CN106471428A - 全息穿透式光学设备、立体成像系统及多媒体头戴式系统 - Google Patents

全息穿透式光学设备、立体成像系统及多媒体头戴式系统 Download PDF

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Abstract

提供了全息穿透式光学设备、包括该全息穿透式光学设备的立体成像系统及多媒体头戴式系统。全息穿透式光学设备包括：微型显示器；中继光学系统，传递微型显示器生成的图像；至少一个波导，包括具有不同厚度或不同折射率的至少两个部分；至少一个第一全息光学元件，布置于该两个部分中的一个；以及至少一个第二全息光学元件，布置于两个部分中的另一个。

Description

全息穿透式光学设备、立体成像系统及多媒体头戴式系统
技术领域
一个或多个示例性实施方式涉及光学系统，更具体地，涉及用于显示虚拟图像和穿透式图的组合的全息穿透式光学设备、包括该全息穿透式光学设备的立体成像系统及多媒体头戴式系统。
背景技术
已知的增强现实的光学设备中的大部分是基于目镜目镜的组合来使由LCD、LCoS、CRT、OLED形成的图像放大，或者，具有紧凑尺寸的其他空间光调制器和图像组合器是例如基于分束立方体或半透明板。一些减小设备尺寸的增强现实的光学设备中使用扫描模块，其中通过窄光束顺序地场扫描形成二维图像。这些系统的缺点是需要高精度的微机械致动器。
发明内容
技术问题
平整波导被用于增强现实的光学设备中，其中优选地，系统通过单光束操作以使光扩展。然而，增强现实的光学设备中所使用的成像系统通过与不同视场对应的多个光束操作。当波在波导中传播时，光束可彼此重叠，或者间隙可在波导的主表面上的束投影之间形成。在这种情况下，图像的亮度可能是不均匀的。
技术方案
一个或多个示例性实施方式包括用于显示虚拟图像和穿透式图的组合的全息穿透式光学设备、包括该全息穿透式光学设备的立体成像系统及多媒体头戴式系统。
附加的诸方面将在以下描述中部分地陈述以及将通过描述部分地明显，或可通过实施所呈现的示例性实施方式而习知。
根据一个或多个示例性实施方式，全息穿透式光学设备包括微型显示器、中继光学系统、至少一个波导、至少一个第一全息光学元件以及至少一个第二全息光学元件，其中，中继光学系统传递微型显示器生成的图像，波导包括具有不同厚度或不同折射率的至少两个部分，第一全息光学元件布置于两个部分中的一个，第二全息光学元件布置于两个部分中的另一个。
波导的被由微型显示器生成的图像入射的部分具有比波导的其他部分更大的厚度。
波导的被由微型显示器生成的图像入射的部分的厚度或反射率中的至少一个设置成使光束在第一全息光学元件上衍射。
波导的多个部分具有梯度折射率。
中继光学系统在无穷远处形成微型显示器的图像。
波导包括多个主表面，主表面包括一个共同的底表面、面对底表面的上表面和在波导的各个部分彼此交汇处的交界面。
中继光学系统的光轴相对于与波导的底表面垂直的线倾斜。
波导的主表面中的至少一个是平整表面或自由曲面。
第一全息光学元件和第二全息光学元件中的至少一个具有不同的波长选择。
第一全息光学元件和第二全息光学元件中的至少一个具有不同的角度选择。
在波导中传播的光束入射至第二全息光学元件、被部分地衍射以及部分地返回至波导的主表面并被波导的主表面反射，该相互作用至少重复两次。
至少两个波导被堆叠。
根据一个或多个示例性实施方式，全息穿透式光学设备包括微型显示器、传递微型显示器生成的图像的中继光学系统、包括具有第一厚度的第一部分和具有第二厚度的第二部分的波导、设置于第一部分的第一全息光学元件以及设置于第二部分的第二全息光学元件，其中，中继光学系统在与波导的第一部分隔开的位置形成出射光瞳，第一全息光学元件在波导的第一部分合并光束并将出射光瞳传递至波导的第一部分与波导的第二部分彼此交汇的区域以及第二全息光学元件合并来自波导的光束并在与波导的第二部分隔开的位置传递出射光瞳。
波导的第一部分的平均厚度大于第二部分的平均厚度。
根据一个或多个示例性实施方式，立体成像系统中，全息穿透式光学设备中的任一个分别布置于观察者的眼睛处。
根据一个或多个示例性实施方式，能够使用户观看与显示内容结合的周围环境的多媒体头戴式系统，该多媒体头戴式系统包括生成图像的微型显示器、传递微型显示器生成的图像的中继光学系统、包括具有不同厚度或不同折射率的至少两个部分的至少一个波导、至少一个第一全息光学元件、至少一个第二全息光学元件、用于处理待向用户显示的内容的集成处理器以及待安装在用户的头上的耳架，其中，出射光瞳在与波导的第一部分隔开的位置处形成，第一全息光学元件在波导的第一部分合并光束并将出射光瞳传递至波导的第一部分与波导的第二部分彼此交汇的区域，出射光瞳通过全内反射在波导的第二部分中传播以再传输光束，以及第二全息光学元件合并来自波导的光束并在与波导的第二部分隔开的位置处传递出射光瞳。
附图说明
通过以下结合附图对示例性实施方式的描述，这些和/或其他方面将变得明显且更容易理解，附图中：
图1是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备的布局的图；
图2是全息穿透式光学设备的透视图；
图3是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备的中继光学系统包括三个部件的示例的图；
图4是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备的波导的薄部(第二部分)的图；
图5、图6以及图7是示出了入射至根据实施方式的全息穿透式光学设备的波导的光束的半视场与全息穿透式光学设备的光栅频率之间的关系的图；
图8是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备的波导的厚部(第一部分)的图；
图9是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备相对于观察者的双眼使用的示例的图；
图10是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备实施为眼镜型设备的示例的图；
图11是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备布置在眼镜的右部的示例的图；
图12是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备的第一全息光学元件和第二全息光学元件的位置被改变的示例的图；
图13是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备的波导的第一部分(厚部)具有倾斜表面的示例的图；
图14是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备的波导的第一部分(厚部)具有向上凸起的表面的示例的图；
图15是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备的波导的表面具有凹面的示例的图；
图16是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备的波导的第二部分(薄部)具有凹面的示例的图；
图17是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备的中继光学系统布置在波导的一侧的示例的图；
图18和图19是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备包括两个波导的示例的图；以及
图20是示出了根据实施方式的全息穿透式光学设备包括具有折射率不同的两个部分的波导的示例的图。
具体实施方式
现在将详细参照示例性实施方式，在附图中示出示例性实施方式的实施例，其中，全文中相同的附图标记指代相同的元件。就此而言，本申请中的示例性实施方式可具有不同的形式，并且不应被理解为限于本文中所阐述的描述。相应地，以下通过参照图描述的示例性实施方式仅仅是为了说明本申请的诸方面。当诸如“……中的至少一个”的表达在一系列元件之后时，表示修饰元件的整个列表而并非修饰列出的单个元件。
为了清晰，在图中可夸大层和区域的厚度。还将理解的是，当层被称为在另一层或衬底“上(on)”时，其可直接在该另一层或衬底上，或者也可存在中间层。由于相同的附图标记指代相同的元件，因此将省略对它们的描述。
图1是根据实施方式的全息穿透式光学设备的顶视图，以及图2是全息穿透式光学设备的透视图。
全息穿透式光学设备包括微型显示器31、中继光学系统32以及波导33。微型显示器31可生成图像。微型显示器31可形成具有较小发散的光束。中继光学系统32可形成与波导33隔开的出射光瞳43。例如，中继光学系统32可包括至少一个透镜。图1示出了中继光学系统32包括一个透镜的示例。中继光学系统32的光轴可相对于与波导33的底表面垂直的线倾斜。
波导33可包括具有不同厚度的多个部分。例如，图1示出了波导33包括第一部分33-1和第二部分33-2的示例，其中第一部分33-1具有与第二部分33-2不同的厚度。第一部分33-1可具有第一厚度t1，以及第二部分33-2可具有第二厚度t2，其中第二厚度t1可小于第一厚度t1。换句话说，在波导33的被光入射的一侧的波导33的第一部分可具有比在波导33的另一侧的波导33的第二部分更大的厚度。此处，微型显示器31生成的图像入射至波导33所通过的区域可称为输入耦合(incoupling)区域，而经由波导33传输和输出的光束所通过过的区域可称为输出耦合(outcoupling)区域。波导33的输入耦合区域中的第一部分33-1的厚度可大于输出耦合区域中的第二部分33-2的厚度。
虽然以上描述了波导33包括分别具有第一厚度和第二厚度的两个部分的示例，但发明构思不限于此，波导33还可包括具有第一厚度的第一部分、具有第二厚度的第二部分以及具有第三厚度的第三部分。可替代地，波导33可包括具有不同折射率的至少两个部分。下文将给出其详细描述。同时，厚度可以是横截面在与波导33中光传播的方向垂直的方向中的厚度。
第一全息光学元件34a可位于波导33的第一部分33-1。例如，第一全息光学元件34a可位于波导33的第一部分33-1的底表面上。然而，发明构思不限于此，第一全息光学元件34a可位于波导33的另一表面上。第二全息光学元件34b可位于第二部分33-2的底表面上。然而，发明构思不限于此，第二全息光学元件34b可位于波导33的另一表面上。
参照图1和图2，波导33可包括多个主表面。多个主表面可包括第一表面331、第二表面332和第三表面333，其中，第一表面331是第一部分33-1和第二部分33-2的共同底表面，第二表面332是第一部分33-1的上表面，第三表面333是第二部分33-2的上表面。此外，多个主表面还可包括在第一部分33-1与第二部分33-2交汇处的第四表面334。如图1中所示，第四表面334可以是相对于第二表面332和第三表面333的倾斜表面。然而，第四表面334不限于此，并且可以是与第二表面332和第三表面333垂直的表面
例如，第一全息光学元件34a可布置在第一部分33-1的第一表面331上，而第二全息光学元件34b可布置在第二部分33-2的第一表面331上。第一全息光学元件34a和第二全息光学元件34b可以是透射元件。
第一部分33-1的厚度和反射率中的至少一个可设置成使光束在第一全息光学元件34a上衍射。在全内反射之后，光束可朝第二部分33-2行进而不从第二表面332反射至第一全息光学元件34a。
在第一全息光学元件34a上的光束衍射可引起第一出射光瞳43将光束传递(relay)至两个表面。该两个表面包含中继光学系统32的光轴，以及可包括与第一表面331、第二表面332和第三表面333垂直的切线面41和与切线面41垂直的弧矢面42。当光束在波导33的第二部分33-2(薄部)中传播时，其使光束之间的间隙和重叠最小。第二全息光学元件34b可合并来自波导33的光束并在单个表面传递第二出射光瞳44a和第三出射光瞳44b中的部分。
同时，在波导中传播的光束可入射至第二全息光学元件、可被部分地衍射以及可部分地回到波导的主表面上并被波导的主表面反射，其中该相互作用可重复至少两次。
图3是示出了根据另一实施方式的光学设备的图。在图3中示出的光学设备中，中继光学系统32可包括第一部件、第二部件以及第三部件，例如，第一透镜32a、第二透镜32b以及第三透镜32c。中继光学系统32还可包括目镜或准直透镜。与图1中示出的光学设备相比，除中继光学系统32以外的其他部件可基本上与图1中示出的光学设备的部件一致。例如，中继光学系统32可包括第一透镜32a、第二透镜32b以及第三透镜32c。例如，中继光学系统32的视场可大约是15度，中继光学系统32的有效焦距可大约是38.2毫米以及第一出射光瞳43可位于与第三透镜32c相距大约57毫米的位置。波导33可例如由BK7玻璃形成。波导33的第一部分33-1的厚度可大约是4.8毫米，而波导33的第二部分33-2的厚度可大约是0.7毫米。第一全息元件34a和第二全息元件34b的光栅频率可以是2280(1/毫米)。第一出射光瞳43的尺寸可大约是3.5x3.0毫米。
微型显示器31可生成图像31a。来自微型显示器31的光束51入射至中继光学系统32。中继光学系统32可在无穷远处形成微型显示器31的图像31b，以及可在与第二表面332相距大约48毫米的位置处形成第一出射光瞳43。第一全息光学元件34a在波导33的第一部分(厚部)合并光束51。同时，第二表面332和第一全息光学元件34a将第一出射光瞳43传递至在波导33的第一位置(第二出射光瞳)44a处(例如，在第一部分33-1(厚部)与第二部分33-2(薄部)交汇的区域)的切线面(图2的41)和在与波导33相距指定距离的第二位置(第三出射光瞳)44b处的切线面(图2的42)。由于全内反射，光束51在波导33的第二部分33-2(薄部)中传播。第二全息光学元件34b将在波导33中传播的光束51合并，同时，1)在与瞳孔35对应的位置处合并第二出射光瞳44a和第三出射光瞳44b的图像，以及2)扩展第一出射光瞳43。
如图3中所示，由于第一出射光瞳43的扩展，瞳孔35可充满图像。当光束51入射至第二全息光学元件34b时，光束51在第二全息光学元件34b处被部分地衍射并被部分地反射。反射光束朝波导33的第三表面333传播，当全内反射发生时，光束被部分地衍射和部分地反射并返回至第二全息光学元件34b。该过程可重复若干次。因此，可扩展出射光瞳。该现象称为光瞳倍增。
光束51入射至观察者的瞳孔35，并在视网膜上形成微型显示器31的图像。同时，来自周围环境36的光束52穿过波导33的第二部分33-2(薄部)，并在视网膜上形成周围环境36的图像。相应地，在视网膜上形成组合图像53。
第一全息元件34a和第二全息元件34b可由正弦光栅或阶梯光栅形成。第一全息元件34a和第二全息元件34b的浮雕线(relief line)可相互平行。此处，浮雕线可包括将正弦曲线的最高峰和正弦曲线的最低曲线互连的线。此外，第一全息元件34a和第二全息元件34b可具有光功率。光功率可补偿中继光学系统32的像差。此外，可设置第二全息光学元件34b的衍射效率以使得图像的亮度均匀性沿光束传播的方向增大。
下文将对光瞳的位置由波导的至少两个部分(例如，第一部分和第二部分)的不同厚度提供的实施方式进行描述。下文将描述在波导的第二部分33-2(薄部)中传播的光束。波导的薄部在图4中示出。在图4中，灰色填充部分表示在波导中以大于角度的角度传播的光束，其中角度与光束从第一部分33-1(厚部)入射的最大视场相关。为了避免图像中的间隙，第一边缘光线61a(在被第三表面333反射之后)和第二边缘光线61b(在被第一表面331反射之后)相互交叉于第一表面331上的一点。另外，间隙或重叠可在光瞳中形成。可接受的间隙相对于光瞳尺寸D的百分比将称为p1，而可接受的重叠相对于光瞳尺寸D的百分比将称为p2。基于几何学考虑，与可接受的间隙和可接受的重叠相关的条件可表示为以下示出的不等式。
此处，第二厚度t2表示波导33的第二部分33-2(薄部)的厚度，以及和表示光束在波导33中传播的角度。和与视场和视场之间的关系如以下光栅方程所示。
此处，T表示光栅频率，λ表示光束的波长，η表示波导的折射率，与或对应，以及与和对应。视场和可如以下所示限定。
此处，Θ表示半视场，以及α表示中继光学系统32的第一轴37(参照图1)与垂直于第一表面331的第二轴之间的角度。
可基于不等式(1)、光栅方程(2)以及全内反射的条件获得以下不等式。
此处，表示临界角或全内反射发生时的角度。临界角可如以下所示限定。
以上不等式组的解提供优化的t2、T、α、p1、p2、D和Θ。一些解可在图5、图6和图7中示出。解域在图5、图6和图7中用阴影线画出。线71、线72、线73示出了光栅频率与半视场之间的关系。线71是允许光束在波导中以p1·Dgap传播的光栅频率的最高线。线71与不等式组(4)中的第一表达式对应。线72是允许光束在波导中以小于临界角的角度以上的角度传播的光栅频率的最低线。线72与不等式组(4)中的第三表达式对应。线73是允许光束在波导中以p2·Doverlap传播的光栅频率的最低线。线73与不等式组(4)中的第二表达式对应。薄部可具有从大约25毫米至大约40毫米的厚度。
光束传播穿过波导33的第一部分33-1(厚部)。波导33的第一部分33-1(厚部)在图8中示出。为了避免若干光束入射至第一全息光学元件34a或为了使入射至第一全息光学元件34a的若干光束最少化，需使来自边缘区的光束行经至第一全息光学元件34a之外的第一点101。为了形成第二出射光瞳44a(与中间光瞳对应)，需使第一点101彼此近似一致。基于几何学考虑，可获得以下关系。
此处，表示中心场的主光线到达第一表面331的角度，t2表示第一部分(厚部)的厚度，b表示第一点101与第一全息光学元件34a的偏移距，a1、a2和a3表示边缘光线和主光线在第一表面331上的投影距离。a1、a2和a3与第一表面331和第一出射光瞳43的位置之间的距离s之间的关系如下：
可通过用方程组(7)替换(6)中的a1、a2以及a3以及用光栅方程(2)替换方程组(6)获得以下方程组。
与T相关的方程组(8)的解提供光栅频率，该光栅频率提供来自边缘区的光线，光线待从第一全息光学元件34a行经至第一点101。此外，可提供优化厚度t2和第一出射光瞳43的优化位置s。检查方程组(8)的解是否在不等式(4)的解域之内是重要的。另外，需联立地求解不等式组(4)和方程组(8)。
第一部分(厚部)的长度l2可如以下所示近似等于：
l2＝a1+D+a2+b.(9)
不等式(4)和方程组(8)的解以及图5至图7表明，当中继光学系统的出射光瞳的直径是从大约2毫米至大约3毫米时，第一部分(厚部)的优化厚度可以是从大约3毫米至大约6毫米以及光栅频率可以是从大约2000(1/毫米)至大约2500(1/毫米)。
通过利用由第二全息光学元件34b引起的光瞳倍增，应用包括厚部和薄部且在厚部和薄部之间具有中间出射光瞳的波导减少了第一全息光学元件的数量而不明显减小出射光瞳的尺寸。
如图9中所示，根据实施方式的全息穿透式光学设备可在观察者的双眼前方使用。通过在观察者的双眼前方使用全息穿透式光学设备，可实施显示立体图像的立体成像系统。此外，全息穿透式光学设备可安装在用户的头上，并实施为多媒体头戴式系统。图10示出了包括架置和耳架121的系统SY。该系统实施为眼镜型设备。眼镜的右部在图11中示出。系统SY可包括光学模块132、集成处理器131、无线电接口133、光学接口134以及声学接口135。上述部件可嵌入系统SY的耳架中。光学模块132可包括如图1中所示的微型显示器31和中继光学系统32。光学模块132可与第一全息光学元件34a结合。由于波导33和第二全息光学元件34b与以上参照图1描述的波导33和第二全息光学元件34b基本上一致，因此下文将省略其详细描述。
集成处理器131可处理待向用户显示的交互内容。无线电接口133可通过无线电波接收或传输交互内容。声学接口135可收集或传递交互内容。声学接口135可例如实施为相机、摄像机或投影透镜。声学接口135可通过声波接收或传输交互内容。声学接口135可例如实施为麦克风、动态传感器或骨导传感器。
在图12中示出的光学设备中，第一全息光学元件34a可布置在波导33的第一部分33-1的第二表面332上，而第二全息光学元件34b可布置在第二部分33-2的第三表面333上。此处，第一全息光学元件34a和第二全息光学元件34b可实施为反射元件。同时，第四表面334可布置于第一部分33-1与第二部分33-2交汇的区域。第四表面334可以是相对于第三表面333倾斜的倾斜表面。
在不改变操作原理的情况下，可使用反射全息光学元件而不使用透射全息光学元件。
图13示出了波导33的第一部分33-1的第二表面332与第一表面331不平行的示例。第一部分33-1的第二表面332可实施为相对于第一表面331倾斜的倾斜表面。第二表面332可具有这样的形状：第二表面332的高度从第一部分33-1朝第二部分33-2下降。换句话说，第一部分33-1的厚度可以是不均匀的。虽然示出了第一部分33-1的厚度不均匀的示例，但第二部分33-2的厚度可以是不均匀的。如果第一部分33-1和第二部分33-2中的至少一个的厚度是不均匀的，则可利用各自部分的平均厚度。例如，第一部分33-1的平均厚度可大于第二部分33-2的平均厚度。同时，即使当这些部分的厚度均匀时，也可以采用平均厚度。
虽然图13示出了第一全息元件34a和第二全息元件34b实施为透射元件的示例，但第一全息元件34a和第二全息元件34b也可实施为反射元件。换句话说，第一全息光学元件34a可布置在第一部分33-1的第二表面332上，而第二全息光学元件34b可布置在第二部分33-2的第三表面333上。
图14示出了第一部分33-1的第二表面332实施为自由曲面的实施方式。第一部分33-1的第二表面332可具有弯曲形状。在这种情况下，第四表面334可具有从第二表面332延伸的弯曲形状。例如，第一部分33-1的第二表面332可具有凸面。可替代地，第一部分33-1的第二表面332可具有凹面。
图15示出了第一表面331形成为自由曲面的示例。如果第一表面331是自由曲面，则第一全息光学元件34a和第二全息光学元件34b可具有与第一表面331的形状对应的形状。
在图16中，第二部分33-2的第三表面333可以是自由曲面。就此而言，可通过改变第一表面至第四表面331、332、333和334中的至少一个的形状来实现尺寸减少和光效率改善。
可替代地，为了便于空间布置，第一全息光学元件34a可布置在波导33的第一部分33-1的侧表面上，如图17中所示。其次，微型显示器31和中继光学系统32可布置成面对第一全息光学元件34a。该布置结构可称为侧向输入耦合结构。如上所述，可对波导的形状以及第一全息光学元件和第二全息光学元件的布置作出多种修改。
图18是示出了根据另一实施方式的光学设备100的图。
图18中示出的光学设备100包括多个波导。例如，光学设备100可包括微型显示器31、中继光学系统32、第一波导33以及第二波导133。
微型显示器31、中继光学系统32以及第一波导33与以上参照图1描述的微型显示器31、中继光学系统32以及第一波导33基本上一致，下文将省略其详细描述。
第二波导133可包括相对厚的第三部分133-1和相对薄的第四部分133-2。第二波导133可包括1-1表面1331、1-2表面1-2、1-3表面1333以及1-4表面1334，其中，1-1表面1331是第三部分133-1和第四部分133-2的底表面，1-2表面1-2是第三部分133-1的上表面，1-3表面1333是第四部分133-2的上表面，在1-4表面1334处第三部分133-1与第四部分133-2交汇。第三全息光学元件134a可布置在第三部分133-1的1-1表面1331上，而第四全息光学元件134b可布置在第四部分133-2的1-1表面1331上。第三全息光学元件134a和第四全息光学元件134b可以是透射元件。可替代地，第三全息光学元件134a和第四全息光学元件134b可以是反射元件，其中可对第三全息光学元件134a和第四全息光学元件134b的位置和形状作出多种修改。以上参照图12至图17描述的波导33和第一全息元件34a以及第二全息元件34b的修改的实施方式也可应用于第二波导133。
第一全息光学元件至第四全息光学元件34a、34b、134a和134b可以是波长选择全息光学元件。第一全息光学元件至第四全息光学元件34a、34b、134a和134b可以是多色全息光学元件。例如，第一全息光学元件至第四全息光学元件34a、34b、134a和134b可相对于指定波段的光束执行全息过程，以及可传输或反射其他波段的光束。
可通过布置至少两个堆叠波导来减小横向色差和鬼像(color ghost)，从而改进图像质量。可替代地，如图19中所示，角度选择全息光学元件可用作为第一全息光学元件至第四全息光学元件34a、34b、134a和134b，从而增大视场。
图20是示出了根据另一实施方式的穿透式光学设备200的图。穿透式光学设备200可包括微型显示器231、中继光学系统232以及至少一个波导233，其中，中继光学系统232传递微型显示器231生成的图像以及至少一个波导233包括至少两个部分。波导233可包括具有不同折射率的多个部分。波导233可包括第一部分233-1和第二部分233-2，其中，第一部分233-1的折射率可与第二部分233-2的折射率不同。可替代地，波导233可具有梯度折射率。
第一全息光学元件234a可布置于波导233的第一部分233-1，而第二全息光学元件234b可布置于第二部分233-2。波导233可包括多个主表面。该多个主表面可包括第一表面2331、第二表面2332以及第三表面2333，其中，第一表面2331是第一部分233-1和第二部分233-2的共同底表面，第二表面2332是第一部分233-1的上表面，第三表面2333是第二部分233-2的上表面。此外，多个主表面还可包括第四表面2334，该第四表面2334在第一部分233-1与第二部分233-2交汇的区域。第一全息光学元件234a可布置在第一表面或第二表面上，而第二全息光学元件234b可布置在第一表面或第三表面上。可通过允许光束在波导的具有不同折射率的多个部分中传播来改善图像的亮度均匀性。可通过穿透式光学设备200一同观看由微型显示器231生成的图像和周围环境36的图像。
根据实施方式的全息光学设备可应用于展览中心、博物馆、音乐会和运动大厅、体育馆、体育场馆、汽车、游戏、仿真系统以及其他场所以用于观看由嵌入式微型显示器形成的虚拟2维图像和周围环境的实际图像。
增强现实的设备可应用于头盔或眼镜，以及可布置成将全息穿透式光学设备定位于用户的每只眼睛。可替代地，全息穿透式光学设备可实施为仅在一只眼睛前方布置并包括嵌入式微型显示器的单眼型设备。
根据示例性实施方式的全息穿透式光学设备即使具有少量光学构件也可提高亮度均匀性。
可通过将全息穿透式光学设备应用于用户的双眼实施立体成像系统。
可通过在用户的头上安装全息穿透式光学设备实施多媒体头戴式系统。
应理解的是，本文描述的示例性实施方式应当仅以描述性含义理解，而并非出于限制性的目的。对每一示例性实施方式中的特征或诸方面的描述应当通常理解为可用于其他示例性实施方式中的其他类似特征或方面。
虽然已参照附图对一个或多个示例性实施方式进行了描述，但本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离由以上权利要求所限定的精神和范围的情况下，可在形式和细节方面作出多种改变。

Claims (15)

1.全息穿透式光学设备，包括：
微型显示器；
中继光学系统，传递所述微型显示器生成的图像；
至少一个波导，包括具有不同厚度或不同折射率的至少两个部分；
至少一个第一全息光学元件，设置在所述两个部分中的一个处；以及
至少一个第二全息光学元件，设置在所述两个部分中的另一个处。
2.根据权利要求1所述的全息穿透式光学设备，其中，所述波导的、被所述微型显示器生成的图像入射的部分具有比所述波导的其他部分更大的厚度。
3.根据权利要求1所述的全息穿透式光学设备，其中，所述波导的、被所述微型显示器生成的图像入射的部分的厚度和反射率中的至少一个设置成使光束在所述第一全息光学元件上衍射。
4.根据权利要求1所述的全息穿透式光学设备，其中，所述波导的多个部分具有梯度折射率。
5.根据权利要求1所述的全息穿透式光学设备，其中，所述中继光学系统在无穷远处形成所述微型显示器的图像。
6.根据权利要求1所述的全息穿透式光学设备，其中，所述波导包括多个主表面，以及
所述主表面包括一个共同的底表面、面对所述底表面的上表面和在所述波导的各个部分彼此交汇处的交界面。
7.根据权利要求6所述的全息穿透式光学设备，其中，所述中继光学系统的光轴相对于与所述波导的底表面垂直的线倾斜。
8.根据权利要求6所述的全息穿透式光学设备，其中，所述波导的主表面中的至少一个是平坦表面或自由曲面。
9.根据权利要求1所述的全息穿透式光学设备，其中，所述第一全息光学元件和所述第二全息光学元件中的至少一个具有不同的波长选择或不同的角度选择。
10.根据权利要求1所述的全息穿透式光学设备，其中，在波导中传播的光束入射至第二全息光学元件、被部分地衍射以及部分地返回至所述波导的主表面并被所述波导的主表面反射，该相互作用至少重复两次。
11.根据权利要求1所述的全息穿透式光学设备，其中，堆叠有至少两个波导。
12.全息穿透式光学设备，包括：
微型显示器；
中继光学系统，传递所述微型显示器生成的图像；
波导，包括具有第一厚度的第一部分和具有第二厚度的第二部分；
第一全息光学元件，设置于所述第一部分；以及
第二全息光学元件，设置于所述第二部分，
其中所述中继光学系统在与所述波导的第一部分隔开的位置处形成出射光瞳，
所述第一全息光学元件在所述波导的第一部分处合并光束并将所述出射光瞳传递至所述波导的第一部分与所述波导的第二部分交汇的区域，以及
所述第二全息光学元件合并来自所述波导的光束并在与所述波导的第二部分隔开的位置处传递所述出射光瞳。
13.根据权利要求13所述的全息穿透式光学设备，其中，所述波导的第一部分的平均厚度大于所述第二部分的平均厚度。
14.立体成像系统，其中，根据权利要求1或权利要求12中的任一项所述的全息穿透式光学设备分别相对于观察者的眼睛布置。
15.多媒体头戴式系统，能够使用户观看与显示内容结合的周围环境，所述多媒体头戴式系统包括：
微型显示器，生成图像；
中继光学系统，传递所述微型显示器生成的图像；
至少一个波导，包括具有不同厚度或不同折射率的至少两个部分；
至少一个第一全息光学元件；
至少一个第二全息光学元件；
集成处理器，用于处理待向用户显示的内容；以及
耳架，待佩戴在所述用户的头上，其中，
出射光瞳在与所述波导的第一部分隔开的位置处形成，
所述第一全息光学元件在所述波导的第一部分合并光束，并将所述出射光瞳传递至所述波导的第一部分与所述波导的第二部分交汇的区域，
所述出射光瞳通过全内反射在所述波导的第二部分中传播以再传输光束，以及
所述第二全息光学元件合并来自所述波导的光束并在与所述波导的第二部分隔开的位置处传递所述出射光瞳。
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