CN111480107A - 具有色散补偿的光学系统 - Google Patents

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Abstract

公开了在光学设备中进行色散补偿的系统和方法。全息光学元件可包括在光栅介质(704)中的不同全息图的集合。该集合中的每个全息图可具有对应的光栅矢量(708，710，712)，该对应的光栅矢量具有光栅频率和方向。该光栅矢量的方向可根据光栅频率而变化。该集合中的不同全息图可在特定方向上衍射光，使得无论波长如何，光在单个给定方向上从光栅介质的边界出射。棱镜(722)用于将光耦合到光栅介质中。该棱镜使用色散属性类似于但不同于光栅材料的色散属性的材料形成。该棱镜可具有接收垂直输入光的输入面。该棱镜可包括具有不同折射率的多个部分。

Description

具有色散补偿的光学系统
本专利申请要求于2017年12月19日提交的美国临时专利申请号62/607,908的优先权，该美国临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。
背景技术
本公开整体涉及包括色散补偿结构的光学设备以及用于具有全息光学元件的光学反射设备的方法。
色散可导致光学设备中的色像差。这些色像差可对光学反射设备的图像具有劣化效应。因此，需要用于校正色散效应的改善方法以及减轻色散对反射图像的劣化效应的光学反射设备。
发明内容
所述特征整体涉及用于执行色散补偿的一种或多种改善方法、系统或设备。全息图可在光学介质内实现为全息光学元件。全息光学元件可为基本上消色差的，从而维持与入射光的波长无关的反射角。这些全息光学元件可用于光学设备(例如，光学反射设备)中。穿过光学设备的某些色散边界(例如，空气到投影耦接元件、空气到波导基板、空气到波导光栅介质、波导基板到空气、波导光栅介质到投影耦接元件、波导光栅介质到耦接元件等)的光可在光的不同频率上表现出波形分离。
不同频率的一种介质的折射率与另一种介质的折射率之间的色散关系可用于补偿光学设备中的光的色散的技术中。可应用使用色散关系的色散补偿技术来确定补偿某些色散边界的色散效应的全息图。所得的全息光学元件可基本上近似于与全息光学元件在光学设备和/或特定操作环境(例如，在使用投影光学器件的情况下，在使用边缘耦接的情况下和/或在流体介质诸如空气或水中)中的用途相关联的期望消色差。
在一些示例中，全息光学元件包括在光栅介质中的不同全息图的集合。该集合中的每个全息图可具有对应的光栅矢量，该对应的光栅矢量具有光栅频率(量值)和方向。该光栅矢量的方向可根据光栅频率而变化。该集合中的不同全息图可在特定方向上衍射光，使得无论波长如何(例如，垂直于边界)，该光在单个给定方向上从光栅介质的边界出射。棱镜可用于将光耦合到光栅介质中。该棱镜可使用色散属性类似于光栅材料的色散属性的材料形成。该棱镜可具有接收垂直输入光的输入面。如果需要，棱镜可包括具有不同折射率的多个部分。
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是根据一些实施方案的例示性头戴式显示器(HMD)的图示，其中可实现本文所包括的原理。
图2A是示出根据一些实施方案的真实空间中的例示性斜交镜的反射属性的图示。
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3是根据一些实施方案的可在特定方向上取向的k空间和真实空间中的例示性斜交镜的图示。
图4是根据一些实施方案的k空间和真实空间中的例示性斜交镜的图示，其示出了斜交镜中的光栅可如何与一些入射光布拉格匹配。
图5是根据一些实施方案的可经受材料色散的k空间和真实空间中的例示性斜交镜的图示。
图6是根据一些实施方案的斜交镜性能的例示性曲线图，其示出了可如何为图5所示类型的例示性斜交镜提供具有斜交轴线(skew axis)的光栅，该斜交轴线根据光栅量值而变化以补偿材料色散。
图7是根据一些实施方案的具有光栅的例示性输入棱镜和例示性斜交镜的侧视图，这些光栅具有根据光栅量值而变化以补偿材料色散的斜交轴线。
图8是根据一些实施方案的作为根据图7所示类型的例示性斜交镜的光栅量值的斜交角的例示性曲线图。
图9是根据一些实施方案的具有不同区域的例示性输入棱镜的侧视图，这些不同区域具有不同色散特性。
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已经解决了降低图像质量和增大重量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线。传统反射镜的反射轴线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线，该多个反射轴线不接受与入射角和/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线反射光，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线(例如，具有反射轴线角度变化小于1.0度的反射轴线)，并且可利用各种波长的入射光来观察到这种现象。
全息光学元件可用于头戴式设备或其他系统，并且可由记录介质构造。例如，全息光学元件可通过将液体介质混合物沉积在基板结构上或基板结构中来制造，于是介质混合物内的基体前体的聚合导致基体聚合物的形成，该基体聚合物表征介质混合物转变成记录介质。记录介质可设置在基板之间并且被取向用于在记录介质上记录全息图。记录介质在本文中有时可被称为光栅介质。光栅介质可设置在波导基板之间。输入耦接器诸如棱镜可将光耦合到波导中。
在实施过程中，光栅介质可具有与波导基板和输入耦接器不同的根据波长的本体折射率。这可产生内耦合光的色散，在该色散中内耦合光根据光栅介质内的波长以不同角度传播。光栅介质中的全息光学元件可被配置为在期望方向上反射(衍射)内耦合光，同时补偿该色散(例如，使得每个波长的光在期望方向上反射)。
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围绕反射轴线反射特定波长的光，其中反射轴线偏离光栅结构的表面法线。参考与光均化相关的装置图、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。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，该反射设备可包括其中驻留有体积全息图或其他光栅结构的光栅介质。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可以包括附加层，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线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，反射轴线对于多个波长和/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线(即，具有反射轴线角度变化小于1°的反射轴线)，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，反射轴线保持基本恒定。
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。可使用以在多个全息图之间变化的角度(例如，多重角度)入射在光栅介质上的记录光束和/或使用波长在多个全息图之间变化(例如，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，其中反射轴线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全息图或正弦体光栅。在一些实施方案中，在光栅介质中使用全息图或非全息正弦体光栅。在其他实施方案中，全息图和非全息正弦体光栅均可用于同一光栅介质中。光栅结构可被配置为以特定的多个入射角关于反射轴线反射特定波长的光，该反射轴线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(例如，每个体积全息图)可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围绕相同反射轴线反射第二入射光。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(均匀)的反射轴线(例如，斜交镜110的每个光栅结构具有相同的基本恒定的反射轴线)。
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。波导可被设置在透镜组件内并操作性地联接到光输入部分。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线反射波长的光，该第一反射轴线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线反射波长的光，该第二反射轴线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1仅为例示性的而非限制性的。例如，成像部件诸如光源(例如，光源或光投影仪115)可提供载像光。波导部件诸如光学透镜等可包括光输入部分。光学透镜的光输入部分可接收载像光。波导可被设置在光学透镜内并操作性地联接到光输入部分。在一些情况下，波导可具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。斜交镜可包含补偿色散的全息图。耦接部件诸如光耦合器件可操作性地联接到波导介质。
设想了使用本文描述的光均化技术的另外示例和各种具体实施。
图2A是示出根据一个示例的在真实空间中的斜交镜210的反射属性的横截面视图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。用于光耦合和/或光瞳均衡的斜交镜的具体实施可以是部分反射的。例如，用于色散补偿的斜交镜可被配置为在特定方向上反射不同颜色的光线，以补偿与光栅介质和波导/输入耦接器的折射率差异相关联的色散。用于色散补偿的斜交镜可包括通过根据光栅量值来改变斜交镜中的光栅矢量的角度。斜交镜210通过反射轴线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。主反射光220可以相对于z轴测量的180°内反射角被反射。主反射光220可以对应于例如驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的波长的光。
斜交镜210通过反射轴线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可以具有多个全息图区域，这些全息图区域都共享基本相同的反射轴线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 BDA0002539277910000081
Figure BDA0002539277910000082
空间分布260穿过原点，并且具有相对于z轴测量的角度，该角度等于反射轴线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真实空间和k空间中可由等式(1)表示：
Figure BDA0002539277910000083
其中
Figure BDA0002539277910000091
是所有
Figure BDA0002539277910000092
3D空间矢量位置下的光学标量场分布，并且其变换
Figure BDA0002539277910000093
是所有
Figure BDA0002539277910000094
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
Figure BDA0002539277910000095
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 BDA0002539277910000096
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
Figure BDA0002539277910000097
)可被称为折射率调制图案，其k空间分布通常表示为
Figure BDA0002539277910000098
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 BDA0002539277910000099
其中
Figure BDA00025392779100000910
是第一记录光束场的空间分布，并且
Figure BDA00025392779100000911
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 BDA00025392779100000912
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 BDA00025392779100000913
其中
Figure BDA00025392779100000914
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
Figure BDA00025392779100000915
空间分布的位置可分别由互相关性运算
Figure BDA00025392779100000916
和
Figure BDA00025392779100000917
从数学上确定或者由矢量差值
Figure BDA00025392779100000918
和
Figure BDA00025392779100000919
从几何学上确定，其中
Figure BDA00025392779100000920
和
Figure BDA00025392779100000921
为从相应全息图
Figure BDA0002539277910000101
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线225按角度等分(即，探测光束相对于反射轴线的入射角度与反射光束相对于反射轴线的反射角度相同)。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 BDA0002539277910000102
其中
Figure BDA0002539277910000103
和
Figure BDA0002539277910000104
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
Figure BDA0002539277910000105
指示前述表达式仅在
Figure BDA0002539277910000106
的情况下即结果位于k球体上时成立。卷积
Figure BDA0002539277910000107
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
Figure BDA0002539277910000108
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)。
在描述k空间中的斜交镜属性时有时使用的术语“探测光束”可能类似于术语“入射光”，其有时在描述真实空间中的斜交镜反射属性时使用。类似地，本文在描述k空间中的斜交镜属性时有时使用的术语“衍射光束”可能类似于术语“主反射光”，其有时在本文描述真实空间中的斜交镜属性时使用。因此，当描述真实空间中的斜交镜的反射属性时，有时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空间中的斜交镜的反射属性时，有时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。
一般来讲，斜交镜的实施方案包含多个衍射光栅(全息图)的叠加，这些多个衍射光栅以镜像对称性衍射具有相对较大波长和角带宽的入射光。理论上，斜交镜实施方案可在入射角和光波长范围内以相同的镜像对称性衍射入射光，类似于真实反射镜以相同对称性反射所有光的方式。然而，材料色散可能降低斜交镜的反射镜状性能。因此，补偿材料色散的技术或设备可能是高度期望的。
本文所述的斜交镜可被配置为补偿材料色散的有害效应。例如，斜交镜可包含具有根据光栅频率而变化的方向的衍射光栅(全息图)。衍射光栅通常具有可衍射光的空间周期性结构。图3的图示300示出了k空间中的单个示例性衍射光栅。图示302示出了在真实(物理)空间中与图示300相关联的示例性衍射光栅。如图示302所示，衍射光栅306可由光栅介质304中呈正弦变化的折射率形成。折射率的调制可在如箭头308所示的方向上取向。箭头308表示光栅306的光栅矢量的方向
Figure BDA0002539277910000111
其在本文中有时被称为光栅方向(取向)
Figure BDA0002539277910000112
光栅方向
Figure BDA0002539277910000113
是光栅306的光栅矢量
Figure BDA0002539277910000114
的单位矢量，从而指向正交于光栅中(在真实空间中)恒定折射率的平面的方向。
为了使具有衍射光栅诸如图示302的光栅306的斜交镜的原理可视化，示出k空间(在本文中有时被称为动量空间)中的衍射光栅可能是有帮助的。K空间是真实空间的傅里叶变换(例如，如上所述)。因此，平面波光栅诸如图示302所示的光栅306可由k空间中的两个点310和312表示，如图示300所示。点310和312在k空间中的位置由光栅306的光栅矢量
Figure BDA0002539277910000115
(在本文中有时被称为动量矢量)确定，该光栅矢量由等式(5)给出：
Figure BDA0002539277910000116
在等式(5)中，Λ是光栅的周期，并且F是空间频率。反射镜平面314(在本文中有时被称为反射镜轴314)被定义为垂直于单位矢量
Figure BDA0002539277910000117
的平面。反射镜平面314以相对于图3的Z轴的角度α取向。如果斜交镜不具有材料色散或者将用于具有与斜交镜本身相同的材料色散的介质中，则斜交镜的多个衍射光栅将全部具有相同的方向但具有变化的量值(例如，变化的空间频率F)。
图3的图示318示出了具有衍射光栅集320(例如，六个重叠/叠加的衍射光栅)的简化斜交镜，所有衍射光栅都具有相同的方向
Figure BDA0002539277910000121
但具有不同的空间频率F。集320中的衍射光栅中的每个衍射光栅位于光栅介质304的相同体积内。集320中的每个衍射光栅由k空间图示316中的对应点(光栅矢量)322和对应点(光栅矢量)324描述。如图示316所示，每个点322和每个点324以不同量值(例如，光栅频率F，如距原点的距离所示)位于同一条线上(例如，在垂直于反射镜平面314的方向
Figure BDA0002539277910000122
上)。如下所述，这些平行光栅的组合将形成以镜像对称性衍射入射光的衍射光学元件，其中镜像对称轴正交于光栅矢量
Figure BDA0002539277910000123
在光学衍射事件中，能量和动量两者都是保守的。静态衍射光栅不具有能量，这意味着衍射光学光将具有与入射光相同的波长，因为光子Ep的能量被定义为Ep＝hc/λ，其中h是普朗克常数，c是光的速度，并且λ是光学波长。在k空间中，恒定能量或波长的光由等式(6)定义的动量表面表示：
Figure BDA0002539277910000124
在等式(6)中，
Figure BDA0002539277910000125
是根据光学光的传播方向的光学折射率，其由方位角φ和极角θ描述。对于光学各向同性介质，折射率在每个方向上是恒定的(例如，n0)，因此光学动量表面变成半径
Figure BDA0002539277910000126
的球体。
图4的图示400示出了在三个不同波长的各向同性介质中光学动量(k空间)表面的横截面。最大表面408对应于最短波长(例如，蓝光的波长)，第二最大表面410对应于第二最短波长(例如，绿光的波长)，并且最小表面412对应于最长波长(例如，红光的波长)，因为光学动量矢量
Figure BDA0002539277910000127
与波长λ成反比。
为了使光学衍射发生，光栅矢量
Figure BDA0002539277910000128
与入射光学矢量
Figure BDA0002539277910000129
的总和必须总和为允许的传播模式
Figure BDA00025392779100001210
该模式通常被称为布拉格匹配，由等式(7)给出：
Figure BDA0002539277910000131
通过将光栅矢量的原点放置在光学动量矢量
Figure BDA0002539277910000132
的尖端，可以在k空间中示出布拉格匹配。图4示出了与图3的斜交镜布拉格匹配的示例。如图4的图示400所示，来自三个不同波长但相同入射角θi的入射光穿过斜交镜，如入射光矢量(例如，
Figure BDA0002539277910000133
)416、418和420所示。衍射光栅矢量422的原点(例如，衍射光栅矢量
Figure BDA0002539277910000134
)被放置在三个不同入射光学矢量416、418和420的尖端处。图4的光栅矢量422可例如对应于图3中的图示316的点(光栅矢量)322。
如果来自斜交镜的入射光学矢量和光栅矢量布拉格匹配，则入射光将被衍射(反射)。例如，与红色动量表面(例如，示意图400中的表面412)相关联的光学光与斜交镜的最小光栅矢量(例如，因为沿光栅矢量422的第一实心点位于表面412上)布拉格匹配，并且因此将衍射光(例如，与入射光学矢量416相关联的红光)。斜交镜中的其他光栅矢量(实心点)422加入射光学矢量416得到的解为不允许的传播模式(例如，求和不会落在表面412上)。因此，这些光栅不会衍射与入射光学矢量416相关联的入射光。
对于由绿色动量表面(例如，表面410)表示的光，没有一个光栅矢量与该入射角和波长布拉格匹配。因此，与入射光学矢量418相关联的绿色入射光将传播穿过斜交镜而不衍射，如图4的图示402所示。最后，由蓝色动量表面(例如，表面408)表示的光由具有最大空间频率的光栅衍射(例如，因为最大量值光栅矢量422与入射光学矢量420相加到表面408上的点)。这使得红光和蓝光衍射成相同的角度，如图示402中的红光424和蓝光426所示。这示出了斜交镜(例如，图4的斜交镜428和包括图3中的光栅集320的斜交镜)的消色差性能。同时，绿光430穿过斜交镜428而不衍射(例如，因为绿光不与斜交镜428中的光栅中的任一个光栅布拉格匹配，如图示400所示)。在实践中，可以增加斜交镜中的衍射光栅的数量以进一步改善斜交镜的光谱性能。
图4的图示404示出了具有相同光学波长(例如，与表面432相关联的波长)但不同入射角(例如，与入射光学矢量434、436和438相关联的角度)的光如何可与斜交镜428进行交互。如图示404所示，与矢量434和438相关联的入射光与光栅矢量422布拉格匹配，并且将被衍射，如真实空间图示406中的光440和442所示。一些角度的入射光(诸如与入射光学矢量436相关联的入射光)不与斜交镜428中的衍射光栅中的任一个光栅布拉格匹配，因此斜交镜将不会衍射该光(例如，如图示406中的光444所示)。在与图4相关联的理想场景中，斜交镜可以镜像对称性衍射角带宽和波长带宽的光。无论入射角和光波长如何，斜交镜都将关于斜交镜428的反射镜平面414对称地衍射入射光(例如，正交于光栅矢量
Figure BDA0002539277910000141
的轴线，对应于图3的反射镜平面314)。
具有平行衍射光栅的斜交镜将在斜交镜介质(例如，光栅介质)本身内以镜像对称性衍射入射光。然而，一旦衍射光折射到具有不同色散质量的介质中，就会违反镜像对称性。图5示出了此类示例，在该示例中斜交镜(例如，图5的斜交镜528)由自由空间围绕并且因此具有n＝1的本体折射率。对于该示例，628nm的光524和459nm的光522在
Figure BDA0002539277910000142
方向(例如，θi＝180度)上传播到斜交镜中，如真实空间图示502所示。入射光524和522垂直于斜交镜表面526，因此可忽略进入斜交镜的折射。两个波长的光由斜交镜以衍射光角度θd＝-20°衍射(例如，具有如图示500所示的相同衍射光矢量
Figure BDA0002539277910000143
)。
需注意，入射光和衍射光均与反射镜轴514在角度α处成100度，如k空间图示500所示，从而展示斜交镜本身内部的斜交镜的镜像对称性。对于该示例，蓝光(例如，光522)和红光(例如，光524)分别被指定为1.6和1.5的折射率。当衍射光折射到自由空间中时，蓝光522折射到-38度的角度520中，而红光524折射到-30.9度的角度518中(例如，以角度520和518离开斜交镜528的衍射光表现出不与衍射光矢量
Figure BDA0002539277910000144
对准的光学动量矢量
Figure BDA0002539277910000145
如图示500所示)。换句话讲，当衍射光被折射到与斜交镜本身具有不同光学色散属性的介质中时，斜交镜可能失去其镜像对称性。这可能是有问题的，因为斜交镜的许多应用将希望在空气或其他介质中而不是在斜交镜本身中利用斜交镜的反射属性。
可通过在斜交镜中包括非平行衍射光栅(例如，具有非平行光栅矢量的衍射光栅)来补偿材料色散的有害效应。这可将斜交镜配置为在周围介质中而不是在斜交镜本身中表现出镜像对称性。
图6的曲线图604示出了图5的斜交镜528在斜交镜具有火石玻璃(NF2)的材料色散的示例中的性能。曲线图604的曲线610根据图5的蓝光522的入射角θi绘制衍射角θ0(例如，作为从斜交镜折射到周围介质中的角度)。曲线图604的曲线608根据图5的红光524的入射角θi绘制衍射角θ0。如曲线图604所示，红色波长和蓝色波长在整个入射场上以相差约0.5°的角度衍射，从而在斜交镜上赋予不期望的色彩效应。曲线图600根据对应的光栅量值|Kg|绘制斜交镜中光栅中的每个光栅的斜交轴线。如曲线图600所示，光栅中的每个光栅具有指向相同方向(例如，具有80度的斜交/反射镜轴)的光栅矢量，而不管光栅频率如何。
为了减少斜交镜的这种色彩行为，斜交镜中的光栅方向可根据光栅频率(光栅矢量量值)而变化。例如，可通过优化优值M来执行使斜交镜的角度根据光栅量值|Kg|而变化的优化。例如，优值M可由等式8给出：
Figure BDA0002539277910000151
在等式8中，求和在入射视场上执行，
Figure BDA0002539277910000152
是红光(例如，图5的红光524)的衍射角θ0，并且
Figure BDA0002539277910000153
是蓝光(例如，图5的蓝光522)的衍射角θ0。通过优化优值，斜交镜中的每个光栅的斜交轴线可根据光栅频率而变化，如曲线图602所示。斜交镜中的每个光栅矢量(以及因此反射镜/斜交轴线)可基于其光栅量值(光栅频率|Kg|)而变化，而不是表现出相同的光栅矢量方向(例如，单位矢量
Figure BDA0002539277910000154
)。图6的曲线图606示出了当使用与曲线图602相关联的光栅方向(斜交轴线)配置光栅时红光和蓝光(例如，图5的光524和522)的衍射角与入射角的关系。如曲线图606上的线612所示，红光衍射响应和蓝光衍射响应会聚，使得无论波长如何，衍射光都以基本相同的角度从斜交镜输出到周围介质中。例如，如曲线图606所示，斜交镜的色彩行为可从红光与蓝光的衍射角之间的间距的平均值从0.5度减小到0.1度或更小。因此，根据斜交镜中的光栅频率来调节衍射光栅(光栅矢量)的斜交轴线(方向)将改善其色彩性能。
图6的示例仅为例示性的而非限制性的。可重新定义优化方法和优值函数以改变最终结果。例如，等式(8)中的优值函数不取决于斜交镜在角度范围内是否具有相同的镜像对称性或者平均斜交轴线是否偏移了几度。无论优值函数如何，根据光栅空间频率来调节衍射光栅的斜交轴线将允许当有问题的材料色散时改善斜交镜性能。
通过使用被切割的输入棱镜，可进一步减小材料色散的效应，使得垂直于斜交镜表面的衍射光也垂直于棱镜的输入面。另外，将棱镜的光学色散属性与光栅介质匹配也可减少或减轻有害的色散效应。
图7是已经设置有色散减轻光栅和色散减轻输入棱镜的斜交镜的侧视图。如图7所示，系统700(例如，光学系统700、显示系统700、全息系统700、光学结构700等)可包括波导702。波导702可包括波导基板716和718以及夹置在波导基板之间的光栅介质704。输入棱镜720可被安装到波导基板716的表面714。该示例仅为例示性的。一般来讲，光栅介质704不需要被安装在波导内，可省略基板716和718中的一个或两个基板，并且/或者输入棱镜720可被安装到光栅介质704的表面。
输入棱镜720可接收来自光源724(例如，光学部件，诸如透镜或用于将来自光源的光准直到棱镜720上的其他结构)的输入(图像)光726。棱镜720可具有被切割以垂直于输入光726延伸的输入面722。棱镜720可将光726耦合到光栅介质704中。棱镜720和基板716可由具有第一色散属性(例如，根据由第一色散系数表征的波长的第一折射率)的材料形成。光栅介质704可具有与第一色散属性不同的第二色散属性(例如，根据由第二色散系数表征的波长的第二折射率)。这可能导致耦合到光栅介质704中的光726中的一些对于不同波长以不同的角度折射，从而将光束726分成不同的波长的单独光束。在图7的例示性示例中，光726被分成第一光束728(例如，绿色光束)、光束730(例如，红色光束)和光束732(例如，蓝色光束)。光束728、730和732可沿介质704的长度向下传播，如箭头734所示。
可使用光栅介质704形成斜交镜。例如，斜交镜可包括光栅介质704的给定区域内的全息图(光栅)集706。在斜交镜不执行色散补偿的情况下，斜交镜可在第一方向上衍射光束728，如输出光束736所示，可在第二方向上衍射光束730，如输出光束740所示，并且可在第三方向上衍射光束732，如输出光束738所示。为了使该色彩行为最小化，光栅集706可包括具有光栅方向(例如，单位矢量
Figure BDA0002539277910000161
)的光栅，该光栅方向根据其光栅频率|Kg|而变化(例如，如图6的曲线图602所给出)。这可将光栅集706配置为在相同方向上衍射光束728、730和732。
例如，光栅集706可包括第一光栅(全息图)，该第一光栅与光束728(例如，绿光)布拉格匹配并且具有第一光栅方向并且因此具有第一斜交角(反射镜轴)708。类似地，光栅集706可包括第二光栅(全息图)，该第二光栅与光束730(例如，红光)布拉格匹配并且具有第二光栅方向并且因此具有第二反射镜轴712。最后，光栅集706可包括第三光栅(全息图)，该第三光栅与光束732(例如，蓝光)布拉格匹配并且具有第三光栅方向并且因此具有第三反射镜轴710。反射镜轴708、710和712可各自不同(例如，可各自取决于集706中的对应的光栅的光栅频率)。第一光栅可在第一方向上衍射光束728，如箭头736所示。第二光栅可在第一方向上衍射光束732，如箭头736所示。类似地，第三光栅可在第一方向上衍射光束730，如箭头736所示。换句话讲，集706中变化的光栅方向可将衍射光束738和740塌缩到光束736的方向，如箭头742所示。这可通过将每种颜色的光引导到期望位置(例如，窥眼箱)来减少色彩效应。方向736可垂直于表面714。通过在垂直于光栅介质704的表面的方向736上引导输出光束，并且通过使光726穿过垂直于光726的方向切割的面722耦合到光栅介质704中，可进一步最小化材料色散。
图8是针对图7所示的集706中的三个光栅的根据光栅量值(光栅频率)的斜交角(反射镜轴角度)的曲线图。如图8所示，点800、804和802绘制了在没有色散补偿的情况下图7的集706中的第一衍射光栅、第二衍射光栅和第三衍射光栅的斜交角。如图8所示，光栅中的每个光栅具有相同的斜交角A1，从而由于图7的光束738、736和740的发散而导致色彩效应。当设置有色散补偿能力时，第三光栅可设置有斜交角A2，如点808所示，并且第二光栅可设置有斜交角A0，如点810所示。例如，角度A2可对应于图7的反射镜轴712，并且角度A0可对应于图7的反射镜轴710。第一光栅可具有光栅量值G2，第二光栅可具有光栅量值G1，并且第三光栅可具有光栅量值G3。通过以这种方式(例如，沿非水平线806)根据光栅量值来改变斜交角，光束中的每个光束可在相同方向上衍射而不管颜色如何(例如，在图7的方向736上)，从而减轻色彩效应。图8的示例仅为示例性的。如果需要，曲线806可具有其他形状(例如，曲线806无需是线性的并且可例如通过优化优值函数来产生)。
返回图7，如果需要，可通过向输入棱镜720提供与衍射光栅704类似的色散属性来进一步增强图7的系统700的色散补偿操作。例如，可选择用于形成棱镜720的材料的色散系数与光栅介质704的色散系数相对紧密匹配。例如，在光栅介质704的色散系数为41.75且折射率为1.515(例如，在钠D线处)的情况下，输入棱镜720可由钛酸盐形成。钛酸盐的色散系数为45.5且折射率为1.548(例如，在钠D线处)。因此，钛酸盐的色散系数与介质704的色散系数相差4.05。相对于使用色散系数为64.17且折射率为1.517的BK7棱镜的场景的情况，这可允许输入棱镜提供改善的色彩性能。一般来讲，使用色散系数在光栅介质704的色散系数的给定阈值差值内(例如，钠D线处的折射率在介质704的折射率的±0.1至0.2内)的任何期望材料形成输入棱镜720可用于进一步增强系统的色彩性能。阈值差值可以是20、30、25、10、5、22.4、5、11、5.5、10至30之间、10至25之间或任何其他期望阈值。
在另一个合适的布置中，可通过使用多种不同的材料形成输入棱镜720来进一步改善图7的系统700的色彩性能。图9是使用多种不同材料形成的输入棱镜的侧视图。如图9所示，输入棱镜900(例如，图7的输入棱镜720)可包括由具有第一折射率n1的第一材料形成的第一部分(楔形件(wedge))902。棱镜900可包括形成于第一楔形件902下方的第二部分(楔形件)904。楔形件904可由具有第二折射率n2的第二材料形成。在图9的示例中，棱镜900是三角形的，楔形件902和904各自具有至少三个侧面并且共同限定棱镜的三角形形状。这仅仅是例示性的，并且如果需要，棱镜900、楔形件902和/或楔形件904可具有其他形状。
棱镜900可具有底部表面910(例如，接触图7的表面714或光栅介质的表面)。楔形件904可具有接触楔形件902并且相对于底部表面910成角度β延伸的表面906。楔形件902可包括接收(例如，来自图7的光学部件724的)输入光906的耦接面(表面)912(例如，图7的表面722)。耦接面912可从底部表面910成角度γ地延伸(例如，其中角度γ大于角度β)。光906可在其耦合到光栅介质中时在表面912、906和/或910处折射。在将光906垂直于面912提供给棱镜900的情况下(例如，如图7中的光726所示)，光906可能不会在表面912处折射。可选择角度γ、角度β、楔形件902的材料(例如，折射率n1)和楔形件904的材料(例如，折射率n2)以使色散最小化并且优化系统的色彩性能。在一些场景中，棱镜900可充分优化色彩性能和色散，使得光栅介质中的光栅结构无需具有例如根据光栅频率而变化的斜交角。
作为一些示例，楔形件902和楔形件904可各自由色散系数在40至50之间、43至47之间或30至60之间的材料形成。角度γ可在50度至70度之间、55度至65度之间(例如，大约60度)或其他角度。角度β可在10度至20度之间、15度至16度之间、12度至18度之间、5度至30度之间或其他角度。如果需要，楔形件902和904可具有其他形状。
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线反射的光包括比关于任何其他反射轴线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“反射轴线”是指将入射光相对于其反射的角度平分的轴线。入射光相对于反射轴线的入射角的绝对值等于入射光的反射相对于反射轴线的反射角的绝对值。对于传统反射镜，反射轴线与表面法线重合(即，反射轴线垂直于反射镜表面)。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线，或者在一些情况下可具有与表面法线重合的反射轴线。反射轴线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线衍射”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线可以是均匀的。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。本文所述的斜交镜有时在本文中也称为光栅结构、全息光栅结构或体积全息光栅结构。
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。
根据一个实施方案，提供了一种光学设备，该光学设备包括：波导，该波导具有第一波导基板和第二波导基板；光栅介质，该光栅介质位于第一波导基板与第二波导基板之间；棱镜，该棱镜安装到该第一波导基板，其中该棱镜被配置为将光耦合到该光栅介质中，该光栅介质具有第一色散系数，并且该棱镜具有不同于第一色散系数的第二色散系数；以及重叠全息图的集合，该重叠全息图的集合在该光栅介质中，其中该重叠全息图的集合被配置为将耦合到该光栅介质中的第一波长的光以给定方向引导穿过第一波导基板和第二波导基板中的给定一者，并且被配置为将耦合到该光栅介质中的第二波长的光以给定方向引导穿过第一波导基板和第二波导基板中的给定一者。
根据上述实施方案的任何组合，该给定方向垂直于第一波导基板的侧表面。
根据上述实施方案的任何组合，第一波长包括红光，并且第二波长包括蓝光。
根据上述实施方案的任何组合，该光学设备还包括被配置为以垂直于该棱镜的输入表面的角度向该输入表面提供光。
根据上述实施方案的任何组合，该重叠全息图的集合包括具有第一光栅矢量的第一全息图和具有第二光栅矢量的第二全息图，该第二光栅矢量相对于该第一光栅矢量以非零角度取向。
根据上述实施方案的任何组合，该重叠全息图的集合还包括具有第三光栅矢量的第三全息图，该第三光栅矢量与第一全息图和第二全息图重叠并且相对于第一光栅矢量和第二光栅矢量以非零角度取向，其中第一光栅矢量具有第一量值，第二光栅矢量具有不同于第一量值的第二量值，并且该第三光栅矢量具有不同于第一量值和第二量值的第三量值。
根据上述实施方案的任何组合，第一色散系数与第二色散系数之间的差值小于30。
根据上述实施方案的任何组合，该差值小于10。
根据上述实施方案的任何组合，该棱镜包括在第一波导基板上并且在给定波长下具有第一折射率的第一部分，并且该棱镜包括在第一部分上并且在给定波长下具有不同于第一折射率的第二折射率的第二部分。
根据上述实施方案的任何组合，该重叠全息图的集合中的每个全息图具有相应的光栅矢量，该相应的光栅矢量具有对应的光栅频率和以一角度取向的对应的斜交轴线，其中该重叠全息图的集合中的斜交轴线的角度根据对应的光栅频率而变化。
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：光栅介质；棱镜，该棱镜安装到该光栅介质，其中该棱镜被配置为将光耦合到该光栅介质中；在该光栅介质中的第一全息图，该第一全息图具有第一光栅频率和第一光栅矢量，其中该第一全息图被配置为在给定方向上衍射耦合到该光栅介质中的光的至少一些；在该光栅介质中的第二全息图，该第二全息图与第一全息图重叠并且具有不同于第一光栅频率的第二光栅频率和不平行于第一光栅矢量的第二光栅矢量，其中该第二全息图被配置为在给定方向上衍射耦合到该光栅介质中的光的至少一些；以及在该光栅介质中的第三全息图，该第三全息图与第一全息图和第二全息图重叠并且具有不同于第一光栅频率和第二光栅频率的第三光栅频率和不平行于第一光栅矢量和第二光栅矢量的第三光栅矢量，其中该第三全息图被配置为在给定方向上衍射耦合到该光栅介质中的光的至少一些。
根据上述实施方案的任何组合，给定方向正交于光栅介质的侧表面。
根据上述实施方案的任何组合，该光学系统还包括被配置为以垂直于该棱镜的输入面的角度向该输入面提供光。
根据上述实施方案的任何组合，该棱镜包括第一楔形件和第一楔形件上的第二楔形件，其中第二楔形件包括输入面，第一楔形件具有第一色散系数，并且第二楔形件具有不同于第一色散系数的第二色散系数。
根据上述实施方案的任何组合，该棱镜具有第一色散系数，并且该光栅介质具有在第一色散系数的±30内的第二色散系数。
根据上述实施方案的任何组合，该光栅介质嵌入在波导中，并且该棱镜安装到该波导的表面。
根据上述实施方案的任何组合，该波导包括具有第一色散系数的基板，并且该光栅介质具有不同于第一色散系数的第二色散系数。
根据上述实施方案的任何组合，该棱镜包括钛酸盐。
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；光栅介质，该光栅介质位于该第一基板与该第二基板之间；棱镜，该棱镜在该第一基板上并且被配置为使光穿过该第一基板耦合到该光栅介质中；全息光学元件，该全息光学元件在该光栅介质中并且被配置为衍射耦合到该光栅介质中的光，其中该棱镜包括：在该第一基板的表面上的第一部分，该第一部分具有第一色散系数；在该第一部分上的第二部分，该第二部分具有不同于该第一色散系数的第二色散系数。
根据上述实施方案的任何组合，该第二部分包括被配置为接收光的输入面，其中该第二部分被配置为使光穿过该第一部分传送到该光栅介质，该第一部分具有接触该第二部分的上表面，该上表面相对于该棱镜的底部表面以第一角度取向，并且该输入面相对于该棱镜的该底部表面以大于该第一角度的第二角度取向。
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：
波导，所述波导具有第一波导基板和第二波导基板；
所述第一波导基板与所述第二波导基板之间的光栅介质；
安装到所述第一波导基板的棱镜，其中所述棱镜被配置为将光耦合到所述光栅介质中，所述光栅介质具有第一色散系数，并且所述棱镜具有不同于所述第一色散系数的第二色散系数；和
所述光栅介质中的重叠全息图的集合，其中所述重叠全息图的集合被配置为将耦合到所述光栅介质中的第一波长的所述光以给定方向引导穿过所述第一波导基板和所述第二波导基板中的给定一者，并且被配置为将耦合到所述光栅介质中的第二波长的所述光以所述给定方向引导穿过所述第一波导基板和所述第二波导基板中的所述给定一者。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述给定方向垂直于所述第一波导基板的侧表面。
3.根据权利要求2所述的光学设备，其中所述第一波长包括红光，并且所述第二波长包括蓝光。
4.根据权利要求2所述的光学设备，还包括：
光学结构，所述光学结构被配置为以垂直于所述棱镜的输入表面的角度向所述输入表面提供所述光。
5.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述重叠全息图的集合包括具有第一光栅矢量的第一全息图和具有第二光栅矢量的第二全息图，所述第二光栅矢量相对于所述第一光栅矢量以非零角度取向。
6.根据权利要求5所述的光学设备，其中所述重叠全息图的集合还包括具有第三光栅矢量的第三全息图，所述第三全息图与所述第一全息图和所述第二全息图重叠，并且所述第三光栅矢量相对于所述第一光栅矢量和所述第二光栅矢量以非零角度取向，其中所述第一光栅矢量具有第一量值，所述第二光栅矢量具有不同于所述第一量值的第二量值，并且所述第三光栅矢量具有不同于所述第一量值和所述第二量值的第三量值。
7.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第一色散系数与所述第二色散系数之间的差值小于30。
8.根据权利要求6所述的光学设备，其中所述差值小于10。
9.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述棱镜包括在所述第一波导基板上并且在给定波长处具有第一折射率的第一部分，并且其中所述棱镜包括在所述第一部分上并且在所述给定波长下具有不同于所述第一折射率的第二折射率的第二部分。
10.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述重叠全息图的集合中的每个全息图具有相应的光栅矢量，所述相应的光栅矢量具有对应的光栅频率和以一角度取向的对应的斜交轴线，其中所述重叠全息图的集合中的所述斜交轴线的所述角度根据所述对应的光栅频率而变化。
11.一种光学系统，包括：
光栅介质；
安装到所述光栅介质的棱镜，其中所述棱镜被配置为将光耦合到所述光栅介质中；
在所述光栅介质中的第一全息图，所述第一全息图具有第一光栅频率和第一光栅矢量，其中所述第一全息图被配置为在给定方向上衍射耦合到所述光栅介质中的所述光的至少一些；
在所述光栅介质中的第二全息图，所述第二全息图与所述第一全息图重叠并且具有不同于所述第一光栅频率的第二光栅频率和不平行于所述第一光栅矢量的第二光栅矢量，其中所述第二全息图被配置为在所述给定方向上衍射耦合到所述光栅介质中的所述光的至少一些；以及
在所述光栅介质中的第三全息图，所述第三全息图与所述第一全息图和所述第二全息图重叠并且具有不同于所述第一光栅频率和所述第二光栅频率的第三光栅频率和不平行于所述第一光栅矢量和所述第二光栅矢量的第三光栅矢量，其中所述第三全息图被配置为在所述给定方向上衍射耦合到所述光栅介质中的所述光的至少一些。
12.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述给定方向正交于所述光栅介质的侧表面。
13.根据权利要求11所述的光学系统，还包括：
光学结构，所述光学结构被配置为以垂直于所述棱镜的输入面的角度向所述输入面提供所述光。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述棱镜包括第一楔形件和所述第一楔形件上的第二楔形件，其中所述第二楔形件包括所述输入面，所述第一楔形件具有第一色散系数，并且所述第二楔形件具有不同于所述第一色散系数的第二色散系数。
15.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述棱镜具有第一色散系数，并且所述光栅介质具有在所述第一色散系数的±30内的第二色散系数。
16.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述光栅介质嵌入在波导中，并且所述棱镜安装到所述波导的表面。
17.根据权利要求16所述的光学系统，其中所述波导包括具有第一色散系数的基板，并且所述光栅介质具有不同于所述第一色散系数的第二色散系数。
18.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述棱镜包括钛酸盐。
19.一种头戴式显示设备，包括：
第一基板和第二基板；
所述第一基板与所述第二基板之间的光栅介质；
所述第一基板上的棱镜，并且所述棱镜被配置为将光穿过所述第一基板耦合到所述光栅介质中；和
所述光栅介质中的全息光学元件，并且所述全息光学元件被配置为衍射耦合到所述光栅介质中的所述光，其中所述棱镜包括：
所述第一基板的表面上的第一部分，所述第一部分具有第一色散系数；以及
所述第一部分上的第二部分，所述第二部分具有不同于所述第一色散系数的第二色散系数。
20.根据权利要求19所述的头戴式显示设备，其中所述第二部分包括输入面，所述输入面被配置为接收所述光，其中所述第二部分被配置为将所述光穿过所述第一部分传送到所述光栅介质，所述第一部分具有接触所述第二部分的上表面，所述上表面相对于所述棱镜的底部表面以第一角度取向，并且所述输入面相对于所述棱镜的所述底部表面以大于所述第一角度的第二角度取向。
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