CN113050276A - 衍射图像叠加器、显示设备模组及头戴式显示设备 - Google Patents

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CN113050276A CN201911379816.9A CN201911379816A CN113050276A CN 113050276 A CN113050276 A CN 113050276A CN 201911379816 A CN201911379816 A CN 201911379816A CN 113050276 A CN113050276 A CN 113050276A
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Abstract

本申请公开了一种衍射图像叠加器，可以增大出瞳尺寸，提升用户体验，该衍射图像叠加器包括：第一衍射光学元件DOE和第二DOE，所述第一DOE平行于所述第二DOE；所述第一DOE的第一入射点与所述第二DOE的第二入射点的光栅矢量相同，所述第一入射点用于将满足布拉格条件的入射光线转换为第一衍射光线和第一透射光线，所述第一透射光线入射所述第二入射点，所述第二入射点用于将所述第一透射光线转换为第二衍射光线。

Description

衍射图像叠加器、显示设备模组及头戴式显示设备
技术领域
本申请涉及光学领域，特别涉及一种衍射图像叠加器、显示设备模组及头戴式显示设备。
背景技术
增强现实(augmented reality，AR)近眼显示技术，即通过一定的光学系统，使人眼能看到外界真实场景的同时，也能看到计算机产生的虚拟场景的可穿戴式显示系统。在AR系统中，计算组件对用户观察到的真实场景进行分析和处理，继而通过近眼显示技术将生成的虚拟增强信息叠加到真实的场景中，实现真实与虚拟场景的无缝融合，协助用户对现实世界的深度、综合认知。作为AR设备核心技术之一的近眼显示技术，也成为当前工业界和学术界研究热点。
AR近眼显示技术的核心任务是进行虚实叠加，即允许真实世界的光线和虚拟图像光线同时通过，到达人眼。基于衍射光学的近眼显示技术，因为可以有效缩小光学组件的尺寸和重量，近年来成为研究热点。基于麦克斯韦观察法原理和衍射图像叠加器(diffractive image combiner，DIC)的AR近眼投影方案可以大幅提升AR近眼显示的视场角(field of view，FoV)，即虚拟图像呈现范围相对人眼所张开的角度，例如80度以上。
受限于DIC器件的角带宽、SLM类像源器件的像素尺寸或激光束视网膜扫描机制的光路局限性，基于麦克斯韦观察法原理和DIC器件的AR近眼投影方案的出瞳(exit pupil)尺寸较小，例如为1毫米，由于人眼瞳孔与Eyebox必须空间上存在重叠区域才能看到虚拟图像，Eyebox太小会导致用户易于丢失图像，严重降低用户体验。
发明内容
本申请实施例提供了一种基于微纳光学技术的衍射图像叠加器，用于拓展系统出瞳尺寸，可以提升用户体验。
本申请实施例第一方面提供了一种衍射图像叠加器，包括：第一衍射光学元件DOE和第二DOE，所述第一DOE平行于所述第二DOE；所述第一DOE的第一入射点与所述第二DOE的第二入射点的光栅矢量相同，所述第一入射点用于将满足布拉格条件的入射光线转换为第一衍射光线和第一透射光线，所述第一透射光线入射所述第二入射点，所述第二入射点用于将所述第一透射光线转换为第二衍射光线。
本申请实施例提供的衍射图像叠加器，包括至少两层衍射光学元件DOE，第一DOE的第一入射点可以用于将投射角度位于布拉格域内的入射光线转换为第一衍射光线和第一透射光线，其中第一衍射光线构成系统的第一出瞳，第一透射光线可以入射至第二DOE的第二入射点，第二入射点将入射的第一透射光线转换为第二衍射光线，第二衍射光线构成系统的第二出瞳。由于第一入射点的光栅矢量与第二入射点的光栅矢量相同，因此，第二衍射光线平行于第一衍射光线，根据第一出瞳和第二出瞳确定的出瞳尺寸大于只具有单层衍射光学元件的衍射图像叠加器的出瞳尺寸，因此，本申请提供的衍射图像叠加器出瞳尺寸增加，用户不易丢失图像，可以提升用户体验。
以布拉格条件入射的光线在第一入射点入射，第一透射光线传播至第二入射点入射，可以保证第一衍射光线和第二衍射光线相互平行，用户在观察虚拟图像时不会发生串扰。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一DOE设有第一光栅区域，所述第二DOE设有第二光栅区域，所述第一光栅区域用于将投射角度位于布拉格域内的第一平行入射光束转换为第一衍射光束和第一透射光束，所述第一衍射光束汇聚在第一聚焦点，所述第一透射光束入射至所述第二光栅区域，所述第二光栅区域用于将所述第一透射光束转换为第二衍射光束，所述第二衍射光束汇聚在第二聚焦点，所述第一聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离与所述第二聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离相等。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一DOE设有第一光栅区域，所述第二DOE设有第二光栅区域，所述第一光栅区域用于将投射角度位于布拉格域内的第一平行入射光束转换为第一衍射光束和第一透射光束，所述第一衍射光束衍射汇聚在第一聚焦点，所述第一透射光束入射至所述第二光栅区域，所述第二光栅区域用于将所述第一透射光束转换为第二衍射光束，所述第二衍射光束衍射汇聚在第二聚焦点，所述第一聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离与所述第二聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离相等。所述第一入射点位于所述第一光栅区域，所述第二入射点位于所述第二光栅区域。所述第一光栅区域的衍射结构与所述第二光栅区域的衍射结构存在等比例缩放的关系，具体的，在所述DOE延伸的平面方向，所述第二光栅区域的衍射结构为所述第一光栅区域的衍射结构的等比例放大。
本申请实施例提供的衍射图像叠加器，由于第一聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离与所述第二聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离相等，且位于所述衍射图像叠加器的同侧，即第一聚焦点和第二聚焦点的连线平行于所述衍射图像叠加器的任一DOE所在的平面，因此，第一DOE的衍射光束构成的视场角与第二DOE衍射光束构成的视场角相同，同一像点发射的光束在经不同DOE衍射后呈现在用户眼中的虚拟图像重叠，不会发生串扰。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述入射光线与所述第一衍射光线位于所述第一DOE的同侧；或者，所述入射光线与所述第一衍射光线位于所述第一DOE的异侧。
本申请实施例提供的衍射图像叠加器，若各DOE采用反射式DOE实现，则入射光线与所述第一衍射光线位于所述第一DOE的同侧，即微投影引擎和用户观测的人眼可以位于同侧；若各DOE采用透射式DOE实现，则入射光线与所述第一衍射光线位于所述第一DOE的异侧，即微投影引擎与用户观测的人眼可以位于异侧，由此，可以设计不同的近眼显示投影方案，提高了方案实现的灵活性。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一DOE为微纳光学器件，包括体全息光栅VHG、表面起伏光栅SRG、超表面或微透镜阵列；所述第二DOE为微纳光学器件，包括体全息光栅VHG、表面起伏光栅SRG、超表面或微透镜阵列。
本申请实施例提供的衍射图像叠加器，衍射光学元件的类型可以有多种，提高了方案实现的多样性。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述DIC还包括平行于所述第二DOE的第三DOE，所述第二DOE位于所述第一DOE和所述第三DOE之间，所述第三DOE的第三入射点与所述第二入射点的光栅矢量相同，所述第二入射点还用于将所述第一透射光线转换为第二衍射光线和第二透射光线，所述第二透射光线入射所述第三入射点，所述第三光栅区域用于将所述第二透射光线转换为第三衍射光线。
本申请实施例提供的衍射图像叠加器，可以包括第三DOE，第三DOE上的第三入射点与所述第二入射点和所述第一入射点的光栅矢量均相同，出射的第三衍射光线构成第三子出瞳，可以进一步扩展出瞳尺寸，此外，出射的第二衍射光线和第三衍射光线相互平行，同一像点发射的光线在经不同DOE衍射后呈现在用户眼中为同一虚拟图像，不会发生串扰。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第三DOE设有第三光栅区域，所述第一光栅区域用于将投射角度位于布拉格域内的第一平行入射光束转换为第一衍射光束和第一透射光束，所述第一衍射光束汇聚在第一聚焦点，所述第一透射光束入射所述第二光栅区域，所述第二光栅区域用于将所述第一透射光束转换为第二衍射光束和第二透射光束，所述第二衍射光束汇聚在第二聚焦点，所述第二透射光束入射至所述第三光栅区域，所述第三光栅区域用于将所述第三透射光束转换为第三衍射光束，所述第三衍射光束衍射汇聚在第三聚焦点，所述第三聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离与所述第二聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离和所述第一聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离均相等。所述第三入射点位于所述第三光栅区域。所述第三光栅区域的衍射结构与所述第二光栅区域的衍射结构存在等比例缩放的关系。
本申请实施例提供的衍射图像叠加器，由于所述第三聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离、所述第二聚焦点到所述衍射图像叠加器和所述第一聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离均相等，且第一聚焦点、第二聚焦点和第三聚焦点均位于所述衍射图像叠加器的同侧，即包含第一聚焦点、第二聚焦点和第三聚焦点的平面与所述衍射图像叠加器的任一DOE所在的平面平行，第三衍射光束构成的视场角与第二衍射光束构成的视场角相同，与第一衍射光束构成的视场角也相同，即位于布拉格域内的入射光束，经多层DOE衍射后形成的各衍射光束构成的视场角相同。同一像点发射的光束在经不同DOE衍射后呈现在用户眼中的虚拟图像重叠，不会发生串扰。
本申请实施例提供的衍射图像叠加器，通过引入多层衍射结构，以及对各层衍射结构间对应关系的设计，可以在保持系统视场大小不变的前提下，实现无串扰的扩瞳效果。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述衍射图像叠加器还包括：设置在所述第一DOE和所述第二DOE之间的基底，所述基底的上、下表面光学平行。
本申请实施例提供的衍射图像叠加器，多层衍射光学元件之间可以填充基底，可以提供一定的光程，便于拓展出瞳尺寸。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述基底材料为光学透明材料，所述光学透明材料包括玻璃或光学塑料。
本申请实施例提供的衍射图像叠加器，基底可以包括多种材质，提高了方案实现的多样性。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一DOE的衍射效率低于所述第二DOE的衍射效率。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二DOE的衍射效率低于所述第三DOE的衍射效率。
本申请实施例提供的衍射图像叠加器，通过对不同衍射光学元件衍射效率的设计，可以调整各层衍射光学元件衍射光线的光强，使得各个子出瞳的光强接近，可以提升用户体验。
本申请实施例第二方面提供了一种显示设备模组，其特征在于，包括微型投影引擎和如第一方面以及各实现方式中任一项所述的衍射图像叠加器；所述微投影引擎用于向所述衍射图像叠加器投射布拉格域内的入射光线；所述第一衍射光线构成第一子出瞳，所述第二衍射光线构成第二子出瞳，所述显示设备模组的出瞳包括所述第一子出瞳和所述第二子出瞳。
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述微投影引擎包括平面像源器件或扫描像源器件，所述平面像源器件包括空间光调制器SLM像源器件和非相干平面微像源，所述扫描像源器件包括激光束扫描LBS器件。
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述显示设备模组还包括框架，所述框架用于固定所述微投影引擎和所述衍射图像叠加器。
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述显示设备模组还包括以下至少一个：通信装置、处理器和供电装置。
本申请实施例第三方面提供了一种增强现实AR设备，其特征在于，包括第二方面以及各实现方式中任一项所述的显示设备模组。
本申请实施例第四方面提供了一种虚拟现实VR设备，其特征在于，包括第二方面以及各实现方式中任一项所述的显示设备模组。
本申请实施例第五方面提供了一种近眼显示设备，其特征在于，包括第二方面以及各实现方式中任一项所述的显示设备模组。
本申请实施例第六方面提供了一种头戴式显示设备，其特征在于，包括左眼显示器和右眼显示器；所述左眼显示器包括如第一方面以及各实现方式中任一项所述的衍射图像叠加器；所述右眼显示器包括如第一方面以及各实现方式中任一项所述的衍射图像叠加器。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请实施例提供的衍射图像叠加器，包括至少两层衍射光学元件DOE，第一DOE包括与第二DOE的第二光栅区域具有相同衍射结构的第一光栅区域，第一DOE和第二DOE可以将投射角度位于布拉格域内的入射光线转换为衍射光线，分别形成第一子出瞳和第二子出瞳，由此，相较只具有一层DOE的DIC，可以拓展出瞳尺寸，较大的出瞳尺寸可以容纳不同用户的瞳距差异，还可以避免眼球转动导致的图像丢失，提升用户体验。
本申请实施例提供的显示设备模组，包括具有至少两层相互平行的衍射光学元件DOE的图像叠加显示器DIC，第一DOE包括与第二DOE的第二光栅区域具有相同衍射结构的第一光栅区域，可以将微投影引擎向所述DIC投射的图像光线分别转换产生第一子出瞳和第二子出瞳，第二层DOE对第一层DOE形成的出瞳进行了复制和平移，由此，相较只具有一层DOE的DIC，可以拓展出瞳尺寸，较大的出瞳尺寸可以容纳不同用户的瞳距差异，还可以避免眼球转动导致的图像丢失，提升用户体验。
此外，所述包含至少两层DOE的DIC，第一DOE的第一光栅区域与第二DOE的第二光栅区域存在对应关系：以布拉格条件入射的光线在第一光栅区域上的入射点与其在第二光栅区域上的入射点具有相同的光栅矢量。因而实像面上任一像点向DIC投射的入射角度位于布拉格域内的光线，经衍射图像叠加器的多层衍射光学元件后，转化为近似平行光线进入人眼，进而对应为视网膜上的唯一像点，因此，可以实现无串扰扩瞳。
附图说明
图1为用户佩戴头戴式显示设备的示意图；
图2为头戴式显示设备的示意图；
图3为本申请实施例中近眼显示系统的一个实施例示意图；
图4为本申请实施例中近眼显示系统的视场角和出瞳尺寸的示意图；
图5为衍射图像叠加器的基本组成示意图；
图6a为基于SLM微投影引擎的近眼显示系统；
图6b为基于非相干平面像源微投影引擎的近眼显示系统；
图6c为基于LBS微投影引擎的近眼显示系统；
图7a为本申请实施例中显示设备模组的一个实施例示意图；
图7b为本申请实施例中显示设备模组的光线传输示意图；
图7c为本申请实施例中显示设备模组在有效张角内向DIC投射光线的示意图；
图7d为本申请实施例中显示设备模组的另一个实施例示意图；
图8为本申请实施例中显示设备模组的衍射效率设计示意图；
图9a为本申请实施例中显示设备模组的一个光路示意图；
图9b为本申请实施例中显示设备模组的另一个光路示意图；
图10a为本申请实施例中衍射结构的制作方法的示意图；
图10b为本申请实施例中衍射结构的制作方法的另一个示意图；
图11为本申请实施例中衍射结构的制作方法的另一个示意图；
图12为本申请实施例中光栅矢量与参考光、物光之间的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请的实施例进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员可知，随着技术的发展和新场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。在本申请中出现的对步骤进行的命名或者编号，并不意味着必须按照命名或者编号所指示的时间或逻辑先后顺序执行方法流程中的步骤，已经命名或者编号的流程步骤可以根据要实现的技术目的变更执行次序，只要能达到相同或者相类似的技术效果即可。
为了便于理解，首先对本申请涉及的技术术语进行介绍：
衍射光栅：简称光栅，一种光学装置和结构，能给入射光的振幅或位相，或者两者同时加上一个周期性的空间调制。包括透射光栅(透射光受调制)和反射光栅(反射光受调制)。
光栅矢量：衍射结构上任一点处的光栅矢量，即在制备衍射结构时该点处物光与参考光的光波矢量之差。一块衍射结构上光栅矢量的空间分布，决定了该衍射结构上各点对入射光线角度和波长的选择性，以及衍射光线的方向。与光栅矢量相对应的一个衍射光学概念是光栅周期，光栅矢量的变化会体现在光栅周期结构的变化上，在数值上，衍射结构上任一点处的光栅周期和光栅矢量的乘积等于2π。
布拉格域：基于VHG、SRG、超表面等微纳加工技术制备的衍射结构对入射光具有角度选择性，只有当入射光的入射角度位于布拉格角的一个邻域范围内，才会被衍射结构进行重定向，否则会沿直线穿越所述衍射结构，该布拉格角的邻域范围即布拉格域。
光栅的角带宽：基于VHG、SRG、超表面等技术制备的衍射结构对入射光具有角度选择性，只有当入射光的入射角度位于布拉格域内，才会被衍射结构进行重定向，角带宽以外的投射光线可穿过光栅而不会被重定向，光栅的角带宽用于表示布拉格域的大小，即可被衍射结构重定向的入射光线的角度范围大小。
衍射效率：是指在某一个衍射方向上的光强与入射光强的比值。衍射效率与材料折射率，材料厚度等各项参数都有关系。
出瞳：光学系统的孔径光阑在光学系统像空间所成的像称为系统的“出瞳”(exitpupil)，又称眼动范围，出射光瞳，常简称为Eyebox。出瞳尺寸用于衡量系统的“出瞳”的大小。
图1示出了一种用户102佩戴的头戴式显示设备100的示意图。头戴式显示设备100可被用于显示增强现实图像以及现实世界背景场景中的物理对象。头戴式显示设备100可包括用于将设备定位在相对于用户102的眼睛的目标查看位置处的框架104。
图2示出图1的头戴式显示设备100的示意图，如图2中示出的那样，透视头戴式显示设备100包括右眼显示器200a和左眼显示器200b。每个透视显示器(右眼显示器200a或左眼显示器200b)可用于既向用户显示虚拟图像又允许用户查看现实世界环境。例如，每个透视显示器可包括用于透过光学结构发出显示光到达用户的眼睛的显示设备，该显示设备还可以可允许来自现实世界环境的光到达用户的眼睛。此外，图2示意性地示出可被用来向用户输出声学信息的话筒202。这样的声学信息可以采取任何合适的形式，包括但不限于计算机生成的适当语言(如用户选择的)的语音输出、并非专用于任何语言的音调或其他声音、和/或任何其他合适的声音。在一些实施例中，其他类型的输出可由头戴式显示设备100提供，如触觉/触摸输出。
左眼显示器200b和右眼显示器200a可经由一个或多个框架104的紧固机构被定位在相对于眼睛的查看位置处。例如，如图2所示，框架104可经由耳承206由用户的耳朵并经由鼻梁208由用户的鼻子支撑，以降低框架104的滑动。将理解，图2所示的支撑(如耳承206、鼻承、以及鼻梁208)在本质上是示例性的，且头戴式透视显示设备的透视显示器可经由任何合适的机构被定位在查看位置处。例如，可以利用附加支撑，和/或图2所示的支撑中的一者或多者可被移除、替换、和/或扩充以将透视显示器定位在查看位置处。此外，透视显示器可通过除与物理上接触用户的支撑以外的机构来被定位在查看位置处，本申请并不限定。
下面，对近眼显示系统中的视场角和出瞳尺寸之间的关系进行介绍，请参考图3，为本申请实施例中近眼显示系统的一个实施例示意图。
光学系统的孔径光阑在光学系统像空间所成的像称为系统的“出瞳”，微投影引擎从侧面向DIC器件投射虚拟图像，DIC器件一方面通过衍射作用将位于其特征角度范围内的入射光线直接重定向出射至出瞳位置(例如V1和V2)，同时也允许落在特征角度范围和特征波长范围之外的外部真实世界的光线(例如R1)不受影响的透明穿过DIC进入人眼瞳孔，从而完成虚实叠加操作。
DIC器件尺寸S受限于镜片大小不能太大，一般不超过50毫米(mm)；出瞳距离D受限于人脸生理结构(面型、眼眉、睫毛等)，一般大于20mm；物面上像点衍射角受限于像源器件像素点间隔，通常很小，例如8度(°)左右；Eyebox主要受制于SLM像源器件的衍射角和DIC器件的角带宽，目前实际系统通常不超过3mm；FoV受制于DIC器件尺寸S、出瞳距离D和Eyebox尺寸，目前实际系统通常不超过80°。
请参阅图4，为本申请实施例中近眼显示系统的视场角和出瞳尺寸的示意图。
视场角为人眼所见图像呈现的角度范围，该角度范围外用户将看不到图像，出瞳为一个空间区域，当眼睛瞳孔与该区域交集非空时，可以看到像面上所有像素点发出的光线，即可以看到完整图像；否则看不到完整图像。
由于眼睛瞳孔与Eyebox必须空间上存在重叠区域才能看到虚拟图像，要想看到虚拟图像，用户的瞳孔需要与Eyebox存在重叠，若瞳孔移动导致与Eyebox的重叠区域消失，就会丢失图像，严重拉低用户体验。如图3所示，若视场角较大，眼球通常需要转动以完整观察视场角中的图像，可以理解的是，较大的FoV需要大的Eyebox来匹配。由于人眼瞳孔与Eyebox必须空间上存在重叠区域才能看到虚拟图像，若Eyebox太小，会导致用户容易丢失图像，严重降低用户体验。
下面对常用的近眼显示系统进行介绍，请继续参阅图3所示的近眼显示系统。
近眼显示系统通常由微投影引擎、DIC器件和用于固定两者的框架结构组成，此外，还可以包括相关的通信组件、信息处理组件和供电器件等，具体此处不做限定。
微投影引擎，也称掌上投影机，具有小体积、高亮度和低噪音等优点，其在小型商务、家庭娱乐和近眼显示设备等方面具有广阔的应用前景。微投影引擎可以基于平面像源器件或点像源器件实现，下面分别进行介绍。
平面像源器件包括各种空间光调制器(space light modulator，SLM)像源器件，如硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCoS)微显示器、数字微镜(digital micro-mirror display，DMD)微显示器等，以及各种非相干平面像源，如发光二极管(light-emitting diode，LED)微显示器、有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)微显示器、液晶(liquid crystal display，LCD)微显示器等。
点像源器件主要包括激光束扫描(laser beam scanner，LBS)微显示器。
衍射图像叠加器(diffractive image combiner，DIC)，下面简称DIC器件，DIC器件可对光波进行波前调制，精确控制入射光线的出射方向。请参阅图5，为衍射图像叠加器的基本组成示意图。DIC器件由一块镜片形状的光学透明基底，或称镜片基底，以及位于基底表面的一层衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)构成。其中透明基底通常可以是玻璃或者光学塑料，基底的两个表面间具备良好的光学平行度。DOE可以是贴附在透明基底表面(上表面或下表面)的体全息光栅(volume holographic grating，VHG)，或者直接在透明基底表面通过光刻工艺加工而成的表面起伏光栅(surface rising grating，SRG)，也可以是超表面(metasurface)等。DOE元件对入射光具有角度选择性和波长选择性，即只有当入射光的入射角度和波长落在DOE元件的特征角度范围和特征波长范围内，才会在DOE元件的衍射作用下被重定向到预设方向出射，否则，入射光可不受影响的直线穿透DOE元件。
在基于麦克斯韦观察法原理和DIC器件的AR近眼投影方案中，微投影引擎从侧面向DIC器件投射虚拟图像，DIC器件一方面通过衍射作用将位于其特征角度范围内的入射光线直接重定向至观察者瞳孔位置，即出瞳位置(通过系统光路和DOE元件的设计，使微投影引擎所投射图像光线的入射角度落在DOE元件在入射点处的特征角度范围内)，同时也允许外部真实世界的光线不受影响的透明穿过DIC进入观察者瞳孔(通过系统光路和DOE元件的设计，使外部真实世界光线的入射角度落在DOE元件在入射点处的特征角度范围外)，从而完成虚实叠加操作。
下面，请参阅图6a-6c，分别介绍不同类型的微投影引擎中Eyebox的限制因素。
图6a为基于SLM微投影引擎的近眼显示系统，SLM器件通过对入射相干光的调制，经衍射产生可视图像的实像面并投射到DIC器件。DIC器件将像面上各像点沿同一投射方向的平行光束通过衍射作用汇聚到一个出瞳点，各像点向DIC投射的边缘光线经DIC汇聚所产生的出瞳点的间距构成系统的出瞳(Eyebox)，由图6a可直观看出，出瞳尺寸受限于各像点的衍射角和DIC器件中光栅角带宽的限制，由于像点衍射角受限于像源器件像素点间隔，通常很小，一般小于8°，而DIC器件的角带宽一般也小于10°，因而系统的出瞳极小，仅为1毫米至3毫米。
图6b为基于非相干平面像源微投影引擎的近眼显示系统，像源面即为图像面，各像点向DIC投射光线的有效张角主要受DIC器件角带宽，即布拉格域的约束，由于DIC的角度选择性，布拉格域以外的投射光线可透明穿过DIC而不会被重定向到出瞳位置，同样存在出瞳小的问题。
图6c为基于LBS微投影引擎的近眼显示系统，采用半导体激光器作为光源，按照图像信息对出射激光束的强度和光谱进行调制，借助微扫描镜将调制后的入射激光束进行二维时序扫描并投射到DIC器件，经DIC器件的衍射重定向聚焦在人眼瞳孔位置，并进一步传播至视网膜成像。系统的出瞳尺寸近似为一个点。
由图6a-6c可知，受限于DIC器件的角带宽、像源器件的像素尺寸或激光束视网膜扫描机制的光路局限，基于DIC的AR近眼显示系统中Eyebox尺寸过小，严重影响用户体验。
为了拓展出瞳尺寸，提升用户体验，本申请实施例提供了一种显示设备模组，图7a-7d对该显示设备模组的构成和光路分别进行了介绍。
如图7a所示，为本申请实施例中显示设备模组的一个实施例示意图。该显示设备模组中DIC器件包括基底101，第一衍射结构103和第二衍射结构102。此外，104为系统出瞳，105为人眼观察范围，106为微投影引擎投射出的实像面。
第一衍射结构103和第二衍射结构102平行。可选的，第一衍射结构103可以是体全息光栅VHG、表面起伏光栅SRG、超表面或微透镜阵列，具体此处不做限定，第一衍射结构102可以是体全息光栅VHG、表面起伏光栅SRG、超表面或微透镜阵列，具体此处不做限定。
可选的，基底101是光学透明介质，包括玻璃、光学塑料等材料，基底101的上、下表面具备良好的光学平行度。
可选的，第一衍射结构103和第一衍射结构102之间不设置基底101，则需要通过支撑部件例如框架结构支撑第一衍射结构103和第一衍射结构102，以使得第一衍射结构103平行于第一衍射结构102，该实现方式中，从第一衍射结构103透射的光线通过空气传播至第一衍射结构102，由于空气的折射系数小于光学透明介质，可以获取更大的偏移距离。
可选的，微投影引擎可以是平面像源器件或者点像源器件，具体此处不做限定。其中，平面像源器件包括SLM像源器件，如LCoS微显示器、DMD微显示器等，或非相干平面微像源，如OLED微显示器、LCD微显示器等。点像源器件包括基于LBS激光扫描微显示器。
对应的光线传输过程如图7b所示，假定光线①和光线⑥是微投影引擎所投射实像面发出的携带有整个像面图像信息的平行光束的两条边缘光线，光线①照射到第一层衍射结构的A点，在A点光线被分成两条，包括正一级衍射光②和零级透射光③，零级透射光③照射到第二层衍射结构的B点，同样会被分成两条，正一级衍射光④和零级透射光⑤。通过对衍射结构的设计加工，使A、B两点的光栅矢量相同，即保证光线②和④出射为平行光线。光线②和④在出瞳位置104处的水平距离即为A点和A’点之间的距离。同理光线⑥入射到C点，光线被分成两条，包括正一级衍射光⑦和零级透射光⑧，零级透射光⑧照射到第二层衍射结构的D点，同样会被分成两条，正一级衍射光⑨和零级透射光⑩。通过对衍射结构的设计加工，使C、D两点的光栅矢量相同，即保证光线⑦和⑨出射为平行光线。C点与C’点的距离与A点和A’点之间的距离相同，即为出瞳扩展量。光线②和⑦汇聚在第一层衍射结构对应的第一子出瞳内的E点进入人眼，人眼观察到平行光束携带的整个像面的图像信息。同时光线④和⑨汇聚在与第二层光栅对应的扩展子出瞳内的E’点进入人眼，当人眼移动到E’点时，也可以观察到完整的图像信息。
需要说明的是，第一衍射结构103中的光线入射点，例如A点，可以理解为第一衍射结构的第一光栅区域，第二衍射结构102中的光线入射点，例如B点，可以理解为第二衍射结构的第二光栅区域，光栅区域的微观物理结构可以决定了光栅矢量。A、B两点的光栅矢量相同，即第一光栅区域的衍射结构与所述第二光栅区域的衍射结构相同。
对于从像面向DIC投射的携带图像信息的光线，图7b光路中只给出了沿一个方向传播的平行光束的传播路径。事实上，从像面向DIC投射的光线被DIC的角带宽限制在一个有效张角内，下面以基于SLM微投影引擎的近眼显示系统为例进行介绍，如果微投影引擎基于SLM器件，有效张角还会受到SLM器件衍射角的进一步限制，即有效张角还应不大于衍射角，考虑有效张角后的光路传播请参阅图7c。
图7c中，像面上各像点在有效张角内向DIC投射光线，为清晰起见，图中只画出了位于张角边缘的两条光线。图中像面上各像点发出的左边缘光线经第一层衍射结构衍射后汇聚在子出瞳107的左边缘点M，各像点发出的右边缘光线经第一层衍射结构衍射后汇聚在子出瞳107的右边缘点N，左右两边缘点间的区域即为第一层衍射结构对应的子出瞳107，这也是单层衍射结构DIC所能实现的出瞳。由于本申请实施例中DIC器件存在多层衍射结构，像面上各像点在有效张角内投射到DIC的光线传播至第二层衍射结构后，会被衍射并汇聚到扩展出来的子出瞳108内，即人眼在子出瞳108内也可以看到完整的投射图像。需要指出的是，子出瞳107和子出瞳108之间可以存在空洞区域109(即无图像光线穿过的区域)，但为了确保人眼在子出瞳107和子出瞳108间连续移动时不丢失图像视场，空洞区域109的尺寸需小于人眼瞳孔的大小，即保证人眼在区域107、108、109合成的系统出瞳内连续移动时，总有一个子出瞳区域与人眼瞳孔存在重叠部分。
需要说明的是，子出瞳107与子出瞳108到DIC器件的距离，即出瞳距离相同。两者在预设计的出瞳面上可以邻接，也可以存在一定大小的空洞区域109。具体此处不做限定。可选的，空洞区域109的尺寸小于或等于3毫米。
需要说明的是，图7a-7c示意的显示设备模组中DIC器件均为双层衍射结构设计，可选的，DIC器件可以包括三层或者三层以上的衍射结构，衍射结构的层数可以根据实际扩瞳尺寸需要以及DIC器件的厚度要求确定，具体此处不做限定。下面，以DIC器件包括三层衍射结构为例进行介绍，下面请参阅图7d，为本申请实施例中显示设备模组的另一个实施例示意图。
在前述二层衍射结构的DIC器件的基础上继续增加一层基底材料(可选)和衍射结构，从而在出瞳位置扩展出第三个子出瞳，进一步增加系统出瞳的尺寸，如图7d所示。通过继续增加基底材料和衍射结构的层数，可以扩展出更多的子出瞳，实现更大的系统出瞳尺寸。
基于以上分析，人眼在经过多层衍射结构DIC器件扩展的合成系统出瞳范围内移动时可以一直观察到图像信息，并且由于像面上单个像点投射的位于布拉格域内的光线经多层衍射结构后出射的多个光束保持近似平行，进入到人眼后在视网膜上形成唯一像点，因而即使人眼瞳孔在移动过程中同时与两个子出瞳存在重叠区域，也不会出现串扰现象。
图8为本申请实施例中显示设备模组的衍射效率设计示意图；
以像面上单个像点投射到DIC的有效张角内的光线经三层衍射结构后的传播路径为例，下面对多层衍射结构扩瞳效果相关的物理参数进一步说明。
请参阅图8，像面上的任一像点I1投射到DIC器件的光线I1A1，在第一层衍射结构的入射点A1处被分成两条，一条被衍射结构重定向至第一个子出瞳内的E1点，另一条遵循折射定律继续传播至第二层衍射结构的入射点A2。在A2处，光线被再次分成两条，一条被衍射结构重定向，穿越其在第一层衍射结构的出射点B1后射向第二个子出瞳内的E2点；另一条继续传播至第三层衍射结构的入射点A3，并在A3处被衍射结构重定向，穿越其在第二层衍射结构的出射点B2和在第一层衍射结构的出射点A3后射向第三个子出瞳内的E3点。需要指出的是，光线只在A1、A2、A3处发生衍射，由于光线在B1、B2、C1处的入射角度落在光栅结构的角带宽之外，因此在B1、B2、C1处光线可以直接穿过。通过对A1、A2、A3处衍射结构的衍射效率的设计，例如令其设计取值分别为30％，50％，100％，可以实现到达E1、E2、E3处的光线强度大致相同。需要说明的是，对于每层衍射结构的衍射效率的具体数值此处不做限定。
请继续参考图8，第二层衍射结构的存在引入了第二子出瞳内的光线B1E2，B1E2与第一层衍射结构产生的衍射光线A1E1平行，且两者对应于入射到DIC器件的同一条光线I1A1。两者在DIC器件的出射点的间距A1B1即为第二层衍射结构引入的出瞳扩展量，其取值与第一、二层衍射结构及其间基底的厚度和材料折射率有关，也与衍射结构的布拉格入射角大小θ0有关。类似地，第三层衍射结构的存在引入了第三子出瞳内的光线C1E3，C1E3与第一层衍射结构对应的出射光线A1E1和第二层衍射结构对应的出射光线B1E2平行，且对应于入射到DIC器件的同一条光线I1A1。C1E3与B1E2在DIC器件的出射点的间距C1B1即为第三层衍射结构引入的出瞳扩展量，其取值与第二、三层衍射结构及其间基底的厚度和材料折射率有关，也与衍射结构的布拉格入射角大小θ0有关。以第二层衍射结构引入的出瞳扩展量A1B1为例，根据简单的几何运算，可得：
A1B1＝d＝(tan(π-θs)+tanθr)
其中，d为第一、二层衍射结构及其间基底的总厚度；θs为衍射角大小，与系统FoV大小和光栅矢量的空间分布相关；θr为入射光线从空气进入衍射结构时的折射角大小，假设衍射结构和基底材料的折射率都是n，则
Figure BDA0002341980510000111
下面介绍出瞳尺寸的具体计算方法，请参阅图9a和图9b。
图9a为本申请实施例中显示设备模组的一个光路示意图；图9b为本申请实施例中显示设备模组的另一个光路示意图。
假定衍射结构采用VHG光栅，单层光栅结构直径d＝50mm，出瞳距离r＝30mm，由几何关系：2*tan(θ/2)＝d/r得到系统的视场角θ等于80°。根据科格尼克衍射理论，计算该非周期光栅的角带宽(本实施例中假设入射光线为单色光)，可得在光栅周期最小的位置对应的角带宽为2°，在光栅周期最大的位置对应的角带宽为8°。因为在出瞳位置需观察到整个视场的图像，在计算中需按照光栅周期最小的位置对应的角带宽进行计算。
以两层衍射结构的DIC器件为例，系统构成、光路及相关物理参数如下图所示。图9a中，从像点I出射的光线，衍射角2°范围内的光线可通过衍射传输至出瞳位置。如果观察的虚像成像在无穷远，即投影的实像位于衍射结构的前焦面，即物距等于30mm，对应布拉格入射角θ0为60°，即两条边缘光线与衍射光学元件平面的夹角分别为29°和31°。可计算单层光栅结构对应的出瞳尺寸即单个子出瞳的尺寸为：15/tan29°-15/tan31°＝2mm。(tan29°＝0.554，tan30°＝0.577，tan31°＝0.601，此处认为布拉格角度入射的光线即图中实线位于边缘光线的角平分线位置。入射位置偏移可能引起出射光线不是完美平行光，由于偏移微小，不会引起人眼感知)。图9b中的光线①为图9a中实线对应的光线。光线①入射在两层光栅结构上分别发生衍射，因为A点和B点光栅矢量相同，所以出射的光线②和③平行。假定衍射结构与基底总厚度d为2mm，材料折射率n＝1.5，根据光线传输几何关系可以算出两个子出瞳中心点即A点与C点之间的距离约为3mm，即扩展后的系统出瞳尺寸为5mm。
需要指出的是，相邻两层衍射结构及该相邻两层衍射结构之间基底的总厚度和折射率，以及预设的布拉格入射角的大小决定了每增加一层衍射结构可获得的出瞳扩展量。选择不同的设计参数，能够获得不同的系统出瞳尺寸，具体出瞳尺寸可根据实际需求进行设计。
如果采用前述相同的参数将DIC器件的衍射结构从2层增加为3层，则可再次获得3mm的出瞳扩展量，即将系统出瞳进一步扩展为8mm。
由此，可以推导出，若显示设备模组包括N层相互平行的衍射结构，衍射结构之间基底的厚度和折射率相同，单层衍射结构的出瞳尺寸为D，两层衍射结构的出瞳尺寸为D+K，则N层衍射结构的出瞳尺寸为：D+(N-1)K。
下面对上述DIC器件中的衍射结构的制作方法进行介绍，以包含两层VHG光栅的DIC器件为例。
首先介绍当近眼显示系统采用基于SLM器件的微投影引擎时，包含两层VHG光栅的DIC器件的制作方法。为实现VHG光栅离轴汇聚光线的功能，每层VHG光栅可通过汇聚球面波与特定倾斜角的平行光波在光致聚合物膜材上干涉曝光制作，请参阅图10a。两层VHG光栅需同时满足对于符合布拉格条件的入射光线，其在第二层VHG光栅和第一层VHG光栅的对应入射点处，光栅矢量相同。为满足该条件，一种可能的制作方法如下：
(1)确定VHG光栅与基底的厚度和折射率、布拉格入射角，以及出瞳距离等参数；
(2)固定两束干涉光波的空间位置，且在两层光栅的加工过程中一直保持不变，从而保证加工的各层光栅具有相同的视场角(孔径角)；
(3)裁剪好两层同样尺寸形状的体全息膜材，并准备好两块相同的基底材料。
(4)将第一层体全息膜材贴附在第一块基底的下表面，放置在两束干涉光波下曝光，得到第一层VHG光栅。此步骤需确保第一层体全息膜材的空间位置和空间姿态角需保证平行参考光波以布拉格角入射第一层体全息膜材，且汇聚球面物光波的汇聚焦点位置到第一层体全息膜材的距离为预设出瞳距离。
(5)将第二层体全息膜材贴附在第二块基底的上表面，放置在两束干涉光波下曝光，得到第二层VHG光栅。此步骤需确保第二层体全息膜材的空间姿态角与第一层体全息膜材完全相同，但在膜材平面的法线方向上相对第一层膜材上移基底厚度的位移。
(6)将第二层VHG光栅从第二块基底分离下来，在第一块基底上表面相对于第一层VHG光栅的贴附位置偏移特定的位移进行贴附，即可获得所需的由两层VHG光栅构成的DIC器件，对于满足布拉格条件的入射光线，其在第二层VHG光栅和第一层VHG光栅的对应入射点处，光栅矢量相同。前述贴附第二层VHG光栅时的具体偏移位移量，可根据布拉格入射角、光栅与基底的厚度和折射率等参数，利用几何光学中光线的折衍射定律，经过简单计算得出。
下面结合前述加工步骤进行进一步说明。请参阅图11,为本申请实施例中衍射结构的制作方法的另一个示意图。
在前述第(5)步，完成曝光后的第二层VHG光栅和第一层VHG光栅的空间位置关系如图11(a)所示，图中为了清晰呈现两者在曝光时的相对空间位置，将其放置在同一空间坐标系下。第一层VHG光栅对应于图11(a)中基底下表面较小的圆形灰色区域，第二层VHG光栅对应于图11(a)中基底上表面较大的圆形灰色区域，可以看出，相对于第一层VHG光栅，第二层VHG光栅的微纳衍射结构存在等比例放大。放大因子K与DIC器件的设计参数：孔径角θa、出瞳距离L(DIC器件到人眼瞳孔的距离)、两层体全息膜材及其间基底的厚度d和折射率n等有关，具体关系式如下：
Figure BDA0002341980510000131
其中，Δr可由下式计算获得：
Figure BDA0002341980510000132
在前述第(6)步，对于贴附在同一基底上、下表面上的两层VHG光栅，在满足布拉格条件的入射光线在两层光栅的对应入射点处，其光栅矢量需相等。为实现这一要求，第一层光栅的圆心O1需和第二层光栅的圆心Q2沿基底表面偏移距离s后进行贴附，如图11(b)所示。s的取值与布拉格角θo、两层体全息膜材及其间基底的厚度d和折射率n有关，具体关系式如下：
Figure BDA0002341980510000133
需要特别说明的是，因为第二层VHG光栅的微纳衍射结构与第一层相比，存在等比例的微小放大，所以布拉格入射光线在两层光栅的对应入射点处，两层光栅的光栅矢量相等并非数学意义上的严格相等，布拉格入射光线经两层光栅的重定向后变成两条平行光线出射DIC也并非数学意义上的严格平行，而是近似相等和人眼感知意义上的平行。
需要指出的是，前述制作过程只是获得包含两层VHG光栅的DIC器件的一种可行方法，并非唯一方法，其它制作方法此处不一一列举。
若衍射结构为SRG器件或超表面器件，则可根据光栅与基底的厚度和折射率，布拉格入射角、出瞳距离等参数，所要实现的离轴汇聚光线要求，以及对于满足布拉格条件的入射光线，其在第二层衍射结构和第一层衍射结构的对应入射点处，光栅矢量相同的要求，确定两层光栅矢量的空间分布，并通过刻蚀加工或者纳米压印技术进行加工，即可得到所需的两层衍射结构，具体加工过程此处不做详细介绍。
采用前述过程制作的包含两层衍射结构的DIC器件，以及基于SLM器件的微投影引擎的近眼显示系统的工作过程如下：
(1)微投影引擎内的SLM器件对入射相干光进行调制，经衍射产生实像，实像位于DIC器件的一倍焦距内。微投影引擎内除SLM器件外，还可包括必要的光束整形、空间滤波和光路导向器件，此处不做具体介绍。
(2)实像各像点光线继续向DIC器件投射，调整微投影引擎的投射角度，使投射光线入射至DIC器件的第一层衍射结构表面的角度位于布拉格域内。
(3)部分入射光线在第一层衍射结构内部发生衍射，衍射光线汇聚在第一子出瞳区域，若使用VHG器件，可通过由平行光波透过凸透镜产生的汇聚球面波与特定倾斜角的平行光波在光致聚合物膜材上干涉曝光的方法加工衍射结构，实现离轴汇聚光线的功能。
(4)部分入射光线透过第一层衍射结构继续传播，到达第二层光栅结构表面并发生衍射，衍射光线汇聚在第二子出瞳区域。第二子出瞳区域与第一子出瞳区域到DIC器件的距离相同，且两者在空间位置上可以邻接，也可以存在一定大小的空隙。但是为了保证人眼瞳孔在从一个子出瞳区域连续移动到另一个子出瞳区域的过程中不丢失图像视场，空隙的尺寸需小于人眼瞳孔的尺寸。综上，两层衍射结构的设计在保证系统视场角不受影响的前提下，对单层衍射结构的出瞳进行了复制，实现了系统出瞳尺寸的扩大。
需要说明的是，若近眼显示系统的微投影引擎基于非相干平面像源，则微投影引擎的显示平面即为实像面，该显示设备模组中的衍射结构的制作方法与SLM微投影引擎类似，具体此处不再赘述。
当近眼显示系统的微投影引擎基于LBS这种点扫描像源时，入射到DIC器件的图像光线是以激光源在MEMS扫描镜上的入射点为球心的球面光波，对应DIC器件的衍射结构的加工方法与前述对应面像源微投影引擎的DIC器件不同。下文介绍与LBS微投影引擎对应的DIC器件的加工过程，以包括两层VHG衍射结构的DIC器件为例进行说明。
为实现离轴汇聚光线的功能，可以采用一束汇聚球面波(由平行光波透过凸透镜产生)和一束发散球面波(由平行光波透过凹透镜产生)在体全息膜材的两侧以特定的倾斜角对光体全息膜材进行干涉曝光的方法加工制备，请参阅图10b。两层VHG光栅需同时满足对于符合布拉格条件的入射光线，其在第二层VHG光栅和第一层VHG光栅的对应入射点处，光栅矢量相同。为满足该条件，一种可能的制作方法如下：
(1)确定VHG光栅与基底的厚度和折射率、布拉格入射角，以及出瞳距离等参数；
(2)固定两束干涉光波的空间位置，且在两层光栅的加工过程中一直保持不变，从而保证加工的各层光栅具有相同的数值孔径；
(3)裁剪好两层同样尺寸形状的体全息膜材，并准备好两块相同的基底材料。
(4)将第一层体全息膜材贴附在第一块基底的下表面，放置在两束干涉光波下曝光，得到第一层VHG光栅。此步骤需确保第一层体全息膜材的空间位置和空间姿态角需保证平行参考光波以布拉格角入射第一层体全息膜材，且汇聚球面物光波的汇聚焦点位置到第一层体全息膜材的距离为预设出瞳距离。
(5)将第二层体全息膜材贴附在第二块基底的上表面，放置在两束干涉光波下曝光，得到第二层VHG光栅。此步骤需确保第二层体全息膜材的空间姿态角与第一层体全息膜材完全相同，但在膜材平面的垂直方向上相对第一层膜材上移基底厚度的位移。
(6)将第二层VHG光栅从第二块基底分离下来，在第一块基底上表面相对于第一层VHG光栅的贴附位置偏移特定的位移进行贴附，即可获得所需的由两层VHG光栅构成的DIC器件，对于满足布拉格条件的入射光线，其在第二层VHG光栅和第一层VHG光栅的对应入射点处，光栅矢量相同。前述贴附第二层VHG光栅时的具体偏移位移量，可根据布拉格入射角、光栅与基底的厚度和折射率等参数，利用几何光学中光线的折衍射定律，经过简单计算得出。
需要指出的是，前述制作过程只是获得包含两层VHG光栅的DIC器件的一种可行方法，并非唯一方法，其它制作方法此处不一一列举。
若衍射结构为SRG器件或超表面器件，则可根据光栅与基底的厚度和折射率，布拉格入射角、出瞳距离等参数，所要实现的离轴汇聚光线要求，以及对于满足布拉格条件的入射光线，其在第二层衍射结构和第一层衍射结构的对应入射点处，光栅矢量相同的要求，确定两层光栅矢量的空间分布，并通过刻蚀加工或者纳米压印技术进行加工，即可得到所需的两层衍射结构，具体加工过程此处不做详细介绍。
采用前述过程制作的包含两层衍射结构的DIC器件，以及基于LBS器件的微投影引擎的近眼显示系统的工作过程如下：加载图像信息的调制激光束经MEMS扫描镜重定向，在一个MEMS扫描周期内的光线传播路径，是以从侧面入射的球面光波的形式投射到DIC器件的，球面光波的球心为调试激光束在MEMS扫描镜上的入射点。经MEMS扫描镜重定向后射入DIC器件的各条入射光线，在第一层衍射结构的入射点处被衍射结构分割为两条光线，一条经衍射结构重定向汇聚到第一子出瞳位置，另外一条继续传播至第二层衍射结构，被该层衍射结构重定向汇聚到第二子出瞳位置。所以在第一子出瞳和第二子出瞳位置，人眼都可看到完整的图像。通过对两层衍射结构的设计，入射光线在第一层衍射结构的入射点处和第二层衍射结构的入射点处具备相同的光栅矢量，所以入射光线经两层衍射结构后出射DIC器件后的光线是平行的，经人眼汇聚后形成视网膜上的唯一对应点，因而即使第一子出瞳和第二子出瞳同时与人眼瞳孔存在重叠区域，也不会观察到串扰现象。为了保证人眼瞳孔在第一子出瞳和第二子出瞳之间连续移动时不存在图像视场丢失现象，两个子出瞳间的空隙尺寸应小于人眼瞳孔尺寸。满足前述要求后，两个子出瞳及其间空隙的总尺寸即为系统出瞳尺寸。
请参阅图12，为本申请实施例中光栅矢量与参考光、物光之间的关系示意图。下面对衍射结构加工过程中衍射效率的设计进行介绍。
为了保证投射到两层衍射结构的入射光经衍射后分别出射到两个子出瞳内的光线亮度尽量一致，需对两层衍射结构的衍射效率进行设计，适当降低第一层衍射结构的衍射效率，从而使入射光线到达第一层衍射结构后只有部分被衍射到第一子出瞳，剩余部分继续向第二层衍射结构传播，并在第二层衍射结构处被以最大衍射效率衍射到第二子出瞳。对于两层光栅，一种可能的衍射效率安排是第一层衍射结构的目标衍射效率50％，第二层衍射结构的目标衍射效率100％。如果采用三层衍射结构，则第一、二、三层衍射结构的目标衍射效率可以为30％，50％，100％。总之，对于多层衍射结构，可以通过对各层衍射结构的衍射效率的设计，使得人眼从各子出瞳看到的图像视场的明亮程度基本一致。具体每层衍射结构的衍射效率的具体数值此处不做限定。
衍射结构的衍射效率由参考光矢量Kr和参考光入射角度θr、物光矢量Ks和物光入射角度θs、光栅矢量K和光栅矢量角度φ、体全息膜材的折射率空间调制度和厚度、微投影引擎投射光线的入射角θi对布拉格参考角θr的偏离量等参数联合决定。
下面以VHG为例对衍射器件在加工时如何获得目标衍射效率进行说明。衍射光学元件基于布拉格衍射条件设计，衍射方程由科格尼克耦合光波原理描述。为参考光矢量Kr和参考光入射角度θr、物光矢量Ks和物光入射角度θs、光栅矢量K和光栅矢量角度φ间几何关系的图示，所述角度皆为所述物理量与z轴间的角度，z轴方向为光栅平面的法线方向。
当入射光满足布拉格条件时，即入射光矢量等于参考光矢量Kr时，光栅获得最大衍射效率，否则，衍射效率下降。具体的，相位失配因子描述为：
δ＝ΔθKsin(φ-θi)
Δθ是投射光线的入射角θi对布拉格参考角θr的偏离，光栅的耦合强度ν和布拉格失配参量ξ表示如下：
Figure BDA0002341980510000161
Figure BDA0002341980510000162
Δn是材料的折射率空间调制度，d是衍射薄膜材料的厚度。
反射式衍射光学元件的衍射效率计算公式：
Figure BDA0002341980510000163
根据上述关系式可对各层衍射光栅的目标衍射效率进行定制，使得各个子出瞳的光强一致，在用户瞳孔发生相对移动时，从不同子出瞳获取的图像的光线强度一致，可提升用户体验。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (18)

1.一种衍射图像叠加器，其特征在于，包括：第一衍射光学元件DOE和第二DOE，所述第一DOE平行于所述第二DOE；
所述第一DOE的第一入射点与所述第二DOE的第二入射点的光栅矢量相同，所述第一入射点用于将满足布拉格条件的入射光线转换为第一衍射光线和第一透射光线，所述第一透射光线入射所述第二入射点，所述第二入射点用于将所述第一透射光线转换为第二衍射光线。
2.根据权利要求1所述的衍射图像叠加器，其特征在于，
所述第一DOE设有第一光栅区域，所述第二DOE设有第二光栅区域，所述第一入射点位于所述第一光栅区域，所述第二入射点位于所述第二光栅区域，所述第一光栅区域用于将投射角度位于布拉格域内的第一平行入射光束转换为第一衍射光束和第一透射光束，所述第一衍射光束汇聚在第一聚焦点，所述第一透射光束入射至所述第二光栅区域，所述第二光栅区域用于将所述第一透射光束转换为第二衍射光束，所述第二衍射光束汇聚在第二聚焦点，所述第一聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离与所述第二聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离相等。
3.根据权利要求1或2所述的衍射图像叠加器，其特征在于，
所述入射光线与所述第一衍射光线位于所述第一DOE的同侧；或者，
所述入射光线与所述第一衍射光线位于所述第一DOE的异侧。
4.根据权利要求1或2所述的衍射图像叠加器，其特征在于，
所述第一DOE包括体全息光栅VHG、表面起伏光栅SRG、超表面或微透镜阵列；
所述第二DOE包括体全息光栅VHG、表面起伏光栅SRG、超表面或微透镜阵列。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的衍射图像叠加器，其特征在于，
所述衍射图像叠加器还包括平行于所述第二DOE的第三DOE，所述第二DOE位于所述第一DOE和所述第三DOE之间，所述第三DOE的第三入射点与所述第二入射点的光栅矢量相同，所述第二入射点还用于将所述第一透射光线转换为第二衍射光线和第二透射光线，所述第二透射光线入射所述第三入射点，所述第三光栅区域用于将所述第二透射光线转换为第三衍射光线。
6.根据权利要求5所述的衍射图像叠加器，其特征在于，
所述第三DOE设有第三光栅区域，所述第一光栅区域用于将投射角度位于布拉格域内的第一平行入射光束转换为第一衍射光束和第一透射光束，所述第一衍射光束汇聚在第一聚焦点，所述第一透射光束入射所述第二光栅区域，所述第二光栅区域用于将所述第一透射光束转换为第二衍射光束和第二透射光束，所述第二衍射光束汇聚在第二聚焦点，所述第二透射光束入射至所述第三光栅区域，所述第三光栅区域用于将所述第三透射光束转换为第三衍射光束，所述第三衍射光束衍射汇聚在第三聚焦点，所述第三聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离与所述第二聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离和所述第一聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离均相等。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的衍射图像叠加器，其特征在于，所述衍射图像叠加器还包括：
设置在所述第一DOE和所述第二DOE之间的基底，所述基底的上、下表面光学平行。
8.根据权利要求7所述的衍射图像叠加器，其特征在于，所述基底材料为光学透明材料，所述光学透明材料包括玻璃或光学塑料。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的衍射图像叠加器，其特征在于，
所述第一DOE的衍射效率低于所述第二DOE的衍射效率。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的衍射图像叠加器，其特征在于，所述第二DOE的衍射效率低于所述第三DOE的衍射效率。
11.一种显示设备模组，其特征在于，包括微型投影引擎和如权利要求1至10中任一项所述的衍射图像叠加器；
所述微投影引擎用于向所述衍射图像叠加器投射角度位于布拉格域内的入射光线；
所述第一衍射光线构成第一子出瞳，所述第二衍射光线构成第二子出瞳，所述显示设备模组的出瞳包括所述第一子出瞳和所述第二子出瞳。
12.根据权利要求11所述的显示设备模组，其特征在于，所述微投影引擎包括平面像源器件或点像源器件，所述平面像源器件包括空间光调制器SLM像源器件和非相干平面微像源，所述点像源器件包括激光束扫描LBS器件。
13.根据权利要求11或12所述的显示设备模组，其特征在于，所述显示设备模组还包括框架，所述框架用于固定所述微投影引擎和所述衍射图像叠加器。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的显示设备模组，其特征在于，所述显示设备模组还包括以下至少一个：通信装置、处理器获供电装置。
15.一种增强现实AR设备，其特征在于，包括如权利要求11至14中任一项所述的显示设备模组。
16.一种虚拟现实VR设备，其特征在于，包括如权利要求11至14中任一项所述的显示设备模组。
17.一种近眼显示设备，其特征在于，包括如权利要求11至14中任一项所述的显示设备模组。
18.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括左眼显示器和右眼显示器；
所述左眼显示器包括如权利要求1至10中任一所述的衍射图像叠加器；
所述右眼显示器包括如权利要求1至10中任一所述的衍射图像叠加器。
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