[发明专利]增强现实（AR）显示器

说明书

本发明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。

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。本发明提出的新光学系统，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。

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。

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。

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。

如图4所示，Mukawa等人在SID 2008文摘，编号ISSN/008-0966X/08/3901-0089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。

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。

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。

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。

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。本发明提供了一种满足这种需求的装置。

发明内容

本发明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。