CN101151562B - 多平面光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于传输具有波长光谱的光学设备。该设备包括设计并且构造为通过衍射将光分解成分别对应于光谱的不同子光谱的多个部分的多个光学装置，使得光的各部分在不同光学装置内传输。

Description

多平面光学设备

发明领域和背景

本发明涉及光学领域，并且更具体地涉及用于通过将光分解成两个或更多个子光谱来传输彩色光由此改进光的传输效率的方法、设备以及***。

电子装置的小型化已经成为电子领域的持续目标。电子装置经常装配有某种形式的用户可以看见的显示器。随着这些装置尺寸上的减小，存在对制造与小尺寸电子装置相容的紧凑型显示器的增长需求。除了尺度小，这种显示器不应该牺牲图像质量，并且可低成本购得。通过定义可知，以上特征是相矛盾的，并且已经进行许多尝试来提供某种平衡方案。

电子显示器可以提供实像或者提供虚像，实像的尺寸由显示装置的物理尺寸决定，虚像的尺寸可以扩大显示装置的尺度。

实像定义为投影到定位在图像位置处的观察表面上或由其显示，并由人肉眼观察的图像(到观察者不需要校正眼镜的程度)。实像显示器的实例包括阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管阵列(OLED)或者任何屏幕投影显示器。实像正常可以从大约至少25cm的距离进行观察，该距离是人眼可以对物体进行聚焦的最小距离。除非人远视(long-sighted)，否则他不能在更近的距离观察到清晰图像。

通常，桌上型电脑***以及车间计算设备采用CRT显示屏向用户显示图像。CRT显示器重量重、体积庞大并且不容易小型化。对于膝上型、笔记本型或掌上型电脑，通常使用平板显示器。平板显示器可以使用以被动矩阵或主动矩阵面板形式实现的LCD技术。被动矩阵LCD面板由水平和竖直电线栅格组成。栅格的各交叉点构成单个像素并且控制LCD元件。LCD元件允许或阻挡光通过。主动矩阵面板使用晶体管控制各像素，并且更昂贵。另一方面，主动矩阵面板通常提供更高的消光比例(暗像素和亮像素之间的差)以及更大量的灰度级，因而提供更高质量的显示。

OLED平板显示器是由有机聚合物材料制成的发光二极管阵列。现有的OLED平板显示器基于被动和主动结构两种。不同于控制光传输或反射的LCD显示器，OLED显示器发光，光强度由施加于其上的电偏压控制。由于与CRT显示器相比的紧凑性以及能量效率，平板显示器还用于小型化图像显示***。小尺寸实像显示器的展示实像的表面积相对较小，因而用于向用户提供足够信息的能力有限。换句话说，由于人眼的分辨率有限，从小尺寸实像分辨出的细节量可能不够。

与实像相对照，虚像定义为没有投影到观察表面或者没有从观察表面发射的图像，并且没有光线连接图像和观察者。虚像仅可以通过光学元件看到，例如典型的虚像可以通过放置在会聚透镜前方、透镜和其焦平面之间或者其焦平面处的物体获得。从物体上的单个点发出或反射的光线在通过透镜时分散，因而没有两束光线共用两个端点。从透镜另一侧观察的观察者将觉察到位于物体后面因而放大的图像。位于透镜焦平面的物体的虚像被称为投影到无穷远处。包括微型显示器面板和透镜的虚像显示***能够从远小于25cm的距离处观察到小尺寸但高容量的显示。从更远距离观察，这种显示***可以提供相当于高容量大尺寸实像显示***的观察能力。

传统虚像显示器公知具有许多缺点。例如，这种显示器对于舒适使用来说太重了，而且太大以至于太突出、转移人的注意并且甚至是使人迷惑。其中，这些缺陷源于在固定结构内结合相对大的光学***，以及没有充分考虑到尺寸、形状、重量等重要因素的物理设计。

最近，全息光学元件已经用于便携式虚像显示器。全息光学元件作为成像透镜以及其中二维准单色显示器成像到无穷远处并反射到观察者眼中的合并器。所有类型的全息光学元件的共同问题是它们相对高的色散。这是光源不是纯单色的应用中的主要缺点。这些显示器中某些显示器的另一个缺点是缺乏图像几何形状和全息光学元件几何形状之间的相干性，这导致了降低图像质量的图像阵列的像差。

通常涉及单个全息光学元件的新设计通过使用非球形波而不是简单的球形波进行记录而补偿了几何和彩色像差；然而它们不能克服色散问题。此外，利用这些设计，总光学***通常非常复杂并且难以制造。另外，由这些设计产生的视场通常非常小。

Upatnieks的美国专利No.4,711,512(本申请通过引用结合了其内容)描述了一种衍射平面光学平视显示器，其配置为传输图像的准直光波前(wavefront)，并允许经飞机挡风玻璃到达的光线通过并由飞行员观察。光波前经第一衍射元件进入位于飞机座舱内的细长光学元件，在光学元件内衍射成内部全反射，并通过第二衍射元件衍射出光学元件，在保持准直的同时进入飞行员眼睛的方向。然而，Upatnieks没有教导显示器如何传输宽视场，或处理宽波长光谱(以便提供彩色图像)。具体来说，Upatnieks教导了使用公知具有窄角度以及彩色响应的厚体积(thick volume)全息图，尽管其衍射效率高。

Friesem等人的美国专利No.5,966,223和No.5,682,255(本申请通过引用结合了其内容)描述了类似于Upatnieks的全息光学装置，附加方面在于第一衍射光学元件进一步作为准直元件，其准直由显示源中的各数据点发射的波并对整个视场的场像差进行校正。所讨论的视场为±6°，并且进一步讨论了在632.8nm的中心波长λ_c周围±2nm的Δλ_c为波长偏移内的低彩色灵敏度。然而，Friesem等人的衍射准直元件公知为窄光谱响应，并且±2nm的光谱范围的低彩色灵敏度变为±20nm或±70nm的不可接受的灵敏度。

Niv等人的美国专利No.6,757,105(本申请通过引用结合了其内容)提供一种用于优化多色光谱的视场的衍射光学元件。该光学元件包括透光基板和形成于其内的线性光栅。Niv等人教导了如何选择线性光栅的栅距和透光基板的折射率以便捕获具有预定光谱并由预定视场表征的光束，以便通过内部全反射在透光基板内传播。Niv等人还公开了一种结合上述衍射光学元件的光学装置，以便将一般的光和具体的图像传输到用户眼中。

Niv等人的美国专利申请No.10/896,865和No.11/017,920公开了一种双目装置，其中光通过衍射元件衍射进入透光基板并在基板内以两个方向传播。随后，光通过左衍射元件和右衍射元件衍射出基板进入用户眼中。这种装置使用众所周知的人类视觉***的生理机制基于若干部分推断出完整的图像。左衍射元件和右衍射元件将不同的非对称视场提供到用户的每个眼中，但用户感觉到比两个非对称视场中的每一个都宽的双目对称视场。

众所周知，光的衍射和传输效率取决于光的波长(颜色)。现有技术的虚像装置设计为对特定颜色具有最大衍射和传输效率，同时导致其它颜色的较低衍射和传输效率。因而，由于不均匀的颜色亮度，这种装置的结果图像受到低质量的影响。

因而，存在对一种用于没有上述限制地传输光的设备、***和方法的广泛认可的需要，并且这种设备、***和方法是特别有利的。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于传输由彩色光源产生的光的光学设备，该光具有波长光谱，该设备包括多个设计并构造为将光分解成分别与光谱的不同子光谱对应的多个部分的光学装置，使得该多个部分的各部分在不同光学装置内有效传输。

根据下文描述的本发明的优选实施例中进一步的特征，各光学装置包括透光基板，该透光基板形成有设计并构造为将光的相应部分衍射到透光基板内的至少一个输入光学元件，以便允许光通过内部全反射(total internal reflection)在透光基板内传播。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，不同透光基板的输入光学元件间至少部分重叠。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，各光学装置由等于设备的总水平视场的相同水平视场所表征。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，透光基板进一步形成有至少一个输出光学元件。输出光学元件设计并构造为将光的相应部分衍射出透光基板，同时允许光的其它部分以最小衍射或不衍射通过该输出光学元件。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，不同透光基板的输出光学元件之间至少部分重叠。

根据本发明另一个方面，提供了一种用于向用户提供图像的***，该图像由具有波长光谱的光构成，该***包括：光学设备，该光学设备包括设计并构造为以一定方式分解并重组光的多个光学装置，以使光的对应于光谱的不同子光谱的不同部分在不同光学装置内有效传输，并射出光学设备至少进入用户的第一眼睛；以及用于向光学设备提供图像的图像生成装置。

根据下文描述的本发明的优选实施例中进一步的特征，各光学装置是占据不同平面的平面光学装置。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，该多个光学装置包括第一光学装置以及第二光学装置。根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，该子光谱包括第一子光谱以及第二子光谱。根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，该多个光学装置包括第一光学装置、第二光学装置以及第三光学装置。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，该子光谱包括第一子光谱、第二子光谱以及第三子光谱。

根据本发明的又一个方面，提供了一种传输具有波长光谱的光的方法，该方法包括将光分解成分别对应于光谱的不同子光谱的多个部分，以及在不同光学装置中有效传输光的各部分。

根据下文描述的本发明的优选实施例中进一步的特征，分解包括以基本排它的方式衍射光的各部分。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，该方法进一步包括重组该多个部分。根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，重组包括将各部分光衍射出相应透光基板。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，分解、传输以及重组是以一定方式进行的，使得保持了表征光的水平视场。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，最小衍射由低于百分之十的衍射效率表征。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，各光学装置的至少一个输入光学元件和至少一个输出光学元件中的每一个设计并构造为使得光线由该至少一个输入光学元件衍射到光学装置内，并由该至少一个输出光学元件以保持角度的方式衍射出光学装置。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，各光学装置的各输出光学元件设计并构造为减小由其衍射的光的预定部分的亮度非均匀性。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，输出光学元件包括多个段，该多个段中的各段由不同的衍射效率表征。根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，该多个段的衍射效率形成调和级数。根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，段的数量等于在沿输出光学元件传播时相应子光谱的光线的反射特征数。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，至少一个输出光学元件包括第一输出光学元件和第二输出光学元件。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，至少一个输入光学元件、第一输出光学元件以及第二输出光学元件设计并构造为使得光的相应部分的各光线在光学装置内分叉，并以两个基本平行的光线的形式输出透光基板。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，至少一个输入光学元件中的每一个都是独立的线性衍射光栅。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，至少一个输出光学元件中的每一个都是独立的线性衍射光栅。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，至少一个输入光学元件的线性衍射光栅和至少一个输出光学元件的线性衍射光栅具有基本相同的周期。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，至少一个输入光学元件的线性衍射光栅和至少一个输出光学元件的线性衍射光栅基本平行。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，光的相应部分的波长和表征线性衍射光栅的周期之间的比例大于或等于单位值(unity)。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，光的相应部分的波长和表征线性衍射光栅的周期之间的比例小于透光基板的折射率。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，该设备或***进一步包括用于准直光的准直器。根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，准直器包括会聚透镜。根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，准直器包括衍射光学元件。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，表征内部全反射的最大衍射角相对透光基板的垂直方位等于大约80度。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，选择表征内部全反射的最大衍射角，以便允许在透光基板内的预定距离内进行至少一次反射。根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，该预定距离为从大约25mm到大约80mm。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，透光基板的厚度为从大约0.5mm到大约5mm。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，透光基板的厚度大于光谱的最短波长十倍。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，透光基板选自玻璃和透明聚合物。

根据所描述的优选实施例的更进一步的特征，水平视场为至少16度，更优选为至少20度，还更优选为至少24度。

本发明通过提供用于有效传输彩色光的设备、***和方法成功解决了目前公知的结构的缺点。

除非以其它方式限定，本申请所使用的所有技术术语和科技术语所具有的含义与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的相同。尽管在本发明的实施或测试中可以使用与本申请所描述的方法或材料类似或等同的方法或材料，但下文描述了适当的方法和材料。在冲突的情况下，包括定义在内的专利说明书起到控制作用。此外，材料、方法和实例仅是示意性的，并不倾向于进行限制。

附图简要说明

本申请参照附图并仅通过实例对本发明进行描述。现在具体详细参照附图，要强调所显示的特定细节仅作为实例并且仅出于示意性讨论本发明优选实施例的目的，并且仅在提供认为是最有用的内容以及本发明的原理以及概念性方面的轻易理解的描述的情况下展现。在这点上，没有尝试比基本理解本发明所必须的更详细地显示本发明的结构细节，结合附图的描述使得本领域技术人员对在实践中可如何实施本发明的若干形式显而易见。

在附图中：

图1是现有技术彩色图像显示***的示意性图示；

图2是根据本发明的各种示范性实施例的适于传输具有波长光谱的光的方法的流程图；

图3a至图3b是根据本发明的各种示范性实施例的用于传输具有波长光谱的光学设备的示意性图示；

图3c是根据本发明的各种示范性实施例的输出光学元件的示意性图示；以及

图4是根据本发明的各种示范性实施例的用于向用户提供图像的***的示意性图示。

优选实施例的说明

本发明是一种可用于传输彩色光的设备、***以及方法。具体来说，本发明可用于将彩色虚像有效传输到用户眼中。

在详细解释本发明的至少一个实施例之前，要理解本发明在其应用上并不局限于后续描述中阐述或附图中所示的结构以及部件配置的细节。本发明可以采用其它实施例或以各种方式实施或实现。同样，要理解，本申请所采用的措词和术语是出于描述的目的，并不应该认为是限制。

当光线在透光基板内移动并以从表面的法线测量的角度α₁冲击其一个内表面时，它可以从该表面反射或者折射出该表面进入与基板接触的外界。光进行反射或折射所根据的条件由斯涅尔定律决定，该定律通过以下公式以数学方式给出：

n_Asinα₂＝n_Ssinα₁，    (式1)

其中n_S是透光基板的折射率，n_A是透光基板外部的介质的折射率(n_S＞n_A)，而α₂是在折射情况下光线折射出的角度。类似于α₁，α₂从表面的法线测量。透光基板外部的典型介质是折射率大约为单位值(unity)的空气。

作为一般规律，任何基板的折射率取决于冲击其表面的光的特定波长λ。给定入射角度α₁以及折射率n_S和n_A，仅对于小于n_A/n_S的反正弦值的α₁，公式1有α₂的解，n_A/n_S的反正弦值通常被称为临界角并且表示为α_c。因而，对于足够大的α₁(超过临界角)，没有满足公式1的折射角α₂，并且光能量被俘获在透光基板中。换句话说，光就像冲击到反射镜一样从内表面反射。在这些情况下，被称作发生了内部全反射。由于光的不同波长(即，不同颜色的光)对应于不同的折射率，内部全反射的条件不仅取决于光冲击基板的角度，还取决于光的波长。换句话说，对于一个波长满足内部全反射条件的角度对于不同波长不满足该条件。

在平面光学元件中，存在设计为将光耦合到透光基板，并提供适当的内部全反射条件使得光在预定的光学距离上在透光基板内传输的各种光学元件。通常，这种元件以线性光栅形式制造，该线性光栅位于光线入射点或与光线入射点相反的透光基板的一个表面上。线性光栅由所谓光栅周期或者光栅栅距d表征，其直接与光的波长λ以及光线分别入射到透光基板和衍射到内部的角度α_I和α_D相关。该关系由以下公式给出：

n_ssinα_D-n_Asinα_I＝±λ/d    (式2)

根据公知的惯例，如果角度从表面的法线顺时针测量，则α_I和α_D的符号是正的，否则是负的。公式2的RHS的两种符号与对应于相反方向的衍射的两种可能的衍射级+1和-1相关，也就是说，分别“向右衍射”和“向左衍射”。

指定为控制光的任何光学元件可由该光学元件可以进行操作的容许入射角的范围表征。该数值在文献中被称作“水平视场”。对于将光耦合到透光基板中并提供内部全反射条件的光学元件(例如，线性光栅)，水平视场定义为实现内部全反射条件的入射角范围。“水平视场”在本申请中简称为“视场”。

视场可以以包含方式(inclusively)表示，在这种情况下在其值对应于最小入射角和最大入射角之间的差，或者以显性方式(explicitly)表示，在这种情况下视场具有某种形式的数学范围或集合。因而，例如，最小入射角α跨越到最大入射角β的视场

可以包含地表示为

＝β-α，以及排它地表示为

＝[α，β]。最小入射角和最大入射角还称为任意组合的最左入射角和最右入射角或顺时针和逆时针视场角。

Niv等人的美国专利No.6,757,105(本申请通过引用结合了其内容)描述了一种用于计算线性衍射光栅视场的方法。简要来说，对于周期为d的线性衍射光栅，例如可向右衍射的最大视场

＝[α_I ^FOV-，α_I ^FOV+]可以以如下方式进行计算：

首先，将临界角α_c带入公式2中的衍射角α_D：

n_Ssinα_c-n_Asinα_I ^FOV-＝λ/d    (式3)

带入内部全反射条件(sinα_c＝n_A/n_S)，获得：

n_A(1-sinα_I ^FOV-)＝λ/d    (式4)

第二，定义α_D的最大容许值，也就是说，α_D ^Max＝80°，并求解公式4的α_I ^FOV+：

n_Ssinα_D ^Max-n_Asinα_I ^FOV+＝λ/d。

本领域普通技术人员可以对向左的衍射进行类似计算。

如上文背景技术部分所声明的，光的衍射效率取决于光的波长。如本领域普通技术人员所知道的，当使用衍射效应将光从一个位置传输到另一个位置时(例如通过提供适于发生内部全反射的条件)，衍射效率的波长依赖性还影响光的传输效率。因而，当具有波长光谱的光经衍射光栅衍射时，光的某些波长以比其它波长低的效率衍射。

本发明成功地提供了一种用于以分解方式传输光的方法、设备以及***。

为了更好地理解图2至图4所示的本发明，首先参照图1所示的传统(即，现有技术)光学***的结构和操作。

图1是美国专利申请No.10/367,894中所描述的彩色图像显示***100的截面视图，本申请通过引用结合了其内容。***100包括三个分别形成有输入衍射光学元件(在图1分别由数字104、105和106标识)以及输出衍射光学元件(在图1中分别由数字107、108和109标识)的透明板101、102和103。输入衍射光学元件间隔开，使得其间在垂直于透明板的方向上不存在重叠。***100进一步包括用于分别供给输入衍射光学元件104、105和106的三个单色图像源110、111和112。

因此，***100由分别具有输入衍射光学元件、透明板、输出衍射光学元件以及单色图像源的三个单色图像显示***组装而成。构成由图像源112产生的红色图像的红光经元件106进入板103，通过内部全反射经板103传播，并经元件109射出。构成由图像源111产生的绿色图像的绿光经元件105进入板102，经板102传播并经元件108射出。射出后，绿色光线入射到板103上，在没有衍射的情况下穿透并经元件105射出。以类似的方式，构成由图像源110产生的蓝色图像的蓝光经元件104进入板101，经板101传播并经元件107射出。蓝色光线通过板102和103的输出元件穿透板102和103。分开产生的单个红色、绿色和蓝色图像因而在出口组合并以彩色图像形式由眼睛119观察。

因而，***100对于向用户提供由三个间隔开的单色图像源产生的彩色图像有用。在***100中，空间分开的单色光束传输到单个输入元件内，并且在入射光束之间不存在重叠，在元件104、105和106之间也不存在重叠。因而，在单个光束中辐射宽波长光谱的单个彩色图像源无法通过***100获益。

在构思本发明的同时，本发明人实现了通过首先将光分解成单个子光谱并使用不同的光学装置传输各子光谱使彩色光(例如，由单个彩色图像源发出的光)可以有效传输。

现在参照图2，图2是根据本发明的各种示范性实施例的适用于传输具有波长光谱的光(即，彩色光)的方法的流程图。该方法从步骤10开始并继续到步骤12，其中光分解成多个部分，光的各部分对应于不同子光谱。因而，从来自特定方向的彩色光线分解成两个或更多个分别属于不同子光谱的光线的意义上讲，光的分解可以认为是光谱分解。

因而，不同于其中光必须由多个单色图像源产生以便允许图像有效传输的现有技术***100，由于本实施例将彩色光束成功分解成多个子光谱，本实施例可以传输由单个彩色源产生的彩色光束。

要理解，子光谱的数量不必等于光线中存在的单个波长的数量，尽管这种实施例并不排除在本发明的范围内。

在本发明的各种示范性实施例中，采用相对少数量的子光谱(例如，2，3，4)。在其中使用两个子光谱的优选实施例中，一个子光谱可以包括红色或近红色波长，并且一个子光谱可以包括蓝色和近蓝色波长。在其中使用三个子光谱的优选实施例中，附加子光谱可以包括绿色以及近绿色波长。在本发明的各种示范性实施例中，在子光谱之间存在一定的重叠。例如，在上文两个子光谱的实施例中，第一子光谱可以包括从大约540到大约650nm的波长，对应于光谱的红色部分，而第二子光谱可以包括从大约460到大约570nm的波长，对应于光谱的蓝色部分。因而，在本示范性实施例中，两个子光谱具有大约30nm的重叠。

如本申请所使用的，用语“大约”是指±10％。

该方法继续到步骤14，其中光的各部分在不同光学装置中传输。在本发明的各种示范性实施例中，用于传播部分光的光学装置是占据不同(优选平行)平面的平面光学装置。因而，本实施例的方法成功传输不同子光谱通过不同平面。传输分解光的优点在于各部分光的传输效率可以定制到其光谱范围，因而优化了总传输效率。

根据本发明的优选实施例，该方法继续到步骤16，其中对子光谱进行重组，以便重建原始光束的光谱。如下文进一步细化的，光可以由图像生成装置产生，在这种情况下，光携带图像信息。在这些实施例中，该方法的步骤12将图像分解成分别具有不同光谱范围的多个部分图像，而步骤16通过重组预先形成的部分图像的光谱范围重建原始图像。

该方法在步骤18中结束。

使用图3a至图3b中示意性显示的光学设备20可以实现上述方法步骤。设备20优选包括多个光学装置22。光学装置将光分解成多个部分，其中各部分对应于不同子光谱。各光学装置传输光的一部分，优选在不同平面内。图3a至图3b所示的是两个这样的光学装置，标记为22a和22b。在图3a至图3b中由两条光线24a和24b所代表的光以分解方式传输通过设备20：光线24a传输通过装置22a，而光线24b传输通过装置22b。

分解优选在光进入各单个光学装置的入口实现。更具体地，第一光学装置(例如，装置22a)俘获光的第一部分(例如，光线24a)，并允许其它部分(例如，光线24b)继续到下一个光学装置(例如，装置22b)等等。根据本发明的优选实施例，各光学装置包括形成有一个或多个输入光学元件28的透光基板26。输入光学元件以基本排它的方式将光的相应部分衍射到透光基板中。

本申请所使用的术语“衍射”是指透射模式或反射模式中波前传输方向上的变化Δθ。在透射模式中，“衍射”是指在通过光学元件的同时波前的传输方向的变化；在反射模式中，“衍射”是指在反射出光学元件的同时波前传播方向上的变化。优选的，“衍射”是指不同于其中反射角等于入射角的传统定义的反射的传播方向上的变化。在角度的术语学中，Δθ在传输模式中小于90°，而在反射模式中大于90°。

如本申请所使用的，“以基本排它方式的衍射”是指其中光的部分X衍射，而光的所有其它部分不衍射或以相对部分X的衍射效率受抑制的衍射效率进行部分衍射。

可以通过并不意在作为限制的后续数字表示的实例更好地理解排它性衍射。假设特定光学装置指定用于传输蓝色或近蓝色光，也就是说，波长为400-500nm的光。对于该范围(400≤λ≤500)内的非极化光的波长λ，光学装置的输入光学元件以15％-30％的衍射效率将光衍射到透光基板中。另一方面，对于λ

[400，500](例如，光的红色或近红色部分)，输入光学元件根本不衍射该光，或者以非常低的衍射效率部分衍射，例如，低于10％，更优选低于7％，还更优选低于5％。

在图3a中显示了上述实例的图示。光线24a和24b均入射到装置22a的输入光学元件28a上。元件28a有效衍射光线24a(蓝线)，光线24a因而通过内部全反射在基板26a内传播。光线24a的传播显示成代表光线24a从基板26a的表面反射的断开的蓝线。光线24b(红线)也进入基板26a，但仅经历了低效率的部分衍射。光线24b的部分衍射显示成代表从基板26a的表面大角度反射的断开的细红线。光线24b所携带的大部分光能没有被俘获在基板26a内，而是在装置22b的基板26b的方向上继续，并入射到输入光学元件28b上，输入光学元件28b在图3的示意性实例中形成在基板26b入口面。在入射到元件28b上后，光线24b有效衍射到基板26b内并通过内部全反射在其中传播。这种传播显示成代表光线24b从基板26b的表面反射的断开的红线。输入元件优选设计为使得光线24b在基板26b内的衍射角远小于光线24b在基板26a内的衍射角。根据本发明的优选实施例，输入元件设计为使得光线24b在基板26b内的衍射角与光线24a在基板26a内的衍射角基本相同。

在本发明的各种示范性实施例中，输入光学元件定位成使得其间形成足够的空间重叠。换句话说，当从垂直于透光基板的方向上观察，输入光学元件至少部分叠合。输入光学元件之间的重叠优选为至少50％，更优选至少75％，还更优选至少95％(例如，100％)。输入光学元件之间的重叠允许没有被一个光学元件有效衍射的光线以最小衍射或不衍射继续到下一个光学元件。在图3a的示范性实施例中，元件28a和28b之间的重叠允许没有被元件28a有效衍射的光线24b入射到元件28b上。

在入射到元件28b上后，光线24b有效衍射到基板26b内并通过内部全反射在其中传播。这种传播显示成代表光线24b从基板26b的表面反射的断开的红线。

图3中的入射光线垂直于光学装置的表面绘制(根据上述惯例，零入射角)。当元件28a和28b是线性衍射光栅时，两条光线的衍射角之间的关系可通过代入α_I＝0由公式2计算：

sinα_D，24b/sinα_D，24a＝λ_24b/λ_24a    (式5)

其中α_D，24a，λ_24a，α_D，24b和λ_24b分别是光线24a和24b的衍射角以及波长。作为数字实例，如果基板26a的折射率为1.66，光线24a的波长为470nm，光线24b的波长为620nm，而元件28a的光栅周期为389nm，那么光线法线入射到元件28a上后，光线24a以46.7°的角度衍射，而光线24b以73.8°的角度衍射。

还可以选择元件28a的光栅周期和折射率，使得光线24b根本不衍射。例如，如果基板的折射率n_S＝1.5，光线的法线入射导致元件28a不对光线24b进行衍射。

倾斜光线以不同角度衍射，并且可以根本不衍射。在图3b中显示了这种情况。光线24a和24b此时与基板26a的表面倾斜(非零入射角)，并且光线24a由元件28a排它性衍射。光线24b的全部光能进入基板26b，由元件28b衍射(其特别为光线24b的光谱范围设计)并在基板26b内传播。

如本领域普通技术人员所知道的，当入射角不在光学装置的视场内时，两个光线均未俘获在透光基板内。

设备20优选由宽水平视场表征。根据本发明的优选实施例，设备20的水平视场以包含方式表示优选至少16°(例如，±8°的入射角)，更优选至少20°(例如，±10°的入射角)，再优选至少24°(例如，±12°的入射角)。根据本发明的优选实施例，各光学装置以及所有光学装置由设备20的同一视场所表征。本实施例的优点在于在整个视场上传输所有的颜色。

一般来说，可以通过选择一组校准参数并构造光学装置使得对于校准参数的特定选择，所有光学装置分别将部分光衍射过基本相同的衍射角来实现所有光学装置的共同视场。校准参数优选是进行校准的光学装置的入射角、各子光谱的代表性波长、透光基板的折射率以及类似参数。对于图3a至图3b所示的结构，子光谱的代表性波长是装置22a的第一代表性波长λ₁以及装置22b的第二代表性波长λ₂。例如，当装置22a指定用于传输蓝色以及近蓝色波长，并且装置22b指定用于传输红色以及近红色波长时，λ₁可以是蓝光的典型波长(也就是，470nm)，而λ₂可以是红光的典型波长(也就是，620nm)。

因而，可以通过要求以预定入射角α_I入射到装置22a上的波长λ₁的光线的衍射角等于以相同入射角α_I入射到装置22b上的波长λ₂的光线的衍射角而实现两个装置的共同视场。方便地，但不是强制性地，如图3a中所示的，基板26a和26b的折射率可以相同，并且校准入射角α_I可以设定为零。利用校准参数的这种选择，上述相等的衍射角可以通过将元件28a构造成周期为d₁的线性衍射光栅，并将元件28b构造成周期为d₂的线性衍射光栅而实现，其中d₁和d₂满足d₁/d₂＝λ₁/λ₂。这种节制的选择(continent choice)可以普及到多于两个的光学装置。例如，当采用三个光学装置时，输入元件的光栅周期可以设定为满足d₁∶d₂∶d₃＝λ₁∶λ₂∶λ₃。

作为数字实例，假设由装置22a和22b传输的子光谱可以由λ₁＝470nm和λ₂＝620nm表示。进一步假设对两个装置22a和22b均希望实现±12°的视场。对两个透光基板使用相等的折射率，并且元件28a的光栅周期为d₁＝389nm，而元件28b为d₂＝513nm可以实现这种视场。在这种条件下，整个视场内的光线经受由相应输入光学元件以相对大的衍射效率进行的衍射。在本发明的各种示范性实施例中，两个基板具有相等或相似的折射率，该折射率选择为使得ns≥(λ/d+n_Asinα_I ^FOV+)/sinα_D ^Max。由于基板的折射率越高导致整个视场内的衍射角跨度越低，优选结构是使用相对高的折射率，以便最小化或降低衍射角的跨度。如下文进一步细化的，在装置还包括输出光学元件并且希望获得基本均匀量度的输出光时，本实施例特别有用。

在本发明的各种示范性实施例中，各透光基板进一步形成有一个或多个输出光学元件30。图3a至图3b所示的是两种输出光学元件(每个基板一种)：形成在基板26a中的元件30a以及形成在基板26b中的元件30b。元件30用于通过将光耦合出设备20而重组光的各部分。类似于输入光学元件，各输出光学元件将光的相应部分衍射出相应的透光基板，并允许光的其它部分以最小的衍射或不衍射通过。例如，24a由元件30a衍射出基板26a，并以最小的衍射或不衍射通过元件30b。元件30b将光线24b以排它方式衍射出基板26b，并且两个光线重组成原始光线。

图3a至图3b显示了其中元件30b不衍射光线24a的示范性情况。要衍射出光学装置的光线是否成功入射到一个输出光学元件上取决于光的波长、入射到输入光学元件上的初始角度、输入和输出光学元件的尺寸和其间的距离以及光学装置的特征。无论如何，各光学装置设计为以预定衍射角并以最佳效率衍射预定波长并且预定入射角度的光。作为数字实例，当装置22b设计为通过以最大效率衍射波长为513nm的红光而提供[-12°，+12°]的水平视场时，波长为470nm的蓝光不被同一装置衍射成入射角低于4.8°内部全反射，并且以相对的效率衍射为入射角在4.8°和12°之间。

光线优选以保持角度的方式衍射出光学装置。更具体的，无论特定光线是否通过衍射射出一个透光基板，光线的出射角度基本等于光线冲击基板的角度。参照图3a至图3b，光线24a和24b在分别在基板26a和26b内经历了多次反射的同时，光线的出射角基本等于它们的入射角，并且保持光在外部介质内的传播方向。

根据本发明的优选实施例，输出光学元件设计并构造为减小它们所衍射的那部分光的亮度非均匀性。如下文针对图3c进一步解释的，使用包括分别由不同衍射效率表征的多个段的输出光学元件可以实现这种情况。

图3c是根据本发明优选实施例的反射输出光学元件30的简化图示。光线在基板26内传播，直到它到达将光衍射出基板26的元件30。由光线携带的一部分光能由元件30衍射并射出基板26。光线的剩余部分经一定角度重新定向，这使其经历从基板26另一侧的内部全反射。在第一次反射后，光线再次冲击元件30，在此它被部分衍射出基板26并部分重新定向以便进行第二次。部分衍射以及从基板26另一侧的内部全反射沿元件30持续。

在图3c的示范性实施例中，光线沿元件30经历四次反射。为了改进出射光线的亮度均匀性，每次衍射优选以不同衍射效率发生。因而，根据本发明的优选实施例，输出光学元件的段的数量等于沿输出光学元件的反射的数量(在本实施例中为四次)。元件30的段由罗马数字I、II、III以及IV标记。

在本发明的各种示范性实施例中，输出光学元件的衍射效率形成调和级数(1/k，k＝1，2，...)。在图3c的实例中，段I、II、III以及IV的衍射效率分别为元件30的最大衍射效率的大约25％、33％、50％以及100％。出于示意性目的，在图3c中使用不同类型的线显示不同光能的反射光线：实线为携带原始光能的100％的光线，点线(75％)，短划线(50％)以及点-短划线(25％)。因而，四种衍射分别导致光线的原始光能的25％的发射，并且实现了元件30上光的均匀亮度。

另一方面，对于除了输出光学元件所设计的波长范围以外的波长，在输出光学元件宽度内存在不同次数的反射，导致这些波长在输出光学元件上的非均匀亮度。如本领域普通技术人员所知道的，这种结构使得光的重组更加有效，因而降低输出光束内的颜色失真。

对不同子光谱使用不同基板以及不同输出光学元件允许独特颜色的设计，使得各种颜色独立于其它子光谱均匀衍射出设备20并进入观察者的眼中。

可以定义“跳跃长度”(hop length)，该长度值是光线在两个连续的内部全反射点之间在基板内行进的侧向距离。跳跃长度h取决于衍射角α_D以及基板厚度t，通过以下公式：

h＝t tanα_D    (式6)。

当不同基板不具有相同折射率时，可使用公式6，并且一个基板的视场中心角的跳跃长度不同另一个基板。在这种情况下，视场中心角的跳跃长度的变化可以通过适当选择基板厚度t而消除或减小。

可以使用任意数量的输入/输出光学元件。此外，输入光学元件的数量和输出光学元件的数量可以不同，因为两个或更多个输出光学元件可以通过与其光学连通而共用同一输入光学元件，并且反之亦然。本发明的各种示范性实施例中，输入和输出光学元件是线性衍射光栅，优选是相同周期的，优选以平行方位形成在透光基板上。

输入/输出光学元件可以以任意组合占据透光基板的任意侧面。本领域普通技术人员应知道这种情况对应于透射和反射光学元件的任意组合。在图3a至图3c的示范性结构中，所有输入光学元件是透射性的并且所有输出光学元件是反射性的，但如所声明的那样，这并不必须是这种情况。

例如，假设特定光学装置包括一个形成在其透光基板第一侧面上的输入光学元件，以及一个形成在透光基板第二侧面上的输出光学元件。进一步假设光入射到基板的第一侧面上，并且希望将光衍射出第二侧面，到达用户的眼睛或者到达相邻的光学装置。在这种情况下，输入光学元件和输出光学元件均是透射性的，以便确保光经输入光学元件的进入，以及光经输出光学元件的射出。作为备选方案，如果输入光学元件形成在基板的第二侧面，而输出光学元件形成在基板的第一侧面，那么这两个元件都是反射性的。

在本发明的各种示范性实施例中，各光学装置包括两个输出光学元件。在设备20用作双目设备时本实施例特别有用，在这种情况下，第一输出光学元件和第二输出光学元件(各光学装置的)将光分别衍射到用户的左眼和右眼。在下文中将针对图4进一步细化这种结构。

如所声明的，光可以携带图像信息。理想地，在多个成像元件测量，多色图像是波长函数形式的光谱。然而，这种理想输入很难在实际***中获得。因而，本发明还解决其它形式的图像信息。可见光谱(色阶)的很大百分比可以通过以各种百分比混合红、绿和蓝色光表示，同时不同强度提供不同饱和等级。有时，可以使用除了红、绿和蓝以外的其它颜色，以便增加色阶。在其它情况下，可以使用彩色光的不同组合以便表示人可见光谱内的某些局部光谱范围。

在彩色图像的不同形式中，使用宽光谱光源，同时通过使用彩色滤光片提供图像信息。最常用的这种***是使用白光源，其具有青色滤光片、洋红色滤光片以及黄色滤光片，包括互补的黑色滤光片。使用这些滤光片可以提供与使用红、绿和蓝光源类似的光谱范围或色阶的表示，同时通过对这些滤光片使用不同的光学吸收厚度获得饱和等级，提供公知的“灰度级”。

因而，多色图像可以通过三个或更多个波道(channel)显示，例如，但不限于，红-绿-蓝(RGB)或者青色-洋红-黄色-黑色(CMYK)波道。RGB波道通常用于主动显示器***(例如，CRT或OLED)或者光闸***(例如，Digital Light Processing^TM(DLP^TM)或者利用如LED的RGB光源照明的LCD)。CMYK图像通常用于被动的显示器***(例如，打印)。其它形式也认为是在本发明的范围内。

光学装置及其部件的数量以及类型优选根据用于产生图像的光谱波道选择。例如，多色图像可以通过具有红、绿和蓝有机二极管的OLED阵列提供，由于由其发射的光波长之间的相对百分比和强度的许多不同组合，上述二极管可以被眼睛观察成颜色的连续光谱。对于这种图像，可以使用三个透光基板，每个光谱波道一个，其中各基板形成有为相应光谱波道设计的输入/输出光学元件。本发明的发明人已发现仅使用两个透光基板也可以有效传输RGB图像。

这是因为光谱的绿色部分由指定给蓝色和近蓝色光的光学装置部分衍射，并且被指定给红色和近红色光的光学装置部分衍射。一般说来，衍射到基板内和衍射出基板是互补的，使得在视场上实现总的高衍射效率和亮度均匀性。

现在参照图4，图4是根据本发明的各种示范性实施例的用于相用户提供图像的***40的示意性图示。***40优选包括光学设备(例如，设备20)以及用于向设备20提供图像的图像生成装置42。设备20以单目或双目方式传输携带图像信息的光。

在实施例中，设备20是单目光学设备，设备20的光学装置22包括单个输出光学元件(参见图3a至图3b)。在设备20是双目光学设备的实施例中，各光学装置22包括两个输出光学元件，其将光衍射到用户的第一眼睛50和第二眼睛52。如上文进一步详细描述的，在本实施例中，各输入光学元件衍射光线(相应子光谱的光线)，使得各光线分叉，在相应基板内在两个方向上传播，并以两个基本平行的光线射出基板。

在本发明的各种示范性实施例中，***40包括准直器44，优选定位在装置42和设备20之间。准直器44用于在入射到设备20上之前准直输入光，如它还没有进行准直。本领域公知的任何准直元件可用来作为准直器44，例如会聚透镜(球形或非球形)、透镜排列、衍射光学元件以及类似元件。准直过程的目的是改进成像能力。

在会聚透镜的情况下，经过典型会聚透镜的正交于透镜并通过其中心的光线定义光轴。通过透镜的光线束绕该轴线聚集，并由透镜很好地成像，例如，如果光源定位成透镜的焦平面，由光构成的图像投影到无穷远处。

其它准直装置，例如衍射光学元件，也可以提供成像功能，尽管对这种装置，不能很好地定义光轴。会聚透镜的优点是由于其绕光轴的对称性，而衍射光学元件的优点是由于其紧凑性。

图像生成装置42可以是模拟装置或数字装置。模拟图像生成装置通常包括光源以及至少一个图像载体。光源的代表性实例包括，但不限于，灯(白炽灯或荧光灯)、一个或多个LED或OLED以及类似装置。图像载体的代表性实例包括，不限于，微型幻灯片、反射性或透明微缩胶卷以及全息图。光源可以定位在图像载体前面(以便允许光从其反射)或者在图像载体后面(以便允许光经其传输)。任选并优选的，装置42包括微型CRT。微型CRT是本领域公知的，并且可以商业购得，例如，从加利福尼亚的圣何塞的Rockwell Collinsbusiness的Kaiser电子公司。

数字图像生成装置通常包括至少一个显示器。使用特定的显示器可能还需要使用光源。适用于数字图像生成装置的光源包括，不限于，灯(白炽灯或荧光灯)、一个或多个LED(例如，红、绿和蓝LED)或OLED以及类似装置。适当的显示器包括，不限于，后照明透射式或前照明反射式LCD或OLED阵列、Digital LightProcessing^TM(DLP^TM)单元、微型等离子显示器以及类似装置。主动显示器，例如OLED或微型等离子显示器，不需要使用附加光源进行照明。

透明微型LCD可以例如从马萨诸塞州的陶顿市的Kopin公司商业购得。反射型LCD可以例如从亚利桑那州的滕比的Brillian公司商业购得。微型OLED阵列可以例如从纽约的Hopewell Junction的eMagin公司商业购得。DLP^TM单元可以例如从德克萨斯州的Plano的Texas Instruments DLP^TM Products商业购得。数字微型显示器的像素分辨率可以从QVGA(320×240像素)或更小变到WQUXGA(3840×2400像素)。

***40对于扩大屏幕相对小的装置的视场特别有用。例如，蜂窝电话以及个人数字助理(PDA)公知具有相当小的机载显示器。PDA也被称为袖珍PC，例如由加利福尼亚的Palo Alto的Hewlett-Packard公司制造的商标名iPAQ^TM。尽管能够以单帧或移动图像形式存储并下载相当大量的信息，但上述装置由于它们的小尺寸显示器无法为用户提供足够大的视场。

***40可以进一步包括数据源45，数据源45通过数据源接口43与装置42通信。在接口43和数据源45之间可以建立任意类型的通信，包括，不限于，有线通信、无线通信、光通信及其任意组合。接口43优选配置为从数据源45接收图像数据流(例如，视频、图形数据等)并将数据输入到装置42。可以考虑许多类型或数据源。根据本发明的优选实施例，数据源45是通信装置，例如，不局限于，蜂窝电话、个人数字助理以及便携式电脑(膝上电脑)。数据源45的附加实例包括，不限于，电视设备、便携式电视装置、***、视频盒式记录器、数字万用盘(DVD)播放器、数字移动图片播放器(例如，MP4播放器)、数字照相机、视频图形阵列(VGA)卡，以及许多医学成像设备，例如，超声波成像设备、数字X光线设备(例如，用于计算X线断层摄影术)以及磁共振成像设备。

除了图像信息，数据源45还可以产生音频信息。音频信息由接口43接收并使用音频单元(未图示)提供给用户。

根据本发明的各种示范性实施例，数据源45以编码和/或压缩形式提供数据流。在这些实施例中，***40进一步包括用于将数据流解码和/或解压缩成装置21可识别的格式的解码器33和/或解压缩单元35。解码器33和解压缩单元35可以如所希望地以两个分开的单元或者以集成单元提供。

***40优选包括用于控制装置21的功能的控制器37，并且任选或者优选包括位于数据源45和装置21之间的信息转换器。控制器37可以控制装置21的任何显示特征，例如，但不限于，亮度、色调、对比度、像素分辨率以及类似特征。此外，控制器37可以向数据源45传输信号以便控制其操作。更具体地，控制器37可以激活、无效以及选择数据源45的操作模式。例如，当数据源45是电视设备或者与广播站进行通信时，控制器37可以选择被显示的波道；当数据源45是DVD或MP4播放器时，控制器37可以选择从其读取数据流的轨道(track)；当传输音频信息时，控制器37可以控制音频单元31的音量和/或数据源45。

***40或其一部分(例如，设备20)可以与可佩戴的装置集成，例如，但不限于，头盔或者眼镜，以便允许用户观察图像，优选在不必用手保持设备20的情况下。

设备20还可以与视力校正装置结合使用，例如，一个或多个用于校正近视的校正镜片。在本实施例中，视力校正装置优选定位在眼睛和设备20之间。

***40或其一部分还可以适于固定在现有可佩戴装置上。例如，设备20可以制造成可安装在用户眼镜上的眼镜腿或者可以安装在头盔屏上的头盔附件。

在上述任意实施例中，***或设备可以作为添加物提供给数据源或能够传输图像数据的任何其它装置。此外，本实施例还可以作为包括数据源、图像产生装置、双目设备以及任选的可佩戴装置的成套工具使用。例如，当数据源是通信装置时，本实施例可以是作为成套通信工具使用。

上述任意实施例可以通过光学装置22，并且更具体的输入/输出光学元件和透光基板的明智设计成功实现。

例如，如所声明的，输入和输出光学元件可以是具有相同周期并且处于平行方位的线性衍射光栅。这种实施例是有利的，因为它是保持角度的。具体来说，线性光栅的相同周期以及平行性确保了射出基板的光线之间的相对方位类似于它们入射到输入光学元件之前的相对方位。在设备20是用于传输图像的双目光学设备的实施例中，保持角度的结构确保了从图像的特定点发出的光线以两个平行光线到达双眼。因而，由于在空间中以相同角度到达，这种光线可以被双眼观察到。应该知道，不同于必须进行光学元件的相对定位和/或相对对准的现有技术双目装置，利用这种结构，可以在不引起眼睛疲劳或给观察者带来任何不便的情况下轻易地获得观察的会聚性。

根据本发明的优选实施例，在各光学装置中，光的相应部分的波长λ与线性衍射光栅的周期d之间的比例大于或者等于单位值：

λ/d≥1    (式7)。

在另一个实施例中，比例λ/d小于透光基板的折射率n_S。更具体的，可以选择d和n_S以便满足以下不等式：

d＞λ/(n_Sp)    (式8)

其中p是小于1的预定参数。

P的值优选为sin(α_D ^MAX)，其中α_D ^MAX是光的相应部分的最大衍射角。因为对α_D ^MAX基本不存在理论限制(除了要求它的绝对值小于90°)，它可以根据任何实际考虑进行选择，例如成本、可用性或者某些小型化需要所导致的几何限制。

因而，在一个实施例中，在本申请中进一步称为“至少一个跳跃”的实施例，选择α_D ^MAX以便允许可以从大约25mm变化到大约80mm的预定距离x内进行至少一次反射。

例如，对于折射率n_S＝1.5并且厚度为2mm的玻璃透光基板，在34mm的距离x内波长为465nm的光的发生单次内部全反射对应于α_D ^MAX＝83.3°。

在另一实施例中，进一步称为“平的”实施例，选择α_D ^MAX以便减少透光基板内发生反射的次数，例如，通过增加所有衍射角足够小的需要，也就是说低于80°。

在附加实施例中，特别适用于透光基板的折射率已经公知的那些工业情况，(例如当设备20倾向于与包括特定透光基板的给定装置同时操作时)，公式7可以进行反转以便获得p的值，因而也获得α_D ^MAX＝sin^-1p的值。

根据本发明的优选实施例，对于每个子光谱，优选选择光栅周期以便使子光谱的最短波长满足公式6，而子光谱的最长波长满足公式7。具体来说：

λ_S/(n_Sp)≤d≤λ_L    (式9)

其中λ_S和λ_L分别是相应子光谱的最短和最长波长。注意到，在这些条件下，根据公式8，基板的折射率应满足n_Sp≥_L/λ_S。

光栅周期还可以小于λ_S+λ_L和，例如：

$d=\frac{{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\λ}}_L}{n_S\sin \left({\mathrm{\α}}_D^{\mathrm{MAX}}\right)+n_A}.$                    式(10)

根据本发明的优选实施例，其中各光学元件的线性光栅可以通过全息技术、通过电脑生成掩模和光刻技术、通过直写技术、通过压花或蚀刻或者通过本领域公知的其它过程进行记录。

应该理解，透光基板可以由能够使光经其传输的任何材料制成，例如，但不限于，在可见光情况下的玻璃或透明聚合物。在任何情况下，透光基板材料的折射率应该大于空气或者包围透明基板的材料的折射率。

本发明的所有实施例的优选技术细节如下。透光基板的厚度t在大约0.5mm和大约5mm之间，更优选从大约2mm到大约3mm。在本发明的各种示范性实施例中t＞10λ_L。透光基板的宽度/长度优选从大约10mm到大约100mm。对于不同光学应用，例如美国专利No.5,966,223所描述的近眼显示器，输入和输出光学元件的典型宽度/长度发生从大约5mm变化到大约20mm。如所提到的，优选水平视场以包含方式表示至少为16度，更优选为至少20度，最优选为至少24度。优选光谱跨越至少100nm。更具体的，光谱λ_B的最短波长一般对应于典型波长为大约400到大约500nm之间的蓝光，最长波长λ_R一般对应于典型波长在大约600到大约700nm之间的红光。

要知道，为了清楚起见在独立实施例中描述的本发明的特定特征也可以在单个实施例中以组合方式提供。反过来，为了简洁起见在单个实施例中描述的本发明的各种特征可以单独或以任何适当的子组合方式提供。

尽管已经结合其特定实施例描述了本发明，但显然许多备选方案、修改以及变形对于本领域技术人员显而易见。因而，倾向于包括落在所附权利要求的精神和更宽范围内的所有这样的备选方案、修改以及变形。说明书中提到的所有出版物、专利以及专利申请通过引用将其全部内容在说明书内结合到好像每个出版物、专利或专利申请具体并单独指出通过引用结合在本申请中的程度。此外，本申请中的任何参考文献的引用或证明不应解释为承认这种参考文献可作为本发明的现有技术。

Claims (99)

1.一种用于传输由彩色光源产生的光的光学设备，所述光具有波长光谱，所述设备包括多个光学装置，所述多个光学装置中的各光学装置具有形成有至少一个衍射性输入光学元件的透光基板，所述至少一个衍射性输入光学元件设计并构造为将所述光的光谱的部分基本排它地衍射到所述透光基板内，使得所述光的所述部分通过内部全反射在所述透光基板内传播，其中，所述光的各光谱的部分对应所述光谱的子光谱，并且其中，所述光的不同光谱的部分在不同透光基板内传播。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述透光基板进一步形成有至少一个衍射性输出光学元件，所述至少一个衍射性输出光学元件设计并构造为将所述光的相应部分衍射出所述透光基板，同时允许所述光的其它部分以最小的衍射或不衍射通过所述至少一个衍射性输出光学元件。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：各光学装置是占据不同平面的平面光学装置。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：不同透光基板的输入光学元件之间至少部分重叠。

5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：不同透光基板的输出光学元件之间至少部分重叠。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述设备由预定水平视场表征，其中，所述多个光学装置的各光学装置也由所述预定水平视场表征。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述多个光学装置包括第一光学装置和第二光学装置。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述多个光学装置包括第一光学装置、第二光学装置和第三光学装置。

9.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：所述最小衍射由小于百分之十的衍射效率表征。

10.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：各光学装置的所述至少一个输入光学元件和所述至少一个输出光学元件中的每一个都设计并构造为使得光线由所述至少一个输入光学元件衍射到所述光学装置内，并由所述至少一个输出光学元件以保持角度的方式衍射出所述光学装置。

11.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：各光学装置的各输出光学元件设计并构造为减小由其衍射的所述光的预定部分的亮度非均匀性。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于：所述输出光学元件包括多个段，所述多个段中的各段由不同衍射效率表征。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于：所述多个段的衍射效率形成调和级数。

14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于：所述段的数量等于相应子光谱的光线在沿所述输出光学元件传播时的反射特征数。

15.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：所述至少一个输出光学元件包括第一输出光学元件和第二输出光学元件。

16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于：所述至少一个输入光学元件、所述第一输出光学元件以及所述第二输出光学元件设计并构造为使得所述光的所述相应部分的各光线在所述光学装置内分叉，并以两个基本平行的光线的形式射出所述透光基板。

17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述至少一个输入光学元件中的每一个独立地为线性衍射光栅。

18.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：所述至少一个输入光学元件中的每一个和所述至少一个输出光学元件中的每一个都独立地为线性衍射光栅。

19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于：所述至少一个输入光学元件的所述线性衍射光栅和所述至少一个输出光学元件的所述线性衍射光栅具有基本相同的周期。

20.根据权利要求18所述的设备，其特征在于：所述至少一个输入光学元件的所述线性衍射光栅和所述至少一个输出光学元件的所述线性衍射光栅基本平行。

21.根据权利要求18所述的设备，其特征在于：所述光的所述相应部分的波长与表征所述线性衍射光栅的周期的比例大于或等于单位值。

22.根据权利要求18所述的设备，其特征在于：所述光的所述相应部分的波长与表征所述线性衍射光栅的周期之间的比例小于所述透光基板的折射率。

23.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述设备进一步包括用于准直所述光的准直器。

24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于：所述准直器包括会聚透镜。

25.根据权利要求23所述的设备，其特征在于：所述准直器包括衍射性光学元件。

26.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：表征所述内部全反射的最大衍射角相对所述透光基板的垂直方位等于大约80度。

27.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：选择表征所述内部全反射的最大衍射角，以便允许在所述透光基板内的预定距离内进行至少一次反射。

28.根据权利要求27所述的设备，其特征在于：所述预定距离为从大约25mm到大约80mm。

29.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述透光基板的厚度为从大约0.5mm到大约5mm。

30.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述透光基板的厚度大于所述光谱的最短波长十倍。

31.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述透光基板选自由玻璃和透明聚合物。

32.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：所述水平视场为至少16度。

33.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：所述水平视场为至少20度。

34.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：所述水平视场至少为24度。

35.一种用于向用户提供彩色图像的***，所述图像由具有波长光谱的光组成，所述***包括：

包括设计并构造为以一定方式分解并重组所述光的多个光学装置的光学设备，所述方式使得对应于所述光谱的不同子光谱的所述光的不同光谱的部分在不同光学装置内有效传播，并从所述光学设备射出到所述用户的至少第一眼睛内；以及

用于为所述光学设备提供所述图像的彩色图像生成装置；

其特征在于：

所述多个光学装置的各光学装置具有形成有至少一个衍射性输入光学元件和至少一个衍射性输出光学元件的透光基板；

其中，所述至少一个衍射性输入光学元件设计并构造为将所述光的光谱的部分基本排它地衍射到所述透光基板内，使得所述光的所述部分通过内部全反射在所述透光基板内传播，并且

其中，所述至少一个衍射性输出光学元件设计并构造为将所述光的所述光谱的部分基本排它地衍射出所述透光基板。

36.根据权利要求35所述的***，其特征在于：各光学装置是占据不同平面的平面光学装置。

37.根据权利要求35所述的***，其特征在于：所述至少一个衍射性输出光学元件设计并构造为将所述光的相应光谱的部分衍射出所述透光基板，同时允许所述光的其它光谱的部分以最小的衍射或不衍射通过所述至少一个衍射性输出光学元件。

38.根据权利要求35所述的***，其特征在于：不同透光基板的输入光学元件之间至少部分重叠。

39.根据权利要求35所述的***，其特征在于：不同透光基板的输出光学元件之间至少部分重叠。

40.根据权利要求35所述的***，其特征在于：所述***由预定水平视场表征，其中，所述多个光学装置的各光学装置也由所述预定水平视场表征。

41.根据权利要求35所述的***，其特征在于：所述多个光学装置包括第一光学装置和第二光学装置。

42.根据权利要求35所述的***，其特征在于：所述多个光学装置包括第一光学装置、第二光学装置和第三光学装置。

43.根据权利要求37所述的***，其特征在于：所述最小衍射由小于百分之十的衍射效率表征。

44.根据权利要求37所述的***，其特征在于：各光学装置的所述至少一个输入光学元件和所述至少一个输出光学元件中的每一个都设计并构造为使得光线由所述至少一个输入光学元件衍射到所述光学装置内，并由所述至少一个输出光学元件以保持角度的方式衍射出所述光学装置。

45.根据权利要求37所述的***，其特征在于：各光学装置的各输出光学元件设计并构造为减小由其衍射的所述光的预定部分的亮度非均匀性。

46.根据权利要求45所述的***，其特征在于：所述输出光学元件包括多个段，所述多个段中的各段由不同衍射效率表征。

47.根据权利要求46所述的***，其特征在于：所述多个段的衍射效率形成调和级数。

48.根据权利要求46所述的***，其特征在于：所述段的数量等于相应子光谱的光线在沿所述输出光学元件传播时的反射特征数。

49.根据权利要求37所述的***，其特征在于：所述至少一个输出光学元件包括第一输出光学元件和第二输出光学元件。

50.根据权利要求49所述的***，其特征在于：所述至少一个输入光学元件、所述第一输出光学元件以及所述第二输出光学元件设计并构造为使得所述光的所述相应部分的各光线在所述光学装置内分叉，并以两个基本平行的光线的形式射出所述透光基板。

51.根据权利要求35所述的***，其特征在于：所述至少一个输入光学元件中的每一个独立地为线性衍射光栅。

52.根据权利要求35所述的***，其特征在于：所述至少一个输入光学元件中的每一个和所述至少一个输出光学元件中的每一个都独立地为线性衍射光栅。

53.根据权利要求52所述的***，其特征在于：所述至少一个输入光学元件的所述线性衍射光栅和所述至少一个输出光学元件的所述线性衍射光栅具有基本相同的周期。

54.根据权利要求52所述的***，其特征在于：所述至少一个输入光学元件的所述线性衍射光栅和所述至少一个输出光学元件的所述线性衍射光栅基本平行。

55.根据权利要求52所述的***，其特征在于：所述光的所述相应部分的波长与表征所述线性衍射光栅的周期的比例大于或等于单位值。

56.根据权利要求52所述的***，其特征在于：所述光的所述相应部分的波长与表征所述线性衍射光栅的周期之间的比例小于所述透光基板的折射率。

57.根据权利要求35所述的***，其特征在于：所述***进一步包括用于准直所述光的准直器。

58.根据权利要求57所述的***，其特征在于：所述准直器包括会聚透镜。

59.根据权利要求57所述的***，其特征在于：所述准直器包括衍射性光学元件。

60.根据权利要求35所述的***，其特征在于：表征所述内部全反射的最大衍射角相对所述透光基板的垂直方位等于大约80度。

61.根据权利要求35所述的***，其特征在于：选择表征所述内部全反射的最大衍射角，以便允许在所述透光基板内的预定距离内进行至少一次反射。

62.根据权利要求61所述的***，其特征在于：所述预定距离为从大约25mm到大约80mm。

63.根据权利要求35所述的***，其特征在于：所述透光基板的厚度为从大约0.5mm到大约5mm。

64.根据权利要求35所述的***，其特征在于：所述透光基板的厚度大于所述光谱的最短波长十倍。

65.根据权利要求35所述的***，其特征在于：所述透光基板选自由玻璃和透明聚合物。

66.根据权利要求40所述的***，其特征在于：所述水平视场为至少16度。

67.根据权利要求40所述的***，其特征在于：所述水平视场为至少20度。

68.根据权利要求40所述的***，其特征在于：所述水平视场至少为24度。

69.一种传输具有波长光谱的光的方法，所述方法包括：通过衍射将所述光分解成分别对应于所述光谱的不同子光谱的多个部分，以及在不同透光基板内通过内部全反射传输所述光的各部分。

70.根据权利要求69所述的方法，其特征在于：各光学装置包括形成有至少一个输入光学元件的透光基板，所述至少一个输入光学元件将所述光的相应部分衍射到所述透光基板内，以便允许所述相应部分通过内部全反射在所述透光基板内传播。

71.根据权利要求70所述的方法，其特征在于：所述方法进一步包括重组所述多个部分。

72.根据权利要求70所述的方法，其特征在于：所述重组包括将所述光的各部分衍射出相应的透光基板。

73.根据权利要求72所述的方法，其特征在于：各透光基板进一步形成有至少一个输出光学元件，所述至少一个输出光学元件将所述光的相应部分衍射出所述透光基板并允许所述光的其它部分以最小的衍射或不衍射通过所述至少一个输出光学元件。

74.根据权利要求73所述的方法，其特征在于：各光学装置的所述至少一个输入光学元件和所述至少一个输出光学元件中的每一个都设计并构造为使得光线由所述至少一个输入光学元件衍射到所述光学装置内，并由所述至少一个输出光学元件以保持角度的方式衍射出所述光学装置。

75.根据权利要求73所述的方法，其特征在于：所述至少一个输出光学元件包括第一输出光学元件和第二输出光学元件。

76.根据权利要求75所述的方法，其特征在于：所述至少一个输入光学元件、所述第一输出光学元件以及所述第二输出光学元件设计并构造为使得所述光的所述相应部分的各光线在所述光学装置内分叉，并以两个基本平行的光线的形式射出所述透光基板。

77.根据权利要求73所述的方法，其特征在于：所述至少一个输入光学元件中的每一个和所述至少一个输出光学元件中的每一个都独立地为线性衍射光栅。

78.根据权利要求77所述的方法，其特征在于：所述至少一个输入光学元件的所述线性衍射光栅和所述至少一个输出光学元件的所述线性衍射光栅具有基本相同的周期。

79.根据权利要求77所述的方法，其特征在于：所述至少一个输入光学元件的所述线性衍射光栅和所述至少一个输出光学元件的所述线性衍射光栅基本平行。

80.根据权利要求77所述的方法，其特征在于：所述光的所述相应部分的波长与表征所述线性衍射光栅的周期的比例大于或等于单位值。

81.根据权利要求77所述的方法，其特征在于：所述光的所述相应部分的波长与表征所述线性衍射光栅的周期之间的比例小于所述透光基板的折射率。

82.根据权利要求69所述的方法，其特征在于：所述子光谱包括第一子光谱和第二子光谱。

83.根据权利要求69所述的方法，其特征在于：所述子光谱包括第一子光谱、第二子光谱和第三子光谱。

84.根据权利要求71所述的方法，其特征在于：所述分解、传输以及重组以这样的方式进行，使得保持了表征所述光的水平视场。

85.根据权利要求69所述的方法，其特征在于：所述最小衍射由小于百分之十的衍射效率表征。

86.根据权利要求69所述的方法，其特征在于：各光学装置的各输出光学元件设计并构造为减小由其衍射的所述光的预定部分的亮度非均匀性。

87.根据权利要求86所述的方法，其特征在于：所述输出光学元件包括多个段，所述多个段中的各段由不同衍射效率表征。

88.根据权利要求87所述的方法，其特征在于：所述多个段的衍射效率形成调和级数。

89.根据权利要求87所述的方法，其特征在于：所述段的数量等于相应子光谱的光线在沿所述输出光学元件传播时的反射特征数。

90.根据权利要求69所述的方法，其特征在于：所述至少一个输入光学元件中的每一个独立地为线性衍射光栅。

91.根据权利要求69所述的方法，其特征在于：表征所述内部全反射的最大衍射角相对所述透光基板的垂直方位等于大约80度。

92.根据权利要求69所述的方法，其特征在于：选择表征所述内部全反射的最大衍射角，以便允许在所述透光基板内的预定距离内进行至少一次反射。

93.根据权利要求92所述的方法，其特征在于：所述预定距离为从大约25mm到大约80mm。

94.根据权利要求69所述的方法，其特征在于：所述透光基板的厚度为从大约0.5mm到大约5mm。

95.根据权利要求69所述的方法，其特征在于：所述透光基板的厚度大于所述光谱的最短波长十倍。

96.根据权利要求69所述的方法，其特征在于：所述透光基板选自由玻璃和透明聚合物。

97.根据权利要求84所述的方法，其特征在于：所述水平视场为至少16度。

98.根据权利要求84所述的方法，其特征在于：所述水平视场为至少20度。

99.根据权利要求84所述的方法，其特征在于：所述水平视场至少为24度。

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