CN101460883A - 立体出瞳扩大器显示器 - Google Patents

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Abstract

说明书和附图示出了新装置和方法，用于使用在一个显示器(例如，微显示器)的右图像和左图像之间顺序切换在具有衍射出瞳扩大器的电子设备中提供立体显示。光学传递系统可以提供显示器的顺序左图像和右图像，并且然后，相应使用具有不对称的(例如，高度倾斜的)入耦合光栅的出瞳扩大器(EPE)来针对左和右切换照明，其实际上仅向一个方向(例如，EPE衬底的一个区域)发送可见光。

Description

立体出瞳扩大器显示器
相关申请的交叉引用
本申请公开了与本申请同一日提交的共同未决、共有的申请(Att.Doc.No944-003.185)也公开的且可以要求保护的技术方案。
技术领域
本发明一般地涉及显示器设备，并且尤其涉及立体显示器，其使用多个衍射元件来扩大显示器出瞳以便观看。
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为操纵从图像显露的可见光的光学布置，其中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呈现的可见光束的大小称作出瞳(exit pupil)。在近眼显示器(NED)中，出瞳在直径上通常小于10mm。进一步放大出瞳使得使用虚拟显示器变得非常容易，因为设备可以放置在距眼睛一定距离处。
通常，为了使用具有多个衍射元件的出瞳光束扩大器提供立体观看，可以利用两个微显示器的图像。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种装置，包括：光学材料的衬底，其具有第一表面和第二表面，衬底包括沿线基本上彼此邻近的第一区域和第二区域；两个衍射元件，布置在第一或第二表面上并且配置为顺序地接收包括显示器的光学图像的两个输入光束，从而两个输入光束中的一个由两个衍射元件中的一个接收并且两个输入光束中的另一个由两个衍射元件中的另一个接收，其中分别地，两个衍射元件中的一个布置在第一区域上，并且两个衍射元件中的另一个布置在第二区域上；两个其他衍射元件，布置在第一或第二表面上，其中分别地，两个其他衍射元件中的一个布置在第一区域上，并且两个其他衍射元件中的另一个布置在第二区域上；以及光学传递系统，配置为在两个衍射元件之间顺序切换包括显示器的光学图像的两个输入光束，其中两个顺序切换的输入光束中的每个的至少部分在任何时间仅在两个衍射元件中的一个中衍射，从而基本上在第一和第二表面内利用两个衍射元件中的一个在相同区域中提供衍射光束，以及第一或第二区域中的至少部分衍射的光束进一步通过两个其他衍射元件中的一个中的衍射耦合出衬底，用于提供两个顺序切换的并且基本上相同的输出光束，每个输出光束包括具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的显示器的光学图像。
进一步根据本发明的第一方面，两个顺序切换并且基本上相同的输出光束可以用于提供显示器的立体图像。
进一步根据本发明的第一方面，两个衍射元件可以基本上彼此相邻并且邻近所述线。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，光学传递系统可以包括两个光源，该两个光源配置为在基本上不同的方向上提供两个光束，以便顺序地切换两个输入光束。而且，两个光源可以配置为以预定的周期以顺序的方式打开和关闭。而且，光学传递系统可以包括线栅偏光器，其配置为分束器以重定向两个光束，从而在两个衍射元件之间顺序切换两个输入光束，并且显示器是硅上液晶显示器。
进一步根据本发明的第一方面，光学传递系统可以包括快门，该快门配置为以预定的周期在两个衍射元件之间顺序切换两个输入光束。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，衬底可以是单片(one-piece)衬底。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，衬底可以配置为在所述线附近具有吸光材料，吸光材料位于与布置有两个衍射元件的衬底表面相对的衬底的表面上。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，所述衬底可以是分裂衬底，从而第一区域和第二区域是物理上分开的。而且，吸光材料可以沉积在第一和第二部分沿所述线物理分开的区域中第一和第二部分的至少一个的一端上。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，两个衍射元件或两个其他衍射元件的位置相对于所述线可以是对称的。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，两个衍射元件可以具有不对称的凹槽形状，使得由两个衍射元件中的每个所衍射的输入光束基本上仅耦合至第一和第二区域当中布置了两个衍射元件中的每个的区域。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，两个衍射元件可以具有不对称的凹槽形状并且可以是具有大于20度的倾斜角度的倾斜光栅。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，两个衍射元件可以是不对称的，使得它们的凹槽形状相对于分开第一和第二区域的所述线彼此成镜像。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，两个衍射元件和两个其他衍射元件可以布置在衬底的一个表面上。
仍旧进一步根据本发明的第一方面，衬底的第一和第二区域中的每个区域可以包括中间衍射元件，从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间衍射元件，然后中间衍射元件使用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布置在每个区域上的两个其他衍射元件中的一个，从而在每个区域中提供两个输入光束之一的二维出瞳扩大。
根据本发明的第二方面，一种方法，包括：由两个衍射元件接收两个顺序切换的输入光束，从而两个输入光束中的一个由两个衍射元件中的一个接收，并且两个输入光束中的另一个由两个衍射元件中的另一个接收，两个衍射元件布置在光学材料制成的衬底的第一或第二表面上，衬底包括沿线基本上彼此邻近的第一区域和第二区域，以及其中分别地，两个衍射元件中的一个布置在第一部分上，并且两个衍射元件中的另一个布置在第二部分上，其中两个顺序切换的输入光束包括显示器的光学图像并且由光学传递系统提供；两个顺序切换的输入光束中的每个的至少部分在任何时间仅在两个衍射元件中的一个中衍射，从而基本上在第一和第二表面内利用两个衍射元件中的一个在相同区域中提供衍射的光束；以及第一或第二区域中的至少部分衍射的光束通过在两个其他衍射元件中的一个中的衍射耦合出衬底，用于提供两个顺序切换并且基本上相同的输出光束，每个输出光束包括具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的显示器的光学图像，其中两个其他衍射元件布置在第一或第二表面上，其中分别地，两个其他衍射元件中的一个布置在第一区域上，并且两个其他衍射元件中的另一个布置在第二区域上。
进一步根据本发明的第二方面，两个顺序切换并且基本上相同的输出光束可以用于提供显示器的立体图像。
进一步根据本发明的第二方面，两个衍射元件可以基本上彼此相邻并且邻近所述线。
仍旧进一步根据本发明的第二方面，光学传递系统可以包括两个光源，该两个光源配置为在基本上不同的方向上提供两个光束，以便顺序地切换两个输入光束。
进一步根据本发明的第二方面，光学传递系统可以包括快门，该快门配置为以预定的周期在两个衍射元件之间顺序地切换两个输入光束。
仍旧进一步根据本发明的第二方面，衬底可以是单片衬底。
仍旧进一步根据本发明的第二方面，衬底可以是分裂衬底，从而第一区域和第二区域是物理上分开的。
仍旧进一步根据本发明的第二方面，两个衍射元件可以具有不对称的凹槽形状，使得由两个衍射元件中的每个所衍射的输入光束基本上仅耦合至第一和第二区域当中布置了两个衍射元件中的每个的区域。
仍旧进一步根据本发明的第二方面，两个衍射元件可以是不对称的，使得它们的凹槽形状相对于分开第一和第二区域的所述线彼此成镜像。
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
-出瞳扩大器设备，包括：
光学材料的衬底，其具有第一表面和第二表面，衬底包括沿线基本上彼此邻近的第一区域和第二区域；
两个衍射元件，布置在第一或第二表面上并且配置为顺序地接收包括显示器的光学图像的两个输入光束，从而两个输入光束中的一个由两个衍射元件中的一个接收，并且两个输入光束中的另一个由两个衍射元件中的另一个接收，其中分别地，两个衍射元件中的一个布置在第一区域上，并且两个衍射元件中的另一个布置在第二区域上；
两个其他衍射元件，布置在第一或第二表面上，其中分别地，两个其他衍射元件中的一个布置在第一区域上，并且两个其他衍射元件中的另一个布置在第二区域上；以及
光学传递系统，配置为在两个衍射元件之间顺序切换包括显示器的光学图像的两个输入光束，其中
两个顺序切换的输入光束中的每个的至少部分在任何时间仅在两个衍射元件中的一个中衍射，从而基本上在第一和第二表面内利用两个衍射元件中的一个在相同区域中提供衍射的光束，以及
第一或第二区域中的至少部分衍射的光束进一步通过在两个其他衍射元件中的一个中的衍射耦合出衬底，用于提供两个顺序切换并且基本上相同的输出光束，每个输出光束包括具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的显示器的光学图像。
进一步根据本发明的第三方面，两个顺序切换并且基本上相同的输出光束可以用于提供显示器的立体图像。
仍旧进一步根据本发明的第三方面，两个衍射元件可以基本上彼此相邻并且邻近所述线。
进一步根据本发明的第三方面，光学传递系统可以包括两个光源，该两个光源配置为在基本上不同的方向上提供两个光束，以便顺序地切换两个输入光束。
仍旧进一步根据本发明的第三方面，衬底可以是单片衬底。
仍旧进一步根据本发明的第三方面，衬底可以是分裂衬底，从而第一区域和第二区域是物理上分开的。
根据本发明的第四方面，一种装置，包括：
光学传递装置，用于提供包括显示器的光学图像的两个顺序切换的输入光束；
两个衍射装置，
用于由两个衍射装置接收两个顺序切换的输入光束，从而两个输入光束中的一个由两个衍射装置中的一个接收，并且两个输入光束中的另一个由两个衍射装置中的另一个接收，两个衍射装置布置在光学材料制成的衬底的第一或第二表面上，衬底包括沿线基本上彼此邻近的第一区域和第二区域，以及其中分别地，两个衍射装置中的一个布置在第一部分上，并且两个衍射装置中的另一个布置在所述第二部分上，其中两个顺序切换的输入光束包括显示器的光学图像并且由光学传递装置提供，以及
用于在任何时间仅在两个衍射装置中的一个中衍射两个顺序切换的输入光束中的每个的至少部分，从而基本上在第一和第二表面内利用两个衍射装置中的一个在相同区域中提供衍射的光束；以及
两个其他衍射装置，用于通过在两个其他衍射装置中的一个中的衍射将第一或第二区域中的至少部分衍射的光束耦合出衬底，用于提供两个顺序切换并且基本上相同的输出光束，即左输出光束和右输出光束，每个输出光束包括具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的显示器的光学图像，
其中两个其他衍射装置布置在第一或第二表面上，其中分别地，两个其他衍射装置中的一个布置在第一区域上，并且两个其他衍射装置中的另一个布置在第二区域上。
进一步根据本发明的第四方面，装置可以是立体光学设备并且两个顺序切换并且基本上相同的输出光束可以用于提供显示器的立体图像。
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至图1d是作为虚拟显示器的一部分的一维衍射出瞳扩大器(EPE)的示意性图示(图1a中示出剖面图，并且图1b示出对应于显示器前部的EPE的俯视图)，以及图1c中示出了入耦合光栅(例如，使用倾斜的不对称光栅)的示意性图示(剖面图)，以及图1d中示出了出耦合光栅的示意性图示(剖面图)；
图2a和图2b是根据本发明实施方式的在微显示器的右图像(图2a)和左图像(图2b)之间使用顺序切换的具有扁平衍射出瞳扩大器的立体光学设备(显示器)的示意性图示(剖面图)；
图3a和图3b是根据本发明实施方式的在微显示器的右眼图像(图3a)和左眼图像(图3b)之间使用顺序切换的具有分裂衍射出瞳扩大器的立体光学设备(显示器)的示意性图示(剖面图)；
图4a和图4b是根据本发明实施方式的可以在出瞳扩大器中使用的扁平倾斜的不对称光栅(图4a)和分裂入耦合光栅(图4b)的示意性图示(剖面图)；
图5a和图5b是根据本发明实施方式的二维出瞳扩大器的(两个区域中的)一个区域的示意性图示(俯视图)，其中中间衍射元件(光栅)具有奇数个一级衍射(在图5a中示出)或偶数个其他一级反射(在图5b中示出)；以及
图6是根据本发明实施方式的具有利用出瞳扩大器的立体显示器的电子设备示意性图示。
具体实施方式
呈现了新方法和装置，用于使用在一个显示器(例如，微显示器)的右图像和左图像之间顺序切换，具有衍射出瞳扩大器的电子设备中提供立体显示器。根据本发明的实施方式，光学传递系统可以提供显示器的顺序左图像和右图像，并且然后，相应使用具有不对称的(例如，高度倾斜的)入耦合光栅的出瞳扩大器(EPE)来左右切换照明，其实际上仅对一个方向(例如，EPE衬底的一个区域)发送可见光。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，立体光学设备(例如，该设备可以是虚拟现实显示器的一部分)可以包括具有第一表面和相对的第二表面的光学材料制成的衬底，其中该衬底包括沿线基本上彼此邻近的第一区域和第二区域。
而且，两个衍射元件(或入耦合衍射光栅)可以布置在第一或第二表面上，并且每个衍射元件可以配置为接收包括显示器的光学图像的两个输入光束中的一个，其中分别地，两个衍射元件中的一个布置在第一区域上，并且两个衍射元件中的另一个布置在第二区域上，以及所述两个衍射元件可以基本上彼此相邻并且与所述线邻近。
这样，两个顺序切换的输入光束中的每个的至少部分在任何时间仅在两个衍射元件中的一个中衍射，从而由于全内反射基本上在第一和第二表面内在包括两个衍射元件中的所述一个的相同区域中提供衍射的光束。
根据本发明的实施方式，光学传递系统可以配置为在两个衍射元件之间顺序地切换包括显示器的光学图像的两个输入光束。然后，两个区域可以独立在一个或两个维度上扩大输入光束的出瞳，以提供基本上相同的两个输出光束，即左输出光束和右输出光束，每个输出光束包括具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的显示器的光学图像，这样向观察左和右输出光束的用户提供显示器的立体图像，其中左图像和右图像之间的切换速度快到足以如本领域已知的那样在人脑中“融合”显示器的立体图像。
在简单的一维出瞳扩大的情况下，两个其他衍射元件(或出耦合衍射光栅)可以布置在第一或第二表面(例如，两个其他衍射元件可以具有平行的周期线和/或相对于所述线是对称的)上，其中分别地，两个其他衍射元件中的一个布置在第一区域上，并且两个其他衍射元件中的另一个布置在第二区域上，这样衬底的第一和第二区域中的每个中的至少部分衍射的光束进一步通过在两个其他衍射元件中的每个中的衍射(本领域已知)耦合出衬底，这样提供随着时间顺序交替的基本上相同的两个输出光束。注意，两个衍射元件和两个其他衍射元件可以布置在所述衬底的一个表面上或不同表面上。
在二维出瞳扩大的情况下，衬底的第一和第二区域中的每个可以包括中间衍射元件，从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间衍射元件，然后中间衍射元件使用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布置在每个区域中的两个其他衍射元件中的一个，这样通过第一和第二区域中的每个提供两个输入光束中的一个的二维出瞳扩大。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 for Virtual RealityDisplays”，SID Eurodisplay 05，Edinburg(2005)，SID 02 Digest，Paper 22.1中所描述的。
根据本发明的其他实施方式，光学传递系统可以包括两个光源(例如，发光二极管，通常提供偏振可见光)，两个光源配置为在基本上不同的方向上提供两个光束，以便顺序地切换两个输入光束，其中两个光源配置为以预定的周期以顺序的方式打开和关闭。光学传递系统可以进一步包括分束器，例如，使用线栅偏光器，其配置为偏振分束器以针对在所述两个衍射元件之间顺序地切换两个输入光束而重定向两个光束(参见图2a、2b、3a和3b中的示例)。并且，光学传递系统可以包括快门，该快门配置为以预定的周期在所述两个衍射元件之间顺序地切换两个输入光束：a)附加为改进左和右输入光束的分离而打开和关闭可见光源，或b)通过避免光源的大信号调制方式而取代打开和关闭可见光源，因此延长可见光源的寿命。例如，硅上液晶(LCOS)类型的微显示器可以例如以480帧/秒速度进行切换，其意味着160帧/秒全彩色速度以及80帧/秒立体速度。
进一步根据本发明的实施方式，用于EPE的衬底可以使用例如高度不对称的倾斜衍射光栅实现为单片衬底，并且具有通过相应的输入衍射元件耦合到衬底的希望区域(第一或第二)的高效率。对比度可以进一步通过在衬底的相对表面(即，相对于布置有输入衍射元件的表面)上提供吸光材料来改善。该吸光材料的宽度应该优化(例如，优化为与衬底的厚度近似相同)，从而仅吸收在不希望方向上传播的光束。在单片扁平衬底的情况下，彼此邻近的两个衍射元件可以被认为是一个衍射光栅，例如具有光栅的两个高度不对称的倾斜区域。
根据本发明的另一个实施方式，用于EPE的衬底可以实现为分裂衬底，从而所述第一区域和第二区域在物理上分开。此外，可以配置该分裂衬底，以便第一和第二区域可以围绕分开第一和第二区域的所述线以预定的角度范围相对于彼此旋转从而提供更好的观看。
根据本发明的实施方式，两个衍射光栅(或入耦合衍射光栅)可以使用各种不同类型的衍射光栅实现，例如，平面衍射光栅，其使用平版印刷方法或经典标准(具有不同的凹槽角度和轮廓，诸如二元的、三元、正弦等)制造。两个衍射元件(即，它们的凹槽)相对于(虚拟地或者物理地)分割第一和第二区域的线可以是对称的或不对称的。关于两个入耦合光栅的凹槽的术语“不对称”可以具有两个方面：a)在两个光栅的周期线(或凹槽)不平行时，以及b)在两个光栅的凹槽具有不同的倾斜角度时。因此，一个可能性是在两个入耦合光栅中具有非平行不对称周期线，这样仅将衬底的每个部分中的希望的分量重定向到相应的出耦合光栅。另一个方案(其可以与不对称周期线组合)是使用倾斜的光栅(例如，使用至少大于20度并且优选地在35度和50度之间的倾斜光栅)来增加耦合效率并且降低分裂衬底的第一和第二部分(或左和右部分)之间的“光学串扰”。换言之，不对称的光栅(用作两个衍射元件)可以提供，由两个衍射元件中的每个所衍射的输入光束基本上仅在希望的方向上耦合至布置两个衍射元件中的所述每个的部分。
而且，根据本发明的实施方式，为了提供有效耦合以及最小化分裂或单片衬底的两部分之间的“光学串扰”，两个倾斜的光栅可以是不对称的，从而它们的倾斜角度相等但是相对于产生输入光束的系统的光轴具有相反的符号，即，凹槽形状相对于分开第一和第二部分的线彼此成镜像。而且，在分裂衬底的情况中，吸光材料可以沉积在沿着分开第一和第二区域的线第一和第二部分物理上分开的区域中的第一和/或第二部分上。
图1a到图1d示出了一维衍射出瞳扩大器(EPE)的示意性图示，其中图1a示出了剖面图以及如图1b示出了俯视图，这样针对右眼和左眼提供两个基本上相同的图像，以及图1c示出了入耦合光栅(例如，使用倾斜的不对称光栅)和图1d示出了出耦合光栅的示意性图示(对应于图中所示的显示器前端的EPE的俯视图)。可见光从出耦合光栅耦合出。每当光束遇到光栅时，出耦合量取决于光栅属性。可以将系统设计为使得至少针对一个波长以及进入角度，输出是一致的，即r1＝r2＝...，如图1d中所示，其中r1、r2和t1、t2...分别是反射光束以及透射出EPE的光束，并且I1、I2..是由全内反射在EPE内部反射的光束。图2-图6示出了用于提供显示器(例如，微显示器)的立体图像的本发明的不同实施方式。图1a-1d中示出的EPE及其元件的示例可以用于应用本发明的实施方式。图2-图6阐释了本发明的不同实施方式。
图2a和图2b示出了根据本发明实施方式的在微显示器24的右图像32-1d(图2a)和左图像32-2d(图2b)之间使用顺序切换的具有扁平衍射出瞳扩大器12(例如，单片衬底)的立体光学设备(显示器)10(或EPE设备)的示意性图示(剖面图)中的示例。在该示例中的微显示器24可以利用例如硅上液晶(LCOS)。
EPE12是包括两个邻近区域12a和12b的固体衬底，该两个邻近区域12a和12b沿线18(在此，线18是虚构的线)彼此邻近。分别地，区域12a包括入耦合光栅14a和出耦合光栅16a，以及区域12b包括入耦合光栅14b和出耦合光栅16b。邻近光栅14a和14b可以高度不对称，如图4a的示例中进一步示出的。
根据本发明的实施方式，光学传递系统可以配置为在两个衍射元件14a和14b之间顺序地切换包括微显示器24的光学图像的两个输入光束。光学传递系统可以包括可以合并在双可见光源20中的两个光源(例如，发光二极管)20a和20b，两个光源配置为在基本上不同的方向上分别提供两个光束32-1和32-2(通常被偏振)，如图2a和2b所示，以便顺序地切换包括微显示器24的图像的两个输入光束32-1b和32-2b，通过入耦合光栅14a和14b将它们衍射为相应的光束32-1c和32-2c，并且进一步衍射为输出光束(微显示器30的右图像和左图像)32-1d和32-2d，其中如上所述，两个光源20a和20b配置为以预定的周期以顺序的方式打开和关闭。这样，向观察顺序切换的左和右输出光束32-1d和32-2d的用户提供微显示器30的立体图像，其中左图像和右图像之间的切换速度快到足以如本领域已知的那样在人脑中“融合”微显示器的立体图像。
例如，用于LCOS微显示器24的光学传递系统可以进一步包括线栅偏光器26，其配置为偏振分束器以针对在所述两个衍射元件之间顺序地切换两个输入光束而重定向反射的两个光束(参见图2a、2b、3a和3b中的示例)。原则上，也可以使用传统的50％分束器，其将导致超过75％的光功率损失，因此使用最小化光功率损失到最小(通常小于20％)的线栅偏光器是有优势的。线栅偏光器在本领域中已知，以及例如由S.Arnold，E.Gardner，D.Hansen和R.Perkins在“An improved polarizing beamsplitter LCOS Proj ection DisplayBased on Wire-Grid Polarizers”，SID 01 Digest，Paper 52.3，1282-1285页(2001)中所描述。
并且，光学传递系统可以包括快门30，该快门30配置为以预定的周期在两个衍射元件14a和14b之间顺序地切换两个输入光束32-1b和32-2b：a)附加为改进左和右输入光束32-1b和32-2b的分离而打开和关闭可见光源20a和20b，或b)取代打开和关闭可见光源20a和20b，这样简化照明光学器件。
图3a和图3b示出了根据本发明实施方式的在LCOS微显示器24的右图像32-1d(图3a)和左图像32-2d(图3b)之间使用顺序切换的具有分裂衍射出瞳扩大器(EPE)12-1的立体光学设备(显示器)10a的示意性图示(剖面图)中的示例。与图2a和图2b相比，图3a和图3b中的仅有差异在于，分别地，使用分裂EPE，其包括物理上分开的区域12a和12b，以及物理上分开的输入衍射光栅14a和14b。使用分裂输入衍射光栅14a和14b可以在区域12a和12b之间提供更好的光学隔离以及图像32-1d和32-2d的更好分离。此外，该分离衬底12-1可以配置使得第一和第二区域12a和12b可以围绕线18以预定的角度范围(在图3a和图3b中示出的方向15上)相对于彼此旋转，从而如果需要，则提供更好的观看。
图4a示出了根据本发明实施方式的图2a和图2b中示出的立体光学显示器10的出瞳扩大器12(具有单片衬底)中使用的倾斜不对称光栅14a和14b(可以被认为是一个衍射光栅14)的示意性图示中的一个示例。光学对比度可以通过在线18附近与布置有输入衍射光栅14a和14b的衬底表面相对的衬底12的表面上提供吸光材料(例如，吸光涂层)17而进一步改善(如图4a所示)。如果吸光区域的宽度优化到相比于图4a所示的光栅14a和14b的总宽度足够小，则将仅吸收不需要的光束。这些不需要的光束是在没有衍射的情况下由光栅14a和14b透射的光束，以及在不希望的方向上传播的那些衍射的光束。
图4b示出了根据本发明实施方式的使用分裂倾斜不对称入耦合光栅14a和14b(光栅14a和14b的衍射凹槽相对于提供输入光束的系统的光轴面向不同方向)的在图3a和图3b中示出的立体光学显示器10a的分裂出瞳扩大器12-1的示意性图示中的一个其他示例。根据其他实施方式，衍射光栅14a和14b的端部可以沿着线18涂有吸光材料20a和20b以进一步光学隔离区域12a和12b。类似于图4a，附加或取代吸光材料20a和20b，可以使用吸光材料17a和17b以进一步改善光学对比度。
图5a和图5b示出了根据本发明实施方式的二维衍射出瞳扩大器12或12-1的两个区域12a或12b中的一个区域的示意性图示(剖面图)中的其他示例。中间衍射元件(衍射光栅)24或26具有奇数个一级衍射(在图4a中示出)或偶数个其他一级反射(在图4b中示出)，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ρ是中间衍射光栅26与入耦合光栅14a或14b的周期线之间的旋转角度。
图6示出了根据本发明实施方式的具有利用出瞳扩大器(EPE)12的立体显示器10或10a的电子设备的示意性图示的示例。
出瞳扩大器(EPE)12或12-1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。根据本发明的实施方式，EPE10或10a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(微机电机械系统)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产品。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 (34)

1.一种装置，包括：
光学材料的衬底，其具有第一表面和第二表面，所述衬底包括沿线基本上彼此邻近的第一区域和第二区域；
两个衍射元件，布置在所述第一或第二表面上并且配置为顺序地接收包括显示器的光学图像的两个输入光束，从而所述两个输入光束中的一个由所述两个衍射元件中的一个接收，并且所述两个输入光束中的另一个由所述两个衍射元件中的另一个接收，其中分别地，所述两个衍射元件中的一个布置在所述第一区域上，并且所述两个衍射元件中的另一个布置在所述第二区域上；
两个其他衍射元件，布置在所述第一或第二表面上，其中分别地，所述两个其他衍射元件中的一个布置在所述第一区域上，并且所述两个其他衍射元件中的另一个布置在所述第二区域上；以及
光学传递系统，配置为在所述两个衍射元件之间顺序地切换包括所述显示器的光学图像的所述两个输入光束，其中
所述两个顺序切换的输入光束中的每个的至少部分在任何时间仅在所述两个衍射元件中的一个中衍射，从而基本上在所述第一和第二表面内利用所述两个衍射元件中的所述一个在相同区域中提供衍射的光束，以及
所述第一或第二区域中的至少部分所述衍射的光束进一步通过在所述两个其他衍射元件中的一个中的衍射耦合出所述衬底，用于提供两个顺序切换并且基本上相同的输出光束，每个输出光束包括具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的所述显示器的光学图像。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述两个顺序切换并且基本上相同的输出光束用于提供所述显示器的立体图像。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述两个衍射元件基本上彼此相邻并且邻近所述线。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学传递系统包括两个光源，所述两个光源配置为在基本上不同的方向上提供两个光束，以便顺序地切换所述两个输入光束。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述两个光源配置为以预定的周期以顺序的方式打开和关闭。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述光学传递系统包括线栅偏光器，其配置为分束器以针对在所述两个衍射元件之间所述顺序地切换两个输入光束而重定向所述两个光束，并且所述显示器是硅上液晶显示器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学传递系统包括快门，所述快门配置为以预定的周期在所述两个衍射元件之间顺序地切换所述两个输入光束。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬底是单片衬底。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬底配置为在所述线附近具有吸光材料，所述吸光材料位于与布置有两个衍射元件的衬底表面相对的所述衬底的表面上。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬底是分裂衬底，从而所述第一区域和第二区域是物理上分开的。
11.根据权利要求8所述的装置，其中吸光材料沉积在所述第一和第二部分沿所述线物理分开的区域中所述第一和第二部分的至少一个的一端上。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述两个衍射元件或所述两个其他衍射元件的位置相对于所述线是对称的。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述两个衍射元件具有不对称的凹槽形状，使得由所述两个衍射元件中的每个所衍射的所述输入光束基本上仅耦合至所述第一和第二区域当中布置了所述两个衍射元件中的所述每个的区域。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述两个衍射元件具有不对称的凹槽形状并且是具有大于20度的倾斜角度的倾斜光栅。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述两个衍射元件是不对称的，使得它们的凹槽形状相对于分开所述第一和第二区域的所述线彼此成镜像。
16.根据权利要求1所述的装置，其中所述两个衍射元件和所述两个其他衍射元件布置在所述衬底的一个表面上。
17.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬底的所述第一和第二区域中的每个区域包括中间衍射元件，从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间衍射元件，然后所述中间衍射元件使用所述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布置在所述每个区域上的所述两个其他衍射元件中的一个，从而在所述每个区域中提供所述两个输入光束中的一个的二维出瞳扩大。
18.一种方法，包括：
由两个衍射元件接收两个顺序切换的输入光束，从而所述两个输入光束中的一个由所述两个衍射元件中的一个接收，并且所述两个输入光束中的另一个由所述两个衍射元件中的另一个接收，所述两个衍射元件布置在光学材料制成的衬底的第一或第二表面上，所述衬底包括沿线基本上彼此邻近的第一区域和第二区域，以及其中分别地，所述两个衍射元件中的所述一个布置在所述第一部分上，并且所述两个衍射元件中的所述另一个布置在所述第二部分上，其中所述两个顺序切换的输入光束包括显示器的光学图像并且由光学传递系统提供；
所述两个顺序切换的输入光束中的每个的至少部分在任何时间仅在所述两个衍射元件中的一个中衍射，从而基本上在所述第一和第二表面内利用所述两个衍射元件中的所述一个在相同区域中提供衍射光束；以及
所述第一或第二区域中的至少部分所述衍射的光束通过在所述两个其他衍射元件中的一个中的衍射耦合出所述衬底，用于提供两个顺序切换并且基本上相同的输出光束，每个输出光束包括具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的所述显示器的光学图像，
其中所述两个其他衍射元件布置在所述第一或第二表面上，其中分别地，所述两个其他衍射元件中的一个布置在所述第一区域上，并且所述两个其他衍射元件中的另一个布置在所述第二区域上。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述两个顺序切换并且基本上相同的输出光束用于提供所述显示器的立体图像。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述两个衍射元件基本上彼此相邻并且邻近所述线。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述光学传递系统包括两个光源，所述两个光源配置为在基本上不同的方向上提供两个光束，以便顺序地切换所述两个输入光束。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述光学传递系统包括快门，所述快门配置为以预定的周期在所述两个衍射元件之间顺序地切换所述两个输入光束。
23.根据权利要求18所述的方法，其中所述衬底是单片衬底。
24.根据权利要求18所述的方法，其中所述衬底是分裂衬底，从而所述第一区域和第二区域是物理上分开的。
25.根据权利要求18所述的方法，其中所述两个衍射元件具有不对称的凹槽形状，使得由所述两个衍射元件中的每个所衍射的所述输入光束基本上仅耦合至所述第一和第二区域当中布置了所述两个衍射元件中的所述每个的区域。
26.根据权利要求18所述的方法，其中所述两个衍射元件是不对称的，使得它们的凹槽形状相对于分开所述第一和第二区域的所述线彼此成镜像。
27.一种电子设备，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
-出瞳扩大器设备，包括：
光学材料的衬底，其具有第一表面和第二表面，所述衬底包括沿线基本上彼此邻近的第一区域和第二区域；
两个衍射元件，布置在所述第一或第二表面上并且配置为顺序地接收包括显示器的光学图像的两个输入光束，从而所述两个输入光束中的一个由所述两个衍射元件中的一个接收，并且所述两个输入光束中的另一个由所述两个衍射元件中的另一个接收，其中分别地，所述两个衍射元件中的一个布置在所述第一区域上，并且所述两个衍射元件中的另一个布置在所述第二区域上；
两个其他衍射元件，布置在所述第一或第二表面上，其中分别地，所述两个其他衍射元件中的一个布置在所述第一区域上，并且所述两个其他衍射元件中的另一个布置在所述第二区域上；以及
光学传递系统，配置为在所述两个衍射元件之间顺序地切换包括所述显示器的光学图像的所述两个输入光束，其中
所述两个顺序切换的输入光束中的每个的至少部分在任何时间仅在所述两个衍射元件中的一个中衍射，从而基本上在所述第一和第二表面内利用所述两个衍射元件中的所述一个在相同区域中提供衍射的光束，以及
所述第一或第二区域中的至少部分所述衍射的光束进一步通过所述两个其他衍射元件中的一个中的衍射耦合出所述衬底，用于提供两个顺序切换并且基本上相同的输出光束，每个输出光束包括具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的所述显示器的光学图像。
28.根据权利要求27所述的电子设备，所述两个顺序切换并且基本上相同的输出光束用于提供所述显示器的立体图像。
29.根据权利要求27所述的电子设备，其中所述两个衍射元件基本上彼此相邻并且邻近所述线。
30.根据权利要求27所述的电子设备，其中所述光学传递系统包括两个光源，所述两个光源配置为在基本上不同的方向上提供两个光束，以便顺序地切换所述两个输入光束。
31.根据权利要求27所述的电子设备，其中所述衬底是单片衬底。
32.根据权利要求27所述的电子设备，其中所述衬底是分裂衬底，从而所述第一区域和第二区域是物理上分开的。
33.一种设备，包括：
光学传递装置，用于提供包括显示器的光学图像的两个顺序切换的输入光束；
两个衍射装置，
用于由两个衍射装置接收两个顺序切换的输入光束，从而所述两个输入光束中的一个由所述两个衍射装置中的一个接收，并且所述两个输入光束中的另一个由所述两个衍射装置中的另一个接收，所述两个衍射装置布置在光学材料制成的衬底的第一或第二表面上，所述衬底包括沿线基本上彼此邻近的第一区域和第二区域，以及其中分别地，所述两个衍射装置中的所述一个布置在所述第一部分上，并且所述两个衍射装置中的所述另一个布置在所述第二部分上，其中所述两个顺序切换的输入光束包括显示器的光学图像并且由所述光学传递装置提供，以及
用于在任何时间仅在所述两个衍射装置中的一个中衍射所述两个顺序切换的输入光束中的每个的至少部分，从而基本上在所述第一和第二表面内利用所述两个衍射装置中的所述一个在相同区域中提供衍射的光束；以及
两个其他衍射装置，用于通过所述两个其他衍射装置中的一个中的衍射将所述第一或第二区域中的至少部分所述衍射的光束耦合出所述衬底，用于提供两个顺序切换并且基本上相同的输出光束，即左输出光束和右输出光束，每个输出光束包括具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的所述显示器的光学图像，
其中所述两个其他衍射装置布置在所述第一或第二表面上，其中分别地，所述两个其他衍射装置中的一个布置在所述第一区域上，并且所述两个其他衍射装置中的另一个布置在所述第二区域上。
34.根据权利要求33所述的设备，其中所述设备是立体光学设备并且所述两个顺序切换并且基本上相同的输出光束用于提供所述显示器的立体图像。
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