专利名称：出瞳扩大器中的颜色分布的制作方法
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(exit pupil)。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-叩)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-l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 一个村底提供的输 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 一个村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。另夕卜，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)散布遍及其他村底仅在至少一个附加衍射元件和至少又
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书f射元件^妄收输入光束，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-l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，其布置在至少一个村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-l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 一个村底是N个村底中的一个，其中N个堆叠的村底中的每个配置 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#4居本发明的第三方面，M可以等于K-1。 进一步根据本发明的第三方面，由至少一个村底提供的输出光 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)散布遍及至少一个村底的体积的 吸收着色，b)散布遍及至少一个衬底仅在至少一个纟汙射元件和至少 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 中的至少一个村底上。
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村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； 布置在至少一个村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-l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。
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是具有利用堆叠的衍射出瞳扩大器(图lb示出了 剖面图)的出瞳扩大器系统的虚拟现实显示器(图la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la)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。
具体实施例方式
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个堆叠村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^h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
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冲册，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-l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个村底 中的任何衬底的吸光区域可以配置为吸收所有K-l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 for Virtual Reality Displays" ， SID Eurodisplay 05， Edinburg ( 2005 ),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)的区域中的每个村底上，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 是输入光束在由该村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la和图lb示出了虚拟现实显示器(如图la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lb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 (、)和22 (人2)。在图 lb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画la、 22画la、 20國2a、 22-2a,以及不期望的光束20-lc、 22-lc、 20國2c、22-2c)至图lb中示出的村底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lb所示堆叠的衍 射出瞳扩大器的图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la),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-la、 10-2a、 10-lb和10-2b的厚度的吸收着色，如图 2b示出。村底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-lb 和20-2b由村底10-1提供，并且表示波长分量22的光束22-lb和 22-2b由村底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-l、 34-2、 36-1和36-2中的吸收消除了不期望的 光束20-lc、 22-lc、 20-2c、 22-2c。注意，如图3a所示，入耦合光栅
1912-2提供不期望的光束20-lc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-lc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-lb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-lc、 22-lc、 20-2c、 22-2c 分别由出耦合光栅34-l、 34-2、 36-1和36-2中的吸收消除。此外(可 选地)，布置在村底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Y更最小化不期 望的光束20-lc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-lc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-lb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-lc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-l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-lc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分别具有与村底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-lc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。
权利要求
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 一个村底是所述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二K。
4. 根据权利要求1所述的装置，其中]VNK-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^f又在所述至少一个书f射元件和至 少 一 个其他衍射元件之间的所述至少 一 个村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二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) 散布遍及所述其他村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，其中所述至少一个村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-l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 个其他书于射元件之间的区域中的所述至少 一个衬底上。
17. —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个堆叠的光学材料村底，N是值至少为一的整数， 并且所述至少一个衬底是所述N个村底中的一个，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N^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. —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村底之外，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。
全文摘要
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。
文档编号G02B27/00GK101460882SQ200680054813
公开日2009年6月17日 申请日期2006年6月2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