專利名稱：立體出瞳擴大器顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及顯示器設(shè)備，并且尤其涉及立體顯示器，其 使用多個衍射元件來擴大顯示器出瞳以便觀看。
背景技術(shù)：
雖然在實際中通常使用低分辨率的液晶顯示器(LCD )面板在移 動設(shè)備中顯示網(wǎng)絡(luò)信息和文本消息，但是使用高分辨率顯示器來瀏 覽文本和圖像的豐富信息內(nèi)容是優(yōu)選的?；谖@示器的系統(tǒng)可以 提供每毫米50-100行的全彩色像素。此類高分辨率通常適于虛擬顯 示器。虛擬顯示器通常包括提供圖像的微顯示器以及以以下方式為 操縱從圖像顯露的可見光的光學(xué)布置，其中該方式為使圖像看起來 和從直視顯示器面板看到的一樣大。虛擬顯示器可以是單眼式的也 可以是雙眼式的。
從朝向眼睛的成像光學(xué)器件呈現(xiàn)的可見光束的大小稱作出瞳 (exit pupil)。在近眼顯示器(NED)中，出瞳在直徑上通常小于 10mm。進一步放大出瞳使得使用虛擬顯示器變得非常容易，因為設(shè) 備可以放置在距眼睛一定距離處。
通常，為了使用具有多個衍射元件的出瞳光束擴大器提供立體 觀看，可以利用兩個微顯示器的圖像
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面， 一種裝置，包括光學(xué)材料的襯底， 其具有第一表面和第二表面，襯底包括沿線基本上彼此鄰近的第一
區(qū)域和第二區(qū)域；兩個衍射元件，布置在第一或第二表面上并且配 置為順序地接收包括顯示器的光學(xué)圖像的兩個輸入光束，從而兩個 輸入光束中的一個由兩個衍射元件中的 一個接收并且兩個輸入光束 中的另一個由兩個衍射元件中的另一個接收，其中分別地，兩個衍 射元件中的一個布置在第一區(qū)域上，并且兩個衍射元件中的另一個 布置在第二區(qū)域上；兩個其他衍射元件，布置在第一或第二表面上， 其中分別地，兩個其他衍射元件中的一個布置在第一區(qū)域上，并且 兩個其他衍射元件中的另 一 個布置在第二區(qū)域上；以及光學(xué)傳遞系 統(tǒng)，配置為在兩個衍射元件之間順序切換包括顯示器的光學(xué)圖像的 兩個輸入光束，其中兩個順序切換的輸入光束中的每個的至少部分 在任何時間僅在兩個衍射元件中的一個中衍射，從而基本上在第一 和第二表面內(nèi)利用兩個衍射元件中的 一 個在相同區(qū)域中提供衍射光 束，以及第一或第二區(qū)域中的至少部分衍射的光束進一步通過兩個 其他衍射元件中的一個中的衍射耦合出襯底，用于提供兩個順序切 換的并且基本上相同的輸出光束，每個輸出光束包括具有在一個或 兩個維度上擴大的出瞳的顯示器的光學(xué)圖像。
進一步根據(jù)本發(fā)明的第一方面，兩個順序切換并且基本上相同 的輸出光束可以用于提供顯示器的立體圖像。
進一步根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，兩個衍射元件可以基本上彼此 相鄰并且鄰近所述線。
仍舊進一步根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以包括兩 個光源，該兩個光源配置為在基本上不同的方向上提供兩個光束， 以便順序地切換兩個輸入光束。而且，兩個光源可以配置為以預(yù)定 的周期以順序的方式打開和關(guān)閉。而且，光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以包括線 柵偏光器，其配置為分束器以重定向兩個光束，從而在兩個衍射元 件之間順序切換兩個輸入光束，并且顯示器是硅上液晶顯示器。
進 一 步根據(jù)本發(fā)明的第 一 方面，光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以包括快門，該快門配置為以預(yù)定的周期在兩個衍射元件之間順序切換兩個輸入 光束。
仍舊進一步根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，襯底可以是單片(one-piece )襯底。
仍舊進一 步根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，襯底可以配置為在所述線 附近具有吸光材料，吸光材料位于與布置有兩個衍射元件的襯底表 面相對的襯底的表面上。
仍舊進一步根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，所述襯底可以是分裂襯底， 從而第一區(qū)域和第二區(qū)域是物理上分開的。而且，吸光材料可以沉 積在第一和第二部分沿所述線物理分開的區(qū)域中第一和第二部分的 至少一個的一端上。
仍舊進一步根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，兩個衍射元件或兩個其他 衍射元件的位置相對于所述線可以是對稱的。
仍舊進一步根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，兩個衍射元件可以具有不 對稱的凹槽形狀，使得由兩個衍射元件中的每個所衍射的輸入光束 基本上僅耦合至第一和第二區(qū)域當(dāng)中布置了兩個衍射元件中的每個 的區(qū)i或。
仍舊進一 步#4居本發(fā)明的第 一方面，兩個書t射元件可以具有不
仍舊進一 步根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，兩個衍射元件可以是不對 稱的，使得它們的凹槽形狀相對于分開第 一 和第二區(qū)域的所述線彼 此成鏡像。
仍舊進一步根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，兩個書f射元件和兩個其他 衍射元件可以布置在襯底的一個表面上。
仍舊進 一 步根據(jù)本發(fā)明的第 一 方面，襯底的第 一 和第二區(qū)域中 的每個區(qū)域可以包括中間衍射元件，從而在第一或第二衍射元件中 衍射的至少部分光束首先耦合至中間衍射元件，然后中間衍射元件 使用中間衍射元件中的進一 步衍射將至少部分衍射的光束耦合至布 置在每個區(qū)域上的兩個其他衍射元件中的 一個，從而在每個區(qū)域中提供兩個輸入光束之一的二維出瞳擴大。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面， 一種方法，包括由兩個衍射元件接 收兩個順序切換的輸入光束，從而兩個輸入光束中的一個由兩個衍 射元件中的一個接收，并且兩個輸入光束中的另一個由兩個衍射元 件中的另 一個接收，兩個衍射元件布置在光學(xué)材料制成的襯底的第 一或第二表面上，襯底包括沿線基本上彼此鄰近的第一區(qū)域和第二 區(qū)域，以及其中分別地，兩個衍射元件中的一個布置在第一部分上， 并且兩個衍射元件中的另一個布置在第二部分上，其中兩個順序切 換的輸入光束包括顯示器的光學(xué)圖像并且由光學(xué)傳遞系統(tǒng)提供；兩 個順序切換的輸入光束中的每個的至少部分在任何時間僅在兩個衍 射元件中的一個中衍射，從而基本上在第一和第二表面內(nèi)利用兩個 衍射元件中的一個在相同區(qū)域中提供衍射的光束；以及第一或第二
的衍射耦合出襯底，用于提供兩個順序切換并且基本上相同的輸出 光束，每個輸出光束包括具有在一個或兩個維度上擴大的出瞳的顯 示器的光學(xué)圖像，其中兩個其他衍射元件布置在第一或第二表面上， 其中分別地，兩個其他衍射元件中的一個布置在第一區(qū)域上，并且 兩個其他衍射元件中的另一個布置在第二區(qū)域上。
進一步根據(jù)本發(fā)明的第二方面，兩個順序切換并且基本上相同 的輸出光束可以用于提供顯示器的立體圖像。
進一步根據(jù)本發(fā)明的第二方面，兩個衍射元件可以基本上彼此 相鄰并且鄰近所述線。
仍舊進一步根據(jù)本發(fā)明的第二方面，光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以包括兩 個光源，該兩個光源配置為在基本上不同的方向上提供兩個光束， 以便順序地切換兩個輸入光束。
進 一 步根據(jù)本發(fā)明的第二方面，光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以包括快門，
入光束。
仍舊進一步根據(jù)本發(fā)明的第二方面，襯底可以是單片襯底。仍舊進一步根據(jù)本發(fā)明的第二方面，襯底可以是分裂襯底，從 而第 一 區(qū)域和第二區(qū)域是物理上分開的。
仍舊進一 步根據(jù)本發(fā)明的第二方面，兩個衍射元件可以具有不 對稱的凹槽形狀，使得由兩個衍射元件中的每個所衍射的輸入光束 基本上僅耦合至第一和第二區(qū)域當(dāng)中布置了兩個衍射元件中的每個 的區(qū)域。
仍舊進一 步根據(jù)本發(fā)明的第二方面，兩個衍射元件可以是不對 稱的，使得它們的凹槽形狀相對于分開第 一 和第二區(qū)域的所述線彼
此成4竟^f象。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面， 一種電子設(shè)備，包括 -數(shù)據(jù)處理單元；
-光學(xué)引擎，可操作地連接至數(shù)據(jù)處理單元，用于接收來自于數(shù) 據(jù)處理單元的圖像數(shù)據(jù)；
-顯示設(shè)備，可操作地連接至光學(xué)引擎，用于基于圖像數(shù)據(jù)形成 圖像；以及
-出瞳擴大器設(shè)備，包括
光學(xué)材料的襯底，其具有第一表面和第二表面，襯底包括沿線基 本上彼此鄰近的第 一 區(qū)域和第二區(qū)域；
兩個衍射元件，布置在第一或第二表面上并且配置為順序地接收 包括顯示器的光學(xué)圖像的兩個輸入光束，從而兩個輸入光束中的一 個由兩個衍射元件中的 一個接收，并且兩個輸入光束中的另 一個由 兩個衍射元件中的另一個接收，其中分別地，兩個衍射元件中的一 個布置在第一區(qū)域上，并且兩個衍射元件中的另一個布置在第二區(qū) 域上；
兩個其他衍射元件，布置在第一或第二表面上，其中分別地，兩 個其他衍射元件中的一個布置在第一區(qū)域上，并且兩個其他衍射元 件中的另一個布置在第二區(qū)域上；以及
光學(xué)傳遞系統(tǒng)，配置為在兩個衍射元件之間順序切換包括顯示器 的光學(xué)圖像的兩個輸入光束，其中
13兩個順序切換的輸入光束中的每個的至少部分在任何時間僅在 兩個衍射元件中的 一個中衍射，從而基本上在第 一和第二表面內(nèi)利 用兩個衍射元件中的 一個在相同區(qū)域中提供衍射的光束，以及
第一或第二區(qū)域中的至少部分衍射的光束進一步通過在兩個其 他衍射元件中的 一個中的衍射耦合出襯底，用于提供兩個順序切換 并且基本上相同的輸出光束，每個輸出光束包括具有在一個或兩個 維度上擴大的出瞳的顯示器的光學(xué)圖像。
進一步根據(jù)本發(fā)明的第三方面，兩個順序切換并且基本上相同 的輸出光束可以用于提供顯示器的立體圖像。
仍舊進一 步#4居本發(fā)明的第三方面，兩個書f射元件可以基本上 彼此相鄰并且鄰近所述線。
進一步根據(jù)本發(fā)明的第三方面，光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以包括兩個光 源，該兩個光源配置為在基本上不同的方向上提供兩個光束，以便 順序地切換兩個輸入光束。
仍舊進一 步根據(jù)本發(fā)明的第三方面，襯底可以是單片襯底。
仍舊進一步根據(jù)本發(fā)明的第三方面，襯底可以是分裂襯底，從 而第一區(qū)域和第二區(qū)域是物理上分開的。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面， 一種裝置，包括 光學(xué)傳遞裝置，用于提供包括顯示器的光學(xué)圖像的兩個順序切換 的輸入光束；
兩個衍射裝置，
用于由兩個衍射裝置接收兩個順序切換的輸入光束，從而兩 個輸入光束中的一個由兩個衍射裝置中的一個接收，并且兩個輸 入光束中的另 一個由兩個衍射裝置中的另 一個接收，兩個衍射裝 置布置在光學(xué)材料制成的襯底的第一或第二表面上，襯底包括沿 線基本上彼此鄰近的第一區(qū)域和第二區(qū)域，以及其中分別地，兩 個衍射裝置中的一個布置在第一部分上，并且兩個衍射裝置中的 另一個布置在所述第二部分上，其中兩個順序切換的輸入光束包 括顯示器的光學(xué)圖像并且由光學(xué)傳遞裝置提供，以及用于在任何時間僅在兩個衍射裝置中的 一個中衍射兩個順 序切換的輸入光束中的每個的至少部分，從而基本上在第一和第 二表面內(nèi)利用兩個衍射裝置中的 一 個在相同區(qū)域中提供衍射的
光束；以及
兩個其他衍射裝置，用于通過在兩個其他衍射裝置中的一個中的
衍射將第 一或第二區(qū)域中的至少部分衍射的光束耦合出襯底，用于
提供兩個順序切換并且基本上相同的輸出光束，即左輸出光束和右
輸出光束，每個輸出光束包括具有在一個或兩個維度上擴大的出瞳
的顯示器的光學(xué)圖像，
其中兩個其他衍射裝置布置在第一或第二表面上，其中分別地，
兩個其他衍射裝置中的一個布置在第一區(qū)域上，并且兩個其他衍射 裝置中的另一個布置在第二區(qū)域上。
進一步根據(jù)本發(fā)明的第四方面，裝置可以是立體光學(xué)設(shè)備并且
體圖像。


為了更好地理解本發(fā)明的性質(zhì)和目的，結(jié)合下面的附圖參考以 下的詳細描述，附圖中
圖la至圖ld是作為虛擬顯示器的一部分的一維衍射出瞳擴大器 (EPE)的示意性圖示(圖la中示出剖面圖，并且圖lb示出對應(yīng)于 顯示器前部的EPE的俯視圖)，以及圖lc中示出了入耦合光柵(例 如，使用傾斜的不對稱光柵)的示意性圖示(剖面圖)，以及圖ld 中示出了出耦合光柵的示意性圖示(剖面圖)；
圖2a和圖2b是根據(jù)本發(fā)明實施方式的在微顯示器的右圖像(圖 2a)和左圖像(圖2b)之間使用順序切換的具有扁平衍射出瞳擴大 器的立體光學(xué)設(shè)備(顯示器)的示意性圖示(剖面圖)；
圖3a和圖3b是根據(jù)本發(fā)明實施方式的在微顯示器的右眼圖像 (圖3a)和左眼圖像(圖3b)之間使用順序切換的具有分裂衍射出瞳擴大器的立體光學(xué)設(shè)備(顯示器)的示意性圖示(剖面圖)； 圖4a和圖4b是根據(jù)本發(fā)明實施方式的可以在出瞳擴大器中使用
的扁平傾斜的不對稱光柵(圖4a)和分裂入耦合光柵(圖4b)的示
意性圖示(剖面圖)；
圖5a和圖5b是根據(jù)本發(fā)明實施方式的二維出瞳擴大器的(兩個
區(qū)域中的) 一個區(qū)域的示意性圖示(俯視圖)，其中中間衍射元件 (光柵)具有奇數(shù)個一級衍射(在圖5a中示出)或偶數(shù)個其他一級
反射(在圖5b中示出)；以及
圖6是根據(jù)本發(fā)明實施方式的具有利用出瞳擴大器的立體顯示
器的電子設(shè)備示意性圖示。
具體實施例方式
呈現(xiàn)了新方法和裝置，用于使用在一個顯示器(例如，微顯示 器)的右圖像和左圖像之間順序切換，具有衍射出瞳擴大器的電子 設(shè)備中提供立體顯示器。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，光學(xué)傳遞系統(tǒng)可 以提供顯示器的順序左圖像和右圖像，并且然后，相應(yīng)使用具有不 對稱的(例如，高度傾斜的)入耦合光柵的出瞳擴大器(EPE)來左 右切換照明，其實際上僅對一個方向(例如，EPE襯底的一個區(qū)域) 發(fā)送可見光。本發(fā)明的實施方式可以應(yīng)用于寬光譜范圍的光束，但 是最重要的是應(yīng)用于光譜的可見部分，其中光束稱作可見光束。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，立體光學(xué)設(shè)備(例如，該設(shè)備可以是 虛擬現(xiàn)實顯示器的 一部分)可以包括具有第 一表面和相對的第二表 面的光學(xué)材料制成的襯底，其中該襯底包括沿線基本上彼此鄰近的 第一區(qū)域和第二區(qū)域。
而且，兩個衍射元件(或入耦合衍射光柵)可以布置在第一或 第二表面上，并且每個衍射元件可以配置為接收包括顯示器的光學(xué) 圖像的兩個輸入光束中的一個，其中分別地，兩個衍射元件中的一 個布置在第一區(qū)域上，并且兩個衍射元件中的另一個布置在第二區(qū)近。
這樣，兩個順序切換的輸入光束中的每個的至少部分在任何時 間僅在兩個衍射元件中的 一個中衍射，從而由于全內(nèi)反射基本上在 第一和第二表面內(nèi)在包括兩個衍射元件中的所述一個的相同區(qū)域中
提供衍射的光束。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以配置為在兩個衍射 元件之間順序地切換包括顯示器的光學(xué)圖像的兩個輸入光束。然后， 兩個區(qū)域可以獨立在一個或兩個維度上擴大輸入光束的出瞳，以提 供基本上相同的兩個輸出光束，即左輸出光束和右輸出光束，每個 輸出光束包括具有在一個或兩個維度上擴大的出瞳的顯示器的光學(xué) 圖像，這樣向觀察左和右輸出光束的用戶提供顯示器的立體圖像， 其中左圖像和右圖像之間的切換速度快到足以如本領(lǐng)域已知的那樣 在人腦中"融合，，顯示器的立體圖像。
在簡單的一維出瞳擴大的情況下，兩個其他衍射元件(或出耦 合衍射光柵)可以布置在第一或第二表面(例如，兩個其他衍射元 件可以具有平行的周期線和/或相對于所述線是對稱的)上，其中分 別地，兩個其他衍射元件中的一個布置在第一區(qū)域上，并且兩個其 他衍射元件中的另 一個布置在第二區(qū)域上，這樣襯底的第 一和第二 區(qū)域中的每個中的至少部分衍射的光束進一 步通過在兩個其他衍射
元件中的每個中的衍射(本領(lǐng)域已知)耦合出襯底，這樣提供隨著
時間順序交替的基本上相同的兩個輸出光束。注意，兩個衍射元件 和兩個其他衍射元件可以布置在所述襯底的一個表面上或不同表面上。
在二維出瞳擴大的情況下，襯底的第一和第二區(qū)域中的每個可 以包括中間衍射元件，從而在第 一 或第二衍射元件中衍射的至少部 分光束首先耦合至中間衍射元件，然后中間衍射元件使用中間衍射 元件中的進一 步衍射將至少部分衍射的光束耦合至布置在每個區(qū)域 中的兩個其他衍射元件中的一個，這樣通過第一和第二區(qū)域中的每 個提供兩個輸入光束中的 一個的二維出瞳擴大。中間衍射元件可以具有奇數(shù)個一級衍射或偶數(shù)個其他一級反射，如本領(lǐng)域中所知的，
以及例如由T. Levola在"Diffractive Optics for Virtual Reality Displays" ， SID E訓(xùn)display 05, Edinburg ( 2005 ) ， SID 02 Digest, Paper 22.1中所描述的。
根據(jù)本發(fā)明的其他實施方式，光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以包括兩個光源 (例如，發(fā)光二極管，通常提供偏振可見光)，兩個光源配置為在 基本上不同的方向上提供兩個光束，以便順序地切換兩個輸入光束， 其中兩個光源配置為以預(yù)定的周期以順序的方式打開和關(guān)閉。光學(xué) 傳遞系統(tǒng)可以進一步包括分束器，例如，使用線柵偏光器，其配置
光束而重定向兩個光束(參見圖2a、 2b、 3a和3b中的示例)。并 且，光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以包括快門，該快門配置為以預(yù)定的周期在所 述兩個衍射元件之間順序地切換兩個輸入光束a)附加為改進左和 右輸入光束的分離而打開和關(guān)閉可見光源，或b)通過避免光源的大 信號調(diào)制方式而取代打開和關(guān)閉可見光源，因此延長可見光源的壽 命。例如，硅上液晶(LCOS)類型的微顯示器可以例如以480幀/ 秒速度進行切換，其意味著160幀/秒全彩色速度以及80幀/秒立體 速度。
進一步根據(jù)本發(fā)明的實施方式，用于EPE的襯底可以使用例如 高度不對稱的傾斜衍射光柵實現(xiàn)為單片襯底，并且具有通過相應(yīng)的 輸入衍射元件耦合到襯底的希望區(qū)域(第一或第二)的高效率。對 比度可以進一步通過在襯底的相對表面(即，相對于布置有輸入衍 射元件的表面)上提供吸光材料來改善。該吸光材料的寬度應(yīng)該優(yōu) 化(例如，優(yōu)化為與襯底的厚度近似相同)，從而僅吸收在不希望 方向上傳播的光束。在單片扁平襯底的情況下，彼此鄰近的兩個衍 射元件可以#皮認為是一 個衍射光柵，例如具有光柵的兩個高度不對 稱的傾斜區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，用于EPE的襯底可以實現(xiàn)為分 裂襯底，從而所述第一區(qū)域和第二區(qū)域在物理上分開。此外，可以配置該分裂村底，以便第一和第二區(qū)域可以圍繞分開第一和第二區(qū) 域的所述線以預(yù)定的角度范圍相對于彼此旋轉(zhuǎn)從而提供更好的觀看。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，兩個衍射光柵(或入耦合衍射光柵) 可以使用各種不同類型的衍射光柵實現(xiàn)，例如，平面衍射光柵，其 使用平版印刷方法或經(jīng)典標準(具有不同的凹槽角度和輪廓，諸如 二元的、三元、正弦等)制造。兩個衍射元件(即，它們的凹槽) 相對于(虛擬地或者物理地)分割第一和第二區(qū)域的線可以是對稱 的或不對稱的。關(guān)于兩個入耦合光柵的凹槽的術(shù)語"不對稱"可以
具有兩個方面a)在兩個光柵的周期線(或凹槽)不平行時，以及 b)在兩個光柵的凹槽具有不同的傾斜角度時。因此， 一個可能性是 在兩個入耦合光柵中具有非平行不對稱周期線，這樣僅將襯底的每 個部分中的希望的分量重定向到相應(yīng)的出耦合光柵。另一個方案(其 可以與不對稱周期線組合)是使用傾斜的光柵(例如，使用至少大 于20度并且優(yōu)選地在35度和50度之間的傾斜光柵)來增加耦合效 率并且降低分裂襯底的第 一和第二部分(或左和右部分)之間的"光 學(xué)串?dāng)_，，。換言之，不對稱的光柵(用作兩個衍射元件)可以提供， 由兩個衍射元件中的每個所衍射的輸入光束基本上僅在希望的方向 上耦合至布置兩個衍射元件中的所述每個的部分。
而且，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，為了提供有效耦合以及最小化 分裂或單片襯底的兩部分之間的"光學(xué)串?dāng)_"，兩個傾斜的光柵可 以是不對稱的，從而它們的傾斜角度相等但是相對于產(chǎn)生輸入光束 的系統(tǒng)的光軸具有相反的符號，即，凹槽形狀相對于分開第一和第 二部分的線彼此成鏡像。而且，在分裂襯底的情況中，吸光材料可 以沉積在沿著分開第一和第二區(qū)域的線第一和第二部分物理上分開 的區(qū)域中的第 一和/或第二部分上。
圖la到圖ld示出了一維衍射出瞳擴大器(EPE)的示意性圖示， 其中圖la示出了剖面圖以及如圖lb示出了俯視圖，這樣針對右眼 和左眼提供兩個基本上相同的圖像，以及圖1 c示出了入耦合光柵(例如，使用傾斜的不對稱光柵)和圖ld示出了出耦合光柵的示意性圖 示(對應(yīng)于圖中所示的顯示器前端的EPE的俯視圖)?？梢姽鈴某?耦合光柵耦合出。每當(dāng)光束遇到光柵時，出耦合量取決于光柵屬性。 可以將系統(tǒng)設(shè)計為使得至少針對一個波長以及進入角度，輸出是一 致的，即r,r,...,如圖ld中所示，其中「、 i"2和t,、、...分別是 反射光束以及透射出EPE的光束，并且Il、 12..是由全內(nèi)反射在EPE 內(nèi)部反射的光束。圖2-圖6示出了用于提供顯示器(例如，微顯示 器)的立體圖像的本發(fā)明的不同實施方式。圖la-ld中示出的EPE
本發(fā)明的不同實施方式。
圖2a和圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的在微顯示器24的右 圖像32-ld (圖2a)和左圖像32-2d (圖2b )之間使用順序切換的具 有扁平衍射出瞳擴大器12 (例如，單片襯底)的立體光學(xué)設(shè)備(顯 示器)10 (或EPEi殳備)的示意性圖示(剖面圖)中的示例。在該 示例中的微顯示器24可以利用例如硅上液晶(LCOS)。
EPE 12是包括兩個鄰近區(qū)域12a和12b的固體襯底，該兩個鄰 近區(qū)域12a和12b沿線18 (在此，線18是虛構(gòu)的線)；波此鄰近。分 別地，區(qū)域12a包括入耦合光柵14a和出耦合光柵16a，以及區(qū)域12b 包括入耦合光柵14b和出耦合光柵16b。鄰近光柵14a和14b可以高 度不對稱，如圖4a的示例中進一步示出的。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以配置為在兩個衍射 元件14a和14b之間順序地切換包括微顯示器24的光學(xué)圖像的兩個 輸入光束。光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以包括可以合并在雙可見光源20中的兩 個光源(例如，發(fā)光二極管)20a和20b,兩個光源配置為在基本上 不同的方向上分別提供兩個光束32-1和32-2 (通常被偏振)，如圖 2a和2b所示，以便順序地切換包括微顯示器24的圖像的兩個輸入 光束32-lb和32-2b，通過入耦合光柵14a和14b將它們衍射為相應(yīng) 的光束32-lc和32-2c，并且進一步衍射為輸出光束(微顯示器30 的右圖像和左圖像)32-ld和32-2d,其中如上所述，兩個光源20a和20b配置為以預(yù)定的周期以順序的方式打開和關(guān)閉。這樣，向觀 察順序切換的左和右輸出光束32-ld和32-2d的用戶提供微顯示器 30的立體圖像，其中左圖像和右圖像之間的切換速度快到足以如本 領(lǐng)域已知的那樣在人腦中"融合"微顯示器的立體圖像。
例如，用于LCOS微顯示器24的光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以進一步包括 線柵偏光器26,其配置為偏振分束器以針對在所述兩個衍射元件之 間順序地切換兩個輸入光束而重定向反射的兩個光束(參見圖2a、 2b、 3a和3b中的示例)。原則上，也可以使用傳統(tǒng)的50%分束器， 其將導(dǎo)致超過75%的光功率損失，因此使用最小化光功率損失到最 小(通常小于20%)的線柵偏光器是有優(yōu)勢的。線柵偏光器在本領(lǐng) 域中已知，以及例如由S. Arnold, E.Gardner, D.Hansen和R. Perkins 在 "An improved polarizing beamsplitter LCOS Projection Display Based on Wire-Grid Polarizers" , SID 01 Digest, Paper 52.3， 1282-1285 頁(2001 )中所描述。
并且，光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以包括快門30,該快門30配置為以預(yù)定 的周期在兩個衍射元件14a和14b之間順序地切換兩個輸入光束 32-lb和32-2b: a)附加為改進左和右輸入光束32-lb和32-2b的分 離而打開和關(guān)閉可見光源20a和20b,或b)取代打開和關(guān)閉可見光 源20a和20b,這樣筒化照明光學(xué)器件。
圖3a和圖3b示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的在LCOS微顯示器 24的右圖像32-ld (圖3a)和左圖像32-2d (圖3b)之間使用順序 切換的具有分裂衍射出瞳擴大器(EPE) 12-1的立體光學(xué)設(shè)備(顯示 器)10a的示意性圖示(剖面圖)中的示例。與圖2a和圖2b相比， 圖3a和圖3b中的僅有差異在于，分別地，使用分裂EPE,其包括 物理上分開的區(qū)域12a和12b，以及物理上分開的輸入衍射光柵14a 和14b。使用分裂輸入衍射光柵14a和14b可以在區(qū)域12a和12b之 間提供更好的光學(xué)隔離以及圖像32-1 d和32-2d的更好分離。此外， 該分離襯底12-1可以配置使得第一和第二區(qū)域12a和12b可以圍繞 線18以預(yù)定的角度范圍(在圖3a和圖3b中示出的方向15上)相對于彼此旋轉(zhuǎn)，從而如果需要，則提供更好的觀看。
圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的圖2a和圖2b中示出的立體 光學(xué)顯示器IO的出瞳擴大器12(具有單片襯底)中使用的傾斜不對 稱光柵14a和14b (可以被認為是一個衍射光柵14)的示意性圖示 中的一個示例。光學(xué)對比度可以通過在線18附近與布置有輸入衍射
如，吸光涂層)17而進一步改善(如圖4a所示)。如果吸光區(qū)域的 寬度優(yōu)化到相比于圖4a所示的光柵14a和14b的總寬度足夠小，則 將僅吸收不需要的光束。這些不需要的光束是在沒有衍射的情況下 由光柵14a和14b透射的光束，以及在不希望的方向上傳播的那些 衍射的光束。
光柵14a和14b(光柵14a和14b的衍射凹槽相對于提供輸入光束的 系統(tǒng)的光軸面向不同方向)的在圖3a和圖3b中示出的立體光學(xué)顯 示器10a的分裂出瞳擴大器12-1的示意性圖示中的一個其他示例。 根據(jù)其他實施方式，衍射光柵14a和14b的端部可以沿著線18涂有 吸光材料20a和20b以進一步光學(xué)隔離區(qū)域12a和12b。類似于圖 4a，附加或取代吸光材料20a和20b,可以使用吸光材沖牛17a和17b 以進一步改善光學(xué)對比度。
圖5a和圖5b示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的二維衍射出瞳擴大器 12或12-1的兩個區(qū)域12a或12b中的一個區(qū)域的示意性圖示(剖面 圖)中的其他示例。中間衍射元件(衍射光柵)24或26具有奇數(shù)個 一級衍射(在圖4a中示出)或偶數(shù)個其他一級反射(在圖4b中示 出)，^口 T. Levola在"Diffractive Optics for Virtual Reality Displays", SID E訓(xùn)display 05, Edinburg ( 2005 ) ， SID 02 Digest, Paper 22.1 中所描述的。角度p是中間衍射光柵26與入耦合光柵14a或14b的 周期線之間的旋轉(zhuǎn)角度。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的具有利用出瞳擴大器(EPE) 12的立體顯示器10或10a的電子設(shè)備的示意性圖示的示例。出瞳擴大器(EPE) 12或12-1可以用在電子(便攜式)設(shè)備100 中，諸如移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)、通信器、便攜式互聯(lián) 網(wǎng)設(shè)備、手持計算機、數(shù)字攝像機和照相機、可佩帶計算機、計算 機游戲設(shè)備、用于觀看的專用入眼(bring-to-the-eye )產(chǎn)品以及其他 便攜式電子產(chǎn)品。如圖6所示，便攜式設(shè)備100具有外殼210以容 納用于從外部設(shè)備(未示出)接收信息以及向外部設(shè)備傳輸信息的 通信單元212。便攜式設(shè)備100還具有用于處理接收以及傳輸?shù)男畔?的控制和處理單元214，以及用于觀看的虛擬顯示器系統(tǒng)230。虛擬 顯示器系統(tǒng)230包括微顯示器或圖像源192以及光學(xué)引擎190?？刂?和處理單元214可操作地連接至光學(xué)引擎190以向圖像源192提供 圖像數(shù)據(jù)，從而在其上顯示圖像。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，EPE 10 或10a可以光學(xué)地鏈接至光學(xué)引擎190。
而且，如圖6所示的圖像源192可以是順序彩色LCOS(硅上液 晶)設(shè)備、OLED (有機發(fā)光二極管)陣列、MEME (微機電機械系 統(tǒng))設(shè)備或用于透射、反射或發(fā)射的任何其他合適的微顯示器設(shè)備。
而且，電子設(shè)備100可以是便攜式設(shè)備，諸如移動電話、個人 數(shù)字助理(PDA)、通信器、便攜式互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、手持計算機、數(shù) 字攝像機和照相機、可佩帶計算機、計算機游戲設(shè)備、用于觀看的 專用入眼產(chǎn)品以及其他便攜式電子產(chǎn)品。然而，根據(jù)本發(fā)明，出瞳 擴大器還可以使用在非便攜式設(shè)備中，諸如游戲設(shè)備、售貨機、 Band-o-matic以及家用電器，諸如烤箱、微波爐和其他設(shè)備以及其他 非便攜式設(shè)備。
應(yīng)該理解，上述布置僅是本發(fā)明原理的應(yīng)用的說明。本領(lǐng)域的 技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下設(shè)計出多個修改和可 替換布置，并且所附權(quán)利要求書旨在覆蓋此類修改和配置。
權(quán)利要求
1. 一種裝置，包括光學(xué)材料的襯底，其具有第一表面和第二表面，所述襯底包括沿線基本上彼此鄰近的第一區(qū)域和第二區(qū)域；兩個衍射元件，布置在所述第一或第二表面上并且配置為順序地接收包括顯示器的光學(xué)圖像的兩個輸入光束，從而所述兩個輸入光束中的一個由所述兩個衍射元件中的一個接收，并且所述兩個輸入光束中的另一個由所述兩個衍射元件中的另一個接收，其中分別地，所述兩個衍射元件中的一個布置在所述第一區(qū)域上，并且所述兩個衍射元件中的另一個布置在所述第二區(qū)域上；兩個其他衍射元件，布置在所述第一或第二表面上，其中分別地，所述兩個其他衍射元件中的一個布置在所述第一區(qū)域上，并且所述兩個其他衍射元件中的另一個布置在所述第二區(qū)域上；以及光學(xué)傳遞系統(tǒng)，配置為在所述兩個衍射元件之間順序地切換包括所述顯示器的光學(xué)圖像的所述兩個輸入光束，其中所述兩個順序切換的輸入光束中的每個的至少部分在任何時間僅在所述兩個衍射元件中的一個中衍射，從而基本上在所述第一和第二表面內(nèi)利用所述兩個衍射元件中的所述一個在相同區(qū)域中提供衍射的光束，以及所述第一或第二區(qū)域中的至少部分所述衍射的光束進一步通過在所述兩個其他衍射元件中的一個中的衍射耦合出所述襯底，用于提供兩個順序切換并且基本上相同的輸出光束，每個輸出光束包括具有在一個或兩個維度上擴大的出瞳的所述顯示器的光學(xué)圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述兩個順序切換并且基 本上相同的輸出光束用于提供所述顯示器的立體圖像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述兩個衍射元件基本上 -波此相鄰并且鄰近所述線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)傳遞系統(tǒng)包括兩個光源，所述兩個光源配置為在基本上不同的方向上提供兩個光束， 以便順序地切換所述兩個輸入光束。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述兩個光源配置為以預(yù) 定的周期以順序的方式打開和關(guān)閉。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述光學(xué)傳遞系統(tǒng)包括線 柵偏光器，其配置為分束器以針對在所述兩個衍射元件之間所述順 序地切換兩個輸入光束而重定向所述兩個光束，并且所述顯示器是 娃上液晶顯示器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)傳遞系統(tǒng)包括快 門，所述快門配置為以預(yù)定的周期在所述兩個衍射元件之間順序地 切換所述兩個輸入光束。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述襯底是單片襯底。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述村底配置為在所述線 附近具有吸光材料，所述吸光材料位于與布置有兩個衍射元件的襯 底表面相對的所述一十底的表面上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述村底是分裂襯底，從 而所述第 一 區(qū)域和第二區(qū)域是物理上分開的。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中吸光材料沉積在所述第一 和第二部分沿所述線物理分開的區(qū)域中所述第一和第二部分的至少一個的一端上。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述兩個衍射元件或所述 兩個其他衍射元件的位置相對于所述線是對稱的。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述兩個衍射元件具有不輸入光束基本上僅耦合至所述第一和第二區(qū)域當(dāng)中布置了所述兩個 衍射元件中的所述每個的區(qū)域。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述兩個衍射元件具有不 對稱的凹槽形狀并且是具有大于2 0度的傾斜角度的傾斜光柵。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述兩個衍射元件是不對稱的，使得它們的凹槽形狀相對于分開所述第 一 和第二區(qū)域的所述 線彼此成鏡像。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述兩個衍射元件和所述 兩個其他衍射元件布置在所述襯底的一個表面上。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述襯底的所述第一和第 二區(qū)域中的每個區(qū)域包括中間衍射元件，從而在所述第 一或第二衍 射元件中衍射的至少部分光束首先耦合至所述中間衍射元件，然后少部分所述衍射的光束耦合至布置在所述每個區(qū)域上的所述兩;其 他衍射元件中的 一個，從而在所述每個區(qū)域中提供所述兩個輸入光 束中的一個的二維出瞳擴大。
18. —種方法，包4舌由兩個書f射元件接收兩個順序切換的輸入光束，從而所述兩個輸 入光束中的一個由所述兩個衍射元件中的一個接收，并且所述兩個 輸入光束中的另 一個由所述兩個衍射元件中的另 一個接收，所述兩 個衍射元件布置在光學(xué)材料制成的襯底的第一或第二表面上，所述 襯底包括沿線基本上彼此鄰近的第 一 區(qū)域和第二區(qū)域，以及其中分 別地，所述兩個衍射元件中的所述一個布置在所述第一部分上，并 且所述兩個衍射元件中的所述另一個布置在所述第二部分上，其中 所述兩個順序切換的輸入光束包括顯示器的光學(xué)圖像并且由光學(xué)傳 遞系統(tǒng)提供；所述兩個順序切換的輸入光束中的每個的至少部分在任何時間 僅在所述兩個衍射元件中的 一 個中衍射，從而基本上在所述第 一 和 第二表面內(nèi)利用所述兩個衍射元件中的所述一個在相同區(qū)域中提供 衍射光束；以及所述第 一 或第二區(qū)域中的至少部分所述衍射的光束通過在所述 兩個其他衍射元件中的一個中的衍射耦合出所述襯底，用于提供兩 個順序切換并且基本上相同的輸出光束，每個輸出光束包括具有在 一個或兩個維度上擴大的出瞳的所述顯示器的光學(xué)圖像，其中所述兩個其他衍射元件布置在所述第一或第二表面上，其中 分別地，所述兩個其他衍射元件中的一個布置在所述第一區(qū)域上， 并且所述兩個其他衍射元件中的另一個布置在所述第二區(qū)域上。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述兩個順序切換并且 基本上相同的輸出光束用于提供所述顯示器的立體圖像。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述兩個衍射元件基本 上4皮此相鄰并且鄰近所述線。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述光學(xué)傳遞系統(tǒng)包括 兩個光源，所述兩個光源配置為在基本上不同的方向上提供兩個光 束，以便順序地切換所述兩個輸入光束。
22. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述光學(xué)傳遞系統(tǒng)包括 快門，所述快門配置為以預(yù)定的周期在所述兩個衍射元件之間順序 地切換所述兩個輸入光束。
23. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述村底是單片村底。
24. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述襯底是分裂襯底， 從而所述第 一 區(qū)域和第二區(qū)域是物理上分開的。
25. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述兩個衍射元件具有 不對稱的凹槽形狀，使得由所述兩個衍射元件中的每個所衍射的所 述輸入光束基本上僅耦合至所述第一和第二區(qū)域當(dāng)中布置了所述兩 個衍射元件中的所述每個的區(qū)域。
26. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述兩個衍射元件是不 對稱的，使得它們的凹槽形狀相對于分開所述第 一 和第二區(qū)域的所 述線彼此成鏡像。
27. —種電子設(shè)備，包括 -數(shù)據(jù)處理單元；-光學(xué)引擎，可操作地連接至所述數(shù)據(jù)處理單元，用于接收來自 于所述數(shù)據(jù)處理單元的圖像數(shù)據(jù)；-顯示設(shè)備，可操作地連接至所述光學(xué)引擎，用于基于所述圖像 數(shù)據(jù)形成圖像；以及-出瞳擴大器設(shè)備，包括光學(xué)材料的襯底，其具有第一表面和第二表面，所述襯底包括沿 線基本上彼此鄰近的第 一 區(qū)域和第二區(qū)域；兩個衍射元件，布置在所述第一或第二表面上并且配置為順序地 接收包括顯示器的光學(xué)圖像的兩個輸入光束，從而所述兩個輸入光 束中的一個由所述兩個衍射元件中的一個接收，并且所述兩個輸入 光束中的另一個由所述兩個衍射元件中的另 一個接收，其中分別地， 所述兩個書f射元件中的一個布置在所述第一區(qū)域上，并且所述兩個 衍射元件中的另一個布置在所述第二區(qū)域上；兩個其他衍射元件，布置在所述第一或第二表面上，其中分別地， 所述兩個其他衍射元件中的一個布置在所述第一區(qū)域上，并且所述 兩個其他衍射元件中的另 一 個布置在所述第二區(qū)域上；以及光學(xué)傳遞系統(tǒng)，配置為在所述兩個纟汙射元件之間順序地切換包括-所述顯示器的光學(xué)圖像的所述兩個輸入光束，其中所述兩個順序切換的輸入光束中的每個的至少部分在任何時間 僅在所述兩個衍射元件中的一個中衍射，從而基本上在所述第一和 第二表面內(nèi)利用所述兩個衍射元件中的所述一個在相同區(qū)域中提供 衍射的光束，以及所述第 一 或第二區(qū)域中的至少部分所述衍射的光束進 一 步通過 所述兩個其他衍射元件中的 一 個中的衍射耦合出所述襯底，用于提 供兩個順序切換并且基本上相同的輸出光束，每個輸出光束包括具 有在一個或兩個維度上擴大的出瞳的所述顯示器的光學(xué)圖像。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的電子設(shè)備，所述兩個順序切換并且 基本上相同的輸出光束用于提供所述顯示器的立體圖像。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的電子設(shè)備，其中所述兩個衍射元件 基本上彼此相鄰并且鄰近所述線。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的電子設(shè)備，其中所述光學(xué)傳遞系統(tǒng) 包括兩個光源，所述兩個光源配置為在基本上不同的方向上^是供兩 個光束，以便順序地切換所述兩個輸入光束。
31. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的電子設(shè)備，其中所述襯底是單片襯底。
32. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的電子設(shè)備，其中所述襯底是分裂襯 底，從而所述第一區(qū)域和第二區(qū)域是物理上分開的。
33. —種設(shè)備，包括光學(xué)傳遞裝置，用于提供包括顯示器的光學(xué)圖像的兩個順序切換 的專敘入光束；兩個衍射裝置，用于由兩個衍射裝置接收兩個順序切換的輸入光束，從而所 述兩個輸入光束中的一個由所述兩個衍射裝置中的一個接收，并 且所述兩個輸入光束中的另一個由所述兩個衍射裝置中的另一 個接收，所述兩個衍射裝置布置在光學(xué)材料制成的襯底的第一或 第二表面上，所述襯底包括沿線基本上彼此鄰近的第 一 區(qū)域和第 二區(qū)域，以及其中分別地，所述兩個衍射裝置中的所述一個布置 在所述第一部分上，并且所述兩個衍射裝置中的所述另一個布置 在所述第二部分上，其中所述兩個順序切換的輸入光束包括顯示 器的光學(xué)圖像并且由所述光學(xué)傳遞裝置提供，以及用于在任何時間僅在所述兩個衍射裝置中的 一個中衍射所 述兩個順序切換的輸入光束中的每個的至少部分，從而基本上在 所述第 一和第二表面內(nèi)利用所述兩個衍射裝置中的所述一個在 相同區(qū)域中提供衍射的光束；以及兩個其他衍射裝置，用于通過所述兩個其他衍射裝置中的一個中 的衍射將所述第 一或第二區(qū)域中的至少部分所述衍射的光束耦合出 所述襯底，用于提供兩個順序切換并且基本上相同的輸出光束，即 左輸出光束和右輸出光束，每個輸出光束包括具有在一個或兩個維 度上擴大的出瞳的所述顯示器的光學(xué)圖像，其中所述兩個其他衍射裝置布置在所述第一或第二表面上，其中 分別地，所述兩個其他衍射裝置中的一個布置在所述第一區(qū)域上， 并且所述兩個其他衍射裝置中的另一個布置在所述第二區(qū)域上。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備是立體光學(xué)設(shè) 備并且所述兩個順序切換并且基本上相同的輸出光束用于提供所述 顯示器的立體圖像。
全文摘要
說明書和附圖示出了新裝置和方法，用于使用在一個顯示器(例如，微顯示器)的右圖像和左圖像之間順序切換在具有衍射出瞳擴大器的電子設(shè)備中提供立體顯示。光學(xué)傳遞系統(tǒng)可以提供顯示器的順序左圖像和右圖像，并且然后，相應(yīng)使用具有不對稱的(例如，高度傾斜的)入耦合光柵的出瞳擴大器(EPE)來針對左和右切換照明，其實際上僅向一個方向(例如，EPE襯底的一個區(qū)域)發(fā)送可見光。
文檔編號G02B27/42GK101460883SQ200680054812
公開日2009年6月17日 申請日期2006年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月2日
發(fā)明者T·勒沃拉 申請人:諾基亞公司