CN112817148A - 扩大出瞳区域的器件以及包括其的显示器 - Google Patents

Abstract

提供一种配置为扩大视觉光学装置的出瞳区域的器件以及包括其的显示器，该器件包括：衍射光栅，配置为通过使入射光束衍射而输出多个衍射级的多个衍射光束；以及波导，提供在衍射光栅上并配置为基于所述多个衍射光束当中的从所述衍射光栅输出的第一衍射光束形成出瞳，并基于所述多个衍射光束当中的从衍射光栅输出的第二衍射光束形成出瞳级。

Description

扩大出瞳区域的器件以及包括其的显示器

技术领域

本公开的示例实施方式涉及一种用于扩大视觉光学装置的眼动范围(eye box)的光学器件以及包括该光学器件的显示器。

背景技术

视觉光学装置诸如增强现实(AR)设备、目镜、以及光学器件(显微镜、望远镜、瞄准器等)的透镜已经被显著改善。这样的视觉光学装置的最重要的特征参数是视场(FoV)的大小和眼动范围的大小。根据现有技术的分析，很难在保证所要求的图像品质或分辨率(例如，等于约1弧分的分辨率，不大于眼睛的角度分辨率极限)的同时向视觉光学装置赋予宽的视场(例如约60°或更大)和大的眼动范围(例如约3mm或更大)。由于在其中使用复杂的元件，所以用于扩大眼动范围的公知器件并不是普遍的。但是，需要为每个视觉光学装置单独地设计眼动范围扩大器件。

在现有技术中，出瞳扩展器可以包括波导，光(辐射)可以通过衍射元件入射在波导上并可以在波导中传播的同时通过衍射元件从波导输出。上述出瞳扩展器可以在不使用具有高折射率的材料的情况下扩大视场。然而，由出瞳扩展器扩大的视场具有相对小的宽度(视场的水平尺寸受到限制)，并且出瞳扩展器具有复杂的结构，具有大的整体尺寸。此外，由于光在这样的出瞳扩展器的波导中传播大的距离，所以发生显著的能量损失。此外，由于在这样的出瞳扩展器中使用各种衍射元件以接收和输出光，所以所得的图像的衍射效率、均匀性和亮度可能受到限制。

现有技术的基板引导的光束扩展器可以是配置为通过使用半透明反射镜来提供视场内的光的波导器件。出瞳的尺寸与扩展器的几何参数有关，具体地，与波导的厚度和反射镜元件的数量有关。这样的扩展器的缺点是波导具有显著的厚度，因此扩展器具有明显增大的尺寸和复杂的设计。此外，即使在使用这样的扩展器时，也不能获得足够的视场。

发明内容

一个或更多个示例实施方式提供能够扩大眼动范围以提供宽的出瞳区域、同时保持视觉光学装置的宽视场、高衍射效率以及图像均匀性和亮度的器件。

一个或更多个示例实施方式还提供用于扩大出瞳区域并具有入射光的减少的能量损失的小且通用的器件。

一个或更多个示例实施方式还提供可应用于各种视觉光学装置的用于扩大出瞳区域的器件。

另外的方面将在下面的描述中被部分地阐述，并且部分地将从该描述变得明显，或者可以通过示例实施方式的实践而获知。

根据一示例实施方式的一方面，提供一种配置为扩大视觉光学装置的出瞳区域的器件，该器件包括：衍射光栅，配置为通过使入射光束衍射而输出多个衍射级的多个衍射光束；和提供在衍射光栅上的波导，该波导配置为基于所述多个衍射光束当中的从衍射光栅输出的第一衍射光束形成出瞳并基于所述多个衍射光束当中的从衍射光栅输出的第二衍射光束形成出瞳级(exit pupil order)。

波导还可以配置为基于在没有全内反射的情况下输出从衍射光栅输出的第一衍射光束来形成出瞳。

波导还可以配置为基于从衍射光栅输出的第二衍射光束形成至少一个出瞳级，该第二衍射光束被全内反射至少一次并从波导输出。

波导还可以配置为通过全内反射第二衍射光束而使第二衍射光束返回到衍射光栅，衍射光栅还可以配置为将返回的第二衍射光束衍射成多个衍射光束，波导还可以配置为基于输出通过衍射返回的第二衍射光束而获得的所述多个衍射光束中的一些衍射光束并反射所述多个衍射光束中的没有被输出的其余衍射光束返回到衍射光栅来形成出瞳级。

波导可以包括在其上提供衍射光栅的第一表面以及与第一表面相对并配置为将第一衍射光束输出到波导的外部的第二表面。

波导还可以配置为附加地形成出瞳级，直到入射在第二表面上的所有衍射光束被全内反射。

出瞳级的数量可以与所述多个衍射光束中的入射在第二表面上的衍射光束穿过第二表面的次数成正比。

出瞳级之间的距离可以与波导的厚度成正比。

出瞳级之间的距离可以与波导的折射率成反比。

第一衍射光束可以包括0级衍射光束，第二衍射光束可以包括+1级衍射光束和-1级衍射光束中的至少一种。

波导还可以配置为基于+1级衍射光束形成第一出瞳级，并基于-1级衍射光束形成第二出瞳级。

波导还可以配置为相对于在第一出瞳级和第二出瞳级之间提供的出瞳在不同的方向上形成第一出瞳级和第二出瞳级。

衍射光栅还可以配置为使以预定的孔径角或更小的孔径角入射的光束衍射。

孔径角可以大于视觉光学装置的视角。

波导可以是第一波导，该器件还可以包括第二波导，该第二波导提供在衍射光栅上并配置为全内反射从衍射光栅输出的光。

衍射光栅可以提供在第一波导和第二波导之间。

衍射光栅可以包括：第一衍射区域，配置为使在第一孔径角或更小的范围内入射的光束衍射；和第二衍射区域，配置为使在大于第一孔径角但小于或等于第二孔径角的范围内入射的光束衍射，其中波导还包括：第一波导，配置为基于从第一衍射区域输出的衍射光束形成出瞳级；和第二波导，配置为基于从第二衍射区域输出的衍射光束形成出瞳级。

衍射光栅、第一波导和第二波导可以在入射光束的传播方向上顺序地提供。

波导可以包括弯曲的波导。

衍射光栅可以包括布拉格衍射光栅。

根据一示例实施方式的另一方面，提供一种显示器，该显示器包括配置为输出具有给定视角的光束的视觉光学装置以及配置为扩大视觉光学装置的出瞳区域的器件，该器件包括：衍射光栅，配置为通过使入射光束衍射而输出多个衍射级的多个衍射光束；和提供在衍射光栅上的波导，该波导配置为基于所述多个衍射光束当中的从衍射光栅输出的第一衍射光束形成出瞳，并基于所述多个衍射光束当中的从衍射光栅输出的第二衍射光束形成出瞳级。

显示器可以是近眼显示器。

根据一示例实施方式的另一方面，提供一种用于扩大视觉光学装置的出瞳区域的器件，该器件包括：衍射光栅，配置为通过使入射光束衍射而输出多个衍射级的多个衍射光束；和提供在衍射光栅上的波导，该波导配置为基于所述多个衍射光束当中的从衍射光栅输出而没有全内反射的第一衍射光束形成出瞳，并基于所述多个衍射光束当中的从衍射光栅输出并在波导中被全内反射至少一次的第二衍射光束形成至少一个出瞳级。

第一衍射光束可以是从衍射光栅输出的0级衍射光束，第二衍射光束可以是从衍射光栅输出的+1级或-1级衍射光束，其在波导中被全内反射并被衍射光栅衍射为0级光束。

附图说明

从以下结合附图的描述，某些示例实施方式的以上和/或其它的方面、特征和优点将更加明显，附图中：

图1示出在物体空间中的远心光线路径；

图2A示出根据一示例实施方式的用于扩大眼动范围的出瞳扩展器；

图2B示出根据一示例实施方式的在用于扩大眼动范围的出瞳扩展器中的光的传播；

图2C示出根据一示例实施方式的与视觉光学装置一起使用的出瞳扩展器；

图2D示出根据一示例实施方式的以反射模式操作的出瞳扩展器；

图3是示出根据一示例实施方式的使用出瞳扩展器的显示器的透视图；

图4A示出根据一示例实施方式的出瞳扩展器和以透射模式操作的组合装置；

图4B示出根据一示例实施方式的以反射模式操作的组合装置与出瞳扩展器之间的关系；

图5是示意性地示出根据一示例实施方式的包括一维衍射光栅的出瞳扩展器的视图；

图6是示意性地示出根据一示例实施方式的包括二维衍射光栅的出瞳扩展器的视图；

图7示出根据另一示例实施方式的出瞳扩展器；

图8A示出包括离散分布的多个出瞳级的眼动范围；

图8B示出根据一示例实施方式的由出瞳扩展器形成的出瞳级；

图9示出根据一示例实施方式的形成斑点的平坦的出瞳扩展器；

图10示出根据一示例实施方式的弯曲的出瞳扩展器；以及

图11示出根据另一示例实施方式的包括多个波导的出瞳扩展器。

具体实施方式

现在将详细地参考示例实施方式，示例实施方式在附图中示出，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。就这点而言，示例实施方式可以具有不同的形式，并且不应被解释为限于这里阐述的描述。因此，下面通过参照附图仅描述了示例实施方式以解释各方面。如这里所用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关联的所列项目的任何和所有组合。诸如“......中的至少一个”的表述，当在一列元件之后时，修饰整列元件而不是修饰该列表的各个元件。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应当被理解为包括仅a、仅b、仅c、a和b两者、a和c两者、b和c两者、或者a、b和c的全部。

在下文，将参照附图描述示例实施方式。这里描述的示例实施方式仅用于说明的目的，并且可以在其中进行各种修改。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件，并且为了图示的清楚，可以夸大元件的尺寸。

在下面的描述中，当一元件被称为在另一元件“之上”或“上”时，它可以直接在另一个元件上同时与该另一元件接触，或者可以在该另一元件上方而不与该另一元件接触。

尽管术语“第一”和“第二”用于描述各种元件，但是这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。这些术语不将元件限制为具有不同的材料或结构。

除非另外地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式。还将理解，这里使用的术语“包括”和/或“包含”指定所述特征或元件的存在，但是不排除一个或更多个其它特征或元件的存在或添加。

用定冠词或指示代词提及的元件可以被解释为该元件或多个元件，即使其具有单数形式。

除非以顺序的术语明确描述或相反地描述，否则方法的操作可以以合适的顺序执行。此外，示例或示范性术语(例如，“诸如”和“等”)是为了描述的目的而使用，并不旨在限制本发明构思的范围，除非由权利要求书限定。

根据示例实施方式，可以提供一种通过使用波导和用于接收或输出光的衍射光栅诸如衍射光学元件(DOE)或全息光学元件(HOE)来扩大眼动范围(也称为“出瞳区域”)的小型器件。

根据示例实施方式的器件可以用于扩大视觉光学装置(诸如光学器件的目镜)的眼动范围。光学器件的目镜是配置为面向观看者的眼睛的元件，并可以是光学器件的一部分，例如取景器、测距仪、双筒望远镜、显微镜或望远镜，被设计用于观看者观看由光学器件的透镜或主反射镜形成的图像。

根据示例实施方式的用于扩大眼动范围的器件可以应用于提供有图像组合装置的增强现实(AR)设备，该图像组合装置将环境图像与通过使用视觉光学装置或HOE/DOE的内部显示器形成的图像组合。

根据示例实施例的用于扩大眼动范围的器件(在下文称为“出瞳扩展器”)可以是紧凑且通用的。这里，紧凑性和通用性仅由作为用于接收和输出光的元件的衍射光栅确定，并且在所提出的器件中使用的波导不需要是高品质的波导。

根据一示例实施方式的出瞳扩展器可以具有小的整体尺寸。也就是，根据示例实施方式的器件可以不改变视觉光学装置的整体尺寸，并因此可以用于各种光学器件。

视觉光学装置的出瞳是供观看者观看图像的区域。换句话说，出瞳是图像空间中的孔径光阑的近轴图像，并且该近轴图像可以由在光线的直接路线(direct course)中的视觉光学装置的下一部分形成。这些术语在光学领域是公认的。视觉光学装置的出瞳的主要特征是整个像场在视觉光学装置中的特定点处。

增大(扩大)视觉光学装置的出瞳可以包括增大出瞳的尺寸(或出瞳的数量)而不增大视觉光学装置的纵向尺寸。经典光学系统的出瞳的尺寸可以增大，但是在这种情况下，视觉光学装置的纵向尺寸也可能增大。在视觉光学装置中使用波导光学系统使得可以在不增大视觉光学装置的尺寸的情况下增大视觉光学装置的出瞳的尺寸。

眼动范围可以是人类眼睛的瞳孔能够在眼睛瞳孔移动时从任何位置进入的区域，并可以是包括出瞳的出瞳区域。

视场可以是指在瞳孔和头部固定的情况下眼睛能够看到的角度空间。当视场大时，眼睛可以看到大部分物体空间。然而，当眼睛的瞳孔例如向侧面移动几毫米时，视场可能被某种程度地阻挡，并且视场可能减小。这是因为视觉光学装置的眼动范围是小的，使得当眼睛的瞳孔移动时，眼动范围不能与眼睛的瞳孔完美地匹配或者可能与眼睛的瞳孔根本不匹配。

衍射效率可以是衍射光栅的特性，并可以以百分数或十进制小数来测量，作为在衍射级之一中包含的能量与入射在衍射光栅上的能量的比率。

图1示出物体空间中的远心光线路径。如图1所示，从普通视觉光学装置100输出的光束可以形成出瞳。

视觉光学装置100的视场FoV的尺寸可以根据下面的等式1确定。

[等式1]

这里，S是指物体的尺寸(单位：mm)，F是指视觉光学装置100中包括的透镜的焦距(单位：mm)，FoV是指视场的尺寸(单位：度)。

视觉光学装置100的出瞳的尺寸E可以由下面的等式2确定。

[等式2]

这里，E是指出瞳的尺寸(mm)，Le是指从视觉光学装置100到眼睛1的瞳孔1a的出瞳距离(eye-relief distance)(mm)，D是指视觉光学装置100中包括的透明透镜的直径(mm)。

如等式1和等式2所示，当根据一示例实施方式的出瞳扩展器没有被应用于视觉光学装置100时，出瞳的尺寸E可以不受视场FoV的限制，并且视场FoV可以受到视觉光学装置100的焦距F和物体的尺寸S的限制。用户想要观看的物体空间(例如物体)的区域越大，视场FoV越大。然而，随着诸如AR眼镜的设备变得更小，视觉光学装置100中包括的透镜的焦距F需要更小。

根据等式1和等式2，在视场FoV的尺寸和出瞳的尺寸E之间通常存在反比关系。在视觉光学装置100中，难以在不使用附加元件的情况下增大视场FoV的尺寸和出瞳的尺寸E两者。根据一示例实施方式的用于扩大眼动范围的器件是更通用且紧凑的。

图2A示出根据一示例实施方式的用于扩大眼动范围的出瞳扩展器200。如图2A所示，出瞳扩展器200可以包括波导230和衍射光栅210。当出瞳扩展器200使用衍射光栅210时，仅在波导230中存在衍射级，并且在自由空间中没有衍射级。

衍射光栅210可以根据入射在衍射光栅210上的光的特定入射角来设计。入射角可以由视觉光学装置100的孔径角(即视觉光学装置100的视角)来确定。例如，光相对于光轴以特定角度从视觉光学装置100输出，并可以以与该特定角度相同的角度入射在衍射光栅210上。

出瞳扩展器200的衍射光栅210可以设计为使得入射在衍射光栅210上的光可以被衍射成三个衍射级“0”、“+1”和“-1”。衍射级可以传播到波导230中。

满足以上条件的衍射光栅210的周期如下面的等式3所示。

[等式3]

这里，n₁是指出瞳扩展器200前面的介质的折射率，例如空气的折射率，n₂是指波导230的折射率，M是指衍射级数，d是指光栅周期。

此外，θ是指光的入射角，也就是，θ₁是指从空气进入衍射光栅210的光的入射角，θ₂是指表示M级衍射光束以其从衍射光栅210行进到波导230中的角度的衍射角。

此外，λ是指入射在衍射光栅210上的光的波长，T是指衍射光栅210的频率，其可以通过光栅周期的倒数来表示，即T＝1/d。当d以毫米(mm)给出时，T可以以破折号/mm给出。

衍射光栅210可以被设计为根据等式3扩大眼动范围。衍射光栅210的参数可以根据将由衍射光栅210执行的特定操作来确定。衍射光栅210的参数可以包括衍射光栅210的不变或可变的周期、浮雕深度、轮廓类型(描边(stroke))、描边方向等。根据一示例实施方式，将由衍射光栅210执行的特定操作是扩大眼动范围。

衍射光栅210的参数可以根据从视觉光学装置100入射在衍射光栅210上的光束的入射角、在其上布置衍射光栅210的波导230的材料以及眼动范围的目标尺寸而改变。

衍射光栅210的操作可以被如下确定。

当衍射光栅210处于全息图记录模式时，衍射光栅210的操作可以通过记录源的空间布置与记录源的辐射功率的比率来确定。

当衍射光栅210处于光刻记录模式时，衍射光栅210的操作可以通过由建模和计算确定的衍射光栅210的结构来确定。

根据初步理论和计算机建模，可以证明，当衍射光栅210的参数和波导230的参数彼此匹配时，这些参数的组合可以起到扩大眼动范围的作用。

也就是，在出瞳扩展器200中，衍射光栅210的参数可以被设计为仅产生三个衍射级“0”、“+1”和“-1”。被衍射成除了“0”之外的衍射级的光可以在全内反射(TIR)的条件下被波导230的表面反射至少一次，并可以在波导230中传播。第0级衍射光束(“0”级衍射光)可以在波导230与空气之间的界面处折射并从出瞳扩展器200输出，而没有全内反射。

出瞳扩展器200的关键元件可以是波导230，波导230可以允许入射光以波导模式传播。波导模式可以指这样的模式，其中“+1”和“-1”级衍射光束以等于或大于用于全反射的全反射角的角度入射在波导230和空气之间的界面上。在波导230的参数与波导230的操作之间存在关系。

在一示例实施方式中，波导230可以具有小的厚度，使得从波导230输出的光可以是均匀的，并且在这种情况下，光可以在作为扩大的出瞳区域的眼动范围处是均匀的。例如，波导230的厚度可以为约3mm或更小。

因此，波导230的参数和衍射光栅210的参数可以彼此匹配以获得用于扩大出瞳区域的特性。

衍射光栅210可以通过在本领域中公知的方法来制造。例如，可以使用掩模或纳米压印法制造浮雕衍射光栅作为衍射光栅210，或者可以通过干涉图案记录方法制造全息衍射光栅作为衍射光栅210。

通过这样的制造或记录方法获得的衍射光栅210可以应用于平面和非平面波导。通常，在制造出瞳扩展器200时，衍射光栅210可以应用于波导230。在制造工艺期间可以使衍射光栅210的参数与波导230的参数匹配，以增加入射在出瞳扩展器200上的光，而不改变光线的特性。

衍射光栅210可以通过使用涂覆有感光材料的基板而形成在波导230上。例如，基板可以主要用作波导230，并且具有用于扩大眼动范围的材料和厚度的衍射光栅210可以形成在基板上。基板的参数可以与衍射光栅210的参数匹配。

薄膜类型的衍射光栅可以通过在光致抗蚀剂材料上形成衍射光栅、然后将衍射光栅复制并转移到光敏聚合物而形成为衍射光栅210。薄膜类型的衍射光栅210可以应用于波导230。在这种情况下，波导230的参数和衍射光栅210的参数可以如上所述彼此匹配，以扩大眼动范围。

当制造出瞳扩展器200时，出瞳扩展器200可以根据由视觉光学装置100的孔径角确定的特定入射角来设计。即使当视觉光学装置100的孔径角不等于出瞳扩展器200的孔径角时，出瞳扩展器200也可以被集成到视觉光学装置100中，并可以在视觉光学装置100的孔径角等于或小于出瞳扩展器200的孔径角的条件下更精确地操作。这意味着根据示例实施方式提供的用于扩大眼动范围的出瞳扩展器200具有通用性。例如，出瞳扩展器200可以具有用于精确操作的角度范围，并且该角度范围可以由视觉光学装置100的出射孔径角确定。

例如，出瞳扩展器200可以被设计用于具有约60°的孔径角(即约60°的视角)的视觉光学装置100。在这种情况下，出瞳扩展器200甚至可以用于具有小于约60°(例如约40°)的孔径角的视觉光学装置。然而，具有约60°的孔径角的出瞳扩展器200可能对于具有大于约60°的孔径角(视角)的视觉光学装置异常地起作用。例如，具有约60°的孔径角的出瞳扩展器200可以不用于具有大于约60°的孔径角的视觉光学装置100。

图2B示出在根据一示例实施方式的用于扩大眼动范围的出瞳扩展器200中的光的传播，图2C示出根据一示例实施方式的与视觉光学装置100一起使用的出瞳扩展器200。

参照图2B和图2C，从视觉光学装置100输出到衍射光栅210的光束可以在三个方向上行进，例如可以被衍射成三个衍射级。也就是，“0”、“+1”和“-1”级衍射光束可以在波导230中朝向波导230的第二表面234传播，该第二表面与波导230的其上形成衍射光栅210的第一表面232相对。在图2B和图2C中示出入射在衍射光栅210上的窄的平行光束(a)和(b)以及窄的平行光束α和β。

入射在波导230的第二表面234上的“0”级衍射光束可以穿过第二表面234并完全离开波导230而没有被全反射，因为“0”级衍射光束不满足全内反射(TIR)条件。来自平行光束α和β的“0”级衍射光线可以如图2C所示都被收集在眼睛1的瞳孔处，并可以如图2C所示在眼动范围B中形成出瞳7。

入射在波导230的第二表面234上的“+1”和“-1”级衍射光束可以经由波导230的内部被全内反射回到衍射光栅210，因为“+1”和“-1”级衍射光束满足全内反射条件。当被衍射光栅210衍射和/或被第二表面234全反射时，“+1”和“-1”级衍射光束可以偏转特定角度。“+1”和“-1”级衍射光束可以以偏转的角度再次入射在衍射光栅210上。

“+1”和“-1”级衍射光束中的每个可以被衍射光栅210再次分成多个衍射级。由于衍射光栅210如上所述将入射光束分成三个衍射级，所以“+1”和“-1”级衍射光束中的每个可以被衍射光栅210再次衍射成衍射级“0”、“+1”和“-1”。

二次衍射光束中的“0”级衍射光束可以离开波导230，并且二次衍射光束中的“+1”和“-1”级衍射光束可以在偏转特定角度之后在波导230中传播。

“+1”和“-1”级衍射光束可以以偏转的角度再次入射在衍射光栅210上。然后，根据衍射光栅210的特性，“+1”和“-1”级衍射光束可以被衍射光栅210衍射。衍射光栅210可以反复地衍射入射光束，直到光束以特定角度或更大的角度入射，并且波导230可以输出以小于特定角度的角度入射的光束并可以全反射以等于或大于该特定角度的角度入射的光束。

例如，来自衍射光栅210的“+1”级衍射光束被波导230的第二表面234全反射回到衍射光栅210。“+1”级衍射光束中的每个都被衍射光栅210衍射成衍射级“0”、“+1”和“-1”，然后“0”级衍射光束可以从波导230输出，因为“0”级衍射光束不满足波导230的第二表面234的全反射条件。从波导230输出的光可以形成第一出瞳级8a，第一出瞳级8a可以是由被衍射光栅210衍射至少两次、然后从波导230输出的光形成的出瞳。

由波导230的第二表面234反射的“+1”和“-1”级衍射光束再次入射在衍射光栅210上并被第三次衍射，并且第三次衍射光束中的“0”级衍射光束穿过波导230的第二表面234并可以形成附加的出瞳级。附加的出瞳级可以在远离出瞳7的方向上形成在与第一出瞳级8a相邻的区域中。

类似于“+1”级衍射光束，“-1”级衍射光束的部分可以在重复经历全反射、衍射、折射、透射等之后形成第二出瞳级8b。第二出瞳级8b可以形成在基于出瞳7与第一出瞳级8a相对的位置。

“-1”级衍射光束的其余部分可以在反复经历全反射、衍射、折射、透射等之后形成附加的出瞳级。由“-1”级衍射光束的其余部分形成的附加出瞳级可以在远离出瞳7的方向上形成在与第二出瞳级8b相邻的区域中。附加的出瞳级的形成可以增加第二出瞳级8b。出瞳级的数量可以与入射在第二表面234上的衍射光束穿过第二表面234的次数成正比。

此外，由于波导230的传播模式的性质，在衍射光栅210和波导230之间可能发生光学相互作用，因此从波导230输出的光可以正确地对应于入射光。例如，出瞳扩展器200的出射端处的光的波形可以与出瞳扩展器200的入口端处的光的波形相同。

如图2C所示，眼动范围B(为清楚起见，如由圆圈表示)可以包括出瞳7和多个出瞳级8(参照图3)，该多个出瞳级8包括出瞳级8a和出瞳级8b。出瞳级8的数量可以根据视觉光学装置100的需要而变化。

出瞳级8的数量可以根据在没有出瞳扩展器200的情况下使用视觉光学装置100获得的出瞳7的数量以及视觉光学装置100的正确操作所需的出瞳7的数量来选择。

扩大眼动范围B所需的出瞳级8的数量可以通过改变衍射光栅210的参数和波导230的参数(例如用于扩大眼动范围B的参数)来确定。

与出瞳级8的增加程度相对应的出瞳级8的数量可以由波导230的厚度和衍射角控制。例如，出瞳级8的数量可以随着波导230的厚度减小以及衍射角的减小而增加。出瞳级8之间的距离可以由波导230的厚度和材料确定。例如，出瞳级8之间的距离可以随着波导230的厚度的减小而减小，并可以随着波导230的折射率的增大而增大。用于扩大眼动范围B的每个出瞳级8的发射强度可以取决于衍射光栅210的衍射强度。例如，每个出瞳级8的发射强度可以与衍射光栅210的衍射强度成正比。当被正确地设计用于扩大眼动范围B时，出瞳扩展器200可以形成预定数量的出瞳级8。因此，可以在制造出瞳扩展器200的工艺中控制扩大的程度。

包括在出瞳扩展器200中的波导230的材料可以包括例如光学无色玻璃，并且波导230的折射率可以根据所需的出瞳级8的数量来选择。例如，由例如火石玻璃形成的波导230的折射率越高，波导230中的全内反射的角度越大，使得出瞳级8可以彼此更远地布置。此外，由例如冕玻璃形成的波导230的折射率越小，波导230中的全内反射的角度越小，使得出瞳级8可以彼此更靠近地布置。

上述光传播原理可以从入射在出瞳扩展器200上的各个窄的光束(例如在图2B中的第一平行光束(a)和第二平行光束(b)以及在图2C中的α和β)观察。

出瞳扩展器200可以对与视觉光学装置100的距离(如图2C所示的偏移距离var)不敏感，因为偏移距离var可以不影响从视觉光学装置100行进到配置为扩大眼动范围B的出瞳扩展器200上的光的入射角。例如，到出瞳扩展器200上的光的入射角取决于来自视觉光学装置100的光的出射角。与出瞳扩展器200集成的视觉光学装置100可以形成从最佳观看距离到无限远的范围的图像。

绕光轴9的旋转程度不影响到衍射光栅210的入射角。出瞳扩展器200的参数根据由视觉光学装置100确定的到出瞳扩展器200的入射角来设计，并且到出瞳扩展器200的入射角在视觉光学装置100的孔径角内(例如在视觉光学装置100的视角内)就是足够的。

通常，眼动范围B可以如图2C所示地扩大、增大和/或重复。物体的图像可以由视觉光学装置100(诸如AR设备、显微镜目镜、望远镜或瞄准镜)形成，然后可以传输到其中图像在视网膜上形成的眼睛1。例如，从物体反射的光穿过视觉光学装置100并进入其中光聚焦在视网膜1上的瞳孔1a。

为了扩大从视觉光学装置100输出的眼动范围B，出瞳扩展器200可以沿着光的路径布置在视觉光学装置100的出射侧，并且出瞳扩展器200可以将光束分成至少两个光束，该至少两个光束可以每个形成出瞳7和出瞳级8。因此，从视觉光学装置100输出的出瞳7可以增加(扩大)以形成眼动范围B。

出瞳扩展器200可以与配置为形成从最佳观看距离到无限远的范围的图像的光学装置(例如视觉光学装置100)一起使用。

在波导模式下，在波导230中传播的光的损失可以是非常小的。因此，在一示例实施方式中，由于出瞳扩展器200包括用于接收和输出光的衍射光栅210以及以波导模式使用的波导230，所以出瞳扩展器200可以导致基本上没有光损失。例如，从视觉光学装置100输出的所有光可以为形成眼动范围B的出瞳级8的形式。

此外，由于眼睛1是光学接收器，所以视觉光学装置100可以发射平行光。进入眼睛1的平行光被眼睛1的透镜(其可以是会聚透镜)聚焦，因此用户可以清楚地看到物体。当从视觉光学装置100输出非平行光时，形成在眼睛1的视网膜上的图像可能模糊。图像可能形成在视网膜之前或之后，而不是形成在视网膜上。从视觉光学装置100以平行光的形式输出的光即使在穿过根据一示例实施方式提供的出瞳扩展器200之后也可以是平行光的形式。

出瞳扩展器200可以应用于使用单光谱光和多光谱光以形成彩色图像的视觉光学装置100。其原因是衍射光栅210用于将光输入到波导230并从波导230输出光，并且波导230满足波导模式。因此，入射在出瞳扩展器200上的光束可以从出瞳扩展器200输出为多个光束而没有其光学特性的变化，并且出瞳7和多个出瞳级8可以由所述多个光束形成。

出瞳扩展器200可以如图2C所示以透射模式操作，但是不限于此。例如，出瞳扩展器200也可以以反射模式操作。

图2D示出根据一示例实施方式的以反射模式操作的出瞳扩展器200。

如图2D所示，来自视觉光学装置100的光束(例如平行光束)可以入射在波导230的第二表面234上，该第二表面234与波导230的其上形成反射衍射光栅210的第一表面232相对应。

平行光束可以在波导230中折射并可以倾斜地入射在反射衍射光栅210上。

平行光束可以被反射衍射光栅210衍射成三个衍射级“0”、“+1”和“-1”，然后可以在波导230中在三个方向上传播。

在波导230中传播并入射在第二表面234上的“0”级衍射光束(例如，平行光束的被衍射一次的部分)不满足全内反射条件，因此可以从波导230通过第二表面234输出，而没有被第二表面234全反射。

“0”级衍射光束可以被收集在眼睛1的瞳孔区域的一部分中，并可以在眼动范围B中形成出瞳7，类似于透射模式中的操作。

“+1”和“-1”级衍射光束满足第二表面234的全反射条件，因此可以被第二表面234全反射并在波导230中传播，如在以透射模式操作的出瞳扩展器200的描述中所述的。

“+1”和“-1”级衍射光束再次入射在反射衍射光栅210上，并且“+1”和“-1”级衍射光束中的每个被衍射成衍射级“+1”、“0”和“-1”。作为二次衍射光束的“0”级衍射光束通过第二表面234从波导230输出并形成出瞳级8，其它光束再次在波导230中传播。

在波导230中传播的光束可以被反复地衍射、透射、全反射和折射，直到光束以光束不被反射衍射光栅210衍射的入射角入射在反射衍射光栅210上，然后光束可以附加地形成出瞳级8。

类似于出瞳扩展器200在透射模式中的操作，由以反射模式操作的出瞳扩展器200形成的眼动范围B由出瞳7和一组出瞳级8形成。如上所述，出瞳7的级数可以是任意的。例如，出瞳7的级数可以等于应用出瞳扩展器200的可见光学系统所需的数量，并且出瞳级8的增加程度可以由出瞳扩展器200的参数(例如反射衍射光栅210的参数和波导230的参数)确定。

如上所述，在其中使用用于扩大眼动范围B的反射衍射光栅210的出瞳扩展器200中光的传播原理与在其中使用透射衍射光栅210的出瞳扩展器200中光的传播原理相似。区别是出瞳扩展器200相对于光轴的取向。

在出瞳扩展器200以透射模式操作的情况下，光可以首先通过透射衍射光栅210传播，并且眼动范围B可以如图2C所示形成在出瞳扩展器200后面。在出瞳扩展器200以反射模式操作的情况下，光可以首先入射在波导230上并可以在波导230中折射，然后可以入射在反射衍射光栅210上。眼动范围B可以如图2D所示形成在出瞳扩展器200前面。

其中出瞳扩展器200被应用于视觉光学装置100的视觉光学系统的视场与其中出瞳扩展器200没有被应用于视觉光学装置100的视觉光学系统的视场一起被测量。作为测量的结果，应用出瞳扩展器200的视觉光学系统的视场等于或大于没有应用出瞳扩展器200的视觉光学系统的视场的约5倍。

此外，由于光在出瞳扩展器200的波导230中传播相对短的距离，所以可以减少光能的损失。

出瞳扩展器200的高衍射效率允许光均匀地填充在眼动范围B中。

图3是示出根据一示例实施方式的使用出瞳扩展器200的显示器的透视图。图3所示的显示器可以是近眼显示器类型的AR设备。

从图像源F(例如内部显示器)发射的光可以进入组合装置300，该组合装置300将环境图像与由图像源F形成的图像组合。组合装置300可以对应于参照图1、图2B等描述的视觉光学装置100。组合装置300可以将光重定向到出瞳扩展器200以形成AR的视场的尺寸并扩大眼动范围B。

出瞳扩展器200可以如上所述地增大AR设备的眼动范围B。从出瞳扩展器200的各个区域(例如图3的a、b、c和d)输出的光可以以各种角度重定向到眼睛1。从出瞳扩展器200输出的光可以完全且均匀地填充包括出瞳7和出瞳级8的眼动范围B。这是因为光从AR设备通过出瞳扩展器200传播。在这种情况下，用于AR设备的出瞳扩展器200可以使用二维衍射光栅210，并且眼动范围B可以是二维的。例如，眼动范围B可以在彼此垂直的两个方向上在同一平面上延伸。

当组合装置300包括全息光学元件时，组合装置300可以具有小的眼动范围B。为了扩大组合装置300的眼动范围B，可以使用根据一示例实施方式的出瞳扩展器200。

图4A示出根据一示例实施方式的以透射模式操作的组合装置300和出瞳扩展器200。图4A所示的组合装置300和出瞳扩展器200可以被集成到作为显示器的AR设备中。AR设备可以是眼镜类型的。组合装置300可以是全息光学元件。图像可以形成在组合装置300后面，也就是在与组合装置300的照亮侧相反的一侧。出瞳扩展器200可以布置在更靠近眼睛1的组合装置300后面。例如，组合装置300可以布置在出瞳扩展器200和眼睛1之间。

从图像源F发射的光可以入射在组合装置300上，并且组合装置300的视角可以由倾斜的平行光形成。从组合装置300输出的光可以入射在出瞳扩展器200上，并可以如上所述形成出瞳和多个出瞳级。从出瞳扩展器200输出的光可以在穿过组合装置300的同时传播，而不与组合装置300相互作用。也就是，组合装置300可以不影响从出瞳扩展器200输出的光的传播并对应于出瞳和出瞳级。

图4B示出根据一示例实施方式的以反射模式操作的组合装置300与出瞳扩展器200之间的关系。例如，由组合装置300产生的图像可以在与图像源F的相同侧形成在组合装置300前面。在这种情况下，出瞳扩展器200也可以布置在组合装置300前面，因此出瞳扩展器200到眼睛1可以比组合装置300到眼睛1更近。此外，组合装置300可以形成视角，并且出瞳扩展器200可以通过形成附加的出瞳级8而扩大眼动范围B。

出瞳扩展器200可以是相对紧凑的并可以被更容易地集成到AR设备中而没有AR设备的整体尺寸和重量的实质增加。

图5示出根据一示例实施方式的包括一维衍射光栅210的出瞳扩展器200。如图5所示，当出瞳扩展器200包括一维衍射光栅210时，从视觉光学装置100发射的光可以入射在出瞳扩展器200上并被出瞳扩展器200衍射。从视觉光学装置100传播的光和被出瞳扩展器200衍射的光可以在同一平面上。

如上所述，“0”级衍射光束可以穿过出瞳扩展器200，并且由于在出瞳扩展器200的波导230中的全反射，“+1”和“-1”级衍射光束可以沿着Y轴方向传播，并返回到一维衍射光栅210，在该处“+1”和“-1”级衍射光束中的每个可以被衍射成衍射级“0”、“+1”和“-1”。

二次衍射光束中的“0”级衍射光束可以不满足全反射条件，因此可以穿过波导230以形成出瞳级。如上所述，光可以在出瞳扩展器200中经历衍射、全反射、折射等之后从出瞳扩展器200输出，然后可以在Y轴方向上形成附加的出瞳级。例如，出瞳区域可以仅在一个方向上扩大。

二维衍射光栅可以在两个正交方向上形成出瞳级8。图6是示意性地示出根据一示例实施方式的包括二维衍射光栅210的出瞳扩展器200的视图。如图6所示，当出瞳扩展器200包括二维衍射光栅210时，从视觉光学装置100发射的光可以入射在出瞳扩展器200上并由出瞳扩展器200在沿着X轴和Y轴的两个方向上衍射。二维衍射光栅210的操作原理与一维衍射光栅210的操作原理相同，但是二维衍射光栅210可以在两个方向上扩大眼动范围B。例如，眼动范围B可以延伸到两个坐标。

图7示出根据另一示例实施方式的出瞳扩展器200。如图7所示，衍射光栅210可以位于波导230内部。例如，出瞳扩展器200可以包括第一波导230a、第二波导230b以及布置在第一波导230a和第二波导230b之间的衍射光栅210。衍射光栅210的两端可以分别与第一波导230a和第二波导230b接触。通过第一波导230a入射在衍射光栅210上的光可以被分成两部分。

入射在衍射光栅210上的光的一部分可以在被衍射光栅210衍射的同时透射经过衍射光栅210，并可以在第一波导230a中传播。在第一波导230a中传播的光是衍射级为“0”、“+1”和“-1”的光，并且“0”级衍射光穿过第一波导230a并形成出瞳。“+1”和“-1”级衍射光可以反复地经历全反射、折射、衍射、透射等并可以形成附加的出瞳级。

入射在衍射光栅210上的光的另一部分可以在被衍射光栅210衍射的同时被衍射光栅210反射，并可以在第二波导230b中传播。在第二波导230b中传播的衍射光可以在第二波导230b中被全内反射，然后再次入射在衍射光栅210上。光的一部分可以穿过衍射光栅210，所述光的其余部分可以被衍射光栅210反射。

光的穿过衍射光栅210的该部分可以在第一波导230a中传播并可以形成附加的出瞳级。光的被衍射光栅210反射到第二波导230b的其余部分可以在反复经历全反射、衍射等的同时传播到第一波导230a中。由于第一波导230a，光可以均匀地分布到出瞳级。

图8A示出包括离散地分布的多个出瞳级的眼动范围B。从视觉光学装置输出的光可以形成多个出瞳7。如图8A所示，由视觉光学装置形成的出瞳7可以不均匀地且离散地分布在眼动范围B中。因此，可能在眼动范围B中形成盲区10，并且由于在盲区10中没有形成出瞳级，所以当用户的眼睛在盲区10处时，用户可能看不到图像。

根据一示例实施方式，出瞳扩展器可以形成并增加出瞳级。与由出瞳扩展器增加的出瞳级的数量相对应的眼动范围B的分辨率可以根据以下两个参数而变化：衍射光栅的衍射角(例如光入射到波导230上的角度)以及波导的厚度和材料(例如全内反射角)。

波导中的全反射的数量和出瞳级的不连续程度可以通过组合这两个参数来调整。例如，衍射光栅210的衍射角越小或波导的全内反射角越小，眼动范围B的分辨率越高。

图8B示出根据一示例实施方式的由出瞳扩展器形成的出瞳级8。根据一示例实施方式，出瞳扩展器可以通过衍射、透射、折射、全反射等来增加出瞳级8。出瞳级8可以形成为使得出瞳级8可以至少部分地彼此重叠。参照图8B，随着出瞳级8的数量增加并且用出瞳级8填充眼动范围B，眼动范围B的离散性可以减小，并且眼动范围B可以是更加均匀的。

此外，为了图像的均匀性，光能可以在出瞳7和出瞳级8中是更均匀的。在没有出瞳扩展器8的情况下，眼睛1可能在一个位置看到非常明亮的图像并在另一位置看到非常微弱的图像。

通过优化衍射光栅的参数，可以保证出瞳7和出瞳级8中的光能的均匀性。为此，在制造期间，可以选择衍射光栅210的周期，使得出瞳扩展器的入射点处的光可以与出瞳扩展器的出射点处的光匹配。此外，可以选择衍射光栅的浮雕高度，使得出瞳7和出瞳级8可以具有均匀的亮度和相同的尺寸。出瞳扩展器可以具有用于精确操作的角度范围。该角度范围可以等于或大于视觉光学装置的视角，例如视觉光学装置的孔径角。

例如，当根据一示例实施方式的出瞳扩展器被设计为在约60°或更小的孔径角范围内操作时，出瞳扩展器可以与具有在小于约60°的范围内(例如40°)的视角的视觉光学装置一起使用。然而，出瞳扩展器不能与具有大于约60°的视角的视觉光学装置一起使用，因为出瞳扩展器可能无法正常操作。

当出瞳扩展器包括平面波导时，任何类型的衍射光栅可以应用于平面波导。然而，在这种情况下，平坦的出瞳扩展器200通常可以用于具有小视场的视觉光学装置。

图9示出根据一示例实施方式的形成光斑的平坦的出瞳扩展器200。

如图9所示，提供不同视角的光束可以入射在出瞳扩展器200上。例如，诸如图像的第一光束可以以第一视角θ₁入射在出瞳扩展器200上，并且诸如耀斑的第二光束可以以第二视角θ₂入射在出瞳扩展器200上。此外，出瞳扩展器200的孔径角可以等于第一视角θ₁。当第一光束入射在出瞳扩展器200上时，出瞳扩展器200可以通过使用第一光束在眼动范围B中形成出瞳7和多个出瞳级8。

此外，当第二光束以大于出瞳扩展器200的孔径角(例如第一视角θ₁)的第二视角θ₂入射在出瞳扩展器200上时，出瞳扩展器200可以不使用第二光束形成出瞳级8。因此，如图9所示，出瞳扩展器200可以在眼动范围B中形成彩虹斑点。尽管由附加光源(例如路灯、汽车前照灯等)产生的第二光束能够通过视觉光学装置100显示，但是第二光束可以被出瞳扩展器200的衍射光栅210衍射但可以不被出瞳扩展器200的波导230增加，使得第二光束可以以光谱(例如彩虹)的形式显示。当出瞳扩展器200用于具有小的眼动范围的AR眼镜中时，可以观察到这种现象。

图10示出根据一示例实施方式的弯曲的出瞳扩展器200。

由于弯曲的出瞳扩展器200的形状的改变，弯曲的出瞳扩展器200可以被实现为仅在特定的孔径角操作。也就是，弯曲的出瞳扩展器200的曲率可以被设计以选择孔径角。

弯曲的出瞳扩展器200可以包括弯曲的衍射光栅210和弯曲的波导230，如图10所示。在第一孔径角θ₁的范围内入射在弯曲的出瞳扩展器200上的第一光束可以在垂直于弯曲的出瞳扩展器200的方向上。这是因为弯曲的出瞳扩展器200具有在参数(例如期望孔径角)的范围内可变或可调节的曲率，期望孔径角是可以由设计供使用的视觉光学装置设定的范围。

在第一孔径角θ₁的范围内入射的第一光束可以被弯曲的衍射光栅210衍射，并且弯曲的波导230可以使用衍射光束形成出瞳和出瞳级以扩大眼动范围B。然而，以大于第一孔径角θ₁的第二孔径角θ₂入射的第二光束可以不形成眼动范围B。尽管弯曲的衍射光栅210衍射以第二孔径角θ₂入射的第二光束，但是衍射光束在弯曲的波导230中被全反射之后不从弯曲的波导230输出。

当弯曲的出瞳扩展器200使用弯曲的波导230时，布拉格衍射光栅可以用作弯曲的衍射光栅210。布拉格衍射光栅可以具有高衍射效率。此外，布拉格衍射光栅可以对光的入射角和波长具有选择性。

当布拉格衍射光栅旨在用视觉光学装置的视角范围增加以特定角度入射的光的效率时，布拉格衍射光栅也可以用于平面波导或平坦的出瞳扩展器。因此，垂直入射到布拉格衍射光栅上的光可以以相对小的能量损失输出，并且倾斜入射到布拉格衍射光栅上的光可以以相对大的能量损失输出。

当体布拉格光栅被用作弯曲的衍射光栅210时，可以进一步提高从视觉光学装置以特定角度入射的光的效率。

示例实施方式的弯曲的出瞳扩展器200可以被集成到具有大视角的视觉光学装置中。平坦的出瞳扩展器对用于扩大眼动范围的光的入射角具有限制。因此，当视觉光学装置的视角超过平坦的出瞳扩展器的孔径角的极限时，平坦的出瞳扩展器可能无法适当地扩大眼动范围。然而，由于弯曲的出瞳扩展器200可以由此根据其曲率增大或调节孔径角，所以弯曲的出瞳扩展器200甚至可以应用于具有大视角的视觉光学装置。

此外，可以使用多个波导来增大平坦的出瞳扩展器的孔径角。图11示出根据另一示例实施方式的包括多个波导的出瞳扩展器。如图11所示，衍射光栅210的区域可以被设计为衍射以第一孔径角θ₁的范围入射的第一光束，并且衍射光栅210的其余区域可以被设计为使在大于第一孔径角θ₁的第二孔径角θ₂的范围内入射的光衍射。衍射光栅210的参数可以根据孔径角设计。

第一波导230c通过使用在第一孔径角θ₁的范围内入射的第一光束形成出瞳和出瞳级，第二波导230d可以通过使用在第一孔径角θ₁至第二孔径角θ₂的范围内入射的第二光束形成出瞳和出瞳级。例如，可以使用多个波导230来加宽视角。

如上所述，根据以上示例实施方式中的一个或更多个，出瞳扩展器200可以应用于各种视觉光学装置100，作为用于扩大视觉光学装置100的眼动范围B的小且方便的附加元件。

上面描述的出瞳扩展器200可以是通用的，并可以具有紧凑和纤薄的设计以及具有高衍射效率。

出瞳扩展器200每个能够在保持视觉光学装置100的视场的同时扩大眼动范围B。

出瞳扩展器200可以保证在出瞳区域中形成的图像的均匀性和亮度。

出瞳扩展器200可以应用于使用多个光谱形成的图像。

尽管已经参照附图根据示例实施方式描述了显示器和出瞳扩展器，但是这些实施方式仅是示例，并且本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行各种修改和其它等同实施方式，而没有脱离本公开的精神和范围。尽管在以上描述中已经阐述了许多项目，但是这些应当被认为是具体的示例，不应被认为是限制本公开的范围。因此，本公开的范围和精神不应由实施方式的描述限定，而应由所附权利要求限定。

应当理解，这里描述的示例实施方式应当仅以描述性的含义考虑，而不是为了限制的目的。对每个示例实施方式内的特征或方面的描述通常应当被认为可用于其它实施方式中的其它类似特征或方面。尽管已经参照附图描述了示例实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变而没有脱离由所附权利要求限定的精神和范围。

本申请要求于2019年11月15日在俄罗斯联邦知识产权局提交的俄罗斯专利申请第2019136751号以及于2020年6月4日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2020-0067855号的优先权，它们的公开内容通过引用整体地结合于此。

Claims (24)

1.一种配置为扩大视觉光学装置的出瞳区域的器件，所述器件包括：

衍射光栅，配置为通过使入射光束衍射而输出多个衍射级的多个衍射光束；以及

提供在所述衍射光栅上的波导，所述波导配置为基于所述多个衍射光束当中的从所述衍射光栅输出的第一衍射光束形成出瞳，并基于所述多个衍射光束当中的从所述衍射光栅输出的第二衍射光束形成出瞳级。

2.根据权利要求1所述的器件，其中所述波导还配置为通过在没有全内反射的情况下输出从所述衍射光栅输出的所述第一衍射光束来形成所述出瞳。

3.根据权利要求1所述的器件，其中所述波导还配置为通过全内反射从所述衍射光栅输出的所述第二衍射光束至少一次、然后输出所述第二衍射光束来形成至少一个出瞳级。

4.根据权利要求3所述的器件，其中所述波导还配置为通过全内反射所述第二衍射光束而使所述第二衍射光束返回到所述衍射光栅，

其中所述衍射光栅还配置为将返回的第二衍射光束衍射成多个衍射光束，以及

其中所述波导还配置为通过输出由衍射所述返回的第二衍射光束而获得的所述多个衍射光束中的一些衍射光束并反射所述多个衍射光束中的没有被输出的其余衍射光束返回到所述衍射光栅来形成所述出瞳级。

5.根据权利要求1所述的器件，其中所述波导包括：

第一表面，在其上提供所述衍射光栅；以及

第二表面，与所述第一表面相对，并配置为将所述第一衍射光束输出到所述波导的外部。

6.根据权利要求5所述的器件，其中所述波导还被配置为附加地形成出瞳级，直到入射在所述第二表面上的所有衍射光束被全内反射。

7.根据权利要求5所述的器件，其中所述出瞳级的数量与所述多个衍射光束中的入射在所述第二表面上的衍射光束穿过所述第二表面的次数成正比。

8.根据权利要求5所述的器件，其中所述出瞳级之间的距离与所述波导的厚度成正比。

9.根据权利要求5所述的器件，其中所述出瞳级之间的距离与所述波导的折射率成反比。

10.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一衍射光束包括0级衍射光束，以及

其中所述第二衍射光束包括+1级衍射光束和-1级衍射光束中的至少一种。

11.根据权利要求10所述的器件，其中所述波导还配置为：

基于所述+1级衍射光束形成第一出瞳级，以及

基于所述-1级衍射光束形成第二出瞳级。

12.根据权利要求11所述的器件，其中所述波导还配置为相对于在所述第一出瞳级和所述第二出瞳级之间提供的所述出瞳在不同的方向上形成所述第一出瞳级和所述第二出瞳级。

13.根据权利要求1所述的器件，其中所述衍射光栅还配置为使以预定的孔径角或更小的孔径角入射的光束衍射。

14.根据权利要求13所述的器件，其中所述孔径角大于所述视觉光学装置的视角。

15.根据权利要求1所述的器件，其中所述波导是第一波导，并且所述器件还包括：

第二波导，提供在所述衍射光栅上并配置为全内反射从所述衍射光栅输出的光。

16.根据权利要求15所述的器件，其中所述衍射光栅提供在所述第一波导与所述第二波导之间。

17.根据权利要求1所述的器件，其中所述衍射光栅包括：

第一衍射区域，配置为使在第一孔径角或更小的范围内入射的光束衍射；以及

第二衍射区域，配置为使在大于所述第一孔径角但小于或等于第二孔径角的范围内入射的光束衍射，

其中所述波导还包括：

第一波导，配置为基于从所述第一衍射区域输出的衍射光束形成出瞳级；以及

第二波导，配置为基于从所述第二衍射区域输出的衍射光束形成出瞳级。

18.根据权利要求17所述的器件，其中所述衍射光栅、所述第一波导和所述第二波导在入射光束的传播方向上顺序地提供。

19.根据权利要求1所述的器件，其中所述波导包括弯曲的波导。

20.根据权利要求1所述的器件，其中所述衍射光栅包括布拉格衍射光栅。

21.一种显示器，包括：

视觉光学装置，配置为输出具有给定视角的光束；以及

配置为扩大所述视觉光学装置的出瞳区域的器件，所述器件包括：

衍射光栅，配置为通过使入射光束衍射而输出多个衍射级的多个衍射光束；以及

提供在所述衍射光栅上的波导，所述波导配置为基于所述多个衍射光束当中的从所述衍射光栅输出的第一衍射光束形成出瞳，并基于所述多个衍射光束当中的从所述衍射光栅输出的第二衍射光束形成出瞳级。

22.根据权利要求21所述的显示器，其中所述显示器是近眼显示器。

23.一种配置为扩大视觉光学装置的出瞳区域的器件，所述器件包括：

衍射光栅，配置为通过使入射光束衍射而输出多个衍射级的多个衍射光束；以及

提供在所述衍射光栅上的波导，所述波导配置为：

基于所述多个衍射光束当中的从所述衍射光栅输出而没有全内反射的第一衍射光束形成出瞳；以及

基于所述多个衍射光束当中的从所述衍射光栅输出并在所述波导中被全内反射至少一次的第二衍射光束形成至少一个出瞳级。

24.根据权利要求23所述的器件，其中所述第一衍射光束是从所述衍射光栅输出的0级衍射光束，以及

其中所述第二衍射光束是从所述衍射光栅输出的+1级或-1级衍射光束，其在所述波导中被全内反射并被所述衍射光栅衍射为0级光束。

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