CN107735716B - 具有非对称轮廓的衍射光学元件 - Google Patents

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Abstract

在包括具有多个衍射光学元件(DOE)的波导的一种光学显示系统中，一个或多个DOE中的光栅可具有其中光栅可以倾斜或闪耀的非对称轮廓。DOE中的非对称光栅可通过减小在显示器中表现为暗条纹的光学干涉所导致的“条纹化”而在光学显示系统中提供增加的显示均匀度。条纹化在聚合物材料被用于DOE的批量生产以最小化系统重量，但其与其他材料(诸如玻璃)相比具有欠佳的光学属性时可能更加显著。非对称光栅可进一步使得光学系统能够对诸如厚度、表面粗糙度和光栅几何结构方面的变化之类的在制造期间可能不容易被控制的变化(尤其是因为这些变化处于亚微米范围内)更加耐受。

Description

具有非对称轮廓的衍射光学元件
技术领域
本申请涉及衍射光学元件，尤其涉及具有非对称轮廓的衍射光学元件。
背景技术
衍射光学元件(DOE)是具有周期性结构的光学元件，其通常被用于范围从生物技术、材料处理、传感和测试到技术光学及光学计量的应用场合中。例如，通过将DOE结合到激光或发射显示器的光学领域，光的“形状”可根据应用需要而被灵活地控制和改变。
发明内容
在包括具有多个衍射光学元件(DOE)的波导的光学显示系统中，一个或多个DOE中的光栅可具有其中光栅倾斜或闪耀(即，光栅的壁与波导的平面不正交)的非对称轮廓。DOE中的非对称光栅可通过减小由在显示器中表现为暗条纹的光学干涉造成的“条纹化”而在光学显示系统中提供增加的显示均匀度。条纹化在聚合物材料被用于DOE的批量生产以最小化系统重量(但其与其他材料(诸如玻璃)相比具有欠佳的光学属性)时可能更加显著。非对称光栅可进一步使得光学系统能够对诸如厚度、表面粗糙度和光栅几何结构方面的变化之类的在制造期间可能不容易被控制的变化(尤其是因为这些变化处于亚微米范围内)更加耐受。
提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并非旨在标识出要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用作辅助确定要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中所提及的任何或所有缺点的实现。
附图说明
图1示出了可结合具有非对称特征的衍射光学元件(DOE)的说明性近眼显示系统的框图；
图2示出了光在波导中通过全内反射的传播；
图3示出了说明性出射光瞳扩展器的示图；
图4示出了其中出射光瞳沿两个方向被扩展的说明性出射光瞳扩展器的示图；
图5示出了三个DOE的说明性布置；
图6示出了具有直光栅的说明性衍射光栅的一部分的轮廓；
图7示出了具有倾斜的光栅的说明性衍射光栅的一部分的非对称轮廓；
图8和9示出了用于DOE制造的说明性布置；
图10-12示出了倾斜的光栅的各种说明性非对称轮廓；
图13示出了说明性方法；
图14是虚拟现实或混合现实头戴式显示器(HMD)设备的说明性示例的绘画示图。
图15示出了虚拟现实或混合现实HMD设备的说明性示例的框图；以及
图16示出了结合出射光瞳扩展器的说明性电子设备的框图。
各附图中相同的附图标记指示相同的元素。除非另外指明否则各元素不是按比例绘制的。
具体实施方式
图1示出了可结合具有非对称轮廓的衍射光学元件(DOE)的说明性近眼显示系统100的框图。近眼显示系统在工业、商业和消费应用中被频繁使用在例如头戴式显示器(HMD)设备中。如下所述，其他设备和系统也可使用具有非对称轮廓的DOE，并且需要强调的是，近眼显示系统100旨在成为被用来解说各种特征和方面的示例，并且本发明的DOE未必限于近眼显示系统。
系统100可包括与光学系统110一起工作以将图像作为虚拟显示递送到用户的眼睛115的成像器105。成像器105可包括例如RGB(红、绿、蓝)发光二极管(LED)、LCOS(硅上液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、MEMS(微机电系统)设备或任何其他合适的显示器或者以传输、反射或发射方式工作的微显示器。成像器105还可包括反射镜及其他组件，该反射镜及其他组件使得能够组成虚拟显示器并且向光学系统提供一个或多个输入光束。光学系统110可通常包括放大光学器件120、光瞳形成光学器件125以及一个或多个波导130。
在近眼显示系统中，成像器实际上不会在诸如玻璃透镜之类的表面上照射图像来为用户创建视觉显示。这是不可行的，因为人眼无法专注于那么接近的事物。实际上，近眼光学系统100不是在表面上创建可见图像，而是使用光瞳形成光学器件125来形成光瞳，并且眼睛115充当光链中的最后一个元件，并将来自光瞳的光转换成眼睛的视网膜上的图像作为虚拟显示。
波导130促进成像器和眼睛之间的光传输。一个或多个波导可被用于近眼显示系统，因为它们是透明的且因为它们通常小而重量轻(这在诸如HMD设备之类的应用中是期望的，在这类应用中，出于性能和用户舒适的原因，通常试图使大小和重量最小化)。例如，波导130可使成像器105能够靠边定位(例如，位于头部的一侧)，从而在眼睛的前方仅留下相对小的、轻的且透明的波导光学元件。在一个实现中，如图2所示，波导130使用全内反射原理来工作，使得光可被耦合在系统100中的各种光学元件中间。
图3示出了说明性出射光瞳扩展器(EPE)305的示图。EPE 305通过放大光学器件120接收来自成像器105的输入光束，以相对于成像器的出射光瞳在一个或两个维度上产生具有扩展的出射光瞳的一个或多个输出光束(通常，输入可包括可以由分开的光源产生的多于一个的光束)。经扩展的出射光瞳通常有助于虚拟显示被充分地调整大小以满足给定光学系统的各种设计要求(诸如图像分辨率、视野等)，同时使成像器及相关联的组件相对轻且紧凑。
在该说明性示例中，EPE 305被配置成支持针对左眼和右眼两者的双目操作(为了清楚呈现起见，未在图3中示出可被用于诸如扫描镜、透镜、滤光器、分束器、MEMS设备等立体视镜操作的组件)。因此，EPE 305利用两个输出耦合光栅310L和310R，这两个输出耦合光栅被支撑在波导330和中央输入耦合光栅340上。输入耦合光栅和输出耦合光栅可使用多个DOE来配置，如以下说明性示例中所描述。尽管EPE 305被描绘为具有平面配置，但是其他形状也可被使用，包括例如弯曲或部分球形的形状，在这些情形中，其上所设置的光栅是非共面的。
如图4所示，EPE 305可被配置成在两个方向上(即，沿着第一和第二坐标轴中的每一个)提供经扩展的出射光瞳。如图所示，出射光瞳在垂直和水平两个方向上被扩展。可以理解的是，出于简单描述起见，术语“方向”、“水平的”和“垂直的”主要被用来在本文所示出和描述的说明性示例中建立相对方位。这些术语对其中近眼显示设备的用户是直立和面向前方的使用场景而言可能是直观的，而对于其他使用场景则可能不太直观。因此，所列出的术语不应被解释为限制具有非对称光栅特征的DOE的配置(以及其中的使用场景)的范围。
图5示出了可被用作波导的一部分以提供出射光瞳在两个方向上的输入耦合及扩展的三个DOE的说明性布置。每个DOE是包括周期性结构的光学元件，该周期性结构可以以周期性模式(诸如光轴方向、光程长度，等等)来调制光的各种属性。第一DOE，即DOE 1(由附图标记505指示)被配置成将来自成像器的光束耦合到波导中。第二DOE，即DOE 2(510)沿第一坐标轴在第一方向上扩展出射光瞳，第三DOE，即DOE 3(515)沿第二坐标轴在第二方向上扩展出射光瞳，并且将光耦合出波导。如图所示，角度ρ是DOE 2和DOE 3的周期线之间的旋转角度。因此，DOE 1起输入耦合光栅的作用，并且DOE 3起输出耦合光栅，同时在一个方向上扩展光瞳的作用。DOE 2可被视作中间光栅，该中间光栅起到在输入耦合光栅和输出耦合光栅之间耦合光，同时在另一方向上执行出射光瞳扩展的作用。使用这样的中间光栅可消除对用于诸如准直透镜之类的EPE中的出射光瞳扩展的传统功能的需要。
一些近眼显示系统应用(诸如举例而言，使用HMD设备的那些应用)可通过最小化重量和体积而受益。作为结果，EPE中所使用的DOE和波导可使用重量轻的聚合物来制造。这些聚合物组件可支持针对大小、重量和成本的设计目标，并且通常促进可制造性，尤其是在大批量生产环境中。然而，聚合物光学元件通常具有相对于较重的高质量玻璃的较低的光学分辨率。这种减小的光学分辨率以及波导的针对在设备内的重量减轻及封装约束的相对薄的配置可导致光学干涉，这显现为显示器中被称为“条纹化”的现象。导致条纹化的光学干涉是由于在具有到同一位置的多条路径的EPE内传播的光产生的，在这些路径中光路长度不同。
条纹通常以暗条纹的形式可见，这降低了显示器的光学均匀度。它们在显示器上的位置可取决于包括DOE的光学元件中在厚度、表面粗糙度或光栅几何结构(包括光栅线宽度、角度、填充因子等)中的一个或多个方面的小的纳米级的变化。这样的变化可能难以使用在制造环境中通常可用的工具来表征和管理，尤其对于批量生产而言。减小条纹化的传统解决方案包括使用较厚的波导，这可增加重量并使针对设备和系统的封装设计复杂化。其他解决方案只是在一个方向上在EPE中使用光瞳扩展，这可能导致窄的视角以及对用户之间的自然眼睛变化的提高的敏感度。
通过比较，当DOE 505、510和515(图5)中的一个或多个用具有非对称轮廓的光栅来配置时，条纹化可被减小，甚至当DOE由聚合物制造且波导130(图1)相对薄时。图6示出了在基板605中形成的直的(即，非倾斜的)光栅特征600(称为光栅条、光栅线或简称为“光栅”)的轮廓。通过比较，图7示出了被形成在具有非对称轮廓的基板705中的光栅特征700。也就是说，光栅可相对于波导的平面倾斜(即，非正交)。在其中波导是非平面的实现中，光栅可相对于波导中的光传播的方向倾斜。非对称光栅轮廓也可以使用闪耀光栅或小阶梯光栅来实现，其中凹槽被形成以创建具有非对称三角形或锯齿形轮廓的光栅特征。
在图6和7中，光栅周期由d表示，光栅高度由h表示，条宽度由c表示，而填充因子由f表示，其中f＝c/d。图7中的倾斜光栅可以用倾斜角α1和α2来描述。在一个示例性实施例中，对于DOE，d＝390nm,c＝d/2,h＝300nm，α1＝α2＝45度，f＝0.5，并且基板材料的折射率大约为1.71。在其他实现中，合适值的范围可包括d＝250nm-450nm，h＝200nm-400nm，f＝0.3-0.0以及α1＝30-50度，且折射率为1.7到1.9。在另一示例性实施例中，DOE 2配置有具有非对称轮廓的各部分，而DOE 1和DOE 3配置有使用直光栅的常规对称轮廓。
通过倾斜DOE 505、510和515中的一个或多个中的光栅，条带化可被减小以增加光学均匀度，同时针对相同的均匀度水平，使得DOE的制造容差与使用图6中所示的直光栅特征相比不那么严格。也就是说，对于可比较的光学性能水平(例如，光学分辨率和光学均匀度)，图7中所示的倾斜光栅相比图6中所示的直光栅对制造变化更宽忍。
图8和9示出了使用基板保持器805的DOE制造的说明性布置，基板保持器805相对于反应离子蚀刻等离子体源820围绕轴815旋转光栅基板810。暴露于等离子体可通过使用例如计算机控制器或其他合适的控制系统(未示出)使基板相对于图9中所示的源成角度来被用于例如对光栅基板上的不同位置处的蚀刻的厚度及方位进行调整。在说明性示例中，可以使用反应离子束蚀刻(RIBE)来执行蚀刻。然而，可以在包括例如磁控反应离子蚀刻(MRIE)、高密度等离子体蚀刻(HDP)、变压器耦合等离子体蚀刻(TCP)、电感耦合等离子体蚀刻(ICP)以及电子回旋共振等离子体蚀刻(ECR)等的各种实现中使用离子束蚀刻的其他变体。
通过控制基板暴露于等离子体，可以控制光栅角度和深度以在基板上创建倾斜的微结构。例如，可以使用浇铸和固化、压印、压缩成型或压缩注射成型中的一种来复制微结构以供在重量轻的聚合物材料中的批量生产。
离子束蚀刻可产生图6中所示的理想化光栅(其中光栅具有平行的壁)的变体。图10中的轮廓1000包括底切的非平行侧壁(代表性地由参考标记1005表示)，并且图11中的轮廓1100包括过切的非平行侧壁1105。如图10所示，侧壁的角度变化由β表示，并且的β正值意味着底切，而β的负值意味着过切。在一些实现中，通过确保特征中心的填充因子fmid满足光栅的设计值，可以实现针对底切和过切的影响的补偿，如图12中的轮廓1200所示。这里，光栅壁基本上随β变化而围绕该中心位置转动。
图13是说明性方法1300的流程图13。除非明确说明，否则流程图中所示并且在伴随的文本中描述的方法或步骤不限于特定的次序或顺序。此外，一些方法或其步骤可同时发生或被执行，并且取决于给定实现的要求，在此类实现中不是所有方法或步骤均需要被执行，并且一些方法或步骤可任选地被使用。
在步骤1305中，在输入耦合DOE处接收光。输入耦合光栅被设置在EPE中，并与被设置在EPE中的下游中间DOE对接。在步骤1310中，所接收到的光的出射光瞳沿着中间DOE中的第一坐标轴被扩展。中间DOE配置有具有非对称轮廓的光栅，例如倾斜光栅或闪耀光栅。在步骤1315中，出射光瞳在输出耦合DOE中被扩展，在步骤1320中，该输出耦合DOE沿着第一和第二坐标轴输出具有相对于输入耦合DOE处的所接收到的光的经扩展的出射光瞳的光。中间DOE被配置成与下游输出耦合DOE对接。在一些实现中，可以用被配置为直的或倾斜的浅光栅对输出耦合DOE进行切趾。
具有非对称轮廓的DOE可被结合到在虚拟或混合现实显示设备中使用的显示系统中。这样的设备可采取任何合适的形式，包括但不限于诸如HMD设备之类的近眼设备。尽管在一些实现中可以使用透视显示器，而在其他视线中，使用例如基于相机的传递或面向外的传感器的不透明(即非透视)显示器可以被使用。
图14示出了透视、混合现实或虚拟现实显示系统1400的一个特定说明性示例，而图15显示了系统1400的功能框图。显示系统1400包括形成透视显示子系统1404的一部分的一个或多个透镜1402，以便图像可以使用透镜1402(例如，使用到透镜1402上的投影、并入透镜1402中的一个或多个波导系统和/或以任何其他合适的方式)来显示。显示系统1400进一步包括被配置成获取正在被用户查看的背景场景和/或物理环境的图像的一个或多个面向外的图像传感器1406，并可包括被配置成检测声音(诸如来自用户的语音命令)的一个或多个麦克风1408。面向外的图像传感器1406可包括一个或多个深度传感器和/或一个或多个二维图像传感器。在替换安排中，如上所述，代替合并透视显示子系统，混合现实或虚拟现实显示系统可以通过面向外的图像传感器的取景器模式来显示混合现实或虚拟现实图像。
显示系统1400可进一步包括被配置成检测用户的每一眼睛的注视方向或焦点的方向或位置的注视检测子系统1410，如上文所描述的。注视检测子系统1410可被配置来以任何合适方式确定用户每只眼睛的注视方向。例如，在所示的说明性示例中，注视检测子系统1410包括被配置成导致光的闪烁从用户的每一眼球反射的一个或多个闪光源1412(诸如红外光源)，以及被配置成捕捉用户的每一眼球的图像的一个或多个图像传感器1414(诸如面向内的传感器)。根据使用(诸)图像传感器1414收集的图像数据所确定的用户眼球的闪烁和/或用户瞳孔的位置中的变化可以被用于确定注视方向。
此外，从用户眼睛投射的注视线与外部显示器交叉的位置可以被用于确定用户注视的对象(例如，所显示的虚拟对象和/或真实的背景对象)。注视检测子系统1410可以具有任何合适数量和布置的光源以及图像传感器。在一些实现中，可以省略注视检测子系统1410。
显示系统1400还可包括附加传感器。例如，显示系统1400可包括全球定位系统(GPS)子系统1416，以允许确定显示系统1400的位置。这可以帮助标识可以位于用户的毗邻物理环境中的现实世界的对象(诸如建筑物等等)。
显示系统1400还可以包括一个或多个运动传感器1418(例如惯性、多轴陀螺仪或加速度传感器)，以在用户戴着作为混合现实或虚拟现实HMD设备的部分的所述系统时检测用户头的移动和位置/朝向/姿势。运动数据可以潜在地与眼睛跟踪闪烁数据和面向外的图像数据一起被使用来用于注视检测以及用于图像稳定化，以帮助校正来自(诸)面向外图像传感器1406的图像中的模糊。运动数据的使用可允许注视位置的变化被跟踪，即使不能解析来自(诸)面向外的图像传感器1406的图像数据。
另外，运动传感器1418，以及麦克风1408和注视检测子系统1410，还可以被用作用户输入设备，以便用户可经由眼睛、颈部和/或头部的姿势，以及在一些情况中经由语音命令来与显示系统1400进行交互。可以理解，在图14和15中示出并在附随的文本中描述的传感器出于示例的目的被包括，而不旨在以任何方式进行限制，因为任何其他合适的传感器和/或传感器的组合可被利用来满足特定实现的需求。例如，生物特征传感器(例如用于检测心脏和呼吸速率、血压、大脑活动、体温等)或环境传感器(例如用于检测温度、湿度、海拔、UV(紫外线)光等级等)可以在一些实现中被使用。
显示系统1400可以进一步包括通过通信子系统1426与传感器、注视检测子系统1410、显示子系统1404，和/或其他组件进行通信的具有逻辑子系统1422和数据存储子系统1424的控制器1420。通信子系统1426还可促进显示系统与位于远程的资源(例如处理、存储、功率、数据和服务)结合操作。即，在一些实现中，HMD设备可被作为一种系统的部分来操作，该系统可以在不同的组件和子系统间分布资源和功能。
存储子系统1424可以包括存储在其上的指令，这些指令能被逻辑子系统1422执行例如用以：接收并解释来自传感器的输入、标识用户的位置和移动、使用表面重构和其他技术来标识现实对象，以及基于到对象的距离来调暗/淡出显示以便允许所述对象被用户看到，以及其他任务。
显示系统1400被配置有一个或多个音频换能器1428(例如扬声器、耳机等)，这样，音频可以被用作混合现实或虚拟现实体验的部分。功率管理子系统1430可包括一个或多个电池1432和/或保护电路模块(PCM)以及相关联的充电器接口1434和/或用于对显示系统1400中的组件供电的远程电源接口。
应当理解，出于示例的目的描述显示系统1400，并且因此不意味着进行限制。还应理解，显示设备可包括除所示出的那些之外的附加的和/或替换的传感器、相机、麦克风、输入设备、输出设备等，而不会背离本布置的范围。附加地，显示设备及其各传感器和子组件的物理配置可采取各种不同的形式，而不会背离本安排的范围。
如图16所示，包含具有非对称轮廓的DOE的EPE可被用于移动或便携式电子设备1600中，诸如移动电话、智能电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式互联网设备、手持式计算机、数字视频或静止相机、可穿戴计算机、计算机游戏设备、专用的用于观看的即视(bring-to-the-eye)产品或其他便携式电子设备。如图所示，便携式设备1600包括外壳1605，以容纳用于从外部设备或远程系统或服务(未示出)接收信息并向外部设备或远程系统或服务传送信息的通信模块1610。
便携式设备1600还可包括用于处理所接收到的所传送的信息的图像处理模块1615以及用于支持观看图像的虚拟显示系统1620。虚拟显示系统1620可包括微显示器或成像器1625以及光学引擎1630。图像处理模块1615可被可操作地连接到光学引擎1630以将诸如视频数据之类的图像数据提供给成像器1625以在其上显示图像。使用具有非对称轮廓的一个或多个DOE的EPE 1635可被光学地链接到光学引擎1630。
使用具有非对称轮廓的一个或多个DOE的EPE也可被用于非便携式设备，诸如游戏设备、多媒体控制台、个人计算机、自动售货机、智能电器、互联网连接的设备和家用电器(诸如烤箱、微波炉和其他电器)，以及其他非便携式设备。
本发明的具有非对称轮廓的衍射光学元件的各种示例性实施例现在是出于说明的目的被呈现的，并不是作为所有实施例的穷尽性列表。一个示例包括一种光学系统，该光学系统包括：光学材料的基板；被设置在基板上的第一衍射光学元件(DOE)，该第一DOE具有输入表面并且被配置作为输入耦合光栅以接收一个或多个光束作为输入；以及第二DOE，该第二DOE被设置在基板上并且被配置成用于沿着第一方向对一个或多个光束进行光瞳扩展，其中第二DOE的至少一部分包括光栅，该光栅配置有相对于同基板的平面正交的方向的预先确定的倾斜角。
在另一示例中，光学系统还包括被设置在基板上的第三DOE，该第三DOE具有输出表面并且被配置成用于沿着第二方向对一个或多个光束进行光瞳扩展，并且还被配置作为输出耦合光栅，以将具有相对于输入的经扩展的光瞳的一个或多个光束耦合作为来自输出表面的输出。在另一示例中，第三DOE的至少一部分包括光栅，该光栅配置有相对于同输出表面的平面正交的方向的第二预先确定的倾斜角。在另一示例中，第一DOE的至少一部分包括光栅，该光栅配置有相对于同输入表面的平面正交的方向的第三预先确定的倾斜角。在另一示例中，在第一DOE处所接收到的一个或多个光束作为由微显示器或成像器产生的虚拟图像放射。
另外的示例包括一种电子设备，该电子设备包括：数据处理单元；被可操作地连接到数据处理单元以用于从数据处理单元接收图像数据的光学引擎；被可操作地连接到光学引擎以基于图像数据形成图像并且生成合并该图像的一个或多个输入光束的成像器；以及出射光瞳扩展器，该出射光瞳扩展器响应于一个或多个输入光束，包括其上设置有多个衍射光学元件(DOE)的结构，其中出射光瞳扩展器被配置成使用一个或多个的DOE来提供一个或多个输出光束，作为具有经扩展的出射光瞳的近眼虚拟显示，并且其中至少一个DOE配置有具有非对称轮廓的光栅。
在另一示例中，非对称轮廓包括具有倾斜侧壁的光栅或闪耀光栅中的一者。在另一示例中，出射光瞳扩展器在两个方向上提供光瞳扩展。在另一示例中，成像器包括发光二极管、硅上液晶设备、有机发光二极管阵列或微机电系统设备中的一种。在另一示例中，成像器包括以传输、反射或发射方式中的一者工作的微显示器。在另一示例中，电子设备被实现在头戴式显示设备或便携式电子设备中。在另一示例中，一个或多个输入光束中的每一个由对应的一个或多个源产生。在另一个例子中，结构是弯曲的或部分球形的。在另一个例子中，两个或更多个DOE是非共面的。
另外的示例包括一种方法，该方法包括：在被设置在出射光瞳扩展器中的输入耦合衍射光学元件(DOE)处接收光；在被设置在出射光瞳扩展器中的中间DOE中沿第一坐标轴扩展所接收到的光的出射光瞳；在被设置在出射光瞳扩展器中的输出耦合DOE中沿第二坐标轴扩展出射光瞳；以及使用输出耦合DOE沿第一坐标轴和第二坐标轴输出具有相对于在输入耦合DOE中所接收到的光的经扩展的出射光瞳的光，其中中间DOE配置有具有相对于出射光瞳扩展器的平面的非正交的取向的光栅。
在另一示例中，非正交取向包括与平面的法线成30和50度之间的倾斜角。在另一示例中，输入耦合DOE、中间DOE或输出耦合DOE由聚合物形成，该聚合物由使用离子束蚀刻来被蚀刻的基板模制而成，其中基板相对于离子束源是能够旋转的。在另一示例中，输出耦合DOE的至少一部分是相对于输入耦合DOE或中间DOE具有浅凹槽的切趾式衍射光栅。在另一示例中，该方法在近眼显示系统中被执行。在另一示例中，输出光向近眼显示系统的用户提供虚拟显示。
尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本发明主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。更确切而言，上述具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。

Claims (5)

1.一种头戴式显示器设备中的光学系统，包括：
光学材料的基板；
被设置在所述基板上的第一衍射光学元件，所述第一衍射光学元件具有输入表面并且被配置作为输入耦合光栅以接收一个或多个光束作为输入；以及
被设置在所述基板上的第二衍射光学元件，所述第二衍射光学元件从所述第一衍射光学元件接收一个或多个光束并将所接收到的一个或多个光束耦合到第三衍射光学元件，并且其中所述第二衍射光学元件被配置为中间衍射光学元件以用于沿着第一方向对所接收到的一个或多个光束进行光瞳扩展，
其中所述第二衍射光学元件的至少一部分包括非对称光栅，所述非对称光栅配置有相对于同所述基板的平面正交的方向的倾斜角，以使得所述倾斜角相对于所述基板的平面是非正交的，以及
其中所述第二衍射光学元件配置有在单个方向上呈周期性的非对称光栅，
并且其中所述第三衍射光学元件的至少一部分是相对于所述第一衍射光学元件或所述第二衍射光学元件具有浅凹槽的切趾式衍射光栅。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第三衍射光学元件被布置在所述基板上，所述第三衍射光学元件具有输出表面并且被配置成用于沿着第二方向对所述一个或多个光束进行光瞳扩展，并且还被配置作为输出耦合光栅，以将具有相对于所述输入的经扩展的光瞳的一个或多个光束耦合作为来自所述输出表面的输出。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第三衍射光学元件的至少一部分包括光栅，所述光栅配置有相对于同所述输出表面的平面正交的方向的第二倾斜角。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第一衍射光学元件的至少一部分包括光栅，所述光栅配置有相对于同所述输入表面的平面正交的方向的第三倾斜角。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，在所述第一衍射光学元件处被接收到的所述一个或多个光束作为由微显示器或成像器产生的虚拟图像放射。
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