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CN101147094A - 使用全内反射图像的光学系统 - Google Patents

使用全内反射图像的光学系统 Download PDF

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CN101147094A
CN101147094A CNA2006800090853A CN200680009085A CN101147094A CN 101147094 A CN101147094 A CN 101147094A CN A2006800090853 A CNA2006800090853 A CN A2006800090853A CN 200680009085 A CN200680009085 A CN 200680009085A CN 101147094 A CN101147094 A CN 101147094A
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optical system
photoconductive tube
light
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internal reflection
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CNA2006800090853A
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M·B·斯皮特
N·M·伦辛
P·M·扎夫兰斯基
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Microoptical Corp
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Abstract

用于头盔显示器的光学系统包括具有两个平行表面的光导管，模式能够通过全内反射沿光导管传播。照明元件允许选择模式以便需要的模式能够轴向地沿光导管传播或通过全内反射沿光导管传播。

Description

使用全内反射图像的光学系统
相关应用的交叉引用
本申请要求申请日为2005年3月22日的美国临时专利申请60664254号按照美国法典第35编第119条(e)款的权利，其公开通过引用并入此处。
关于联邦资助的研究和开发的声明
本发明在美国陆军航空和导弹司令部合同N31P4Q-04-C-R280号下完成。政府拥有该发明的某些权利。
背景技术
通过眼镜透镜和面掩膜(face-mask)光学片传播图像已为人们所知。例如，参照美国专利5886822号。这里参照图1，光沿轴方向被引导，并且不希望其从外部表面透镜反射。另一已知的实施例讨论使用来自透镜或板片表面的全内反射以减小透镜的厚度或增加视场。例如，参照美国专利6384982号。
发明内容
提供了用于头盔显示器(head mounted display)的光学系统，其允许选择需要的模式以沿光导管轴向地传播或通过全内反射传播。更具体地说，该系统包括包含具有两个平行表面的固态光学元件的光导管。图像源包括显示元件和包含至少一个光源的照明元件。图像源将光导入光导管以传播到用户的眼睛。
照明元件和显示元件之间的准直系统包括聚光透镜元件和位于聚光透镜元件的焦距处的孔隙。在一个实施例中，孔隙和光源沿聚光透镜元件的轴向设置以便阻止来自照明元件的模式进入光导管，其中该模式可以通过在两个平行表面的全内反射而沿光导管传播。
在另一实施例中，照明元件包括另外的光源，而准直系统包括另外的孔隙。另外的光源和另外的孔隙设置在偏离于聚光透镜和显示元件的轴的位置，以便来自照明元件的模式进入光导管并通过两个平行表面的全内反射沿光导管传播。
在更进一步的实施例中，照明元件包括多个光源，而准直系统包括多个孔隙，每个孔隙都与光源相关。以这种方式，多个模式能够传播到光导管，并且至少一部分模式通过在两个平行表面上的全内反射在光导管中传播。能够顺次点亮光源以同时地提供不同的图像。能够同时点亮光源以提供具有宽视场的图像。能够配置光学系统以便多个模式的出瞳重叠。
附图说明
从以下结合附图的详细描述可以更全面地理解本发明：
图1是现有技术光学系统的示意图；
图2是光学系统的全内反射的一个模式的示意图；
图3是图2的光学系统的全内反射的相对的模式的示意图；
图4是单个光学系统中合成的多个虚像的示意图；
图5是去除左和右虚像的光学系统的示意图；
图6是能选择其中的模式以照射所选虚像的光学系统的示意图；
图7是能选择其中多个全内反射模式的光学系统的示意图；以及
图8是能选择其中多个全内反射模式的另外光学系统的示意图。
发明详述
本发明的目的是控制光通过透镜的传播以使得可以从透镜表面全内反射(TIR)或是将这种反射消除。通过设计用于照明LCD的背光系统而获得这种控制。
能够将透镜或板片视作多个模式能够在其中传播的波导，该多个模式中包括轴向模式，其不需要来自波导表面的任何反射。(这同多模光纤类似，在其中光线能够轴向地传播或通过光纤芯层和包层之间的界面处的反射而传播。)为了控制通过波导传播的模式，只需要控制入射到LCD上的光线。充分地准直为平行于光轴或与光轴有较小不同的光线将沿轴向传播，而以更大角度穿过LCD的光线会被反射。本方法允许通过对背光寻址以选择性地照亮波导模式。以这种方法，可以扩大或缩小图像的视场。
图1示出通过眼镜透镜向眼睛传送图像的现有技术方法。光由设置为与LCD 20相邻的背光外壳30中的一个或多个发光二极管产生。图1示出光40通过透镜10传播到眼睛(未示出)以形成虚像50的轴向路径。背光形成宽区域扩散源，其实际上不仅在轴向而且在一定角度范围内发射光。一些传播角在它们传播到眼睛时能够到达透镜的表面。图2示出这种传播的实例，其中光线以一定角度离开背光30，穿过LCD 20而进入透镜10，并从反射镜11反射。该角度导致了要入射到透镜10的表面61上的光路60，以使得通过TIR反射。此反射引起被从用户视场中心移置的虚像70。
如图3所示，对于在相反方向以一角度离开背光的光线，可以有相对的模式。在这种情况下，通过TIR从透镜10的内部前表面62反射光路65并导致移置到用户视场中心的左边的虚像71。
如图4所示，由背光漫射光沿中心轴和在一角度范围内发射的情况引起多个虚像。如果这些图像包含相同的信息内容，则它们是易混淆的而且没有用。在这种情况下，优选要消除左边的图像71和右边的图像70。然而，如果三个虚像的每个包含不同的信息，则能够合并这三个图像以形成一个公称宽度为单个图像的宽度的三倍的较大虚像。
图5示出怎样能够通过改变背光以形成聚光照明器来去除左边和右边的图像。在图5中示出了由准直背光系统替代的背光(图1中的30)，该准直背光系统包括：LED 31、聚光透镜100、和孔隙101。该孔隙典型地安装有扩散体以形成具有已知大小和数值孔径的光源。该孔径101设置在距离聚光透镜100一定距离的位置，通常该距离接近或等于透镜的焦距。牛顿的透镜方程表明这在无限远处产生孔隙的像，意指来自孔隙的光线被准直了。准直的程度取决于孔隙宽度d。由于准直，本来应该由TIR从透镜的内侧反射的光线被去除并且只产生中心虚像。显示屏观察光学系统110(实施例中示出，具有反射表面114、分束器116、以及反射表面118的光导管112)然后在系统的出瞳处对孔隙重新成像。这样，本发明提供了一种去除多模波导透镜中的寄生虚像的方法。
图6示出将孔隙101从中心移开的结果。在这种情况下，光线被准直，但是它们与系统轴线成一角度传播。这意味着通过正确定位孔隙，能够选择光线以这样一种模式传播，在该模式中使用选择数量的TIR反射以到达用户的眼睛，以便照明与该模式对应的虚像。
能够构造能在其中选择任何数量的TIR模式的系统。图7中示出了中心模式与两个TIR模式相组合的情况。在这种情况下，三个LED201、202、203与三个孔隙组合以便在光线通过透镜220时创建三个不同的模式。中心模式205通过眼镜透镜或面掩膜传播，以形成中心虚像。光束204通过TIR从透镜的内表面(图2中61)反射以在右边形成虚像(图2中70)。光束206从透镜的内表面(图3中62)反射以形成左边虚像(图3中71)。全内反射还折叠光路以使三个图像的出瞳重叠。如果同时点亮三个LED，则在用户视场形成具有相同信息内容的三个像。将看到左边和右边的像反转了(左边到右边)。然而，如果依次点亮LED，并且用LED照明给LCD 210同时提供三个不同的像，则用户将看到三个不同的像。这样的LCD已知为场序LCD，并由许多公司销售，比如Kopin公司，其销售场序Cyberdisplay.
在本发明的优选的实施例中，将光学系统设计成使多个模式的出瞳重叠，以便从单个眼睛位置能够看见所有的像。还可以有其它配置，其中需要眼睛运动以观察不同的模式。光学设计技术还可以用于规定光源的位置和大小以消除模式混合，由此一个模式的图像接受杂散光而另一模式被照亮。这将导致鬼像和/或对比度降低。光学设计可以用本领域任何已知方法实现，包括一阶光学设计和手动或计算机化光线跟踪，例如使用诸如ZEMAX、CODE V、或OSLO的商用光学软件。
图8示出应用TIR反射的多模设计光线追踪。三个单独的光源801、802、和803能够在显示对应的信息时独立地受脉冲作用以点亮显示屏810。实例示出照亮显示屏中心区域，但是能够将类似的设计应用到显示屏的整个区域。光源由聚光透镜815准直。通过显示屏后，光通过场透镜820和空气隙825进入光导管830。对于需要全反射的模式，需要空气隙以使得在界面处产生TIR。在反射镜上的第一反射以锐角反射，所以典型地必须通过施加反射涂层、粘接外部反射镜、或用本领域任何其它已知方法将表面828设置成反射的。光线然后用不同数量的TIR反射传播通过光导管。最后的反射再次与表面835形成锐角，表面835必须与表面828类似地制成反射的。一旦离开光导管，光通过第二空气隙850穿过目镜855，其中该空气隙使得在表面产生TIR反射。
系统设计必须允许眼睛瞳孔860置于距离最后的机械部分合理的良视距(eye relief)处。良视距必须至少为数个毫米并且优选地至少为10mm并且甚至更优地在12和35mm之间。对于头盔显示器，其优选地为从相同的瞳孔位置能够看见所有的模式，以便用户不必相对他/她的头移动显示屏。然而，在眼睛浏览时，该运动可以用于获取一些模式的图像的不同部分。
模式以反射数量为特征。在所示系统中，中心模式840有7次反射，其中有5次为导管的平行表面的TIR反射。左边模式841具有9次反射，其中7次为TIR。右模式842有5次反射，其中3次为TIR。某些源位置可以用多于一个模式照亮像素(例如右图像模式的左侧像素和中心模式的右侧像素)。为了避免这种情况，必须限制源的尺寸以便来自对于给定模式的源的光线不会在与任何其它模式相关的位置上形成虚像。
能够看出通过正确设计透镜或面掩膜，能够控制与不同模式对应的虚像的位置和间隔。通过适当地选择透镜厚度，能够使得虚像重叠、相接而没有重叠、或者可以使它们之间具有间隔。能够通过电子手段扩大、缩小、或变形LCD上的图像以调整如此叠置的虚像图像之间的间隔，以便产生无缝的虚像。能够使用任何数量的光学传播模式以增加最终叠置图像的宽度，限制因素是LCD的刷新速度。为了重叠三幅图像，LCD应该能够每秒钟闪现180帧以使用户看不到图像中的闪烁。
虽然以上描述了单眼系统，但是能够组合两个这样的系统以形成双眼或立体显示。
除所附权利要求所阐述者外，本发明不受所具体示范和描述的限制。

Claims (28)

1.一种用于头盔显示器的光学系统，包括：
光导管，包括：具有两个平行表面的固态光学元件，所述光导管可以安装于头盔显示器上以将光导向用户的眼睛；
图像源，包括：显示元件和包含多个光源的照明元件，所述图像源设置为将光导入所述光导管；
所述照明元件和所述显示元件之间的准直系统，包括：聚光透镜元件和多个孔隙，每个所述孔隙与各自的光源相关并且位于所述聚光透镜的焦距处或其附近；以及
关于所述聚光透镜元件和所述显示元件的中心轴，定位至少一个孔隙和相关的光源，以便来自所述照明元件的模式进入所述光导管并且通过在所述两个平行表面上的全内反射沿所述光导管传播。
2.如权利要求1所述的光学系统，其中多个模式传播到所述光导管，并且至少部分所述模式通过在所述光导管的所述两个平行表面上全内反射而传播。
3.如权利要求2所述的光学系统，其中所有所述模式通过在所述光导管的所述两个平行表面上至少一次全内反射而传播。
4.如权利要求1所述的光学系统，其中依次点亮所述光源，并且以同步的方式更新所述显示元件以为每个所述模式提供不同的虚像。
5.如权利要求1所述的光学系统，其中依次迅速地点亮所述不同模式的所述虚像以至用户不能发现，形成的虚像所具有的视场比通过单独点亮单个光源所形成的虚像更宽。
6.如权利要求1所述的光学系统，其中使用三个模式并以每秒60到80次之间的各个频率依次点亮所述三个模式，并且其中以每秒180到240次之间的频率同步刷新所述显示元件。
7.如权利要求1所述的光学系统，其中若干个模式的出瞳重叠，由此从单个眼睛位置可看见所有图像。
8.如权利要求1所述的光学系统，其中若干个模式的出瞳不重叠，由此需要相对所述光学系统移动眼睛以观看不同的模式。
9.如权利要求1所述的光学系统，其中至少一个孔隙和相关光源沿所述聚光透镜元件和所述显示元件的所述中心轴定位。
10.如权利要求1所述的光学系统，其中至少一个孔隙和相关光源偏离于所述聚光透镜元件和所述显示元件的所述中心轴定位。
11.如权利要求1所述的光学系统，还包括场透镜元件以将光从所述显示元件导入所述光导管的入口表面。
12.如权利要求11所述的光学系统，还包括所述场透镜元件和所述光导管的所述入口表面之间的空气隙，其中所述空气隙使得在所述场透镜元件和所述光导管之间的位置处发生全内反射。
13.如权利要求1所述的光学系统，其中所述光导管包括延长元件、一端附近的入口表面、另一端附近的出口表面、所述入口表面附近的反射表面用于沿所述两个平行表面之间的所述延长元件导引入射光线、所述出口表面附近的反射面用于通过所述出口表面将光线导出所述光导管。
14.如权利要求1所述的光学系统，还包括目镜元件以将来自所述光导管的出口表面的光导向所述用户的眼睛。
15.如权利要求14所述的光学系统，还包括所述目镜和所述光导管的所述出口表面之间的空气隙，其中所述空气隙使得在所述目镜元件和所述光导管之间的位置发生全内反射。
16.一种用于头盔显示器的光学系统，包括：
光导管，包括：具有两个平行表面的固态光学元件，所述光导管可以安装在头盔显示器上以将光导向用户的眼睛；
图像源，包括：显示元件和包含至少一个光源的照明元件，所述图像源设置为将光导入所述光导管；以及
所述照明元件和所述显示元件之间的准直系统，包括：聚光透镜元件和位于所述聚光透镜元件焦距处的孔隙，所述孔隙和所述光源还沿所述聚光透镜元件的轴线定位，以便阻止通过在所述两个平行表面上全内反射、沿所述光导管从所述照明元件传播而来的模式进入所述光导管。
17.如权利要求16所述的光学系统，其中所述照明元件包括另外的光源，而所述准直系统包括另外的孔隙，并且所述另外的光源和所述另外的孔隙偏离于所述聚光透镜和所述显示元件的所述中心轴线定位，以便来自所述照明元件的模式进入所述光导管并且通过在所述两个平行表面上全内反射而沿所述光导管传播。
18.如权利要求16所述的光学系统，其中所述照明元件包括多个光源，而所述准直系统包括多个孔隙，每个孔隙与光源相关，由此多个模式传播到所述光导管，并且至少部分所述模式通过在所述光导管的所述两个平行表面上全内反射而传播。
19.如权利要求18所述的光学系统，其中依次点亮所述光源，并且以同步的方式更新所述显示元件以为每个所述模式提供不同的虚像。
20.如权利要求18所述的光学系统，其中依次迅速地照亮所述不同模式的所述虚像以至用户不能发现，形成的虚像具有的视场比通过单独点亮单个光源所形成的虚像更宽。
21.如权利要求18所述的光学系统，其中使用三个模式并以每秒60到80次之间的各个频率依次点亮所述三个模式，并且其中以每秒180到240次之间的频率同步刷新所述显示元件。
22.如权利要求18所述的光学系统，其中若干个模式的出瞳重叠，由此从单个眼睛位置可看见所有图像。
23.如权利要求18所述的光学系统，其中若干个模式的出瞳不重叠，由此需要相对所述光学系统移动眼睛以观看不同的模式。
24.如权利要求18所述的光学系统，还包括场透镜元件将来自所述显示元件的光导入所述光导管的入口表面。
25.如权利要求24所述的光学系统，还包括所述场透镜元件和所述光导管的所述入口表面之间的空气隙，其中所述空气隙使得所述场透镜元件和所述光导管之间的位置处发生全内反射。
26.如权利要求16所述的光学系统，其中所述光导管包括延长元件、一端附近的入口表面和另一端附近的出口表面，所述入口表面附近的反射表面沿所述两个平行表面之间的所述延长元件导引入射光线，所述出口表面附近的反射表面通过所述出口表面将光线导出所述光导管。
27.如权利要求18所述的光学系统，还包括目镜元件将来自所述光导管的出口表面的光导引到所述用户的眼睛。
28.如权利要求27所述的光学系统，还包括所述目镜和所述光导管的所述出口表面之间的空气隙，其中所述空气隙使得所述目镜元件和所述光导管之间的位置处发生全内反射。
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