CN112219168A

CN112219168A - 图像投影仪

Info

Publication number: CN112219168A
Application number: CN201980037553.5A
Authority: CN
Inventors: J.克里斯马斯
Original assignee: Envisics Ltd
Current assignee: Envisics Ltd
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2021-01-12
Also published as: GB2575651B; KR102609976B1; US11938816B2; GB2575651A; US20210252978A1; WO2020016214A1; US11964561B2; GB201811705D0; KR20210003853A; KR20230166153A; US20210331589A1

Abstract

提供了一种用于具有窗户的车辆的平视显示器。平视显示器包括图片生成单元(410)和光学系统(420)。图片生成单元布置为输出图片。光学系统布置成接收由图片生成单元输出的图片，并将图片投影到车辆的窗户(430)上，以在虚拟图像区域(605)内形成每个图片的虚拟图像(450、707)。图片生成单元布置为在裁剪的图片区域内输出图片，使得虚拟图像区域(605)具有对应的裁剪形状。图7示出了三车道道路(501、502、503)的透视图，其上覆盖有裁剪的虚拟图像区域(605)内的虚拟图像(707)。

Description

图像投影仪

技术领域

本公开涉及投影仪和平视显示器。更具体地，本公开涉及用于车辆(比如机动车辆)的全息投影仪和平视显示器。本公开还涉及全息投影的方法、在平视显示器中投影虚拟图像的方法以及使用平视显示器在诸如挡风玻璃的窗户上显示虚拟图像的方法。

背景技术

从物体散射的光包含振幅和相位信息。可以通过众所周知的干涉技术在例如感光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回放图像。

计算机生成的全息术可以在数值上模拟干涉过程。可以通过基于数学变换(比如菲涅耳或傅立叶变换)的技术来计算计算机生成的全息图“CGH”。这些类型的全息图可被称为菲涅耳或傅立叶变换全息图。傅立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，还可以通过相干射线追踪或点云技术来计算CGH。

可以在布置为调制入射光的振幅和/或相位的空间光调制器“SLM”上对CGH进行编码。例如，可以使用电可寻址液晶、光学可寻址液晶或微镜来实现光调制。

SLM可包括多个单独可寻址像素，其也可以称为单元或元素。光调制方案可以是二进制、多级或连续的。可替代地，设备可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制可以在整个设备上是连续的。SLM可以是反射性的，这意味着调制光以从SLM反射输出。SLM可以同样是透射性的，这意味着调制光以从SLM透射输出。

可以使用本文描述的技术来提供用于成像的全息投影仪。例如，这种投影仪已经应用于平视显示器“HUD”和头戴式显示器“HMD”，其包括近眼设备。通常，在驾驶员的视场中定义矩形区域(在此称为虚拟图像区域)，平视显示器可以在该矩形区域中显示图像内容。

发明内容

本公开的各方面在所附的独立权利要求中定义。

本文公开了一种用于机动车辆的改进的HUD。HUD包括图片生成单元。该图片生成单元可以布置为生成包括信息内容(比如速度或导航信息)的图片。还提供了一种光学或投影系统，其布置为形成信息内容的虚拟图像。信息内容的虚拟图像可以在驾驶员操作机动车辆的同时在其适当观察位置处形成，比如在驾驶员的正常视场内。例如，信息内容的虚拟图像可以出现在距驾驶员的车辆引擎盖(或发动机罩)下方的距离处。信息内容的虚拟图像定位成不对驾驶员对场景的正常观察造成不利影响。信息内容的虚拟图像可能会覆盖在驾驶员对真实世界的观察上。信息内容是计算机生成的并且可以实时地进行控制或更新，以向驾驶员提供实时信息。

图片生成单元可以包括全息投影仪，其中图片是计算机生成的全息图的全息重建。图片可以形成在用作显示表面的光接收表面上。由于全息过程的效率及其与激光光源一起使用的固有适用性，因此基于以下完整描述的全息投影仪的HUD能够提供比当前可用竞争技术大得多的对比度。

平视显示器可以包括全息处理器。图片可以是全息重建。全息处理器可以布置成将计算机生成的全息图输出到空间光调制器。计算机生成的全息图可以布置成至少部分地补偿车辆的挡风玻璃的形状。

该系统可以布置成通过使空间调制光从挡风玻璃反射出而使用挡风玻璃来形成图片的虚拟图像。光源可以是激光器和/或图片的光可以是激光器的光。空间光调制器可以是硅基液晶空间光调制器。图片可以通过在光接收表面处的空间调制光的干涉过程来形成。每个计算机生成的全息图可以是图片的数学变换，可选的是傅立叶或菲涅耳变换。计算机生成的全息图可以是傅立叶或菲涅耳全息图。计算机生成的全息图可以是通过点云方法计算机生成的全息图。空间光调制器可以布置成对来自光源的光的相位进行空间调制。空间光调制器可以布置成对来自光源的光的振幅进行空间调制。

然而，一些实施例仅通过示例描述基于全息投影的图片生成单元。本公开同样适用于任何类型的图片生成单元，包括背光液晶显示器、激光扫描显示器、数字微镜装置“DMD”、荧光显示器和等离子显示器。

提供了一种用于具有窗户的车辆的平视显示器。平视显示器包括图片生成单元和投影引擎。图片生成单元布置为输出图片。投影引擎(或光学系统)布置为接收由图片生成单元输出的图片并将图片投影到车辆的窗户上，以便在(公共)虚拟图像区域内形成每个图片的虚拟图像。图片生成单元布置为在裁剪的图片区域内输出图片，使得虚拟图像区域具有对应的裁剪形状。

可以说虚拟图像区域(或范围或空间)是视场。系统的图片生成单元、投影光学器件和眼动范围(eye-box)根据光学设计共同定义虚拟图像区域的大小、形状和位置。可以说，虚拟图像区域被向下投影到道路上以在道路上形成光足迹。如果图片区域被完全照射，则虚拟图像区域将被完全照射。即，如果图片区域的整个区域被照射，则虚拟图像区域的整个区域将被照射。然而，图像内容(例如导航箭头)可以显示在图片区域的子范围中，在这种情况下，投影的虚拟图像将仅出现在虚拟图像区域的相应子范围中。

提供了一种用于具有窗户的车辆的平视显示器。平视显示器包括图片生成单元和投影引擎。图片生成单元布置为输出图片。投影引擎布置为接收由图片生成单元输出的图像并将该图像投影到车辆的窗户上，以便在虚拟图像区域内形成该图像的虚拟图像。图片生成单元布置为在具有裁剪形状的图片区域内输出图片，使得虚拟图像区域具有对应的裁剪形状。

提供了一种用于具有窗户的车辆的平视显示器，该平视显示器包括图片生成单元和投影引擎。图片生成单元布置为生成图片。投影引擎布置为将图片投影到窗户上，以便在窗户中形成每个图片的虚拟图像，其中虚拟图像形成在具有裁剪形状的公共虚拟图像区域内。

通常，虚拟图像区域是矩形的。发明人质疑虚拟图像区域应为矩形的假设，并认识到在整个平视显示器系统上限制这些地方是没有道理的，实际上阻碍了车辆中的下一代增强现实平视显示器的发展。值得注意的是，发明人已经认识到如本公开中阐述的在裁剪虚拟图像区域中的值。已经裁剪出的虚拟图像区域的区域对于在车辆的平视显示器中显示图像内容不是特别有用。特别地，虚拟图像区域的下部范围的一个或两个三角形部分在很大程度上是多余的，因为它们在期望车辆可以行驶的典型速度下太靠近驾驶员。就图片生成单元和投影引擎的光学和空间需求而言，去除这两个三角形部分的优点超过了无法在这些区域中显示图像内容的缺点。发明人已经挑战了平视显示器设计的基本假设，并且提供了代表与常规的重大突破的平视显示器，这可以通过了解该领域的偏见来理解。

图片生成单元可以布置为仅在图片区域的裁剪形状内生成图片。可以说图片区域(例如全息回放场)已被限制。更具体地，图片区域(例如全息回放场)的空间范围受到限制。可替代地或另外，图片生成单元还包括物理掩模，其布置为阻挡图片的裁剪形状之外的图片的光。

投影引擎的主要目的是放大图片并将其中继到虚拟图像区域。因此，投影引擎可以是放大引擎或放大光学器件。图片和虚拟图像之间基本上存在一对一的关联。目的是使虚拟图像区域成形，这可以通过驱动图片生成单元以仅提供裁剪形状内的图像内容来方便地实现。因此，可以通过简单地改变所使用的图片区域的形状来使用常规系统来提供根据本公开的平视显示器。即，仅需要软件修改。

通过将投影引擎布置为仅在图片区域的裁剪形状内投影图片的光，可以感受到根据本公开的平视显示器的益处。例如，投影引擎包括至少一个光学元件(或光学部件)，其具有根据图片区域和/或虚拟图像区域的裁剪形状而裁剪的形状。

提供了一种减小平视显示器的体积的方法。平视显示器包括图片生成单元、光学系统和光学组合器。图片生成单元布置为在屏幕上的显示区域内显示图片内容，其中显示区域具有四边形形状。光学系统布置成将光从显示区域引导到光学组合器。光学组合器布置成将来自显示区域的光反射到眼动范围，从而形成图片内容的虚拟图像。该方法包括将图片内容限制在显示区域的子区域。该方法还包括将子区域映射到光学系统的光学部件上以识别该部件的活性区域。该方法还包括对应于活性区域来成形所述部件以减少该部件的非活性区域。

提供了一种减小平视显示器的体积的方法。平视显示器包括图片生成单元、光学系统和光学组合器。图片生成单元布置为在屏幕上的四边形区域内显示图片内容。光学系统布置成将光从四边形区域引导到光学组合器。光学组合器布置成将来自四边形区域的光反射到眼动范围，从而形成图片内容的虚拟图像。该方法包括将图片内容限制在四边形区域的子区域。该方法还包括将子区域映射到光学系统的光学部件上以识别该部件的活性区域。该方法还包括对应于活性区域来成形所述部件以减少该部件的非活性区域。

还提供了一种平视显示系统，其包括图片生成单元、光学系统和光学组合器。图片生成单元布置为在屏幕上的子区域内显示图片内容，其中子区域具有包括至少五个边的形状。光学系统布置成中继来自子区域的光。光学组合器布置成接收来自光学系统的中继光并将光反射到眼动范围，从而形成图片内容的虚拟图像。光学系统的至少一个光学部件具有与子区域的形状相对应的形状。

根据本发明的第一方面，存在一种平视显示器。平视显示器包括图片生成单元和光学中继器。图片生成单元包括空间光调制器、全息图引擎、光源和漫射器。空间光调制器包括布置成显示全息图的像素。像素的大小和形状限定相应的全息回放场的大小和形状。全息图引擎布置为将全息图输出到空间光调制器。全息图配置为使得图片被限制在由像素限定的全息回放场的子区域。因此，全息图有效地裁剪全息回放场。即，全息图形成裁剪的全息回放场。通过选择性地仅使用全部可用全息回放场区域的子区域来减小全息回放场的大小。因此，有意地未充分利用空间光调制器的全部功能。这是非常规的。光源布置成照射全息图。漫射器布置成接收来自空间光调制器的空间调制光。因此，在漫射器上形成全息重建。对应于子区域的形状裁剪漫射器的形状。光学中继器包括至少一个镜子。对应于漫射器的形状成形至少一个镜子。像素可以是四边形的，比如方形或矩形，使得它们由于衍射而提供四边形的全息回放场。全息回放场相对于像素正交取向。

更一般地，本文公开了一种平视显示器，其包括布置为形成图片的图片生成单元和布置为形成图片的虚拟图像的光学中继器。图片生成单元可以包括布置为显示图像的显示装置和布置为将图片输出至显示器的图片内容引擎。

实现了两个明显的优点。首先，减小了平视显示器的物理尺寸。平视显示器通常容纳在车辆的仪表板内。与车辆中的其他先进系统相比，平视显示器相对较大，因为需要大镜子和大光程才能实现必要的放大倍率。在包含许多复杂电子系统的现代车辆中，驾驶舱空间内尤其是仪表板空间内的占地具有很高的价值，且平视显示器的占地非常昂贵。已经发现，由于可以相应地裁剪投影引擎的至少一个光学元件，因此对虚拟图像区域的至少一个或两个角进行截断或裁剪可以节省大量空间。其次，与任何光学部件一样，光学部件的性能随距光轴的距离而下降。特别地，像差随着距光轴的距离而增加。因此，投影引擎的至少一个光学元件的最外部对图像质量具有最有害的影响。因此，通过减小如本文所述的投影引擎的至少一个光学元件上的光足迹的尺寸，改善了总体图像质量。

根据本公开的裁剪的虚拟图像可以是远场虚拟图像。远场虚拟图像可以传达导航信息。平视显示器还可以布置为形成近场虚拟图像。例如，近场虚拟图像可以传达速度信息。

子区域可以具有包括至少五个边的形状。该形状可以具有六个或八个边。形状可以是不规则的。形状的至少一个边可以是弯曲的。

将子区域映射到光学系统的光学部件上可以包括从屏幕的子区域到光学部件跟踪形成图像的光线，以识别光学部件上与活性区域相对应的光足迹。成形所述部件可以包括减小部件的物理尺寸。

平视显示器可以容纳在车辆中。光学组合器可以是容纳平视显示器的车辆的挡风玻璃。虚拟图像可以覆盖车辆前方的地面区域。

限制图片内容的步骤可以包括排除四边形显示区域的范围，否则该范围将形成覆盖最靠近车辆和/或最靠近四边形显示区域的一个边的区域的虚拟图像。该方法还可以包括与子区域相对应地减小屏幕的物理尺寸。图片生成单元可以包括全息投影仪。子区域可以是全息回放场的子区域。光学系统可以具有光焦度。

至少一个光学元件(或部件)可以是反射性的。该方法提供了紧凑的系统，因为可以使用反射光学元件来折叠光路。至少一个光学元件可以是镜子。至少一个光学元件可以具有光焦度，使得每个虚拟图像是对应图片的放大图像和/或虚拟图像区域是图片区域的放大图像。虚拟图像区域(从眼动范围区域)对向的角度在最宽点可以为5到15度，比如12+/-2度，而在最高点为2到5度，比如3.5+/-0.5度。图片区域在最宽处可以为20到120mm，比如50+/-15mm，而在最高点为10到50mm，比如25+/-10mm。至少一个光学元件可以具有自由光学表面，其配置为光学补偿窗户的形状，使得虚拟图像不会被窗户失真。因此，至少一个光学元件可以是多用途的，这对于减少部件数量和减少光学损失是有利的。

虚拟图像区域的裁剪形状可以由通过将一个或两个角截断的矩形形成，使得裁剪的形状具有至少五个边。不保证已裁剪的虚拟图像区域的下部范围的值。实际上，虚拟图像区域的裁剪形状可以包括具有至少一个截角的多边形状(例如多边形)，使得裁剪形状具有至少五个边。可以通过截断矩形的两个或四个角来形成虚拟图像区域的裁剪形状，使得裁剪的形状具有至少八个或十个边。提供了一种用于增强现实的改进的平视显示器。

虚拟图像可以用于增强驾驶员的现实感。虚拟图像覆盖道路的区域。覆盖区域是对称的可能是优选的。然而，由于驾驶员位于车辆的一侧(即偏侧)，所以发明人认识到如果虚拟图像区域的形状不对称则可能是有利的。更具体地，虚拟图像区域的不对称性可以布置为在视觉上补偿驾驶员在车辆内的空间偏移位置。虚拟图像区域的不对称性可以布置为覆盖空间的对称范围。可以提供不对称性，以改变虚拟图像区域的边的长度。例如，形状的相对边可以具有不同的长度。可选地，形状的所有相对边具有不同的长度。

图片生成单元可以是任何类型。图片生成单元可以是全息投影仪。图片生成单元可以包括光源和空间光调制器。光源可以布置为发射光。空间光调制器可以布置为接收来自光源的光并且根据在空间光调制器上显示的计算机生成的全息图对光进行空间调制，以形成与每个图片一致的全息重建。全息重建是图片。全息重建可以形成在自由空间中，或者可以形成在诸如屏幕或漫射器的表面上。图片生成单元因此可以进一步包括光接收表面，其布置为接收空间调制光，使得在其上形成与图片一致的每个全息重建。

窗户可以是挡风玻璃。因此，平视显示器可以通过增强现实在驾驶期间向驾驶员提供有用的信息。

提供了一种使用平视显示器在窗户上显示虚拟图像的方法。平视显示器包括图片生成单元，其布置为在图片区域内输出图片。平视显示器还包括投影引擎，其布置成接收由图片生成单元输出的图片并将每个图片投影到窗户上，以便在(公共)虚拟图像区域内形成每个图片的虚拟图像。该方法包括将图片生成单元的图片区域限制为裁剪的形状，使得虚拟图像区域具有对应的裁剪形状。

该方法还可以包括布置图片生成单元以仅生成图片区域的裁剪形状内的图片。该方法可以另外或可替代地包括在图片的裁剪形状之外遮盖图片的光。该方法还可以另外或可替代地包括布置投影引擎以仅将图片的光投影在图片区域的裁剪形状内。例如，该方法可以包括根据虚拟图像区域的形状来减小或最小化投影引擎的至少一个光学元件的物理尺寸和形状。因此，平视显示器的体积减小。

本文公开了一种平视显示系统，其包括图片生成单元、光学系统和光学组合器。图片生成单元布置为在屏幕上的子区域内显示图片内容。子区域具有包括至少五个边的形状。光学系统布置成中继来自子区域的光。光学组合器布置成接收来自光学系统的中继光并将光反射到眼动范围，从而形成图片内容的虚拟图像。光学系统的至少一个光学部件具有与子区域的形状相对应的形状。

本文相对于一对元件或部件使用术语“对应”以反映第一元件(例如区域、形状或图像)与第二元件之间的大致一对一关联，从而使第一元件的更改导致第二元件的同等更改。“对应”的元件的形状可以相同或基本相同。“对应”的元件可以具有相同或基本相同的总体形状，但尺寸不同。例如，第二元件可以是第一元件的完美放大或不完美放大。因此，单词“对应”还用于反映第一元件的总体形状与第二元件的总体形状匹配。第一元件和第二元件之间的差异可能是由于系统部件的缺陷(比如光学像差或畸变)或对缺陷的应对措施(比如校正因子)引起的。

本文中使用术语“图片的光”来指代形成图片的光。“图片的光”可以是单色的或多色的。“图片的光”可以是复合色。例如，“图片的光”可以包括红色、绿色和蓝色的光。“图片的光”可被偏振。

根据本公开，“激光线选择性滤光器”允许激光线光在所描述的光路上传播，但不允许非激光线光在光路上任何进一步传播。换句话说，“激光线选择性滤光器”从光学系统去除非激光线光。例如，“激光线选择性滤光器”可以吸收非激光线光。例如，“激光线选择性滤光器”可以吸收除具有激光线波长的光以外的所有光学波长。可替代地，滤光器可以通过例如优先透射或优先反射激光线光来实现该选择性功能。同样，根据本公开的“偏振选择性滤光器”是指从光学系统去除具有非优选偏振的光的滤光器。术语“激光线”用于指具有中心波长且全波半最大值小于30nm，可选地小于15nm，进一步可选地小于5nm的窄带宽。

术语“全息图”用于指代包含关于物体的振幅信息或相位信息或其某种组合的记录。术语“全息重建”用于指代通过照射全息图而形成的物体的光学重建。术语“回放平面”在本文中用于指代完全形成全息重建的空间中的平面。本文使用术语“回放场”来指代回放平面的子区域，其可以接收来自空间光调制器的空间调制光。术语“图像”、“回放图像”和“图像区域”指的是由形成全息重建的光照射的回放场的区域。在实施例中，“图像”可以包括离散斑点，其可被称为“图像像素”。

术语“编码”、“写入”或“寻址”用于描述向SLM的多个像素提供分别确定每个像素的调制水平的相应多个控制值的过程。可以说，SLM的像素配置为响应于接收到多个控制值而“显示”光调制分布。因此，可以说SLM“显示”全息图。

已经发现，可以从仅包含与原始物体有关的相位信息的“全息图”形成可接受质量的全息重建。这样的全息记录可被称为纯相位全息图。实施例涉及纯相位全息图，但本公开同样适用于纯振幅全息图。

本公开也同样适用于使用与原始物体有关的振幅和相位信息来形成全息重建。在一些实施例中，这是通过使用包含与原始物体有关的振幅和相位信息的所谓全复数全息图的复数调制来实现的。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，所以这种全息图可被称为全复数全息图。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、相位信息或者简单地说是相位，作为“相位延迟”的简写。即，所描述的任何相位值实际上是代表该像素提供的相位延迟量的数字(例如在0至2π范围内)。例如，空间光调制器的描述为具有相位值为π/2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)之一中操作。术语“灰度级”可以用来指多个可用的调制水平。例如，术语“灰度级”可以为了方便而用于指代纯相位调制器中的多个可用相位水平，即使不同的相位水平没有提供不同的灰色阴影。为了方便起见，术语“灰度级”也可以用来指复数调制器中的多个可用复数调制水平。

尽管可以在下面的详细描述中分别公开不同的实施例和实施例组，但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组合相结合。即，设想了本公开中公开的特征的所有可能的组合和置换。

附图说明

仅参考以下附图以示例的方式描述特定实施例：

图1是示出在屏幕上产生全息重建的反射型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类型算法的第二次及后续迭代；

图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的替代第二次及后续迭代；

图3是反射型LCOS SLM的示意图；

图4示出了车辆中的示例HUD；

图5示出了根据现有技术的平视显示器的视场；

图6示出了包括截断视场的实施例；

图7示出了在截断视场中显示图像内容的实施例；

图8示出了根据一些实施例的被视场覆盖的区域；以及

图9示出了根据一些其他实施例的非对称视场。

在整个附图中将使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。

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。即，本发明可以以不同的形式实施，并且不应被解释为限于所描述的实施例，实施例出于说明的目的而阐述。

被描述为形成在另一结构的上部/下部或者在另一结构之上/之下的结构应被解释为包括结构彼此接触的情况以及在其之间设置有第三结构的情况。

在描述时间关系时，例如当事件的时间顺序描述为“之后”、“随后”、“下一个”、“之前”等时，本公开应被认为包括连续和非连续事件，除非另有规定。例如，描述应被认为包括除非使用诸如“仅”、“紧邻”或“直接”之类的措词否则不连续的情况。

尽管本文可以使用术语“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。这些术语仅用于区分各个元件。例如，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，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。

不同实施例的特征可以部分或整体地彼此耦合或组合，并且可以彼此不同地互操作。一些实施例可以彼此独立地执行，或者可以以相互依存的关系一起执行。

光学配置

图1示出了其中计算机生成的全息图被编码在单个空间光调制器上的实施例。计算机生成的全息图是用于重建的物体的傅立叶变换。因此可以说全息图是物体的傅立叶域或频域或光谱域表示。在该实施例中，空间光调制器是反射型硅基液晶“LCOS”器件。全息图在空间光调制器上编码，并且在例如光接收表面(比如屏幕或漫射器)的回放场处形成全息重建。

设置光源110，例如激光器或激光二极管，以经由准直透镜111照射SLM140。准直透镜使光的大致平面波前入射在SLM上。在图1中，波前的方向是偏离法线的(例如，与真正垂直于透明层的平面相距两或三度)。然而，在其他实施例中，大致平面的波前以法向入射提供，并且分束器布置用于分离输入和输出光路。在图1所示的实施例中，布置使得来自光源的光从SLM的镜面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被施加到包括傅立叶变换透镜120的光学器件，其焦点位于屏幕125上。更具体地，傅立叶变换透镜120接收来自SLM 140的调制光束，并执行频率-空间变换以在屏幕125上产生全息重建。

值得注意的是，在这种类型的全息图中，全息图的每个像素都有助于整个重建。回放场上的特定点(或图像像素)与特定的光调制元件(或全息图像素)之间没有一对一的相关性。换句话说，离开光调制层的调制光分布在整个回放场上。

在这些实施例中，全息重建在空间中的位置由傅立叶变换透镜的屈光度(聚焦焦度)确定。在图1所示的实施例中，傅立叶变换透镜是物理透镜。即，傅立叶变换透镜是光学傅立叶变换透镜，并且傅立叶变换是光学进行的。任何透镜都可以充当傅立叶变换透镜，但透镜的性能将限制其执行的傅立叶变换的准确性。技术人员理解如何使用透镜来执行光学傅立叶变换。

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，或者简单地是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。通过将回放平面中的所需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立叶全息图。

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算法可用于根据空间域(比如照片)中的纯振幅信息来计算傅立叶域中的全息图(即傅立叶变换全息图)。从空间域中的纯振幅信息中有效地“检索”与物体有关的相位信息。在一些实施例中，使用Gerchberg-Saxton算法或其变型从纯振幅信息计算计算机生成的全息图。

Gerchberg-Saxton算法考虑了当已知分别在平面A和B中的光束的强度截面I_A(x,y)和I_B(x,y)并且I_A(x,y)和I_B(x,y)通过单个傅立叶变换关联时的情况。对于给定的强度横截面，求出了平面A和B中的相位分布的近似值，分别为Ψ_A(x,y)和Ψ_B(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程来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(振幅和相位)。通过算法的至少一次迭代获得频谱域中的计算机生成的全息图。该算法是收敛的并且布置为产生表示输入图像的全息图。全息图可以是纯振幅全息图、纯相位全息图或全复数全息图。

在一些实施例中，仅基于相位的全息图是使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法来计算的，比如在英国专利2,498,170或2,501,112中描述的，其全部内容通过引用结合于此。然而，本文公开的实施例仅通过示例的方式描述计算纯相位全息图。在这些实施例中，Gerchberg-Saxton算法检索数据集的傅立叶变换的相位信息Ψ[u,v]，其产生已知的振幅信息T[x,y]，其中振幅信息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是固有组合的，因此变换后的幅度和相位包含有关所计算的数据集的准确性的有用信息。因此，该算法可以与振幅和相位信息的反馈一起迭代地使用。然而，在这些实施例中，仅相位信息Ψ[u,v]用作全息图，以在图像平面上形成目标图像的全息表示。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，并且傅立叶变换是复数傅立叶变换。可以将复数数据视为包括(i)实数分量和虚数分量，或(ii)幅度分量和相位分量。在一些实施例中，复数数据的两个分量在算法的各个阶段被不同地处理。

图2A示出了根据一些实施例的用于计算纯相位全息图的算法的第一次迭代。算法的输入是包括像素或数据值的2D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。即，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可被视为纯幅度或纯振幅或纯强度分布。这样的输入图像210的示例是照片或包括帧时间序列的视频的一帧。算法的第一迭代从数据形成步骤202A开始，该步骤包括使用随机相位分布(或随机相位种子(seed))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了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数傅立叶变换以形成傅立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是纯相位全息图。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水平来量化每个相位值，该空间光调制器的像素将用于“显示”纯相位全息图。例如，如果空间光调制器的每个像素提供256个不同的相位水平，则将全息图的每个相位值量化为256个可能相位水平中的一个相位水平。全息图280A是代表输入图像的纯相位傅立叶全息图。在其他实施例中，全息图280A是全复数全息图，其包括从接收的傅立叶变换的复数数据集导出的复数数据值(每个包括振幅分量和相位分量)阵列。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复数调制水平之一以形成全息图280A。约束步骤可以包括将每个复数数据值设置为复数平面中最接近的可允许复数调制水平。可以说全息图280A代表频谱或傅立叶或频域中的输入图像。在一些实施例中，算法在该点处停止。

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，遵循图2A中的虚线箭头的步骤是可选的(即并非对所有实施例都是必不可少的)。

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接收逆傅立叶逆变换的复数数据集，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可以将逆傅立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的分布与输入图像210之间的差足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是可接受的。即，如果幅度值211A的分布与输入图像210之间的差足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是输入图像210的足够准确表示。在一些实施例中，为了比较的目的，忽略了逆傅立叶变换的复数数据集的相位值213A的分布。将理解的是，可以采用任何数量的不同方法来比较幅度值211A的分布和输入图像210，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是不可接受的，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，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。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布，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通过将输入图像210的幅度值的分布与随机相位分布230相结合来形成第一复数数据集。然而，在第二和后续迭代中，数据形成步骤202B包括通过将(i)来自算法的先前迭代的相位值213A的分布与(ii)输入图像210的幅度值的分布相结合来形成复数数据集。

然后，以参照图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，以形成第二次迭代全息图280B。因此，此处不再重复对该过程的说明。当已经计算了第二次迭代全息图280B时，算法可以停止。然而，可以执行该算法的任何数量的进一步迭代。将理解的是，仅在需要第四处理块259或需要进一步的迭代时才需要第三处理块256。输出全息图280B通常随着每次迭代而变得更好。然而，实际上，通常会达到一个无法观察到可测量的改进的点，或者执行进一步迭代的正面好处被额外的处理时间所带来的负面影响抵消。因此，该算法被描述为迭代和收敛的。

图2C表示第二次和后续迭代的替代实施例。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值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先前迭代的幅度值211的分布中得出的。具体地，处理块258从先前迭代的幅度值211的分布中减去输入图像210的幅度值的分布，通过增益因子α缩放该差，并从输入图像210中减去经缩放的差。通过以下等式在数学上来表达此，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是正向傅立叶变换；

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是纯相位全息图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来确定增益因子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。

在所有其他方面，图2C的实施例与图2A和图2B的实施例相同。可以说，纯相位全息图Ψ(u,v)包括频域或傅立叶域中的相位分布。

在一些实施例中，通过将透镜数据包括在全息数据中来计算地执行傅立叶变换。即，全息图包括代表透镜的数据以及代表物体的数据。在这些实施例中，省略了图1的物理傅立叶变换透镜120。已知在计算机生成的全息图场域中如何计算代表透镜的全息数据。代表透镜的全息数据可以称为软件透镜。例如，可以通过计算由透镜的每个点由于其折射率和空间变化的光路长度而引起的相位延迟来形成纯相位全息透镜。例如，在凸透镜的中心处的光路长度大于在透镜的边缘处的光路长度。纯振幅的全息透镜可以由菲涅耳波带片形成。还已知在计算机生成的全息图的领域中如何将代表透镜的全息数据与代表物体的全息数据相结合，从而可以进行傅立叶变换而无需物理傅立叶透镜。在一些实施例中，通过简单加法比如简单矢量加法，将透镜数据与全息数据组合。在一些实施例中，物理透镜与软件透镜结合使用以执行傅立叶变换。可替代地，在其他实施例中，完全省略傅立叶变换透镜，使得全息重建在远场中发生。在进一步的实施例中，全息图可以包括光栅数据，即布置成执行光栅功能(例如光束转向)的数据。此外，已知在计算机生成全息的场域中如何计算这样的全息数据并将其与代表物体的全息数据组合。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纯相位全息光栅。纯振幅全息光栅可以简单地叠加在代表物体的纯振幅全息图上，以提供纯振幅全息图的角度转向。

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联合执行。即，由软件透镜提供有助于傅立叶变换的一些光焦度，而由一个或多个物理光学器件提供有助于傅立叶变换的其余光焦度。

在一些实施例中，提供了一种实时引擎，其布置为接收图像数据并使用算法实时计算全息图。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且根据需要被调出以显示在SLM上。即，在一些实施例中，提供了预定全息图的储存库。

实施例仅通过示例的方式涉及傅立叶全息术和Gerchberg-Saxton类型算法。本公开同样适用于可通过其他技术(比如基于点云方法的技术)计算的菲涅耳全息术和全息图。

光调制

可以使用空间光调制器来显示计算机生成的全息图。如果全息图是纯相位全息图，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。即，在一些实施例中，空间光调制器是其中光学活性成分是液晶的液晶装置。每个液晶单元配置为选择性地提供多个光调制水平。即，每个液晶单元在任一时候配置为以从多个可能光调制水平中选择的一个光调制水平操作。每个液晶单元可动态地重新配置为与多个光调制水平不同的光调制水平。在一些实施例中，空间光调制器是反射型硅基液晶(LCOS)空间光调制器，但本公开不限于这种类型的空间光调制器。

LCOS装置在小光圈(aperture)(例如几厘米宽)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。充分照射LCOS SLM的小光圈比其他液晶装置的大光圈要容易得多。LCOS装置通常是反射型的，这意味着驱动LCOS SLM像素的电路可以埋在反射表面下。结果导致更高的光圈比。换句话说，像素紧密堆积，这意味着像素之间几乎没有死角。这是有利的，因为它减少了回放场中的光学噪声。LCOS SLM使用硅底板，其优点是像素在光学上是平坦的。这对于相位调制装置特别重要。

下面仅以举例的方式，参考图3来描述合适的LCOS SLM。使用单晶硅基板302形成LCOS器件。其具有方形平面铝电极301的2D阵列，其间隔开间隙301a，布置在基板的上表面上。可以通过掩埋在基板302中的电路302a来对每个电极301进行寻址。每个电极形成各自的平面镜。取向层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设置在例如由玻璃制成的平面透明层306上。例如由ITO制成的单个透明电极307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的覆盖区域和中间液晶材料一起限定可控的相位调制元件308，通常称为像素。考虑到像素301a之间的空间，有效像素面积或填充因子是光学活性的总像素的百分比。通过控制相对于透明电极307施加到每个电极301的电压，可以改变各个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延迟。效果是向波前提供纯相位调制，即不发生振幅效果。

所描述的LCOS SLM以反射方式输出空间调制的光。反射型LCOS SLM具有的优势在于，信号线、光栅线和晶体管位于镜面之下，这导致了高填充因子(通常大于90％)和高分辨率。使用反射型LCOS空间光调制器的另一优势在于，液晶层的厚度可以是使用透射型装置时所需厚度的一半。这大大提高了液晶的切换速度(对运动视频图像投影的关键优势)。然而，使用透射型LCOS SLM可以同样地实现本公开的教导。

平视显示器

图4示出了车辆(比如汽车)中的HUD。在图4中示出了车辆的挡风玻璃430和发动机罩(或引擎盖)435。HUD包括图片生成单元“PGU”410和光学系统420。

在该示例中，PGU 410包括光源、光接收表面和布置成计算机控制图片的图像内容的处理器(或计算机)。PGU 410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(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至光学系统的输出端口。更具体地，第二镜子422布置成从PGU 410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进一步布置为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路包括从输入到第二镜子422的第一光路423(或第一光路分量)和从第二镜子422到第一镜子421的第二光路424(或第二光路分量)。当然，存在从第一镜子到输出端口的第三光路(或光路分量)，但在图4中未分配附图标记。图4中所示的光学配置由于光路的形状而可被称为“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到挡风玻璃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从挡风玻璃反射空间调制光来在挡风玻璃中形成每个图片的虚拟图像。HUD的用户440(例如汽车的驾驶员)看到挡风玻璃430中的图片的虚拟图像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的下方一定距离处。例如，虚拟图像可以与用户440相距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，从而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，光学系统布置成在系统中包括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)将来自真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，通过以布鲁斯特角(也称为偏振角)或在5度以内布鲁斯特角(例如布鲁斯特角2度以内)入射到挡风玻璃上来输出形成图片的光。

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路，以便在不过度增加HUD的物理尺寸的情况下增加光路长度。

在PGU 410的光接收表面上形成的图片的宽度和高度可能只有几厘米。因此，第一镜子421和第二镜子422共同地或单独地提供放大。即，第一镜和子/或第二镜子可以具有光焦度(即屈光度或聚焦焦度)。因此，用户440看到由PGU形成的图片的放大虚拟图像450。第一镜子421和第二镜子422还可校正通常具有复杂弯曲形状的光学畸变，诸如是由挡风玻璃430引起的。镜子中的折叠光路和光焦度一起可以适当放大图片的虚拟图像。

在实施例中，PGU 410包括全息投影仪和光接收表面，例如屏幕或漫射器。根据以上公开，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体现的全息图对光进行空间调制。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以从包括多个计算机生成的全息图的存储库(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PGU 410形成的每个图片是在光接收表面上的全息重建。即，在一些实施例中，通过在光接收表面处的空间调制光的干涉来形成每个图片。

图5示出了现有技术的平视显示器的远场虚拟图像区域505。虚拟图像区域505覆盖行车道或道路的第一车道501、第二车道502和第三车道503。传统的远场虚拟图像形状是矩形。图片生成单元显示使用挡风玻璃投影的图片，以便驾驶员在它们前面感知图片的虚拟图像。图片生成单元和投影引擎配置为使得虚拟图像内容(例如速度计或导航信息)形成在至少一个虚拟图像区域内。可以说，虚拟图像内容在距观察者一定距离或距离范围内覆盖场景。

图6示出了通过提供非矩形虚拟图像区域或视场而违反常规的实施例。图6示出了具有六边形的虚拟图像区域。具体地，常规矩形已被修剪以排除行车道外部的区域，包括切掉四个角以形成六边形虚拟图像区域。所定义的六边形可以是规则的或不规则的。在其他实施例中，矩形的仅两个角(例如两个下角)被截断。如图7所示，图像内容(比如用于导航的人字形707)可以显示在虚拟图像区域中。图像内容可以限制在一个车道(比如第二车道502)，或者其可以在两个或多个车道上延伸，包括第一车道501和/或第三车道503。

图8示出了包括观察平面805的系统的侧视图，其中观察者(例如驾驶员)可被定位在包括平视显示器的车辆正在行驶的道路801上。观察平面805可以包含眼动范围。图8示出了虚拟图像803如何覆盖道路801的区域807。在这方面，虚拟图像803可被认为是用图像内容绘制车辆前方的道路区域。虚拟图像803在空间中的位置由图片生成单元和投影引擎的光学配置确定。

用于平视显示器的光学设计领域的技术人员将理解如何使用常规光线跟踪可以设计图片生成单元的光学器件和投影引擎的光学器件以形成根据本公开的虚拟图像区域。特别地，在当前情况下，本领域技术人员将理解如何跟踪光线束从眼动范围中所有点到虚拟图像区域、通过投影引擎的光学器件(例如可以包括一个或多个镜子)返回，以及到图片生成单元上的图片，以实现可行的光学设计。可以使用无限数量的不同光学配置。本领域技术人员将理解如何使用图片的尺寸、观察者的位置、所需眼动范围的尺寸/形状以及本公开范围之外的其他设计因素(比如平视显示器的所需物理体积)，以基于图4得出光学设计。对于平视显示器的光学设计的设计技术人员还将理解，投影单元的光学器件如何可以可选地配置为例如使用自由光学表面补偿窗户的任意空间变化的曲率。这些因素可能使光学设计过程参与其中，但该过程对于用于平视显示器的光学设计领域的技术人员是常规的。

仅作为示例，在一些实施例中，投影引擎包括两个镜子，如图4所示。第一镜子提供包括所需放大倍率的光学处理，第二镜子提供简单的光学折叠以增加光程长度。因此，光学设计过程主要围绕两个镜子的位置以及基于系统参数的第一镜子的光焦度进行设计(请参阅下一段)。同样，对于平视显示器的光学设计领域的技术人员将理解如何设计镜子以实现所需的放大倍率。虚拟图像的形状由图片的形状确定，并且图片生成单元可以以通常的方式操作以生成任何期望的图片，并且特别地，将图片内容限制在任何形状内，例如根据本公开的截断形状。因此，这里不需要关于如何在裁剪的图片区域内显示图片内容的更多细节。

仅作为示例，在一些实施例中，以下参数可以用作光学设计过程的基础。根据以下示例，提供了一种用于车辆的改进的三车道增强现实平视显示器。在一些实施例中，虚拟图像距车辆的前方5至20米，比如15+/-2米形成。虚拟图像区域(从眼动范围区域)对向的角度在最宽点可以为5到15度，比如12+/-2度，而在最高点为2到5度，比如3.5+/-0.5度。图片区域在最宽处可以为20到120mm，比如50+/-15mm，而在最高点为10到50mm，比如25+/-10mm。虚拟图像区域的顶边可以布置成覆盖与车辆相距50至150米的空间区域，比如75至125米或100+/-10米。虚拟图像区域的底边可以布置成覆盖与车辆相距5至50米的空间区域，比如10至30米或20+/-5米。虚拟图像区域可以布置为在这些距离上覆盖三个交通车道，其中每个车道具有2至6米的宽度，比如4+/-1米。眼动范围的宽度可以为100至150mm，比如125+/-5mm，高度为25至75mm，比如50+/-5mm。驾驶员的视线点可以在道路上方1.25至1.75米，比如1.5+/-0.1米。

在任何描述的实施例或实施例组中，投影引擎可包括多个光学元件，比如多个镜子。例如，任何部件可以由多个部件代替，例如两个或三个镜子，其共同执行相同的功能。例如，由一个光线元件提供的光学处理可以在多个光学元件(例如镜子)之间划分。技术人员将理解如何可以在投影引擎中包括任意其他常规光学器件(比如透镜和滤光器)以提供所描述的HUD。

在任何所描述的实施例或实施例组中，图片的光可以是窄带(在波长上)的，因为将激光器(比如激光二极管)用作光源。因此，投影引擎中的光学部件中的至少一个可以包括波长选择性滤光器(例如激光线滤光器)其布置成允许图片的光通过所描述的光学系统传播，但是衰减或消除光学系统中其他波长的光。例如，图4中的第一或第二镜子可以包括反射激光线滤光器，其布置成反射图片的光但吸收或透射其他波长的光，比如来自太阳的光，包括不想要的红外和/或紫外线。

同样，在任何所描述的实施例或实施例组中，图片的光可以是线性偏振的，因为将偏振敏感器件(比如LCOS器件)用作空间光调制器。因此，投影引擎中的至少一个光学部件可包括偏振器或偏振膜(例如偏振涂层)以衰减或消除正交偏振的杂散光，例如正交偏振的阳光。

附加特征

实施例仅通过示例的方式涉及电激活的LCOS空间光调制器。本公开的教导可以等同地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、数字微镜设备或微机电设备。

在一些实施例中，光源是诸如激光二极管的激光器。在一些实施例中，光接收表面是漫射器表面或屏幕，例如漫射器。

在一些实施例中，提供了一种交通工具，其包括安装在交通工具中以提供HUD的全息投影系统。交通工具可以是机动车辆，比如汽车、卡车、厢式货车、运货卡车、摩托车、火车、飞机、船或轮船。

全息重建的质量可能受到所谓的零级问题的影响，这是使用像素化空间光调制器的衍射性质的结果。这种零级光可被认为是“噪声”，并且包括例如镜面反射光以及来自SLM的其他不需要的光。

在傅立叶全息术的示例中，这种“噪声”集中在傅立叶透镜的焦点上，从而导致全息重建中心处出现亮光斑。零级光可以简单地被遮挡掉，然而这意味着用暗光斑代替亮光斑。一些实施例包括角度选择性滤光器以仅去除零级的准直光线。实施例还包括在欧洲专利2,030,072中描述的管理零级的方法，该专利通过引用整体结合于此。

在一些实施例中，全息图的尺寸(每个方向上的像素数)等于空间光调制器的尺寸，使得全息图填充空间光调制器。即，全息图使用空间光调制器的所有像素。在其他实施例中，全息图的尺寸小于空间光调制器的尺寸。在这些其他实施例的一些中，在未使用的像素中重复全息图的一部分(即全息图的像素的连续子集)。该技术可被称为“平铺”，其中空间光调制器的表面积被划分为多个“平铺”，其中每个代表全息图的至少一个子集。因此，每个图块的尺寸小于空间光调制器的尺寸。

全息回放场的大小(即全息重建的物理或空间范围)由空间光调制器的像素间距(即空间光调制器的相邻光调制元件或像素之间的距离)确定。可以在回放场中形成的最小特征可被称为“分辨率元素”、“图像光斑”或“图像像素”。通常，空间光调制器的每个像素具有四边形形状。四边形光圈的傅立叶变换是sinc函数，因此每个图像像素都是sinc函数。更具体地，回放场上的每个图像像素的空间强度分布是sinc函数。每个sinc函数都可被认为包括峰强度初级衍射级和径向远离该初级级延伸的一系列减小强度的较高衍射级。每个sinc函数的大小(即每个sinc函数的物理或空间范围)由空间光调制器的大小(即由光调制元件或空间光调制器像素的阵列形成的光圈的物理或空间范围)确定。具体地，由光调制像素的阵列形成的光圈越大，图像像素就越小。通常希望具有小的图像像素。

在一些实施例中，实施“平铺”技术以提高图像质量。具体地，一些实施例实现了平铺技术以最小化图像像素的尺寸，同时最大化进入全息重建的信号内容的量。

在一些实施例中，写入空间光调制器的全息图案包括至少一个完整图块(即完整的全息图)和图块的至少一小部分(即全息图的像素的连续子集)。

全息重建是在由空间光调制器定义的整个窗口的第零衍射级内创建的。优选的是，第一和后续级被移位得足够远，从而不与图像重叠，并且因此可以使用空间滤光器来阻挡它们。

在实施例中，全息重建是彩色的。在本文公开的示例中，三个不同颜色光源和三个相应SLM用于提供合成颜色。这些示例可被称为空间分离的颜色“SSC”。在本公开包含的变型中，每种颜色的不同全息图显示在同一SLM的不同区域上，然后组合以形成合成颜色图像。然而，技术人员将理解，本公开的装置和方法中的至少一些同样可应用于提供合成彩色全息图像的其他方法。

这些方法之一被称为帧顺序颜色“FSC”。在示例性FSC系统中，使用了三个激光(红色、绿色和蓝色)，并且每个激光都以单个SLM连续发射，以产生视频的每一帧。颜色以足够快的速率循环(红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等)，以使人类观察者可以从由三个激光形成的图像组合中看到多色图像。因此，每个全息图都是特定于颜色的。例如，在每秒25帧的视频中，第一帧将通过发射红色激光1/75秒，然后发射绿色激光1/75秒，最后发射蓝色激光1/75秒来产生。然后产生下一个帧，从红色激光开始等等。

FSC方法的优点是将整个SLM用于每种颜色。这意味着所产生的三个彩色图像的质量不会受损，因为SLM的所有像素都用于每个彩色图像。然而，FSC方法的缺点在于，由于每个激光仅使用三分之一的时间，因此所产生的总体图像将不如通过SSC方法所产生的图像明亮，不明亮约3倍。可以通过过度驱动激光器或使用更强大的激光器来解决此缺陷，但这将需要使用更多的功率，会带来更高的成本，并使系统的紧凑性降低。

SSC方法的优点是，由于同时发射所有三个激光，因此图像更亮。然而，如果由于空间限制而只需要使用一个SLM，则SLM的表面积可以分为三个部分，实际上用作三个独立的SLM。这样的缺点是，由于可用于每个单色图像的SLM表面积的减少，每个单色图像的质量会降低。因此，多色图像的质量相应降低。SLM可用表面积的减少意味着SLM上可以使用的像素更少，从而降低了图像质量。由于降低了其分辨率，因此降低了图像质量。实施例利用在英国专利2,496,108中公开的改进的SSC技术，该专利通过引用整体并入本文。

实例描述了用可见光照射SLM，但技术人员将理解，如本文所公开的，光源和SLM可以等同地用于引导例如红外或紫外光。例如，技术人员将知道用于将红外和紫外光转换为可见光以向用户提供信息的技术。例如，本公开扩展到为此目的而使用磷光体和/或量子点技术。

一些实施例仅通过示例的方式描述了2D全息重建。在其他实施例中，全息重建是3D全息重建。即，在一些实施例中，每个计算机生成的全息图形成3D全息重建。

本文描述的方法和过程可以体现在计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”包括布置为临时或永久地存储数据的介质，比如随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、缓冲存储器、闪存和高速缓冲存储器。术语“计算机可读介质”也应被认为包括能够存储用于由机器执行的指令的任何介质或多种介质的组合，使得当指令被一个或多个处理器执行时使该机器整体地或部分地执行本文所述的任何一种或多种方法。

术语“计算机可读介质”还涵盖基于云的存储系统。术语“计算机可读介质”包括但不限于以固态存储芯片、光盘、磁盘或其任何合适的组合的示例形式的一个或多个有形和非暂时性数据存储库(例如数据卷)。在一些示例实施例中，用于执行的指令可以由载体介质传递。这样的载体介质的示例包括瞬态介质(例如传递指令的传播信号)。

对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以进行各种修改和变型。本公开涵盖所附权利要求及其等同物的范围内的所有修改和变型。

Claims

1.一种平视显示器，包括布置成形成图片的图片生成单元和布置成形成图片的虚拟图像的光学中继器，其中，

所述图片生成单元包括：

空间光调制器，其包括布置为显示全息图的像素，其中像素的尺寸和形状限定相应的全息回放场的尺寸和形状；

全息图引擎，其布置为向所述空间光调制器输出全息图，其中全息图配置为使得图片被限制在由像素限定的全息回放场的子区域，以形成裁剪的全息回放场；

光源，其布置成照射全息图；

漫射器，其布置为接收来自所述空间光调制器的空间调制光，从而在其上形成全息重建，其中对应于子区域的形状裁剪漫射器的形状，并且其中，

所述光学中继器包括至少一个镜子，其形状与所述漫射器的形状相对应。

2.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述像素是四边形的，从而它们限定四边形的全息回放场。

3.如权利要求1或2所述的平视显示器，其中，所述子区域具有包括至少五个边的形状。

4.如权利要求3所述的平视显示器，其中，所述形状具有六个或八个边，并且可选地，所述形状是不规则的。

5.如权利要求3或4所述的平视显示器，其中，所述边中的至少一个是弯曲的。

6.一种平视显示系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的平视显示器和车辆的挡风玻璃，其中，所述挡风玻璃布置为用作所述光学中继器的光学组合器。

7.如权利要求6所述的平视显示系统，其中，所述虚拟图像覆盖车辆前方的地面区域。

8.一种减小平视显示器的体积的方法，该平视显示器包括：图片生成单元，其布置为在屏幕上的四边形区域内显示图片内容；以及光学系统，其布置为将来自所述四边形区域的光引导至光学组合器，其中，所述光学组合器布置成将来自所述四边形区域的光反射到眼动范围，从而形成图片内容的虚拟图像，该方法包括：

将图片内容限制在所述四边形区域的子区域；

减小与所述子区域相对应的屏幕的物理尺寸；

将所述子区域映射到所述光学系统的光学部件上，以识别该部件的活性区域；以及

对应于所述活性区域来成形所述部件以减少该部件的非活性区域。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述子区域的形状包括至少五个边，可选的是六个或八个边，进一步可选地，其中，所述形状是不规则的。

10.如权利要求8或9所述的方法，其中，所述边中的至少一个是弯曲的。

11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，将所述子区域映射到所述光学系统的光学部件上包括从所述屏幕的子区域到所述光学部件跟踪形成图像的光线，以识别光学部件上与所述活性区域相对应的光足迹。

12.如权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，成形所述部件包括减小所述部件的物理尺寸。

13.如权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，所述虚拟图像从所述眼动范围内可见，可选地，其中眼动范围是面积或体积。

14.如权利要求8至13中任一项所述的方法，其中，所述光学组合器是容纳所述平视显示器的车辆的挡风玻璃。

15.如权利要求8至14中任一项所述的方法，其中，所述虚拟图像覆盖车辆前方的地面区域。

16.如权利要求8至15中任一项所述的方法，其中，限制图片内容的步骤包括排除四边形区域的范围，否则该范围将形成覆盖最靠近车辆和/或四边形区域的一个边的区域的虚拟图像。

17.如权利要求8至16中任一项所述的方法，其中，所述图片生成单元包括全息投影仪，并且所述子区域是所述全息回放场的子区域。

18.如权利要求8至17中任一项所述的方法，其中，所述光学系统具有光焦度。

19.一种平视显示系统，包括：

图片生成单元，其布置为在屏幕上的子区域内显示图片内容，其中，所述子区域具有包括至少五个边的形状；

光学系统，其布置成中继来自所述子区域的光；

光学组合器，其布置成接收来自所述光学系统的中继光并将光反射到眼动范围，从而形成图片内容的虚拟图像，

其中，所述光学系统的至少一个光学部件具有与所述子区域的形状相对应的形状。