用于可穿戴显示器的照明系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请是要求2016年6月21日提交的先前提交的美国临时申请62/493,077的权益的非临时申请(non-provisionalapplication)。本申请还是2014年6月23日提交的专利申请pct/us2014//000153的部分继续申请(cip)，专利申请pct/us2014//000153是2013年6月27日提交的美国临时申请61/957,258的非临时申请。

本发明涉及一种针对可穿戴显示系统的用于将图像投射到衍射光学元件，使得能够以高分辨率和宽视野实现透视显示的照明系统。更具体地，本发明涉及一种适用于具有非常小的形状系数(formfactor)的可穿戴显示器的非常紧凑的照明器。

背景技术：

近年来，可穿戴显示器在智能电话变得流行之后受到广泛的关注，并被市场很好地接受。可穿戴显示器提供免提操作的益处，以及以与常规视线相同的距离向穿戴该显示器的人示出图像。因为这些优势，存在对可穿戴显示器的巨大需要。然而，诸如头戴式显示器、平视显示器和眼镜型显示器之类的传统近眼显示器未向观看者提供令人满意的可穿戴显示器解决方案，这是因为这些传统显示器通常太重、太大且太暗。此外，这些传统的可穿戴显示器常常具有低分辨率，并且它们中的许多都不提供透视视图，并且大多数都很昂贵且仅可以显示小尺寸的图像。因此，存在对于提供轻、小、亮、具有带透视观看光路的高分辨率的可穿戴显示设备的迫切需要。进一步地，期望新的可穿戴设备是廉价的，其可以显示大图像，并且可以以隐秘的方式来穿戴，而不被其他人检测到该人正在穿戴这种可穿戴设备。用led和激光光源实现的显示系统通常具有光强度分布不均匀的技术问题，并且对于显示系统而言，通常需要均化器(homogenizer)以提供均匀的图像亮度。三个分离的彩色光源需要在投射到显示设备上之前组合成单个光束。使得紧凑的眼镜型显示器需要具有均化器和组合器两者的非常小的系统。过去提出了几种系统。

如图1中所示，takeda等人在专利us8711487中公开了一种眼镜型显示系统，其利用波导和半镜子来实现透视能力。该系统包含作为显示器的透射式lcd，并且照明系统是漫射来自光源的光的背光光导。该系统适用于透射式lcd，但是不一定适用于其他显示设备(诸如，lcos和dmd)。

如图2和图2a中所示，takahashi等人在美国专利申请公开us2013/0021581中公开了一种用于小型化的照明器和显示器。该系统包括多色光源，诸如led和激光器(11)，其具有如图2a中所示的用于进行准直的微透镜(116)、用于组合光束的二向色镜(117)以及从lcos(17)以垂直方向布置的偏振分束器(pbs，16)。如果其用于眼镜显示器并被嵌入眼镜的镜架(temple)中，则该照明器将从眼镜的镜架伸出。

如图3中所示，katsumata等人在jp2013-195603中公开了一种平面光波电路(plc)。来自激光二极管的光束被引入光波导中，并且光波中的光能在一定条件下可以被传送到相邻的光波导。该方法适用于激光光源的组合器，并且具有很大的潜力，尽管它在大批量商业化之前需要进一步的研究。

本发明提供了一种适用于眼镜显示器的照明器的实际解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种用于透视近眼显示器的紧凑的照明器，其视野几乎是眼镜的全尺寸，尽管该系统的照明器、光学器件和电子器件是非常紧凑的，并且可以嵌入眼镜(诸如，图4和图5中的眼镜)的镜架中。使用诸如lcos、lcd或dmd之类的显示设备，以将图像从其镜架朝向眼镜的镜片投射。由于眼镜和人眼的几何配置，将图像从眼镜的镜架投射到其眼睛镜片并反射到人眼。在没有任何物理屏幕的情况下，在空中创建虚拟图像。实体屏幕以大的发散角来反射所投射的光，并且观看者可以以大的视角看到图像。但是在诸如眼镜显示器和平视显示器之类的透视显示器的情况下，不存在实体屏幕，并且仅在所谓的“视框”(eyebox)中可以看到图像，其中观看者可以看到图像，但该图像常常往往非常小。透视显示器的视框必须足够大，以使观看者能利用眼镜显示器相对于眼睛的一些移动而舒适地看到图像。这需要特殊设计的照明器来确保视框的尺寸。视框的尺寸与来自显示设备的光束的发散角密切相关。对于传统的投射显示器而言，为了高分辨率和清晰的图像，来自显示设备的光束的发散角保持尽可能小。但是透视显示器需要来自显示设备的大发散角的光束以及高分辨率的虚拟图像。照明器必须提供与显示设备的表面成大角度的会聚光。这可以利用图7中所示的配置来实现，其中扩束透镜(1006)将入射光束扩展到准直透镜(1007)，并且光束变得基本上平行并进入第一微透镜阵列(1008)并在第二微透镜阵列(1009)上创建光源的图像，换言之，第二微透镜阵列上的图像与光源共轭(conjugate)。第二微透镜阵列上的图像由聚光透镜(1010)投射到显示设备(1013)，作为第一微透镜阵列的共轭图像。聚光透镜处的照明光的直径和聚光透镜与显示设备之间的距离确定了光源与显示设备的会聚角。这就是如何利用照明器确保大的视框。

本发明的另一个示例是使用附加的1/4λ的延阻器(retarder)来减小照明器的尺寸，该附加的1/4λ的延阻器将位于显示设备的相对面上的光的偏振角旋转90度，如图10中所示的那样。该配置减小了聚光透镜与显示设备之间的距离，这有助于增加入射光角度。图11处示出了与均化器组合的示例。

本发明的另一个方面是提供一种适用于具有小的形状系数的透视显示器的光组合器。诸如激光和led之类的固态光源封装在具有如图8中的透镜阵列(2002)或具有如图9中的doe(衍射光学元件7002)的单元中。

附图说明

图1是takeda等人在美国专利us8711487中公开的所示出的透视显示器的结构。使用了作为用于lcd显示面板的照明器的背光模块。

图2和图2a是takahashi等人在美国专利申请公开us2013/0021581中示出的，其中使用扩束透镜和微透镜以向pbs提供光。

图3是由katsumata等人在jp2013-195603中公开的一种平面光波电路(plc)。来自激光二极管的光束被引入光波导中，并且光波的光能在一定条件下可以被传送到相邻的光波导。这是将多个光束合并成一个光束的另一种方式。

图4和图5是能够将光学和显示系统嵌入镜架中的眼镜的示例。

图6示出了本发明的示例，其中激光二极管的芯片直接封装有准直透镜阵列，并且二向色镜将光束组合到扩束透镜。

图7示出了使用两个透镜和两个微透镜阵列的均化器的示例。7001是准直透镜，7002是第一复眼(fly-eye)透镜(其还被称为微透镜阵列)。7003是第二复眼镜头。7004是场镜。

图8示出了本发明的示例，其中使用光纤以将激光束组合并引导至均化器中。

图9图示了光束如何在照明器的部件中传播。

图10图示了光如何在与1/4λ的延阻器的组合的pbs中通过，以减小照明器的尺寸。

图11图示了经减小的尺寸的照明器的结构。

图12图示了本发明的示例，该示例使用微透镜阵列以将多个光束组合到光导(光管或光纤)中，并引导至均化器和pbs。图12a图示了光束如何在部件中通过。

图13图示了本发明的示例，该示例使用doe阵列以将光束组合到光管和pbs中。

图14图示了与照明器组合的透视显示器的另一个示例性实施例。

具体实施方式

以下各种实施例的详细描述图示了向透视显示系统的显示设备提供光束的各种照明器，该透视显示系统具有对于观看者而言足以确保的大视框的广角(大na)。

图6和图7示出了本发明的示例性实施例，其中微透镜阵列(1002)将多个光源(1001)准直到一组二向色镜(1005)，以将光束组合成单个光束。单个光束由扩束透镜(1006)扩展并引导至准直透镜(1007)。经准直的光束被第二微透镜阵列(1008)分成多个光束，并聚焦在第三微透镜阵列(1009)上，其中图像与光源共轭。聚光透镜(1010)紧邻第三微透镜阵列(1009)放置，并且光束被传递到棱镜(1011)，并被棱镜(1011)朝向偏振分束器pbs(1012)反射。经反射的光聚焦在显示设备(1013)上以显示图像，其中每个像素对应于投射在显示设备(1013)的整个区域上的第三微透镜阵列的每个微透镜，其中第三微透镜阵列和显示设备是在光学上共轭的。

图8示出了本发明的另一个实施例，其中实现微透镜阵列(2002)以将从多个光源(2001)投射的光束组合成要投射到充当光管的光导(2004)中的光，并且然后用plc平面光波电路通过光纤对该光进行传送，如图8中的2006和图3中的单元。图8进一步示出了光源单元2005和经准直或经会聚的光束2003。由扩束透镜(2006)将经组合的光扩展到准直透镜(2007)。然后，通过与图6中所示的相同的光学部件对经准直的光进行传送。

图9更详细地图示了针对图6和图8中所示的光束的光路。经组合的光束(3006)包括从光纤边缘或激光二极管/led以发散角发射的多个波长的光。光源(3006)和第二微透镜阵列(3009)是在光学上共轭的，并且第一微透镜阵列(3008)和显示设备(3013)也是在光学上共轭的。入射光经过均化器(3007至3010)并被棱镜(3011)反射至偏振器(3015)，偏振器将s波反射至光吸收器(3014)并将p波传递至显示设备(3013)。显示设备反射具有从p波到s波的明亮图像的偏振旋转的光，并且s波将被偏振器(3016)以方向(3016)朝向投射透镜反射。

图10示出了本发明的实施例。入射光经过偏振器板(4001)，该偏振器板仅通过p波并反射或吸收s波。通过偏振器(4002)的光进入偏振分束器(pbs，4011)并击中偏振器表面(4007，其仅通过s波并反射p波)。因为光(4002)仅包含p波，所以它将被pbs(4007)朝向lcos(4004)反射，并且lcos根据图像信号而改变入射光的偏振，并在明亮图像处朝向pbs反射s波。s波将通过pbs并通过具有1/4λ(波长)偏振旋转的延阻器，并将被镜子(4006)反射并第二次通过1/4λ延阻器，这改变了光的偏振1/2λ，并且入射光变为p波，并将被pbs(4007)朝向该照明器的出口(4008)反射。该系统的优势是入射光(4002)和出射光(4009)在一条线中，这节省了照明器的空间，而不是图9中所示的先前示例那样，其中入射光(3006)和出射光(3016)处于不同的水平中，这需要照明器的更多空间。

图11示出了本发明的另一个实施例，其中激光二极管(5001)封装在单元中，并且微透镜阵列(5002)将具有多个波长的多个光束从激光二极管聚焦到光纤，并且plc(5015，平面光波电路)(5003,5004,5005未被描述)将多个光束组合成单个光束。扩束透镜(5006)将光束朝向均化器(5007至5010)扩展。均化器之后的光的p波将通过偏振器(5016)，并且包含s波的残余光被反射回至均化器。p波光被偏振器(5011，pass-p和reflect-s型)朝向显示设备(5012)反射。显示设备将针对图像的s波光反射到偏振器(5011)，并且它将传递到1/4λ的延阻器(5013)和镜子(5013)。延阻器将图像光的偏振旋转1/4λ，并且该光被镜子(5013)反射，并且该光通过延阻器5013传送，其中延阻器5013的功能类似于延阻器4005和镜子4006两者。再次利用附加的1/4λ的偏振旋转，光束以1/2λ的旋转结束。入射的s波被延阻器和镜子转换为p波，并被偏振器反射到照明器的出口(5014，或者我们可能需要新的数字，如4008)。与先前的示例相比，该系统在均化器与显示设备之间具有1/2距离，这向显示设备提供了更大na的会聚光。该显示系统改进了图像的视框尺寸，即使是在系统的后焦距比pbs的尺寸长两倍的情况下，这是因为通过显示设备中的光学部件的反射光的重复光路。

图11示出了本发明的另一个实施例，其中诸如激光二极管和led(6001)之类的光源与微透镜阵列(6002)一起封装，以将来自光源的光束聚焦到光管(6003)的入口，这使光强度的分布均匀化。光管出口处的图像将被投射到显示设备(6013)。因此，光管出口处的光束和投射到显示设备6013上的光束是在光学上共轭的。偏振器(6010)放置在光管与交叉pbs(6011)(偏振分束器)之间。交叉pbs(6011)包括具有偏振表面涂层的四个三角形棱镜，该偏振表面涂层在两个对角线方向(6014和6015)上具有不同类型(p或s)的偏振。如图12中所示，入射光束(6009)被偏振器(6010)偏振成p波，并被嵌入在pbs(6011)中的偏振器反射到显示设备(6013)。由包含具有s波的图像光的显示设备反射的光束将沿着方向(6012)朝向投射透镜而被反射，并且具有p波的残余光将经过偏振器至吸收器(6016)。

图13示出了实施例的示例。因为绿色在技术上以及在经济上都不是有效的，所以使用所有三种颜色的led或激光器常常既不经济也不实用，并且通过荧光粉转换波长是非常有用的。1308是蓝色激光器或led，并在没有波长转换的情况下使用，这是因为蓝色是最有效的。1307是准直透镜，并且131是经准直的蓝色光束，并且被二向色镜(1306)反射到输出光束(1313)。还如该图中所示，1308是蓝色激光器或led，并且1311是准直透镜。1312是绿色荧光板，其将蓝色光转换为绿色光(1315)并朝向镜子(1310)进行反射。1302是另一个蓝色激光器或led，并且1303是准直透镜，并且1304是红色荧光板，其将蓝光转换成红光(1314)。

图14示出了实施例的另一个示例。三个不同颜色的光源(1405、1406和1407)被布置并集成到一个光束(1411)中，并且引导至光导(1401)。光导中的光束(1411)被反射器(1402)和漫射器(1403)反射多次，并大体上朝向漫射器(1403)的法线方向发射(1302)。该示例提供了来自漫射器表面(1403)的均匀化的光分布。

尽管本文中已经图示并描述了本发明的特定实施例，但应当认识到，本领域技术人员将会想到其他修改和改变。因此，应当理解的是，所附权利要求意图覆盖如落在本发明的真实精神和范围内的所有修改和改变。