豎式腔表面發射雷射器陣列顯示系統的製作方法
2023-06-23 02:21:26 2
專利名稱：豎式腔表面發射雷射器陣列顯示系統的製作方法
本申請涉及我們的一個未決申請，此未決申請的申請日是1991年11月7日，申請號是07/790，964，標題是「可見光表面發射半導體雷射器」，此未決申請在此引出作為參考。
本發明涉及小型視覺顯示器領域。尤其涉及採用發射可見光的豎式腔表面發射雷射器(VCSEL)，以便在觀察者的視場內投映出一個顯示的小型視覺顯示器。
由於人類視覺系統的吸收和處理信息的巨大能力，視覺顯示器可以非常有效地顯示各種信息形式，比如運動的景物、字母數字的印刷符號、圖、圖表及目標數據，所有這些信息都可以加在觀察者的正常的視場上。尤其是在不可預料的環境中需要完成一系列高度複雜任務的戰術軍事行動很大程度地得益於小型視覺顯示器的使用，這些小型視覺顯示器可以是諸如位於頭上的、直接觀看的、或固定在頭盔上的顯示器。例如，現在為作戰飛機上的人員配備的固定在頭盔上的顯示器(HMD)，這個固定在頭盔上的顯示器允許一個小型視覺顯示系統被固定在觀察者的頭上以便在觀察者的視場內投映一個顯示。在商業部門，高解析度HMD可以為娛樂和教育提供一個「虛擬的真實」。
在過去的十年中，人們作了大量的努力以發展小型的、重量輕的視覺顯示器，如HMD。小型視覺顯示器最好應能以最小的失真或者沒有失真地把從顯示設備(通常是一個陰極射線管(CRT))產生的一個圖像有效地傳送到觀察者的視場。遺憾的是，到目前為止對小型視覺顯示器的改進，尤其是對HMD技術的改進，主要集中在用於圖像的成像或傳遞中的傳統的或全息的光學鏡片方面。參見例如J.R.Burley等人的「AFull-ColorWide-Field-of-ViewHolograPhicHelmetMountedDisplayforPilot/VehicleInterfaceDevelopmentandHumanFactorStudies」，出自ProceedingsoftheSPIE，第1290冊，第9-15頁(1990年)。
實際上在開發小型、高亮度、高對比度、低能源的CRT方面幾乎沒有進展。因而缺乏合適的小型CRT嚴重地限制了小型視覺顯示器的可應用性，這導致了採用其它合適的顯示設備的小型顯示系統的發展。
在美國專利No.5，003，330中公開了一個這樣的顯示系統，該專利在此引入作為參考。該顯示系統採用了一個固定在頭盔護目鏡結構中的二極體陣列。儘管這些二極體陣列在頭盔中是可以實施的，但它們對於顯示高解析度和/或彩色顯示圖像來說不能令人完全滿意。為取得這些改進而需要的線性二極體陣列和均勻的二極體雷射陣列不能得到彩色顯示圖像所需要的可見光波長，或者不能得到彩色或高解析度小型視覺顯示器的應用所需要的陣列尺寸。
另外，已有技術的雷射器不適於被當今的掃描、印刷和顯示應用所優選的二維陣列的製造或微光學鏡片的集成。這是由於常規半導體雷射器的像散光束的質量以及高發散所造成的，半導體雷射器的像散的光束質量及高發散使得如果不採用相對地昂貴和體積大的光學鏡片在觀察者的視場內就很難投映出高解析度的圖像。
還努力開發了其它顯示設備以代替佔主導地位的圖像顯示設備，這些開發的顯示設備包括例如，液晶顯示器(LCD)、AC和DC等離子體顯示器、薄膜電子發光顯示器和真空螢光顯示器。然而，每個這些可以選擇的技術都有其根本的缺陷，尤其對於尋址的HMD的應用。例如LCD的產生、調製和傳輸光的效率很低。參見例如D.L.Jose等人所著的「An Avionic Grey-Scale Color Head Down Display」出自Proceedings of the SPIE，第1289冊，第74-98頁(1990)。另一方面，等離子體顯示器需要大約100伏特或者更高的量級，而其它可選擇的顯示設備很難把尺寸降低到二極體或雷射器陣列技術所能達到的尺寸(大約為每個元件20-40μm2)，這個尺寸是為實現小型化所必需的。
因此，到此為止，顯示設備的尺寸、性質和/或波長的可利用性已經限制了小型視覺顯示器的實用性和應用。
本發明的一個目的是提供一種視覺顯示系統，該系統採用小型、固態、高效率、高亮度、和高對比度的顯示設備以對觀察者的視場提供單色及全彩色顯示。
本發明的另一個目的是提供一個小型視覺顯示系統，該系統提供了一個視覺信息的高解析度彩色圖像，並且適合廣大範圍的消費者，工業、商業、醫療和軍事的應用。
本發明的再一個目的是提供一個小型視覺顯示系統或技術，該小型視覺顯示系統或技術與已有的傳統的和全息的光學鏡片相兼容，並且採用了比已有技術的顯示設備性能優越的顯示設備以取得較高的解析度。
根據本發明的這些和其它目的可以在一個小型視覺顯示系統中實現，該小型視覺顯示系統採用可見光的雷射二極體陣列(VLDA)，並且更可取地是採用發射可見光的豎式腔表面發射雷射器(VCSEL)的一維和/或二維陣列，以便在觀察者的視場內提供一個理想的視覺顯示。
在優選實施例中，單獨地或組合地採用掃描和輔助掃描技術以便從1×N或N×N的VCSEL陣列產生一個完全的M×M圖像，其中M是整數N的整數倍。通過在觀察者的視場中移動VCSEL的圖像，同時用要顯示的信息調製VCSEL，這樣的掃描技術可以針對給定數目的VCSEL有益地進一步提高顯示圖像的解析度。
最好把VCSEL裝在一個顯示盒中，該顯示盒可以用一個固定結構固定到使用者的頭部或者按其它方式手持或安裝。有利的是，發射的VCSEL輻射的圓形對稱和低發散，以及多個波長(尤其是紅、藍、綠)的可利用性允許產生高解析度的單色或彩色圖像。通過採用矩陣尋址技術、如通過採用行/列尋址方式，可以實現在二維陣列中尋址單個VCSEL。
通過結合以下附圖閱讀下列描述可以更完全地理解本發明。
圖1是一個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器(VCSEL)的一個橫斷面圖;
圖2是根據本發明的原理的一個示範的VCSEL陣列顯示系統;
圖3是另一個表示採用全搜索掃描的示範的VCSEL陣列顯示系統;
圖4表示由一個觀察者向圖3的VCSEL陣列顯示系統中觀察所見的有效光束位置;
圖5是用於實現本發明VCSEL陣列顯示系統的一個單塊集成的VCSEL陣列和微小透鏡的一個剖面圖;
圖6表示由一個視察者向一個採用了改善圖像解析度的輔助掃描的VCSEL陣列顯示系統中觀察所見的有效光束位置;
圖7表示使用多個帶有輔助掃描的微小透鏡，以便增加本發明顯示系統的有效解析度;
圖8是在不同的襯底上帶有電子驅動器的一個錯列的VCSEL線性陣列的一個頂視圖;
圖9表示由一個觀察者向採用跳躍掃描的一維陣列系統中觀察所見的有效光束位置;
圖10表示由一個觀察者向採用與輔助掃描結合的搜索掃描的一個VCSEL陣列顯示系統中觀察所見的有效光束位置;
圖11是根據本發明的一個超廣視場的固定在頭盔上的顯示器的一個頂視圖;和圖12是圖11的固定在頭盔上的顯示器的一個側視圖。
本發明是基於採用發射可見光的豎式腔表面發射雷射器(VCSEL)來開發一個高亮度、高效率、小型的顯示技術，尤其是一個VCSEL陣列顯示系統。特別是，VCSEL的尺寸，結構和近於理想的光束質量能使得高解析度的單色或彩色顯示圖像(實像或虛像)落在觀察者的視場內。
VCSEL是一種新型半導體雷射器，不像常規的邊緣發射雷射二極體，VCSEL以垂直於形成在其上的P-n結的平面的方向發射雷射輻射。如在我們的未決申請No.07/790，964中所公開的那樣，通過採用一個有源量子井區域110，現在可以製造VCSEL以使得它在0.4到0.7μm的範圍內發射可見的雷射輻射，該有源量子井區域110包括，例如，CaInP和AlxGal-mInP的多個交替的層，這些交替的層夾在兩個被分配的布拉格反射器(DBR)或者反射鏡120和130之間，如圖1所示。
操作時，通過採用環形的質子注入區140，通常把注入電流限制在有源區110以取得激發的輻射。重要的是，VCSEL可以製造成一維和/或二維陣列並且可以與微光學鏡片集成在一起。通過適當地選擇材料，可以把每個VCSEL製造得能在電磁波譜的可見區的不同部分發射雷射輻射。操作和製造這些VCSEL在上面提到的相關申請中已經詳細討論過，為了簡潔起見在此不作詳細描述。
VCSEL陣列顯示系統的基本思想如圖2所示。然而應當認識到在圖2中描述的VCSEL陣列顯示系統只是為了說明的目的，而不是為了進行限制。通常圍繞觀察者頭部放置(例如用作HMD)的VCSEL陣列顯示系統包括一個VCSEL陣列200，一個透鏡系統210，和，最好是，一個部分透射的面板220，例如一個二向色性濾光片或反射鏡。把透鏡系統210放在離VCSEL陣列200的約為一個有效焦距遠處以便準直從VCSEL陣列200發射的可見光輻射，其目的是為了按照眾所周知的光學理論產生一個VCSEL陣列200的虛像。在任何時刻，向面板220中觀看的觀察者同時就可以看到一個VCSEL200的虛像以及對著面板220的外部視覺信息。
為了向觀察者顯示所希望的圖像，通過驅動器電子器件230，可以對VCSEL陣列200中的每一個雷射器單獨尋址以及用合適的彩色或單色信息調製。為了尋址和產生所需要的光強度所必需的電子信號具有與模擬的或數字的集成CMOS和TTL電子電路相兼容的很低的驅動電流和電壓。
另外，通過沿著透鏡系統210的光軸移動VCSEL陣列200，或者按另一種方式移動透鏡系統210以便從無限遠向靠近觀察者的距離搜索虛像的位置，就可以產生三維虛像。採用一個移動驅動器240很容易實現這樣的移動，該移動驅動器240採用機械隨動系統或壓電傳感器以便實際移動陣列或透鏡。
可以預期VCSEL陣列200所佔的空間與已有技術小型CRT的螢光屏所佔的空間大致相同，即通常為大約20×20mm。因而，採用VCSEL陣列200而不採用常規的CRT或其它眾所周知的顯示設備基本上不影響在已有技術中已知的關鍵參數，如HMD的視場(FOV)和封裝。還有，本領域的技術人員懂得光學設計和封裝方法，這樣將進一步便利於將固定在觀察者頭部或手持使用的VCSEL陣列200作為一個顯示系統的使用。例如，見美國專利No.5，023，905和No.5，048，077，它們在此引入作為參考。例如，可以把本發明的VCSEL陣列顯示器封裝在一個顯示部件中，該顯示部件有一透過它可以觀察圖像的開孔，並且可以把本發明的VCSEL陣列顯示器固定在使用者頭盔的側壁上或使用者的眼鏡上。另外，還可以把顯示系統固定到使用者的皮帶上，遠處的顯示信息由一個計算機、袖珍計算器或無線電波發射機提供。
在一個實施例中，VCSEL陣列200包括一個可單獨尋址的VCSEL的二維M×M陣列。為了能按照已熟知的比色法理論分別產生單色或全色圖像，可以把M×M陣列中的VCSEL製造得能在一個預定的波長處或者在幾個波長(例如藍、綠和紅)處放射雷射。
可以採用常規的平面的大規模集成(LSI)製造技術，例如分子束外延(MBE)、溼化學蝕刻及類似技術，來製造VCSEL陣列。尤其是在製造二維陣列時，首先外延沉積VCSEL結構的半導體層，並且然後通過採用例如光刻法來劃定界限和蝕刻多個列，每一列為一個可獨立尋址的VCSEL。其中可以用常規的沉積技術形成VCSEL的接點，例如，可以形成公共的行和列總線接點以便單獨尋址每個VCSEL，如在我們的未決定申請中所公開的那樣，該申請的申請號是No.07/823，496，題目是「電晶體與豎式腔表面發射雷射器的集成」，申請日是1992年1月21日，該申請在此引入作為參考。
在二維陣列中VCSEL的數目當然取決於所希望的解析度以及投映到觀察者的顯示的圖像的寬度和長度。
與邊緣發光的雷射器相比(邊緣發光的雷射器為幾百微米長×10μm)，每個VCSEL的直徑大約為10μm，每單位面積的顯示元件數比已有技術顯示設備的顯示單元件數大25倍以上。重要的是發射的輻射具有圓形對稱性和低發散性。這就允許採用低數值孔徑的透鏡來產生一個放大的VCSEL的虛像。還有，由於VCSEL沒有固有的像散性並且可製成間隔小的，可以獨立電子方式尋址的顯示單元，本領域的技術人員很明顯地可以看出，解析度可以提高。
通過使用例如一個矩陣式或行/列尋址接觸器(類似於用於充電的偶合器件(CCD)陣列的接觸器)，通過獨立尋址每個VCSEL，就可以把信息加在VCSEL上。電子方式完全尋址顯示設備的一個M×M陣列需要M2根引線，比16×16(256個引線)的陣列尺寸大得多的這種陣列是根本行不通的。因此，通過使用矩陣式或行/列尋址布局單獨尋址每個VCSEL就可以把信息加在VCSEL上，把引線的數目從M2個減少到2M個。參見例如M.Orenstein等人著的「矩陣式可尋址的豎式腔表面發射雷射器陣列」出自電子學報(Electronic Letters)，第27冊，第437-438頁(1991)，在此引入作為參考。輔助的驅動器電子器件230包括有例如移位寄存器、電晶體和類似物，可用來尋址和調製發射的輻射的強度;可以把這些輔助驅動器電子器件230集成在包含有VCSEL陣列的晶片或者襯底上而不是放在顯示部件的外面。這樣的集成化進一步減少了引線的數目，從而可以較容易地製造出大的陣列，例如512×512。
如果VCSEL陣列單元的數目與被顯示圖像的所希望的解析度相配，則除了電尋址以外不需要掃描。然而，為了增加給定數目的VCSEL的解析度或者為了降低為獲得所希望的解析度所需要的VCSEL的數目，可以採用各種掃描技術。尤其是本領域的技術人員可以理解掃描可以從比產生全頁顯示所需顯示器件數目少得多的顯示器件中產生一個全頁顯示，不論對一個實像或虛像全是如此。
例如，通過採用所謂的全面搜索掃描的技術，可以從一個1×M的VCSEL陣列產生一個M×M的顯示圖像。通過沿著一個軸掃描由觀察者得到的VCSEL的虛像位置，即可以實現一個全頁掃描。在這種掃描中，VCSEL陣列包括多個直線對準的VCSEL，該直線對準的VCSEL沿著一個軸對於每一個分辨元件都有一個單獨的VCSEL或元件。沿另一些軸的分辨元件由以下詳述的掃描機構提供。
參照圖3和圖4，一個VCSEL陣列300包括一個垂直列的VCSEL，該單個垂直列的VCSEL由圖4左側的黑圓點代表。通過一個透鏡310把來自陣列的準直光輸出引向(例如)一個電-機掃描器330的一個擺動反射鏡320處。電-機掃描器330可以是在美國專利No.4，902，083中所公開的那種類型，該專利在此引入作為參考，在此結構中根據來自一個掃描器電子器件350的控制信號來擺動反射鏡320。在反射鏡320擺動過程中通過有選擇地照亮在VCSEL陣列300中在不同點處的不同雷射器，可以使得連續的像素列(即顯示點)出現在觀察者的視場內。在圖4中用整個二維圓點陣列代表這些顯示點，其中黑圓點還代表在沒有掃描時來自VCSEL的輻射的像位置，而點劃的圓點代表通過掃描而獲得的附加的顯示點。在任何時刻，觀察者只看到一列或一垂直線的VCSEL陣列300，但是由於反射鏡320在水平方向反覆擺動或掃描以便能從觀察者視場的一個邊緣向另一個邊緣掃描VCSEL陣列300的垂直線的表觀位置，因此觀察者的眼睛感覺到一個全屏幕的信息，如圖4所示。
通常以大約100HZ的頻率擺動反射鏡320以便從一個1×M陣列產生一個連續的全頁或者M×M圖像的幻覺。
當然，應適當地調製或電激發VCSEL陣列300的垂直線或列以便在所希望的顯示圖像中為每一列有選擇地發射光。這些驅動電子器件可以與VCSEL集成在一起。電子定時保證了在掃描過程中在正確的時間照亮每列或垂直線的合適的VCSEL。在美國專利No.4，934，773中公開了一個小型視覺顯示器的實施例，尤其是一種採用完全搜索掃描的HMD，在此引入作為參考。
在線性陣列中的VCSEL的數目取決於，例如，要向觀察者顯示的所希望的圖像的寬度。在一個優選實施例中，對於一個1024×1024的顯示，VCSEL陣列300應包括1024個線性對準的VCSEL。用於本實施例的仔細設計的VCSEL的直徑為大約10μm，每個VCSEL之間的間隔為大約10μm。
也可能採用一個不是直線型的VCSEL陣列，例如採用一個準直線型或錯列的陣列，來進行搜索掃描。本領域的技術人員知道怎樣調整電子驅動器信號以補償在這種情況下VCSEL的改變的位置。
也仔細考慮了可能更穩定的其它掃描技術。這些技術，例如，涉及易於與VCSEL陣列集成的微光學鏡片的使用。亞毫米直徑小透鏡的形成以及在包含有VCSEL陣列的襯底上波導的形成改善了顯示器的性能、光效率、表面散射、波長敏感度和光束髮散性，所有這些都降低了成像系統的尺寸、重量和複雜性。圖5描述了一個VCSEL陣列510和微小透鏡520的典型單片集成物，該集成物可用於實現本發明以便利用採用不同的其它掃描技術，例如採用聲光調製器(AOM)的電光掃描技術。本領域的技術人員特別會注意到微小透鏡520引導由VCSEL發射的輻射的傳播，微小透鏡520發揮了一些(如果不是全部的話)光學透鏡310的成像的功能。例如，微小透鏡520可以減小發射的輻射的光束髮散，因此可以採用低數值孔徑光學系統在觀察者的視場內顯示一個所希望的圖像。另外，它們能減少光束的發散以提高圖像的解析度。
在另一個實施例中，採用一種新穎的輔助掃描技術以便從一個N×N的VCSEL陣列產生一個全M×M顯示圖像，其M是N的整數倍。與搜索掃描相比，輔助掃描是在觀察者的視場內VCSEL陣列的實移動或虛移動，移動的距離小於單元之間的距離或VCSEL的間隔，參見圖6，實黑圓點代表與直接成像於觀察者時VCSEL的像素的位置。當分別沿水平軸610和垂直軸620掃描每個向觀察者顯示的像素時，觀察者感覺到像素位於由點劃圓點代表的位置以產生了正在顯示全頁的幻覺。至於搜索掃描，在VCSEL陣列的掃描過程中適當地調製來自VCSEL的輻射。也可以採用，例如，壓電傳感器通過一個實像移動來實現掃描。
通常，在每個VCSEL之間的間隔距離l是間隔d的整數倍，間隔d是所產生的輔助單元間的間隔或者是解析度改善係數。已經仔細考慮過，可以通過採用其它裝置，例如壓電傳感器，機械掃描器、聲光調製器及類似物，來完成輔助掃描。
這些掃描技術還可以得益於採用微光學鏡片並且得益於這些微光學鏡片與VCSEL陣列的集成。例如，單元之間的間隔與光束直徑的比通常為大約2∶1。採用如圖5所示的微小透鏡來聚焦來自每個VCSEL的輻射輸出或小光束到一個尺寸減小的點，這樣做將增加單元間間隔與光束直徑的比。有益的是，通過如上所述的在鄰近的VCSEL之間產生輔助像素，可使用輔助掃描來增加有效解析度。相反，來自一個發光二極體的光束不能有效地聚焦於一個尺寸減小的點。
若不用微小透鏡，可以採用用於收集來自多個VCSEL光線的較大的小透鏡，使其與上面提到的輔助掃描技術結合。如圖7所示，小透鏡對710和720把來自多個VCSEL730a-d的發射的輻射聚焦到一個尺寸減小的點。如果在VCSEL對730a-b之間和730c-d之間的間隔最初是距離a，則在小光束通過小透鏡對之後這個間隔是一個小得多的距離b。現在可以用輔助掃描在成像的VCSEL之間產生輔助像素，輔助像素用點劃圓點表示。應當注意的是由小透鏡對730a-b和730c-d實現的縮小率應該是個整數，該整數等於為了填充觀察者的視場或者成像的VCSEL點之間的空間所需要的輔助像素的數目。相反，採用一個單個的大透鏡不會增加有效解析度。儘管大透鏡減小了點的尺寸，它也以相同的係數減小單元間的間隔。即單元間的間隔與點直徑的比率保持不變。因此在採用一個單個的大透鏡的情況下，採用輔助掃描不能把解析度增加到其最大可能的程度。
對於上述輔助掃描技術可以理解沿著每個軸的掃描長度不必是對稱的。通過採用不同的掃描長度，有可能從一個K×L的VCSEL陣列大體產生一個M×N陣列顯示圖像，其中M和N分別是K和L的整數倍。
作為一個輔助掃描系統，一個帶有40μm單元間間距的128×128VCSEL陣列可以用在兩個軸上增量為5μm(最大可達35μm的距離)掃描以取得一個1024×1024的圖像(在每個軸上在鄰近的VCSEL元件之間有7個輔助位置)。
在上述實施例中，已經仔細考慮過，當一組被限定的信息需要有選擇地提供給觀察者時，要顯示的信息最初可以存儲在一個數據存儲裝置，例如，RAM、ROM、EPROM和類似物中，這些存儲裝置在本領域中是為人熟知的。另外，對於大多數需要隨時間變化信息的應用，要顯示的新的信息可以在一幀結束時(例如在一次掃描的結束時)加在VCSEL上。
通過如上所述的單獨尋址每個VCSEL而不是採用矩陣式尋址，也可以把要顯示的新信息直接加在每個VCSEL上以產生一個完全顯示。另外，N×NVCSEL陣列可以有選擇性地包括若干行錯列的VCSEL以補償裝置之間的間隙。圖8描述了一個錯列的VCSEL810線性陣列的一部分，此VCSEL810線性陣列具有連接到電子驅動器820的接線粘接點，該電子驅動器820可以製造在另一個襯底上。如在我們的未決申請No.07/823，496中所公開的那樣，可以按另一種方式把VCSEL陣列和電子驅動器製造在同一襯底上以省去對線粘接的需要。驅動電子器件820包括電晶體，例如FET、雙極電晶體、和類似物。通常，在上述申請中公開的結構可用於實現本發明。
在一個實施例中，一維輔助掃描可以用於雷射印刷行業，例如一個覆蓋20×75吋面積的3600圓點/吋(dpi)的印像機。一個每吋具有300個VCSEL的20吋的線性VCSEL陣列可以沿一維方向進行輔助掃描，使得每個VCSEL在一條線中在12個點(像素)處控制的照亮以取得所希望的3600dpi的解析度。若沿另一維方向推進印像材料，即可以進行按這一尺寸進行印刷。
對於一維輔助掃描的一個代換是移動一個一維VLDA陣列(例如可以是VCSEL型)，移動的距離等於陣列尺寸的長度的整數倍再加上一個像素間的距離。如圖9所示，通過讓該陣列跨越過處於多個照亮階段的圖像來掃描一個VCSEL陣列850，該VCSEL陣列850包括1×4VCSEL輔助陣列的三個組860a-c。在第一個階段，陣列控制顯示點870a-c的照亮。對第二個階段，例如通過電子-機械裝置，把來自陣列860a-c的輻射移動到分別由點劃圓點870a′-c′表示的位置處。用對應於VCSEL的被移動的位置的適當的單色或彩色信息調製VCSEL以產生新的有效分辨單元或像素。然後，在第三個階段，分別把來自陣列860a-c的輻射跨躍到或移動到位置870a″-c″。這種跨躍或「跳躍」技術為每次移動或跨躍都有效地產生了四個附加的像素。在這裡，對每個輔助陣列860a-c產生了八個附加的像素。這種特殊類型的掃描被稱為「跳躍」掃描。也可以用於雷射印刷。例如，如果要求在60個晶片(每個晶片上有100個雷射器)上的6000個雷射器達到所希望的解析度，則完成同樣的工作要採用每個晶片上具有100個雷射器的10個晶片，其中要完成6次「跳躍」的或重複的移動。
通過結合搜索掃描和輔助掃描技術也可以產生二維顯示圖像。參見圖10，通過沿水平軸910搜索掃描和沿縱軸920輔助掃描可以從1×4VCSEL陣列產生一個16×16顯示圖像。在VCSEL之間的單元間的間隔Y應該使通過以重複的增量移動VCSEL的虛像在VCSEL之間能產生3個輔助位置。沿著水平軸910，以對應於所希望的輔助位置間距X的增量移動觀察者所看到的虛像，最大的增量對應於16個像素的間距。然而沿著垂直軸920，以所需要的輔助位置間隔X的增量來移動虛像，但移動的最大距離對應於單元VCSEL間的間距Y。
本發明的一個獨特方面是能產生一個全彩色顯示。在全彩色顯示的一個實施例中，在一個陣列中需要三個不同類型的VCSEL，其中每個類型以不同的波長發光(如綠、藍和紅)以便提供彩色視覺圖像。例如，在陣列中VCSEL的每行只包括一種VCSEL並且這些行發射光的顏色以有規律的方式交替著。這些行本身可以相互交錯，以消除每個VCSEL之間的間隙。
在定時和控制電路的控制下，可以把適當的彩色數據加在VCSEL的每一行上，但稍微有一個時間間隔。結果，將不同顏色VCSEL的三個鄰近行的每組的輸出都成像在虛像中的同一行，以便根據已經為人們熟知的比色法理論產生一個彩色顯示。
對於綠、紅和藍波長的大概範圍分別是610-630nm、514-554nm、和440-470nm。這些波長範圍令人滿意地提供了全彩色光譜並且在我們的未決申請No.07/790，964公開的VCSEL的工作範圍之內。尤其是，可使用在有源區內的GaInP和AlxGai-xInP的交替層在紅光區產生輻射;使用在有源區內的GaInP和AlxGai-xP的交替層在綠光區產生輻射;使用在有源區內的AlyGai-yN和AlxGai-xN的交替層在藍光區產生輻射。
最好是分別採用605nm、554nm和460nm作為紅、綠、藍光輻射的波長，因為這些波長為產生白光提供了最高的效率。採用長於605nm波長的光作為紅光光源需要更大的紅光強度來維持相同的輻照度。
可以進一步使用部分透射的反射鏡在觀察者的視場中引導彩色顯示圖像。這些反射鏡可以製造得在VCSEL的輻射波長處具有增大的反射率以減少所需要的光學能量。另外，在其它波段的反射率可以減小(即提高透射率)以增大向外觀察外部信息的能力。
根據本發明的原理，VCSEL還可以與其它顯示設備集成，或者甚至由其它顯示設備代替，這些其它顯示設備可以是例如可見光二極體雷射器或者是超發光發光二極體(SLED)以進一步增加和/或補充本發明VCSEL陣列顯示系統的可應用性。本領域的技術人員知道SLED是一個通過附加一個部分腔而提高了效率及發射方向性的發射二極體(LED)。可以採用標準的平面LSI加工技術把SLED構製得非常類似於VCSEL。根據本發明的原理，經仔細考慮可以看出VCSEL可與SLED和/或LED集成。
在另一個實施例中，還可以採用與輔助掃描結合的搜索掃描來實現一個具有一個超廣視場的HMD。尤其，通過採用一個旋轉的多角形反射鏡以取得接近180°的視場，可以實現搜索掃描。更有利的是，旋轉的多角形反射鏡比擺動的反射鏡更堅固，還有，旋轉的多角形反射鏡為使用者提供了利用HMD的接近圓形對稱的視場的能力。
圖11和圖12分別是利用本發明的原理的一個超廣視場HMD的頂視圖和側視圖。如以前在圖4中所示，多角形反射鏡920圍繞一個垂直軸旋轉以便從觀察者視場的一側邊緣向另一側邊緣掃描一個VCSEL陣列910的表觀位置。通過將帶有合適數目側邊的多角形反射鏡920旋轉90°-120°就可以取得180°的視場。對於這種安排，VCSEL陣列有益地是一個沿垂直方向取向的線性陣列，因此VCSEL陣列平行於反射鏡920的旋轉軸。靠近HMD上部或觀察者前額的一個柱面透鏡930沿著水平軸擴展從VCSEL陣列910發射的輻射。光束擴展是很充分的，足以充滿觀察者兩眼的瞳孔孔徑以取得完全的雙目顯示。一個在多角形反射鏡920上的合適的水平彎曲部分(如圖12所示)或者多個柱面透鏡都可以用來代替單個的柱面透鏡930。
一般相信為了計及頭部的活動，只需要取得15-20mm垂直的擴展。對於雙目顯示，期望水平束的寬度最好是100mm或更寬。一個最好離觀察者瞳孔50-75mm的部分凹面鏡940根據著名的光學理論在觀察者視場內產生一個VCSEL陣列910的虛像。與搜索掃描結合地適當尋址和調製每個單獨的VCSEL，即可以向這個觀察者呈現一個完全的全景顯示。
值得注意的是，由於來自每個VCSEL的輻射只穿過該系統的一小部分，因而該系統的部件不引入任何實質性的光學像差。因此，只用一個小數目的光學部件就可以在整個視場中取得比1周/毫拉德更好的解析度。
熟悉本領域的技術人員很容易注意到可以用多角形反射鏡920和部分的反射鏡940的垂直的凹面來修整發射的輻射的垂直光束特性。另外，柱面透鏡930和部分凹面鏡940的水平彎曲部分修整發射的光束的水平方向的形狀或束特性。以此方式，可以把發射的輻射適當地引進，例如，180°的視場中。
其中每個陣列在不同的波長處發射輻射的多個VCSEL陣列還可以用來產生彩色圖像，例如，可以把VCSEL陣列910、950和960放在圍繞旋轉反射鏡920的不同的位置處，其中陣列910發射紅光輻射，陣列950發射綠光輻射，和陣列960發射藍光輻射。當然應該使每個陣列的輻射同步以便根據著名的比色法理論產生一個彩色圖像。
旋轉的反射鏡920的每個側面還可以是彼此垂直地傾斜，使得每個側面掃過唯一的一組水平像素。例如，帶有4個側面的旋轉反射鏡，每個側面稍微垂直傾斜，可以在垂直方向實現如前面所述的輔助掃描以便有效地使垂直解析度增加4倍。因而，通過採用一個僅有256個VCSEL的陣列就可以實現在垂直方向的一個1024個單元的顯示解析度。應該注意後者的設計方案有效地與輔助掃描及搜索掃描技術結合起來，因而用最小數目的VCSEL就能在超廣視場內產生極高解析度的顯示圖像。
應該認識到在不離開本發明範圍和思想的前提下，任何其它的改進對本領域的技術人員來說都是很明顯的。例如，採用本發明的原理也可以製造座艙環境的頭下顯示器，其中從VCSEL陣列投映一個實像到一個供觀察者觀看的屏幕上。另外，還可以採用虛像顯示器和實像顯示器的結合來製造模擬器。
因而，並不意味著所附的權利要求的範圍僅限於前面所作的描述，而是權利要求被認為包括屬於本發明的具有可授予專利的新穎性的所有特徵，包括被本發明領域的技術人員當作等同物的所有特徵。
權利要求
1.一種視覺顯示系統，包括多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器，每個所說的雷射器發射輻射；和用來把所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器的一個圖像顯示在觀察者的視場內的裝置。
2.根據權利要求1的視覺顯示系統，具有一個適合於固定在安全帽上使用的尺寸。
3.根據權利要求2的視覺顯示系統，其特徵在於所說的用於顯示的裝置包括用來產生所說多個發射可見光的豎式腔表面雷射器的一個虛像的裝置，和一個在所需要的視場上移動所說的虛像的旋轉反射鏡。
4.根據權利要求1的視覺顯示系統，該視覺顯示系統還包括用來有選擇地調製來自所說多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器中的每一個的輻射強度的裝置，使所說的圖像基本上代表一個預定的視覺顯示。
5.根據權利要求1的視覺顯示系統，其特徵在於所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器在一個預先確定的波長發射輻射，使得所說的圖像是單色的。
6.根據權利要求1的視覺顯示系統，其特徵在於所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器在多個波長處發射輻射，所說的圖像是彩色的。
7.根據權利要求6的視覺顯示系統，其特徵在於所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器按三條線分組排齊，在每條線上的所說豎式腔表面發射雷射器在不同的預定的波長處發射輻射。
8.根據權利要求7的視覺顯示系統，其特徵在於在所說線的第一條線上的豎式腔表面發射雷射器在電磁光譜的可見紅光區域發射，在所說線的第二條線中的豎式腔表面發射雷射器在電磁光譜的可見的綠光區域發射，以及在所說組的第三條線中的豎式腔表面發射雷射器在電磁光譜的可見的藍光區域發射。
9.根據權利要求8的視覺顯示系統，其特徵在於在所說的第一、第二和第三線上的所說的豎式腔表面發射雷射器彼此交錯排列。
10.根據權利要求1的視覺顯示系統，其特徵在於所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器在基本上為一維的陣列中排齊。
11.根據權利要求1的視覺顯示系統，其特徵在於所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器在基本上為二維的陣列中排齊。
12.根據權利要求1的視覺顯示系統，其特徵在於用於顯示的所說裝置包括用來產生所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器的一個虛像的成像裝置，和用來把所說的虛像反射進觀察者視場的裝置。
13.根據權利要求12的視覺顯示系統，其特徵在於所說的用來反射的裝置包括一個反射鏡。
14.根據權利要求12的視覺顯示系統，其特徵在於所說的用來反射的裝置包括一個部分透射、部分反射的面板，使得觀察者可以同時觀察到所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器的圖像和引向觀察者的外部視覺信息。
15.根據權利要求12的視覺顯示系統還包括用來從無限遠向靠近觀察者調整所說虛像位置的裝置。
16.根據權利要求15的視覺顯示系統，其特徵在於所說的用來調整的裝置包括一個機械的隨動系統以便移動所說的多個豎式腔表面發射雷射器。
17.根據權利要求1的視覺顯示系統，還包括用來引導來自所說的多個豎式腔表面發射雷射器的輻射的傳輸的多個微小透鏡。
18.一個用來在觀察者的視場中顯示一個具有M×M個像素的圖像的視覺顯示系統，所說的視覺顯示系統包括多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器，這些雷射器基本上對準至少一個第一1×N陣列，所說的雷射器發射輻射;用來產生一個所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器的圖像的裝置;用來在觀察者的視場中反覆移動所說的圖像的位置的裝置;當移動所說的圖像的位置以產生所需要的M×M圖像時，用來有選擇地控制從所說的多個豎式腔表面發射雷射器中的每一個雷射器發射的強度的裝置
19.根據權利要求18的視覺顯示系統，其特徵在於所說的圖像是一個虛像。
20.根據權利要求18的視覺顯示系統，其特徵在於所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器在一個預定的波長處發射輻射，所說的M×M圖像是單色的。
21.根據權利要求18的視覺顯示系統，其特徵在於所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器在多個波長處發射輻射，使得所說的圖像是彩色的。
22.根據權利要求21的視覺顯示系統，其特徵在於所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器對準1×N陣列的三條直線，在每條線上的所說的豎式腔表面發射雷射器在不同的預定的波長處發射輻射。
23.根據權利要求22的視覺顯示系統，其特徵在於在所說的1×N陣列的第一條線上的豎式腔表面發射雷射器在電磁波譜的可見紅光區域發射，在所說的1×N陣列的第二條線上的豎式腔表面發射雷射器在電磁波譜的可見綠光區域發射，和在所說的1×N陣列的第三條線上的豎式腔表面發射雷射器在電磁波譜的可見藍光區域發射。
24.根據權利要求18的視覺顯示系統，還包括用來引導來自所說多個豎式腔表面發射雷射器的輻射的傳輸的許多微小透鏡。
25.根據權利要求18的視覺顯示系統，其特徵在於在所說的1×N陣列中的豎式腔表面發射雷射器彼此交錯排列。
26.一個用來在觀察者的視場中顯示一個具有M×N個像素的圖像的視覺顯示系統，所說的視覺顯示系統包括多個基本上對準在一個K×L陣列中的發射可見光的雷射器，所說的雷射器發射輻射;用來產生一個所說的多個發射可見光的豎式腔表面發射雷射器的圖像的裝置;用來在觀察者的視場中反覆移動所說的圖像的位置的裝置;和當移動所說的圖像的位置以產生所需要的M×N圖像時，用來有選擇地控制從所說的多個豎式腔表面發射雷射器中的每一個雷射發射的輻射的強度的裝置，其中M和N分別比K和L大。
27.根據權利要求26的視覺顯示系統，其特徵在於所說的發射可見光的雷射器是豎式腔表面發射雷射器。
28.根據權利要求26的視覺顯示系統，其特徵在於所說的發射可見光的雷射器是發光二極體。
29.根據權利要求26的視覺顯示系統，其特徵在於所說的發射可見光的雷射器是邊緣發射雷射的二極體。
30.根據權利要求26的視覺顯示系統，其特徵在於所說的圖像是一個虛像。
31.根據權利要求26的視覺顯示系統，其特徵在於所說的多個發射可見光的雷射器在一個預定的波長處發射輻射，使得所說的M×N圖像是單色的。
32.根據權利要求26的視覺顯示系統，其特徵在於所說的多個發射可見光的雷射器在多個波長處發射輻射，使得所發射的輻射是彩色的。
33.根據權利要求26的視覺顯示系統，其特徵在於所說的多個發射可見光的雷射器的所說的K×L陣列的1×L陣列對準三條直線，在每個直線上的所說的發射可見光的雷射器在不同的預定的波長處發射輻射。
34.根據權利要求33的視覺顯示系統，其特徵在於在所說的1×L陣列中的發射可見光的雷射器彼此交錯排列。
35.根據權利要求33的視覺顯示系統，其特徵在於在所說的1×L陣列的第一線上的所說的發射可見光的雷射器在電磁波譜的可見的紅光區域發射，在所說的1×L陣列的第二線中的豎式腔表面發射雷射器在電磁波譜的可見的綠光區域發射，和在所說的1×L陣列的第三線中的豎式腔表面發射雷射器在電磁波譜的可見的藍光區域發射。
36.根據權利要求26的視覺顯示系統還包括用來引導來自所說多個發射可見光的雷射器的輻射的傳輸的許多微小透鏡。
37.一個用來在觀察者的視場中顯示一個需要的圖象的視覺顯示系統，所說的視覺顯示系統包括一個具有多個豎式腔表面發射雷射器和發光二極體的雷射器陣列，所說的豎式腔表面發射器和發光二極體在可見光的電磁波譜內發射輻射;用來產生所說的雷射器陣列的一個光學圖像的裝置;用來在觀察者視場中反覆移動所說的光學圖像的位置的裝置;和當移動所說的圖像的位置以產生所需要的圖像時，用來有選擇地控制從所說的雷射器陣列發射的輻射的強度的裝置。
38.一個用來在觀察者的視場中顯示一個具有M×N個像素的所需要的圖像的視覺顯示系統，所說的視覺顯示系統包括多個基本上對準K個1×L陣列的表面發射雷射器，所說的1×L陣列以二個或多個雷射器組成形式布置;多個具有基本上對齊從所說雷射器發射的輻射的傳輸方向的光軸的小透鏡對，在一組小透鏡對中的每個用於成像雷射器的小透鏡對對應於降低了尺寸的圖像，使得降低了尺寸的圖像組的組間間距大於所說雷射器組間間距;用來產生降低了圖像尺寸的所說組的一個圖像的裝置;用來在觀察者的視場中反覆移動所說的圖像的位置的裝置，以便在降低了圖像尺寸的組之間產生輔助像素;和當移動所說的圖像的位置以產生所需要的M×N圖像時，用來有選擇地控制從所說的多個表面發射雷射器中的每一個雷射器發射的輻射的強度的裝置，其中M和N分別比K和L大。
39.根據權利要求38的視覺顯示系統，其特徵在於所說的表面發射雷射器是豎式腔表面發射雷射器。
40.根據權利要求38的視覺顯示系統，其特徵在於所說的表面發射雷射器是發光二極體。
41.根據權利要求38的視覺顯示系統，其特徵在於所說的表面發射雷射器是邊緣發射雷射二極體。
42.一個用來在觀察者的視場中顯示一個具有M×N個像素的所需要的圖像視覺顯示系統，所說的視覺顯示系統包括多個基本上對準K個1×L陣列的表面發射雷射器，所說的1×L陣列以二個或多個雷射器組的形式布置;多個具有一個基本上對齊從所說雷射器發射的輻射的傳輸方向的光軸的小透鏡對，在一組小透鏡對中的每個用於成像雷射器的小透鏡對對應於降低了尺寸的圖像，使得降低了尺寸的圖像組的組間間距大於所說雷射器組間間距;用來產生降低了圖像尺寸的所說組的一個圖像的裝置;用來在觀察者的視場中反覆移動所說的圖像的位置的裝置，以便在降低了圖像尺寸的組之間產生輔助像素和分別沿著所說圖像的第一及第二方向的像素;和當移動所說的圖像的位置以產生所需要的M×N圖像時，用來有選擇地控制從所說的多個表面發射雷射器中的每一個雷射器發射的輻射的強度的裝置，其中M和N分別比K和L大。
43.根據權利要求42的視覺顯示系統，其特徵在於所說的表面發射雷射器是豎式腔表面發射雷射器。
44.根據權利要求42的視覺顯示系統，其特徵在於所說的表面發射雷射器是發光二極體。
45.根據權利要求42的視覺顯示系統，其特徵在於所說的表面發射雷射器是邊緣發射雷射二極體。
46.一種掃描結構，包括多個基本上對準沿第一方向的至少一個1×N陣列的表面發射雷射器，所說的1×N陣列有一個像素間距d，且每一個所說的雷射器對應一個像素;用來產生一個所說的多個表面發射雷射器的圖像的裝置;和用來沿著所說的第一方向以一個小於像素間距d的距離反覆移動所說的多個表面發射雷射器的圖像的裝置，以便在鄰近雷射器的圖像之間產生輔助像素。
47.根據權利要求46的掃描結構，其特徵在於所說的表面發射雷射器是豎式表面發射雷射器。
48.根據權利要求46的掃描結構，其特徵在於所說的表面發射雷射器是發光二極體。
49.根據權利要求46的掃描結構，其特徵在於所說的表面發射雷射器是邊緣發射雷射二極體。
50.根據權利要求46的掃描結構，其特徵在於在所說的1×N陣列中的表面發射雷射器彼此交錯排列。
51.根據權利要求46的掃描結構，還包括沿一個第二方向反覆移動所說的多個表面發射雷射器的圖像的裝置，所說的第二方向基本上垂直於所說的第一方向。
52.根據權利要求51的掃描結構，其特徵在於所說的多個表面發射雷射器在多個波長處發射輻射，這樣使得所說的圖像是彩色的。
53.根據權利要求51的掃描結構，其特徵在於所說的多個表面發射雷射器對準在1×L陣列中的三條直線，在每條直線上的所說的表面發射雷射器在不同的預定的波長處發射輻射。
54.根據權利要求53的掃描結構，其特徵在於在所說的1×N陣列的第一線中的表面發射雷射器在電磁波譜的可見紅光區域發射，在所說的1×N陣列的第二線中的表面發射雷射器在電磁波譜的可見綠光區域發射，和在所說的1×N陣列的第三線中的表面發射雷射器在電磁波譜的可見藍光區域發射。
55.根據權利要求46的掃描結構，還包括用來導引來自所說多個表面發射雷射器的傳輸的許多微小透鏡。
56.根據權利要求46的掃描結構，其特徵在於所說的用來產生一個圖像的裝置包括一個光學透鏡系統。
57.根據權利要求46的掃描結構，其特徵在於所說的用來反覆移動所說圖像的裝置包括一個共振反射鏡。
58.根據權利要求46的掃描結構，其特徵在於所說的用來反覆移動所說的圖像的裝置包括一個旋轉反射鏡。
59.根據權利要求58的掃描結構，其特徵在於所說的旋轉反射鏡有M個側面，每個側面彼此間垂直傾斜。
全文摘要
本發明公開了一種採用一維和/或二維的發射可見光的豎式腔表面發射雷射器(VCSEL)陣列的視覺顯示系統。單獨地或結合地採用了搜索掃描和輔助掃描技術以便從VCSEL的1×L或K×L陣列產生一個完全的M×N圖像，其中M和N分別是K和L的整數倍。最好，把VCSEL放在一個顯示器外罩內，該顯示器外罩可以用一個固定機構固定到使用者頭部，或者也可以用一個固定機構固定到使用者頭部，或者也可以手持或固定在一個表面上。
文檔編號G02B27/22GK1082228SQ9310635
公開日1994年2月16日 申請日期1993年4月21日 優先權日1992年4月21日
發明者J·L·紀威爾, G·R·奧爾布賴特 申請人:班德加普技術公司