CN108885301A - 光瞳均衡 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光瞳均衡的光学反射设备，该光学反射设备包括光栅介质内的至少一个或多个光栅结构。所述光栅结构可具有反射轴，该反射轴不需要被约束到表面法线。所述光栅结构被配置为在相对宽广的波长范围内关于基本恒定的反射轴反射光。所述光学反射设备可朝向特定位置诸如出射光瞳或窥眼箱反射光。所述设备内的每个光栅结构都可被配置为以多个入射角反射特定波长的光。

Description

光瞳均衡
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2016年6月6日提交的名称为“SKEW MIRRORS,METHODS OF USE,ANDMETHODS OF MANUFACTURE”的共同未决的美国申请15/174,938、2016年4月4日提交的名称为“SKEW MIRROR PUPIL EQUALIZATION”的共同未决的美国申请62/318,027、2016年4月6日提交的名称为“SKEW MIRRORS,METHODS OF USE,AND METHODS OF MANUFACTURE”的共同未决的美国申请62/318,917、2016年6月20日提交的名称为“SKEW MIRROR PUPILEQUALIZATION”的共同未决的美国申请No.62/352,529、2016年10月13日提交的名称为“TIGER PRISMS AND METHODS OF USE”的共同未决的美国申请62/407,994，以及2016年8月24日提交的名称为“SKEW MIRRORS,METHODS OF USE,AND METHODS OF MANUFACTURE”的PCT申请PCT/US2016/048499的优先权。上述申请的全文以引用方式并入本文以用于所有目的。
背景技术
传统电介质反射镜是通过用其介电常数互不相同的多层材料来涂覆表面(通常是玻璃)而制造出来的。这些材料层通常被布置成使得来自层边界的Fresnel反射大大增强，从而得到大的净反射率。可以通过确保在相对宽的指定波长范围和入射角上实现该条件来设计宽带电介质反射镜。但是因为这些层沉积于一个表面上，因此电介质反射镜的反射轴必然会与表面法线重合(即，反射轴垂直于反射镜表面)。由于对反射轴的这种约束，电介质反射镜以次优的配置被设置在一些设备中。类似地，被约束到表面法线的反射轴使得电介质反射镜完全不足以用于某些目的。此外，玻璃电介质反射镜往往相对较重，使之不太适合或不适合用于要求反射部件相对轻质的应用。
相反，传统光栅结构则可关于与光栅结构驻留的介质表面法线相差的反射轴反射光。然而，对于某个给定的入射角而言，传统光栅结构的反射角通常会随着入射光的波长一起变化。因此，使用传统的光栅结构来反射光避免了在传统反射镜中反射轴与表面法线重合的固有的约束。然而，在需要基本上恒定的反射轴的情况下，对于某个给定的入射角而言，传统的光栅结构基本上限制在单一波长(或非常窄的波长范围)。类似地，传统的光栅结构被限制在单一入射角(或非常窄的入射角范围)，以便关于恒定的反射轴反射指定波长的光。
因此，当前可用的包括反射光栅结构或传统反射镜的反射设备不能满足下列要求：相对简单的设备关于不受表面法线约束的反射轴反射光，并且对于给定入的射角，其反射角在入射角的范围内是恒定的。因此存在对此类反射设备的需求，并且此类需求在头戴式显示设备中可能是尤为迫切的。
发明内容
所述特征总体涉及用于反射光的一种或多种改进的方法、系统或设备，以及包括光栅结构的光学反射设备。该方法、系统或设备可采用选择性耦接以允许斜交镜形成外部出射光瞳，其中所有或大部分反射光被引导。在斜交镜全息光学元件自身之外的位置处形成出射光瞳的方法可被描述为斜交镜光瞳均衡。在具体实施中，诸如头戴式显示器，可配置线段状k空间折射率分布的空间分布，以便于产生朝向出射光瞳的衍射。通过将更高百分比的光子引导到出射光瞳，斜交镜的光瞳均衡可另外提高光度效率(例如，图像亮度)。
在一些示例中，描述了用于反射光的设备。该设备可包括光栅介质。位于光栅介质内的第一光栅结构可被配置为以第一多个入射角(例如，包括第一入射角)关于反射轴反射波长的光，该反射轴偏离光栅介质的表面法线。另外，第二光栅结构可位于光栅介质内，使得第二光栅结构与第一光栅结构至少部分地不重叠。第二光栅结构可被配置为以不同于第一多个入射角的第二多个入射角(例如，包括第二入射角)关于反射轴反射波长的光，该反射轴偏离光栅介质的表面法线。
在一些示例中，描述了一种制造用于反射光的装置的方法。该方法可包括形成被配置为反射光的光栅介质以及形成位于光栅介质内的第一光栅结构。第一光栅结构可被配置为以第一多个入射角(例如，包括第一入射角)关于偏离光栅介质的表面法线的反射轴反射波长的光。另外，该方法可包括形成位于光栅介质内的第二光栅结构，使得第二光栅结构与第一光栅结构至少部分地不重叠。第二光栅结构可被配置为以不同于第一多个入射角的第二多个入射角(例如，包括第二入射角)关于反射轴反射波长的光，该反射轴偏离光栅介质的表面法线。
在一些示例中，描述了一种反射光的方法。该方法可包括通过光栅介质内的第一光栅结构以第一多个入射角(例如，包括第一入射角)关于反射轴反射波长的光的至少第一部分，该反射轴偏离光栅介质的表面法线。该方法还可包括通过光栅介质内的第二光栅结构以不同于第一多个入射角的第二多个入射角(例如，包括第二入射角)关于反射轴反射波长的光的至少第二部分，该反射轴偏离光栅介质内的光栅介质的表面法线。光栅介质内的第二光栅结构可与第一光栅结构至少部分地不重叠。在一些情况下，光栅介质可设置在包括光栅介质和至少两个基板的波导中。
附图说明
通过参考以下附图，可实现对本公开的具体实施的实质和优点的进一步理解。在附图中，类似的部件或特征部可具有相同的参考标签。此外，可通过跟随连接号和区分类似部件的第二标签的参考标签来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用第一参考标签，则该描述适用于具有与第二参考标签无关的相同第一参考标签的任何一个类似部件。
图1为头戴式显示器(HMD)的图示，其中可实施本文所包括的原理。
图2A为示出根据本公开的各个方面在真实空间中的斜交镜的反射特性的示意图。
图2B示出了根据本公开的各个方面在k空间中斜交镜。
图3A为根据本公开的各个方面结合了斜交镜出射光瞳均衡的光学系统的示意图。
图3B为根据本公开的各个方面支持斜交镜光瞳均衡的曲线图。
图3C为根据本公开的各个方面结合了斜交镜出射光瞳均衡的光学系统的示意图。
图4A为根据本公开的各个方面支持斜交镜光瞳均衡的光学结构的透视图。
图4B和图4C为根据本公开的各个方面支持斜交镜光瞳均衡的光学结构的平面图。
图5为根据本公开的各个方面示出了多个光栅结构的光学部件的示意图。
图6A到图6D示出了根据本公开的各个方面可用于制造具有用于光瞳均衡的斜交镜的系统的示意图。
图7为根据本公开的各个方面用于制造反射光的装置的示例性方法的流程图。
图8为根据本公开的各个方面用于反射光的示例性方法的流程图。
具体实施方式
光学头戴式显示器(HMD)是具有反射投影图像的能力并允许用户体验增强现实的可穿戴设备。头戴式显示器通常涉及近眼光学器件以产生“虚拟”图像。在过去，HMD已经处理了降低图像质量和增加重量以及尺寸的各种技术限制。过去的具体实施包括用于反射、折射或衍射光的传统光学器件，然而，设计往往是笨重的。另外，传统反射镜和光栅结构具有固有的局限性。例如，传统反射镜可具有一定与表面法线重合的反射轴。传统反射镜的反射轴可导致反射镜的次优取向或性能。另外，传统的光栅结构可包括多个反射轴，该多个反射轴不接受与入射角和/或波长共变。
因此，用于反射光的设备可包括以下特征：关于不受表面法线约束的反射轴反射光，并且给定入射角的反射角在多个波长处是恒定的。对于给定波长的入射光，在一定入射角范围内，该设备的实施方案可具有基本恒定的反射轴(即，具有反射轴角度变化小于1.0度的反射轴)，并且可使用各种波长的入射光来观察到这种现象。在一些实施方案中，对于一组多个入射角和一组多个波长的每个组合，反射轴保持基本恒定。本公开的各个方面最初在用于将光反射到窥眼箱的设备的背景中进行描述，该窥眼箱位于远离斜交镜的固定距离处。描述了用于包括光栅介质的装置的具体示例。光栅介质可包括一个或多个光栅结构。光栅结构可被配置为以特定的多个入射角关于反射轴反射特定波长的光，该反射轴偏离光栅介质的表面法线。参考与斜交镜光瞳均衡相关的装置图、系统图和流程图进一步示出和描述了本公开的各个方面。
该描述提供了示例，并且不旨在限制本文所述原理的具体实施的范围、适用性或配置。相反，接下来的描述将为本领域的技术人员提供用于实施本文所述原理的实施方案的操作性描述。可对元件的功能和布置进行各种改变。
因此，各种具体实施可适当省略、替代或添加各种程序或组件。例如，应当理解，可以以不同于所述顺序的顺序执行该方法，并且可添加、省略或组合各种步骤。另外，关于某些具体实施所述的方面和元件可在各种其他具体实施中被组合。还应当理解，以下系统、方法、设备和软件可单独地或共同地为更大系统的部件，其中其他程序可优先于或以其他方式修改其应用程序。
术语：
术语“大约”是指给定值加或减10％。
术语“约”是指给定值加或减20％。
关于反射光的术语“大体上”是指由光栅结构反射的光。大体上以所述角度反射的光包括比以任何其他角度反射的光更多的光(不包括表面反射)。大体上关于所述反射轴反射的光包括比关于任何其他反射轴反射的反射光更多的反射光(不包括表面反射)。当考虑主要反射光时，不包括由设备表面反射的光。
术语“反射轴”是指将入射光相对于其反射的角度平分的轴。入射光相对于反射轴的入射角的绝对值等于入射光的反射相对于反射轴的反射角的绝对值。对于传统反射镜，反射轴与表面法线重合(即，反射轴垂直于反射镜表面)。相反，根据本公开的斜交镜的具体实施可具有不同于表面法线的反射轴，或者在一些情况下可具有与表面法线重合的反射轴。在给出本公开的益处的情况下，本领域的技术人员将认识到，反射轴的角度可通过将入射角与其相应的反射角相加，并将所得总和除以二来确定。入射角和反射角可以是凭经验确定的，采用多次测量(通常为三次或更多次)用于产生平均值。
术语“反射”和类似术语在通常“衍射”被认为是适当术语的一些情况下用于本公开中。“反射”的使用与斜交镜所展现的镜像特性一致，并且有助于避免可能混淆的术语。例如，在称光栅结构被配置为“反射”入射光的情况下，传统技术人员可能更倾向于说光栅结构被配置为“衍射”入射光，因为通常认为光栅结构通过衍射作用于光。然而，术语“衍射”的此类使用将导致出现诸如“入射光关于大致稳定的反射轴衍射”的表述，这可能造成困惑。因此，在表述为入射光被光栅结构“反射”的情况下，依据本公开，本领域的普通技术人员将意识到光栅结构实际上是通过衍射机制对光进行“反射”的。“反射”的此类使用在光学中并非没有先例，传统反射镜就通常被称为“反射”光，尽管衍射在此类反射中起主要作用。本领域技术人员因此认识到，大多数“反射”包括衍射的特性，并且由斜交镜或其部件进行的“反射”也包括衍射。
术语“光”是指本领域技术人员熟知的电磁辐射。除非参考特定波长或波长范围，诸如指人眼可见的电磁波谱的一部分的“可见光”，否则电磁辐射可具有任何波长。
术语“全息图”和“全息光栅”是指由多个交叉光束之间的干涉产生的干涉图案的记录。在一些示例中，全息图或全息光栅可由多个交叉光束之间的干涉产生，其中每个多个交叉光束在曝光时间内保持不变。在其他示例中，全息图或全息光栅可由多个交叉光束之间的干涉产生，其中在记录全息图时改变多个交叉光束中的至少一个在光栅介质上的入射角，和/或在记录全息图时改变波长(例如，复杂全息图或复杂全息光栅)。
术语“正弦体光栅”是指具有光学特性的光学部件，诸如折射率，在整个体积区域中以大体上正弦曲线的轮廓进行调制。每个(简单/正弦)光栅对应于k空间中的单个共轭矢量对(或在k空间中大体上点状的共轭对分布)。
术语“衍射效率”是指在光栅介质上反射光与入射光的功率的比率。
术语“入射光瞳”是指进入成像光学器件的光束以其最小尺寸通过的真实或虚拟光圈。
术语“窥眼箱”是指一个二维区域，该二维区域概述了一个可放置人瞳孔的区域，以用于在距离光栅结构的固定距离处观察全视场。
术语“良视距”是指光栅结构与对应的窥眼箱之间的固定距离。
术语“出射光瞳”是指从成像光学器件射出的光束以其最小尺寸通过的真实或虚拟光圈。在使用中，成像光学系统通常被配置为将光束引导向图像捕获装置。图像捕获装置的示例包括但不限于用户的眼睛、相机或其他光电检测器。在一些情况下，出射光瞳可包括从成像光学器件射出的光束的子集。
术语“光栅介质”是指被配置为具有用于反射光的光栅结构的物理介质。光栅介质可包括多个光栅结构。
术语“光栅结构”是指被配置为反射光的一个或多个光栅。在一些示例中，光栅结构可包括共享至少一个共同属性或特性的一组光栅(例如，每一组光栅响应相同波长的光)。在一些具体实施中，光栅结构可包括一个或多个全息图。在其他具体实施中，光栅结构可包括一个或多个正弦体光栅。在一些示例中，对于一个或多个光栅中的每一者(例如，全息图或正弦光栅)，光栅结构相对于反射轴可以是均匀的。另选地或除此之外，对于光栅介质中的一个或多个光栅中的每一者(例如，全息图或正弦体光栅)，光栅结构相对于长度或体积可以是均匀的。
图1为头戴式显示器(HMD)100的图示，其中可实施本文所包括的原理。HMD 100可包括眼镜或头饰，其中近眼显示器(NED)105可附接在用户的眼睛前方。NED 105可包括设置在HMD 100的透镜组件内或与其结合的衍射元件部分。在一些示例中，衍射元件部分是全息光学元件(HOE)，该全息光学元件可包含斜交镜110。参考斜交镜110提供坐标(x轴、y轴和z轴)。HMD 100可包括操作性地联接到透镜组件的光源或光投影仪115。在一些示例中，光源或光投影仪115可在波导配置中操作性地联接到透镜组件。在一些示例中，光源或光投影仪115可在自由空间配置中操作性地联接到透镜组件。
斜交镜110是反射设备，该反射设备可包括存在在体积全息图或其他光栅结构内的光栅介质。斜交镜110可包括附加层，诸如玻璃盖或玻璃基板。附加层可用于保护光栅介质免受污染、湿气、氧气、反应性化学物质、损坏等。附加层也可具有与光栅介质匹配的折射率。光栅介质凭借其中驻留的光栅结构具有允许其在称为反射轴的轴周围衍射光的物理特性，其中衍射角(下文称为反射角)对于以给定入射角入射到光栅介质上的多个波长的光而言变化小于1°。在一些情况下，衍射角对于多个波长和/或入射角也是恒定的。在一些情况下，光栅结构可由一个或多个全息图形成。在一些具体实施中，一个或多个全息图可以是体积相位全息图。其他类型的全息图也可用在光栅结构的各种具体实施中。
类似地，对于给定波长的入射光，在一定入射角范围内，具体实施通常具有基本上恒定的反射轴(即，具有反射轴角度变化小于1°的反射轴)，并且这种现象可使用各种波长的入射光来观察到。在一些具体实施中，对于一组多个入射角和一组多个波长的每个组合，反射轴保持基本恒定。
全息图可以是干涉图案的记录，并且可包括来自用于记录的光的强度和相位信息。该信息可记录在将干涉图案转换为光学元件的光敏介质中，所述光学元件根据初始干涉图案的强度改修改随后入射光束的振幅或相位。光栅介质可包括光敏聚合物、光折射晶体、重铬酸盐明胶、光热折射玻璃、包含分散的卤化银粒子的膜，或具有反应并记录入射干涉图案的能力的其他材料。在一些情况下，相干激光可用于记录和/或读取所记录的全息图。
在一些情况下，可使用被称为记录光束的两个激光束来记录全息图。在一些情况下，记录光束可为除入射到光栅介质上的角度之外彼此相似的单色准直平面波束。在一些具体实施中，记录光束可具有彼此不同的振幅或相位分布。可引导记录光束使得它们在记录介质内相交。在记录光束相交的情况下，它们以根据干涉图案的每个点的强度而变化的方式与记录介质相互作用。这在记录介质中产生了不同光学性质的图案。例如，在一些实施方案中，折射率可在记录介质内变化。在一些情况下，所得的干涉图案可以以对记录在光栅介质上的所有此类光栅结构均匀的方式在空间上分布(例如，具有掩模等)。在一些情况下，通过改变波长或入射角可在单个记录介质中叠加多个光栅结构，以在记录介质中产生不同的干涉图案。在一些情况下，在介质中记录一个或多个全息图之后，可在记录后的光处理中用光处理该介质。可用高度不相干的光执行记录后的光处理，以基本上消耗剩余的反应介质组分，诸如光引发剂或光敏单体，使得记录介质的光敏性被大大降低或消除。在记录介质中全息图或其他光栅结构的记录完成之后，该介质通常被称为光栅介质。光栅介质通常呈现为非光敏的。
在一些具体实施中，光栅结构包括由被称为记录光束的多个光束之间的干涉产生的全息图。通常但不一定，光栅结构包括多个全息图。可使用在多个全息图之间以不同角度(即，多重角度)入射在光栅介质上的记录光束和/或在多个全息图之间不同波长(即，多重波长)的记录光束来记录多个全息图。在一些具体实施中，光栅结构包括使用两束记录光束记录的全息图，该两束记录光束在记录全息图时其入射到光栅介质上的角度改变，和/或在记录全息图时其波长改变。具体实施还包括一种设备，其中反射轴与光栅介质的表面法线相差至少1.0度；或至少2.0度；或至少4.0度；或至少9.0度。
光投影仪115可向透镜组件提供载像光。在一些示例中，透镜组件和斜交镜110可相对于x-y平面基本上平坦；然而，在某些具体实施中，透镜组件可包括相对于x-y平面的一些曲率。来自斜交镜110的反射光120可被反射到窥眼箱，该窥眼箱位于沿z轴远离斜交镜110的固定距离处。在一些示例中，斜交镜110可至少部分地包含在波导内。波导可通过全内反射向斜交镜110传播入射光130。在一些示例中，入射光130可通过自由空间向斜交镜110传播。斜交镜110可包括由光敏聚合物制成的光栅介质。斜交镜110还可包括光栅介质内的一个或多个光栅结构。每个光栅结构可包括可彼此重叠的一个或多个正弦体光栅。光栅结构可被配置为以特定的多个入射角关于反射轴反射特定波长的光，该反射轴偏离光栅介质的表面法线。光栅介质内的每个光栅结构可被配置为在距离波导的固定距离处将一部分光朝向窥眼箱中的出射光瞳反射。
每个光栅结构可以以不同于另一种光栅结构的方式反射光。例如，第一光栅结构可以以第一入射角反射第一波长的入射光，而第二光栅结构可以以第一入射角反射第二波长的入射光(例如，不同的光栅结构可被配置成为相同入射角的入射光反射不同波长的光)。另外，第一光栅结构可以以第一入射角反射第一波长的入射光，而第二光栅结构可以以第二入射角反射第一波长的入射光(例如，不同的光栅结构可被配置成为不同入射角的入射光反射相同波长的光)。此外，光栅结构可反射第一波长和第一入射角的第一入射光，并且光栅结构可以以第二波长和第二入射角关于相同反射轴反射第二入射光。以这种方式，可使用不同的光栅结构来选择性地反射以给定入射角入射光的特定波长的光。这些不同的光栅结构可叠加在斜交镜110的光栅介质中。斜交镜110可具有基本恒定的反射轴(即，斜交镜110的每个光栅结构具有相同的基本恒定的反射轴)。
在一些示例中，头戴式显示设备可包括用于提供载像光的光源或光投影仪115和透镜组件。透镜组件可包括斜交镜110。透镜组件可包括光输入部分，该光输入部分用于接收来自光源或光投影仪115的载像光。波导可设置在透镜组件内并操作性地耦接到光输入部分。波导可包括至少两个基板(未示出)、设置在至少两个基板之间的光栅介质、光栅介质内的第一光栅结构，以及光栅介质内的第二光栅结构。在一些示例中，可省略波导并且光源或光投影仪115可在自由空间配置中操作性地联接到透镜组件。第一光栅结构可被配置为关于第一光栅结构的第一反射轴反射波长的光，该第一反射轴偏离光栅介质的表面法线。第一光栅结构可被配置为以第一入射角反射光。第二光栅结构可被配置为与第一光栅结构至少部分地不重叠。第二光栅结构可被配置为反射与由第一光栅结构反射的光相同波长的光。第二光栅结构可被配置为关于第二光栅结构的第二反射轴反射波长的光，该第二反射轴偏离光栅介质的表面法线。第二光栅结构可被配置为以不同于第一入射角的第二入射角反射光。
图2A是示出根据一个示例的在实际空间中的斜交镜210的反射特性的横截面视图200。横截面视图200可包括光栅结构，诸如光栅介质中的全息图230。图2A省略了除光栅介质之外的斜交镜部件，诸如可用作光栅介质的基板或保护层的附加层。基板或保护层可用于保护光栅介质免受污染、湿气、氧气、反应性化学物质、损坏等。用于光瞳均衡的斜交镜的具体实施可以是部分反射的。以这种方式，用于光瞳均衡的斜交镜可被配置为选择性地反射需要它们的光线，以形成朝向窥眼箱的出射光瞳。用于光瞳均衡的斜交镜可被配置为避免对某些入射角反射光线，这些入射角的此类反射将光线反射到不朝向期望的出射光瞳的区域。一些斜交镜实施方案的具体实施可能需要相对较高动态范围的记录介质，以在相对宽的波长带宽和角度范围内实现所得光栅介质的高反射率。相比之下，用于光瞳均衡的斜交镜可能需要较小的动态范围，从而允许每个全息图更强(例如，以更大的强度和/或更长的曝光时间记录)。包含较强的全息图的斜交镜可提供更亮的图像，或者允许调光器光投影仪提供相同亮度的图像。
斜交镜210通过反射轴225相对于z轴测量的角度来表征。z轴垂直于斜交镜轴205。斜交镜210被入射光215以相对于z轴测量的内入射角照射。可用基本垂直于斜交镜210的表面的内反射角轴反射主反射光220。在一些示例中，主反射光220可对应于驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的光的波长。例如，可见光谱的红色、绿色和蓝色区域可包括红色波长(例如，610至780nm)带、绿色波长(例如，493至577nm)带和蓝色波长(例如，405至492nm)带。在其他示例中，主反射光220可对应于驻留在可见光谱之外(例如，红外波长和紫外波长)的光的波长。
斜交镜210可具有多个全息图区域，所有全息图区域共享基本相同的反射轴225。然而，这些多个区域可各自反射不同入射角范围的光。例如，包含斜交镜210的HOE的底部三分之一可仅包含光栅结构的子集，该光栅结构向上朝对应的窥眼箱反射光。然后，中间三分之一可直接朝对应的窥眼箱反射光。然后，顶部三分之一需要仅包含光栅结构的子集，该光栅结构将光向下反射到对应的窥眼箱。
图2B示出了图2A的斜交镜210的k空间表示250。空间变化的折射率组分的k空间分布通常表示为 空间分布260穿过原点，并且具有相对于z轴测量的角度，其等于反射轴225的角度。记录k球体255为对应于特定写入波长的k球体。k空间250可包括对应于驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的光的波长的各种k球体。
k空间形式体系是一种用于分析全息记录和衍射的方法。在k-空间中，传播的光波和全息图由它们在真实空间中分布的三维傅立叶变换表示。例如，无限准直单色参考光束在实际空间和k空间中可由等式(1)表示：
其中是所有3D空间矢量位置下的光学标量场分布，并且其变换是所有3D空间频率矢量下的光学标量场分布。Ar为场的标量复振幅；并且是波矢量，其长度表示光波的空间频率，其方向表示传播方向。在一些具体实施中，所有光束由相同波长的光组成，因此所有光波矢量必然具有相同的长度，即因此，所有光学传播矢量必然位于半径为kn＝2πn0/λ的球体上，其中n0是全息图的平均折射率(“体积指数”)，并且λ是光的真空波长。这种结构被称为k-球体。在其他具体实施中，多个波长的光可分解为位于不同k球体上的不同长度的波矢量的叠加。
另一个重要的k空间分布是全息图本身。体积全息图通常由光栅介质内的折射率的空间变型组成。折射率空间变型，通常表示为可被称为折射率调制图案，其k空间分布通常表示为由第一记录光束和第二记录光束之间的干涉产生的折射率调制图案通常与记录干涉图案的空间强度成比例，如等式(2)所示：
其中是第一记录光束场的空间分布，并且是第二记录光束场的空间分布。一元运算符“*”表示复共轭。等式(2)中的最后一项将入射的第二记录光束映射到衍射的第一记录光束中。因此，可能得到以下等式：
其中是3D互相关性运算符。这就是说，空间域中一个光场与另一光场的复共轭的积与频域中它们对应的傅里叶变换具有互相关性。
通常，全息图230构成真实空间中实值的折射率分布。全息图230的空间分布的位置可分别由互相关性运算和从数学上确定，或者由矢量差值和从几何学上确定，其中和是从相应全息图空间分布到原点的光栅矢量(未单独显示)。需注意，按照惯例，波矢由小写“k”表示，光栅矢量由大写“K”表示。
一旦被记录，全息图230可被探测光束照亮以产生衍射光束。出于本公开的目的，衍射光束可被认为是探测光束的反射，该探测光束可被称为入射光束(例如，载像光)。探测光束及其反射光束被反射轴225按角度等分(即，探测光束相对于反射轴的入射角度与反射光束相对于反射轴的反射角度相同)。衍射过程可由类似于记录过程中的那些的k-空间中的一组数学和几何运算来表示。在弱衍射极限中，衍射光束的衍射光分布由等式(4)给出，
其中和分别是衍射光束和探测光束的k空间分布；并且“*”是3D卷积运算符。注释指示前述表达式仅在的情况下即结果位于k球体上时成立。卷积表示偏振密度分布，并且与由探测光束引起的光栅介质的不均匀电偶极矩的宏观总和成比例。
通常，当探测光束类似于用于记录的记录光束中的一者时，卷积的作用是在记录期间逆转互相关性，并且衍射光束将基本上类似于用于记录全息图的其他记录光束。当探测光束具有与用于记录的记录光束不同的k空间分布时，全息图可产生与用于记录全息图的光束完全不同的衍射光束。还需注意，尽管记录光束通常是相互相干的，但探测光束(和衍射光束)不受此限制。多波长探测光束可被分析为单波长光束的叠加，每个光束遵循具有不同k球体半径的等式(4)。
在给出本公开的益处的情况下，本领域的技术人员将认识到，本文在描述k空间中斜交镜的特性时通常使用的术语“探测光束”类似于术语“入射光”，本文其通常在描述现实空间中斜交镜的反射特性时使用。类似地，本文在描述k空间中斜交镜的特性时通常使用的术语“衍射光束”类似于术语“主反射光”，其通常在本文描述现实空间中斜交镜的特性时使用。因此，当描述现实空间中反射镜的反射特性时，通常的说法是入射光被全息图(或其他光栅结构)反射为主反射光，但探测光束被全息图衍射产生衍射光束的这一说法基本上表达相同的意思。类似地，当描述k空间中斜交镜的反射特性时，通常的说法是探测光束被全息图(或其他光栅结构)衍射产生衍射光束，但入射光被光栅结构反射产生主反射光的这一说法在本公开的具体实施的上下文中具有相同的含义。
图3A示出了结合了斜交镜出射光瞳均衡的光学系统300-a的示意图。光学系统300-a可用于HMD、增强现实(AR)或虚拟现实(VR)应用中，诸如但不限于图1的HMD 100。光学系统300-a还可用于各种光学耦接应用，诸如但不限于大屏幕显示器和光学传感器应用。光学系统300-a可采用选择性耦接以允许斜交镜305朝特定位置诸如窥眼箱315衍射光，从而提高光度效率(例如，图像亮度)。这可具有在窥眼箱315处产生出射光瞳的有利效果。出射光瞳可与斜交镜305相距固定距离。出射光瞳可相对于内部出射光瞳提高光学效率。所表示的角为相对于光栅介质的表面法线的内角，并且为了说明的目的，忽略在光栅介质和/或基底界面处以及在基板空气界面处的折射。从俯视视角观察光学系统300-a，并且可表示用户的左眼或右眼。为了便于描述，将从用户的左眼视角来描述光学系统300-a。
斜交镜305和光栅介质310均可至少部分地位于波导内。光栅介质310可至少部分地或完全地由基板307(例如，玻璃盖或类似保护层)封闭。斜交镜305可包含光栅介质310内的一个或多个光栅结构。光栅结构是一种光学设备，其可将入射光反射、衍射和/或分离成光束或波，然后可在不同的方向上继续传播。光栅可通过其衍射角响应来表征。对于正弦光栅，衍射角响应可表示为：
Δθrcosθr＝-Δθicosθi (5)
衍射角响应表示响应于入射角的小变化Δθi的反射角的变化Δθr。相反，精密反射镜具有角度响应，表示为：
Δθr＝-Δθi (6)
等式(5)和(6)中的角度相对于kz轴在k空间中。
基本上通过衍射角响应来表征的设备可认为表现出类似光栅的反射行为，而基本上通过精密反射镜角响应来表征的设备可认为表现出镜像反射行为。表现出类似光栅反射行为的设备将还表现出随着入射角而变化的反射轴，除非该反射轴垂直于设备表面，在这种情况下cosθr＝cosθi。因此，单个正弦光栅无法满足这样的要求：在相对简单的设备中，关于不限于表面法线的反射轴反射光，并且对于跨越其角度布拉格选择性多倍的入射角，其反射角在跨越其波长布拉格选择性多倍的波长下是恒定的。如本领域技术人员已知的，反射光(例如，正弦光栅)的设备可表现出角度和波长布拉格选择性。
光栅介质310可包含光敏聚合物、光折射晶体、重铬酸盐明胶、光热折射玻璃、包含分散的卤化银粒子的膜，或具有反应并记录入射干涉图案的能力的其他材料。光栅结构可包含全息图，诸如但不限于体积相位全息图。可将多个全息图记录到光栅介质内部体积中，并且因此可在光栅介质表面下方延伸。因此，这些全息图有时被称为体积全息图。在一些具体实施中，该多个全息图中的每一者与该多个全息图中的其他全息图中的至少一者但不是全部至少部分地在空间上重叠。在一些示例中，该多个全息图中的每一者与所有其他全息图至少部分地在空间上重叠。在一些示例中，该多个全息图中的一些可与其他全息图中的一些不在空间上重叠。
例如，空间重叠的全息图相对于在连续光栅介质中由两个全息图占据的空间或共享的体积重叠(例如，两个空间重叠的全息图共享或共存于光栅介质310内的相同空间或体积的至少一部分中)。以这种方式，第一全息图的至少一些变化的折射率特性和相关联的条纹图案将占据光栅介质310内第二全息图的至少一些变化的折射率特性和相关联的条纹图案的相同空间或体积(并且与其叠加或混合)。在全息图不在空间上重叠的示例中，两个全息图在连续的光栅介质内不以任何方式相交或重叠。例如，可将第一全息图设置在与第二全息图间隔开的光栅介质310的体积部分上。在一些实施方案中，斜交镜可包括光栅介质310内在空间上重叠和空间上不重叠的全息图。
光栅介质310内的每个光栅结构可被配置为关于斜交镜305的反射轴反射光。反射轴可为图2A中所描绘的反射轴225的示例。反射轴可偏离光栅介质的表面法线。入射光及其反射光被反射轴等分，使得入射光相对于反射轴的内入射角的量值与反射光相对于反射轴的内反射角的量值相同。也就是说，入射光及其反射可表现出关于反射轴的左右对称。在一些具体实施中，光栅结构可被配置为以反射角反射光，该反射角介于所述多个入射角和光栅介质的表面法线之间。
光栅介质310内的每个光栅结构可被配置为以特定的多个入射角反射一个或多个波长的光(所述一个或多个波长可包括至少一个可见红光波长、一个可见蓝光波长和一个可见绿光波长)。光栅介质310内的每个光栅结构可以多个入射角反射光，该多个入射角不同于对应于不同光栅结构的多个入射角。光栅介质310内的每个光栅结构可包含多个正弦体光栅。
光学系统300-a示出了光源或光投影仪320(例如，由发光二极管照亮的微型显示器)。光可通过输入耦合器340进入斜交镜305。输入耦合器340可为棱镜或棱镜状结构、光栅结构、反射镜或反射结构、边缘小平面或曲面，或其他输入耦合技术。输入耦合器340的折射率可与输入耦合器340耦合的基板307的折射率匹配。然而，在一些示例中，输入耦合器不可用于将光(例如，载像光)引导至斜交镜。光可包括一系列可见光(例如，可见红光、可见蓝光和可见绿光)。为了使反射光线325朝向窥眼箱315反射，入射光330必须通过全内反射朝向光栅介质310的第三(例如，右)区域316传播。然而，入射光330必须穿过光栅介质310的第一(例如，左)区域312和第二(例如，中间)区域314以到达光栅介质310的第三区域316。例如，如果在光栅介质310中使用传统光栅结构，进入波导的一些光将可能被误导(例如，随着光传播外耦接)，从而产生没有到达窥眼箱315的浪费的光335。然而，在光学系统300-a中，布拉格匹配反射光线325的光(例如，反射光线325的每个可见光波长的光)的至少一些全息图没有被写入斜交镜305的第一区312和第二区314，从而允许光通过选择性耦接而不被削弱地传播到第一区312(例如，通过不将全息图写入光栅介质310，其将反射光线325的光朝向除窥眼箱315之外的区域反射)。然而，在一些示例中，甚至通过采用选择性耦接的斜交镜可产生一些浪费的光，例如，如果第一区中的光栅旨在将蓝光向上引向窥眼箱，则还引导绿色向右而错过窥眼箱。光学系统300-a的实施方案改善了反射光不均衡的情况，因为斜交镜305被配置为朝向窥眼箱315反射光。
在一些情况下，体积全息光栅可包括布拉格匹配的全息结构，以用于彼此不同的角度和波长的组合。也就是说，在光栅介质内，基于彼此不同的全息光栅结构，沿相同的反射轴反射彼此不同的光的波长。对应于与相对于光栅介质310的区域定位的反射光线325类似地的反射光线的全息图同样可被省略或被包括，使得反射光线入射在窥眼箱315上，而不是其他区域(例如，沿x轴纵向相邻于窥眼箱315的区域)。
因此，根据本公开的示例，入射光330可通过至少部分地设置在光栅介质310的第三区316中的全息图被选择性地反射，并且将导致入射光330作为反射光线325朝向窥眼箱315反射。也就是说，对于具有对应于入射光330的入射角的光线，入射光330可在第三区316中被选择性地反射。类似地，入射光332可通过至少部分地设置在光栅介质310的第二区314中的全息图被选择性地反射，并且将导致入射光332作为反射光线327朝向窥眼箱315反射。也就是说，对于具有对应于入射光332的入射角的光线，入射光332可在第二区314中被选择性地反射。在一些示例中，入射光334可通过至少部分地设置在光栅介质310的第一区312中的全息图被选择性地反射，并且将导致入射光334作为反射光线329朝向窥眼箱315反射。也就是说，对于具有对应于入射光334的入射角的光，入射光334可在第一区312中被选择性地反射。
光学系统300-a被示出在大致位于光栅介质310的中心的平面处反射光。然而，本领域的技术人员认识到，光通常在整个光栅结构上而不是在特定平面被反射。另外，对于每个旨在被引导至窥眼箱315的反射光线，光栅介质310的一个或多个光栅结构中的一个或多个全息图可写给各种波长的可见红光、各种波长的可见蓝光和各种波长的可见绿光。
根据光学系统300-a的各个方面，具有斜交镜305的出射光瞳均衡及其变化可减小实现期望性能水平所需的光栅介质动态范围，或者提高可获得的衍射效率。仅在窥眼箱315(或者根据各种具体实施的另一特定位置)处可能需要从斜交镜305反射的光。可减小线段状k空间折射率分布的空间分布，以便仅朝向或主要朝向窥眼箱315产生反射。在一些示例中，在单次记录曝光期间，在光栅介质310上写入全息图的辐照度分布可基本由下式描述：
其中dEB为窥眼箱315的尺寸，dER为从窥眼箱315到光栅介质310内的全息图和光栅结构的距离，θS为反射光束与z轴夹角。因此，在一些示例中，在光栅介质310内形成光栅结构可至少部分地基于窥眼箱315的尺寸(例如，长度或宽度)。在一些示例中，在光栅介质310内形成光栅结构可至少部分地基于从窥眼箱315到光栅结构的距离。
图3B为根据本公开的各个方面支持斜交镜光瞳均衡的曲线图。曲线图300-b包括轴345上的全息图的数量和在轴线350上的HOE的位置(即，良视距)。曲线图300-b的曲线348示出了具有30°视场、200μm厚的斜交镜耦合器的最大全息图复用密度减小的示例。曲线图300-b的曲线348还示出了沿HOE在每个纵向位置处可能需要的重叠全息图的总数。
如本文所述，可能需要在最大全息图复用密度区域中记录的相同数量的全息图(例如，根据最大四分之一全宽度(FWQM)的规则)可通过显着因素减少。
连续全息图可与相邻或邻近的全息图间隔开或偏移。曲线图300-b的曲线348示出了连续全息图的这种间隔或偏移分布的结果。该取向对应于电子表格中的第一张表(光栅表_光瞳均衡)，其中光栅沿y轴一直延伸穿过介质(从-13mm至+13mm)，并且沿x轴间隔开(例如，交错)，每个光栅与其相邻的光栅偏移一定距离。该距离在整个一个或多个区域内可以是恒定的(例如，0.10mm)和/或可变的。从曲线348可以观察到，沿着光栅介质310的每个纵向位置处所需的重叠全息图的总数可在距离光栅介质310的中心8mm(例如，低于)处减小约83％，在距离光栅介质310的中心4mm(例如，低于)处减小约25％(例如，光栅介质310的第一区312中的重叠全息图的总数的减少)。类似地，沿着光栅介质310的每个纵向位置处所需的重叠全息图的总数可在距离光栅介质310的中心8mm(例如，高于)处减小约75％，在距离光栅介质310的中心6mm(例如，高于)处减小约17％(例如，光栅介质310的第三区316中的重叠全息图的总数的减少)。在该非限制性示例中，可使倾斜镜305均衡以在距离为dER＝25mm处产生dEB＝4mm的窥眼箱，并且在没有出射光瞳均衡的情况下，这种斜交镜设备将需要沿斜交镜设备的17.5mm长度到处复用325个全息图。使用本文所述的出射光瞳均衡技术，可将最大全息图复用密度减小至139个全息图。这种减少仅占不均衡密度的42.8％，在给定与光栅介质310相同的记录材料的情况下，可能导致衍射效率提高5.47x。
另外，应当理解，在各种实施方案中可采用多于光栅介质310的三个区域。在一些示例中，可为每个全息图(或具有一组类似全息图的光栅结构)采用单独的区域。在一些示例中，本文所述的出射光瞳均衡技术可用于多个色带，产生例如对应于红色波长(例如，610至780nm)带、绿色波长(例如，493至577nm)带和蓝色波长(405至492nm)带的三个单独的斜交镜光栅频带。
图3C为根据本公开的各个方面结合了二维斜交镜出射光瞳均衡的光学系统的示意图。光学系统300-c可用于HMD、增强现实(AR)或虚拟现实(VR)应用中，诸如但不限于图1的HMD 100。光学系统300-c还可用于各种光学耦接应用，诸如但不限于大屏幕显示器和光学传感器应用。光学系统300-c可采用选择性耦接以允许斜交镜305朝特定位置诸如窥眼箱315衍射光，从而提高光度效率(例如，图像亮度)。这可具有在窥眼箱315-a处产生出射光瞳的有利效果。该出射光瞳可与斜交镜305相距固定距离。出射光瞳可相对于内部出射光瞳提高光学效率。所表示的角为相对于光栅介质的表面法线的内角，并且为了说明的目的，忽略在光栅介质和/或基底界面处以及在基板空气界面处的折射。
光学系统300-c可包括显示器355、准直器360、水平波导365、垂直波导370和窥眼箱315-a。窥眼箱315-a可与垂直波导370相距一定距离，在此称为良视距375。光学系统300-c示出了可利用斜交镜的二维光瞳扩展器的一个示例。设置在水平波导365中的斜交镜可被称为交叉耦合器。在一些情况下，设置在垂直波导370中的斜交镜可被称为输出耦合器。
本文所述的出射光瞳均衡技术可用于通过利用两个斜交镜来提供二维光瞳扩展。例如，水平波导365可包括操作性地联接到第二斜交镜的第一斜交镜。第一斜交镜可用于在水平方向上(例如，沿与y轴结合的x轴，如图3A中相对于斜交镜305所示)扩展光瞳。在一些示例中，第一斜交镜(例如，交叉耦合器)可设置在单独的2D(管道型)波导内。第二斜交镜可用于在垂直方向上(例如，沿y轴，如图3中相对于斜交镜305所示)扩展光瞳。在一些示例中，第二斜交镜(例如，输出耦合器)可设置在单独的1D(平板型)波导内。在一些示例中，第一斜交镜(例如，交叉耦合器)和第二斜交镜(例如，输出耦合器)可设置在单个1D(平板型)波导内。在一些示例中，第一斜交镜和第二斜交镜可邻接或以其他方式操作性地竖直联接(例如，沿y轴)。在一些示例中，第一斜交镜和第二斜交镜可邻接或以其他方式操作性地水平联接(例如，沿x轴)。在一些示例中，第一斜交镜和第二斜交镜可邻接或以重叠的方式操作性地联接(例如，沿z轴)。
在一些示例中，第一斜交镜(例如，交叉耦合器)可采用选择性耦接来实现如本文所述的出射光瞳均衡技术。在一些示例中，第二斜交镜(例如，输出耦合器)可独立地采用选择性耦接来实现如本文所述的出射光瞳均衡技术。
图4A为根据本公开的各个方面支持斜交镜光瞳均衡的光学结构400-a的透视图。光学结构400-a可包括图1中的HMD 100的斜交镜110、图2A中的斜交镜210，和/或图3中的斜交镜305的各个方面。光学结构400-a可包括光栅介质405、第一光栅结构410和第二光栅结构415。
光学结构400-a可采用选择性耦接以形成外部出射光瞳(未示出)，所有或大部分反射光在该外部出射光瞳处被引导。通过结合包括斜交镜出射光瞳均衡技术的光学结构400-a，可提高系统的衍射效率和光度效率。光学结构400-a可以是基本上透明的，使得在光栅介质405内使用一个或多个全息图的光栅结构对眼睛是不可见的(或几乎不可见的)。在诸如头戴式显示器的应用中，光可从斜交镜衍射向特定位置，诸如通常可与外部出射光瞳对齐的窥眼箱(未示出)。
第一光栅结构410和第二光栅结构415各自可被配置为以多个入射角关于反射轴反射特定波长的光，该反射轴偏离光栅介质的表面法线。在一些示例中，第一光栅结构和第二光栅结构中的每一者可包括形成光栅结构的多个全息图。为了便于理解，第一光栅结构410和第二光栅结构415中的每一者通常被讨论为单个全息图。然而，光学结构400-a的实施方案不限于此类单个全息图光栅结构。
光栅介质405内的第一光栅结构410可被配置为以第一入射角关于第一反射轴反射波长的光，该第一反射轴偏离光栅介质的表面法线407。光栅介质405内的第二光栅结构415可被设置成使得第二光栅结构415与第一光栅结构410至少部分地不重叠。第二光栅结构415可被配置为以不同于第一入射角的第二入射角关于第二反射轴反射波长的光，该第二反射轴偏离光栅介质405的表面法线407。第一光栅结构410和第二光栅结构415可各自包括全息图或正弦体光栅。在一些实施方案中，全息图或非全息正弦体光栅被用在光学结构400-a的光栅介质405中。在其他实施方案中，全息图和非全息正弦体光栅均可用在相同的光栅介质405中。
第一光栅结构410可与第二光栅结构415部分地在空间上重叠，使得第一光栅结构410和第二光栅结构415的光学特性(例如，变化的折射率特性和相关联的条纹图案)叠加或混合。在一些示例中，第一反射轴基本平行于第二反射轴。在一些示例中，第一入射角和第二入射角相差至少5°。
在一个示例中，第一光栅结构410被进一步配置为以第一入射角范围关于第一反射轴反射波长的光，该第一反射轴偏离光栅介质405的表面法线407。该第一入射角范围可包括上文讨论的第一入射角。第一入射角范围的每个入射角可大于第二入射角。另外，第一入射角范围的入射角可对应于相应的全息图(例如，在该示例中，第一光栅结构410包括多个全息图)。第一光栅结构410可包括至少三个全息图(例如，用于反射相同波长的光)。所述至少三个全息图中的每一者可对应于第一入射角范围内的唯一入射角。至少三个全息图的相邻|ΔKG|可具有存在在1.0×104和1.0×106弧度/米(rad/m)之间的平均值。应当理解，在该示例中描述了至少三个角度以示出光栅结构中相邻全息图的|ΔKG|关系，并且对应于许多唯一入射角的许多全息图可被包括在光栅介质405内的第一光栅结构410和其他光栅结构中。
第一光栅结构410和第二光栅结构415被描述为反射光的波长(例如，可见红光波长、可见蓝色光波长或可见的绿光波长)，因此光学设备400-a可以以单色感描述，但是光学设备400-a的示例通常包括被配置为反射多个波长的光的光栅结构。例如，第一光栅结构410可被进一步配置为以第一入射角反射多个波长的光，第二光栅结构415可被进一步配置为以第二入射角反射多个波长的光。在一些实施方案中，多个波长包括可见红光波长(例如，618nm)、可见蓝光波长(例如，460nm)和可见绿光波长(例如，518nm)。在其他实施方案中，多个波长包括来自可见红光波长范围的两个或更多个可见红光波长、来自可见蓝光波长范围的两个或更多个可见蓝光波长，以及来自可见绿光波长范围的两个或更多个可见绿光波长。
当光学结构400-a被包括在波导应用中时，每个光栅结构可被配置为将一部分光朝向位于距光学结构400-a固定距离处的出射光瞳反射。例如，波导可被配置为将光从波导的光输入区域传送到第一光栅结构410和第二光栅结构415。光栅介质405可至少部分地设置在波导内，并且可由相对的基板覆盖或封闭。
图4B为根据本公开的各个方面支持斜交镜光瞳均衡的光学结构400-b的平面图。光学结构400-b可包括图1中的HMD 100的斜交镜110、图2A中的斜交镜210、图3中的斜交镜305，和/或图4A的光学结构400-a的各个方面。光学结构400-b可包括光栅介质405-a、第一光栅结构410-a、第二光栅结构415-a和第三光栅结构420。
第三光栅结构420可与其他光栅结构一起设置在光栅介质405-a内。在一些情况下，第三光栅结构420可设置在第一光栅结构410-a和第二光栅结构415-a之间。第三光栅结构420可与第一光栅结构410-a至少部分地不重叠并且与第二光栅结构415-a至少部分地不重叠。第三光栅结构可被配置为以不同于第一入射角和第二入射角的第三入射角关于第三反射轴反射波长的光(例如，与由第一光栅结构410-a和第二光栅结构415-a反射的波长的光相同波长的光)，该第三反射轴偏离光栅介质405的表面法线407。在一些示例中，第三反射轴基本平行于第一反射轴和第二反射轴。在一些实施方案中，第一入射角可大于第三入射角，并且第三入射角可大于第二入射角。以这种方式，这些入射角中的每一者可以以不可忽略的量不同，并且执行与光学结构400-b的一个或多个区域相关联的反射功能。
在一些示例中，第一光栅结构410-a和第二光栅结构415-a各自被配置为将一部分光朝向出射光瞳反射(图4B中未示出，但在本文所述的其他附图和示例中示出)。出射光瞳可与波导(例如，包括光栅介质405的波导)的表面相距固定距离，使得与第二光栅结构415-a的第一端417不重叠的第一光栅结构410-a的第一端412比第二光栅结构415-a的第一端417距离出射光瞳远，该第二光栅结构的第一端与第一光栅结构410-a重叠。以这种方式，出射光瞳通常可沿x轴纵向(相对于光栅介质405-a)居中。
图4C为根据本公开的各个方面支持斜交镜光瞳均衡的光学结构400-c的平面图。光学结构400-c可包括图1中的HMD 100的斜交镜110、图2A中的斜交镜210、图3中的斜交镜305、图4A的光学结构400-a，和/或图4B的光学结构400-b的各个方面。光学结构400-c可包括光栅介质405-b、第一光栅结构410-b、第二光栅结构415-b和第四光栅结构430。
第四光栅结构430可与其他光栅结构一起设置在光栅介质405-b内。在一些情况下，第四光栅结构430与第一光栅结构410-b不重叠。这发生在当多个光栅结构散布在光栅介质405-b时，使得在长度上彼此均匀的光栅结构的长度比光栅介质405-b的总长度的至少一半短。在一些情况下，第四光栅结构430还将与另一光栅结构诸如第二光栅结构415-b至少部分地重叠。第四光栅结构430可被配置为以不同于第一入射角和第二入射角的第四入射角关于第四反射轴反射波长的光，该第四反射轴偏离光栅介质405-b的表面法线407。在一些示例中，第四反射轴基本平行于第一反射轴和第二反射轴。在一些实施方案中，第一入射角可大于第二入射角，并且第二入射角可大于第四入射角。
应当理解，用于图4B中的第三光栅结构420和图4C中的第四光栅结构430的第三指定和第四指定是任意指定，并且可以简单地视为到第一光栅结构和第二光栅结构的另一个光栅结构或另外的光栅结构。第三光栅结构420和第四光栅结构430示出了与斜交镜光瞳均衡相关联的光栅结构的部分地重叠和不重叠特征的非限制性示例。
图5为示出多个光栅结构505的光学部件500的示意图。光栅结构505可类似于参考图3和图4所述的光栅结构。光栅结构505被以分解图的方式示出，以用于讨论目的，但是这些光栅结构505可在如本文所述的光栅介质的体积或空间内重叠和混合(例如，图4A至图4C)。另外，每个光栅结构可具有不同的衍射角响应，并且可反射不同于另一光栅结构的波长的光。
光学部件500描绘了光栅结构505-a和光栅结构505-b。光栅结构505-a可具有对应的k空间示意图510-a，并且光栅结构505-b可具有对应的k空间示意图510-b。k空间示意图510-a和k空间示意图510-b可通过照明全息图来示出布拉格匹配重建的情况。
k空间示意图510-a可示出光栅结构505-a对入射光的反射。k空间示意图510-a是全息图探测光束的镜像衍射(其可被称为反射)的表示，其中相对于反射轴的探测光束入射角等于相对于反射轴的衍射光束反射角。k空间示意图510-a具有正边带空间分布550-a，其具有相对于z轴测量的角度，等于相对于光栅结构505-a的反射轴530-a测量的角度。k空间示意图510-a还具有负边带空间分布553-a，其具有相对于z轴测量的角度，等于相对于反射轴530-a测量的角度。k球体540-a表示可见蓝光、可见绿光或可见红光。
k空间示意图510-a描绘了探测光束535-a产生衍射光束k空间分布525-a的情况，该k空间分布是点状的并位于探测光束k球体540-a上。衍射光束k空间分布525-a根据等式(4)的卷积产生。
探测光束535-a具有也为点状的k空间分布在这种情况下，虽然探测光束波长不同于用于记录全息图的记录光束的波长，也可认为探测光束与全息图“布拉格匹配”，并且全息图可产生有意义的衍射。卷积运算也可由矢量和在几何上表示，其中表示衍射光束波矢量520-a，表示探测光束波矢量515-a，并且表示正边带光栅矢量551-a。矢量545-a表示根据等式(4)的卷积探测光束波矢量515-a和正边带光栅矢量551-a的和。k空间示意图510-a也具有负边带光栅矢量552-a。
探测光束波矢量515-a和衍射光束波矢量520-a必然形成基本上等腰三角形的支路。该三角形的等角必然全等于相对于反射轴530-a测量的入射角和反射角。因此光栅结构505-a关于反射轴530-a以基本上镜像的方式反射光。
k空间示意图510-b可示出光栅结构505-b对入射光的反射。光栅结构505-b可以以不同于通过光栅结构505-a反射的入射角的多个入射角反射入射光。光栅结构505-b还可反射不同于光栅结构505-a的波长的光。k空间示意图510-b是全息图探测光束的镜像衍射(其可被称为反射)的表示，其中相对于反射轴的探测光束入射角等于相对于反射轴的衍射光束反射角。k空间示意图510-b具有正边带空间分布550-b，其具有相对于z轴测量的角度，等于相对于光栅结构505-b的反射轴530-b测量的角度。k空间示意图510-b还具有负边带空间分布553-b，其具有相对于z轴测量的角度，等于相对于反射轴530-b测量的角度。k球体540-b表示可见蓝光、可见绿光或可见红光。在一些实施方案中，k球体可表示其他电磁辐射的波长，该波长包括但不限于紫外波长或红外波长。
k空间示意图510-b描绘了探测光束535-b产生衍射光束k空间分布525-b的情况，该k空间分布是点状的并位于探测光束k球体540-b上。衍射光束k空间分布525-b根据等式(4)的卷积产生。
探测光束535-b具有也为点状的k空间分布在这种情况下，虽然探测光束波长不同于用于记录全息图的记录光束的波长，也可认为探测光束与全息图“布拉格匹配”，并且全息图可产生有意义的衍射。卷积运算也可由矢量和在几何上表示，其中表示衍射光束波矢量520-b，表示探测光束波矢量515-b，并且表示正边带光栅矢量551-b。矢量545-b表示根据等式(4)的卷积探测光束波矢量515-b和正边带光栅矢量551-b的和。k空间示意图510-b也具有负边带光栅矢量552-b。
探测光束波矢量515-b和衍射光束波矢量520-b必然形成基本上等腰三角形的支路。该三角形的等角必然全等于相对于反射轴530-b测量的入射角和反射角。因此光栅结构505-b关于反射轴530-b以基本上镜像的方式反射光。
图6A为根据本公开的各个方面用于制造具有用于光瞳均衡的斜交镜的系统600-a。系统600-a可包括样品阶段载体605、样品载体导轨610、第一记录光束615-a、信号反射镜620、第二记录光束625-a、参考反射镜630、参考反射镜载体导轨635、参考反射镜载体640、光栅介质645-a、全息图650、第一棱镜655-a和第二棱镜660-a。
系统600-a可包括总体坐标(xG,yG,zG)和斜交镜坐标(x,y,z)。原点可被定义在光栅介质645-a的中心。在一些情况下，光栅介质645-a可包括大体矩形的形状，其中“z”对应于光栅介质645-a的厚度，“x”对应于光栅介质645-a的面内侧的长度，“y”对应于光栅介质645-a的面内侧的长度。用于记录的总体角度θG可被定义为相对于光栅介质645-a内侧的xG轴的第一记录光束615-a的角度。斜交镜坐标(x,y,z)可通过下列等式转换成总体坐标：
系统600-a可用于配置记录光束，以具有大约等于所需窥眼箱尺寸的尺寸。在一个具体实施中，系统600-a可设置旋转反射镜，诸如信号反射镜620和参考反射镜630，以为第一记录光束615-a和第二记录光束625-a创建正确的角度。可改变该信号反射镜620的角度以产生具有宽度～dEB的第一记录光束615-a的期望角度(θG1)。可定位样品阶段载体605和参考反射镜载体640，以便用每次曝光的记录光束照亮正确的位置。系统600-a的样品阶段载体605可定位在样品载体导轨610上，以有利于第一记录光束615-a在期望的位置处照亮光栅介质645-a。参考反射镜载体640可定位在参考反射镜载体导轨635上，以有利于第二记录光束625-a在期望的位置处照亮光栅介质645-a。光栅介质645-a可在全息图记录之前或期间被称为记录介质，并且可包括光敏聚合物。在一些实施方案中，光栅介质可包括光折射晶体、重铬酸盐明胶、光热折射玻璃和/或包含分散的卤化银粒子的膜。
随着信号反射镜620和参考反射镜630的旋转的设定，反射镜被布置成引导第一记录光束615-a和第二记录光束625-a，使得记录光束彼此相交并相互干涉，以形成在光栅介质645-a中被记录为全息图650的干涉图案。全息图650是光栅结构的示例。系统600可形成多个光栅结构，每个光栅结构被配置为以多个入射角关于倾斜轴665-a反射特定波长的光。向具有特定波长的相干光使用光栅介质645-a的多次曝光来形成每个光栅结构。对应于每个光栅结构的多个入射角可彼此偏移最小的角度范围。
在一些具体实施中，记录光束可具有彼此不同的宽度，或者这些宽度可以是相同的。记录光束可以各自具有彼此相同的强度，或者光束之间的强度可以不同。光束的强度可为不均匀的。通常使用与棱镜和光栅介质匹配的流体折射率，将光栅介质645-a固定在第一棱镜655-a和第二棱镜660-a之间的适当位置。倾斜轴665-a以相对于表面法线670-a的倾斜角度存在。如图6A所示，倾斜角度可相对于表面法线670-a为-30.25度。第一记录光束和第二记录光束之间的角度可在0至180度的范围内。然后，记录的相对于表面法线670-a的倾斜角度在面内系统600-a中变为φ’＝(θR1+θR2–180°)/2+φG。在θG2＝180°-θG1的标称情况下，φ’＝φG。在图6A中，φG示出相对于表面法线的标称倾斜角度。另外，在图6A中，未示出角θG1和角θG2的精确描述。角θ’G1和角θ’G2被示出并对应于角θG1和角θG2。角θG1和角θG2分别与第一棱镜655-a和第二棱镜660-a内的第一记录光束615-a和第二记录光束625-a光束相关。由于当记录光束进入棱镜时空气和棱镜之间的交界处的折射率不匹配，角θ’G1和角θ’G2将不同于角θG1和角θG2(例如，斯涅耳定律的作用或折射定律)。
第一记录光束615-a和第二记录光束625-a关于倾斜轴665-a标称对称，使得相对于倾斜轴的第一记录光束内角加上相对于倾斜轴的第二记录光束内角等于180度。第一记录光束和第二记录光束中的每一者通常是来自激光光源的准直平面波束。
象征性地而不是严格定量地示出了空气/棱镜交界处的折射，例如其中第一记录光束615-a与第一棱镜655-a的空气/棱镜交界相交，并且其中第二记录光束625-a与第二棱镜660-a的空气/棱镜交界相交。也可能发生在棱镜/光栅介质交界处的折射。在具体实施中，光栅介质和棱镜在405nm的记录光束波长下各自具有大约1.5471的折射率。
全息图的倾斜角(包括全息图集合的平均倾斜角)可与反射轴角度基本相同，这意味着倾斜角或平均倾斜角在反射轴角度的1.0度内。在给出本公开的益处的情况下，本领域的技术人员将认识到，倾斜角和反射轴角在理论上可以是相同的。然而，由于系统精度和准确度的限制，在记录全息图期间发生的记录介质的收缩以及其他误差源，测量的或基于记录光束角度估计的倾斜角或平均倾斜角可能不完全匹配根据斜交镜反射的光的入射角和反射角测量的反射轴角度。尽管如此，基于记录光束角度确定的倾斜角可以在基于入射光及其反射的角度确定的反射轴角度的1.0度内，即使其中中等收缩和系统缺陷会带来估计倾斜角和反射轴角度的误差。应当理解，这些介质收缩和系统缺陷可在制造具有用于光瞳均衡的斜交镜中被制作成任意小。就这一点而言，这些介质收缩和系统缺陷可被认为类似于普通反射镜或传统反射镜的平坦度。在一些示例中，与使用体积全息图制造斜交镜相关联的基本限制可基于记录介质的厚度。
当参考制造斜交镜时(例如当描述在斜交镜光栅介质中记录全息图时)，倾斜轴/反射轴通常被称为倾斜轴，并且当参考斜交镜的光反射特性时称为反射轴。全息图的倾斜角(包括全息图集合的平均倾斜角)可与反射轴角度基本相同，这意味着倾斜角或平均倾斜角在反射轴角度的1.0度内。在给出本公开的益处的情况下，本领域的技术人员将认识到，倾斜角和反射轴角度在理论上可以是相同的。然而，由于系统精度和准确度的限制，在记录全息图期间发生的记录介质的收缩以及其他误差源，测量的或基于记录光束角度估计的倾斜角或平均倾斜角可能不完全匹配根据斜交镜反射的光的入射角和反射角测量的反射轴角度。尽管如此，基于记录光束角度确定的倾斜角可以在基于入射光及其反射的角度确定的反射轴角度的1.0度内，即使其中中等收缩和系统缺陷会带来估计倾斜角和反射轴角度的误差。在给出本公开的益处的情况下，本领域的技术人员将认识到，给定全息图的倾斜角与该全息图的光栅矢量角相同。
在系统600-a的变型中，使用可变波长激光器来改变第一记录光束和第二记录光束的波长。当第一记录光束和第二记录光束的波长改变时，第一记录光束和第二记录光束的入射角可以但并非必须保持恒定。波长可包含可见红光波长、可见蓝光波长、可见绿光波长、紫外(UV)波长和/或红外(IR)波长构成。系统600-a的每个光栅结构可反射不同于另一光栅结构波长的入射角。系统600-a可具有反射特性，该反射特性允许其反射与记录光束波长基本上不同并且特别是波长长于记录光束波长的光。
图6B至图6D示出了根据本公开的各个方面用于制造具有用于光瞳均衡的斜交镜的系统600-b。系统600-b可包括第一记录光束615-b、第二记录625-b、光栅介质645-b、倾斜轴665-b和表面法线670-b。在一些实施方案中，斜交镜的制造可包括如参考图6A在系统600-a中描述的方法和配置。系统600-b同样可包括总体坐标(xG,yG,zG)和斜交镜坐标(x,y,z)。在一些示例中，斜交镜的制造还可涉及使用棱镜，以便以由于全内反射(TIR)约束而可能难以达到的角度将记录光束引进光栅介质。例如，可使用TIGER(全内放牧延伸旋转)棱镜(例如，斜面棱镜)。全内放牧延伸旋转棱镜可增加第一记录光束615-b和第二记录光束625-b的角度的可及性。全内放牧延伸旋转棱镜还可确定倾斜轴665-b。例如，倾斜轴665-b可能存在在zG-yG平面中并且以相对于zG-yG平面中的表面法线的倾斜角存在。为了说明的目的，可从系统600-b中省略全内放牧延伸旋转棱镜。角θG1和角θG2分别与全内放牧延伸旋转棱镜内的第一记录光束615-b和第二记录光束625-b光束相关(图6B中未示出，但在图6C和图6D中示出)。
图6B的底部部分示出了光栅介质645-b的折叠平面平面图(即，在同一平面中示出的x平面和z平面)，以更清楚地示出与全内放牧延伸旋转棱镜配置内的光栅介质645-b的倾斜取向相关联或由其产生的方面。在光栅介质645-b的折叠平面平面图上方示出了具有透视图坐标的光栅介质645-b的透视图。
在一些情况下，光栅介质645-b可在第一棱镜655-a和第二棱镜660-a之间不同地取向。也就是说，光栅介质645-a可以以角度φG放置在第一棱镜655-a和第二棱镜660-a之间。在一些情况下，斜交镜坐标可通过以下等式转换为总体坐标：
如本文所述，使用全内放牧延伸旋转棱镜、405nm波长的第一记录光束和第二记录光束、-30.25度的倾斜角、全息图和之前与其相邻的全息图之间为4.34e4rad/m的ΔKG以及被配置为反射460nm的光制造斜交镜，可产生表1中示出的结果。
表1
如表1所示，α可表示两个记录光束角之间的差值，并且可针对每个读取波长(即，斜交镜可被配置为“反射”的每个光的波长)计算。|KG|可表示从第一记录光束和第二记录光束计算的光栅频率。可从α计算相对于倾斜/反射轴的入射角(即，(180-α)/2)。列1-292表示被配置为反射460nm光的光栅的示例的缩略形式。表1示出了这些光栅被配置为在具有恒定反射轴的情况下，在从约47.7至12.8度(相对于反射轴)变化的入射角范围内反射460nm的光。也就是说，入射角的范围可为34.8度。
如本文所述，使用全内放牧延伸旋转棱镜、405nm波长的第一记录光束和第二记录光束、-30.25度的倾斜角、全息图和之前与其相邻的全息图之间为4.34e4rad/m的ΔKG，以及被配置为反射518nm的光制造斜交镜，可产生表2中示出的结果。
表2
如表2所示，α可表示两个记录光束角之间的差值，并且可针对每个读取波长(即，斜交镜可被配置为反射的每个光的波长)计算。KG可表示从第一记录光束和第二记录光束计算的光栅频率。可从α计算相对于倾斜/反射轴的入射角(即，(180-α)/2)。列1至列259表示被配置为反射460nm光的光栅的缩略形式。表2示出了这些光栅被配置为在具有恒定反射轴的情况下，在从约47.7至12.8度(相对于反射轴)变化的入射角范围内反射518nm的光。也就是说，入射角的范围可为34.8度。
如本文所述，使用全内放牧延伸旋转棱镜、405nm波长的第一记录光束和第二记录光束、-30.25度的倾斜角、全息图和之前与其相邻的全息图之间为4.34e4rad/m的ΔKG，以及被配置为反射518nm的光制造斜交镜，可产生表2中示出的结果。
表3
如表3所示，α可表示两个记录光束角之间的差值，并且可针对每个读取波长(即，斜交镜可被配置为“反射”的每个光的波长)计算。KG可表示从第一记录光束和第二记录光束计算的光栅频率。可从α计算相对于倾斜/反射轴的入射角(即，(180-α)/2)。列1至列217表示被配置为反射618nm光的光栅的缩略形式。表3示出了这些光栅被配置为在具有恒定反射轴的情况下，在从约47.7至12.9度(相对于反射轴)变化的入射角范围内反射618nm的光。也就是说，入射角的范围可为34.8度。
如本文所述，使用全内放牧延伸旋转棱镜、405nm波长的第一记录光束和第二记录光束、-30.25度的倾斜角、全息图和之前与其相邻的全息图之间为4.34e4rad/m的|ΔKG|，以及被配置为反射618nm的光制造斜交镜，可产生表3中示出的结果。
图6C示出了用于制造使用全内放牧延伸旋转棱镜进行用于光瞳均衡的斜交镜的系统600-b的另外方面。系统600-b可包括第一记录光束615-b、第二记录光束625-b、光栅介质645-b、第一棱镜655-b和第二棱镜660-b。第一记录光束615-b、第二记录光束625-b、光栅介质645-b可与相对于图6B所述的这些相同编号的元件类似(但不一定必须是相同的)。在一些实施方案中，斜交镜的制造可包括如参考图6A所述的方法和配置。系统600-c同样可包括总体坐标(xG,yG,zG)和斜交镜坐标(x,y,z)。在一些示例中，第一棱镜655-b和第二棱镜660-b可以是全内放牧延伸旋转棱镜的示例。在一些情况下，第一棱镜655-b可“悬垂”第二棱镜660-b和光栅介质645-b。在其他示例中，第二棱镜660-b可“底切”第一棱镜655-b和光栅介质645-b。第一棱镜655-b和第二棱镜660-b可各自具有向棱镜的基部倾斜的表面，并且相对于yG轴形成φG角度。也就是说，第一棱镜655-b和第二棱镜660-b可允许光栅介质645-b表面法线在平面外成φG角度。与图6A相比，第一棱镜655-b和第二棱镜660-b可允许光栅介质645-b围绕xG轴旋转-90°，以便在第一记录光束615-b和第二记录光束625-b角度之间“折中”。
图6C的底部部分示出了光栅介质645-b的折叠平面平面图(即，在同一平面中示出的x平面和z平面)，以更清楚地示出与全内放牧延伸旋转棱镜配置内的光栅介质645-b的倾斜取向相关联或由其产生的方面。在光栅介质645-b的折叠平面平面图上方示出了具有透视图坐标的第一棱镜655-b和第二棱镜660-b的透视图。第一棱镜655-b和第二棱镜660-b在透视图中被间隔开，以示出光栅介质645-b将在全内放牧延伸旋转棱镜配置中定位的位置。
如本文所述，第一棱镜655-b和第二棱镜660-b可具有包括全内放牧延伸旋转棱镜配置的棱镜面。例如，第一棱镜655-b可具有向第一棱镜655-b的基部倾斜的第一棱面675，并且相对于yG轴形成φG角度。第一棱镜655-b还可具有第二棱镜面680，其中第一记录光束615-b可进入第一棱镜655-b。第二棱镜660-b可具有向第二棱镜660-b的基部倾斜的第三棱面685，并且相对于yG轴形成φG角度。第二棱镜660-b还可具有第四棱面690，其中第二记录光束625-b可进入第二棱镜660-b。
虽然参考图6B至图6D所述的第一棱镜655-b和第二棱镜660-b(例如，全内放牧延伸旋转棱镜)和参考图6A所述的第一棱镜655-a和第二棱镜660-a(例如，面内棱镜)的使用可用于写入具有与xG轴对准的光栅矢量的等效斜交镜，但是第一棱镜655-b和第二棱镜660-b能够达到比面内棱镜可达到的更低的记录光束差角α。也就是说，第一棱镜655-b和第二棱镜660-b可用于记录比可使用面内棱镜(使用具有相同波长的记录光束)写入的更低频率的光栅。在一些情况下，不同组的第一棱镜655-b和第二棱镜660-b可用于记录具有不同矢量角(即不同的倾斜轴)的光栅。第一棱镜655-b和第二棱镜660-b也可与光栅介质645-b折射率匹配，并且可影响写入光栅矢量的能力。
图6D示出了用于制造使用全内放牧延伸旋转棱镜进行用于光瞳均衡的斜交镜的系统600-b的另外方面。系统600-b可包括光栅介质645-b、第一棱镜655-b、第二棱镜660-b、倾斜轴665-b和表面法线670-b。例如，第一棱镜655-b和第二棱镜660-b可为全内放牧延伸旋转棱镜的示例。在图6D中，从不同于图6C中所示的透视图的透视或正交平面(即，围绕xG轴旋转90°)示出了系统600-b的全内放牧延伸旋转棱镜/介质组件。
图6D中通过倾斜轴665-b和表面法线670-b的相交示出了光栅介质645-b的标称倾斜角度φG。
图7为根据本公开的各个方面制作用于反射光的出射光瞳均衡斜交镜的示例性方法700的流程图。在框705处，形成被配置为反射光的光栅介质。
在框710处，在光栅介质内形成第一光栅结构。第一光栅结构可被配置为以第一入射角关于反射轴反射波长的光，该反射轴偏离光栅介质的表面法线。在一些示例中，第一光栅结构可被配置为以包括第一入射角的第一入射角范围关于第一反射轴反射波长的光，该第一反射轴偏离光栅介质的表面法线。在一些示例中，第一光栅结构可包括至少三个全息图。所述至少三个全息图中的每一者可对应于第一入射角范围内的唯一入射角。可形成所述至少三个全息图，使得所述至少三个全息图的相邻|ΔKG|具有存在在1.0×104和1.0×106弧度/米(rad/m)之间的平均值。这样，可形成具有类似光栅频率的光栅结构，以用于彼此不同的角度。
方法700还可包括形成具有倾斜轴的全息图，使得第一记录光束和第二记录光束关于倾斜轴对称。全息图的倾斜轴形成光栅结构的第一反射轴。方法700可包括使用写入波长的第一记录光束和写入波长的第二记录光束来形成全息图。写入波长(例如，405nm写入波长)可不同于第一光栅结构被配置为反射的光的波长(例如，选择用于以第一入射角反射的光的618nm波长)。方法700还可包括使用第一记录光束和第二记录光束来形成全息图。第一记录光束可具有至少部分地基于出射光瞳尺寸的光束宽度。方法700可包括使用非全息表面沉积技术来形成正弦体光栅。
在框715处，在光栅介质内形成第二光栅结构。第二光栅结构与第一光栅结构至少部分地不重叠。第二光栅结构可被配置为以不同于第一入射角的第二入射角关于第二反射轴反射波长的光，该第二反射轴偏离光栅介质的表面法线。第一反射轴可基本平行于第二反射轴。第一入射角和第二入射角可相差至少5°。在一些情况下，第一入射角范围的每个入射角可大于第二光栅结构的第二入射角。
另外，在框720处，方法700可任选地在光栅介质中形成第三光栅结构，该第三光栅结构与第一光栅结构和第二光栅结构中的每一者至少部分地不重叠。第三光栅结构可设置在第一光栅结构和第二光栅结构之间。第三光栅结构可被配置为以不同于第一入射角和第二入射角的第三入射角关于第三反射轴反射波长的光，该第三反射轴偏离光栅结构的表面法线。第三光栅结构中的限定词“第三”不一定意味着在形成光栅介质的记录介质中记录光栅结构的顺序。根据本文所述的用于光瞳扩展的斜交镜的示例，提供第三光栅结构以描述光栅介质内的多个光栅结构的各种部分地不重叠的方面。
方法700还可包括在光栅介质内形成第四光栅结构，该第四光栅结构与第一光栅结构不重叠并且与第二光栅结构至少部分地重叠。第四光栅结构可被配置为以不同于第一入射角和第二入射角的第四入射角关于第四反射轴反射波长的光，该第四反射轴偏离光栅介质的表面法线。第四光栅结构中的限定词“第四”也不一定意味着在形成光栅介质的记录介质中记录光栅结构的顺序。根据本文所述的用于光瞳扩展的斜交镜的示例，提供第四光栅结构以描述光栅介质内的多个光栅结构的各种相互关连的重叠、部分地不重叠和完全不重叠的方面。
图8为根据本公开的各个方面用于反射光的示例性方法800的流程图。方法800可通过例如图1的头戴式显示器100、图2A的斜交镜210、图3A的光学系统300-a、图3C的光学系统300-c、图4A的光学结构400-a、图4B的光学结构400-b和图4C的光学结构400-c来执行。
在框805处，方法800可包括通过光栅介质内的第一光栅结构以第一入射角反射入射在光栅介质上的波长的光的至少第一部分。可关于偏离光栅介质的表面法线的第一反射轴反射第一部分的光。一部分光可指表现出允许一部分光被光栅结构选择性反射的特性(例如，特定波长或特定入射角)的不相干光(例如，来自光源，诸如发光二极管)。
在框810处，方法800可包括通过光栅介质内的第二光栅结构以第二入射角反射入射在光栅介质上的波长的光的至少第二部分。可关于偏离光栅介质的表面法线的第二反射轴反射第二部分的光。第二入射角可不同于第一光栅结构的第一入射角。
第一反射轴可基本平行于第二反射轴。在一些示例中，第一入射角和第二入射角可相差至少5°。在一些情况下，光栅介质可设置在包括光栅介质和至少两个基板的波导内。例如，光栅介质可至少部分地位于波导内，该波导被配置为传送来自波导的输入区域的光。第一光栅结构和第二光栅结构可各自被配置为以其相应的入射角朝向出射光瞳反射入射在光栅介质上的相应部分的光。出射光瞳可设置成与波导相距固定距离。例如，以第一入射角入射在光栅介质上的第一部分的光可由第一光栅结构以第一反射角朝向出射光瞳反射。以第二入射角入射在光栅介质上的第二部分的光可由第二光栅结构以第二反射角朝向出射光瞳反射。
另外，在框815处，方法800可任选地包括通过光栅介质内的第三光栅结构以第三入射角反射入射在光栅介质上的波长的光的至少第三部分。可关于偏离光栅介质的表面法线的第三反射轴反射第三部分的光。第三入射角可不同于第一入射角和第二入射角中的每一者。第三光栅结构可与第一光栅结构和第二光栅结构中的每一者至少部分地不重叠。方法800还可包括通过光栅介质内的第四光栅结构以第四入射角反射入射在光栅介质上的波长的光的至少第四部分。可关于偏离光栅介质的表面法线的第四反射轴反射第四部分的光。第四入射角可不同于第一入射角和第二入射角中的每一者。第四光栅结构可与第一光栅结构以不重叠的方式设置。第四光栅结构还可与第二光栅结构以至少部分地重叠的方式设置。
应当指出的是，这些方法描述了可能的具体实施，并且可重新布置或以其他方式修改操作和步骤，使得其他具体实施是可能的。在一些示例中，可组合来自两种或更多种方法的方面。例如，每种方法的各个方面可包括其他方法的步骤或方面，或本文所述的其他步骤或技术。
虽然本文已经描述和图示了各种发明实施方案，但是本领域普通技术人员将容易地想到各种其他手段和/或结构，用于执行相应功能，并且/或者获得本文所述的相应结果和/或益处中的一个或多个，并且这些变型形式和/或修改中的每一者都被认为是在本文描述的发明实施方案的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和构造都是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于特定应用或使用本发明的教导的应用。本领域的技术人员在仅仅使用常规实验方法的情况下就将认识到或者能够确定在给出本公开的益处的情况下本文所述的特定发明实施方案的许多等同形式。因此，应当理解，前述实施方案仅以示例性的方式呈现，并且在所附权利要求书及其等同内容的范围内，可以以不同于具体描述和要求保护的方式来实践发明实施方案。本公开的发明实施方案针对本文描述的每个单独的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。此外，此类特征、系统、制品、材料、工具、套件和/或方法中的两个或多个的任意组合都包括在本公开的发明范围内(如果此类特征、系统、制品、材料、工具、套件和/或方法相互之间未有矛盾)。
上述实施方案可以以多种方式中的任意一种来实现。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实施设计和制造本文公开的技术的实施方案。当在软件中实施时，不论是在单个计算机中提供还是分布在多个计算机中，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行。
此外，应该理解，计算机可以体现为任意种形式，诸如机架式计算机、台式计算机、膝上型计算机或平板电脑。另外，计算机可以嵌入在通常不被视为计算机但具有适当处理能力的设备中，包括个人数字助理(PDA)、智能电话或任何其他合适的便携式或固定电子设备。
另外，计算机可具有一个或多个输入和输出设备。除此之外，这些设备可用于呈现用户界面。可用于提供用户界面的输出设备示例包括打印机或用于输出的视觉呈现的显示屏，以及扬声器和用于输出的听觉呈现的其他声音生成设备。可以用于用户界面的输入设备示例包括键盘和指向设备诸如鼠标、触控板以及数字化平板电脑。又如，计算机可以通过语音识别或其他可听格式接收输入信息。
此类计算机可以通过采用任意形式的一个或多个网络包括局域网或广域网(诸如企业网络、智能网络(IN)或互联网)进行互连。此类网络可以基于任何合适的技术并且可以根据任何合适的协议进行操作，并且可以包括无线网络、有线网络或光纤网络。
本文概述的各种方法或过程(例如，设计和制造上面公开的耦合结构和衍射光学元件)可被编码为可在采用各种操作系统或平台中的任何一个的一个或多个处理器上执行的软件。另外，可以使用多种合适的编程语言和/或编程或脚本工具中的任何一种编写此类软件，并且所述软件还可以编译为在框架或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。
在这方面，各种发明构思可以体现为使用一个或多个程序编码的计算机可读存储介质(或多个计算机可读存储介质)(例如，计算机存储器、一个或多个软盘、压缩盘、光盘、磁带、闪存、现场可编程门阵列或其他半导体设备中的电路配置，或其他非暂时性介质或有形计算机存储介质)，当在一台或多台计算机或者其他处理器上执行所述一个或多个程序时，执行实施上面讨论发明的各种实施方案的方法。计算机可读介质可以是可传输的，使得存储在其上的一个或多个程序可被加载到一台或多台不同的计算机或其他处理器上，以实施如上所述的本发明的各个方面。
术语“程序”或“软件”在本文中作为通常意义使用，以指代可用于编程计算机或其他处理器的任意类型的计算机代码或计算机可执行指令集，以实施上文讨论的实施方案的各个方面。另外，应该理解，根据一个方面，执行时实施本发明的方法的一个或多个计算机程序不需要驻留在单个计算机或处理器上，而是可以以模块化方式分布在多个不同的计算机或处理器上以实现本发明的各个方面。
计算机可执行指令可以有许多形式，诸如由一个或多个计算机或其他设备执行的程序模块。一般来说，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。通常，程序模块的功能可以根据需要在各种实施方案中组合或分布。
另外，数据结构可以以任何合适的形式存储在计算机可读介质中。为了简化说明，数据结构可以示出为具有通过数据结构中的位置相关的字段。这种关系同样可以通过为在计算机可读存储介质中具有表达各字段之间关系的位置的字段分配存储区间来实现。然而，可以使用任何合适的机制来建立数据结构字段中的信息之间的关系，包括通过使用指针、标签或建立数据元素之间关系的其他机制。
另外，各种发明构思可以体现为已提供示例的一个或多个方法。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式进行排序。因此，可以构造在其中以不同于所示顺序执行动作的实施方案，其可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施方案中示出为顺序动作。
如本文所定义和使用的所有定义应理解为控制字典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或所定义术语的普通含义。
除非有明确的相反说明，否则在本文说明书和权利要求数中使用的不定冠词“一”和“一个”应理解为意指“至少一个”。
如在本文说明书和权利要求书中所使用的短语“和/或”应理解为意指如此结合的元素的“一者或两者”，即元素在某些情况下结合地存在，在其他情况中分离地存在。通过“和/或”列出的多个元素应该以相同的方式解释，即如此结合的元素的“一个或多个”。除了通过“和/或”子句明确标识的元素之外，不管与具体标识的元素相关还是不相关，其他元素可以可选地存在。因此，作为非限制性示例，当与开放性语言(诸如“包括”)结合使用时，“A和/或B”的引用在一个实施方案中可以仅指A(可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施方案中，仅指B(可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施方案中，指A和B两者(可选地包括其他元素)；等。
如在本文说明书和权利要求书中所使用的，“或者”应被理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当在列表中分离项目时，“或者”或“和/或”应被解释为包含性的，即不仅包括若干元素或元素列表中的至少一个，还包括多于一个，并且可选地包括其他未列出项目。只有明确指出相反情况的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”，或者当在权利要求书中使用时，“由...组成”将指包括若干元素或元素列表中的恰好一个元素。通常，只有当前面出现排他性术语诸如“任一”、“其中的一个”、“仅其中的一个”或“其中的恰好一个”时，本文使用的术语“或者”才应被解释为指示排他性选择(即“一个或另一个，但非两者”)。当在权利要求书中使用时，“基本包含”应具有其在专利法领域中使用的普通含义。
如在本文中的说明书和权利要求书中所使用的，关于一个或多个元素列表的短语“至少一个”应该理解为意指选自元素列表中的任意一个或多个元素中的至少一个元素，但不一定包括元素列表中特别列出的每个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中元素的任意组合。该定义还允许短语“至少一个”所指的元素列表内明确标识的元素以外的元素可选地存在，而不管所述元素与明确标识的那些元素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，在一个实施方案中，“A和B中的至少一者”(或者等同地，“A或B中的至少一者”；或者等同地，“A和/或B中的至少一者”)可指至少一个(可选地包括多于一个)A，而不包括B(并且可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施方案中，指至少一个(可选地包括多于一个)B，而不包括A(并且可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施方案中，指至少一个(可选地包括多于一个)A和至少一个(可选地包括多于一个)B(并且可选地包括其他元素)；等。
在权利要求书以及上述说明书中，诸如“包含”、“包括”、“承载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保留”、“由...组成”等所有过渡型短语应被理解为是开放的，即意味着包括但不限于。如在美国专利局手册专利考察程序第221.03节所述，只有过渡型短语“由...组成”和“基本上由......组成”应分别是封闭式或半封闭式过渡型短语。
提供本文的描述是为了使本领域的技术人员能够制作或使用本公开。对于本领域的技术人员而言，对本公开的各种修改将是显而易见的，并且可以将本文所定义的一般原理应用于其他变形，而不脱离本公开的范围。因此，本公开不被限于本文所述的示例和设计，但是要符合与本文所公开的原理和新特征一致的最广泛的范围。
在附图中，类似的部件或特征部可具有相同的参考标签。此外，可通过跟随连接号和区分类似部件的第二标签的参考标签来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅仅使用第一参考标签，则该描述可适用于具有与第二参考标签无关的相同第一参考标签的任何一个类似部件。

Claims (36)

1.一种用于反射光的设备，包括：
光栅介质；
第一光栅结构，所述第一光栅结构位于所述光栅介质内，所述第一光栅结构被配置为以第一入射角关于第一反射轴反射波长的光，所述第一反射轴偏离所述光栅介质的表面法线；和
第二光栅结构，所述第二光栅结构位于所述光栅介质内与所述第一光栅结构至少部分地不重叠，所述第二光栅结构被配置为以不同于所述第一入射角的第二入射角关于第二反射轴反射所述波长的光，所述第二反射轴偏离所述光栅介质的所述表面法线。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一反射轴基本平行于所述第二反射轴。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一入射角和所述第二入射角相差至少5°。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括：
第三光栅结构，所述第三光栅结构位于所述光栅介质内与所述第一光栅结构和所述第二光栅结构中的每一者至少部分地不重叠，所述第三光栅结构被配置在所述第一光栅结构和第二光栅结构之间，所述第三光栅结构被配置为以不同于所述第一入射角和所述第二入射角的第三入射角关于第三反射轴反射所述波长的光，所述第三反射轴偏离所述光栅介质的表面法线。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述第一入射角大于所述第三入射角，并且所述第三入射角大于所述第二入射角。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括：
第四光栅结构，所述第四光栅结构位于所述光栅介质内与所述第一光栅结构不重叠并且与所述第二光栅结构至少部分地重叠，所述第四光栅结构被配置为以不同于所述第一入射角和所述第二入射角的第四入射角关于第四反射轴反射所述波长的光，所述第四反射轴偏离所述光栅介质的所述表面法线。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述第一入射角大于所述第二入射角，并且所述第二入射角大于所述第四入射角。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一光栅结构还被配置为以包括所述第一入射角的第一入射角范围关于所述第一反射轴反射所述波长的光，所述第一反射轴偏离所述光栅介质的所述表面法线，并且其中所述第一入射角范围的每个入射角大于所述第二入射角。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述第一光栅结构包括至少三个全息图，所述至少三个全息图中的每个全息图对应于所述第一入射角范围内的唯一入射角，并且其中所述至少三个全息图的相邻|ΔKG|具有存在于1.0×104和1.0×106弧度/米(rad/m)之间的平均值。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一光栅结构或所述第二光栅结构中的至少一者包括全息图。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一光栅结构或所述第二光栅结构中的至少一者包括正弦体光栅。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述波长包括以下波长中的一种：可见红光波长、可见蓝光波长，或者可见绿光波长。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一光栅结构还被配置为以所述第一入射角反射多个波长的光，并且所述第二光栅结构还被配置为以所述第二入射角反射所述多个波长的光，并且其中所述多个波长包括可见红光波长、可见蓝光波长或可见绿光波长中的至少两种。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述光栅介质包括光敏聚合物。
15.根据权利要求1所述的设备，其中所述光栅介质包括下列物质中的一种：光折射晶体、重铬酸盐明胶、光热折射玻璃，以及包含分散的卤化银粒子的膜。
16.根据权利要求1所述的设备，还包括：
波导，所述波导被配置为将光从所述波导的光输入区域传送到所述第一光栅结构和所述第二光栅结构，所述光栅介质至少部分地设置在所述波导内。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述第一光栅结构和所述第二光栅结构各自被配置为朝向出射光瞳反射一部分光，并且其中所述出射光瞳与所述波导的表面相距固定距离，使得与所述第二光栅结构的第一端不重叠的第一光栅结构的第一端比所述第二光栅结构的所述第一端距离所述出射光瞳远，所述第二光栅结构的所述第一端与所述第一光栅结构重叠。
18.一种头戴式显示设备，包括：
光源，所述光源用于提供载像光；和
光学透镜，包括：
所述光学透镜的光输入部分，所述光输入部分用于接收所述载像光，和
波导，所述波导设置在所述光学透镜内，所述波导操作性地耦接到所述光输入部分，所述波导包括：
至少两个基板，
光栅介质，所述光栅介质设置在所述至少两个基板之间，
第一光栅结构，所述第一光栅结构位于所述光栅介质内，所述第一光栅结构被配置为以第一入射角关于第一反射轴反射波长的光，所述第一入射轴偏离所述光栅介质的表面法线，和
第二光栅结构，所述第二光栅结构位于所述光栅介质内与所述第一光栅结构至少部分地不重叠，所述第二光栅结构被配置为以不同于所述第一入射角的第二入射角关于第二反射轴反射所述波长的光，所述第二反射轴偏离所述光栅介质的所述表面法线。
19.根据权利要求18所述的头戴式显示设备，其中所述第一光栅结构和所述第二光栅结构各自被配置为朝向出射光瞳反射一部分光，并且其中所述出射光瞳与所述波导的表面相距固定距离，使得与所述第二光栅结构的第一端不重叠的第一光栅结构的第一端比所述第二光栅结构的所述第一端距离所述出射光瞳远，所述第二光栅结构的所述第一端与所述第一光栅结构重叠。
20.一种制造用于反射光的装置的方法，包括：
形成光栅介质，所述光栅介质被配置为反射光；
形成第一光栅结构，所述第一光栅结构位于所述光栅介质内，所述第一光栅结构被配置为以第一入射角关于第一反射轴反射波长的光，所述第一入射轴偏离所述光栅介质的表面法线；以及
形成第二光栅结构，所述第二光栅结构位于所述光栅介质内与所述第一光栅结构至少部分地不重叠，所述第二光栅结构被配置为以不同于所述第一入射角的第二入射角关于第二反射轴反射所述波长的光，所述第二反射轴偏离所述光栅介质的所述表面法线。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一反射轴基本平行于所述第二反射轴。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一入射角和所述第二入射角相差至少5°。
23.根据权利要求20所述的方法，还包括：
形成第三光栅结构，所述第三光栅结构位于所述光栅介质内与所述第一光栅结构和所述第二光栅结构中的每一者至少部分地不重叠，所述第三光栅结构被配置在所述第一光栅结构和第二光栅结构之间，所述第三光栅结构被配置为以不同于所述第一入射角和所述第二入射角的第三入射角关于第三反射轴反射所述波长的光，所述第三反射轴偏离所述光栅介质的表面法线。
24.根据权利要求20所述的方法，还包括：
形成第四光栅结构，所述第四光栅结构位于所述光栅介质内与所述第一光栅结构不重叠并且与所述第二光栅结构至少部分地重叠，所述第四光栅结构被配置为以不同于所述第一入射角和所述第二入射角的第四入射角关于第四反射轴反射所述波长的光，所述第四反射轴偏离所述光栅介质的所述表面法线。
25.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一光栅结构还被配置为以包括所述第一入射角的第一入射角范围关于所述第一反射轴反射所述波长的光，所述第一反射轴偏离所述光栅介质的所述表面法线，并且其中所述第一入射角范围的每个入射角大于所述第二入射角。
26.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一光栅结构包括至少三个全息图，所述至少三个全息图中的每一者对应于所述第一入射角范围内的唯一入射角，并且其中所述至少三个全息图的相邻|ΔKG|具有介于1.0×104和1.0×106弧度/米(rad/m)之间的平均值。
27.根据权利要求20所述的方法，其中形成所述第一光栅结构包括：
形成具有倾斜轴的全息图，使得第一记录光束和第二记录光束关于所述倾斜轴对称，其中所述全息图的所述倾斜轴形成所述光栅结构的所述第一反射轴。
28.根据权利要求20所述的方法，其中形成所述第一光栅结构包括：
使用写入波长的第一记录光束和所述写入波长的第二记录光束来形成全息图，其中所述写入波长不同于所述第一光栅结构被配置为反射的光的所述波长。
29.根据权利要求20所述的方法，其中形成所述第一光栅结构包括：
使用第一记录光束和第二记录光束来形成全息图，其中所述第一记录光束具有至少部分地基于出射光瞳的尺寸的光束宽度。
30.根据权利要求20所述的方法，形成所述第一光栅结构包括：
使用非全息表面沉积技术来形成正弦体光栅。
31.一种用于反射光的方法，包括：
通过位于光栅介质内的第一光栅结构以第一入射角关于第一反射轴反射入射在所述光栅介质上的波长的光的至少第一部分，所述第一反射轴偏离所述光栅介质的表面法线；以及
通过位于所述光栅介质内的第二光栅结构以第二入射角关于第二反射轴反射入射在所述光栅介质上的所述波长的所述光的至少第二部分，所述第二反射轴偏离所述光栅介质的所述表面法线，所述第二入射角不同于所述第一入射角。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述第一反射轴基本平行于所述第二反射轴。
33.根据权利要求31所述的方法，其中所述第一入射角和所述第二入射角相差至少5°。
34.根据权利要求31所述的方法，还包括：
通过第三光栅结构以第三入射角关于第三反射轴反射入射在所述光栅介质上的所述波长的光的至少第三部分，所述第三光栅结构位于所述光栅介质内且被设置成与所述第一光栅结构和第二光栅结构中的每一者至少部分地不重叠，所述第三反射轴偏离所述光栅介质的所述表面法线，所述第三入射角不同于所述第一入射角和所述第二入射角中的每一者。
35.根据权利要求31所述的方法，还包括：
通过第四光栅结构以第四入射角关于第四反射轴反射入射在所述光栅介质上的所述波长的光的至少第四部分，所述第四光栅结构位于所述光栅介质内且被设置成与所述第一光栅结构不重叠并且与所述第二光栅结构至少部分地重叠，所述第四反射轴偏离所述光栅介质的所述表面法线，所述第四入射角不同于所述第一入射角和所述第二入射角中的每一者。
36.根据权利要求31所述的方法，其中所述光栅介质至少部分地位于波导内，所述波导被配置为传送来自所述波导的输入区域的光，并且其中通过位于所述光栅介质内的所述第一光栅结构反射光的至少所述第一部分，包括：
通过位于所述光栅介质内的所述第一光栅结构以所述第一入射角关于所述第一反射轴朝向出射光瞳反射入射在所述光栅介质上的光的至少所述第一部分，所述第一反射轴偏离所述光栅介质的所述表面法线，所述出射光瞳被设置成与所述波导相距固定距离。
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