CN112805997A

CN112805997A - 增强现实（ar）显示器

Info

Publication number: CN112805997A
Application number: CN201980041864.9A
Authority: CN
Inventors: 石井房雄
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-06-30
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2021-05-14
Also published as: WO2020005320A1; JP2021529351A; JP7230072B2; US20200004019A1; US11422371B2

Abstract

本发明公开了一种利用菲涅耳反射镜以及光学波导的达成透明显示系统的投影显示设备。使用这种波导管的显示设备可以全面实现高分辨率、无色差、宽视角、大适眼区和非常紧凑的尺寸。

Description

增强现实（AR）显示器

本申请是一份非临时申请，其请求认定2018年6月30为当时提交的62/692699号临时申请的优先权日。本申请也是先前提交的非临时申请（2016年5月9日提交的14/999458）的部分延续案。

技术领域

本发明涉及一种透明显示器，此显示器使用微小棱镜通过薄波导投射图像。此显示器工作原理如潜望镜一般，并带有一个薄波导管和棱镜或具有反射面的菲涅耳透镜。该显示器可作为汽车用透明平视显示器、可穿戴显示器，以及广角（Fied of View 或FOV）大适眼区的目镜显示器。

背景技术

近年来，随着智能手机的普及，透明显示屏受到了广泛的关注，尤其是平视显示器和可穿戴显示器。透明显示屏提供免触碰操作，并能再常规视线距离内显示图像。透明显示器有着巨大的需求，全息图实现透明显示的方法在提出后取得了一定成功。但在过去全息技术透明显示器往往分辨率太低，光利用率太低，视角不够，难以消除不必要的高阶衍射，最终产生重影，不一定能满足观众的要求。这就需要一种光学系统，能集轻便，小巧，明亮，高分辨率和透明与一身。本发明提出的新光学系统，运用诸如LCD、LCOS、OLED、微镜和激光扫描等传统显示设备来满足所有这些需求。

如图1所示，Freedman在专利US777960中公开了一种使用菲涅耳透镜来改变图像反射方向的平视显示器，但没有减小显示器的尺寸。

如图2所示，Voloschenko等人在专利US7031067中公开了一种内置于汽车仪表板中的平视显示器，但没有减小显示器的尺寸。

如图3所示，Kasai等人在专利US7460286中公开了一种通过全息光学元件实现穿透能力的眼睛玻璃型显示系统。该系统可以大幅减小显示器的尺寸。但该系统需要全息技术，光利用率低，难以获得高分辨率以及广视角。

如图4所示，Mukawa等人在SID 2008文摘，编号ISSN/008-0966X/08/3901-0089里的“使用全息平面波导的全彩眼镜显示器”一文中公开了一种目镜式显示系统，该系统通过两个全息光学元件实现了透明显示功能。该系统可以大大减小显示器的尺寸。但该系统需要全息图，光利用率低，难以获得高分辨率以及广视角。

如图5所示，Saarikko等人在专利申请US2016/0231568中公开了一种波导，起能用衍射面来实现透明显示。这种显示器需要一个大的“折叠”区域来创建一个大的眼眶，限制了观看者的观察区域。另外，衍射需要仔细调整光栅表面的相位变化，如果使用广谱光源，色差是不可避免的。

如图6所示，Takagi等人在专利US8780447中公开了一种光学器件，其能使用半反射镜形成虚拟图像，达成透明显示。由于单平面反射镜的存在，这种光学器件在减小波导厚度方面有所限制。使用这种光学元件的产品在市场上已经成功销售了一段时间。

如图7所示，Amitai（US7672055）公开了一种透明显示器。其使用表面有斜角的板制作，有二向色反射镜波导。由于波导厚度的限制，这种结构的视域受到限制。

由于可以便携性、免提性和安全性问题，透明的可穿戴显示器正越来越流行，但能像普通眼镜一样紧凑、高分辨率、大视域和大眼眶的可穿戴透明显示器还没有上市，对其需求已经持续多时。本发明提供了一种满足这种需求的装置。

发明内容

本发明公开了一种独特且非常紧凑的透明显示器，适用于目镜式显示器、平视显示器和薄投影显示器。该显示器包括1）投影仪（801），2）带耦合棱镜（802）的光管（803），3）带锯齿形棱镜的折叠镜（805）和4）外耦合波导（807），如图8所示。

投影仪（801）包括LCD、微镜装置或OLED显示装置以及类似于手机摄像头的镜头组。耦合光学元件上，用了棱镜（图10中的1003）以将来自投影仪的光束引入光管（1004）。远心光学元件（1002）更适合作投影光学元件，尽管手机摄像头使用了非远心透镜。在耦合棱镜之后，光束被输入光管（图11中的1101或图12中的1203）。如图11所示，管中的光束必须向外耦合波导管（807）折叠或弯曲约90度。光管（1101）的表面仅从显示装置中的每个像素接收一个方向的光束（1105）。但是这种光管太大，太占空间。现有技术中公开的显示器都具有太占空间的问题，而本发明所用所用的光管尺寸大幅减小。由于本发明不使用衍射，因此在投影透镜后不存在色差。另外，本发明使用单外耦合波导，而不是现有技术中的三层波导。

本发明的一个创新点是提供了一种全新的改进过的显示系统，其包括显示装置和用于将光投射到光管的投影透镜组。该系统还包含一个耦合棱镜，用于调整来自显示装置的光线和安装在光管中的投影透镜的方向。该系统还包括外耦合波导管和折叠式反射镜，以将光线从光管反射到外耦合波导管，其中光管具有矩形横截面，并且光管侧面的表面通过涂层或除开口和光以外的全内反射（TIR）进行反射光线可以通过开口从光管出口到折叠镜，折叠镜具有锯齿形反射镜，将光线反射到外耦合波导管，其中，所述外耦合波导管具有多个锯齿形反射镜，并将光线反射到观看者的眼睛。在另一优选实施例中，投影透镜组是远心的，并且从显示设备发射的主光线基本上垂直于显示设备的表面。来自像素的主光线在耦合棱镜内部或靠近耦合棱镜相互交叉。在另一优选实施例中，耦合棱镜具有反射面，反射面接收来自投影透镜组的光线并将光线反射到光管中。反射面相对于投影透镜组的光轴的法向量在15到45度之间。在另一优选的实现方式里，耦合棱镜具有反射面，其接收来自投影透镜组的光线并将光线反射到光管中，并且反射面的法向量旋转至与光管的长边30到60度的角。在另一优选的实现方式里，耦合棱镜和光管的折射率大于1.4。在另一优选实施例中，开口的尺寸随沿光管长侧的位置而变化。在另一优选实施例中，折叠式反射镜相对于光管的顶面倾斜15到45度，并且设置折叠镜的法向量，使得平行于投影透镜处的光轴的光线将基本上平行于光的顶面的法向量管道。在另一优选实施例中，折叠式反射镜相对于光管的顶面倾斜15到45度，并且设置折叠镜的法向量，使得平行于投影透镜处的光轴的光线将基本上平行于光的顶面的法向量管道。在另一个优选实施例中，外耦合波导管具有形成棱镜的斜面，其中光线进入棱镜，并且倾斜侧的法向量相对于光管的顶面在15到45度之间，以便来自折叠镜的光线可以反射到外耦合波导管中。在另一优选实施例中，外耦合波导管具有形成棱镜的倾斜侧，在该棱镜中光线进入并且该斜侧的法向量相对于光管的顶面在15到45度之间，以便来自折叠镜的光线能够反射到外耦合波导管中。在另一优选实施例中，所述外耦合波导具有多个锯齿形反射镜，其将来自折叠镜的光线反射到观察者的眼睛和平坦区域（其中没有菲涅耳反射镜），通过全内反射（TIR）反射光线，使光线透明，使外部光线到达观察者的眼睛，锯齿形镜面区域具有反射涂层。在另一优选实施例中，光管和/或外耦合波导管具有部分反射光以减少未发光区域的层。在另一优选实施例中，外耦合波导管的表面具有多个平坦表面的弯曲包络，使得内部反射光束具有与完全平坦表面相同的角度。在另一优选实施例中，外耦合波导的多个锯齿形反射镜的角度随位置而变化，使得图像在有限距离处聚焦。在另一优选实施例中，有多组显示系统被覆盖，以便可以看到多个距离的图像。

附图说明

图1示出了具有菲涅耳透镜的反射屏幕的平视显示器，其已作为美国专利公开。这种反射镜改变了传统反射镜的反射方向，但不会减小显示系统的尺寸。

图2示出了另一个嵌入仪表板的平视显示器，它需要很大的空间。

图3示出了Kasai在其公开的关于US7460286的技术报告中所示的现有技术的图像显示系统的横截面图。

图4示出了由Mukawa等人在SID 2008文摘，ISSN/008-0966X/08/3901-0089“使用全息平面波导的全彩眼镜显示器”中所示。如图4所示的可穿戴显示器成功地证明了该显示器具有透明显示能力。

图5示出了在美国专利申请US20160231568中公开的另一种透明显示器，其使用衍射光栅进行输入耦合和外耦合。

图6示出了Takagi等人在专利US8780447中公开的用半反射镜形成的虚拟图像来实现透明显示的光学元件。

图7 示出了Amitai等人公开的另一种透明显示技术，其包含使用二向色涂层延伸到整个波导厚度的光学元件。

图8示出了一种本发明的示例性实施例，示出了眼镜式显示器。

图9示出了投影显示装置和投影透镜组。

图10示出将光束引入波导的耦合光学元件。

图11示出了来自耦合光学元件的光束轨迹。

图12示出了光管从耦合光学元件中引导光的示例，该光学管没有大波导管，但具有窄光管。

图13示出了从显示装置（1301）通过投影透镜（1302）、耦合棱镜、光管（1304）、开口（1305）、折叠镜（1306）和外耦合波导管（1308）的光轨迹。

图14示出了光管、开口和折叠镜的细节。

图15和15A示出了本发明投影系统中的两个交替光束轨迹。

图16示出了本发明的另一示例性实施例，其示出了对于整个波导的中心光束而言，光线的分布是非常均匀的。

图17示出了本发明的另一示例性实施例，其示出右底射线中的一些区域是为点亮区域。

图18示出了本发明的另一示例性实施例，其示出了包括所有9个点的光轨迹的示例。

图19示出了本发明的另一示例性实施例，其示出了从顶部开始的光轨迹，包含了大的适眼区。

图20示出了本发明的另一示例性实施例，其示出了外耦合波导。

图21示出了本发明的另一示例性实施例，其示出所有菲涅耳反射镜的角度相等，像的距离是无穷远的。

图22示出了本发明的另一示例性实施例，其示出通过改变菲涅耳反射镜的角度在有限距离内成像。

图23示出了本发明的另一示例性实施例，其示出添加显示系统从而实现在两个或多个距离上的成像。

图24示出了菲涅耳反射镜可引起多余的反射，产生须移除的重影。

图25示出了另一示例性实施例，其将影响图像可见度的一些未发光区域最小化。

图26示出了本发明的另一示例性实施例。该实例在波导表面上引入阶梯以保持相同的反射角，从而实现一种弯曲的波导目镜。

具体实施方式

现在将详细介绍实施例，其示例在附图中示出。在下面的详细描述中，为了提供对本文所呈现的主题的透彻理解，阐述了许多具体细节。但是，对于本领域技术人员来说显见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实现或设计主题。在其它实例中，未详细描述公知方法、过程、组件和电路，以免不必要地模糊实施例的重点。

下面将参照附图清楚、完整地描述本发明的技术方案。显然，要描述的实施例仅是示例，是本公开的实施例的一部分而不是所有。本领域技术人员基于本发明所述实施例获得的所有其他实施例应属于本发明的保护范围。

本发明的目的是实现水平方向上超过60度（或+/-30度）的宽视域（FOV）和一个15mm大的适眼区，以及高达4K分辨率的透明显示器。其尺寸紧凑，能放入眼镜里，以满足观众的需求和愿望。本发明可以实现满足上述所有规格的增强现实或AR显示。出瞳距离是指合路器之间的距离（合路器是一种将真实的外部图像和生成的图像相结合的装置。在这份申请中，波导的外耦合单元就是合路器）。出瞳距离一般为8毫米到15毫米，取决于睫毛的真假。眼球的直径约为1英寸或25毫米，并绕球体中心旋转。如果观看者的出瞳距离为15毫米，并凝视视域的边缘，眼球旋转大约30度。为保证情况下图像必须可见，适眼区的水平尺寸须大于13mm。

本发明的一种示例性实施例如图8所示。在（808）处放置具有像素阵列的显示器，并且放置一组投影透镜（801）。光线投射在棱镜（802）上并输入到光管（803）。光线传播到光管803中，仅与来自棱镜（802）的原始光线方向相同的光线被析出并导入折叠镜（805）。光线被折叠镜反射，以90度朝向外耦合波导管（807）。光线通过外耦合波导中的锯齿形菲涅耳反射镜反射到观察者的眼睛。以下段落讲解释各个部件的细节。

图9示出了本发明在耦合光学方面的示例性实施例。实施例中放置了一个显示装置（903），其向一组投影透镜（905）发射光束（904）。该透镜组被设计为远心光学件，这意味着从显示装置的每个像素进入投影透镜组的主光束（904）基本上平行于投影透镜组的光轴（909）。该透镜组必须设计为图像聚焦在无限远的距离，以便让同一个像素投射的所有光线基本上彼此平行，如907a、907b和907c所示。这种光学元件确保来自同个像素的所有光线都是平行的。这是光线在光管中混合后再聚焦形成图像的一个关键原理，因为这种光学元件确保具有相同方向的所有光线都来自同一个像素。这种耦合光学元件提供了90%到100%的传输效率。如果棱镜由聚碳酸酯制成，则最大折射角度（902）可高达+/-42.6度，如果使用比聚碳酸酯有更高折射率的材料，则折射角甚至会更大。这样可确保视域超过+/-30度或60度。

图12示出了用于光管的本发明的示例性实施例。耦合棱镜的镜面（1202）旋转45度，使来自投影透镜的光线全部照射到光管的侧壁上。将光线输入到耦合波导中后， 9个照射点（中心、4个角和4个边点）的光线方向如图11所示。这种波导管中的光线可以折叠或弯曲90度，但部件的整体面积会很大。为了减少折叠面积，使用了灯，但是，由于侧壁，顶壁和底壁的反射，如（1203）所示的光管将包含4个不同的方向的光线。必要的方向只是4个方向中的一个。需要一个筛选机制来挑选所需方向的光线。

图13和图14示出了的本发明的筛选机制的示例性实施例，示出了光管（1304和1401）的横截面。光管的4个侧面通过TIR（全内反射）或反射涂层（1405）实现反射。灯管的顶面标记为（1401），上有一开口（1404），只有特定方向（1406）的光线可以通过。通过开口（1406）的光线将被折叠镜（1407）反射。折叠式反射镜是锯齿形（菲涅耳式）棱镜（图15中的1507），被设计用于将光线反射到外耦合（1308和1509）上。为了让光管内的亮度均匀，开口的大小因位置而异。离耦合棱镜较近的区域的开口比较远的区域小。

一种本发明的示例性实施例如图16所示。来自中心像素的光纤轨迹如1609所示。一个显示装置、一组投影透镜（1601），以及一个耦合棱镜（1602），其旋转了45度，使来自投影透镜的所有光线都击中光管（1603）的侧壁。在进入光管前方向相同的光线传递到折叠镜（1608）并向外耦合波导管（1606）反射。图16所示的模拟表明，中心光束在整个波导中的分布非常均匀。图17则示出了右下角光线的模拟，其包含一些未点亮的区域（1707）。这为点亮区域限制了这个显示装置的适眼区。当眼睛看着这个区域时，右下角的图像是不可见的，尽管其他区域的图像不受影响。图18中的模拟示出了包括所有9个点的光轨迹的示例。图19示出了本发明的另一示例性实施例，其从顶部显示光轨迹，从而获得很大的适眼区。

一种本发明的示例性实施例在图20示出，其示出了耦合波导0。光线（2007）被输入到另一个棱镜（2006）中被反射，该棱镜是外耦合波导的一部分。光线（2008年）被波导管的上下壁多次反射，其中一些到达菲涅耳反射镜（2001年）并反射到观众的眼睛。反射镜的间距（2003）和宽度（2004）经过挑选以确保整个波导管的亮度均匀。反射镜部分（2004）被反射材料覆盖，因为不一定所有光线都包括在TIR（全内反射）内。

图21和图22示出了本发明的一种示例性实施例。如果所有菲涅耳反射镜的角度相等，则图21所示的像，其距离是无穷远的。如图22所示，通过改变菲涅耳反射镜的角度，可以获得有限远的图像距离。

本发明的一种示例性实施例如图23所示。通过添加如图23所示的显示系统，可以获得两个或多个距离外的像。

图24示出了本发明的一种示例性实施例。如图24所示，菲涅耳反射镜会引起多余的反射（2405和2406），并且这种不必要的反射会导致所谓的重影，必须加以消除。这种多余反射只出现在镜子前面有限的区域，这个区域可以涂上吸光材料（2414）。

本发明的一种示例性实施例如图25所示。图25所示的光轨迹无法点亮部分区域（2501），影响图像可见度，这一区域必须压缩到最小。（在光管和/或外耦合波导管中，或在光管和/或外耦合波导管的顶部添加部分反射层。部分反射层可通过涂覆或插入具有不同折射率（折射率）的材料层来实现。

本发明的一种示例性实施例如图26所示。观看者可能想要一个弯曲的波导目镜。如图26所示，在不改变反射角的情况下，可以通过在波导表面引入阶梯来保持相同的反射角来实现。为了避免观看者看到凹槽，阶梯的的高度必须最小化。

为方便说明，以上描述参考的是具体的实施例,然而，以上讨论并为穷尽不同的实施例，，也并非将本发明的范围限制在所提及的实施例。基于上述指南，可以作出很多的修改和变化。实施例的选择和详述是为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够大限度地利用本发明和基于本发明的，满足特定用途的各种修改后的实施例。

Claims

1.一种显示系统，包括显示设备和投影透镜组和光管和耦合棱镜（它将来自显示设备的投影透镜组的光线输入光管中，并且外耦合波导）和折叠式反射镜，将光线从光管反射到外耦合波导管，其中光管具有矩形横截面，光管侧面的表面，除开口外，通过涂层或全内反射（TIR）进行反射，光线可以通过开口从光管传输至具有锯齿形反射镜的折叠镜，折叠镜将光线反射到外耦合波导管，而外耦合波导管自身也具有多个锯齿形反射镜，并将光线反射到观看者的眼里。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：所述投影透镜组是远心的，从所述显示装置发射的主光线基本上垂直于所述显示装置的表面，并且来自像素的主光线在耦合棱镜的内部或附近相互交叉。

3.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：耦合棱镜具有反射面，反射面接收来自投影透镜组的光线并将其反射到光管中，其法向量与投影透镜组的光轴形成15到45度之间的夹角。

4.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：耦合棱镜具有反射面，反射面接收来自投影透镜组的光线并将光线反射到光管中，其法向量旋转后与光管的长边形成30到60度的夹角。

5.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：耦合棱镜和光管的折射率大于1.4。

6.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：光可以从光管的开口中射出，开口的大小随其在光管长边上的位置变化。

7.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：确定光管开口尺寸的分布，使图像在整个视域下的亮度均匀。

8.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：折叠式反射镜相对于光管的顶面倾斜15到45度折叠镜的法向量被设置成，让平行于投影透镜光轴的光线基本平行于光管顶面的法向量。

9.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：折叠式反射镜相对于光管的顶面倾斜15到45度，折叠镜的法向量被设置成，让平行于投影透镜光轴的光线基本平行于光管顶面的法向量。

10.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：外耦合波导管具有形成棱镜的倾斜侧，在该棱镜中光线进入，并且倾斜侧的法向量与光管的顶面形成在15到45度的夹角，以让来自折叠式反射镜的光线即可反射到外耦合波导管中。

11.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：外耦合波导管具有形成了棱镜的倾斜侧，在该棱镜中光线进入，并且倾斜侧的法向量与光管的顶面形成在15到45度的夹角，以让来自折叠式反射镜的光线即可反射到外耦合波导管中。

12.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：外耦合波导具有多个锯齿形反射镜，将折叠镜发出的光线反射到观察者的眼睛以及没有菲涅耳反射镜的平坦区域，其通过全内反射（TIR）反射光线，并且是透明的，因此外部光线可以到达观察者的眼睛，锯齿形镜区有反射涂层。

13.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：外耦合波导具有多个锯齿形反射镜，这些锯齿形反射镜将光线从折叠镜反射到观察者的眼睛以及与锯齿形反射镜相邻的平坦区域,具有光吸收区域，以避免双重反射。

14.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：光管和/或外耦合波导管具有部分反射层以缩减为点亮区域。

15.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：外耦合波导的表面具有多个平面的曲面包络，以便内部反射光束的方向与完全平坦表面上的的相同。

16.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：外耦合波导的多个锯齿形反射镜的倾角随位置的变化而变化，从而在优先距离内成像。

17.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于：多套显示系统叠加，以便可以看到多个距离上的像。