国民经济行业分类号：
C4350 | C3874 | C4090 | C3879
发明人：
格莱布·希罗基 | 塞巴斯蒂安·德坤塞尔 | 苏曼塔·塔卢克达尔 | 石程 | 汤姆·维达尔·迈克尔森 | 大卫·普桑 | 萨利姆·瓦莱拉
摘要：
提供了用于控制增强现实显示器中的光的光学装置。光学装置包括波导和被配置成将光耦合到波导中的衍射光学元件。衍射光学元件包括结构化光栅元件的阵列，结构化光栅元件基于重复的单位单元布置，其中，每个单位单元包括限定不规则光栅结构的至少两个光栅元件，所述不规则光栅结构使得衍射光学元件产生不对称衍射响应。还提供了制造光学装置的方法。
技术问题语段：
如何在增强现实显示器中高效地将光耦合到波导中，并定向成朝向输出光栅，以最大化图像亮度，同时避免使用昂贵和难以生产的闪耀光栅和倾斜光栅，并提供一种更容易生产的光学装置来控制光的传输。
技术功效语段：
本发明提供了一种用于控制增强现实显示器中的光的光学装置，其中使用了基于不规则光栅结构的重复的单位单元来产生可以将光有效地耦合到增强现实显示器的波导中的专门的衍射响应。这种光学装置可以更容易且成本更低地产生，并且可以更容易地识别适合于特定标准的布置。通过高度、宽度和间隔的变化，可以控制衍射响应的不对称性，从而实现更高的效率。同时，通过光栅元件的形状和材料的改变，可以进一步优化光栅元件的响应分布，并提供更多的保真度。
权利要求：
1.一种用于控制增强现实显示器中的光的光学装置，所述光学装置包括：
波导；以及
衍射光学元件，所述衍射光学元件被配置成将光耦合到所述波导中；
其中，所述衍射光学元件包括结构化光栅元件的阵列，所述结构化光栅元件基于重复的单位单元来布置，其中，每个单位单元包括限定不规则光栅结构的至少两个光栅元件，所述不规则光栅结构使得所述衍射光学元件产生不对称衍射响应。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，由每个单位单元内的所述至少两个光栅元件限定的所述不规则光栅结构通过所述光栅元件在所述光栅元件的高度、宽度、间隔和/或形状以及/或者形成每个光栅元件的一种或多种材料中的一个或更多个方面的变化来提供。
3.根据权利要求1或2所述的光学装置，其中，每个光栅元件在轮廓上基本上为矩形。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，每个单位单元包括限定所述不规则光栅结构的至少三个光栅元件。
5.根据权利要求所述的光学装置，其中，所述衍射光学元件包括基板，并且其中，所述结构化光栅元件形成到所述基板的表面中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述衍射光学元件包括结构化光栅元件的一维阵列。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述单位单元沿重复方向的大小小于750nm，优选地小于600nm，更优选地小于500nm，最优选地小于450nm。
8.一种增强现实显示器，包括根据前述权利要求中任一项所述的光学装置。
9.根据权利要求8所述的增强现实显示器，还包括：
投影仪，所述投影仪用于投射限定要显示的图像的光，其中，所述衍射光学元件被配置成将所投射的光耦合到所述波导中；以及
输出衍射光学元件，所述输出衍射光学元件被配置成将光耦合出所述波导以显示所述图像。
10.一种制造适合于控制增强现实显示器中的光的光学装置的方法，所述方法包括：
设置波导；
设置衍射光学元件，所述衍射光学元件被配置成将光耦合到所述波导中，其中，所述衍射光学元件包括结构化光栅元件的阵列，所述结构化光栅元件基于重复的单位单元来布置，其中，每个单位单元包括限定不规则光栅结构的至少两个光栅元件，所述不规则光栅结构使得所述衍射光学元件产生不对称衍射响应。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，设置所述衍射光学元件包括：
指定期望衍射标准的集合；
基于每个可能单位单元的预期衍射响应和所述期望衍射标准的集合，评估多个不同的可能单位单元结构的适合性；
基于所述评估来选择最佳适应所述期望衍射标准的集合的单位单元结构；以及
使用所选择的单位单元结构来形成所述衍射光学元件。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：通过提供所述光栅元件的高度、宽度、间隔和/或形状、形成每个光栅元件的一种或多种材料、以及/或者每个可能单位单元结构中的光栅元件的数目的不同变化，生成要评估的所述多个不同的可能单位单元结构。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述期望衍射标准的集合包括一个或更多个光入射角、入射光的一个或更多个波长、一个或更多个期望衍射角和/或第一阶衍射效率与零阶衍射效率之间的期望的最大差和/或最小差。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，评估所述多个不同的可能单位单元结构的适合性包括计算每个可能单位单元结构的第一阶衍射效率，并且优选地还包括计算每个可能单位单元结构的零阶衍射效率，并且更优选地还包括计算每个可能单位单元结构的在多个光入射角上的最大第一阶衍射效率和/或最小第一阶衍射效率，并且最优选地还包括计算每个可能单位单元结构的
技术领域：
[0001]本发明涉及用于控制增强现实显示器中的光的光学装置。特别地，本发明涉及包括用于将光耦合到波导中的衍射光学元件的光学装置。本发明还提供了制造用于增强现实显示器的光学装置的方法、以及包括光学装置的增强现实显示器。增强现实显示器包括可穿戴装置，例如眼镜、用于视频游戏的显示器、以及用于军事或交通应用的屏幕，其投射图像以叠加在观看者的真实世界环境上。
背景技术：
[0002]在常规的增强现实显示器中，在用户前方设置有透明的显示屏幕，使得用户可以连续看到物理世界。显示屏幕可以用作玻璃波导，在波导的一侧设置有投影仪。显示屏幕例如可以是车辆上的窗户或一副眼镜的透镜或多个透镜。来自投影仪的光通过衍射光栅耦合到波导中。投射的光在波导内全内反射。然后，光通过另一衍射光栅耦合出波导，使得可以被用户观看到。投影仪可以提供增强用户对物理世界的观看的信息和/或图像。
[0003]用于将光耦合到波导中的衍射光栅在增强现实显示器中起到特定作用，并且因此，设计了专门的光栅来高效地实现该作用。特别地，输入光栅必须将光耦合到波导中并将其定向成朝向输出光栅。为了使图像亮度最大化，期望该过程在一个衍射阶中尽可能高效，即尽可能多的光被全内反射并沿特定路径角度定向成朝向输出光栅。在过去已经通过使用闪耀光栅结构或倾斜光栅结构作为输入光栅，实现了一个衍射阶中的高效率。在WO2008081070 A1中可以找到该构思的示例，其使用闪耀输入光栅或倾斜输入光栅。虽然闪耀光栅和倾斜光栅例如以负衍射阶为代价提高了沿正衍射阶的衍射效率，但是应当注意，闪耀光栅和倾斜光栅制造起来相对困难且昂贵，并且如果对于不同类型的增强现实显示器需要不同的闪耀角度或倾斜角度，则该问题可能进一步恶化，因为这将需要生产这些已经昂贵的光栅的多个不同版本。
[0004]鉴于与常规的输入光栅结构和输出光栅结构相关联的高成本和制造难度，期望提供用于控制增强现实显示器中的光的光学装置，所述光学装置能够更容易生产而不会损害其在增强现实系统内的其专门作用的实现。
发明内容：
[0005]根据发明的第一方面，提供了一种用于控制增强现实显示器中的光的光学装置，该光学装置包括：波导；以及衍射光学元件，其被配置成将光耦合到波导中；其中，衍射光学元件包括结构化光栅元件的阵列，结构化光栅元件基于重复的单位单元来布置，其中，每个单位单元包括限定不规则光栅结构的至少两个光栅元件，所述不规则光栅结构使得衍射光学元件产生不对称衍射响应。
[0006]特别地，发明人已经发现，可以使用由基于不规则光栅结构的重复的单位单元限定的光栅结构来产生可以将光有效地耦合到增强现实显示器的波导中的专门的衍射响应，以及这些光栅结构可以比闪耀光栅或倾斜光栅更容易且成本有效地产生。这些结构背后的理论在以下文献中讨论：Lin,D.,Melli,M.,Poliakov,E等人，“Optical metasurfaces forhigh angle steering at visible wavelengths”，Sci Rep 7，2286(2017)；以及AshutoshPatri等人，“Large-Angle,Broadband,and Multifunctional Directive WaveguideScatterer Gratings”，ACS Photonics 2019，6，12，3298-3305，2019年11月13日。
[0007]在本上下文中，由光栅元件限定的不规则光栅结构被认为意指在一个或更多个特性上——特别是在光栅元件的高度、宽度和/或形状、其与下一相邻光栅元件的间隔以及/或者形成光栅元件的一种或多种材料上——彼此变化的至少两个光栅元件。这可以与规则光栅结构进行对比，规则光栅结构即包括具有相同形状、大小、间隔和材料的光栅元件的阵列。由于规则光栅结构中的每个光栅元件是相同的，因此对于每个光栅元件，由光栅元件及其相邻光栅元件支持的电磁场分布之间的干涉将是相同的。在这样的规则光栅结构中，通过各个光栅元件例如闪耀光栅或倾斜光栅的不对称来产生不对称。相比之下，在本发明中，使用元件本身的不规则布置来产生不对称衍射响应，这是因为每个光栅元件将支持不同的电磁场分布，并且因此在每个单位单元内的光栅元件之间，一个光栅元件和下一光栅元件的分布之间的干涉将不同。例如，单位单元本身在单位单元的重复方向上可以是不对称的，以产生不对称衍射响应。然后，单位单元的重复提供了由整个光学装置上的单位单元内的光栅元件的不规则布置限定的该不对称衍射响应。不对称衍射响应将被理解为意指在正衍射阶与负衍射阶之间存在不对称。通常，衍射到正衍射阶中的一个或更多个中的光比衍射到对应的负衍射阶中的光多，反之亦然。该不对称可以用于在被配置成将光耦合到波导中的阶中实现较高的效率。
[0008]将认识到，对于给定的增强现实系统，例如根据诸如光在装置上的入射角、使用的光的波长、波导内的全内反射角等的因素，一些不规则光栅结构将比其他光栅结构更有效，并且将在下面描述用于识别特别适合于这样的标准的布置的技术。从另一个角度来看，可以选择不规则光栅结构，并且可以产生增强现实系统以利用由所述装置例如通过改变光在装置上的入射角、使用的光的波长和波导内的全内反射角产生的特定衍射响应。
[0009]如以上所提及的，优选地，由每个单位单元内的光栅元件限定的不规则光栅结构通过光栅元件在光栅元件的高度、宽度、间隔和/或形状以及/或者形成每个光栅元件的一种或多种材料中的一个或更多个方面的变化来提供。光栅元件的高度可以在与光学装置的平面垂直的方向上测量。光栅元件的宽度可以沿单位单元的重复方向测量。光栅元件的间隔可以测量为相邻光栅元件之间的底部到底部的距离。光栅元件的形状可以包括光栅元件例如沿单位单元的重复方向的截面形状。在一些情况下，一个或更多个光栅元件可以由多个层形成，可选地具有不同宽度和厚度，从而导致复杂形状的光栅元件。光栅元件也可以由涂覆至基板层的一种或更多种材料例如涂覆至玻璃的树脂形成。在光栅元件包括多个层的情况下，这些层可以是不同材料的，例如树脂层和树脂层上的高折射率光学涂层或金属层，并且这些不同材料将影响光栅元件的响应，并且因此影响其与相邻光栅元件的响应的干涉。
[0010]特别优选的是，通过高度、宽度和间隔的变化、通常同时保持光栅元件的形状固定来产生不规则光栅结构。当提及光栅元件的形状固定时，应将认识到，该形状的宽高比可以由于光栅元件的高度和/或宽度的不同改变而变化。当调整光栅元件的响应分布以调谐衍射元件的干涉分布时，更多变量的使用提供了更多的保真度。然而，这必须与在计算上估计变量的变化的结果的难度平衡，其中更多的变量意味着可以评估的更多不同的可能光栅结构，以及与制造所产生的光栅元件的变化的成本和复杂性平衡。发明人已经发现，高度宽度和间隔的变化提供了衍射响应的控制水平与设计和制造装置的难度之间的良好平衡。
[0011]优选地，光栅元件形成在基板的表面上或表面中，并且基板的所述表面限定公共基平面，每个光栅元件在该公共基平面上方突出。在光栅元件形成在基板的表面上，即涂覆至基板的表面的情况下，这可以通过提供其上布置有光栅元件的平坦基板来实现。在光栅元件形成在基板的表面中的情况下，这可以通过确保在每个光栅元件之间的区域中的基板的表面基本上共面来提供。这种形式的光栅，即每个光栅元件相对于平坦的基平面被限定，有助于在计算上估计光栅元件的变量的变化的结果。
[0012]虽然可以使用任何形状的光栅元件，但是优选地，每个光栅元件的轮廓基本上是矩形的。与闪耀光栅元件或倾斜光栅元件相比，矩形光栅元件易于制造。此外，可以容易地制造矩形光栅元件的高度、宽度和间隔的变化。矩形光栅元件还有助于计算其电磁场分布，并且因此利于估计由任何光栅设计产生的衍射响应。
[0013]虽然先前提及至少两个光栅元件，但是优选的是，每个单位单元包括由至少三个光栅元件限定的不规则光栅结构。在此应当注意，每个光栅元件不需要在一个或更多个特性上不同于每个其他光栅元件(三个光栅元件中的两个光栅元件可以共享所有特性并且仅不同于第三光栅元件)，但是这通常可以是优选的。在单位单元内使用更多的光栅元件再次增加了用于改变衍射光学元件的响应的选项的数目，并且因此增加了控制，但是这再次增加了设计衍射光学元件的复杂性。因此，在每个单位单元内，光栅元件的数目可以优选地不多于四个，或者更优选地不多于三个。实际上，发明人已经发现，每个单位单元中的光栅元件的数目在两个至四个的范围内提供了衍射响应的控制水平与设计装置的难度之间的最大平衡。在保持重复方向亚波长中的单位单元的总体大小的同时，两个至四个光栅元件与更高数目的光栅元件相比也更容易产生，这由于下面讨论的原因是优选的。
[0014]衍射光学元件可以被配置成以透射模式或以反射模式将光耦合到波导中。例如，衍射光学元件可以是透明的或基本不透明的。用于以透射将光耦合到波导中的衍射光学元件将被布置在波导的与任何投影仪相同的侧上。用于以反射将光耦合到波导中的衍射光学元件将被布置在波导的与投影仪相对的侧上。以反射操作的衍射光学元件可以更高效并且更容易优化，并且可以通过使用上覆的高折射率或不透明反射器层而变得更高效。这样的上覆的反射增强层可以是保形的或非保形的。
[0015]在特别优选的实施方式中，衍射光学元件包括基板，并且结构化光栅元件形成到基板的表面中。例如，光栅元件可以通过诸如蚀刻到基板的表面中的工艺形成到表面中。与将光栅元件形成为涂覆至底部基板的分立层不同，将光栅元件形成到基板的表面中是有利的，因为它消除了由于基板材料与光栅材料之间的折射率失配而在基板层与光栅元件层之间的界面处的任何光相互作用。虽然这通常是优选的，但是在一些上下文中，可能优选的是衍射光学元件包括基板层，并且结构化光栅元件例如通过压印被布置在基板层上。例如，基板可以是玻璃，可能是波导的玻璃，并且光栅元件可以由涂覆至玻璃基板以限定光栅元件的硅树脂形成。这样的装置可以更容易并且因此更低廉生产。
[0016]优选地，衍射光学元件包括结构化光栅元件的一维阵列。这样的一维阵列可以由沿仅一个方向重复的单位单元结构形成。结构化光栅元件的一维阵列可以沿与重复方向垂直的方向基本上是均匀的。例如，结构化光栅元件可以包括细长光栅元件，所述细长光栅元件沿与其细长方向垂直的方向彼此分隔开，该方向也对应于单位单元的重复方向。这与二维阵列形成对比，在二维阵列中，例如，光栅在单位单元中沿两个正交方向中的每一个变化，并且沿这两个正交方向中的每一个重复。一维衍射元件可以是优选的，这是因为输入光栅仅需要沿一个衍射色散平面衍射光，即，因为其目的在于将光耦合到波导中并且将其定向成朝向波导的另一部分处的输出光栅。一维光栅结构也可以更容易地制造并在波导上对准，这是因为在波导上形成仅沿一个方向重复的细长光栅元件更简单。
[0017]通常，单位单元沿重复方向的大小小于750nm，优选地小于600nm，更优选地小于500nm，最优选地小于450nm。这些亚波长光栅结构可以提供高的第一阶衍射角，这对于在波导内实现全内反射是有用的，并且还倾向于抑制较高的衍射阶，这意味着零衍射阶和第一衍射阶通常更高效。第一衍射阶中的高效率的优点是使沿波导中的一个路径角度衍射的光的量最大化，以使耦合出波导并且通过适当配置的输出光栅定向成朝向观看者的光的亮度最大化。在零阶具有高效率也是有利的，并且这是因为在波导内全内反射的光通常将多于一次地与衍射光学元件相互作用，即，首先在光入射在衍射光学元件上并耦合到波导中时，然后再次在光在波导的两个表面之间全内反射时，所述波导的两个表面可以包括波导的设置有衍射光学元件的另一部分。零阶中的高效率确保了与衍射光学元件的这些后续相互作用不会显著影响朝向输出光栅传播的光的强度。应当注意，单位单元的期望大小也可以取决于结构中使用的介质的折射率，因为这也将影响光与光栅相互作用的方式。为了提供单位单元的合适尺寸，光栅元件的间距也优选地小于600nm，更优选地小于500nm，进一步优选地小于400nm，最优选地小于300nm。就间距而言，意指相邻光栅元件上的对应点之间的距离，例如光栅元件之间的中心至中心距离。将认识到，间距可以根据任何特定光栅元件的宽度和它与下一光栅元件的间隔而在装置上变化；然而，在整个衍射光学元件上，间距通常将始终小于600nm。
[0018]发明的第二方面提供了一种包括以上讨论的光学装置的增强现实显示器，其可以利用关于发明的第一方面讨论的有利特征中的任何一个来实现。该增强现实显示器可以优选地包括：投影仪，其用于投射限定要显示的图像的光，其中，衍射光学元件被配置成将所投射的光耦合到波导中；以及输出衍射光学元件，其被配置成将光耦合出波导以显示图像。
[0019]根据发明的第三方面，提供了一种制造适合于控制增强现实显示器中的光的光学装置的方法，该方法包括：设置波导；设置衍射光学元件，该衍射光学元件被配置成将光耦合到波导中或耦合出波导，其中，衍射光学元件包括结构化光栅元件的阵列，结构化光栅元件基于重复的单位单元来布置，其中，每个单位单元包括限定不规则光栅结构的至少两个光栅元件，所述不规则光栅结构使得衍射光学元件产生不对称衍射响应。
[0020]该方法通常对应于制造根据发明的第一方面的光学装置的方法，并且因此，将明显的是，方法可以被配置成根据以上讨论的有利特征中的任何一个来生产装置。
[0021]如以上所提及的，光学装置通常将被设计成适应增强现实显示器的特定设计。例如，增强现实显示器可以限定由投影仪投射的光相对于波导的一个或更多个入射角，可以具有所使用的光的特定波长或波长范围，并且可以具有由波导(即，显示屏)所期望的形式和材料确定的特定全内反射角。因此，实际上，将通过设计适应这些标准的衍射光学元件来生产光学装置。
[0022]如以上所说明的，为了改变衍射光学元件的衍射响应，可以改变光栅元件的许多不同特性，从而导致光栅元件特性的许多不同的可能组合。因此，为了生产适应其将被结合到的增强现实显示器的标准的装置，可能期望例如在计算上评估不同变量的一系列不同组合的适合性，以选择在给定上下文中将是最有利的单位单元结构。因此，优选的方法包括：指定期望衍射标准的集合；基于每个可能单位单元的预期衍射响应和期望衍射标准的集合(中的至少一些)，评估多个不同的可能单位单元结构的适合性；基于所述评估来选择最佳适应期望衍射标准的集合的单位单元结构；以及使用所选择的单位单元结构来形成衍射光学元件。
[0023]衍射标准可以是影响衍射的任何因素，其由增强现实显示器的设计或衍射光学元件如何衍射光的任何要求来确定。例如，标准可以包括光入射角、光波长和/或可接受的第一阶衍射角的范围，光入射角可以由投影仪及其位置或相对于波导的可能位置来确定。评估单位单元结构可以涉及确定由单位单元结构产生的干涉图案以及建立结构的衍射阶的效率和角度。然后，可以基于该评估和根据期望衍射响应指定的任何标准来选择特定单位单元。这将在下面更详细地讨论。
[0024]优选地，方法包括通过提供光栅元件的高度、宽度、间隔和/或形状、形成每个光栅元件的一种或多种材料、以及/或者每个可能单位单元结构中的光栅元件的数目的不同变化，生成要评估的多个不同的可能单位单元结构。如以上所提及的，改变的特别优选的标准是光栅元件的高度、宽度和间隔。例如，可以针对每个标准指定高度范围、宽度范围和间隔范围以及步长，然后生成这些范围内的不同高度、宽度和间隔的每个可能组合以限定总的可能单位单元结构。例如，光栅元件的高度、宽度和间隔可以各自在5nm与500nm之间变化。可以通过以5nm的间隔生成这些范围内的所有可能组合来生成单位单元。可能存在由单位单元的最大间距或大小施加的附加约束，其可能将宽度和间隔的可能组合限制在这些范围内。通过以这种方式生成可能单位单元结构，然后评估每个单位单元结构以确定衍射响应，可以识别针对给定上下文的高效衍射光学元件。
[0025]如以上所提及的，期望衍射标准的集合可以包括该装置所针对的增强现实显示器的要求，并且这可以具体地包括一个或更多个光入射角、入射光的一个或更多个波长、一个或更多个期望衍射角和/或第一阶衍射效率与零阶衍射效率之间的期望的最大差和/或最小差。将认识到，对一个或更多个值的提及可以包括单个或多个离散值或值的范围。来自投影仪的光不可能被准直，并且因此可能需要衍射光学元件对于来自入射角范围的光工作良好。虽然一些增强现实装置可以仅利用单个波长的光来操作，但是更典型地，将期望提供多个波长的光以实现多色增强现实图像，并且因此同样地衍射光学元件可能需要对于多个不同波长的光或在波长范围内的光工作良好。此外，可能期望特定衍射角以实现全内反射并且以在输出光栅上提供特定入射角，使得光可以高效地耦合出波导以形成显示的图像。最后，期望标准可以指定第一阶效率与零阶效率之间的最大差和/或最小差，这将在下面进一步讨论。可以在相对意义上指定最大差或最小差，例如，为第一阶效率两倍的最大零阶效率。然后，这些标准可以用于评估，使得利用这些所需输入标准基于不同单位单元结构产生的响应来评估这些不同单位单元结构。
[0026]优选地，评估多个不同的可能单位单元结构的适合性包括计算每个可能单位单元结构的第一阶衍射效率，并且优选地还包括计算每个可能单位单元结构的零阶衍射效率。例如，可以针对如由任何指定衍射标准确定的一个或更多个入射角和/或一个或更多个光波长执行该过程，然后对效率求和或求平均。应当注意，评估可以仅计算正第一阶衍射效率或负第一阶衍射效率，这是因为通常仅一个将倾向于朝向输出光栅衍射光和/或倾向于以实现全内反射的方式衍射光；然而，可以计算正衍射阶和负衍射阶二者。例如，如果由衍射标准指定仅某些衍射角，则评估还可以计算第一衍射阶的角度。如以上所说明的，合适的衍射光学元件在衍射角下将具有高的第一阶衍射效率，以有效地将光沿全内反射范围内的特定路径角度耦合到波导中。因此，应当针对每个可能单位单元(并且跨由衍射标准指定的所有输入配置，即所有输入角和波长)计算第一阶效率。然而，另外，通常期望衍射光学元件对于衍射光与衍射光学元件可能具有的任何再次相互作用具有高的零阶效率。因此，对于每个可能单位单元，评估也可以计算零阶衍射效率，特别是反射零阶，例如，对于特定的初始光入射角，在对应于第一衍射阶的任何入射角(因为这将是再次入射角，假设波导的表面是平行的)。
[0027]还可以期望考虑衍射均匀性。因此，除了上述之外，优选地，评估多个不同的可能单位单元结构的适合性包括计算每个可能单位单元结构的在多个光入射角上的最大第一阶衍射效率和/或最小第一阶衍射效率，以及/或者还包括计算每个可能单位单元结构的在多个光入射角上的最大零阶衍射效率和/或最小零阶衍射效率。通过计算在入射角范围内的最大效率或最小效率并与例如平均效率进行比较，或者通过计算最大效率和最小效率二者并彼此比较，可以识别具有更均匀衍射分布的光栅。均匀衍射分布可以帮助确保在入射角范围内的光被光学装置相对均等地处理，这可以改善最终图像质量。
[0028]还可以优选的是将第一阶效率与零阶效率彼此进行比较。例如，如果特定单位单元结构具有非常高的第一阶效率但低的零阶效率，则即使平均效率与其他光栅结构可比，该光栅也可能是不期望的。可以期望使用具有更可比的第一阶效率和零阶效率的光栅结构，并且因此这可以在每个可能光栅结构的评估步骤期间计算。
[0029]最后，选择最佳适应期望衍射标准的集合的单位单元结构可以包括：基于第一阶衍射效率和零阶衍射效率，并且优选地基于最大第一阶衍射效率与最小第一阶衍射效率之间的预定差和/或最大零阶衍射效率与最小零阶衍射效率之间的预定差，选择单位单元结构。这通常可以涉及选择满足任何附加衍射标准的具有最高效率的单位单元结构。例如，如上所述，衍射标准可以包括第一衍射阶的可接受角度范围，即以确保全内反射，并且还可以包括最高第一阶效率与最低第一阶效率之间的最大差和/或最高零阶效率与最低零阶效率之间的最大差，即以比较单位单元结构的衍射均匀性。
具体实施方式：
[0039]现在将参照图1A至图3描述增强现实显示器中的光学装置的实施方式。
[0040]图1A示意性地示出了增强现实系统中的光学装置1。光学装置1包括投影仪20，具体是光引擎，其将用于显示的图像投射到一维透射输入光栅100形式的衍射光学元件上。衍射光学元件100将来自投影仪20的入射光21i衍射到波导10中，并且衍射光21d沿波导全内反射。在该实施方式中，光以非垂直角度入射在元件100上，并且使用的精确角度可以在增强现实显示器之间变化。特别地，光入射在光栅上，其方向的分量是沿光旨在在波导内传播的方向。以这种方式提供入射光意味着光栅100的第一衍射阶需要较小的转向角，以实现波导10内的全内反射。
[0041]一维输入光栅被布置成使得其光栅矢量(在与细长光栅元件垂直的元件的平面中的方向)指向沿波导10在适当位置处与输入光栅100分隔开的输出光栅30，以向观看者显示图像。由输入光栅100衍射并在波导内全内反射的光由此沿波导被定向，直到它到达输出光栅30。无论光在什么地方入射在该输出光栅上，一些光21o衍射出波导10并朝向观看者以显示图像。来自输出光栅30的输出方向将取决于入射在输出光栅30上的光的入射角。因此，使得输出图像明亮，期望光栅100的第一衍射阶相对高效，即，根据第一衍射阶的角度使在波导内传播的光的量最大化。
[0042]还应当注意，在波导的相对表面之间全内反射的衍射光21d中的一些沿光在波导10内的路径在一个或更多个点21r处与衍射光学元件100再次相互作用。例如，光可以穿过波导10的上表面上的光栅100，并且朝向波导10的下表面衍射，在波导10的下表面被反射回到上表面。如果光在以衍射光学元件10为特征的点处入射在波导10的上表面上，则该光将与光栅100再次相互作用。根据投射的图像的大小、来自投影仪的光在光栅100上的入射角的范围、波导的特性、光栅100的制造公差等，可能无法避免这样的再次相互作用。为了使再次相互作用对在波导10内传播的光的影响最小化，光栅100在零阶反射中也应当具有相对高的效率。
[0043]图1B示出了图1A中示出的实施方式的变型，其中替代地，衍射光学元件100是一维反射光栅，被配置成以衍射的反射模式将光耦合到波导中。衍射光栅被布置在波导10的与投影仪20相对的侧上，使得投影仪将光投射到波导10中，在那