专利名称：用于平衡衍射效率的衍射光栅元件的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种根据所附权利要求1前序的衍射光栅元件。
在新型便携式装置的研制中，显示技术是一个关键因素，在这类新型便携式装置中，目前典型地以用于音频和数据存取的无线连接为特征，并包括用于观看例如文本、图形和不同类型的多媒体的显示器。这种便携式装置的显示器日益需要能够再现高质量的静止图像以及现场直播的图像的能力。这种装置例如包括先进的移动电话和便携式互联网设备。
从外形和成本的角度看，很多便携式产品通过显示器来控制。事实是，在这种装置中除了显示器以外，几乎所有其它的电器元件都缩小了尺寸。使用基于微型显示器系统来替代大尺寸直观显示板为克服这些限制提供了一种可能的方法。基于微显示器的系统通常可以定义为其中由图像源产生的图像必须放大以适合观看的这类系统。通常，这种基于微显示器的系统由小型、高分辨率集成电路显示芯片来驱动，但是其它的结构也是可能的。
微显示器为设计者提供了增加显示图像的尺寸和分辨率的可能，还从外形上缩小了图像源本身的尺寸。在很多情况中，图像源越小，成本越低。因此，微显示器不仅可以使得系统成本更低，而且它们更小的外形尺寸意味着产品的体积更小和重量更轻以及能耗更低，也就是使用相同的电池电源，它们将工作更长时间。使用基于微显示器的系统可以获得高像素密度。例如许多直观平板显示器可以产生仅仅3-4线/mm的全色像素。许多基于微显示器的系统可以提供50-100线/mm的全色像素。
基于微显示器的系统通常可以分为两类投影显示系统和虚拟显示系统。
投影显示系统在屏幕上产生真实的图像。适当的成像光学系统放大并投影在嵌入进投影仪内的显示芯片上产生的图像。
虚拟的基于微显示器的系统也使用成像光学系统来放大图像，但是产生虚拟图象而不是投影的真实图像。虚拟图象例如是观察者在数字摄像机的电子取景器中观察时所看到的图像。虚拟图象看起来更大并且从距离观察者眼睛的一定距离内是浮动的，即使它由用作图像源的小尺寸集成显示芯片产生。换句话说，观察者会有好像他/她站在更大的显示监视器前的一定距离一样观察源图像的假象。
保持接近眼睛的虚拟显示器可以是单目的或双目的。一种类型的虚拟显示器例如为头戴式显示器(HUD)，其中成像光学系统位于距离眼睛稍微更远的位置。
如同在很多其它的光学系统中那样，在虚拟显示装置中重要而且众所周知的方面是系统的出射光瞳直径。在主要确定虚拟显示装置的整体可用性方面，出射光瞳的直径以及位置实际上都是相当重要的。在目视仪器中，包括虚拟显示器，观察者的眼睛必须放在位于该光学系统后面的出射光瞳的中心处，以便看到具有全视野的图像。换句话说，出射光瞳象窗户，通过它可以看到虚拟图象。
出射光瞳的位置和最后的光学部件例如目视仪器的目镜透镜之间的距离称为眼睛间隙。该眼睛间隙与出射光瞳共同确定观察自由度，也就是相对于光学系统可以定位观察者眼睛的量。
本发明尤其涉及这种虚拟显示系统，其中衍射光栅元件用作成像光学系统的一部分，以便从由图像源产生的较小尺寸的真实图像产生放大的虚拟图像，图像源在此称作成像器，其通常是集成电路显示芯片。本发明不仅仅局限于基于微显示器的系统，而且也可以用于其它的虚拟显示系统中。除显示系统外，本发明也可以以它的普通形式用于其它类型的光学系统中，其中衍射光栅元件可以用于扩展该光学系统的出射光瞳。
衍射光栅元件用来扩展成像系统出射光瞳的基本用途在本领域中是已知的。例如，专利公开WO99/52002公开了光学装置，其中多个全息光学元件(HOE)，也就是衍射光学元件设置在公共平面光透射基板上。该公开的装置可以用于放大成像光学系统的出射光瞳，其中该成像光学系统在距离真实图像源无穷远处产生虚拟图象，并且还将该虚拟图像反射进观察者的眼睛中。具有扩展光束的光学结构的虚拟显示系统的出射光瞳的放大，例如在文献WO99/52002中描述的，导致更大的眼睛间隙，从而使虚拟显示装置更方便使用。更大的眼睛间隙允许从观察者眼睛的直接接触附近更加远离地移动显示装置。这使得以类似于普通显示面板再现真实图象的方式来观察虚拟显示器成为可能。
因此，光束扩展系统很受关注，其可以用于增大出射光瞳的直径，还可以增大虚拟显示系统中的眼睛间隙。以下，这些光束扩展系统称作出射光瞳扩展器(EPE)。
然而，基于使用全息/衍射光栅元件(HOE或者DOE，也就是衍射光学元件)的EPE的现有技术方案具有某些重大的缺点，在实践中其降低了再现虚拟图象的质量。这些限制中的一个是DOE的衍射效率具有很强的角度依赖性的事实。因此，当入射到EPE的光的入射角变化时，在EPE中的光的空间分布也变化，从而导致虚拟图象中强度/亮度分布不均匀。
图1描述了双目型EPE的一种可能结构的非常简化的截面图。DOE1将来自成像器的光耦合到透明基板S内，其中光还被DOE1向左右方向衍射以沿着所述基板S被波导。在上述方向上，光基于全内反射(TIF)在基板S内部传输直至第二衍射元件DOE2将来自基板的光耦合出朝向观察者。为观察者的左眼和右眼设置单独的DOE2。图2示出用于双目EPE的另一可能的结构，其中衍射元件DOE1和DOE2设置在基板S的上表面而不是下表面上。对于本领域熟练技术人员来说，可以理解的是组成EPE的衍射元件DOE1、DOE2可以以仍然保持装置的基本操作的某些其它方式设置在基板上。
图3示意性地描述了本发明主要旨在解决的EPE中的基本问题。现有技术中具有对称的且在本实例中为正弦光栅周期剖面(period profile)的光栅G(对应于图1和图2中的DOE1)，将具有入射角θ的入射光衍射至左右方向的第一衍射级，分别标记为R-1和R+1在此，以这种方式选择光栅G的周期，即除第0级外，衍射基本上仅仅发生在对应于第一衍射级的左R-1和右R+1方向。对于本领域熟练技术人员来说显而易见的是，当入射角θ变化时，沿着基板S向左和右方向衍射的光的总量会变化，也就是在R-1和R+1方向之间光没有被以相等地平衡的方式来分隔。
图4示出在具有对称的正弦周期剖面并且具有对应于图3所示配置的铝涂层光栅G的最佳剖面深度(profile depth)处计算得到的衍射效率的角度依赖性。从图4中可以清楚的看出，当入射角θ从0偏离时，对应于R-1和R+1的衍射效率也变化，从而使得光在左向和右向之间分布的不均匀。在图3和图4中，入射角的附图标记θ被定义，使得入射光束顺时针的旋转对应于负输入角，反之亦然。
图5示意性了使用所谓的闪耀光栅BG以影响在左R-1方向和右R+1方向之间的光的分布的可能性。该闪耀光栅从现有技术中是公知的，其中光栅的每一周期的剖面以某种方式不对称。通过设计光栅周期以具有适当程度的不对称(闪耀角)，可以影响该闪耀光栅的衍射效率，并且衍射可以集中在一个或更多的所选择的衍射级，也就是集中在所选择的方向。
本发明的主要目的在于提供一种减少或者完全消除上述的在衍射光栅元件中存在的衍射效率的角度依赖性的新方案。本发明尤其适合用于光束扩展目的，例如在EPE和虚拟显示装置中。本发明的特殊目的在于使得构造双目以及单目虚拟显示系统成为可能，其中，光可以均匀地分布在显示器的出射光瞳的整个区域上，以获得高质量的图像。
为了实现这些目的，根据本发明的衍射光栅元件的主要特征在于独立权利要求1的特征部分。从属权利要求还描述了本发明的一些优选实施例。
本发明的基本思想是替代连续的衍射光栅元件或者具有光栅剖面的结构，该光栅剖面在入射光束与所述光栅相互作用的整个区域上以不变的、基本连续的方式延伸，其中在所述的相互作用区域中光栅结构经历光栅剖面的转变(transition)。优选地，在双目系统中，所述的光栅剖面的转变基本上发生在所述相互作用的区域的中心，也就是基本上发生在入射光束的光轴穿过光栅的位置。在下文中，根据本发明的光栅元件简称为“分裂光栅(splitted grating)”。光栅剖面发生转变的点，也就是光栅被“分裂”的点称为“转变点”。
根据本发明，使用分裂的、优选闪耀光栅与输入光学系统一起可以有效地补偿或消除衍射光栅的角度依赖性，其中输入光学系统具有作为输入角的函数的一定光束补偿。
换句话说，根据本发明的衍射光栅元件分为至少两个不同的光栅区域，每一光栅区域具有不同的衍射性质，并且相对于转变点设置在相对侧，从而形成分裂的光栅结构。由所述至少两个不同的光栅区域产生的衍射设置成互相补偿入射光波的入射角对于在所述基板内传播的至少一束衍射光波的总衍射效率的变化。
在双目系统中，根据本发明的一个优选实施例，光栅元件设置成对称分裂，也就是，将光栅的两不同侧面的光栅周期剖面设置成相对于转变点基本上彼此镜像。而且，在每一所述的侧面中光栅剖面优选为闪耀型剖面。
在单目系统中，转变点基本上在光束区域的外面，并且分裂不对称，这将在下面示出。因此，入射光束与分裂光栅元件的第一相互作用设置成基本上发生在单目系统中的单个光栅区域区域，在该单目系统中强度更低的衍射光束R-1向R+1光束的源方向再循环。所述右手侧传输的光束的强度由此增加，并且接着其强度基本上不依赖于入射角。
使用本发明，在单目或双目EPE中可以在整个出射光瞳上获得具有很高且均匀亮度的优良图象质量。因此，本发明的一个具体目的在于允许制造出比现有技术的方案更大的出射光瞳直径而没有降低图象质量的虚拟显示装置。连同更大的出射光瞳直径一起，更大的眼睛间隙也可以实现。
下文中给出的描述和实施例以及附加的权利要求，对于本领域熟练技术人员来说，本发明的优选实施方式和它们的优点将变得显而易见。
下面，参考附图将对本发明进行更加详细地描述，其中图1示意性地描述了双目型EPE的一种可能的结构的横截面视图，图2示意性地描述了双目型EPE的另一种可能的结构的横截面视图，图3示意性地描述了在现有技术EPE中存在的涉及光栅元件的衍射效率的角度依赖性的基本问题，图4示出计算出的具有对称正弦周期剖面和对应于图3中所示的配置的光栅衍射效率，图5示意性地描述闪耀光栅在在EPE中使用的现有技术用途，图6示意性地描述根据本发明具有对称周期剖面的对称分裂光栅，图7示意性地描述根据本发明具有光束偏移的对称分裂光栅，图8示意性地描述用于当入射角θ＝0时引导光从成像器向分裂的光栅结构的一种可能的光学装置，图9示意性地描述用于除入射角θ＜＞0外其它与图8一样的光学装置，图10示意性地描述用于引导光从成像器向分裂的光栅结构的一种替换光学装置，图11示出铝涂覆的分裂光栅的全衍射效率的仿真结果，图12示意性地描述了根据本发明基于分裂光栅的单目EPE，以及图13a，b示出作为具有440nm周期和用于540nm波长的闪耀光栅的光栅剖面深度的函数的耦合效率，图13a对应于在基板内部以46.4度的角度传播的光束的衍射，图13b对应于基本上以垂直方向进入基板的光束的衍射。
应当理解，在下文中给出的附图仅仅是为了解释目的而设计，因此，例如，没有以它们正确的相对尺寸和/或形状来示出装置的各种不同元件。为了简明的目的，对解释本发明的精神不必要的部件和详细描述已经在附图中略去。
在前面已经讨论了相关技术中给出的公知方案的图1-5。
图6示意性地描述了根据本发明的优选实施例。具有非对称周期剖面，在本例中具有闪耀周期剖面的，光栅剖面相对于转变点TP对称分裂成左BGleft侧和右BGright侧，以形成分裂的光栅元件SG。光栅的左BGleft侧和右BGright侧彼此是相对于所述转变点TP的镜像。该转变点TP设置在入射光束的光轴A穿过光栅表面的点上。
因为代表入射光束的波阵面现在已经射到光栅元件SG的两侧BGleft和BGright，所以产生下面的衍射光束。R-1，left从光栅的左侧BGleft向左从第一级衍射产生。相应地，R-1，left从光栅该相同的左侧BGleft向右从第一级衍射产生。在该实例的情形中，由于入射角θ具有负值，因此与R-1，left衍射相比，R+1，left衍射更强。同样，光栅的右侧BGright产生向左的衍射R-1，right和向右的衍射R+1，right。现在，与R-1，right衍射相比，R+1，right衍射更弱。由于光栅SG的分裂结构，向左和右的总衍射基本上相等同R+1，left与R+1，right的亮度和相比，R-1，left与R-1，right的亮度和基本上相等。换句话说，分裂的光栅元件SG的不同侧BGleft和BGright设置成相互补偿入射光波(W)的入射角(θ)的变化。
图7示意性地描述了当入射到分裂的光栅元件SG的光束相对于转变点TP偏移时所出现的情况。由光栅的左BGleft侧和右BGright侧产生的衍射的相对量发生变化，但是同R+1，left与R+1，right的亮度和相比，R-1，left与R-1right的亮度和仍然基本上相等。
图8示意性地描述了用于将光束从成像器，例如微显示器芯片引导到分裂的光栅元件SG的一种可能的光学装置。图8示意性地给出了来自位于成像器表面中心点的图像点的光是如何通过视觉型光学器件引导向光栅的。相应地，图9给出了其中图像点位于接近成像器表面边缘的情况。当图像点从图象表面的中心向图象表面的边缘“移动”时，入射到光栅上的光的入射角也会与入射到分裂的光栅元件SG的两个区域BGleft和BGright的光束的相对区域一起发生变化，这对本领域技术人员来说是显而易见的。然而，根据本发明，沿着基板S向左(R-1，left+R-1，right)和向右(R+1，left+R+1，right)的总衍射基本上保持相等。
图10示出用于将光从成像器引导到分裂的光栅结构BGleft、BGright的可替换光学装置。通过倒置不对称的光栅周期剖面，即在这种情况中通过倒置闪耀角，R-1和R+1的衍射效率的比率变得倒转。因此，对于偏离中心的图像点，入射到光栅上的光束可以允许“交叉”中心光轴A并且还可以沿着基板S朝左向和右向产生良好平衡的衍射。
图11示出了具有闪耀周期剖面并且基本对应于图6所示配置的铝涂层分裂光栅元件SG的仿真结果。光栅的周期剖面通过下式给出周期＝A*[sin(2πx/d)+0.25sin(4πx/d)+0.05sin(6πx/d) (1)其中A＝光栅的最大高度(幅值)x＝单个光栅周期内的位置d＝单个光栅周期的长度总衍射效率η作为入射角θ的函数计算为η＝(0.5-kθ)R+1(-θ)+(0.5+kθ)R-1(θ)(2)在方程(2)中k是描述光束如何以给定角度偏移的常数。例如，需要整个光束以极端角度(extreme angle)θmax偏移到左侧上，那么k会获得最大值0.5/θmax。在其它情况中，k得到小于该最大值的数值。如果k＝0，那么光束在光栅上根本就不偏移。
在这种情况中，当入射角θ＝0时，入射光束相对于转变点TP对称定位，也就是，光束的第一半入射到BGleft而光束的第二半入射到BGright。在图8中显而易见的是，由于根据本发明的分裂光栅结构，在光束根据图像点在成像器表面上的位置而沿着分裂光栅“偏移”的情况中，总衍射效率η基本上保持与入射角θ无关的常数。
图12示意性说明根据本发明的分裂光栅元件SG如何在单目EPE中使用。在图12中，入射光波(W)与分裂光栅元件SG的第一相互作用设置为基本上在单个光栅区域MBGright内发生。在此，分裂的光栅元件SG包括位于右侧的光栅面MBGright，被优化以便产生沿基板S向右的第一级衍射R+1，right。位于左侧的光栅面MBGleft被优化以便产生沿基板S向右的第二级衍射R+2，left。前述结构提供了不期望地沿基板S从MBGright向左“漏掉”的R-1，right衍射的有效“再循环”。也就是，基于Bragg反射，光栅面MBGleft将衍射R-1，right反回来朝右衍射为R+2，left。可以看出这种“再循环”光束R+2，left相对于光束R+1，right完全平行。因此，如果入射到右光栅面MBGright的光束的入射角θ发生变化，改变R-1，right与R+1，right反射的比率和沿基板S向右“漏掉”的光的总量，那么分裂的光栅结构能够再循环在与期望方向相反的方向传播的光。
图13a和13b示出在图12中示意性示出的光栅面MBGright和MBGleft的耦合/衍射效率如何根据所述光栅剖面的深度变化。光栅的周期值给定为440nm，并且用折射率1.71对540nm波长的光进行计算。从图13a中可以看出，对于Bragg反射(46.4°)，左光栅MBGleft的效率可以被优化为具有几乎为1的值，也就是，光栅基本上将所有的光朝方向R+2向回反射。图13b对应于基本上以垂直方向进入基板S的光束的衍射，即图12的相应MBGright。
本发明的优选应用包括不同类型的虚拟显示装置，其中在一个或更多方向上进行光束扩展，以扩展显示装置的出射光瞳。在这种显示装置中，图像源可以是，例如顺序彩色LCOS装置(硅基液晶)、OLED装置(有机发光二极管)、MEMS装置(微机电系统)或者以传输、反射或散射工作的任何其它适合的微显示装置。
尽管上面本发明已经示出并且描述了有关所选择的虚拟显示装置的实施例，然而应当理解，这些实施例仅仅是例子，本领域技术人员可以利用那些没有在此具体公开的技术细节构造其它的实施例，而仍然在本发明的精神和范围之内。因此，应该理解的是，在不脱离本发明的精神的条件下，本领域技术人员可以对示出的光栅元件的形状和细节进行各种省略和替换以及进行变化，还可以对其操作作出各种省略和替换以及进行变化。因此，上面的描述旨在仅以通过在此附加的权利要求书的范围表述的方式来限定本发明。
例如，在例举的实施例中所称的左向或右向可以以适当的方式对应于光栅表面反向设置。该光栅表面也可以设置在如图1和2所示的基板S的不同侧(下侧，上侧)上。
可以根据特定的应用或使用的材料来选择分裂的光栅元件SG的精确的光栅剖面、光栅周期或光栅剖面深度。在分裂的光栅元件中，可以使用衍射效率局部变化的衍射光栅区域，例如，通过将光栅区域的深度设置为在从转变点TP测量的不同局部距离处不同而实现。
如所给的实施例那样，当移动越过转变点TP时，光栅剖面的变化可以很陡峭，但是也可以设置成以更平稳的方式进行。
在本发明的优选实施例中，使用闪耀光栅剖面，但是也可以使用其它类型的光栅剖面。因此，在分裂的光栅结构SG中，在转变点TP的一侧或两侧的光栅剖面可以是闪耀的、正弦的、高度变化的或其它任何合适的类型。
基板S的材料可以是例如玻璃或塑料或其它合适的光透射材料。光栅结构可以基本上设置在基板的表面上，或者也可以嵌入进基板中作为一种埋入结构。优选地，基板S是平面，但也可以使用其它形式的、能提供合适波导特性的基板。基板S的光栅或其它区域可以具有合适的涂层，例如铝涂层，以提高反射率。如果需要，也可以使用抗反射涂层。
本发明的应用可以包括例如，便携式互联网设备、掌上电脑、个人数字助理装置(PDA)、先进的移动电话和其它移动站、数字摄像机以及静物照相机、可穿戴计算机(wearable computers)、计算机游戏装置、用于观看不同类型的信息或显示的专业化视觉供给(bring-to-the-eye)产品、以及包含高质量虚拟显示装置的其它装置。
除虚拟显示器外，本发明还可以用在其它的应用中。原则上，本发明适合用于需要在一个或更多方向上进行光束扩展的任何应用中。因此，本发明也可以应用于不同类型的光学耦合器或者其它光调制装置。
权利要求
1.一种衍射光栅元件(SG)，被设置在光透射的、优选为平面的波导基板(S)之中或嵌入在其中，并且被设置为与入射光波(W)相互作用，以便将来自入射光波(W)的能量耦合进所述基板(S)内，从而形成在所述基板(S)内传播并对应于至少一个所选择衍射级的至少一个衍射光波(R-1，R+1)，其特征在于所述光栅元件(SG)分为每一区域具有不同的衍射性质的至少两个不同的光栅区域(BGleft、BGright；MBGleft、MBGright)，并且被设置为在相对于转变点(TP)的相反侧上形成分裂的光栅元件，其中由所述至少两个不同的光栅区域(BGleft、BGright；MBGleft、MBGright)产生的衍射被设置成互相补偿入射光波(W)的入射角(θ)对于在所述基板(S)内传播的至少一束衍射光波(R-1，R+1)的总衍射效率的变化。
2.根据权利要求1所述的衍射光栅元件(SG)，其特征在于，在所述分裂的光栅元件(SG)中，所述光栅区域(BGleft、BGright；MBGleft、MBGright)中至少一个的光栅剖面具有不对称的周期剖面，优选为闪耀周期剖面。
3.根据权利要求1所述的衍射光栅元件(SG)，其特征在于，所述分裂的光栅元件(SG)被设置成对称分裂，也就是，该元件包括两个光栅区域(BGleft、BGright)，这两个光栅区域的光栅周期剖面被设置成相对于转变点(TP)基本上相互镜像。
4.根据权利要求1所述的衍射光栅元件(SG)，其特征在于，所述分裂的光栅元件(SG)包括至少两个光栅区域(BGleft、BGright)，该光栅区域的光栅周期剖面被设置成具有基本上不同的深度。
5.根据权利要求1所述的衍射光栅元件(SG)，其特征在于，在所述分裂的光栅元件(SG)中，所述光栅区域(BGleft、BGright；MBGleft、MBGright)中至少一个的衍射效率被设置成在从转变点(TP)测量的不同局部距离处发生变化。
6.根据权利要求1所述的衍射光栅元件(SG)，其特征在于，所述转变点(TP)被设置在入射光波(W)与分裂的光栅元件(SG)第一次相互作用的区域内。
7.根据权利要求1所述的衍射光栅元件(SG)，其特征在于，入射光波(W)与分裂光栅元件(SG)的第一次相互作用设置成基本上发生在单个光栅区域(MBGright)内。
8.根据权利要求7所述的衍射光栅元件(SG)，其特征在于，至少一个光栅区域(MBGleft)设置成将基板(S)内导波的光波在基板(S)内朝相反方向向后重新引导或再循环。
9.根据权利要求1所述的衍射光栅元件(SG)，其特征在于，分裂的光栅元件(SG)设置成扩展光学系统的出射光瞳。
10.根据权利要求1所述的衍射光栅元件(SG)，其特征在于，分裂的光栅元件(SG)设置成扩展双目或单目光学系统的出射光瞳。
11.根据权利要求1所述的衍射光栅元件(SG)，其特征在于，分裂的光栅元件(SG)设置成扩展虚拟显示器的出射光瞳。
全文摘要
本发明涉及一种衍射光栅元件，该光栅元件设置成分为每一区域具有不同的衍射性质的至少两个不同的光栅区域(BG
文档编号G02B27/00GK1726412SQ200380106348
公开日2006年1月25日 申请日期2003年12月12日 优先权日2002年12月16日
发明者T·莱沃拉 申请人:诺基亚有限公司