СОСТАВНОЙ РАСШИРИТЕЛЬ ВЫХОДНОГО ЗРАЧКА
COMPOSITE EXIT PUPIL EXPANDER

Приоритет и ссылка на родственную заявку
Заявляется приоритет в соответствии с заявкой РСТ/IB/2006/001456, поданной 2 июня 2006 г. в международное бюро ВОИС.
Область техники
Настоящее изобретение относится в общем к устройству отображения, а в частности к способу дифракционной оптики, в котором используется множество дифракционных элементов для расширения выходного зрачка дисплея для визуального отображения.
Уровень техники
Несмотря на то что общепринятой практикой является использование в мобильных устройствах жидкокристаллических (ЖК) панелей с низким разрешением для отображения сетевой информации и текстовых сообщений, более предпочтительным для просмотра контента, насыщенного текстовой информацией и изображениями, является использование дисплеев с высоким разрешением. Система на основе микродисплея может формировать полноцветные пиксели с разрешением 50-100 линий на мм. Такое высокое разрешение в большинстве случаев подходит для виртуального дисплея. Виртуальный дисплей обычно состоит из микродисплея для формирования изображения и оптической схемы для управления исходящим от изображения светом таким образом, чтобы виртуальный дисплей воспринимался таким же большим, как обычный дисплей с непосредственным наблюдением изображения. Виртуальный дисплей может быть монокулярным или бинокулярным.
Размер пучка света, исходящего от формирующей изображение оптики по направлению к глазу, называется выходным зрачком. В дисплеях, которые располагаются вблизи глаз (NED, Near-to-Eye Display), диаметр выходного зрачка обычно составляет менее 10 мм. Дальнейшее увеличение выходного зрачка значительно упрощает использование виртуального дисплея, поскольку не требуется регулировка межзрачкового расстояния (IPD, interpupillary distance) или точное позиционирование оптики относительно глаз.
Сущность изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения устройство включает: составную подложку из оптического материала, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, причем указанная составная подложка включает первую часть и вторую часть, которые физически разделены и установлены с возможностью поворота относительно друг друга в заранее заданном диапазоне углов вокруг линии, разделяющей первую и вторую части; два дифракционных элемента, расположенных на первой или второй поверхности и установленных с возможностью приема входного оптического пучка, причем один из двух дифракционных элементов расположен на первой части подложки, а второй дифракционный элемент расположен на второй части подложки соответственно, и указанные два дифракционных элемента расположены по существу рядом друг с другом и прилегают к указанной линии, разделяющей первую и вторую части подложки; и два дополнительных дифракционных элемента, расположенных на первой или второй поверхности подложки, причем один из двух дополнительных дифракционных элементов расположен на первой части подложки, а второй дополнительный дифракционный элемент расположен на второй части подложки соответственно, при этом по меньшей мере часть входного оптического пучка испытывает дифракцию на двух дифракционных элементах с получением двух дифрагированных оптических пучков, по существу поровну разделенных между первой частью и второй частью подложки соответственно, по существу в пределах первой и второй поверхностей подложки, и по меньшей мере часть дифрагированных оптических пучков в первой части и второй части подложки затем выводится из составной подложки посредством дифракции на каждом из указанных дополнительных дифракционных элементов с получением двух по существу идентичных выходных оптических пучков с выходным зрачком, расширенным в одном или двух измерениях.
Также в соответствии с первым аспектом изобретения устройство может быть сконфигурировано с использованием по меньшей мере одного из следующих условий: две области, в каждой из которых размещается один из указанных двух дифракционных элементов, являются симметричными относительно линии, разделяющей первую и вторую части подложки, и две дополнительные области, в каждой из которых размещается один из указанных двух дополнительных дифракционных элементов, являются симметричными относительно указанной линии, разделяющей первую и вторую части подложки.
В соответствии с первым аспектом изобретения два дифракционных элемента также могут иметь асимметричный профиль штрихов, так что входной оптический пучок, дифрагированный каждым из двух дифракционных элементов, по существу может передаваться только в ту часть из первой и второй частей, в которой расположен каждый из указанных двух дифракционных элементов.
Также в соответствии с первым аспектом изобретения два дифракционных элемента могут иметь асимметричный профиль штрихов и могут представлять собой наклонные дифракционные решетки с углом наклона более 20 градусов.
В соответствии с первым аспектом изобретения указанные два дифракционных элемента могут также быть асимметричными, так что их профили штрихов являются зеркальным отражением друг друга относительно линии, разделяющей первую и вторую части подложки.
Также в соответствии с первым аспектом изобретения указанные два дифракционных элемента и указанные два дополнительных дифракционных элемента могут быть расположены на одной, первой или второй, поверхности указанных первой и второй частей составной подложки.
Также в соответствии с первым аспектом изобретения поглощающее вещество может быть нанесено по меньшей мере на одну из следующих областей: а) торец по меньшей мере одной из первой и второй частей в области их физического разделения вдоль указанной линии, и b) поверхность составной подложки, находящуюся напротив поверхности с расположенными на ней указанными двумя дифракционными элементами.
Также в соответствии с первым аспектом изобретения штрихи указанных двух дифракционных элементов могут быть симметричными относительно указанной линии, разделяющей первую и вторую части подложки.
В соответствии с первым аспектом изобретения каждая из указанных первой и второй частей составной подложки может включать промежуточный дифракционный элемент, так что по меньшей мере часть оптического пучка, дифрагированного на первом или втором дифракционном элементе, сначала поступает на указанный промежуточный дифракционный элемент, который посредством дифракции на указанном промежуточном дифракционном элементе передает указанную по меньшей мере часть дифрагированного оптического пучка на один из указанных двух дополнительных дифракционных элементов, расположенных на каждой из указанных частей для обеспечения двумерного расширения выходного зрачка указанного входного оптического пучка каждой указанной частью. Также устройство может быть сконфигурировано так, что указанный промежуточный дифракционный элемент имеет нечетное число дифракции первого порядка или четное число дополнительных отражений первого порядка. Кроме того, каждый из указанных двух дифракционных элементов включает периодические линии с периодом d, а указанный промежуточный дифракционный элемент включает дополнительные периодические линии с периодом d', который может быть равен:
где α - угол между нормалью к первой части или ко второй части и нормалью к плоскости, включающей первую часть и вторую часть, когда первая и вторая части повернуты в указанном заранее заданном диапазоне углов так, чтобы обе части лежали в указанной плоскости, ρ - угол между периодическими линиями и дополнительными периодическими линиями и λ - длина волны входного оптического пучка.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения способ включает: прием входного оптического пучка двумя дифракционными элементами, расположенными на первой или второй поверхности составной подложки, изготовленной из оптического материала, причем указанная составная подложка включает первую часть и вторую часть, которые физически разделены и установлены с возможностью поворота относительно друг друга в заранее заданном диапазоне углов вокруг линии, разделяющей первую и вторую части, при этом один из двух дифракционных элементов расположен на первой части, а второй дифракционный элемент расположен на второй части соответственно, и указанные два дифракционных элемента расположены по существу рядом друг с другом и прилегают к линии, разделяющей первую и вторую части, причем две области, в каждой из которых размещается один из указанных двух дифракционных элементов, являются симметричными относительно указанной линии, разделяющей первую и вторую части подложки; дифракцию по меньшей мере части входного оптического пучка на двух дифракционных элементах с получением двух дифрагированных оптических пучков, по существу поровну разделенных между первой частью и второй частью подложки соответственно, по существу в пределах первой и второй поверхностей подложки; вывод по меньшей мере части дифрагированных оптических пучков в каждой из первой части и второй части из составной подложки посредством дифракции на каждом из двух дополнительных дифракционных элементов с получением двух по существу идентичных выходных расширенных оптических пучков с выходным зрачком, расширенным в одном или двух измерениях, при этом два дополнительных дифракционных элемента расположены на первой или второй поверхности подложки, причем один из двух дополнительных дифракционных элементов расположен на первой части подложки, а второй дополнительный дифракционный элемент расположен на второй части подложки соответственно.
Также в соответствии со вторым аспектом изобретения два указанных дифракционных элемента могут иметь асимметричный профиль штрихов, так что входной оптический пучок, дифрагированный каждым из этих двух дифракционных элементов, передается по существу только в ту часть из первой и второй частей, в которой расположен каждый из двух дифракционных элементов.
В соответствии со вторым аспектом изобретения указанные два дифракционных элемента могут быть асимметричными, так что их профили штрихов являются зеркальным отражением друг друга относительно линии, разделяющей первую и вторую части подложки.
Также в соответствии со вторым аспектом изобретения поглощающее вещество может быть нанесено по меньшей мере на одну из следующих областей: а) торец по меньшей мере одной из первой и второй частей в области их физического разделения вдоль указанной линии, и b) поверхность составной подложки, находящуюся напротив поверхности с расположенными на ней указанными двумя дифракционными элементами.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения электронное устройство включает:
- блок обработки данных;
- оптический процессор, функционально соединенный с блоком обработки данных для приема данных изображения от блока обработки данных;
- устройство отображения, функционально соединенное с оптическим процессором для формирования изображения на основе данных изображения; и
- расширитель выходного зрачка, включающий:
составную подложку из оптического материала, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, причем указанная составная подложка включает первую часть и вторую часть, которые физически разделены и установлены с возможностью поворота относительно друг друга в заранее заданном диапазоне углов вокруг линии, разделяющей первую и вторую части;
два дифракционных элемента, расположенных на первой или второй поверхности с возможностью приема входного оптического пучка, причем один из двух дифракционных элементов расположен на первой части подложки, а второй дифракционный элемент расположен на второй части подложки соответственно, и указанные два дифракционных элемента расположены по существу рядом друг с другом и прилегают к указанной линии, разделяющей первую и вторую части подложки; и
два дополнительных дифракционных элемента, расположенных на первой или второй поверхности подложки, причем один из двух дополнительных дифракционных элементов расположен на первой части подложки, а второй дополнительный дифракционный элемент расположен на второй части подложки соответственно, при этом
по меньшей мере часть входного оптического пучка испытывает дифракцию на двух дифракционных элементах с получением двух дифрагированных оптических пучков, по существу поровну разделенных между первой частью и второй частью подложки соответственно, по существу в пределах первой и второй поверхностей подложки, и
по меньшей мере часть дифрагированных оптических пучков в первой части и второй части подложки затем выводится из составной подложки посредством дифракции на каждом из указанных дополнительных дифракционных элементов с получением двух по существу идентичных выходных оптических пучков с выходным зрачком, расширенным в одном или двух измерениях.
Также в соответствии с третьим аспектом изобретения электронное устройство также может включать: блок регулировки угла расширителя выходного зрачка ЕРЕ (Exit Pupil Expander) для обеспечения поворота первой и второй частей относительно друг друга вокруг указанной линии.
В соответствии с третьим аспектом изобретения электронное устройство также может представлять собой цифровую камеру, компьютерное игровое устройство, беспроводное устройство, портативное устройство или мобильный терминал.
Также в соответствии с третьим аспектом изобретения электронное устройство может быть сконфигурировано с использованием по меньшей мере одного из следующих условий: а) две области, в каждой из которых размещается один из указанных двух дифракционных элементов, являются симметричными относительно указанной линии, разделяющей первую и вторую части подложки, и b) две дополнительные области, в каждой из которых размещается один из указанных двух дополнительных дифракционных элементов, являются симметричными относительно указанной линии, разделяющей первую и вторую части подложки.
В соответствии с третьим аспектом изобретения два дифракционных элемента могут также иметь асимметричный профиль штрихов, так что входной оптический пучок, дифрагированный каждым из двух дифракционных элементов, может передаваться только в ту часть из первой и второй частей, в которой расположен каждый из двух дифракционных элементов.
Также в соответствии с третьим аспектом изобретения два дифракционных элемента могут быть асимметричными, так что их профили штрихов являются зеркальным отражением друг друга относительно линии, разделяющей первую и вторую части подложки.
В соответствии с третьим аспектом изобретения указанные два дифракционных элемента и указанные два дополнительных дифракционных элемента могут также располагаться на одной, первой или второй, поверхности указанных первой и второй частей составной подложки.
Также в соответствии с третьим аспектом изобретения поглощающее вещество может быть нанесено по меньшей мере на одну из следующих областей: а) торец по меньшей мере одной из первой и второй частей в области их физического разделения вдоль указанной линии, и b) поверхность составной подложки, находящуюся напротив поверхности с расположенными на ней указанными двумя дифракционными элементами.
В соответствии с четвертым аспектом изобретения очки включают:
- носимую оправу; и
- расширитель выходного зрачка, функционально прикрепленный к указанной носимой оправе, причем указанный расширитель выходного зрачка включает: составную подложку из оптического материала, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, причем указанная составная подложка включает первую часть и вторую часть, которые физически разделены и установлены с возможностью поворота относительно друг друга в заранее заданном диапазоне углов вокруг линии, разделяющей первую и вторую части; два дифракционных элемента, расположенных на первой или второй поверхности с возможностью приема входного оптического пучка, причем один из двух дифракционных элементов расположен на первой части подложки, а второй дифракционный элемент расположен на второй части подложки соответственно, и указанные два дифракционных элемента расположены по существу рядом друг с другом и прилегают к указанной линии, разделяющей первую и вторую части подложки; и два дополнительных дифракционных элемента, расположенных на первой или второй поверхности подложки, причем один из двух дополнительных дифракционных элементов расположен на первой части подложки, а второй дополнительный дифракционный элемент расположен на второй части подложки соответственно, при этом по меньшей мере часть входного оптического пучка испытывает дифракцию на двух дифракционных элементах с получением двух дифрагированных оптических пучков, по существу поровну разделенных между первой частью и второй частью подложки соответственно, по существу в пределах первой и второй поверхностей подложки, и по меньшей мере часть дифрагированных оптических пучков в первой части и второй части подложки затем выводится из составной подложки посредством дифракции на каждом из указанных дополнительных дифракционных элементов с получением двух по существу идентичных выходных оптических пучков с выходным зрачком, расширенным в одном или двух измерениях, так что каждый из указанных двух выходных оптических пучков поступает только в одну часть, левую или правую, указанных очков.
В соответствии с четвертым аспектом изобретения очки могут также включать: блок регулировки угла расширителя выходного зрачка, сконфигурированный для предоставления сигнала регулировки расширителю выходного зрачка для осуществления поворота указанных первой и второй частей относительно друг друга в указанном заранее заданном диапазоне углов.
В соответствии с пятым аспектом изобретения устройство включает:
два средства для дифракции
для приема входного оптического пучка, причем указанные два средства для дифракции расположены на первой или второй поверхности составной подложки из оптического материала, которая включает первую часть и вторую часть, которые физически разделены и установлены с возможностью поворота относительно друг друга вокруг линии, разделяющей первую и вторую части, в заранее заданном диапазоне углов, при этом одно этих из двух средств для дифракции расположено на первой части подложки, а другое средство для дифракции расположено на второй части подложки соответственно, и указанные два средства для дифракции расположены по существу рядом друг с другом и прилегают к указанной линии, разделяющей первую и вторую части подложки, при этом две области, на каждой из которых размещено одно из этих двух средств для дифракции, являются симметричными относительно указанной линии, разделяющей первую и вторую части подложки, и
для дифрагирования по меньшей мере части входного оптического пучка на двух средствах для дифракции с получением двух дифрагированных оптических пучков, по существу поровну разделенных между первой частью и второй частью подложки соответственно, по существу в пределах первой и второй поверхностей подложки; и
два дополнительных средства для дифракции, предназначенные для вывода по меньшей мере части дифрагированных оптических пучков в каждой части из первой и второй частей из составной подложки посредством дифракции на каждом из двух дополнительных средств для дифракции с получением двух по существу идентичных выходных расширенных оптических пучков с расширенным выходным зрачком по одному или двум измерениям,
при этом два дополнительных средства для дифракции расположены на первой или второй поверхности, причем одно из этих двух дополнительных средств для дифракции расположено на первой части, а второе расположено на второй части соответственно.
Также в соответствии с пятым аспектом изобретения указанные два средства для дифракции являются двумя входными дифракционными решетками, и указанные два дополнительных средства для дифракции являются двумя выходными дифракционными решетками.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания сущности и целей настоящего изобретения далее приведено подробное описание со ссылками на следующие сопроводительные чертежи, где:
на фиг.1а и 1b приведены схематические представления дисплея виртуальной реальности с дифракционным расширителем выходного зрачка, как показано на фиг.1а, и выходной дифракционной решетки дифракционного расширителя выходного зрачка, показанной на фиг.1b;
на фиг.2а и 2b приведены схематические представления (поперечное сечение и вид сверху, показанные на фиг.2а и 2b соответственно) составного одномерного дифракционного расширителя выходного зрачка в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.3а и 3b приведены схематические представления составной входной дифракционной решетки, применяемой в расширителе выходного зрачка в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;
на фиг.4а и 4b приведены схематические представления одной части (из двух частей) составного двумерного дифракционного расширителя выходного зрачка, в котором промежуточный дифракционный элемент (дифракционная решетка) имеет нечетное число дифракций первого порядка (как показано на фиг.4а) или четное число дополнительных отражений первого порядка (как показано на фиг.4b) в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.5 схематически показан плоский дифракционный расширитель выходного зрачка в оправе типа солнцезащитных очков в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения; и
на фиг.6 показано схематическое представление электронного устройства, имеющего расширитель выходного зрачка в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Варианты осуществления изобретения
Предложены новый способ и устройство для использования составного расширителя выходного зрачка (вместо плоского расширителя выходного зрачка) с целью обеспечения общего способа дифракционной оптики, в котором используется множество дифракционных элементов для расширения выходного зрачка дисплея электронного устройства для визуального отображения. Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть применены к оптическим пучкам в широком оптическом спектральном диапазоне, но наиболее важно их применение для видимой части оптического спектра, где оптические пучки называют световыми пучками.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения оптическое устройство (например, оптическое устройство, которое является частью дисплея виртуальной реальности) может включать составную подложку, изготовленную из оптического материала, имеющую первую поверхность и вторую противолежащую поверхность, причем составная подложка включает первую часть и вторую часть (или левую и правую части), которые физически разделены и установлены с возможностью поворота относительно друг друга в заранее заданном диапазоне углов вокруг линии, разделяющей первую и вторую части.
Кроме того, на первой или второй поверхности подложки могут располагаться два дифракционных элемента (или входные дифракционные решетки), которые сконфигурированы для приема входного оптического пучка, причем один из этих двух дифракционных элементов расположен на первой части, а второй дифракционный элемент расположен на второй части подложки соответственно, и указанные два дифракционных элемента расположены по существу рядом друг с другом и прилегают к линии, разделяющей первую и вторую части подложки, при этом две области, в каждой из которых расположен один из указанных двух дифракционных элементов, являются симметричными относительно линии, разделяющей первую и вторую части подложки. Таким образом, по меньшей мере часть входного оптического пучка испытывает дифракцию на двух дифракционных элементах с получением двух дифрагированных оптических пучков, по существу поровну разделенных между первой и второй частью и второй частью соответственно, по существу в пределах первой и второй поверхностей вследствие полного внутреннего отражения. Затем обе части подложки могут расширить выходной зрачок входного оптического пучка независимо в одном или двух измерениях с получением двух по существу идентичных выходных оптических пучков.
В случае простого одномерного расширения выходного зрачка два дополнительных дифракционных элемента (или выходные дифракционные решетки) могут быть расположены на первой или второй поверхности (например, два дополнительных дифракционных элемента могут иметь параллельные периодические линии), причем один из двух дополнительных дифракционных элементов располагается на первой части, а другой дифракционный элемент располагается на второй части соответственно, при этом две дополнительные области, в каждой из которых расположен один из указанных двух дополнительных дифракционных элементов, могут быть симметричными относительно линии, разделяющей первую и вторую части, таким образом, по меньшей мере часть дифрагированных оптических пучков в каждой из первой и второй частей составной подложки затем выводится из составной подложки посредством дифракции (как известно из существующего уровня техники) на каждом из двух дополнительных дифракционных элементов, что таким образом обеспечивает получение двух по существу идентичных выходных оптических пучков. Необходимо отметить, что два дифракционных элемента и два дополнительных дифракционных элемента могут располагаться на одной поверхности или на разных поверхностях указанной составной подложки.
В случае двумерного расширения выходного зрачка каждая из первой и второй частей составной подложки может включать промежуточный дифракционный элемент, так что по меньшей мере часть оптического пучка, дифрагированного на первом или втором дифракционном элементе, сначала поступает на промежуточный дифракционный элемент, который затем посредством дополнительной дифракции на промежуточном дифракционном элементе передает по меньшей мере часть дифрагированного оптического пучка на один из двух дополнительных дифракционных элементов, расположенных на каждой части, что обеспечивает двумерное расширение выходного зрачка входного оптического пучка каждой частью подложки из первой и второй частей. Промежуточный дифракционный элемент может иметь нечетное число дифракции первого порядка или четное число дополнительных отражений первого порядка, как известно из существующего уровня техники, например как описано в документе T.Levola "Diffractive Optics for Virtual Reality Displays" ("Дифракционная оптика для дисплеев виртуальной реальности"), SID Eurodisplay 05, Edinburg (2005), SID 02 Digest, Paper 22.1.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения два дифракционных элемента (или входные дифракционные решетки) могут быть установлены с использованием множества различных типов дифракционных решеток, например плоских дифракционных решеток, изготовленных литографическим методом, или классических линейчатых дифракционных решеток (имеющих различные углы и профили штрихов, например бинарные, треугольные, синусоидальные и др.). Два дифракционных элемента (т.е. их штрихи) могут быть симметричными или асимметричными относительно линии, разделяющей первую и вторую части подложки. Термин «асимметричный» по отношению к штрихам в двух входных дифракционных решетках может иметь два аспекта: a) когда периодические линии (или штрихи) двух решеток не параллельны, и b) когда штрихи двух решеток имеют различные углы наклона. Следовательно, одна из возможностей заключается в том, чтобы расположить непараллельные асимметричные периодические линии в двух входных дифракционных решетках таким образом, чтобы обеспечить перенаправление в соответствующие выходные дифракционные решетки только требуемых компонентов в каждой части подложки. Другим решением (которое может быть объединено с асимметрией периодических линий) является использование наклонных дифракционных решеток (например, использование угла наклона по меньшей мере более 20 градусов, оптимально - между 35 и 50 градусами) для увеличения коэффициента передачи оптической мощности и снижения «оптических перекрестных помех» между первой и второй частями (или левой и правой частями) составной подложки. Другими словами, асимметричные дифракционные решетки (используемые в качестве двух дифракционных элементов) позволяют обеспечить, чтобы входной оптический пучок, дифрагированный каждым из двух дифракционных элементов, по существу передавался только в требуемом направлении в часть подложки, в которой расположен каждый из указанных двух дифракционных элементов.
Кроме того, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения две наклонные дифракционные решетки являются асимметричными, так что их углы наклона равны по величине, но имеют противоположные знаки относительно оптической оси системы, создающей входной оптический пучок, т.е. профили штрихов являются зеркальным отражением друг друга относительно линии, разделяющей первую и вторую части подложки. В результате этого минимизируются оптические перекрестные помехи между двумя частями составной подложки (т.е. улучшается контраст изображения). Кроме того, можно нанести поглощающее вещество на первую и/или вторую часть в области их физического разделения вдоль линии, разделяющей первую и вторую части подложки. Контраст может быть также улучшен посредством нанесения поглощающего вещества на противоположную поверхность составной подложки (т.е. на поверхность, находящуюся напротив поверхности с расположенными на ней входными дифракционными элементами). Ширину области нанесения такого поглощающего вещества необходимо оптимизировать (например, она должна быть приблизительно такой же, как толщина подложки) для того, чтобы поглощались только те оптические лучи, которые распространяются в нежелательных направлениях.
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг.1а и 1b приведены возможные примеры схематического представления: дисплея виртуальной реальности с дифракционным расширителем выходного зрачка ЕРЕ, как показано на фиг.1а, который обеспечивает два по существу идентичных изображения для правого и левого глаз с использованием выходной дифракционной решетки, представленной на фиг.1b. Свет выходит из выходной дифракционной решетки. Количество света, выводимого из решетки, каждый раз, когда пучок света падает на дифракционную решетку, зависит от свойств решетки. Систему можно спроектировать так, что по меньшей мере для одной длины волны и угла падения количество выводимого света будет постоянным, т.е. r=r=…, как показано на фиг.1b, где r, r, … и t, t, … - отраженные и прошедшие оптические лучи, вышедшие из ЕРЕ, соответственно, a l, l, … - отраженные оптические лучи внутри ЕРЕ в результате полного внутреннего отражения. Пример дисплея виртуальной реальности, показанного на фиг.1а, с выходной дифракционной решеткой, показанной на фиг.1b, может быть использован для реализации вариантов осуществления настоящего изобретения. На фиг.2-6 представлены различные варианты осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2а и 2b приводится один из примеров схематического представления (поперечный разрез и вид сверху, показанные на фиг.2а и 2b соответственно) составного одномерного дифракционного расширителя 10 выходного зрачка (ЕРЕ) в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Расширитель ЕРЕ 10 включает составную подложку, состоящую из двух смежных частей 12а и 12b, которые физически разделены вдоль линии 18. Эти две части 12а и 12b установлены с возможностью поворота в направлении 15 относительно друг друга вокруг линии 18 в заранее заданном диапазоне углов, что обеспечивает гибкость конструкции дисплея виртуальной реальности (угол α - это угол между смежной частью 12а или 12b и плоскостью 13, содержащей части 12а и 12b, в случае когда указанные части лежат в одной плоскости, что эквивалентно углу между нормалью к смежной части 12а или 12b и нормалью к горизонтальной плоскости 13). Часть 12а включает входную дифракционную решетку 14а и выходную дифракционную решетку 16а, а часть 12b включает входную дифракционную решетку 14b и выходную дифракционную решетку 16b соответственно. Смежные дифракционные решетки 14а и 14b могут быть идентичными (симметричными) или асимметричными, как далее показано на фиг.3. Необходимо отметить, что входные дифракционные решетки 14а и 14b в общем могут представлять собой средства для дифракции или эквивалентную структуру. Аналогично, выходные дифракционные решетки 16а и 16b могут в общем также представлять собой дополнительные средства для дифракции или эквивалентную структуру.
На фиг.3а приведен один из примеров схематического представления составного расширителя 10 выходного зрачка, в котором используются наклонные асимметричные входные дифракционные решетки 14а и 14b (штрихи дифракционных решеток 14а и 14b расположены в разных направлениях относительно оптической оси системы, создающей входной оптический пучок), в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения на торцы дифракционных решеток 14а и 14b могут быть нанесены поглощающие вещества (например, покрытия) 20а и 20b вдоль линии 18 для дополнительного обеспечения изоляции (оптической) двух частей 12а и 12b.
Оптический контраст можно дополнительно улучшить посредством нанесения поглощающих веществ 17а и 17b (например, поглощающее покрытие) на поверхности составной подложки 12а и 12b, противоположные поверхностям подложки, на которых расположены входные дифракционные решетки 14а и 14b, в области линии 18 (как показано на фиг.3а). Если ширина поглощающей области оптимизирована так, что имеет достаточно малый размер по сравнению с общей шириной дифракционных решеток 14а и 14b, как показано на фиг.3а, то поглощаться будут только нежелательные оптические лучи. Этими нежелательными оптическими лучами являются оптические лучи, передаваемые дифракционными решетками 14а и 14b без дифрагирования, а также те дифрагированные лучи, которые распространяются в нежелательных направлениях. Поглощающие вещества 17а и 17b могут использоваться в дополнение или вместо поглощающего вещества 20а и 20b.
На фиг.3b представлен еще один из примеров схематического представления составного расширителя 10 выходного зрачка, в котором используются наклонные асимметричные входные дифракционные решетки 14а и 14b, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Указанная конфигурация аналогична расширителю 10, представленному на фиг.3а, но входной оптический пучок падает со стороны наблюдателя, что делает систему немного более компактной.
На фиг.4а и 4b также показаны возможные примеры схематического представления одной части (12а или 12b) составного двумерного дифракционного расширителя выходного зрачка 10а и 10b соответственно согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Промежуточный дифракционный элемент (дифракционная решетка) 24 или 26 имеет нечетное число дифракции первого порядка (как показано на фиг.4а) или четное число дополнительных отражений первого порядка (как показано на фиг.4b), как описывается в документе T.Levola "Diffractive Optics for Virtual Reality Displays" ("Дифракционная оптика для дисплеев виртуальной реальности"), SID Eurodisplay 05, Edinburg (2005), SID 02 Digest, Paper 22.1. Угол ρ - это угол поворота между периодическими линиями промежуточной дифракционной решетки 24 или 26 и входной составной дифракционной решетки 14а или 14b.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения соотношение между периодом d периодических линий входной дифракционной решетки 14а или 14b и периодом d' периодических линий промежуточной дифракционной решетки 16а или 16b определяется следующим выражением:
где α - угол между смежными частями 12а или 12b и плоскостью 13, как показано на фиг.2а, ρ - угол между периодическими линиями входной составной дифракционной решетки 14а или 14b и периодическими линиями промежуточной дифракционной решетки 16а или 16b, как показано на фиг.4а и 4b, a λ - длина волны для входного оптического пучка.
На фиг.5 показан еще один пример схематического представления составного дифракционного расширителя 10, 10а или 10b выходного зрачка в очках 11, которые включают носимую оправу 11а, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Расширитель 10, 10а или 10b выходного зрачка функционально прикрепляется к носимой оправе 11а таким образом, что составные части (первая и вторая части) составного расширителя ЕРЕ 10, 10а или 10b могут поворачиваться в заранее заданном диапазоне углов в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Носимая оправа 11а может представлять собой оправу стеклянных очков, такую как оправа солнцезащитных очков или оправа обычных очков и т.п. На фиг.5 также показан блок 30 регулировки угла расширителя ЕРЕ, который может быть частью оправы 11a и может использоваться для предоставления сигнала 30а регулировки для поворота составных частей составного расширителя ЕРЕ 10, 10а или 10b в заранее заданном диапазоне углов, чтобы обеспечить наиболее удобное и эффективное положение для визуального отображения.
На фиг.6 представлен пример схематического представления электронного устройства, имеющего расширитель 10, 10а или 10b выходного зрачка (ЕРЕ), согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Расширитель 10, 10а или 10b выходного зрачка (ЕРЕ) может использоваться в электронном (портативном) устройстве 100, таком как мобильный телефон, персональный мобильный секретарь (PDA), коммуникатор, портативное устройство доступа в Интернет, карманный компьютер, цифровая видеокамера или фотоаппарат, носимый компьютер, игровое компьютерное устройство, специальное расположенное вблизи глаз устройство визуального отображения и другие переносные электронные устройства. Как показано на фиг.6, портативное устройство 100 имеет корпус 210, в котором находится блок 212 связи для приема и передачи информации от внешнего устройства и к внешнему устройству (не показано). Портативное устройство 100 также имеет блок 214 управления и обработки для обработки принимаемой и передаваемой информации и систему 230 виртуального дисплея для визуального отображения. Система 230 виртуального дисплея включает микродисплей, или первичный формирователь 192 изображения, и оптический процессор 190. Блок 214 управления и обработки функционально соединен с оптическим процессором 190 для предоставления данных изображения первичному формирователю 192 изображения для формирования на нем изображения. Расширитель ЕРЕ 10, 10а или 10b согласно настоящему изобретению может быть оптически связан с оптическим процессором 190.
Кроме того, первичный формирователь 192 изображения, как показано на фиг.6, может быть последовательным цветным LCOS-устройством (Liquid Crystal On Silicon, жидкие кристаллы на кремнии), OLED-матрицей (Organic Light Emitting Diode, органический светоизлучающий диод), MEMS-устройством (MicroElectro Mechanical System, микроэлектромеханическая система) или любым другим подходящим микродисплейным устройством, работающим с использованием пропускания, отражения или излучения света.
Кроме того, электронное устройство 100 может быть портативным устройством, таким как мобильный телефон, персональный мобильный секретарь (PDA), коммуникатор, портативное устройство доступа в Интернет, карманный компьютер, цифровая видеокамера или фотоаппарат, носимый компьютер, игровое компьютерное устройство, специальное расположенное вблизи глаз устройство визуального отображения и другие переносные электронные устройства. Однако расширитель выходного зрачка согласно настоящему изобретению может также использоваться в стационарном устройстве, например в игровом устройстве, торговом автомате, музыкальном автомате, в домашних устройствах, таких как духовка, микроволновая печь и т.п., и в других стационарных устройствах.
Необходимо отметить, что различные варианты осуществления настоящего изобретения, перечисленные в данном описании, могут использоваться отдельно, совместно или посредством выборочного объединения для конкретных применений.
Следует понимать, что приведенные выше схемы представлены только для иллюстрации применения принципов настоящего изобретения. Специалисты в данной области техники могут разработать многочисленные модификации и альтернативные схемы, не выходя за пределы объема настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.