CN116324587A - 通过c形平面光学架构的低失真成像 - Google Patents

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CN116324587A CN202180062265.2A CN202180062265A CN116324587A CN 116324587 A CN116324587 A CN 116324587A CN 202180062265 A CN202180062265 A CN 202180062265A CN 116324587 A CN116324587 A CN 116324587A
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coupler
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diffraction
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奥克萨那·什拉姆科娃
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Abstract

实施方案包括可包括在波导显示器中的光学系统。根据一些实施方案的波导设备包括内耦合器光栅，该内耦合器光栅具有基本上垂直于第一轴线x的第一光栅矢量G1；第一眼瞳孔扩展器光栅，该第一眼瞳孔扩展器光栅具有第二光栅矢量G2和相对于该第一轴线的第一角度ΦG；第二眼瞳孔扩展器光栅，该第二眼瞳孔扩展器光栅具有第三光栅矢量G3和相对于该第一轴线的基本上等于90°+ΦG的角度；和外耦合器光栅，该外耦合器光栅具有基本上垂直于该第一轴线的第四光栅矢量G4。示例性实施方案描述了光栅矢量，角度ΦG和相关参数之间的关系，以实现令人满意的视场同时减少失真。

Description

通过C形平面光学架构的低失真成像
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年8月13日提交的名称为“LOW DISTORTION IMAGING THROUGH AC-SHAPE FLAT OPTICAL ARCHITECTURE”的欧洲专利申请号EP20305928的优先权。
背景技术
本公开涉及光学器件和光子的领域，并且更具体地涉及包括至少一个衍射光栅的光学装置。它可以在可适形且可佩戴的光学器件的领域中(例如，AR/VR眼镜(增强现实/虚拟现实))以及包括显示器和/或轻质成像系统(包括平视显示器(HUD))的各种其他电子消费产品中获得应用，如例如在汽车工业中。
本部分意图向读者介绍本领域的各个方面，这些方面可与下文描述和/或要求保护的本公开的各种方面有关。此讨论被认为有助于向读者提供背景信息，以促进更好地理解本文所述的系统和方法的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应当从这个角度来解读，而不是承认现有技术。
AR/VR眼镜被视为是新一代人机界面。AR/VR眼镜(以及更一般的眼镜防护电子装置)的开发与许多挑战相关联，包括减少此类装置的尺寸和重量以及改进图像质量(就对比度、视场、颜色深度等而言)，该图像质量应足够真实，以实现真正的沉浸式用户体验。
光学的图像质量和物理尺寸之间的权衡促动研究超紧凑光学部件，该超紧凑光学部件可以用作更复杂的光学系统(诸如AR/VR眼镜)的构建块。期望此类光学部件易于制造和复制。
在此类AR/VR眼镜中，各种类型的折射和衍射透镜和波束形成部件用于将来自微型显示器或投影仪的光引导到人眼，从而允许形成与用肉眼看到的物理世界的图像叠加的(在有AR眼镜的情况下)或由相机捕捉(在有VR眼镜的情况下)的虚拟图像。
一些类型的AR/VR眼镜利用光学波导，其中光仅在有限的内角度范围内通过TIR(指代全内反射(Total Internal Reflection))传播到光学波导中。波导的FoV(指代视场(Field of View))取决于波导的材料以及其他因素。
波导的FoV可以表达为通过TIR传播到波导中的
Figure BDA0004119050650000021
的最大跨度。在一些情况下，如图2所示，可以耦合到波导中的最大角跨度可以由两条光线表达：具有入射角/>
Figure BDA0004119050650000022
的临界光线(图2中的/>
Figure BDA0004119050650000023
)和具有入射角/>
Figure BDA0004119050650000024
的掠射光线(图2中的/>
Figure BDA0004119050650000025
)。该临界光线是刚好以由
Figure BDA0004119050650000026
限定的临界角/>
Figure BDA0004119050650000027
衍射到波导中的光线，其中n2是波导材料的折射率，并且λ是入射光的波长。高于临界角/>
Figure BDA0004119050650000028
发生全内反射(TIR)。掠射光线是具有输入角的光线，该光线以可以是/>
Figure BDA0004119050650000029
的掠射入射衍射到波导中。上面呈现的波导的理论FoV是用于单个模式系统，其中一个单个衍射模式用于承载图像：+1或-1衍射模式。
图3示出了用于n2的合理范围的曲线图。对于n2＝1.5，单模式系统的总视场更确切地说限于Δθ1＝28.96度。可以看出，60度FoV是一些类型的波导的实用限制，因为使用折射率高于2.0的材料通常是不可行的。
通过利用波导内部的第二传播方向，可以进一步扩展光学波导的视场，使该视场加倍。
在WO2017180403中，提出了一种具有扩展视场(超高FoV)的波导，其中使用了双模图像传播。在此方法中，使用衍射模式+1来在一个方向上承载图像的一侧，并且使用-1模式将图像的相反侧传播到波导中的相反方向。使用在波导出口处的瞳孔扩展器和外耦合器，将两个半图像进行组合，使得用户看到一个图像。
使用高于一的衍射阶具有将波长乘以在衍射方程中使用的阶的效果。由于光栅间距直接是乘积Mλ的函数，所以这意味着光栅间距乘以M。这允许用于内耦合器的结构更大并且开创了制造技术中的新的可能性。例如，可以使用纳米压印。此外，每mm光栅密度需要更少的线，从而提供更简单的制造过程，因为结构将具有过波长尺寸而不是亚波长尺寸。使用±2衍射阶的此种光学波导提供了约60°的FoV，其中折射率为1.5。因此，可以使用具有折射指数1.5的材料，而不是单个模式中的2，来获得60°视场。
然而，60°FoV仍然相对于总人类视场而被限制，在该总人类视场中立体视觉对人类视觉有效并且为约114°。
已经研究了使用两个波导作为全RGB组合器的架构，其中绿色FoV在第一波导与第二波导之间共享，如B.C.Kress,“Optical waveguide combiners for AR headsets:features and limitation,”Proc.of SPIE，第11062卷，第110620J页，2019中所述。
基于波导的AR/VR眼镜可以沿着一个方向(例如，沿水平方向)表现出宽视场，但沿着另一方向(例如，沿垂直方向)可能具有较窄的视场。然而，由于AR/VR应用通常需要特定的纵横比，因此出于实际目的，沿着一个方向的视场限制可能会有效地限制沿着另一个方向的视场。
发明内容
说明书中对“一个实施方案”、“实施方案”和“示例性实施方案”等的引用指示所描述的实施方案可以包括特定特征、结构或特性，但并非每个实施方案都必须包括该特定特征、结构或特性。而且，此类短语不一定是指相同的实施方案。此外，当结合实施方案描述特定特征、结构或特性时，此类特征、结构或特性可以与其他实施方案结合使用，无论是否明确地描述。
在一些实施方案中，一种波导设备包括：内耦合器光栅，该内耦合器光栅被配置为使用衍射级M1，该内耦合器光栅具有第一光栅间距Λ1和基本上垂直于第一轴线
Figure BDA0004119050650000031
的第一光栅矢量/>
Figure BDA0004119050650000032
第一眼瞳孔扩展器光栅，该第一眼瞳孔扩展器光栅被配置为使用衍射级M2，第一眼瞳孔扩展器具有第二光栅矢量/>
Figure BDA0004119050650000033
第二光栅间距Λ2以及相对于第一轴线的第一角度ΦG；第二眼瞳孔扩展器光栅，该第二眼瞳孔扩展器光栅被配置为使用衍射级M3，第二眼瞳孔扩展器具有第三光栅矢量/>
Figure BDA0004119050650000034
第三光栅间距Λ3以及相对于第一轴线的介于80°+ΦG和100°+ΦG之间的角度；和外耦合器光栅，该外耦合器光栅被配置为使用衍射级M4，该外耦合器光栅具有第四光栅间距Λ4和基本上垂直于第一轴线的第四光栅矢量/>
Figure BDA0004119050650000035
在一些实施方案中，第二眼瞳孔扩展器的第三光栅间距Λ3基本上满足：
Figure BDA0004119050650000041
在一些实施方案中，外耦合器光栅被配置为使用第一衍射级，使得|M4|＝1，并且内耦合器光栅和眼瞳孔扩展器光栅中的至少一者被配置为使用第二衍射级。
在一些实施方案中，外耦合器光栅被配置为使用第一衍射级，使得|M4|＝1，并且内耦合器光栅以及第一眼瞳孔扩展器光栅和第二眼瞳孔扩展器光栅被配置为使用第二衍射级，使得|M1|＝|M2|＝|M3|＝2。
在波导设备的一些实施方案中，其中外耦合器的第四光栅间距Λ4基本上满足：
Figure BDA0004119050650000042
在一些实施方案中，光栅间距Λ2和Λ3基本上满足：
Figure BDA0004119050650000043
其中
Figure BDA0004119050650000044
在一些实施方案中，光栅间距Λ1基本上满足：
Figure BDA0004119050650000045
在一些实施方案中，光栅间距在以下值的20％内：
Λ1＝851.38nm
Λ2＝729.46nm
Λ3＝729.46nm
Λ4＝1308.64nm。
在一些实施方案中，光栅间距在以下值的10％内：
Λ1＝851.38nm
Λ2＝729.46nm
Λ3＝729.46nm
Λ4＝1308.64nm。
在一些实施方案中，基本上满足以下关系：
Figure BDA0004119050650000051
在一些实施方案中，基本上满足以下关系，其中ΦK＝90°-ΦG：
Figure BDA0004119050650000052
并且
Figure BDA0004119050650000053
其中
Figure BDA0004119050650000054
在一些实施方案中，基本上满足以下关系：
Figure BDA0004119050650000055
并且
Λ2＝M2λsin(φK-Δφ/2)
其中
Δφ＝sin-1(sin(2φK-N))。
在一些实施方案中，基本上满足以下关系：
Figure BDA0004119050650000061
并且
Figure BDA0004119050650000062
其中
Figure BDA0004119050650000063
其中
Figure BDA0004119050650000064
并且
Δ＝(cosφK)2-4α(α+sinφK)。
在一些实施方案中，基本上满足以下关系：
Figure BDA0004119050650000065
并且
Figure BDA0004119050650000066
其中
Figure BDA0004119050650000067
在一些实施方案中，波导设备还包括被配置为生成图像的图像生成器，内耦合器光栅被配置为沿着至少一个光学路径将图像耦合到外耦合器光栅。
根据一些实施方案的波导设备包括内耦合器光栅、至少一个眼瞳孔扩展器光栅和外耦合器光栅，其中内耦合器光栅、眼瞳孔扩展器光栅和外耦合器光栅中的每一者具有大于600nm的光栅间距。
根据一些实施方案的波导设备包括内耦合器光栅、至少一个眼瞳孔扩展器光栅和外耦合器光栅，其中外耦合器光栅被配置为使用第一衍射级，并且内耦合器光栅和眼瞳孔扩展器光栅中的至少一者被配置为使用第二衍射级。在一些实施方案中，内耦合器光栅和眼瞳孔扩展器光栅被配置为使用第二衍射级。
根据一些实施方案的方法包括：使用被配置为使用衍射级M1的内耦合器光栅将光耦合到波导中，该内耦合器光栅具有第一光栅间距Λ1和基本上垂直于第一轴线
Figure BDA0004119050650000071
的第一光栅矢量/>
Figure BDA0004119050650000072
利用被配置为使用衍射级M2的第一眼瞳孔扩展器光栅使光衍射，该第一眼瞳孔扩展器具有第二光栅间距Λ2和第二光栅矢量/>
Figure BDA0004119050650000073
具有相对于第一轴线的第一角度ΦG；利用被配置为使用衍射级M3的第二眼瞳孔扩展器光栅使光衍射，该第二眼瞳孔扩展器具有第三光栅间距Λ3和第三光栅矢量/>
Figure BDA0004119050650000074
具有相对于第一轴线的介于80°+ΦG和100°+ΦG之间的第二角度；以及使用被配置为使用衍射级M4的外耦合器光栅将光耦合出波导，该外耦合器光栅具有第四光栅间距Λ4和基本上垂直于第一轴线的第四光栅矢量/>
Figure BDA0004119050650000075
附图说明
图1A是波导显示器的横截面示意图。
图1B是具有衍射光学部件的第一布局的双目波导显示器的示意图。
图1C是具有衍射光学部件的第二布局的双目波导显示器的示意图。
图1D是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性分解图。
图1E是根据一些实施方案的双波导显示器的横截面示意图。
图2是单模式系统的示意图，其中使用单衍射模式来使用+1或-1衍射模式来承载图像。
图3是波导的视场作为其材料的折射率的函数的示例性曲线图。
图4是提供真实出射瞳孔的透镜系统的横截面侧视图。
图5是适合在一些实施方案中使用的透镜系统的横截面侧视图。
图6是对称衍射光栅的横截面图。
图7是另一对称衍射光栅的横截面图。
图8是倾斜衍射光栅的横截面图。
图9示出了采用两个不同的衍射光栅的具有非对称光栅的对称衍射的用途。
图10示意性地示出了针对图9的光栅的典型衍射效率作为入射角的函数。
图11A是如在一些实施方案中使用的衍射光栅轮廓的横截面图。
图11B是使用如图11A中的光栅轮廓跨不同入射角耦合光的示意图。
图12是根据一些实施方案的波导显示器上的衍射光栅的布置的示意性平面图。
图13是示出在波导上的衍射光栅的一些布置中发生的不期望的失真的示意图。
图14A和图14B是表面上的光栅的示意性等距视图，示出了在光栅方程中使用的矢量。
图15是根据一些实施方案的波导显示器上的衍射光栅的布置的示意性平面图。
图16A是示出入射到内耦合器光栅上的光的波矢量和所产生的衍射光的波矢量的示意性侧视图。
图16B是光线通过图15的波导的传播的示意性展开侧视图。
图17是示出可以在一些实施方案中实施的眼瞳孔扩展器与光栅间距之间的关系的曲线图。
图18是示出在一些实施方案中使用的参数的波导显示器上的衍射光栅的布置的示意性平面图。
图19A和图19B是表示光通过示例性波导系统的传播的波矢量示意图。图19A示出了视场的一半的传播。图19B示出了单个光线的传播。
图20示出了根据一些实施方案的通过波导对两个矩形的成像。右侧的矩形表示显示侧，左侧的矩形表示系统的图像输出。
图21是示出Λ2(ΦG)sin(ΦG)对于ΦG的不同值的变型的曲线图。
具体实施方式
示例性波导架构的概述
本文描述了波导显示系统和方法。图1A中示出了示例性波导显示装置。图1A是操作中的波导显示装置的示意性横截面侧视图。图像由图像生成器102投影。图像生成器102可以使用各种技术中的一种或多种技术来投影图像。例如，图像生成器102可以是激光束扫描(LBS)投影仪、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器(包括有机LED(OLED)或微型LED(μLED)显示器)、数字光处理器(DLP)、硅上液晶(LCoS)显示器或其他类型的图像生成器或光引擎。
表示由图像生成器102生成的图像112的光通过衍射内耦合器106耦合到波导104中。内耦合器106将表示图像112的光衍射成一个或多个衍射级。例如，作为表示图像的底部的一部分的光线中的一条光线108由入耦合器106衍射，并且衍射阶110中的一个衍射阶(例如，二阶)处于能够通过全内反射传播通过波导104的角度。
通过衍射内耦合器106耦合到波导104中的光110的至少一部分通过衍射外耦合器114耦合出波导。耦合出波导104的至少一些光复制耦合到波导中的光的入射角。例如，在图示中，外耦合的光线116a、116b和116c复制内耦合的光线108的角度。由于离开外耦合器的光复制进入内耦合器的光的方向，所以波导基本上复制原始图像112。用户的眼睛118可以聚焦在复制的图像上。
在图1A的示例中，外耦合器114仅通过每次反射外耦合光的一部分，允许单个输入束(诸如光束108)生成多个并行输出光束(诸如光束116a、116b和116c)。以此方式，即使眼睛不与外耦合器的中心完全对准，来源于图像的每个部分的至少一些光可能到达用户的眼睛。例如，如果眼睛118向下移动，即使光束116a和116b没有进入眼睛，光束116c也可以进入眼睛，因此尽管位置偏移，用户仍然可以感知到图像112的底部。因此，外耦合器114部分地操作为竖直方向上的出射瞳孔扩展器。波导还可以包括一个或多个额外出射瞳孔扩展器(图1A中未示出)，以在水平方向上扩展出射瞳孔。
在一些实施方案中，波导104相对于源自波导显示器外部的光至少部分透明。例如，来自真实世界物体(诸如物体122)的至少一些光120穿过该波导104，允许该用户在使用该波导显示器时看到真实世界物体。由于来自真实世界物体的光120也穿过衍射光栅114，因此将存在多个衍射级并因此存在多个图像。为了最小化多个图像的可见性，期望零级衍射(不被114偏差)对于光120具有很大的衍射效率以及零级，而较高的衍射级能量较低。因此，除了扩展和外耦合虚拟图像之外，外耦合器114优选地被配置为通过实际图像的零级。在此类实施方案中，由波导显示器显示的图像可能似乎叠加在真实世界上。
在一些实施方案中，如下文进一步详细描述的，波导显示器包括多于一个波导层。每个波导层可以被配置为优先将具有特定波长范围和/或入射角的光从图像生成器输送到观看者。
如图1B和图1C所示，具有内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器的波导显示器可以具有各种不同配置。图1B中示出了一个双目波导显示器的示例性布局。在图1B的示例中，显示器分别包括左眼和右眼的波导152a、152b。波导包括作为外耦合器和水平瞳孔扩展器操作的内耦合器154a、154b、瞳孔扩展器156a、156b和部件158a、158b。瞳孔扩展器156a、156b沿内耦合器和外耦合器之间的光学路径布置。图像生成器(未示出)可以提供给每只眼睛，并且被布置成投射表示相应内耦合器上的图像的光。
图1C中示出了另一双目波导显示器的示例性布局。在图1C的示例中，显示器分别包括左眼和右眼的波导160a、160b。波导包括内耦合器162a、162b。来自图像的不同部分的光可以由内耦合器162a、162b耦合到波导内的不同方向。朝向左侧行进的内耦合光穿过瞳孔扩展器164a、164b和165a、165b，而朝向右侧行进的内耦合光穿过瞳孔扩展器166a、166b和167a、167b。已经穿过瞳孔扩展器，使用外耦合器168a、168b将光耦合出波导，以基本上复制在内耦合器162a、162b处提供的图像。
在不同实施方案中，波导显示器的不同特征可以设置在波导的不同表面上。例如(如图1A的配置中)，内耦合器和外耦合器都可以布置在波导的前表面上(远离用户的眼睛)。在其他实施方案中，内耦合器和/或外耦合器可以在波导的后表面上(朝向用户的眼睛)。内耦合器和外耦合器可以在波导的相对表面上。在一些实施方案中，内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器中的一者或多者可以存在于波导的两个表面上。图像生成器可以朝向波导的前表面或朝向波导的后表面布置。内耦合器不一定在波导与图像生成器的同一侧上。波导中的任何瞳孔扩展器可以布置在波导的前表面上、后表面上或两个表面上。在具有多于一个波导层的显示器中，不同的层可以具有内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器的不同配置。
图1D是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性分解视图，包括图像生成器170、第一波导(WG1)172和第二波导(WG2)174。图1E是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性侧视图，包括图像生成器176、第一波导(WG1)178和第二波导(WG2)180。第一波导包括第一透射衍射内耦合器(DG1)180和第一衍射外耦合器(DG6)182。第二波导具有第二透射衍射内耦合器(DG2)184、反射衍射内耦合器(DG3)186、第二衍射外耦合器(DG4)188和第三衍射外耦合器(DG5)190。不同的实施方案可以使用第一波导和第二波导上的光学部件(诸如瞳孔扩展器的不同布置)的不同布置。
虽然图1A至图1E示出了在近眼显示器中使用波导，但是相同原理可以用于其他显示技术，诸如用于汽车或其他用途的平视显示器。
示例性耦合光学器件的概述。
对于基于具有产生要在视场中叠加的合成图像的光学系统的衍射光栅的波导，期望透镜系统具有真实的而非虚拟的出射瞳孔。换句话讲，其出射瞳孔位置在透镜外部，并且其同时也是透镜的孔径光阑。
图4的透镜系统提供适当的出射瞳孔。该系统具有盘形孔径光阑，该孔径光阑的直径取决于透镜的直径，透镜的直径主要限制系统大小。由于在孔径光阑之后没有透镜，因此它是其本身的图像，因此是出射瞳孔。它在可以设置内耦合器的地方或在其附近。
如果对象或图像中的任一个处于无穷大，则透镜系统可以称为无焦的。图4的透镜系统在图像侧上是无焦的，因为离开透镜的光线对于每个场是平行的，并且在无穷大处存在图像。
对象上的点位置可以称为场。图4示出了离开五个不同场的光线。在一些情况下，像素可以被认为是场。与系统中的其他量相比，可以假设像素的大小可忽略不计。
如图4中所见，每个场的光线通过整个出射瞳孔倾泻。因此，如果我们对出射瞳孔进行光圈收缩，则我们也将针对所有场同时均匀地阻隔像素的光线数量，这意味着光强度会下降。这是孔径光阑的功能，并且这证实出射瞳孔和孔径光阑在该透镜中是相同的，并且出射瞳孔是真实的而非虚拟的。
瞳孔可以在空间上平铺。这意味着瞳孔的正侧(以y>0撞击瞳孔的光线)将经历一个衍射过程，而在负侧(y<0)撞击瞳孔的光线将经历另一衍射过程。y轴的原点是光轴。以一定角度符号撞击瞳孔的光线将经历特定过程，而以相反符号撞击的那些将经历另一衍射过程。另选地，瞳孔角度平铺可导致具有范围[θ1,θ2]的光线被衍射到波导中的一个方向中，而具有[-θ1,-θ2]的光线被衍射到相反方向中。
无焦透镜的另一特性是将所有像素从显示器映射到球形坐标系中，这些像素由其在笛卡尔坐标中的相应位置通过其在显示器上的(x，y)坐标引用。相对于图4，将图像平面考虑为在x-y平面中，其中y轴在页面上上下延伸，并且x轴垂直于页面。在无焦透镜系统之后，从一个单个场发出的光线不能由x或y引用，因为它们扩散，但是它们都具有像素间彼此不同的唯一方向。透镜将像素(x,y)坐标转换为球形(θ,Φ)对。这意味着对于出射瞳孔(或内耦合器)中的每个光线方向，我们处理另一像素。
在图5的示例中，来自y>0的场的光线和来自y<0的场的光线具有在极坐标系中在出射瞳孔处具有相反符号的角度。如果我们使用z轴沿光轴指向的球形坐标系，则极角度始终介于0与pi(正)之间，并且仅方位角方向符号将区分‘从上方’或‘从下方’撞击出射瞳孔的光线。在沿着出射瞳孔的每个位置处，我们在极坐标系中具有正和负的光线方向。
当使用对称衍射模式时，衍射光栅将以加或减阶衍射进入光线。在一些情况下，如果光线具有一个特定符号取向，则其将在一个模式中衍射，并且如果该符号改变，则它将衍射到相反模式中。实际上，在数学上，衍射始终在所有模式中发生。因此，这里我们意味的是，如果针对特定方向的进入光线，我们衍射到特定模式中，那么该模式中的能量比在相反符号的模式中的更强。这里的对称意味着如果加上方向高效地衍射到模式M中，则减方向将高效地衍射到-M方向中。(M是相对自然数。)
对称衍射光栅通常允许对称衍射模式的先前特性。这种特性可以通过使用具有左右几何对称性的基础结构(基本间距)来实现。闪耀倾斜光栅不是对称衍射光栅。基于正方形形状阶梯(门形状)的光栅可以是对称衍射光栅。图6和图7提供了对称衍射光栅的示例。
示例性实施方案使用可实现非常高效率的对称衍射模式的对称衍射光栅。对于相反符号的入射角，一些实施方案提供高效率的+M或-M衍射模式。
图8示出了倾斜光栅，在从上方照射时，其将对朝向左侧倾斜(在我们的情况下为负角度)的光线有效，并且将具有朝向右手侧的最佳衍射模式。当从右手侧(正角度)照射时，朝向左侧的衍射模式将非常弱。
图9示出了采用两个不同的衍射光栅的具有非对称光栅的对称衍射的用途。图9中的内耦合光栅具有非对称凹槽轮廓。光栅被分成两个部分，每个部分主要与一个方向耦合。在图9的系统中，针对有限的角度范围，左手侧的光线将以高效率朝向左侧衍射，右手侧的光线将以高效率向右侧衍射。除了该过程之外，一小部分能量也将衍射到针对相反衍射模式的相反方向中。
在如图9中的光栅中，仅撞击右手侧光栅具有负传播方向的光线将高效地衍射到右手侧衍射模式中。撞击右手侧衍射光栅具有负入射角的光线将不会衍射到右手侧衍射模式中。(但是它们实际上将具有低强度。)仅撞击左手侧光栅具有正传播方向的光线将高效地衍射到左手侧衍射模式中。撞击左手侧衍射光栅具有负入射角的光线将仅以低强度衍射到左手侧衍射模式中。如此，在出射瞳孔的每个位置处，存在相等分布的正角度和负角度的传播，大约一半的光将被丢失。图10示出了针对两个光栅的典型衍射效率作为入射角的函数。
相比之下，在一些实施方案中使用的具有如图11A所示的轮廓的衍射光栅跨不同入射角提供更均匀的光耦合，如图11B中示意性地示出的。
具有C形几何结构的示例性波导的概述。
图12是用于一些实施方案中的具有C形几何结构的波导的示意图。内耦合器光栅1202将来自图像发生器的角出射瞳孔的一半衍射到正x方向(在图12中向左)的正级(在图12的示例中为二级)中，而内耦合器将出射瞳孔的剩余一半衍射到负x方向上的负衍射模式中。(在一些实施方案中，在垂直入射附近可存在中心重叠区域，从该中心重叠区域衍射到两个方向。)因此，图12的波导提供两个光路。每个路径中的光被第一组眼瞳孔扩展器1204a、1204b大致向下偏转(并且同时瞳孔沿着大致水平方向扩展)。然后，第二组眼瞳孔扩展器1206a、1206b沿着大致垂直的方向扩展瞳，同时其使光路朝向下衍射光栅偏移到外耦合器1208中。外耦合器从波导中提取两条光路，在波导中它们通过全内反射而反弹，然后最终的图像可以由(沿z轴)垂直于附图的平面放置的眼睛观察。
可以基于诸如波导的折射率、垂直入射附近的角重叠量以及波导中的掠射角之类的参数来设置内耦合器间距大小。可以基于期望的水平视场来选择内耦合器间距大小，例如可以选择内耦合器间距大小以基本上最大化水平视场。
在下面提供的示例中，内耦合器的参数被索引为1。第一眼瞳孔扩展器被索引为2、第二眼瞳孔扩展器被索引为3和外耦合器被索引为4。入射光线被索引为0。由元件1衍射的光线被索引为1，依此类推。因此，从系统发出的光线被索引为4。对于折射率为n2＝1.52nm的波导且对于λ＝625nm的红色波长，对于在没有角度重叠的情况下
Figure BDA0004119050650000141
的掠射角，使用第二衍射级(M＝2)可以根据下式来选择内耦合器的间距Λ1：
Figure BDA0004119050650000142
其中
Figure BDA0004119050650000143
然后对于45°的眼瞳孔扩展器，眼瞳孔扩展器的间距大小Λ2和Λ3可以根据下式选择
A2＝A3＝Wλsin(45-φ/2)
其中
sinφ＝l-w
得出729.46nm的间距。然后可以以与内耦合器相同的间距大小选择外耦合器。通过这种参数选择，对于每个光栅使用第二衍射级，对于每个光栅|M|＝2，得到图13的示意图。
在图13的示意图中，规则矩形1302表示在通过具有上述参数的波导传播之前显示器的一半的像素。这些像素映射到由区域1304示出的输出阵列，该输出阵列已经失真为更梯形的形状。原始区域1302内的像素不重叠到失真区域1305上，并且矩形半显示器不成像为矩形。此外，周边附近的像素(诸如矩形1306中的那些像素)已被映射到矩形1308处的中心。此类失真通常不能被电子地校正。
为了与用于非常高视场系统的瞳孔拼接内耦合器兼容，希望在C形几何结构中具有很少至没有失真。
用于失真减小的示例性参数。
描述入射光束和一个或多个衍射光束之间的关系的光栅方程可以使用如图14A至图14B所示的矢量以矢量格式表示。为了清楚起见，图14A至图14B示出了衬底上的单个衍射光栅，其中衬底可以被视为波导的一部分。光栅矢量
Figure BDA0004119050650000151
如图14A所示，指向与衍射光栅的线平行的方向，其大小为/>
Figure BDA0004119050650000152
其中Λ是光栅的间距。(为了避免混淆，可以注意到，在一些源中，“光栅矢量”的方向被认为垂直于光栅线，并且相应地改变光栅方程。)向外法线/>
Figure BDA0004119050650000153
是垂直于光栅平面并且从光栅表面向外指向的单位向量。向内法线/>
Figure BDA0004119050650000154
是垂直于光栅平面并且从光栅表面向内指向的单位向量，使得/>
Figure BDA0004119050650000155
如图14B所示，入射光束的波矢量被表示为
Figure BDA0004119050650000156
其指向入射光束的行进方向并且具有/>
Figure BDA0004119050650000157
的大小，其中n1是入射光束在其中行进的介质的折射率，并且λ是真空中光束的波长。类似地，衍射光束的波矢量表示为/>
Figure BDA0004119050650000158
其指向衍射光束的行进方向并且具有/>
Figure BDA0004119050650000159
的大小，其中n2是衍射光束在其中行进的介质(其可以与入射光束的介质相同)的折射率。可以注意到，可以从单个入射光束生成多个衍射光束，包括被引导到衬底外部的一些衍射光束，但是为了简单起见仅示出了单个衍射光束。
使用图14A至图14B的光栅矢量和波矢量，表示入射光束和一个或多个衍射光束之间的关系的光栅方程可以表示为
Figure BDA00041190506500001510
其中M是表示衍射级的整数。运算符“∧”这里表示向量叉积(有时在其他源中用“x”表示)。在反射衍射级的情况下(这种情况下，入射光束的介质与衍射光束的介质相同，使得n1＝n2)，以及在透射衍射级的情况下(在这种情况下，入射光束的介质不一定与衍射光束的介质相同)，都满足该方程。
并非上述方程的每个数学解都必然表示物理情况。例如，如果
Figure BDA0004119050650000161
满足该方程，则向量/>
Figure BDA0004119050650000162
对于任意值p也将满足该方程。即，上述光栅方程本身不提供垂直于光栅平面的波矢量分量的唯一解，这里称为z分量。然而，z分量kz的大小可以基于范数来恢复，
Figure BDA0004119050650000163
其中z分量kz的符号基于物理约束来解决。例如，kz的符号在光束被反射时反转，但在光束被透射时保持相同。
图15示出了根据一些实施方案的波导显示器的一部分的衍射光栅布局。与图12的波导布局相比，为了简单起见，图15省略了右侧的眼瞳孔扩展器(类似于图12的1204b和1206b)，但是应当理解，一些实施方案包括右侧的眼瞳孔扩展器，并且它们可以与图15左侧的眼瞳孔扩展器对称地布置。
如图15所示，内耦合器光栅1502具有光栅矢量
Figure BDA0004119050650000164
其在光栅平面中相对于x轴以90°角取向。第一眼瞳孔扩展器1504具有光栅矢量/>
Figure BDA0004119050650000165
其相对于x轴以角度/>
Figure BDA0004119050650000166
取向。第二眼瞳孔扩展器1506具有光栅矢量/>
Figure BDA0004119050650000167
其相对于x轴以角度/>
Figure BDA0004119050650000168
取向。在一些实施方案中，/>
Figure BDA0004119050650000169
和
Figure BDA00041190506500001610
彼此垂直，并且限定角度ΦG使得
Figure BDA00041190506500001611
并且/>
Figure BDA00041190506500001612
输出耦合光栅1508具有光栅矢量
Figure BDA00041190506500001613
其相对于x轴以角度90°取向。/>
在操作中，具有波矢量
Figure BDA00041190506500001614
的光束(其可以由图像生成器生成)使用透射衍射级M1利用内耦合器1502耦合到波导中。内耦合光束具有波矢量/>
Figure BDA00041190506500001615
该内耦合光束的至少一部分被第一眼瞳孔扩展器1504衍射到反射衍射级M2，从而产生具有波矢量/>
Figure BDA00041190506500001616
的波束。该光束的至少一部分被第二眼瞳孔扩展器1506衍射到反射衍射级M3，从而产生具有波矢量/>
Figure BDA00041190506500001617
的光束。该光束的至少一部分使用衍射级M4与光栅1508外耦合，其中外耦合光束具有波矢量/>
Figure BDA00041190506500001618
在一些实施方案中，前三个光栅1502、1504、1506中的每一者使用+2衍射级，而第四光栅1508使用-2衍射级。然而，在不同的实施方案中可以使用不同的衍射级。
图16A是示出了内耦合器光栅1502对光束的波矢量的操作的示意性侧视图。具有波矢量
Figure BDA0004119050650000171
和角度/>
Figure BDA0004119050650000172
的入射光束(在附图的平面中)衍射成具有波矢量/>
Figure BDA0004119050650000173
和掠射角/>
Figure BDA0004119050650000174
的光束。具有波矢量/>
Figure BDA0004119050650000175
的入射光束衍射到波矢量/>
Figure BDA0004119050650000176
其以临界角/>
Figure BDA0004119050650000177
取向用于全内反射。具有在/>
Figure BDA0004119050650000178
和/>
Figure BDA0004119050650000179
之间的入射角的波矢量通过波导传播到左侧(在该示例中)。对称取向的波矢量(具有反转的x分量)通过波导传播到右侧。在向左传播和向右传播之间可能存在一些重叠，例如，具有近垂直入射波矢量的入射光的一部分可以在两个方向上传播，以避免视场的左半部分和右半部分之间的可见间隙。
在一些实施方案中，内耦合器光栅的间距Λ1基于掠射角
Figure BDA00041190506500001710
和衍射到掠射角的入射角/>
Figure BDA00041190506500001711
来选择。角度/>
Figure BDA00041190506500001712
可用于表示视场的左半部和右半部之间的角重叠量。使用光栅方程(其几何解释在图16A中以图形示出)，间距Λ1可如下选择
Figure BDA00041190506500001713
Figure BDA00041190506500001714
Figure BDA00041190506500001715
例如，取值
Figure BDA00041190506500001716
和/>
Figure BDA00041190506500001717
其中n1＝1且n2＝1.52，并且针对波长λ＝625nm计算，可以选择间距Λ1＝882.5nm。
图16B是光线通过图15的波导的示意性“展开”侧视图。
使用如上所述的光栅方程，波矢量可以由以下关系描述：
Figure BDA00041190506500001718
Figure BDA00041190506500001719
Figure BDA00041190506500001720
Figure BDA00041190506500001721
/>
从这些方程中去掉
Figure BDA0004119050650000181
和/>
Figure BDA0004119050650000182
入射光束/>
Figure BDA0004119050650000183
和出射光束/>
Figure BDA0004119050650000184
之间的关系可以描述为
Figure BDA0004119050650000185
为了避免失真，希望入射光束
Figure BDA0004119050650000186
和出射光束/>
Figure BDA0004119050650000187
的x分量和y分量之间的差较小，例如基本上等于0。z分量/>
Figure BDA0004119050650000188
和/>
Figure BDA0004119050650000189
的符号可以相反，这取决于波导的配置。例如，如果图像发生器和观看者在波导的同一侧，则z分量的符号可以相反，并且如果图像发生器和观看者在波导的相对侧，则它们可以具有相同的符号。
给定上述方程，并设置条件
Figure BDA00041190506500001810
可以看出，下面的光栅特性不提供失真
Figure BDA00041190506500001811
可以注意到，在使用不同于第一衍射级的衍射级的一些实施方案中满足该关系。例如，在一些实施方案中，其中一些或所有衍射光栅使用第二衍射级的系统基本上满足上述关系。在一些实施方案中，对于不同的光栅使用不同的衍射级，同时基本上满足上述关系。例如，在一些实施方案中，除了外耦合器之外的所有光栅都被配置为使用第二衍射级，而外耦合器被配置为使用第一衍射级。在外耦合器处使用第一衍射级可以帮助减少否则可能由真实世界图像的衍射引起的杂散光效应。
因为光栅方程对波矢量的z分量的变化不敏感，所以可以使用该方程而不管z分量
Figure BDA00041190506500001812
是否相对于z分量/>
Figure BDA00041190506500001813
反转。
因为矢量的和
Figure BDA00041190506500001814
为0，所以该和的x分量和y分量分别加为0。对于x分量，这给出
0＝M4G4x+M3G3x+M2G2x-M1G1x
0＝M3|G3|cos(90°+ΦG)+M2|G2|cos(ΦG)
0＝-M3|G3|sin(ΦG)+M2|G2|cos(ΦG)
0＝M3|G3|tan(ΦG)-M2|G2|
0＝2πM3 tan(ΦG)/Λ3-2πM2/Λ2
M2/Λ2＝M3tan(ΦG)/Λ3
Figure BDA0004119050650000191
在一些实施方案中，第一眼瞳孔扩展器的间距Λ2和角度ΦG被选择为基本上使视场和间距最大化，并且第二眼瞳孔扩展器的间距Λ3和角度
Figure BDA0004119050650000192
Figure BDA0004119050650000193
使用上述方程来选择以减小或最小化失真。
在一些实施方案中，为了基本上最大化垂直视场，第一眼瞳孔扩展器的间距Λ2和角度φG具有以下关系中的一个或多个关系。在以下实施方案中，使用参数φK是方便的，其中
φK＝90°-ΦG。
如上面所指出的，可以进一步回顾
Figure BDA0004119050650000194
在第一组实施方案中，角度φK落入以下范围内：
Figure BDA0004119050650000195
在第一组实施方案中，第一眼瞳孔扩展器的间距Λ2可以根据下式来选择
Figure BDA0004119050650000196
其中
Figure BDA0004119050650000201
在第二组实施方案中，角度φK落入以下范围内：
Figure BDA0004119050650000202
在第二组实施方案中，第一眼瞳孔扩展器的间距Λ2可以根据下式来选择
Λ2＝M2λsin(φK-Δφ/2)
其中
Δφ＝sin-1(sin(2ΦK-N))。
在第三组实施方案中，角度φK落入以下范围内：
Figure BDA0004119050650000203
在第三组实施方案中，第一眼瞳孔扩展器的间距Λ2可以根据下式来选择
Figure BDA0004119050650000204
其中
Figure BDA0004119050650000205
其中
Figure BDA0004119050650000206
并且
Δ＝(cosφK)2-4α(α+sinφK)。
在第四组实施方案中，角度ΦK满足：
Figure BDA0004119050650000211
在第四组实施方案中，第一眼瞳孔扩展器的间距Λ2可以根据下式来选择
Figure BDA0004119050650000212
其中
Figure BDA0004119050650000213
在一些实施方案中，其中ΦG大约为45°，Λ2和Λ3可如下选择
Figure BDA0004119050650000214
其中
Figure BDA0004119050650000215
并且其中
Figure BDA0004119050650000216
是选定的掠射角，其可以是75°。用于不同光栅取向的示例性解决方案ΦG如图17所示。
再次从矢量的和
Figure BDA0004119050650000217
为0的条件开始，各个y分量加0的条件给出
0＝M4G4y+M3G3y+M2G2y-M1G1y
Figure BDA0004119050650000221
0＝M4/Λ4+M3cos(ΦG)/Λ3+M2sin(ΦG)/Λ2-M1/Λ1
在上述表达式中代入Λ3给出
Figure BDA0004119050650000222
其通过三角恒方程减少到
Figure BDA0004119050650000223
上述表达式可用于确定外耦合器的间距Λ4。
使用以上表达式，在一些实施方案中，对于重叠角为零的示例性实施方案，ΦG＝45°，不同光栅的间距和光栅顺序可以如下选择：
Λ1＝851.38nm,M1＝2
Λ2＝729.46nm,M2＝2
Λ3＝729.46nm,M3＝2
Λ4＝1308.64nm,M4＝-2
仅使用第一衍射级，一些实施方案中的间距和光栅级可如下选择：
Λ1＝425.69nm,M1＝1
Λ2＝364.73nm,M2＝1
Λ3＝364.73nm,M3＝1
Λ4＝654.32nm,M4＝-1
在一些实施方案中，不同的光栅使用不同的衍射级。在一个此类实施方案的示例中，一些实施方案中的间距及光栅级可如下选择：
Λ1＝851.38nm,M1＝2
Λ2＝729.46nm,M2＝2
Λ3＝729.46nm,M3＝2
Λ4＝654.32nm,M4＝-1
在一些实施方案中，所有光栅间距都高于600nm。
在一些实施方案中，光栅间距中的一个或多个光栅间距具有上述值的5％以内的值。在一些实施方案中，光栅间距中的一个或多个光栅间距具有上述值的10％以内的值。在一些实施方案中，光栅间距中的一个或多个光栅间距具有上述值的20％以内的值。
在一些实施方案中，外耦合器光栅被配置为使用第一衍射级，使得|M4|＝1，并且内耦合器光栅和眼瞳孔扩展器光栅中的至少一者被配置为使用第二衍射级。对外耦合器光栅使用第一衍射级通常提供外耦合器波导对来自周围景物的光(例如，图1A的光120)的更好透明度，而对其他光栅中的一个或多个光栅使用第二衍射级通过允许更大的光栅间距而简化了这些光栅的制造。在一些实施方案中，外耦合器光栅被配置为使用第一衍射级，使得|M4|＝1，并且内耦合器光栅以及第一眼瞳孔扩展器光栅和第二眼瞳孔扩展器光栅都被配置为使用第二衍射级，使得|M1|＝|M2|＝|M3|＝2。
图18是根据使用上面选择的尺寸的实施方案的波导显示器的一部分的示意图。应当注意的是，图18的波导显示器还可以在内耦合器和外耦合器的右侧包括附加的眼瞳孔扩展器，例如，相对于左侧示出的眼瞳孔扩展器呈对称配置。
可以注意到，基于上述配置可以实现其他关系。例如，在一些实施方案中，光栅间距可以被选择为基本上满足
Figure BDA0004119050650000231
图19A和图19B是表示光通过示例性波导系统的传播的波矢量示意图。图19A示出了视场的一半的传播。图19B示出了单个光线的传播。
图20示出了根据一些实施方案的通过波导对两个矩形的成像。右侧的矩形2002表示显示侧，左侧的矩形表示系统的图像输出。
在波导显示器中选择光栅的间距和取向时，需要考虑对参数的限制。图21是示出对于不同的值ФG，Λ2(作为ΦG的函数)和sin(ΦG)的乘积的曲线图。图21的曲线图在
Figure BDA0004119050650000241
和角度ΦG＝37.48°处具有最大值。最小值处于/>
Figure BDA0004119050650000242
和角度ΦG＝49.59°处。
对于波导的折射率和波导内部的掠射角的不同值，这些值可以不同。间距大小随衍射级线性变化。然后，取决于耦合到左侧的视场部分与耦合到右侧的视场部分之间的重叠量，这可能导致Λ1的变化，Λ4的范围可以使用上述方程来确定。在系统没有重叠并且仅使用第二衍射级的情况下，Λ4值可以在1211nm和1409nm之间选择。
在示例性实施方案的概述中，内耦合器光栅间距Λ1基于要耦合到波导中的视场来选择。可以选择第一眼瞳孔扩展器的取向，例如以允许具有相对最小间距大小的外耦合器，这可以帮助最小化杂散光。在一些实施方案中，第一眼瞳孔扩展器可以以大于45度的角度取向，这在第二眼瞳孔扩展器和外耦合器融合在一起以形成一个光栅的实施方案中可能是期望的。
一旦已经选择了第一眼瞳孔扩展器的取向，则可以选择第一眼瞳孔扩展器的间距Λ2以基本上最大化视场，或者可以基于其他考虑来选择。第一眼瞳孔扩展器的间距Λ2例如可以根据图17的曲线图来选择。然后可以通过求解无失真方程的x分量来选择第二眼瞳孔扩展器的间距大小。可以使用相同方程的y分量来推导外耦合器的间距大小。
在示例性实施方案中，可以通过选择内耦合器的间距Λ1和衍射级M1来放大(例如最大化)水平视场，可以通过选择第一眼瞳孔扩展器的间距Λ2和衍射级M2来放大(例如最大化)垂直视场，并且可以根据以下关系中的一个或两个关系来选择其他参数以避免失真：
Figure BDA0004119050650000243
Figure BDA0004119050650000244
根据本文所述的实施方案选择的参数可偏离出于实际原因(例如制造工艺中的公差)或其他设计考虑而提供的方程的精确解。在一些实施方案中，光栅间距Λ在满足上述方程的值的5％内选择。在一些实施方案中，光栅间距Λ在满足上述方程的值的10％内选择。在一些实施方案中，角度ΦG在满足上述方程的值的5°内选择。在一些实施方案中，角度ΦG在满足上述方程的值的10°内选择。在一些实施方案中，光栅矢量
Figure BDA0004119050650000251
和/>
Figure BDA0004119050650000252
不是精确地以90°分开的角度。在一些实施方案中/>
Figure BDA0004119050650000253
和/>
Figure BDA0004119050650000254
在85°和95°之间。在一些实施方案中/>
Figure BDA0004119050650000255
和/>
Figure BDA0004119050650000256
在80°和100°之间。
在一些实施方案中，波导的衍射光栅全部在波导的同一表面上(例如，全部在面向用户的表面上或全部在相对的表面上)。在各种不同的实施方案中，衍射光栅可以设置在波导的不同表面上。例如，光栅中的一个或多个光栅可以在波导的面向用户的表面上，而其他光栅中的一个或多个光栅可以在波导的相对表面上。在一些实施方案中，波导光栅可以彼此重叠。重叠光栅可以在波导的相对侧上，或者它们可以在波导的同一表面上至少部分地重叠。同一表面上的重叠光栅可以在重叠区域中采取交叉影线形式。
在一些实施方案中，代替针对视场的每一半使用两个眼瞳孔扩展器，可以针对视场的每一半使用四个偏振选择性眼瞳孔扩展器。例如，视场的左半部分可以使用针对第一偏振状态配置的两个眼瞳孔扩展器来处理视场的左上四分之一，并且使用针对第二(例如，正交)偏振状态配置的两个眼瞳孔扩展器来处理视场的左下四分之一。偏振敏感眼瞳孔扩展器的类似(例如，对称)布置可用于处理视场的右上象限和右下象限。在此类实施方案中，与视场的每个四分之一相关联的眼瞳孔扩展器与内耦合器光栅和外耦合器光栅一起作为一组基本上满足这里描述的关系。
示例性实施方案提供宽视场，同时还使用衍射光栅的C形几何结构提供具有很少甚至没有失真的成像。
在本公开中，有时使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等修饰词来区分不同特征。这些修饰词并不意味着暗示任何特定的操作顺序或部件的布置。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在不同实施方案中具有不同的含义。例如，在一个实施方案中，作为“第一”部件的部件可以是不同实施方案中的“第二”部件。
尽管上文以特定组合描述了特征和元件，但是本领域的普通技术人员将理解，每个特征或元件可单独使用或以与其他特征和元件的任何组合来使用。

Claims (20)

1.一种波导设备，所述波导设备包括：
内耦合器光栅，所述内耦合器光栅被配置为使用衍射级M1，所述内耦合器光栅具有第一光栅间距Λ1和基本上垂直于第一轴线
Figure FDA0004119050640000015
的第一光栅矢量/>
Figure FDA0004119050640000011
第一眼瞳孔扩展器光栅，所述第一眼瞳孔扩展器光栅被配置为使用衍射级M2，所述第一眼瞳孔扩展器具有第二光栅间距Λ2和第二光栅矢量
Figure FDA0004119050640000012
具有相对于所述第一轴线的第一角度ΦG；
第二眼瞳孔扩展器光栅，所述第二眼瞳孔扩展器光栅被配置为使用衍射级M3，所述第二眼瞳孔扩展器具有第三光栅间距Λ3和第三光栅矢量
Figure FDA0004119050640000013
具有相对于所述第一轴线的介于80°+ΦG和100°+ΦG之间的第二角度；和
外耦合器光栅，所述外耦合器光栅被配置为使用衍射级M4，所述外耦合器光栅具有第四光栅间距Λ4和基本上垂直于所述第一轴线的第四光栅矢量
Figure FDA0004119050640000014
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二角度相对于所述第一轴线介于85°+ΦG和95°+ΦG之间。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二角度相对于所述第一轴线基本上等于90°+ΦG。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述外耦合器光栅被配置为使用第一衍射级，并且所述内耦合器光栅和所述眼瞳孔扩展器光栅中的至少一者被配置为使用第二衍射级。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述外耦合器光栅被配置为使用第一衍射级，并且所述内耦合器光栅以及所述第一眼瞳孔扩展器光栅和第二眼瞳孔扩展器光栅被配置为使用第二衍射级。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的设备，其中所述第二眼瞳孔扩展器的所述第三光栅间距Λ3基本上满足：
Figure FDA0004119050640000021
7.根据权利要求1-6中任一项所述的设备，其中所述外耦合器的所述第四光栅间距Λ4基本上满足：
Figure FDA0004119050640000022
8.根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其中所述光栅间距Λ2和Λ3基本上满足：
Figure FDA0004119050640000023
其中
Figure FDA0004119050640000024
9.根据权利要求1-8中任一项所述的设备，其中所述光栅间距Λ1基本上满足：
Figure FDA0004119050640000025
10.根据权利要求1-9中任一项所述的设备，其中所述光栅间距在以下值的20％以内：
Λ1＝851.38nm
Λ2＝729.46nm
Λ3＝729.46nm
Λ4＝1308.64nm。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的设备，其中所述光栅间距在以下值的10％以内：
Λ1＝851.38nm
Λ2＝729.46nm
Λ3＝729.46nm
Λ4＝1308.64nm。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的设备，其中基本上满足以下关系：
Figure FDA0004119050640000031
13.根据权利要求1-11中任一项所述的设备，其中基本上满足以下关系：
Figure FDA0004119050640000032
并且
Figure FDA0004119050640000033
其中
Figure FDA0004119050640000034
14.根据权利要求1-11中任一项所述的设备，其中基本上满足以下关系：
Figure FDA0004119050640000035
并且
Λ2＝M2λsin(φK-Δφ/2)
其中
Δφ＝sin-1(sin(2φK-N))。
15.根据权利要求1-11中任一项所述的设备，其中基本上满足以下关系：
Figure FDA0004119050640000041
并且
Figure FDA0004119050640000042
其中
Figure FDA0004119050640000043
其中
Figure FDA0004119050640000044
并且
Δ＝(cosφK)2-4α(α+sinφK)。
16.根据权利要求1-11中任一项所述的设备，其中基本上满足以下关系：
Figure FDA0004119050640000045
并且
Figure FDA0004119050640000051
其中
Figure FDA0004119050640000052
17.根据权利要求1-16中任一项所述的设备，还包括被配置为生成图像的图像生成器，所述内耦合器光栅被配置为沿着至少一个光学路径将所述图像耦合到所述外耦合器光栅。
18.一种方法，所述方法包括：
使用被配置为使用衍射级M1的内耦合器光栅将光耦合到波导中，所述内耦合器光栅具有第一光栅间距Λ1和基本上垂直于第一轴线
Figure FDA0004119050640000057
的第一光栅矢量/>
Figure FDA0004119050640000053
利用被配置为使用衍射级M2的第一眼瞳孔扩展器光栅使所述光衍射，所述第一眼瞳孔扩展器具有第二光栅间距Λ2和第二光栅矢量
Figure FDA0004119050640000054
具有相对于所述第一轴线的第一角度ΦG；
利用被配置为使用衍射级M3的第二眼瞳孔扩展器光栅使所述光衍射，所述第二眼瞳孔扩展器具有第三光栅间距Λ3和第三光栅矢量
Figure FDA0004119050640000055
具有相对于所述第一轴线的介于80°+ΦG和100°+ΦG之间的第二角度；以及
使用被配置为使用衍射级M4的外耦合器光栅将所述光耦合出所述波导，所述外耦合器光栅具有第四光栅间距Λ4和基本上垂直于所述第一轴线的第四光栅矢量
Figure FDA0004119050640000056
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二角度相对于所述第一轴线介于85°+ΦG和95°+ΦG之间。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中所述外耦合器光栅被配置为使用第一衍射级，并且所述内耦合器光栅和所述眼瞳孔扩展器光栅中的至少一者被配置为使用第二衍射级。
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