CN112180589B - 光学扩瞳装置及其显示设备和输出光及显示图像的方法 - Google Patents

光学扩瞳装置及其显示设备和输出光及显示图像的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112180589B
CN112180589B CN202010990065.0A CN202010990065A CN112180589B CN 112180589 B CN112180589 B CN 112180589B CN 202010990065 A CN202010990065 A CN 202010990065A CN 112180589 B CN112180589 B CN 112180589B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
unit
pupil
diffractive
optically diffractive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010990065.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112180589A (zh
Inventor
蒋厚强
塔帕尼·卡列沃·利沃拉
朱以胜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Guangzhou Semiconductor Technology Co ltd
Original Assignee
Shenzhen Guangzhou Semiconductor Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Guangzhou Semiconductor Technology Co ltd filed Critical Shenzhen Guangzhou Semiconductor Technology Co ltd
Priority to CN202010990065.0A priority Critical patent/CN112180589B/zh
Priority to US17/131,575 priority patent/US11480722B2/en
Publication of CN112180589A publication Critical patent/CN112180589A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112180589B publication Critical patent/CN112180589B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0081—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. enlarging, the entrance or exit pupil
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0015—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0016—Grooves, prisms, gratings, scattering particles or rough surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0038—Linear indentations or grooves, e.g. arc-shaped grooves or meandering grooves, extending over the full length or width of the light guide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

本发明涉及种光学扩瞳装置(100)及其显示设备(400)和输出光及显示图像的方法，包括：波导板(10)、第一光学衍射入瞳单元(1)、第一回收单元(2a)、第二回收单元(3a)、第二光学衍射扩瞳单元(2)、第三光学衍射扩瞳单元(3)及第四光学衍射出瞳单元(4)；通过所述第四光学衍射出瞳单元(4)衍射传导光、第三回收光(B3a)、第四回收光(B4a)到同一方向，以形成第一输出光(OB4)的一部分；同时衍射第一直通光(B1b)和第二直通光(B2b)到同一方向，以形成第一输出光(OB4)的另一部分。本发明的器件可以很好的提升输出光的强度分布均匀性。

Description

光学扩瞳装置及其显示设备和输出光及显示图像的方法
技术领域
本发明涉及光学器件及显示装置技术领域，尤其涉及光学扩瞳装置及其显示设备和输出光及显示图像的方法。
背景技术
参照图1，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DOE03。一束输入光束IN1在扩瞳装置EPE0中，通过多次衍射进行扩大，最后输出光束OUT1。该耦合入瞳单元DOE01通过衍射，将输入光IN1衍射成第一传导的光B1。通过扩瞳单元DOE02使第一传导光B1衍射而形成扩展的传导光B3。通过所述衍射出瞳单元DOE03将扩散的传导光B3衍射输出为光OUT1。
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OUT1的宽度远大于输入光束IN1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
本发明提出一种光学扩瞳装置及其显示设备和输出光及显示图像的方法，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。
本发明技术方案包括：
一种光学扩瞳装置(100)，包括波导板(10)，还包括：第一光学衍射入瞳单元(1)，通过第一光学衍射入瞳单元(1)衍射输入光(IN1)从而形成第一传导光(B1)、第二传导光(B2)、第一反向传导光(B-1)、第二反向传导光(B-2)、第一光学第一直通光B1b和第二直通光B2b；
第一回收单元(2a)和第二回收单元(3a)，第一反向传导光(B-1)和第二反向传导光(B-2)分别通过所述第一回收单元(2a)和第二回收单元(3a)衍射以形成第一回收光(B1a)和第二回收光(B2a)；
第二光学衍射扩瞳单元(2)，通过所述第二光学衍射扩瞳单元(2)衍射所述第一传导光(B1)从而形成第三传导光(B3)，同时通过所述第二光学衍射扩瞳单元(2)衍射所述第一回收光(B1a)从而形成第三回收光(B3a)，所述第三传导光(B3)与所述第三回收光(B3a)方向一致；
第三光学衍射扩瞳单元(3)，通过所述第三光学衍射扩瞳单元(3)衍射所述第二传导光(B2)从而形成第四传导光(B4)，同时通过第三光学衍射扩瞳单元(3)衍射所述第二回收光(B2a)从而形成第四回收光(B4a)，所述第四传导光(B4)与第四回收光(B4a)方向一致；
第四光学衍射出瞳单元(4)，通过所述第四光学衍射出瞳单元(4)衍射第三传导光(B3)和第四传导光(B4)到同一方向DIR0’，以形成第一输出光(OB4)的第一部分；同时通过第四光学衍射出瞳单元(4)衍射第三回收光(B3a)和第四回收光(B4a)到同一方向DIRA’，以形成第一输出光(OB4)的第二部分；同时通过第四光学衍射出瞳单元(4)衍射第一直通光(B1b)和第二直通光(B2b)到同一方向DIRD’，以形成所述第一输出光(OB4)的第三部分；其中，DIR0'、DIRA’及DIRD’与所述输入光(IN1)的传播方向DIR0平行。
进一步，所述第一传导光(B1)和第一回收光(B1a)在第一方向(DIR1)上传播，所述第二传导光(B2)和第二回收光(B2a)在第二方向(DIR2)上传播；所述第一方向(DIR1)和第二方向(DIR2)之间的夹角的角度为γ12，其中60°≤γ12≤120°；
所述第四光学衍射出瞳单元(4)包括一个或多个区域(REG0，REG4a，REG4b，REG4c)；其中所述第四光学衍射出瞳单元(4)中的第一区域(REG0)，接收来自所述第二光学衍射扩瞳单元(2)中的第三传导光(B3)和第三回收光(B3a)，同时接收来自所述第三光学衍射扩瞳单元(3)中的第四传导光(B4)和第四回收光(B4a)，并最后衍射形成第一输出光(OB4)的第一部分，方向为DIR0’；
所述第四光学衍射出瞳单元(4)与第二光学衍射扩瞳单元(2)的重叠区域为第二区域(REG4a)，所述第四光学衍射出瞳单元(4)与第三光学衍射扩瞳单元(3)的重叠区域为第四区域(REG4c)；
所述第三回收光B3a中的大部分分布于所述第四光学衍射出瞳单元(4)的第三区域(REG4b)及所述第一区域(REG4a)中；所述第四回收光B4a中的大部分分布于所述第三区域(REG4b)及第四区域(REG4c)中；所述第三传导光(B3)和第三回收光(B3a)在第三方向(DIR3)上传播，所述第四传导光(B4)和第四回收光(B4a)在第四方向(DIR4)上传播，第三方向(DIR3)与第四方向(DIR4)的夹角的角度为60°～120°；所述第三方向(DIR3)与所述第二方向(DIR2)平行，所述第四方向(DIR4)与所述第一方向(DIR1)平行；
所述第一输出光(OB4)的各部分来自不同路径，并且各部分进行叠加。
进一步，所述扩瞳装置的光束传播路径包括第一主路径、第二主路径、第一回收路径、第二回收路径、第一直通路径及第二直通路径；
其中，所述第一主路径为自所述第一光学衍射入瞳单元(1)到第二光学衍射扩瞳单元(2)之后再到第四光学衍射出瞳单元4的传播途径；所述第二主路径为自所述第一光学衍射入瞳单元(1)到第三光学衍射扩瞳单元(3)之后再到第四光学衍射出瞳单元(4)的传播途径；所述第三传导光(B3)和第四传导光(B4)分别经过所述第一主路径和第二主路径，以形成输出光OUT1的一部分；
所述第一回收路径为自所述第一光学衍射入瞳单元(1)到第一回收单元2a之后到第二光学衍射扩瞳单元(2)，再到第四光学衍射出瞳单元(4)的传播途径；所述第二回收路径为自第一光学衍射入瞳单元(1)到第二回收单元3a之后到第三光学衍射扩瞳单元(3)，再到第四光学衍射出瞳单元(4)的传播途径；所述第三回收光(B3a)和第四回收光(B4a)分别经过所述一回收路径和第二回收路径的光束以形成第一输出光(OB4)的一部分；
所述第一直通路径为自第一光学衍射入瞳单元(1)到区域REG4a的传播途径；所述第二直通路径为自第一光学衍射入瞳单元1到第四区域(REG4c)的传播途径；所述第一直通光(B1b)和第二直通光(B2b)分别经过所述第一直通路径和第二直通路径以形成输出光(OUT1)的一部分。
进一步，其中所述第四光学衍射出瞳单元(4)将第三回收光(B3a)和第四回收光(B4a)衍射而形成辅助输出光(AUX4a，AUX4b，AUX4c)，同时，将所述第一直通光(B1b)和第二直通光(B2b)衍射而形成直通输出光(DRE4a，DRE4c)；所述第一输出光(OB4)的第一部分、辅助输出光(AUX4a，AUX4b，AUX4c)以及直通输出光(DRE4a，DRE4c)的总和形成输出光束(OUT1)。
进一步，所述第一输出光OB4、辅助输出光(AUX4a，AUX4b，AUX4c)以及直通输出光(DRE4a，DRE4c)所携带的图像信息的缺角和色彩均匀性不同或互补。
进一步，所述第二光学衍射扩瞳单元2的宽度(w2)比所述第一光学衍射入瞳单元(1)的宽度(w 1)大，所述扩展的第三传导光B3的宽度比输入光束IN1的宽度大；所述第三光学衍射扩瞳单元(3)的高度(h3)比第一光学衍射入瞳单元(1)的高度(h 1)大，所述扩展的第四传导光(B4)的宽度比输入光(IN1)的高度大；
所述第四光学衍射出瞳单元(4)具有中心位置(POS40)，所述第二区域(REG4a)中具有第一位置(POS4a)，所述第三区域(REG4b)中具有第二位置(POS4b)，所述第四区域(REG4c)中具有第三位置(POS4c)；所述中心位置(POS40)与所述第一位置(POS4a)之间的水平距离为所述第四光学衍射出瞳单元(4)的宽度的35％～45％；
所述第一传导光(B1)不与第三光学衍射扩瞳单元3和第四光学衍射出瞳4相互作用，所述第二传导光(B2)不与第二光学衍射扩瞳单元2相互作用。
进一步，本发明还披露了一种显示设备(400)，包括光学引擎(10)以形成主图像并将主图像转换为多个输入光束(IN1)，其特征在于：所述显示设备(400)包括权利要求1～6任意一项所述的扩瞳装置(100)，所述扩瞳装置衍射扩展所述输入光束(IN1)以形成输出光束(OUT1)。
进一步，本发明还披露了使用前述的扩瞳装置(100)来提供输出光(OUT1)的方法。
更进一步，本发明还披露了使用前述的扩瞳装置(100)来显示图像的方法。
本发明技术方案通过第一输出光(OB4)中来自不同路径部分的叠加，互补各自图象中的缺角及均匀性问题，形成更大的视场角度FOV和更好的色彩均匀性，并压缩波导面积。
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示意图；
图2为本发明扩瞳装置的正视示意图，其示出了光的两条主路径，两条回收路径，两条直通路径和重叠区域的位置；
图3为本发明扩瞳装置的三维视图；
图4为本发明扩瞳装置的横截面侧视图，示出了扩瞳装置配套的显示设备；
图5为本发明中扩瞳装置中，两条主路径形成最终输出光OB4的示意图；
图6为本发明中扩瞳装置中，两条回收路径和两条直通路径形成最终输出光OB4的各部分的示意图；
图7为本发明扩瞳装置的正视图。
具体实施方式
参照图2和图3，扩瞳装置100包括平面波导板10，其中，平面波导板10优选平面度较好的平面波导板；扩瞳装置100还包括第一光学衍射入瞳单元1，第二光学衍射扩瞳单元2，第三光学衍射扩瞳单元3和第四光学衍射出瞳单元4，第一回收单元2a和第二回收单元3a。
其中，入瞳单元1可以接收输入光束IN1，而出瞳单元4可以提供扩展的输出光束OUT1，使得输出光束OUT1的长度和宽度大于输入光束IN1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IN1。扩展过程也可以称为出瞳扩展，光线扩展等。扩瞳装置100也可以称为光束扩展器或出射光瞳扩展器等。
第一光学衍射入瞳单元1可以用作耦合单元，第一光学衍射入瞳单元1可以通过衍射输入光IN1来形成第一传导光B1，第二传导光B2，第一反向传导光B-1和第二反向传导光B-2。第一传导光B1，第二传导光B2，第一反向传导光B-1和第二反向传导光B-2可在平面波导板10内传播。第一传导光B1，第二传导光B2，第一反向传导光B-1和第二反向传导光B-2可以被限制在平面波导板10进行全内反射(Total Internal Reflection)。
其中术语“传导”可能意味着该光在平面波导板10内部传播，通过全内反射(TIR)将光线限制在板内部。术语“波导”可以与术语“光波导”相同。
第一传导光B1和第二传导光B2可以具有相同的波长λ0。所述第一光学衍射入瞳单元1可将输入光IN1耦合到两条不同的路径，即通过第一主路径和第二主路径，分别传播到第四光学衍射出瞳单元4。所述第一光学衍射入瞳单元1也可将输入光IN1耦合到两条不同的回收路径，即第一回收路径和第二回收路径，分别传播到衍射出瞳单元4。所述第一光学衍射入瞳单元1也可将输入光IN1耦合到两条不同的直通路径，即通过第一直通路径和第二直通路径，分别传播到衍射出瞳单元4。
第一回收单元2a通过衍射回收光能。首先，第二反向传导光B-2可以从第一光学衍射入瞳单元1传导至回收单元2a，该方向是第二反向方向DIR-2。所述回收单元2a可以通过衍射第二反向传导光B-2，从而形成第一回收光B1a。第一回收光B1a可以通过全内反射限制在波导板10中传播。
第二回收单元3a通过衍射回收光能。首先，第一反向传导光B-1可以从衍射入瞳单元1传导至回收单元3a，该方向是第一反向方向DIR-1。所述回收单元3a可以通过衍射第一反向传导光B-1，从而形成第二回收光B2a。第二回收光B2a可以通过全内反射限制在波导板10中传播。
第二光学衍射扩瞳单元2可以用作衍射扩瞳单元。首先第一传导光B1可以从衍射入瞳单元1传导至扩瞳单元2，该方向是第一方向DIR1。同时，第一回收光B1a可以从回收单元2a传导至扩瞳单元2，该方向也是第一方向DIR1。所述第二光学衍射扩瞳单元2可以通过衍射第一传导光B1和第一回收光B1a，从而分别形成扩展后的第三传导光B3和第三回收光B3a。扩展后的第三传导光B3和第三回收光B3a可以从第二光学衍射扩瞳单元2传播到第四光学衍射出瞳单元4。扩展的第三传导光B3和第三回收光B3a可以通过全内反射限制在波导板10中传播。在本实施例中，第二光学衍射扩瞳单元2可以将第三传导光B3接近均匀的分配到第四光学衍射出瞳单元4的整个区域，对于附图中的区域REG4b和区域REG4a是回收光B3a的主要分布位置，从而更进一步提升该位置的均匀性，提升FOV大小。
第三光学衍射扩瞳单元3可以用作衍射扩瞳单元。首先第二传导光B2可以从第一光学衍射入瞳单元1传导至第三光学衍射扩瞳扩瞳单元3，该方向是第二方向DIR2。同时，第二回收光B2a可以从第三回收单元3a传导至第三光学衍射扩瞳单元3，该方向也是第二方向DIR2。所述第三光学衍射扩瞳单元3可以通过衍射第二传导光B2和第二回收光B2a，从而分别形成扩展后的第四传导光B4和第四回收光B4a。扩展后的第四传导光B4和第四回收光B4a可以从第三光学衍射扩瞳单元3传播到第四光学衍射出瞳单元4。扩展的第四传导光B4和第四回收光B4a可以通过全内反射限制在波导板10中传播。在本实施例中，第三光学衍射扩瞳单元3可以将第四传导光B4接近均匀的分配到第四光学衍射出瞳单元4的整个区域，对于区域REG4b和区域REG4c是回收光B4a的主要分布位置从而更进一步提升该位置的均匀性，提升FOV大小。
第四光学衍射出瞳单元4可以用作衍射出瞳单元。如图2和图3所示，第四光学衍射出瞳单元4可以将扩展的第三传导光B3(方向为DIR3)和第四传导光B4(方向为DIR4)衍射而形成输出光OB4，同时，可以将第三回收光B3a(方向为DIR3)和第四回收光B4a(方向为DIR4)衍射而形成辅助输出光AUX4a，AUX4b和AUX4c，同时，可以将直通光B1b和B2b衍射而形成直通输出光DRE4a，DRE4c。因此可以通过不同的光路径，提升整体均匀性，提升FOV大小。
第二光学衍射扩瞳单元2与第四光学衍射出瞳单元4的交叠区域是REG4a，起到减小总体扩瞳装置的面积的作用。重叠区域REG1a可以是衍射扩瞳单元2的特殊区域，占扩瞳单元2的0％～20％面积大小。重叠区域REG4a不但对第二光学衍射扩瞳单元2输出的第三传导光＝B3和第三回收光B3a起衍射作用，而且对第一光学衍射入瞳单元1直接衍射的第一直通光B1b进行输出或作用，因此，保证了整个出瞳的功能完好，面积缩小，且不影响于其重叠的扩瞳区域的功能。
在本发明具体实施例中，重叠区域REG4a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2接收的第三传导传导光B3和第三回收光B3a，并且重叠区域的第二衍射特征以进行衍射从入瞳单元1接收的直通光B1b和从扩瞳单元3接受的传导光B4。
第三光学衍射扩瞳单元3与第四光学衍射扩瞳单元4的交叠区域是REG4c，起到减小总体扩瞳装置100的面积的作用。重叠区域REG4c可以是衍射扩瞳单元3的特殊区域，占扩瞳单元3的0％～20％面积大小。重叠区域REG4c不但对第三光学衍射扩瞳单元3输出的第四传导光B4和第四回收光B4a起衍射作用，而且对第一光学衍射入瞳单元1直接衍射的第一直通光B2b进行输出或作用，因此，保证了整个出瞳的功能完好，面积缩小，且不影响于其重叠的扩瞳区域的功能。
在本发明具体实施例中，重叠区域REG4c可以有两个衍射特征，包括第一衍射特征以衍射从第三光学衍射扩瞳单元3接收的第四传导光B4和第四回收光B4a，并且重叠区域的第二衍射特征以进行衍射从第一光学衍射入瞳单元1接收的直通光B2b和从第二光学衍射扩瞳单元2接受的传导光B3。
在实施例中，区域REG0是第四光学衍射出瞳单元4的主区域，具有两个衍射特征，包括第一衍射特征从第二光学衍射扩瞳单元2接收第三传导光B3和第三回收光B3a，第二衍射特征从第三光学衍射扩瞳单元3中接收第四传导光B4和第四回收光B4a，最后衍射形成输出光OB4，方向为DIR0’。
第一方向DIR1代表着所述第一传导光B1的平均传播方向。方向DIR1也可以表示第一传导光B1的传播的中心轴。第一回收光B1a也沿着方向DIR1。
第二方向DIR2代表着所述第二传导光B2的平均传播方向。方向DIR2也可以表示第二传导光B2的传播的中心轴。第二回收光B2a也沿着方向DIR2。
角度γ12是第一方向DIR1和第二方向DIR2之间的夹角，可以是60°至120°的范围内。
第一衍射输出光OB4，辅助输出光AUX4a，AUX4b和AUX4c，直通输出光DRE4a，DRE4c的总和，得到输出光束OUT1。第一衍射输出光OB4的方向为DIR0’，辅助输出光UX4a，AUX4b和AUX4c的方向为DIRA’，直通输出光DRE4a，DRE4c的方向为DIRD’，输出光束OUT1的方向DIR0'、DIRA’及DIRD’与输入光束IN1的方向DIR0平行。
扩展后的第三传导光B3可以在第三方向DIR3上传播，扩展后的第四传导光B4可以在第四方向DIR4上传播。
在实施例中，第一主路径从第一光学衍射扩瞳单元1到第二光学衍射扩瞳单元2到第四光学衍射扩瞳单元4；第二主路径从第一光学衍射入瞳单元1到第三光学衍射扩瞳单元3后再到第四光学衍射出瞳单元4；第一回收路径从第一光学衍射入瞳单元1到第一回收单元2a后到第二光学衍射扩瞳单元，再2到单元4；第二回收路径从单元1到第二回收单元3a后到第三光学衍射扩瞳单元，再3到第四光学衍射出瞳单元4；第一直通路径从第一光学衍射入瞳单元1直接到第四光学衍射出瞳单元4的区域REG4a(可以经过2但不改变方向)；第二直通路径从第一光学衍射入瞳单元1直接到第四光学衍射出瞳单元4的区域REG4c(可以经过2但不改变方向)。
SX，SY和SZ表示正交方向。波导板10与方向SX和SY限定的平面平行。
本发明具体实施例中，如图2～4及7所示，位置POS4a是REG4a中的某个位置，位置POS4b是REG4b中的某个位置，位置POS4c是REG4c中的某个位置，位置POS40是第四光学衍射出瞳单元4的中心位置。通过控制不同路径的能量，可以使得不同位置POS4a，POS4b，POS4c，POS40的输出光强度接近，从而提升均匀性。
参照图3，扩瞳装置100包括多条路径，从而增加和优化输出光束OUT1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REG4a中的点POS4a，可以同时接收来自第三传导光B3，第四传导光B4，第三回收光B3a和直通光线B1b的光线，通过控制四束光的效率，可以使之叠加，例如，如果第三传导光B3强度小就可以增大第四传导光B4，或者传导光B4强度小可以增大第三传导光B3，并通过第三回收光B3a和直通光线B1b的光线进一步补偿。从而达到更好的空间强度分布和更大的视场角度FOV。位置POS4b和POS4c也具有类似的特性。
扩瞳装置100可以优化输出光束OUT1，使得在第一位置POS4a，第二位置POS4b，第三位置POS4c，中心位置POS40的输出光束OUT1的光强度(I POS4a，I POS4b，I POS4c，IPOS40)基本上相等。
输入光束IN1具有传播方向DIR0。输入光束IN1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IN1的光转换成输出光束OUT1，使得输出光束OUT1具有传播方向DIR0'。通过扩瞳装置100将光输入光束IN1转换成输出光束OUT1后，方向DIR0'与方向DIR0是平行的。
第一光学衍射入瞳单元1、第二光学衍射扩瞳单元2、第三光学衍射扩瞳单元3、第四光学衍射出瞳单元4、第一回收单元2a及第二回收单元3a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OUT1的方向DIR0'与输入光束IN1的方向DIR0平行。
参照图4，显示设备400包含扩瞳装置100和一个光学光引擎10。所述显示设备400包含一个光学引擎10，光学引擎10提供一个主图像102，并将主图像102转换为多个输入光的光束IN1。光学引擎10发出的光入射到扩瞳装置100的衍射入瞳单元1中。所述多个的输入光的光束IN1通过第一光学衍射入瞳单元1的衍射，进入到扩瞳装置100中。显示设备400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10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10可包括一个微型显示器101以产生一个主图像102。在微型显示器101可以包括一个二维阵列式的发光像素。微型显示器101可以是例如以1920×1080(全高清)的分辨率生成主图像102。该显示器101可以生成一个主图像102，例如在一个分辨率为3840×2160(4K UHD)下。主图像102可包括多个的图像点P0，P1。光学引擎10可以包括准直光学器件103，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10的准直光学器件103，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10可以提供与所生成的主图像102相对应的多个光束。光学引擎10提供的一个或多个光束可以耦合到扩展器100作为输入光IN1。
该光学引擎10可以包括例如一个或多个光发射二极管(LED)。其中，显示器101可以是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。
参照图4，第四光学衍射出瞳单元4可以用作衍射出瞳单元。第四光学衍射出瞳单元4可以将扩展的第三传导光B3(方向为DIR3)和B4(方向为DIR4)衍射而形成输出光OB4，同时，可以将第三回收光B3a(方向为DIR3)和第四回收光B4a(方向为DIR4)衍射而形成辅助输出光AUX4a，AUX4b和AUX4c，同时，可以将第一直通光B1b和第二直通光B2b衍射而形成直通输出光DRE4a，DRE4c。
第一衍射输出光OB4、辅助输出光AUX4a、AUX4b、AUX4c、直通输出光DRE4a及DRE4c的总和得到输出光束OUT1。输出光OB4的方向为DIR0’，辅助输出光UX4a，AUX4b和AUX4c的方向为DIRA’，直通输出光DRE4a，DRE4c的方向为DIRD’，输出光束OUT1的方向DIR0'，DIRA’，DIRD’与输入光束IN1的方向DIR0平行，同时也对应于图像上的同一点(例如P0)。输出光束OUT1可以由输入光束IN1形成，使得方向DIR0'与输入光束IN1的方向DIR0平行。每个单元1，2，2a，3a，3，4都可以包含一个或多个描述中的衍射光栅。
第一光学衍射入瞳单元1、第二光学衍射扩瞳单元2、第三光学衍射扩瞳单元3、第四光学衍射出瞳单元4、第一回收单元2a及第二回收单元3a的光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)是可以设计的，通过设计可以使得第一衍射输出光OB4、辅助输出光AUX4a、AUX4b、AUX4c、直通输出光DRE4a及DRE4c的方向平行。
对于第一主路径，通过设计光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)，可以实现第一光学衍射入瞳单元1的光栅矢量、第二光学衍射扩瞳单元2的光栅矢量以及第四光学衍射出瞳单元4的光栅矢量之和为零。
对于第二主路径，通过设计光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)可以实现第一光学衍射入瞳单元1的光栅矢量、第三光学衍射扩瞳单元3的光栅矢量以及第四光学衍射出瞳单元4的光栅矢量之和为零。
对于第一回收路径，通过设计光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)可以实现第一光学衍射入瞳单元1的光栅矢量、第一回收单元2a的光栅矢量、第二光学衍射扩瞳单元2的光栅矢量以及第四光学衍射出瞳单元4的光栅矢量之和是零。
对于第二回收路径，通过设计光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)可以实现第一光学衍射入瞳单元1的光栅矢量、第二回收单元3a的光栅矢量、第三光学衍射扩瞳3的光栅矢量以及第四光学衍射出瞳单元4的光栅矢量之和是零。
对于第一直通路经，通过设计光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)可以实现第一光学衍射入瞳单元1的光栅矢量与区域REG4a的光栅矢量之和是零。
对于第二直通路经，通过设计光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)可以实现第一光学衍射入瞳单元1的光栅矢量与区域REG4c的光栅矢量之和是零。
波导板10的厚度是t 10,波导板10包括一个平面波导核心。在一个实施例中，所述波导板10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。t10是指波导板10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OUT1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OUT1的高度(沿方向SY)可以大于输入光束IN1的高度。
扩瞳装置100可以扩展虚拟显示设备400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400的人的观察者可以看到在输出光OUT1位置入射到观看者眼睛EYE1位置的虚拟图像VIMG1。输出的光OUT1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10包括用于显示主图像102的微型显示器。光学引擎10和扩瞳装置100可以把主图像102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OUT1，由于从输入光束IN1到输出光OUT1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102可以是图形，文字或视频。该光学引擎10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102的不同图像点。
如图5所示，第一主路径为自第一光学衍射入瞳单元1到第二光学衍射扩瞳单元2之后再到第四光学衍射出瞳单元4的传播途径；第二主路径为自第一光学衍射入瞳单元1到第三光学衍射扩瞳单元3后再到第四光学衍射出瞳单元4的传播途径；经过第一主路径及第二主路径的传导光最终组成输出光OUT1的一部分。从第二光学衍射扩瞳单元2发出的第三传导光B3被相对均匀得分配到第四光学衍射出瞳单元4中，几乎覆盖区域REG4a，区域REG4b，区域REG4c和区域REG0。从第三光学衍射扩瞳单元3发出的第四传导光B4被相对均匀的分配到单元4中，几乎覆盖区域REG4a、区域REG4b、区域REG4c和区域REG0，并通过第四光学衍射出瞳单元4衍射为输出光OB4，方向为DIR0’，从而成为输出光OUT1的一部分。
如图6所示，第一回收径为自第一光学衍射入瞳单元1到第一回收单元2a之后到第二光学衍射扩瞳单元2，再到第四光学衍射出瞳单元的传播途径；第二回收路径为自第一光学衍射入瞳单元1到第二回收单元3a之后到第三光学衍射扩瞳单元3，再到第四光学衍射出瞳单元4的传播途径；第一直通路径为自第一光学衍射入瞳单元1到区域REG4a的传播途径；第二直通路径为自第一光学衍射入瞳单元1到区域REG4c的传播途径；最终组成输出光OUT1的一部分。第一回收路径通过第四光学衍射出瞳单元4在区域REG4a衍射为输出光AUX4a，方向为DIRA’，在区域REG4b衍射为输出光AUX4b，方向为DIRA’。第二回收路径通过第四光学衍射出瞳单元4在区域REG4c衍射为输出光AUX4c，方向为DIRA’，在区域REG4b衍射为输出光AUX4b，方向为DIRA’。第一直通路径通过第四光学衍射出瞳单元4在区域REG4a衍射为输出光DRE4a，方向为DIRD’，第二直通路径通过出瞳单元4在区域REG4c衍射为输出光DRE4c，方向为DIRD’。以上AUX4a、AUX4b、AUX4c、DRE4a以及DRE4c多束输出光相互叠加，从而成为输出光OUT1的一部分。通过在第四光学衍射出瞳单元4边沿，特别是区域REG4a，REG4b，REG4c进行光路径的补偿，从而获得更好的均匀性和更大的FOV。
参照图7，第一光学衍射入瞳单元1，第二光学衍射扩瞳单元2，第一回收单元2a，第二回收单元3a，第三光学衍射扩瞳单元3及第四光学衍射出瞳单元4均可包括一个或多个衍射光栅，用于对光进行衍射。例如，第一光学衍射入瞳单元1可包括一个或多个光栅G1。例如，第二光学衍射扩瞳单元2可以包括一个光栅G2。例如，第四光学衍射出瞳单元4可包括一个或多个光栅G4。具体地，该基础区域REG0可以包括一个或多个光栅G4。例如，重叠区域REG4A可以包括一个或多个光栅G4。
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2π/d的矢量，其中d是光栅周期。
第一光学衍射入瞳单元1具有光栅矢量V11，V12。第二回收单元2a具有光束矢量V2a。第三回收单元3a具有光束矢量V3a。第二光学衍射扩瞳单元2具有一个光栅矢量V2。第三光学衍射扩瞳单元3具有一个光栅矢量V3。第四光学衍射出瞳单元4具有光栅矢量V41和V42。光栅矢量V11具有方向β11和大小2π/d 11。光栅矢量V12具有方向β12和大小2π/d 12。光栅矢量V2a具有方向β2a和大小2π/d 2a。光栅矢量V3a具有方向β3a和大小2π/d 3a。光栅矢量V2具有方向β2和大小2π/d 2。光栅矢量V3具有方向β3和大小2π/d 3。光栅矢量V41具有方向β41和大小2π/d 41。光栅矢量V42具有方向β42和大小2π/d 42。光栅矢量V2a与光栅矢量V3a基本一致，光栅矢量V2与光栅矢量V3基本一致，光栅矢量V41与光栅矢量V12基本一致，光栅矢量V11与光栅矢量V42一致。光栅矢量方向(β)的可以被指定为，例如光栅矢量方向和参考方向(例如，方向SX)之间的角度。
可以选择第一光学衍射入瞳单元1、第二光学衍射扩瞳单元2、第一回收单元2a、第二回收单元3a、第三光学衍射扩瞳单元3及第四光学衍射出瞳单元4的光栅周期(d)和光栅矢量V的取向(β)，使得第一输出光束分立第一衍射输出光OB4、辅助输出光AUX4a、AUX4b和AUX4c，直通输出光DRE4a，DRE4c的方向都与DIR0'平行。
第一光学衍射入瞳单元1的光栅矢量V12，V11的方向之间的角度可以例如在60°至120°的范围内。所述单元1的光栅周期d 12的可以是基本上等于光栅周期d 11。所述第一光学衍射入瞳单元1的光栅周期d 12的也可以是等于光栅周期d 11。
光栅矢量(V11，V2，V41)的光栅周期(d)和方向(β)可以通过设计，以满足例如第一光学衍射入瞳单元1，第二光学衍射扩瞳单元2及第四光学衍射出瞳单元4的光栅矢量(V11，V2，V41)的矢量之和是零。具体可以是通过光栅周期d 11，d 2，d 41和该方向β11，β2，β41的细节设计，控制光栅矢量V11，V2，V41，使得光栅矢量V11，V21，V41的矢量和为零。
光栅矢量(V12，V3，V42)的光栅周期(d)和方向(β)可以通过设计，以满足例如单元1，3，4的光栅矢量(V12，V3，V42)的矢量之和是零。具体可以是通过光栅周期d12，d 3，d 42和该方向β12，β3，β42的细节设计，控制光栅矢量V12，V3，V42，使得光栅矢量V12，V21，V42的矢量和为零。
光栅矢量(V12，V2a，V2，V41)的光栅周期(d)和方向(β)可以通过设计，以满足例如单元1，2a，2，4的光栅矢量(V12，V2a，V2，V41)的矢量之和是零。具体可以是通过光栅周期d12，d 2a，d 2，d 41，和该方向β12，β2a，β2，β41的细节设计，控制光栅矢量V12，V2a，V2，V41，使得光栅矢量V12，V2a，V2，V41的矢量和为零。
光栅矢量(V11，V3a，V3，V42)的光栅周期(d)和方向(β)可以通过设计，以满足例如单元1，3a，2，4的光栅矢量(V11，V3a，V3，V42)的矢量之和是零。具体可以是通过光栅周期d11，d 3a，d 3，d 42，和该方向β11，β3a，β3，β42的细节设计，控制光栅矢量V11，V3a，V3，V42，使得光栅矢量V11，V3a，V3，V42的矢量和为零。
光栅矢量(V11，V42)的光栅周期(d)和方向(β)可以通过设计，以满足例如单元1，4的光栅矢量(V11，V42)的矢量之和是零。具体可以是通过光栅周期d 11，d 42和该方向β11，β42的细节设计，控制光栅矢量V11，V42，使得光栅矢量V11，V42的矢量和为零。
光栅矢量(V12，V41)的光栅周期(d)和方向(β)可以通过设计，以满足例如单元1，4的光栅矢量(V12，V41)的矢量之和是零。具体可以是通过光栅周期d 12，d 41和该方向β11，β42的细节设计，控制光栅矢量V12，V41，使得光栅矢量V12，V41的矢量和为零。
第一光学衍射入瞳单元1可以具有第一光栅矢量V11以形成沿方向DIR1的第一传导光B1，以及第二光栅矢量V12以形成沿方向DIR2的第二传导光B2。第一光学衍射入瞳单元1可以具有第一衍射特征F11，具有第一光栅周期d 11和第一取向β11(相对于基准方向SX)。所述第一光学衍射入瞳单元1可以具有第二衍射特征F12，具有第二光栅周期d 12和第二取向β12(相对于基准方向SX)。第一光学衍射入瞳单元1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10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10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。
第二光学衍射扩瞳单元2可以具有第一光栅矢量V2，从而使第一传导光B1衍射形成第三传导光B3。所述第二光学衍射扩瞳单元2的光栅G2可以具有衍射特征F2，其具有光栅周期d 2和一个取向β2(相对于基准方向SX)。
第一回收单元2a可以具有第一光栅矢量V2a，从而使第二反向传导光B-2衍射形成回收光B1a。所述第一回收单元2a的光栅G2a可以具有衍射特征F2a，其具有光栅周期d 2a和一个取向β2a(相对于基准方向SX)。
第二回收单元3a可以具有第一光栅矢量V3a，从而使第一反向传导光B-1衍射形成回收光B2a。所述第二回收单元3a的光栅G3a可以具有衍射特征F3a，其具有光栅周期d 3a和一个取向β3a(相对于基准方向SX)。
第三光学衍射扩瞳单元3可以具有第一光栅矢量V3，从而使第二传导光B2衍射形成第四传导光B4。所述第三光学衍射扩瞳单元3的光栅G3可以具有衍射特征F3，其具有光栅周期d 3和一个取向β3(相对于基准方向SX)。
第四光学衍射出瞳单元4的可以具有第一光栅矢量V41以衍射第三传导光B3、第三回收光B3a及第二直通光B2b，其中，第三传导光B3形成第一输出光OB4，第三回收光B3a形成辅助输出光AUX4a和辅助输出光AUX4b，第一直通光B2b形成直通输出光DRE4c。第四光学衍射出瞳单元4可以具有第一衍射特征F41，具有第一光栅周期d 41和第一取向β41(相对于基准方向SX)。同时，第四光学衍射出瞳单元4的可以具有第二光栅矢量V42以衍射第四传导光B4、第四回收光B4a及第一直通光B1b，其中，第四传导光B4形成输出光束OB4，第四回收光B4a形成AUX4c和AUX4b，第一直通光B1b形成直通输出光DRE4a。所述第四光学衍射出瞳单元4可以具有第二衍射特征F42，具有第二光栅周期d 42和第二取向β42(相对于基准方向SX)。第四光学衍射出瞳单元4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10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10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。可以通过设置第一光学衍射入瞳单元1、第二光学衍射扩瞳单元2、第三光学衍射扩瞳单元3及第四光学衍射出瞳单元4的位置和尺寸，使得第一传导光(B1)不与第三光学衍射扩瞳单元3和第四光学衍射出瞳4相互作用，第二传导光(B2)不与第二光学衍射扩瞳单元2相互作用。
第一光学衍射入瞳单元1可以具有宽度w1和高度h1。第二光学衍射扩瞳单元2可以具有宽度w2和高度h2。第一回收单元2a可以具有宽度w2a和高度h2a。第二回收单元3a可以具有宽度w3a和高度h3a。第三光学衍射扩瞳单元3可以具有宽度w3和高度h3。第四光学衍射出瞳单元4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。第四光学衍射出瞳单元4可以为矩形。所述第四光学衍射出瞳单元4的边缘分别沿着方向SX和SY。
第二光学衍射扩瞳单元2的宽度w2比第一光学衍射入瞳单元1的宽度w 1大很多，因此扩展的第三传导光B3的宽度比输入光束IN1的宽度大很多。第三光学衍射扩瞳单元3的高度h3比第一光学衍射入瞳单元1的高度h 1大很多，因此扩展的第四传导光B4的宽度比输入光束IN1的高度大很多。
第一位置POS4a是第二区域REG4a中的某个位置，第二位置POS4b是第三区域REG4b中的某个位置，第三位置POS4c是第四区域REG4c中的某个位置，中心位置POS40是第四光学衍射出瞳单元4的中心位置。第一位置POS4a中心位置POS40之间的水平距离可以是第四光学衍射出瞳单元4的宽度w 4的35％～45％左右(优选为40％)。
波导板10可以由透明固体材料组成，例如由玻璃、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材质组成。第一光学衍射入瞳单元1、第二光学衍射扩瞳单元2、第一回收单元2a、第二回收单元3a、第三光学衍射扩瞳单元3及第四光学衍射出瞳单元4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，并且可以是由，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。
在一种实施例中，输入光IN1可以是基本上单色的或不同输入波长λ0。所有光束IN1，B1，B2，B3，B4，B-1，B-2，B1a，B2a，B3a，B4a，OUT1，OB4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。通过控制第四光学衍射出瞳单元4的微观衍射特征F的参数，以进一步提升输出光OUT1的强度分布均匀性。
所述显示设备400可以是一个虚拟现实装置400或增强现实设备400。显示设备400可以是近眼设备，也可以是可穿戴设备，例如耳机。装置400可以用于，例如头带，通过该头带可以将装置400佩戴在用户的头上。在使用过程中，装置400的第四光学衍射出瞳单元4被放置在用户的左眼EYE1或右眼EYE1前面。装置400可以将输出光OUT1投射到用户的眼睛EYE1中。在一个实施例中，设备400可以包括两个引擎10和/或两个扩瞳装置100以显示立体图像。对于增强现实装置400，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10可以生成静止图像和/或视频。引擎10可以从数字图像生成真实的主图像102。引擎10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400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 (9)

1.一种光学扩瞳装置(100)，包括波导板(10)，其特征在于，还包括：
第一光学衍射入瞳单元(1)，通过第一光学衍射入瞳单元(1)衍射输入光(IN1)从而形成第一传导光(B1)、第二传导光(B2)、第一反向传导光(B-1)、第二反向传导光(B-2)、第一光学第一直通光B1b和第二直通光B2b；
第一回收单元(2a)和第二回收单元(3a)，第一反向传导光(B-1)和第二反向传导光(B-2)分别通过所述第一回收单元(2a)和第二回收单元(3a)衍射以形成第一回收光(B1a)和第二回收光(B2a)；
第二光学衍射扩瞳单元(2)，通过所述第二光学衍射扩瞳单元(2)衍射所述第一传导光(B1)从而形成第三传导光(B3)，同时通过所述第二光学衍射扩瞳单元(2)衍射所述第一回收光(B1a)从而形成第三回收光(B3a)，所述第三传导光(B3)与所述第三回收光(B3a)方向一致；
第三光学衍射扩瞳单元(3)，通过所述第三光学衍射扩瞳单元(3)衍射所述第二传导光(B2)从而形成第四传导光(B4)，同时通过第三光学衍射扩瞳单元(3)衍射所述第二回收光(B2a)从而形成第四回收光(B4a)，所述第四传导光(B4)与第四回收光(B4a)方向一致；
第四光学衍射出瞳单元(4)，通过所述第四光学衍射出瞳单元(4)衍射第三传导光(B3)和第四传导光(B4)到同一方向DIR0’，以形成第一输出光(OB4)的第一部分；同时通过第四光学衍射出瞳单元(4)衍射第三回收光(B3a)和第四回收光(B4a)到同一方向DIRA’，以形成第一输出光(OB4)的第二部分；同时通过第四光学衍射出瞳单元(4)衍射第一直通光(B1b)和第二直通光(B2b)到同一方向DIRD’，以形成所述第一输出光(OB4)的第三部分；其中，DIR0'、DIRA’及DIRD’与所述输入光(IN1)的传播方向DIR0平行。
2.根据权利要求1所述的扩瞳装置，其特征在于：所述第一传导光(B1)和第一回收光(B1a)在第一方向(DIR1)上传播，所述第二传导光(B2)和第二回收光(B2a)在第二方向(DIR2)上传播；所述第一方向(DIR1)和第二方向(DIR2)之间的夹角的角度为γ12，其中60°≤γ12≤120°；
所述第四光学衍射出瞳单元(4)包括一个或多个区域(REG0，REG4a，REG4b，REG4c)；其中所述第四光学衍射出瞳单元(4)中的第一区域(REG0)，接收来自所述第二光学衍射扩瞳单元(2)中的第三传导光(B3)和第三回收光(B3a)，同时接收来自所述第三光学衍射扩瞳单元(3)中的第四传导光(B4)和第四回收光(B4a)，并最后衍射形成第一输出光(OB4)的第一部分，方向为DIR0’；
所述第四光学衍射出瞳单元(4)与第二光学衍射扩瞳单元(2)的重叠区域为第二区域(REG4a)，所述第四光学衍射出瞳单元(4)与第三光学衍射扩瞳单元(3)的重叠区域为第四区域(REG4c)；
所述第三回收光(B3a)中的大部分分布于所述第四光学衍射出瞳单元(4)的第三区域(REG4b)及所述第一区域(REG4a)中；所述第四回收光(B4a)中的大部分分布于所述第三区域(REG4b)及第四区域(REG4c)中；所述第三传导光(B3)和第三回收光(B3a)在第三方向(DIR3)上传播，所述第四传导光(B4)和第四回收光(B4a)在第四方向(DIR4)上传播，第三方向(DIR3)与第四方向(DIR4)的夹角的角度为60°～120°；所述第三方向(DIR3)与所述第二方向(DIR2)平行，所述第四方向(DIR4)与所述第一方向(DIR1)平行；
所述第一输出光(OB4)的各部分来自不同路径，并且各部分进行叠加。
3.根据权利要求2所述的扩瞳装置，其特征在于：所述扩瞳装置的光束传播路径包括第一主路径、第二主路径、第一回收路径、第二回收路径、第一直通路径及第二直通路径；
其中，所述第一主路径为自所述第一光学衍射入瞳单元(1)到第二光学衍射扩瞳单元(2)之后再到第四光学衍射出瞳单元(4)的传播途径；所述第二主路径为自所述第一光学衍射入瞳单元(1)到第三光学衍射扩瞳单元(3)之后再到第四光学衍射出瞳单元(4)的传播途径；所述第三传导光(B3)和第四传导光(B4)分别经过所述第一主路径和第二主路径，以形成输出光(OUT1)的一部分；
所述第一回收路径为自所述第一光学衍射入瞳单元(1)到第一回收单元(2a)之后到第二光学衍射扩瞳单元(2)，再到第四光学衍射出瞳单元(4)的传播途径；所述第二回收路径为自第一光学衍射入瞳单元(1)到第二回收单元(3a)之后到第三光学衍射扩瞳单元(3)，再到第四光学衍射出瞳单元(4)的传播途径；所述第三回收光(B3a)和第四回收光(B4a)分别经过所述一回收路径和第二回收路径的光束以形成第一输出光(OB4)的一部分；
所述第一直通路径为自第一光学衍射入瞳单元(1)到区域(REG4a)的传播途径；所述第二直通路径为自第一光学衍射入瞳单元(1)到第四区域(REG4c)的传播途径；所述第一直通光(B1b)和第二直通光(B2b)分别经过所述第一直通路径和第二直通路径以形成输出光(OUT1)的一部分。
4.根据权利要求3中所述的扩瞳装置，其中所述第四光学衍射出瞳单元(4)将第三回收光(B3a)和第四回收光(B4a)衍射而形成辅助输出光(AUX4a，AUX4b，AUX4c)，同时，将所述第一直通光(B1b)和第二直通光(B2b)衍射而形成直通输出光(DRE4a，DRE4c)；所述第一输出光(OB4)的第一部分、辅助输出光(AUX4a，AUX4b，AUX4c)以及直通输出光(DRE4a，DRE4c)的总和形成输出光束(OUT1)。
5.根据权利要求4所述的扩瞳装置，其特征在于：所述第一输出光(OB4)、辅助输出光(AUX4a，AUX4b，AUX4c)以及直通输出光(DRE4a，DRE4c)所携带的图像信息的缺角和色彩均匀性不同或互补。
6.根据权利要求2～5任意一项所述的扩瞳装置，其特征在于：所述第二光学衍射扩瞳单元(2)的宽度(w2)比所述第一光学衍射入瞳单元(1)的宽度(w 1)大，扩展的第三传导光(B3)的宽度比输入光束(IN1)的宽度大；所述第三光学衍射扩瞳单元(3)的高度(h3)比第一光学衍射入瞳单元(1)的高度(h 1)大，扩展的第四传导光(B4)的宽度比输入光(IN1)的高度大；
所述第四光学衍射出瞳单元(4)具有中心位置(POS40)，所述第二区域(REG4a)中具有第一位置(POS4a)，所述第三区域(REG4b)中具有第二位置(POS4b)，所述第四区域(REG4c)中具有第三位置(POS4c)；所述中心位置(POS40)与所述第一位置(POS4a)之间的水平距离为所述第四光学衍射出瞳单元(4)的宽度的35％～45％；
所述第一传导光(B1)不与第三光学衍射扩瞳单元(3)和第四光学衍射出瞳(4)相互作用，所述第二传导光(B2)不与第二光学衍射扩瞳单元(2)相互作用。
7.一种显示设备(400)，包括光学引擎(10)以形成主图像并将主图像转换为多个输入光束(IN1)，其特征在于：所述显示设备(400)包括权利要求1～6任意一项所述的扩瞳装置(100)，所述扩瞳装置衍射扩展所述输入光束(IN1)以形成输出光束(OUT1)。
8.使用权利要求1～6任意一项所述的扩瞳装置(100)来提供输出光(OUT1)的方法。
9.使用权利要求1～6任意一项所述的扩瞳装置(100)来显示图像的方法。
CN202010990065.0A 2020-09-18 2020-09-18 光学扩瞳装置及其显示设备和输出光及显示图像的方法 Active CN112180589B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010990065.0A CN112180589B (zh) 2020-09-18 2020-09-18 光学扩瞳装置及其显示设备和输出光及显示图像的方法
US17/131,575 US11480722B2 (en) 2020-09-18 2020-12-22 Optical expander device and its display device and method for outputting light and displaying image

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010990065.0A CN112180589B (zh) 2020-09-18 2020-09-18 光学扩瞳装置及其显示设备和输出光及显示图像的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112180589A CN112180589A (zh) 2021-01-05
CN112180589B true CN112180589B (zh) 2021-08-27

Family

ID=73955550

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010990065.0A Active CN112180589B (zh) 2020-09-18 2020-09-18 光学扩瞳装置及其显示设备和输出光及显示图像的方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11480722B2 (zh)
CN (1) CN112180589B (zh)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109459813A (zh) * 2018-12-26 2019-03-12 上海鲲游光电科技有限公司 一种基于二维光栅的平面光波导
KR102227050B1 (ko) * 2019-02-28 2021-03-12 고려대학교 세종산학협력단 Ftir 기반 회절 광학 구조체 및 그를 갖는 웨이브 가이드 장치와 증강현실 디스플레이
CN112180589B (zh) * 2020-09-18 2021-08-27 深圳市光舟半导体技术有限公司 光学扩瞳装置及其显示设备和输出光及显示图像的方法
CN112987180B (zh) * 2021-03-30 2022-08-23 维沃移动通信有限公司 衍射波导及电子设备
CN113219671A (zh) * 2021-05-25 2021-08-06 深圳市光舟半导体技术有限公司 光学装置和显示设备
CN115480335A (zh) * 2021-05-31 2022-12-16 华为技术有限公司 衍射波导、光学组件和电子设备
CN114019697B (zh) * 2021-11-22 2023-07-28 深圳市光舟半导体技术有限公司 一种反向光路通道波导组件、ar眼镜及其亮度调节方法
FI20225058A1 (en) * 2022-01-25 2023-07-26 Dispelix Oy DISPLAY COMPONENT
GB2616306A (en) * 2022-03-04 2023-09-06 Envisics Ltd System and device
FI20225215A1 (en) * 2022-03-11 2023-09-12 Dispelix Oy Display construction, display device and vehicle
CN115327773B (zh) * 2022-07-19 2024-02-06 深圳市光途显示科技有限公司 显示设备、应用显示设备的车辆及显示虚拟图像的方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0315002A (ja) * 1989-03-06 1991-01-23 Toshihiro Kubota 光分割器
FR2999301B1 (fr) * 2012-12-12 2015-01-09 Thales Sa Guide optique d'images collimatees a dedoubleur de faisceaux optiques et dispositif optique associe
EP3420388A4 (en) * 2016-04-04 2019-11-27 Akonia Holographics, LLC EQUALIZATION OF PUPILLE
US9791703B1 (en) * 2016-04-13 2017-10-17 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguides with extended field of view
US10067347B2 (en) * 2016-04-13 2018-09-04 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguides with improved intensity distributions
US10393930B2 (en) * 2017-06-30 2019-08-27 Microsoft Technology Licensing, Llc Large-field-of-view waveguide supporting red, green, and blue in one plate
TWI756691B (zh) * 2019-05-30 2022-03-01 美商蘋果公司 光學系統，頭戴式裝置，及顯示系統
CN110579876A (zh) * 2019-09-16 2019-12-17 东南大学 全息波导显示***出瞳均匀性的方法
CN110764261B (zh) * 2019-09-18 2022-03-11 深圳市光舟半导体技术有限公司 一种光波导结构、ar设备光学成像***及ar设备
CN111240015B (zh) * 2020-01-17 2020-12-18 北京理工大学 双侧对射出光均匀的衍射波导
CN111323920B (zh) * 2020-03-12 2021-07-30 深圳市光舟半导体技术有限公司 一种ar显示的衍射光波导
CN111766704A (zh) * 2020-06-19 2020-10-13 深圳市光舟半导体技术有限公司 一种光学器件、显示设备及其输出光和显示图像的方法
CN112180589B (zh) * 2020-09-18 2021-08-27 深圳市光舟半导体技术有限公司 光学扩瞳装置及其显示设备和输出光及显示图像的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112180589A (zh) 2021-01-05
US20210109273A1 (en) 2021-04-15
US11480722B2 (en) 2022-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112180589B (zh) 光学扩瞳装置及其显示设备和输出光及显示图像的方法
CN112817153B (zh) 一种大视场角的光学扩瞳装置、显示装置及方法
JP6867999B2 (ja) 反射型転換アレイを有する結像光ガイド
Lanman et al. Near-eye light field displays
CN111880304A (zh) 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
US11119262B1 (en) Optical device, display device, and method for outputting light and displaying image thereof
US11994684B2 (en) Image light guide with zoned diffractive optic
US20230417974A1 (en) Image light guide with zoned diffractive optic
WO2008081070A1 (en) Device for expanding an exit pupil in two dimensions
WO2008148927A1 (en) A diffractive beam expander and a virtual display based on a diffractive beam expander
US20210382308A1 (en) Device for augmented reality or virtual reality display
CN210136366U (zh) 用于呈现图像的装置和用于实现增强现实显示的***
CN115004082A (zh) 用于宽视场显示器的眼镜设备
CN212647158U (zh) 光学扩瞳装置及其显示设备
WO2023169502A1 (zh) 一种大视场角的光学扩瞳装置、显示装置及方法
US20230324595A1 (en) Low distortion imaging through a c-shape flat optical architecture
CN213544957U (zh) 一种光学器件及其显示设备
EP4170412A1 (en) Optical device, display apparatus, and light-outputting and image-displaying method thereof
CN219737894U (zh) 一种增大视场角的光波导显示装置及ar显示设备
GB2566788A (en) Device for augmented reality or virtual reality display
US20230085138A1 (en) Lightguide with radial pupil replication and visual display based thereon
Mohedano et al. Visual Interfaces in XR
WO2023039124A1 (en) Lightguide with radial pupil replication and visual display based thereon
CN117642576A (zh) 具有平板波导部分的波导照明器
WO2021191150A1 (en) Unpolarized light grating in-coupler

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant