[发明专利]竖式腔表面发射激光器阵列显示系统

说明书

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。

本发明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“A    Full-Color    Wide-Field-of-View    HolograPhic    Helmet    Mounted    Display    for    Pilot/Vehicle    Interface    Development    and    Human    Factor    Studies”，出自Proceedings    of    the    SPIE，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。

本发明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。

本发明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。