專利名稱：分裂出瞳擴大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及顯示器設備，并且尤其涉及使用多個衍射元 件來擴大顯示器出瞳以便觀看的衍射光學方法。
背景技術：
雖然在實際中通常使用低分辨率液晶顯示器(L C D )面板在移動 設備中顯示網絡信息和文本消息，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容是優(yōu)選的?；谖@示器的系統(tǒng)可以提 供每毫米50-IOO行的全色彩像素。此類高分辨率通常適用于虛擬顯 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操 縱從圖像顯露的光的光學配置，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或者雙眼 式的。
從朝向眼睛的成像光學器件呈現的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，因為不需要瞳 孔間距(IPD)調整或相對于眼睛精確定位光學器件。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的第一方面， 一種裝置，包括具有第一表面和第 二表面的光學材料的分裂襯底，該分裂襯底包括第一部分和第二部分，它們在物理上分開并且配置為以預定的角度范圍圍繞分開第一 和第二部分的線相對于彼此旋轉；兩個衍射元件，布置在第一或第
二表面上并且配置為接收輸入光束，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
和第二部分的線；以及兩個其他衍射元件，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部分上， 并且兩個其他衍射元件中的另一個布置在第二部分上，其中在兩個 衍射元件中衍射至少部分輸入光束以基本上在第一和第二表面內分 別提供在第 一 部分和第二部分之間基本上等分的兩個衍射光束，以 及第一部分和第二部分的每個中的至少部分衍射光束進一步通過兩 個其他衍射元件的每個中的衍射耦合出分裂襯底，從而提供具有在 一個或兩個維度上擴大的出瞳的基本上相同的兩個輸出光束。
進一 步根據本發(fā)明的第 一方面，可以使用至少 一個以下條件配 置所述裝置a)兩個區(qū)域相對于分開第一和第二部分的線是對稱的， 每個區(qū)域由兩個衍射元件中的一個占用，以及b)兩個其他區(qū)域相對 于分開第 一 和第二部分的線是對稱的，每個其他區(qū)域由兩個其他衍 射元件中的一個占用。
進一步根據本發(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可以 基本上僅耦合至第一和第二部分當中的一個部分，在所述部分中可 以布置兩個衍射元件中的每個。
仍舊進 一 步根據本發(fā)明的第 一 方面，兩個衍射元件可以具有不 對稱的凹槽形狀并且可以是具有大于20度的傾斜角度的傾斜光柵。
進 一 步根據本發(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部分的線彼此成鏡像。
仍舊進一 步根據本發(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一個表面上，即分裂襯底的第一和第二部分的 第一表面或第二表面。仍舊進 一 步根據本發(fā)明的第 一 方面，吸光材料可以沉積在以下
至少一個位置處a)第一和第二部分沿所述線物理分開的區(qū)域中第 一和第二部分中的至少一個的一端，以及b)與布置有兩個衍射元件 的表面相對的分裂襯底的表面。
仍舊進一 步根據本發(fā)明的第 一方面，兩個衍射元件的凹槽相對 于分開第一和第二部分的線可以是對稱的。
仍舊進一步根據本發(fā)明的第 一方面，分裂襯底的第 一和第二部 分中的每個部分可以包括中間衍射元件，/人而在第 一或第二書于射元
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
至布置在每個部分上的兩個其他衍射元件中的一個，從而通過每個 部分提供輸入光束的二維出瞳擴大。而且，裝置可以配置為中間衍 射元件具有奇數4^一級衍射或偶數個其他一級反射。再進一步，兩 個衍射元件中的每個包括具有周期d的周期線并且中間衍射元件包 括具有可以等于以下等式的周期d，的其他周期線
(1 + —sin")2cos/
其中a是在第一部分和第二部分以預定角度范圍旋轉以二者都 位于平面中時，第一部分或第二部分的法線與包括第一部分和第二 部分的所述平面的法線之間的角度，p是周期線和其他周期線之間的 角度，以及X是輸入光束的波長。
根據本發(fā)明的第二方面， 一種方法，包括由布置在光學材料 制成的分裂襯底的第 一或第二表面上的兩個衍射元件接收輸入光 束，分裂襯底包括第一部分和第二部分，它們在物理上分開并且配 置為以預定的角度范圍圍繞分開第一和第二部分的線相對于彼此旋 轉，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，以及兩個書t射元 件基本上彼此緊鄰并且相鄰于分開第一和第二部分的線，以及兩個 區(qū)域相對于分開第 一 和第二部分的線是對稱的，每個區(qū)域由兩個衍射元件中的 一 個占用；在兩個衍射元件中衍射至少部分輸入光束以 基本上在第一和第二表面內分別提供在第一部分和第二部分之間基 本上等分的兩個衍射光束；第 一部分和第二部分的每個中的至少部 分衍射光束通過兩個其他衍射元件的每個中的衍射耦合出分裂襯 底，從而提供具有在一個或兩個維度上擴大的出瞳的基本上相同的 兩個輸出擴大光束，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部分上， 并且兩個其他衍射元件中的另一個布置在第二部分上。
進一 步根據本發(fā)明的第二方面，兩個衍射元件可以具有不對稱
上僅耦合至第一和第二部分當中的一個部分，在所述部分中布;了 兩個衍射元件中的每個。
進一步根據本發(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 和第二部分的線彼此成鏡像。
仍舊進一步根據本發(fā)明的第二方面，吸光材料可以沉積在以下 至少一個位置處a)第一和第二部分沿所述線物理分開的區(qū)域中第 一和第二部分中的至少一個的一端，以及b)與布置有兩個衍射元件 的表面相對的分裂襯底的表面。
根據本發(fā)明的第三方面， 一種電子設備，包括
-數據處理單元；
-光學引擎，可操作地連接至數據處理單元，用于接收來自數據 處理單元的圖像數據；
-顯示設備，可操作地連接至光學引擎，用于基于圖像數據形成 圖像；以及
-出瞳擴大器，包括
光學材料的分裂村底，其具有第一表面和第二表面，分裂襯底包 括第一部分和第二部分，它們在物理上分開并且配置為以預定的角 度范圍圍繞分開第 一和第二部分的線相對于彼此旋轉；
兩個衍射元件，布置在第一或第二表面上并且配置為接收輸入光束，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，以及兩個衍射元件基
本上彼此緊鄰并且相鄰于分開第 一和第二部分的線；以及
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
個其他書于射元件中的一個布置在第一部分上，并且兩個其他f;f射元 件中的另一個布置在第二部分上，其中
二表面內分別提供在第一部分和第二部分之間基本上等分的兩個衍 射光束，以及
第一部分和第二部分的每個中的至少部分衍射光束進一步通過 兩個其他衍射元件的每個中的衍射耦合出分裂襯底，從而提供具有 在一個或兩個維度上擴大的出瞳的基本上相同的兩個輸出光束。
進一步根據本發(fā)明的第三方面，電子設備可以進一步包括EPE 角度調整塊，其配置為使第一部分和第二部分圍繞所述線相對于彼 it匕^^哞爭。
仍舊進一 步根據本發(fā)明的第三方面，所述電子設備可以是數碼 照相機、計算機游戲設備、無線設備、便攜式設備或移動終端。
進 一 步根據本發(fā)明的第三方面，可以4吏用至少 一 個以下條件配 置電子設備a)兩個區(qū)域相對于分開第 一和第二部分的線是對稱的， 每個區(qū)域由兩個衍射元件中的一個占用，以及b)兩個其他區(qū)域相對 于分開第一和第二部分的所述線是對稱的，每個其他區(qū)域由兩個其 他衍射元件中的 一個占用。
仍舊進一 步根據本發(fā)明的第三方面，兩個書f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部分當中的一個部分，在所述部分中布 置了兩個衍射元件中的每個。
仍舊進一 步#4居本發(fā)明的第三方面，兩個書f射元件可以是不對 稱的，使得它們的凹槽形狀相對于分開第 一 和第二部分的所述線彼 此成鏡像。仍舊進一 步根據本發(fā)明的第三方面，兩個衍射元件和兩個其他 衍射元件可以布置在一個表面上，即分裂襯底的第一和第二部分的 第 一表面或第二表面。
仍舊進一步根據本發(fā)明的第三方面，吸光材料可以沉積在以下
至少一個位置處a)第一和第二部分沿所述線物理分開的區(qū)域中第 一和第二部分中的至少一個的一端，以及b)與布置有兩個衍射元件 的表面相對的分裂襯底的表面。
根據本發(fā)明的第四方面， 一種護目鏡，包括
-可佩戴外殼；以及
-出瞳擴大器，可操作地附接至可佩戴外殼，出瞳擴大器包括 光學材料的分裂襯底，其具有第一表面和第二表面，分裂襯底包 括第一部分和第二部分，它們在物理上分開并且配置為以預定角度 范圍圍繞分開第 一和第二部分的線相對于彼此旋轉；兩個衍射元件， 布置在第一或第二表面上并且配置為接收輸入光束，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，以及兩個衍射元件基本上彼此緊鄰并且 相鄰于分開第一和第二部分的線；以及兩個其他4汙射元件，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 在第一部分上，并且兩個其他衍射元件中的另一個布置在第二部分 上，其中至少部分所述輸入光束在兩個衍射元件中衍射，從而基本 上在第一和第二表面內分別提供在第一部分和第二部分之間基本上 等分的兩個衍射光束，以及第 一部分和第二部分的每個中的至少部 分衍射的光束進一步通過兩個其他衍射元件的每個中的衍射耦合出 分裂襯底，從而提供具有在一個或兩個維度上擴大的出瞳的基本上 相同的兩個輸出光束，使得兩個輸出光束中的每個僅提供到 一個部 分，即護目鏡的左目或者右目。
進一步根據本發(fā)明的第四方面，護目鏡可以進一步包括EPE 角度調整塊，其配置為向出瞳擴大器提供調整信號，以便使第一部 分和第二部分以預定角度范圍相對于彼此旋轉。根據本發(fā)明的第五方面， 一種設備，包括
兩個用于衍射的裝置，
用于接收輸入光束，其中兩個用于衍射的裝置布置在光學材 料制成的分裂襯底的第一或第二表面上，分裂襯底包括第一部分 和第二部分，它們在物理上分開并且配置為以預定角度范圍圍繞 分開第一和第二部分的線相對于彼此旋轉，并且其中分別地，兩 個用于衍射的裝置中的一個布置在第一部分上，并且兩個用于衍 射的裝置中的另一個布置在第二部分上，以及兩個用于衍射的裝 置基本上彼此緊鄰并且相鄰于分開第一和第二部分的線，以及兩 個區(qū)域相對于分開第 一和第二部分的線是對稱的，每個區(qū)域由兩 個用于衍射的裝置中的一個占用，以及
用于在兩個用于衍射的裝置中衍射至少部分輸入光束，從而 基本上在第一和第二表面內分別提供在第一部分和第二部分之 間基本上等分的兩個衍射光束；以及
兩個用于衍射的其他裝置，用于通過兩個用于衍射的其他裝置的 每個中的衍射將第 一部分和第二部分的每個中的至少部分衍射光束 耦合出分裂襯底，以提供具有在一個或兩個維度上擴大的出瞳的基 本上相同的兩個輸出擴大光束，
其中兩個用于衍射的其他裝置布置在第一或第二表面上，其中 分別地，兩個用于衍射的其他裝置中的一個布置在第一部分上，并 且兩個用于衍射的其他裝置中的另一個布置在第二部分上。
進一步根據本發(fā)明的第五方面，兩個用于衍射的裝置可以是兩 個入耦合(in-coupling)衍射光柵并且兩個用于衍射的其他裝置可以 是兩個出耦合(out-coupling )衍射光柵。


為了更好地理解本發(fā)明的性質和目的，結合下面的附圖參考以 下的詳細描述，附圖中
圖la和圖lb是如圖la所示具有衍射出瞳擴大器的虛擬現實顯示器的示意性圖示以及圖1 b所示的衍射出瞳擴大器的出耦合光柵的 示意性圖示；
圖2a和圖2b是根據本發(fā)明實施方式的分裂 一 維衍射出瞳擴大器 的示意性圖示(圖2a和圖2b中分別示出了剖面圖和俯視圖)；
耦合光柵的示意性圖示；
圖4a和圖4b是根據本發(fā)明實施方式的分裂二維衍射出瞳擴大器 的(兩個部分當中的) 一個部分的示意性圖示，其中中間衍射元件 (光柵)具有奇數個一級衍射(在圖4a中示出)或偶數個其他一級 反射(在圖4b中示出)；
圖5是根據本發(fā)明實施方式的在"太陽鏡之類"的框架中的扁 平衍射出瞳擴大器的示意性圖示；以及
圖6是根據本發(fā)明實施方式的具有出瞳擴大器的電子設備的示 意性圖示。
具體實施例方式
描述了一種新方法和設備，用于使用分裂出瞳擴大器提供(代 替扁平出瞳擴大器)廣義衍射光學方法，該方法使用多個衍射元件 來擴大電子設備顯示器的出瞳以便觀看。本發(fā)明的實施方式可以應 用于寬光譜范圍的光束，但是最重要的是應用于光譜的可見部分， 其中光束稱作可見光束(light beam)。
根據本發(fā)明的實施方式，光學器件(例如，該光學器件是虛擬 現實顯示器的一部分)可以包括光學材料制成的分裂襯底，其具有 第一表面和相對的第二表面，其中分裂村底包括第一部分和第二部 分(或者左側部分和右側部分)，它們在物理上分開并且配置為以 預定角度范圍圍繞分開第一和第二部分的線相對于彼此旋轉。
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 二表面上并且配置為接收輸入光束，其中分別地，這兩個衍射元件 中的一個布置在第一部分上，并且這兩個衍射元件中的另一個布置分開第一和第二部分的線，以及兩個區(qū)域相對于分開第一和第二部 分的線可以是對稱的，每個區(qū)域由所述兩個衍射元件中的 一 個占用。 因此，至少部分輸入光束在兩個衍射元件中衍射，從而由于全內反 射，基本上在第一和第二表面內分別提供在第一部分和第二部分之 間基本上等分的兩個衍射光束。然后，兩個部分可以在一維或二維 中獨立地擴大輸入光束的出瞳以提供基本上相同的兩個輸出光束。
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上(例如，兩個其他衍射 元件可以具有平行的周期線)，其中分別地，兩個其他衍射元件中 的一個布置在第一部分上，并且所述兩個其他衍射元件中的另一個 布置在第二部分上，并且兩個其他區(qū)域相對于分開第一和第二部分 的線可以是對稱的，每個其他區(qū)域由所述兩個其他衍射元件中的一 個占用，這樣分裂襯底的第一部分和第二部分的每個中的至少部分 衍射的光束進一 步通過兩個其他衍射元件的每個中的衍射(現有技 術中已知)耦合出分裂襯底，這樣提供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分裂襯底 的一個表面上或不同的多個表面上。
在二維出瞳擴大的情況下，分裂襯底的第一和第二部分中的每 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
分上的兩個其他衍射元件中的 一個，這樣通過第 一和第二部分中的 每個部分提供輸入光束的二維出瞳擴大。中間衍射元件可以具有奇 數個一級衍射或偶數個其他一級反射，如本領域中已知的以及例如
由T. Levolaz在"Diffractive Optics for Virtual Reality Displays" ， SID Eurodisplay 05， Edinburg ( 2005 ) , SID 02 Digest, Paper 22.1中所
描述的。
根據本發(fā)明的實施方式，兩個衍射元件(或入耦合衍射光柵)可以-使用各種不同類型的書f射光^"實現，例如，z使用平^L印刷方法 或經典標準(具有不同的凹槽角度和輪廓，諸如二值(binary)、三 角(triangular)、正弦等)制造的平面衍射光柵。兩個衍射元件(即， 它們的凹槽)相對于分開第一和第二部分的線可以是對稱的或不對 稱的。用于兩個入耦合光柵的凹槽的術語"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 入耦合衍射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度之間的傾斜角度)來增加耦合效 率并且降低分裂襯底的第一和第二部分(或左側部分和右側部分) 之間的"光學串擾(optical crosstalk )"。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在其中布置所述兩個衍射元 件中的每個的部分。
而且，根據本發(fā)明的實施方式，兩個傾斜的光柵是不對稱的，
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。這最小化了分裂襯底的兩部分之間的光學串擾(即，改進 了圖像對比度)。而且，吸光材料可以沉積在沿分開第一和第二部 分的線的第 一 和第二部分物理分開的區(qū)域中的第 一 和/或第二部分 上。對比度可以通過在分裂襯底的相對表面(即，相對于具有布置 的輸入衍射元件的表面)上提供吸光材料來進一步改進。該吸光材 料的寬度應該優(yōu)化(例如，優(yōu)化為與襯底的厚度近似相同)，從而 僅吸收在不希望的方向上傳播的光束。
圖la和圖lb示出了以下示意性圖示中的示例如圖la所示的 具有衍射出瞳擴大器(EPE)的虛擬現實顯示器，針對右眼和左眼， 使用如圖lb所示的出耦合光柵提供兩個基本上相同的圖像。光從出耦合光柵耦合出。光束每次遇到光柵的出耦合量取決于光柵屬性?？梢詫⑾到y(tǒng)設計為使得至少針對一個波長和進入角度，輸出是均勻
的，即如圖lb中所示的r「 r2=...，其中r，、 iv..和t。 12...分別是反射出和透射出EPE的光束，并且II、 12..是由全內反射在EPE內
部反射的光束。具有圖lb中所示的出耦合光柵的圖la的虛擬現實顯示器的示例可以用于應用本發(fā)明的實施方式。圖2-圖6闡釋了本發(fā)明的不同實施方式。
圖2a和圖2b示出了根據本發(fā)明實施方式的分裂一維衍射出瞳擴大器(EPE) 10的示意性圖示(圖2a和圖2b中分別示出了剖面圖和俯—見圖)中的示例。EPE10包括分裂村底，其包4舌兩個相鄰部分12a和12b,它們是以線18物理上分開的兩部分。這兩個部分12a和12b配置為以預定角度范圍圍繞線18相對于彼此在方向15上旋轉，該預定角度范圍為虛擬現實顯示器設計提供了靈活性(角度a是相鄰部分12a或12b與平面13之間的角度，該平面13在平面位置包括兩部分12a和12b,角度a等于相鄰部分12a或12b的法線與水平平面13的法線之間的角度)。分別地，部分12a包括入耦合光柵14a和出耦合光柵16a,以及部分12b包括入耦合光4冊14b和出耦合光柵16b。相鄰光柵14a和14b可以相同(或對稱)或不對稱，如圖3中進一步示出的。注意，入耦合光柵14a和14b通常可以是用于衍射的裝置或結構等同裝置(或等同結構)。類似地，出耦合光柵16a和16b通常可以是用于衍射的其他裝置或結構等同裝置(或等同結構)。
圖3a是根據本發(fā)明實施方式的分裂出瞳擴大器IO的示意性圖示中的一個示例，其使用傾斜非對稱入耦合光柵14a和14b (光柵14a和14b的衍射凹槽相對于產生輸入光束的系統(tǒng)的光軸面向不同方向)。根據其他實施方式，可以沿著線18利用吸光材料(例如，涂層)20a和20b涂敷衍射光柵14a和14b的端部，從而進一步(光學地)隔離兩個部分12a和12b。
光學對比度可以通過在與布置有線18附近的輸入衍射光柵14a和14b的襯底表面相對的分裂襯底12a和12b的表面上提供吸光材料(例如，吸光涂層)17a和17b進一步改善(如圖3a所示)。如果吸光區(qū)域的寬度優(yōu)化為相比于圖3a所示的光柵14a和14b的總寬度足夠小，則將僅吸收不期望的光束。這些不期望的光束是在沒有衍射而由光柵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光束。除了吸光材料20a和20b，可以額外使用吸光材料17a和17b,或者用吸光材料17a和17b代替吸光材料20a和20b。
圖3b是根據本發(fā)明實施方式的分裂出瞳擴大器10的示意性圖示中的另一個示例，其使用傾斜非對稱入耦合光柵14a和14b。配置類似于圖3a中示出的擴大器10,但是利用來自于觀察者側的輸入光束，這使系統(tǒng)略微地更加緊湊。
圖4a和圖4b分別示出了根據本發(fā)明實施方式的分裂二維衍射出瞳擴大器10a和10b的一個部分(12a或12b)的示意性圖示中的其他示例。中間衍射元件(衍射光柵)24或26具有奇數個一級衍射(圖4a所示)或偶數個其他一級反射(圖4b所示)，如T. Levola在"Diffractive Optics for Virtual Reality Displays" , SID Eurodisplay 05，Edinburg ( 2005 ) , SID 02 Digest, Paper 22.1中所描述的。角度p是中間衍射光柵24或26的周期線與入耦合分裂光柵14a或14b的周期線之間的旋轉角度。
根據本發(fā)明的其他實施方式，入耦合光柵14a或14b的周期線的周期d與中間衍射光柵16a或者16b的其他周期線的周期d，之間的關系可以表示如下
(l + — sin")2cos/
其中a是如圖2a所示的相鄰部分12a或12b與平面13之間的角度，p是如圖4a和圖4b所示的入耦合光柵14a或14b的周期線與中間衍射光柵16a或16b的其他周期線之間的角度，以及X是輸入光束的波長。11中的分裂衍射出瞳擴大器10、 10a或10b的示意性圖示中的其他示例。根據本發(fā)明的實施方式，出瞳擴大器IO、 10a或10b可^:作地附接至可佩帶外殼lla,從而分裂EPEIO、 10a或10b的分裂部分(第一和第二部分)可以以預定角度范圍旋轉?？膳鍘鈿la可
以是玻璃外殼、諸如太陽鏡框架或眼鏡框架等。圖5還示出了 EPE角度調整塊30，其可以是框架11的一部分并且可以用于提供調整信號30a以便以預定角度范圍旋轉分裂EPE 10、 10a或10b的分裂部分，從而針對觀看提供最舒適并且有效的位置。
圖6示出了根據本發(fā)明實施方式的具有出瞳擴大器(EPE) 10、10a或10b的電子設備的示意性圖示的示例。
出瞳擴大器(EPE) 10、 10a或10b可以用在電子(便攜式)設備100中，諸如移動電話、個人數字助理(PDA)、通信器、便攜式互聯網設備、手持計算機、數字攝像機和照相機、可佩帶計算機、計算機游戲設備、用于觀看的專用入眼(bring-to-the-eye )產品以及其他便攜式電子產品。如圖6所示，便攜式設備100具有外殼210以容納用于從外部設備(未示出)接收信息以及向外部設備傳輸信息的通信單元212。便攜式設備100還具有用于處理接收以及傳輸的信息的控制和處理單元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以及光學引擎190。控制和處理單元214可^t喿作地連接至光學引擎190以向圖像源192提供圖像數據，從而在其上顯示圖像。根據本發(fā)明，EPE 10、 10a或10b可以光學地鏈接至光學引擎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)設備、OLED (有機發(fā)光二極管)陣列、MEME (微機電系統(tǒng))設備或用于傳輸、反射或射出的任何其他合適的微顯示器設備。
而且，電子設備100可以是便攜式設備，諸如移動電話、個人數字助理(PDA)、通信器、便攜式互聯網設備、手持計算機、數字攝像機和照相機、可佩帶計算機、計算機游戲設備、用于觀看的專用入眼產品以及其他便攜式電子產品。然而，根據本發(fā)明，出瞳擴大器還可以使用在非便攜式設備中，諸如游戲設備、售貨機、
Band-o-matic以及家用電器，諸如烤箱、微波爐和其他設備以及其他非便攜式設備。
立、組合或選擇性組合使用。
應該理解，上述布置僅是本發(fā)明原理的應用的說明。本領域的技術人員可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下設計出多個修改和可替換布置，并且所附權利要求書旨在覆蓋此類修改和配置。
權利要求
1. 一種設備，包括光學材料的分裂襯底，其具有第一表面和第二表面，所述分裂襯底包括第一部分和第二部分，它們在物理上分開并且配置為以預定角度范圍圍繞分開所述第一部分和第二部分的線相對于彼此旋轉；兩個衍射元件，布置在所述第一或第二表面上并且配置為接收輸入光束，其中分別地，所述兩個衍射元件中的一個布置在所述第一部分上，并且所述兩個衍射元件中的另一個布置在所述第二部分上，以及所述兩個衍射元件基本上彼此緊鄰并且相鄰于分開所述第一和第二部分的所述線；以及兩個其他衍射元件，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部分上，并且所述兩個其他衍射元件中的另一個布置在所述第二部分上，其中至少部分所述輸入光束在所述兩個衍射元件中衍射，從而基本上在所述第一和第二表面內分別提供在所述第一部分和第二部分之間基本上等分的兩個衍射光束，以及所述第一部分和第二部分的每個中的至少部分所述衍射光束進一步通過所述兩個其他衍射元件的每個中的衍射耦合出所述分裂襯底，從而提供具有在一個或兩個維度上擴大的出瞳的基本上相同的兩個輸出光束。
2. 根據權利要求1所述的設備，其中使用至少一個以下條件配 置所述設備兩個區(qū)域相對于分開所述第一和第二部分的所述線是對稱的，每 個所述區(qū)域由所述兩個衍射元件中的一個占用，以及兩個其他區(qū)域相對于分開所述第一和第二部分的所述線是對稱 的，每個所述其他區(qū)域由所述兩個其他衍射元件中的一個占用。
3. 根據權利要求1所述的設備，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部分當中的一個部分，在 所述部分中布置了所述兩個衍射元件中的所述每個。
4. 根據權利要求1所述的設備，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20度的傾斜角度的傾斜光柵。
5. 根據權利要求1所述的設備，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部分的所述 線彼此成鏡像。
6. 根據權利要求1所述的設備，其中所述兩個衍射元件和所述 兩個其他衍射元件布置在一個表面上，即所述分裂村底的所述第一 和第二部分的所述第一表面或所迷第二表面。
7. 根據權利要求1所述的設備，其中吸光材料沉積在以下至少 一個位置處第一和第二部分沿所述線物理分開的區(qū)域中，第一和第二部分中 的至少一個的一端，以及
8. 根據權利要求1所述的設備，其中所述兩個衍射元件的凹槽 相對于分開所述第 一 和第二部分的所述線是對稱的。
9. 根據權利要求1所述的設備，其中所述分裂村底的所述第一 和第二部分中的所述每個部分包括中間衍射元件，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將所述至少部分所述衍射的光束耦合至布置在所述每個部分上的所 述兩個其他衍射元件中的 一個，從而通過所述每個部分提供所述輸 入光束的二維出瞳擴大。
10. 根據權利要求9所述的設備，其中所述兩個衍射元件中的每 個包括具有周期d的周期線并且所述中間衍射元件包括具有等于以 下等式的周期d，的其他周期線<formula>formula see original document page 3</formula>其中a是在所述第一部分和第二部分以所述預定角度范圍旋轉 而都位于平面中時，所述第一部分或第二部分的法線和包括所述第 一部分和第二部分的所述平面的法線之間的角度，p是所述周期線和 所述其他周期線之間的角度，以及X是所述輸入光束的波長。
11. 根據權利要求9所述的設備，其中配置所述設備以便所述中 間衍射元件具有奇數個一級衍射或偶數個其他一級反射。
12. —種方法，包括由布置在光學材料制成的分裂襯底的第一或第二表面上的兩個 衍射元件接收輸入光束，所述分裂襯底包括第一和第二部分，它們 在物理上分開并且配置為以預定角度范圍圍繞分開所述第一和第二 部分的線相對于彼此旋轉，以及其中分別地，所述兩個衍射元件中 的一個布置在所述第一部分上，并且所述兩個衍射元件中的另一個 布置在所述第二部分上，以及所述兩個衍射元件基本上彼此緊鄰并 且相鄰于分開所述第一和第二部分的所述線，以及兩個區(qū)域相對于 分開所述第 一 和第二部分的所述線是對稱的，每個所述區(qū)域由所述 兩個衍射元件中的 一個占用；在所述兩個書f射元件中4汙射至少部分所述輸入光束以基本上在 所述第一和第二表面內分別提供在所述第一部分和第二部分之間基 本上等分的兩個衍射光束；通過所述兩個其他衍射元件的每個中的衍射將所述第一部分和 第二部分中的每個中的至少部分所述衍射的光束耦合出所述分裂襯 底，從而提供具有在一個或兩個維度上擴大的出瞳的基本上相同的 兩個輸出擴大光束，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部分上， 并且所述兩個其他衍射元件中的另一個布置在所述第二部分上。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中所述兩個衍射元件具有述輸入光束基本上僅耦合至所述第一和第二部分當中的一個部分，在所述部分中布置了所述兩個衍射元件中的所述每個。
14. 根據權利要求12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 和第二部分的所 述線彼此成鏡像。
15. 根據權利要求12所述的方法，其中吸光材料沉積在以下至 少一個位置處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 分中至少一個的一端，以及
16. —種電子設備，包括 -數據處理單元；-光學引擎，可操作地連接至所述數據處理單元，用于接收來自 所述數據處理單元的圖像數據；-顯示設備，可操作地連接至所述光學引擎，用于基于所述圖像 數據形成圖像；以及-出瞳擴大器，包括光學材料的分裂襯底，其具有第一表面和第二表面，所述分裂襯 底包括第一部分和第二部分，它們在物理上分開并且配置為以預定 角度范圍圍繞分開所述第一和第二部分的線相對于彼此旋轉；兩個衍射元件，布置在所述第一或第二表面上并且配置為接收輸 入光束，其中分別地，所述兩個衍射元件中的一個布置在所述第一 部分上，并且所述兩個衍射元件中的另一個布置在所述第二部分上， 以及所述兩個衍射元件基本上彼此緊鄰并且相鄰于分開所述第一和 第二部分的所述線；以及兩個其他衍射元件，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部分上，并且所述 兩個其他衍射元件中的另一個布置在所述第二部分上，其中在所述第一和第二表面內分別提供在所述第一部分和第二部分之間基本上等分的兩個衍射光束，以及所述第一部分和第二部分的每個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的每個中的衍射耦合出所述分裂 襯底，從而提供具有在一個或兩個維度上擴大的出瞳的基本上相同 的兩個輸出光束。
17. 根據權利要求16所述的電子設備，進一步包括EPE角度調整塊，其配置為使所述第一部分和第二部分圍繞所述 線相對于4皮此旋轉。
18. 根據權利要求16所述的電子設備，其中所述電子設備是數 碼照相機、計算機游戲設備、無線設備、便攜式設備或移動終端。
19. 根據權利要求16所述的電子設備，其中使用至少一個以下 條件配置所述電子設備兩個區(qū)域相對于分開所述第一和第二部分的所述線是對稱的，每 個所述區(qū)域由所述兩個書f射元件中的一個占用，以及兩個其他區(qū)域相對于分開所述第一和第二部分的所述線是對稱
20. 根據權利要求16所述的電子設備，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部分當中的一個部 分，在所述部分中布置了所述兩個衍射元件中的所述每個。
21. 根據權利要求16所述的電子設備，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部分 的所述線彼此成鏡像。
22. 根據權利要求16所述的光學設備，其中所述兩個衍射元件 和所述兩個其他衍射元件布置在一個表面上，即所述分裂襯底的所 述第一和第二部分的所述第一表面或所述第二表面。
23. 根據權利要求16所述的電子設備，其中吸光材料沉積在以 下至少一個位置處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中的至少一個的一端，以及與布置
24. —種護目4竟，包括 -可佩戴外殼；以及-出瞳擴大器，可操作地附接至所述可佩戴外殼，所述出瞳擴大 器包括光學材料的分裂襯底，其具有第一表面和第二表面，所述分裂襯 底包括第一部分和第二部分，它們在物理上分開并且配置為以預定角度范圍圍繞分開第一和第二部分的線相對于彼此旋轉；兩個衍射元件，布置在所述第一或第二表面上并且配置為接收輸 入光束，其中分別地，所述兩個衍射元件中的一個布置在所述第一 部分上，并且所述兩個衍射元件中的另一個布置在所述第二部分上， 以及所述兩個衍射元件基本上彼此緊鄰并且相鄰于分開所述第一和第二部分的所述線；以及兩個其他衍射元件，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部分上，并且所述 兩個其他衍射元件中的另一個布置在所述第二部分上，其中至少部分所述輸入光束在所述兩個衍射元件中衍射，從而基本上 在所述第 一 和第二表面內分別提供在所述第 一部分和第二部分之間 基本上等分的兩個衍射光束，以及所述第一部分和第二部分的每個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的每個中的衍射耦合出所述分裂 襯底，從而提供具有在一個或兩個維度上擴大的出瞳的基本上相同 的兩個輸出光束，使得所述兩個輸出光束中的每個僅提供到一個部 分，即所述護目鏡的左目或者右目。
25. 根據權利要求24所述的護目鏡，進一步包括 EPE角度調整塊，其配置為向所述出瞳擴大器提供調整信號，以便使所述第一部分和第二部分以所述預定角度范圍相對于彼此旋轉。
26. —種設備，包括 兩個用于衍射的裝置，用于接收輸入光束，其中所述兩個用于衍射的裝置布置在光 學材料制成的分裂襯底的第一或第二表面上，所述分裂襯底包括 第一部分和第二部分，它們在物理上分開并且配置為以預定角度范圍圍繞分開所述第一和第二部分的線相對于彼此旋轉，并且其 中分別地，所述兩個用于衍射的裝置中的一個布置在所述第一部 分上，并且所述兩個用于衍射的裝置中的另一個布置在所述第二 部分上，以及所述兩個用于衍射的裝置基本上彼此緊鄰并且相鄰 于分開所述第一和第二部分的所述線，以及兩個區(qū)域相對于分開 所述第一和第二部分的所述線是對稱的，每個所述區(qū)域由所述兩 個用于衍射的裝置中的一個占用，以及用于在所述兩個用于衍射的裝置中衍射至少部分所述輸入光 束，從而基本上在所述第一和第二表面內分別提供在所述第一部 分和第二部分之間基本上等分的兩個衍射光束；以及兩個其他用于衍射的裝置，用于通過兩個其他用于衍射的裝置的 每個中的衍射將所述第 一 部分和第二部分的每個中的至少部分所述 衍射的光束耦合出所述分裂襯底，從而提供具有在一個或兩個維度 上擴大的出瞳的基本上相同的兩個輸出擴大光束，其中所述兩個其他用于衍射的裝置，布置在所述第一或第二表面 上，其中分別地，所述兩個其他用于衍射的裝置中的一個布置在所 述第一部分上，并且所述兩個其他用于衍射的裝置中的另一個布置 在所述第二部分上。
27. 根據權利要求26所述的設備，其中所述兩個用于衍射的裝 置是兩個入耦合衍射光柵并且所述兩個其他用于衍射的裝置是兩個 出耦合衍射光柵。
全文摘要
說明書和附圖示出了用于使用分裂出瞳擴大器提供廣義衍射光學方法的新裝置和方法，其使用多個衍射元件來擴大電子設備顯示器的出瞳以便觀看。
文檔編號G02B27/44GK101460884SQ200780020123
公開日2009年6月17日 申請日期2007年4月3日 優(yōu)先權日2006年6月2日
發(fā)明者T·勒沃拉 申請人:諾基亞公司