[发明专利]用于在二维上扩展出射光瞳的设备

说明书

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；