竖式腔表面发射激光器阵列显示系统技术方案

本发明专利技术公开了一种采用一维和／或二维的发射可见光的竖式腔表面发射激光器（ＶＣＳＥＬ）阵列的视觉显示系统。单独地或结合地采用了搜索扫描和辅助扫描技术以便从ＶＣＳＥＬ的１×Ｌ或Ｋ×Ｌ阵列产生一个完全的Ｍ×Ｎ图像，其中Ｍ和Ｎ分别是Ｋ和Ｌ的整数倍。最好，把ＶＣＳＥＬ放在一个显示器外罩内，该显示器外罩可以用一个固定机构固定到使用者头部，或者也可以用一个固定机构固定到使用者头部，或者也可以手持或固定在一个表面上。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请涉及我们的一个未决申请，此未决申请的申请日是1991年11月7日，申请号是07/790，964，标题是“可见光表面发射半导体激光器”，此未决申请在此引出作为参考。本专利技术涉及小型视觉显示器领域。尤其涉及采用发射可见光的竖式腔表面发射激光器(VCSEL)，以便在观察者的视场内投映出一个显示的小型视觉显示器。由于人类视觉系统的吸收和处理信息的巨大能力，视觉显示器可以非常有效地显示各种信息形式，比如运动的景物、字母数字的印刷符号、图、图表及目标数据，所有这些信息都可以加在观察者的正常的视场上。尤其是在不可预料的环境中需要完成一系列高度复杂任务的战术军事行动很大程度地得益于小型视觉显示器的使用，这些小型视觉显示器可以是诸如位于头上的、直接观看的、或固定在头盔上的显示器。例如，现在为作战飞机上的人员配备的固定在头盔上的显示器(HMD)，这个固定在头盔上的显示器允许一个小型视觉显示系统被固定在观察者的头上以便在观察者的视场内投映一个显示。在商业部门，高分辨率HMD可以为娱乐和教育提供一个“虚拟的真实”。在过去的十年中，人们作了大量的努力以发展小型的、重量轻的视觉显示器，如HMD。小型视觉显示器最好应能以最小的失真或者没有失真地把从显示设备(通常是一个阴极射线管(CRT))产生的一个图像有效地传送到观察者的视场。遗憾的是，到目前为止对小型视觉显示器的改进，尤其是对HMD技术的改进，主要集中在用于图像的成像或传递中的传统的或全息的光学镜片方面。参见例如J.R.Burley等人的“AFull-ColorWide-Field-of-ViewHolograPhicHelmetMountedDisplayforPilot/VehicleInterfaceDevelopmentandHumanFactorStudies”，出自ProceedingsoftheSPIE，第1290册，第9-15页(1990年)。实际上在开发小型、高亮度、高对比度、低能源的CRT方面几乎没有进展。因而缺乏合适的小型CRT严重地限制了小型视觉显示器的可应用性，这导致了采用其它合适的显示设备的小型显示系统的发展。在美国专利No.5，003，330中公开了一个这样的显示系统，该专利在此引入作为参考。该显示系统采用了一个固定在头盔护目镜结构中的二极管阵列。尽管这些二极管阵列在头盔中是可以实施的，但它们对于显示高分辨率和/或彩色显示图像来说不能令人完全满意。为取得这些改进而需要的线性二极管阵列和均匀的二极管激光阵列不能得到彩色显示图像所需要的可见光波长，或者不能得到彩色或高分辨率小型视觉显示器的应用所需要的阵列尺寸。另外，已有技术的激光器不适于被当今的扫描、印刷和显示应用所优选的二维阵列的制造或微光学镜片的集成。这是由于常规半导体激光器的像散光束的质量以及高发散所造成的，半导体激光器的像散的光束质量及高发散使得如果不采用相对地昂贵和体积大的光学镜片在观察者的视场内就很难投映出高分辨率的图像。还努力开发了其它显示设备以代替占主导地位的图像显示设备，这些开发的显示设备包括例如，液晶显示器(LCD)、AC和DC等离子体显示器、薄膜电子发光显示器和真空荧光显示器。然而，每个这些可以选择的技术都有其根本的缺陷，尤其对于寻址的HMD的应用。例如LCD的产生、调制和传输光的效率很低。参见例如D.L.Jose等人所著的“An Avionic Grey-Scale Color Head Down Display”出自Proceedings of the SPIE，第1289册，第74-98页(1990)。另一方面，等离子体显示器需要大约100伏特或者更高的量级，而其它可选择的显示设备很难把尺寸降低到二极管或激光器阵列技术所能达到的尺寸(大约为每个元件20-40μm2)，这个尺寸是为实现小型化所必需的。因此，到此为止，显示设备的尺寸、性质和/或波长的可利用性已经限制了小型视觉显示器的实用性和应用。本专利技术的一个目的是提供一种视觉显示系统，该系统采用小型、固态、高效率、高亮度、和高对比度的显示设备以对观察者的视场提供单色及全彩色显示。本专利技术的另一个目的是提供一个小型视觉显示系统，该系统提供了一个视觉信息的高分辨率彩色图像，并且适合广大范围的消费者，工业、商业、医疗和军事的应用。本专利技术的再一个目的是提供一个小型视觉显示系统或技术，该小型视觉显示系统或技术与已有的传统的和全息的光学镜片相兼容，并且采用了比已有技术的显示设备性能优越的显示设备以取得较高的分辨率。根据本专利技术的这些和其它目的可以在一个小型视觉显示系统中实现，该小型视觉显示系统采用可见光的激光二极管阵列(VLDA)，并且更可取地是采用发射可见光的竖式腔表面发射激光器(VCSEL)的一维和/或二维阵列，以便在观察者的视场内提供一个理想的视觉显示。在优选实施例中，单独地或组合地采用扫描和辅助扫描技术以便从1×N或N×N的VCSEL阵列产生一个完全的M×M图像，其中M是整数N的整数倍。通过在观察者的视场中移动VCSEL的图像，同时用要显示的信息调制VCSEL，这样的扫描技术可以针对给定数目的VCSEL有益地进一步提高显示图像的分辨率。最好把VCSEL装在一个显示盒中，该显示盒可以用一个固定结构固定到使用者的头部或者按其它方式手持或安装。有利的是，发射的VCSEL辐射的圆形对称和低发散，以及多个波长(尤其是红、蓝、绿)的可利用性允许产生高分辨率的单色或彩色图像。通过采用矩阵寻址技术、如通过采用行/列寻址方式，可以实现在二维阵列中寻址单个VCSEL。通过结合以下附图阅读下列描述可以更完全地理解本专利技术。附图说明图1是一个发射可见光的竖式腔表面发射激光器(VCSEL)的一个横断面图;图2是根据本专利技术的原理的一个示范的VCSEL阵列显示系统;图3是另一个表示采用全搜索扫描的示范的VCSEL阵列显示系统;图4表示由一个观察者向图3的VCSEL阵列显示系统中观察所见的有效光束位置;图5是用于实现本专利技术VCSEL阵列显示系统的一个单块集成的VCSEL阵列和微小透镜的一个剖面图;图6表示由一个视察者向一个采用了改善图像分辨率的辅助扫描的VCSEL阵列显示系统中观察所见的有效光束位置;图7表示使用多个带有辅助扫描的微小透镜，以便增加本专利技术显示系统的有效分辨率;图8是在不同的衬底上带有电子驱动器的一个错列的VCSEL线性阵列的一个顶视图;图9表示由一个观察者向采用跳跃扫描的一维阵列系统中观察所见的有效光束位置;图10表示由一个观察者向采用与辅助扫描结合的搜索扫描的一个VCSEL阵列显示系统中观察所见的有效光束位置;图11是根据本专利技术的一个超广视场的固定在头盔上的显示器的一个顶视图;和图12是图11的固定在头盔上的显示器的一个侧视图。本专利技术是基于采用发射可见光的竖式腔表面发射激光器(VCSEL)来开发一个高亮度、高效率、小型的显示技术，尤其是一个VCSEL阵列显示系统。特别是，VCSEL的尺寸，结构和近于理想的光束质量能使得高分辨率的单色或彩色显示图像(实像或虚像)落在观察者的视场内。VCSEL是一种新型半导体激光器，不像常规的边缘发射激光二极管，VCSEL以垂直于形成在其上的P-n结的平面的方向发射激光辐射。如在我们的未决申请No.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种视觉显示系统，包括：多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器，每个所说的激光器发射辐射；和用来把所说的多个发射可见光的竖式腔表面发射激光器的一个图像显示在观察者的视场内的装置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JL纪威尔，GR奥尔布赖特，
申请(专利权)人：班德加普技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]