CN111247465A - 梳状移位式斜交镜 - Google Patents

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Abstract

公开了在光栅介质的不同区域上具有梳状移位全息图组的光学系统。第一组全息图可在光栅介质的第一区域中形成，并且第二组全息图可在光栅介质的第二区域中形成。第一组中的全息图中的每个全息图可具有与第一组光栅频率不同的相应光栅频率。第二组中的全息图中的每个全息图可具有与第二组光栅频率不同的相应光栅频率。第二组光栅频率可位于第一组光栅频率中的光栅频率之间的相邻频率间隙内。梳状移位全息图组可用于执行光瞳均衡、输出耦合、输入耦合、交叉耦合或其他操作。

Description

梳状移位式斜交镜
本申请要求2017年10月4日提交的美国临时专利申请号62/568,270的优先权，该美国临时专利申请以其全文以引用方式并入本文。
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
所描述的特征总体涉及用于衍射光的一种或多种经改进的方法、系统或设备，以及包括光栅结构的光学衍射设备。该方法、系统或设备可采用梳状移位式斜交镜。
在一些示例中，光学设备可包括光栅介质、光栅介质的第一区域中的第一组全息图和光栅介质的第二区域中的第二组全息图。第一组中的全息图中的每个全息图可与第一组中的其他全息图中的每个全息图至少部分地重叠。第一组中的全息图中的每个全息图可具有与第一组光栅频率不同的相应光栅频率。第二组中的全息图中的每个全息图可与第二组中的其他全息图中的每个全息图至少部分地重叠。第二组中的全息图中的每个全息图可具有与第二组光栅频率不同的相应光栅频率。第二组光栅频率可位于第一组光栅频率中的光栅频率之间的相邻频率间隙内。
在一些示例中，光学系统可使用梳状移位式斜交镜来执行光瞳均衡。例如，光学系统可包括具有第一区域和第二区域的光栅介质，其中第二区域具有第一子区域和第二子区域。第一组全息图可在第一区域中形成，其中第一组全息图被配置为在第一方向上衍射输入光的第一部分并且将输入光的第二部分传递至第二区域。第二组全息图可在第一子区域中形成。第三组全息图可在第二子区域中形成。第二组全息图和第三组全息图可被配置为在不同于第一方向的第二方向上衍射输入光的第二部分。第三组全息图可相对于第二组全息图进行梳状移位。
在一些示例中，头戴式显示设备可包括第一基板和第二基板以及介于第一基板和第二基板之间的光栅介质。光栅介质可具有第一非重叠区域和第二非重叠区域。协同定位的第一全息图和第二全息图可在第一区域中形成。第一全息图可具有第一光栅频率并且第二全息图可具有第二光栅频率，该第二光栅频率与第一光栅频率由相邻频率间隙隔开。协同定位的第三全息图和第四全息图可在第二区域中形成。第三全息图可具有在相邻频率间隙中的第三光栅频率。
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是例示性头戴式显示器(HMD)的示意图，其中可根据一些实施方案实施本文所包括的原理。
图2A是示出根据一些实施方案的例示性斜交镜在真实空间中的反射属性的示意图。
图2B示出了根据一些实施方案的k空间中的例示性斜交镜。
图3A是根据一些实施方案，结合了斜交镜出射光瞳均衡的例示性光学系统的示意图。
图3B是根据一些实施方案，支持斜交镜光瞳均衡的例示性曲线图。
图4A是根据一些实施方案，支持斜交镜光瞳均衡的例示性光学结构的透视图。
图4B和图4C是根据一些实施方案，支持斜交镜光瞳均衡的例示性光学结构的平面图。
图5是根据一些实施方案，具有多个光栅结构的例示性光学部件的示意图。
图6是根据一些实施方案，可用于制造斜交镜的例示性系统的示意图。
图7示出了根据一些实施方案，表现出相邻频率间隙的一组全息图的例示性k空间和衍射光响应图。
图8示出了根据一些实施方案，例示性梳状移位式斜交镜可如何在光栅介质的不同区域中包括梳状移位全息图组。
图9是根据一些实施方案，可用于测量斜交镜的响应的例示性测量系统的示意图。
图10是根据一些实施方案，针对不具有梳状移位的斜交镜，强度作为旋转角度的函数的曲线图。
图11是根据一些实施方案，针对在光栅介质的不同区域中具有梳状移位全息图组的例示性梳状移位式斜交镜，强度作为旋转角度的函数的曲线图。
图12示出了根据一些实施方案，针对没有梳状移位的斜交镜和例示性梳状移位式斜交镜，衍射效率和衍射功率作为出射光瞳位置的函数的曲线图。
图13是示出根据一些实施方案，可如何在执行光瞳均衡的输出耦合器中实现例示性梳状移位式斜交镜的示意图。
图14是示出根据一些实施方案，可如何在输入耦合器中实现例示性梳状移位式斜交镜的示意图。
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。参考与梳状移位式斜交镜相关的装置图和系统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。
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在本文中有时可称为体积全息光栅结构110。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平面的某种曲率。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(例如，斜交镜110的每个光栅结构具有基本相同的反射轴)。
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，610nm至780nm)带、绿色波长(例如，493nm至577nm)带和蓝色波长(例如，405nm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。空间变化的折射率分量的k空间分布通常被表示为
Figure BDA0002435914090000091
Figure BDA0002435914090000092
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：
Figure BDA0002435914090000093
其中
Figure BDA0002435914090000094
为所有
Figure BDA0002435914090000095
空间矢量位置处的光学标量场分布，并且其变换
Figure BDA0002435914090000096
为所有
Figure BDA0002435914090000097
空间频率矢量处的光学标量场分布。Ar为场的标量复振幅；并且
Figure BDA0002435914090000098
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
Figure BDA0002435914090000099
因此，所有光学传播矢量必然位于半径为
Figure BDA00024359140900000910
的球体上，其中n0是全息图的平均折射率(“体折射率”)，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
Figure BDA00024359140900000911
可被称为折射率调制图案，其k空间分布通常表示为
Figure BDA0002435914090000101
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：
Figure BDA0002435914090000102
其中
Figure BDA0002435914090000103
是第一记录光束场的空间分布，并且
Figure BDA0002435914090000104
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
Figure BDA0002435914090000105
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：
Figure BDA0002435914090000106
其中
Figure BDA0002435914090000107
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。可以通过数学方式分别从互相关运算
Figure BDA0002435914090000108
和
Figure BDA0002435914090000109
或者通过几何方式从矢量差
Figure BDA00024359140900001010
和
Figure BDA00024359140900001011
确定全息图230的
Figure BDA00024359140900001012
空间分布的位置，其中
Figure BDA00024359140900001013
和
Figure BDA00024359140900001014
是从相应全息图
Figure BDA00024359140900001015
空间分布到原点的光栅矢量(未单独示出)。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，
Figure BDA00024359140900001016
其中
Figure BDA0002435914090000111
和
Figure BDA0002435914090000112
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。符号
Figure BDA0002435914090000113
表示，仅在
Figure BDA0002435914090000114
的情况下，即，在结果位于k球体的情况下，对前述表达式求值。卷积
Figure BDA0002435914090000115
表示偏振密度分布，并且与由探测光束
Figure BDA0002435914090000116
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)。
本文在描述k空间中的斜交镜属性时通常使用的术语“探测光束”类似于术语“入射光”，其通常在描述真实空间中斜交镜反射属性时在本文中使用。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属性时，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)、混合现实(MR)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：
Δθr cosθr＝-Δθi cosθi (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)。这样，第一全息图的至少一些变化的折射率属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属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光栅介质310的与第二全息图间隔开的体积部分上。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的第一区域312和第二区域314，从而允许光通过选择性耦合而不被削弱地传播到第一区域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：
Figure BDA0002435914090000151
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。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％，并且在距离光栅介质310的中心4mm(例如，低于)处减小约25％(例如，光栅介质310的第一区域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％，并且在距离光栅介质310的中心6mm(例如，高于)处减小约17％(例如，光栅介质310的第三区域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，610nm至780nm)带、绿色波长(例如，493nm至577nm)带和蓝色波长(405nm至492nm)带的三个单独的斜交镜光栅频带。如果需要，可以在两个维度上执行斜交镜均衡(例如，使用交叉耦合器、输出耦合器、管道型波导、板型波导等)。
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来说是不可见的(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距离出射光瞳更远，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
Figure BDA0002435914090000201
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
Figure BDA0002435914090000202
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-
Figure BDA0002435914090000203
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
Figure BDA0002435914090000204
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
Figure BDA0002435914090000205
在几何上表示，其中
Figure BDA0002435914090000206
表示衍射光束波矢量520-a，
Figure BDA0002435914090000207
表示探测光束波矢量515-a，且
Figure BDA0002435914090000208
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
Figure BDA0002435914090000211
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
Figure BDA0002435914090000212
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-
Figure BDA0002435914090000213
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
Figure BDA0002435914090000214
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
Figure BDA0002435914090000215
在几何上表示，其中
Figure BDA0002435914090000216
表示衍射光束波矢量520-a，
Figure BDA0002435914090000217
表示探测光束波矢量515-b，且
Figure BDA0002435914090000218
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6是根据本公开的各个方面用于制造具有梳状移位能力的斜交镜的系统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：
Figure BDA0002435914090000221
系统600-a可用于将记录光束配置为具有大致等于期望窥眼箱尺寸的尺寸。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θ'G2将不同于角θG1和θG2(例如，斯涅耳定律或折射定律的作用)。
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属性时称为反射轴。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的每个光栅结构均可以不同于另一光栅结构的波长反射某个入射角。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。
本文所述的斜交镜中的任何两个全息图之间的光栅频率的差值的量值有时可称为频率间隙|ΔKG|。频率间隙|ΔKG|可以是用于描述全息图“间距”(例如，任何两个全息图的光栅矢量在k空间中彼此接近的程度)的有用度量。给定全息图和相邻全息图(例如，在k空间中)之间的频率间隙|ΔKG|有时可称为相邻频率间隙|ΔKG|。
在一组多个全息图(例如，一组体积全息光栅)中，组中的每个全息图在k空间中具有对应的光栅矢量。光栅矢量具有对应的光栅矢量量值KG。当第二全息图相对于(在组中的全息图中)第一全息图的光栅矢量量值具有下一个最高或下一个最低光栅矢量量值KG时，该组中的第一全息图有时被称为与该组全息图中的第二全息图“相邻”。该组中的每个全息图与组中的一个或两个相邻全息图可由相邻频率间隙|ΔKG|隔开。相邻频率间隙|ΔKG|可为相邻全息图的光栅矢量量值KG之间的差值的量值。例如，该组中的第一全息图可具有第一光栅矢量量值KG1，该组中的第二全息图可具有第二光栅矢量量值KG2，并且第一光栅矢量量值KG1与第二光栅矢量量值KG2在k空间中可由相邻频率间隙|ΔKG|隔开。
该组中的每个全息图与该组中的一个或多个其他全息图由对应相邻频率间隙|ΔKG|隔开(例如，整个组中的相邻频率间隙不必是均匀的)。在一些实施方案中，整组全息图的平均相邻频率间隙|ΔKG|可能影响斜交镜的性能。给定全息图的光栅矢量量值KG可确定全息图的光栅频率(例如，物理空间中光栅介质中的折射率调制的频率以及布拉格匹配到全息图的光的波长)。因此，光栅矢量量值KG在本文中有时可被称为光栅频率KG。该组全息图中每个全息图均具有对应的光栅频率KG。与光栅频率KG相关联的光栅矢量的方向可给出物理空间中光栅介质中的折射率调制的方向(取向)，以及全息图衍射光的角度。光栅频率KG和频率间隙|ΔKG|可以各种单位表示，包括但不限于弧度/米(rad/m)和/或sinc峰至sinc空值(nulls)。
该组全息图的相对较小的平均相邻频率间隙|ΔKG|可对应于相对高的斜交镜图像保真度(例如，对于整组全息图而言)。然而，在一组全息图的平均相邻频率间隙|ΔKG|相对较小的情况下，为了跨越该组的给定相邻频率间隙|ΔKG|范围，该组中的全息图的总数更大。此外，由于光栅介质的记录容量通常受动态范围(通常表示为Δn)的限制，因此在一组中记录更多的全息图通常意味着该组中的每个全息图较弱(即，在介质中较为模糊地记录)。因此，在一组全息图具有相对较小相邻频率间隙|ΔKG|(需要更多全息图，其他情况相同)和该组具有较大相邻频率间隙|ΔKG|之间存在张力，这使得能够记录更少但更强的全息图。
更少更强的全息图通常导致更强的反射率或更强的输出耦合，这取决于斜交镜的几何形状和倾斜轴。在反射几何形状中，其中光与斜交镜仅有一次相互作用，当全息图的数目等价于材料的M#，使得每个全息图具有100％衍射效率时，发生最大反射率。在波导几何形状中，存在与全息记录的多次相互作用，并且相互作用的数量取决于引导角度，因此最大输出耦合更加复杂。为了优化窥眼箱效率(例如，“窥眼箱”中的光的量与其中所耦合的光量的比率)，使用更低密度的全息图。然而，这导致整个窥眼箱的显著强度变化。因此，在波导几何形状中，在大的窥眼箱效率和整个窥眼箱的强度均匀度之间存在张力。
为了减轻这些问题，斜交镜(例如，包括一组或多组体积全息光栅的体积全息光栅结构)可被配置为通过“梳状移位”写入的方法针对更大范围的角度和/或读取源频带内更大范围的波长呈现出更大的衍射效率。在一些实施方案中，斜交镜全息图梳状移位写入和在整个设计视场(FOV)上稀疏地写入全息图可能减小实现期望的性能水平所需的介质动态范围(经常表示为Δn)，或增大可获得的衍射效率。稀疏写入通常是指具有大于到sinc空值为4.0sinc峰(greater than 4.0sinc peak to sinc nulls)的相邻频率间隙|ΔKG|的多个全息图。在一些实施方案中，稀疏写入的全息图具有大约为12的相邻频率间隙|ΔKG|。在一些实施方案中，稀疏写入的全息图具有在8.0至12sinc峰到sinc空值的范围内的相邻频率间隙|ΔKG|。
图7中示出了稀疏写入的全息图的图示，该全息图减小了读取源频带内的波长范围内的衍射角的范围。图7的示例表明，读取源频带内的波长范围不朝向出射光瞳衍射。
如图7所示，k空间示意图700绘出了稀疏写入的斜交镜中全息图的分布，而示意图702是来自读取源的带宽的衍射光的代表示意图(例如，在单个方向/像素中衍射的光的光谱)。如示意图700所示，斜交镜可包括一组全息图，其中组中的每个全息图具有对应的光栅频率KG，如点714所示(例如，每个点714具有与从该点到原点的距离相对应的关联光栅频率)。组中的每个全息图可例如位于光栅介质的同一物理体积内(例如，每个全息图可与组中的其他全息图重叠和叠加)。组中每个全息图的光栅矢量可在相同的方向(例如，沿着轴线716)上取向。这样，组中的每个全息图可表现出用于在期望方向(例如，朝向窥眼箱)反射光的基本上恒定(均匀)的反射轴。每个光栅频率与该组全息图的相邻光栅频率可由相应的相邻频率间隙|ΔKG|隔开，图7中示为k空间中的点714之间的间隙712(例如，其中间隙712的长度限定相邻频率间隙|ΔKG|)。该组中可能不存在位于与间隙712相关联的相邻频率间隙内的全息图。
该组中的全息图(例如，具有与k空间中的点714相关联的光栅频率的全息图)可各自在给定方向上衍射特定波长的光(例如，全息图可与特定波长布拉格匹配)。换句话讲，组中的每个全息图可衍射对应于示意图702中的相应峰710的光。该组全息图可被配置为衍射不同波长频带诸如由包络704所示的“频带1”、由包络706所示的“频带2”和由包络708所示的“频带3”内的光。可以选择频带1、2和3以匹配要衍射的光(例如，由图3A的光投影仪320产生的光)的波长。作为一个示例，频带1可对应于蓝色波长，频带2可对应于绿色波长，并且频带3可对应于红色波长(例如，对于RGB投影系统而言)。
该组全息图中的相邻频率间隙(例如，与间隙712相关联的频率间隙)可在由斜交镜衍射的光中产生光谱空值718(例如，因为没有全息图位于间隙712中并且布拉格匹配到与空值718相关联的波长下的光)。这样，该组全息图可表现出作为波长的函数的梳状衍射响应。如果全息图分布对于给定光学设计而言不够致密，则光谱空值718可在到达窥眼箱的衍射光中产生不期望的色隙(例如，尤其在耦合光横贯具有对准峰710的斜交镜的许多不同区域的情况下)。
为减轻这些效应，斜交镜可被配置为执行梳状移位操作，其中通过跨越多个区域对多组全息图(光栅)进行空间复用来实现窥眼箱更大的衍射能力。此外，梳状移位操作可使衍射在窥眼箱的整个区域上更加均匀。
图8示出了斜交镜可如何执行梳状移位操作。如图8所示，斜交镜可包括光栅介质822的区域820中的第一组全息图816和光栅介质822的区域818中的第二组全息图814。区域818和820可例如彼此侧向偏移，使得区域之间的全息图几乎不重叠或不重叠。在另一种合适的布置中，区域818可与区域820部分地重叠。组816中的每个全息图可位于光栅介质822的同一物理体积内(例如，每个全息图可与组816中的其他全息图重叠和叠加)。类似地，组814中的每个全息图可位于光栅介质822的同一物理体积内(例如，每个全息图可与组814中的其他全息图重叠和叠加)。入射光812可穿过区域820。未被区域820中的全息图组816衍射的光812可传播到区域818。光栅介质822中的全息图组可执行任何期望的衍射操作(例如，输入耦合、输出耦合、交叉耦合等)。在本文中作为示例描述的一种合适的布置中，光栅介质822中的全息图组用于形成输出耦合器810(例如，用于将光812衍射到窥眼箱中)。
组816中的每个全息图可具有由k空间示意图802中的点714(例如，图7所示的点714)所示的对应光栅频率。在光栅介质822的其他区域中不存在其他全息图组的情况下，相邻频率间隙(例如，与图7的间隙712相关联的频率间隙)可存在于组816的每个光栅频率之间。然而，组814中的全息图可相对于组816中的全息图进行梳状移位。例如，组814中的每个全息图可具有由k空间示意图802中的点808所示的对应光栅频率(每个点808具有与从该点到原点的距离相对应的关联光栅频率)。与点808相关联的光栅频率可被选择为位于与点714相关联的光栅频率之间的相邻频率间隙内(例如，与点808相关联的光栅频率可位于图7的点714之间的间隙712内)。与点808相关联的光栅矢量(例如，组814的光栅矢量)可在与组816的光栅矢量相同的方向上(例如，沿着轴线716)取向。这可将组814配置为在与组816相同的方向上(例如，朝向窥眼箱)衍射光812。
组814中的每个全息图可衍射与示意图804中的相应峰806对应的光。因为光栅频率808位于与点714相关联的光栅频率之间的频率间隙内，所以组814中的每个全息图可在位于与组816相关联的峰710和与点714相关联的光栅频率之间的空值中的波长处衍射光(例如，峰806可位于图7的光谱空值718内)。因为这些波长下的光812在第一次穿过组816之后仍然存在(例如，因为这些波长下的光不被组816衍射)，所以组814可以在期望的方向(例如，朝向窥眼箱)衍射这些波长下的光。
换句话讲，将输出耦合器810分成各自具有全息图的相应组816和814的两个不同区域820和818，这些全息图的光栅频率沿倾斜轴彼此略微移位，这可导致来自两个区域的衍射峰相对于彼此交织(例如，如示意图804所示)。来自区域820的衍射不会耗尽光812，该光随后可被区域818衍射。这导致由于区域之间的光栅频率移位，光源带宽内更大量的光被衍射到窥眼箱(例如，图3A的光投影仪320，读取LED等)。
虽然图8的示例仅包括两组空间复用的全息图，但一般来讲，光栅介质812可包括从图8左侧到右侧的任何所需数量的空间复用的全息图组。类似的结构也可用于提高第一光瞳扩展器(例如，2D扩展波导中的交叉耦合器)或光学系统中任何其他期望的光重定向部件(例如，输出耦合器、交叉耦合器和/或输入耦合器)的输出效率。
图9示出了可用于测量具有空间复用全息图组诸如图8的组816和814的光栅介质的性能的例示性光学系统900。如图9所示，准直激光束908可用于探查样品(例如，设置在波导906中的样品斜交镜)的全息区域910。样品可以在X-Z平面中旋转角度904，并且可通过耦合到波导中的光量来量化衍射效率，其中衍射/耦合到波导中的光将导致由光电检测器902测量的透射强度减小。此外，样品可被平移，并且可在样品内的不同空间位置(区域)处测量衍射效率。在这种配置中，斜交镜作为输入耦合器操作。
图10示出了针对没有梳状移位的样品标称斜交镜，光电检测器902的作为图9的角度904的函数的实测响应，该实测响应是在沿样品(例如，在整个光栅介质中具有127个全局重叠全息图的样品斜交镜)的长度的四个不同区域处探测的。图10中作为角度的函数的凹陷可例如对应于图7和图8中作为波长的函数的峰(例如，由于用于探测样品的图9的系统900的布置)。如图10所示，在四个不同区域处探测样品，在第一区域处测量响应曲线1000，在第二区域处测量响应曲线1002，在第三区域处测量响应曲线1004，并且在第四区域处测量响应曲线1006。如曲线1000-1006所示，全息图的角位置在四个区域中的每一个区域上保持相同。
图11示出了针对在四个区域之间具有梳状移位的样品斜交镜，光电检测器902的作为图9的角度904的函数的实测响应。四个区域中的每一个区域可例如包括位于其他区域中全息图组的频率间隙内的对应全息图组。如图11所示，在四个区域的每个区域处探测样品，在第一区域处测量响应曲线1100，在第二区域处测量响应曲线1102，在第三区域处测量响应曲线1104，并且在第四区域处测量响应曲线1106。
仅作为一个示例，第一区域可包括第一组全息图(例如，127个协同定位的全息图)，第二区域可包括第二组全息图(例如，127个协同定位的全息图)，第三区域可包括第三组全息图(例如，127个协同定位的全息图)，并且第四区域可包括第四组全息图(例如，127个协同定位的全息图)。如果需要，每个区域可包括其他数量的全息图。仅作为一个示例，第一区域、第二区域、第三区域和第四区域中的每一者的宽度都可为大约4.5mm。在每个区域内，仅作为一个示例，该区域的多个全息图可具有大约12sinc峰至sinc空值的平均相邻频率间隙。总体来讲，耦合器中的所有508个全息图(每个区域127个)具有3sinc峰至sinc空值的平均相邻频率间隙。这仅是例示性的。每个区域可具有介于4sinc和20sinc峰至sinc空值之间，介于6和14sinc峰至sinc空值，大于20sinc峰至sinc空值，大于4sinc峰至sinc空值等的相邻频率间隙。例如，耦合器的平均相邻频率间隙(例如，所有区域总起来算)可大约等于区域(组)中的一个的相邻频率间隙除以区域(组)的总数。
如曲线1100-1106所示，梳状移位式斜交镜的全息图的角位置在每个后续区域中彼此以角度1108(例如，大约0.15度)移位。因此，每个区域内的衍射不会耗尽光，光随后被后续区域衍射。
图10和图11中所示的数据展示了在斜交镜(例如，梳状移位式斜交镜)内进行梳状移位的方法。斜交镜可用于形成输入耦合器、输出耦合器、交织耦合器、菱形扩展器和/或交叉耦合器或其他光重定向元件。梳状移位式斜交镜使得能够针对不同曝光区域从光源(例如，LED)带宽内的不同组波长衍射。如先前所提及的，这在整个全息区域中产生更大的衍射效率以及在整个窥眼箱内更一致的强度。例如，可将光束耦合到梳状移位式斜交镜(例如，在图9的系统900中)，其中将内部导向角设定为60度。光束可多次(例如，四次)与输出耦合器相互作用，这会产生多个(例如，四个)复制光瞳，这些光瞳是用光电检测器测量的。
图12中示出了与图10相关联的标称斜交镜和与图11相关联的梳状移位式斜交镜两者在输出耦合器上测量的衍射效率。如图12所示，曲线图1200的实线示出了梳状移位式斜交镜跨越输出耦合器(例如，针对输出耦合器中的光栅集合而不是针对单个光栅)的衍射效率，而虚线示出了没有梳状移位的标称斜交镜跨越输出耦合器(例如，针对输出耦合器中的光栅集合而不是单个光栅)的衍射效率。曲线图1202中的实线示出了梳状移位式斜交镜跨越输出耦合器的总衍射功率，而虚线示出了没有梳状移位的标称斜交镜跨越输出耦合器的总衍射功率。如曲线图1202和曲线图1200所示，斜交镜的梳状移位可在整个出射光瞳位置(例如，跨越整个全息区域，从而在整个窥眼箱上产生更一致的强度)产生衍射效率和衍射功率的增加。
上述梳状移位式斜交镜可用于任何所需的光重定向实施。在一种合适的布置中，如果需要，梳状移位式斜交镜可用于执行窥眼箱均衡(例如，如上文结合图3所述)。为了产生梳状移位式斜交镜以执行窥眼箱均衡，需要减小全息图写入期间光栅介质的曝光区域的尺寸，以便能够跨窥眼箱内的多个区域对多组光栅进行空间复用。光栅的局部密度实现了高衍射效率，并且耦合器的所有暴露区域的总和具有高全息图密度。
图13是示出可如何使用梳状移位式斜交镜来执行窥眼箱均衡的示意图。如图13所示，梳状移位式斜交镜1328可用于形成将输入光1314朝窥眼箱1302重定向的输出耦合器。梳状移位式斜交镜1328(本文中有时称为梳状移位式体积全息光栅结构1328)可包括光栅介质1300，该光栅介质被分成多个区域1316(例如，宽度等于窥眼箱1302的宽度的区域)，诸如区域1316-1、1316-2和1316-3(例如，诸如图3A的区域312、314和316的区域)。每个区域1316可包括多组全息图，这些全息图被配置为在相应方向上朝窥眼箱1302衍射输入光。例如，区域1316-1中的体积全息图可具有光栅矢量，该光栅矢量的光栅频率被选择为在方向1304上朝窥眼箱1302衍射输入光。区域1316-2中的体积全息图可具有光栅矢量，该光栅矢量的光栅频率被选择为在方向1306上朝窥眼箱1302衍射在区域1316-1中未被衍射的输入光。区域1316-3中的体积全息图可具有光栅矢量，该光栅矢量的光栅频率被选择为在方向1308上朝窥眼箱1302衍射在区域1316-1和1316-2中未被衍射的输入光(例如，每个区域中的光栅矢量可具有相同的光栅矢量方向，而光栅频率被调节为朝窥眼箱衍射光)。
每个区域1316可被分成多个子区域1326。每个子区域1326可包括对应的一组体积全息图，其具有由相邻频率间隙隔开的光栅频率(例如，每个子区域1326可包括一组光栅，诸如图8的组816或814)。每个区域1316内的每组光栅可相对于该区域1316内的其他组光栅发生梳状移位(例如，每个子区域1326可具有填充对应区域1316内的其他子区域1326的相邻频率间隙的对应全息图组)。
例如，区域1316-3可包括多个子区域1326。区域1316-3中的第一(最左)子区域1326可具有第一组光栅矢量，该第一组光栅矢量具有光栅频率以在方向1308上衍射光并且由相邻频率间隙隔开(例如，区域1316-3中的第一子区域1326可具有与点714相关联的光栅频率，如图8所示)。区域1316-3中的第二(左二)子区域1326可具有光栅矢量，该光栅矢量具有光栅频率以在方向1308上衍射光并且位于第一子区域1326中的全息图组的相邻频率间隙内(例如，区域1316-3中的第二子区域1326可具有光栅频率808，如图8所示)。类似地，区域1316-3中的后续子区域1326可填充未被区域1316-3中的先前子区域1326覆盖的剩余频率间隙。这样，区域1316-3的子区域1326中的不同全息图组可在相同方向上朝窥眼箱1302衍射很多波长的光。这样可用来自区域1316-3的均匀强度光填充窥眼箱1302，而颜色中没有显著间隙，同时允许任何给定体积的光栅介质1300内(例如，在到达子区域1326内)的叠加全息图的数量相对较小。可通过斜交镜1328整个长度上的每个区域1316中的子区域1326来执行类似的过程，从而执行光瞳均衡。
在没有梳状移位的标称斜交镜中，使用相对较大的狭缝诸如狭缝1322来将全息图写入区域1316中。狭缝1322可具有宽度1312(例如，宽度等于每个区域1316的宽度和窥眼箱1302的宽度)。在写入期间将狭缝1322放置在每个区域1316上方，使得全息图在该场景中一次写入整个区域1316(例如，通过在光栅介质的其余部分被掩蔽的同时通过狭缝照亮光栅介质1300)。在光栅介质1300的整个长度上移动狭缝，以在其他区域1316处记录全息图。在具有梳状移位的斜交镜(诸如斜交镜1328)中，使用更小的狭缝诸如狭缝1324来记录全息图。狭缝1324可具有小于宽度1312的宽度1310(例如，宽度1324可等于子区域1326的宽度)。将狭缝1310放置在每个子区域上方，使得全息图可记录在每个子区域1326中。在光栅介质1300的整个长度上移动狭缝，以在其他子区域1326处记录全息图。
图13的示例仅是例示性的，其中仅示出了三个分开的区域1316。在实践中，如果需要，可存在与图13所示区域重叠的其他区域1316以执行更细粒度的光瞳均衡。这组可能重叠的区域1316中的每一个可各自被其自身对应的一组非重叠子区域1326跨越。
在一些实施方案中，如本文所述的梳状移位式斜交镜可用于形成输入耦合器。在包括输入耦合器的一些实施方案中，为了实现横跨整个FOV的窥眼箱的最佳光瞳拼接，可能需要大光瞳，这需要大的输入耦合器。然而，对于已针对亮度进行优化的标称斜交镜输入耦合器，这可能导致大量的角度和光学带宽从不被耦合到波导中，并且由于与引导模式的重叠和输入耦合器的物理范围而造成大量损耗。通过将梳状移位式斜交镜用于输入耦合器，将在光瞳上采样更大量的角度和光学带宽，并且由于输入耦合器导致的输入耦合量将被严重减少或消除，因为不同梳状移位的区域在对角度和光学带宽的不同部分采样。图14中示出了具有梳状移位全息图组的输入耦合器的图示。
如图14中所示，输入耦合器1400可包括具有多组(子区域)全息图的梳状移位式斜交镜，诸如区域A中的第一组1406、区域B中的第二组1408和区域C中的第三组1410。每个区域的光栅矢量可被取向为将输入光1404耦合到波导1402中，如光1412所示。组1408的光栅频率可位于组1406和1410的光栅频率之间的相邻频率间隙中(例如，组1406的光栅频率可相对于组1408和1410的光栅频率进行梳状移位)。
尽管本文已经描述和图示了各种实施方案，但可使用其他手段和/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以及/或益处中的一者或多者，并且这些变型和/或修改中的每一者均被认为是在本文描述的实施方案的范围内。更一般地，本文所述的所有参数、维度、材料和配置仅仅是例示性的，并且实际参数、维度、材料和/或配置可取决于特定应用或实施方案所用于的应用。可以任何期望组合实践这些实施方案。另外，各种构思可体现为已提供示例的一个或多个方法、设备或系统。可以任何合适的方式对作为方法或操作的一部分执行的动作进行排序。因此，可以构造在其中以不同于所示顺序的顺序执行动作的实施方案，这可包括同时执行一些动作，即使这些动作在实施方案中被示出为顺序动作。如本文所用，参考一个或多个元素列表，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的至少一个元素，但不一定包括元素列表内特别列出的每个元素中的至少一者，并且不排除元素列表中元素的任意组合。过渡型短语诸如“包含”、“包括”、“承载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保留”、“由......组成”等应被理解为是开放式的，即意指包括但不限于。术语“大约”是指给定值加或减10％。
本文使用的术语“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。反射轴角度可通过以下方式来确定：将入射角与其相应的反射角相加，并将所得总和除以二。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属性一致，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”是指具有光学属性的光学部件，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”是指进入成像光学设备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”是指从成像光学设备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。本文所述的斜交镜在本文中有时也可称为光栅结构、全息光栅结构或体积全息光栅结构。
根据一个实施方案，提供了一种光学设备，该光学设备包括光栅介质、光栅介质的第一区域中的第一组全息图和光栅介质的第二区域中的第二组全息图，其中第一组中的全息图中的每个全息图与第一组中的其他全息图中的每一全息图至少部分地重叠，并且其中第一组中的全息图中的每个全息图具有与第一组光栅频率不同的相应光栅频率，其中第二组中的全息图中的每个全息图与第二组中的其他全息图中的每个全息图至少部分地重叠，并且其中第二组中的全息图中的每个全息图具有与第二组光栅频率不同的相应光栅频率，第二组光栅频率位于第一组光栅频率中的光栅频率之间的相邻频率间隙内。
根据上述实施方案的任意组合，第一组全息图包括具有第一光栅频率的第一全息图和具有第二光栅频率的第二全息图，第二光栅频率与第一光栅频率由第一相邻频率间隙隔开。
根据上述实施方案的任意组合，第二组全息图包括具有第三光栅频率的第三全息图和具有第四光栅频率的第四全息图，第四光栅频率与第三光栅频率由第二相邻频率间隙隔开。
根据上述实施方案的任意组合，第三光栅频率在第一相邻频率间隙中。
根据上述实施方案的任意组合，第二光栅频率在第二相邻频率间隙中。
根据上述实施方案的任意组合，第一组中的全息图中的每个全息图具有指向给定方向的相应光栅矢量，并且第二组中的全息图中的每个全息图具有指向给定方向的相应光栅矢量。
根据上述实施方案的任意组合，第一组全息图的平均相邻频率间隙大于4.0sinc峰至sinc空值。
根据上述实施方案的任意组合，该光学设备还包括输出耦合器，该输出耦合器包括光栅介质以及第一组全息图和第二组全息图。
根据上述实施方案的任意组合，该光学设备还包括输入耦合器，该输入耦合器包括光栅介质以及第一组全息图和第二组全息图。
根据上述实施方案的任意组合，该光学设备还包括交叉耦合器，该交叉耦合器包括光栅介质以及第一组全息图和第二组全息图。
根据上述实施方案的任意组合，第一组中的全息图中的每个全息图具有位于给定角度的0.50度内的光栅矢量。
根据另一个实施方案，提供了一种光学系统，该光学系统包括：具有第一区域和第二区域的光栅介质，其中第二区域具有第一子区域和第二子区域；第一区域中的第一组全息图，其中第一组全息图被配置为在第一方向上衍射输入光的第一部分并将输入光的第二部分传递至第二区域；第一子区域中的第二组全息图；和第二子区域中的第三组全息图，其中第二组全息图和第三组全息图被配置为在不同于第一方向的第二方向上衍射输入光的第二部分，并且其中第三组全息图相对于第二组全息图进行梳状移位。
根据上述实施方案的任意组合，第二组全息图具有由相邻频率间隙隔开的第一光栅频率，并且第三组全息图具有位于第一光栅频率的相邻频率间隙内的第二光栅频率。
根据上述实施方案的任意组合，第二组全息图的平均相邻频率间隙大于4.0sinc峰至sinc空值。
根据上述实施方案的任意组合，第一子区域插入在第二子区域与光栅介质的第一区域之间。
根据上述实施方案的任意组合，第一组全息图具有在第一方向上取向的第一光栅矢量，第二组全息图具有在第二方向上取向的第二光栅矢量，并且第三组全息图具有在第二方向上取向的第三光栅矢量。
根据上述实施方案的任意组合，光栅介质具有第三区域，第二区域插入在第一区域与第三区域之间，光学系统还包括第三区域中的第四组全息图，其中第四组全息图被配置为在不同于第一方向和第二方向的第三方向上衍射光的第二部分中未被第二组全息图和第三组全息图衍射的至少一些。
根据另一个实施方案，提供了一种头戴式显示设备，该头戴式显示设备包括：第一基板和第二基板；位于第一基板和第二基板之间并且具有第一非重叠区域和第二非重叠区域的光栅介质；第一区域中协同定位的第一全息图和第二全息图，其中第一全息图具有第一光栅频率并且第二全息图具有第二光栅频率，该第二光栅频率与第一光栅频率由相邻频率间隙隔开；和第二区域中协同定位的第三全息图和第四全息图，其中第三全息图具有在相邻频率间隙中的第三光栅频率。
根据上述实施方案的任意组合，第四全息图具有与第三光栅频率由附加相邻频率间隙隔开的第四光栅频率，并且第二光栅频率在该附加相邻频率间隙中。
根据上述实施方案的任意组合，该头戴式显示器还包括用于提供图像承载光的光源，其中第一全息图和第二全息图以及第三全息图和第四全息图被配置为在距第二基板的表面的固定距离处将图像承载光中的至少一些朝向出射光瞳衍射。
前述内容仅为例示性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (20)

1.一种光学设备，包括：
光栅介质；
所述光栅介质的第一区域中的第一组全息图，其中所述第一组中的全息图中的每个全息图与所述第一组中的其他全息图中的每个全息图至少部分地重叠，并且其中所述第一组中的全息图中的每个全息图具有与第一组光栅频率不同的相应光栅频率；以及
所述光栅介质的第二区域中的第二组全息图，其中所述第二组中的全息图中的每个全息图与所述第二组中的其他全息图中的每个全息图至少部分地重叠，并且其中所述第二组中的全息图中的每个全息图具有与第二组光栅频率不同的相应光栅频率，所述第二组光栅频率位于所述第一组光栅频率中的所述光栅频率之间的相邻频率间隙内。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第一组全息图包括具有第一光栅频率的第一全息图和具有第二光栅频率的第二全息图，所述第二光栅频率与所述第一光栅频率由第一相邻频率间隙隔开。
3.根据权利要求2所述的光学设备，其中所述第二组全息图包括具有第三光栅频率的第三全息图和具有第四光栅频率的第四全息图，所述第四光栅频率与所述第三光栅频率由第二相邻频率间隙隔开。
4.根据权利要求3所述的光学设备，其中所述第三光栅频率在所述第一相邻频率间隙中。
5.根据权利要求4所述的光学设备，其中所述第二光栅频率在所述第二相邻频率间隙中。
6.根据权利要求5所述的光学设备，其中所述第一组中的全息图中的每个全息图被配置为在给定方向上衍射光，并且其中所述第二组中的全息图中的每个全息图被配置为在所述给定方向上衍射光。
7.根据权利要求5所述的光学设备，其中所述第一组全息图的平均相邻频率间隙大于4.0sinc峰至sinc空值。
8.根据权利要求1所述的光学设备，还包括输出耦合器，所述输出耦合器包括所述光栅介质以及所述第一组全息图和所述第二组全息图。
9.根据权利要求1所述的光学设备，还包括输入耦合器，所述输入耦合器包括所述光栅介质以及所述第一组全息图和所述第二组全息图。
10.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述光学设备包括选自由以下各项组成的组的光学设备：交叉耦合器、输入耦合器、输出耦合器、菱形扩展器和交织耦合器。
11.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第一组中的全息图中的每个全息图具有位于给定角度的0.50度内的光栅矢量，其中所述光学设备还包括在所述光栅介质中的四个相应附加区域中的四组附加全息图，并且其中所述四组附加全息图中的每组全息图具有在所述相邻频率间隙内的光栅频率。
12.一种光学系统，包括：
具有第一区域和第二区域的光栅介质，其中所述第二区域具有第一子区域和第二子区域；
所述第一区域中的第一组全息图，其中所述第一组全息图被配置为在第一方向上衍射输入光的第一部分并且将所述输入光的第二部分传递至所述第二区域；
所述第一子区域中的第二组全息图；以及
所述第二子区域中的第三组全息图，其中所述第二组全息图和所述第三组全息图被配置为在不同于所述第一方向的第二方向上衍射所述输入光的所述第二部分，并且其中所述第三组全息图相对于所述第二组全息图进行梳状移位。
13.根据权利要求12所述的光学系统，其中所述第二组全息图具有由相邻频率间隙隔开的第一光栅频率，并且其中所述第三组全息图具有位于所述第一光栅频率的所述相邻频率间隙内的第二光栅频率。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述第二组全息图的平均相邻频率间隙大于4.0sinc峰至sinc空值。
15.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述第一子区域插置在所述第二子区域与所述光栅介质的所述第一区域之间。
16.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述第一组全息图具有在所述给定方向上取向的第一光栅矢量，其中所述第二组全息图具有在所述给定方向上取向的第二光栅矢量，并且其中所述第三组全息图具有在所述给定方向上取向的第三光栅矢量。
17.根据权利要求16所述的光学系统，其中所述光栅介质具有第三区域，所述第二区域插置在所述第一区域与所述第三区域之间，所述光学系统还包括：
所述第三区域中的第四组全息图，其中所述第四组全息图被配置为在不同于所述第一方向和所述第二方向的第三方向上衍射光的所述第二部分中未被所述第二组全息图和所述第三组全息图衍射的至少一些。
18.一种头戴式显示设备，包括：
第一基板和第二基板；
光栅介质，所述光栅介质在所述第一基板和所述第二基板之间并且具有第一非重叠区域和第二非重叠区域；
所述第一区域中协同定位的第一全息图和第二全息图，其中所述第一全息图具有第一光栅频率并且所述第二全息图具有第二光栅频率，所述第二光栅频率与所述第一光栅频率由相邻频率间隙隔开；以及
所述第二区域中协同定位的第三全息图和第四全息图，其中所述第三全息图具有在所述相邻频率间隙中的第三光栅频率。
19.根据权利要求18所述的头戴式显示器，其中所述第四全息图具有与所述第三光栅频率由附加相邻频率间隙隔开的第四光栅频率，并且其中所述第二光栅频率在所述附加相邻频率间隙中。
20.根据权利要求19所述的头戴式显示器，还包括：
用于提供图像承载光的光源，其中所述第一全息图和所述第二全息图以及所述第三全息图和所述第四全息图被配置为在距所述第二基板的表面的固定距离处将所述图像承载光中的至少一些朝向出射光瞳衍射。
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