CN1082228A - 竖式腔表面发射激光器阵列显示系统 - Google Patents

竖式腔表面发射激光器阵列显示系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用一维和/或二维的发射 可见光的竖式腔表面发射激光器(VCSEL)阵列的视 觉显示系统。单独地或结合地采用了搜索扫描和辅 助扫描技术以便从VCSEL的1×L或K×L阵列产 生一个完全的M×N图像，其中M和N分别是K 和L的整数倍。最好，把VCSEL放在一个显示器外 罩内，该显示器外罩可以用一个固定机构固定到使用 者头部，或者也可以用一个固定机构固定到使用者头 部，或者也可以手持或固定在一个表面上。

Description

本申请涉及我们的一个未决申请，此未决申请的申请日是1991年11月7日，申请号是07/790，964，标题是“可见光表面发射半导体激光器”，此未决申请在此引出作为参考。
本发明涉及小型视觉显示器领域。尤其涉及采用发射可见光的竖式腔表面发射激光器（VCSEL），以便在观察者的视场内投映出一个显示的小型视觉显示器。
由于人类视觉系统的吸收和处理信息的巨大能力，视觉显示器可以非常有效地显示各种信息形式，比如运动的景物、字母数字的印刷符号、图、图表及目标数据，所有这些信息都可以加在观察者的正常的视场上。尤其是在不可预料的环境中需要完成一系列高度复杂任务的战术军事行动很大程度地得益于小型视觉显示器的使用，这些小型视觉显示器可以是诸如位于头上的、直接观看的、或固定在头盔上的显示器。例如，现在为作战飞机上的人员配备的固定在头盔上的显示器（HMD），这个固定在头盔上的显示器允许一个小型视觉显示系统被固定在观察者的头上以便在观察者的视场内投映一个显示。在商业部门，高分辨率HMD可以为娱乐和教育提供一个“虚拟的真实”。
在过去的十年中，人们作了大量的努力以发展小型的、重量轻的视觉显示器，如HMD。小型视觉显示器最好应能以最小的失真或者没有失真地把从显示设备（通常是一个阴极射线管（CRT））产生的一个图像有效地传送到观察者的视场。遗憾的是，到目前为止对小型视觉显示器的改进，尤其是对HMD技术的改进，主要集中在用于图像的成像或传递中的传统的或全息的光学镜片方面。参见例如J.R.Burley等人的“A    Full-Color    Wide-Field-of-View    HolograPhic    Helmet    Mounted    Display    for    Pilot/Vehicle    Interface    Development    and    Human    Factor    Studies”，出自Proceedings    of    the    SPIE，第1290册，第9-15页（1990年）。
实际上在开发小型、高亮度、高对比度、低能源的CRT方面几乎没有进展。因而缺乏合适的小型CRT严重地限制了小型视觉显示器的可应用性，这导致了采用其它合适的显示设备的小型显示系统的发展。
在美国专利No.5，003，330中公开了一个这样的显示系统，该专利在此引入作为参考。该显示系统采用了一个固定在头盔护目镜结构中的二极管阵列。尽管这些二极管阵列在头盔中是可以实施的，但它们对于显示高分辨率和/或彩色显示图像来说不能令人完全满意。为取得这些改进而需要的线性二极管阵列和均匀的二极管激光阵列不能得到彩色显示图像所需要的可见光波长，或者不能得到彩色或高分辨率小型视觉显示器的应用所需要的阵列尺寸。
另外，已有技术的激光器不适于被当今的扫描、印刷和显示应用所优选的二维阵列的制造或微光学镜片的集成。这是由于常规半导体激光器的像散光束的质量以及高发散所造成的，半导体激光器的像散的光束质量及高发散使得如果不采用相对地昂贵和体积大的光学镜片在观察者的视场内就很难投映出高分辨率的图像。
还努力开发了其它显示设备以代替占主导地位的图像显示设备，这些开发的显示设备包括：例如，液晶显示器（LCD）、AC和DC等离子体显示器、薄膜电子发光显示器和真空荧光显示器。然而，每个这些可以选择的技术都有其根本的缺陷，尤其对于寻址的HMD的应用。例如LCD的产生、调制和传输光的效率很低。参见例如D.L.Jose等人所著的“An Avionic Grey-Scale Color Head Down Display”出自Proceedings of the SPIE，第1289册，第74-98页（1990）。另一方面，等离子体显示器需要大约100伏特或者更高的量级，而其它可选择的显示设备很难把尺寸降低到二极管或激光器阵列技术所能达到的尺寸（大约为每个元件20-40μm2），这个尺寸是为实现小型化所必需的。
因此，到此为止，显示设备的尺寸、性质和/或波长的可利用性已经限制了小型视觉显示器的实用性和应用。
本发明的一个目的是提供一种视觉显示系统，该系统采用小型、固态、高效率、高亮度、和高对比度的显示设备以对观察者的视场提供单色及全彩色显示。
本发明的另一个目的是提供一个小型视觉显示系统，该系统提供了一个视觉信息的高分辨率彩色图像，并且适合广大范围的消费者，工业、商业、医疗和军事的应用。
本发明的再一个目的是提供一个小型视觉显示系统或技术，该小型视觉显示系统或技术与已有的传统的和全息的光学镜片相兼容，并且采用了比已有技术的显示设备性能优越的显示设备以取得较高的分辨率。
根据本发明的这些和其它目的可以在一个小型视觉显示系统中实现，该小型视觉显示系统采用可见光的激光二极管阵列（VLDA），并且更可取地是采用发射可见光的竖式腔表面发射激光器（VCSEL）的一维和/或二维阵列，以便在观察者的视场内提供一个理想的视觉显示。
在优选实施例中，单独地或组合地采用扫描和辅助扫描技术以便从1×N或N×N的VCSEL阵列产生一个完全的M×M图像，其中M是整数N的整数倍。通过在观察者的视场中移动VCSEL的图像，同时用要显示的信息调制VCSEL，这样的扫描技术可以针对给定数目的VCSEL有益地进一步提高显示图像的分辨率。
最好把VCSEL装在一个显示盒中，该显示盒可以用一个固定结构固定到使用者的头部或者按其它方式手持或安装。有利的是，发射的VCSEL辐射的圆形对称和低发散，以及多个波长（尤其是红、蓝、绿）的可利用性允许产生高分辨率的单色或彩色图像。通过采用矩阵寻址技术、如通过采用行/列寻址方式，可以实现在二维阵列中寻址单个VCSEL。
通过结合以下附图阅读下列描述可以更完全地理解本发明。
图1是一个发射可见光的竖式腔表面发射激光器（VCSEL）的一个横断面图;
图2是根据本发明的原理的一个示范的VCSEL阵列显示系统;
图3是另一个表示采用全搜索扫描的示范的VCSEL阵列显示系统;
图4表示由一个观察者向图3的VCSEL阵列显示系统中观察所见的有效光束位置;
图5是用于实现本发明VCSEL阵列显示系统的一个单块集成的VCSEL阵列和微小透镜的一个剖面图;
图6表示由一个视察者向一个采用了改善图像分辨率的辅助扫描的VCSEL阵列显示系统中观察所见的有效光束位置;
图7表示使用多个带有辅助扫描的微小透镜，以便增加本发明显示系统的有效分辨率;
图8是在不同的衬底上带有电子驱动器的一个错列的VCSEL线性阵列的一个顶视图;
图9表示由一个观察者向采用跳跃扫描的一维阵列系统中观察所见的有效光束位置;
图10表示由一个观察者向采用与辅助扫描结合的搜索扫描的一个VCSEL阵列显示系统中观察所见的有效光束位置;
图11是根据本发明的一个超广视场的固定在头盔上的显示器的一个顶视图;和
图12是图11的固定在头盔上的显示器的一个侧视图。
本发明是基于采用发射可见光的竖式腔表面发射激光器（VCSEL）来开发一个高亮度、高效率、小型的显示技术，尤其是一个VCSEL阵列显示系统。特别是，VCSEL的尺寸，结构和近于理想的光束质量能使得高分辨率的单色或彩色显示图像（实像或虚像）落在观察者的视场内。
VCSEL是一种新型半导体激光器，不像常规的边缘发射激光二极管，VCSEL以垂直于形成在其上的P-n结的平面的方向发射激光辐射。如在我们的未决申请No.07/790，964中所公开的那样，通过采用一个有源量子井区域110，现在可以制造VCSEL以使得它在0.4到0.7μm的范围内发射可见的激光辐射，该有源量子井区域110包括，例如，CaInP和AlxGal-mInP的多个交替的层，这些交替的层夹在两个被分配的布拉格反射器（DBR）或者反射镜120和130之间，如图1所示。
操作时，通过采用环形的质子注入区140，通常把注入电流限制在有源区110以取得激发的辐射。重要的是，VCSEL可以制造成一维和/或二维阵列并且可以与微光学镜片集成在一起。通过适当地选择材料，可以把每个VCSEL制造得能在电磁波谱的可见区的不同部分发射激光辐射。操作和制造这些VCSEL在上面提到的相关申请中已经详细讨论过，为了简洁起见在此不作详细描述。
VCSEL阵列显示系统的基本思想如图2所示。然而应当认识到在图2中描述的VCSEL阵列显示系统只是为了说明的目的，而不是为了进行限制。通常围绕观察者头部放置（例如用作HMD）的VCSEL阵列显示系统包括：一个VCSEL阵列200，一个透镜系统210，和，最好是，一个部分透射的面板220，例如一个二向色性滤光片或反射镜。把透镜系统210放在离VCSEL阵列200的约为一个有效焦距远处以便准直从VCSEL阵列200发射的可见光辐射，其目的是为了按照众所周知的光学理论产生一个VCSEL阵列200的虚像。在任何时刻，向面板220中观看的观察者同时就可以看到一个VCSEL200的虚像以及对着面板220的外部视觉信息。
为了向观察者显示所希望的图像，通过驱动器电子器件230，可以对VCSEL阵列200中的每一个激光器单独寻址以及用合适的彩色或单色信息调制。为了寻址和产生所需要的光强度所必需的电子信号具有与模拟的或数字的集成CMOS和TTL电子电路相兼容的很低的驱动电流和电压。
另外，通过沿着透镜系统210的光轴移动VCSEL阵列200，或者按另一种方式移动透镜系统210以便从无限远向靠近观察者的距离搜索虚像的位置，就可以产生三维虚像。采用一个移动驱动器240很容易实现这样的移动，该移动驱动器240采用机械随动系统或压电传感器以便实际移动阵列或透镜。
可以预期：VCSEL阵列200所占的空间与已有技术小型CRT的荧光屏所占的空间大致相同，即通常为大约20×20mm。因而，采用VCSEL阵列200而不采用常规的CRT或其它众所周知的显示设备基本上不影响在已有技术中已知的关键参数，如HMD的视场（FOV）和封装。还有，本领域的技术人员懂得光学设计和封装方法，这样将进一步便利于将固定在观察者头部或手持使用的VCSEL阵列200作为一个显示系统的使用。例如，见美国专利No.5，023，905和No.5，048，077，它们在此引入作为参考。例如，可以把本发明的VCSEL阵列显示器封装在一个显示部件中，该显示部件有一透过它可以观察图像的开孔，并且可以把本发明的VCSEL阵列显示器固定在使用者头盔的侧壁上或使用者的眼镜上。另外，还可以把显示系统固定到使用者的皮带上，远处的显示信息由一个计算机、袖珍计算器或无线电波发射机提供。
在一个实施例中，VCSEL阵列200包括一个可单独寻址的VCSEL的二维M×M阵列。为了能按照已熟知的比色法理论分别产生单色或全色图像，可以把M×M阵列中的VCSEL制造得能在一个预定的波长处或者在几个波长（例如蓝、绿和红）处放射激光。
可以采用常规的平面的大规模集成（LSI）制造技术，例如分子束外延（MBE）、湿化学蚀刻及类似技术，来制造VCSEL阵列。尤其是在制造二维阵列时，首先外延沉积VCSEL结构的半导体层，并且然后通过采用例如光刻法来划定界限和蚀刻多个列，每一列为一个可独立寻址的VCSEL。其中可以用常规的沉积技术形成VCSEL的接点，例如，可以形成公共的行和列总线接点以便单独寻址每个VCSEL，如在我们的未决定申请中所公开的那样，该申请的申请号是No.07/823，496，题目是“晶体管与竖式腔表面发射激光器的集成”，申请日是1992年1月21日，该申请在此引入作为参考。
在二维阵列中VCSEL的数目当然取决于所希望的分辨率以及投映到观察者的显示的图像的宽度和长度。
与边缘发光的激光器相比（边缘发光的激光器为几百微米长×10μm），每个VCSEL的直径大约为10μm，每单位面积的显示元件数比已有技术显示设备的显示单元件数大25倍以上。重要的是：发射的辐射具有圆形对称性和低发散性。这就允许采用低数值孔径的透镜来产生一个放大的VCSEL的虚像。还有，由于VCSEL没有固有的像散性并且可制成间隔小的，可以独立电子方式寻址的显示单元，本领域的技术人员很明显地可以看出，分辨率可以提高。
通过使用例如一个矩阵式或行/列寻址接触器（类似于用于充电的偶合器件（CCD）阵列的接触器），通过独立寻址每个VCSEL，就可以把信息加在VCSEL上。电子方式完全寻址显示设备的一个M×M阵列需要M2根引线，比16×16（256个引线）的阵列尺寸大得多的这种阵列是根本行不通的。因此，通过使用矩阵式或行/列寻址布局单独寻址每个VCSEL就可以把信息加在VCSEL上，把引线的数目从M2个减少到2M个。参见例如M.Orenstein等人著的“矩阵式可寻址的竖式腔表面发射激光器阵列”出自电子学报（Electronic Letters），第27册，第437-438页（1991），在此引入作为参考。辅助的驱动器电子器件230包括有例如移位寄存器、晶体管和类似物，可用来寻址和调制发射的辐射的强度;可以把这些辅助驱动器电子器件230集成在包含有VCSEL阵列的芯片或者衬底上而不是放在显示部件的外面。这样的集成化进一步减少了引线的数目，从而可以较容易地制造出大的阵列，例如512×512。
如果VCSEL阵列单元的数目与被显示图像的所希望的分辨率相配，则除了电寻址以外不需要扫描。然而，为了增加给定数目的VCSEL的分辨率或者为了降低为获得所希望的分辨率所需要的VCSEL的数目，可以采用各种扫描技术。尤其是本领域的技术人员可以理解：扫描可以从比产生全页显示所需显示器件数目少得多的显示器件中产生一个全页显示，不论对一个实像或虚像全是如此。
例如，通过采用所谓的全面搜索扫描的技术，可以从一个1×M的VCSEL阵列产生一个M×M的显示图像。通过沿着一个轴扫描由观察者得到的VCSEL的虚像位置，即可以实现一个全页扫描。在这种扫描中，VCSEL阵列包括多个直线对准的VCSEL，该直线对准的VCSEL沿着一个轴对于每一个分辨元件都有一个单独的VCSEL或元件。沿另一些轴的分辨元件由以下详述的扫描机构提供。
参照图3和图4，一个VCSEL阵列300包括一个垂直列的VCSEL，该单个垂直列的VCSEL由图4左侧的黑圆点代表。通过一个透镜310把来自阵列的准直光输出引向（例如）一个电-机扫描器330的一个摆动反射镜320处。电-机扫描器330可以是在美国专利No.4，902，083中所公开的那种类型，该专利在此引入作为参考，在此结构中根据来自一个扫描器电子器件350的控制信号来摆动反射镜320。在反射镜320摆动过程中通过有选择地照亮在VCSEL阵列300中在不同点处的不同激光器，可以使得连续的像素列（即显示点）出现在观察者的视场内。在图4中用整个二维圆点阵列代表这些显示点，其中黑圆点还代表在没有扫描时来自VCSEL的辐射的像位置，而点划的圆点代表通过扫描而获得的附加的显示点。在任何时刻，观察者只看到一列或一垂直线的VCSEL阵列300，但是由于反射镜320在水平方向反复摆动或扫描以便能从观察者视场的一个边缘向另一个边缘扫描VCSEL阵列300的垂直线的表观位置，因此观察者的眼睛感觉到一个全屏幕的信息，如图4所示。
通常以大约100HZ的频率摆动反射镜320以便从一个1×M阵列产生一个连续的全页或者M×M图像的幻觉。
当然，应适当地调制或电激发VCSEL阵列300的垂直线或列以便在所希望的显示图像中为每一列有选择地发射光。这些驱动电子器件可以与VCSEL集成在一起。电子定时保证了在扫描过程中在正确的时间照亮每列或垂直线的合适的VCSEL。在美国专利No.4，934，773中公开了一个小型视觉显示器的实施例，尤其是一种采用完全搜索扫描的HMD，在此引入作为参考。
在线性阵列中的VCSEL的数目取决于，例如，要向观察者显示的所希望的图像的宽度。在一个优选实施例中，对于一个1024×1024的显示，VCSEL阵列300应包括1024个线性对准的VCSEL。用于本实施例的仔细设计的VCSEL的直径为大约10μm，每个VCSEL之间的间隔为大约10μm。
也可能采用一个不是直线型的VCSEL阵列，例如采用一个准直线型或错列的阵列，来进行搜索扫描。本领域的技术人员知道怎样调整电子驱动器信号以补偿在这种情况下VCSEL的改变的位置。
也仔细考虑了可能更稳定的其它扫描技术。这些技术，例如，涉及易于与VCSEL阵列集成的微光学镜片的使用。亚毫米直径小透镜的形成以及在包含有VCSEL阵列的衬底上波导的形成改善了显示器的性能、光效率、表面散射、波长敏感度和光束发散性，所有这些都降低了成像系统的尺寸、重量和复杂性。图5描述了一个VCSEL阵列510和微小透镜520的典型单片集成物，该集成物可用于实现本发明以便利用采用不同的其它扫描技术，例如采用声光调制器（AOM）的电光扫描技术。本领域的技术人员特别会注意到微小透镜520引导由VCSEL发射的辐射的传播，微小透镜520发挥了一些（如果不是全部的话）光学透镜310的成像的功能。例如，微小透镜520可以减小发射的辐射的光束发散，因此可以采用低数值孔径光学系统在观察者的视场内显示一个所希望的图像。另外，它们能减少光束的发散以提高图像的分辨率。
在另一个实施例中，采用一种新颖的辅助扫描技术以便从一个N×N的VCSEL阵列产生一个全M×M显示图像，其M是N的整数倍。与搜索扫描相比，辅助扫描是在观察者的视场内VCSEL阵列的实移动或虚移动，移动的距离小于单元之间的距离或VCSEL的间隔，参见图6，实黑圆点代表与直接成像于观察者时VCSEL的像素的位置。当分别沿水平轴610和垂直轴620扫描每个向观察者显示的像素时，观察者感觉到像素位于由点划圆点代表的位置以产生了正在显示全页的幻觉。至于搜索扫描，在VCSEL阵列的扫描过程中适当地调制来自VCSEL的辐射。也可以采用，例如，压电传感器通过一个实像移动来实现扫描。
通常，在每个VCSEL之间的间隔距离l是间隔d的整数倍，间隔d是所产生的辅助单元间的间隔或者是分辨率改善系数。已经仔细考虑过，可以通过采用其它装置，例如压电传感器，机械扫描器、声光调制器及类似物，来完成辅助扫描。
这些扫描技术还可以得益于采用微光学镜片并且得益于这些微光学镜片与VCSEL阵列的集成。例如，单元之间的间隔与光束直径的比通常为大约2∶1。采用如图5所示的微小透镜来聚焦来自每个VCSEL的辐射输出或小光束到一个尺寸减小的点，这样做将增加单元间间隔与光束直径的比。有益的是，通过如上所述的在邻近的VCSEL之间产生辅助像素，可使用辅助扫描来增加有效分辨率。相反，来自一个发光二极管的光束不能有效地聚焦于一个尺寸减小的点。
若不用微小透镜，可以采用用于收集来自多个VCSEL光线的较大的小透镜，使其与上面提到的辅助扫描技术结合。如图7所示，小透镜对710和720把来自多个VCSEL730a-d的发射的辐射聚焦到一个尺寸减小的点。如果在VCSEL对730a-b之间和730c-d之间的间隔最初是距离a，则在小光束通过小透镜对之后这个间隔是一个小得多的距离b。现在可以用辅助扫描在成像的VCSEL之间产生辅助像素，辅助像素用点划圆点表示。应当注意的是：由小透镜对730a-b和730c-d实现的缩小率应该是个整数，该整数等于为了填充观察者的视场或者成像的VCSEL点之间的空间所需要的辅助像素的数目。相反，采用一个单个的大透镜不会增加有效分辨率。尽管大透镜减小了点的尺寸，它也以相同的系数减小单元间的间隔。即单元间的间隔与点直径的比率保持不变。因此在采用一个单个的大透镜的情况下，采用辅助扫描不能把分辨率增加到其最大可能的程度。
对于上述辅助扫描技术可以理解：沿着每个轴的扫描长度不必是对称的。通过采用不同的扫描长度，有可能从一个K×L的VCSEL阵列大体产生一个M×N阵列显示图像，其中M和N分别是K和L的整数倍。
作为一个辅助扫描系统，一个带有40μm单元间间距的128×128VCSEL阵列可以用在两个轴上增量为5μm（最大可达35μm的距离）扫描以取得一个1024×1024的图像（在每个轴上在邻近的VCSEL元件之间有7个辅助位置）。
在上述实施例中，已经仔细考虑过，当一组被限定的信息需要有选择地提供给观察者时，要显示的信息最初可以存储在一个数据存储装置，例如，RAM、ROM、EPROM和类似物中，这些存储装置在本领域中是为人熟知的。另外，对于大多数需要随时间变化信息的应用，要显示的新的信息可以在一帧结束时（例如在一次扫描的结束时）加在VCSEL上。
通过如上所述的单独寻址每个VCSEL而不是采用矩阵式寻址，也可以把要显示的新信息直接加在每个VCSEL上以产生一个完全显示。另外，N×N    VCSEL阵列可以有选择性地包括若干行错列的VCSEL以补偿装置之间的间隙。图8描述了一个错列的VCSEL    810线性阵列的一部分，此VCSEL810线性阵列具有连接到电子驱动器820的接线粘接点，该电子驱动器820可以制造在另一个衬底上。如在我们的未决申请No.07/823，496中所公开的那样，可以按另一种方式把VCSEL阵列和电子驱动器制造在同一衬底上以省去对线粘接的需要。驱动电子器件820包括晶体管，例如FET、双极晶体管、和类似物。通常，在上述申请中公开的结构可用于实现本发明。
在一个实施例中，一维辅助扫描可以用于激光印刷行业，例如一个覆盖20×75吋面积的3600圆点/吋（dpi）的印像机。一个每吋具有300个VCSEL的20吋的线性VCSEL阵列可以沿一维方向进行辅助扫描，使得每个VCSEL在一条线中在12个点（像素）处控制的照亮以取得所希望的3600dpi的分辨率。若沿另一维方向推进印像材料，即可以进行按这一尺寸进行印刷。
对于一维辅助扫描的一个代换是移动一个一维VLDA阵列（例如可以是VCSEL型），移动的距离等于阵列尺寸的长度的整数倍再加上一个像素间的距离。如图9所示，通过让该阵列跨越过处于多个照亮阶段的图像来扫描一个VCSEL阵列850，该VCSEL阵列850包括1×4VCSEL辅助阵列的三个组860a-c。在第一个阶段，阵列控制显示点870a-c的照亮。对第二个阶段，例如通过电子-机械装置，把来自阵列860a-c的辐射移动到分别由点划圆点870a′-c′表示的位置处。用对应于VCSEL的被移动的位置的适当的单色或彩色信息调制VCSEL以产生新的有效分辨单元或像素。然后，在第三个阶段，分别把来自阵列860a-c的辐射跨跃到或移动到位置870a″-c″。这种跨跃或“跳跃”技术为每次移动或跨跃都有效地产生了四个附加的像素。在这里，对每个辅助阵列860a-c产生了八个附加的像素。这种特殊类型的扫描被称为“跳跃”扫描。也可以用于激光印刷。例如，如果要求在60个芯片（每个芯片上有100个激光器）上的6000个激光器达到所希望的分辨率，则完成同样的工作要采用每个芯片上具有100个激光器的10个芯片，其中要完成6次“跳跃”的或重复的移动。
通过结合搜索扫描和辅助扫描技术也可以产生二维显示图像。参见图10，通过沿水平轴910搜索扫描和沿纵轴920辅助扫描可以从1×4VCSEL阵列产生一个16×16显示图像。在VCSEL之间的单元间的间隔Y应该使通过以重复的增量移动VCSEL的虚像在VCSEL之间能产生3个辅助位置。沿着水平轴910，以对应于所希望的辅助位置间距X的增量移动观察者所看到的虚像，最大的增量对应于16个像素的间距。然而沿着垂直轴920，以所需要的辅助位置间隔X的增量来移动虚像，但移动的最大距离对应于单元VCSEL间的间距Y。
本发明的一个独特方面是能产生一个全彩色显示。在全彩色显示的一个实施例中，在一个阵列中需要三个不同类型的VCSEL，其中每个类型以不同的波长发光（如绿、蓝和红）以便提供彩色视觉图像。例如，在阵列中VCSEL的每行只包括一种VCSEL并且这些行发射光的颜色以有规律的方式交替着。这些行本身可以相互交错，以消除每个VCSEL之间的间隙。
在定时和控制电路的控制下，可以把适当的彩色数据加在VCSEL的每一行上，但稍微有一个时间间隔。结果，将不同颜色VCSEL的三个邻近行的每组的输出都成像在虚像中的同一行，以便根据已经为人们熟知的比色法理论产生一个彩色显示。
对于绿、红和蓝波长的大概范围分别是610-630nm、514-554nm、和440-470nm。这些波长范围令人满意地提供了全彩色光谱并且在我们的未决申请No.07/790，964公开的VCSEL的工作范围之内。尤其是，可使用在有源区内的GaInP和AlxGai-xInP的交替层在红光区产生辐射;使用在有源区内的GaInP和AlxGai-xP的交替层在绿光区产生辐射;使用在有源区内的AlyGai-yN和AlxGai-xN的交替层在蓝光区产生辐射。
最好是分别采用605nm、554nm和460nm作为红、绿、蓝光辐射的波长，因为这些波长为产生白光提供了最高的效率。采用长于605nm波长的光作为红光光源需要更大的红光强度来维持相同的辐照度。
可以进一步使用部分透射的反射镜在观察者的视场中引导彩色显示图像。这些反射镜可以制造得在VCSEL的辐射波长处具有增大的反射率以减少所需要的光学能量。另外，在其它波段的反射率可以减小（即提高透射率）以增大向外观察外部信息的能力。
根据本发明的原理，VCSEL还可以与其它显示设备集成，或者甚至由其它显示设备代替，这些其它显示设备可以是例如可见光二极管激光器或者是超发光发光二极管（SLED）以进一步增加和/或补充本发明VCSEL阵列显示系统的可应用性。本领域的技术人员知道：SLED是一个通过附加一个部分腔而提高了效率及发射方向性的发射二极管（LED）。可以采用标准的平面LSI加工技术把SLED构制得非常类似于VCSEL。根据本发明的原理，经仔细考虑可以看出：VCSEL可与SLED和/或LED集成。
在另一个实施例中，还可以采用与辅助扫描结合的搜索扫描来实现一个具有一个超广视场的HMD。尤其，通过采用一个旋转的多角形反射镜以取得接近180°的视场，可以实现搜索扫描。更有利的是，旋转的多角形反射镜比摆动的反射镜更坚固，还有，旋转的多角形反射镜为使用者提供了利用HMD的接近圆形对称的视场的能力。
图11和图12分别是利用本发明的原理的一个超广视场HMD的顶视图和侧视图。如以前在图4中所示，多角形反射镜920围绕一个垂直轴旋转以便从观察者视场的一侧边缘向另一侧边缘扫描一个VCSEL阵列910的表观位置。通过将带有合适数目侧边的多角形反射镜920旋转90°-120°就可以取得180°的视场。对于这种安排，VCSEL阵列有益地是一个沿垂直方向取向的线性阵列，因此VCSEL阵列平行于反射镜920的旋转轴。靠近HMD上部或观察者前额的一个柱面透镜930沿着水平轴扩展从VCSEL阵列910发射的辐射。光束扩展是很充分的，足以充满观察者两眼的瞳孔孔径以取得完全的双目显示。一个在多角形反射镜920上的合适的水平弯曲部分（如图12所示）或者多个柱面透镜都可以用来代替单个的柱面透镜930。
一般相信：为了计及头部的活动，只需要取得15-20mm垂直的扩展。对于双目显示，期望水平束的宽度最好是100mm或更宽。一个最好离观察者瞳孔50-75mm的部分凹面镜940根据著名的光学理论在观察者视场内产生一个VCSEL阵列910的虚像。与搜索扫描结合地适当寻址和调制每个单独的VCSEL，即可以向这个观察者呈现一个完全的全景显示。
值得注意的是，由于来自每个VCSEL的辐射只穿过该系统的一小部分，因而该系统的部件不引入任何实质性的光学像差。因此，只用一个小数目的光学部件就可以在整个视场中取得比1周/毫拉德更好的分辨率。
熟悉本领域的技术人员很容易注意到：可以用多角形反射镜920和部分的反射镜940的垂直的凹面来修整发射的辐射的垂直光束特性。另外，柱面透镜930和部分凹面镜940的水平弯曲部分修整发射的光束的水平方向的形状或束特性。以此方式，可以把发射的辐射适当地引进，例如，180°的视场中。
其中每个阵列在不同的波长处发射辐射的多个VCSEL阵列还可以用来产生彩色图像，例如，可以把VCSEL阵列910、950和960放在围绕旋转反射镜920的不同的位置处，其中阵列910发射红光辐射，阵列950发射绿光辐射，和阵列960发射蓝光辐射。当然应该使每个阵列的辐射同步以便根据著名的比色法理论产生一个彩色图像。
旋转的反射镜920的每个侧面还可以是彼此垂直地倾斜，使得每个侧面扫过唯一的一组水平像素。例如，带有4个侧面的旋转反射镜，每个侧面稍微垂直倾斜，可以在垂直方向实现如前面所述的辅助扫描以便有效地使垂直分辨率增加4倍。因而，通过采用一个仅有256个VCSEL的阵列就可以实现在垂直方向的一个1024个单元的显示分辨率。应该注意：后者的设计方案有效地与辅助扫描及搜索扫描技术结合起来，因而用最小数目的VCSEL就能在超广视场内产生极高分辨率的显示图像。
应该认识到：在不离开本发明范围和思想的前提下，任何其它的改进对本领域的技术人员来说都是很明显的。例如，采用本发明的原理也可以制造座舱环境的头下显示器，其中从VCSEL阵列投映一个实像到一个供观察者观看的屏幕上。另外，还可以采用虚像显示器和实像显示器的结合来制造模拟器。
因而，并不意味着所附的权利要求的范围仅限于前面所作的描述，而是权利要求被认为包括属于本发明的具有可授予专利的新颖性的所有特征，包括被本发明领域的技术人员当作等同物的所有特征。

Claims (59)

1、一种视觉显示系统，包括：
多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器，每个所说的激光器发射辐射；和
用来把所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器的一个图像显示在观察者的视场内的装置。
2、根据权利要求1的视觉显示系统，具有一个适合于固定在安全帽上使用的尺寸。
3、根据权利要求2的视觉显示系统，其特征在于所说的用于显示的装置包括：
用来产生所说多个发射可见光的竖式腔表面激光器的一个虚像的装置，
和一个在所需要的视场上移动所说的虚像的旋转反射镜。
4、根据权利要求1的视觉显示系统，该视觉显示系统还包括用来有选择地调制来自所说多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器中的每一个的辐射强度的装置，使所说的图像基本上代表一个预定的视觉显示。
5、根据权利要求1的视觉显示系统，其特征在于：所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器在一个预先确定的波长发射辐射，使得所说的图像是单色的。
6、根据权利要求1的视觉显示系统，其特征在于：所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器在多个波长处发射辐射，所说的图像是彩色的。
7、根据权利要求6的视觉显示系统，其特征在于：所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器按三条线分组排齐，在每条线上的所说竖式腔表面发射激光器在不同的预定的波长处发射辐射。
8、根据权利要求7的视觉显示系统，其特征在于：在所说线的第一条线上的竖式腔表面发射激光器在电磁光谱的可见红光区域发射，在所说线的第二条线中的竖式腔表面发射激光器在电磁光谱的可见的绿光区域发射，以及在所说组的第三条线中的竖式腔表面发射激光器在电磁光谱的可见的蓝光区域发射。
9、根据权利要求8的视觉显示系统，其特征在于：在所说的第一、第二和第三线上的所说的竖式腔表面发射激光器彼此交错排列。
10、根据权利要求1的视觉显示系统，其特征在于：所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器在基本上为一维的阵列中排齐。
11、根据权利要求1的视觉显示系统，其特征在于：所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器在基本上为二维的阵列中排齐。
12、根据权利要求1的视觉显示系统，其特征在于：用于显示的所说装置包括：
用来产生所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器的一个虚像的成像装置，和
用来把所说的虚像反射进观察者视场的装置。
13、根据权利要求12的视觉显示系统，其特征在于：所说的用来反射的装置包括一个反射镜。
14、根据权利要求12的视觉显示系统，其特征在于：所说的用来反射的装置包括一个部分透射、部分反射的面板，使得观察者可以同时观察到所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器的图像和引向观察者的外部视觉信息。
15、根据权利要求12的视觉显示系统还包括：
用来从无限远向靠近观察者调整所说虚像位置的装置。
16、根据权利要求15的视觉显示系统，其特征在于：所说的用来调整的装置包括一个机械的随动系统以便移动所说的多个竖式腔表面发射激光器。
17、根据权利要求1的视觉显示系统，还包括用来引导来自所说的多个竖式腔表面发射激光器的辐射的传输的多个微小透镜。
18、一个用来在观察者的视场中显示一个具有M×M个像素的图像的视觉显示系统，所说的视觉显示系统包括：
多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器，这些激光器基本上对准至少一个第一1×N阵列，所说的激光器发射辐射;
用来产生一个所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器的图像的装置;
用来在观察者的视场中反复移动所说的图像的位置的装置;
当移动所说的图像的位置以产生所需要的M×M图像时，用来有选择地控制从所说的多个竖式腔表面发射激光器中的每一个激光器发射的强度的装置：
19、根据权利要求18的视觉显示系统，其特征在于：所说的图像是一个虚像。
20、根据权利要求18的视觉显示系统，其特征在于：所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器在一个预定的波长处发射辐射，所说的M×M图像是单色的。
21、根据权利要求18的视觉显示系统，其特征在于：所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器在多个波长处发射辐射，使得所说的图像是彩色的。
22、根据权利要求21的视觉显示系统，其特征在于：所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器对准1×N阵列的三条直线，在每条线上的所说的竖式腔表面发射激光器在不同的预定的波长处发射辐射。
23、根据权利要求22的视觉显示系统，其特征在于：在所说的1×N阵列的第一条线上的竖式腔表面发射激光器在电磁波谱的可见红光区域发射，在所说的1×N阵列的第二条线上的竖式腔表面发射激光器在电磁波谱的可见绿光区域发射，和在所说的1×N阵列的第三条线上的竖式腔表面发射激光器在电磁波谱的可见蓝光区域发射。
24、根据权利要求18的视觉显示系统，还包括用来引导来自所说多个竖式腔表面发射激光器的辐射的传输的许多微小透镜。
25、根据权利要求18的视觉显示系统，其特征在于：在所说的1×N阵列中的竖式腔表面发射激光器彼此交错排列。
26、一个用来在观察者的视场中显示一个具有M×N个像素的图像的视觉显示系统，所说的视觉显示系统包括：
多个基本上对准在一个K×L阵列中的发射可见光的激光器，所说的激光器发射辐射;
用来产生一个所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器的图像的装置;
用来在观察者的视场中反复移动所说的图像的位置的装置;和
当移动所说的图像的位置以产生所需要的M×N图像时，用来有选择地控制从所说的多个竖式腔表面发射激光器中的每一个激光发射的辐射的强度的装置，其中M和N分别比K和L大。
27、根据权利要求26的视觉显示系统，其特征在于：所说的发射可见光的激光器是竖式腔表面发射激光器。
28、根据权利要求26的视觉显示系统，其特征在于：所说的发射可见光的激光器是发光二极管。
29、根据权利要求26的视觉显示系统，其特征在于：所说的发射可见光的激光器是边缘发射激光的二极管。
30、根据权利要求26的视觉显示系统，其特征在于：所说的图像是一个虚像。
31、根据权利要求26的视觉显示系统，其特征在于：所说的多个发射可见光的激光器在一个预定的波长处发射辐射，使得所说的M×N图像是单色的。
32、根据权利要求26的视觉显示系统，其特征在于：所说的多个发射可见光的激光器在多个波长处发射辐射，使得所发射的辐射是彩色的。
33、根据权利要求26的视觉显示系统，其特征在于：所说的多个发射可见光的激光器的所说的K×L阵列的1×L阵列对准三条直线，在每个直线上的所说的发射可见光的激光器在不同的预定的波长处发射辐射。
34、根据权利要求33的视觉显示系统，其特征在于：在所说的1×L阵列中的发射可见光的激光器彼此交错排列。
35、根据权利要求33的视觉显示系统，其特征在于：在所说的1×L阵列的第一线上的所说的发射可见光的激光器在电磁波谱的可见的红光区域发射，在所说的1×L阵列的第二线中的竖式腔表面发射激光器在电磁波谱的可见的绿光区域发射，和在所说的1×L阵列的第三线中的竖式腔表面发射激光器在电磁波谱的可见的蓝光区域发射。
36、根据权利要求26的视觉显示系统还包括用来引导来自所说多个发射可见光的激光器的辐射的传输的许多微小透镜。
37、一个用来在观察者的视场中显示一个需要的图象的视觉显示系统，所说的视觉显示系统包括：
一个具有多个竖式腔表面发射激光器和发光二极管的激光器阵列，所说的竖式腔表面发射器和发光二极管在可见光的电磁波谱内发射辐射;
用来产生所说的激光器阵列的一个光学图像的装置;
用来在观察者视场中反复移动所说的光学图像的位置的装置;和
当移动所说的图像的位置以产生所需要的图像时，用来有选择地控制从所说的激光器阵列发射的辐射的强度的装置。
38、一个用来在观察者的视场中显示一个具有M×N个像素的所需要的图像的视觉显示系统，所说的视觉显示系统包括：
多个基本上对准K个1×L阵列的表面发射激光器，所说的1×L阵列以二个或多个激光器组成形式布置;
多个具有基本上对齐从所说激光器发射的辐射的传输方向的光轴的小透镜对，在一组小透镜对中的每个用于成像激光器的小透镜对对应于降低了尺寸的图像，使得降低了尺寸的图像组的组间间距大于所说激光器组间间距;
用来产生降低了图像尺寸的所说组的一个图像的装置;
用来在观察者的视场中反复移动所说的图像的位置的装置，以便在降低了图像尺寸的组之间产生辅助像素;和
当移动所说的图像的位置以产生所需要的M×N图像时，用来有选择地控制从所说的多个表面发射激光器中的每一个激光器发射的辐射的强度的装置，其中M和N分别比K和L大。
39、根据权利要求38的视觉显示系统，其特征在于：所说的表面发射激光器是竖式腔表面发射激光器。
40、根据权利要求38的视觉显示系统，其特征在于：所说的表面发射激光器是发光二极管。
41、根据权利要求38的视觉显示系统，其特征在于：所说的表面发射激光器是边缘发射激光二极管。
42、一个用来在观察者的视场中显示一个具有M×N个像素的所需要的图像视觉显示系统，所说的视觉显示系统包括：
多个基本上对准K个1×L阵列的表面发射激光器，所说的1×L阵列以二个或多个激光器组的形式布置;
多个具有一个基本上对齐从所说激光器发射的辐射的传输方向的光轴的小透镜对，在一组小透镜对中的每个用于成像激光器的小透镜对对应于降低了尺寸的图像，使得降低了尺寸的图像组的组间间距大于所说激光器组间间距;
用来产生降低了图像尺寸的所说组的一个图像的装置;
用来在观察者的视场中反复移动所说的图像的位置的装置，以便在降低了图像尺寸的组之间产生辅助像素和分别沿着所说图像的第一及第二方向的像素;和
当移动所说的图像的位置以产生所需要的M×N图像时，用来有选择地控制从所说的多个表面发射激光器中的每一个激光器发射的辐射的强度的装置，其中M和N分别比K和L大。
43、根据权利要求42的视觉显示系统，其特征在于：所说的表面发射激光器是竖式腔表面发射激光器。
44、根据权利要求42的视觉显示系统，其特征在于：所说的表面发射激光器是发光二极管。
45、根据权利要求42的视觉显示系统，其特征在于：所说的表面发射激光器是边缘发射激光二极管。
46、一种扫描结构，包括：
多个基本上对准沿第一方向的至少一个1×N阵列的表面发射激光器，所说的1×N阵列有一个像素间距d，且每一个所说的激光器对应一个像素;
用来产生一个所说的多个表面发射激光器的图像的装置;和
用来沿着所说的第一方向以一个小于像素间距d的距离反复移动所说的多个表面发射激光器的图像的装置，以便在邻近激光器的图像之间产生辅助像素。
47、根据权利要求46的扫描结构，其特征在于：所说的表面发射激光器是竖式表面发射激光器。
48、根据权利要求46的扫描结构，其特征在于：所说的表面发射激光器是发光二极管。
49、根据权利要求46的扫描结构，其特征在于：所说的表面发射激光器是边缘发射激光二极管。
50、根据权利要求46的扫描结构，其特征在于：在所说的1×N阵列中的表面发射激光器彼此交错排列。
51、根据权利要求46的扫描结构，还包括沿一个第二方向反复移动所说的多个表面发射激光器的图像的装置，所说的第二方向基本上垂直于所说的第一方向。
52、根据权利要求51的扫描结构，其特征在于：所说的多个表面发射激光器在多个波长处发射辐射，这样使得所说的图像是彩色的。
53、根据权利要求51的扫描结构，其特征在于：所说的多个表面发射激光器对准在1×L阵列中的三条直线，在每条直线上的所说的表面发射激光器在不同的预定的波长处发射辐射。
54、根据权利要求53的扫描结构，其特征在于：在所说的1×N阵列的第一线中的表面发射激光器在电磁波谱的可见红光区域发射，在所说的1×N阵列的第二线中的表面发射激光器在电磁波谱的可见绿光区域发射，和在所说的1×N阵列的第三线中的表面发射激光器在电磁波谱的可见蓝光区域发射。
55、根据权利要求46的扫描结构，还包括用来导引来自所说多个表面发射激光器的传输的许多微小透镜。
56、根据权利要求46的扫描结构，其特征在于：所说的用来产生一个图像的装置包括一个光学透镜系统。
57、根据权利要求46的扫描结构，其特征在于：所说的用来反复移动所说图像的装置包括一个共振反射镜。
58、根据权利要求46的扫描结构，其特征在于：所说的用来反复移动所说的图像的装置包括一个旋转反射镜。
59、根据权利要求58的扫描结构，其特征在于：所说的旋转反射镜有M个侧面，每个侧面彼此间垂直倾斜。
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