專利名稱：用于將虛像投影在觀察者視場(chǎng)中的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用來(lái)將權(quán)項(xiàng)1前序中限定類型的虛像投影在觀察者視場(chǎng)中的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
有各種各樣用來(lái)投影虛像的已知系統(tǒng)存在，其被用在可由使用者佩戴的顯示裝置中，這在作為安置在頭上的顯示器或稱HMD的領(lǐng)域中是已知的。其中的某些被稱作通視顯示器(a see-through display)，能使一虛像看上去被疊置在一客觀世界的圖像上。另外一些被稱作非通視顯示器[例如虛擬真實(shí)性頭盔(helmet)，或者作為商品模型由索尼、佳能和奧林巴斯生產(chǎn)的用于掌上型電腦的觀察器]，單獨(dú)能使一虛像被看到。還有另外一些被稱作環(huán)視(see-around)顯示器(例如微型光學(xué)產(chǎn)品)，帶有被插在使用者視場(chǎng)中的顯示屏。一般說(shuō)來(lái)，所有這些已知的系統(tǒng)基本上都由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成產(chǎn)生實(shí)像的微顯示器；將該實(shí)像聚焦在需要距離(通常為無(wú)限遠(yuǎn))上的光學(xué)系統(tǒng)；以及用以將其投影在使用者視場(chǎng)中的光學(xué)系統(tǒng)。然而將這些子系統(tǒng)合并在例如眼鏡型的單一可佩戴裝置中，必須涉及復(fù)雜性、尺寸和重量的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用來(lái)投影虛像的系統(tǒng)，其具有類似已知裝置的性能，但具有較小的尺寸和重量，而且具有最少的能量消耗。
根據(jù)本發(fā)明此目的是通過(guò)一用于將虛像投影在觀察者視場(chǎng)中的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，其具有權(quán)利要求書中所限定的特征。
在本發(fā)明的系統(tǒng)中，對(duì)于傳統(tǒng)微型顯示器和相應(yīng)圖像投影系統(tǒng)的需要已被排除，因?yàn)橛糜诋a(chǎn)生圖像、聚焦和投影的三個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)際上被合并在例如像頭盔的面盔(the visor of a helmet)、眼鏡、與鏡片接觸的箔等的透明基板的表面上，從而顯著減小其總體復(fù)雜性、重量和尺寸。
本發(fā)明進(jìn)一步的主題，在于包括本發(fā)明的投影系統(tǒng)并可由使用者佩戴的顯示裝置(或者HMD)。


現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選但非局限性的實(shí)施方式，其中，圖1為根據(jù)本發(fā)明的投影系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2a和2b表示根據(jù)本發(fā)明的投影系統(tǒng)的變型例；圖3為根據(jù)本發(fā)明的投影系統(tǒng)的工作原理的示意圖；圖4a和4b為根據(jù)本發(fā)明的投影系統(tǒng)的進(jìn)一步變型例；圖5以示意性側(cè)視立面圖表示根據(jù)本發(fā)明的投影系統(tǒng)的進(jìn)一步變型例；圖6為圖5所示變型例的正視圖，以及圖7為配備本發(fā)明的投影系統(tǒng)的一副眼鏡的視圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，根據(jù)本發(fā)明的投影系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1，包括一源亦即發(fā)光器件10，和一微型光學(xué)元件20。前者例如為具有橫向線性尺寸d的有機(jī)型發(fā)光器件如OLED或PLED，無(wú)機(jī)型發(fā)光器件如微型LED，量子點(diǎn)激光器(a quantum dot laser)，納米結(jié)構(gòu)的金屬源，碳納米管源，金屬或聚合物的納米絲源(nano-wire source)，或場(chǎng)致發(fā)射源；后者例如為透鏡，反射鏡或衍射光學(xué)元件(DOE)，其直徑φ例如約為20至50微米。由發(fā)光器件10和微型光學(xué)元件20形成的該光學(xué)系統(tǒng)的光軸1，在圖1中被表示為Z。根據(jù)用來(lái)將發(fā)光的象素投影到視網(wǎng)膜上的光學(xué)配置的類型，該光源被設(shè)置在靠近眼睛的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)，其將具備透射型(圖2b)或者反射型(圖2a)的性質(zhì)。
發(fā)光器件10和微型光學(xué)元件20，被安置在對(duì)于光為透明的基板30的各自相對(duì)的表面30a和30b上，該透明基板30例如具有2mm量級(jí)的厚度f(wàn)。
該透明基板30例如可為一頭盔的面盔，一眼鏡片，或在更通常的情況下為與鏡片相接觸的箔。
基本結(jié)構(gòu)1為由有規(guī)則樣式(an orderly set)組成的子單元40，例如像圖2和圖4-7所示由許多這種基本結(jié)構(gòu)1形成的矩陣，其中在透射型投影系統(tǒng)的情況下這些發(fā)光器件10被以有序方式設(shè)置在該透明基板的面30a上，而且對(duì)應(yīng)的微型光學(xué)元件20被以相應(yīng)的有序方式設(shè)置在該基板的另一面30b。
基板30適于放在觀察者至少一只眼(圖3中被表示為E)的前方，距該眼的距離實(shí)際在25和50mm之間，且其兩個(gè)面30a和30b之一朝向該眼，而其另一面則朝向相對(duì)觀察者的觀察方向在其前方延伸的外部世界部分。
根據(jù)一可能存在的變型例，該透明基板30為一由透明材料制成的固體元件。
根據(jù)另一種變型例，該透明基板30為一中空的元件，由一對(duì)透明材料制成的薄膜形成，其間介入該基板30的空腔。在這種情況下，該基板的兩個(gè)面30a和30b，分別為這對(duì)薄膜或箔其中之一的一個(gè)面和另一的一個(gè)面。
換一種方式，作為前述兩種變型例的組合，該透明基板30為由透明材料制成的固體元件，其兩個(gè)面上被施加以透明材料薄膜，發(fā)光器件10和微型光學(xué)器件20分別配置其上。
微型光學(xué)器件20，優(yōu)選通過(guò)已知的微加工和大量生產(chǎn)復(fù)制技術(shù)直接形成在基板30的面30b上面。
發(fā)光器件10優(yōu)選通過(guò)局部的就地生成技術(shù)(in situ productiontechnique)，或者換一種方式通過(guò)粘接技術(shù)，定位在基板30的面30a上，在任何情況下均定位在為該光源供給能量而作電氣準(zhǔn)備的表面上。
根據(jù)本發(fā)明并如圖2，4和5所示，配置在基板30的面30a上的矩陣40的光源10，一起向微型光學(xué)元件20發(fā)出一束光線LB。設(shè)置在所發(fā)出的光線的光路中的微型光學(xué)元件20中的每一個(gè)，均產(chǎn)生相應(yīng)光源10的虛像(參見(jiàn)圖3)，讓此虛像處在無(wú)窮遠(yuǎn)距離，并使該光線射向觀察者眼睛E的瞳孔P。實(shí)際上這是通過(guò)以下方式達(dá)到的，當(dāng)光源10位于相應(yīng)的微型光學(xué)元件20的焦點(diǎn)附近時(shí)，導(dǎo)致所發(fā)出光束準(zhǔn)直而射向眼睛E。每一單獨(dú)光源10所產(chǎn)生的像位于其周圍光源10所產(chǎn)生的像的附近，而作為整體產(chǎn)生的虛像VI位于觀察者的視場(chǎng)FOV內(nèi)。
為了簡(jiǎn)單和清楚起見(jiàn)，基板30在圖2a和2b中被表示為具有平坦形狀，矩陣40的子單元1的光軸Z被設(shè)置為相對(duì)于基板30所延伸的平面垂直。在圖2a的實(shí)施例中，微型光學(xué)元件20被形成為反射鏡，以致于發(fā)光器件10被配置其上的基板30的面30a朝向觀察者的眼睛。在圖2b的實(shí)施例中，微型光學(xué)元件20被形成為透鏡或者通過(guò)折射或衍射進(jìn)行工作的光學(xué)元件，以致于發(fā)光器件10被配置其上的基板30的面30a，朝向相對(duì)于觀察者的觀察方向在其前面延伸的外部世界部分。
為了防止光源10發(fā)出的光不但落到相應(yīng)的微型光學(xué)元件上，而且落在其相鄰的微型光學(xué)元件上，由此而產(chǎn)生寄生的像，可以使用具有高準(zhǔn)直發(fā)射的微型光源10，例如其總發(fā)散度δ小于10°。換一種方式，本發(fā)明的投影系統(tǒng)可被構(gòu)成為具有“蠅眼”結(jié)構(gòu)。按照這種變型例，矩陣40的每個(gè)子單元1被形成為一透明材料的管部，但是帶有沿光軸Z延伸的不透明的側(cè)壁，其中光源10被固定在一端，微型光學(xué)元件20形成在另一端。更一般地說(shuō)，可以在發(fā)光器(emitter)和準(zhǔn)直光學(xué)元件之間設(shè)置狹縫、孔闌或者光闌，以限制雜散光線的傳播。
圖4a，4b和圖5，表示用來(lái)將每個(gè)單獨(dú)光源10的虛像投影到其在觀察者視場(chǎng)FOV中的正確位置的三種可能存在的變型例。
在圖4a中，矩陣40的各個(gè)子單元1的光軸Z被定向?yàn)槌蛴^察者的眼睛。為了以平坦的基板30達(dá)到這種取向，各個(gè)光源10不再如圖2a及2b所示相對(duì)垂直于基板30平面的光軸與相應(yīng)的微型光學(xué)元件20對(duì)準(zhǔn)，但是每個(gè)光源10關(guān)于相應(yīng)的微型光學(xué)元件20，均相對(duì)于垂直基板30的對(duì)準(zhǔn)軸橫向移位。這種移位朝向觀察者視場(chǎng)FOV的外圍變得更大。此外，微型光學(xué)元件20被朝向垂直于基板30平面的光軸傾斜，而且這種傾斜隨其從觀察者視場(chǎng)FOV中心到外圍的位置變化而變化。
在圖4b中，矩陣40的各個(gè)子單元1的光軸Z也是朝向觀察者的眼睛定向的。與圖4a的變型例不同，該圖中光軸Z的取向是通過(guò)本發(fā)明的投影系統(tǒng)的子單元1設(shè)置其上的基板30的彎曲實(shí)現(xiàn)的。
在圖5的變形例中，基板30也是平的，而且矩陣40的各個(gè)子單元1的光軸Z是相互平行的，并且垂直于基板30的平面。各個(gè)微型光學(xué)元件20進(jìn)一步包括折射或者衍射的棱鏡組分，以致于從基板30出射且朝向觀察者照射的光線，在觀察者視場(chǎng)內(nèi)沿著正確方向被此微型光學(xué)元件的棱鏡組分偏轉(zhuǎn)。圖5中示意表示出擬附加在相應(yīng)微型光學(xué)元件20的面型上面，以便產(chǎn)生所需要的視場(chǎng)的棱鏡組分對(duì)于中心部位的光源10采用平的型面(不需要偏轉(zhuǎn))；其余型面朝向棱邊漸變，以便具有最佳的偏轉(zhuǎn)。
對(duì)于微型光學(xué)元件20的矩陣而言，各個(gè)微型光學(xué)元件的位相函數(shù)(phase function)可被表示(通常包括折射的衍射兩種情況為)ψi，j＝ψ透鏡+ψ棱鏡(i，j)其中ψ透鏡表示聚焦光學(xué)元件(不論它是折射、反射還是衍射的)的位相功能；ψ棱鏡(i，j)表示對(duì)于矩陣中的每個(gè)第i，j個(gè)光學(xué)元件，其適于校正準(zhǔn)直光束的光路的附加的棱鏡組分。圖6以前視圖表示根據(jù)此原理配置的光學(xué)元件的可能出現(xiàn)的外觀。每個(gè)正方形均表示該矩陣中的單個(gè)微型光學(xué)元件20。每個(gè)正方形中繪出的同心圓，給出了可由各自微型光學(xué)元件20的棱鏡組分施加給光線的偏轉(zhuǎn)的想象。在中心的微型光學(xué)元件中，其棱鏡組分具有平的面型該矩陣的中心的正方形是與其中的圓環(huán)同心的。在外圍的微型光學(xué)元件中，其棱鏡組分具有附加傾斜的面型朝向該矩陣的外圍；設(shè)置在相應(yīng)正方形內(nèi)的一些圓的中心，隨著這些正方形在矩陣中的坐標(biāo)位置而朝向這些正方形的諸側(cè)之一偏轉(zhuǎn)。完全類似的配置也會(huì)對(duì)圖2a中光學(xué)系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)采用。在該情形下，反射器的位相功能從視場(chǎng)中心到外圍逐漸變化。
圖7表示適用在眼鏡上的本發(fā)明的投影系統(tǒng)。
在此情況下，例如作為眼鏡片之一的基板30，被裝在眼鏡框50上面。圖7還以放大的比例表示出被圍在以連續(xù)輪廓線繪出的矩形B1中的基板30的一部分。基板30中為矩陣40占據(jù)的區(qū)域，被表示為圍在以虛線繪出的矩形B2中。各個(gè)發(fā)光像素10是由傳統(tǒng)的控制單元(未表示)相互獨(dú)立地被電氣提供的，例如通過(guò)光刻直接形成在鏡片30外表面上的電接線圖案60，或者形成在包含光源10且使其附著在鏡片外表面上的薄膜上面。這些接線60對(duì)于眼睛是不可見(jiàn)的，因?yàn)樗鼈兪峭该鞯?，以?或者是非?？烤o于焦點(diǎn)(too close to be brought intofocus)。
發(fā)光像素的尺寸通常為亞微米量級(jí)，而且供電線路(a supplytrack)基本上為透明的。因而由發(fā)光器和電氣線路組成的整個(gè)組件對(duì)于肉眼實(shí)際上是不可見(jiàn)的。由微型光學(xué)元件/微型光源構(gòu)成的矩陣40占據(jù)的區(qū)域B2的總體部分的大小，取決于像素的數(shù)量，因而取決于顯示器的分辨率，或者取決于基板30上微型光學(xué)元件/微型光源選擇的密度大小。具有320×240像素或640×480像素的兩種標(biāo)準(zhǔn)配置，占據(jù)不多幾平方毫米的總不透明區(qū)域，通常被設(shè)置在約2×2cm2的整個(gè)鏡片區(qū)域上。該發(fā)光器矩陣可以放在觀察者視場(chǎng)FOV中的外圍部分，或者放在其中心(其結(jié)構(gòu)類似于圖6中所示)，而更加稀疏的配置可以占據(jù)整個(gè)鏡片。一般說(shuō)來(lái)，該顯示器的尺寸將根據(jù)是包括眼鏡還是面盔而有所不同。
作為整體的投影矩陣的光學(xué)系統(tǒng)，不論它是靠透射還是反射來(lái)運(yùn)作，所復(fù)蓋的只是最小一部分，通常小于整個(gè)鏡片或基板的百分之一，因而并不影響作為整體的通視系統(tǒng)。
在傳統(tǒng)的投影系統(tǒng)中，產(chǎn)生圖像的子系統(tǒng)、用于將該圖像聚焦成虛像的系統(tǒng)，以及用來(lái)將該虛像投影在使用者視場(chǎng)中的系統(tǒng)，構(gòu)成不同的分立的單元，但在本發(fā)明的系統(tǒng)中三個(gè)子系統(tǒng)被結(jié)合成單一的在透明基板(例如眼鏡片或者頭盔的面盔)上形成的單元，并且同時(shí)產(chǎn)生、聚焦和投影虛像。
然而，在傳統(tǒng)的投影系統(tǒng)中，視場(chǎng)是自然決定的，而且僅取決于微型顯示器的總體尺寸和光學(xué)系統(tǒng)的焦距；而在本發(fā)明的系統(tǒng)中，視場(chǎng)是通過(guò)將每個(gè)單獨(dú)的光源的虛像投影在使用者視場(chǎng)中的正確位置而“作為馬賽克”創(chuàng)生的。
自然，保持實(shí)施例中相同結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和形式的本發(fā)明原理，可以相對(duì)這些描述和圖例廣泛地變化，因而并不偏離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于將虛像投影在觀察者視場(chǎng)(FOV)中的系統(tǒng)，包括一支撐部件(50)；至少一個(gè)透明元件(30)，被安裝在該支撐部件(50)上面，適于放在觀察者至少雙眼之一前面，以便讓圖像從中透過(guò)，且該透明元件(30)包括朝向觀察者的第一面(30a，30b)和朝向外部世界的第二面(30a，30b)；適于形成附加圖像的圖像顯示裝置(10)，以及投影和聚焦裝置(20)，用來(lái)按一定方式對(duì)該附加圖像進(jìn)行投影，以便將其呈現(xiàn)為被疊加在聚焦于距觀察一預(yù)定距離的外部世界的圖像上，其特征在于該顯示裝置包括配置在透明元件(30)的第一和第二面(30a，30b)之一上面的許多發(fā)光的像素裝置(10)，而且該投影和聚焦裝置包括與相應(yīng)的發(fā)光裝置(10)相關(guān)聯(lián)的光學(xué)元件(20)，其被按一定方式設(shè)置在該透明元件(30)的第一和第二面(30a，30b)中的另一面上，以使該光學(xué)元件(20)中的每一個(gè)均能產(chǎn)生一與其相關(guān)聯(lián)的發(fā)光裝置(10)的虛像，這些單獨(dú)的發(fā)光裝置(10)的虛像集中在一起，在觀察者的視場(chǎng)(FOV)中形成附加的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該透明元件(30)為由透明玻璃或塑料制成的固體元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該透明元件(30)為由一對(duì)透明材料薄膜構(gòu)成的中空元件，其間介入該透明元件(30)的空腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該透明元件(30)為由透明材料制成的固體元件，其上被施加以透明材料的薄膜或者箔，發(fā)光裝置(10)和/或光學(xué)元件(20)被相應(yīng)設(shè)置其上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該光學(xué)元件(20)被作為反射鏡形成，以使發(fā)生裝置(10)被設(shè)置其上的該透明元件(30)的面(30a)朝向觀察者的眼睛。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該光學(xué)元件(20)被作為透鏡或通過(guò)折射或衍射進(jìn)行工作的光學(xué)元件形成，以使發(fā)光裝置(10)被設(shè)置其上的該基板(30)的面(30a)，朝向相對(duì)于觀察者的觀察方向在其前方延伸的外部世界部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中每個(gè)發(fā)光裝置(10)和與之相關(guān)聯(lián)的光學(xué)元件(20)，被設(shè)置在該透明元件(30)的管形部分的相反兩端，且此管形部分具有不透明的側(cè)壁。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該透明元件(30)為平的，發(fā)光裝置(10)和光學(xué)元件(20)被設(shè)置和按照一定方式定向，以使由發(fā)光裝置(10)和相應(yīng)光學(xué)元件(20)形成的每個(gè)系統(tǒng)的光軸(Z)被朝向觀察者的眼睛取向。
9根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中該透明元件(30)被彎曲，以使由發(fā)光裝置(10)和相應(yīng)光學(xué)元件(20)形成的每個(gè)系統(tǒng)的光軸(Z)被朝向觀察者的眼睛取向。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中的光學(xué)元件(20)包括棱鏡組分，以便將相應(yīng)發(fā)光裝置(10)的虛像投影在觀察者視場(chǎng)中的預(yù)定部位。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中發(fā)光裝置(10)和與之相關(guān)聯(lián)的光學(xué)元件(20)被按矩陣方式排列設(shè)置在透明元件(30)的相應(yīng)面(30a，30b)上，且根據(jù)其相對(duì)觀察者視場(chǎng)(FOV)的位置，以非均勻方式分布。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該發(fā)光裝置(10)為有機(jī)類型，如OLED或PLED；或者為無(wú)機(jī)類型，如微型LED、量子點(diǎn)激光器、納米結(jié)構(gòu)的金屬源、碳納米管源、金屬或聚合物的納米絲源，或場(chǎng)致發(fā)射源。
13.一種可由使用者佩戴的顯示裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1的投影系統(tǒng)，以及通過(guò)設(shè)置在發(fā)光裝置(10)配置其上的透明元件(30)的面(30a)上的電連線圖案(60)而與發(fā)光裝置(10)相連的控制單元，以便控制發(fā)光裝置(10)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的裝置，其中該透鏡和投影系統(tǒng)的彎曲作為整體被在一起進(jìn)行優(yōu)化，用以聚焦圖像。
全文摘要
一種用于將虛像投影在觀察者視場(chǎng)(FOV)中的系統(tǒng)，包括一支撐部件(50)，一透明元件(30)，被安裝在該支撐部件(50)上，適于放在觀察者眼睛的前面，該透明元件(30)包括第一面(30a，30b)和第二面(30a，30b)；圖像顯示裝置(10)和投影及聚焦裝置(20)，圖像顯示裝置(10)適于形成附加的圖像，投影及聚焦裝置(20)用于按一定方式投影此附加的圖像，以將其呈現(xiàn)為被疊加在外部世界圖像上。該顯示裝置包括配置在透明元件(30)兩面(30a，30b)之一上的發(fā)光裝置(10)；該投影及聚焦裝置包括與對(duì)應(yīng)發(fā)光裝置(10)相關(guān)聯(lián)且被配置在另一面(30a，30b)上的光學(xué)元件(20)。每個(gè)光學(xué)元件(20)產(chǎn)生與之相關(guān)聯(lián)的發(fā)光裝置(10)的虛像。這些發(fā)光裝置(10)的虛像其中在一起形成附加圖像。
文檔編號(hào)G02B27/01GK1664652SQ200510051889
公開(kāi)日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2005年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月4日
發(fā)明者S·貝爾納, P·雷佩托, P·佩洛, N·帕拉羅, D·卡佩洛, N·利皮拉, V·蘭貝蒂尼, M·布里格諾內(nèi) 申請(qǐng)人:C.R.F.阿西安尼顧問(wèn)公司