專利名稱：帶有光纖點(diǎn)光源的虛視網(wǎng)膜顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是針對(duì)虛象顯示系統(tǒng)，具體說是針對(duì)采用光纖將來自光源的光耦合到掃描系統(tǒng)以便在掃描系統(tǒng)的輸入端提供點(diǎn)光源的虛視網(wǎng)膜顯示器。
利用已知的虛象顯示器，用戶不象通過一實(shí)象顯示器那樣直接觀察一實(shí)際的顯示屏幕。一般，虛顯示器利用液晶陣列、發(fā)光二極管或微型陰極射線管CRT僅生成一很小的實(shí)際圖象，此圖象由光學(xué)透鏡和反射鏡加以投射以使得此圖象顯現(xiàn)為現(xiàn)實(shí)中的大的圖象。
微型陰極射線管可產(chǎn)生中等分辯率的單色圖象。但這些裝置很苯重。例如，帶電纜的微型CRT的一般重量大于4盎司，此CRT直徑為1英寸長為4英寸。而且這些裝置具有高電壓加速電位，通常達(dá)7～13kV，這對(duì)于一被裝置在用戶頭上的顯示器是過高的。利用單一的微型CRT產(chǎn)生色彩很困難而常常造成圖象分辯率與亮度之間的妥協(xié)犧性。雖然CRT圖象可通過相干光纖束轉(zhuǎn)發(fā)來使CRT能作為遠(yuǎn)離頭部安裝的光學(xué)器件的安排，但為這樣作的硬件也很沉重并引起光的很大損失。采用作多路化的彩色濾波器和帶白色熒光的CRT的場(chǎng)序貫色彩能產(chǎn)生良好的色度飽和但也大大降低分辯率。例如在與一正常的60Hz場(chǎng)相同的期間必須產(chǎn)生三個(gè)彩色場(chǎng)，由此而將各色彩的視頻帶寬作三分。
液器陣列可利用低運(yùn)行電壓產(chǎn)生彩色圖象，但它僅能提供一臨界的象素密度，即低于800×800象素。一公知的商品化裝置利用一通過振動(dòng)反射鏡和放大鏡觀看的發(fā)光二極管的線性陣列。雖然這是一低成本和低功耗的方案，但顯示是單色的且行分辯率被限于能被結(jié)合進(jìn)此線性陣列的元件數(shù)。
此CRT和液晶顯示器兩者產(chǎn)生真實(shí)圖象，它通過無限光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到眼睛。此最簡單的光學(xué)系統(tǒng)使用戶能通過一簡單放大器透鏡觀察圖象源。對(duì)于大于30°的視野，這種方法導(dǎo)致許多問題，包括光損失和象差。而且這些光學(xué)器件很苯重。
虛投射光學(xué)設(shè)計(jì)在圖象平面光路中某處產(chǎn)生一空中圖象，它則被通過目鏡或物鏡看成是一豎立虛象。這一方法增加了靈活性，藉此由圖象源得到的圖象對(duì)于頭部安裝的顯示系統(tǒng)可作圍繞用戶頭部的折曲，但大的視野需要大而苯重的反射和折射光學(xué)元件。
除分辯率的限制外，現(xiàn)有的系統(tǒng)還具有帶寬的不足。帶寬是顯示系統(tǒng)能如何迅速地尋址、調(diào)制或改變圖象源的顯示元件的光發(fā)射的量度。顯示圖象源的帶寬根據(jù)在給定時(shí)間期間必須被尋址的元件數(shù)加以計(jì)算。為更新或維持各元件考慮到視網(wǎng)膜感受體的光集聚動(dòng)態(tài)特性和信息可能改變的速率的所感受的亮度作暫時(shí)對(duì)元件尋址是必須的。最小更新速率是眼睛的光自適應(yīng)狀態(tài)、顯示器亮度、象素余輝即象素在其被尋址后所產(chǎn)生光的時(shí)間長度的函數(shù)。對(duì)于電視型顯示一般需要一秒50至60次的最小刷新速率。而且，為感受動(dòng)態(tài)顯示中的或者在顯示圖象被作為頭運(yùn)動(dòng)的結(jié)果而加以穩(wěn)定處理的表示中的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，需要至少30Hz的更新速率。以60Hz的速率順序地、即一次一個(gè)象素地刷新40×106象素將需要2.4GHz的視頻帶寬。依靠利用眼睛對(duì)閃爍的感受上面的錯(cuò)覺的隔行掃描處理可以降低對(duì)帶寬的需求，但仍然需要對(duì)圖象源的所有元素的尋址來達(dá)到30Hz的最小更新速率，即1.2GHz的帶寬。一般的電視廣播品質(zhì)的帶寬接近于8MHz，即低于1.2GHz二個(gè)數(shù)量級(jí)。高分辯率計(jì)算機(jī)終端具有1400×1100象素，被以等于近似100MHz的帶寬的70Hz非隔行掃描的速率進(jìn)行尋址。
按照本發(fā)明將克服先前的虛象顯示系統(tǒng)的缺點(diǎn)。本發(fā)明的虛象顯示系統(tǒng)包括采用光纖來提供點(diǎn)光源，它被掃描到用戶的眼視網(wǎng)膜上來在其上面產(chǎn)生全景高分辯率的彩色虛象。
更具體說，本發(fā)明的虛象顯示系統(tǒng)包含有被以視頻信息調(diào)制的光源。包含水平微掃描器和垂直微掃描器的掃描系統(tǒng)時(shí)被視頻調(diào)制的光掃描到用戶眼的視網(wǎng)膜上。一單根單絲光纖具有射入光源的光的輸入孔，此光纖將光耦合到掃描系統(tǒng)以便在光纖的出口孔提供點(diǎn)光源。
本發(fā)明所采用的光源可以是激光，其中光纖在其出口孔提供點(diǎn)光源而不發(fā)生任何在由激光作光發(fā)射中可能出現(xiàn)的象差。此光纖還使激光和視頻調(diào)制電路能作遠(yuǎn)離掃描系統(tǒng)的布置來最大限度減少當(dāng)被安裝在用戶頭上時(shí)掃描系統(tǒng)的重量。
另一方面，本發(fā)明系統(tǒng)所采用的光源可包含一發(fā)光二極管。公知的發(fā)光二極管均具有一光發(fā)射區(qū)，它通常太大而不能提供用于產(chǎn)生非常部分辯率的圖象的點(diǎn)光源。按照本發(fā)明，光纖在其輸入孔由此發(fā)光二極管按收光，并在其出口孔提供點(diǎn)光源。
還應(yīng)指出，本發(fā)明的系統(tǒng)所采用的光源可包括多個(gè)彩色的光發(fā)射器，例如一紅光發(fā)射器，一藍(lán)光發(fā)射器和一綠光發(fā)射器，其中各個(gè)光發(fā)射器均可直接以各自的紅、籃和綠視頻信息進(jìn)行調(diào)制。來自各光源的彩色光可被導(dǎo)引進(jìn)與發(fā)射器相關(guān)連的各光纖。另外，來自各發(fā)射器的彩色光可被加以組合然后耦合到光纖的入射口以便能在光纖的出射口提供彩色的經(jīng)視頻調(diào)制的點(diǎn)光源。本發(fā)明的這些和其他目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎特點(diǎn)以及其作為說明的實(shí)施例的細(xì)節(jié)由下面的說明和附圖將能更全面地了解。
所列附圖的簡要說明

圖1為本發(fā)明的視網(wǎng)膜顯示器的方框圖；圖2為說明圖1中表明的虛視網(wǎng)膜顯示器的一實(shí)施例的方框圖；圖3為采用彩色的圖1虛視網(wǎng)膜顯示器的第二實(shí)施例；圖4為說明按照本發(fā)明的彩色虛視網(wǎng)膜顯示器的另一實(shí)施例的方框圖；圖5為采用并行光子產(chǎn)生和調(diào)制的本發(fā)明的虛視網(wǎng)膜顯示器的再一實(shí)施例中所用的LED陣列圖形。
圖6說明激光的相控陣列，圖7說明按照本發(fā)明所采用的微光柵掃描器；圖8說明按照本發(fā)明可采用的另一微光柵掃描器；圖9為說明采用光纖的圖1的虛視網(wǎng)膜顯示器的另一實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的圖形；圖10為具有一端直接毗連一LED的圖9中說明的光纖的一部分的側(cè)視圖；和圖11為說明其有鄰接一光子發(fā)生器的漏斗狀端部的光纖的側(cè)視圖。
如圖1中所示的本發(fā)明的虛視網(wǎng)膜顯示器10采用能產(chǎn)生直接投射到用戶眼睛上的全景高分辯率的彩色圖象的光子生成和控制。虛視網(wǎng)膜顯示器不利用產(chǎn)生實(shí)象的顯示器，例如先前的虛象顯示器中的CRT、LED或LED陣列。而是將以視頻信息調(diào)制的光子直接掃描到用戶眼睛20的視網(wǎng)膜22上來產(chǎn)生一豎立虛象的感覺。因?yàn)榇颂撘暰W(wǎng)膜顯示器10不采用實(shí)象顯示，所以此虛視網(wǎng)膜顯示器10體積很小且輕，因而適宜于方便地安裝在用戶的頭上作為頭載式顯示器。
更具體說，如圖1中所示，來自光子發(fā)生器12的光子被調(diào)制器14以視頻信息調(diào)制。經(jīng)調(diào)制的光子被掃描器16在第一方向和一般垂直于此第一方向的第二方向上進(jìn)行掃描來產(chǎn)生被投射光器件18直接投射到眼睛20的視網(wǎng)膜22上生成豎立虛象的感覺的光子光柵。雖然不是必須的，但最好采用一眼睛跟蹤系統(tǒng)24來在眼睛20的瞳孔26運(yùn)動(dòng)時(shí)重新定位掃描光柵以便使光射線束與眼睛的入射光瞳相一致。此眼睛跟蹤系統(tǒng)24也可被用作反饋在眼睛運(yùn)動(dòng)時(shí)改變圖象或被掃描到視網(wǎng)膜上的圖象的聚焦，以便能使用戶感覺到在他移動(dòng)他的眼睛時(shí)他正對(duì)準(zhǔn)看著一全景象的不同部位。應(yīng)指出，圖1以及隨后各圖中所示進(jìn)入眼睛20的點(diǎn)線是表示掃描的范圍而不是瞬時(shí)光束。
光子發(fā)生器12可產(chǎn)生象激光這樣的相干光，也可象采用一或數(shù)個(gè)LED那樣產(chǎn)生非相干光。而且，可對(duì)紅、綠和黃或藍(lán)光束以RGY或RGB視頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制來將彩色的光子直接掃描在用戶的眼睛上。為了降低此虛視網(wǎng)膜顯示器的帶寬，可對(duì)多個(gè)單色光或多組彩色光束作并行調(diào)制和掃描到視網(wǎng)膜上，在此，用于調(diào)制光子的視頻信息被分成為不同的區(qū)段或范圍，而各個(gè)光束或各組彩色光束與一視頻信息的不同區(qū)段相關(guān)連，如下述。還應(yīng)指出，由一或多個(gè)光子發(fā)生器12、調(diào)制器14、掃描器16和投射光器件18所執(zhí)行的功能可按照系統(tǒng)中所用的實(shí)際部件被加以組合來由較少的部件進(jìn)行。一聲光導(dǎo)向器可被用來調(diào)制來自光子發(fā)生器12的光同時(shí)在至少一個(gè)方向上掃描被調(diào)制的光。而且一激光相控陣列孔可被用來進(jìn)行光子發(fā)生器、調(diào)制器和一個(gè)也可能兩個(gè)掃描器的功能，如下面討論的。
此虛視網(wǎng)膜顯示器10的組成部件可被做得很小、緊湊和很輕以便此虛視網(wǎng)膜顯示器10能容易地安裝在用戶的頭上而無需一頭盔或一用作結(jié)構(gòu)支撐的精致的頭部固定件。而且，光子發(fā)生器12和調(diào)制器14可與掃描器16和投射光器件18分離以使得僅需將掃描器16和光學(xué)器件18安裝在用戶的頭上，經(jīng)調(diào)制的光子耦合到掃描器可通過單絲光纖束或者單根的單絲光纖，如下面詳細(xì)說明的。在一優(yōu)選實(shí)施例中，采用微光柵掃描器掃描光子，這種微光柵掃描器很小很薄并響應(yīng)電氣驅(qū)動(dòng)或偏轉(zhuǎn)信號(hào)作偏轉(zhuǎn)來掃描光子。適用類型的微光柵掃描器說明如下它在被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的并這里作為參考的美國專利申請(qǐng)08/329508號(hào)(1994年10月26日遞交)中有描述。為此可將光子發(fā)射器、調(diào)制器和掃描器作成很小，例如1.5英寸高×1.5英寸寬×0.25英寸厚或者具有小于1盎司的重量，以便于此虛視網(wǎng)膜顯示器10的頭部安裝。
按照?qǐng)D2中所示的本發(fā)明一實(shí)施例，利用高分辯率掃描器來在一二維的光柵模式中水平和垂直兩方向上偏轉(zhuǎn)光束。在眼睛前方不利用任一透鏡來聚焦光束形成實(shí)象。而是眼睛晶狀體29將光束聚焦到視網(wǎng)膜背上一點(diǎn)，在掃描器16掃描經(jīng)過調(diào)制的光子時(shí)此光束點(diǎn)的位置掃描視網(wǎng)膜。經(jīng)過準(zhǔn)直的光束的偏轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)于任一給定的眼睛位置時(shí)視網(wǎng)膜上的聚焦點(diǎn)的位置，好似一圖象在離開觀察者無限遠(yuǎn)處被掃描那樣。光的強(qiáng)度以視頻信號(hào)調(diào)制以便產(chǎn)生所希望對(duì)比度的圖象。因此，用戶的眼睛運(yùn)動(dòng)時(shí)，在用戶注視景象的不同部分期間他將感覺到一靜止的圖象。圖象的寬度方向的展開比例于掃描角度。在需要對(duì)利用合成光器件來對(duì)準(zhǔn)掃描光子和對(duì)所感受的圖象加以定標(biāo)。以形成掃描器孔徑的縮小的圖象來生成成比例增大的掃描角。除此之外，掃描器圖象的大小在光進(jìn)入眼睛時(shí)是無關(guān)緊要的。
較具體說，如圖2中所示，來自光子發(fā)生器12的光線即光子通過柱面透鏡30和球面透鏡32被投射到一聲光導(dǎo)向器34，它在第一、即水平方向掃描光子。柱面透鏡將來自光子發(fā)生器12的光束作水平擴(kuò)散開以使其充滿聲光導(dǎo)向器34的孔徑。球面透鏡32水平地匯聚照射到聲光導(dǎo)向器34上的光線。
聲光導(dǎo)向器34響應(yīng)線36上被用作為對(duì)聲光導(dǎo)向器34的轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的視頻信號(hào)調(diào)制來自光子發(fā)生器12的光子即光線并在第一方向即水平地掃描來自光子發(fā)生器12的受調(diào)光。線路36上的視頻信號(hào)由包括一視頻控制器42總體以38標(biāo)明的視頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供。視頻控制器42可包括提供線路56上的視頻信號(hào)和各自的水平同步和垂直同步信號(hào)的視頻發(fā)生器例如幀緩存器40。視頻控制器42還可包括一按照存放在ROM46等中的軟件運(yùn)行的和利用RAM48作為便簽存貯器的微處理器。來自視頻發(fā)生器40的水平同步信號(hào)由一斜坡發(fā)生器50變換成斜波形式；此水平同步斜坡波形被加到一壓控振蕩器52，它響應(yīng)此斜波輸放提供一具有頻率作線性調(diào)頻脈沖式變化的信號(hào)。壓控振蕩器52的輸出被加給一其增益隨由視頻發(fā)生器40輸出的視頻數(shù)據(jù)信號(hào)56改變的放入大器54，以使得由放大器54輸出的視頻信號(hào)36具有按線路56上的視頻信號(hào)改變的幅值和具有以線性調(diào)頻脈沖方式改變的頻率。線路36上的視頻信號(hào)被加到聲光導(dǎo)向器34的驅(qū)動(dòng)變換器。以此視頻信息改變線路36上驅(qū)動(dòng)信號(hào)的振幅促使聲光導(dǎo)向器34以視頻信號(hào)調(diào)制來自光子發(fā)生器12的光的強(qiáng)度。以線性調(diào)頻脈沖方式改變線路36上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率促使聲光導(dǎo)向器改變光線偏轉(zhuǎn)的角度，由此使得能以第一、即水平方向掃描光線。
一對(duì)球面透鏡64和68將作水平掃描的光線、即光子在一垂直掃描器62上成象，此時(shí)一柱面透鏡68垂直地展開光線來充滿此垂直掃描器62的孔徑。此垂直掃描器62例如可以是一檢流計(jì)。由視頻發(fā)生器58輸出的垂直同步信號(hào)被斜坡發(fā)生器58變換成斜坡波形并經(jīng)放大器60放大來驅(qū)動(dòng)垂直掃描器62。垂直掃描器62的掃描速度低于水平掃描器34的掃描以使得垂直掃描器62的輸出成為光子光柵。這一光子光柵由采取環(huán)形或球形光元件72如折射透鏡、反射鏡、全息部件等的投射光器件直接投射到用戶的眼睛20上。
環(huán)形或球形光元件72提供被掃描光子的最后的成象和縮小，較具體說，此環(huán)形或球形光元件轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)掃描的光子以使它們匯總在眼睛20的入射瞳26的附近。因?yàn)樾纬闪藪呙杵骺讖降目s小的圖象，此偏轉(zhuǎn)角被按照拉格朗日不變量倍乘，此視野和圖象大小成比例。因?yàn)楸粧呙韫庾拥拇笮?，亦即虛視網(wǎng)膜顯示器的出射孔徑被縮小了，所以由眼睛感覺到的圖象的視野增大。
光元件72可以是不會(huì)發(fā)射來自顯示系統(tǒng)之外的光的封閉式元件。另外，光元件72可作成能透光的以使得用戶能通過元件72觀察周圍現(xiàn)實(shí)情況，此時(shí)用戶感覺到由顯示器10產(chǎn)生的被掃描的虛像是被重疊在此現(xiàn)實(shí)情況上。而且，此光元件72還可被作成可改變地透射的以維持外部現(xiàn)實(shí)狀況與被顯示的虛象之間的對(duì)比度。一無源可變透光元件72可采用在其中夾一光敏感的材料的層的形式以按周圍光線來改變?cè)耐腹庑?。一有源不變透光元?2可包括液晶材料。這種元件可采用光敏元件來檢測(cè)周圍的光量，此時(shí)加到液晶材料的偏置電壓隨所檢測(cè)得的光線改變來主動(dòng)地改變?cè)?2的透光性。
到目前涉及圖2所描述的系統(tǒng)是單筒的。為得到一立體系統(tǒng)，可與第一視網(wǎng)膜顯示器10并行地利用一第二虛視網(wǎng)膜顯示器10＇，此第二虛視網(wǎng)膜顯示器10＇將以適當(dāng)?shù)囊曨l信息調(diào)制的被掃描光子直接投射到用戶的第二只眼20＇上。這提供用于雙簡深度信息的手段以使所顯示的物體顯現(xiàn)在不同深度。但是，此物體的各個(gè)象素顯現(xiàn)為距用戶相同距離，這可能在立體提示器與單筒提示器之間產(chǎn)生矛盾，這里立體提示器處理物體相對(duì)于每一只眼的定位而單筒提示器處理在視網(wǎng)膜上成象的物體的光的聚焦。較具體說，在先前的虛象顯示系統(tǒng)中，各單筒圖象平面一般都聚焦于使得虛象中的每象素出現(xiàn)在一個(gè)距離上的光學(xué)無窮。但是，兩個(gè)先前的單筒系統(tǒng)為形成雙筒視象的組合產(chǎn)生距離提示器與聚焦或適應(yīng)提示器之間有可能的沖突。
本發(fā)明的虛視網(wǎng)膜顯示器由利用單筒顯示系統(tǒng)10中的或者由顯示器10和10＇構(gòu)成的雙筒顯示系統(tǒng)中的適應(yīng)提示器70來克服這些問題。此適應(yīng)提示器70為聚焦或適應(yīng)提示器，它被控制來迅速改變經(jīng)掃描光子的聚焦或收斂或發(fā)散以控制對(duì)虛象的各個(gè)象素的感受深度。因此按照本發(fā)明，通過分別對(duì)各象素作深度調(diào)制，例如以控制各單個(gè)象素的聚焦即收斂或發(fā)散來獲得真實(shí)深度的感覺。此適應(yīng)提示器70包括迅速改變形狀的反射表面。例如可利用一帶有其形狀在薄膜被充電或放電時(shí)改變的可變形薄膜的微型反射鏡來構(gòu)成此適應(yīng)提示器。這樣以電驅(qū)動(dòng)信號(hào)改變薄膜的變形來控制各象素作深度上的收斂或發(fā)散。由視頻控制器42來實(shí)現(xiàn)適應(yīng)提示器70的驅(qū)動(dòng)，該控制器可以例如除在通常的幀緩存器中的二維視頻信息外再在存貯器48或在視頻發(fā)生器40中存放一Z軸視頻信息緩存。
圖3中表明本發(fā)明的虛視網(wǎng)膜顯示器10的又一實(shí)施例，用于直接掃描彩色光子到用戶眼睛的視網(wǎng)膜上。如圖3中所示，光子發(fā)生器12包括彩色激光或LED，例如紅光子發(fā)生器80，綠光子發(fā)生器82和藍(lán)光子發(fā)生器84。如無可采用的藍(lán)光子發(fā)生器，可以采用黃光子發(fā)生器。來自發(fā)生器80、82和84的彩色光子以來自視頻發(fā)生器40的各自的RGB視頻信息進(jìn)行調(diào)制，然后被一光束組合器/分散預(yù)補(bǔ)償器86加以組合。光束組合器/分散預(yù)補(bǔ)償器86的輸出被柱面透鏡30和球面透鏡32投射到水平掃描器34上。應(yīng)指出，水平掃描器也可以不是圖2中所示的聲光掃描器。例如諧振機(jī)械掃描器或下面討論的各種類型的微光柵掃描器均可被用作為水平掃描器。由掃描器34輸出的作水平掃描的彩色調(diào)制光子被投射到一分散補(bǔ)償器88上，此補(bǔ)償器58的輸出在被一對(duì)球面透鏡64和68投射到垂直掃描器62之前被投射到一棱鏡上。
由垂直掃描器62輸出的經(jīng)掃描的彩色光子光柵端球面透鏡92投射到一補(bǔ)償反射鏡96上，它隨眼睛跟蹤器106運(yùn)動(dòng)以便能在瞳孔運(yùn)動(dòng)時(shí)將光子光柵直接定位到眼睛20的入射瞳26上。在一實(shí)施例中，一光束分離器100將由眼20的角膜反射出的圖象導(dǎo)向到透鏡102和一位置檢測(cè)二極管104，后者被耦合到眼跟蹤器106以檢測(cè)瞳孔26的位置。按照所檢測(cè)的瞳孔的位置，眼跟蹤器正碓地定位補(bǔ)償反射鏡96以便使此虛視網(wǎng)膜顯示器的輸出孔、或口接近地與眼的入射瞳對(duì)準(zhǔn)，或者如下述的調(diào)整掃描角以反映改變了視頻信息。
瞳孔26的瞬間位置在由眼跟蹤器106確定后也被傳送到視頻控制器42以使得微處理器44能導(dǎo)引視頻信息調(diào)制彩色光，在此視頻信息反映出用戶觀察方向的變化。更具體說，檢測(cè)得的瞳孔位置被微處理器44用來對(duì)存貯在幀緩存器40中的視頻信息定位一“可視窗”。此幀緩存器40可以存放例如表示一全景視圖的視頻信息，而此可視窗的位置則確定此視圖的哪一部分是用戶要感覺到的，處于此可視窗中的視頻信息被用來調(diào)制來自光子發(fā)生器12的光。
應(yīng)指出，因?yàn)槁暪鈱?dǎo)向器34衍射紅光多于綠光而衍射綠光多于藍(lán)光，衍射中的這種離散必須加以補(bǔ)償。按照本發(fā)明這種離散可由延時(shí)器108、110和112對(duì)RGB視頻信號(hào)加以適當(dāng)?shù)难訒r(shí)來行進(jìn)補(bǔ)償，這些RGB視頻信號(hào)是被耦合到各自的紅、綠和藍(lán)光子發(fā)生器80、82和84以適當(dāng)?shù)募t、綠和藍(lán)視頻信息調(diào)制紅、綠和藍(lán)光子的。
在圖4中所示的本發(fā)明的虛視網(wǎng)膜顯示器的另一實(shí)施例中，復(fù)合視頻、即RGB視頻信號(hào)由一數(shù)字視頻掃描變換器120接收并被分隔成多個(gè)表示欲被掃描的圖象的區(qū)段或區(qū)間的部分。由視頻放大器124輸出的表示各區(qū)段的多重視頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)被用來并行調(diào)制來自光子發(fā)生器12的光。光子發(fā)生器可由激光二極管陣列或者高亮度發(fā)光二極管陣列組成。多重紅、綠和黃或藍(lán)光束以視頻信并行對(duì)各區(qū)段或區(qū)域進(jìn)行調(diào)制然后被直接轉(zhuǎn)發(fā)或者由單絲光纖131送到微光柵掃描器16。此微光柵掃描器16主要執(zhí)行二個(gè)功能。第一，微光柵掃描器在二個(gè)軸方向掃描與各區(qū)段或區(qū)域相關(guān)的多重彩色光束進(jìn)行掃描以在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生光線的光柵而不是一空中圖象，在光子發(fā)生器12與眼睛20之間不存在有圖象平面。第二，微光柵掃描器16的功用是如眼跟蹤器24所檢測(cè)的相對(duì)于眼睛的瞬時(shí)入射瞳定位被掃描的光。
較具體說，掃描器16包括一第一微光柵掃描器132，它響應(yīng)由一偏轉(zhuǎn)放大器136輸出的X軸偏轉(zhuǎn)信號(hào)在在水平方向掃描此彩色光束，這里放大器136由來自掃描發(fā)生器122來的水平同步信號(hào)驅(qū)動(dòng)。第二微光柵掃描器134響應(yīng)來自被掃描發(fā)生器122的垂直同步或偏轉(zhuǎn)摳動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)放大器136的Y偏轉(zhuǎn)信號(hào)在垂直方向掃描該經(jīng)水平掃描的彩色光子。掃描準(zhǔn)直透鏡140接收被投射到一三色組合器142上的經(jīng)二維調(diào)制的光線場(chǎng)。接著組合器142將此經(jīng)掃描的光投射到麥克斯韋檢測(cè)光系統(tǒng)148。此光系統(tǒng)148將經(jīng)掃描的彩色光子投射到一光柵位置偏轉(zhuǎn)器，此偏轉(zhuǎn)器可包括二個(gè)軸電流計(jì)反射鏡，后者再將被掃描光投射到一環(huán)形光元件例如一具有三色涂敷的組合器152，此環(huán)形組合器152將被掃描的彩色光子直接投射的眼睛20。
為作眼跟蹤，眼跟蹤器24包括一紅外光源，它以低強(qiáng)度紅外光如所示的直接或間接地照射到眼睛的表面。眼的表面被通過光柵位置偏轉(zhuǎn)器150經(jīng)由組合器142、透鏡140和一電荷耦合器CCD陣列146觀測(cè)。由CCD傳感器146得到的信號(hào)被瞳孔位置處理器154處理以產(chǎn)生零信號(hào)ΔH和ΔV，它們被耦合到各自的彩色偏轉(zhuǎn)放大器158和光柵定位反射鏡150以便能使被掃描的光子跟隨用戶眼睛20的瞳孔。
適用于本發(fā)明的發(fā)光二極管陣列的一例如圖5中所示。如果認(rèn)為一X-Y視野是由一2000×2000可分辯點(diǎn)或象素陣列所構(gòu)成的，這些點(diǎn)就必須每秒鐘被刷新50次而使得有接近200MHz的信息帶寬。高亮度LED一般具有在2MHz以上開始運(yùn)行的功率帶寬曲線。這一結(jié)果主要是有關(guān)深度正向偏置的p-n結(jié)的雜散電容的R-C積的限制。為滿足此系統(tǒng)的帶寬要求，采用一每一色彩50至100LED象素的線性陣列。利用紅、綠和藍(lán)LED方案將需要這三色中每一個(gè)有50～100個(gè)LED。如圖5中所示，陣列200包括LED片201、202、203-N，其中各LED片包含一LED作用區(qū)205。該LED作用區(qū)可包括一GaAsP合金和一Si3N4絕緣涂層。
圖6中表明的激光相陣列的功能是進(jìn)行光子產(chǎn)生、視頻調(diào)制和至少在一方向中的掃描。此激光相控陣列包括薄膜波導(dǎo)210，相位調(diào)制器電極212，凈化的耦合腔214和激光腔216；此陣列發(fā)射約10mw功率的相干光束。當(dāng)將二接近地隔開的激光器加工在此同一材料基片上時(shí)，它們的光場(chǎng)相耦合而使得此二裝置中的光發(fā)射過程相互關(guān)連而成為相干的。其結(jié)果是此二激光發(fā)射的一明確的波前面。在具有許多激光腔216的激光相控陣列220中，如果激光器互相相距在10微米之內(nèi)光束就是相位相干的。這種分辯率可由光刻技術(shù)達(dá)到。電光調(diào)制器通過改變波導(dǎo)媒體210的折射系數(shù)工作，光束必須在射進(jìn)自由空間之前通過此媒體傳送。借助將用于各調(diào)制器的電觸點(diǎn)212分離，陣列中各激光的相關(guān)相位就能被調(diào)制器改變。對(duì)于一系列適宜的調(diào)制電壓，激光陣列耦合的光束的波前面可被改變來使得被發(fā)射的光束以一與正常的出射方向呈一個(gè)角度射出。采用適當(dāng)系列的調(diào)制電壓，可對(duì)激光束在給定方向上進(jìn)行掃描。有可能構(gòu)成一二軸激光相控陣列來使得無需一輔助掃描器在垂直方向?qū)す鈷呙琛?br> 圖7說明用于掃描光子的微光柵掃描器132、134的舉例。此微光柵掃描器包含一執(zhí)行部件230。此執(zhí)行部件230是一能響應(yīng)一電驅(qū)動(dòng)信號(hào)作三維運(yùn)動(dòng)的壓電雙晶懸臂梁。以適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)控制此懸臂執(zhí)行部件的偏轉(zhuǎn)，執(zhí)行部件230偏轉(zhuǎn)入射到其上的光子來掃描光子。
能被做得極小的微光柵掃描器的另一例如圖8中所示，此微光柵掃描器具有彎曲的反射表面，自動(dòng)移動(dòng)來在一個(gè)方向上掃描射到其面上的光線。較具體說，此微光柵發(fā)描器240包括一基面，即由壓電材料構(gòu)成的執(zhí)行部件242帶有一形成在此執(zhí)行部件242上的基片244，其中此基片244具有一被彎曲的反射表面246。響應(yīng)一改變的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此壓電執(zhí)得部件和基片244在箭頭248的方向上自動(dòng)移動(dòng)以使得在一通常垂直于移動(dòng)的方向248的第一方向上的掃描射到基片的表面246上的光線。第二微光柵掃描器250在垂直于第一方向的第二方向中掃描射到它上面的光線，以使得將光柵圖象直接掃描到用戶眼睛的視網(wǎng)膜上。
圖9表明本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，一單模單絲光纖300或單根多股光纖被用來將來自光源例如光子發(fā)生器12的光耦合到掃描系統(tǒng)16。單絲光纖300包含一導(dǎo)引進(jìn)光纖300的單個(gè)線芯304的入射口302，此線芯304沿光纖長度伸展到一出射口306。此單絲光纖300的出射孔徑可以極小。例如，此出射孔徑可以是10微米或更小，最好為3.5微米的量級(jí)以便能提供用于輸入到掃描系統(tǒng)16的點(diǎn)光源。
光子發(fā)生器12，如上述，可產(chǎn)生相干光如激光。在圖9說明的系統(tǒng)的激光實(shí)施例中，光纖300使得激光源以及視頻源和系統(tǒng)的視頻調(diào)制部分均能被安置在遠(yuǎn)離掃描系統(tǒng)16的地方。當(dāng)激光源是激光二極管或其他產(chǎn)生象散光的激光發(fā)生器時(shí)光纖300還有另外的優(yōu)點(diǎn)。較具體說，激光二極管一般產(chǎn)生象散光，這在當(dāng)被掃描到用戶眼睛網(wǎng)膜上時(shí)將不如所希望產(chǎn)生一圓的象素而是一扭變的象素如橢圓象素。當(dāng)被用于這樣的激光源時(shí)光纖300將會(huì)在光纖300的出射口處將象散的激光光變換成一圓點(diǎn)，從而能在光被掃描到視網(wǎng)膜上時(shí)得到圓的象素。
圖9中所示的光子發(fā)生器12也可包括發(fā)光二極管(LED)。LED不產(chǎn)生相干光。而且LED的光發(fā)射區(qū)對(duì)一些顯示系統(tǒng)的應(yīng)用所需的非常高分辯率圖象的產(chǎn)生一般都太大。雖然利用透鏡之類的光器件能縮小LED光源的視在大小，但這種光器件的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度上的損失，而且使光路長度增加而使顯示系統(tǒng)的整體體積增大。不過在LED光耦合到一單模單絲光纖300，此光纖300的出射口將形成足夠用于非常高分辯率圖象生成的很小的點(diǎn)光源。應(yīng)指出通常的LED可能具有500微米量級(jí)的光發(fā)射區(qū)308。按照本發(fā)明，光纖300使得非常大的LED光發(fā)射區(qū)能被減小到低于10微米，而對(duì)具有該數(shù)量級(jí)的線芯304的直徑的光纖300最好能在3.5微米的數(shù)量級(jí)。
如圖9所示透鏡310這樣的透鏡可被用來將來自激光、LED或其他類型光子發(fā)生器12的光聚焦進(jìn)光纖300的入射口302中。另一方面，如圖10中所示，含有入射口302的光纖的端部312可以直接毗連到被表示為LED314的光子發(fā)生器12。由圖1 0可看到，光纖的入射口302的直徑、即面積遠(yuǎn)小于LED314的光發(fā)射區(qū)308。圖11說明為將來自光子發(fā)生器12的光耦合到光纖300的另一實(shí)施方案。在此實(shí)施例中，光纖300被構(gòu)成為帶有一漏斗狀的端部316，導(dǎo)引進(jìn)帶有入射口302的光纖300的很小的恒定直徑的線芯304的入射口302中。光纖的漏斗部分316的入射口318具有大于光纖300的恒定直徑線芯部分320的入射孔302的直徑的直徑，圖11中所示的光纖的漏斗部分316可直接毗連光子源12，或者換句話說，它可被置于與其緊密地靠近。
發(fā)自在光纖300的出口射口306處形成的點(diǎn)光源通過透鏡330被耦合到掃描系統(tǒng)弘16的水平微光柵掃描器332。入射到水平微光柵掃描器332的光被導(dǎo)引到垂直微光柵掃描器334并通過透鏡336被掃描到用戶眼睛的視網(wǎng)膜上。光纖300的出射口306與透鏡330之間的距離可被調(diào)整到使透鏡330輸出的光會(huì)聚來在掃描系統(tǒng)16的輸出與用戶眼睛之間形成一圖象平面340。透鏡336是將光導(dǎo)引到用戶的視網(wǎng)膜上的準(zhǔn)直透鏡。為調(diào)整圖9中說明的虛視網(wǎng)膜顯示系統(tǒng)的視野，可將透鏡330和透鏡336移動(dòng)到較接近或分開遠(yuǎn)些。因?yàn)楸景l(fā)明的系統(tǒng)非常緊湊僅含有最小限度的光學(xué)元件，透鏡330和336可采取組合在一齊的方式使得透鏡能一齊運(yùn)動(dòng)或者相靠近或者相分離，從而用戶無需對(duì)它們作分開的調(diào)整。這可由對(duì)透鏡330和336采用可變焦透鏡安裝結(jié)構(gòu)等來實(shí)現(xiàn)。
還應(yīng)指出，輸入到光纖300的入射口302的光源可包括紅光發(fā)射器，藍(lán)光發(fā)射器和綠光發(fā)射器來提供完全的彩色系統(tǒng)。最好這些光發(fā)射器的每一個(gè)均能以視頻信號(hào)直接調(diào)制。但是，采用彩色光發(fā)射器也可利用分開的視頻調(diào)制器來以紅色視頻信息調(diào)制紅光，以藍(lán)色視頻信息調(diào)制藍(lán)光和以綠色視頻信息調(diào)制綠光。來自每一個(gè)彩色發(fā)射器的光可被導(dǎo)引進(jìn)與該光發(fā)射器的相關(guān)連的光纖中，每一光纖均被耦合到一單根的光纖300以便以其出射口306提供彩色的經(jīng)視頻調(diào)制的點(diǎn)光源。另一方面，來自每一發(fā)射器的彩色光可如上述在被輸入到光纖300的入射口302之前加以組合。
按照上面的介紹可以對(duì)本明做出許多修改和變型。因此應(yīng)當(dāng)理解，在所列的權(quán)利要求范圍之內(nèi)，可對(duì)本發(fā)明做出與上述不同的實(shí)踐。
權(quán)利要求
1.一種虛象顯示系統(tǒng)，包括光源，所述光被以視頻信息調(diào)制；掃描系統(tǒng)，用于將所述光掃描到用戶的眠睛的視網(wǎng)膜上；和單根的單絲光纖，具有一入射口和出射口，所述光纖將來自所述光源的光耦合到所述掃描系統(tǒng)以便在所述光纖的出射口提供點(diǎn)光源。
2.權(quán)利要求1中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述光源包括激光器。
3.權(quán)利要求1中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述光源包括發(fā)光二極管。
4.權(quán)利要求1中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述光源具有光發(fā)射區(qū)；且所述光纖的出射口具有尺寸小于光源的所述光發(fā)射區(qū)的面積。
5.權(quán)利要求1中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述光源包括紅光發(fā)射器，藍(lán)光發(fā)射器和綠光發(fā)射器；和一用于組合來自各所述紅、藍(lán)和綠光發(fā)射器的光的光組合系統(tǒng)。
6.權(quán)利要求5中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是由所述組合系統(tǒng)輸出的光被耦合到所述光纖的入射口。
7.權(quán)利要求5中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是至少一個(gè)所述光發(fā)射器被以所述視頻信息直接調(diào)制。
8.權(quán)利要求1中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述光源是一相干光源。
9.權(quán)利要求1中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述光源是一非相干光源。
10.權(quán)利要求1中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是包括有被置于所述光源與所述光纖的所述入射口之間的透鏡，用于將來自所述光源的光聚焦到所述入射口。
11.權(quán)利要求1中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述光纖的入射口直接毗連所述光源。
12.權(quán)利要求1中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是包括有被置于所述光纖的出射口與所述掃描系統(tǒng)之間的透鏡，用于將來自所述出射口的光耦合到所述掃描系統(tǒng)。
13.權(quán)利要求12中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述透鏡會(huì)聚光以便在所述掃描系統(tǒng)的輸出與用戶眼睛之間形成圖象平面。
14.權(quán)利要求12中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是包括有被置于所述掃描系統(tǒng)的輸出與用戶的眼睛之間的單個(gè)透鏡。
15.權(quán)利要求5中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是包括有耦合到至少一個(gè)所述光發(fā)射器的輸出用于以視頻信息調(diào)制所述光的裝置。
16.一種虛象顯示系統(tǒng)，包括非相干光源，所述光源具有光發(fā)射區(qū)且所述光被以視頻信息調(diào)制；掃描系統(tǒng)，用于將所述非相干光掃描到用戶眼睛的視網(wǎng)膜上；和單根的單絲光纖，具有入射口和出射口，所述光纖將來自所述光源的光耦合到所述掃描系統(tǒng)，且所述出射口小于所述光源的光發(fā)射區(qū)。
17.權(quán)利要求16中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述光源包括發(fā)光二極管。
18.權(quán)利要求17中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述發(fā)光二極管被直接以所述視頻信息調(diào)制。
19.權(quán)利要求16中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述光源包括紅光發(fā)射器，藍(lán)光發(fā)射器和綠光發(fā)射器；和用于組合來自各所述紅、藍(lán)和綠光反射器的光的光組合系統(tǒng)。
20.權(quán)利要求19中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是由所述組合系統(tǒng)輸出的光被耦合到所述光纖的入射口。
21.權(quán)利要求16中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是包括有被置于所述光源與所述光纖的所述入射口之間透鏡，用于將來自所述光源的光聚焦到所述入射口。
22.權(quán)利要求16中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述光纖的入射口直接毗連所述光源。
23.權(quán)利要求16中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是包括有被置于所述光纖的出射口與所述掃描系統(tǒng)之間的透鏡，將來自所述出射口的光耦合到所述掃描系統(tǒng)。
24.權(quán)利要求23中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是所述透鏡會(huì)聚光以在所述掃描系統(tǒng)的輸出與用戶眼睛之間形成一圖象平面。
25.權(quán)利要求23中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是包括有被置于所述掃描系統(tǒng)與用戶眼睛之間的單個(gè)透鏡。
26.權(quán)利要求19中的虛象顯示系統(tǒng)，其特征是包括有與各所述紅、藍(lán)和綠光發(fā)射器相關(guān)連的單個(gè)光纖部分。
27.一種產(chǎn)生虛象的方法，包括以視頻信息調(diào)制由光源發(fā)射的光；相對(duì)所述光源定位單根的單絲光纖的入射口以便將來自所述光源的光耦合到所述光纖的出射口；定位鄰接到所述光纖的所述出射口的透鏡來由其接收光；和將來自所述透鏡的光掃描到用戶的眼睛的視網(wǎng)膜上以便在視網(wǎng)膜上形成所述視頻信息的圖象。
28.權(quán)利要求27中的方法，其特征是所述透鏡定位的步驟是將所述透鏡定位于離開光纖的所述出射口一定距離，以使所述透鏡將光會(huì)聚在所述光被掃描在其上的一圖象平面上，所述圖象平面在用戶眼睛之外。
29.權(quán)利要求27中的方法，其特征是所述光由激光器發(fā)射。
30.權(quán)利要求27中的方法，其特征是所述光由發(fā)光二極管發(fā)射。
31.權(quán)利要求30中的方法，其特征是光纖的所述入射口毗連所述發(fā)光二極管。
32.權(quán)利要求27中的方法，其特征是所述調(diào)制步驟包括發(fā)射紅光，以紅色視頻信號(hào)調(diào)制所述紅光；發(fā)射藍(lán)光，以藍(lán)色視頻信號(hào)調(diào)制所述藍(lán)光；發(fā)射綠光，以綠色視頻信號(hào)調(diào)制所述綠光；組合所述被調(diào)制的紅光、藍(lán)光和綠光以構(gòu)成所述光源發(fā)射的光；且所述光纖定位步驟包括定位所述光纖的入射口以接收所述組合的紅、藍(lán)和綠光。
全文摘要
虛視網(wǎng)膜顯示器利用光子發(fā)生和控制來產(chǎn)生直接投射在眼睛的網(wǎng)膜上的全景高分辨率的彩色虛像。此虛視網(wǎng)膜顯示器包括有一光子源,光子被以視頻信息調(diào)制和被以直接進(jìn)到用戶眼睛的視網(wǎng)膜上的模式的光柵式掃描系統(tǒng)進(jìn)行掃描。單一的直徑很小的單絲光纖(300)將來自光子發(fā)生器(308、314)耦合到掃描系統(tǒng)(16)以在光纖的出孔(308)對(duì)掃描系統(tǒng)提供點(diǎn)光源。光子發(fā)生器可采用相干光或非相干光。而且光發(fā)生器還可采用彩色光發(fā)射器以便掃描直接進(jìn)到用戶眼睛的網(wǎng)膜的彩色虛像。
文檔編號(hào)H04N9/31GK1183848SQ96193824
公開日1998年6月3日 申請(qǐng)日期1996年4月19日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月9日
發(fā)明者托馬斯·A·弗內(nèi)斯三世, 查爾斯·D·梅爾維爾, 邁克爾·蒂德韋爾 申請(qǐng)人:華盛頓大學(xué)