CN113534455B - 光学组件、显示系统及制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种光学元件的制造方法，包括：提供一透光介质，透光介质具有相互平行的第一表面和第二表面，第一感光膜/第一感光板位于第一表面上，第二感光膜/第二感光板位于第二表面上；利用激光器发射出激光；将激光分束成第一激光光束和第二激光光束；将第一激光光束分束成第三激光光束和第四激光光束；使第三激光光束汇聚到透光介质外的第一点，并在从第一点出射后入射到第一感光膜/第一感光板上；使第四激光光束汇聚到透光介质外的第二点，并在从第二点出射后入射到第一感光膜/第一感光板上；被汇聚到第一点的第三激光光束与被汇聚到第二点的第四激光光束在第一感光膜/第一感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得第一体全息光学元件。

Description

光学组件、显示系统及制造方法

技术领域

本公开大致涉及光学显示领域，尤其涉及一种光学组件、显示系统及制造方法。

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。

将上述VR、AR和MR技术与近眼显示结合的近眼VR、AR和MR显示技术是重要的新型显示技术，能够给人带来前所未有的视觉体验和人机交互感。近眼VR显示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或头盔。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，也叫做虚拟现实技术。

近眼显示装置通常构造为头盔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，同时结合SLAM技术实现空间感知定位，通过手势识别、语音识别、眼球跟踪等技术实现交互，是具有重要潜在商业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，虚拟现实显示装置呈现出爆炸性的发展，设备种类诸多。诸如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，国内的平行现实、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Magic Leap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、耐德佳、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显示或三维显示，但所实现的三维显示中存在辐辏调节冲突问题，即观看者的人眼聚焦和双目视轴汇聚不一致，导致视觉疲劳、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，最大的挑战之一在于开发出尺寸更小、更紧促的光学显示核心组件，实现无辐辏调节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。该方案的透镜组体积较大，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，本公开提供一种光学组件，包括：

光束生成器，配置成出射光锥分布的光束组；

透光介质，所述透光介质具有第一表面和第二表面，所述第一表面平行于第二表面；

第一光束合成器，位于所述透光介质的第一表面上；和

第二光束合成器，位于所述透光介质的第二表面上，

其中，所述第一光束合成器配置成可接收所述光锥分布的光束组，并改变其传播方向，使得其中至少一部分通过所述透光介质传播到所述第二光束合成器上；所述第二光束合成器配置成改变从所述第一光束合成器入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述第二光束合成器继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束，经过所述第一光束合成器和第二光束合成器改变方向后，离开所述第二光束合成器后汇聚于一点。

根据本发明的一个方面，所述光锥分布的光束组在所述第一光束合成器上形成的照射区域，与在所述第二光束合成器上形成的照射区域，二者成等比例。

根据本发明的一个方面，所述第一光束合成器和第二光束合成器在垂直于光轴方向的方向上不重叠，所述光锥分布的光束组的主方向垂直于所述第一光束合成器和第二光束合成器。

根据本发明的一个方面，所述光锥分布的光束组的边缘光线穿过所述第一光束合成器的延长线不经过所述第二光束合成器。

根据本发明的一个方面，所述第一光束合成器配置成使得从其出射的全部光束通过所述透光介质传播到所述第二光束合成器上。

根据本发明的一个方面，所述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第二光束合成器后所汇聚的所述一点为所述出瞳。

根据本发明的一个方面，所述光束生成器包括图像源和微机电系统，

其中所述图像源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的激光光束；微机电系统配置成可对所述激光光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，

其中所述激光光束为单色或三色激光光束。

根据本发明的一个方面，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、LED光源或OLED光源，发出发散照明光；

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组。

根据本发明的一个方面，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、LED光源或OLED光源，发出发散照明光；

透镜，配置成接收所述光源发出的发散照明光，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所述透镜后照射到其上的光进行调制。

根据本发明的一个方面，所述微机电系统包括MEMS振镜，所述图像源所产生的图像是通过所述MEMS振镜对来自于不同波长的激光器发出的携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的细光束扫描形成的，所述图像源包括多个不同波长的激光器、控制器和合束器，所述控制器与所述多个不同波长的激光器耦合，并控制所述多个不同波长的激光器发射出激光束，所述多个不同波长的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。

根据本发明的一个方面，所述合束器包括透镜组、以及分别与所述多个不同波长的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。

根据本发明的一个方面，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。

根据本发明的一个方面，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。

根据本发明的一个方面，所述第一光束合成器包括第一衍射光学元件，所述光锥分布的光束组入射到所述第一衍射光学元件的不同位置时均发生衍射，衍射光的传播方向改变并在所述透光介质内继续传播，并入射到所述第二光束合成器的不同位置；

所述第二光束合成器包括第二衍射光学元件，来自所述第一衍射光学元件的光束以不同方向传播到所述第二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第二衍射光学元件不同位置的不同方向衍射的光束均汇聚到自由空间中的所述一点。

根据本发明的一个方面，所述第一衍射光学元件和第二衍射光学元件独立地为体全息光学元件，所述第一衍射光学元件和第二衍射光学元件为以下组合中的一个：

所述第一衍射光学元件为透射式体全息光学元件，所述第二衍射光学元件为反射式体全息光学元件；

所述第一衍射光学元件为透射式体全息光学元件，所述第二衍射光学元件为透射式体全息光学元件；

所述第一衍射光学元件为反射式体全息光学元件，所述第二衍射光学元件为透射式体全息光学元件；和

所述第一衍射光学元件为反射式体全息光学元件，所述第二衍射光学元件为反射式体全息光学元件。

根据本发明的一个方面，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。

根据本发明的一个方面，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。

根据本发明的一个方面，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；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。

根据本发明的一个方面，所述体全息光学元件包括单个单色体全息光学元件，所述单个单色体全息光学元件仅对一个波长的激光发生衍射作用。

根据本发明的一个方面，所述第一衍射光学元件和第二衍射光学元件独立地为选自所述单个彩色体全息光学元件、所述准确对位并堆叠在一起且与激光器数目对应的多个单色体全息光学元件、所述准确对位并堆叠在一起且数目少于激光器数目的多个体全息光学元件、所述单个单色体全息光学元件中的一种。

本发明还涉及一种显示系统，包括如上所述的光学组件。

根据本发明的一个方面，所述显示系统是虚拟现实显示系统或增强现实显示系统。

根据本发明的一个方面，所述的显示系统还包括图像生成单元，配置成可生成待显示的图像，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。

根据本发明的一个方面，所述的显示系统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光学组件。

本发明还涉及如上所述的光学组件或如上所述的显示系统用于近眼显示的应用。

本发明还涉及一种光学系统的图像投射方法，包括：

步骤S81：生成光锥分布的光束组；

步骤S82：将所述光锥分布的光束组入射到位于透光介质的第一表面上的第一光束合成器，通过所述第一光束合成器改变入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度进入所述透光介质继续传播；

步骤S83：通过位于所述透光介质的第二表面上的第二光束合成器，改变在所述透光介质中传播并入射到所述第二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第二光束合成器继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述第二光束合成器后汇聚于一点，

其中所述第一表面平行于第二表面。

根据本发明的一个方面，所述光锥分布的光束组在所述第一光束合成器上形成的照射区域，与在所述第二光束合成器上形成的照射区域，二者成等比例。

根据本发明的一个方面，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第二光束合成器后所汇聚的所述一点为所述出瞳。

根据本发明的一个方面，所述光束生成器包括激光光源和微机电系统，

其中所述步骤S81包括：

步骤S811：利用一激光光源，出射携带有图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；

步骤S812：利用一微机电系统，对从所述激光光源出射的光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组。

根据本发明的一个方面，所述步骤S81包括：

利用一光源发出发散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、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组。

根据本发明的一个方面，所述步骤S81包括：

利用一光源发出发散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、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，在所述显示屏中载入图像，并根据所述图像对从所述透镜照射到其上的光进行调制。

根据本发明的一个方面，所述图像投射方法利用如上所述的光学组件或如上所述的显示系统实施。

本发明还涉及一种光学元件的制造方法，包括：

步骤S91：提供一透光介质，所述透光介质具有相互平行的第一表面和第二表面，第一感光膜/第一感光板位于所述第一表面上，第二感光膜/第二感光板位于所述第二表面上；

步骤S92：利用激光器发射出激光；

步骤S93：将所述激光分束成第一激光光束和第二激光光束；

步骤S94：将所述第一激光光束分束成第三激光光束和第四激光光束；

步骤S95：使所述第三激光光束汇聚到所述透光介质外的第一点，并在从所述第一点出射后入射到所述第一感光膜/第一感光板上；

步骤S96：使所述第四激光光束汇聚到所述透光介质外的第二点，并在从所述第二点出射后入射到所述第一感光膜/第一感光板上；

步骤S97：被汇聚到所述第一点的第三激光光束与被汇聚到所述第二点的第四激光光束在所述第一感光膜/第一感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得第一体全息光学元件。

根据本发明的一个方面，所述的方法还包括：

步骤S98：使所述第四激光光束穿过所述第一感光膜/第一感光板，进入所述透光介质内部，并入射到所述第二感光膜/第二感光板上；

步骤S99：使所述第二激光光束穿过所述第二感光膜/第二感光板后，汇聚到所述透光介质外的第三点；

步骤S100：穿过所述第一感光膜/第一感光板并进入所述透光介质内部的第四激光光束与被汇聚到所述第三点的第二激光光束在所述第二感光膜/第二感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得第二体全息光学元件。

根据本发明的一个方面，所述第一感光膜/第一感光板上设置有楔形棱镜，其中所述步骤S96包括：所述第四激光光束穿过所述楔形棱镜的一表面，以相对于所述第一感光膜/第一感光板的垂直轴向增大的角度入射到所述第一感光膜/第一感光板上。

根据本发明的一个方面，所述步骤S95包括：所述第三激光光束穿过所述楔形棱镜的与所述第一感光膜/第一感光板平行的表面，入射到所述第一感光膜/第一感光板。

根据本发明的一个方面，所述第一感光膜/第一感光板以及所述第二感光膜/第二感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S92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S97包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述第一感光膜/第一感光板的感光材料内部同时进行干涉曝光；

所述步骤S100包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述第二感光膜/第二感光板的感光材料内部同时进行干涉曝光。

根据本发明的一个方面，所述第一感光膜/第一感光板以及所述第二感光膜/第二感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S92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S97包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述第一感光膜/第一感光板的感光材料内部相继地进行多次干涉曝光；

所述步骤S100包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述第二感光膜/第二感光板的感光材料内部相继地进行多次干涉曝光。

根据本发明的一个方面，所述第一感光膜/第一感光板以及所述第二感光膜/第二感光板的感光材料为单色感光材料，所述步骤S92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S97包括：对应于所述激光器的波长，在所述第一感光膜/第一感光板的感光材料内部进行干涉曝光，获得与所述波长对应的第一体全息光学元件；

所述步骤S100包括：对应于所述激光器的波长，在所述第二感光膜/第二感光板的感光材料内部进行干涉曝光，获得与所述波长对应的第二体全息光学元件。

根据本发明的一个方面，所述的方法还包括：更换可对不同波长的光线进行曝光的第一感光膜/第一感光板以及第二感光膜/第二感光板，通过所述步骤S92、S93、S94、S95、S96、S97、S98、S99和S100，获得与所述不同波长对应的第一体全息光学元件和第二体全息光学元件。

根据本发明的一个方面，所述步骤S92包括：

由多个激光器发射出不同波长的激光光束；

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；和

对合束后的激光光束进行滤波和准直扩束。

根据本发明的一个方面，所述的方法还包括：

分别将所获得的第一体全息光学元件和第二体全息光学元件作为母版，进行复制。

本发明还涉及一种体全息光学元件，通过如上所述的方法制成。

根据本发明的一个方面，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。

本发明还涉及一种光学组件，包括：

光束生成器，配置成出射光锥分布的光束组；

透光介质，所述透光介质具有第一表面和第二表面，所述第一表面平行于第二表面；

第一光束合成器，包括根据如上所述的方法制造的第一体全息光学元件，其位于所述透光介质的第一表面上；和

第二光束合成器，包括根据如上所述的方法制造的第二体全息光学元件，其位于所述透光介质的第二表面上，

其中，所述第一光束合成器配置成可接收所述光锥分布的光束组，并改变其传播方向，使得其中至少一部分通过所述透光介质传播到所述第二光束合成器上；所述第二光束合成器配置成改变从所述第一光束合成器入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述第二光束合成器继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束，经过所述第一光束合成器和第二光束合成器改变方向后，离开所述第二光束合成器后汇聚于一点。

根据本发明的一个方面，所述光锥分布的光束组在所述第一光束合成器上形成的照射区域，与在所述第二光束合成器上形成的照射区域，二者成等比例。

根据本发明的一个方面，所述第一光束合成器和第二光束合成器在垂直于光轴方向的方向上不重叠，所述光锥分布的光束组的主方向垂直于所述第一光束合成器和第二光束合成器。

根据本发明的一个方面，所述光锥分布的光束组的边缘光线穿过所述第一光束合成器的延长线不经过所述第二光束合成器。

根据本发明的一个方面，所述第一光束合成器配置成使得从其出射的全部光束通过所述透光介质传播到所述第二光束合成器上。

根据本发明的一个方面，所述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第二光束合成器后所汇聚的所述一点为所述出瞳。

根据本发明的一个方面，所述光束生成器包括图像源和微机电系统，

其中所述图像源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的激光光束；微机电系统配置成可对所述激光光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，

其中所述激光光束为单色或三色激光光束。

根据本发明的一个方面，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、LED光源或OLED光源，发出发散照明光；

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组。

根据本发明的一个方面，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、LED光源或OLED光源，发出发散照明光；

透镜，配置成接收所述光源发出的发散照明光，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所述透镜后照射到其上的光进行调制。

根据本发明的一个方面，所述微机电系统包括MEMS振镜，所述图像源所产生的图像是通过所述MEMS振镜对来自于不同波长的激光器发出的携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的细光束扫描形成的，所述图像源包括多个不同波长的激光器、控制器和合束器，所述控制器与所述多个不同波长的激光器耦合，并控制所述多个不同波长的激光器发射出激光束，所述多个不同波长的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。

根据本发明的一个方面，所述合束器包括透镜组、以及分别与所述多个不同波长的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。

根据本发明的一个方面，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。

根据本发明的一个方面，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。

根据本发明的一个方面，所述第一体全息光学元件和所述第二体全息光学元件为以下组合中的一个：

所述第一体全息光学元件为透射式体全息光学元件，所述第二体全息光学元件为反射式体全息光学元件；

所述第一体全息光学元件为透射式体全息光学元件，所述第二体全息光学元件为透射式体全息光学元件；

所述第一体全息光学元件为反射式体全息光学元件，所述第二体全息光学元件为透射式体全息光学元件；和

所述第一体全息光学元件为反射式体全息光学元件，所述第二体全息光学元件为反射式体全息光学元件。

根据本发明的一个方面，所述第一体全息光学元件和第二体全息光学元件独立地为以下中的任一个：

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；

与所述多个激光器的数目对应的多个单色体全息光学元件，准确对位并堆叠在一起，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；

数目少于所述多个激光器的多个体全息光学元件，准确对位并堆叠在一起，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；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；

单个单色体全息光学元件，所述单个单色体全息光学元件仅对一个波长的激光发生衍射作用。

本发明还涉及一种显示系统，包括如上所述的光学组件。

根据本发明的一个方面，所述的显示系统还包括图像生成单元，配置成可生成待显示的图像，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。

本发明还涉及如上所述的光学组件或如上所述的显示系统用于近眼显示的应用。

本发明还涉及一种图像投射方法，采用如上所述的光学组件或如上所述的显示系统实施。

本公开针对传统视网膜成像技术中复杂的大体积光学组件的问题，通过透光介质与光束合成器的组合，实现了紧凑型显示模组和显示系统，在近眼AR和VR显示领域具有重要的商业应用价值。

另外，本公开通过组合设置两个同轴布置的光束合成器，使得投影图像经调制后形成等比例放大的图像并耦出直接成像于人眼的视网膜上，由此实现了同轴无畸变的增强现实显示，解决了因图像光的传播方向与光束合成器离轴布置而导致的图像梯形畸变问题。

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示出了根据本公开第一方面的一种光学组件；

图2示出了根据本公开第一方面的光学组件不产生图像畸变的原理示意图；

图3示出了根据本公开一个优选实施例的透射式/反射式光学组件，其中图3A～3C采用不同的光束生成器结构；

图4示出了根据本公开一个优选实施例的透射式/透射式光学组件；

图5示出了根据本公开一个优选实施例的反射式/透射式光学组件；

图6示出了根据本公开一个优选实施例的反射式/反射式光学组件；

图7示出了根据本公开一个优选实施例的体全息光学元件的结构；

图8示出了根据本公开第一方面的一种光学系统的图像投射方法；

图9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10示出了通过图9的制造方法制造光束合成器的光路示意图，其中第一光束合成器为透射式，第二光束合成器为反射式；

图11示出了通过图9的制造方法制造光束合成器的光路示意图，其中图11A中增设梯形截面的楔形棱镜，图11B中增设三角形截面的楔形棱镜。

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”、“竖直”、“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下方和斜下方，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它工艺的应用和/或其它材料的使用。

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光学组件(或称为“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，光学组件10包括光束生成器11、第一光束合成器12、透光介质13和第二光束合成器14。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。参见图1，光束生成器11生成发散角度为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。可替换地，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，光学组件10具有入瞳10-In和出瞳10-Out，所述光锥的顶点可以位于入瞳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。或者可替换地，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。或者可替换地，光束生成器11所发射出的为汇聚光束，汇聚点为入瞳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)、发散角度为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。

本领域技术人员容易理解，所述透光介质可以是透明的玻璃等固态形式的介质，也可以是空气。当透光介质为空气时，第一光束合成器12和第二光束合成器14的固定由外部的固定架构固定，保证其相对位置的准确性。后续介绍中，透光介质13以固体形态的透光材料来进行本公开内容的说明，关于空气作为透光介质的情况不再赘述。这些都在本公开的保护范围内。

透光介质13为分别与第一光束合成器12和第二光束合成器14连接的固态透光材料，其一部分表面的外部为自由空间(例如空气)。透光介质13中，光束从第一光束合成器12传播至第二光束合成器14，并经调制后离开透光介质，进入自由空间(例如空气)。透光介质13的折射率大于空气的折射率。

第一光束合成器12贴附在透光介质13的一个表面上，接收光束生成器11形成的光锥分布的光束组，改变光束的传播方向，使其以不同角度在透光介质13中传播。第二光束合成器14贴附在透光介质13的另一个表面上，接收经由第一光束合成器12改变方向并在透光介质13中传播的光束，再次改变光束的传播方向，使其以不同角度进入自由空间(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最终在自由空间(例如空气)中汇聚于一点，该汇聚点可为例如光学组件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，首先入射至第一光束合成器12，经第一光束合成器12调制后以不同的角度在透光介质13中传播并入射至第二光束合成器14，经第二光束合成器14调制后再次改变角度，经由透光介质13进入自由空间(例如空气)中继续传播，并最终汇聚于一点，即出瞳10-Out。

图1中，从第一光束合成器12出射的光束直接入射到所述第二光束合成器14上。本领域技术人员容易理解，从第一光束合成器12出射的光束在所述透光介质的表面上经过一次或多次全反射之后再入射到第二光束合成器14上也是可行的，同样落入本发明的保护范围内。

根据本公开，第一光束合成器12和第二光束合成器14为同轴布置。本申请中的术语“同轴”基本是指图像光的主传播方向与光束合成器的垂直轴向之间大致是平行的。图像光例如是光束生成器11出射的锥状的光束组，主传播方向例如为锥状光束组的中心线的方向。

根据本公开的一个优选实施例，透光介质13的贴附有第一光束合成器12的表面与贴附有第二光束合成器14的表面彼此平行。此外，根据本公开的一个优选实施例，第一光束合成器12与第二光束合成器14在垂直于光轴的方向上(图1中的水平方向)彼此不发生重叠。本申请中的术语“光轴(方向)”是指光束生成器形成的光锥的中心轴的方向，所提供的各附图中实际表示为垂直向上的方向。“光轴”的方向与主光线方向相同。所谓主光线方向就是指发散光中心光线的方向。由于本申请实施例中耦入的是近似发散球面波，耦出的是近似汇聚球面波，因此除中心的主光线方向是垂直于光束合成器外，其它光线都是不垂直的。总之，本申请中，图像光具有多个传播方向，其中“光轴的方向”与“主光线方向”、“图像光的主传播方向”含义相同。

另外根据本公开的一个优选实施例，第一光束合成器和第二光束合成器在垂直于光轴方向的最小间距应满足的条件是：入射到第一光束合成器上的边缘光线的延长线不落入第二光束合成器。否则，记录时会出现串扰的情况。也就是说，第一光束合成器和第二光束合成器记录的发散照明光和汇聚照明光不应该有重叠区域，如果有的话，这个重叠区域就会记录下干涉条纹，对显示时的结果产生串扰。另外，第一光束合成器12不位于离开第二光束合成器14的光束的光学路径上。

根据本公开，第一光束合成器12和第二光束合成器14的折射率均大于空气的折射率。在本公开中，对于第一光束合成器12、透光介质13和第二光束合成器14的折射率没有特别限制，只要其均大于空气的折射率，并且能够实现上述光束传播路线即可。根据本公开的一个优选实施例，第一光束合成器12和第二光束合成器14的折射率各自与透光介质13的折射率相同或者接近。根据本公开的一个优选实施例，第一光束合成器12和第二光束合成器14由同种材料制成，其折射率可相同；或由不同材料制成，其折射率可不同。所述光束合成器可以例如是感光膜，或者是在玻璃等透明透光介质上涂覆感光材料制成。

根据本公开的一个优选实施例，第一光束合成器12例如包括衍射光学元件。所述衍射光学元件贴附于透光介质13的一个表面，光束生成器11形成的光锥分布的光束组中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透光介质，进入透光介质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)均入射至第二光束合成器14的不同位置。

根据本公开的一个优选实施例，第二光束合成器14例如包括衍射光学元件。所述衍射光学元件贴附于透光介质13的另一个表面，经第一光束合成器12调制后以不同角度在透光介质中传播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。

所述衍射光学元件可为体全息光学元件，能够使得特定波长和特定方向的光发生衍射而其它波长和方向的光衍射效率会快速下降，具有一定的角度选择性和波长选择性。根据实际组件的配置不同，所述第一光束合成器和第二光束合成器包括透射式体全息光学元件和反射式体全息光学元件的任意组合。在后续描述中，除非特别声明，所述衍射光学元件指的是透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件。所述衍射光学元件例如为体全息光学元件，其既可为透射式的体全息光学元件，也可为反射式的体全息光学元件。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，例如以该光束组中的位于边界处的两条光束L1和L2为例，其分别入射到第一光束合成器12上(入射点例如为图1中的点A和点B处)。第一光束合成器12例如为透射式的体全息光学元件，其可使得入射至其上的光束无论入射方向或角度如何均能够发生衍射，衍射光束进入透光介质13内部继续传播，并分别入射到第二光束合成器14上(入射点例如为图1中的点C和点D处)。第二光束合成器14例如为反射式的体全息光学元件，其可使得入射至其上的光束无论入射方向或角度如何均能够发生衍射，衍射光束穿过透光介质13后汇聚于自由空间中的一点，例如图1中所示的光学组件10的出瞳10-Out。

图1中示出的是一种透射式的第一光束合成器12和反射式的第二光束合成器14的组合，其中来自光锥分布的光束组的入射光束与经过第一光束合成器12之后出射的光束分别位于第一光束合成器12的两侧，第一光束合成器12实施了类似透射式的光束调制；而来自透光介质的入射光束与经过第二光束合成器14之后出射的光束位于第二光束合成器14的同侧，第二光束合成器14实施了类似反射式的光束调制。相类似地，根据本公开的光学组件10还可以例如透射式的第一光束合成器12和透射式的第二光束合成器14的组合、反射式的第一光束合成器12和透射式的第二光束合成器14的组合以及反射式的第一光束合成器12和反射式的第二光束合成器14的组合来实施，其光学原理类似。

注意，本公开中的“汇聚于一点”、光学组件的“入瞳”和“出瞳”，既可以是空间中的一个点，也可以是空间中的一个区域。可形成该区域的本质原因在于所述体全息光学元件具有一定的角度选择性和波长选择性，即在所设计的波长和传播角度附近的波长和传播角度亦能够按照衍射关系发生衍射，当波长和传播角度远离所设计的波长和传播角度时，则衍射效率快速降低，当衍射效率降低到一定程度时可认为不发生衍射。在满足一定衍射效率的情况下，所对应的入瞳不再是一个点，而是一定的区域，从而所对应的出瞳不再是一个点，而是一个区域。

根据本公开的光学组件包括光束生成器、第一光束合成器、透光介质和第二光束合成器，能够有效地减小相关光学模组的厚度。尤其是在用于VR或AR眼镜的情况下，能够将整个模组的厚度做到厘米量级甚至毫米量级。在现有的VR或AR光学模组中，光束生成器需要布置在用户的头部的侧部，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得较大。而在本公开的光学组件中，通过设置两个光束合成器，可以无需考虑用户额头遮挡的问题，因此整体厚度可以做得较小。

此外，本公开的光学组件的另一个有利之处在于，其中的两个光束合成器为同轴布置，可以避免因图像光的传播方向与光束合成器离轴布置而导致的诸如图像畸变的缺陷。

在本公开的光学组件中，第一光束合成器与第二光束合成器所在平面是彼此平行的，光源发出的主光束垂直入射到第一光束合成器上，即图像光的传播方向与第一光束合成器和第二光束合成器为同轴布置。在此情况下，在第一光束合成器上形成的投射面与在第二光束合成器上形成的投射面也是彼此平行的。即，在第二光束合成器的投射面上形成的图像相对于在第一光束合成器的投射面上形成的图像，在三维维度上是等比例扩大的，不存在图像的部分拉伸，因此能够避免畸变问题。

为了能够更清晰地描述本公开的技术方案无图像畸变的情况，将图1中的成像过程在三维空间中进行说明。如图2所示，21例如为扫描振镜，其在第一光束合成器22上的扫描区域为一个矩形区域K1。P点为照明到第一光束合成器22上的光被第一光束合成器22衍射的边界光线的反向延长线的交点。K2为被第一光束合成器22衍射的边界光线在第二光束合成器23上形成的区域。由基本的投影关系可知，衍射光在第二光束合成器23上形成的区域K2仍为一个矩形区域，该区域的尺寸相对于第一光束合成器22上扫描形成的矩形区域K1等比例放大。由此可知，通过扫描振镜扫描的矩形区域被等比例地转移到了第二光束合成器23上，其仍然是矩形的，而不是存在拉伸的畸变图像，从而能够说明本公开相对于其它方案的优势。

图3A示出了根据本公开一个优选实施例的光学组件30。下面参考图3A详细描述。

图3A中的光学组件30同样包括第一光束合成器312、透光介质313和第二光束合成器314，与图1所示类似，此处不再赘述。如图3A所示，光束生成器311包括图像源316和微机电系统317，其中图像源316配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的激光光束L0，光束L0入射到微机电系统317，微机电系统317配置成可对光束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317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，形成所述光锥分布的光束组。

图3A中，图像源316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317(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(例如图3A中由L1和L2限定的光锥)。

根据本公开的一个优选实施例，所述光束生成器为细光束生成器，其图像源包括多个激光器、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、强度以及其它光学参数。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3A进行详细描述。

如图3A所示，图像源316包括激光器，例如图3A中示出了包括第一激光器301、第二激光器302以及第三激光器303，其中第一激光器301例如为红色激光器，第二激光器302例如为绿色激光器，第三激光器303例如为蓝色激光器，分别发出相应波长的激光光束。可选地，图像源316还包括第一透镜(或透镜组)304、第二透镜(或透镜组)305以及第三透镜(或透镜组)306，分别用于对光路上游的第一激光器301、第二激光器302以及第三激光器303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对应的透镜(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。可选地，对应于红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器，图像源316的合束器包括第一分光片307、第二分光片308和第三分光片309，分别用于合束红色、绿色和蓝色激光光束。以下以第一分光片307为例进行详细说明。第一分光片307设置在第一透镜304的光路下游，其例如是与第一激光器301发出的激光的波长对应的光学薄膜分片，可使得第一激光器301发射的红光被反射，红光以外波长的光被透射。类似地，第二分光片308使得第二激光器302发射的绿光被反射，绿光以外波长的光被透射；第三分光片309使得第三激光器303发射的蓝光被反射，蓝光以外波长的光被透射。红色激光被第一分光片307反射，入射到第二分光片308上并透射穿过第二分光片308，接着透射穿过第三分光片309。绿色激光被第二分光片308反射，入射到第三分光片309上并透射穿过第三分光片309。蓝色激光被第三分光片309反射。第一分光片307、第二分光片308、第三分光片309的反射路径设置成是相同的，如图3A所示，因此，从三个分光片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波长分量，那么第一激光器301和第二激光器302被控制器控制，发射出相应波长的激光束；而第三激光器303被控制器控制，不发出激光束。

另外，所述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，而对其它波段的光线则进行透射。

光束L0入射到MEMS振镜317(诸如光学扫描振镜)上。振镜中的反射镜在电磁力的作用下，在一定的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，位于光学组件30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317与第一光束合成器312和第二光束合成器314设置成使得：振镜在其扫描极限位置处所产生的光束(例如光束L1和L2)，均可以入射到第一光束合成器312上，并经由透光介质313中传播后入射到第二光束合成器314上。此处不再赘述。

另外，根据本公开的一个优选实施例，图像源316还可包括设置在透镜(或透镜组)304、305、306与光学薄膜分光片307、308、309之间的光阑、波片、偏振片、衰减片中的一个或多个(未示出)。图像源316还可以包括与所述透镜(或透镜组)耦合的微电机(未示出)，所述微电机可调节所述透镜(或透镜组)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301、第二激光器302和第三激光器303所发射的激光光束的波长和强度，例如对应于图片或者图案的一个像素的RGB三种波长的分量，分别透射出相应波长的激光束，然后再进行合束。

本领域技术人员容易理解，图3A中示意性地示出了图像源316包括红色、绿色、蓝色的三个激光器，但本公开的保护范围并不限于此。例如，图像源316可以包括更多数目或者更少数目的激光器，并且激光器的波长可以根据需要而随意选择。例如，图像源316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。

在图3A的实施方案中，光束生成器311还包括反射镜310。在此情况下，光束L0首先入射至反射镜310，然后再由反射镜310反射至微机电系统317。这样的布置有利于进一步降低整个光学模组的厚度。

图3B示出了根据本公开另一个实施例的光学组件30。如图3B所示，光学组件30中包括第一光束合成器312、透光介质313和第二光束合成器314，与图1和图3A中所述相同，此处不再赘述。图3B中，光学组件30还包括光束生成器311，光束生成器311例如包括顺序排列的光源3111、透镜3112和显示屏3113。其中，光源3111例如为单色的激光光源，或者为多色的激光光源(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3113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3111发射的光入射到透镜3112上，经透镜3112进行调制，汇聚到入瞳10-In的位置，从而形成了所述光锥状的光束组。显示屏3113例如可以是DMD、LCoS和LCD中的一个或多个，设置在透镜3112和入瞳10-In之间。显示屏3113本身可以载入图像，并根据载入图像的颜色和/或亮度的信息，对从透镜3112照射到其上的光进行调制。因此，经过显示屏3113出射的光束组不但汇聚到入瞳10-In，而且携带了不同图像像素的颜色信息和/或亮度信息。

或者可替换地，如图3C所示，可以将显示屏3113(诸如DMD、LCoS、LCD中的一个或多个)设置在光源3111与透镜3112之间，光源3111发射的光直接照射到显示屏3113上，显示屏3113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3112，汇聚到入瞳10-In的位置，进而形成了所述光锥分布的光束组。此处不再赘述。

可替换地，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3C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，无需透镜3112，亦可实现相同的效果。

图3示出的实施例采用了透射式的第一光束合成器和反射式的第二光束合成器的组合。图4至6分别示出了采用透射式的第一光束合成器和透射式的第二光束合成器的组合、反射式的第一光束合成器和透射式的第二光束合成器的组合以及反射式的第一光束合成器和反射式的第二光束合成器的组合的实施例。

如前所述，第一光束合成器12和第二光束合成器14例如各自包括衍射光学元件，其例如为体全息光学元件，既可以为透射式体全息光学元件，也可以为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所发出的相应波长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、蓝色的激光均敏感的单张彩色体全息光学薄膜用于图3A实施例的光学组件时，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，汇聚于透光介质外的一点。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波长的激光曝光，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并堆叠一起，设置方式简单。

或者可替换地，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。例如，当将对红色、绿色和蓝色激光敏感的三张单色体全息光学薄膜用于图3A实施例的光学组件时，所述对红色激光敏感的单色体全息光学薄膜仅对红色激光发生衍射而对其它波长激光不发生衍射，使得以不同角度入射到其上的红色激光光束经过该薄膜的衍射调制之后，以不同角度继续传播(在第一光束合成器的衍射作用下，进入透光介质继续传播；在第二光束合成器的衍射作用下，进入自由空间继续传播)。所述对绿色激光敏感的单色体全息光学薄膜和所述对蓝色激光敏感的单色体全息光学薄膜与上述对红色激光敏感的单色体全息光学薄膜对对应波长光波的衍射情况类似。本领域技术人员容易理解，如果光源中包括了更多波长的激光器，那么所述光束合成器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时的对位精度要求较高。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模激光器，或者对应波长的LED或OLED光源。在使用时，将包括对红色、绿色和蓝色激光敏感的三张单色体全息光学薄膜的第一光束合成器和/或第二光束合成器直接贴附在透光介质的相应表面上，即可实现对入射到其上的各种波长光束的衍射调制效果。

或者可替换地，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余下的其中一个的激光曝光得到。例如在上述采用对红色、绿色和蓝色激光敏感的三张单色体全息光学薄膜的实施例的基础上，采用一张同时对红色和绿色敏感的体全息光学薄膜，来代替所述对红色激光敏感的单色体全息光学薄膜和所述对绿色激光敏感的单色体全息光学薄膜。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，来代替所述对绿色激光敏感的单色体全息光学薄膜和所述对蓝色激光敏感的单色体全息光学薄膜；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，来代替所述对红色激光敏感的单色体全息光学薄膜和所述对蓝色激光敏感的单色体全息光学薄膜。这些都在本公开的保护范围内。相对于上述全部采用单色体全息光学元件的实施例的设置方式，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。

需要说明的是，所述第一光束合成器和所述第二光束合成器所包括的衍射光学元件的结构和形态，可以从以上各实施例所描述的不同方式(例如，单个彩色体全息光学元件，或与激光器数目对应的多个单色体全息光学元件，或数目少于激光器数目的多个体全息光学元件，或单个单色体全息光学元件)中独立地选择，两者可以相同或不同。这些都在本公开的保护范围内。

在本公开的一个优选实施例中，如图7所示，第一光束合成器72包括三张单色体全息光学薄膜，分别为第一体全息光学薄膜721(对红色敏感)、第二体全息光学薄膜722(对绿色敏感)和第三体全息光学薄膜723(对蓝色敏感)，分别对不同波长的光束进行衍射调制。第二光束合成器74包括三张单色体全息光学薄膜，分别为第四体全息光学薄膜741(对红色敏感)、第五体全息光学薄膜742(对绿色敏感)和第六体全息光学薄膜743(对蓝色敏感)，分别对不同波长的光束进行衍射调制。以红色分量的第一体全息光学薄膜721和第四体全息光学薄膜741为例进行说明，其仅对红色激光发生衍射而对其它波长激光不发生衍射，使得以不同角度入射到其上的红色激光光束，经第一体全息光学薄膜721的衍射调制后，以不同角度进入透光介质73继续传播，并经第四体全息光学薄膜741的衍射调制后，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出瞳位置处。类似地，绿色分量的第二体全息光学薄膜722和第五体全息光学薄膜742仅对绿色激光发生衍射而对其它波长激光不发生衍射，使得以不同角度入射到其上的绿色激光光束，经第二体全息光学薄膜722的衍射调制后，以不同角度进入透光介质73继续传播，并经第五体全息光学薄膜742的衍射调制后，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位置处。同样类似地，蓝色分量的第三体全息光学薄膜723和第六体全息光学薄膜743仅对蓝色激光发生衍射而对其它波长激光不发生衍射，使得以不同角度入射到其上的蓝色激光光束，经第三体全息光学薄膜723的衍射调制后，以不同角度进入透光介质73继续传播，并经第六体全息光学薄膜743的衍射调制后，以不同角度自由空间继续传播，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位置处。

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。

上述图3至6中分别示出了所述第一光束合成器采用反射式或透射式体全息光学元件以及所述第二光束合成器采用反射式或透射式体全息光学元件的技术方案。本领域技术人员容易理解，这些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。

本公开的第一方面还涉及一种显示系统，包括如上所述的光学组件。所述显示系统例如为虚拟现实显示系统或增强现实显示系统。

根据本公开的一个实施例，所述显示系统还包括图像生成单元，配置成可生成待显示的图像，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。

所述图像生成单元例如用于生成需要给用户呈现的图像。所述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。所述显示系统通过所述光学组件向用户的眼中(例如视网膜上)投射该像素的光束，从而在用户的眼中成像。优选地，所述显示系统包括两套所述光学组件，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。因为本公开的方法为视网膜成像，因此对于双目视差的三维显示而言，其图像景深很大，无辐辏调节冲突问题。

本公开的第一方面还涉及一种光学系统的图像投射方法80。如图8所示，图像投射方法80包括：

步骤S81：生成光锥分布的光束组；

步骤S82：将所述光锥分布的光束组入射到位于透光介质的一个表面上的第一光束合成器，通过所述第一光束合成器改变入射到所述第一光束合成器上的光束的传播方向，使其以不同角度进入所述透光介质继续传播；

步骤S83：通过位于所述透光介质的另一平行表面上的第二光束合成器，改变在所述透光介质中传播并入射到所述第二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第二光束合成器继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述第二光束合成器后汇聚于一点。

所述方法80例如可通过上述光学组件来实施，或者通过具有上述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第二光束合成器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，如图3A所示地，其中所述步骤S81包括：

S811：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；

S812：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3C所示地，其中所述步骤S81包括：

S813：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；

S814：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；

S815：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组。

根据本公开的一个优选实施例，如图3B所示，其中所述步骤S81包括：

S816：利用一光源发出照明光，照射到一透镜上，经所述透镜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；

S817：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，对从所述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系统可以做成两套，分别为人的左眼和右眼提供图像，若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，所述显示系统实现的显示技术为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。

此外，本公开的光学组件中的光束合成器是出于例如避免因图像光的传播方向与光束合成器离轴布置而导致的诸如图像畸变的缺陷而构思和设计的。

应当理解，前述的各种示例性的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它方式也是可行的，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光学组件，其中包括第一光束合成器、透光介质和第二光束合成器，第一光束合成器和第二光束合成器分别贴附在透光介质的两个平行表面上，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在离开第二光束合成器后继续传播并汇聚到一点上。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所述光束合成器。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的光学组件的光束合成器或者体全息光学元件。

本公开的第二方面涉及一种光学元件的制造方法，如图9和图10所示。

图9示出了根据本公开第二方面的光学元件的制造方法90。图10示出了通过制造方法90制造第一光束合成器和第二光束合成器的光路示意图。下面结合图9和图10详细描述。

如图9所示，制造方法90包括：

步骤S91：提供透光介质，所述透光介质具有两个彼此平行的表面，在所述表面上分别贴附第一感光膜/感光板和第二感光膜/感光板。

如图10所示，透光介质1024具有上下两个彼此平行的表面，其中下表面贴附有第一感光膜/感光板1018，而上表面贴附有第二感光膜/感光板1022。第二感光膜/感光板1022的宽度例如大于第一感光膜/感光板1018。透光介质1024例如可以与图1至7中所示的透光介质相同，或者具有至少部分相同的光学和/或几何参数。

步骤S92：利用激光器发射出激光。

图10示出三个激光器1001、1002和1003，例如分别为红光激光器1003、绿光激光器1002和蓝光激光器1001。本领域技术人员容易理解，图10中示出的三个激光器仅是示意性的，其数目、波长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1001、1002和1003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1004、第二分光片1005和第三分光片1006。以下以第一分光片1004为例来详细说明。第一分光片1004设置在激光器1001的光路下游，其例如是与激光器1001发出的蓝色激光的波长对应的光学薄膜分光片，可使得激光器1001发射的蓝光被反射，而蓝光以外波长的光被透射。类似地，第二分光片1005位于激光器1002光路下游，使得激光器1002发射的绿光被反射，绿光以外波长的光被透射；第三分光片1006位于激光器1003的光路下游，使得激光器1003发射的红光被反射，红光以外波长的光被透射。第一分光片1004、第二分光片1005和第三分光片1006的反射路径设置成是相同的，如图10所示，由此从三个分光片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10所示，使合束后的激光光束入射到显微物镜与针孔滤波器1007，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1008。其中，针孔滤波器1007位于准直透镜1008的焦平面，由此从针孔滤波器1007发出的光波经过准直透镜1008后转换为高质量平面波的激光束L10。

步骤S93：将所述激光分束成第一激光光束和第二激光光束。

如图10所示，例如可通过第一分光镜1009来进行分束，第一分光镜1009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。

步骤S94：将所述第一激光光束分束成第三激光光束和第四激光光束。

如图10所示，例如可通过第二分光镜1011来进行分束，第二分光镜1011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，分成第三激光光束L31和第四激光光束L32，且第三激光光束L31和第四激光光束L32来源于同一激光束，因而具有较强的相干性。

根据本公开的一个优选实施例，分束前对第一激光光束L11进行缩束。如图10所示，由于第一感光膜/感光板1018宽度小于第二感光膜/感光板1022，因此可在第一激光光束L11入射至第一感光膜/感光板1018前对其适当缩束，以更好地匹配第一感光膜/感光板1018的尺寸。所述缩束可例如通过光阑1010来实现，使用光阑1010进行遮挡，仅让一定尺寸的光斑通过该光阑，由此得到经缩束的激光光束L30。激光光束L30通过第二分光镜1011分成第三激光光束L31和第四激光光束L32。

步骤S95：使所述第三激光光束汇聚到所述透光介质外的第一点，并在从所述第一点出射后入射到所述第一感光膜/感光板上。

如图10所示，第三激光光束L31经第一透镜1012后汇聚到第一点1013，例如第一透镜1012的焦点或者焦平面上的一点，形成锥形光束，并入射到第一感光膜/感光板1018上。第一透镜1012仅是使得第三激光光束L31汇聚到第一点1013的一种实现方式，本公开的保护范围不限于此，可以构思出其它的方式将第三激光光束L31汇聚到第一点1013。

步骤S96：使所述第四激光光束汇聚到所述透光介质外的第二点，并在从所述第二点出射后入射到所述第一感光膜/感光板上。

如图10所示，第四激光光束L32经过第一反射镜1014、第二反射镜1015和第二透镜1016后汇聚到第二点1017，例如第二透镜1016的焦点或焦平面上一点，形成锥形光束并入射到第一感光膜/感光板1018上。第一反射镜1014、第二反射镜1015和第二透镜1016仅是使得第四激光光束L32汇聚到第二点1017的一种实现方式，本公开的保护范围不限于此，可以构思出其它的方式将第四激光光束L32汇聚到第二点1017。

步骤S97：被汇聚到所述第一点的第三激光光束与被汇聚到所述第二点的第四激光光束在所述第一感光膜/感光板的感光材料内部产生干涉曝光，经过后续处理即可获得第一体全息光学元件。

如图10所示，被汇聚到第一点1013的第三激光光束为信号光，被汇聚到第二点1017的第四激光光束为参考光，所述信号光与参考光在第一感光膜/感光板1018的内部发生干涉曝光，从而获得第一体全息光学元件。

步骤S98：使所述第四激光光束穿过所述第一感光膜/感光板，进入所述透光介质内部，并入射到所述第二感光膜/感光板上。

如图10所示，入射到第一感光膜/感光板1018上的第四激光光束L32穿过第一感光膜/感光板1018，进入透光介质1024内部继续传播，并入射到第二感光膜/感光板1022上。

步骤S99：使所述第二激光光束穿过所述第二感光膜/感光板后，汇聚到所述透光介质外的第三点。

如图10所示，第二激光光束L22经过第三反射镜1019、第四反射镜1020和第三透镜1021后汇聚到第三点1023。本领域技术人员容易理解，第三点1023未必是第三透镜1021的焦点或者位于焦平面上，因为第二激光光束L22在穿过第二感光膜/感光板1022和/或透光介质1024时可能会发生折射，因此汇聚的第三点1023可能位于第三透镜1021的焦点或者焦平面的前方或后方。此外，本领域技术人员容易理解，第三反射镜1019、第四反射镜1020和第三透镜1021仅是使得第二激光光束L22汇聚到第三点1023的一种实现方式，本公开的保护范围不限于此，可构思出其它的方式将第二激光光束L22汇聚到第三点1023。

步骤S100：穿过所述第一感光膜/感光板并进入所述透光介质内部的第四激光光束与被汇聚到所述第三点的第二激光光束在所述第二感光膜/感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得第二体全息光学元件。

如图10所示，穿过第一感光膜/感光板1018并进入到透光介质1024内部的第四激光光束L32为信号光，被汇聚到第三点1023的第二激光光束L22为参考光，信号光与参考光在第二感光膜/感光板1022的内部发生干涉曝光，经过后续处理即可获得第二体全息光学元件。

本领域技术人员容易理解，在上述制作光路中，多个激光器先合束再扩束之后进行分光用于曝光。然而，亦可对多个激光器发出的光先扩束，然后通过反射镜和合束分光片合束形成混色的平面波用于后续的曝光，两种实现方式对于本领域技术人员而言是显而易见的，也应视为本公开的保护范围之内。

在图10所示的实施例中，第四激光光束L32在汇聚到第二点1017之后，以锥形光束呈一定角度倾斜入射到第一感光膜/感光板1018上。实际操作中，可能存在因倾斜的角度较大而难于实施的情况。为便于描述和说明，此处引入参数“夹角α”，如图10中所示，其定义为第四激光光束在汇聚到透光介质外的第二点后所形成的锥形光束的主光线方向与第一感光膜/感光板的垂直轴向之间所成的角度。

根据本公开的一个优选实施例，当夹角α较大而难于实施时，参见图11A，可在图10方案的基础上，在第一感光膜/感光板1018下方增设楔形棱镜111。楔形棱镜111的纵截面为梯形或类似形状，第四激光光束L32先后穿过楔形棱镜111的侧表面S1113和下表面S1112后，入射到第一感光膜/感光板1018上。由于楔形棱镜111的侧表面S1113设置为一斜面，第四激光光束L32在穿过该表面时会发生折射，由此允许第四激光光束L32以相对减小的夹角α实施入射。另一方面，第三激光光束L31先后穿过楔形棱镜111的上表面S1111和下表面S1112后入射到第一感光膜/感光板1018上，其上表面S1111和下表面S1112均设置为与第一感光膜/感光板1018平行，以确保第三激光光束L31在穿过楔形棱镜111时光路不受影响。

根据本公开的一个优选实施例，当将第一感光膜/感光板1018制作为反射式体全息光学元件(例如图5和图6所示)时，可在第一感光膜/感光板1018的上方增设楔形棱镜112，由此减小第四激光光束L32入射到第一感光膜/感光板1018上时与其垂直轴向的夹角α。此处，更优选地，可设置楔形棱镜112的纵截面为三角形，如图11B所示，其中侧表面S1122设置为一斜面，以使得第四激光光束L32在穿过该表面时发生折射；而下表面S1121则设置为与第一感光膜/感光板1018平行，由此确保第三激光光束L31的光路不受影响。与纵截面为梯形的情况相比，当所述楔形棱镜的纵截面为三角形时，具有例如易于加工而节约成本以及方便实际操作的优点。

换言之，若将不使用楔形棱镜而直接入射到第一感光膜/感光板的角度设为α1(其较大时入射方向过于“扁平”而难以实施)，则通过设置楔形棱镜，只需要考虑使第四激光光束以减小的角度α2(其入射方向变得“竖直”而较易实施)入射到楔形棱镜即可，其经所述楔形棱镜折射后可以同样的角度α1入射到第一感光膜/感光板。

根据本公开的一个优选实施例，所述步骤S97和所述步骤S100同时进行。即，将第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022同时曝光。

第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022经曝光后，可用在本公开第一方面的光学组件中，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S92中激光器所发出的激光的波长与显示时的对应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10中的红光激光器1003与图3A中的第一激光器301的波长相同或相近，图10中的绿光激光器1002与图3A中的第二激光器302的波长相同或相近，图10中的蓝光激光器1001与图3A中的第三激光器303的波长相同或相近。本领域技术人员可理解，当使用LCoS或DMD作为显示器件实现本发明的显示方案时，所实现的彩色显示为时序彩色显示，使用的红、绿、蓝LED或OLED的波长范围应包含在第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022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光显示时通过第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022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作为显示器件来实现本发明的显示方案时，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LED或OLED进行照明，经滤色片后的光携带图像的颜色和强度信息，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一定的波长选择，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S97和S100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。

经曝光的第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022可用作根据本公开第一方面的光学组件中的第一光束合成器和第二光束合成器，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。当用在所述光学组件中时，用作显示光源的激光器可为低相干性的多模激光器，或者对应波长的LED或OLED光源,或者白光LED或OLED。

本领域技术人员容易理解，当第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022用于本公开第一方面的光学组件时，光学组件中的透光介质可与制作第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022时所用的透光介质1024完全相同，点1013例如对应于光学组件的入瞳，从而确保光锥状的光束在进入透光介质后入射到第二光束合成器上，能够被衍射调制后汇聚到光学组件的出瞳。可替换地，所述光学组件中的透光介质可与制作第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022时所用的透光介质1024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透光材料后，入射到第二光束合成器上不同位置的照射方向与制作第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022时入射到第二感光膜/感光板1022上的方向相同或相近，能够被衍射调制后汇聚到光学组件的出瞳。为此，用于记录的透光介质的物理参数与用于显示的透光介质的物理参数可以不同。例如所述光学组件中的透光介质可配置成使得：入射到其上贴附的第二光束合成器上每一点的光束的角度，与制作第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022时在透光介质1024内部传播并入射到第二感光膜/感光板1022上该点的光束的角度，二者相同。由此确保所述光学组件中的透光介质与第一光束合成器和第二光束合成器能够对入射的光束进行合理的调制。

根据本公开的一个优选实施例，第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022上的感光材料为全彩感光材料。步骤S92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；步骤S97和S100各自包括：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。

根据本公开的一个替换实施例，第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022上的感光材料为全彩感光材料。步骤S92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；步骤S97和S100各自包括：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10所示的光路图中，首先通过蓝光激光器1001发射蓝光激光光束，在第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022上的感光材料中进行一次曝光；然后，使得绿光激光器1002发射绿光激光光束，在第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022上的感光材料中进行一次曝光；然后，再使得红光激光器1003发射红光激光光束，在第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022上的感光材料中再进行一次曝光。经过上述三次曝光，也可以形成全彩色的体全息光学元件。

根据本公开的一个可选实施例，第一感光膜/感光板1018和第二感光膜/感光板1022上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，步骤S92包括：利用激光器发出与单色感光材料对应波长的激光光束并出射；步骤S97和S100各自包括：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/感光板，通过前述的步骤S92至S100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/感光板，通过蓝光激光器发射激光并进行曝光，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，也可将其准确对位并堆叠起来，用作本公开第一方面的光学组件中的光束合成器。

图10所示的光路图中，最终形成的体全息光学元件为透射式的第一体全息光学元件和反射式的第二体全息光学元件的组合。本公开的制造方法90还可用于形成透射式的第一体全息光学元件和透射式的第二体全息光学元件的组合(对应于图4)、反射式的第一体全息光学元件和透射式的第二体全息光学元件的组合(对应于图5)、反射式的第一体全息光学元件和反射式的第二体全息光学元件的组合(对应于图6)，其在原理上是相通的。

另外，本领域技术人员能够理解，在上述制造过程中可以在所述光束生成器与所述第一光束合成器之间设置凹透镜，并在显示时使用同样的凹透镜，由此能够在MEMS振镜扫描角度较小的情况下扩大视场角，这些改变也在本公开的保护范围内。

另外，本领域技术人员能够理解，由于存在介质表面折射，图10中出射第四激光光束的第二点1017与图2中的P点实际上并非同一点，其关系如下：第二点1017为汇聚到P点的光线在第一光束合成器与自由空间的表面处发生折射后所汇聚的等效点；即，点1017发射的光线传播到第一光束合成器与自由空间的表面处经折射后的反向延长线的交点为P点。在上文所述实施例中，为了简化描述及绘图，未示出在第一光束合成器与自由空间之间折射的过程。

另外，本领域技术人员能够理解，在上述制造过程中，使用楔形棱镜将光耦入到透光介质中的角度可以满足在透光介质的一个与空气接触的表面发生全反射的条件或不满足在透光介质的一个与空气接触的表面发生全反射的条件。在满足全反射的条件下时，为了保证第二光束合成器具有一定的尺寸，透光介质的厚度可以做得更小。另外，在满足全反射条件时，耦入透光介质中的光可在透光介质与空气的表面发生一次或若干次全反射后入射到第二光束合成器上，从而能够实现更薄的透光介质的要求。本领域技术人员能够理解，当使用经一次或多次全反射后到达第二光束合成器上的方案时，第二光束合成器的制作过程中也要将全反射的情况考虑在内进行曝光制作。这些都应在本公开的保护范围之内。

本公开的第二方面还涉及一种通过上述方法90制造的体全息光学元件，其中第一体全息光学元件和第二体全息光学元件各自独立地为透射式的体全息光学元件或反射式的体全息光学元件。

本公开的第二方面还涉及一种光学组件，包括通过上述方法90制造的第一光束合成器和第二光束合成器，其余内容与本公开第一方面的光学组件相同。

本公开第二方面的光学组件的结构例如如图1至7所示，因此本公开第一方面的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光学组件，此处不再赘述。

本公开的第二方面还涉及一种显示系统，包括如上所述的光学组件。所述显示系统例如为虚拟现实显示系统或增强现实显示系统。

根据本公开的优选实施例，所述显示系统还包括图像生成单元，配置成可生成待显示的图像，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波长信息和/或亮度信息。

根据本公开的又一个方面，本公开还涉及如上所述的光学组件和显示系统以及通过如上所述的方法制造的光学组件和显示系统在近眼显示中的应用。

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是强制性的。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 (31)

1.一种光学元件的制造方法，包括：

步骤S91：提供一透光介质，所述透光介质具有相互平行的第一表面和第二表面，第一感光膜/第一感光板位于所述第一表面上，第二感光膜/第二感光板位于所述第二表面上；

步骤S92：利用激光器发射出激光；

步骤S93：将所述激光分束成第一激光光束和第二激光光束；

步骤S94：将所述第一激光光束分束成第三激光光束和第四激光光束；

步骤S95：使所述第三激光光束汇聚到所述透光介质外的第一点，并在从所述第一点出射后入射到所述第一感光膜/第一感光板上；

步骤S96：使所述第四激光光束汇聚到所述透光介质外的第二点，并在从所述第二点出射后入射到所述第一感光膜/第一感光板上；

步骤S97：被汇聚到所述第一点的第三激光光束与被汇聚到所述第二点的第四激光光束在所述第一感光膜/第一感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得第一体全息光学元件。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

步骤S98：使所述第四激光光束穿过所述第一感光膜/第一感光板，进入所述透光介质内部，并入射到所述第二感光膜/第二感光板上；

步骤S99：使所述第二激光光束穿过所述第二感光膜/第二感光板后，汇聚到所述透光介质外的第三点；

步骤S100：穿过所述第一感光膜/第一感光板并进入所述透光介质内部的第四激光光束与被汇聚到所述第三点的第二激光光束在所述第二感光膜/第二感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得第二体全息光学元件。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一感光膜/第一感光板上设置有楔形棱镜，其中所述步骤S96包括：所述第四激光光束穿过所述楔形棱镜的一表面，以相对于所述第一感光膜/第一感光板的垂直轴向增大的角度入射到所述第一感光膜/第一感光板上。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述步骤S95包括：所述第三激光光束穿过所述楔形棱镜的与所述第一感光膜/第一感光板平行的表面，入射到所述第一感光膜/第一感光板。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一感光膜/第一感光板以及所述第二感光膜/第二感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S92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S97包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述第一感光膜/第一感光板的感光材料内部同时进行干涉曝光；

所述步骤S100包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述第二感光膜/第二感光板的感光材料内部同时进行干涉曝光。

6.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一感光膜/第一感光板以及所述第二感光膜/第二感光板的感光材料为全彩感光材料，所述步骤S92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S97包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述第一感光膜/第一感光板的感光材料内部相继地进行多次干涉曝光；

所述步骤S100包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述第二感光膜/第二感光板的感光材料内部相继地进行多次干涉曝光。

7.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一感光膜/第一感光板以及所述第二感光膜/第二感光板的感光材料为单色感光材料，所述步骤S92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S97包括：对应于所述激光器的波长，在所述第一感光膜/第一感光板的感光材料内部进行干涉曝光，获得与所述波长对应的第一体全息光学元件；

所述步骤S100包括：对应于所述激光器的波长，在所述第二感光膜/第二感光板的感光材料内部进行干涉曝光，获得与所述波长对应的第二体全息光学元件。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：更换可对不同波长的光线进行曝光的第一感光膜/第一感光板以及第二感光膜/第二感光板，通过所述步骤S92、S93、S94、S95、S96、S97、S98、S99和S100，获得与所述不同波长对应的第一体全息光学元件和第二体全息光学元件。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述步骤S92包括：

由多个激光器发射出不同波长的激光光束；

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；和

对合束后的激光光束进行滤波和准直扩束。

10.根据权利要求2所述的方法，还包括：

分别将所获得的第一体全息光学元件和第二体全息光学元件作为母版，进行复制。

11.一种体全息光学元件，通过如权利要求1-10中任一项所述的方法制成。

12.根据权利要求11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。

13.一种光学组件，包括：

光束生成器，配置成出射光锥分布的光束组；

透光介质，所述透光介质具有第一表面和第二表面，所述第一表面平行于第二表面；

第一光束合成器，包括根据权利要求1-10中任一项所述的方法制造的第一体全息光学元件，其位于所述透光介质的第一表面上；和

第二光束合成器，包括根据权利要求1-10中任一项所述的方法制造的第二体全息光学元件，其位于所述透光介质的第二表面上，

其中，所述第一光束合成器配置成可接收所述光锥分布的光束组，并改变其传播方向，使得其中至少一部分通过所述透光介质传播到所述第二光束合成器上；所述第二光束合成器配置成改变从所述第一光束合成器入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述第二光束合成器继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束，经过所述第一光束合成器和第二光束合成器改变方向后，离开所述第二光束合成器后汇聚于一点。

14.根据权利要求13所述的光学组件，其中所述光锥分布的光束组在所述第一光束合成器上形成的照射区域，与在所述第二光束合成器上形成的照射区域，二者成等比例。

15.根据权利要求13所述的光学组件,其中所述第一光束合成器和第二光束合成器在垂直于光轴方向的方向上不重叠，

所述光锥分布的光束组的主方向垂直于所述第一光束合成器和第二光束合成器。

16.根据权利要求15所述的光学组件,其中所述光锥分布的光束组的边缘光线穿过所述第一光束合成器的延长线不经过所述第二光束合成器。

17.根据权利要求13所述的光学组件，其中所述第一光束合成器配置成使得从其出射的全部光束通过所述透光介质传播到所述第二光束合成器上。

18.根据权利要求13所述的光学组件，其中所述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第二光束合成器后所汇聚的所述一点为所述出瞳。

19.根据权利要求13-18中任一项所述的光学组件,其中所述光束生成器包括图像源和微机电系统，

其中所述图像源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的激光光束；微机电系统配置成可对所述激光光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，

其中所述激光光束为单色或三色激光光束。

20.根据权利要求13-18中任一项所述的光学组件,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、LED光源或OLED光源，发出发散照明光；

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组。

21.根据权利要求13-18中任一项所述的光学组件,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、LED光源或OLED光源，发出发散照明光；

透镜，配置成接收所述光源发出的发散照明光，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所述透镜后照射到其上的光进行调制。

22.根据权利要求19所述的光学组件，其中所述微机电系统包括MEMS振镜，所述图像源所产生的图像是通过所述MEMS振镜对来自于不同波长的激光器发出的携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的细光束扫描形成的，所述图像源包括多个不同波长的激光器、控制器和合束器，所述控制器与所述多个不同波长的激光器耦合，并控制所述多个不同波长的激光器发射出激光束，所述多个不同波长的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。

23.根据权利要求22所述的光学组件，其中所述合束器包括透镜组、以及分别与所述多个不同波长的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。

24.根据权利要求23所述的光学组件，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。

25.根据权利要求13-18中任一项所述的光学组件，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。

26.根据权利要求13-18中任一项所述的光学组件，其中所述第一体全息光学元件和所述第二体全息光学元件为以下组合中的一个：

所述第一体全息光学元件为透射式体全息光学元件，所述第二体全息光学元件为反射式体全息光学元件；

所述第一体全息光学元件为透射式体全息光学元件，所述第二体全息光学元件为透射式体全息光学元件；

所述第一体全息光学元件为反射式体全息光学元件，所述第二体全息光学元件为透射式体全息光学元件；和

所述第一体全息光学元件为反射式体全息光学元件，所述第二体全息光学元件为反射式体全息光学元件。

27.根据权利要求13-18中任一项所述的光学组件，其中所述第一体全息光学元件和第二体全息光学元件独立地为以下中的任一个：

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；

与所述多个激光器的数目对应的多个单色体全息光学元件，准确对位并堆叠在一起，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；

数目少于所述多个激光器的多个体全息光学元件，准确对位并堆叠在一起，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；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；

单个单色体全息光学元件，所述单个单色体全息光学元件仅对一个波长的激光发生衍射作用。

28.一种显示系统，包括如权利要求13-27中任一项所述的光学组件。

29.根据权利要求28所述的显示系统，还包括图像生成单元，配置成可生成待显示的图像，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。

30.如权利要求13-27中任一项所述的光学组件或如权利要求28或29所述的显示系统用于近眼显示的应用。

31.一种图像投射方法，采用如权利要求13-27中任一项所述的光学组件或如权利要求28或29所述的显示系统实施。

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