CN115598843A - 光学装置和包括该光学装置的显示设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于改进视场(FOV)和亮度均匀性的用于出瞳扩展(EPE)的光学装置和包括其的显示设备。光学装置包括：输入部，虚拟图像被输入到输入部；以及EPE部，其被配置为从输入部接收虚拟图像，执行一维(1D)EPE和二维(2D)EPE以将虚拟图像与外部真实图像组合，并且输出组合图像。

Description

光学装置和包括该光学装置的显示设备

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2021年7月9日提交于韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2021-0090546的优先权，其公开内容整体以引用方式并入本文。

技术领域

本发明构思涉及一种扩展出瞳(exit pupil)或眼盒(eye box)的光学装置以及包括该光学装置的显示设备。

背景技术

诸如增强现实(AR)装置或光学装置的透镜的视觉光学装置正在逐步改进。视觉光学元件的最重要的特性参数是视场(FOV)的大小和眼盒的大小。然而，在维持高图像质量、分辨率和亮度的同时不容易实现具有宽FOV和大眼盒的视觉光学装置。因此，为了扩展眼盒，使用衍射元件的出瞳扩展(EPE)技术或使用半透明镜的光束扩展技术可用于改进图像质量、分辨率和亮度。

发明内容

本发明构思提供了一种用于出瞳扩展(EPE)的光学装置和包括该光学装置的显示设备，该光学装置能够在实现眼盒扩展的同时改进视场(FOV)和亮度均匀性。

本发明构思不限于上述构思，对于本领域技术人员而言其它特征、方面和优点将从以下描述显而易见。

根据实施例，提供了一种用于出瞳扩展(EPE)的光学装置，包括：输入部，虚拟图像被输入到输入部中；以及EPE部，其被配置为从输入部接收虚拟图像，执行一维(1D)EPE和二维(2D)EPE以将虚拟图像与外部真实图像组合，并且输出组合图像。

根据实施例，提供了一种显示设备，包括：图像生成器，其被配置为生成虚拟图像；以及用于出瞳扩展(EPE)的光学装置，其被配置为接收虚拟图像并执行EPE以将虚拟图像与外部真实图像组合。光学装置包括：输入部，虚拟图像被输入到输入部中；以及EPE部，其被配置为从输入部接收虚拟图像，执行一维(1D)EPE和二维(2D)EPE以将虚拟图像与外部真实图像组合，并且输出组合图像。

根据实施例，提供了一种显示设备，包括：图像生成器，其被配置为生成虚拟图像；用于出瞳扩展(EPE)的光学装置，其被配置为接收虚拟图像并执行EPE以将虚拟图像与外部真实图像组合；以及主体，图像生成器和用于EPE的光学装置安装在主体上。用于EPE的光学装置包括：输入部，虚拟图像被输入到输入部中；以及EPE部，其被配置为从输入部接收虚拟图像，执行一维(1D)EPE和二维(2D)EPE以将虚拟图像与外部真实图像组合，并且输出组合图像。

附图说明

从以下结合附图进行的详细描述将更清楚地理解本发明构思的实施例，在附图中：

图1A至图1D是根据实施例的用于出瞳扩展(EPE)的光学装置的平面图和放大平面图；

图2A至图2C是根据各种实施例的沿着图1B的线I-I’截取的横截面图；

图3A和图3B是根据实施例的分别沿着图1C的线Ⅱ-Ⅱ’和Ⅲ-Ⅲ’截取的横截面图；

图4A和图4B是根据各种实施例的图1A的用于EPE的光学装置的二维(2D)EPE区域的放大平面图；

图5是用于说明根据实施例的图1A的用于EPE的光学装置的操作的概念图；

图6A是用于EPE的光学装置中的垂直入射光的传播方向的概念图，图6B和图6C是示出现有技术的用于EPE的光学装置和根据实施例的用于EPE的光学装置中相对于垂直入射光的发射光的亮度均匀性的比较的仿真图像；

图7A和图7B是2D输入图像的概念图，图7C是根据实施例的用于EPE的光学装置中2D输入图像的视角；

图8A和图8B是示出现有技术的用于EPE的光学装置和根据实施例的用于EPE的光学装置中针对2D输入图像的输出图像的亮度均匀性的比较的仿真照片；

图9A至图11C是眼盒中的眼睛位置的概念图，并且是示出现有技术的用于EPE的光学装置和根据实施例的用于EPE的光学装置中亮度变化和视场(FOV)均匀性的比较的照片；

图12和图13是包括根据实施例的用于EPE的光学装置的显示设备的概念图；

图14A和图14B分别是根据实施例的安装有显示设备的增强现实(AR)眼镜的透视图和侧面图；

图15是根据实施例的安装有显示设备的车辆AR设备的概念图。

具体实施方式

以下，将参照附图详细描述实施例。在附图中，相似的标号表示相似的元件，并且将省略其冗余描述。

图1A至图1D是根据实施例的用于出瞳扩展(EPE)的光学装置的平面图和放大平面图。图1B和图1C分别是图1A的用于EPE的光学装置的一维(1D)EPE区域和二维(2D)EPE区域的放大平面图，图1D是2D EPE区域的菱形光栅部分的放大平面图。

参照图1A和图1D，用于EPE的光学装置100可包括输入部110和EPE部150。例如，用于EPE的光学装置100可以是波导型耦合器。因此，输入部110和EPE部150可通过形成在波导101中的衍射光栅来实现(参见图2A)。

波导101是透射光的光学波导，并且可包括对可见光透明的材料。例如，波导101可包括诸如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)的材料。然而，波导101的材料不限于这些材料。另外，波导101可包括具有平坦表面的平板形状。波导101可包括第一表面101a(参见图5)以及与第一表面101a相对的第二表面101b(参见图5)。衍射光栅可形成在波导101的第一表面101a上。然而，形成有衍射光栅的表面不限于第一表面101a。在波导101的第一表面101a和第二表面101b处可能发生全反射。另外，光可输入到衍射光栅部分或从衍射光栅部分输出。即，光可通过光的内耦合(in-coupling)和外耦合(out-coupling)被输入到衍射光栅部分或从衍射光栅部分被输出。另外，光可在衍射光栅部分中衍射以实现EPE。

输入部110可以是外部光输入到其中的部分。即，光可通过衍射光栅的内耦合输入到波导101中。例如，输入部110可通过形成在波导101的第一表面101a上的线形衍射光栅(即，线光栅115)实现。具体地，输入部110可包括线光栅115，线光栅115允许在垂直于波导101的第一表面101a的方向上入射的光在平行于第一表面101a的方向上传播到波导101中。

以下将更详细地描述输入部110的线光栅115。例如，当垂直于波导101的第一表面101a的方向被称为第三方向(z方向)时，输入部110可包括在第二方向(y方向)上延伸并在第一方向(x方向)上具有特定间距的线形衍射光栅(即，线光栅115)。外部光可在第三方向(z方向)上输入到输入部110，并且通过线光栅115弯曲以在第一方向(x方向)上传播到波导101中。另外，输入部110的线光栅115可具有与EPE部150的1D EPE区域120的线光栅125相似的形状。因此，输入部110的线光栅115的横截面形状可被理解为图2A至图2C的1D EPE区域120-1和120-2(也分别称为第一1D EPE区域120-1和第二1D EPE区域120-2)的线光栅125的横截面形状。

输入部110可通过其它光学装置以及线光栅实现。例如，输入部110可包括反射镜、棱镜等。

EPE部150可包括1D EPE区域120和2D EPE区域130。1D EPE区域120可以是实现(或执行)1D EPE的区域。1D EPE可意指通过以光在一个方向上传播通过波导101的方式输出光来一维地扩展出瞳，其中，一部分光由于衍射光栅的外耦合被输出，另一部分光传播通过衍射光栅。由于1D EPE是已知技术，所以省略其详细描述。然而，根据实施例的从1D EPE区域120通过1D EPE的输出可被输出至2D EPE区域130，而非被输出至波导101的外部。另外，1DEPE可通过衍射光栅以及半透明镜、全息光学元件(HOE)等的外耦合来实现。

1D EPE区域120可布置在输入部110在第一方向(x方向)上的两侧上。例如，1D EPE区域120可包括在输入部110在第一方向(x方向)上的右侧的第一1D EPE区域120-1以及在输入部110的左侧的第二1D EPE区域120-2。根据实施例，1D EPE区域120可布置在输入部110在第一方向(x方向)上的一侧。

类似于输入部110，1D EPE区域120可包括线形衍射光栅(即，线光栅125)。线光栅125可包括线形突起122和线形间隔124。1D EPE区域120中的线光栅125在相对于第一方向(x方向)具有45°的斜率的倾斜方向SD上延伸，并且可在垂直于倾斜方向SD的垂直倾斜方向SDp上具有特定间距。这里，倾斜方向SD和垂直倾斜方向SDp可分别定义在第一方向(x方向)和第二方向(y方向)的平面上，并且倾斜方向SD和垂直倾斜方向SDp可垂直于第三方向(z方向)。根据实施例，线光栅125可相对于第一方向(x方向)以大于或小于45°的斜率延伸。线光栅125的横截面形状参照图2A至图2C更详细地描述。

如图1A的箭头所指示的，来自外部的光通过输入部110输入到波导101，其中，光被输入部110中的线光栅115弯曲并向第一方向(x方向)的两侧传播进入1D EPE区域120。另外，在1D EPE区域120中实现1D EPE的同时，光通过外耦合被输出，并进入2D EPE区域130。

2D EPE区域130可以是实现2D EPE的区域。2D EPE可意指通过以光在二维方向上展开的同时传播通过波导101的方式输出光，来二维扩展出瞳，其中，一部分光由于衍射光栅的外耦合被输出，另一部分光传播通过衍射光栅。由于2D EPE也是已知技术，所以省略其详细描述。另外，2D EPE可通过衍射光栅以及半透明镜、全息光学装置等的外耦合实现。

2D EPE区域130可在第二方向(y方向)上与输入部110和1D EPE区域120相邻布置。例如，2D EPE区域130可位于在第二方向(y方向)(即，从1D EPE区域120输出光的方向)上与1D EPE区域120相邻，并且可位于在第二方向(y方向)上与输入部110相邻。因此，在1D EPE区域120中实现1D EPE的同时被输出的光可入射在2D EPE区域130上。间隙区域GA可布置在1D EPE区域120和2D EPE区域130之间以及输入部110和2D EPE区域130之间。在间隙区域GA中，仅存在波导101，可不形成衍射光栅。

参照图1C，菱形光栅135可布置在2D EPE区域130中。菱形光栅135可包括菱形突起132以及突起132之间的间隔134。另外，菱形光栅135可具有在其中菱形突起132在第一倾斜方向SD1和第二倾斜方向SD2上布置成二维阵列形状并通过间隔134彼此间隔开的结构。这里，第一倾斜方向SD1和第二倾斜方向SD2可定义在x-y平面上，因此第一倾斜方向SD1和第二倾斜方向SD2可垂直于第三方向(z方向)。另外，第一倾斜方向SD1和第二倾斜方向SD2可对应于菱形突起132的边延伸的方向。例如，如图1D所示，第一倾斜方向SD1可相对于第二方向(y方向)在顺时针方向上具有第一角度θ1，第二倾斜方向SD2可相对于第二方向(y方向)在逆时针方向上具有第一角度θ1。第一角度可小于45°。根据实施例，第一角度θ1可大于45°。当第一角度θ1大于45°时，菱形可具有在第一方向(x方向)上伸长的形状。菱形光栅135的横截面形状参照图3A和图3B被更详细地描述。

如图1D的箭头所指示的，光Ly可在2D EPE区域130中在第二方向(y方向)上传播，光Ls可在相对于第二方向(y方向)以特定角度(例如，第二角度θ2)展开的同时传播。例如，第二角度θ2可大于菱形光栅135的第一角度θ1。第二角度θ2可根据菱形光栅135的结构不同地改变。可在2D EPE区域130中实现2D EPE的同时通过外耦合在第三方向(z方向)上输出光。这里，第三方向(z方向)是垂直于第一方向(x方向)和第二方向(y方向)的方向(即，垂直于纸面的方向)。另外，从2D EPE区域130输出的光的方向可与输入到输入部110的光的方向相反。然而，根据实施例，输入部110的线光栅115和2D EPE区域130的菱形光栅135可形成在波导101的相对表面上，因此，从2D EPE区域130输出的光的方向和输入到输入部110的光的方向可彼此相同。

外部光可直接输入到2D EPE区域130。因此，从外部直接输入的光和通过输入部110输入的光可在从2D EPE区域130的输出中被组合。作为参考，通过输入部110输入的光或图像可对应于虚拟光或虚拟图像，直接输入到2D EPE区域130的光或图像可对应于真实光或真实图像。虚拟图像和真实图像的组合参照图5被更详细地描述。基于2D EPE区域130中的光耦合功能，根据实施例的用于EPE的光学装置100可对应于具有EPE结构的耦合器。另外，用于EPE的光学装置100可被称为具有1D EPE和2D EPE在EPE部150中交叠的双EPE结构的耦合器。

根据实施例，EPE部150可包括1D EPE区域120和2D EPE区域130，并且1D EPE和2DEPE可在EPE部150中交叠。因此，用于EPE的光学装置100可针对眼盒中的眼睛的每个位置基于1D EPE和2D EPE扩展视场(FOV)，改进整个输出图像的亮度均匀性，并且改进亮度变化和FOV均匀性。在用于EPE的光学装置100中，针对眼睛的每个位置的FOV扩展、亮度均匀性改进以及亮度变化和FOV均匀性改进参照图6A至图11C被更详细地描述。

图2A至图2C是根据各种实施例的沿着图1B的线I-I’截取的横截面图，图3A和图3B分别是沿着图1C的线Ⅱ-Ⅱ’和Ⅲ-Ⅲ’截取的横截面图。上面参照图1A至图1D提供的描述可被简要描述或被省略。

参照图2A，EPE部150的1D EPE区域120可通过形成在波导101的表面上的线光栅125实现。线光栅125可包括线形突起122以及突起122之间的间隔124。类似于突起122，间隔124可具有线形状。如上所述，线光栅125可在相对于第一方向(x方向)具有45°的斜率的倾斜方向SD上延伸，并且图2A的1D EPE区域120可对应于垂直于倾斜方向SD的横截面。垂直倾斜方向SDp可指垂直于倾斜方向SD的方向。倾斜方向SD和垂直倾斜方向SDp可定义在x-y平面上，并且可垂直于第三方向(z方向)。

线光栅125的光栅图案可用作衍射光栅以衍射入射光。即，线光栅125可通过衍射以特定角度入射的光来改变光的传播方向，以根据突起122的宽度和高度、光栅图案的间距等产生相消干涉和相长干涉。如图2A所示，突起122的横截面可具有矩形形状，并且突起122可具有在垂直倾斜方向SDp上的第一宽度W1和第三方向(z方向)上的第一高度H1。另外，线光栅125的光栅图案可在垂直倾斜方向SDp上具有第一间距P1。在线光栅125中，突起122的第一宽度W1和第一高度H1以及光栅图案的第一间距P1可根据光的波长或强度适当地选择和形成。

参照图2B，EPE部150的1D EPE区域120a可通过形成在波导101的表面上的线光栅125a实现。类似于图2A的线光栅125，线光栅125a可包括线形突起122a以及突起122a之间的间隔124a。另外，线光栅125a可在倾斜方向SD上延伸。

如图2B所示，与图2A的线光栅125不同，线光栅125a可包括具有平行四边形形状的横截面的突起122a。例如，突起122a可相对于波导101以特定角度倾斜。突起122a可具有垂直倾斜方向SDp上的第二宽度W2和第三方向(z方向)上的第二高度H2。另外，线光栅125a的光栅图案可在垂直倾斜方向SDp上具有第二间距P2。即使在线光栅125a中，突起122a的第二宽度W2和第二高度H2以及光栅图案的第二间距P2也可根据光的波长或强度适当地选择和形成。

参照图2C，EPE部150的1D EPE区域120b可通过形成在波导101的表面上的线光栅125b实现。类似于图2A的线光栅125，线光栅125b可包括线形突起122b以及突起122b之间的间隔124b。另外，线光栅125b可在倾斜方向SD上延伸。

如图2C所示，与图2A的线光栅125不同，线光栅125b可包括具有锯齿形状的横截面的突起122b。例如，突起122b的横截面可具有三角形形状。突起122b可在第三方向(z方向)上具有第三高度H3。另外，线光栅125b的光栅图案可在垂直倾斜方向SDp上具有第三间距P3。由于突起122b具有锯齿形状，所以突起122b可与另一突起122b形成角度α。在线光栅125b中，突起122b的角度α和第三高度H3以及光栅图案的第三间距P3可根据光的波长或强度适当地选择和形成。

参照图3A和图3B，EPE部150的2D EPE区域130可通过形成在波导101的表面上的菱形光栅135实现。菱形光栅135可包括菱形突起132以及突起132之间的间隔134。突起132可布置在第一倾斜方向SD1和第二倾斜方向SD2上并通过间隔134彼此间隔开。

图3A的2D EPE区域130可对应于垂直于第一垂直倾斜方向SD1p的横截面。第一垂直倾斜方向SD1p可定义在x-y平面上，垂直于第一倾斜方向SD1并且垂直于第三方向(z方向)。在菱形光栅135中，突起132可具有第一倾斜方向SD1上的第四宽度W4和第三方向(z方向)上的第四高度H4。另外，菱形光栅135的光栅图案可在第一倾斜方向SD1上具有第四间距P4。

图3B的2D EPE区域130可对应于垂直于第二垂直倾斜方向SD2p的横截面。第二垂直倾斜方向SD2p也可定义在x-y平面上，垂直于第二倾斜方向SD2并且垂直于第三方向(z方向)。在菱形光栅135中，突起132可具有第二倾斜方向SD2上的第四宽度W4和第三方向(z方向)上的第四高度H4。另外，菱形光栅135的光栅图案可在第二倾斜方向SD2上具有第四间距P4。由于突起132具有菱形形状，所以突起132在第一倾斜方向SD1和第二倾斜方向SD2上的宽度可等于第四宽度W4，并且光栅图案的间距可等于第四间距P4。在菱形光栅135中，突起132的第四宽度W4和第四高度H4以及光栅图案的第四间距P4可根据光的波长或强度适当地选择和形成。

在图3A中，虚线可对应于当在第一垂直倾斜方向SD1p上观察2D EPE区域130的横截面时突起132的可见的侧表面。另外，图3B的虚线还可对应于当在第二垂直倾斜方向SD2p上观察2D EPE区域130的横截面时突起132的可见的侧表面。

图4A和图4B是图1A的用于EPE的光学装置的2D EPE区域的放大平面图，并且可对应于图1C。已经参照图1A至图3B给出的描述被简要给出或被省略。

参照图4A，根据实施例，EPE部150的2D EPE区域130a可通过形成在波导101的表面上的变形菱形光栅135a实现。类似于图1C的菱形光栅135，变形菱形光栅135a可包括突起132a以及突起132a之间的间隔134a。在变形菱形光栅135a中，突起132a可具有变形菱形形状，其中，在菱形在第一方向(x方向)上的两个顶点处形成缺口N。在图4A中，尽管以直线的形式示出缺口N，但缺口N不限于此，可具有诸如半圆形、V形等的各种形状。

根据实施例，在变形菱形光栅135a中，突起132a可具有变形菱形形状，在该变形菱形形状中在菱形在第二方向(y方向)上的两个顶点处形成缺口N。另外，突起132a可具有变形菱形形状，在该变形菱形形状中，在菱形的所有四个顶点处形成缺口N。

参照图4B，根据实施例，EPE部150的2D EPE区域130b可通过形成在波导101的表面上的圆形光栅135b实现。圆形光栅135b可包括圆形突起132b以及突起132b之间的间隔134b。另外，圆形光栅135b可具有圆形突起132b在第一倾斜方向SD1和第二倾斜方向SD2上布置成二维阵列形状并通过间隔134b彼此间隔开的结构。

更具体地，突起132b可布置在第一倾斜方向SD1上并通过间隔134b彼此间隔开。另外，突起132b可布置在第二倾斜方向SD2上并通过间隔134b彼此间隔开。这里，第一倾斜方向SD1和第二倾斜方向SD2可以是突起132b布置成线的方向。第一倾斜方向SD1和第二倾斜方向SD2可与图1C的菱形光栅135中的第一倾斜方向SD1和第二倾斜方向SD2基本上相同。即，图1C的菱形光栅135的突起132也可布置在第一倾斜方向SD1和第二倾斜方向SD2中的每一个上并通过间隔134彼此间隔开。

以上，尽管作为示例提供了2D EPE区域的衍射光栅的一些形状，但形成在2D EPE区域中的衍射光栅的形状不限于上述形状。例如，在用于EPE的光学装置中，可在2D EPE区域中形成各种形状的衍射光栅，并且光可在波导101中二维展开并且可在2D EPE通过衍射光栅被实现时被输出到外部。另外，在用于EPE的光学装置中，2D EPE区域的衍射光栅的突起的宽度和高度以及光栅图案的间距可根据光的波长或强度适当地选择和形成。

图5是用于说明图1A的用于EPE的光学装置的操作的概念图。参照图1A至图4B提供的描述可被简要给出或被省略。

参照图5，在用于EPE的光学装置100中，来自图像生成器200(参见图12)的虚拟图像IMG1可在第三方向(z方向)上被输入到输入部110。虚拟图像IMG1可通过输入部110的线形衍射光栅(即，线光栅115)的内耦合在第一方向(x方向)上被弯曲，以进入1D EPE区域120。1D EPE区域120可在第一方向(x方向)上布置在输入部110的两侧。作为参考，当图5以横截面形状示出时，1D EPE区域120未被示出为与输入部110不同，而是仅以标号“110/120”指示。另外，线光栅115/125被简化并被概念地表示，并且线光栅115/125的形状和延伸方向可不同于实际线光栅115/125的形状和延伸方向。

已进入1D EPE区域120的虚拟图像IMG1可在1D EPE通过1D EPE区域120的线光栅125被实现时通过外耦合在第二方向(y方向)上被输出以进入2D EPE区域130，如细箭头所示。2D EPE区域130可具有在第一方向(x方向)和第二方向(y方向)上延伸的平坦形状。菱形光栅135可形成在2D EPE区域130中。由于图5以横截面形状被示出，所以2D EPE区域130可被示出为仅在第二方向(y方向)上延伸的形状。另外，菱形光栅135被简化并概念地表示，并且菱形光栅135的形状和延伸方向可不同于实际菱形光栅135的形状和延伸方向。

已进入2D EPE区域130的虚拟图像IMG1可在2D EPE通过2D EPE区域130的菱形光栅135被实现时通过外耦合在第三方向(z方向)上被输出，如细箭头所示。如图5所示，当观察者(或用户)的眼睛E位于第三方向(z方向)上的下部时，虚拟图像IMG1可从2D EPE区域130被输出并被提供给观察者的眼睛E。另外，虚拟图像IMG1可在2D EPE在2D EPE区域130中被实现时被输出。因此，只要观察者的眼睛E位于2D EPE的宽度内，观察者就可看到整个虚拟图像IMG1。由于图5的横截面形状，仅指示EPE在第二方向(y方向)上的宽度EPEy。

2D EPE区域130的菱形光栅135仅相对于倾斜入射到表面的光充当衍射光栅，而透射垂直入射的光。因此，如图5所示，从第三方向(z方向)上的上部入射到2D EPE区域130上的真实图像IMG2可通过菱形光栅135并且可被提供给观察者的眼睛E。结果，虚拟图像IMG1和真实图像IMG2的组合图像被提供给观察者的眼睛E，并且观察者可看到组合图像。因此，根据实施例的用于EPE的光学装置100对应于具有波导型EPE结构的耦合器，并且可用在增强现实(AR)或混合现实(MR)装置中。

图6A是在用于EPE的光学装置中垂直入射光的传播方向的概念图，图6B和图6C是示出在现有技术的用于EPE的光学装置和一个或多个实施例的用于EPE的光学装置中相对于垂直入射光的发射光的亮度均匀性的比较的仿真图像，其中，图6B涉及现有技术的用于EPE的光学装置，图6C涉及根据一个或多个实施例的用于EPE的光学装置。

参照图6A，在根据实施例的用于EPE的光学装置100中，垂直入射光Lo入射在输入部110上，并且可在EPE通过EPE部150的1D EPE区域120和2D EPE区域130被实现时通过外耦合被输出到外部。在1D EPE区域120中实现1D EPE并且在2D EPE区域130中实现2D EPE，使得在本实施例的用于EPE的光学装置100中，可在EPE部150中实现复制EPE。

在现有技术的用于EPE的光学装置的情况下，仅可实现2D EPE。在现有技术的这种用于EPE的光学装置中，在EPE部中形成1D EPE区域+1D EPE区域的结构以在第一方向(x方向)和第二方向(y方向)上顺序地实现1D EPE，或者在EPE部中形成2D EPE区域的结构以在第一方向和第二方向上同时实现EPE。即使在现有技术的用于EPE的光学装置中，垂直入射光也入射在输入部上并且可2D EPE在EPE部中被实现时通过外耦合被输出到外部。

参照图6B，在现有技术的用于EPE的光学装置的情况下，可在实现2D EPE的同时二维地输出发射光，并且发射光之间的距离可相隔较远并且发射光的亮度可较低。另外，外侧区域的输出光的亮度可低于中心线部分的输出光的亮度。因此，可以看出在现有技术的用于EPE的光学装置中，整个输出光的亮度均匀性较低。

相比之下，参照图6C，在根据本公开的一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100的情况下，发射光被二维地输出，发射光之间的距离可靠近在一起，并且亮度可较高。另外，在中心区域和外侧区域二者中，输出光的亮度可较高并且基本上均匀。因此，可以看出，在根据一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100中，整个输出光的亮度均匀性较高。

图7A和图7B是2D输入图像，图7C是在根据实施例的用于EPE的光学装置中2D输入图像的视角的概念图。

参照图7A至图7C，图7A的2D输入图像2Di1可具有正方形形状，并且就视角而言，可具有约43.1°的垂直视角和水平视角以及约58.3°的对角视角。这里，视角可指由相机捕获或由观察者的眼睛看到的场景的视场。在图7C中，以视角示出图7A的2D输入图像2Di1被入射在用于EPE的光学装置100的输入部110上的形式。图7B的2D输入图像2Di2可具有矩形形状，并且就视角而言，可具有约26.6°的垂直视角、约48.8°的水平视角和约56°的对角视角。

作为参考，图7A的2D输入图像2Di1可用于图8A和图8B中的亮度均匀性的比较，图7B的2D输入图像2Di2可用于根据图9A至图11C中的眼盒的眼睛位置的亮度变化和FOV均匀性的比较。图7A的2D输入图像2Di1和图7B的2D输入图像2Di2可各自对应于虚拟图像。

图8A和图8B分别是示出在现有技术的用于EPE的光学装置和一个或多个实施例的用于EPE的光学装置中针对2D输入图像的输出图像的亮度均匀性的比较的仿真图像。图8A涉及现有技术的用于EPE的光学装置，图8B涉及一个或多个实施例的用于EPE的光学装置。然而，现有技术的用于EPE的光学装置与参照图6A至图6C描述的相同。

参照图8A和图8B，如图8A所示，在现有技术的用于EPE的光学装置中，针对图7A的2D输入图像2Di1的2D输出图像可在中心区域中具有高亮度并在外侧区域中具有低亮度。因此，可以看出，在现有技术的用于EPE的光学装置中整个2D输出图像的亮度均匀性较低。

相比之下，如图8B所示，在一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100中，针对图7A的2D输入图像2Di1的2D输出图像可在中心区域和外侧区域二者中具有高亮度。另外，除了最外部分之外，2D输出图像可在中心区域和外侧区域中看起来几乎相似。因此，可以看出，在一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100中，整个2D输出图像的亮度均匀性较高。

可以看出，一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100可执行眼盒扩展和FOV扩展，并且与现有技术的用于EPE的光学装置相比具有更高的亮度和均匀度。即，根据一个或多个实施例的眼盒扩展和FOV扩展可产生针对图6C中的垂直入射光的输出光的高亮度和亮度均匀性，以及针对图8B中的2D输入图像的2D输出图像的高亮度和亮度均匀性。这里，眼盒是当观察者的眼睛位于眼盒中时可以看到整个图像的区域，并且是与出瞳基本上相同的概念，并且眼盒可通过EPE被扩展。

图9A至图11C是眼盒中的眼睛位置的概念图，并且是示出在现有技术的用于EPE的光学装置和一个或多个实施例的用于EPE的光学装置中与眼睛的各个位置对应的亮度变化和FOV均匀性的比较的图像。这里，图9A、图10A和图11A示出眼盒中的不同位置处的眼睛，图9B、图10B和图11B示出在现有技术的用于EPE的光学装置中响应于各个眼睛位置的亮度变化和FOV均匀性，图9C、图10C和图11C示出在一个或多个实施例的用于EPE的光学装置中相对于各个眼睛位置的亮度变化和FOV均匀性。现有技术的用于EPE的光学装置与参照图6A至图6C描述的相同。

参照图9A，矩形可对应于眼盒，小圆圈可对应于眼睛位置。在图9A中，小圆圈当中的中心小圆圈带阴影线，这可意味着眼睛位于眼盒的中心。如图9B所示，即使当眼睛在眼盒的中心时，在现有技术的用于EPE的光学装置中2D输出图像的下角侧被部分地切去并且会不可见。换言之，可以看出，现有技术的用于EPE的光学装置的FOV较小。另外，在现有技术的用于EPE的光学装置的情况下，与切去部分相邻的部分亮度较低。

相比之下，如图9C所示，当眼睛在眼盒的中心时，在一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100中整个2D输出图像清晰。因此，可以看出，一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100的FOV较大。另外，在用于EPE的光学装置100的情况下，整个2D输出图像的亮度较高。

参照图10A至图10C，在图10A中，由于小圆圈当中在下侧中心的小圆圈带阴影线，所以可以看出，眼睛位于眼盒的下侧中心。如图10B所示，当眼睛在眼盒的下侧中心时，由于在现有技术的用于EPE的光学装置中2D输出图像的下角侧被部分地切去并且不可见，所以可以看出，现有技术的用于EPE的光学装置的FOV较小。另外，在现有技术的用于EPE的光学装置的情况下，在外侧部分以及与切去部分相邻的部分中亮度较低。

相比之下，如图10C所示，即使当眼睛在眼盒的下侧中心时，在一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100中整个2D输出图像清晰。因此，可以看出，一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100的FOV较大。另外，在用于EPE的光学装置100的情况下，整个2D输出图像的亮度较高。

参照图11A，由于小圆圈当中在中心右侧的小圆圈带阴影线，所以可以看出，眼睛位于眼盒的中心右侧。如图11B所示，当眼睛在眼盒的中心右侧时，由于在现有技术的用于EPE的光学装置中2D输出图像的下角侧被部分地切去并且不可见，所以可以看出，现有技术的用于EPE的光学装置的FOV较小。另外，在现有技术的用于EPE的光学装置的情况下，在右上外侧部分以及与切去部分相邻的部分中亮度也较低。

相比之下，如图11C所示，即使当眼睛在眼盒的中心右侧时，在一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100中整个2D输出图像清晰。因此，可以看出，一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100的FOV较大。另外，在用于EPE的光学装置100的情况下，整个2D输出图像的亮度较高。

当针对眼盒中的眼睛的每个位置比较亮度时，可以看出，在现有技术的用于EPE的光学装置的情况下，2D输出图像的外侧部分中的亮度根据眼盒中的眼睛位置而变化。相比之下，在一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100的情况下，不管眼盒中的眼睛位置如何，整个2D输出图像的亮度较高。因此，可以看出，在一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100的情况下，根据眼盒中的眼睛位置亮度变化很小。

另外，当针对眼盒中的眼睛的每个位置比较FOV时，换言之，当比较2D输出图像的切去部分的大小时，可以看出，在现有技术的用于EPE的光学装置中，当眼睛位于眼盒的中心右侧时，切去部分的大小最大，当眼睛位于眼盒的中心下方时，切去部分的大小相对小。因此，可以看出，在现有技术的用于EPE的光学装置的情况下，根据眼盒中的眼睛位置的FOV均匀性较低。相比之下，在一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100中，不管眼盒中的眼睛位置如何，整个2D输出图像清晰。因此，可以看出，在一个或多个实施例的用于EPE的光学装置100的情况下，根据眼盒中的眼睛位置的FOV均匀性较高。

图12和图13是包括根据各种实施例的用于EPE的光学装置的显示设备的概念图。参照图1A至图5已提供的描述可被简要给出和省略。

参照图12，显示设备1000(以下，简称为“显示设备”)可包括用于EPE的光学装置100和图像生成器200。用于EPE的光学装置100可以是图1A的用于EPE的光学装置100。然而，用于EPE的光学装置100不限于此。例如，可在显示设备1000中实现图2B、图2C、图4A和图4B的用于EPE的光学装置100a、100b、100c和100d。

图像生成器200可生成虚拟图像并将虚拟图像输入到用于EPE的光学装置100的输入部110。图像生成器200可包括微显示器210和准直透镜220。微显示器210的虚拟图像可以是2D虚拟图像。可针对每个像素输出微显示器210的虚拟图像。从微显示器210的像素输出的光可通过准直透镜220变形为平行光并入射到用于EPE的光学装置100的输入部110上。

参照图13，显示设备1000a与图12的显示设备1000的不同之处可在于，显示设备1000a包括全息图像生成器200a，而非一般图像生成器200。具体地，本实施例的显示设备1000a可包括用于EPE的光学装置100和全息图像生成器200a。用于EPE的光学装置100可以是图1A的用于EPE的光学装置100。然而，用于EPE的光学装置100不限于此。

全息图像生成器200a可包括光源210a、准直透镜220a、分束器212、空间光学调制器213、透镜214、偏振板215和图像处理器230。

光源210a可生成并输出光。光源210a可输出可由空间光学调制器213衍射并经受干涉的相干光。例如，光源210a可以是激光二极管(LD)或发光二极管(LED)。然而，光源210a的类型不限于LD或LED。例如，输出具有空间相干性的光的任何类型的光源可用作全息图像生成器200a的光源210a。

光源210a的光可由准直透镜220a变形为平行光并输入到分束器212。分束器212可反射来自光源210a的光并将光透射到空间光学调制器213，并且可将来自空间光学调制器213的光透射到透镜214。分束器212可以是反射一半入射光并透射另一半的透-反射镜，或者可以是具有偏振选择性的偏振分束器。偏振板215可布置在分束器212和空间光学调制器213之间。例如，偏振板215可以是1/4波片。根据实施例，偏振板215可一体地耦接到空间光学调制器213的表面。

空间光学调制器213可根据从图像处理器230提供的全息图数据信号(例如，计算机生成的全息图(CGH)信号)来显示全息图图案。从光源210a输出并入射到空间光学调制器213上的光被显示在空间光学调制器213的屏幕上的全息图图案衍射，然后可通过相消干涉和相长干涉被再现为具有三维效果的全息图像。对于空间光学调制器213，例如，可使用仅能够执行相位调制的相位调制器、仅能够执行幅度调制的幅度调制器以及能够执行相位调制和幅度调制二者的复合调制器之一。在显示设备1000a中，空间光学调制器213可以是在反射入射光的同时衍射并调制入射光的反射空间光学调制器。例如，空间光学调制器213可包括硅上液晶(LCoS)、数字微镜装置(DMD)或半导体调制器。

图像处理器230可基于包括关于要被再现的全息图像的信息的源图像数据来生成CGH信号并将CGH信号提供给空间光学调制器213。例如，图像处理器230可通过对源图像数据执行傅里叶变换和逆傅里叶变换(IFT)或者快速傅里叶变换(FFT)和逆快速傅里叶变换(IFFT)来生成CGH信号。

透镜214可聚焦全息图像并将全息图像输入到用于EPE的光学装置100的输入部110。透镜214和输入部110之间的距离可基本上等于透镜214的焦距。然而，透镜214和输入部110之间的距离不限于此。例如，当透镜214和输入部110之间的距离等于透镜214的焦距时，空间光学调制器213的全息图像可按各种角度最大程度地入射在输入部110上。

透镜214和空间光学调制器213之间的距离可基本上等于透镜214的焦距。然而，透镜214和空间光学调制器213之间的距离不限于此。例如，当透镜214和空间光学调制器213之间的距离等于透镜214的焦距时，空间光学调制器213上再现的全息图像可原样被发送至观察者的眼睛E，而没有图像质量的劣化。

图14A和图14B分别是根据实施例的安装有显示设备的AR眼镜的透视图和侧面图。参照图1A至图5、图12和图13已提供的描述可被简要给出和省略。

参照图14A和图14B，安装有显示设备的AR眼镜2000(以下，称为“AR眼镜”)可包括显示设备1000b、计算系统300和眼镜主体400。

显示设备1000b可类似于图12的显示设备1000。然而，显示设备1000b与图12的显示设备1000的不同之处可在于包括两个用于EPE的光学装置。例如，在根据实施例的AR眼镜2000中，显示设备1000b可包括分别与双眼对应的用于EPE的第一光学装置100-1和用于EPE的第二光学装置100-2。另外，显示设备1000b可包括提供虚拟图像的图像生成器200。

根据实施例，在AR眼镜2000中，可修改图13的显示设备1000a。例如，AR眼镜2000可包括：显示设备，其包括分别与双眼对应的用于EPE的第一光学装置100-1和第二光学装置100-2；以及全息图像生成器200a。

计算系统300可包括安装的计算模块310和远程计算模块320。计算系统300还可包括惯性传感器330和环境传感器340。计算系统300可基于从惯性传感器330或环境传感器340获得的信息来控制图像生成器200的虚拟图像。例如，惯性传感器330可感测位置、取向、突然加速等，并且惯性传感器330的感测结果可通过安装的计算模块310反映在图像生成器200的虚拟图像中。另外，环境传感器340可以是各种类型的相机，并且由环境传感器340获得的图像可通过安装的计算模块310反映在图像生成器200的虚拟图像中。

另外，远程计算模块320可有线或无线地向安装计算模块310供电。另外，远程计算模块320可通过安装的计算模块310供应显示设备1000b所需的资源。根据实施例，计算系统300可包括全球定位系统(GPS)接收器。

眼镜主体400可大体包括镜片部分和镜腿部分。如图14A所示，显示设备1000b可被安装到眼镜主体400的镜片部分上，计算系统300可被安装到眼镜主体400的镜腿部分上。另外，眼镜主体400上的计算系统300的布置结构不限于图14A和图14B所示的布置结构。例如，计算系统300可按各种结构布置在眼镜主体400的各种部分中。

图15是根据实施例的安装有显示设备的车辆AG设备的概念图。参照图1A至图5和图12至图14已提供的描述可被简要给出和省略。

参照图15，安装有显示设备的车辆AR设备2000a(以下，称为“车辆AR设备”)可包括显示设备1000和车身400a。显示设备1000可以是图12的显示设备1000。然而，一个或多个实施例不限于此，车辆AR设备2000a可包括图13的显示设备1000a。在图15中，在显示设备1000中，输入部110、1D EPE区域120、图像生成器200等被省略，仅示出2D EPE区域130。

例如，车身400a可以是车辆挡风玻璃。另外，显示设备1000可被安装到或包括在车身400a的在驾驶者的FOV内的部分中。例如，如图15所示，显示设备1000可布置在车身400a在方向盘SW上方的挡风玻璃上。然而，显示设备1000的位置不限于此。在图15中，RI可指真实图像。

已参照图14A至图15已描述了AR装置，例如安装有显示设备1000、1000a和1000b中的一个或多个的AR眼镜2000和车辆AR设备2000a。然而，安装有一个或多个实施例的显示设备的AR装置的类型不限于此。例如，显示设备1000、1000a和1000b可按俯视显示器(HDD)或平视显示器(HUD)方法被安装到各种AR装置上。因此，本公开的本发明构思可扩展至包括用于EPE的光学装置100的任何显示设备以及安装有显示设备的各种AR装置。

尽管参考其实施例已具体地示出并描述了本发明构思，但应该理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可对其进行各种形式和细节上的改变。

Claims (20)

1.一种用于出瞳扩展的光学装置，包括：

输入部，虚拟图像被输入到所述输入部中；以及

出瞳扩展部，其被配置为从所述输入部接收所述虚拟图像，执行一维出瞳扩展和二维出瞳扩展以将所述虚拟图像与外部真实图像组合，并且输出组合图像。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述出瞳扩展部包括在其中执行所述一维出瞳扩展的一维出瞳扩展区域和在其中执行所述二维出瞳扩展的二维出瞳扩展区域。

3.根据权利要求2所述的光学装置，其中，所述一维出瞳扩展区域相对于所述输入部被布置在第一方向的两侧上，并且

其中，所述二维出瞳扩展区域在垂直于所述第一方向的第二方向上与所述输入部和所述一维出瞳扩展区域相邻布置。

4.根据权利要求2所述的光学装置，其中，所述一维出瞳扩展区域被形成为线光栅，并且

其中，所述二维出瞳扩展区域被形成为菱形光栅。

5.根据权利要求4所述的光学装置，其中，所述线光栅被布置为使得在所述第一方向上传播的所述虚拟图像的至少一部分被折射以在所述第二方向上传播。

6.根据权利要求4所述的光学装置，其中，所述线光栅在相对于所述第一方向具有45°斜率的倾斜方向上延伸，并且在垂直于所述倾斜方向的方向上具有第一宽度和第一间距，并且

其中，所述线光栅的垂直于所述倾斜方向的横截面具有锯齿形状、矩形形状和平行四边形形状当中的至少一种。

7.根据权利要求4所述的光学装置，其中，所述菱形光栅被布置为使得在所述第二方向上从所述线光栅输出的所述虚拟图像在所述第二方向上传播并且以相对于所述第二方向的第一角度传播。

8.根据权利要求7所述的光学装置，其中，所述菱形光栅具有在其中菱形突起在第一倾斜方向和第二倾斜方向上布置成二维阵列形状并通过间隔彼此间隔开的结构，所述第一倾斜方向相对于所述第二方向在顺时针方向上具有第二角度，所述第二倾斜方向相对于所述第二方向在逆时针方向上具有所述第二角度，

其中，所述第二角度小于45°，并且所述第一角度根据所述第二角度而变化，

其中，所述菱形突起在所述第一倾斜方向上和所述第二倾斜方向上具有第二宽度和第二间距。

9.根据权利要求2所述的光学装置，其中，所述出瞳扩展部被形成为波导，所述一维出瞳扩展区域被形成为线光栅，并且所述二维出瞳扩展区域被形成为菱形光栅，并且

其中，无光栅间隙位于所述一维出瞳扩展区域和所述二维出瞳扩展区域之间。

10.根据权利要求2所述的光学装置，其中，所述输入部包括线光栅，并且所述虚拟图像在垂直于所述第一方向和所述第二方向的第三方向上被输入到所述输入部并且在所述第一方向上移动，并且

其中，所述虚拟图像在所述第三方向上从所述二维出瞳扩展区域被输出。

11.根据权利要求10所述的光学装置，其中，所述虚拟图像在所述第三方向上从所述二维出瞳扩展区域的一侧被输出，并且所述外部真实图像从所述二维出瞳扩展区域的另一侧被输入，并且

其中，所述虚拟图像与所述外部真实图像被组合以在所述二维出瞳扩展区域中生成全息图像，并且从所述二维出瞳扩展区域的所述一侧被输出。

12.一种显示设备，包括：

图像生成器，其被配置为生成虚拟图像；以及

用于出瞳扩展的光学装置，其被配置为接收所述虚拟图像并执行所述出瞳扩展以将所述虚拟图像与外部真实图像组合，

其中，所述光学装置包括：

输入部，所述虚拟图像被输入到所述输入部中；以及

出瞳扩展部，其被配置为从所述输入部接收所述虚拟图像，执行一维出瞳扩展和二维出瞳扩展以将所述虚拟图像与所述外部真实图像组合，并且输出组合图像。

13.根据权利要求12所述的显示设备，其中，所述出瞳扩展部包括：

一维出瞳扩展区域，其相对于所述输入部被布置在第一方向的两侧上并且形成有线光栅，以及

二维出瞳扩展区域，其在垂直于所述第一方向的第二方向上与所述输入部和所述一维出瞳扩展区域相邻布置，并且形成有菱形光栅。

14.根据权利要求13所述的显示设备，其中，所述线光栅被布置为使得在所述第一方向上传播的所述虚拟图像的至少一部分被折射以在所述第二方向上传播，并且

其中，所述菱形光栅被布置为使得在所述第二方向上从所述线光栅输出的所述虚拟图像在所述第二方向上传播并且以相对于所述第二方向的第一角度传播。

15.根据权利要求13所述的显示设备，其中，所述输入部包括线光栅，并且所述虚拟图像在垂直于所述第一方向和所述第二方向的第三方向上被输入到所述输入部并在所述第一方向上移动，

其中，所述虚拟图像在所述第三方向上从所述二维出瞳扩展区域被输出，并且

其中，所述虚拟图像在所述第三方向上从所述二维出瞳扩展区域的一侧被输出，并且所述外部真实图像从所述二维出瞳扩展区域的另一侧被输入，并且

其中，所述虚拟图像在所述二维出瞳扩展区域中与所述外部真实图像组合，并且从所述二维出瞳扩展区域的所述一侧被输出。

16.根据权利要求12所述的显示设备，其中，所述显示设备是增强现实眼镜或车辆增强现实设备。

17.一种显示设备，包括：

图像生成器，其被配置为生成虚拟图像；

用于出瞳扩展的光学装置，其被配置为接收所述虚拟图像并执行所述出瞳扩展以将所述虚拟图像与外部真实图像组合；以及

主体，所述图像生成器和所述用于出瞳扩展的光学装置被安装在所述主体上，

其中，所述用于出瞳扩展的光学装置包括：

输入部，所述虚拟图像被输入到所述输入部中；以及

出瞳扩展部，其被配置为从所述输入部接收所述虚拟图像，执行一维出瞳扩展和二维出瞳扩展以将所述虚拟图像与所述外部真实图像组合，并且输出组合图像。

18.根据权利要求17所述的显示设备，其中，所述出瞳扩展部包括：

一维出瞳扩展区域，其相对于所述输入部被布置在第一方向的两侧上，形成有线光栅，并且将所述虚拟图像的传播方向从所述第一方向改变为第二方向，以及

二维出瞳扩展区域，其在垂直于所述第一方向的所述第二方向上与所述输入部和所述一维出瞳扩展区域相邻布置，形成有菱形光栅，其中，所述菱形光栅被布置为使得来自所述一维出瞳扩展区域的所述线光栅的所述虚拟图像在所述第二方向上传播并且以相对于所述第二方向的第一角度传播。

19.根据权利要求18所述的显示设备，其中，所述输入部包括线光栅，并且所述虚拟图像在垂直于所述第一方向和所述第二方向的第三方向上被输入到所述输入部并且在所述第一方向上移动，

其中，所述虚拟图像在所述第三方向上从所述二维出瞳扩展区域被输出，并且

其中，所述虚拟图像在所述第三方向上从所述二维出瞳扩展区域的一侧被输出，并且所述外部真实图像从所述二维出瞳扩展区域的另一侧被输入，并且

其中，所述虚拟图像在所述二维出瞳扩展区域中与所述外部真实图像组合，并且从所述二维出瞳扩展区域的所述一侧被输出。

20.根据权利要求17所述的显示设备，其中，所述主体是增强现实眼镜或车辆增强现实设备。

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