CN103026288A - 光学装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种装置和方法。所述装置包括：光扩展器，所述光扩展器被配置以便在第一维度上对输入到所述光扩展器中的光进行扩展，并且被配置以便提供在所述第一维度上发散的发散光；以及光学器件，所述光学器件被配置以便对从所述光扩展器接收到的发散光进行重定向，从而产生在所述第一维度上会聚的会聚光。

Description

光学装置和方法
技术领域
本发明的实施例涉及光学装置和方法。特别地，本发明的实施例涉及对光进行扩展和定向，从而使得用户能够在虚拟显示器上查看图像。
背景技术
一种便携式电子设备可以包括显示器，所述显示器使得用户能够查看内容，诸如图像或视频。该显示器可以位于设备的正面上。通常，显示器的大小受到以下限制：需要将便携式设备的大小保持得相对小。
发明内容
根据本发明的各种而不一定是所有实施例，提供了一种装置，其包括：光扩展器，所述光扩展器被配置以便在第一维度(dimension)上对输入到所述光扩展器中的光进行扩展，并且被配置以便提供在所述第一维度上发散的发散光；以及光学器件，所述光学器件被配置以便对从所述光扩展器接收到的发散光进行重定向，从而产生在所述第一维度上会聚的会聚光。
所述光扩展器可以被配置以便：在向所述光学器件提供发散光之前，对输入到所述光扩展器中的光进行引导。
所述光扩展器可以被配置以便：在所述第一维度上而不在第二维度上对输入到所述光扩展器中的光进行扩展，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。
所述光学器件可以被配置以便：对从所述光扩展器接收到的发散光进行重定向，从而产生在所述第一维度上而不在第二维度上会聚的会聚光，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。
所述光学器件可以被配置以便：在基本上与所述第一维度正交的平面内重定向所述发散光。所述光学器件可以包括反射系统，所述反射系统包括多个反射表面。所述反射系统的相邻反射表面可以彼此正交。所述反射系统可以由沟槽式反射器(grooved reflector)来提供。输入到所述光扩展器中的光可以表示在显示器上显示的图像。
所述装置可以进一步包括另一光扩展器。所述另一光扩展器可以被配置以便：在基本上与所述第一维度正交的第二维度上，对在所述第一维度上会聚并且从所述光学器件接收到的光进行扩展。
所述另一光扩展器可以包括：入耦(in-coupling)部件，所述入耦部件被配置以便从所述光学器件接收所述会聚光；以及出耦(out-coupling)部件，所述出耦部件被配置以便将光输出给用户。所述另一光扩展器的入耦部件可以包括第一光栅，并且所述另一光扩展器的出耦部件可以包括第二光栅。所述另一光扩展器可以为所述装置提供出射光瞳。
根据本发明的各种而不一定是所有的实施例，提供了一种方法，其包括：在第一维度上对光进行扩展；提供在所述第一维度上发散的发散光；以及重定向所述发散光，以便产生在所述第一维度上会聚的会聚光。
可以在所述第一维度上而不在第二维度上对所述光进行扩展，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。
所述发散光可以被重定向以便产生在所述第一维度上而不在第二维度上会聚的会聚光，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。
所述方法可以进一步包括：在基本上与所述第一维度正交的第二维度上扩展所述会聚光。
根据本发明的各种而不一定是所有实施例，提供了一种设备，其包括：光扩展装置，所述光扩展装置用于在第一维度上对光进行扩展，以及用于提供在所述第一维度上发散的发散光；以及重定向装置，所述重定向装置用于重定向从所述光扩展装置接收到的发散光，以便产生在所述第一维度上会聚的会聚光。
所述光扩展装置可以用于：在所述第一维度上而不在第二维度上对输入到所述光扩展器中的光进行扩展，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。
所述重定向装置可以用于：对从所述光扩展器接收到的发散光进行重定向，以便产生在所述第一维度上而不在第二维度上会聚的会聚光，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。
附图说明
为了更好地理解本发明实施例的各种例子，现在将仅通过例子来参照附图，在附图中：
图1图示了光学装置的俯视图；
图2A图示了光扩展器的俯视图；
图2B图示了光扩展器的立体图；
图2C图示了在光扩展器中扩展的光束的一部分；
图3图示了光学装置的侧视图；
图4图示了光学器件的立体图；
图5A图示了光学器件的俯视图；
图5B图示了光学器件的侧视图；
图5C图示了光学器件的侧视图的一部分；
图6A图示了出射光瞳扩展器的立体图；
图6B图示了出射光瞳扩展器的截面图；
图7图示了用户通过出射光瞳扩展器查看虚拟显示器的立体图；
图8图示了用户通过出射光瞳扩展器查看虚拟显示器的侧视图；以及
图9图示了一种方法。
具体实施方式
说明书和附图涉及一种装置2，其包括：光扩展器30，所述光扩展器30被配置以便在第一维度上对输入到所述光扩展器中的光进行扩展，并且被配置以便提供在第一维度上发散的发散光；以及光学器件50，所述光学器件50被配置以便对从光扩展器30接收到的发散光进行重定向，从而产生在第一维度上会聚的会聚光。
图1图示了示例性光学装置2的俯视图。在该例中，光学装置2包括光学引擎25、第一光扩展器30、光学器件50和第二光扩展器40。
图1中图示的光学引擎25包括显示器10以及一个或多个光学器件20。显示器10可以是任何适当的显示设备，并且可以例如是微显示器。显示器10可以包括多个像素。如果显示器10是微显示器，则其可以每毫米包括超过五十行的像素。显示器10可以例如是辐射性的(emissive)、透射式的(transmissive)、反射式的(reflective)或透射反射式的(transflective)。所述一个或多个光学器件20可以是任何适当的光学器件。例如，所述一个或多个光学器件20可以是一个或多个透镜。
发散光可以从显示器10上的每个像素发出。在该例中，从像素发出的发散光的至少一部分由所述一个或多个光学器件20校准(collimate)，并且作为经校准的光束从光学引擎25输出。光学引擎25可以例如输出针对显示器10的每一个像素的光束。每个光束可以具有基本上等于光学引擎25的出射孔的直径。
可以认为由光学引擎25输出的光束中的每个光束均包括一束光线。在特定光束内的光线基本上彼此平行。
在该例中，由光学引擎25输出的光束彼此发散。也就是说，来自一个光束的光线与来自另一个光束的光线是分开的。
可以认为由光学引擎25输出的发散光束形成了发散光连续体(continuum)。从光学引擎25出射的发散光连续体通过光扩展器30的入射面33而进入光扩展器30。
图2A、图2B和图2C中图示了光扩展器30。图2A是光扩展器30的俯视图，并且图2B和图2C是光扩展器30的立体图。图2B中的箭头100图示了图2A中所示的视角。
图2A、图2B和图2C中图示的光扩展器30包括入射面33、端面(endface)34、顶面32、底面31以及第一和第二侧面35、36。在该例中，入射面33的长度21小于端面33的长度39。入射面33和端面34的宽度38基本上相同。
在该例中，入射面33和端面34基本上彼此平行，并且第一和第二侧面35、36基本上彼此平行。底面31和顶面32可以基本上彼此平行或者可以基本上不彼此平行。
随着底面31和顶面32从入射面33朝向端面34延伸，它们彼此散开。在该例中，顶面32和底面31的长度37基本上相同，并且顶面32和底面31的宽度23基本上相同。
由光学引擎25输出的发散光连续体经由入射面33进入光扩展器30。光连续体可以例如在光扩展器30内经历全内反射。在该例中，在第一侧面35与空气之间的界面处以及在第二侧面36与空气之间的界面处，发生光束的全内反射。图1和图2A图示了来自光连续体的光线5在光扩展器30内部被反射，以便示意性地示出光连续体是如何被反射的。
在本发明的一些替代实施例中，光连续体在光扩展器30内部没有经历全内反射。在这些实施例中，光扩展器30的内表面可以涂覆有反射材料。
图2C图示了箭头22，箭头22示出了将光学引擎25输出的发散光连续体输入到光扩展器30中的方向。当将发散光连续体从入射面33朝向光扩展器30的端面34引导时，发散的顶面32和底面31使得光扩展器30内的发散光连续体能够在发散光连续体离开光扩展器30之前进行扩展。图2C示意性地图示了在光扩展器30内反射和扩展的发散光连续体的一部分300。发散光连续体在垂直维度上扩展，该垂直维度与入射面33的长度21以及端面34的长度39对齐。
光扩展器30被配置以便输出已经相对于进入光扩展器30的光连续体被垂直地扩展的发散光连续体。光扩展器30可以在基本上与垂直维度39正交的水平维度38上引起很少的光连续体的扩展或者不引起光连续体的扩展。在图1中，垂直维度是进入和离开页面，而水平维度是横跨页面。
在该例中，入射面33和端面34的宽度38基本上相同，并且顶面32和底面31(它们在入射面33和端面34之间延伸)的宽度23对于顶面32和底面31的大部分长度来说保持恒定。这防止了光束在与入射面33和端面34的宽度38对齐的水平维度上扩展。
在扩展了发散光连续体之后，光扩展器30向光学器件50(其位于光扩展器30的侧面36处)提供发散光连续体。
图3图示了来自光连续体的特定光束的光线如何穿过光扩展器30。图3是图1中所示的光学装置2的侧视图。图3中所示的视角由图1中示出的箭头125来指示。
在图3中，第一光线81和第二光线82从显示器10的第一下部像素12发出，并且第三光线83和第四光线84从显示器10的第二上部像素11发出。
可以认为第一光线81和第二光线82是从第一像素12发出的形成第一光束的多个平行光线的一部分。可以认为第三光线83和第四光线84是从第二像素11发出的形成第二光束的多个平行光线的一部分。第一光束和第二光束是部分的光连续体。如以上关于图1所描述的，每个光束均具有与光学引擎的出射孔相对应的直径。
来自第一光束的第一光线81和第二光线82当它们穿出光学引擎25并且穿过光扩展器30时彼此平行。第一光线81和第二光线82(以及光线81、82是其一部分的第一光束)当它们穿过光扩展器30时向上移动。图3示意性地图示了在从光扩展器30的端面34的上部输出之前由光学器件50重定向的第一光线81和第二光线82。
来自第二光束的第三光线83和第四光线84当它们穿出光学引擎25并且穿过光扩展器30时彼此平行。第三光线83和第四光线84(以及光线83、84是其一部分的第二光束)当它们穿过光扩展器30时向下移动。图3示意性地图示了在从光扩展器30的端面34的下部输出之前由光学器件50重定向的第三光线83和第四光线84。
图4和图5A至5C图示了光学器件50。在该例中，光学器件50是提供了反射系统的沟槽式反射器。图4图示了光学器件50的立体图。图5A图示了光学器件50的俯视图，并且图5B和图5C图示了光学器件50的侧视图。图3图示了与图5A中示出的光学器件类似的光学器件50的俯视图。
在每个附图中，光学器件50的相对定向由图中的x、y和z轴120来指示。在该例中，可以认为图4以及图5A和图5C中图示的y轴基本上与以上针对光扩展器30所实施的光扩展而描述(并且在图1和图3中指出)的垂直维度相对齐。
由光学器件50提供的反射系统包括多个反射表面59。该反射系统的相邻反射表面基本上彼此正交，并且提供了交替的凸起(protrusion)和凹陷(recess)。
例如，图5C图示了向内且向下倾斜的第一表面55。第一表面55的末端与向外且向下倾斜的第二表面56的始端汇合。第一表面55和第二表面56基本上彼此正交，并且定义了凹陷57。第二表面56的末端与第三表面58的始端汇合。第三表面58向内且向下倾斜。第二表面56和第三表面58基本上彼此正交并且定义了凸起。
光学器件50被配置以便对入射到其上的光连续体(以及构成光连续体的光束)进行重定向。图4比图3更详细地图示了来自光连续体的光线51、52被重定向。在图4中，当在相邻的第二反射表面上发生反射并且被重定向而离开光学器件50之前，光线51、52中的每个光线在光学器件50的第一反射表面上发生发射。
当由光扩展器30提供的发散光连续体入射到光学器件50上时，光学器件50在垂直维度(y)上改变光连续体的方向以便产生会聚光连续体。这在图4中进行了示意性的图示，图4图示了入射光线51、52的y分量被光学器件50反转。
光学器件50还被配置以便：在与垂直维度正交的平面内改变入射光连续体的方向。从图5A可以看出，光线51、52在由x和z轴定义的且与y轴正交的平面内被重定向。
光学器件50对从光扩展器30接收到的发散光连续体进行重定向，以便产生在垂直维度(y)上会聚的会聚光连续体。这可以在图3中示意性地看出，图3图示了来自光连续体的光线81，82，83，84被重定向以便产生会聚光。
由光学器件50输出的会聚光连续体穿过光扩展器30，离开光扩展器30的端面34并且朝向第二光扩展器40。在该例中，第二光扩展器是出射光瞳扩展器40。在图6A和图6B中图示了出射光瞳扩展器40。
图6A是出射光瞳扩展器40的立体图，并且图6B图示了出射光瞳扩展器40的横截面。出射光瞳扩展器40具有长度29、宽度27和深度28。
在图6A和图6B中图示的出射光瞳扩展器40包括入耦部件41和出耦部件43。在该例中，第一出耦部件41是第一衍射光栅，并且出耦部件43是第二衍射光栅。在其它例子中，入耦部件41和/或出耦部件43可以由折射和/或反射光学器件来提供。
在图6A和图6B中图示的示例性出射光瞳扩展器40中，第一衍射光栅41位于出射光瞳扩展器40的背面47，并且第二衍射光栅43位于出射光瞳扩展器40的正面48。
光连续体经由第一衍射光栅41进入出射光瞳扩展器40。在进入出射光瞳扩展器40之后，光束在出射光瞳扩展器40内部经历全内反射。在经由第二衍射光栅43离开之前，光连续体沿着出射光瞳扩展器40的长度29被引导。当来自光连续体的光从出射光瞳扩展器40内入射到第二衍射光栅43上时，一部分光经由第二衍射光栅43离开出射光瞳扩展器40，并且其余的光在出射光瞳扩展器40内部从第二衍射光栅43进行反射。
光连续体可以由第二衍射光栅43连续反射多次。这导致离开出射光瞳扩展器43的光连续体有效地成为原始入射到第一衍射光栅41上的光连续体的水平扩展版本。在该例中，扩展的方向与出射光瞳扩展器29的长度29对齐。
图6B示意性地图示了来自光连续体的光线5进入出射光瞳扩展器40并且在出射光瞳扩展器40内部被反射。光线11-14示意性地图示了离开出射光瞳扩展器40的被水平扩展的光连续体。
出射光瞳扩展器40可以被配置以便在垂直维度(其基本上与出射光瞳扩展器40的宽度27对齐)上不扩展由光学器件50输出的光束。
出射光瞳扩展器40可以被配置以便对入射到其上的光连续体进行与以下扩展具有相同幅度的扩展：由光扩展器30和光学器件50实施的功能所造成的光连续体的扩展。
可以认为光扩展器30垂直地扩展光学装置2的出射光瞳。可以认为出射光瞳扩展器40水平地扩展光学装置2的出射光瞳。光学装置2的出射光瞳的水平和垂直范围可以例如大于眼睛的入射光瞳的直径。
图3图示了出射光瞳扩展器40的侧视图。图3示意性地图示了会聚光连续体(在这种情况下，由光线81-84来表示)经由出射光瞳扩展器40的第一衍射光栅41被输入到出射光瞳扩展器40中。
由光线81-84表示的会聚光连续体光束已经在垂直方面上被扩展(相比于光连续体在其被光学引擎25输出时的状态)。在该例中，由光线81-84表示的会聚光连续体尚未在水平方面上被扩展(相比于光连续体在其被光学引擎25输出时的状态)。
光线进入出射光瞳扩展器40的第一衍射光栅41的角度与该光线在第二衍射光栅43处离开出射光瞳扩展器40的角度相同。这意味着：将会聚的被扩展的光连续体输入到出射光瞳扩展器40中得到了由出射光瞳扩展器40输出的会聚的被扩展的光连续体。
在该特定例子中，输入到出射光瞳扩展器40中的光连续体在垂直维度上(如图3所示)而不在水平维度上会聚。由出射光瞳扩展器40输出的光连续体也在垂直维度上(如图3所示)而不在水平维度上(例如，如图1、图6A和图6B所示)会聚。
图3示意性地图示了会聚光线91-94，它们是由出射光瞳扩展器40的第二衍射光栅43输出的会聚光连续体的一部分，并且它们可以由用户200用来查看在虚拟显示器上的图像。由光线91-94表示的会聚光连续体已经在垂直方面上和在水平方面上被扩展(相比于光连续体在其被光学引擎25输出时的状态)。
出射光瞳扩展器40为光学装置2提供了出射光瞳，其使得用户能够查看在显示器10上显示的图像的放大版本。图7图示了用户200查看在虚拟显示器60上的放大图像的立体图。图8图示了用户200查看在虚拟显示器60上的扩展图像的侧视图。
在图7和图8中，用户的注视点42处于出射光瞳扩展器40的中心处。当注视于中央注视点42时，用户200可以看到整个虚拟显示器60(在显示器10上显示的整个图像)。在图7和图8中已经为虚拟显示器上的注视点指派了附图标记62。
在用户的查看位置处，离开出射光瞳扩展器40的光线在用户的眼睛上会聚。离开第二衍射光栅43的上部的光线(诸如光线71)朝着用户的眼睛向下行进。离开第二衍射光栅43的下部的光线(诸如光线73)朝着用户的眼睛向上行进。在图8和图9中，已经外推出光线71、72和73，以便说明它们如何与虚拟显示器60相关。
在以上描述的本发明的示例性实施例中，由光扩展器30、40在垂直和水平维度上对光进行扩展，从而使得用户能够舒适地查看在虚拟显示器60上的图像。离开光学装置2的很多光线由用户用来查看虚拟显示器60，因为离开出射光瞳扩展器40的光束朝着用户的眼睛会聚。
相对少的光线在没有被用户用来查看虚拟显示器60的情况下离开出射光瞳扩展器40。例如，在本发明的实施例中，从出射光瞳扩展器40的上部将相对少的光线向上引导(并远离眼睛)。类似地，从出射光瞳扩展器40的下部将相对少的光线向下引导(并远离眼睛)。
由于浪费了相对少的光，因此本发明的实施例有利地实现了功率节省。不必浪费功率来将光输出到出射光瞳扩展器40，其中出射光瞳扩展器40随后将所述光引导远离用户的眼睛(并且因此没有被用户200用来查看虚拟显示器60)。
本发明的实施例也是有利的，因为光学装置2可以被制造得相对紧凑，使其适合在便携式电子设备中使用。
图9图示了一种方法的流程图。在框400，光扩展器30在第一垂直维度上对输入到光扩展器30中的光进行扩展。在框410，光扩展器30将发散光(其在垂直维度上发散)提供给光学器件50。在框420，光学器件对由光扩展器30提供的发散光进行重定向，以便产生在垂直维度上会聚的会聚光。
图9中框的特定顺序的图示不一定意味着存在对框来说所要求或优选的顺序，并且框的顺序和布置可以变化。此外，省略一些步骤也是可能的。
尽管已经参照各种例子在前面的段落中描述了本发明的实施例，但是应当理解，在不背离如所要求保护的本发明的范围的情况下，可以对给出的例子进行修改。例如，出射光瞳扩展器40在附图中被图示为具有两个衍射光栅41、43。然而，出射光瞳扩展器40可以具有任何数目的衍射光栅。而且，那些衍射光栅可以处在或者可以不处在出射光瞳扩展器40的不同面47，48上。
在前面的说明书中所描述的特征可以在与明确描述的组合不同的组合中使用。
尽管已经参照某些特征描述了功能，但是那些功能可以通过其它特征来实现，而不管是否已经描述过。
尽管已经参照某些实施例描述了特征，但是那些特征也可以出现在其它实施例中，而不管是否已经描述过。
虽然在前述说明书中致力于关注本发明的被认为具有特定重要性的那些特征，但是应当明白，申请人要求保护关于前文引用和/或附图中示出的任何可获专利的特征或特征的组合，而不管是否已经对其进行特定的强调。

Claims (20)

1.一种装置，其包括：
光扩展器，所述光扩展器被配置以便在第一维度上对输入到所述光扩展器中的光进行扩展，并且被配置以便提供在所述第一维度上发散的发散光；以及
光学器件，所述光学器件被配置以便对从所述光扩展器接收到的发散光进行重定向，从而产生在所述第一维度上会聚的会聚光。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光扩展器被配置以便：在向所述光学器件提供发散光之前，对输入到所述光扩展器中的光进行引导。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述光扩展器被配置以便：在所述第一维度上而不在第二维度上对输入到所述光扩展器中的光进行扩展，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述光学器件被配置以便：对从所述光扩展器接收到的发散光进行重定向，从而产生在所述第一维度上而不在第二维度上会聚的会聚光，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。
5.根据前述权利要求中任何一项所述的装置，其中，所述光学器件被配置以便：在基本上与所述第一维度正交的平面内重定向所述发散光。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的装置，其中，所述光学器件包括反射系统，所述反射系统包括多个反射表面。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述反射系统的相邻反射表面彼此正交。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，所述反射系统由沟槽式反射器来提供。
9.根据前述权利要求中任何一项所述的装置，其中，输入到所述光扩展器中的光表示在显示器上显示的图像。
10.根据前述权利要求中任何一项所述的装置，其进一步包括另一光扩展器，其中，所述另一光扩展器被配置以便：在基本上与所述第一维度正交的第二维度上，对在所述第一维度上会聚并且从所述光学器件接收到的光进行扩展。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述另一光扩展器包括：入耦部件，所述入耦部件被配置以便从所述光学器件接收所述会聚光；以及出耦部件，所述出耦部件被配置以便将光输出给用户。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述另一光扩展器的入耦部件包括第一光栅，并且所述另一光扩展器的出耦部件包括第二光栅。
13.根据权利要求10、11或12所述的装置，其中，所述另一光扩展器为所述装置提供出射光瞳。
14.一种方法，其包括：
在第一维度上对光进行扩展；
提供在所述第一维度上发散的发散光；以及
重定向所述发散光，以便产生在所述第一维度上会聚的会聚光。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光在所述第一维度上而不在第二维度上被扩展，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述发散光被重定向以便产生在所述第一维度上而不在第二维度上会聚的会聚光，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。
17.根据权利要求14、15或16所述的方法，其进一步包括：在基本上与所述第一维度正交的第二维度上扩展所述会聚光。
18.一种设备，其包括：
光扩展装置，所述光扩展装置用于在第一维度上对光进行扩展，以及用于提供在所述第一维度上发散的发散光；以及
重定向装置，所述重定向装置用于对从所述光扩展装置接收到的发散光进行重定向，以便产生在所述第一维度上会聚的会聚光。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述光扩展装置用于在所述第一维度上而不在第二维度上对输入到所述光扩展器中的光进行扩展，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。
20.根据权利要求18或19所述的设备，其中，所述重定向装置用于对从所述光扩展器接收到的发散光进行重定向，以便产生在所述第一维度上而不在第二维度上会聚的会聚光，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。
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