[发明专利]用于显示设备中光束扩展的方法和系统

说明书

技术领域

本发明总体涉及显示设备，并且更具体地，涉及使用一个或多个衍射元件的显示器，用于伸展显示器的出瞳(exit pupil)以便观看。

背景技术

尽管在移动设备中使用低分辨率液晶显示器(LCD)面板来显示网络信息和文本信息是常用手段，但优选使用高分辨率显示器来浏览文本和图像的丰富信息内容。基于微型显示器的系统可以提供每mm 50-100行的全彩色象素。这种高分辨率通常适合于虚拟显示器。虚拟显示器通常包括：用于提供图像的微型显示器，以及用于以以下方式操控从图像发出的光的光学设置，即，将其视作与直接观看显示面板那样大。虚拟显示器可以是单目的或双目的。

从成像光学装置向眼睛发出的光束的尺寸称作出瞳。在近眼式显示器(NED)中，出瞳直径通常在10mm量级。进一步放大出瞳使得使用虚拟显示器明显地更加容易，因为该设备可以被放置在距离眼睛一段距离处。因此，原因很明显，这种显示器不再具有资格作为NED。平视(Head-Up)显示器是具有足够大的出瞳的虚拟显示器的例子。

WO 99/52002公开了一种放大虚拟显示器的出瞳的方法。该公开的方法使用三个连续全息光学元件(HOE)来放大出瞳。具体地，HOE是设置在平面即如图1所示的光透射衬底6上的衍射光栅元件。如图所示，来自图像源2的光入射到设置在衬底6的一侧上的第一HOE或H1。来自耦合到衬底6的H1的光被导向第二HOE或H2，其中光的分布沿一个方向扩展。H2还将该扩展的光分布重新导向第三HOE或H3，其中光的分布进一步沿另一个方向扩展。全息元件可以在衬底6的任一侧上。H3还将从衬底表面向外扩展的光分布进行重新导向，其中H3设置在该衬底表面上。如图1所示的光学系统操作为保持光束的总体方向的光束扩展设备。这种设备还被称作出瞳伸展器(EPE)。

EPE，例如图1所示，导致色彩不均匀性，从而降低复制的虚拟图像的质量。色彩不均匀性主要是由于不同色彩的光束在衬底6的不同路径行进的事实，如图2所示。为了说明的目的，仅使用两种由λ₁和λ₂表示的色彩来表示现有技术EPE中的色彩不均匀性的来源，其中λ₁＜λ₂。

在图2中，仅使用两个HOE，但是色彩不均匀性的来源与当使用三个或更多HOE时是相同的。第一HOE或H1通常具有一种衍射结构，该衍射结构包括平行衍射条纹以便将入射光耦合到衬底6并将衬底6中的光分布导向第二HOE或H2。衬底6用作光导设备，以主要借助于全内反射(TIR)而将光束限制在其两个表面之间。如图2所示，衍射元件H1和H2二者都被布置在衬底6的较低表面上。在这种光学设备中，TIR完全仅处于上部表面处，因为光的一部分从衬底的较低表面衍射到观看者的眼睛。

已知衬底6内部的衍射角由以下给出：

sin(θ_i)-nsin(θ_m)＝mλ/d

其中，d是衍射元件(这里的H1)的光栅周期，

λ是波长，

n是衬底的折射率，

m是衍射级，

θ_i是入射角，以及

θ_m是第m级衍射角。

可以从式1看出，衍射角θ_m随着波长λ而增加。因此，衍射角θ_m1小于衍射角θ_m2。作为结果，两个连续TIR之间的间隔L也随波长变化。针对λ₁的间隔L₁小于针对λ₂的间隔L₂。因此，沿η方向的出射光的分布对于所有波长是不均匀的，尽管光栅结构可以被设计为使得输出对于一个波长而言是均匀的。可以从图2看出，较短的波长λ₁比衍射元件H2上的λ₂经历更多“碰撞(hit)”。因此，较短的波长λ₁的更多光从H1附近区域中的衍射元件H2“泄漏”。在其中使用三基色(红、绿、蓝)的显示器中，图2的EPE将引起从H2的衍射光栅结构出去的光的不均匀色彩分布。因此，色彩可以在相对于H1的近端带表现出蓝色而在相对于H1的远端带表现出红色。随着沿η方向的距离的增加，不均匀的色彩分布变得更加明显。

应该注意，光可以从较低的表面(其中H2位于上部表面)或从上部表面“泄漏”出衬底6。从上部表面出去的光的分布类似于从较低表面出去的光的分布。