衍射扩束器和基于衍射扩束器的虚拟显示器

摘要

一种衍射扩束器(50)，包括：基本上是平面的波导衬底；输入光栅(10)用于提供在所述衬底内传播的入耦合射束(B1)以及出耦合光栅(30)，用于提供出耦合射束。扩展器(50)还包括四个或者更多另外的光栅部分，以扩展入耦合射束(B1)的高度。利用第一偏转光栅部分(21a)来衍射入耦合光的一部分，以提供第一偏转射束。利用第二偏转光栅部分(22a)来衍射入耦合光的一部分，以提供第二偏转射束。第一偏转射束相对于入耦合射束(B1)向下传播，而第二偏转射束相对于入耦合射束(B1)向上传播。第一偏转射束投射到第一方向恢复光栅部分(21b)上，而第二偏转射束投射到第二方向恢复光栅部分(22b)上。第一恢复光栅部分(21b)提供第一恢复射束(V1)，而第二恢复光栅部分(22b)提供第二恢复射束(V2)，二者都具有与入耦合射束(B1)相同的方向。出耦合提供输出射束，其平行于输入射束，并且具有大于所述输入射束的垂直维度。

说明书

技术领域

本发明涉及通过衍射元件来扩展光束。本发明还涉及显示虚像。

背景技术

显示模块在便携式设备中用于以图形形式显示信息。小尺寸是便携式设备中的重要方面。然而，便携式设备的小尺寸也为所述设备中包含的显示器的尺寸设置了限制。传统小显示器的一个典型缺点在于：在保持足够分辨率的同时，观察者每次只能看到所显示的大图像的一小部分。

例如当设备包括近眼式(near-eye)虚拟显示器时，可以利用小设备来显示大图像。成像光学器件可以将微显示器所生成的小实像转换为虚像。观察者可以将设备放置在眼睛附近，使得当成像光学器件提供的光投射在其眼睛上时，他感知到在无穷远处显示的较大的详细虚像的影像。

当通过使用衍射扩束器(也称为出射光瞳扩展器(EPE))对成像光学器件提供的光束进行扩展时，甚至可以将微显示器和成像光学器件制造的更小和/或轻量级。例如在专利申请EP0535402中公开了一种基于衍射扩束器的近眼式显示器。美国专利6,580,529公开了一种用于在两个维度(也即，水平地和垂直地)扩展光束的衍射扩束器。

US 2006/0126182公开了一种衍射扩束器，包括：用于将光耦合进衬底的第一衍射元件，用于将光耦合出衬底的第二衍射元件，以及用于将入耦合的光向第二衍射元件衍射的中间衍射元件。该中间衍射元件具有基本上是周期性的图案，其包括用于产生圆锥形衍射的基本上线性的元件。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于在两个维度中扩展光束的衍射扩束器。本发明的另一目的是提供一种用于显示虚像的设备。

按照本发明的第一方面，提供一种按照权利要求1的衍射扩束器。

按照本发明的第二方面，提供一种按照权利要求8的用于扩展光束的方法。

按照本发明的第三方面，提供一种按照权利要求10的用于显示虚像的设备。

按照本发明的第四方面，提供一种按照权利要求12的用于显示虚像的方法。

按照本发明的第五方面，提供一种按照权利要求14的扩束装置。

一种衍射扩束器，包括：基本上是平面的波导衬底；输入光栅，用于通过将输入射束的光衍射到所述衬底中来提供在所述衬底中传播的入耦合射束；以及输出光栅，用于通过将入耦合光衍射出所述衬底来提供出耦合射束。该扩展器还包括四个或者更多其他光栅部分，用以扩展入耦合射束的高度。利用第一偏束光栅部分对入耦合光的一部分进行衍射，以提供第一偏转射束。利用第二偏束光栅部分对入耦合光的部分进行衍射，以提供第二偏转射束。第一偏转射束相对于原始入耦合射束向下传播，而第二偏转射束相对于原始入耦合射束向上传播。第一偏转射束投射到第一方向恢复光栅部分上，而第二偏转射束投射到第二方向恢复光栅部分上。第一恢复光栅部分提供第一恢复射束，其具有与原始入耦合射束相同的方向，并且相对于原始入耦合射束向下偏移；而第二恢复光栅部分提供第二恢复射束，其具有与原始入耦合射束相同的方向，并且相对于原始入耦合射束向上偏移。由此，在垂直方向上对入耦合射束进行了有效扩展。所述经扩展的入耦合射束的出耦合提供了输出射束，其与输入射束平行，其中所述输出射束还具有大于所述输入射束的垂直维度。

一种设备，特别是便携式设备，可以包括衍射扩束器，以便扩展虚拟显示器的出瞳。

按照本发明的一个实施方式，传播光与光栅结构之间的相互作用次数可以减少，这可以得到改进的出耦合光束平行性，也即，改进的输出射束质量。

按照本发明的一个实施方式，传播光与光栅结构之间的相互作用次数可以减少。因此，可以允许与波导衬底表面的平行性的较大偏差，同时仍然保持充分的输出射束质量。

按照本发明的一个实施方式，传播光与光栅结构之间的相互作用次数可以减少。因此，波导衬底甚至可以略微弯曲，同时仍然保持充分的输出射束质量。弯曲的波导衬底例如可以用来显示具有仅在观看者几米开外而不是无穷远处的清晰焦点的虚像。换言之，构成由所述弯曲波导衬底提供的略微发散的射束的光线可以在距离所述衬底只有几米处汇聚。

偏转和恢复光栅部分可以实现在与输入光栅和/或输出光栅相同的平面上，这有助于衍射扩束器的生产。

通过下文给出的说明书和示例以及通过附图，本发明的实施方式及其益处对于本领域技术人员来说将变得更为易见。

附图说明

在下文示例中，将参考附图更详细地描述本发明的实施方式，在附图中：

图1在三维视图中示出了光学引擎和衍射扩束器；

图2a示出了光学引擎和衍射扩束器；

图2b示出了微显示器上的实像；

图3a示出了使用偏转光栅部分和方向恢复光栅部分的入耦合射束的垂直扩展；

图3b示出了偏转之后的光束方向的恢复；

图4示出了衍射扩束器，其中中间光栅包括偏转部分和方向恢复部分；

图5示出了包括不对称定位的光栅部分的衍射扩束器；

图6示出了包括中间光栅的衍射扩束器，这些中间光栅一起形成了V字形状；

图7示出了包括中间光栅的衍射扩束器，这些中间光栅一起形成了V字形状；

图8a示出了衍射扩束器，其中偏转部分和相应的方向恢复部分在中线的相对侧；

图8b在三维视图中示出了与输入光栅的平面相垂直的平面；

图8c示出了在图8a的衍射扩束器中传播的光线的某些路径；

图9示出了包括辅助偏转部分的衍射扩束器；

图10a示出了包括辅助偏转部分的衍射扩束器；

图10b示出了包括辅助偏转部分的衍射扩束器；

图10c示出了入耦合射束相对于偏转部分的偏移；

图10d示出了图10c情况中的偏转射束的方位角；

图11a示出了光栅的光栅周期以及衍射特征的定向；

图11b示出了按照图11a的光栅部分的光栅周期，以及所述部分的衍射特征的定向；

图12a在三维视图中示出了输入射束的方位角和天顶角；

图12b示出了输入射束的方位角、入耦合射束的方位角以及输出射束的方位角；

图12c在三维视图中示出了输入射束的天顶角以及输出射束的天顶角；

图13示出了双目衍射扩束器；

图14在三维视图中示出了用于显示虚像的双目显示设备；以及

图15在三维视图中示出了用于显示虚像的显示设备。

具体实施方式

参考图1，虚拟显示设备200可以包括光学引擎100和衍射扩束器50。光学引擎100可以包括微显示器110和成像光学器件120(图2a)。成像光学器件120将微显示器110所形成的实像605(图2b)转换为虚像710(图14)，该虚像710通过衍射扩束器50的观看孔35是可观察的。

衍射扩束器50可以包括：输入光栅10；两个或者更多偏束光栅部分21a、22a；两个或者更多方向恢复部分21b、22b；以及输出光栅30。光栅10、30和光栅部分21a、22a、21b、22b可以在基本上是平面的透明衬底7上实现。衬底7具有第一基本上是平面的表面，以及与所述第一平面表面基本上平行的第二基本上是平面的表面。

衬底7是波导，这意味着入耦合光可以在所述衬底7内传播，从而可以通过全内反射(TIR)将所述进行传播的光限制于所述衬底7。

光学引擎100提供输入射束B0。投射到输入光栅10上的输入射束B0可以耦合进入衬底7中，使得相应的入耦合射束B1在所述衬底内朝向偏束部分21a、22a传播。

波导衬底7的平面表面位于正交方向SX和SZ所定义的平面内。方向SY与方向SX和SZ垂直。

入耦合射束B1的一部分投射到第一偏束光栅部分21a，其将光偏转向第一方向恢复光栅部分21b，从而提供第一偏转光束U1。恢复部分21b偏转射束U1的光，从而提供第一恢复光束V1。恢复射束V1已经相对于原始入耦合射束B1发生了偏移，并且其沿着基本上与原始入耦合射束B1相同的方向传播。

入耦合射束B1的一部分投射到第二偏束光栅部分22a上，其将光衍射朝向第二方向恢复光栅部分22b，从而提供第二偏转光束U2。恢复部分22b衍射射束U2的光，从而提供第二恢复光束V2。恢复射束V2已经相对于原始入耦合射束B1发生了偏移，并且其沿着基本上与原始入耦合射束B1相同的方向传播。

入耦合射束B1的一部分可以在衬底7内传播，而不被部分21a、21b、22a、22b所衍射。

射束B1的未衍射部分、恢复射束V1和/或恢复射束V2可以一起形成扩大的光束，其沿着与原始入耦合射束B1相同的方向传播。

随后可以利用输出光栅30将扩大的射束耦合出衬底7，以提供输出射束B2，它与输入射束B0相比在两个方向SX和SZ上有所扩展。输出射束B2可以投射到观察者的眼睛E1上。

输出射束B2的高度H2大于输入射束B0的高度H0。由此，衍射扩束器50提供了在垂直方向SZ上的射束扩展。(方向SZ与图14中所示的操作位置垂直)。输出射束B2的宽度W2可以大于输入射束B0的宽度W0。输出射束B2的最大高度H2和最大宽度W2受到观看孔35的维度的限制。可以将输入光栅10的高度和宽度选择为基本上等于或者大于输入射束B0的维度，以便使将光耦合到衬底7中的效率最大化。

光栅10、30以及光栅部分21a、21b、22a、22b是衍射元件。光栅和光栅部分例如可以是通过在平面表面41、42(图2)的任何一个平面表面上进行注塑或模压而实现的表面凹凸的光栅。光栅的剖面例如可以是正弦曲线、二值矩形或者闪耀的(blazed)。然而，光栅的剖面可以是二值倾斜的或者正弦倾斜的。光栅10、30和/光栅部分21a、21b、22a、22b中的一个或多个可以嵌入在衬底7中。衍射扩束器50还可以包括辅助光栅部分(例如参见图9)。光栅10、30以及光栅部分21a、21b、22a、22b可以位于方向SX和SZ所限定的一个或多个平面内。

中线AX1例如可以通过输入光栅10的孔15的中心以及通过输出光栅30的孔35的中心。光栅10、30以及部分21a、21b、22a、22b可以相对于所述中线AX1对称定位。然而，也可以这样来选择中线AX1，使得光栅10、30相对于所述中线AX1并非对称定位。

参考图2a，光学引擎100可以包括微显示器110和成像光学器件120。成像光学器件可以包括一个或多个光学元件，诸如透镜、平面镜、棱镜或者衍射元件。从微显示器的点P1传输的光线由成像光学器件120进行基本上地准直(collimate)，以形成平行光线，其构成了由光学引擎100提供的射束B0。这样设置微显示器110与成像光学器件120之间的距离L3，使得微显示器110的像素基本上处于成像光学器件120的焦距处。提供多个射束B0，以便显示包含多个像素的虚像。

从光学引擎100的输出孔101传输的至少一个射束B0投射到衍射扩束器50的输入光栅10上。输入射束B0的光由输入光栅10耦合进入波导衬底7中。入耦合光在衬底7内传播，作为入耦合射束B1。入耦合射束B1的一部分与第一偏转光栅部分21a相互作用，提供偏转射束U1。偏转射束U1的一部分与恢复光栅部分21b相互作用，提供第一恢复射束V1。入耦合射束B1的一部分保持未衍射(图2a中未示出)。由此，原始入耦合射束B1的一部分可以贡献于第二恢复射束V2(图2a中未示出)。输出光栅30将经扩展的输出射束B2衍射向观察者的眼睛E1。

衍射扩束器50所提供的扩大的光束B2为观看者提供了显示在距离观看者无穷远处的虚像710的影像。作为一种现象，人类观看者通常感受到所显示的虚像710仅仅距离他们几米远，而不是无穷远。虚像710例如可以是星形图案，如图14所示。

衍射扩束器50可以是单目的，也即，其可以仅具有一个输出光栅30。输入光栅10、输出光栅30和/或光栅部分21a、21b、22a、22b可以是倾斜的或者闪耀的表面凹凸的光栅，以便使将光耦合进入衬底7以及耦合出衬底7的效率最大化。衍射扩束器50可以包括一个或多个光学上的吸收结构80，以消除杂散光。

衬底7具有第一基本上是平面的表面41以及与所述第一平面表面41基本上平行的第二基本上是平面的表面42。光栅10、30以及部分21a、21b、22a、22b可以在相同的平面表面41、42上，或者在相对表面41、42上。在图2a中，输入光栅10和输出光栅30在第一表面41上，而部分21a、21b在第二表面42上。在投射到输入光栅10上之前，输入射束B0也将通过衬底7传输。

微显示器110例如可以是液晶显示器、微机械上可移动的平面镜阵列、发光二极管阵列或者包括至少一个可移动发光点的单元。微显示器的对角维度例如可以小于或者等于25mm。

图2b示出了在微显示器110上形成的实像605。实像605可以由发光像素或者发光点P1形成。

光学引擎100还可以包括提供光束的发光点，以及快速改变所述射束方向的射束引导单元，其中由所述发光点提供的光学功率可以根据所述射束的方向进行调制。射束引导单元例如可以包括一个或多个转动反射器，用以改变射束的方向。换言之，光学引擎100也可以通过使用扫描方法来直接提供虚像。

参考图3a，可以利用第一偏转部分21a对入耦合射束B1的一部分进行衍射，以提供第一偏转射束U1。可以利用第二偏转部分22a对入耦合射束B1的一部分进行衍射，以提供第二偏转射束U2。所述第一偏转射束U1的方位角α₁与所述入耦合射束B1的方位角(例如在图3b中示出)之间的差是负的。所述第二偏转射束U2的方位角α₂与所述入耦合射束B1的方位角之间的差是正的。方位角α₁是所述第一偏转射束U1的方位方向与方向SX之间的角度。方位角α₂是所述第二偏转射束U2的方位方向与方向SX之间的角度。方位角是所述入耦合射束B1的方位方向与方向SX之间的角度。方位角α₁和α₂被定义为小于180度且大于-180度。具有正方位角的方向向量具有方向SZ中的分量，而具有负方位角的方向向量具有与方向SZ相对的方向中的分量。

参考图3b，利用第一恢复部分21b对第一偏转射束U1的一部分进行衍射，以提供第一恢复射束V1，使得第一恢复射束V1具有与原始入耦合射束B1相同的方位角负方位角α₁与方位角之间的差是负的，因此第一恢复射束V1相对于原始入耦合射束B1而言向下偏移。

利用第二恢复部分22b对第二偏转射束U2的一部分进行衍射，以提供第二恢复射束V2，使得第二恢复射束V2具有与原始入耦合射束B1相同的方位角正方位角α₂与方位角之间的差是正的，因此第二恢复射束V2相对于原始入耦合射束B1而言向上偏移，也即，相对于原始入耦合射束B1在方向SZ上向上偏移。

恢复射束V1和V2一起形成了扩大的射束，其具有大于原始入耦合射束B1的高度。而且，入耦合射束B1未与光栅部分相互作用的那部分可以在扩大的射束中有所贡献。

参考图4，衍射扩束器50可以包括第一中间光栅21，其依次可以包括第一偏转部分21a和第一恢复部分21b。由此，第一中间光栅21可以适于提供相对于原始入耦合射束B1向下偏移的第一恢复射束V1。

衍射扩束器50可以包括第二中间光栅22，其依次可以包括第二偏转部分22a和第二恢复部分22b。由此，第二中间光栅22可以适于提供相对于原始入耦合射束B1向上偏移的第二恢复射束V2。

还可以通过中间光栅21对光进行三次或者更多次衍射。如果对光进行了偶数次衍射，使得每次衍射改变光的方位方向，则最终的方向仍然可以与原始入耦合射束B1的方向基本上相同。

在图4中，中间光栅21、22以及光栅部分21a、21b、22a、22b相对于中线AX1对称定位。

参考图5，中间光栅21、22以及光栅部分21a、21b、22a、22b也可以相对于中线AX1不对称定位。

参考图6，第一中间光栅21可以包括第一偏转部分21a和第一恢复部分21b。第二中间光栅22可以包括第二偏转部分22a和第二恢复部分22b。中间光栅21、22可以一起形成V字形状。光栅21、22可以基本上彼此接触以及与中线AX1接触。当与中线AX1的距离z大于输入光栅10的高度的一半时，随着所述距离z的增加，中间光栅的局部宽度W(z)可以单调减小。

参考图7，中间光栅的局部宽度W(z)可以随着与中线AX1的距离z的增加而单调增大。

参考图8a，当从与波导衬底7的平面的垂直方向观看时，第一偏转部分21a和相应的第一恢复部分21b可以在中线AX1的相对侧。因此，由第一偏转部分21a衍射的第一偏转射束U1在投射到第一恢复部分21b之前越过中线AX1。

而且，第二偏转部分22a和相应的第二恢复部分22b可以在中线AX1的相对侧。因此，由第二偏转部分22a衍射的第二偏转射束U2在投射到第二恢复部分22b之前越过中线AX1。

图8a中所示布置将光更多地引导向观察所在的方向。与图7的布置的相比，例如在输入射束B0的天顶角θ_IN大于或者等于5度时(图12c)，这改进了观察到的图像亮度，特别是在视场的极限角度处。

图8b示出了图8a情况的三维视图。参考平面PLN1与扩束设备50的输入光栅10的平面以及波导衬底7的平面41、42相垂直。由此，中线AX1表示平面PLN1与衬底7的平面41或者42的交叉。参考平面PLN1例如可以是方向SX和SY所定义的平面。部分21a、21b、22a、22b可以相对于所述平面PLN1对称或者不对称地定位。

第一偏转部分21a和第二恢复部分22b可以在参考平面PLN1的第一侧。第二偏转部分22b和第一恢复部分21b可以在所述参考平面PLN1的第二侧。第一偏转部分21a适于通过衍射入耦合射束B1的光来提供第一偏转射束U1，使得第一偏转射束U1在投射到第一恢复部分21b之前，从平面PLN1的第一侧穿到平面PLN的第二侧。第二偏转部分22a适于通过衍射入耦合射束B1的光来提供第二偏转射束U2，使得第二偏转射束U2在投射到第二恢复部分22b之前，从平面PLN1的第二侧穿到平面PLN1的第一侧。

参考平面PLN1可以与输入光栅10和输出光栅30相交。特别地，参考平面PLN1可以基本上与光栅10、30的孔15、35的中心相交(图1)。

图8c示出了光线在图8a的衍射扩束器中传播的路径。第一入耦合光线B1_a对应于从微显示器的第一边或角上的第一像素发出的光(图2a和图2b)。第二入耦合光线B1_b对应于从所述微显示器110的第二边或角上的第二像素发出的光。第一入耦合光线B1_a具有方位角而第二入耦合光线B1_b具有方位角所述第一和第二像素这样来选择，使得对应于所显示图像的基本上所有入耦合射线的方位角小于或者等于并且大于或者等于

第一入耦合射线B1_a在第一偏转部分21a上的衍射可以提供第一偏转射线U1a，而第二入耦合射线B1_b在所述第一偏转部分21a上的衍射可以提供第二偏转射线U1_b。β表示第一和第二偏转射线U1_a、U1_b之间的角度。

第一偏转射线U1_a在第一恢复部分21b上的衍射可以提供第一恢复射线V1_a，而第二偏转射线U1_b在所述第一恢复部分21b上的衍射可以提供第二恢复射线V1_b。第一恢复射线V1_a具有方位角开且第二恢复射线V1_b具有方位角换言之，第一恢复射线V1_a沿着与第一入耦合射线B1_a相同的方向传播，而第二恢复射线V1_b沿着与第二入耦合射线B1_b相同的方向传播。

第一偏转部分21a、第二偏转部分22a、第一恢复部分21b以及第二恢复部分22b的形式和位置可以这样来选择，使得从第一偏转部分21a偏转的光线不投射到第二偏转部分22a上，并且使得从第一偏转部分21a偏转的光线不投射到第二恢复部分22b上，并且使得从第二偏转部分22a偏转的光线不投射到第一偏转部分21a上，并且使得从第二偏转部分22a偏转的光线不投射到第一恢复部分21b上，其中所述光线对应于所述微显示器110的图像区域上的极限点。

例如，图3a到图10c中所示的衍射扩束器50可以满足上述条件。可以通过选择微显示器110的维度以及成像光学器件120的焦距来选择极限方位角和

衍射扩束器50可以包括基本上非衍射的部分26、27和/或基本上非衍射的部分25，以便满足上述条件。

此外，部分21a、21b、22a、22b例如可以布置为如图8a和图8c所示的交叉楔形构造，以便满足上述条件。楔形的侧部可以基本上与偏转光线的方向对齐。例如，部分21a的第一侧部和部分21b的第一侧部可以与第一偏转射线U1_a对齐，而部分21a的第二侧部和部分21b的第二侧部可以与第二偏转射线U1_b对齐。

此外，部分22a的侧部基本上可以与偏转光线U1_a对齐，而部分22b的侧部基本上可以与偏转光线U1_b平行。

微显示器110的单个像素P1提供多个入耦合射线，其沿着由单个方位角所限定的相同方向传播，所述射线构成了入耦合射束B1。扩束设备50为微显示器110的每个像素提供输出射束B2。多个输出射束B2为观看者E1提供虚像的影像。

参考图9，衍射扩束器50可以包括辅助偏转部分21c、22c，以提供另外的偏转射束U1c、U2c。另外的偏转射束U1c、U2c可以投射到恢复部分21b、22b上，以提供另外的恢复射束V1c、V2c，使得该另外的恢复射束V1c、V2c与射束V1、V2一起沿着与原始入耦合射束B1相同的方向传播。另外的偏转射束U1c、U2c可以投射到恢复部分21b、22b，而不越过中线AX1，也即，不通过平面PLN1。

与图8的布置相比(也即，当观察者在视场的上边沿或者下边沿观看时)，图9的布置提供更为均匀的观察亮度，以及视场的极限角度处的更高吞吐效率。换言之，对于图9的设备来说，输出射束B2在天顶角θ_OUT＝5度处的强度与输出射束B2在天顶角θ_OUT＝0度处的强度之间的差可以小于图8a的设备。

参考图10a，第一辅助偏转部分21c和第一恢复部分21b可以是第一中间光栅21的部分，该第一中间光栅21位于中线AX1的下侧，也即，在参考平面PLN1的第二侧部。第二辅助偏转部分22c和第二恢复部分22b可以是第二中间光栅22的部分，该第二中间光栅22位于中线AX1的上侧，也即，在参考平面PLN1的第一侧部上。第一偏转部分21a可以位于中线AX1的上侧和参考平面PLN1的第一侧部上。偏转部分21a、21c可以提供投射到第一恢复部分21b上的偏转射束。

第一偏转部分21a的形式可以基本上是由入耦合光栅10的高度和光在衬底内的传播方向所限定的多边形，使得从偏转部分21a偏转的光线都不会投射到第二中间光栅22上，并且使得从偏转部分22a偏转的光线都不会投射到第一中间光栅21上。第一中间光栅21的形式可以基本上是满足以下条件的多边形：从偏转部分22a偏转的光线都不会投射到所述中间光栅21上。

第二偏转部分22a基本上可以是第一偏转部分21a相对于中线AX1的镜像。第二中间光栅22基本上可以是第一中间光栅21相对于中线AX1的镜像。

图10a的布置提供了高吞吐效率以及视场上非常均匀的强度分布。

参考图10b，可以进一步选择偏转部分21a、22a、21c、22c以及恢复部分21b、22b的形式和位置，以便在与图10a的设备相比时降低由孔相关的衍射导致的射束发散。与图10a中的情况相比，辅助偏转部分21c、22c的较大维度提供了较不发散的射束。

例如，入耦合光栅10的拐角点的坐标可以是(0.00，3.50)、(3.50，3.50)、(3.50，-3.50)和(0.00，-3.50)。第一个坐标表示方向SX中的位置，而第二个坐标表示方向SZ中的位置。第一偏转部分21a的拐角点可以是(13.40，0.00)、(11.61，5.08)、(13.72，5.37)和(14.84，4.09)。第一中间光栅21的拐角点可以是(15.79，-6.80)、(16.22，-8.00)、(18.86，-8.00)、(21.22，-1.40)、(20.22，0.00)、(18.62，0.00)、(20.13，-1.30)和(17.00，-4.00)。输出光栅30的拐角点可以是(22.00，7.00)、(43.00，7.00)、(43.00，-7.00)和(22.00，-7.00)。

参考图10c，入耦合射束B1可以适于按照所述入耦合射束B1的方位角相对于偏转部分21a、21b在方向SZ上偏移。当方位角大于零时，投射到第一偏转部分21a上的入耦合射束B1的第一部分的高度可以大于投射到第二偏转部分22a上的所述入耦合射束B1的第二部分的高度，并且当方位角小于零时，投射到第一偏转部分21a上的入耦合射束B1的所述第一部分的高度可以小于投射到第二偏转部分22a上的所述入耦合射束B1的第二部分的高度。所述高度在方向SZ中定义。

所述偏移与方位角之间的关系取决于输入光栅10与偏转部分21a、22a之间的距离L12。距离L12例如可以大于输入光栅10与输出光栅30之间的距离L13的0.3倍。距离L12甚至可以大于或者等于距离L13的0.5倍。当以备选方式定义时，距离L2可以大于或者等于输入射束B0的高度H0(图1)。输入光栅10与偏转部分21a、22a之间的区域可以基本上是非衍射的。

参考图10d，偏转部分21a、21c、22a和22c提供偏转射束U1、U2，而恢复部分21b、22b提供具有与入耦合射束B1相同方位角的恢复射束V1、V1c、V2、V2c。第一偏转射束U1的方位角α₁与入耦合射束B1的方位角之间的差是负的。第二偏转射束U1的方位角α₂与入耦合射束B1的方位角之间的差是正的。部分21a、22b、22c在中线AX1的第一侧和参考平面PLN1的第一侧部上。部分22a、21b、21c在中线AX1的第二侧并且在参考平面PLN1的第二侧部上。

参考图11a，输入光栅10包括多个基本上线性的衍射特征DF₁₀，其具有光栅周期d₀。输出光栅30包括多个基本上线性的衍射特征DF₃₀。输出光栅30的光栅周期可以基本上等于d₀。衍射特征DF₁₀和DF₃₀例如可以是相邻的凹槽或者脊。

可以将输入光栅10的光栅周期d₀选择为仅提供四个衍射级，即反射衍射级1和-1以及透射衍射级1和-1，其可以反射式和/或透射式地将光耦合到衬底7中。输入光栅10还可以以与通过光栅的直接透射相对应的透射衍射级0衍射光和/或以与来自光栅的直接反射相对应的反射衍射级0衍射光。如果输入光栅10具有倾斜的剖面，则其可以适于提供基本上一个第一级的衍射，即1或-1。

衍射特征DF₁₀可以基本上平行于衍射特征DF₃₀。衍射特征DF₁₀和DF₃₀可以基本上与方向SZ平行并与中线AX1垂直。

参考图11b，第一偏转光栅部分21a具有多个衍射特征F_21a，其相对于方向SZ具有角度ρ_21a。第一偏转光栅部分21a具有光栅周期d_21a。

第二偏转光栅部分22a具有多个衍射特征F_22a，其相对于方向SZ具有角度ρ_22a。第二偏转光栅部分22a具有光栅周期d_22a。

第一恢复光栅部分21b具有多个衍射特征F_21b，其相对于方向SZ具有角度ρ_21b。第一恢复光栅部分21b具有光栅周期d_21b。

第二恢复光栅部分22b具有多个衍射特征F_22b，其相对于方向SZ具有角度ρ_22b。第二恢复光栅部分22b具有光栅周期d_22b。

衍射特征的定向角ρ与所述特征的光栅周期之间的关系如下给出：

$>d=\frac{d_0}{A_0\cos \rho }---\left(1\right)$>

其中d₀是输入光栅10的光栅周期，而A₀是常量，其具有1.8到2.2范围中的值。特别地，常量A₀可以基本上等于2。现在可以使用等式(1)来求解光栅部分21a、21b、22a、22b、21c、22c的光栅周期。

光栅部分21a、21b、22a、22b、21c、22c的光栅周期可以使用等式(1)来选择，使得仅在第零个或者第一个衍射模式中允许衍射。第一级衍射的符号取决于所选择的坐标。

所述第一偏转光栅部分21a的衍射特征F_21a的方向与所述输入光栅10的衍射特征DF₁₁的方向SZ之间的角度ρ_21a可以在55度到65度的范围内。特别地，定向角ρ_21a可以基本上等于60度。定向角ρ_22a可以基本上等于120度。

第一偏转部分21a和第一恢复部分21b可以具有相同的衍射特征定向和相同的光栅周期。第二偏转部分22a和第二恢复部分22b可以具有相同的衍射特征定向和相同的光栅周期。第一辅助反射部分21c(图11a和图11b中未示出)和第一恢复部分21b可以具有相同的衍射特征定向和相同的光栅周期。第二辅助反射部分22c(图11a和图11b中未示出)和第二恢复部分22b可以具有相同的衍射特征定向和相同的光栅周期。

图12a示出了输入射束B0的方位角与输入射束B0的天顶角θ_IN。天顶角θ_IN是射束B0的方向与方向-SY之间的角度。方向-SY与方向SY相反。输入光栅10的表面法向平行于方向SY。

方位角是投影PR0与方向SX之间的角度，其中所述投影PR0是输入射束B0的方向在方向SX和SY所限定的平面上的投影。投影PR0是方位角的左侧。

参考图12b，输入射束在SX-SY平面上的投影相对于方向SX具有方位角入耦合射束B1的投影以及恢复射束V1、V2相对于方向SX具有方位角输出射束B2的投影相对于方向SX具有方位角

参考图12c，输入射束B0的方向相对于方向-SY具有天顶角θ_IN。入耦合射束B1的方向相对于方向-SY具有天顶角θ_C。输出射束B2的方向相对于方向-SY具有天顶角θ_OUT。

参考图13，衍射扩束器50也可以是双目的。输入光栅10可以适于将光衍射向第一组中间光栅21、22，并且还将光衍射向第二组中间光栅21’、22’。扩展器50可以具有用以为观察者的右眼提供射束B2的第一输出光栅30，以及为观察者的左眼提供第二射束B2的第二输出光栅30’。

衍射扩束器50可以用来实现图14中所示的虚拟显示设备200。由输出光栅30、30’提供给观察者的眼睛E1、E2的输出射束B2为观察者提供了显示于距观察者无穷远处的虚像710的影像。虚像710例如可以是如图14中所示的星形图案，其对应于由微显示器110所生成的实像650(图2b)。虚像710例如可以是图形和/或文本。

图14的显示设备还可以包括耳机260，其可以定位在观察者的耳朵上，以便于衍射扩束器50定位在观看者之前。显示设备20还可以附接至头饰，例如附接至头盔。

双目显示器200可以包括两个独立的光学引擎100和两个独立的单目扩束器50，以便显示立体虚像。衍射扩束器50可以是部分透明的，这允许用户通过扩展器50的观看孔35看到其环境，同时还看到所显示的虚像710。该透明布置例如可以应用于增强现实系统中。

图15示出了包括通过使用衍射扩束器50实现的单目虚拟显示器的设备200。设备200还可以包括例如用于控制所述设备的键集合230。

图14或者图15的设备200还可以包括例如数据处理单元、存储器以及提供对移动电话网络、互联网或者局域网的访问的通信单元。设备200例如可以选自如下列表：可连接至其他设备的显示模块、便携式设备、具有无线电信能力的设备、成像设备、移动电话、游戏设备、音乐录制/播放设备(基于例如MP3格式)、远程控制发射机或接收机、导航仪器、测量仪器、目标查找设备、瞄准设备、导航设备、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式互联网工具、手持计算机、移动电话的配件。

可以使用包括具有有限曲率半径的非平面输出光栅的衍射扩束器50来实现虚像在比无穷远要近的位置的显示，例如专利申请PCT/IB2004/004094中所公开的。

对于本领域技术人员而言，很显然，可以对按照本发明的设备和方法进行修改和变形。附图是示例性的。上文参考附图描述的特定具体实施方式仅仅是说明性的，并非意在限制由所附权利要求书限定的发明范围。