用于增大视窗的可穿戴显示器的光学器件的制作方法

本申请是要求于2016年12月15日提交的先前提交的临时申请62/498,140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。

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。本发明的目的是为诸如眼镜显示器和平视显示器之类的投影显示器创建紧凑且低成本的epe（出射光瞳扩展器），以扩大显示器的视窗。

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的示例成功地向公众证明使用全息图和波导的具有透视图像的可穿戴显示器是可能的。然而，他们都使用lcd作为显示器，并且它们具有庞大的显示器和不能设置在眼镜腿内的光学部分。另一方面，如图7和图8所示，开发了仅使用由静电或磁力驱动的一个镜子的紧凑型激光束扫描仪（lbs），且与2d像素阵列类型的显示器相比，它非常紧凑。但是从lbs投射的光束基本上非常窄，并且它产生极小的视窗，其中观看者可以看到如图8所示的图像。视窗被定义为空间框（宽*长*高），观察者可在其中看到图像，如图9所示。小视窗意味着显示器移动一小段距离，观看者将丢失图像。这需要对观看者进行紧密定位以保持显示并且经常导致观看时的不适。如果显示器具有大的视窗，则观看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。如果光束被屏幕反射和散射，它将为观看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撞击观察者的视网膜），光束的轻微偏移将导致图像的丢失。

图9示出了出射光瞳扩展器（epe）的一个实施例，其扩大了显示器的视窗。将一对微透镜阵列（mla）用于epe，如图10所示。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，但是如图11所示，头戴式显示器单元将变得相当大。

因此，需要使用lbs减小用于可穿戴显示器的epe和光学器件的尺寸。本发明提供了一种新的和改进的装置和方法作为满足这种需要的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是为诸如眼镜显示器和平视显示器之类的投影显示器创建紧凑且低成本的epe（出射光瞳扩展器），以扩大显示器的眼睛框。

如图11所示，本发明的一个实施例是包括多个微小的孔的epe，这些孔在遮光罩中引起夫琅和费衍射，使得入射光束将通过这些孔发散。

另一个例子是使用记录有一对相干光束的全息图的epe，其中一个光束进行会聚而另一个光束从相同的方向进行准直，如图14所示。

另一个例子是由用一对相干光束记录的全息图制成的epe，其中一个光束进行会聚而另一个光束被准直，但是对于每个曝光的位置控制全息图的入射角。使用fθ透镜的例子如图15至图15c所示。

附图说明

图1是kasai在其公开的与us7460286有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性能。

图2和图2a示出了mukawa等人在2008国际信息显示协会（sid）文摘，issn/008-0966x/08/3901-0089中的“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性能。

图3是现有技术的另一个例子，并且由levola报道在2006国际信息显示协会（sid）文摘，issn0006-64·sid06digest0966x/06/3701-0064的“用于近眼显示器的新型衍射光学元件”中。

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以嵌入本发明的所有光学器件和电子器件的眼镜的例子，因此显示器的存在不明显。

图6是激光束扫描仪（lbs）的一个例子，其中有一个可以水平地扫描光束的ginbal镜（标记为“水平扫描弯曲部”），另一个弯曲部标记为可以垂直地扫描光束的“垂直扫描弯曲部”。水平和垂直扫描激光束以产生二维图像。

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，它直接将激光束投射到人眼的视网膜中。但是这个显示器具有极小的视窗，并且眼睛的轻微移动将导致图像丢失，因为入射光束非常窄并且观察者的瞳孔非常小（直径为2至3mm）。这需要增大视窗。

图9示出了使用lbs的显示器的一个例子。出射光瞳扩展器（epe）和一组中继透镜向观看者提供大的视窗。该现有技术在人眼前的视窗太大，并且难以用作透视显示器。

图-10示出了将两个微透镜阵列（mla）用作epe。（a）是单个微透镜阵列，其中每个微透镜发散入射光，但由于微透镜的粗糙间距（c）导致强度的均匀性（b）不够好，（d）示出了双重微透镜阵列（d）系统，其显示出强度均匀性的显着改善（f）。

图11示出了使用lbs、epe和中继镜头的头戴式显示器的示例。

图12示出了本发明的一个例子，与如图9的现有技术相比，它提供了一个非常小的epe（1203）和一个组合镜头（1206）。在图13中将更详细地解释了epe（1203）。

图13示出了本发明的一个例子，其中epe（1301）包括具有多个孔（1306）的遮光罩和对传入的发散光束进行准直的全息光学元件（hoe），其中这些孔小到足以引起入射激光束通过夫琅和费衍射发生衍射（1305）。

图14示出了本发明实施例的一个实例。一种由全息图制成的epe包括接收准直光束和透射发散光束的微全息图阵列。图14示出了如何记录这种全息图。标记为1401和1402的激光束是入射相干光束，其中一个是会聚光束，另一个是准直光束，它们都从同一方向进入全息图，因此epe是透射的。1404是半反射镜，以便组合两个入射光束。

图15示出了本发明实施例的另一个例子，其中标记为1505的epe由全息图构成，该全息图被曝光以用固定的会聚光束（1501）和移动的准直光束（1511,1512和1513）进行记录。移动的准直光束（1511,1512和1513）通过mems扫描仪（1508）进行移动，如图15a（1511）、图15b（1512）和图15c（1513）所示。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种显示装置，其包括使用全息图的epe（exit-pupil-expander，–出射光瞳扩展器），以得到低成本和紧凑的显示器，例如可穿戴显示器。具体地，图5示出了两个示例性眼镜，其包括足够大的镜腿以嵌入本发明的所有光学器件和电子器件。该眼镜具有嵌入到眼镜中的可穿戴显示器不明显的优点。

图6是激光束扫描仪（lbs）的一个例子，其中有一个可以水平地扫描光束的ginbal镜（标记为“水平扫描弯曲部”），另一个弯曲部标记为可以垂直地扫描光束的“垂直扫描弯曲部”。水平和垂直扫描激光束以产生二维图像。

图12示出了本发明实施方案的一个实例。全息图板（1203）用于从lbs（1201）扩展投影图像的出射光瞳。激光光源（1202）包含多种颜色（通常是三种颜色）光束（1204）并投射到lbs（1201）。光束必须尽可能窄，以便获得高分辨率的图像。lbs扫描光束（1215）以在全息图板（1203）上产生图像。全息图被设计成将入射激光束（1215）发散成发散光束（1211,1212和1213），发散光束的角度如图12中的φ所示。该发散角（φ）决定了视窗（1207）的大小，其中图像对于观看者是可见的。全息图可以用作将入射光束发散为微透镜阵列并且还用作中继透镜。发散光束被投射到合路器（1206）上，合路器（1206）反射发散光束并在观察者前方的距离处产生虚像。合路器可以是全息图、doe或菲涅耳镜（fresnelmirror）。为了提高分辨率，可以在合路器和epe之间添加额外的透镜。

图13中示出了实施例的另一示例。epe板（1305）包括遮光罩（1306）和许多尺寸小到几微米的微小的孔，使得入射光束（1303）将通过夫琅和费衍射（fraunhoferdiffraction）进行衍射，并且出射光束是发散的。发散角由孔的大小决定，因此可以控制发散角。较小的尺寸能够提供较大的发散角。。不仅可以使入射光束发散，而且还可以通过向epe板添加全息图来聚焦入射光束，犹如添加了中继透镜一样。

图14中示出了本发明的实施例的另一个例子。这个例子示出了一种生产如上述例子所示的带有全息图而没有遮光罩的epe的方法。准备一对相干和准直的激光光束（1401和1402）。其中一个光束（1401）通过聚焦透镜会聚。另一个光束是准直平行光束。两个光束必须被组合并投射到全息图以进行记录。该全息图是透射的，因此参考光束和物光束必须从相同方向进入全息图。该示例使用半反射镜（1404）来组合两个光束。单次曝光（全息图记录）会产生单个微小透镜，且必须重复该过程以创建透镜阵列，并且通常需要数百万次曝光。每次曝光可以通过短脉冲完成，并且不难以几千赫兹曝光。全息图可以缠绕在圆柱体上，并且圆柱体可以以恒定的速度旋转，并且如图14所示的光学设置可以用脉冲激光曝光全息图。即使1khz的脉冲激光也能在17分钟内曝光100万个镜头。

图15中示出了本发明实施例的另一个例子。该示例使得具有微透镜阵列功能的全息图能够发散入射光束并且该全息图还具有中继透镜功能。一对相干和准直光束如（1501）和（1509）所示。其中一个光束通过聚焦透镜（1503）会聚。另一个光束被lbs（1508）反射并通向一对fθ透镜（1506和1507），使得准直光束将始终穿过第一光束曝光的孔径（1514），而不管入射角度如何（图15a，图15b和图15c）。第二光束的入射角由lbs（1508）的反射镜的角度确定，并且可以针对阵列中的微透镜的每个位置任意地控制第二光束的入射角。这意味着微距透镜包含数百万个

微透镜，这些微透镜可以是自由形状的透镜。

尽管已经用关于特定的优选和替代实施例描述了本发明，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变化和修改。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变化和修改。