CN111065953B - 具有双周期性光栅的衍射元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种衍射元件、一种产生可见图像的方法以及一种光学器件。该元件包括波导(30)和被布置在波导(30)的表面(30A)上或内部的衍射向外耦合区域(36)，该向外耦合区域(36)包括相对于彼此被侧向地布置且被适配成将在波导(30)中传播的光(32E)耦合出波导的多个子区域(36A)。根据本发明，诸子区域(36A)各自包括具有在第一方向上的第一周期和在与第一方向不同的第二方向上的第二周期的双周期性光栅图案，并且其中存在具有不同光栅图案的至少两个子区域(36A)。本发明虑及在波导的单个区域上组合向外耦合和出射光瞳扩展。

Description

具有双周期性光栅的衍射元件
发明领域
本发明涉及衍射光学器件。具体而言，本发明涉及可例如在增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、混合现实(MR)应用(诸如近眼(NED)显示器)以及还有各种照明应用中使用的衍射元件。本发明还涉及一种利用衍射光学器件的方法。
发明背景
出射光瞳扩展器(EPE)可被用来增加衍射显示器的出射光瞳。常规地，EPE是被布置在显示器的光向内耦合(in-coupling)光栅和光向外耦合(out-coupling)光栅之间的波导上的分开的光栅。具有2D出射光瞳扩展器(EPE)的常规单个光导的最大视场(FOV)取决于光导的折射率，即经投射的光的波长带。当波长带为460–630nm且光导折射率为2.0时，最大FOV在33–35度左右。对于单色光，最大FOV约为50度。为了增加FOV，典型的办法是使用多个光导。
在US 6580529中公开了2D出射光瞳扩展(光场在两个维度中被扩展)的一个示例。例如，在US 2006/0126181和US 8466953中讨论了具有单周期性光栅的光瞳扩展。在US8160411中讨论了用于出射光瞳扩展的双周期性光栅。
当使用此类出射光瞳扩展光栅时，存在对向内耦合、出射光瞳扩展和向外耦合区域的可能放置的严格限制，这实际上意味着波导的许多表面积出于除向外耦合之外的其他目的而被浪费，并因而导致器件不必要得大，甚至大得笨重。例如，在可用于例如智能眼镜等中的所谓的“眼镜(spectacle)”外形中，期望使波导的大部分用于使光向外耦合。然而，如果EPE占据了其显著的部分，则给向外耦合光栅的空间更少(如果还留有的话)。而且，在常规办法中，投影仪的定位非常受限。
在WO 2017/062139中还公开了一种用于出射光瞳扩展和向外耦合的双周期性光栅。
因而，存在对在衍射显示技术方面的改进的需要。
发明内容
本发明的目的是解决至少一些上面提到的问题，并提供一种解决方案，该解决方案减轻了当前的设计局限并且为衍射元件的设计提供了新的可能性。
一个具体的目的是提供一种解决方案，该解决方案允许将波导表面积的较大部分用于光的向外耦合，还允许元件的出射光瞳扩展。本发明的目的还在于提供一种允许增加衍射显示器(诸如NED)的FOV的解决方案。
通过如下文描述和要求保护的本发明来迎合这些目的。
本发明基于从具有至少部分地不同的双周期性光栅图案的多个子区域形成衍射元件的向外耦合区域。这为光学器件中光的向外耦合提供了新的设计自由度，且尤其增加了向外耦合区域的大小和可达成的FOV。具体而言，子区域可以相对于彼此并且还相对于波导具有相同角度处的相同内部周期，但是它们的基本光栅特征的微观结构不同。这允许出射光瞳扩展在向外耦合区域内进行，由此不需要分开的出射光瞳扩展区域。
因而，本发明提供了一种衍射元件，其包括波导和被布置在表面上或被布置到波导中的衍射向外耦合区域。向外耦合区域包括多个子区域，该多个子区域相对于彼此被侧向地布置并且被适配成将在波导中传播的光耦合出波导。子区域各自包括具有在第一方向上的第一周期和在与第一方向不同的第二方向上的第二周期的双周期性光栅图案。子区域的至少两者具有不同的光栅图案。
本发明还提供了一种光学产品，其包括上述种类的衍射元件和被适配成将光引导到该衍射元件的波导中的光源。
本方法包括将光耦合到波导以产生经由全内反射在波导中传播的光，以及使用上述种类的衍射向外耦合区域将经向内耦合的光耦合出波导。这些子区域可被适配成通过内部衍射扩展出射光瞳，并且同时在其每个位置处将光耦合出向外耦合区域。光可以被衍射地耦合到波导，诸如使用在波导主表面上的向内耦合光栅，或通过其他手段，诸如使用棱镜从波导的侧面耦合。
更具体而言，本发明的特征在于独立权利要求中所阐述的内容。
本发明提供了显著的益处。由于经细分的双周期性向外耦合区域除了进行向外耦合之外，还可以执行波束扩展，因此不需要分开的波束扩展区域。因而，本发明允许在波导的单个区域上组合向外耦合和出射光瞳扩展。这意味着向外耦合区域可以填充与在常规解决方案中相比波导表面积的更大部分，并且仍提供相同或甚至更大的出射光瞳大小和FOV。甚至有可能形成基本上填充对用户可见的整个波导表面积的向外耦合区域。这与波导几何结构形成对照，在波导几何结构中，波束扩展通过分开的光栅且通过供射线自由传播的波导的无光栅区来被实现，其不得不分配波导表面的一小部分用于实际图像产生。
本发明克服了涉及单周期性的分开的光栅的常规光栅几何结构的局限性。这些对哪些波导“模式”可被用于波束传播和波束扩展目的施加了相当严格的限制，这导致对这些模式的利用不足并进一步限制了可由波导传递的信息量(FOV的大小)。
另外，在常规解决方案中，在不同显示方向(像素)和不同波长所采取的射线路径的可能配置方面仅存在很少的变化，这限制了在优化光栅结构时可被用来满足设计目标(FOV、效率、光场均匀性等)的设计自由度的数目。具体而言，单周期性特征已显著地减少了起初可用的设计选择的数目。本发明的配置利用在相同波导上彼此处于功能性光学连接的多个不同配置的双周期性光栅来克服这些限制。
本发明克服了常规出射光瞳扩展解决方案的FOV限制，并且虑及在单个波导几何结构内对于单色高达至少90°且对于全色显示器(带有折射率2.0)高达至少70°的FOV。
本发明适合于若干向内耦合方案。在显示应用中，被定位在波导上的向内耦合光栅可被用于达成衍射向内耦合。然而，如果向内耦合以另一方式(诸如在波导的一个或多个侧向面上或使用棱镜)进行，则本文中所提出的原理也可被用来在诸向外耦合区域之间高效地散布光。
从属权利要求涉及本发明的所选实施例。
在一些实施例中，子区域的光栅图案和子区域的位置被选择为以便扩展元件的出射光瞳并同时向外耦合在波导中传播的光，即在其某些位置或通常所有位置处执行这两项任务。以此方式将波束扩展和向外耦合区域相组合导致了更多的设计自由度。具体地，这使得可以更轻松地应对其中波导(透镜)的大小受限的“眼镜”型应用所面临的挑战。
在一些实施例中，子区域的光栅图案被适配成至少在向外耦合区域的一些子区域处(通常在其每个位置处)使用至少一个(尤其是恰好一个)衍射级来在波导中将光内部地衍射成至少三个不同的衍射级并从波导衍射出来。波导内部多个衍射级的应用高效地允许将光散布到向外耦合区域的每个位置，以扩展出射光瞳。这也导致对应于不同方向(像素)和不同波长的射线路径中的显著差异。
在一些实施例中，至少两个子区域甚至所有子区域的光栅图案相对于彼此不同，因为它们由限定第一和第二周期的被不同地成形的周期性地布置的基本特征形成，即它们具有不同的微观结构。
一般而言，不同子区域的基本特征可以具有不同的侧向形状、高度轮廓或侧向形状和高度轮廓(height profile)两者。在实践中，存在相比可被使用的而言无限数目的不同特征形状。
在一些实施例中，至少一些或全部子区域具有双周期性二元光栅图案。鉴于单周期性二元光栅可以按照有限数目的过渡点来被完全地表示，双周期性光栅可以支持复杂的二维侧向形状，其完整描述需要显著更多的系数。因此，甚至具有双周期性图案的二元光栅也比单周期性二元光栅复杂得多，并由此提供了大体上更多的设计自由度。
在一些实施例中，至少一些或全部子区域具有双周期性二元光栅图案。使用非二元轮廓与二元轮廓相比甚至更多地增加了设计可能性。
在一些实施例中，光栅图案的微观结构是不同的，在于它们被选择以使得各自以相同的衍射级衍射光，但是具有不同的衍射效率。为了在实践中达成此目的，每个子区域的光栅图案就其微观结构而言可以与任何其他子区域的光栅图案不同。
在一些实施例中，诸子区域的每一者的光栅图案具有相同的第一周期、相同的第二周期，以及在第一和第二周期之间的相同角度。第一和第二周期可以相同或者不同。此外，子区域的光栅图案可具有相对于波导的相同取向。即，每个子区域中的第一(第二)周期在与其他子区域的第一(第二)周期相同的方向上延伸。通过使这些因素中的一者或多者恒定，使得例如对多个向内耦合区域的利用直截了当。
每个子区域在以下意义上是内部地“均匀的”：光栅图案填充整个子区域，并且其中的光栅图案的属性是逐周期地恒定的(在制造容差内)。
(诸)波导表面上的子区域(每个子区域包括多个光栅周期)可以具有不同的形状。
在一些实施例中，这些子区域被以规则的栅格(诸如矩形栅格)布置。替代地，子区域可被以不规则的形式布置。在两种情形中，它们优选地覆盖波导的毗连区域，即彼此直接地毗邻。
取代仅被布置在一个表面上，在波导的两个相对的表面上可以存在这样的经细分的衍射区域。考虑到出射光瞳扩展，这可被用来给予甚至更多的设计自由度和/或使射线传播甚至更高效。
在一些实施例中，该元件包括被布置到波导上的一个或多个衍射向内耦合光栅，该(多个)向内耦合光栅被适配成将导向其的光衍射地耦合到光导，以供经由全内反射传播到向外耦合区域。该解决方案在显示应用中尤其有用，在显示应用中，初始光束被从微型投影仪投射并且承载要由向外耦合区域显示的图像。具体而言，该(多个)向内耦合光栅设置有单周期性或双周期性光栅图案。具体而言，光栅图案可以是具有与向外耦合子区域相同的周期和在诸周期之间的角度的双周期性图案。
在一些实施例中，向外耦合区域通过其子区域的双周期性光栅图案和子区域的侧向形状的差异来被配置，以扩展元件的出射光瞳并将相对像素位置以及任选地还有相对像素强度保持至经向内耦合的光和经向外耦合的光之间的预定程度。
在一些实施例中，向内耦合光栅的每个图像像素和向外耦合区域的对应图像像素由在波导中传播的至少三个射线方向(其凸组合包括所有可能的传播方向)表示。
在一些实施例中，双周期性光栅图案能够在每个子区域处利用：经向内耦合的光的多个不同衍射级(尤其是至少三个不同衍射级)以扩展元件的出射光瞳，以及用于使光从元件向外耦合的一个衍射级。
在一些实施例中，向外耦合区域通过所述子区域的所述双周期性光栅图案来被配置，以使得不同图像像素的从向内耦合光栅到向外耦合区域的可能的射线路径彼此显著不同。即，如果与常规(单周期性)光栅结构被使用时获得的光路径中的差异进行比较，则与两个相邻像素相对应的波导内的光路径的总数可能彼此显著不同。具体而言，如果源自不同像素的射线在传播的某个点处击中不同的子区域，则路径有所不同，由此它们被以不同强度衍射成若干衍射级。
在一些实施例中，子区域的侧向形状和位置以及它们的光栅图案被选择以使得与能使用单周期性光栅和相同波导材料达成的FOV相比，将单色光的向外耦合光栅的FOV在至少一个方向上扩展至少50％，尤其至少75％。
典型地，子区域的数目是10或更多，诸如10–10000，尤其是20–3000，例如20-300。
在一些实施例中，形成向外耦合区域的子区域的每一者具有在其中所包含的双周期性光栅的两个主方向上至少是十个光栅周期的大小。即，在子区域的至少一些截面中，存在至少十个全光栅周期。该大小可以是在两个主方向上例如10–50000个周期，诸如100–5000个周期。
在一些实施例中，本发明的元件是作为级联布置的波导堆叠的一部分。因而，取代直接向用户的眼睛提供光，该元件可以是并且被适配成向系统的另一波导馈送，即充当另一波导的光源。
本发明可用于增强现实、虚拟现实和混合现实应用中，尤其是近眼(NED)显示器，在上述应用中目的是呈现携带信息的图像。然而，本发明还虑及在其他应用(包括其中光场不旨在携带特定信息的情况，诸如在装饰性或消费电子照明应用中，例如背光显示器的光面板)中的光场扩展。例如，在液晶显示器中，背光照明是在系统的边界上，而光必须被均匀地散布在整个显示区域上。
接下来，参考附图更详细地讨论本发明的各实施例及其优点。
附图简述
图1和2以侧视图和透视图解说了NED和用户的眼睛。
图3以示意性透视图解说了根据一个实施例的衍射元件。
图4和图5分别解说了将向外耦合区域分成诸子区域的规则和不规则细分。
图6解说了本发明的波导的光学操作。
图7-11示出了在衍射元件的不同配置中的波向量图。
图12-15解说了衍射元件内部的射线传播。
实施例的详细描述
定义
“波导”是指能够经由其中的全内反射来引导光的结构。
“向外耦合区域”是一种衍射结构，该衍射结构能够在其至少一部分上(诸如在其每个位置处)将在波导(该结构被布置到其上)内部行进的光耦合出波导。
“出射光瞳扩展”是指以受控方式在波导中散布光以便扩展光的向外耦合可能发生的区域的过程。
“子区域”在本文中是指向外耦合区域的一部分，该部分能通过其光栅图案的属性相对于其他子区域区分开来。
“双周期性光栅图案”是指由以周期性形式布置的基本特征形成的光栅图案，以使得光栅具有在第一(侧向)角度处的第一周期和在与第一角度不同的第二(侧向)角度处的第二周期。因而，在由诸周期限定的诸方向之间存在非零角度。角度可以是例如1-90度，诸如恰好90度。因而，本文中的光栅图案的特征在于这两个周期、在诸周期之间的角度和基本特征的自由形式形状的集合，即光栅的微观结构(“光栅属性”)。双周期性光栅图案的这两个周期都在光学衍射范围内，通常为1μm或更小，诸如200–800nm。每个双周期性光栅图案可以由被布置在彼此靠近的单个层或多个层中的基本特征形成，以便形成光学上的单个光栅。
应当注意，不排除在双周期性子区域之中使用具有一维(即单周期性)光栅图案、空隙(void)或任何其他结构的子区域。
“基本特征”是指最小的周期性地重复的结构，其在至少一个维度上形成光栅并且能通过其折射率与其周围的(诸)材料区分开来。
“侧向”是指平行于波导的表面和被布置到其的(如由其周期限定的)光栅的平面的平面内方向。
基本特征的“侧向形状”是指其在侧向平面中的覆盖区(footprint)。典型的侧向形状包括但不限于矩形、三角形、六边形、八边形、椭圆和圆形。在此，非常复杂和不规则的侧向形状同样是可能的。
基本特征的“高度轮廓”是指其在与侧向平面成法向且与特征相交的任何平面处的截面形状。典型的高度轮廓包括但不限于二元(矩形)、三角形和闪耀(blazed)轮廓。
所选实施例的描述
概览
接下来，呈现了用于在实践中执行本发明的所选实施例和设计规则。具体而言，描述了一种其中出射光瞳扩展和向外耦合区相组合的结构，由此波导表面的显著部分(或甚至整个波导表面，除了潜在的向内耦合区域)可被用作向外耦合区域。这使得可以用“眼镜”外形来设计例如AR显示器，以使得向外耦合区域填充每只眼睛的透镜的整个表面积。典型地，向内耦合区域驻留在视场外部(例如，透镜附连到框架的位置)，并因此将不会影响透镜区的使用。
所提出的结构能够在理论上尽可能多地利用可用的波导“模式”以供光场传播。提出了一些设计规则，这些规则可被应用以实现这种利用。这些设计规则要求每个图像像素由至少三个射线方向(其凸组合包括所有可能的传播方向)表示。除此基本限制外，波导或波导“模式”中的传播方向的全色域可被用于图像/信息传输。
本发明主要在包括头戴式显示器(HMD)，尤其是NED的个人可穿戴显示器应用的上下文中描述。在这些应用中，目标是使用向外耦合区域形成可查看图像，该可查看图像如实地表示被耦合到波导的原始图像，因而当光从向内耦合位置行进到向外耦合位置并且出射光瞳扩展在它们之间时保留像素颜色和相对像素位置。然而，可以应用相同的原理来实现例如甚至用于LCD显示器或装饰性照明设备的白光背光。
元件配置
图1和2解说了用于增强现实应用的近眼(NED)设备，其中叠加在眼睛的正常视野上的图像由位于眼睛附近(通常距离瞳孔18几厘米)的向外耦合区域16产生。近眼设备的一种可能的外形是图2所示的“眼镜”外形，其中近眼设备代替(无视觉矫正)或坐落在眼镜透镜的顶部上(视觉矫正)。在这样的配置中，图像例如通过投影仪或其他显示设备在眼镜框架中被产生，从而产生入射光射线12的波束，该入射光射线12照亮波导10的向内耦合光栅14。在向内耦合光栅14处，光被衍射并且光场被波导10携带到向外耦合区域16，在该向外耦合区域16中光被向外耦合，并且其照亮用户眼睛的瞳孔18。
图2的配置仅是一个特定示例，并且许多不同的变化和配置是可能的。即，波导10及其向内耦合区域、向外耦合区域16可以被不同地布置。尤其是当使用结合了向外耦合和出射光瞳扩展的当前公开的向外耦合区域时，若干种变化是可能的，因为其通过消除对分开的向外耦合光栅的需要而释放了波导的表面积，并且还提供例如与(诸)向内耦合光栅的定位相关的其他设计自由度。
该配置可以使得设备为一只或两只眼睛提供图像，但是双眼功能性也可以通过使用两个分开的设备(每只眼睛一个)来被达成。这里描述了单眼或每只眼睛分开的配置，但是相同的原理同样恰适地适用于也被本发明所涵盖的双眼设置。
图3示意性地示出了根据本发明的一个实施例的波导结构30。其包括全内反射发生所处的两个主表面30A、30B，以及其中进行波传播的波导30(也被称为波导本体)。波导30的一个主表面30A完全或部分地被衍射双周期性向外耦合区域36覆盖，该衍射双周期性向外耦合区域36可以修改波导30内部的光场32E并且将光射线32G从波导30耦合出。用数字32C表示从向内耦合光栅34行进到向外耦合区域36的波。来自环境的光射线32H以最小的失真穿过光栅(在透视应用中，诸如AR)。
向外耦合区域36被划分成若干双周期性子区域36A，这些双周期性子区域36A具有不同的微观结构但具有相同的周期和这两个周期之间的相同角度以及在波导30上的相同的相互取向。
在图3中，解说了一实施例，其中波导30的仅一个主表面30A设置有向外耦合区域36。在一些实施例中，两个主表面30A、30B均设置有类似或不同种类的双周期性向外耦合区域，其被划分成具有不同微观结构的子区域。这具有的优点在于，当光在波导30内部行进时，光在每个表面30A、30B处被修改。
图4和图5示出了不同的向外耦合区域配置的两个实施例。两者都涉及其中波导40、50上的区域46、56沿着其主表面的方向被二维地划分成相邻的子区域46A、56A的几何结构。在每个子区域46A、56A内，存在其属性未改变的光栅图案。即，子区域内部的光栅图案是侧向地恒定的。细分可以是如图4所示的规则的，诸如由矩形或其他规则瓦块组成的细分，或者可以是如图5所示的完全不规则的。细分也可以处于这两种极端之间，即周期性或伪周期性的。
在一些实施例中，每个子区域具有相同的侧向形状。在一些替代实施例中，子区域的每一者具有与至少一个其他子区域的侧向形状不同的侧向形状，即，有至少两种不同的子区域形状呈现。此外，在一些实施例中，子区域的每一者具有与每个其他子区域的侧向形状不同的侧向形状。总体上的向外耦合区域可以具有任何侧向形状。
如果在波导的两个表面上的向外耦合区域被使用，则上述内容分别适用于这两个区域。
虽然在此解说了其中主表面是平坦的此类波导，但是本发明同样适用于具有弯曲表面(尤其是球形表面的区段)的波导。类似地，虽然这里将波导本体视为具有恒定的折射率，但是在本发明的范围内，也可以考虑其他波导结构，诸如梯度折射率轮廓和与衍射光栅相间隔的恒定折射率材料的堆叠、或甚至波导本体的堆叠。
在图4和图5中未具体解说一个或多个向内耦合区域。它们可以从向外耦合区域侧向地分开或者与其毗邻。尤其应注意的是，图4或5中所例示的任何子区域46A、56A本身都可以用作向内耦合区域，或者尤其是当设置有最大化向内耦合效率的专用向内耦合光栅图案时。应当注意的是，如果若干向内耦合区域被使用，则它们可以被一致地考虑，因为为了确定这里所讨论的向外耦合配置，并不需要知道向内耦合功能是如何在不同区域之间被划分的。
元件的光学操作
经细分的双周期性向外耦合区域，以及通常还有一个或多个双周期性向内耦合区域虑及针对每个图像像素使用三个且通常甚至更多个射线方向。这意味着从向内耦合区域到向外耦合区域的射线路径将包含在不同方向上传播的射线(即，它们不趋向任何特定方向)。这也意味着用于不同图像像素和用于不同波长的射线路径将彼此显著地不同，因为射线路径实质上表示混沌撞球(chaotic billiard)的形式。当优化波导结构的性能以满足设定的设计准则(效率、均匀性等)时，可变性提供了显著的设计自由度，因为通常最佳设计表示在各个个体射线的特性之间的折衷，这些个体射线现在可以被方便地彼此区分开来。设计准则将稍后在本文档中被详细讨论。
与单周期性光栅的使用相比，双周期性光栅的使用还提供了设计自由度的更丰富源泉。这种丰富性归因于表征此类光栅的参数的实际上平方了的数目，然而它们的(在周期性平面中的)二维特征也提供了更容易识别的益处。事实上，我们注意到，在二元光栅的情形中，鉴于单周期性二元光栅由其周期、高度以及其过渡点来完全地表征，双周期性二元光栅由其两个周期、诸周期之间的角度和自由形式的二维形状的集合来表征。形状或区域的自由形式为双二元光栅提供了比单周期性二元光栅显著更大的设计自由度。
在给定二元光栅相比高度变化更为复杂的光栅更容易制造的情况下，这些设计自由度被直接转换成与实际所制造的产品相关联的益处(更好的性能等)。然而，不排除本文中的光栅是非二元的，即具有不止两级高度轮廓。
当此类光栅被用于射线的向内耦合和向外耦合时，使用双周期性光栅还提供了允许以尽可能的最大程度使用传播模式的环(annulus)(也参见下面例如参考图7的详细讨论)。如稍后在本文档中更广泛地讨论的，图像区域与环区域的比率的理论上限为33％，但对于实际应用，对单色显示器而言该比率约为12％，而当显示整个可见光谱时该比率为8％，这分别转换约90°和70°的视场(当宽高比为16:9时)。这可以与比例4％和2％(能由其中单周期性光栅被使用的系统达成的对应视场50°和35°)形成对照。附加地，只要相对简单的设计规则被遵循，当前的高面积比便自动地可用于几乎任意波导几何结构，而其中分开的场扩展区域被使用的系统则必须针对每个几何结构被手工调谐以达到最大面积比，该最大面积比此外强烈地取决于波导几何结构。
虽然这些考虑适用于单波导系统，但是本发明也可以在多波导设置中被使用，这些多波导设置包括其中图像的(例如，在空间和/或频谱上完全或局部地分离的)不同部分在不同波导中传播的系统，以及其中一个或多个波导的向外耦合区域可以作为用户眼睛的替换或补充或者取代光源本身来馈入一个或若干个波导的(诸)向内耦合区域的系统。
因为在此双周期性光栅被使用，所以与此类光栅相关的自由度可以被利用。当与单周期性光栅比较时，这些自由度包括附加周期和在周期性的方向之间的角度。
双周期性光栅的使用意味着每个光栅可以在环和内圈内部在入射射线的所有“模式”之间进行耦合。对于单周期性光栅，只能通过在波导的不同位置处使用若干光栅才能获得相同的结果，这从设计的角度来看是成问题的，因为从一个光栅过渡到另一个光栅需要传播，并因此处理是非局部的且需要仔细考虑传播方向。
特别地，对于双周期性光栅，可以利用在图的内圈中具有非零级模式(即，在波导外部传播而不在波导内部传播的模式)的射线。该特征使得可以最大程度地利用传播模式环区域以供图像传输。如果设计规则被遵循，则向不希望的方向中漏光不会损害图像质量，并且使用这些射线所意味的效率损失是可以由优化过程利用并控制的设计自由度。
设计原理
接下来，解释了允许本领域技术人员优化子光栅的形状和光栅图案的属性以出于不同目的实现当前种类的各种元件的关键原理。
出于显示目的的波导优化的目标是找到用于向内耦合和向外耦合区域的一组光栅，以使得每个显示像素在至少一个向内耦合区域中被耦合到波导中，并以足够的空间频率来跨向外耦合区域被复制，使得如由从向外耦合区域发出的射线产生的观察者眼睛的视网膜处的图像是对原始图像的如实重构。
如实表示的基本概念在于，原始图像的每个像素相对于图像的其他像素被正确地映射。在当前几何结构中，图像的像素由在到达向内耦合区域之前在特定方向上传播的传入射线表示。因此，在最优或接近最优的情形中，如实表示意味着
I.此类入射射线在离开向外耦合区域之后应保持其方向(或其简单的映射，诸如镜面反射)。
II.像素光谱到CIE空间的投影(其对应于人眼的光谱响应)被维持。在实践中，这意味着当作为整体被考虑时，光波长的某些组合应保持(近似地)不变。
III.像素间强度关系保持不变。
IV.总强度(输出强度)被最大化。
V.上面提到的准则I-IV跨眼箱(eye-box)，即查看的向外耦合区域或其一部分，是(近似地)均匀的。这是因为人眼相对于显示设备所提供的照明通常不是静止的。
VI.在所有瞳孔位置处，与每个像素相对应的至少一条射线到达眼睛，这基本上对空间频率设置了下界，此类射线应以该下界从向外耦合区域发出。
实际上，通常不可能恰好满足所有上面提到的准则。然而，对于实际目的，仅满足准则I(射线传播方向)和IV(射线退出点的足够空间频率)通常就足够了。这可以通过本身已知的衍射波导计算来被显式地执行。可以显式地或通过计算机优化来近似满足其余准则。通常，这些准则之间的折衷是可接受的。因此，固定光栅几何结构(即，周期、诸周期之间的角度、光栅的子区域的形状和位置)便足够了，以使得准则I和VI被满足，同时具有足够设计自由度的优化算法也可被用来保证其中准则II-V被以足够的准确度程度满足的优化结果解决方案可以被找到。具体而言，优化算法被配置成确定每个子区域中基本特征的形状(即微观结构)，以使得准则II-V被以预定程度满足。
参考图6，准则I和VI两者与射线在波导中的传播相关。射线的传播方向最方便地用对应平面波的波向量除以其在真空中的长度(即向量ρ)来描述。为了简化说明，我们现在将集中于平面波导，但是类似的设计准则适用于球形波导。作为本发明的关注点，我们还只考虑了双周期性光栅。然后让我们考虑一坐标系，其中z轴垂直于波导的(平面)主表面，以使得除了恒定z坐标外，这些表面上的任何点都可以用其x和y坐标来表示。然后，任何射线的传播属性完全由向量ρ的x和y分量ρx和ρy(此外其在射线穿入波导或从波导穿出时保持不变)指定，通过波导主表面处的全内反射来被反射，或者被光栅衍射至(0,0)衍射级。较高的衍射级由pa+qb形式的ρ的偏移来描述，其中向量a和b与光栅的两个周期和波长相关，而整数p和q是对应的衍射级。向量ρ的z分量由ρ的长度等于射线在其中传播的材料的折射率n的事实来被确定。具体而言，由于平面波导的厚度d是恒定的，因而由此得出z分量确定了xy坐标系中的其中射线击中主表面的两个连贯位置之间的空间距离r(图6)。我们可以用向量r显式地表示xy平面中的偏移，向量r带有rx＝cρx/ρz和ry＝cρy/ρz，其中c是常数，而ρz 2＝n2-ρx 2-ρy 2。
然后可以通过ρxρy空间中的图(图7)方便地解说射线相对于波导的行为，其中每条射线由点表示，其半径等于波导外部的材料的折射率的内圈表示在波导外部传播的射线(图7：A)，其半径等于波导的折射率的外圈表示在波导内部传播的射线(图7：A,B)。位于由两个圈定义的环(图7：B)中的那些射线在波导内部传播，但在其主表面处经历全内反射，也就是说，它们表示波导的“模式”。正是这些射线可以被用来将图像从波导的一个部分转移到另一部分。由于图像本身(图7：C)在波导外部传播，因此其必须由在波导外部传播的射线表示，且由此始终位于内圈内部。其可以通过向内耦合区域中的光栅来被移入环中(图7：D)，并且可以通过向外耦合区域中的光栅来被移回。我们注意到，射线在波导主平面中的传播方向(r的方向)直接由从原点指向表示图中射线的点(图7：F)的向量(图7：E)给出，但是要获得r本身，向量的长度必须附加地乘以因子c/ρz。
现在让我们假设射线通过向内耦合光栅进入波导，并从任一波导表面上的一个衍射光栅传播到另一波导表面，直到其最终被这些光栅中的一者向外耦合。我们还假设所讨论的所有射线对应于相同波长的光。
在此，单色显示器作为一种有用的应用领域被讨论。然而，这并不构成对此处所提出的原理的根本限制，并且技术人员可以通过同时考虑其中所有不同波长的设计准则来将设计准则直截了当地扩展到整个可见光谱。
从准则I中我们观察到，对于所有经向外耦合的射线，图中的射线位置必须与进入了向内耦合区域的射线相同，即ρx和ρy应不变。如果我们用j标记当穿越波导时射线已穿过的光栅，则沿射线路径的总偏移ρ可以被写为pjaj+qjbj形式的贡献之和。考虑到进入波导的每条射线将被拆分成在每个光栅处传播成不同衍射级(不同的pj、qj)的子射线，我们观察到，作为保证该求和对所有经向外耦合的子射线而言消失的第一步骤，对所有j取aj＝a和bj＝b最为方便。也就是说，我们将系统中所有光栅的双周期性(向内输入和向外耦合)固定为相同的配置，即我们固定周期和它们的方向。这种配置仍留下了对应于不同衍射级的传播射线在环中或在内圈内部交叠的可能性。
从几何学上直截了当地看出，如果a和b相对于固定的图像形状被选择，以使得图像的所有较高衍射级在内圈外部，则这也自然意味着图像的所有衍射级相互分开。从内圈中将除(0,0)衍射级以外的所有衍射级排除是有意义的，因为这确保了图像仅在预期的方向上被向外耦合。然而，为了将环区域充分地用于传播模式(参见下文)，允许图像在不与原始图像交叠的方向上被向外耦合(即，允许除(0,0)以外的其他级在内圈内部具有贡献)无论如何是有用的。此准则还足以保证环中无交叠。
准则VI可以被解释为要求对于向外耦合区域中的每个点P，对于被向内耦合到波导中的每条射线，必须存在在足够接近P的点Q处访问(击中)向外耦合区域的某条射线路径。为使这发生，有必要
a)与给定的经向内耦合的射线相对应的射线路径可以“填充”向外耦合区域，以及
b)该填充足够密集。
这里，我们集中于(a)，因为只要(a)成立，则(b)原则上可以通过使波导足够薄来被满足，这是由于减小波导厚度减小了常数c。此外，在实践中，射线路径的配置也可被用来增加填充的密度。为了获得对任何给定的经向内耦合的射线的可能射线路径的洞悉，我们固定光栅的周期以使得两个方向上的不高于-1、0、1的衍射级((0,0)级除外)对应于在波导中传播的射线，但这并非此处所提出的本发明的基本限制，并且在需要时可以将较高衍射级直截了当地包含到分析中。
如图8所示，可以方便地以图形方式呈现图像射线(图8：A)到对应的波导模式(图8：B)的映射。该图还示出了如何将特定的经向内耦合的射线(图8：C)耦合到在波导中传播的模式(图8：D)中，以及对应的传播方向向量(图8：E)。从这些向量ρ中，我们可以如前所示在主平面中计算对应的传播向量r。然后可以将其中与经向内耦合的射线相对应的射线路径击中主表面(填充)的点的集合表示为这些向量r与非负整数系数的线性组合。为了获悉这样的组合填充向外耦合区域的程度，考虑非负实系数无论如何是更为方便的，因为该线性组合等效于可以直接从图中的向量获得的线性组合。
现在让我们假设，不知道任何有关向内耦合区域和向外耦合区域的位置关系的先验知识，由此可以简单地将向外耦合区域的可达性或填充属性描述为以下要求：波导主表面上的每个点能从相同表面上的任何其他点到达。该假设使本发明的办法明显不同于传统办法，在传统办法中，假设并大量利用了向内耦合和向外耦合区域之间的特定几何关系。具体而言，当知道这两个区域之间的关系时，被用来表示经向内耦合的射线的波导模式可以被选择成使得它们在(诸)正确方向上传播。这就需要仔细布置和选择单周期性光栅的光栅周期。同样，这意味着模式环的仅相对小的部分(通常是象限的一部分)可被用来传播经向内耦合的图像。
给定特定的经向内耦合的射线，对于主表面上的能从该表面上的任何其他点到达的所有点，任何二维向量都必须被表示为与表示经向内耦合的射线的传播模式相对应的向量的非负线性组合。具体而言，这意味着零向量必须能表示为这些向量的凸组合，这意味着图中的原点必须是表示传播模式的点的凸包的内部点(在内部，但不在边界上)(“原点原理”)。因为原点是内部点，所以存在半径不为零的以原点为中心的球，在该球内部，所有点(始于原点的向量)都可以被表示为模式向量的凸组合。由于该球可以被缩放以填充所有空间，因而由此得出，任何二维向量都可以被表示为模式向量的非负组合。因此，可达性等效于“原点原理”(其指定了经向内耦合的射线的传播模式必须满足以使射线路径填充所有空间(向外耦合区域)的最低要求)，因此提供了虑及当前元件的有利的实际实现的设计规则。该设计规则具有直接的推论，那就是必须存在与每个经向内耦合的射线相对应的至少三种不同模式以使该射线的射线路径能够填充所有空间，因为少于三个点无法描述具有内部的凸包(面积非零的多边形)(“模式原理”)。设计规则由图8和9中的示例满足，但被图10和11中的示例违反(凸包在所有这些示例中均由虚线表示)。
该推论的直接结果是，必须被完整地传播的图像在ρxρy空间中的面积不能大于传播模式的环的面积的1/3。由于对于固定的宽高比，该图像区域与FOV有关，因此该限制针对任何系统对FOV设置了上确界，其中波导是平面的并且向内耦合和向外耦合通过光栅来完成。典型地，然而，该界限极其高估理论上可达成的FOV，因为大多数经向内耦合的射线通常由不止三种传播模式表示(例如参见图9)。
对于实际的波导，其中射线路径击中(诸)主表面的位置由向量r的非负整数组合给出，如图12中所解说，在图12中针对当图8的传播模式被应用时的特定起始位置(经填充的圆)示出了长度为3或更小的射线路径。对于具有矩形主表面的波导，由最大长度(跳行(hop)、主表面击中数)6、11和21的射线路径访问的位置的集合如图13所示，其中起点被标记为圆。
如该示例所示，即使当设计规则成立时，可到达的位置也不会形成填充所有空间的连续统，而是仅包括分散在整个空间中的离散点集。由此，设计规则导致要求(a)的履行，然而只有在色散图案与由波导厚度设置的长度尺度以及相关射线路径的典型长度(承载对最终结果有意义的足够强度的那些射线路径)一起导致波导几何结构内的位置的足够密度的情况下，(b)才被履行。此外，该密度还受到波导主表面的有限性和特定几何结构的影响，如图14和15中的示例所示。在图14中，起始点位于主表面的拐角附近，而在图15中，主表面在中部有一个孔。因此，对于实际的波导设计，我们必须通过仔细分析波导主表面的几何结构、(诸)向内耦合区域的位置以及相对于由对图像中所有像素可用的模式提供的传播方向的波导厚度来增强上面提出的设计规则，以便满足准则VI。
应当注意，给定入射射线的所有子射线所遍历的射线路径的总数对入射射线方向极为敏感。这部分原因是传播模式环中的位置数相对于入射射线方向具有跳跃不连续性，且部分原因是所进行的跳行的大数目以及向外耦合区域中衍射光栅的空间分布意味着传播方向中的微小改变会导致不同光栅被遍历的事实。此外，在具有多个波长的应用中，衍射级的波长依赖性意味着射线路径的总体对辐射的波长也极其敏感。射线路径的巨大可变性意味着，即使对于在波长和传播方向的意义上接近的射线，射线路径中也存在差异，且因此系统中存在可以在设计元件时被利用的大量设计自由度。
如可以从上面提出的设计规则看出，目前的经组合的出射光瞳扩展和向外耦合方案基本上仅取决于光栅的周期性和波导的厚度，基于这些规则的波导几何结构可以支持任何数目的向内耦合区域。多个向内耦合区域在需要多个光源/图像源时是有用的，因为在波导外部不需要这些光源的显式混合。这样的应用的示例是，例如，当单色激光的三和弦(红色、绿色、蓝色)被用来在系统的向内耦合侧产生全色图像时。因为在向内耦合区域和向外耦合区域之间不需要特定几何关系(可达性除外)，所以可以将其用于具有复杂几何结构的波导。
上面的讨论聚焦于向内耦合光栅型NED的实现，其中利用用于向外耦合和出射波束扩展的当前衍射元件在波导内部传播全图像。在一般的照明解决方案或背光解决方案中，由于没有要显示的特定图像，而是目的只是在波导内散布白光或其他波长光谱，因此设计更为直截了当。
引用列表
专利文献
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US 8160411

Claims (20)

1.一种衍射元件，包括：
波导(10, 30, 40, 50)，
被布置在所述波导(10, 30, 40, 50)的表面上或内部的衍射向外耦合区域(16, 36,46, 56)，所述向外耦合区域(16, 36, 46, 56)包括相对于彼此被侧向地布置且被适配成将在所述波导(10, 30, 40, 50)中传播的光耦合出所述波导(10, 30, 40, 50)的多个子区域(36A, 46A, 56A)，其特征在于：
所述子区域(36A, 46A, 56A)各自包括具有在第一方向上的第一周期和在与所述第一方向不同的第二方向上的第二周期的双周期性光栅图案，其中存在具有不同光栅图案的至少两个子区域(36A, 46A, 56A)，所述至少两个子区域的光栅图案是不同的，在于它们由限定所述第一和所述第二周期的被不同地成形的周期性地布置的基本特征形成，并且其中所述基本特征具有不同的侧向形状、高度轮廓或者侧向形状和高度轮廓两者。
2.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述子区域(36A, 46A, 56A)的每一者的光栅图案具有相同的第一周期、相同的第二周期，以及在所述第一和第二周期之间的相同角度。
3.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述至少两个子区域(36A, 46A, 56A)的光栅图案被适配成扩展所述元件的出射光瞳并且同时使在所述波导中传播的光向外耦合。
4.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，在每个子区域(36A, 46A, 56A)内，所述光栅图案是侧向地恒定的。
5.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述子区域被以规则栅格布置，以使得它们覆盖所述波导的毗连区域，或者所述子区域被以不规则的形式布置，以使得它们覆盖所述波导的毗连区域。
6.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，包括在所述波导(10, 30, 40, 50)的两个相对的表面上的所述衍射向外耦合区域。
7.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述子区域(36A, 46A, 56A)的每一者的所述双周期性光栅图案不同于任何其他子区域(36A, 46A, 56A)的双周期性光栅图案。
8.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述子区域(36A, 46A, 56A)的所述光栅图案被选择以使得各自用相同的衍射级但以不同的衍射效率来衍射光。
9.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，包括被布置到所述波导的一个或多个衍射向内耦合区域(34)，所述一个或多个向内耦合区域(34)被适配成将导向其的光衍射地耦合到所述波导，以供经由全内反射传播到所述向外耦合区域(16, 36, 46, 56)。
10.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述子区域(36A, 46A, 56A)的形状和位置以及所述子区域(36A, 46A, 56A)的光栅图案被选择以使得与能使用单周期性光栅和相同波导材料达成的FOV相比，将单色光的向外耦合区域(16, 36, 46, 56)的FOV在至少一个方向上扩展至少50 %。
11.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述子区域(36A, 46A, 56A)的形状和位置以及所述子区域(36A, 46A, 56A)的光栅图案被选择以使得与能使用单周期性光栅和相同波导材料达成的FOV相比，将单色光的向外耦合区域(16, 36, 46, 56)的FOV在至少一个方向上扩展至少75 %。
12.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，子区域(36A, 46A, 56A)的数目是10个或更多个，并且每个子区域(36A, 46A, 56A)的大小在所述第一方向和所述第二方向上都为至少十个光栅周期。
13.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述元件包括至少一个第二波导，所述至少一个第二波导与包括所述向外耦合区域(16, 36, 46, 56)的所述波导(10, 30, 40,50)在光学上功能地相连接。
14.一种光学产品，包括根据前述权利要求中任一项所述的衍射元件和被适配成将光引导至所述衍射元件的光源。
15.根据权利要求14所述的光学产品，其特征在于，所述产品是个人显示设备，其中所述光源是图像投影仪，或者所述产品是照明设备，或者所述产品是显示元件的背光元件。
16.根据权利要求15所述的光学产品，其特征在于，所述产品是虚拟现实、增强现实或混合现实显示设备。
17.一种产生可见图像的方法，包括：
将光引导到波导(10, 30, 40, 50)，
使用衍射向外耦合区域(16, 36, 46, 56)将所述光耦合出所述波导(10, 30, 40,50)，所述衍射向外耦合区域被布置到所述波导(10, 30, 40, 50)并且能够同时地扩展出射光瞳并将光耦合出所述向外耦合区域(16, 36, 46, 56)，所述向外耦合区域(16, 36,46, 56)包括相对于彼此被侧向地布置的多个不同的子区域(36A, 46A, 56A)，其特征在于：
所述子区域(36A, 46A, 56A)各自包括具有在第一方向上的第一周期和在与所述第一方向不同的第二方向上的第二周期的双周期性光栅图案，其中存在具有不同光栅图案的至少两个子区域(36A, 46A, 56A)，以便同时地扩展所述出射光瞳并通过在其每个位置处的所述至少两个子区域(36A, 46A, 56A)将光耦合出所述向外耦合区域(16, 36, 46, 56)，所述至少两个子区域的光栅图案是不同的，在于它们由限定所述第一和所述第二周期的被不同地成形的周期性地布置的基本特征形成，并且其中所述基本特征具有不同的侧向形状、高度轮廓或者侧向形状和高度轮廓两者。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述光以以下方式被引导到所述波导
通过被布置在所述波导(10, 30, 40, 50)上的向内耦合光栅引导到所述波导，或者
从所述波导(10, 30, 40, 50)的侧向面引导到所述波导。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，包括使用根据权利要求1所述的衍射元件或根据权利要求14所述的光学产品。
20.一种双周期性光栅，其特征在于，所述双周期性光栅具有不同的光栅图案并且相对于彼此在单个波导上被侧向地布置作为毗连的向外耦合区域(16, 36, 46, 56)，以用于同时扩展衍射元件的出射光瞳并将光从所述衍射元件向外耦合，所述光栅图案的不同在于它们由限定第一和第二周期的被不同地成形的周期性地布置的基本特征形成，并且其中所述基本特征具有不同的侧向形状、高度轮廓或者侧向形状和高度轮廓两者。
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