增强现实（AR）显示器制造技术

本发明专利技术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。寸。寸。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】增强现实（AR）显示器
[0001]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。


[0002]本专利技术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。

技术介绍

[0003]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。本专利技术提出的新光学系统，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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]如图4所示，Mukawa等人在SID 2008文摘，编号ISSN/008
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0966X/08/3901
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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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。本专利技术提供了一种满足这种需求的装置。

技术实现思路

[0012]本专利技术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。
[0013]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，而本专利技术所用所用的光管尺寸大幅减小。由于本专利技术不使用衍射，因此在投影透镜后不存在色差。另外，本专利技术使用单外耦合波导，而不是现有技术中的三层波导。
[0014]本专利技术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/或外耦合波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】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...

【专利技术属性】
技术研发人员：石井房雄，
申请(专利权)人：石井房雄，
类型：发明
国别省市：