專利名稱：在顯示器設備中具有短近焦距的光束擴展的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般涉及用于優(yōu)選地為便攜通信設備的電子設備中的顯示器設備，并且更特別地，涉及使用一個或多個光耦合元件的顯示器設備，該光耦合元件用于延展顯示器設備的出瞳(exit pupil)以便查看。
背景技術(shù)：
盡管使用低分辨率液晶顯示器(LCD)面板以顯示信息，特別是在便攜設備中顯示圖像和文本消息已成為慣例，但優(yōu)選的是使用高分辨率顯示器瀏覽文本和圖像的豐富的信息內(nèi)容。所謂的基于微型顯示器(microdisplay)的系統(tǒng)能夠以50-100線每毫米提供全色像素。這樣的高度分辨率一般適合于虛擬顯示器。虛擬顯示器通常包括微型顯示器以提供圖像以及光學配置用于操作圖像發(fā)射的光使得其感覺上與直接查看顯示器面板一樣的大。虛擬顯示器可以是單目的或雙目的。
朝向眼睛的來自成像光學器件的光束的尺寸稱為出瞳。在近眼式顯示器(NTE或NED)中，出瞳通常的直徑為10毫米數(shù)量級。進一步擴大出瞳使得虛擬顯示器的使用大為容易，因為設備可以放在眼睛的遠處。因而，很明顯這樣的顯示器不能被作為NED。平視顯示器(head-up displays)是具有非常大的出瞳的虛擬顯示器的示例。
現(xiàn)有技術(shù)WO 99/52002公開了擴大虛擬顯示器的出瞳的方法。所公開的方法使用三個連續(xù)的全息光學元件(HOE)或衍射光學元件(DOE)以擴大出瞳。如圖1所示，參考該現(xiàn)有技術(shù)，HOE是排列在光透射的光引導結(jié)構(gòu)或襯底1平面上的衍射光柵元件。如圖所示，來自圖像源3的光入射到布置在襯底1的一側(cè)的第一HOE2上。將來自耦合進襯底1中的HOE2的光導向到第二HOE5，在此，光的分布在一個方向上被擴展。HOE5還將擴展了的光的分布再次導向到第三HOE4，在此，光的分布進一步在另一個方向上被擴展。全息元件可以在襯底1的任何一側(cè)。HOE4還將擴展了的光的分布從其上布置有HOE4的襯底表面再次導向到外部。如圖1所示的光學系統(tǒng)操作為光束擴展設備，其維持光束的總方向。這樣的設備也稱為出瞳延展器(EPE)。
另一個類型的出瞳延展器如圖2所示，其參考申請者當然已知的現(xiàn)有技術(shù)設備，只使用了兩個連續(xù)的全息光學元件(HOE)。第一HOE2通常具有衍射的結(jié)構(gòu)，其包括平行的衍射條紋(fringe)，用于將入射光耦合到襯底1并且將襯底1內(nèi)的光的分布導向到第二HOE4。襯底1作為光引導主要借助于全內(nèi)反射捕捉其兩個表面1a、1b之間的光束。如圖2所示，衍射元件HOE2和HOE4兩者都布置在襯底1的較低的表面。因為兩個衍射元件HOE2和HOE4是彼此鄰近排列的，所以光分布是由衍射元件HOE4在一個方向上擴展的。
如圖2所示，在使用了上述類型的出瞳延展器的虛擬顯示器中，焦點總是位于無限遠處，這意味著觀察者的眼睛接收好像從無限遠處發(fā)出的耦合出的(outcoupled)光線。其缺點是降低了顯示器的人體工程學，因為針對某些應用，查看者在較短于無限遠的距離查看圖像是更加舒適的。
因此有利地并且期望提供一種用于改善光學設備、虛擬顯示器以及更特別地其出瞳延展器的人體工程學的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的是改善虛擬光學顯示器特別是該顯示器的出瞳延展器的人體工程學。
因而，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種光學設備，包括光引導結(jié)構(gòu)，用于借助于全內(nèi)反射引導光波，該光引導結(jié)構(gòu)具有基本上平行于該結(jié)構(gòu)的主平面而延展的兩個相對的主表面，第一光耦合元件，由所述結(jié)構(gòu)的相對的主表面之一承載，用于將來自圖像源的光波耦合入(incoupling)到光引導結(jié)構(gòu)內(nèi)，至少一個第二光耦合元件，由所述結(jié)構(gòu)的相對的主表面之一承載并且沿著該結(jié)構(gòu)的主平面在所述第一光耦合元件的側(cè)翼放置，用于將光波耦合出(outcoupling)所述結(jié)構(gòu)之外以便由觀察者的眼睛查看，該光學設備進一步的特征在于在光引導結(jié)構(gòu)的第一或至少一個第二光耦合元件中的至少一個的位置處的相對的主表面中的至少一個包括對應于用于在優(yōu)選的焦距處產(chǎn)生虛擬圖像的視焦距的給定有限曲率半徑。
因此，根據(jù)本發(fā)明這一方面的設備具有曲率半徑精確地對應于焦距的優(yōu)點。這意味著與現(xiàn)有技術(shù)的設備相比較，焦點將變?yōu)橛邢薜?，即所有的耦合出的光線好像都是從該有限的焦點處發(fā)出的。因此改善了光學設備的人體工程學，這是因為觀察者在較短于無限遠的距離觀察圖像更加舒適。
優(yōu)選地，曲率中心對光引導結(jié)構(gòu)的至少的兩個相對的主表面而言是各自相同的。這允許了光引導結(jié)構(gòu)的簡單的構(gòu)造。
優(yōu)選地，對應于焦距的曲率半徑至少為0.5m，優(yōu)選地在0.5m到1.5m的范圍中。
優(yōu)選地，該光耦合元件位于光引導結(jié)構(gòu)的同一側(cè)。
優(yōu)選地，該第一或至少一個第二光耦合元件的至少一個是衍射元件。
優(yōu)選地，該第一或至少一個第二光耦合元件是排列在圓柱的表面，該圓柱的軸平行于光柵線。
優(yōu)選地，該第一或至少一個第二光耦合元件的至少一個包括表面浮雕結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，該第一或至少一個第二光耦合元件的至少一個是全息光學元件。
優(yōu)選地，所述全息光學元件是通過將所述元件記錄為兩個相互相干的光波的干涉圖案而在所述結(jié)構(gòu)中具體實現(xiàn)的。
優(yōu)選地，所述圖像源是連續(xù)的顏色LCOS(硅上液晶)設備、OLED(有機發(fā)光二極管)陣列、MEMS(微電子機械的系統(tǒng))設備或任何其它適當?shù)脑趥鞑?、反射或發(fā)射中操作的微型顯示器設備。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種在優(yōu)選的焦距處產(chǎn)生虛擬圖像的虛擬顯示器單元，用作優(yōu)選地為便攜式通信設備的電子設備的圖像源，并且具有光引導類型的出瞳延展器(EPE)，其中光耦合入和耦合出元件在具有對應于虛擬圖像的視焦距的曲率半徑的表面上。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種用于延展優(yōu)選地為便攜式通信設備的電子設備的出瞳的裝置，所述裝置包括光引導結(jié)構(gòu)，用于借助于全內(nèi)反射引導光波，該光引導結(jié)構(gòu)具有基本上平行于該結(jié)構(gòu)的主平面而延展的兩個相對的主表面，第一光耦合元件，由所述結(jié)構(gòu)的相對的主表面之一承載，以將來自圖像源的光波耦合入到光引導結(jié)構(gòu)內(nèi)，至少一個第二光耦合元件，由所述結(jié)構(gòu)的相對的主表面之一承載并且沿著該結(jié)構(gòu)的主平面在所述第一光耦合元件的側(cè)翼放置，用于將光波耦合出所述結(jié)構(gòu)之外，所述設備的特征在于在光引導結(jié)構(gòu)的第一或至少一個第二光耦合元件中的至少一個的位置處的相對的主表面中的至少一個包括對應于用于在優(yōu)選的焦距處產(chǎn)生虛擬圖像的視焦距的給定有限曲率半徑。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種用于延展光學系統(tǒng)的出瞳的方法，包括下列步驟借助于由光引導結(jié)構(gòu)承載的第一光耦合元件將來自圖像源的光波耦合入到光引導結(jié)構(gòu)內(nèi)，該光引導結(jié)構(gòu)具有基本上平行于該結(jié)構(gòu)的主平面而延展的兩個相對的主表面，其中光波借助于全內(nèi)反射在所述結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播，借助于至少一個第二光耦合元件將光波耦合出所述結(jié)構(gòu)之外，該至少一個第二光耦合元件由所述結(jié)構(gòu)的相對的主表面之一承載并且沿著該結(jié)構(gòu)的主平面在所述第一光耦合元件的側(cè)翼放置，所述方法進一步的特征在于在該光引導結(jié)構(gòu)的第一或至少一個第二光耦合元件中的至少一個的位置處的相對的主表面中的至少一個的曲率半徑具有有限的值并且對應于用于在優(yōu)選的焦距處產(chǎn)生虛擬圖像的視焦距。
優(yōu)選地，用于延展出瞳的裝置可以用于便攜設備，例如移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)、通信器、便攜式互聯(lián)網(wǎng)設備、手持計算機、數(shù)字視頻和靜止照相機、可穿戴計算機、計算機游戲設備、用于查看的專用移至眼部(bring-to-the-eye)產(chǎn)品和其它的便攜式電子設備。
該出瞳延展器也可以用于非便攜式設備，例如游戲設備、售貨機、自動取款機(bank-o-mat)、例如烤箱、微波爐和其它設備的家庭設備以及其它非便攜式電子設備。


圖1是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的使用三個衍射元件的出瞳延展器的示意圖；圖2是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的使用兩個衍射元件的出瞳延展器的示意圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的出瞳延展器的示意圖；圖4是示出具有虛擬顯示器系統(tǒng)的移動通信設備的示意圖。
具體實施例方式
如圖3所示，光引導結(jié)構(gòu)1具有兩個相對的主表面1a、1b。實質(zhì)上，這些主表面1a、1b平行于結(jié)構(gòu)1的主平面而延展。
在其主表面1b側(cè)，安排有第一光耦合元件2，其用于耦合入從圖像源3進入的光波。
應該注意，衍射元件2和衍射元件4中的每一個可以是全息衍射元件(HOE)或衍射光學元件(DOE)。如其名稱所提示，全息衍射元件是全息地制造的，其中至少使用兩個相干光束以產(chǎn)生干涉條紋。相反，衍射光學元件可以是機械地或化學地制造的。如圖3所示的EPE可以有二個或多個衍射元件。
兩種類型的元件都是基于周期性結(jié)構(gòu)的，而DOE結(jié)構(gòu)一般較簡單并且通常為表面浮雕結(jié)構(gòu)。與此相反，HOE是通常為體狀(volume)結(jié)構(gòu)，即它們可以具有大大超過所使用的波長的深度。
此外，第二光耦合元件4也在光引導結(jié)構(gòu)1的主表面1b上。該第二光耦合元件4是沿著光引導結(jié)構(gòu)1的主平面在第一光耦合元件(2)的側(cè)翼放置的，并且用于以下述方式將光波耦合出所述光引導結(jié)構(gòu)1之外。
光波從光耦合元件2到光耦合元件4的傳輸是借助于在光引導結(jié)構(gòu)1內(nèi)的全內(nèi)反射而進行的。
進一步如圖3所示，光引導結(jié)構(gòu)1不是一個完美的平面形狀，而是具有特定的曲率半徑。該結(jié)構(gòu)1的兩個主表面1a、1b有共同的曲率中心。光引導結(jié)構(gòu)1的曲率半徑設計為使得觀察者的眼睛聚焦在不是來自無限遠的，而是來自有限距離的圖像，因為曲率半徑對應于由觀察者查看到的焦點。例如，期望觀察者在0.5m到無限遠之間的范圍中查看物體，優(yōu)選地在1m處。這使得觀察者比在非常短的距離，即5cm，或在非常遠的距離，即無限遠觀察圖像更加舒適。
因而，本發(fā)明在一方面使用由光耦合元件2、光耦合元件4給出的出瞳延展效果并且另一方面使用由于曲率半徑的設計從無限遠到有限遠的焦點位移。
上述出瞳延展器可以用于便攜式設備，例如移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)、通信器、便攜式互聯(lián)網(wǎng)設備、手持計算機、數(shù)字視頻和靜止照相機、可穿戴計算機、計算機游戲設備、用于查看的移至眼部產(chǎn)品和其它的便攜式電子設備。然而，出瞳延展器也可以用于非便攜式設備，例如游戲設備、售貨機、自動取款機、例如烤箱、微波爐和其它設備的家庭設備以及其它的非便攜式電子設備。
如圖4所示，便攜式設備100具有外殼110以容納用于從外部設備(未示出)接收信息和向外部設備發(fā)射信息的通信單元112。便攜設備100還具有控制和處理單元114用于處理已接收和傳輸?shù)男畔⒁约坝糜诓榭吹奶摂M顯示器系統(tǒng)130。虛擬顯示器系統(tǒng)130包括微型顯示器或圖像源132以及光學引擎134?？刂坪吞幚韱卧?14是操作地連接到光學引擎134以向圖像源132提供圖像數(shù)據(jù)以在其上顯示圖像。根據(jù)本發(fā)明，出瞳延展器(EPE)可以光學地連接到光學引擎134。
此外，本發(fā)明的EPE的應用不限于虛擬顯示器。事實上，衍射元件(H1，H2)是光學耦合器和光調(diào)制器設備用于將光耦合到波導平面。因而，EPE可以被看作為光學設備，其包括鄰近于襯底或在襯底上設置的襯底波導和多個光學耦合器(或光調(diào)制器設備)用于光耦合和操作的目的。
如圖3中的3和圖4中的132所示的圖像源可以是連續(xù)的顏色LCOS(硅上液晶)設備、OLED(有機發(fā)光二極管)陣列、MEMS(微電子機械系統(tǒng))設備或任何其它適當?shù)脑趥鞑ァ⒎瓷浠虬l(fā)射中操作的微型顯示器設備。
因而，雖然已經(jīng)關于其優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行了描述，但本領域技術(shù)人員應當理解，可以對其進行前述的和各種其它的形式上的或細節(jié)的改變、省略和偏離，而不背離本發(fā)明的發(fā)明的范圍。
本發(fā)明的出瞳延展器的使用不限于所描述的設備。其它的目的可以是具有近眼式顯示器的終端、覆蓋物投影(cover projection)小型投影儀或虛擬小型投影儀、平板顯示器、平視汽車顯示器、用于平面屏幕上的圖像投影的微顯示器和用于汽車、辦公室、公眾和家庭環(huán)境的多功能光學網(wǎng)絡。
本發(fā)明的出瞳延展器的其它可能的使用可見于智能卡以及智能錢包、剪輯(clip)和個人接入實體領域。
權(quán)利要求
1.一種光學設備，包括光引導結(jié)構(gòu)(1)，用于借助于全內(nèi)反射引導光波，該光引導結(jié)構(gòu)(1)具有基本上平行于該結(jié)構(gòu)(1)的主平面而延展的兩個相對的主表面(1a，1b)，第一光耦合元件(2)，由所述結(jié)構(gòu)(1)的該相對的主表面(1a，1b)之一承載，用于將來自圖像源(3)的光波耦合入到該光引導結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)，至少一個第二光耦合元件(4)，由所述結(jié)構(gòu)(1)的相對的主表面(1a、1b)之一承載并且沿著該結(jié)構(gòu)(1)的該主平面在所述第一光耦合元件(2)的側(cè)翼放置，用于將光波耦合出所述結(jié)構(gòu)(1)之外以便由觀察者的眼睛查看，所述光學設備的特征在于在該光引導結(jié)構(gòu)(1)的第一或至少一個第二光耦合元件(2，4)中的至少一個的位置處的該相對的主表面(1a，1b)中的至少一個包括對應于用于在優(yōu)選的焦距處產(chǎn)生虛擬圖像的視焦距的給定有限曲率半徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學設備，其中曲率中心對所述光引導結(jié)構(gòu)(1)的該至少的兩個相對的主表面(1a，1b)是各自相同的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學設備，其中對應于該焦距的該曲率半徑至少為0.5m，優(yōu)選地在0.5m到1.5m的范圍中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學設備，其中該第一和該至少一個第二光耦合元件(2，4)位于該光引導結(jié)構(gòu)(1)的同一側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學設備，其中該第一和/或該至少一個第二光耦合元件(2，4)中的至少一個是衍射元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學設備，其中該第一和該至少一個第二光耦合元件(2，4)排列在圓柱的表面，該圓柱的軸平行于在所述光耦合元件(2，4)中提供的光柵線。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學設備，其中該第一和該至少一個第二光耦合元件(2，4)中的至少一個包括表面浮雕結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學設備，其中該第一和該至少一個第二光耦合元件(2，4)中的至少一個是全息光學元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學設備，其中所述全息光學元件是通過將所述元件記錄為兩個相互相干的光波的干涉圖案而在所述結(jié)構(gòu)(1)中實施的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學設備，其中所述圖像源(3)是連續(xù)的顏色LCOS(硅上液晶)設備、OLED(有機發(fā)光二極管)陣列、MEMS(微電子機械的系統(tǒng))設備或任何其它適當?shù)脑趥鞑ァ⒎瓷浠虬l(fā)射中操作的微型顯示器設備。
11.一種虛擬顯示器單元，用作優(yōu)選地為便攜式通信設備的電子設備的圖像源，該顯示器單元包括光引導結(jié)構(gòu)(1)，用于借助于全內(nèi)反射引導光波，該光引導結(jié)構(gòu)(1)具有基本上平行于結(jié)構(gòu)(1)的主平面而延展的兩個相對的主表面(1a，1b)，第一光耦合元件(2)，由所述結(jié)構(gòu)(1)的該相對的主表面(1a，1b)之一承載，以將來自圖像源(3)的光波耦合入到該光引導結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)，至少一個第二光耦合元件(4)，由所述結(jié)構(gòu)(1)的相對的主表面(1a，1b)之一承載并且沿著該結(jié)構(gòu)(1)的該主平面在所述第一光耦合元件(2)的側(cè)翼放置，用于將光波耦合出所述結(jié)構(gòu)(1)之外，所述設備的特征在于在該光引導結(jié)構(gòu)(1)的第一或至少一個第二光耦合元件(2，4)中的至少一個的位置處的該相對的主表面(1a，1b)中的至少一個包括對應于用于在優(yōu)選的焦距處產(chǎn)生虛擬圖像的視焦距的給定有限曲率半徑。
12.一種用于延展優(yōu)選地為便攜通信設備的電子設備的出瞳的裝置，包括光引導結(jié)構(gòu)(1)，用于借助于全內(nèi)反射引導光波，該光引導結(jié)構(gòu)(1)具有基本上平行于該結(jié)構(gòu)(1)的主平面而延展的兩個相對的主表面(1a，1b)，第一光耦合元件(2)，由所述結(jié)構(gòu)(1)的該相對的主表面(1a，1b)之一承載，以將來自圖像源(3)的光波耦合入到該光引導結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)，至少一個第二光耦合元件(4)，由所述結(jié)構(gòu)(1)的相對的主表面(1a，1b)之一承載并且沿著該結(jié)構(gòu)(1)的該主平面在所述第一光耦合元件(2)的側(cè)翼放置，用于將光波耦合出所述結(jié)構(gòu)(1)之外，所述設備的特征在于在該光引導結(jié)構(gòu)(1)的第一或至少一個第二光耦合元件(2，4)中的至少一個的位置處的該相對的主表面(1a，1b)中的至少一個包括對應于用于在優(yōu)選的焦距處產(chǎn)生虛擬圖像的視焦距的給定有限曲率半徑。
13.一種用于延展光學系統(tǒng)的出瞳的方法，包括下列步驟借助于由光引導結(jié)構(gòu)(1)承載的第一光耦合元件(2)將來自圖像源(3)的光波耦合入到光引導結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)，該光引導結(jié)構(gòu)(1)具有基本上平行于結(jié)構(gòu)(1)的主平面而延展的兩個相對的主表面(1a，1b)，其中該光波借助于全內(nèi)反射在所述結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)傳播，借助于至少一個第二光耦合元件(4)將光波耦合出所述結(jié)構(gòu)(1)之外，該至少一個第二光耦合元件(4)由所述結(jié)構(gòu)(1)的相對的主表面(1a，1b)之一承載并且沿著該結(jié)構(gòu)(1)的該主平面在所述第一光耦合元件(2)的側(cè)翼放置，所述方法進一步的特征在于該光引導結(jié)構(gòu)(1)的第一或至少一個第二光耦合元件(2，4)中的至少一個的位置處的該相對的主表面(1a，1b)中的至少一個的曲率半徑具有有限的值并且對應于用于在該優(yōu)選的焦距處產(chǎn)生虛擬圖像的視焦距。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的延展出瞳的裝置，可以用于便攜式設備，例如移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)、通信器、便攜互聯(lián)網(wǎng)應用、手持計算機、數(shù)字視頻和靜止照相機、可穿戴計算機、計算機游戲設備、用于查看的專用移至眼部產(chǎn)品和其它的便攜電子設備。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的延展出瞳的裝置，可以用于非便攜式設備，例如游戲設備、售貨機、自動取款機、例如烤箱、微波爐和其它設備的家庭設備以及其它的非便攜電子設備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學設備，包括光引導結(jié)構(gòu)(1)，用于借助于全內(nèi)反射引導光波，該光引導結(jié)構(gòu)(1)具有基本上平行于結(jié)構(gòu)(1)的主平面而延展的兩個相對的主表面(1a，1b)；第一光耦合元件(2)，由所述結(jié)構(gòu)(1)的該相對的主表面(1a，1b)之一承載，以將來自圖像源(3)的光波耦合入到該光引導結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)；至少一個第二光耦合元件(4)，由所述結(jié)構(gòu)(1)的相對的主表面(1a、1b)之一承載并且沿著該結(jié)構(gòu)(1)的該主平面在所述第一光耦合元件(2)的側(cè)翼放置，用于將光波耦合出所述結(jié)構(gòu)(1)之外以便由觀察者的眼睛查看。改善所述光學設備的人體工程學，其特征在于在該光引導結(jié)構(gòu)(1)的該第一或該至少一個第二光耦合元件(2，4)中的至少一個的位置處的該相對的主表面(1a，1b)中的至少一個包括對應于用于在優(yōu)選的焦距處產(chǎn)生虛擬圖像的視焦距的給定有限曲率半徑。
文檔編號G02B6/00GK101076747SQ200480044587
公開日2007年11月21日 申請日期2004年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月13日
發(fā)明者T·勒沃拉, P·拉科南 申請人:諾基亞公司