CN112346246B - 光学元件制造方法、光束合成器制造方法及波导型光学组件 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种光学元件的制造方法，包括：提供一波导；利用激光器发射出激光；将所述激光分束成第一激光光束和第二激光光束；使所述第一激光光束汇聚到所述波导外的第一点，并出射到所述波导的耦入面上，进入所述波导内部；使所述第二激光光束穿过所述感光膜或感光板后汇聚到所述波导外的第二点；被汇聚到第一点并在波导内部全反射的第一激光光束与被汇聚到所述第二点的第二激光光束在所述感光膜或感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得体全息光学元件。本公开的技术方案，针对传统视网膜成像光学显示技术中复杂的大体积光学组件问题，通过波导与体全息光学元件的组合，实现了紧凑的显示模组，在近眼AR和VR显示领域，具有重要的应用价值。

Description

光学元件制造方法、光束合成器制造方法及波导型光学组件

技术领域

本公开大致涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学元件制造方法、光束合成器制造方法及波导型光学组件。

背景技术

随着计算机技术和显示技术的发展，通过计算机仿真系统来体验虚拟世界的虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术以及将显示内容融合到真实环境背景中的增强现实(Augmented Reality,AR)技术和混合现实(Mixed Reality,MR)技术已经迅猛发展。

近眼显示是上述VR、AR和MR技术发展的重要技术热点。近眼显示的VR技术主要追求浸没式大视场的虚拟显示，对应的是虚拟现实显示头盔。而近眼AR和MR技术的目的是实现透视式的虚实融合，对应的是增强现实智能眼镜。原则上，用于AR以及MR的近眼显示装置，在阻挡了外界环境光进入使用者眼睛的情况下，也叫做增强现实技术。

近眼显示装置通常构造为头戴式显示装置或眼镜形态的显示装置，用于将微显示芯片显示的图像，通过光学系统成像于远处，人眼直接通过近眼显示装置看到显示的放大的位于远处的图像，同时会结合SLAM技术实现空间感知定位，通过手势识别，眼球跟踪的技术实现交互，是一个具有重要潜在应用价值的新型显示技术，被认为是有望“取代智能手机”的新型显示技术。

近年来，虚拟现实显示设备呈现出爆炸性的发展，设备种类诸多。如Oculus、HTC、Sony、Samsung等国际巨头公司，都分别推出了虚拟现实头盔显示装置，国内的PICO，大鹏光电等也在积极进行虚拟现实显示产品的研发。用于这些虚拟现实头盔显示器的近眼显示装置大多是基于单一正透镜成像原理的，也即通过在单一正透镜的物方焦平面附近放置显示器，使得该显示器通过该单一正透镜后在透镜的物方无穷远处成正立、放大的虚像。

用于AR和MR的近眼显示装置同样在近年来得到很大发展。如Microsoft公司和MaigcLeap公司等都推出了基于增强现实光学引擎的增强现实产品，其增强现实光学引擎利用了衍射光波导实现了图像的耦入、耦出和扩瞳等功能。所述的技术实现了基于双目视差的三维显示或双层深度的体显示或普通的二维显示。国内的珑璟光电，奈德佳，谷东科技等采用阵列波导或自由曲面AR目镜的方式实现增强现实。采用该技术可实现二维现实或三维现实，但实现的三维显示，辐辏冲突问题存在，即观看者的人眼聚焦和双目视轴汇聚不一致，导致的视觉疲劳，眩晕等问题，尤其是观看距离较近的虚拟场景时，不适感更加强烈。长期佩戴此种类型的近眼显示装置，对视力发育尚未成熟的青少年的视力情况有着潜在的危害。

目前对于增强现实的头盔或者眼镜来说，最大的挑战之一就在开发出尺寸更小更加紧促的光学显示核心组件，实现无辐辏冲突的三维显示技术或舒适的二维显示。使得用户更乐于长时间佩戴，并满足特定场合使用的一些具体要求。

另外，视网膜成像技术是通过光学手段，将图像直接投影至视网膜的显示技术，传统的视网膜成像技术，通过LCOS等显示芯片作为图像载体，通过透镜系统进行成像，使用半透半反镜将图像导入人眼，环境光透过人眼实现穿透式显示，该方案透镜组体积较大，半透半反镜会将环境光亮度衰减一半，实现紧凑型的不衰减环境光的大视场的显示模组是视网膜成像技术亟待解决的重要问题。

此外，上述问题的解决，也需要对现有的光学器件及其制造方法进行改进。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术缺陷中的至少一个，本公开提供一种波导型光学组件，以及该光学组件制造装置和制作方法。

所述波导型光学组件包括：

光束生成器，配置成形成光锥分布的光束组；

波导，所述波导具有耦入面，用于将所述光束组中的光束耦合进入所述波导，耦合进入波导的光束在所述波导与空气的界面发生全反射；和

光束合成器，贴附在所述波导的一表面上，改变入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述波导继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后汇聚于一点。

根据本公开的一个方面，所述波导型光学组件具有入瞳和出瞳，所述光锥的顶点为所述入瞳，来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后所汇聚的所述一点为所述出瞳。

根据本公开的一个方面，所述光束生成器包括光源和微机电系统，其中所述光源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；微机电系统配置成可对从所述光源出射的光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，其中所述光源优选为单色或者三色激光光源。

根据本公开的一个方面，所述光束生成器包括：

光源，其中所述光源为单色或三色的激光光源或LED光源或OLED光源；

DMD、LCOS、LCD中的一个或多个，配置成可载入图像，并根据所述图像，对所述光源照射到其上的光进行调制；

光阑或透镜，配置成接收所述调制的光以形成所述光锥分布的光束。

根据本公开的一个方面，所述光束生成器包括：

光源，其中所述光源为单色或三色的激光光源或LED光源或OLED光源；

透镜，配置成接收所述光源发出的发散光，并汇聚到所述光锥的顶点；

DMD、LCOS、LCD中的一个或多个，位于所述透镜和所述顶点之间，并配置成可载入图像，并根据所述图像，对经过透镜后的照射到其上的光进行调制。

根据本公开的一个方面，所述微机电系统包括MEMS振镜，所述光源是细光束光源，包括多个激光器、控制器和合束器，所述控制器与所述多个激光器耦合，并控制所述多个激光器发射出激光束，所述多个激光器的激光束入射到所述合束器，合成为在空间上传播路径重合的近平行性细光束。

根据本公开的一个方面，所述合束器包括透镜组、以及分别与所述多个激光器的波长对应的光学薄膜分光片，其中所述透镜组配置成可调整所述激光器发出的激光束的发散角和/或直径，并投射到对应的光学薄膜分光片上，经过反射或透射形成所述在空间上传播路径重合的近平行性细光束。

根据本公开的一个方面，所述合束器还包括设置在所述透镜组与所述光学薄膜分光片之间的光阑、波片、偏振片、衰减片，所述合束器还包括与所述透镜组耦合的微电机，所述微电机可调节所述透镜组中透镜间的相对位置以调节从所述透镜组出射的光束的发散角和/或直径。

根据本公开的一个方面，所述光束组中不同方向的光束携带不同图像像素的颜色信息和/或亮度信息。

根据本公开的一个方面，所述光束合成器包括衍射光学元件，被耦合进入所述波导中的光束在波导与空气的交界处发生全反射后，入射到所述衍射光学元件不同位置时均发生衍射，衍射光的传播方向改变并离开所述波导继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后汇聚于一点。

根据本公开的一个方面，所述耦入面设置在波导的凸出的耦入结构上，所述凸出的耦入结构与所述光束合成器所在的平面相交，相交的位置可用作定位，用于将所述光束合成器贴附在所述波导上。

根据本公开的一个方面，所述衍射光学元件是体全息光学元件，为透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件，其中所述光束生成器包括多个激光器，所述多个激光器配置成可发射出不同波长的激光光束。

根据本公开的一个方面，所述体全息光学元件包括单个彩色体全息光学元件，所述单个彩色体全息光学元件对所述多个激光器的不同波长的激光均发生衍射作用。

根据本公开的一个方面，所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个单色体全息光学元件，与所述多个激光器的数目对应，每一片单色体全息光学元件，仅对所对应波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用。

根据本公开的一个方面，所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个体全息光学元件，所述多个体全息光学元件的数目少于所述多个激光器的数目，所述多个体全息光学元件中的至少一个对所述多个激光器中至少两个波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用；而其余的体全息光学元件，对余下的其它波长中的一个波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用。

根据本公开的一个方面，所述体全息光学元件包括一片单色体全息光学元件，仅对一个波长的激光发生衍射作用。

根据本公开的一个方面，所述的波导型光学组件还包括贴附在所述波导的耦入面上的凹透镜或位于所述光束生成器与所述波导耦入面之间的凹透镜，以使得来自所述光束生成器的光锥分布的光束组中不同方向的光束以更大的折射角度进入所述波导。

根据本公开的一个方面，所述的波导型光学组件还包括MEMS振镜移动装置，MEMS振镜移动装置与所述MEMS振镜连接，并可使所述MEMS振镜在多个位置之间移动，每一个位置对应一个入瞳；在每一个位置时，经MEMS振镜扫描出的光锥分布的光束组中不同方向的光束经所述光束合成器在自由空间形成一个汇聚点，对应一个出瞳。

根据本公开的一个方面，所述的微机电系统包括MAHOE光学元件和MEMS振镜，所述MAHOE光学元件至少具有第一区域和第二区域，所述入瞳至少包括第一入瞳和第二入瞳，所述出瞳至少包括第一出瞳和第二出瞳，其中从所述光源出射的光束经所述MEMS振镜扫描后照射到所述MAHOE光学元件的第一区域和第二区域上，其中，照射到所述第一区域上的光束被所述MAHOE光学元件的第一区域反向衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第一入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入所述波导，被所述光束合成器衍射，离开所述波导后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第一出瞳；照射到所述第二区域上的光束被所述MAHOE光学元件的第二区域反向衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第二入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入所述波导，被所述光束合成器衍射，离开所述波导后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第二出瞳。

本公开还涉及一种近眼显示装置，包括如上所述的波导型光学组件。

根据本公开的一个方面，所述近眼显示装置是虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

根据本公开的一个方面，所述的近眼显示装置还包括图像生成单元，配置成可生成带显示的图像，所述图像生成单元与所述光束生成器耦合，所述光束生成器发射的光束组中不同方向的光束携带所述图像中不同像素的颜色信息和/或亮度信息。

根据本公开的一个方面，所述的近眼显示装置包括左眼显示单元和右眼显示单元，其中左眼显示单元和右眼显示单元均包括如上所述的波导型光学组件。

本公开还涉及一种光学系统的图像投射方法，包括：

S61：生成光锥分布的光束组；

S62：将所述光锥分布的光束组耦合进入波导，进入所述波导的光束在所述波导与空气的界面处发生全反射；

S63：通过位于所述波导的一表面上的光束合成器，改变入射到所述光束合成器上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述波导继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后汇聚于一点。

根据本公开的一个方面，所述光学系统具有入瞳和出瞳，所述光锥的顶点为所述入瞳，来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后所汇聚的所述一点为所述出瞳，

根据本公开的一个方面，所述光束生成器包括光源和微机电系统，

其中所述步骤S61包括：

S611：利用一光源，出射携带有图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；

S612：利用一微机电系统，对从所述光源出射的光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组。

根据本公开的一个方面，所述步骤S61包括：

利用一光源发出的照明光，照射一显示屏，其中所述光源为单色或三色的激光光源或LED光源或OLED光源，所述显示屏为DMD、LCOS或LCD；

在所述显示屏中载入图像，并根据所述图像，对所述光源照射到其上的光进行调制；

通过光阑或透镜，使所述调制的光形成所述光锥分布的光束。

根据本公开的一个方面，所述步骤S61包括：

利用一光源发出照明光，照射到一透镜上，经所述透镜后汇聚到所述光锥的顶点，其中所述光源为单色或三色的激光光源或LED光源或OLED光源；

经过所述透镜的光束照射到位于所述透镜和所述顶点之间的一显示屏上，所述显示屏为DMD、LCOS或LCD，所述显示屏载入图像，并根据所述图像，对从透镜照射到其上的光进行调制。

根据本公开的一个方面，所述微机电系统包括MEMS振镜和MEMS振镜移动装置，MEMS振镜移动装置与所述MEMS振镜连接，并可使所述MEMS振镜在多个位置之间移动，每一个位置对应所述光学系统的一个入瞳；在一个位置时，经MEMS振镜扫描出的光锥分布的光束组中不同方向的光束经所述光束合成器在自由空间形成一个汇聚点，对应所述光学系统的一个出瞳，

其中所述图像投射方法还包括：通过所述MEMS振镜移动装置，改变所述MEMS振镜的位置。

本公开还涉及一种光学元件的制造方法，包括：

S71：提供一波导，所述波导具有耦入面，感光膜或感光板贴附在所述波导的表面上；

S72：利用激光器发射出激光；

S73：将所述激光分束成第一激光光束和第二激光光束；

S74：使所述第一激光光束汇聚到所述波导外的第一点，并出射到所述波导的耦入面上，进入所述波导内部，在所述波导与空气的界面发生全反射，并入射到所述感光膜或感光板上；

S75：使所述第二激光光束穿过所述感光膜或感光板后汇聚到所述波导外的第二点；和

S76：被汇聚到所述第一点并在所述波导内部全反射的第一激光光束与被汇聚到所述第二点的第二激光光束在所述感光膜或感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得体全息光学元件。

根据本公开的一个方面，所述感光膜或感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S72包括：利用多个激光器发出不同波长的激光光束，合束后出射；

所述步骤S76包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述感光材料内部同时进行干涉曝光。

根据本公开的一个方面，所述感光膜或感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S72包括：相继地利用多个激光器发出不同波长的激光光束并出射；所述步骤S76包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述感光材料内部相继地进行多次干涉曝光。

根据本公开的一个方面，所述感光膜或感光板的感光材料为单色感光材料，所述步骤S72包括：利用激光器发出与该单色感光材料对应波长的激光光束并出射；所述步骤S76包括：对应于所述激光器的波长，在所述感光材料内部进行干涉曝光，获得与所述波长对应的所述体全息光学元件。

根据本公开的一个方面，所述的方法还包括：更换可对不同波长的光线进行曝光的感光膜或感光板，通过所述步骤S72、S73、S74、S75和S76，获得与所述不同波长对应的多个体全息光学元件。

根据本公开的一个方面，所述步骤S72包括：

由多个激光器发射出不同波长的激光光束；

对所述不同波长的激光光束进行合束；和

对合束后的激光光束进行滤波和准直扩束。

根据本公开的一个方面，所述对不同波长的激光光束进行合束的步骤包括：通过光学薄膜分光器对所述不同波长的激光光束进行合束。

根据本公开的一个方面，所述步骤S73包括：通过分光片将所述激光分束成第一激光光束和第二激光光束。

根据本公开的一个方面，所述步骤S74包括：通过第一透镜将所述第一激光光束汇聚到所述波导外的第一点；

所述步骤S75包括：通过第二透镜或凹面反射镜将所述第二激光光束汇聚到所述波导外的第二点。

根据本公开的一个方面，所述第二透镜或凹面反射镜位于所述感光膜或感光板的与所述波导相反的一侧上，或位于所述波导的与所述感光膜或感光板相反的一侧上。

根据本公开的一个方面，所述的方法还包括：

S77：使所述第一激光光束汇聚到所述波导外的第三点，并出射到所述波导的耦入面上，进入所述波导内部，在所述波导与空气的界面发生全反射，并入射到所述感光膜或感光板上，其中所述第三点不同于所述第一点；

S78：使所述第二激光光束穿过所述感光膜或感光板后汇聚到所述波导外的第四点，其中所述第四点不同于所述第二点；和

S79：被汇聚到所述第三点并在所述波导内部全反射的第一激光光束与被汇聚到所述第四点的第二激光光束在所述感光膜或感光板的感光材料内部产生干涉曝光。

根据本公开的一个方面，所述的方法还包括：

将所获得的体全息光学元件作为母版，复制其它的体全息光学元件。

本公开还提供一种制造光束合成器的方法，包括：

S81：提供通过如上所述方法制备的体全息光学元件作为母版，其中所述母版为反射式体全息光学元件；

S82：提供一波导，所述波导具有耦入面，以将光波耦入所述波导内部，光波在所述波导与空气的界面发生全反射，所述波导与制作所述体全息光学元件所用的波导具有至少部分相同的光学和/或几何参数；

S83：将一感光膜或感光板贴附在所述波导的表面上；

S84：将所述母版贴附在所述感光膜或感光板之上；

S85：从与制作所述体全息光学元件时的第一点对应的位置处发出发散球面波入射到所述波导的耦入面上，在所述波导与空气界面发生一次或多次全反射并入射到所述感光膜或感光板，穿过所述感光膜或感光板入射到所述母版上，被所述母版反向衍射，反向衍射光穿过所述感光膜或感光板并汇聚到与所述第二点对应的位置处，入射到所述感光膜或感光板的光与反向衍射光在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生干涉曝光，获得新的反射式体全息光学元件。

根据本公开的一个方面，所述感光膜或感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S85包括：相继地发出不同波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生多次干涉曝光或同时发出不同波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部同时发生干涉曝光。

根据本公开的一个方面，所述感光膜或感光板的感光材料为单色感光材料，所述步骤S85包括：发出与该单色感光材料对应波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生单次干涉曝光。

本公开还涉及一种制造光束合成器的方法，包括：

S91：提供通过如上所述方法制备的体全息光学元件作为母版，其中所述母版为透射式体全息光学元件；

S92：提供一波导，所述波导具有耦入面，以将光波耦入所述波导内部，光束在所述波导与空气的界面发生全反射，所述波导与制作所述体全息光学元件所用的波导具有至少部分相同的光学和/或几何参数；

S93：将所述母版贴附在所述波导的表面上；

S94：将一感光膜或感光板贴附在所述母版之上；

S95：从与制作所述体全息光学元件时的第一点对应的位置处发出发散球面波入射到所述波导的耦入面上，在所述波导与空气界面发生一次或多次全反射并入射到所述母版，从所述母版出射的光包括未被衍射的透射光和被所述母版衍射后的汇聚光，所述汇聚光的汇聚点与所述第二点对应，所述未被衍射的透射光与衍射的汇聚光继续传播进入所述感光膜或感光板，在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生干涉曝光，获得新的透射式体全息光学元件。

根据本公开的一个方面，所述感光膜或感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S95包括：相继地发出不同波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生多次干涉曝光或同时发出不同波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部同时发生干涉曝光。

根据本公开的一个方面，所述感光膜或感光板的感光材料为单色感光材料，所述步骤S95包括：发出与该单色感光材料对应波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生单次干涉曝光。

本公开还提供一种体全息光学元件，通过如上所述的方法制成。

根据本公开的一个方面，所述体全息光学元件是透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件。

本公开还涉及一种波导型光学组件，所述波导型光学组件包括：

光束生成器，配置成形成光锥分布的光束组；

波导，所述波导具有耦入面，用于将所述光束组中的光束耦合进入所述波导，耦合进入波导的光束在所述波导与空气的界面发生全反射；和

如上所述的方法制成的光束合成器，贴附在所述波导的一表面上，改变入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述波导继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后汇聚于一点。

根据本公开的一个方面，所述波导型光学组件具有入瞳和出瞳，所述光锥的顶点为所述入瞳，来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后所汇聚的所述一点为所述出瞳。

根据本公开的一个方面，所述光束生成器包括光源和微机电系统，其中所述光源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；微机电系统配置成可对从所述光源出射的光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，其中所述光源优选为单色或者三色激光光源。

根据本公开的一个方面，所述光束生成器包括：

光源，其中所述光源为单色或三色的激光光源或LED光源或OLED光源；

DMD、LCOS、LCD中的一个或多个，配置成可载入图像，并根据所述图像，对所述光源照射到其上的光进行调制；

光阑或透镜，配置成接收所述调制的光以形成所述光锥分布的光束。

根据本公开的一个方面，所述光束生成器包括：

光源，其中所述光源为单色或三色的激光光源或LED光源或OLED光源；

透镜，配置成接收所述光源发出的发散光，并汇聚到所述光锥的顶点；

DMD、LCOS、LCD中的一个或多个，位于所述透镜和所述顶点之间，并配置成可载入图像，并根据所述图像，对经过透镜后的照射到其上的光进行调制。

根据本公开的一个方面，所述微机电系统包括MEMS振镜，所述光源是细光束光源，包括多个激光器、控制器和合束器，所述控制器与所述多个激光器耦合，并控制所述多个激光器发射出激光束，所述多个激光器的激光束入射到所述合束器，合成为在空间上传播路径重合的近平行性细光束。

根据本公开的一个方面，所述合束器包括透镜组、以及分别与所述多个激光器的波长对应的光学薄膜分光片，其中所述透镜组配置成可调整所述激光器发出的激光束的发散角和/或直径，并投射到对应的光学薄膜分光片上，经过反射或透射形成所述在空间上传播路径重合的近平行性细光束。其中所述透镜组亦可包含液体透镜或这液晶透镜，可通过外部电压控制调节透镜组的等效焦距。用于控制激光器发出的激光束的发散角和/或直径。

根据本公开的一个方面，所述合束器还包括设置在所述透镜组与所述光学薄膜分光片之间的光阑、波片、偏振片、衰减片，所述合束器还包括与所述透镜组耦合的微电机，所述微电机可调节所述透镜组中透镜间的相对位置以调节从所述透镜组出射的光束的发散角和/或直径。

根据本公开的一个方面，所述光束组中不同方向的光束携带不同图像像素的颜色信息和/或亮度信息。

根据本公开的一个方面，所述光束合成器包括衍射光学元件，被耦合进入所述波导中的光束在波导与空气的交界处发生全反射后，入射到所述衍射光学元件不同位置时均发生衍射，衍射光的传播方向改变并离开所述波导继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后汇聚于一点。

根据本公开的一个方面，所述耦入面设置在波导的凸出的耦入结构上，所述凸出的耦入结构与所述光束合成器所在的平面相交，相交的位置可用作定位，用于将所述合成器贴附与所述波导上。

根据本公开的一个方面，所述衍射光学元件是体全息光学元件，为透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件，其中所述光源包括多个激光器，所述多个激光器配置成可发射出不同波长的激光光束。

根据本公开的一个方面，所述体全息光学元件包括单个彩色体全息光学元件，所述单个彩色体全息光学元件对所述多个激光器的不同波长的激光均发生衍射作用。

根据本公开的一个方面，所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个单色体全息光学元件，与所述多个激光器的数目对应，每一片单色体全息光学元件，仅对所对应波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用。

根据本公开的一个方面，所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个体全息光学元件，所述多个体全息光学元件的数目少于所述多个激光器的数目，所述多个体全息光学元件中的至少一个对所述多个激光器中，至少两个波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用；而其余的体全息光学元件，对余下的其它波长中的一个波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用。

根据本公开的一个方面，所述体全息光学元件包括一片单色体全息光学元件，仅对一个波长的激光发生衍射作用。

根据本公开的一个方面，所述的波导型光学组件还包括贴附在所述波导的耦入面上的凹透镜或位于所述光束生成器与所述波导型光学组件之间的凹透镜，以使得来自所述光束生成器的光锥分布的光束组中不同方向的光束以更大的折射角度进入所述波导。

根据本公开的一个方面，所述的波导型光学组件还包括MEMS振镜移动装置，MEMS振镜移动装置与所述MEMS振镜连接，并可使所述MEMS振镜在多个位置之间移动，每一个位置对应一个入瞳；在一个位置时，经MEMS振镜扫描出的光锥分布的光束组中不同方向的光束经所述光束合成器在自由空间形成一个汇聚点，对应一个出瞳。

根据本公开的一个方面，所述的微机电系统包括MAHOE光学元件和MEMS振镜，所述MAHOE光学元件至少具有第一区域和第二区域，所述入瞳至少包括第一入瞳和第二入瞳，所述出瞳至少包括第一出瞳和第二出瞳，其中从所述光源出射的光束经所述MEMS振镜扫描后照射到所述MAHOE光学元件的第一区域和第二区域上，其中，照射到所述第一区域上的光束被所述MAHOE光学元件的第一区域反向衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第一入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入所述波导，被所述光束合成器衍射，离开所述波导后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第一出瞳；照射到所述第二区域上的光束被所述MAHOE光学元件的第二区域反向衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第二入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入所述波导，被所述光束合成器衍射，离开所述波导后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第二出瞳。

本公开还涉及一种近眼显示装置，包括如上所述的波导型光学组件。

根据本公开的一个方面，所述近眼显示装置是虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

根据本公开的一个方面，所述的近眼显示装置还包括图像生成单元，配置成可生成带显示的图像，所述图像生成单元与所述光束生成器耦合，所述光束生成器发射的光束组中不同方向的光束携带所述图像中不同像素的颜色信息和/或亮度信息。

本公开的技术方案，针对传统视网膜成像光学显示技术中复杂的大体积光学组件问题，通过波导与光束合成器的组合，实现了紧凑的显示模组，在近眼AR和VR显示领域，具有重要的应用价值。

在说明书中所描述的特点和优点并非全部，尤其是，结合附图和说明书，许多附加的特征和优点将对于本领域普通技术人员而言将是明显的。此外，应当指出的是，本说明书中所使用的用语主要是出于可读性和指导性的目的而被选择的，并且可能不是被选择以描述或限制创造性的技术方案。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本公开一个实施例的反射式波导型光学组件；

图2示出了根据本公开一个实施例的透射式波导型光学组件；

图3示出了根据本公开一个优选实施例的波导型光学组件；

图4示出了根据本公开又一个优选实施例的波导型光学组件；

图5示出了根据本公开又一个优选实施例的波导型光学组件；

图6示出了根据本公开一个优选实施例的具有突出耦入面结构的波导型光学组件；

图7示出了根据本公开一个优选实施例的全息光学元件；

图8示出了根据本公开一个优选实施例的波导型光学组件，其中具有凹透镜；

图9示出了根据本公开一个优选实施例的波导型光学组件，其中具有MEMS振镜移动装置；

图10示出了根据本公开一个优选实施例的波导型光学组件，其中具有MAHOE光学元件；

图11示出了根据本公开一个优选实施例的MAHOE光学元件的制造方法；

图12示出了根据本公开一个实施例的一种光学系统的图像投射方法；

图13示出了根据本公开第二方面的一种光学元件的制造方法；

图14示出了通过图13的制造方法来制造反射式光束合成器的光路示意图；

图15示出了通过图13的制造方法来制造透射式光束合成器的光路示意图；

图16示出了通过图13的制造方法来制造透射式光束合成器的一种变型的光路示意图；

图17示出了根据本公开一个实施例的制造光束合成器的方法；

图18A和18B示出了通过图17所示的方法制造光束合成器的光路示意图；

图19示出了根据本公开一个实施例的制造光束合成器的方法；和

图20A和20B示出了通过图19所示的方法制造光束合成器的光路示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现预定的逻辑功能的可执行指令。应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也应当注意，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接：可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。例如，本公开使用术语“耦接”，表示两个端子之间的连接方式可以是直接连接、也可以是通过一个中间媒介间接连接，可以是电气方面的有线连接、也可以是无线连接。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

需要注意的是，除非另有说明，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

以下结合附图对本公开的具体实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。

第一方面

本公开的第一方面涉及一种波导型光学组件(或称“光学模组”)10，如图1所示。下面参考图1进行详细描述。

如图1所示，波导型光学组件10包括光束生成器11、波导12、以及光束合成器13。其中，光束生成器11配置成形成光锥分布的光束组，所述光束组中不同方向的光束例如可携带有不同图像像素的颜色信息和/或亮度信息。如图1所示，光束生成器11生成了发散角度为θ的光锥，其中每一条光束可单独地携带有图像像素的颜色和/或亮度信息。根据本公开的一个实施例，光束生成器11可以扫描以形成所述光锥分布的光束组，例如在第一时刻，光束生成器11发射出光束L1，在第二时刻，光束生成器11发射出光束L2，在第一时刻与第二时刻之间，光束生成器11发射出L1和L2之间的光束。可替换的，光束生成器11也可以同时发射出该光锥中的全部或者部分光束组，这些都在本公开的保护范围内。

本领域技术人员容易理解，光束生成器11可以在该光锥中形成连续分布的光束，也可以形成离散的光线以组成光束组，例如各个光束并不是遍布在该光锥的任一角度处，而是离散的。根据本公开的一个优选实施例，波导型光学组件10具有入瞳10-In和出瞳10-Out，所述光锥的顶点可位于所述入瞳10-In的位置处。图1中，光锥的发散角度为θ。光束生成器11可以本身具有发散角度θ，从而从其上发射出的光束的发散角本身就对应于光锥的发散角度θ。或者可替换的，光束生成器11包括激光器，其发射出的激光束为高方向性的细光束，在此情况下，光束生成器11例如可包括扫描装置，用于将激光器发射出的高方向性细光束进行扫描，从而形成发散角度为θ的光锥。下文将详细描述。或者可替换的，光束生成器11所发射出的为汇聚光束，汇聚点为该入瞳10-In的位置，即光锥的顶点处，经过汇聚点后的光则可以看作来自于该汇聚点的发散光束。这些都在本公开的保护范围内。另外，光束生成器11所发出的光束可以为单色光束、或者由多个单色光混合而成的多色光束。除了携带颜色信息，光束生成器11所发出的光束还可以携带亮度信息。本公开中的细光束，或者高方向性的细光束，例如是指光束直径小于2毫米、或小于1毫米(优选小于0.01mm)、发散角度0.02-0.03度或更小的光束。

另外，本领域技术人员容易理解，光束生成器11所形成的光锥分布的光束组中，各条光束可以是同时发射的，也可以是在不同时刻发射的(例如通过扫描的方式形成的)，这些都在本公开的保护范围内。

波导12具有耦入面121，用于接收所述光束生成器11形成的光锥分布的光束组，并将所述光束组中的光束耦入所述波导12中。波导12的一部分表面的外部是空气(或称自由空间)，由于波导12的折射率大于空气的折射率，因此耦合进入波导的光束满足角度的入射条件的情况下，在所述波导与空气的界面处会发生全反射。

光束合成器13贴附在所述波导12的一表面上，用于改变入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述波导，进入自由空间(例如空气)中继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后汇聚于一点，该汇聚点例如为所述波导型光学组件10的出瞳10-Out。如图1所示，由光束L1和L2限定的光锥分布的光束组中的任一光束，进入波导12，在波导12与空气的界面处发生全反射后入射到光束合成器13上，经光束合成器13调制后离开波导12，进入空气中继续传播，均汇聚于一点，即出瞳10-Out。

本领域技术人员容易理解，光束合成器13的折射率例如与波导12的折射率相同或者接近，因而当入射到光束合成器13所在的部位时，光线会进入光束合成器中，而不会继续发生全反射。例如，光束合成器可以是感光膜，或者是在玻璃上涂覆感光材料制成，感光材料的折射率与波导接近，因此光线会进入光束合成器，而不会全反射。

根据本公开的一个优选实施例，所述光束合成器13例如包括衍射光学元件，所述衍射光学元件贴附于所述波导12的一个表面，在所述波导与空气的界面发生全反射后的不同方向的光束以不同方向传播到所述衍射光学元件的不同位置时均发生衍射，传播方向改变并进入自由空间，进入自由空间的来自于所述衍射光学元件不同位置的不同方向衍射的细光束(对应于同一光锥)均汇聚到自由空间中的所述一点。

所述的衍射光学元件例如是体全息光学元件，既可以是为透射式体全息光学元件，也可以是反射式体全息光学元件。下面将详细描述。

下面详细描述图1所示的波导型光学组件10的工作原理。图1中，光束生成器11形成光锥分布的光束组，例如以该光束组中位于边界处的两条光束L1和L2为例，分别入射到波导12的耦入面121上，通过耦入面121被耦入到波导12内部。光束L1和L2在波导12内部传播，在波导与自由空间(例如空气)的界面处发生全反射(例如在图1中的点A和B处)，反射光最终入射到光束合成器13上(入射点例如为图1中的点C和D处)。光束合成器13例如是反射式的体全息光学元件，其可以使得入射到其上的光束，无论其入射方向或者入射角度如何，均能够发生衍射，衍射光束汇聚穿过空间中的一点，例如图1中所示的波导型光学组件的出瞳10-Out。

图1中示出了光束L1和光束L2在波导12内部经过一次全反射后入射到光束合成器13上，本领域技术人员能够理解，本公开的保护范围不限于波导12内部全反射的次数，也可以为多次全反射，例如可根据波导的尺寸和波导的材料的折射率来决定。另外，不同角度的光束的全反射次数可以不相同，这些都在本公开的保护范围内。另外，光束合成器13可以贴附在波导12的一侧的整个表面上，也可以贴附在一侧的部分表面上。

图1中示出的是一种反射式的光束合成器13，即入射光束与经过光束合成器13之后出射的光束，位于光束合成器13的同一侧(图1中为上侧)，即光束合成器13实施了类似反射式的光束调制。图2示出了透射式的光束合成器13。其中与图1类似，光束生成器11形成光锥分布的光束组，例如以该光束组中位于边界处的两条光束L1和L2为例，分别入射到波导12的耦入面121上，被耦入到波导12内部。光束L1和L2在波导12内部，在波导与自由空间(例如空气)的界面处发生全反射(例如在图2中的点A和B处)，最终入射到光束合成器13上(入射点例如为图2中的点C和D处)，穿过光束合成器13，并且经过光束合成器13的调制，来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后汇聚于一点，即对应于同一光锥而出射的光束均穿过波导型光学组件10的出瞳10-Out的位置。

注意，本公开中的波导型光学组件的“入瞳”和“出瞳”，既可以是空间中的一点，也可以是空间中的一个区域。

图1和图2所示的波导型光学组件，包括光束生成器、波导和光束合成器，能够有效地减小波导型光学组件的厚度。尤其是当用于VR或AR眼镜时，能够将整个模组的厚度做的较小。现有的VR或AR的光学模组中，光束生成器需要布置在用户头部的侧部，并且需要具有一定的角度，以避免光束被用户的额头遮挡，因此整个模组的厚度需要做的较大。而本公开的实施例中，通过波导来传播来自光束生成器的光束，则不必担心用户额头遮挡的问题。因此整体厚度可以做的较小。

图3示出了根据本公开一个优选实施例的波导型光学组件20。下面参考图3详细描述。

图3中的波导型光学组件20同样包括波导12和光束合成器13，与图1、图2所示的类似，此处不再赘述。如图3所示，所述光束生成器包括光源111和微机电系统112，其中光源111配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束L0，光束L0入射到微机电系统112，微机电系统112配置成可对所述光束L0进行扫描，形成所述光锥分布的光束组。根据本公开的一个优选实施例，微机电系统112例如包括MEMS振镜，MEMS振镜接收入射光束L0，并对该光束进行扫描，形成该光锥分布的光束组。

图3中，光源111出射的光束L0始终位于同一条空间路径上，但由于微机电系统112(例如其中的MEMS振镜)，可进行转动并对入射到其上的光束L0进行扫描，从而出射光束形成了光锥分布的光束组(如图3中由L1和L2限定的光锥)。

根据本公开的一个优选实施例，所述光束生成器是细光束生成器，其光源包括多个激光器、控制器和合束器，所述控制器与所述多个激光器耦合，并控制所述多个激光器发射出激光束，例如控制激光器的发光时间、强度以及其他光学参数。所述多个激光器的激光束入射到所述合束器，合成为在空间上传播路径重合的近平行性细光束。下面参考图3进行详细描述

如图3所示，所述光源111包括激光器，例如图3中示出了包括第一激光器1111、第二激光器1112以及第三激光器1113，其中第一激光器1111例如为红色激光器，第二激光器1112例如为绿色激光器，第三激光器1113例如为蓝色激光器，分别发出相应颜色的激光光束。可选的，光源111还包括第一透镜(或透镜组)1114、第二透镜(或透镜组)1115以及第三透镜(或透镜组)1116，分别用于对光路上游的第一激光器1111、第二激光器1112以及第三激光器1113发出的激光光束进行准直，或者缩小其发散角，或者进行压缩，从而形成高方向性的细光束。所述合束器例如包括分别与所述多个激光器发出的激光的波长对应的光学薄膜分光片，分别设置在各个激光器的应的透镜(或透镜组)的下游，其中所述激光器的激光经过所述透镜组后，入射到对应的光学薄膜分光片，经过反射或透射形成所述在空间上传播路径重合的近平行性细光束。可选的，对应于红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器，光源111的合束器包括第一分光片1117、第二分光片1118、第三分光片1119，用于合束红色、绿色和蓝色激光光束。以下以第一分光片1117为例进行详细说明。第一分光片1117设置在第一透镜1114的光路下游，其例如是与所述第一激光器1111发出的激光的波长对应的光学薄膜分片，可以使得第一激光器1111发射的红光进行反射，而红光以外颜色的光被透射。类似的，第二分光片1118使得第二激光器112发射的绿光被反射，绿光以外颜色的光被透射；第三分光片1119使得第三激光器1113发射的蓝光被反射，蓝光以外颜色的光被透射。红色激光被第一分光片1117反射，入射到第二分光片1118上并透射穿过第二分光片1118，接着透射穿过第三分光片1119。绿色激光被第二分光片1118反射，入射到第三分光片1119上并透射穿过第三分光片1119。蓝色激光被第三分光片1119反射。第一分光片1117、第二分光片1118、第三分光片1119的反射路径设置成是相同的，如图3所示，因此，从三个分光器反射的光束最终合成了光束L0。其中所述透镜组可包含液体透镜或液晶透镜，可通过外部电压控制调节透镜组的等效焦距，用于控制激光器发出的激光束的发散角和/或直径。所述控制器例如可控制相对应的激光器。举例说明，诸如目前投射的像素中只有红色和绿色的颜色分量，那么第一激光器1111和第二激光器1112被控制器控制，发射出相应波长的激光束；而第三激光器1113被控制器控制，不发出激光束。

另外，分光片也可以是宽带分光片，即允许一定波段范围的光线的反射，而对其他波段的光线则进行透射。

光束L0入射到MEMS振镜112(诸如光学扫描振镜)上。振镜中的反射镜在电磁力的作用下，在一定角度范围内来回偏转，从而将入射光束L0扫描出射后形成光锥状的光束组，例如由不同时刻的反射光束L1和L2限定成的光锥，其中光锥的顶点，例如振镜的摆动中心，位于波导型光学组件20的入瞳10-In的位置处。另外，根据本公开的一个优选实施例，振镜112和波导12设置成使得：振镜在其扫描极限位置处产生的光束(例如光束L1和L2)，均可以被耦合进入波导12中，并且必要的话，进入波导12后，在波导12与空气的交界处，满足全反射的条件。此处不再赘述。

另外，根据本公开的一个优选实施例，所述光源111还可包括设置在所述透镜(透镜组)1114、1115、1116与光学薄膜分光片1117、1118、1119之间的光阑、波片、偏振片、衰减片中的一个或多个(未示出)，所述光源111还可以包括与所述透镜(透镜组)耦合的微电机(未示出)，所述微电机可调节所述透镜(透镜组)的位置，或者调节透镜组中透镜间的相对位置，以调节从所述透镜组出射的光束的光斑尺寸和/或发散角等光学参数。

本领域技术人员容易理解，第一激光器1111、第二激光器1112和第三激光器1113所发射的激光光束的颜色和强度，例如对应于图片或者图案的一个像素的RGB三种颜色的分量，分别透射出相应颜色的激光束，然后再进行合束。

注意，本领域技术人员容易理解，图3中示意性地示出了光源111包括红色、绿色、蓝色的三个激光器，但本公开的保护范围不限于此。例如，光源111可以包括更多数目或者更少数目的的激光器，并且激光器的颜色可以根据需要而随意的选择。例如，光源111可以仅包括一个激光器，发出单色激光，这些都在本公开的保护范围内。

另外，本公开的保护范围不限于激光器发射的光场的类型。激光器发出的既可以是平面波，也可以是球面波，通过透镜或者透镜组来进行准直和压缩，这些对于本领域技术人员来说都是容易理解的。

图4示出了根据本公开另一个实施例的波导型光学组件30。如图4所示，波导型光学组件30中包括波导12和光束合成器13，与图1-3中所述的相同，此处不再赘述。图4中，波导型光学组件30还包括光束生成器31，所述光束生成器31例如包括顺序排列的光源311、透镜312和显示屏313。其中，光源311例如为单色的激光光源，或者多色的激光光源(例如红、绿、蓝激光器)，或者也可以是LED光源或OLED光源，用于为显示屏313提供照明或者背光。使用激光光源时，例如为耦入光纤的光源，从光纤头发出发散照明光，光源311发射的光入射到所述透镜312上，经透镜312进行调制，汇聚到所述入瞳10-In的位置，从而形成了所述光锥状的光束组。显示屏313例如可以是DMD、LCOS、LCD中的一个或多个，设置在所述透镜312和所述入瞳10-In之间。显示屏312本身可以载入图像，并根据载入的图像的颜色和/或亮度的信息，对从透镜312照射到其上的光进行调制。因此，经过显示屏313出射的光束组，不但汇聚到所述入瞳10-In，而且携带了不同图像像素的颜色信息和/或亮度信息。

或者可替换的，如图5所示，可以将显示屏313(诸如DMD、LCOS、LCD中的一个或多个)设置在光源311与透镜312之间，光源311发射的光直接照射到显示屏313上，显示屏313根据载入的图像的颜色和/或亮度的信息，对照射到其上的光束进行调制，调制后的光束经过透镜312，汇聚到所述入瞳10-I n的位置，进而形成了所述光锥分布的光束组。此处不再赘述。

可替换的，本领域技术人员也可以构思出，使用面光源照明光或使用与图5相同的点光源并在点光源后放置散射膜，通过散射光照明显示器，从而由显示屏上发出的光具有各种方向，在所述组件的入瞳位置，放置一个小孔的光阑，从显示屏发出的经过小孔光阑后的光形成光锥的光束组，此种情况下，无需所述透镜312，亦可实现相同的效果。

图1-5中所示的波导12的耦入面121，均为凹入式的耦入面。根据本公开的一个优选实施例，也可以采用凸出式的耦入面的结构，如图6所示。另外更加优选的，凸出式的耦入面的结构与所述光束合成器13的边缘相靠近或者接触，接触的位置可用作定位，可以作为贴附所述光束合成器13的起始位置。所述凸出的耦入结构与所述光束合成器所在的平面相交，相交的位置可用作定位，用于将所述光束合成器贴附在所述波导上。

如前所述，所述的光束合成器13例如包括衍射光学元件DOE，例如是体全息光学元件，既可以是为透射式体全息光学元件，也可以是反射式体全息光学元件。下面将详细描述。

根据本公开的一个优选实施例，所述体全息光学元件为单个彩色体全息光学元件，例如为单张的彩色体全息光学薄膜，所述单张的彩色体全息光学薄膜例如通过与所述多个激光器对应波长的激光曝光得到，因而对所述多个激光器发出的相应颜色的激光光束均能够发生衍射，并进行相应的调制。例如，当对红、绿、蓝激光均敏感的单张彩色体全息光学薄膜用于图3实施例的波导型光学组件时，无论入射光束为红色、绿色、蓝色、或者其中多种的组合，该彩色体全息光学薄膜均可以对入射光束进行衍射调制，汇聚于波导外的一点。另外，所述单张的彩色体全息光学薄膜可通过所述多个激光器的激光同时曝光得到，也可以每次通过一种颜色的激光曝光，进行多次连续曝光而得到。这种方式的优点在于，无需将多张体全息光学薄膜对位，设置方式简单。但可能的问题是衍射效率降低。

或者可替换的，所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个单色体全息光学元件，与所述多个激光器的数目对应，所述多个单色体全息光学元件分别通过与所述多个激光器其中一个对应波长的激光曝光得到。如图7所示，所述光束合成器13例如包括三张体全息光学薄膜，分别为第一体全息光学薄膜131、第二体全息光学薄膜132、第三体全息光学薄膜133，分别对不同颜色的光束进行衍射调制。以第一体全息光学薄膜131为例进行说明，其例如为红色分量全息光学元件(HOE)，仅对红色的激光发生衍射，对其他颜色的激光光束不发生衍射，使得以不同角度入射到其上的红色激光光束，经过第一体全息光学薄膜131的衍射调制之后，其以不同角度进入自由空间继续传播，其中在自由空间传播的不同方向的光束均汇聚于所述出瞳10-Out的位置处。类似的，第二体全息光学薄膜132例如为绿色分量体全息光学元件，仅对于绿色激光发生衍射，对于其他颜色的激光光束不发生衍射，使得以不同角度入射到其上的绿色激光光束，经过第一体全息光学薄膜的衍射调制之后，以不同角度进入自由空间继续传播，其中在自由空间传播的不同方向的光束均汇聚于所述出瞳10-Out的位置处。类似的，第三体全息光学薄膜133例如为蓝色分量全息光学元件，仅对于蓝色激光光束发生衍射，对于其他颜色的激光光束不发生衍射，使得以不同角度入射到其上的蓝色激光光束，经过第一体全息光学薄膜的衍射调制之后，以不同角度进入自由空间继续传播，其中在自由空间传播的不同方向的光束均汇聚于所述出瞳10-Out的位置处。本领域技术人员容易理解，如果光源中包括了更多颜色的激光器的话，那么所述光束合成器13也可以包括对应的体全息光学薄膜。这些都在本公开的保护范围内。这种方式的优点在于，每个体全息光学元件仅单次曝光，衍射效率高，但这种方式对于多个体全息光学元件堆叠的精度要求较高。曝光使用的激光器例如为单纵模激光器，具有很强的相干性。用作显示光源的激光器可以为低相干性的多纵模激光器，或者对应颜色波长的LED或OLED光源。在使用时，将包括第一体全息光学薄膜131、第二体全息光学薄膜132、第三体全息光学薄膜133的光束合成器13直接贴附在波导12的表面上，即可实现对入射到其上的各种颜色光束的衍射调制效果。

或者可替换的，所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个体全息光学元件，所述多个体全息光学元件的数目少于所述多个激光器的数目，所述多个体全息光学元件中的至少一个通过所述多个激光器中的至少两个的激光曝光得到，其余的体全息光学元件通过所述多个激光器中的其中一个的激光曝光得到。例如在图7的基础上，采用一张同时对红色和绿色敏感的体全息光学薄膜，来代替第一和第二体全息光学薄膜131和132。所述同时对红色和绿色敏感的体全息光学薄膜，例如通过用红色和绿色的激光同时或者先后进行曝光而获得。或者，可以采用一张同时对绿色和蓝色敏感的体全息光学薄膜，来代替第二和第三体全息光学薄膜132和133；或者可以采用一张同时对红色和蓝色敏感的体全息光学薄膜，来代替第一和第三体全息光学薄膜131和133。这些都在本公开的保护范围内。相对于图7的设置方式，这种设置提高了衍射效率，同时减少了堆叠的次数。

或者，所述体全息光学元件包括一片单色体全息光学元件，对应于一个波长的激光光束和激光器。

根据本公开的一个实施例，所述体全息光学元件通过将感光材料的膜或感光材料附着于玻璃基底或树脂基底的感光板按照一定方式曝光得到，所述感光材料包括银盐材料、光致聚合物材料、明胶材料中的一种或多种，所述感光材料可感红光，绿光或蓝光中的一种或多种。以下将详细描述。

图8示出了图1所示的波导型光学组件10的一个变形。如图8所示，波导型光学组件10还包括贴附在所述波导12的耦入面121上的凹透镜14，以使得来自所述光束生成器11的光锥分布的光束组中不同方向的光束以更大的折射角度进入所述波导12。其中，凹透镜的材质的折射率与波导的材质折射率相同或接近，例如二者的折射率的相对差距在33.3％以内都可以认为是折射率接近，例如差距在25％、15％、或者5％以内。本领域技术人员容易理解，图8实施例中的凹透镜，也可以应用于图2、图3、图4、图5、图6、图7所示的实施例，这些都在本公开的保护范围内。例如当光源包括MEMS振镜时，来自MEMS振镜的光锥分布的光束组中不同方向的光束以更大的折射角度进入所述波导。通过设置凹透镜，能够取得显著的效果，例如增大视场角。尤其在使用MEMS振镜扫描形成光锥分布的光束组的情况下，因为MEMS振镜的扫描角度较小，所以光束直接进入波导的话，反射到体全息光学元件上的面积就小，汇聚的角度较小，从而视场角较小。通过设置凹透镜，在相同的波导参数条件下，凹透镜可以让视场角增大。另外，凹透镜可以设置在所述光束生成器11与所述波导12的耦入面121之间，而不贴附在所述耦入面121上，这些都在本公开的保护范围内。

上述实施例中，波导型光学组件具有一个入瞳和一个出瞳，来自入瞳的光锥分布的光束组最终被汇聚于出瞳。本公开的技术方案中，波导型光学组件也可以具有多个入瞳和多个出瞳，从而能够使得人眼在更大的范围内观察到扫描图像，实现该功能的原因在于体全息光学元件具有一定的角度选择性，即一定角度下记录的体全息光学元件，以接近的角度仍然可以满足衍射的条件，具有较高的衍射效率，如使用银盐材料，角度选择性可以在±5°以内，使用光致聚合物，角度选择性可以在±1.5°范围内。下面参考图9详细描述。

图9示出了根据本公开一个优选实施例的波导型光学组件40。图9所示的实施例的基本结构类似于图3所示的波导型光学组件20。下面重点描述二者的区别之处。

如图9所示，波导型光学组件40包括两个入瞳，分别为第一入瞳I P1和第二入瞳IP2，并且包括两个出瞳，分别为第一出瞳OP1和第二出瞳OP2。与图3所示的实施例类似，波导型光学组件40包括波导42和光束合成器43，其中波导42具有耦入面421。其中，顶点位于第一入瞳I P1处的光锥分布的第一光束组，经过耦入面421，被耦合进入到波导42的内部，并且在波导42与空气的交界面处发生全反射，经过一次或多次的全反射后，入射到所述波导42与所述光束合成器43的交界处。光束合成器43与上文所述的光束合成器13类似，能够对入射到其上的光束进行衍射调制，从而，所述第一光束组，被耦合进入波导42并入射到所述光束合成器43后，被衍射调制使得以不同角度进入自由空间继续传播，其中在自由空间传播的不同方向的光束均汇聚于所述第一出瞳OP1。类似的，顶点位于第二入瞳IP2处的光锥分布的第二光束组，经过耦入面421，被耦合进入到波导42的内部，并且在波导42与空气的交界面处发生全反射，经过一次或多次的全反射后，入射到所述波导42与所述光束合成器43的交界处，并被衍射调制使得以不同角度进入自由空间继续传播，其中在自由空间传播的不同方向的光束均汇聚于所述第二出瞳OP2。因此与图3实施例不同，图9实施例中，所述光束合成器43可以对来自不同光锥分布的光束组进行分别地调制，例如对于来自第一入瞳IP1的光束组，经过衍射调制后，汇聚于第一出瞳OP1；对于来自第二入瞳IP2的光束组，经过衍射调制后，汇聚于第二出瞳OP2。

图9中所述的入射光束L0，对应于图3所示的入射光束L0，可以通过类似或相同的方式产生，此处不再赘述。

与图3所示的实施例类似，波导型光学组件40包括MEMS振镜412，用于扫描入射的光束L0，从而形成光锥分布的光束组。为了与第一入瞳IP1和第二入瞳IP2相匹配，本实施例的波导型光学组件40还包括MEMS振镜移动装置44。该MEMS振镜移动装置44与MEMS振镜412相连接，并可变换MEMS振镜412的位置，每一个位置对应一个系统入瞳。图9中示出了MEMS振镜412具有两个位置，分别为412-1和412-2，其中在位置412-1时，MEMS振镜扫描获得的光锥分布的光束组，其顶点位于第一入瞳IP1处；在位置412-2，MEMS振镜扫描获得的光锥分布的光束组，其顶点位于第二入瞳IP2处。MEMS振镜移动装置44与MEMS振镜412连接，并根据需要来使得MEMS振镜412在位置412-1和412-2之间来回移动和切换。如上所述的，当在位置412-1时，光束组最终汇聚到第一出瞳OP1处，当在位置412-2时，光束组最终汇聚到第二出瞳OP2处，因而能够扩大增强现实显示系统的出瞳，即人眼可在更大的范围内看到扫描图像。

根据本公开的一个优选实施例，MEMS振镜移动装置44例如为微电机。

例如在时刻1时，由微电机44带动MEMS振镜412位于位置412-11，合束后的高方向性细光束L0被MEMS振镜412扫描，扫描光线经过异型波导耦入面421折射进入波导42，在波导与空气的交界面处发生全反射，全反射的高方向性细光束被反射式体全息光学元件43反向衍射，汇聚于点OP1，即时刻1的出瞳位置。

时刻2时，由微电机44带动MEMS振镜412位于位置412-2，合束后的高方向性细光束被MEMS振镜412扫描，扫描光线经过波导耦入面421折射进入波导42，在波导与空气的交界面处发生全反射，全反射的高方向性细光束被反射式体全息光学元件43反向衍射，汇聚于点OP2，即时刻2时的出瞳位置。

体全息光学元件43可通过与上述的体全息光学元件13相同的方式制成，此处不再赘述。

图9的实施例中，波导型光学组件40具有两个入瞳和两个出瞳。本领域技术人员容易理解，在本公开的教导和启示下，可以构思出具有更多入瞳和出瞳的技术方案，这些都在本公开的保护范围内。

图10示出了根据本公开一个优选实施例的波导型光学组件50，同样可用于实现多个入瞳和多个出瞳。图10的实施例是图3和图9所示实施例的变形。

如图10所示，波导型光学组件50的微机电系统包括MEMS振镜512和MAHOE(Microlens Array HOE，微透镜阵列全息光学元件)光学元件54。MEMS振镜512与图3所示的MEMS振镜112类似，均用于接收入射的光束L0，并进行扫描，形成光锥形的光束组。但与图3实施例不同，图10中，MEMS振镜112扫描形成的光锥形光束组，其顶点位置并不是波导型光学组件50的入瞳的位置。

MAHOE光学元件54为反射式体全息光学元件，其上包括第一区域54-1和第二区域54-2。其中，如图10所示，第一区域54-1可以将入射到其上的光束，通过衍射调制，汇聚到一点，即波导型光学组件50的第一入瞳IP1；第二区域54-2可以将入射到其上的光束，通过衍射调制，汇聚到一点，即波导型光学组件50的第二入瞳IP2。与图9实施例类似，分别汇聚到第一入瞳IP1和第二入瞳IP2的光束，形成了光锥分布的两个光束组，通过波导52的耦入面521，被耦合进入到波导52的内部，并且在波导52与空气的交界处发生一次或多次全反射，最终入射到光束合成器53上，并且进而被衍射调制而分别汇聚到第一出瞳OP1和第二出瞳OP2的位置处。

合束后的高方向性细光束L0被MEMS振镜512扫描，当扫描光线传播到MAHOE光学元件54的第一区域54-1时，被反向衍射，反向衍射后的高方向细光束汇聚于第一入瞳IP1后继续传播，通过波导耦入面521折射进入波导52，被波导前表面全反射，全反射的高方向性细光束被光束合成器(例如反射式体全息光学元件)53反向衍射，汇聚于一点，即第一出瞳OP1。

合束后的高方向性细光束被MEMS振镜512扫描，当扫描光线传播到MAHOE光学元件54的第二区域54-2时，被反向衍射，反向衍射后的高方向细光束汇聚于第二入瞳IP2后继续传播，过波导耦入面521折射进入波导52，被波导前表面全反射，全反射的高方向性细光束被光束合成器53反向衍射，汇聚于一点，即第二出瞳OP2。

合束后的高方向性细光束L0可以通过与图3相同或类似的方法产生。另外本域技术人员容易理解，在本公开的教导和启示下，所述的MAHOE可制作为透射式体全息光学元件，用于实现多入瞳和多出瞳的设计方案，实现扩大显示装置出瞳的目的，这些都在本公开的保护范围内。

下面参考图11描述根据本公开一个实施例的MAHOE的制作方法。

如图11所示，感光材料薄膜803上布置有微镜阵列802，其中包括多个微镜。图中示意性地示出了包括第一微镜802-1和第二微镜802-2，本领域技术人员容易理解，微镜阵列802中可包括更多数目的微镜，以下以第一微镜802-1和第二微镜802-2为例进行描述。

激光器(未示出)作为相干光源发射出激光束，例如经过分束后，一部分经过准直扩束，形成平行的第一光束801(平面波)，一部分经过准直扩束后经过透镜聚焦，在焦点804后形成第二光束807(发散球面波)。由于第一光束801和第二光束801来自同一相干光源，因此二者具有相干性。第一光束801经过第一透镜802-1后，汇聚到第一透镜802-1的焦平面上的一点805，其中点805与图10的点IP2相对应。第一光束801经过第二透镜802-2后，汇聚到第二透镜802-2的焦平面上的一点806，其中点806与图10中的点IP1相对应。平面波的第一光束801经过透镜阵列后，与从点804发出的球面波的第二光束807在感光材料薄膜803内部产生干涉，因此形成一体全息光学元件，即本公开中的MAHOE(Macrolens arraysholographic optical element，微镜阵列全息光学元件)。

该MAHOE元件使用时，接收到从点804发出的球面波后，进行反向衍射，衍射光汇聚于点805和806。例如从点804发出的不同方向的高方向性细光束当传播到记录透镜802-1相位信息的区域时，反向衍射的高方向细光束将传播经过点805；点804发出的不同方向的高方向性细光束当传播到记录微透镜802-2相位信息的区域时，反向衍射的高方向细光束将传播经过点806。

以上描述了根据本公开一个实施例的MAHOE光学元件的制作方式。本领域技术人员可以构思出其它的制作方式，该方式为反射式体HOE，很显然，制作成透射式的体HOE仍能实现本发明的目标，这些都在本公开的保护范围内。

另外，图9和图10中，仅示出了入射到MEMS振镜上的光束L0，而未示出MEMS振镜的光束上游的其他光电器件，诸如激光器、透镜(透镜组)、合束器、分光器等，但本领域技术人员能够理解，可以容易地将图3实施例中的相应器件及其变型结合到图9和图10的实施例中，此处不再赘述。

上述的图1-10中，图1、图3、图4、图5、图6、图8、图9、图10的技术方案中均使用了反射式体全息光学元件，图2的技术方案中使用了透射式体全息光学元件。本领域技术人员容易理解，这两种技术方案中任一个技术方案的技术特征，均可以结合到另一种技术方案中，而无需付出创造性的劳动。

本公开还涉及一种近眼显示装置，包括如上所述的波导型光学组件。所述近眼显示装置例如是虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

根据本公开的一个实施例，所述的近眼显示装置，还包括图像生成单元，配置成可生成带显示的图像，所述图像生成单元与所述光束生成器耦合，所述光束生成器发射的光束组中不同方向的光束携带所述图像中不同像素的颜色信息和/或亮度信息。

图像生成单元例如用于生成需要给用户呈现的图像。光束生成器例如逐像素扫描所述图像，根据每个像素的红绿蓝分量，生成相应的激光束，其中携带所述图像中不同像素的颜色信息和/或亮度信息。近眼显示装置通过所述波导型光学组件，向用户的眼中(例如视网膜)上投射该该像素的光束，从而在用户眼中成像。优选的，该近眼显示装置包括两套波导型光学组件，分别为用户的左眼和右眼显示相同的二维图像用于二维显示或具有视差的二维图像实现基于双目视差的三维显示。

图12示出了根据本公开一个实施例的一种光学系统的图像投射方法60。如图12所示，图像投射方法60包括包括：

在步骤S61：生成光锥分布的光束组；

在步骤S62：将所述光锥分布的光束组耦合进入波导，进入所述波导的光束在所述波导与空气的界面处发生全反射；

在步骤S63：通过位于所述波导的一表面上的光束合成器，改变入射到所述光束合成器上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述波导继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后汇聚于一点。

所述方法60例如可通过上述波导型光学组件来实施，或者通过具有上述波导型光学组件的光学系统来实施。

所述光学系统具有入瞳和出瞳，所述光锥的顶点为所述入瞳，来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后所汇聚的所述一点为所述出瞳，

根据本公开的一个优选实施例，所述光束生成器包括光源和微机电系统，其中所述步骤S61包括：

S611：利用一光源，出射携带有图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；

S612：利用一微机电系统，对从所述光源出射的光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组。

根据本公开的一个优选实施例，如图9所示，所述微机电系统包括MEMS振镜和MEMS振镜移动装置，MEMS振镜移动装置与所述MEMS振镜连接，并可使所述MEMS振镜在多个位置之间移动，每一个位置对应所述光学系统的一个入瞳；在一个位置时，经MEMS振镜扫描出的光锥分布的光束组中不同方向的光束经所述光束合成器在自由空间形成一个汇聚点，对应所述光学系统的一个出瞳，其中所述图像投射方法还包括：通过所述MEMS振镜移动装置，改变所述MEMS振镜的位置。

根据本公开的一个优选实施例，所述步骤S61包括：

利用一光源发出照明光，照射一显示屏，其中所述光源为单色或三色的激光光源或LED光源或OLED光源，所述显示屏为DMD、LCOS或LCD；

在所述显示屏中载入图像，并根据所述图像，对所述光源照射到其上的光进行调制；

通过光阑或透镜，使所述调制的光形成所述光锥分布的光束。

根据本公开的一个优选实施例，其中所述步骤S61包括：

利用一光源发出照明光，照射到一透镜上，经所述透镜后汇聚到所述光锥的顶点，其中所述光源为单色或三色的激光光源或LED光源或OLED光源；

经过所述透镜的光束照射到位于所述透镜和所述顶点之间的一显示屏上，所述显示屏为DMD、LCOS或LCD，所述显示屏载入图像，并根据所述图像，对从透镜照射到其上的光束进行调制。

应当理解，前述的各种示例性的显示装置，可以做成两套，分别为人的左眼和右眼提供图像，若为左右眼显示的图像包含双目视差的图像信息，则可实现双目视差的三维显示；若左右眼显示的图像为普通的二维图像，则可实现普通的二维显示。应当理解，所述装置实现的显示技术是视网膜成像的显示技术，实现的三维显示，减小或消除了辐辏冲突问题。

应当理解，前述的各种示例性方法可以利用各种方式来实现，例如，在某些实施方式中，前述各种方法可以利用软件和/或固件模块来实现，也可以利用硬件模块来实现。现在已知或者将来开发的其他方式也是可行的，本公开的范围在此方面不受限制。特别地，除硬件实施方式之外，本公开的实施方式可以通过计算机程序产品的形式实现。

第二方面

以上描述了根据本公开第一方面的波导型光学组件，其中包括波导和光束合成器，光束合成器贴附在波导的一表面上，用于改变入射到其上的光束的传播方向，例如使得来自同一光锥的入射光束，离开波导继续传播，并汇聚到一点上，多个光锥的入射光束，最终汇聚到多点上。本领域技术人员容易理解，可以通过各种方式来制造和实现该光束合成器。以下描述本申请的发明人所发现的一种特别优选的制造方式，尤其适于制造适用于本公开第一方面波导型光学组件的光束合成器或者体全息光学元件。

图13示出了根据本公开第二方面的一种光学元件的制造方法70。图14示出了通过制造方法70来制造光束合成器的光路示意图。下面结合图13和图14详细描述。

如图13示，制造方法70包括：

步骤S71，提供一波导，所述波导具有耦入面，感光膜或感光板贴附在所述波导的表面上。

如图14所示，波导214具有耦入面213，用于将入射到其上的光束耦入所述波导214中。波导214的一部分表面的外部是空气，由于波导214的折射率大于空气的折射率，因此耦合进入波导的光束满足角度的入射条件的情况下，在所述波导214与空气的界面处会发生全反射。感光膜或感光板216贴附在所述波导214的一表面上。波导214例如可以与图1-图10中所示的波导相同，或者具有至少部分相同的光学和/或几何参数。

在步骤S72，利用激光器发射出激光。

图14示出了三个激光器201、202和203，例如分别为红光激光器203、绿光激光器202和蓝光激光器201。本领域技术人员容易理解，图13中示出的三个激光器仅是示意性的，其数目、颜色不构成对本公开的限制，可以采用数目更少的激光器，也可以采用数目更多的激光器，这些都在本公开的保护范围内。下面以三个激光器为例进行说明。

三个激光器201、202和203发射出不同波长的激光光束之后，通过合束器进行合束，将三种波长的激光合成为高方向性细光束。根据一个优选的实施例，合束器包括第一分光片204、第二分光片205和第三分光片206。以下以第一分光片204为例进行详细说明。第一分光片204设置在激光器201的光路下游，其例如是与所述激光器201发出的蓝色激光的波长对应的光学薄膜分光片，可以使得激光器201发射的蓝光进行反射，而蓝光以外颜色的光被透射。类似的，第二分光片205位于激光器202的下游，使得激光器202发射的绿光被反射，绿光以外颜色的光被透射；第三分光片206位于激光器203的下游，使得激光器203发射的红光被反射，红光以外颜色的光被透射。第一分光片204、第二分光片205、第三分光片206的反射路径设置成是相同的，如图14所示，因此，从三个分光器反射的光束最终合成了高方向性细光束L00。

根据本公开的一个优选实施例，对合束后的激光光束进行滤波和准直扩束。如图14所示，合束后的激光光束入射到显微物镜与针孔滤波器207，将高方向性细光束高倍汇聚于针孔进行滤波，发出高质量球面波，并入射到准直透镜208。其中，针孔滤波器207位于准直透镜208的焦平面，因此从针孔滤波器207发出的光波经过准直透镜208后转换为高质量平面波的激光束L00’。

在步骤S73，将所述激光束L00’分束成第一激光光束和第二激光光束。

如图14所示，例如可以通过分光片209，分光片209例如为半反半透膜，从而入射到其上的光束部分被反射，部分被透射，分成第一激光光束L11和第二激光光束L22，且第一激光光束L11和第二激光光束L22来源于同一激光束，因而具有较强的相干性。

在步骤S74，使所述第一激光光束L11汇聚到所述波导214外的第一点，并出射到所述波导214的耦入面213上，进入所述波导214内部，在所述波导214与空气的界面发生全反射，并入射到所述感光膜或感光板216上。

如图14所示，第一激光光束L11经过反射镜210和第一透镜211后，汇聚到第一点212，例如是第一透镜211的焦点或者焦平面上一点，形成锥形的光束，并入射到波导214的耦入面213上，且在满足角度的入射条件的情况下，在波导214内部发生全反射，经过一次或多次全反射，入射到所述感光膜或者感光板216上。反射镜201和第一透镜211仅是使得所述第一激光光束L11汇聚到第一点212的一种实现方式，本公开的保护范围不限于此，可以构思出其他的方式，将第一激光光束L11汇聚到第一点212。

在步骤S75，使所述第二激光光束L22穿过所述感光膜或感光板216后汇聚到所述波导214外的第二点215。

如图14所示，第二激光光束L22例如可通过第二透镜217，进行汇聚。本领域技术人员容易理解，第二点未必是第二透镜217的焦点或位于焦平面上。因为第二激光束在穿过感光膜或感光板和/或波导时，可能会发生折射，因此汇聚的第二点215可能位于第二透镜217的焦点或焦平面的前方或后方。

S76：被汇聚到所述第一点并在所述波导内部全反射的第一激光光束与被汇聚到所述第二点的第二激光光束在所述感光膜或感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得体全息光学元件。

如图14所示，被汇聚到第一点212并在波导内部全反射的第一激光光束为信号光，被汇聚到第二点的第二激光光束为参考光，信号光与参考光在所述感光膜或者感光板216的内部发生干涉曝光，从而获得体全息光学元件。

感光膜或者感光板216经曝光后，可用在本公开第一方面的波导型光学组件中，用于对一个或多个特定波长的入射光束进行调制。本领域技术人员容易理解，步骤S72中激光器发出的激光波长，与显示时的对应的波长相同或相近即可。本领域技术人员可以理解，波长相差20nm以内可称为相近。例如，图14中红光激光器203与图3中的第一激光器1111的波长相同或相近，绿光激光器202与图3中的第二激光器1112的波长相同或相近，蓝光激光器201与图3中的第三激光器1113的波长相同或相近。本领域技术人员可以理解，当使用LCOS或DMD作为显示器件实现本发明的显示方案时，实现的彩色显示为时序彩色显示，使用的红，绿，蓝LED或OLED的波长范围应包含感光膜或者感光板216曝光时使用的激光的波长范围内，由于体全息光学元件本身的波长选择性，会将具有较宽波长范围的红，绿，蓝LED或OLED的光显示时通过感光膜或者感光板216进行筛选，仅让满足布拉格条件的波长的光发生衍射，从而显示的图像的色彩的饱和度高。本领域技术人员可以理解，当使用LCD作为显示器件实现本发明的显示时，LCD上是镀有滤色片的，显示的彩色为同时显示，而非时序彩色显示方案，此时可使用红，绿，蓝LED或OLED的光合束后照明，亦可使用白光进行照明，经滤色片后的光携带图像的衍射和强度信息，其每一种颜色光波的带宽较大，在最终成像时仍可以被所实现的光束合成器进行波长的选择，实现饱和度高的彩色显示效果。

另外，本领域技术人员容易理解，步骤S76中干涉曝光后的感光膜或感光板，可能需要经过一些后续处理。例如对于光致聚合物材料，需要经过紫外光固化、热固化等后续处理步骤。本公开的保护范围不局限于后续的处理步骤。

经曝光的感光膜或感光板216可用作根据本公开第一方面的波导型光学组件中的光束合成器，但本公开的保护范围不限于此。上述曝光使用的激光器例如为单纵模激光器，具有很强的相干性。当用在波导型光学组件中时，用作显示光源的激光器可以为低相干性的多纵模激光器，或者对应颜色波长的LED或OLED光源。

本领域技术人员容易理解，当把感光膜或感光板216用于本公开第一方面的波导型光学组件时，波导型光学组件中的波导，可以与制作感光膜或感光板216时所用的波导214完全相同，点212例如对应于波导型光学组件的入瞳，从而确保光锥状的光束进入波导后，经过全反射照射到感光膜或感光板216上，能够被衍射调制后汇聚到波导型光学元件的出瞳。可替换的，波导型光学组件中的波导可以与制作感光膜或感光板216时所用的波导214不完全相同，但是具有至少部分相同的光学和/或集合参数，从而确保光锥状的光束，进入波导后，经过全反射照射到感光膜或感光板216上的不同位置的照射方向与制作感光膜或感光板216时在216内部全反射的光到其上的方向相同或者相近，能够被衍射调制后汇聚到波导型光学元件的出瞳。为此用于记录的波导的物理参数与用于显示的波导的物理参数可以不同。例如波导型光学组件中的波导配置成使得：入射到其上贴附的感光膜或感光板216上每一点的光束的角度，与制作感光膜或感光板216时在波导内部全反射后入射到感光膜或感光板216上该点的光束的角度，二者相同。由此确保波导型光学组件中的波导与感光膜或感光版216，能够对耦入的光束进行合理的调制。

根据本公开的一个优选实施例，所述感光膜或感光板216上的感光材料为全彩感光材料。所述步骤S72包括：利用多个激光器发出不同波长的激光光束，合束后出射；所述步骤S76包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述感光材料内部同时进行干涉曝光。通过这种方式，一次曝光就能够形成全彩色的体全息光学元件。

根据一个替换实施例，所述感光膜或感光板216上的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S72包括：相继地利用多个激光器发出不同波长的激光光束并出射；所述步骤S76包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述感光材料内部相继地进行多次干涉曝光。例如，在图14的光路图中，首先通过蓝光激光器201发射蓝光激光光束，在感光膜或感光板216上的感光材料中进行一次曝光；然后使得绿光激光器202发射绿光激光光束，在感光膜或感光板216上的感光材料中进行一次曝光。然后使得红色激光器203发射红光激光光束，在感光膜或感光板216上的感光材料中进行一次曝光。经过三次曝光，也可以形成全彩的体全息光学元件。

根据本公开的一个可选实施例，所述感光膜或感光板216的感光材料为单色感光材料，例如仅对红光敏感。在此情况下，所述步骤S62包括：利用激光器发出与该单色感光材料对应波长的激光光束并出射；所述步骤S106包括：对应于所述激光器的波长，在所述感光材料内部进行干涉曝光，获得与所述波长对应的所述体全息光学元件。如此形成的体全息光学元件为单色的体全息光学元件。

根据本公开的一个优选实施例，在形成了一个单色体全息光学元件之后，还可以更换可对不同波长的光线进行曝光的感光膜或感光板，通过所述步骤S72、S73、S74、S75和S76，获得与所述不同波长对应的多个体全息光学元件。例如在形成了红色体全息光学元件之后，更换对蓝光敏感的感光膜或感光板，通过蓝光激光器发射激光器并进行曝光，形成蓝色体全息光学元件。之后再形成绿色体全息光学元件。通过这种方式形成的单色体全息光学元件，可单独使用，也可以将其准确对位并堆叠起来，用作本公开第一方面的波导型光学组件中的光束合成器，例如图7所示的。

图14所示的光路图中，最终形成的体全息光学元件为反射式的体全息光学元件。本公开的方法70还可用于形成透射式的体全息光学元件。下面参考图15详细描述。

如图15所示，对应于不同波长的激光器1101、1102、1103发射出的激光束，例如经过分光片1104、1105、1106进行合束后，形成高方向性细光束L00，然后经过显微物镜与针孔1107，将高方向性细光束高倍汇聚于针孔进行滤波，发出高质量球面波，并入射到准直透镜1108。其中，针孔滤波器1107位于准直透镜1108的焦平面，因此从针孔滤波器1107发出的光波经过准直透镜1108后转换为高质量平面波L00’。

高质量平面波L00’经过分光片1109分成第一激光光束L11和第二激光光束L22，其中第一激光光束L11与图14中的第一激光光束类似，例如经过反射镜1110、第一透镜1111后，汇聚到第一点1112，然后入射到波导1115的耦入面1113上，进入波导1115内部，并在波导与空气的交界面处发生全反射，并入射到位于波导表面上的感光膜或感光板1116上。第二激光光束L22，经过反射镜1117和1118，入射到第二透镜1114上。与图14的结构不同，图15中的第二透镜1114位于波导1115的与所述感光膜或感光板1116相反的一侧上。第二透镜1114例如为凸透镜，因此可以将平行的第二激光光束L22汇聚到第二点1119处。本领域技术人员容易理解，第二点1119可能并非是第二透镜1114的焦点或焦平面上，而是位于焦点或焦平面的前方或后方，这是由于光线在不同材质的界面处可能发生折射。

第一激光光束L11通过耦入面1113折射进入波导1115中，在波导1115上表面发生全反射，然后入射到感光膜或感光板1116上，作为信号光。第二激光光束L22被反射镜1117和1118反射后，入射到第二透镜1114后成为汇聚球面波，汇聚点为1119(位于感光膜或感光板1116的另一侧)，汇聚光为参考光。信号光与参考光在感光膜或感光板1116的感光材料上发生干涉，得到透射式体光学元件1116，例如可用于图2所示的实施例中。

图16示出了根据本公开的另一个优选实施例。与图14的不同之处在于，凹面反射镜1214位于所述波导的与所述感光膜或感光板1216相反的一侧上。第二激光光束L22被凹面反射镜1214反向汇聚，汇聚点为第二点1217,反向汇聚的球面波为参考光。第一激光光束L11经过透镜1211，汇聚于第一点1212点，第一点1212与本公开第一方面中的入瞳位置一致，然后发散继续传播，经过波导1215的耦入面1213折射进入波导中，在波导1215上表面发生全反射，然后入射到感光膜或感光板1116上，反射光为信号光。参考光与信号光在感光膜或感光板1116的感光材料内发生干涉，形成体全息光学元件。

在本公开第一方面中已经描述，波导型光学组件可具有多个入瞳和多个出瞳。与此相对应的，在体全息光学元件的制造过程中，在将第一激光光束汇聚到第一点、将第二激光光束汇聚到第二点、并在感光膜或感光板中进行干涉曝光之后，可以进行以下步骤，从而使得体全息光学元件相应地具有多个入瞳和出瞳：

步骤S77：使得所述第一激光光束汇聚到所述波导外的第三点，并出射到所述波导的耦入面上，进入所述波导内部，在所述波导与空气的界面发生全反射，并入射到所述感光膜或感光板上，其中所述第三点不同于所述第一点；

步骤S78：使所述第二激光光束穿过所述感光膜或感光板后汇聚到所述波导外的第四点，其中所述第四点不同于所述第二点；和

步骤S79：被汇聚到所述第三点并在所述波导内部全反射的第一激光光束与被汇聚到所述第四点的第二激光光束在所述感光膜或感光板的感光材料内部产生干涉曝光。

如此形成的体全息光学元件216、1116、1216及其相对应的波导214、1115、以及1215，可以用在本公开第一方面所描述的波导型光学元件中。在使用时，本公开第一方面中所提到的光锥的顶点(在一些实施例中为入瞳)即位于所述第一点212、1112、1212处。此处不再赘述。

根据本公开的一个优选实施例，所述方法还包括：将所获得的体全息光学元件作为母版，复制其它的体全息光学元件。上述的制造过程较为复杂，通过将上述方法制造的体全息光学元件作为母版来进行大规模复制的话，可以降低成本。以下详细描述进行光束合成器复制或制造的方法。

如图17所示，根据本公开一个实施例的制造光束合成器的方法80包括：

在步骤S81：提供通过上所述方法制备的体全息光学元件作为母版，其中所述母版为反射式体全息光学元件。

在步骤S82：提供一波导，所述波导具有耦入面，以将光波耦入所述波导内部，光波在所述波导与空气的界面发生全反射，所述波导与制作所述体全息光学元件所用的波导具有至少部分相同的光学和/或几何参数；

在步骤S83：将一感光膜或感光板贴附在所述波导的表面上；

在步骤S84：将所述母版贴附在所述感光膜或感光板之上；

在步骤S85：从与制作所述体全息光学元件时的第一点对应的位置处发出发散球面波入射到所述波导的耦入面上，在所述波导与空气界面发生一次或多次全反射并入射到所述感光膜或感光板，穿过所述感光膜或感光板入射到所述母版上，被所述母版反向衍射，反向衍射光穿过所述感光膜或感光板并汇聚到与所述第二点对应的位置处，入射到所述感光膜或感光板的光与反向衍射光在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生干涉曝光，获得新的反射式体全息光学元件。

如图18A所示，波导303具有耦入面302，感光膜或感光板305贴附在波导303的表面上，母版306贴附在感光膜或感光板305上。根据本公开的一个优选实施例，所述波导303例如与制作所述母版306时的波导相同，或者具有至少部分相同的光学和/或几何参数。优选的，所述母版306和感光膜或感光板305相对于波导303的位置，参考该母版306制作时相对于波导的位置来设定，从而可以保持一致性。

点301对应于制作该母版306时的第一点，即制作该母版306时第一激光光束L11的汇聚点。从点301的位置处发出发散球面波入射到所述波导303的耦入面302上，进入所述波导内部，在所述波导与空气界面发生一次或多次全反射并入射到所述感光膜或感光板305，穿过所述感光膜或感光板305入射到所述母版306上，被所述母版306反向衍射，反向衍射光穿过所述感光膜或感光板306并汇聚到点304(即与制作该母版306时的第二点对应的位置处)，入射到所述感光膜或感光板的光与反向衍射光在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生干涉曝光，获得新的反射式体全息光学元件305。

从点301发出的发散球面波，经耦入面302耦合进入波导303，在其上表面发生全反射后经过感光膜或感光板305与母版306。其中，照到感光膜或感光板305上的光为信号光。照射到母版306上的光，再现出反向汇聚于点304的汇聚球面波，为参考光。参考光与信号光在感光膜或感光板305内部干涉，形成新的反射式体全息光学元件305。其中，所形成的新的反射式体全息光学元件305以及该波导303，可用于根据本公开第一方面的波导型光学元件中，如图18B所示。

本领域技术人员容易理解，在复制母版时所使用的波导303，可以与制作母版时使用的波导214是相同的，点301对应于点212，从而确保进行精确地复制。可替换的，在复制母版时所使用的波导303可以与制作母版时使用的波导不完全相同，但二者具有至少部分相同的光学和/或几何参数。例如复制母版时使用的波导303配置成使得：入射到母版306上每一点的光束的角度，与制作母版306时在波导内部全反射后入射到母版上该点的光束的角度，二者相同或者相近。由此确保所得到的反射式体全息光学元件305，将是母版的精确复制。

根据本公开的一个优选实施例，其中所述感光膜或感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S85包括：相继地发出不同波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生多次干涉曝光或同时发出不同波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部同时发生干涉曝光。

根据本公开的一个优选实施例，所述感光膜或感光板的感光材料为单色感光材料，所述步骤S85包括：发出与该单色感光材料对应波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生单次干涉曝光。

图19示出了根据本公开一个优选实施例的制造光束合成器的方法90。该方法90包括：

S91：提供通过如上所述方法制备的体全息光学元件作为母版，其中所述母版为透射式体全息光学元件。

S92：提供一波导，所述波导具有耦入面，以将光波耦入所述波导内部，光束在所述波导与空气的界面发生全反射，所述波导与制作所述体全息光学元件所用的波导具有至少部分相同的光学和/或几何参数。

S93：将所述母版贴附在所述波导的表面上。

S94：将一感光膜或感光板贴附在所述母版之上。

S95：从与制作所述体全息光学元件时的第一点对应的位置处发出发散球面波入射到所述波导的耦入面上，在所述波导与空气界面发生一次或多次全反射并入射到所述母版，从所述母版出射的光包括未被衍射的透射光和被所述母版衍射后的汇聚光，所述汇聚光的汇聚点与所述第二点对应，所述未被衍射的透射光与衍射的汇聚光继续传播进入所述感光膜或感光板，在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生干涉曝光，获得新的透射式体全息光学元件。

如图20A所示，波导1803具有耦入面1802，母版1804贴附在波导1803的表面上，感光膜或感光板305贴附在母版1804上。根据本公开的一个优选实施例，所述波导1803例如与制作所述母版1804时的波导相同，或者具有至少部分相同的光学和/或几何参数。

点1801对应于制作该母版1804时的第一点，即制作该母版1804时第一激光光束L11的汇聚点。从所述点1801位置处发出发散球面波入射到所述波导1803的耦入面1802上，在所述波导与空气界面发生一次或多次全反射并入射到所述母版1804，从所述母版出射的光包括未被衍射的透射光和被所述母版衍射后的汇聚光，所述汇聚光的汇聚点与所述第二点1806(即与所述母版1804制作时的第二点)对应，所述未被衍射的透射光与衍射的汇聚光继续传播进入所述感光膜或感光板1805，在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生干涉曝光，获得新的透射式体全息光学元件。

从点1801发出的发散球面波，经耦入面1802耦合进入波导1803，在其上表面发生全反射后经过母版1804与感光膜或感光板1805，照明到感光膜或感光板1805上的光为信号光。照明到母版1804上的光，再现出反向汇聚于点1806的汇聚球面波，为参考光。参考光与信号光在感光膜或感光板1805内部干涉，形成新的透射式体全息光学元件1805。其中，所形成的新的反射式体全息光学元件1805以及该波导1803，可用于根据本公开第一方面的波导型光学元件中，如图20B所示。

本领域技术人员容易理解，在复制母版1804时所使用的波导1803，可以与制作母版1804时使用的波导1115或1215是相同的，点301对应于点1112或1212，从而确保进行精确地复制。可替换的，在复制母版时所使用的波导1803可以与制作母版时使用的波导不完全相同，但二者具有至少部分相同的光学和/或几何参数。例如复制母版时使用的波导1803配置成使得：入射到母版1804上每一点的光束的角度，与制作母版1804时在波导内部全反射后入射到母版上该点的光束的角度，二者相同。由此确保所得到的透射式体全息光学元件1805，将是母版1804的复制。

根据本公开的一个优选实施例，所述感光膜或感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S305包括：相继地发出不同波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生多次干涉曝光或同时发出不同波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部同时发生干涉曝光。

根据本公开的一个优选实施例，所述感光膜或感光板的感光材料为单色感光材料，所述步骤S305包括：发出与该单色感光材料对应波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生单次干涉曝光。

本公开还涉及一种通过如上所述的方法70、80、90制成体全息光学元件，其中体全息光学元件是透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件。

本公开还涉及一种波导型光学组件，所述波导型光学组件包括：

光束生成器，配置成形成光锥分布的光束组；

波导，所述波导具有耦入面，用于将所述光束组中的光束耦合进入所述波导，耦合进入波导的光束在所述波导与空气的界面发生全反射；和

如上所述的方法80或90制成的光束合成器，贴附在所述波导的一表面上，改变入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述波导继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后汇聚于一点。

波导型光学组件的结构例如如图1-10所示，因此本公开第一方面的波导型光学组件的任一特征或特征的组合，可用于本公开第二方面的波导型光学组件，此处不再赘述。

根据本公开的优选实施例，如图1所示，所述波导型光学组件具有入瞳和出瞳，所述光锥的顶点为所述入瞳，来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后所汇聚的所述一点为所述出瞳。

根据本公开的优选实施例，如图3所示，所述光束生成器包括光源和微机电系统，

其中所述光源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；微机电系统配置成可对从所述光源出射的光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，

其中所述光源优选为单色或者三色激光光源。

根据本公开的优选实施例，如图4所示，所述光束生成器包括：

光源，其中所述光源为单色或三色的激光光源或LED光源或OLED光源；

DMD、LCOS、LCD中的一个或多个，配置成可载入图像，并根据所述图像，对所述光源照射到其上的光进行调制；

光阑或透镜，配置成接收所述调制的光以形成所述光锥分布的光束。

根据本公开的优选实施例，如图5所示，其中所述光束生成器包括：

光源，其中所述光源为单色或三色的激光光源或LED光源或OLED光源；

透镜，配置成接收所述光源发出的发散光，并汇聚到所述光锥的顶点；

DMD、LCOS、LCD中的一个或多个，位于所述透镜和所述顶点之间，并配置成可载入图像，并根据所述图像，对经过透镜后的照射到其上的光进行调制。

根据本公开的优选实施例，如图3所示，其中所述微机电系统包括MEMS振镜，所述光源是细光束光源，包括多个激光器、控制器和合束器，所述控制器与所述多个激光器耦合，并控制所述多个激光器发射出激光束，所述多个激光器的激光束入射到所述合束器，合成为在空间上传播路径重合的近平行性细光束。

根据本公开的优选实施例，如图3所示，所述合束器包括透镜组、以及分别与所述多个激光器的波长对应的光学薄膜分光片，其中所述透镜组配置成可调整所述激光器发出的激光束的发散角和/或直径，并投射到对应的光学薄膜分光片上，经过反射或透射形成所述在空间上传播路径重合的近平行性细光束。

根据本公开的优选实施例，其中所述合束器还包括设置在所述透镜组与所述光学薄膜分光片之间的光阑、波片、偏振片、衰减片，所述合束器还包括与所述透镜组耦合的微电机，所述微电机可调节所述透镜组中透镜间的相对位置以调节从所述透镜组出射的光束的发散角和/或直径。

根据本公开的优选实施例，其中所述光束组中不同方向的光束携带不同图像像素的颜色信息和/或亮度信息。

根据本公开的优选实施例，其中所述光束合成器包括衍射光学元件，被耦合进入所述波导中的光束在波导与空气的交界处发生全反射后，入射到所述衍射光学元件不同位置时均发生衍射，衍射光的传播方向改变并离开所述波导继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后汇聚于一点。

根据本公开的优选实施例，其中所述耦入面设置在波导的凸出的耦入结构上，所述凸出的耦入结构与所述光束合成器所在的平面相交，相交的位置可用作定位，用于将所述合成器贴附与所述波导上。

根据本公开的优选实施例，其中所述衍射光学元件是体全息光学元件，为透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件，其中所述光源包括多个激光器，所述多个激光器配置成可发射出不同波长的激光光束。

根据本公开的优选实施例，其中所述体全息光学元件包括单个彩色体全息光学元件，所述单个彩色体全息光学元件对所述多个激光器的不同波长的激光均发生衍射作用。

根据本公开的优选实施例，其中所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个单色体全息光学元件，与所述多个激光器的数目对应，每一片单色体全息光学元件，仅对所对应波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用。

根据本公开的优选实施例，其中所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个体全息光学元件，所述多个体全息光学元件的数目少于所述多个激光器的数目，所述多个体全息光学元件中的至少一个对所述多个激光器中，至少两个波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用；而其余的体全息光学元件，对余下的其它波长中的一个波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用。

根据本公开的优选实施例，其中所述体全息光学元件包括一片单色体全息光学元件，仅对一个波长的激光发生衍射作用。

根据本公开的优选实施例，如图8所示，所述的波导型光学组件还包括贴附在所述波导的耦入面上的凹透镜或位于所述光束生成器与所述波导型光学组件之间的凹透镜，以使得来自所述光束生成器的光锥分布的光束组中不同方向的光束以更大的折射角度进入所述波导。

根据本公开的优选实施例，如图9所示，所述的波导型光学组件还包括MEMS振镜移动装置，MEMS振镜移动装置与所述MEMS振镜连接，并可使所述MEMS振镜在多个位置之间移动，每一个位置对应一个入瞳；在一个位置时，经MEMS振镜扫描出的光锥分布的光束组中不同方向的光束经所述光束合成器在自由空间形成一个汇聚点，对应一个出瞳。

根据本公开的优选实施例，如图10所示，所述的微机电系统包括MAHOE光学元件和MEMS振镜，所述MAHOE光学元件至少具有第一区域和第二区域，所述入瞳至少包括第一入瞳和第二入瞳，所述出瞳至少包括第一出瞳和第二出瞳，其中从所述光源出射的光束经所述MEMS振镜扫描后照射到所述MAHOE光学元件的第一区域和第二区域上，其中，照射到所述第一区域上的光束被所述MAHOE光学元件的第一区域反向衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第一入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入所述波导，被所述光束合成器衍射，离开所述波导后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第一出瞳；照射到所述第二区域上的光束被所述MAHOE光学元件的第二区域反向衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第二入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入所述波导，被所述光束合成器衍射，离开所述波导后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第二出瞳。

本公开还涉及一种近眼显示装置，包括如上所述的波导型光学组件。所述近眼显示装置例如是虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

根据本公开的优选实施例，所述的近眼显示装置还包括图像生成单元，配置成可生成带显示的图像，所述图像生成单元与所述光束生成器耦合，所述光束生成器发射的光束组中不同方向的光束携带所述图像中不同像素的颜色信息和/或亮度信息。

应当注意，本公开的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的装置和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本公开的装置及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干模块或子模块，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块中实现。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为由多个模块来具体化。

虽然已经参考目前考虑到的实施方式描述了本公开，但是应该理解本公开不限于所公开的实施方式。相反，本公开旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。以下权利要求的范围符合最广泛解释，以便包含所有这样的修改及等同结构和功能。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (43)

1.一种光学元件的制造方法，包括：

S71：提供一波导，所述波导具有耦入面，感光膜或感光板贴附在所述波导的表面上；

S72：利用激光器发射出激光；

S73：将所述激光分束成第一激光光束和第二激光光束；

S74：使所述第一激光光束汇聚到所述波导外的第一点，并出射到所述波导的耦入面上，进入所述波导内部，在所述波导与空气的界面发生全反射，并入射到所述感光膜或感光板上；

S75：使所述第二激光光束穿过所述感光膜或感光板后汇聚到所述波导外的第二点；和

S76：被汇聚到所述第一点并在所述波导内部全反射的第一激光光束与被汇聚到所述第二点的第二激光光束在所述感光膜或感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得体全息光学元件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述感光膜或感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S72包括：利用多个激光器发出不同波长的激光光束，合束后出射；

所述步骤S76包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述感光材料内部同时进行干涉曝光。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述感光膜或感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S72包括：相继地利用多个激光器发出不同波长的激光光束并出射；

所述步骤S76包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述感光材料内部相继地进行多次干涉曝光。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述感光膜或感光板的感光材料为单色感光材料，所述步骤S72包括：利用激光器发出与该单色感光材料对应波长的激光光束并出射；

所述步骤S76包括：对应于所述激光器的波长，在所述感光材料内部进行干涉曝光，获得与所述波长对应的所述体全息光学元件。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：更换可对不同波长的光线进行曝光的感光膜或感光板，通过所述步骤S72、S73、S74、S75和S76，获得与所述不同波长对应的多个体全息光学元件。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述步骤S72包括：

由多个激光器发射出不同波长的激光光束；

对所述不同波长的激光光束进行合束；和

对合束后的激光光束进行滤波和准直扩束。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述对不同波长的激光光束进行合束的步骤包括：通过光学薄膜分光器对所述不同波长的激光光束进行合束。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述步骤S73包括：通过分光片将所述激光分束成第一激光光束和第二激光光束。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述步骤S74包括：通过第一透镜将所述第一激光光束汇聚到所述波导外的第一点；

所述步骤S75包括：通过第二透镜或凹面反射镜将所述第二激光光束汇聚到所述波导外的第二点。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二透镜或凹面反射镜位于所述感光膜或感光板的与所述波导相反的一侧上，或位于所述波导的与所述感光膜或感光板相反的一侧上。

11.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，还包括：

S77：使所述第一激光光束汇聚到所述波导外的第三点，并出射到所述波导的耦入面上，进入所述波导内部，在所述波导与空气的界面发生全反射，并入射到所述感光膜或感光板上，其中所述第三点不同于所述第一点；

S78：使所述第二激光光束穿过所述感光膜或感光板后汇聚到所述波导外的第四点，其中所述第四点不同于所述第二点；和

S79：被汇聚到所述第三点并在所述波导内部全反射的第一激光光束与被汇聚到所述第四点的第二激光光束在所述感光膜或感光板的感光材料内部产生干涉曝光。

12.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，还包括：

将所获得的体全息光学元件作为母版，复制其它的体全息光学元件。

13.一种制造光束合成器的方法，包括：

S81：提供通过权利要求1-12中任一项所述方法制备的体全息光学元件作为母版，其中所述母版为反射式体全息光学元件；

S82：提供一波导，所述波导具有耦入面，以将光波耦入所述波导内部，光波在所述波导与空气的界面发生全反射，所述波导与制作所述体全息光学元件所用的波导具有至少部分相同的光学和/或几何参数；

S83：将一感光膜或感光板贴附在所述波导的表面上；

S84：将所述母版贴附在所述感光膜或感光板之上；

S85：从与制作所述体全息光学元件时的第一点对应的位置处发出发散球面波入射到所述波导的耦入面上，在所述波导与空气界面发生一次或多次全反射并入射到所述感光膜或感光板，穿过所述感光膜或感光板入射到所述母版上，被所述母版反向衍射，反向衍射光穿过所述感光膜或感光板并汇聚到与所述第二点对应的位置处，入射到所述感光膜或感光板的光与反向衍射光在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生干涉曝光，获得新的反射式体全息光学元件。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述感光膜或感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S85包括：相继地发出不同波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生多次干涉曝光或同时发出不同波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部同时发生干涉曝光。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述感光膜或感光板的感光材料为单色感光材料，所述步骤S85包括：发出与该单色感光材料对应波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生单次干涉曝光。

16.一种制造光束合成器的方法，包括：

S91：提供通过权利要求1-12中任一项所述方法制备的体全息光学元件作为母版，其中所述母版为透射式体全息光学元件；

S92：提供一波导，所述波导具有耦入面，以将光波耦入所述波导内部，光束在所述波导与空气的界面发生全反射，所述波导与制作所述体全息光学元件所用的波导具有至少部分相同的光学和/或几何参数；

S93：将所述母版贴附在所述波导的表面上；

S94：将一感光膜或感光板贴附在所述母版之上；

S95：从与制作所述体全息光学元件时的第一点对应的位置处发出发散球面波入射到所述波导的耦入面上，在所述波导与空气界面发生一次或多次全反射并入射到所述母版，从所述母版出射的光包括未被衍射的透射光和被所述母版衍射后的汇聚光，所述汇聚光的汇聚点与所述第二点对应，所述未被衍射的透射光与衍射的汇聚光继续传播进入所述感光膜或感光板，在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生干涉曝光，获得新的透射式体全息光学元件。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述感光膜或感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S95包括：相继地发出不同波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生多次干涉曝光或同时发出不同波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部同时发生干涉曝光。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述感光膜或感光板的感光材料为单色感光材料，所述步骤S95包括：发出与该单色感光材料对应波长的激光光束以在所述感光膜或感光板的感光材料内部发生单次干涉曝光。

19.一种体全息光学元件，通过如权利要求1-18中任一项所述的方法制成。

20.根据权利要求19所述的体全息光学元件，其中所述体全息光学元件是透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件。

21.一种波导型光学组件，所述波导型光学组件包括：

光束生成器，配置成形成光锥分布的光束组；

波导，所述波导具有耦入面，用于将所述光束组中的光束耦合进入所述波导，耦合进入波导的光束在所述波导与空气的界面发生全反射；和

如权利要求1-18中任一项所述的方法制成的光束合成器，贴附在所述波导的一表面上，改变入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述波导继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后汇聚于一点。

22.如权利要求21所述的波导型光学组件,其中所述波导型光学组件具有入瞳和出瞳，所述光锥的顶点为所述入瞳，来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后所汇聚的所述一点为所述出瞳。

23.如权利要求21或22所述的波导型光学组件,其中所述光束生成器包括光源和微机电系统，

其中所述光源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；微机电系统配置成可对从所述光源出射的光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组。

24.如权利要求21或22所述的波导型光学组件,其中所述光束生成器包括：

光源，其中所述光源为单色或三色的激光光源或LED光源或OLED光源；

DMD、LCOS、LCD中的一个或多个，配置成可载入图像，并根据所述图像，对所述光源照射到其上的光进行调制；

光阑或透镜，配置成接收所述调制的光以形成所述光锥分布的光束。

25.如权利要求21或22所述的波导型光学组件,其中所述光束生成器包括：

光源，其中所述光源为单色或三色的激光光源或LED光源或OLED光源；

透镜，配置成接收所述光源发出的发散光，并汇聚到所述光锥的顶点；

DMD、LCOS、LCD中的一个或多个，位于所述透镜和所述顶点之间，并配置成可载入图像，并根据所述图像，对经过透镜后的照射到其上的光进行调制。

26.根据权利要求23所述的波导型光学组件，其中所述微机电系统包括MEMS振镜，所述光源是细光束光源，包括多个激光器、控制器和合束器，所述控制器与所述多个激光器耦合，并控制所述多个激光器发射出激光束，所述多个激光器的激光束入射到所述合束器，合成为在空间上传播路径重合的近平行性细光束。

27.根据权利要求26所述的波导型光学组件，其中所述合束器包括透镜组、以及分别与所述多个激光器的波长对应的光学薄膜分光片，其中所述透镜组配置成可调整所述激光器发出的激光束的发散角和/或直径，并投射到对应的光学薄膜分光片上，经过反射或透射形成所述在空间上传播路径重合的近平行性细光束。

28.根据权利要求27所述的波导型光学组件，其中所述合束器还包括设置在所述透镜组与所述光学薄膜分光片之间的光阑、波片、偏振片、衰减片，所述合束器还包括与所述透镜组耦合的微电机，所述微电机可调节所述透镜组中透镜间的相对位置以调节从所述透镜组出射的光束的发散角和/或直径。

29.根据权利要求21或22所述的波导型光学组件，其中所述光束组中不同方向的光束携带不同图像像素的颜色信息和/或亮度信息。

30.根据权利要求21或22所述的波导型光学组件，其中所述光束合成器包括衍射光学元件，被耦合进入所述波导中的光束在波导与空气的交界处发生全反射后，入射到所述衍射光学元件不同位置时均发生衍射，衍射光的传播方向改变并离开所述波导继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述波导后汇聚于一点。

31.根据权利要求21或22所述的波导型光学组件，其中所述耦入面设置在波导的凸出的耦入结构上，所述凸出的耦入结构与所述光束合成器所在的平面相交，相交的位置可用作定位，用于将所述合成器贴附与所述波导上。

32.根据权利要求30所述的波导型光学组件，其中所述衍射光学元件是体全息光学元件，为透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件，其中所述光束生成器包括多个激光器，所述多个激光器配置成可发射出不同波长的激光光束。

33.根据权利要求32所述的波导型光学组件，其中所述体全息光学元件包括单个彩色体全息光学元件，所述单个彩色体全息光学元件对所述多个激光器的不同波长的激光均发生衍射作用。

34.根据权利要求32所述的波导型光学组件，其中所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个单色体全息光学元件，与所述多个激光器的数目对应，每一片单色体全息光学元件，仅对所对应波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用。

35.根据权利要求32所述的波导型光学组件，其中所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个体全息光学元件，所述多个体全息光学元件的数目少于所述多个激光器的数目，所述多个体全息光学元件中的至少一个对所述多个激光器中，至少两个波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用；而其余的体全息光学元件，对余下的其它波长中的一个波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用。

36.根据权利要求32所述的波导型光学组件，其中所述体全息光学元件包括一片单色体全息光学元件，仅对一个波长的激光发生衍射作用。

37.根据权利要求21或22所述的波导型光学组件，还包括贴附在所述波导的耦入面上的凹透镜或位于所述光束生成器与所述波导型光学组件之间的凹透镜，以使得来自所述光束生成器的光锥分布的光束组中不同方向的光束以更大的折射角度进入所述波导。

38.根据权利要求26所述的波导型光学组件，还包括MEMS振镜移动装置，MEMS振镜移动装置与所述MEMS振镜连接，并可使所述MEMS振镜在多个位置之间移动，每一个位置对应一个入瞳；在一个位置时，经MEMS振镜扫描出的光锥分布的光束组中不同方向的光束经所述光束合成器在自由空间形成一个汇聚点，对应一个出瞳。

39.根据权利要求23所述的波导型光学组件，所述的微机电系统包括微透镜阵列全息光学元件和MEMS振镜，所述微透镜阵列全息光学元件至少具有第一区域和第二区域，所述入瞳至少包括第一入瞳和第二入瞳，所述出瞳至少包括第一出瞳和第二出瞳，其中从所述光源出射的光束经所述MEMS振镜扫描后照射到所述微透镜阵列全息光学元件的第一区域和第二区域上，其中，照射到所述第一区域上的光束被所述微透镜阵列全息光学元件的第一区域反向衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第一入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入所述波导，被所述光束合成器衍射，离开所述波导后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第一出瞳；照射到所述第二区域上的光束被所述微透镜阵列全息光学元件的第二区域反向衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第二入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入所述波导，被所述光束合成器衍射，离开所述波导后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第二出瞳。

40.根据权利要求23所述的波导型光学组件，其中所述光源为单色或者三色激光光源。

41.一种近眼显示装置，包括如权利要求21-40中任一项所述的波导型光学组件。

42.根据权利要求41所述的近眼显示装置，其中所述近眼显示装置是虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

43.根据权利要求41或42所述的近眼显示装置，还包括图像生成单元，配置成可生成带显示的图像，所述图像生成单元与所述光束生成器耦合，所述光束生成器发射的光束组中不同方向的光束携带所述图像中不同像素的颜色信息和/或亮度信息。

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