CN112711138B - 具有宽的观看窗口的显示设备 - Google Patents

Abstract

提供一种具有宽的观看窗口的显示设备。提供一种显示设备，所述显示设备包括：图像形成设备，被配置为形成图像；投影光学系统，被配置为对通过图像形成设备形成的图像进行投影；和组合光学系统，被配置为提供与从外部风景发射的光组合的从投影光学系统投影的图像，其中，组合光学系统被配置为将从投影光学系统投影的图像划分成多个相同的图像，并且将所述多个相同的图像聚焦在不同位置上。

Description

具有宽的观看窗口的显示设备

本申请要求来自于2019年10月24日提交到韩国知识产权局的第10-2019-0133262号韩国专利申请的优先权，所述韩国专利申请的公开通过引用整体包含于此。

技术领域

本公开的示例实施例涉及一种诸如增强现实系统的显示设备，更具体地，涉及一种在被小型化的同时提供宽的观看窗口的显示设备。

背景技术

近来，随着能够实现虚拟现实(VR)的电子设备和显示设备的发展，对这样的设备的兴趣已增加。作为VR的下一步，已研究用于实现增强现实(AR)和混合现实(MR)的技术。

与基于完全的虚拟世界的VR不同，AR是示出具有在其上叠加的虚拟对象或信息的真实世界从而进一步增加现实的效果的显示技术。VR仅受限地应用于诸如游戏或虚拟体验等领域，而AR的优势在于AR可应用于各种真实环境。例如，AR作为适用于无所不在的环境或物联网(IoT)环境的下一代显示技术而吸引关注。AR可以是MR的示例，因为AR示出真实世界和附加信息的混合。

为了制造能够例如以头戴式、眼镜式或护目镜式的形式实现这样的AR的显示设备，正在进行使结合了真实世界和虚拟图像的光学系统小型化的研究。此外，在一般的AR显示设备中，必须将眼睛放置在非常小的焦距(focal size)处，使得正确的图像可被观看，并且即使眼睛位置稍微偏离焦点位置，图像也可能不被合适地观看。因此，正在进行扩大用于观察图像的观看窗口的研究。

发明内容

示例实施例提供了一种在被小型化的同时具有宽的观看窗口的显示设备。

另外的方面将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述清楚，或者可通过实践呈现的示例实施例而得知。

根据示例实施例的一方面，提供一种显示设备，所述显示设备包括：图像形成设备，被配置为形成图像；投影光学系统，被配置为对通过图像形成设备形成的图像进行投影；和组合光学系统，被配置为提供与从外部风景发射的光组合的从投影光学系统投影的图像，其中，组合光学系统被配置为将从投影光学系统投影的图像划分成多个相同的图像，并且将所述多个相同的图像聚焦在不同位置上。

组合光学系统可包括沿着从投影光学系统投影的图像的光路顺序地设置的多个全息光学元件。

所述多个全息光学元件中的每个可包括第一表面和第二表面，第一表面被配置为使入射光的一部分衍射并且透射入射光的剩余部分，第二表面与第一表面背对地设置并被配置为透射入射光。

所述多个全息光学元件中的每个可包括反射型全息光学元件，反射型全息光学元件被配置为使入射在第一表面上的入射光衍射，并将衍射的入射光聚焦在面向第一表面的空间中。

所述多个全息光学元件中的每个可被配置为：使倾斜地入射在第一表面上的入射光衍射，并在与第一表面垂直的方向上汇聚衍射的入射光。

所述多个全息光学元件可包括：沿着从投影光学系统投影的图像的光路顺序地设置的第一全息光学元件和第二全息光学元件，其中，第一全息光学元件被配置为将从投影光学系统投影的图像聚焦到第一位置，并在第一位置上形成第一图像，并且其中，第二全息光学元件被配置为将从投影光学系统投影的并且通过第一全息光学元件透射的图像聚焦到与第一位置不同的第二位置，并在第二位置上形成第二图像。

第一全息光学元件可被配置为透射通过第二全息光学元件衍射的图像。

第一图像和第二图像可彼此相同，并且其中，第一位置和第二位置可在与第一全息光学元件的第一表面平行的方向上彼此间隔开。

第一位置和第二位置可设置在与第一全息光学元件的第一表面平行的单个平面上。

第一全息光学元件和第二全息光学元件可彼此相同。

第一全息光学元件的焦距可不同于第二全息光学元件的焦距。

第一全息光学元件和第二全息光学元件可被设置为在与第一全息光学元件的第一表面平行的方向上彼此偏移。

第二全息光学元件的衍射效率可比第一全息光学元件的衍射效率高。

第一全息光学元件和第二全息光学元件在与第一全息光学元件的第一表面垂直的方向上彼此间隔开。

第一全息光学元件的第二表面和第二全息光学元件的第一表面可彼此接触。

组合光学系统可包括沿着从投影光学系统投影的图像的光路顺序地设置的全息光学元件和多个半透镜。

全息光学元件可包括第一表面和第二表面，第一表面被配置为使入射光衍射，第二表面与第一表面背对地设置并被配置为透射入射光。

全息光学元件可包括透射型全息光学元件，透射型全息光学元件被配置为使入射在第一表面上的入射光衍射，并将衍射的入射光聚焦在面向第二表面的空间中。

全息光学元件可被配置为：使发散并倾斜地入射在第一表面上的入射光衍射，并在与第二表面垂直的方向上汇聚衍射的入射光。

所述多个半透镜中的每个可被配置为透射入射光的一部分并且反射入射光的剩余部分，并且所述多个半透镜可包括沿着从投影光学系统投影的图像的光路顺序地设置的第一半透镜和第二半透镜。

第一半透镜可被配置为反射被全息光学元件衍射的图像，并在面向全息光学元件的第一表面的空间中的第一位置上形成第一图像，并且其中，第二半透镜可被配置为：通过反射被全息光学元件衍射并且被第一半透镜透射的图像，在与第一位置不同的第二位置上形成第二图像。

第一图像和第二图像可彼此相同，并且第一位置和第二位置可在与第一全息光学元件的第一表面垂直的方向上彼此间隔开。

通过第一半透镜反射的图像和通过第二半透镜反射的图像可在面向全息光学元件的第一表面的空间中的第三位置和与第三位置不同的第四位置处汇聚并彼此相交，以分别形成第三图像和第四图像。

第三图像和第四图像可彼此相同，并且第三位置和第四位置可在与第一全息光学元件的第一表面平行的方向上彼此间隔开。

第二半透镜的反射率可大于第一半透镜的反射率。

所述显示设备可包括：以头戴型设备、眼镜型设备或护目镜型设备的形式实现的虚拟现实(VR)显示设备、增强现实(AR)显示设备或混合现实(MR)显示设备。

根据示例实施例的另一方面，提供一种显示设备，所述显示设备包括：图像形成设备，被配置为形成图像；投影光学系统，被配置为对通过图像形成设备形成的图像进行投影；和组合光学系统，被配置为提供与从外部风景发射的光组合的从投影光学系统投影的图像，组合光学系统包括沿着从投影光学系统投影的图像的光路顺序地设置的多个全息光学元件，其中，所述多个全息光学元件被配置为分别将同一图像聚焦在不同位置上。

附图说明

从下面结合附图进行的描述，公开的示例实施例的以上和/或其他方面、特征和优点将更加清楚，其中：

图1是根据实施例的显示设备的配置的示图；

图2是图1中示出的显示设备的第一全息光学元件(HOE)的配置和操作的示例性图；

图3A是图1中示出的显示设备的组合光学系统的配置和操作的示例性图；

图3B是图1中示出的显示设备的组合光学系统的配置和操作的另一示例的示例性图；

图4是根据另一实施例的组合光学系统的配置的示例性图；

图5是根据另一实施例的显示设备的配置的示图；

图6是根据另一实施例的显示设备的配置的示图；

图7是根据另一实施例的显示设备的配置的示图；

图8是图7中示出的显示设备的全息光学元件的操作的示例性图；

图9是图7中示出的显示设备的组合光学系统的配置和操作的示例性图；以及

图10、图11和图12是根据示例实施例的显示设备可应用于的各种电子装置的示图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述具有宽的观看窗口的显示设备。相同的参考标号始终表示相同的元件。在附图中，为了清楚起见，构成元件的尺寸可被夸大。以下描述的示例实施例仅是示例性的，并且根据示例实施例可以进行各种修改。在以下描述的层结构中，诸如“在……之上”或“在……上方”的表述不仅可包括“以接触的方式直接在……上方/在……下/在……左边/在……右边”的含义，还可包括“以非接触方式在……上方/在……下/在……左边/在……右边”的含义。

如这里所使用，术语“和/或”包括相关联所列项中的一个或多个的任何和全部组合。当诸如“……中的至少一个”的表述出现在一列元素之后时，修饰整列元素，而不是修饰列中的单个元素。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应该被理解为：仅包括a，仅包括b，仅包括c，包括a和b二者，包括a和c二者，包括b和c二者，或者包括a、b和c的全部。

图1是根据示例实施例的显示设备100的配置的示图。参照图1，根据示例实施例的显示设备100可包括图像形成设备110、投影光学系统120和组合光学系统130，图像形成设备110用于形成图像，投影光学系统120用于对通过图像形成设备110生成的图像进行投影，组合光学系统130被配置为将从投影光学系统120投影的图像和包含外部风景并从外部风景传播的光组合到观察者。

图像形成设备110可被配置为形成包含虚拟现实或虚拟信息的图像L10。为了形成图像L10，图像形成设备110可包括光源101和空间光调制器102。图像形成设备110还可包括用于将数字图像数据信号提供给空间光调制器102的图像处理器。在一个示例实施例中，光源101可被配置为提供准直的白光作为照明光。例如，光源101可包括发光二极管(LED)和准直透镜。此外，空间光调制器102可包括具有二维布置的多个像素的阵列的液晶调制器。从图像形成设备110提供的图像L10可以是一般的二维图像。

在另一示例实施例中，光源101可以是发射相干光的相干光源。例如，光源101可包括激光二极管LD。空间光调制器102可被配置为根据从图像处理器提供的全息图数据信号(例如，计算机生成的全息图(CGH)信号)显示全息图图案。例如，空间光调制器102可以是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两者的复合调制器。在这种情况下，从图像形成设备110提供的图像L10可以是具有三维信息的全息图像。

投影光学系统120被配置为放大通过图像形成设备110形成的图像L10并将图像L10投影到组合光学系统130上。尽管如图1中的示例那样，投影光学系统120仅被示出为一个透镜元件，但是投射光学系统120实际上可包括多个透镜元件以补偿像差和失真。此外，投影光学系统120可被设置为在组合光学系统130的横向方向上相对于组合光学系统130倾斜，以不妨碍组合光学系统130与观察者的眼睛E之间的光路。然后，通过投影光学系统120放大和发散的图像L10可倾斜地入射在组合光学系统130上。

组合光学系统130被配置为将从投影光学系统120投影的图像L10与包含外部风景并从外部风景传播的外部光L20组合，以提供给观察者。例如，组合光学系统130可被配置为反射从投影光学系统120投影的图像L10，并透射包含外部风景并从外部风景传播的外部光L20。外部光L20不是通过由单独的空间光调制器调制而生成或由单独的显示面板显示的人造图像，而是包括观察者前方的实际风景。因此，观察者可同时识别人工生成的虚拟图像L10和实际风景。在这方面，根据示例实施例的显示设备100可应用于实现增强现实(AR)或混合现实(MR)。具体地，根据本实施例的显示设备100可以是近眼AR显示设备。

此外，为了扩大显示设备100的观看窗口，组合光学系统130可被配置为将从投影光学系统120投影的图像L10划分成相同的图像L11、L12和L13，以聚焦在多个不同的位置上。例如，组合光学系统130可包括沿着从投影光学系统120投影的图像L10的光路顺序地布置的第一全息光学元件至第三全息光学元件131、132和133。图1示出三个全息光学元件(即，作为示例，第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133)，但是不必限于此。组合光学系统130可根据需要包括两个或更多个全息光学元件。例如，作为非限制的示例，组合光学系统130可包括第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133中的两个。

图2是图1中示出的显示设备100的第一全息光学元件131的配置和操作的示例性图。参照图2，显示设备100的第一全息光学元件131可包括第一表面S11和第二表面S12，第一表面S11被配置为使入射光的一部分衍射并且透射入射光的剩余部分，第二表面S12与第一表面S11背对地设置并被配置为透射入射光。具体地，第一全息光学元件131可以是反射型全息光学元件，该反射型全息光学元件被配置为使入射在第一表面S11上的入射光衍射以将入射光聚焦在面向第一表面S11的空间中。

在这种情况下，从投影光学系统120投影的图像L10的一部分在第一全息光学元件131的第一表面S11处衍射，并聚焦在面向第一表面S11的空间中的焦点处。结果，通过第一全息光学元件131复制的第一图像L11形成在焦点上。当观察者的眼睛E位于第一全息光学元件131的焦点处时，观察者看到与第一全息光学元件131背对的放大的虚像L11'。此外，由于第一全息光学元件131的第二表面S12按原样透射入射光，因此观察者可看到包含第一全息光学元件131的背对侧的外部风景并从第一全息光学元件131的背对侧的外部风景传播的光L20。因此，观察者可观看由第一全息光学元件131复制的虚拟的第一图像L11以及实际的外部风景。

第一全息光学元件131的第一表面S11可包括具有不同折射率的材料的精细的二维图案或三维图案，使得入射光可被衍射并聚焦在特定焦点位置处。然后，第一全息光学元件131的第一表面S11可通过经由以特定角度范围使入射光衍射改变光的传播方向，并根据图案的尺寸、高度、周期等生成相消干涉和相长干涉，来在一个点处收集光。

具体地，自通过投影光学系统120放大和发散的图像L10倾斜地入射在第一全息光学元件131的第一表面S11上之后，第一全息光学元件131的第一表面S11可被配置为使发散并倾斜地入射在第一表面S11上的入射光衍射，并且在与第一表面S11垂直的方向上汇聚入射光。为此，具有与通过投影光学系统120投影的图像L10的发散角相同的发散角的参考光被辐射到具有板的形式的感光材料的第一表面上。参考光入射在感光材料上的入射角被设置为与图像L10入射在第一全息光学元件131的第一表面S11上的角度相等。同时，感光材料可被对象光照射，对象光从感光材料的第二表面穿过感光材料到达感光材料的第一表面，并汇聚在面向感光材料的第一表面的特定焦距处。然后，参考光和对象光的干涉图案形成在感光材料上，并且第一全息光学元件131可通过使由干涉图案曝光的感光材料显影来制造。

当具有与参考光的发散角相同的发散角的图像L10以与参考光的入射角相同的入射角入射在第一全息光学元件131的第一表面S11上时，在第一全息光学元件131的第一表面S11处衍射的光在沿着与对象光的方向相同的方向传播的同时汇聚在特定的焦距处，以形成第一图像L11。例如，通过投影光学系统120投影的图像L10的主光线在第一全息光学元件131的第一表面S11的中心附近衍射，以在与第一全息光学元件131的第一表面S11垂直的方向上传播。此外，通过投影光学系统120投影的图像L10的边缘光线在第一全息光学元件131的第一表面S11的边缘附近衍射，以在朝向中心光汇聚的方向上传播。然后，主光线和边缘光线在面向第一全息光学元件131的第一表面S11的空间中的焦点处被收集。

再次参照图1，第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133沿着通过投影光学系统120投影的图像L10的光路顺序地布置。第二全息光学元件132和第三全息光学元件133的配置和操作可与上述第一全息光学元件131的配置和操作相同。例如，第二全息光学元件132和第三全息光学元件133中的每个可包括：使入射光的一部分衍射并且透射剩余部分的第一表面以及原样透射入射光的第二表面。此外，第二全息光学元件132的第一表面被配置为使从投影光学系统120倾斜地入射的发散的图像L10衍射，以在特定焦点上形成第二图像L12，第三全息光学元件133的第一表面可被配置为使从投影光学系统120倾斜地入射的发散的图像L10衍射，以在特定焦点上形成第三图像L13。

在包括第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133的组合光学系统130的配置中，通过投影光学系统120投影的图像L10的一部分被第一全息光学元件131的第一表面S11衍射，以形成第一图像L11。通过投影光学系统120投影的图像L10的剩余部分穿过第一全息光学元件131并入射在第二全息光学元件132上。入射在第二全息光学元件132上的图像L10的一部分在第二全息光学元件132的第一表面处衍射并穿过第一全息光学元件131以形成第二图像L12。此外，入射在第二全息光学元件132上的图像L10的剩余部分穿过第二全息光学元件132并入射在第三全息光学元件133上。入射在第三全息光学元件133上的图像L10的一部分在第三全息光学元件133的第一表面处衍射并且依次穿过第二全息光学元件132和第一全息光学元件131，以形成第三图像L13。第一图像L11、第二图像L12和第三图像L13均从通过投影光学系统120投影的图像L10被形成，因此第一图像L11、第二图像L12和第三图像L13可相同。

根据本实施例，组合光学系统130可被配置为在水平方向上具有形成第一图像L11、第二图像L12和第三图像L13的不同的焦点位置。例如，图3A示出图1中示出的显示设备100的组合光学系统130的配置和操作的示例。参照图3A，由于通过投影光学系统120投影的图像L10是倾斜的，因此第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133可在图像L10的倾斜方向上相对于彼此偏移。例如，当图像L10从左侧向右侧倾斜时，第二全息光学元件132可沿着右方向偏移并且被设置为与第一全息光学元件131平行。此外，第三全息光学元件133可沿着右方向偏移并且被设置为与第二全息光学元件132平行。

此外，第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133可被设置在垂直方向上的不同位置处。水平方向可被定义为与第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133中的每个的第一表面和第二表面平行的方向，垂直方向可被定义为与第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133中的每个的第一表面和第二表面垂直的方向。例如，第二全息光学元件132可被设置得在垂直方向上比第一全息光学元件131更远离投影光学系统120，并且第三全息光学元件133可被设置得在垂直方向上比第二全息光学元件132更远离投影光学系统120。

因此，通过投影光学系统120投影的图像L10的主光线入射在第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133中的每个的第一表面上的位置在水平方向上偏移。例如，通过投影光学系统120投影的图像L10的主光线入射在第一全息光学元件131的第一表面的中心部分上的位置与通过投影光学系统120投影的图像L10的主光线入射在第二全息光学元件132的第一表面的中心部分上的位置之间的水平间隙可以g1。此外，通过投影光学系统120投影的图像L10的主光线入射在第二全息光学元件132的第一表面的中心部分上的位置与通过投影光学系统120投影的图像L10的主光线入射在第三全息光学元件133的第一表面的中心部分上的位置之间的水平间隙可以是g2。间隙g1可被确定为第一全息光学元件131与第二全息光学元件132之间的垂直间隙，并且间隙g2可被确定为第二全息光学元件132与第三全息光学元件133之间的垂直间隙。

此外，通过投影光学系统120投影的图像L10的边缘光线入射在第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133中的每个的第一表面上的位置也在水平方向上偏移。例如，通过投影光学系统120投影的图像L10的边缘光线入射在第一全息光学元件131的第一表面的左边缘上的位置与通过投影光学系统120投影的图像L10的边缘光线入射在第二全息光学元件132的第一表面的左边缘上的位置之间的水平间隙可以是g1'，通过投影光学系统120投影的图像L10的边缘光线入射在第二全息光学元件132的第一表面的左边缘上的位置与通过投影光学系统120投影的图像L10的边缘光线入射在第三全息光学元件133的第一表面的左边缘上的位置之间的水平间隙可以是g2'。此外，通过投影光学系统120投影的图像L10的边缘光线入射在第一全息光学元件131的第一表面的右边缘上的位置与通过投影光学系统120投影的图像L10的边缘光线入射在第二全息光学元件132的第一表面的右边缘上的位置之间的水平间隙可以是g1”，通过投影光学系统120投影的图像L10的边缘光线入射在第二全息光学元件132的第一表面的右边缘上的位置与通过投影光学系统120投影的图像L10的边缘光线入射在第三全息光学元件133的第一表面的右边缘上的位置之间的水平间隙可以是g2”。当通过投影光学系统120投影的图像L10从左向右倾斜时，g1'＜g1＜g1”并且g2'＜g2＜g2”。

如上所述，第一全息光学元件131将从投影光学系统120投影的图像L10聚焦在第一焦点f1上，以在第一焦点f1上形成第一图像L11。此外，第二全息光学元件132将从投影光学系统120投影的图像L10聚焦在第二焦点f2上，以在第二焦点f2上形成第二图像L12，第三全息光学元件133将从投影光学系统120投影的图像L10聚焦在第三焦点f3上，以在第三焦点f3上形成第三图像L13。由于入射在第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133中的每个的第一表面上的图像L10的主光线在与第一表面垂直的方向上传播，因此第一焦点f1和第二焦点f1之间的水平间隙可等于g1，第二焦点f2与第三焦点f3之间的水平间隙可等于g2。

因此，分别通过第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133形成的第一图像L11、第二图像L12和第三图像L13可在水平方向上彼此间隔开。例如，第一图像L11和第二图像L12可在水平方向上彼此间隔开g1，第二图像L12和第三图像L13可在水平方向上彼此间隔开g2。然后，观察者可在第一焦点f1的位置处、第二焦点f2的位置处或第三焦点f3的位置处观看相同的图像L10。结果，观察者可观看图像L10的水平方向上的区域(即，观看窗口)可扩大。间隙g1和g2可被选择为大于观察者的眼睛E的瞳孔的直径，使得第一图像L11、第二图像L12和第三图像L13中的至少两个不一起入射在观察者的眼睛E的瞳孔上。

此外，如图3A中所示，第一焦点f1、第二焦点f2和第三焦点f3可被布置在水平方向上的同一单个平面P上。平面P可例如与第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133中的每个的第一表面和第二表面平行地布置。在这种情况下，第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133可具有不同的焦距。例如，第二全息光学元件132的焦距可大于第一全息光学元件131的焦距，并且第三全息光学元件133的焦距可大于第二全息光学元件132的焦距。换言之，第二焦点f2与第二全息光学元件132的第一表面之间的最短距离可大于第一焦点f1与第一全息光学元件131的第一表面之间的最短距离。第三焦点f3与第三全息光学元件133的第一表面之间的最短距离可大于第二焦点f2与第二全息光学元件132的第一表面之间的最短距离。

图3B是图1中示出的显示设备100的组合光学系统130'的配置和操作的另一示例。参照图3B，第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133都可具有相同的焦距。在这种情况下，第一焦点f1、第二焦点f2和第三焦点f3可分别设置在沿着垂直方向彼此间隔开的第一平面P1、第二平面P2和第三平面P3上。例如，第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133都可以是相同的全息光学元件。图3B中示出的组合光学系统130'的其余配置和操作可与参照图3A描述的组合光学系统130的配置和操作相同。

尽管第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133都具有相同的焦距，但是第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133可被不同地设计。例如，第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133可被设计为具有不同的衍射效率。通过使图像L10的未被第一全息光学元件131衍射的部分衍射来形成第二图像L12，并且通过使图像L10的未被第一全息光学元件131和第二全息光学元件132衍射的部分衍射来形成第三图像L13。因此，第二图像L12可比第一图像L11暗，第三图像L13可比第二图像L12暗。因此，第三全息光学元件133可被设计为比第二全息光学元件132具有更高的衍射效率，并且第二全息光学元件132可被设计为比第一全息光学元件131具有更高的衍射效率，从而使得第一图像L11、第二图像L12和第三图像L13可具有几乎相同的亮度。第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133的衍射效率的选择可等同地应用于图3A中示出的组合光学系统130。

在图3A和图3B中，分别使用三个全息光学元件(例如，第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133)形成三个相同的图像L1、L2和L3。然而，全息光学元件(例如，第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133)的数量以及图像L1、L2和L3的数量仅是示例，并且实施例不必限于此。全息光学元件的数量可被选择为显示设备100的内部空间允许的限制内的四个或更多个。

图4是根据另一示例实施例的组合光学系统130”的配置的示例性图。参照图4，组合光学系统130”可包括彼此接触的第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133。图3A和图3B示出第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133在垂直方向上彼此间隔开。然而，实施例不限于此。第一图像L11、第二图像L12和第三图像L13可仅在水平方向上彼此间隔开，以不一次入射到观察者的眼睛E的瞳孔上，然而实施例不限于此。例如，第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133可被布置为彼此接触。例如，第一全息光学元件131和第二全息光学元件132可被布置为使得第一全息光学元件131的第二表面和第二全息光学元件132的第一表面彼此接触。此外，第二全息光学元件132和第三全息光学元件133可被布置为使得第二全息光学元件132的第二表面和第三全息光学元件133的第一表面彼此接触。

根据上述示例实施例，用于组合现实世界和虚拟图像的组合光学系统的光学系统可被简化为全息光学元件。因此，组合光学系统可缩小，并且能够实现AR的包括组合光学系统的显示设备100也可缩小。此外，当全息光学装置被使用时，组合光学系统的焦距可更容易地减小，因此显示设备100的视角可更容易地增大。此外，根据示例实施例，可以通过利用多个全息光学元件将从一个图像形成设备110提供的一个虚拟图像复制成多个相同的图像中并且同时将多个相同的图像提供给水平方向上的多个不同位置，来扩大用于观察准确图像的观看窗口。因此，显示设备100可具有宽的观看窗口。

图1中示出的显示设备100可将图像仅提供给观察者的一只眼睛E。然而，也可以将显示设备配置成将图像提供给观察者的双眼。例如，图5示意性地示出根据另一示例实施例的显示设备100a的配置。参照图5，根据另一示例实施例的显示设备100a可包括：用于形成左眼图像IL的左眼图像形成设备110L、用于投影左眼图像IL的左眼投影光学系统120L、以及被配置为将左眼图像IL与包含外部风景并从外部风景传播的光L20组合给观察者的左眼组合光学系统130L，并且还可包括用于形成右眼图像IR的右眼图像形成设备110R、用于投影右眼图像IR的右眼投影光学系统120R、以及被配置为将右眼图像IR与包含外部风景并从外部风景传播的光L20组合给观察者的右眼组合光学系统130R。

左眼组合光学系统130L可包括沿着从左眼投影光学系统120L投影的左眼图像IL的光路顺序地布置的第一左眼全息光学元件131L、第二左眼全息光学元件132L和第三左眼全息光学元件133L。类似于上述组合光学系统130，左眼组合光学系统130L可被配置为在水平方向上的多个不同位置处同时形成多个左眼图像IL。此外，左眼组合光学系统130L可被配置为透射来自外部的光L20。因此，观察者可通过左眼EL一起看到左眼图像IL和外部风景。

右眼组合光学系统130R可包括沿着从右眼投影光学系统120R投影的右眼图像IR的光路顺序地布置的第一右眼全息光学元件131R、第二右眼全息光学元件132R和第三右眼全息光学元件133R。右眼组合光学系统130R可被配置为在水平方向上的多个不同位置处同时形成多个右眼图像IR。此外，右眼组合光学系统130R可被配置为透射来自外部的光L20。因此，观察者可通过右眼ER一起看到右眼图像IR和外部风景。

左眼图像形成设备110L可包括左眼光源101L和左眼空间光调制器102L，并且右眼图像形成设备110R可包括右眼光源101R和右眼空间光调制器102R。显示设备100a可被配置为使得通过左眼图像形成设备110L形成的左眼图像IL和通过右眼图像形成设备110R形成的右眼图像IR具有不同的视点。例如，左眼空间光调制器102L可形成具有从观察者的左眼EL观看的视点的左眼图像IL，并且右眼空间光调制器102R可形成具有从观察者的右眼ER观看的视点的右眼图像IR。然后，显示设备100a可向观察者提供具有双眼视差的3D图像。

图1示出空间光调制器102是在透射入射光的同时调制透射光的相位或幅度的透射型空间光调制器。然而，实施例不必限于此。例如，图6示意性地示出根据另一示例实施例的显示设备100b的配置。参照图6，显示设备100b可包括图像形成设备110a、投影光学系统120和组合光学系统130。图6中示出的显示设备100b的投影光学系统120和组合光学系统130的配置和操作与参照图1描述的显示设备100的投影光学系统120和组合光学系统130的配置和操作的相同。

图6中示出的显示设备100b的图像形成设备110a可包括光源101、分束器103和空间光调制器102a。光源101可被设置为面向分束器103的第一表面103a，并且空间光调制器102a可被设置为面向与分束器103的第一表面103a相邻的第二表面103b。分束器103可被配置为反射从光源101发射的照明光并将照明光提供给空间光调制器102a，并且透射通过空间光调制器102a形成的图像L10。例如，分束器103可以是反射入射光的一部分并透射剩余部分的半透镜，或者可以是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垂直的第二线性偏振分量的光的偏振分束器。空间光调制器102a可以是在反射入射光的同时调制反射光的反射型空间光调制器。例如，反射型空间光调制器102a可包括硅上液晶(LCoS)、数字微镜器件(DMD)等。包括反射型空间光调制器102a的图像形成设备110a的配置也可应用于图5中示出的显示设备100a。

图7示意性地示出根据另一示例实施例的显示设备200的配置。参照图7，显示设备200可包括图像形成设备110、投影光学系统120和组合光学系统230。图7中示出的显示设备200的图像形成设备110和投影光学系统120的配置可与图1中示出的显示设备100的图像形成设备110和投影光学系统120的配置相同。

组合光学系统230可包括沿着从投影光学系统120投影的图像L10的光路顺序地布置的一个全息光学元件134和多个半透镜(例如，第一半透镜201、第二半透镜202和第三半透镜203)。例如，全息光学元件134、第一半透镜201、第二半透镜202和第三半透镜203可沿着从投影光学系统120投影的图像L10的光路顺序地布置。图7示出三个半透镜(即，第一半透镜201、第二半透镜202和第三半透镜203)作为示例，但不必限于此。组合光学系统230可根据需要包括两个或更多个半透镜。

在图1中示出的显示设备100中，第一全息光学元件131、第二全息光学元件132和第三全息光学元件133是反射型全息光学元件。然而，在图7中示出的显示设备200中，全息光学元件134是这样的透射型全息光学元件：在该透射型全息光学元件中，衍射光沿着衍射光穿过全息光学元件134的方向被聚焦。例如，图8是图7中示出的显示设备200的全息光学元件134的操作的示例性图。参照图8，全息光学元件134可包括：被配置为使入射光衍射的第一表面S21以及与第一表面S21背对地设置并且被配置为透射入射光的第二表面S22。全息光学元件134可被配置为使入射在第一表面S21上的入射光衍射，以将入射光聚焦在面向第二表面S22的空间中的特定位置F处。因此，全息光学元件134可聚焦穿过全息光学元件134的透射光，并且全息光学元件134可以是透射型全息光学元件。

全息光学元件134的第一表面S21可包括具有不同折射率的材料的二维图案或三维图案，使得入射光可被衍射并聚焦在特定焦点位置处。然后，全息光学元件134的第一表面S21可通过经由以特定角度范围使入射光衍射改变光的传播方向，并根据图案的尺寸、高度、周期等生成相消干涉和相长干涉，来在一个点处收集光。例如，自通过投影光学系统120放大和发散的图像L10倾斜地入射在全息光学元件134的第一表面S21上之后，全息光学元件134的第一表面S21可被配置为使发散并倾斜地入射在第一表面S21上的入射光衍射，并且在与第一表面S21垂直的方向上汇聚入射光。

出于这样的目的，具有与通过投影光学系统120投影的图像L10的发散角相同的发散角的参考光被辐射到具有板的形式的感光材料的第一表面上。参考光入射在感光材料上的入射角被设置为与图像L10入射在全息光学元件134的第一表面S21上的角度相等。同时，感光材料可利用对象光来照射，对象光从感光材料的第二表面穿过感光材料到达感光材料的第一表面，并汇聚在面向感光材料的第二表面的特定焦距处。然后，参考光和对象光的干涉图案形成在感光材料上，并且全息光学元件134可通过使由干涉图案曝光的感光材料显影来制造。

当具有与参考光的发散角相同的发散角的图像L10以与参考光的入射角相同的入射角入射在全息光学元件134的第一表面S21上时，在全息光学元件134的第一表面S21处衍射的光可在沿着与对象光的方向相同的方向传播的同时汇聚在特定的焦距处。例如，通过投影光学系统120投影的图像L10的主光线在全息光学元件134的第一表面S21的中心附近衍射，以在与全息光学元件134的第二表面S22垂直的方向上传播。此外，通过投影光学系统120投影的图像L10的边缘光线在全息光学元件134的第一表面S21的边缘附近衍射，以在朝向主光线汇聚的方向上传播。然后，主光线和边缘光线在面向全息光学元件134的第二表面S22的空间中的焦点F处被收集。此外，入射在全息光学元件134的第二表面S22上的外部光L20原样穿过全息光学元件134。

图9是图7中示出的显示设备100的组合光学系统230的配置和操作的示例性图。参照图9，第一半透镜201、第二半透镜202和第三半透镜203在垂直方向上顺序地布置在全息光学元件134上方。换言之，第一半透镜201、第二半透镜202和第三半透镜203可布置在垂直方向上的不同位置处。第一半透镜201可包括第一表面S1和第二表面S2，第一表面S1透射入射光的一部分并且反射剩余部分，第二表面S2与第一表面S1背对地设置并被配置为透射入射光。此外，第二半透镜202可包括第三表面S3和第四表面S4，第三表面S3透射入射光的一部分并且反射剩余部分，第四表面S4与第三表面S3背对地设置并被配置为透射入射光。第三半透镜203可包括第五表面S5和第六表面S6，第五表面S5透射入射光的一部分并且反射剩余部分，第六表面S6与第五表面S5背对地设置并被配置为透射入射光。

通过全息光学元件134衍射和汇聚的图像L10的一部分被第一半透镜201反射，剩余部分穿过第一半透镜201。被第一半透镜201反射的图像L10在穿过全息光学元件134的同时汇聚在面向全息光学元件134的第一表面S21的空间上。此外，穿过第一半透镜201的图像L10的一部分被第二半透镜202反射，剩余部分穿过第二半透镜202。被第二半透镜202反射的图像L10在依次穿过第一半透镜201和全息光学元件134的同时汇聚在面向全息光学元件134的第一表面S21的空间。此外，穿过第二半透镜202的图像L10的一部分被第三半透镜203反射，并且在依次穿过第二半透镜202、第一半透镜201和全息光学元件134的同时汇聚在面向全息光学元件134的第一表面S21的空间。此外，入射在第三半透镜203的第六表面S6上的外部光L20可穿过第三半透镜203、第二半透镜202、第一半透镜201和全息光学元件134。

再次参照图7，从第一半透镜201、第二半透镜202和第三半透镜203反射的光线彼此相交，并且第一图像L1至第九图像L9可形成在面向全息光学元件134的第一表面S21的空间中的多个不同位置处。例如，第一图像L1可在从第三半透镜203反射的光线彼此相交的同时形成，第五图像L5可在从第二半透镜202反射的光线彼此相交的同时形成，第九图像L9可在从第一半透镜201反射的光线彼此相交的同时形成。第一图像L1、第五图像L5和第九图像L9可在垂直方向上彼此间隔开。垂直方向可被定义为与全息光学元件134的第一表面S21和第二表面S22垂直的方向。

此外，第二图像L2和第三图像L3可在从第二半透镜202反射的光线和从第三半透镜203反射的光线彼此相交的同时形成，第四图像L4和第六图像L6可在从第一半透镜201反射的光线和从第三半透镜203反射的光线彼此相交的同时形成，第七图像L7和第八图像L8可在从第一半透镜201反射的光线和从第二半透镜202反射的光线彼此相交的同时形成。第二图像L2和第三图像L3可在同一平面上的水平方向上的不同位置处彼此间隔开。水平方向可被定义为与全息光学元件134的第一表面S21和第二表面S22平行的方向。此外，第四图像L4和第六图像L6可在同一平面上的水平方向上的不同位置处彼此间隔开，第七图像L7和第八图像L8可在同一平面上的水平方向上的不同位置处彼此间隔开。

第一图像L1至第九图像L9可以是与通过投影光学系统120投影的图像L10相同的图像。结果，由于观察者可观看图像的区域被加宽，因此显示设备200的观看窗口被加宽。然而，由于第一半透镜201、第二半透镜202和第三半透镜203的位置在垂直方向上不同，因此第一图像L1至第九图像L9的光路的长度彼此不同。结果，第一图像L1至第九图像L9的亮度可能彼此不同。因此，第一半透镜201、第二半透镜202和第三半透镜203的反射率可彼此不同，使得第一图像L1至第九图像L9可具有基本相同的亮度。例如，第三半透镜203可被设计为具有比第二半透镜202的反射率更高的反射率，并且第二半透镜202可被设计为具有比第一半透镜201的反射率更高的反射率。

图10、图11和图12示出根据上述示例实施例的显示设备可应用于的各种电子装置。如图10、图11和图12中所示，显示设备可构成可穿戴装置。换言之，显示设备可应用于可穿戴装置。例如，显示设备可应用于头戴式显示器(HMD)。此外，显示设备可应用于眼镜型显示器、护目镜型显示器等。图10、图11和图12中示出的可穿戴电子装置可与智能电话结合地进行操作。这样的显示设备可以是以头戴型、眼镜型或护目镜型的形式制造的能够提供VR或一起提供虚拟图像和真实的外部风景的虚拟现实(VR)显示设备、AR显示设备或MR显示设备。

此外，显示设备可被设置在智能电话中，并且智能电话本身可用作VR显示设备、AR显示设备或MR显示设备。显示设备可应用于不是如图10、图11和图12中所示的可穿戴装置的小型电子装置(诸如，移动电子装置)。此外，显示设备的应用领域可变化。例如，显示设备不仅可应用于实现VR、AR或MR，而且可应用于其他领域。例如，显示设备还可应用于用户可佩戴的小型电视或小型监视器。

尽管已参照附图中示出的实施例描述了具有上述宽的观看窗口的上述显示设备，但是它们仅是示例。每个示例实施例内的特征或方面的描述通常应被认为可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。应理解，在此描述的示例实施例仅应被认为是描述性的，而不是出于限制的目的。权利的范围在权利要求中被指出而不是在以上描述中被指出，并且等同物的范围内的所有差异应被解释为包括在权利要求的范围内。

尽管已经参照附图描述了示例实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离如由权利要求限定的精神和范围的情况下，可在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (9)

1.一种显示设备，包括：

图像形成设备，被配置为形成图像；

投影光学系统，被配置为对通过图像形成设备形成的图像进行投影；和

组合光学系统，被配置为提供从投影光学系统投影的图像和来自外部风景的光的组合，

其中，组合光学系统被配置为将从投影光学系统投影的图像划分成多个相同的图像，并且将所述多个相同的图像聚焦在不同位置上，

其中，组合光学系统包括沿着从投影光学系统投影的图像的光路顺序地设置的全息光学元件和多个半透镜，

其中，所述多个半透镜包括沿着从投影光学系统投影的图像的光路顺序地设置的第一半透镜和第二半透镜，并且第一半透镜和第二半透镜布置在与全息光学元件的表面垂直的方向上的不同位置处，

其中，全息光学元件包括透射型全息光学元件，透射型全息光学元件被配置为使入射在第一表面上的入射光衍射，并将衍射的入射光聚焦在面向第二表面的空间中的焦点位置处，

其中，第一表面被配置为使入射光衍射，并且第二表面与第一表面背对并被配置为透射入射到第二表面上的入射光。

2.根据权利要求1所述的显示设备，其中，全息光学元件被配置为：使发散并倾斜地入射在第一表面上的入射光衍射，并在与第二表面垂直的方向上汇聚衍射的入射光。

3.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述多个半透镜中的每个被配置为透射入射光的一部分并且反射入射光的剩余部分。

4.根据权利要求3所述的显示设备，其中，第一半透镜被配置为反射被全息光学元件衍射的图像，以在面向全息光学元件的第一表面的空间中的第一位置上形成第一图像，并且

其中，第二半透镜被配置为：通过反射被全息光学元件衍射并且被第一半透镜透射的图像，在与第一位置不同的第二位置上形成第二图像。

5.根据权利要求4所述的显示设备，其中，第一图像和第二图像彼此相同，并且

其中，第一位置和第二位置在与全息光学元件的第一表面垂直的方向上彼此间隔开。

6.根据权利要求4所述的显示设备，其中，通过第一半透镜反射的图像和通过第二半透镜反射的图像在面向全息光学元件的第一表面的空间中的第三位置和与第三位置不同的第四位置处汇聚并彼此相交，以分别形成第三图像和第四图像。

7.根据权利要求6所述的显示设备，其中，第三图像和第四图像彼此相同，并且

其中，第三位置和第四位置在与全息光学元件的第一表面平行的方向上彼此间隔开。

8.根据权利要求3所述的显示设备，其中，第二半透镜的反射率大于第一半透镜的反射率。

9.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述显示设备是以头戴型设备、眼镜型设备或护目镜型设备的形式实现的虚拟现实显示设备、增强现实显示设备或混合现实显示设备。