CN113281899B - 光瞳扩展器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种包括光学平板和光学楔形件的波导。光学平板具有第一折射率n1>1。该光学平板包括：一对相对表面和输入端口。该对相对表面以平行配置布置。输入端口布置成以一角度将光接收到光学平板中，从而通过一系列内部反射在第一和第二相对表面之间引导光。光学楔形件具有第二折射率n2，其中，1<n2<n1。光学楔形件包括以楔形配置布置的一对相对表面。光学楔形件的第一表面邻接光学平板的第二表面以形成界面，该界面允许由光学平板引导的光在沿着界面的多个点处部分地透射到光学楔形件中，从而使光被多次划分。楔形件的角度允许在界面处接收的光通过光学楔形件的第二表面逸出，使得波导的出射光瞳被光的多个划分扩展。

Description

光瞳扩展器
技术领域
本公开涉及一种光瞳扩展器，比如波导光瞳扩展器。更具体地，本公开涉及一种用于平视显示器的图片生成单元的平板波导光瞳扩展器。本公开还涉及一种投影仪和投影方法，比如全息投影的投影仪和投影方法。一些实施例涉及平视显示器和增加平视显示器的观察窗口或眼动盒的方法。
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。这些类型的全息图可被称为菲涅耳/傅立叶变换全息图或简称为菲涅耳/傅立叶全息图。傅立叶全息图可被认为是物体的傅立叶域/平面表示或物体的频域/平面表示。例如，还可以通过相干射线追踪或点云技术来计算计算机生成的全息图。
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上对计算机生成的全息图进行编码。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。
空间光调制器通常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元的、多级或连续的。可替代地，装置可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制可以在整个装置上是连续的。空间光调制器可以是反射性的，这意味着调制光以反射输出。空间光调制器可以同样是透射性的，这意味着调制光以透射输出。
可以使用本文描述的系统来提供全息显示装置，比如全息投影仪。这样的投影仪已经在平视显示器“HUD”中找到了应用。
发明内容
本文公开了一种包括光学平板和光学楔形件的波导。光学平板具有第一折射率n1>1。该光学平板包括：一对相对表面和输入端口或更简单地称为“输入部”。该对相对表面以平行配置布置。即，光学平板的第一表面和第二表面基本平行。第一表面包括输入部(端口)，其布置成以一角度将光接收到光学平板中，从而通过一系列内部反射在第一和第二相对表面之间引导光。因此，在实施例中，第一表面在输入部(端口)处不平行于第二表面。光学楔形件具有第二折射率n2，其中，1<n2<n1。
光学楔形件包括以楔形配置布置的一对相对表面。即，光学楔形件的第一表面和第二表面不平行。光学楔形件具有一个相对较厚的端部和一个相对较薄的端部。光学楔形件的第一表面邻接光学板的第二表面，并且基本平行于光学板的第二表面，以形成界面，该界面允许由光学平板引导的光在沿着界面的多个点处部分地透射到光学楔形件中，从而使光被多次划分。在光学楔形件的第一表面和第二表面之间通常形成锐角，使得随着距波导输入端的距离增加，在楔形件的第二表面和第一表面之间的距离或间隔(在基本垂直于楔形件的第一表面的方向上)减小。因此，第二表面通常渐缩以在波导的输出端的一点或顶点处与第一表面相交。楔形件的角度允许在界面处接收的光通过光学楔形件的第二表面逸出，使得波导的出射光瞳被光的多个划分扩展。通过在平板的第一表面与周围介质(例如空气)之间的界面处的全内反射将光包含在波导内。
光学平板的第一和第二相对表面是平板的导光表面。即，它们是通过内部反射在其间反弹光的表面，以便以光学领域的技术人员所熟悉的方式将光从平板的一端传播到另一端。在这方面，可以说光学平板的第一和第二表面是光学平板的主表面。平板一词在本文用来反映第一和第二表面是基本平面的并且是基本平坦的。本领域技术人员将熟悉具有传播轴线或传播方向的光学平板，该传播轴线或传播方向指示光被引导的大致方向，即使实际光线路径是两个导光表面之间的锯齿形。光学平板的成对导光表面基本平行，使得每次反弹的入射角是恒定的。
光学楔形件的第一(底)表面邻接光学平板的第二(顶)表面。光学平板的第一(底)表面和光学楔形件的第二(顶)表面与诸如空气的低折射率材料形成界面。光学平板的材料的折射率高于光学楔形件的材料的折射率。平板和楔形件之间的界面产生光线的多个副本。楔形件的倾斜第二(顶)表面允许光线副本离开波导。波导的出射光瞳通过形成光线的多个副本而扩展。楔形件的第一(底)表面接收光，楔形件的第二(顶)表面透射光。在这方面，可以说光学楔形件的第一和第二表面是光学楔形件的主表面。术语“楔形件”在本文中用来反映该部件的厚端的厚度逐渐减小到薄端。锥度可以是线性的或非线性的。术语楔形件还反映顶表面和底表面之间存在一角度。该角度可以是恒定的，也可以随着沿楔形件的距离而变化。楔形件的第一(底)表面上的入射角不同于楔形件的第二(顶)表面上的入射角。在本文使用弯曲的楔形表面描述的实施例中，光在楔形件的第一(底)表面上的入射角大于光在楔形件的第二(顶)表面上的入射角。
在实施例中，来自光学平板的第一(底)表面的反射满足用于全内反射的条件，即入射角大于平板与空气之间的临界角。在实施例中，来自光学平板的第二(顶)表面的反射不满足用于全内反射的条件，因此一些光通过平板与楔形件之间的界面透射。这是因为平板-楔形件界面的临界角大于平板-空气界面的临界角，因为1<n2<n1。在来自平板-楔形件界面的每次反弹处，光都会被划分。在实施例中，提供多个划分用于光瞳扩展。光学楔形件的功能是将光提取或耦合出波导。由于具有比空气更高的折射率，光学楔形件的底表面破坏了平板内的全内反射的条件。通过使顶表面相对于底表面成角度来增加光学楔形件的顶表面的透射率。本公开的波导制造起来并不复杂，并且提供了减少来自去耦部件的顶表面的不想要的反射的强度的技术进步。
波导光瞳扩展器的问题在于，每个副本的强度都不相同，因为每次反弹都会不断地划分光。发明人通过弯曲楔形件的顶表面解决了这个问题。具体地，光学楔形件的第一和第二相对表面之间的角度随着距输入部(端口)的距离增加而变化。根据实施例，光学楔形件的第一和第二相对表面之间的角度朝向输入端更大，而朝向输出端减小。换句话说，楔形件的角度朝向输入端更陡峭，而朝向输出端则不那么陡峭(或更平缓)。因此，可以补偿副本之间的强度差异。换句话说，曲率至少部分地补偿每次反弹时副本的强度减少。在某些情况下，可以使每个划分处的透射光的强度基本相同。曲率如本文所述补偿，因为入射角随着沿波导的距离的变化(例如减小)改变透射率—如本领域技术人员从他们对菲涅尔方程的理解中将会明白。在一些实施例中，光学楔形件的第二表面形成波导的凹面。在其他实施例中，光学楔形件的第二表面形成波导的凸面。
本文公开了一种包括波导的平视显示器，其中波导的弯曲表面形成平视显示器的成角度的盖玻璃或眩光阱。因此，本公开的波导具有管理平视显示器顶表面的阳光反射的附加目的。
在其他实施例中，楔形件的顶表面是基本平坦的。即，光学楔形件的第一和第二相对表面之间的角度随着距输入部(端口)的距离而基本恒定。
在一些实施例中，光学楔形件的折射率随着距输入部(端口)的距离增加而变化，可选地，随着距输入部(端口)的距离增加而增加。如果光学楔形件的折射率随着距输入部的距离增加而增加，则光学楔形件的折射率与光学平板的折射率之间的相应差随着距输入的距离增加而减小，因此平板-楔形件界面处的反射率随着距离增加而相应地减小。因此，在楔形件和平板之间的界面处透射的光的比例随着距平板的输入部(端口)的距离增加而变化。该折射率梯度可以至少部分地补偿每个副本随着距输入部(端口)的距离增加而减少的强度。
在替代实施例中，折射率匹配流体层夹在光学平板和光学楔形件之间。折射率匹配流体的折射率可随着距输入部(端口)的距离增加而变化。折射率匹配流体的折射率可随着距输入部(端口)的距离增加而增加。同样，随着距输入部的距离增加，这将导致更高比例的剩余光被透射，而不是在平板-楔形件界面处反射到平板中。折射率随着沿界面的距离的变化可以至少部分地补偿每个副本的强度随着距输入部(端口)的距离增加的减小。
在其他示例中，光学楔形件还包括执行至少部分强度校正的渐变涂层(比如渐变不透明涂层)。渐变涂层可以是二向色的。换句话说，渐变涂层至少部分地补偿每个副本的强度随着沿波导的距离增加的减小。例如，渐变涂层的不透明性会随着沿波导的距离增加而降低。
在一些实施例中，光学平板包括输出(或出口)端口。输出端口可以与输入端口互补，比如与输入端口相对。输出端口可以在光学平板的与输入端口相反的一端。从输入端口射到平板另一端(即仍留在平板内部)的光可以通过输出端口从光学平板中移出，以防止例如不良的回反射。因此可以说光学平板包括布置成从光学平板射出光的输出端口。更具体地，输出端口射出尚未透射到光学楔形件中的光。
本文还公开了一种显示系统，例如图像投影仪，其包括波导和布置成显示图案的图片生成单元，其中输入(端口)接收的光是图片生成单元显示的图案的光。
显示系统可以进一步包括在图片生成单元和波导之间的光学系统。光学系统可以包括选自包括以下各项的组中的至少一个：准直透镜、布置成形成望远镜比如缩小望远镜的一对透镜以及空间滤光器。
图片生成单元可以是全息投影仪。显示的图案是全息图，比如傅立叶或菲涅耳全息图。这些实施例的特征在于，在显示装置(例如空间光调制器)和观察者之间没有屏幕。这些实施例有时被称为“直接观察”，因为观察者直接看着显示装置。有时可以说，在这些配置中，观察者的眼睛执行全息图的傅立叶变换。
显示的图案可以是与全息图相对应的图片，比如由全息图形成的全息重建图片。因此，由波导接收的光是图片的光。可以说图片的光线被波导复制。有时简而言之，图片由波导复制。图片可以形成在屏幕(比如漫射屏幕)上。
本文还公开了一种光瞳扩展的方法。该方法包括通过输入端口将光接收到光学平板中的第一步骤，其中光学平板具有第一折射率n1>1。该方法包括通过一系列内部反射在光学平板的第一和第二相对表面之间引导光的第二步骤，其中第一和第二相对表面以平行配置布置。该方法包括通过在光学楔形件的第一表面和光学平板的第二表面之间形成界面来将光划分多次的第三步骤，该界面允许光在沿着界面的多个点处部分地透射到光学楔形件中，其中光学楔形件具有第二折射率n2，并且1<n2<n1。该方法包括将光学楔形件的第一和第二相对表面以楔形配置布置的第四步骤，从而使光学楔形件通过界面(即通过第一表面)接收的光通过光学楔形件的第二表面逸出，使得波导的出射光瞳被光的多个划分扩展。
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。本文中公开的系统被描述为“全息投影仪”，因为全息重建是真实图像并且与全息图在空间上分离。术语“回放场”用于指代在其内形成全息重建并完全聚焦的2D区域。如果将全息图显示在包括像素的空间光调制器上，则回放场将以多个衍射级的形式重复，其中每个衍射级是零级回放场的副本。零级回放场通常对应于优选或主要回放场，因为它是最亮的回放场。除非另有明确说明，否则术语“回放场”应被认为是指零级回放场。术语“回放平面”用于指代包含所有回放场的空间中的平面。术语“图像”、“回放图像”和“图像区域”指的是通过全息重建的光照射的回放场的区域。在一些实施例中，“图像”可包括离散光斑，其可被称为“图像光斑”，或仅出于方便起见，被称为“图像像素”。
术语“写入”或“寻址”可以用于描述向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，并且全息图可被认为是光调制值或水平的阵列。
已经发现，可以从仅包含与原始物体的傅立叶变换有关的相位信息的“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仅相位全息图。实施例涉及仅相位全息图，但本公开同样适用于仅振幅全息图。
本公开也同样适用于使用与原始物体的傅立叶变换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π/2相位值的像素将使接收光的相位延迟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仅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。
因此，全息图包括灰度级阵列，即光调制值阵列，比如相位延迟值或复数调制值阵列。全息图也被认为是衍射图案，因为它是当在空间光调制器上显示并且用波长相对于(通常小于)空间光调制器的像素间距的光照射时引起衍射的图案。本文中参考将全息图与其他衍射图案比如用作透镜或光栅的衍射图案组合。例如，可以将用作光栅的衍射图案与全息图组合以在回放平面上平移回放场，或者可以将用作透镜的衍射图案与全息图组合以将全息重建聚焦在近场中的回放平面上。
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的组合相结合。即，设想了本公开中所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类型算法的第一迭代；
图2B示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第二及后续迭代；
图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的替代第二及后续迭代；
图3是反射型LCOS SLM的示意图；
图4示出了包括波导的示例光瞳扩展器；
图5示出了用于光瞳扩展的平板型波导；
图6示出了包括示例光瞳扩展器的全息显示系统；
图7A-C示出了光瞳扩展器的几何形状；
图8示出了包括示例光瞳扩展器的全息显示系统；
图9A示出了根据实施例的包括线性梯度楔形件的波导；
图9B示出了根据本公开的波导的光的传播；
图10示出了根据实施例的包括弯曲楔形件的波导；
图11示出了根据实施例的包括楔形件和折射率匹配层的波导；以及
图12A和12B示出了包括弯曲盖玻璃的平视显示器。
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。
除非另有说明，否则单数形式的术语可以包括复数形式。
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上液晶“LCOS”器件。全息图在空间光调制器上编码，并且在回放场例如光接收表面比如屏幕或漫射器处形成全息重建。
设置光源110，例如激光或激光二极管，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SLM140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(聚焦)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，或者简称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中的仅振幅信息(比如照片)来计算傅立叶域中的全息图(即傅立叶变换全息图)。从空间域中的仅振幅信息中有效地“获取”与物体有关的相位信息。在一些实施例中，使用Gerchberg-Saxton算法或其变型从仅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IA(x,y)和IB(x,y)并且IA(x,y)和IB(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ΨA(x,y)和ΨB(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程来找到该问题的解。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)域之间重复转换代表IA(x,y)和IB(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相应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，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2498170或2501112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仅相位全息图。在这些实施例中，Gerchberg-Saxton算法获取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计算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仅相位全息图的算法的第一迭代。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可被视为仅幅度或仅振幅或仅强度分布。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单位值，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”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。幅度值211A的分布被丢弃，而采用输入图像210的幅度值的分布。在第一迭代中，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。幅度值211A的分布被丢弃，而采用幅度值的替代分布。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：
Rn+1[x,y]＝F'{exp(iψn[u,v])}
ψn[u,v]＝∠F{η·exp(i∠Rn[x,y])}
η＝T[x,y]-α(|Rn[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，仅相位全息图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，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焦度的第二数据组合。即，写入空间光调制的数据包括表示物体的全息图数据和表示透镜的透镜数据。当显示在空间光调制器上并用光照射时，透镜数据会模拟物理透镜，即，它以与相应物理光学元件相同的方式将光聚焦。因此，透镜数据提供了光或聚焦焦度。在这些实施例中，可以省略图1的物理傅立叶变换透镜120。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，仅相位透镜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。例如，在凸透镜的中心的光路长度大于在透镜的边缘的光路长度。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，还已知如何将代表透镜的数据与全息图相结合，从而可以在不需要物理傅立叶透镜的情况下执行全息图的傅立叶变换。在一些实施例中，通过简单的加法比如简单的矢量加法将透镜化数据与全息图组合。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，全息图可以以相同的方式与光栅数据组合，即布置成执行光栅函数(比如图像转向)的数据。同样，在本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。提供透镜化和/或转向的第二数据可被称为光处理函数或光处理图案，以与可被称为图像形成函数或图像形成图案的全息图数据区分开。
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类似方法计算的菲涅耳全息术和菲涅耳全息图。本公开还适用于通过其他技术比如基于点云方法的技术计算的全息图。
光调制
可以使用空间光调制器来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。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，每个液晶单元在任何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多个光调制水平中的不同光调制水平。在一些实施例中，空间光调制器是反射型硅上液晶(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装置在小孔径(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紧凑。充分照射LCOS SLM的小孔径比其他液晶装置的大孔径要容易得多。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。结果导致更高的孔径比。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。其具有方形的平面铝电极301的2D阵列，其由间隙301a间隔开，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上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。效果是向波前提供仅相位调制，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(投影运动视频图像的关键优势)。然而，可以使用透射型LCOS SLM同样地实现本公开的教导。
波导光瞳/观察窗口扩展器
在全息投影系统比如平视显示器(HUD)中，为了成功观察从投影系统发出的光，用户的眼睛所在的区域或体积称为眼动盒(EMB)、眼盒或更一般的观察窗口。朝向眼盒发射光的投影系统的相应部分称为出射光瞳。通常期望扩展与眼盒区域或观察窗口相对应的出射光瞳。特别地，观察者需要能够左右移动其头部，从而能够在眼盒/观察距离的有限区域内从任何位置观察完整图像。因此，可以采用光瞳扩展器来扩大EMB、眼盒或观察窗口。通常，光瞳扩展器通过划分入射波前的振幅产生额外光线来扩大EMB。
图4示出了包括波导的示例光瞳扩展器。在该示例中，波导包括两个反射表面，但以下描述同样适用于平板配置，其中光通过平板的顶表面和底表面之间的内部反射由平板在内部被引导。波导的一般原理在本领域中是已知的，在此不详细描述。波导通过内部反射在一对平行反射表面之间的层内引导光。光瞳扩展器由包括第一渐变/部分反射表面420(例如具有随距离变化的反射率的渐变反射镜)和第二全反射表面410(例如具有基本100％的反射率的镜)的波导形成。特别地，第一反射表面420包括反射涂层，其反射率沿着平板的长度减小。该层可以是玻璃或有机玻璃。因此，波导可以是玻璃或有机玻璃块或平板。第一反射表面可以是玻璃块的第一表面，第二反射表面可以是玻璃块的第二表面，其中第一表面与第二表面相对并平行。可替代地，该层可以是空气，而第一和第二反射表面可以是单独部件，例如在空间上分开的第一和第二镜，以形成气隙，光在其内通过内部反射传播。
因此，如图4所示，包括输入光线的输入光束402(其可以包括用图片(即图片/图像的光或仅图片)编码的空间调制光或者用全息图编码的空间调制光，如下所述)通过其输入端口进入波导。波导布置成将在输入端口处接收的光引导至观察窗口。在所示的布置中，输入端口在波导的一端附近在第一部分反射表面420中包括间隙，但用于输入端口的其他位置也是可能的。观察窗口是观察者可以在其内观察图像的区域或体积，如本文所述。输入光束402的入射角使得光线由于第一部分反射表面420和第二全反射表面410的内部反射而沿着波导的长度传播。示例性光线在图4中示出。由于第一反射表面420的渐变反射率，一定比例的光被第一反射表面420透射，以沿波导的长度提供多个输出光线404a-f(在这里称为“副本”，因为它们复制输入光线)。因此，第一反射表面420形成观察表面。据说光瞳(或观察窗口)被波导形成的副本扩展。特别地，通过沿着波导的长度形成多个副本404a-f，观察窗口的尺寸增加。每个副本404a-f对应于输入光束402的一定比例的振幅(强度或亮度)。期望渐变沿着波导的长度提供第一反射表面420的反射率的减小(或者相反，透射率的增加)，使得每个副本404a-f具有基本相同的振幅。因此，在距第一反射表面420的观察距离处的眼盒处具有右观察者眼睛430R和左观察者眼睛430L的观察者能够在扩展的观察窗口内的任何位置处观看图像，如箭头440所示。
如图4所示的波导在一维上扩展观察窗口，该一维对应于光束在波导内传播所沿的纵向方向，如箭头440所示。如技术人员将理解的，如果需要，可以通过使用两个正交波导在二维上扩展观察窗口。
波导的第一反射表面420可以涂覆有包括大量薄膜(例如25个以上薄膜)的涂层，以便提供必要的渐变反射率。特别地，如上所述，这样的薄膜或类似涂层需要利用传播距离来提供降低的反射率，从而增加透射率，使得每个副本404a-f的亮度(光线强度)基本恒定。由于副本404a-f的输出以及由于任何其他光学损耗(例如来自第二反射表面410的不完全反射)，传播光束的振幅随着传播距离而减小。因此，将第一反射表面420的渐变设计成考虑到传播光束的强度随传播距离的下降，同时确保每个副本404a-f具有基本相同的强度，以使所看到的图像在整个观察窗口上(即在所有观察位置处)具有均匀的亮度。
图5示出了包括输入端口501的平板波导500，输入端口501布置为接收输入光510，比如图片的光或全息图的光。平板由折射率大于空气的材料制成。接收到平板500中的光由底表面503b和相对的顶表面503a之间的一系列内部反射引导。底表面503b可以是基本完美的反射器，比如镜子，而顶表面503a可以是大部分反射性的。顶表面503a可以允许光的一些透射。因此，光通常通过内部反射沿平板传播，但由于顶表面503a的部分透射率，形成了光线的一系列副本R0至R7。图5中所示的光的划分(或光线的副本)用于扩展波导的出射光瞳。光线副本实现的光瞳扩展使具有右眼530R和左眼530L的观察者在仍接收图片光线的同时(即在仍能够看到图片或全息图的同时)在观察窗口区域(或体积)内移动(如箭头540所示)。如参考图4所述，顶表面的反射率随着距输入端口的距离而减小，使得每个副本R0到R7的强度基本相同。顶表面503a的所谓的渐变反射率可以通过多层介电涂层来提供。实际上，很难制造出足够的介电涂层来进行高质量的显示，尤其是全彩色显示。
本公开提供了一种基于平板的改进的波导。为了避免疑问，图6、7B和8示出了根据本公开的示例性系统配置，仅通过示例的方式示出了由两个镜子而不是具有反射涂层的平板形成的波导。为了保持简单性，在图5中未完全示出光折射的影响，但本领域技术人员将很好地理解它们。
第一示例系统
图6示出了根据第一示例系统配置的包括形成波导光瞳扩展器的波导的全息显示系统。图6至8仅通过示例的方式指代彩色投影系统，并且本公开同样适用于单色系统。
全息显示装置包括图片生成单元，其布置为形成第一图片(也称为“第一图像”)和第二图片(也称为“第二图像”)。第一单色通道(也称为“第一显示通道”)布置为形成第一图片，并且包括第一光源610、第一准直透镜612和第一二向色镜614。第一二向色镜614布置为沿着公共光路反射第一波长的光以照射空间光调制器(SLM)640。光的第一波长对应于第一颜色(例如红色)的第一显示通道。第二单色通道(也称为“第二显示通道”)布置为形成第二图片，并且包括第二光源620、第二准直透镜622和第二镜624。第二镜624布置为沿着公共光路反射第二波长的光以照射SLM640。光的第二波长对应于第二颜色(例如绿色)的第二单色通道。如下所述，在其他实施例中，图片生成单元可以包括布置为形成第三图片的第三单色/显示通道(等同于第一和第二通道)，其中第三颜色通道对应于第三颜色(例如蓝色)的光的波长。在所示的实施例中，SLM640包括由第一和第二波长的光照射的光调制像素(例如LCOS)的单个阵列。在其他实施例中，SLM640可以包括由相应的第一和第二波长的光照射的光调制像素的单独阵列。
全息显示装置还包括全息控制器602，其布置成控制图片生成单元，特别是如本文所述由图片生成单元输出的光。SLM640输出与第一图片相对应的第一颜色的第一空间调制光，以在诸如屏幕或漫射器的光接收表面670上形成第一单色图像(例如红色图像)。第一单色计算机生成的全息图由全息控制器602计算，并例如通过显示驱动器642在SLM640上编码。SLM640显示第一全息图，并被来自第一颜色/显示通道的第一颜色的光照射，以在位于回放平面处的光接收表面670上形成第一全息重建。类似地，SLM640输出与第二图片相对应的第二颜色的第二空间调制光，以在光接收表面670上形成第二单色图像(例如绿色图像)。第二单色计算机生成的全息图由全息控制器602被编码在SLM640上。SLM640显示第二全息图，并被来自第二颜色/显示通道的第二颜色的光照射，以在回放平面处的光接收表面670上形成第二全息重建。在所示的布置中，分束器立方体630布置成将到SLM640的输入光和由SLM640输出的空间调制光分离。在输出空间调制光到光接收表面670的光路中提供傅立叶透镜650和镜660。可以说第一/第二图片形成在光接收表面670上。第一/第二图片是相应第一/第二全息图的第一/第二全息重建。因此，可以在组合第一和第二图片的光接收表面670上形成合成彩色图片。布置投影透镜680，以将形成在光接收表面672上的第一和第二图片投影到波导690形式的光瞳扩展器的输入端口。观察者608可以从由于投影透镜680的光焦度而由波导690形成的扩展的眼盒(“观察窗口”)观察图片的放大图像。波导690包括光学透明介质，其由第一和第二反射表面分开，如上面参考图4所述。因此，全息显示装置具有“间接观察”配置—即观察者不直接观察全息重建，而是观察在光接收表面670上形成的图片。全息控制器602可以接收其他外部和内部输入600，以用于生成如本领域中已知的计算机生成的全息图。这样的输入可以确定要由全息显示装置显示的图像内容。
图6所示的全息显示装置具有图片生成单元，其包括布置成显示第一单色全息图的第一颜色(例如红色)显示通道和布置成显示第二单色全息图的第二颜色(例如绿色)显示通道，仅作为示例。在示例实施方式中，可以提供三个或更多个显示通道，其配置为显示相应的单色全息图。例如，可以通过显示相应的红色、绿色和蓝色单色全息图来形成全色合成图像/图片。可以使用包括任意数量的仅包括一个颜色通道的单个颜色通道的图片生成单元来实现本公开。
波导几何形状
图7A-C示出了根据实施例的波导光瞳扩展器的几何形状。特别地，图7B和7C示出了输入图像光束702(如上所述)的主光线的定位和沿着波导的传播以及对观察者730可见的副本的输出。波导包括如上所述的第一部分反射表面720和第二全反射表面710。
图7C所示的几何形状可以由以下等式表示。
w1＝2dtan(θ-φ)
w2＝2dtan(θ+φ)
p1＝2dsin(θ-φ)
p2＝2dsin(θ+φ)
tan(θ-φ)＝s1/d＝(s1+w1-s)/d1
tan(θ+φ)＝s2/d＝(s2+w2-s)/d1
s1d1＝(s1+w1-s)d
s1Δd＝2d2tan(θ-φ)-sd (1)
s2d1＝(s2+w2-s)d
s2Δd＝2d2tan(θ+φ)-sd (2)
从(2)减去(1)
Δd＝2d2(tan(θ+φ)-tan(θ-φ))/(s2-s1)
从s1(2)减去s2(1)
0＝2s2d2tan(θ-φ)-ss2d-2s1d2tan(θ+φ)-ss1ds＝(2s2dtan(θ-φ)-2s1dtan(θ+φ))/(s1+s2)
＝(s2w1-s1w2)/(s1+s2)
第二示例系统
图8示出了根据第二示例系统配置的包括波导光瞳扩展器的全息显示系统。
图8所示的全息显示系统类似于图6的全息显示系统，但特征在于在空间光调制器和观察平面之间没有屏幕。因此，它是直接观察配置。特别地，全息显示装置包括图片生成单元，其布置为形成第一图片(或第一图像)和第二图片(或第二图像)。第一单色/显示通道(例如红色通道)包括第一光源810、第一准直透镜812和第一二向色镜814，其布置为用第一波长的光照射SLM840。第二单色/显示通道(例如绿色通道)包括第二光源820、第二准直透镜822和第二反射镜824，其布置成用第二波长的光照射SLM840。第一显示通道布置为在观察者的眼睛808处形成第一图像(例如红色图像)。第一单色计算机生成的全息图由全息控制器802在SLM840上编码。SLM840显示第一全息图，并且由来自第一颜色通道的光照射，以在位于回放平面处的光接收表面870上形成第一全息重建。类似地，第二显示通道布置为在观察者的眼睛808处形成第二图像(例如绿色图像)。第二单色计算机生成的全息图由全息控制器802在SLM840上编码。SLM840显示第二全息图，并且由来自第二颜色通道的光照射，以在回放平面处的光接收表面上形成第二全息重建。
全息显示装置还包括分束器立方体830，其布置成分离去往SLM840的输入光和分离来自SLM840的输出光。然而，与图6相反，全息显示装置是直接观察系统。在所示的布置中，透镜850位于由SLM840输出的空间调制光的光路中。透镜850是可选的。观察者808可以直接观察来自空间光调制器的空间调制光。如上所述，在一些实施例中，观察者眼睛的晶状体在眼睛的视网膜上形成全息重建。在这些实施例中，可以说观察者接收到用全息图编码的空间调制光。在其他实施例中，观察者接收图片的光或用图片编码的光。图片可以形成在自由空间中的中间平面处。波导890包括由如上所述的第一和第二反射表面分开的光学透明介质。因此，全息显示装置具有“直接观察”配置，即观察者直接注视显示装置(即空间光调制器)，并且图6的光接收表面是可选的。
平板和楔形件
图9A示出了根据实施例的波导900。波导900包括类似于参考图5描述的光学平板903。然而，在该实施例中，光通过在每次反弹时在高折射率材料和低折射率材料之间的内部反射被平板引导，而不是通过向平板的顶表面和底表面施加反射涂层。更具体地，来自平板底表面(图9A中的下表面)的反射是满足平板的高折射率材料与周围介质(例如空气)之间的临界角条件的全内反射。底表面上的入射角可以是至少临界角。本领域技术人员将理解如何选择通过输入端口901进入平板的光的入射角以及平板和周围介质(例如空气)的折射率，以实现从平板903的底表面的全界面反射。
光学楔形件905邻接平板的顶表面(图9A中的上表面)。光学楔形件905的折射率大于周围介质但小于平板903。楔形件905的折射率足以破坏平板903的顶表面上的临界角条件，使得一定比例的光从平板903透射到楔形件905中。楔形件的倾斜/楔形顶表面提供了不同(例如减小/较小)的入射角，这有利于透射而不是反射。换句话说，在顶表面上的入射角使得副本的基本所有光都从楔形件逸出并有助于光瞳扩展。在一些实施例中，法向入射发生在楔形件的顶表面处。图9A至11所示的波导的特征在于使用全内反射(而不是如图5中的反射表面)来引导光，并且进一步的特征在于使用楔形件，楔形件具有配置成从平板的顶表面提取光的下表面和增加光从波导中出来的比例的上表面。在图9A的实施例中，楔形件的厚度随着距输入端口901的距离而减小。楔形件的厚度可以随着距输入端口901的距离而增大。为了保持简单性，图9A未完全示出光折射的影响。
图9B示出了与图9A的波导内的光传播有关的一些光界面。高折射率平板903和低折射率周围介质(n＝1)之间的第一界面910满足临界角条件(即入射角等于或大于平板与例如空气之间的临界角)，因此是全内反射。平板903和中等折射率楔形件905之间的第二界面920不满足临界角条件(即入射角小于平板与楔形件之间的临界角)，因为楔形件的折射率足以将临界角增加超过入射角。楔形件905与低折射率周围介质(n＝1)之间的第三界面930处的光经历法向入射(即第三界面930上的入射角为零)，因此透射率最大化。在一些实施例中，第三界面930上的入射角不是零(法向)，而是足够小(即刚刚偏离法向入射)，使得在界面930处反射的光的比例可以忽略。可以说，第三界面处的入射角基本为零。在第三界面处的入射角小于楔形件与例如空气之间的临界角。第四界面示出了在第二界面920处未在楔形件905中透射的光的下一个相互作用。第四界面940(同样在平板和周围介质之间)也是全内反射。在一些实施例中，楔形件的至少一个表面包括抗反射涂层。
图10示出了另一实施例，其中上/顶表面是弯曲的。楔形件的厚度随着距输入端口的距离而变化。在一些实施例中，上表面是凹的或凸的。
在一些实施例中，楔形件的折射率是渐变的，即随着距输入端口的距离而变化。在一些实施例中，最靠近输入端口的楔形件的第一侧具有相对较低的折射率(但大于周围介质)，而最远离输入端口的楔形件的第二侧具有相对较低的折射率(但小于平板)。结果，随着距输入端口的距离增加，平板的折射率与楔形件的折射率之间的差减小。这意味着，随着距输入端口的距离的增加和剩余光量的减少，反射率将降低，因此在平板-楔形件界面处的透射率将更高。
在如图11所示的其他实施例中，折射率匹配流体1150层(或相应的介电涂层)夹在平板1103和楔形件1105之间。匹配流体1150层的折射率是渐变的，即匹配流体1150的折射率随着距输入端口1101的距离而变化。光学领域的技术人员将理解可以如何在光学平板和光学楔形件之间提供渐变折射率匹配流体。
在一些示例中，平板的折射率是1.5至2.5，比如1.8至2.2，而楔形件的折射率是1.1至1.9，比如1.3至1.7。折射率匹配层的折射率可在波导的长度上线性地变化，变化总数为0.2至0.8(比如0.4至0.6)。波导可包括二向色涂层。
在一示例中，平板的折射率为2.0+/-0.2，楔形件的折射率为1.5+/-0.2，周围介质的折射率为1.0+/-0.2。在该示例中，平板和空气之间的(第一)临界角基本为30.0度。平板和楔形件之间的(第二)临界角基本为48.6度，楔形件和空气之间的(第三)临界角基本为41.8度。在一些实施例中，平板内的光的入射角大于或等于第一临界角且小于第二临界角。在一些实施例中，第二临界角小于第三临界角。在一些实施例中，波导和输入端口配置为使得平板内的光的入射角为30至42°。在一些实施例中，平板内的光的入射角为38+/-4度，比如40+/-2度。
平视显示器
图12A示出了下(或第一)壳体1225，其包括具有挡风玻璃1230和仪表板1280的车辆中的平视显示器的光学系统。下壳体至少包括图片生成单元和根据本公开实施例的波导(该图中未示出)。平视显示器包括容纳反太阳光(countermeasure)的上(或第二)壳体1270。具体地，上壳体1270包括光阱1274和盖玻璃1272。盖玻璃1272是大致弯曲的，比如大致抛物线形或椭圆形。参照图12B可以更好地理解反太阳光的功能。
图12B示出了平视显示器的所谓的眼盒1290，其是可以在其中观察HUD图像(例如在图片的挡风玻璃中形成的虚拟图像)的空间区域。如果观察者的眼睛在眼盒内，则将看到HUD图像。如果观察者的眼睛在眼盒外，则无法看到HUD图像。眼盒1290足以容纳高矮驾驶员，并在驾驶过程中允许正常的头部运动。图12B示出了包含形成HUD图像的来自下壳体1225的光线的体积1285。图12B还示出了盖玻璃1272是如何弯曲的，以使得穿过挡风玻璃1230并到达盖玻璃1272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。常规地，盖玻璃1272的曲率使得从盖玻璃1272和挡风玻璃的内表面反射的太阳光线(比如太阳光线A)向下被引导到驾驶员的胸部区域，如图12B所示。将理解的是，尽管从挡风玻璃的内表面的反射可以小于4％(如果挡风玻璃被涂覆，则可能甚至仅为0.1％)，但太阳光的峰值强度使得这些反射在HUD中成为问题。弯曲盖玻璃1272增加了制造复杂度并增加了HUD的体积。
上壳体的第二部件是光阱1274。光阱1274是物理挡板，其为HUD的其他部件屏蔽一些太阳光。尤其是，光阱1274通常会屏蔽相对较浅的太阳光(即当太阳在天空中相对较低时的太阳光，比如接近日落时，例如太阳光线B)，以使它不会到达盖玻璃1272。
图12A和12B说明了通常如何通过单独的部件(通常称为盖玻璃)提供弯曲上表面，以保护平视显示器免受太阳光。在根据本公开的一些实施例中，使用波导的光学楔形件的弯曲上表面代替弯曲盖玻璃来保护显示装置。换句话说，波导的弯曲上表面用作平视显示器的保护盖玻璃。
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，显示平面是漫射表面或屏幕，例如漫射器。本公开的全息投影系统可以用于提供改进的平视显示器(HUD)。在一些实施例中，提供了一种车辆，其包括安装在车辆中以提供HUD的全息投影系统。车辆可以是机动车辆，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。
在一些实施例中，由波导接收和复制的光是非偏振的。在一些实施例中，光是s偏振的，而在其他实施例中，光是p偏振的。在一些实施例中，由波导接收和复制的光是单色的，而在其他实施例中，光包括多个单色分量。
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，比如随机存取存储器(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 (12)

1.一种波导，包括：
具有第一折射率n1>1的光学平板，其中，所述光学平板包括：以平行配置布置的第一和第二相对表面；以及输入部，所述输入部布置成以一角度将光接收到光学平板中，从而通过一系列内部反射在所述第一和第二相对表面之间引导光；
具有第二折射率n2的光学楔形件，其中，所述光学楔形件包括以楔形配置布置的第一和第二相对表面，使得在所述光学楔形件的第一和第二相对表面之间存在一角度，其中所述光学楔形件具有厚端和薄端，
其中，1<n2<n1；
其中，所述光学楔形件的第一表面邻接光学平板的第二表面以形成界面，该界面允许由光学平板引导的光在沿着界面的多个点处部分地透射到光学楔形件中，从而使光被多次划分，并且其中，所述楔形件的角度允许在界面处接收的光通过光学楔形件的第二表面逸出，使得所述波导的出射光瞳被光的多个划分扩展，
其中，所述光学楔形件的第一和第二相对表面之间的角度随着距所述输入部的距离增加而变化。
2.如权利要求1所述的波导，其中，所述角度随着距所述输入部的距离增加而减小。
3.如权利要求1或2所述的波导，其中，所述光学楔形件的第二表面形成所述波导的凹面。
4.如权利要求1所述的波导，其中，所述光学楔形件的折射率随着距所述输入部的距离增加而变化。
5.如权利要求4所述的波导，其中，所述光学楔形件的折射率随着距所述输入部的距离增加而增加。
6.如权利要求1所述的波导，还包括夹在所述光学平板和光学楔形件之间的折射率匹配流体层，其中，折射率匹配流体的折射率随着距所述输入部的距离增加而变化。
7.如权利要求6所述的波导，其中，折射率匹配流体的折射率随着距所述输入部的距离增加而增加。
8.一种显示系统，包括根据权利要求1所述的波导，并且还包括布置为显示图案的图片生成单元，其中，由所述输入部接收的光是由所述图片生成单元显示的图案的光。
9.如权利要求8所述的显示系统，还包括在所述图片生成单元和波导之间的光学系统，其中，所述光学系统包括选自包括以下各项的组中的至少一个：准直透镜、布置成形成望远镜比如缩小望远镜的一对透镜、以及空间滤光器。
10.如权利要求8所述的显示系统，其中，显示的图案是全息图或由全息图形成的全息重建的图片。
11.一种平视显示器，包括如权利要求8至10中任一项所述的显示系统，其中，所述光学楔形件的第二表面形成所述平视显示器的成角度的盖玻璃或眩光阱。
12.一种使用波导的光瞳扩展方法，所述波导具有光学平板和光学楔形件，该方法包括：
通过输入端口将光接收到所述光学平板中，其中，所述光学平板具有第一折射率n1>1；
通过一系列内部反射在光学平板的第一和第二相对表面之间引导光，其中，所述第一和第二相对表面以平行配置布置；
通过在所述光学楔形件的第一表面和光学平板的第二表面之间形成界面来将光划分多次，该界面允许光在沿着界面的多个点处部分地透射到光学楔形件中，其中，所述光学楔形件具有第二折射率n2，其中所述光学楔形件具有厚端和薄端，并且1<n2<n1；
将光学楔形件的第一和第二相对表面以楔形配置布置，从而使光学楔形件通过界面接收的光通过光学楔形件的第二表面逸出，使得所述波导的出射光瞳被光的多个划分扩展；以及
布置所述光学楔形件的第一和第二相对表面，使得在所述厚端和薄端之间，所述光学楔形件的第一和第二相对表面之间的角度随着距所述输入部的距离增加而变化。
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