应用傅立叶光学方法消除衍射光学元件的鬼影现象与流程

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62/498,144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衍射光学元件的显示系统，该显示系统能够使透视显示器具有高分辨率和宽视场。更具体地，本发明涉及一种适用于具有非常小的形状因子的可穿戴显示器的显示器。

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，制作精确的全息图并不是一项容易的任务，它需要精确地对准光束和精确地设置光学元件，并且不容易一致性地重复出相同的结果。另一方面，利用衍射光学元件（doe）的新方法越来越受欢迎，doe可以在数字图案化技术中通过具有可重复方式的半导体工具产生。数字化衍射光学元件的图案经常产生不必要的重影图像（ghostimage），因为量化的频率和doe的频率不一定相同，并且该频率的差异产生“重影图像”。本发明将展示消除来自doe的“重影图像”的一些方法。

技术实现要素：

本发明的目的是使用doe创建透视显示器；除了预期图像和其他不在视线内的高阶峰，该doe的傅立叶变换函数（fouriertransferfunction）接近于零。

图11示出了本发明实施方案的一个实施例。要创建良好聚焦的图像，必须使用code-v或zemax等光学设计工具来设计相移函数，以便于将反射光聚焦在正确的位置。然后对每个2*π函数进行分切，它将产生锯齿函数，即分段相移函数。可以使用某种工具制作精确的形状，但是它需要非常专业的工具，这对于典型的半导体工厂来说并不常见。然后经常使用量化方法，以便普通的半导体工厂可以使用通用工具来处理。然而，这种量化将在观察者的视角内产生不必要的傅立叶峰。然后必须通过以某种方式添加负相位（包括随机相位相加或使相移函数失真）来修改该相移函数，使得傅里叶变换函数几乎变为零。

附图说明

图1是kasai在其公开的与美国专利no.7,460,286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。这非常成功地展示了透视显示的可能性，但它没有提供足够的视角或分辨率。

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色眼镜显示器”。图2a中的可穿戴显示器样品成功地展示了透视性能。然而，需要更高的分辨率和更宽的视角。

图3是现有技术的另一个实施例，并且由levola报道在2006sid文摘，issn0006-64·sid06digest0966x/06/3701-0064中的“用于近眼显示器的新型衍射光学元件”。该显示器未展示样品。

图4示出了具有透视性能的可穿戴显示器的另一种现有技术，该可穿戴显示器具有在美国专利no.7,369,317中描述的显示器和照相机。图4a是使用类似光学配置的一个示例。然而，视角的大小不够大。

图5和图6是具有足够大的镜腿的眼镜的例子，该镜腿用以嵌入本发明的所有光学器件和电子器件，使得显示器的存在不明显。

图7是使用doe作为透视透镜（702）的本发明的一个实施例。

图8示出了在被doe（802）反射之后从显示器到眼睛的光路。

图9示出了作为辅助现实显示器的高分辨率透视眼镜显示器及其光学结构的示例。doe（902）提供透视透镜。

图10示出了光路的一个实施例。

图11示出了使用doe消除重影图像的过程。

图12示出了将投射光反射到眼睛的相位函数的结构。

图13示出了将相位函数转换为分段相位函数的过程，通过半导体工艺将该分段相位函数的图案将制作在晶片上。

图14示出了分段相位函数的结构和光反射的方向。标记为1404的距离是deo的锯齿间距。

图15示出了量化的间距“q”1507和1509，其不一定与doe的锯齿的间距成比例。这种非积分比产生一个长周期和低频率的循环，它将被转换为一个低的空间频率（长度和空间频率成反比）。这个低的空间频率产生所谓的“重影图像”，因为它将从主图像以小角度进行反射。

图16示出了量化的分段相位函数的傅里叶变换函数，并且包含许多标记为“1”的主峰附近的峰，其产生主图像。

图17示出了一个实验结果，该实验结果显示了许多与傅里叶变换函数的峰相对应的光点，这些峰显示出与测量点的良好匹配。

图18示出了本发明的一个实施例，该实施例使用足以对人类眼睛不可见的第二峰（1802和1804）来消除靠近主图像（1801和1803）的不期望的斑点或“重影图像”。

图19示出了用于上述测试的相位函数，其具有接近于零的相位总和。

具体实施方式

本发明的目的是使用doe创建透视显示器，其中除了预期图像和在观察视线之外的其他高阶峰之外，傅立叶变换函数接近于零。

图11示出了本发明实施方案的一个实施例。要创建良好聚焦的图像，必须使用code-v或zemax等光学设计工具来设计相移函数，以便于将反射光聚焦在正确的位置。然后对每个2*π函数进行分切，它将产生锯齿函数，即分段相移函数。可以使用某种工具制作精确的形状，但是它需要非常专业的工具，这对于典型的半导体工厂来说并不常见。然后经常使用量化方法，以便普通的半导体工厂可以使用通用工具来处理。然而，这种量化将在观察者的视角内产生不必要的傅立叶峰，如图16（计算的傅里叶变换）和图17（实际实验结果）所示。然后，必须通过以某种方式添加负相位（包括随机相位相加或修改相移函数）来修改该相移函数，使得傅里叶变换函数几乎变为零。

可以按以下步骤添加负傅里叶变换函数：1）设计包括透镜和镜子的光学系统，以将图像投影到doe；2）按照图11中的步骤获得如图16所示的量化相移函数的傅立叶变换函数；2）确定哪些峰是在视角内不期望的峰；3）提取不期望的峰并对所提取的峰应用傅里叶反向变换，并将该反向变换函数添加到原始相移函数且重新计算该过程，直至不期望的峰消失。

实施例的另一个例子是使相移函数随机化，使得不期望的峰被稀释成噪声。图14中标记为“p”的间距可以被随机化以消除鬼峰（假峰）。使用具有零平均值的正态分布计算p'=p+（随机数），并且标准方差例如是p的约10％。该随机化将减少不期望的重影图像的峰。

实施例的另一个例子是修改原始光学设计，如图18（傅立叶变换分布）和图19（以等高线所示的相移函数）所示，其中锯齿的间距随每一条线而变化，且傅里叶变换（图18）具有非常少的不期望的峰。

尽管已经用关于特定的优选和可替代的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。