CN1664652A - 用于将虚像投影在观察者视场中的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于将虚像投影在观察者视场(FOV)中的系统，包括一支撑部件(50)，一透明元件(30)，被安装在该支撑部件(50)上，适于放在观察者眼睛的前面，该透明元件(30)包括第一面(30a，30b)和第二面(30a，30b)；图像显示装置(10)和投影及聚焦装置(20)，图像显示装置(10)适于形成附加的图像，投影及聚焦装置(20)用于按一定方式投影此附加的图像，以将其呈现为被叠加在外部世界图像上。该显示装置包括配置在透明元件(30)两面(30a，30b)之一上的发光装置(10)；该投影及聚焦装置包括与对应发光装置(10)相关联且被配置在另一面(30a，30b)上的光学元件(20)。每个光学元件(20)产生与之相关联的发光装置(10)的虚像。这些发光装置(10)的虚像其中在一起形成附加图像。

Description

用于将虚像投影在观察者视场中的系统

技术领域

本发明涉及用来将权项1前序中限定类型的虚像投影在观察者视场中的系统。

背景技术

有各种各样用来投影虚像的已知系统存在，其被用在可由使用者佩戴的显示装置中，这在作为安置在头上的显示器或称HMD的领域中是已知的。其中的某些被称作通视显示器(a see-through display)，能使一虚像看上去被叠置在一客观世界的图像上。另外一些被称作非通视显示器[例如虚拟真实性头盔(helmet)，或者作为商品模型由索尼、佳能和奥林巴斯生产的用于掌上型电脑的观察器]，单独能使一虚像被看到。还有另外一些被称作环视(see-around)显示器(例如微型光学产品)，带有被插在使用者视场中的显示屏。一般说来，所有这些已知的系统基本上都由三个子系统构成：产生实像的微显示器；将该实像聚焦在需要距离(通常为无限远)上的光学系统；以及用以将其投影在使用者视场中的光学系统。然而将这些子系统合并在例如眼镜型的单一可佩戴装置中，必须涉及复杂性、尺寸和重量的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用来投影虚像的系统，其具有类似已知装置的性能，但具有较小的尺寸和重量，而且具有最少的能量消耗。

根据本发明此目的是通过一用于将虚像投影在观察者视场中的系统实现的，其具有权利要求书中所限定的特征。

在本发明的系统中，对于传统微型显示器和相应图像投影系统的需要已被排除，因为用于产生图像、聚焦和投影的三个子系统，实际上被合并在例如像头盔的面盔(the visor of a helmet)、眼镜、与镜片接触的箔等的透明基板的表面上，从而显著减小其总体复杂性、重量和尺寸。

本发明进一步的主题，在于包括本发明的投影系统并可由使用者佩戴的显示装置(或者HMD)。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的优选但非局限性的实施方式，其中，

图1为根据本发明的投影系统基本结构的示意图；

图2a和2b表示根据本发明的投影系统的变型例；

图3为根据本发明的投影系统的工作原理的示意图；

图4a和4b为根据本发明的投影系统的进一步变型例；

图5以示意性侧视立面图表示根据本发明的投影系统的进一步变型例；

图6为图5所示变型例的正视图，以及

图7为配备本发明的投影系统的一副眼镜的视图。

具体实施方式

参见图1，根据本发明的投影系统的基本结构1，包括一源亦即发光器件10，和一微型光学元件20。前者例如为具有横向线性尺寸d的有机型发光器件如OLED或PLED，无机型发光器件如微型LED，量子点激光器(a quantum dot laser)，纳米结构的金属源，碳纳米管源，金属或聚合物的纳米丝源(nano-wire source)，或场致发射源；后者例如为透镜，反射镜或衍射光学元件(DOE)，其直径φ例如约为20至50微米。由发光器件10和微型光学元件20形成的该光学系统的光轴1，在图1中被表示为Z。根据用来将发光的象素投影到视网膜上的光学配置的类型，该光源被设置在靠近眼睛的内侧或者外侧，其将具备透射型(图2b)或者反射型(图2a)的性质。

发光器件10和微型光学元件20，被安置在对于光为透明的基板30的各自相对的表面30a和30b上，该透明基板30例如具有2mm量级的厚度f。

该透明基板30例如可为一头盔的面盔，一眼镜片，或在更通常的情况下为与镜片相接触的箔。

基本结构1为由有规则样式(an orderly set)组成的子单元40，例如像图2和图4-7所示由许多这种基本结构1形成的矩阵，其中在透射型投影系统的情况下这些发光器件10被以有序方式设置在该透明基板的面30a上，而且对应的微型光学元件20被以相应的有序方式设置在该基板的另一面30b。

基板30适于放在观察者至少一只眼(图3中被表示为E)的前方，距该眼的距离实际在25和50mm之间，且其两个面30a和30b之一朝向该眼，而其另一面则朝向相对观察者的观察方向在其前方延伸的外部世界部分。

根据一可能存在的变型例，该透明基板30为一由透明材料制成的固体元件。

根据另一种变型例，该透明基板30为一中空的元件，由一对透明材料制成的薄膜形成，其间介入该基板30的空腔。在这种情况下，该基板的两个面30a和30b，分别为这对薄膜或箔其中之一的一个面和另一的一个面。

换一种方式，作为前述两种变型例的组合，该透明基板30为由透明材料制成的固体元件，其两个面上被施加以透明材料薄膜，发光器件10和微型光学器件20分别配置其上。

微型光学器件20，优选通过已知的微加工和大量生产复制技术直接形成在基板30的面30b上面。

发光器件10优选通过局部的就地生成技术(in situ productiontechnique)，或者换一种方式通过粘接技术，定位在基板30的面30a上，在任何情况下均定位在为该光源供给能量而作电气准备的表面上。

根据本发明并如图2，4和5所示，配置在基板30的面30a上的矩阵40的光源10，一起向微型光学元件20发出一束光线LB。设置在所发出的光线的光路中的微型光学元件20中的每一个，均产生相应光源10的虚像(参见图3)，让此虚像处在无穷远距离，并使该光线射向观察者眼睛E的瞳孔P。实际上这是通过以下方式达到的，当光源10位于相应的微型光学元件20的焦点附近时，导致所发出光束准直而射向眼睛E。每一单独光源10所产生的像位于其周围光源10所产生的像的附近，而作为整体产生的虚像VI位于观察者的视场FOV内。

为了简单和清楚起见，基板30在图2a和2b中被表示为具有平坦形状，矩阵40的子单元1的光轴Z被设置为相对于基板30所延伸的平面垂直。在图2a的实施例中，微型光学元件20被形成为反射镜，以致于发光器件10被配置其上的基板30的面30a朝向观察者的眼睛。在图2b的实施例中，微型光学元件20被形成为透镜或者通过折射或衍射进行工作的光学元件，以致于发光器件10被配置其上的基板30的面30a，朝向相对于观察者的观察方向在其前面延伸的外部世界部分。

为了防止光源10发出的光不但落到相应的微型光学元件上，而且落在其相邻的微型光学元件上，由此而产生寄生的像，可以使用具有高准直发射的微型光源10，例如其总发散度δ小于10°。换一种方式，本发明的投影系统可被构成为具有“蝇眼”结构。按照这种变型例，矩阵40的每个子单元1被形成为一透明材料的管部，但是带有沿光轴Z延伸的不透明的侧壁，其中光源10被固定在一端，微型光学元件20形成在另一端。更一般地说，可以在发光器(emitter)和准直光学元件之间设置狭缝、孔阑或者光阑，以限制杂散光线的传播。

图4a，4b和图5，表示用来将每个单独光源10的虚像投影到其在观察者视场FOV中的正确位置的三种可能存在的变型例。

在图4a中，矩阵40的各个子单元1的光轴Z被定向为朝向观察者的眼睛。为了以平坦的基板30达到这种取向，各个光源10不再如图2a及2b所示相对垂直于基板30平面的光轴与相应的微型光学元件20对准，但是每个光源10关于相应的微型光学元件20，均相对于垂直基板30的对准轴横向移位。这种移位朝向观察者视场FOV的外围变得更大。此外，微型光学元件20被朝向垂直于基板30平面的光轴倾斜，而且这种倾斜随其从观察者视场FOV中心到外围的位置变化而变化。

在图4b中，矩阵40的各个子单元1的光轴Z也是朝向观察者的眼睛定向的。与图4a的变型例不同，该图中光轴Z的取向是通过本发明的投影系统的子单元1设置其上的基板30的弯曲实现的。

在图5的变形例中，基板30也是平的，而且矩阵40的各个子单元1的光轴Z是相互平行的，并且垂直于基板30的平面。各个微型光学元件20进一步包括折射或者衍射的棱镜组分，以致于从基板30出射且朝向观察者照射的光线，在观察者视场内沿着正确方向被此微型光学元件的棱镜组分偏转。图5中示意表示出拟附加在相应微型光学元件20的面型上面，以便产生所需要的视场的棱镜组分：对于中心部位的光源10采用平的型面(不需要偏转)；其余型面朝向棱边渐变，以便具有最佳的偏转。

对于微型光学元件20的矩阵而言，各个微型光学元件的位相函数(phase function)可被表示(通常包括折射的衍射两种情况为)

ψ_i，j＝ψ_透镜+ψ_{棱镜(i，j)}

其中ψ透镜表示聚焦光学元件(不论它是折射、反射还是衍射的)的位相功能；ψ_{棱镜(i，j)}表示对于矩阵中的每个第i，j个光学元件，其适于校正准直光束的光路的附加的棱镜组分。图6以前视图表示根据此原理配置的光学元件的可能出现的外观。每个正方形均表示该矩阵中的单个微型光学元件20。每个正方形中绘出的同心圆，给出了可由各自微型光学元件20的棱镜组分施加给光线的偏转的想象。在中心的微型光学元件中，其棱镜组分具有平的面型：该矩阵的中心的正方形是与其中的圆环同心的。在外围的微型光学元件中，其棱镜组分具有附加倾斜的面型：朝向该矩阵的外围；设置在相应正方形内的一些圆的中心，随着这些正方形在矩阵中的坐标位置而朝向这些正方形的诸侧之一偏转。完全类似的配置也会对图2a中光学系统的偏转采用。在该情形下，反射器的位相功能从视场中心到外围逐渐变化。

图7表示适用在眼镜上的本发明的投影系统。

在此情况下，例如作为眼镜片之一的基板30，被装在眼镜框50上面。图7还以放大的比例表示出被围在以连续轮廓线绘出的矩形B1中的基板30的一部分。基板30中为矩阵40占据的区域，被表示为围在以虚线绘出的矩形B2中。各个发光像素10是由传统的控制单元(未表示)相互独立地被电气提供的，例如通过光刻直接形成在镜片30外表面上的电接线图案60，或者形成在包含光源10且使其附着在镜片外表面上的薄膜上面。这些接线60对于眼睛是不可见的，因为它们是透明的，以及/或者是非常靠紧于焦点(too close to be brought intofocus)。

发光像素的尺寸通常为亚微米量级，而且供电线路(a supplytrack)基本上为透明的。因而由发光器和电气线路组成的整个组件对于肉眼实际上是不可见的。由微型光学元件/微型光源构成的矩阵40占据的区域B2的总体部分的大小，取决于像素的数量，因而取决于显示器的分辨率，或者取决于基板30上微型光学元件/微型光源选择的密度大小。具有320×240像素或640×480像素的两种标准配置，占据不多几平方毫米的总不透明区域，通常被设置在约2×2cm²的整个镜片区域上。该发光器矩阵可以放在观察者视场FOV中的外围部分，或者放在其中心(其结构类似于图6中所示)，而更加稀疏的配置可以占据整个镜片。一般说来，该显示器的尺寸将根据是包括眼镜还是面盔而有所不同。

作为整体的投影矩阵的光学系统，不论它是靠透射还是反射来运作，所复盖的只是最小一部分，通常小于整个镜片或基板的百分之一，因而并不影响作为整体的通视系统。

在传统的投影系统中，产生图像的子系统、用于将该图像聚焦成虚像的系统，以及用来将该虚像投影在使用者视场中的系统，构成不同的分立的单元，但在本发明的系统中三个子系统被结合成单一的在透明基板(例如眼镜片或者头盔的面盔)上形成的单元，并且同时产生、聚焦和投影虚像。

然而，在传统的投影系统中，视场是自然决定的，而且仅取决于微型显示器的总体尺寸和光学系统的焦距；而在本发明的系统中，视场是通过将每个单独的光源的虚像投影在使用者视场中的正确位置而“作为马赛克”创生的。

自然，保持实施例中相同结构细节和形式的本发明原理，可以相对这些描述和图例广泛地变化，因而并不偏离本发明的范围。

Claims (14)

1.一种用于将虚像投影在观察者视场(FOV)中的系统，包括：

一支撑部件(50)；

至少一个透明元件(30)，被安装在该支撑部件(50)上面，适于放在观察者至少双眼之一前面，以便让图像从中透过，且该透明元件(30)包括朝向观察者的第一面(30a，30b)和朝向外部世界的第二面(30a，30b)；

适于形成附加图像的图像显示装置(10)，以及

投影和聚焦装置(20)，用来按一定方式对该附加图像进行投影，以便将其呈现为被叠加在聚焦于距观察一预定距离的外部世界的图像上，其特征在于：

该显示装置包括配置在透明元件(30)的第一和第二面(30a，30b)之一上面的许多发光的像素装置(10)，而且

该投影和聚焦装置包括与相应的发光装置(10)相关联的光学元件(20)，其被按一定方式设置在该透明元件(30)的第一和第二面(30a，30b)中的另一面上，以使该光学元件(20)中的每一个均能产生一与其相关联的发光装置(10)的虚像，这些单独的发光装置(10)的虚像集中在一起，在观察者的视场(FOV)中形成附加的图像。

2.根据权利要求1的系统，其中该透明元件(30)为由透明玻璃或塑料制成的固体元件。

3.根据权利要求1的系统，其中该透明元件(30)为由一对透明材料薄膜构成的中空元件，其间介入该透明元件(30)的空腔。

4.根据权利要求1的系统，其中该透明元件(30)为由透明材料制成的固体元件，其上被施加以透明材料的薄膜或者箔，发光装置(10)和/或光学元件(20)被相应设置其上。

5.根据权利要求1的系统，其中该光学元件(20)被作为反射镜形成，以使发生装置(10)被设置其上的该透明元件(30)的面(30a)朝向观察者的眼睛。

6.根据权利要求1的系统，其中该光学元件(20)被作为透镜或通过折射或衍射进行工作的光学元件形成，以使发光装置(10)被设置其上的该基板(30)的面(30a)，朝向相对于观察者的观察方向在其前方延伸的外部世界部分。

7.根据权利要求1的系统，其中每个发光装置(10)和与之相关联的光学元件(20)，被设置在该透明元件(30)的管形部分的相反两端，且此管形部分具有不透明的侧壁。

8.根据权利要求1的系统，其中该透明元件(30)为平的，发光装置(10)和光学元件(20)被设置和按照一定方式定向，以使由发光装置(10)和相应光学元件(20)形成的每个系统的光轴(Z)被朝向观察者的眼睛取向。

9根据权利要求1至7中任一权利要求的系统，其中该透明元件(30)被弯曲，以使由发光装置(10)和相应光学元件(20)形成的每个系统的光轴(Z)被朝向观察者的眼睛取向。

10.根据权利要求1至7中任一权利要求的系统，其中的光学元件(20)包括棱镜组分，以便将相应发光装置(10)的虚像投影在观察者视场中的预定部位。

11.根据权利要求1的系统，其中发光装置(10)和与之相关联的光学元件(20)被按矩阵方式排列设置在透明元件(30)的相应面(30a，30b)上，且根据其相对观察者视场(FOV)的位置，以非均匀方式分布。

12.根据权利要求1的系统，其中该发光装置(10)为有机类型，如OLED或PLED；或者为无机类型，如微型LED、量子点激光器、纳米结构的金属源、碳纳米管源、金属或聚合物的纳米丝源，或场致发射源。

13.一种可由使用者佩戴的显示装置，包括根据权利要求1的投影系统，以及通过设置在发光装置(10)配置其上的透明元件(30)的面(30a)上的电连线图案(60)而与发光装置(10)相连的控制单元，以便控制发光装置(10)。

14.根据权利要求13的装置，其中该透镜和投影系统的弯曲作为整体被在一起进行优化，用以聚焦图像。

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