显示设备、虚拟图像显示方法和显示设备的制造方法与流程

1.本发明涉及虚拟显示技术领域，特别涉及一种显示设备、虚拟图像显示方法和显示设备的制造方法。

背景技术：

2.如图1所示，图1为一种已知的显示设备，一种已知的图像显示设备包括一个光引擎eng1和一个衍射扩束装置epe0。所述显示设备通过衍射扩展由光引擎eng1提供的图像光束来显示虚拟图像。衍射扩束装置epe0提供一个扩大了的可观测区域(以下称为眼盒)box1来观察虚拟图像。衍射扩束装置epe0包括一个波导基板sub0，一个输入元件doe1，和一个输出元件doe3。光引擎eng1形成输入光in1。输入光包括对应输入图像(img0)上不同图像点(p1，p2)的往不同方向传输的输入光束(b0p1,b0p2)。
3.扩束装置epe0通过衍射扩展输入光in1形成输出光。衍射扩束装置epe0通过衍射扩展输入光束b0p1形成输出光束b3p1。衍射扩束装置epe0通过衍射扩展输入光束b0p2形成输出光束b3p2。
4.输入元件doe1通过衍射输入光in1形成传导光(b1p1，b1p2)。传导光(b1p1，b1p2)在波导基板sub0内传输。输出元件doe3通过将传导光(b1p1，b1p2)衍射输出波导基板sub0形成输出光束(b3p1，b3p2)。当输出光束(b3p1，b3p2)进入到观察者的眼睛时，观察者可以看到所显示的虚拟图像。对应不同图像点的输出光束的集合共同组成输出光。
5.输出光可能表现出空间上或角度分布上的不均匀。例如，输出光束b3p1可能随到输入元件doe1的距离增加而越来越弱。又例如，从输出单元doe3某一固定位置输出的对应图像像点p1的输出光束b3p1的能量可能弱于从该位置输出的对应图像像点p2的输出光束b3p2的能量，即使对应该输出光束的输入光束(b0p1,b0p2)具有相同的能量。

技术实现要素：

6.本发明提供一种显示设备、虚拟图像显示方法和显示设备的制造方法。
7.本发明提出一种显示设备(500)，包括：
8.光引擎(eng1)，用于形成输入光(in1)，所述输入光包括一系列代表输入图像(img0)的输入光束(b0p1,b0p2)；
9.扩束装置叠层(stc1)，通过衍射扩展所述输入光(in1)形成输出光(out1)，所述输出光(out1)包括一系列代表所述输入图像(img0)的输出光束(b3ap1,b3ap2,b3bp1,b3bp2)；
10.所述扩束装置叠层(stc1)包括一个第一扩束装置(epe1)和一个第二扩束装置(epe2)；
11.所述第一扩束装置(epe1)包括第一衍射元件组合(grp1)，用于控制第一输出光束(b3ap1,b3ap2)的传播方向；
12.所述第二扩束装置(epe2)包括第二衍射元件组合(grp2)，用于控制第二输出光束
(b3bp1,b3bp2)的传播方向，
13.所述第一扩束装置(epe1)包括一个第一输入元件(doe1a)，用于将所述输入光(in1)衍射输入到所述第一扩束装置(epe1)的波导基板(sub1)内；
14.所述第一扩束装置(epe1)被设置为使部分所述输入光(in1)透过所述第一扩束装置(epe1)传输到所述第二扩束装置(epe2)；
15.所述第二扩束装置(epe2)包括一个第二输入元件(doe1b)，用于将透过所述第一扩束装置的部分所述输入光(in1)衍射输入到所述第二扩束装置(epe2)的波导基板(sub2)内；
16.其中，所述第一衍射元件组合(grp1)中各衍射元件(doe1a,doe2a,doe3a)的光栅周期(d1a,d2a,d3a)与所述第二衍射元件组合(grp2)中各相应衍射元件(doe1b,doe2b,doe3b)的光栅周期(d1b,d2b,d3b)相等。
17.本发明还提出一种虚拟图像显示方法，应用于显示设备(500)，所述显示设备为根据上述任一项所述的显示设备(500)，所述显示方法包括：
18.形成输入光(in1)，所述输入光包括对应输入图像(img0)上不同图像点(p1，p2)的光束(b0p1,b0p2)；
19.采用所述扩束装置叠层(stc1)衍射扩展所述输入光(in1)以形成输出光(out1)。
20.本发明提出一种显示设备的制造方法，所述制造方法用于制造如上述任一项所述的显示设备(500)，所述制造方法包括：
21.采用同一个压印母版(tool1)制作所述第一输入元件(doe1a)和所述第二输入元件(doe1b)。
22.其他实施例定义在其他权利要求当中。
23.本发明的各个实施例所寻求的保护范围由独立权利要求规定。本发明中描述的不属于独立权利要求范围的实施例(如果有的话)将被解释为有助于理解本发明的各种实施例的示例。
24.本发明提出的显示设备包括光引擎，用于形成输入光。所述输入光包括与输入图像像点对应的一系列输入光束。各输入光束的传播方向取决于与其对应的图像像点的位置，各输入光束的强度对应于相应像点的亮度。
25.所述显示设备包括由多个扩束装置重叠形成的叠层，用于接受输入光并形成输出光。输出光包括一系列与输入图像像点对应的输出光束。所述扩束装置叠层通过衍射扩展输入光束形成输出光束。
26.所述扩束装置叠层包括第一扩束装置和第二扩束装置，第一扩束装置包括一个第一输入元件，所述第一输入元件将输入光衍射输入第一扩束装置的波导基板内。所述第一输入元件允许一部分输入光透过所述第一扩束装置传输到第二扩束装置。所述第二扩束装置包括第二输入元件，所述第二输入元件将透过第一扩束装置的输入光衍射输入到第二扩束装置的波导基板内。
27.所述第一扩束装置包括一个第一输出元件，通过衍射在所述第一扩束装置的波导基板内传输的传导光，形成第一输出光束。所述第二扩束装置包括一个第二输出元件，通过衍射在所述第二扩束装置的波导基板内传输的传导光，形成第二输出光束。被第一输出元件输出的所述第一输出光束可以穿过所述第二扩束装置并传输到观察者的眼睛中。总的输
出光束由所述第一输出光束或所述第二输出光束共同组成。
28.可以选择所述波导基板的厚度和/或所述输入元件的折射率，使得第二扩束装置的输出光束至少部分地补偿第一扩束装置输出光束的位置分布不均匀。
29.可以选择所述波导基板的厚度和/或所述输入元件的折射率，使得第二扩束装置的输出光束至少部分地补偿第一扩束装置输出光束的角度分布不均匀。
30.可以选择所述波导基板的厚度和/或所述输入元件的折射率，使得第二扩束装置的输出光束至少部分地补偿第一扩束装置输出光束的位置和/或角度分布不均匀。
31.根据本发明，所述第一输入元件的光栅周期(d1a)与所述第二输入元件的光栅周期(d1b)相等。
32.所述第一扩束装置包括第一组衍射元件，用于控制第一输出光束的传播方向。所述第二扩束装置包括第二组衍射元件，用于控制第二输出光束的传播方向。所述第一组衍射元件中各元件的光栅周期与所述第二组衍射元件中对应元件的光栅周期相等。
33.使用扩束装置叠层代替单一扩束装置可能带来输出光束位置和/或角度均匀性的改善。所述扩束装置叠层中两个扩束装置对应元件的光栅周期相同可以简化扩束装置叠层的加工。
34.衍射元件可以通过平版印刷技术加工。例如，一个或多个压印母版可以通过电子束曝光光刻加工，衍射元件上的衍射光栅可以用一个或多个这样的压印母版压印形成。压印母版上面微小衍射结构的复制可以通过以该母版为模具，或者通过在波导表面挤压该压印母版。
35.所述两个扩束装置的输入元件可以通过同一个压印母版制造。采用同一个压印母版来制造两个扩束装置可以降低加工成本。采用同一个压印母版来制造两个扩束装置可以避免因为采用不同压印母版来压印两个扩束装置的输入元件而造成的额外定位错误的风险。
36.所述两个扩束装置具有相同的光栅周期可以提高显示图像的图像质量。所述两个扩束装置具有相同的光栅周期可以减少由于加工误差造成的显示图像模糊。
37.在一个对比实施例中，第二扩束装置上微小的光栅周期误差可能造成从第二扩束装置输出的输出光束传播方向的微小错误，进而表现为显示图像像点的模糊。
38.两个扩束装置的相同光栅周期设定有助于确保当输出光束对应于输入图像上同一像点时，从两个扩束装置输出的输出光束相互平行。扩束装置叠层以及相同的光栅周期设定有助于显示图像的清晰度。
39.在一个实施例中，所述显示设备可以被设定为显示一个单图像。例如，所述显示设备可以被设定为显示单绿图像。波导基板的厚度和折射率可以被选择，使得当光引擎输入的输入图像为单一颜的均匀测试图像时，输出图像的位置均匀性和角度均匀性更好。
40.在一个实施例中，所述显示设备可以被设定为显示一个彩图像，例如，一个红绿蓝(rgb)图像。所述rgb图像包括一个红子图像，一个绿子图像和一个蓝子图像。波导基板的厚度和折射率可以被选择，使得当光引擎输入的输入图像为均匀的rgb彩测试图像时，输出图像的位置均匀性和角度均匀性更好。
41.两个扩束装置的相同光栅周期设定可以在即使第一扩束装置和第二扩束装置具
有相同的厚度和折射率时，使显示图像的亮度更高。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1为一种已知的显示设备；
44.图2为本技术实施例所提出一种包括衍射扩束装置叠层的显示设备的侧视图；
45.图3a为本技术实施例所提出一种包括衍射扩束装置叠层的显示设备的三维示意图；
46.图3b为对应于图3a中所示第二衍射扩束装置中一种传导光传输的三维示意图；
47.图4a为本技术实施例所提出的一种显示设备的侧视图，其中，第一扩束装置波导基板的厚度不同于第二扩束装置波导基板的厚度。
48.图4b为本技术实施例所提出的一种显示设备的侧视图,其中，第一扩束装置的波导基板由两个不同材料层构成；
49.图5a为不同第一扩束装置波导基板折射率下，一种显示设备的眼盒中平均亮度与两个波导基板厚度比值的关系曲线；
50.图5b为不同第一扩束装置波导基板折射率下，一种显示设备的眼盒中图像亮度角分布差异的标准差与两个波导基板厚度比值的关系；
51.图5c为不同第一扩束装置波导基板折射率下，一种显示设备的眼盒中图像亮度位置分布差异的标准差与两个波导基板厚度比值的关系；
52.图6a为本技术实施例提出的一种显示设备所包括的第一扩束装置的尺寸示意图；
53.图6b为本技术实施例提出的一种显示设备所包括的第二扩束装置的尺寸示意图；
54.图6c为采用一个压印母版加工一种第一扩束装置的三维示意图；
55.图6d为采用与图6c中相同的压印母版加工一种第二扩束装置的三维示意图；
56.图7a到图7e为一种光引擎生成输入光束的三维示意图；
57.图7f为一种观察所显示的虚拟图像的三维示意图；
58.图7g为一种所显示的虚拟图像的角度宽度示意图；
59.图7h为一种所显示的虚拟图像的角度高度示意图。
具体实施方式
60.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
61.如图2所示，图2为本技术实施例所提出一种包括衍射扩束装置叠层的显示设备的侧视图。显示设备500包括一个光引擎eng1，以及一个由第一扩束装置epe1和第二扩束装置epe2组成的扩束装置叠层stc1。
62.光引擎eng1可以提供输入光in1，该输入光包括对应于图像img0中第一图像像点
p1和第二图像像点p2的输入光束b0p1,b0p2。显示设备500还可以接受由光引擎eng1产生的输入光in1。
63.叠层stc1可以包括两个或两个以上数量的扩束装置。所述叠层stc1包括至少一个第一扩束装置epe1和一个第二扩束装置epe2。由第一扩束装置epe1和第二扩束装置epe2组成的扩束装置叠层stc1可以提供输出光out1。可以操作第一扩束装置epe1和第二扩束装置epe2，使得输出光out1中包括与第一图像像点p1和第二图像像点p2对应的输出光束b3ap1,b3ap2,b3bp1,b3bp2。
64.如图3a所示，图3a为本技术实施例所提出一种包括衍射扩束装置叠层的显示设备的三维示意图。当输出光out1进入到观察者的眼睛eye1时，观察者可以看到所显示的虚拟图像vimg1。所述显示设备500具有一个眼盒box1，眼盒代表观察者可以放置自己眼睛eye1的范围，该范围可以看到所显示的完整虚拟图像。
65.所述第一扩束装置epe1包括一个第一波导基板sub1，所述第一波导基板sub1进一步包括几个用于控制光线传播方向的衍射元件。所述第一波导基板sub1可以包括一个第一输入元件doe1a，一个第一扩束元件doe2a和一个第一输出元件doe3a。所述第一输入元件doe1a可以通过将输入光in1衍射输入到第一扩束装置epe1的第一波导基板sub1内，以形成在第一波导基板sub1内传输的第一传导光b1a。所述第一扩束元件doe2a通过衍射第一传导光b1a形成第二传导光b2a。所述第一输出元件doe3a通过将所述第二传导光b2a衍射出第一波导基板sub1，形成输出光out1。通过第一输出元件doe3a衍射输出的输出光out1可以包括输出光束，例如b3ap1,b3ap2，如图7f所示，图7f为一种观察所显示的虚拟图像的三维示意图。所述第一扩束装置epe1可以包括一个由衍射元件第一输入元件doe1a、第一扩束元件doe2a和第一输出元件doe3a组成的第一衍射元件组合grp1，如图6a所示，图6a为本技术实施例提出的一种显示设备所包括的第一扩束装置的尺寸示意图。该第一衍射元件组合grp1用于控制输出光out1的传输方向。
66.有一部分输入光in1可以透过所述第一扩束装置epe1并传输到第二扩束装置epe2的第二输入元件doe1b上。这部分透过所述第一扩束装置epe1并传输到第二输入单元doe1b的输入光in1可以被称为透过输入光，记为in2。
67.所述第二扩束装置epe2包括一个第二波导基板sub2，所述第二波导基板sub2可以进一步包括一个第二输入元件doe1b，一个第二扩束元件doe2b和一个第二输出元件doe3b。所述第二输入元件doe1b可以通过将透过输入光in2衍射输入到第二波导基板sub2内，形成第三传导光b1b。所述第二扩束元件doe2b通过衍射第三传导光b1b形成第四传导光b2b，如图3b所示，图3b为对应于图3a中所示第二衍射扩束装置中一种传导光传输的三维示意图。所述第二输出元件doe3b通过将所述第四传导光b2b衍射出第二波导基板sub2，形成输出光out1。
68.通过第二输出元件doe3b衍射输出的输出光out1可以包括输出光束，例如b3bp1,b3bp2，如图7f所示。所述第二扩束装置epe2可以包括一个由衍射元件doe1b、doe2b和doe3b组成的第二衍射元件组合grp2，如图6b所示，图6b为本技术实施例提出的一种显示设备所包括的第二扩束装置的尺寸示意图。该第二衍射元件组合grp2用于控制输出光out1的传输方向。
69.通过第一扩束装置epe1的第一输出元件doe3a衍射输出的输出光可以透过第二扩
束装置epe2的第二输出元件doe3b，并传输到观察者的眼睛中。显示设备500的总体输出光可以看成是第一扩束装置epe1的输出光与第二扩束装置epe2的输出光的组合。
70.sx，sy和sz代表正交方向。所述第一波导基板sub1所在平面可以在由sx和sy定义的平面。
71.第一扩束装置epe1的第一波导基板sub1具有两个相互平行的主平面srf1a和srf2a，如图4a所示，图4a为本技术实施例所提出的一种显示设备的侧视图，其中，第一扩束装置波导基板的厚度不同于第二扩束装置波导基板的厚度。第二扩束装置epe2的第二波导基板sub2具有两个相互平行的主平面srf1b和srf2b。
72.lc1和lc2表示一个更低的耦合效率，hc1和hc2表示一个更高的耦合效率。
73.对应于图像上不同的p1和p2像点的输入光束b0p1、b0p2朝不同的方向传输。所述第一输入元件doe1a可能会以不同的衍射效率将输入光束b0p1、b0p2耦入到第一波导基板sub1中。例如，第一输入元件doe1a可能以一个更低的耦合效率lc1将输入光束b0p1耦入到第一波导基板sub1中，而第一输入元件doe1a可能以一个更高的耦合效率hc1将输入光束b0p2耦入到第一波导基板sub1中。
74.所述第二扩束装置epe2的第二输入元件doe1b可能会以不同的衍射效率将输入光束b0p1、b0p2耦入到第二波导基板sub2中。例如，第二输入元件doe1b可能以一个更高的耦合效率hc2将输入光束b0p1耦入到第二波导基板sub2中，而第一输入元件doe1a可能以一个更低耦合效率lc2将输入光束b0p2耦入到第二波导基板sub2中。
75.第一耦合效率函数η
epe1
(x,y,ψ,θ)表示第一扩束装置epe1耦合输入光束并形成输出光束的效率，该效率函数是第一输出元件doe3a位置(x,y)的函数，同时是输出光束传播方向(ψ,θ)的函数。所述位置可以具体表示为，例如位置坐标值(x,y)。所述光束传播方向可以具体表示为角度(ψ,θ)。
76.第二耦合效率函数η
epe2
(x,y,ψ,θ)表示第二扩束装置epe2耦合输入光束并形成输出光束的效率，该效率函数是第二输出元件doe3b位置(x,y)的函数，同时是输出光束传播方向(ψ,θ)的函数。
77.第一波导基板sub1可以具有第一厚度tsub1。第二波导基板sub2可以具有第二厚度tsub2。第一输入元件doe1a可以具有第一折射率n1，第二输入元件doe1b可以具有第二折射率n2，如图4a和图4b所示，图4b为本技术实施例所提出的一种显示设备的侧视图,其中，第一扩束装置的波导基板由两个不同材料层构成。衍射元件的折射率指该衍射元件微小衍射结构的折射率。
78.可以选择第一输入元件doe1a的第一折射率n1和第二输入元件doe1b的第二折射率n2和/或第一扩束装置epe1的第一波导基板sub1的第一厚度tsub1和第二扩束装置epe2的第二波导基板sub2的第二厚度tsub2的值，使得第二耦合效率函数η
epe2
(x,y,ψ,θ)不同于第一耦合效率函数η
epe1
(x,y,ψ,θ)。示例性的，在一些实施例中，可以通过选择第一输入元件doe1a的第一折射率n1和第二输入元件doe1b的第二折射率n2的值，使得第二耦合效率函数η
epe2
(x,y,ψ,θ)不同于第一耦合效率函数η
epe1
(x,y,ψ,θ)。在一些实施例中，可以通过选择第一波导基板sub1的第一厚度tsub1和第二波导基板sub2的第二厚度tsub2的值，使得第二耦合效率函数η
epe2
(x,y,ψ,θ)不同于第一耦合效率函数η
epe1
(x,y,ψ,θ)。在其他一些实施例中，可以通过选择第一折射率n1和第二折射率n2的值，以及选择第一厚度tsub1和第二厚度
tsub2的值，使得第二耦合效率函数η
epe2
(x,y,ψ,θ)不同于第一耦合效率函数η
epe1
(x,y,ψ,θ)。
79.可以选择第一输入元件doe1a的第一折射率n1和第二输入元件doe1b的第二折射率n2和/或第一扩束装置epe1的第一波导基板sub1的第一厚度tsub1和第二扩束装置epe2的第二波导基板sub2的厚度tsub2的值，使得第二耦合效率函数η
epe2
(x,y,ψ,θ)至少部分地补偿第一耦合效率函数η
epe1
(x,y,ψ,θ)的位置和/或角度分布不均匀的情况。示例性的，在一些实施例中，可以通过选择第一输入元件doe1a的第一折射率n1和第二输入元件doe1b的第二折射率n2的值，使得第二耦合效率函数η
epe2
(x,y,ψ,θ)至少部分地补偿第一耦合效率函数η
epe1
(x,y,ψ,θ)的位置和/或角度分布不均匀的情况。在一些实施例中，可以通过选择第一波导基板sub1的第一厚度tsub1和第二波导基板sub2的第二厚度tsub2的值，使得第二耦合效率函数η
epe2
(x,y,ψ,θ)至少部分地补偿第一耦合效率函数η
epe1
(x,y,ψ,θ)的位置和/或角度分布不均匀的情况。在其他一些实施例中，可以通过选择第一折射率n1和第二折射率n2的值，以及选择第一厚度tsub1和第二厚度tsub2的值，使得第二耦合效率函数η
epe2
(x,y,ψ,θ)至少部分地补偿第一耦合效率函数η
epe1
(x,y,ψ,θ)的位置和/或角度分布不均匀的情况。
80.可以选择第一输入元件doe1a的第一折射率n1和第二输入元件doe1b的第二折射率n2和/或第一扩束装置epe1的第一波导基板sub1的第一厚度tsub1和第二扩束装置epe2的第二波导基板sub2的厚度tsub2，使得第二扩束装置的输出光out1至少部分地补偿第一扩束装置输出光out1的分布不均匀的情况。示例性的，在一些实施例中，可以通过选择第一输入元件doe1a的第一折射率n1和第二输入元件doe1b的第二折射率n2的值，使得第二扩束装置的输出光out1至少部分地补偿第一扩束装置输出光out1的分布不均匀的情况。在一些实施例中，可以通过选择第一波导基板sub1的第一厚度tsub1和第二波导基板sub2的第二厚度tsub2的值，使得第二扩束装置的输出光out1至少部分地补偿第一扩束装置输出光out1的分布不均匀的情况。在其他一些实施例中，可以通过选择第一折射率n1和第二折射率n2的值，以及选择第一厚度tsub1和第二厚度tsub2的值，使得第二扩束装置的输出光out1至少部分地补偿第一扩束装置输出光out1的分布不均匀的情况。
81.例如，当输出光对应于某一单一像点(例如p1)时，扩束装置叠层stc1可以被设置为至少部分补偿从靠近第一输入元件doe1a的区域(near1)耦出的光束能量和远离第一输入元件doe1a的区域(far1)耦出的光束能量的差异。
82.如图3a和3b所示，显示设备500包括一个光引擎eng1，以及一个由不同第一扩束装置epe1和第二扩束装置epe2组成的扩束装置叠层stc1。
83.光引擎eng1可以包括一个显示屏disp1以及准直透镜组lns1。显示屏disp1可以被设置为显示输入图像img0。显示屏disp1还可以被称为微显示器。显示屏disp1还可以被称为空间光调制器。输入图像img0还可以被称为初始图像。输入图像img0可以包括一系列图像像点，例如，p1和p2。光引擎eng1可以包括准直透镜组lns1，准直透镜组lns1用于准直图像像点，例如第一图像像点p1和第二图像像点p2所发光，形成输入光。光引擎eng1形成输入光in1，该输入光包括多个输入光束，这些输入光束对应于输入图像img0上的不同像点，例如第一图像像点p1和第二图像像点p2。
84.所述光引擎eng1可以被光学耦合到第一输入元件doe1a和第二输入元件doe1b上。
第一扩束装置epe1、第二扩束装置epe2组成的扩束装置叠层stc1可以携带从光引擎eng1获得的虚拟图像并传输到观察者的眼睛eye1。第一扩束装置epe1和第二扩束装置epe2可以扩展可观看光瞳，从而扩大眼盒box1。
85.第一扩束装置epe1可以包括衍射元件中第一输入元件doe1a、第一扩束元件doe2a、第一输出元件doe3a。第一输入元件doe1a通过衍射输入光in1形成第一传导光b1a。第一扩束元件doe2a通过衍射第一传导光b1a形成第二传导光b2a。第一输出元件doe3a通过衍射第二传导光b2a形成输出光束(b3ap1,b3ap2)。
86.输入光束in1的一部分，透过输入光in2可以透过第一输入元件doe1a并传输到第二输入元件doe1b上。透过输入光in2可以大体上沿着例如sz的方向传输。
87.第二扩束装置epe1可以包括衍射元件中第二输入元件doe1b、第二扩束元件doe2b、第二输出元件doe3b。第二输入元件doe1b通过衍射透过部分的输入光in2形成第三传导光b1b。第二扩束元件doe2b通过衍射第三传导光b1b形成第四传导光b2b。第二输出元件doe3b通过衍射第四传导光b2b形成输出光束(b3bp1,b3bp2)。
88.第一扩束装置epe1、第二扩束装置epe2可以衍射扩展光。输出光out1中输出光束的宽度wout1可以远大于输入光in1中输入光束的宽度win1。当输出光out1进入到观察者的眼睛时，观察者可以看到虚拟图像vimg1。所显示的虚拟图像vimg1可以代表输入图像img0。
89.第一扩束装置epe1产生的第一输出光束可以透过第二扩束装置epe2并传输到观察者的眼睛。总体输出光out1可以看成是第一输出光束和第二输出光束的组合。
90.传导光通过全内反射(tir)被束缚在波导基板内。这里所说的传导光与波导光意思相同。
91.如图4a所示，第二波导基板sub2的厚度tsub2可以不同于第一波导基板sub1的厚度tsub1。第二波导基板sub2上的第二输入元件doe1b的折射率n2也可以不同于第一波导基板sub1上的第一输入元件doe1a的折射率n1。这里第一波导基板的厚度和第二波导基板的厚度的不同以及第一输入元件的折射率和第二输入元件的折射率的不同可以至少部分地补偿耦合效率函数η
epe1
(x,y,ψ,θ)的非均匀性。
92.第一输入元件doe1a的光栅周期d1a可以与第二输入元件doe1b的光栅周期d1b相等。
93.所述显示设备(500)可以包括：
94.光引擎(eng1)，用于形成输入光(in1)，所述输入光包括一系列代表输入图像(img0)的输入光束(b0p1,b0p2)，
95.扩束装置叠层(stc1)，通过衍射扩展输入光(in1)形成输出光(out1)，所述输出光(out1)包括一系列代表所述输入图像(img0)的输出光束(b3ap1,b3ap2,b3bp1,b3bp2)，
96.所述扩束装置叠层(stc1)包括一个第一扩束装置(epe1)和一个第二扩束装置(epe2)；
97.所述第一扩束装置(epe1)包括一个第一输入元件(doe1a)，用于将输入光(in1)衍射输入到所述第一扩束装置(epe1)的第一波导基板(sub1)内，
98.所述第一扩束装置(epe1)被设置为使得所述输入光(in1)的一部分(in2)透过所述第一扩束装置(epe1)传输到所述第二扩束装置(epe2)；
99.所述第二扩束装置(epe2)包括一个第二输入元件(doe1b)，用于将输入光(in1)中
透过所述第一扩束装置的部分(in2)衍射输入到所述第二扩束装置(epe2)的波导基板(sub2)内；
100.其中，所述第一输入元件(doe1a)的光栅周期(d1a)与所述第二输入元件(doe1b)的光栅周期(d1b)相等。
101.所述显示设备(500)可以包括：
102.光引擎(eng1)，用于形成输入光(in1)，所述输入光包括一系列代表输入图像(img0)的输入光束(b0p1,b0p2)；
103.扩束装置叠层(stc1)，包括第一扩束装置(epe1)和第二扩束装置(epe2)；
104.其中，所述第一扩束装置(epe1)上各衍射元件(doe1a,doe2a,doe3a)的光栅周期(d1a,d2a,d3a)与所述第二扩束装置(epe2)上各相应衍射元件(doe1b,doe2b,doe3b)的光栅周期(d1b,d2b,d3b)相等。
105.所述显示设备(500)可以包括：
106.光引擎(eng1)，用于形成输入光(in1)，所述输入光包括一系列代表输入图像(img0)的输入光束(b0p1,b0p2)；
107.扩束装置叠层(stc1)，通过衍射扩展输入光(in1)形成输出光(out1)，所述输出光(out1)包括一系列代表所述输入图像(img0)的输出光束(b3ap1,b3ap2,b3bp1,b3bp2)；
108.所述扩束装置叠层(stc1)包括一个第一扩束装置(epe1)和一个第二扩束装置(epe2)。
109.所述第一扩束装置(epe1)包括第一衍射元件)组合(grp1)，第一衍射元件组合(grp1)包括第一输入元件doe1a，第一扩束元件doe2a，第一输出元件doe3a，用于控制输出光束(b3ap1,b3ap2)的传播方向。
110.所述第二扩束装置(epe2)包括第二衍射元件组合(grp2)，第二衍射元件组合(grp2)包括第二输入元件doe1b,第二扩束元件doe2b，第二输出元件doe3b，用于控制输出光束(b3bp1,b3bp2)的传播方向。
111.所述第一扩束装置(epe1)包括一个第一输入元件(doe1a)，用于将输入光(in1)衍射输入到所述第一扩束装置(epe1)的波导基板(sub1)内。
112.所述第一扩束装置(epe1)被设置为使得所述输入光(in1)的一部分(in2)透过所述第一扩束装置(epe1)传输到所述第二扩束装置(epe2)。
113.所述第二扩束装置(epe2)包括一个第二输入元件(doe1b),用于将输入光(in1)中透过所述第一扩束装置的部分(in2)衍射输入到所述第二扩束装置(epe2)的波导基板(sub2)内；
114.其中，所述第一衍射元件组合(grp1)中各衍射元件(doe1a,doe2a,doe3a)的光栅周期(d1a,d2a,d3a)与所述第二衍射元件组合(grp2)中各相应衍射元件(doe1b,doe2b,doe3b)的光栅周期(d1b,d2b,d3b)相等。
115.相等的光栅周期(d1a,d1b)可以简化显示设备(500)的制造，因为第一扩束装置epe1和第二扩束装置epe2可以通过同一个压印母版制作完成，如图6c和图6d所示，图6c为采用一个压印母版加工一种第一扩束装置的三维示意图，图6d为采用与图6c中相同的压印母版加工一种第二扩束装置的三维示意图。
116.相等的光栅周期(d1a,d1b)可以改善所显示虚拟图像vimg1的均匀性，同时减少或
消除第一扩束装置epe1输出光束与第二扩束装置epe2输出光束间传播方向不匹配的风险。
117.如图4b所示，第一波导基板sub1和/或第二波导基板sub2可以包括一层或多层材料(s11，s12，s21，s22)。例如，在一些实施例中，第一波导基板sub1包括一层或多层材料(s11，s12，s21，s22)，在一些实施例中，第二波导基板sub2包括一层或多层材料(s11，s12，s21，s22)，在一些实施例中，第一波导基板sub1和第二波导基板sub2均包括一层或多层材料(s11，s12，s21，s22)。
118.其中，需要说明的是，形成第一波导基板sub1的材料和形成第二波导基板sub2的材料可以相同也可以不相同，示例性的，在一些实施例中，即使第一波导基板sub1由一种材料形成，第二波导基板sub2也由一种材料形成，但是形成第一波导基板sub1的材料和形成第二波导基板sub2的材料可以不相同，例如，第一波导基板sub1包括第一材料s11，第二波导基板sub2包括第二材料s12。在一些实施例中，即使第一波导基板sub1由多层材料形成，第二波导基板sub2也由多层材料形成，但是形成第一波导基板sub1的材料和形成第二波导基板sub2的材料可以完全不相同，例如，第一波导基板sub1包括第一材料s11和第二材料s12，第二波导基板sub2包括第三材料s21和第四材料s22。可以理解的是，形成第一波导基板sub1的材料和形成第二波导基板sub2的材料也可以部分不相同，例如，第一波导基板sub1包括第一材料s11和第二材料s12，第二波导基板sub2包括第二材料s12和第四材料s22。在一些实施例中，第一波导基板sub1由多层材料形成，第二波导基板sub2由一层材料形成。在其他一些实施例中，第一波导基板sub1由一层材料形成，第二波导基板sub2由多层材料形成。通过将第一波导基板sub1的组成材料和第二波导基板sub2的组成材料根据实际情况进行组合设置，进而可以提供更合适的折射率，使得显示设备(500)可以适用于不同的应用场景，提高了显示设备(500)的可行性和实用性。在一些实施例中，第一扩束装置epe1的第一波导基板sub1和第二扩束装置epe2的第二波导基板sub2中的至少一个包括两层或多层材料(s11，s12，s21，s22)组成。采用两层或多层材料可以提供额外选择材料折射率(n11，n1，n21，n2)的自由度。额外的自用度可以用于提供更合适的耦合效率函数，例如η
epe1
(x,y,ψ,θ)和η
epe2
(x,y,ψ,θ)。
119.需要说明的是，多层材料(s11，s12，s21，s22)并不限于举例说明的第一材料s11、第二材料s12、第三材料s21和第四材料s22，可以是多于四种材料的组合，具体的设置在此不作具体的限定，可以根据实际情况进行设置。
120.第一波导基板sub1可能包括两层或多层材料。第二波导基板sub2也可能包括两层或多层材料。这里的材料层可以是透明的，以实现光束的传导。
121.第一透明基板s11可以被涂敷或旋涂一层透明材料以形成第一透明膜层s12。第一输入元件doe1a可以被构造于所述第一透明膜层s12上。第一透明基板s11可以具有第三折射率n11。第一透明膜层s12可以具有第一折射率n1。
122.第二透明基板s21可以被涂敷或旋涂一层透明材料以形成第二透明膜层s22。第二输入元件doe1b可以被构造于所述第二透明膜层s22上。第二透明基板s21可以具有第四折射率n21。第二透明膜层s12可以具有第二折射率n2。
123.所述显示设备500具有眼盒box1，如图2所示，眼盒box1代表观察者可以放置眼睛eye1并看到所显示的虚拟图像vimg1的空间。
124.请继续参阅图5a，图5a为不同第一扩束装置波导基板折射率下，一种显示设备的
眼盒中平均亮度与两个波导基板厚度比值的关系曲线。如图5a显示了一种眼盒box1内的平均图像强度与厚度比tsub2/tsub1的关系曲线。三条曲线分别对应折射率n1＝1.5，n1＝1.7，n1＝1.9的情况。三种曲线对应的n2折射率都为1.9。
125.第一扩束装置(epe1)上各衍射元件的光栅周期与第二扩束装置(epe2)上各相应衍射元件的光栅周期相等。其中，第一扩束装置(epe1)上各衍射元件中第一输入元件doe1a的光栅周期为d1a，第一扩束元件doe2a的光栅周期为d2a，第一输出元件doe3a的光栅周期为d3a，第二扩束装置(epe2)上各衍射元件中第二输入元件doe1b的光栅周期为d1b，第二扩束元件doe2b的光栅周期为d2b，第二输出元件doe3b的光栅周期为d3b。即第一输入元件doe1a的光栅周期d1a等于第二输入元件doe1b的光栅周期d1b,第一扩束元件doe2a的光栅周期d2a等于第二扩束元件doe2b的光栅周期d2b，第一输出元件doe3a的光栅周期d3a等于第二输出元件doe3b的光栅周期d3b。在图5a示例中，输入图像img0是均匀的，即所有输入图像img0的图像点具有相等的亮度。
126.图5a中，点op1对应折射率n1＝1.7，折射率n2＝1.9，以及厚度比tsub2/tsub1＝0.6的情况。ref01作为对比，为显示设备只包括一个扩束装置epe2时眼盒box1内的平均强度。点op1情形显著高(+24％)于对比示例ref01的平均亮度。标记a.u.代表任意单位。
127.当输入图像img0是均匀图像时，所述显示设备500可以被设置为以一足够程度的均匀性显示虚拟图像vimg1。位置均匀性和/或角度均匀性可以被优化。所述显示设备500可以被设置为提供足够的位置显示均匀性；所述显示设备500还可以被设置为提供足够的角度显示均匀性。
128.当输入图像img0是均匀图像时(即输入图像上所有像素亮度相同时)，所述显示设备500可以提供在眼盒box1内不同方向上大体上均匀的方向强度分布，所述显示设备500还可以提供在眼盒box1内不同位置处大体上均匀的位置强度分布。
129.方向分布均匀意味着当输入图像时均匀图像时，不同方向传输的光束具有相等的强度。方向分布均匀意味着位于眼盒box1内的眼睛eye1看到的虚拟图像vimg1上不同像点具有相同的亮度，例如第一图像像点p1和第二图像像点p2具有相同的亮度。方向分布均匀的程度可以用强度在不同角度处差异的标准差来衡量。更低的标准差表示更高的均匀性。
130.请继续参阅图5b，图5b为不同第一扩束装置波导基板折射率下，一种显示设备的眼盒中图像亮度角分布差异的标准差与两个波导基板厚度比值的关系。图5b显示了四种折射率值为n1＝1.4,n1＝1.5,n1＝1.7,n1＝1.9时，一种角度强度分布标准差与厚度比tsub2/tsub1的关系曲线。图5b中的标准差代表不同传播方向的输出光束间的强度差异。
131.在图5b中，第一扩束装置(epe1)上的第一衍射元件组合中各衍射元件(doe1a,doe2a,doe3a)的光栅周期(d1a,d2a,d3a)与第二扩束装置(epe2)上的第二衍射元件组合中各相应衍射元件(doe1b,doe2b,doe3b)的光栅周期(d1b,d2b,d3b)相等。即d1a＝d1b,d2a＝d2b,d3a＝d3b。并且，输入图像img0是均匀的，即所有输入图像img0的图像点具有相等的亮度。
132.ref02作为对比，表示显示设备只包括一个扩束装置epe2时眼盒box1内的角度强度标准差。点op1情形对应的角度强度分布标准差显著低(30％)于对比示例ref02的角度强度分布差异。
133.位置分布均匀意味着当输入图像是均匀图像时，眼睛eye1在眼盒box1不同位置
(x,y)接受到的输出光束强度相等。位置分布均匀意味着眼睛eye1在眼盒box1内不同位置处看到的特定像点亮度相同。位置分布均匀的程度可以用强度在不同眼盒位置处观察到的亮度的标准差来衡量。更低的标准差表示更高的均匀性。
134.当输出光束b3ap1和b3bp1对应于输入图像img0上同一像点p1时，所显示像点(p1’)的亮度取决于第一扩束装置epe1输出的第一输出光束b3ap1与第二扩束装置epe2输出的第二输出光束b3bp1的强度和。输出光out1的位置分布可能大体上均匀，从而，当眼睛eye1在眼盒内移动时，传输到眼睛eye1的输出光束b3ap1和b3bp1的强度和独立于眼盒box1的位置(x,y)。
135.请继续参阅图5c，图5c为不同第一扩束装置波导基板折射率下，一种显示设备的眼盒中图像亮度位置分布差异的标准差与两个波导基板厚度比值的关系。图5c显示了当折射率分别为n1＝1.5,n1＝1.7,n1＝1.9时，一种位置强度分布标准差与厚度比值tsub2/tsub1的关系曲线。图5c中的标准差代表在眼盒box1不同位置(x,y)处观察到的图像强度差异。
136.在图5c中，第一扩束装置(epe1)上的第一衍射元件组合中各衍射元件(doe1a,doe2a,doe3a)的光栅周期(d1a,d2a,d3a)与第二扩束装置(epe2)上的第二衍射元件组合中各相应衍射元件(doe1b,doe2b,doe3b)的光栅周期(d1b,d2b,d3b)相等。即d1a＝d1b,d2a＝d2b,d3a＝d3b。并且，输入图像img0是均匀的，即所有输入图像img0的图像点具有相等的亮度。
137.ref03作为对比，表示显示设备只包括一个扩束装置epe2时眼盒box1内的位置强度标准差。点op1情形对应的位置强度分布标准差大体上低(30％)于对比示例ref03的位置强度分布差异。
138.可以根据所要达到的显示标准选择参数(tsub1,tsub2,n1,n2)的值。显示标准可以包括例如以下一条或多条要求：
139.角度空间分布的低标准差；
140.位置空间分布的低标准差；
141.不同颜分布的低标准差；
142.显示设备500可以被设置为显示单图像vimg1。显示设备500可以被设置为显示例如绿的图像vimg1。在这种情况下，不需要优化图像的不同颜间的分布均匀性。
143.显示设备500可以被设置为显示全彩图像vimg1。例如，显示设备500可以显示rgb图像vimg1，rgb图像包括红(r)子图像、绿(g)子图像、蓝(b)子图像。在这种情况下，不同颜分布的均匀性也可以作为优化参数(tsub1,tsub2,n1,n2)的目标。
144.图6a显示了一种第一扩束装置epe1的示意图。第一扩束装置epe1包括第一衍射元件组合grp1，用于控制输出光束的传播方向。扩束装置epe1包括第一衍射元件组合，这些衍射元件构建于第一波导基板sub1上。所述第一衍射元件组合可以包括第一输入元件doe1a、第一扩束元件doe2a和第一输出元件doe3a。
145.第一输入元件doe1a具有光栅周期d1a。第一输入元件doe1a可以由具有光栅周期d1a的衍射表面浮雕光栅g1a来实现。光栅g1a包括衍射特征f1a，其可以是微观脊、凹槽和/或突起。光栅g1a具有光栅矢量v1a。可以指定光栅矢量v1a的方向，例如第一角度β
1a
。输入元件doe1a可以具有第一宽度w1a(在方向sx上)和第一高度h1a(在方向sy上)。
146.第一扩束元件doe2a可以具有光栅周期d2a。第一扩束元件doe2a可以由具有光栅周期d2a的衍射表面浮雕光栅g2a来实现。光栅g2a具有衍射特征f2a。光栅g2a具有光栅矢量v2a。光栅矢量v2a的方向可以由第二角度β
2a
指定。扩束元件doe2a可以具有第二宽度w2a和第二高度h2a。
147.第一输出元件doe3a可以具有光栅周期d3a。第一输出元件doe3a可以由具有光栅周期d3a的衍射表面浮雕光栅g3a来实现。光栅g3a包括衍射特征f3a。光栅g3a具有光栅矢量v3a。光栅矢量v3a的方向可以由第三角度β
3a
指定。输出元件doe3a可以具有第三宽度w3a和第三高度h3a。
148.光栅矢量的大小取决于衍射元件的衍射光栅的光栅周期，光栅矢量的方向取决于衍射光栅的取向。例如，光栅矢量v1a的大小取决于衍射元件doe1a的衍射光栅g1a的光栅周期d1a，光栅矢量v1a的方向β
1a
取决于衍射光栅g1a的朝向。
149.第一扩束装置epe1包括在光路中的第一衍射元件组合，第一衍射元件组合包括第一输入元件doe1a、第一扩束元件doe2a、第一输出元件doe3a。第一输入元件doe1a可以通过第一扩束装置epe1的第一主表面接收输入光束b0p1、b0p2。第一扩束装置epe1可以被设计为使光路中的衍射元件的光栅矢量的矢量和等于0(v1a+v2a+v3a＝0)，以保证由第一输出元件doe3a提供的每个输出光束b3ap1,b3ap2分别与从光引擎eng1获得的相应输入光束b0p1、b0p2平行。
150.图6b显示了一种第二扩束装置epe2的示意图。第二扩束装置epe2包括第二衍射元件组合grp2，用于控制输出光束的传播方向。第二扩束装置epe2包括第二衍射元件组合，这些衍射元件构建于第二波导基板sub2上。所述第二衍射元件组合可以包括第二输入元件doe1b、第二扩束元件doe2b和第二输出元件doe3b。
151.第一输入元件doe1a和第二输入元件doe1b可以执行相同的功能，即输入耦合。在这个意义上，第二输入元件doe1b可以对应于第一输入元件doe1a。第二扩束装置epe2的第二输入元件doe1b可以对应于第一扩束装置epe1的第一输入元件doe1a。第二扩束装置epe2的第二扩束元件doe2b可以对应于第一扩束装置epe1的第一扩束元件doe2a。第二扩束装置epe2的第二输出元件doe3b可以对应于第一扩束装置epe1的第一输出元件doe3a。
152.第二输入元件doe1b可以具有光栅周期d1b。第二输入元件doe1b可以由具有光栅周期d1b的衍射表面浮雕光栅g1b来实现。光栅g1b包括衍射特征f1b，其可以是例如微观脊、凹槽和/或突起。光栅g1b具有光栅矢量v1b。可以指定光栅矢量v1b的方向，例如角度β
1b
。输入元件doe1b可以具有宽度w1b(在方向sx)和高度h1b(在方向sy)。
153.第二扩束元件doe2b可以具有光栅周期d2b。第二扩束元件doe2b可以由具有光栅周期d2b的衍射表面浮雕光栅g2b来实现。光栅g2b具有衍射特征f2b。光栅g2b具有光栅矢量v2b。光栅矢量v2b的方向可以由角度β
2b
指定。扩束元件doe2b可以具有宽度w2b和高度h2b。
154.第二输出元件doe3b可以具有光栅周期d3b。第二输出元件doe3b可以由具有光栅周期d3b的衍射表面浮雕光栅g3b来实现。光栅g3b包括衍射特征f3b。光栅g3b具有光栅矢量v3b。光栅矢量v3b的方向可以由角度β
3b
指定。输出元件doe3b可以具有宽度w3b和高度h3b。
155.第二扩束装置epe2可以被设计为使光路中的衍射元件的光栅矢量的矢量和等于0(v1b+v2b+v3b＝0)，以保证由第二输出元件doe3b提供的每个输出光束b3bp1,b3bp2分别与第二输入元件doe1b接受并耦合的相应输入光束b0p1、b0p2平行。
156.第一衍射元件组合(grp1)的每个元件(doe1a、doe2a、doe3a)的形状可以与第二衍射元件组合(gpr2)的对应元素(doe1b、doe2b、doe3b)的形状相同。即第一输入元件doe1a的形状与第二输入元件doe1b的形状相同,第一扩束元件doe2a的形状与第二扩束元件doe2b的形状相同，第一输出元件doe3a的形状与第二输出元件doe3b的形状相同。
157.第一衍射元件组合(grp1)的每个元素(doe1a,doe2a,doe3a)的面积可以与第二衍射元件组合(gpr2)的对应元素(doe1b,doe2b,doe3b)的面积相等，或者在一定精度范围内相等，例如精度优于1％。即第一输入元件doe1a的面积与第二输入元件doe1b的面积相等或者在一定精度范围内相等,第一扩束元件doe2a的面积与第二扩束元件doe2b的面积相等或者在一定精度范围内相等，第一输出元件doe3a的面积与第二输出元件doe3b的面积相等或者在一定精度范围内相等。
158.第一波导基板sub1和第二波导基板sub2包括平面波导核心层。在一个实施例中，第一波导基板sub1和第二波导基板sub2可以包括例如一层或多层包覆层、一层或多层保护层和/或一层或多层机械支撑层。厚度tsub1、tsub2可以指第一波导基板sub1和第二波导基板sub2的平面波导核心层的厚度。
159.第一波导基板sub1和第二波导基板sub2可以包括或基本上由透明固体材料组成。第一波导基板sub1可以包括例如玻璃、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。衍射光学元件可以通过模压、压花和/或蚀刻加工形成。衍射光学元件可以通过一个或多个表面衍射光栅实现。特别地，第一扩束装置epe1的衍射光学元件可以是表面衍射光栅，其可以构造于波导基板sub1的相同主表面(srf1a或srf1b)上。在同一主表面上构造元件可以简化生产。
160.可以通过使用光刻技术来生产衍射元件。例如，一种或多种压印工具可通过电子束光刻技术产生，并且衍射光栅可通过使用一种或多种压印工具形成。
161.如图6c和6d所示，第一扩束装置epe1的第一输入元件doe1a、第一扩束元件doe2a、第一输出元件doe3a可以通过压印工具tool1加工形成，并且第二扩束装置epe2的衍射元件第二输入元件doe1b、第二扩束元件doe2b、第二输出元件doe3b也可以通过相同的压印工具tool1加工形成。
162.使用相同的压印工具tool1来生产第一扩束装置epe1和第二扩束装置epe2可以简化生产。使用同一压印工具tool1制作第一扩束装置epe1和第二扩束装置epe2也可以确保第二扩束装置epe2形成的出射光束方向与第一扩束装置epe1形成的出射光束方向一致。
163.显示设备的制造方法可以包括使用相同的压印工具tool1形成第一输入元件doe1a和第二输入元件doe1b。
164.第一扩束装置epe1的第一衍射元件组合grp1(doe1a、doe2a、doe3a)和第二扩束装置epe2的第二衍射元件组合grp2(doe1b、doe2b、doe3b)可以通过使用相同的压印工具tool1来形成。
165.工具tool1可用作模具或压印模具，用于形成衍射元件的表面浮雕光栅。元件的衍射特征可以通过在工具tool1和背衬cou1之间压制波导板sub1或sub2来形成。背衬cou1可以在压制过程中支撑第一波导基板sub1或第二波导基板sub2。第一波导基板sub1和第二波导基板sub2可以通过预热以便于形成衍射微结构。第一波导基板sub1和第二波导基板sub2的涂层可以是例如通过固化以使形成的衍射微结构更加牢固。
166.工具tool1可以包括用于形成第一输入元件doe1a和第二输入元件doe1b的第一区
域rf1。工具tool1可以包括用于形成第一扩束元件doe2a和第二扩束元件doe2b的第二区域rf2。工具tool1可以包括用于形成第一输出元件doe3a和第二输出元件doe3b的第三区域rf3。第一区域rf1、第二区域rf2和第三区域rf3可以包括用于形成第一扩束装置epe1和第二扩束装置epe2的衍射元件的微观突起。
167.如图7a至7e所示，图7a到图7e为一种光引擎生成输入光束的三维示意图。光学引擎eng1可以形成输入光in1，其代表输入图像img0。光学引擎eng1可以形成输入图像img0并且可以将输入图像img0转换为输入光in1的多个光束b0p1、b0p2。输入光in1可以包括表示输入图像img0的多个输入光束(b0p1，b0p2)。光学引擎eng1可包括显示元件disp1以产生输入图像img0。输入图像img0可以包括排列成二维阵列的多个图像点p1、p2。光学引擎eng1可以包括准直光学器件lns1以从输入图像img0的图像点p1、p2形成多个输入光束(b0p1、b0p2)。
168.输入图像img0可以包括一个中心点p0和四个角点p1、p2、p3、p4。p1可以表示左上角点。p2可以表示右上角点。p3可以表示左下角点。p4可以表示右下角点。输入图像img0可以包括例如图形字符“f”、“g”和“h”。输入图像img0可以表示显示的信息。
169.输入图像img0可以是单图像，也可以是多图像。输入图像img0可以是例如rgb图像，其可以包括红(r)部分图像、绿(g)部分图像和蓝(b)部分图像。输入图像img0可以通过例如调制激光或调制从一个或多个发光二极管获得的光而形成。
170.光学引擎eng1可以提供输入光in1，其可以包括多个基本准直的光束b0p0,b0p1,b0p2,b0p3,b0p4。中心点p0的光b0p0可以在光学引擎eng1的光轴ax0的方向上传播。
171.参考图7f，所显示的虚像vimg1可以具有中心点p0'和四个角点p1'、p2'、p3'、p4'。输入光in1可以包括对应于输入图像img0的点p0、p1、p2、p3、p4的多个部分的光束。扩束装置epe1、epe2可以通过例如对输入图像img0的p0点的光进行衍射和引导，形成所显示的虚拟图像vimg1的点p0'。扩束装置epe1可以形成点p1'、p2'、p3'、p4'，例如通过分别衍射和引导点p1、p2、p3、p4的光实现。
172.输出光out1可能包括一系列输出光束b3ap0,b3ap1,b3ap2,b3ap3,b3ap4,b3bp0,b3bp1,b3bp2,b3bp3,b3bp4。
173.第一扩束装置epe1的第一输出元件doe3a可以通过将传导光衍射出波导板sub1来形成输出光束b3ap0,b3ap1,b3ap2,b3ap3,b3ap4。
174.第二扩束装置epe1的第二输出元件doe3b可以通过将传导光衍射出波导板sub2来形成输出光束b3bp0,b3bp1,b3bp2,b3bp3,b3bp4。
175.输出光out1可以看成为由两个或更多个第一扩束装置epe1、第二扩束装置epe2提供的输出光束的组合。
176.输出光束b3ap0和b3bp0可以由输入光束b0p0的光形成，其对应于输入图像img0的图像点p0。显示设备500可以被设置成使得输出光束b3ap0的方向平行于输出光束b3bp0的方向。输出光束b3ap0和b3bp0可能看起来起源于虚像vimg1的点p0'。
177.输出光束b3ap1,b3bp1可以相互平行，其可以对应于输入图像img0的像点p1，也可以对应于虚像vimg1的像点p1'。
178.输出光束b3ap2,b3bp2可以相互平行，其可以对应于输入图像img0的像点p2，也可以对应于虚像vimg1的像点p2'。
179.输出光束b3ap3,b3bp3可以相互平行，其可以对应于输入图像img0的像点p3，也可以对应于虚像vimg1的像点p3'。
180.输出光束b3ap4,b3bp4可以相互平行，可以对应于输入图像img0的像点p4，也可以对应于虚像vimg1的像点p4'。
181.如图7g和图7h所示，图7g为一种所显示的虚拟图像的角度宽度示意图；图7h为一种所显示的虚拟图像的角度高度示意图。所显示的虚像vimg1的角宽为
△
ψ
vimg1
，角高为
△
θ
vimg1
。
182.所显示的虚拟图像vimg1可以具有第一角点p1'，在例如图像vimg1的左侧，以及第二个角点p2'在例如图像vimg1的右侧。虚像vimg1的角宽度
△
ψ
vimg1
可以等于输出光束b3ap和b3ap2传播方向之间的水平夹角。
183.显示的虚像vimg1可以具有上角点p1'和下角点p3'。虚像vimg1的角高
△
θ
vimg1
可以等于输出光束b3ap1和b3ap3方向之间的垂直角。
184.可以指定光束的方向，例如通过方向角ψ和θ可以表示光束的方向和参考平面ref1之间的角度。参考平面ref1可以定义为例如方向sz和sy所在平面。角度θ可以表示光束的方向和参考平面ref2之间的角度。角度ψ
b3a,p1
和角度θ
b3a,p1
表示输出光束b3ap1的方向，该方向对应于像点p1。
185.参考平面ref2可以定义为例如方向sz和sx所在平面。像点p1发出的光束方向可以由方向角θ
b3,p1
,ψ
b3,p1
表示。
186.输入图像img0可以表示显示的信息。输入图像img0可以表示例如图形和/或文本。输入图像img0可以表示例如视频。光引擎eng1可以被布置成生成静止图像和/或视频。光引擎eng1可以从数字图像生成真实的主图像img0。光引擎eng1可以接收一个或多个数字图像，例如从互联网服务器或智能手机。
187.显示器disp1可以包括显示像素的二维阵列。显示器disp1可以包括发光显示像素的二维阵列。光引擎eng1可以包括例如一个或多个发光二极管(led)。显示器disp1可以包括例如一个或多个微显示成像器，例如硅上液晶(lcos)、液晶显示器(lcd)、数字微镜器件(dmd)。显示器disp1可以生成输入图像img0，例如分辨率为1280
×
720(hd)。显示器disp1可以生成输入图像img0，例如分辨率为1920
×
1080(全高清)。显示器disp1可以生成输入图像img0，例如分辨率为3840
×
2160(4k uhd)。输入图像img0可以包括多个图像点p0、p1、p2
…
等等。光引擎eng1可以包括准直光学器件lns1以从每个图像像素形成光束。引擎eng1可以包括准直光学器件lns1以从图像点的光形成基本准直的光束。
188.在一个实施例中，第一扩束装置epe1、第二扩束装置epe2可以仅由两个衍射元件实现。第一扩束装置epe1可以包括第一输入元件doe1a以形成第一传导光b1a，其中第一输出元件doe3a可以被布置为通过将第一传导光b1a衍射出第一波导基板sub1来形成输出光out1。第一扩束装置epe1可以在没有第一扩束元件doe2a的情况下实现。第一扩束装置epe1可以由两个衍射元件即第一输入元件doe1a和第一输出元件doe3a来实现。类似地，第二扩束装置epe2可以由第二输入元件doe1b和第二输出元件doe3b实现，而没有第二扩束元件doe2b。第二输出元件doe3b可以将传导光b1b衍射出第二波导基板sub2。
189.在另一个实施例中，第一扩束装置epe1可以包括四个衍射元件，用于控制输出光束的方向。这四个元件可以形成一条光束传输光路，实现光束从第一输入元件doe1a传输到
第一输出元件doe3a。第一输入元件doe1a可以通过衍射输入光in1来形成传导光b1a。第一扩束元件doe2a可以通过衍射传导光b1a来形成扩展传导光b2a。附加扩束元件可以通过衍射扩展传导光b2a来形成附加传导光。第一输出元件doe3a可以通过将附加传导光衍射出波导板sub1来形成输出光。类似的，第二扩束装置epe2也可以包括四个衍射元件，用于控制输出光束的方向。
190.以上已经描述了本技术的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

技术特征：

1.一种显示设备(500)，其特征在于，包括：光引擎(eng1)，用于形成输入光(in1)，所述输入光包括一系列代表输入图像(img0)的输入光束(b0p1,b0p2)；扩束装置叠层(stc1)，通过衍射扩展所述输入光(in1)形成输出光(out1)，所述输出光(out1)包括一系列代表所述输入图像(img0)的输出光束(b3ap1,b3ap2,b3bp1,b3bp2)；所述扩束装置叠层(stc1)包括一个第一扩束装置(epe1)和一个第二扩束装置(epe2)；所述第一扩束装置(epe1)包括第一衍射元件组合(grp1)，用于控制第一输出光束(b3ap1,b3ap2)的传播方向；所述第二扩束装置(epe2)包括第二衍射元件组合(grp2)，用于控制第二输出光束(b3bp1,b3bp2)的传播方向；所述第一扩束装置(epe1)包括一个第一输入元件(doe1a)，用于将所述输入光(in1)衍射输入到所述第一扩束装置(epe1)的第一波导基板(sub1)内；所述第一扩束装置(epe1)被设置为使部分所述输入光(in1)透过所述第一扩束装置(epe1)传输到所述第二扩束装置(epe2)；所述第二扩束装置(epe2)包括一个第二输入元件(doe1b)，用于将透过所述第一扩束装置的部分所述输入光(in1)衍射输入到所述第二扩束装置(epe2)的第二波导基板(sub2)内；其中，所述第一衍射元件组合(grp1)中各衍射元件(doe1a,doe2a,doe3a)的光栅周期(d1a,d2a,d3a)与所述第二衍射元件组合(grp2)中各相应衍射元件(doe1b,doe2b,doe3b)的光栅周期(d1b,d2b,d3b)相等。2.根据权利要求1所述的显示设备(500)，其特征在于，所述第一输入元件(doe1a)的折射率(n1)与所述第二输入元件(doe1b)的折射率(n2)不同。3.根据权利要求1或2所述的显示设备(500)，其特征在于，所述第一扩束装置(epe1)的波导基板(sub1)的厚度(tsub1)与所述第二扩束装置(epe2)的波导基板(sub2)的厚度(tsub2)不同。4.根据权利要求1或2所述的显示设备(500)，其特征在于，所述第一波导基板(sub1)和所述第二波导基板(sub2)中的至少一个包括两种或两种以上的材料(s11，s12)。5.根据权利要求1或2所述的显示设备(500)，其特征在于，选择所述第一波导基板(sub1)的厚度(tsub1)和所述第二波导基板(sub2)的厚度(tsub2)；和/或选择所述第一输入元件(doe1a)的折射率(n1)和所述第二输入元件(doe1b)的折射率(n2)，使得所述第二扩束装置(epe2)的输出光至少部分地补偿所述第一扩束装置(epe1)的输出光，以使得所述输出光(out1)更加均匀。6.根据权利要求1或2所述的显示设备(500)，其特征在于，所述第一衍射元件组合(grp1)中各衍射元件(doe1a，doe2a,doe3a)的形状与所述第二衍射元件组合(grp2)中相应衍射元件(doe1b，doe2b,doe3b)的形状相同。7.根据权利要求1或2所述的显示设备(500)，其特征在于，所述第一衍射元件组合(grp1)中各衍射元件(doe1a，doe2a,doe3a)的面积与所述第二衍射元件组合(grp2)中相应衍射元件(doe1b，doe2b,doe3b)的面积差异小于1％。8.根据权利要求1或2所述的显示设备(500)，其特征在于，所述第一衍射元件组合
(grp1)包括：第一输入元件(doe1a)，用于将所述输入光(in1)衍射输入所述第一波导基板(sub1)，以形成在所述第一波导基板(sub1)内传输的第一传导光(b1a)；第一扩束元件(doe2a)，用于衍射所述第一传导光(b1a)形成第二传导光(b2a)；以及第一输出元件(doe3a)，用于将所述第二传导光(b2a)衍射输出所述第一波导基板(sub1)，形成输出光(out1)；所述第二衍射元件组合(grp2)包括：第二输入元件(doe1b)，用于将透过所述第一衍射波导(epe1)的部分所述输入光(in1)衍射输入所述第二波导基板(sub2)，以形成在所述第二波导基板(sub2)内传输的第三传导光(b1b)；第二扩束元件(doe2b)，用于衍射所述第三传导光(b1b)形成第四传导光(b2b)；以及第二输出元件(doe3b)，用于将所述第四传导光(b2b)衍射输出所述第二波导基板(sub2)，形成输出光(out1)。9.一种虚拟图像显示方法，其特征在于，应用于显示设备(500)，所述显示设备为根据权利要求1至8任一项所述的显示设备(500)，所述显示方法包括：形成输入光(in1)，所述输入光包括对应输入图像(img0)上不同图像点(p1，p2)的光束(b0p1,b0p2)；采用所述扩束装置叠层(stc1)衍射扩展所述输入光(in1)以形成输出光(out1)。10.一种显示设备(500)的制造方法，其特征在于，所述制造方法用于制造如权利要求1至8任一项所述的显示设备(500)，所述制造方法包括：采用同一个压印母版(tool1)制作所述第一输入元件(doe1a)和所述第二输入元件(doe1b)。11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括采用同一个压印母版(tool1)制作所述第一衍射元件组合(grp1)和所述第二衍射元件组合(grp2)。

技术总结

本申请提供一种显示设备、虚拟图像显示方法和显示设备的制造方法，其中，显示设备包括：光引擎，用于形成输入光；扩束装置叠层，通过衍射扩展输入光形成输出光；扩束装置叠层包括第一扩束装置和第二扩束装置；第一扩束装置包括用于控制第一输出光束的传播方向的第一衍射元件组合和用于将输入光衍射输入到第一扩束装置的波导基板内的第一输入元件；第二扩束装置包括用于控制第二输出光束的传播方向的第二衍射元件组合和用于将透过第一扩束装置的部分输入光衍射输入到第二扩束装置的波导基板内的第二输入元件；其中，第一衍射元件组合中各衍射元件的光栅周期与第二衍射元件组合中各相应衍射元件的光栅周期相等。中各相应衍射元件的光栅周期相等。中各相应衍射元件的光栅周期相等。

技术研发人员：

朱良富 朱以胜 塔帕尼

受保护的技术使用者：

深圳市光途显示科技有限公司

技术研发日：

2022.10.12

技术公布日：

2022/12/16