CN1324347C - 可佩戴的显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有用于输出以预定方式处理的信号的显示面板的可佩戴显示系统。该系统包括：用于引导从至少一个显示面板输出的至少一个信号的传播的至少一个波导；用于衍射传播通过至少一个波导的至少一个信号的多个光栅；用于放大由光栅衍射的至少一个信号的至少一个放大透镜。按照该系统，可以通过使光学元器件的数量最小化而实现更轻重量和紧凑的可佩戴显示系统，并且可以减少制造显示系统过程中的复杂性和成本。此外，可以通过将波导、光栅和目镜并为一体而大规模地生产显示系统，而且，可以通过共轭光栅消除色差。

Description

可佩戴的显示系统

                           技术领域

本发明涉及个人显示系统，特别是能够通过眼镜型或风镜型光学器件透射显示信号以在用户的眼附近的地方显示的可佩戴的显示系统。

                           背景技术

用在军事、医学或个人娱乐的传统光显示系统——通常被称为头戴式显示器(HMD)——已经被设计用来供用户通过眼镜型、风镜型或头盔型可佩戴器件来观看视频信号。这些个人显示系统使得用户可以在从一处到一处移动时接收视频信息。图1示出了HMD的外形的示例。参见图1，HMD由普通眼镜100和附在眼镜100中心的图像驱动单元110构成。驱动单元110体积大、重量高而且外形不美观。图像驱动单元110的大体积和高重量的原因在于构成该单元的多个光元件。

图2示出了一般HMD的结构。在图2中，HMD包括一个图像驱动单元200、一个显示面板210和一个光学系统220。图像驱动单元200存储从诸如个人计算机或视频器件(未示出)的外部来源接收的信号并处理该接收的信号以在诸如液晶显示器(LCD)面板的显示面板210上显示它。光学系统220使得显示在显示面板210上的该信号通过图像放大光学系统对用户的眼睛看起来是合适的虚像。HMD可以进一步包括其他头戴式器件或线缆用于从外部来源接收信号。

图3示出了图2的一般HMD的光学系统220的一般结构。传统的光学系统220包括准直透镜300、X棱镜310、聚焦透镜320、折叠式反射镜330和目镜透镜(或放大透镜)340。准直透镜300对从显示面板等发出的光(信号)准直。X棱镜310将在左右方向从准直透镜300接收的光变向。聚焦透镜320被单独地放在X棱镜310的左右以聚焦由X棱镜310变向的准直光。折叠式反射镜330将由聚焦透镜320聚焦的光反射到用户眼睛。目镜透镜(或放大透镜)340使得穿过上述光学元件的小信号出现到用户的眼睛中。此时，如果传播通过光学系统220的光是多色的，则必须使用去除色差的透镜作为目镜透镜340。

在一般的HMD可佩戴显示系统中，光学系统使用几个精确设计的光学元件，如准直透镜、X棱镜、聚焦透镜、折叠式透镜、目镜透镜等，如上所述。因此，很难制造一般的HMD可佩戴显示系统，即，这需要很多精力和时间。即使透镜和元件被设计得很精密，也可能发生将透镜和器件对准的附加困难。而且，必须额外设计专用的目镜透镜来消除彩色信号的色差。因此，一般的HMD可佩戴显示系统制造起来太昂贵。另外传统的光学系统由于使用多个光学器件而体积大、重量高，因此对于用户来说佩戴HMD不方便。

                       发明内容

为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种可佩戴的显示系统，它易于制造、利用光栅消除色差和实现三维图像。

因此，为了达到上述目的，本发明提供一种带有用于输出以预定方式处理的至少一个信号的至少一个显示面板的可佩戴显示系统，包括：用于引导从至少一个显示面板输出的至少一个信号的传播的至少一个波导；用于衍射传播通过至少一个波导的至少一个信号的多个光栅；用于放大由至少一个光栅衍射的至少一个信号的至少一个放大透镜；和至少一个快门，用于交替阻塞在波导中的至少一个信号，以产生一个三维图像，其中至少一个放大透镜是沿着至少一个波导的预定长度可移动的。

本发明还提供一种带有双筒结构的可佩戴显示系统，包括：一个信号传播穿过的波导；一个位于波导中心的显示面板，此显示面板用于输出信号；一个第一光栅，用于以预定衍射角在波导的左和右两个方向上衍射从显示面板输出并以预定入射角入射到第一光栅的信号；多个第二光栅，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度，衍射由第一光栅在波导的左右方向上衍射以传播通过波导并且以与第一光栅的预定衍射角相同的角度入射在第二光栅上的信号；多个放大透镜，用于放大由第二光栅衍射的信号；和至少一个快门，用于交替阻塞在波导中的信号以产生一个三维图像，其中每个放大透镜是沿着波导的预定长度可移动的。

本发明还提供一种带有双筒结构的可佩戴显示系统，包括：一个信号传播穿过的波导；两个分别位于波导的左右边的显示面板，每个显示面板用于输出信号；两个第一光栅，用于以预定衍射角在波导的左右两个方向上衍射从显示面板输出并以预定入射角入射到第一光栅的信号；多个第二光栅，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度衍射传播通过波导并且以与第一光栅的预定衍射角相同的角度入射在第二光栅上的信号；和多个放大透镜，用于放大由第二光栅衍射的信号。

本发明还提供一种带有双筒结构的可佩戴显示系统，包括：一个信号传播穿过的波导；两个分别位于波导的两端的显示面板，显示面板用于输出信号；两个邻近显示面板的第一光栅，分别用于以预定透射角将从显示面板发出并以预定入射角入射在第一光栅上的信号透射到波导中；多个与波导中的第一光栅垂直的第二光栅，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度衍射传播通过波导和以与第一光栅的预定透射角相同的角度入射在第二光栅上的信号；和多个放大透镜，用于放大由第二光栅衍射的信号。

本发明还提供一种带有单筒结构的可佩戴显示系统，包括：一个信号传播穿过的波导；一个位于波导的左端或右端的显示面板，此显示面板用于输出信号；一个第一光栅，用于以预定衍射角向波导中衍射从显示面板输出并以预定入射角入射到第一光栅的信号；一个与波导中的第一光栅垂直的第二光栅，此第二光栅用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度衍射传播通过波导并且以与第一光栅的预定衍射角相同的角度入射在第二光栅上的信号；和一个放大透镜，用于放大由第二光栅衍射的信号。

本发明还提供一种带有用于输出以预定方式处理的至少一个信号的至少一个显示面板的可佩戴显示系统，包括：用于引导从至少一个显示面板输出的至少一个信号的传播的至少一个波导；用于衍射传播通过至少一个波导的至少一个信号的多个光栅；用于放大由至少一个光栅衍射的至少一个信号的至少一个放大透镜，其中信号以时间差传播到用户的左和右眼，因此产生一个三维图象，其中至少一个放大透镜是沿着至少一个波导的预定长度可移动的。

                           附图说明

通过参照附图详细说明优选实施例，本发明的上述目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是传统头戴式显示器(HMD)的外部视图；

图2是一般传统HMD的示意图；

图3图2的一般传统HMD中光学系统的示意图；

图4A和4B示出了按照本发明的可佩戴显示系统；

图5是按照本发明的可佩戴显示系统的优选实施例的示意图；

图6图解了用于解释光栅间的共轭关系的示例；

图7A图解了光栅的一个示例；

图7B和7C分别图解了透射型光栅和反射型光栅；

图8A至8H示出了按照光栅类型和波导上的光栅布置的本发明的可佩戴显示系统的各种可能实施例；

图9示出了按照本发明的可佩戴显示系统的另一个实施例；

图10A和10B示出了按照本发明的可佩戴显示系统的其他优选实施例，其中显示面板附在波导的两边；

图11示出了按照本发明的可佩戴显示系统，它采用了快门来实现三维图像；

图12A和12B图解了按照本发明的在可佩戴显示系统中控制瞳孔间的距离(IPD)的一个应用；

图13示出了具有单筒结构的、按照本发明的可佩戴显示系统的优选实施例；

图14A和14H示出了依赖于光栅类型和波导上的光栅布置的、具有单筒结构的、按照本发明的可佩戴显示系统的各种可能实施例；

图15A和15B示出了具有单筒结构的、按照本发明的可佩戴显示系统的其他实施例；

图16A和16B图解了本发明中使用的通过光栅消除色差的方式；

图17A至17C示出了适用于现有发明的光栅；和

图18A至18E图解了各种目镜透镜的示例。

                       具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

图4A和4B分别是按照本发明的可佩戴显示系统的前视图和顶视图。在图4A和4B中，可佩戴显示系统有一个简单的结构，其中透镜400和显示面板410结合到一起。按照本发明的可佩戴显示系统有一个薄轻小的结构，因为与传统技术相比它使用了光栅和放大透镜。因此，按照本发明的可佩戴显示系统可以容易和方便地象眼镜一样佩戴，而不象现有的体积大和重的头盔型HMD那样。另外本发明提供了一种具有模块结构的可佩戴显示系统，其中模块可以附在和脱离传统的眼镜。图4A和4B中图解的可佩戴显示系统的外形仅仅是一个示例，还可以实现多种薄轻小的具有不同外观的可佩戴显示系统。

按照本发明的可佩戴显示系统可以被制造为双筒型或单筒型。双筒型设计使用户利用他或她的双眼来观看显示图像，而单筒型使用户可以利用他或她的仅仅一只眼来观看显示图像。在双筒型的情况下，可以获得三维图像(3D)显示，后面将详细说明。

首先，说明双筒型可佩戴显示系统。

图5是按照本发明的可佩戴显示系统的优选实施例的示意图。可佩戴显示系统包括：显示面板500、波导510、第一、第二和第三光栅520、522和524、放大透镜530和532。显示面板500输出从预定信号源(未示出)通过线路或无线波(未示出)接收的信号。波导510引导从显示面板500发射的光的传播。第一、第二和第三光栅520、522和524衍射穿过波导的光以便光可以最后传播到用户眼中。放大透镜530和532可以通过放大来自波导510并传播到用户眼中的光使得用户看见放大的图像。

在图5中，当从显示面板500发射的光以预定角度入射在波导510上时，被安装在显示面板500对面、波导上的光首先入射的区域的第一光栅520将从波导510向下的入射光在两个方向上衍射，以便入射光在波导510中有一个全内反射角θ。全内反射角由方程(1)计算：

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)...\left(1\right)$

其中数字1是空气折射率，n是波导510的材料的折射率。

在波导中传播的光的路径必须小于安装在用户眼前的放大透镜530和532的焦距f。例如，如果t是波导510的厚度，则n×t必须短于焦距f。然而，必须在考虑到可佩戴显示系统的目的(NED)的情况下按照放大的图像的期望尺寸而选择显示面板500的尺寸和放大透镜530和532的焦距和尺寸。随后，设计波导的整体结构并基于上述考虑而确定其类型和厚度和反射发生的次数。第一光栅520和第二光栅522、第一光栅520和第三光栅524分别具有共轭关系。即，如果光入射到第二和第三光栅522和524的每个的角度与光被第一光栅520衍射的角度相同，则第二和第三光栅522和524以相同的预定角度衍射入射光——光以此角度入射到第一光栅520。此时第二光栅522与第三光栅524相同。在与图5相关的实施例中，说明了具有一个显示面板和三个光栅的可佩戴显示系统，但是光栅和显示面板的数量在本发明中不限于此。

图6示意了在上述的光栅之间的共轭关系的示例。第一和第二光栅600和610必须有相同的栅线间距并且必须与波导平行放置。

图7A图解了光栅的衍射原理的示例。如果入射角为θ_i，衍射角为θ_d，而且光栅栅距为d，则获得下列方程：

$({\sin \mathrm{\θ}}_d-{\sin \mathrm{\θ}}_i)=m\frac{\mathrm{\λ}}{d}...\left(2\right)$

其中m是衍射级，λ是入射光的波长。衍射角可以通过改变光栅的形状和特性来控制。此时，如果从光栅衍射的光传播到波导中，光的衍射角必须满足内部全反射角的条件。

图7B和7C分别图解了透射型和反射型光栅。图7B中的透射型光栅将入射光改变θ角并在两个方向将其透射。例如，左方向上衍射的光为+1，右方向上衍射的光为-1。标记表示左/右方向，‘1’表示衍射级为‘1’。图7C中的反射型光栅在两个方向上以θ角反射入射光。

图8A示出了带有波导的可佩戴显示系统，在其上，显示面板802和第一、第二和第三光栅804被放置在用户眼方向的对面。以预定角度从显示面板802发出的光被变向并通过第一光栅804在波导的两个方向上透射，而且以与第一光栅804的衍射角相同的入射角分别入射在第二光栅806和第三光栅808上，此二光栅与第一光栅804有共轭关系。入射在第二光栅806和第三光栅808上的光被以与在第一光栅804上的入射角相同的角度反射并射向用户的眼睛。放大透镜被安装在反射光到达的波导800的左右面，用户可以通过放大透镜观看放大的信号。从此实施例中应注意到，第一光栅804是透射型，第二和第三光栅806和808是反射型。

图8B示出了可佩戴显示系统，其中显示面板812被安装在用户眼的对面方向，第一、第二和第三光栅814、816和818被放置在波导的边上——信号通过此边被透射到用户的眼睛。在波导中穿过波导810入射到第一光栅的814的光被以预定角度在两个方向上反射。反射光在波导810中传播，并以与光被第一光栅814衍射的预定角度相同的角度入射到第二和第三光栅816和818上，第二和第三光栅816和818与第一光栅814具有共轭关系。入射光被第二和第三光栅816和818以与第一光栅814的预定入射角度相同的角度透射并向用户的眼睛传播。预定放大透镜被安装在第二和第三光栅816和818上，并放大透射的信号。从此实施例应当注意到，第一光栅814是反射型，第二和第三光栅816和818是透射型。

图8C示出了可佩戴显示系统的结构，其中显示面板822被安装在用户的眼的方向，第一、第二和第三光栅824、826和828被安装在波导的边上，与信号经其透射到用户眼睛的边相对。从显示面板822通过波导820以预定入射角入射到第一光栅824的光被以预定反射角在第一光栅824在两个方向上反射。反射光在波导820的两个方向上传播并以与第一光栅824的反射角相同的角度入射到第二和第三光栅826和828上——第二和第三光栅826和828与第一光栅824具有共轭关系。入射到第二和第三光栅826和828的光被以与第一光栅824的入射角相同的角度反射，并传播向用户的眼睛。在反射光到达的波导820的两面安装了放大透镜，以便用户可以观看到放大信号。在此实施例中，第一、第二和第三光栅全是反射型。

图8D示出了可佩戴显示系统的结构，其中在波导830上在用户的眼的方向具有显示面板832和第一、第二和第三光栅834、836和838。从显示面板832以预定入射角入射到第一光栅834的信号光被以预定透射角在波导830中在两个方向上透射。透射光在波导830中传播并随后以与第—光栅834的透射角相同的角度入射到第二和第三光栅836和838上——第二和第三光栅836和838与第一光栅834具有共轭关系。入射光以与第一光栅834的预定入射角相同的角度而透射通过第二和第三光栅836和838的面，并传播向用户的眼睛。附在第二和第三光栅836和828上的放大透镜将待透射的信号放大。在此实施例中，第一、第二和第三光栅834、836和838全是透射型。

图8E图解了可佩戴显示系统的结构，其中在用户的眼的相对方向放置有显示面板842与第二和第三光栅846和848，第一光栅844放置于波导的边上，信号通过它被透射到用户的眼睛。从显示面板842产生并以预定入射角通过波导840入射到第一光栅844的光被以预定反射角从第一光栅844在两个方向上反射。反射光在波导840中的左右方向传播，并随后以与第一光栅844的反射角相同的角度入射到第二和第三光栅846和848上——第二和第三光栅846和848与第一光栅844具有共轭关系。入射光以与第一光栅844的预定入射角相同的角度而从第二和第三光栅846和848反射，并随后传播向用户的眼睛。附在反射光到达的波导840的两个面的放大透镜使得用户可以观看放大的信号。在此实施例中，第一、第二和第三光栅全是反射型。

图8F示出了可佩戴显示系统，其中在用户的眼的对面方向放置有显示面板852与第一光栅854，第二和第三光栅856和858被安装在波导的边上——信号通过此边被透射到用户的眼睛。从显示面板852入射到第一光栅854的光被以预定透射角在波导850的两个方向上透射。透射光在波导850中传播，并随后以与第一光栅854的透射角相同的角度入射到第二和第三光栅856和858上——第二和第三光栅856和858与第一光栅854具有共轭关系。入射光以与第一光栅的预定入射角相同的角度透射通过第二和第三光栅856和858的面，并随后传播向用户的眼睛。预定的放大透镜附在第二和第三光栅856和858上并放大透射信号。在此实施例中，第一、第二和第三光栅854、856和858全是透射型。

图8G示出了可佩戴显示系统，其中在用户的眼的方向放置有显示面板862与第二和第三光栅866和868，第一光栅864被安装在波导的与信号透射到用户的眼睛通过的边相对的边上。从显示面板862发出的光通过波导860入射到波导860中的第一光栅864上，并在波导的两个方向上以预定角被反射。反射光在波导860中传播，并以与第一光栅864的反射角相同的角度入射到第二和第三光栅866和868上——第二和第三光栅866和868与第一光栅864具有共轭关系。入射光以与第一光栅的预定入射角相同的角度透射通过第二和第三光栅866和868，并随后传播向用户的眼睛。附在第二和第三光栅866和868上的预定的放大透镜放大透过的信号。在此实施例中，第一光栅864是反射型，第二和第三光栅866和868是透射型。

图8H示出了可佩戴显示系统，其中在用户的眼的方向放置有显示面板872与第一光栅874，第二和第三光栅876和878被安装在波导的与信号透射到用户的眼睛通过的边相对的边上。从显示面板872发出的光以预定入射角度入射到第一光栅874上，并通过第一光栅874在波导870的两个方向上以预定透射角透射。在波导870中透射的光在波导的左右方向上传播，并随后以与第一光栅874的透射角相同的角度入射到第二和第三光栅876和878上——第二和第三光栅876和878与第一光栅874具有共轭关系。入射到第二和第三光栅876和878上的光以与第一光栅874的入射角相同的角度反射并随后传播向用户的眼睛。放大透镜附在反射光到达并使用户可以观看放大的信号的波导的左右边上。在此实施例中，第一光栅874是透射型，第二和第三光栅876和878是反射型。

如上所述，可以注意到，可以依赖于显示面板和光栅在波导上如何放置而实现各种可佩戴显示系统。在实施例中，如图8A、8B、8E和8F所示，最好显示面板被放置在波导的与信号经其透射到用户眼睛的边相对的边上。

图9图解了采用两个显示面板的按照本发明的可佩戴显示系统的另一个实施例。从此系统的结构可以注意到，显示面板920和922被放置在波导的左右方向的较低的部分而不是其中心。第一光栅926和928被分别与显示面板920和922平行安装。与第一光栅926和928有共轭关系的第二光栅930和932被放置在波导924中心附近的用户眼睛的相对方向上。从显示面板920和922发出的信号的光在波导中以预定的透射角通过第一光栅926和928而透射，并且透射的光以与透射角相同的角度入射在第二光栅930和932上。入射在第二光栅930和932上的光在波导924上被以与第一光栅的入射角相同的角度反射并使得反射光传播向用户的眼睛。放大透镜(未示出)被放置在波导的反射光到达的面上并放大图象。在此实施例中，第一光栅926和928是透射型的而第二光栅930和932是反射型的。各种可佩戴显示系统的结构可以通过图9中包括的组件的不同组合而产生，就象各种结构的可佩戴显示系统是通过如图8A-8H所示显示面板的位置和光栅的类型和位置的不同组合而产生的。图8和9示出了一个或两个显示面板与预定数量的对于显示面板足够的光栅的组合，但是显示面板和光栅的数量可以依赖于设计而增加。在此情况下，可佩戴显示系统的多个不同结构可以通过如图8A-8H所示显示面板的位置和光栅的类型和位置的各种组合而产生。

图10A示出了带有安装在波导的两端的显示面板的可佩戴显示系统的实施例。在此结构中，显示面板1000和1002被放置在波导1004的相对的端而不是在边上。第一光栅1006和1008与显示面板1000和1002平行安装。第二光栅1010和1012——与第一光栅有共轭关系——被放置在波导1004的中心附近用户眼睛的相对的方向。从显示面板1006和1008发出的信号的光通过第一光栅1006和1008透射到波导1004中，而且透射光以与透射角相同的角度入射到第二光栅1010和1012。入射到第二光栅1010和1012的光被以与第一光栅的入射角相同的角度反射并使得反射光照向用户的眼睛。在反射光到达的波导的表面，放置放大透镜(未示出)来放大图象。在此实施例中，第一光栅1006和1008是透射型的，第二光栅1010和1012是反射型的。

图10B是在图10A中图解的可佩戴显示系统的另一个实施例，即结构相同但是光栅类型不同。如图10A所示，显示面板1020和1022被放置在波导的两边而不是在边上，第一光栅1026和1028被与显示面板1020和1022平行安装。第二光栅1030和1032——与第一光栅1026和1028有共轭关系——被放置在波导1024中心附近的用户眼睛的方向。从显示面板1020和1022发出的光以预定角度由第一光栅1026和1028透射进波导1024中，透射光以与第一光栅1026和1028相同的透射角入射到第二光栅1030和1032上。入射到第二光栅1030和1032的光以与第一光栅的入射角相同的角度透射并传播向用户的眼睛。透射光通过附在第二光栅1030和1032靠外的边的放大透镜(未示出)而放大。在此实施例中，第一光栅1026和1028以及第二光栅1030和1032全是透射型。

图11图解了采用快门来实现三维图象的按照本发明的可佩戴显示系统。图11的例子是实现了的与图8E相关的三维图象的例子。可以在所有的具有上述结构的可佩戴显示系统中使用快门。用于阻塞在波导的两个方向上传播的光的快门1100和1110在不同时间交替开启和闭合，以便相同的图象在不同时间到达用户的眼睛，因此产生图象看起来象三维图象的效果。虽然在图11中未示出，仅在左或右边中一边带有快门的可佩戴显示系统可以产生相同的三维效果。

如上所述，当同一图象以时间差到达用户的眼睛时实现三维图象。在带有不同折射率的媒体被用作光在其中传播的左右波导的情况下，左和右光栅的栅格间隔不同，或左和右光栅的数量不同，左和右衍射角变得相互不同，因此光传播的距离改变了。作为结果，时间差在进入用户眼睛的最后信号中产生，因此可以获得三维图象效果。当使用在左右两边具有不同媒体的波导时，必须考虑到入射到第一光栅的衍射角依赖于波导的媒体类型的不同而在左和右边不同来栅距第二和第三光栅。而且，必须当左和右光栅的数量不同地设置时在设计光栅过程中考虑衍射角。此时，必须选择波导媒体和必须在假设当全内反射发生时形成衍射角的情况下设计光栅。另一种获得三维图象的方法是使得相同的信号以预定时间差利用两个显示面板而到达用户眼睛。

图12A示出了按照本发明的可佩戴显示系统的一个示例，它可以控制瞳孔间的距离(IPD)。大多数成年男人和女人的IPD的范围从50毫米到74毫米。如果用户佩戴的可佩戴显示系统的被设计成针对不同IPD而不同，则左和右图象看起来会不同而且相互重叠，结果是与佩戴适合用户的IPD的可佩戴显示系统的时候相比产生眼睛疲劳。因此。为了调节IPD以使得图象显示更清楚，可佩戴显示系统的放大透镜1200和1210可以移动到与眼瞳孔相对应的位置。

图12B图解了可佩戴显示系统的示例，其中包括带有锯齿部件和锯齿放大透镜1200和1210——它们可以与波导1230相结合或相分离——的波导1230，使得用户可以沿着波导1230将放大透镜1200和1210移动预定的距离。这里，放大透镜1200和1210的宽度必须比用于衍射信号的光栅的宽度要窄，而且，放大透镜1200和1210必须仅可在与光栅宽度相同的距离内移动。

图13是带有单筒结构的可佩戴显示系统的实施例。单筒可佩戴显示系统使用了与图5的双眼显示系统相同的结构和原理，除了它使得用户可以仅以一只眼睛观看图象。单筒显示系统包括显示面板1300、波导1310、第一光栅1320、第二光栅1330和目镜1340。显示面板1300输出通过线路或无线电波从预定信号源(未示出)收到的信号。波导1310使得从显示面板1300发出的信号在一个方向上传播。第一和第二光栅1320和1330衍射穿过波导1310的信号并最终使得信号照向用户的眼睛。这里，第一光栅1320和第二光栅1330具有如上所述的共轭关系，这意味着当以预定入射角入射到第一光栅1320的光被以预定角衍射时，传播通过波导1310的光以与第一光栅1320的衍射角相同的角度入射到第二光栅1322，并且以与第一光栅1320的预定入射角相同的角度被衍射。放大透镜1340将从波导1310发出的信号放大以便对用户来说图象出现得更大。

图14A-H图解了各种可能的依赖于光栅类型和在波导上的布置的单筒可佩戴显示系统的实施例。

图14A示出了单筒可佩戴显示系统的结构，其中显示面板1402与一和第二光栅1404和1406被放置在波导1400上用户眼睛的相对方向上。从显示面板发出的光以预定角度入射到第一光栅1402上，并随后在波导中的左方向通过第一光栅1404透射，然后以与第一光栅1404的入射角相同的角度入射到第二光栅1406上，第二光栅与第一光栅1404成共轭关系。入射到第二光栅1406的光被以与第一光栅1404的入射角相同的角度反射，并照向用户的眼睛。在光到达的波导1400的表面，安装了一个放大透镜，使得用户可以看到放大的信号。在此实施例中，第一光栅1404是投射型。第二光栅1406是反射型。

图14B示出了单筒可佩戴显示系统，其中显示面板1412被放置在用户眼睛的对面方向，第一和第二光栅1414和1416被安装在经其波导1410的信号透射到用户眼睛所通过的边。以预定入射角入射到波导1410中第一光栅1414的光被以预定反射角向波导的左方向反射。反射光在波导中传播并以与第一光栅1414的反射角相同的角度入射到第二光栅1416上，第二光栅1416与第一光栅1414具有共轭关系。入射光以与第一光栅的预定入射角相同的角度透射出第二光栅1416并照向用户的眼睛。预定的放大透镜被附在第二光栅1416上并放大要透射的信号。在此实施例中，第一光栅1414是反射型的，第二光栅1416为透射型的。

图14C示出了单筒可佩戴显示系统，其中显示面板1422被放置在用户眼睛的方向，第一和第二光栅1424和1426被安装在波导1420上信号透射到用户眼睛所通过的边的相对的边上。从显示面板1422发出并以预定入射角通过波导1420入射到第一光栅1424的光被以预定反射角在波导1420的左方向反射。反射光在波导1420的左方向传播，并随后以与第一光栅1424的反射角相同的角度入射到第二光栅1426上，第二光栅1426与第一光栅1424具有共轭关系。入射在第二光栅1426的光被反射，并以与第一光栅的入射角相同的角度传播到用户的眼睛。放大透镜被附在波导1420的表面上，并使得用户可以观看放大的信号。在此实施例中，第一和第二光栅1424和1426全是反射型的。

图14D示出了单筒可佩戴显示系统的结构，其中显示面板1432、第一和第二光栅1434和1436被安装在波导1430上信号透射到用户眼睛所通过的边。从显示面板1432发出并以预定入射角入射到第一光栅1434的信号的光被以预定透射角透射到波导1430中的左方向。透射光在波导1430中传播，并以与第一光栅1434的透射角相同的角度入射到第二光栅1436上，第二光栅1436与第一光栅1434具有共轭关系。入射光被以与第一光栅1434的预定入射角相同的角度透射通过第二光栅1436并传播到用户的眼睛。放大透镜被附在第二光栅1436上并放大要透射的信号。在此实施例中，第一和第二光栅1434和1436全是透射型的。

图14E示出了单筒可佩戴显示系统的结构，其中显示面板1442和第二光栅1446被放置在用户眼睛的相对方向上，第一光栅1444被安装在波导1440上信号透射到用户眼睛所通过的边。从显示面板1442发出并以预定入射角通过波导1440入射到第一光栅1444的光被由第一光栅1444以预定反射角向左方向反射。反射光在波导1440的左方向传播，并以与第一光栅1444的反射角相同的角度入射到第二光栅1446上，第二光栅1446与第一光栅1444具有共轭关系。入射光被以与第一光栅的预定入射角相同的角度由第二光栅1446反射并传播到用户的眼睛。放大透镜被附在波导1440的表面上并使得用户可以观看放大的信号。在此实施例中，第一和第二光栅1444和1446全是反射型的。

图14F示出了单筒可佩戴显示系统的结构，其中显示面板1452和第一光栅1454被放置在用户眼睛相对的方向上，第二光栅1456安装在波导1450上信号透射到用户眼睛所通过的边。从显示面板1452以预定入射角入射到第一光栅1454的信号的光被以预定透射角透射到波导1450中的左方向。透射光在波导1450中传播，并以与第一光栅1454的透射角相同的角度入射到第二光栅1456上，第二光栅1456与第一光栅1454具有共轭关系。入射光被以与第一光栅的预定入射角相同的角度透射通过第二光栅1456，并传播到用户的眼睛。放大透镜被附在第二光栅1456上并放大要透射的信号。在此实施例中，第一和第二光栅1454和1456全是透射型的。

图14G示出了单筒可佩戴显示系统的结构，其中显示面板1462和第二光栅1466被放置在波导1460上信号透射到用户眼睛和第一光栅1464所通过的边的相对的边。以预定入射角通过波导1460入射到第一光栅1464的光被以预定反射角向左方向反射。反射光在波导1460中传播并随后以与第一光栅1464的反射角相同的角度入射到第二光栅1466上，第二光栅1466与第一光栅1464具有共轭关系。入射光被以与第一光栅的预定入射角相同的角度透射通过第二光栅1466并传播到用户的眼睛。放大透镜被附在第二光栅1466上并放大要透射的信号。在此实施例中，第一光栅1464是反射型的，第二光栅1466是透射型的。

图14H示出了单筒可佩戴显示系统的结构，其中显示面板1472和第一光栅1474被放置在用户眼睛的方向上，第二光栅1476被安装在波导1470的信号透射到用户眼睛所通过的边。以预定入射角从显示面板1472发出的光被以预定透射角通过第一光栅1474透射到波导1470中的左右方向上。透射到波导1470中的光在波导1460中的左方向传播，并随后以与第一光栅1474的透射角相同的角度入射到第二光栅1476上，第二光栅1476与第一光栅1474具有共轭关系。入射到第二光栅1476的光被以与第一光栅1474的入射角相同的角度反射并传播到用户的眼睛。放大透镜被附在波导1470的表面上并使得用户可以观看放大的信号。在此实施例中，第一光栅1474是透射型的，第二光栅1476是反射型的。

如上所述，可以注意到多种单筒可佩戴显示系统可依赖于显示面板和波导上光栅的布置而实现。因此，有可能产生具有与以上说明的实施例相同的结构的其他的实施例，但是光的传播方向不同，即光在右方向传播。

图15A是单筒可佩戴显示系统的另一个实施例。在此实施例中显示面板1500被放置在波导1504的端上，第一光栅1506被与显示面板1500平行放置。第二光栅1508位于波导1504的中心的用户眼睛的相对方向上，第二光栅与第一光栅1506具有共轭关系。从显示面板1500发出的信号的光以预定入射角入射到第一光栅1506，并随后以预定透射角通过第一光栅1506透射到波导1504。透射光随后以与透射角相同的角度入射到第二光栅1510上。入射到第二光栅1510的光被以与第一光栅1506的预定入射角相同的相对于第二光栅1510的角度反射并传播到用户的眼睛。放大透镜(未示出)被附在反射光到达的波导1504的表面上并放大信号。在此实施例中，第一光栅1506是透射型的，第二光栅1508是反射型的。

图15B是与图15A具有相同结构但采用了不同类型的光栅的单筒可佩戴显示系统的又一个实施例。同样在此实施例中，显示面板1520被放置在波导1524的端上，第一光栅1526被与显示面板1520平行放置。第二光栅1530被放置在波导1524的中心的用户眼睛的方向上，第二光栅1530与第一光栅1526具有共轭关系。从显示面板1520发出的信号的光以预定入射角入射到第一光栅1526，并随后以预定透射角通过第一光栅1526透射到波导1524，透射光以与透射角相同的角度入射到第二光栅1530上。入射到第二光栅1530的光被以与第一光栅1526的入射角相同的相对于第二光栅1530的角度反射并传播到用户的眼睛。放大透镜(未示出)被附在反射光到达的波导1524的表面上并放大信号。在此实施例中，第一光栅1526和第二光栅1530全是透射型的。

在图15A和15B中，显示面板位于波导的左端。然而显示面板的位置可以根据设计而不同。在此情况下，第一光栅不必放置在放置显示面板的波导的相同的端。

三维图象可以通过同时佩戴上述的两个单筒可佩戴显示系统而实现，每只眼带一个，因此相同的信号被以时间差显示在两个单筒可佩戴显示系统上因此可以获得一个三维图象。

图16A和16B图解了本发明中使用的通过光栅消除色差。色差当入射彩色信号的R、G和B分量的焦点未聚合在一点时发生，即，在不同的地方形成不同的彩色图象。在彩色图象通过本发明使用的光栅传播时，不同的信号可以通过将具有共轭关系的光栅相结合而被聚焦在一处。

参见图16A，第一光栅1600和第二光栅1610都是透射型的，入射彩色信号的R、G和B彩色分量以不同的透射角透射通过第一光栅1600。每个透射的彩色分量以与第一光栅1600的透射角相同的角度入射在第二光栅1610上，以与第一光栅的入射角相同的入射角透射通过第二光栅1610，并随后与其他平行而入射在诸如目镜透镜的放大透镜1620上。每个平行到达放大透镜1620的彩色分量被通过放大透镜1620以相同的焦距聚焦，因此消除了色差。

图16B示出了以预定角角度入射在第一光栅1630的入射信号的R、G和B分量，此时第一和第二光栅1630和1640为透射型光栅。以预定角度入射在第一光栅1630的R、G和B分量以不同的透射角传播，并以与透射角相同的角度入射在第二光栅1640上。每个入射彩色分量以与第一光栅1630的预定入射角相同的角度通过第二光栅1640，并随后平行入射在诸如目镜透镜的放大透镜1650上。放大透镜1650使得平行入射的彩色分量以相同的焦距聚焦，因此消除了色差。色差的消除通过上述的具有共轭关系的光栅获得。

上述可佩戴显示系统可以通过将波导和光栅或波导和目镜透镜或波导和光栅及目镜透镜合并到一体中而实现。

上述的波导由玻璃或塑料或特别地，由丙烯基底(PMMA)构成。

放大透镜可以由全息光学元件(HOE)或衍射光学元件(DOE)制造。衍射透镜、折射透镜、衍射透镜和折射透镜的结合或非球面镜可以用作放大透镜。

图17A至17C图解了可以在本发明中使用的光栅的类型。图17A示出了用于在两个方向上衍射光的矩形二相光栅。图17B示出了锯齿形的仅在一个方向上衍射光的铜焊型光栅。图17C示出了多层的被设计来增进衍射效率的光栅。除了这些类型之外，还可以采用全息光栅。这些光栅可以由HOE和DOE制造。

图18A至18E图解了多种目镜透镜。

按照上述的本发明，可以通过使光学元器件的数量最小化而实现更轻重量和紧凑的可佩戴显示系统，并且可以减少制造显示系统过程中的复杂性和成本。此外，可以通过将波导、光栅和目镜透镜并为一体而大规模地生产显示系统，而且，可以通过共轭光栅消除色差。

Claims (38)

1.一种带有用于输出以预定方式处理的至少一个信号的至少一个显示面板的可佩戴显示系统，包括：

用于引导从至少一个显示面板输出的至少一个信号的传播的至少一个波导；

用于衍射传播通过至少一个波导的至少一个信号的多个光栅；

用于放大由至少一个光栅衍射的至少一个信号的至少一个放大透镜；和

至少一个快门，用于交替阻塞在波导中的至少一个信号，以产生一个三维图像，

其中至少一个放大透镜是沿着至少一个波导的预定长度可移动的。

2.如权利要求1所述的可佩戴显示系统，其中多个光栅包括：

至少一个第一光栅，用于衍射从至少一个显示面板输出的至少一个信号，以便至少一个信号传播通过至少一个波导；和

至少一个第二光栅，用于衍射在被至少一个第一光栅衍射后传播通过至少一个波导的至少一个信号。

3.如权利要求1所述的可佩戴显示系统，其中多个光栅包括：

至少一个第一光栅，用于以预定反射角反射从至少一个显示面板输出并以预定入射角入射在至少一个第一光栅上的至少一个信号；

至少一个第二光栅，用于以与至少一个第一光栅的预定入射角相同的角度，反射传播穿过至少一个波导并以与至少一个第一光栅的预定反射角相同的角度入射在至少一个第二光栅上的至少一个信号。

4.如权利要求1所述的可佩戴显示系统，其中多个光栅包括：

至少一个第一光栅，用于以预定透射角透射从至少一个显示面板输出并以预定入射角入射在至少一个第一光栅上的至少一个信号，以传播通过至少一个波导；

至少一个第二光栅，用于以与至少一个第一光栅的预定入射角相同的角度，透射传播穿过至少一个波导并以与至少一个第一光栅的预定透射角相同的角度入射在至少一个第二光栅上的至少一个信号。

5.如权利要求1所述的可佩戴显示系统，其中多个光栅包括：

至少一个第一光栅，用于以预定反射角反射从至少一个显示面板输出并以预定入射角入射在至少一个第一光栅上的至少一个信号；

至少一个第二光栅，用于以与至少一个第一光栅的预定入射角相同的角度，透射传播穿过至少一个波导并以与至少一个第一光栅的预定反射角相同的角度入射在至少一个第二光栅上的至少一个信号。

6.如权利要求1所述的可佩戴显示系统，其中多个光栅包括：

至少一个第一光栅，用于以预定透射角透射从至少一个显示面板输出并以预定入射角入射在至少一个第一光栅上的至少一个信号；

至少一个第二光栅，用于以与至少一个第一光栅的预定入射角相同的角度，反射传播穿过至少一个波导并以与至少一个第一光栅的预定透射角相同的角度入射在至少一个第二光栅上的至少一个信号。

7.一种带有双筒结构的可佩戴显示系统，包括：

一个信号传播穿过的波导；

一个位于波导中心的显示面板，此显示面板用于输出信号；

一个第一光栅，用于以预定衍射角在波导的左和右两个方向上衍射从显示面板输出并以预定入射角入射到第一光栅的信号；

多个第二光栅，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度，衍射由第一光栅在波导的左右方向上衍射以传播通过波导并且以与第一光栅的预定衍射角相同的角度入射在第二光栅上的信号；

多个放大透镜，用于放大由第二光栅衍射的信号；和

至少一个快门，用于交替阻塞在波导中的信号以产生一个三维图像，

其中每个放大透镜是沿着波导的预定长度可移动的。

8.如权利要求7所述的可佩戴显示系统，其中第一光栅邻近显示面板并且是透射型的，用于以预定透射角在波导的左右方向上透射从显示面板输出并以预定入射角入射在第一光栅的信号。

9.如权利要求8所述的可佩戴显示系统，其中每个第二光栅是反射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度，反射传播通过波导并以与第一光栅的预定透射角相同的角度入射在第二光栅上的信号。

10.如权利要求8所述的可佩戴显示系统，其中每个第二光栅是透射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度，透射传播通过波导并以与第一光栅的预定透射角相同的角度入射在第二光栅上的信号。

11.如权利要求7所述的可佩戴显示系统，其中第一光栅位于波导中的显示面板的对面而且是反射型的，用于以预定反射角在波导中的左右两个方向上反射从显示面板输出的以预定入射角入射在第一光栅上的信号。

12.如权利要求11所述的可佩戴显示系统，其中每个第二光栅是透射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度，透射传播通过波导并以与第一光栅的预定反射角相同的角度入射在第二光栅上的信号。

13.如权利要求11所述的可佩戴显示系统，其中每个第二光栅是反射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度，反射传播通过波导并以与第一光栅的预定反射角相同的角度入射在第二光栅上的信号。

14.一种带有双筒结构的可佩戴显示系统，包括：

一个信号传播穿过的波导；

两个分别位于波导的左右边的显示面板，每个显示面板用于输出信号；

两个第一光栅，用于以预定衍射角在波导的左右两个方向上衍射从显示面板输出并以预定入射角入射到第一光栅的信号；

多个第二光栅，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度衍射传播通过波导并且以与第一光栅的预定衍射角相同的角度入射在第二光栅上的信号；和

多个放大透镜，用于放大由第二光栅衍射的信号。

15.如权利要求14所述的可佩戴显示系统，其中每个第一光栅邻近各自的显示面板并且是透射型的，用于以预定透射角在波导的左或右方向上透射从各自的显示面板输出并以预定入射角入射在第一光栅的信号。

16.如权利要求15所述的可佩戴显示系统，其中每个第二光栅是反射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度，反射传播通过波导并以与第一光栅的预定透射角相同的角度入射在第二光栅上的信号。

17.如权利要求15所述的可佩戴显示系统，其中每个第二光栅是透射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度，透射传播通过波导并以与第一光栅的预定透射角相同的角度入射在第二光栅上的信号。

18.如权利要求14所述的可佩戴显示系统，其中每个第一光栅位于波导中的每个显示面板的对面而且是反射型的，用于以预定反射角在波导中的左或右方向上反射从显示面板输出的以预定入射角入射在第一光栅上的信号。

19.如权利要求18所述的可佩戴显示系统，其中每个第二光栅是反射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度反射传播通过波导并以与第一光栅的预定反射角相同的角度入射在第二光栅上的信号。

20.如权利要求18所述的可佩戴显示系统，其中每个第二光栅是透射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度透射传播通过波导并以与第一光栅的预定反射角相同的角度入射在第二光栅上的信号。

21.如权利要求14所述的可佩戴显示系统，其中一个第一光栅邻近一个显示面板并且是透射型的，用于以预定透射角透射从所述一个显示面板输出并以预定入射角入射在所述一个第一光栅的信号；而另一个第一光栅位于另一个显示面板的相对的边并且是反射型的，用于以预定反射角反射从所述另一个显示面板输出并以预定入射角入射在所述另一个第一光栅的信号。

22.如权利要求21所述的可佩戴显示系统，其中每个第二光栅是透射型的。

23.如权利要求21所述的可佩戴显示系统，其中每个第二光栅是反射型的。

24.如权利要求14所述的可佩戴显示系统，还包括至少一个快门，用于交替阻塞在波导中的信号以产生一个三维图像。

25.如权利要求14所述的可佩戴显示系统，其中每个放大透镜是沿着波导的预定长度可移动的。

26.一种带有双筒结构的可佩戴显示系统，包括：

一个信号传播穿过的波导；

两个分别位于波导的两端的显示面板，显示面板用于输出信号；

两个邻近显示面板的第一光栅，分别用于以预定透射角将从显示面板发出并以预定入射角入射在第一光栅上的信号透射到波导中；

多个与波导中的第一光栅垂直的第二光栅，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度衍射传播通过波导和以与第一光栅的预定透射角相同的角度入射在第二光栅上的信号；和

多个放大透镜，用于放大由第二光栅衍射的信号。

27.如权利要求26所述的可佩戴显示系统，其中每个第二光栅反射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度反射入射信号。

28.如权利要求26所述的可佩戴显示系统，其中每个第二光栅是透射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度透射入射信号。

29.如权利要求26所述的可佩戴显示系统，其中显示面板可以以彼此之间的时间差显示信号以产生三维图象。

30.如权利要求26所述的可佩戴显示系统，还包括至少一个快门，用于交替阻塞在波导中的至少一个信号以产生一个三维图像。

31.如权利要求26所述的可佩戴显示系统，其中放大透镜是沿着至少一个波导的预定长度可移动的。

32.一种带有单筒结构的可佩戴显示系统，包括：

一个信号传播穿过的波导；

一个位于波导的左端或右端的显示面板，此显示面板用于输出信号；

一个第一光栅，用于以预定衍射角向波导中衍射从显示面板输出并以预定入射角入射到第一光栅的信号；

一个与波导中的第一光栅垂直的第二光栅，此第二光栅用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度衍射传播通过波导并且以与第一光栅的预定衍射角相同的角度入射在第二光栅上的信号；和

一个放大透镜，用于放大由第二光栅衍射的信号。

33.如权利要求32所述的可佩戴显示系统，其中第一光栅被放置在波导中的显示面板对面并且是反射型的，用于以预定反射角在波导中反射从显示面板输出的以预定入射角入射在第一光栅上的信号。

34.如权利要求33所述的可佩戴显示系统，其中第二光栅是透射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度透射传播通过波导并以与第一光栅的预定反射角相同的角度入射在第二光栅上的信号。

35.如权利要求32所述的可佩戴显示系统，其中第一光栅邻近显示面板，第一光栅是透射型的，用于以预定透射角在波导中透射从显示面板输出的以预定入射角入射在第一光栅上的信号。

36.如权利要求35所述的可佩戴显示系统，其中第二光栅是透射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度透射传播通过波导并以与第一光栅的预定透射角相同的角度入射在第二光栅上的信号。

37.如权利要求35所述的可佩戴显示系统，其中第二光栅是反射型的，用于以与第一光栅的预定入射角相同的角度反射传播通过波导并以与第一光栅的预定透射角相同的角度入射在第二光栅上的信号。

38.一种带有用于输出以预定方式处理的至少一个信号的至少一个显示面板的可佩戴显示系统，包括：

用于引导从至少一个显示面板输出的至少一个信号的传播的至少一个波导；

用于衍射传播通过至少一个波导的至少一个信号的多个光栅；

用于放大由至少一个光栅衍射的至少一个信号的至少一个放大透镜，

其中信号以时间差传播到用户的左和右眼，因此产生一个三维图象，

其中至少一个放大透镜是沿着至少一个波导的预定长度可移动的。

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