[发明专利]衍射光学装置和系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件，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。

背景技术

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，并被人的裸眼观察到(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谱(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。