衍射光学装置和系统制造方法及图纸

一种光继电器装置，用于在视场内传输以多个角度照射该光继电器装置的光。该装置包括透光衬底、输入光学元件和输出光学元件。该输入光学元件衍射该光以使该光通过全内反射在该透光衬底内传播，以及该输出光学元件衍射该光离开该衬底。该输出光学元件特征在于平面尺寸，该平面尺寸选择为使得该视场内一个或多个最外光线的至少一部分被导向至距该透光衬底预定距离的二维区域。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光学元件，更具体而言涉及将光衍射到一个或多个二 维区域内的光学系统和装置。
技术介绍
电子装置的微型化总是电子设备领域的持续的目标。电子装置经 常配备有某种形式的显示器，该显示器对于用户是可见的。随着这些 电子装置尺寸减小，对于制造与小尺寸电子装置相兼容的紧凑显示器 的需求增加。除了具有小的尺寸之外，这些显示器不应牺牲图像质量， 且可以低成本地获得。按照定义，上述特性相互矛盾，且已经进行许 多尝试以提供某些平衡的解决方案。电子显示器可以提供实像，其尺寸是由显示装置的物理尺寸决定， 或者可以提供虚像，其尺寸可以扩展显示装置的尺寸。实像定义为由投射在置于图像位置的观察面上或者由该观察面显 示，并被人的棵眼观察到(到观察者无需校正眼睛的程度)的图像.实像显示器的例子包括阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有 机发光二极管阵列(OLED)、或者任何屏幕投影显示器。实像通常可 以从约至少25cm的距离被观察，该25cm为人眼可以聚焦到物体上的 最小距离。除非人是远视眼的，否则无法在更近的距离观察到清晰图 像。典型地，台式计算机系统和工作站计算设备利用CRT显示屏幕显 示图像给用户。CRT显示器笨重、庞大且不容易微型化。对于膝上型、 笔记本或掌上计算机，通常使用平板显示器。平板显示器可以使用实 施为无源矩阵或有源矩阵面板的LCD技术。无源矩阵LCD面板是由 水平和垂直线的格栅组成。格栅的每个交点构成单个像素，并控制LCD 元件。LCD元件或者允许光通过，或者阻挡光。有源矩阵面板使用晶 体管控制每个像素，且更昂贵。OLED平板显示器为发光二极管的阵列，由有机聚合物材料制成。 现有的OLED平板显示器是基于无源与有源的配置。与控制光透射或反射的LCD显示器不同，OLED显示器发射光，光的强度由所施加的 电偏压来控制。平板显示器也用于微型图像显示系统，这是因为与CRT 显示器相比平板显示器紧凑且能量高效。小尺寸实像显示器用于呈现 实像的表面积较小，因此为用户提供足够信息的能力有限。换言之， 由于人眼的有限分辨力，从小尺寸实像分辨得到的细节数量可能不足。与实像相反，虚像定义为不投射到观察面上或者不从观察面发射 的图像，且没有光线连接图像和观察者。虚像只能通过光学元件看到， 例如典型的虚像可以从置于会聚透镜前方，位于透镜和透镜焦点之间 的物体来获得。从物体上每个点反射的光线在经过该透镜时发散，因 此任意两条光线都不共享两个端点。从透镜另一侧观察的观察者将察 觉到位于物体后方的图像，该图像因此是放大的。置于透镜焦点的物 体的虚像被投射到无穷远。包括微型显示面板和透镜的虚像显示系统 可以实现从远小于25cm的距离观察小尺寸但高容量(content)的显示 器。这种显示系统可以提供一种观察能力，该观察能力等效于从远得 多的距离观察的高容量、大尺寸的实像显示系统。传统虚像显示器已知具有许多缺点。例如，这些显示器太重而无 法舒适地使用，以及太大从而突出、分散注意力以及甚至迷失方向。 这些缺陷来源于例如安装结构中结合了较大的光学系统，以及没有充 分考虑到诸如尺寸、形状、重量等重要因素的物理设计。最近，全息光学元件已被用于便携视觉图像显示器.全息光学元 件用作成像透镜以及组合器，其中二维的准单色显示被成像到无穷远 并反射到观察者的眼睛。所有类型的全息光学元件的共同问题为其较 高的色散。在光源不是完全单色的应用中，这是主要的缺陷。某些这 些显示器的另一缺陷为，图像的几何和全息光学元件的几何之间缺乏 相干性，这导致图像阵列中降低图像质量的像差。通常涉及单个全息光学元件的新设计通过使用非球面波而不是简 单的球面波用于记录，由此补偿几何像差和色差；然而，这些设计没 有克服色散问题。此外，采用这些设计，整体光学系统通常非常复杂 且难以制造。再者，这些设计形成的视场通常非常小。Upatnieks的美国专利No.4，711，512描述了 一种衍射平面光学平视 (head-up)显示器，其配置成传输图像的准直光波前，以及允许经过 飞机挡风玻璃的光线通过并被飞行员看到。光波前通过第一衍射元件进入位于飞机座舱内的细长光学元件，被衍射成该光学元件内的全内 反射，并通过第二衍射元件从该光学元件衍射进入飞行员眼睛的方向同时保持准直。然而，Upatnieks没有教导如何将宽的视场传输通过显 示器，或者如何传输宽的波长谞(用于提供彩色图像)。Upatnieks的 仰视显示器的主要限制在于使用大量全息图，使用大量全息图尽管具 有较高的衍射效率，但是已知具有窄的角度和色响应。Friesem等的美国专利No，5，966，223和5，682，255描述了一种与 Upatniefcs类似的全息光学装置，其具有另外的方面为，第一衍射光学 元件还用作准直元件，准直由显示源内每个数据点发射的波并校正整 个视场上的场像差。所讨论的视场为±6°，且还讨论了 632.8nm中心波 长、附近的士2nm波长偏移A、上低的色灵敏度。然而，Friesem等的 衍射准直元件已知具有窄的光谱响应，且在士2nm光谱范围的低色灵敏 度在士20nm和士70nm变为无法接受的灵敏度。Niv等的美国专利No.6，757，105提供了 一种用于优化多色光谱的 视场的衍射光学元件，该专利的内容结合于此。该光学元件包括透光 村底和形成于透光衬底内的线性光栅。Niv等教导了如何选择线性光栅 的节距和透光衬底的折射率以捕获具有预定光谱的光束，且特征在于 使预定视场通过全内反射在透光衬底内传播。Niv等也披露了 一种包含 前述衍射光学元件的光学装置，用于传输广义上的光以及特别是图像 到用户的眼睛内。然而，上述虚像装置提供了单一光学通道，因此允许感兴趣的景 象由一只眼睛看到。人们认为任何虚像装置无畸变地传输图像的能力 内在地取决于，从图像所有点散发的光线是否被成功地以其原始原色 被传输到用户的眼睛。由于目前已知装置采用的单一光学通道，可以 无畸变或者无信息损失地得到的视场相当有限。采用多个衍射光学元件的双目装置披露于美国专利申请 No.10/896，865 和 11/017,920 以及国际专利申请开 No.W02006/008734，其内容结合于此作为参考。光继电器由透光衬底、 输入衍射光学元件和两个输出衍射光学元件形成。准直光被输入衍射 光学元件衍射到光继电器内，通过全内反射在村底内传播，并被该两 个输出衍射光学元件耦合离开该光继电器。输入和输出衍射光学元件 保持光线的相对角度以允许以最小畸变或者无畸变地传输图像。输出元件隔开，使得被一个元件所衍射的光被导向至观察者的一只 被另一元件所衍射的光被导向至观察者的另一只眼睛。这些参考文献 的双目设计显著改善了视场。在上述类型的双目系统中，输出光学元件之间的距离原则上应匹配4吏用该系统的个体的瞳孔间3巨。另一方面，不同个体之间的瞳孔间距相差可以高于50%。因此这些双目系统为具有不同瞳孔间距的个体提供了不同的观察条件。换言之，为一个个体提供最优观察条件的双 目系统可以为另一个体提供次优的观察条件，特别是当这两个个体的 瞳孔间距相差显著时。因此广泛意识到需要一种克服上述限制的光学装置和系统，且采 用该光学装置和系统将是极为有利的。
技术实现思路
根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光继电器装置，用于在视场内传输以多个角度照射该光继电器装置的光，该光继电器装置包括：透光衬底，接合由纵向方向和横向方向跨过的平面；输入光学元件，设计和构造成用于重新导向所述光，使得所述光通过全内反射在所述透光衬底内传播；以及输出光学元件，横向偏离所述输入光学元件，并被设计和构造成用于重新导向所述光离开所述透光衬底，所述输出光学元件特征在于由沿所述纵向方向的长度以及沿所述横向方向的宽度定义的平面尺寸，其中所述长度和所述宽度选择为使得所述视场内至少一个最外光线的至少一部分被导向至距所述透光衬底预定距离的二维区域。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y尼夫，
申请(专利权)人：米拉茨创新有限公司，
类型：发明
国别省市：IL[以色列]