專利名稱：衍射擴(kuò)束器和基于衍射擴(kuò)束器的虛擬顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)衍射元件來(lái)擴(kuò)展光束。本發(fā)明還涉及顯示虛像。
背景技術(shù)：
顯示模塊在便攜式設(shè)備中用于以圖形形式顯示信息。小尺寸是 便攜式設(shè)備中的重要方面。然而，便攜式設(shè)備的小尺寸也為所述設(shè) 備中包含的顯示器的尺寸設(shè)置了限制。傳統(tǒng)小顯示器的一個(gè)典型缺
點(diǎn)在于在保持足夠分辨率的同時(shí)，觀察者每次只能看到所顯示的 大圖像的一小部分。
例如當(dāng)設(shè)備包括近眼式(near-eye)虛擬顯示器時(shí)，可以利用小 設(shè)備來(lái)顯示大圖像。成像光學(xué)器件可以將微顯示器所生成的小實(shí)像 轉(zhuǎn)換為虛像。觀察者可以將設(shè)備放置在眼睛附近，使得當(dāng)成像光學(xué) 器件提供的光投射在其眼睛上時(shí)，他感知到在無(wú)窮遠(yuǎn)處顯示的較大 的詳細(xì)虛像的影像。
當(dāng)通過(guò)使用衍射擴(kuò)束器(也稱為出射光瞳擴(kuò)展器(EPE))對(duì)成 像光學(xué)器件提供的光束進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，甚至可以將微顯示器和成像光 學(xué)器件制造的更小和/或輕量級(jí)。例如在專利申請(qǐng)EP0535402中公開 了一種基于衍射擴(kuò)束器的近眼式顯示器。美國(guó)專利6,580,529公開了 一種用于在兩個(gè)維度(也即，水平地和垂直地)擴(kuò)展光束的衍射擴(kuò) 束器。
US 2006/0126182公開了一種衍射擴(kuò)束器，包括用于將光耦合 進(jìn)襯底的第一衍射元件，用于將光耦合出襯底的第二衍射元件，以 及用于將入耦合的光向第二衍射元件衍射的中間衍射元件。該中間 衍射元件具有基本上是周期性的圖案，其包括用于產(chǎn)生圓錐形衍射 的基本上線性的元件。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的 一 個(gè)目的是提供一種用于在兩個(gè)維度中擴(kuò)展光束的衍 射擴(kuò)束器。本發(fā)明的另一目的是提供一種用于顯示虛像的設(shè)備。
按照本發(fā)明的第一方面，提供一種按照權(quán)利要求1的衍射擴(kuò)束器。
按照本發(fā)明的第二方面，提供一種按照權(quán)利要求8的用于擴(kuò)展 光束的方法。
按照本發(fā)明的第三方面，提供一種按照權(quán)利要求IO的用于顯示 虛像的設(shè)備。
按照本發(fā)明的第四方面，提供一種按照權(quán)利要求12的用于顯示 虛像的方法。
按照本發(fā)明的第五方面，提供一種按照權(quán)利要求14的擴(kuò)束裝置。 一種衍射擴(kuò)束器，包括基本上是平面的波導(dǎo)襯底；輸入光柵，
播的入耦合射束；以及輸出光柵，用于通過(guò)將入耦合光衍射出所述 襯底來(lái)提供出耦合射束。該擴(kuò)展器還包括四個(gè)或者更多其他光柵部 分，用以擴(kuò)展入耦合射束的高度。利用第一偏束光柵部分對(duì)入耦合 光的一部分進(jìn)行衍射，以提供第一偏轉(zhuǎn)射束。利用第二偏束光柵部 分對(duì)入耦合光的部分進(jìn)行衍射，以提供第二偏轉(zhuǎn)射束。第一偏轉(zhuǎn)射 束相對(duì)于原始入耦合射束向下傳播，而第二偏轉(zhuǎn)射束相對(duì)于原始入 耦合射束向上傳播。第 一偏轉(zhuǎn)射束投射到第 一 方向恢復(fù)光柵部分上， 而第二偏轉(zhuǎn)射束投射到第二方向恢復(fù)光柵部分上。第一恢復(fù)光柵部 分提供第一恢復(fù)射束，其具有與原始入耦合射束相同的方向，并且 相對(duì)于原始入耦合射束向下偏移；而第二恢復(fù)光柵部分提供第二恢 復(fù)射束，其具有與原始入耦合射束相同的方向，并且相對(duì)于原始入 耦合射束向上偏移。由此，在垂直方向上對(duì)入耦合射束進(jìn)行了有效 擴(kuò)展。所述經(jīng)擴(kuò)展的入耦合射束的出耦合提供了輸出射束，其與輸 入射束平行，其中所述輸出射束還具有大于所述輸入射束的垂直維度。
一種設(shè)備，特別是便攜式設(shè)備，可以包括衍射擴(kuò)束器，以便擴(kuò) 展虛擬顯示器的出瞳。
按照本發(fā)明的 一 個(gè)實(shí)施方式，傳播光與光柵結(jié)構(gòu)之間的相互作 用次數(shù)可以減少，這可以得到改進(jìn)的出耦合光束平行性，也即，改 進(jìn)的輸出射束質(zhì)量。
按照本發(fā)明的 一 個(gè)實(shí)施方式，傳播光與光柵結(jié)構(gòu)之間的相互作 用次數(shù)可以減少。因此，可以允許與波導(dǎo)襯底表面的平行性的較大 偏差，同時(shí)仍然保持充分的輸出射束質(zhì)量。
按照本發(fā)明的 一 個(gè)實(shí)施方式，傳播光與光柵結(jié)構(gòu)之間的相互作 用次數(shù)可以減少。因此，波導(dǎo)襯底甚至可以略微彎曲，同時(shí)仍然保 持充分的輸出射束質(zhì)量。彎曲的波導(dǎo)襯底例如可以用來(lái)顯示具有僅 在觀看者幾米開外而不是無(wú)窮遠(yuǎn)處的清晰焦點(diǎn)的虛像。換言之，構(gòu) 成由所述彎曲波導(dǎo)襯底提供的略微發(fā)散的射束的光線可以在距離所 述襯底只有幾米處匯聚。
偏轉(zhuǎn)和恢復(fù)光4冊(cè)部分可以實(shí)現(xiàn)在與輸入光柵和/或輸出光柵相同 的平面上，這有助于衍射擴(kuò)束器的生產(chǎn)。
通過(guò)下文給出的說(shuō)明書和示例以及通過(guò)附圖，本發(fā)明的實(shí)施方 式及其益處對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將變得更為易見。


在下文示例中，將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施方式，
在附圖中
圖1在三維視圖中示出了光學(xué)引擎和衍射擴(kuò)束器； 圖2a示出了光學(xué)引擎和衍射擴(kuò)束器； 圖2b示出了微顯示器上的實(shí)像；
圖3a示出了使用偏轉(zhuǎn)光柵部分和方向恢復(fù)光柵部分的入耦合射 束的垂直擴(kuò)展；
圖3b示出了偏轉(zhuǎn)之后的光束方向的恢復(fù)；圖4示出了衍射擴(kuò)束器，其中中間光柵包括偏轉(zhuǎn)部分和方向恢
復(fù)部分；
圖5示出了包括不對(duì)稱定位的光柵部分的衍射擴(kuò)束器； 圖6示出了包括中間光柵的衍射擴(kuò)束器，這些中間光柵一起形 成了 V字形狀；
圖7示出了包括中間光柵的衍射擴(kuò)束器，這些中間光柵一起形 成了 V字形狀；
圖8a示出了衍射擴(kuò)束器，其中偏轉(zhuǎn)部分和相應(yīng)的方向恢復(fù)部分
在中線的相對(duì)側(cè)；
圖8b在三維視圖中示出了與輸入光柵的平面相垂直的平面；
圖8c示出了在圖8a的衍射擴(kuò)束器中傳播的光線的某些路徑；
圖9示出了包括輔助偏轉(zhuǎn)部分的衍射擴(kuò)束器；
圖10a示出了包括輔助偏轉(zhuǎn)部分的衍射擴(kuò)束器；
圖10b示出了包括輔助偏轉(zhuǎn)部分的衍射擴(kuò)束器；
圖10c示出了入耦合射束相對(duì)于偏轉(zhuǎn)部分的偏移；
圖10d示出了圖10c情況中的偏轉(zhuǎn)射束的方位角；
圖lla示出了光柵的光柵周期以及衍射特征的定向；
圖llb示出了按照?qǐng)Dlla的光柵部分的光柵周期，以及所述部分
的書f射特4正的定向；
圖12a在三維視圖中示出了輸入射束的方位角和天頂角；
圖12b示出了輸入射束的方位角、入耦合射束的方位角以及輸
出射束的方位角；
圖12c在三維視圖中示出了輸入射束的天頂角以及輸出射束的
天頂角；
圖13示出了雙目衍射擴(kuò)束器；
圖14在三維視圖中示出了用于顯示虛像的雙目顯示設(shè)備；以及 圖15在三維視圖中示出了用于顯示虛像的顯示設(shè)備。
具體實(shí)施方式
參考圖1，虛擬顯示設(shè)備200可以包括光學(xué)引擎IOO和衍射擴(kuò)束 器50。光學(xué)引擎IOO可以包括微顯示器UO和成像光學(xué)器件120(圖 2a)。成像光學(xué)器件120將微顯示器110所形成的實(shí)像605 (圖2b ) 轉(zhuǎn)換為虛像710(圖14),該虛像710通過(guò)衍射擴(kuò)束器50的觀看孔 35是可觀察的。
衍射擴(kuò)束器50可以包括輸入光柵10;兩個(gè)或者更多偏束光柵 部分21a、 22a;兩個(gè)或者更多方向恢復(fù)部分21b、 22b;以及輸出光 柵30。光柵IO、 30和光柵部分21a、 22a、 21b、 22b可以在基本上 是平面的透明襯底7上實(shí)現(xiàn)。襯底7具有第一基本上是平面的表面， 以及與所述第一平面表面基本上平行的第二基本上是平面的表面。
襯底7是波導(dǎo)，這意味著入耦合光可以在所述襯底7內(nèi)傳播， 從而可以通過(guò)全內(nèi)反射(TIR)將所述進(jìn)行傳播的光限制于所述襯底 7。
光學(xué)引擎100提供輸入射束BO。投射到輸入光柵IO上的輸入射 束BO可以耦合進(jìn)入襯底7中，使得相應(yīng)的入耦合射束Bl在所述襯 底內(nèi)朝向偏束部分21a、 22a傳^"。
波導(dǎo)襯底7的平面表面位于正交方向SX和SZ所定義的平面內(nèi)。 方向SY與方向SX和SZ垂直。
入耦合射束B1的一部分4殳射到第一偏束光4冊(cè)部分21a,其將光 偏轉(zhuǎn)向第一方向恢復(fù)光柵部分21b,從而提供第一偏轉(zhuǎn)光束U1?；?復(fù)部分21b偏轉(zhuǎn)射束Ul的光，從而提供第一恢復(fù)光束VI?；謴?fù)射 束V1已經(jīng)相對(duì)于原始入耦合射束B1發(fā)生了偏移，并且其沿著基本 上與原始入耦合射束B1相同的方向傳播。
入耦合射束B1的一部分投射到第二偏束光柵部分22a上，其將 光衍射朝向第二方向恢復(fù)光柵部分22b,從而提供第二偏轉(zhuǎn)光束U2。 恢復(fù)部分22b衍射射束U2的光，從而提供第二恢復(fù)光束V2?；謴?fù) 射束V2已經(jīng)相對(duì)于原始入耦合射束B1發(fā)生了偏移，并且其沿著基 本上與原始入耦合射束B1相同的方向傳播。
入耦合射束B1的一部分可以在村底7內(nèi)傳纟番，而不^皮部分21a、21b、 22a、 22b所衍射。
射束B1的未衍射部分、恢復(fù)射束V1和/或恢復(fù)射束V2可以一 起形成擴(kuò)大的光束，其沿著與原始入耦合射束B1相同的方向傳播。
隨后可以利用輸出光柵30將擴(kuò)大的射束耦合出襯底7,以提供 輸出射束B2，它與輸入射束BO相比在兩個(gè)方向SX和SZ上有所擴(kuò) 展。輸出射束B2可以投射到觀察者的眼睛E1上。
輸出射束B2的高度H2大于輸入射束B0的高度H0。由此，衍 射擴(kuò)束器50提供了在垂直方向SZ上的射束擴(kuò)展。(方向SZ與圖 14中所示的操作位置垂直)。輸出射束B2的寬度W2可以大于輸入 射束BO的寬度WO。輸出射束B2的最大高度H2和最大寬度W2受 到觀看孔35的維度的限制?？梢詫⑤斎牍鈻?0的高度和寬度選擇 為基本上等于或者大于輸入射束BO的維度，以便使將光耦合到襯底 7中的效率最大化。
光柵10、 30以及光柵部分21a、 21b、 22a、 22b是書亍射元件。光 4冊(cè)和光柵部分例如可以是通過(guò)在平面表面41、 42 (圖2)的任何一 個(gè)平面表面上進(jìn)行注塑或模壓而實(shí)現(xiàn)的表面凹凸的光柵。光柵的剖 面例如可以是正弦曲線、二值矩形或者閃耀的(blazed)。然而，光 柵的剖面可以是二值傾斜的或者正弦傾斜的。光柵10、 30和/光柵部 分21a、 21b、 22a、 22b中的一個(gè)或多個(gè)可以嵌入在襯底7中。衍射 擴(kuò)束器50還可以包括輔助光柵部分(例如參見圖9)。光柵IO、 30 以及光柵部分21a、 21b、 22a、 22b可以位于方向SX和SZ所限定的 一個(gè)或多個(gè)平面內(nèi)。
中線AX1例如可以通過(guò)輸入光柵10的孔15的中心以及通過(guò)輸 出光柵30的孔35的中心。光柵10、 30以及部分21a、 21b、 22a、 22b可以相對(duì)于所述中線AX1對(duì)稱定位。然而，也可以這樣來(lái)選擇 中線AX1，使得光4冊(cè)10、 30相對(duì)于所述中線AX1并非對(duì)稱定位。
參考圖2a,光學(xué)引擎IOO可以包括微顯示器IIO和成像光學(xué)器 件120。成像光學(xué)器件可以包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，諸如透鏡、平 面鏡、棱鏡或者衍射元件。從微顯示器的點(diǎn)Pl傳輸?shù)墓饩€由成像光學(xué)器件120進(jìn)行基本上地準(zhǔn)直(collimate),以形成平行光線，其構(gòu) 成了由光學(xué)引擎IOO提供的射束BO。這樣設(shè)置微顯示器110與成像 光學(xué)器件120之間的距離L3,使得微顯示器IIO的像素基本上處于 成像光學(xué)器件120的焦距處。提供多個(gè)射束BO,以便顯示包含多個(gè) 像素的虛像。
從光學(xué)引擎IOO的輸出孔101傳輸?shù)闹辽僖粋€(gè)射束BO投射到衍 射擴(kuò)束器50的輸入光柵10上。輸入射束BO的光由輸入光柵10耦 合進(jìn)入波導(dǎo)襯底7中。入耦合光在襯底7內(nèi)傳播，作為入耦合射束 Bl。入耦合射束B1的一部分與第一偏轉(zhuǎn)光4冊(cè)部分21a相互作用，提 供偏轉(zhuǎn)射束U1。偏轉(zhuǎn)射束U1的一部分與恢復(fù)光柵部分21b相互作 用，提供第一恢復(fù)射束V1。入耦合射束B1的一部分保持未衍射(圖 2a中未示出)。由此，原始入耦,合射束B1的一部分可以貢獻(xiàn)于第二 恢復(fù)射束V2 (圖2a中未示出)。輸出光柵30將經(jīng)擴(kuò)展的輸出射束 B2衍射向觀察者的眼睛El。
衍射擴(kuò)束器50所提供的擴(kuò)大的光束B2為觀看者提供了顯示在 距離觀看者無(wú)窮遠(yuǎn)處的虛像710的影像。作為一種現(xiàn)象，人類觀看 者通常感受到所顯示的虛像710僅僅距離他們幾米遠(yuǎn)，而不是無(wú)窮 遠(yuǎn)。虛像710例如可以是星形圖案，如圖14所示。
衍射擴(kuò)束器50可以是單目的，也即，其可以僅具有一個(gè)輸出光 柵30。輸入光柵10、輸出光柵30和/或光4冊(cè)部分21a、 21b、 22a、 22b可以是傾斜的或者閃耀的表面凹凸的光4冊(cè)，以便使將光耦合進(jìn)入 襯底7以及耦合出襯底7的效率最大化。衍射擴(kuò)束器50可以包括一 個(gè)或多個(gè)光學(xué)上的吸收結(jié)構(gòu)80，以消除雜散光。
襯底7具有第一基本上是平面的表面41以及與所述第一平面表 面41基本上平行的第二基本上是平面的表面42。光柵10、 30以及 部分21a、 21b、 22a、 22b可以在相同的平面表面41 、 42上，或者 在相對(duì)表面41、 42上。在圖2a中，輸入光柵10和輸出光柵30在 第一表面41上，而部分21a、 21b在第二表面42上。在投射到輸入 光4冊(cè)10上之前，^T入射束B0也將通過(guò)襯底7傳輸。
14微顯示器110例如可以是液晶顯示器、微機(jī)械上可移動(dòng)的平面 鏡陣列、發(fā)光二極管陣列或者包括至少一個(gè)可移動(dòng)發(fā)光點(diǎn)的單元。
微顯示器的對(duì)角維度例如可以小于或者等于25 mm。
圖2b示出了在微顯示器110上形成的實(shí)像605。實(shí)像605可以 由發(fā)光像素或者發(fā)光點(diǎn)Pl形成。
光學(xué)引擎IOO還可以包括提供光束的發(fā)光點(diǎn)，以及快速改變所 述射束方向的射束引導(dǎo)單元，其中由所述發(fā)光點(diǎn)提供的光學(xué)功率可 以根據(jù)所述射束的方向進(jìn)行調(diào)制。射束引導(dǎo)單元例如可以包括一個(gè) 或多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)反射器，用以改變射束的方向。換言之，光學(xué)引擎IOO 也可以通過(guò)使用掃描方法來(lái)直接提供虛像。
參考圖3a，可以利用第一偏轉(zhuǎn)部分21a對(duì)入耦合射束Bl的一部 分進(jìn)行衍射，以提供第一偏轉(zhuǎn)射束U1?？梢岳玫诙D(zhuǎn)部分22a 對(duì)入耦合射束B1的一部分進(jìn)行衍射，以提供第二偏轉(zhuǎn)射束U2。所 述第一偏轉(zhuǎn)射束U1的方位角(Xi與所述入耦合射束Bl的方位角cpc (例如在圖3b中示出)之間的差是負(fù)的。所述第二偏轉(zhuǎn)射束U2的 方位角ot2與所述入耦合射束Bl的方位角cpc之間的差是正的。方位 角ai是所述第一偏轉(zhuǎn)射束Ul的方位方向與方向SX之間的角度。方 位角ci2是所述第二偏轉(zhuǎn)射束U2的方位方向與方向SX之間的角度。 方位角cpc是所述入耦合射束Bl的方位方向與方向SX之間的角度。 方位角cpc、 a,和012被定義為小于180度且大于-180度。具有正方位 角的方向向量具有方向SZ中的分量，而具有負(fù)方位角的方向向量具 有與方向SZ相對(duì)的方向中的分量。
參考圖3b,利用第一恢復(fù)部分21b對(duì)第一偏轉(zhuǎn)射束Ul的一部分 進(jìn)行衍射，以提供第一恢復(fù)射束Vl,使得第一恢復(fù)射束VI具有與 原始入耦合射束B1相同的方位角(pc。負(fù)方位角a!與方位角cpc之間 的差是負(fù)的，因此第一恢復(fù)射束VI相對(duì)于原始入耦合射束B1而言 向下偏移。
利用第二恢復(fù)部分22b對(duì)第二偏轉(zhuǎn)射束U2的一部分進(jìn)行衍射， 以提供第二恢復(fù)射束V2,使得第二恢復(fù)射束V2具有與原始入耦合
15射束B1相同的方位角cpc。正方位角(X2與方位角cpc之間的差是正的， 因此第二恢復(fù)射束V2相對(duì)于原始入耦合射束B1而言向上偏移，也 即，相對(duì)于原始入耦合射束B1在方向SZ上向上偏移。
恢復(fù)射束V1和V2—起形成了擴(kuò)大的射束，其具有大于原始入 耦合射束B1的高度。而且，入耦合射束B1未與光柵部分相互作用 的那部分可以在擴(kuò)大的射束中有所貢獻(xiàn)。
參考圖4，衍射擴(kuò)束器50可以包括第一中間光柵21,其依次可 以包括第一偏轉(zhuǎn)部分21a和第一恢復(fù)部分21b。由此，第一中間光柵 21可以適于提供相對(duì)于原始入耦合射束B1向下偏移的第一恢復(fù)射 束VI。
衍射擴(kuò)束器50可以包括第二中間光柵22，其依次可以包括第二 偏轉(zhuǎn)部分22a和第二恢復(fù)部分22b。由此，第二中間光4冊(cè)22可以適 于提供相對(duì)于原始入耦合射束B1向上偏移的第二恢復(fù)射束V2。
還可以通過(guò)中間光柵21對(duì)光進(jìn)行三次或者更多次衍射。如果對(duì) 光進(jìn)行了偶數(shù)次衍射，使得每次衍射改變光的方位方向，則最終的 方向仍然可以與原始入耦合射束B1的方向基本上相同。
在圖4中，中間光柵21、 22以及光4冊(cè)部分21a、 21b、 22a、 22b 相對(duì)于中線AX1對(duì)稱定位。
參考圖5,中間光柵21、 22以及光柵部分21a、 21b、 22a、 22b 也可以相對(duì)于中線AX1不對(duì)稱定位。
參考圖6，第一中間光柵21可以包括第一偏轉(zhuǎn)部分21a和第一 恢復(fù)部分21b。第二中間光4冊(cè)22可以包括第二偏轉(zhuǎn)部分22a和第二 恢復(fù)部分22b。中間光柵21、 22可以一起形成V字形狀。光柵21、 22可以基本上4皮此接觸以及與中線AX1接觸。當(dāng)與中線AX1的距 離z大于輸入光柵10的高度的一半時(shí)，隨著所述距離z的增加，中 間光柵的局部寬度W(z)可以單調(diào)減小。
參考圖7,中間光柵的局部寬度W(z)可以隨著與中線AX1的距 離z的增加而單調(diào)增大。
參考圖8a,當(dāng)從與波導(dǎo)襯底7的平面的垂直方向觀看時(shí)，第一偏轉(zhuǎn)部分21a和相應(yīng)的第一恢復(fù)部分21b可以在中線AX1的相對(duì)側(cè)。 因此，由第一偏轉(zhuǎn)部分21a衍射的第一偏轉(zhuǎn)射束Ul在投射到第一恢 復(fù)部分21b之前越過(guò)中線AX1。
而且，第二偏轉(zhuǎn)部分22a和相應(yīng)的第二恢復(fù)部分22b可以在中線 AX1的相對(duì)側(cè)。因此，由第二偏轉(zhuǎn)部分22a衍射的第二偏轉(zhuǎn)射束U2 在投射到第二恢復(fù)部分22b之前越過(guò)中線AX1 。
圖8a中所示布置將光更多地引導(dǎo)向觀察所在的方向。與圖7的 布置的相比，例如在輸入射束BO的天頂角e^大于或者等于5度時(shí) (圖12c),這改進(jìn)了觀察到的圖像亮度，特別是在視場(chǎng)的極限角度 處。
圖8b示出了圖8a情況的三維視圖。參考平面PLN1與擴(kuò)束設(shè)備 50的輸入光4冊(cè)10的平面以及波導(dǎo)襯底7的平面41、 42相垂直。由 此，中線AX1表示平面PLN1與襯底7的平面41或者42的交叉。 參考平面PLN1例如可以是方向SX和SY所定義的平面。部分21a、 21b、 22a、 22b可以相對(duì)于所述平面PLN1對(duì)稱或者不對(duì)稱地定位。
第一偏轉(zhuǎn)部分21a和第二恢復(fù)部分22b可以在參考平面PLN1的 第一側(cè)。第二偏轉(zhuǎn)部分22b和第一恢復(fù)部分21b可以在所述參考平 面PLN1的第二側(cè)。第一偏轉(zhuǎn)部分21a適于通過(guò)書f射入耦合射束Bl 的光來(lái)提供第一偏轉(zhuǎn)射束Ul,使得第一偏轉(zhuǎn)射束U1在投射到第一 恢復(fù)部分21b之前，從平面PLN1的第一側(cè)穿到平面PLN的第二側(cè)。 第二偏轉(zhuǎn)部分22a適于通過(guò)衍射入耦合射束Bl的光來(lái)提供第二偏轉(zhuǎn) 射束U2,使得第二偏轉(zhuǎn)射束U2在投射到第二恢復(fù)部分22b之前， 從平面PLN1的第二側(cè)穿到平面PLN1的第一側(cè)。
參考平面PLN1可以與輸入光柵10和輸出光柵30相交。特別地， 參考平面PLN1可以基本上與光柵10、 30的孑L15、 35的中心相交 (圖1)。
圖8c示出了光線在圖8a的衍射擴(kuò)束器中傳播的路徑。第一入耦 合光線B1 a對(duì)應(yīng)于從微顯示器的第 一邊或角上的第 一像素發(fā)出的光 (圖2a和圖2b)。第二入耦合光線BU對(duì)應(yīng)于從所述微顯示器110的第二邊或角上的第二像素發(fā)出的光。第一入耦合光線B"具有方位 角(pa，而第二入耦合光線Blb具有方位角(Pb。所述第一和第二像素 這樣來(lái)選擇，使得對(duì)應(yīng)于所顯示圖像的基本上所有入耦合射線的方
位角小于或者等于(Pa,并且大于或者等于qv
第一入耦合射線Bla在第一偏轉(zhuǎn)部分21a上的衍射可以提供第一 偏轉(zhuǎn)射線Ula,而第二入耦合射線Blb在所述第一偏轉(zhuǎn)部分21a上的 衍射可以提供第二偏轉(zhuǎn)射線Ulb。 (3表示第一和第二偏轉(zhuǎn)射線Ula、 UU之間的角度。
第一偏轉(zhuǎn)射線Ula在第一恢復(fù)部分21b上的衍射可以提供第一 恢復(fù)射線Vla，而第二偏轉(zhuǎn)射線Ulb在所述第一恢復(fù)部分21b上的衍 射可以提供第二恢復(fù)射線Vlb。第一恢復(fù)射線VU具有方位角qv并
且第二恢復(fù)射線Vlb具有方位角(pb。換言之，第一恢復(fù)射線Vla沿 著與第一入耦合射線Bla相同的方向傳播，而第二恢復(fù)射線VU沿著
與第二入耦合射線BU相同的方向傳播。
第一偏轉(zhuǎn)部分21a、第二偏轉(zhuǎn)部分22a、第一恢復(fù)部分21b以及 第二恢復(fù)部分22b的形式和位置可以這樣來(lái)選擇，使得從第 一偏轉(zhuǎn) 部分21 a偏轉(zhuǎn)的光線不投射到第二偏轉(zhuǎn)部分22a上，并且使得從第 一偏轉(zhuǎn)部分21a偏轉(zhuǎn)的光線不投射到第二恢復(fù)部分22b上，并且使 得從第二偏轉(zhuǎn)部分2 2 a偏轉(zhuǎn)的光線不投射到第 一 偏轉(zhuǎn)部分21 a上， 并且使得從第二偏轉(zhuǎn)部分22a偏轉(zhuǎn)的光線不投射到第一恢復(fù)部分21b 上，其中所述光線對(duì)應(yīng)于所述微顯示器110的圖像區(qū)域上的極限點(diǎn)。
例如，圖3a到圖10c中所示的衍射擴(kuò)束器50可以滿足上述條件。 可以通過(guò)選擇微顯示器110的維度以及成像光學(xué)器件120的焦距來(lái) 選擇才及限方位角cpa和9b。
衍射擴(kuò)束器50可以包括基本上非衍射的部分26、 27和/或基本 上非衍射的部分25,以便滿足上述條件。
此外，部分21a、 21b、 22a、 22b例如可以布置為如圖8a和圖 8c所示的交叉楔形構(gòu)造，以便滿足上述條件。楔形的側(cè)部可以基本 上與偏轉(zhuǎn)光線的方向?qū)R。例如，部分21a的第一側(cè)部和部分21b的第一側(cè)部可以與第一偏轉(zhuǎn)射線Ula對(duì)齊，而部分21a的第二側(cè)部和 部分21b的第二側(cè)部可以與第二偏轉(zhuǎn)射線UU對(duì)齊。
此外，部分22a的側(cè)部基本上可以與偏轉(zhuǎn)光線Ula對(duì)齊，而部分 22b的側(cè)部基本上可以與偏轉(zhuǎn)光線UU平^f亍。
微顯示器110的單個(gè)像素Pl提供多個(gè)入耦合射線，其沿著由單 個(gè)方位角所限定的相同方向傳播，所述射線構(gòu)成了入耦合射束B1。 擴(kuò)束設(shè)備50為微顯示器110的每個(gè)像素提供輸出射束B2。多個(gè)輸 出射束B2為觀看者El提供虛像的影像。
參考圖9，衍射擴(kuò)束器50可以包括輔助偏轉(zhuǎn)部分21c、 22c，以 提供另外的偏轉(zhuǎn)射束Ulc、 U2c。另外的偏轉(zhuǎn)射束Ulc、 U2c可以投 射到恢復(fù)部分21b、 22b上，以提供另外的恢復(fù)射束Vlc、 V2c,使 得該另外的恢復(fù)射束Vlc、 V2c與射束Vl、 V2—起沿著與原始入耦 合射束B1相同的方向傳播。另外的偏轉(zhuǎn)射束Ulc、 U2c可以投射到 恢復(fù)部分21b、 22b,而不越過(guò)中線AX1，也即，不通過(guò)平面PLN1。
與圖8的布置相比(也即，當(dāng)觀察者在視場(chǎng)的上邊沿或者下邊 沿觀看時(shí))，圖9的布置提供更為均勻的觀察亮度，以及視場(chǎng)的極 限角度處的更高吞吐效率。換言之，對(duì)于圖9的設(shè)備來(lái)說(shuō)，輸出射 束B2在天頂角0ouT-5度處的強(qiáng)度與輸出射束B2在天頂角eOUT=o 度處的強(qiáng)度之間的差可以小于圖8a的設(shè)備。
參考圖10a,第一輔助偏轉(zhuǎn)部分21c和第一恢復(fù)部分21b可以是 第一中間光柵21的部分，該第一中間光柵21位于中線AX1的下側(cè)， 也即，在參考平面PLN1的第二側(cè)部。第二輔助偏轉(zhuǎn)部分22c和第二 恢復(fù)部分22b可以是第二中間光柵22的部分，該第二中間光柵22 位于中線AX1的上側(cè)，也即，在參考平面PLN1的第一側(cè)部上。第 一偏轉(zhuǎn)部分21a可以位于中線AX1的上側(cè)和參考平面PLN1的第一 側(cè)部上。偏轉(zhuǎn)部分21a、 21c可以提供投射到第一恢復(fù)部分21b上的 偏轉(zhuǎn)射束。
第一偏轉(zhuǎn)部分21a的形式可以基本上是由入耦合光柵10的高度 和光在襯底內(nèi)的傳播方向所限定的多邊形，使得從偏轉(zhuǎn)部分21a偏轉(zhuǎn)的光線都不會(huì)投射到第二中間光柵22上，并且使得從偏轉(zhuǎn)部分22a偏轉(zhuǎn)的光線都不會(huì)投射到第一中間光柵21上。第一中間光柵21的形式可以基本上是滿足以下條件的多邊形從偏轉(zhuǎn)部分22a偏轉(zhuǎn)的光線都不會(huì)投射到所述中間光柵21上。
第二偏轉(zhuǎn)部分22a基本上可以是第一偏轉(zhuǎn)部分21a相對(duì)于中線AX1的鏡像。第二中間光柵22基本上可以是第一中間光柵21相對(duì)于中線AX1的鏡像。
圖10a的布置提供了高吞吐效率以及視場(chǎng)上非常均勻的強(qiáng)度分布。
參考圖10b,可以進(jìn)一步選擇偏轉(zhuǎn)部分21a、 22a、 21c、 22c以及恢復(fù)部分21b、 22b的形式和位置，以便在與圖10a的設(shè)備相比時(shí)降低由孔相關(guān)的衍射導(dǎo)致的射束發(fā)散。與圖10a中的情況相比，輔助偏轉(zhuǎn)部分21c、 22c的較大維度提供了較不發(fā)散的射束。
例如，入耦合光斥冊(cè)10的拐角點(diǎn)的坐標(biāo)可以是(0.00, 3.50)、 (3.50，3.50)、 (3.50,誦3.50)和(0.00，-3.50)。第一個(gè)坐標(biāo)表示方向SX中的位置，而第二個(gè)坐標(biāo)表示方向SZ中的位置。第一偏轉(zhuǎn)部分21a的拐角點(diǎn)可以是(13.40， 0.00)、 (11.61,5.08)、 (13.72， 5.37)和(14.84， 4.09)。第一中間光柵21的拐角點(diǎn)可以是(15.79,-6.80)、 (16.22,-8.00)、 (18.86，-8.00)、 (21.22,-1.40)、 (20.22,0.00)、 (18.62， 0.00)、 (20.13，-1.30)和(17.00， -4.00)。輸出光柵30的拐角點(diǎn)可以是(22.00， 7.00)、 (43.00,7.00)、 (43.00， -7.00)和(22.00， -7.00)。
參考圖10c,入耦合射束B1可以適于按照所述入耦合射束B1的方位角9c相對(duì)于偏轉(zhuǎn)部分21a、 21b在方向SZ上偏移。當(dāng)方位角(pc大于零時(shí)，投射到第 一偏轉(zhuǎn)部分21 a上的入耦合射束B1的第 一部分的高度可以大于投射到第二偏轉(zhuǎn)部分22a上的所述入耦合射束B1的第二部分的高度，并且當(dāng)方位角(pc小于零時(shí)，投射到第一偏轉(zhuǎn)部分21a上的入耦合射束Bl的所述第一部分的高度可以小于投射到第二偏轉(zhuǎn)部分22a上的所述入耦合射束Bl的第二部分的高度。所述高度在方向SZ中定義。
20所述偏移與方位角cpc之間的關(guān)系取決于輸入光柵IO與偏轉(zhuǎn)部 分21a、 22a之間的距離L12。距離L12例如可以大于輸入光斥冊(cè)10 與輸出光才冊(cè)30之間的距離L13的0.3倍。距離L12甚至可以大于或 者等于距離L13的0.5倍。當(dāng)以備選方式定義時(shí)，距離L2可以大于 或者等于輸入射束BO的高度HO (圖1 )。輸入光柵10與偏轉(zhuǎn)部分 21a、 22a之間的區(qū)域可以基本上是非衍射的。
參考圖10d,偏轉(zhuǎn)部分21a、 21c、 22a和22c提供偏轉(zhuǎn)射束Ul、 U2,而恢復(fù)部分21b、 22b提供具有與入耦合射束Bl相同方位角cpc 的恢復(fù)射束V1、 Vlc、 V2、 V2c。第一偏轉(zhuǎn)射束Ul的方位角a,與 入耦合射束B1的方位角(pc之間的差是負(fù)的。第二偏轉(zhuǎn)射束U1的方 位角0l2與入耦合射束B1的方位角cpc之間的差是正的。部分21a、 22b、 22c在中線AX1的第一側(cè)和參考平面PLN1的第一側(cè)部上。部 分22a、 21b、 21c在中線AX1的第二側(cè)并且在參考平面PLN1的第 二側(cè)部上。
參考圖lla,輸入光柵10包括多個(gè)基本上線性的衍射特征 DF1(3，其具有光柵周期d。。輸出光柵30包括多個(gè)基本上線性的衍射 特征DF3。。輸出光柵30的光柵周期可以基本上等于d。。衍射特征 DF1Q和DF3Q例如可以是相鄰的凹槽或者脊。
可以將輸入光柵10的光柵周期do選擇為僅提供四個(gè)衍射級(jí)，
即反射書f射級(jí)1和-1以及透射衍射級(jí)1和-1，其可以反射式和/或透
射式地將光耦合到襯底7中。輸入光柵IO還可以以與通過(guò)光柵的直
接透射相對(duì)應(yīng)的透射衍射級(jí)0衍射光和/或以與來(lái)自光柵的直接反射
相對(duì)應(yīng)的反射衍射級(jí)O衍射光。如果輸入光柵IO具有傾斜的剖面， 則其可以適于提供基本上一個(gè)第一級(jí)的衍射，即i或-i。
衍射特征DF^可以基本上平行于衍射特征DF3。。衍射特征 DF!。和DF3q可以基本上與方向SZ平行并與中線AX1垂直。
參考圖lib,第一偏轉(zhuǎn)光柵部分21a具有多個(gè)衍射特征F2h, 其相對(duì)于方向SZ具有角度p2u。第一偏轉(zhuǎn)光柵部分21a具有光柵周 期d21a。第二偏轉(zhuǎn)光柵部分22a具有多個(gè)衍射特征F22a，其相對(duì)于方向 SZ具有角度p22a。第二偏轉(zhuǎn)光柵部分22a具有光柵周期d22a。
第一恢復(fù)光柵部分21b具有多個(gè)衍射特征F21b，其相對(duì)于方向 SZ具有角度p21b。第一恢復(fù)光柵部分21b具有光柵周期d21b。
第二恢復(fù)光柵部分22b具有多個(gè)衍射特征F22b，其相對(duì)于方向 SZ具有角度p22b。第二恢復(fù)光柵部分22b具有光柵周期d22b。
衍射特征的定向角p與所述特征的光柵周期之間的關(guān)系如下
給出
其中d。是輸入光柵10的光柵周期，而A。是常量，其具有1.8到2.2 范圍中的值。特別地，常量Ao可以基本上等于2?，F(xiàn)在可以使用等 式(1 )來(lái)求解光柵部分21a、 21b、 22a、 22b、 21c、 22c的光柵周期。
光才冊(cè)部分21a、 21b、 22a、 22b、 21c、 22c的光柵周期可以4吏 用等式(1 )來(lái)選擇，使得僅在第零個(gè)或者第一個(gè)衍射模式中允許衍 射。第一級(jí)衍射的符號(hào)取決于所選擇的坐標(biāo)。
所述第 一偏轉(zhuǎn)光柵部分21a的衍射特征F21a的方向與所述輸入 光柵10的衍射特征DFu的方向SZ之間的角度p^可以在55度到 65度的范圍內(nèi)。特別地，定向角pm可以基本上等于60度。定向角
P22a可以基本上等于120度。
第一偏轉(zhuǎn)部分21a和第一恢復(fù)部分21b可以具有相同的衍射特 征定向和相同的光4冊(cè)周期。第二偏轉(zhuǎn)部分22a和第二恢復(fù)部分22b 可以具有相同的衍射特征定向和相同的光柵周期。第 一輔助反射部 分21c (圖lla和圖lib中未示出)和第一恢復(fù)部分21b可以具有相 同的衍射特征定向和相同的光柵周期。第二輔助反射部分22c (圖 lla和圖lib中未示出)和第二恢復(fù)部分22b可以具有相同的衍射特 征定向和相同的光柵周期。
圖12a示出了輸入射束B0的方位角(piN與輸入射束BO的天頂 角eIN。天頂角e^是射束B0的方向與方向-SY之間的角度。方向-SY與方向SY相反。輸入光^f冊(cè)10的表面法向平4亍于方向SY。
方位角cpw是投影PRO與方向SX之間的角度，其中所述投影
PRO是輸入射束BO的方向在方向SX和SY所限定的平面上的投影。
投影PRO是方位角的左側(cè)。
參考圖12b,輸入射束在SX-SY平面上的投影相對(duì)于方向SX
具有方位角cpiN。入耦合射束B1的投影以及恢復(fù)射束VI、 V2相對(duì)
于方向SX具有方位角cpc。輸出射束B2的投影相對(duì)于方向SX具有
方位角
參考圖12c,輸入射束B0的方向相對(duì)于方向-SY具有天頂角 eIN。入耦合射束B1的方向相對(duì)于方向-SY具有天頂角ec。輸出射束 B2的方向相對(duì)于方向-SY具有天頂角e0UT。
參考圖13，衍射擴(kuò)束器50也可以是雙目的。輸入光柵10可 以適于將光衍射向第一組中間光柵21、 22,并且還將光4汙射向第二 組中間光柵21'、 22，。擴(kuò)展器50可以具有用以為觀察者的右眼提供 射束B2的第一輸出光柵30，以及為觀察者的左眼提供第二射束B2 的第二輸出光斥冊(cè)30'。
衍射擴(kuò)束器5 0可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)圖14中所示的虛擬顯示設(shè)備200 。 由輸出光柵30、 30，提供給觀察者的眼睛El、 E2的輸出射束B2為 觀察者提供了顯示于距觀察者無(wú)窮遠(yuǎn)處的虛像710的影像。虛像710 例如可以是如圖14中所示的星形圖案，其對(duì)應(yīng)于由微顯示器110所 生成的實(shí)像650 (圖2b)。虛像710例如可以是圖形和/或文本。
圖14的顯示設(shè)備還可以包括耳機(jī)260，其可以定位在觀察者 的耳朵上，以便于衍射擴(kuò)束器50定位在觀看者之前。顯示設(shè)備20 還可以附接至頭飾，例如附接至頭盔。
雙目顯示器200可以包括兩個(gè)獨(dú)立的光學(xué)引擎IOO和兩個(gè)獨(dú)立 的單目擴(kuò)束器50,以便顯示立體虛像。衍射擴(kuò)束器50可以是部分透 明的，這允許用戶通過(guò)擴(kuò)展器50的觀看孔35看到其環(huán)境，同時(shí)還 看到所顯示的虛l象710。該透明布置例如可以應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 中。圖15示出了包括通過(guò)使用衍射擴(kuò)束器50實(shí)現(xiàn)的單目虛擬顯示 器的設(shè)備200。設(shè)備200還可以包括例如用于控制所述設(shè)備的鍵集合 230。
圖14或者圖15的設(shè)備200還可以包括例如數(shù)據(jù)處理單元、存 儲(chǔ)器以及提供對(duì)移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)的訪問(wèn)的通信單 元。設(shè)備200例如可以選自如下列表可連接至其他設(shè)備的顯示才莫 塊、便攜式設(shè)備、具有無(wú)線電信能力的設(shè)備、成像設(shè)備、移動(dòng)電話、 游戲設(shè)備、音樂(lè)錄制/播放設(shè)備(基于例如MP3格式)、遠(yuǎn)程控制發(fā) 射機(jī)或接收機(jī)、導(dǎo)航儀器、測(cè)量?jī)x器、目標(biāo)查找設(shè)備、瞄準(zhǔn)設(shè)備、 導(dǎo)航設(shè)備、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、通信器、便攜式互聯(lián)網(wǎng)工具、 手持計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話的配件。
可以使用包括具有有限曲率半徑的非平面輸出光柵的衍射擴(kuò) 束器50來(lái)實(shí)現(xiàn)虛像在比無(wú)窮遠(yuǎn)要近的位置的顯示，例如專利申請(qǐng) PCT/IB2004/004094中所公開的。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很顯然，可以對(duì)按照本發(fā)明的設(shè)備 和方法進(jìn)行修改和變形。附圖是示例性的。上文參考附圖描述的特 定具體實(shí)施方式
僅僅是說(shuō)明性的，并非意在限制由所附權(quán)利要求書 限定的發(fā)明范圍。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備(50)，包括-基本上是平面的波導(dǎo)襯底(7)；-輸入光柵(10)，其用于通過(guò)將輸入射束(B0)的光衍射到所述襯底(7)中，從而提供在所述襯底(7)內(nèi)傳播的入耦合射束(B1)；-第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)，用于通過(guò)衍射所述入耦合射束(B1)的一部分來(lái)提供第一偏轉(zhuǎn)射束(U1)，使得所述第一偏轉(zhuǎn)射束(U1)的方位角(α1)與所述入耦合射束(B1)的方位角 id="icf0001" file="A2007800536970002C1.tif" wi="11" he="5" top= "82" left = "147" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>之間的差是負(fù)的，所述第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)包括基本上線性的衍射特征(F21a)，-第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)，用于通過(guò)衍射所述入耦合射束(B1)的一部分來(lái)提供第二偏轉(zhuǎn)射束(U2)，使得所述第二偏轉(zhuǎn)射束(U2)的方位角(α2)與所述入耦合射束(B1)的方位角 id="icf0002" file="A2007800536970002C2.tif" wi="11" he="5" top= "124" left = "147" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>之間的差是正的，所述第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)包括基本上線性的衍射特征(F22a)，所述第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)的所述衍射特征(F22a)與所述第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)的所述衍射特征(F21a)具有不同的定向，-第一恢復(fù)光柵部分(21b)，用于通過(guò)衍射所述第一偏轉(zhuǎn)射束(U1)的光來(lái)提供第一恢復(fù)射束(V1)，-第二恢復(fù)光柵部分(22b)，用于提供第二恢復(fù)射束(V2)，所述第二恢復(fù)射束(V2)與所述第一恢復(fù)射束(V1)基本上平行，以及-輸出光柵(30)，用于通過(guò)將所述第一恢復(fù)射束(V1)和所述第二恢復(fù)射束(V2)的光衍射出所述襯底(7)，從而提供出耦合射束(B2)，所述輸出射束(B2)與所述輸入射束(B0)基本上平行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(50)，其中所述第一偏轉(zhuǎn)光柵 部分(21a)和所述第二恢復(fù)光柵部分(22b)在參考平面(PLN1)的第一側(cè)上，而所述第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)和所述第一恢復(fù)光柵 部分(21b)在所述參考平面(PLN1)的第二側(cè)上，所述參考平面 (PLN1)與所述輸入光柵(10)的平面基本上垂直。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備(50)，包括第三偏轉(zhuǎn)光柵部分(21c)， 用于通過(guò)衍射所述入耦合射束(B0)的一部分來(lái)提供第三偏轉(zhuǎn)射束(Ulc),使得所述第三偏轉(zhuǎn)射束(Ulc)的方位角小于所述入耦合 射束(Bl )的所述方位角((pc),所述第三偏轉(zhuǎn)射束(Ulc)適于投 射到恢復(fù)光柵部分(21c)上，以提供具有與所述第一恢復(fù)射束(VI ) 相同方向的第三恢復(fù)射束(Vlc)，所述第三偏轉(zhuǎn)光柵部分(21c) 在所述參考平面(PLN1)所述第二側(cè)上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備(50)，其中所述第一恢復(fù)部分 (21b)和所述第三偏轉(zhuǎn)光柵部分(21c)—起形成第一中間光柵(21 ),其具有基本上連續(xù)的光柵結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的設(shè)備(50),其中所述 入耦合射束(Bl)適于按照所述入耦合射束(Bl)的方向((pc)相 對(duì)于所述偏轉(zhuǎn)部分(21a, 22a)偏移。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的設(shè)備(50),其中所述 第一恢復(fù)射束(VI)和所述第二恢復(fù)射束(V2)與所述入耦合射束(Bl)的方向基本上平行，并且所述輸出光柵(30)還適于將所述 入耦合射束(Bl)的一部分衍射出所述襯底(7)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述的設(shè)備(50),其中所述 第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)的所述衍射特征(F21a)的方向與所述輸 入光柵(10)的衍射特征(DFn)的方向(SZ)之間的角度(p21a) 在55度到65度的范圍內(nèi)。
8. —種用于擴(kuò)展光束的方法，包括-將輸入射束(B0)的光衍射到基本上是平面的波導(dǎo)襯底(7) 中，以提供在所述襯底(7)內(nèi)傳播的入耦合射束(Bl);-通過(guò)使用第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)來(lái)衍射所述入耦合射束(Bl ) 的一部分，從而提供第一偏轉(zhuǎn)射束(Ul ),使得所述第一偏轉(zhuǎn)射束(Ul)的方位角(a!)與所述入耦合射束(Bl)的方位角(cpc)之 間的差是負(fù)的，-通過(guò)使用第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)來(lái)衍射所述入耦合射束(Bl ) 的一部分，從而提供第二偏轉(zhuǎn)射束(U2),使得所述第二偏轉(zhuǎn)射束 (U2)的方位角(a2)與所述入耦合射束(Bl )的方位角(cpc)之 間的差是正的，-通過(guò)使用第一恢復(fù)光柵部分(21b)來(lái)衍射所述第一偏轉(zhuǎn)射束 (Ul)的一部分，從而提供第一恢復(fù)射束(VI ),-通過(guò)使用第二恢復(fù)光柵部分(22b)來(lái)衍射所述第二偏轉(zhuǎn)射束 (U2)的一部分，從而提供第二恢復(fù)射束(V2),所述第二恢復(fù)射 束(V2)與所述第一恢復(fù)射束(VI)基本上平行，以及-將所述第一恢復(fù)射束(VI)和所述第二恢復(fù)射束(V2)的光 耦合出所述村底(7),以提供輸出射束(B2),所述輸出射束(B2) 與所述輸入射束(B0)基本上平行，其中所述第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)包括基本上線性的衍射特征 (F21a)，并且所述第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)包括基本上線性的衍 射特征(F22a),所述第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)的所述衍射特征(F22a) 與所述第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)的所述衍射特征(F21a)具有不同 的定向。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第一偏轉(zhuǎn)光柵部分 (21a)和所述第二恢復(fù)光柵部分(22b)在參考平面(PLN1)的第一側(cè)上，而所述第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)和所述第一恢復(fù)光柵部分 (21b)在所述參考平面(PLN1 )的第二側(cè)上，所述參考平面(PLN1 ) 與所述輸入光柵(10)的平面基本上垂直。
10. —種設(shè)備(200),包括光學(xué)引擎(100)，用于提供至少一 個(gè)光柵(BO),以及衍射擴(kuò)束器(50)，用于擴(kuò)展所述至少一個(gè)光 束(BO )使得虛像(710 )通過(guò)所述衍射擴(kuò)束器(50 )的觀看孔(35 ) 是可觀察的，所述衍射擴(kuò)束器、(50)依次包括-基本上是平面的波導(dǎo)襯底(7),-輸入光柵(10),其用于通過(guò)將輸入射束(B0)的光衍射到所 述襯底(7)中，從而提供在所述襯底(7)內(nèi)傳播的入耦合射束(B1 ),-第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a),用于通過(guò)衍射所述入耦合射束(B1 ) 的一部分來(lái)提供第一偏轉(zhuǎn)射束(U1)，使得所述第一偏轉(zhuǎn)射束(Ul ) 的方位角(a,)與所述入耦合射束(Bl)的方位角(cpc)之間的差 是負(fù)的，所述第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)包括基本上線性的衍射特征 (F21a),-第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)，用于通過(guò)衍射所述入耦合射束(BO) 的一部分來(lái)提供第二偏轉(zhuǎn)射束(U2)，使得所述第二偏轉(zhuǎn)射束(U2) 的方位角(a2)與所述入耦合射束(Bl)的方位角(cpc)之間的差 是正的，所述第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)包括基本上線性的衍射特征 (F22a),所述第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)的所述衍射特征(F22a)與 所述第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)的所述衍射特征(F21a)具有不同的 定向，-第一恢復(fù)光柵部分(21b),用于通過(guò)衍射所述第一偏轉(zhuǎn)射束 (Ul)的光來(lái)提供第一恢復(fù)射束(VI),-第二恢復(fù)光柵部分(22b),用于提供第二恢復(fù)射束(V2), 所述第二恢復(fù)射束(V2)與所述第一恢復(fù)射束(VI)基本上平行， 以及-輸出光柵(30),用于通過(guò)將所述第一恢復(fù)射束(VI)和所 述第二恢復(fù)射束(V2)的光衍射出所述襯底(7)，從而提供出耦合 射束(B2),所述輸出射束(B2)與所述輸入射束(BO)基本上平 行。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備(200),其中所述光學(xué)引擎(100) 包括用于顯示實(shí)像(605 )的微顯示器(110)。
12. —種方法，包括提供至少一個(gè)輸入射束(BO)，以及擴(kuò)展所 述至少一個(gè)輸入射束(BO)使得虛像通過(guò)觀看孔(35)是可觀察的， 所述擴(kuò)展包括-將輸入射束(BO)的光衍射到基本上是平面的波導(dǎo)襯底(7)中，以提供在所述襯底(7)內(nèi)傳播的入耦合射束(Bl),-通過(guò)使用第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)來(lái)衍射所述入耦合射束(Bl ) 的一部分，從而提供第一偏轉(zhuǎn)射束(Ul )，使得所述第一偏轉(zhuǎn)射束 (Ul )的方位角(a!)與所述入耦合射束(Bl )的方位角(cpc)之 間的差是負(fù)的，-通過(guò)使用第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)來(lái)衍射所述入耦合射束(Bl ) 的一部分，從而提供第二偏轉(zhuǎn)射束(U2),使得所述第二偏轉(zhuǎn)射束 (U2)的方位角(a2)與所述入耦合射束(Bl )的方位角(cpc)之 間的差是正的，-通過(guò)使用第一恢復(fù)光柵部分(21b)來(lái)衍射所述第一偏轉(zhuǎn)射束 (Ul)的一部分，從而提供第一恢復(fù)射束(VI),-通過(guò)使用第二恢復(fù)光柵部分(22b)來(lái)衍射所述第二偏轉(zhuǎn)射束 (U2)的一部分，從而提供第二恢復(fù)射束(V2),所述第二恢復(fù)射 束(V2)與所述第一恢復(fù)射束(VI )基本上平行，以及-將所述第一恢復(fù)射束(VI)和所述第二恢復(fù)射束(V2)的光 耦合出所述襯底(7),以提供輸出射束(B2),所述輸出射束(B2) 與所述輸入射束(BO)基本上平行，其中所述第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)包括基本上線性的衍射特征 (F21a)，并且所述第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)包括基本上線性的衍 射特征(F22a),所述第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)的所述衍射特征(F22a) 與所述第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)的所述衍射特征(F21a)具有不同 的定向。
13. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第一偏轉(zhuǎn)光柵部分 (21a)和所述第二恢復(fù)光柵部分(22b)在參考平面(PLN1)的第一側(cè)上，而所述第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)和所述第一恢復(fù)光柵部分 (21b)在所述參考平面(PLN1 )的第二側(cè)上，所述參考平面(PLN1 ) 與所述輸入光柵(10)的平面基本上垂直。
14. 一種設(shè)備(50),包括 -波導(dǎo)裝置(7),-衍射輸入裝置(10),其用于通過(guò)將輸入射束(B0)的光衍射 到所述波導(dǎo)裝置(7)中，從而提供在所述襯底(7)內(nèi)傳播的入耦 合射束(Bl ),_第一偏轉(zhuǎn)裝置(21a),用于通過(guò)衍射所述入耦合射束(Bl) 的一部分來(lái)提供第一偏轉(zhuǎn)射束(Ul ),使得所述第一偏轉(zhuǎn)射束(Ul ) 的方位角(aj與所述入耦合射束(Bl)的方位角(cpc)之間的差 是負(fù)的，所述第一偏轉(zhuǎn)裝置(21a)包括基本上線性的衍射特征(F"a),-第二偏轉(zhuǎn)裝置(22a),用于通過(guò)衍射所述入耦合射束(BO) 的一部分來(lái)提供第二偏轉(zhuǎn)射束(U2)，使得所述第二偏轉(zhuǎn)射束(U2) 的方位角(a2)與所述入耦合射束(Bl)的方位角(cpc)之間的差 是正的，所述第二偏轉(zhuǎn)裝置(22a)包括基本上線性的衍射特征(F22a), 所述第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)的所述衍射特征(F22a)與所述第一 偏轉(zhuǎn)裝置(21a)的所述衍射特征(F21a)具有不同的定向，-第一恢復(fù)裝置(21b)，用于通過(guò)衍射所述第一偏轉(zhuǎn)射束(Ul ) 的光來(lái)提供第一恢復(fù)射束(VI),-第二恢復(fù)裝置(22b),用于提供第二恢復(fù)射束(V2)，所述 第二恢復(fù)射束(V2)與所述第一恢復(fù)射束(VI)基本上平行，以及-輸出裝置(30),用于通過(guò)將所述第一恢復(fù)射束(VI)和所 述第二恢復(fù)射束(V2)的光衍射出所述襯底(7),從而提供出耦合 射束(B2),所述輸出射束(B2)與所述輸入射束(BO)基本上平 行。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備(50),其中所述第一偏轉(zhuǎn)裝 置(21a)和所述第二恢復(fù)裝置(22b)在平面(PLN1 )的第一側(cè)上， 而所述第二偏轉(zhuǎn)裝置(22a)和所述第一恢復(fù)裝置(21b)在所述平 面(PLN1)的第二側(cè)上，所述參考平面(PLN1)與所述衍射輸入裝 置(10)的平面基本上垂直。
全文摘要
一種衍射擴(kuò)束器(50)，包括基本上是平面的波導(dǎo)襯底；輸入光柵(10)用于提供在所述襯底內(nèi)傳播的入耦合射束(B1)以及出耦合光柵(30)，用于提供出耦合射束。擴(kuò)展器(50)還包括四個(gè)或者更多另外的光柵部分，以擴(kuò)展入耦合射束(B1)的高度。利用第一偏轉(zhuǎn)光柵部分(21a)來(lái)衍射入耦合光的一部分，以提供第一偏轉(zhuǎn)射束。利用第二偏轉(zhuǎn)光柵部分(22a)來(lái)衍射入耦合光的一部分，以提供第二偏轉(zhuǎn)射束。第一偏轉(zhuǎn)射束相對(duì)于入耦合射束(B1)向下傳播，而第二偏轉(zhuǎn)射束相對(duì)于入耦合射束(B1)向上傳播。第一偏轉(zhuǎn)射束投射到第一方向恢復(fù)光柵部分(21b)上，而第二偏轉(zhuǎn)射束投射到第二方向恢復(fù)光柵部分(22b)上。第一恢復(fù)光柵部分(21b)提供第一恢復(fù)射束(V1)，而第二恢復(fù)光柵部分(22b)提供第二恢復(fù)射束(V2)，二者都具有與入耦合射束(B1)相同的方向。出耦合提供輸出射束，其平行于輸入射束，并且具有大于所述輸入射束的垂直維度。
文檔編號(hào)G02B5/18GK101688977SQ200780053697
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2007年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月4日
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