專利名稱：使用全內反射圖像的光學系統(tǒng)的制作方法
使用全內反射圖像的光學系統(tǒng)相關應用的交叉引用本申請要求申請日為2005年3月22日的美國臨時專利申請 60664254號按照美國法典第35編第119條(e)款的權利，其公開通過 引用并入此處。關于聯(lián)邦資助的研究和開發(fā)的聲明本發(fā)明在美國陸軍航空和導彈司令部合同N31P4Q-04-C-R280號 下完成。政府擁有該發(fā)明的某些權利。
背景技術：
通過眼鏡透鏡和面掩膜(face-mask)光學片傳播圖像己為人們所 知。例如，參照美國專利5886822號。這里參照圖1，光沿軸方向被 引導，并且不希望其從外部表面透鏡反射。另一已知的實施例討論使 用來自透鏡或板片表面的全內反射以減小透鏡的厚度或增加視場。例 如，參照美國專利6384982號。發(fā)明內容提供了用于頭盔顯示器(head mounted display)的光學系統(tǒng)，其允許 選擇需要的模式以沿光導管軸向地傳播或通過全內反射傳播。更具體 地說，該系統(tǒng)包括包含具有兩個平行表面的固態(tài)光學元件的光導管。 圖像源包括顯示元件和包含至少一個光源的照明元件。圖像源將光導 入光導管以傳播到用戶的眼睛。照明元件和顯示元件之間的準直系統(tǒng)包括聚光透鏡元件和位于聚 光透鏡元件的焦距處的孔隙。在一個實施例中，孔隙和光源沿聚光透 鏡元件的軸向設置以便阻止來自照明元件的模式進入光導管，其中該 模式可以通過在兩個平行表面的全內反射而沿光導管傳播。 在另一實施例中，照明元件包括另外的光源，而準直系統(tǒng)包括另 外的孔隙。另外的光源和另外的孔隙設置在偏離于聚光透鏡和顯示元 件的軸的位置，以便來自照明元件的模式進入光導管并通過兩個平行 表面的全內反射沿光導管傳播。在更進一步的實施例中，照明元件包括多個光源，而準直系統(tǒng)包 括多個孔隙，每個孔隙都與光源相關。以這種方式，多個模式能夠傳 播到光導管，并且至少一部分模式通過在兩個平行表面上的全內反射 在光導管中傳播。能夠順次點亮光源以同時地提供不同的圖像。能夠 同時點亮光源以提供具有寬視場的圖像。能夠配置光學系統(tǒng)以便多個 模式的出瞳重疊。


從以下結合附圖的詳細描述可以更全面地理解本發(fā)明圖1是現(xiàn)有技術光學系統(tǒng)的示意圖；圖2是光學系統(tǒng)的全內反射的一個模式的示意圖；圖3是圖2的光學系統(tǒng)的全內反射的相對的模式的示意圖；圖4是單個光學系統(tǒng)中合成的多個虛像的示意圖；圖5是去除左和右虛像的光學系統(tǒng)的示意圖；圖6是能選擇其中的模式以照射所選虛像的光學系統(tǒng)的示意圖；圖7是能選擇其中多個全內反射模式的光學系統(tǒng)的示意圖；以及圖8是能選擇其中多個全內反射模式的另外光學系統(tǒng)的示意圖。發(fā)明詳述本發(fā)明的目的是控制光通過透鏡的傳播以使得可以從透鏡表面全 內反射(TIR)或是將這種反射消除。通過設計用于照明LCD的背光系 統(tǒng)而獲得這種控制。能夠將透鏡或板片視作多個模式能夠在其中傳播的波導，該多個 模式中包括軸向模式，其不需要來自波導表面的任何反射。(這同多 模光纖類似，在其中光線能夠軸向地傳播或通過光纖芯層和包層之間 的界面處的反射而傳播。)為了控制通過波導傳播的模式，只需要控
制入射到LCD上的光線。充分地準直為平行于光軸或與光軸有較小 不同的光線將沿軸向傳播，而以更大角度穿過LCD的光線會被反射。 本方法允許通過對背光尋址以選擇性地照亮波導模式。以這種方法， 可以擴大或縮小圖像的視場。圖1示出通過眼鏡透鏡向眼睛傳送圖像的現(xiàn)有技術方法。光由設 置為與LCD 20相鄰的背光外殼30中的一個或多個發(fā)光二極管產生。 圖1示出光40通過透鏡10傳播到眼斷未示出)以形成虛像50的軸向 路徑。背光形成寬區(qū)域擴散源，其實際上不僅在軸向而且在一定角度 范圍內發(fā)射光。 一些傳播角在它們傳播到眼睛時能夠到達透鏡的表 面。圖2示出這種傳播的實例，其中光線以一定角度離開背光30， 穿過LCD 20而進入透鏡10，并從反射鏡ll反射。該角度導致了要 入射到透鏡10的表面61上的光路60，以使得通過TIR反射。此反 射引起被從用戶視場中心移置的虛像70。如圖3所示，對于在相反方向以一角度離開背光的光線，可以有 相對的模式。在這種情況下，通過TIR從透鏡10的內部前表面62 反射光路65并導致移置到用戶視場中心的左邊的虛像71。如圖4所示，由背光漫射光沿中心軸和在一角度范圍內發(fā)射的情 況引起多個虛像。如果這些圖像包含相同的信息內容，則它們是易混 淆的而且沒有用。在這種情況下，優(yōu)選要消除左邊的圖像71和右邊 的圖像70。然而，如果三個虛像的每個包含不同的信息，則能夠合 并這三個圖像以形成一個公稱寬度為單個圖像的寬度的三倍的較大 虛像。圖5示出怎樣能夠通過改變背光以形成聚光照明器來去除左邊和 右邊的圖像。在圖5中示出了由準直背光系統(tǒng)替代的背光(圖1中的 30)，該準直背光系統(tǒng)包括LED31、聚光透鏡IOO、和孔隙IOI。該 孔隙典型地安裝有擴散體以形成具有已知大小和數(shù)值孔徑的光源。該 孔徑101設置在距離聚光透鏡IOO—定距離的位置，通常該距離接近 或等于透鏡的焦距。牛頓的透鏡方程表明這在無限遠處產生孔隙的 像，意指來自孔隙的光線被準直了。準直的程度取決于孔隙寬度d。 由于準直，本來應該由TIR從透鏡的內側反射的光線被去除并且只產 生中心虛像。顯示屏觀察光學系統(tǒng)110(實施例中示出，具有反射表面 114、分束器116、以及反射表面118的光導管112)然后在系統(tǒng)的出瞳 處對孔隙重新成像。這樣，本發(fā)明提供了一種去除多模波導透鏡中的 寄生虛像的方法。圖6示出將孔隙101從中心移開的結果。在這種情況下，光線被 準直，但是它們與系統(tǒng)軸線成一角度傳播。這意味著通過正確定位孔 隙，能夠選擇光線以這樣一種模式傳播，在該模式中使用選擇數(shù)量的 TIR反射以到達用戶的眼睛，以便照明與該模式對應的虛像。能夠構造能在其中選擇任何數(shù)量的TIR模式的系統(tǒng)。圖7中示出 了中心模式與兩個TIR模式相組合的情況。在這種情況下，三個LED 201、 202 、 203與三個孔隙組合以便在光線通過透鏡220時創(chuàng)建三個 不同的模式。中心模式205通過眼鏡透鏡或面掩膜傳播，以形成中心 虛像。光束204通過TIR從透鏡的內表面(圖2中61)反^f以在右邊形 成虛像(圖2中70)。光束206從透鏡的內表面(圖3中62)反射以形成 左邊虛像(圖3中71)。全內反射還折疊光路以使三個圖像的出瞳重疊。 如果同時點亮三個LED，則在用戶視場形成具有相同信息內容的三 個像。將看到左邊和右邊的像反轉了(左邊到右邊)。然而，如果依次 點亮LED，并且用LED照明給LCD210同時提供三個不同的像，則 用戶將看到三個不同的像。這樣的LCD已知為場序LCD，并由許多 公司銷售，比如Kopin公司，其銷售場序Cyberdisplay.在本發(fā)明的優(yōu)選的實施例中，將光學系統(tǒng)設計成使多個模式的出 瞳重疊，以便從單個眼睛位置能夠看見所有的像。還可以有其它配置， 其中需要眼睛運動以觀察不同的模式。光學設計技術還可以用于規(guī)定 光源的位置和大小以消除模式混合，由此一個模式的圖像接受雜散光 而另一模式被照亮。這將導致鬼像和/或對比度降低。光學設計可以 用本領域任何已知方法實現(xiàn)，包括一階光學設計和手動或計算機化光 線跟蹤，例如使用諸如ZEMAX、 CODEV、或OSLO的商用光學軟件。圖8示出應用TIR反射的多模設計光線追蹤。三個單獨的光源 801、 802、和803能夠在顯示對應的信息時獨立地受脈沖作用以點亮
顯示屏810。實例示出照亮顯示屏中心區(qū)域，但是能夠將類似的設計 應用到顯示屏的整個區(qū)域。光源由聚光透鏡815準直。通過顯示屏后， 光通過場透鏡820和空氣隙825進入光導管830。對于需要全反射的 模式，需要空氣隙以使得在界面處產生TIR。在反射鏡上的第一反射 以銳角反射，所以典型地必須通過施加反射涂層、粘接外部反射鏡、 或用本領域任何其它己知方法將表面828設置成反射的。光線然后用 不同數(shù)量的TIR反射傳播通過光導管。最后的反射再次與表面835 形成銳角，表面835必須與表面828類似地制成反射的。 一旦離幵光 導管，光通過第二空氣隙850穿過目鏡855，其中該空氣隙使得在表 面產生TIR反射。系統(tǒng)設計必須允許眼睛瞳孔860置于距離最后的機械部分合理的 良視距(eye relief)處。良視距必須至少為數(shù)個毫米并且優(yōu)選地至少為 10mm并且甚至更優(yōu)地在12和35mm之間。對于頭盔顯示器，其優(yōu) 選地為從相同的瞳孔位置能夠看見所有的模式，以便用戶不必相對他 /她的頭移動顯示屏。然而，在眼睛瀏覽時，該運動可以用于獲取一 些模式的圖像的不同部分。模式以反射數(shù)量為特征。在所示系統(tǒng)中，中心模式840有7次反 射，其中有5次為導管的平行表面的TIR反射。左邊模式841具有9 次反射，其中7次為TIR。右模式842有5次反射，其中3次為TIR。 某些源位置可以用多于一個模式照亮像素(例如右圖像模式的左側像 素和中心模式的右側像素)。為了避免這種情況，必須限制源的尺寸 以便來自對于給定模式的源的光線不會在與任何其它模式相關的位 置上形成虛像。能夠看出通過正確設計透鏡或面掩膜，能夠控制與不同模式對應 的虛像的位置和間隔。通過適當?shù)剡x擇透鏡厚度，能夠使得虛像重疊、 相接而沒有重疊、或者可以使它們之間具有間隔。能夠通過電子手段 擴大、縮小、或變形LCD上的圖像以調整如此疊置的虛像圖像之間 的間隔，以便產生無縫的虛像。能夠使用任何數(shù)量的光學傳播模式以 增加最終疊置圖像的寬度，限制因素是LCD的刷新速度。為了重疊 三幅圖像，LCD應該能夠每秒鐘閃現(xiàn)180幀以使用戶看不到圖像中 的閃爍。雖然以上描述了單眼系統(tǒng)，但是能夠組合兩個這樣的系統(tǒng)以形成 雙眼或立體顯示。除所附權利要求所闡述者外，本發(fā)明不受所具體示范和描述的限制。
權利要求
1、 一種用于頭盔顯示器的光學系統(tǒng)，包括光導管，包括具有兩個平行表面的固態(tài)光學元件，所述光導管 可以安裝于頭盔顯示器上以將光導向用戶的眼睛；圖像源，包括顯示元件和包含多個光源的照明元件，所述圖像 源設置為將光導入所述光導管；所述照明元件和所述顯示元件之間的準直系統(tǒng)，包括聚光透鏡 元件和多個孔隙，每個所述孔隙與各自的光源相關并且位于所述聚 光透鏡的焦距處或其附近；以及關于所述聚光透鏡元件和所述顯示元件的中心軸，定位至少一個 孔隙和相關的光源，以便來自所述照明元件的模式進入所述光導管 并且通過在所述兩個平行表面上的全內反射沿所述光導管傳播。
2、 如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中多個模式傳播到所述光導管，并且至少部分所述模式通過在所述光導管的所述兩個平行表 面上全內反射而傳播。
3、 如權利要求2所述的光學系統(tǒng)，其中所有所述模式通過在所 述光導管的所述兩個平行表面上至少一次全內反射而傳播。
4、 如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中依次點亮所述光源，并 且以同步的方式更新所述顯示元件以為每個所述模式提供不同的虛 像。
5、 如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中依次迅速地點亮所述不 同模式的所述虛像以至用戶不能發(fā)現(xiàn)，形成的虛像所具有的視場比 通過單獨點亮單個光源所形成的虛像更寬。
6、 如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中使用三個模式并以每秒 60到80次之間的各個頻率依次點亮所述三個模式，并且其中以每秒 180到240次之間的頻率同步刷新所述顯示元件。
7、 如權利要求l所述的光學系統(tǒng)，其中若干個模式的出瞳重疊， 由此從單個眼睛位置可看見所有圖像。
8、 如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中若干個模式的出瞳不重 疊，由此需要相對所述光學系統(tǒng)移動眼睛以觀看不同的模式。
9、 如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中至少一個孔隙和相關光 源沿所述聚光透鏡元件和所述顯示元件的所述中心軸定位。
10、 如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中至少一個孔隙和相關光 源偏離于所述聚光透鏡元件和所述顯示元件的所述中心軸定位。
11、 如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，還包括場透鏡元件以將光從 所述顯示元件導入所述光導管的入口表面。
12、 如權利要求11所述的光學系統(tǒng)，還包括所述場透鏡元件和 所述光導管的所述入口表面之間的空氣隙，其中所述空氣隙使得在 所述場透鏡元件和所述光導管之間的位置處發(fā)生全內反射。
13、 如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述光導管包括延長元 件、 一端附近的入口表面、另一端附近的出口表面、所述入口表面 附近的反射表面用于沿所述兩個平行表面之間的所述延長元件導引 入射光線、所述出口表面附近的反射面用于通過所述出口表面將光 線導出所述光導管。
14、 如權利要求1所述的光學系統(tǒng)，還包括目鏡元件以將來自所 述光導管的出口表面的光導向所述用戶的眼睛。
15、 如權利要求14所述的光學系統(tǒng)，還包括所述目鏡和所述光 導管的所述出口表面之間的空氣隙，其中所述空氣隙使得在所述目 鏡元件和所述光導管之間的位置發(fā)生全內反射。
16、 一種用于頭盔顯示器的光學系統(tǒng)，包括光導管，包括具有兩個平行表面的固態(tài)光學元件，所述光導管 可以安裝在頭盔顯示器上以將光導向用戶的眼睛；圖像源，包括顯示元件和包含至少一個光源的照明元件，所述 圖像源設置為將光導入所述光導管；以及所述照明元件和所述顯示元件之間的準直系統(tǒng)，包括聚光透鏡 元件和位于所述聚光透鏡元件焦距處的孔隙，所述孔隙和所述光源 還沿所述聚光透鏡元件的軸線定位，以便阻止通過在所述兩個平行 表面上全內反射、沿所述光導管從所述照明元件傳播而來的模式進 入所述光導管。
17、 如權利要求16所述的光學系統(tǒng)，其中所述照明元件包括另 外的光源，而所述準直系統(tǒng)包括另外的孔隙，并且所述另外的光源 和所述另外的孔隙偏離于所述聚光透鏡和所述顯示元件的所述中心 軸線定位，以便來自所述照明元件的模式進入所述光導管并且通過 在所述兩個平行表面上全內反射而沿所述光導管傳播。
18、 如權利要求16所述的光學系統(tǒng)，其中所述照明元件包括多個光源，而所述準直系統(tǒng)包括多個孔隙，每個孔隙與光源相關，由 此多個模式傳播到所述光導管，并且至少部分所述模式通過在所述 光導管的所述兩個平行表面上全內反射而傳播。
19、 如權利要求18所述的光學系統(tǒng)，其中依次點亮所述光源， 并且以同步的方式更新所述顯示元件以為每個所述模式提供不同的 虛像。
20、 如權利要求18所述的光學系統(tǒng)，其中依次迅速地照亮所述 不同模式的所述虛像以至用戶不能發(fā)現(xiàn)，形成的虛像具有的視場比 通過單獨點亮單個光源所形成的虛像更寬。
21、 如權利要求18所述的光學系統(tǒng)，其中使用三個模式并以每 秒60到80次之間的各個頻率依次點亮所述三個模式，并且其中以 每秒180到240次之間的頻率同步刷新所述顯示元件。
22、 如權利要求18所述的光學系統(tǒng)，其中若干個模式的出瞳重 疊，由此從單個眼睛位置可看見所有圖像。
23、 如權利要求18所述的光學系統(tǒng)，其中若干個模式的出瞳不 重疊，由此需要相對所述光學系統(tǒng)移動眼睛以觀看不同的模式。
24、 如權利要求18所述的光學系統(tǒng)，還包括場透鏡元件將來自 所述顯示元件的光導入所述光導管的入口表面。
25、 如權利要求24所述的光學系統(tǒng)，還包括所述場透鏡元件和 所述光導管的所述入口表面之間的空氣隙，其中所述空氣隙使得所 述場透鏡元件和所述光導管之間的位置處發(fā)生全內反射。
26、 如權利要求16所述的光學系統(tǒng)，其中所述光導管包括延長 元件、 一端附近的入口表面和另一端附近的出口表面，所述入口表 面附近的反射表面沿所述兩個平行表面之間的所述延長元件導引入 射光線，所述出口表面附近的反射表面通過所述出口表面將光線導 出所述光導管。
27、 如權利要求18所述的光學系統(tǒng)，還包括目鏡元件將來自所 述光導管的出口表面的光導引到所述用戶的眼睛。
28、如權利要求27所述的光學系統(tǒng)，還包括所述目鏡和所述光導管的所述出口表面之間的空氣隙，其中所述空氣隙使得所述目鏡 元件和所述光導管之間的位置處發(fā)生全內反射。
全文摘要
用于頭盔顯示器的光學系統(tǒng)包括具有兩個平行表面的光導管，模式能夠通過全內反射沿光導管傳播。照明元件允許選擇模式以便需要的模式能夠軸向地沿光導管傳播或通過全內反射沿光導管傳播。
文檔編號G02B27/14GK101147094SQ200680009085
公開日2008年3月19日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權日2005年3月22日
發(fā)明者M·B·斯皮特, N·M·倫辛, P·M·扎夫蘭斯基 申請人:美宇公司