[发明专利]全息广角显示器

说明书

相关申请

本申请要求2012年4月25日提交的美国临时专利申请No.61/687,436以及2012年6月15日提交的美国临时专利申请No.61/689,907的优先权，每个临时申请通过引用整体结合于此。

彩图

专利或申请文件包含至少一个用彩色制作的图。根据请求并缴纳必要的费用，专利局可以提供具有彩图的本专利或专利申请公布的副本。

背景技术

存在能够显示从符号和字母数字阵列到高分辨率像素化图像的图像内容简洁、能够看透（see through）的数据显示器的需求。显示器应当高度透明，并且在叠加在明亮背景场景时，显示的图像内容应当清晰可见。显示器应当提供用于最佳数据可见度和冲击力的具有增强色饱和度的全色彩。期望的特性是显示器易于穿戴、自然和不干扰，尽可能地具有与滑雪镜类似的形状因素，或更期望具有与太阳镜类似的形状因素。适眼距（eye relief）和眼瞳（eye pupil）应当足够大以避免在头移动（即使针对军事和体育活动需求）期间丢失图像。图像产生器应当是简洁、固态的，并具有低功率消耗。

当前的技术没有达到上述的目标。当前可穿戴显示器仅仅通过以笨重的形状因素为代价的同时设法达到能够看透、足够的光瞳、适眼距以及视场和高亮度。在多种情况中，重量分布在眼睛前面可穿戴显示器不需要的地方。一个常用的提供能够看透的方式依赖于轴偏离照亮的反射或衍射（diffractive）罩。微显示器，其在微小平板中提供高分辨率图像产生器，通常不需要小型化可穿戴显示器的帮助，因为对于甚高放大倍数的一般需求必然导致大直径光学器件。提供像眼镜的形状因素的多个超低形状因素设计当前可用，但是通常总需求在视场（FOV）、适眼距和出射光瞳之间取舍。

在HMD中研究和开发的长期目标是创造具有以下特征的贴近眼睛的彩色HMD：

a）在整个视场上超过标准NVG角分辨率的高分辨率数据影像并在在无穷远处聚焦；

b）在FOV中心具有40°立体重叠的120°×40°双眼FOV HMD，或80°×40°单眼视场（FOV）HMD；

c）具有外界无障碍全景视野的高能够看透（≥90%）的显示器，大气的眼眶（eye box），以及足够的适眼距；以及

d）与可穿的罩和标准砂护目镜、风护目镜和尘土护目镜完美整合的重量轻、简约（low-profile）设计。

尽管影像在某一视场上显示，全景的能够看透的性能可以比它更优，并且通常优于主罩或护目镜。这是针对现存NVG的改进，在NVG中，40°以外的周围环境被忽略（occlude）。

一个期望的头戴显示器是一个：（1）通过提供具有高透明度全景的能够看透维持态势感知；（2）提供高分辨率、宽视场影像的显示器。此系统还应当不被察觉，即简洁、重量轻并且舒适，其中舒适来自于具有大的出射光瞳和眼运动框（motion box）/出射光瞳（>15mm），足够的适眼距（≥25mm）、质量（mass）的人体工程学中心，聚焦在无穷远处，以及具有与保护性头饰（head gear）的兼容性。当前和未来的传统折射光学器件不能够满足这组需要。其他重要的区别包括：全色彩性能、视场、像素分辨率、能够看透、亮度、动态灰度级和低功率消耗。即使在高度竞争发展的若干年后，基于折射光学器件的HWD展示出有限的视场，并且不简洁、重量重或不舒服。

基于波导技术衬底引导显示器的头盔式显示器已经证明满足这些基本要求中的许多的性能。特别相关的是1999颁发给罗克韦尔科林的子公司凯撒光学系统公司（KOSI）的专利（美国专利号5,856,842），其教导了如何在输入处使用衍射元件将光耦合入波导，以及如何在输出处使用第二衍射元件将光耦合出同一波导。根据美国专利No.5,856,842，在波导上的入射光需要被准直以在其图像内容沿着波导传播时保持其图像内容。即，光在进入波导之前应当被准直。这可以通过适当的技术完成。使用这种设计方式，离开波导的光可以被自然地准直，这是使图像聚焦在无限远处出现需要的条件。光仅在内角的有限范围内沿着波导传播。平行于表面传播的光将（通过定义）沿着波导行进而不反弹（bounce）。不平行于表面传播的光将在表面之间前后反弹地沿着波导行进，只要相对于表面法线的入射角大于某临界角。对于BK-7玻璃，临界角大约是42°。通过使用反射涂层（但这可以降低衬底的能够看透性能）或通过使用更高指标的材料能够轻微地得以降低。无论如何，在其上能够沿波导传播的内角范围不显著变化。因此，对于玻璃，内角的最大范围≤50°。当考虑其他设计因素时，这转换成<40°的出射波导的角范围，通常更小。