CN111880304A - 光学扩瞳装置和显示设备及其输出光束和显示图像的方法 - Google Patents

Abstract

一种光学扩瞳装置和显示设备及其输出光束和显示图像的方法，包括波导板(1)，波导板(1)包含第一光学衍射入瞳单元(10)，衍射输入光束(200)形成第一传导光(11)和第二传导光(12)；第二光学衍射扩瞳单元(20)，衍射所述第一传导光(11)形成第三传导光(13)；第三光学衍射扩瞳单元(30)，衍射所述第二传导光(12)形成第四传导光(14)；第四光学衍射出瞳单元(40)，衍射第三传导光(13)形成第一输出光(130)，并衍射第四传导光(14)形成第二输出光(140)；第四光学衍射出瞳单元(40)与第三光学衍射扩瞳单元(30)的重叠区域是REG1A。重叠区域REG1A不对入瞳单元衍射的光线直接衍射，实现在减小整个扩瞳装置面积的同时实现最低的串扰。

Description

光学扩瞳装置和显示设备及其输出光束和显示图像的方法

技术领域

本发明涉及一种光学扩瞳装置和显示设备及其输出光束和显示图像的方法，主要用于虚拟显示设备中。

背景技术

参照图1，现有技术中扩瞳装置EPE0包括波导板SUB01，该波导板又包括衍射入瞳单元DOE01，衍射扩瞳单元DOE02和衍射出瞳单元30。一束输入光束200在扩瞳装置EPE0中，通过多次衍射进行扩大，最后输出光束300。该耦合入瞳单元DOE01通过衍射，将输入光200衍射成第一传导的光11。通过扩瞳单元DOE02使第一传导光11衍射而形成扩展的传导光B3。通过所述衍射出瞳单元30将扩散的传导光B3衍射输出为光300。

扩瞳装置EPE0可以在方向SX和在方向SY这两个方向上扩展光束。输出光束300的宽度远大于输入光束200的宽度。扩瞳装置EPE0可以用于扩展虚拟显示设备的视瞳，以便于眼睛EYE1相对于虚拟显示设备的观察位置有更大的舒适观察位置(大eyebox)。观察者的眼睛EYE1可以在输出光束的观察位置内看到完成的虚拟图像。输出光可以包括一个或多个输出光束，其中每个输出光束可以对应于显示的虚拟图像的不同图像位置。扩瞳装置也可以称为例如扩展装置，扩展器件等。

在波导板SUB01中传播的传导光(B1，B3)的强度随着其在扩瞳装置EPE01中传播路程长度的增加而减小。同时，该传导光在扩瞳单元DOE02中经过了非常多次独立的衍射，衍射的次数和传播的距离成正比。由于从入瞳单元DOE01到所述拐角区域CRA的光路较长，因此最远(最左)拐角区域CRA的输出强度可能较低。而且，扩瞳单元DOE02也会进一步减小出光强度。

因此，在衍射出瞳单元DOE03的最远处的角区域CRA的输出光的强度会比在衍射出瞳单元DOE03的中心POS3c的输出光的强度低很多。最终导致图1中的扩瞳装置EPE0的输出光的空间强度分布可能是不均匀的。

另外，由于扩瞳装置EPE0只是通过衍射入瞳单元DOE01，衍射扩瞳单元DOE02和衍射出瞳单元DOE03形成了，由传导光(B1，B3)组成的单一传导通道，导致最终在衍射出瞳单元DOE03出射的输出光束OUT1的角度受限，眼睛EYE1位置无法获得更大的视场角度(FOV)，图像的角落也会出现色偏或者暗区。

发明内容

本发明提出一种新的扩瞳装置，同时提出一种扩展光束的方法，同时提出一种显示装置，并提出一种用于显示图像的方法，用于扩大视场角度(FOV)，并提升输出光的均匀性，并压缩波导面积。

根据整体原理，本发明提出了一种光束扩瞳装置(100)，包括波导板(1)，其特征在于，所述波导板(1)包含：第一光学衍射入瞳单元(10)，用于衍射输入光束(200)形成第一传导光(11)和第二传导光(12)；第二光学衍射扩瞳单元(20)，用于衍射所述第一传导光(11)以形成第三传导光(13)；第三光学衍射扩瞳单元(30)，用于衍射所述第二传导光(12)以形成第四传导光(14)；以及，第四光学衍射出瞳单元(40)，用于衍射第三传导光(13)以形成第一输出光(130)，并衍射第四传导光(14)以形成第二输出光(140)；其中，所述第一传导光(11)在第一方向(DIR1)上传播，所述第二传导光(12)在第二方向(DIR2)上传播；所述第一方向(DIR1)与第二方向(DIR2)之间形成的夹角的角度为12，所述12在45°至135°之间；其中第四光学衍射出瞳单元(40)包括一个或多个区域(REG0，REG1A)，第四光学衍射出瞳单元(40)与第三光学衍射扩瞳单元(30)的重叠区域是REG1A；第一输出光(130)与第二输出光(140)的叠加得到输出光束300。

进一步，所述第四光学衍射出瞳单元(40)和第三光学衍射扩瞳单元(30)的重叠区域(REG1A)不使第二传导光(12)从波导板(1)中衍射出来；所述重叠区域(REG1A)占第三光学衍射扩瞳单元30的0％～20％面积大小。

进一步，所述重叠区域(REG1A)通过使第三导光(13)衍射而形成第一输出光(130)，同时通过衍射第四传导光(14)以形成第二输出光(140)，并且通过将第一输出光(130)与第二输出光(140)叠加来形成组合输出光(300)。

进一步，第一传导光(11)不与第三光学衍射扩瞳单元30和第四光学衍射出瞳单元40相互作用，第二传导光(12)不与第二光学衍射扩瞳单元20相互作用；第四光学衍射出瞳单元40对传导光12的衍射作用忽略不计。

更进一步，第一输出光130携带的图像信息的缺角和色彩均匀性与第二输出光140携带的图像信息的缺角和色彩均匀性不同或互补。

本发明技术方案还提出了一种显示设备(500)，包括前述的光束扩瞳装置(100)，还包括形成主图像并将主图像转换为多个所述的输入光束(200)的光学引擎(400)，所述光束扩瞳装置通过衍射扩展所述的输入光束(200)形成所述的输出光束(300)。

本发明技术方案还提出了一种使用前述的扩瞳装置(100)来提供输出光束(300)的方法。

本发明技术方案还提出了一种使用前述的扩瞳装置(100)来显示图像的方法。

本发明的各个实施例所寻求的保护范围由独立权利要求规定。本专利中描述的不属于独立权利要求范围的实施例(如果有的话)将被解释为有助于理解本发明的各种实施例的示例。

此扩瞳装置包括两个扩瞳单元和一个重叠区域用于增加输出光的视场角度FOV和优化输出光的空间强度分布的均匀性。扩瞳装置可以将输入光分解，以通过两条主路径传播到输出的出瞳单元。两条主路径分别传播携带不同视场角FOV的图像信息，或图像的缺角部分不同，当两条主路径的光束最后输出并叠加到一起时，可以增加总体的视场角度FOV，并补偿各路径上的光的不均匀性强度分布。为了减小总体扩瞳装置的面积，可以把出瞳单元和其中一个扩瞳单元通过重叠区域组合在一起。重叠区域可以是衍射扩瞳单元的特殊区域。重叠区域只对扩瞳单元输出的光束起衍射作用，不对入瞳单元直接衍射的光束进行输出或作用，因此，保证了整个出瞳的功能完好，且不影响于其重叠的扩瞳区域的功能。

在实施例中，重叠区域可以有两个衍射特征，包括第一衍射特征以衍射从第二扩瞳单元接收的传导光，并且重叠区域的第二衍射特征以进行衍射从第二扩瞳单元接收的传导光。重叠区域，不具备对入瞳单元衍射的光线直接衍射的特性，或者对入瞳单元衍射的光线的衍射效率忽略不计。这样就能达成在减小整个扩瞳装置面积的同时，实现最低的串扰。

附图说明

在下面的例子中，将参照附图更详细地描述几种变化

图1为现有技术中的光学扩瞳装置的结构示意图；

图2为本发明扩瞳装置的正视图，包括了光的两条主路径和重叠区域的位置；图3显示了本发明重叠区域为0％的情况下的扩瞳装置的正视图；

图4显示了扩瞳装置的三维视图；

图5显示了扩瞳装置的横截面侧视图；

图6以实例的方式，在图像上，通过两个主路径选择两个不同缺角的图像，进行叠加，得到完成FOV和更好均匀性的效果图；

图7为本发明扩瞳装置的具有详细结构标记的正视图。

具体实施方式

参照图2和图4，扩瞳装置100包括平面度好的平面波导板11，其又包括第一光学衍射入瞳单元10，第二光学衍射扩瞳单元20，第三光学衍射扩瞳单元30和第四光学衍射出瞳单元40。

入瞳单元10可以接收输入光束200，而出瞳单元40可以提供扩展的输出光束300，使得输出光束300的长度和宽度大于输入光束200的长度和宽度。

扩瞳装置100可以在二维上(例如，沿水平方向SX和沿垂直方向SY)扩展光束200。扩展过程也可以称为出瞳扩展，光线扩展等。扩瞳装置100可以称为光束扩展器或出射光瞳扩展器等。

第一单元10可以用作耦合单元。第一光学衍射入瞳单元10可以通过衍射输入光200来形成第一传导光11和第二传导光12。第一传导光11和第二传导光12可在平面波导板1内传播。第一传导光11和第二传导光12可以被限制在所述平面波导板1进行全内反射(TotalInternalReflection)。

其中术语“传导”可能意味着该所述光在平面波导板1内部传播，通过全内反射(TIR)将光线限制在平面波导板1内部。术语“波导”可以与术语“光波导”相同。

第一传导光11和第二传导光12可以具有相同的波长λ0。所述第一单元10可将输入光200耦合到两条不同的路径，即通过第一主路径和第二主路径，分别传播到衍射出瞳单元40。

经过第一光学衍射入瞳单元10的光线，可以通过第二光学衍射扩瞳单元20将光线耦合到出瞳单元40。扩瞳装置100可以提供从第一光学衍射入瞳单元10经由第二光学衍射扩瞳单元20到第四光学衍射出瞳单元40的第一主路径。

第一光学衍射入瞳单元10也可以通过第三光学衍射扩瞳单元30将光线耦合到出瞳单元40。扩瞳装置100可以提供从第一光学衍射入瞳单元10经由第三光学衍射扩瞳单元30到第四光学衍射出瞳单元40的第二主路径。

第二光学衍射扩瞳单元20可以用作衍射扩瞳单元。首先第一传导光11可以从第一衍射入瞳单元10传导至第二光学衍射扩瞳单元20，该方向是第一方向DIR1。所述第二光学衍射扩瞳单元20可以通过衍射第一传导光11，从而形成扩展后的第三传导光13。扩展后的传导光13可以从第二衍射扩瞳单元20传播到出瞳单元40。扩展的传导光13可以通过全内反射限制在波导板1中传播。在本实施例中，第二衍射扩瞳单元20可以将传导光13接近均匀的分配到第三衍射出瞳单元30的整个区域。

第四光学衍射出瞳单元40可以用作衍射出瞳单元。如图4所示，出瞳单元40可以将扩展的传导光13衍射而形成输出光130。

第三光学衍射扩瞳单元30可以用作衍射扩瞳单元。首先第二传导光12可以从第一衍射入瞳单元10传导至第三光学衍射扩瞳单元30，该方向是第二方向DIR2。所述第三光学衍射扩瞳单元30可以通过衍射第二传导光12，从而形成扩展后的第四传导光14。扩展后的传导光14可以从第三光学衍射扩瞳单元30传播到第四光学衍射出瞳单元40。扩展的传导光14可以通过全内反射限制在波导板1中传播。在本实施例中，衍射扩瞳单元30可以将传导光14接近均匀的分配到第四光学衍射出瞳单元40的整个区域。

第三光学衍射扩瞳单元30与第四光学衍射出瞳单元40的交叠区域是REG1A，起到减小总体扩瞳装置的面积的左右。重叠区域REG1A可以是第三衍射扩瞳单元30的特殊区域，占第三光学衍射扩瞳单元30的0％～20％面积大小，其中0％的情况如图3所示，即没有交叠区域。重叠区域REG1A只对第二光学衍射扩瞳单元20及第三衍射扩瞳单元30输出的光束13和14起衍射作用，不对第一光学衍射入瞳单元10直接衍射的光束11和12进行输出或作用，因此，保证了整个出瞳的功能完好，且不影响于其重叠的扩瞳区域的功能。

在实施例中，重叠区域REG1A可以有两个衍射特征，包括第一衍射特征以衍射从第二光学衍射扩瞳单元20接收的传导光13，并且重叠区域的第二衍射特征以进行衍射从第三光学衍射扩瞳单元30接收的传导光14。重叠区域REG1A，不具备对第一衍射入瞳单元10衍射的光线11和12直接衍射的特性，或者对第一衍射入瞳单元10衍射的光线的衍射效率忽略不计。这样就能达成在减小整个扩瞳装置面积的同时，实现最低的串扰。

第一方向DIR1代表着所述被传导光11的平均传播方向。方向DIR1也可以表示被传导光11的传播的中心轴。

第二方向DIR2代表着所述被传导光12的平均传播方向。方向DIR2也可以表示被传导光12的传播的中心轴。

角度γ12是第一方向DIR1和第二方向DIR2之间的夹角，可以是45°至135°的范围内。

第四光学衍射出瞳单元40可以包括重叠区域REG1A和基本区域REG0。重叠区域REG1A已经在前文中描述。基本区域REG0通过衍射第三传导光13以形成第一输出光130，同时基本区域REG0通过衍射第四传导光14以形成第二输出光140。第一衍射输出光130与第二衍射输出光140的方向保持一致，方向为DIR0’。重叠区域REG1A只对第二光学衍射扩瞳单元20及第三衍射扩瞳单元30输出的光束13和14起衍射作用，不对第一衍射入瞳单元10直接衍射的光束11和12进行输出或作用，因此，保证了整个出瞳的功能完好，且不影响于其重叠的扩瞳区域的功能。这样就能达成在减小整个扩瞳装置面积的同时，实现最低的串扰。

第一衍射输出光130与第二衍射输出光140通过叠加，得到输出光束300，输出光束300的方向DIR0'与输入光束200的方向DIR0平行。

扩展后的传导光13可以在第三方向DIR3上传播，第三方向DIR3。扩展后的传导光14可以在第四方向DIR4上传播。

第一主路径表示从第一光学衍射入瞳单元10经由第二光学衍射扩瞳单元20到第四光学衍射出瞳单元40的光路。

第二主路径表示从入瞳单元10经由扩瞳单元20到出瞳单元40的光路。SX，SY和SZ表示正交方向。波导板1与方向SX和SY限定的平面平行。

POS1b表示重叠区域REG1A的中心位置，重叠区域REG1A在出瞳单元40的拐角区域。POS1a可以表示出瞳单元40的中心位置。在实施例中，传导光在12方向直接传输到POS1b或重叠区域REG1A时，光线不会衍射输出，而是继续通过全内反射传输到区域REG1，再被衍射成为传导光14。

参照图4，扩瞳装置100包括两条主路径，从而增加和优化输出光束300的空间强度分布的均匀性和更大的视场角度FOV。例如，重叠区域REG1A中的点POS1b，可以同时接收来自传导光13和14的光线，通过控制两束光的效率，可以使之叠加，例如，如果传导光13强度小就可以增大传导光14，或者传导光14强度小可以增大传导光13。从而达到更好的空间强度分布和更大的视场角度FOV。

扩瞳装置100可以优化输出光束300，使得在第一横向位置(POS1a)处的输出光束300的光强度(IPOS1a)基本上等于输出光束300在一个第二横向位置(POS1b)的强度(IPOS1b)。该相对差(IPOS1b-IPOS1a)/IPOS1b需要小于30％，若小于10％更好。第一横向位置POS1a在出瞳单元40的中心。第二横向位置POS1b在出瞳单元40的拐角处。

输入光束200具有传播方向DIR0。输入光束200可以对应于显示图像上的一个点。扩瞳装置100可以将输入光束200的光转换成输出光束300，使得输出光束300具有传播方向DIR0'。通过扩瞳装置100将光输入光束200转换成输出光束300后，方向DIR0'与方向DIR0是平行的。单元10，20，30，40的各个衍射光栅的周期(d)和方向(β)是经过精心设计的，从而使得输出光束300的方向DIR0'与输入光束200的方向DIR0平行。

参照图5，显示设备500包含扩瞳装置100和一个光学光引擎400。所述显示设备500包含一个光学引擎400，光学引擎400提供一个主图像401，并将主图像401转换为多个输入光的光束200。光学引擎400发出的光入射到扩瞳装置100的第一光学衍射入瞳单元10中。所述多个的输入光的光束200通过第一光学衍射入瞳单元10的衍射，进入导扩瞳装置100中。显示设备500是用于显示虚拟图像的显示设备，或者说是近眼光学显示设备。

扩瞳装置100可以将来自光学引擎400的虚拟图像内容传导到用户的眼睛EYE1前面。扩瞳装置100可以扩展视瞳，从而扩大了eyebox。

该光学引擎400可包括一个微型显示器402以产生一个主图像401。在微型显示器402可以包括一个二维阵列式的发光像素。显示器402可以是例如以1920×1080(全高清)的分辨率生成的主图像401。所述显示402可以生成一个主图像401例如在一个分辨率为3840×2160(4KUHD)。主图像401可包括多个的图像点P0，P1。光学引擎400可以包括准直光学器件403，以形成与每个图像像素不同的光束。从光的图像点P0的光束，通过光学引擎400的准直光学器件403，以形成一束基本上准直的光束。对应于图像点P0的光束传播方向是传播方向DIR0。不同的图像点P1的光束传播方向与方向DIR0不同。引擎400可以提供与所生成的主图像401相对应的多个光束。光学引擎400提供的一个或多个光束可以耦合到扩展器100作为输入光200。

该光学引擎400可以包括例如一个或多个光发射二极管(LED)。所述显示402可以包括例如一台或多台微显示器成像仪，例如硅基液晶(LCOS)，液晶显示器(LCD)，数字微镜显示器(DMD)，Micro-LED显示器等。

该第四光学衍射出瞳单元40的基本区域(REG0)通过第二光学衍射从扩瞳单元20传导来的传导光13，从而出射第一输出光130，同时通过第三光学衍射从扩瞳单元30传导来的传导光14，从而出射第二输出光140，第一输出光130与第二输出光140相互叠加形成输出光300。重叠区域REG1A具有同样的功能，通过第二衍射从扩瞳单元20传导来的传导光13，从而出射第一输出光130，同时通过衍射从扩瞳单元30传导来的传导光14，从而出射第二输出光140，第一输出光130与第二输出光140相互叠加形成输出光300，而且重叠区域REG1A不对传导光11和传导光12衍射或衍射效率忽略不计。

所述第一输出光束分量130的传播方向是方向DIR0'，第二输出光束分量140的传播方向与130相同，也是方向DIR0'。该扩瞳装置100可以通过光栅的设计和控制，使方向DIRA’与方向DIR0'平行，从而实现第一输出光130和第二输出光140对应于同一束入射光200，同时也对应于图像上的同一点(例如P0)。输出光束300可以由输入光束200形成，使得方向DIR0'与输入光束200的方向DIR0平行。

每个单元10，20，30，40都可以包含一个或多个描述中的衍射光栅。

光学单元的10，20，30，40的光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)是可以设计的，通过设计可以第一输出光130和第二输出光140的方向平行，都为方向DIR0'。

通过设计光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)可以实现，单元10的光栅矢量，20的光栅矢量，区域REG0的光栅矢量之和为零。

通过设计光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)可以实现，单元10的光栅矢量，20的光栅矢量，和区域REG1A的光栅矢量之和是零。

通过设计光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)可以实现，单元10的光栅矢量，30的光栅矢量，和区域REG0的光栅矢量之和是零。

通过设计光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)可以实现，单元10的光栅矢量，30的光栅矢量，和区域REGA的光栅矢量之和是零。

波导板的厚度是t1。波导板包括一个平面波导核心。在一个实施例中，所述波导板1可任选地包括例如，一个或多个镀层，一个或多个保护层，和/或一个或多个机械支撑层。t1是指波导板1的核心部分的厚度。

扩瞳装置100可以在方向SX和方向SY两个方向上扩展光束。输出光束300的宽度(在方向SX上)可以大于输入光束的宽度，并且输出光束300的高度(沿方向SY)可以大于输入光束200的高度。

扩瞳装置100可以扩展虚拟显示设备500的视瞳，以便于眼睛EYE1的定位，从而实现大的观察范围。对于虚拟显示设备500的人的观察者可以看到在输出光300位置入射到观看者眼睛EYE1位置的虚拟图像VIMG1。输出的光300可包括一个或多个输出的光的光束，其特征在于，每个输出光束可以对应于虚拟图像的不同的图像点(P0'，P1')。引擎400包括用于显示主图像401的微型显示器。光学引擎400和扩瞳装置100可以把主图像401转换成具有多个输入光束的显示虚拟图像VIMG1，并且通过形成输出光束300，由于从输入光束200到输出光300可以包括多个输入和输出光束，使得每个输出光束可以形成虚像VIMG1的不同像点(P0'，P1')。所述主图像401可以是图形，文字或视频。该光学引擎400和所述扩瞳装置100可以显示虚拟图像VIMG1，并使得虚像VIMG1的每个图像点(P0'，P1')对应于主图像401的不同图像点。

图6展示出了，通过将第一输出光130与第二输出光140叠加而形成组合的输出光300，从而实现增大视场角度FOV和提升输出光的均匀性的作用。

第一主路径表示从入瞳单元10经由扩瞳单元20到出瞳单元40的光路，输出130携带的图像信息VIMG1，可以是缺少拐角图像信息DA1，或拐角图像信息DA2，或拐角图像信息DA3，或拐角图像信息DA4。第二主路径表示从入瞳单元10经由扩瞳单元30到出瞳单元40的光路，输出140携带的图像信息VIMG1，可以是与130的图像VIMG1缺少不同的拐角图像信息DA1，或拐角图像信息DA2，或拐角图像信息DA3，或拐角图像信息DA4。通过不同拐角的图像互补，实现增大视场角度和提升输出光的均匀性的作用。

参照图7，每个单元10，20，30，40可包括一个或多个衍射光栅，用于对光进行衍射。例如，单元10可包括一个或多个光栅G1。例如，单元20可以包括一个或多个光栅G2。例如，单元40可包括一个光栅G4。为例子，该基础区域REG0可以包括一个或多个光栅G4。例如，重叠区域REG1A可以包括一个或多个光栅G4A。

衍射光栅一般通过光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)来描述。另外，衍射光栅还有包括多个衍射特征(F)，其也可以用于设计和操作衍射光线。该衍射特性可以是，例如微观的脊或凹槽，微观突起(或凹陷)，其中相邻行的突起(或凹陷)可以用作衍射线。将光栅矢量(V)定义为具有垂直于衍射光栅的衍射线的方向，并且其大小为π/d的矢量，其中d是光栅周期。

衍射入瞳单元10具有光栅矢量V11，V12。衍射扩瞳单元20具有一个光栅矢量V21。衍射扩瞳单元30具有一个光栅矢量V31。第四光学衍射出瞳单元40具有光栅矢量V41。基本区域REG0具有光栅矢量V41和V42。所述重叠区域REG1A具有光栅矢量V41A，V42A。光栅矢量V11具有方向β11和大小2π/d11。光栅矢量V12具有方向β12和大小2π/d12。光栅矢量V21具有方向β21和大小2π/d21。光栅矢量V31具有方向β31和大小2π/d31。光栅矢量V41具有方向β41和大小2π/d41。光栅矢量V42具有方向β42和大小2π/d42。光栅矢量V41A具有方向β41A和大小2π/d41A。光栅矢量V42A具有方向β42A和大小2π/d42A。光栅矢量V41与光栅矢量V41A基本一致，光栅矢量V42与光栅矢量V42A基本一致.光栅矢量方向(β)的可以被指定为，例如其和参考方向(例如，方向SX)之间的角度。

可以选择光学单元10，20，30，40的光栅周期(d)和光栅矢量V的取向(β)，使得第以输出光束分立130与第二输出光束分量140的方向DIR0'平行。

第一光学衍射入瞳单元10的光栅矢量V12，V11的方向之间的角度可以例如在45°至135°的范围内。所述单元10的光栅周期d12的可以是基本上等于光栅周期d11。所述单元10的光栅周期d12的也可以是等于光栅周期d11。

光栅矢量(V11，V21，V41)的光栅周期(d)和方向(β)可以通过设计，满足例如单元10，20，40的光栅矢量(V11，V21，V41)的矢量之和是零。具体是通过光栅周期d11，d21，d41和该方向β11，β21，β41的细节设计，控制光栅矢量V11，V21，V41，使得光栅矢量V11，V21，V41的矢量和为零。

光栅矢量(V12，V31，V42)的光栅周期(d)和方向(β)可以通过设计，满足例如单元10，30，40的光栅矢量(V12，V31，V42)的矢量之和是零。具体是通过光栅周期d12，d31，d42和该方向β12，β31，β42的细节设计，控制光栅矢量V12，V31，V42，使得光栅矢量V12，V31，V42的矢量和为零。

光栅矢量(V11，V21，V41A)的光栅周期(d)和方向(β)可以通过设计，满足例如单元10，20，40的光栅矢量(V11，V21，V41A)的矢量之和是零。具体是通过光栅周期d11，d21，d41A和该方向β11，β21，β41A的细节设计，控制光栅矢量V11，V21，V41A，使得光栅矢量V11，V21，V41A的矢量和为零。

光栅矢量(V12，V31，V42A)的光栅周期(d)和方向(β)可以通过设计，满足例如单元10，30，40的光栅矢量(V12，V31，V42A)的矢量之和是零。具体是通过光栅周期d12，d31，d42A和该方向β12，β31，β42A的细节设计，控制光栅矢量V12，V31，V42A，使得光栅矢量V12，V31，V42A的矢量和为零。

第一光学衍射入瞳单元10可以具有第一光栅矢量V11以形成沿方向DIR1的第一传导光11，以及第二光栅矢量V12以形成沿方向DIR2的第二传导光12。第一单元10可以具有第一衍射特征F11，具有第一光栅周期d11和第一取向β11(相对于基准方向SX)。所述第一单元10可以具有第二衍射特征F12，具有第二光栅周期d12和第二取向β12(相对于基准方向SX)。第一光学衍射入瞳单元10可以是，例如通过交叉光栅或通过两个线性光栅实现的图中所示的光栅。具有特征F11的第一线性光栅可以被设置在板1的第一侧(例如在输入侧SRF1上)，并且具有特征F12的第二线性光栅可以被设置在波导板1的第二侧(例如在输出侧SRF2上)，或者都设置再同一侧表面SRF1或表面SRF2的二维光栅。衍射光栅的特征结构可以是，例如微观的山脊或微小突起。

具有单个光栅特征的光栅可以设置在表面SRF1或者表面SRF2上，具有两个或者多个光栅特征的光栅，可以分别设置在表面SRF1或者表面SRF2上，或者以两维或多维光栅的形式设置在其中一个表面上。文中光栅均按此描述。

第二单元20可以具有第一光栅矢量V21，从而使第一传导光11衍射形成第三传导光B3。所述第二单元20的光栅G2可以具有衍射特征F21，其具有光栅周期d21和一个取向β21(相对于基准方向SX)。

第三光学衍射扩瞳单元30可以具有第一光栅矢量V31，从而使第二传导光12衍射形成第四传导光14。所述第三光学衍射扩瞳单元30的光栅G3可以具有衍射特征F31，其具有光栅周期d31和一个取向β31(相对于基准方向SX)。

第四光学衍射出瞳单元40的基础区域REG0可以具有第一光栅矢量V41以衍射第三传导光B3形成输出光束130，以及衍射第四传导光14形成输出光束140。第四光学衍射出瞳单元40可以具有第一衍射特征F41，具有第一光栅周期d41和第一取向β41(相对于基准方向SX)。所述第四光学衍射出瞳单元40可以具有第二衍射特征F42，具有第二光栅周期d42和第二取向β42(相对于基准方向SX)。第四光学衍射出瞳单元40可以是，例如通过交叉光栅或通过两个线性光栅实现的图中所示的光栅。具有特征F41的第一线性光栅可以被设置在板1的第一侧(例如在输入侧SRF1上)，并且具有特征F42的第二线性光栅可以被设置在波导板1的第二侧(例如在输出侧SRF2上)，或者都设置再同一侧表面SRF1或表面SRF2的二维光栅。衍射光栅的特征结构可以是，例如微观的山脊或微小突起。

重叠区域REG1A可以具有第一光栅矢量V41A以衍射第三传导光B3形成输出光束130，以及衍射第四传导光B4形成输出光束140。重叠区域REG1A可以具有第一衍射特征F41A，具有第一光栅周期d41A和第一取向β41A(相对于基准方向SX)。所述重叠区域REG1A可以具有第二衍射特征F42A，具有第二光栅周期d42A和第二取向β42A(相对于基准方向SX)。重叠区域REG1A可以是，例如通过交叉光栅或通过两个线性光栅实现的图中所示的光栅。具有特征F41A的第一线性光栅可以被设置在板1的第一侧(例如在输入侧SRF1上)，并且具有特征F42的第二线性光栅可以被设置在波导板1的第二侧(例如在输出侧SRF2上)，或者都设置再同一侧表面SRF1或表面SRF2的二维光栅。衍射光栅的特征结构可以是，例如微观的山脊或微小突起。重叠区域REG1A与区域REG0结构几乎一致。但REG1A区域，可通过设计不直接对传导光12进行衍射，或者说衍射效率不到10％或更低。

重叠区域REG1A可以具有用于将导光B3和B4衍射耦合出波导板1的高输出耦合效率。

可以通过设置单元10，20，30,40的位置和尺寸，使得第一传导光(11)不与单元30和40相互作用，第二传导光(12)不与单元20相互作用。传导光12虽然有部分和单元40有相互作用，但是通过光栅设计，使作用的效果忽略不计。

第一单元10可以具有宽度w1和高度h1。第二单元20可以具有宽度w2和高度h2。第三光学衍射扩瞳单元30可以具有宽度w3和高度h3。第四光学衍射出瞳单元40可以具有宽度w4和高度h4。宽度表示方向SX上的尺寸，高度表示方向SY上的尺寸。出瞳单元40可以为矩形。所述衍射出瞳单元40的边缘分别沿着方向SX和SY。

所述扩瞳单元20的宽度w2比入瞳单元10的宽度w1大很多。扩展的传导光束B3的宽度比输入光束200的宽度大很多。扩瞳单元30的高度h3比入瞳单元10的高度h1大很多。扩展的传导光束14的宽度比输入光束200的高度大很多。

POS1a表示所述衍射出瞳单元40的中心点。位置POS1b可以是出瞳单元40的拐角区域REG1A。位置POS1a，POS1b之间的水平距离可以是，例如衍射出瞳单元40的宽度w4的40％左右。

波导板1可以由透明固体材料组成。波导板1可以是，例如玻璃，聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材质。衍射光学单元10，20，30，40可以是，例如通过模制，压花和/或蚀刻，全息曝光等手段形成的。单元10，20，30，40可以是由，例如一个或多个表面衍射光栅或由一个或多个体全息衍射光栅实现。

在一个实施例中，输入光200可以是基本上单色的或不同输入波长λ0。所有光束200，11，12，13，14，300，130，140可以具有相同的波长λ0。

衍射效率的空间分布可以通过选择微观衍射特征F的局部参数才进行控制。可以通过控制出瞳单元40的微观衍射特征F的参数，以进一步提升输出光300的强度分布均匀性。

所述显示设备500可以是一个虚拟现实装置500或增强现实设备500。显示设备500可以是近眼设备，也可以是可穿戴设备，例如耳机。装置500可以用于，例如头带，通过该头带可以将装置500佩戴在用户的头上。在使用过程中，装置500的衍射出瞳单元304被放置在用户的左眼EYE1或右眼EYE1前面。装置500可以将输出光300投射到用户的眼睛EYE1中。在一个实施例中，设备500可以包括两个引擎400和/或两个扩瞳装置100以显示立体图像。对于增强现实装置500，观看者不但可以看到所述扩瞳装置100显示的虚拟图像外，还可以看到真实的物体和/或环境。引擎400可以生成静止图像和/或视频。引擎400可以从数字图像生成真实的主图像401。引擎400可以从互联网服务器或从智能手机接收一个或多个数字图像。装置500可以是智能手机。显示的图像人可能会看到，所显示的图像也可以，例如由动物或机器(可以包括例如照相机)观看。

对于了解这技术的人来说，根据本发明的装置和方法进行修改和变化是可以被察觉的。这些图片都是示意图，上述与所附附图相关的特定实施例仅为说明性，并不意味着要限制本发明的范围，本发明的范围由所附的权利要求书定义。

Claims (8)

1.一种光学扩瞳装置(100)，包括波导板(1)，其特征在于，所述波导板(1)包含：

第一光学衍射入瞳单元(10)，用于衍射输入光束(200)形成第一传导光(11)和第二传导光(12)；

第二光学衍射扩瞳单元(20)，用于衍射所述第一传导光(11)以形成第三传导光(13)；

第三光学衍射扩瞳单元(30)，用于衍射所述第二传导光(12)以形成第四传导光(14)；以及，

第四光学衍射出瞳单元(40)，用于衍射第三传导光(13)以形成第一输出光(130)，并衍射第四传导光(14)以形成第二输出光(140)；

其中，所述第一传导光(11)在第一方向(DIR1)上传播，所述第二传导光(12)在第二方向(DIR2)上传播；所述第一方向(DIR1)与第二方向(DIR2)之间形成的夹角的角度为γ12，所述γ12在45°至135°之间；

其中第四光学衍射出瞳单元(40)包括一个或多个区域(REG0，REG1A)，第四光学衍射出瞳单元(40)与第三光学衍射扩瞳单元(30)的重叠区域是REG1A；

第一输出光(130)与第二输出光(140)的叠加得到输出光束300。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第四光学衍射出瞳单元(40)和第三光学衍射扩瞳单元(30)的重叠区域(REG1A)不使第二传导光(12)从波导板(1)中衍射出来；所述重叠区域(REG1A)占第三光学衍射扩瞳单元30的0％～20％面积大小。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述重叠区域(REG1A)通过使第三导光(13)衍射而形成第一输出光(130)，同时通过衍射第四传导光(14)以形成第二输出光(140)，并且通过将第一输出光(130)与第二输出光(140)叠加来形成组合输出光(300)。

4.根据权利要求3所述的装置，第一传导光(11)不与第三光学衍射扩瞳单元30和第四光学衍射出瞳单元40相互作用，第二传导光(12)不与第二光学衍射扩瞳单元20相互作用；第四光学衍射出瞳单元40对传导光12的衍射作用忽略不计。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，第一输出光130携带的图像信息的缺角和色彩均匀性与第二输出光140携带的图像信息的缺角和色彩均匀性不同或互补。

6.一种显示设备(500)，包括权利要求1～5任意一项所述的光束扩瞳装置(100)，其特征在于：还包括形成主图像并将主图像转换为多个所述的输入光束(200)的光学引擎(400)，所述光束扩瞳装置通过衍射扩展所述的输入光束(200)形成所述的输出光束(300)。

7.使用权利要求1至5中任一项所述的扩瞳装置(100)来提供输出光束(300)的方法。

8.使用权利要求1至6中的任一项所述的扩瞳装置(100)来显示图像的方法。

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