收所述合成束，并且可用作以周期性扫描模式使该合成束偏转作为调制扫描束。
2. 如权利要求1所述的集成光子学模块，还包括 选择性反射器，其被对准以接收所述调制合成束和所述调制扫描束并且允许至少一部分所述调制扫描束通向视场。
3. 如权利要求2所述的集成光子学模块，其中所述选择性反射器 包括部分反射器。
4. 如权利要求2所述的集成光子学模块，其中，所述选择性反射 器被构造成沿着所述第四轴接收所述调制合成束并沿着所述第五轴偏 转至少一部分所述调制合成束，其中所述第五轴不平行于所述第四轴。
5. 如权利要求4所述的集成光子学模块，其中所述调制合成束被 偏振；其中，所述选择性反射器包括被构造成反射至少一部分所述调制 合成束的偏振敏感反射器；并且还包括偏振旋转器，该偏振旋转器被对准以沿着所述第五轴接收 所述调制合成束并且被对准以接收所述调制扫描束，以及被构造成使 所述调制扫描束的偏振相对于所接收的调制合成束基本旋转90度；由此，所述选择性反射器被构造成使所述扫描合成束的主要部分 通向所述视场。
6. 如权利要求2所述的集成光子学模块，其中所述第五轴基本上平行于所述第四轴，并且其中所述选择性反射器被构造成使至少一部 分所接收的调制合成束通向所述束扫描器并使至少一部分所述调制扫 描束朝向视场反射。
7. 如权利要求6所述的集成光子学模块，还包括偏振旋转器，该 偏振旋转器被对准以接收所述调制合成束和所述扫描束，并且将所述 扫描束的偏振旋转至与所接收的调制合成束基本成卯度的取向。
8. 如权利要求7所述的集成光子学模块，其中所述选择性反射器 包括偏振选择性反射器。
9. 一种扫描束显示器引擎，包括 光学框架，其被构造成机械安装到主系统；至少一个光源，其耦合到外壳并且可用作发射调制光束；和 耦合到外壳的mems扫描器，该扫描器被对准以接收所述调制光束并且可用作在整个视场上周期性地扫描所述调制光束作为扫描束，以生成投射视频图像。
10. 如权利要求9所述的扫描束显示器引擎，其中所述光源包括至少两个光源且还包括束组合器，其机械耦合到所述光学框架并由此被保持对准，并且被构造成将调制光束从至少两条光束组合成复合调制光束；并且其中对准所述mems扫描器来接收的调制光束包括复合调制光束。
11. 如权利要求9所述的扫描束显示器引擎，还包括 选择性折叠反射镜，其被对准以接收所述调制光束并将该调制光束导向所述mems扫描器。
12. 如权利要求11所述的扫描束显示器引擎，其中所述选择性折 叠反射镜被构造成将一个偏振平面基本导向所述mems扫描器。
13. 如权利要求12所述的扫描束显示器引擎，还包括 偏振旋转器，其被对准以从所述选择性折叠反射镜接收所述调制光束并且可用作将平面偏振调制光束转换成导向所述mems扫描器的 圆偏振束。
14. 如权利要求13所述的扫描束显示器引擎，其中所述偏振旋转 器进一步被对准以从所述mems扫描器接收圆偏振扫描束，并且被构 造成将所述圆偏振扫描束转换成与从所述选择性折叠反射镜接收的光 的偏振平面基本成直角取向的平面偏振扫描束。
15. 如权利要求14所述的扫描束显示器引擎，其中对准所述 mems扫描器以从基本垂直于该mems扫描器的反射镜表面的方向、 从偏振旋转器接收所述圆偏振束。
16. 如权利要求12所述的扫描束显示器引擎，还包括至少一个光 检测器，该光检测器被对准以从所述选择性折叠反射镜接收散射光。
17. —种束扫描器，包括选择性反射器，其被对准以沿着第一轴接收第一光束并沿着第二轴反射至少一部分所述第一光束；和mems束扫描器，其被对准以从所述选择性反射器沿着所述第二 轴接收所述第一光束，并且可用作将所述第一光束朝向基本与所述选 择性反射器面对的视场反射作为被周期性地扫描的第二光束；其中所述选择性反射器被构造成允许所述第二光束的主要部分通 过所述视场。
18. 如权利要求17所述的束扫描器，其中 所述选择性反射器包括偏振束分离器；在将所述偏振束分离器构造成反射的方向上偏振所述第一光束；和在将所述偏振束分离器构造成通过的方向上偏振所述第二光束。
19. 如权利要求18所述的束扫描器，还包括 被对准在所述偏振束分离器和所述mems束扫描器之间的偏振旋转器。
20. 如权利要求19所述的束扫描器，其中所述偏振旋转器包括四 分之一波长延迟器。
21. 如权利要求17所述的束扫描器，还包括可用作保持所述选择 性反射器和所述mems扫描器之间的对准的光学框架。
22. 如权利要求b 14所述的束扫描器，还包括至少一个光源，所 述至少一个光源可用作发射调制光束，并且被耦合到所述外壳并通过 该外壳来保持与所述选择性反射器和所述mems扫描器对准。
23. 如权利要求21所述的束扫描器，还包括 至少两个光源，所述至少两个光源可用作发射至少第三和第四调制光束；和束组合器，其被构造成将所述至少第三和第四调制光束组合成所 述第一光束并朝向所述选择性反射器沿着所述第一轴射出所述第一光束；并且其中所述光学框架可用作保持所述至少两个光源、所述束组合器、所 述选择性反射器以及所述mems扫描器之间的对准。
24. 如权利要求16所述的束扫描器，其中所述光学框架还可用作 散热器，以从所述至少两个光源移走热量。
25. 如权利要求16所述的束扫描器，其中所述至少两个光源包括 至少一个二极管激光器和至少一个shg激光器。
26. 如权利要求16所述的束扫描器，其中所述至少两个光源包括 至少三个光源，所述至少三个光源包括红色激光二极管、蓝色激光器 和绿色shg激光器。
27. 如权利要求16所述的束扫描器，还包括可操作地耦合到所述 至少两个光源和所述mems扫描器的束扫描器控制器。
28. 如权利要求20所述的束扫描器，其中至少一部分所述束扫描 器控制器机械耦合到所述光学框架。
29. 如权利要求28所述的束扫描器控制器，其中基本上整个束扫 描器控制器机械耦合到所述光学框架。
30. 如权利要求28所述的束扫描器，其中所述光学框架进一步被 构造成物理安装到主系统。
31. 如权利要求20所述的束扫描器，其中所述束扫描器控制器包 括可用作驱动所述mems扫描器的mems控制器。
32. 如权利要求31所述的束扫描器，其中所述束扫描器控制器还可用作产生并发送扫描器同步信号。
33. 如权利要求31所述的束扫描器，其中所述束扫描器控制器还 包括至少一个传感器，所述至少一个传感器可用作测量操作变量并发 送与所测量的操作变量相对应的信号。
34. 如权利要求33所述的束扫描器，其中所述操作变量包括选自 环境光、温度、自动相位测量结果以及扫描器故障中的至少一个。
35. 如权利要求31所述的束扫描器，其中所述束扫描器控制器还 包括光源驱动器，所述光源驱动器可用作接收光源驱动信号并且响应 性地驱动所述至少三个激光器以发射调制光束。
36. 如权利要求35所述的束扫描器，其中所述束扫描器控制器还 包括视频控制器，所述视频控制器可用作从所述mems控制器接收同 步信号并接收视频图像，且与所述同步信号同步地响应性地将所述光 源驱动信号发送到光源驱动器。
37. 如权利要求36所述的束扫描器，其中所述视频控制器可用作 从系统资源接收所述视频图像。
38. 如权利要求37所述的束扫描器，还包括媒体模块，所述媒体 模块可用作耦合到所述系统资源和所述视频控制器，并且其中所述媒 体模块可用作从所述系统资源接收第一格式的视频图像、将该视频图 像转换成与所述视频控制器兼容的第二格式、以及将第二格式的视频 信号发送到所述视频控制器。
39. 如权利要求23所述的束扫描器，其中所述光学框架进一步被构造成物理地安装到主系统。
40. 如权利要求17所述的束扫描器，其中所述第二轴与基本位于 视场中心的点对准。
41. 如权利要求17所述的束扫描器，其中所述mems束扫描器具 有中止位置且基本垂直于所述mems束扫描器的所述中止位置地对准 所述第二轴。
42. 如权利要求41所述的束扫描器，其中所述mems束扫描器的 所述中止位置对应于当从所述mems束扫描器移除电力时该mems束 扫描器的反射镜所占据的位置。
43. —种用于扫描光束以投射图像的方法，包括以下步骤 从选择性反射镜接收第一调制光束；和将所述第一调制光束的被周期性地扫描的反射光束通过所述选择 性反射镜发送到在所述选择性反射镜之外的视场中。
44. 如权利要求43所述的用于扫描光束的方法，其中在第一偏振 状态下从所述选择性反射镜发送所述第一调制光束，并且在第二偏振 状态下通过所述选择性反射镜发送所述第一调制光束的反射光束。
45. 如权利要求44所述的扫描光束的方法，其中所述第一偏振状 态主要由p偏振组成和所述第二偏振状态主要由s偏振组成。
46. 如权利要求44所述的用于扫描光束的方法，还包括将所述第 一调制光束的偏振从所述第一偏振状态旋转到所述第二偏振状态的步 骤。
47. 如权利要求46所述的用于扫描光束的方法，其中将所述第一调制光束的偏振从所述第一偏振状态旋转到所述第二偏振状态的步骤 还包括将所述第一调制光束从第一平面偏振状态转换成圆偏振状态；和 在反射所述第一调制光束之后，将所述第一调制光束从所述圆偏 振状态转换成不同于所述第一平面偏振状态的第二平面偏振状态。
48. 如权利要求43所述的扫描光束的方法，其中，沿着所述第一 轴从所述选择性反射镜接收所述第一调制光束，并且所述视场对着所 述选择性反射镜。
49. 如权利要求48所述的扫描光束的方法，还包括步骤在所述选择性反射镜处，从第二轴沿着所述第一轴反射所述第一 调制光束。
50. 如权利要求49所述的扫描光束的方法，其中所述第一调制光 束包括调制合成光束。
51. 如权利要求50所述的扫描光束的方法，还包括步骤 沿着相应的多个第三平行轴接收多条第二调制光束； 将所接收的多条第二光束组合成所述第一调制光束；和 沿着所述第二轴将所述第一调制光束导向所述选择性反射镜。
52. 如权利要求42所述的扫描束的方法，其中所述第三平行轴基 本平行于所述第一轴。
53. 如权利要求43所述的扫描光束的方法，其中所述第二轴基本 上垂直于所述第三平行轴和所述第一轴。
54. 如权利要求42所述的用于扫描光束的方法，还包括步骤 发射所述多条第二调制光束并沿着相应的多条第三平行轴射出所述多条第二调制光束。
55. 如权利要求54所述的用于扫描光束的方法，还包括 响应于接收视频图像，产生与所述多条第二调制光束对应的多个光源驱动信号；和驱动相应的多个光源。
56. 如权利要求55所述的用于扫描光束的方法，其中与所述第一 调制光束的被扫描的反射光束的周期同步地产生所述多个光源驱动信号
57. 如权利要求51所述的用于扫描光束的方法，其中所述多条第 二调制光束中的每一条都包括光波长；并且所述第一调制光束包括所述多条第二调制光束的波长的合成。
58. —种系统，包括系统资源，可用作提供视频信号、电力和用户接口； 安装系统，被构造成容纳集成光子学模块；和其中具有孔的外壳，所述孔对准集成光子学模块的出射面的位置 和集成光学引擎部分。
59. 如权利要求58所述的系统，其中所述系统包括蜂窝电话；并且还包括集成光子学模块；由此蜂窝电话可用作通过所述孔投射视频图像。
60. 如权利要求58所述的系统，其中所述系统包括机动车辆和所 述视频信号，所述视频信号包括限界信息；并且还包括束分离表面，其与乘客位置对准；和集成光子学模块，其可用作朝向所述束分离表面投射所述限界信息；由此所述乘客可通过所述束分离表面同时观测限界信息和操作环境。
61.如权利要求58所述的系统，其中所述系统包括数码相机；并且还包括用户接口，可用于捕获图像；和集成光子学模块，其可由观测者操作，用于观测所捕获的图像。
全文摘要
一种集成光子学模块，其包括至少一个光源和耦合至安装到主系统上的光学框架并保持与该光学框架对准的mems扫描器。根据一些实施例，集成光子学模块可包括多个光源和耦合到光学框架的束组合器。根据一些实施例，集成光子学模块包括被构造成在垂直方向上将发射光的至少一部分导向mems扫描器并将扫描光传送到视场中的选择性折叠反射镜。该选择性折叠反射镜可使用束偏振以选择束通过和反射。集成光子学模块可包括束旋转器诸如四分之一波片以将发射光的偏振转换成适合于通过折叠反射镜的不同偏振。集成光子学模块可包括一个或多个光检测器。
文档编号h04n9/31gk101422048sq200780012965
公开日2009年4月29日 申请日期2007年4月11日 优先权日2006年4月11日
发明者乔舒亚·o·米勒, 克里斯托弗·a·维克勒夫, 兰黛尔·b·斯帕拉古, 玛格丽特·k·布朗, 彬 薛, 马克·o·弗里曼, 马尔滕·尼斯滕 申请人:微视公司