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CN103620478A - 投影显示器 - Google Patents

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CN103620478A
CN103620478A CN201280029191.3A CN201280029191A CN103620478A CN 103620478 A CN103620478 A CN 103620478A CN 201280029191 A CN201280029191 A CN 201280029191A CN 103620478 A CN103620478 A CN 103620478A
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Abstract

本发明提供一种投影显示器(10)，其用于向观看者(12)显示图像。设置图像提供光源装置(60)以将多光谱载像光的输入光瞳(61)射入到波导组件(50)中。波导组件(50)包含第一和第二衍射区，它们分别设置用于在基本垂直的第一和第二维上将输入光瞳展开并将在第一和第二维上已展开的出射光瞳(54)从波导组件(50)输出。波导组件(50)的衍射区相互匹配以产生零或基本为零的净色差。设置组合器(16)以将出射光瞳(54)导向观看者(12)以观看图像(18)并且使来自真实世界场景的光(52)透射通过组合器(16)，以便图像(18)叠加于来自于真实世界场景的光(52)上。

Description

投影显示器
技术领域
本发明涉及一种用于向观看者显示图像的投影显示器，其特别地但不排他地适用于平视显示器。
背景技术
可用于航空器和其它交通工具的传统平视显示器使用传统的球面透镜系统从图像提供器(例如阴极射线管)产生准直显示。从球面透镜系统中射出的光线被常规的折叠式反射镜反射通过球面出射透镜系统，并由此传递到组合器，从该组合器图像被反射以向观看者(例如航空器飞行员或车辆的驾驶员)提供准直显示。因此，这些传统显示器所使用的准直光学元件(即球面透镜系统和球面出射透镜系统)大且笨重，由此限制了这种平视显示器在没有充分空间以容纳该平视显示器的座舱区域内的应用。
最近，一种或多种波导管被用于给用户投影图像。本申请的申请人已在早期专利申请第WO2007/029032、WO2007/029034和WO2010/119240号中公开了这种波导显示器，其内容通过引入并入本文。在这些早期的波导显示器中，使用微显示器产生一个相对小的输入光瞳，并耦合到至少一个波导。所述输入光瞳通过各自的衍射区在两个基本垂直的方向拉伸并从波导输出为更大的出射光瞳以供用户观看。波导显示器的一个优点是它们占用的空间小，因此更适于在空间有限的环境中使用。
WO2007/029032公开了使用两个所谓的板状波导管。输入光瞳耦合进入第一波导管，并且通过沿着波导的全内反射在基本直线型波导的两个相对的且平行的侧面的每个侧面之间反射传播。设置光栅以用于在沿传播方向上一维拉伸输入光瞳并将其从第一波导输出。该光耦合进入第二波导管，通过沿着第二波导的全内反射在基本直线型第二波导的两个相对的且平行的侧面中的每个侧面之间反射传播。设置另一个光栅以在沿着传播方向的第二维(通常垂直于第一方向)上拉伸该光瞳。因此，当光栅从第二波导输出出射光瞳时，其在第一和第二维度上都更大且能容易地被用户观察到。
WO2007/029034公开了第一杆状波导管和第二板状波导管的使用。输入光瞳耦合进入第一波导管，通过沿着波导的全内反射在基本直线型波导管的四个垂直侧面的每一侧面依次反射传播。这种有些螺旋型传播的光线将杆状波导管与板状波导管区别开来并且有用于减小波导显示器的尺寸。设置衍射区以在一维上拉伸输入光瞳并从第一波导将其输出。与WO2007/029032相似，所述光被耦合入第二板状波导管，通过沿着第二波导的全内反射在基本直线型第二波导的两个相对的且平行的侧面中的每一侧面之间反射传播。设置另一个光栅以在传播方向的第二维(通常垂直于第一方向)上拉伸输入光瞳。因此，当衍射区从第二波导输出出射光瞳时，其第一维和第二维上都更大且能容易地被用户观察到。
WO2010/119240公开了单一的板状波导的使用，其在第一和第二维上都展开输入光瞳。这种设置的优点是，不需要将两个波导相对定向精确地进行固定并且可以以更精确的对准方式形成光栅。与上述两个波导显示器相近似的方式，输入光瞳被耦合入波导，通过第一光栅区域在一维是并通过第二光栅区域在第二维上进行拉伸，该第二光栅区域从波导输出展开的出射光瞳，使用户能够观看。
图1所示为上述三种显示器中的任意一种波导显示器。该显示器包括具有至少一个波导的波导组件50，所述至少一个波导向用户56呈现所需的显示，同时也可通过波导观看外面的世界。在该图中用户56位于具有透明座舱罩51的航空器的驾驶舱内。波导显示器的明显的优点是，其中一个波导除了展开光瞳外，还可作为组合器，由此使零件更少，装置更紧凑。用户可以继续观察来自外部世界场景并透射通过组合器的光52，并察看波导组件向用户输出的叠加于外部世界场景上的出射光瞳54的光。
如图像处理器58所示，该图像处理器产生图像信号59，并将该图像信号输出至微显示器60。为了产生颜色或多光谱图像，微显示器可以包括多光谱光源，该多光谱光源照亮显示器(可以例如是透射式的或反射式的)并输出承载准直图像的光61，其包括用于耦合到波导组件50的多个波长。
虽然上述波导显示器提供了有限空间环境内(特别是在希望减小显示器所需的空间的航空器座舱中)的紧凑显示器方案，但是航空器设计的趋势是大的全景座舱，如图2所示。然而，使用多波谱光源(例如LED)的波导组件具有对用户的输出角度的范围，该角度被设置为围绕组合器波导的平面呈90°。为避免色差，垂直方向是设计的一个必要的限制。在此情况下，如图2虚线所示，不能为适当尺寸的显示器提供充足的空间。还可以理解的是，在某些情况下如在驾驶舱中，飞行员在方便观察的位置可能需要低头型显示器62，其可额外减少平视显示器的可用空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的显示器。
本发明提供一种用于向观看者显示图像的投影显示器，包括：图像提供光源装置，其设置成用于产生载像光的输入光瞳；波导组件，其设置成用于接收载像光的输入光瞳，并且其包括第一衍射区和第二衍射区，该第一衍射区和第二衍射区用于在通常垂直的第一维和第二维上展开所述输入光瞳并且从波导组件输出在第一和第二维上展开的载像光的出射光瞳；以及组合器，其设置成用于将载像光从出射光瞳导向观看该载像光的观看者并且使来自真实世界场景的光通过组合器，从而载像光叠加于来自真实的世界场景的光。
可设置所述图像提供光源装置以将多光谱的载像光的输入光瞳射入到波导组件中。可以匹配波导组件的衍射区以导致零或基本为零的净色差。
第一衍射区或第二衍射区可以作为位于波导组件的波导中的输出衍射区，所述输出衍射区可设计用于以与波导平面垂直的角度输出来自于波导组件的载像光出射光瞳。
组合器可具有基本平坦的表面，该表面以相对于波导的平面一定的角度定向以将载像光的出射光瞳导向观看者。
载像光的出射光瞳可包括多个波长，并且组合器的平坦的表面可以被构造以一般地反射出射光瞳的多光谱载像光并一般地将来自于真实世界场景的光透射通过组合器。
组合器可以包括选定的反射涂层，其反射出射光瞳的载像光且透射来自于外部世界场景的光。
组合器可以包括抗反射涂层，其设置成用于增加来自于外部世界场景的光通过组合器的透射效率。
波导组件可以包括板状波导，沿着该板状波导，载像光通过波导的相对且平行侧面之间的全内反射进行传播，还包括第一衍射区和第二衍射区，所述第一衍射区设置成用于衍射载像光，以使所述光在第一维上展开，所述第二衍射区设置成用于进一步衍射载像光，以使所述光在第二维上展开，并将所述光作为出射光瞳从波导释放。
或者，波导组件可包括：第一板状波导，沿着所述第一板状波导，载像光通过第一板状波导的相对且平行的侧面之间的全内反射进行传播；并且包括所述第一衍射区，该第一衍射区设置成用于衍射载像光，以使所述光在第一维上展开；和第二板状波导，沿着所述第二板状波导，载像光通过位于第二板状波导的相对且平行侧之间的全内反射进行传播；并且包括第二衍射区，所述第二衍射区设置成用于进一步衍射载像光，以使所述光在第二维上展开，并将所述光作为出射光瞳从第二板状波导释放。
在另一个设置中，波导组件可包括：杆状波导，沿该杆状波导，载像光通过杆状波导四个侧面的每一面依次全内反射进行传播；并且包括所述第一衍射区，其设置成用于衍射载像光以使其在第一维上展开；和板状波导，沿该板状波导，载像光通过板状波导相对且平行侧面之间的全内反射进行传播；并且包括第二衍射区，其设置成用于进一步衍射载像光以使其在第二维上展开，并将所述光作为出射光瞳从板状波导释放。
包括透明座舱或挡风玻璃和如上所述的平视显示器的航空器或车辆，其中可以定位组合器以允许乘员通过组合器观看透明座舱或挡风玻璃外的真实世界场景，且由投影显示器产生的载像光叠加于真实世界场景上。如果组合器具有充足的反射性和光学平面，其可以纳入至座舱或挡风玻璃中。
投影显示器可以形成平视显示器(特别用于航空器或车辆)的一部分。
附图说明
现在将参照附图，仅通过实施例来说明本发明。
图1为平视显示器形式的现有技术波导显示器的示意图；
图2为显示已知显示器在有限环境空间内的问题的相似于图1所示的示意图；
图3为根据本发明的实施方式的投影显示器的示意图；
图4为用于图3所示的显示器的波导组件的一种设置的三个视图；
图5表示用于图3所示的显示器的组合器截面。
具体实施方式
参考图3，投影显示器10用于向观看者12显示图像。投影显示器10包含如上所述且在申请人早期专利申请第WO2007/029032、WO2007/029034和WO2010/119240号中进行了详细公开的波导组件50，以及图像提供光源机构14，所述图像提供光源机构14包含图像处理器58和如上所述的显示装置60。机构14将多光谱载像光的输入光瞳61射入到波导组件50中。波导组件50包含在下面进行详细说明的多个衍射光栅，它们设置用于将光耦合入波导组件50、在基本垂直的第一和第二维上展开输入光瞳61并且从波导组件50输出在第一维和第二维上展开的出射光瞳54。设置组合器16以将出射光瞳54导向观看图像18的观看者12，并且使来自于真实世界场景的光52透射通过该组合器16，从而图像18叠加于来自于真实世界场景的光51上。
组合器16和波导组件50一起应用是反直觉的，这是因为波导组件50本身已经有输出波导形式的内置组合器。但是，如这里所讨论的，本发明的额外组合器16提供了在已知的投影装置中尚未实现的多光谱光投影的优点。此外还可以理解的是，该投影显示器10的波导组件50的总外形尺寸小于先前的透镜合并显示器，因此，根据空间需求，将组合器16与此种波导组件50一起使用以显示单色图像可能是可取的。
第一衍射光栅或第二衍射光栅作为位于波导组件50的波导内的输出光栅，设置所述输出光栅以一般地垂直于波导组件50的平面的角度从波导组件50输出出射光瞳。
图4所示为波导组件50，其具有如WO2010/119240中描述的单个波导40并具有分别设置用于在第一和第二维25、31上展开载像光的输入光瞳的衍射区26、34。该实施例还包括第一输入衍射区22，其用于将载像光的输入光瞳耦合入波导组件50中以通过全内反射进行传播。第一输入衍射区22和第二衍射区26由相同的光栅20形成。第三衍射区34由另外的光栅形成。参考图3和图4，在使用中，输入光瞳61被耦合入波导组件50中且被导向反射表面24，并在该反射表面24上被反射至第二衍射区26。第二衍射区26在第一维25上将输入光瞳61展开，并将其转向第三衍射区34。第三衍射区34在第二维31上将输入光瞳61展开并且将展开的载像光从波导组件50输出为出射光瞳54，该第二维31通常垂直于第一维25。
更具体地，光栅20的狭缝的方向以相对于X轴60°倾斜，从而使入射到第一输出衍射光栅22的载像光被衍射并传播到反射表面24并在此被反射，由此载像光的主光线传播并且以相对于第二衍射区的狭缝法线30°的角度入射到该狭缝上(见插图A)。载像光在第一维(此处为x-维)上被部分地衍射和展开，然后转向通过波导组件50传播至具有狭缝的方向位于x-方向的低效率(2%～20%)第三衍射光栅34。载像光的衍射线垂直入射于光栅34上(见插图B)且部分地从波导组件50衍射出，所述部分衍射有助于输入光瞳61在第二维(此处为y-维)上的展开。
一般而言，衍射光栅或表面可以表现出入射载像光的大量的色散。这会导致具有相同或相似的视场角但波长不同的光线，它们被以不同角度被衍射入波导组件50、在该波导组件内部衍射或从该波导组件衍射出，由此在投影显示器10的输出中会引起潜在的大量的色差。但是，如果与波导的输入光栅相关的色散和与波导的输出光栅相关的色散在相反的意义上基本相配，那么净色散将接近或基本为零。波导组件50的衍射光栅的正确匹配具有减轻色差的效果。在图4中，由三个衍射区22、26、34产生的波导组件50的净色差必须或基本为零。例如，形成第一和第二衍射区22、26的光栅20必须与第三衍射区34的光栅相匹配以提供基本为零的净色差。这一结果对于在结合有此种波导组件50的头戴式或头盔式应用中使用的投影显示器10是非常有利的，因为其允许使用小且价廉的宽带图像生成光源(例如激光)代替相对昂贵且笨重的高功率单色光源以照亮波导组件50。这样的结果也可以使投影显示器10向观看者12正确地显示多彩色或全彩色显示图像18或信息。
对于本文所描述的波导组件50，第一衍射光栅可以具有一个能够用于将入射的载像光耦合入波导组件50的光栅区域，第二光栅具有能够用来拉伸输入光瞳和将其从波导组件50输出的两个光栅区域。或者，第一衍射光栅可以具有用于将入射载像光耠合入波导组件50以及在第一维上拉伸输入光瞳的两个光栅区域，第二衍射光栅具有一个用于在第二维上拉伸输入光瞳并将其从波导组件50中输出的光栅区域。可以证明输出角θ0与输入角θi的关系式如下式：
sin(θ0)=λ(1/di–1/d0)+sin(θi)
其中di和d0分别表示输入光栅和输出光栅的周期。因此，如果光栅的干涉条纹周期相同，删去λ且θ0等于θ1。因此，光栅周期必须相配以避免除了单色光源(例如激光)的光源产生的色差。可以理解的是，如果需要光栅以这种方式进行匹配以避免色差，则光必须是从波导组件50基本垂直地输出，在此情况下，匹配光栅并同时以基本90°以外的其它角度输出光是不可能的。因此，可以看出，尽管波导组件50包含内置组合器，但该内置组合器不能相对于观看者形成角度。即，如果现有技术投影装置欲设于有限环境的空间内，该内置组合器不能有选择地定位，以最有效地占据空间。但是，在本发明中，附加的组合器16可以进行定位以有效地占据空间，因此本发明具有显著的优势。
图5表示组合器16的截面图。该组合器包含通常由玻璃制造的光学透明的平面基板36。在该基板的一个表面上提供有光学反射涂层38。该涂层可以是多层介电涂层，其具有选定的厚度和介电性能，以对于波导组件50输出的出射光瞳54的多光谱光的波长具有反射性，而对于来自外部世界场景的光52的波长具有透射性。抗反射涂层42设置于基板36的相反的表面，以增加光52通过组合器16的透射效率。抗反射涂层42可以设计为，例如具有1/4波长的厚度，以产生干涉，以允许更大的透射。
组合器16上的波长选择涂层38通过增加显示装置60使用的波长的反射以提高效率，同时还允许对于外部世界场景的透射。可以使用中性密度涂层但不是很有效。在某些结构中，如果驾驶舱或挡风玻璃61能够提供足够的反射性并且光学上是平面的，其可以作为组合器使用。
再参考图3，组合器16相对于波导组件50的平面以一定角度进地定位从而将出射光瞳54导向观看者12。在实施例中，所示的组合器16相对于波导组件50的平面以约45°进行定位，然而可以理解的是，根据波导组件50、组合器16和观看者12的相对方位，其它角度也是可以的。例如，波导组件50可以与观看者12形成一个角度，在此情况下，可将组合器16以相对波导组件50的平面小于45°定位。可以理解的是，与早期专利申请所示的没有合用附加的组合器16的波导组件50相比，本发明的组合器16的位置可以更紧密地匹配挡风玻璃61的角度。即，从观看者12的角度来看，光52穿过的挡风玻璃部分与水平成约30°的角度而与观看者12形成角度。组合器16通过与水平成约45°而与观看者12形成角度。没有附加组合器16的波导组件与水平成90°而形成角度。因此，本发明的投影显示器10可以更紧凑。
组合器16可以任意合适的方式以固定的方向安装在波导组件50上，例如，它可以被安装在波导组件50上、或者航空器或车辆的另一部件上、或者如果航空器座舱罩的部分被固定，它可以安装在座舱罩的该部分上。
图4中的波导组件50可以在本发明的另一个实施方式中进行了修改且如WO2007/029032中详细公开的那样。该波导组件50包含：第一板状波导，沿着该第一板状波导，载像光通过波导的相对且平行的侧面之间的全内反射进行传播，并且具有用于衍射载像光的所述第一衍射区以使其在第一维上展开；第二板状波导，沿着该第二板状波导，载像光通过波导的相对且平行的侧面之间的全内反射进行传播，并且具有用于进一步衍射载像光的所述第二衍射区以使其在第二维上展开并将其作为出射光瞳从波导释放。
图4中的波导组件50还可在本发明的再一个实施方式中进行修改且如WO2007/029034中详细公开的那样。该波导组件50包含：第一杆状波导，沿着该第一杆状波导，载像光通过波导的四个垂直侧面的每一侧面依次的全内反射进行传播，并且具有用于衍射载像光的所述第一衍射区以使其在第一维上展开；第二板状波导，沿着该第二板状波导，载像光通过波导的相对且平行的侧面之间的全内反射进行传播，并且具有用于进一步衍射载像光的所述第二衍射区以使其在第二维上展开并将其作为出射光瞳从波导释放。
根据本发明的投影显示器可以形成平视显示器的一部分，特别用于航空器用途的平视显示器。

Claims (13)

1.一种投影显示器，用于向观看者显示图像，其包括：
图像提供光源装置，其设置成用于产生载像光的输入光瞳；
波导组件，其设置成用于接收载像光的输入光瞳，包括第一衍射区和第二衍射区，该第一衍射区和第二衍射区分别设置成用于在基本垂直的第一维度和第二维度上将输入光瞳展开并且将在第一维度和第二维度上已展开的载像光的出射光瞳从波导组件输出；以及
组合器，其设置成用于将来自于出射光瞳的载像光导向观看者来观看该载像光，并且允许来自于真实世界场景的光通过该组合器从而使载像光叠加于来自真实世界场景的光。
2.如权利要求1所述的投影显示器，其中所述的图像提供光源装置设置成将多光谱载像光的输入光瞳射入到波导组件中，且波导组件的衍射区相互匹配以使净色差为零或基本为零。
3.如权利要求1或2所述的投影显示器，其中所述第一或第二衍射区作为位于波导组件的波导内的输出衍射区，并且所述输出衍射区设置成用于以垂直于波导平面的角度将载像光的出射光瞳从波导组件输出。
4.如权利要求3所述的投影显示器，其中所述的组合器具有一个基本平坦的表面，该表面相对于波导的平面以一个角度进行定向，以将载像光的出射光瞳导向观看者。
5.如权利要求3或4所述的投影显示器，其中所述载像光的出射光瞳包括多个波长，且组合器的平坦表面通常被构造为反射出射光瞳的多光谱的载像光并使来自于真实世界场景的光透射通过该组合器。
6.如权利要求5所述的投影显示器，其中所述组合器包括选定的反射涂层，其对于出射光瞳的载像光具有反射性并且对于来自于外部世界场景的光具有透射性。
7.如权利要求5或6所述的投影显示器，其中所述组合器包括抗反射涂层，其设置成用于提高来自于外部世界场景的光通过组合器的透射效率。
8.根据前述权利要求任一项所述的投影显示器，其中所述波导组件包括板状波导，沿着该板状波导，载像光通过所述波导的相对且平行侧面之间的全内反射进行传播；并且包括所述第一衍射区和所述第二衍射区，所述第一衍射区设置成用于衍射载像光以使其在所述第一维上展开，所述第二衍射区设置成用于进一步衍射载像光以使其在第二维上展开并将其作为出射光瞳从波导释放。
9.如权利要求1～7任一项所述的投影显示器，其中所述波导组件包括：第一板状波导，沿着该第一板状波导，载像光通过第一板状波导的相对且平行侧面之间的全内反射进行传播；并且包括所述第一衍射区，其设置成用于衍射载像光以使其在第一维上展开；以及第二板状波导，沿着该第二板状波导，载像光通过第二板状波导的相对且平行侧面之间的全内反射进行传播；并且包括所述第二衍射区，其设置成用于进一步衍射载像光以使其在第二维上展开并将其作为出射光瞳从第二板状波导释放。
10.如权利要求1～7任一项所述的投影显示器，其中所述波导组件包括：杆状波导，沿着该杆状波导，载像光通过杆状波导的四个侧面的每一侧面依次进行的全内反射进行传播；并且包括所述第一衍射区，其设置成用于衍射载像光以使其在第一维上展开；以及板状波导，沿着该板状波导，载像光通过板状波导的相对且平行侧面之间的全内反射进行传播；并且包括所述第二衍射区，其设置成用于进一步衍射载像光以使其在第二维上展开并将其作为出射光瞳从板状波导释放。
11.如本文所述的和/或图3和图5所示的或图3、图4和图5所示的投影显示器。
12.一种航空器或车辆，其包括透光座舱罩或挡风玻璃和前述权利要求任一项所述的投影显示器，其中所述组合器进行定位，以使乘员能够通过组合器在透光座舱罩或挡风玻璃外面的真实世界场景上叠加了投影显示器产生的载像光的条件下来观看该真实世界场景。
13.如本文所述的和/或图3和图5所示的或图3、图4和图5所示的航空器或车辆。
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