CN101124497A - 用于光学尺寸调整的装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种光学尺寸调整装置。所述装置包括形成基板的多个层，所述基板具有第一刻面和第二刻面。所述多个层的每一层具有在该层中形成的和/或嵌入到该层中的波导布置。在一个实施例中，所述层以部分重叠光学布置的方式布置，使得每一层在所述第二刻面具有光学暴露的区域。在另一个实施例中，所述装置包括两个光学尺寸调整元件，每一个都被配置成提供一个维度的光学扩展或收缩，使得在装置中传播的光经历二维的光学尺寸调整。

Description

用于光学尺寸调整的装置和方法

技术领域

本发明涉及光学，更具体而言，涉及用于光学尺寸调整的装置和方法。

背景技术

电子装置的微型化一直是电子学领域中持续的目标。电子装置通常装配有某种形式的为用户所见的显示器。当这些装置的尺寸减小时，它们的显示尺寸也减小。然而，超出某一尺寸，电子装置的显示不能被肉眼所见，并且它的图像需要被放大。

电子显示器可以提供实像或虚像，实像的尺寸由显示装置的物理尺寸决定，虚像的尺寸可以扩展显示装置的尺寸。

通过将图像投射到较大的屏幕，或借助无源光学放大元件为用户提供放大的虚像，可以实现由小尺寸图像显示系统产生的图像的放大。虚像被定义为这种图像：它不能被投射到观察面，因为没有光线连接所述图像和观察者。

然而，应当理解，上述放大技术远没有达到最佳。投影的实像是笨重的，因为在投影时，图像的扩展通过垂直于显示器的光的传播获得。产生虚像的装置具有有限的视野且通常也是笨重的。

另一放大技术中，图像不是被投影而是通过从一个小刻面(facet)延伸到一个大刻面的一束光纤引导。所述小刻面通常被称为“物平面”，而且所述较大的刻面通常被称为“像平面”。

现在参考附图，图1-2是用于制造光纤基引导放大器的几个现有技术的示意图。

图1a示出了基于美国专利No.2,825,260的讲授的光学图像传送装置。从小刻面到大刻面的放大通过增加该束中光纤之间的间隔获得。图1b示出了美国专利No.2,992,587和No.3,853,658中公开的对该方法的修改。该技术中，光纤向大刻面是向上渐细(up-taper)的。然而，由于与光纤的间隔和向上渐细相关的技术限制，这些技术是不可生产的。

一种克服上述逐渐变大问题的尝试在美国专利No.3,909,109中公开，其中在大刻面处添加一个附加层。该层的厚度选择成，允许经过该层的自由传播，直到光纤的远场光束重叠为止。然而，这种技术受到一个主要限制，因为远场线的高斯形状使得难以确定该附加层的最佳厚度。

图1c示出了图1a的装置的另一种改进，这种改进基于美国专利No.3,043,910和No.4,208,096的讲授。该改进方案中，仅在一个维度执行光纤分离，由此在另一个(基本垂直的)维度中的分离通过台阶或斜切完成。在这种配置中，在一个方向中被分离之后，光纤被重定向到大刻面，在那里它们是台阶或斜切，使得光纤在基本垂直的方向分离。这种解决方法的主要限制是制造复杂度。

图2a-b示出了根据美国专利No.3.402,000和No.6,326,939的讲授，用于制造光纤放大元件的另一种技术。参考图2a，一维放大元件包括圆柱形的光纤，它们以这样一种方式切割：使得，在一端形成圆形剖面而在另一端形成椭圆形剖面。圆形剖面垂直于圆柱体的纵轴，并且因此具有与圆柱体相同的尺寸。椭圆形剖面相对于纵轴是倾斜的，因此具有等于圆柱体尺寸的短轴和大于圆柱体尺寸的长轴。当光经过光纤从圆形一端传输到椭圆形一端时，在椭圆形剖面的长轴方向建立了一维的放大。

参考图2b，两个这样的一维放大元件经由重定向层相连接，使得一个元件的输出用作另一个元件的输入。第二重定向层用于将光耦合到该第二放大元件之外。为在第一和第二元件之间获得合适的光学耦合，光纤在第二元件的输入端上的剖面必须具有与光纤在第一元件的输出端上的相同的椭圆形剖面。

然而，第二元件的光纤的椭圆形剖面不能通过倾斜的切割获得，因为光纤的输入剖面必须垂直于它们的纵轴。另一方面，具有椭圆形光纤的光纤束并不存在。因此，为了不使第二放大的分辨率无束缚，第二元件中的光纤的数目将时第一元件中光纤的数目的一个倍数，该倍数约等于第一元件的一维放大率。该技术另外的缺点是需要重定向层和存在非引导光，这可能减少显示器的高宽比。

美国专利No.5,511,141和No.5,600751公开了一种通过一束并置的纵向渐变细的光纤形成的读取放大器。该放大器是可以从TaPerVision Co.Ltd.，USA购买，商标是TaperMag^TM[E.Peli，W.P.Siegmund“Fiber-optic reading magnifiers for the visually impaired，”JOpt Soc Am A 12(10)：2274-2285，1995]。然而，TaperMag^TM是笨重的(对于高达2英寸的屏幕，约5cm的厚度仅有2倍的放大)，因为其厚度必须与切面直径尺寸相当。

在美国专利No.6,480,345中Kawashima等公开了一种放大器，该放大器利用了从小刻面延伸到大刻面的高折射率区域。在Kawashima等做的模拟中，发现，30英寸的放大器可以具有小于4cm的厚度且可以实现十倍的放大。然而，Kawashima的放大器的制造方法十分复杂。例如，Kawashima等的一个实施例涉及通过具有增加的芯尺寸的掩模制造的成打的堆叠的薄板的对准。Kawashima等的另一个实施例涉及三维光纤处理。尽管Kawashima等还讲授了较简单的制造方法，它们都限制于小于或等于2的放大率。

因此，具有能够弥补上述限制的光学尺寸调整的装置和方法是一个普遍承认的需要，且将是极具优点的。

发明内容

背景技术并没有讲授使用嵌入式波导来提供光学尺寸调整。本发明采用嵌入式波导的技术来提供一个或两个维度的光学尺寸调整。

因此，根据本发明的第一方案，提供一种光学尺寸调整装置。该装置包括：第一光学尺寸调整元件，该元件具有多个波导，所述多个波导被设计和构造成提供第一维度上的光学尺寸调整；以及第二光学尺寸调整元件，该元件具有多个波导，所述多个波导被设计和构造成提供第二维度上的光学尺寸调整。该第二光学尺寸调整元件与该第一光学尺寸调整元件耦合，使得从该第一光学尺寸调整元件出射的光进入该第二光学尺寸调整元件，由此，在第一和第二维度都得到尺寸调整。至少第一和第二光学尺寸调整元件之一的波导至少是部分渐细(tapered)的。

根据下面描述的本发明的优选实施例的其他更多特征，第一和第二光学尺寸调整元件其中至少之一的多个波导以纵向展开布置在基板中形成和/或嵌入到基板中，以提供光学尺寸调整。

根据所述优选实施例中的另外更多的特征，该纵向展开布置包括波导层，每一层这样布置：使得波导从该层的第一区域延伸到该层的第二区域，由此在该层中定义了一个周边边界，其中表征该周边边界的长度在第一区域比在第二区域小，从而提供光学尺寸调整。

根据本发明的另一个方案，提供一种光学尺寸调整元件。该光学尺寸调整元件包括多个层，这些层形成基板，该基板具有第一刻面和比该第一刻面大的第二刻面。每一层具有基本平行的波导布置，所述波导在该层中形成和/或嵌入到该层中，并且从该层的第一区域延伸到该层的第二区域。该方案中，所述层以部分重叠的光学布置的方式布置，由此，每一层的第二区域在该第二刻面是光学暴露的，从而提供一个维度的光学尺寸调整。

根据本发明的又一个方案，提供一种光学尺寸调整元件。该光学尺寸调整元件包括由至少一个层形成的基板，每一层具有波导布置，所述波导在该层中形成和/或嵌入到该层，且从该层的第一区域延伸到该层的第二区域，由此在该层中定义了一个周边边界，表征该周边边界的长度在第一区域比在第二区域小，由此提供一个维度的光学尺寸调整。

根据下面描述的本发明的优选实施例中的更多的特征，该第一区域和第二区域位于该层的相对侧。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，该第一和第二区域位于该层的相邻侧上。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，该第一和第二区域位于该层的相同的一侧上。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，该第一和第二区域基本平行。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，该第一和第二区域基本垂直。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，该第一和第二区域基本共线。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整元件至少其中之一包括用于提供光学尺寸调整的倾斜层。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整元件至少其中之一包括用于提供光学尺寸调整的梯田。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整元件至少其中之一被设计和构造成，使得光在第一方向传播时进入该光学尺寸调整元件，并且在相同方向传播时出射该光学尺寸调整元件。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整元件至少其中之一被设计和构造成，使得光在第一方向传播时进入该光学尺寸调整元件，并且在不同于第一方向的第二方向传播时出射该光学尺寸调整元件。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，第二刻面基本平行于第一刻面。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，第二刻面基本垂直于第一刻面。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，第二刻面相对于第一刻面是倾斜的。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，第二刻面和第一刻面基本共面。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，一个光学尺寸调整元件被构造和设计成从多个源接收光，并发射该光到另一个光学尺寸调整元件中。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述装置进一步包括至少一个附加的光学尺寸调整元件，它从至少一个附加的光源接收光并发射该光到第二光学尺寸调整元件。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述附加的(多个)光源包括单色光源。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整元件被设计和构造成向多个方向发射光。所述光可以来自于不同的源，在这种情况下，每个方向属于不同的源。光还可以来自于单个源或另一个光学尺寸调整元件，在这种情况下，相同的光被发射到多个方向。例如，可以在装置的两个不同的平面上形成单个图像。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述装置进一步包括至少一个光学尺寸调整元件，定位于至少两个不同方向之一，且构造成接收来自于第一光学尺寸调整元件的光。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整元件其中至少一个包括多个部分光学尺寸调整元件，每个部分光学尺寸调整元件被设计和构造成，以在相应的维度中提供部分光学尺寸调整。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述装置或光学尺寸调整元件进一步包括附着于第二刻面或在第二刻面中蚀刻出的漫射层。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述装置或光学尺寸调整元件进一步包括展开结构。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述展开结构包括全息光学元件。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述展开结构包括以高折射率区域和低折射率区域交替地图形化的层的堆叠。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述展开结构包括使用凹槽图形化的层的堆叠。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述展开结构包括渐细波导的层的堆叠。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述展开结构包括反射镜。根据所述优选实施例中的其他更多特征，该反射镜包括全内反射镜。根据所述优选实施例中的其他更多特征，该反射镜涂敷有高反射涂层。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述展开结构包括布拉格反射镜。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，至少一个光学尺寸调整元件被设计和构造成使光偏振。

根据本发明的一个附加方案，提供一种光学尺寸调整装置。该装置包括多个层，该多层形成具有第一刻面和第二刻面的基板，该多个层以部分重叠光学布置的方式布置。每一层具有波导布置，所述波导在该层中形成和/或嵌入到该层，且从该层的第一区域延伸到该层的第二区域，由此在该层中定义了一个周边边界，表征该周边边界的长度在第一区域比在第二区域小，且该第二区域在第二刻面是光学暴露的。

根据下面所述的本发明的优选实施例的其他更多特征，所述第一刻面由所述多层的交叠区域的端部定义。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，每一层在第一刻面处部分暴露。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，至少一些层包括反射镜，用于将在多个波导中传播的光重定向到该层之外。根据所述优选实施例中的其他更多特征，至少一部分反射镜是全内反射镜。根据所述优选实施例中的其他更多特征，至少一部分反射镜是被蚀刻的反射镜。根据所述优选实施例中的其他更多特征，至少一部分反射镜由高反射涂层覆盖。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，至少一部分反射镜包括平坦的刻面。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，至少一部分反射镜包括不平坦的刻面。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，至少一些层包括布拉格反射镜，用于将在该多个波导中传播的光重定向到该层之外。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，至少一些层包括全息光学元件，用于将在该多个波导中传播的光重定向到该层之外。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述装置的特征在于，所选的视野足够小，以基本保持被该装置尺寸调整的光的亮度。

根据本发明的另一个附加方面，提供一种制造光学尺寸调整元件的方法。该方法包括：(a)在一个基板上以从基板的第一区域延伸到基板的第二区域的展开布置形成多个波导，由此提供一层波导；(b)重复步骤(a)多次，由此提供多个层；以及(c)堆叠该多个层以形成由该多个层的端部定义的第一刻面以及由该多层之一的暴露表面定义的第二刻面；由此制造该光学尺寸调整元件。

根据所述优选实施例的其他更多特征，所述方法还包括：(d)在一个基板上形成从该基板的第一区域延伸到第二区域的多个基本平行的波导，由此提供一层波导；(e)重复步骤(d)多次以形成多个层；(f)以部分重叠光学布置的方式堆叠所述多层，由此每一层的第二区域是光学暴露的，从而形成第一刻面和第二刻面，该第二刻面由该多个层的光学暴露部分定义，由此制造了第二光学尺寸调整元件；以及(g)使该光学尺寸调整元件光学耦合到该第二光学尺寸调整元件，以允许光从该光学尺寸调整元件传播到该第二光学尺寸调整元件，其中，光在所述光学尺寸调整元件内在第一维度中得到尺寸调整以及在第二光学尺寸调整元件中在第二维度得到尺寸调整。

根据本发明的另一个附加方案，提供一种制造多个光学尺寸调整元件的方法。该方法包括：(a)在一个基板上形成从该基板的第一区域延伸到该基板的第二区域的多个波导，由此提供一层波导。(b)重复步骤(a)多次，由此提供多个层；(c)堆叠该多个层以提供叠层；以及(d)对该叠层执行至少一次切割以提供多个光学尺寸调整元件。

根据本发明的另一个方案，提供一种制造光学尺寸调整元件的方法。该方法包括：(a)在一个基板上形成从该基板的第一区域延伸到该基板的第二区域的多个平行波导，由此提供一层波导。(b)重复步骤(a)多次，由此提供多个层；(c)以部分重叠光学布置的方式堆叠该多个层，由此每一层的第二光学区域是光学暴露的，从而形成第一刻面和第二刻面，该第二刻面由该多个层的光学暴露部分定义；由此制造该光学尺寸调整元件。

根据所述优选实施例的其他更多特征，该方法进一步包括：(d)重复步骤(b)-(c)，以形成第二光学尺寸调整元件；以及(e)使该光学尺寸调整元件与该第二光学尺寸调整元件光学耦合，以允许光从该光学尺寸调整元件传播到该第二光学尺寸调整元件，其中，光在该光学尺寸调整元件内在第一维度得到尺寸调整以及在该第二光学尺寸调整元件中在第二维度得到尺寸调整。

根据本发明的又一个方案，提供一种制造光学尺寸调整元件的方法。该方法包括：(a)在一个基板上形成从该基板的第一区域延伸到该基板的第二区域的多个波导，由此在基板中定义一个周边边界，其中表征该周边边界的长度在第一区域小于第二区域；(b)重复步骤(a)多次，由此提供多个层；(c)以部分重叠光学布置的方式堆叠该多个层，由此每一层的第二光学区域是光学暴露的，从而形成第一刻面和第二刻面，该第二刻面由该多个层的光学暴露部分定义，由此制造该光学尺寸调整元件。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述方法进一步包括放置反射镜，用于将在多个波导内传播的光重定向到该基板之外。

根据所述优选实施例的其他更多特征，所述方法进一步包括在堆叠所述层的步骤之后，对所述层进行切割，由此形成第一刻面和第二刻面至少其中之一。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，在所述方法中执行切割，使得至少一个刻面是倾斜的。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述方法进一步包括在堆叠层的步骤之前，切割所述多层，从而为每一层形成暴露该多个波导的层端部。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述方法进一步包括在堆叠层的步骤之前，在至少一部分所述层上淀积起偏器。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，该方法进一步包括将这至少一个刻面耦合到耦合器。根据所述优选实施例的其他更多特征，所述耦合器包括微透镜阵列。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述方法进一步包括蚀刻至少一个刻面以在该刻面上形成微透镜阵列。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，至少一些波导是渐细的或部分渐细的。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，渐细的特征在于光滑的轮廓。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，渐细的特征在于基本台阶状的轮廓。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述多层在该第二刻面是部分暴露的。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，多个波导其中至少一些形成了平面光路。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，多个波导其中至少一些形成了光纤阵列。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，多个波导其中至少一些是单模波导。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，波导是多模波导。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整装置或元件进一步包括在波导芯之间引入的光吸收器。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，至少一些波导包括芯和包层，芯具有比包层高的折射率。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，至少一些波导包括光子带隙材料。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整装置或元件进一步包括微透镜，用于将光耦合到该光学尺寸调整装置或光学尺寸调整元件。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整装置或元件进一步包括至少一个光纤束，用于将光耦合进该光学尺寸调整装置或元件。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整装置或元件是柔性的。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整装置或元件是可折叠的。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整装置或元件用作显示系统中的部件。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述光学尺寸调整装置或元件用作自动立体显示系统中的部件。

根据本发明的另一个方案，提供一种调整光斑尺寸的方法，包括：通过前述方案或特征其中任意一个的光学尺寸调整装置传送光。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，该方法进一步包括使光斑失真，以跨过其提供亮度梯度，由此补偿不均匀的光学损耗。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述方法中，光组成图像。

根据所述优选实施例中的其他更多特征，所述方法还包括使图像失真，从而跨过其提供亮度梯度，由此补充不均匀的光学损耗。

通过提供具有远超过现有技术的属性的光学尺寸调整元件、光学尺寸调整装置和方法，本发明成功地解决了现有已知配置的缺点。

除非特别限定，这里使用的所有技术和科学术语都具有和本发明所属的本领域技术人员共同理解的相同意思。尽管类似于或等同于这里描述的方法和材料可以在本发明的实施和测试中使用，下面将描述合适的方法和材料。在冲突的情况下，包括定义的专利说明书将其支配作用。此外，材料、方法和实例是说明性而非限制性的。

附图说明

这里，参考附图，以举例的方式描述本发明。现在详细地专门参考附图，意在强调示出的细节是举例的，目的仅在于本发明的优选实施例的说明性讨论，且为提供被认为是本发明的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述而提出。就这点而言，不试图以比本发明的基本理解所必须的更详细的细节示出本发明的结构细节，结合附图的描述使本领域技术人员明白本发明的若干形式可以怎样在实际中实施。

附图中：

图1a-2b是用于制造光纤基制导放大器的现有技术的示意图。

图3a-c是根据本发明的各个示范性实施例的波导的纵向扩展布置(图3a)、部分渐变的波导(图3b)以及部分渐变的波导的纵向扩展布置(图3c)的示意图。

图3d是图3c的实施例具有多于一层时的示意图。

图4a-i是本发明的各个示范性实施例中的光学尺寸调整元件的示意图。

图5是本发明的各个示范性实施例中，具有两个光学尺寸调整元件的光学尺寸调整装置的示意图。

图6a是本发明的各个示范性实施例中，接收光学尺寸调整元件的小刻面的示意图。

图6b是本发明的各个示范性实施例中，图6a的元件的波导的三维图示。

图7a是一个实施例中的装置的三维示意图，其中，每个光学尺寸调整元件的进入和出射平面彼此基本垂直。

图7b是一个优选实施例中，图7a中的装置的三维示意图，其中，采用了两对光学尺寸调整元件。

图8是一个优选实施例中的装置的示意图，其中，一个光学尺寸调整元件的平面基本平行，且另一个光学尺寸调整元件的平面基本垂直。

图9是一个优选实施例中的装置的示意图，其中，光学尺寸调整元件的平面基本共面。

图10a-b是根据本发明的各个示范性实施例，用于制造波导布置的掩模层的示意图。

图11a-b是用于制造垂直和横向地都是渐变的波导的方法的示意图。

图12a-f是优选实施例中的光学尺寸调整装置的示意图，其中采用了多个光源。

图13a-c是优选实施例中的装置的示意图，其中具有多于一个的来自于所述装置的光学输出。

图14a-b是优选实施例中装置的示意图，其中所述装置包括一个和多个附加的光学元件。

图15是一个优选实施例中光学尺寸调整元件的一层的示意图，其中该层包括起偏器。

图16a-b是一个优选实施例中，装置和光源之间耦合的示意图，其中光源是像源。

图17是一个优选实施例的示意图，其中使用透镜，输入图像聚焦在该装置上。

图18a-b是一个优选实施例中装置和光源之间的耦合的示意图，其中采用一个或多个光纤束。

图19是一个优选实施例中光学尺寸调整元件的一层的示意图，其中波导相对于该层的端面是倾斜的。

图20-22f是优选实施例中的光学尺寸调整装置的示意图，其中所述装置根据部分重叠光学布置的原理制造。

图23a-b是一个优选实施例中，与图20-22的装置类似的装置的一个平面的一部分的侧视图(图23a)和顶视图(图23b)的示意图，其中所述平面具有二维台阶形状。

图23c-d是根据本发明的各个示范性实施例的反射镜形状的示意图。

图24a-e是根据本发明的各个示范性实施例，具有二维台阶或倾斜轮廓的光学尺寸调整元件的侧视图的示意图。

图25是根据本发明的一个优选实施例的可折叠光学尺寸调整装置的示意图。

图26a-b是根据本发明的各个示范性实施例，光借助发射元件布置耦合到该装置之外的配置的示意图。

图27a-b是本发明的各个示范性实施例中，用于制造倾斜的光学尺寸调整元件的过程的示意图。

图27c-h是根据本发明的各个示范性实施例的扩展结构的示意图。

图28a-c是一个优选实施例中，与图20-22的装置类似的装置的层的顶视图(图23a-b)和侧视图(图28c)的示意图，其中所述层是低重量层。

图29a-e是根据本发明的各个示范性实施例，用于制造与图20-22的装置类似的装置的优选折叠技术的示意图。

图30a-b是本发明的各个示范性实施例中，用于制造多个光学尺寸调整元件的模拟方法的示意图。

图31是一个优选实施例中，与图20-22的装置类似的装置的示意图，其中，所述装置从多个源接收光。

图32a-b是一个优选实施例中，与图20-22的装置类似的装置的顶视图(图32a)和剖面图(图32b)的示意图，其中，该装置接收多个单色光源的形式的光学输入。

图33a-c是根据本发明的各个示范性实施例，将光耦合出与图20-22的装置类似的装置的所述层的技术的示意图。

图34a-35c是一个优选实施例中，与图20-22的装置类似的装置的示意图，其中，该装置用于提供自动立体图像。

图36是与图34a-35c的装置类似的装置的视野中的不同光学区域的示意图。

图37a-b是一个优选实施例中一层(图37a)和所得视野(图37b)的示意图，该优选实施例中，提供多个自动立体图像。

图38是一个优选实施例中的光学尺寸调整装置的示意图，其中，输入图像具有不均匀亮度，从而补充不同的波导损耗。

图39a是一个优选实施例中的光学尺寸调整装置的一层的示意图，其中，该层包括光吸收器。

图39b是根据本发明的一个优选实施例，具有可变剖面的波导的示意图。

图40是本发明的各个示范性实施例中，用于改善输出光亮度的过程的示意图。

图41是本发明的各个示范性实施例中，用于改善装置的视野的过程的示意图。

具体实施方式

本发明包括可用于光学尺寸调整的方法、光学元件和装置。本发明特别但不专门可以在诸如显示系统等之类的各种应用中提供光学尺寸调整。

这里使用的术语“光学尺寸调整”指光学波前的扩展或收缩，例如，该光学波前可以是平面光斑。换句话说，光学尺寸调整指光学波前占据区域的变化(扩展或收缩)。例如，当光在其中组成图像时，光学尺寸调整指图像的放大或缩小，这可以通过改变图像的图像元素(例如，像素)的间隔或尺寸实现。此处，被光学波前占据的区域的尺寸在这里可交换地称为光束的横截面积。

参考附图和所附描述，可以更好地理解根据本发明的装置和方法的原理和操作。

在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解本发明并不将它的应用限制为下面说明书或附图所示的部件的构造和布置的细节。本发明可以具有其它实施方式或者以其它方式执行。而且，应当理解这里采用的措词和术语是用于说明目的而不应被认为是限制的意思。

本发明采用嵌入式波导的技术以提供光学尺寸调整。嵌入式波导可以是本领域中已知的任意类型，例如，平面光路(PLC)波导或其他阵列的波导。此外，波导可以是单模或多模波导。波导的横截面可以是大致圆形的、大致矩形的或具有任意其他几何特征。

优选地，但不是必须的，嵌入式波导布置在一个或多个层中，以允许它们以层的方式制造。然而，这不是必须的，因为，如下面进一步详细描述的，对于一些应用，光学尺寸调整可以通过由体材料制备的光学尺寸调整元件获得。

在嵌入式波导布置在层中的实施例中，如下面进一步详细描述的，光可以通过它们的表面或通过它们端部入射或出射所述层。本发明的光学尺寸调整可以通过任意类型和形状的波导的纵向展开布置获得。更具体而言，所述纵向扩展布置可以包括渐细波导、部分渐细波导、非渐细波导或它们的任意组合。

现在参考附图，图3a-c示出了根据本发明的各个示范性实施例的非渐细波导的纵向展开布置(图3a)、部分渐细波导(图3b)和部分渐细波导的纵向展开布置(图3c)。图3d举例说明了图3c的实施例具有多于一层时的实施例。

在提供本实施例的进一步详述之前，注意由此提供的优点和潜在的应用。嵌入式波导的使用允许制造平坦的路由(routing)和渐细元件。此外，当采用PLC技术时，波导中的每一个或一些可以包括借助反射镜转角互连的若干部分。这种设计可用于减少或消除波导弯曲，由此减小最终产品的厚度。

本发明的附加的优点在于，PLC技术允许制造具有矩形芯剖面的波导，由此增加了填充因子并减少了耦合损耗。

嵌入式波导的使用允许制造容易装配的柔性元件。例如，光学装置可以用部分重叠的柔性层装配，由此，并不是单个波导的弯曲，而是整个层可以弯曲，或者，除了单个波导弯曲之外，整个层可以弯曲。此外，层方式的生产过程有利于可折叠光学装置的制造，由此不同的层可以仅在其间部分地附着。

参考图4a-b，根据本发明的一个方案，提供一种光学尺寸调整元件，这里，一般称之为元件10。元件10包括由一个或多个层14形成的基板12。元件10的每一层具有在其中形成的和/或嵌入到其中的波导的布置。根据本发明的一个优选实施例，每一层中的波导的布置是纵向展开布置。图4b是元件10的层14的示意图。层14优选地包括多个波导16，所述多个波导从层14的第一区域18延伸到第二区域20，由此在层14中定义了周边边界22。边界22在图4b中如虚线所示。

如图4b所示，第一18和第二20区域基本平行并位于层14的相对侧。然而，这不是必须的，对于一些应用，所述区域不必彼此平行。这样，区域18和20之间可以具有任意几何关系。例如，如下面进一步举例说明的(例如参见图4e-f)，区域18和20可以位于层14的相邻侧(例如，基本垂直的关系)或者位于层14的相同一侧(例如，基本共线关系或基本平行偏移关系)。

这里，“基本平行”指相对取向小于20°，更优选地小于10°，最优选地，小于5°，比方说约0°。这里，术语“平行”应理解为基本平行。

这里，“基本垂直”指从约70°～约110°，更优选地，约80°～约100°，最优选地约85°～约95°，比方说约90°的相对取向。

这里，“基本共线”指小于20°，更优选地小于10°，最优选地，小于5°，比方说约0°的相对取向。此外，这里，“基本平行偏移”指刻面基本平行但也基本偏移小于50mm，更优选地，小于1mm，最优选地，小于0.01mm，比方说约0.01mm的情况。

而且，尽管示出了波导具有基本线型的形状，这不是必须的，因为，对于一些应用而言，希望具有非线型(即，曲线)形状。此外，如下面进一步描述的，波导可以由通过隅角镜互连的不连续部分形成。

在任何情况下，表征边界22的长度在第一区域18比在第二区域20小。本领域技术人员将意识到这种布置提供了由该层的区域18和20限定的一个维度的光学尺寸调整。例如，当光束从第一区域18进入层14、传播经过波导16、并从第二区域20出射时，它的横截面在与区域18和20基本平行的方向上扩展。相反，当光束从第二区域20进入层14且从第一区域18出射时，它的横截面在平行于区域18和20的方向上减小。

图4c-d示出了一个优选实施例中元件10的刻面的示意图，其中层被堆叠，使得这些层的较小区域形成小刻面24，且这些层的较大区域形成大刻面26。

如上所述，波导可以是渐细的，使得由于所述纵向展开布置和各个波导的渐细，获得尺寸调整。图4e是一个优选实施例的示意图，其中，以这样一种结构采用渐细波导：其中第一区域18基本垂直于第二区域20。同样，表征边界22的长度在第一区域18处比在第二区域20处小，从而确保光学尺寸调整。图4f是一个优选实施例的示意图，其中以这样一种结构采用渐细波导：其中第一区域18与第二区域20共线。

取决于元件10的层的区域18和20的构造，小刻面24和大刻面26之间可以具有任意几何关系。图4g-i示意性地示出了根据本发明的各个示范性实施例的刻面24和26之间的几种几何关系。这样，当所述层的区域18和20平行且位于层的相对侧(例如，参见图4b)时，小刻面24与大刻面26平行并相对(图4g)；当区域18和20彼此以一个角度取向时(例如，基本垂直，例如，参见图4e)，刻面24和26也以相同的角度取向(图4h)；且当区域18和20位于层的相同一侧时(例如，基本共线，例如参考图4f)，刻面24和26共面(图4i)。应当理解，对图4g-i所示的几何关系的更详细的引用并不意在将本发明的范围限制在刻面24和26之间的特定角度。因此，本实施例设想刻面24和26之间的任意角度值。

适于本实施例的波导可以具有高折射率的芯和较低折射率的包层，或它们可以包括光子带隙材料。这样，例如，通过在用作波导包层的低折射率材料的层中蚀刻凹槽，并向凹槽中淀积用作波导芯的高折射率材料，可以制造适于本发明的波导层。波导芯可以接着被涂敷用作顶部包层的低折射率的附加层。

通过在电介质材料基板上形成(例如，蚀刻)光学周期结构，使用作芯波导的条不具有周期结构，可以制造光子带隙材料波导。光学周期结构的特征在于在亚微米到微米范围的具有周期的折射率的空间周期变化，其定义了不发生光传播的波长带(光子带隙)。光学周期结构然后可以被包层覆盖。使用光子带隙材料的优点在于，在该光子带隙中，甚至在高曲率的波导部分中没有辐射损耗。

优选地，但不是排他地，采用PLV聚合物光刻(lithography)技术(例如，参见Eldada等，“Advances in polymer integratedoptics，”IEEE J.Selected Topics in QE，vol.6，54-68，2000)。制造波导层的可想到的方法包括，但不限于，光缺口(Photobreaching)方法[Gallo等，“High-density interconnectsfor 2-dimensional VCSEL arrays suitable for mass scaleproduction，”ITCom 2001，paper 4532-47，2001]、浇铸/模制(casting/molding)方法[Kopetz等，“Polysiloxane opticalwaveguide layer integrated in printed circuit board，”Elec.Let.Vol.40，668-669，2004]以及软光刻方法[Huang等，“Bottom-up softlithography fabrication of three-dimensional multilayer polymerintegrated optical microdevices，”Appl.Phys.Lett.，vol 85，3005-3007，2004]。

本实施例的波导还可以是通过粘合材料嵌入到所述层中的光纤阵列，优选地，如本领域已知的，不使用外部框架，(关于这点，例如，参见美国专利No.5,381,506，No.6,597,845，No.6,885,800)。

本实施例的光学元件优选地包括很多波导层。典型地，层数是几百(例如，约500层)到几千层(例如，约5000层)的量级。通过一层一层地处理聚合物晶片层或通过将叠层堆叠在一起，可以使这些层堆叠在一起。还可以使用这些技术的组合堆叠这些层。一旦晶片层被堆叠，晶片被锯成条，且所需的刻面被抛光。备选地，所述条可以在堆叠之前切割。应当意识到因为光学尺寸调整元件是宽且短的，很多这种元件可以在并行工序中制造。

本实施例成功地提供了一种光学尺寸调整装置，该装置提供两个维度，优选地两个基本垂直的维度上的光学尺寸调整。在本发明的各个示范性实施例中，二维光学尺寸调整通过装配若干光学尺寸调整元件获得，这些光学尺寸调整元件在其原理和操作方面与元件10类似(但在尺寸上不必类似)。在本发明的其他示范性实施例中，通过对元件10的修改获得二维光学尺寸调整。下面是优选实施例的描述，其中装配了若干光学尺寸调整元件。此后提供优选实施例的描述，其中二维光学尺寸调整通过对元件10的修改获得。

现在参考图5，它是根据本发明的各个示范性实施例的光学尺寸调整装置30的示意图。装置30优选地包括提供第一维度36上的光学尺寸调整的第一光学尺寸调整元件32，以及提供第二维度38上的光学尺寸调整的第二光学尺寸调整元件34。类似于上述元件10，元件32和34每个可以独立操作。备选地，元件32和34其中之一可以类似于元件10制造而另一个可以通过常规技术制造。

为提供第一36和第二38维度上的光学尺寸调整，元件34耦合到元件32，使得出射元件32的光进入元件34。这样，装置30中，元件34用作接收元件而元件32用作发射元件。元件32和34之间的耦合可以是本领域中已知的任意方式，例如，通过直接接触、光纤束或任意其他光学耦合装置。制造该光学尺寸调整元件使得一个元件的较小刻面与另一个元件的较大刻面匹配是有利的。以这样方式制造，光学尺寸调整元件中的一个大于另一个。具体而言，当装置30用于扩展光束(即，光束的横截面在输出处大于输入处)时，第一元件小于第二元件，且当装置30用于收缩光(即，光束的横截面在输出处小于输入处)时，第一元件大于第二元件。

例如，在图5所示的实施例中，元件32和34以下面方式制造，即，使得光进入元件32的小刻面40，沿着维度36扩展，通过刻面42出射元件32，并通过刻面44进入元件34，所述刻面44优选地具有和元件32的刻面42相同的尺寸。然后光在元件34中传播，沿着维度38扩展，并通过大刻面46出射，在两个维度上都得到了扩展。

当元件32和34都类似于10制造时，它们可以使用相同的光掩模布图(例如，诸如图3a、3c、4e和4f中所述的光掩模)加工，但具有不同层厚。这样，例如，元件32可以由上面定义图4d(也参见图3d的三维图示)中示出的大刻面的较薄的层形成，而元件34可以由定义图6a所示的小刻面的较厚的层形成。根据本发明的本优选实施例的元件34的波导的三维图示在图6b中示出。

现在参考图7a，它是一实施例中装置30的三维示意图，该实施例中每个光学尺寸调整元件的入射和出射平面彼此基本垂直。具体而言，在元件32中，小刻面40基本垂直于大刻面42，且在元件34中，小刻面44基本垂直于大刻面46。刻面42和44平行且优选地接触，以允许元件32和元件34之间的光学耦合。应当理解，当该实施例用于发射图像时，从装置30出射的图像是原始图像的镜像。图7a所示的实施例的优点在于波导弯曲48更少且从传播光束到大刻面没有散射光。

本实施例的尺寸调整技术可以被重复。具体而言，装置30可以包括两对或更多对的光学尺寸调整元件，由此每对根据上面的描述工作；即，所述对的一个元件提供一个维度的光学尺寸调整且所述对中的另一个元件提供另一个维度的光学尺寸调整。当需要高倍数的放大或缩小，或为了避免在制造过程中处理高纵横比波导时，本实施例是极为有用的。例如，使用两对光学尺寸调整元件可以获得30倍的放大，其中第一对提供3倍的放大(在两个维度中)且第二对提供10倍的放大(在两个维度中)。

本发明的本优选实施例的代表性实例在图7b中示出，这种情况下，采用两对光学尺寸调整元件32、33、34和35。如图7b所示，元件33在一个维度上扩展光束72(比方说，沿着x方向)以提供扩展束74；元件35在另一个维度(比方说，沿着y方向)扩展光束74以提供扩展束76；而且，元件32在一个维度(比方说，沿着x方向)扩展光束76以提供扩展束78；且元件34在另一个维度(比方说，沿y方向)扩展光束78以提供扩展束80。原始光束72由此沿着x方向扩展两次，沿着y方向扩展两次。

本实施例的光学尺寸调整元件的每一层的波导可以使用与上面图4e中所示的光掩模类似的光掩模形成。图7a-b中所示的波导弯曲48可以使用隅角镜50(见图4e)代替，从而进一步减小光学尺寸调整元件的厚度。

现在参考图8，它是一个优选实施例中装置30的示意图，其中一个光学尺寸调整元件的刻面是平行的，而另一个光学尺寸调整元件的刻面是基本垂直的。具体参考示范性实施例，在元件32(本实例中的发射元件)中，小刻面40平行于大刻面42，且在元件34(本实例中的接收元件)中，小刻面44基本垂直于大刻面46。刻面42和44是平行的并且优选地接触，以允许元件32和元件34之间的光学耦合。本实施例的优点在于元件32中波导的长度变短(与图7中所述的实施例相比约一半)，这样减小了装置的总光学损耗。同样，因为较大元件(元件34)的输入/输出刻面基本垂直，该装置享受上述减小尺寸和散射光的优点。

现在参考图9，它是一个优选实施例中装置30的示意图，其中光学尺寸调整元件的刻面(刻面40、42、44和46)共面。光学尺寸调整元件的每一层的波导使用光掩模形成，该光掩模与上面图4f中所示的光掩模类似，由此区域18和20共线。因此，光束92进入元件32的小刻面40，在元件32中传播，在方向上发生180°的改变，并出射刻面42，沿着第一维度36扩展。出射42的(扩展的)光束在图9中以数字94表示。扩展束94进入元件34的小刻面，在元件34中传播，沿着维度38经历另外的扩展，在方向上发生另一180°的改变，从刻面46出射，沿着两个维度36和38都被扩展。出射平面46的光束由数字96表示。穿过装置30的光由此经历了两次扩展，每个维度上一次，以及两次传播翻转。为此，光出射装置30，沿着其原始方向传播，在两个维度上被扩展。

应当理解，对于出射光束的特定传播方向的上述描述中的更具体的引用并不意在将本发明的范围限制为任一入射-出射角度关系。本发明的各个示范性实施例中，光可以以相对于其入射角的任意预定角度从装置30出射。因此，光的入射和出射传播方向之间的角度可以是0°、90°、180°或其他任意角度。入射-出射角度关系取决于波导相对于光学尺寸调整元件的刻面的取向。例如，如下面进一步详细描述的，光可以与输入刻面的表面成直角地进入装置30的光学尺寸调整元件的任一个，并从输出刻面非直角地出射。本领域技术人员应当理解，对于平行或基本垂直的刻面，这种配置对应于不同于0°、90°或180°的入射-出射角度。

一般而言，因为装置30包括小元件和大元件，装置30的大部分或所有区域具有大元件的厚度。本领域技术人员应当理解，由于波导的展开布置，每个光学尺寸调整元件的厚度可以相当小。通过在每一层的预定部分处使波导向下渐细(down-tapering)，所述厚度可以进一步减小。本实施例的光学尺寸调整元件的厚度的代表性实例包括但不限于，约0.1mm～约100mm，更优选地，约1mm～约10mm的厚度。

现在参考图10a-b，它们是根据本发明的各个示范性实施例，用于制造波导布置的光掩模布图的示意图。图10a-b示出了优选实施例，其中区域18和20是平行的且位于层的相对侧。给定这里所述的细节，本领域技术人员应当知道怎样在其他情况调整本实施例的光掩模布图。

如图10a所示，在波导朝着区域20向上渐细(up-tapered)和扩展之前，它们是向下渐细(down-tapered)且被挤压的。向下渐细是有优点的，首先因为它可以进一步减小每个光学尺寸调整元件的厚度，并且其次，因为它允许平行波导之间的间隔，从而减小或消除了串扰。

在区域18和20是平行的且位于层的相对侧的实施例中，装置30的厚度主要由波导间隔S_y表示，见图10b。所述厚度可以通过表达式0.5S_y(N₁+N₂)近似，其中N₁×N₂是波导数目(例如，当装置30用于调整图像尺寸时，N₁×N₂可以是图像中像素的数目)。

区域18和20位于层的相邻侧的实施例中(例如，参见上面的图4e，处于基本垂直的关系)，光学尺寸调整元件的厚度由输入像素阵列尺寸表示。如果采用波导弯曲48(而不是隅角镜50)，则弯曲半径应被添加到元件的总厚度。然而，如下面进一步详细描述的，通过减小弯曲半径，寄生损耗优选地添加到较短的波导。这样，装置30的厚度可以由曲率半径表示，而不管像素/波导的数目如何。

为了沿着垂直方向也增加波导间隔(用于消除串扰)，波导可以在输入和输入刻面是垂直渐细的。对于PLC技术，垂直渐细是公知的技术(例如，参见T.Bakke等，“Polyeric optical spot-sizetransformer with vertical and lateral tapers，”J.Light.Tech.，vol 20，1188-1197，2002)。一种制造垂直和横向都渐细的波导的方法在图11a-b中示出，单个波导(图11a)和波导堆叠(图11b)。制造垂直渐细的其他方法由Moerman等的“A review on fabricationtechnologies for the monolithic integration of tapers with III-Vsemiconductor devices，”IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron.Vol 3，1308-1320，1997讨论。这样，波导间隔在刻面处远小于在整个装置处，允许光耦合到(在刻面处的)波导中效率的改善以及装置中波导之间的串扰的减小或消除。

根据本发明的一个优选实施例，装置30从多个源接收光。该实施例具有若干优点。首先，多个光源的使用可以减小装置30的厚度；因为从输入刻面到输出刻面的平行波导的数目减小，厚度可以减小。厚度减小到采用的输入光源的数目分之一。例如，对于两个光源，厚度可以减小到一半。另一个优点在于，每个单独的光源可以具有较低的分辨率(较少的像素)同时维持所需的亮度。如下面进一步具体详细的，一个附加的优点在于，多个源的使用可以有助于三维图像的产生。

从多个源接收光可以以多于一种的方式获得。因此在图12a中所示范的一个实施例中，两条光线122和124从两个不同的光源(未示出)进入第一光学尺寸调整元件32，但是可以采用任意数目的光源。尽管在图12a所示的示例性说明中，元件32根据区域18和20是共线的实施例制造，但这不是必须的，本领域技术人员应当理解，在其他情况，多个光束可以输入到元件32。这样，根据本发明的本优选实施例，元件32包括两个输入刻面，由40a和40b表示，以及一个输出刻面42。当采用多于两个的光源时，元件的输入刻面的数目优选地相应地调整(即，对于三个光源，三个输入刻面，等等)。

如上面进一步详细描述的，这两个光束通过刻面42出射元件32，在一个维度扩展，并通过刻面44进入元件34，在那里它们在另一个维度扩展。

图12b-c示范的另一个实施例中，装置30包括两个光学尺寸调整元件，表示为32a和32b，它们都用作装置30中的发射元件，以及一个光学尺寸调整元件，表示为34，用作装置30中的接收元件。如上面进一步详细描述的，4条光线，122a、b和124a、b进入元件32a和32b，并共同出射元件34。图12b的图示用于这样的实施例，其中光学尺寸调整元件32a和32b每个根据区域18和20(未示出)共线的实施例制造，且图12c的图示用于这样的实施例，其中光学尺寸调整元件32a和32b每个根据区域18和20位于层的相邻侧的实施例制造。上述实施例之间的所有组合也是可以预期的。

如图12d-f示例的附加实施例中，装置30接收多个单色光源形式的光学输入，并使用该光学输入产生尺寸经过调整的彩色光束。例如，多个单色图像可以被装置30放大和组合以提供放大的彩色图像。

图12d中所示的代表性实例中，三个单色图像(例如，红色图像、绿色图像和蓝色图像)分别从三个单色图像源(未示出)发射进入三个光学尺寸调整元件32a、32b和32c。元件32a、32b和32c其中每一个都在一个维度放大相应的单色图像，并发射它到元件34。元件34放大这些单色图像并在另一维度中组合它们，以提供放大的彩色图像。

为将所述单色图像组合成彩色图像，元件34优选地由交替顺序的层形成，其中每一层的波导优选地根据一个单色图像的平均波长而优化。图12d中示出的是三种类型的层，由数字37a、37b和37e表示。例如，层37a、37b和37c可以分别为红色、绿色和蓝色单色图像的典型平均波长优化。波导的长度根据元件32a、32b和32c相对于元件34的位置选择。图12e是红色、绿色和蓝色图像的情况下，交替顺序的层37a、37b和37c的示意图。该实施例是有优点的，因为使用波长专用波导减小或消除了可能的散射。该实施例的附加优点在于，图像源可以具有较少的光学元件，例如透镜和多路复用器。这样，不是在输入源处用多路复用器和透镜构建，图像源在元件34处被多路复用。

作为所述接收和发射单色图像的元件32a、32b、32c，可以使用类似或相同的光掩模制造，例如，参见图12f中所示的光掩模。

应当理解本发明本实施例适于图像光学数据以及非图像光学数据，且更详细地参考图像数据并不意在以任何方式限制本发明的范围。因此，例如，本发明可用于为另一个显示装置提供彩色图像或彩色背光照明，所述另一个显示装置例如是LCD面板，其具有来自于三个被滤波光源(LED或激光源)的红色-绿色-蓝色(RGB)光的条形矩阵。

现在参考图13a-c，它们是一个优选实施例中装置30的示意图，其中有多于一个的来自所述装置的光学输出。

图13中示意性地示出的一个实施例中，光学尺寸调整元件32向多于一个的方向发射光。图13a中示出的是三个光学尺寸调整元件32、34a和34b，其中元件32向两个元件34a和34b发射光。这样，在本发明的本优选实施例中，元件32用作装置30内的发射元件而元件34a和34b都用作装置30内的接收元件。具体而言，光束132进入元件32，并由此以两个光束134a和134b的形式发射。应当理解元件32可以发射多于两个(例如，3个、4个)光束。

光束134a和134b中至少一个，更优选地它们两个，相对于光束132在一个维度中独立地进行尺寸调整(例如，扩展)。例如，当光束132组成图像时，光束134a和134b可以分别是原图像的三倍的放大图像和两倍的放大图像。备选地，如有需要，一个光束可以是原图像的放大图像，且另一个光束是其缩小图像。元件34a和34b分别从元件32接收光束134a和134b并优选地，以与元件32执行的尺寸调整相同的程度，在另一个方向中对它们进行尺寸调整，以便保持纵横比。装置30由此提供两个输出光束136a(由元件34a产生)和136b(由元件34b产生)，每个都相对于输入光束132在两个维度中被独立地调整尺寸。

图13b中示意性地示出的另一个实施例中，光学尺寸调整元件34接收(扩展)来自于元件32的光束134，并向多于一个的方向发射它。图13b的代表性实例中，元件34使光分叉并产生在两个相反方向传播的光束136a和136b。

图13a-b中所示的实施例可以被组合，使得光束134a和134b(见13a)都被发射到元件34，使得两个光学输出(光束136a和136b)由相同的光学尺寸调整元件产生。

此外，元件34可以通过多个光学尺寸调整元件被光学地馈送，每个所述光学尺寸调整元件都向元件34发射来自于不同光源的不同的光束。该实施例的代表性实例在图13c中示意性地示出，其中两个光源(138a和138b)向两个光学尺寸调整元件32a和32b发射光束132a和132b，这两个光学尺寸调整元件分别在一个维度对光束进行尺寸调整以产生光束134a和134b。元件34接收来自于元件32a和32b的光束134a和134b，在另一个维度扩展它们以产生光束136a和136b，并向两个不同方向(本实例中为相反的方向)发射它们。

参考图14a-b，根据本发明的一个优选实施例，装置30包括一个或多个附加光学元件142，用于执行各种光学操作和/或简化制造工艺。取决于其所需的功能，该附加的(多个)光学元件可以由扩展或非扩展布置的多个波导形成。图14b所示的代表性实例中，附加元件142是图像旋转元件144。使用时，在其中组成图像的光束146进入元件144，在那里图像被旋转，比方说90°，并作为旋转光束148出射元件144。接着，光束148进入元件32和34，如上面进一步详细描述的，在那里它首先在一个维度扩展(光束150)，然后在另一个维度扩展(光束152)。图像旋转元件144在以下所述的实施例中是尤其有用的，该实施例中光学尺寸调整元件被制造，使得它们的小刻面和大刻面彼此基本垂直。

图15示出了一个优选实施例中光学尺寸调整元件的一层(例如层14)的示意图，其中该层包括起偏器154。例如，起偏器154可以通过在波导16之间的缝隙处淀积金属或合金(例如，Cr、Au、Al等)形成，以便衰减横向偏振模式。优选地，波导在起偏器的区域制备得较窄，用于有效地剥去横向偏振模式。具有起偏器154的光学尺寸调整元件的使用允许产生非偏振光的输入光源的使用，或它可以改善偏振光束的偏振状态。

装置30和光源之间的耦合可以通过直接接触，或备选地，借助一个或多个附加光学元件，例如，但不限于，微透镜或衍射光学元件的布置。

现在参考图16a-b，它们示出了光源是图像源的优选实施例中的装置30和光源的耦合的示意图。图16a示出的是装置30的几个波导16、图像源160和用于提供装置30和图像源160之间的光学耦合的耦合器162。本实例中，图像源160是LCD微型显示器。耦合器162优选地包括微透镜阵列164和起偏器166。微透镜阵列164的使用是优选的，因为，通常，LCD面板在其输出侧包括起偏器和LCD保护玻璃，微透镜提供更好的耦合效率。微透镜可以使用本领域中已知的任意方法制造，例如，如美国专利No.5,508,834和美国专利申请NO.20040100700提出的方法。

参考图16b，微透镜阵列164还可以放置在输入光学元件上，使得每个波导芯覆盖有一个微透镜，例如，参见图16b中的芯161和微透镜168。这可以通过使用一种蚀刻器蚀刻光学尺寸调整元件的输入刻面完成，该蚀刻器蚀刻波导16的包层163比蚀刻芯161更快。

或者，当LCD面板具有足够薄的起偏器和保护玻璃层时，可以不使用微透镜阵列实施耦合，例如，通过直接接触耦合。例如，当起偏器和保护玻璃的总厚度约为20μm或更小时，耦合到LCD面板的光学尺寸调整元件的波导具有足够小的数值孔径(比方说，约0.25或更小)。这种配置中，相邻像素之间的串扰可以被最小化，所述串扰可能模糊图像。

图17是一个优选实施例的示意图，其中，使用透镜176使输入图像聚焦在装置30上。该配置中，还可以获得预放大，因此，减轻了所需的波导的纵横比或消除了两级放大的需要，如下面进一步详细描述的。使用反射型液晶微显示器，例如，但不限于，硅上的LCD(LCOS)，或其他输入面板(例如，但不限于数字光处理器(DLP))时，这种配置是尤其有用的。图17中示出的是反射型液晶微型显示器170、外部光源172和装置30。来自于光源172的光174被透镜175聚焦在微型显示器170上，其反射该光。在其中组成图像的反射光被另一个透镜176聚焦在装置30上。

也可以仅在一个维度实施预放大。将失真的输入(在一个维度被放大)和光学尺寸调整元件相组合可以导致紧凑的薄的装置，因为在这种情况下，装置30中不需要两个光学尺寸调整元件，且预放大元件(它可以是透镜)很薄。

现在参考图18a-b，它们是一个优选实施例中装置30和光源之间的耦合的示意图，其中耦合通过光纤束完成。根据本发明的本优选实施例，一个(图18a)或多个(图18b)光纤束180将光直接引导到装置30的接收光学尺寸调整元件。在装置30用于调整图像尺寸的实施例中，(多个)光纤束优选地包括很多具有小芯的光纤，以使得能够传输高分辨率图像。分别以X₁和X₂表示光纤束中行的数目和列的数目，则光纤中的总光纤数是X₁×X₂。X₁和X₂的代表性实例包括但不限于约500～约2000。优选地，但不是必须地，X₁＝X₂。光纤的芯的直径优选地小于20μm，更优选地小于15μm，比方说约10μm。

当装置30从多个光源接收光学输入(见图18b)时，每一束传送一个光学通道。图18b所示的实例中，输入光纤束180分成4个光纤束(180a、180b、180c和180d)，它们分别馈至装置30的4个输入刻面(182a、182b、182c和182d)。

装置30还可以接收一个或多个相干光束(例如激光束)形式的光学输入。彩色图像可以从多个(例如，三个或更多)单色激光装置，例如，红色、绿色和蓝色激光器生成，所述激光器被扫描以形成图像。这种图像可以被投射到具有小的横截面的装置30的输入刻面上。使用激光的优点在于高的亮度以及根据装置30中波导的透明度和位置校准激光光斑强度和位置的能力。根据本发明的各个示范性实例，在下面的实例部分中提供优选的透明度优化过程。

如上所述，光可以相对于发射刻面以任意预定角度从装置30发射。该预定角度可以是约90°，这种情况下，波导相对于输出刻面基本垂直地形成，或者该预定角度可以是任意其他角度，这种情况下，波导相对于输出刻面倾斜。

现在参考图19，它是一个优选实施例中装置30的一个光学尺寸调整元件的一层的示意图，该优选实施例中波导16相对于该层的端部是倾斜的。所得的光学尺寸调整元件相对于输出刻面以角度θ(图19中由数字190表示)发射光194。

根据本发明的一个优选实施例，装置30被设计和构造成提供三维图像。通过产生具有两种不同偏振或两种不同颜色的两个不同的图像，可以获得三维图像。用户然后可以使用双目装置来观察图像，所述双目装置对于每个眼睛具有不同偏振或不同颜色，因此模拟图像的三维感觉。

备选地，装置30可以用作自动立体显示器，由此观察者不必佩戴特殊的观察设施以保持两个图像分离。以两个不同图像的形式为用户提供自动立体，这两个不同图像被引导到用户的左眼和右眼。此后提供根据本发明的各个示范性实施例的自动立体显示器的一个代表性实例(见图34a-35c以及相关描述)。

显示装置通常在光学耦合的显示面板之间的“像素到像素”对准的限制之下制造。具体而言，为了使显示装置正确工作，需要使用微米或亚微米的容差对准光学耦合的面板的像素。应当意识到这种要求使制造工艺复杂化，并通常彻底使产品制造不能完成。本实施例中，输入图像和元件32之间或元件32和34之间不需要像素到像素的对准。

而且，图像中的像素数目可以不同于元件32中像素的数目，元件32中像素的数目又可以不同于元件34中像素的数目。为了这样做，而不使分辨率不受束缚，接收元件的像素(波导)的数目优选地是发射元件的像素的数目的k倍，其中k是大于1的数，例如约为2，优选地约是3。更多细节，参看美国专利No.6,326,939，此处引用该专利的内容作为参考。这样，输入图像像素和装置30的像素之间不需要具有相关性，不需要对准两个光学尺寸调整元件的波导。

对于相同光学元件的层之间的偏移，在小和大刻面相对并且平行的情况下，层之间的x微米的偏移转变成x(M-1)的(输出处)有效偏移，在小和大刻面基本垂直的情况下，转变成xM的有效偏移，且在小和大刻面共面的情况，转变成x(M+1)的有效偏移。这样，对于约0.2mm的输出容差和约十倍的放大率，所述层可以在约20微米的精度内在输入波导区域堆叠。仅在一个维度有对准需要。在小和大刻面平行(相对或共面)的实施例中，在横向方向没有对准需要。另一方面，在小和大刻面基本垂直的实施例中，横向方向的容差约为x微米。

由于发射光学尺寸调整元件(例如，元件32)中缺少偏振导致的x微米的偏移，在输出处转变成xM微米(其中M是接收元件的放大率)的偏移。两个光学尺寸调整元件之间的旋转偏移优选地被最小化，以减小图像失真。

导致波导的透明度差异的波导的厚度和宽度的差异可以添加到波导的总损耗预算。优选地，可以引入一些宽度和厚度差异，以抑制莫尔条纹(Moire fringe)效应。

现在参考图20，它是根据本发明的各个示范性实施例的一种光学尺寸调整装置200的示意图。与上述装置30类似，装置200可以提供光的二维光学尺寸调整。装置包括多个层202，所述多个层形成具有第一刻面206和第二刻面208的基板204。层202布置成部分重叠光学布置。

用在这里，层的“部分重叠光学布置”指这样的布置：其中每一层包括至少一个区域，该区域在该层的表面处光学暴露。这里，光学暴露的区域指能够与环境建立光学通信的区域。这样，在环境与装置200的每层之间存在基本自由的光学路径，该光学路径经过所述层的表面和光学暴露区域。光学暴露区域因此可以直接从该层的表面发射向外导向的光，基本没有来自于相邻层的吸收、反射或散射。

光学暴露区域既可以向外发射光也可以接收向内导向的光到所述层的表面，基本没有来自于相邻层的吸收、反射或散射。

图21a-b示意性地示出了根据本发明的各个示范性实施例的两个部分重叠光学布置的侧视图。图21a-b示出的是多个层202，每一层202具有表面290和端部292。波导16被嵌入到层202中，并在每一层中从该层的第一区域293延伸到第二区域294。第二区域294是光学暴露的。这样，不管该层在叠层中的位置如何，都存在一个基本自由的光学路径296，该光学路径经过表面290并将光学暴露区域294连接到环境298。这样，在层202中(通过波导16)传播的光291被允许通过表面290出射层202并进入环境298。

图21a所示的实施例中，区域294物理地暴露于环境，由此确立光学路径296。图21b所示的实施例中，在区域294处，相邻层之间具有交叠，使得光学路径296经过这些层。该实施例中，层202(或每个层的至少一个部分)由能使可见光从其中透射的材料制造，以保持光学路径296。

本领域技术人员应当理解光可以通过表面290耦合到所述层之外，而不管所述层是否在光学暴露区域处终止(如图21a中示范的)或延伸超过它们(图21b)。根据本发明的各个示范性实施例，用于将光耦合到所述层之外的优选配置在下面提供。

根据本发明的一个优选实施例，装置200的刻面208由所述层的光学暴露区域限定。刻面208可以是倾斜的或它可以具有二维台阶形状(梯田)。每一层具有如上面详细描述的由周边边界限定的波导的扩展布置，该周边边界例如是图4b、4e、4f和10a中的周边边界22。与上述元件10和装置30类似，如有需要，每一层中的一部分或所有的波导16可以是渐细的或部分渐细的。此外，如上面进一步详细描述的，波导16的扩展布置可以通过波导弯曲和/或隅角镜获得，其中从光学损失的观点出发波导弯曲是优选的，而从装置厚度的观点出发隅角镜是优选的。

本领域技术人员应当理解，装置200的每一层中的波导的扩展布置导致图20中的箭头210所示的一个维度的光学尺寸调整，且刻面208处的层的部分重叠光学布置导致箭头212所示的另一个维度的光学尺寸调整。

如图20的代表性实例中所示的，第一刻面206由层202的交叠区域218的端部216定义。图21c-d示意性地示出了装置200的一个(图21c)和多个层(图21d)，较好地示出了非暴露区域218的端部216。形成刻面208的层202的暴露区域在图21c-d中由数字220表示。

如图22a-c所示的一个备选实施例中，层202在第一206和第二208刻面面都是部分暴露的。具体而言，刻面206(图22a-b)由暴露区域222(图22c)定义，而刻面208由暴露区域220定义。上述实施例之间的区别在于当刻面206由交叠区域的端部定义时，光以与其进入的方向垂直的方向从装置200出射，而当刻面206由暴露区域定义时，光以与其进入的方向平行(图22b)或相反(图22a)的方向从装置200出射。

现在参考图22d，它是一个优选实施例中的装置200的示意图，其中，装置200包括两个光学尺寸调整元件232和234，其中元件232提供一个维度(由箭头212表示)中的光学尺寸调整，且元件234接收部分尺寸调整的光并在另一维度(箭头210)中对其进行尺寸调整。优选地，但不是必须地，元件232在尺寸上小于元件234。

元件232和234可以在分开的制造过程中制造，且可以在此后光学耦合，或更优选地，它们可以是集成的元件，这种情况下它们的光学耦合可以在制造过程中完成。后一种实施例中，装置200的每一层都具有两个部分432和434(未示出，见图22e-f)。部分432被设计用于元件232且部分434被设计成元件234。该实施例在图22e-f中被更好地示出，图22e-f示出了在部分重叠光学布置中一层一层地堆叠的一层(图22e)和若干层(图22f)的顶视图。图22e所示的层中，如上面进一步详细描述的，波导从第一区域18延伸到第二区域20，由此形成纵向扩展布置。图22e中还示出了第一部分432和第二部分434，如上所述，它们分别被设计以用于元件232和234。一旦所述层被堆叠，元件232由部分432形成且元件234由部分434形成。

在分开的制造过程中制造的实施例中，如下面进一步详细描述的，元件232和234每个可以以层的形式或以体的形式被独立的制造(见图26-27h，以及相关描述)。根据本发明的一个优选实施例，元件232用作装置200中的发射元件，由此通过刻面236进入元件232的光通过刻面238由元件232发射，刻面238位于元件232和234之间的界面处。该实施例中，元件234用作装置200中的接收元件，由元件232发射的光通过刻面240被元件234接收刻面240同样位于所述装置之间的界面处。在维度210被尺寸调整之后，光通过刻面242从元件234出射。

图22d所示的示范性配置中，如上面进一步详细描述的，光学尺寸调整元件234根据部分重叠光学布置的原理制造，由此它的层的暴露的部分形成刻面242。类似于上面的刻面208，刻面242可以是倾斜的或它可以具有梯田形状。图22d中还示出了一种扩展结构224，根据本发明的优选实施例，该扩展结构光学耦合到刻面242。如此后进一步详细描述的，扩展结构224用于扩展从其经过的光线。

本领域技术人员应当理解，元件232中的波导的扩展布置导致维度212上的光学尺寸调整，且元件234的刻面242的梯田或倾斜的形状导致维度210上的光学尺寸调整。

根据需要，装置200的包层可以由吸收或非吸收材料制成。使用吸收材料的优点在于它改善了对比度，且使用透明材料的优点在于它允许制造透明显示器，该透明显示器不阻挡位于它后面的景象。此外，如上面进一步详细描述的，起偏器可以添加在波导芯之间(见图15)。

将光耦合到本发明的部分重叠光学布置之外可以以多于一种的方式实现。一个优选实施例中，使用反射元件的布置将光耦合到刻面208之外。该实施例中，光传播通过基本平行于所述层的表面的波导，直到它照射到反射元件上为止，该反射元件将光重定向经过该表面向外。另一个实施例中，使用透射元件的布置(典型地，波导)将光耦合到刻面208之外。还期望的是反射和透射元件的组合。下面描述光借助反射元件的布置耦合到外部的实施例，且下面将描述借助变形(transmuting)元件或反射和透射元件的组合将光耦合到外部的实施例(见图26-27h)。

现在参考图23a-b，它们是一个优选实施例中装置200的刻面208的一部分的侧视图(图23a)和顶视图(23b)的示意图，该实施例中刻面208具有二维台阶形状(梯田)。还参考图23c-d，它们是根据本发明的本优选实施例，放置在装置200的层中的反射镜282的示意图。

如图23a-b所示，一些具有不同反射系数的反射镜282(例如，全内反射镜)优选地放置在装置200的每一层202的反射区域283中。反射镜282收集在所述层中传播的光并将其重定向以将该光耦合到刻面208之外。传播的光和重定向的光在图23a-b中分别由数字284和286表示。反射镜282优选地是宽的，以优化光的收集和耦合。反射镜282的不同的反射系数可以通过提供不同高度的反射镜实现。

备选地，反射镜282可以是窄的，没有反射系数的变化，使得照射反射镜的光被完全反射。优选地，反射镜282基本均匀地布置在反射区域283上以促进光284的有效收集。这种配置导致光基本均匀地反射到刻面208之外。如刻面208的顶视图(图23b)所示，在照射刻面284和外部介质之间的边界时，重定向的光286可以在两个维度进一步扩展。这种扩展典型地在以下情况发生：当刻面284涂敷有保护涂层(例如但不限于玻璃或聚合物)时，或光当如图33b所示向下耦合时。在保护涂层上扩展之前和之后的重定向光，在图23b中分别由方块286和圆形288表示。

仍然备选地，例如，两种方法可以通过跨过梯田表面放置窄的部分反射镜而组合。所述反射镜可以在聚合物波导中制造，例如通过成模制或烧蚀工艺。

参考图23c-d，反射镜282可以具有平面(图23c)或非平面(图23d)形状。平面镜在需要窄或适度视野的应用中是优选的，并可以通过使用一系列激光烧蚀脉冲获得。非平面镜在所需视野宽的应用中是优选的，并且，例如，可以使用较少的(例如，一个)激光烧蚀脉冲获得。

现在参考图24a-e，它们是根据本发明的各个示范性实施例，光学尺寸调整元件234的侧视图的示意性说明。元件234的层202用于两个目的：(i)将光耦合到元件234之外，以及(ii)促进维度210上的光学尺寸调整(在本示例中，扩展)。传播光和输出光在图24a-e中分别由数字246和247表示。图24a-e还示出了表征输出光247的典型像素尺寸。像素尺寸在图24a-e中由数字249表示。

可以以多于一种的方式将光耦合到元件234之外。如图24a-b所示的一个实施例中，层202包括位于波导终端的反射镜248，从而重定向在其中传播的光线246。反射镜248可以是45°反射镜-全内反射(TIR)镜、完全或部分反射镜，且如上面进一步详细描述的，它们可以具有平面或非平面形状。此外，反射镜可以涂敷有高反射材料。图24a示出了使用45 °反射镜的优选实施例，且图24b示出了使用TIR反射镜的优选实施例。

如图24c所示的另一个实施例中，在层202中形成凹槽250，从而迫使全内反射，因此将光重定向到所述层之外。图24d所示的一个备选实施例中，元件234包括布拉格反射器261，它将光线重定向到元件234之外。另一个实施例中，元件234包括全息光学元件263，被设计并构造成重定向来自离开元件234的光的光线。

元件234可以制造为元件232的一部分，在这种情况下，例如，使用上面图21c所示类型的光掩模，形成这些元件的层由单个基板制成。更优选地，每一层可以使用不同的掩模处理从而减小可能的垂直耦合。这种制造工艺还减小了波导的长度，由此可以使用单个对角路径(而不是两个垂直的路径)。所述层可以被制造到它们的精确长度，且然后被堆叠以形成刻面242，或它们可以首先被堆叠以形成刻面242，且然后被抛光或切割以形成刻面236。

元件234还可以制作为独立的元件。例如，通过一层一层地堆叠具有基本平行的波导的层，以形成部分重叠的光学布置，其中刻面242具有倾斜或梯田形状。

根据本发明的优选实施例，装置200的所述层由聚合物材料制成，更优选地，由柔性聚合物材料制成，以有利于装置200的柔性。而且，装置200的层可以在一端(例如，输入端)彼此连接而允许它们的另一端(例如，输出端)分离。使用这种配置，装置200可以制备得可折叠。可折叠装置的代表性实例在图25中示出，图25示出了装置200，其中层202在它们的输入端251连接，而允许它们在它们的输出端255分离。在装置200制造成两个分离的元件232和234且这两个元件此后相耦合的优选实施例中，通过完全连接元件232的层和部分连接元件234的层可以实现可折叠。

现在参考图26a-b，它们是该优选实施例的侧视图(图26a)和分解图(图26b)的示意图，其中，光借助发射元件的布置耦合出去。参考图26a，光学尺寸调整元件110具有第一112和第二14刻面，其中刻面114以角度β倾斜，因此比刻面112大。元件110具有多个波导16，该多个波导从刻面112延伸并朝向刻面114弯曲，由此提供沿着方向115的光学尺寸调整。

图26a所示的示范性配置中，波导以角度ψ到达刻面114，该角度相对于该刻面的法线116方便地定义。ψ可以具有任意值，这允许元件110和环境之间的光学通信，并提供光学尺寸调整。一般地，只要使用小于某一角度ψ_c的ψ的任意值，与环境的光学通信和光学尺寸调整就可以获得。优选地，ψ近似于零，在这种情况下，波导16近乎垂直地到达刻面114。

例如，根据上述元件10的原理，可以制造弯曲波导。例如，参考图26b的分解图，梯形或类似形状的层可以彼此堆叠，使得它们的表面117基本交叠，且它们的端部119形成斜刻面114。这样光(通过波导)在所述层中传播，并经过端部119从所述层出射。

元件110可以与任意上述光学尺寸调整元件光学耦合，以提供两个维度的光学尺寸调整。例如，元件110可以代替装置30中的元件34和装置200中的元件234。

图27a-b示意性地示出了元件234的另一个优选制作工艺。该实施例中，元件234通过如下操作处理：在其中形成波导233之前交替堆叠高折射率材料和低折射率材料薄层以形成堆叠231。接着，在堆叠231中执行倾斜切割以形成斜刻面242。一旦制备了刻面242，通过贯穿其蚀刻凹槽235，在堆叠231中形成各个波导233。为避免太深的蚀刻，该工艺可以成批处理，比方说，几十或几百层地处理，由此一批一批地蚀刻凹槽。这样，制作工艺优选地包括4个步骤，其中在第一步骤中，准备成批的堆叠的层，在第二步骤中，这些批被蚀刻，以在其中形成凹槽，在第三步骤中，这些批被相互堆叠，且在第四步骤中，批的堆叠沿着斜线被切割以形成斜刻面242。

在每个层的波导之间隔开的凹槽235，可以填充以填充材料，该填充材料的折射率小于波导(高折射率材料)的折射率。如有需要，填充材料和波导的折射率之间的差优选地大(例如约0.1或更多)，从而提供在元件234的输出处的宽视野。填充材料优选地具有高的光吸收属性以减少散射光。这种材料的代表性实例包括但不限于：添加到低折射率聚合物的黑色色调。备选地，凹槽235可以保持未处理，在这种情况下波导由空气隔离。

此后提供用于装置200的一个附加制造工艺(见图29a-e，如下)。

参考图27c-h，它们是根据本发明的各个示范性实施例的扩展结构224的示意图。

如所陈述的，除了由元件232提供的光学尺寸调整之外，或作为其替代，结构224用于扩展经过其中的光束。这样，在采用结构224的优选实施例中，装置200可以包括也可以不包括光学尺寸调整元件232。

参考图27c-e，在图27c所示的优选实施例中，结构224包括图形化的层的堆叠；在图27d所示的优选实施例中，结构224包括图形化的并且形成有凹槽的引导材料块；在图27e-f所示的优选实施例中，结构224包括扩展布置的带状波导的叠层，类似于光学尺寸调整元件10的构造和操作。为减小元件234和结构224之间的界面处的反射，抗反射涂层或折射率匹配材料254可以添加在刻面242和结构224之间。

后一种实施例(图27e-f)中，元件234和结构224的形状和材料优选地经过选择，使得被引导的光朝向刻面242的内侧275弯曲，而散射的非引导的光继续在它原方向传播，以某一角度照射到刻面242的内侧275上，该角度是上述全内反射的临界角度。本领域技术人员应当理解，当非引导光不从刻面242发射时，由于非引导光，装置200对于对比度下降较不敏感。

这样，根据本发明的本优选实施例，散射的光不从刻面242发射。另一个实施例中，和元件234的波导折射率相比，结构224的波导具有高的折射率。这样，元件224处的纵横比(包层宽度比厚度)可以灵活设置。图27f中所示的元件234，包括芯材料层和包层材料层。淀积且不被蚀刻，可以制作比芯层薄得多的包层。图27e所示的实施例中，结构224由相对厚的层构成，具有宽芯层和相对宽的包层阻挡层。因为太窄的包层阻挡层在厚层中很难制作，优选地，增加波导(和阻挡层)的宽度。

根据本发明的一个优选实施例，元件234和结构224的空间和光学参数被选择成满足Snell定律。具体而言，N₁sinθ₁＝N₂sinθ₂且W₁/W₂＝sin₁/sin₂，其中N₁、N₂分别是234和结构224的波导的折射率，W₁、W₂分别是元件234的层的厚度和结构224的层的宽度。₁是刻面234的倾斜角度₁。₂是结构224的波导的弯曲角度，θ₁＝90°-₁。且θ₂＝90°-₂。作为数值示例，对于N₁＝1.50，₁＝5.7°，N₂＝1.7，W₂和W₁之间的比率W₂/W₁＝4.8。

当元件234的波导由凹槽(不是在各个层上形成，见图27a-b及所附描述)隔开时，结构224优选地使用相同的技术制作。本实施例的优点在于它可以减小元件234和结构224之间界面处的光学损耗。此外，蚀刻技术的使用维持了高折射率对比。这样，根据本发明的一个优选实施例，结构224被制作并在蚀刻前附着到叠层231(见图27a-b)。此后，叠层231和结构224被蚀刻以形成凹槽。在结构224中，在其包层之间引导低的空间模式(垂直于凹槽)，且在凹槽之间引导高的空间模式。

图27g-h所示的实施例中，结构224包括层258的叠层256，层258包括高折射率的区域252和低折射率的区域253。所述区域可以是立方形的或具有任意其他几何形状。光通过区域252、基本垂直于层258传播。结构224的下层(所示的层258a)是高折射率立方体阵列，由反射镜260(例如，TIR反射镜)终止，该反射镜优选地但不是必须地弯曲，用于增强结构224的光束发散。结构224的其他层258的区域252优选地大于层258a的区域252，用于减小对准容差要求。当反射镜使用金属形成或覆盖有金属时，元件234和结构224之间的空间优选地填充以低折射率填充材料，用于减小背反射和光束发散。在结构224的层中，区域252之间的空间可以填充以吸收黑色的材料以减小散射光和改善显示对比度。元件234和结构224之间的光学耦合也可以通过在元件234内提供具有倾斜端部的波导实现(见图27h)。

现在参考图28a-c，它们是一个优选实施例中装置200的层的顶视图(图28a-b)和侧视图(图28c)的示意图，该实施例中所述层是低重量层。图28a是一个光学尺寸调整元件(元件232、元件234或在元件232和234具有共同的层的实施例中为它们二者)的层202的顶视图。如图28a所示，波导16仅在它们的端部262部分地渐细，而沿其大部分长度横截面保持基本不变。根据本发明的本优选实施例，波导16覆盖有较低折射率包层材料(未示出，见图28c)的薄层264且剩余的空间可以保留基本为空的。这种配置允许每个层的重量的减小因此也允许装置200的重量的减小。用于构造目的，支撑构件260优选地位于波导16之间，以维持每层的平面形状并防止层的倒塌。支撑构件260可以由短片段的波导制成，该波导与整个波导平行制作。构件260可以具有任意几何形状(例如，立方形)。

图28b是扩展结构224的层258的顶视图。与层202的类似的方法，结构224的高折射率区域252可以空间分开以减小结构224的每层的重量。支撑构件260可以位于区域252之间以维持结构224的每层的平面形状并防止倒塌。

图28c是层202或258的侧视图，示出了位于相邻光发射元件(波导16或高折射率区域252)之间的构件260。图28c中还示出了每个独立层的优选构造，其中光发射元件在底部包层266上形成并被顶部包层264覆盖。

减小装置200的总重量的另一个方法是通过制作具有如上面图21中所示的周边边界的形状的层，最小化每一层上的空的区域。

现在参考图29a-e，它们是根据本发明的各个示范性实施例，用于制造装置200的优选的折叠技术的示意图。折叠技术在优选地制作矩形层的应用(例如，以有利于层的大批量生产)中是有优点。可以采用该折叠技术，用于制作装置200的任意部分。具体而言，可以采用该折叠技术，用于制作提供一个维度或两个维度的光学尺寸调整的元件。图29a-e所示的代表性实例中，采用折叠技术，用于制造在两个维度中提供光学尺寸调整的光学元件，由此每一层中波导的扩展布置提供第一维度中的光学尺寸调整，且部分重叠的光学布置提供第二维度中的光学尺寸调整。

如上所述，装置200的所述层优选地由柔性聚合物形成。此外，所述层优选地制备得足够薄以允许它们的折叠。一旦矩形层形成，它被折叠以形成约90°的预定角度(具有聚合物波导允许的曲率半径，从而不增加弯曲损耗)。折叠的层由此包括波导的扩展布置，由此输入区域小于输出区域。一种具有输入区域273和输出区域271的折叠的层270的代表性实例在图29a中示出，制造过程的选择步骤在图29a-d中示出。

图29a-d中示出的是一个折叠层270(见图29a)，它具有输入波导280和输出波导276以及附加层272(图29b)，该附加层添加到折叠层270，使得层272的输出波导274对准到层270的输出波导276(见图29c)。层272然后被折叠(图29d)，使得层272的输入波导278对准层270的输入波导280。得出的层的部分重叠的布置的顶视图在图29e中示意性示出，该图示出了暴露的区域22和交叠区域218。

应当理解，上述制造工艺也可以以相反的顺序实施。该实施例中，层270的输入波导280首先被对准，此后层272的输出波导274被对准。

图30a-b是根据本发明的各个示范性实施例，用于制造4个光学尺寸调整元件的模拟工艺的示意图。图30a示出了层300的顶视图，这些层可用于形成4个光学元件。一旦制备了层300，它们被堆叠并沿着垂直路径306切割以形成层的两个叠层302(见图30b)。接着，叠层302可以沿着倾斜路径304被切割。

现在参考图31，它是一个优选实施例中的装置200的示意图，其中装置200从多个源接收光。图31所示的代表性实例中，装置200从4个光源(未示出)接收光学输入。装置200包括两个光学尺寸调整元件，由132a和132b表示，都用作装置200中的发射元件，以及一个光学尺寸调整元件，由134表示，用作装置200中的接收元件。元件134包括倾斜的或梯田的刻面242，并与两个元件132a和131b都光学耦合。元件132a和132b的原理和操作与上面的元件32a和32b的原理和操作类似，加了必要的变更，耦合到倾斜元件134。两个光束进入到元件132a和132b的每一个中(光束310a和311a进入元件132a，光束310b和311b进入元件132b)。光束从元件132a和132b发射到元件134，并作为扩展光束314共同地从元件134出射。

现在参考图32a-b，它们是一个优选实施例中装置200的顶视图(图32a)和剖面图(图32b)的示意图，其中装置200接收多个(例如两个或更多)单色光源形式的光学输入，并使用该光学输入产生尺寸调整的彩色光束。图32b是沿着图32a中的切割线AA’的剖面图。例如，如上面进一步详细描述的，装置200可用于使用多个单色图像提供放大的彩色图像。

图32a-b所示的代表性实例中，装置200包括部分重叠光学布置中的多个层320，其形成三个输入刻面326a、326b和326c，以及一个输出刻面328，如前面进一步详细描述的，该输出平面具有倾斜或梯田形状。层320可以使用折叠技术或使用任意其他上述技术制造。应当理解，尽管图32a-b描述了单个元件(波导堆叠)提供二维光学尺寸调整的实施例，并不意在排除使用两个光学元件(例如，上面的元件132和134)的实施例。

现在参考图32a-b，三个单色光学输入322(例如，RGB输入)从三个单色图像源(未示出)发射到装置200。装置200的层320优选地以交替的顺序布置，其中每一层的波导根据一个单色输入的平均波长优化。这样，例如，第一类型的层320a为红光优化、第二类型的层320b为绿光优化，且第三类型的层320c为蓝光优化。这些层根据它们的波长优化耦合到不同的单色光源。每一层使用反射镜324(例如，TIR反射镜)或使用上面详细说明的任意其他方法将光耦合到装置200之外。反射镜也可以为相应光学输入的平均波长优化。

如所陈述的，本实施例适用于图像光学数据以及非图像光学数据。具体而言，如前面进一步详细描述的，本实施例可用于提供彩色图像或为另一个显示装置提供彩色背光照明。

装置200的所述层在图33a-c中更好地示出，图33a-c示意性地描述了光向层外的耦合。图33a-c中示出了层331，它以部分重叠光学布置的方式布置。每一层以反射镜333，优选地以TIR反射镜终止，使得在层331内传播的光335被反射镜333重定向并耦合到所述层之外。

取决于反射镜333的取向，光335可以通过所述层的反射区域345的自由侧337(见图33a)出射，或通过反射区域345的一侧339出射，该侧与相邻的层(见图33b-c)接合。这里，图33a中所示的实施例被称为正向光耦合，且图33b中所示的实施例被称为反向光耦合。反向光耦合在所述层具有基本均匀的厚度且装置200的发射区域处的层的整体厚度小(典型地，但不限于，小于10mm，例如，约2mm)的配置中是优选的。反向光耦合的优势在于它较简单的制造工艺以及它在反射镜上简单淀积(高反射)盖层。反射镜可以在波导的制造过程中或之后制造，或当若干或所有的层被层叠时，它们可以在单个步骤中制造。

根据本发明的一个优选实施例，装置200包括位于层331上的倾斜方向布置的光透射板341。此外，层331和板341之间的缝隙可以填充以折射率匹配材料343，使得光335基本垂直于板341耦合到装置200之外。板341在反向光耦合的实施例中是尤其有用的，该实施例中背面的粗糙度可能恶化光的外耦合。

如上面进一步详细描述的，通过产生具有两种不同偏振或两种不同颜色的两个不同的图像，装置200和30还可以用于提供三维图像。对于两种不同偏振，装置200可以类似于图32构造，两个光学输入处于两个不同的偏振(而不是不同颜色)。使用对于每个眼睛具有不同偏振的双目装置，用户则可以观察图像。

另一个实施例中，装置200和30可以用作自动立体显示器。这可以以多于一种的方式完成，如下面参考图34a-d和35a-c进一步详细描述。

因此，本发明的各个示范性实施例中，装置200被制造成具有两个输入刻面330和332，每个接收不同的图像，所述图像被设计成被用户的左眼和右眼所观察。输出刻面338将到达输入330的光学信息引导进入左眼，并将到达输入332的光学信息引导进入右眼。

参考图34a-d，装置200的层可以布置成使得到达输入330的光学信息被引导到左眼，且到达输入332的光学信息引导到右眼。这可以通过不同层的反射镜334的合适的取向完成，以使输出光束聚焦到单个点336，也称为自动立体图像的“甜点”(sweet spot)(见图34c)。用户然后通过将左眼放置在甜点的左边部分334且将右眼放置在甜点的右边部分342观看三维图像。当装置200是柔性的时，输出光束聚焦到光点336可以通过弯曲输出刻面338实现，如图34d所示。后一种实施例的优点在于甜点的位置可以通过改变刻面338的曲率而改变。

参考图35a-c，装置200的层可以这样布置，即，使得波导16具有合适的取向以聚焦输出光束到光点336。该实施例的优点在于，光束取向由波导取向控制，而并不由反射镜刻面角度控制。取向受控的波导的制造比刻面角度受控的反射镜的制造简单得多。另一个优选实施例中，波导取向相同，但是反射镜取向变化，以将光束反射到所需的方向。

图36示意性地示出了一个优选实施例中装置200的视野中的不同光学区域，其中装置200提供两个光学输出，“左”输出346和“右”输出348。如图36所示，视野一般包括4个光学区域。一个混合观察区域350，其中两个输出组合成二维图像，一个甜点区域，其中两个输出组合成三维图像，以及两个单侧区域352和354，对它们而言一个输出被遮蔽，因此它们仅分别包含另一输出：348和346的二维信息。通过控制输出场的宽度，区域352和354可以按需要被尺寸调整(缩小或放大)。

现在参考图37a-b，它们示出了一个优选实施例中一层(图37a)和得出的视野(图37b)的示意图，该实施例中装置200提供多个自动立体图像。如图所示，指定为通过输出刻面发射光的每个波导16的端部360分裂成多个波导(本实例中为三个波导362a、36 2b和362c)，每个都由单独的反射镜(本实例中为反射镜364a、364b和364c)终止。这些波导被定向成聚焦光的各部分到不同的甜点(本实施例中为点366a、366b和366c)上。本领域技术人员应当理解，还可以采用本发明以向多个方向提供多个二维图像。例如，当装置200在显示装置中实现时，从不同方向观察显示器的用户可以看见不同的图像。

与上面装置30类似，存在多个方法使装置200与光源耦合。如上面进一步详细描述的(见图16a)，可以利用耦合器，例如，具有或不具有起偏器的微透镜，完成耦合。备选地，如上面进一步详细描述的(见图16b)，装置200可以不使用耦合器工作或使用放置在或形成在输入光学元件上的微透镜阵列工作。另一个实施例中，如上面进一步详细描述的，且如图17所示，使用透镜或其他聚焦元件，输入图像可以聚焦在装置200上。一个附加的实施例中，如上面进一步详细描述的(图18a-b)，装置200和光源之间的耦合是借助一个或多个光纤束的。装置200还可以接收激光束形式的光学输入，该激光束可以被投射到装置200的输入刻面上。

在本专利的寿命内，期望相关的光发射装置被发展，且术语波导的范围意在假定包括所有这些新的技术。

基于下面非限制性实例的检查，对于本领域技术人员而言，本发明的其他目的、优点和新的特征将变得显而易见。此外，上面描述的和下面权利要求部分要求保护的本发明的各个实施例和方案中的每一个在下面的实例中发现实验支持。

实例

现在参考下面的实例，所述实例与上面的描述一起以非限制性的方式说明了本发明。

实例1

光学损耗优化

装置的透明度受一些损耗机制的影响：(i)装置中的传播损耗；(ii)装置中的弯曲和渐细损耗；(iii)装置的光学元件之间的耦合损耗；以及(iv)界面处的反射损耗。

对于聚合物波导，使用不包含C-H吸收振动键的聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)和加氘的聚氟丙稀酸甲酯(d-PFMA(deuteratedpolyfluoromethacrylate))材料获得最低的报告的传播损耗。在可视区域，对于体材料来说，已经报告了低于0.001dB/cm的值[L.Hornak，“Polymers for lightwave and integrated optics，”Marcel Dekker，Inc，1992]；在λ＝0.68μm波长下，对于多模波导，报道了0.01dB/cm[Yoshimura et al.，“Low loss polymeric optical waveguidesfabricated with Deuterated Polyfluoromethcrylate，”J.Lightwave Tech，vol16，1030-1037，1998]，且对于单模波导，在波长λ＝1.3μm，报道了0.05dB/cm[Yeniary et al.，“Untra-low-losspolymer waveguides，”J.Lightwave Tech，vol 22，154-158，2004]。这样，根据本发明的优选实施例，波导是聚合物波导，更优选地，是PMMA波导或d-PFMA波导。

本发明的各个示范性实施例中的弯曲损耗是由于光与隅角镜的相互作用。对于具有空气包层反射镜的50×50μm的多模聚合物波导，报道了1.2dB的隅角损耗[J-S Kim and J-J Kim，“Stacked polymericmultimode waveguide arrays for two-dimensional opticalinterconnects，”J.Lightwave Tech，vol 22，840-844，2004]。低于0.5dB的更低的损耗也是可获得的[Ahmad，“Ultracompactcorner-mirrors and T-branches in silicon-on-insulator，”IEEEPhoton.Tech.Lett.，vol.14，65-67，2002]。当使用半径为几个毫米的波导弯曲而不是隅角镜时，损耗可以小于0.1dB。

当所述装置用于光扩展(例如，图像的放大)时，渐细损耗可以忽略。对于收缩应用，典型的渐细损耗依赖于输入光束的模式结构和锥形(taper)长度；对于基本输入模式和几个厘米长的锥形，损耗可以低于0.1dB。这样，当装置用于光扩展时，锥形可以是台阶状的，而对于收缩应用，光滑的锥形是优选的以最小化损耗。

输入光源和装置之间界面处的耦合损耗的程度取决于，用于促进所述耦合的光学布置、波导中芯和包层的比率以及像素的宽度和缝隙的比例(在刻面处没有像蚀刻的透镜这样的聚焦元件的情况下)。当波导具有矩形横截面时的填充因子高于波导具有圆形横截面时的填充因子。通过对波导的数值孔径的明智选择，装置的光学元件之间的耦合程度可以是可忽略地低。尤其是，根据本发明的一个优选实施例，接收光尺寸调整元件(例如，元件34)的数值孔径大于或等于发射光学尺寸调整元件(例如，元件32)的数值孔径。

通过在装置30和耦合光源到装置30的光学布置之间放置折射率匹配的粘合剂，输入光源和装置30之间的反射可以是可忽略地低。对于装置的光学元件之间的反射，情况也是如此。第二光学尺寸调整元件的大刻面的反射由(n-1)²/(n+1)²给出，其中n是芯的折射率。该刻面可以涂敷有抗反射涂层以进一步减小反射。

因为损耗的散射光基本平行于装置30的大刻面传播，装置对比度仅轻微地受传播损耗影响。然而，界面之间耦合处的光损耗和在弯曲处散射的光可减小对比度，尤其在层的区域18和20是平行的且位于该层的相对侧的实施例中。

通过以不均匀方式照射输入图像，由于波导的非均匀传播损耗导致的光学损耗可以被减小和基本消除(例如，减小到小于20％，更优选地，减小到小于10％，比方说，约为其原先值的5％或更小)。例如，参考图38，输入图像382可以失真使得跨过图像的长度和宽度有亮度梯度382，以便补偿不同的波导损耗。

图39a是一个优选实施例中的光学尺寸调整元件的一层(例如，层14)的示意图，其中该层包括光吸收器370，其选择成改善波导16中传播的光的对比度。光吸收器370可以跨过层14放置或位于层14的小区域中。光吸收器可以是添加到包层材料中的黑色色调。在区域18和20是共线的或位于层14的相邻侧的实施例中，减小的对比度的效果是较不明显的，熟练的技术人员可能更喜欢不包括光吸收器370。然而，这些实施例中光吸收器的使用也是可以预期的。改善对比度的一个备选的方法是在波导之间使用轻微吸收的包层。例如，吸收系数约为1dB/cm的包层可以吸收散射光的全部或大部分，同时，波导损耗的增加小于0.01dB/cm。

当传播损耗不均匀时，输出光束可能具有不均匀的亮度。为避免这种效果，可以向较短的波导添加寄生损耗。这可以以多于一种的方法完成。一个实施例中，通过减小波导宽度添加寄生损耗，且在另一个实施例中，通过减小弯曲半径添加寄生损耗，且在一个附加实施例中，通过向所述层添加弯曲或寄生横断(intersected)波导创造寄生损耗。

备选地，通过调整锥形宽度(控制耦合到波导的光量)或锥形长度(控制锥形的效率[透明度])，与波导的耦合可以被调整。

在均匀面板需要被尺寸调整的情况下，可以通过向波导分配不同的横截面而补偿波导的不同的损耗。图39b示意性地示出了一个实施例，其中所述层的较长的波导具有较宽的横截面，使得更多的光耦合到该较宽的波导以克服它们较高的损耗(由于它们较长的长度)。该实例中，波导向着输出面板是渐细的，以在那里获得相等的宽度。非渐细的波导也是可以预期的。90°的波导弯曲也可以使用平滑的弯曲代替。

不仅在该层中，而且在层之间，波导可以具有不同的长度。上层的波导比下层中的波导短。通过为每一层分配不同的波导宽度，在不同层中可以获得波导相等的透明度。备选地，一个层中(芯)波导的厚度可以变化，以便为所述层补偿不同的波导长度。在该实施例中，上层中的波导比下层中的波导薄。

实例2

视野优化

根据本发明的一个优选实施例，装置30被设计和构造，以在预定的视野提供被尺寸调整的光。一种为装置30获得预定视野的方法是为光学元件明智地选择波导参数，装置30从该光学元件(例如，元件34)输出光。根据本发明的一个优选实施例，波导折射率和数值孔径(N.A.)被选择成满足公式：N.A.＝sinα＝√(n₁ ²-n₂ ²)，其中n₁和n₂是芯和包层的折射率，α是衍射角的一半。对于以线性渐细终止的波导，有效数值孔径是N.A/M，其中M是渐细放大率[Peli et al.，见上文]。这样，可以通过调整渐细形状，即，使用非线性渐细形状，选择有效的视野。尤其是，在不同的方向可以获得不同的视野。

通过选择在所述层中的第一包层材料，在所述层之间的第二不同的包层材料，可以获得用于不同方向的不同视野，使得纵向方向(与所述层平行)的视野不同于横向方向(与所述层基本垂直)的视野。

通过在输出刻面添加漫射屏或通过蚀刻输出刻面使其漫射，可以放大装置30的视野。漫射屏也可以构造成补偿光学损耗。

此外，或备选地，通过增加芯和包层的折射率之间的差Δn可以放大视野。高的Δn值可以被选择用于整个光学尺寸调整元件，或，备选地，Δn可以以渐变的方式向着输出刻面增加。例如，逐渐变化的Δn可以在这样的制造过程获得，其中芯被直接写入UV光刻技术写入，其中芯相对于包层的Δn是UV曝光时间的函数。优选地，折射率的增加伴随着一种散射机制，例如在芯材料中增加了散射中心或通过向波导增加弯曲的散射。这些散射机制将较低阶模转换成较高阶模，因此，利用较高的Δn波导的能力保持较高阶模。较高阶模对大视野图案有贡献。

本领域技术人员应当理解，调整视野的能力可以显著改善输出光的亮度。

现在参考图40，它示出了改善输出光的亮度的过程。一般而言，这种改善涉及对来自于光源392的光390的有效收集和装置30的视野的调整，使得存在最小或没有亮度损耗。具体而言，根据本发明的本优选实施例，使视野减小量与亮度的预期减小量相同，使得光390的光学能量的全部或大部分(比方说至少90％)由输出光394携带。例如，假设使用具有3dB插入损耗的光学尺寸调整装置，使一个5”的屏幕被放大成10”的屏幕。在这种情况下，装置30的亮度的预期减小是2×2×2＝8。进一步假设装置30被耦合到光源392，使得光390的120°进入装置30。为消除亮度减小，装置30的视野被选择为120/√8＝42°。本发明在以下的情形是尤其有用的，其中，例如，为了保持显示图像的私密性，希望伴随屏幕尺寸放大的是视野的减小。

现在参考图41，它是一个优选实施例中装置30的示意图，其中波导16相对于所述层的端部倾斜(例如，参见图19)。得出的光学尺寸调整元件发射与输出刻面成角度θ的光394。如图41所示，本实施例导致装置30的视野的调整。

还可以在装置30的光学尺寸调整元件之间的界面处采用视野的调整，用于增加接收元件处的空间模式。通过改变不同光学元件的波导之间的相对取向和/或Δn的值，可以获得这种调整。例如，当发射元件的波导(例如元件32)并不平行于接收元件(例如，元件34)的波导，且接收元件的Δn大于发射元件的Δn时，在两个元件之间的界面处激励的更高的空间模式成功地在接收元件中传播。因此，所述装置的输出刻面处的视野增加。通过确立光学尺寸调整元件的两个波导之间的倾斜的连接，空间模式的增加还可以在光学尺寸调整元件中(而不是在两个这种元件的界面上)获得。

这里，术语“约”表示±10％。

应当理解，为清楚起见，在分开的实施例描述的本发明的某些特征可以在单个实施例中组合。相反，为简单起见，在单个实施例中描述的本发明的各个特征，也可以单独地提供或可以以任何合适的子组合方式提供。

尽管已经结合本发明的特定实施例描述了本发明，很明显，对于本领域技术人员而言，很多备选、修改和变化是显而易见的。因此，意在包括落在所附权利要求的精神和宽泛范围中的所有这种备选、修改和变化。本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请，此处在本说明书中引用，其全部内容作为参考，就某种意义而言，就好像每个独立的出版物、专利或专利申请在此专门地和独立地引用作为参考。此外，本申请中任意参考的引用或标识并不应当理解成承认这种引用在先于本发明的现有技术中可用。

Claims (94)

1.一种光学尺寸调整装置，包括：

第一光学尺寸调整元件，该第一光学尺寸调整元件具有多个波导，所述多个波导被设计和构造成提供第一维度上的光学尺寸调整；以及

第二光学尺寸调整元件，该第二光学尺寸调整元件具有多个波导，所述多个波导被设计和构造成提供第二维度上的光学尺寸调整，所述第二光学尺寸调整元件被耦合到所述第一光学尺寸调整元件，使得从所述第一光学尺寸调整元件出射的光进入所述第二光学尺寸调整元件，因此在所述第一和所述第二维度上都被尺寸调整；

其中至少所述第一光学尺寸调整元件和第二光学尺寸调整元件之一的所述多个波导至少是部分渐细的。

2.权利要求1的光学尺寸调整装置，其中至少所述第一光学尺寸调整元件和第二光学尺寸调整元件之一的所述多个波导以纵向展开布置的方式在基板中形成和/或嵌入到基板中，从而提供所述光学尺寸调整。

3.一种光学尺寸调整装置，包括：

第一光学尺寸调整元件，该第一光学尺寸调整元件具有多个波导，所述多个波导被设计和构造成提供第一维度上的光学尺寸调整；以及

第二光学尺寸调整元件，该第二光学尺寸调整元件具有多个波导，所述多个波导被设计和构造成提供第二维度上的光学尺寸调整，所述第二光学尺寸调整元件被耦合到所述第一光学尺寸调整元件，使得从所述第一光学尺寸调整元件出射的光进入所述第二光学尺寸调整元件，因此在所述第一和所述第二维度上都被尺寸调整；

其中至少所述第一光学尺寸调整元件和第二光学尺寸调整元件之一的所述多个波导以纵向展开布置的方式在基板中形成和/或嵌入到基板中，从而提供所述光学尺寸调整。

4.权利要求3的光学尺寸调整装置，其中至少所述第一光学尺寸调整元件和第二光学尺寸调整元件之一的所述多个波导是至少部分渐细的。

5.权利要求2或3的装置，其中所述纵向展开布置包括波导层，每一层布置成使得波导从所述层的第一区域延伸到所述层的第二区域，由此在所述层中定义了周边边界，其中表征所述周边边界的长度在所述第一区域比在所述第二区域小，以提供所述光学尺寸调整。

6.一种光学尺寸调整元件，包括形成基板的多个层，具有第一刻面和比所述第一刻面大的第二刻面，所述多个层的每一层具有基本平行的波导的布置，所述波导在所述层中形成和/或嵌入到所述层中，并从所述层的第一区域延伸到所述层的第二区域，所述多个层以部分重叠光学布置的方式布置，由此每一层的第二区域在所述第二刻面是光学暴露的，以便提供一个维度上的光学尺寸调整。

7.一种光学尺寸调整元件，包括由至少一层形成的基板，所述至少一层的每一层具有波导布置，所述波导在所述层中形成和/或嵌入到所述层中，并从所述层的第一区域延伸到所述层的第二区域，由此在所述层中定义了周边边界，其中表征所述周边边界的长度在所述第一区域比在所述第二区域小，以便提供在一个维度上的光学尺寸调整。

8.权利要求6或7的光学尺寸调整元件，其中所述多个波导中的至少一些是至少部分渐细的。

9.权利要求5、6或7的装置或光学尺寸调整元件，其中所述第一区域和所述第二区域位于所述层的相对侧。

10.权利要求9的装置或光学尺寸调整元件，其中所述第一区域和所述第二区域平行。

11.权利要求5或7的装置或光学尺寸调整元件，其中所述第一区域和所述第二区域位于所述层的相邻侧。

12.权利要求11的装置或光学尺寸调整元件，其中所述第一区域和所述第二区域是基本垂直的。

13.权利要求5或7的装置或光学尺寸调整元件，其中所述第一区域和所述第二区域位于所述层的相同一侧。

14.权利要求13的装置或光学尺寸调整元件，其中所述第一区域和所述第二区域基本共线。

15.权利要求1或3的装置，其中至少所述第一光学尺寸调整元件和所述第二尺寸调整元件之一包括用于提供所述光学尺寸调整的倾斜的层。

16.权利要求1或3的装置，其中至少所述第一光学尺寸调整元件和所述第二尺寸调整元件之一包括用于提供所述光学尺寸调整的梯田。

17.权利要求1或3的装置，其中至少所述光学尺寸调整元件之一设计和构造成，使得所述光在第一方向传播时进入所述光学尺寸调整元件，并在所述第一方向传播时从所述光学尺寸调整元件出射。

18.权利要求1或3的装置，其中所述光学尺寸调整元件中至少一个被设计和构造成，使得所述光在第一方向传播时进入所述光学尺寸调整元件，并在不同于所述第一方向的第二方向传播时从所述光学尺寸调整元件出射。

19.权利要求1或3的装置，其中所述第一光学尺寸调整元件和所述第二光学尺寸调整元件每一个独立地包括第一刻面和在尺寸上不同于所述第一刻面的第二刻面，由此，所述多个波导从所述第一刻面延伸到所述第二刻面。

20.权利要求19的装置，其中所述第二刻面基本平行于所述第一刻面。

21.权利要求19的装置，其中所述第二刻面基本垂直于所述第一刻面。

22.权利要求19的装置，其中所述第二刻面相对于所述第一刻面是倾斜的。

23.权利要求19的装置，其中所述第二刻面和所述第一刻面基本共面。

24.权利要求1或3的装置，其中所述第一光学尺寸调整元件被构造和设计成从多个源接收光，并将所述光发射到所述第二光学尺寸调整元件中。

25.权利要求6或7的光学尺寸调整元件，该元件被构造和设计成从多个源接收光，并将所述光发射到所述第二光学尺寸调整元件中。

26.权利要求1或3的装置，进一步包括至少一个附加光学尺寸调整元件，该附加光学尺寸调整元件构造和设计成从至少一个附加光源接收光，并将所述光发射到所述第二光学尺寸调整元件中。

27.权利要求26的装置，其中所述至少一个附加光源包括单色光源。

28.权利要求24或26的装置，其中所述第二光学尺寸调整元件被设计和构造成，向不同的方向发射来自于不同源的光。

29.权利要求1或3的装置，其中所述第二光学尺寸调整元件被设计和制造成，向多个方向发射从所述第一光学尺寸调整元件接收的光。

30.权利要求6或7的光学尺寸调整元件，该元件被设计和构造成向多个方向发射光。

31.权利要求1或3的装置，其中所述第一光学尺寸调整元件被构造和设计成从单个源接收光，并向至少两个不同的方向发射所述光。

32.权利要求6或7的光学尺寸调整元件，该元件被构造和设计成从单个源接收光，并向至少两个不同的方向发射所述光。

33.权利要求31的装置，进一步包括至少一个附加光学尺寸调整元件，该附加光学尺寸调整元件位于所述至少两个不同方向之一处，并被构造成从所述第一光学尺寸调整元件接收光。

34.权利要求1、3、6、7或19的装置或光学尺寸调整元件，进一步包括附着到所述第二刻面或在所述第二刻面中蚀刻的漫射层。

35.权利要求1，3，15或16的装置，其中至少所述第一光学尺寸调整元件和所述第二光学尺寸调整元件之一包括展开结构。

36.权利要求35的装置，其中所述展开结构包括全息光学元件。

37.权利要求35的装置，其中所述展开结构包括层的堆叠，所述层以高折射率区域和低折射率区域交替地图形化。

38.权利要求35的装置，其中所述展开结构包括使用凹槽图形化的层的堆叠。

39.权利要求35的装置，其中所述展开结构包括渐细波导的层的堆叠。

40.权利要求35的装置，其中所述展开结构包括反射镜。

41.权利要求40的装置，其中所述反射镜包括全内反射镜。

42.权利要求40的装置，其中所述反射镜涂敷有高反射率涂层。

43.权利要求35的装置，其中所述扩展结构包括布拉格反射镜。

44.权利要求1或3的装置，其中所述第一光学尺寸调整元件和所述第二光学尺寸调整元件其中至少一个包括多个部分光学尺寸调整元件，每个部分光学尺寸调整元件被设计和构造成，提供相应维度上的部分光学尺寸调整。

45.权利要求1或3的装置，其中所述第一光学尺寸调整元件和所述第二光学尺寸调整元件其中至少一个被设计和构造成使光偏振。

46.权利要求6或7的光学尺寸调整元件，该元件被设计和构造成使光偏振。

47.一种光学尺寸调整装置，包括：

多个层，该多个层形成具有第一刻面和第二刻面的基板，所述多个层以部分重叠光学布置的方式布置；

所述多个层的每一层具有波导布置，所述波导在所述层中形成和/或嵌入到所述层中，并从所述层的第一区域延伸到所述层的第二区域，由此在所述层中定义了周边边界，其中表征所述周边边界的长度在所述第一区域比在所述第二区域小，且其中所述第二区域在所述第二刻面是光学暴露的。

48.权利要求47的装置，其中所述第一刻面由所述多个层的交叠区域的端部定义。

49.权利要求47的装置，其中每一层在所述第一刻面是部分暴露的。

50.权利要求47的装置，其中所述多个波导中至少一些是至少部分渐细的。

51.权利要求47的装置，其中所述多个层中的至少一些层包含反射镜，用于将在所述多个波导中传播的光重定向到所述层之外。

52.权利要求51的装置，其中至少一部分所述反射镜是全内反射镜。

53.权利要求51的装置，其中至少一部分所述反射镜是蚀刻的反射镜。

54.权利要求51的装置，其中至少一部分所述反射镜涂敷有高反射率涂层。

55.权利要求51的装置，其中至少一部分所述反射镜包含平坦的刻面。

56.权利要求51的装置，其中至少一部分所述反射镜包含不平坦的刻面。

57.权利要求47的装置，其中所述多个层中的至少一些层包含布拉格反射器，用于将在所述多个波导中传播的光重定向到所述层之外。

58.权利要求47的装置，其中所述多个层中的至少一些层包含全息光学元件，用于将在所述多个波导中传播的光重定向到所述层之外。

59.权利要求1，3或47的装置，其特征在于视野选择得足够小以基本维持被所述装置尺寸调整的光的亮度。

60.一种制造光学尺寸调整元件的方法，包括：

(a)在基板上以展开布置的方式形成从所述基板的第一区域延伸到所述基板的第二区域的多个波导，由此提供一层波导；

(b)重复步骤(a)多次，由此提供多个层；以及

(c)堆叠所述多个层，从而形成由所述多个层的端部定义的第一刻面，以及由所述多个层之一的暴露的表面定义的第二刻面；

由此制造该光学尺寸调整元件。

61.权利要求60所述的方法，进一步包括：

(d)在基板上形成多个基本平行的波导，所述波导从所述基板的第一区域延伸到所述基板的第二区域，由此提供一层波导；

(e)重复步骤(d)多次，由此提供多个层；

(f)以部分重叠光学布置的方式堆叠所述多个层，由此每一层的第二区域是光学暴露的，从而形成第一刻面和第二刻面，所述第二刻面由所述多个层的光学暴露部分定义；

由此制造第二光学尺寸调整元件；以及

(g)光学耦合所述光学尺寸调整元件到所述第二光学尺寸调整元件，从而允许从所述光学尺寸调整元件到所述第二光学尺寸调整元件的光的传播，其中所述光在所述光学尺寸调整元件中在第一维度上被尺寸调整，且在所述第二光学尺寸调整元件中在第二维度上被尺寸调整。

62.一种制造多个光学尺寸调整元件的方法，包括：

(a)在基板上形成从所述基板的第一区域延伸到所述基板的第二区域的多个波导，由此提供一层波导；

(b)重复步骤(a)多次，由此提供多个层；

(c)堆叠所述多个层，从而提供叠层；以及

(d)对所述叠层执行至少一次切割，从而提供多个光学尺寸调整元件。

63.一种制造光学尺寸调整元件的方法，包括：

(a)在基板上形成从所述基板的第一区域延伸到所述基板的第二区域的多个平行波导，由此提供一层波导；

(b)重复步骤(a)多次，由此提供多个层；以及

(c)以部分重叠光学布置的方式堆叠所述多个层，由此每一层的第二区域是光学暴露的，从而形成第一刻面和第二刻面，所述第二刻面由所述多个层的光学暴露部分定义；

由此制造该光学尺寸调整元件。

64.权利要求60或63所述的方法，进一步包括：

(d)重复步骤(b)-(c)，从而形成第二光学尺寸调整元件；以及

(e)光学耦合所述光学尺寸调整元件到所述第二光学尺寸调整元件，从而允许从所述光学尺寸调整元件到所述第二光学尺寸调整元件的光的传播，其中所述光在所述光学尺寸调整元件中在第一维度上被尺寸调整，且在所述第二光学尺寸调整元件中在第二维度上被尺寸调整。

65.一种制造光学尺寸调整装置的方法，包括：

(a)在基板上形成从所述基板的第一区域延伸到所述基板的第二区域的多个波导，由此在所述基板中定义了周边边界，其中表征所述周边边界的长度在所述第一区域比在所述第二区域小；

(b)重复步骤(a)多次，由此提供多个层；以及

(c)以部分重叠光学布置的方式堆叠所述多层，由此每一层的第二区域是光学暴露的，从而形成第一刻面和第二刻面，所述第二刻面由所述多个层的光学暴露部分定义，由此制造该光学尺寸调整元件。

66.权利要求60、62、63或65的方法，其中所述形成所述多个波导包括形成多个渐细波导。

67.权利要求62、63或65的方法，进一步包括放置反射镜，用于将在所述多次波导中传播的光重定向到所述基板之外。

68.权利要求60、63或65所述的方法，进一步包括在所述堆叠所述多个层的步骤之后，切割所述多个层，从而形成所述第一刻面和第二刻面其中至少一个。

69.权利要求68的方法，其中所述切割这样执行：使得所述第一刻面和所述第二刻面其中至少一个是倾斜的。

70.权利要求60、63或65的方法，进一步包括在所述堆叠所述多个层的步骤之前，切割所述多个层，从而为每一层形成暴露多个波导端部的层端部。

71.权利要求60、62、63或65的方法，进一步包括在所述堆叠所述多个层的步骤之前，在所述层的至少一部分上淀积起偏器。

72.权利要求60、63或65的方法，进一步包括将所述第一刻面和第二刻面其中至少一个耦合到耦合器。

73.权利要求72的方法，其中所述耦合器包括微透镜阵列。

74.权利要求60、63或65的方法，进一步包括蚀刻所述第一刻面和第二刻面其中至少一个以在所述刻面上形成微透镜阵列。

75.权利要求6，47、61、63或65的光学尺寸调整装置、光学尺寸调整元件或方法，其中所述多个层在所述第二刻面是部分暴露的。

76.权利要求2、3、6、7、47、60、63或65的光学尺寸调整装置、光学尺寸调整元件或方法，其中所述多个波导中的至少一些形成平面光路。

77.权利要求2、3、6、7、47、60、63或65的光学尺寸调整装置、光学尺寸调整元件或方法，其中所述多个波导中的至少一些形成光纤阵列。

78.权利要求76的光学尺寸调整装置、光学尺寸调整元件或方法，其中所述多个波导中的至少一些是单模波导。

79.权利要求76的光学尺寸调整装置、光学尺寸调整元件或方法，其中所述多个波导中的至少一些是多模波导。

80.权利要求76的光学尺寸调整装置或光学尺寸调整元件，进一步包括在所述波导的芯之间引入的光吸收器。

81.权利要求2、3、6、7、47、60、63或65的光学尺寸调整装置、光学尺寸调整元件或方法，其中所述多个波导中的至少一些包括芯和包层，所述芯具有比所述包层高的折射率。

82.权利要求2、3、6、7、47、60、63或65的光学尺寸调整装置、光学尺寸调整元件或方法，其中所述多个波导中的至少一些包括光子带隙材料。

83.权利要求2、3、6、7或47的光学尺寸调整装置或光学尺寸调整元件，进一步包括微透镜阵列，用于将光耦合到所述光学尺寸调整装置或光学尺寸调整元件中。

84.权利要求2、3、6、7或47的光学尺寸调整装置或光学尺寸调整元件，进一步包括至少一个光纤束，用于将光耦合到所述光学尺寸调整装置或光学尺寸调整元件中。

85.权利要求1、4、8、39、50或66的光学尺寸调整装置、光学尺寸调整元件或方法，其中所述渐细的特征在于平滑的轮廓。

86.权利要求1、4、8、39、50或66的光学尺寸调整装置、光学尺寸调整元件或方法，其中所述渐细的特征在于基本台阶状的轮廓。

87.权利要求1、3、6、7或47的光学尺寸调整装置或光学尺寸调整元件，该装置或元件是柔性的。

88.权利要求1、3、6、7或47的光学尺寸调整装置或光学尺寸调整元件，该装置或元件是可折叠的。

89.权利要求1、3、6、7或47的光学尺寸调整装置或光学尺寸调整元件，该装置或元件用作显示系统中的部件。

90.权利要求1、3、6、7或47的光学尺寸调整装置或光学尺寸调整元件，该装置或元件用作自动立体显示系统中的部件。

91.一种调整光斑尺寸的方法，包括，通过前面权利要求其中任意一个的光学尺寸调整装置传送光。

92.权利要求91的方法，进一步包括使所述光斑失真，以便跨过其提供亮度梯度，由此补偿不均匀的光学损耗。

93.权利要求91所述的方法，其中所述光组成图像。

94.权利要求93所述的方法，进一步包括使所述图像失真，以便跨过其提供亮度梯度，由此补偿不均匀的光学损耗。

Images