CN113031261A - 显示彩色图像的光学扩瞳装置 - Google Patents

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Abstract

本申请是关于一种显示彩色图像的光学扩瞳装置，通过第一光栅形成第一传导光，第二光栅形成第二传导光；第一扩瞳单元用于衍射第一传导光以形成第三传导光；第二扩瞳单元用于衍射第二传导光以形成第四传导光；出瞳单元用于衍射第三传导光以形成第一输出光，并衍射第四传导光以形成第二输出光；第一光谱滤光装置设于第一扩瞳单元以及出瞳单元之间，用于光隔离所述第二传导光中的红光从所述第一扩瞳单元耦合到所述出瞳单元；第二光谱滤光装置设于第二扩瞳单元以及出瞳单元之间，用于光隔离所述第一传导光中的蓝光从第二扩瞳单元耦合到所述出瞳单元，以此使得光学扩瞳装置可以显示图像的红色和蓝色，在所有角落点都显示正常。

Description

显示彩色图像的光学扩瞳装置
技术领域
本申请涉及一种显示彩色图像的光学扩瞳装置、显示设备及其输出光 束和显示图像的方法，主要用于虚拟显示设备中。
背景技术
参照图1，扩瞳装置EPE0包含波导板SUB01，该波导板又包含衍射 入瞳单元DOE01，衍射扩瞳单元DOE02和衍射出瞳单元DOE03。一束输 入光IN1在扩瞳装置EPE0中，通过多次衍射进行扩大，最后形成输出光 OUT1。
输入光IN1由光学引擎ENG1发出。光学引擎ENG1可以由微型显示 器DISP1和准直光学器件LNS1组成。
该耦合入瞳单元DOE01通过衍射，将输入光IN1衍射成第一传导的 光B1。通过扩瞳单元DOE02使第一传导光B1衍射而形成扩展的传导光 B2。通过所述衍射出瞳单元DOE03将扩散的传导光B2衍射输出为输出 光OUT1。
扩瞳装置EPE0可以在方向SX和在方向SY这两个方向上扩展光束。 输出光OUT1的宽度远大于输入光IN1的宽度。扩瞳装置EPE0可以用于 扩展虚拟显示设备的视瞳，以便于眼睛EYE1相对于虚拟显示设备的观察 位置有更大的舒适观察位置(大eyebox)。观察者的眼睛EYE1可以在输 出光束的观察位置内看到完成的虚拟图像。输出光可以包含一个或多个输 出光束，其中每个输出光束可以对应于显示的虚拟图像VIMG1的不同图 像位置。扩瞳装置也可以称为例如扩瞳单元。
虚拟图像VIMG1具有的角幅度为LIM1。图1是利用扩瞳装置EPE0 实现显示全彩的虚拟图像VIMG1的方式，由于红色和蓝色对应的现虚拟 图像VIMG1的角落光线，在传输过程中处无法满足波导SUB01的全反射 条件。因此，虚拟图像VIMG1的角落会出现缺少红色或者蓝色。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种显示彩色图像的光学 扩瞳装置、显示设备及其输出光束和显示图像的方法，旨在提升输出光的 均匀性，使得光学扩瞳装置可以显示一张均匀的彩色图片，并可以提供更 大的视场角度。
本申请解决上述技术问题的技术方案如下：一种显示彩色图像的光学 扩瞳装置，其包括波导板，所述波导板包含：入瞳单元，所述入瞳单元设 有第一光栅以及第二光栅，所述第一光栅的周期与所述第二光栅的周期不 同，所述入瞳单元的第一光栅用于衍射输入光束以形成第一传导光沿着第 一方向传播，所述入瞳单元的第二光栅用于衍射输入光束以形成第二传导 光沿着第二方向传播；第一扩瞳单元，用于衍射所述第一传导光以形成第三传导光；第二扩瞳单元，用于衍射所述第二传导光以形成第四传导光； 出瞳单元，用于衍射第三传导光以形成第一输出光，并衍射第四传导光以 形成第二输出光，第一输出光与第二输出光的叠加得到输出光束；第一光 谱滤光装置，所述第一光谱滤光装置设于所述第一扩瞳单元以及所述出瞳 单元之间，用于光隔离所述第二传导光中的红光从所述第一扩瞳单元耦合 到所述出瞳单元；第二光谱滤光装置，所述第二光谱滤光装置设于所述第 二扩瞳单元以及所述出瞳单元之间，用于光隔离所述第一传导光中的蓝光 从所述第二扩瞳单元耦合到所述出瞳单元。
优选的，波导板还包含至少一光学隔离单元，用于光隔离所述第一扩 瞳单元和所述第二扩瞳单元之间的直接光学耦合。
优选的，所述光隔离单元包括第一光谱滤光区域以及第二光谱滤光区 域；所述第一光谱滤光区域设于所述入瞳单元以及所述第一扩瞳单元之间， 用于光隔离所述第二传导光中的红光通过所述第一扩瞳单元从所述入瞳 单元耦合到所述出瞳单元；所述第二光谱滤光区域设于所述入瞳单元以及 所述第二扩瞳单元之间，用于光隔离所述第一传导光中的蓝光通过所述第 二扩瞳单元从所述入瞳单元耦合到所述出瞳单元。
优选的，光学隔离单元还设有一光隔离器，所述光隔离器的材料与所 述第一光谱滤光区域的材料不同，所述光隔离为棱形，所述光隔离器位于 所述第一光谱滤光区域与所述第二光谱滤光区域之间。
优选的，所述光隔离器的第一侧与所述第一光谱滤光区域连接，第二 侧与所述第一光谱滤光装置连接，第三侧与第二光谱滤光装置连接，第四 侧与所述第二光谱滤光区域连接。
优选的，所述第一传导光在第一方向上传播，所述第二传导光在第二 方向上传播；所述第一方向与第二方向之间形成的一夹角，夹角的角度范 围在60°至120°之间。
优选的，所述第三传导光的的横向尺寸大于输入光束的相应横向尺寸， 所述第三传导光沿着第三方向传播，第三方向与第二方向平行，所述第四 传导光的的横向尺寸大于输入光束的相应横向尺寸，所述第四传导光沿着 第四方向传播，第四方向与第一方向平行。
优选的，所述第一扩瞳单元设有第三光栅，所述第二扩瞳单元设有第 四光栅，所述第三光栅的周期与所述第四光栅的周期不同。
优选的，所述出瞳单元包含第一区域以及第二区域，第一区域被设置 为接收从所述第一扩瞳单元向所述出瞳单元输出的所述第三传导光，第二 区域被设置为接收所述第二扩瞳单元向所述出瞳单元输出的所述第四传 导光，其中第一区域和第二区域具有公共重叠区域，公共重叠区域的面积 大于所述出瞳单元面积的50％。
本申请实施例的第二方面提供了一种显示设备，包括上述显示彩色图 像的光学扩瞳装置，还包括形成主图像并将主图像转换为多个所述的输入 光束的光学引擎，所述光学扩瞳装置通过衍射扩展所述的输入光束形成所 述的输出光束。
优选的，所述输入光束对应于输入图像，并且所述输入图像的宽度大 于阈值，输入图像设有第一个角落点以及第二个角落点，其中所述入瞳单 元的光栅矢量、第一扩瞳单元的光栅矢量、第二扩瞳单元的光栅矢量以及 所述出瞳单元的光栅矢量之和为零，使得第一角落点的红光通过所述第二 扩瞳单元从所述入瞳单元导向所述出瞳单元，第二角落点的蓝光通过所述 第一扩瞳单元从所述入瞳单元导向所述出瞳单元。
本申请第三方面提供一种方法，使用上述的光学扩瞳装置来提供输出 光。
本申请第四方面提供一种方法，使用上述的光学扩瞳装置来显示图像。
本申请提供一种显示彩色图像的光学扩瞳装置、显示设备及其输出光 束和显示图像的方法，通过扩瞳装置设有入瞳单元将输入光束分开，输入 光束分别以经由第一路径和经由第二路径传播到衍射出瞳单元。第一路径 可以通过第一扩瞳单元实现从入瞳单元到出瞳单元，第二路径可以通过第 二扩瞳单元实现从入瞳单元到出瞳单元。通过优化第一路线，在第一路线 上设置第一光谱滤光装置，用于光隔离所述第二传导光中的红光从所述第 一扩瞳单元耦合到所述出瞳单元，以此使得第一路线用于传播角落点的蓝 光；同时通过优化第二路径，在第二路线上设置第二光谱滤光装置，用于 光隔离所述第一传导光中的蓝光从所述第二扩瞳单元耦合到所述出瞳单 元，使得第二路线用于传播角落点的红光，以此使得扩瞳装置可以显示图 像的红色和蓝色，在所有角落点都显示正常。蓝光可以通过第一路线被传 播到出瞳单元，红光可以通过第二路线被传播到出瞳单元。这样，从不同 路径传播的不同的颜色分量可以在扩瞳装置的输出处相互补偿，然后通过 不同路径传播的不同的颜色分量可以在出瞳单元处被组合，以显示彩色图 片。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释 性的，并不能限制本申请。
附图说明
通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述，本申请的 上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本申请示例性 实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1是现有技术的一种光学扩瞳装置；
图2a至图2e是本申请实施例示出的光学引擎形成入射光线的示意图；
图2f至图2h是本申请实施例示出的光学扩瞳装置的显示图像的方法 的状态示意图；
图3是本申请实施例示出的光学扩瞳装置的主视图；
图4a至4b是本申请实施例示出的蓝光和绿光通过第一路径，红光通 过第二路径传导到出瞳单元的示意图；
图5a至5b是本申请实施例示出的蓝光通过第一路径，红光和绿光通 过第二路径传导到出瞳单元DOE3的示意图；
图6是本申请实施例示出的第一光谱透射率和第二光谱透射率，共同 阻止第一扩瞳单眼和第二扩瞳单元之间进行直接光学耦合的示意图；
图7a至7c是本申请实施例示出的光学扩瞳装置的结构示意图；
图8a是本申请实施例示出的出瞳单元的出瞳区域的示意图；
图8b至图8d是本申请实施例示出的显示设备的结构示意图；
图8e是本申请实施例示出的扩瞳装置的正视图；
图9a到图9c是本申请实施例示出的光学扩瞳装置输出光束的方法的 状态示意图；
图10a至图10e是本申请实施例示出的光学扩瞳装置输出光束的方法 的另一状态示意图；
图11a至图11g是本申请实施例示出的光学扩瞳装置输出光束的方法 的另一状态示意图；
图12a至图12b是本申请实施例示出的光学扩瞳装置输出光束的方法 的另一状态示意图；
图13a至图13b是本申请实施例示出的光学扩瞳装置输出光束的方法 的另一状态示意图；
图14a至图14b是本申请实施例示出的光学扩瞳装置输出光束的方法 的另一状态示意图；
图15a至图15b是本申请实施例示出的光学扩瞳装置输出光束的方法 的另一状态示意图；
图16a至图16b是本申请实施例示出的光学扩瞳装置输出光束的方法 的另一状态示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的优选实施方式。虽然附图中显 示了本申请的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请 而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使 本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的 技术人员。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限 制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、 “所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。 还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联 的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三” 等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同 一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信 息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。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 更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。
为便于更好的理解本发明的目的、结构、特征以及功效等，现结合附 图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本申请的种显示彩色图像的光学扩瞳装置包括波导板，所述波导板包 含：入瞳单元、第一扩瞳单元、第二扩瞳单元以及出瞳单元。
具体的，所述入瞳单元设有第一光栅以及第二光栅，所述第一光栅的 周期与所述第二光栅的周期不同，所述入瞳单元的第一光栅用于衍射输入 光束以形成第一传导光沿着第一方向传播，所述入瞳单元的第二光栅用于 衍射输入光束以形成第二传导光沿着第二方向传播。所述入瞳单元选择第 一光栅以确保图像的角落点的蓝色传导光被限制在波导板内；选择第二光 栅以确保图像的角落点的红色传导光被限制在波导板内。所述第一光栅具 有第一衍射特征，所述第一衍射特征具有第一方向，并且所述第二光栅具 有第二衍射特征，所述第二衍射特征具有第二方向，第一方向与第二方向 不同向。
所述第一扩瞳单元用于衍射所述第一传导光以形成第三传导光。所述 第二扩瞳单元用于衍射所述第二传导光以形成第四传导光。所述出瞳单元， 用于衍射第三传导光以形成第一输出光，并衍射第四传导光以形成第二输 出光，第一输出光与第二输出光的叠加得到输出光束。
在其中一个实施例中，第一输出光在空间上与第二输出光重叠；通过 将第一输出光与第二输出光组合，在出瞳单元处形成组合的输出光束。
扩瞳装置可以将输入光分开，分别以经由第一路径和经由第二路径传 播到衍射出瞳单元。第一路径可以通过第一扩瞳单元实现从入瞳单元到出 瞳单元。第二路径可以通过第二扩瞳单元实现从入瞳单元到出瞳单元。通 过优化第一路线，用于传播角落点的蓝光，同时通过优化第二路径，用于 传播角落点的红光。因此，扩瞳装置可以使得显示图像的红色和蓝色，在 所有角落点都显示正常。蓝光可以通过第一路线被传播到出瞳单元，红光可以通过第二路线被传播到出瞳单元。这样，从不同路径传播的不同的颜 色分量可以在扩瞳装置的输出处相互补偿，然后通过不同路径传播的不同 的颜色分量可以在出瞳单元处被组合，以显示彩色图片。
当需要优化和显示图像的角幅度增大时，由于未能满足内全反射(TIR) 的标准，角落的红光可能会泄漏出波导板。当需要优化和显示图像的角幅 度增大时，由于未能提供衍射方程的解，角落点的蓝光不可能通过入瞳单 元到达第二扩瞳单元进行耦合。因此，角落点的蓝光不可能耦合到波导板 中并传播至第二扩瞳单元。
不完全的耦合或/和未能把光限制在波导板内，会导致显示图像的亮度 分布不均匀。不均匀的亮度分布指的是显示图像的第一区域的最大亮度将 会与显示图像的第二区域的最大亮度相差极大。扩瞳装置包括第一光谱滤 光片和第二光谱滤光片，可以使得亮度分布更加均匀或/和减少色彩畸变。 因此，通过衍射扩大被输入的均匀彩色图的光，扩瞳装置可以显示一张均 匀的彩色图片。
经过第一路径传播的红光表示不完整的红色局部图像，其中一些角落 点的红光丢失了，比如左上角落点和左下角落点的红光丢失。扩瞳装置包 括消除红光的第一光谱滤光片，其中红光表示不完整的红光局部图像。第 一光谱滤光片可以基本上消除所有通过第一路径的红光，以阻止不完全的 局部红色图像对于显示的彩色图片的干扰。
经过第二路径传播的蓝光表示不完整的蓝色局部图像，其中一些角落 点的蓝光丢失了，比如右上角落点和右下角落点的红光丢失。扩瞳装置包 括消除蓝光的第二光谱滤光片，其中蓝光表示不完整的蓝光局部图像。第 二光谱滤光片可以基本上消除所有通过第二路径的蓝光，以阻止不完全的 局部蓝色图像对于显示的彩色图片的干扰。
两条路径可以一起至少部分地补偿所显示图像的角落点的颜色偏差。 两条路径可以减少或避免宽的彩色显示图像的角落点的颜色错误。两条路 线可以改善宽的彩色显示图像的颜色均匀性。
具体的，在本实施例中，扩瞳装置可以用于显示彩色图像，其中，彩 色图像的显示宽度得到增加。彩色图像可以是RGB图像，包含红(R)光， 绿(G)光和蓝(B)光。所述光学扩瞳装置被设计成包含两条不同的光 路，以便克服波导板在传输宽图像时，对应的传导方向上不同颜色的光的 限制。
在其中一个实施例中，出瞳单元包含第一衍射特征，以衍射从第一扩 瞳单元接收的传导光。出瞳单元还包含第二衍射特征，以衍射从第二扩瞳 单元接收的传导光。所述第一衍射特征具有第五光栅周期，并且所述第二 衍射特征具有第六光栅周期，第五光栅周期与第六光栅周期不相同。
在其中一个实施例中，出瞳单元的第五光栅周期使得图片的角落点的 蓝色传导光被限制在波导板内，出瞳单元的第六光栅周期使得图片的角落 点的红色传导光被限制在波导板内。
在其中一个实施例中，所述第一衍射特征可以具有第一方向，并且所 述第二衍射特征可以具有不同的第二方向。第一衍射特征对于从第二扩瞳 单元接收的光的耦合出瞳效率，可能非常低或可忽略。第二衍射特征对于 从第一扩瞳单元接收的光的耦合出瞳效率，可能非常低或可忽略。
在其中一个实例中，所述波导板还包含第一光谱滤光装置以及第二光 谱滤光装置。
具体的，所述第一光谱滤光装置设于所述第一扩瞳单元以及所述出瞳 单元之间，用于光隔离所述第二传导光中的红光从所述第一扩瞳单元耦合 到所述出瞳单元。所述第二光谱滤光装置设于所述第二扩瞳单元以及所述 出瞳单元之间，用于光隔离所述第一传导光中的蓝光从所述第二扩瞳单元 耦合到所述出瞳单元。
在其中一个实例中，波导板还包含至少一光学隔离单元，用于光隔离 所述第一扩瞳单元和所述第二扩瞳单元之间的直接光学耦合。所述光隔离 单元包括第一光谱滤光区域以及第二光谱滤光区域。所述第一光谱滤光区 域设于所述入瞳单元以及所述第一扩瞳单元之间，用于光隔离所述第二传 导光中的红光通过所述第一扩瞳单元从所述入瞳单元耦合到所述出瞳单 元。所述第二光谱滤光区域设于所述入瞳单元以及所述第二扩瞳单元之间， 用于光隔离所述第一传导光中的蓝光通过所述第二扩瞳单元从所述入瞳 单元耦合到所述出瞳单元。所述第一扩瞳单元设有第三光栅，所述第二扩 瞳单元设有第四光栅，所述第三光栅的周期与所述第四光栅的周期不同。
具体的，请参照图3，图3为本申请的扩瞳装置的主视图。
光学扩瞳装置EPE1可以包含基本平面的波导板SUB1，其又包含衍 射入瞳单元DOE1，第一衍射扩瞳单元DOE2a，第二衍射扩瞳单元DOE2b， 衍射出瞳单元DOE3，第一光谱滤光区域C2a和第二光谱滤光区域。各个 单元DOE1，DOE2a，DOE2b，DOE3可以包含一个或者多个衍射光栅。所用 到光栅单元可以在波导板SUB1的第一表面上或第二表面上。
入瞳单元DOE1用于接收输入光束IN1，而出瞳单元DOE3用于提供 输出光束OUT1。输入光束IN1可以包含在不同方向上传播的多个光束。 输出光束OUT1包含由输入光IN1中的光束(B0)形成的多个扩展光束。
输出光束OUT1的宽度wOUT1大于输入光束IN1的宽度wIN1。扩 瞳装置EPE1可以在二维上(例如，沿水平方向SX和沿垂直方向SY)扩 展输入光IN1。扩展过程也可以称为扩瞳。扩瞳装置EPE1可以称为束扩 瞳装置或出射光瞳扩瞳装置。
入瞳单元DOE1可以通过衍射输入光IN1来形成第一传导光B1a和第 二传导光B1b。第一传导光B1a和第二传导光B1b可以在平面波导板SUB1 内传播。第一传导光B1a和第二传导光B1b可以通过全内反射被限制在板 SUB1内。
入瞳单元DOE1可以经由两个不同的路径，即经由第一扩瞳单元 DOE2a和第二扩瞳单元DOE2b，耦合输入光IN1以传播至出瞳单元DOE3。 通过光学耦合进入瞳单元DOE1再经由第一扩瞳单元DOE2a，最后到出瞳 单元DOE3。同样可以通过光学耦合进入瞳单元DOE1再经由第二扩瞳单 元DOE2b，最后到出瞳单元DOE3。扩瞳装置EPE1可以提供从单元DOE1 经由单元DOE2a到单元DOE3的第一路径。扩瞳装置EPE1可以提供从单 元DOE1经由单元DOE2b到单元DOE3的第二路径。第一路径可以表示 从入瞳单元DOE1到出瞳单元DOE3，并且经过第一扩瞳单元DOE2a的光 路。第二路径可以指的是从入瞳单元DOE1到出瞳单元DOE3，并且经过 第二扩瞳单元DOE2b的光路。
第一传导光B1a可以主要沿着第一方向DIR1a，从入瞳单元DOE1传 播到第一扩瞳单元DOE2a。第一扩瞳单元DOE2a可以通过使第一传导光 B1a衍射而形成第三传导光B2a。第三传导光B2a的横向尺寸可以大于输 入光IN1的相应横向尺寸。第三传导光B2a也可以被称为扩展的传导光 B2a。
第三传导光B2a从第一扩瞳单元DOE2a传播到出瞳单元DOE3。可 以通过全内反射将扩展的传导光B2a限制在板SUB1内。
出瞳单元DOE3可以通过衍射第三传导光B2a从而形成第一输出光 OB3a。
第二传导光B1b可以主要沿着第二方向DIR1b，从入瞳单元DOE1传 播到第二扩瞳单元DOE2b。第二扩瞳单元DOE2b可以通过使第二传导光 B1b衍射而形成第四传导光B2b。第四传导光B2a的横向尺寸可以大于输 入光IN1的相应横向尺寸。第四传导光B2b也可以被称为扩展的传导光 B2b。
第四传导光B2b可以从第二扩瞳单元DOE2b传播到出瞳单元DOE3。 可以通过全内反射将扩展的传导光B2b限制在板SUB1内。出瞳单元DOE3 可以通过衍射第四传导光B2b来形成第二输出光OB3b。
其中，方向DIR1a可以表示第一传导光B1a的平均传播方向。方向 DIR1a也可以表示第一传导光B1a传播的中心轴。
方向DIR1b可以表示第二传导光B1b的平均传播方向。方向DIR1b 也可以表示第二传导光B1b传播的中心轴。
在其中一个实施例中，第一方向DIR1a和第二方向DIR1b之间的夹 角的角度可以是60°至120°范围内。
第三传导光B2a可以在第三方向DIR2a上传播，该第三方向可以是大 致平行于第二方向DIR1b。第四传导光B2b可以在第四方向DIR2b上传播， 该方向可以是大致平行于第一方向DIR1a。
波导板SUB1还包含第一光谱滤光装置C2a，阻止红光沿第一路径， 从入瞳单元DOE1耦合到出瞳单元DOE3，即第一光谱滤光装置C2a，阻 止红光通过第一扩瞳装置DOE2a，从入瞳单元DOE1传播到出瞳单元 DOE3，以此消除不完整的红色图像来改进显示图片的均匀性。
波导板SUB1还包含第二光谱滤光装置C2b，阻止蓝光沿第二路径， 从入瞳单元DOE1耦合到出瞳单元DOE3，即第二光谱滤光装置C2b，阻 止蓝光通过第二扩瞳装置DOE2b，从入瞳单元DOE1传播到出瞳单元 DOE3，以此消除不完整的蓝色图像来改进显示图片的均匀性。
波导板SUB1还包含一个或多个光学隔离单元ISO1，以防止第一扩瞳 单元DOE2a和第二扩瞳单元DOE2b之间的直接光学耦合。隔离单元ISO1， 可以通过在板的表面上沉积(黑色)吸收材料，或(和)通过将(黑色) 吸收材料添加到板的区域中，或(和)通过在板中形成一个或多个开口来 实现。
请参照图3以及图4a，通过第一路径的传导光(B1a，B2a)初始可以包 含红光(R)绿光(G)和蓝光(B)。例如，传导光B2a可以具有一个初始的光谱 强度分布I2A(λ)。
一个或多个第一光谱滤光装置C2a可以基本上防止红光到传播到出 瞳单元DOE3。第一光谱滤光装置C2a具有一个光谱透射率方程TFA(λ)，光 谱透射率方程TFA(λ)具有一个临界波长λCUT，A，λCUT，A＝600nm。第一光谱滤光装 置C2a基本上防止波长大于临界波长λCUT，A的光谱成分的传播，但是允许那 些波长小于临界波长λCUT，A的光谱成分传播到出瞳单元DOE3。
输入光束通过第一光谱滤光装置C2a之后，被过滤的传导光(B1a，B2a) 具有一个光谱强度分布l′2A(λ)。第一光谱滤光装置C2a可以允许蓝光和绿 光从第一扩瞳单元DOE2a传播到出瞳单元DOE3。
请参照图4b，通过第二路径的传导光(B1b，B2b)初始可以包含红光(R) 绿光(G)和蓝光(B)。例如，传导光B2b可以具有一个初始的光谱强度分布 I2B(λ)。
第二光谱滤光装置C2b可以基本上防止蓝光到传播到出瞳单元DOE3。 第二光谱滤光C2b可以具有一个光谱透射率方程TFB(λ)。光谱透射率方程TFB(λ)可以具有一个临界波长λCUT，B。第二光谱滤光装置C2b可以基本上防止 波长小于临界波长λCUT，B的光谱成分的传播。第二光谱滤光装置C2b可以允 许那些波长大于临界波长λCUT，B的光谱成分传播到出瞳单元DOE3。
输入光束通过第二光谱滤光装置C2b之后，被过滤的传导光(B1b，B2b) 可以具有一个光谱强度分布I′2B(λ)。第二光谱滤光装置C2b可以基本上防止 蓝光和绿光到传播到出瞳单元DOE3，但是允许红光从第二扩瞳单元 DOE2b传播到出瞳单元DOE3。
参考图4a和4b演示了蓝光和绿光通过第一路径，红光通过第二路径 传导到出瞳单元DOE3的情况。
请参考图5a和5b，图5a和5b演示了蓝光通过第一路径，红光和绿 光通过第二路径传导到出瞳单元DOE3的另一种情况。
请参考图6，第一光谱滤光装置C2a和第二光谱滤光装置C2b可以共 同防止红光(R)绿光(G)蓝光(B)在第一扩瞳单元(DOE2a)和第二扩瞳单元 (DOE2b)的耦合。对于输入光B0的所有(可见)光谱成分，第一光谱滤 光装置C2a和第二光谱滤光装置C2b的组合光谱透射率TFA(λ)·TFB(λ)基本上 为零。
请参考图7a，第一光谱滤光装置C2a和第二光谱滤光装置C2b也可 以共同作为光学隔离结构(ISO1)，以防止第一扩瞳单元DOE2a和第二扩 瞳单元DOE2b进行直接的光学耦合。
参考图7a到7c，光学扩瞳装置EPE1还包含第一光谱滤光区域C1a 以及第二光谱滤光区域C1b。第一光谱滤光区域C1a位于入瞳单元DOE2a 和第一扩瞳单元DOE2a之间，以防止通过第一扩瞳单元DOE2a从入瞳单 元DOE1传播到出瞳单元DOE3的红光耦合。第二光谱滤光区域C1b位于 入瞳单元DOE1和第二扩瞳单元DOE2b之间，以防止通过第二扩瞳单元 DOE2b从入瞳单元DOE1传播到出瞳单元DOE3的蓝光的耦合。
第一光谱滤光区域C1a和第二光谱滤光区域C1b可以共同防止红光(R) 绿光(G)蓝光(B)在第一扩瞳单元(DOE2a)和第二扩瞳单元(DOE2b)的之间 直接耦合。
请参考图7b到7c，光学扩瞳装置还包含一个或多个光学隔离单元， 以防止第一扩瞳单元DOE2a和第二扩瞳单元DOE2b之间进行直接的光学 耦合。
请参考图7c，具体的，光学隔离单元还设有一光隔离器ISO1，所述 光隔离器ISO1的材料与所述第一光谱滤光区域C1a的材料不同，所述光 隔离器ISO1为棱形，所述光隔离器ISO1位于所述第一光谱滤光区域C1a 与所述第二光谱滤光区域C1b之间。所述光隔离器ISO1的第一侧与所述 第一光谱滤光区域C1a连接，第二侧与所述第一光谱滤光装置C2a连接， 第三侧与第二光谱滤光装置C2b连接，第四侧与所述第二光谱滤光区域 C1b连接。
请参考图7b，所述光隔离器ISO1与所述第一光谱滤光装置C2a之间 具有第一间距，所述光隔离器ISO1与所述第二光谱滤光装置C2b之间具 有第二间距，所述光隔离器ISO1与所述第一光谱滤光区域C1a之间具有 第三间距，所述光隔离器与所述第二光谱滤光区域C1b之间具有第四间距。
在其中一个实施例中，所述出瞳单元包含第一区域以及第二区域，第 一区域被设置为接收从所述第一扩瞳单元向所述出瞳单元输出的所述第 三传导光，第二区域被设置为接收所述第二扩瞳单元向所述出瞳单元输出 的所述第四传导光，其中第一区域和第二区域具有公共重叠区域，公共重 叠区域的面积大于所述出瞳单元面积的50％。
具体的，请参照图8a，第一扩瞳单元DOE2a可以被设置为，将传导 光B2a分配到出瞳单元DOE3的第一出瞳区域REG3a。第一出瞳区域 REG3a可以把传导光B2a从波导板SUB1中衍射出去。第二扩瞳单元 DOE2b可以设置为将传导光B2b分配到出瞳单元DOE3的第二出瞳区域 REG3b。第二出瞳区域REG3b可以将传导光B2b从波导板SUB1中衍射 出去。第一出瞳区域REG3a可以与第二出瞳区域REG3b重叠。第一出瞳 区域REG3a和第二出瞳区域REG3b的公共区域COM1可以将传导光B2a 和传导光B2b从波导板SUBl中衍射出去。公共区域COM1的面积大于出 瞳单元DOE3的单侧面积的50％。在一个优选的实施例中，公共区域COM1 的面积大于瞳单元DOE3的单侧面积的70％。
在本实施例中，通过光学扩瞳装置设有入瞳单元将输入光束分开，输 入光束分别以经由第一路径和经由第二路径传播到衍射出瞳单元。第一路 径可以通过第一扩瞳单元实现从入瞳单元到出瞳单元，第二路径可以通过 第二扩瞳单元实现从入瞳单元到出瞳单元。通过优化第一路线，在第一路 线上设置第一光谱滤光装置，用于光隔离所述第二传导光中的红光从所述 第一扩瞳单元耦合到所述出瞳单元，以此使得第一路线用于传播角落点的 蓝光；同时通过优化第二路径，在第二路线上设置第二光谱滤光装置，用 于光隔离所述第一传导光中的蓝光从所述第二扩瞳单元耦合到所述出瞳 单元，使得第二路线用于传播角落点的红光，以此使得扩瞳装置可以显示 图像的红色和蓝色，在所有角落点都显示正常。蓝光可以通过第一路线被 传播到出瞳单元，红光可以通过第二路线被传播到出瞳单元。这样，从不 同路径传播的不同的颜色分量可以在扩瞳装置的输出处相互补偿，然后通过不同路径传播的不同的颜色分量可以在出瞳单元处被组合，以显示彩色 图片，以此解决虚拟图像的角落会出现缺少红色或者蓝色的问题。
请参照图8b至图8d，为本申请第二实施例示出的显示设备。
显示设备包括光学扩瞳装置EPE1、形成主图像并将主图像转换为多 个所述的输入光束的光学引擎ENG1。其中光学扩瞳装置EPE1通过衍射 并传导从光学引擎ENG1获得的输入光IN1来形成输出光OUT1。光学引 擎ENG1的光可以从扩瞳装置EPE1的入瞳单元DOE1耦入。输入光IN1 可以从扩瞳装置EPE1的入瞳单元DOE1耦入。装置500可以是用于显示 虚拟图像的显示设备。装置500也可以是近视眼光学设备。
其中，显示设备500可以是，例如虚拟现实设备500，增强现实设备 500。显示设备500可以是近眼设备。装置500可以是可穿戴设备，例如， 耳机。装置500可以包含例如，头带，装置500可以通过头带佩戴在用户 的头上。在设备500的操作期间，可以将出瞳单元DOE3定位在例如水平 方向上。在用户的左眼EYE1或右眼EYE1前面。装置500可以将输出光OUT1投射到用户的眼睛EYE1中。在一个实施例中，设备500可以包含 两个引擎ENG1和/或两个扩瞳装置EPE1以显示立体图像。在增强现实设 备500中，除了显示的虚拟图像之外，观看者还可以通过扩瞳装置EPE1 看到真实的物体和/或环境。光引擎ENG1可以被设置为生成静止图像和/ 或视频。光引擎ENG1可以从数字图像生成真实的主图像IMG0。光引擎 ENG1可以接收一个或多个数字图像，例如图像。从互联网服务器或智能 手机。装置500可以是智能手机。所显示的图像可以被人观看，还可以让 动物或机器(可能包含例如照相机)观看显示的图像。
请参照图8b至图8d，输入光IN1可以包含在不同方向上传播的多个 光束。输入光IN1的每个光束可以对应于输入图像IMG0的不同点。输出 光OUT1可以包含在不同方向上传播的多个光束。输出光OUT1的每个光 束可以对应于所显示的虚像VIMG1的不同点。扩瞳单元EPE1可以由输 入光IN1形成输出光OUT1，使得输出光OUT1的光束的方向和强度对应 于输入图像IMG0的点。
输入光IN1的光束可以对应于显示图像的单个图像点(P0)。扩瞳装 置EPE1将输入光IN1的光束形成输出光束，使得输出光束的方向(k3， P0，R)平行于相应输入光IN1的光束的方向(k0，P0，R)。
光学扩瞳装置EPE1可以将虚拟图像内容从光学引擎ENG1传播到用 户的眼睛EYE1前面。扩瞳装置EPE1可以扩展视瞳，从而扩大了eyebox。
光学引擎ENG1可以包含微显示器DISP1以生成主图像IMG0。微型 显示器DISP1可以包含发光像素的二维阵列。显示器DISP1可以产生例如 主图像IMG0，分辨率为1280×720(HD)。显示器DISP1可以产生例如 主图像IMG0，分辨率为1920×1080(Full HD))。显示器DISP1可以产 生例如主图像IMG0，分辨率为3840×2160(4K UHD)。主图像IMG0 可以包含多个图像点P0，P1，P2，…。光学引擎ENG1可以包含准直光学 器件LNS1，以形成与每个图像像素不同的光束。光学引擎ENG1可以包 含准直光学器件LNS1，以从像点P0的光形成基本准直的光束。与像点 P0相对应的光束可以在波矢k0P0，R指定的方向上传播。对应于不同像点P1的光束可以沿与方向k0P0，R不同的方向k0P1，R传播。
光学引擎ENG1可以提供与所生成的主图像IMG0相对应的多个光束。 由光学引擎ENG1提供的一个或多个光束可以耦合到扩瞳装置EPE1中， 并作为输入光IN1。
光学引擎ENG1可以包含例如一个或多个发光二极管(LED)。显示 器DISP1可以包含一台或多台微显示器成像仪，例如硅基液晶(LCOS)， 液晶显示器(LCD)，数字微镜器件(DMD)。
出瞳单元DOE3可以通过衍射从第一扩瞳单元DOE2a接收的传导光B2a，来形成第一输出光OB3a。出瞳单元DOE3可以通过衍射第二扩瞳单 元DOE2b接收的传导光B2b，来形成第二输出光OB3b。通过将第一输出 光OB3a与第二输出光OB3b组合，在出瞳单元DOE3可以形成组合的输 出光OUT1。
扩瞳装置EPE1可以被设置为成，使得第一输出光OB3a中的给定图 像点(例如，P0)的光的方向与第二输出光OB3b中的给定图像点(P0) 的光的方向平行。因此，将第一输出光OB3a与第二输出光OB3b组合， 可以形成对应于给定像点(P0)的组合光束。
每个单元DOE1，DOE2a，DOE2b，DOE3可包含一个或多个衍射光 栅，具有前面所述的衍射功能。
在其中一个实施例中，所述输入光束对应于输入图像，并且所述输入 图像的宽度大于阈值，输入图像设有第一个角落点以及第二个角落点，其 中所述入瞳单元的光栅矢量、第一扩瞳单元的光栅矢量、第二扩瞳单元的 光栅矢量以及所述出瞳单元的光栅矢量之和为零，使得第一角落点的红光 通过所述第二扩瞳单元从所述入瞳单元导向所述出瞳单元，第二角落点的 蓝光通过所述第一扩瞳单元从所述入瞳单元导向所述出瞳单元。
具体的，请参考8b至图8d，选择入瞳单元DOE1，第一扩瞳单元DOE2a， 第二扩瞳单元DOE2b以及出瞳单元DOE3的衍射周期(d)和衍射光栅的 取向(β)，使得输出光OUT1的每个光束的方向可以平行于输入光IN1 的对应光束的方向。
优化入瞳单元DOE1，第一扩瞳单元DOE2a，第二扩瞳单元DOE2b 以及出瞳单元DOE3的光栅矢量的光栅周期(d)和方向(β)使得所述入 瞳单元的光栅矢量、第一扩瞳单元的光栅矢量、第二扩瞳单元的光栅矢量 以及所述出瞳单元的光栅矢量之和为零。其中设有常数m1a，m2a，m3a， 所述入瞳单元的光栅矢量、第一扩瞳单元的光栅矢量、第二扩瞳单元的光栅矢量以及所述出瞳单元的光栅矢量之和为：m1aV1a+m2aV2a+m3aV3a； 其中V1a表示单元DOE1的光栅矢量；V2a表示单元DOE2a的光栅矢量； V3a表示单元DOE3的光栅矢量；常数m1a，m2a，m3a的值通常为+1或 -1。常数m1a的值可以是+1或-1。常数m2a的值可以是+1或-1。常数m3a 的值可以是+1或-1。
波导板具有厚度tSUB1，波导板包含平面波导核心部分。在一个实施例 中，波导板SUB1可以选择性的包含例如，一个或多个覆层，一个或多个 保护层和/或一个或多个机械支撑层。厚度tSUBl可以指波导板SUB1的平 面波导核心部分的厚度。
扩瞳装置EPE1可以在两个方向上扩展光束，在方向SX和在方向SY 上。输出光OUT1的宽度(沿SX方向)可以大于输入光IN1的宽度，并 且输出光OUT1的高度(沿SY方向)可以大于输入光IN1的高度。
扩瞳装置EPE1可以被设置为扩展虚拟显示设备500的视瞳，从而便 于眼睛EYE1相对于虚拟显示设备500的定位。在输出光OUT1入射在观 看者的眼睛EYE1上的情况下，观看者可以看到显示的虚拟图像VIMG1。 输出光OUT1可以包含一个或多个输出光束，其中每个输出光束可以对应 于所显示的虚像VIMG1的不同图像点(P0′，P1′)。光学引擎ENG1可以 包含用于显示主图像IMG0的微型显示器DISP1。光学引擎ENG1和扩瞳 装置EPE1可以设置为把主图像IMG0转换成多个输入光束(例如，B0P0，R， B0P1，R，B0P2，R，B0P3，R，B0P4，R，…，B0P0，B，B0P1，B，B0P2，B，B0P3，B， B0P4，B，...)，并通过扩大输入光束形成输出光OUT1。例如，符号B0P2，R 可以表示输入光束，其对应于图像点P2并且具有红色(R)。例如，符号B0P2，B可以表示输入光束，其对应于图像点P2并且具有蓝色(B)。输 入光束可以一起构成输入光IN1。输入光IN1可以包含多个输入光束(例 如，B0P0，R，B0P1，R，B0P2，R，B0P3，R，B0P4，R，...B0P0，B，B0P1，B，B0P2，B， B0P3，B，B0P4，B，…)。
输出光OUT1可以包含多个输出光束，每个输出光束可以形成虚像 VIMG1的不同像点(P0′，P1′)。主图像IMG0可以表示为，例如图形和/ 或文字。主图像IMG0可以表示为，例如视频。光学引擎ENG1和扩瞳装 置EPE1可以被设置为显示虚拟图像VIMG1，使得虚拟图像VIMG1的每 个图像点(P0′，P1′)对应于主图像IMG0上的不同图像点。
波导板SUB1可以具有第一主表面SRF1和第二主表面SRF2。表面 SRF1，SRF2可以与方向SX和SY限定的平面基本平行。
光谱滤光装置或光谱滤光区域(C 1a，C2a，C1b，C2b)可以被实现为把光 谱吸收的材料沉积在波导板SUB1上。光谱滤光装置或光谱滤光区域(C1a，C2a，C1b，C2b)可以被实现为把局部的波导板SUB1的材料转化为光谱吸 收的材料。例如，光谱滤光装置或光谱滤光区域(C1a，C2a，C1b，C2b)可以 通过用一种或多种掺杂剂局部掺杂波导板SUB1而形成。
请参照图8e，衍射光栅的光栅周期(d)和衍射光栅的衍射特征的取 向(β)可以由所述衍射光栅的光栅矢量V确定。衍射光栅包含可以用作 衍射线的多个衍射特征(F)。衍射特征可以是，例如微小的脊或凹槽。 衍射特征也可以是，例如微观的突起(或凹陷)，其中相邻的突起(或凹 陷)可以作为衍射线。光栅矢量V可以定义为具有垂直于衍射光栅的衍射线的方向和由2π/d给出的幅度的矢量，其中d是光栅周期。光栅周期是 光栅的连续衍射特征之间的长度。光栅周期等于单位长度除以位于所述单 位长度内的衍射特征的数量。入瞳单元DOE1的光栅周期d1a，d1b可以 在例如330nm至450nm的范围内。光栅周期d的最佳值可以取决于板SUB1 的折射率和衍射光的波长λ上。例如，可以针对蓝光的波长优化入瞳单元DOE1的第一光栅，并且可以针对红光的波长优化入瞳单元DOE1的第二 光栅。入瞳单元DOE1的第一光栅周期d1a可以不同于入瞳单元DOE1的 第二光栅周期d1b。
入瞳单元DOE1可以具有光栅矢量V1a，V1b。第一扩瞳单元DOE2a 可以具有光栅矢量V2a。第二扩瞳单元DOE2b可以具有光栅矢量V2b。 出瞳单元DOE3可以具有光栅矢量V3a，V3b。
光栅矢量V1a具有方向1a和大小2/d1a。光栅矢量V1b具有方向1b 和大小2/d1b。光栅矢量V2a具有方向2a和幅度2/d2a。光栅矢量V2b具 有方向2b和大小2/d2b。光栅矢量V3a具有方向3a和幅值2/d3b。光栅矢 量V3b具有方向3b和幅度2/d3b。光栅矢量的方向(β)可以被定义为光 栅矢量和参考方向(例如方向SX)之间的夹角。
入瞳单元DOE1的光栅矢量V1a，V1b的方向之间的夹角可以在60° 至120°的范围内。
入瞳单元DOE1的第一光栅周期d1a可以不同于入瞳单元DOE1的第 二光栅周期d1b，以针对第一颜色优化第一路径，并且针对第二不同颜色 优化第二路径。
所述入瞳单元DOE1的第一光栅的第一光栅周期长度d1a可以与所述 入瞳单元DOE1的第二光栅的第二光栅周期长度dlb不同，从而可以针对 蓝光的波长(B)优化所述入瞳单元DOE1的第一光栅，并且可以针对红 光的波长(R)优化入瞳单元DOE1的第二个光栅。
出瞳单元DOE3的第一光栅周期d3a可以不同于出瞳单元DOE3的第 二光栅周期d3b，以针对第一颜色优化第一路线，并且针对第二不同颜色 优化第二路线。
入瞳单元DOE1可以具有第一光栅矢量V1a以形成沿方向DIR1a的 第一传导光B1a，以及第二光栅矢量V1b以形成沿方向DIR1b的第二传导 光B1b。入瞳单元DOE1可以具有第一衍射特征F1a以提供第一光栅，该 第一光栅具有光栅周期d1a和方向1a(相对于参考方向SX)。入瞳单元 DOE1可以具有第二衍射特征F1b，以提供第二光栅，该第二光栅具有光 栅周期d1b和方向1b(相对于参考方向SX)。入瞳单元DOE1可以通过 例如交叉光栅或两个线性光栅来实现。入瞳单元DOE1可以是，例如入瞳 单元DOE1的第一区域包含第一特征F1a，同时入瞳单元DOE1的第二区 域包含第二特征F1b。具有衍射特征F1a的第一线性光栅可以被设置在波 导板SUB1的第一主表面(例如在输入侧表面SRF1上)，并且具有衍射 特征F1b的第二线性光栅可以被设置在波导板SUB1的第二主表面(例如 在输出侧表面SRF2上)。所述衍射特征可以是，例如微小的脊或微小的 突起。
第一扩瞳单元DOE2a可以具有光栅矢量V2a，通过使第一传导光B1a 衍射来形成第三传导光B2a。第一扩瞳单元DOE2a可以具有衍射特征F2a， 以提供光栅G2a，该光栅G2a具有光栅周期d2a和方向2a(相对于参考方 向SX)。
第二扩瞳单元DOE2b可以具有光栅矢量V2b，通过使第二传导光B1b 衍射来形成第四传导光B2b。第二扩瞳单元DOE2b可以具有衍射特征F2b， 以提供光栅G2b，该光栅G2b具有光栅周期d2b和方向2b(相对于参考 方向SX)。
出瞳单元DOE3可以具有第一光栅矢量V3a，以将扩展的光B2a耦合 出波导板SUB1。出瞳单元DOE3可以具有第二光栅矢量V3b，以将扩展 的光B2b耦合出波导板SUB1。出瞳单元DOE3可以具有衍射特征F3a， 以提供具有光栅周期d3a和方向3a(相对于参考方向SX)的光栅G3a。 出瞳单元DOE3可以具有衍射特征F3b，以提供具有光栅周期d3b和方向 3b(相对于参考方向SX)的光栅G3b。出瞳单元DOE3可以通过交叉光 栅或两个线性光栅来实现。具有衍射特征F3a的第一线性光栅G3a可以在 波导板SUB1的第一主表面(例如，SRF1)上实现，并且具有衍射特征 F3b的第二线性光栅G3b可以在波导板SUB1的第二主表面(例如，SRF2) 上实现。
入瞳单元DOE1可以具有宽度w1和高度h1。第一扩瞳单元DOE2a 可以具有宽度w2a和高度h2a。第二扩瞳单元DOE2b可以具有宽度w2b 和高度h2b。出瞳单元DOE3可以具有宽度w3和高度h3。其中，宽度可 以表示方向SX上的尺寸，高度可以表示方向SY上的尺寸。出瞳单元DOE3 可以是，例如大体上为矩形。出瞳单元DOE3的边沿可以，例如沿着方向 SX和SY。
扩瞳单元DOE2a的宽度w2a可以大幅大于入瞳单元DOE1的宽度w1。 扩展的传导光束B2a的宽度可以大幅大于入瞳单元DOE1的宽度w1。
波导板SUB1可以包含或基本上由透明固体材料组成。波导板SUB1 可包含例如玻璃，聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。衍射光学单 元DOE1，DOE2a，DOE2b，DOE3可以通过例如模制，压花和/或蚀刻形 成。单元DOE1，DOE2a，DOE2b，DOE3可以通过例如一个或多个表面 衍射光栅或通过一个或多个体积衍射光栅实现。衍射效率的空间分布可任 意的被调整，例如通过选择微观衍射特征F的局部高度。因此，可以选择 出瞳单元DOE3的微观衍射特征F的高度，以进一步使输出光OUT1的强 度分布变得均匀。
请参照图9a到图9c，图10a至图10e，图11a至图11g，图12a至图 12b，图13a至图13b，图14a至图14b，图15a至图15b，图16a至图16b， 为本申请第三实施例示出的光学扩瞳装置输出光束的方法。
具体的，图9a到图9c为本实施例演示了把光耦入波导板的输入角度。 为使其成功耦合，传导光的波矢应该驻留在第一边界BND1和第二边界 BND2之间的区域ZONE1中。区域ZONE1和第一边界BND1和第二边界BND2如图例10a到11g所示。
其中图9a通过侧视图说明，通过将输入光束耦合到波导中形成第一 传导光，其中第一传导光的倾斜角
Figure BDA0002987387660000212
接近全内反射的临界角
Figure BDA0002987387660000213
图9a 的情况可以对应于区域ZONE1的第一边界BND1附近的操作。
图9b通过侧视图说明，通过将输入光束耦合到波导中形成第一传导 光，其中第一传导光的倾斜角度
Figure BDA0002987387660000211
接近90度。图9b的情况可以对应于区 域ZONE1的第二边界BND2附近的操作。
图9c中的曲线CRV1给出了第一传导光B1a的波矢k1的倾斜角φk1 与输入光B0的波矢k0的输入角度
Figure BDA00029873876600002110
之间的函数关系。倾斜角
Figure BDA0002987387660000214
可以表 示波矢和方向SZ与SY限定的参考平面REF1之间的夹角。通过使用衍射 方程式，可以通过输入角k0，输入单元DOE1的光栅周期以及波导板SUB1 的折射率计算出倾斜角
Figure BDA0002987387660000218
第一角度限制
Figure BDA00029873876600002111
可以对应于第一传导光的倾 斜角度
Figure BDA0002987387660000219
等于全内反射的临界角度
Figure BDA0002987387660000216
的情况。第二角度限制
Figure BDA0002987387660000215
可以 对应于第一传导光的倾斜角度
Figure BDA0002987387660000217
等于90度的情况。
图10a通过示例给出了蓝光的波矢图，该蓝光沿着第一路径在波导板 SUB1内传播。第二路线可以是例如，顺时针路线。输入光IN1的波矢可 以存在于以初始波矢kx和ky定义的波矢空间的一个区域BOX0中。区域 BOX0的每个角落都可以代表一个输入图像IMG0的角落点的光的波矢， 如图10d所示。
其中，第一传导光B1a的波矢可以在区域BOX1a内。第三传导光B2a 的波矢可以在区域BOX2a内。第一输出光OB3a的波矢可以在区域BOX3 内。
其中，入瞳单元DOE1可以通过衍射输入光IN1，来形成第一传导光 B1a。通过将入瞳单元DOE1的光栅矢量mla V1a与输入光IN1的波矢相 加来表示衍射，将光栅矢量m1aV1a与输入光IN1的波矢相加来确定第一 传导光B1a的波矢；第三导光B2a的波矢可以通过将光栅矢量m2aV2a与 第一导光B1a的波矢相加来确定，通过将光栅向量m3a V3a加到第二传导光B2a的波矢上来确定出射光OB3a的波矢。
其中，BND1表示用于满足波导板SUB1中的全内反射(TIR)标准 的第一边界。BND2表示波导板SUB1中的最大波矢的第二边界。最大波 矢可以由波导板的折射率确定。仅当所述光的波矢在第一边界BND1与第 二边界BND2之间的区域ZONEl中时，光才可以在板SUB1中波导。如 果光的波矢在区域ZONE1之外，则光可能会泄漏出波导板或根本不传播。
在其中一个实施例中，选择入瞳单元DOE1的光栅周期d1a，使得例 如，第一蓝色传导光B1a的所有波矢都在由边界BND1，BND2限定的区 域ZONE1内。kx表示波矢空间中的方向，其中方向kx与实际空间的方 向SX平行。ky表示波矢空间中的方向，其中ky方向与实际空间的SY方 向平行。符号kz(图中未示出)表示波矢空间中的方向，其中方向kz与 实际空间的方向SZ平行。波矢k可以具有在方向kx，ky和/或kz上的分 量。
请参照图10b到10c，为在波导板SUB1内沿第一条路径传播的红光 波矢的矢量图。
设定入瞳单元DOE1的光栅周期为d1a，以使第一蓝色传导光B1a的 所有波矢都在区域ZONE1内，以此使得角落点的红光的波矢会位于区域 ZONE1外。落在区域BOX1a的子区域FAIL1内的波矢，对应的是输入单 元DOE1不能通过衍射输入光来形成传导光的情况。换句话说，对于存在 于区域BOX1a的子区域FAIL1内的波矢，衍射方程式没有正确的实际解决方案。因此，传导光的波矢在区域ZONE1之外的情况下，对于某些图 像点，不可能将红光耦合到波导板中。
其中，传导光的波矢在区域ZONE1之外的情况，对于某些(其他) 图像点，红光的泄漏可能会限制所显示虚像VIMG1的角度宽度。
因此，区域ZONE1的边界BND1，BND2可以限制所显示的虚像 VIMG1的角宽度
Figure BDA0002987387660000221
。在区域ZONE1之外形成波矢可能意味着光从波 导板泄漏或光耦合失败。
在其中一个实施例中，红光从波导板泄漏或光耦合失败可能导致生成 不完整的红色图片。扩瞳装置EPE1的第一路径可以包含一个或更多光谱 滤光片区域C1a，C2a，以防止不完整的红色图片对最终显示图片(VIMG1) 的干扰。扩瞳装置EPE1可以包括光谱滤光片区域C2a，以为传导光B2a 提供抑制区域ZONE2。光谱滤光片区域C2a可以被布置以消除传导光B2a 的红色分量。
其中，图10d和10e通过示例示给出了在波矢空间中的图像点(P0， P1，P2，P3，P4)的蓝光的波矢。
图11a通过示例给出了红光的波矢图，该红光沿着第二路径在波导板 SUB1内传播。第二路线可以是例如，逆时针路线。
图11b到11d通过对比示例给出了蓝光的波矢图，该蓝光沿着第二路 径在波导板SUB1内传播，在此情况下无法避免蓝光在第二路径上的传播。 图11b到11d演示了不完整的蓝色图像的形成。
在其中一个实施例中，设定入瞳单元DOE1的光栅周期为d1b，使得 第二红色传导光B1b的所有波矢都在区域ZONE1内，以此使得角落点的 蓝光的波矢位于区域ZONE1外。落在区域BOX2b的子区域LEAK1中的 波矢，代表不被全内反射限制在波导板内的光。
图11e通过图片例子说明抑制区域ZONE3用于从第二路径消除不完 整的蓝色图像。蓝光从波导板泄漏或光耦合失败可能导致生成不完整的蓝 色图片。扩瞳装置EPE1的第一路径可以包含一个或更多光谱滤光片区域 C1a，C2a，以防止不完整的蓝色图片对最终显示图片(VIMG1)的干扰。
图11a通过示例给出了红光的波矢图，该红光沿着第二路径在波导板 SUB1内传播。第二路线可以是例如，逆时针路线。输入光IN1的波矢可 以存在于波矢空间的一个区域中BOX0。区域BOX0的各个角落都可以分 别代表一个显示图片IMG0角落点的波矢。
在其中一个实施例中，第一路线可以是一个顺时针路线，第二路线可 以是一个逆时针路线。或者，第一路线可以是一个逆时针路线，第二路线 可以是一个顺时针路线。
其中，第二传导光B1b的波矢可以在区域BOX1b内。第四传导光B2b 的波矢可以在区域BOX2b内。第一输出光OB3b的波矢可以在区域BOX3 内。
在其中一个实施例中，具有两条路径的扩瞳装置EPE1可以被设置为 显示彩色虚拟图像VIMG1，其具有扩展的角宽度
Figure BDA0002987387660000231
第一路径可以被 设置为限制输入图像的蓝色分量，同时允许泄漏输入图像的一个或多个角 落点的红光。第二路径可以被设置为限制输入图像的红色分量，同时允许 泄漏输入图像的一个或多个角落点的蓝光。
例如，在输入光(IN1)对应于输入图像(IMG0)且输入图像(IMG0) 的宽度
Figure BDA0002987387660000241
大于预定限制(LIM1)的情况下，入瞳单元(DOE1)可以 设置为接收：
红光(B1aP1，R)对应输入图像(IMG0)的第一个角落点(P1)，
红光(B1bP1，B)对应输入图像(IMG0)的第二个角落点(P2)，
其中选择单元(DOE1，DOE2a，DOE2b，DOE3)的光栅矢量(m1aV1a， m2aV2a，m3aV3a，m1bV1b，m2bV2b，m3bV3b)，以便：
第一角落点(P1)的红光通过第二扩瞳单元(DOE2b)从入瞳单元 (DOE1)导向出瞳单元(DOE3)，第一传导光(B 1a)没有包含第一角落 点(P1)的红光，第二个角落点(P2)的蓝光通过第一扩瞳单元(DOE2a) 从入瞳单元(DOE1)导向出瞳单元(DOE3)，并且第二角落点(P2)的 蓝光不满足入瞳单元(DOE1)和第二扩瞳单元(DOE2b)之间的全内反 射条件(TIR)。
例如，在输入光(IN1)对应于输入图像(IMG0)且输入图像(IMG0) 的宽度
Figure BDA0002987387660000242
大于预定限制(LIM1)的情况下，入瞳单元(DOE1)可以 设置为接收：
红光(B1 aP1，R)对应输入图像(IMG0)的第一个角落点(P1)，
蓝光(B1aP1，B)对应输入图像(IMG0)的第一个角落点(P1)，
红光(B1bP2，R)对应输入图像(IMG0)的第二个角落点(P2)，
蓝光(B1bP2，B)对应输入图像(IMG0)的第二个角落点(P2)，
其中选择了单元(DOE1，DOE2a，DOE2b，DOE3)的光栅矢量(m1aV1a， m2aV2a，m3aV3a，mlbV1b，m2bV2b，m3bV3b)，以便：
第一角落点(P1)的红光通过第二扩瞳单元(DOE2b)从入瞳单元 (DOE1)导向出瞳单元(DOE3)，第一传导光(B1a)没有包含第一角落 点(P1)的红光，第一角落点(P1)的蓝光通过第一扩瞳单元(DOE2a)从 入瞳单元(DOE1)导向出瞳单元(DOE3)，第一角落点(P1)的蓝光未 能通过第二扩瞳单元(DOE2b)从入瞳单元(DOE1)导向出瞳单元(DOE3)， 第二角落点(P2)的红光通过第一扩瞳单元(DOE2a)从入瞳单元(DOE1) 导向出瞳单元(DOE3)，第二角落点(P2)的红光未能通过第二扩瞳单 元(DOE2b)从入瞳单元(DOEl)导向出瞳单元(DOE3)，第二个角落 点(P2)的蓝光通过第一扩瞳单元(DOE2a)从入瞳单元(DOE1)导向 出瞳单元(DOE3)，并且第二角落点(P2)的蓝光不满足入瞳单元(DOE1) 和第二扩瞳单元(DOE2b)之间的全内反射条件(TIR)。
请参照图12a至图16b，12a给出了角落点P1的蓝光在波导板SUB1 中的传播，图12b给出了角落点P1的红光在波导板SUB1中的传播，图 13a给出了角落点P2的蓝光在波导板SUB1中的传播，图13b给出了角落 点P2的红光在波导板SUB1中的传播，图14a给出了中心点P0的蓝光在 波导板SUB1中的传播，图14b给出了中心点P0的红光在波导板SUB1 中的传播，图15a给出了角落点P3的蓝光在波导板SUB1中的传播，图 15b给出了角落点P3的红光在波导板SUB1中的传播，图16a给出了角落 点P4的蓝光在波导板SUB1中的传播，图16b给出了角落点P4的红光在 波导板SUB1中的传播。
本实施例中，扩瞳装置EPE1被设置为如下操作，使得在蓝色传导光 经由装置EPE1的第一路径传播的情况下，蓝色传导光的波矢落在区域 ZONE1内，并且装置EPE1可以设置为，在红色导光通过装置EPE1的第 二路径传播的情况下，红色导光的波矢落在区域ZONE1内。
本实施例中，扩瞳装置EPE1被设置为提供第一路径和第二路径，其 中第一路线可以提供蓝色的显示图像VIMG1的全宽度
Figure BDA0002987387660000251
第二路线 可以提供红色的显示图像VIMG1的全宽度
Figure BDA0002987387660000252
因此，扩瞳装置EPE1 可以被设置为显示具有全宽度
Figure BDA0002987387660000253
的彩色虚拟图像VIMG1。因此，扩瞳 装置EPE1可以被设置以显示具有完整的颜色的全宽度
Figure BDA0002987387660000254
的彩色虚拟图像VIMG1。
因此，扩瞳装置EPE1被设置为以红色和蓝色来显示彩色虚拟图像 VIMG1的所有角落点(P1，P2，P3，P4)，其中所述彩色虚拟图像VIMG1 具有完整的颜色的全宽度
Figure BDA0002987387660000255
因此，通过使用两条路线显示的彩色虚 拟图像VIMG1的角宽度
Figure BDA0002987387660000256
可以大幅大于其他不使用第二条路线的 彩色虚拟图像设备(EPE0)的最大角宽度(LIM1)。
请参照图2a到图2e，为本申请第四实施例示出的光学扩瞳装置来显 示图像的方法。
如图2a至2e所示，光学引擎ENG1可以由显示器DISP1和准直光学 器件LNS1组成。显示器DISP1可以被设置为显示输入图像IMG0。显示 器DISP1也可以被称为微型显示器。显示器DISP1也可以被称为空间强度 调制器。输入图像IMG0也可以被称为图像源。输入图像IMG0可以包含 中心点P0和四个角落点P1，P2，P3，P4。P1可以表示左上角落点。P2 可以表示右上角落点。P3可以表示左下角落点。P4可以表示右下角落 点。输入图像IMG0可以包含图形字符例如，“F”，“G”和“H”。
输入图像IMG0可以是彩色图像。输入图像IMG0可以是例如，RGB图像， 其可以包含红色局部图像，绿色局部图像和蓝色局部图像。每个图像点可 以提供例如红光，绿光和/或蓝光。红色光束的光可以具有红色，例如，波 长650nm，绿色光束的光可以具有绿色，例如，波长510nm。蓝色光束的 光可以具有蓝色，例如，波长470nm。特别是，彩色图像IMG0的角落点 的光可以包含红光和蓝光。
光学引擎ENG1可以提供输入光IN1，其可以包含多个基本准直的光 束(B0)。每个红色光束可以沿不同方向传播，并且可以对应于输入图像 IMG0的不同点。例如，红色光束B0P1，R可以对应于图像点P1，并且在 波矢k0P1，R的方向上传播。而且，蓝色光束(B0P1，B)可以对应于相同 的图像点P1，并且在波矢(k0P1，B)的方向上传播。输入光INl中，输入 图像IMG0的第一角落点P1相对应的蓝色光束(B0P1，B)的传播方向 (k0P1，B)平行于第一角落点P1相对应的红色光束(B0P1，R)的传播方 向(k0P1，R)。输入光IN1中，输入图像IMG0的第二角落点P2相对应 的蓝色光束(B0P2，B)的传播方向(k0P2，B)平行于第二角落点P2相对应的红色光束(B0P2，R)的传播方向(k0P2，R)。红色光束B0P2，R对应 于图像点P2，并且在波矢k0P2，R的方向上传播。红色光束B0P3，R对应 于图像点P3，并且在波矢k0P3，R的方向上传播。红色光束B0P4，R对应 于图像点P4，并且在波矢k0P4，R的方向上传播。红色光束B0P0，R对应 于中心像点P0，并且在波矢k0P0，R的方向上传播。
光的波矢(k)被定义为具有所述光的传播方向的矢量，由2π/λ给出的 幅度，其中是所述光的波长。
请参照图2f，输出光OUT1可以包含多个输出光束，其可以对应于所 显示的虚像VIMG1。每个输出光束可以对应于图像的点。例如，在波矢 k3P0，R的方向上传播的红色光束可以对应于图像VIMG1的点P0′。在波 矢k3P1，R的方向上传播的红色光束可以对应于图像VIMG1的点P1′。沿 波矢k3P2，R的方向传播的红色光束可以对应于图像VIMG1的点P2′。在波矢k3P3，R的方向上传播的红色光束可以对应于点P3′。在波矢k3P4，R 的方向上传播的红色光束可以对应于点P4′。扩瞳装置EPE1可以通过扩展 光引擎ENG1的出射光瞳来形成输出光OUT1。输出光OUT1可以包含多 个输出光束，其对应于所显示的虚像VIMG1。输出光束OUT1可以照射 在观察者的眼睛EYE1上，使得观察者可以看到显示的虚像VIMG1。
显示的虚拟图像VIMG1可以具有中心点P0′和四个角落点P1′，P2′， P3′，P4′。输入光IN1可以包含与输入图像IMG0的点P0，P1，P2，P3， P4相对应的多个光束。扩瞳装置EPE1可以通过衍射和传导来自输入图像 IMG0的点P0的光以形成所显示的虚拟图像VIMG1的点P0′。扩瞳装置 EPE1可以分别通过衍射和传导来自点P1，P2，P3，P4的光以形成点P1′， P2′，P3′，P4′。扩瞳装置EPE1可以形成输出光OUT1，其包含在由 波矢k3P0，R，k3P1，R，k3P2，R，k3P3，R，k3P4，R等指定的不同方向上传 播的多个光束。对应于所显示的虚像VIMG1的点P0′的红色光束具有波矢 k3P0，R。对应于点P1′的红色光束具有波矢k3P1，R。对应于点P2′的红色光 束具有波矢k3P2，R。对应于点P3′的红色光束具有波矢k3P3，R。对应于点 P4′的红色光束具有波矢k3P4，R。
扩瞳单元EPE1被设计成，使得波矢k3P1，R与输入光IN1中的点P1 的红光的波矢k0P1，R平行。波矢k3P0，R可以与点P0的波矢k0P0，R平行。 波矢k3P2，R可以与点P2的波矢k0P2，R平行。波矢k3P3，R可以与点P3 的波矢k0P3，R平行。波矢k3P4，R可以与点P4的波矢k0P4，R平行。
在图2g和2h中，所显示的虚像VIMG1具有角宽度
Figure BDA0002987387660000271
和角高度Δθ。
显示的虚拟图像VIMG1可以具有例如第一角落点P1′。在图像VIMG1 的左侧，以及第二角落点P2′，例如在图像VIMG1的右侧。虚拟图像VIMG1 的角宽度可以等于角落点P1′，P2′的波矢k3P1，R，k3P2，R之间的水平夹角。 显示的虚像VIMG1可以具有上角落点P1′和下角落点P3′。虚拟图像VIMG1的角高度可以等于角落点P1′，P3′的波矢k3P1，R，k3P3，R之间的垂直夹角。
扩瞳装置EPE1的两条路径允许显示宽的彩色虚拟图像VIMG1。扩瞳 装置EPE1的两条路径可以允许显示具有扩展的角宽度的彩色虚拟图像 VIMG1。其中，可通过方位角
Figure BDA0002987387660000281
和方位角θ以指定波矢的方向；角度可以表 示波矢与参考平面REF1之间的角度；参考平面REF1可以被定义为方向 SZ和SY的平面；角度θ可以表示波矢与参考平面REF2之间的角度；参 考平面REF2可以被定义为方向SZ和SX的平面。
其中，术语“传导”可以表示光在平面波导板SUB1内传播，从而通 过全内反射(TIR)将光束限制在波导板内。波导板SUB1用作光导。术 语“传导”可以表示与术语“波导”相同的含义。
以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽 性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范 围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更 都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原 理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技 术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (13)

1.一种显示彩色图像的光学扩瞳装置，其特征在于，包括波导板，所述波导板包含：
入瞳单元，所述入瞳单元设有第一光栅以及第二光栅，所述第一光栅的周期与所述第二光栅的周期不同，所述入瞳单元的第一光栅用于衍射输入光束以形成第一传导光沿着第一方向传播，所述入瞳单元的第二光栅用于衍射输入光束以形成第二传导光沿着第二方向传播；
第一扩瞳单元，用于衍射所述第一传导光以形成第三传导光；
第二扩瞳单元，用于衍射所述第二传导光以形成第四传导光；
出瞳单元，用于衍射第三传导光以形成第一输出光，并衍射第四传导光以形成第二输出光，第一输出光与第二输出光的叠加得到输出光束；
第一光谱滤光装置，所述第一光谱滤光装置设于所述第一扩瞳单元以及所述出瞳单元之间，用于光隔离所述第二传导光中的红光从所述第一扩瞳单元耦合到所述出瞳单元；
第二光谱滤光装置，所述第二光谱滤光装置设于所述第二扩瞳单元以及所述出瞳单元之间，用于光隔离所述第一传导光中的蓝光从所述第二扩瞳单元耦合到所述出瞳单元。
2.根据权利要求1所述的显示彩色图像的光学扩瞳装置，其特征在于，波导板还包含至少一光学隔离单元，用于光隔离所述第一扩瞳单元和所述第二扩瞳单元之间的直接光学耦合。
3.根据权利要求2所述的显示彩色图像的光学扩瞳装置，其特征在于，所述光隔离单元包括第一光谱滤光区域以及第二光谱滤光区域；
所述第一光谱滤光区域设于所述入瞳单元以及所述第一扩瞳单元之间，用于光隔离所述第二传导光中的红光通过所述第一扩瞳单元从所述入瞳单元耦合到所述出瞳单元；
所述第二光谱滤光区域设于所述入瞳单元以及所述第二扩瞳单元之间，用于光隔离所述第一传导光中的蓝光通过所述第二扩瞳单元从所述入瞳单元耦合到所述出瞳单元。
4.根据权利要求3所述的显示彩色图像的光学扩瞳装置，其特征在于，光学隔离单元还设有一光隔离器，所述光隔离器的材料与所述第一光谱滤光区域的材料不同，所述光隔离为棱形，所述光隔离器位于所述第一光谱滤光区域与所述第二光谱滤光区域之间。
5.根据权利要求4所述的显示彩色图像的光学扩瞳装置，其特征在于，所述光隔离器的第一侧与所述第一光谱滤光区域连接，第二侧与所述第一光谱滤光装置连接，第三侧与第二光谱滤光装置连接，第四侧与所述第二光谱滤光区域连接。
6.根据权利要求1所述的显示彩色图像的光学扩瞳装置，其特征在于，所述第一传导光在第一方向上传播，所述第二传导光在第二方向上传播；所述第一方向与第二方向之间形成的一夹角，夹角的角度范围在60°至120°之间。
7.根据权利要求6所述的显示彩色图像的光学扩瞳装置，其特征在于，所述第三传导光的的横向尺寸大于输入光束的相应横向尺寸，所述第三传导光沿着第三方向传播，第三方向与第二方向平行，所述第四传导光的的横向尺寸大于输入光束的相应横向尺寸，所述第四传导光沿着第四方向传播，第四方向与第一方向平行。
8.根据权利要求7所述的显示彩色图像的光学扩瞳装置，其特征在于，所述第一扩瞳单元设有第三光栅，所述第二扩瞳单元设有第四光栅，所述第三光栅的周期与所述第四光栅的周期不同。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的显示彩色图像的光学扩瞳装置，其特征在于，所述出瞳单元包含第一区域以及第二区域，第一区域被设置为接收从所述第一扩瞳单元向所述出瞳单元输出的所述第三传导光，第二区域被设置为接收所述第二扩瞳单元向所述出瞳单元输出的所述第四传导光，其中第一区域和第二区域具有公共重叠区域，公共重叠区域的面积大于所述出瞳单元面积的50％。
10.一种显示设备，包括权利要求1～8任意一项所述的显示彩色图像的光学扩瞳装置，其特征在于：还包括形成主图像并将主图像转换为多个所述的输入光束的光学引擎，所述光学扩瞳装置通过衍射扩展所述的输入光束形成所述的输出光束。
11.根据权利要求10所述的显示设备，其特征在于，所述输入光束对应于输入图像，并且所述输入图像的宽度大于阈值，输入图像设有第一个角落点以及第二个角落点，其中所述入瞳单元的光栅矢量、第一扩瞳单元的光栅矢量、第二扩瞳单元的光栅矢量以及所述出瞳单元的光栅矢量之和为零，使得第一角落点的红光通过所述第二扩瞳单元从所述入瞳单元导向所述出瞳单元，第二角落点的蓝光通过所述第一扩瞳单元从所述入瞳单元导向所述出瞳单元。
12.一种方法，包含使用根据权利要求1至9中的任一项所述的光学扩瞳装置来提供输出光。
13.一种方法，包含使用根据权利要求1至11中的任一项所述的光学扩瞳装置来显示图像。
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