[发明专利]在显示器设备中具有短近焦距的光束扩展的系统和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于优选地为便携通信设备的电子设备中的显 示器设备，并且更特别地，涉及使用一个或多个光耦合元件的显示 器设备，该光耦合元件用于延展显示器设备的出瞳(exit pupil) 以便查看。

背景技术

尽管使用低分辨率液晶显示器(LCD)面板以显示信息，特别 是在便携设备中显示图像和文本消息已成为惯例，但优选的是使用 高分辨率显示器浏览文本和图像的丰富的信息内容。所谓的基于微 型显示器(microdisplay)的系统能够以50-100线每毫米提供全色 像素。这样的高度分辨率一般适合于虚拟显示器。虚拟显示器通常 包括微型显示器以提供图像以及光学配置用于操作图像发射的光使 得其感觉上与直接查看显示器面板一样的大。虚拟显示器可以是单 目的或双目的。

朝向眼睛的来自成像光学器件的光束的尺寸称为出瞳。在近眼 式显示器(NTE或NED)中，出瞳通常的直径为10毫米数量级。进 一步扩大出瞳使得虚拟显示器的使用大为容易，因为设备可以放在 眼睛的远处。因而，很明显这样的显示器不能被作为NED。平视显示 器(head-up displays)是具有非常大的出瞳的虚拟显示器的示例。

现有技术WO 99/52002公开了扩大虚拟显示器的出瞳的方法。 所公开的方法使用三个连续的全息光学元件(HOE)或衍射光学元 件(DOE)以扩大出瞳。如图1所示，参考该现有技术，HOE是排列 在光透射的光引导结构或衬底1平面上的衍射光栅元件。如图所示， 来自图像源3的光入射到布置在衬底1的一侧的第一HOE2上。将来 自耦合进衬底1中的HOE2的光导向到第二HOE5，在此，光的分布在 一个方向上被扩展。HOE5还将扩展了的光的分布再次导向到第三 HOE4，在此，光的分布进一步在另一个方向上被扩展。全息元件可 以在衬底1的任何一侧。HOE4还将扩展了的光的分布从其上布置有 HOE4的衬底表面再次导向到外部。如图1所示的光学系统操作为光 束扩展设备，其维持光束的总方向。这样的设备也称为出瞳延展器 (EPE)。

另一个类型的出瞳延展器如图2所示，其参考申请者当然已知 的现有技术设备，只使用了两个连续的全息光学元件(HOE)。第一 HOE2通常具有衍射的结构，其包括平行的衍射条纹(fringe)，用 于将入射光耦合到衬底1并且将衬底1内的光的分布导向到第二 HOE4。衬底1作为光引导主要借助于全内反射捕捉其两个表面1a、 1b之间的光束。如图2所示，衍射元件HOE2和HOE4两者都布置在 衬底1的较低的表面。因为两个衍射元件HOE2和HOE4是彼此邻近 排列的，所以光分布是由衍射元件HOE4在一个方向上扩展的。

如图2所示，在使用了上述类型的出瞳延展器的虚拟显示器中， 焦点总是位于无限远处，这意味着观察者的眼睛接收好像从无限远 处发出的耦合出的(outcoupled)光线。其缺点是降低了显示器的 人体工程学，因为针对某些应用，查看者在较短于无限远的距离查 看图像是更加舒适的。

因此有利地并且期望提供一种用于改善光学设备、虚拟显示器 以及更特别地其出瞳延展器的人体工程学的方法和系统。

发明内容

本发明的首要目的是改善虚拟光学显示器特别是该显示器的 出瞳延展器的人体工程学。

因而，根据本发明的第一方面，提供了一种光学设备，包括：

光引导结构，用于借助于全内反射引导光波，该光引导结构具 有基本上平行于该结构的主平面而延展的两个相对的主表面，

第一光耦合元件，由所述结构的相对的主表面之一承载，用于 将来自图像源的光波耦合入(incoupling)到光引导结构内，

至少一个第二光耦合元件，由所述结构的相对的主表面之一承 载并且沿着该结构的主平面在所述第一光耦合元件的侧翼放置，用 于将光波耦合出(outcoupling)所述结构之外以便由观察者的眼睛 查看，

该光学设备进一步的特征在于：

在光引导结构的第一或至少一个第二光耦合元件中的至少一个 的位置处的相对的主表面中的至少一个包括对应于用于在优选的焦 距处产生虚拟图像的视焦距的给定有限曲率半径。