CN112462517A - 使用全息投影的多图像显示装置 - Google Patents

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徐元泽
成基荣
申俸受
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Abstract

提供了一种显示装置，包括：光源，被配置为发射照明光；显示面板，被配置为基于照明光生成图像；图像处理器，被配置为向显示面板提供图像数据，以使显示面板生成在不同方向上行进的第一图像和第二图像；以及光学系统，被配置为分离显示在显示面板上的第一图像和第二图像，其中，图像处理器还被配置为向显示面板提供合成图像数据，该合成图像数据通过将应用了第一相位轮廓的第一图像数据和应用了不同于第一相位轮廓的第二相位轮廓的第二图像数据进行相加而获得。

Description

使用全息投影的多图像显示装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年9月9日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2019-0111556号的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的示例实施例涉及多图像显示装置，诸如增强现实(AR)系统，并且更具体地，涉及被配置为通过使用全息投影方案向一个显示面板提供多个图像的多图像显示装置。
背景技术
最近，对于开发用于虚拟现实(VR)的电子设备和显示装置的兴趣越来越大。已经研究了能够实现增强现实(AR)和混合现实(MR)作为VR的下一阶段的技术。
与VR假设完整的虚拟世界不同，AR是一种显示技术，用于在真实世界环境中以重叠的方式示出虚拟物体或信息，进一步增强现实的效果。VR仅适用于游戏或虚拟体验领域，而AR适用于各种真实环境。特别地，这种AR作为适合于无处不在的环境或物联网(IoT)环境的下一代显示技术而引起了关注。AR可能是MR的一个示例，因为它以混合的方式示出真实世界和附加信息(即虚拟世界)。
为了在VR系统、AR系统或MR系统中向观察者提供双眼视差、表达多个深度、扩展视角或扩展视场，已经提出了一种以空分方式或时分方式使用两个或更多个显示面板的方法。
发明内容
根据示例实施例的一个方面，提供了一种显示装置，包括：光源，被配置为发射照明光；显示面板，被配置为基于照明光生成图像；图像处理器，被配置为向显示面板提供图像数据，以使显示面板生成在不同方向上行进的第一图像和第二图像；以及光学系统，被配置为分离显示在显示面板上的第一图像和第二图像，其中，图像处理器还被配置为向显示面板提供合成图像数据，该合成图像数据通过将应用了第一相位轮廓的第一图像数据和应用了不同于第一相位轮廓的第二相位轮廓的第二图像数据进行相加而获得。
光学系统可以包括被配置为在第一方向上反射第一图像的第一反射镜，以及被配置为在不同于第一方向的第二方向上反射第二图像的第二反射镜。
显示面板可以包括反射空间光调制器，该反射空间光调制器被配置为通过反射照明光来生成图像，其中，光学系统还可以包括：傅立叶透镜，被配置为将第一图像聚焦在第一反射镜上并且将第二图像聚焦在第二反射镜上；分束器，被配置为向显示面板提供从光源发射的照明光，并且向傅立叶透镜提供由显示面板生成的图像；以及准直透镜，被配置为将从光源发射并入射到分束器上的照明光准直成平行光。
光学系统还可以包括遮光构件，该遮光构件被配置为遮挡由显示面板中的零级衍射生成的光。
遮光构件可以设置在傅立叶透镜的光轴上的傅立叶透镜的焦平面上，并且第一反射镜和第二反射镜可以分别设置在傅立叶透镜的焦平面上的遮光构件的每一侧。
显示面板可以包括透射空间光调制器，被配置为透射照明光并生成图像，其中，光学系统还可以包括：准直透镜，被配置为将从光源发射并入射到显示面板上的照明光准直成平行光；以及傅立叶透镜，被配置为将第一图像聚焦在第一反射镜上并将第二图像聚焦在第二反射镜上，傅立叶透镜被设置成面向显示面板的光出射表面。
光学系统可以包括被配置为将第一图像引导到第一空间的第一导光板，以及被配置为将第二图像引导到不同于第一空间的第二空间的第二导光板。
第一导光板可以包括被配置为将第一图像引导到第一导光板内部的第一输入耦合器，以及被配置为将第一图像从第一导光板的内部输出到第一导光板外部的第一输出耦合器，并且第二导光板可以包括被配置为将第二图像引导到第二导光板内部的第二输入耦合器，以及被配置为将第二图像从第二导光板内部输出到第二导光板外部的第二输出耦合器。
光学系统还可以包括傅立叶透镜，其被配置为分别聚焦第一图像和第二图像，其中，第一输入耦合器被设置在第一图像被傅立叶透镜聚焦的第一位置，并且第二输入耦合器被设置在第二图像被傅立叶透镜聚焦的第二位置。
所述第一输入耦合器和所述第二输入耦合器可以分别相对于所述第一输出耦合器和所述第二输出耦合器设置在所述第一导光板和所述第二导光板的相同或不同表面上
第一输出耦合器的面积可以大于第一输入耦合器的面积，并且第二输出耦合器的面积可以大于第二输入耦合器的面积。
光学系统还可以包括遮光构件，该遮光构件被配置为遮挡由显示面板中的零级衍射生成的光，并且第一导光板和第二导光板可以分别设置在遮光构件的每一侧。
第一图像可以是用于观察者左眼的图像，并且第二图像可以是用于观察者右眼的图像。
该光学系统可以包括被配置为将第一图像反射或透射到第一空间的第一光学构件，以及被配置为将第二图像反射或透射到不同于第一空间的第二空间的第二光学构件。
第一光学元件和第二光学元件可以包括半透射镜或全息光学元件(holographicoptical element，HOE)。
光学系统还可以包括：被配置为分别聚焦第一图像和第二图像的傅立叶透镜；以及被配置为遮挡由显示面板中的零级衍射生成的光的遮光构件，其中，第一光学构件和第二光学构件可以设置成距傅立叶透镜比傅立叶透镜的焦距更远，其中，遮光构件可以设置在傅立叶透镜的光轴上的傅立叶透镜的焦平面上，并且其中第一光学构件和第二光学构件可以分别在遮光构件的每一侧以相反的方向设置。
光学系统可以包括光学构件，该光学构件被配置为反射或透射第一图像和第二图像，使得第二图像相对于第一图像移位。
光学系统还可以包括傅立叶透镜，该傅立叶透镜被配置为分别聚焦第一图像和第二图像，并且光学构件可以被设置成比傅立叶透镜的焦距更远离傅立叶透镜。
第一图像的视点信息可以不同于第二图像的视点信息。
光学系统可以包括：第一导光板，被配置为以第一角度范围将第一图像引导到空间，以及第二导光板，被配置为以不同于第一角度范围的第二角度范围将第二图像引导到空间。
第一导光板可以包括被配置为将第一图像引导到第一导光板内部的第一输入耦合器，以及被配置为将第一图像从第一导光板内部输出到第一导光板外部的第一输出耦合器，并且第二导光板可以包括被配置为将第二图像引导到第二导光板内部的第二输入耦合器，以及被配置为将第二图像从第二导光板内部输出到第二导光板外部的第二输出耦合器，并且第一输出耦合器和第二输出耦合器可以彼此重叠，使得通过第一输出耦合器输出的第一图像穿过第二导光板的第二输出耦合器。
第一输入耦合器和第二输入耦合器可以被设置成彼此不重叠，使得第一图像仅入射在第一输入耦合器上，并且第二图像仅入射在第二输入耦合器上。
光学系统还可以包括遮光构件，该遮光构件设置在第一输入耦合器和第二输入耦合器之间，并且被配置为遮挡由显示面板中的零级衍射生成的光。
图像处理器还可以被配置为向显示面板提供合成图像数据，该合成图像数据通过将应用了不同于第一相位轮廓和第二相位轮廓的第三相位轮廓的第三图像数据和应用了不同于第一相位轮廓、第二相位轮廓和第三相位轮廓的第四相位轮廓的第四图像数据相加到第一图像数据和第二图像数据中的每一个而获得，其中，显示面板还可以被配置为生成在不同方向上行进的第一图像、第二图像、第三图像和第四图像。
第一图像和第三图像可以是用于观察者右眼的图像，第一图像的视点信息不同于第三图像的视点信息，并且第二图像和第四图像可以是用于观察者左眼的图像，第二图像的视点信息不同于第四图像的视点信息。
光学系统可以包括：第一光学构件，被配置为反射或透射第一图像和第三图像，使得第三图像相对于第一图像移位；以及第二光学构件，被配置为反射或透射第二图像和第四图像，使得第四图像相对于第二图像移位。
光学系统可以包括：第一导光板，被配置为以第一角度范围将第一图像引导到第一空间；第二导光板，被配置为以第一角度范围将第二图像引导到不同于第一空间的第二空间；第三导光板，被配置为以不同于第一角度范围的第二角度范围将第三图像引导到第一空间；以及第四导光板，被配置为以第二角度范围将第四图像引导到第二空间。
第一导光板可以包括被配置为将第一图像引导到第一导光板内部的第一输入耦合器，以及被配置为将第一图像从第一导光板内部输出到第一导光板外部的第一输出耦合器，第二导光板可以包括被配置为将第二图像引导到第二导光板内部的第二输入耦合器，以及被配置为将第二图像从第二导光板内部输出到第二导光板外部的第二输出耦合器，第三导光板可以包括被配置为将第三图像引导到第三导光板内部的第三输入耦合器，以及被配置为将第三图像从第三导光板内部输出到第三导光板外部的第三输出耦合器，并且第四导光板可以包括被配置为将第四图像引导到第四导光板内部的第四输入耦合器，以及被配置为将第四图像从第四导光板内部输出到第四导光板外部的第四输出耦合器，其中，第一输出耦合器和第三输出耦合器彼此重叠，使得通过第一输出耦合器输出的第一图像穿过第三导光板的第三输出耦合器，并且其中第二输出耦合器和第四输出耦合器彼此重叠，使得通过第二输出耦合器输出的第二图像穿过第四导光板的第四输出耦合器。
光学系统还可以包括遮光构件，该遮光构件被配置为遮挡由显示面板中的零级衍射生成的光，其中，第一导光板和第三导光板设置在遮光构件的第一侧，并且第二导光板和第四导光板设置在遮光构件的与所述第一侧相反的第二侧。
光学系统可以包括：第一导光板，被配置为将第一图像以第一深度投影到空间上；以及第二导光板，被配置为将第二图像以第二深度投影在空间上，第二深度不同于第一深度。
第一导光板可以包括被配置为将第一图像引导到第一导光板内部的第一输入耦合器，以及被配置为将第一图像从第一导光板内部输出到第一导光板外部的第一输出耦合器，并且第二导光板可以包括被配置为将第二图像引导到第二导光板内部的第二输入耦合器，以及被配置为将第二图像从第二导光板内部输出到第二导光板外部的第二输出耦合器，其中，第一输出耦合器和第二输出耦合器彼此重叠，使得通过第一输出耦合器输出的第一图像穿过第二导光板的第二输出耦合器。
光学系统可以包括光学构件，该光学构件被配置为反射或透射第一图像和第二图像，使得第二图像被设置在第一图像的中心，并且第一图像被设置为围绕第二图像的外围。
第一图像和第二图像可以被组合以形成单个图像，其中，第二图像的视角小于第一图像的视角，并且其中第二图像的分辨率高于第一图像的分辨率。
图像处理器还可以被配置为生成第一相位轮廓，使得第一图像聚焦在第一焦距处，并且生成第二相位轮廓，使得第二图像聚焦在大于第一焦距的第二焦距处，并且其中第一焦距可以小于显示面板和光学构件之间的距离，并且第二焦距可以大于显示面板和光学构件之间的距离。
光学系统可以包括：第一透镜，被配置为分别聚焦第一图像和第二图像；第二透镜，设置在由第一透镜形成的第二图像的焦点处，第二透镜被配置为减小第二图像的发散角；遮光构件，被配置为遮挡由显示面板中的零级衍射生成的光；以及光学构件，被配置为将第一图像和第二图像会聚在同一点。
显示装置可以包括虚拟现实显示(VR)装置、增强现实(AR)显示装置或混合现实(MR)显示装置，其被配置为头戴式装置、眼镜式装置或护目镜式装置。
根据示例实施例的另一方面，提供了一种显示装置，包括：光源，被配置为发射光；显示面板，被配置为基于光生成图像；图像处理器，被配置为向显示面板提供合成图像数据，该合成图像数据通过将应用了第一相位轮廓的第一图像数据和应用了不同于第一相位轮廓的第二相位轮廓的第二图像数据进行相加而获得，以使显示面板同时显示在第一方向上行进的第一全息图像和在不同于第一方向的第二方向上行进的第二全息图像；以及光学系统，被配置为分离显示在显示面板上的第一图像和第二图像。
附图说明
通过以下结合附图的描述，某些示例实施例的上述和其他方面、特征和优点将更加明显，其中：
图1示出了根据示例实施例的多图像显示装置的配置；
图2示出了当同时显示两个二维(2D)图像时生成要提供给多图像显示装置的一个显示面板的图像数据的过程；
图3示出了当同时显示两个全息图像时生成要提供给多图像显示装置的一个显示面板的图像数据的过程；
图4示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置；
图5示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置；
图6示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置；
图7示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置；
图8示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置；
图9是图8中的傅立叶透镜和遮光构件的放大视图；
图10示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置；
图11示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置；
图12示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置；
图13是示出根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置的示意图；
图14示出了当显示两个2D图像时，由图13所示的多图像显示装置表示的图像的深度；
图15示出了当显示两个全息图像时，由图13所示的多图像显示装置表示的图像的深度范围；
图16示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置；
图17示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置；
图18示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置；
图19示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置的配置；和
图20和图21示出了根据示例实施例的采用多图像显示装置的各种电子设备。
具体实施方式
现在将详细参考实施例，其示例在附图中被示出，附图中相同的参考标号始终指代相同的元件。在这点上，示例实施例可以具有不同的形式，并且不应该被解释为限于本文阐述的描述。因此，下面仅通过参考附图来描述示例实施例，以解释各方面。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联列出的项目的一个或多个的任何和所有组合。当诸如“至少一个”的表达在元件列表之前时，修改整个元件列表，而不修改该列表的各个元件。例如，表达“a、b和c中的至少一个”应理解为包括仅a，仅b，仅c，a和b二者，a和c二者，b和c二者，或a、b和c的全部。
在下文中，将参考附图详细描述使用全息投影方案的多图像显示装置。在附图中，为了说明清楚起见，元件的尺寸可能被夸大。本文描述的示例实施例仅用于说明目的，并且可以由此进行各种修改。在下面的描述中，当一个元件被称为在分层结构中的另一个元件“上方”或“之上”时，它可以在与另一个元件接触的同时直接在另一个元件的上、下、左或右侧，或者可以在不与另一个元件接触的情况下在另一个元件的上、下、左或右侧。
图1示出了根据示例实施例的多图像显示装置100的配置。参考图1，根据该示例实施例的多图像显示装置100可以包括发射照明光的光源110、通过使用照明光生成图像的显示面板120、被配置为将照明光传输到显示面板120并将图像传输到观察者的光学系统130、以及被配置为向显示面板120提供图像数据的图像处理器190。
根据示例实施例，通过使用全息投影方案，一个显示面板120显示在不同方向上行进的至少两个图像。此外，光学系统130可以被配置为分离显示在一个显示面板120上的至少两个图像，并沿着不同的路径引导它们。此外，图像处理器190生成图像数据并将图像数据提供给显示面板120，以使一个显示面板120显示在不同方向上行进的至少两个图像。然后，多图像显示装置100可以仅用一个显示面板120向观察者的左眼和右眼中的每一个提供图像，表达多个深度，扩展视角，扩展视场，或者产生包括锐化的中心和模糊的外围的中心凹图像(foveated image)。
为此，图像处理器190通过将确定每个图像将行进的方向的相位轮廓(phaseprofile)应用于包括不同图像的信息的图像数据来生成合成图像数据。例如，图2示出了当同时显示两个二维(2D)图像时生成要提供给多图像显示装置100的一个显示面板120的图像数据的过程。
参考图2，图像处理器190将确定第一图像行进的方向的第一相位轮廓P1应用于包括第一图像的信息的第一图像数据I1。例如，图像处理器190可以对第一相位轮廓P1和第一图像数据I1执行卷积操作。另外，图像处理器190可以对包括第二图像的信息的第二图像数据I2和确定第二图像行进的方向的第二相位轮廓P2执行卷积操作。此后，图像处理器190可以对两个卷积处理的图像数据进行相加，并将最终合成的图像数据I3提供给显示面板120。在这种情况下，对两个图像数据进行相加可以是简单地将两个图像数据的对应像素值彼此相加。
因此，显示面板120可以同时显示作为2D图像的第一图像和第二图像。第一相位轮廓P1和第二相位轮廓P2包括形成周期性正弦波形式的棱镜图案的数据。光通过棱镜图案在某个方向折射，且光折射的角度由棱镜图案的周期确定。因此，图像处理器190根据分别应用于第一图像数据I1和第二图像数据I2的第一相位轮廓P1和第二相位轮廓P2的周期，分别确定第一图像和第二图像行进的路径。在示例实施例中，由于第一相位轮廓P1的周期和第二相位轮廓P2的周期彼此不同，所以由显示面板120显示的第一图像和第二图像可以在不同的方向上行进。
因为多图像显示装置100使用全息投影方案，所以多图像显示装置100不仅可以再现至少两个2D图像，还可以再现至少两个三维(3D)全息图像。例如，图3示出了当同时显示两个全息图像时生成要提供给多图像显示装置100的一个显示面板120的图像数据的过程。参考图3，图像处理器190可以通过使用基于层的算法来转换输入图像数据。基于层的算法是基于深度将全息图的再现区域划分成多个平面层和处理每个平面层的数据的方法。
首先，图像处理器190可以对多个2D图像数据图像1_d1、…、图像1_dn执行傅立叶变换或快速傅立叶变换(FFT)，其中每个图像数据包括关于通过划分第一图像获得的多个平面层的信息。图像处理器190可以通过FFT将图像数据转换成具有复数值的复图像数据。在这种情况下执行的傅立叶操作是从观察者的视网膜到观察者的瞳孔的第一傅立叶逆变换(IFT)或第一快速傅立叶逆变换(IFFT)。例如，通过第一傅立叶操作，在观察者的视网膜上形成的波前可以被转换成在观察者的瞳孔上形成的波前。此外，图像处理器190还可以对多个2D图像数据图像2_d1、…、图像2_dn执行傅立叶变换或FFT，其中每个图像数据包括关于通过划分第二图像获得的多个平面层的信息。
此后，图像处理器190可以通过使用关于通过划分第一图像获得的多个平面层的深度信息来执行聚焦项操作或透镜相位操作。透镜相位操作是在将通过执行第一傅立叶操作获得的最终数据乘以深度值之后执行频率滤波的操作。例如，乘以通过对层的图像数据执行第一傅立叶操作获得的最终数据的深度值可以指示层的深度方向上的位置。此后，图像处理器190可以合并由通过执行透镜相位操作获得的层分离的多个2D图像数据，并且可以生成具有所有深度信息的一个图像数据。此外，图像处理器190可以通过使用关于通过划分第二图像获得的多个平面层的深度信息来执行聚焦项操作或透镜相位操作，并且可以合并由层分离的多个2D图像数据。
此后，图像处理器190可以对包括所有深度信息的一个图像数据执行第二傅立叶操作。第二傅立叶操作是从观察者的瞳孔到显示面板120的平面的第二IFT或第二FFT。例如，通过第二傅立叶操作，在观察者的瞳孔中形成的光的波前可以被转换成从显示面板120的表面发射的光的波前。图像处理器190可以对第一图像和第二图像中的每一个执行第二傅立叶操作。结果，可以生成两个经第二傅立叶操作的复图像数据。
此外，图像处理器190可以执行棱镜相位计算，以调整全息图像行进的方向。例如，图像处理器190可以将具有不同周期的相位轮廓应用于通过第二傅立叶操作获得的两个复图像数据，使得第一全息图像和第二全息图像在不同方向上行进。图像处理器190然后可以对分别被应用了不同相位轮廓的两个复图像数据进行相加，并生成合成为一条数据的复图像数据。
最后，图像处理器190可以对合成为一条数据的复图像数据执行像素编码，并最终生成要输入到显示面板120的计算机生成的全息图(CGH)数据。例如，图像处理器190可以将合成为一条数据的复图像数据中的分别与显示面板120的像素相对应的复值编码成整数值。例如，图像处理器190可以将合成为一条数据的复图像数据的复值编码成n位无符号整数值。这里，n是自然数。例如，如果显示面板120的每个像素可以表示从0到255的256个灰度值，则图像处理器190可以将复图像数据的复值编码成8位无符号整数值。此后，图像处理器190可以输出通过像素编码获得的最终CGH数据，并可以将最终CGH数据提供给显示面板120。
参考图1，由于使用了全息投影方案，光源110可以是发射相干光的相干光源。为了提供具有高相干性的光，激光二极管(LD)可以用作光源110。另外，光源110可以是发光二极管(LED)。发光二极管具有比激光器更低的空间相干性，但是当光仅具有一些空间相干性时，该光可以被显示面板120充分衍射。除了LED，任何光源都可以用作光源110，只要它发射具有空间相干性的光。
此外，在图1所示的示例实施例中，光源110可以是发射发散光的点光源。尽管诸如LED或LD的点光源可以直接布置在图1所示的光源110的位置，但是点光源可以布置在其他地方，并通过光纤传输光。例如，光纤端可以布置在图1所示的光源110的位置。此外，图1仅示出了一个光源110，但是光源110可以包括分别提供红光、绿光和蓝光的多个LD或LED的阵列。
显示面板120可以基于从图像处理器190提供的图像数据来显示图像。例如，当图像处理器190提供2D图像的图像数据时，显示面板120显示2D图像。当图像处理器190提供全息图像的CGH数据时，显示面板120显示全息图案。显示面板120可以包括二维布置的多个显示像素，以显示2D图像或全息图案。显示面板120可以使用能够仅执行相位调制的相位调制器、能够仅执行幅度调制的幅度调制器以及能够执行相位调制和幅度调制二者的复合调制器中的任何一种。此外，显示面板120可以包括反射照明光以形成图像的反射空间光调制器，或者透射照明光以形成图像的透射空间光调制器。例如，显示面板120可以使用半导体调制器、液晶器件(liquid crystal device，LCD)、数字微镜器件(digital micromirrordevice，DMD)、硅上液晶(liquid crystal on silicon，LCoS)等等。
图像处理器190可以被配置为以参考图2或图3描述的方式生成图像数据并将图像数据提供给显示面板120，并且控制光源110的操作。例如，图像处理器190可以控制光源110的照明和关闭。图像处理器190可以使用软件来实现，或者可以以嵌入了这种软件的功能的半导体芯片的形式来实现。
光学系统130可以被配置为分离显示在显示面板120上的至少两个图像，并将它们引导到不同的路径。可以根据多图像显示装置100的尺寸、用途和形状不同地配置光学系统130。例如，当显示面板120被配置为反射空间光调制器时，光学系统130可以包括用于聚焦图像的傅立叶透镜113、被配置为向显示面板120提供从光源110发射的照明光并向傅立叶透镜113提供由显示面板120生成的图像的分束器112、以及用于将从光源110发射并入射到分束器112上的照明光准直成平行光的准直透镜111。
在该配置中，从光源110发射的照明光可以穿过准直透镜111，然后被分束器112反射以入射到显示面板120上。此后，显示面板120可以通过反射和调制照明光来再现至少两个图像。例如，当显示面板120生成两个图像，例如，第一图像L1和第二图像L2时，第一图像L1和第二图像L2可以穿过分束器112，然后被傅立叶透镜113聚焦。如上所述，由于应用于两个图像数据的相位轮廓彼此不同，所以第一图像L1和第二图像L2的行进方向可能稍微不同。因此，第一图像L1被傅立叶透镜113聚焦的位置和第二图像L2被聚焦的位置可能稍微不同。
为了完全分离第一图像L1和第二图像L2并将第一图像L1和第二图像L2提供给观察者，光学系统130可以包括分别布置在第一图像L1被聚焦的位置和第二图像L2被聚焦的位置的适当的图像传送单元。例如，光学系统130可以包括布置在第一图像L1聚焦的位置处的倾斜的第一反射镜132a和布置在第二图像L2聚焦的位置处的倾斜的第二反射镜132b。因此，傅立叶透镜113可以将第一图像L1聚焦在第一反射镜132a上，并将第二图像L2聚焦在第二反射镜132b上。第一反射镜132a可以在第一方向上反射第一图像L1，并且第二反射镜132b可以在不同于第一方向的第二方向上反射第二图像L2。然后，第一图像L1和第二图像L2可以彼此完全分离，然后第一图像L1和第二图像L2可以被提供给观察者，并且根据多图像显示装置100的用途的以各种方式使用。
因为显示面板120由多个显示像素的阵列组成，所以多个显示像素的物理阵列结构也充当衍射晶格(diffraction lattice)。因此，一些照明光可以被由显示面板120的显示像素阵列组成的规则衍射晶格衍射和干涉。结果，晶格光斑(lattice spot)可以出现在傅立叶透镜113的焦平面上。例如，不形成图像的零级衍射光L0可以沿着傅立叶透镜113的光轴OX行进。晶格光斑可以充当图像噪声，这降低了再现的图像的图像质量，并使图像的观看不舒服。
因此，光学系统130还可以包括遮光构件131，用于遮挡由显示面板120中的零级衍射生成的零级衍射光L0，使得晶格光斑噪声对于观察者不可见。例如，遮光构件131可以布置在傅立叶透镜113的光轴OX上。特别地，为了确保第一图像L1和第二图像L2与零级衍射光L0分离并且减小遮光构件131的尺寸，遮光构件131可以布置在傅立叶透镜113的焦平面上。
在图1中，第一图像L1和第二图像L2分别沿着零级衍射光L0的两侧倾斜行进。在这种情况下，第一反射镜132a和第二反射镜132b可以分别布置在傅立叶透镜113的焦平面中的遮光构件131的两侧。然而，实施例不限于此，并且第一图像L1和第二图像L2行进的方向可以依赖于应用于图像数据的相位轮廓的周期(period)而变化。可以根据第一图像L1和第二图像L2的焦点位置来调整第一反射镜132a和第二反射镜132b的位置。
图4示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置200的配置。与图1所示的多图像显示装置100相比，只有图4所示的多图像显示装置200的图像传送单元不同于多图像显示装置100的图像传送单元。例如，参考图4，光学系统130可以包括用于将第一图像L1引导到第一空间的第一导光板141a和用于将第二图像L2引导到不同于第一空间的第二空间的第二导光板141b。第一导光板141a可以包括用于将第一图像L1引导到第一导光板141a内部的第一输入耦合器142a、以及用于将第一图像L1输出到第一导光板141a外部的第一输出耦合器143a。另外，第二导光板141b可以包括用于将第二图像L2引导到第二导光板141b内部的第二输入耦合器142b、以及用于将第二图像L2输出到第二导光板141b外部的第二输出耦合器143b。第一输入耦合器142a和第二输入耦合器142b以及第一输出耦合器143a和第二输出耦合器143b可以包括周期性的精细光栅图案，并且可以依赖于光栅图案的周期、尺寸和形状以各种角度控制光的方向。
第一导光板141a和第二导光板141b分别布置在遮光构件131的两侧。具体地，第一导光板141a和第二导光板141b可以被布置成使得其中的光波导在基本垂直于傅立叶透镜113的光轴的方向上延伸。第一导光板141a和第二导光板141b的布置方向可以不完全垂直于傅立叶透镜113的光轴。第一导光板141a和第二导光板141b的布置方向可以根据分别从第一输出耦合器143a和第二输出耦合器143b输出的第一图像L1和第二图像L2将行进的方向来调整。
此外，第一输入耦合器142a布置在第一图像L1被傅立叶透镜113聚焦在第一导光板141a的第一表面上的位置处，并且第二输入耦合器142b布置在第二图像L2被傅立叶透镜113聚焦在第二导光板141b的第一表面上的位置处。例如，第一输入耦合器142a和第二输入耦合器142b可以分别邻近遮光构件131的两侧来布置。第一输出耦合器143a布置在面对第一导光板141a的第一表面的第一导光板141a的第二表面上，并且第二输出耦合器143b布置在面对第二导光板141b的第一表面的第二导光板141b的第二表面上。为了要输出的第一图像L1和第二图像L2的观看窗口足够大，第一输出耦合器143a的面积可以大于第一输入耦合器142a的面积，并且第二输出耦合器143b的面积可以大于第二输入耦合器142b的面积。
在该配置中，显示在显示面板120上的第一图像L1可以通过第一输入耦合器142a在第一导光板141a内部行进。另外，第一图像L1可以通过第一输出耦合器143a输出到第一导光板141a的外部，并且入射到例如观察者的右眼ER上。此外，显示在显示面板120上的第二图像L2可以通过第二输入耦合器142b在第二导光板141b内行进。此后，第二图像L2可以通过第二输出耦合器143b输出到第二导光板141b的外部，并且可以入射到例如观察者的左眼EL上。因此，多图像显示装置200可以通过使用单个显示面板120来向观察者提供右眼图像和左眼图像。
第一输出耦合器143a和第二输出耦合器143b可以仅衍射以预先设定的某个角度倾斜入射的光，并且衍射光分别垂直于第一导光板141a的第二表面和第二导光板141b的第二表面行进，然而，第一输出耦合器143a和第二输出耦合器143b对于以不同于该某个角度的角度入射的光可以不充当衍射光栅。例如，从外部垂直入射到第一输出耦合器143a和第二输出耦合器143b上的光照原样穿过第一输出耦合器143a和第二输出耦合器143b。因此，根据示例实施例的多图像显示装置200可以用于实现增强现实(AR)或混合现实(MR)。在这种情况下，根据示例实施例的多图像显示装置200可以是近眼AR显示装置。例如，在观察者的右眼ER中，可以一起看到由显示面板120再现的第一图像L1和垂直透射通过第一输出耦合器143a的、包括外部前景的外部光EX。外部光EX不是通过由单独的空间光调制器调制而生成的或由单独的显示面板显示的人工图像，而是包含存在于观察者面前的实际前景。因此，观察者可以同时识别第一图像L1和实际前景，其中第一图像L1是人工生成的虚拟图像。另外，在观察者的左眼EL中，可以一起看到由显示面板120再现的第二图像L2和垂直透射通过第二输出耦合器143b的、包括外部前景的外部光EX。这样，由于多图像显示装置200可以通过使用单个显示面板120来实现双眼的AR，所以多图像显示装置200可以以更小的尺寸制造并且可以具有更低的功耗。
图5示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置200′的配置。尽管图4所示的多图像显示装置200的第一输出耦合器143a和第二输出耦合器143b相对于第一输入耦合器142a和第二输入耦合器142b布置在不同的表面上，但是第一输出耦合器143a和第二输出耦合器143b可以相对于第一输入耦合器142a和第二输入耦合器142b设置在相同的表面上，如图5所示。例如，参考图5，第一输入耦合器142a和第一输出耦合器143a可以一起布置在第一导光板141a的第一表面上，并且第二输入耦合器142b和第二输出耦合器143b可以一起布置在第二导光板141b的第一表面上。在这种情况下，通过第一输出耦合器143a输出的第一图像L1可以入射到观察者的左眼EL上，并且通过第二输出耦合器143b输出的第二图像L2可以入射到观察者的右眼ER上。
图6示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置300的配置。图6所示的多图像显示装置300可以包括光学构件，该光学构件作为图像传送单元，改变以某个角度入射的光的行进方向以透射光。参考图6，光学系统130可以包括用于将第一图像L1传输到第一空间的第一光学构件151a和用于将第二图像L2传输到不同于第一空间的第二空间的第二光学构件151b。例如，第一光学构件151a和第二光学构件151b可以包括全息光学元件(HOE)。
每个HOE可以通过使参考光和物体光在感光层中相互干涉来形成。例如，干涉图案可以被记录在HOE中，干涉图案通过使参考光以与第一图像L1入射到第一光学构件151a上的方向相同的方向入射到感光层上、并且使物体光以与第一图像L1穿过第一光学构件151a的方向相同的方向入射到感光层上而形成。当在与参考光相同的方向的第一图像L1入射到包括HOE的第一光学构件151a上时，在第一图像L1穿过第一光学构件151a时，第一图像L1具有与物体光相同的方向。此外，干涉图案可以被记录在HOE中，干涉图案通过使参考光以与第二图像L2入射到第二光学构件151b上的方向相同的方向入射到感光层上、并且使物体光以与第二图像L2穿过第二光学构件151b的方向相同的方向入射到感光层上而形成。当在与参考光相同的方向的第二图像L2入射到包括HOE的第二光学构件151b上时，在第二图像L2穿过第二光学构件151b时，第二图像L2具有与物体光方向相同的方向。相反，HOE可以被设计成通过使用具有不同折射率的精细图案的3D阵列来以不同方向透射在某个方向入射的光。
第一光学构件151a和第二光学构件151b可以分别在遮光构件131的两侧在相反的方向来布置。具体地，第一光学构件151a和第二光学构件151b可以被布置成使得其光入射表面在基本垂直于傅立叶透镜113的光轴的方向上延伸。此外，第一光学构件151a和第二光学构件151b可以布置得距傅立叶透镜131比傅立叶透镜113的焦距更远。然后，第一图像L1和第二图像L2可以在穿过傅立叶透镜113的焦点的同时被放大，并且分别入射到第一光学构件151a和第二光学构件151b的光入射表面的大面积上。
在该配置中，显示在显示面板120上的第一图像L1在穿过傅立叶透镜113之后入射在第一光学构件151a上。第一图像L1可以在穿过第一光学构件151a时被折射，并且入射到观察者的右眼ER上。此外，显示在显示面板120上的第二图像L2在穿过傅立叶透镜113之后入射在第二光学构件151b上。第二图像L2可以在穿过第二光学构件151b时被折射，并且入射到观察者的左眼EL上。此外，垂直于第一光学构件151a和第二光学构件151b入射的光按原样穿过第一光学构件151a和第二光学构件151b。因此，观察者可以连同包括外部前景的外部光EX来一起观看第一图像L1和第二图像L2。
图7示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置300′的配置。在图7所示的多图像显示装置300′中，第一光学构件151a和第二光学构件151b可以被配置为反射第一图像L1和第二图像L2。例如，参考图7，第一光学构件151a和第二光学构件151b可以包括透射一部分入射光并反射另一部分入射光的半透射镜，或者可以包括改变以某个角度入射的光的行进方向以反射光的HOE。在这种情况下，由第一光学构件151a反射的第一图像L1可以入射到观察者的左眼EL上，并且由第二光学构件151b反射的第二图像L2可以入射到观察者的右眼ER上。
图8示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置400的配置。参考图8，多图像显示装置400可以包括作为图像传送单元的一个光学构件151，该光学构件151反射第一图像L1和第二图像L2二者。为此，可以适当地选择第一图像L1和第二图像L2的行进方向、光学构件151的位置以及傅立叶透镜113的屈光力。例如，图像处理器190可以确定用于第一图像L1的相位轮廓和用于第二图像L2的相位轮廓，使得第一图像L1和第二图像L2都可以入射到一个光学构件151上。
图9是图8中的傅立叶透镜113和遮光构件131的放大视图。参考图9，第一图像L1和第二图像L2被傅立叶透镜113聚焦在与零级衍射光L0相同的焦平面P上。尽管第一图像L1的行进方向和第二图像L2的行进方向之间的差异不大，但是第一图像L1的焦点和第二图像L2的焦点可以分别在遮光构件131的两侧以相反的方向来布置。遮光构件131可以具有基本上等于零级衍射光L0的光斑的尺寸的相对小的尺寸，以不遮挡第一图像L1和第二图像L2。
返回参考图8，光学构件151可以被布置得距傅立叶透镜113比傅立叶透镜113的焦距更远。第一图像L1和第二图像L2可以在通过傅立叶透镜113的焦点时被放大，并且入射到光学构件151的光入射表面的大面积上。当入射到光学构件151上时，第一图像L1和第二图像L2可以相对于彼此移位。因此，由光学构件151反射的第一图像L1和第二图像L2即使在观察者观察第一图像L1和第二图像L2的位置也可相对于彼此移位。
在该配置中，图像处理器190可以通过使用不同视点的图像数据来生成第一图像L1的图像数据和第二图像L2的图像数据，并将生成的图像数据提供给显示面板120。由显示面板120显示的第一图像L1和第二图像L2可以具有不同的视点信息。由于彼此移位的第一图像L1和第二图像L2具有不同的视点信息，因此当观察者的眼睛位置移动时，观察者所观看的图像的视点可以改变。因此，多图像显示装置400可以提供扩展的视场，并且观察者可以在更宽的区域中观察图像。
图10示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置400′的配置。在图10所示的实施例中，显示面板120同时显示在不同方向上行进的四个图像L1至L4。例如，图像处理器190可以生成通过对分别应用了不同的第一至第四相位轮廓的第一至第四图像数据进行相加而获得的合成图像数据，并将合成图像数据提供给显示面板120。另外，第一图像L1和第三图像L3可以沿着零级衍射光L0的第一侧行进，并且第二图像L2和第四图像L4可以沿着与零级衍射光L0的第一侧相反的第二侧行进。第一图像L1、第二图像L2、第三图像L3和第四图像L4被傅立叶透镜113聚焦在与零级衍射光L0相同的焦平面P上。遮光构件131可以位于零级衍射光L0的焦点处，第一图像L1和第三图像L3的焦点可以位于遮光构件131的第一侧，并且第二图像L2和第四图像L4的焦点可以位于与遮光构件131的第一侧相反的第二侧。
在该配置中，第一图像L1和第三图像L3可以被投影在第一空间上。第二图像L2和第四图像L4可以被投影在不同于第一空间的第二空间上。第一图像L1和第三图像L3可以在观察者观看第一图像L1和第三图像L3的位置处相对于彼此移位。另外，第二图像L2和第四图像L4可以在观察者观看第二图像L2和第四图像L4的位置处相对于彼此移位。在这种情况下，第一图像L1和第三图像L3可以是用于观察者右眼的、具有不同的视点信息的图像，并且第二图像L2和第四图像L4可以是用于观察者左眼的、具有不同的视点信息图像。因此，当观察者的眼睛的位置移动时，观察者观看到的图像的视点可以改变。
图11示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置500的配置。参考图11，根据示例实施例的多图像显示装置500可以包括作为图像传送单元的第一导光板161a和第二导光板161b，其在相同空间中以不同角度范围引导图像。例如，第一导光板161a可以被配置为以第一角度范围将第一图像L1引导到空间中，并且第二导光板161b可以被配置为以不同于第一角度范围的第二角度范围将第二图像L2引导到空间中。
第一导光板161a包括用于将第一图像L1引导到第一导光板161a内部的第一输入耦合器162a、以及用于将第一图像L1输出到第一导光板161a外部的第一输出耦合器163a。第二导光板161b包括用于将第二图像L2引导到第二导光板161b内部的第二输入耦合器162b、以及用于将第二图像L2输出到第二导光板161b外部的第二输出耦合器163b。第二导光板161b在发光的方向上布置在第一导光板161a上。因此，第一输出耦合器163a和第二输出耦合器163b彼此重叠，并且通过第一导光板161a的第一输出耦合器163a输出的第一图像L1穿过第二导光板161b的第二输出耦合器163b。另一方面，第一输入耦合器162a和第二输入耦合器162b布置成不彼此面对，使得第一图像L1仅入射在第一输入耦合器162a上，而第二图像L2仅入射在第二输入耦合器162b上。
第一图像L1和第二图像L2被傅立叶透镜113聚焦在与零级衍射光L0相同的焦平面P上。遮光构件131位于零级衍射光L0的焦点处，并且第一图像L1和第二图像L2的焦点分别位于遮光构件131的相反侧。第二导光板161b可以布置在傅立叶透镜113的焦平面P上。第二导光板161b的第二输入耦合器162b位于第二图像L2的焦点处。第一导光板161a的第一输入耦合器162a可以布置成比第一图像L1的焦点稍微远离傅立叶透镜113。
在该配置中，第一导光板161a和第二导光板161b可以在相同空间中在不同角度范围内分别提供第一图像L1和第二图像L2。具体地，图像处理器190可以合成图像数据，使得第一图像L1的第一角度范围和第二图像L2的第二角度范围彼此连续而不彼此重叠。例如，当第一导光板161a的光出射表面的法线方向是0度时，第一角度范围可以是大约-40度到大约0度，并且第二角度范围可以是大约0度到大约+40度。然后，视角与仅用一个图像获得的视角相比可以加倍。因此，观察者可以观察更宽角度范围的图像。
图12示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置500′的配置。参考图12，显示面板120同时显示在不同方向上行进的第一图像L1、第二图像L2、第三图像L3和第四图像L4。例如，第一图像L1和第三图像L3可以沿着零级衍射光L0的第一侧行进，并且第二图像L2和第四图像L4可以沿着与零级衍射光L0的第一侧相反的第二侧行进。第一图像L1、第二图像L2、第三图像L3和第四图像L4被傅立叶透镜113聚焦在与零级衍射光L0相同的焦平面P上。遮光构件131可以位于零级衍射光L0的焦点处，第一图像L1和第三图像L3的焦点可以位于遮光构件131的第一侧，并且第二图像L2和第四图像L4的焦点可以位于与遮光构件131的第一侧相反的第二侧。
图12所示的多图像显示装置500′可以包括作为图像传送单元的第一导光板161La、第二导光板161Ra、第三导光板161Lb和第四导光板161Rb，其中，第一导光板161La用于将第一图像L1引导到第一角度范围内的第一空间中，第二导光板161Ra用于将第二图像L2引导到不同于第一角度范围内的第一空间的第二空间中，第三导光板161Lb用于以不同于第一角度范围的第二角度范围将第三图像L3引导到第一空间中，并且第四导光板161Rb用于以第二角度范围将第四图像L4引导到第二空间中。例如，第一导光板161La和第三导光板161Lb布置在遮光构件131的第一侧，并且第二导光板161Ra和第四导光板161Rb布置在与遮光构件131的第一侧相反的第二侧。另外，第三导光板161Lb和第四导光板161Rb可以布置在傅立叶透镜113的焦平面P上。
此外，第一导光板161La包括用于将第一图像L1引导到第一导光板161La内部的第一输入耦合器162La、以及用于将第一图像L1输出到第一导光板161La外部的第一输出耦合器163La。第二导光板161Ra包括用于将第二图像L2引导到第二导光板161Ra内部的第二输入耦合器162Ra、以及用于将第二图像L2输出到第二导光板161Ra外部的第二输出耦合器163Ra。第三导光板161Lb包括用于将第三图像L3引导到第三导光板161Lb内部的第三输入耦合器162Lb、以及用于将第三图像L3输出到第三导光板161Lb外部的第三输出耦合器163Lb。第四导光板161Rb包括用于将第四图像L4引导到第四导光板161Rb内部的第四输入耦合器162Rb、以及用于将第四图像L4输出到第四导光板161Rb外部的第四输出耦合器163Rb。
第三导光板161Lb在发光的方向上布置在第一导光板161La上。因此，第一输出耦合器163La和第三输出耦合器163Lb彼此重叠，并且通过第一导光板161La的第一输出耦合器163La输出的第一图像L1穿过第三导光板161Lb的第三输出耦合器163Lb。另外，第四导光板161Rb在发光的方向上布置在第二导光板161Ra上。因此，第二输出耦合器163Ra和第四输出耦合器163Rb彼此重叠，并且通过第二导光板161Ra的第二输出耦合器163Ra输出的第二图像L2穿过第四导光板161Rb的第四输出耦合器163Rb。
在这种情况下，第一图像L1和第三图像L3可以是用于观察者左眼的、具有不同视角信息的图像，并且第二图像L2和第四图像L4可以是用于观察者右眼的、具有不同视角信息的图像。例如，第一导光板161La和第三导光板161Lb可以在第一图像L1和第三图像L3在相同的第一空间中不彼此重叠并且彼此连续连接的角度范围内提供第一图像L1和第三图像L3。另外，第二导光板161Ra和第四导光板161Rb可以在第二图像L2和第四图像L4在相同的第二空间中不彼此重叠并且彼此连续连接的角度范围内提供第二图像L2和第四图像L4。然后，多图像显示装置500′可以向观察者提供左眼图像和右眼图像，其中每一个图像都具有扩展的视角。
图13示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置600的配置。图13所示的多图像显示装置600可以包括作为图像传送单元的第一导光板171a和第二导光板171b，它们以不同的深度将图像投影到相同的空间上。例如，第一导光板171a可以被配置为将第一图像L1以第一深度投影到空间上，并且第二导光板171b可以被配置为将第二图像L2以不同于第一深度的第二深度投影到空间中。
第一导光板171a包括用于将第一图像L1引导到第一导光板171a内部的第一输入耦合器172a、以及用于将第一图像L1输出到第一导光板171a外部的第一输出耦合器173a。第二导光板171b包括用于将第二图像L2引导到第二导光板171b内部的第二输入耦合器172b、以及用于将第二图像L2输出到第二导光板171b外部的第二输出耦合器173b。第二导光板171b在发光的方向上布置在第一导光板171a上。因此，第一输出耦合器173a和第二输出耦合器173b彼此重叠，并且通过第一导光板171a的第一输出耦合器173a输出的第一图像L1穿过第二导光板171b的第二输出耦合器173b。
第一图像L1和第二图像L2被傅立叶透镜113聚焦在与零级衍射光L0相同的焦平面P上。遮光构件131位于零级衍射光L0的焦点处，并且第一图像L1和第二图像L2的焦点分别位于遮光构件131的相反侧。第二导光板171b可以布置在傅立叶透镜113的焦平面P上。第二导光板171b的第二输入耦合器172b位于第二图像L2的焦点处。第一导光板171a的第一输入耦合器172a可以布置成比第一图像L1的焦点稍微远离傅立叶透镜113。
为了以不同的深度将第一图像L1和第二图像L2投影，由第一导光板171a的第一输出耦合器173a输出的第一图像L1会聚的角度可以不同于由第二导光板171b的第二输出耦合器173b输出的第二图像L2会聚的角度。例如，第一图像L1的会聚角可以大于第二图像L2的会聚角。为此，可以不同地选择构成第一输出耦合器173a和第二输出耦合器173b的周期性光栅图案的结构。
图14示出了当显示两个2D图像时由图13所示的多图像显示装置600表示的图像的深度，并且图15示出了当显示两个全息图像时由图13所示的多图像显示装置600表示的图像的深度范围。参考图14，当多图像显示装置600显示两个2D图像时，观察者可以确定第一图像L1处于第一深度，并且第二图像L2处于第二深度。另外，参考图15，当多图像显示装置600显示两个全息图像时，观察者可以确定第一图像L1具有第一深度范围，并且第二图像L2具有第二深度范围。因此，可以表示比仅由一个全息图像表示的深度范围更宽的深度范围。
图16示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置700的配置。图16中示出的多图像显示装置700的配置类似于图8中示出的多图像显示装置400的配置，并且它们之间的区别在于由傅立叶透镜113聚焦第一图像L1的焦距不同于由傅立叶透镜113聚焦第二图像L2的焦距。
例如，在图16所示的示例实施例中，用于第一图像L1的焦距等于用于零级衍射光L0的焦距，并且用于第二图像L2的焦距大于用于零级衍射光L0的焦距。例如，用于第一图像L1的焦距可以小于显示面板120和光学构件151之间的距离，并且用于第二图像L2的焦距可以大于显示面板120和光学构件151之间的距离。为此，图像处理器190可以确定用于第二图像L2的相位轮廓，使得显示在显示面板120上的第二图像L2不对称地入射到傅立叶透镜113的中心部分。另外，图像处理器190可以确定用于第二图像L2的相位轮廓，使得第二图像L2的光束宽度小于第一图像L1在傅立叶透镜113的光入射表面处的光束宽度。此外，图像处理器190可以确定用于第一图像L1的相位轮廓，使得第一图像L1基本对称地入射到傅立叶透镜113上，同时形成基本上平行的光线。
然后，在经过焦点之后，第一图像L1在发散的同时入射到光学构件151上。然后，第一图像L1被光学构件151反射并再次会聚在一点。此外，第二图像L2被光学构件151反射并会聚在一点。在这种情况下，第一图像L1和第二图像L2可以会聚在同一点。为此，光学构件151可以在改变第一图像L1和第二图像L2的行进角度的同时反射第一图像L1和第二图像L2，使得在第一图像L1的方向上入射的光和在第二图像L2的方向上入射的光会聚在同一点。例如，光学构件151可以是被制造成以不同角度反射以某个角度入射的光的HOE。
在该配置中，当被观察者观看时，第二图像L2位于第一图像L1的中心，并且第一图像L1围绕第二图像L2的外围。另外，由于在中心处的第二图像L2的视角比第一图像L1的视角窄，所以第二图像L2比第一图像L1更清晰并且具有更高的分辨率。由于第一图像L1比第二图像L2更宽地散布，所以第一图像L1的锐度和分辨率低于第二图像L2的锐度和分辨率。因此，当第一图像L1和第二图像L2被组合成一个图像时，所获得的图像的视场中心可以是更清楚的，并且其外围可以是更模糊的，如真眼所见的。这样，可以使用单个显示面板120来实现凹图像。特别地，因为中心图像和外围图像由单个显示面板120显示，所以中心图像的颜色特性和外围图像的颜色特性可以是相同的，从而提供更自然的凹图像。
此外，图17示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置700′的配置。参考图17，多图像显示装置700′的配置类似于图8所示的多图像显示装置400的配置，并且第一图像L1和第二图像L2被傅立叶透镜113聚焦在与零级衍射光L0相同的焦平面上。尽管第一图像L1的行进方向和第二图像L2的行进方向之间的差异不大，但是由傅立叶透镜113形成的第一图像L1的焦点和第二图像L2的焦点可以分别在遮光构件131的两侧以相反的方向来布置。遮光构件131可以具有基本上等于零级衍射光L0的光斑的尺寸的相对小的尺寸，以不遮盖第一图像L1和第二图像L2。
图17所示的多图像显示装置700′还包括透镜133，其布置在第二图像L2的焦点附近，以减小第二图像L2的发散角。在通过焦点之后，第一图像L1和第二图像L2都在发散的同时入射到光学构件151上，并且由于透镜133，第二图像L2的发散角小于第一图像L1的发散角。因此，第二图像L2入射到光学构件151上的区域的面积小于第一图像L1入射到光学构件151上的区域的面积。例如，在光学构件151的表面上，第二图像L2位于第一图像L1的中心附近。
第一图像L1和第二图像L2被光学构件151反射并会聚在同一点。为此，光学构件151可以在改变第一图像L1和第二图像L2的行进角度的同时反射第一图像L1和第二图像L2，使得在第一图像L1的方向上入射的光和在第二图像L2的方向上入射的光会聚在同一点。例如，光学构件151可以是被制造成以不同角度反射以某个角度入射的光的HOE。
在该配置中，当被观察者观看时，第二图像L2位于第一图像L1的中心，并且第一图像L1围绕第二图像L2的外围。另外，由于在中心处的第二图像L2的视角比第一图像L1的视角窄，所以第二图像L2比第一图像L1更清晰并且具有更高的分辨率。由于第一图像L1比第二图像L2更宽地散布，所以第一图像L1的锐度和分辨率低于第二图像L2的锐度和分辨率。因此，当第一图像L1和第二图像L2被组合成一个图像时，所获得的图像的视场中心可以是更清晰的，并且其外围可以是更模糊的，如真眼所见的。这样，可以使用单个显示面板120来实现凹图像。特别地，因为中心图像和外围图像由单个显示面板120显示，所以中心图像的颜色特性和外围图像的颜色特性可以是相同的，从而提供更自然的凹图像。
上面已经描述了从光源110发射的照明光被分束器112反射并且从显示面板120反射的光穿过分束器112的情况。然而，实施例不必局限于此。例如，图18示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置100′的配置。图18所示的多图像显示装置100′的配置类似于图1所示的多图像显示装置100的配置，并且它们之间的区别仅在于从光源110发射的照明光穿过分束器112′，并且从显示面板120反射的光被分束器112′反射。
分束器112′可以包括透射一部分入射光并反射其余部分入射光的半透射镜。相反，分束器112′可以包括偏振分束器，其反射具有第一线性偏振分量的光并透射具有与第一线性偏振分量正交的第二线性偏振分量的光。例如，从光源110发射的照明光中具有第二线性偏振分量的光穿过分束器112′并入射到显示面板120上。此外，当被显示面板120反射的光的偏振方向旋转90度时，该光具有第一线性偏振分量。为此，四分之一波片可以布置在显示面板120的光入射表面上。然后，具有第二线性偏振分量的光被分束器112′反射，并入射到傅立叶透镜113上。
此外，上面已经描述了显示面板120是反射空间光调制器的情况。然而，实施例不必局限于此。例如，图19示出了根据另一示例实施例的多图像显示装置100″的配置。图19所示的多图像显示装置100″的配置类似于图1所示的多图像显示装置100的配置，并且它们之间的区别仅在于显示面板120′是透射空间光调制器。参考图19，多图像显示装置100″可以包括光源110、准直透镜111、显示面板120′、傅立叶透镜113、遮光构件131、第一反射镜132a和第二反射镜132b。因为显示面板120′透射从光源110发射的照明光以形成图像，所以可以省略分束器。
图20和图21示出了根据示例实施例的采用多图像显示装置的各种电子设备。如图20和图21所示，每个多图像显示装置可以用作可穿戴设备。换句话说，多图像显示装置可以应用于可穿戴设备。例如，多图像显示装置可以应用于头戴式显示器(HMD)。此外，多图像显示装置可以应用于眼镜式显示器、护目镜式显示器等。图20和图21所示的可穿戴电子设备可以与智能电话互连操作。多图像显示装置可以是能够提供虚拟现实或与外部真实图像一起提供虚拟图像的头戴式或眼镜或护目镜式的VR显示装置、AR显示装置或MR显示装置。
此外，多图像显示装置可以包括在智能电话中，并且智能电话本身可以用作多图像显示装置。换句话说，多图像显示装置可以应用于除了如图20和图21所示的可穿戴设备之外的诸如移动电子设备小型电子设备。多图像显示装置的应用领域可以不同地改变。例如，多图像显示装置不仅可以应用于实现VR、AR或MR，还可以应用于其他领域。例如，多图像显示装置可以应用于用户可以穿戴的小型电视或小型监视器。
虽然参考附图描述了使用全息投影方案的多图像显示装置，但是本领域的技术人员应该理解，示例实施例能够进行各种修改，并且可以以许多不同的形式实施。
虽然已经参考附图描述了示例实施例，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变，而不脱离由以下权利要求限定的本公开的精神和范围。

Claims (37)

1.一种显示装置，包括：
光源，被配置为发射照明光；
显示面板，被配置为基于所述照明光来生成图像；
图像处理器，被配置为向所述显示面板提供图像数据，使得所述显示面板生成在不同方向上行进的第一图像和第二图像；和
光学系统，被配置为分离显示在所述显示面板上的第一图像和第二图像，
其中，所述图像处理器还被配置为向所述显示面板提供合成图像数据，所述合成图像数据通过将应用了第一相位轮廓的第一图像数据和应用了不同于所述第一相位轮廓的第二相位轮廓的第二图像数据进行相加而获得。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述光学系统包括：
第一反射镜，被配置为在第一方向上反射所述第一图像；和
第二反射镜，被配置为在不同于所述第一方向的第二方向上反射所述第二图像。
3.根据权利要求2所述的显示装置，其中
所述显示面板包括反射空间光调制器，所述反射空间光调制器被配置为通过反射所述照明光来生成所述图像，
其中，所述光学系统还包括：
傅立叶透镜，被配置为将所述第一图像聚焦在所述第一反射镜上，并将所述第二图像聚焦在所述第二反射镜上；
分束器，被配置为向所述显示面板提供从所述光源发射的照明光，并向所述傅立叶透镜提供由所述显示面板生成的图像；和
准直透镜，被配置为将从所述光源发射并入射到所述分束器上的照明光准直成平行光。
4.根据权利要求3所述的显示装置，其中
所述光学系统还包括遮光构件，所述遮光构件被配置为遮挡由所述显示面板中的零级衍射生成的光。
5.根据权利要求4所述的显示装置，其中
所述遮光构件设置在所述傅立叶透镜的光轴上的所述傅立叶透镜的焦平面上，并且所述第一反射镜和第二反射镜分别设置在所述傅立叶透镜的焦平面上的所述遮光构件的相反侧。
6.根据权利要求2所述的显示装置，其中
所述显示面板包括透射空间光调制器，所述透射空间光调制器被配置为传输所述照明光并生成所述图像，
其中，所述光学系统还包括：
准直透镜，被配置为将从所述光源发射并入射到所述显示面板上的照明光准直成平行光；和
傅立叶透镜，被配置为将所述第一图像聚焦在所述第一反射镜上，并将所述第二图像聚焦在所述第二反射镜上，所述傅立叶透镜被设置成面向所述显示面板的光出射表面。
7.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述光学系统包括：
第一导光板，被配置为将所述第一图像引导到第一空间；和
第二导光板，被配置为将所述第二图像引导到不同于所述第一空间的第二空间。
8.根据权利要求7所述的显示装置，其中
所述第一导光板包括被配置为将所述第一图像引导到所述第一导光板内部的第一输入耦合器，以及被配置为将所述第一图像从所述第一导光板的内部输出到所述第一导光板外部的第一输出耦合器，和
其中，所述第二导光板包括被配置为将所述第二图像引导到所述第二导光板内部的第二输入耦合器，以及被配置为将所述第二图像从所述第二导光板内部输出到所述第二导光板外部的第二输出耦合器。
9.根据权利要求8所述的显示装置，其中
所述第一输入耦合器相对于所述第一输出耦合器设置在所述第一导光板的相同表面上，同时所述第二输入耦合器相对于所述第二输出耦合器设置在所述第二导光板的相同表面上；或者
所述第一输入耦合器相对于所述第一输出耦合器设置在所述第一导光板的不同表面上，同时所述第二输入耦合器相对于所述第二输出耦合器设置在所述第二导光板的不同表面上。
10.根据权利要求8所述的显示装置，其中
所述光学系统还包括被配置为聚焦所述第一图像和所述第二图像的傅立叶透镜，和
其中，所述第一输入耦合器设置在由所述傅立叶透镜聚焦所述第一图像的第一位置，并且所述第二输入耦合器设置在所述傅立叶透镜聚焦所述第二图像的第二位置。
11.根据权利要求8所述的显示装置，其中
所述第一输出耦合器的面积大于所述第一输入耦合器的面积，并且所述第二输出耦合器的面积大于所述第二输入耦合器的面积。
12.根据权利要求7所述的显示装置，其中
所述光学系统还包括遮光构件，所述遮光构件被配置为遮挡由所述显示面板中的零级衍射生成的光，和
其中，所述第一导光板和所述第二导光板分别设置在所述遮光构件的相反侧。
13.根据权利要求7所述的显示装置，其中
所述第一图像是用于观察者左眼的图像，并且所述第二图像是用于观察者右眼的图像。
14.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述光学系统包括：
第一光学构件，被配置为将所述第一图像反射或透射到第一空间；和
第二光学构件，被配置为将所述第二图像反射或透射到不同于所述第一空间的第二空间。
15.根据权利要求14所述的显示装置，其中
所述第一光学构件和所述第二光学构件包括半透射镜或全息光学元件。
16.根据权利要求14所述的显示装置，其中
所述光学系统还包括被配置为聚焦所述第一图像和所述第二图像的傅立叶透镜，以及被配置为遮挡由所述显示面板中的零级衍射生成的光的遮光构件，
其中，所述第一光学构件和所述第二光学构件被设置成距所述傅立叶透镜比所述傅立叶透镜的焦距更远，
其中，所述遮光构件设置在所述傅立叶透镜的光轴上的所述傅立叶透镜的焦平面上，和
其中，所述第一光学构件和所述第二光学构件分别在所述遮光构件的相反侧以相反的方向设置。
17.根据权利要求1所述的显示装置，其中
所述光学系统包括光学构件，所述光学构件被配置为反射或透射所述第一图像和所述第二图像，使得所述第二图像相对于所述第一图像移位。
18.根据权利要求17所述的显示装置，其中
所述光学系统还包括被配置为聚焦所述第一图像和所述第二图像的傅立叶透镜，和
其中，所述光学构件被设置成距所述傅立叶透镜比所述傅立叶透镜的焦距更远。
19.根据权利要求17所述的显示装置，其中
所述第一图像的视点信息不同于所述第二图像的视点信息。
20.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述光学系统包括：
第一导光板，被配置为以第一角度范围将所述第一图像引导到空间；和
第二导光板，被配置为以不同于所述第一角度范围的第二角度范围将所述第二图像引导到空间。
21.根据权利要求20所述的显示装置，其中
所述第一导光板包括被配置为将所述第一图像引导到所述第一导光板内部的第一输入耦合器，以及被配置为将所述第一图像从所述第一导光板内部输出到所述第一导光板外部的第一输出耦合器，
其中，所述第二导光板包括被配置为将所述第二图像引导到所述第二导光板内部的第二输入耦合器，以及被配置为将所述第二图像从所述第二导光板内部输出到所述第二导光板外部的第二输出耦合器，和
其中，所述第一输出耦合器和所述第二输出耦合器彼此重叠，使得通过所述第一输出耦合器输出的所述第一图像穿过所述第二导光板的所述第二输出耦合器。
22.根据权利要求21所述的显示装置，其中
所述第一输入耦合器和所述第二输入耦合器设置成不彼此重叠，使得所述第一图像仅入射在所述第一输入耦合器上，并且所述第二图像仅入射在所述第二输入耦合器上。
23.根据权利要求22所述的显示装置，其中
所述光学系统还包括遮光构件，所述遮光构件设置在所述第一输入耦合器和所述第二输入耦合器之间并且被配置为遮挡由所述显示面板中的零级衍射生成的光。
24.根据权利要求1所述的显示装置，其中
所述图像处理器还被配置为向所述显示面板提供合成图像数据，所述合成图像数据通过将应用了第三相位轮廓的第三图像数据与应用了第四相位轮廓的第四图像数据相加到第一图像数据和所述第二图像数据中的每一个而获得，
其中，所述第三相位轮廓不同于所述第一相位轮廓和所述第二相位轮廓，并且所述第四相位轮廓不同于所述第一相位轮廓、所述第二相位轮廓和所述第三相位轮廓；和
其中，所述显示面板还被配置为生成在不同方向上行进的所述第一图像、所述第二图像、所述第三图像和所述第四图像。
25.根据权利要求24所述的显示装置，其中
所述第一图像和所述第三图像是用于观察者右眼的图像，所述第一图像的视点信息不同于所述第三图像的视点信息，并且
所述第二图像和所述第四图像是用于观察者左眼的图像，所述第二图像的视点信息不同于所述第四图像的视点信息。
26.根据权利要求25所述的显示装置，其中，所述光学系统包括：
第一光学构件，被配置为反射或透射所述第一图像和所述第三图像，使得所述第三图像相对于所述第一图像移位；和
第二光学构件，被配置为反射或透射所述第二图像和所述第四图像，使得所述第四图像相对于所述第二图像移位。
27.根据权利要求25所述的显示装置，其中，所述光学系统包括：
第一导光板，被配置为以第一角度范围将所述第一图像引导到第一空间；
第二导光板，被配置为以所述第一角度范围将所述第二图像引导到不同于所述第一空间的第二空间；
第三导光板，被配置为以不同于所述第一角度范围的第二角度范围将所述第三图像引导到所述第一空间；和
第四导光板，被配置为以所述第二角度范围将所述第四图像引导到所述第二空间。
28.根据权利要求27所述的显示装置，其中
所述第一导光板包括被配置为将所述第一图像引导到所述第一导光板内部的第一输入耦合器，以及被配置为将所述第一图像从所述第一导光板内部输出到所述第一导光板外部的第一输出耦合器，
所述第二导光板包括被配置为将所述第二图像引导到所述第二导光板内部的第二输入耦合器，以及被配置为将所述第二图像从所述第二导光板内部输出到所述第二导光板外部的第二输出耦合器，
所述第三导光板包括被配置为将所述第三图像引导到所述第三导光板内部的第三输入耦合器，以及被配置为将所述第三图像从所述第三导光板内部输出到所述第三导光板外部的第三输出耦合器，和
所述第四导光板包括被配置为将所述第四图像引导到所述第四导光板内部的第四输入耦合器，以及被配置为将所述第四图像从所述第四导光板内部输出到所述第四导光板外部的第四输出耦合器，
其中，所述第一输出耦合器和所述第三输出耦合器彼此重叠，使得通过所述第一输出耦合器输出的所述第一图像穿过所述第三导光板的第三输出耦合器，和
其中，所述第二输出耦合器和所述第四输出耦合器彼此重叠，使得通过所述第二输出耦合器输出的所述第二图像穿过所述第四导光板的第四输出耦合器。
29.根据权利要求27所述的显示装置，其中
所述光学系统还包括遮光构件，所述遮光构件被配置为遮挡由所述显示面板中的零级衍射生成的光，和
其中，所述第一导光板和所述第三导光板设置在所述遮光构件的第一侧，并且所述第二导光板和所述第四导光板设置在所述遮光构件的与所述第一侧相反的第二侧。
30.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述光学系统包括：
第一导光板，被配置为将所述第一图像以第一深度投影在空间上；和
第二导光板，被配置为将所述第二图像以第二深度投影在所述空间上，所述第二深度不同于所述第一深度。
31.根据权利要求30所述的显示装置，其中
所述第一导光板包括被配置为将所述第一图像引导到所述第一导光板内部的第一输入耦合器，以及被配置为将所述第一图像从所述第一导光板内部输出到所述第一导光板外部的第一输出耦合器，
所述第二导光板包括被配置为将所述第二图像引导到所述第二导光板内部的第二输入耦合器，以及被配置为将所述第二图像从所述第二导光板内部输出到所述第二导光板外部的第二输出耦合器，
其中，所述第一输出耦合器和所述第二输出耦合器彼此重叠，使得通过所述第一输出耦合器输出的所述第一图像穿过所述第二导光板的第二输出耦合器。
32.根据权利要求1所述的显示装置，其中
所述光学系统包括光学构件，所述光学构件被配置为反射或透射所述第一图像和所述第二图像，使得所述第二图像设置在所述第一图像的中心，并且所述第一图像设置为围绕所述第二图像的外围。
33.根据权利要求32所述的显示装置，其中
所述第一图像和所述第二图像被组合以形成单个图像，
其中，所述第二图像的视角小于所述第一图像的视角，和
其中，所述第二图像的分辨率高于所述第一图像的分辨率。
34.根据权利要求32所述的显示装置，其中
所述图像处理器还被配置为生成所述第一相位轮廓，使得所述第一图像聚焦在第一焦距处，并且生成所述第二相位轮廓，使得所述第二图像聚焦在大于所述第一焦距的第二焦距处，并且
其中，所述第一焦距小于所述显示面板和所述光学构件之间的距离，并且所述第二焦距大于所述显示面板和所述光学构件之间的距离。
35.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述光学系统包括：
第一透镜，被配置为分别聚焦所述第一图像和所述第二图像；
第二透镜，被设置在由所述第一透镜形成的所述第二图像的焦点处，所述第二透镜被配置为减小所述第二图像的发散角；
遮光构件，被配置为遮挡由所述显示面板中的零级衍射生成的光；和
光学构件，被配置为将所述第一图像和所述第二图像会聚在同一点。
36.根据权利要求1所述的显示装置，其中
所述显示装置包括虚拟现实显示装置、增强现实显示装置或混合现实显示装置，所述显示装置被配置为头戴式装置、眼镜式装置或护目镜式装置。
37.一种显示装置，包括：
光源，被配置为发射光；
显示面板，被配置为基于所述光来生成图像；
图像处理器，被配置为向所述显示面板提供合成图像数据，所述合成图像数据通过将应用了第一相位轮廓的第一图像数据和应用了不同于所述第一相位轮廓的第二相位轮廓的第二图像数据进行相加而获得，以使所述显示面板同时显示在第一方向上行进的第一全息图像和在不同于所述第一方向的第二方向上行进的第二全息图像；和
光学系统，被配置为分离显示在所述显示面板上的所述第一图像和所述第二图像。
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