利用三维衍射元件的光束扩展.pdf

本说明书和附图提供了一种新的设备和方法，用于在电子设备中使用三维(3D)衍射元件(例如，3D衍射光栅)在一维或者二维中将光束的出射瞳径进行扩展。可以应用本发明的各种实施方式，但不局限于形成虚拟现实显示器中的图像，对显示器(例如，液晶显示器中的背光照明)或者键盘等进行照明。

1.  一种设备，包括：
衬底，由具有第一表面和第二表面的光学材料制成；以及
三维衍射元件，包括在所述衬底上布置的多个像素，所述三维衍射元件包括：
至少一个区域，被配置成接收输入光束，以及
至少一个其他区域，被配置成提供具有在一维或者二维中扩展的出射瞳径的至少一个输出光束，
其中所述输入光束的至少部分在所述至少一个区域中被衍射，以提供基本上处于所述第一和第二表面内的至少一个光束，以及
通过在所述至少一个其他区域中进行衍射，所述至少一个光束的至少部分进一步耦合出所述衬底的第一表面或者第二表面，以便提供所述至少一个输出光束。

2.  根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个区域以及至少一个其他区域被布置在所述衬底的一个表面上，即被布置在所述衬底的第一表面或者第二表面上。

3.  根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个区域以及至少一个其他区域被布置在所述衬底的相对的表面上。

4.  根据权利要求1所述的设备，其中所述多个像素的每个像素具有：在所述第一表面或者第二表面上沿一个方向的第一宽度，在所述第一表面或者第二表面上沿垂直于所述一个方向的方向的第二宽度，以及高度。

5.  根据权利要求4所述的设备，其中在所述至少一个区域中的像素的高度大于所述至少一个其他区域中的像素的高度。

6.  根据权利要求4所述的设备，其中沿所述一个方向的像素之间的距离以及沿垂直于所述一个方向的方向的像素之间的距离针对所有所述像素是相等的，并且所述第一宽度和所述第二宽度针对所有所述像素是相等的。

7.  根据权利要求4所述的设备，其中沿所述一个方向的像素之间的距离以及沿垂直于所述一个方向的方向的像素之间的距离在所述至少一个区域中不相等。

8.  根据权利要求7所述的设备，其中在所述至少一个区域中的像素被配置成：如果所述输入光束具有预定的第一波长，则基本上沿所述一个方向提供所述至少一个光束；并且如果所述输入光束具有不同于所述预定的第一波长的预定第二波长，则基本上沿垂直于所述一个方向的方向提供所述至少一个光束。

9.  根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个区域具有至少沿一个方向倾斜的像素，从而基本上沿所述至少一个方向提供所述至少一个光束。

10.  根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个区域具有至少两种类型的像素，这些像素具有非对称形状，并且沿至少两个不同方向倾斜，以便基本上沿所述至少两个不同方向之一提供所述至少一个光束的一部分，并且基本上沿所述至少两个不同方向中的另一个提供所述至少一个光束的另一部分。

11.  根据权利要求10所述的设备，其中所述至少两个不同方向以180度分开。

12.  根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
吸收材料，被布置在相对于所述三维衍射元件的所述表面、并且相对于所述至少一个区域的所述衬底的表面上。

13.  根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
至少一个中间区域，以便在所述至少一个区域中衍射的所述光束的至少部分首先耦合到所述至少一个中间区域，所述至少一个中间区域被配置成通过利用所述至少一个中间区域中的进一步衍射，将所述已衍射光束的所述至少部分基本上耦合到所述至少一个其他区域，从而提供具有所述输入光束的二维出射瞳径扩展的所述输出光束。

14.  根据权利要求13所述的设备，其中所述三维衍射元件包括所述至少两个中间区域中的两个以及所述进一步衍射元件中的两个，以便从所述输入光束包括的图像中提供具有在二维中扩展出射瞳径的两个基本相同的图像，其中将所述输入光束的所述至少部分中的一部分提供给所述两个中间区域中的每一个，所述两个中间区域的每一个被配置成将所述一部分基本上耦合到所述两个其他区域的相应其他区域，从而提供所述两个基本相同的图像。

15.  根据权利要求13所述的设备，其中所述至少一个中间区域具有沿至少一个方向倾斜的像素，从而在基本上沿朝向所述至少一个其他区域的所述至少一个方向上提供所述至少一个光束。

16.  一种方法，包括：
通过三维衍射元件的至少一个区域来接收输入光束，所述三维衍射元件包括在由光学材料制造的衬底上部署的多个像素；
在所述至少一个区域中对所述输入光束的至少部分进行衍射，以便基本上在所述第一表面和第二表面内提供至少一个光束；以及
通过在所述三维衍射元件的至少一个其他区域中进行衍射，从所述衬底的所述第一表面或者所述第二表面耦合出所述已衍射光束的至少部分，以便提供具有在一维或者二维中扩展出射瞳径的至少一个输出光束。

17.  根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个区域以及至少一个其他区域被部署在：a)所述衬底的一个表面上，即所述衬底的第一表面或者第二表面上；或者b)所述衬底的相对表面上。

18.  根据权利要求17所述的方法，其中所述多个像素的每个像素具有：在所述第一表面或者第二表面上沿一个方向的第一宽度，在所述第一表面或者第二表面上沿垂直于所述一个方向的方向的第二宽度，以及高度。

19.  根据权利要求18所述的方法，其中在所述至少一个区域中的像素的高度大于所述至少一个其他区域中的像素的高度。

20.  根据权利要求18所述的方法，其中沿所述一个方向的像素之间的距离以及沿垂直于所述一个方向的方向的像素之间的距离不相等。

21.  根据权利要求20所述的方法，其中在所述至少一个区域中的所述像素被配置成：如果所述输入光束具有预定的第一波长，则基本上沿所述一个方向提供所述至少一个光束；并且如果所述输入光束具有不同于所述预定的第一波长的预定第二波长，则基本上沿垂直于所述一个方向的方向提供所述少一个光束。

22.  根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个区域具有至少沿一个方向倾斜的像素，从而基本上沿所述至少一个方向提供所述至少一个光束。

23.  根据权利要求16所述的方法，其中在将所述已衍射光束的至少部分耦合出的步骤之前，所述方法包括：
将在至少一个中间区域中衍射的所述光束的至少部分进一步衍射，以便将所述已衍射光束的所述至少部分基本上耦合到所述至少一个其他区域，从而提供具有所述输入光束的二维出射瞳径扩展的所述输出光束。

24.  根据权利要求23所述的方法，其中所述三维衍射元件包括所述至少两个中间区域中的两个以及所述进一步衍射元件中的两个，以便从所述输入光束包括的图像中提供具有在二维中扩展出射瞳径的两个基本相同的图像，其中将所述输入光束的所述至少部分的一部分提供给所述两个中间区域中的每一个，所述两个中间区域的每一个被配置成将所述一部分基本上耦合到所述两个其他区域的相应其他区域，从而提供所述两个基本相同的图像。

25.  根据权利要求23所述的方法，其中所述至少一个中间区域具有沿至少一个方向倾斜的像素，从而沿朝向所述至少一个其他区域的所述至少一个方向提供所述至少一个光束。

26.  一种电子设备，包括：
-数据处理单元；
-光学引擎，可操作地耦合到所述数据处理单元，用于从所述数据处理单元接收图像数据；
-显示设备，可操作地耦合到所述光学引擎，用于基于所述图像数据来形成图像；以及
-三维出射瞳径扩展器，包括：
衬底，由具有第一表面和第二表面的光学材料制成；以及
三维衍射元件，包括在所述衬底上布置的多个像素，所述三维衍射元件包括：
至少一个区域，被配置成接收输入光束，以及
至少一个其他区域，被配置成提供具有在一维或者二维中扩展的出射瞳径的至少一个输出光束，
其中所述输入光束的至少部分在所述至少一个区域中被衍射，以提供基本上处于所述第一和第二表面内的至少一个光束，以及
通过在所述至少一个其他区域中进行衍射，所述至少一个光束的至少部分进一步耦合出所述衬底的第一或者第二表面，以便提供所述至少一个输出光束。

27.  根据权利要求26所述的电子设备，其中所述多个像素的每个像素具有：在所述第一表面或者第二表面上沿一个方向的第一宽度，在所述第一表面或者第二表面上沿垂直于所述一个方向的方向的第二宽度，以及高度。

28.  根据权利要求26所述的电子设备，其中在所述至少一个区域中的像素的高度大于所述至少一个其他区域中的像素的高度。

29.  根据权利要求26所述的电子设备，其中沿所述一个方向的像素之间的距离以及沿垂直于所述一个方向的方向的像素之间的距离在所述至少一个区域中不相等。

30.  根据权利要求26所述的电子设备，其中所述至少一个区域具有至少沿一个方向倾斜的像素，从而基本上沿所述至少一个方向提供所述至少一个光束。

31.  一种电子设备，包括：
-三维出射瞳径扩展器，包括：
衬底，由具有第一表面和第二表面的光学材料制成；以及
三维衍射元件，包括在所述衬底上布置的多个像素，所述三维衍射元件包括：
至少一个区域，被配置成接收输入光束，以及
至少一个其他区域，被配置成提供具有在一维或者二维中扩展的出射瞳径的至少一个输出光束，
其中所述输入光束的至少部分在所述至少一个区域中被衍射，以提供基本上处于所述第一和第二表面内的至少一个光束，以及
通过在所述至少一个其他区域中进行衍射，所述至少一个光束的至少部分进一步耦合出所述衬底的第一或者第二表面，以便提供所述至少一个输出光束；
-包括所述衬底的至少一个组件；以及
-光源驱动器，用于响应于照明选择信号，向所述组件中的光源提供驱动信号，以提供所述输入光束。

32.  根据权利要求31所述的电子设备，其中所述至少一个组件是以下至少一个：液晶显示器以及键盘。

33.  一种设备，包括：
用于布置的装置，由具有第一表面和第二表面的光学材料制成；以及
用于衍射的三维装置，包括在所述用于布置的装置上布置的多个像素，所述用于衍射的三维装置包括：
至少一个区域，被配置成接收输入光束，以及
至少一个其他区域，被配置成提供具有在一维或者二维中扩展的出射瞳径的至少一个输出光束，
其中所述输入光束的至少部分在所述至少一个区域中被衍射，以提供基本上处于所述第一和第二表面内的至少一个光束，以及
通过在所述至少一个其他区域中进行衍射，所述至少一个光束的至少部分进一步耦合出所述衬底的第一或者第二表面，以便提供所述至少一个输出光束。

34.  根据权利要求33所述的设备，其中所述用于布置的装置是衬底。

利用三维衍射元件的光束扩展
技术领域
本发明一般涉及电子设备，更具体地，本发明涉及一种衍射光学方法，该方法使用三维(3D)衍射元件(例如，3D衍射光栅)以扩展光束的出射瞳径(exit pupil)。
背景技术
在典型的虚拟显示设置(例如，参见Yaakov Amitai和AsherFriesem的PCT专利申请WO 99/52002“Holographic OpticalDevices”、以及Yaakov Amitai以及Asher Friesem的美国专利US6,580,529，“Holographic Optical Devices”)中，通常通过使用多个单独线性衍射光栅来形成虚拟图像。使用单独衍射元件使得难以制造此类光栅设备，并且需要精确定义光栅周期(例如，通常使用两个不同的光栅周期)以及周期性线之间的角度。此外，还需要大量空间，并且衍射效率通常依赖于偏振(例如，强偏振和弱偏振)。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种设备，包括：
衬底，由具有第一表面和第二表面的光学材料制成；以及
三维衍射元件，包括在所述衬底上布置的多个像素，所述三维衍射元件包括：
至少一个区域，被配置成接收输入光束，以及
至少一个其他区域，被配置成提供具有在一维或者二维中扩展的出射瞳径的至少一个输出光束，
其中所述输入光束的至少部分在所述至少一个区域中被衍射，以提供基本上处于所述第一和第二表面内的至少一个光束，以及
通过在所述至少一个其他区域中进行衍射，所述至少一个光束的至少部分进一步耦合出所述衬底的第一表面或者第二表面，以便提供所述至少一个输出光束。
此外，根据本发明的第一方面，所述至少一个区域以及至少一个其他区域可以被布置在所述衬底的一个表面上，即，被布置在所述衬底的第一表面或者第二表面上。
此外，根据本发明的第一方面，所述至少一个区域以及至少一个其他区域可以被布置在所述衬底的相对的表面上。
此外，根据本发明的第一方面，所述多个像素的每个像素可以具有：在所述第一表面或者第二表面上沿一个方向的第一宽度，在所述第一表面或者第二表面上沿垂直于所述一个方向的方向的第二宽度，以及高度。另外，在所述至少一个区域中的像素的高度可以大于所述至少一个其他区域中的像素的高度。另外，沿所述一个方向的像素之间的距离以及沿垂直于所述一个方向的方向的像素之间的距离针对所有所述像素可以是相等的，并且所述第一宽度和所述第二宽度针对所有所述像素可以是相等的。
此外，根据本发明的第一方面，沿所述一个方向的像素之间的距离以及沿垂直于所述一个方向的方向的像素之间的距离在所述至少一个区域中可以不相等。另外，在所述至少一个区域中的像素可以被配置成：如果所述输入光束具有预定的第一波长，则基本上沿所述一个方向提供所述至少一个光束；并且如果所述输入光束具有不同于所述预定的第一波长的预定第二波长，则基本上沿垂直于所述一个方向的方向提供至少一个光束。
此外，根据本发明的第一方面，所述至少一个区域具有至少沿一个方向倾斜的像素，从而基本上沿所述至少一个方向提供所述至少一个光束。
此外，根据本发明的第一方面，所述至少一个区域可以具有至少两种类型的像素，即这些像素具有非对称形状，并且沿至少两个不同方向倾斜，从而，可以基本上沿所述至少两个不同方向之一来提供所述至少一个光束的一部分，并且可以基本上沿所述至少两个不同方向的另一个来提供所述至少一个光束的另一部分。此外，所述至少两个不同方向可以以180度分开。
此外，根据本发明的第一方面，所述设备可以进一步包括：吸收材料，可以被布置在相对于所述三维衍射元件的表面、并且相对于所述至少一个区域的所述衬底的表面上。
此外，根据本发明的第一方面，所述设备可以进一步包括：至少一个中间区域，以便在所述至少一个区域中衍射的所述光束的至少部分可以首先耦合到所述至少一个中间区域，其被配置成通过利用所述至少一个中间区域中的进一步衍射，将所述已衍射光束的所述至少部分基本上耦合到至少一个其他区域，从而提供具有所述输入光束的二维出射瞳径扩展的输出光束。此外，所述三维衍射元件可以包括所述至少两个中间区域中的两个以及所述进一步衍射元件中的两个，以便从所述输入光束包括的图像中提供具有在二维中扩展出射瞳径的两个基本相同的图像，其中可以将所述输入光束的所述至少部分的一部分提供给所述两个中间区域中的每一个，所述两个中间区域的每一个可以被配置成将所述一部分基本上耦合到所述两个其他区域的相应其他区域，从而提供所述两个基本相同的图像。此外，所述至少一个中间区域可以具有沿至少一个方向倾斜的像素，从而可以基本上沿朝向所述至少一个其他区域的所述至少一个方向提供所述至少一个光束。
根据本发明的第二方面，提供了一种方法，包括：通过三维衍射元件的至少一个区域来接收输入光束，所述三维元件包括在由光学材料制造的衬底上部署的多个像素；在所述至少一个区域中对所述输入光束的至少部分进行衍射，以便基本上在所述第一和第二表面内提供至少一个光束；以及通过在所述三维衍射元件的所述至少一个其他区域中进行衍射，从所述衬底的第一表面或者第二表面耦合出所述已衍射光束的至少部分，以便提供具有在一维或者二维中扩展出射瞳径的至少一个输出光束。
此外，根据本发明的第二方面，所述至少一个区域以及至少一个其他区域可以被部署在：a)所述衬底的一个表面上，即，所述衬底的所述第一表面或者所述第二表面上；或者b)所述衬底的相对表面上。此外，所述多个像素的每个像素可以具有：在所述第一表面或者第二表面上沿一个方向的第一宽度，在所述第一表面或者第二表面上沿垂直于所述一个方向的方向的第二宽度以及高度。此外，在所述至少一个区域中的像素的高度可以大于所述至少一个其他区域中的像素的高度。
此外，根据本发明的第二方面，沿所述一个方向的像素之间以及沿垂直于所述一个方向的方向的像素之间的距离可以不相等。
此外，在所述至少一个区域中的所述像素可以被配置成：如果所述输入光束具有预定的第一波长，则基本上沿所述一个方向提供所述至少一个光束；并且如果所述输入光束具有不同于所述预定的第一波长的预定第二波长，则基本上沿垂直于所述一个方向的方向提供至少一个光束。
此外，根据本发明的第二方面，所述至少一个区域可以具有至少沿一个方向倾斜的像素，从而基本上沿所述至少一个方向提供所述至少一个光束。
此外，根据本发明的第二方面，在将所述已衍射光束的至少部分耦合出的步骤之前，所述方法可以包括：将在至少一个中间区域中衍射的所述光束的至少部分进一步衍射，以便将所述已衍射光束的所述至少部分基本上耦合到所述至少一个其他区域，从而提供具有所述输入光束的二维出射瞳径扩展的所述输出光束。此外，所述三维衍射元件可以包括：所述至少两个中间区域中的两个以及所述进一步衍射元件中的两个，以便从所述输入光束包括的图像中提供具有在二维中扩展出射瞳径的两个基本相同的图像，其中可以将所述输入光束的所述至少部分的一部分提供给所述两个中间区域中的每一个，所述两个中间区域的每一个可以被配置成将所述一部分基本上耦合到所述两个其他区域的相应其他区域，从而提供所述两个基本相同的图像。此外，所述至少一个中间区域可以具有沿至少一个方向倾斜的像素，从而可以沿朝向所述至少一个其他区域的所述至少一个方向提供所述至少一个光束。
根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：
-数据处理单元；
-光学引擎，可操作地耦合到所述数据处理单元，用于从所述数据处理单元接收图像数据；
-显示设备，可操作地耦合到所述光学引擎，用于基于所述图像数据来形成图像；以及
-三维出射瞳径扩展器，包括：
衬底，由具有第一表面和第二表面的光学材料制成；以及
三维衍射元件，包括在所述衬底上布置的多个像素，所述三维衍射元件包括：
至少一个区域，被配置成接收输入光束，以及
至少一个其他区域，被配置成提供具有在一维或者二维中扩展的出射瞳径的至少一个输出光束，
其中所述输入光束的至少部分在所述至少一个区域中被衍射，以提供基本上处于所述第一和第二表面内的至少一个光束，以及
通过在所述至少一个其他区域中进行衍射，所述至少一个光束的至少部分进一步耦合出所述衬底的第一表面或者第二表面，以便提供所述至少一个输出光束。
此外，根据本发明的第三方面，所述多个像素的每个像素可以具有：在所述第一表面或者第二表面上沿一个方向的第一宽度，在所述第一表面或者第二表面上沿垂直于所述一个方向的方向的第二宽度，以及高度。
此外，根据本发明的第三方面，在所述至少一个区域中的像素的高度可以大于所述至少一个其他区域中的像素的高度。
此外，根据本发明的第三方面，沿所述一个方向的像素之间的距离以及沿垂直于所述一个方向的方向的像素之间的距离在所述至少一个区域中可以不相等。
此外，根据本发明的第三方面，所述至少一个区域可以具有至少沿一个方向倾斜的像素，从而可以基本上沿所述至少一个方向提供所述至少一个光束。
根据本发明的第四方面，提供了一种电子设备，包括：
-三维出射瞳径扩展器，包括：
衬底，由具有第一表面和第二表面的光学材料制成；以及
三维衍射元件，包括在所述衬底上布置的多个像素，所述三维衍射元件包括：
至少一个区域，被配置成接收输入光束，以及
至少一个其他区域，被配置成提供具有在一维或者二维中扩展的出射瞳径的至少一个输出光束，
其中所述输入光束的至少部分在所述至少一个区域中被衍射，以提供基本上处于所述第一和第二表面内的至少一个光束，以及
通过在所述至少一个其他区域中进行衍射，所述至少一个光束的至少部分进一步耦合出所述衬底的第一表面或者第二表面，以便提供所述至少一个输出光束；
-包括所述衬底的至少一个组件；以及
-光源驱动器，用于响应于照明选择信号，向所述组件中的光源提供驱动信号，以提供所述输入光束。
此外，根据本发明的第四方面，所述至少一个组件可以是以下至少一个：液晶显示器以及键盘。
根据本发明的第五方面，提供了一种设备，包括：
用于布置的装置，其由具有第一表面和第二表面的光学材料制成；以及
用于衍射的三维装置，包括在所述用于布置的装置上布置的多个像素，所述用于衍射的三维装置包括：
至少一个区域，被配置成接收输入光束，以及
至少一个其他区域，被配置成提供具有在一维或者二维中扩展的出射瞳径的至少一个输出光束，
其中所述输入光束的至少部分在所述至少一个区域中被衍射，以提供基本上处于所述第一和第二表面内的至少一个光束，以及
通过在所述至少一个其他区域中进行衍射，所述至少一个光束的至少部分进一步耦合出所述衬底的第一表面或者第二表面，以便提供所述至少一个输出光束。
此外，根据本发明的第五方面，所述用于布置的装置可以是衬底。
附图说明
为了更好地理解本发明的特征和目的，结合以下附图，在下文中对于本发明进行详细的描述。在附图中：
图1a至图1c是根据本发明的实施例，利用3D衍射光栅的出射瞳径光束扩展器的示意性表示，其中图1b和图1c是图1a(顶视图)中拐角A邻近处的放大视图(分别是顶视图和侧视图)；
图2a至图2c是根据本发明的实施例，利用3D衍射光栅的出射瞳径光束扩展器的示意性表示(横截面视图)，其中示出了从入耦合到出耦合区域(图2a和图2b)的光束传播、以及出耦合区域(图2c)中的光束传播；
图3a是根据本发明的实施例，用于二维出射瞳径扩展的三维出射瞳径光束扩展器的示意性表示；
图3b是根据本发明的实施例，被实现为非对称倾斜像素的非对称入耦合光栅区域的示意性表示；
图4是根据本发明的实施例，使用备选实现的三维出射瞳径光束扩展器的示意性表示；
图5a和图5b是根据本发明的实施例的三维出射瞳径光束扩展器的示意性表示，其沿x方向和y方向具有不同的像素周期；以及
图6a和图6b是根据本发明的实施例的电子设备的示意性表示，所述电子设备具有用于照明(图6a)以及用于虚拟现实显示(图6b)的三维出射瞳径扩展器。
具体实施方式
提供一种新的方法和设备，以将三维衍射元件(3D)用于在一维或者二维中对电子设备中光束的出射瞳径进行扩展。本发明的各种实施方式可以应用于(包括但不限于)：在虚拟现实显示器中形成图像，照明显示器(例如，液晶显示器中的背光照明)或者键盘等。本发明的实施方式可以应用于宽的光束光谱范围，但是最重要的是，应用于其中可以将光学束称为光束(light beam)的可见光谱部分。
根据本发明的实施方式，光学设备(例如，光学设备可以是电子设备的虚拟现实显示器的一部分)可以包括衬底以及三维衍射元件(3D)，该衬底由具有第一表面和第二表面的光学材料制成，所述三维衍射元件(3D)包括多个3D像素，其中所述3D像素布置在衬底的第一和/或第二表面上。
此外，根据本发明的一个实施方式，所述三维衍射元件可以包括：至少一个区域，被配置成接收输入光束；以及至少一个其他区域，被配置成相对于输入光束，在利用一维或者两维中扩展的出射瞳径从衬底向外提供至少一个输出光束。由此，输入光束的至少部分在所述至少一个区域中被衍射，以便提供至少一个光束，基本上由于完全内部反射，所述至少一个光束基本上位于第一和第二表面以内；通过在所述至少一个其他区域中进行衍射，所述至少一个光束的至少一部分进一步耦合出所述衬底的第一表面或者第二表面，以便提供所述至少一个输出光束。
根据另一实施方式，多个像素中的每个像素可以具有：沿第一表面或者第二表面上的一个方向(例如，x方向)的第一宽度、沿第一表面或者第二表面上的垂直于所述第一方向的方向(例如，y方向)的第二宽度，以及高度(例如，沿垂直于衬底表面的z方向)。第一宽度和第二宽度可以针对所有像素是相等的，或者针对不同像素是不相等的。通常，在至少一个区域中的像素的高度可以大于在至少一个其他区域中的像素的高度(例如，在至少一个区域中的高度可以是300nm，并且在至少一个其他区域中的高度可以是50nm)。
根据本发明的其他实施方式，对于所有所述像素来说，沿一个方向(或者，可以将其称为x周期)的像素之间的距离以及沿垂直于所述一个方向的方向(或者，可以将其称为y周期)的像素之间的距离可以是相等的，或者可以不相等。例如，x周期和y周期在至少一个区域中可以不相等，由此实现沿垂直方向x和y的依赖于波长的耦合。例如，在x周期和y周期不相等的情况下，如果输入光束具有预定的第一波长，则在至少一个区域中的像素可以被配置成基本上沿一个方向提供至少一个光束；并且如果输入光束具有预定的第二波长，则基本上沿垂直于所述一个方向的方向而提供至少一个光束，所述第二预定波长不同于所述预定的第一波长(例如，参见图5a的示例)。
根据本发明的实施方式，可以使用各种技术来制造3D像素(或者衍射像素)，例如，使用电子束平版印刷术、全息记录、干式蚀刻等技术，并且可以使用各种不同类型的衍射像素轮廓(profile)(例如，二元、三元、正弦等)来实现。相对于垂直于衬底的第一表面和第二表面来说，衍射像素沿x方向和y方向可以是对称的或者非对称的轮廓，例如为将光束沿优选方向耦合，当像素的凹槽沿x方向和/或y方向具有不同的倾斜角度(即，像素具有非垂直的侧壁)的时候。由此，一种可能性在于，在至少一个区域(例如，入耦合区域)中具有倾斜的像素，由此，沿由倾斜像素轮廓定义的预定方向(例如，x方向或者y方向)而仅重新定向所期望的输入光束的分量。
此外，至少一个区域可以具有至少两种类型的像素，所述像素具有非对称性状，并且沿至少两个不同方向(例如，180度分离)倾斜，从而，基本上沿至少两个不同方向之一来提供至少一个光束的一部分，并且基本上沿至少两个不同方向的另一个来提供所述至少一个光束的另一部分(参见图3b中的示例)。
此外，根据本发明的另一实施方式，相对于部署有三维衍射元件的表面，并且相对于所述至少一个区域，可以在衬底表面上部署吸收材料，用于吸收沿不期望方向传播的光束，以便改进沿期望方向上的耦合效率(由此，例如改进图像的光学对比度)，如图3b中进一步所示。
根据所描述的实施方式，一致的(即，整体具有同样的像素及其周期)三维衍射光栅可以提供出射瞳径的二维扩展。然而，还可以存在各种变化。根据本发明的一个其他实施方式，为了对输入光束(例如，包括二维图像)的出射瞳径提供更为一致的二维扩展、和/或为了创建两个或者多个同样的图像(例如，对于双目镜和/或立体应用)，在3D衍射元件中可以使用至少一个中间区域，从而至少一个区域中所衍射光束的至少部分首先耦合到至少一个中间区域，继而，通过利用至少一个中间区域中的进一步衍射，其基本上将所述已衍射光束的至少部分耦合到至少一个其他区域，从而提供所述输入光束的二维出射瞳径扩展的输出光束。另外，至少一个中间区域具有沿至少一个方向倾斜的像素，从而基本上沿朝向至少一个其他方向的所述至少一个方向提供至少一个光束。
具体地，在虚拟现实显示应用的情况下，三维衍射元件可以包括至少两个中间区域中的两个(或者更多)以及进一步衍射元件中的两个(或者更多)，以便从输入光束包括的图像中提供在二维中扩展出射瞳径的两个(或者更多)基本相同的图像，其中可以将输入光束的至少部分中的一部分提供给两个中间区域中的每一个，继而，所述两个中间区域中的每一个基本上耦合到两个其他区域的相应其他区域，从而提供两个(或者更多)基本相同的图像。在图3a、图3b和图4中提供了不同示例。
在此描述的实施方式允许使用一个3D光栅结构，以便使用压缩布局来产生例如全部虚拟现实或者背光照明。此外，仅使用一个光栅形状制造此类3D结构是简单的，并且不需要对准多个光栅，而在虚拟现实显示中通常使用多个光栅。此外，认为这种3D光栅结构的衍射效率是高的。
另外，应该注意，对于特定的应用，可以单独使用、结合使用、或者选择性地结合使用在此阐明的本发明的各种实施方式。
图1a和图1b示出了根据本发明的实施方式的三维出射瞳径光束扩展器(EPE)10的示意性表示(顶视图)之中的示例，其中附图1b和附图1c是图1a中拐角A邻近处的放大视图(分别是顶视图和侧视图)。
3D光束扩展器10被实现为3D衍射元件(光栅)12，其包括：区域12a，用于使得输入光束进入；以及区域12b，用于使得输出光束出耦合，其中3D衍射元件布置在光学衬底(波导)11之上(参见图2a或者图2b)。在图1a和图1b的示例中，仅使用一个像素周期，例如，dx＝dy＝400nm，并且相同的3D光栅12可以将光耦合到区域12a中的波导，并且还可以将光耦合出区域12b。
图1b示出了方形光栅像素形状，其或多或少处于理想状态：在实践中，像素形状可以具有例如椭圆形或者圆形的边界。此外，像素光栅结构例如可以是二元光栅(具有竖直侧壁)或者倾斜的光栅(具有非竖直侧壁)。还应该注意，像素14的形状由宽度cx和cy、深度(参见图2a中的h1和h2)、以及倾斜角(参见图3b)来确定，其可以作为光栅区域中的位置的函数而被调整，以便优化最佳光栅性能。由cx或者cy以及相应的像素周期dx或者dy的比率来确定光栅的光栅填充因子。可以通过使用严格衍射理论来实现3D像素光栅的设计，以便评价光栅的衍射效率和/或光线跟踪方法，从而在3D光栅12的所有区域中的每个点处选择最佳的像素光栅形状。图1b和图1c进一步示出了衬底11内部的光束传播。当输入光束17到达光栅表面时，光束将被衍射为6个衍射级。在所有情况下，针对反射光束具有R(-1，0)的衍射级、针对传输光束具有T(-1，0)的衍射级的光束被从系统衍射出去，如图1c中所示。在图1b以及图1c中示出了四个更多的光束，例如，R(0，0)、R(-1，-1)、R(-1，+1)以及R(-2，0)，所述四个光束在衬底(波导)11内传播。应该注意，每当光束到达光栅表面时，就发生出耦合，并且不能将其全部避免。然而，可以以如下方式设计衍射光栅，从而该光栅在衬底11内将出耦合最小化，并且衍射更多的光，例如E(-1，+1)以及R(-1，-1)衍射级。由此，在图1b和图1c中示出了相同的3D衍射光栅如何可以在二维中扩展光束，并且同时将输出光束进行出耦合。应该注意，在上述示例中，入射角度基本上为零，如果使用斜的角度，则耦合的光束不会直接沿x方向或者y方向传播，但是仍然存在6个光束。
图2a至图2c示出了根据本发明的实施方式的、三维出射瞳径光束扩展器10的示意性表示(横截面视图)中的其他示例，其中示出了从入耦合区域12a到出耦合区域12b(图2a和图2b)的光束传播，以及在出耦合区域12b(图2b)中的光束传播。
例如，在区域12a中，像素高度h1可以相对较大(例如，～300nm)以便对输入光束17提供高耦合效率(被耦合光束示出为光束17a，光束17a指示光学功率的传播方向，由此实际光束在波导11中通过多个反射和/或衍射来传播)，并且在区域12b中，像素高度h2可以相对较小，以便实现光束18和/或18a的一致出耦合。图2b示出了一个实施方式，其中出耦合区域12b布置在衬底11的另一表面，而不是入耦合区域12a所在的表面。
光可以被从出耦合区域12b耦合出去，如图2c中详细示出的。光束每次遇到光栅的出耦合的量依赖于光栅属性。可以这样设计系统，使得至少对于一个波长以及入射角度来说，输出是一致的，即，如图2c中所示r₁＝r₂＝...，其中r₁、r₂...以及t₁、t₂...分别是从EPE 10输出的反射光束和透射光束，并且I1、I2...是由于总的内部反射产生的EPE 10内的反射光束。
图3a示出了根据本发明一个实施方式的、三维出射瞳径光束扩展器20的示意性表示的示例，该三维出射瞳径光束扩展器20被实现为用于二维出射瞳径扩展的一个衍射元件。输入光束进入区域22，该区域22分别沿两个相对方向(例如，沿x轴)将两个光束34a和34b耦合到中间区域24a和24b。继而，由中间区域24a和24b将光束34a和34b分别沿垂直方向(例如，沿y轴方向，参见光束36a和36b)耦合到出耦合区域26a和26b，以便提供在输入光束中所包括图像的两个扩展的基本相同的图像，由此提供虚拟现实图像；其中所述中间区域24a和24b可以针对高效率耦合，基于衍射分析以及设计需求，使用用于方向的倾斜像素来进行优化。应该注意，光学信号可以“泄露”到中间区域以外(即，被观察者所看到)，如针对图1b和图1c所解释的那样。
区域28可以不具有衍射像素，或者涂敷有吸收材料，以便在输出光束中将来自区域28的贡献(即，耦合到区域26a和16b的光束)最小化。应该注意，区域28还可以填充有像素。在此情况下，可以提供更高的功率效率(即，更多功率被耦合到区域36a和36b)，而代价可能是图像对比度。另外，如果出射瞳径光束扩展器20的所有像素是相同的，则原则上，扩展器20的整个区域可用于查看以二维方式扩展的图像。
图3b示出了根据本发明一个实施方式的入耦合光栅区域22的示意性表示，该入耦合光栅区域22可以在图3a的示例中使用，该入耦合光栅区域22使用非对称倾斜像素来实现，如所示出的，所述非对称倾斜像素被划分成邻近线30的具有非对称倾斜角的两部分22a和22b。继而，输入光束17可以由倾斜部分22a基本上沿一个x方向耦合为光束34a，并且由倾斜部分22b基本上沿相反的x方向耦合为光束34b，以便对输出光束包含的两个光学图像提供高对比度。
在相对于线30(如图3b中所示出)附近的区域22的衬底表面，通过在衬底11的表面上提供吸收材料(例如，吸收涂层)，可以进一步改进光学对比度。相对于区域22的整个宽度来说，如果吸收区域的宽度被优化至足够小，则仅将吸收不期望的光束。这些不期望的光束是由区域22a和22b所透射的光束，而没有进行衍射，而那些衍射光束沿不期望方向传播。
应该注意，出耦合光栅的形状和/或中间区域还可以是倾斜的(在图3b中，相对于示为线30的z轴具有倾斜角度)。根据适当的设计和应用，倾斜角度可以相对于x方向、y方向或者中间方向(其中将倾斜旋转角度定义为中间方向以及x方向之间的角度)。例如，如果倾斜像素具有4度的倾斜角度，并且倾斜朝向角度是45度，则光栅可以将80％的光反射到具有衍射级R(-1，-1)的一个方向。还应该注意，光栅形状(cx、cy、深度以及倾斜角度)可以作为光栅区域中位置的函数而被调整：目的在于，为了充分并且相等强度的出耦合和光束扩展而对最佳光栅性能进行优化。
图4示出了根据本发明一个实施方式的、使用另一实现的三维出射瞳径光束扩展器20a的示例性表示的其他示例。在此，中间区域24a和24b(相对于图3a)的每一个例如使用图3b中示出的倾斜的光栅方案，将光束耦合到两个相对的方向：光束36a和38a通过中间区域24a耦合到相应的出耦合区域26a和40a，而光束36b和38b通过中间区域24b耦合到相应的出耦合区域26b和40b。由此，图4的3D EPE 20a被配置成提供输入光束中所包含图像的四个扩展的基本相同的图像。
应该注意(类似于图3a)，区域28和28a还可以填充有像素。在此情况下，可以提供更高的功率效率(即，更多功率耦合到出耦合区域36a、36b、38a和38b，而代价可能是图像对比度)。
图5a是根据本发明实施方式的、沿x方向和y方向具有不同像素周期的三维出射瞳径光束扩展器20b的示意性表示。如果输入光束具有预定的第一波长，选择入耦合区域52中沿x方向的像素周期(x周期)，以便将光束58a和58b基本上沿x方向分别耦合到区域54a和54b。区域54a和54b沿x和/或y方向可以具有匹配于区域52的x方向像素周期的像素周期。相似地，如果输入光束具有不同于第一波长的预定第二波长，则选择入耦合区域52中沿y方向的像素周期(不同于x周期)，以便将光束60a和60b基本上沿y方向分别耦合到区域56a和56b。区域56a和56b沿x和/或y方向可以具有匹配于区域52的y方向像素周期的像素周期。区域54a、54b、56a和56b可以用作出耦合元件。备选的，这些区域可以用作创建二维出射瞳径扩展器的中间区域，如图5b中的示例所示的。在图5b中，光束62a、62b、64a和64b进一步耦合到相应的出耦合区域66a、66b、68a和68b。由此，出耦合区域66a和66b可以以第一预定波长来提供输入光束中所包括图像的两个基本相同的图像，而出耦合区域68a和68b可以以第二预定波长来提供输入光束中所包括图像的两个基本相同的图像。
应该注意，在图5a中，由虚线指示的区域66可以由3D一致的光栅像素完全覆盖，继而其性能将类似于图1a的示例。
应该注意，在中间衍射区域中使用沿x方向和y方向的不同像素周期还可以用作针对一个波长操作的方向选择方法。
图6a示出了根据本发明的实施方式的电子设备70的示意性表示(或者框图)的可能应用中的一个示例，所述电子设备70具有用于背光照明的三维出射瞳径扩展器，例如，在液晶显示器(LCD)78中和/或键盘76中。响应于适当的指令(例如，来自用户的指令)，用户接口和控制模块72向光源驱动器提供照明选择信号，其继而针对LCD 78和/或键盘76的背光照明提供适当的驱动信号。模块72可以选择例如是否对LCD 78、键盘76或者两者进行照明，并且可能利用何种颜色来照明。
图6b示出了根据本发明一个实施方式的电子设备的示意性表示的示例，所述电子设备具有3D出射瞳径扩展器(EPE)20、20a或者20b。
3D出射瞳径扩展器(EPE)20、20a或者20b可以在电子(便携)设备100中使用，诸如移动电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式互联网工具、手持计算机、数字视频和静态照相机、穿戴式计算机、计算机游戏设备、用于观看的专用入眼(bring-to-the-eye)产品以及其他便携式电子产品。如图6所示，便携式设备100具有外壳210以容纳用于从外部设备(未示出)接收信息以及向外部设备传输信息的通信单元212。便携式设备100还具有：控制和处理单元214，用于处理所接收的以及所传输的信息；以及用于观看的虚拟显示器系统230。虚拟显示器系统230包括微显示器或图像源192以及光学引擎190。控制和处理单元214可操作地连接至光学引擎190，以向图像源192提供图像数据，从而在其上显示图像。根据本发明，3D EPE 20、20a或20b可以以光学方式链接至光学引擎190。
而且，如图6所示的图像源192可以是顺序彩色LCOS(硅上液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、MEME(微电机系统)设备或用于传输、反射或出射的任何其他合适的微显示器设备。
而且，电子设备100可以是便携式设备，诸如移动电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式互联网设备、手持计算机、数字摄像机和静态照相机、穿戴式计算机、计算机游戏设备、用于观看的专用入眼产品以及其他便携式电子产品。然而，根据本发明，出射瞳径扩展器还可以使用在非便携式设备中，诸如游戏设备、售货机、Band-o-matic以及家用电器，诸如烤箱、微波炉和其他设备以及其他非便携式设备。
应该理解，上述布置仅是本发明原理的应用的说明。在不脱离本发明范围的情况下，本领域的技术人员可以设计出多个修改和备选布置，并且所附权利要求书旨在覆盖此类修改和布置。