CN101263412A - 衍射光学装置和系统 - Google Patents

Abstract

一种光继电器装置，用于在视场内传输以多个角度照射该光继电器装置的光。该装置包括透光衬底、输入光学元件和输出光学元件。该输入光学元件衍射该光以使该光通过全内反射在该透光衬底内传播，以及该输出光学元件衍射该光离开该衬底。该输出光学元件特征在于平面尺寸，该平面尺寸选择为使得该视场内一个或多个最外光线的至少一部分被导向至距该透光衬底预定距离的二维区域。

Description

衍射光学装置和系统

技术领域

本发明涉及光学元件，更具体而言涉及将光衍射到一个或多个二维区域内的光学系统和装置。

背景技术

电子装置的微型化总是电子设备领域的持续的目标。电子装置经常配备有某种形式的显示器，该显示器对于用户是可见的。随着这些电子装置尺寸减小，对于制造与小尺寸电子装置相兼容的紧凑显示器的需求增加。除了具有小的尺寸之外，这些显示器不应牺牲图像质量，且可以低成本地获得。按照定义，上述特性相互矛盾，且已经进行许多尝试以提供某些平衡的解决方案。

电子显示器可以提供实像，其尺寸是由显示装置的物理尺寸决定，或者可以提供虚像，其尺寸可以扩展显示装置的尺寸。

实像定义为由投射在置于图像位置的观察面上或者由该观察面显示，并被人的裸眼观察到(到观察者无需校正眼睛的程度)的图像。实像显示器的例子包括阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管阵列(OLED)、或者任何屏幕投影显示器。实像通常可以从约至少25cm的距离被观察，该25cm为人眼可以聚焦到物体上的最小距离。除非人是远视眼的，否则无法在更近的距离观察到清晰图像。

典型地，台式计算机系统和工作站计算设备利用CRT显示屏幕显示图像给用户。CRT显示器笨重、庞大且不容易微型化。对于膝上型、笔记本或掌上计算机，通常使用平板显示器。平板显示器可以使用实施为无源矩阵或有源矩阵面板的LCD技术。无源矩阵LCD面板是由水平和垂直线的格栅组成。格栅的每个交点构成单个像素，并控制LCD元件。LCD元件或者允许光通过，或者阻挡光。有源矩阵面板使用晶体管控制每个像素，且更昂贵。

OLED平板显示器为发光二极管的阵列，由有机聚合物材料制成。现有的OLED平板显示器是基于无源与有源的配置。与控制光透射或反射的LCD显示器不同，OLED显示器发射光，光的强度由所施加的电偏压来控制。平板显示器也用于微型图像显示系统，这是因为与CRT显示器相比平板显示器紧凑且能量高效。小尺寸实像显示器用于呈现实像的表面积较小，因此为用户提供足够信息的能力有限。换言之，由于人眼的有限分辨力，从小尺寸实像分辨得到的细节数量可能不足。

与实像相反，虚像定义为不投射到观察面上或者不从观察面发射的图像，且没有光线连接图像和观察者。虚像只能通过光学元件看到，例如典型的虚像可以从置于会聚透镜前方，位于透镜和透镜焦点之间的物体来获得。从物体上每个点反射的光线在经过该透镜时发散，因此任意两条光线都不共享两个端点。从透镜另一侧观察的观察者将察觉到位于物体后方的图像，该图像因此是放大的。置于透镜焦点的物体的虚像被投射到无穷远。包括微型显示面板和透镜的虚像显示系统可以实现从远小于25cm的距离观察小尺寸但高容量(content)的显示器。这种显示系统可以提供一种观察能力，该观察能力等效于从远得多的距离观察的高容量、大尺寸的实像显示系统。

传统虚像显示器已知具有许多缺点。例如，这些显示器太重而无法舒适地使用，以及太大从而突出、分散注意力以及甚至迷失方向。这些缺陷来源于例如安装结构中结合了较大的光学系统，以及没有充分考虑到诸如尺寸、形状、重量等重要因素的物理设计。

最近，全息光学元件已被用于便携视觉图像显示器。全息光学元件用作成像透镜以及组合器，其中二维的准单色显示被成像到无穷远并反射到观察者的眼睛。所有类型的全息光学元件的共同问题为其较高的色散。在光源不是完全单色的应用中，这是主要的缺陷。某些这些显示器的另一缺陷为，图像的几何和全息光学元件的几何之间缺乏相干性，这导致图像阵列中降低图像质量的像差。

通常涉及单个全息光学元件的新设计通过使用非球面波而不是简单的球面波用于记录，由此补偿几何像差和色差；然而，这些设计没有克服色散问题。此外，采用这些设计，整体光学系统通常非常复杂且难以制造。再者，这些设计形成的视场通常非常小。

Upatnieks的美国专利No.4,711,512描述了一种衍射平面光学平视(head-up)显示器，其配置成传输图像的准直光波前，以及允许经过飞机挡风玻璃的光线通过并被飞行员看到。光波前通过第一衍射元件进入位于飞机座舱内的细长光学元件，被衍射成该光学元件内的全内反射，并通过第二衍射元件从该光学元件衍射进入飞行员眼睛的方向同时保持准直。然而，Upatnieks没有教导如何将宽的视场传输通过显示器，或者如何传输宽的波长谱(用于提供彩色图像)。Upatnieks的仰视显示器的主要限制在于使用大量全息图，使用大量全息图尽管具有较高的衍射效率，但是已知具有窄的角度和色响应。

Friesem等的美国专利No.5,966,223和5,682,255描述了一种与Upatnieks类似的全息光学装置，其具有另外的方面为，第一衍射光学元件还用作准直元件，准直由显示源内每个数据点发射的波并校正整个视场上的场像差。所讨论的视场为±6°，且还讨论了632.8nm中心波长λ_c附近的±2nm波长偏移Δλ_c上低的色灵敏度。然而，Friesem等的衍射准直元件已知具有窄的光谱响应，且在±2nm光谱范围的低色灵敏度在±20nm和±70nm变为无法接受的灵敏度。

Niv等的美国专利No.6,757,105提供了一种用于优化多色光谱的视场的衍射光学元件，该专利的内容结合于此。该光学元件包括透光衬底和形成于透光衬底内的线性光栅。Niv等教导了如何选择线性光栅的节距和透光衬底的折射率以捕获具有预定光谱的光束，且特征在于使预定视场通过全内反射在透光衬底内传播。Niv等也披露了一种包含前述衍射光学元件的光学装置，用于传输广义上的光以及特别是图像到用户的眼睛内。

然而，上述虚像装置提供了单一光学通道，因此允许感兴趣的景象由一只眼睛看到。人们认为任何虚像装置无畸变地传输图像的能力内在地取决于，从图像所有点散发的光线是否被成功地以其原始原色被传输到用户的眼睛。由于目前已知装置采用的单一光学通道，可以无畸变或者无信息损失地得到的视场相当有限。

采用多个衍射光学元件的双目装置披露于美国专利申请No.10/896,865和11/017,920以及国际专利申请公开No.WO2006/008734，其内容结合于此作为参考。光继电器由透光衬底、输入衍射光学元件和两个输出衍射光学元件形成。准直光被输入衍射光学元件衍射到光继电器内，通过全内反射在衬底内传播，并被该两个输出衍射光学元件耦合离开该光继电器。输入和输出衍射光学元件保持光线的相对角度以允许以最小畸变或者无畸变地传输图像。输出元件隔开，使得被一个元件所衍射的光被导向至观察者的一只眼睛，被另一元件所衍射的光被导向至观察者的另一只眼睛。这些参考文献的双目设计显著改善了视场。

在上述类型的双目系统中，输出光学元件之间的距离原则上应匹配使用该系统的个体的瞳孔间距。另一方面，不同个体之间的瞳孔间距相差可以高于50％。因此这些双目系统为具有不同瞳孔间距的个体提供了不同的观察条件。换言之，为一个个体提供最优观察条件的双目系统可以为另一个体提供次优的观察条件，特别是当这两个个体的瞳孔间距相差显著时。

因此广泛意识到需要一种克服上述限制的光学装置和系统，且采用该光学装置和系统将是极为有利的。

发明内容

根据本发明一个方面，提供一种光继电器装置，用于在视场内传输以多个角度照射该光继电器装置的光。该装置包括透光衬底，该透光衬底接合由纵向方向和横向方向跨过的平面。该光继电器装置还包括：输入光学元件，该输入光学元件被设计和构造成用于重新导向该光，使得该光通过全内反射在该透光衬底内传播；以及输出光学元件，该输出光学元件横向偏离该输入光学元件，并被设计和构造成用于重新导向该光离开该透光衬底。该光继电器装置的输出光学元件特征在于由沿该纵向方向的长度以及沿该横向方向的宽度定义的平面尺寸，其中该长度和宽度选择为使得该视场内一个或多个最外光线的至少一部分被导向至距该透光衬底预定距离的二维区域。

根据本发明另一方面，提供一种光继电器装置。该光继电器装置包括：透光衬底，该透光衬底如上所述接合一平面；输入光学元件，该输入光学元件被设计和构造成用于重新导向该光，使得该光通过全内反射在该透光衬底内传播；以及一个或多个输出光学元件，该输出光学元件横向偏离该输入光学元件，并被设计和构造成用于重新导向该光离开该透光衬底。该光继电器装置的每个输入光学元件和输出光学元件特征在于由沿该纵向方向的长度以及沿该横向方向的宽度定义的平面尺寸，其中该输出光学元件的宽度小于该输入光学元件的宽度。

根据本发明又一方面，提供一种光继电器装置。该光继电器装置包括：透光衬底，该透光衬底如上所述接合一平面；输入光学元件，该输入光学元件被设计和构造成用于重新导向该光，使得该光通过全内反射在该透光衬底内传播；第一输出光学元件，该第一输出光学元件横向偏离该输入光学元件，并被设计和构造成用于重新导向与第一部分视场相对应的光离开该透光衬底；以及第二输出光学元件，该第二输出光学元件横向偏离该输入光学元件和该第一输出光学元件，并被设计和构造成用于重新导向与第二部分视场相对应的光离开该透光衬底。每个该第一和第二输出光学元件特征在于由沿该纵向方向的长度以及沿该横向方向的宽度定义的平面尺寸，其中该第一输出光学元件的长度和宽度选择为使得该第一部分视场内的一个或多个最外光线的至少一部分被导向至第一二维区域，且该第二输出光学元件的长度和宽度选择为使得该第二部分视场内的一个或多个最外光线的至少一部分被导向至第二二维区域，该第一和第二二维区域距该透光衬底预定距离。

根据上述优选实施例中的另外特征，该平面尺寸选择为使得，对于大于Y1毫米且小于Y2毫米的任何的二维区域中心之间的横向间隔，其中Y1可以是大于或等于40的任意数且Y2为小于或等于80的任意数，该最外光线的部分被分别导向至该第一和第二二维区域。

根据上述优选实施例中的另外特征，Y1等于约50且Y2等于约65；备选地，Y1等于约53且Y2等于约73；备选地，Y2大于Y1约10毫米且Y1可以是从约53到约63的任意数，包括但不限于53、58或63。

根据上述优选实施例中的另外特征，该输入和/或输出光学元件为衍射光学元件。

根据本发明的再一方面，提供了一种通过衍射将图像传输到由瞳孔间距表征的第一眼睛和第二眼睛的光继电器装置，该装置包括透光衬底以及位于该透光衬底上固定位置的多个衍射光学元件，该衍射光继电器装置特征在于至少16度的视场，且能够为从Y1毫米到Y2毫米的任意瞳孔间距提供该图像，如上所述。

根据本发明的再一方面，提供了一种提供图像给用户的系统。该系统包括该光继电器装置以及图像产生系统，该图像产生系统用于向该衍射光继电器装置提供构成该图像的准直光。

根据下述本发明的优选实施例中的另外特征，该输出光学元件的宽度小于该输入光学元件的宽度。

根据上述优选实施例中的另外特征，该多个衍射光学元件包括输入衍射光学元件、第一输出衍射光学元件和第二输出衍射光学元件，该输入衍射光学元件被设计和构造成用于衍射构成该图像的光以通过全内反射在该透光衬底内传播，该输出衍射光学元件被设计和构造成用于衍射该光的至少一部分离开该透光衬底。

根据上述优选实施例中的另外特征，该第一输出衍射光学元件被设计和构造成用于将该图像的对应于第一部分视场的光衍射离开该透光衬底，且该第二输出衍射光学元件被设计和构造成用于将该图像的对应于第二部分视场的光衍射离开该透光衬底，使得该第一和第二部分视场的组合基本上再现该视场。

根据上述优选实施例中的另外特征，该第一和第二衍射光学元件特征在于，平面尺寸选择为使得该第一部分视场内的一个或多个最外光线的至少一部分被导向至包含该第一眼睛的第一二维区域，且该第二部分视场内的一个或多个最外光线的至少一部分被导向至包含该第二眼睛的第二二维区域，该第一和第二二维区域距该透光衬底预定距离。

根据上述优选实施例中的另外特征，该预定距离为从约Z1毫米到Z2毫米，其中Z1优选约为15，且Z2可以是从约20到约35的任意数，包括但不限于约20、约25、约30和约35。

根据上述优选实施例中的另外特征，该二维区域的宽度为从约4毫米到约9毫米。根据上述优选实施例中的另外特征，该二维区域的长度为从约5毫米到约13毫米。

根据上述优选实施例中的另外特征，该输入光学元件的长度等于从约X到约3X，其中X为表征最外光线通过全内反射在该透光衬底内的传播的最小单位跳跃长度(hop-length)。

根据上述优选实施例中的另外特征，其中该光由包含性地定义于最短波长和最长波长之间的光谱来表征。根据上述优选实施例中的另外特征，该输入光学元件的长度等于从约X到约3X，其中X为表征具有该最短波长的光线通过全内反射在该透光衬底内传播的单位跳跃长度。

根据上述优选实施例中的另外特征，一个或多个该衍射光学元件包括由非均匀衍射效率函数描述的光栅。

根据上述优选实施例中的另外特征，该光栅具有沿一个或多个方向的周期线性结构，该周期线性结构由非均匀占空比表征。

根据上述优选实施例中的另外特征，该光栅具有沿一个或多个方向的周期线性结构，该周期线性结构由非均匀调制深度表征。

根据上述优选实施例中的另外特征，该光栅具有沿一个或多个方向的周期线性结构，该周期线性结构由非均匀占空比和非均匀调制深度表征。

根据上述优选实施例中的另外特征，该非均匀衍射效率函数跨过该一个或多个方向是单调的。

根据上述优选实施例中的另外特征，该非均匀衍射效率函数选择为使得，当光线多次撞击到该光栅上时，预定的且基本上固定比例的该光的能量在每次撞击时被衍射。

根据上述优选实施例中的另外特征，该光栅形成于该透光衬底内。

根据上述优选实施例中的另外特征，该光栅附着到该透光衬底。

通过提供一种光继电器装置和包含该光继电器装置的系统，本发明成功地解决了现有已知配置的缺点。

除非另外定义，此处使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。尽管与此处所述类似或等效的方法和材料可以用于本发明的实践或测试，但合适的方法和材料描述如下。对于矛盾的情形，以本专利说明书包括的定义为准。此外，这些材料、方法和示例仅仅是说明性而非限制性的。

附图说明

此处参考附图示例性地描述本发明。现在详细地具体参考附图，应强调，所示的细节仅仅是示例性的和用于说明性地讨论本发明的优选实施例，且是为了下述目的而提供，即，提供被认为最有用的细节且容易地理解本发明的原理和概念方面的描述。就此而言，没有试图更详细地给出比基本理解本发明所需的更多的本发明的结构细节，且结合附图进行的说明使得本领域技术人员显见在实践中如何实施本发明的若干形式。

附图中：

图1为通过工作于透射模式的线性衍射光栅的光衍射的示意图；

图2a-c为根据本发明各种示例性实施例的光继电器装置的剖面图的示意图；

图2d为根据本发明各种示例性实施例的光继电器装置的矩形视场的示意图；

图2e-f为根据本发明各种示例性实施例的光继电器装置的视场角度的示意图；

图3a-b为根据本发明各种示例性实施例的优选实施例的光继电器装置的透视(图3a)和侧视(图3b)示意图，其中该光继电器装置包括一个输入光学元件和两个输出光学元件；

图4a-b为示意性说明根据本发明优选实施例的该光继电器装置内的波前传播的不完全视图；

图5a-b为优选实施例的中继装置的不完全顶视图(图5a)和不完全侧视图(图5b)的示意图，其中该光继电器装置的一个或多个衍射光学元件包括光栅；

图6为根据本发明各种示意性实施例的具有非均匀占空比的光栅的示意图；

图7为根据本发明各种示意性实施例的具有非均匀调制深度的光栅的示意图；

图8为根据本发明各种示意性实施例的具有非均匀占空比和非均匀调制深度的光栅的示意图；

图9为根据本发明各种示例性实施例的双目系统的示意图；

图10a-c为根据本发明各种示例性实施例的可佩带装置的示意图；

图11a-d的曲线图示出作为占空比函数的光栅衍射效率的数值计算：撞击角为50°(图11a-b)和55°(图11c-d)，以及调制深度为150nm(图11a和11c)和300nm(图11b和11d)；以及

图12a-b的曲线图示出作为调制深度函数的光栅衍射效率的数值计算：占空比为0.5以及撞击角为50°(图12a)和55°(图12b)。

具体实施方式

本实施例包括可以用于传输光的装置和系统。具体地，但不是排他地，本实施例可以用于提供虚像。本实施例可以用于其中虚像被观察的许多应用，包括但不限于镜片、双目镜、头戴式显示器、平视显示器、蜂窝电话、个人数字助理、飞机座舱等。

根据本发明的装置和系统的原理和操作可以参考图示及说明书被更好地理解。

在详细地解释本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明的应用不限于在下述说明书中解释或图中示出的元件的构造细节以及布置。本发明可具有其它实施例，或者可以通过各种方式来实践或实施。此外，应理解，此处使用的措词和术语是出于说明的目的而不应视为是限制性的。

当光线在透光衬底内行进且以自表面法线测量的角度φ₁撞击其内表面之一时，光线可以从该表面反射或者折射离开表面进入与衬底接触的外界空气内。光被反射或折射的条件是由斯涅尔定律决定，该斯涅尔定律在数学上通过下述方程实现：

n_Asinφ₂＝n_Ssinφ₁            (方程1)

其中n_S为透光衬底的折射率，n_A为该透光衬底外部的介质的折射率(n_S＞n_A)，以及φ₂为折射情况下光线被折射离开的角度。类似地，φ₁和φ₂是自表面法线测量的。透光衬底外部的典型介质为空气，其折射率约为一。

如这里所使用，术语“约”指±10％。

一般的规则为，任何衬底的折射率取决于撞击其表面的光的具体波长λ。给定撞击角度φ₁以及折射率n_S和n_A，仅对于小于n_A/n_S的反正弦的φ₁，方程1具有φ₂的解，其中n_A/n_S的反正弦经常称为临界角并用α_c表示。因此，对于足够大的φ₁(大于临界角)，折射角φ₂都不满足方程1且光能量被捕获在该透光衬底内。换言之，光从内表面反射，如同该光照射到镜面。在这些条件下，发生全内反射。由于光的不同波长(即，不同颜色的光)对应于不同的折射率，全内反射的条件不仅取决于光撞击衬底的角度，还取决于光的波长。换言之，一种波长的满足全内反射条件的角度对于不同波长不满足该条件。

当足够小的物体或者物体内足够小的开口置于光的光路内时，光经历所谓的衍射的现象，其中光线在经过物体边缘周围或者在其开口改变方向。方向改变的数量取决于光的波长与物体/开口的尺寸之间的比值。在平面光学中存在各种光学元件，其被设计成提供恰当条件用于衍射。这些光学元件典型地制造成位于透光衬底表面上的衍射光栅。衍射光栅可以工作于透射模式，其中光藉由穿过该光栅而经历衍射；或者工作于反射模式，其中光在被反射离开光栅时经历衍射。

图1示意性示出工作于透射模式的线性衍射光栅的光衍射。本领域普通技术人员在得知此处所述的细节时，将知道如何调整该说明书用于反射模式的情形。

光的波前1沿矢量i传播，并撞击到接合x-y平面的光栅2上。光栅的法线因此沿z方向，且光的入射角φ_i方便地在矢量i和z轴之间被测量。在下面描述中，φ_i被分解成两个角φ_ix和φ_iy，其中φ_ix为在z-x平面内的入射角，φ_iy为在z-y平面内的入射角。为了解释清楚，仅φ_iy示于图1。

光栅沿矢量g具有周期线性结构，与y轴形成角度θ_R。光栅的周期(也称为光栅节距)用D表示。该光栅形成于具有用nS表示的折射率的透光衬底上。

在被光栅2衍射之后，波前1改变其传播方向。对应于一阶衍射的主要衍射方向用d表示，并用虚线示于图1。与入射角类似，衍射角φ_d在矢量d和z轴之间被测量，并被分解成两个角φ_dx和φ_dy，其中φ_dx为在z-x平面内的衍射角，φ_dy为在z-y平面内的衍射角。

光栅矢量g、衍射矢量d和照射矢量i之间的关系因此可以用五个角(θ_R、φ_ix、φ_iy、φ_dx和φ_dy)来表述，且一般通过下述一对方程取决于光的波长λ和光栅周期D：

sin(φ_ix)-n_Ssin(φ_dx)＝(λ/D)sin(θ_R)    (方程2)

sin(φ_iy)+n_Ssin(φ_dy)＝(λ/D)cos(θ_R)    (方程3)

不失一般性地，笛卡尔坐标系可以选择为使得矢量i位于y-z平面内，因此sin(φ_ix)＝0。在矢量g沿着y轴的特殊情形中，θ_R＝0°或者180°，且方程2-3简化为下述一维光栅方程：

sinφ_iy+n_Ssinφ_dy＝±λ/d    (方程4)

根据已知规则，如果角度是从法线到光栅顺时针地测量，则φ_ix、φ_iy、φ_dx和φ_dy为正，反之为负。该一维光栅方程右手侧(RHS)上的两个符号涉及两个可能的衍射级数，+1和-1，分别对应于沿相对方向的衍射，即“衍射向右”和“衍射向左”。

通过光栅进入衬底的光线以一角度撞击在与该光栅相对的衬底内表面上，该角度根据下述方程取决于两个衍射分量sin(φ_dx)和sin(φ_dy)：

φ_d＝sin^-1{[sin²(φ_dx)+sin²(φ_dy)]^1/2}   (方程5)

当φ_d大于临界角α_c时，波前经历全内反射并开始在衬底内传播。

现在参考图2a-c，这些图为根据本发明各种示例性实施例的光继电器装置10的剖面图。图2a、2b和2c分别示出装置10在x-y平面、y-z平面和x-z平面内的剖面图。装置10包括透光衬底14、输入光学元件13和输出光学元件15。图2a-c的坐标系选择为使得衬底14与z轴正交，且光学元件13和15沿y轴横向偏移。通常，z轴称为装置10的“垂直轴”，y轴称为“纵轴”，且x轴称为“横轴”。因此，衬底14接合由该纵向(本坐标系中的y方向)和横向(本坐标系中的x方向)跨过的平面。

元件13将光重新导向到衬底14内，使得至少少许光线经历全内反射并在衬底14内传播。元件15用于将至少少许该传播光线重新导向离开衬底14。每个元件13和15可以是折射元件、反射元件或衍射元件。

在采用折射元件的实施例中，元件13和/或元件15可包括多个线性伸长的小型棱镜或微棱镜，且光的重新导向通常是藉由斯涅尔定律所描述的折射现象。因此，例如当元件13和15均为折射元件时，元件13将光折射到衬底14内，使得至少少许光线经历全内反射并在衬底14内传播，且元件15将至少少许该传播光线折射离开衬底14。形式为小型棱镜或微棱镜的折射元件在本领域中是已知的，且可以在例如美国专利No.5,969,869、6,941,069和6,687,010中找到，这些专利的内容结合于此作为参考。

在采用反射元件的实施例中，元件13和/或元件15可包括多个介质镜，且光的重新导向通常是藉由反射基本定律所描述的反射现象。因此，例如当元件13和15均为反射元件时，元件13将光反射到衬底14内，使得至少少许光线经历全内反射并在衬底14内传播，且元件15将至少少许该传播光线反射离开衬底14。形式为介质镜的反射元件在本领域中是已知的，且可以在例如美国专利No.6,330,388和6,766,082中找到，这些专利的内容结合于此作为参考。

元件13和/或元件15也可以将反射与折射组合。例如，元件13和/或元件15可以包括位于衬底14内的多个部分反射表面。在本实施例中，部分反射表面优选地相互平行。这种类型的光学元件在本领域中是已知的，且可以在例如美国专利No.6,829,095中找到，该专利的内容结合于此作为参考。

在采用衍射元件的实施例中，元件13和/或元件15可包括光栅，且光的重新导向通常是藉由衍射现象。因此，例如当元件13和15均为衍射元件时，元件13将光衍射到衬底14内，使得至少少许光线经历全内反射并在衬底14内传播，且元件15将至少少许该传播光线衍射离开衬底14。

这里使用的术语“衍射”是指通过透射模式或者反射模式的波前的传播方向的改变。在透射模式中，“衍射”是指在经过衍射元件时波前传播方向的改变；在反射模式中，“衍射”是指在以与基本反射角(其等于入射角)不同的角度被反射离开衍射元件时波前传播方向的改变。在图2b的示例性图示中，元件13和15为透射元件，即，这些元件工作于透射模式。

输入元件13被设计和构造成使得由此被重新导向的光线的角度大于临界角，且光通过全内反射在衬底内传播。传播的光在衬底14内几次反射之后到达输出元件15，该输出元件15将光重新导向离开衬底14。

元件13和/或元件15可选地且优选地为线性衍射光栅，根据上述原理工作。当元件13和15均为线性光栅时，其周期线性结构优选地基本上平行。元件13和15可以形成于或者附着衬底14的任一表面23和24上。衬底14可以由任何透光材料制成，优选地但非强制地，由具有足够低双折射率的材料制成。元件15横向地偏离元件13。这些元件之间的优选的横向间隔为从几毫米到几厘米。

装置10优选地设计成在预定角度范围内传输以任意入射角撞击衬底14的光，该预定角度范围称为该装置的视场。

该输入光学元件设计成将该视场内的所有光线捕获在衬底内。视场可以包含性地表述，其中视场的值对应于最小和最大入射角之间的差值；或者显式地表述，其中视场具有数学范围或集合的形式。因此，例如，从最小入射角α跨到最大入射角β的视场Ω包含性地表述为Ω＝β-α，且排他性地表述为Ω＝[α，β]。该最小和最大入射角也称为最右和最左入射角或者逆时针和顺时针视场角，任一组合均可。视场的这种包含性和排他性表示在此被交替地使用。

装置10的视场在图2b-f用两个其最外光线表示，通常示于17和18。

图2b和2c说明光线17和18在与装置10的垂直轴平行的两个平面上的投影。具体而言，图2b说明光线17和18在包含装置10的纵轴的平面(该坐标系内的y-z平面)上的投影，图2c说明光线17和18在包含装置10的横轴的平面(该坐标系内的x-z平面)上的投影。

下文中，术语“纵向视场”和“横向视场”将分别用于描述投影在y-z和x-z平面上时该视场内的角度范围。

因此，图2b示意性说明装置10的纵向视场，图2c示意性说明装置10的横向视场。在图2b所示的纵向视场中，光线18的投影为与垂直轴形成角度θ_y ^-的最右光线投影，光线17的投影为与垂直轴形成角度θ_y ⁺的最左光线投影。在图2c所示的横向视场中，光线18的投影为与垂直轴形成角度θ_x ^-的最右光线投影，光线17的投影为与垂直轴形成角度θ_x ⁺的最左光线投影。当衬底14以横轴朝上而被保持时，光线18的投影被观察成最上光线投影，光线17的投影被观察成最下光线投影。

在排他性表述中，用Ω_y表示的纵向视场为

，用Ω_x表示的横向视场为

。在图2b和2c的示例性图示中，逆时针地自垂直轴(图2b和2c中的z轴)测量投影θ_x ^-和θ_y ^-，且顺时针地自垂直轴测量投影θ_x ⁺和θ_y ⁺。因此，根据上述规则，θ_x ^-和θ_y ^-具有负值且θ_x ⁺和θ_y ⁺具有正值，形成在包含性表述中的纵向视场Ω_y＝θ_y ⁺+|θ_y ^-|以及横向视场Ω_x＝θ_x ⁺+|θ_x ^-|。

图2d示意性说明与装置10的垂直轴正交的平面(在该坐标系中，平行于x-y平面)内的视场。光线17和18在该平面上为点。为了简化说明，视场示为矩形，且连接这些点的直线为该矩形的对角线。光线17和18分别指该视场的“左下”和“右上”光线。

应理解，该视场也可以具有除了矩形之外的平面形状，包括但不限于方形、圆形和椭圆形。本领域普通技术人员在得知此处描述的细节之后将知道如何调整该说明书用于非矩形视场。

在排他性表述中，装置10的对角线视场由Ω＝[θ^-，θ⁺]给出，其中θ^-为光线17和一线之间的夹角，该线与光线17相交且平行于垂直轴，且θ⁺为光线18和一线之间的夹角，该线与光线18相交且平行于垂直轴。图2e和2f分别说明在包含光线17及光线18的平面内对角线视场角度θ^-和θ⁺。θ^±与其投影θ_x ^±、θ_y ^±之间的关系由上述方程5给出，进行替换φ_d→θ^±，φ_dx→θ_x ^±及φ_dy→θ_y ^±。除非另外具体地说明，术语“视场角度”是指诸如θ^±的对角线角度。

到达装置10的光线可具有一种以上的波长。当光具有多个波长时，最短波长用λ_B表示且最长波长用λ_R表示，从λ_B到λ_R的波长范围在此是指光的光谱。

与光的不同波长的数目无关，当视场内的光线撞击到元件13上时，这些光线优选地以大于临界角的角度(相对于法线定义的)被重新导向，使得在照射衬底14的另一表面时，视场的所有光线经历全内反射并在衬底14内传播。

在图2b-c的典型说明中，元件13分别以衍射角θ_d ⁺和θ_d ^-将最左光线17和最右光线18衍射到衬底14内。图2b-c中示出了θ_yd ^±(图2b)和θ_xd ^±(图2b)，其分别为θ_d ^±在y-z平面和x-z平面上的投影。

在传播时，光线从衬底14的内表面被反射。特定光线经历全内反射的衬底内表面上两个连续点之间的欧几里得距离称为光线的“跳跃距离”，并用“h”表示。传播的光在衬底14内通常沿装置10的纵轴经过几次反射之后，到达将光重新导向离开衬底14的输出光学元件15。装置10因此传输由光线17和18之间的每个光线携带的光学能量的至少一部分。当视场内的光线来自发射或反射光的物体时，观察者可以将一只或两只眼睛放在元件15前方以看到物体的虚像。

如图2b所示，对于光线单次撞击到输出元件15的情形，仅部分光能量离开衬底14。每个光线的其余部分通过一角度被重新导向，这使得该光线从衬底14的另一侧再次经历全内反射。在第一次反射之后，其余光线可再次撞击元件15，且在每次该再次撞击时，另外部分的光能量离开衬底14。因此，通过全内反射在衬底内传播的光线以一系列平行光线的形式离开衬底，其中该一系列平行光线的两个相邻光线之间的距离为h。这种一系列平行光线对应于离开元件15的准直光束。由于不止一个光线离开成为一系列平行光线，经过装置10的光束按照出射束的截面积大于入射束的截面积的方式被扩展。

根据本发明的优选实施例，输出光学元件15特征在于，平面尺寸选择为使得，该视场内的一个或多个最外光线的至少一部分被导向至距透光衬底14预定距离Δz的二维区域20。更优选地，元件15的平面尺寸选择为使得出射光束进入区域20。

为了保证最外光束或全部出射光束进入区域20，元件15的长度L_O优选地选择为大于预定长度阈值L_O，min，且元件15的宽度W_O优选地选择为大于预定宽度阈值W_O，min。在本发明各种示例性实施例中，长度和宽度阈值由下述表达式给出：

L_O，min＝2Δztan(Ω_y/2)

W_O，min＝2Δztan(Ω_x/2)    (方程6)

当装置10用于观察虚像时，用户可以将其眼睛放在区域20内来观察虚像。因此，在本实施例中，区域20为装置10的“眼箱(eye box)”，且Δz近似为用户瞳孔到衬底14的距离。距离Δz在此称为装置10的特征眼睛间隙(eye relief)。为了传输图像到一只眼睛，元件15的长度L_O和宽度W_O优选地分别约L_O，min+O_p和约W_O，min+O_p，其中O_p代表瞳孔直径且通常约3毫米。在本发明的各种示例性实施例中，眼箱大于瞳孔直径，从而允许用户在眼箱内重新定位眼睛，同时观察整个虚像。因此，用L_EB和W_EB表示区域20的尺寸，其中L_EB是沿y轴测量的且W_EB是沿x轴测量的，元件15的长度和宽度优选地为：

L_O＝L_O，min+L_EB

W_O＝W_O，min+W_EB    (方程7)

其中每个L_EB和W_EB均优选大于O_p，从而允许用户在区域20内重新定位眼睛，同时仍观察到整个视场。

输入光学元件13的尺寸优选地选择为允许视场内的所有光线在衬底14内传播以撞击到元件15的区域上。在本发明的各种示例性实施例中，输入元件13的长度L_I等于约X到约3X，其中X优选地为表征光线在衬底14内传播的单位跳跃长度。通常，X等于具有最小跳跃长度的光线的跳跃长度，该光线为视场内的最外光线(图2b所示示例性图示中的光线18)之一。当光具有多个波长时，X通常为光谱的具有最短波长的最外光线之一的跳跃长度。

根据本发明的优选实施例，元件15的宽度W_O小于元件13的宽度W_I。W_I优选地是基于元件13和15的相对布置来计算的。例如，在一个实施例中，元件13和15相对于装置10的横轴中心对准(但是沿纵轴横向偏移，且可选地沿垂直轴偏移)。在该坐标系中，该中心对准对应于中心宽度线130(连接元件13的半宽度点)和中心宽度线150(连接元件15的半宽度点)的相同x坐标。在本实施例中，W_I之间的关系优选地由下述表达式给出：

W_I＝2(L_O+Δy)tanγ+W_O    (方程8)

其中Δy为元件13和元件15之间沿装置10纵轴的横向间隔，且γ为预定角度参数。几何上，γ为形成于纵轴和一直线之间的角，该直线连接最靠近元件15的元件13的角落和最远离元件13的元件15的角落(见例如图2a中的线12)。

优选地，γ涉及当投影到平行于衬底的平面上时，衬底内该视场的一个或多个最外光线的传播方向。在本发明的各种示例性实施例中，γ等于当投影到平行于衬底的平面上时，形成于衬底纵轴和视场的最外光线的传播方向之间的角。

例如考虑以视场角度θ^-撞击到元件13上的视场的“右上”光线，其中该视场角度θ^-根据上述笛卡尔坐标系被分解成角度θ_x ^-(在x-z平面内测量)和角度θ_y ^-(在y-z平面内测量)。使用上面的方程2和3，可以计算衍射角θ_d的相应分量θ_xd和θ_yd，例如通过选择θ_R的值为0°。该“右上”光线在衬底内的传播随后可以被投影到平行衬底的平面(该坐标系中的x-y平面)上，由此形成x-y平面内的矢量。根据本发明的优选实施例，γ设置为形成于该投影矢量和y轴之间的角，该角可以写成下述形式：

。γ的绝对值的典型值为但不限于约6°到约15°。

因此，将其眼睛放在尺寸为L_EB×W_EB的区域20内的观察者接收该视场内的任意光线的至少一部分，假设眼睛和元件15之间的距离等于或小于Δz。

Δz的优选值为但不限于约15毫米至约35毫米，Δy的优选值为但不限于几毫米到几厘米，L_EB的优选值为但不限于约5毫米至约13毫米，且W_EB的优选值为但不限于约4毫米至约9毫米。对于给定视场，选择大的Δz导致更小的眼箱尺寸L_EB和W_EB，这是本领域中已知的。相反，小的Δz实现更大的眼箱尺寸L_EB和W_EB。

L_O，min和W_O，min优选地使用方程6计算，且连同区域20的选定尺寸(L_EB和W_EB)一起，元件15的尺寸(L_O和W_O)可以使用方程7计算。

一旦计算了L_O和W_O，输入元件13的横向尺寸W_I优选地通过选择Δy和γ的值并使用方程8来计算。纵向尺寸L_I通常选自约3毫米至约15毫米。

在衬底14的表面23和24基本上平行的优选实施例中，元件13和15可以针对给定光谱，仅仅基于θ^-的值和最短波长λ_B的值来设计。例如，当光学元件为线性光栅时，光栅的周期D可以基于θ^-和λ_B来选择，而与衬底14的光学性能或者长于λ_B的任何波长无关。

根据本发明优选实施例，D选择为使得比值λ_B/D为约1至约2。D的优选表达式是由下述方程给出：

(方程9)

应理解，由方程9给出的D为最大光栅周期。因此，为了达成全内反射，D也可以小于

衬底14优选地选择为允许具有该光谱内任意波长的以及该视场内任意入射角的光通过全内反射在衬底14内传播。

根据本发明优选实施例，衬底14的折射率大于λ_B/D+n_Asin(θ⁺)。更优选地，衬底14的折射率n_S满足下述方程：

n_S≥[λ_R/D+n_Asin(θ⁺)]/sin(α_D ^MAX)    (方程10)

其中α_D ^MAX为最大衍射角，例如光线17的衍射角。α_D ^MAX没有理论上的限制，除了要求其为正且小于90度。α_D ^MAX因此可以具有小于90°的任意正值。值α_D ^MAX的各种考虑可以在美国专利No.6,757,105中找到，其内容结合于此作为参考。

衬底14的厚度t优选地为约0.1mm至约5mm，更优选地为约1mm至约3mm，甚至更优选地为约1至约2.5mm。对于多色应用，t优选地选择为允许同时传播多个波长，例如t＞10λ_R。衬底14的宽度/长度优选地为约10mm至约100mm。衍射光学元件的典型宽度/长度取决于使用装置10的应用。例如，装置10可以应用于近眼显示器，例如如美国专利No.5,966,223中描述的显示器，其中衍射光学元件的典型宽度/长度为约5mm至约20mm。美国专利申请No.60/716,533的内容结合于此作为参考，该专利申请提供了有关衍射光学元件设计及其尺寸选择的细节。

对于不同观察应用，例如在美国专利中请No.6,833,955所述的应用，衬底14的长度可以为1000mm以上，且衍射光学元件15的长度可以具有类似尺寸，该专利申请的内容结合于此作为参考。当衬底的长度长于100mm时，则t优选地大于5mm。该实施例是有利的，因为减小了跳跃数目并将衬底维持在合理的结构/机械条件内。

装置10能够传输具有跨越至少100nm的光谱的光。更具体而言，最短波长λ_B通常对应于典型波长介于约400至约500nm的蓝光，最长波长λ_R通常对应于典型波长介于约600至约700nm的红光。

从图2b-c所示的几何配置可以理解，光线17和18被重新导向的角度可以不同。由于重新导向的角度取决于入射角(见例如衍射情形的方程2-5)，所允许的顺时针(θ⁺)和逆时针(θ^-)视场角度也不同。因此，装置10支持传输非对称视场，其中顺时针视场角度大于逆时针视场角度。顺时针和逆时针视场角度的绝对值之间的差异可以达到总视场的70％以上。

该非对称可以依据本发明各种示例性实施例被利用，以扩散光学装置10的视场。根据本发明的优选实施例，透光衬底可形成有至少一个输入光学元件和两个以上的输出光学元件。输入光学元件用于按照下述方式将光重新导向进入透光衬底，即，与不同部分视场相对应的光的不同部分在衬底内沿不同方向传播，以由此到达输出光学元件。输出光学元件将光的不同部分重新导向离开透光衬底。

依据本实施例，输出和/或输入光学元件的平面尺寸可以选择为有利于传输该部分视场。输出光学元件可以设计和构造成使得光的不同部分的重新导向以互补的方式进行。

此处结合具体可观察物或量所使用的术语“互补地”或“互补的”是指该可观察物或量的两个或多个交叠或无交叠部分的组合，这种组合提供了基本上再现原始该可观察物或量所需的信息。

在本发明各种示例性实施例中，光继电器装置的光学元件设计成将覆盖宽视场的图像传输到用户的两只眼睛(例如，使用一个输入元件和两个输出元件)。优选地，本实施例的光继电器装置特征在于至少16°的对角线视场(对应于约12°的纵向视场)，更优选地至少20°的对角线视场(对应于约15°的纵向视场)，更优选地至少24°的对角线视场(对应于约18°的纵向视场)，更优选地至少32°的对角线视场(对应于约24°的纵向视场)。光学元件优选地位于该透光衬底上的固定位置，但是为从最小值IPD_min到最大值IPD_max的任意瞳孔间距提供图像。

这些实施例的优点在于，具有满足IPD_min≤IPD≤IPD_max的瞳孔间距IPD的任何用户可以使用该装置来观察整个图像，而无需调整该装置的尺寸或者光学元件之间的间隔。西方社会成年人的IPD的范围为约53mm至约73mm。儿童具有更小的IPD。其它人种通常具有不同范围的IPD。IPD_min的优选值为比IPD_max的选定值小约5mm至约20mm，更优选地比IPD_max的选定值小约5mm至约10mm，且该两个值优选地选择在上述的人IPD的范围内。

可以使用任意数目的输入/输出光学元件。此外，输入光学元件的数目和输出光学元件的数目可以不同，因为两个以上输出光学元件通过相互光学连通则可以共享同一输入光学元件。输入和输出光学元件可以视需要而形成于单一衬底上或者多个衬底上。例如，在一个实施例中，该输入和输出光学元件包括形成于单一衬底上周期相同的，优选地沿平行取向的线性衍射光栅。

如果多个输入/输出光学元件形成于同一衬底上，如同上述实施例，这些输入/输出光学元件可以按任意组合接合该衬底的任意侧。

本领域普通技术人员将理解，这对应于透射和反射光学元件的任意组合。因此，例如假设形成于衬底14的表面23上的一个输入光学元件和形成于表面24上的两个输出光学元件。进一步假设光撞击在表面23上且期望将光衍射离开表面24。这种情况下，该输入光学元件和该两个输出光学元件都是透射型，从而保证光通过输入光学元件的照射以及通过输出光学元件的出射。备选地，如果输入和输出光学元件都形成于表面23上，则输入光学元件仍为透射型，从而保证光通过该输入光学元件而照射，而输出光学元件为反射型，从而将以足够小角度反射该传播光以将该光耦合离开。在该配置中，光可以通过与输入光学元件的相对侧进入衬底，藉由输入光学元件以反射模式被衍射，通过全内衍射在透光衬底内传播，且可以通过工作于透射模式的输出光学元件被衍射离开。

现在参考图3a-b，这些图为优选实施例中装置10的透视图(图3a)和侧视图(图3b)，其中在该优选实施例中采用了一个输入光学元件13和两个输出光学元件15、19。在该实施例中，装置10可以作为双目装置用于将光传输到由瞳孔间距IPD表征的用户的第一眼睛25和第二眼睛30。

在图3b，第一和第二输出光学元件15、19连同输入光学元件13形成于衬底14的表面23上。然而，如所述，情况不一定如此，这是因为对于某些应用，期望在衬底14的任一表面上以恰当的透射/反射组合形成该输入/输出光学元件。根据本发明各种示例性实施例的衬底14内的波前传播将在下面参考图4a-b更详细予以说明。

元件13优选地按下述方式将入射光重新导向到衬底14内，即，与不同的部分视场相对应的光的不同部分在衬底14内沿不同方向传播。在图3a-b示例性给出的配置中，元件13将参考数字26所示的一个非对称部分视场内的光线重新导向向左以照射在元件15上，且将参考数字32所示的另一非对称部分视场重新导向以照射在元件19上。元件15和19互补地将光的相应部分或其部分重新导向离开衬底14，从而为第一眼睛25提供部分视场26并为第二眼睛30提供部分视场32。

部分视场26和32一起形成装置10的视场27。与采用一个输出光学元件的实施例类似地(见例如图2a-c)，元件15和19由平面尺寸表征，该平面尺寸选择为使得部分视场26内的一个或多个最外光线的至少一部分被导向至二维区域20，且部分视场32内的一个或多个最外光线的至少一部分被导向至另一二维区域22。这可以通过选择元件15和19的长度和宽度以大于预定长度和宽度阈值来实现，如上所述(见方程6-7)。

优选地但非强制地，区域20的平面尺寸等于区域22的平面尺寸。因此，每个区域20和22的平面尺寸以及距离Δz优选地在前述范围内。

在本发明各种示例性实施例中，区域20和22的纵向中心之间的横向间隔至少为40毫米。优选地，区域20和22的纵向中心之间的横向间隔小于80毫米。根据本发明的优选实施例，元件15和19的平面尺寸选择为使得，对于大于40毫米且小于80毫米的区域20和22之间的任意横向间隔，最外光线的部分被分别导向至区域20和22。

当装置10用于传输光至用户的眼睛时，元件15和19的平面尺寸优选地选择为使得，对于满足IPD_min≤IPD≤IPD_max的任意瞳孔间距IPD，眼睛25和30分别被提供部分视场26和32。

优选地通过根据下述弱不等式来选择区域20和22的长度L_EB可以保证这一点：

L_EB≥(IPD_max-IPD_min)/2    (方程11)

一旦L_EB选择为满足方程11，输出元件15和19的长度及宽度可以根据方程7基本上如上所述来设置。根据本发明的优选实施例，每个元件15和19的纵向中心位于与元件13的纵向中心的距离为(IPD_max+IPD_min)/4处。

元件13的宽度W_I优选地大于每个元件15和19的宽度。W_I的计算优选地但非强制地使用与前述程序相同的程序来执行，见方程8。当期望制造非对称光继电器时，输出元件15和19均使用同一平面尺寸L_O×W_O，且元件13和15之间以及元件13和19之间使用同一横向间隔Δy。这种情况下，输入元件的宽度W_I可以使用角度参数γ如上所述根据方程8来设置。方程8也可以用于下述配置，其中元件13和15之间的横向间隔不同于元件13和19之间的横向间隔。这种情况下，计算中使用的Δy的值优选地设置为大于这两个横向间隔。

当装置10用于传输图像34时，视场27优选地包括来自图像34的基本上全部光线。部分视场26和32因此对应于图像34的不同部分，这些不同部分在图3b中用数字36和38表示。因此，如图3b所示，至少一个光线42通过元件13进入装置10，通过元件19但不通过元件15出射装置10。类似地，至少一个光线43通过元件13进入装置10，且通过元件15但不通过元件19出射装置10。

通常，这些部分视场取决于光的波长，其中这些部分视场因此也是到达每个眼睛的图像的部分。因此，并非旨在将本实施例的范围限制在部分36由眼睛25看到以及部分38由眼睛30看到的配置。换言之，对于不同波长，部分36被眼睛30看到，且部分38被眼睛25看到。例如，当图像是由具有红、绿和蓝三种颜色的光组成时，装置10可以按下述方式构造，即，眼睛25看到蓝光的部分38和红光的部分36，而眼睛30看到蓝光的部分36和红光的部分38。这种配置中，两只眼睛都看到几乎对称的绿光的视场。因此，对于每种颜色，这两个部分视场相互互补。

人视觉系统已知具有一种生理机构，该生理机构基于图像的若干部分能够推测完整图像，只要足够的信息到达视网膜。这种生理机构基于从视网膜的杆状细胞和视锥细胞接收的单色以及彩色信息来工作。因此，按照累积的性质，到达每只眼睛的两个非对称视场形成被用户感知的组合视场，该组合的视场宽于每个单独非对称视场。

根据本发明优选实施例，第一部分视场26和第二部分视场32之间存在预定交叠，这种交叠允许用户的视觉系统组合图像34的部分36和38而感知图像，如同每只单独眼睛均完全感知到该图像。

例如，光学元件可以按照下述方式构造，即，部分视场26和32的排他性表示分别为[-α，β]和[-β，α]，形成[-β，β]的对称组合视场27。将理解，当β≥α＞0时，该组合视场显著宽于每个非对称视场。在包含性表示中，装置10能够传输至少20度的视场，更优选地至少30度，最优选地至少40度。

当图像为具有波长光谱的多色图像时，不同子光谱对应于不同的波长相关的非对称部分视场，这些非对称部分视场按照不同组合形成不同的波长相关的组合视场。例如，红光可以对应于第一红色非对称部分视场，以及第二红色非对称部分视场，二者组合成红色组合视场。类似地，蓝光可以对应于第一蓝色非对称部分视场，以及第二蓝色非对称部分视场，二者组合成蓝色组合视场，等等。因此，多色配置特征在于多个波长相关的组合视场。根据本发明优选实施例，光学元件被设计和构造成最大化两个以上的波长相关的组合视场之间的交叠。

就光谱范围而言，装置10的设计优选如下所述：元件15为眼睛25提供例如来自图像34的部分36的第一子光谱以及来自图像34的部分38的第二子光谱。元件19优选地提供互补信息，从而允许前述生理机构推断该图像的完整光谱。因此元件19优选地为眼睛30提供来自部分38的第一子光谱以及来自部分36的第二子光谱。

理想地，多色图像为一光谱，该光谱是在多个图像元件测量的波长的函数。然而，这种理想输入在实际系统中几乎无法实现。因此，本实施例也解决了其它形式的图像信息。可以通过按各种比例混合红、绿和蓝色光来呈现高百分比的可见光谱(色域)，同时不同强度提供不同饱和水平。有时，除了红、绿和蓝之外还使用其它颜色，从而提高色域。在其他情况下，使用彩色光的不同组合，从而呈现人可见光谱内的特定部分光谱范围。

在不同形式的彩色图像中，使用宽光谱的光源，通过使用彩色滤光片来提供图像信息。最常用的这种系统使用具有青、洋红和黄色滤光片的包括互补黑色滤光片的白光源。使用这些滤光片可以提供与使用红、绿和蓝色光源的系统类似的光谱范围或色域的呈现，同时通过使用用于这些滤光片的不同光学吸收厚度来实现饱和水平，提供公知的“灰阶水平”。

因此，多色图像可以通过三个以上的通道来显示，例如但不限于红-绿-蓝(RGB)或青-洋红-黄-黑(CMYK)通道。RGB通道通常用于有源显示系统(例如，CRT或OLED)或者光快门系统(例如，Digital Light Processing^TM(DLP^TM)或者使用诸如LED的RGB光源来照明的LCD)。CMYK图像通常用于无源显示系统(例如，印刷)。在本发明的范围内还可以考虑其它形式。

当由离散数目的颜色形成多色图像(例如，RGB显示器)时，子光谱可以是离散的波长值。例如，多色图像可以由具有红、绿和蓝色有机二极管的OLED阵列(或者以红、绿和蓝色滤光片方式使用的白色二极管)提供，这些有机二极管在眼睛看来是连续的彩色光谱，这是因为由这些有机二极管发射的光的波长之间的相对强度比例的许多不同组合。对于这些图像，第一和第二子光谱可以对应于由该OLED阵列的蓝、绿和红色二极管中的两个发射的波长，例如蓝色和红色。装置10可以按下述方式构成使得，例如，眼睛30被提供来自部分36的蓝光和来自部分38的红光，而眼睛25被提供来自部分36的红光和来自部分38的蓝光，使得图像的整个光谱范围被传输到两只眼睛且该生理机构再现该图像。

到达装置10的输入光学元件的光优选地被准直。对于光未被准直的情况下，准直器44可以置于图像34和输入元件之间的光路上。

准直器44可以是例如会聚透镜(球面或非球面的)、透镜排列等。准直器44也可以是衍射光学元件，该衍射光学元件可以分隔开，由衬底14承载或者形成于衬底14内。衍射准直器可以置于衬底14的入射面上作为透射衍射元件，或者置于对立面上作为反射衍射元件。

下面描述在优选实施例中光学装置10的原理和操作，其中装置10包括一个输入光学元件和两个输出光学元件。

现在参考图4a-b，这些图为其中采用衍射元件的优选实施例的衬底14内波前传播的示意图。图4a-b中示出了分别从图像34的四个点A、B、C和D发射的四个主要光线51、52、53和54。图4a-b中的说明是在y-z平面内。光线51、52、53和54的入射角在y-z平面内相对于垂直轴的投影分别用α_I ^--，α_I ^-+，α_I ^+-和α_I ⁺⁺表示。本领域普通技术人员将理解，根据上述符号规则，第一上标指数表示相应光线相对于视场中心的位置，且第二上标指数表示相应光线相对于法线的位置，其中自该法线的角度被测量。

将理解，这种符号规则不能视为是限制性的，且本领域普通技术人员采用备选规则可以容易地实践本发明。

类似的记号将在下文中用于光线的衍射角，用下标D替代下标I。由一对i，j表示上标指数，入射角通常表示为α_I ^ij，衍射角通常表示为α_D ^ij，其中ij＝″--″，″-+″，″+-″或者″--″。每个入射角α_I ^ij与其相应衍射角α_D ^ij之间的关系通过替换φ_iy→α_I ^ij和φ_dy→α_D ^ij而由上述方程4给出。

点A和D代表图像34的左端和右端，并且点B和C位于点A和D之间。因此光线51和53为第一非对称视场的最左和最右光线，对应于图像34的部分A-C，以及光线52和54为第二非对称视场的最左和最右光线，对应于图像34的部分B-D。在角度表示中，第一和第二非对称视场分别为

(排他性表示)。注意，这两个非对称视场之间的交叠视场定义于光线52和53之间，该交叠等于且对应于图像34的部分A-C和B-D之间的交叠B-C。

在图4a-b所示的配置中，透镜45放大图像34并对从透镜45散发的波前进行准直。例如，光线51-54穿过透镜45的中心，以角度α_I ^ij撞击在衬底14上，并被输入光学元件13以角度α_D ^ij衍射到衬底14内。出于更好地理解图4a-b的说明的目的，每个图中仅示出四个衍射角(至每个侧)的两个，其中图4a示出光线51和53的向右的衍射角(角度α_D ^+-和α_D ^--)，以及图4b示出光线52和54的向右的衍射角(角度α_D ^-+和α_D ⁺⁺)。

如果衍射角的绝对值|α_D ^ij|大于临界角α_c，每个衍射光线在撞击到衬底14的内表面上时经历全内反射。|α_D ^ij|＜α_c的光线不经历全内反射，因此从衬底14逃逸。一般而言，由于输入光学元件13将光向左和向右衍射，光线在原则上分裂成在衬底14内分别沿相反方向传播的两个次级光线，只要两个次级光线中的每个该次级光线的衍射角大于α_c。为了容易理解图4a-b中的说明，向左和向右衍射的次级光线分别用单符号“’”和双符号“””表示。

现在参考图4a，该图示出|α_D ^-+|＝|α_D ^+-|＝α_c的具体的优选实施例。图4a中示出了向右传播的光线51”和53”以及向左传播的光线52’和54’。因此，在本实施例中，元件13将光线51和52之间的所有光线分成两个次级光线：左次级光线，以小于α_c的角度撞击在衬底14的内表面上，以及右次级光线，以大于α_c的角度撞击在衬底14的内表面上。因此，光线51和光线52之间的光线只能在衬底14内向右传播。类似地，光线53和光线54之间的光线只能向左传播。另一方面，与非对称视场之间的交叠相对应的光线52和53之间的光线沿两个方向传播，这是因为元件13将每个这种光线分成两个次级光线，该两个次级光线均以大于临界角α_c的角度撞击衬底14的内表面。

因此，定义于光线51和53之间的非对称视场的光线在衬底14内传播以达到第二输出光学元件19(未示于图4a)，定义于光线52和54之间的非对称视场的光线在衬底14内传播以达到第一输出光学元件15(未示于图4a)。

在图4b所示的另一实施例中，最大入射角的光线分裂成衍射角均大于α_c的两个次级光线，因此不从衬底14逃逸。然而，尽管一个次级光线在衬底14内经历几次反射且因此成功地到达其相应输出光学元件(未示出)，不过另一次级光线的衍射角太大，无法使该次级光线撞击衬底14的另一侧从而恰当地在衬底内传播并到达其相应输出光学元件。

图4b具体示出了原始光线51、52、53和54以及次级光线51’、52”、53’和54”。光线54分裂成两个次级光线：分别向左和向右衍射的光线54’(未示出)和54”。然而，尽管以角度α_D ⁺⁺被衍射的向右传播的光线54”在衬底14内经历几次反射(见图4b)，不过向左传播的光线54’或者以太大的角度被衍射而无法成功地到达元件15，或者消逝。

类似地，光线52分裂成两个次级光线：分别向左和向右衍射的光线52’(未示出)和52”。例如，向右传播的光线52”以角度α_D ^-+＞α_c衍射。两个次级光线均以大于α_c的角度衍射，在衬底14内经历一次或几次反射，并分别到达输出光学元件15和19(未示出)。如果α_D ^-+为衍射光线将成功地到达光学输出元件19的最大角度，从图像的部分A-B发射的所有光线将不到达元件19，且从部分B-D发射的所有光线成功地到达元件19。类似地，如果角度α_D ^+-为衍射光线将成功地到达光学输出元件15的最大角度(绝对值)，则从图像的部分C-D发射的所有光线将不到达元件15，且从部分A-C发射的所有光线成功地到达元件15。

因此，定义于光线51和53之间的非对称视场的光线在衬底14内传播以到达输出光学元件15，且定义于光线52和54之间的非对称视场的光线在衬底14内传播以到达输出光学元件19。

任一上述实施例可以通过单目装置的明智设计，且更具体而言该输入/输出光学元件和该衬底而成功地实施。

例如，如所述，输入和输出光学元件可以是具有相同周期且平行取向的线性衍射光栅。该实施例由于其角度保持(angle preserving)而是优选的。具体而言，线性光栅的相同周期和平行保证了从衬底出射的光线之间的相对取向与其在撞击到输入光学元件上之前的相对取向是类似的。因此，从图像34交叠部分B-C的特定点发出并因此到达两只眼睛的光线相互平行。因此，这些光线可以被两只眼睛观察成来自空间的相同角度。将理解，采用这种配置，观察收敛可以容易地获得而不导致眼睛疲劳或者给观察者造成任何其他不便，这不同于现有技术的双目装置，在该现有技术的双目装置中光学元件的相对定位和/或相对对准是必需的。

根据本发明优选实施例，光栅的周期D和/或衬底的折射率n_S可以选择为提供两个非对称视场，同时保证该两个非对称视场之间的预定交叠。通过不止一种方法可以实现这一点。

因此，在一个实施例中，光的波长λ和周期D之间的比值大于或等于1：

λ/D≥1    (方程12)

该实施例可以用于提供根据前述原理工作的光学装置，其中视场非交叠部分的光线之间无混合(见图4a)。

在另一实施例中，比值λ/D小于衬底的折射率n_S。更具体而言，D和n_S可以选择为满足下述不等式：

D＞λ/(n_Sp)    (方程13)

其中p为小于1的预定参数。

p的值优选地选择为保证该装置根据该原理工作，其中在视场非交叠部分的光线之间允许某些混合，如上文更详细的描述(见图4b)。这可以通过设置p＝sin(α_D ^MAX)来达成，其中(α_D ^MAX)为最大衍射角。由于α_D ^MAX通常没有理论限制(除了要求其绝对值小于90°)，因此可以根据任意实务考虑来选择，例如成本、可获得性、或者特定微型化需要所要求的几何限制。因此，在一个实施例中，该实施例在此进一步称为“至少一次跳跃”实施例，α_D ^MAX选择为允许在预定距离x内的至少一次反射，该x可在约30mm至约80mm内变化。

例如，对于折射率n_S＝1.5且厚度为2mm的玻璃衬底，波长为465nm的光在34mm的距离x内的单次全内反射事件对应于α_D ^MAX＝83.3°。

在另一实施例中，该实施例在此进一步称为“平坦”实施例，α_D ^MAX选择为减少在该衬底内的反射事件数量，例如通过施加要求，所有衍射角将足够小，例如低于80°。

在附加实施例中，尤其是可应用于衬底的折射率已知的工业情形中(例如装置10旨在与包括特定衬底的给定装置同步工作)，方程13可以被求逆以获得p的值，因此也得到值α_D ^MAX＝sin^-1p。

如所述，装置10可以传输具有多个波长的光。根据本发明优选实施例，对于多色图像，光栅周期优选地选择为对于最短波长满足方程12，对于最长波长满足方程13。具体而言：

λ_R/(n_Sp)≤D≤λ_B    (方程14)

其中λ_B和λ_R分别为多色光谱的最短和最长波长。注意，从方程12得到，衬底的折射率在这些条件下应满足n_Sp≥λ_R/λ_B。

光栅周期也可以小于和λ_B+λ_R，例如：

$D=\frac{{\mathrm{\λ}}_B+{\mathrm{\λ}}_R}{n_S\sin \left({{\mathrm{\α}}_D}^{\mathrm{MAX}}\right)+n_A}$ (方程15)

如所述，当光线通过全内反射在衬底内传播，通常仅部分光能从衬底出射而其余光线被反射到衬底内。当输出光学元件为衍射型时，这对应于小于100％的衍射效率。衍射效率定义为被衍射光学元件衍射的光能的比例。

对于输出元件的均匀衍射效率，一系列光线的每个光线与在前光线相比以更低的强度出射。例如，假设特定波长的输出光栅的衍射效率为50％(意味着对于该波长，在发生每次衍射时50％的光能被衍射)。这种情况下，一系列光线的第一光线承载原始能量的50％，该一系列光线的第二光线承载原始能量的不足25％，等等。这导致在整个输出光栅上不均匀的光输出。

本实施例成功地提供了一种光学元件，其具有设计成提供预定光剖面的光栅。一般而言，光的剖面是指光束的光学特性(强度、相位、波长、亮度、色调、饱和度等)或者光学特性集合。

光束通常被描述为多个光线，该多个光线可以是平行的，这种情况下光束称为被准直；或者可以是不平行的，这种情况下光束称为未准直。

光线在数学上被描述成一维数学对象。因此，光线与不平行于光线的任意表面相交于一点。光束因此与不平行于光线的表面相交于多点，光束的每个光线一个点。光的剖面为所有这些交点的轨迹的光学特性。在本发明各种示例性实施例中，该剖面包括光的强度，且可选地包括一个或多个其它光学特性。

通常，但并不是强制性的，在基本上垂直于光的传播反向的平坦表面内测量光束的剖面。

与特定光学特性相关的剖面在此称为特定剖面，且使用相应特性来描述。因此，术语“强度剖面”是指所有交点的轨迹的强度，术语“波长剖面”是指所有交点的轨迹的波长，等等。

现在参考图5a-b，这些图为优选实施例中装置10的不完全顶视图(图5a)和不完全侧视图(图5b)的示意图，其中一个或多个其衍射光学元件包括光栅。下述描述是关于输出元件15，但是本领域普通技术人员在得知此处描述的细节之后将知道如何调整该说明用于装置10的其它衍射元件。优选地但非强制地，装置10的所有衍射元件根据下述原理来制造。

根据本发明优选实施例，元件15具有沿一个或多个方向的周期线性结构11。在图5a的示意性图示中，该周期线性结构沿y方向。图5b中示出通过全内反射在衬底14内传播并撞击在元件15的光栅上的光线16。元件15将光线16衍射离开衬底14以提供具有预定剖面的光束21。优选地，元件15是由非均匀衍射效率函数来描述。

此处结合表征光栅(例如，衍射效率函数、占空比、调制深度)的具体可观察物使用的术语“非均匀”是指该具体可观察物沿至少一个方向的变化，且优选地沿与周期线性结构相同方向(例如，在图5a的示例性图示中的y方向)的方向变化。

衍射效率函数返回光栅的局部衍射效率(即，特定区域的衍射效率)，且可以用相对于光栅的最大衍射效率的百分比来表述。例如，在衍射效率函数返回例如50％的值的光栅上的点，光栅的局部衍射效率为最大衍射效率的50％。在本发明各种示例性实施例中，衍射效率函数在光栅上是单调函数。

此处使用的术语“单调函数”具有通常理解的数学含义，即，不减少或者不增加的函数。在数学上，如果对于x₁∈[a，b]且x₂∈[a，b]内满足x₁＞x₂的任意x₁和x₂，f(x₁)≥f(x₂)，或者如果对于任意该x₁和x₂，f(x₁)≤f(x₂)，则函数f(x)称为在区间[a，b]上是单调的。

在本发明各种示例性实施例中，光束21对于预定波长范围具有基本上均匀的强度剖面。

如此处所使用，“基本上均匀的强度剖面”是指变化小于2％每毫米，更优选地小于1％每毫米的强度。

“预定波长范围”在此用中间值和间隔来表征。该预定波长范围优选地从约0.7λ延伸到约1.3λ，更优选地从约0.85λ延伸到约1.15λ，其中λ为表征该范围的中间值。

因此，非均匀衍射效率函数选择为使得，当光线多次撞击到光栅上时，预定的且基本上固定比例的该光的能量在每次撞击时被衍射。

当衍射效率函数在光线和光栅之间的交点返回谐波级数(1/k，k＝1，2，...)时，可以实现这一点。在图5b的示例性实施例中，光线16沿元件15经历四次衍射。衍射点用罗马字母I、II、III和IV表示。在本示例中，衍射效率函数优选地在点I返回值25％，在点II返回值33％，在点III返回值50％，且在点IV返回值100％。出于说明目的，在图5b中使用不同类型的线来示出不同光学能量的反射光线：实线表示承载原始光学能量的100％的光线；点线(75％)；短划线(50％)；以及点-短划线(25％)。每个该四次衍射因此导致发射该光线的原始光学能量的25％，且获得了光跨过元件15的基本上均匀的强度剖面。

元件15的非均匀衍射效率函数可以通过不止一种方式来获得。

在一个实施例中，元件15的线性结构11是由依据期望的衍射效率函数来选择的非均匀占空比来表征。

如此处所使用，“占空比”定义为光栅内的脊的宽度W和周期D的比值。

在元件15具有非均匀占空比的优选实施例中的元件10代表示例示于图6。如所示，元件15包括多个脊62和槽64。在图6的示例性图示中，光栅的脊和槽形成方波形状。这种光栅称为“二元光栅(binarygrating)”。也可以考虑其它形状的脊和槽。代表示例包括但不限于三角形、锯齿形等。

图6示出一优选实施例，其中元件15包括不同部分，脊在每个部分中具有不同宽度。在用15a表示的第一部分中，脊的宽度S₁等于0.5D，因此占空比为0.5；在用15b表示的第二部分中，脊的宽度S₂等于0.25D，因此占空比为0.25；在用15c表示的第三部分中，脊的宽度S₃等于0.75D，因此占空比为0.75。

如示例部分中所演示(见图11a-d)，衍射效率强烈依赖于占空比的值。因此，使用非均匀占空比可以获得非均匀衍射效率函数。此外，图11a-d演示了衍射效率和占空比之间的关系依赖于光的波长。通过明智地选择在元件15每个区域的占空比，可以获得预定的剖面(强度、波长等)。

适用于本实施例的具有非均匀占空比的线性光栅优选地使用分辨率为50-100nm表征的技术来制作。例如，可以采用在电子束光刻之后进行蚀刻的工艺，在透光衬底上形成元件15。适于形成根据本发明实施例的具有非均匀占空比的光栅的工艺可以类似于和/或基于美国专利申请No.11/505,866的教导，该专利申请转让给本发明的共同受让人且全文结合于此作为参考。

用于获得非均匀衍射效率函数的附加实施例包括由非均匀调制深度表征的线性结构。

图7示出一优选实施例，其中元件15包括不同部分，在每个部分中元件15的脊和槽是由不同调制深度来表征。三个部分15a、15b和15c具有相同占空比S/D，但是它们的调制深度不同。部分15a、15b和15c的调制深度分别用δ₁、δ₂和δ₃表示。

如示例部分中所演示(见图12a-b)，衍射效率强烈依赖于调制深度的值，且衍射效率和调制深度之间的关系依赖于光的波长。因此使用非均匀调制深度可以获得非均匀衍射效率函数。通过明智地选择在元件15每个区域的元件15的调制深度，可以获得预定的剖面。

在图8所示的另一实施例中，光栅的线性结构是由非均匀调制深度和非均匀占空比来表征，其中非均匀占空比与非均匀调制深度组合地被选择，以提供期望的非均匀衍射效率函数。本领域普通技术人员将理解，非均匀占空比和非均匀调制深度之间的组合显著地改善了依据所需剖面来精确设计光栅的能力，这是因为这种组合提高了设计者可用的自由度数目。

根据本发明的附加方面，提供了一种用于在宽视场内提供图像给用户的系统100。

现在参考图9，该图为系统100的示意图，其中系统100在其最简单配置中包括光继电器装置10，用于传输图像34到用户的第一眼睛25和第二眼睛30，以及图像产生系统121，用于将构成该图像的准直光提供给光继电器装置10。

图像产生系统121可以是模拟的或者是数字的。模拟图像产生系统通常包括光源127、至少一个图像载体29、以及准直器44。准直器44用于，如果输入光还未准直，则在撞击到衬底14上之前准直该输入光。在图9的示意图中，准直器44示意为集成在系统121内，然而实际情况不一定如此，因为对于某些应用，期望准直器44为分离元件。因此系统121可以由两个以上的分离单元组成。例如，一个单元可包括光源和图像载体，另一单元可包括准直器。准直器44设置于图像载体和光继电器装置10的输入元件之间的光路上。

本领域中已知的任何准直元件均可用作准直器44，例如会聚透镜(球面或非球面的)、透镜排列、衍射光学元件等。准直程序的目的是为了改善成像能力。

对于会聚透镜的情形，垂直于透镜且穿过透镜中心的经过典型会聚透镜的光线定义光轴。穿过透镜的光簇聚集在该轴周围且可以被透镜很好地成像，例如，如果光源位于透镜的焦平面上，由该光构成的图像被投射到无穷远。

例如衍射光学元件的其它准直装置也可以提供成像功能，不过对于这些装置，光轴没有严格地定义。会聚透镜的优点是由于其关于光轴的对称性，而衍射光学元件的优点是由于其紧凑性。

光源127的代表示例包括但不限于灯(白炽灯或荧光灯)、一个或多个LED或OLED等。图像载体29的代表示例包括但不限于微型玻片、反射或透射微膜和全息相片。光源可以置于图像载体前方(以允许光从图像载体反射)或者图像载体后方(以允许光透射穿过图像载体)。可选地且优选地，系统121包括微型CRT。微型CRT在本领域中是已知的，且可以从例如加利福尼亚州的圣琼斯的Rockwell Collins公司Kaiser Electronics分部购得。

数字图像产生系统通常包括至少一个显示器及准直器。使用特定显示器可能另外需要使用光源。在系统121由两个以上分离单元形成的实施例中，一个单元可包括显示器和光源，另一单元可包括准直器。

适用于数字图像产生系统的光源包括但不限于灯(白炽灯或荧光灯)、一个或多个LED(例如，红、绿和蓝LED)或OLED等。合适的显示器包括但不限于背照明透射或前照明反射LED、OLED阵列、Digital Light Processing^TM(DLP^TM)单元、微型等离子体显示器等。诸如OLED或微型等离子体显示器的正显示器不需要使用附加光源用于照明。透明微型LCD例如可以从Kopin Corporation，Taunton，Massachusetts购得。反射LCD例如可以从Brillian Corporation，Tempe，Arizona购得。微型OLED阵列例如可以从eMagin Corporation，Hopewell Junction，New York购得。DLP^TM单元例如可以从TexasInstruments DLP^TM Products，Plano，Texas购得。数字微型显示器的像素分辨率从QVGA(320×240像素)以下变化到WQUXGA(3840×2400像素)。

系统100尤其适用于放大具有较小屏幕的装置的视场。例如，蜂窝电话和个人数字助理(PDA)已知具有相当小的机载显示器。PDA也称为Pocket PC，例如由Hewlett-Packard Company，Palo Alto，California制造的商标名iPAQ^TM。上述装置尽管能够存储和下载单帧或活动图像形式的大量信息，不过由于其小尺寸显示器而无法为用户提供足够的视场。

因此，根据本发明的优选实施例，系统100包括数据源125，数据源125可以通过数据源接口123与系统121通信。可以在接口123和数据源125之间建立任意类型的通信，包括但不限于有线通信、无线通信、光学通信、或者其任意组合。接口123优选地配置成从数据源125接收图像数据流(例如，视频、图形等)并将该数据输入系统121。可以考虑许多类型的数据源。根据本发明的优选实施例，数据源125为例如但不限于蜂窝电话、个人数字助理和便携计算机(膝上型计算机)的通信装置。数据源125的附加示例包括但不限于电视设备、便携电视装置、卫星接收器、录像机、数字多功能盘(DVD)播放器、数字电影播放器(例如MP4播放器)、数码相机、视频图形阵列(VGA)卡、以及许多医疗成像设备，例如超声成像设备、数字X射线设备(例如，用于计算机X射线断层成像)以及磁共振成像设备。

除了图像信息之外，数据源125也可以产生音频信息。音频信息可以被接口123接收，并通过音频单元31(扬声器、一个或多个耳机等)被提供给用户。

根据本发明各种示例性实施例，数据源125提供编码和/或压缩形式的数据流。在这些实施例中，系统100还包括解码器33和/或解压缩单元35，用于将该数据流解码和/或解压缩成可以被系统121识别的格式。解码器33和解压缩单元35可以根据需要被提供为两个分离单元或者集成单元。

系统100优选地包括控制器37，用以控制系统121的功能以及可选地和优选地，数据源125和系统121之间的信息传输。控制器37可以控制系统121的任一显示特性，例如但不限于亮度、色调、对比度、像素分辨率等。此外，控制器37可以将信号传输到数据源125用于控制其操作。更具体而言，控制器37可以激励、去激励和选择数据源125的操作模式。例如，当数据源125为电视设备或者在与广播站通信时，控制器37可以选择显示的频道；当数据源125为DVD或MP4播放器时，控制器37可以选择被读取数据流的轨道；当音频信息被传输时，控制器37可以控制音频单元31和/或数据源125的音量。

系统100或其一部分(例如，装置10)可以与例如但不限于头盔或眼镜的可佩带装置集成，以使得用户可以观察图像，优选地无需用手来控制光继电器装置10。

装置10也可以与视力校正装置128(未示出，见图10)组合使用，例如一个或多个校正透镜，用于校正例如近视症(近视)。在本实施例中，视力校正装置优选地置于眼睛和装置20之间。根据本发明优选实施例，系统100还包括与装置10集成或者安装在装置10上的校正装置128。

备选地，系统100或者其一部分可以调适为安装在现有的可佩带装置上。例如，在一个实施例中，装置10制造成可以安装在用户眼镜上的眼镜夹；在另一实施例中，装置10制造成可以安装在头盔屏幕上的头盔附件。

现在参考图10a-c，这些图说明使用了眼镜的优选实施例中的可佩带装置110。根据本发明的该优选实施例，装置110包括：眼镜主体112，其具有框架114，用于支撑图像产生系统21(未示出，见图9)；桥部122，具有一对鼻夹118，调适为接合用户的鼻子；以及向后延伸的臂116，调适为接合用户的耳朵。光继电器装置10优选地安装在框架114和桥部122之间，使得当用户戴上装置110时，元件17置于第一眼睛25的前方，且元件15置于第二眼睛30的前方。根据本发明的优选实施例，装置110包括一个或多个耳机119，耳机119可以为分离单元或者与臂116集成。

接口123(未明确示于图10a-c)可以位于框架114或者主体112任何其它部分内。在采用解码器33的实施例中，解码器33可以视需要而安装在主体112上或者为分离单元。数据源25和接口123之间的通信如所述可以是无线的，这种情况下可佩带装置110和数据源25之间不需要物理连接。在不是无线通信的实施例中，合适的通信线和/或光纤120用于将接口123与数据源25及系统100的其它元件连接。

本实施例也可以设置为数据源或者能够传输图像数据的任何其它装置的附加系统。此外，本实施例也可以用作套件，其包括数据源、图像产生系统、双目装置、以及可选的可佩带装置。例如，当数据源为通信装置时，本实施例可以用作通信套件。

在检查非限制性的下述示例时，本领域普通技术人员将显见本发明的另外目的、优点和新颖特征。此外，如上文所叙述以及如下文权利要求部分所主张的每个本发明的各种实施例和方面可以在下述示例中找到实验支持。

示例

现在参考下述示例，这些示例与上述说明书一起以非限制的方式说明本发明。

示例1

红光的衍射

在下述非限制性示例中，依据本发明的优选实施例的教导，针对红光的衍射来执行平面尺寸计算。

这些计算是针对509nm周期的光栅，该光栅形成于折射率为1.522且厚度为2mm的透光衬底内。对于红光的代表示例，选用615nm的波长。

使用光栅周期、折射率和波长的上述值，可以得到[-12.0°，+12.0°]的纵向视场Ω_y以及[-9.0°，+9.0°]的横向视场Ω_x。使用方程5计算总(对角)视场Ω，得到Ω＝[-15°，+15°]。

对于Δz＝25mm，输出光学元件的最小尺寸(见方程6)为L_O，min＝10.6mm以及W_O，min＝7.9mm。对于L_EB＝4mm，W_EB＝1mm以及O_p＝3mm，输出光学元件的尺寸(见方程7)为L_O＝17.6mm以及W_O＝11.9mm。

使用衬底的厚度以及Ω_y的上述值，可以得到跳跃长度h＝3.5mm，该跳跃长度随后用于将输入元件的长度L_I设置为约3.5mm至约10.5mm。

Ω_x和Ω_y的上述值对应于±8.8°的最外传播角度(投影在x-y平面上时)。因此，依据本发明的优选实施例，角度参数γ的值为8.8°。

对于Δy＝17.7mm以及L_I＝10mm，输入光学元件的宽度W_I(见方程8)为W_I＝22.8mm。

示例2

蓝光的衍射

在下述非限制性示例中，依据本发明的优选实施例的教导，针对蓝光的衍射来执行平面尺寸计算。

这些计算是针对389nm周期的光栅，该光栅形成于折射率为1.529且厚度为1.8mm的透光衬底内。对于蓝光的代表示例，选用465nm的波长。

使用光栅周期、折射率和波长的上述值，可以得到[-11°，+11°]的纵向视场Ω_y以及[-8.3°，+8.3°]的横向视场Ω_x。使用方程5计算总(对角)视场Ω，得到Ω＝[-13.7°，+13.7°]。

对于Δz＝20mm，输出光学元件的最小尺寸为L_O，min＝7.8mm以及W_O，min＝5.8mm。对于L_EB＝5mm，W_EB＝2mm以及O_p＝3mm，输出光学元件的尺寸为L_O＝15.8mm以及W_O＝10.8mm。

使用衬底的厚度以及Ω_y的上述值，可以得到跳跃长度h＝3.1mm，该跳跃长度随后用于将输入元件的长度L_I设置为约3mm至约10mm。

Ω_x和Ω_y的上述值对应于±8°的最外传播角度(投影在x-y平面上时)，因此，依据本发明的优选实施例，γ＝8°。

对于Δy＝16.6mm以及L_I＝9mm，宽度W_I为19.9mm。

示例3

非均匀占空比

图11a-d示出作为占空比函数的光栅衍射效率的数值计算：撞击角φ_iy为50°(图11a-b)和55°(图11c-d)，以及调制深度δ为150nm(图11a和11c)和300nm(图11b和11d)。图11a-d中的不同曲线对应于480nm(实线)、540nm(短划线)和600nm(点-短划线)的波长。这些计算是基于麦克斯韦方程，针对形成于折射率为1.53的透光衬底内的455nm周期的光栅。

示例4

非均匀调制深度

图12a-b示出作为调制深度δ函数的光栅衍射效率的数值计算：占空比为0.5以及撞击角φ_iy为50°(图12a)和55°(图12b)。图12a-b中的不同曲线对应于480nm(实线)、540nm(短划线)和600nm(点-短划线)的波长。这些计算是基于麦克斯韦方程，针对形成于折射率为1.53的透光衬底内的455nm周期的光栅。

如图12a-b所示，衍射效率随δ增大而增大，直至约200-250nm的调制深度。高于约250nm时，衍射效率随δ增大而减小，直至约400-500nm的调制深度。

应理解，为了清楚起见，在各个实施例的上下文中描述的本发明的特定特征，也可以组合地提供在单一实施例中。相反，为了简化，在单一实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以分离地或者按任意合适的子组合而被设置。

尽管已经结合具体实施例描述了本发明，但明显的是，本领域技术人员可以显见许多备选、改进和变型。因此所有这些备选、改进和变型均应涵盖在所附权利要求的精神和范围内。在本说明书中提到的所有公开、专利和专利申请全文引用结合于本说明书，如同各个公开、专利或专利申请具体且分别被描述而结合于此。此外，本申请中对任何参考文献的引用或认同不应理解为该参考文献可作为本发明的现有技术。

Claims (38)

1.一种光继电器装置，用于在视场内传输以多个角度照射该光继电器装置的光，该光继电器装置包括：

透光衬底，接合由纵向方向和横向方向跨过的平面；

输入光学元件，设计和构造成用于重新导向所述光，使得所述光通过全内反射在所述透光衬底内传播；以及

输出光学元件，横向偏离所述输入光学元件，并被设计和构造成用于重新导向所述光离开所述透光衬底，

所述输出光学元件特征在于由沿所述纵向方向的长度以及沿所述横向方向的宽度定义的平面尺寸，其中所述长度和所述宽度选择为使得所述视场内至少一个最外光线的至少一部分被导向至距所述透光衬底预定距离的二维区域。

2.如权利要求1所述的光继电器装置，其中所述预定距离为约15毫米至约35毫米。

3.如权利要求2所述的光继电器装置，其中所述二维区域的宽度为约4毫米至约9毫米。

4.如权利要求2所述的光继电器装置，其中所述二维区域的长度为约5毫米至约13毫米。

5.如权利要求1所述的光继电器装置，其中所述输出光学元件的所述宽度小于所述输入光学元件的宽度

6.如权利要求1所述的光继电器装置，其中所述输入光学元件和所述输出光学元件的至少之一为衍射光学元件。

7.一种光继电器装置，用于在视场内传输以多个角度照射该光继电器装置的光，该光继电器装置包括：

透光衬底，接合由纵向方向和横向方向跨过的平面；

输入光学元件，设计和构造成用于重新导向所述光，使得所述光通过全内反射在所述透光衬底内传播；

第一输出光学元件，横向偏离所述输入光学元件，并被设计和构造成用于重新导向与第一部分视场相对应的光离开所述透光衬底；以及

第二输出光学元件，横向偏离所述输入光学元件和所述第一输出光学元件，并被设计和构造成用于重新导向与第二部分视场相对应的光离开所述透光衬底，

每个所述第一和所述第二输出光学元件特征在于由沿所述纵向的长度以及沿所述横向的宽度定义的平面尺寸，其中所述第一输出光学元件的长度和宽度选择为使得所述第一部分视场内的至少一个最外光线的至少一部分被导向至第一二维区域，且所述第二输出光学元件的长度和宽度选择为使得所述第二部分视场内的至少一个最外光线的至少一部分被导向至第二二维区域，所述第一和所述第二二维区域距所述透光衬底预定距离。

8.一种将图像提供给用户的系统，包括如权利要求7所述的光继电器装置，以及用于为所述光继电器装置提供构成所述图像的准直光的图像产生系统。

9.如权利要求7或8所述的装置或系统，其中所述第一二维区域和所述第二二维区域的中心之间的横向间隔至少为40毫米。

10.如权利要求9所述的装置或系统，其中所述横向间隔小于80毫米。

11.如权利要求9所述的装置或系统，其中所述平面尺寸选择为使得，对于大于40毫米且小于80毫米的任意横向间隔，所述最外光线的所述部分被分别导向至所述第一和所述第二二维区域。

12.如权利要求9所述的装置或系统，其中所述平面尺寸选择为使得，对于大于50毫米且小于65毫米的任意横向间隔，所述最外光线的所述部分被分别导向至所述第一和所述第二二维区域。

13.如权利要求9所述的装置或系统，其中所述平面尺寸选择为使得，对于大于53毫米且小于73毫米的任意横向间隔，所述最外光线的所述部分被分别导向至所述第一和所述第二二维区域。

14.如权利要求9所述的装置或系统，其中所述平面尺寸选择为使得，对于大于53毫米且小于63毫米的任意横向间隔，所述最外光线的所述部分被分别导向至所述第一和所述第二二维区域。

15.如权利要求9所述的装置或系统，其中所述平面尺寸选择为使得，对于大于58毫米且小于68毫米的任意横向间隔，所述最外光线的所述部分被分别导向至所述第一和所述第二二维区域。

16.如权利要求9所述的装置或系统，其中所述平面尺寸选择为使得，对于大于63毫米且小于73毫米的任意横向间隔，所述最外光线的所述部分被分别导向至所述第一和所述第二二维区域。

17.如权利要求7或8所述的装置或系统，其中所述第一输出光学元件的所述宽度和所述第二输出光学元件的所述宽度均小于所述输入光学元件的宽度。

18.一种通过衍射将图像传输到由瞳孔间距表征的第一眼睛和第二眼睛的光继电器装置，所述光继电器装置包括透光衬底以及位于所述透光衬底上固定位置的多个衍射光学元件，所述光继电器装置特征在于至少16度的视场，且能够为从约40毫米到约80毫米的任意瞳孔间距提供所述图像。

19.一种提供图像给用户的系统，包括如权利要求18所述的光继电器装置，以及用于向所述光继电器装置提供构成所述图像的准直光的图像产生系统。

20.如权利要求18或19所述的装置或系统，其中所述多个衍射光学元件包括输入衍射光学元件、第一输出衍射光学元件和第二输出衍射光学元件，所述输入衍射光学元件被设计和构造成用于衍射构成所述图像的光以通过全内反射在所述透光衬底内传播，且所述输出衍射光学元件被设计和构造成用于衍射所述光的至少一部分离开所述透光衬底。

21.如权利要求20所述的装置或系统，其中所述第一输出衍射光学元件被设计和构造成用于将所述图像的对应于第一部分视场的光衍射离开所述透光衬底，且所述第二输出衍射光学元件被设计和构造成用于将所述图像的对应于第二部分视场的光衍射离开所述透光衬底，使得所述第一和所述第二部分视场的组合基本上再现所述视场。

22.如权利要求20所述的装置或系统，其中所述第一和所述第二衍射光学元件特征在于，平面尺寸选择为使得所述第一部分视场内的至少一个最外光线的至少一部分被导向至包含所述第一眼睛的第一二维区域，且所述第二部分视场内的至少一个最外光线的至少一部分被导向至包含所述第二眼睛的第二二维区域，所述第一和所述第二二维区域距所述透光衬底预定距离。

23.如权利要求7或8所述的装置或系统，其中所述预定距离为约15毫米至约35毫米。

24.如权利要求23所述的装置或系统，其中每个所述第一二维区域和所述第二二维区域的宽度均为约4毫米至约9毫米。

25.如权利要求23所述的装置或系统，其中每个所述第一二维区域和所述第二二维区域的长度均为约5毫米至约13毫米。

26.如权利要求1、7、8或20所述的装置或系统，其中所述输入光学元件的长度等于从约X到约3X，其中X为表征最外光线通过全内反射在所述透光衬底内的传播的最小单位跳跃长度。

27.如权利要求1、7、8或20所述的装置或系统，其中所述光由包含性地定义于最短波长和最长波长之间的光谱来表征。

28.如权利要求27所述的装置或系统，其中所述输入光学元件的长度等于从约X到约3X，其中X为表征具有所述最短波长的光线通过全内反射在所述透光衬底内的传播的单位跳跃长度。

29.如权利要求7或8所述的装置或系统，其中所述输入光学元件、所述第一输出光学元件和所述第二输出光学元件的至少一个为衍射光学元件。

30.如权利要求6、14、15或25所述的装置或系统，其中至少一个衍射光学元件包括由非均匀衍射效率函数描述的光栅。

31.如权利要求30所述的装置或系统，其中所述光栅具有沿至少一个方向的周期线性结构，所述周期线性结构由非均匀占空比表征。

32.如权利要求30所述的装置或系统，其中所述光栅具有沿至少一个方向的周期线性结构，所述周期线性结构由非均匀调制深度表征。

33.如权利要求30所述的装置或系统，其中所述光栅具有沿至少一个方向的周期线性结构，所述周期线性结构由非均匀占空比和非均匀调制深度表征。

34.如权利要求31或32所述的装置或系统，其中所述非均匀衍射效率函数跨过所述至少一个方向是单调的。

35.如权利要求30所述的装置或系统，其中所述非均匀衍射效率函数选择为使得，当光线多次撞击到所述光栅上时，预定的且基本上固定比例的所述光的能量在每次撞击时被衍射。

36.如权利要求30所述的装置或系统，其中所述光栅形成于所述透光衬底内。

37.如权利要求30所述的装置或系统，其中所述光栅附着到所述透光衬底。

38.一种光继电器装置，用于在视场内传输以多个角度照射该光继电器装置的光，该光继电器装置包括：

透光衬底，接合由纵向方向和横向方向跨过的平面；

输入光学元件，设计和构造成用于重新导向所述光，使得所述光通过全内反射在所述透光衬底内传播；以及

至少一个输出光学元件，横向偏离所述输入光学元件，并被设计和构造成用于重新导向所述光离开所述透光衬底，

每个所述输入光学元件和所述至少一个输出光学元件特征在于由沿所述纵向方向的长度以及沿所述横向方向的宽度定义的平面尺寸，其中所述至少一个输出光学元件的宽度小于所述输入光学元件的宽度。

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