CN101589326B - 用于在二维上扩展出射光瞳的设备 - Google Patents

Abstract

一种衍射波束扩展器(50)，其包括在平面透明基片(7)上实现的输入光栅(10)、交叉光栅(20)和输出光栅(30)。交叉光栅(20)包括多个衍射特征(23)，其中沿平行线(25)的第一集合的线以及沿平行线(26)的第二集合的线布置所述多个衍射特征(23)，以便使得第一集合的线(25)平行于第二集合的线(26)。第一集合的线具有第一光栅周期，并且第二集合的线具有第二光栅周期。通过输入光栅(10)耦合到基片(7)中的光束(B1)在第一位置(EC1)和进一步的位置(EC2)处照射到交叉光栅(20)上。在第一位置(EC1)处的交互提供了在不同方向上传播的若干子波束(S₀₀、S₀₁、S₁₀)。在第二位置(EC2)处的进一步的交互提供了在与原始向内耦合的光(B1)相同的方向上传播的进一步的子波束(V₀₁、U₁₀)。通过输出光栅(30)随后将光耦合到基片(7)之外，以便相对于照射到输入光栅上的波束(B0)提供在两个方向(SX、SZ)上扩展的光束(B2)。虚拟显示设备(200)可以包括所述衍射波束扩展器(50)。

Description

用于在二维上扩展出射光瞳的设备

技术领域

本发明涉及通过衍射元件来扩展光束。本发明还涉及显示虚像。

背景技术

显示模块在便携式设备中被用于以图形的形式显示信息。在便携式设备中小尺寸是重要的方面。然而，便携式设备的这种小尺寸也对并入所述设备中的显示器的尺寸设置了限制。常规小显示器的典型缺点是：在保持足够分辨率时，观察者在看一眼的情况下仅可以检查大的被显示图像的一小部分。

大图像可以通过小设备来显示，例如当设备包括近眼式虚拟显示器(near-eye virtual display)时。成像光学装置可以将由微显示器所生成的小的实像转换成虚像。观察者可以将设备放置在他的眼睛附近，从而使得当由成像光学装置所提供的光照射(impinge)到他的眼睛上时，他感知到关于在无限距离处所显示的大的详细虚像的印象。

当通过使用衍射波束扩展器(其也被称为出射光瞳扩展器(EPE))来扩展由成像光学装置所提供的光束时，微显示器和成像光学装置可以被制作得甚至更小和/或更轻。例如，在专利申请EP0535402中公开了一种基于衍射波束扩展器的近眼式显示器。美国专利6,580,529公开了一种用于在二维上(即水平地和垂直地)扩展光束的衍射波束扩展器。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在二维上扩展光束的衍射波束扩展器。本发明的进一步的目的是提供一种用于显示虚像的设备。

根据本发明的第一方面，提供了一种根据权利要求1的衍射波束扩展器。

根据本发明的第二方面，提供了一种根据权利要求9的用于扩展光束的方法。

根据本发明的第三方面，提供了一种根据权利要求11的波束扩展装置。

根据本发明的第四方面，提供了一种根据权利要求13的用于显示虚像的设备。

根据本发明的第五方面，提供了一种根据权利要求15的用于显示虚像的方法。

所述衍射波束扩展器包括输入光栅(input grating)以便将输入波束耦合到波导基片中。向内耦合的光束(in-coupled light beam)在第一位置处和在进一步的位置处照射到交叉光栅上。在光与交叉光栅之间的第一交互提供了在不同方向上传播的子波束。在子波束与交叉光栅之间的进一步的交互提供了进一步的子波束，所述进一步的子波束相对于彼此横向偏移，并且在与原始向内耦合的光束相同的方向上传播。

换句话说，与交叉光栅的第一交互可以改变光束的方向，并且进一步的交互可以恢复光束的方向。因此，扩展了向内耦合的波束。

具有相同方向的子波束通过输出光栅而耦合到基片之外，以便提供输出波束，所述输出波束相对于输入波束在二维上放大并且在与所述输入波束相同的方向上传播。

所述交叉光栅包括多个衍射特征，其中沿基本上平行的线的第一集合的线以及沿基本上平行的线的第二集合的线来布置所述多个衍射特征。第一集合的线垂直于所述第二集合的线，并且第一集合的线相对于输入光栅的线性衍射特征是倾斜的。第一集合的线具有第一光栅周期(gartingperiod)，并且第二集合的线具有第二光栅周期。

设备(特别是便携式设备)可以包括衍射波束扩展器，以便扩展虚拟显示器的出射光瞳。

在实施例中，光通过光栅被衍射高达四次至除了零以外的衍射级(diffraction order)，以便扩展光束，即，一次通过输入光栅，两次通过交叉光栅，以及一次通过输出光栅。因而，图像质量可以好于在要求不止四次连续衍射的现有技术方法中的图像质量。还可以改进将光从输入光栅耦合到输出光栅的整体效率。

交叉光栅可以在与输入光栅和/或输出光栅相同的平面上实现，这促进了衍射波束扩展器的产生。

在实施例中，输入光栅的中心、交叉光栅的中心以及输出光栅的中心可以基本上位于相同的线上。

通过下面在此给出的描述和例子以及通过所附权利要求，本发明的实施例以及它们的益处对本领域的技术人员将变得更加显而易见。

附图说明

在下面的例子中，将参照附图更详细地描述本发明的实施例，在附图中：

图1在三维视角上示出了光学引擎和衍射波束扩展器；

图2a示出了光学引擎和衍射波束扩展器；

图2b示出了在微显示器上的实像；

图3a在三维视角上示出了将向内耦合的波束分成若干个子波束；

图3b示出了将向内耦合的波束分成若干个子波束；

图3c示出了向内耦合的波束的垂直扩展；

图4示出了将向内耦合的波束分成若干个子波束；

图5a示出了包括交叉光栅的衍射波束扩展器；

图5b示出了图5a的交叉光栅；

图5c示出了交叉光栅的表面的一部分；

图6a在三维视角上示出了交叉光栅的表面的一部分；

图6b在三维视角上示出了倾斜交叉光栅的表面的一部分；

图7示出了输入波束、向内耦合的波束和输出波束的路径；

图8a在三维视角上示出了输入波束的方位角和天顶角(zenith angle)；

图8b示出了输入波束的方位角、向内耦合的波束的方位角和输出波束的方位角；

图8c在三维视角上示出了输入波束的天顶角、向内耦合的波束的天顶角和输出波束的天顶角；

图9示出了双目镜(bi-ocular)衍射波束扩展器；

图10在三维视角上示出了用于显示虚像的双目镜显示设备；以及

图11在三维视角上示出了用于显示虚像的显示设备。

具体实施方式

参照图1，虚拟显示设备200可以包括光学引擎100和衍射波束扩展器50。光学引擎100包括微显示器110和成像光学装置120(图2a)。成像光学装置120将通过微显示器所形成的实像605(图2b)转换成虚像710(图10)，该虚像710可以通过衍射波束扩展器50的取景孔35而观察到。

衍射波束扩展器50包括在基本上平坦的透明基片7上实现的输入光栅10、交叉光栅20和输出光栅30。基片7具有第一基本平坦表面，以及基本上平行于所述第一平坦表面的第二基本平坦表面。

基片7是波导的，这意味着向内耦合的光可以在所述基片7内传播，从而使得所述传播的光可以通过全内反射(TIR)而局限于所述基片7。

光学引擎100提供输入波束B0。照射到输入光栅10上的输入波束B0可以耦合到基片7中，从而使得对应的向内耦合的波束B1在所述基片内朝着交叉光栅20传播。

输入光栅10通常仅具有两个衍射级，即，衍射级1和-1，它们将光耦合到基片7中。本讨论主要集中于通过衍射级1耦合到基片7中的光的传播。基于本讨论，本领域技术人员可以得出通过衍射级-1耦合到基片7中的光的传播，因为与衍射级-1和1相对应的向内耦合的波束通常在基本上相反的方向上传播。

交叉光栅20包括多个衍射特征，其中沿平行线的第一集合以及沿平行线的第二集合来布置这多个衍射特征，从而使得第一集合的线垂直于第二集合的线。第一集合的线具有第一光栅周期，并且第二集合的线具有第二光栅周期。

波导基片7的平坦表面在由方向SX和SZ所限定的平面中。方向SX垂直于方向SZ。方向SY垂直于方向SX和SZ。

向内耦合的波束B1可以与交叉光栅图案(grating pattern)20交互两次或更多次。通过输入光栅10耦合到基片7中的光束B1在第一位置和进一步的位置处照射到交叉光栅20上。在第一位置处的交互可以提供相对于向内耦合的波束B1横向传播的子波束。在第二位置处的交互可以提供进一步的子波束U₁₀、S₀₀和V₀₁，其中，子波束U₁₀、S₀₀和V₀₁相对于彼此侧向(sideways)偏移，并且在与向内耦合的波束B1相同的方向上传播。因而，子波束U₁₀、S₀₀和V₀₁可以一起形成放大的波束B1，其在与原始向内耦合的波束B1相同的方向上传播。

现在包括若干个子波束U₁₀、S₀₀和V₀₁的向内耦合的波束B1通过输出光栅30随后耦合到基片7之外，以便当相比于输入波束B0时提供在两个方向SX、SZ上扩展的输出波束B2。输出波束B2可以照射到观察者的眼睛E1上。

由输出光栅30的周界来限定取景孔35。如果例如为了修改显示设备200(其包括衍射波束扩展器50)的视觉外观而将掩蔽(mask)叠置在所述光栅30上，则取景孔35还可以小于输出光栅30。

取景孔35具有高度H2和宽度W2。输入波束B0具有高度H0和宽带W0。输出波束B2的最大宽度由取景孔35的宽度W2来限定，并且输出波束B2的最大高度(即垂直尺寸)由输出孔35的高度H2来限定。取景孔35的高度H2和宽度W2可以被选择成大于输入波束B0的高度H0和宽度W0，以便在二维上扩展光学引擎100的出射光瞳。输入光栅的高度和宽度可以被选择成基本上等于或大于输入波束B0的尺寸，以便最大化将光耦合到基片7中的效率。

光栅10、20、30是衍射元件。光栅10、20、30可以例如是通过模塑(molding)或压花(embossing)实现的表面浮雕光栅。光栅10、20、30的轮廓可以例如是正弦曲线、二元矩形或火焰状(blazed)。然而，光栅10、20、30的轮廓还可以例如是二元倾斜的或正弦曲线倾斜的。一个或多个光栅10、20、30可以被嵌入基片7中。衍射波束扩展器50还可以包括不止三个衍射元件10、20、30(图9)。

交叉光栅20可以基本上在所述输入光栅10和所述输出光栅30之间，从而使得光栅10、20、30的中心基本上在相同的线上。

参照图2a，光学引擎100可以包括微显示器110和成像光学装置120。成像光学装置120可以包括一个或多个光学元件，诸如透镜、反射镜、棱镜或衍射元件。从微显示器110的点P1传送的光射线由成像光学装置120基本上进行校准(collimate)，以便形成平行的光射线，其构成了由光学引擎100所提供的波束B0。在微显示器110与成像光学装置120之间的距离L3被这样设置，即，使得微显示器110的像素基本上在成像光学装置120的焦距处。提供了多个波束B0，以便显示包括多个像素的虚像。

从光学引擎100的输出孔101传送的至少一个波束B0照射到衍射波束扩展器50的输入光栅10上。输入波束B0的光通过输入光栅10被耦合到波导基片7中。因为向内耦合的波束B1与交叉光栅20在两个或更多位置处交互，所以向内耦合的光在基片7中传播。输出光栅30将扩展的输出波束B2向观察者的眼睛E1衍射。

由衍射波束扩展器50所提供的放大的光束B2为观察者提供了关于在距离观察者无限距离处所显示的虚像710的印象。作为现象，人类观察者通常感觉所显示的虚像710仅离他们几米远，尽管是无限的距离。如图10所示，虚像710可以例如是星形图案。

衍射波束扩展器50可以是单目镜，即，它可以仅具有一个输出光栅30。输入光栅10和输出光栅30可以是倾斜的或者火焰状表面浮雕光栅，以便最大化将光耦合到基片7中或基片7之外的效率。衍射波束扩展器50可以包括一个或多个光吸收结构80以消除杂散光。

基片7具有第一基本平坦表面41和基本上平行于所述第一平坦表面41的第二基本平坦表面42。光栅10、20、30可以处于波导基片7的相同平坦表面41上，或者处于波导基片7的不同平坦表面41、42上。在图2a中，输入光栅10和输出光栅30处于第一表面41上，并且交叉光栅20处于第二表面42上。输入波束B0还可以在照射到输入光栅10上之前通过基片7被传送。相对于输入波束B0的方向，可以有2×2×2＝8个备选方案来选择在哪些表面上实现光栅10、20、30。

微显示器110可以例如是液晶显示器、微机械可移动反射镜阵列，或者发光二极管阵列。措辞“微”在此意指微显示器小于显示设备200。微显示器的宽度可以例如小于或等于25mm。

图2b示出了在微显示器110上形成的实像605。实像605可以由多个发光像素或点P1形成。

参照图3a，向内耦合的波束B1至少在位置EC1、EC2处照射在交叉光栅20上。向内耦合的波束B1可以在波束B1与交叉光栅20之间的第一交互的位置EC1处被分成子波束S₀₀、S₁₀和S₀₁。子波束S₀₀在与向内耦合的波束B1相同的方向上传播，并且子波束S₁₀和S₀₁横向地传播。在第二位置EC2处的第二交互可以提供进一步的子波束V₀₁和U₁₀，其中子波束V₀₁和U₁₀在与子波束S₀₀和原始向内耦合的波束B1相同的方向上传播。

符号EC2指的是与位置EC1不同的多个位置。

参照图3b，向内耦合的波束B1的投影在由方向SX和SZ限定的平面中具有相对于方向SX的方位角

在位置EC1处的第一交互提供子波束S₀₀、S₀₁和S₁₀。子波束S₀₀具有与原始向内耦合的波束B1相同的方位角

子波束S₀₁的投影相对于向内耦合的波束B1的投影具有角度Δ2。子波束S₁₀的投影相对于向内耦合的波束B1的投影具有角度Δ1。角度Δ1和Δ2可以基本上等于90度。在第二位置EC2处的交互可以提供进一步的子波束V₀₁和U₁₀，其中进一步的子波束V₀₁和U₁₀在与子波束S₀₀相同的方向上传播。

图3c示出了图3b的邻近子波束U₁₀、S₀₀和V₀₁可如何构成放大的波束B1。波束B0的原始高度是H3。在第二交互之后，子波束U₁₀、S₀₀和V₀₁已经侧向偏移，但是具有与原始波束B1相同的方位角。因此，子波束U₁₀、S₀₀和V₀₁的组合高度H4基本上大于波束B1的原始高度H3。因而，在位置EC1、EC2处的发生方向改变的交互在垂直方向SZ上放大了波束B1。

参照图4，在位置EC1处，向内耦合的波束B1与交叉光栅20的交互可以提供多达四个子波束：

-两个子波束S₁₀和S₀₁，当相比于原始波束B1的方向时，它们在横向方向上传播；

-子波束S₀₀在与原始波束B1相同的方向上传播；以及

-子波束S₁₁在与原始波束B1的方向相反的方向上传播。

在第二位置ENC2处，子波束S₁₀与交叉光栅的交互可以提供多达四个子波束：

-两个子波束V₁₀和V₀₁，它们在相比于子波束S₁₀的方向的横向方向上传播；

-子波束V₀₀，它在与子波束S₁₀相同的方向上传播；以及

-子波束V₁₁，它在与子波束S₁₀的方向相反的方向上传播。

在位置ENC2处，子波束S₀₁与交叉光栅的交互可以提供多达四个子波束：

-两个子波束U₁₀和U₀₁，它们在相比于子波束S₀₁的方向的横向方向上传播；

-子波束U₀₀，它在与子波束S₀₁相同的方向上传播；以及

-子波束U₁₁，它在与子波束S₀₁的方向相反的方向上传播。

平行子波束S₀₀、V₀₁和U₁₀一起形成了在与向内耦合的波束B1相同的方向上传播的放大的光束。因而，平行子波束S₀₀、V₀₁和U₁₀可以通过输出光栅被耦合到基片之外，以便提供在与输入波束B0相同的方向上传播的输出波束B2。

在图4中，输入波束B1和子波束S₀₀、V₀₁和U₁₀可以被认为是向右传播的。子波束S₁₁、V₁₀和U₀₁可以被认为是向左传播的。子波束S₁₀、V₀₀和U₁₁可以被认为是向上传播的，并且子波束V₁₁、S₀₁和U₀₀可以被认为是向下传播的。

甚至可以有比图4中所示出的更多的交互和子波束。在每个进一步的位置处的交互可以提供四个进一步的子波束。

参照图5a，衍射波束扩展器50包括输入光栅10、交叉光栅20和输出光栅30。输入光栅10包括具有光栅周期d₀的基本上平行和基本上线性的衍射特征11。衍射特征11基本上平行于方向SZ。输出光栅30包括基本上线性的衍射特征31。输出光栅的光栅周期可以基本上等于输入光栅10的光栅周期d₀。线性衍射特征11、31可以例如是邻近的凹槽或凸脊。线性衍射特征31可以基本上平行于线性衍射特征11。

在方向SZ上的交叉光栅20的高度被选择成大于输入波束B0的高度H0(图1)。交叉光栅20的高度可以被选择成等于或大于取景孔35的高度H2。交叉光栅20可以如图5a所示被锥形化。交叉光栅20的周界还可以具有矩形形状，但在这种情况下，其表面的一部分与向内耦合的波束B1交互并不太多。

参照图5b和图5c，交叉光栅20包括两个重叠的倾斜光栅。第一光栅由衍射特征23形成(图5c和图6a)，衍射特征23沿基本上平行的线25的第一集合G1的线25布置。所述衍射特征23还沿基片上平行的线26的第二集合G2的线26布置。衍射特征23可以处于线25和线26的交会处。第二光栅由沿第二集合G2的线26布置的衍射特征23形成。第一集合G1的线25垂直于第二集合的线26，即，在线25、26之间的角度δ基本上等于90度。

在第一集合G1的线25的定向之间的角度ρ可以例如在30至60度的范围中。特别地，角度ρ可以基本上等于45度。

符号ω表示在线26的定向与方向SZ之间的角度。第二集合G2的线26垂直于第一集合G1的线25，因而ω＝90°-ρ。

第一倾斜光栅的光栅周期d₁(即第一集合G1的线间隔)可以根据等式(1)来选择：

$d_1=\frac{d_0}{A_0\cos \mathrm{\ρ}},---\left(1\right)$

其中，d₀是输入光栅10的光栅周期，并且A₀是具有在范围1.8至2.2中的值的常数。特别地，常数A₀可以基本上等于2。

第二倾斜光栅的光栅周期d₂(即第二集合G2的线间隔)可以通过使用与等式(1)基本上相同的值A₀根据等式(2)来选择：

$d_2=\frac{d_0}{A_0\sin \mathrm{\ρ}}.---\left(2\right)$

如果常数A₀偏离值2，那么扩展器50应当被这样布置，即，使得在与向内耦合的波束B1相反的方向上传播的那些子波束基本上不照射在输入光栅10上和/或输出光栅30上。否则，一些向外耦合的波束可能偏离输入波束B0的方向。

参照图6a，交叉光栅20可以例如是包括多个衍射特征23的表面浮雕光栅。衍射特征23可以是突出或凹陷。突出可以例如是圆形、椭圆形或矩形的用显微镜可见的销子(stud)。衍射特征23如图5b和图5c所示沿线25、26布置。衍射特征23可以在它们之间限定多个衍射凹槽21和22，以便使得凹槽21的定向由角度ρ来限定，并且凹槽22的定向由角度ω来限定。凹槽21垂直于凹槽22。如果衍射特征是凹陷，那么它们在凹陷之间限定多个衍射凸脊。

参照图6b，交叉光栅的衍射特征23可以形成倾斜的光栅轮廓，以便增强在预定衍射级中的衍射效率。

交叉光栅20可以通过压花或模塑来实现。

参照图7，输入波束B0在向内耦合位置INC1处耦合到波导基片7中，以便形成向内耦合的波束B1。向内耦合的波束B1的光至少在交互的第一位置EC1处以及在进一步的位置EC2处与交叉光栅20交互。如图3a-图4所示，交互EC1和EC2提供向内耦合的波束B1的垂直扩展。垂直扩展的波束B1在一个或多个位置OUTC1处通过输出光栅30而耦合到基片7之外，其在方向SX上提供水平波束扩展。

图8a示出了输入波束B0的方位角

和输入波束B0的天顶角θ_IN。天顶角θ_IN是在波束B0的方向与方向-SY之间的角度。方向-SY与方向SY相反。输入光栅10的表面法线平行于方向SY。

方位角

是在方向SX与投影PR0之间的角度，其中所述投影PR0是在由方向SX和SZ所限定的平面中输入波束B0的方向的投影。

参照图8b，在SX-SZ平面上输入波束B0的投影具有相对于方向SX的方位角向内耦合的波束B1的投影具有相对于方向SX的方位角

输出波束B2的投影具有相对于方向SX的方位角

参照图8c，输入波束B0的方向具有相对于方向-SY的天顶角θ_IN。向内耦合的波束B1的方向具有相对于方向-SY的天顶角θ_C。输出波束B2的方向具有相对于方向-SY的天顶角θ_OUT。

现在通过使用衍射等式来讨论在光栅10、20、30处的光束的衍射。

输入波束B0照射到输入光栅10上。如图8a、8b和8c所示，输入波束B0的方向由天顶角θ_IN和方位角

来限定。波束B0的波矢量的分量k_X、k_Y和k_Z通过等式(3)、(4)和(5)来给出：

$k_Y=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{IN}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\β}}_0,$ 并且                (4)

其中，λ是输入波束B0的预定波长。所述预定波长λ在400至760nm的范围中。特别地，波长λ可以是550nm，对应于绿色。

在等式(3)、(4)和(5)中的正弦和余弦项由参数α₀、β₀和γ₀来替换，以便缩短数学表达式。

波束B0的光通过输入光栅10耦合到基片中，以便形成在基片中传播的向内耦合的波束B1。在基片内部的波束B1的方向由天顶角θ_C和方位角

来限定。当光在衍射级-1和/或衍射级1处被衍射到基片中时，天顶角θ_C和方位角由衍射等式(6)和(7)来控制。

并且                     (6)

其中，d₀是输入光栅10的光栅周期。输入光栅10的光栅周期d₀和波导基片7的折射指数n可以这样选择，即，使得不允许高于第一级衍射。换句话说，在向内耦合处的衍射级m可以是-1或1。输入光栅10的光栅周期d₀可以在λ/2至λ的范围中，其中λ是可见光的预定波长。

特别地，输入光栅10的光栅周期d₀可以被选择成基本上等于λ/(1+α_MAX)，其中α_MAX是对于天顶角θ_IN和方位角

的预定范围来说表达式的最大绝对值。角度θ_IN和

的所述预定范围可以被选择成对应于由光学引擎100所提供的输入波束B0的方向，即，角度θ_IN和

的所述预定范围可以被选择成对应于微显示器110的预定宽度以及对应于成像光学装置120的预定焦距。特别地，光栅周期d₀可以被选择成基本上等于波长λ的80％。特别地，波长λ可以是550nm。

向内耦合的波束B1照射到交叉光栅20上，并且可以被分成图4所示的子波束S₀₀、S₀₁、S₁₀和S₁₁。子波束的形成由衍射等式(8)和(9)来控制：

与交叉光栅20相关联的光栅周期d₁和d₂根据等式(1)和(2)来选择。角度ρ限定了布置(图5b和5c)衍射特征23所沿的线25的定向。p₁表示与在第一位置EC1处交叉光栅20的第一倾斜光栅和波束B1之间的交互相关联的反射衍射级。p₂表示与在第一位置EC1处交叉光栅20的第二倾斜光栅和波束B1之间的交互相关联的反射衍射级。衍射等式(8)和(9)描述了第一子波束的形成。因而，衍射级p₁和p₂形成了与所述第一子波束的形成相关联的组。符号θ_R1和

表示与衍射级p₁和p₂相关联的所述第一子波束的方向的天顶角和方位角(图中未示出所述角度)。

使用等式(1)、(2)、(6)和(7)，可以将等式(8)和(9)重写成形式：

一些衍射级p₁、p₂可以对应于交叉光栅20将光衍射到波导基片7之外的情形，即，它们对应于透射衍射模式(transmissive diffraction mode)。然而，光栅周期d₀、d₁和d₂可以被这样选择，即，使得基本上没有光被交叉光栅20衍射到基片之外。换句话说，光栅周期d₁、光栅周期d₂和光栅周期d₀可以被选择成基本上防止将光向外耦合通过所述交叉光栅(20)。

根据等式(10)和(11)，在第一交互的位置EC1处生成子波束S₀₀、S₀₁、S₁₀和S₁₁。所生成的子波束在基片7内传播，直到它们在交互的第二位置EC2处再次照射到交叉光栅20上。在交互的第二位置EC2处的衍射由等式(12)和(13)来控制。

它们可以被重写成形式：

其中q₁表示与在第二位置EC2处交叉光栅20的第一倾斜光栅和第一子波束之间的交互相关联的反射衍射级。q₂表示与在第二位置EC2处交叉光栅20的第二倾斜光栅和第一子波束之间的交互相关联的反射衍射级。衍射等式(14)和(15)描述了第二子波束的形成。因而，衍射级p₁、p₂、q₁和q₂形成了与所述第二子波束的形成相关联的组。符号θ_R2和(图中未示出)分别表示与衍射级p₁、p₂、q₁和q₂相关联的所述第二子波束的方向的天顶角和方位角。

如图4所示，第二交互可以提供子波束V₀₀、V₀₁、V₁₀、V₁₁、U₀₀、U₀₁、U₁₀、U₁₁。一些子波束的方位角可以与向内耦合的波束B1的原始方位角相同。

输出光栅30可以将子波束的光耦合到波导基片7之外。特别地，输出光栅30可以将所述第二子波束的光耦合到波导基片7之外。输出波束B2的天顶角θ_OUT和方位角

由等式(16)和(17)来控制：

它们可以被重写为等式(18)、(19)、(20)和(21)：

其中s表示在输出光栅30处的衍射级。

对于波束扩展来说，期望输出波束B2在与输入波束B0基本上相同的方向上传播。因此，期望输出波束B2的天顶角θ_OUT等于输入波束B0的天顶角θ_IN，并且输出波束B2的方位角

等于输入波束B0的方位角

现在，基于等式(20)和(21)，用于获得在与输入波束B0相同的方向上传播的输出波束B2的条件可以由等式(22)和(23)来限定：

-p₂-q₂＝p₁+q₁                     (22)

±1+2(p₁+q₁)+s＝0                 (23)

表1总结了对应于在与输入波束B0相同的方向上传播的输出波束B2的衍射级的一些组合。

表1的行1上列出的衍射级的组合对应于子波束S₀₀(图4)，子波束S₀₀在与向内耦合的波束B1相同的方向上传播。

表1的行2上列出的衍射级的组合对应于子波束S₁₁，子波束S₁₁在与向内耦合的波束B1的方向相反的方向上传播。表1的行3上列出的衍射级的组合也对应于在与输入波束B1的方向相反的方向上传播的子波束。

表1的行4上列出的衍射级的组合对应于以下情形：横向衍射的子波束S₁₀提供了在与向内耦合的波束B1相同的方向上传播的进一步的子波束V₀₁。子波束V₀₁已经相对于原始向内耦合的波束B1侧向偏移。

表1的行5上列出的衍射级的组合对应于以下情形：横向衍射的子波束S₁₀提供了在与向内耦合的波束B1的方向相反的方向上传播的进一步的子波束V₁₀。子波束V₁₀已经相对于原始向内耦合的波束B1侧向偏移。

在与向内耦合的波束B1相同的方向上传播的那些子波束(例如S₀₀和V₀₁)的光可以通过第一输出光栅30或30a被耦合到基片7之外(图9)。在与向内耦合的波束B1的方向相反的方向上传播的那些子波束(例如S₁₁和V₁₀)的光可以通过处于衍射波束扩展器50的另一侧的第二输出光栅30b被耦合到基片7之外。

表2总结了对于向内耦合衍射级m＝1的衍射级的其它组合。注意到，表2的组合并不提供来自输出光栅30的输出波束。

可能有比在位置EC1和EC2的两个连续交互处发生的交互更多的交互。然而，在进一步的交互处生成的进一步的子波束在与由这两个交互所生成的子波束相同的方向上传播。因而，通过交叉光栅20的波束扩展可以基本上由上述等式来控制。

参照图9，衍射波束扩展器50还可以是双目镜。输入光栅10可以适于将光朝着第一交叉光栅20a和第二交叉光栅20b衍射。扩展器50可以具有为观察者的右眼提供波束B2的第一输出光栅30a，以及为观察者的左眼提供波束B2的第二输出光栅30b。当输入光栅10以及一个或两个交叉光栅20a、20b处于两个输出光栅30a、30b之间时，可以有效地利用向后传播的子波束的光。

衍射波束扩展器50可以用于实现图10中所示的虚拟显示设备200。由输出光栅30a、30b向观察者的眼睛E1、E2所提供的输出波束B2向观察者提供了在距离该观察者无限距离处所显示的虚像710的印象。虚像710可以例如是如图10所示的星形图案，其对应于由微显示器110所生成的实像605(图2b)。

图10的显示设备可以进一步包括眼镜腿260，眼镜腿260可以位于观察者的耳朵上，从而便于定位在观察者的眼睛E1、E2前面的衍射波束扩展器50。显示设备200还可以被附设到头饰，例如，附设到头盔上。

双目镜显示设备200可以包括两个分离的光学引擎100和两个分离的单目镜波束扩展器50，以便显示立体虚像。衍射波束扩展器50可以部分透明，从而允许用户通过扩展器50的取景孔35看到他的环境，同时还观察到所显示的虚像710。该透明布置可以应用于强化的现实系统。

图11示出了设备200，其包括通过使用衍射波束扩展器50所实现的单目镜虚拟显示器。设备200可以进一步包括例如用于控制所述设备的键组230。

图10或图11的设备200可以进一步包括数据处理单元、存储器和通信单元，以便提供对移动电话网络、因特网或局域网的访问。设备200可以例如选自以下列表：可连接到进一步的设备的显示模块、便携式设备、具有无线通信能力的设备、成像设备、移动电话、游戏设备、音乐记录/播放设备(基于例如MP3格式)、远程控制发射机或接收机、导航仪、测量仪、目标寻找设备、瞄准设备、导航设备、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式因特网装置、手持计算机、移动电话的附件。

对于本领域的技术人员来说，可以清楚地获知根据本发明的设备和方法的修改和变型。附图是示意性的。以上参照附图和表格所描述的特定实施例仅是说明性的，并且绝不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求来限定。

表1.提供了输出波束B2的衍射级，其中输出波束B2在与输入波束B0相同的方向上传播。

	在向内耦合处的衍射级m	在位置EC1处的衍射级p1	在位置EC1处的衍射级p2	在位置EC2处的衍射级q1	在位置EC2处的衍射级q2	在向外耦合处的衍射级s
							行	m	p1	p2	q1	q2	s
1	+1	0	0	0	0	-1
							2	+1	-1	-1	0	0	+1
3	+1	0	0	-1	-1	+1
							4	+1	-1	0	1	0	-1
5	+1	-1	0	0	-1	+1

表2.在输出光栅处不允许向外耦合光的衍射级。标记n.e.表示被衍射的光并不传播。

在向内耦合处的衍射级m	在位置EC1处的衍射级p1	在位置EC1处的衍射级p2	在位置EC2处的衍射级q1	在位置EC2处的衍射级q2	在向外耦合处的衍射级s
						m	p1	p2	q1	q2	s
+1	1	1	n.e.	n.e.	n.e.
						+1	1	0	n.e.	n.e.	n.e.
+1	1	-1	n.e.	n.e.	n.e.
						+1	0	1	n.e.	n.e.	n.e.
+1	0	0	1	n.e.	n.e.
						+1	0	0	0	1	n.e.
+1	0	0	0	-1	n.e.
						+1	0	0	-1	1	n.e.
+1	0	0	-1	0	n.e.
						+1	-1	1	n.e.	n.e.	n.e.

+1	-1	0	1	1	n.e.
						+1	-1	0	1	-1	n.e.
+1	-1	0	0	1	n.e.
						+1	-1	0	0	0	n.e.
+1	-1	0	-1	n.e.	n.e.
						+1	-1	-1	1	1	n.e.
+1	-1	-1	1	1	n.e.
						+1	-1	-1	1	0	n.e.
+1	-1	-1	1	-1	n.e.
						+1	-1	-1	0	1	n.e.
+1	-1	-1	0	-1	n.e.
						+1	-1	-1	-1	n.e.	n.e.

Claims (16)

1.一种用于扩展光束的设备，其包括：

-基本上是平面的波导基片；

-输入光栅，所述输入光栅将输入波束耦合到所述基片中以形成向内耦合的光束；

-交叉光栅，所述交叉光栅通过衍射所述向内耦合的光束的光来提供子波束；以及

-输出光栅，所述输出光栅将所述子波束的光耦合到所述基片之外以便提供输出波束，

其中，所述向内耦合的光束的光适于与所述交叉光栅交互两次或更多次，在第一位置处的交互提供了第一子波束和第二子波束，所述第一子波束和所述第二子波束在不同的方向上传播，所述第二子波束与所述交叉光栅在第二位置处的交互提供了在与所述第一子波束相同的方向上传播的第三子波束，所述输出波束适于具有与所述输入波束基本上相同的方向，所述输入光栅包括具有光栅周期d₀的基本上线性的衍射特征，所述交叉光栅包括沿基本上平行的线的第一集合的线所布置的进一步的衍射特征，所述进一步的衍射特征还被沿基本上平行的线的第二集合的线布置，所述第一集合的线垂直于所述第二集合的线，所述第一集合具有第一光栅周期d₁，所述第二集合具有第二光栅周期d₂，所述第一集合的线相对于所述输入光栅的基本上线性的特征具有角度ρ，所述角度ρ在30至60度的范围中，常数A₀在1.8至2.2的范围中，所述第一光栅周期d₁满足条件d₀＝A₀ d₁ sinρ，并且所述第二光栅周期d₂满足条件d₀＝A₀ d₂cosρ。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述常数A₀等于2。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述第一光栅周期d₁、所述第二光栅周期d₂和所述光栅周期d₀已被选择成基本上防止将光向外耦合通过所述交叉光栅。

4.根据前述权利要求1或2所述的设备，其中所述输入光栅的光栅周期d₀在λ/2至λ的范围中，其中λ是光的预定波长。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述输入光栅的光栅周期d₀基本上等于λ/(1+α_MAX)，其中α_MAX是对于角度θ_IN和

的预定范围来说

的最大绝对值，所述角度θ_IN是在所述输入光栅的表面法线与所述输入波束的方向之间的角度，并且所述角度

是所述光束在基片表面上的投影与基准方向之间的角度，所述基准方向垂直于所述输入光栅的所述线性的衍射特征和所述表面法线。

6.根据前述权利要求1或2所述的设备，其中所述交叉光栅是表面浮雕光栅。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述交叉光栅是倾斜的表面浮雕光栅。

8.根据前述权利要求1或2所述的设备，其包括两个输出光栅。

9.一种用于通过使用衍射波束扩展器来扩展光束的方法，所述衍射波束扩展器包括：

-基本上是平面的波导基片；

-输入光栅，所述输入光栅将输入波束耦合到所述基片中以形成向内耦合的光束；

-交叉光栅，所述交叉光栅通过衍射所述向内耦合的光束的光来提供子波束；以及

-输出光栅，所述输出光栅将所述子波束的光耦合到所述基片之外以便提供输出波束，

其中，所述输入光栅包括具有光栅周期d₀的基本上线性的衍射特征，所述交叉光栅包括沿基本上平行的线的第一集合的线所布置的进一步的衍射特征，所述进一步的衍射特征还被沿基本上平行的线的第二集合的线布置，所述第一集合的线垂直于所述第二集合的线，所述第一集合具有第一光栅周期d₁，所述第二集合具有第二光栅周期d₂，所述第一集合的线相对于所述输入光栅的基本上线性的特征具有角度ρ，所述角度ρ在30至60度的范围中，常数A₀在1.8至2.2的范围中，所述第一光栅周期d₁满足条件d₀＝A₀ d₁ sinρ，并且所述第二光栅周期d₂满足条件d₀＝A₀ d₂ cosρ，

所述方法包括：

-通过所述输入光栅将输入波束耦合到所述基片中以便形成向内耦合的波束；

-在第一位置处通过所述交叉光栅来衍射所述向内耦合的波束的光，以便提供至少第一子波束和第二子波束，所述第一子波束和所述第二子波束在不同的方向上传播；

-在第二位置处衍射所述第二子波束的光，以便提供在与所述第一子波束相同方向上传播的第三子波束；以及

-将所述第一子波束和所述第三子波束的光耦合到所述基片之外，以便形成在与所述输入波束基本相同的方向上传播的输出波束。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步地，其中所述输入光栅的光栅周期d₀在λ/2至λ的范围中，其中λ是光的预定波长。

11.一种用于扩展光束的装置，用于扩展光束的所述装置包括：

-基本上是平面的波导装置，所述波导装置用于通过全内反射来对光进行波导；

-衍射输入装置，所述衍射输入装置用于将输入波束的光耦合到所述波导装置中以形成向内耦合的光束；

-衍射装置，所述衍射装置用于通过衍射所述向内耦合的光束的光来提供子波束；以及

-衍射输出装置，所述衍射输出装置用于将所述子波束的光耦合到所述基片之外，以便提供输出波束，

其中，所述向内耦合的光束的光适于与用于提供子波束的所述衍射装置交互两次或更多次，在第一位置处的交互提供了第一子波束和第二子波束，所述第一子波束和所述第二子波束在不同的方向上传播，所述第二子波束与用于提供子波束的所述衍射装置在第二位置处的交互提供了在与所述第一子波束相同的方向上传播的第三子波束，所述输出波束适于具有与所述输入波束基本上相同的方向，所述衍射输入装置包括具有光栅周期d₀的基本上线性的衍射特征，用于提供子波束的所述衍射装置包括沿基本上平行的线的第一集合的线所布置的进一步的衍射特征，所述进一步的衍射特征还被沿基本上平行的线的第二集合的线布置，所述第一集合的线垂直于所述第二集合的线，所述第一集合具有第一光栅周期d₁，所述第二集合具有第二光栅周期d₂，所述第一集合的线相对于所述衍射输入装置的基本上线性的特征具有角度ρ，所述角度ρ在30至60度的范围中，常数A₀在1.8至2.2的范围中，所述第一光栅周期d₁满足条件d₀＝A₀ d₁ sinρ，并且所述第二光栅周期d₁满足条件d₀＝A₀ d₂ cosρ。

12.根据权利要求11所述的用于扩展光束的装置，其中所述衍射输入装置的光栅周期d₀在λ/2至λ的范围中，其中λ是光的预定波长。

13.一种包括微显示器、成像光学装置和衍射波束扩展器的设备，其中所述成像光学装置适于将所述微显示器所显示的实像转换成可通过所述衍射波束扩展器的取景孔观察的虚像，所述衍射波束扩展器进而包括：

-基本上是平面的波导基片；

-输入光栅，所述输入光栅将输入波束耦合到所述基片中以形成向内耦合的光束；

-交叉光栅，所述交叉光栅通过衍射所述向内耦合的光束的光来提供子波束；以及

-输出光栅，所述输出光栅将所述子波束的光耦合到所述基片之外以便提供输出波束，

其中，所述向内耦合的光束的光适于与所述交叉光栅交互两次或更多次，在第一位置处的交互提供了第一子波束和第二子波束，所述第一子波束和所述第二子波束在不同的方向上传播，所述第二子波束与所述交叉光栅在第二位置处的交互提供了在与所述第一子波束相同的方向上传播的第三子波束，所述输出波束适于具有与所述输入波束基本上相同的方向，所述输入光栅包括具有光栅周期d₀的基本上线性的衍射特征，所述交叉光栅包括沿基本上平行的线的第一集合的线所布置的进一步的衍射特征，所述进一步的衍射特征还被沿基本上平行的线的第二集合的线布置，所述第一集合的线垂直于所述第二集合的线，所述第一集合具有第一光栅周期d₁，所述第二集合具有第二光栅周期d₂，所述第一集合的线相对于所述输入光栅的基本上线性的特征具有角度ρ，所述角度ρ在30至60度的范围中，常数A₀在1.8至2.2的范围中，所述第一光栅周期d₁满足条件d₀＝A₀ d₁ sinρ，并且所述第二光栅周期d₁满足条件d₀＝A₀ d₂cosρ。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述波束扩展器包括两个输出光栅。

15.一种通过使用微显示器、成像光学装置和衍射波束扩展器来显示虚像的方法，所述波束扩展器包括：

-基本上是平面的波导基片；

-输入光栅，所述输入光栅将输入波束耦合到所述基片中以形成向内耦合的光束；

-交叉光栅，所述交叉光栅通过衍射所述向内耦合的光束的光来提供子波束；以及

-输出光栅，所述输出光栅将所述子波束的光耦合到所述基片之外以便提供输出波束，

其中，所述输入光栅包括具有光栅周期d₀的基本上线性的衍射特征，所述交叉光栅包括沿基本上平行的线的第一集合的线所布置的进一步的衍射特征，所述进一步的衍射特征还被沿基本上平行的线的第二集合的线布置，所述第一集合的线垂直于所述第二集合的线，所述第一集合具有第一光栅周期d₁，所述第二集合具有第二光栅周期d₂，所述第一集合的线相对于所述输入光栅的基本上线性的特征具有角度ρ，所述角度ρ在30至60度的范围中，常数A₀在1.8至2.2的范围中，所述第一光栅周期d₁满足条件d₀＝A₀ d₁ sinρ，并且所述第二光栅周期d₂满足条件d₀＝A₀ d₂ cosρ，

所述方法包括：

-通过使用所述成像光学装置来校准从所述微显示器的图像点传送的光，以便形成输入波束；

-通过所述输入光栅将所述输入波束耦合到所述基片，以便形成向内耦合的波束；

-在第一位置处通过所述交叉光栅来衍射所述向内耦合的波束的光，以便提供至少第一子波束和第二子波束，所述第一子波束和所述第二子波束在不同的方向上传播；

-在第二位置处衍射所述第二子波束的光，以便提供在与所述第一子波束相同方向上传播的第三子波束；以及

-将所述第一子波束和所述第三子波束的光耦合到所述基片之外，以便形成在与所述输入波束基本上相同的方向上传播的输出波束；

所述输出波束与对应于所述微显示器的其它图像点的其它输出波束一起，提供可通过所述输出光栅的取景孔观察的虚像。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述波束扩展器包括两个输出光栅。

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