分裂出瞳扩大器的制作方法

专利名称：分裂出瞳扩大器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及显示器设备，并且尤其涉及使用多个衍射元 件来扩大显示器出瞳以便观看的衍射光学方法。
背景技术：
虽然在实际中通常使用低分辨率液晶显示器(L C D )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-IOO行的全色彩像素。此类高分辨率通常适用于虛拟显 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配置，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或者双眼 式的。
从朝向眼睛的成像光学器件呈现的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，因为不需要瞳 孔间距(IPD)调整或相对于眼睛精确定位光学器件。

发明内容
根据本发明的第一方面， 一种装置，包括具有第一表面和第 二表面的光学材料的分裂衬底，该分裂衬底包括第一部分和第二部分，它们在物理上分开并且配置为以预定的角度范围围绕分开第一 和第二部分的线相对于彼此旋转；两个衍射元件，布置在第一或第
二表面上并且配置为接收输入光束，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
和第二部分的线；以及两个其他衍射元件，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部分上， 并且两个其他衍射元件中的另一个布置在第二部分上，其中在两个 衍射元件中衍射至少部分输入光束以基本上在第一和第二表面内分 别提供在第 一 部分和第二部分之间基本上等分的两个衍射光束，以 及第一部分和第二部分的每个中的至少部分衍射光束进一步通过两 个其他衍射元件的每个中的衍射耦合出分裂衬底，从而提供具有在 一个或两个维度上扩大的出瞳的基本上相同的两个输出光束。
进一 步根据本发明的第 一方面，可以使用至少 一个以下条件配 置所述装置a)两个区域相对于分开第一和第二部分的线是对称的， 每个区域由两个衍射元件中的一个占用，以及b)两个其他区域相对 于分开第 一 和第二部分的线是对称的，每个其他区域由两个其他衍 射元件中的一个占用。
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可以 基本上仅耦合至第一和第二部分当中的一个部分，在所述部分中可 以布置两个衍射元件中的每个。
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。
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部分的线彼此成镜像。
仍旧进一 步根据本发明的第 一 方面，两个书f射元件和两个其他 衍射元件可以布置在一个表面上，即分裂衬底的第一和第二部分的 第一表面或第二表面。仍旧进 一 步根据本发明的第 一 方面，吸光材料可以沉积在以下
至少一个位置处a)第一和第二部分沿所述线物理分开的区域中第 一和第二部分中的至少一个的一端，以及b)与布置有两个衍射元件 的表面相对的分裂衬底的表面。
仍旧进一 步根据本发明的第 一方面，两个衍射元件的凹槽相对 于分开第一和第二部分的线可以是对称的。
仍旧进一步根据本发明的第 一方面，分裂衬底的第 一和第二部 分中的每个部分可以包括中间衍射元件，/人而在第 一或第二书于射元
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
至布置在每个部分上的两个其他衍射元件中的一个，从而通过每个 部分提供输入光束的二维出瞳扩大。而且，装置可以配置为中间衍 射元件具有奇数4^一级衍射或偶数个其他一级反射。再进一步，两 个衍射元件中的每个包括具有周期d的周期线并且中间衍射元件包 括具有可以等于以下等式的周期d，的其他周期线
(1 + —sin")2cos/
其中a是在第一部分和第二部分以预定角度范围旋转以二者都 位于平面中时，第一部分或第二部分的法线与包括第一部分和第二 部分的所述平面的法线之间的角度，p是周期线和其他周期线之间的 角度，以及X是输入光束的波长。
根据本发明的第二方面， 一种方法，包括由布置在光学材料 制成的分裂衬底的第 一或第二表面上的两个衍射元件接收输入光 束，分裂衬底包括第一部分和第二部分，它们在物理上分开并且配 置为以预定的角度范围围绕分开第一和第二部分的线相对于彼此旋 转，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，以及两个书t射元 件基本上彼此紧邻并且相邻于分开第一和第二部分的线，以及两个 区域相对于分开第 一 和第二部分的线是对称的，每个区域由两个衍射元件中的 一 个占用；在两个衍射元件中衍射至少部分输入光束以 基本上在第一和第二表面内分别提供在第一部分和第二部分之间基 本上等分的两个衍射光束；第 一部分和第二部分的每个中的至少部 分衍射光束通过两个其他衍射元件的每个中的衍射耦合出分裂衬 底，从而提供具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的基本上相同的 两个输出扩大光束，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部分上， 并且两个其他衍射元件中的另一个布置在第二部分上。
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
上仅耦合至第一和第二部分当中的一个部分，在所述部分中布;了 两个衍射元件中的每个。
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 和第二部分的线彼此成镜像。
仍旧进一步根据本发明的第二方面，吸光材料可以沉积在以下 至少一个位置处a)第一和第二部分沿所述线物理分开的区域中第 一和第二部分中的至少一个的一端，以及b)与布置有两个衍射元件 的表面相对的分裂衬底的表面。
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
光学材料的分裂村底，其具有第一表面和第二表面，分裂衬底包 括第一部分和第二部分，它们在物理上分开并且配置为以预定的角 度范围围绕分开第 一和第二部分的线相对于彼此旋转；
两个衍射元件，布置在第一或第二表面上并且配置为接收输入光束，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，以及两个衍射元件基
本上彼此紧邻并且相邻于分开第 一和第二部分的线；以及
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
个其他书于射元件中的一个布置在第一部分上，并且两个其他f;f射元 件中的另一个布置在第二部分上，其中
二表面内分别提供在第一部分和第二部分之间基本上等分的两个衍 射光束，以及
第一部分和第二部分的每个中的至少部分衍射光束进一步通过 两个其他衍射元件的每个中的衍射耦合出分裂衬底，从而提供具有 在一个或两个维度上扩大的出瞳的基本上相同的两个输出光束。
进一步根据本发明的第三方面，电子设备可以进一步包括EPE 角度调整块，其配置为使第一部分和第二部分围绕所述线相对于彼 it匕^^哞争。
仍旧进一 步根据本发明的第三方面，所述电子设备可以是数码 照相机、计算机游戏设备、无线设备、便携式设备或移动终端。
进 一 步根据本发明的第三方面，可以4吏用至少 一 个以下条件配 置电子设备a)两个区域相对于分开第 一和第二部分的线是对称的， 每个区域由两个衍射元件中的一个占用，以及b)两个其他区域相对 于分开第一和第二部分的所述线是对称的，每个其他区域由两个其 他衍射元件中的 一个占用。
仍旧进一 步根据本发明的第三方面，两个书f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部分当中的一个部分，在所述部分中布 置了两个衍射元件中的每个。
仍旧进一 步#4居本发明的第三方面，两个书f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 和第二部分的所述线彼 此成镜像。仍旧进一 步根据本发明的第三方面，两个衍射元件和两个其他 衍射元件可以布置在一个表面上，即分裂衬底的第一和第二部分的 第 一表面或第二表面。
仍旧进一步根据本发明的第三方面，吸光材料可以沉积在以下
至少一个位置处a)第一和第二部分沿所述线物理分开的区域中第 一和第二部分中的至少一个的一端，以及b)与布置有两个衍射元件 的表面相对的分裂衬底的表面。
根据本发明的第四方面， 一种护目镜，包括
-可佩戴外壳；以及
-出瞳扩大器，可操作地附接至可佩戴外壳，出瞳扩大器包括 光学材料的分裂衬底，其具有第一表面和第二表面，分裂衬底包 括第一部分和第二部分，它们在物理上分开并且配置为以预定角度 范围围绕分开第 一和第二部分的线相对于彼此旋转；两个衍射元件， 布置在第一或第二表面上并且配置为接收输入光束，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，以及两个衍射元件基本上彼此紧邻并且 相邻于分开第一和第二部分的线；以及两个其他4汙射元件，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 在第一部分上，并且两个其他衍射元件中的另一个布置在第二部分 上，其中至少部分所述输入光束在两个衍射元件中衍射，从而基本 上在第一和第二表面内分别提供在第一部分和第二部分之间基本上 等分的两个衍射光束，以及第 一部分和第二部分的每个中的至少部 分衍射的光束进一步通过两个其他衍射元件的每个中的衍射耦合出 分裂衬底，从而提供具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的基本上 相同的两个输出光束，使得两个输出光束中的每个仅提供到 一个部 分，即护目镜的左目或者右目。
进一步根据本发明的第四方面，护目镜可以进一步包括EPE 角度调整块，其配置为向出瞳扩大器提供调整信号，以便使第一部 分和第二部分以预定角度范围相对于彼此旋转。根据本发明的第五方面， 一种设备，包括
两个用于衍射的装置，
用于接收输入光束，其中两个用于衍射的装置布置在光学材 料制成的分裂衬底的第一或第二表面上，分裂衬底包括第一部分 和第二部分，它们在物理上分开并且配置为以预定角度范围围绕 分开第一和第二部分的线相对于彼此旋转，并且其中分别地，两 个用于衍射的装置中的一个布置在第一部分上，并且两个用于衍 射的装置中的另一个布置在第二部分上，以及两个用于衍射的装 置基本上彼此紧邻并且相邻于分开第一和第二部分的线，以及两 个区域相对于分开第 一和第二部分的线是对称的，每个区域由两 个用于衍射的装置中的一个占用，以及
用于在两个用于衍射的装置中衍射至少部分输入光束，从而 基本上在第一和第二表面内分别提供在第一部分和第二部分之 间基本上等分的两个衍射光束；以及
两个用于衍射的其他装置，用于通过两个用于衍射的其他装置的 每个中的衍射将第 一部分和第二部分的每个中的至少部分衍射光束 耦合出分裂衬底，以提供具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的基 本上相同的两个输出扩大光束，
其中两个用于衍射的其他装置布置在第一或第二表面上，其中 分别地，两个用于衍射的其他装置中的一个布置在第一部分上，并 且两个用于衍射的其他装置中的另一个布置在第二部分上。
进一步根据本发明的第五方面，两个用于衍射的装置可以是两 个入耦合(in-coupling)衍射光栅并且两个用于衍射的其他装置可以 是两个出耦合(out-coupling )衍射光栅。


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la和图lb是如图la所示具有衍射出瞳扩大器的虛拟现实显示器的示意性图示以及图1 b所示的衍射出瞳扩大器的出耦合光栅的 示意性图示；
图2a和图2b是根据本发明实施方式的分裂 一 维衍射出瞳扩大器 的示意性图示(图2a和图2b中分别示出了剖面图和俯视图)；
耦合光栅的示意性图示；
图4a和图4b是根据本发明实施方式的分裂二维衍射出瞳扩大器 的(两个部分当中的) 一个部分的示意性图示，其中中间衍射元件 (光栅)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)；
图5是根据本发明实施方式的在"太阳镜之类"的框架中的扁 平衍射出瞳扩大器的示意性图示；以及
图6是根据本发明实施方式的具有出瞳扩大器的电子设备的示 意性图示。
具体实施例方式
描述了一种新方法和设备，用于使用分裂出瞳扩大器提供(代 替扁平出瞳扩大器)广义衍射光学方法，该方法使用多个衍射元件 来扩大电子设备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(light beam)。
根据本发明的实施方式，光学器件(例如，该光学器件是虚拟 现实显示器的一部分)可以包括光学材料制成的分裂衬底，其具有 第一表面和相对的第二表面，其中分裂村底包括第一部分和第二部 分(或者左侧部分和右侧部分)，它们在物理上分开并且配置为以 预定角度范围围绕分开第一和第二部分的线相对于彼此旋转。
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 二表面上并且配置为接收输入光束，其中分别地，这两个衍射元件 中的一个布置在第一部分上，并且这两个衍射元件中的另一个布置分开第一和第二部分的线，以及两个区域相对于分开第一和第二部 分的线可以是对称的，每个区域由所述两个衍射元件中的 一 个占用。 因此，至少部分输入光束在两个衍射元件中衍射，从而由于全内反 射，基本上在第一和第二表面内分别提供在第一部分和第二部分之 间基本上等分的两个衍射光束。然后，两个部分可以在一维或二维 中独立地扩大输入光束的出瞳以提供基本上相同的两个输出光束。
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上(例如，两个其他衍射 元件可以具有平行的周期线)，其中分别地，两个其他衍射元件中 的一个布置在第一部分上，并且所述两个其他衍射元件中的另一个 布置在第二部分上，并且两个其他区域相对于分开第一和第二部分 的线可以是对称的，每个其他区域由所述两个其他衍射元件中的一 个占用，这样分裂衬底的第一部分和第二部分的每个中的至少部分 衍射的光束进一 步通过两个其他衍射元件的每个中的衍射(现有技 术中已知)耦合出分裂衬底，这样提供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分裂衬底 的一个表面上或不同的多个表面上。
在二维出瞳扩大的情况下，分裂衬底的第一和第二部分中的每 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
分上的两个其他衍射元件中的 一个，这样通过第 一和第二部分中的 每个部分提供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。
根据本发明的实施方式，两个衍射元件(或入耦合衍射光栅)可以-使用各种不同类型的书f射光^"实现，例如，z使用平^L印刷方法 或经典标准(具有不同的凹槽角度和轮廓，诸如二值(binary)、三 角(triangular)、正弦等)制造的平面衍射光栅。两个衍射元件(即， 它们的凹槽)相对于分开第一和第二部分的线可以是对称的或不对 称的。用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 入耦合衍射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度之间的倾斜角度)来增加耦合效 率并且降低分裂衬底的第一和第二部分(或左侧部分和右侧部分) 之间的"光学串扰(optical crosstalk )"。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在其中布置所述两个衍射元 件中的每个的部分。
而且，根据本发明的实施方式，两个倾斜的光栅是不对称的，
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。这最小化了分裂衬底的两部分之间的光学串扰(即，改进 了图像对比度)。而且，吸光材料可以沉积在沿分开第一和第二部 分的线的第 一 和第二部分物理分开的区域中的第 一 和/或第二部分 上。对比度可以通过在分裂衬底的相对表面(即，相对于具有布置 的输入衍射元件的表面)上提供吸光材料来进一步改进。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 仅吸收在不希望的方向上传播的光束。
图la和图lb示出了以下示意性图示中的示例如图la所示的 具有衍射出瞳扩大器(EPE)的虚拟现实显示器，针对右眼和左眼， 使用如图lb所示的出耦合光栅提供两个基本上相同的图像。光从出耦合光栅耦合出。光束每次遇到光栅的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和进入角度，输出是均匀
的，即如图lb中所示的r「 r2=...，其中r，、 iv..和t。 12...分别是反射出和透射出EPE的光束，并且II、 12..是由全内反射在EPE内
部反射的光束。具有图lb中所示的出耦合光栅的图la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-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分裂一维衍射出瞳扩大器(EPE) 10的示意性图示(图2a和图2b中分别示出了剖面图和俯—见图)中的示例。EPE10包括分裂村底，其包4舌两个相邻部分12a和12b,它们是以线18物理上分开的两部分。这两个部分12a和12b配置为以预定角度范围围绕线18相对于彼此在方向15上旋转，该预定角度范围为虚拟现实显示器设计提供了灵活性(角度a是相邻部分12a或12b与平面13之间的角度，该平面13在平面位置包括两部分12a和12b,角度a等于相邻部分12a或12b的法线与水平平面13的法线之间的角度)。分别地，部分12a包括入耦合光栅14a和出耦合光栅16a,以及部分12b包括入耦合光4册14b和出耦合光栅16b。相邻光栅14a和14b可以相同(或对称)或不对称，如图3中进一步示出的。注意，入耦合光栅14a和14b通常可以是用于衍射的装置或结构等同装置(或等同结构)。类似地，出耦合光栅16a和16b通常可以是用于衍射的其他装置或结构等同装置(或等同结构)。
图3a是根据本发明实施方式的分裂出瞳扩大器IO的示意性图示中的一个示例，其使用倾斜非对称入耦合光栅14a和14b (光栅14a和14b的衍射凹槽相对于产生输入光束的系统的光轴面向不同方向)。根据其他实施方式，可以沿着线18利用吸光材料(例如，涂层)20a和20b涂敷衍射光栅14a和14b的端部，从而进一步(光学地)隔离两个部分12a和12b。
光学对比度可以通过在与布置有线18附近的输入衍射光栅14a和14b的衬底表面相对的分裂衬底12a和12b的表面上提供吸光材料(例如，吸光涂层)17a和17b进一步改善(如图3a所示)。如果吸光区域的宽度优化为相比于图3a所示的光栅14a和14b的总宽度足够小，则将仅吸收不期望的光束。这些不期望的光束是在没有衍射而由光栅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光束。除了吸光材料20a和20b，可以额外使用吸光材料17a和17b,或者用吸光材料17a和17b代替吸光材料20a和20b。
图3b是根据本发明实施方式的分裂出瞳扩大器10的示意性图示中的另一个示例，其使用倾斜非对称入耦合光栅14a和14b。配置类似于图3a中示出的扩大器10,但是利用来自于观察者侧的输入光束，这使系统略微地更加紧凑。
图4a和图4b分别示出了根据本发明实施方式的分裂二维衍射出瞳扩大器10a和10b的一个部分(12a或12b)的示意性图示中的其他示例。中间衍射元件(衍射光栅)24或26具有奇数个一级衍射(图4a所示)或偶数个其他一级反射(图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是中间衍射光栅24或26的周期线与入耦合分裂光栅14a或14b的周期线之间的旋转角度。
根据本发明的其他实施方式，入耦合光栅14a或14b的周期线的周期d与中间衍射光栅16a或者16b的其他周期线的周期d，之间的关系可以表示如下
(l + — sin")2cos/
其中a是如图2a所示的相邻部分12a或12b与平面13之间的角度，p是如图4a和图4b所示的入耦合光栅14a或14b的周期线与中间衍射光栅16a或16b的其他周期线之间的角度，以及X是输入光束的波长。11中的分裂衍射出瞳扩大器10、 10a或10b的示意性图示中的其他示例。根据本发明的实施方式，出瞳扩大器IO、 10a或10b可^:作地附接至可佩带外壳lla,从而分裂EPEIO、 10a或10b的分裂部分(第一和第二部分)可以以预定角度范围旋转。可佩带外壳lla可
以是玻璃外壳、诸如太阳镜框架或眼镜框架等。图5还示出了 EPE角度调整块30，其可以是框架11的一部分并且可以用于提供调整信号30a以便以预定角度范围旋转分裂EPE 10、 10a或10b的分裂部分，从而针对观看提供最舒适并且有效的位置。
图6示出了根据本发明实施方式的具有出瞳扩大器(EPE) 10、10a或10b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。虛拟显示器系统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^t喿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，EPE 10、 10a或10b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)设备或用于传输、反射或射出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。
立、组合或选择性组合使用。
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。
权利要求
1. 一种设备，包括光学材料的分裂衬底，其具有第一表面和第二表面，所述分裂衬底包括第一部分和第二部分，它们在物理上分开并且配置为以预定角度范围围绕分开所述第一部分和第二部分的线相对于彼此旋转；两个衍射元件，布置在所述第一或第二表面上并且配置为接收输入光束，其中分别地，所述两个衍射元件中的一个布置在所述第一部分上，并且所述两个衍射元件中的另一个布置在所述第二部分上，以及所述两个衍射元件基本上彼此紧邻并且相邻于分开所述第一和第二部分的所述线；以及两个其他衍射元件，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部分上，并且所述两个其他衍射元件中的另一个布置在所述第二部分上，其中至少部分所述输入光束在所述两个衍射元件中衍射，从而基本上在所述第一和第二表面内分别提供在所述第一部分和第二部分之间基本上等分的两个衍射光束，以及所述第一部分和第二部分的每个中的至少部分所述衍射光束进一步通过所述两个其他衍射元件的每个中的衍射耦合出所述分裂衬底，从而提供具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的基本上相同的两个输出光束。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中使用至少一个以下条件配 置所述设备两个区域相对于分开所述第一和第二部分的所述线是对称的，每 个所述区域由所述两个衍射元件中的一个占用，以及两个其他区域相对于分开所述第一和第二部分的所述线是对称 的，每个所述其他区域由所述两个其他衍射元件中的一个占用。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中所述两个衍射元件具有不输入光束基本上仅耦合至所述第一和第二部分当中的一个部分，在 所述部分中布置了所述两个衍射元件中的所述每个。
4. 根据权利要求1所述的设备，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。
5. 根据权利要求1所述的设备，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部分的所述 线彼此成镜像。
6. 根据权利要求1所述的设备，其中所述两个衍射元件和所述 两个其他衍射元件布置在一个表面上，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. 根据权利要求1所述的设备，其中吸光材料沉积在以下至少 一个位置处第一和第二部分沿所述线物理分开的区域中，第一和第二部分中 的至少一个的一端，以及
8. 根据权利要求1所述的设备，其中所述两个衍射元件的凹槽 相对于分开所述第 一 和第二部分的所述线是对称的。
9. 根据权利要求1所述的设备，其中所述分裂村底的所述第一 和第二部分中的所述每个部分包括中间衍射元件，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将所述至少部分所述衍射的光束耦合至布置在所述每个部分上的所 述两个其他衍射元件中的 一个，从而通过所述每个部分提供所述输 入光束的二维出瞳扩大。
10. 根据权利要求9所述的设备，其中所述两个衍射元件中的每 个包括具有周期d的周期线并且所述中间衍射元件包括具有等于以 下等式的周期d，的其他周期线<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预定角度范围旋转 而都位于平面中时，所述第一部分或第二部分的法线和包括所述第 一部分和第二部分的所述平面的法线之间的角度，p是所述周期线和 所述其他周期线之间的角度，以及X是所述输入光束的波长。
11. 根据权利要求9所述的设备，其中配置所述设备以便所述中 间衍射元件具有奇数个一级衍射或偶数个其他一级反射。
12. —种方法，包括由布置在光学材料制成的分裂衬底的第一或第二表面上的两个 衍射元件接收输入光束，所述分裂衬底包括第一和第二部分，它们 在物理上分开并且配置为以预定角度范围围绕分开所述第一和第二 部分的线相对于彼此旋转，以及其中分别地，所述两个衍射元件中 的一个布置在所述第一部分上，并且所述两个衍射元件中的另一个 布置在所述第二部分上，以及所述两个衍射元件基本上彼此紧邻并 且相邻于分开所述第一和第二部分的所述线，以及两个区域相对于 分开所述第 一 和第二部分的所述线是对称的，每个所述区域由所述 两个衍射元件中的 一个占用；在所述两个书f射元件中4汙射至少部分所述输入光束以基本上在 所述第一和第二表面内分别提供在所述第一部分和第二部分之间基 本上等分的两个衍射光束；通过所述两个其他衍射元件的每个中的衍射将所述第一部分和 第二部分中的每个中的至少部分所述衍射的光束耦合出所述分裂衬 底，从而提供具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的基本上相同的 两个输出扩大光束，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部分上， 并且所述两个其他衍射元件中的另一个布置在所述第二部分上。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述两个衍射元件具有述输入光束基本上仅耦合至所述第一和第二部分当中的一个部分，在所述部分中布置了所述两个衍射元件中的所述每个。
14. 根据权利要求12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 和第二部分的所 述线彼此成镜像。
15. 根据权利要求12所述的方法，其中吸光材料沉积在以下至 少一个位置处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 分中至少一个的一端，以及
16. —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 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，包括光学材料的分裂衬底，其具有第一表面和第二表面，所述分裂衬 底包括第一部分和第二部分，它们在物理上分开并且配置为以预定 角度范围围绕分开所述第一和第二部分的线相对于彼此旋转；两个衍射元件，布置在所述第一或第二表面上并且配置为接收输 入光束，其中分别地，所述两个衍射元件中的一个布置在所述第一 部分上，并且所述两个衍射元件中的另一个布置在所述第二部分上， 以及所述两个衍射元件基本上彼此紧邻并且相邻于分开所述第一和 第二部分的所述线；以及两个其他衍射元件，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部分上，并且所述 两个其他衍射元件中的另一个布置在所述第二部分上，其中在所述第一和第二表面内分别提供在所述第一部分和第二部分之间基本上等分的两个衍射光束，以及所述第一部分和第二部分的每个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的每个中的衍射耦合出所述分裂 衬底，从而提供具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的基本上相同 的两个输出光束。
17. 根据权利要求16所述的电子设备，进一步包括EPE角度调整块，其配置为使所述第一部分和第二部分围绕所述 线相对于4皮此旋转。
18. 根据权利要求16所述的电子设备，其中所述电子设备是数 码照相机、计算机游戏设备、无线设备、便携式设备或移动终端。
19. 根据权利要求16所述的电子设备，其中使用至少一个以下 条件配置所述电子设备两个区域相对于分开所述第一和第二部分的所述线是对称的，每 个所述区域由所述两个书f射元件中的一个占用，以及两个其他区域相对于分开所述第一和第二部分的所述线是对称
20. 根据权利要求16所述的电子设备，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部分当中的一个部 分，在所述部分中布置了所述两个衍射元件中的所述每个。
21. 根据权利要求16所述的电子设备，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部分 的所述线彼此成镜像。
22. 根据权利要求16所述的光学设备，其中所述两个衍射元件 和所述两个其他衍射元件布置在一个表面上，即所述分裂衬底的所 述第一和第二部分的所述第一表面或所述第二表面。
23. 根据权利要求16所述的电子设备，其中吸光材料沉积在以 下至少一个位置处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中的至少一个的一端，以及与布置
24. —种护目4竟，包括 -可佩戴外壳；以及-出瞳扩大器，可操作地附接至所述可佩戴外壳，所述出瞳扩大 器包括光学材料的分裂衬底，其具有第一表面和第二表面，所述分裂衬 底包括第一部分和第二部分，它们在物理上分开并且配置为以预定角度范围围绕分开第一和第二部分的线相对于彼此旋转；两个衍射元件，布置在所述第一或第二表面上并且配置为接收输 入光束，其中分别地，所述两个衍射元件中的一个布置在所述第一 部分上，并且所述两个衍射元件中的另一个布置在所述第二部分上， 以及所述两个衍射元件基本上彼此紧邻并且相邻于分开所述第一和第二部分的所述线；以及两个其他衍射元件，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部分上，并且所述 两个其他衍射元件中的另一个布置在所述第二部分上，其中至少部分所述输入光束在所述两个衍射元件中衍射，从而基本上 在所述第 一 和第二表面内分别提供在所述第 一部分和第二部分之间 基本上等分的两个衍射光束，以及所述第一部分和第二部分的每个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的每个中的衍射耦合出所述分裂 衬底，从而提供具有在一个或两个维度上扩大的出瞳的基本上相同 的两个输出光束，使得所述两个输出光束中的每个仅提供到一个部 分，即所述护目镜的左目或者右目。
25. 根据权利要求24所述的护目镜，进一步包括 EPE角度调整块，其配置为向所述出瞳扩大器提供调整信号，以便使所述第一部分和第二部分以所述预定角度范围相对于彼此旋转。
26. —种设备，包括 两个用于衍射的装置，用于接收输入光束，其中所述两个用于衍射的装置布置在光 学材料制成的分裂衬底的第一或第二表面上，所述分裂衬底包括 第一部分和第二部分，它们在物理上分开并且配置为以预定角度范围围绕分开所述第一和第二部分的线相对于彼此旋转，并且其 中分别地，所述两个用于衍射的装置中的一个布置在所述第一部 分上，并且所述两个用于衍射的装置中的另一个布置在所述第二 部分上，以及所述两个用于衍射的装置基本上彼此紧邻并且相邻 于分开所述第一和第二部分的所述线，以及两个区域相对于分开 所述第一和第二部分的所述线是对称的，每个所述区域由所述两 个用于衍射的装置中的一个占用，以及用于在所述两个用于衍射的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分别提供在所述第一部 分和第二部分之间基本上等分的两个衍射光束；以及两个其他用于衍射的装置，用于通过两个其他用于衍射的装置的 每个中的衍射将所述第 一 部分和第二部分的每个中的至少部分所述 衍射的光束耦合出所述分裂衬底，从而提供具有在一个或两个维度 上扩大的出瞳的基本上相同的两个输出扩大光束，其中所述两个其他用于衍射的装置，布置在所述第一或第二表面 上，其中分别地，所述两个其他用于衍射的装置中的一个布置在所 述第一部分上，并且所述两个其他用于衍射的装置中的另一个布置 在所述第二部分上。
27. 根据权利要求26所述的设备，其中所述两个用于衍射的装 置是两个入耦合衍射光栅并且所述两个其他用于衍射的装置是两个 出耦合衍射光栅。
全文摘要
说明书和附图示出了用于使用分裂出瞳扩大器提供广义衍射光学方法的新装置和方法，其使用多个衍射元件来扩大电子设备显示器的出瞳以便观看。
文档编号G02B27/44GK101460884SQ200780020123
公开日2009年6月17日 申请日期2007年4月3日 优先权日2006年6月2日
发明者T·勒沃拉 申请人:诺基亚公司