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CN110959131A - 使用激光束扫描仪的可穿戴显示器的光学器件 - Google Patents

使用激光束扫描仪的可穿戴显示器的光学器件 Download PDF

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CN110959131A CN201780078090.8A CN201780078090A CN110959131A CN 110959131 A CN110959131 A CN 110959131A CN 201780078090 A CN201780078090 A CN 201780078090A CN 110959131 A CN110959131 A CN 110959131A
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石井房雄
中西美木子
高桥和彦
油川雄司
村上圭一
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Abstract

当激光束直接投射到眼睛中时，具有激光束扫描器的透视显示系统具有很小的视窗。本申请提供一种利用自由形态的反射镜形成具有高数值孔径的实像的无出瞳扩展器的增大视窗尺寸的解决方法。

Description

使用激光束扫描仪的可穿戴显示器的光学器件
相关申请的交叉参考
本申请是要求于2016年12月15日在先提交的临时申请62/498,147的优先权日的非临时申请。本申请和临时申请62/498,140是2014年6月27日提交的专利申请PCT/US2014/000153的部分延续案(CIP)，其是2013年6月27日提交的临时申请61/957,258的非临时申请。
技术领域
本发明涉及一种用于将图像投影到透视显示器的显示系统。本发明的目的是创造一种小而紧凑且低成本的透视显示器，例如眼镜显示器和平视显示器，以增强显示器的视窗。
背景技术
近年来，当智能手机被市场广泛接受后，可穿戴显示器受到关注。可穿戴显示器提供免提操作，并在与常规视线相同的距离内显示图像。可穿戴显示器有巨大的需求。然而，在过去，近视眼显示器如头戴式显示器，平视显示器和眼镜型显示器未能满足观察者的需求；因为它们通常太重，太大，太暗，分辨率低，不透视，昂贵，且成像小。市场需要轻，小，亮，分辨率高，透视，隐身，价格低廉且成像大的产品。本发明提供一种满足以上所有需求的新型显示系统。
如图1和图1A所示，Kasai等人在专利US7460286中公开了一种眼镜型显示系统，其利用全息光学元件实现了透视能力。该显示系统沿法线方向，从显示装置沿法线方向投影图像；更具体地说是从LCD显示器表面的垂直方向，进而包含图像的投射光被引入光波导并向观察者的眼睛反射。由于波导，视场和分辨率非常有限。
如图2和图2A所示，Mukawa等人在2008国际信息显示协会(SID)文摘，ISSN/008-0966X/08/3901-0089，“使用全息平面波导的全色眼镜显示器”中，公开了一种眼镜型显示系统，其利用两块全息光学元件板实现了透视能力。该系统也使用了限制分辨率和视场的波导。
如图3所示，Levola在2006SID文摘，0966X/06/3701-0064，“用于近眼显示器的新型衍射光学元件”中公开了另一种将LCD装置定位在两只眼睛中间的实施方案，但该方案仍然需要大的突出空间，这使其外形扩大。上述三种类型的显示器均使用全息光学元件(HOE)或衍射光学元件(DOE)，但这些原件都具有大色差，颜色串扰，大场曲像差和畸变像差等根本性问题。Mukawa等阐明了如何使用多个波导减少颜色串扰，但这使得系统更重、更厚，且光的利用效率将更低。Kasai等使用单个HOE，尽管仍然存在其他相差，但这有助于提高光利用效率；且其视场(FOB)必须很小以使得像差不会很明显。本发明将说明如何解决这些问题。
如图4和图4A所示，Li等人在专利US7369317中公开了一种可附接到眼镜的紧凑型显示器和相机模块。这也需要厚偏振分束器(PBS)，其FOB相当小，且其并非隐形的，显示器的存在非常明显。
诸如图1和图2所示的示例成功证明了具有透视图像的可穿戴显示器可以使用全息图和波导实现。然而，该二者均使用了LCD作为显示器，其显示器和光学部件体积庞大，无法置于眼镜腔内。另一方面，如图7和图8所示，提供了一种仅使用一个由静电或磁力驱动的反射镜的紧凑型激光束扫描仪，与2D像素阵列型显示器相比，其非常紧凑，但LBS投射的光束原则上非常窄，它创造了一个非常小的视窗，如图8所示，观察者可在其中看到图像。视窗[Eyebox)被定义为如图9所示的空间框(具有一定的长，宽，高)，观察者可在其中看到图像。小的视窗意味着显示器移动一小段距离，观察者即将丢失图像。这就要求观察者持稳显示器并进行紧密定位，并且经常导致不舒服的观看体验。如果显示器具有大的视窗，则观察者可以在视窗内自由移动而不会丢失图像。LBS投射非常窄的光束以获得高分辨率图像。如果该光束被屏幕反射和散射，其将为观察者提供一个大的视窗。但如果将其用作直接视网膜显示器(意味着窄光束直接进入眼睛并直击观察者的视网膜)，则光束的轻微偏移即可导致图像丢失。
图9示出了放大瞳孔扩展器(EPE)的示例，其扩大了显示器的视窗。如图10所示，一对微透镜阵列(MLA)被用于EPE。当这种EPE与图9中描述的中继透镜组合时，尽管LBS的显示装置很小，但是头戴式显示器单元将变得相当大，正如图11所示。
需要使用LBS减小用于可穿戴显示器的光学器件的尺寸。本发明提供了一种满足该需求的不需要使用EPE的解决方案。
发明内容
本发明的目的是使用自由形式的反射镜构建没有出瞳扩展器(EPE)的显示器，以实现低成本的紧凑型透视显示器，例如可穿戴显示器。
如图13所示，激光束1306通过孔径投射，用于引入激光束1301朝向激光束扫描器(LBS)1302，LBS通过改变反射镜的角度将光束反射并偏转到自由形态的反射镜。光束由自由形态的反射镜朝向平面1304反射并在平面处形成实像。该真实图像可以直接投影或通过中继镜头投影到合成器上，以在观察者面前创建虚像。
附图说明
图1是Kasai在其公开的与US7460286相关的技术报告中所示的现有技术的图像显示系统的剖视图。图1A是实际样品的照片，其成功地展示了透视能力。
图2和图2A由Mukawa等人示出于2008SID文摘中，ISSN/008-0966X/08/3901-0089，题为“使用全息平面波导的全彩眼镜显示器”。图2A中的可穿戴显示器样品成功地展示了透视能力。
图3是现有技术的另一个例子，由Levola公布于2006SID文摘中，ISSN0006-64.SID06 DIGEST 0966X/06/3701-0064，题为“用于近眼显示器的新型衍射光学元件”。
图4示出了另一种具有透视能力的可穿戴显示器的现有技术，该透视能力具有专利US7369317中描述的显示器和照相机。图4A是使用类似光学配置的示例。
图5示出了具有足够大的镜腿的眼镜的例子，以嵌入本发明的所有光学器件和电子器件。
图6是激光束扫描仪(LBS)的一个例子，其具有一个水平扫描弯曲部，用于水平扫描光束；另一个弯曲标记为“垂直扫描弯曲部”，用于垂直扫描光束。激光束被水平、垂直扫描以产生二维图像。
图7示出了具有驱动电路的LBS单元的示例。
图8是视网膜显示器的一个例子，其直接将激光束投射到人眼的视网膜中。但是该显示器具有极小的视窗，略微移动眼睛就将导致图像丢失，因为入射光束非常窄且观察者的瞳孔非常小(直径为2至3mm)。这就需要增大视窗。
图9示出了使用LBS，出瞳扩展器(EPE)和一组中继透镜以向观察者提供大视窗的显示器的示例。该现有技术在人眼前太大，并且难以用作透视显示器。
图10示出了两个微透镜阵列(MLA)用作EPE。(a)为单个微透镜阵列，其中每个微透镜发散入射光但强度均匀性(b)不够好(c)，因为微透镜的间距不一。(d)示出了双微透镜阵列(d)系统，其显示出强度均匀性(f)的显着改善。
图11显示了使用LBS，EPE和中继镜头的头戴式显示器的示例。
图12示出了EPE 1203和组合镜头1206的示例。
图13示出了本发明的一个实施例。通过孔径1301提供准直激光束并投射到激光束扫描器(LBS)1302。LBS将入射光束1306朝向自由形态的反射镜1303扫描，该自有形态的反射镜收敛准直光束1307并在1304处创建实像。因为标记为1304的平面上的图像是具有高数值孔径(NA)的实像，所以不需要任何漫射器或出瞳扩展器。
图14显示了本发明实施方案的一个示例。由自由形态的反射镜1404反射的光束在1404处产生具有高NA的实像。该实像可以由组合器1405反射，组合器1405组合图像1404和外部场景的图像以在一定距离处创建虚拟图像1407。在组合器反射之后，该光束被投射到眼睛，且具有宽度1406；其中，观察者可以看到图像。这个宽度为视窗的大小。
图15示出了使用图13所述的光束聚焦系统的本发明的实施方式的示例。凸镜1501在物镜1503之前产生实像1502。组合器1506创建具有大视窗的虚像1507。
具体实施方式
本发明的目的是使用自由形态的反射镜创建没有出瞳扩展器(EPE)的显示器，以实现低成本的紧凑型透视显示器，例如可穿戴显示器。
图13中示出了本发明的实施例的示例。激光束1306通过孔径投射，用于引入激光束1301朝向激光束扫描器(LBS)1302，LBS通过改变反射镜的角度将光束反射并偏转到自有形态的反射镜。自由形态的反射镜被定义为具有任意数学表面形状的反射镜，其表面不一定是球形或椭圆形。光束由自由形态的反射镜朝向平面1304反射并在该平面处形成实像。该实像可以直接投影或通过中继镜头投影到合成器上，以在观察者面前创建虚像。
图14中示出了本发明的实施例的另一个示例。由自由形式反射镜1404或1304形成的实像直接投射到组合器1405。光束反射至观察者1401的眼睛。通过沿相反方向延伸光束轨迹的反射线，可以创建虚像，如1407所示。观察者将看到远处的虚像1407，且眼睛1401可以在视窗1406内移动而不会丢失图像。
图15中示出了本发明实施例的另一个示例。一组中继透镜和反射镜1503，1504和1505设置于来自自由形态的反射镜和组合器1506的实像之间，并且反射光束被投射至观察者1507的眼睛。平面1502无任何物理物质。
图16示出了使用图15中的光学器件的显示器的示例。组合器被放置于眼前。所有光学元件都放置在眼镜腿中。
尽管已经结合特定的优选和替代实施例对本发明进行了描述，但是在阅读本申请之后，本领域技术人员将清楚许多另外的修改和变形。因此，鉴于现有技术，所附权利要求旨在尽可能广泛地解释为包括所有这些修改变形。

Claims (5)

1.一种透视显示系统，包括：
包括激光束扫描仪的显示装置；
驱动所述显示装置的电路；
具有发光组件的光源，所述发光组件选自包括激光，LED和OLED的组；
组合外部图像和显示图像的组合镜头；
自由形态的反射镜，其中所述自由形态的反射镜形成具有高数值孔径的实像，使得观察者能够在无物理出瞳扩展器的情况下在视窗内看到虚像。
2.根据 权利要求1所述的透视显示系统，其中：所述真实图像的数值孔径大于0.1。
3.根据权利要求1所述的透视显示系统，其中：在所述组合镜头和所述实像之间存在一组中继透镜，以提高所述虚像的分辨率。
4.根据权利要求1所述的透视显示系统，其中：所述显示系统为眼镜显示器。
5.根据权利要求1所述的透视显示系统，其中所述显示系统为平视显示器。
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