CN101460882A - 出瞳扩大器中的颜色分布 - Google Patents

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Abstract

说明书和附图示出了新装置和方法，用于通过在出瞳扩大器中引入一个或者多个选择性吸光区域来在出瞳扩大器系统中提供分色，该出瞳扩大器系统使用多个衍射元件来扩大电子设备中显示器的出瞳以便观看。

Description

出瞳扩大器中的颜色分布
技术领域
本发明一般地涉及显示设备，并且尤其涉及在出瞳扩大器中提供分色，该出瞳扩大器使用多个衍射元件来扩大显示器的出瞳以便观看。
背景技术
虽然在实际中通常使用低分辨率的液晶显示器(LCD)面板在移动设备中显示网络信息和文本消息，但是使用高分辨率显示器来浏览文本和图像的丰富信息内容是优选的。基于微显示器的系统可以提供每毫米50-100行的全彩色像素。此类高分辨率通常适于虚拟显示器。虚拟显示器通常包括提供图像的微显示器以及以以下方式操纵从图像显露的光的光学布置，该方式为使图像看起来和从直视显示器面板看到的一样大。虚拟显示器可以是单眼式的也可以是双眼式的。
从朝向眼睛的成像光学器件出射的光束的大小称作出瞳(exitpupil)。在近眼显示器(NED)中，出瞳在直径上通常是10mm级。进一步放大出瞳令使用虚拟显示器更加容易，因为设备可以放置在相距眼睛一定距离处。这样，由于显而易见的原因，此类显示器不再有资格作为NED。抬头(head-up)显示器是具有足够大出瞳的虚拟显示器的示例。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种装置，包括：至少一个光学材料衬底，其具有第一表面和第二表面；至少一个衍射元件，布置在至少一个衬底的第一或第二表面上并且配置为接收输入光束；至少一个其他衍射元件，布置在第一或第二表面上；以及至少一个吸光区域，其位于至少一个衬底内或布置在至少一个衬底上，其中至少部分输入光束在衍射元件中衍射以基本上在第一和第二表面内提供至少一个衍射的光束，以及至少一个衍射光束中的至少部分通过至少一个其他衍射元件中的衍射耦合出至少一个衬底，这样以在一个或两个维度上扩大的出瞳将输出光束提供到至少一个衬底之外，其中输入光束包括K个波长分量并且至少一个吸光区域配置为从至少一个衍射光束的K个波长分量中吸收M个预选择的分量，以及配置为传播至少一个衍射的光束的K个波长分量中所选择的分量，从而输出光束包括从K个波长分量中所选择的分量，其中K是值至少为二的整数并且M是介于1和K-1之间的整数。
进一步根据本发明的第一方面，所述光学设备可以包括由间隙分开的光学材料的N个堆叠衬底，N是值至少为一的整数，并且至少一个衬底是N个衬底中的一个，其中N个堆叠的衬底中的每个配置为扩大输入光束的K个波长分量中的基本上仅一个分量的出瞳，从而合并在一起的所有K个波长分量在光学设备的输出中具有基本上相同的方向和位置。而且其中N＝K。
进一步根据本发明的第一方面，其中M可以等于K-1。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，由至少一个衬底提供的输出光束基本上可以仅包括从K个波长分量中所选择的分量。
进一步根据本发明的第一方面，可以使用以下内容中的至少一个配置至少一个吸光区域：a)散布遍及至少一个衬底的体积的吸收着色(absorbing tint)，b)散布遍及至少一个衬底仅在至少一个衍射元件和至少一个其他衍射元件之间的至少一个衬底的区域中的厚度的吸收着色，c)散布遍及用于制造至少一个衍射元件的树脂的吸收着色，d)散布遍及用于制造至少一个其他衍射元件的树脂的吸收着色，以及e)吸收涂层，具有与至少一个衬底基本上相同的折射率，其布置在基本上介于至少一个衍射元件和至少一个其他衍射元件之间的区域中的至少一个衬底上。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，装置可以进一步包括：光学材料的其他衬底，其具有其他第一表面和其他第二表面，其他衬底与至少一个衬底基本上平行地堆叠，但与至少一个衬底保持间隙；至少一个附加衍射元件，布置在其他衬底的其他第一或其他第二表面上并且配置为接收传播通过至少一个衬底到其他衬底中的输入光束的一部分；至少又一个衍射元件，布置在其他第一或其他第二表面上；以及至少一个其他吸光区域，其位于其他衬底内或布置在其他衬底上，其中至少另一部分的输入光束部分在附加衍射元件中衍射以基本上在其他第一和其他第二表面内提供至少一个其他衍射光束，以及至少一个其他衍射光束中至少其他部分通过至少又一个衍射元件中的衍射进一步耦合出其他衬底，这样以在一个或两个维度上扩大的出瞳将其他输出光束提供到其他衬底之外，其他输出光束具有与输出光束基本上相同的方向和位置，其中至少一个其他吸光区域配置为吸收K个波长分量中的P个预选择的分量，以及配置为传播从K个波长分量中所选择的其他分量，从而其他输出光束包括从K个波长分量中所选择的其他分量，其中P是介于1和K-1之间的整数。另外，其中P等于K-1。另外，可以使用以下内容中的至少一个配置至少一个其他吸光区域：a)散布遍及其他衬底的体积的吸收着色，b)散布遍及其他衬底仅在至少一个附加衍射元件和至少又一个衍射元件之间的其他衬底的区域中的其他衬底的厚度的吸收着色，c)散布遍及用于制造至少一个附加衍射元件的树脂的吸收着色，d)散布遍及用于制造至少又一个衍射元件的树脂的吸收着色，以及e)吸收涂层，具有与其他衬底基本上相同的折射率，其布置在介于至少一个附加衍射元件和至少又一个衍射元件之间的其他衬底上。再进一步，间隙可以是气隙。再进一步，由至少一个衬底提供的输出光束基本上可以仅包括从K个波长分量中所选择的分量，并且由其他衬底提供的其他输出光束基本上可以仅包括从K个波长分量中所选择的其他分量，以及合并在一起的输出光束和其他输出光束具有基本上相同的方向和位置。
而且，至少一个衬底可以配置为具有附加光学吸收层，其布置在至少一个衬底的表面上或与至少一个衬底的表面相邻，所述表面是输入光束通过其传播的第二表面，从而从K个波长分量中选择的分量基本上在附加光学吸收层中被吸收。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，装置可以进一步包括至少一个中间衍射元件，从而在至少一个衍射元件中衍射的至少部分输入光束首先耦合至至少一个中间衍射元件，然后，使用至少一个中间衍射元件中的进一步衍射将至少部分衍射的光束耦合至至少一个其他衍射元件，然后，该其他衍射元件提供输入光束的二维出瞳扩大。
根据本发明的第二方面，一种方法，包括：由布置在至少一个衬底的第一或第二表面上的至少一个衍射元件接收输入光束，输入光束包括K个波长分量，其中K是值至少为二的整数；至少部分输入光束在至少一个衍射元件中衍射以基本上在第一和第二表面内提供至少一个衍射光束；在布置在至少一个衬底内或者至少一个衬底上的至少一个吸光区域中吸收至少一个衍射光束的K个波长分量中的M个预选择的分量，并且在基本上没有光学强度衰减的情况下，在至少一个吸光区域中传播至少一个衍射的光束的从K个波长分量中所选择的分量，其中M是介于1和K-1之间的整数；以及通过至少一个其他衍射元件中的衍射将至少一个衍射的光束中的至少部分耦合出至少一个衬底，这样以在一个或两个维度上扩大的出瞳将输出光束提供到至少一个衬底之外，其中输出光束包括从K个波长分量中所选择的分量。
进一步根据本发明的第二方面，由至少一个衬底提供的输出光束可以基本上仅包括从K个波长分量中所选择的分量。
进一步根据本发明的第二方面，可以使用以下内容中的至少一个配置至少一个吸光区域：a)散布遍及至少一个衬底的体积的吸收着色，b)散布遍及至少一个衬底仅在至少一个衍射元件和至少一个其他衍射元件之间的至少一个衬底的区域中的厚度的吸收着色，c)散布遍及用于制造至少一个衍射元件的树脂的吸收着色，d)散布遍及用于制造至少一个其他衍射元件的树脂的吸收着色，以及e)吸收涂层，具有与至少一个衬底基本上相同的折射率，该吸收涂层布置在基本上介于至少一个衍射元件和至少又一个衍射元件之间的区域中的至少一个衬底上。
根据本发明的第三方面，一种电子设备，包括：
-数据处理单元；
-光学引擎，可操作地连接至数据处理单元，用于接收来自于数据处理单元的图像数据；
-显示设备，可操作地连接至光学引擎，用于基于图像数据形成图像；以及
-出瞳扩大器，包括：
至少一个光学材料衬底，其具有第一表面和第二表面；
至少一个衍射元件，布置在至少一个衬底的第一或第二表面上并且配置为接收输入光束；
至少一个其他衍射元件，布置在第一或第二表面上；以及
至少一个吸光区域，其布置在至少一个衬底内或至少一个衬底上，其中
至少部分输入光束在衍射元件中衍射，从而基本上在第一和第二表面内提供至少一个衍射的光束，以及
至少一个衍射的光束中的至少部分通过在至少一个其他衍射元件中的衍射耦合出至少一个衬底，这样以在一个或两个维度上扩大的出瞳将输出光束提供到至少一个衬底之外，其中
输入光束包括K个波长分量并且至少一个吸光区域配置为吸收K个波长分量中的M个预选择的分量，以及配置为传播从K个波长分量中所选择的分量，并且基本上没有光强衰减，这样输出光束包括从K个波长分量中所选择的分量，其中K是值至少为二的整数并且M是介于1和K-1之间的整数。
进一步根据本发明的第三方面，出瞳扩大器可以包括由间隙分开的N个堆叠的光学材料衬底，N是值至少为一的整数，并且至少一个衬底是N个衬底中的一个，其中N个堆叠的衬底中的每个配置为扩大输入光束的K个波长分量中的基本上仅一个分量的出瞳，从而合并在一起的所有K个波长分量在光学设备的输出中具有基本上相同的方向和位置。而且，其中N＝K。
仍旧进一步根据本发明的第三方面，M可以等于K-1。
进一步根据本发明的第三方面，由至少一个衬底提供的输出光束基本上可以仅包括从K个波长分量中所选择的分量。
仍旧进一步根据本发明的第三方面，可以使用以下内容中的至少一个配置至少一个吸光区域：a)散布遍及至少一个衬底的体积的吸收着色，b)散布遍及至少一个衬底仅在至少一个衍射元件和至少一个其他衍射元件之间的至少一个衬底的区域中的厚度的吸收着色，c)散布遍及用于制造至少一个衍射元件的树脂的吸收着色，d)散布遍及用于制造至少一个其他衍射元件的树脂的吸收着色，以及e)吸收涂层，具有与至少一个衬底基本上相同的折射率，其布置在基本上介于至少一个衍射元件和至少一个其他衍射元件之间的区域中的至少一个衬底上。
根据本发明的第四方面，一种装置，包括：至少一个衍射装置，
用于由布置在至少一个衬底的第一或第二表面上的至少一个衍射元件接收输入光束，输入光束包括K个波长分量，其中K是值至少为二的整数，以及
用于在至少一个衍射装置中衍射至少部分输入光束以基本上在第一和第二表面内提供至少一个衍射光束；
布置在至少一个衬底内或至少一个衬底上的至少一个吸光装置，用于通过至少一个吸光装置吸收至少一个衍射光束的K个波长分量中的M个预选择的分量，并且在基本上没有光学强度衰减的情况下，在至少一个吸光区域中传播从至少一个衍射的光束的K个波长分量中选择的分量，其中M是介于1和K-1之间的整数；以及
至少一个其他衍射装置，用于通过至少一个其他衍射装置中的衍射将至少一个衍射的光束中的至少部分耦合出至少一个衬底，这样以在一个或两个维度上扩大的出瞳将输出光束提供到至少一个衬底之外，其中输出光束包括从K个波长分量中所选择的分量。
进一步根据本发明的第四方面，装置可以是出瞳扩大器。
附图说明
为了更好地理解本发明的性质和目的，结合下面的附图参考以下的详细描述，附图中：
图1a和图1b是具有利用堆叠的衍射出瞳扩大器(图1b示出了剖面图)的出瞳扩大器系统的虚拟现实显示器(图1a示出了剖面图)的示意性图示；
图2a和图2b是示出了根据本发明实施方式的出瞳扩大器系统中分色的示意性图示(剖面图)，其使用通过入耦合和出耦合光栅之间的衬底的体积(图1a)和衬底中所选择区域的厚度的吸收着色；
图3a和图3b是示出了根据本发明实施方式的出瞳扩大器系统中分色的示意性图示(剖面图)，其使用散布遍及入耦合和出耦合光栅中的树脂的吸收着色；
图4a和图4b是示出了根据本发明实施方式的出瞳扩大器系统中分色的示意性图示(剖面图)，其使用散布遍及出耦合光栅和跨越入耦合光栅的吸收涂层中的树脂的吸收着色；
图5a和5b是示出了根据本发明实施方式的出瞳扩大器系统中分色的示意性图示(剖面图)，其使用吸收涂层，其具有与衬底基本上相同的折射率并且布置在入耦合和出耦合光栅之间的区域中的衬底上；以及
图6是根据本发明实施方式的具有出瞳扩大器系统的电子设备的示意性图示。
具体实施方式
呈现了通过在出瞳扩大器中引入一个或者多个选择性吸光区域来在出瞳扩大器系统中提供分色的新装置和方法，该出瞳扩大器系统使用多个衍射元件来扩大电子设备中显示器的出瞳以便观看。本发明的实施方式可以应用于宽光谱范围的光束，但是最重要的是应用于光谱的可见部分，其中光束称作可见光束。
根据本发明的实施方式，光学设备(例如，光学设备可以是虚拟现实显示器的一部分)可以包括N(N是值至少为一的整数)个由间隙(该间隙可以是具有比衬底小得多的折射率的材料，例如，气隙)分开的光学材料的基本上平行堆叠的衬底，每个此类衬底具有第一表面和第二表面，并且作为出瞳扩大器。每个衬底可以包括至少一个衍射元件(例如，衍射光栅)，其布置在所述至少一个衬底的第一或第二表面上并且配置为接收输入光束(即，至少一个衍射元件作为入耦合光栅)。注意，在通过第一衬底的入耦合光栅传播之后，输入光束的某些“未选择的”波长分量(即，输入光束的一部分)由N个堆叠衬底中的第二衬底的入耦合光栅接收，以此类推。还注意到，在双目式系统中，其可以是针对左眼和针对右眼的彼此相邻的一个或两个入耦合光栅，其配置为将输入光束分裂成在两个基本上相反的方向上的两个基本上相等的分量。每个衬底可以进一步包括至少一个其他衍射元件(例如，衍射光栅)，其布置在第一或第二表面上并且用作出耦合光栅。而且，在双目式系统中，其可以是对称地位于衬底中的两个出耦合光栅，从而为左眼和右眼提供出耦合。
而且，根据本发明的实施方式，每个衬底可以包括布置在衬底内或衬底上的至少一个吸光区域。这样，至少部分输入光束可以在衍射元件(入耦合光栅)中衍射，从而由于全内反射而基本上在第一和第二表面内提供至少一个(双目式系统中为两个)衍射的光束，并且然后通过至少一个其他衍射元件(出耦合光栅)中的衍射将至少一个衍射的光束的至少部分进一步耦合出每个衬底，这样使用如下所述的波长选择性以在一个或两个维度上扩大的出瞳将输出光束(或针对双目式系统为两个光束)提供到每个衬底之外。
根据本发明的实施方式，输入光束可以包括K个波长分量(K是值至少为二的整数)，从而布置在每个衬底内或每个衬底上的至少一个吸光区域配置为吸收K个波长分量中的M(M是介于1和K-1之间的整数)个预选择的分量，以及配置为传播从K个波长分量中选择的分量，例如，在基本上没有由于吸收导致的光强衰减的情况下。然后，来自于每个衬底的输出光束基本上包括从K个波长分量中所选择的分量。注意到每个衬底中的衍射光栅针对将由该光栅选择的波长分量进行优化(例如，通过选择周期线的合适的周期)。
这样，N个堆叠的衬底中的每个配置为扩大输入光束的所述K个波长分量中的基本上仅一个分量的出瞳，从而合并在一起的所有所述K个波长分量在所述光学设备的输出中具有基本上相同的方向和位置，因此，使用N个出瞳扩大器提供分色，其中出瞳扩大器使用多个衍射元件来扩大例如电子设备中的显示器的出瞳，以便观看。
在一个可能的实施方式中，N可以等于K，即，每个衬底仅可以输出一个波长(颜色)分量。在另一个实施方式中，用于N个衬底中的任何衬底的吸光区域可以配置为吸收所有K-1个波长分量，除了来自该衬底将提供在输出光束中的仅一个选择的波长分量带。而且，不同的衬底可以配置为根据具体的系统设计吸收不同数目的波长分量。
根据本发明的其他实施方式，在二维出瞳扩大的情况下，每个衬底可以包括至少一个中间衍射元件(针对双目的情况是两个中间衍射元件)，从而在至少一个衍射元件中衍射的至少部分输入光束首先耦合至至少一个中间衍射元件，然后，使用至少一个中间衍射元件中的进一步衍射将至少部分所述衍射的光束耦合至至少一个其他衍射元件，然后，其他衍射元件提供所述输入光束的二维出瞳扩大。中间衍射元件可以具有奇数个一级衍射或偶数个其他一级反射，如本领域中所知的，以及例如由T.Levola在“Diffractive Optics forVirtual Reality Displays”，SID Eurodisplay 05，Edinburg(2005)，SID 02 Digest，Paper22.1中所描述的。
而且，根据本发明的实施方式，布置在每个衬底内或每个衬底上的至少一个吸光区域可以使用以下至少一个方法或其组合配置：
a)散布遍及每个衬底的体积的吸收着色，
b)散布遍及每个衬底仅在至少一个衍射元件和至少一个其他衍射元件之间(即，入耦合光栅和出耦合衍射光栅之间)的每个衬底的区域中的厚度的吸收着色，
c)散布遍及用于制造至少一个衍射元件、至少一个其他衍射元件和/或中间光栅的树脂的吸收着色，
d)吸收涂层，具有与每个衬底基本上相同的折射率，其布置在基本上介于至少一个衍射元件和至少一个其他衍射元件之间(即，入耦合光栅和出耦合衍射光栅之间)的区域中的每个衬底上，等等。
在本发明的其他实施方式中，每个衬底可以配置为具有附加吸光层，其布置在该衬底的表面上或与该衬底的表面相邻，其中表面是输入光束在由该衬底接收之后通过其传播的衬底的第二表面，从而由该衬底选择的从K个波长分量中所选择的分量基本上在附加吸光层中被吸收，这样防止所述选择的波长分量进入下一衬底。
用于实现本发明的实施方式的一个实际示例可以是针对RGB(红、绿、篮)色域的分色。在该情况中，堆叠中的第一衬底可以“选择”短篮波长分量并且“吸收”绿和红，第二衬底可以“选择”绿分量并且“吸收”篮和红，并且最后，堆叠中的第三衬底可以“选择”长红波长分量并且“吸收”绿和篮。根据本发明的各种实施方式，在图2到图6中提供了更多的实现示例。
图1a和图1b示出了虚拟现实显示器(如图1a示出了剖面图)的示意性图示，其具有出瞳扩大器系统10a，其具有堆叠的衍射出瞳扩大器10-1、10-2，如图1b的剖面图所示，具有入耦合光栅12-1和12-2等，以及针对双目情况的出耦合光栅14-1、14-2、16-1和16-2。为了简便，输入光束具有两个波长分量20(λ1)和22(λ2)。在图1b所示的方法中，分量20和22两者都耦合(分别参见相应光束20-1a、22-1a、20-2a、22-2a，以及不期望的光束20-1c、22-1c、20-2c、22-2c)至图1b中示出的衬底10-1和10-2中的每个中的相应出耦合光栅14-1、14-2、16-1和16-2，从而波长分量20和22两者都由衬底10-1和10-2中的每个提供在输出光束中，即使出现以下事实：即仅针对波长分量20优化出耦合衍射光栅14-1和16-1，以及仅针对波长分量22优化出耦合衍射光栅14-2和16-2。该颜色混合恶化了由出瞳扩大器系统10a提供的图像质量。具有如图1b所示堆叠的衍射出瞳扩大器的图1a的虚拟现实显示器的示例可以用于应用本发明的实施方式。图2到图6提供根据本发明的实施方式用于消除颜色混合的不同实现示例。
图2a和图2b示出了根据本发明实施方式在出瞳扩大器系统10中分色的示例性图示(截面图)中的示例，其分别使用通过衬底10-1和10-2的体积的吸收着色(图1a)，和通过在入耦合光栅12-1和12-2与出耦合光栅14-1、14-2、16-1和16-2之间的衬底10-1和10-2的所选区域10-1a、10-2a、10-1b和10-2b的厚度的吸收着色，如图2b示出。衬底10-1中的吸收着色被优化用于吸收波长分量22，而对于波长分量20透明，并且衬底10-2中的吸收着色被优化用于吸收波长分量20，而对于波长分量22透明。这样，衬底10-1和10-2中的每个仅提供一个波长分量：分别地，表示波长分量20的光束20-1b和20-2b由衬底10-1提供，并且表示波长分量22的光束22-1b和22-2b由衬底10-2提供。
图3a和图3b示出了根据本发明的实施方式的在出瞳扩大器系统10中分色的示例性图示(剖面图)中的示例，其使用散布遍及在入耦合光栅12-1和12-2和/或在出耦合光栅34-1、34-2、36-1和36-2中使用的树脂的吸收着色。在图3a中，第一衬底10-1的衍射光栅34-1、36-1中的吸收着色被优化用于吸收波长分量22，而对于波长分量20透明，并且第一衬底10-2的衍射光栅34-2、36-2中的吸收着色被优化用于吸收波长分量20，而对于波长分量22透明，这样，通过出耦合光栅34-1、34-2、36-1和36-2中的吸收消除了不期望的光束20-1c、22-1c、20-2c、22-2c。注意，如图3a所示，入耦合光栅12-2提供不期望的光束20-1c和20-2c的初始衰减。如果入耦合光栅12-2可以提供不期望的光束20-1c和20-2c的足够衰减，那么出耦合光栅14-2和16-2根本不必着色，如图3b所示。这提供了以下优势：来自于第一衬底10-1的出耦合光束20-1b和20-2b不被衍射光栅14-2和16-2中的吸收着色衰减。
图4a示出了在出瞳扩大器系统10中分色的示意性图示(剖面图)中的示例，其使用散布遍及在出耦合光栅34-1、34-2、36-1和36-2中树脂的吸收着色，从而不期望的光束20-1c、22-1c、20-2c、22-2c分别由出耦合光栅34-1、34-2、36-1和36-2中的吸收消除。此外(可选地)，布置在衬底10-1的表面上或与衬底10-1的表面相邻横越入耦合光栅12-1的吸光层40可以吸收波长分量20，以便最小化不期望的光束20-1c和20-2c的出现。如果入耦合光栅12-2可以提供不期望光束20-1c和20-2c的足够衰减，那么出耦合14-2和16-2根本不必着色，如图4b所示。这提供了以下优势：来自于第一衬底10-1的出耦合光束20-1b和20-2b分别不被衍射光栅14-2和16-2中的吸收着色衰减。
图5a示出了在出瞳扩大器系统10中分色的示意性图示(剖面图)中的示例，其使用散布遍及在第一衬底10-1的出耦合光栅34-1和36-1中树脂的吸收着色，从而不期望的光束22-1c和22-2c分别由出耦合光栅34-1和36-1中的吸收消除。在第二衬底10-2中，根据本发明的实施方式，吸收涂层42-1和42-2分别具有与衬底10-2基本上相同的折射率并且布置在入耦合光栅12-2和出耦合光栅14-2和16-2之间的区域中的衬底10-2上。这些吸收涂层42-1和42-2在用作全内反射边界的第二衬底10-2中基本上吸收了不期望的光束20-1c和20-2c。在图5b的示例中，根据本发明的其他实施方式，替代使用散布遍及出耦合光栅(如图5a所示)中树脂的吸收着色，其他吸收涂层44-1和44-2分别具有与衬底10-1基本上相同的折射率并且布置在入耦合光栅12-1和出耦合光栅14-1和16-1之间的区域中的衬底10-1上。这些吸收涂层44-1和44-2在用作全内反射边界的第一衬底10-1中也基本上吸收了不期望的光束22-1c和22-2c。
注意，着色是已知技术，例如，参见C.U.Ryser的美国专利6,464,733“Tinting plastic articles”。对于衬底的选择性着色(参见图2b)，可以对需要着色的部分分开着色。然后，这些部分可以利用清澈的(clear)塑料浇铸(mold)在一起。着色和未着色的部分应该具有相同的折射率，如果完全使用相同材料则这是通常的情况，因为着色通常不改变折射率。辐射方法还可以用于在材料中产生颜色中心以改变光谱吸收。而且，衍射光栅可以使用UV(紫外线)可医用树脂而形成，该树脂被着色，如本领域已知的。
图6示出了根据本发明实施方式的具有出瞳扩大器(EPE)系统10的电子设备的示意性图示的示例。
出瞳扩大器(EPE)10、10a或10b可以用在电子(便携式)设备100中，诸如移动电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式互联网设备、手持计算机、数字摄像机和照相机、可佩带计算机、计算机游戏设备、用于观看的专用入眼(bring-to-the-eye)产品以及其他便携式电子产品。如图6所示，便携式设备100具有外壳210以容纳用于从外部设备(未示出)接收信息以及向外部设备传输信息的通信单元212。便携式设备100还具有用于处理接收的以及传输的信息的控制和处理单元214，以及用于观看的虚拟显示器系统230。虚拟显示器系统230包括微显示器或图像源192以及光学引擎190。控制和处理单元214可操作地连接至光学引擎190以向图像源192提供图像数据，从而在其上显示图像。根据本发明，EPE10可以光学地链接至光学引擎190。
而且，如图6所示的图像源192可以是顺序彩色LCOS(硅上液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、MEME(微机电系统)设备或用于透射、反射或发射的任何其他合适的微显示器设备。
而且，电子设备100可以是便携式设备，诸如移动电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式互联网设备、手持计算机、数字摄像机和照相机、可佩带计算机、计算机游戏设备、用于观看的专用入眼产品以及其他便携式电子设备。然而，根据本发明，出瞳扩大器还可以使用在非便携式设备中，诸如游戏设备、售货机、Band-o-matic以及家用电器，诸如烤箱、微波炉和其他设备以及其他非便携式设备。
应该理解，上述布置仅是本发明原理的应用的说明。本领域的技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下设计出多个修改和可替换布置，并且所附权利要求书旨在覆盖此类修改和配置。

Claims (24)

1.一种装置，包括：
至少一个光学材料衬底，其具有第一表面和第二表面；
至少一个衍射元件，布置在所述至少一个衬底的所述第一或第二表面上并且配置为接收输入光束；
至少一个其他衍射元件，布置在所述第一或第二表面上；以及
至少一个吸光区域，其布置在所述至少一个衬底内或所述至少一个衬底上，其中
至少部分所述输入光束在所述衍射元件中衍射，从而基本上在所述第一和第二表面内提供至少一个衍射的光束，以及
所述至少一个衍射的光束中至少部分通过所述至少一个其他衍射元件中的衍射耦合出所述至少一个衬底，这样以在一个或两个维度上扩大的出瞳将输出光束提供到所述至少一个衬底之外，其中
所述输入光束包括K个波长分量并且所述至少一个吸光区域配置为吸收所述至少一个衍射的光束的K个波长分量中M个预选择的分量，以及配置为传播从所述至少一个衍射的光束的所述K个波长分量中选择的分量，从而所述输出光束包括所述从K个波长分量中所选择的分量，其中K是值至少为二的整数并且M是介于1和K-1之间的整数。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学设备包括由间隙分开的N个堆叠的光学材料衬底，N是值至少为一的整数，并且所述至少一个衬底是所述N个衬底中的一个，其中所述N个堆叠的衬底中的每个配置为扩大所述输入光束的所述K个波长分量中的基本上仅一个分量的出瞳，从而合并在一起的所有所述K个波长分量在所述光学设备的输出中具有基本上相同的方向和位置。
3.根据权利要求2所述的装置，其中N＝K。
4.根据权利要求1所述的装置，其中M＝K-1。
5.根据权利要求1所述的装置，其中由所述至少一个衬底提供的所述输出光束基本上仅包括从所述K个波长分量中所述所选择的分量。
6.根据权利要求1所述的装置，其中使用以下内容中的至少一个配置所述至少一个吸光区域：
a)散布遍及所述至少一个衬底的体积的吸收着色，
b)散布遍及所述至少一个衬底仅在所述至少一个衍射元件和至少一个其他衍射元件之间的所述至少一个衬底的区域中的厚度的吸收着色，
c)散布遍及用于制造所述至少一个衍射元件的树脂的吸收着色，
d)散布遍及用于制造所述至少一个其他衍射元件的树脂的吸收着色，以及
e)吸收涂层，具有基本上与所述至少一个衬底相同的折射率，该吸收涂层布置在基本上介于所述至少一个衍射元件和所述至少一个其他衍射元件之间的区域中的所述至少一个衬底上。
7.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
光学材料的其他衬底，其具有其他第一表面和其他第二表面，所述其他衬底与所述至少一个衬底基本上平行地堆叠，但与所述至少一个衬底保持间隙；
至少一个附加衍射元件，布置在所述其他衬底的所述其他第一或其他第二表面上并且配置为接收通过所述至少一个衬底传播到所述其他衬底中的所述输入光束的一部分；
至少又一个衍射元件，布置在所述其他第一或其他第二表面上；以及
至少一个其他吸光区域，其布置在所述其他衬底内或所述其他衬底上，其中
所述输入光束部分中的至少其他部分在所述附加衍射元件中衍射，从而基本上在所述其他第一和其他第二表面内提供至少一个其他衍射的光束，以及
所述至少一个其他衍射的光束中至少其他部分通过所述至少又一个其他衍射元件中的衍射进一步耦合出所述其他衬底，这样以在一个或两个维度上扩大的出瞳将其他输出光束提供到所述其他衬底之外，所述其他输出光束具有与所述输出光束基本上相同的方向和位置，其中
所述至少一个其他吸光区域配置为吸收所述K个波长分量中的P个预选择的分量，以及配置为传播所述K个波长分量中其他所选择的分量，从而所述其他输出光束包括所述K个波长分量中所述其他所选择的分量，其中P是介于1和K-1之间的整数。
8.根据权利要求7所述的装置，其中P＝K-1。
9.根据权利要求7所述的装置，其中使用以下内容中的至少一个配置所述至少一个其他吸光区域：
a)散布遍及所述其他衬底的体积的吸收着色，
b)散布遍及所述其他衬底仅在所述至少一个附加衍射元件和所述至少又一个衍射元件之间的所述其他衬底的区域中的厚度的吸收着色，
c)散布遍及用于制造所述至少一个附加衍射元件的树脂的吸收着色，
d)散布遍及用于制造所述至少又一个衍射元件的树脂的吸收着色，以及
e)吸收涂层，具有与所述其他衬底基本上相同的折射率，该吸收涂层布置在介于所述至少一个附加衍射元件和所述至少又一个衍射元件之间的所述其他衬底上。
10.根据权利要求7所述的装置，其中所述间隙是气隙。
11.根据权利要求7所述的装置，其中由所述至少一个衬底提供的所述输出光束基本上仅包括所述K个波长分量中所述选择的分量，并且由所述其他衬底提供的所述其他输出光束基本上仅包括所述K个波长分量中所述选择的其他分量，以及合并在一起的所述输出光束和所述其他输出光束具有基本上相同的方向和位置。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个衬底配置为具有布置在所述至少一个衬底的表面上或与所述至少一个衬底的表面相邻的附加吸光层，所述表面是所述输入光束通过其传播的第二表面，从而所述K个波长分量中所述选择的分量基本上在所述附加吸光层中被吸收。
13.根据权利要求1所述的装置，进一步包括至少一个中间衍射元件，从而在所述至少一个衍射元件中衍射的至少部分所述输入光束首先耦合至所述至少一个中间衍射元件，然后，使用所述至少一个中间衍射元件中的进一步衍射将所述至少部分所述衍射的光束耦合至所述至少一个其他衍射元件，然后，所述至少一个其他衍射元件提供所述输入光束的二维出瞳扩大。
14.一种方法，包括：
由布置在至少一个衬底的第一或第二表面上的至少一个衍射元件接收输入光束，所述输入光束包括K个波长分量，其中K是值至少为二的整数；
在所述至少一个衍射元件中衍射至少部分所述输入光束，从而基本上在所述第一和第二表面内提供至少一个衍射的光束；
在布置在所述至少一个衬底内或所述至少一个衬底上的至少一个吸光区域中吸收所述至少一个衍射的光束的所述K个波长分量中的M个预选择的分量，并且在基本上没有光学强度衰减的情况下，在所述至少一个吸光区域中传播所述至少一个衍射的光束的所述K个波长分量中选择的分量，其中M是介于1和K-1之间的整数；以及
通过在所述至少一个其他衍射元件中的衍射将所述至少一个衍射的光束中的至少部分耦合出所述至少一个衬底，这样以在一个或两个维度上扩大的出瞳将所述输出光束提供到所述至少一个衬底之外，其中所述输出光束包括所述K个波长分量中所述选择的分量。
15.根据权利要求14所述的方法，其中由所述至少一个衬底提供的所述输出光束基本上仅包括所述K个波长分量中所述选择的分量。
16.根据权利要求14所述的方法，其中使用以下内容中的至少一个配置所述至少一个吸光区域：
a)散布遍及所述至少一个衬底的体积的吸收着色，
b)散布遍及所述至少一个衬底仅在所述至少一个衍射元件和至少一个其他衍射元件之间的所述至少一个衬底的区域中的厚度的吸收着色，
f)散布遍及用于制造所述至少一个衍射元件的树脂的吸收着色，
g)散布遍及用于制造所述至少一个其他衍射元件的树脂的吸收着色，以及
h)吸收涂层，具有与所述至少一个衬底基本上相同的折射率，该吸收涂层布置在基本上介于所述至少一个衍射元件和所述至少一个其他衍射元件之间的区域中的所述至少一个衬底上。
17.一种电子设备，包括：
-数据处理单元；
-光学引擎，可操作地连接至所述数据处理单元，用于接收来自于所述数据处理单元的图像数据；
-显示器设备，可操作地连接至所述光学引擎，用于基于所述图像数据形成图像；以及
-出瞳扩大器，包括：
至少一个光学材料衬底，其具有第一表面和第二表面；
至少一个衍射元件，布置在所述至少一个衬底的所述第一或第二表面上并且配置为接收输入光束；
至少一个其他衍射元件，布置在所述第一或第二表面上；以及
至少一个吸光区域，其布置在所述至少一个衬底内或所述至少一个衬底上，其中
至少部分所述输入光束在所述衍射元件中衍射，从而基本上在所述第一和第二表面内提供至少一个衍射的光束，以及
所述至少一个衍射的光束中至少部分通过在所述至少一个其他衍射元件中的衍射耦合出所述至少一个衬底，这样以在一个或两个维度上扩大的出瞳将所述输出光束提供到所述至少一个衬底之外，其中
所述输入光束包括K个波长分量，并且所述至少一个吸光区域配置为吸收所述K个波长分量中M个预选择的分量，以及配置为传播所述K个波长分量中选择的分量，并且基本上没有光强衰减，从而所述输出光束包括所述K个波长分量中所述选择的分量，其中K是值至少为二的整数并且M是介于1和K-1之间的整数。
18.根据权利要求17所述的电子设备，其中所述出瞳扩大器包括由间隙分开的N个堆叠的光学材料衬底，N是值至少为一的整数，并且所述至少一个衬底是所述N个衬底中的一个，其中所述N个堆叠的衬底中的每个配置为扩大所述输入光束的所述K个波长分量中基本上仅一个分量的出瞳，从而合并在一起的所有所述K个波长分量在所述光学设备的输出中具有基本上相同的方向和位置。
19.根据权利要求18所述的电子设备，其中N＝K。
20.根据权利要求17所述的电子设备，其中M＝K-1。
21.根据权利要求17所述的电子设备，其中由所述至少一个衬底提供的所述输出光束基本上仅包括所述K个波长分量中所述选择的分量。
22.根据权利要求17所述的电子设备，其中使用以下内容中的至少一个配置所述至少一个吸光区域：
a)散布遍及所述至少一个衬底的体积的吸收着色，
b)散布遍及所述至少一个衬底仅在所述至少一个衍射元件和至少一个其他衍射元件之间的所述至少一个衬底的区域中的厚度的吸收着色，
c)散布遍及用于制造所述至少一个衍射元件的树脂的吸收着色，
d)散布遍及用于制造所述至少一个其他衍射元件的树脂的吸收着色，以及
e)吸收涂层，具有与所述至少一个衬底基本上相同的折射率，该吸收涂层布置在基本上介于所述至少一个衍射元件和所述至少一个其他衍射元件之间的区域中的所述至少一个衬底上。
23.一种设备，包括：
至少一个衍射装置，
用于由布置在至少一个衬底的第一或第二表面上的至少一个衍射装置接收输入光束，所述输入光束包括K个波长分量，其中K是值至少为二的整数，以及
用于在所述至少一个衍射装置中衍射至少部分所述输入光束，从而基本上在所述第一和第二表面内提供至少一个衍射的光束；
布置在所述至少一个衬底内或所述至少一个衬底上的至少一个吸收装置，用于通过所述至少一个吸收装置吸收所述至少一个衍射的光束的所述K个波长分量中M个预选择的分量，并且在基本上没有光学强度衰减的情况下，在所述至少一个吸光区域中传播所述至少一个衍射的光束的所述K个波长分量中选择的分量，其中M是介于1和K-1之间的整数；以及
至少一个其他衍射装置，用于通过在所述至少一个其他衍射装置中的衍射将所述至少一个衍射的光束中的至少部分耦合出所述至少一个衬底，这样以在一个或两个维度上扩大的出瞳将所述输出光束提供到所述至少一个衬底之外，其中所述输出光束包括所述K个波长分量中所述选择的分量。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述设备是出瞳扩大器。
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