專利名稱：虛象顯示裝置及其顯示方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及電子光學裝置，尤其涉及一種虛象顯示裝置及其使用方法。
固體技術方面的進展正在使包括計算機和計算器在內(nèi)的各種電子裝置的體積不斷減小。然而，上述裝置在體積上的減小迄今仍然受到與之相關的輸出顯示器的體積限制。大多數(shù)微型電子裝置通常采用從兩大類顯示器其中一類所選出的輸出顯示器。在第一類中，顯示器典型地包含適合于顯示字母數(shù)字字符的一單行矩陣。這些矩陣典型地由發(fā)光二極管、液晶顯示器或類似元件組成。七段顯示器即屬于這第一類顯示器。另外，當需要整頁顯示時，可以從第二類顯示器中選擇一種。這類顯示器典型地為相對較大的液晶平面屏幕裝置或陽極射線管(CRT)。
第一類顯示器提供的信息很少，分辨率低，且不適合顯示圖表。如果采用液晶元件，這些顯示器難以在較暗的環(huán)境光條件下觀察。相反，如果采用發(fā)光二極管顯示器，則這些顯示器難以在較亮的環(huán)境光條件下觀察。而且，這些顯示器很不適合安裝得使觀察者不用中斷其正常視線即能觀察到顯示。
較大的整頁平面屏幕顯示器通常不具有特別高的分辨率，同樣僅允許觀察到有限的信息量，且常常難以在亮或暗的環(huán)境光條件下觀察。此外，陰極射線管相對較為笨重且耗電。
在某些專用場合，陰極射線管通過合適的光學系統(tǒng)將虛象投影到設置在用戶視野中的部分反射、部分透明的屏幕上。這些顯示器可將信息疊加在用戶的視野中。用戶由此可同時觀看計算機所產(chǎn)生的信息和真實的活動圖象。這種裝置有時稱為抬頭顯示器(HUDs)，因為觀看者抬頭向上時仍能觀看顯示，該顯示裝置相對較昂貴和笨重，故不適合一般的商業(yè)應用。
在其它專用場合，投影顯示器被發(fā)展成為整個顯示器可安裝在頭盔或頭帶上。典型情況下，這些顯示系統(tǒng)采用多個成線性排成一行的發(fā)光元件，以產(chǎn)生一行顯示象素。每個系統(tǒng)還包括能在已知頻率振蕩的反射鏡，反射鏡的振蕩與象素換行同步，從而形成整頁顯示。這種顯示器也是相對比較昂貴的，當想要得到完全彩色的顯示時，其價格更是高得嚇人。
因此，需要有一種虛象顯示系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能產(chǎn)生與原物同樣大小的整頁彩色顯示的虛象、相對廉價、具有高分辨率、能在任何環(huán)境光條件下觀看、耗能低并適合于使用者在不中斷其視野的場合下使用。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種虛象顯示系統(tǒng)及其使用方法，它能基本消除或減少與現(xiàn)有顯示系統(tǒng)有關的缺陷和問題。
本發(fā)明所揭示的虛象顯示系統(tǒng)包括用以發(fā)光的光源，至少一個可變形的反射鏡面陣裝置以及至少一個用以產(chǎn)生每個可變形的反射鏡面陣裝置的虛象的透鏡。每個可變形的面陣裝置響應輸入信號而將發(fā)射光的一些部分反射以產(chǎn)生顯示。
本發(fā)明的第一個技術優(yōu)點在于其顯示能力。本顯示器可以用來產(chǎn)生整頁文本和圖形，其分辨率可與VGA或超VGA圖形格式相比。
本顯示裝置的第二個技術優(yōu)點在于其體積，本顯示器小得和輕得足以能設置在一個戴在頭部的支架上。本發(fā)明由于產(chǎn)生小的圖象并將該圖象投影以形成較大的圖象用作觀看，故能保持高分辨率和小體積以及輕重量。
本發(fā)明的另一個技術優(yōu)點在于它能靈活地加上彩色。通過順序用紅、藍、綠發(fā)光二極管照射裝置的一個元件，或通過將空間光調(diào)制反射鏡加色，可將色彩結(jié)合進裝置中。采用片內(nèi)濾色片，使白光穿過紅色、綠色和藍色濾色片，也可產(chǎn)生彩色。
本顯示裝置的再一個技術優(yōu)點在于其成本。本裝置采用目前批量生產(chǎn)的電子元件。選用這些子部件使最終的顯示器系統(tǒng)能以最低的成本生產(chǎn)。由于本裝置為一種半導體光調(diào)制器，故無需高壓且無有害輻射逸出。
為了更全面地了解本發(fā)明及其優(yōu)點，以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。


圖1是用于本發(fā)明的第一種頭戴式顯示器的透視圖;
圖2是本發(fā)明第一個實施例的示意圖;
圖3是本發(fā)明第二個實施例的示意圖;
圖4是本發(fā)明第三個實施例的示意圖;
圖5是本發(fā)明第四個實施例的示意圖;
圖6是本發(fā)明第五個實施例的示意圖;
圖7是用于本發(fā)明的第二種頭戴式顯示器的透視圖。
以下參照圖1至圖7描述本發(fā)明的各個實施例，其中在各張圖中用相同的標號表示相似和相應的部分。
圖1以立體形式表示用于本發(fā)明的第一種頭戴式顯示器。虛象顯示系統(tǒng)10可包括頭帶12、支架14以及投影器16。虛象顯示系統(tǒng)10設計得足夠小和足夠輕，使其如圖所示可由使用者18套在頭部。投影器16被連接到用以產(chǎn)生所示數(shù)據(jù)的、諸如微處理器一類的驅(qū)動電路(未圖示)。微處理器可以也由使用者18所攜帶，或是一種固定的裝置，通過電線連接到使用者18。投影器16定位于使用者18單只眼睛的前面，這樣，由系統(tǒng)10所顯示的信息將在空間中浮現(xiàn)在使用者18前方一個預定距離處。這樣，虛象顯示系統(tǒng)10工作時無需中斷使用者正常視野。
以下將更詳細地描述投影器16向使用者18顯示虛象的過程。
圖2示意地描述本發(fā)明的第一個實施例，它可以結(jié)合在投影器16內(nèi)(圖1所示)。投影器16包括光源20，合成聚光透鏡22，可變形的反射鏡裝置24(DMD)，成象透鏡26以及掃描器28。
工作時，來自光源20的光通過合成聚光透鏡22，均勻地直射到DMD24的作用面。投射到DMD24上的一部分經(jīng)選擇的光，通過DMD24反射到成象透鏡26和掃描器28。成象透鏡26的輸出施加于掃描器28上。如果DMD24設置在成象透鏡26的焦點上或其附近，那么成象透鏡26將產(chǎn)生DMD24的一個放大虛象。掃描器28作小角度快速振蕩，使得使用者18看到DMD24的行圖象被掃描，從而呈現(xiàn)整頁顯示。在圖2至圖6中，來自光源20的光的路徑用一系列虛線描繪。
在圖2所示的第一個實施例中，DMD24包含一排可單獨地變形的反射鏡。每個反射鏡典型形狀為邊長12至20微米的小方形或菱形。因此，一個典型的1英寸長的DMD可擁有大約2，000個可單獨地變形的反射鏡。DMD24的每個反射鏡都可使光線沿著許多光路中的一條反射。典型情況下，DMD24由雙穩(wěn)態(tài)反射鏡組成，即每個反射鏡可使光線沿兩條光路之一反射。該兩條光路之一對準聚光透鏡26和掃描器28。每個反射鏡沿著哪條光路反射光，取決于輸入信號并可以作為時間的函數(shù)迅速變換。DMD24的工作性能和制造工藝已為本領域的熟練人員所共知，并在1987年5月5日授予Hornbeck等人的第4，662，746號美國專利“空間光調(diào)制器及其方法”中作了更為全面的披露。該專利通過引用而結(jié)合在本申請中。
如以上所討論的，在單一光源20的情況下，連接在掃描器28上的反射鏡以50至100赫芝的頻率作小掃描角振蕩。當掃描器28振蕩時，由DMD24來的光投影到掃描器反射鏡上的位置在變化。這樣，在掃描器振蕩時在不同點有選擇地偏轉(zhuǎn)DMD24的各個反射鏡，就可使相繼各行的象素(即顯示點)組合成為一個區(qū)域的象供觀察者觀看。由于掃描器以大約100Hz的頻率刷新，故使用者的視覺暫留足以能消除閃爍，并能在反光鏡上產(chǎn)生一種連續(xù)的整頁虛象的錯覺。這種通過相繼掃描各象素行以產(chǎn)生整頁顯示的方法，作為一種現(xiàn)有技術已眾所周知。
掃描器28作為一種共振反射鏡，由位于美國馬薩諸塞州沃爾瑟姆的反射技術公司(ReflectionTechnology，Inc.)制造。其他合適的器件可以從位于美國馬薩諸塞州沃特敦的通用掃描公司(GeneralScanning，Inc.)提供的IB系列光學掃描器中選擇。
圖3示意地描述了可以結(jié)合到投影器16(圖1所示)的本發(fā)明的第二個實施例。其中，掃描器28由一種采用可變形的反射鏡器件工藝制成的共振反射鏡30替換。共振反射鏡30的工作原理和制造商在威廉·愛德華·納爾遜1991年申請的美國第號專利申請“共振反射鏡及其制造方法”，以及同年申請的美國第號專利申請“控制光的方法”中已作了更為完整的描述。上述申請以及本申請都已轉(zhuǎn)讓給德克薩斯儀器公司。總之，共振反射鏡30包括一個約為1×1/4英寸的小型反射鏡，它可以通過靜電充電在預定的頻率上振蕩。因此，共振反射鏡30可以達到與掃描器28(圖2所示)相同的效果，而體積更小、效率更高。
圖4示意地描述了可以結(jié)合到投影器16(圖1所示)中的本發(fā)明的第三個實施例。其中，光源20由多個發(fā)光元件32所替換。發(fā)光元件32可以包括紅、藍、綠發(fā)光元件，以產(chǎn)生完整的三基色虛象。工作時，當整個屏幕的顯示由例如共振反射鏡30掃描時，是由單獨一種發(fā)光元件32照亮。如上所述，其他掃描器也可以結(jié)合到投影器16中。當整個畫面由一種顏色掃描后，第一個發(fā)光元件關斷，第二個發(fā)光元件接通。當DMD24和共振反射鏡30掃描與第二種顏色相應的顯示頁部分時，就把第二種顏色加到顯示(圖象)中。然后，再以同樣的方式加上第三種顏色。另一方面，也可以使DMD24在移動到下一行顯示象素之前掃描每一行的每一種顏色。在第一個方案中，顯示被掃描三遍，對每一種顏色掃描一遍。在第二個方案中，顯示僅被掃描一遍，而掃描每幀圖素的速度約為第一個方案三分之一。在本實施例中，DMD24和共振反射鏡30的掃描速率可能需進一步提高，以實現(xiàn)無閃爍顯示。
圖5示意地描述了用于投影器16(圖1所示)的本發(fā)明的第四個實施例。其中，DMD24和掃描器28分別由一個面陣DMD34和一個普通反射鏡36所替換。面陣DMD是一種由n×m個可變形的反射鏡組成的DMD矩陣。例如，面陣DMD34可以包含一個640×480的反射鏡矩陣。因此，面陣DMD34可以同時顯示整頁顯示，其分辨率與現(xiàn)有的陰級射線管不相上下。在這種情況下，就不需要用掃描器來產(chǎn)生整頁顯示。然而，反射鏡36可以加到投影器16上，以更方便地設定虛象相對于觀察者的位置。
面陣DMD34可以與多個發(fā)光元件32(圖4所示)相結(jié)合，以產(chǎn)生完全彩色的顯示。在這樣一種方案中，每個發(fā)光元件32被順序地點亮，而面陣DMD34則反射整頁顯示中所有與一種特定顏色相應的部分。然后，對其余的發(fā)光元件及其相應的圖象重復上述過程。直至整個三基色可視顯示被投影。另外，面陣DMD34可以方便地被染色，以產(chǎn)生許多三基色象素。在這種情況下，面陣DMD34可以用白光源產(chǎn)生完全彩色的圖象。關于面陣DMD34經(jīng)染色產(chǎn)生多個三基色象素的方法，在威廉·愛德華·納爾遜1991年7月31日申請的第號美國專利申請“彩色可變形反射鏡器件及其制造方法”中對此作了更為全面的描述。彩色可變形反射鏡器件及其制造方法也已轉(zhuǎn)讓給美國德克薩斯儀器公司，本申請已通過引用將此結(jié)合于其中。
圖6示意地描述了用于投影器16(圖1所示)的本發(fā)明的第五個實施例。其中，光源20照射到改型的DMD38。改型的DMD38包括多行可變形反射鏡40以及透明的濾色片42。濾色片42包括許多重疊其上的濾色條(由平行的矩形結(jié)構(gòu)表示)，它們與多行可變形反射鏡40對齊。例如，DMD38可以包含三行可變形反射鏡，濾色片42可以包含紅、綠、藍濾色條。觀看者所見的各行的偏移，可利用電子學方法來顧及，而且，利用單一的光源20、透鏡22和26以及掃描器28即可產(chǎn)生完全彩色的虛象顯示。掃描器28可以選用上述德克薩斯儀器公司、反射技術公司或通用掃描公司生產(chǎn)的型號。
圖7以立體圖表示用于本發(fā)明的第二種頭戴式顯示器44。頭戴式顯示器44包括戴在使用者頭上的頭盔46，用以投影虛象的屏幕48以及光傳輸系統(tǒng)50。屏幕48可以部分鍍銀，以允許使用者更好地既能看到投影的虛擬顯示，又能看到其前方的視野。光傳輸系統(tǒng)50典型地包括一束光纖，它能將來自遠距離位置的虛象傳送到屏幕48。光傳輸系統(tǒng)50連接到投影器(圖2至圖6中所示)。投影器可以設置在更為方便的位置，例如使用者的腰部，或永久性地結(jié)合在諸如汽車或飛機一類交通工具的電子設備中。
同時采用圖2至圖6所示的兩套顯示器，還可以構(gòu)成一種立體虛擬顯示。在這種情形下，應在觀看者每一只眼睛的前方，各安裝一個虛象顯示器，且每個顯示器投影兩幅相關圖象的其中一幅。每幅圖象對應于如果圖象是真的時，將由相應的眼睛所看到的那半個圖象、由兩幅相關的二維圖象產(chǎn)生一幅三維圖象的過程在本技術領域已屬公知。
盡管本發(fā)明已作了詳細的描述，但應理解，在不脫離由本申請權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍情況下，還可以對之作出各種變化和替換。
權利要求
1.一種虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于包括至少一個用以發(fā)射光的光源；響應于輸入信號，用以反射一部分所述發(fā)射光的至少一個可變形反射鏡面陣裝置；以及用以產(chǎn)生每個可變形反射鏡面陣裝置的虛象的至少一個透鏡。
2.如權利要求1所述的虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述每個可變形的反射鏡面陣裝置進一步包括多個三基色象素。
3.如權利要求1所述的虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述每個光源進一步包括多個有色的發(fā)光元件。
4.如權利要求3所述的虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述光源進一步包括紅色發(fā)光元件;藍色發(fā)光元件以及綠色發(fā)光元件。
5.一種虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于包括至少一個用以發(fā)射光的照明源;具有至少一行可變形的反射鏡，用以響應于輸入信號有選擇地反射一部分發(fā)射光的至少一個可變形反射鏡裝置;用以產(chǎn)生每個可變形反射鏡裝置的放大虛象的至少一個透鏡;以及用以掃描一個角度而反射每個放大的虛象以產(chǎn)生顯示的至少一個掃描器。
6.如權利要求5所述的虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，每個所述照明源包括多個有色的發(fā)光元件。
7.如權利要求6所述的虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述多個有色的發(fā)光元件進一步包括紅色發(fā)光元件，藍色發(fā)光元件以及綠色發(fā)光元件。
8.如權利要求5所述的虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，每個可變形的反射鏡裝置進一步包括多行可變形的反射鏡;以及多行濾色元件，每一濾色元件與一行可變形的反射鏡對齊。
9.如權利要求5所述的虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，每個所述掃描器進一步包括一個光學掃描器。
10.如權利要求9所述的虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，每個所述照明源包括多個有色的發(fā)光元件。
11.如權利要求10所述的虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，多個有色的發(fā)光元件進一步包括紅色發(fā)光元件;藍色發(fā)光元件以及綠色發(fā)光元件。
12.如權利要求5所述的虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，每個所述掃描器進一步包括一共振反射鏡。
13.如權利要求12所述的虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，每個照明源包括多個有色的發(fā)光元件。
14.如權利要求13所述的虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述多個有色的發(fā)光元件進一步包括紅色發(fā)光元件;藍色發(fā)光元件以及綠色發(fā)光元件。
15.一種戴在使用者頭上的頭戴式虛象顯示系統(tǒng)，包括戴在使用者頭上的頭盔;其特征在于它還包括安裝在所述頭盔上，用以為使用者顯示至少一路虛象的至少一個顯示屏;用以發(fā)射光的至少一個光源;用以對應于輸入信號而反射一部分發(fā)射光的至少一個可變形的反射鏡裝置;用以產(chǎn)生可變形反射鏡裝置的虛象的至少一個透鏡;以及用以將可變形反射鏡裝置的虛象傳送到顯示屏的至少一個光傳送系統(tǒng)。
16.如權利要求15所述的頭戴式虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述光傳送系統(tǒng)進一步包括至少一束光纖絲。
17.如權利要求15所述的頭戴式虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于進一步包括用以掃描一角度而反射每一虛象，以產(chǎn)生二維顯示的至少一個掃描器。
18.如權利要求17所述的頭戴式虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，每個照明源進一步包括多個有色的光源。
19.如權利要求18所述的頭戴式虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述照明源進一步包括紅色發(fā)光元件;藍色發(fā)光元件以及綠色發(fā)光元件。
20.如權利要求15所述的頭戴式虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，每個可變形的反射鏡裝置進一步包括一可變形反射鏡面陣裝置。
21.如權利要求20所述的頭戴式虛象顯示系統(tǒng)，其特征在于，每個可變形反射鏡面陣裝置進一步包括多個三基色象素。
22.一種用以顯示至少一路虛象的方法，其特征在于包括如下步驟用光照射至少一個可變形的反射鏡面陣裝置;響應于輸入信號而偏轉(zhuǎn)一部分可變形反射鏡，以反射一部分光;以及通過至少一個透鏡投影所反射的一部分光，以產(chǎn)生可變形反射鏡面陣裝置的至少一路虛擬圖象。
23.如權利要求22所述的方法，其特征在于進一步包括照射一個具有多個三基色象素的可變形的反射鏡面陣裝置的步驟。
24.如權利要求22所述的方法，其特征在于，所述照射步驟進一步包括，用多個有色的光源照射每一可變形反射鏡面陣裝置的步驟。
25.一種用以投影至少一路虛象顯示的方法，其特征在于包括如下步驟用光照射具有至少一行可變形反射鏡的至少一個可變形反射鏡裝置，每個可變形反射鏡裝置用以響應于輸入信號有選擇地反射一部分發(fā)射光;通過至少一個透鏡投影所反射的部分光，以產(chǎn)生每個可變形反射鏡裝置的至少一路虛擬圖象;以及掃過一角度而掃描每一放大的虛象，以產(chǎn)生一整頁顯示。
全文摘要
一種虛象顯示系統(tǒng)，包括用以發(fā)射光的光源20，至少一個可變形反射鏡面陣裝置24以及至少一個用以產(chǎn)生每個可變形反射鏡面陣裝置24的虛象的透鏡26。每個可變形面陣裝置24響應于輸入信號而反射部分發(fā)射光以產(chǎn)生顯示。反射光的象可以迅速改變或保持不動，由此可產(chǎn)生所需的活動的或靜止的顯示。
文檔編號G02B26/10GK1089039SQ9211489
公開日1994年7月6日 申請日期1992年12月16日 優(yōu)先權日1991年12月17日
發(fā)明者威廉·E·納爾遜 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司