CN114326103A - 光学组件、近眼显示装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于自由曲面折射校正的光学组件、近眼显示装置以及图像投射的方法。所述光学组件包括：光束生成器，配置成形成光锥分布的光束组；波导，具有耦入面，耦入的光束在所述波导与自由空间的界面处发生全反射；自由曲面透镜，配置成使得所述光束组穿过其后入射到所述波导的耦入面上，且所述光束组中穿过其不同区域的光束各自发生预定角度的折射；光束合成器，位于所述波导的一个表面上，配置成使得入射到其上的光束以不同角度离开并继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后汇聚于一点。本申请的光学组件通过包括如上所述的自由曲面透镜，不仅能够对图像畸变进行校正，更可视情况对投影效果进行主动调节，具有改善的适用性和灵活性。

Description

光学组件、近眼显示装置及制造方法

技术领域

本申请大致涉及光学显示领域，尤其涉及一种基于自由曲面折射校正的光学组件、近眼显示装置及制造方法。

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的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技术与近眼显示相结合的近眼VR、AR和MR显示技术是重要的新型显示技术，能够给人们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，而近眼AR和MR显示旨在实现透视式的虚实融合。原则上，用于AR和MR的近眼显示装置，在阻挡外界环境光进入人眼的情况下，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，人眼直接通过该装置看到显示的位于远处的放大图像，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，具有重要的潜在商业应用价值，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和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基于单一正透镜成像原理，即通过在单一正透镜的物方焦平面附近放置显示器，使得显示器通过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公司以及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。该技术能够实现基于双目视差的三维显示或双层深度的体显示或者普通的二维显示。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眼镜来说，最大的挑战之一在于开发出尺寸更小、更紧凑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，视网膜显示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。传统的视网膜显示技术通过LCoS等显示芯片作为图像载体，通过透镜系统进行成像，并使用半透半反镜将图像导入人眼，使环境光透过人眼实现穿透式显示。该技术中的透镜组体积较大，且半透半反镜会将环境光亮度衰减一半，因此实现紧凑、不衰减环境光的大视场显示模组是视网膜显示技术中亟待解决的重要问题。

并且，当例如图像光的主传播方向与拟投射图像的平面并非垂直布置时，所形成的投影图像可能会因拉伸程度不同而产生形状变化，因此需要对畸变的图像进行校正。更一般性地，在实际应用中，往往存在各种客观条件下的限制和要求以及难以预料的变数，需要因地制宜地对投影效果进行主动调节，因此期望对相关光学组件的适用性和灵活性实现改善。

发明内容

本申请的目的是提供一种光学组件，以及基于该光学组件的近眼显示装置和图像投射方法，其至少部分地解决了现有技术中存在的上述问题。

根据本申请的一个方面，提供一种光学组件，包括：

光束生成器，配置成形成光锥分布的光束组；

波导，具有耦入面，用于将入射到其上的光束耦合进入所述波导，在所述波导与自由空间的界面处发生全反射；

自由曲面透镜，位于所述光束组的光锥顶点与所述波导的耦入面之间，配置成使得所述光束组穿过所述自由曲面透镜后入射到所述波导的耦入面上，其中所述光束组中穿过所述自由曲面透镜的不同区域的光束各自发生预定角度的折射；

光束合成器，位于所述波导的一个表面上，配置成改变入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述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光束合成器后汇聚于一点。

在本申请的一个实施方案中，所述光锥分布的光束组在垂直于所述光束组主方向的任一截面上的照射区域的轮廓，与在所述光束合成器上形成的照射区域的轮廓，二者成等比例。

在本申请的一个实施方案中，所述自由曲面透镜的入射面具有双曲面形状，其中所述入射面上的每个点具有预定的曲率。

在本申请的一个实施方案中，所述自由曲面透镜的入射面整体上为凸状、凹状或二者的组合。

在本申请的一个实施方案中，所述自由曲面透镜的入射面上任一点的曲率，通过预设拟穿过该点的光束的入射方向和出射方向并经计算得到。

在本申请的一个实施方案中，所述光锥分布的光束组的主方向不垂直于所述光束合成器所在的平面。

在本申请的一个实施方案中，所述光学组件具有入瞳和出瞳，其中所述光束组的光锥顶点为所述入瞳，来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后所汇聚的所述一点为所述出瞳。

在本申请的一个实施方案中，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/或亮度信息的光束；所述微机电系统配置成可对所述光束进行扫描而形成所述光锥分布的光束组。

在本申请的一个实施方案中，所述图像源包括多个激光器、控制器和合束器，其中所述控制器与所述多个激光器耦合，控制所述多个激光器发射出激光束；所述合束器包括透镜组以及分别与所述多个激光器的波长对应的光学薄膜分光片，将所述多个激光器发射出的激光束合成为在空间上传播路径重合的近平行性细光束。

在本申请的一个实施方案中，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振镜对来自于所述多个激光器的携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的细光束扫描而形成的。

在本申请的一个实施方案中，所述光束合成器包括衍射光学元件，被耦合进入所述波导中的光束在所述波导与自由空间的界面处发生全反射后，入射到所述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离开所述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光束合成器后汇聚于一点。

在本申请的一个实施方案中，所述衍射光学元件为体全息光学元件，选自透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件。

在本申请的一个实施方案中，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。

在本申请的一个实施方案中，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，每个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，而对其他波长的激光不发生衍射作用。

在本申请的一个实施方案中，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，而对其他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波长中的一个波长的激光发生衍射作用，而对其他波长的激光不发生衍射作用。

在本申请的一个实施方案中，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。

根据本申请的另一个方面，提供一种近眼显示装置，包括如上所述的光学组件。

在本申请的一个实施方案中，所述近眼显示装置为虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

在本申请的一个实施方案中，所述近眼显示装置还包括图像生成单元，所述图像生成单元配置成可生成待显示的图像，并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。

根据本申请的又一个方面，提供一种使用如上所述的光学组件或近眼显示装置进行图像投射的方法，包括以下步骤：

S1：通过光束生成器形成光锥分布的光束组；

S2：通过自由曲面透镜接收所述光锥分布的光束组，使得所述光束组中穿过所述自由曲面透镜的不同区域的光束各自发生预定角度的折射；

S3：将所述各自发生预定角度的折射的光束经由耦入面耦合进入波导，在所述波导与自由空间的界面处发生全反射；

S4：通过光束合成器改变经全反射后入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述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光束合成器后汇聚于一点。

本申请的另一个目的是提供一种光学元件的制造方法，以及基于该方法的体全息光学元件、光学组件和近眼显示装置，其至少部分地解决了现有技术中存在的上述问题。

根据本申请的一个方面，提供一种光学元件的制造方法，包括以下步骤：

S81：提供波导，所述波导具有耦入面，感光膜/感光板位于所述波导的一个表面上；

S82：提供自由曲面透镜，所述自由曲面透镜位于所述波导的耦入面与拟入射到该耦入面上的光束之间，并配置成使得穿过其不同区域的光束各自发生预定角度的折射；

S83：利用激光器发射出激光；

S84：将所述激光分束成第一激光光束和第二激光光束；

S85：使所述第一激光光束汇聚到所述波导外的第一点，并在从所述第一点出射后形成发散球面波，其中的光束穿过所述自由曲面透镜的不同区域而各自发生预定角度的折射；

S86：使经所述自由曲面透镜折射的第一激光光束入射到所述波导的耦入面上而被耦合进入该波导内部，在所述波导与自由空间的界面处发生全反射，并入射到所述感光膜/感光板上；

S87：使所述第二激光光束穿过所述感光膜/感光板后，汇聚到所述波导外的第二点；

S88：使被汇聚到所述第一点后经所述自由曲面透镜折射并在所述波导内部全反射的第一激光光束，与被汇聚到所述第二点的第二激光光束在所述感光膜/感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得体全息光学元件。

在本申请的一个实施方案中，所述感光膜/感光板的感光材料为全彩感光材料，其中所述步骤S83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S88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。

在本申请的一个实施方案中，所述感光膜/感光板的感光材料为全彩感光材料，其中所述步骤S83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S88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。

在本申请的一个实施方案中，所述感光膜/感光板的感光材料为单色感光材料，其中所述步骤S83包括：利用激光器发出与所述单色感光材料对应波长的激光光束并出射；所述步骤S88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。

在本申请的一个实施方案中，所述方法还包括：更换可对不同波长的激光进行曝光的感光膜/感光板，通过所述步骤S83、S84、S85、S86、S87和S88，获得与所述不同波长对应的体全息光学元件。

根据本申请的另一个方面，提供一种体全息光学元件，通过如上所述的方法制造。

根据本申请的又一个方面，提供一种光学组件，包括：

光束生成器，配置成形成光锥分布的光束组；

波导，具有耦入面，用于将入射到其上的光束耦合进入所述波导，在所述波导与自由空间的界面处发生全反射；

自由曲面透镜，位于所述光束组的光锥顶点与所述波导的耦入面之间，配置成使得所述光束组穿过所述自由曲面透镜后入射到所述波导的耦入面上，其中所述光束组中穿过所述自由曲面透镜的不同区域的光束各自发生预定角度的折射；

光束合成器，包括通过如上所述的方法制造的体全息光学元件，其位于所述波导的一个表面上，配置成改变入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述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光束合成器后汇聚于一点。

在本申请的一个实施方案中，所述光锥分布的光束组在垂直于所述光束组主方向的任一截面上的照射区域的轮廓，与在所述光束合成器上形成的照射区域的轮廓，二者成等比例。

在本申请的一个实施方案中，所述自由曲面透镜的入射面具有双曲面形状，其中所述入射面上的每个点具有预定的曲率。

在本申请的一个实施方案中，所述自由曲面透镜的入射面整体上为凸状、凹状或二者的组合。

在本申请的一个实施方案中，所述自由曲面透镜的入射面上任一点的曲率，通过预设拟穿过该点的光束的入射方向和出射方向并经计算得到。

在本申请的一个实施方案中，所述光锥分布的光束组的主方向不垂直于所述光束合成器所在的平面。

在本申请的一个实施方案中，所述光学组件具有入瞳和出瞳，其中所述光束组的光锥顶点为所述入瞳，来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后所汇聚的所述一点为所述出瞳。

在本申请的一个实施方案中，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/或亮度信息的光束；所述微机电系统配置成可对所述光束进行扫描而形成所述光锥分布的光束组。

在本申请的一个实施方案中，所述图像源包括多个激光器、控制器和合束器，其中所述控制器与所述多个激光器耦合，控制所述多个激光器发射出激光束；所述合束器包括透镜组以及分别与所述多个激光器的波长对应的光学薄膜分光片，将所述多个激光器发射出的激光束合成为在空间上传播路径重合的近平行性细光束。

在本申请的一个实施方案中，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振镜对来自于所述多个激光器的携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的细光束扫描而形成的。

在本申请的一个实施方案中，所述体全息光学元件为透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件。

在本申请的一个实施方案中，所述体全息光学元件选自以下中的任一个：

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，每个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，而对其他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，而对其他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波长中的一个波长的激光发生衍射作用，而对其他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。

根据本申请的又一个方面，提供一种近眼显示装置，包括如上所述的光学组件。

在本申请的一个实施方案中，所述近眼显示装置为虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

在本申请的一个实施方案中，所述近眼显示装置还包括图像生成单元，所述图像生成单元配置成可生成待显示的图像，并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。

本申请针对传统视网膜显示技术中光学模组复杂及体积大的问题，通过设置波导与光束合成器相结合而实现了结构紧凑的光学组件和近眼显示装置，在近眼AR和VR显示领域具有重要的应用价值。

并且，本申请通过在光束生成器与波导的耦入面之间设置自由曲面透镜，并将其构造为入射面上的每个点在三维维度下具有特定的曲率，使得穿过其不同区域的光束各自发生预定角度的折射，由此对投影图像进行校正，解决了因图像光主方向与光束合成器非垂直布置而导致的诸如图像畸变的问题。

此外，在如上所述对畸变投影图像进行校正的基础上，本申请还可根据实际应用中的限制和要求，通过有目的地设计自由曲面透镜中相关区域的曲率而实现对投影效果的主动调节，从而具有显著改善的适用性和灵活性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1示出了根据本申请第一方面的光学组件的结构；

图2示出了根据本申请一个实施方案的光学组件沿x轴方向校正投影图像的过程；

图3示出了根据本申请一个实施方案的光学组件沿z轴方向校正投影图像的过程；

图4示出了根据本申请一个实施方案的光学组件沿x轴方向和z轴方向校正投影图像的综合过程；

图5A-5C示出了根据本申请一个实施方案的自由曲面透镜的入射面制作过程；

图6示出了根据本申请一个实施方案的自由曲面透镜的外形轮廓的立体图；

图7示出了根据本申请一个实施方案的光束生成器的结构；

图8示出了根据本申请第二方面的光学元件的制造方法的步骤流程图；

图9示出了通过图8所示方法制造光束合成器的光路示意图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对发明的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。另外在以下的不同实施例中，可能重复使用参考数字和/或参考字母，然而这种重复仅是出于简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论的各种实施方式之间的关系。

本申请中，除非另有明确说明，术语“多个”意指为两个以上，即大于或等于2。

此外需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例以及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例详细描述本申请。

第一方面

本申请的第一方面涉及一种基于自由曲面折射校正的光学组件(下文中，有时简称为“光学组件”)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、自由曲面透镜12、波导13和光束合成器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，其中每条光束可单独携带一个图像像素的颜色信息和/或亮度信息。根据本申请的一个实施方案，光束生成器11可通过扫描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与L₂之间的光束。可替换地，光束生成器11也可同时发射出该光锥中的全部或部分光束，这些都在本申请的保护范围内。

本领域技术人员容易理解，光束生成器11可在所述光锥中形成连续分布的光束，也可形成离散的光束而组成光束组，例如各个光束并非遍布于该光锥的任一角度处，而是离散的。根据本申请的一个实施方案，光学组件10具有入瞳10-In和出瞳10-Out，其中所述光锥的顶点可位于入瞳10-In的位置处。在图1中，光锥的发散角度为θ。光束生成器11可以本身即具有发散角度θ，从而由其发射出的光束的发散角即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细光束，在此情况下，光束生成器11例如还可包括扫描装置，用于对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。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看作来自于该汇聚点的发散光束。这些都在本申请的保护范围内。另外，光束生成器11所发射出的光束可为单色光束，或由多种单色光混合而成的多色光束。除携带颜色信息外，光束生成器11所发射出的光束还可携带亮度信息。根据本申请的细光束或高方向性细光束，例如是指光束直径小于2毫米或小于1毫米(优选小于0.01毫米)、发散角度为0.02～0.03度或更小的光束。

自由曲面透镜12为折射透镜，其用于接收光束生成器11形成的光锥分布的光束组，并通过折射改变所述光束组中的光束的传播方向。根据本申请，自由曲面透镜12的入射面具有双曲面形状，其中构成该入射面的每个点在三维维度(例如图1中所示的x-y-z坐标系)下具有特定的曲率。由此，光束生成器11形成的光束组中的不同光束根据其穿过自由曲面透镜12的相应区域，各自在三维维度下发生特定角度的折射，后文中将对此详细描述。另外，图1中示出了自由曲面透镜12的入射面整体上可为凸状，然而取决于所期望的折射校正效果，其亦可构造为凹状或者凸状和凹状的组合，后文中将对此进一步说明。自由曲面透镜12的折射率大于空气的折射率。

波导13具有耦入面131，用于接收经自由曲面透镜12折射改变传播方向的光束，并将所述光束耦入波导13中。波导13的一部分表面的外部为自由空间(例如空气)。波导13的折射率大于空气的折射率，耦合进入波导13的光束在满足入射角度的条件下，在波导13与自由空间的界面处会发生全反射。

根据本申请，自由曲面透镜12设置在光束生成器11与波导13的耦入面131之间。就此而言，本申请对于自由曲面透镜12在光束生成器11与波导13的耦入面131之间具体的设置方式，例如相对位置、角度和构造等均不作特别限定，其皆可通过改变自由曲面透镜12的相应区域的曲率而实现对光束折射方向的预期调节。

根据本申请，自由曲面透镜12的折射率与波导13的折射率相同或接近。在本申请的一个实施方案中，自由曲面透镜12的折射率与波导13的折射率相差在33.3％以内，例如在25％、15％或5％以内。

光束合成器14位于波导13的一个表面上，用于改变经全反射后入射到其上的光束的传播方向，使所述光束以不同角度离开光束合成器14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离开光束合成器14后汇聚于一点，该汇聚点可例如为光学组件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自由曲面透镜12，经自由曲面透镜12折射后改变传播方向并进入波导13，在波导13与自由空间(例如空气)的界面处发生全反射后入射到光束合成器14上，经光束合成器14调制后离开波导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。

本领域技术人员容易理解，光束合成器14的折射率例如与波导13的折射率相同或接近，因而当入射到光束合成器14所在位置时，光束会进入光束合成器14中而不会继续发生全反射。光束合成器14可例如由感光膜或通过在玻璃等透明透光介质上涂覆感光材料并经曝光制成。

根据本申请的一个实施方案，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波导13的一个表面上，在该波导与自由空间的界面处发生全反射后不同方向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，其传播方向改变并进入自由空间，其中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他波长和方向的光不发生衍射，具有角度和波长的选择性。下文中，除非特别说明，所述衍射光学元件是指透射式体全息光学元件和/或反射式体全息光学元件。换言之，根据本申请的衍射光学元件例如为体全息光学元件，其既可为透射式体全息光学元件，也可为反射式体全息光学元件，后文中将对此详细描述。

下面具体描述图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，以该光束组中位于边界处的两条光束L₁、L₂为例，其分别入射到自由曲面透镜12的入射面上(例如点A和点B处)，经折射后各自改变传播方向，并通过耦入面131被耦入到波导13内部。折射后的光束L₁和L₂在波导13的内部继续传播，并各自在波导13与自由空间(例如空气)的界面处发生全反射(例如点C和点D处)，反射光束其后入射到光束合成器14上(例如点E和点F处)。光束合成器14例如为反射式体全息光学元件，其可使得入射至其上的光束无论入射的方向或角度如何均能够发生衍射，衍射光束反向汇聚穿过自由空间中的一点，例如图1中所示的光学组件10的出瞳10-Out。

在图1所示的实施方案中，光束L₁和L₂在波导13内部经一次全反射后入射到光束合成器14上。然而本领域技术人员能够理解，本申请的保护范围并不限于光束在波导内部全反射的次数，其也可经过多次全反射，具体地可根据诸如波导的尺寸以及波导材料的折射率等决定。另外，不同角度的光束的全反射次数亦可不同，这些均在本申请的保护范围内。此外，光束合成器14可贴附于波导13一侧的整个表面上，也可仅贴附于其一侧的部分表面上。

在图1所示的实施方案中，光束合成器14采用了反射式光束合成器，其中入射光束和衍射光束位于光束合成器14的同侧，即光束合成器14实施了类似反射式的光束调制。本领域技术人员容易理解，此处也可采用透射式光束合成器来实施，其中入射光束和衍射光束分别位于光束合成器的两侧，即光束合成器实施类似透射式的光束调制。这两种方式在光学原理上是相通的，此处不再赘述。

需作提及的是，本申请的光学组件10中的“入瞳”和“出瞳”，既可为空间中的一个点，也可为空间中的一个区域。能够形成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。因此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，而是一定的区域。

根据本申请的基于自由曲面折射校正的光学组件的一个有利之处在于，所述光学组件包括光束生成器、波导和光束合成器，能够有效地改进相关模组的结构，例如减小其厚度。特别是在应用于例如VR或AR眼镜的情况下，通过利用波导传播来自光束生成器的光束，无需考虑诸如因使用者头部遮挡而导致的设计局限等问题，从而能够将整个模组的厚度减小至厘米量级甚至毫米量级。

根据本申请的基于自由曲面折射校正的光学组件的另一有利之处在于，通过在所述光学组件的光束生成器与波导耦入面之间设置自由曲面透镜以调节光束的传播方向，可避免因图像光主方向相对于光束合成器呈倾斜设置而导致的诸如图像畸变的缺陷，具体说明如下。

本申请中，术语“主方向”或“主传播方向”可理解为中心光线的方向。

在本申请的基于自由曲面折射校正的光学组件中，在光束生成器与波导耦入面之间设置有自由曲面透镜，所述自由曲面透镜的入射面具有双曲面形状，其中构成该入射面的每个点在三维维度下具有特定的曲率。根据本申请的一个实施方案，光束生成器形成的光锥分布的光束组的主方向不垂直于光束合成器所在的平面，而是呈一定倾斜角度。在此情况下，相对于原始图像的形状(即光束生成器发出的图像光在垂直于其主方向的平面上具有的轮廓)，图像光在与光束合成器平行的平面上未经校正而直接形成的投影图像会被部分拉伸而导致形状变化。然而，根据本申请，光束生成器形成的光锥分布的光束组在进入波导前需首先穿过如上所述的自由曲面透镜。在此过程中，所述光束组中的每条光束在穿过自由曲面透镜的相应区域时，根据该区域特定的曲率而在三维维度下发生预定角度的折射，由此得以对图像光在波导表面上的入射位置依据原始图像进行校正，从而在光束合成器上形成相对于原始图像呈等比例放大而不产生拉伸的投影图像。因此，根据本申请的光学组件能够避免上述图像畸变问题。

下面将以原始图像为矩形且未实施校正下的投影图像为梯形的情况为例，更详细地描述根据本申请的基于自由曲面折射校正的光学组件实现无畸变成像的过程，其中图2至4沿用图1中所示的坐标系。

图2示出了根据本申请一个实施方案的光学组件20沿x轴方向校正投影图像的过程(x-y坐标系)。如图2所示，光束生成器21形成以光束L₁和L₂为边界的光锥分布的光束组。光束L₁首先入射到自由曲面透镜22的入射面上的点A处，经折射后改变传播方向，被耦入波导23内部后继续传播，并在波导23与空气的界面点C处发生全反射，最终入射到光束合成器24上。与之类似，光束L₂首先入射到自由曲面透镜22入射面上的点B处，经折射后改变传播方向，被耦入波导23内部后继续传播，并在波导23与空气的界面点D处发生全反射，最终入射到光束合成器24上。

图2还示出了以虚线绘制的光束L₁'和L₂'。假设不设置自由曲面透镜22，则光束L₁被耦入波导23内部后沿光束L₁'方向入射到波导23与空气的界面点C'处，而光束L₂被耦入波导23内部后沿光束L₂'方向入射到波导23与空气的界面点D'处。由图2可见，由于光束生成器21形成的光锥分布的光束组的主方向PD不垂直于波导23的表面S₁(该表面与光束合成器24平行)，由基本投影关系可知，与原始图像相比，在波导23的表面S₁上形成的投影图像(对应于C'与D'之间的区域)中，原始图像的各个像素间距在x轴方向上被不同程度地拉伸，导致该表面上的投影图像产生沿x轴方向的畸变。

根据本申请，在设置自由曲面透镜22的情况下，光束L₁在自由曲面透镜22的入射面上点A处的特定曲率下发生折射，其传播方向被以预定的角度偏折，从而在波导23的表面S₁上的入射点由点C'变为点C；光束L₂在自由曲面透镜22的入射面上点B处的特定曲率下发生折射，其传播方向被以预定的角度偏折，从而在波导23的表面S₁上的入射点由点D'变为点D。类似地，光束生成器21形成的光锥分布的光束组中的每条光束均在自由曲面透镜22的入射面上相应位置处的特定曲率下发生折射，其传播方向各自被以预定的角度偏折，使得所有的光束在波导23的表面S₁上的入射位置均经过校正。由此，在波导23的表面S₁上实际形成的投影图像(对应于C与D之间的区域)中，原始图像的各个像素间距在x轴方向上被相同程度地拉伸，从而使得该表面上的投影图像相对于原始图像沿x轴方向等比例放大，而不产生畸变。

图3示出了根据本申请一个实施方案的光学组件30沿z轴方向校正投影图像的过程(x-z坐标系)。如图3所示，光束生成器31形成以光束L₃和L₄为边界的光锥分布的光束组。仍假设不设置自由曲面透镜32，则光束L₃被耦入波导33内部后沿光束L₃'方向入射到波导33的表面S₁上的点I'处，而光束L₄被耦入波导33内部后沿光束L₄'方向入射到波导33的表面S₁上的点J'处。结合图2，由于原始图像所在的平面与表面S₁并非平行而是呈一定倾斜角度，由基本投影关系可知，与原始图像相比，在波导33表面S₁上的投影图像中，原始图像的各个像素间距在z轴方向上被不同程度地拉伸，导致该表面上的投影图像产生沿z轴方向的畸变。根据本申请，在设置自由曲面透镜32的情况下，光束L₃在自由曲面透镜32的入射面上点G处的特定曲率下发生折射，其传播方向被以预定的角度偏折，从而在波导33的表面S₁上的入射位置由点I'处移至例如点I处；而光束L₄在自由曲面透镜32的入射面上点H处的特定曲率下发生折射，其传播方向被以预定的角度偏折，从而在波导33的表面S₁上的入射位置由点J'处移至例如点J处。类似地，光束生成器31形成的光锥分布的光束组中，每条光束均在自由曲面透镜32的入射面上相应位置处的特定曲率下发生折射，其传播方向各自被以预定的角度偏折，使得所有的光束在波导33的表面S₁上的入射位置均经过校正。由此，在波导33的表面S₁上实际形成的投影图像中，原始图像的各个像素间距在z轴方向上被相同程度地拉伸，从而使得该表面上的投影图像相对于原始图像沿z轴方向等比例放大，而不产生畸变。

在上述图2和图3的基础上，图4示出了根据本申请一个实施方案的光学组件沿x轴方向和z轴方向校正投影图像的综合过程(x-z坐标系)。如此前所设定地，光束生成器形成的光锥分布的光束组在垂直于其主方向的平面上具有的轮廓(即原始图像的形状)为矩形，并且所述光束组的主方向与光束合成器所在的平面并非垂直而是呈一定倾斜角度。在此情况下，相对于矩形的原始图像，其在波导中与光束合成器平行的平面(例如表面S₁)上未经校正而直接形成的投影图像会在x轴方向上和z轴方向上被不同程度地拉伸，导致形成梯形的畸变图像。如图4所示意性示出地，P₀表示原始图像，其具有矩形形状；P₁'表示在不设置根据本申请的自由曲面透镜的情况下形成的投影图像，其具有由边缘入射点M'、N'、O'和Q'限定的梯形形状。以其中的边缘入射点N'为例，通过利用所述自由曲面透镜对投影图像沿x轴方向的校正，使得入射点N'移至点N_x所在位置处；通过利用所述自由曲面透镜对投影图像沿z轴方向的校正，使得入射点N'移至点N_z所在位置处；作为上述过程的综合结果，使得入射点N'移至点N所在位置处。以类似方式，还可分别使得入射点M'、O'和Q'移至点M、O和Q所在位置处。由此，根据本申请的光学组件实际形成的投影图像P₁具有由边缘入射点M、N、O和Q限定的矩形形状，并且其相对于原始图像P₀呈等比例放大，而不存在畸变情况。

以下描述本申请的光学组件中的自由曲面透镜的获得过程。根据本申请，自由曲面透镜的入射面具有双曲面形状，其上每个点具有预定的曲率。其中，所述自由曲面透镜的入射面上任一点的曲率，通过预设拟穿过该点的光束的入射方向和出射方向并经计算得到。

图5示出了根据本申请一个实施方案的自由曲面透镜的入射面制作过程，其中沿用图1中所示的坐标系。

图5A示出了光学组件50的预设成像光路(x-y坐标系)。如图5A所示，光束生成器51形成光锥分布的光束组，以其中的任一光束L_a为例进行描述：光束L_a首先入射到自由曲面透镜52的入射面上的点R处并发生折射，其中折射光束记为L_b；光束L_b经耦入波导53后在波导53与空气的界面点T处发生全反射，其中反射光束记为L_c；光束L_c最终入射到光束合成器54上的点U处。

参见图5A，对于光束生成器51形成的光锥分布的光束组中的任选光束L_a～L_c，其在自由曲面透镜52上的入射点R和在光束合成器54上的入射点U的位置是预定的，此时由于光束L_c与L_b为全反射关系，由此可确定全反射发生位置点T，进而确定光束L_b自点R出射的方向；另一方面，光束生成器51形成的光束组的光锥顶点的位置是预定的，由此可确定光束L_a向点R入射的方向。在光束L_a和L_b的相对方向已确定的情况下，如图5B所示，可通过折射定律推算光束L_a经自由曲面透镜52入射面上的点R处折射为光束L_b的法线方向：

n₁·sinθ₁＝n₂·sinθ₂

其中n₁为空气的折射率，n₂为自由曲面透镜的折射率，θ₁为入射光束L_a与法线的夹角，θ₂为折射光束L_b与法线的夹角。

在法线方向已经确定的情况下，可进一步确定相应的切线方向和曲率K，从而获得自由曲面透镜52入射面上的点R的二维坐标(x₁,y₁)。

在x-z坐标系下重复上述过程，可相应获得自由曲面透镜52入射面上的点R的二维坐标(x₁,z₁)，并由此最终获得自由曲面透镜52入射面上的点R的三维坐标(x₁,y₁,z₁)。

以类似方式，可获得自由曲面透镜52入射面上的每个点对应的三维坐标(x_i,y_i,z_i)，从而可通过加工(例如超精密数控加工)实现预期的自由曲面透镜。

根据本申请的一个实施方案，在所述自由曲面透镜的实际加工中，如图5C所示，可例如在自由曲面透镜的入射面上密集地选取多个离散的点，其中每个选取点对应一个曲率值(例如图中所示的K₁、K₂…K_i…)。在此情况下，可根据相应的曲率值加工出每个选取点所在的一定区域，并将这些区域作为整体组成一个近似连续变化的曲面。

在图1至5所示的实施方案中，光束生成器形成的光锥分布的光束组中的光束经根据本申请的自由曲面透镜折射后，均呈现为相对于折射前向“内”偏折，即所使用的自由曲面透镜总体上实施类似凸透镜的调制作用。具体地，图2中的光束L₁和L₂相对于L₁'和L₂'以及图3中的光束L₃和L₄相对于L₃'和L₄'均向内侧偏折，使其入射位置沿x轴和z轴方向均向投影图像中心移动，在图4中即体现为校正投影图像P₁(本申请的光学组件实际形成的投影图像)相对于畸变投影图像P₁'(在不设置自由曲面透镜的情况下所形成的投影图像)是缩小的。

与上述情形相应地，图6示出了根据本申请一个实施方案的自由曲面透镜的外形轮廓的立体图。如图6所示，自由曲面透镜60的入射面整体上为凸双曲面，其沿x轴方向的任一截面S_x以及沿z轴方向的任一截面S_z中对应于所述入射面的边各自呈现为向外凸出的曲线。此处需要说明的是，图6仅是为了更清楚地描述根据本申请的自由曲面透镜而示意性以及示例性地绘制的，其并无意图对本申请的保护范围造成任何限制，并且不一定是精确的。

以上描述了根据本申请的光学组件使用入射面整体上为凸状的自由曲面透镜，得到相对于原始图像等比例放大、但相对于在无自由曲面透镜下的畸变图像缩小的校正投影图像的情况。然而，本申请并不限于该图像校正方式。例如，根据本申请的光学组件也可使用入射面整体上为凹状的自由曲面透镜，得到相对于原始图像等比例放大、且相对于在无自由曲面透镜下的畸变图像放大的校正投影图像。或者，根据具体的图像校正方式，也可使用入射面为凸状和凹状的组合的自由曲面透镜，其在原理上皆是相通的，此处不再赘述。

另外，尽管以上描述了原始图像为矩形且未实施校正下的投影图像为梯形的情况，但本申请并不限于此。例如，本申请中使用的原始图像的形状除矩形外也可为其他规则或不规则形状，并且在不设置自由曲面透镜的情况下形成的畸变投影图像的形状除梯形外亦可为其他规则或不规则形状。事实上，由上文中关于根据本申请的自由曲面透镜的获得过程的描述可知，只要合适地预设拟穿过自由曲面透镜入射面上某区域的光束的入射及出射方向，即可确定该区域的曲率，进而获得自由曲面透镜的完整轮廓，用于实现预期的图像光传播路径和成像效果。换言之，通过合适地设置根据本申请的自由曲面透镜中相应区域的曲率，可实现对投影图像的诸如尺寸、形状和位置等要素的任意调节。

根据本申请，来自光束生成器的图像光在穿过自由曲面透镜时各自发生预定角度的折射，然后入射到波导中与光束合成器平行的平面(例如表面S₁)上，形成相对于原始图像呈等比例放大的校正投影图像。此处，由于图像光入射的波导平面(例如表面S₁)与光束合成器平行，因此其在波导内经全反射后入射到光束合成器上所形成的投影图像相对于原始图像同样也是呈等比例放大的。根据本申请的一个实施方案，将如上所述在光束合成器上形成的等比例放大的投影图像沿垂直于所述光束合成器表面的方向耦出成像于人眼的视网膜上，由此得以实现无图像畸变的虚拟现实显示或增强现实显示。

结合以上各个实施方案的描述和说明，本申请的光学组件通过有目的地设计其自由曲面透镜中相关区域的曲率，不仅可对因图像光主方向与光束合成器非垂直布置而导致的图像畸变进行校正，更可根据实际情况下的限制和要求(例如产品在结构和装配上的空间限制，以及应用场所对投影形状和投影位置的特殊要求等)对投影效果进行主动调节，从而具有显著改善的适用性和灵活性。

图7示出了根据本申请一个实施方案的光学组件70。下面参考图7详细描述。

图7所示的光学组件70同样包括自由曲面透镜72、波导73和光束合成器74，与图1至5所示类似，此处不再赘述。如图7所示，光学组件70还包括光束生成器71。光束生成器71包括图像源75和微机电系统76，其中图像源75配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束L₀，光束L₀入射到微机电系统76，微机电系统76配置成可对光束L₀进行扫描，形成所述光锥分布的光束组。根据本申请的一个实施方案，微机电系统76包括MEMS振镜，所述MEMS振镜接收入射的光束L₀并对其进行扫描，形成所述光锥分布的光束组。

图7中，图像源75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76(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所述光锥分布的光束组(例如图7中由光束L₁和L₂所限定的光锥)。另外，图像源75所产生的图像是通过微机电系统76中的MEMS振镜对来自于多个激光器的携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的细光束扫描而形成的。

根据本申请的一个实施方案，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，其中所述控制器与所述多个激光器耦合，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、强度以及其他光学参数。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7进行详细描述。

如图7所示，图像源75包括激光器，例如该图中所示地包括第一激光器751、第二激光器752以及第三激光器753，其中第一激光器751例如为红色激光器，第二激光器752例如为绿色激光器，第三激光器753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75还包括第一透镜(或透镜组)754、第二透镜(或透镜组)755和第三透镜(或透镜组)756，其分别用于对光路上游的第一激光器751、第二激光器752以及第三激光器753发出的激光光束进行准直，或缩小其发散角，或进行压缩，从而形成高方向性细光束。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)下游，其中所述激光器的激光经过所述透镜(或透镜组)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75的合束器包括第一分光片757、第二分光片758和第三分光片759，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757为例进行详细说明。第一分光片757设置在第一透镜(或透镜组)754的光路下游，其例如是与第一激光器751发出的激光波长对应的光学薄膜分光片，可使得第一激光器751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758使得第二激光器752发射的绿光被反射，绿光以外波长的光被透射；第三分光片759使得第三激光器753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757反射，入射到第二分光片758上并透射穿过第二分光片758，接着透射穿过第三分光片759。绿色激光被第二分光片758反射，入射到第三分光片759上并透射穿过第三分光片759。蓝色激光被第三分光片759反射。第一分光片757、第二分光片758、第三分光片759的反射路径设置成是相同的，如图7所示，由此从三个分光片反射的光束最终合成了光束L₀。所述透镜组可包含液体透镜或液晶透镜，其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，假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751和第二激光器752被控制器控制发射出相应波长的激光束；而第三激光器753被控制器控制不发射出激光束。

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被反射，而对其他波段的光线则进行透射。

光束L₀入射到微机电系统76中的MEMS振镜上，其反射镜在电磁力的作用下在一定角度范围内来回偏转，从而将入射光束L₀扫描出射后形成所述光锥分布的光束组，例如由不同时刻的反射光束L₁和L₂限定的光锥，其中光锥的顶点(例如振镜的摆动中心)位于光学组件70的入瞳70-In所在位置处。

根据本申请的一个实施方案，图像源75还可包括设置在透镜(或透镜组)754、755、756与光学薄膜分光片757、758、759之间的光阑、波片、偏振片或衰减片中的一个或多个(未示出)。另外，图像源75还可包括与透镜(或透镜组)耦合的微电机(未示出)，所述微电机可以调节所述透镜(或透镜组)的位置，或调节透镜组中透镜间的相对位置，以调节出射光束的光斑尺寸和/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751、第二激光器752、第三激光器753发射的激光束的波长和强度例如对应于图片或图案的一个像素的RGB三种波长的分量，其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7示意性地示出了图像源75包括红色、绿色和蓝色的三个激光器，但本申请的保护范围并不限于此。根据本申请，图像源75可包括更多数目或更少数目的激光器，并且激光器的波长可根据需要任意选择。例如，图像源75可仅包括一个激光器并发出单色激光，这些都在本申请的保护范围内。

另外，本申请的保护范围不限于激光器发射的光场的类型。激光器发出的既可为平面波，也可为球面波，其可通过透镜或透镜组来进行准直和压缩，这些对于本领域技术人员都是容易理解的。

如前所述，根据本申请的光束合成器例如包括衍射光学元件。所述衍射光学元件可例如为体全息光学元件，选自透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件。

根据本申请的一个实施方案，所述体全息光学元件包括单个彩色体全息光学元件，例如单张彩色体全息光学薄膜，所述单张彩色体全息光学薄膜可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，当对红色、绿色和蓝色激光均敏感的单张彩色体全息光学薄膜用于图7所示实施方案的光学组件时，无论入射光束为红色、绿色、蓝色或其中多种组合，该彩色体全息光学薄膜均可对入射光束进行衍射调制，汇聚于波导外的一点。另外，所述单张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，也可通过每次一种波长的激光曝光并进行多次连续曝光得到。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7实施方案的光学组件时，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他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后，以不同角度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，如果光源中包括更多波长的激光器，则所述光束合成器也可包括对应的体全息光学薄膜。这些都在本申请的保护范围内。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。曝光使用的激光器可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为低相干性的多模激光器，或者亦可为对应波长的LED或OLED光源。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光束合成器直接贴附在波导的相应表面上，即可实现对入射到其上的各种波长的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至少两个的激光曝光得到，其余的体全息光学元件分别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方案的基础上，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，可例如通过用红色和绿色的激光同时或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，也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。这些都在本申请的保护范围内。相对于上述全部采用单色体全息光学元件的实施方案的设置方式，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单个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。

根据本申请的一个实施方案，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上的感光板按照一定方式曝光而得到。所述感光材料包括选自银盐材料、光致聚合物材料和明胶材料中的一种或多种。所述感光材料可感应红光、绿光和蓝光中的一种或多种。

本申请的第一方面还涉及一种近眼显示装置，包括如上所述的基于自由曲面折射校正的光学组件。

根据本申请的一个实施方案，所述近眼显示装置例如为虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

根据本申请的一个实施方案，所述近眼显示装置还包括图像生成单元，所述图像生成单元配置成可生成待显示的图像，并与光束生成器耦合，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。

所述图像生成单元用于例如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。所述近眼显示装置通过如上所述的光学组件向用户的眼中(例如视网膜上)投射该像素的光束，从而在用户的眼中显示。根据本申请的一个实施方案，所述近眼显示装置包括两个如上所述的光学组件，分别用于为用户的左眼和右眼显示相同的二维图像以实现二维显示，或具有视差的二维图像以实现基于双目视差的三维显示。

本申请的第一方面还涉及一种使用如上所述的光学组件或近眼显示装置进行图像投射的方法，包括以下步骤：

S1：通过光束生成器形成光锥分布的光束组；

S2：通过自由曲面透镜接收所述光锥分布的光束组，使得所述光束组中穿过所述自由曲面透镜的不同区域的光束各自发生预定角度的折射；

S3：将所述各自发生预定角度的折射的光束经由耦入面耦合进入波导，在所述波导与自由空间的界面处发生全反射；

S4：通过光束合成器改变经全反射后入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述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光束合成器后汇聚于一点。

根据本申请的一个实施方案，所述光学组件或近眼显示装置具有入瞳和出瞳，其中所述光束组的光锥顶点为所述入瞳，来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后所汇聚的所述一点为所述出瞳。

根据本申请的一个实施方案，所述光锥分布的光束组的主方向不垂直于所述光束合成器所在的平面；所述光锥分布的光束组在垂直于所述光束组主方向的任一截面上的照射区域的轮廓，与在所述光束合成器上形成的照射区域的轮廓，二者成等比例。

根据本申请的一个实施方案，所述光束生成器包括图像源和微机电系统，其中所述步骤S1包括：

利用图像源，出射携带有图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；

利用微机电系统，对从所述图像源出射的光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组。

第二方面

本申请的第二方面涉及一种光学元件的制造方法，该方法尤其适于制造用于根据本申请第一方面的基于自由曲面折射校正的光学组件的光束合成器或体全息光学元件。

根据本申请第二方面的光学元件的制造方法80的步骤流程图如图8所示。图9示出了通过所述方法80制造光束合成器的光路示意图。下面结合图8和图9进行详细描述。

参见图8，所述方法80包括以下步骤：

S81：提供波导，所述波导具有耦入面，感光膜/感光板位于所述波导的一个表面上。

如图9所示，波导914具有耦入面915，用于将入射到其上的光束耦入波导914中。波导914的一部分表面的外部为空气，且波导914的折射率大于空气的折射率，因此被耦合进入波导914的光束在满足入射角度的条件下，在波导914与空气的界面处发生全反射。感光膜/感光板916贴附在波导914的表面S_b上。波导914例如可与图1至7中所示的波导相同，或具有至少部分相同的光学参数和/或几何参数。

S82：提供自由曲面透镜，所述自由曲面透镜位于所述波导的耦入面与拟入射到该耦入面上的光束之间，并配置成使得穿过其不同区域的光束各自发生预定角度的折射。

如图9所示，自由曲面透镜913设置在波导914的耦入面915与拟入射到耦入面915上的光束之间。自由曲面透镜913的入射面整体上为凸双曲面，其中每个区域具有通过预设光路并经计算而预先确定的曲率。拟入射到耦入面915上的光束在到达耦入面915之前，首先穿过自由曲面透镜913而发生不同程度、不同方向的折射，然后被耦入波导914中，并入射到波导914的表面S_a上。由图9可见，与入射光束不发生折射而直接被耦入波导914的情况相比，自由曲面透镜913的存在使得波导914的表面S_a上的投影图像的形状发生了变化。自由曲面透镜913例如可与图1至7中所示的自由曲面透镜相同，或具有至少部分相同的光学参数和/或几何参数。

S83：利用激光器发射出激光。

图9示出了三个激光器901、902和903，其例如分别为红光激光器901、绿光激光器902和蓝光激光器903。本领域技术人员容易理解，图9所示的激光器仅是示意性的，其数目和波长并不构成对本申请的限制。

三个激光器901、902和903发射出不同波长的激光光束后，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。根据本申请的一个实施方案，合束器包括第一分光片904、第二分光片905和第三分光片906。以下以第一分光片904为例详细描述。第一分光片904设置在激光器901的光路下游，其例如是与激光器901发出的红色激光波长对应的光学薄膜分光片，可使得激光器901发射的红光被反射，而红光以外波长的光被透射。类似地，第二分光片905位于激光器902的光路下游，其使得激光器902发射的绿光被反射，而绿光以外波长的光被透射；第三分光片906位于激光器903的光路下游，其使得激光器903发射的蓝光被反射，而蓝光以外波长的光被透射。第一分光片904、第二分光片905和第三分光片906的反射路径设置成是相同的，如图9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。

根据本申请的一个实施方案，对合束后的激光光束进行滤波和准直扩束。如图9所示，使合束后的激光光束L₀₀入射到针孔滤波器907，将该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908。其中，针孔滤波器907位于准直透镜908的焦平面上，由此从针孔滤波器907发出的光波经过准直透镜908后转换为高质量平面波的激光束L₁₀。

S84：将所述激光分束成第一激光光束和第二激光光束。

如图9所示，可例如通过分光镜909进行分束。分光镜909为例如半反半透膜，其使得入射的光束部分被反射而部分被透射，由此分束成第一激光光束L₁₁和第二激光光束L₂₂。并且，第一激光光束L₁₁和第二激光光束L₂₂来源于同一激光束，因而二者具有较强的相干性。

S85：使所述第一激光光束汇聚到所述波导外的第一点，并在从所述第一点出射后形成发散球面波，其中的光束穿过所述自由曲面透镜的不同区域而各自发生预定角度的折射。

如图9所示，第一激光光束L₁₁经反射镜910和第一透镜911后汇聚到第一点912，该点可例如为第一透镜911的焦点或焦平面上的一点。反射镜910和第一透镜911仅是使得第一激光光束L₁₁汇聚到第一点912的一种实现方式，本申请的保护范围不限于此，可以构思出其他的方式将第一激光光束L₁₁汇聚到第一点912。第一激光光束L₁₁在汇聚到第一点912后出射并形成锥形光束，该锥形光束随后入射到自由曲面透镜913上。以该锥形光束中位于边界处的两条光束L_11a和L_11b为例，其各自入射到自由曲面透镜913的预定区域，在相应的预设曲率下折射后，分别形成光束L_11a'和L_11b'。

S86：使经所述自由曲面透镜折射的第一激光光束入射到所述波导的耦入面上而被耦合进入该波导内部，在所述波导与自由空间的界面处发生全反射，并入射到所述感光膜/感光板上。

如图9所示，经自由曲面透镜913折射后，以光束L_11a'和L_11b'为边界的第一激光光束L₁₁入射到波导914的耦入面915上而被耦合进入波导914内部，并在满足入射角度的条件下在波导914内部发生全反射，然后入射到感光膜/感光板916上。

S87：使所述第二激光光束穿过所述感光膜/感光板后，汇聚到所述波导外的第二点。

如图9所示，第二激光光束L₂₂可例如通过第二透镜917被汇聚到第二点918。本领域技术人员容易理解，第二点918未必是第二透镜917的焦点或位于其焦平面上，因为第二激光光束L₂₂在穿过感光膜/感光板916和/或波导914时会发生折射，因此所汇聚的第二点918可能位于第二透镜917的焦点或焦平面的前方或后方。此外，本领域技术人员容易理解，第二透镜917仅是使得第二激光光束L₂₂汇聚到第二点918的一种实现方式，本申请的保护范围不限于此，可以构思出其他的方式将第二激光光束L₂₂汇聚到第二点918。

S88：使被汇聚到所述第一点后经所述自由曲面透镜折射并在所述波导内部全反射的第一激光光束，与被汇聚到所述第二点的第二激光光束在所述感光膜/感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得体全息光学元件。

如图9所示，被汇聚到第一点912后经自由曲面透镜913折射并在波导914内部全反射的第一激光光束L₁₁为信号光，被汇聚到第二点918的第二激光光束L₂₂为参考光，使所述信号光和所述参考光在感光膜/感光板916的感光材料内部产生干涉曝光，经后续处理，获得体全息光学元件。

本领域技术人员容易理解，在上述制造光路中，将多个激光器发出的激光先合束再扩束之后进行分束用于曝光。然而，亦可对多个激光器发出的激光先扩束，然后通过例如反射镜和合束分光片合束形成混色平面波用于后续曝光。这两种实现方式对于本领域技术人员而言是显而易见的，也应视为本申请的保护范围之内。

感光膜/感光板916经曝光及后续处理后，可用于根据本申请第一方面的基于自由曲面折射校正的光学组件中，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S83中激光器发射出的激光的波长，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9中的红光激光器901与图7中的第一激光器751的波长相同或相近，图9中的绿光激光器902与图7中的第二激光器752的波长相同或相近，图9中的蓝光激光器903与图7中的第三激光器753的波长相同或相近。本领域技术人员可以理解，当使用LCoS或DMD作为显示器件实现本申请的显示方案时，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感光膜/感光板916曝光时使用的激光波长范围内，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光在显示时通过感光膜/感光板916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作为显示器件实现本申请的显示方案时，LCD上镀有滤色片，所显示的彩色为同时显示而非时序显示，此时可使用红、绿、蓝LED或OLED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信息和/或亮度信息，其每一种颜色光波的带宽较大，在最终显示时仍可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，本领域技术人员能够理解，步骤S88中干涉曝光后的感光膜/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；对于银盐材料，需要经过显影、定影和漂白等后续处理步骤。本申请的保护范围不限于后续处理的步骤。

经曝光的感光膜/感光板916可用作根据本申请第一方面的基于自由曲面折射校正的光学组件中的光束合成器，但本申请的保护范围并不限于此。上述曝光使用的激光器可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。

本领域技术人员应当理解，当将感光膜/感光板916用于根据本申请第一方面的基于自由曲面折射校正的光学组件时，所述光学组件中的自由曲面透镜和波导可与制作感光膜/感光板916时所用的自由曲面透镜913和波导914完全相同，点912例如对应于所述光学组件的入瞳，从而确保光锥分布的光束组经折射并耦入波导后，经全反射照射到光束合成器上，能够经由衍射调制汇聚到所述光学组件的出瞳。可替换地，所述光学组件中的自由曲面透镜和波导也可与制作感光膜/感光板916时所用的自由曲面透镜913和波导914不完全相同，但具有至少部分相同的光学参数和/或几何参数，从而确保光锥分布的光束组经折射并耦入波导后，经全反射照射到光束合成器上不同位置的照射方向与制作感光膜/感光板916时入射到感光膜/感光板916上的方向相同或相近，能够经由衍射调制汇聚到所述光学组件的出瞳。为此，用于记录的自由曲面透镜和波导的物理参数与用于显示的自由曲面透镜和波导的物理参数可以不同。例如，所述光学组件中的自由曲面透镜和波导可配置成使得：入射到其上贴附的光束合成器上每一点的光束的角度，与制作感光膜/感光板916时入射到感光膜/感光板916上该点的光束的角度，二者是相同的，由此确保所述光学组件中的自由曲面透镜和波导与光束合成器能够对入射的光束进行合理的调制。

根据本申请的一个实施方案，感光膜/感光板916的感光材料为全彩感光材料。其中，所述步骤S83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S88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。

根据本申请的一个实施方案，感光膜/感光板916的感光材料为全彩感光材料。其中，所述步骤S83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S88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9所示的光路图中，首先通过红光激光器901发射红光激光光束，在感光膜/感光板916的感光材料中进行一次曝光；其后通过绿光激光器902发射绿光激光光束，在感光膜/感光板916的感光材料中进行一次曝光；然后通过蓝光激光器903发射蓝光激光光束，在感光膜/感光板916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。

根据本申请的一个实施方案，感光膜/感光板916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，所述步骤S83包括：利用激光器发出与所述单色感光材料对应波长的激光光束并出射；所述步骤S88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。

根据本申请的一个实施方案，在如上所述地形成一个单色体全息光学元件之后，还可更换可对不同波长的激光进行曝光的感光膜/感光板，通过前述步骤S83至S88，获得与所述不同波长对应的体全息光学元件。例如,在形成红色体全息光学元件后，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，用作根据本申请第一方面的光学组件中的光束合成器。

在图9所示的实施方案中，最终获得的体全息光学元件为反射式体全息光学元件。然而，所述方法80也可用于制造透射式体全息光学元件，二者在原理上是相通的，此处不再赘述。

本申请的第二方面还涉及一种体全息光学元件，通过如上所述的方法制造。

本申请的第二方面还涉及一种基于自由曲面折射校正的光学组件，包括通过如上所述的方法制造的体全息光学元件，其余内容与本申请的第一方面相同。

根据本申请第二方面的光学组件的结构例如如图1至7所示。因此，根据本申请第一方面的光学组件的任一特征或其组合均可用于根据本申请第二方面的光学组件，此处不再赘述。

本申请的第二方面还涉及一种近眼显示装置，包括如上所述的基于自由曲面折射校正的光学组件。

根据本申请的一个实施方案，所述近眼显示装置例如为虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

根据本申请的一个实施方案，所述近眼显示装置还包括图像生成单元，所述图像生成单元配置成可生成待显示的图像，并与光束生成器耦合，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。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于由上述技术特征的特定组合所形成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其他技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (13)

1.一种光学组件，包括：

光束生成器，配置成形成光锥分布的光束组；

波导，具有耦入面，用于将入射到其上的光束耦合进入所述波导，在所述波导与自由空间的界面处发生全反射；

自由曲面透镜，位于所述光束组的光锥顶点与所述波导的耦入面之间，配置成使得所述光束组穿过所述自由曲面透镜后入射到所述波导的耦入面上，其中所述光束组中穿过所述自由曲面透镜的不同区域的光束各自发生预定角度的折射；

光束合成器，位于所述波导的一个表面上，配置成改变入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述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光束合成器后汇聚于一点。

2.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述光锥分布的光束组在垂直于所述光束组主方向的任一截面上的照射区域的轮廓，与在所述光束合成器上形成的照射区域的轮廓，二者成等比例。

3.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述自由曲面透镜的入射面具有双曲面形状，其中所述入射面上的每个点具有预定的曲率。

4.根据权利要求3所述的光学组件，其中所述自由曲面透镜的入射面整体上为凸状、凹状或二者的组合。

5.根据权利要求3所述的光学组件，其中所述自由曲面透镜的入射面上任一点的曲率，通过预设拟穿过该点的光束的入射方向和出射方向并经计算得到。

6.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述光锥分布的光束组的主方向不垂直于所述光束合成器所在的平面。

7.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述光学组件具有入瞳和出瞳，其中所述光束组的光锥顶点为所述入瞳，来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后所汇聚的所述一点为所述出瞳。

8.根据权利要求1-7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/或亮度信息的光束；所述微机电系统配置成可对所述光束进行扫描而形成所述光锥分布的光束组，

优选地，所述图像源包括多个激光器、控制器和合束器，其中所述控制器与所述多个激光器耦合，控制所述多个激光器发射出激光束；所述合束器包括透镜组以及分别与所述多个激光器的波长对应的光学薄膜分光片，将所述多个激光器发射出的激光束合成为在空间上传播路径重合的近平行性细光束，

优选地，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振镜对来自于所述多个激光器的携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的细光束扫描而形成的。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的光学组件，其中所述光束合成器包括衍射光学元件，被耦合进入所述波导中的光束在所述波导与自由空间的界面处发生全反射后，入射到所述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离开所述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光束合成器后汇聚于一点，

优选地，所述衍射光学元件为体全息光学元件，选自透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件。

10.根据权利要求9所述的光学组件，其中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；

或者，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，每个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，而对其他波长的激光不发生衍射作用；

或者，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，而对其他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波长中的一个波长的激光发生衍射作用，而对其他波长的激光不发生衍射作用；

或者，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。

11.一种近眼显示装置，包括根据权利要求1-10中任一项所述的光学组件。

12.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其中所述近眼显示装置为虚拟现实显示装置或增强现实显示装置，

优选地，所述近眼显示装置还包括图像生成单元，所述图像生成单元配置成可生成待显示的图像，并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。

13.一种使用根据权利要求1-10中任一项所述的光学组件或根据权利要求11或12所述的近眼显示装置进行图像投射的方法，包括以下步骤：

S1：通过光束生成器形成光锥分布的光束组；

S2：通过自由曲面透镜接收所述光锥分布的光束组，使得所述光束组中穿过所述自由曲面透镜的不同区域的光束各自发生预定角度的折射；

S3：将所述各自发生预定角度的折射的光束经由耦入面耦合进入波导，在所述波导与自由空间的界面处发生全反射；

S4：通过光束合成器改变经全反射后入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述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光束合成器后汇聚于一点。

Images