投影顯示器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種投影顯示器(10),其用于向觀看者(12)顯示圖像。設置圖像提供光源裝置(60)以將多光譜載像光的輸入光瞳(61)射入到波導組件(50)中。波導組件(50)包含第一和第二衍射區(qū),它們分別設置用于在基本垂直的第一和第二維上將輸入光瞳展開并將在第一和第二維上已展開的出射光瞳(54)從波導組件(50)輸出。波導組件(50)的衍射區(qū)相互匹配以產生零或基本為零的凈色差。設置組合器(16)以將出射光瞳(54)導向觀看者(12)以觀看圖像(18)并且使來自真實世界場景的光(52)透射通過組合器(16),以便圖像(18)疊加于來自于真實世界場景的光(52)上。
【專利說明】投影顯示器【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于向觀看者顯示圖像的投影顯示器,其特別地但不排他地適用于平視顯示器。
【背景技術】
[0002]可用于航空器和其它交通工具的傳統(tǒng)平視顯示器使用傳統(tǒng)的球面透鏡系統(tǒng)從圖像提供器(例如陰極射線管)產生準直顯示。從球面透鏡系統(tǒng)中射出的光線被常規(guī)的折疊式反射鏡反射通過球面出射透鏡系統(tǒng),并由此傳遞到組合器,從該組合器圖像被反射以向觀看者(例如航空器飛行員或車輛的駕駛員)提供準直顯示。因此,這些傳統(tǒng)顯示器所使用的準直光學元件(即球面透鏡系統(tǒng)和球面出射透鏡系統(tǒng))大且笨重,由此限制了這種平視顯示器在沒有充分空間以容納該平視顯示器的座艙區(qū)域內的應用。
[0003]最近,一種或多種波導管被用于給用戶投影圖像。本申請的 申請人:已在早期專利申請第W02007/029032、W02007/029034和W02010/119240號中公開了這種波導顯示器,其內容通過引入并入本文。在這些早期的波導顯示器中,使用微顯示器產生一個相對小的輸入光瞳,并耦合到至少一個波導。所述輸入光瞳通過各自的衍射區(qū)在兩個基本垂直的方向拉伸并從波導輸出為更大的出射光瞳以供用戶觀看。波導顯示器的一個優(yōu)點是它們占用的空間小,因此更適于在空間有限的環(huán)境中使用。
[0004]W02007/029032公開了使用兩個所謂的板狀波導管。輸入光瞳耦合進入第一波導管,并且通過沿著波導的全內反射在基本直線型波導的兩個相對的且平行的側面的每個側面之間反射傳播。設置光 柵以用于在沿傳播方向上一維拉伸輸入光瞳并將其從第一波導輸出。該光耦合進入第二波導管,通過沿著第二波導的全內反射在基本直線型第二波導的兩個相對的且平行的側面中的每個側面之間反射傳播。設置另一個光柵以在沿著傳播方向的第二維(通常垂直于第一方向)上拉伸該光瞳。因此,當光柵從第二波導輸出出射光瞳時,其在第一和第二維度上都更大且能容易地被用戶觀察到。
[0005]W02007/029034公開了第一桿狀波導管和第二板狀波導管的使用。輸入光瞳耦合進入第一波導管,通過沿著波導的全內反射在基本直線型波導管的四個垂直側面的每一側面依次反射傳播。這種有些螺旋型傳播的光線將桿狀波導管與板狀波導管區(qū)別開來并且有用于減小波導顯示器的尺寸。設置衍射區(qū)以在一維上拉伸輸入光瞳并從第一波導將其輸出。與W02007/029032相似,所述光被耦合入第二板狀波導管,通過沿著第二波導的全內反射在基本直線型第二波導的兩個相對的且平行的側面中的每一側面之間反射傳播。設置另一個光柵以在傳播方向的第二維(通常垂直于第一方向)上拉伸輸入光瞳。因此,當衍射區(qū)從第二波導輸出出射光瞳時,其第一維和第二維上都更大且能容易地被用戶觀察到。
[0006]W02010/119240公開了單一的板狀波導的使用,其在第一和第二維上都展開輸入光瞳。這種設置的優(yōu)點是,不需要將兩個波導相對定向精確地進行固定并且可以以更精確的對準方式形成光柵。與上述兩個波導顯示器相近似的方式,輸入光瞳被耦合入波導,通過第一光柵區(qū)域在一維是并通過第二光柵區(qū)域在第二維上進行拉伸,該第二光柵區(qū)域從波導輸出展開的出射光瞳,使用戶能夠觀看。
[0007]圖1所示為上述三種顯示器中的任意一種波導顯示器。該顯示器包括具有至少一個波導的波導組件50,所述至少一個波導向用戶56呈現(xiàn)所需的顯示,同時也可通過波導觀看外面的世界。在該圖中用戶56位于具有透明座艙罩51的航空器的駕駛艙內。波導顯示器的明顯的優(yōu)點是,其中一個波導除了展開光瞳外,還可作為組合器,由此使零件更少,裝置更緊湊。用戶可以繼續(xù)觀察來自外部世界場景并透射通過組合器的光52,并察看波導組件向用戶輸出的疊加于外部世界場景上的出射光瞳54的光。
[0008]如圖像處理器58所示,該圖像處理器產生圖像信號59,并將該圖像信號輸出至微顯示器60。為了產生顏色或多光譜圖像,微顯示器可以包括多光譜光源,該多光譜光源照亮顯示器(可以例如是透射式的或反射式的)并輸出承載準直圖像的光61,其包括用于耦合到波導組件50的多個波長。
[0009]雖然上述波導顯示器提供了有限空間環(huán)境內(特別是在希望減小顯示器所需的空間的航空器座艙中)的緊湊顯示器方案,但是航空器設計的趨勢是大的全景座艙,如圖2所示。然而,使用多波譜光源(例如LED)的波導組件具有對用戶的輸出角度的范圍,該角度被設置為圍繞組合器波導的平面呈90°。為避免色差,垂直方向是設計的一個必要的限制。在此情況下,如圖2虛線所示,不能為適當尺寸的顯示器提供充足的空間。還可以理解的是,在某些情況下如在駕駛艙中,飛行員在方便觀察的位置可能需要低頭型顯示器62,其可額外減少平視顯示器的可用空間。
【發(fā)明內容】
[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種改進的顯示器。
[0011]本發(fā)明提供一種用于向觀看者顯示圖像的投影顯示器,包括:圖像提供光源裝置,其設置成用于產生載像光的輸入光瞳;波導組件,其設置成用于接收載像光的輸入光瞳,并且其包括第一衍射區(qū)和第二衍射區(qū),該第一衍射區(qū)和第二衍射區(qū)用于在通常垂直的第一維和第二維上展開所述輸入光瞳并且從波導組件輸出在第一和第二維上展開的載像光的出射光瞳;以及組合器,其設置成用于將載像光從出射光瞳導向觀看該載像光的觀看者并且使來自真實世界場景的光通過組合器,從而載像光疊加于來自真實的世界場景的光。
[0012]可設置所述圖像提供光源裝置以將多光譜的載像光的輸入光瞳射入到波導組件中。可以匹配波導組件的衍射區(qū)以導致零或基本為零的凈色差。
[0013]第一衍射區(qū)或第二衍射區(qū)可以作為位于波導組件的波導中的輸出衍射區(qū),所述輸出衍射區(qū)可設計用于以與波導平面垂直的角度輸出來自于波導組件的載像光出射光瞳。
[0014]組合器可具有基本平坦的表面,該表面以相對于波導的平面一定的角度定向以將載像光的出射光瞳導向觀看者。
[0015]載像光的出射光瞳可包括多個波長,并且組合器的平坦的表面可以被構造以一般地反射出射光瞳的多光譜載像光并一般地將來自于真實世界場景的光透射通過組合器。
[0016]組合器可以包括選定的反射涂層,其反射出射光瞳的載像光且透射來自于外部世界場景的光。
[0017]組合器可以包括抗反射涂層,其設置成用于增加來自于外部世界場景的光通過組合器的透射效率。[0018]波導組件可以包括板狀波導,沿著該板狀波導,載像光通過波導的相對且平行側面之間的全內反射進行傳播,還包括第一衍射區(qū)和第二衍射區(qū),所述第一衍射區(qū)設置成用于衍射載像光,以使所述光在第一維上展開,所述第二衍射區(qū)設置成用于進一步衍射載像光,以使所述光在第二維上展開,并將所述光作為出射光瞳從波導釋放。
[0019]或者,波導組件可包括:第一板狀波導,沿著所述第一板狀波導,載像光通過第一板狀波導的相對且平行的側面之間的全內反射進行傳播;并且包括所述第一衍射區(qū),該第一衍射區(qū)設置成用于衍射載像光,以使所述光在第一維上展開;和第二板狀波導,沿著所述第二板狀波導,載像光通過位于第二板狀波導的相對且平行側之間的全內反射進行傳播;并且包括第二衍射區(qū),所述第二衍射區(qū)設置成用于進一步衍射載像光,以使所述光在第二維上展開,并將所述光作為出射光瞳從第二板狀波導釋放。
[0020]在另一個設置中,波導組件可包括:桿狀波導,沿該桿狀波導,載像光通過桿狀波導四個側面的每一面依次全內反射進行傳播;并且包括所述第一衍射區(qū),其設置成用于衍射載像光以使其在第一維上展開;和板狀波導,沿該板狀波導,載像光通過板狀波導相對且平行側面之間的全內反射進行傳播;并且包括第二衍射區(qū),其設置成用于進一步衍射載像光以使其在第二維上展開,并將所述光作為出射光瞳從板狀波導釋放。
[0021]包括透明座艙或擋風玻璃和如上所述的平視顯示器的航空器或車輛,其中可以定位組合器以允許乘員通過組合器觀看透明座艙或擋風玻璃外的真實世界場景,且由投影顯示器產生的載像光疊加于真實世界場景上。如果組合器具有充足的反射性和光學平面,其可以納入至座艙或擋風玻璃中。
[0022]投影顯示器可以形成平視顯示器(特別用于航空器或車輛)的一部分。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]現(xiàn)在將參照附圖,僅通過實施例來說明本發(fā)明。
[0024]圖1為平視顯示器形式的現(xiàn)有技術波導顯示器的示意圖;
[0025]圖2為顯示已知顯示器在有限環(huán)境空間內的問題的相似于圖1所示的示意圖;
[0026]圖3為根據(jù)本發(fā)明的實施方式的投影顯示器的示意圖;
[0027]圖4為用于圖3所示的顯示器的波導組件的一種設置的三個視圖;
[0028]圖5表示用于圖3所示的顯示器的組合器截面。
【具體實施方式】
[0029]參考圖3,投影顯示器10用于向觀看者12顯示圖像。投影顯示器10包含如上所述且在 申請人:早期專利申請第W02007/029032、W02007/029034和W02010/119240號中進行了詳細公開的波導組件50,以及圖像提供光源機構14,所述圖像提供光源機構14包含圖像處理器58和如上所述的顯不裝置60。機構14將多光譜載像光的輸入光瞳61射入到波導組件50中。波導組件50包含在下面進行詳細說明的多個衍射光柵,它們設置用于將光耦合入波導組件50、在基本垂直的第一和第二維上展開輸入光瞳61并且從波導組件50輸出在第一維和第二維上展開的出射光瞳54。設置組合器16以將出射光瞳54導向觀看圖像18的觀看者12,并且使來自于真實世界場景的光52透射通過該組合器16,從而圖像18疊加于來自于真實世界場景的光51上。[0030]組合器16和波導組件50 —起應用是反直覺的,這是因為波導組件50本身已經有輸出波導形式的內置組合器。但是,如這里所討論的,本發(fā)明的額外組合器16提供了在已知的投影裝置中尚未實現(xiàn)的多光譜光投影的優(yōu)點。此外還可以理解的是,該投影顯示器10的波導組件50的總外形尺寸小于先前的透鏡合并顯示器,因此,根據(jù)空間需求,將組合器16與此種波導組件50 —起使用以顯示單色圖像可能是可取的。
[0031]第一衍射光柵或第二衍射光柵作為位于波導組件50的波導內的輸出光柵,設置所述輸出光柵以一般地垂直于波導組件50的平面的角度從波導組件50輸出出射光瞳。
[0032]圖4所示為波導組件50,其具有如W02010/119240中描述的單個波導40并具有分別設置用于在第一和第二維25、31上展開載像光的輸入光瞳的衍射區(qū)26、34。該實施例還包括第一輸入衍射區(qū)22,其用于將載像光的輸入光瞳耦合入波導組件50中以通過全內反射進行傳播。第一輸入衍射區(qū)22和第二衍射區(qū)26由相同的光柵20形成。第三衍射區(qū)34由另外的光柵形成。參考圖3和圖4,在使用中,輸入光瞳61被耦合入波導組件50中且被導向反射表面24,并在該反射表面24上被反射至第二衍射區(qū)26。第二衍射區(qū)26在第一維25上將輸入光瞳61展開,并將其轉向第三衍射區(qū)34。第三衍射區(qū)34在第二維31上將輸入光瞳61展開并且將展開的載像光從波導組件50輸出為出射光瞳54,該第二維31通常垂直于第一維25。
[0033]更具體地,光柵20的狹縫的方向以相對于X軸60°傾斜,從而使入射到第一輸出衍射光柵22的載像光被衍射并傳播到反射表面24并在此被反射,由此載像光的主光線傳播并且以相對于第二衍射區(qū)的狹縫法線30°的角度入射到該狹縫上(見插圖A)。載像光在第一維(此處為X-維)上被部分地衍射和展開,然后轉向通過波導組件50傳播至具有狹縫的方向位于X-方向的低效率(2%~20%)第三衍射光柵34。載像光的衍射線垂直入射于光柵34上(見插圖B)且部分地從波導組件50衍射出,所述部分衍射有助于輸入光瞳61在第二維(此處為y_維)上的展開。
[0034]—般而言,衍射光柵或表面可以表現(xiàn)出入射載像光的大量的色散。這會導致具有相同或相似的視場角但波長不同的光線,它們被以不同角度被衍射入波導組件50、在該波導組件內部衍射或從該波導組件衍射出,由此在投影顯示器10的輸出中會引起潛在的大量的色差。但是,如果與波導的輸入光柵相關的色散和與波導的輸出光柵相關的色散在相反的意義上基本相配,那么凈色散將接近或基本為零。波導組件50的衍射光柵的正確匹配具有減輕色差的效果。在圖4中,由三個衍射區(qū)22、26、34產生的波導組件50的凈色差必須或基本為零。例如,形成第一和第二衍射區(qū)22、26的光柵20必須與第三衍射區(qū)34的光柵相匹配以提供基本為零的凈色差。這一結果對于在結合有此種波導組件50的頭戴式或頭盔式應用中使用的投影顯示器10是非常有利的,因為其允許使用小且價廉的寬帶圖像生成光源(例如激光)代替相對昂貴且笨重的高功率單色光源以照亮波導組件50。這樣的結果也可以使投影顯示器10向觀看者12正確地顯示多彩色或全彩色顯示圖像18或信息。
[0035]對于本文所描述的波導組件50,第一衍射光柵可以具有一個能夠用于將入射的載像光耦合入波導組件50的光柵區(qū)域,第二光柵具有能夠用來拉伸輸入光瞳和將其從波導組件50輸出的兩個光柵區(qū)域?;蛘?,第一衍射光柵可以具有用于將入射載像光耠合入波導組件50以及在第一維上拉伸輸入光瞳的兩個光柵區(qū)域,第二衍射光柵具有一個用于在第二維上拉伸輸入光瞳并將其從波導組件50中輸出的光柵區(qū)域??梢宰C明輸出角Θ ^與輸入角Θ i的關系式如下式:
[0036]sin ( Θ 0) = λ (I/(I1-1/d0) +sin ( θ )
[0037]其中Cli和Cltl分別表示輸入光柵和輸出光柵的周期。因此,如果光柵的干涉條紋周期相同,刪去λ且Qtl等于θ1()因此,光柵周期必須相配以避免除了單色光源(例如激光)的光源產生的色差??梢岳斫獾氖牵绻枰鈻乓赃@種方式進行匹配以避免色差,則光必須是從波導組件50基本垂直地輸出,在此情況下,匹配光柵并同時以基本90°以外的其它角度輸出光是不可能的。因此,可以看出,盡管波導組件50包含內置組合器,但該內置組合器不能相對于觀看者形成角度。即,如果現(xiàn)有技術投影裝置欲設于有限環(huán)境的空間內,該內置組合器不能有選擇地定位,以最有效地占據(jù)空間。但是,在本發(fā)明中,附加的組合器16可以進行定位以有效地占據(jù)空間,因此本發(fā)明具有顯著的優(yōu)勢。
[0038]圖5表示組合器16的截面圖。該組合器包含通常由玻璃制造的光學透明的平面基板36。在該基板的一個表面上提供有光學反射涂層38。該涂層可以是多層介電涂層,其具有選定的厚度和介電性能,以對于波導組件50輸出的出射光瞳54的多光譜光的波長具有反射性,而對于來自外部世界場景的光52的波長具有透射性??狗瓷渫繉?2設置于基板36的相反的表面,以增加光52通過組合器16的透射效率。抗反射涂層42可以設計為,例如具有1/4波長的厚度,以產生干涉,以允許更大的透射。
[0039]組合器16上的波長選擇涂層38通過增加顯示裝置60使用的波長的反射以提高效率,同時還允許對于外部世界場景的透射??梢允褂弥行悦芏韧繉拥皇呛苡行?。在某些結構中,如果駕駛艙或擋風玻璃61能夠提供足夠的反射性并且光學上是平面的,其可以作為組合器使用。
[0040]再參考圖3,組合器16相對于波導組件50的平面以一定角度進地定位從而將出射光瞳54導向觀看者12。在實施例中,所示的組合器16相對于波導組件50的平面以約45°進行定位,然而可以理解的是,根據(jù)波導組件50、組合器16和觀看者12的相對方位,其它角度也是可以的。例如,波導組件50可以與觀看者12形成一個角度,在此情況下,可將組合器16以相對波導組件50的平面小于45°定位??梢岳斫獾氖牵c早期專利申請所示的沒有合用附加的組合器16的波導組件50相比,本發(fā)明的組合器16的位置可以更緊密地匹配擋風玻璃61的角度。S卩,從觀看者12的角度來看,光52穿過的擋風玻璃部分與水平成約30°的角度而與觀看者12形成角度。組合器16通過與水平成約45°而與觀看者12形成角度。沒有附加組合器16的波導組件與水平成90°而形成角度。因此,本發(fā)明的投影顯示器10可以更緊湊。
[0041 ] 組合器16可以任意合適的方式以固定的方向安裝在波導組件50上,例如,它可以被安裝在波導組件50上、或者航空器或車輛的另一部件上、或者如果航空器座艙罩的部分被固定,它可以安裝在座艙罩的該部分上。
[0042]圖4中的波導組件50可以在本發(fā)明的另一個實施方式中進行了修改且如W02007/029032中詳細公開的那樣。該波導組件50包含:第一板狀波導,沿著該第一板狀波導,載像光通過波導的相對且平行的側面之間的全內反射進行傳播,并且具有用于衍射載像光的所述第一衍射區(qū)以使其在第一維上展開;第二板狀波導,沿著該第二板狀波導,載像光通過波導的相對且平行的側面之間的全內反射進行傳播,并且具有用于進一步衍射載像光的所述第二衍射區(qū)以使其在第二維上展開并將其作為出射光瞳從波導釋放。[0043]圖4中的波導組件50還可在本發(fā)明的再一個實施方式中進行修改且如W02007/029034中詳細公開的那樣。該波導組件50包含:第一桿狀波導,沿著該第一桿狀波導,載像光通過波導的四個垂直側面的每一側面依次的全內反射進行傳播,并且具有用于衍射載像光的所述第一衍射區(qū)以使其在第一維上展開;第二板狀波導,沿著該第二板狀波導,載像光通過波導的相對且平行的側面之間的全內反射進行傳播,并且具有用于進一步衍射載像光的所述第二衍射區(qū)以使其在第二維上展開并將其作為出射光瞳從波導釋放。
[0044]根據(jù)本發(fā)明的投影顯示器可以形成平視顯示器的一部分,特別用于航空器用途的平視顯示器。
【權利要求】
1.一種投影顯示器,用于向觀看者顯示圖像,其包括: 圖像提供光源裝置,其設置成用于產生載像光的輸入光瞳; 波導組件,其設置成用于接收載像光的輸入光瞳,包括第一衍射區(qū)和第二衍射區(qū),該第一衍射區(qū)和第二衍射區(qū)分別設置成用于在基本垂直的第一維度和第二維度上將輸入光瞳展開并且將在第一維度和第二維度上已展開的載像光的出射光瞳從波導組件輸出;以及 組合器,其設置成用于將來自于出射光瞳的載像光導向觀看者來觀看該載像光,并且允許來自于真實世界場景的光通過該組合器從而使載像光疊加于來自真實世界場景的光。
2.如權利要求1所述的投影顯示器,其中所述的圖像提供光源裝置設置成將多光譜載像光的輸入光瞳射入到波導組件中,且波導組件的衍射區(qū)相互匹配以使凈色差為零或基本為零。
3.如權利要求1或2所述的投影顯示器,其中所述第一或第二衍射區(qū)作為位于波導組件的波導內的輸出衍射區(qū),并且所述輸出衍射區(qū)設置成用于以垂直于波導平面的角度將載像光的出射光瞳從波導組件輸出。
4.如權利要求3所述的投影顯示器,其中所述的組合器具有一個基本平坦的表面,該表面相對于波導的平面以一個角度進行定向,以將載像光的出射光瞳導向觀看者。
5.如權利要求3或4所述的投影顯示器,其中所述載像光的出射光瞳包括多個波長,且組合器的平坦表面通常被構造為反射出射光瞳的多光譜的載像光并使來自于真實世界場景的光透射通過該組合器。
6.如權利要求5所述的投影顯示器,其中所述組合器包括選定的反射涂層,其對于出射光瞳的載像光具有反射性并且對于來自于外部世界場景的光具有透射性。
7.如權利要求5或6所述的投影`顯示器,其中所述組合器包括抗反射涂層,其設置成用于提高來自于外部世界場景的光通過組合器的透射效率。
8.根據(jù)前述權利要求任一項所述的投影顯示器,其中所述波導組件包括板狀波導,沿著該板狀波導,載像光通過所述波導的相對且平行側面之間的全內反射進行傳播;并且包括所述第一衍射區(qū)和所述第二衍射區(qū),所述第一衍射區(qū)設置成用于衍射載像光以使其在所述第一維上展開,所述第二衍射區(qū)設置成用于進一步衍射載像光以使其在第二維上展開并將其作為出射光瞳從波導釋放。
9.如權利要求1~7任一項所述的投影顯示器,其中所述波導組件包括:第一板狀波導,沿著該第一板狀波導,載像光通過第一板狀波導的相對且平行側面之間的全內反射進行傳播;并且包括所述第一衍射區(qū),其設置成用于衍射載像光以使其在第一維上展開;以及第二板狀波導,沿著該第二板狀波導,載像光通過第二板狀波導的相對且平行側面之間的全內反射進行傳播;并且包括所述第二衍射區(qū),其設置成用于進一步衍射載像光以使其在第二維上展開并將其作為出射光瞳從第二板狀波導釋放。
10.如權利要求1~7任一項所述的投影顯示器,其中所述波導組件包括:桿狀波導,沿著該桿狀波導,載像光通過桿狀波導的四個側面的每一側面依次進行的全內反射進行傳播;并且包括所述第一衍射區(qū),其設置成用于衍射載像光以使其在第一維上展開;以及板狀波導,沿著該板狀波導,載像光通過板狀波導的相對且平行側面之間的全內反射進行傳播;并且包括所述第二衍射區(qū),其設置成用于進一步衍射載像光以使其在第二維上展開并將其作為出射光瞳從板狀波導釋放。
11.如本文所述的和/或圖3和圖5所示的或圖3、圖4和圖5所示的投影顯示器。
12.—種航空器或車輛,其包括透光座艙罩或擋風玻璃和前述權利要求任一項所述的投影顯示器,其中所述組合器進行定位,以使乘員能夠通過組合器在透光座艙罩或擋風玻璃外面的真實世界場景上疊加了投影顯示器產生的載像光的條件下來觀看該真實世界場旦-5^ O
13.如本文所述的和/或圖3和圖5所示的或圖3、圖4和圖5所示的航空器或車輛。
【文檔編號】G02B6/42GK103620478SQ201280029191
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年4月12日 優(yōu)先權日:2011年4月18日
【發(fā)明者】S·P·梅森 申請人:Bae系統(tǒng)公共有限公司