РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЦВЕТОВ В РАСШИРИТЕЛЯХ ВЫХОДНОГО ЗРАЧКА
COLOUR DISTRIBUTION IN EXIT PUPIL EXPANDERS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в общем к устройству отображения, а в частности к обеспечению разделения цветов в расширителях выходного зрачка, которые используют 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 луча света, исходящего от формирующей изображение оптики по направлению к глазу, называется выходным зрачком. В дисплеях, которые располагаются вблизи глаз (NED, Near-Eye Display), диаметр выходного зрачка составляет обычно порядка 10 мм. Дальнейшее увеличение выходного зрачка существенно упрощает использование виртуального дисплея, поскольку устройство можно разместить на расстоянии от глаза. Поэтому такие дисплеи больше не классифицируют как NED-дисплеи по очевидным причинам. Система для отображения информации на лобовом стекле является примером виртуального дисплея с достаточно большим выходным зрачком.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту изобретения устройство включает: по меньшей мере одну подложку из оптического материала, имеющую первую поверхность и вторую поверхность; по меньшей мере один дифракционный элемент, расположенный на первой или второй поверхности указанной по меньшей мере одной подложки с возможностью приема входного оптического луча; по меньшей мере один дополнительный дифракционный элемент, расположенный на первой или второй поверхности, и по меньшей мере одну оптически поглощающую область, расположенную внутри указанной по меньшей мере одной подложки или на ней, при этом по меньшей мере часть входного оптического луча испытывает дифракцию на дифракционном элементе с получением по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча по существу в пределах первой и второй поверхностей, и по меньшей мере часть по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча выводится из по меньшей мере одной подложки посредством дифракции на по меньшей мере одном дополнительном дифракционном элементе, таким образом обеспечивая формирование выходного оптического луча, выходящего из указанной по меньшей мере одной подложки, с выходным зрачком, расширенным в одном или двух измерениях, при этом входной оптический луч включает К волновых компонентов (компонентов с различными длинами волн) и по меньшей мере одна оптически поглощающая область поглощает М заранее выбранных компонентов из числа К волновых компонентов указанного по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча и обеспечивает распространение выбранного компонента из числа К волновых компонентов по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча, так что выходной оптический луч включает выбранный компонент из числа К волновых компонентов, где К - целое число, равное по меньшей мере двум, и М - целое число от 1 до К-1.
Также в соответствии с первым аспектом изобретения оптическое устройство может включать N расположенных в виде стопки подложек из оптического материала, разделенных зазорами, при этом N - целое число, равное по меньшей мере единице, и указанная по меньшей мере одна подложка является одной из указанных N подложек, причем каждая из указанных N подложек выполнена с возможностью расширения выходного зрачка по существу только для одного компонента из указанных К волновых компонентов входного оптического луча, так что все указанные К волновых компонентов соединяются вместе, имея по существу одно и то же направление и положение, на выходе указанного оптического устройства. Кроме того, при этом N=К.
Также в соответствии с первым аспектом изобретения при этом М может быть равно К-1.
Кроме того, в соответствии с первым аспектом изобретения выходной оптический луч, сформированный по меньшей мере одной подложкой, может включать по существу только указанный выбранный компонент из числа К волновых компонентов.
Также в соответствии с первым аспектом изобретения по меньшей мере одна оптически поглощающая область может быть сформирована с использованием по меньшей мере одного из следующего: а) нанесения поглощающей краски по всему объему по меньшей мере одной подложки, b) нанесения поглощающей краски по всей толщине по меньшей мере одной подложки только на участках по меньшей мере одной подложки между по меньшей мере одним дифракционным элементом и по меньшей мере одним дополнительным дифракционным элементом, с) нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал, используемый для формирования по меньшей мере одного дифракционного элемента, d) нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал, используемый для формирования по меньшей мере одного дополнительного дифракционного элемента, и е) поглощающего покрытия, имеющего по существу такой же показатель преломления, что и по меньшей мере одна подложка, и нанесенного по меньшей мере на одну подложку на участке по существу между по меньшей мере одним дифракционным элементом и по меньшей мере одним дополнительным дифракционным элементом.
Также в соответствии с первым аспектом изобретения устройство может также включать: дополнительную подложку из оптического материала, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, при этом дополнительная подложка расположена по существу параллельно по меньшей мере одной подложке, с сохранением зазора между указанной по меньшей мере одной подложкой и указанной дополнительной подложкой; по меньшей мере один дополнительный дифракционный элемент, расположенный на первой или второй поверхности указанной дополнительной подложки с возможностью приема доли входного оптического луча, который распространяется через указанную по меньшей мере одну подложку в дополнительную подложку; по меньшей мере еще один дополнительный дифракционный элемент, расположенный на первой или второй поверхности дополнительной подложки; и по меньшей мере одну дополнительную оптически поглощающую область, расположенную внутри указанной дополнительной подложки или на ней, при этом по меньшей мере часть доли входного оптического луча испытывает дифракцию на дополнительном дифракционном элементе с получением по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча по существу в пределах первой и второй поверхностей дополнительной подложки, и по меньшей мере часть по меньшей мере одного указанного дифрагированного оптического луча затем выводится из дополнительной подложки посредством дифракции на указанном по меньшей мере еще одном дополнительном дифракционном элементе, таким образом обеспечивая формирование дополнительного выходного оптического луча, выходящего из указанной дополнительной подложки, с выходным зрачком, расширенным в одном или двух измерениях, при этом указанный дополнительный выходной оптический луч имеет по существу такое же направление и положение, что и выходной оптический луч, при этом указанная по меньшей мере одна дополнительная оптически поглощающая область поглощает Р заранее выбранных компонентов из числа К волновых компонентов и обеспечивает распространение дополнительно выбранного компонента из числа К волновых компонентов, так что дополнительный выходной оптический луч включает указанный дополнительно выбранный компонент из числа К волновых компонентов, где Р - целое число от 1 до К-1. Кроме того, Р может быть равно К-1. Кроме того, по меньшей мере одна дополнительная оптически поглощающая область может быть сформирована с использованием по меньшей мере одного из следующего: а) нанесения поглощающей краски по всему объему дополнительной подложки, b) нанесения поглощающей краски по всей толщине дополнительной подложки только на участках дополнительной подложки между по меньшей мере одним дополнительным дифракционным элементом и по меньшей мере еще одним дополнительным дифракционным элементом, с) нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал, используемый для формирования по меньшей мере одного дополнительного дифракционного элемента, d) нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал, используемый для формирования по меньшей мере еще одного дополнительного дифракционного элемента, и е) поглощающего покрытия, имеющего по существу такой же показатель преломления, что и дополнительная подложка, и нанесенного на дополнительную подложку между по меньшей мере одним дополнительным дифракционным элементом и по меньшей мере еще одним дополнительным дифракционным элементом. Кроме того, зазор может представлять собой воздушный зазор. Кроме того, выходной оптический луч, сформированный по меньшей мере одной подложкой, по существу может включать только указанный выбранный компонент из числа К волновых компонентов, и дополнительный выходной оптический луч, сформированный дополнительной подложкой, по существу может включать только указанный дополнительный выбранный компонент из числа К волновых компонентов, и выходной оптический луч и дополнительный выходной оптический луч соединяются вместе, имея по существу одно и то же направление и положение.
Кроме того, по меньшей мере одна подложка может иметь дополнительный оптически поглощающий слой, расположенный на поверхности или рядом с поверхностью по меньшей мере одной подложки, при этом указанная поверхность является второй поверхностью, через которую распространяется входной оптический луч, так что указанный выбранный компонент из числа К волновых компонентов по существу поглощается в дополнительном оптически поглощающем слое.
Также в соответствии с первым аспектом изобретения устройство может дополнительно включать по меньшей мере один промежуточный дифракционный элемент, так что по меньшей мере часть входного оптического луча, дифрагированного на указанном по меньшей мере одном дифракционном элементе, сначала подается на указанный по меньшей мере один промежуточный дифракционный элемент, который подает, используя дифракцию на указанном по меньшей мере одном промежуточном дифракционном элементе, указанную по меньшей мере часть дифрагированного оптического луча на указанный по меньшей мере один дополнительный дифракционный элемент, который обеспечивает двумерное расширение выходного зрачка указанного входного оптического луча.
Согласно второму аспекту изобретения способ включает: прием входного оптического луча по меньшей мере одним дифракционным элементом, расположенным на первой или второй поверхности по меньшей мере одной подложки, при этом указанный входной оптический луч включает К волновых компонентов, где К - целое число, равное по меньше мере двум; дифракцию по меньшей мере части входного оптического луча на по меньшей мере одном дифракционном элементе с получением по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча по существу в пределах первой и второй поверхностей; поглощение М заранее выбранных компонентов из числа К волновых компонентов по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча по меньшей мере в одной оптически поглощающей области, расположенной внутри указанной по меньшей мере одной подложки или на ней, и распространение выбранного компонента из числа К волновых компонентов указанного по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча по существу без уменьшения оптической интенсивности в указанной по меньшей мере одной оптически поглощающей области, где М - целое число от 1 до К-1; и вывод по меньшей мере части по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча из по меньшей мере одной подложки посредством дифракции на указанном по меньшей мере одном дополнительном дифракционном элементе, что обеспечивает формирование выходного оптического луча, выходящего из указанной по меньшей мере одной подложки, с выходным зрачком, расширенным в одном или двух измерениях, при этом выходной оптический луч включает указанный выбранный компонент из числа К волновых компонентов.
Также в соответствии со вторым аспектом изобретения выходной оптический луч, сформированный по меньшей мере одной подложкой, по существу может включать только указанный выбранный компонент из числа К волновых компонентов.
Также в соответствии со вторым аспектом изобретения по меньшей мере одна оптически поглощающая область может быть сформирована с использованием по меньшей мере одного из следующего: а) нанесения поглощающей краски по всему объему по меньшей мере одной подложки, b) нанесения поглощающей краски по всей толщине по меньшей мере одной подложки только на участках по меньшей мере одной подложки между по меньшей мере одним дифракционным элементом и по меньшей мере одним дополнительным дифракционным элементом, с) нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал, используемый для формирования по меньшей мере одного дифракционного элемента, а) нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал, используемый для формирования по меньшей мере одного дополнительного дифракционного элемента, и е) поглощающего покрытия, имеющего по существу такой же показатель преломления, что и по меньшей мере одна подложка, и нанесенного по меньшей мере на одну подложку на участке по существу между по меньшей мере одним дифракционным элементом и по меньшей мере одним дополнительным дифракционным элементом.
Согласно третьему аспекту 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:
по меньшей мере одну подложку из оптического материала, имеющую первую поверхность и вторую поверхность;
по меньшей мере один дифракционный элемент, расположенный на первой или второй поверхности по меньшей мере одной подложки с возможностью приема входного оптического луча;
по меньшей мере один дополнительный дифракционный элемент, расположенный на первой или второй поверхности; и
по меньшей мере одну оптически поглощающую область, расположенную внутри указанной по меньшей мере одной подложки или на ней, при этом
по меньшей мере часть входного оптического луча испытывает дифракцию на дифракционном элементе с получением по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча по существу в пределах первой и второй поверхностей, и
по меньшей мере часть по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча выводится по меньшей мере из одной подложки посредством дифракции на указанном по меньшей мере одном дополнительном дифракционном элементе, таким образом обеспечивая формирование выходного оптического луча, выходящего из указанной по меньшей мере одной подложки, с выходным зрачком, расширенным в одном или двух измерениях, при этом
указанный входной оптический луч включает К волновых компонентов, и указанная по меньшей мере одна оптически поглощающая область поглощает М заранее выбранных компонентов из числа К волновых компонентов и обеспечивает распространение выбранного компонента из числа К волновых компонентов по существу без уменьшения оптической интенсивности, так что выходной оптический луч включает указанный выбранный компонент из числа К волновых компонентов, где К - целое число, равное по меньшей мере двум, а М - целое число от 1 до К-1.
Также в соответствии с третьим аспектом изобретения указанный расширитель выходного зрачка может включать N расположенных в виде стопки подложек из оптического материала, разделенных зазорами, где N - целое число, равное по меньшей мере единице, и указанная по меньшей мере одна подложка является одной из указанных N подложек, причем каждая из указанных N подложек выполнена с возможностью расширения выходного зрачка по существу только для одного компонента из указанных К волновых компонентов входного оптического луча, так что все указанные К волновых компонентов соединяются вместе, имея по существу одно и то же направление и положение, на выходе оптического устройства. Кроме того, при этом N=К.
Также в соответствии с третьим аспектом изобретения М может быть равно К-1.
Также в соответствии с третьим аспектом изобретения выходной оптический луч, сформированный по меньшей мере одной подложкой, по существу может включать только указанный выбранный компонент из числа К волновых компонентов.
Также в соответствии с третьим аспектом изобретения по меньшей мере одна оптически поглощающая область может быть сформирована с использованием по меньшей мере одного из следующего: а) нанесения поглощающей краски по всему объему по меньшей мере одной подложки, b) нанесения поглощающей краски по всей толщине по меньшей мере одной подложки только на участках по меньшей мере одной подложки между по меньшей мере одним дифракционным элементом и по меньшей мере одним дополнительным дифракционным элементом, с) нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал, используемый для формирования по меньшей мере одного дифракционного элемента, d) нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал, используемый для формирования по меньшей мере одного дополнительного дифракционного элемента, и е) поглощающего покрытия, имеющего по существу такой же показатель преломления, что и по меньшей мере одна подложка, и нанесенного по меньшей мере на одну подложку на участке по существу между по меньшей мере одним дифракционным элементом и по меньшей мере одним дополнительным дифракционным элементом.
Согласно четвертому аспекту изобретения устройство включает: по меньшей мере одно средство для дифракции,
для приема входного оптического луча указанным по меньшей мере одним средством для дифракции, расположенным на первой или второй поверхности по меньшей мере одной подложки, причем указанный входной оптический луч включает К волновых компонентов, где К - целое число, равное по меньшей мере двум, и
для дифрагирования по меньшей мере части входного оптического луча на указанном по меньшей мере одном средстве для дифракции с получением по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча по существу в пределах первой и второй поверхностей;
по меньшей мере одно средство для поглощения, расположенное внутри указанной по меньшей мере одной подложки или на ней, для поглощения М заранее выбранных компонентов из числа К волновых компонентов указанного по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча указанным по меньшей мере одним средством для поглощения и распространения выбранного компонента из числа К волновых компонентов указанного по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча по существу без уменьшения оптической интенсивности в указанной по меньшей мере одной оптически поглощающей области, где М -целое число от 1 до К-1; и
по меньшей мере одно дополнительное средство для дифракции, для вывода по меньшей мере части по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча из по меньшей мере одной подложки посредством дифракции на указанном по меньшей мере одном дополнительном средстве для дифракции, что обеспечивает формирование выходного оптического луча, выходящего из указанной по меньшей мере одной подложки, с выходным зрачком, расширенным в одном или двух измерениях, при этом выходной оптический луч включает указанный выбранный компонент из числа К волновых компонентов.
Также в соответствии с четвертым аспектом изобретения указанное устройство может быть расширителем выходного зрачка.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания сущности и целей настоящего изобретения далее приведено подробное описание со ссылками на следующие чертежи:
Фиг.1а и 1b являются схематическими представлениями дисплея виртуальной реальности (на фиг.1а показано поперечное сечение), имеющего систему расширителя выходного зрачка с расположенными в виде стопки дифракционными расширителями выходного зрачка (на фиг.1b показано поперечное сечение).
Фиг.2а и 2b являются схематическими представлениями (поперечными сечениями), демонстрирующими разделение цветов в системе расширителя выходного зрачка с использованием поглощающей краски по всему объему подложек (фиг.1а) и по всей толщине выбранных участков подложек между входной и выходной решетками согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3а и 3b являются схематическими представлениями (поперечными сечениями), демонстрирующими разделение цветов в системе расширителя выходного зрачка с использованием нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал на входной и выходной решетках согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4а и 4b являются схематическими представлениями (поперечными сечениями), демонстрирующими разделение цветов в системе расширителя выходного зрачка с использованием нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал в выходных решетках и поглощающего покрытия на входную решетку согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5а и 5b являются схематическими представлениями (поперечными сечениями), демонстрирующими разделение цветов в системе расширителя выходного зрачка с использованием поглощающих покрытий, имеющих по существу такой же показатель преломления, что и подложка, и нанесенных на подложку на участках между входной и выходной решетками, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг.6 показано схематическое представление электронного устройства, имеющего систему расширителя выходного зрачка, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложены новый способ и устройство для обеспечения разделения цветов в системе расширителя выходного зрачка, которая использует множество дифракционных элементов для расширения выходного зрачка дисплея в электронном устройстве визуального отображения посредством введения селективно поглощающей области или областей в расширители выходного зрачка. Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть применены к оптическим лучам в широком оптическом спектральном диапазоне, но наиболее важно их применение для видимой части оптического спектра, где оптические лучи называют световыми лучами.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения оптическое устройство (например, указанное оптическое устройство может быть частью дисплея виртуальной реальности) может включать N (где N - целое число, равное по меньшей мере единице) расположенных по существу параллельно подложек из оптического материала, разделенных зазорами (зазор может быть заполнен веществом с существенно меньшим показателем преломления, чем у подложек, например, может быть воздушным зазором), при этом каждая такая подложка имеет первую поверхность и вторую поверхность и работает как расширитель выходного зрачка. Каждая подложка может включать по меньшей мере один дифракционный элемент (например, дифракционную решетку), расположенный на первой или второй поверхности указанной по меньшей мере одной подложки с возможностью приема входного оптического луча (то есть по меньшей мере один дифракционный элемент работает как входная решетка). Необходимо отметить, что после распространения через входную решетку первой подложки некоторые «невыбранные» волновые компоненты (компоненты с различными длинами волн) входного оптического луча (например, доля входного оптического луча) принимаются входной решеткой второй подложки в стопке из N подложек и так далее. Также следует отметить, что в бинокулярной системе могут быть одна или две входные решетки, расположенные рядом друг с другом, для левого и правого глаза, которые конфигурированы для разделения входного оптического луча на два по существу равных компонента в двух по существу противоположных направлениях. Каждая подложка может дополнительно включать по меньшей мере один дополнительный дифракционный элемент (например, дифракционную решетку), расположенный на первой или второй поверхности и работающий в качестве выходной решетки. Аналогично, в бинокулярной системе могут быть две выходные решетки, расположенные симметрично на подложке для вывода выходных лучей для левого и правого глаза.
Кроме того, согласно варианту осуществления настоящего изобретения каждая подложка может включать по меньшей мере одну оптически поглощающую область или области, расположенные внутри подложки или на ее поверхности. Таким образом, по меньшей мере часть входного оптического луча может продифрагировать на дифракционном элементе (входная решетка) для обеспечения формирования по меньшей мере одного (двух в бинокулярной системе) дифрагированного оптического луча по существу в пределах первой и второй поверхностей в результате полного внутреннего отражения, а затем по меньшей мере часть по меньшей мере одного дифрагированного оптического луча дополнительно выводится из каждой подложки посредством дифракции по меньшей мере на одном дополнительном дифракционном элементе (выходной решетке), таким образом обеспечивая формирование выходного оптического луча (или двух лучей для бинокулярной системы) из каждой подложки с расширенным выходным зрачком в одном или двух измерениях, используя селекцию длин волн, как рассмотрено ниже.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения входной оптический луч может включать К волновых компонентов (где К - целое число, равное по меньшей мере двум), а по меньшей мере одна оптически поглощающая область, расположенная внутри каждой из подложек или на ней, поглощает М (где М - целое число от 1 до К-1) заранее выбранных компонентов из числа К волновых компонентов и обеспечивает распространение выбранного компонента из числа К волновых компонентов, например, по существу без уменьшения оптической интенсивности вследствие поглощения. Тогда выходной оптический луч каждой подложки по существу включает выбранный компонент из числа К волновых компонентов. Следует отметить, что дифракционные решетки в каждой подложке оптимизированы (например, путем выбора соответствующего периода штрихов решетки) для того, чтобы волновой компонент был выбран указанной решеткой.
Таким образом, каждая из N расположенных в виде стопки подложек выполнена с возможностью расширения выходного зрачка по существу только для одного компонента из числа указанных К волновых компонентов входного оптического луча, так что все указанные К волновых компонентов соединяются вместе, имея по существу одно и то же направление и положение на выходе указанного оптического устройства, следовательно, обеспечивая разделение цветов с использованием N расширителей выходного зрачка, которые используют множество дифракционных элементов для расширения выходного зрачка, например, дисплея в электронном устройстве для визуального отображения.
В одном из возможных вариантов осуществления изобретения N может быть равно К, то есть каждая подложка может выводить один волновой (цветовой) компонент. В другом варианте осуществления изобретения оптически поглощающая область для любой подложки из N подложек может быть выполнена с возможностью поглощения всех К - 1 волновых компонентов, за исключением только одного выбранного диапазона волновых компонентов, который выводится в выходном оптическом луче из данной подложки. Также различные подложки могут быть выполнены с возможностью поглощения различного количества волновых компонентов в зависимости от конкретной конструкции системы.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения в случае двумерного расширения выходного зрачка каждая подложка может включать по меньшей мере один промежуточный дифракционный элемент (два промежуточных дифракционных элемента для бинокулярной системы), так что по меньшей мере часть входного оптического луча, дифрагированного по меньшей мере на одном дифракционном элементе, сначала подается по меньшей мере на один промежуточный дифракционный элемент, который затем подает, используя дополнительную дифракцию по меньшей мере на одном промежуточном дифракционном элементе, по меньшей мере часть указанного дифрагированного оптического луча по меньшей мере на один дополнительный дифракционный элемент, который затем обеспечивает двумерное расширение выходного зрачка указанного входного оптического луча. Промежуточный дифракционный элемент может иметь нечетное число дифракции первого порядка или четное число дополнительных отражений первого порядка, как известно в данной области техники, например, как описано в документе Т. Levola "Diffractive Optics for Virtual Reality Displays" ("Дифракционная оптика для дисплеев виртуальной реальности"), SID Eurodisplay 05, Edinburg (2005), SID 02 Digest, Paper 22.1.
Кроме того, согласно варианту осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна оптически поглощающая область, расположенная внутри каждой подложки или на ней, может быть сформирована с использованием по меньшей мере одного подхода или комбинации следующих подходов:
a) нанесения поглощающей краски по всему объему каждой подложки,
b) нанесения поглощающей краски по всей толщине каждой подложки только на участках каждой подложки между по меньшей мере одним дифракционным элементом и по меньшей мере одним дополнительным дифракционным элементом (то есть между входной и выходной дифракционными решетками),
c) нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал, используемый для формирования по меньшей мере одного дифракционного элемента, по меньшей мере одного дополнительного дифракционного элемента и/или промежуточной решетки,
d) поглощающего покрытия, имеющего по существу такой же показатель преломления, что и каждая подложка, и нанесенного на каждую подложку на участке по существу между по меньшей мере одним дифракционным элементом и по меньшей мере одним дополнительным дифракционным элементом (то есть между входной и выходной дифракционными решетками), и т.д.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения каждая подложка может иметь дополнительный оптически поглощающий слой, расположенный на поверхности или рядом с поверхностью указанной подложки, при этом указанной поверхностью является вторая поверхность той подложки, через которую распространяется входной оптический луч после того, как он был принят указанной подложкой, так что выбранный компонент из числа К волновых компонентов, выбранных указанной подложкой, поглощается главным образом в дополнительном оптически поглощающем слое, таким образом предотвращая проникновение указанного выбранного волнового компонента в следующую подложку.
Одним из практических примеров реализации вариантов осуществления настоящего изобретения может быть разделение цветов на RGB-спектр (красный, зеленый, синий). В этом случае первая подложка в стопке может «выбрать» коротковолновый синий компонент и «поглотить» зеленый и красный, вторая подложка может «выбрать» зеленый компонент и «поглотить» синий и красный, и, наконец, третья подложка в стеке может «выбрать» длинноволновый красный компонент и «поглотить» зеленый и синий. Несколько примеров реализации представлены на фиг.2-6 в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
1
2
На фиг.1а и 1b показано схематическое представление дисплея виртуальной реальности (на фиг.1а показано поперечное сечение), имеющего систему 10а расширителя входного зрачка с расположенными друг над другом дифракционными расширителями 10-1, 10-2 и т.д. выходного зрачка, как показано на поперечном сечении на фиг.1b, с входными решетками 12-1 и 12-2 и выходными решетками 14-1, 14-2, 16-1 и 16-2 в случае бинокулярной системы. Для простоты примем, что входной оптический луч имеет два волновых компонента 20 (длина волны λ) и 22 (длина волны λ). В примере на фиг.1b оба компонента 20 и 22 подаются (см. соответствующие оптические лучи 20-1а, 22-1а, 20-2а, 22-2а и нежелательные оптические лучи 20-1с, 22-1с, 20-2с, 22-2с соответственно) на соответствующие выходные решетки 14-1, 14-2, 16-1 и 16-2 в каждой из подложек 10-1 и 10-2, как показано на фиг.1b, так что оба волновых компонента 20 и 22 имеются в выходном оптическом луче каждой из подложек 10-1 и 10-2, несмотря на тот факт, что выходные дифракционные решетки 14-1 и 16-1 оптимизированы только для волнового компонента 20, а выходные дифракционные решетки 14-2 и 16-2 оптимизированы только для волнового компонента 22. Такое смешение цветов ухудшает качество изображения, обеспечиваемого системой 10 расширителя выходного зрачка. Пример дисплея виртуальной реальности, показанный на фиг.1а, с расположенными друг над другом дифракционными расширителями выходного зрачка, показанными на фиг.1b, может использоваться для применения вариантов осуществления настоящего изобретения на практике. На фиг.2-6 представлены различные примеры реализации для устранения смешения цветов в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2а и 2b показаны, помимо прочего, примеры схематических представлений (поперечные сечения), демонстрирующие разделение цветов в системе 10 расширителя выходного зрачка с использованием нанесения поглощающей краски по всему объему подложек 10-1 и 10-2 (фиг.1а) и по всей толщине выбранных участков 10-1а, 10-2а, 10-1b и 10-2b подложек 10-1 и 10-2 между входными решетками 12-1 и 12-2 и выходными решетками 14-1, 14-2, 16-1 и 16-2 соответственно, как показано на фиг.2b, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Поглощающая краска в подложке 10-1 оптимизирована для поглощения волнового компонента 22, при этом является прозрачной для волнового компонента 20, а поглощающая краска в подложке 10-2 оптимизирована для поглощения волнового компонента 20, при этом является прозрачной для волнового компонента 22. Таким образом, каждая из подложек 10-1 и 10-2 предоставляет только один волновой компонент: оптические лучи 20-1b и 20-2b, представляющие волновой компонент 20, предоставляются подложкой 10-1, а оптические лучи 22-1b и 22-2b, представляющие волновой компонент 22, предоставляются подложкой 10-2, соответственно.
На фиг.3а и 3б показаны, помимо прочего, примеры схематических представлений (поперечные сечения) разделения цветов в системе 10 расширителя выходного зрачка с использованием нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал, используемый во входных решетках 12-1 и 12-2 и/или в выходных решетках 34-1, 34-2, 36-1 и 36-2, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг.3а поглощающая краска на дифракционных решетках 34-1, 36-1 первой подложки 10-1 оптимизирована для поглощения волнового компонента 22, при этом прозрачна для волнового компонента 20, а поглощающая краска на дифракционных решетках 34-2, 36-2 первой подложки 10-2 оптимизирована для поглощения волнового компонента 20, при этом прозрачна для волнового компонента 22, таким образом устраняя нежелательные оптические лучи 20-1с, 22-1с, 20-2с, 22-2с путем поглощения в выходных решетках 34-1, 34-2, 36-1 и 36-2. Следует отметить, что входная решетка 12-2 обеспечивает начальное ослабление нежелательных оптических лучей 20-1с и 20-2с, как показано на фиг.3а. Если входная решетка 12-2 может обеспечить достаточное ослабление нежелательных оптических лучей 20-1с и 20-2с, то отсутствует необходимость в окрашивании выходных решеток 14-2 и 16-2, как показано на фиг.3b. Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что выходные лучи 20-1b и 20-2b из первой подложки 10-1 не ослабляются поглощающей краской на дифракционных решетках 14-2 и 16-2.
На фиг.4а показан, помимо прочего, пример схематических представлений (поперечных сечений), демонстрирующий разделение цветов в системе 10 расширителя выходного зрачка с использованием нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал выходных решеток 34-1, 34-2, 36-1 и 36-2 таким образом, что нежелательные оптические лучи 20-1с, 22-1с, 20-2с, 22-2с устраняются путем поглощения в выходных решетках 34-1, 34-2, 36-1 и 36-2 соответственно. Кроме того, (опционально) оптически поглощающий слой 40, расположенный на поверхности или рядом с поверхностью подложки 10-1 параллельно входной решетке 12-1, может поглощать волновой компонент 20 для минимизации присутствия нежелательных оптических лучей 20-1с и 20-2с. Если входная решетка 12-2 может обеспечить достаточное ослабление нежелательных оптических лучей 20-1с и 20-2с, то отсутствует необходимость в окрашивании выходных решеток 14-2 и 16-2, как показано на фиг.4b. Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что выходные лучи 20-1b и 20-2b из первой подложки 10-1 не ослабляются поглощающей краской на дифракционных решетках 14-2 и 16-2 соответственно.
На фиг.5а показан, помимо прочего, пример схематических представлений (поперечных сечений), демонстрирующий разделение цветов в системе 10 расширителя выходного зрачка с использованием нанесения поглощающей краски на весь полимерный материал выходных решеток 34-1 и 36-1 первой подложки 10-1 таким образом, что нежелательные оптические лучи 22-1с и 22-2с устраняются путем поглощения в выходных решетках 34-1 и 36-1 соответственно. Во второй подложке 10-2 поглощающие покрытия 42-1 и 42-2 имеют по существу такой же показатель преломления, что и подложка 10-2, и располагаются на подложке 10-2 на участках между входной решеткой 12-2 и выходными решетками 14-2 и 16-2 соответственно согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Эти поглощающие покрытия 42-1 и 42-2 по существу поглощают нежелательные оптические лучи 20-1с и 20-2с во второй подложке 10-2, осуществляя роль границы для полного внутреннего отражения. В примере на фиг.5b вместо использования нанесения поглощающей краски на полимерный материал выходной решетки (как показано на фиг.5а) применяются дополнительные поглощающие покрытия 44-1 и 44-2, имеющие по существу такой же показатель преломления, что и подложка 10-1, и нанесенные на подложку 10-1 на участках между входной решеткой 12-1 и выходными решетками 14-1 и 16-1 соответственно согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Эти поглощающие покрытия 44-1 и 44-2 по существу поглощают нежелательные оптические лучи 22-1с и 22-2с в первой подложке 10-1, также осуществляя роль границы для полного внутреннего отражения.
Следует отметить, что способы окрашивания известны в данной области техники, например, см. патент US 6464733, С.U.Ryser "Tinting plastic articles" ("Окрашивание пластиковых изделий"). Для выборочного окрашивания подложки (см. фиг.2b) части, подлежащие окрашиванию, могут быть окрашены по отдельности. Затем эти части могут быть спрессованы вместе с неокрашенным пластиком. Окрашенные и неокрашенные части должны иметь одинаковый показатель преломления, что обычно выполняется при использовании одного и того же материала, поскольку окрашивание обычно не изменяет показатель преломления. Также могут применяться радиационные способы для создания центров окраски в материале для изменения спектрального поглощения. Кроме того, дифракционные решетки могут быть сформированы с использованием полимерного материала, отверждаемого ультрафиолетовым излучением, который окрашивается известным в этой области техники способом.
На фиг.6 представлен пример схематического представления электронного устройства, имеющего систему 10 расширителя 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 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 другие, и в других стационарных устройствах.
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.