专利名称：图象显示装置和包括这种装置的头戴显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括至少一个二维显示元件和一个光学系统的图象显示装置，所述光学系统包括具有第一半透半反面和第二半透半反面的透镜系统，第一半透半反面对着显示元件，第二半透半反面远离显示元件。
本发明还涉及包括这种图象显示装置的头戴显示器。
在开头段里描述的这种类型的图象显示装置可从如美国专利US-A5,659,430中获知。此专利中描述的图象显示装置包括一个二维的显示元件和一个光学系统，由显示元件产生的图象通过所述光学系统成象到观察者的眼中。光学系统包括一个嵌入镜面透镜。这种透镜具有第一和第二半透半反面，入射光线至少透过所述第一和第二半透半反面一次和从上面反射一次。以这种方式，通过反复反射能够使显示元件和观察者的眼睛之间的光路得以显著缩短。
上面描述的图象显示装置非常适用于头戴显示器。体积和重量对于头戴显示器是十分重要的。主要的因素是光学系统的重量和体积。而且，希望在头戴显示器中能够实现大的视界，特别的是在虚拟现实应用中。
所描述的图象显示装置的缺点是如果要实现理想的最高分辨率，显示元件必需相当大，结果成本相当高。另一个缺点是当显示元件是反射型的显示面板时，因为前进光和投射光束沿相同的光路传播，光耦合受到阻止。这一问题的一个解决办法是使用分光棱镜或分光反射镜，但这是以相对大的显示元件来牺牲系统紧凑性为代价的。
本发明的一个目的是提供一个图象显示装置，该显示装置相对紧凑、成本低、而且可实现相对大的视界。
为此目的，依据本发明的图象显示装置的特征在于显示元件和透镜系统被分成许多块。
通过将视界由总视角Ω1×Ω2确定的显示元件分成许多小块ω1×ω2，其中，例如Ω1/ω1和Ω2/ω2为10°，那么使用视界为10°×10°的透镜块就足够了。W1和W2是在第一和第二方向上的块数。这样划分显示元件和透镜系统导致显示元件的总表面较小，而且允许紧凑设计具有相对大的视界。划分透镜系统的另一个优点是可以相对容易地扩大视界。随着用一个透镜块实现的视界变小，显示元件的总面积也就变小。透镜系统最好是凸透面对着显示元件。
根据本发明的图象显示装置的实施例的特征在于第一表面由球面小块组成，球面小块的曲率半径等于第一面的顶点和装置的出瞳之间的距离，所有小块具有相同的曲率中心。
根据本发明的图象显示装置的另一实施例的特征在于第二面由球面小块组成，球面小块的曲率半径等于第二面的顶点和装置的出瞳之间的距离，所有小块具有相同的曲率中心。
上面谈到的措施确保第一和/或第二面可以作为一个整体来制造，这就极大地简化了它的制造。
根据本发明的图象显示装置的另一实施例的特征在于小块的第一反射面是非球面。
根据本发明的图象显示装置的再一个实施例的特征在于小块的第二反射面是非球面。
这样有如下优点避免产生诸如象场弯曲、象散和慧差等象差。
透镜系统的每个透镜块可由比如说单块光学透明材料制成，其中第一和第二面形成同一块材料的一部分。例如，第一表面设置在小块的凸面，而第二面在透镜的凹面上。
或者，例如每个透镜小块可由光学透明材料的第一部分和第二部分制成。那么第一面在第一部分上，比如说在它的凹面上，第二面就在第二部分上，例如在它的凸面上。这两部分是相互分开的，比如说被空气层分开。
根据本发明的图象显示装置的另一实施例的特征在于透镜小块呈多边形体形状。
在一个总曲率小的透镜系统中，每个透镜系统例如可呈方块形。对于大曲率的情况，也就是说，当希望大的视界时，透镜小块可能是例如五边形或六边形。
边沿象素的辐射光束可能引起杂光。光学图象可以用不同的方法得进行优化。
根据本发明的图象显示装置的第一实施例的特征在于两个透镜小块之间的交界面之间设置有吸收层。
根据本发明的图象显示装置的第二实施例的特征在于透镜小块的对着显示元件的半透半反面包括一个中心部分，该中心部分包围在两个横向部分之间，该中心部分具有该半透半反层，该横向部分包括吸收层。
根据本发明的图象显示装置的第三实施例的特征在于对着显示元件的透镜小块的半透半反面包括一个中心部分，该中心部分包围在两个横向部分之间，中心部分具有半透半反层；而横向部分包括一个全反射层。
第二和第三实施例是优选的，因为它们可以用相对简单的方法实现。
边沿象素的面向观察者的辐射光束通路被用所描述的方式抑制。
参考随后描述的实施例，本发明的这些和其它方面是显然的，并进行说明。
附图中
图1示出了在由镜面没有分割的透镜组成的图象显示装置中，显示元件和观察者眼睛之间的辐射通路；图2(a)显示了根据本发明制作的图象显示装置中，对于具有两个透镜小块的透镜系统，显示元件和观察者眼睛之间的辐射通路；图2(b)显示了对于一个小块，显示元件和观察者眼睛之间的辐射通路，其中也描述了照明模式；图3示出了根据本发明的图象显示装置的实施例，透镜系统具有6×6个透镜小块；图4示出了一个透镜小块的实施例的透视图，所述透镜小块具有一个用于根据本发明的图象显示装置的显示元件；图5(a)和图5(b)示出了具有两个透镜小块的图象显示装置中，在边沿象素的辐射光束被校正前后的辐射通路；图6示出了在划分为小块的透镜系统中小块的实施例，其中第一和第二半透半反面包围一个空气层；以及图7示意性示出了一个包括根据本发明的图象显示装置的头戴显示器。
图1中示意性示出的图象显示装置1包括一个显示元件3和一个光学系统，所述光学系统由单个镜面透镜5形式的透镜系统构成。显示元件3产生的图象通过光学系统投射到观察者的眼睛7的瞳孔内。镜面透镜5具有第一半透半反面9和第二半透半反面11。光线最好被第一和第二半透半反面至少透过一次和至少反射一次。图1示出了三个象素的辐射通路。第一半透半反面9和第二半透半反面11最好以如下方式相适应，即沿朝向观察者的方向透过第一面9的辐射光束被第二面11反射，而且被第二面11反射的辐射光束随后被第一面9反射。然后辐射光束沿朝向眼睛7的方向通过第二面11。最优地，镜面透镜5的凹面对着观察者，而凸面对着显示元件。由于光路是回折的，在小型系统中，通过镜面透镜可实现相当大的放大倍率。这样的结构在文献中称作卡塞格林系统。
图象显示面板3可以是例如由象素阵列构成的反射式或透射式的液晶显示面板。但在划分成小块时，显示面板由许多显示元件组成。显示元件可以是有源或无源元件。那么，可以把与将要显示的图象信息相一致的电压施加于象素上，比如说利用电极。在这种情况下，可以通过例如辐射源或通过环境光影响亮度。
图2(b)示出了一个实施例，其中示出了对于单个小块5的照明模式。来自辐射源12例如一系列LED的辐射光束被透镜14准直并入射到元件13。元件13确保辐射源12的光耦合到系统中，换句话说，照明显示元件3。当显示元件3是一个反射显示面板时，这种结构尤其重要。
或者显示元件可以是一个自发光元件，比如说由二维LED阵列构成。
显示元件提供了另一种可能性，即通过一个LED或一个半导体激光器连同一个二维扫描机构产生一个二维图象。例如利用一个线性LED阵列和一个一维扫描机构可以获得同样的结果。
所有附图都示出由参考标号13表示的光学元件，此元件确保光被耦合到系统中。元件可以是例如分光棱镜或分光反射镜。此元件13只有在显示元件3是反射型的显示面板时才是必要的，以便于允许照明显示面板。因此，对于其它类型的显示元件，例如在使用上面谈到的扫描方法的显示元件是透射型的显示面板或显示元件中，元件13就可以省去。
本发明提出把透镜系统5和显示元件3划分成小块。图象显示装置的一部分的实施例示于图2(a)，该图象显示装置带有包括两个透镜小块15、17的透镜系统，并与两个显示元件19、21相一致。每个透镜小块15、17分别具有第一半透半反面23、25和第二半透半反面27、29。以对于图1中所示的单个镜面透镜所描述的方式，在面23、27和25、29上发生反射和透射。本发明基于这样的认识即用一个小型而且轻的系统，通过将镜面透镜和显示元件划分成小块，实现相对大的视界。
图3是依据本发明的一个图象显示装置的实施例的侧面正视图，包括6×6的小块透镜单元。参考针对整个镜面透镜的图1阐明的辐射通路适用于这里的每个透镜小块。通过增加透镜小块的数目，可把视界增大到相当大的程度，同时图象显示装置保持机构紧凑而且重量轻。
依此方式，例如在一个总视界为60°×60°的系统中的显示面板被划分为许多小块，比如说6×6个小块。那么每个透镜小块的视界为10°×10°。每个小块的机械结构边沿都选择成使得处于显示元件边沿的显示单元的象素的辐射光束被部分地渐晕，以便使得尽可能看不见显示元件边缘而且两个并列的显示单元的图象最好相互交叠在一起。实际上，一个显示单元边缘的象素图象将与邻近显示单元边缘的图象交叠。
图4是一个带有显示单元19的透镜小块15的实施例的透视图。分光棱镜13位于显示元件19和透镜小块15之间。透镜小块15呈方形。在大的复合透镜的透镜表面曲度情况下，大的视界能够实现，比如说使用五角形或六角形透镜小块是可能的。随着单个透镜小块的视界变小，显示元件的总表面积也变小。这样的一个优点是总的成本将降低，因为成本是与显示元件的表面积成正比的。而且，能够用更小点的元件将照明光束耦合进系统中，这将有助于系统的紧凑化。
在所有包含透镜小块的实例中，单个透镜小块的第一和/或第二半透明反射表面可以是非球面的。通过将表面非球面化，可以避免产生诸如象场弯曲、象散及慧差等象差。
或者，透镜小块可以呈球面表面。两个面可以都是球面的；或者透镜小块的一个面是球面，而另一面是非球面。对于透镜小块具有一个或两个球面的情况，透镜小块的一个表面的曲率半径最优地等于相关的球面顶点和图象显示装置的出瞳之间的距离，而且不同的透镜小块的这些球面具有相同的曲率中心。因此，如果透镜小块具有两个球面，那么同一曲率中心只是对于表面之一而言。在这种情况下，由部分球面组成的表面构成一个整体，结果是大大地简化了制造。
图5(a)说明了具有两个透镜小块的图象显示装置的辐射通路，也如图2(a)中所示一样，但是现在特别地针对显示元件边沿的象素。相应元件用相同的参考标号表示。来自于显示元件21边缘象素的辐射光束也将部分入射到邻近透镜小块15内，并在表面23上引起反射。随后，辐射光束将被导至投影图象。作为这样的一束辐射光的示例由箭头61表示。因为这样的辐射光束无助于光学图象的形成，但引起干扰光，本发明提出优化光学图象的方法如下第一种可能是在两个相邻的透镜小块之间的表面上提供一个吸收层。
另一个较简单的方案示于图5(b)，包括将透镜小块15，17的表面23，25分成中心部分41，43和横向部分45，47；49，51，它们包围中心部分41，43。中心部分41，43设置有上面提到的半透半反层，而横向部分45，47；49，51设置有吸收层或全反射层53，55；57，59。以这种方式，进入邻近透镜小块的边缘象素的辐射光束被抑制，结果干扰光光量大大地减少。
到目前为止所描述的所有实施例中的透镜小块都由单片光学透明材料形成，光学透明材料的折射率大于1，而且包括第一和第二两个半透半反面。
图6示出分块透镜系统的小块60的另一实施例。小块60由光学透明材料的两个分离部分62和64组成。两个部分62和64包围空气层66。此图也示出三个不同象素的辐射路径。第一半透半反射层68处于第一部分62的凹面。第二半透半反射层70处于第二部分64的凸面。最好，透镜系统的凸面指向显示元件72。
图7示出了一个头戴显示器61的实施例，包括一个依据本发明的图象显示装置。头戴显示器包括头部支承装置63，用于把显示器支承在观察者头65上。每个“眼镜镜片”被划分为小块67。每个小块67包括一个显示元件，一个用于耦合照明光束的元件和一个透镜小块，它们的组合已经在前面进行了详尽的描述。例如来自于接收器69的图象信息通过例如连接71提供给头戴显示器，连接71为所述目的设置在头部支承装置63内。
根据本发明的图象显示装置或者可以是例如放在桌面上而不是戴在观察者的头上的图象显示装置，当放在桌面上的情况下，当使用该装置时观察者应移动将他的头靠近图象显示装置。
因此本发明提出了一种图象显示装置，其中一个二维显示元件的图象经光学系统投影到观察者眼睛的瞳孔中。光学系统包括一个被分块的透镜系统。显示元件被细分为相等数目的小块。依这种方式，以相当便宜的方式实现具有相对大视界的图象显示装置。透镜小块可由单片光学透明材料或包围一空气层的两部分光学透明材料构成。
权利要求
1.一种图象显示装置，包括至少一个二维显示元件和一个光学系统，该光学系统包括具有第一半透半反面和第二半透半反面的透镜系统，第一半透半反面对着显示元件，第二半透半反面远离显示元件，其特征在于显示元件和透镜系统都被划分成许多的小块。
2.如权利要求1所述的图象显示装置，其特征在于第一面由球面小块组成，球面小块的曲率半径等于第一面顶点和装置出瞳之间的距离，小块具有相同的曲率中心。
3.如权利要求1或2所述的图象显示装置，其特征在于第二面由球面小块组成，球面小块的曲率半径等于第二面顶点和装置出瞳之间的距离，小块具有相同的曲率中心。
4.如权利要求1所述的图象显示装置，其特征在于小块具有非球面的第一反射面。
5.如权利要求1或4所述的图象显示装置，其特征在于小块具有非球面的第二反射面。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的图象显示装置，其特征在于透镜小块的第一面和第二面包围一种光学透明材料，该材料的折射率大于1。
7.如权利要求1、2、3、4或5所述的图象显示装置，其特征在于透镜小块的第一面和第二面包围一层空气。
8.如前述权利要求中任一项所述的图象显示装置，其特征在于透镜小块呈多边形形状。
9.如前述权利要求中任一项所述的图象显示装置，其特征在于两个透镜小块之间的界面设置有吸收层。
10.如权利要求1-8中任一项所述的图象显示装置，其特征在于透镜小块的对着显示元件的半透半反面包括一个中心部分，该中心部分包围在两个横向部分之间，中心部分设置有半透半反射层，而横向部分包括一个吸收层。
11.如权利要求1-8中任一项所述的图象显示装置，其特征在于透镜小块的对着显示元件的半透半反面包括一个中心部分，该中心部分包围在两个横向部分之间，中心部分设置有半透半反射层，而横向部分包括全反射层。
12.一种头戴显示器，包括将显示元件产生的图象投射到观察者的眼睛里的图象显示装置，还包括头部支承装置，其特征在于图象显示装置是前面任一权利要求所述的装置。
全文摘要
本发明涉及图象显示装置(1),包括一个二维显示器(3;19,21;72)和一个光学系统(5;15,17;60)。光学系统包含一个具有第一半透半反面(23,25;9)和第二半透半反面(27,29;11)的透镜。第一面对着显示器,第二面对着观察者。显示器和透镜都被分成许多块以便增大视界。
文档编号G02B27/02GK1252133SQ98803909
公开日2000年5月3日 申请日期1998年11月30日 优先权日1997年12月11日
发明者W·奥菲 申请人:皇家菲利浦电子有限公司