CN113721362B - 光学扩瞳装置、显示装置、光束扩展方法及图像显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光学扩瞳装置、显示装置、光束扩展方法及图像显示方法，该光学扩瞳装置，包括波导板，所述波导板上设置有：入瞳单元，用于通过衍射输入光以形成第一导波光和第二导波光；第一扩瞳单元，用于衍射第一导波光以形成第三导波光；第二扩瞳单元，用于衍射第二导波光以形成第四导波光；出瞳单元，用于衍射第三导波光以形成第一输出光，和用于衍射第四导波光以形成第二输出光，以及将第一输出光和第二输出光组合形成组合输出光；入瞳单元和出瞳单元沿波导板对角线设置，且出瞳单元设置于入瞳单元的下方，第一扩瞳单元和第二扩瞳单元设置于入瞳单元和出瞳单元的两侧。本发明可显示全彩图片，以提供更大的视场角度的全彩色显示。

Description

光学扩瞳装置、显示装置、光束扩展方法及图像显示方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，特别涉及光学扩瞳装置、显示装置、光束扩展方法及图像显示方法。

背景技术

结合图1，一种光学扩瞳装置EPE0包含波导板SUB01，所述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。所述光学扩瞳装置通过对输入光束IN1的多次衍射扩束，最后形成输出光OUT1。

所述输入光IN1可由光引擎ENG1发出。所述光引擎ENG1可以由微型显示器DISP1和准直光学器件LNS1组成。

所述耦合入瞳单元DOE01通过衍射，将所述输入光IN1衍射成第一传导光B1。所述扩瞳单元DOE02通过衍射，将所述第一导波光B1扩展衍射而形成导波光B2。所述衍射出瞳单元DOE03通过扩展衍射，将所述导波光B2衍射扩展为输出光OUT1。

所述光学扩瞳装置EPE0可以在方向SX和在方向SY这两个方向上扩展光束。所述输出光OUT1的宽度wOUT1可以远大于输入光IN1的宽度wIN1。所述光学扩瞳装置EPE0可以用于扩展虚拟显示装置的视瞳，以便于眼睛EYE1相对于虚拟显示装置的观察位置有更大的舒适观察位置。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。所述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。所述光学扩瞳装置也可以称为例如扩瞳单元，光学扩瞳装置件，光学扩瞳装置等。

所示虚拟图像VIMG1可具有角度展宽LIM1。一种如图1所示的利用光学扩瞳装置EPE0实现全彩虚拟图像VIMG1显示的方式可能会造成位于虚拟图像边缘或角落像点发出的红色或蓝色光线在传输过程中无法满足所述波导SUB01的全反射条件。从而造成虚拟图像VIMG1的一个或多个角落区域会出现缺少红色或者蓝色光线的现象。

发明内容

本发明实施例提供了一种光学扩瞳装置、显示装置、光束扩展方法及图像显示方法，旨在显示全彩图片，以提供更大的视场角度的全彩色显示。

第一方面，本发明实施例提供了一种光学扩瞳装置，包括波导板，所述波导板上设置有：

入瞳单元，用于通过衍射输入光以形成第一导波光和第二导波光；

第一扩瞳单元，用于衍射所述第一导波光以形成第三导波光；

第二扩瞳单元，用于衍射所述第二导波光以形成第四导波光；

出瞳单元，用于衍射所述第三导波光以形成第一输出光，和用于衍射第四导波光以形成第二输出光，以及将所述第一输出光和第二输出光组合形成组合输出光；

所述入瞳单元和出瞳单元沿所述波导板对角线设置，且所述出瞳单元设置于所述入瞳单元的下方，所述第一扩瞳单元和第二扩瞳单元设置于所述入瞳单元和出瞳单元的两侧。

第二方面，本发明实施例提供了一种显示装置，包括如第一方面所述的光学扩瞳装置，以及用于形成主图像的光学引擎。

第三方面，本发明实施例提供了一种光束扩展方法，采用如第一方面所述的光学扩瞳装置进行光束扩展。

第四方面，本发明实施例提供了一种图像显示方法，采用如第一方面所述的光学扩瞳装置进行图像显示。

本发明实施例提供了一种光学扩瞳装置、显示装置、光束扩展方法及图像显示方法，该光学扩瞳装置，包括波导板，所述波导板上设置有：入瞳单元，用于通过衍射输入光以形成第一导波光和第二导波光；第一扩瞳单元，用于衍射所述第一导波光以形成第三导波光；第二扩瞳单元，用于衍射所述第二导波光以形成第四导波光；出瞳单元，用于衍射所述第三导波光以形成第一输出光，和用于衍射第四导波光以形成第二输出光，以及将所述第一输出光和第二输出光组合形成组合输出光；所述入瞳单元和出瞳单元沿所述波导板对角线设置，且所述出瞳单元设置于所述入瞳单元的下方，所述第一扩瞳单元和第二扩瞳单元设置于所述入瞳单元和出瞳单元的两侧。本发明实施例可以提供两条不同的光传输路径，以克服由波导板导光能力造成的限制，实现宽图像的不同颜色光在波导内的传输，从而显示全彩图片，以提供更大的视场角度的全彩色显示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种光学扩瞳装置的结构示意图；

图2a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置的结构示意图；

图2b为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中沿第一路径传播的导波光的光谱滤波示意图；

图2c为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中沿第二路径传播的导波光的光谱滤波示意图；

图3a为本发明实施例提供的一种显示装置的三维示意图；

图3b为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中通过第一输出光和第二输出光的叠加形成整体输出光的示意图；

图4a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中第二扩瞳单元衍射从第一扩瞳单元接收到蓝光时，形成干扰的鬼影光束的示意图；

图4b为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中第一扩瞳单元衍射从第二扩瞳单元接收到红光时，形成干扰的鬼影光束的示意图；

图5a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中第一滤色区域和第一布拉格光栅区域在波导板的同一面的扩瞳装置的截面示意图；

图5b为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中第一光谱滤光片区域和第一布拉格光栅区域在波导板的不同面的截面示意图；

图5c为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中导波光在布拉格光栅区域的多次连续反射的示意图；

图5d为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中第一光谱滤光片区域和第一布拉格光栅区域的一个重叠区域的示意图；

图6a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中第一布拉格光栅区域截面的宽度和第二布拉格光栅区域截面的高度的示意图；

图6b为本发明实施例提供的一种显示装置的截面示意图；

图6c为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中第二布拉格光栅区域的蓝光的反射的截面示意图；

图7a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中出瞳单元的出瞳区域的示意图；

图7b为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置的尺寸示意图；

图7c为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置的另一尺寸示意图；

图8a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中通过将输入光束耦合到波导中形成第一导波光，其中第一导波光的倾斜角接近全内反射的临界角的截面示意图；

图8b为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中通过将输入光束耦合到波导中形成第一导波光，其中第一导波光的倾斜角度接近90度的截面示意图；

图8c为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中第一导波光的波矢角度与输入光的波矢角度之间的关系示意图；

图9a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中沿第一路径传播的蓝光波矢的矢量图；

图9b和9c为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中沿第一路径传播的红光波矢的矢量图；

图9d和9e为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中沿第一路径传播的显示图像角落点的蓝光波矢的矢量图；

图10a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中沿第二路径传播的红光波矢的矢量图；

图10b为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中蓝光波矢的矢量图；

图10c和10d为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中显示图像角落点的蓝光波矢的矢量图；

图10e为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中沿第二路径传播的蓝光波矢的矢量图；

图10f和10g为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中沿第二路径传播的显示图像角落点的红光波矢的矢量图；

图11a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中角落点P1的蓝光在波导板SUB1中的传播示例图；

图11b为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中角落点P1的红光在波导板SUB1中的传播示例图；

图12a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中角落点P2的蓝光在波导板SUB1中的传播示例图；

图12b为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中角落点P2的红光在波导板SUB1中的传播示例图；

图13a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中中心点P0的蓝光在波导板SUB1中的传播示例图；

图13b为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中中心点P0的红光在波导板SUB1中的传播示例图；

图14a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中角落点P3的蓝光在波导板SUB1中的传播示例图；

图14b为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中角落点P3的红光在波导板SUB1中的传播示例图；

图15a为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中角落点P4的蓝光在波导板SUB1中的传播示例图；

图15b为本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置中角落点P4的红光在波导板SUB1中的传播示例图；

图16a-图16e为本发明实施例提供的一种显示装置中光引擎如何形成入射光线的示意图；

图16f为本发明实施例提供的一种显示装置中虚拟图像的显示示意图；

图16g为本发明实施例提供的一种显示装置中虚拟图像的水平角幅度示意图；

图16h为本发明实施例提供的一种显示装置中虚拟图像的俯仰角幅度示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

下面请参见图2a，本发明实施例提供的一种光学扩瞳装置EPE1，包括波导板SUB1，所述波导板SUB1上设置有：

入瞳单元DOE1，用于通过衍射输入光以形成第一导波光和第二导波光；

第一扩瞳单元DOE2a，用于衍射所述第一导波光以形成第三导波光；

第二扩瞳单元DOE2b，用于衍射所述第二导波光以形成第四导波光；

出瞳单元DOE3，用于衍射所述第三导波光以形成第一输出光，和用于衍射第四导波光以形成第二输出光，以及将所述第一输出光和第二输出光组合形成组合输出光；

所述入瞳单元DOE1和出瞳单元DOE3沿所述波导板SUB1对角线设置，且所述出瞳单元DOE3设置于所述入瞳单元DOE1的下方，所述第一扩瞳单元DOE2a和第二扩瞳单元DOE2b设置于所述入瞳单元DOE1和出瞳单元DOE3的两侧。

本实施例可以显示彩色图片，彩色图像可以是RGB图像，包含红(R)光，绿(G)光和蓝(B)光。增加显示图像的出瞳尺寸可能会导致显示图像边缘或角落像点的蓝光和/或红光泄漏。光学扩瞳装置EPE1的入瞳单元DOE1接受的红光或蓝光，可能无法全部通过全内反射被限制在波导板内。本发明提出的光学扩瞳装置EPE1可以提供两条不同的光传输路径，以克服由波导板导光能力造成的限制，实现宽图像的不同颜色光在波导内的传输。

所述光学扩瞳装置EPE1可以将输入光分开，分别经由第一路径和经由第二路径传播到出瞳单元DOE3。第一路径可以通过第一扩瞳单元DOE2a实现从入瞳单元DOE1到出瞳单元DOE3的光传输。第二路径可以通过第二扩瞳单元实现从入瞳单元DOE1到出瞳单元DOE3的光传输。通过优化第一路径，用于传播图像边缘或角落点的蓝光，同时通过优化第二路径，用于传播图像或边缘角落点的红光。因此，所述光学扩瞳装置EPE1可以使得所有角落点发出的红色和蓝色光都传输正常。蓝光可以通过第一路径传播到出瞳单元，红光可以通过第二路径传播到出瞳单元DOE3。这样，不同的颜色分量通过不同的路径可以在光学扩瞳装置EPE1的输出处相互补偿，在出瞳单元DOE3进行组合以显示一个全彩的宽图像。

所述第一路径可针对蓝光的衍射进行优化，所述第二路径可针对红光的衍射进行优化。第一路径的光栅周期可以与第二路径的光栅周期不同，因此，蓝光沿第二条路径非计划的传播可能会导致鬼影，影响图片的显示。同样的，红光沿第一条路径非计划的传播可能也会导致鬼影，影响图片的显示。

参照图2a，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，第一扩瞳单元DOE2a，第二扩瞳单元DOE2b和衍射出瞳单元DOE3。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可以接收输入光IN1，而出瞳单元DOE3可以提供输出光OUT1。输入光IN1可以包含在不同方向上传播的多个光束。输出光OUT1可以包含由输入光IN1中的光束B0形成的多个扩展光束。

输出光OUT1的宽度wOUT1可以大于输入光IN1的宽度wIN1。光学扩瞳装置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。光学扩瞳装置EPE1可以称为光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来形成第一导波光B1a和第二导波光B1b。第一导波光B1a和第二导波光B1b可以在平面波导板SUB1内传播。第一导波光B1a和第二导波光B1b可以通过全内反射被限制在板SUB1内。

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。术语“传导”可以表示与术语“波导”相同的含义。

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入瞳单元DOE1再经由第二扩瞳单元DOE2b，最后到出瞳单元DOE3。光学扩瞳装置EPE1可以提供从单元DOE1经由单元DOE2a到单元DOE3的第一路径。光学扩瞳装置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。

结合图3a和图3b，第一导波光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可以通过使第一导波光B1a发生衍射而形成第三导波光B2a。第三导波光B2a的横向尺寸可以大于输入光IN1的相应横向尺寸。第三导波光B2a也可以被称为扩展的导波光B2a。

扩展的导波光B2a可以从第一扩瞳单元DOE2a传播到出瞳单元DOE3。可以通过全内反射将扩展的导波光B2a限制在板SUB1内。

出瞳单元DOE3可以通过衍射扩展导波光B2a从而形成第一输出光OB3a。

第二导波光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可以通过使第二导波光B1b发生衍射而形成第四导波光B2b。第四导波光B2a的横向尺寸可以大于输入光IN1的相应横向尺寸。第四导波光B2b也可以被称为扩展的导波光B2b。

扩展的导波光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导波光B2b限制在板SUB1内。出瞳单元DOE3可以通过衍射扩展导波光B2b来形成第二输出光OB3b。

出瞳单元DOE3可以对第一扩瞳单元DOE2a接收的导波光B2a进行衍射，同时，出瞳单元DOE3可以对第二扩瞳单元DOE2b接收的导波光B2b进行衍射。

方向DIR1a可以表示第一导波光B1a的平均传播方向。方向DIR1a也可以表示第一导波光B1a传播的中心轴。

方向DIR1b可以表示第二导波光B1b的平均传播方向。方向DIR1b也可以表示第二导波光B1b传播的中心轴。

第一方向DIR1a和第二方向DIR1b之间的角度γ1ab可以是60°至120°范围内。

扩展的导波光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。扩展的导波光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。

在一实施例中，所述光学扩瞳装置EPE1还包括光谱滤光片区域，所述光谱滤光片区域包括设置于所述第一扩瞳单元DOE2a内侧的第一光谱滤光片区域C2a和设置于所述第二扩瞳单元内侧的第二光谱滤光片区域C2b，所述第一光谱滤光片区域C2a用于防止第一颜色光通过所述第一扩瞳单元DOE2a从所述入瞳单元传输至所述出瞳单元，所述第二光谱滤光片区域C2b用于防止第二颜色光通过所述第二扩瞳单元DOE2b从所述入瞳单元DOE1传输至所述出瞳单元DOE3。

本实施例中，所述光学扩瞳装置EPE1包含第一光谱滤光区域C2a，所述第一光谱滤光区域阻止通过所述入瞳单元DOE1耦合进入，并经由第一扩瞳单元DOE2a传输到所述出瞳单元DOE3的红色光线。

其中，光学扩瞳装置EPE1包含第二光谱滤光区域C2b，所述第二光谱滤光区域阻止通过所述入瞳单元DOE1耦合进入，并经由第一扩瞳单元DOE2b传输到所述出瞳单元DOE3的蓝色光线。

在一实施例中，所述光学扩瞳装置EPE1还包括布拉格光栅区域，所述布拉格光栅区域包括分别设置于第一光谱滤光片区域C2a内侧和第二光谱滤光片区域C2b内侧的第一布拉格光栅区域BRGa和第二布拉格光栅区域BRGb，且所述第一布拉格光栅区域BRGa和第二布拉格光栅区域BRGb分别与第一光谱滤光片区域C2a和第二光谱滤光片区域C2b重叠设置。

本实施例中，所述光学扩瞳装置EPE1包含第一布拉格光栅区域BRGa所述第一布拉格光栅区域BRGa至少部分与所述第一光谱滤光片区域C2a重合，从而加强所述第一光谱滤光片区域C2a对红光的吸收；

其中，光学扩瞳装置EPE1包含第二布拉格光栅区域BRGb，所述第二布拉格光栅区域BRGb至少部分与所述第二光谱滤光片区域C2b重合，从而加强所述第二光谱滤光片区域C2b对蓝光的吸收。

所述布拉格光栅区域，以保证光谱滤光片区域可以有效的防止不希望得到的鬼影的产生。布拉格光栅区域可以增强光谱滤光片的光吸收，从而抑制有害的鬼影光束。

导波光与所述布拉格光栅区域的相互作用可能导致导波光的多次连续反射。导波光通过布拉格光栅可以来回数次衍射，以增加光谱滤光片区域的导波光的吸收光程。

当需要显示宽图像时，由于未能满足波导板内全反射(TIR)条件，图像角落的红光可能会泄漏出波导板。当需要显示宽图像时，可能由于不满足衍射方程的解，角落点的蓝光不会通过所述入瞳单元耦合到所述第二扩瞳单元。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。不均匀的亮度分布所指的可以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。所述第一光谱滤光片和所述第二光谱滤光片，可以使得亮度分布更加均匀或/和减少色彩畸变。因此，所述光学扩瞳装置可以通过衍射扩大被输入的均匀彩色图片光显示一张均匀的全彩图片。

经过第一路径传播的红光携带不完整的红色局部图像信息，其中图像一些角落点的红光丢失。所述的第一光谱滤光区域可以滤除红色光线，所滤除的红色光线可形成不完整的红光局部图像。所述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多色图片的干扰。

经过第二路径传播的蓝光携带不完整的蓝色局部图像信息，其中图像一些角落点的蓝光丢失。所述第二光谱滤光区域可以滤除蓝色光线，所滤除的蓝光可形成不完整的蓝光局部图像。所述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多色图片的干扰。

波导板SUB1可以包含第一光谱滤光片区域C2a，阻止经由第一光学扩瞳装置DOE2a，从入瞳单元DOE1传播到出瞳单元DOE3的红光的耦合。波导板SUB1可以包含一个或更多第一光谱滤光片区域(C1a,C2a)，阻止经由第一光学扩瞳装置DOE2a，从入瞳单元DOE1传播到出瞳单元DOE3的红光的耦合。

第一光谱滤光器或第一光谱滤光片区域(C1a,C2a)，可以使经由第一扩瞳单元DOE2a，从入瞳单元DOE1传播到出瞳单元DOE3的蓝光的耦合。

红光耦合到第一路径会形成不完整的红色图片，例如其中两个角落点的红光丢失。第一光谱滤光器或第一光谱滤光片区域，可以通过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可以包含第二光谱滤光片区域C2b，阻止经由第二光学扩瞳装置DOE2b，从入瞳单元DOE1传播到出瞳单元DOE3的蓝光的耦合。波导板SUB1可以包含一个或更多第二光谱滤光片区域(C1b,C2b)，阻止经由第二光学扩瞳装置DOE2b，从入瞳单元DOE1传播到出瞳单元DOE3的蓝光的耦合。

第二光谱滤光器或第二光谱滤光片区域，可以使通过第二扩瞳单元DOE2b，从入瞳单元DOE1传播到出瞳单元DOE3的红光的耦合。

蓝光耦合到第二路径会形成不完整的蓝色图片，例如其中两个角落点的蓝光丢失。第二光谱滤光器或第二光谱滤光片区域，可以通过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可以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可以阻止所有颜色的传播。隔离单元ISO1可以阻止红光(R),绿光(G),蓝光(B)的传播。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对应区域材料中，或/和通过在板中形成一个或多个开口来实现。

在一具体实施例中，第一光谱滤光片区域(C1a,C2a)和第二光谱滤光片区域(C1b,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。

SX，SY和SZ是正交的方向。波导板SUB1可以与SX和SY限定的平面平行。

参照图2b，通过第一路径的导波光(B1a,B2a)初始可以包含红光(R)绿光(G)和蓝光(B)。例如，导波光B2a可以具有一个初始的光谱强度分布I2A(λ)。

第一光谱滤光器或一个或多个第一光谱滤光片区域(C1a,C2a)可以基本上防止红光到传播到出瞳单元DOE3。第一路径上的一个或更多第一光谱滤光片区域(C1a,C2a)可以具有一个光谱透射率方程TFA(λ)。光谱透射率方程TFA(λ)可以具有一个临界波长λCUT,A。一个或多个第一光谱滤光片区域(C1a,C2a)可以基本上防止波长大于临界波长λCUT,A的光谱元素的传播。一个或多个第一光谱滤光片区域(C1a,C2a)可以允许那些波长小于临界波长λCUT,A的光谱元素传播到出瞳单元DOE3。

在通过一个或多个第一光谱滤光片区域(C1a,C2a)之后，被过滤的导波光(B1a,B2a)可以具有一个光谱强度分布I'2A(λ)。第一光谱滤光器或一个或多个第一光谱滤光片区域(C1a,C2a)可以基本上防止红光到传播到出瞳单元DOE3。一个或多个第一光谱滤光片区域(C1a,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。

λR可以表示红光(R)的波长。λR可表示例如红光(R)的最大光谱强度的波长。λG可以表示绿光的波长(G)。λG可表示例如绿光(G)的最大光谱强度的波长。λB可以表示蓝光的波长(B)。λB可表示例如蓝光(B)的最大光谱强度的波长。IMAX可以表示光谱强度的最大值。

参照图2c，通过第二路径的导波光(B1b,B2b)初始可以包含红光(R)绿光(G)和蓝光(B)。例如，导波光B2b可以具有一个初始的光谱强度分布I2B(λ)。

第二光谱滤光器或一个或多个第二光谱滤光片区域(C1b,C2b)可以基本上防止蓝光和绿光到传播到出瞳单元DOE3。第二路径上的一个或更多第二光谱滤光片区域(C1b,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。一个或多个第二光谱滤光片区域(C1b,C2b)可以基本上防止波长小于临界波长λCUT,B的光谱元素的传播。一个或多个第二光谱滤光片区域(C1b,C2b)可以允许那些波长大于临界波长λCUT,B的光谱元素传播到出瞳单元DOE3。

在通过一个或多个第二光谱滤光片区域(C1b,C2b)之后，被过滤的导波光(B1b,B2b)可以具有一个光谱强度分布I'2B(λ)。第二光谱滤光器或一个或多个第二光谱滤光片区域(C1b,C2b)可以基本上防止蓝光和绿光到传播到出瞳单元DOE3。一个或多个第二光谱滤光片区域(C1b,C2b)可以允许红光从第二扩瞳单元DOE2b传播到出瞳单元DOE3。

第一光谱滤光器或一个或多个第一光谱滤光片区域(C1a,C2a)可以基本上防止红光和绿光到传播到出瞳单元DOE3。第一光谱滤光器或一个或多个第一光谱滤光片区域(C1a,C2a)可以允许红光和绿光通过第二扩瞳单元DOE2b传导到出瞳单元DOE3。

第二光谱滤光器或一个或多个第二光谱滤光片区域(C1b,C2b)可以基本上防止蓝光到传播到出瞳单元DOE3。第一光谱滤光器或一个或多个第一光谱滤光片区域(C1b,C2b)可以允许红光和绿光通过第二扩瞳单元DOE2b传导到出瞳单元DOE3。

在另一个实施例中，绿光(G)可以经由第二路径传播到出瞳单元DOE3。蓝光(B)可以经由第一路径传播到出瞳单元DOE3，红光(R)和绿光(G)可以经由第二路径传播到出瞳单元DOE3。光谱滤光片区域C2a可被布置以防止绿光和红光通过第一扩瞳单元DOE2a从入瞳单元DOE1耦合到出瞳单元DOE3。装置EPE1可被布置以通过第二扩瞳单元DOE2b将绿光从入瞳单元DOE1耦合到出瞳单元DOE3。

第一光谱滤光片区域C2a和第二光谱滤光片区域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)光谱元素，第一光谱滤光片区域C2a和第二光谱滤光片区域C2b的组合光谱透射率TFA(λ)·TFB(λ)基本上为零。

参照图4a，第二扩瞳单元DOE2b的光栅周期(d2b)与从第一扩瞳单元DOE2a接收的导波光B2a的波长不匹配。因此，第二扩瞳单元DOE2b会通过衍射导波光B2a来形成一个或多个不需要的附加光束B2g。附加光束B2g可被称为例如鬼影光束。当由出瞳单元DOE3耦合出波导板SUB1时，鬼影光束B2g的光会形成干扰的鬼影图像。不需要的鬼影图像可能会干扰实际虚拟图像VIMG1。

参照图4b，第一扩瞳单元DOE2a的光栅周期(d2a)与从第二扩瞳单元DOE2b接收的导波光B2b的波长不匹配。因此，第一扩瞳单元DOE2a会通过衍射导波光B2b来形成一个或多个不需要的附加光束B2e。附加光束B2e可被称为例如鬼影光束。当由出瞳单元DOE3耦合出波导板SUB1时，鬼影光束B2e的光会形成干扰的鬼影图像。

参照回图2a，光学扩瞳装置EPE1可包括第一布拉格光栅区域BRGa，以增强第一光谱滤光片区域C2a中的光吸收，从而防止导波光B2b与第一扩瞳单元DOE2a的耦合。第一布拉格光栅区域BRGa可以增强第一光谱滤光片区域C2a中的光吸收，从而防止形成一个或多个鬼影光束B2e。

光学扩瞳装置EPE1可包括第二布拉格光栅区域BRGb，以增强第二光谱滤光片区域C2b中的光吸收，从而防止导波光B2a与第二扩瞳单元DOE2b的耦合。第二布拉格光栅区域BRGb可以增强第二光谱滤光片区域C2b中的光吸收，从而防止形成一个或多个鬼影光束B2g。

在一实施例中，所述波导板至少包含一个覆层、至少一个保护层以及至少一个机械支撑层，所述光谱滤光片区域与所述布拉格光栅区域位于所述波导板的同一侧或者不同侧。

本实施例中，波导板可以具有厚度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tSUB1可以指波导板SUB1的平面波导核心部分的厚度。

参照图5a，布拉格光栅区域BRGb和光谱滤光片区域C2b可以位于波导板SUB1的同一侧。例如，布拉格光栅区域BRGb和光谱滤光片区域C2b可以位于第一主表面SRF1。例如，布拉格光栅区域BRGb和光谱滤光片区域C2b可以位于第二主表面SRF2。

光谱滤光片区域C2b和布拉格光栅区域BRGb一起可以形成来自导波光B2a的透射光B2aT和反射光B2aR。布拉格光栅可以通过布拉格衍射现象将导波光B2a反射回去。布拉格光栅可以增强光谱滤光片区域的光吸收。光谱滤波区域C2b和布拉格光栅区域BRGb可被设置以抑制透射光B2aT的强度。光谱滤波区域C2b和布拉格光栅区域BRGb可一起被布置以使得透射光B2aT的强度很低或为零。

标志dBRGb表示布拉格光栅区域BRGb的布拉格光栅的光栅周期。导波光B2a的单个光线可在表面SRF1的第一反射点和表面SRF1的相邻的第二反射点处经历全内反射(TIR)。LTIR表示所述反射点之间的距离。距离LTIR可以在板SUB1的厚度tSUB1的1.5到4.0倍的范围内，这取决于对应于所讨论的导波光的图像点的位置和颜色。距离LTIR的平均值基本上等于2.6。

参照图5b，布拉格光栅区域BRGb和光谱滤光片区域C2b可以位于波导板SUB1的不同侧。例如，布拉格光栅区域BRGb可以在第一主表面SRF1上，并且光谱滤光片区域C2b可以在第二主表面SRF2上。例如，布拉格光栅区域BRGb可以在第二主表面SRF2上，并且光谱滤波区域C2b可以在第一主表面SRF1上。

在一实施例中，所述第一布拉格光栅区域与所述第一光谱滤光片区域之间的第一重叠区域面积为所述第一布拉格光栅区域面积的50％～100％，所述第二布拉格光栅区域与所述第二光谱滤光片区域之间的第二重叠区域面积为所述第二布拉格光栅区域面积的50％～100％。

本实施例中，参考图5c，布拉格光栅BRGa可以导致导波光B2a,B2aR多次连续的反射。导波光B2a,B2aT可以从布拉格光栅多次来回反射，以增加导波光B2a,B2aR在光谱滤光片区域C2b的吸收光程。

导波光可以沿着折叠光路传播，其中导波光可以多次遇到吸收滤光片区域。导波光束B2a的一些部分可以被反射回第一扩展元件DOE2a。

布拉格光栅区域BRGb可分别引起导波光B2b、B2bR的多次连续反射。

参考图5d，当从垂直于波导板SUB1的方向(SZ)上观看时，第一布拉格光栅区域BRGa可部分或完全与第一光谱滤光片区域C2a重叠。第一光谱滤光片区域C2a的面积可以大于、等于或小于第一布拉格光栅区域BRGa的面积。第一光谱滤光片区域C2a的面积可以在第一布拉格光栅区域BRGa的面积的50％到200％的范围内。第一布拉格光栅区域BRGa的位置可以与第一光谱滤光片区域C2a的位置重合。或者，第一布拉格光栅区域BRGa可以相对于第一光谱滤光片区域C2a被移位。COMa可以表示第一布拉格光栅区域BRGa和第一光谱滤光片区域C2a的公共重叠区域。公共重叠区COMa的面积可以在第一布拉格光栅区BRGa的面积的50％到100％的范围内。

COMb表示第二布拉格光栅区域BRGb和第二光谱滤光片区域C2b的公共重叠区域。当从垂直于板SUB1的方向(SZ)上观看时，第二布拉格光栅区域BRGb可部分或完全与第二光谱滤光片区域C2b重叠。公共重叠区域COMb的面积可以在第二布拉格光栅区域BRGb的面积的50％到100％的范围内。

出瞳单元DOE3可以具有第一光栅矢量VDOE3a，用于将导波光B2a耦合出板SUB1。出瞳单元DOE3可以具有第二光栅矢量VDOE3b，用于将导波光B2b耦合出板SUB1。

在一实施例中，所述第一布拉格光栅区域在水平方向的横截面宽度为所述波导板的导波层厚度3～5倍，所述第二布拉格光栅区域在垂直方向的横截面宽度为所述波导板的导波层厚度3～5倍。

参考图6a，第一布拉格光栅区域BRGa可以从垂线定义垂直线段LIN12，该垂线垂直于出瞳单元DOE3的光栅矢量V3a。线段LIN12的长度可被称为第一布拉格光栅区域BRGa的水平横截面宽度h12。水平横截面宽度h12可以大于波导板SUB1的厚度tSUB1的3～5倍，例如4倍，以确保第一光谱滤光片区域C2a对光B2b的有效吸收。水平线段LIN12可以垂直于出瞳单元DOE3的第一光栅矢量V3a。

第二布拉格光栅区域BRGb可以从垂线定义垂直线段LIN34，该垂线垂直于出瞳单元DOE3的光栅矢量V3b。线段LIN34的长度可被称为第二布拉格光栅区域BRGb的垂直横截面高度h34。垂直横截面高度h34可以大于波导板SUB1的厚度tSUB1的3～5倍，例如4倍，以确保在第二光谱滤光片区域C2a中对光B2a的有效吸收。垂直线段LIN34可以垂直于出瞳单元DOE3的第二光栅矢量V3b。

第二光谱滤光片区域C2a和布拉格光栅区域BRGa可以具有公共重叠区域COMa(图5d)。公共重叠区COMa可以以与出瞳单元DOE3的衍射特征(F3a)平行的线定义水平线段(LIN12)。水平线段(LIN12)的长度(w12)可以大于波导板SUB1的波导层厚度(tSUB1)的4倍。

光谱滤光片区域C2b和布拉格光栅区域BRGb可以具有共同的重叠区域COMb(图5d)。公共重叠区域COMb可从与出瞳单元DOE3的衍射特征(F3b)平行的线定义垂直线段(LIN34)。垂直线段(LIN34)的长度(h34)可以大于波导板SUB1的导波层厚度(tSUB1)的4倍。

POS1表示第一横向位置，其中导波光B2a撞击第二布拉格光栅区域BRGb。

POS2表示第二横向位置，其中导波光B2a撞击出瞳单元DOE3。

参考图6b举例说明了导波光B2a在第一横向位置POS1处的传播。第一扩瞳单元DOE2a形成导波光B2a。导波光B2a的一部分可以向第二扩瞳单元DOE2b传播。第二光谱滤光片区域C2b和第二布拉格光栅区域BRGb的组合可以防止导波光B2a传播到第二扩瞳单元DOE2b，从而防止形成不需要的鬼影光束B2g。导波光B2a可以具有蓝色，并且第二光谱滤光片区域C2b可以吸收蓝光。

参考图6c举例说明了在第二横向位置POS2处导波光B2a的传播。第一扩瞳单元DOE2a形成导波光B2a，该导波光B2a可通过第一光谱滤光片区域C2a和第一布拉格光栅区域BRGa的组合传播到出瞳单元DOE3。第一光谱滤光片区域C2a可以防止红光的传播，并且第一光谱滤光片区域C2a可以允许蓝光B2a的传播。第一光谱滤光片区域C2a可允许导波光B2a从第一扩瞳单元DOE2a耦合到出瞳单元DOE3，从而形成虚拟图像VIMG1的蓝色。装置EPE1可以包括光谱滤光片区域C2a，该光谱滤光片区域C2a位于第一扩瞳单元DOE2a和出瞳单元DOE3之间，以防止红光从入瞳单元DOE1通过第一扩瞳单元DOE2a耦合到出瞳单元DOE3。

装置EPE1可包括光谱滤光片区域C2b，位于第二扩瞳单元DOE2b和出瞳单元DOE3之间，以防止蓝光从入瞳单元DOE1通过第二扩瞳单元DOE2b耦合到出瞳单元DOE3。

第一光谱滤光片区域C2a和第二光谱滤光片区域C2b可一起防止第一扩瞳单元DOE2a和第二扩瞳单元DOE2b之间红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)的耦合。

设备EPE1还可以包含一个或多个光学隔离元件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。

参考图7a，第一扩瞳单元DOE2a可以被布置成将导波光B2a分布到出瞳单元DOE3的第一出瞳区域REG3a。第一出瞳区域REG3a可将导波光B2a衍射出板SUB1。第二扩瞳单元DOE2b可被布置成将导波光B2b分布到出瞳单元DOE3的第二出瞳区域REG3b。第二出瞳区域REG3b可将导波光B2b衍射出板SUB1。

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的公共重叠区域COM1可以将导波光B2a和导波光B2b衍射出板SUB1。公共重叠区域COM1的面积可以大于出瞳单元DOE3的单侧面积的50％，最好大于70％。

入瞳单元DOE1可被布置以衍射输入光IN1，使得第一导波光B1a包含输入图像IMG0的中心点P0的光，并且使得第二导波光B1b包括中心点P0的光。出瞳单元DOE3可被布置成以衍射从第一扩瞳单元DOE2a接收的第三导波光B2a，使得第一输出光OB3a包括中心点P0的光。出瞳单元DOE3可被布置以衍射从第二扩瞳单元DOE2b接收的第四导波光B2b，使得第二输出光OB3b包含中心点P0的光。第一输出光OB3a中的中心点P0的光可以轴向(k3P0,R)传播，第二输出光OB3b中的中心点P0的光可以相同轴向(k3P0,R)传播。轴向(k3P0,R)可以与光学引擎ENG1的光轴(AX0)平行。

第一导波光B1a中的中心点P0的光可以在第一方向(k1aP0)上传播，其中第二导波光B1b中的中心点P0的光可以在第二方向(k1bP0)上传播，其中第一方向(k1aP0)和第二方向(k1bP0)之间的角度(γAB)可以在60°至120°的范围内。

出瞳单元DOE3的第一区域REG3a可被布置以出耦合从第一扩瞳单元DOE2a接收的中心点(P0)的光，出瞳单元DOE3的第二区域REG3b可被布置以出耦合从第二扩瞳单元DOE2b接收的中心点(P0)的光。第一区域REG3a可以和第二区域REG3a重叠，使得第一区域REG3a和第二区域REG3b的公共重叠区域COM1的面积大于出瞳单元DOE3的单侧面积的50％。

参考回图3a和6c，光学扩瞳装置EPE1可以通过衍射和引导从光学引擎ENG1获得的输入光IN1来形成输出光OUT1。显示装置500可以包括光引擎ENG1和光学扩瞳装置EPE1。

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)。光学扩瞳装置EPE1可以从输入光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(k3,P0,R)。

在一实施例中，所述入瞳单元设置有用于将第一导波光衍射到所述第一扩瞳单元的第一衍射特征，以及用于将第二导波光衍射到第二扩瞳单元的第二衍射特征，所述第一衍射特征和第二衍射特征均为凸起或者凹槽。

本实施例中，所述入瞳单元可以包含第一衍射特征，以将光衍射到所述第一扩瞳单元。所述入瞳单元可以包含第二衍射特征，以将光衍射到所述第二扩瞳单元。所述第一衍射特征可以具有第一光栅周期，并且所述第二衍射特征可以具有不同的第二光栅周期。可以选择第一光栅周期以确保角落点的蓝色导波光被限制在波导板内。可以选择第二光栅周期以确保角落点的红色导波光被限制在波导板内。所述第一衍射特征可以具有第一方向，所述第二衍射特征可以具有不同的第二方向。

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。两条路径可以改善宽的彩色显示图像的颜色均匀性。所述光谱滤光区域可以提高全彩图像的色彩均匀性。

所述出瞳单元可以通过衍射沿着第一路径传播的第三导波光，来形成第一输出光。被衍射的第三导波光来自第一扩瞳单元。所述出瞳单元可以通过衍射沿着第二路径传播的第四导波光来形成第二输出光。被衍射的第四导波光来自第二扩瞳单元。第一输出光可以在空间上与第二输出光重叠。所述出瞳单元通过将第一输出光与第二输出光组合，以形成组合的输出光。

进一步的，所述出瞳单元可以包含第一衍射特征，以衍射从第一扩瞳单元接收的导波光。所述出瞳单元可以包含第二衍射特征，以衍射从第二扩瞳单元接收的导波光。所述第一衍射特征可以具有第一光栅周期，并且所述第二衍射特征可以具有不同的第二光栅周期。可以选择第一光栅周期以确保角落点的蓝色导波光被限制在波导板内。可以选择第二光栅周期以确保角落点的红色导波光被限制在波导板内。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。

所述布拉格光栅区域可以增强光所述谱滤光片区域对光的吸收。在一个实施例中，可以在形成光学扩瞳装置的一个或多个其他光栅区域的同时形成布拉格光栅区域。布拉格光栅区域的运用对光学扩瞳装置的制造成本的影响很小或可以忽略。

光学扩瞳装置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。

光学扩瞳装置EPE1可以被设置为扩展虚拟显示装置500的视瞳，从而便于眼睛EYE1相对于虚拟显示装置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')。光引擎ENG1可以包含用于显示主图像IMG0的微型显示器DISP1。光引擎ENG1和光学扩瞳装置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。光引擎ENG1和光学扩瞳装置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。

光谱滤光器或光谱滤光区域(C1a,C2a,C1b,C2a)可以通过将光谱吸收的材料沉积在波导板SUB1上实现。光谱滤光器或光谱滤光区域(C1a,C2a,C1b,C2a)可以通过把局部的波导板SUB1的材料转化为光谱吸收的材料实现。例如，光谱滤光器或光谱滤光区域(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。

参照图7b，每个单元DOE1，DOE2a，DOE2b，DOE3可以包含一个或多个衍射光栅，以如上所述地衍射光。例如，单元DOE1可以包含一个或多个光栅G1a，G1b。例如，单元DOE2a可以包含光栅G2a。例如，单元DOE2b可以包含光栅G2b。例如，单元DOE3可以包含一个或多个光栅G3a，G3b。

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，例如微观的凸起(或凹陷)，其中相邻的凸起(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。光栅周期等同于光栅周期长度。光栅周期可以是光栅的连续衍射特征之间的长度。光栅周期可以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330nm到450nm的范围内。光栅周期d的最优值可以取决于板SUB1的折射率和被d衍射光的波长λ。例如，入瞳单元DOE1的第一光栅可针对蓝光波长进行优化，入瞳单元DOE1的第二光栅可针对红光波长进行优化。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β1a和大小2π/d1a。光栅矢量V1b具有方向β1b和大小2π/d1b。光栅矢量V2a具有方向β2a和幅度2π/d2a。光栅矢量V2b具有方向β2b和大小2π/d2b。光栅矢量V3a具有方向β3a和幅值2π/d3b。光栅矢量V3b具有方向β3b和幅度2π/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。

可以选择光学单元DOE1，DOE2a，DOE3的光栅周期(d)和衍射光栅的方向(β)，使得在第一输出光OB3a中的中心点P0的光的传播方向(k3P0,R)平行于输入光IN1中的中心点P0的光的传播方向(k0P0,R)。

可以选择光学单元DOE1，DOE2b，DOE3的光栅周期(d)和衍射光栅的方向(β)，使得第二输出光OB3b的中心点P0的光的传播方向(k3P0,R)与输入光IN1中的中心点P0的光的传播方向(k0P0,R)平行。

可以选择光学单元DOE1，DOE2a，DOE2b，DOE3的衍射周期(d)和衍射光栅的方向(β)，使得在组合输出光OUT1的中心点P0的光的传播方向(k3P0,R)与输入光IN1中的中心点P0的光的传播方向(k0P0,R)平行。

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。

单元DOE1的第一光栅周期d1a可以不同于单元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。

入瞳单元DOE1的第一光栅的第一光栅周期长度d1a可以不同于入瞳单元DOE1的第二光栅的第二光栅周期长度d1b，使得入瞳单元DOE1的第一光栅可以针对蓝光的波长(λB)进行优化，并且入瞳单元DOE1的第二光栅可针对红光的波长(λR)进行优化。

单元DOE3的第一光栅周期d3a可以不同于单元DOE3的第二光栅周期d3b，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。

单元DOE1的第一光栅周期d1a可以不同于单元DOE1的第二光栅周期d1b，例如，用于优化蓝色的第一条路径，以及用于红色的第二条路径。

单元DOE3的第一光栅周期d3a可以不同于单元DOE3的第二光栅周期d3b，例如，用于优化蓝色的第一条路径，以及用于红色的第二条路径。

光栅矢量的光栅周期(d)和方向(β)可以满足，对于预定整数m1a，m2a，m3a时，矢量和(m1aV1a+m2aV2a+m3aV3a)为零的条件。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。这些预定整数的值通常为+1或-1。整数m1a的值可以是+1或-1。整数m2a的值可以是+1或-1。整数m3a的值可以是+1或-1。

光栅矢量的光栅周期(d)和方向(β)可以满足，对于预定整数m1b，m2b，m3b时，矢量和(m1bV1b+m2bV2b+m3bV3b)为零的条件。V1b表示单元DOE1的光栅矢量。V2b表示单元DOE2b的光栅矢量。V3b表示单元DOE3的光栅矢量。这些预定整数的值通常为+1或-1。整数m1b的值可以是+1或-1。整数m2b的值可以是+1或-1。整数m3b的值可以是+1或-1。

第一单元DOE1可以具有第一光栅矢量V1a以形成沿方向DIR1a的第一导波光B1a，以及第二光栅矢量V1b以形成沿方向DIR1b的第二导波光B1b。第一单元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β1a(相对于参考方向SX)。第一单元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β1b(相对于参考方向SX)。第一单元DOE1可以通过例如交叉光栅或两个线性光栅来实现。第一单元DOE1可以是，例如第一单元DOE1的第一区域包含第一特征F1a，同时第一单元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凸起。

扩瞳单元DOE2a可以具有光栅矢量V2a，通过使第一导波光B1a衍射来形成第三导波光B2a。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β2a(相对于参考方向SX)。

扩瞳单元DOE2b可以具有光栅矢量V2b，通过使第二导波光B1b衍射来形成第四导波光B2b。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β2b(相对于参考方向SX)。

第一扩瞳单元DOE2a可以具有用于形成导波光B2a的光栅周期d2a，第二扩瞳单元DOE2b可以具有用于形成导波光B2b的光栅周期d2b，其中光栅周期d2a可以不同于光栅周期d2b。

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β3a(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β3b(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。

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。扩展的导波光束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，压印和/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。

在一实施例中，所述入瞳单元包括分别用于形成所述第一导波光和第二导波光的第一入瞳光栅和第二入瞳光栅，所述第一入瞳光栅和第二入瞳光栅分别具有第一入瞳光栅周期和第二入瞳光栅周期，且所述第一入瞳光栅周期和第二入瞳光栅周期不同；

所述出瞳单元包括分别用于形成所述第一输出光和第二输出光的第一出瞳光栅和第二出瞳光栅，所述第一出瞳光栅和第二出瞳光栅分别具有第一出瞳光栅周期和第二出瞳光栅周期，且所述第一出瞳光栅周期和第二出瞳光栅周期不同。

进一步的，所述第一布拉格光栅区域和第二布拉格光栅区域的光栅周期分别为所述第一出瞳光栅周期和第二出瞳光栅周期的一半。

参照图7c，第一布拉格光栅区域BRGa具有光栅矢量VBRGa。第一布拉格光栅区域BRGa的光栅矢量VBRGa可以与出瞳单元DOE3的光栅矢量VDOE3a平行。光栅矢量VBRGa的方向由角度βBRGa设定。第一布拉格光栅区域BRGa具有光栅周期dBRGa。第一布拉格光栅区域BRGa的光栅周期dBRGa可以等于出瞳单元DOE3的光栅周期dDOE3a的一半。

第二布拉格光栅区域BRGb具有光栅矢量VBRGb。第二布拉格光栅区域BRGb的光栅矢量VBRGb可以与出瞳单元DOE3的光栅矢量VDOE3b平行。光栅矢量VBRGb的方向由的方向由角度βBRGa设定。第二布拉格光栅区域BRGb具有光栅周期dBRGb。第二布拉格光栅区域BRGb的光栅周期dBRGb可以等于出瞳单元DOE3的光栅周期dDOE3b的一半。

第一布拉格光栅区域BRGa可以具有衍射特征FBRGa。第二布拉格光栅区域BRGa可以具有衍射特性FBRGb。衍射特征FBRGa、FBRGb的横截面形状可以是二元的、梯形的、正弦的或倾斜的。FBRGa、FBRGb的衍射特性也可以是体光栅的特性。

布拉格光栅区域BRGa、BRGb可以通过压印或模压形成。光谱滤光片区域C2a、C2b的光学吸收材料层可在形成衍射特征FBRGa、FBRGb之前或之后添加。例如，可以通过在板SUB1上施加一薄层吸收材料来形成滤波区域C2a，其中布拉格光栅区域BRGa可以随后通过压印吸收材料层和波导板SUB1的表面来形成。例如，衍射特征FBRGa可以形成在波导板SUB1的表面上，并且衍射特征FBRGa可以随后被滤光片区域C2a的光学吸收材料层覆盖。

图8a到8c演示了把光耦入波导板的输入角度。为使其成功耦合，导波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9a到10g所示。

图8a通过截面图侧视图说明，通过将输入光束耦合到波导中形成第一导波光，其中第一导波光的倾斜角

接近全内反射的临界角

图8a的情况可以对应于区域ZONE1的第一边界BND1附近的操作。

图8b通过截面图侧视图说明，通过将输入光束耦合到波导中形成第一导波光，其中第一导波光的倾斜角度

接近90度。图8b的情况可以对应于区域ZONE1的第二边界BND2附近的操作。

图8c中的曲线CRV1给出了第一导波光B1a的波矢k1的倾斜角φk1与输入光B0的波矢k0的输入角度φk0之间的函数关系。倾斜角φk1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

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

第一角度限制φBND1可以对应于第一导波光的倾斜角度φk1等于全内反射的临界角度

的情况。第二角度限制φBND2可以对应于第一导波光的倾斜角度φk1等于90度的情况。

图9a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。第一路径可以是顺时针路径。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(图9d)。

第一导波光B1a的波矢可以在区域BOX1a内。

第三导波光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。

入瞳单元DOE1可以通过衍射输入光IN1，来形成第一导波光B1a。可以通过将入瞳单元DOE1的光栅矢量m1aV1a与输入光IN1的波矢相加来表示衍射。可以通过将光栅矢量m1aV1a与输入光IN1的波矢相加来确定第一导波光B1a的波矢。第三导波光B2a的波矢可以通过将光栅矢量m2aV2a与第一导波光B1a的波矢相加来确定。可以通过将光栅向量m3aV3a加到第二导波光B2a的波矢上来确定出射光OB3a的波矢。

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ZONE1中时，光才可以在板SUB1中被波导。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。

可以选择入瞳单元DOE1的光栅周期d1a，使得例如，第一蓝色导波光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。

图9b和9c用例子说明了，在波导板SUB1内沿第一条路径传播的红光波矢的矢量图。

如果已选择入瞳单元DOE1的光栅周期d1a，以使第一蓝色导波光B1a的所有波矢都在区域ZONE1内，那么某些角落点的红光的波矢可能会位于区域ZONE1外。换句话说，波导板SUB1不能限制或传导输入图像IMG0的某些角落点的红光。

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导波光的情况。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。因此，导波光的波矢在区域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。

导波光的波矢在区域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

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。

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。光学扩瞳装置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。

光学扩瞳装置EPE1可以包括光谱滤光片区域C2a，以为导波光B2a提供抑制区域ZONE2。光谱滤光片区域C2a可以被布置以消除导波光B2a的红色分量。

图9d和9e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10a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。第二路径可以是例如，逆时针路径。

可以选择耦合单元DOE1的光栅周期d1b，使得例如，第二红色导波光B1b的所有波矢都在由边界BND1，BND2限定的区域ZONE1内。

图10b到10d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10b到10d演示了不完整的蓝色图像的形成。

现在，如果已经选择了入瞳单元DOE1的光栅周期d1b，使得第二红色导波光B1b的所有波矢都在区域ZONE1内，那么某些角落点的蓝光的波矢可能会位于区域ZONE1外。换句话说，波导板SUB1不能限制输入图像IMG0的某些角落点的蓝光。蓝光的泄漏可能会限制显示的虚拟图像VIMG1的角度宽度。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10e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。光学扩瞳装置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10f和10g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。第二路径可以是例如，逆时针路径。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。

第二导波光B1b的波矢可以在区域BOX1b内。

第四导波光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。

光学扩瞳装置EPE1可以被设置为提供第一路径和第二路径。第一路径可以提供蓝色的显示图像VIMG1的全宽度

第二路径可以提供红色的显示图像VIMG1的全宽度

因此，光学扩瞳装置EPE1可以被设置为显示具有全宽度

的彩色虚拟图像VIMG1。

因此，光学扩瞳装置EPE1可以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具有全宽度

因此，通过使用两条路径显示的彩色虚拟图像VIMG1的角宽度

可以大幅大于其他不使用第二条路径的设备(EPE0)显示的彩色虚拟图像的最大角宽度(LIM1)。

具有两条路径的光学扩瞳装置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

第一路径可以被设置为传输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传输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

大于预定限制(LIM1)的情况下，入瞳单元(DOE1)可以设置为：

-与输入图像(IMG0)的第一个角落点(P1)对应的红光(B1aP1,R)，

-与输入图像(IMG0)的第二个角落点(P2)对应的蓝光(B1bP1,B)，

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)，

-第一导波光(B1a)不包含第一角落点(P1)的红光，

-第二角落点(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)的蓝光无法满足在入瞳单元(DOE1)和第二扩瞳单元(DOE2b)之间全内反射(TIR)的标准。

例如，在输入光(IN1)对应于输入图像(IMG0)且输入图像(IMG0)的宽度

大于预定限制(LIM1)的情况下，入瞳单元(DOE1)可以设置为：

-与输入图像(IMG0)的第一角落点(P1)对应的红光(B1aP1,R)，

-与输入图像(IMG0)的第一角落点(P1)对应的蓝光(B1aP1,B)，

-与输入图像(IMG0)的第二角落点(P2)对应的红光(B1bP2,R)，

-与输入图像(IMG0)的第二角落点(P2)对应的蓝光(B1bP2,B)，

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)，

-第一导波光(B1a)不包含第一角落点(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)的红光未能通过第一扩瞳单元(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)的蓝光无法满足在入瞳单元(DOE1)和第二扩瞳单元(DOE2b)之间全内反射(TIR)的条件。

光学扩瞳装置EPE1可以被设置为如下操作，使得在蓝色导波光经由装置EPE1的第一路径传播的情况下，蓝色导波光的波矢落在区域ZONE1内，并且装置EPE1可以设置为，在红色导波光通过装置EPE1的第二路径传播的情况下，红色导波光的波矢落在区域ZONE1内。

结合图11a和11b，分别可知角落点P1的蓝光和红光在波导板SUB1中的传播情况；结合图12a和12b，分别可知角落点P2的蓝光和红光在波导板SUB1中的传播情况；结合图13a和13b，分别可知中心点P0的蓝光和红光在波导板SUB1中的传播情况；结合图14a和14b，分别可知角落点P3的蓝光和红光在波导板SUB1中的传播情况；结合图15a和15b，分别可知角落点P4的蓝光和红光在波导板SUB1中的传播情况。

本发明实施例还提供了一种显示装置，包括如上所述的光学扩瞳装置，以及用于形成主图像的光学引擎。

如图16a至16e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也可以被称为空间光强度调制器。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。红光可以表现为红色，例如，波长650nm，绿光可以表现为绿色，例如，波长510nm。蓝光可以表现为蓝色，例如，波长470nm。特别的，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。

类似的，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IN1中，输入图像IMG0第一角落点P1相对应的蓝色光束(B0P1,B)的传播方向(k0P1,B)可以平行于第一角落点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第二角落点P2相对应的蓝色光束(B0P2,B)的传播方向(k0P2,B)可以平行于第二角落点P2相对应的红色光束(B0P2,R)的传播方向(k0P2,R)。

红色光束B0P2,R可以对应于图像点P2，并且在波矢k0P2,R的方向上传播。红色光束B0P3,R可以对应于图像点P3，并且在波矢k0P3,R的方向上传播。红色光束B0P4,R可以对应于图像点P4，并且在波矢k0P4,R的方向上传播。红色光束B0P0,R可以对应于中心像点P1，并且在波矢k0P0,R的方向上传播。

光的波矢(k)可以被定义为具有所述光的传播方向的矢量，由2π/λ给出大小，其中λ是所述光的波长。

参照图16f，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。每个输出光束对应于图像上不同位置的像点。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'。

光学扩瞳装置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。光学扩瞳装置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'。光学扩瞳装置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′。

光学扩瞳装置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。

光学扩瞳装置EPE1可以被设计成，使得波矢k3P1,R与输入光IN1中的点P1对应的红光的波矢k0P1,R平行。波矢k3P0,R可以与点P0对应的波矢k0P0,R平行。波矢k3P2,R可以与点P2对应的波矢k0P2,R平行。波矢k3P3,R可以与点P3对应的波矢k0P3,R平行。波矢k3P4,R可以与点P4对应的波矢k0P4,R平行。

在图16g和16h中，所显示的虚像VIMG1具有角宽度

和角高度Δθ。

所显示的虚拟图像VIMG1可以具有例如第一角落点P1'，在图像VIMG1的左侧；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Δθ可以等于角落点P1'，P3'的波矢k3P1,R，k3P3,R之间的垂直夹角。

光学扩瞳装置EPE1的两条路径可以允许显示宽的彩色虚拟图像VIMG1。光学扩瞳装置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。

可通过方位角

和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。

显示装置500可以是虚拟现实设备500。显示装置500可以是增强现实设备500。显示装置500可以是近眼设备。显示装置500可以是可穿戴设备，例如，头盔。显示装置500可以包含例如头带，显示装置500可以通过头带佩戴在用户的头上。在显示装置500的操作期间，可以将出瞳单元DOE3定位在，例如用户的左眼EYE1或右眼EYE1前面。显示装置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，显示装置500可以包含两个引擎ENG1和/或两个光学扩瞳装置EPE1以显示立体图像。在增强现实显示装置500中，除了显示的虚拟图像之外，观看者还可以通过光学扩瞳装置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可以从互联网或智能手机接收一个或多个数字图像。显示装置500可以是智能手机。所显示的图像可以被人观看，还可以被动物或机器(可能包含例如照相机)观看。

显示装置500可以包含光学引擎ENG1，以形成主图像IMG0并将主图像IMG0转换成输入光IN1的多个光束。光引擎ENG1的光可以从光学扩瞳装置EPE1的入瞳单元DOE1耦入。输入光IN1可以从光学扩瞳装置EPE1的入瞳单元DOE1耦入。显示装置500可以是用于显示虚拟图像的显示装置。显示装置500也可以是近眼光学设备。

光学扩瞳装置EPE1可以将虚拟图像内容从光引擎ENG1传播到用户的眼睛EYE1前面。光学扩瞳装置EPE1可以扩展视瞳，从而扩大了eyebox。

光引擎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(4KUHD)。主图像IMG0可以包含多个图像点P0，P1，P2，...。光引擎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。光引擎ENG1可以包含准直光学器件LNS1，以从图像点P0的光形成基本准直的光束。显示器DISP1中心和光学器件LNS1的中心可以定义一个光引擎ENG1的光轴AX0。点P0和光学器件LNS1的中心点可以定义光轴AX0。

与图像点P0相对应的光束可以在波矢k0P0,R指定的方向上传播。对应于不同的图像点P1的光束可以沿与方向k0P0,R不同的方向k0P1,R传播。

光引擎ENG1可以提供与所生成的主图像IMG0相对应的多个光束。由光引擎ENG1提供的一个或多个光束可以耦合到光学扩瞳装置EPE1中，并作为输入光IN1。

光引擎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)。

本发明实施例还提供了一种光束扩展方法，采用如上所述的光学扩瞳装置进行光束扩展。

本发明实施例还提供了一种图像显示方法，采用如上所述的光学扩瞳装置进行图像显示。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种光学扩瞳装置，其特征在于，包括波导板，所述波导板上设置有：

入瞳单元，用于通过衍射输入光以形成第一导波光和第二导波光；

第一扩瞳单元，用于衍射所述第一导波光以形成第三导波光；

第二扩瞳单元，用于衍射所述第二导波光以形成第四导波光；

出瞳单元，用于衍射所述第三导波光以形成第一输出光，和用于衍射第四导波光以形成第二输出光，以及将所述第一输出光和第二输出光组合形成组合输出光；

所述入瞳单元和出瞳单元沿所述波导板对角线设置，且所述出瞳单元设置于所述入瞳单元的下方，所述第一扩瞳单元和第二扩瞳单元设置于所述入瞳单元和出瞳单元的两侧；

还包括光谱滤光片区域，所述光谱滤光片区域包括设置于所述第一扩瞳单元内侧的第一光谱滤光片区域和设置于所述第二扩瞳单元内侧的第二光谱滤光片区域，所述第一光谱滤光片区域用于防止第一颜色光通过所述第一扩瞳单元从所述入瞳单元传输至所述出瞳单元，所述第二光谱滤光片区域用于防止第二颜色光通过所述第二扩瞳单元从所述入瞳单元传输至所述出瞳单元；

还包括布拉格光栅区域，所述布拉格光栅区域包括分别设置于第一光谱滤光片区域内侧和第二光谱滤光片区域内侧的第一布拉格光栅区域和第二布拉格光栅区域，且所述第一布拉格光栅区域和第二布拉格光栅区域分别与第一光谱滤光片区域和第二光谱滤光片区域重叠设置；

所述第一布拉格光栅区域与所述第一光谱滤光片区域之间的第一重叠区域面积为所述第一布拉格光栅区域面积的50％～100％，所述第二布拉格光栅区域与所述第二光谱滤光片区域之间的第二重叠区域面积为所述第二布拉格光栅区域面积的50％～100％；

所述第一布拉格光栅区域在水平方向的横截面宽度为所述波导板的导波层厚度3～5倍，所述第二布拉格光栅区域在垂直方向的横截面宽度为所述波导板的导波层厚度3～5倍；

所述入瞳单元包括分别用于形成所述第一导波光和第二导波光的第一入瞳光栅和第二入瞳光栅，所述第一入瞳光栅和第二入瞳光栅分别具有第一入瞳光栅周期和第二入瞳光栅周期，且所述第一入瞳光栅周期和第二入瞳光栅周期不同；

所述出瞳单元包括分别用于形成所述第一输出光和第二输出光的第一出瞳光栅和第二出瞳光栅，所述第一出瞳光栅和第二出瞳光栅分别具有第一出瞳光栅周期和第二出瞳光栅周期，且所述第一出瞳光栅周期和第二出瞳光栅周期不同；

所述第一布拉格光栅区域和第二布拉格光栅区域的光栅周期分别为所述第一出瞳光栅周期和第二出瞳光栅周期的一半。

2.根据权利要求1所述的光学扩瞳装置，其特征在于，所述波导板至少包含一个覆层、至少一个保护层以及至少一个机械支撑层，所述光谱滤光片区域与所述布拉格光栅区域位于所述波导板的同一侧或者不同侧。

3.根据权利要求1所述的光学扩瞳装置，其特征在于，所述入瞳单元设置有用于将第一导波光衍射到所述第一扩瞳单元的第一衍射特征，以及用于将第二导波光衍射到第二扩瞳单元的第二衍射特征，所述第一衍射特征和第二衍射特征均为凸起或者凹槽。

4.根据权利要求1所述的光学扩瞳装置，其特征在于，所述入瞳单元包括分别用于形成所述第一导波光和第二导波光的第一入瞳光栅和第二入瞳光栅，所述第一入瞳光栅和第二入瞳光栅分别具有第一入瞳光栅周期和第二入瞳光栅周期，且所述第一入瞳光栅周期和第二入瞳光栅周期不同；

所述出瞳单元包括分别用于形成所述第一输出光和第二输出光的第一出瞳光栅和第二出瞳光栅，所述第一出瞳光栅和第二出瞳光栅分别具有第一出瞳光栅周期和第二出瞳光栅周期，且所述第一出瞳光栅周期和第二出瞳光栅周期不同。

5.根据权利要求4所述的光学扩瞳装置，其特征在于，所述第一布拉格光栅区域和第二布拉格光栅区域的光栅周期分别为所述第一出瞳光栅周期和第二出瞳光栅周期的一半。

6.根据权利要求1-5任一项所述的光学扩瞳装置，其特征在于，所述入瞳单元用于衍射输入光，使得第一导波光包括输入图像的中心点的光，并且使得第二导波光包括图像中心点的光；

所述出瞳单元用于衍射从第一扩瞳单元接收的所述第三导波光，使得所述第一输出光包括中心点的光，其中所述出瞳单元被用于衍射从第二扩瞳单元接收的所述第四导波光，使得所述第二输出光包括中心点的光，所述第一输出光中的中心点的光沿光轴传播，所述第二输出光中的中心点的光沿相同的光轴传播。

7.根据权利要求6所述的光学扩瞳装置，其特征在于，所述第一导波光中的中心点的光在第一方向传播，所述第二导波光中的中心点的光在第二方向传播，其中所述第一方向与所述第二方向的夹角范围为60°～120°。

8.一种显示装置，其特征在于，包括如权利要求1～7任一项所述的光学扩瞳装置，以及用于形成主图像的光学引擎。

9.一种光束扩展方法，其特征在于，采用如权利要求1～7任一项所述的光学扩瞳装置进行光束扩展。

10.一种图像显示方法，其特征在于，采用如权利要求1～7任一项所述的光学扩瞳装置进行图像显示。

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