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CN111766704B - 一种光学器件、显示设备及其输出光和显示图像的方法 - Google Patents

一种光学器件、显示设备及其输出光和显示图像的方法 Download PDF

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CN111766704B CN202010565684.5A CN202010565684A CN111766704B CN 111766704 B CN111766704 B CN 111766704B CN 202010565684 A CN202010565684 A CN 202010565684A CN 111766704 B CN111766704 B CN 111766704B
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Abstract

本发明涉及光学器件技术领域，特别涉及一种光学器件、显示设备及其输出光和显示图像的方法，一种光学器件，包括：波导板，其包括：衍射入瞳单元，其通过衍射所述输入光而形成第一导光和第二导光；衍射扩瞳单元通过衍射所述第一传导光以形成第三传导光；衍射出瞳单元通过衍射所述第三传导光形成第一输出光；旁路单元，其通过使第二传导光衍射而形成第四传导光；其中，第一传导光沿第一方向传播，第二传导光沿第二方向传播，并且第一方向和所述第二方向之间的夹角在60°至120°的范围内；其中衍射出瞳单元包括一个或多个增强区域，以通过衍射第四传导光形成辅助输出光。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

一种光学器件、显示设备及其输出光和显示图像的方法
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，特别涉及一种光学器件、显示设备及其输出光和显示图像的方法。
背景技术
参照图1，扩瞳器件1包括波导板101，该波导板又包括衍射入瞳单元102，衍射扩瞳单元103和衍射出瞳单元104。一束输入光束IN1在扩瞳器件1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102通过衍射，将输入光IN1衍射成第一传导的光B1。通过衍射扩瞳单元103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104将扩散的传导光B3衍射输出为光OUT1。
扩瞳器件1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。扩瞳器件1可以用于扩展虚拟显示设备的视瞳，以便于眼睛105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105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。扩瞳器件也可以称为例如扩展器件，扩展器件等。
在波导板101中传播的传导光(B1，B3)的强度随着其在扩瞳器件103中传播路程长度的增加而减小。同时，该传导光在衍射扩瞳单元103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。由于从衍射入瞳单元102到所述拐角区域6的光路较长，因此最远(最左)拐角区域6的输出强度可能较低。而且，衍射扩瞳单元103也会进一步减小出光强度。
因此，在衍射出瞳单元104的最远处的角区域6的输出光的强度会比在衍射出瞳单元104的中心106的输出光的强度低很多。最终导致图1中的扩瞳器件1的输出光的空间强度分布可能是不均匀的。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种光学器件、显示设备及其输出光和显示图像的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明解决现有技术中的问题所采用的技术方案为：一种光学器件，包括：
波导板，其包括：
衍射入瞳单元，其通过衍射所述输入光而形成第一传导光和第二传导光；
衍射扩瞳单元通过衍射所述第一传导光以形成第三传导光；
衍射出瞳单元通过衍射所述第三传导光形成第一输出光；
旁路单元，其通过使第二传导光衍射而形成第四传导光；
其中，第一传导光沿第一方向传播，第二传导光沿第二方向传播，并且第一方向和所述第二方向之间的夹角在60°至120°的范围内；
其中衍射出瞳单元包括一个或多个增强区域，以通过衍射第四传导光形成辅助输出光。
作为本发明的优选方案，所述衍射出瞳单元包括一个或多个所述区域，所述区域不使第四传导光从波导板中衍射出来。
作为本发明的优选方案，所述第三传导光的传播方向是第三方向且基本平行与所述第二方向；其中所述第四传导光传播方向是在第四方向，且基本平行与所述第一方向。
作为本发明的优选方案，所述第一增强区域通过使第三传导光衍射而形成第一输出光，同时通过衍射第四传导光以形成辅助输出光，并且通过将辅助输出光与第一输出光叠加来形成组合输出光。
作为本发明的优选方案，所述衍射入瞳单元和旁路单元之间的距离是在输出耦合区域高度的50％至80％范围内；所述第二传导光在衍射入瞳单元和衍射扩瞳单元之间，不与所述衍射出瞳单元相互作用。
作为本发明的优选方案，所述衍射出瞳单元包括一个或多个基准区域，它们不使第四导光从波导板中衍射出来，其中基准区域的总面积在衍射出瞳单元面积的30％至95％。
作为本发明的优选方案，至少有一部分的所述第四传导光从所述旁路单元直接传播至第一增强区域而不经过的基准区域，不会使第四传导光从波导板衍射。
一种显示设备，包括光学引擎以形成主图像并将主图像转换为多个输入光束，该设备包括本发明的光学器件上述中的任一项，通过衍射扩展输入光束形成输出光束。
使用以上所述任一项所述的器件来提供输出光的方法作为本发明的优选方案。
使用所述的显示设备来显示图像的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明中一种光学器件、显示设备及其输出光和显示图像的方法，该光学器件可以很好的提升输出光的强度分布均匀性。
附图说明
图1相关案例，一种光学扩瞳器件；
图2显示了本发明扩瞳器件的正视图，该扩瞳器件包括将光耦合到增强区域的旁路单元；
图3显示了扩瞳器件的三维视图；
图4显示了扩瞳器件的横截面侧视图，包括扩瞳器件配套的显示设备；
图5以实例的方式，在三维视图中，将第一输出光与辅助输出光结合，形成最终输出光；
图6显示了本发明扩瞳器件的正视图，并标注的相关尺寸和结构细节。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请的光学器件即扩瞳器件2可以包括平面度好的平面波导板201，其又包括第一光学衍射入瞳单元202，第二光学衍射扩瞳单元203，第三光学衍射出瞳单元204和第四光学衍射旁路单元205。
衍射入瞳单元202可以接收输入光束IN1，而衍射出瞳单元204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。
扩瞳器件2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。扩瞳器件2可以称为光束扩展器或出射光瞳扩展器等。
衍射入瞳单元202可以用作耦合单元。衍射入瞳单元202可以通过衍射输入光IN1来形成第一传导光B1和第二传导光B2。第一传导光B1和第二传导光B2可在平面波导板201内传播。第一传导光B1和第二传导光B2可以被限制在所述平面波导板201进行全内反射(Total Internal Reflection)。
其中术语“传导”可能意味着该所述光在平面波导板201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。所述第一单元202可将输入光IN1耦合到两条不同的路径，即通过主路径和旁路路径，传播到衍射出瞳单元204。
经过衍射入瞳单元202的光线，可以通过衍射扩瞳单元203将光线耦合到衍射出瞳单元204。扩瞳器件2可以提供从单元202经由单元203到单元204的主路径。
衍射入瞳单元202也可以通过旁路单元205将光线耦合到衍射出瞳单元204。扩瞳器件2可以提供从单元202经由单元205到单元204的旁路路径。
第二单元203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202传导至衍射扩瞳单元203，该方向是第一方向301。所述衍射扩瞳单元203可以通过衍射第一传导光B1，从而形成扩展后的第三传导光B3。扩展后的传导光B3可以从衍射扩瞳单元203传播到衍射出瞳单元204。扩展的传导光B3可以通过全内反射限制在波导板201中传播。在本实施例中，衍射扩瞳单元203可以将传导光B3接近均匀的分配到衍射出瞳单元204的整个区域。
第三单元204可以用作衍射出瞳单元。外出如图2～5所示，衍射出瞳单元204可以将扩展的传导光B3衍射而形成输出光OB3。
第四单元205可以用作旁路单元。第二传导光B2可以从衍射入瞳单元202传播到旁路单元205，此方向是第二方向302。
第一方向301代表着所述被传导光B1的平均传播方向。方向301也可以表示被传导光B1的传播的中心轴。
第二方向302代表着所述被传导光B2的平均传播方向。方向302也可以表示被传导光B2的传播的中心轴。
角度γ12是第一方向301和第二方向302之间的夹角，可以是60°至120°的范围内。
旁路单元205通过使第二传导光B2衍射而形成传导辅助光B4。传导的辅助光B4可以通过全内反射被限制在波导板201中传播。其中传导辅助光B4包括第五传导光B4a和第六传导光B4b。衍射出瞳单元204可以包括一个或多个增强区域401，402。一个或多个增强区域401，402可以通过衍射将传导的辅助光B4耦合出波导板201。一个或多个增强区域401，402可通过将传导的辅助光B4进行衍射，从而形成输出增强光AUX3。
第一增强区域(401或402)可以从衍射扩瞳单元204和所述第一增强区域接收的传导光B3，还可以同时衍射从旁路单元204接收的传导光B4。
扩展后的传导光B3可以在第三方向303上传播，第三方向303可以是，例如与第二方向302基本上平行的方向。该辅助的光B4可以在第四方向304上传播，该第四方向304可以是，例如与第一方向301基本平行的方向。
主路径表示从衍射入瞳单元202到衍射扩瞳单元203经由衍射扩瞳单元203的光路。
旁路路径指的是从衍射入瞳单元202经由旁路单元205到增强区域401或402的光路。
在一个实施例中，扩瞳器件2可以使得第二传导光B2不经由衍射出瞳单元204传播。
衍射出瞳单元204可以包括一个或多个基准区域400，该基准区域400不使第四传导光B4从波导板201中衍射出来。基准区域400的总面积可以是衍射出瞳单元204的面积的30％至95％的范围内。
衍射出瞳单元204可以包括基准区域400和一个或多个增强区域401，402。该基准区域400通过衍射被传导的光B3来形成第一输出光OB3。增强区域401，402可以通过衍射传导光B3来形成第一输出光OB3，并且增强区域401，402可以通过衍射传导光B4来提供辅助输出的辅助光AUX3。基准区域400也可以被称为正常的出瞳区域或第一出瞳区域。
在一个实施例中，第四传导光B4的至少一部分，比如第五传导光B4a可以从旁路单元205传导到第一增强区域401而不通过基准区域400。第四传导光B4的另一部分，例如第二六传导光B4b，可以从旁路单元205传播到相邻的第二增强区域402。基准区域400在衍射出瞳单元204中，且不会将第四传导光B4衍射出波导板的201。
SX，SY和SZ表示正交方向。波导板201与方向SX和SY限定的平面平行。
801表示第一拐角区域6在衍射出瞳单元204中的位置。与衍射出瞳单元204的其他转角区域相比，第一个转角区域6可能是从衍射入瞳单元202出发的最长路径长度的转角区域。802表示第二拐角区域7在衍射出瞳单元204中的位置。第二拐角区域7是最接近于所述旁路单元205的。803可以表示衍射出瞳单元204的中心位置。
参照图3，扩瞳器件2包括一个或多个增强区域401，402和一个旁路单元205从而增加和优化输出光束OUT1的空间强度分布的均匀性。例如，旁路单元205和增强区域401，402可以提供辅助光AUX3，使得输出光束OUT1在衍射出瞳单元204的最远处的拐角区域6位置的强度可以基本上等于输出光束OUT1在单元204中心803的强度。从衍射入瞳单元202到拐角区域6具有的最长的光学路径长度。
扩瞳器件2可以优化输出光束OUT1，使得在第一横向位置(801)处的输出光束OUT1的光强度(I801)基本上等于输出光束OUT1在一个第二横向位置(803)的强度(I803)。该相对差(I803-I801)/I803需要小于30％，若小于10％更好。第一横向位置801在该拐角区域6里。第二横向位置803在衍射出瞳单元204的中心。
输入光束IN1具有传播方向300。输入光束IN1可以对应于显示图像上的一个点。扩瞳器件2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300'。通过扩瞳器件2将光输入光束IN1转换成输出光束OUT1后，方向300'与方向300是平行的。单元202，203，204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300与输入光束IN1的方向300平行。
参照图4，显示设备500包含扩瞳器件2和一个光学光引擎10。所述显示设备500包含一个光学引擎10，光学引擎10提供一个主图像IMG0，并将主图像IMG0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器件2的衍射入瞳单元202中。所述多个的输入光的光束IN1通过衍射入瞳单元202的衍射，进入导扩瞳器件2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。
扩瞳器件2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5前面。扩瞳器件2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DISP1以产生一个主图像IMG0。在微型显示器DISP1可以包括一个二维阵列式的发光像素。显示器DISP1可以是例如以1920×1080(全高清)的分辨率生成的主图像IMG0。所述显示DISP1可以生成一个主图像IMG0例如在一个分辨率为3840×2160(4K UHD)。主图像IMG0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LNS1，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LNS1，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300。不同的图像点P1的光束传播方向与方向300不同。引擎10可以提供与所生成的主图像IMG0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EPE1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)。所述显示DISP1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。
该第一增强区域(401或402)通过从衍射扩瞳单元203传导来的传导光B3，从而出射第一输出光OB3。第一增强区域(401或402)可以通过衍射从旁路单元205传导来的传导光B4，从而形成第二辅助输出光束分量AUX3。通过将第二输出光束分量AUX3与第一输出光束分量OB3叠加，从而在第一增强区域(401或402)形成输出光OUT1。
所述第一输出光束分量OB3的传播方向是方向300’。辅助输出光束分量AUX3的传播方向是方向100'。该扩瞳器件2可以通过光栅的设计和控制，使方向100’与方向300’平行，从而实现第一输出光OB3和第二辅助输出光AUX3对应于同一束入射光IN1，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300’和100'与输入光束IN1的方向300平行。
每个单元202，203，204，205都可以包含一个或多个描述中的衍射光栅。
光学单元的202，203，204，205的光栅周期(d)，光栅方向(β)和光栅矢量(V)是可以设计的，通过设计可以实现该辅助输出光束分量AUX3的方向100'与第一输出光束分量OB3的方向300’平行。
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202的光栅矢量，205中的光栅矢量，区域401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202的光栅矢量，205的光栅矢量，和区域402的光栅矢量之和是零。
波导板的厚度是t201。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201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。t201是指波导板201的核心部分的厚度。
扩瞳器件2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。
扩瞳器件2可以扩展虚拟显示设备500的视瞳，以便于眼睛5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OUT1位置入射到观看者眼睛5位置的虚拟图像9。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IMG0的微型显示器。光学引擎10和扩瞳器件2可以把主图像IMG0转换成具有多个输入光束LB1的显示虚拟图像9，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9的不同像点(P0'，P1')。所述主图像IMG0可以是图形，文字或视频。该光学引擎10和所述扩瞳器件2可以显示虚拟图像9，并使得虚像9的每个图像点(P0'，P1')对应于主图像IMG0的不同图像点。
图5展示出了，通过将第一输出光OB3与辅助输出光AUX3叠加而形成组合的输出光OUT1。
增强区域401可以通过衍射将传导光B3耦合到板201之外而形成第一输出光OB3。增强区域401可以通过衍射将传导光B4耦合到板201之外，来形成辅助输出光AUX3。增强区域401可以提供第一输出光OB3和辅助输出光AUX3使得辅助输出光AUX3与第一输出光OB3重叠。所述增强区域401可以组合输出光AUX3与所述第一输出光OB3，即该辅助输出光AUX3与第一输出光OB3重叠。增强区域401通过组合辅助输出光AUX3和第一个输出光OB3，提供最后的输出光OUT1。
该基准区域400可以通过把传导的光B3衍射出波导板201，从而形成第一输出光OB3。基准区域400可以通过设计，使得所述基准区域400对传导光B4不发生衍射，从而不会从所述波导板201中出来。
参照图6，每个单元202，203，204，205可包括一个或多个衍射光栅，用于对光进行衍射。例如，单元202可包括一个或多个光栅G1。例如，单元203可以包括一个或多个光栅G2。例如，单元205可包括一个光栅G4。为例子，该基准区域400可以包括一个或多个光栅G3。例如，增强区域401可以包括一个或多个光栅G3A。例如，增强区域402可以包括一个或多个光栅G3B。
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。
衍射入瞳单元202具有光栅矢量V11，V12。衍射扩瞳单元203具有一个光栅矢量V21。所述旁路单元205具有光栅矢量V41。基准区域400具有光栅矢量V31。所述增强区域401具有光栅矢量V31，V3A。增强区域402具有光栅矢量V31，V3B。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。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V3A具有方向β3A和大小2π/d3A。光栅矢量V3B具有方向β3B和大小2π/d3B。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202，203，204，205的光栅周期(d)和光栅矢量V的取向(β)，使得辅助输出光束分量AUX3的方向100与第一输出光束分量OB3的方向300’平行。
衍射入瞳单元202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202的光栅周期d12的可以是基本上等于光栅周期d11。所述单元202的光栅周期d12的也可以是等于光栅周期d11。
光栅矢量(V11，V21，V31)的光栅周期(d)和方向(β)可以通过设计，满足例如单元202，203，204的光栅矢量(V11，V21，V31)的矢量之和是零。具体是通过光栅周期d11，d21，d31和该方向β11，β21，β31的细节设计，控制光栅矢量V11，V21，V31，使得光栅矢量V11，V21，V31的矢量和为零。
光栅周期(d)和光栅矢量的方向(β)可以通过设计满足例如，单元202的光栅矢量的矢量，单元205的光栅矢量，和区域401的光栅矢量三者之和为零。
光栅周期d12，d41，d3A和方向β12，β41，β3A的光栅矢量V12，V41，V3A可通过设计，使得例如所述光栅矢量V12，V41，V3A的矢量和是零。
光栅矢量V3B可以是平行与所述光栅矢量V3A，因此光栅周期d3B可以等于光栅周期d3A。
光栅周期(d)和光栅矢量的方向(β)可以通过设计满足，例如，单元202的光栅矢量，单元205的光栅矢量，区域402的光栅矢量三者之和为零。
第一单元202可以具有第一光栅矢量V11以形成沿方向301的第一传导光B1，以及第二光栅矢量V12以形成沿方向302的第二传导光B2。第一单元202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202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)。第一单元202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201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201的第二侧(例如在输出侧SRF2上)。衍射光栅的特征结构可以是，例如微观的山脊或微小突起。
第二单元203可以具有第一光栅矢量V21，从而使第一传导光B1衍射形成第三传导光B3。所述第二单元203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)。
第三单元204可以具有第一光栅矢量V31，从而将扩展的光B3衍射耦合出波导板201。第三单元204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)。
基准区域400可以具有第一光栅矢量V31，从而将扩展的光B3衍射耦合出报道板201。基准区域400的光栅G3A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)。
在一个实施例中，所述衍射出瞳单元204可包括一个或多个基准区域400，其不会衍射第四传导光B4出波导板201。
在一个实施例中，所述区域400可以具有低的或可忽略不计的衍射效率，把传导的光B4衍射出波导板201。在一个实施例中，对于传播在所述第一方向301的传导光，基准区域400具有低或可忽略的输出耦合效率。例如，区域400对沿着第一方向301传播的传导光输出耦合为观察方向(300)的出射光，与其对沿着第二方向302传播的传导光输出耦合为观察方向(300)的出射光，前者的耦合效率为后者耦合效率的10％或更低。
所述旁路单元205可以有一个第一光栅矢量V41以形成通过衍射所述第二传导的光B2从而产生传导光B4。旁通单元205的光栅G4可以具有衍射特征F41，其具有光栅周期d41和一个取向β41(相对于基准方向SX)。
增强区域401，402可以具有第一光栅矢量V31，将扩展光B3衍射耦合出的波导板201。增强区域401，402的光栅可以具有衍射特征F31，具有光栅周期d31和一个取向β31(相对于基准方向SX)。
增强区域401，402可以具有一个或两个不同的光栅矢量V3A，V3B，将传导的光B4衍射耦合出波导板201的。在增强区域401的光栅G3A可以有衍射功能F3A，其具有光栅周期d3A和一个取向β3A(相对于基准方向SX)。在增强区域402的光栅G3B可以有衍射特征F3B，具有光栅周期d3B和一个取向β3B(相对于基准方向SX)。
增强区域401，402可以通过十字光栅来实现，例如交叉光栅或两个线性光栅。第一线性光栅G3A具有特征F3A，可以被设置在波导板201的第一侧(例如SRF1)上，第二线性光栅G3具有特征F31，可以被设置在板201的第二侧(例如SRF2)上。
增强区域401，402可以具有用于将导光B3衍射耦合出波导板201的高输出耦合效率，并且增强区域401，402可以具有用于将传导光B4耦合出波导板201的高输出耦合效率。
第一增强区域401的把传播在所述第一方向301的光耦合到观察方向(300)的效率，可以约为第一增强区域401把传播在所述第二方向302的光耦合到观察方向(300)的效率的50％以上。
L14表示单元202和单元205之间的距离。距离L14可以为单元204高度h3的50％至80％。
可以通过设置单元202，204，205的位置和尺寸，使得第二传导光(B2)不与衍射入瞳单元202和衍射扩瞳单元203之间的耦合单元204相互作用。
扩瞳器件2可以设计成使得第二传导光B2不经由衍射出瞳单元204传播。
第一单元202可以具有宽度w1和高度h1。第二单元203可以具有宽度w2和高度h2。第三单元204可以具有宽度w3和高度h3。第四单元205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。衍射出瞳单元204可以为矩形。所述衍射出瞳单元204的边缘分别沿着方向SX和SY。
所述衍射扩瞳单元203的宽度W2比衍射入瞳单元202的宽度w1大很多。扩展的传导光束B3的宽度比输入光束IN1的宽度大很多。
803表示所述衍射出瞳单元204的中心点。位置800表示衍射出瞳单元204中最接近单元202的位置。位置801可以是衍射出瞳单元204的最远角的区域6。位置800，801之间的水平距离可以是，例如衍射出瞳单元204的宽度w3的90％。位置800，801之间的垂直距离可以是，例如衍射出瞳单元204的高度h3的90％。位置802位于所述第二角部区域7，最接近旁路单元205的位置。
波导板201可以由透明固体材料组成。波导板201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202，203，204，205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202，203，204，205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，OUT1，OB3，AUX1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。可以通过控制衍射出瞳单元204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500可以是一个虚拟现实器件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。器件500可以用于，例如头带，通过该头带可以将器件500佩戴在用户的头上。在使用过程中，器件500的衍射出瞳单元204被放置在用户的左眼5或右眼5前面。器件500可以将输出光OUT1投射到用户的眼睛5中。在一个实施例中，设备500可以包括两个引擎10和/或两个扩瞳器件2以显示立体图像。对于增强现实器件500，观看者不但可以看到所述扩瞳器件2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IMG0。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。器件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。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学器件(2)，其特征在于，包括：
波导板(201)，其包括：
衍射入瞳单元(202)，其通过衍射输入光(IN1)而形成第一传导光(B1)和第二传导光(B2)；
衍射扩瞳单元(203)通过衍射所述第一传导光(B1)以形成第三传导光(B3)；
衍射出瞳单元(204)通过衍射所述第三传导光(B3)形成第一输出光(OB3)；
旁路单元(205)，其通过使第二传导光(B2)衍射而形成第四传导光(B4)；
其中，第一传导光(B1)沿第一方向(301)传播，第二传导光(B2)沿第二方向(302)传播，并且第一方向(301)和所述第二方向(302)之间的夹角(γ12)在60°至120°的范围内；
其中衍射出瞳单元(204)包括一个或多个增强区域(401，402)，以通过衍射第四传导光(B4)形成辅助输出光(AUX3)。
2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：所述衍射出瞳单元(204)包括一个或多个区域(400)，所述区域(400)不使第四传导光(B4)从波导板(201)中衍射出来。
3.根据权利要求2所述的光学器件，其特征在于：所述第三传导光(B3)的传播方向是第三方向(303)且基本平行与所述第二方向(302)；其中所述第四传导光(B4)传播方向是在第四方向(304)，且基本平行与所述第一方向(301)。
4.根据权利要求3所述的光学器件，其特征在于：第一增强区域(401)通过使第三传导光(B3)衍射而形成第一输出光(OB3)，同时通过衍射第四传导光(B4)以形成辅助输出光(AUX3)，并且通过将辅助输出光(AUX3)与第一输出光(OB3)叠加来形成组合输出光(OUT1)。
5.根据权利要求4所述的光学器件，其特征在于：所述入瞳单元(202)和旁路单元(205)之间的距离(L14)是在输出耦合区域高度(H3)的50％至80％范围内；所述第二传导光(B2)在衍射入瞳单元(202)和衍射扩瞳单元(203)之间，不与所述衍射出瞳单元(204)相互作用。
6.根据权利要求5所述的光学器件，其特征在于：所述衍射出瞳单元(204)包括一个或多个基准区域(400)，它们不使第四传导光(B4)从波导板(201)中衍射出来，其中基准区域(400)的总面积在衍射出瞳单元(204)面积的30％至95％。
7.根据权利要求6所述的光学器件，其特征在于：至少有一部分的所述第四传导光(B4)从所述旁路单元(205)直接传播至第一增强区域(401)而不经过的基准区域(400)，不会使第四传导光(B4)从波导板(201)衍射。
8.一种显示设备(500)，其特征在于，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)，该设备(500)包括权利要求1至7任意一项所述的光学器件(2)，通过衍射扩展输入光束(IN1)形成输出光束(OUT1)。
9.使用权利要求1所述的光学器件(2)来提供输出光(OUT1)的方法。
10.使用权利要求1所述的光学器件(2)来显示图像的方法。
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