CN101228483A - 用于扩展出射瞳径的通用衍射光学方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种通用衍射光学方法，该方法在光学衬底(12)上使用多个衍射元件(14，18，22)，以扩展电子设备的显示器的出射瞳径以便观看。该方法用于光学设备中的光学耦合，并且其特征在于：扩展输出光束中的输入光束的出射瞳径，其中该光学设备包括：光学衬底(12)以及布置在光学衬底上的入耦合(14)、中间体(18)和出耦合(22)衍射元件，其中中间衍射元件的周期线分别与入耦合以及与出耦合衍射元件的周期线构成角度(ρ)。该系统支持宽范围的旋转角度(0＜ρ＜70°)以及对应的圆锥角并且保持几何精确。

Description

用于扩展出射瞳径的通用衍射光学方法

技术领域

本发明通常涉及一种显示器设备，以及更具体地涉及通用衍射光学方法，该方法使用多个衍射元件来扩展显示器的出射瞳径以便观看。

背景技术

虽然通常的做法是使用低分辨率液晶显示器(LCD)面板来在移动设备中显示网络信息和文本消息，但是优选的是使用高分辨率显示器来浏览文本和消息的丰富的信息内容。基于微显示器的系统可以以每毫米50-100行来提供全彩色像素。这种高分辨率通常适合用于虚拟显示器。虚拟显示器通常由微显示器组成以便提供图像和光学布置用于以如下方式处理从图像显露的光：所看见的图像与直接观看显示面板的一样大。虚拟显示器可以是单目或者双目的。

从成像光学出现朝向眼睛的光束的大小称作出射瞳径。在近眼显示器(NED)中，出射瞳径的直径通常为10mm数量阶。进一步放大出射瞳径使得更容易地使用虚拟显示器，因为设备可以放置在与眼睛相距一段距离处。这样，这种显示器由于明显的原因而不再适合用作NED。平视显示器是具有足够大出射瞳径的虚拟显示器的示例。

Yaakov Amitai和Asher Friesem的PCT专利申请WO99/52002“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射瞳径的方法。该公开的方法使用了三个连续的全息光学元件(HOE)以便放大出射瞳径。特别地，HOE是布置在面板，即光透射衬底6上(如图1所示)的衍射光栅元件。如图所示，来自图像源2的光在第一HOE或者H1上入射，其中该第一HOE或H1布置在衬底6的一侧上。来自耦合到衬底6的H1的光被引导至第二HOE或者H2，在这里光的分布在一个方向上扩展。H2还将扩展的光分布重新引导到第三HOE或者H3，在这里光分布进一步在另一个方向上扩展。全息元件可以位于衬底6的任意一侧上。H3还将扩展的光分布从布置有H3的衬底表面上向外重新引导。图1中所示的光学系统操作为光束扩展设备，其近似地维持光束的总体方向。这种设备还称作出射瞳径扩展器(EPE)。

在EPE中，出射光束相对于入射光束的能量取决于相邻光学元件之间的耦合。因为图像源的输出能量是有限的，所以期望获得相邻光学元件之间的高耦合效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种通用衍射光学方法，该方法在光学衬底上使用多个衍射元件，以扩展电子设备的显示器的出射瞳径以便观看。

根据本发明的第一方面，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；布置在衬底上的第一衍射元件，用于接收由波矢量k所定义的输入光束并包含具有周期d的周期线；布置在衬底上与第一衍射元件相关的第二衍射元件，并且其包含具有周期为d的另一周期线，其中该周期线与该另一周期线之间的夹角为2ρ；以及布置在衬底上的中间衍射元件，其与第一和第二衍射元件相邻并且包含具有周期为d/2cosρ的又一周期线，其中ρ是周期线与又一周期线之间的夹角，其中至少部分输入光束在第一衍射元件中衍射，以提供衍射光分量到基本上在第一表面和第二表面内的中间衍射元件，并且中间衍射元件中的至少部分衍射光分量被耦合到基本上在第一表面和第二表面之间的第二衍射元件，使得允许所耦合的衍射光分量的至少一部分通过在第二衍射元件中的衍射从该衬底出射，由此提供了由另一波矢量k1所定义的输出光束，其中该另一波矢量k1具有与输入光束的波矢量k完全相同的方向。

进一步根据本发明的第一方面，通过提供输出光束，光学设备可以用于扩展输入光束的出射瞳径。

进一步根据本发明的第一方面，在提供至少部分衍射光分量到第二衍射元件之前，衍射光分量可以入射并且随后奇数次地被衍射到中间衍射元件上的第一阶(order)。

再进一步根据本发明的第一方面，中间衍射元件可以仅支持反射零阶以及第一阶衍射模式，或者衬底的折射率可以给定为n＞λ/d，其中λ是该输入光束的波长。

再进一步根据本发明的第一方面，可以保持预定条件，该条件是中间衍射元件可以不支持第二阶或者更高阶模式，或者该条件可以表达为 $\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\ρ}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}},$ 其中n是衬底的折射率，λ是该输入光束的波长。另外，ρ可以给定为0＜ρ＜70°。

再进一步根据本发明的第一方面，可以保持另一预定条件，该条件是对于中间衍射元件而言可以不支持传导模式，或者该条件可以表达为λ/d＞1，其中λ是该输入光束的波长。

再进一步根据本发明的第一方面，第一衍射元件、第二衍射元件或者中间衍射元件可以布置在第一表面或者第二表面上。

根据本发明的第二方面，一种用于扩展在输出光束中所提供的输入光束的出射瞳径的方法，该方法包括步骤：在第一衍射元件处接收由波矢量k所定义的输入光束，其中第一衍射元件包含周期为d的周期线并且布置在具有第一表面和相对的第二表面的光学材料衬底上；在第一衍射元件中衍射至少部分输入光束，以提供衍射光分量到基本上在第一和第二表面中的中间衍射元件；通过中间衍射元件进一步对衍射光分量进行衍射；以及将在中间衍射元件处进一步所衍射的衍射光分量的至少一部分耦合到基本上处于所述第一表面和第二表面之间的第二衍射元件，使得允许所耦合的衍射光分量的至少一部分通过第二衍射元件中的衍射从该衬底出射，由此提供了由另一波矢量k1所定义的输出光束，其中该另一波矢量k1具有与输入光束的波矢量k完全相同的方向，其中第二衍射元件布置在衬底上与第一衍射元件相关，并且其包含具有周期为d的另一周期线，其中周期线与另一周期线之间的夹角为2ρ，并且中间衍射元件布置得与第一衍射元件和第二衍射元件相邻并且包含具有周期为d/2cosρ的又一周期线，其中ρ是周期线与又一周期线之间的夹角。

进一步根据本发明的第二方面，在将至少部分衍射光分量提供到第二衍射元件之前，衍射光分量可以入射并且随后奇数次地被衍射到中间衍射元件上的第一阶。

进一步根据本发明的第二方面，中间衍射元件可以仅支持零阶反射模式以及第一阶反射模式，或者衬底的折射率可以给定为n＞λ/d，其中λ是输入光束的波长。

再进一步根据本发明的第二方面，可以保持预定条件，该条件是中间衍射元件可以不支持第二阶或者更高阶模式，或者该条件可以表达为 $\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\ρ}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}},$ 其中n是衬底的折射率，λ是输入光束的波长。另外，ρ可以给定为0＜ρ＜70°。

再进一步根据本发明的第二方面，可以保持另一预定条件，该条件是对于中间衍射元件而言可以不支持传导模式，或者该条件可以表达为λ/d＞1，其中λ是输入光束的波长。

再进一步根据本发明的第二方面，第一衍射元件、第二衍射元件或者中间衍射元件可以布置在第一表面或者第二表面上。

根据本发明的第三方面，一种电子设备包括：-数据处理单元；-可操作地连接到数据处理单元的光学引擎用于接收来自数据处理单元的图像数据；-可操作地连接到光学引擎的显示器设备用于基于图像数据形成图像；-出射瞳径扩展器，其包括：光学材料的衬底，具有第一表面和相对的第二表面；布置在衬底上的第一衍射元件，用于接收由波矢量k所定义的输入光束并包含具有周期d的周期线；布置在衬底上与第一衍射元件相关的第二衍射元件，并且其包含具有周期为d的另一周期线，其中周期线与另一周期线之间的夹角为2ρ；以及布置在衬底上的中间衍射元件，其与第一衍射元件和第二衍射元件相邻并且包含具有周期为d/2cosρ的又一周期线，其中ρ是周期线与又一周期线之间的夹角，其中至少部分输入光束在第一衍射元件中衍射，以提供衍射光分量到基本上在第一表面和第二表面内的中间衍射元件，并且中间衍射元件中的至少部分衍射光分量被耦合到基本上在第一表面和第二表面之间的第二衍射元件，使得允许所耦合的衍射光分量的至少一部分通过第二衍射元件中的衍射从该衬底出射，由此提供了由另一波矢量k1所定义的输出光束，其中该另一波矢量k1具有与输入光束的波矢量k完全相同的方向。

进一步根据本发明的第三方面，中间衍射元件可以仅支持反射零阶反射模式以及第一阶反射模式，或者衬底的折射率可以给定为n＞λ/d，其中λ是输入光束的波长。

再进一步根据本发明的第三方面，可以保持预定条件，该条件是中间衍射元件可以不支持第二阶或者更高阶模式，或者该条件可以表达为 $\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\ρ}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}},$ 其中n是衬底的折射率，λ是输入光束的波长。另外，ρ可以给定为0＜ρ＜70°。

再进一步根据本发明的第三方面，可以保持另一预定条件，该条件是对于中间衍射元件而言可以不支持传导模式，或者该条件可以表达为λ/d＞1，其中λ是输入光束的波长。

再进一步根据本发明的第三方面，电子设备可以是数码相机、计算机游戏设备、无线设备、便携式设备或者移动终端。

再进一步根据本发明的第三方面，电子设备可以进一步包括通信单元，用于接收包含指示图像数据的信息的信号，其中数据处理单元可操作地连接到通信单元用于接收该信息。

附图说明

为了更好地理解本发明的特性和目的，对结合以下附图的下文详细描述进行参考，在这些附图中：

图1是示出了现有技术的使用了三个衍射元件的出射瞳径扩展器的示意性示图。

图2是示出了根据本发明实施方式的一般化2D出射瞳径扩展器的几何结构的示意性示图。

图3是本发明的实施方式的示意性示图，其示出了具有虚拟显示系统的电子设备。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种在光学衬底上使用多个衍射元件的通用衍射光学方法，用于扩展电子设备的显示器的出射瞳径以便观看。本发明的通用衍射光学方法可以应用于宽广的光束的光谱范围，但是最重要的是针对光谱的可视部分，在这里光束被称为可见光束。

根据本发明的实施方式，该方法可以用于光学设备中的光学耦合，并且其特征在于扩展提供在输出光(例如可见光)束中的输入光(例如可见光)束的出射瞳径，其中光学设备包括：具有第一表面和相对的第二表面的光学材料的衬底(或者光学衬底)；布置在衬底上的第一(入耦合)衍射元件，用于接收由波矢量k所定义的输入光束并且其包含具有周期d的周期线；布置在衬底上与第一衍射元件相关的第二(出耦合)衍射元件，其包含具有周期为d的另一周期线，其中周期线与另一周期线之间的夹角为2ρ；以及中间(扩展)衍射元件，其布置得与第一和第二衍射元件相邻。

进一步，在第一衍射元件中衍射至少部分接收的光束，以提供衍射光分量到基本上在第一和第二表面内的中间衍射元件(例如，经历全内反射)。另外，中间衍射元件中的至少部分衍射光分量被耦合到基本上在第一和第二表面之间的第二衍射元件(又例如，经历全内反射)，使得允许所耦合的衍射光分量的至少一部分通过在第二衍射元件中的衍射从衬底出射，由此提供由另一波矢量k1所定义输出光束。通常地，第二衍射元件还产生另一输出束，其波矢量是波矢量k1相对于衬底表面的镜像。因为该波矢量在其他方面等同于波矢量k1并且在实际应用中其有意地抑制到低值，因此不考虑进一步将其与波矢量k1相分离。

根据本发明的实施方式，中间衍射光栅包含又一周期线，其具有第一衍射元件的周期线与该又一周期线之间为ρ的夹角(或旋转角)，以及该又一周期线的周期d′由以下公式给定：

d′＝d/2cosρ                                      (1)

进一步，根据本发明的实施方式，当中间衍射元件的周期设置为d/2cosρ(等式1)时，另一波矢量k1具有与所述输入光束的波矢量k完全相同的方向，即系统是几何精确的。

根据本发明的实施方式，在提供所述至少部分衍射光分量到第二衍射元件之前，光分量入射并且奇数次地被衍射到中间衍射元件上的第一阶。进一步，根据本发明的实施方式，第一衍射元件、第二衍射元件或者中间衍射元件可以布置在光学衬底的第一表面或者第二表面上。进一步，根据本发明的实施方式，第一衍射元件、第二衍射元件或者中间衍射元件可以是使用平板印刷方法或者传统规则而制造的平面衍射光栅(具有不同的凹槽角和外形，诸如二元、三角、正弦曲线等)。

根据本发明的通用方法提供用于支持旋转角度ρ的广泛变化的条件，使得系统是几何精确的(即波矢量k与k1具有相同的方向)。第一衍射元件的周期在于其仅支持零阶传导衍射模式和第一阶传导衍射模式，其用于耦合可见光进入衬底。下文示出如果中间衍射元件仅支持零阶反射模式以及第一阶反射模式并且禁止其他模式，则系统可以支持宽范围的旋转角度0＜ρ＜70°。这意味着中间衍射元件可以支持宽范围(至少在0和70°之间，以及该范围以外)的圆锥入射角(圆锥角是在入射光束平面与垂直于周期线的平面之间的角度)。

图2示出了用于根据本发明的通用二维(2D)出射瞳径扩展器(EPE)10的几何学的其他示意性图示中的一个示例。该图示出了上文所述的通用衍射光学方法。

图2示出了光学衬底(板)12的俯视图，其具有折射率为n的布置在光学衬底12上的三个衍射元件：第一(入耦合)衍射元件(入耦合衍射元件光栅)14具有线周期d，中间(扩展)衍射元件(中间衍射元件光栅)18具有等式1给定的线周期d′，以及第二衍射元件(出耦合衍射光栅)22具有线周期d。选择线周期d和d′使得对于光学衬底(波导)12中的全内反射的合适条件得以满足。通常地，光栅14支持0阶、-1阶和+1阶的传导模式以及反射零阶。光栅18支持0阶、-1阶的反射模式，以及光栅22支持0阶、-1阶和-2阶的反射模式以及在入耦合光栅中+1传导耦合情况下的-1阶传导模式。如果我们选择入耦合中的-1模式，则模式的符号改变。物理上两种情况是相同的，并且仅考虑+1入耦合情况的就足够了。旋转角度ρ26标记中间衍射光栅18相对于入耦合衍射光栅14的定向。用波矢量k来描述进入耦合衍射光栅14的输入光束，该波矢量k具有分别与坐标轴30和垂直于光学衬底12的表面的轴而形成的分量角(θ₀，

)。在光束传播通过之后，该光学衬底12中的光束相对于中间衍射光栅18具有分别与坐标轴32和垂直于光学衬底12的表面的轴而形成的分量角(θ₁，)，其中

(2)

在等式2中，在入耦合衍射光栅14中选择+1衍射模式。在中间衍射光栅18之后，用角度(θ₂，

)来描述光束，该角度分别与坐标轴34和垂直于光学衬底12的表面的轴而形成，并且其用以下方程来决定：

(3)

注意到针对中间衍射光栅18的衍射模式必须是m＝-1。现在出耦合衍射光栅22必须相对于中间衍射光栅18的旋转角度ρ26，以便保持角度(输入光束的原始方向)。出耦合衍射光栅22之后的衍射模式1的角度是(θ₃，)，并且它们由以下方程来限定：

(4)

最后，出耦合角必须回到原始坐标。因此，坐标必须旋转-2ρ的角度。这样作为波矢量k1的分量的出耦合角(θ_out，

)等于进入角度(θ₀，

)：

(5)

并且该系统是几何精确的(即波矢量k和k1具有相同方向)。

如果ρ＝0，则中间衍射元件18的周期是d/2，并且我们具有反射器，其将可视光反射回到其来自的方向。这可以在板的末端用来对光循环传播。ρ＝45°的情况，给出了

的周期，其是该通用2D出射瞳径扩展器(EPE)的特殊情况。

对于光栅周期而言存在另一要求。在中间衍射光栅18中，可以仅存在一个反射衍射模式(除了0阶以外)并且不存在传导模式。根据方程3，可以计算垂直于光学衬底12内部的光学衬底12的表面的方向中的波矢量分量。这样我们可以获得针对模式-1和0的条件其存在由以下来描述：

$n>\frac{\mathrm{\λ}}{d}$ (6)

方程6的条件在所有考虑旋转角26的实际情况中有效。

在衍射光栅18中不存在传导模式的条件是λ/d＞1，并且其在所有实际情况下其是有效的。另一要求是没有其他反射模式应该存在于衍射光栅18中。仅考虑最低的衍射模式，即-2和+1就足够了，并且因此我们获得以下条件：

$\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\ρ}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}}$ (7)

方程7所描述的这个条件通常对于0＜ρ＜70°有效。这意味着圆锥入射角的宽广范围(至少在0和70°之间以及该范围以外)可以得到中间衍射光栅18的支持(圆锥角是角度

)。

中间衍射光栅18的效率在旋转角度26大约为60°处达到非常高的值，使得衍射效率对于TE和TM偏振二者而言几乎是相等的。进一步论述的用于提高TE和TM偏振模式两者的衍射效率的方法在2004年12月13日提交的、T.Levola的美国专利11/011,481“Methodand System for Beam Expansion in a Display Device”中提供。

出射瞳径扩展器(EPE)10可以用于电子(便携式)设备100中，诸如移动电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式互联网装置、手持计算机、数字视频和静物相机、可佩戴式计算机、计算机游戏设备、用于观看的专用目佩(bring-to-the-eye)产品以及其他便携式电子设备。如图3所示，便携式设备100具有外壳210以便容纳用于接收和传送来往于外部设备(未示出)的信息的通信单元212。便携式设备100还具有控制和处理单元214用于处理接收和传送的信息，以及虚拟显示系统230用于观看。虚拟显示系统230包括微显示器或者图像源192以及光学引擎190。控制和处理单元214可操作地连接到光学引擎190以便提供图像数据到图像源192以在其上显示图像。根据本发明的EPE 10可以光学地链接到光学引擎190。

另外，如图3中所示的图像源192可以是顺序彩色LCOS(硅基液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、MEMS(微电子机械系统)设备或者任何其他在传导、反射或者发射中操作的适合的微显示器设备。

另外，电子设备100可以是便携式设备，诸如移动电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式互联网装置、手持计算机、数字视频和静物相机、可佩戴式计算机、计算机游戏设备、用于观看的专用目佩产品以及其他便携式电子设备。然而，根据本发明，出射瞳径扩展器还可以用于非便携式设备，诸如游戏设备、自动售货机、band-o-matic、以及家用电器，诸如烤箱、微波炉烤箱以及其他电器和其他非便携式设备。

可以理解，上述设置仅为了说明本发明的原理的应用。在不脱离本发明的范围的前提下，本领域技术人员可以设计多种修改和可替换的设置，并且所附权利要求书旨在覆盖这些修改和设置。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

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；

布置在所述衬底上的第一衍射元件，用于接收由波矢量k所定义的输入光束并且包含具有周期d的周期线；

布置在所述衬底上与第一衍射元件相关的第二衍射元件，并且其包含具有周期为d的另一周期线，其中所述周期线与所述另一周期线之间的夹角为2ρ；以及

布置在所述衬底上的中间衍射元件，其与第一衍射元件和第二衍射元件相邻并且包含具有周期为d/2cosρ的又一周期线，其中ρ是所述周期线与所述又一周期线之间的夹角，并且所述角度ρ不等于45°，其中

输入光束的至少一部分在所述第一衍射元件中衍射，以提供衍射光分量到基本上在所述第一表面和第二表面内的中间衍射元件，以及

所述中间衍射元件中的衍射光分量的至少一部分被耦合到基本上在所述第一表面和第二表面之间的第二衍射元件，使得允许所耦合的衍射光分量的至少一部分通过在所述第二衍射元件中的衍射从该衬底出射，由此提供了由另一波矢量k1所定义的输出光束，其中该另一波矢量k1具有与所述输入光束的波矢量k完全相同的方向。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述光学设备是用于通过提供所述输出光束而扩展所述输入光束的出射瞳径。

3.根据权利要求1所述的光学设备，其中在将所述衍射可见光分量的至少一部分提供到所述第二衍射元件之前，所述衍射光分量入射并且随后奇数次地被衍射到所述中间衍射元件上的第一阶。

4.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述中间衍射元件仅支持反射零阶以及第一阶衍射模式，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。

5.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述中间衍射元件不支持第二阶或者更高阶模式，这是由表达为 $\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\ρ}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}}$ 的条件所强加的，其中n是所述衬底的折射率，λ是所述输入光束的波长。

6.根据权利要求5所述的光学设备，其中0＜ρ＜70°。

7.根据权利要求1所述的光学设备，其中对于所述中间衍射元件而言不允许传导模式，这是由表达为λ/d＞1的条件所强加的，其中λ是所述输入光束的波长。

8.根据权利要求1所述的光学设备，其中将所述第一衍射元件、所述第二衍射元件或者所述中间衍射元件布置在所述第一表面或者所述第二表面上。

9.一种用于在光学设备中进行光学耦合的方法，其特征在于，扩展在输出光束中所提供的输入光束的出射瞳径，其中所述光学设备包括：

光学材料的衬底，具有第一表面和相对的第二表面；

布置在所述衬底上的第一衍射元件，用于接收由波矢量k所定义的输入光束并且包含具有周期d的周期线；

布置在所述衬底上与第一衍射元件相关的第二衍射元件，并且其包含具有周期为d的另一周期线，其中所述周期线与所述另一周期线之间的夹角为2ρ；以及

布置在所述衬底上的中间衍射元件，其与第一衍射元件和第二衍射元件相邻并且包含具有周期为d/2cosρ的又一周期线，其中ρ是所述周期线与所述又一周期线之间的夹角，并且所述角度ρ不等于45°，其中

输入光束的至少一部分在所述第一衍射元件中衍射，以提供衍射光分量到基本上在所述第一表面和第二表面内的中间衍射元件，以及

所述中间衍射元件中的衍射光分量的至少一部分被耦合到基本上在所述第一表面和第二表面之间的第二衍射元件，使得允许所耦合的衍射光分量的至少一部分通过在所述第二衍射元件中的衍射从该衬底出射，由此提供了由另一波矢量k1所定义的所述输出光束，其中该另一波矢量k1具有与所述输入光束的波矢量k完全相同的方向。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在将所述衍射可见光分量的至少一部分提供到所述第二衍射元件之前，所述衍射光分量入射并且随后奇数次地被衍射到所述中间衍射元件上的第一阶。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述中间衍射元件仅支持零阶以及第一阶反射模式，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。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述中间衍射元件不支持第二阶或者更高阶模式，这是由表达为 $\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\ρ}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}}$ 的条件所强加的，其中n是所述衬底的折射率，λ是所述输入光束的波长。

13.根据权利要求12所述的方法，其中0＜ρ＜70°。

14.根据权利要求9所述的方法，其中对于所述中间衍射元件而言不允许传导模式，这是由表达为λ/d＞1的条件所强加的，其中λ是所述输入光束的波长。

15.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一衍射元件、所述第二衍射元件或者所述中间衍射元件被布置在所述第一表面或者所述第二表面上。

16.一种电子设备，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，用于接收来自所述数据处理单元的图像数据；

-可操作地连接到所述光学引擎的显示器设备，用于基于所述图像数据形成图像；以及

-出射瞳径扩展器，包括：

光学材料的衬底，具有第一表面和相对的第二表面；

布置在所述衬底上的第一衍射元件，用于接收由波矢量k所定义的输入光束并且包含具有周期d的周期线；

布置在所述衬底上与第一衍射元件相关的第二衍射元件，并且其包含具有周期为d的另一周期线，其中所述周期线与所述另一周期线之间的夹角为2ρ；以及

布置在所述衬底上的中间衍射元件，其与所述第一衍射元件和所述第二衍射元件相邻并且包含具有周期为d/2cosρ的又一周期线，其中ρ是所述周期线与所述又一周期线之间的夹角，并且所述角度ρ不等于45°，其中

所述输入光束的至少一部分在所述第一衍射元件中衍射，以提供衍射光分量到基本上在所述第一表面和第二表面内的中间衍射元件，以及

所述中间衍射元件中的衍射光分量的至少一部分被耦合到基本上在所述第一和第二表面之间的第二衍射元件，使得允许所耦合的衍射光分量的至少一部分通过在所述第二衍射元件中的衍射从该衬底出射，由此提供了由另一波矢量k1所定义的输出光束，其中该另一波矢量k1具有与所述输入光束的波矢量k完全相同的方向。

17.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述中间衍射元件仅支持反射零阶以及第一阶反射模式，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。

18.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述中间衍射元件不支持第二阶或者更高阶模式，这是由表达为 $\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\ρ}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}}$ 的条件所强加的，其中n是所述衬底的折射率，λ是所述输入光束的波长。

19.根据权利要求18所述的电子设备，其中0＜ρ＜70°。

20.根据权利要求16所述的电子设备，其中保持预定条件，对于所述中间衍射元件而言不允许传导模式，这是由表达为λ/d＞1的条件所强加的，其中λ是所述输入光束的波长。

21.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述电子设备是数码相机、计算机游戏设备、无线设备、便携式设备或者移动终端。

22.根据权利要求16所述的电子设备，进一步包括通信单元，用于接收包含指示所述图像数据的信息的信号，其中所述数据处理单元可操作地连接到所述通信单元用于接收所述信息。

Claims (22)

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；

布置在所述衬底上的第一衍射元件，用于接收由波矢量k所定义的输入光束并且包含具有周期d的周期线；

布置在所述衬底上与第一衍射元件相关的第二衍射元件，并且其包含具有周期为d的另一周期线，其中所述周期线与所述另一周期线之间的夹角为2ρ；以及

布置在所述衬底上的中间衍射元件，其与第一衍射元件和第二衍射元件相邻并且包含具有周期为d/2cosρ的又一周期线，其中ρ是所述周期线与所述又一周期线之间的夹角，其中

输入光束的至少一部分在所述第一衍射元件中衍射，以提供衍射光分量到基本上在所述第一表面和第二表面内的中间衍射元件，以及

所述中间衍射元件中的衍射光分量的至少一部分被耦合到基本上在所述第一表面和第二表面之间的第二衍射元件，使得允许所耦合的衍射光分量的至少一部分通过在所述第二衍射元件中的衍射从该衬底出射，由此提供了由另一波矢量k1所定义的输出光束，其中该另一波矢量k1具有与所述输入光束的波矢量k完全相同的方向。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述光学设备是用于通过提供所述输出光束而扩展所述输入光束的出射瞳径。

3.根据权利要求1所述的光学设备，其中在将所述衍射可见光分量的至少一部分提供到所述第二衍射元件之前，所述衍射光分量入射并且随后奇数次地被衍射到所述中间衍射元件上的第一阶。

4.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述中间衍射元件仅支持反射零阶以及第一阶衍射模式，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。

5.根据权利要求1所述的光学设备，其中保持预定条件，所述条件是所述中间衍射元件不支持第二阶或者更高阶模式，或者所述条件表达为 $\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\ρ}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}},$ 其中n是所述衬底的折射率，λ是所述输入光束的波长。

6.根据权利要求5所述的光学设备，其中0＜ρ＜70°。

7.根据权利要求1所述的光学设备，其中保持预定条件，所述条件是对于所述中间衍射元件而言不支持传导模式，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。

8.根据权利要求1所述的光学设备，其中将所述第一衍射元件、所述第二衍射元件或者所述中间衍射元件布置在所述第一表面或者所述第二表面上。

9.一种用于扩展在输出光束中所提供的输入光束的出射瞳径的方法，包括步骤：

在第一衍射元件处接收由波矢量k所定义的输入光束，其中第一衍射元件包含周期为d的周期线并且被布置在具有第一表面和相对的第二表面的光学材料的衬底上；

在第一衍射元件中衍射输入光束的至少一部分，以提供衍射光分量到基本上在所述第一表面和第二表面内的中间衍射元件；

通过所述中间衍射元件进一步对所述衍射光分量进行衍射；以及

将在中间衍射元件处的所述进一步衍射的所述衍射光分量的至少一部分耦合到基本上处于所述第一表面和第二表面之间的第二衍射元件，使得允许所耦合的衍射光分量的至少一部分通过在所述第二衍射元件中的衍射从该衬底出射，由此提供了由另一波矢量k1所定义的输出光束，其中该另一波矢量k1具有与所述输入光束的波矢量k完全相同的方向，其中

所述第二衍射元件布置在所述衬底上与所述第一衍射元件相关，并且其包含具有周期为d的另一周期线，并且其中所述周期线与所述另一周期线之间的夹角为2ρ，以及

所述中间衍射元件布置得与所述第一衍射元件和所述第二衍射元件相邻并且包含具有周期为d/2cosρ的又一周期线，其中ρ是所述周期线与所述又一周期线之间的夹角。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在将所述衍射可见光分量的至少一部分提供到所述第二衍射元件之前，所述衍射光分量入射并且随后奇数次地被衍射到所述中间衍射元件上的第一阶。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述中间衍射元件仅支持零阶以及第一阶反射模式，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。

12.根据权利要求9所述的方法，其中保持预定条件，所述条件是所述中间衍射元件不支持第二阶或者更高阶模式，或者所述条件表达为 $\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\ρ}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}},$ 其中n是所述衬底的折射率，λ是所述输入光束的波长。

13.根据权利要求12所述的方法，其中0＜ρ＜70°。

14.根据权利要求9所述的方法，其中保持预定条件，所述条件是对于所述中间衍射元件而言不支持传导模式，或者所述条件可以表达为λ/d＞1，其中λ是所述输入光束的波长。

15.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一衍射元件、所述第二衍射元件或者所述中间衍射元件被布置在所述第一表面或者所述第二表面上。

16.一种电子设备，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，用于接收来自所述数据处理单元的图像数据；

-可操作地连接到所述光学引擎的显示器设备，用于基于所述图像数据形成图像；以及

-出射瞳径扩展器包括：

光学材料的衬底，具有第一表面和相对的第二表面；

布置在所述衬底上的第一衍射元件，用于接收由波矢量k所定义的输入光束并且包含具有周期d的周期线；

布置在所述衬底上与第一衍射元件相关的第二衍射元件，并且其包含具有周期为d的另一周期线，其中所述周期线与所述另一周期线之间的夹角为2ρ；以及

布置在所述衬底上的中间衍射元件，其与所述第一衍射元件和所述第二衍射元件相邻并且包含具有周期为d/2cosρ的又一周期线，其中ρ是所述周期线与所述又一周期线之间的夹角，其中

所述输入光束的至少一部分在所述第一衍射元件中衍射，以提供衍射光分量到基本上在所述第一表面和第二表面内的中间衍射元件，以及

所述中间衍射元件中的衍射光分量的至少一部分被耦合到基本上在所述第一和第二表面之间的第二衍射元件，使得允许所耦合的衍射光分量的至少一部分通过在所述第二衍射元件中的衍射从该衬底出射，由此提供了由另一波矢量k1所定义的输出光束，其中该另一波矢量k1具有与所述输入光束的波矢量k完全相同的方向。

17.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述中间衍射元件仅支持反射零阶以及第一阶反射模式，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。

18.根据权利要求16所述的电子设备，其中保持预定条件，所述条件是所述中间衍射元件不支持第二阶或者更高阶模式，或者所述条件表达为 $\sqrt{1+8{\cos }^2\mathrm{\ρ}}>\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}},$ 其中n是所述衬底的折射率，λ是所述输入光束的波长。

19.根据权利要求18所述的电子设备，其中0＜ρ＜70°。

20.根据权利要求16所述的电子设备，其中保持预定条件，所述条件是对于所述中间衍射元件而言不支持传导模式，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。

21.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述电子设备是数码相机、计算机游戏设备、无线设备、便携式设备或者移动终端。

22.根据权利要求16所述的电子设备，进一步包括通信单元，用于接收包含指示所述图像数据的信息的信号，其中所述数据处理单元可操作地连接到所述通信单元用于接收所述信息。

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