CN110737092A

CN110737092A - 平视显示器

Info

Publication number: CN110737092A
Application number: CN201910648993.6A
Authority: CN
Inventors: J.克里斯特马斯; M.卡纳
Original assignee: Envich Kos Co Ltd
Current assignee: Envich Kos Co Ltd; Envisics Ltd
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2020-01-31
Anticipated expiration: 2039-07-18
Also published as: KR20200010115A; JP2020013118A; EP3598202A1; CN110737092B; GB2569208B; US20200026077A1; GB2569208A; EP3598202B1; KR102341980B1; US11397324B2; GB201811789D0; JP6994769B2

Abstract

提供了一种用于车辆的平视显示器。平视显示器具有第一壳体和第二壳体。第一壳体包括图片生成单元和光学系统。第二壳体包括基本平坦的盖玻璃和层。图片生成单元布置成输出图片。图片生成单元包括光源和空间光调制器。光源布置成发射光。空间光调制器布置成接收来自光源的光并根据在空间光调制器上显示的计算机生成的光调制图案对光进行空间调制，以形成对应于每个图片的全息重建。光学系统布置为接收由图片生成单元输出的图片并使用光学组合器中继图片以形成每个图片的虚拟图像。光学组合器将图片生成单元输出的光与来自现实世界场景的光组合，以将组合图像呈现给眼睛盒内的观看者。第二壳体设置在第一壳体和光学组合器之间。基本平坦的盖玻璃布置成保护第一壳体。该层布置成改变光的轨迹，使得由盖玻璃反射的任何太阳光偏离眼睛盒。

Description

平视显示器

技术领域

本公开涉及一种平视显示器。更具体地，本公开涉及平视显示器的上壳体。更具体地，本公开涉及平视显示器的盖玻璃。本公开涉及用于平视显示器或产生虚拟图像的其他系统的遮光罩或防眩光罩。遮光罩抑制入射光比如太阳光的反射。

背景技术

从物体散射的光包含振幅和相位信息。可以通过公知的干涉技术在例如光敏板上捕获该振幅和相位信息，以形成包括干涉条纹的全息记录或“全息图”。可以通过用合适的光照射来重建全息图，以形成代表原始物体的二维或三维全息重建或重放图像。

计算机生成的全息术可以数字模拟干涉过程。计算机生成的全息图“CGH”可以通过基于诸如菲涅耳或傅里叶变换的数学变换的技术来计算。这些类型的全息图可被称为菲涅耳或傅立叶全息图。傅里叶全息图可被认为是物体的傅立叶域表示或物体的频域表示。例如，CGH也可以通过相干光线跟踪或点云技术来计算。

CGH可以编码在空间光调制器“SLM”上，其布置成用于调制入射光的振幅和/或相位。例如，可以使用可电寻址液晶、可光学寻址液晶或微镜来实现光调制。

SLM可以包括多个可单独寻址的像素，其也可以称为单元或元件。光调制方案可以是二进制、多级或连续的。可替代地，该装置可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制可以在装置上连续。SLM可以是反射性的，意味着调制光以反射从SLM输出。SLM同样可以是透射性的，意味着调制光以透射从SLM输出。

可以使用所描述的技术提供用于成像的全息投影仪。这种投影仪已经应用于平视显示器“HUD”和头戴式显示器“HMD”，例如包括近眼装置。这里公开了一种改进的HUD。

产生远程虚拟图像的HUD通常包括用于中继来自图片生成单元的图片的光学系统。根据实施方式，光学系统的光学器件可以包括玻璃/塑料透镜、镜子或这两者的组合。太阳光可能损坏HUD的部件，包括显示装置，但是本公开涉及来自HUD系统的部件的太阳光反射，因为这样的反射可能对图像质量有害。太阳光反射的问题在HUD系统中尤其突出，并且可能导致例如在车辆挡风玻璃上的闪光。来自没有防反射涂层的玻璃表面的只有百分之几的太阳光反射足以使驾驶员目眩。

存在有限范围的不同可能的太阳位置，并且可以优化仪表板中的HUD 的定向以减小该范围。没有必要阻挡该范围内的所有太阳光，但必须阻挡可反射到挡风玻璃上的太阳光。例如，可以容忍汽车内部车顶上的一些反射太阳光。然而，太阳光反射的问题对将HUD集成到空间通常非常有限的仪表板中具有显著限制。

已经尝试了一系列缓解这些太阳能暴露问题的解决方案。例如，已经采用遮光板或挡板来防止太阳光进入系统。可以涂覆光学部件—通常是光学中继系统的一个镜子—以降低系统中的太阳光强度，特别是到达显示装置的有害波长的强度。已知的例子是在光学中继系统中使用所谓的“冷”镜。可以在显示装置上采用热排放层以减少跳跃点，并且可以对HUD进行去准直以增加系统内任何聚焦太阳光的点尺寸。

这里公开了一种改进的HUD，其包括减少太阳能暴露的影响而不会给系统增加显著的设计复杂性或体积的特征。

发明内容

在所附独立权利要求中限定了本公开的各方面。

本公开使用基于激光的系统来生成用于显示的图像，更具体地是图像生成器，其通过计算图像的全息图来生成图像，在SLM上显示该图像并用相干光照射所显示的全息图。然而，技术人员将从以下描述中理解，所描述的技术适用于任何类型的平视显示器，尽管它们对于汽车HUD具有特别的优点。

所描述的基于全息投影仪的HUD是可动态重新配置的。可以使用多个显示的全息图在不同的焦平面深度处形成相应的多个二维图像，使得它们出现在距观察者眼睛不同的距离处。例如，每个2D图像可以用不同的透镜光焦度进行全息编码。以这种方式，HUD能够在距观察者眼睛不同的有效距离处显示基本上二维的图像。通过使用两个不同的全息图来编码不同深度处的不同颜色的图像，在SLM上连续显示这些图像并同步地控制光源的颜色，图像平面可以具有不同的颜色或颜色的组合。以不同颜色和/或在不同视觉深度处显示图像的能力是有用的，因为可以将更重要的图像(符号系统)放置在前景中和/或使用彩色加以强调。

提供了一种用于车辆的平视显示器。平视显示器具有第一壳体和第二壳体。第一壳体包括图片生成单元和光学系统。第二壳体包括基本平坦的盖玻璃和层。图片生成单元布置成输出图片。图片生成单元包括光源和空间光调制器。光源布置成发射光。空间光调制器布置成接收来自光源的光并根据在空间光调制器上显示的计算机生成的光调制图案对光进行空间调制，以形成对应于每个图片的全息重建。光学系统布置为接收由图片生成单元输出的图片并使用光学组合器中继(或成像)图片以形成每个图片的虚拟图像。光学组合器将图片生成单元输出的光与来自现实世界场景的光组合，以将组合图像呈现给眼睛盒内的观看者。第二壳体设置在第一壳体和光学组合器之间。基本平坦的盖玻璃布置成保护第一壳体。该层布置成改变光的轨迹，使得由盖玻璃反射的任何太阳光偏离眼睛盒。

该层是基本上平面的光学元件或元件的一部分，其布置成改变光的轨迹，使得由盖玻璃反射的任何太阳光不直接或间接地到达眼睛盒。该层可以是薄的，并且可以例如具有小于10mm的厚度，比如小于5mm或小于2mm。有两条关键的光学路径，它们可能会导致盖玻璃反射的太阳光到达眼睛盒。第一关键光学路径对应于由盖玻璃直接反射到眼睛盒中的太阳光。该词直接用于表示第一关键光学路径在从盖玻璃到眼睛盒的路径上不包括任何附加或中间反射。第二关键光学路径对应于从盖玻璃间接反射到眼睛盒的太阳光。更具体地，第二关键光学路径对应于由盖玻璃反射到光学组合器(例如挡风玻璃)上的太阳光，然后由光学组合器反射到眼睛盒中。该词间接用于表示第二关键光学路径在其从盖玻璃到眼睛盒的路径上包括光学组合器的附加或中间反射。值得注意的是，第二壳体包括布置成改变光的轨迹的层，使得在第二关键光学路径上没有太阳光。具体地，否则将在第二关键光学路径上的任何太阳光被偏转到不与眼睛盒相交的不同光学路径上。换句话说，该层确保由盖玻璃且然后是光学组合器反射的任何太阳光线被引导远离眼睛盒。该层确保入射在第二壳体上的任何太阳光都不能从盖玻璃和光学组合器反射到眼睛盒中。该层可以减小太阳光从盖玻璃反射的角度，使得从盖玻璃且然后是光学组合器反射的任何太阳光线被引导远离眼睛盒。根据本公开，由盖玻璃和光学组合器朝向观看者反射的太阳光线不与眼睛盒相交。

根据本发明，用(基本上)平坦的盖玻璃和层替换弯曲的盖玻璃具有至少两个非常显著的优点。首先，平视显示器在HUD中消耗较少的体积。具体而言，盖玻璃下方的体积(这是汽车工业中的关键指标)减少了。其次，更容易处理平坦表面或在平坦表面上设置层。具体地，可以加工平坦盖玻璃以具有结构化表面层，或者可以在其上容易地设置层，例如通过沉积或涂覆。

该层对于以第一角度范围入射的图片的光是透射的，并且对于以第二角度范围入射的其他波长的光基本上是反射的。

提供基本上平坦的盖玻璃允许该层承担额外的功能。该层可以是波长选择性的和/或角度选择性的。该层的第一(底部)面布置成以明确定义的第一角度范围接收图片的光。该层可以设计成对以第一角度范围接收的图片的光基本上是透射的。该层的第二(顶部)面布置成在第二角度范围内接收太阳光。第二范围可以大于第一范围。第一范围可以是第二范围的子集。该层可以设计成基本上反射在第二角度范围下接收的其他波长。该层可以基本上反射在第二角度范围下接收的红外光。因此，盖玻璃可以防止接收到的太阳光的至少一部分进入第一壳体，在那里它可能引起诸如镜子或图片产生单元损坏的问题。通过对从HUD出来的有用角度应用角度选择，投影图像几乎不受影响，而入射的太阳光线可被反射远离HUD。例如，全息图或其他衍射光学元件可以容易地配置成通过一组颜色中的一个或多个的角度范围。

该层可以设置在盖玻璃上。例如，该层可以是沉积在盖玻璃上的涂层或粘附到该层上的单独组分。可替代地，该层可以非固定地设置在盖玻璃上。图像的虚拟性质允许该层设置在远离图像平面的平面中，使得它不可见。

可替代地，该层可以是盖玻璃的结构化表面层。因此，盖玻璃和层是一体结构，在构造平视显示器时可以是方便的。在这些示例中，可以说盖玻璃具有结构化表面层。

该层可以是选自包括全息图、菲涅耳结构、超材料或渐变折射率层的组中的至少一种。全息图可以是介质中的固定记录。更具体地，全息图可以是记录在记录介质中的固定衍射图案。全息图可能是有利的，因为衍射图案中可能固有地包括的附加功能，比如波长选择性和/或角度选择性。全息图可以例如是体积全息图。全息图可以是傅里叶变换全息图。在这种情况下，每个光调制图案包括图片的计算机生成的傅里叶变换全息图和软件透镜功能之和。全息图可以是菲涅耳全息图。在这种情况下，每个计算机生成的光调制图案包括嵌入软件透镜功能的计算机生成的菲涅耳变换全息图。软件透镜功能可以具有1至20屈光度的光学功率，比如1至10屈光度。软件透镜功能可以是菲涅耳透镜功能，比如二进制或多级振幅或相位菲涅耳透镜功能。可替代地，该层可以是对应于凹面的菲涅耳结构。可以涂覆菲涅耳结构以提供波长选择性和/或角度选择性。渐变折射率层可以具有随着距中心的距离而变化的折射率。

第二壳体还可以包括光阱，其布置成部分地遮挡盖玻璃免受太阳光照射。也就是说，光阱布置成阻挡入射在其上的太阳光线。因此，太阳光从盖玻璃直接和间接反射不会到达眼睛盒。有利地，包括具有基本平坦的盖玻璃的光阱减少了对层的要求。特别是，降低了所需层的复杂性且因此厚度。光阱可以基本上邻接盖玻璃。

该层可以具有光学功率，比如正光学功率。每个计算机生成的光调制图案可以包括图片的计算机生成的全息图和软件透镜功能。软件透镜功能可以具有补偿层的光学功率的光学功率。可能有利的是减小与由盖玻璃反射的太阳光相对应的光足迹的尺寸，以便减少转向远离眼睛盒所需的偏转量。然而，赋予该层的任何光学功率都将影响HUD图像。因此，软件透镜功能可以组合比如添加到计算机生成的全息图中，以便补偿层的光学功率。该层可以具有正光学功率，并且软件透镜功能可以具有负光学功率。该层的光学功率可以与软件透镜功能的光学功率相等且相对。

可替代地，可包括第二层以补偿第一层。第二层可以与第一层相同，使得第一层和第二层形成平行层，比如盖玻璃的平行面。平行层确保不向HUD 图像赋予光学功率，因此不需要校正HUD图像。换句话说，由光学系统形成的图片的图像不受该层的光学功率的影响。第一层可以是盖玻璃的第一主表面上的第一菲涅耳结构，第二层可以是盖玻璃的第二主表面上的第二菲涅耳结构，其中第一和第二菲涅耳结构相等且平行。

光学组合器可以是车辆的挡风玻璃。在这种情况下，提供了一种平视显示系统，其包括平视显示器和车辆的挡风玻璃。可替代地，光学组合器可以是平视显示器的部件。

尽管可以在随后的详细描述中单独地公开不同的实施例和实施例组，但是任何实施例或实施例组的任何特征可以与任何实施例或实施例组的任何其他特征或特征的组合进行组合。也就是说，设想了本公开中公开的特征的所有可能组合和置换。

贯穿本公开内容参考各种类型的对光的“选择性”，包括波长选择性和角度选择性。术语“选择性”用于表示对光具有响应的分量，该分量取决于表征接收光的至少一个参数—比如波长或角度。术语“激光线”用于表示具有中心波长和小于30nm的全波半最大值的窄带宽，可选地小于15nm，进一步可选地小于5nm。

术语“图片的光”在本文中用于指代形成图片并从光接收表面发出(例如散射)的光。换句话说，“图片的光”是形成图片的光。“图片的光”由光学系统和挡风玻璃成像。“图片的光”可以是单色或多色的。“图片的光”可以是复合色。例如，“图片的光”可以包括红色、绿色和蓝色光。“图片的光”可以是偏振的。

参考“涂层”，但是在本领域中众所周知的是每个涂层—例如提供波长选择性的涂层—可包括多个层或单独涂层，比如多个介电层或单独介电涂层。

术语“全息图”用于表示包含关于物体的振幅和/或相位信息的记录。术语“全息重建”用于指通过照射全息图形成的物体的光学重建。这里使用的术语“重放平面”是指完全形成全息重建的空间平面。术语“重放场”在本文中用于指代重放平面的子区域，其可以接收来自空间光调制器的空间调制的光。术语“图像”和“图像区域”是指由形成全息重建的光照射的重放场的区域。在实施例中，“图像”可以包括离散点，其可被称为“图像像素”。

术语“编码”、“写入”或“寻址”用于描述提供SLM的多个像素的过程，其中相应多个控制值分别确定每个像素的调制级。可以说SLM的像素配置为响应于接收多个控制值而“显示”光调制分布。

已经发现，可以从包含与原始物体相关的仅相位信息的“全息图”形成可接受质量的全息重建。这种全息记录可以称为仅相位全息图。实施例涉及仅相位全息图，但是本公开同样适用于仅振幅全息术。

本公开还同样适用于使用与原始物体相关的振幅和相位信息来形成全息重建。在一些实施例中，这通过使用所谓的全复数(complex)全息图的复合调制来实现，该全息图包含与原始物体相关的振幅和相位信息。这样的全息图可以称为全复数全息图，因为分配给全息图的每个像素的值(灰度级) 具有振幅和相位分量。分配给每个像素的值(灰度级)可以表示为具有振幅和相位分量的复数。在一些实施例中，计算全复数的计算机生成的全息图。

可以参考计算机生成的全息图或空间光调制器的像素的相位值、相位分量、相位信息或简单相位作为“相位延迟”的简写。也就是说，所描述的任何相位值实际上是一个数字(例如在0到2π的范围内)，其表示由该像素提供的相位延迟量。例如，描述为具有相位值π/2的空间光调制器的像素将使接收光的相位改变π/2弧度。在一些实施例中，空间光调制器的每个像素可在多个可能的调制值(例如相位延迟值)中的一个中操作。术语“灰度级”可用于指代多个可用调制级。例如，术语“灰度级”可用于方便地指代仅相位调制器中的多个可用相位级，即使不同的相位级不提供不同的灰度阴影。术语“灰度级”也可用于方便地指代复合调制器中的多个可用复合调制级。

附图说明

仅通过示例的方式参考以下附图来描述特定实施例：

图1是示出在屏幕上产生全息重建的反射SLM的示意图；

图2A示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第一次迭代；

图2B示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第二次和后续迭代；

图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的可替代第二次和后续迭代；

图3是反射LCOS SLM的示意图；

图4示出了诸如汽车的车辆中的HUD；

图5示出了示例“热/冷镜”的光学性能；

图6A和6B示出了弯曲的盖玻璃和由盖玻璃反射的太阳光的两个关键光学路径；

图7示出了本公开的一实施例，包括基本平坦的盖玻璃；以及

图8A和8B示出了根据一些实施例的示例菲涅耳结构。

在整个附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

具体实施方式

本发明不限于以下描述的实施例，而是扩展到所附权利要求的全部范围。也就是说，本发明可以以不同的形式实施，并且不应该被解释为限于所描述的实施例，所述实施例是出于说明的目的而阐述的。

被描述为形成在另一结构的上部/下部或其他结构上/下的结构应被解释为包括结构彼此接触的情况，此外还包括第三结构设置在它们之间的情况。

在描述时间关系时—例如，当事件的时间顺序被描述为“之后”、“后续”、“下一个”、“之前”等时—本公开应被视为包括连续和非连续事件，除非另有规定。例如，除非使用诸如“仅”、“立即”或“直接”的措辞，否则应该将描述视为包括是不连续的情况。

尽管这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于将各个元件区分开来。例如，第一元件可被称为第二元件，类似地，第二元件可被称为第一元件，而不脱离所附权利要求的范围。

不同实施例的特征可以部分地或整体地耦合到彼此或者彼此组合，并且可以彼此不同地相互操作。一些实施例可以彼此独立地执行，或者可以以相互依赖的关系一起执行。

光学配置

图1示出了一实施例，其中计算机生成的全息图在单个空间光调制器上编码。计算机生成的全息图是用于重建的物体的傅里叶变换。因此可以说全息图是物体的傅里叶域或频域或谱域表示。在该实施例中，空间光调制器是反射式硅基液晶“LCOS”器件。全息图在空间光调制器上编码，并且全息重建在重放场形成，例如在诸如屏幕或漫射器的光接收表面。

设置光源110，例如激光器或激光二极管，以通过准直透镜111照射SLM 140。准直透镜使得大致平面的光波前入射到SLM上。在图1中，波前的方向是偏离正常的(例如，与真实垂直于透明层的平面相距两或三度)。然而，在其他实施例中，以法线入射提供大致平面的波前，并且使用分束器布置来分离输入和输出光学路径。在图1所示的实施例中，布置使得来自光源的光从SLM的镜像后表面反射并与光调制层相互作用以形成出射波前112。出射波前112应用于包括傅立叶变换透镜120的光学器件，其焦点在屏幕125处。更具体地，傅立叶变换透镜120接收来自SLM140的调制光束并执行频率- 空间变换以在屏幕125处产生全息重建。

值得注意的是，在这种类型的全息术中，全息图的每个像素有助于整个重建。重放场上的特定点(或图像像素)与特定光调制元件(或全息图像素) 之间不存在一对一的相关性。换句话说，离开光调制层的调制光分布在重放场上。

在这些实施例中，全息重建在空间中的位置由傅里叶变换透镜的屈光度 (聚焦)功率确定。在图1所示的实施例中，傅立叶变换透镜是物理透镜。也就是说，傅立叶变换透镜是光学傅立叶变换透镜，并且光学地执行傅立叶变换。任何透镜都可以作为傅里叶变换透镜，但透镜的性能将限制其执行的傅里叶变换的精度。技术人员理解如何使用透镜来执行光学傅里叶变换。

全息图计算

在一些实施例中，计算机生成的全息图是傅立叶变换全息图或者简称为傅立叶全息图或基于傅立叶的全息图，其中通过利用正透镜的傅立叶变换特性在远场中重建图像。通过将重放平面中的期望光场傅立叶变换回透镜平面来计算傅立叶全息图。可以使用傅立叶变换来计算计算机生成的傅里叶全息图。

可以使用算法比如Gerchberg-Saxton算法来计算傅立叶变换全息图。此外，Gerchberg-Saxton算法可用于从空间域中的仅振幅信息(比如照片)计算傅里叶域中的全息图(即傅里叶变换全息图)。从空间域中的仅振幅信息有效地“检索”与物体相关的相位信息。在一些实施例中，使用 Gerchberg-Saxton算法或其变型从仅振幅信息计算计算机生成的全息图。

Gerchberg Saxton算法考虑了分别在平面A和B中的光束I_A(x,y)和I_B(x, y)的强度横截面已知并且I_A(x,y)和I_B(x,y)通过单个傅立叶变换相关的情况。利用给定的强度横截面，分别找到平面A和B中的相位分布的近似值Ψ_A(x, y)和Ψ_B(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程找到该问题的解决方案。更具体地，Gerchberg-Saxton算法迭代地应用空间和频谱约束，同时在空间域和傅立叶(频谱或频率)域之间重复传输代表I_A(x,y)和I_B(x,y)的数据集(幅度和相位)。通过算法的至少一次迭代获得频谱域中的相应的计算机生成的全息图。该算法是收敛的并且布置成产生表示输入图像的全息图。全息图可以是仅振幅全息图、仅相位全息图或全复数全息图。

在一些实施例中，使用基于比如在英国专利2498170或2501112中所述的Gerchberg-Saxton算法的算法计算仅相位全息图，它们的全部内容通过引用并入本文。然而，这里公开的实施例仅通过示例的方式描述了计算仅相位全息图。在这些实施例中，Gerchberg-Saxton算法检索数据集的傅里叶变换的相位信息Ψ[u，v]，其产生已知的幅度信息T[x，y]，其中幅度信息T[x， y]代表目标图像(例如照片)。由于幅度和相位在傅立叶变换中固有地组合，因此变换的幅度和相位包含关于计算的数据集的准确度的有用信息。因此，该算法可以与对幅度和相位信息的反馈一起迭代地使用。然而，在这些实施例中，仅使用相位信息Ψ[u，v]作为全息图以形成图像平面处的目标图像的全息代表。全息图是相位值的数据集(例如2D阵列)。

在其他实施例中，基于Gerchberg-Saxton算法的算法用于计算全复数全息图。全复数全息图是具有幅度分量和相位分量的全息图。全息图是包括复数数据值阵列的数据集(例如2D阵列)，其中每个复数数据值包括幅度分量和相位分量。

在一些实施例中，算法处理复数数据，傅立叶变换是复傅里叶变换。复数数据可被认为包括(i)实部和虚部或(ii)幅度分量和相位分量。在一些实施例中，在算法的各个阶段不同地处理复数数据的两个分量。

图2A示出了根据一些实施例的用于计算仅相位全息图的算法的第一次迭代。算法的输入是包括2D像素或数据值阵列的输入图像210，其中每个像素或数据值是幅度或振幅值。也就是说，输入图像210的每个像素或数据值不具有相位分量。因此，输入图像210可被认为是仅幅度或仅振幅或仅强度分布。这种输入图像210的示例是包括时间序列帧的照片或一帧视频。算法的第一次迭代以数据形成步骤202A开始，包括使用随机相位分布(或随机相位种子)230将随机相位值分配给输入图像的每个像素，以形成起始复数数据集，其中该数据集的每个数据元素包括幅度和相位。可以说起始复数数据集代表空间域中的输入图像。

第一处理块250接收起始复数数据集并执行复傅立叶变换以形成傅里叶变换的复数数据集。第二处理块253接收傅立叶变换的复数数据集并输出全息图280A。在一些实施例中，全息图280A是仅相位全息图。在这些实施例中，第二处理块253量化每个相位值并将每个振幅值设置为1，以便形成全息图280A。根据可以在空间光调制器的像素上表示的相位电平量化每个相位值，空间光调制器将用于“显示”仅相位全息图。例如，如果空间光调制器的每个像素提供256个不同的相位电平，则全息图的每个相位值被量化为 256个可能相位电平中的一个相位电平。全息图280A是代表输入图像的仅相位傅立叶全息图。在其他实施例中，全息图280A是全复数全息图，其包括从接收的傅里叶变换的复数数据集导出的复数数据值阵列(每个包括振幅分量和相位分量)。在一些实施例中，第二处理块253将每个复数数据值约束到多个可允许的复调制级之一以形成全息图280A。约束步骤可以包括将每个复数数据值设置为复平面中最接近的可允许复调制级。可以说全息图 280A代表频谱或傅里叶或频域中的输入图像。在一些实施例中，算法在此时停止。

然而，在其他实施例中，算法继续，如图2A中的虚线箭头所示。换句话说，图2A中虚线箭头后面的步骤是可选的(即对所有实施例并非是必需的)。

第三处理块256从第二处理块253接收修改的复数数据集，并执行逆傅立叶变换以形成逆傅立叶变换的复数数据集。可以说逆傅立叶变换的复数数据集代表空间域中的输入图像。

第四处理块259接收逆傅立叶变换的复数数据集，并提取幅度值211A 的分布和相位值213A的分布。可选地，第四处理块259评估幅度值211A 的分布。具体地，第四处理块259可以将逆傅里叶变换的复数数据集的幅度值211A的分布与输入图像510进行比较，输入图像510本身当然是幅度值的分布。如果幅度值211A的分布和输入图像210之间的差异足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是可接受的。也就是说，如果幅度值211A 的分布和输入图像210之间的差异足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是输入图像210的足够精确的代表。在一些实施例中，为了比较的目的，忽略逆傅立叶变换的复数数据集的相位值213A的分布。应当理解，可以采用用于比较幅度值211A的分布和输入图像210的任何数量的不同方法，并且本公开不限于任何特定方法。在一些实施例中，计算均方差，并且如果均方差小于阈值，则认为全息图280A是可接受的。如果第四处理块259 确定全息图280A不可接受，则可以执行算法的进一步迭代。然而，该比较步骤不是必需的，并且在其他实施例中，所执行的算法的迭代次数是预定的或预设的或用户定义的。

图2B表示算法的第二次迭代以及算法的任何进一步迭代。通过算法的处理块反馈前一次迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布以有利于输入图像210的幅度值的分布。在第一次迭代中，数据形成步骤202A 通过组合输入图像210的幅度值的分布与随机相位分布230来形成第一复数数据集。然而，在第二次和后续迭代中，数据形成步骤202B包括通过组合 (i)来自算法的前一次迭代的相位值213A的分布与(ii)输入图像210的幅度值的分布来形成复数数据集。

然后，以参考图2A描述的相同方式处理由图2B的数据形成步骤202B 形成的复数数据集，以形成第二迭代全息图280B。因此，此处不再重复对该过程的解释。当已经计算出第二迭代全息图280B时，算法可以停止。然而，可以执行算法的任何数量的进一步迭代。应当理解，仅在需要第四处理块259或需要进一步迭代时才需要第三处理块256。输出全息图280B通常在每次迭代时变得更好。然而，在实践中，通常达到一个点，在该点处没有观察到可测量的改进或者执行进一步迭代的积极益处被额外处理时间的负面影响超出加权。因此，该算法被描述为迭代和收敛。

图2C表示第二次和后续迭代的替代实施例。通过算法的处理块反馈前一次迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布有利于幅度值的替代分布。在该替代实施例中，幅度值的替代分布是从前一次迭代的幅度值 211的分布导出的。具体地，处理块258从前一次迭代的幅度值211的分布中减去输入图像210的幅度值的分布，将该差异缩放增益因子α并从输入图像210中减去缩放的差异。这在数学上通过以下等式表示，其中下标文本和数字表示迭代次数：

R_n+1[x,y]＝F'{exp(iψ_n[u,v])}

ψ_n[u,v]＝∠F{η·exp(i∠R_n[x,y])}

η＝T[x,y]-α(|R_n[x,y]|-T[x,y])

其中：

F'是逆傅立叶变换；

F是前向傅立叶变换；

R[x，y]是第三处理块256输出的复数数据集；

T[x，y]是输入或目标图像；

∠是相位分量；

Ψ是仅相位全息图280B；

η是幅度值211B的新分布；以及

α是增益因子。

增益因子α可以是固定的或可变的。在一些实施例中，基于输入目标图像数据的大小和速率确定增益因子α。在一些实施例中，增益因子α取决于迭代次数。在一些实施例中，增益因子α仅是迭代次数的函数。

图2C的实施例在所有其他方面与图2A和图2B的实施例相同。可以说仅相位全息图Ψ(u，v)包括频率或傅里叶域中的相位分布。

在一些实施例中，使用空间光调制器执行傅立叶变换。具体地，全息图数据与提供光学功率的第二数据组合。也就是说，写入空间光调制的数据包括表示物体的全息数据和代表透镜的透镜数据。当在空间光调制器上显示并用光照射时，透镜数据模拟物理透镜—也就是说，它以与相应物理光学器件相同的方式将光带到焦点。因此，透镜数据提供光学或聚焦功率。在这些实施例中，可以省略图1的物理傅立叶变换透镜120。在计算机生成的全息术领域中已知如何计算代表透镜的数据。代表透镜的数据可以称为软件透镜。例如，可以通过计算由于其折射率和空间变化的光学路径长度而由透镜的每个点引起的相位延迟来形成仅相位透镜。例如，凸透镜中心的光学路径长度大于透镜边缘的光学路径长度。仅振幅透镜可以由菲涅耳波带片形成。在计算机生成的全息术领域中还已知如何将表示透镜的数据与全息图组合，使得可以在不需要物理傅立叶透镜的情况下执行全息图的傅里叶变换。在一些实施例中，透镜数据通过简单相加(比如简单矢量相加)与全息图组合。在一些实施例中，物理透镜与软件透镜结合使用以执行傅里叶变换。可替代地，在其他实施例中，完全省略傅里叶变换透镜，使得全息重建发生在远场中。在进一步的实施例中，全息图可以以相同的方式与光栅数据(即布置为执行光栅功能例如光束转向的数据)组合。同样，在计算机生成的全息术领域中已知如何计算这样的数据。例如，可以通过对由闪耀光栅的表面上的每个点引起的相位延迟进行建模来形成仅相位光栅。仅振幅光栅可以简单地与仅振幅全息图叠加，以提供全息重建的角度转向。

在一些实施例中，傅立叶变换由物理傅立叶变换透镜和软件透镜共同执行。也就是说，有助于傅立叶变换的一些光学功率由软件透镜提供，并且有助于傅里叶变换的其余光学功率由一个或多个物理光学器件提供。

在一些实施例中，提供了实时引擎，其布置成使用该算法实时接收图像数据并计算全息图。在一些实施例中，图像数据是包括图像帧序列的视频。在其他实施例中，全息图被预先计算，存储在计算机存储器中并根据需要被调用以在SLM上显示。也就是说，在一些实施例中，提供了预定全息图的储存库。

实施例仅作为示例涉及傅立叶全息术和Gerchberg-Saxton型算法。本公开同样适用于通过诸如基于点云方法的其他技术计算的菲涅耳全息术和全息图。

光调制

空间光调制器可用于显示包括计算机生成的全息图的衍射图案。如果全息图是仅相位全息图，则需要调制相位的空间光调制器。如果全息图是全复数全息图，则可以使用调制相位和振幅的空间光调制器，或者可以使用调制相位的第一空间光调制器和调制振幅的第二空间光调制器。

在一些实施例中，空间光调制器的光调制元件(即像素)是包含液晶的单元。也就是说，在一些实施例中，空间光调制器是液晶器件，其中光学有源部件是液晶。每个液晶单元配置为选择性地提供多个光调制级。也就是说，每个液晶单元在任何一个时间配置为在从多个可能的光调制级中选择的一个光调制级下操作。每个液晶单元可动态地重新配置为与多个光调制级不同的光调制级。在一些实施例中，空间光调制器是反射式硅基液晶(LCOS) 空间光调制器，但是本公开不限于这种类型的空间光调制器。

LCOS器件在小孔(例如宽度为几厘米)内提供密集的光调制元件或像素阵列。像素通常约为10微米或更小，这导致几度的衍射角，意味着光学系统可以是紧凑的。与其他液晶设备的较大孔相比，更容易充分照射LCOS SLM的小孔。LCOS器件通常是反射的，这意味着驱动LCOS SLM的像素的电路可以埋在反射表面下。结果是更高的孔比。换句话说，像素紧密堆积，意味着像素之间存在非常小的死区。这是有利的，因为它减少了重放场中的光学噪声。LCOS SLM使用硅背板，其优点是像素是光学平坦的。这对于相位调制装置尤其重要。

下面仅通过举例的方式参考图3描述合适的LCOS SLM。使用单晶硅基板302形成LCOS器件。它具有由间隙301a隔开的方形平面铝电极301的 2D阵列，布置在基板的上表面上。每个电极301可以通过埋在基板302中的电路302a寻址。每个电极形成相应的平面镜。取向层(alignment layer) 303设置在电极阵列上，液晶层304设置在取向层303上。第二取向层305 设置在平面透明层306上，例如是玻璃。单个透明电极307(例如ITO)设置在透明层306和第二取向层305之间。

每个方形电极301与透明电极307的上覆区域和插入的液晶材料一起限定可控相位调制元件308，通常称为像素。考虑到像素301a之间的空间，有效像素区域或填充因子是光学有源的总像素的百分比。通过控制施加到每个电极301的相对于透明电极307的电压，可以改变相应相位调制元件的液晶材料的特性，从而为入射在其上的光提供可变的延迟。效果是向波前提供仅相位调制，即不发生振幅效应。

所描述的LCOS SLM以反射输出空间调制的光。反射LCOS SLM的优势在于信号线、栅极线和晶体管位于镜面下方，从而产生高填充因子(通常大于90％)和高分辨率。使用反射LCOS空间光调制器的另一个优势在于液晶层的厚度可以是使用透射器件时所需厚度的一半。这极大地提高了液晶的切换速度(移动视频图像投影的关键优势)。然而，本公开的教导同样可以使用透射LCOS SLM来实现。

平视显示器

图4示出了诸如汽车的车辆中的HUD。车辆的挡风玻璃430和发动机罩(或引擎罩)435如图4所示。HUD包括图片生成单元“PGU”410和光学系统420。图4所示的光学系统420包括仅通过示例说明的两个镜子。本公开同样适用于包括任何数量镜子(包括仅一个镜子)的光学系统。

PGU410包括光源、光接收表面和处理器(或计算机)，其布置成计算机控制图片的图像内容。PGU410布置成在光接收表面上生成图片或图片序列。光接收表面可以是屏幕或漫射器。在一些实施例中，光接收表面是塑料的(即由塑料制成)。

光学系统420包括输入端口、输出端口、第一镜子421和第二镜子422。第一镜子421和第二镜子422布置成将光从光学系统的输入端口引导到光学系统的输出端口。更具体地，第二镜子422布置成从PGU410接收图片的光，第一镜子421布置成从第二镜子422接收图片的光。第一镜子421还布置成将所接收的图片的光反射到输出端口。因此，从输入端口到输出端口的光学路径包括从输入到第二镜子422的第一光学路径423(或第一光学路径分量)和从第二镜子422到第一镜子421的第二光学路径424(或第二光学路径分量)。当然，从第一镜子到输出端口有第三光学路径(或光学路径分量)，但在图4中没有给出附图标记。由于光学路径的形状，图4所示的光学配置可被称为“z折叠”配置。

HUD配置和定位在车辆内，使得来自光学系统420的输出端口的图片的光入射在挡风玻璃430上并且至少部分地被挡风玻璃430反射到HUD的用户440。因此，在一些实施例中，光学系统布置成通过将空间调制的光反射离开挡风玻璃来形成挡风玻璃中的每个图片的虚拟图像。HUD的用户440 (例如汽车的驾驶员)在挡风玻璃430中看到图片的虚拟图像450。因此，在实施例中，光学系统布置成在车辆的挡风玻璃上形成每个图片的虚拟图像。虚拟图像450形成在汽车的发动机罩435下方的一定距离处。例如，虚拟图像可以距用户440为1至2.5米。光学系统420的输出端口与汽车仪表板中的孔对准，使得图片的光由光学系统420和挡风玻璃430引导至用户 440。在该配置中，挡风玻璃430用作光学组合器。在一些实施例中，光学系统布置成在包括在系统中的附加光学组合器上形成每个图片的虚拟图像。挡风玻璃430或附加光学组合器(如果包括的话)将来自现实世界场景的光与图片的光组合。因此可以理解，HUD可以提供包括图片的虚拟图像的增强现实。例如，增强现实信息可以包括导航信息或与机动车辆的速度有关的信息。在一些实施例中，形成图片的光通过以布鲁斯特角(也称为偏振角) 入射在挡风玻璃上或在布鲁斯特角的5度内(比如布鲁斯特角的2度内)输出。

在一些实施例中，第一镜子和第二镜子布置成折叠从输入到输出的光学路径，以便增加光学路径长度而不会过度增加HUD的物理尺寸。

形成在PGU410的光接收表面上的图片的宽度和高度可以仅为几厘米。因此，第一镜子421和第二镜子422共同或单独地提供放大率。也就是说，第一镜子和/或第二镜子可以具有光学功率(即屈光力或聚焦力)。因此，用户440看到由PGU形成的图片的放大的虚拟图像450。第一镜子421和第二镜子422还可以校正光学畸变，比如由通常具有复杂弯曲形状的挡风玻璃 430引起的光学畸变。折叠的光学路径和镜子中的光学功率一起允许适当放大图片的虚拟图像。

本公开的PGU410包括全息投影仪和诸如屏幕或漫射器的光接收表面。根据以上公开内容，全息投影仪包括光源、空间光调制器和全息图处理器。空间光调制器布置成根据空间光调制器上表示的全息图对空间进行光调制。全息图处理器布置成提供计算机生成的全息图。在一些实施例中，全息图处理器选择计算机生成的全息图，用于从包括多个计算机生成的全息图的储存库(例如存储器)输出。在其他实施例中，全息图处理器实时计算并输出计算机生成的全息图。在一些实施例中，由PGU410形成的每个图片是光接收表面上的全息重建。也就是说，在一些实施例中，每个图片通过光接收表面处的空间调制光的干涉形成。

车辆的仪表板包括孔，因为HUD需要到挡风玻璃的光学路径(优选的是无障碍的光学路径)。然而，挡风玻璃和HUD之间的这种光学路径同样允许诸如太阳光460的环境光进入HUD。这导致如本文所述的各种问题。因此，HUD通常还包括上壳体470，其包含下面参考图6和7进一步描述的太阳能对策。在示例中，第一镜子也是布置成滤除红外辐射的冷镜。冷镜可以反射可见光但传输红外“IR”光。在其他示例中，第一镜子421是所谓的热/ 冷镜，其至少部分地滤除IR和紫外“UV”光。图5示出了作为光学波长(x 轴)的函数的示例性热/冷镜的反射率(y轴)。

图6A示出了下(或第一)壳体625，其包括具有挡风玻璃630和仪表板680的车辆中的平视显示器的光学系统。下壳体至少包括光学系统的第一镜子621和其他部件(为简单起见未在图中示出)。平视显示器包括包含太阳能对策的上(或第二)壳体670。具体地，上壳体670包括光阱674和盖玻璃672。盖玻璃672是反射的并且是弯曲的，例如通常为抛物线形或椭圆形。参考图6B可以更好地理解太阳能对策的功能。

图6B示出了平视显示器的所谓的眼睛盒690，其是可以观看HUD图像 (图片的虚拟图像)的空间区域。如果观看者的眼睛在眼睛盒内，则将看到 HUD图像。如果观看者的眼睛在眼睛盒外，则不会看到HUD图像。眼睛盒 690足以容纳高矮驾驶员并且允许在驾驶期间正常的头部运动。图6B示出了包含形成HUD图像的来自下壳体625的光线的体积685。图6B还示出了盖玻璃672如何弯曲成使得穿过挡风玻璃630并到达盖玻璃672的太阳光线比如太阳光线A不会从挡风玻璃的内表面反射并进入驾驶员的眼睛。传统上，盖玻璃672的曲率使得从盖玻璃672和挡风玻璃的内表面反射的太阳光线比如太阳光线A向下指向驾驶员的胸部区域，如图6B所示。应当理解，尽管从挡风玻璃内表面的反射可能小于4％(如果挡风玻璃被涂覆的话则可能甚至仅为0.1％)，但是太阳光的峰值强度使这些反射在HUD中成为问题。弯曲盖玻璃672增加了制造复杂性并增加了HUD的体积。

上壳体的第二部件是光阱674。光阱674是物理挡板，其遮挡HUD的其他部件免受一些太阳光照射。特别地，光阱674通常遮挡相对浅的太阳光 (即当太阳在天空中相对较低时的太阳光—例如太阳光线B)，使得它不会到达盖玻璃672。

图7示出了本发明的一实施例，其中盖玻璃772A基本上是平坦的，并且设置有层772B，其模仿或复制弯曲的盖玻璃的曲率。也就是说，层772B 提供弯曲的盖玻璃比如盖玻璃672的等同或相同的光学功能。层772B可以是设置在盖玻璃772A上的平坦层或者层772B可以是盖玻璃772A的结构化表面层。盖玻璃772A的结构化表面层可以通过例如机械加工、压制、蚀刻等处理盖玻璃772A的表面来形成。盖玻璃772A和层772B可以是一体的。盖玻璃772A和层772B可以一体形成。在这些实施例中，可以说盖玻璃772A 包括层772B。可替代地，层772B可以不与盖玻璃772A成一体。层772B 可以是已经附接或固定到盖玻璃772A上的独立形成的部件。在一些实施例中，层772B是在盖玻璃772A上的涂层。结构化表面层可包括肉眼不可见的特征。在一些实施例中，层772B通过衍射或折射所接收的太阳光来提供弯曲的盖玻璃的曲率的功能。也就是说，层772B是衍射、反射和/或折射结构。尽管盖玻璃672被称为玻璃，但是应该理解，它不一定由玻璃制成。更一般地，盖玻璃772A是在光学波长下基本透明的光学窗口。

层772B主要布置成减轻可由具有相对大的仰角的太阳光的反射引起的问题。这种太阳光可以从盖玻璃反射，然后从光学组合器的内表面反射并进入眼睛盒。仰角是射线与地平线形成的角度。层772B通常布置成处理具有的仰角大于阈值仰角的第一太阳光线。更具体地，层772B布置成偏转从盖玻璃772A且然后是光学组合器630反射的任何太阳光线，使得它们不与眼睛盒相交。光阱674通常布置成减轻可由具有相对低仰角的太阳光线引起的问题。更具体地，光阱674通常布置成处理具有的仰角小于阈值仰角的第二太阳光线。光阱674尽可能多地遮挡盖玻璃772免受太阳光照射，而不阻挡包含形成HUD图像的来自下壳体625的光线的体积685。可以优选地使光阱674的尺寸最大化，以便最小化对层772B施加的要求以减轻反射的太阳光的影响。在一些实施例中，光阱674和盖玻璃672基本上邻接或连接或者形成基本上连续的结构。光阱674和盖玻璃672的尺寸、形状和位置在很大程度上决定了车辆、仪表板和眼睛盒的参数。光线跟踪用于以根据用例为基础的用例确定盖玻璃672、光阱674和层772B的关键参数。在实践中，对第二壳体提出了很高的要求，并且它必须处理在很大角度范围内入射的太阳光的反射。层772B确保没有直接或间接的光线路径用于由盖玻璃772A反射到眼睛盒中的太阳光。

在一些实施例中，层772B是全息图。全息图可以是介质中的固定全息记录，其不应与在图片生成单元的空间光调制器上显示的动态可重构全息图混淆。全息记录介质可以是光聚合物或卤化银乳剂。可以漂白卤化银乳剂用于相全息术。全息记录介质也可以是重铬酸盐明胶。全息图可以是薄的或厚的全息图。可替代地，全息图可以是可切换的布拉格光栅或可切换的体积全息元件。在本领域中已知如何计算机生成或光学记录以预定方式改变光轨迹或转向光束的全息图。在一些实施例中，全息图包括如上所述的光束转向功能，比如可在空间光调制器上显示以转向光的光栅功能。在计算机生成的全息术中已经很好地建立了可如何挑选(例如计算或选择)光栅的参数，比如周期和定向，以确定偏转的大小和方向。光束转向功能可以是常规光栅、 Ronchi光栅或棱镜。更具体地，光束转向功能是对应于常规光栅、Ronchi 光栅或棱镜的光调制级的分布。也就是说，全息图是提供常规光栅、Ronchi光栅或棱镜的光学功能的光束转向功能。

在一些实施例中，层772B是对应于弯曲表面的菲涅耳结构。在一些实施例中，菲涅耳结构对应于凹面。菲涅耳结构可以是菲涅耳衍射图案。在本领域中已知如何形成对应于弯曲表面(即提供其光学功能)的菲涅耳结构。菲涅耳结构基于所需的偏转大小来计算。菲涅耳结构定向成提供所需的偏转方向。菲涅耳结构可以是通过例如模制和压制在塑料盖玻璃上形成的结构化表面图案。

在一些实施例中，层772B是包括亚波长介电结构和亚波长金属结构的亚波长周期阵列的超材料。在本领域中已知如何设计以预定方式改变光轨迹的超材料。

在一些实施例中，层772B是渐变折射率层，其中折射率随着距其中心的距离而变化。光学设计领域的技术人员将知道如何设计渐变折射率层以使光偏转预定量。

在一些实施例中，在空间光调制器上显示的计算机生成的全息图与补偿层772B的光学效果的软件透镜组合。在一些实施例中，层772B具有光学功率，比如正或负光学功率，并且软件透镜具有光学功率以补偿层772B的光学功率。

在一些实施例中，提供了两层。例如，两层可以是盖玻璃的两个表面层。更具体地，在一些实施例中，盖玻璃基本上是平面的并且具有第一和第二主表面(其是具有最大表面积的两个表面/面)，每个主表面包括布置成如本文所述使光偏转的层。在一些实施例中，两层包括对应于相同凹面的菲涅耳结构。在一些实施例中，盖玻璃772A包括布置成接收太阳光的第一结构化表面层和布置成接收图片光的第二结构化表面层。第一结构化表面层和第二结构化表面层是对应于相同凹面的菲涅耳结构。因此，盖玻璃772A是平行面的。这是有两个原因的优点：首先，盖玻璃772A的两个表面可以将太阳光反射到眼睛盒690，因此如果两个表面都具有光学功率则是有利的；第二，两个菲涅耳表面相等且相对，使得盖玻璃772A不影响HUD图像，因为该层足够薄，使得第一菲涅耳表面被第二菲涅耳表面抵消。换句话说，盖玻璃 772A不具有光学功率，因为它薄且是平行面的。

图8A示出了根据一些实施例的包括两个结构化表面的第一示例菲涅耳结构。图8A中所示的每个菲涅耳表面(顶部和底部)的周期性p是恒定的，但是光接收表面的斜率从左向右增加以模仿弯曲表面。图8B示出了根据一些实施例的包括两个结构化表面的第二示例菲涅耳结构。图8B中所示的每个菲涅耳表面(顶部和底部)的高度h是恒定的，但光接收表面的斜率也从左向右增加以模仿弯曲表面。在图8A和8B中，从上方接收太阳光，因此每个结构化表面对应于凹面。每个菲涅耳表面的周期性可以是0.1mm的量级。每个菲涅耳表面的高度可以为0.01mm的量级。在本领域中已知如何制造这种结构，并且本领域技术人员将理解如何设计每个菲涅耳结构的周期性和高度以实现所需的有效曲率。图8A和8B中所示的菲涅耳结构可以是设置在盖玻璃772A上的层772B。然而，在优选的配置中，盖玻璃772A被加工成具有所示的两个结构化表面层。值得注意的是，提供紧密间隔的平行面确保HUD图像不被所提供的结构扭曲。

可替代地或另外，层772B可以设计成使得它对图片光的波长是透明的并且对其他光学波长的光是反射的。本领域技术人员将理解，这可以通过在图片光的波长下提供“凹口”比如在反射结构中的透射凹口来实现。特别地，在一些实施例中，图片光包括红色、绿色和/或蓝色激光。在这些实施例中，可以说层772B包括激光线选择性滤波。也就是说，层772B布置为提供激光线选择性滤波。可替代地，可以说层772B包括激光线选择性滤波器。此外，滤波器可以设计成用于接收图片光的角度。也就是说，激光线选择性滤波包括传输在第一入射角范围接收的激光线波长。激光线选择性滤波可以包括反射或吸收在第一范围之外的角度接收的激光线波长。在一些实施例中，激光线选择性滤波可以包括反射在第二角度范围接收的其他波长(非激光线波长)的光，其中第二角度范围对应于可能的太阳光角度的范围。在一些实施例中，该层还包括波长选择性和角度选择性滤波。在一些实施例中，该层包括结合本文所述功能的体积全息图。

激光线选择性滤波器对图片生成单元的光源的波长具有选择性。更具体地，激光线选择性滤波器布置成允许在形成图片的光的波长下通过盖玻璃传播光，但是滤除包括其他可见波长的其他光学波长。激光线选择性滤波器的光学性能不同于例如冷镜、热镜或热/冷镜的光学性能，因为激光线选择性滤波器另外滤除一些可见波长。由于激光线选择性滤波器透射的窄带宽，激光线选择性滤波器的光学性能进一步不同于冷镜或热/冷镜的光学性能。在一些实施例中，激光线选择性滤波器在以中心波长为中心的波长带内是透射的，并且具有小于30nm的全波半最大值，比如小于15nm或小于5nm。

在一些实施例中，图片生成单元包括布置为发射第一波长的光的光源。图片生成单元还包括空间光调制器，其布置成接收来自光源的光并根据在空间光调制器上表示的计算机生成的全息图输出空间调制的光，以在光接收表面上形成相应的图片。在一些实施例中，层772B包括激光线选择性滤波器，其在第一波长下具有选择性。在一些实施例中，激光线选择性组分是该层的其他组分上的涂层或盖玻璃上的涂层。

在一些实施例中，激光线选择性滤波器在第一波长下基本上是透射的并且在其他光学波长下基本上是非透射的，比如是反射的。在一些实施例中，激光线选择性滤波器在第一波长、第二波长和第三波长下基本上是透射的，而在其他光学波长下基本上是非透射的，比如是反射的，其中第一、第二和第三波长是图片光的波长。

在一些实施例中，HUD提供多色显示。在这些实施例中，图像生成单元还包括第二光源、第二空间光调制器、第三光源和第三空间光调制器。第二光源布置成发射第二波长的光。第二空间光调制器布置成从第二光源接收第二波长的光，并根据在第二空间光调制器上表示的第二计算机生成的全息图输出第二空间调制光，以在光接收表面上形成相应的第二图片。第三光源布置成发射第三波长的光。第三空间光调制器布置成从第三光源接收第三波长的光，并根据在第三空间光调制器上表示的第三计算机生成的全息图输出第三空间调制光，以在光接收表面上形成相应的第三图片。

在一些实施例中，HUD提供复合彩色显示。在这些实施例中，图片、第二图片和第三图片基本上重合，并且光学系统布置成对图片、第一图片和第二图片进行成像。在一些实施例中，光学系统布置为同时对图片、第一图片和第二图片进行成像。可以说图片的光包括多个波长的光。

在一些实施例中，HUD提供RGB彩色显示，其中第一波长为 425+/-20nm，第二波长为525+/-20nm，第三波长为640+/-20nm。

在一些实施例中，每个光源可选地发射基本上单色的光，其中每个光源是激光器。可以理解，这些实施例提供了与激光线选择性滤波的协同作用。在一些实施例中，每个激光器发射的光的中心波长与激光线选择性滤波器的中心波长一致。

在一些实施例中，层772B还包括偏振选择性滤波。也就是说，层772B 布置为提供偏振选择性滤波。可替代地，可以说层772B包括偏振选择性滤波器。可以包括偏振选择性滤波器代替激光线选择性滤波器或者以及包括激光线选择性滤波器。在一些实施例中，偏振选择性滤波器是线栅偏振器。

偏振选择性滤波器布置成允许通过光学系统传播在第一方向上偏振的光，包括图片的光(即形成图片的光)。偏振选择性滤波器布置成滤除(即从光学系统移除)在第二方向上偏振的光或者滤除在第二方向上偏振的非偏振光的分量，其中第一方向垂直于第二方向。例如，偏振选择性滤波器801 可以吸收在第二方向上偏振的光。同样，在一些实施例中，由第一壳体输出的形成图片的光将以布鲁斯特角(也称为偏振角)入射在挡风玻璃上或者在布鲁斯特角的5度内，比如在布鲁斯特角的2度内。可以理解的是，在这些实施例中，挡风玻璃基本上反射在第一方向上偏振的所有光。换句话说，第一方向使得来自光学系统的形成图片的基本上所有(偏振)光被挡风玻璃反射。该词基本上用于反射在光以接近布鲁斯特角的角度入射在挡风玻璃上的示例中的光，可能无法实现完美的偏振分离。在一些实施例中，光以55至 75度的角度(比如60至70度)入射在挡风玻璃上。在这些实施例中，光源布置成发射在第一方向上偏振的光，并且可选地以第一波长。在一些实施例中，偏振选择性组分是该层的其他组分上的涂层或盖玻璃上的涂层。

在一些实施例中，偏振选择性滤波器对于在第一方向上偏振的光基本上是透射的并且对在第二方向上偏振的光基本上是不透射的，其中第一方向垂直于第二方向。

偏振选择性滤波器可以结合在提供单色图片的显示器或提供如上所述的多色图片的显示器中。应该理解，偏振选择性滤波器的光学性能可以是波长相关的。例如，偏振选择性滤波器可以仅在波长范围内或在多个波长范围内是偏振选择性的。在实施例中，图片的光包括多个波长的光，如上所述。偏振选择性滤波器在多个波长下具有偏振选择性。在一些实施例中，偏振选择性滤波器在第一波长、第二波长和第三波长下具有偏振选择性。可以理解，与激光线选择性滤波器一样，偏振选择性滤波器可以具有一个或多个中心波长，在该中心波长下优化滤波。一个或多个中心波长可以以上述方式包括带宽。

从所描述的实施例可以理解，该层可以提供光选择性滤波器。光选择性滤波可以包括激光线选择性滤波和/或偏振选择性滤波。

一些实施例使用挡风玻璃作为光学组合器，但光学组合器可替代地是挡风玻璃前面比如仪表板上的弹出光学组合器。

附加特征

实施例仅作为示例涉及电激活的LCOS空间光调制器。本公开的教导同样可以在能够显示根据本公开的计算机生成的全息图的任何空间光调制器上实现，例如任何电激活的SLM、光学激活的SLM、数字微镜器件或微机电设备。

Claims

1.一种用于车辆的平视显示器，所述平视显示器具有第一壳体，所述第一壳体包括：

图片生成单元，布置成输出图片，其中，所述图片生成单元包括：光源，其布置成发射光；和空间光调制器，其布置成接收来自光源的光并根据在空间光调制器上显示的计算机生成的光调制图案对光进行空间调制，以形成对应于每个图片的全息重建；以及

光学系统，其布置成接收由所述图片生成单元输出的图片，并使用光学组合器对图片进行中继，以形成每个图片的虚拟图像，其中，所述光学组合器将由图片生成单元输出的光与来自现实世界场景的光组合，以将组合图像呈现给眼睛盒内的观看者，

其中，所述平视显示器还包括设置在所述第一壳体和光学组合器之间的第二壳体，其中，所述第二壳体包括：

基本上平坦的盖玻璃，其布置成保护第一壳体，和其布置成改变光的轨迹的层，使得由所述盖玻璃反射的任何太阳光偏离眼睛盒。

2.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述层对于以第一角度范围入射的图片的光是透射的，并且对于以第二角度范围入射的其他波长的光基本上是反射的。

3.如前述权利要求中任一项所述的平视显示器，其中，所述层设置在所述盖玻璃上。

4.如权利要求1或2所述的平视显示器，其中，所述层是所述盖玻璃的结构化表面层。

5.如前述权利要求中任一项所述的平视显示器，其中，所述层包括全息图。

6.如权利要求1至4中任一项所述的平视显示器，其中，所述层包括对应于凹面的菲涅耳结构。

7.如权利要求1至4中任一项所述的平视显示器，其中，所述层包括超材料。

8.如权利要求1至4中任一项所述的平视显示器，其中，所述层包括渐变折射率层，其中折射率随着距其中心的距离而变化。

9.如前述权利要求中任一项所述的平视显示器，其中，所述第二壳体还包括光阱，其布置成部分地遮挡所述盖玻璃免受太阳光照射。

10.如前述权利要求中任一项所述的平视显示器，其中，所述层具有光学功率，并且每个计算机生成的光调制图案包括图片的计算机生成的全息图和具有补偿所述层的光学功率的光学功率的软件透镜功能。

11.如权利要求1至10中任一项所述的平视显示器，其中，所述第二壳体包括与所述第一层相同的第二层，使得所述第一和第二层形成平行面。

12.如前述权利要求中任一项所述的平视显示器，其中，所述光学组合器是车辆的挡风玻璃。