專利名稱：衍射光學(xué)裝置和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元件，更具體而言涉及將光衍射到一個或多個二 維區(qū)域內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)和裝置。
背景技術(shù)：
電子裝置的微型化總是電子設(shè)備領(lǐng)域的持續(xù)的目標(biāo)。電子裝置經(jīng) 常配備有某種形式的顯示器，該顯示器對于用戶是可見的。隨著這些 電子裝置尺寸減小，對于制造與小尺寸電子裝置相兼容的緊湊顯示器 的需求增加。除了具有小的尺寸之外，這些顯示器不應(yīng)犧牲圖像質(zhì)量， 且可以低成本地獲得。按照定義，上述特性相互矛盾，且已經(jīng)進(jìn)行許 多嘗試以提供某些平衡的解決方案。電子顯示器可以提供實像，其尺寸是由顯示裝置的物理尺寸決定， 或者可以提供虛像，其尺寸可以擴(kuò)展顯示裝置的尺寸。實像定義為由投射在置于圖像位置的觀察面上或者由該觀察面顯 示，并被人的棵眼觀察到(到觀察者無需校正眼睛的程度)的圖像.實像顯示器的例子包括陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(LCD)、有 機(jī)發(fā)光二極管陣列(OLED)、或者任何屏幕投影顯示器。實像通?？?以從約至少25cm的距離被觀察，該25cm為人眼可以聚焦到物體上的 最小距離。除非人是遠(yuǎn)視眼的，否則無法在更近的距離觀察到清晰圖 像。典型地，臺式計算機(jī)系統(tǒng)和工作站計算設(shè)備利用CRT顯示屏幕顯 示圖像給用戶。CRT顯示器笨重、龐大且不容易微型化。對于膝上型、 筆記本或掌上計算機(jī)，通常使用平板顯示器。平板顯示器可以使用實 施為無源矩陣或有源矩陣面板的LCD技術(shù)。無源矩陣LCD面板是由 水平和垂直線的格柵組成。格柵的每個交點構(gòu)成單個像素，并控制LCD 元件。LCD元件或者允許光通過，或者阻擋光。有源矩陣面板使用晶 體管控制每個像素，且更昂貴。OLED平板顯示器為發(fā)光二極管的陣列，由有機(jī)聚合物材料制成。 現(xiàn)有的OLED平板顯示器是基于無源與有源的配置。與控制光透射或反射的LCD顯示器不同，OLED顯示器發(fā)射光，光的強(qiáng)度由所施加的 電偏壓來控制。平板顯示器也用于微型圖像顯示系統(tǒng)，這是因為與CRT 顯示器相比平板顯示器緊湊且能量高效。小尺寸實像顯示器用于呈現(xiàn) 實像的表面積較小，因此為用戶提供足夠信息的能力有限。換言之， 由于人眼的有限分辨力，從小尺寸實像分辨得到的細(xì)節(jié)數(shù)量可能不足。與實像相反，虛像定義為不投射到觀察面上或者不從觀察面發(fā)射 的圖像，且沒有光線連接圖像和觀察者。虛像只能通過光學(xué)元件看到， 例如典型的虛像可以從置于會聚透鏡前方，位于透鏡和透鏡焦點之間 的物體來獲得。從物體上每個點反射的光線在經(jīng)過該透鏡時發(fā)散，因 此任意兩條光線都不共享兩個端點。從透鏡另一側(cè)觀察的觀察者將察 覺到位于物體后方的圖像，該圖像因此是放大的。置于透鏡焦點的物 體的虛像被投射到無窮遠(yuǎn)。包括微型顯示面板和透鏡的虛像顯示系統(tǒng) 可以實現(xiàn)從遠(yuǎn)小于25cm的距離觀察小尺寸但高容量(content)的顯示 器。這種顯示系統(tǒng)可以提供一種觀察能力，該觀察能力等效于從遠(yuǎn)得 多的距離觀察的高容量、大尺寸的實像顯示系統(tǒng)。傳統(tǒng)虛像顯示器已知具有許多缺點。例如，這些顯示器太重而無 法舒適地使用，以及太大從而突出、分散注意力以及甚至迷失方向。 這些缺陷來源于例如安裝結(jié)構(gòu)中結(jié)合了較大的光學(xué)系統(tǒng)，以及沒有充 分考慮到諸如尺寸、形狀、重量等重要因素的物理設(shè)計。最近，全息光學(xué)元件已被用于便攜視覺圖像顯示器.全息光學(xué)元 件用作成像透鏡以及組合器，其中二維的準(zhǔn)單色顯示被成像到無窮遠(yuǎn) 并反射到觀察者的眼睛。所有類型的全息光學(xué)元件的共同問題為其較 高的色散。在光源不是完全單色的應(yīng)用中，這是主要的缺陷。某些這 些顯示器的另一缺陷為，圖像的幾何和全息光學(xué)元件的幾何之間缺乏 相干性，這導(dǎo)致圖像陣列中降低圖像質(zhì)量的像差。通常涉及單個全息光學(xué)元件的新設(shè)計通過使用非球面波而不是簡 單的球面波用于記錄，由此補償幾何像差和色差；然而，這些設(shè)計沒 有克服色散問題。此外，采用這些設(shè)計，整體光學(xué)系統(tǒng)通常非常復(fù)雜 且難以制造。再者，這些設(shè)計形成的視場通常非常小。Upatnieks的美國專利No.4，711，512描述了 一種衍射平面光學(xué)平視 (head-up)顯示器，其配置成傳輸圖像的準(zhǔn)直光波前，以及允許經(jīng)過 飛機(jī)擋風(fēng)玻璃的光線通過并被飛行員看到。光波前通過第一衍射元件進(jìn)入位于飛機(jī)座艙內(nèi)的細(xì)長光學(xué)元件，被衍射成該光學(xué)元件內(nèi)的全內(nèi) 反射，并通過第二衍射元件從該光學(xué)元件衍射進(jìn)入飛行員眼睛的方向同時保持準(zhǔn)直。然而，Upatnieks沒有教導(dǎo)如何將寬的視場傳輸通過顯 示器，或者如何傳輸寬的波長谞(用于提供彩色圖像)。Upatnieks的 仰視顯示器的主要限制在于使用大量全息圖，使用大量全息圖盡管具 有較高的衍射效率，但是已知具有窄的角度和色響應(yīng)。Friesem等的美國專利No，5，966，223和5，682，255描述了一種與 Upatniefcs類似的全息光學(xué)裝置，其具有另外的方面為，第一衍射光學(xué) 元件還用作準(zhǔn)直元件，準(zhǔn)直由顯示源內(nèi)每個數(shù)據(jù)點發(fā)射的波并校正整 個視場上的場像差。所討論的視場為±6°，且還討論了 632.8nm中心波 長、附近的士2nm波長偏移A、上低的色靈敏度。然而，F(xiàn)riesem等的 衍射準(zhǔn)直元件已知具有窄的光譜響應(yīng)，且在士2nm光譜范圍的低色靈敏 度在士20nm和士70nm變?yōu)闊o法接受的靈敏度。Niv等的美國專利No.6，757，105提供了 一種用于優(yōu)化多色光譜的 視場的衍射光學(xué)元件，該專利的內(nèi)容結(jié)合于此。該光學(xué)元件包括透光 村底和形成于透光襯底內(nèi)的線性光柵。Niv等教導(dǎo)了如何選擇線性光柵 的節(jié)距和透光襯底的折射率以捕獲具有預(yù)定光譜的光束，且特征在于 使預(yù)定視場通過全內(nèi)反射在透光襯底內(nèi)傳播。Niv等也披露了 一種包含 前述衍射光學(xué)元件的光學(xué)裝置，用于傳輸廣義上的光以及特別是圖像 到用戶的眼睛內(nèi)。然而，上述虛像裝置提供了單一光學(xué)通道，因此允許感興趣的景 象由一只眼睛看到。人們認(rèn)為任何虛像裝置無畸變地傳輸圖像的能力 內(nèi)在地取決于，從圖像所有點散發(fā)的光線是否被成功地以其原始原色 被傳輸?shù)接脩舻难劬ΑＳ捎谀壳耙阎b置采用的單一光學(xué)通道，可以 無畸變或者無信息損失地得到的視場相當(dāng)有限。采用多個衍射光學(xué)元件的雙目裝置披露于美國專利申請 No.10/896，865 和 11/017,920 以及國際專利申請開 No.W02006/008734，其內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。光繼電器由透光襯底、 輸入衍射光學(xué)元件和兩個輸出衍射光學(xué)元件形成。準(zhǔn)直光被輸入衍射 光學(xué)元件衍射到光繼電器內(nèi)，通過全內(nèi)反射在村底內(nèi)傳播，并被該兩 個輸出衍射光學(xué)元件耦合離開該光繼電器。輸入和輸出衍射光學(xué)元件 保持光線的相對角度以允許以最小畸變或者無畸變地傳輸圖像。輸出元件隔開，使得被一個元件所衍射的光被導(dǎo)向至觀察者的一只 被另一元件所衍射的光被導(dǎo)向至觀察者的另一只眼睛。這些參考文獻(xiàn) 的雙目設(shè)計顯著改善了視場。在上述類型的雙目系統(tǒng)中，輸出光學(xué)元件之間的距離原則上應(yīng)匹配4吏用該系統(tǒng)的個體的瞳孔間3巨。另一方面，不同個體之間的瞳孔間距相差可以高于50%。因此這些雙目系統(tǒng)為具有不同瞳孔間距的個體提供了不同的觀察條件。換言之，為一個個體提供最優(yōu)觀察條件的雙 目系統(tǒng)可以為另一個體提供次優(yōu)的觀察條件，特別是當(dāng)這兩個個體的 瞳孔間距相差顯著時。因此廣泛意識到需要一種克服上述限制的光學(xué)裝置和系統(tǒng)，且采 用該光學(xué)裝置和系統(tǒng)將是極為有利的。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明一個方面，提供一種光繼電器裝置，用于在視場內(nèi)傳 輸以多個角度照射該光繼電器裝置的光。該裝置包括透光襯底，該透 光襯底接合由縱向方向和橫向方向跨過的平面。該光繼電器裝置還包括輸入光學(xué)元件，該輸入光學(xué)元件被設(shè)計和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向該 光，使得該光通過全內(nèi)反射在該透光襯底內(nèi)傳播；以及輸出光學(xué)元件， 該輸出光學(xué)元件橫向偏離該輸入光學(xué)元件，并被設(shè)計和構(gòu)造成用于重 新導(dǎo)向該光離開該透光襯底。該光繼電器裝置的輸出光學(xué)元件特征在 于由沿該縱向方向的長度以及沿該橫向方向的寬度定義的平面尺寸， 其中該長度和寬度選擇為使得該視場內(nèi)一個或多個最外光線的至少一 部分被導(dǎo)向至距該透光村底預(yù)定距離的二維區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種光繼電器裝置。該光繼電器裝置 包括透光村底，該透光襯底如上所述接合一平面；輸入光學(xué)元件， 該輸入光學(xué)元件被設(shè)計和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向該光，使得該光通過全 內(nèi)反射在該透光襯底內(nèi)傳播；以及一個或多個輸出光學(xué)元件，該輸出 光學(xué)元件橫向偏離該輸入光學(xué)元件，并被設(shè)計和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向 該光離開該透光襯底。該光繼電器裝置的每個輸入光學(xué)元件和輸出光的平面尺寸，其中該輸出:學(xué):件的寬度小于該輸入口光學(xué)口元件的寬度。 根據(jù)本發(fā)明又一方面，提供一種光繼電器裝置。該光繼電器裝置包括透光襯底，該透光襯底如上所述接合一平面；輸入光學(xué)元件， 該輸入光學(xué)元件被設(shè)計和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向該光，使得該光通過全 內(nèi)反射在該透光襯底內(nèi)傳播；第一輸出光學(xué)元件，該第一輸出光學(xué)元 件橫向偏離該輸入光學(xué)元件，并被設(shè)計和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向與第一 部分視場相對應(yīng)的光離開該透光襯底；以及第二輸出光學(xué)元件，該第 二輸出光學(xué)元件橫向偏離該輸入光學(xué)元件和該第一輸出光學(xué)元件，并 被設(shè)計和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向與第二部分視場相對應(yīng)的光離開該透光 襯底。每個該第一和第二輸出光學(xué)元件特征在于由沿該縱向方向的長 度以及沿該橫向方向的寬度定義的平面尺寸，其中該第一輸出光學(xué)元 件的長度和寬度選擇為使得該第一部分視場內(nèi)的一個或多個最外光線 的至少一部分被導(dǎo)向至第一二維區(qū)域，且該第二輸出光學(xué)元件的長度 和寬度選擇為使得該第二部分視場內(nèi)的一個或多個最外光線的至少一 部分被導(dǎo)向至第二二維區(qū)域，該第一和第二二維區(qū)域距該透光襯底預(yù) 定距離。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該平面尺寸選擇為使得，對 于大于Y1毫米且小于Y2毫米的任何的二維區(qū)域中心之間的橫向間隔， 其中Yl可以是大于或等于40的任意數(shù)且Y2為小于或等于80的任意 數(shù)，該最外光線的部分被分別導(dǎo)向至該第一和第二二維區(qū)域。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，Yl等于約50且Y2等于約 65;備選地，Yl等于約53且Y2等于約73;備選地，Y2大于Yl約 10毫米且Y1可以是從約53到約63的任意數(shù)，包括但不限于53、 58 或63。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該輸入和/或輸出光學(xué)元件為 衍射光學(xué)元件。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種通過衍射將圖像傳輸?shù)接赏?孔間距表征的第一眼睛和第二眼睛的光繼電器裝置，該裝置包括透光 襯底以及位于該透光襯底上固定位置的多個衍射光學(xué)元件，該衍射光 繼電器裝置特征在于至少16度的視場，且能夠為從Y1毫米到Y(jié)2毫米 的任意瞳孔間距提供該圖像，如上所述。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種提供圖像給用戶的系統(tǒng)。該 系統(tǒng)包括該光繼電器裝置以及圖像產(chǎn)生系統(tǒng)，該圖像產(chǎn)生系統(tǒng)用于向 該衍射光繼電器裝置提供構(gòu)成該圖像的準(zhǔn)直光。根據(jù)下述本發(fā)明的優(yōu)選實施例中的另外特征，該輸出光學(xué)元件的 寬度小于該輸入光學(xué)元件的寬度。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該多個衍射光學(xué)元件包括輸 入衍射光學(xué)元件、第一輸出衍射光學(xué)元件和第二輸出衍射光學(xué)元件， 該輸入衍射光學(xué)元件^t設(shè)計和構(gòu)造成用于衍射構(gòu)成該圖像的光以通過 全內(nèi)反射在該透光襯底內(nèi)傳播，該輸出衍射光學(xué)元件被設(shè)計和構(gòu)造成 用于衍射該光的至少一部分離開該透光襯底。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該第一輸出衍射光學(xué)元件被 設(shè)計和構(gòu)造成用于將該圖像的對應(yīng)于第一部分視場的光衍射離開該透 光襯底，且該第二輸出衍射光學(xué)元件被設(shè)計和構(gòu)造成用于將該圖像的 對應(yīng)于第二部分視場的光衍射離開該透光襯底，使得該第一和第二部 分視場的組合基本上再現(xiàn)該視場。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該第一和第二衍射光學(xué)元件 特征在于，平面尺寸選擇為使得該第一部分視場內(nèi)的一個或多個最外 光線的至少一部分被導(dǎo)向至包含該第一眼睛的第一二維區(qū)域，且該第 二部分視場內(nèi)的一個或多個最外光線的至少一部分被導(dǎo)向至包含該第 二眼睛的第二二維區(qū)域，該第一和第二二維區(qū)域距該透光襯底預(yù)定距離。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該預(yù)定距離為從約Zl毫米到 Z2毫米，其中Zl優(yōu)選約為15，且Z2可以是從約20到約35的任意數(shù)， 包4舌但不限于約20、約25、約30和約35。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該二維區(qū)域的寬度為從約4 毫米到約9毫米。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該二維區(qū)域的 長度為從約5毫米到約13毫米。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該輸入光學(xué)元件的長度等于 從約X到約3X，其中X為表征最外光線通過全內(nèi)反射在該透光襯底內(nèi) 的傳播的最小單位跳躍長度(h叩-length)。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，其中該光由包含性地定義于 最短波長和最長波長之間的光譜來表征。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另 外特征，該輸入光學(xué)元件的長度等于從約X到約3X，其中X為表征具 有該最短波長的光線通過全內(nèi)反射在該透光襯底內(nèi)傳播的單位跳躍長 度。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征， 一個或多個該衍射光學(xué)元件 包括由非均勻衍射效率函數(shù)描述的光柵。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該光柵具有沿一個或多個方 向的周期線性結(jié)構(gòu)，該周期線性結(jié)構(gòu)由非均勻占空比表征.根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該光柵具有沿一個或多個方 向的周期線性結(jié)構(gòu)，該周期線性結(jié)構(gòu)由非均勻調(diào)制深度表征。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該光柵具有沿一個或多個方 向的周期線性結(jié)構(gòu)，該周期線性結(jié)構(gòu)由非均勻占空比和非均勻調(diào)制深 度表征。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該非均勻衍射效率函數(shù)跨過該一個或多個方向是單調(diào)的。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該非均勻衍射效率函數(shù)選擇為使得，當(dāng)光線多次撞擊到該光柵上時，預(yù)定的且基本上固定比例的該光的能量在每次撞擊時被衍射。根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該光柵形成于該透光襯底內(nèi)。 根據(jù)上述優(yōu)選實施例中的另外特征，該光柵附著到該透光襯底。 通過提供一種光繼電器裝置和包含該光繼電器裝置的系統(tǒng)，本發(fā)明成功地解決了現(xiàn)有已知配置的缺點。除非另外定義，此處使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。盡管與此處所述類似或等效的方法和材料可以用于本發(fā)明的實踐或測試，但合適的方法和材料描述如下。對于矛盾的情形，以本專利說明書包括的定義為準(zhǔn)。此外，這些材料、方法和示例僅僅是說明性而非限制性的。


此處參考附圖示例性地描述本發(fā)明?，F(xiàn)在詳細(xì)地具體參考附圖， 應(yīng)強(qiáng)調(diào)，所示的細(xì)節(jié)僅僅是示例性的和用于說明性地討論本發(fā)明的優(yōu) 選實施例，且是為了下述目的而提供，即，提供被認(rèn)為最有用的細(xì)節(jié) 且容易地理解本發(fā)明的原理和概念方面的描述。就此而言，沒有試圖 更詳細(xì)地給出比基本理解本發(fā)明所需的更多的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，且 結(jié)合附圖進(jìn)行的說明使得本領(lǐng)域技術(shù)人員顯見在實踐中如何實施本發(fā) 明的若干形式。附圖中圖1為通過工作于透射模式的線性衍射光柵的光衍射的示意圖； 圖2a-c為根據(jù)本發(fā)明各種示例性實施例的光繼電器裝置的剖面圖 的示意圖；圖2d為根據(jù)本發(fā)明各種示例性實施例的光繼電器裝置的矩形視 場的示意圖；圖2e-f為根據(jù)本發(fā)明各種示例性實施例的光繼電器裝置的視場角 度的示意圖；圖3a-b為根據(jù)本發(fā)明各種示例性實施例的優(yōu)選實施例的光繼電器 裝置的透視(圖3a)和側(cè)視(圖3b)示意圖，其中該光繼電器裝置包 括一個輸入光學(xué)元件和兩個輸出光學(xué)元件；圖4a-b為示意性說明根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的該光繼電器裝置內(nèi) 的波前傳播的不完全視圖；圖5a-b為優(yōu)選實施例的中繼裝置的不完全頂視圖(圖5a)和不完 全側(cè)視圖(圖5b)的示意圖，其中該光繼電器裝置的一個或多個衍射 光學(xué)元件包括光柵；圖6為根據(jù)本發(fā)明各種示意性實施例的具有非均勻占空比的光柵 的示意圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明各種示意性實施例的具有非均勻調(diào)制深度的光 柵的示意圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明各種示意性實施例的具有非均勻占空比和非均勻調(diào)制深度的光柵的示意圖；圖9為根據(jù)本發(fā)明各種示例性實施例的雙目系統(tǒng)的示意圖；圖10a-c為根據(jù)本發(fā)明各種示例性實施例的可佩帶裝置的示意圖；圖lla-d的曲線圖示出作為占空比函數(shù)的光柵衍射效率的數(shù)值計算撞擊角為50°(圖lla-b)和55°(圖llc-d),以及調(diào)制深度為150nm (圖lla和llc )和300nm (圖lib和lid );以及圖12a-b的曲線圖示出作為調(diào)制深度函數(shù)的光柵衍射效率的數(shù)值計算占空比為0.5以及撞擊角為50° (圖12a)和55° (圖12b )。
具體實施方式
本實施例包括可以用于傳輸光的裝置和系統(tǒng)。具體地，但不是排他地，本實施例可以用于提供虛像。本實施例可以用于其中虛像被觀 察的許多應(yīng)用，包括但不限于鏡片、雙目鏡、頭戴式顯示器、平視顯 示器、蜂窩電話、個人數(shù)字助理、飛機(jī)座艙等。根據(jù)本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)的原理和操作可以參考圖示及說明書被 更好地理解。在詳細(xì)地解釋本發(fā)明的至少一個實施例之前，應(yīng)理解，本發(fā)明的 應(yīng)用不限于在下述說明書中解釋或圖中示出的元件的構(gòu)造細(xì)節(jié)以及布 置。本發(fā)明可具有其它實施例，或者可以通過各種方式來實踐或?qū)嵤?此外，應(yīng)理解，此處使用的措詞和術(shù)語是出于說明的目的而不應(yīng)視為 是限制性的。當(dāng)光線在透光襯底內(nèi)行進(jìn)且以自表面法線測量的角度^撞擊其內(nèi) 表面之一時，光線可以從該表面反射或者折射離開表面進(jìn)入與襯底接 觸的外界空氣內(nèi)。光被反射或折射的條件是由斯涅爾定律決定，該斯涅爾定律在數(shù)學(xué)上通過下述方程實現(xiàn) sin 02 = sin《 (方程1)其中 為透光襯底的折射率，^為該透光襯底外部的介質(zhì)的折射率 k>"j，以及a為折射情況下光線被折射離開的角度。類似地，《和a 是自表面法線測量的。透光襯底外部的典型介質(zhì)為空氣，其折射率約 為一。如這里所使用，術(shù)語"約"指±10%。一般的規(guī)則為，任何襯底的折射率取決于撞擊其表面的光的具體 波長;i。給定撞擊角度《以及折射率 和 ，僅對于小于 / 的反正弦 的a，方程i具有^的解，其中 / 的反正弦經(jīng)常稱為臨界角并用^表 示。因此，對于足夠大的《(大于臨界角)，折射角a都不滿足方程l 且光能量被捕獲在該透光襯底內(nèi)。換言之，光從內(nèi)表面反射，如同該 光照射到鏡面。在這些條件下，發(fā)生全內(nèi)反射。由于光的不同波長(即， 不同顏色的光)對應(yīng)于不同的折射率，全內(nèi)反射的條件不僅取決于光 撞擊襯底的角度，還取決于光的波長。換言之， 一種波長的滿足全內(nèi) 反射條件的角度對于不同波長不滿足該條件。當(dāng)足夠小的物體或者物體內(nèi)足夠小的開口置于光的光路內(nèi)時，光 經(jīng)歷所謂的衍射的現(xiàn)象，其中光線在經(jīng)過物體邊緣周圍或者在其開口 改變方向。方向改變的數(shù)量取決于光的波長與物體/開口的尺寸之間的比值。在平面光學(xué)中存在各種光學(xué)元件，其被設(shè)計成提供恰當(dāng)條件用 于衍射。這些光學(xué)元件典型地制造成位于透光襯底表面上的衍射光柵。衍射光柵可以工作于透射模式，其中光藉由穿過該光柵而經(jīng)歷衍射； 或者工作于反射模式，其中光在被反射離開光柵時經(jīng)歷衍射。圖1示意性示出工作于透射模式的線性衍射光柵的光衍射。本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員在得知此處所述的細(xì)節(jié)時，將知道如何調(diào)整該說明書用于反射模式的情形。光的波前1沿矢量〖傳播，并撞擊到接合x-少平面的光柵2上，光 柵的法線因此沿z方向，且光的入射角《方便地在矢量z:和z軸之間被測 量。在下面描述中，被分解成兩個角《和^，其中^為在 n平面內(nèi)的入射角，^為在ri平面內(nèi)的入射角。為了解釋清楚，僅^示于圖1。 光柵沿矢量g具有周期線性結(jié)構(gòu)，與少軸形成角度^。光柵的周期 (也稱為光柵節(jié)距)用Z)表示。該光柵形成于具有用",表示的折射率的 透光襯底上。在被光柵2衍射之后，波前l(fā)改變其傳播方向。對應(yīng)于一階衍射 的主要衍射方向用g表示，并用虛線示于圖l。與入射角類似，衍射角 A在矢量^和z軸之間被測量，并被分解成兩個角^和&，其中&為在 n平面內(nèi)的衍射角，<formula>formula see original document page 16</formula>為在z-y平面內(nèi)的衍射角。光柵矢量g、衍射矢量^和照射矢量〖之間的關(guān)系因此可以用五個 角<formula>formula see original document page 16</formula>來表述，且一般通過下述一對方程取決于光的波長義和光柵周期Z):<formula>formula see original document page 16</formula>不失一般性地，笛卡爾坐標(biāo)系可以選擇為使得矢量〖位于y-z平面內(nèi)，因此如(<0 = 0。在矢量g沿著的特殊情形中，& = 0°或者180。，且方 程2-3簡化為下述一維光柵方程<formula>formula see original document page 16</formula> (方程4)根據(jù)已知規(guī)則，如果角度是從法線到光柵順時針地測量，則《、A、l和&為正，反之為負(fù)。該一維光柵方程右手側(cè)(RHS)上的兩個符 號涉及兩個可能的衍射級數(shù)，+1和-1，分別對應(yīng)于沿相對方向的衍射， 即"衍射向右"和"衍射向左"。通過光柵進(jìn)入襯底的光線以一角度撞擊在與該光柵相對的襯底內(nèi)1表面上，該角度根據(jù)下述方程取決于兩個衍射分量sin((zU和sin(&): A = sin-'{sin^J+ Sin2U/2} (方程5)當(dāng)^大于臨界角^時，波前經(jīng)歷全內(nèi)反射并開始在村底內(nèi)傳播， 現(xiàn)在參考圖2a-c,這些圖為根據(jù)本發(fā)明各種示例性實施例的光繼 電器裝置10的剖面圖。圖2a、 2b和2c分別示出裝置10在x-少平面、 } —z平面和x —z平面內(nèi)的剖面圖。裝置10包括透光襯底14、輸入光學(xué) 元件13和輸出光學(xué)元件15。圖2a-c的坐標(biāo)系選擇為使得襯底14與z 軸正交，且光學(xué)元件13和15沿y軸橫向偏移。通常，z軸稱為裝置10 的"垂直軸"，y軸稱為"縱軸"，且x軸稱為"橫軸"。因此，襯底14接 合由該縱向(本坐標(biāo)系中的y方向)和橫向(本坐標(biāo)系中的x方向) 跨過的平面。元件13將光重新導(dǎo)向到村底14內(nèi)，使得至少少許光線經(jīng)歷全內(nèi) 反射并在襯底14內(nèi)傳播。元件15用于將至少少許該傳播光線重新導(dǎo) 向離開襯底14。每個元件13和15可以是折射元件、反射元件或衍射 元件。在采用折射元件的實施例中，元件13和/或元件15可包括多個線 性伸長的小型棱鏡或微棱鏡，且光的重新導(dǎo)向通常是藉由斯涅爾定律 所描述的折射現(xiàn)象。因此，例如當(dāng)元件13和15均為折射元件時，元 件13將光折射到村底14內(nèi)，使得至少少許光線經(jīng)歷全內(nèi)反射并在襯 底14內(nèi)傳播，且元件15將至少少許該傳播光線折射離開襯底14。形 式為小型棱鏡或微棱鏡的折射元件在本領(lǐng)域中是已知的，且可以在例 如美國專利No.5,969，869、 6,941,069和6,687,010中找到，這些專利的 內(nèi)容結(jié)合于此作為參考，在采用反射元件的實施例中，元件13和/或元件15可包括多個介 質(zhì)鏡，且光的重新導(dǎo)向通常是藉由反射基本定律所描述的反射現(xiàn)象。 因此，例如當(dāng)元件13和15均為反射元件時，元件13將光反射到襯底 14內(nèi)，使得至少少許光線經(jīng)歷全內(nèi)反射并在襯底14內(nèi)傳播，且元件 15將至少少許該傳播光線反射離開襯底14。形式為介質(zhì)鏡的反射元件 在本領(lǐng)域中是已知的，且可以在例如美國專利No.6，330，388和6,766,082 中找到，這些專利的內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。元件13和/或元件15也可以將反射與折射組合。例如，元件13 和/或元件15可以包括位于襯底14內(nèi)的多個部分反射表面。在本實施例中，部分反射表面優(yōu)選地相互平行。這種類型的光學(xué)元件在本領(lǐng)域中是已知的，且可以在例如美國專利No.6，829，095中找到，該專利的內(nèi) 容結(jié)合于此作為參考。在采用衍射元件的實施例中，元件13和/或元件15可包括光柵， 且光的重新導(dǎo)向通常是藉由衍射現(xiàn)象。因此，例如當(dāng)元件13和15均 為衍射元件時，元件13將光衍射到襯底14內(nèi)，使得至少少許光線經(jīng) 歷全內(nèi)反射并在襯底14內(nèi)傳播，且元件15將至少少許該傳播光線衍 射離開襯底14。這里使用的術(shù)語"衍射"是指通過透射模式或者反射模式的波前的 傳播方向的改變。在透射模式中，"衍射"是指在經(jīng)過衍射元件時波前 傳播方向的改變；在反射模式中，"衍射"是指在以與基本反射角(其 等于入射角)不同的角度被反射離開衍射元件時波前傳播方向的改變。 在圖2b的示例性圖示中，元件13和15為透射元件，即，這些元件工 作于透射模式。輸入元件13被設(shè)計和構(gòu)造成使得由此被重新導(dǎo)向的光線的角度 大于臨界角，且光通過全內(nèi)反射在襯底內(nèi)傳播。傳播的光在襯底14內(nèi) 幾次反射之后到達(dá)輸出元件15，該輸出元件15將光重新導(dǎo)向離開襯底 14。元件13和/或元件15可選地且優(yōu)選地為線性衍射光柵，根據(jù)上述 原理工作。當(dāng)元件13和15均為線性光柵時，其周期線性結(jié)構(gòu)優(yōu)選地 基本上平行。元件13和15可以形成于或者附著襯底14的任一表面23 和24上。襯底14可以由任何透光材料制成，優(yōu)選地但非強(qiáng)制地，由 具有足夠低雙折射率的材料制成。元件15橫向地偏離元件13。這些元 件之間的優(yōu)選的橫向間隔為從幾毫米到幾厘米。裝置10優(yōu)選地設(shè)計成在預(yù)定角度范圍內(nèi)傳輸以任意入射角撞擊 襯底14的光，該預(yù)定角度范圍稱為該裝置的視場。該輸入光學(xué)元件設(shè)計成將該視場內(nèi)的所有光線捕獲在襯底內(nèi)。視 場可以包含性地表述，其中視場的值對應(yīng)于最小和最大入射角之間的 差值；或者顯式地表述，其中視場具有數(shù)學(xué)范圍或集合的形式。因此， 例如，從最小入射角a跨到最大入射角/ 的視場Q包含性地表述為 fl = p-"，且排他性地表述為0 =["，川。該最小和最大入射角也稱為最右 和最左入射角或者逆時針和順時針視場角，任一組合均可。視場的這種包含性和排他性表示在此被交替地使用。裝置IO的視場在圖2b-f用兩個其最外光線表示，通常示于17和18。圖2b和2c說明光線17和18在與裝置10的垂直軸平行的兩個平 面上的投影。具體而言，圖2b說明光線17和18在包含裝置IO的縱軸 的平面(該坐標(biāo)系內(nèi)的^平面)上的投影，圖2c說明光線17和18 在包含裝置IO的橫軸的平面(該坐標(biāo)系內(nèi)的x-z平面)上的投影。下文中，術(shù)語"縱向視場"和"橫向視場"將分別用于描述投影在 j;-z和x-z平面上時該視場內(nèi)的角度范圍。因此，圖2b示意性說明裝置IO的縱向視場，圖2c示意性說明裝 置10的橫向視場。在圖2b所示的縱向視場中，光線18的投影為與垂 直軸形成角度^—的最右光線投影，光線17的投影為與垂直軸形成角度 《的最左光線投影。在圖2c所示的橫向視場中，光線18的投影為與 垂直軸形成角度《的最右光線投影，光線17的投影為與垂直軸形成角 度(的最左光線投影。當(dāng)襯底14以橫軸朝上而被保持時，光線18的 投影被觀察成最上光線投影，光線17的投影被觀察成最下光線投影。在排他性表述中，用A表示的縱向視場為b/，《j，用Q,表示的橫 向視場為k,CJ。在圖2b和2c的示例性圖示中，逆時針地自垂直軸(圖 2b和2c中的z軸)測量投影《-和^，且順時針地自垂直軸測量投影^ 和《。因此，根據(jù)上述規(guī)則，《和^具有負(fù)值且《+和(具有正值， 形成在包含性表述中的縱向視場& =《以及橫向視場Q,=《+ +|^一| 。圖2d示意性說明與裝置10的垂直軸正交的平面(在該坐標(biāo)系中， 平行于p少平面)內(nèi)的視場。光線17和18在該平面上為點。為了簡化 說明，視場示為矩形，且連接這些點的直線為該矩形的對角線。光線 17和18分別指該視場的"左下"和"右上"光線。應(yīng)理解，該視場也可以具有除了矩形之外的平面形狀，包括但不 限于方形、圓形和橢圓形。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在得知此處描述的細(xì) 節(jié)之后將知道如何調(diào)整該說明書用于非矩形視場。在排他性表述中，裝置10的對角線視場由0 = 一"+]給出，其中纊 為光線17和一線之間的夾角，該線與光線17相交且平行于垂直軸， 且S+為光線18和一線之間的夾角，該線與光線18相交且平行于垂直 軸。圖2e和2f分別說明在包含光線17及光線18的平面內(nèi)對角線視場角度r和W。 ^與其投影f、《之間的關(guān)系由上述方程5給出，進(jìn)行 替換^—^， ^4^及&4《。除非另外具體地說明，術(shù)語"視場角度" 是指諸如W的對角線角度。到達(dá)裝置10的光線可具有一種以上的波長。當(dāng)光具有多個波長時，最短波長用4表示且最長波長用4表示，從4到4的波長范圍在 此是指光的光譜。與光的不同波長的數(shù)目無關(guān)，當(dāng)視場內(nèi)的光線撞擊到元件13上 時，這些光線優(yōu)選地以大于臨界角的角度(相對于法線定義的)被重 新導(dǎo)向，使得在照射襯底14的另一表面時，視場的所有光線經(jīng)歷全內(nèi) 反射并在襯底14內(nèi)傳播。在圖2b-c的典型說明中，元件13分別以衍射角(和(將最左光 線17和最右光線18衍射到村底14內(nèi)。圖2b-c中示出了^/ (圖2b) 和^/ (圖2b),其分別為《在yZ平面和3C-z平面上的投影。在傳播時，光線從襯底14的內(nèi)表面被反射。特定光線經(jīng)歷全內(nèi)反 射的襯底內(nèi)表面上兩個連續(xù)點之間的歐幾里得距離稱為光線的"跳躍 距離"，并用"A"表示。傳播的光在襯底14內(nèi)通常沿裝置10的縱軸經(jīng) 過幾次反射之后，到達(dá)將光重新導(dǎo)向離開襯底14的輸出光學(xué)元件15。 裝置10因此傳輸由光線17和18之間的每個光線攜帶的光學(xué)能量的至 少一部分。當(dāng)視場內(nèi)的光線來自發(fā)射或反射光的物體時，觀察者可以 將一只或兩只眼睛放在元件15前方以看到物體的虛像。如圖2b所示，對于光線單次撞擊到輸出元件15的情形，僅部分 光能量離開襯底14。每個光線的其余部分通過一角度被重新導(dǎo)向，這 使得該光線從襯底14的另 一側(cè)再次經(jīng)歷全內(nèi)反射。在第一次反射之后， 其余光線可再次撞擊元件15，且在每次該再次撞擊時，另外部分的光 能量離開襯底14。因此，通過全內(nèi)反射在襯底內(nèi)傳播的光線以一系列 平行光線的形式離開襯底，其中該一 系列平行光線的兩個相鄰光線之 間的距離為/2。這種一系列平行光線對應(yīng)于離開元件15的準(zhǔn)直光束。 由于不止一個光線離開成為一系列平行光線，經(jīng)過裝置IO的光束按照 出射束的截面積大于入射束的截面積的方式被擴(kuò)展。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，輸出光學(xué)元件15特征在于，平面尺寸 選擇為使得，該視場內(nèi)的一個或多個最外光線的至少一部分被導(dǎo)向至 距透光襯底14預(yù)定距離Az的二維區(qū)域20。更優(yōu)選地，元件15的平面20尺寸選擇為使得出射光束進(jìn)入?yún)^(qū)域20。為了保證最外光束或全部出射光束進(jìn)入?yún)^(qū)域20，元件15的長度丄。 優(yōu)選地選擇為大于預(yù)定長度閾值丄。，，且元件15的寬度『。優(yōu)選地選擇 為大于預(yù)定寬度閾值『。，。在本發(fā)明各種示例性實施例中，長度和寬 度閾值由下述表達(dá)式給出、匪-2Aztan(^/2)r。,mm = 2Aztan(Qx/2) (方程6)當(dāng)裝置IO用于觀察虛像時，用戶可以將其眼睛放在區(qū)域20內(nèi)來 觀察虛像。因此，在本實施例中，區(qū)域20為裝置10的"眼箱(eye box )"， 且Az近似為用戶瞳孔到襯底14的距離。距離Az在此稱為裝置10的特 征眼睛間隙(eye relief),為了傳輸圖像到一只眼睛，元件15的長度Z。 和寬度r。優(yōu)選地分別約Z。,min +0,和約+0"其中O,代表瞳孔直徑且 通常約3毫米。在本發(fā)明的各種示例性實施例中，眼箱大于瞳孔直徑， 從而允許用戶在眼箱內(nèi)重新定位眼睛，同時觀察整個虛像。因此，用Z^ 和f^表示區(qū)域20的尺寸，其中i^是沿y軸測量的且『^是沿x軸測量 的，元件15的長度和寬度優(yōu)選地為A 二 A;,inin +乙肪『。=『。,國+1 (方程7) 其中每個Z^和『^均優(yōu)選大于A，從而允許用戶在區(qū)域20內(nèi)重新定位 眼睛，同時仍觀察到整個視場。輸入光學(xué)元件13的尺寸優(yōu)選地選擇為允許視場內(nèi)的所有光線在 襯底14內(nèi)傳播以撞擊到元件15的區(qū)域上。在本發(fā)明的各種示例性實 施例中，輸入元件13的長度A等于約X到約3X，其中X優(yōu)選地為表 征光線在襯底14內(nèi)傳播的單位跳躍長度。通常，X等于具有最小跳躍 長度的光線的跳躍長度，該光線為視場內(nèi)的最外光線(圖2b所示示例 性圖示中的光線18)之一。當(dāng)光具有多個波長時，X通常為光譜的具 有最短波長的最外光線之一的跳躍長度。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，元件15的寬度r。小于元件13的寬度 W ^優(yōu)選地是基于元件13和15的相對布置來計算的。例如，在一 個實施例中，元件13和15相對于裝置IO的橫軸中心對準(zhǔn)(但是沿縱 軸4t向偏移，且可選地沿垂直軸偏移)。在該坐標(biāo)系中，該中心對準(zhǔn)對 應(yīng)于中心寬度線130 (連接元件13的半寬度點)和中心寬度線150 (連接元件15的半寬度點)的相同x坐標(biāo)。在本實施例中，^之間的關(guān)系 優(yōu)選地由下述表達(dá)式給出% = 2(L。 + Ay)tan ;k +『。 (方程8)其中Ay為元件13和元件15之間沿裝置IO縱軸的橫向間隔，且,為預(yù) 定角度參數(shù)。幾何上，^為形成于縱軸和一直線之間的角，該直線連接 最靠近元件15的元件13的角落和最遠(yuǎn)離元件13的元件15的角落(見 例如圖2a中的線12)。優(yōu)選地，"步及當(dāng)投影到平行于襯底的平面上時，襯底內(nèi)該視場的 一個或多個最外光線的傳播方向。在本發(fā)明的各種示例性實施例中，y 等于當(dāng)投影到平行于襯底的平面上時，形成于襯底縱軸和視場的最外 光線的傳播方向之間的角。例如考慮以視場角度^撞擊到元件13上的視場的"右上"光線，其 中該視場角度r根據(jù)上述笛卡爾坐標(biāo)系被分解成角度f (在jc-z平面 內(nèi)測量)和角度e/ (在j-z平面內(nèi)測量)。使用上面的方程2和3，可 以計算衍射角&的相應(yīng)分量&和^，例如通過選擇^的值為0。。該"右 上"光線在襯底內(nèi)的傳播隨后可以被投影到平行村底的平面(該坐標(biāo)系 中的x-;;平面)上，由此形成x-少平面內(nèi)的矢量。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實 施例，"殳置為形成于該投影矢量和y軸之間的角，該角可以寫成下述 形式ptan,in(^J/sinH ;k的絕對值的典型值為但不限于約6°到約 15。。因此，將其眼睛放在尺寸為Z^xf^的區(qū)域20內(nèi)的觀察者接收該視 場內(nèi)的任意光線的至少一部分，假設(shè)眼睛和元件15之間的距離等于或 小于Az。Az的優(yōu)選值為但不限于約15毫米至約35亳米， 的優(yōu)選值為但 不限于幾毫米到幾厘米，Z^的優(yōu)選值為但不限于約5毫米至約13毫米， 且f^的優(yōu)選值為但不限于約4毫米至約9毫米。對于給定視場，選擇 大的Az導(dǎo)致更小的眼箱尺寸Z^和『^，這是本領(lǐng)域中已知的。相反，小 的Az實現(xiàn)更大的眼箱尺寸Z^和f^。丄。,m,n和『。，優(yōu)選地使用方程6計算，且連同區(qū)域20的選定尺寸 (丄^和『M ) 一起，元件15的尺寸(丄。和『。)可以使用方程7計算。一旦計算了丄。和『。，輸入元件13的橫向尺寸^優(yōu)選地通過選擇A少 和y的值并使用方程8來計算。縱向尺寸Z,通常選自約3毫米至約15毫米。在襯底14的表面23和24基本上平行的優(yōu)選實施例中，元件13 和15可以針對給定光譜，僅僅基于r的值和最短波長&的值來設(shè)計。例如，當(dāng)光學(xué)元件為線性光柵時，光柵的周期D可以基于r和4來選擇， 而與襯底14的光學(xué)性能或者長于^的任何波長無關(guān)。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，D選擇為使得比值4/D為約l至約2。 D 的優(yōu)選表達(dá)式是由下述方程給出D = _sinr)j (方程9)應(yīng)理解，由方程9給出的Z)為最大光柵周期。因此，為了達(dá)成全 內(nèi)反射，D也可以小于4/h(l-sinr)j。襯底14優(yōu)選地選擇為允許具有該光譜內(nèi)任意波長的以及該視場 內(nèi)任意入射角的光通過全內(nèi)反射在襯底14內(nèi)傳播。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，村底14的折射率大于4/" + ",sin(W)。更 優(yōu)選地，村底14的折射率",滿足下述方程"s 2[4/" + sin^)]/sin"D麗) (方程10)其中^，為最大衍射角，例如光線17的衍射角，"。皿沒有理論上的限 制，除了要求其為正且小于卯度。^皿因此可以具有小于90°的任意 正值。值&皿'的各種考慮可以在美國專利No.6，757,105中找到，其內(nèi) 容結(jié)合于此作為參考。襯底14的厚度,優(yōu)選地為約O.lmm至約5mm，更優(yōu)選地為約lmm 至約3mm，甚至更優(yōu)選地為約1至約2.5mm。對于多色應(yīng)用，/優(yōu)選地 選擇為允許同時傳播多個波長，例如/>10&。襯底14的寬度/長度優(yōu)選 地為約10mm至約100mm。衍射光學(xué)元件的典型寬度/長度取決于使用 裝置IO的應(yīng)用。例如，裝置10可以應(yīng)用于近眼顯示器，例如如美國 專利No.5，966，223中描述的顯示器，其中衍射光學(xué)元件的典型寬度/長 度為約5mm至約20mm。美國專利申請No.60/716，533的內(nèi)容結(jié)合于此 作為參考，該專利申請?zhí)峁┝擞嘘P(guān)衍射光學(xué)元件設(shè)計及其尺寸選擇的 細(xì)節(jié)。對于不同觀察應(yīng)用，例如在美國專利申請No.6，833,955所述的應(yīng) 用，襯底14的長度可以為1000mm以上，且衍射光學(xué)元件15的長度 可以具有類似尺寸，該專利申請的內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。當(dāng)襯底的 長度長于100mm時，則z優(yōu)選地大于5mm。該實施例是有利的，因為減小了跳躍數(shù)目并將襯底維持在合理的結(jié)構(gòu)/機(jī)械條件內(nèi)。裝置10能夠傳輸具有跨越至少100nm的光譜的光。更具體而言， 最短波長4通常對應(yīng)于典型波長介于約400至約500nm的藍(lán)光，最長 波長^通常對應(yīng)于典型波長介于約600至約700nm的紅光。從圖2b-c所示的幾何配置可以理解，光線17和18被重新導(dǎo)向的 角度可以不同。由于重新導(dǎo)向的角度取決于入射角(見例如衍射情形 的方程2-5)，所允許的順時針(^ )和逆時針(r )視場角度也不同。 因此，裝置IO支持傳輸非對稱視場，其中順時針視場角度大于逆時針 視場角度。順時針和逆時針視場角度的絕對值之間的差異可以達(dá)到總 視場的70%以上。該非對稱可以依據(jù)本發(fā)明各種示例性實施例被利用，以擴(kuò)散光學(xué) 裝置10的視場。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，透光襯底可形成有至少一 個輸入光學(xué)元件和兩個以上的輸出光學(xué)元件。輸入光學(xué)元件用于按照 下述方式將光重新導(dǎo)向進(jìn)入透光襯底，即，與不同部分視場相對應(yīng)的 光的不同部分在襯底內(nèi)沿不同方向傳播，以由此到達(dá)輸出光學(xué)元件。 輸出光學(xué)元件將光的不同部分重新導(dǎo)向離開透光襯底。依據(jù)本實施例，輸出和/或輸入光學(xué)元件的平面尺寸可以選擇為有 利于傳輸該部分視場。輸出光學(xué)元件可以設(shè)計和構(gòu)造成使得光的不同 部分的重新導(dǎo)向以互補的方式進(jìn)行。此處結(jié)合具體可觀察物或量所使用的術(shù)語"互補地"或"互補的"是 指該可觀察物或量的兩個或多個交疊或無交疊部分的組合，這種組合 提供了基本上再現(xiàn)原始該可觀察物或量所需的信息。在本發(fā)明各種示例性實施例中，光繼電器裝置的光學(xué)元件設(shè)計成 將覆蓋寬視場的圖像傳輸?shù)接脩舻膬芍谎劬?例如，使用一個輸入元 件和兩個輸出元件)。優(yōu)選地，本實施例的光繼電器裝置特征在于至少 16。的對角線視場(對應(yīng)于約12。的縱向視場)，更優(yōu)選地至少20°的對 角線視場(對應(yīng)于約15。的縱向視場)，更優(yōu)選地至少24。的對角線視場 (對應(yīng)于約18。的縱向視場)，更優(yōu)選地至少32。的對角線視場(對應(yīng)于 約24。的縱向視場)。光學(xué)元件優(yōu)選地位于該透光襯底上的固定位置， 但是為從最小值/PZ)mm到最大值//^_的任意瞳孔間距提供圖像。這些實施例的優(yōu)點在于，具有滿足//^_s/尸D^的瞳孔間距 /尸D的任何用戶可以使用該裝置來觀察整個圖像，而無需調(diào)整該裝置的尺寸或者光學(xué)元件之間的間隔。西方社會成年人的/戶D的范圍為約53mm至約73mm。兒童具有更小的/i^)。其它人種通常具有不同范圍 的/尸D。 //^_的優(yōu)選值為比//^_的選定值小約5mm至約20mm,更優(yōu) 選地比/PD皿的選定值小約5mm至約10mm，且該兩個值優(yōu)選地選擇在 上述的人/PD的范圍內(nèi)?？梢允褂萌我鈹?shù)目的輸入/輸出光學(xué)元件。此外，輸入光學(xué)元件的 數(shù)目和輸出光學(xué)元件的數(shù)目可以不同，因為兩個以上輸出光學(xué)元件通 過相互光學(xué)連通則可以共享同一輸入光學(xué)元件。輸入和輸出光學(xué)元件 可以視需要而形成于單一襯底上或者多個襯底上。例如，在一個實施 例中，該輸入和輸出光學(xué)元件包括形成于單一襯底上周期相同的，優(yōu) 選地沿平行取向的線性衍射光柵。如果多個輸入/輸出光學(xué)元件形成于同一襯底上，如同上述實施 例，這些輸入/輸出光學(xué)元件可以按任意組合接合該襯底的任意側(cè)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，這對應(yīng)于透射和反射光學(xué)元件的任 意組合。因此，例如假設(shè)形成于襯底14的表面23上的一個輸入光學(xué) 元件和形成于表面24上的兩個輸出光學(xué)元件。進(jìn)一步假設(shè)光撞擊在表 面23上且期望將光衍射離開表面24。這種情況下，該輸入光學(xué)元件和 該兩個輸出光學(xué)元件都是透射型，從而保證光通過輸入光學(xué)元件的照 射以及通過輸出光學(xué)元件的出射。備選地，如果輸入和輸出光學(xué)元件 都形成于表面23上，則輸入光學(xué)元件仍為透射型，從而保證光通過該 輸入光學(xué)元件而照射，而輸出光學(xué)元件為反射型，從而將以足夠小角 度反射該傳播光以將該光耦合離開。在該配置中，光可以通過與輸入 光學(xué)元件的相對側(cè)進(jìn)入村底，藉由輸入光學(xué)元件以反射模式被衍射， 通過全內(nèi)衍射在透光襯底內(nèi)傳播，且可以通過工作于透射模式的輸出 光學(xué)元件被衍射離開。現(xiàn)在參考圖3a-b，這些圖為優(yōu)選實施例中裝置10的透視圖(圖 3a)和側(cè)視圖(圖3b)，其中在該優(yōu)選實施例中采用了一個輸入光學(xué)元 件13和兩個輸出光學(xué)元件15、 19。在該實施例中，裝置10可以作為 雙目裝置用于將光傳輸?shù)接赏组g距/戶D表征的用戶的第一眼睛25和 第二眼睛30。在圖3b，第一和第二輸出光學(xué)元件15、 19連同輸入光學(xué)元件13 形成于襯底14的表面23上。然而，如所述，情況不一定如此，這是在襯底14的任一表面上以恰當(dāng)?shù)耐干?反射組 合形成該輸入/輸出光學(xué)元件。根據(jù)本發(fā)明各種示例性實施例的村底14 內(nèi)的波前傳播將在下面參考圖4a-b更詳細(xì)予以說明。元件13優(yōu)選地按下述方式將入射光重新導(dǎo)向到襯底14內(nèi)，即， 與不同的部分視場相對應(yīng)的光的不同部分在襯底14內(nèi)沿不同方向傳 播。在圖3a-b示例性給出的配置中，元件13將參考數(shù)字26所示的一 個非對稱部分視場內(nèi)的光線重新導(dǎo)向向左以照射在元件15上，且將參 考數(shù)字32所示的另一非對稱部分視場重新導(dǎo)向以照射在元件19上。 元件15和19互補地將光的相應(yīng)部分或其部分重新導(dǎo)向離開襯底14， 從而為第一眼睛25提供部分視場26并為第二眼睛30提供部分視場32。部分視場26和32 —起形成裝置10的視場27。與采用一個輸出光 學(xué)元件的實施例類似地(見例如圖2a-c)，元件15和19由平面尺寸表 征，該平面尺寸選擇為使得部分視場26內(nèi)的一個或多個最外光線的至 少一部分被導(dǎo)向至二維區(qū)域20，且部分視場32內(nèi)的一個或多個最外光 線的至少一部分被導(dǎo)向至另一二維區(qū)域22。這可以通過選擇元件15和 19的長度和寬度以大于預(yù)定長度和寬度閾值來實現(xiàn)，如上所述(見方 程6畫7 )。優(yōu)選地但非強(qiáng)制地，區(qū)域20的平面尺寸等于區(qū)域22的平面尺寸。 因此，每個區(qū)域20和22的平面尺寸以及距離Az優(yōu)選地在前述范圍內(nèi)。在本發(fā)明各種示例性實施例中，區(qū)域20和22的縱向中心之間的 橫向間隔至少為40亳米。優(yōu)選地，區(qū)域20和22的縱向中心之間的橫 向間隔小于80毫米。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，元件15和19的平面 尺寸選擇為使得，對于大于40毫米且小于80毫米的區(qū)域20和22之間 的任意橫向間隔，最外光線的部分被分別導(dǎo)向至區(qū)域20和22。當(dāng)裝置IO用于傳輸光至用戶的眼睛時，元件15和19的平面尺寸 優(yōu)選地選擇為使得，對于滿足/PZ^《/尸D《/PZ)max的任意瞳孔間距/尸D ， 眼睛25和30分別被提供部分視場26和32。優(yōu)選地通過根據(jù)下述弱不等式來選擇區(qū)域20和22的長度丄^可以 保證這一點丄朋"/^薩-/尸D腿)/2 (方程ll)一旦Z^選擇為滿足方程11，輸出元件15和19的長度及寬度可以 根據(jù)方程7基本上如上所述來設(shè)置。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，每個元件15和19的縱向中心位于與元件13的縱向中心的多巨離為(復(fù)ax+卵誦)/4處。元件13的寬度^優(yōu)選地大于每個元件15和19的寬度。^的計算 優(yōu)選地但非強(qiáng)制地使用與前述程序相同的程序來執(zhí)行，見方程8。當(dāng)期 望制造非對稱光繼電器時，輸出元件15和19均使用同一平面尺寸 ￡。 x『。，且元件13和15之間以及元件13和19之間使用同 一橫向間隔 A少。這種情況下，輸入元件的寬度^可以使用角度參數(shù)y如上所述根據(jù) 方程8來設(shè)置。方程8也可以用于下述配置，其中元件13和15之間的 橫向間隔不同于元件13和19之間的橫向間隔。這種情況下，計算中 使用的4v的值優(yōu)選地設(shè)置為大于這兩個橫向間隔。當(dāng)裝置10用于傳輸圖像34時，視場27優(yōu)選地包括來自圖像34 的基本上全部光線。部分視場26和32因此對應(yīng)于圖像34的不同部分， 這些不同部分在圖3b中用數(shù)字36和38表示。因此，如圖3b所示， 至少一個光線42通過元件13進(jìn)入裝置10，通過元件19但不通過元件 15出射裝置10。類似地，至少一個光線43通過元件13進(jìn)入裝置10， 且通過元件15但不通過元件19出射裝置10。通常，這些部分視場取決于光的波長，其中這些部分視場因此也 是到達(dá)每個眼睛的圖像的部分。因此，并非旨在將本實施例的范圍限 制在部分36由眼睛25看到以及部分38由眼睛30看到的配置。換言之， 對于不同波長，部分36被眼睛30看到，且部分38被眼睛25看到。例 如，當(dāng)圖像是由具有紅、綠和藍(lán)三種顏色的光組成時，裝置10可以按 下述方式構(gòu)造，即，眼睛25看到藍(lán)光的部分38和紅光的部分36，而 眼睛30看到藍(lán)光的部分36和紅光的部分38。這種配置中，兩只眼睛 都看到幾乎對稱的綠光的視場。因此，對于每種顏色，這兩個部分視 場相互互^卜。人視覺系統(tǒng)已知具有一種生理機(jī)構(gòu)，該生理機(jī)構(gòu)基于圖像的若干 部分能夠推測完整圖像，只要足夠的信息到達(dá)視網(wǎng)膜。這種生理機(jī)構(gòu) 基于從視網(wǎng)膜的桿狀細(xì)胞和視錐細(xì)胞接收的單色以及彩色信息來工 作。因此，按照累積的性質(zhì)，到達(dá)每只眼睛的兩個非對稱視場形成被 用戶感知的組合視場，該組合的視場寬于每個單獨非對稱視場。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，第一部分視場26和第二部分視場32之 間存在預(yù)定交疊，這種交疊允許用戶的視覺系統(tǒng)組合圖像34的部分36和38而感知圖像，如同每只單獨眼睛均完全感知到該圖像。例如，光學(xué)元件可以按照下述方式構(gòu)造，即，部分視場26和32的排他性表示分別為[-"，川和[-/ , ]，形成[-A川的對稱組合視場27。 將理解，當(dāng);^c^0時，該組合視場顯著寬于每個非對稱視場。在包含 性表示中，裝置IO能夠傳輸至少20度的視場，更優(yōu)選地至少30度， 最優(yōu)選地至少40度。當(dāng)圖像為具有波長光譜的多色圖像時，不同子光譜對應(yīng)于不同的 波長相關(guān)的非對稱部分視場，這些非對稱部分視場按照不同組合形成 不同的波長相關(guān)的組合視場。例如，紅光可以對應(yīng)于第一紅色非對稱 部分視場，以及第二紅色非對稱部分視場，二者組合成紅色組合視場。 類似地，藍(lán)光可以對應(yīng)于第一藍(lán)色非對稱部分視場，以及第二藍(lán)色非 對稱部分視場，二者組合成藍(lán)色組合視場，等等。因此，多色配置特 征在于多個波長相關(guān)的組合視場。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，光學(xué)元件 被設(shè)計和構(gòu)造成最大化兩個以上的波長相關(guān)的組合視場之間的交疊。就光譜范圍而言，裝置10的設(shè)計優(yōu)選如下所述元件15為眼睛 25提供例如來自圖像34的部分36的第一子光譜以及來自圖像34的部 分38的第二子光譜。元件19優(yōu)選地提供互補信息，從而允許前述生 理機(jī)構(gòu)推斷該圖像的完整光譜。因此元件19優(yōu)選地為眼睛30提供來 自部分38的第一子光譜以及來自部分36的第二子光譜。理想地，多色圖像為一光譜，該光譜是在多個圖像元件測量的波 長的函數(shù)。然而，這種理想輸入在實際系統(tǒng)中幾乎無法實現(xiàn)。因此， 本實施例也解決了其它形式的圖像信息。可以通過按各種比例混合紅、 綠和藍(lán)色光來呈現(xiàn)高百分比的可見光譜(色域)，同時不同強(qiáng)度提供不 同飽和水平。有時，除了紅、綠和藍(lán)之外還使用其它顏色，從而提高 色域。在其他情況下，使用彩色光的不同組合，從而呈現(xiàn)人可見光譜 內(nèi)的特定部分光譜范圍。在不同形式的彩色圖像中，使用寬光譜的光源，通過使用彩色濾 光片來提供圖像信息。最常用的這種系統(tǒng)使用具有青、洋紅和黃色濾 光片的包括互補黑色濾光片的白光源。使用這些濾光片可以提供與使 用紅、綠和藍(lán)色光源的系統(tǒng)類似的光譜范圍或色域的呈現(xiàn)，同時通過 使用用于這些濾光片的不同光學(xué)吸收厚度來實現(xiàn)飽和水平，提供公知 的"灰階水平"。因此，多色圖4象可以通過三個以上的通道來顯示，例如但不限于紅 - 綠-藍(lán)(RGB )或青-洋紅-黃-黑(CMYK)通道。RGB通道 通常用于有源顯示系統(tǒng)(例如，CRT或OLED)或者光快門系統(tǒng)(例 如，Digital Light Processing (DLPTM)或者使用諸如LED的RGB 光源來照明的LCD)。 CMYK圖像通常用于無源顯示系統(tǒng)(例如，印 刷)。在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可以考慮其它形式。當(dāng)由離散數(shù)目的顏色形成多色圖像(例如，RGB顯示器)時，子 光譜可以是離散的波長值。例如，多色圖像可以由具有紅、綠和藍(lán)色 有機(jī)二極管的OLED陣列(或者以紅、綠和藍(lán)色濾光片方式使用的白 色二極管)提供，這些有機(jī)二極管在眼睛看來是連續(xù)的彩色光譜，這 是因為由這些有機(jī)二極管發(fā)射的光的波長之間的相對強(qiáng)度比例的許多 不同組合。對于這些圖像，第一和第二子光譜可以對應(yīng)于由該OLED 陣列的藍(lán)、綠和紅色二極管中的兩個發(fā)射的波長，例如藍(lán)色和紅色。 裝置IO可以按下述方式構(gòu)成使得，例如，眼睛30被提供來自部分36 的藍(lán)光和來自部分38的紅光，而眼睛25被提供來自部分36的紅光和 來自部分38的藍(lán)光，使得圖像的整個光譜范圍被傳輸?shù)絻芍谎劬η以?生理機(jī)構(gòu)再現(xiàn)該圖像。到達(dá)裝置10的輸入光學(xué)元件的光優(yōu)選地被準(zhǔn)直。對于光未被準(zhǔn)直 的情況下，準(zhǔn)直器44可以置于圖像34和輸入元件之間的光路上。準(zhǔn)直器44可以是例如會聚透鏡(球面或非球面的)、透鏡排列等。 準(zhǔn)直器44也可以是衍射光學(xué)元件，該衍射光學(xué)元件可以分隔開，由襯 底14承栽或者形成于襯底14內(nèi)。衍射準(zhǔn)直器可以置于襯底14的入射 面上作為透射衍射元件，或者置于對立面上作為反射衍射元件。下面描述在優(yōu)選實施例中光學(xué)裝置IO的原理和操作，其中裝置10 包括一個輸入光學(xué)元件和兩個輸出光學(xué)元件?，F(xiàn)在參考圖4a-b，這些圖為其中采用衍射元件的優(yōu)選實施例的襯 底14內(nèi)波前傳播的示意圖。圖4a-b中示出了分別從圖像34的四個點 A、 B、 C和D發(fā)射的四個主要光線51、 52、 53和54。圖4a-b中的說 明是在少-z平面內(nèi)。光線51、 52、 53和54的入射角在yz平面內(nèi)相對 于垂直軸的投影分別用％、—，"/和"/+表示。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將 理解，根據(jù)上述符號規(guī)則，第一上標(biāo)指數(shù)表示相應(yīng)光線相對于視場中 心的位置，且第二上標(biāo)指數(shù)表示相應(yīng)光線相對于法線的位置，其中自該法線的角度被測量。將理解，這種符號規(guī)則不能視為是限制性的，且本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員采用備選規(guī)則可以容易地實踐本發(fā)明。類似的記號將在下文中用于光線的衍射角，用下標(biāo)Z)替代下標(biāo)/ 。由 一對,力表示上標(biāo)指數(shù)，入射角通常表示為《/ ，衍射角通常表示為w ， 其中"="一"，"-+","—"或者"—"。每個入射角a/與其相應(yīng)衍射角"/之間的關(guān)系通過替換A —和^ —而由上述方禾呈4給出。點A和D代表圖像34的左端和右端，并且點B和C位于點A和 D之間。因此光線51和53為第一非對稱視場的最左和最右光線，對應(yīng) 于圖像34的部分A-C，以及光線52和54為笫二非對稱視場的最左和 最右光線，對應(yīng)于圖像34的部分B-D。在角度表示中，第一和第二非 對稱視場分別為^——，"/」和1<+,"/"(排他性表示)。注意，這兩個非對 稱視場之間的交疊視場定義于光線52和53之間，該交疊等于b—,a廣j 且對應(yīng)于圖4象34的部分A-C和B-D之間的交疊B-C。在圖4a-b所示的配置中，透鏡45放大圖像34并對從透鏡45散 發(fā)的波前進(jìn)行準(zhǔn)直。例如，光線51-54穿過透鏡45的中心，以角度"/ 撞擊在襯底14上，并被輸入光學(xué)元件13以角度"/衍射到襯底14內(nèi)。 出于更好地理解圖4a-b的說明的目的，每個圖中僅示出四個衍射角(至 每個側(cè))的兩個，其中圖4a示出光線51和53的向右的衍射角(角度％— 和《。-)，以及圖4b示出光線52和54的向右的衍射角(角度^+和 ++ )。如果衍射角的絕對值卜/l大于臨界角c^，每個衍射光線在撞擊到村 底14的內(nèi)表面上時經(jīng)歷全內(nèi)反射。卜/|<^的光線不經(jīng)歷全內(nèi)反射，因 此從襯底14逃逸。 一般而言，由于輸入光學(xué)元件13將光向左和向右 衍射，光線在原則上分裂成在襯底14內(nèi)分別沿相反方向傳播的兩個次 級光線，只要兩個次級光線中的每個該次級光線的衍射角大于^。為 了容易理解圖4a-b中的說明，向左和向右衍射的次級光線分別用單符 號"'"和雙符號"'"表示?，F(xiàn)在參考圖4a，該圖示出|^—| =卜。+| = ^的具體的優(yōu)選實施例。圖 4a中示出了向右傳播的光線51"和53"以及向左傳播的光線52，和54，。 因此，在本實施例中，元件13將光線51和52之間的所有光線分成兩 個次級光線左次級光線，以小于^的角度撞擊在襯底14的內(nèi)表面上， 以及右次級光線，以大于^的角度撞擊在襯底14的內(nèi)表面上。因此，光線51和光線52之間的光線只能在襯底14內(nèi)向右傳播。類似地，光 線53和光線54之間的光線只能向左傳播。另一方面，與非對稱視場 之間的交疊相對應(yīng)的光線52和53之間的光線沿兩個方向傳播，這是 因為元件13將每個這種光線分成兩個次級光線，該兩個次級光線均以 大于臨界角^的角度撞擊襯底14的內(nèi)表面。因此，定義于光線51和53之間的非對稱視場的光線在襯底14內(nèi) 傳播以達(dá)到第二輸出光學(xué)元件19(未示于圖4a)，定義于光線52和54 之間的非對稱視場的光線在襯底14內(nèi)傳播以達(dá)到第一輸出光學(xué)元件15 (未示于圖4a)。在圖4b所示的另一實施例中，最大入射角的光線分裂成衍射角均 大于^的兩個次級光線，因此不從襯底14逃逸。然而，盡管一個次級 光線在襯底14內(nèi)經(jīng)歷幾次反射且因此成功地到達(dá)其相應(yīng)輸出光學(xué)元件 (未示出)，不過另一次級光線的衍射角太大，無法使該次級光線撞擊 襯底14的另一側(cè)從而恰當(dāng)?shù)卦谝r底內(nèi)傳播并到達(dá)其相應(yīng)輸出光學(xué)元 件。圖4b具體示出了原始光線51、 52、 53和54以及次級光線51，、 52"、 53，和54"。光線54分裂成兩個次級光線分別向左和向右衍射 的光線54，(未示出)和54"。然而，盡管以角度a,被衍射的向右傳 播的光線54"在襯底14內(nèi)經(jīng)歷幾次反射(見圖4b)，不過向左傳播的 光線54，或者以太大的角度被衍射而無法成功地到達(dá)元件15，或者消 逝。類似地，光線52分裂成兩個次級光線分別向左和向右衍射的光 線52，(未示出)和52"。例如，向右傳播的光線52"以角度 -、a衍 射。兩個次級光線均以大于^的角度衍射，在襯底14內(nèi)經(jīng)歷一次或幾 次反射，并分別到達(dá)輸出光學(xué)元件15和19(未示出)。如果^—為衍射 光線將成功地到達(dá)光學(xué)輸出元件19的最大角度，從圖像的部分A-B發(fā) 射的所有光線將不到達(dá)元件19，且從部分B-D發(fā)射的所有光線成功地 到達(dá)元件19。類似地，如果角度^+為衍射光線將成功地到達(dá)光學(xué)輸 出元件15的最大角度(絕對值)，則從圖像的部分C-D發(fā)射的所有光 線將不到達(dá)元件15，且從部分A-C發(fā)射的所有光線成功地到達(dá)元件15。因此，定義于光線51和53之間的非對稱視場的光線在襯底14內(nèi) 傳播以到達(dá)輸出光學(xué)元件15，且定義于光線52和54之間的非對稱視場的光線在襯底14內(nèi)傳播以到達(dá)輸出光學(xué)元件19。任一上述實施例可以通過單目裝置的明智設(shè)計，且更具體而言該 輸入/輸出光學(xué)元件和該村底而成功地實施。例如，如所述，輸入和輸出光學(xué)元件可以是具有相同周期且平行 取向的線性衍射光柵。該實施例由于其角度保持(angle preserving) 而是優(yōu)選的。具體而言，線性光柵的相同周期和平行保證了從襯底出 射的光線之間的相對取向與其在撞擊到輸入光學(xué)元件上之前的相對取 向是類似的。因此，從圖像34交疊部分B-C的特定點發(fā)出并因此到達(dá) 兩只眼睛的光線相互平行。因此，這些光線可以被兩只眼睛觀察成來 自空間的相同角度。將理解，采用這種配置，觀察收斂可以容易地獲 得而不導(dǎo)致眼睛疲勞或者給觀察者造成任何其他不便，這不同于現(xiàn)有 技術(shù)的雙目裝置，在該現(xiàn)有技術(shù)的雙目裝置中光學(xué)元件的相對定位和/ 或相對對準(zhǔn)是必需的。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，光柵的周期"和/或村底的折射率 可以 選擇為提供兩個非對稱視場，同時保證該兩個非對稱視場之間的預(yù)定 交疊。通過不止一種方法可以實現(xiàn)這一點。因此，在一個實施例中，光的波長A和周期"之間的比值大于或等于l:;t/z)^1 (方程l2) 該實施例可以用于提供根據(jù)前述原理工作的光學(xué)裝置，其中視場非交 疊部分的光線之間無混合(見圖4a)。在另一實施例中，比值A(chǔ)/D小于襯底的折射率 。更具體而言，D 和 可以選擇為滿足下述不等式Z)"/("^) (方程13) 其中p為小于1的預(yù)定參數(shù)。p的值優(yōu)選地選擇為保證該裝置根據(jù)該原理工作，其中在視場非 交疊部分的光線之間允許某些混合，如上文更詳細(xì)的描述(見圖4b)。這可以通過設(shè)置^^si4^皿;i來達(dá)成，其中"D皿)為最大衍射角。由于^皿通常沒有理論限制(除了要求其絕對值小于90°),因此可以根據(jù)任意實務(wù)考慮來選擇，例如成本、可獲得性、或者特定微型化需要所 要求的幾何限制。因此，在一個實施例中，該實施例在此進(jìn)一步稱為"至少一次跳躍"實施例，C^皿選擇為允許在預(yù)定距離X內(nèi)的至少一次反32射，該x可在約30mm至約80mm內(nèi)變4匕。例如，對于折射率 =1.5且厚度為2mm的玻璃襯底，波長為465nm 的光在34mm的距離x內(nèi)的單次全內(nèi)反射事件對應(yīng)于 皿二83.3。。在另一實施例中，該實施例在此進(jìn)一步稱為"平坦，，實施例，c^^選 擇為減少在該襯底內(nèi)的反射事件數(shù)量，例如通過施加要求，所有衍射 角將足夠小，例如低于80。。在附加實施例中，尤其是可應(yīng)用于襯底的折射率已知的工業(yè)情形 中(例如裝置10旨在與包括特定村底的給定裝置同步工作)，方程13可以被求逆以獲得p的值，因此也得到值^皿=sin-1戶。如所述，裝置IO可以傳輸具有多個波長的光。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實 施例，對于多色圖像，光柵周期優(yōu)選地選擇為對于最短波長滿足方程12，對于最長波長滿足方程13。具體而言 Vfe/^Ds^ (方程14)其中4和4分別為多色光譜的最短和最長波長。注意，從方程12得到，襯底的折射率在這些條件下應(yīng)滿足",/^^/^。光柵周期也可以小于和A+^，例如.K丄L (方程15) sm&D J+ 如所述，當(dāng)光線通過全內(nèi)反射在襯底內(nèi)傳播，通常僅部分光能從 襯底出射而其余光線被反射到襯底內(nèi)。當(dāng)輸出光學(xué)元件為衍射型時，這對應(yīng)于小于100%的衍射效率。衍射效率定義為被衍射光學(xué)元件衍射的光能的比例。對于輸出元件的均勻衍射效率， 一系列光線的每個光線與在前光 線相比以更低的強(qiáng)度出射。例如，假設(shè)特定波長的輸出光柵的衍射效率為50%(意味著對于該波長，在發(fā)生每次衍射時50%的光能被衍射)。 這種情況下， 一系列光線的第一光線承載原始能量的50%，該一系列 光線的第二光線承載原始能量的不足25%,等等。這導(dǎo)致在整個輸出 光柵上不均勻的光輸出。本實施例成功地提供了一種光學(xué)元件，其具有設(shè)計成提供預(yù)定光 剖面的光柵。 一般而言，光的剖面是指光束的光學(xué)特性(強(qiáng)度、相位、 波長、亮度、色調(diào)、飽和度等)或者光學(xué)特性集合。光束通常被描述為多個光線，該多個光線可以是平行的，這種情況下光束稱為被準(zhǔn)直；或者可以是不平行的，這種情況下光束稱為未 準(zhǔn)直。光線在數(shù)學(xué)上被描述成一維數(shù)學(xué)對象。因此，光線與不平行于光 線的任意表面相交于一點。光束因此與不平行于光線的表面相交于多 點，光束的每個光線一個點。光的剖面為所有這些交點的軌跡的光學(xué) 特性。在本發(fā)明各種示例性實施例中，該剖面包括光的強(qiáng)度，且可選 地包括一個或多個其它光學(xué)特性。通常，但并不是強(qiáng)制性的，在基本上垂直于光的傳播反向的平坦 表面內(nèi)測量光束的剖面。與特定光學(xué)特性相關(guān)的剖面在此稱為特定剖面，且使用相應(yīng)特性 來描述。因此，術(shù)語"強(qiáng)度剖面"是指所有交點的軌跡的強(qiáng)度，術(shù)語"波 長剖面"是指所有交點的軌跡的波長，等等。現(xiàn)在參考圖5a-b，這些圖為優(yōu)選實施例中裝置IO的不完全頂視圖 (圖5a)和不完全側(cè)視圖(圖5b)的示意圖，其中一個或多個其衍射 光學(xué)元件包括光柵。下述描述是關(guān)于輸出元件15，但是本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員在得知此處描述的細(xì)節(jié)之后將知道如何調(diào)整該說明用于裝置10 的其它衍射元件。優(yōu)選地但非強(qiáng)制地，裝置IO的所有衍射元件根據(jù)下 述原理來制造。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，元件15具有沿一個或多個方向的周期線 性結(jié)構(gòu)11。在圖5a的示意性圖示中，該周期線性結(jié)構(gòu)沿y方向。圖5b 中示出通過全內(nèi)反射在村底14內(nèi)傳播并撞擊在元件15的光柵上的光 線16。元件15將光線16衍射離開襯底14以提供具有預(yù)定剖面的光束 21。優(yōu)選地，元件15是由非均勻衍射效率函數(shù)來描述。此處結(jié)合表征光柵(例如，衍射效率函數(shù)、占空比、調(diào)制深度) 的具體可觀察物使用的術(shù)語"非均勻"是指該具體可觀察物沿至少一個 方向的變化，且優(yōu)選地沿與周期線性結(jié)構(gòu)相同方向(例如，在圖5a的 示例性圖示中的y方向)的方向變化。衍射效率函數(shù)返回光柵的局部衍射效率(即，特定區(qū)域的衍射效 率)，且可以用相對于光柵的最大衍射效率的百分比來表述。例如，在 衍射效率函數(shù)返回例如50%的值的光柵上的點，光柵的局部衍射效率 為最大衍射效率的50%。在本發(fā)明各種示例性實施例中，衍射效率函 數(shù)在光柵上是單調(diào)函數(shù)。此處使用的術(shù)語"單調(diào)函數(shù)，，具有通常理解的數(shù)學(xué)含義，即，不減 少或者不增加的函數(shù)。在數(shù)學(xué)上，如果對于;^[a,6]且AS[",6]內(nèi)滿足的任意《和 a， /0/W，或者如果對于任意該a和^， /(a)《/(x2)， 則函數(shù)/W稱為在區(qū)間["》]上是單調(diào)的。在本發(fā)明各種示例性實施例中，光束21對于預(yù)定波長范圍具有基本上均勻的強(qiáng)度剖面。如此處所使用，"基本上均勻的強(qiáng)度剖面"是指變化小于2%每毫 米，更優(yōu)選地小于1%每毫米的強(qiáng)度。"預(yù)定波長范圍"在此用中間值和間隔來表征。該預(yù)定波長范圍優(yōu) 選地從約0.7;i延伸到約1.3/1，更優(yōu)選地從約0.85/l延伸到約1.15;i，其 中A為表征該范圍的中間值。因此，非均勻衍射效率函數(shù)選擇為使得，當(dāng)光線多次撞擊到光柵 上時，預(yù)定的且基本上固定比例的該光的能量在每次撞擊時被衍射。當(dāng)衍射效率函數(shù)在光線和光柵之間的交點返回諧波級數(shù) (1/yt^二l，2,.)時，可以實現(xiàn)這一點。在圖5b的示例性實施例中，光線16 沿元件15經(jīng)歷四次衍射。衍射點用羅馬字母I、 II、 III和IV表示。在 本示例中，衍射效率函數(shù)優(yōu)選地在點1返回值25%，在點II返回值33 %,在點111返回值50%，且在點IV返回值100%。出于說明目的， 在圖5b中使用不同類型的線來示出不同光學(xué)能量的反射光線實線表 示承載原始光學(xué)能量的100%的光線；點線(75% );短劃線(50% ); 以及點-短劃線(25% )。每個該四次衍射因此導(dǎo)致發(fā)射該光線的原始 光學(xué)能量的25% ,且獲得了光跨過元件15的基本上均勻的強(qiáng)度剖面。元件15的非均勻衍射效率函數(shù)可以通過不止一種方式來獲得。在一個實施例中，元件15的線性結(jié)構(gòu)11是由依據(jù)期望的衍射效 率函數(shù)來選擇的非均勻占空比來表征。如此處所使用，"占空比"定義為光柵內(nèi)的脊的寬度『和周期D的 比值。在元件15具有非均勻占空比的優(yōu)選實施例中的元件IO代表示例 示于圖6。如所示，元件15包括多個脊62和槽64。在圖6的示例性圖 示中，光柵的脊和槽形成方波形狀。這種光柵稱為"二元光柵(binary grating)，，。也可以考慮其它形狀的脊和槽。代表示例包括但不限于三 角形、鋸齒形等。圖6示出一優(yōu)選實施例，其中元件15包括不同部分，脊在每個部 分中具有不同寬度。在用15a表示的笫一部分中，脊的寬度Si等于0.5D， 因此占空比為0.5;在用15b表示的第二部分中，脊的寬度S2等于0.25D, 因此占空比為0.25;在用15c表示的第三部分中，脊的寬度S3等于 0.75D，因此占空比為0.75。如示例部分中所演示(見圖lla-d),衍射效率強(qiáng)烈依賴于占空比 的值。因此，使用非均勻占空比可以獲得非均勻衍射效率函數(shù)。此夕卜， 圖11a-d演示了衍射效率和占空比之間的關(guān)系依賴于光的波長。通過明 智地選擇在元件15每個區(qū)域的占空比，可以獲得預(yù)定的剖面(強(qiáng)度、 波長等)。適用于本實施例的具有非均勻占空比的線性光柵優(yōu)選地使用分辨 率為50-100nm表征的技術(shù)來制作。例如，可以采用在電子束光刻之后 進(jìn)行蝕刻的工藝，在透光襯底上形成元件15。適于形成根據(jù)本發(fā)明實 施例的具有非均勻占空比的光柵的工藝可以類似于和/或基于美國專利 申請No.11/505，866的教導(dǎo)，該專利申請轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的共同受讓人且 全文結(jié)合于此作為參考。用于獲得非均勻衍射效率函數(shù)的附加實施例包括由非均勻調(diào)制深 度表征的線性結(jié)構(gòu)。圖7示出一優(yōu)選實施例，其中元件15包括不同部分，在每個部分 中元件15的脊和槽是由不同調(diào)制深度來表征。三個部分15a、 15b和 15c具有相同占空比S/D,但是它們的調(diào)制深度不同。部分15a、 15b 和15c的調(diào)制深度分別用《、《和《表示。如示例部分中所演示(見圖12a-b)，衍射效率強(qiáng)烈依賴于調(diào)制深 度的值，且衍射效率和調(diào)制深度之間的關(guān)系依賴于光的波長。因此使 用非均勻調(diào)制深度可以獲得非均勻衍射效率函數(shù)。通過明智地選擇在 元件15每個區(qū)域的元件15的調(diào)制深度，可以獲得預(yù)定的剖面。在圖8所示的另一實施例中，光柵的線性結(jié)構(gòu)是由非均勻調(diào)制深 度和非均勻占空比來表征，其中非均勻占空比與非均勻調(diào)制深度組合地被選擇，以提供期望的非均勻衍射效率函數(shù)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 將理解，非均勻占空比和非均勻調(diào)制深度之間的組合顯著地改善了依 據(jù)所需剖面來精確設(shè)計光柵的能力，這是因為這種組合提高了設(shè)計者 可用的自由度數(shù)目，根據(jù)本發(fā)明的附加方面，提供了一種用于在寬視場內(nèi)提供圖像給用戶的系統(tǒng)100?，F(xiàn)在參考圖9，該圖為系統(tǒng)100的示意圖，其中系統(tǒng)100在其最簡 單配置中包括光繼電器裝置10，用于傳輸圖像34到用戶的第一眼睛 25和第二眼睛30,以及圖像產(chǎn)生系統(tǒng)121，用于將構(gòu)成該圖像的準(zhǔn)直 光提供給光繼電器裝置10。圖像產(chǎn)生系統(tǒng)121可以是模擬的或者是數(shù)字的。模擬圖像產(chǎn)生系 統(tǒng)通常包括光源127、至少一個圖像栽體29、以及準(zhǔn)直器44。準(zhǔn)直器 44用于，如果輸入光還未準(zhǔn)直，則在撞擊到襯底14上之前準(zhǔn)直該輸入 光。在圖9的示意圖中，準(zhǔn)直器44示意為集成在系統(tǒng)121內(nèi)，然而實 際情況不一定如此，因為對于某些應(yīng)用，期望準(zhǔn)直器44為分離元件。 因此系統(tǒng)121可以由兩個以上的分離單元組成。例如， 一個單元可包 括光源和圖像栽體，另一單元可包括準(zhǔn)直器。準(zhǔn)直器44設(shè)置于圖像載 體和光繼電器裝置IO的輸入元件之間的光路上。本領(lǐng)域中已知的任何準(zhǔn)直元件均可用作準(zhǔn)直器44，例如會聚透鏡 (球面或非球面的)、透鏡排列、衍射光學(xué)元件等。準(zhǔn)直程序的目的是 為了改善成像能力。對于會聚透鏡的情形，垂直于透鏡且穿過透鏡中心的經(jīng)過典型會 聚透鏡的光線定義光軸。穿過透鏡的光簇聚集在該軸周圍且可以被透 鏡很好地成像，例如，如果光源位于透鏡的焦平面上，由該光構(gòu)成的 圖像被投射到無窮遠(yuǎn)。例如衍射光學(xué)元件的其它準(zhǔn)直裝置也可以提供成像功能，不過對 于這些裝置，光軸沒有嚴(yán)格地定義，會聚透鏡的優(yōu)點是由于其關(guān)于光 軸的對稱性，而衍射光學(xué)元件的優(yōu)點是由于其緊湊性。光源127的代表示例包括但不限于燈(白熾燈或熒光燈)、 一個或 多個LED或OLED等。圖像載體29的代表示例包括但不限于微型玻 片、反射或透射微膜和全息相片。光源可以置于圖像栽體前方(以允 許光從圖像載體反射)或者圖像載體后方(以允許光透射穿過圖像載 體)。可選地且優(yōu)選地，系統(tǒng)121包括微型CRT。微型CRT在本領(lǐng)域 中是已知的，且可以從例如加利福尼亞州的圣瓊斯的Rockwell Collins 7>司Kaiser Electronics分部購得。數(shù)字圖像產(chǎn)生系統(tǒng)通常包括至少一個顯示器及準(zhǔn)直器。使用特定37顯示器可能另外需要使用光源。在系統(tǒng)121由兩個以上分離單元形成 的實施例中， 一個單元可包括顯示器和光源，另一單元可包括準(zhǔn)直器。 適用于數(shù)字圖像產(chǎn)生系統(tǒng)的光源包括但不限于燈(白熾燈或熒光 燈)、 一個或多個LED(例如，紅、綠和藍(lán)LED)或OLED等。合適 的顯示器包括但不限于背照明透射或前照明反射LED、 OLED陣列、 Digital Light Processing (DLPTM)單元、微型等離子體顯示器等。 諸如OLED或微型等離子體顯示器的正顯示器不需要使用附加光源用 于照明。透明微型LCD例如可以從Kopin Corporation, Taunton, Massachusetts購得。反射LCD例如可以從Brillian Corporation, Tempe， Arizona購得。微型OLED陣列例如可以從eMagin Corporation, Hopewell Junction, New York購得。DLPtm羊元例如可以從Texas Instruments DLPTM Products, Piano, Texas購得。數(shù)字微型顯示器的4象 素分辨率從QVGA ( 320x240像素)以下變化到WQUXGA ( 3840x2400 像素)。系統(tǒng)100尤其適用于放大具有較小屏幕的裝置的視場。例如，蜂 窩電話和個人數(shù)字助理(PDA)已知具有相當(dāng)小的機(jī)栽顯示器。PDA 也稱為Pocket PC, 例如由Hewlett-Packard Company, Palo Alto, California制造的商標(biāo)名iPAQTM。上述裝置盡管能夠存儲和下栽單幀 或活動圖像形式的大量信息，不過由于其小尺寸顯示器而無法為用戶 提供足夠的視場。因此，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，系統(tǒng)100包括數(shù)據(jù)源125,數(shù)據(jù) 源125可以通過數(shù)據(jù)源接口 123與系統(tǒng)121通信?？梢栽诮涌?123和數(shù) 據(jù)源125之間建立任意類型的通信，包括但不限于有線通信、無線通 信、光學(xué)通信、或者其任意組合。接口 123優(yōu)選地配置成從數(shù)據(jù)源125 接收圖像數(shù)據(jù)流(例如，視頻、圖形等)并將該數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)121。可 以考慮許多類型的數(shù)據(jù)源。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，數(shù)據(jù)源125為 例如但不限于蜂窩電話、個人數(shù)字助理和便攜計算機(jī)(膝上型計算機(jī)) 的通信裝置。數(shù)據(jù)源125的附加示例包括但不限于電視設(shè)備、便攜電 視裝置、衛(wèi)星接收器、錄像機(jī)、數(shù)字多功能盤(DVD)播放器、數(shù)字 電影播放器(例如MP4播放器)、數(shù)碼相機(jī)、視頻圖形陣列(VGA) 卡、以及許多醫(yī)療成像設(shè)備，例如超聲成像設(shè)備、數(shù)字X射線設(shè)備(例 如，用于計算機(jī)X射線斷層成像)以及磁共振成像設(shè)備。除了圖像信息之外，數(shù)據(jù)源125也可以產(chǎn)生音頻信息。音頻信息 可以被接口 123接收，并通過音頻單元31 (揚聲器、 一個或多個耳機(jī) 等)被提供給用戶。根據(jù)本發(fā)明各種示例性實施例，數(shù)據(jù)源125提供編碼和/或壓縮形 式的數(shù)據(jù)流。在這些實施例中，系統(tǒng)100還包括解碼器33和/或解壓縮 單元35,用于將該數(shù)據(jù)流解碼和/或解壓縮成可以被系統(tǒng)121識別的格 式。解碼器33和解壓縮單元35可以根據(jù)需要被提供為兩個分離單元 或者集成單元。系統(tǒng)100優(yōu)選地包括控制器37，用以控制系統(tǒng)121的功能以及可 選地和優(yōu)選地，數(shù)據(jù)源125和系統(tǒng)121之間的信息傳輸?？刂破?7可 以控制系統(tǒng)121的任一顯示特性，例如但不限于亮度、色調(diào)、對比度、 像素分辨率等。此外，控制器37可以將信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)源125用于控 制其操作。更具體而言，控制器37可以激勵、去激勵和選擇數(shù)據(jù)源125 的操作模式。例如，當(dāng)數(shù)據(jù)源125為電視設(shè)備或者在與廣播站通信時， 控制器37可以選擇顯示的頻道；當(dāng)數(shù)據(jù)源125為DVD或MP4播放器 時，控制器37可以選擇被讀取數(shù)據(jù)流的軌道；當(dāng)音頻信息被傳輸時， 控制器37可以控制音頻單元31和/或數(shù)據(jù)源125的音量。系統(tǒng)100或其一部分(例如，裝置IO)可以與例如但不限于頭盔 或眼鏡的可佩帶裝置集成，以使得用戶可以觀察圖像，優(yōu)選地?zé)o需用 手來控制光繼電器裝置10。裝置IO也可以與視力校正裝置128(未示出，見圖IO)組合使用， 例如一個或多個校正透鏡，用于校正例如近視癥(近視)。在本實施例 中，視力校正裝置優(yōu)選地置于眼睛和裝置20之間。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實 施例，系統(tǒng)100還包括與裝置10集成或者安裝在裝置10上的校正裝置 128。備選地，系統(tǒng)100或者其一部分可以調(diào)適為安裝在現(xiàn)有的可佩帶 裝置上。例如，在一個實施例中，裝置IO制造成可以安裝在用戶眼鏡 上的眼鏡夾；在另一實施例中，裝置IO制造成可以安裝在頭盔屏幕上 的頭盔附件。現(xiàn)在參考圖10a-c，這些圖說明使用了眼鏡的優(yōu)選實施例中的可佩 帶裝置110。根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實施例，裝置110包括眼鏡主體112， 其具有框架114，用于支撐圖像產(chǎn)生系統(tǒng)21 (未示出，見圖9);橋部39122,具有一對鼻夾118，調(diào)適為接合用戶的鼻子；以及向后延伸的臂 116，調(diào)適為接合用戶的耳朵。光繼電器裝置IO優(yōu)選地安裝在框架114 和橋部122之間，使得當(dāng)用戶戴上裝置110時，元件17置于第一眼睛 25的前方，且元件15置于第二眼睛30的前方。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實 施例，裝置110包括一個或多個耳機(jī)119，耳機(jī)119可以為分離單元或 者與臂116集成。接口 123 (未明確示于圖10a-c)可以位于框架114或者主體112 任何其它部分內(nèi)。在采用解碼器33的實施例中，解碼器33可以視需 要而安裝在主體112上或者為分離單元。數(shù)據(jù)源25和接口 123之間的 通信如所述可以是無線的，這種情況下可佩帶裝置110和數(shù)據(jù)源25之 間不需要物理連接。在不是無線通信的實施例中，合適的通信線和/或 光纖120用于將接口 123與數(shù)據(jù)源25及系統(tǒng)100的其它元件連接。本實施例也可以設(shè)置為數(shù)據(jù)源或者能夠傳輸圖像數(shù)據(jù)的任何其它 裝置的附加系統(tǒng)。此外，本實施例也可以用作套件，其包括數(shù)據(jù)源、 圖像產(chǎn)生系統(tǒng)、雙目裝置、以及可選的可佩帶裝置。例如，當(dāng)數(shù)據(jù)源 為通信裝置時，本實施例可以用作通信套件。在檢查非限制性的下述示例時，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將顯見本發(fā) 明的另外目的、優(yōu)點和新穎特征。此外，如上文所敘述以及如下文權(quán) 利要求部分所主張的每個本發(fā)明的各種實施例和方面可以在下述示例 中找到實驗支持。示例現(xiàn)在參考下述示例，這些示例與上述說明書一起以非限制的方式 說明本發(fā)明。 示例1在下述非限制性示例中，依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的教導(dǎo)，針對 紅光的衍射來執(zhí)行平面尺寸計算。這些計算是針對509nm周期的光柵，該光柵形成于折射率為1.522 且厚度為2mm的透光襯底內(nèi)。對于紅光的代表示例，選用615nm的波 長。使用光柵周期、折射率和波長的上述值，可以得到[-12.0。，+12.0。]的 縱向視場A以及[-9.0。,+9.0。]的橫向視場A。使用方程5計算總(對角)視場Q,得到0 = [-15°,+15。]。輸出光學(xué)元件的最小尺寸(見方程6)為丄。，d0.6wm 以及『。腿=7.9/ww,對于Z^^4ww， rra =lww以及O, =3wot,輸出光學(xué)元件 的尺寸(見方程7)為1。=17.6附附以及『。=11.9柳/ 。使用襯底的厚度以及A的上述值，可以得到跳躍長度/^3.5mm， 該跳躍長度隨后用于將輸入元件的長度^設(shè)置為約3.5mm至約 10.5mm。&和^的上述值對應(yīng)于±8.8°的最外傳播角度(投影在x-少平面上 時)。因此，依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，角度參數(shù);r的值為8.8。。對于4)^17.7mw以及A =10附附，輸入光學(xué)元件的寬度^ (見方程8)力=22.8ww 。示例2在下述非限制性示例中，依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的教導(dǎo)，針對 藍(lán)光的衍射來執(zhí)行平面尺寸計算。這些計算是針對389nm周期的光柵，該光柵形成于折射率為1.529 且厚度為1.8mm的透光襯底內(nèi)。對于藍(lán)光的代表示例，選用465nm的 波長。使用光柵周期、折射率和波長的上述值，可以得到[-11。，+ll。]的縱 向視場A以及[-8.3。,+8.3。]的橫向視場A。使用方程5計算總(對角)視 場n，得到Q = [-13.7°,+13.7°]。輸出光學(xué)元件的最小尺寸為丄。,_ =7.8附附以及 『。,薩=58附附。對于丄朋=5附附，『EB = 2ww以及(9p =3ww ， 輸出光學(xué)元件的 尺寸為丄。=15.8mm以及F。 =10.8ww 。使用襯底的厚度以及Qy的上述值，可以得到跳躍長度/^3.1ww，該 跳躍長度隨后用于將輸入元件的長度A設(shè)置為約3mm至約10mm。n,和^的上述值對應(yīng)于土8。的最外傳播角度(投影在x-少平面上 時)，因此，依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，,=8。。對于A)^l6.6ww以及丄,9/wM，寬度f^為19.9mm。示例3圖lla-d示出作為占空比函數(shù)的光柵衍射效率的數(shù)值計算撞擊角^為50°(圖lla-b)和55。(圖llc-d)，以及調(diào)制深度5為150nm(圖 lla和llc)和300nm (圖lib和lld )。圖lla-d中的不同曲線對應(yīng)于 480nm (實線)、540nm (短劃線)和600nm (點-短劃線)的波長。 這些計算是基于麥克斯韋方程，針對形成于折射率為1.53的透光襯底 內(nèi)的455nm周期的光柵。工示例4舉坊^謬步/^i圖12a-b示出作為調(diào)制深度^函數(shù)的光柵衍射效率的數(shù)值計算占 比為0.5以及撞擊角^為50。(圖12a )和55。(圖12b )。圖12a-b中 的不同曲線對應(yīng)于480nm (實線)、540nm (短劃線)和600nm (點-短劃線)的波長。這些計算是基于麥克斯韋方程，針對形成于折射率 為1.53的透光襯底內(nèi)的455nm周期的光柵。如圖12a-b所示，衍射效率隨5增大而增大，直至約200-250nm的 調(diào)制深度。高于約250nm時，衍射效率隨5增大而減小，直至約 400-500nm的調(diào)制深度。應(yīng)理解，為了清楚起見，在各個實施例的上下文中描述的本發(fā)明 的特定特征，也可以組合地提供在單一實施例中。相反，為了簡化， 在單一實施例的上下文中描述的本發(fā)明的各種特征也可以分離地或者 按任意合適的子組合而被設(shè)置。盡管已經(jīng)結(jié)合具體實施例描述了本發(fā)明，但明顯的是，本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以顯見許多備選、改進(jìn)和變型。因此所有這些備選、改進(jìn)和 變型均應(yīng)涵蓋在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)。在本說明書中提到的 所有公開、專利和專利申請全文引用結(jié)合于本說明書，如同各個公開、 專利或?qū)＠暾埦唧w且分別被描述而結(jié)合于此。此外，本申請中對任技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種光繼電器裝置，用于在視場內(nèi)傳輸以多個角度照射該光繼電器裝置的光，該光繼電器裝置包括透光襯底，接合由縱向方向和橫向方向跨過的平面；輸入光學(xué)元件，設(shè)計和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向所述光，使得所述光通過全內(nèi)反射在所述透光襯底內(nèi)傳播；以及輸出光學(xué)元件，橫向偏離所述輸入光學(xué)元件，并被設(shè)計和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向所述光離開所述透光襯底，所述輸出光學(xué)元件特征在于由沿所述縱向方向的長度以及沿所述橫向方向的寬度定義的平面尺寸，其中所述長度和所述寬度選擇為使得所述視場內(nèi)至少一個最外光線的至少一部分被導(dǎo)向至距所述透光襯底預(yù)定距離的二維區(qū)域。
2. 如權(quán)利要求l所述的光繼電器裝置，其中所述預(yù)定距離為約15 毫米至約35毫米。
3. 如權(quán)利要求2所述的光繼電器裝置，其中所述二維區(qū)域的寬度 為約4毫米至約9毫米。
4. 如權(quán)利要求2所述的光繼電器裝置，其中所述二維區(qū)域的長度 為約5毫米至約13毫米。
5. 如權(quán)利要求l所述的光繼電器裝置，其中所述輸出光學(xué)元件的所述寬度小于所述輸入光學(xué)元件的寬度
6. 如權(quán)利要求l所述的光繼電器裝置，其中所述輸入光學(xué)元件和 所述輸出光學(xué)元件的至少之一為衍射光學(xué)元件。
7. —種光繼電器裝置，用于在視場內(nèi)傳輸以多個角度照射該光繼 電器裝置的光，該光繼電器裝置包括透光襯底，接合由縱向方向和橫向方向跨過的平面； 輸入光學(xué)元件，設(shè)計和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向所述光，使得所述光通過全內(nèi)反射在所述透光襯底內(nèi)傳播；第一輸出光學(xué)元件，橫向偏離所述輸入光學(xué)元件，并被設(shè)計和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向與第一部分視場相對應(yīng)的光離開所述透光襯底；以及第二輸出光學(xué)元件，橫向偏離所述輸入光學(xué)元件和所述第一輸出 光學(xué)元件，并被設(shè)計和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向與第二部分視場相對應(yīng)的光離開所述透光襯底，每個所述第一和所述第二輸出光學(xué)元件特征在于由沿所述縱向的 長度以及沿所述橫向的寬度定義的平面尺寸，其中所述第一輸出光學(xué) 元件的長度和寬度選擇為使得所述第一部分視場內(nèi)的至少一個最外光 線的至少一部分被導(dǎo)向至第一二維區(qū)域，且所述第二輸出光學(xué)元件的 長度和寬度選擇為使得所述第二部分視場內(nèi)的至少一個最外光線的至 少一部分被導(dǎo)向至第二二維區(qū)域，所述第一和所述第二二維區(qū)域距所 述透光襯底預(yù)定距離。
8. —種將圖像提供給用戶的系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求7所述的光繼 電器裝置，以及用于為所述光繼電器裝置提供構(gòu)成所述圖像的準(zhǔn)直光 的圖像產(chǎn)生系統(tǒng)。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述第一二維區(qū)域 和所述第二 二維區(qū)域的中心之間的橫向間隔至少為4 0毫米。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述橫向間隔小于80 毫米。
11. 如權(quán)利要求9所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述平面尺寸選擇為 使得，對于大于40毫米且小于80毫米的任意橫向間隔，所述最外光 線的所述部分被分別導(dǎo)向至所述第一和所述第二二維區(qū)域。
12. 如權(quán)利要求9所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述平面尺寸選擇為 使得，對于大于50毫米且小于65毫米的任意橫向間隔，所述最外光 線的所述部分被分別導(dǎo)向至所述第一和所述第二二維區(qū)域。
13. 如權(quán)利要求9所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述平面尺寸選擇為 使得，對于大于53毫米且小于73毫米的任意橫向間隔，所述最外光 線的所述部分被分別導(dǎo)向至所述第一和所述第二二維區(qū)域。
14. 如權(quán)利要求9所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述平面尺寸選擇為 使得，對于大于53毫米且小于63毫米的任意橫向間隔，所述最外光 線的所述部分被分別導(dǎo)向至所述第一和所述第二二維區(qū)域。
15. 如權(quán)利要求9所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述平面尺寸選擇為 使得，對于大于58毫米且小于68毫米的任意橫向間隔，所述最外光 線的所述部分被分別導(dǎo)向至所述第一和所述第二二維區(qū)域。
16. 如權(quán)利要求9所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述平面尺寸選擇為 使得，對于大于63毫米且小于73毫米的任意橫向間隔，所述最外光線的所述部分被分別導(dǎo)向至所述第一和所述第二二維區(qū)域。
17. 如權(quán)利要求7或8所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述第一輸出光 學(xué)元件的所述寬度和所述第二輸出光學(xué)元件的所述寬度均小于所述輸 入光學(xué)元件的寬度。
18. —種通過衍射將圖像傳輸?shù)接赏组g距表征的第一眼睛和第 二眼睛的光繼電器裝置，所述光繼電器裝置包括透光襯底以及位于所 述透光村底上固定位置的多個衍射光學(xué)元件，所述光繼電器裝置特征 在于至少16度的視場，且能夠為從約40毫米到約80毫米的任意瞳孔 間距提供所述圖像。
19. 一種提供圖像給用戶的系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求18所述的光繼 電器裝置，以及用于向所述光繼電器裝置提供構(gòu)成所述圖像的準(zhǔn)直光 的圖像產(chǎn)生系統(tǒng)。
20. 如權(quán)利要求18或19所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述多個衍射 光學(xué)元件包括輸入衍射光學(xué)元件、第一輸出衍射光學(xué)元件和第二輸出 衍射光學(xué)元件，所述輸入衍射光學(xué)元件被設(shè)計和構(gòu)造成用于衍射構(gòu)成 所述圖像的光以通過全內(nèi)反射在所述透光村底內(nèi)傳播，且所述輸出衍 射光學(xué)元件被設(shè)計和構(gòu)造成用于衍射所述光的至少一部分離開所述透 光襯底。
21. 如權(quán)利要求20所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述第一輸出衍射光 學(xué)元件被設(shè)計和構(gòu)造成用于將所述圖像的對應(yīng)于第一部分視場的光衍 射離開所述透光襯底，且所述第二輸出衍射光學(xué)元件被設(shè)計和構(gòu)造成 用于將所述圖像的對應(yīng)于第二部分視場的光衍射離開所述透光襯底， 使得所述第 一和所述笫二部分視場的組合基本上再現(xiàn)所述視場。
22. 如權(quán)利要求20所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述第一和所述第二 衍射光學(xué)元件特征在于，平面尺寸選擇為使得所述第一部分視場內(nèi)的 至少一個最外光線的至少一部分被導(dǎo)向至包含所述第一眼睛的第一二 維區(qū)域，且所述第二部分視場內(nèi)的至少一個最外光線的至少一部分被 導(dǎo)向至包含所述笫二眼睛的第二二維區(qū)域，所述第一和所述第二二維 區(qū)域距所述透光襯底預(yù)定距離。
23. 如權(quán)利要求7或8所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述預(yù)定距離為 約15毫米至約35毫米。
24. 如權(quán)利要求23所述的裝置或系統(tǒng)，其中每個所述第一二維區(qū)域和所述第二二維區(qū)域的寬度均為約4毫米至約9毫米。
25. 如權(quán)利要求23所述的裝置或系統(tǒng)，其中每個所述第一二維區(qū) 域和所述第二二維區(qū)域的長度均為約5毫米至約13毫米。
26. 如權(quán)利要求l、 7、 8或20所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述輸入 光學(xué)元件的長度等于從約X到約3X，其中X為表征最外光線通過全內(nèi) 反射在所述透光襯底內(nèi)的傳播的最小單位跳躍長度。
27. 如權(quán)利要求l、 7、 8或20所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述光由 包含性地定義于最短波長和最長波長之間的光諳來表征。
28. 如權(quán)利要求27所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述輸入光學(xué)元件的 長度等于從約X到約3X，其中X為表征具有所述最短波長的光線通過 全內(nèi)反射在所述透光襯底內(nèi)的傳播的單位跳躍長度。
29. 如權(quán)利要求7或8所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述輸入光學(xué)元 件、所述第一輸出光學(xué)元件和所述第二輸出光學(xué)元件的至少一個為衍 射光學(xué)元件。
30. 如權(quán)利要求6、 14、 15或25所述的裝置或系統(tǒng)，其中至少一 個衍射光學(xué)元件包括由非均勻衍射效率函數(shù)描述的光柵。
31. 如權(quán)利要求30所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述光柵具有沿至少 一個方向的周期線性結(jié)構(gòu)，所述周期線性結(jié)構(gòu)由非均勻占空比表征。
32. 如權(quán)利要求30所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述光柵具有沿至少 一個方向的周期線性結(jié)構(gòu)，所述周期線性結(jié)構(gòu)由非均勻調(diào)制深度表征。
33. 如權(quán)利要求30所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述光柵具有沿至少 一個方向的周期線性結(jié)構(gòu)，所述周期線性結(jié)構(gòu)由非均勻占空比和非均 勻調(diào)制深度表征。
34. 如權(quán)利要求31或32所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述非均勻衍 射效率函數(shù)跨過所述至少一個方向是單調(diào)的。
35. 如權(quán)利要求30所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述非均勻衍射效率 函數(shù)選擇為使得，當(dāng)光線多次撞擊到所述光柵上時，預(yù)定的且基本上 固定比例的所述光的能量在每次撞擊時被衍射。
36. 如權(quán)利要求30所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述光柵形成于所述 透光襯底內(nèi)。
37. 如權(quán)利要求30所述的裝置或系統(tǒng)，其中所述光柵附著到所述 透光^J"底。38. —種光繼電器裝置，用于在視場內(nèi)傳輸以多個角度照射該光 繼電器裝置的光，該光繼電器裝置包括透光襯底，接合由縱向方向和橫向方向跨過的平面；輸入光學(xué)元件，設(shè)計和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向所述光，使得所述光 通過全內(nèi)反射在所述透光襯底內(nèi)傳播；以及至少一個輸出光學(xué)元件，橫向偏離所述輸入光學(xué)元件，并被設(shè)計 和構(gòu)造成用于重新導(dǎo)向所述光離開所述透光襯底，每個所述輸入光學(xué)元件和所述至少一個輸出光學(xué)元件特征在于由5中所述k少二個輸出光學(xué)元件的i口度小°于所述輸入光學(xué)元件的寬度。
全文摘要
一種光繼電器裝置，用于在視場內(nèi)傳輸以多個角度照射該光繼電器裝置的光。該裝置包括透光襯底、輸入光學(xué)元件和輸出光學(xué)元件。該輸入光學(xué)元件衍射該光以使該光通過全內(nèi)反射在該透光襯底內(nèi)傳播，以及該輸出光學(xué)元件衍射該光離開該襯底。該輸出光學(xué)元件特征在于平面尺寸，該平面尺寸選擇為使得該視場內(nèi)一個或多個最外光線的至少一部分被導(dǎo)向至距該透光襯底預(yù)定距離的二維區(qū)域。
文檔編號G02B27/01GK101263412SQ200680033583
公開日2008年9月10日 申請日期2006年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月14日
發(fā)明者Y·尼夫 申請人:米拉茨創(chuàng)新有限公司