CN100492099C - 用于扩展出瞳的通用衍射光学方法 - Google Patents

Abstract

一种出瞳延伸器，具有一个输入光学单元和设置于输入光学单元的不同侧上的两个出口光学单元。该出瞳延伸器也包括各自设置于输入光学单元与一个出口光学单元之间的两个中间衍射光学耦合器。耦合器作为出瞳延伸部件来工作。耦合器的光栅线与光学单元的光栅线基本上成60度的角，以便优化出瞳延伸效率。本发明还描述一种使用在光学衬底上的多个衍射单元来扩展用于观看的电子设备的显示器的出瞳的通用衍射光学方法。该系统可以支持与圆锥角相对应的宽的旋转角度范围(例如0＜ρ＜70°)。

Description

用于扩展出瞳的通用衍射光学方法

相关申请的优先权和交叉引用

本申请是如下申请的部分继续申请并且要求其优先权：于2004年12月13日提交的美国专利申请序号11/011,481以及于2005年8月11日提交的美国专利申请序号11/202,653。

技术领域

本发明一般地涉及一种显示器设备，并且更具体地涉及一种使用多个衍射单元来扩展用于观看的显示器的出瞳的通用衍射光学方法。

背景技术

尽管使用低分辨率液晶显示器(LCD)屏面在移动设备中显示网络信息和文字消息是司空见惯的做法，但是更希望使用高分辨率显示器来浏览丰富的文字和图像信息内容。一种基于微显示器的系统可以提供每毫米50-100行的全色像素。这样的高分辨率通常适合于虚拟显示器。虚拟显示器通常由用以提供图像的微显示器和如下光学布置组成，该光学布置用于以如下方式来操纵从图像显现的光，使得如直接查看显示器屏面一样大地感知该图像。虚拟显示器可以是单目或者双目的。

从成像光学器件朝着眼睛显现的光束的大小称为出瞳。在近眼式显示器(NED)中，出瞳通常直径为10mm级。进一步放大出瞳使使用虚拟显示器显著地更加容易，因为可以将设备置于与眼睛有一定距离。由此，这样的显示器由于明显的原因而不再适合作为NED。抬头式显示器是具有充分大的出瞳的虚拟显示器中的例子。

Yaakov Amitai和Asher Friesem的PCT专利申请WO 99/52002“Holographic optical Devices”以及Yaakov Amitai和Asher Friesem的美国专利US6,580,529“Holographic optical Devices”公开了一种放大虚拟显示器的出瞳的方法。所公开的方法使用三个连续全息光学单元(HOE)来放大出瞳。具体而言，HOE是布置在如图1中所示平面型透光衬底6上的衍射光栅单元。如图所示，来自图像源2的光在设置于衬底6的一侧上的第一HOE或者H1之上入射。来自耦合到衬底6的H1的光被引向第二HOE或者H2，其中光的分布在一个方向上被扩展。H2也将被扩展的光分布重新引向第三HOE或者H3，其中光分布进一步在另一方向上被扩展。全息单元可以在衬底6的任一侧上。H3也把扩展的光分布从H3设置于其上的衬底表面重新引向外界。如图1中所示的光学系统作为一种近似地维持光束大体方向的光束扩展设备来工作。这样的设备也称为出瞳扩展器(EPE)。

在EPE中，出口光束相对于输入光束的能量取决于相邻光学单元之间的耦合。由于图像源的能量输出有限，所以希望实现相邻光学单元之间的高耦合效率。

发明内容

本发明的目的在于改进在出瞳扩展器中比如衍射光学单元这样的两个光学单元之间的光学耦合。这一目的可以通过使用具有定位在特定方向上的光栅线的衍射光学单元来实现，其作为放置在输入光学单元和离开光学单元之间的光学耦合器。特别地，该光学耦合器的光栅线定位为与输入光学单元和离开光学单元的光栅线呈60度。

由此，本发明的第一方面提供一种光学设备，包括：

光学材料的衬底，具有第一侧面和相对的第二侧面；

第一衍射单元，设置于衬底上，用于接收光束；

第二衍射单元，相关于第一衍射单元设置于衬底上；以及

中间衍射单元，设置于第一衍射单元与第二衍射单元之间，其中

接收光束的至少一部分在第一衍射单元中衍射，以便基本上在第一表面和第二表面内在入射方向上将衍射光分量提供给中间衍射单元，以及

在中间衍射单元中的衍射光分量的至少一部分基本上在第一表面与第二表面之间耦合到第二衍射单元，以便允许耦合衍射光分量的至少一部分通过在第二衍射单元中的衍射来退出衬底，其中中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案以便产生圆锥衍射。

根据本发明的第一方面，中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期的图案，使得向中间衍射单元提供的衍射光分量的入射方向在相对于图案方向而言的20度与40度的角范围内。

根据本发明的第一方面，该光学设备还包括：

第三衍射单元，与第二衍射单元相间隔地相关于第一衍射单元设置于衬底上；以及

又一中间衍射单元，设置于第一衍射单元与第二衍射单元之间，其中

接收光束的至少一部分在第一衍射单元中衍射，以便在第一表面和第二表面内在入射方向上将衍射光分量提供给该又一中间衍射单元，以及

在该又一中间衍射单元中的衍射光分量的至少一部分基本上在第一表面与第二表面之间耦合到第三衍射单元，以便允许耦合衍射光分量的至少一部分通过在第三衍射单元中的衍射来退出衬底，其中该又一中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期的图案，使得向又一中间衍射单元提供的衍射光分量的入射方向在相对于图案方向而言的50度与70度的角范围内。

根据本发明的第一方面，通过第一表面在第一衍射单元中接收该接收光束，并且耦合衍射光分量的至少一部分通过第一表面或者第二表面退出衬底。

根据本发明的第一方面，中间衍射单元包括形成周期性图案的多个槽。

根据本发明的第一方面，第一衍射单元具有由沿着与入射方向基本上垂直的图案方向的多个线性单元组成的周期性的图案，而第二衍射单元具有由沿着与入射方向基本上垂直的图案方向的多个线性的单元组成的周期性的图案。

另外根据本发明的第一方面，光束可以通过波矢量k_in来限定，而第一衍射单元可以包含具有周期d的周期性线；第二衍射单元可以包含具有周期d的更多周期性线，其中更多周期性线平行于第一衍射单元的周期性线；中间衍射单元可以包含具有通过范围0.9d/2cosρ至1.1d/2cosρ来限定的周期的另外更多周期性线，其中ρ是周期性线与另外更多周期性线之间的角度；以及耦合衍射光分量的至少一部分可以通过在第二衍射单元中的衍射来退出衬底，由此提供通过具有与光束的波矢量k_in完全相同的方向的又一波矢量k_out来限定的输出光束。另外，衍射光分量的至少一部分可以在向第二衍射单元提供衍射光分量的至少一部分之前进一步从中间衍射单元偶数次地衍射成一阶。另外，中间衍射单元可以仅支持反射零阶衍射模式和反射一阶衍射模式，或者衬底的折射率是n>λ/d，其中λ是输入光束的波长。另外，可以维持预定条件，该条件是中间衍射单元不支持二阶或者更高阶模式，或者该条件表达为 $\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\&rho;}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\&lambda;}},$ 其中n是衬底的折射率，λ是输入光束的波长。另外，ρ可以按照0<ρ<70°来给定。另外，可以维持预定条件，该条件是对于中间衍射单元而言不支持传输模式，或者该条件表达为λ/d>1，其中λ是输入光束的波长。另外，第一衍射单元、第二衍射单元或者中间衍射单元可以设置于第一表面上或者第二表面上。

本发明的第二方面提供一种在光学设备中光学耦合的方法，该光学设备包括：

光学材料的衬底，具有第一表面和相对的第二表面；

第一衍射单元，设置于衬底上，用于接收光束，其中接收光束的至少一部分在第一衍射单元中衍射以便提供衍射光分量；以及

第二衍射单元，相关于第一衍射单元设置于衬底上，以便允许衍射光分量的至少一部分通过在第二衍射单元中的衍射来退出衬底。该方法包括：

在第一衍射单元与第二衍射单元之间设置中间衍射单元，以便允许衍射光分量的一部分在入射方向在第一表面与第二表面之间进入中间衍射单元，其中中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案以便产生圆锥衍射。

根据本发明的第二方面，中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案，使得衍射光分量的入射方向在相对于图案方向而言的20度与40度的角范围内。

根据本发明的第二方面，该光学设备还包括：第三衍射单元，与第二设备相间隔地相关于第一衍射单元设置于衬底上，以便允许衍射光分量的至少一部分基本上通过在第三衍射单元中的衍射来退出衬底。该方法还包括：

在第一衍射单元与第三衍射单元之间设置又一中间衍射单元，以便允许衍射光分量的一部分在入射方向在第一表面与第二表面中间进入又一中间衍射单元，其中又一中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线的性单元组成的基本上周期性的图案，使得衍射光分量的入射方向在相对于图案方向而言的50度与70度的角范围内。

根据本发明的第二方面，第一衍射单元具有由沿着第一图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案，而第二衍射单元具有由沿着与第一图案方向基本上平行的第二图案方向的基本上线性单元组成的基本上周期性的图案。

另外根据本发明的第二方面，光束可以通过波矢量kin来限定，而第一衍射单元可以包含具有周期d的周期性线；第二衍射单元可以包含具有周期d的更多周期性线，其中更多周期性线平行于第一衍射单元的周期性线；中间衍射单元可以包含具有通过范围0.9d/2cosρ至1.1d/2cosρ来限定的周期的另外更多周期性线，其中ρ是周期性线与另外更多周期性线之间的角度；以及耦合衍射光分量的至少一部分可以通过在第二衍射单元中的衍射来退出衬底，由此提供通过具有与光束的波矢量k_in完全相同的方向的又一波矢量k_out来限定的输出光束。另外，衍射光分量的至少一部分可以在向第二衍射单元提供衍射光分量的至少一部分之前进一步从中间衍射单元偶数次地衍射成一阶。

本发明的第三方面提供一种电子设备，包括：

数据处理单元；

光学引擎，可操作地连接到数据处理单元，用于从数据处理单元接收图像数据；

显示器设备，可操作地连接到光学引擎，用于基于图像数据形成图像；以及

出瞳延伸器，包括：

光学材料的衬底，具有第一表面和相对的第二表面；

第一衍射单元，设置于衬底上，用于接收光束；

第二衍射单元，相关于第一衍射单元设置于衬底上；以及

中间衍射单元，设置于第一衍射单元和第二衍射单元之间，其中

接收光束的至少一部分在第一衍射单元中衍射，以便基本上在第一表面和第二表面内在入射方向上将衍射光分量提供给中间衍射单元，以及

在中间衍射单元中的衍射光分量的至少一部分基本上在第一表面与第二表面之间耦合到第二衍射单元，以便允许耦合衍射光分量的至少一部分通过在第二衍射单元中的衍射来退出衬底，其中中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性单元组成的基本上周期性的图案以便产生圆锥衍射。

根据本发明的第三方面，在圆锥衍射中的角度介于50度与70度之间，而中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案，使得向中间衍射单元提供的衍射光分量的入射方向在相对于图案方向而言的20度与40度的角范围内。

根据本发明的第三方面，该光学设备还包括：

第三衍射单元，与第二衍射单元相间隔地相关于第一衍射单元设置于衬底上；以及

又一中间衍射单元，设置于第一衍射单元与第三衍射单元之间，其中

接收光束的至少一部分在第一衍射单元中衍射，以便在第一表面和第二表面内在入射方向上将衍射光分量提供给又一中间衍射单元，以及

在又一中间衍射单元中的衍射光分量的至少一部分基本上在第一表面与第二表面之间耦合到第三衍射单元，以便允许耦合衍射光的至少一部分通过在第三衍射单元中的衍射来退出衬底，其中又一中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案，使得向又一中间衍射单元提供的衍射光分量的入射方向在相对于图案方向而言的50度与70度的角范围内。

根据本发明的第三方面，该电子设备可以是便携设备，比如移动电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携因特网设备、手持计算机、数字视频和静止相机、可佩戴式计算机、计算机游戏设备、用于观看的专用一睹为快产品和其它便携电子设备。然而，根据本发明的出瞳延伸器也可以使用于非便携设备中，比如游戏设备、售货机、整经机和家电如烤箱、微波炉和其它家电以及其它非便携设备中。

另外根据本发明的第三方面，光束可以通过波矢量k_in来限定，而第一衍射单元可以包含具有周期d的周期性线；第二衍射单元可以包含具有周期d的更多周期性线，其中更多周期性线平行于第一衍射单元的周期性线；中间衍射单元可以包含具有通过范围0.9d/2cosρ至1.1d/2cosρ来限定的周期的另外更多周期性线，其中ρ是周期性线与另外更多周期性线之间的角度；以及耦合衍射光分量的至少一部分可以通过在第二衍射单元中的衍射来退出衬底，由此提供通过具有与光束的波矢量k_in完全相同的方向的又一波矢量k_out来限定的输出光束。另外，衍射光分量的至少一部分可以在向第二衍射单元提供衍射光分量的至少一部分之前进一步从中间衍射单元偶数次地衍射成一阶。

在阅读与图2-图10相结合的描述时，本发明将变得明显。

附图说明

图1是示出了现有技术中一种使用三个衍射单元的出瞳扩展器的示意性表示图；

图2是示出了根据本发明的出瞳延伸器的顶视图的示意性表示图；

图3是示出了根据本发明的出瞳延伸器的等距图的示意性表示图；

图4是示出了根据本发明在中间衍射光学单元中光栅线的取向的示意性表示图；

图5是示出了根据本发明的出瞳延伸器的另一实施例的示意性表示图；

图6是示出了衍射光学单元中的典型反射和衍射的示意性表示图；

图7是示出了具有虚拟显示器系统的电子设备的示意性表示图；

图8是示出了根据本发明的广义2D出瞳扩展器的几何形状的示意性表示图；

图9a和图9b是根据本发明在中间衍射光栅中传播的光束的示意性表示图(分别是侧视图和顶视图)；以及

图10是根据本发明的中间衍射光栅的布局的示意性表示图。

具体实施方式

在根据本发明的出瞳延伸器(EPE)10中具有由光学材料制成的衬底20。如图2中所示，在衬底20上有一个输入光学单元30和一个或者两个出口光学单元50。EPE 10也具有各自设置于输入光学单元30与出口光学单元50、50’之一之间的一个或者两个中间光学耦合器40、40’。耦合器40、40’作为出瞳延伸部件来使用。光学单元30、50、50’和耦合器40、40’例如是衍射光学单元(DOE)。各DOE具有用于衍射目的的多个光栅线。如图所示，光学单元30具有多个光栅线32；光学单元40(40’)具有多个光栅线42，而光学单元50(50’)具有多个光栅线52。

图3是示出了在输入光束70与两个退出光束80、80’之间的关系的等距图。如图所示，衬底20具有第一侧22和第二侧24。输入光束70在衬底20的一侧上进入EPE 10，而退出光束80、80’在与输入光束基本上平行的方向上在衬底20的不同侧上退出EPE 10。

如图2中所示，DOE 30和50(50’)中的光栅线32和52基本上平行于Y轴。为了DOE 40(40’)像光束延伸器一样起作用并且优化它的效率，耦合器DOE 40(40’)中的光栅线如图4中所示相对于Y轴基本上成60度的角。于是，进入DOE 40(40’)的一侧的光陷入第一侧22与第二侧24之间的光栅区域中，直至它从DOE 40(40’)的另一侧显现出来。另外，DOE 40(40’)的形状被设计成使得在输出端处，离开光栅区域的射线如图3中所示基本上平行于X轴。

根据本发明的一个实施例，所有DOE 30、40(40’)和50(50’)中的光栅周期基本上相同。然而，尽管DOE 30和50(50’)具有同一周期，仍然允许DOE 40略微偏离于这些周期而不扰乱EPE系统的运作。不过各光栅具有根据它的功能而优化的独有光栅分布。DOE30和DOE 40(40’)通常具有深的分布和恰当的填充比。

如图3中所示，当EPE 10用来扩张在DOE 30之上入射的光束70时，光束70由于衬底20的一侧上的总内部反射(TIR)(如果DOE 30设置于上侧22上，则TIR出现在下侧24上)而基本上沿着方向72(72’)朝着DOE 40(40’)衍射和反射。光束从DOE 40(40’)进一步衍射到相对于方向72(72’)基本上成60度圆锥角的方向。在衬底20的下侧中的TIR之后，光束再次与光栅40(40’)会合、然后在平行于方向72(72’)的方向上再次衍射。最后，在一些连续步骤之后，光束基本上沿着与方向72(72’)基本上相同的方向74(74’)进入DOE 50(50’)。重要的是保证光束与光栅40(40’)会合偶数次。否则光束没有恰好地在正确的方向进入DOE 50(50’)。最后，光束作为退出光束80、80’退出DOE 50、50’。然而应当注意，退出光束80、80’的横截面大于输入光束70的横截面，因为输入光束在DOE中在Y轴和X轴中都被扩展。如图3中所示，进入DOE 40的光束的入射角基本上沿着基本上在XZ平面中的方向72。方向72可以根据圆锥光栅等式来计算，而一般在实践情况下，方向72上的光束没有完全地在XZ平面中行进而以某些度数偏离于该平面。

图4示出了DOE 40中光栅线42的取向。如上所述，光栅线42相对于Y轴基本上成60度的角。由此，光栅线42相对于入射方向72基本上成60度圆锥角(见图3)。然而，圆锥角可以偏离于60度，只要在衍射中存在仅两个反射衍射模式：零阶和一阶。应当注意，在圆锥衍射中光束一般不垂直于光栅线。圆锥角相对于垂直方向来限定。这一条件取决于传入光束角(70)、光栅周期以及材料的折射率。这一可接受的角空间必须使用圆锥衍射公式根据情况来计算。这一可接受的角空间通常如此之大以至于系统在多数实践情况、甚至宽视野情况下中起作用。如前所述，有必要的是光束与光栅40(40’)相遇偶数次。因此，DOE 40(40’)的离开边沿的角必须使得满足这一条件。这一角度可以根据圆锥衍射公司和传入光束的角展度来计算。一般而言，DOE 40(40’)的离开边沿由此相对于Y轴形成略大于30度的角。DOE 40(40’)通常是二元型光栅，而在本发明中描述的几何形状中，第一衍射阶的衍射效率可能高达90％。另外，可以用恰当的填充比来调节光栅效率以便与极化无关。

DOE 40’基本上是DOE 40的镜像。由此，光栅线42’的取向类似于光栅线42的取向。

如图3中所示，输入光束70在EPE 10的一侧上进入DOE 30，而退出光束80、80’在EPE10的另一侧上离开DOE 50、50’。应当注意，EPE 10中衍射光栅的布置一般使得退出光束80、80’也在与进入EPE 10的输入光束70相同的一侧上退出EPE 10，如图5中所示。

在本领域中已知，退出光束80、80’中与输入光束70相比而言的光束扩展部分地归因于各种DOE中的不同尺度和形状以及部分地归因于多次衍射和总内部反射(TIR)。如图6中所示，传入光束在不同位置R通过TIR来反射而在衍射位置D通过光栅线52来衍射，获得退出光束80。

EPE 10可以使用于便携设备100中，比如移动电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携因特网设备、手持计算机、数字视频和静止相机、可佩戴式计算机、计算机游戏设备、用于观看的专用一睹为快式(bring-to-the-eye)产品和其它便携电子设备。如图7中所示，便携设备100具有用以容纳通信单元212的壳体210，该通信单元用于从外部设备(未示出)接收信息和发送信息到该外部设备。便携设备100也具有用于处理所接收的信息和所发送的信息的控制和处理单元214以及用于观看的虚拟显示器系统230。虚拟显示器系统230包括微显示器或者图像源192和光学引擎190。控制和处理单元214可操作地连接到光学引擎190以提供图像数据给图像源192从而在其上显示图像。根据本发明的EPE10可以光学地链接到光学引擎190。

应当注意，各光学单元30、40、40’、50、50’可以是具有光栅线的衍射光学单元或者具有干涉条纹的全息衍射光学单元(HOE)。顾名思义，全息衍射单元是以全息方式产生的，其中至少两个相干光束用来产生条纹。与此不同的是，衍射光学单元可以用机械或者化学方式来产生。

本发明的目的在于实现EPE中各种DOE之间的高效光学耦合，而在尺寸和形状上设置DOE并且将DOE布置用于退出瞳孔扩展。本发明的EPE的应用不限于虚拟显示器。根据本发明在平面型波导(衬底20)中的选择性反射控制也可以使用于任何如下应用中，在该应用中需要一个或者多个方向上的光束扩展并且使用不同波长的光。衍射单元事实上是用于将光耦合到平面型波导中的光学耦合器和光调制器设备。由此，如图2至图6中所示的EPE 10可以视为一种包括平面型波导和多个光学耦合器(或者光调制器设备)的光学设备，这些光学耦合器相邻于波导来设置或者设置于波导上用于光耦合和操纵目的。

如图7中描绘的图像源192可以是顺序彩色LCOS(硅上液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、MEMS(微电机电系统)设备或者在透射、反射或者放射模式下操作的任何其它适当微显示器设备。

另外，电子设备100可以是便携设备如移动电话、个人数字朱里(PDA)、通信器、便携因特网设备、手持计算机、数字视频和静止相机、可佩戴式计算机、计算机游戏设备、用于观看的专用一睹为快产品和其它便携电子设备。然而，根据本发明的出瞳延伸器也可以使用于非便携设备如游戏设备、售货机、整经机(band-o-matic)和家电如烤箱、微波炉和其它家电以及其它非便携设备中。

由此，虽然已经参照其优选实施例来描述本发明，但是本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的范围情况下做出在其形式和细节上的前述和各种其它变化、省略及变更。

本发明的又一目的在于提供一种在光学衬底上使用多个衍射单元以便扩展用于观看的电子设备的显示器的出瞳的通用衍射光学方法。

根据本发明的一个实施例，这一方法可以用于光学设备中的光学耦合，而它的特征在于扩展在输出光束中提供的输入光束的出瞳，其中该光学设备包括：光学材料的衬底(或者光学衬底)，具有第一表面和相对的第二表面；第一(耦合内)衍射单元，设置于衬底上，用于接收通过波矢量k_in限定的输入光束(或者输入光线束)并且包含具有周期d的周期性线；第二(耦合出)衍射单元，相关于第一衍射单元设置于衬底上并且包含与第一衍射单元的线基本上平行的具有周期d的更多周期性线；以及中间(扩展)衍射单元，相邻于第一和第二衍射单元来设置，其周期性线在光学衬底的平面中相对于第一和第二衍射单元的线成角度ρ。

另外，接收的光束的至少一部分在第一衍射单元中被衍射以便基本上在第一和第二表面内将具有波矢量k₀的衍射光分量提供给中间衍射单元(例如经历总内部反射)。另外，在中间衍射单元中的衍射光分量的至少一部分再次被衍射成具有波矢量k₂的第一衍射阶、并且基本上在第一与第二表面之间最终被耦合到第二衍射单元(同样例如经历总内部反射)以便允许所耦合的衍射光分量的至少一部分通过在第二衍射单元中的衍射来退出衬底，由此提供通过又一波矢量k_out限定的输出光束。通常，第二衍射单元也生成另一输出光束，该波矢量就衬底表面而言是波矢量k_out的镜像。由于这一波矢量在其它方面与波矢量k_out相同而在实际应用中它被有意地阻尼到低值，因此并不与波矢量k_out有更多不同地来考虑它。

根据本发明的一个实施例，中间衍射光栅包含更多周期性线，其中在第一衍射单元的周期性线与这些更多周期性线之间的角度(或者旋转角)为ρ，并且这更多周期性线的周期d’给定如下：

0.9d/2cosρ<d’<1.1d/2cosρ                    (1).

根据本发明的一个实施例，在向第二衍射单元提供衍射光分量的所述至少一部分之前，光分量在中间衍射单元上入射和衍射(例如衍射成一阶)偶数次。在中间衍射单元上偶数次衍射的事实如下文证实的那样意味着又一波矢量k₂具有与在适当的操作条件下(即系统在几何形状上是准确的)从具有波矢量k_in的输入光束生成的波矢量k₀完全相同的方向。

另外，根据本发明的一个实施例，第一衍射单元、第二衍射单元或者中间衍射单元可以设置于光学衬底的第一表面上或者第二表面上。另外，根据本发明的一个实施例，第一衍射单元、第二衍射单元或者中间衍射单元可以使用平版印刷方法或者经典规则(具有不同的槽角和型面如二元、三角、正弦等)来制造的平面式衍射光栅。

根据本发明的广义方法提供了用于支持多样化旋转角使得系统在几何形状上准确(即波矢量k_in和k_out具有同一方向)的条件。第一衍射单元的周期使得它仅支持用来将光耦合到衬底中的零阶和一阶透射衍射模式。下文表明，如果中间衍射单元仅支持零阶和一阶反射模式而其它模式被禁止，则系统可以支持宽的旋转角范围0<ρ<70°以及更大范围。这意味着宽的圆锥入射角范围(至少在0与70°之间以及更大范围)可以通过中间衍射单元来支持(圆锥角是入射光的平面与垂直于周期性线的平面之间的角)。

图8示出了根据本发明的广义二维(2D)出瞳扩展器(EPE)300的几何形状的示意性表示图的多个例子之中特别的一个例子，该例子图示了上述通用衍射光学方法。图8示出了光学衬底(板)250的顶视图，该衬底具有设置于光学衬底250上的三个衍射单元：具有线周期d的第一(耦合内)衍射单元(耦合内衍射光栅)270、具有线周期d的第二衍射单元(耦合出衍射光栅)280(光栅270和280的周期性线是平行的)以及具有等式1所给定的线周期d’的中间(扩展)衍射单元(中间衍射光栅)260，其中线周期在光学衬底的平面中相对于第一和第二衍射单元270和280的线成角度ρ，如图8中所示。

为了证实当光束从同一衍射光栅被两次衍射成一阶时保持这些角度，图9a和图9b示出了图8的光学衬底(透明板)250的示意性表示图(分别是侧视图和顶视图)，其中中间衍射光栅260设置于该衬底的表面上。

进入衍射光栅260的光束通过具有分量角(θ₀，

)的波矢量k₀来描述，这些分量角分别利用与光栅260的周期性线相垂直的板250的平面中的坐标轴和与光学衬底250的表面相垂直的轴来形成。角度(θ₀，)是来自耦合内光栅的一阶衍射的结果并且符合如下等式：

其中已经选择+1透射阶以供考虑。对于其它模式-1则获得相似等式，但是模式符号相反。板250的折射率为n而对于空气而言折射率为1。光束被衍射成反射阶-1和0。对于衍射模式-1的角度，具有如下等式对：

该等式对限定了波矢量k₁的分量，这些矢量通过利用与角度

相同的坐标轴而形成的角度

来描述。

光束传播到上表面、然后在全内部反射之后到达下表面，在这里它再次与光栅260相遇。这一光束将被衍射光栅260衍射成反射阶1和0。反射阶1具有在板250内利用与角度

相同的坐标轴而形成的角度

波矢量k₂现在通过下式来限定：

从中可以看出θ₀＝θ₂且

通过波矢量k₂描述的光束然后被耦合到耦合出衍射光栅280。最后，耦合出光栅280将从板出来的光束耦合到通过角度

描述的波矢量k_out。等式如下：

这证实了当离开中间光栅区域的光束具有从光栅偶数次的一阶衍射时光束方向未变。这一原理在图10的例子中有进一步证实。

为了保证在中间衍射光栅中恰好地有偶数次一阶衍射重新引向耦合出光栅，中间衍射光栅260的离开边沿必须相对于光栅线成某一角度，如图10中所示。针对该角度的关系如下：

角度

在指定视野中是任何角度。

为了保证在中间光栅中仅由零阶和一阶反射衍射，除了等式1所给定的线周期d’的范围之外还需要对光栅周期和旋转角设置一些要求。

使用圆锥等式，可以计算在光学衬底250内部在与光学衬底250的表面相垂直的方向上的波矢量分量，这允许导出如下所示对于模式-1和0而言存在的条件：

$n>\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d}---\left(7\right)$

等式7的这一条件在所有实践情况下都有效，只要关注旋转角ρ即可。

在中间衍射光栅中没有透射模式的条件是λ/d>1而它在所有实践情况下都有效。另一要求是在中间衍射光栅中应当不存在其它反射模式。仅考虑最低衍射模式即-2和+1就足够了，并且相应地获得如下条件：

$\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\&rho;}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\&lambda;}}---\left(8\right)$

等式8描述的这一条件通常对于0<ρ<70°有效。这意味着宽的圆锥入射角范围(至少在0°与70°之间以及更大范围)可以得到中间衍射光栅的支持(圆锥角度是图8中的角度)，其中线周期d’的范围由等式1给定。由等式1给定的d’的范围在不同条件之下可能明显更宽。例如，可以表明，对于ρ＝60°和°±12°的水平视野而言，d’的范围延伸到0.66d/2cosρ<d′<1.24d/2cosρ。

中间衍射光栅的效率达到约60°旋转角度的很高值，使得衍射效率对于TE和TM极化都相等。

将理解到上述布置仅仅说明本发明原理的应用。在不脱离本发明的范围情况下可以由本领域技术人员做出许多修改和替选布置，而所附权利要求旨在于覆盖这样的修改和布置。

Claims (31)

1.一种光学设备，包括：

光学材料的衬底，具有第一表面和相对的第二表面；

第一衍射单元，设置于所述衬底上，配置用以接收光束；

第二衍射单元，相关于所述第一衍射单元设置于所述衬底上，并且具有基本上与第一衍射单元相同的光栅线取向；以及

中间衍射单元，设置于所述第一衍射单元和所述第二衍射单元之间，其中

所述第一衍射单元配置用以在所述第一表面和所述第二表面内衍射所述接收光束的至少一部分，以便基本上在入射方向上将衍射光分量提供给所述中间衍射单元，

所述中间衍射单元配置用以通过基本上在所述第一表面与所述第二表面之间的衍射来耦合所述衍射光分量的至少一部分，以便向所述第二衍射单元提供耦合衍射光分量，以及

所述第二衍射单元配置用以通过在所述第二衍射单元中的衍射来耦合所述耦合衍射光分量的至少一部分以退出所述衬底，其中所述中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案以便产生圆锥衍射。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其中在所述圆锥衍射中的角度介于50度与70度之间。

3.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案，使得向所述中间衍射单元提供的所述衍射光分量的所述入射方向在相对于所述图案方向而言的20度与40度的角范围内。

4.根据权利要求3所述的光学设备，还包括：

第三衍射单元，与所述第二衍射单元相间隔地相关于所述第一衍射单元设置于所述衬底上；以及

又一中间衍射单元，设置于所述第一衍射单元与所述第三衍射单元之间，其中

所述第一衍射单元配置用以在所述第一表面和所述第二表面内衍射所述接收光束的又一部分，以便在又一入射方向上将又一衍射光分量提供给所述又一中间衍射单元，以及

所述又一中间衍射单元配置用以通过基本上在所述第一表面与所述第二表面之间的衍射来耦合所述又一衍射光分量的至少一部分，以便向所述第三衍射单元提供又一耦合衍射光分量；以及

所述第三衍射单元配置用以通过在所述第三衍射单元中的衍射来耦合所述又一耦合衍射光分量的至少一部分以退出所述衬底，其中所述又一中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案，使得向所述又一中间衍射单元提供的所述衍射光分量的所述入射方向在相对于所述图案方向而言的50度与70度的角范围内。

5.根据权利要求1所述的光学设备，其中通过所述第一表面在所述第一衍射单元中接收所述接收光束，而所述耦合衍射光分量的至少一部分通过所述第二表面退出所述衬底。

6.根据权利要求1所述的光学设备，其中通过所述第一表面在所述第一衍射单元中接收所述接收光束，而所述耦合衍射光分量的至少一部分通过所述第一表面退出所述衬底。

7.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述中间衍射单元包括形成所述周期性的图案的多个槽。

8.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第一衍射单元具有由沿着与所述入射方向基本上垂直的图案方向的多个线性单元组成的周期性的图案。

9.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第二衍射单元具有由沿着与所述入射方向基本上垂直的图案方向的多个线性的单元组成的周期性的图案。

10.根据权利要求1所述的光学设备，其中：

所述光束通过波矢量k_in来限定，而所述第一衍射单元包括具有周期d的周期性线；

所述第二衍射单元包括具有周期d的更多周期性线，其中所述更多周期性线平行于所述第一衍射单元的所述周期性线；

所述中间衍射单元包括具有通过范围0.9d/2cosρ至1.1d/2cosρ来限定的周期的另外更多周期性线，其中ρ是所述周期性线与所述另外更多周期性线之间的角度；以及

所述耦合衍射光分量的所述至少一部分通过在所述第二衍射单元中的所述衍射来退出所述衬底，以便提供通过具有与所述光束的所述波矢量k_in完全相同的方向的又一波矢量k_out来限定的输出光束。

11.根据权利要求10所述的光学设备，其中所述中间衍射单元配置用以在向所述第二衍射单元提供所述耦合衍射光分量之前将所述衍射光分量的所述至少一部分偶数次地衍射成一阶。

12.根据权利要求10所述的光学设备，其中所述中间衍射单元配置用以仅支持反射零阶衍射模式和反射一阶衍射模式，或者所述衬底的折射率是n>λ/d，其中λ是所述输入光束的波长。

13.根据权利要求10所述的光学设备，其中维持预定条件，所述条件是所述中间衍射单元配置为不支持二阶或者更高阶模式，或者所述条件表达为 $\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\&rho;}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\&lambda;}},$ 其中n是所述衬底的折射率，λ是所述输入光束的波长。

14.根据权利要求13所述的光学设备，其中0<ρ<70°。

15.根据权利要求10所述的光学设备，其中维持预定条件，所述条件是所述中间衍射单元配置为不支持传输模式，或者所述条件表达为λ/d>1，其中λ是所述输入光束的波长。

16.根据权利要求10所述的光学设备，其中所述第一衍射单元、所述第二衍射单元或者所述中间衍射单元设置于所述第一表面上或者所述第二表面上。

17.一种方法，包括：

在设置于具有第一表面和相对的第二表面的光学材料衬底上的第一衍射单元处接收光束；

基本上在所述第一表面与所述第二表面内在所述第一衍射单元中衍射所述接收光束的至少一部分，以便在入射方向将衍射光分量提供给中间衍射单元；

基本上在所述第一表面与所述第二表面之间通过所述中间衍射单元来进一步衍射所述衍射光分量的至少一部分，以便将耦合衍射光分量提供给第二衍射单元，从而允许所述耦合衍射光分量的至少一部分通过在所述第二衍射单元中的衍射来退出所述衬底，其中

所述第二衍射单元相关于所述第一衍射单元设置于所述衬底上，并且具有基本上与第一衍射单元相同的光栅线取向，以及

所述中间衍射单元相邻于所述第一衍射单元和所述第二衍射单元来设置，并且具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案以便产生圆锥衍射。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案，使得所述衍射光分量的所述入射方向在相对于所述图案方向而言的20度与40度的角范围内。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

基本上在所述第一表面与所述第二表面内在所述第一衍射单元中衍射所述接收光束的又一部分，以便将又一衍射光分量提供给又一中间衍射单元；

基本上在所述第一表面与所述第二表面之间通过所述中间衍射单元来进一步衍射所述又一衍射光分量的至少一部分，以便将又一耦合衍射光分量提供给第三衍射单元，从而允许所述又一耦合衍射光分量的至少一部分通过在所述第三衍射单元中的衍射来退出所述衬底，其中

所述第三衍射单元与所述第二衍射单元相间隔地相关于所述第一衍射单元设置于所述衬底上；以及

所述又一中间衍射单元设置于所述第一衍射单元和所述第三衍射单元之间，并且所述中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案，使得所述衍射光分量的所述入射方向在相对于所述图案方向而言的50度与70度之间的角范围内。

20.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一衍射单元具有由沿着第一图案方向的基本上线性单元组成的基本上周期性的图案，而所述第二衍射单元具有由沿着与所述第一图案方向基本上平行的第二图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案。

21.根据权利要求17所述的方法，其中：

所述光束通过波矢量k_in来限定，而所述第一衍射单元包括具有周期d的周期性线；

所述第二衍射单元包括具有周期d的更多周期性线，其中所述更多周期性线平行于所述第一衍射单元的所述周期性线；

所述中间衍射单元包括具有通过范围0.9d/2cosρ至1.1d/2cosρ来限定的周期的另外更多周期性线，其中ρ是所述周期性线与所述另外更多周期性线之间的角度；以及

所述耦合衍射光分量的所述至少一部分通过在所述第二衍射单元中的所述衍射来退出所述衬底，以便提供通过具有与所述光束的所述波矢量k_in完全相同的方向的又一波矢量k_out来限定的输出光束。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述中间衍射单元配置用以在向所述第二衍射单元提供所述耦合衍射光分量之前将所述衍射光分量的所述至少一部分偶数次地衍射成一阶。

23.一种电子设备，包括：

数据处理单元；

光学引擎，可操作地连接到所述数据处理单元，用于从所述数据处理单元接收图像数据；

显示器设备，可操作地连接到所述光学引擎，用于基于所述图像数据形成图像；以及

出瞳延伸器，包括：

光学材料的衬底，具有第一表面和相对的第二表面；

第一衍射单元，设置于所述衬底上，配置用以接收光束；

第二衍射单元，相关于所述第一衍射单元设置于所述衬底上，并且具有基本上与第一衍射单元相同的光栅线取向；以及

中间衍射单元，设置于所述第一衍射单元与所述第二衍射单元之间，其中

所述第一衍射单元配置用以在所述第一表面与所述第二表面内衍射所述接收光束的至少一部分，以便基本上在入射方向上将衍射光分量提供给所述中间衍射单元，

所述中间衍射单元配置用以通过基本上在所述第一表面与所述第二表面之间的衍射来耦合所述衍射光分量的至少一部分，以便将耦合衍射光分量提供给所述第二衍射单元，以及

所述第二衍射单元配置用以通过在所述第二衍射单元中的衍射来耦合所述耦合衍射光分量的至少一部分以退出所述衬底，其中所述中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案以便产生圆锥衍射。

24.根据权利要求23所述的电子设备，其中在所述圆锥衍射中的角度介于50度与70度之间。

25.根据权利要求23所述的电子设备，其中所述中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性的单元组成的基本上周期性的图案，使得向所述中间衍射单元提供的所述衍射光分量的所述入射方向在相对于所述图案方向而言的20度与40度的角范围内。

26.根据权利要求25所述的电子设备，其中所述光学设备还包括：

第三衍射单元，与所述第二衍射单元相间隔地相关于所述第一衍射单元设置于所述衬底上；以及

又一中间衍射单元，设置于所述第一衍射单元与所述第三衍射单元之间，其中

所述第一衍射单元配置用以在所述第一表面与所述第二表面内衍射所述接收光束的又一部分，以便在又一入射方向上将又一衍射光分量提供给所述又一中间衍射单元，以及

所述又一中间衍射单元配置用以通过基本上在所述第一表面与所述第二表面之间的衍射来耦合所述又一衍射光分量的至少一部分，以便向所述第三衍射单元提供又一耦合衍射光分量；以及

所述第三衍射单元配置用以通过在所述第三衍射单元中的衍射来耦合所述又一耦合衍射光的至少一部分以退出所述衬底，其中所述又一中间衍射单元具有由沿着图案方向的基本上线性单元组成的基本上周期性的图案，使得向所述又一中间衍射单元提供的所述衍射光分量的所述入射方向在相对于所述图案方向而言的50度与70度的角范围内。

27.根据权利要求23所述的电子设备，包括计算机游戏设备或者数字相机。

28.根据权利要求23所述的电子设备，还包括：通信单元，用于接收包含指示了所述图像数据的信息的数据，其中所述数据处理单元可操作地连接到所述通信单元以便接收所述信息。

29.根据权利要求28所述的电子设备，包括移动终端。

30.根据权利要求23所述的电子设备，其中：

所述光束通过波矢量k_in来限定，而所述第一衍射单元包括具有周期d的周期性线；

所述第二衍射单元包括具有周期d的更多周期性线，其中所述更多周期性线平行于所述第一衍射单元的所述周期性线；

所述中间衍射单元包括具有通过范围0.9d/2cosρ至1.1d/2cosρ来限定的周期的另外更多周期性线，其中ρ是所述周期性线与所述另外更多周期性线之间的角度；以及

所述耦合衍射光分量的所述至少一部分通过在所述第二衍射单元中的所述衍射来退出所述衬底，以便提供通过具有与所述光束的所述波矢量k_in完全相同的方向的又一波矢量k_out来限定的输出光束。

31.根据权利要求30所述的电子设备，其中所述中间衍射单元配置用以在向所述第二衍射单元提供所述耦合衍射光分量之前将所述衍射光分量的所述至少一部分偶数次地衍射成一阶。

Images