CN110809730B - 在一块板上支持红色、绿色和蓝色的大视场波导 - Google Patents

在一块板上支持红色、绿色和蓝色的大视场波导 Download PDF

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Abstract

一种用于在单个波导中组合RGB光信号的光学设备。该设备包括多个DOE。第一DOE被配置为以输入传播角接收光信号并且基于光谱来衍射该光信号，使得一个光谱的光主要在第一方向和路径上被衍射并且第二光谱的光主要在不同的第二方向和路径上被衍射。第一DOE被配置为将光衍射到第二DOE中。第二DOE被配置为将光衍射到第三DOE中。第三DOE被配置为将光衍射到眼动范围中，该眼动范围保持输出传播角与输入传播角基本平行。针对每个路径的光栅矢量的总和基本等于零。

Description

在一块板上支持红色、绿色和蓝色的大视场波导
背景和相关技术
最近，人们对虚拟现实(VR)和增强现实(AR)设备以及其他这样的近眼设备的兴趣已经重新兴起。这些设备通常包括某种类型的视频发射器(诸如光引擎)以及被耦合到视频发射器的光学器件，该视频发射器被配置为使用该设备将图像发射到用户的眼睛。具体地，用户将佩戴头戴式耳机或类似设备，该头戴式耳机或类似设备包括光学地耦合到一个或多个波导的视频发射器，其中波导被配置为将图像光学地耦合到用户。
这种设备的制造商需要解决的一个问题是与有限视场(FoV)有关的问题。在本文所示的上下文中，FoV是假定眼睛位置固定时的可视高角度的度数。在水平方向上，人的FoV约为135°。但是，通常虚拟现实和增强现实设备的可用FoV会低得多。从设备可用的 FoV越低，设备的体验就越不现实。
已经实现了试图扩大FoV的技术。一种这样的技术是使用衍射光栅，这些衍射光栅按波长散布光以增加FoV。也就是说，衍射光栅是色散的，这表示它会产生衍射级数，以使得所有非零阶的颜色在不同方向上传播。尽管该行为例如在光谱应用中非常有益，但是在基于衍射波导的AR/VR设备中，这是不希望有的，因为在波导中承载和扩展图像内容需要三个(或在某些情况下为两个)单独的波导，除非FoV非常小。
具有多个波导使制造过程极大地复杂化。不仅必须制造几个波导，而且制造公差也变得更加严格。另外，必须将多个板(plate) 精确地放置在光栅堆中，这带来了另外的制造步骤，这些步骤要求很高精度和增加的成本。
本文中所要求保护的主题不限于解决上述的任何缺点或仅在诸如上述环境中操作的实施例。而是，仅提供本背景以说明可以实践本文中描述的一些实施例的一个示例性技术领域。
发明内容
本文中示出的一个实施例包括一种用于在单个波导中组合RGB 光信号的光学设备。该设备包括多个DOE。该设备包括第一DOE，该第一DOE被配置为：以输入传播角接收光信号，并且基于光谱来衍射该光信号，使得一个光谱的光主要在第一方向上被衍射并且第二光谱的光主要在不同的第二方向上被衍射，以使得光信号的不同部分采用包括至少两个不同路径的不同路径。该设备包括第二DOE。第一DOE被配置为将光衍射到第二DOE中。该设备包括第三DOE。第二DOE还被配置为将光衍射到第三DOE中。第二DOE和第三 DOE被配置为引起基本非并行的扩展。第三DOE被配置为将光衍射到眼动范围(eye box)中，其将输出传播角保持在输入传播角的某个预定阈值内。多个DOE与光栅矢量相关联。针对至少两个不同路径中的每个路径的光栅矢量的总和基本等于零。
提供本“发明内容”以便以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的“具体实施方式”中进一步描述。本“发明内容”既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
其他特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分特征将从描述中变得很清楚，或者可以通过本文中的教导的实践而获知。本发明的特征和优点可以通过所附权利要求中特别指出的手段和组合来实现和获取。根据以下描述和所附权利要求书，本发明的特征将变得更加完全清楚，或者可以通过下文中所述的本发明的实施而获知。
附图说明
为了描述可以获取上述和其他优点和特征的方式，将通过参考在附图中示出的特定实施例来对以上简要描述的主题进行更具体的描述。理解这些附图仅描绘了典型的实施例，因此不应当被视为对范围的限制，将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释实施例，在附图中：
图1示出了近眼显示设备的示例；
图2示出了各种显示元件；
图3示出了波导；
图4A示出了波矢量空间表示；
图4B示出了波矢量空间表示；
图4C示出了波矢量空间表示；
图5示出了输出波导；
图6A示出了具有奇数阶扩展的波导；
图6B示出了具有奇数阶扩展的波导；
图7示出了具有偶数阶扩展的波导；以及
图8示出了在单个波导中组合RGB光信号的方法。
具体实施方式
本文所示的一些实施例可以包括或者可以用于实现基于衍射波导的AR/VR设备，该设备：1)将虚拟内容从光引擎携带到用户眼睛前面，以及2)扩展瞳孔，从而扩大眼动范围。特别地，一些实施例可以在单个波导板中针对多种不同波长支持大的FoV(例如，45 ×30°)。例如，实施例可以被配置为在单个波导中支持具有大FoV 的红色、绿色和蓝色(RGB)波长。因此，实施例可以通过单个波导携带大的FoV RGB内容。这可以在现在所描述的一些实施例中完成。
一些实施例在波导中包括各种衍射光学元件(DOE)以实现本文中描述的功能。在一个示例实施例中，入耦合光栅(在本文中称为DOE1)将光衍射到两个或更多个方向，使得一个光谱的波长(例如，红光)主要在与另一光谱的波长(例如，蓝光)不同的(多个) 方向上被衍射。在所示示例中，绿光在这些方向之间分开。例如，这可以通过使用单面交叉光栅(双周期光栅)或通过在波导的两个表面上使用线性光栅来实现。尽管本文所示的示例将通过波导的两个(或更多个)路径称为红色路径和蓝色路径，但是应当理解，可以实现其他色谱路径。此外，应当理解，实际上，一部分红色光(或其他颜色)自然地穿过蓝色路径(或其他颜色)，反之亦然。
如下面将进一步详细说明的，对于蓝色路径和红色路径存在不同的扩展光栅(在本文中示出为DOE2)。两者都至少具有一个独特的DOE2翼(wing)，但是也可以具有更多个。对于这两个路径， DOE2的翼的数目也可以不相等。
对于红色和蓝色，出耦合(out-coupling)光栅(本文中示出为 DOE3)具有两个不同的周期和取向(如果分别处理多种颜色，则具有更多的周期和取向)。再次，这可以通过在光栅的一侧上的交叉光栅或在波导的不同表面中的每个表面上的“交叉”线性光栅来完成。
注意，在其中光通过多个可能路径到达DOE3的组件中，每个路径分别服从零求和规则，使得每个路径的矢量之和总计近似为零，如下面更详细地说明。
因此，通常，实施例可以将不同颜色的FoV分成两个(或更多个)路径，将部分FoV携带到DOE3，同时通过瞳孔复制来扩展瞳孔，并且在DOE3处重新组合每种颜色的不同贡献。
现在示出其他细节。
图1示出了可以在其中实践实施例的近眼显示设备的示例。近眼显示设备100可以是可以向用户提供VR或AR体验的虚拟现实 (VR)和/或增强现实(AR)设备。在VR体验中，基本整个视觉体验都由VR设备的光引擎提供。在AR体验中，光引擎用于将图像传输到透明的保护遮阳板(visor)上。以这种方式，视觉体验包括由VR设备的光引擎提供的元素、以及用户通过透明保护板视觉上可以看到的对象。在本文中示出的示例中，近眼显示设备100被设计用于AR可视化，但是VR设备可以使用所示出的原理来实现。
在所示实施例中，近眼显示设备100包括机架101、安装到机架 101的透明保护遮阳板102、以及安装到机架101的左右侧臂104。遮阳板102形成图2所示的各种显示元件的保护壳。
可以生成用于AR/VR可视化的图像的显示组件200(参见图2) 也被安装到机架101并且被封装在保护遮阳板102内。遮阳板组件 102和/或机架101也可以容纳电子设备，以用于控制显示组件200 的功能和近眼显示设备100的其他功能。近眼显示设备100还包括被附接到机架101上的可调节头带105，通过该可调节头带105可以将近眼显示设备100戴在用户的头上。
图2示出了在本发明的一些实施例中可以包含在近眼显示设备 100的遮阳板102中的显示组件的侧视图。在近眼显示设备100的操作期间，显示组件相对于用户的左眼206L或右眼206R而被定位。显示组件不安装到机架101的内表面。机架101在图2中以横截面示出。
在AR应用中，显示组件被设计为将三维图像叠加在通过透明保护遮阳板102可以看到的真实环境的用户视图上，例如，通过将光投射到用户的眼睛中。因此，显示组件包括容纳光引擎的显示模块 204，该光引擎包括诸如以下的组件：一个或多个光源(例如，一个或多个发光二极管(LED))；一个或多个微显示器成像器，诸如硅上液晶(LCOS)、液晶显示器(LCD)、数字微镜器件(DMD)；以及一个或多个透镜、分束器和/或波导。显示模块204内的(多个) 微显示成像器(未示出)可以经由柔性电路连接器205而被连接到其上安装有图像生成/控制电子器件的印刷电路板208。
显示组件还包括安装有显示模块204的透明波导载体201、以及用于用户的左眼和右眼中的每个的在波导载体201的用户侧的一个或多个输出波导202。注意，理想地，实施例能够使用单个波导来实现本文中描述的功能。波导载体201具有中央鼻梁部分210，波导载体201的左右波导安装表面从中央鼻梁部分210延伸。波导202在波导载体201的左右波导安装表面中的每个上实现，以将从显示模块发射并且表示图像的光分别投射到用户的左眼206L和右眼206R中。显示组件200可以通过位于中央鼻梁部分210上方的波导载体 201的顶部的中央凸片207而被安装到机架101。
近眼显示设备可以将表示图像的光提供给用户的光接收器(例如，眼睛)。用户例如可以是人、动物或机器。
图3示出了可以安装在波导载体201上以将光传输到用户的一只眼睛的输出波导的示例。可以为另一只或多只眼睛设计类似的波导，例如，作为图3所示的波导的(水平)镜像。波导310是透明的(虽然是衍射的)，并且从图2中可以看出，波导310在近眼显示设备的操作期间通常被直接设置在用户的眼睛前面，例如作为图2 中的波导202之一。因此，在近眼显示设备100的操作期间，从用户的角度示出了波导310。
波导器310包括单个输入端口311，其是表示为DOE1的DOE (也称为入耦合(in-coupling)元件)。输入端口311可以由例如表面衍射光栅、体衍射光栅或反射组件形成。
在本文所示的示例中，输入端口311被配置为将输入光衍射成两个或更多个光谱(其他光谱具有一些泄漏)，并且在不同方向上衍射这两个或更多个光谱。这使得不同光谱在图3所示的传输信道 312上采用不同路径。
这在图4A所示的一个详细示例中进行说明。图4A示出了波矢量空间表示。图4A示出了由DOE1在波导310中的输入端口311处衍射的光波的横向波矢量空间表示。内部实心圆401表示全内折射 (TIR)条件的边界。外部实心圆402表示隐失(evanescent)波的边界。
因此，同心圆401和402之间的环形部分中的任何光波都通过全内反射(TIR)在波导310中传播。内圆401中的任何光波都是在波导中传播并且然后向空中射出的波。换言之，这些光波在波导中传播并且然后从波导中射出。外圆402之外的任何光波都是没有耦合到波导中的隐失波。
图4A示出了DOE1和波导310的DOE1衍射的FOV的两个光栅矢量。特别地，图4A示出了DOE1蓝色路径，-1阶；DOE1红色路径，-1阶；DOE1红色路径，+1阶；和DOE1蓝色路径，+1阶。
在一些实施例中，DOE1可以包括线性光栅，其在光栅的正面上具有第一光栅取向和周期并且在光栅的背面上具有第二光栅取向和周期。第一光栅可以衍射一个光谱的光，并且第二光栅可以衍射第二光谱的光。备选地，DOE1可以包括在波导的一侧的交叉光栅。交叉光栅的光栅矢量可以具有不同的取向和长度，并且可以彼此不正交。
再次参考图3，波导310包括传输通道312。传输通道包括DOE，本文中称为DOE2。注意，DOE2具有几个不同的翼，包括DOE2左上、DOE2右上、DOE2左下和DOE2右下。如前所述，DOE2包括很多扩展光栅。DOE2的功能将在下面结合图5至图7进行详细说明。
然而，现在参考图4B，图4B示出了DOE2光栅矢量和由DOE2 衍射的FOV。
注意，DOE2的各种翼可以在光栅上实现，其中第一翼在光栅的正面上并且第二翼在光栅的背面上。在一些实施例中，这些第一翼和第二翼可以交叠。在一些实施例中，DOE2可以是在波导的正面上具有第一翼和第二翼的线性光栅。在一些实施例中，DOE2可以是在波导的背面上具有第一翼和第二翼的线性光栅。
再次参考图3，波导310还包括单个输出端口313，该输出端口 313是表示为DOE3的DOE(也称为出耦合元件)。
现在参考图4C，示出了DOE3光栅矢量和由DOE3衍射的FOV。
在操作期间，显示模块204(参见图2)将代表用于眼睛的图像的光从其输出端口输出到波导310的输入端口311中。
传输通道312将光从输入端口311传输到输出端口313，并且可以是例如表面衍射光栅、偏振光栅、体积衍射光栅或反射组件。传输通道312可以被设计为通过使用全内反射(TIR)来实现这一点。然后，代表图像的光从输出端口313被投射到用户的眼睛。
因此，通常，实施例可以将不同颜色的FoV分成两个(或更多个)路径，在通过瞳孔复制来扩展瞳孔时将部分FoV携带到DOE3，并且在DOE3处重新组合每种颜色的不同贡献。在路径的某些部分中，两个或更多路径可以相同。
DOE1、DOE2和DOE3的光栅矢量满足D1+D2+D2＝0。
具体地，对于“红色”和“蓝色”路径，DOE1的两个光栅矢量 (对于+1阶)由D1r和D1b表示，如上图所示。
对于右上、右下、左上、左下，DOE2光栅矢量分别由D2tr、 D2br、D2tl和D2bl表示。
DOE3的光栅矢量由D3b和D3r表示。
然后，路径等式为：
D1r+D2bl+D3r＝0
-D1r+D2tr+D3r＝0
D1b+D2br+D3b＝0
-D1b+D2tl+D3b＝0
图4A-图4Cc给出了启用这种类型的解决方案的k矢量图的示例。注意，在图3中，红色和蓝色FoV的一部分看起来是泄漏的，但是并非在所有实施例中都必须如此。
波导310可以包括多个衍射光学元件(DOE)，以便通过多次发生光学衍射来控制在近眼显示设备中传播的光的方向。DOE可以是例如表面衍射光栅或体积衍射光栅。波导310的各种组件可以被设计为包含一个或多个DOE。
例如，波导310可以包括三个DOE。波导310的输入端口311 是DOE1，DOE1用于将光耦合到波导310中，并且控制在光到达输入端口311之后的光路的方向。
波导310的传输通道312是DOE2，DOE2用于控制传输通道312 中的光路的方向，并且通过全内反射(TIR)确保光在传输通道312 内部的传播。此外，DOE2被配置为在水平方向上均化光信号。
输出端口313是DOE3，DOE3用于控制在光离开输出端口313 之后的光路的方向。DOE3被配置为将光衍射到眼动范围中，该眼动范围将输出传播角保持在输入传播角的某个预定阈值内。
扩展的光波的传播方向基本彼此平行(在某个预定阈值内)。扩展的光波沿着特定方向被间隔或分布。
换言之，扩展的光波在离开输出波导之前在输出波导中沿着特定方向(或坐标轴)平移。每个扩展的光波具有相对狭窄的传播角或FoV范围。每个扩展的光波具有“传播矢量”，“传播矢量”表示光波的平均传播方向，并且表示扩展的光波的能量的中心轴。光波的平移表示沿着不平行于传播矢量本身的特定方向(或坐标轴) 移动光波的相应传播矢量。
因此，对于任何给定波长的光，离开输出波导的光波具有与进入输出波导的光波相同的方向(即，在某个阈值内与其基本平行)，以使光波遵循到用户的光接收器的期望路径。这种情况称为消色差 (achromatic)成像。
以下示出了关于扩展光的细节，并且针对单个光路。但是，应当理解，所示的概念可以应用于上述不同路径，使得扩展以及求和规则适用于光的每个不同路径。
包括三个DOE的波导可以将光波扩展为二维。扩展过程也称为出瞳扩展。图5示出了扩展近眼显示设备的出射光瞳的输出波导的示例。波导510包括三个DOE 515、DOE 520和DOE 525以扩展出射光瞳。DOE 515、DOE 520和DOE 525在公共光路上是连续的。 DOE 515、DOE 520和DOE 525可以例如布置在平面基板上。
成像器505(例如，LCOS设备)输出沿Z方向入射在第一DOE 515上的光波550。DOE515将光波552引向第二DOE 520。如图5 所示，DOE 520在第一维度(X维度)中扩展光波554。如图5所示，在扩展期间，扩展的光波554的每个传播矢量沿着X坐标轴移动，使得扩展的光波在X维度中被间隔开或分布。
DOE 520进一步将扩展的光波554重定向到第三DOE 525。第三DOE 525进一步在第二维度(Y维度)中扩展光波554，并且在Z 方向上向外重定向扩展的光波556。
因此，波导510接收在Z方向上入射的输入光波550，在X和Y 两个方向上扩展光波，并且在相同的Z方向上重定向扩展的光波。换言之，波导510在维持光波的方向的同时在两个维度中扩展光分布。因此，波导510可以被称为光束扩展设备或出射光瞳扩展器。
波导作为光束扩展设备可以在例如奇数级扩展过程或偶数级过程中扩展光波。图6A示出了进行奇数阶扩展的输出波导。波导600 包括DOE 615、DOE 620和DOE 625。
DOE 615、DOE 620和DOE 625中的每个DOE具有衍射光栅。衍射光栅是具有周期性结构的光学组件，其将入射光束分裂和衍射为沿不同方向传播的几个光束。周期性结构可以包括以周期性图案 (pattern)布置的线性沟槽。附近的沟槽之间的距离称为光栅周期d。
衍射光栅具有光栅矢量D(也称为衍射图案矢量)的性质。光栅矢量D表示光栅图案(也称为周期性衍射图案)的方向和间距。光栅矢量的长度为D＝2π/d。光栅矢量D的方向垂直于(“法向于”或“正交于”)周期性线性沟槽的中心轴，其中该中心轴垂直于周期性的线性沟槽的横截面。
光沿垂直于X和Y方向的Z方向入射在波导600上。第一DOE 615将来自成像器(未示出)的光耦合到波导600中。第二DOE 620 在X方向上扩展光。第三DOE 625进一步使光沿Y方向扩展，并且将扩展的光沿相同的Z方向从波导600耦合出。
如图6A所示，第二DOE 620接收来自在DOE 620的左边缘(如读者所见的图)处的第一DOE 615的光波。在光波在DOE 620的底部边缘处离开DOE 620之前，光波被DOE 620中的光栅图案反射一次或多次。因为奇数阶扩展使得第二DOE 620在侧面边缘处接收光波，所以奇数阶扩展配置的波导通常比偶数阶扩展配置(稍后讨论) 的波导占用更少的空间。
在奇数阶扩展过程中，在将光重定向到第三DOE 625中之前，第二DOE 620将光反射(即，改变方向)奇数次。在0到+1衍射级之间的多次反射过程中，光能量的较大部分被转换为+1阶，其被重定向到第三DOE 625。
图6B示出了在波导中传播的光的波矢量和波导的DOE的光栅矢量。入射光具有一对横向波矢量分量kx0和ky0。波矢量的大小为波数k＝2π/λ，其中λ是光的波长。空气中入射光的波数表示为k0。在波导中传播的光的波数表示为k＝k0*n，其中n是波导材料的折射率。
DOE1、DOE2和DOE3的光栅矢量(图6B中的616、620和625) 被表示为Dj＝(Dxj，Dyj)。波矢量为(Dx1，Dy1)的DOE 615将入射光(kx0，ky0)重定向到第二DOE 620。因此，(kx1，ky1)＝(kx0+Dx1， ky0+Dy1)。
波矢量为(Dx2，Dy2)的DOE 620接收光(kx1，ky1)，并且将光(kx1，ky1)重定向到第三DOE 625。因此，(kx2，ky2)＝(kx1+Dx2， ky1+Dy2)＝(kx0+Dx1+Dx2，ky0+Dy1+Dy2)。
波矢量为(Dx3，Dy3)的DOE 625接收光(kx2，ky2)并且将光 (kx2，ky2)沿Z方向耦合出。因此，(kx3，ky3)＝(kx2+Dx3，ky2+Dy3) ＝(kx0+Dx1+Dx2+Dx3，ky0+Dy1+Dy2+Dx3)。
波导600满足消色差成像条件，这表示当具有不同波长的光波被波导600扩展并且离开波导600时，光波的出射方向与光波进入波导600的入射方向相同。换言之，入射光波数(kx0，ky0)与出耦合光波数(kx3，ky3)相匹配：(kx0，ky0)＝(kx3，ky3)。因此，波导600的光栅矢量满足Dx1+Dx2+Dx3＝Dy1+Dy2+Dx3)＝0。或者，以矢量形式，光栅矢量的矢量和等于零：D1+D2+D2＝0(也称为“求和规则”)。
注意，光栅矢量D1、D2、D2取决于光栅周期，但不取决于光波的波长。因此，一旦光栅矢量满足求和规则，则对于任何波长的光波都满足消色差成像条件(因此称为“消色差成像”)。
为了满足消色差成像条件，没有必要将第一DOE 615和DOE 625 的衍射光栅限制为具有相同的光栅周期。求和规则放宽了这些衍射光栅的设计限制。宽松的设计限制使得波导600能够具有更大的FoV。
此外，波导600将由DOE 615和DOE 620衍射的光保持在波导 600内。因此，在波导600内部传播的光不会消失，并且满足全内反射(TIR)条件。换言之，由DOE 615衍射的光在波导内部满足TIR 条件：kx1 2+ky1 2>k0 2。由DOE 615衍射的光不是隐失的：kx1 2+ky1 2<k2。由DOE620衍射的光在波导内部也满足TIR条件：kx2 2+ky2 2>k0 2。DOE 620衍射的光不是隐失的：kx2 2+ky2 2<k2。
尽管图6A、6B和示出了包括三个DOE的波导，但是根据所公开的技术的波导可以具有任意数目的DOE。例如，如果波导包括N个DOE，则消色差成像条件为Dx1+Dx2+Dx3+… +DxN＝Dy1+Dy2+Dx3+…+DyN＝0。或者，矢量形式：D1+D2+D2+…+DN＝0。 DOE对于TIR也满足这些条件并且是非隐失的。
在一些实施例中，消色差成像条件可以表示为光栅矢量的加权矢量总和：mD1+nD2+lD3＝0，其中被加数中的值m、n和l是整数权重值，它们表示周期性衍射图被设计成将光能集中于其中的衍射阶数。在一些实施例中，整数权重值可以是0、负或正。
此外，波导作为光束扩展设备也可以在偶数阶扩展过程中扩展光波。图7示出了进行偶数阶扩展的输出波导。波导700包括DOE 715、DOE 720和DOE 725。
光沿垂直于X和Y方向的Z方向入射在波导700上。第一DOE 715将光耦合到波导700中，并且在DOE 720的顶部边缘处将光波重定向到第二DOE 720。第二DOE 720在X方向上扩展光。第三 DOE 725进一步在Y方向上扩展光，并且将扩展的光沿着相同的Z 方向从波导700耦合出。
如图7所示，第二DOE 720在DOE 520的顶部边缘处接收来自第一DOE 715的光波。注意，在如图6A所示的奇数阶扩展中，第二DOE 520在左侧边缘处接收光波。奇数阶扩展或偶数阶扩展的选择取决于波导的各种设计因素。通常，奇数阶扩展配置的波导趋向于更小。另一方面，偶数阶扩展配置使得能够在第二DOE的顶部边缘处提供光波，这在波导的宽度受到限制时可能是有利的。
在光波在DOE 720的底部边缘处离开DOE 720之前，光波在 DOE 720中被光栅图案反射多次。在偶数阶扩展过程中，在将光重定向到第三DOE 525中之前，第二DOE 720将光反射偶数次(包括零次)。类似于奇数阶扩展，在0到+1阶之间的多次反射过程中，更多的光能被转换为+1阶，其被重定向到第三DOE 725。
如图7所示，第二DOE 720沿X方向扩展光波。然而，第二DOE 720保持其输出光的方向与其输入光的方向相同。换言之，在偶数阶展开中，在第二DOE 720之前和之后的光波的波矢量是相同的。因此，第二DOE 720的衍射光栅的光栅矢量不限制波导700中的其他 DOE的衍射矢量。
在偶数阶扩展中，第一DOE 715可以在DOE 715的两侧具有例如线性衍射光栅(也称为“双面线性光栅”)。DOE 715的第一侧 (例如，顶侧)上的第一衍射光栅的光栅矢量为D1a＝(Dx1a，Dy1a)。DOE 715的第二侧(例如，底侧)上的第二衍射光栅的光栅矢量为 D1b＝(Dx1b，Dy1b)。第三DOE 725的衍射光栅的光栅矢量为D3＝(Dx3， Dy3)
波导700满足消色差成像条件，这表示入射光(kx0，ky0)与出射光(kx3，ky3)相匹配。如果mD1a+nD1b＝±D3，其中m和n是整数阶数，则满足消色差成像条件。
在一些实施例中，消色差成像条件可以表示为光栅矢量的加权矢量总和：mD1a+nD1b+lD3＝0，其中加数中的值m、n和l是整数权重值，它们表示周期性衍射图被设计成将光能集中于其中的衍射阶数(也称为“加权求和规则”)。在一些实施例中，整数权重值可以是0、-1或+1。通常由光栅图案抑制与其绝对值大于1的整数相对应的较高衍射级。
在一些实施例中，m＝1并且n＝0，或m＝0并且n＝1。因此，第一DOE 715具有波矢量为D1＝±D3的衍射光栅。换言之，如果第一 DOE 715和第三DOE 725对于光栅矢量具有相同的长度(或相同的光栅周期)，则消色差成像条件满足。
由于第一DOE 715和第三DOE 725的光栅周期不必相等，因此还可以放宽光栅矢量的设计限制。在一些实施例中，m＝1并且n＝1，这表示第一DOE 715的第一衍射光栅将光波反射到+1衍射级，并且然后第一DOE 715的第二衍射光栅再次将光波反射到+1衍射级。高于+1衍射级的衍射级通常效率较低，并且会产生重影效果。因此，当m＝1并且n＝1时，第一DOE715的衍射光栅的光栅矢量的矢量和等于第三DOE 725的光栅矢量，或者与第三DOE 725的光栅矢量正好相反：D1a+D1b＝±D3。特别地，在-D3的情况下，第一DOE 715的第一衍射光栅和第二衍射光栅以及第三DOE 725的衍射光栅满足求和规则：D1a+D1b+D3＝0。
除了双面线性光栅，第一DOE 715还可以在DOE 715的两侧具有例如交叉衍射光栅(也称为“双面交叉光栅”)。因此，第一DOE 715有效地包括具有四个光栅矢量的四个衍射光栅。在第一DOE 715 的第一侧(例如，顶侧)，存在彼此交叉并且光栅矢量为D1a＝(Dx1a， Dy1a)和D1b＝(Dx1b，Dy1b)的两个衍射光栅。换言之，光栅图案在第一侧在两个方向上是周期性的。在第一DOE 715的第二侧(例如，底侧)，存在彼此交叉并且光栅矢量为D1c＝(Dx1c，Dy1c)和D1d＝(Dx1d， Dy1d)的两个衍射光栅。
波导700满足消色差成像条件，这表示入射光与出射光相匹配。如果mD1a+nD1b+oD1a+pD1b＝±D3，其中m、n、o和p是整数阶数，则消色差成像条件满足。
因此，加权矢量求和规则可以用于设计输出波导的DOE。DOE 的衍射光栅遵循求和规则或加权求和规则，并且因此满足消色差成像阶数。求和规则或加权求和规则使得宽松的自由度能够用于设计具有DOE的各种特性的输出波导的配置。
现在，以下讨论涉及可以执行的很多方法和方法动作。尽管方法动作可以按特定顺序讨论或在流程图中以特定顺序示出，但是除非特别说明或者因为一个动作依赖于在执行该动作之前完成另一动作而需要，否则不需要特定顺序。
现在参考图8，示出了方法800。方法800包括用于在单个波导中组合RGB光信号的动作。波导包括多个DOE。该方法包括在第一 DOE处以输入传播角引导光信号(动作802)。
方法800还包括在第一DOE处基于光谱来衍射光信号，使得一个光谱的光主要在第一方向上被衍射并且第二光谱的光主要在不同的第二方向上被衍射，以使得不同光信号的不同部分采用包括至少两个不同路径的不同路径(动作804)。
方法800还包括在第一DOE处将不同部分衍射到第二DOE中 (动作806)。
方法800还包括在第二DOE处将不同部分衍射到第三DOE中 (808)。
方法800还包括在第二DOE和第三DOE处以基本非平行的方式扩展光信号；DOE2和DOE3处的扩展基本是非平行的。例如，实施例可以在出耦合过程期间在DOE2处基本在竖直方向上扩展瞳孔，并且然后在DOE3处在水平方向上扩展瞳孔(动作810)。
方法800还包括在第三DOE处将不同部分衍射到眼动范围中，该眼动范围将输出传播角保持在输入传播角的某个预定阈值内。也就是说，试图保持输出传播角基本平行于输入传播角，以防止失真和/或其他副作用(动作812)。
多个DOE与光栅矢量相关联。执行方法800的动作使得针对至少两个不同路径中的每个路径的光栅矢量的总和基本等于零(动作 814)。
注意，“基本等于零”取决于设备的显示分辨率。特别地，只要保持某个预定义分辨率，该总和就基本等于零。在一些实施例中，这可以表示传出光信号的输出分辨率必须与传入光信号的输入分辨率相同。
可以实践方法800，其中基于光谱来衍射光信号使得一个光谱的光主要在第一方向上被衍射并且第二光谱的光主要在不同的第二方向上被衍射以使得光信号的不同部分采用包括至少两个不同路径的不同路径是由第一DOE执行，该第一DOE具有与在光栅的正面上的第一光栅矢量和在波导的背面上的第二光栅矢量相关联的线性光栅。
可以实践方法800，其中将不同部分衍射到将输出传播角保持在输入传播角的预定阈值内的眼动范围中是由第三DOE执行，该第三 DOE是具有在波导的正面上的第一光栅矢量和在波导的背面上的第二光栅矢量的线性光栅。
可以实践方法800，其中以基本非并行的方式扩展光信号并且将不同部分衍射到第三DOE中是由第二DOE执行，该第二DOE包括具有在波导的正面上的第一翼和在波导的背面上的第二翼的线性光栅，其中第一翼和所述第二翼交叠。
可以实践方法800，其中以基本非并行的方式扩展光信号并且将不同部分衍射到第三DOE中是由第二DOE执行，该第二DOE包括具有在波导的正面上的第一翼和第二翼的线性光栅。
可以实践方法800，其中以基本非并行的方式扩展光信号并且将不同部分衍射到第三DOE中是由第二DOE执行，该第二DOE包括具有在波导的背面上的第一翼和第二翼的线性光栅。
可以实践方法800，其中基于光谱来衍射光信号使得一个光谱的光主要在第一方向上被衍射并且第二光谱的光主要在不同的第二方向上被衍射使得光信号的不同部分采用包括至少两个不同路径的不同路径是由第一DOE执行，该第一DOE具有与两个相异光栅矢量相关联的交叉光栅。
可以实践方法800，其中以基本非并行的方式扩展光信号并且将不同部分衍射到第三DOE中是由第二DOE执行，该第二DOE具有与两个相异光栅矢量相关联的交叉光栅。
可以实践方法800，其中将不同部分衍射到将输出传播角保持在输入传播角的预定阈值内的眼动范围中是由第三DOE执行，该第三 DOE具有与两个相异光栅矢量相关联的交叉光栅。
在不脱离本发明的精神或特征的情况下，本发明可以以其他特定形式实施。所描述的实施例在所有方面仅应当被认为是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是前面的描述指示。落入权利要求的等同含义和范围内的所有改变均应当被包含在其范围之内。

Claims (18)

1.一种用于在单个波导中组合RGB光信号的光学设备，所述设备包括多个DOE，所述多个DOE包括：
第一DOE，包括具有第一光栅周期的第一线性光栅和具有第二光栅周期的第二线性光栅，所述第一DOE被配置为以输入传播角接收光信号并且基于光谱来衍射所述光信号，使得主要第一光谱的光的+1衍射级由所述第一线性光栅在第一方向上被衍射、所述主要第一光谱的光的-1衍射级由所述第一线性光栅在第二方向上被衍射、主要第二光谱的光的+1衍射级由所述第二线性光栅在第三方向上被衍射、并且所述主要第二光谱的光的-1衍射级由所述第二线性光栅在第四方向上被衍射，以使得光信号的不同部分采用包括至少四个不同路径的不同路径；
第二DOE，包括具有不同光栅取向的至少四个翼，每个光栅取向被定向以朝第三DOE衍射光，其中所述第一DOE被配置为朝第一翼衍射以所述第一方向被衍射的所述光信号、朝第二翼衍射以所述第二方向被衍射的所述光信号、朝第三翼衍射以所述第三方向被衍射的所述光信号、以及朝第四翼衍射以所述第四方向被衍射的所述光信号；
所述第三DOE，被配置为将光衍射到眼动范围中，所述眼动范围将输出传播角保持在所述输入传播角的某个预定阈值内；
其中所述第二DOE和所述第三DOE被配置为引起基本非并行的扩展；以及
其中所述多个DOE与光栅矢量相关联，并且其中针对所述至少两个不同路径中的每个路径的光栅矢量的总和基本等于零。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第一DOE和所述第三DOE中的至少一个DOE包括：与在所述波导的正面上的第一光栅矢量和在所述波导的背面上的第二光栅矢量相关联的线性光栅。
3.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第二DOE包括线性光栅，所述线性光栅具有在所述波导的正面上的第一翼和在所述波导的背面上的第二翼，其中所述第一翼和所述第二翼交叠。
4.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第二DOE的所述至少四个翼中的至少一个翼包括线性光栅。
5.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第二DOE的所述第一翼和所述第二翼包括在所述波导的背面上的线性光栅。
6.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第二DOE包括与两个相异光栅矢量相关联的交叉光栅。
7.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第三DOE包括与两个相异光栅矢量相关联的交叉光栅。
8.一种在单个波导中组合RGB光信号的方法，所述波导包括多个DOE，所述方法包括：
在第一DOE处，以输入传播角引导光信号，其中所述第一DOE包括具有第一光栅周期的第一线性光栅和具有第二光栅周期的第二线性光栅；
在所述第一DOE处，基于光谱来衍射所述光信号，使得主要第一光谱的光的+1衍射级由所述第一线性光栅在第一方向上被衍射、所述主要第一光谱的光的-1衍射级由所述第一线性光栅在第二方向上被衍射、主要第二光谱的光的+1衍射级由所述第二线性光栅在第三方向上被衍射、并且所述主要第二光谱的光的-1衍射级由所述第二线性光栅在第四方向上被衍射，以使得光信号的不同部分采用包括至少四个不同路径的不同路径；
在所述第一DOE处，将所述不同部分衍射到第二DOE中，其中所述第二DOE包括具有不同光栅取向的至少四个翼，每个光栅取向被定向以朝第三DOE衍射光，并且其中所述第一DOE被配置为朝第一翼衍射所述第一方向的光、朝第二翼衍射所述第二方向的光、朝第三翼衍射所述第三方向的光、以及朝第四翼衍射所述第四方向的光；
在所述第二DOE处，将所述不同部分衍射到所述第三DOE中；
在所述第二DOE和所述第三DOE处，以基本非并行的方式扩展所述光信号；
在所述第三DOE处，将所述不同部分衍射到眼动范围中，所述眼动范围将输出传播角保持在所述输入传播角的预定阈值内；以及
其中所述多个DOE与光栅矢量相关联，并且其中所述动作被执行使得针对所述至少两个不同路径中的每个路径的光栅矢量的总和基本等于零。
9.根据权利要求8所述的方法，其中将所述不同部分衍射到将输出传播角保持在所述输入传播角的预定阈值内的眼动范围中是由所述第三DOE执行，所述第三DOE是具有在所述波导的正面上的第一光栅矢量和在所述波导的背面上的第二光栅矢量的线性光栅。
10.根据权利要求8所述的方法，其中以基本非并行的方式扩展所述光信号和将所述不同部分衍射到所述第三DOE中是由所述第二DOE的所述至少四个翼中的、在所述波导相对面上的至少两个翼所执行，以使得所述线性光栅交叠。
11.根据权利要求8所述的方法，其中以基本非并行的方式扩展所述光信号和将所述不同部分衍射到所述第三DOE中是由所述第二DOE的所述第一翼和所述第二翼执行，所述第一翼和所述第二翼具有在所述波导的正面上的线性光栅。
12.根据权利要求8所述的方法，其中以基本非并行的方式扩展所述光信号并且将所述不同部分衍射到第三DOE中是由所述第二DOE的所述第一翼和所述第二翼执行，所述第一翼和所述第二翼具有在所述波导的背面上的线性光栅。
13.根据权利要求8所述的方法，其中基于光谱来衍射所述光信号使得主要第一光谱的光的+1衍射级由所述第一线性光栅在第一方向上被衍射、所述主要第一光谱的光的-1衍射级由所述第一线性光栅在第二方向上被衍射、主要第二光谱的光的+1衍射级由所述第二线性光栅在第三方向上被衍射、并且所述主要第二光谱的光的-1衍射级由所述第二线性光栅在第四方向上被衍射以使得光信号的不同部分采用包括至少四个不同路径的不同路径是由具有与两个相异光栅矢量相关联的交叉光栅的所述第一DOE执行。
14.根据权利要求8所述的方法，其中以基本非并行的方式扩展所述光信号并且将所述不同部分衍射到第三DOE中是由具有与两个相异光栅矢量相关联的交叉光栅的所述第二DOE执行。
15.根据权利要求8所述的方法，其中将所述不同部分衍射到将输出传播角保持在所述输入传播角的预定阈值内的眼动范围中是由具有与两个相异光栅矢量相关联的交叉光栅的所述第三DOE执行。
16.一种近眼光学设备，包括：
光引擎；
耦合到所述光引擎的波导；其中所述波导包括：
第一DOE，包括具有第一光栅周期的第一线性光栅和具有第二光栅周期的第二线性光栅，所述第一DOE被配置为以输入传播角从所述光引擎接收光信号并且基于光谱来衍射所述光信号，使得主要第一光谱的光的+1衍射级由所述第一线性光栅在第一方向上被衍射、所述主要第一光谱的光的-1衍射级由所述第一线性光栅在第二方向上被衍射、主要第二光谱的光的+1衍射级由所述第二线性光栅在第三方向上被衍射、并且所述主要第二光谱的光的-1衍射级由所述第二线性光栅在第四方向上被衍射，以使得光信号的不同部分采用包括至少四个不同路径的不同路径；
第二DOE，包括具有不同光栅取向的至少四个翼，每个光栅取向被定向以朝第三DOE衍射光，其中所述第一DOE被配置为朝第一翼衍射以所述第一方向被衍射的所述光信号、朝第二翼衍射以所述第二方向被衍射的所述光信号、朝第三翼衍射以所述第三方向被衍射的所述光信号、以及朝第四翼衍射以所述第四方向被衍射的所述光信号；
所述第三DOE，被配置为将光衍射到眼动范围中，所述眼动范围将输出传播角保持在所述输入传播角的某个预定阈值内；
其中所述第二DOE和所述第三DOE被配置为引起基本非并行的扩展；以及
其中多个所述第一DOE、所述第二DOE和所述第三DOE与光栅矢量相关联，并且其中针对所述至少两个不同路径中的每个路径的光栅矢量的总和基本等于零。
17.根据权利要求16所述的近眼光学设备，其中所述第一DOE、所述第二DOE或者所述第三DOE的至少一些光栅被定位于所述波导的背面上。
18.根据权利要求16所述的近眼光学设备，其中所述第一DOE、所述第二DOE或者所述第三DOE的至少一些光栅包括与两个相异光栅矢量相关联的交叉光栅。
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