[发明专利]具有双周期性光栅的衍射元件

说明书

本发明涉及一种衍射元件、一种产生可见图像的方法以及一种光学器件。该元件包括波导(30)和被布置在波导(30)的表面(30A)上或内部的衍射向外耦合区域(36)，该向外耦合区域(36)包括相对于彼此被侧向地布置且被适配成将在波导(30)中传播的光(32E)耦合出波导的多个子区域(36A)。根据本发明，诸子区域(36A)各自包括具有在第一方向上的第一周期和在与第一方向不同的第二方向上的第二周期的双周期性光栅图案，并且其中存在具有不同光栅图案的至少两个子区域(36A)。本发明虑及在波导的单个区域上组合向外耦合和出射光瞳扩展。

发明领域

本发明涉及衍射光学器件。具体而言，本发明涉及可例如在增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、混合现实(MR)应用(诸如近眼(NED)显示器)以及还有各种照明应用中使用的衍射元件。本发明还涉及一种利用衍射光学器件的方法。

发明背景

出射光瞳扩展器(EPE)可被用来增加衍射显示器的出射光瞳。常规地，EPE是被布置在显示器的光向内耦合(in-coupling)光栅和光向外耦合(out-coupling)光栅之间的波导上的分开的光栅。具有2D出射光瞳扩展器(EPE)的常规单个光导的最大视场(FOV)取决于光导的折射率，即经投射的光的波长带。当波长带为460–630nm且光导折射率为2.0时，最大FOV在33–35度左右。对于单色光，最大FOV约为50度。为了增加FOV，典型的办法是使用多个光导。

在US 6580529中公开了2D出射光瞳扩展(光场在两个维度中被扩展)的一个示例。例如，在US 2006/0126181和US 8466953中讨论了具有单周期性光栅的光瞳扩展。在US8160411中讨论了用于出射光瞳扩展的双周期性光栅。

当使用此类出射光瞳扩展光栅时，存在对向内耦合、出射光瞳扩展和向外耦合区域的可能放置的严格限制，这实际上意味着波导的许多表面积出于除向外耦合之外的其他目的而被浪费，并因而导致器件不必要得大，甚至大得笨重。例如，在可用于例如智能眼镜等中的所谓的“眼镜(spectacle)”外形中，期望使波导的大部分用于使光向外耦合。然而，如果EPE占据了其显著的部分，则给向外耦合光栅的空间更少(如果还留有的话)。而且，在常规办法中，投影仪的定位非常受限。

在WO 2017/062139中还公开了一种用于出射光瞳扩展和向外耦合的双周期性光栅。

因而，存在对在衍射显示技术方面的改进的需要。

发明内容

本发明的目的是解决至少一些上面提到的问题，并提供一种解决方案，该解决方案减轻了当前的设计局限并且为衍射元件的设计提供了新的可能性。

一个具体的目的是提供一种解决方案，该解决方案允许将波导表面积的较大部分用于光的向外耦合，还允许元件的出射光瞳扩展。本发明的目的还在于提供一种允许增加衍射显示器(诸如NED)的FOV的解决方案。

通过如下文描述和要求保护的本发明来迎合这些目的。

本发明基于从具有至少部分地不同的双周期性光栅图案的多个子区域形成衍射元件的向外耦合区域。这为光学器件中光的向外耦合提供了新的设计自由度，且尤其增加了向外耦合区域的大小和可达成的FOV。具体而言，子区域可以相对于彼此并且还相对于波导具有相同角度处的相同内部周期，但是它们的基本光栅特征的微观结构不同。这允许出射光瞳扩展在向外耦合区域内进行，由此不需要分开的出射光瞳扩展区域。

因而，本发明提供了一种衍射元件，其包括波导和被布置在表面上或被布置到波导中的衍射向外耦合区域。向外耦合区域包括多个子区域，该多个子区域相对于彼此被侧向地布置并且被适配成将在波导中传播的光耦合出波导。子区域各自包括具有在第一方向上的第一周期和在与第一方向不同的第二方向上的第二周期的双周期性光栅图案。子区域的至少两者具有不同的光栅图案。

本发明还提供了一种光学产品，其包括上述种类的衍射元件和被适配成将光引导到该衍射元件的波导中的光源。