CN101076747A - 在显示器设备中具有短近焦距的光束扩展的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学设备，包括：光引导结构(1)，用于借助于全内反射引导光波，该光引导结构(1)具有基本上平行于结构(1)的主平面而延展的两个相对的主表面(1a，1b)；第一光耦合元件(2)，由所述结构(1)的该相对的主表面(1a，1b)之一承载，以将来自图像源(3)的光波耦合入到该光引导结构(1)内；至少一个第二光耦合元件(4)，由所述结构(1)的相对的主表面(1a、1b)之一承载并且沿着该结构(1)的该主平面在所述第一光耦合元件(2)的侧翼放置，用于将光波耦合出所述结构(1)之外以便由观察者的眼睛查看。改善所述光学设备的人体工程学，其特征在于：在该光引导结构(1)的该第一或该至少一个第二光耦合元件(2，4)中的至少一个的位置处的该相对的主表面(1a，1b)中的至少一个包括对应于用于在优选的焦距处产生虚拟图像的视焦距的给定有限曲率半径。

Description

在显示器设备中具有短近焦距的光束扩展的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及用于优选地为便携通信设备的电子设备中的显示器设备，并且更特别地，涉及使用一个或多个光耦合元件的显示器设备，该光耦合元件用于延展显示器设备的出瞳(exit pupil)以便查看。
背景技术
尽管使用低分辨率液晶显示器(LCD)面板以显示信息，特别是在便携设备中显示图像和文本消息已成为惯例，但优选的是使用高分辨率显示器浏览文本和图像的丰富的信息内容。所谓的基于微型显示器(microdisplay)的系统能够以50-100线每毫米提供全色像素。这样的高度分辨率一般适合于虚拟显示器。虚拟显示器通常包括微型显示器以提供图像以及光学配置用于操作图像发射的光使得其感觉上与直接查看显示器面板一样的大。虚拟显示器可以是单目的或双目的。
朝向眼睛的来自成像光学器件的光束的尺寸称为出瞳。在近眼式显示器(NTE或NED)中，出瞳通常的直径为10毫米数量级。进一步扩大出瞳使得虚拟显示器的使用大为容易，因为设备可以放在眼睛的远处。因而，很明显这样的显示器不能被作为NED。平视显示器(head-up displays)是具有非常大的出瞳的虚拟显示器的示例。
现有技术WO 99/52002公开了扩大虚拟显示器的出瞳的方法。所公开的方法使用三个连续的全息光学元件(HOE)或衍射光学元件(DOE)以扩大出瞳。如图1所示，参考该现有技术，HOE是排列在光透射的光引导结构或衬底1平面上的衍射光栅元件。如图所示，来自图像源3的光入射到布置在衬底1的一侧的第一HOE2上。将来自耦合进衬底1中的HOE2的光导向到第二HOE5，在此，光的分布在一个方向上被扩展。HOE5还将扩展了的光的分布再次导向到第三HOE4，在此，光的分布进一步在另一个方向上被扩展。全息元件可以在衬底1的任何一侧。HOE4还将扩展了的光的分布从其上布置有HOE4的衬底表面再次导向到外部。如图1所示的光学系统操作为光束扩展设备，其维持光束的总方向。这样的设备也称为出瞳延展器(EPE)。
另一个类型的出瞳延展器如图2所示，其参考申请者当然已知的现有技术设备，只使用了两个连续的全息光学元件(HOE)。第一HOE2通常具有衍射的结构，其包括平行的衍射条纹(fringe)，用于将入射光耦合到衬底1并且将衬底1内的光的分布导向到第二HOE4。衬底1作为光引导主要借助于全内反射捕捉其两个表面1a、1b之间的光束。如图2所示，衍射元件HOE2和HOE4两者都布置在衬底1的较低的表面。因为两个衍射元件HOE2和HOE4是彼此邻近排列的，所以光分布是由衍射元件HOE4在一个方向上扩展的。
如图2所示，在使用了上述类型的出瞳延展器的虚拟显示器中，焦点总是位于无限远处，这意味着观察者的眼睛接收好像从无限远处发出的耦合出的(outcoupled)光线。其缺点是降低了显示器的人体工程学，因为针对某些应用，查看者在较短于无限远的距离查看图像是更加舒适的。
因此有利地并且期望提供一种用于改善光学设备、虚拟显示器以及更特别地其出瞳延展器的人体工程学的方法和系统。
发明内容
本发明的首要目的是改善虚拟光学显示器特别是该显示器的出瞳延展器的人体工程学。
因而，根据本发明的第一方面，提供了一种光学设备，包括：
光引导结构，用于借助于全内反射引导光波，该光引导结构具有基本上平行于该结构的主平面而延展的两个相对的主表面，
第一光耦合元件，由所述结构的相对的主表面之一承载，用于将来自图像源的光波耦合入(incoupling)到光引导结构内，
至少一个第二光耦合元件，由所述结构的相对的主表面之一承载并且沿着该结构的主平面在所述第一光耦合元件的侧翼放置，用于将光波耦合出(outcoupling)所述结构之外以便由观察者的眼睛查看，
该光学设备进一步的特征在于：
在光引导结构的第一或至少一个第二光耦合元件中的至少一个的位置处的相对的主表面中的至少一个包括对应于用于在优选的焦距处产生虚拟图像的视焦距的给定有限曲率半径。
因此，根据本发明这一方面的设备具有曲率半径精确地对应于焦距的优点。这意味着与现有技术的设备相比较，焦点将变为有限的，即所有的耦合出的光线好像都是从该有限的焦点处发出的。因此改善了光学设备的人体工程学，这是因为观察者在较短于无限远的距离观察图像更加舒适。
优选地，曲率中心对光引导结构的至少的两个相对的主表面而言是各自相同的。这允许了光引导结构的简单的构造。
优选地，对应于焦距的曲率半径至少为0.5m，优选地在0.5m到1.5m的范围中。
优选地，该光耦合元件位于光引导结构的同一侧。
优选地，该第一或至少一个第二光耦合元件的至少一个是衍射元件。
优选地，该第一或至少一个第二光耦合元件是排列在圆柱的表面，该圆柱的轴平行于光栅线。
优选地，该第一或至少一个第二光耦合元件的至少一个包括表面浮雕结构。
优选地，该第一或至少一个第二光耦合元件的至少一个是全息光学元件。
优选地，所述全息光学元件是通过将所述元件记录为两个相互相干的光波的干涉图案而在所述结构中具体实现的。
优选地，所述图像源是连续的颜色LCOS(硅上液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、MEMS(微电子机械的系统)设备或任何其它适当的在传播、反射或发射中操作的微型显示器设备。
根据本发明的第二方面，提供了一种在优选的焦距处产生虚拟图像的虚拟显示器单元，用作优选地为便携式通信设备的电子设备的图像源，并且具有光引导类型的出瞳延展器(EPE)，其中光耦合入和耦合出元件在具有对应于虚拟图像的视焦距的曲率半径的表面上。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于延展优选地为便携式通信设备的电子设备的出瞳的装置，所述装置包括：
光引导结构，用于借助于全内反射引导光波，该光引导结构具有基本上平行于该结构的主平面而延展的两个相对的主表面，
第一光耦合元件，由所述结构的相对的主表面之一承载，以将来自图像源的光波耦合入到光引导结构内，
至少一个第二光耦合元件，由所述结构的相对的主表面之一承载并且沿着该结构的主平面在所述第一光耦合元件的侧翼放置，用于将光波耦合出所述结构之外，所述设备的特征在于：
在光引导结构的第一或至少一个第二光耦合元件中的至少一个的位置处的相对的主表面中的至少一个包括对应于用于在优选的焦距处产生虚拟图像的视焦距的给定有限曲率半径。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于延展光学系统的出瞳的方法，包括下列步骤：
借助于由光引导结构承载的第一光耦合元件将来自图像源的光波耦合入到光引导结构内，该光引导结构具有基本上平行于该结构的主平面而延展的两个相对的主表面，其中光波借助于全内反射在所述结构内传播，
借助于至少一个第二光耦合元件将光波耦合出所述结构之外，该至少一个第二光耦合元件由所述结构的相对的主表面之一承载并且沿着该结构的主平面在所述第一光耦合元件的侧翼放置，所述方法进一步的特征在于在该光引导结构的第一或至少一个第二光耦合元件中的至少一个的位置处的相对的主表面中的至少一个的曲率半径具有有限的值并且对应于用于在优选的焦距处产生虚拟图像的视焦距。
优选地，用于延展出瞳的装置可以用于便携设备，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式互联网设备、手持计算机、数字视频和静止照相机、可穿戴计算机、计算机游戏设备、用于查看的专用移至眼部(bring-to-the-eye)产品和其它的便携式电子设备。
该出瞳延展器也可以用于非便携式设备，例如游戏设备、售货机、自动取款机(bank-o-mat)、例如烤箱、微波炉和其它设备的家庭设备以及其它非便携式电子设备。
附图说明
图1是示出根据现有技术的使用三个衍射元件的出瞳延展器的示意图；
图2是示出根据现有技术的使用两个衍射元件的出瞳延展器的示意图；
图3是示出根据本发明的出瞳延展器的示意图；
图4是示出具有虚拟显示器系统的移动通信设备的示意图。
具体实施方式
如图3所示，光引导结构1具有两个相对的主表面1a、1b。实质上，这些主表面1a、1b平行于结构1的主平面而延展。
在其主表面1b侧，安排有第一光耦合元件2，其用于耦合入从图像源3进入的光波。
应该注意，衍射元件2和衍射元件4中的每一个可以是全息衍射元件(HOE)或衍射光学元件(DOE)。如其名称所提示，全息衍射元件是全息地制造的，其中至少使用两个相干光束以产生干涉条纹。相反，衍射光学元件可以是机械地或化学地制造的。如图3所示的EPE可以有二个或多个衍射元件。
两种类型的元件都是基于周期性结构的，而DOE结构一般较简单并且通常为表面浮雕结构。与此相反，HOE是通常为体状(volume)结构，即它们可以具有大大超过所使用的波长的深度。
此外，第二光耦合元件4也在光引导结构1的主表面1b上。该第二光耦合元件4是沿着光引导结构1的主平面在第一光耦合元件(2)的侧翼放置的，并且用于以下述方式将光波耦合出所述光引导结构1之外。
光波从光耦合元件2到光耦合元件4的传输是借助于在光引导结构1内的全内反射而进行的。
进一步如图3所示，光引导结构1不是一个完美的平面形状，而是具有特定的曲率半径。该结构1的两个主表面1a、1b有共同的曲率中心。光引导结构1的曲率半径设计为使得观察者的眼睛聚焦在不是来自无限远的，而是来自有限距离的图像，因为曲率半径对应于由观察者查看到的焦点。例如，期望观察者在0.5m到无限远之间的范围中查看物体，优选地在1m处。这使得观察者比在非常短的距离，即5cm，或在非常远的距离，即无限远观察图像更加舒适。
因而，本发明在一方面使用由光耦合元件2、光耦合元件4给出的出瞳延展效果并且另一方面使用由于曲率半径的设计从无限远到有限远的焦点位移。
上述出瞳延展器可以用于便携式设备，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式互联网设备、手持计算机、数字视频和静止照相机、可穿戴计算机、计算机游戏设备、用于查看的移至眼部产品和其它的便携式电子设备。然而，出瞳延展器也可以用于非便携式设备，例如游戏设备、售货机、自动取款机、例如烤箱、微波炉和其它设备的家庭设备以及其它的非便携式电子设备。
如图4所示，便携式设备100具有外壳110以容纳用于从外部设备(未示出)接收信息和向外部设备发射信息的通信单元112。便携设备100还具有控制和处理单元114用于处理已接收和传输的信息以及用于查看的虚拟显示器系统130。虚拟显示器系统130包括微型显示器或图像源132以及光学引擎134。控制和处理单元114是操作地连接到光学引擎134以向图像源132提供图像数据以在其上显示图像。根据本发明，出瞳延展器(EPE)可以光学地连接到光学引擎134。
此外，本发明的EPE的应用不限于虚拟显示器。事实上，衍射元件(H1，H2)是光学耦合器和光调制器设备用于将光耦合到波导平面。因而，EPE可以被看作为光学设备，其包括邻近于衬底或在衬底上设置的衬底波导和多个光学耦合器(或光调制器设备)用于光耦合和操作的目的。
如图3中的3和图4中的132所示的图像源可以是连续的颜色LCOS(硅上液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、MEMS(微电子机械系统)设备或任何其它适当的在传播、反射或发射中操作的微型显示器设备。
因而，虽然已经关于其优选的实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员应当理解，可以对其进行前述的和各种其它的形式上的或细节的改变、省略和偏离，而不背离本发明的发明的范围。
本发明的出瞳延展器的使用不限于所描述的设备。其它的目的可以是具有近眼式显示器的终端、覆盖物投影(cover projection)小型投影仪或虚拟小型投影仪、平板显示器、平视汽车显示器、用于平面屏幕上的图像投影的微显示器和用于汽车、办公室、公众和家庭环境的多功能光学网络。
本发明的出瞳延展器的其它可能的使用可见于智能卡以及智能钱包、剪辑(clip)和个人接入实体领域。

Claims (15)

1.一种光学设备，包括：
光引导结构(1)，用于借助于全内反射引导光波，该光引导结构(1)具有基本上平行于该结构(1)的主平面而延展的两个相对的主表面(1a，1b)，
第一光耦合元件(2)，由所述结构(1)的该相对的主表面(1a，1b)之一承载，用于将来自图像源(3)的光波耦合入到该光引导结构(1)内，
至少一个第二光耦合元件(4)，由所述结构(1)的相对的主表面(1a、1b)之一承载并且沿着该结构(1)的该主平面在所述第一光耦合元件(2)的侧翼放置，用于将光波耦合出所述结构(1)之外以便由观察者的眼睛查看，所述光学设备的特征在于：
在该光引导结构(1)的第一或至少一个第二光耦合元件(2，4)中的至少一个的位置处的该相对的主表面(1a，1b)中的至少一个包括对应于用于在优选的焦距处产生虚拟图像的视焦距的给定有限曲率半径。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中曲率中心对所述光引导结构(1)的该至少的两个相对的主表面(1a，1b)是各自相同的。
3.根据权利要求1所述的光学设备，其中对应于该焦距的该曲率半径至少为0.5m，优选地在0.5m到1.5m的范围中。
4.根据权利要求1所述的光学设备，其中该第一和该至少一个第二光耦合元件(2，4)位于该光引导结构(1)的同一侧。
5.根据权利要求1所述的光学设备，其中该第一和/或该至少一个第二光耦合元件(2，4)中的至少一个是衍射元件。
6.根据权利要求5所述的光学设备，其中该第一和该至少一个第二光耦合元件(2，4)排列在圆柱的表面，该圆柱的轴平行于在所述光耦合元件(2，4)中提供的光栅线。
7.根据权利要求5所述的光学设备，其中该第一和该至少一个第二光耦合元件(2，4)中的至少一个包括表面浮雕结构。
8.根据权利要求1所述的光学设备，其中该第一和该至少一个第二光耦合元件(2，4)中的至少一个是全息光学元件。
9.根据权利要求8所述的光学设备，其中所述全息光学元件是通过将所述元件记录为两个相互相干的光波的干涉图案而在所述结构(1)中实施的。
10.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述图像源(3)是连续的颜色LCOS(硅上液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、MEMS(微电子机械的系统)设备或任何其它适当的在传播、反射或发射中操作的微型显示器设备。
11.一种虚拟显示器单元，用作优选地为便携式通信设备的电子设备的图像源，该显示器单元包括：
光引导结构(1)，用于借助于全内反射引导光波，该光引导结构(1)具有基本上平行于结构(1)的主平面而延展的两个相对的主表面(1a，1b)，
第一光耦合元件(2)，由所述结构(1)的该相对的主表面(1a，1b)之一承载，以将来自图像源(3)的光波耦合入到该光引导结构(1)内，
至少一个第二光耦合元件(4)，由所述结构(1)的相对的主表面(1a，1b)之一承载并且沿着该结构(1)的该主平面在所述第一光耦合元件(2)的侧翼放置，用于将光波耦合出所述结构(1)之外，所述设备的特征在于：在该光引导结构(1)的第一或至少一个第二光耦合元件(2，4)中的至少一个的位置处的该相对的主表面(1a，1b)中的至少一个包括对应于用于在优选的焦距处产生虚拟图像的视焦距的给定有限曲率半径。
12.一种用于延展优选地为便携通信设备的电子设备的出瞳的装置，包括：
光引导结构(1)，用于借助于全内反射引导光波，该光引导结构(1)具有基本上平行于该结构(1)的主平面而延展的两个相对的主表面(1a，1b)，
第一光耦合元件(2)，由所述结构(1)的该相对的主表面(1a，1b)之一承载，以将来自图像源(3)的光波耦合入到该光引导结构(1)内，
至少一个第二光耦合元件(4)，由所述结构(1)的相对的主表面(1a，1b)之一承载并且沿着该结构(1)的该主平面在所述第一光耦合元件(2)的侧翼放置，用于将光波耦合出所述结构(1)之外，所述设备的特征在于：
在该光引导结构(1)的第一或至少一个第二光耦合元件(2，4)中的至少一个的位置处的该相对的主表面(1a，1b)中的至少一个包括对应于用于在优选的焦距处产生虚拟图像的视焦距的给定有限曲率半径。
13.一种用于延展光学系统的出瞳的方法，包括下列步骤：
借助于由光引导结构(1)承载的第一光耦合元件(2)将来自图像源(3)的光波耦合入到光引导结构(1)内，该光引导结构(1)具有基本上平行于结构(1)的主平面而延展的两个相对的主表面(1a，1b)，其中该光波借助于全内反射在所述结构(1)内传播，
借助于至少一个第二光耦合元件(4)将光波耦合出所述结构(1)之外，该至少一个第二光耦合元件(4)由所述结构(1)的相对的主表面(1a，1b)之一承载并且沿着该结构(1)的该主平面在所述第一光耦合元件(2)的侧翼放置，所述方法进一步的特征在于：
该光引导结构(1)的第一或至少一个第二光耦合元件(2，4)中的至少一个的位置处的该相对的主表面(1a，1b)中的至少一个的曲率半径具有有限的值并且对应于用于在该优选的焦距处产生虚拟图像的视焦距。
14.根据权利要求12所述的延展出瞳的装置，可以用于便携式设备，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携互联网应用、手持计算机、数字视频和静止照相机、可穿戴计算机、计算机游戏设备、用于查看的专用移至眼部产品和其它的便携电子设备。
15.根据权利要求12所述的延展出瞳的装置，可以用于非便携式设备，例如游戏设备、售货机、自动取款机、例如烤箱、微波炉和其它设备的家庭设备以及其它的非便携电子设备。
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