CN114384701A - 显示系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于减少系统中眩光效果的方法和系统，该系统包括图片生成单元或投影仪，例如全息投影仪。例如，该系统可以是平视显示器(HUD)，其配置为向观察者显示图片，而不需要用户将视线从他们通常或所需的视点移开。例如，HUD系统可以包含在车辆内。系统中的眩光可能是由入射到包括屏幕或窗口的表面上的光(不同于图片的光)引起的，用户通过屏幕或窗口来观察他们通常或所需的视点。例如，表面可以包括车辆中的挡风玻璃。导致眩光的光可能是环境光，比如阳光。特别地，提供了用于减少系统中眩光影响的方法和系统，该系统包括与图片生成单元结合的波导。波导可以用作出射光瞳扩展器。

Description

显示系统和方法

技术领域

本公开涉及显示系统和方法。更具体地，本公开涉及具有波导的显示系统和使用这种显示系统显示图片的方法。一些实施例涉及全息显示系统和显示要通过观察窗口观察的图片的全息图的方法。一些实施例涉及平视显示器(HUD)。

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投影仪。例如，这种投影仪已经在平视显示器“HUD”和光检测和测距“LiDAR”中得到应用。

发明内容

本公开的各方面在所附独立权利要求中定义。

总的来说，提供了一种方法和系统，用于减少包括图片生成单元或投影仪(例如全息投影仪)的系统中的眩光影响。例如，该系统可以是平视显示器(HUD)，其配置为向观察者显示图片，而不需要用户将视线从其通常或所需的视点移开。例如，HUD系统可以包含在车辆内。系统中的眩光可能是由入射到包括屏幕或窗口的表面上的光引起的，而不是图片的光，用户通过屏幕或窗口在其通常或所需的视点观看。例如，表面可以包括车辆中的挡风玻璃。引起眩光的光可以是环境光，例如阳光，尽管术语“环境光”在此用于描述系统周围环境中的任何光，其中该光可以是自然光或人造光。特别地，提供了用于减少系统中眩光影响的方法和系统，该系统包括与图片生成单元结合(或作为其一部分)的波导。波导可以用作图片生成单元的观察窗口扩展器(或出射光瞳扩展器)。

该方法和系统可以利用波导在系统中的存在，并且将波导用于额外的用途，以减少眩光，而不会不利地影响波导作为来自图片生成单元的光的观察窗口扩展器(或光瞳扩展器)的功能。该方法和系统可以包括利用波导内的一对表面的反射(或透射-反射)特性，结合圆偏振器，其可以布置成在入射环境光进入波导之前对该环境光施加圆偏振。当环境光在波导内经历奇数次反射时，环境光的圆偏振方向(即它是左手(即顺时针)还是右手(即逆时针)圆偏振)将反转。因此，圆偏振器可以配置为允许环境光进入波导，但防止随后透射出波导的任何环境光向前传播到观察者，因为其圆偏振将导致它被圆偏振器阻挡(例如被吸收)。圆偏振器可以与波导的透射-反射表面协作布置，环境光通过该表面进入和离开波导。确保环境光进入和离开波导可以确保其经历奇数次反射，因此当其在波导内时将改变其圆偏振方向。

该方法和系统还可以包括对来自图片生成单元的光施加合适的圆偏振，和/或引导来自图片生成单元的光，使得它可以绕过圆偏振器(但不是波导)，使得圆偏振器不会阻止图片生成单元的光到达观察者。

根据一方面，提供了一种具有观察窗口的显示系统，其中该显示系统包括布置成形成波导的一对表面，其中该对表面的第一表面是透射反射的，第二表面是反射的。显示系统还包括与第一表面协作布置的圆偏振器，使得入射到第一表面上的环境光是圆偏振的。换句话说，圆偏振器布置成在入射环境光经由第一表面进入波导之前向入射环境光施加圆偏振。波导布置成通过所述一对表面之间的内部反射来引导圆偏振环境光，并且经由第一表面朝向圆偏振器部分透射圆偏振环境光。显示系统还包括图片生成单元，其布置为显示图片的全息图，并将由全息图形成的空间调制光射入波导，使得空间调制光通过该对表面之间的内部反射沿着波导被部分引导，并且在其上的多个位置被第一表面部分透射，以便形成基本连续的观察窗口(观察者可以通过该观察窗口接收空间调制光)。

波导可以包括第一和第二离散表面，或者它可以包括具有第一和第二涂覆表面的平板。

波导的第一和第二表面可以各自包括相应的一对面。每对可以说包括外面和内面，波导外部的光通过该外面入射到相应的表面上，波导内部的光通过该内面入射到相应的表面上。圆偏振器可以与波导的第一表面的外面协作布置，使得环境光(即来自显示系统周围的光，并且其在波导外部，例如阳光和/或月光和/或人造光)在入射到第一表面的外面上之前通过圆偏振器传播。换句话说，当到达圆偏振器时未偏振或随机偏振的环境光可被圆偏振器偏振，因此该光可以离开圆偏振器，随后作为圆偏振光通过其第一表面进入波导。由于圆偏振光的性质，每当光从波导内的反射(或透射-反射)表面反射时，偏振方向(即左手或右手)将改变。

图片可被称为“图像”。图片生成单元可被称为“图像生成器”或“全息图像投影仪”。它可以配置成接收图片或图像(其可被称为“目标图像”)，并计算或获得它的全息图。全息图可以是计算机生成的全息图(CGH)。图片生成单元可以包括用于显示全息图的合适的显示装置，比如像素化显示装置，例如空间光调制器(SLM)，其可以是硅上液晶(LCOS)SLM。显示装置还可以配置为显示一个或多个其他软件部件，例如软件透镜或软件光栅。

第一表面也可以称为“透反式”。它可以配置成基本沿着波导的细长或传播轴线并朝向第二表面透射一些光并反射一些光。

在一些布置中，空间调制光可以用全息图编码。也就是说，当空间调制被射入(或发射)到波导中时，可能还没有从照明全息图形成全息重建。全息图可以是傅立叶或菲涅耳全息图。全息重建可以由观察者的眼睛形成。

在一些布置中，空间调制光可以用图片的全息重建编码，可选地，形成在光接收表面上。光接收表面可被称为“显示平面”。在空间调制光被射入(或发射)到波导中之前，可以提供合适的光学器件来形成图像的全息重建。例如，可以提供透镜，其可以是傅立叶透镜并且可以是软件透镜或硬件透镜。

光接收表面可以包括布置成显示图片的全息重建的屏幕，并且显示系统可以进一步包括屏幕和波导之间的准直透镜。

圆偏振器可以包括线性偏振器和λ/4延迟器(或“四分之一波片”)，其中λ/4延迟器设置在波导的第一表面和线性偏振器之间。圆偏振器可以布置成对穿过其中的(非偏振)光赋予左手(即顺时针)圆偏振或右手(即逆时针)圆偏振。圆偏振器可以沿着环境光的光路基本紧接在波导的第一表面之前(即上游)。

射入波导的空间调制光可以是圆偏振的，使得它在多个位置中的每个位置部分透射通过波导的第一表面之后被圆偏振器透射。为了实现这一点，图片生成单元可以包括或者可以与第二偏振器结合提供。例如，图片生成单元可以包括光源，其输出用于照明由图片生成单元显示的全息图的基本线性的偏振光。因此，第二偏振器可以包括λ/4延迟器(或“四分之一波片”)，其配置为在基本偏振光被图片生成单元空间调制之后接收该基本偏振光，并施加延迟，从而其输出圆偏振光。第二偏振器可以配置为向空间调制光施加合适的圆偏振方向(即“旋向”)，使得一旦空间调制光被透射出波导，它将被透射通过圆偏振器。

空间调制光可以通过第二表面射入波导，因此射入波导的空间调制光的圆偏振的旋向可以与圆偏振器的相同。空间调制光在到达波导第一表面上的每个位置时经历的反射总数可以是2(n-1)，其中n是非零整数。在一些实施例中，在第二表面的部分反射涂层中提供孔，以便将空间调制光接收到波导中。

换句话说，如果空间调制光通过(反射)第二表面被射入或发射到波导中，则当它第一次到达第一(透射-反射)表面时未被透射的任何空间调制光在它再次到达第一表面之前将在波导内被反射两次(即一次被第一表面反射，一次被第二表面反射)，并且具有从波导向圆偏振器透射的另一个机会。每当空间调制光被波导表面内部反射时，该反射将导致其圆偏振方向的反转。因此，如果空间调制光通过第二表面射入，在它有机会向圆偏振器透射之前，它将在波导内遇到偶数次反射。因此，射入波导的空间调制光的圆偏振方向可以与圆偏振器的相同，因为随着空间调制光通过内部反射行进穿过波导而每次到达第一表面时都将具有相同的圆偏振方向。因此，当它从波导向圆偏振器透射时，它将具有相同圆偏振方向。

在其他布置中，光可以通过第一表面射入波导，并且射入波导的空间调制光的圆偏振的旋向可以与圆偏振器的相反。空间调制光到达每个位置时经历的反射总数是2n-1，其中n是非零整数。换句话说，在空间调制光可以通过第一表面透射出波导之前，它可能会遇到奇数次反射以及其圆偏振方向的奇数次反转。因此，它最初的圆偏振可以与圆偏振器的相反，以确保一旦它被波导透射就不会被圆偏振器阻挡。因此，取决于来自图片生成单元的空间调制光将被射入哪个表面，系统可以布置成确保所述空间调制光在由波导发射时将具有正确的偏振状态，以确保其将透射通过圆偏振器并朝向观察者。可替代地，在一些布置中，圆偏振器将布置成使得它不位于空间调制光将从其透射的波导的一部分和观察者之间。因此，在这种布置中，空间调制光的圆偏振状态对于到达观察者的光来说不是决定性的。

第一表面的反射率可以是传播距离的函数，使得第一表面在多个位置透射的空间调制光的亮度基本相同。传播距离可被定义为光沿着波导传播的距离，例如在基本轴向方向上。

第二表面的反射率可以大于90％，例如大于95％。

图片生成单元还可以包括：光源，其布置成用线偏振光照射全息图；以及λ/4延迟器，其布置成在空间调制光射入波导之前将空间调制光的偏振从线性转换为圆形。光源可以包括激光光源，例如激光二极管。

圆偏振器可以配置成将空间调制光导向观察者或任何合适的光学部件。例如，它可以将空间调制光导向反射器，该反射器配置为将其反射向观察者。例如，它可以将其导向组合器，其配置为将来自图片的光与观察者想要或需要看到的其他光组合。例如，组合器可以包括车辆的风挡或挡风玻璃。

根据一方面，提供了一种具有观察窗口的显示系统，其中该显示系统包括布置成形成波导的一对表面，其中该对表面的第一表面是透射反射的，第二表面是反射的。显示系统还包括与第一表面协作布置的圆偏振器，使得入射到第一表面上的环境光是圆偏振的。换句话说，圆偏振器布置成在入射环境光经由第一表面进入波导之前向入射环境光施加圆偏振。波导布置成通过该对表面之间的内部反射来引导圆偏振环境光，并且经由第一表面朝向圆偏振器部分透射圆偏振环境光。显示系统还包括图片生成单元，其布置为将图片的光投射到波导中，使得图片的光通过该对表面之间的内部反射沿着波导被部分引导，并且在其上的多个位置被第一表面部分透射，以便形成基本连续的观察窗口，观察者可以通过该观察窗口接收图片的光。

当观察者的眼睛接收到图片的光时，图片的光可以包括由图片空间调制的光，或者由图片透射的光，或者以其他方式表示图片并使观察者能够看到图片的光。例如，图片的光可以是用全息图编码的光，其中当光到达观察者的眼睛时，观察者将形成图片的全息重建。

根据一方面，提供了一种具有观察窗口的平视显示器(HUD)系统，其中该平视显示器系统包括：布置成形成波导的一对表面，其中该对表面的第一表面是透射反射的，第二表面是反射的；以及与第一表面协作布置的圆偏振器，使得入射到第一表面上的环境光是圆偏振的。该HUD系统还包括图片生成单元，其布置为显示图片的全息图，并将由全息图形成的空间调制光射入波导，使得空间调制光通过该对表面之间的内部反射沿着波导被部分引导，并且在其上的多个位置被第一表面部分透射。组合器布置成接收由波导的第一表面透射的空间调制光，并将其重定向以形成基本连续的观察窗口，观察者可以通过该观察窗口接收空间调制光。组合器可能是也可能不是HUD的一部分。

根据一方面，提供了一种具有观察窗口的平视显示器(HUD)系统，其中该平视显示器系统包括布置成形成波导的一对表面，其中该对表面的第一表面是透射反射的，第二表面是反射的；以及与第一表面协作布置的圆偏振器，使得入射到第一表面上的环境光是圆偏振的。换句话说，圆偏振器布置成在入射环境光经由第一表面进入波导之前向入射环境光施加圆偏振。波导布置成通过该对表面之间的内部反射来引导圆偏振环境光，并且经由第一表面朝向圆偏振器部分透射圆偏振环境光。HUD系统还包括图片生成单元，其布置为将图片的光投射到波导中，使得图片的光通过该对表面之间的内部反射沿着波导被部分引导，并且在其上的多个位置被第一表面部分透射。HUD还包括组合器，其布置成接收由波导的第一表面透射的图片的光，并将其重定向以形成基本连续的观察窗口，观察者可以通过该观察窗口接收图片的光。可替代地，HUD可以布置成与不同系统或设备(例如车辆的挡风玻璃)的组合器协作，以实现所描述的效果。

组合器可以包括表面，例如屏幕、窗口、风挡或挡风玻璃。当观察者在原位使用HUD系统时，它可以布置成基本直接位于观察者的前方。组合器可以配置为将图像的光导向观察者，使得观察者能够通过基本连续的观察窗口看到图像，并且还能够看到其他光，例如HUD系统外部的光，例如当观察者通过组合器观看时朝向无限远的光。

根据一方面，提供了一种全息投影方法，包括：接收用于投影的图片；显示代表图片的全息图，并用来自光源的光照射全息图以形成空间调制光。该方法还包括：将空间调制光射入到具有一对表面的波导中，其中该对表面的第一表面是透射反射的，该对表面的第二表面是反射的；并且通过该对表面之间的内部反射沿着波导部分地引导空间调制光，并且在其第一表面上的多个位置将空间调制光部分透射出波导，以形成基本连续的观察窗口，观察者可以通过该观察窗口接收空间调制光。该方法还可以包括使基本连续的观察窗口的空间调制光穿过圆偏振器，其中圆偏振器布置成与第一表面协作，使得入射到第一表面上的环境光是圆偏振的。换句话说，其中圆偏振器布置成在入射环境光经由第一表面进入所述波导之前向入射环境光施加圆偏振，并且其中，波导布置成通过该对表面之间的内部反射来引导圆偏振环境光，并且经由第一表面朝向圆偏振器部分透射圆偏振环境光。

该方法可以包括，在将空间调制光射入波导之前，对空间调制光施加圆偏振，使得空间调制光在多个位置中的每个位置处在其部分透射通过波导的第一表面之后将被圆偏振器透射。

该方法还可以包括，在使空间调制光穿过圆偏振器之后，将空间调制光引导到组合器，其中所述组合器布置成重定向空间调制光以形成基本连续的观察窗口，观察者可以通过该观察窗口接收空间调制光。

根据一方面，提供了一种全息投影的方法，包括接收用于投影的图片并将图片的光射入到具有一对表面的波导中，其中该对表面的第一表面是透射反射的，该对表面的第二表面是反射的。该方法还包括通过该对表面之间的内部反射沿着波导部分地引导空间调制光，并且在其第一表面上的多个位置将空间调制光部分透射出波导，以形成基本连续的观察窗口，观察者可以通过该观察窗口接收图片的光。该方法还可以包括使基本连续的观察窗口的空间调制光穿过圆偏振器，其中圆偏振器布置成与第一表面协作，使得入射到第一表面上的环境光是圆偏振的。换句话说，其中圆偏振器布置成在入射环境光经由第一表面进入波导之前向入射环境光施加圆偏振，并且其中波导布置成通过该对表面之间的内部反射来引导圆偏振环境光，并且经由第一表面朝向圆偏振器部分透射圆偏振环境光。

任何方面的方法可以是计算机实现的方法。它可能是部分计算机实现的方法。

根据一方面，一种计算机程序包括指令，其在由数据处理设备执行时使数据处理设备执行根据上述任何方面的方法。

根据一方面，可以提供计算机可读介质来存储根据上述任何方面的计算机程序。

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“编码”、“写入”和“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，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示出了平板波导的示例；

图6示出了第一示例全息显示系统，其包括形成波导光瞳扩展器的波导；

图7A至7C示出了图6的波导光瞳扩展器的几何形状；

图8示出了第二示例全息显示系统，其包括形成波导光瞳扩展器的波导；

图9示出了常规的平视显示器(HUD)系统；

图10示出了根据实施例的改进的平视显示器(HUD)系统；

图11示出了图10的圆偏振器的放大视图。

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)中的仅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)。从空间域中的仅振幅信息中有效地“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。舍弃幅度值211A的分布，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。舍弃幅度值211A的分布，采用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，其布置为使用算法接收图像数据并实时计算全息图。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。

图像显示系统

用于显示图片(或图像)或用于显示将被观察者观察的图片的全息图的显示系统可以采取许多不同的形式。下文详述的图4至8涉及全息显示系统，其中图像由全息图表示并全息再现。然而，本公开不限于全息显示系统，这将从随后对附图的讨论中理解。本公开还涉及其他类型的显示系统，例如数字光处理(DLP)显示系统。

本公开涉及显示系统，其包括观察窗口(或“眼盒区域”)，观察者通过该观察窗口接收由图像、全息图或图像的全息重建形成的光，其将被观察者观察。例如，本公开涉及诸如平视显示器(HUD)的显示系统。

术语“眼盒”或“眼盒区域”在本文用来指显示系统在其中形成有效可视图像的空间体积。简单地说，它包括观察者的眼睛可以位于其中的区域，以便观察者能够看到由显示系统形成的图像。可以在特定的观察距离或观察距离范围处定义眼盒。它也被称为“眼动盒(EMB)”，或者更一般地，“观察窗口”。

波导光瞳/观察窗口扩展器

在诸如平视显示器(HUD)的全息投影系统中，通常希望扩大对应于EMB或观察窗口的空间体积。特别地，观察者需要能够四处移动他或她的头部，从而能够从眼盒周围的有限区域内的任何位置和/或在特定的观察距离处看到完整的图像。

因此，可以使用光瞳扩展器(其可替代地称为“观察窗口扩展器”)来放大EMB或观察窗口。通常，光瞳扩展器通过分割入射波前的振幅产生额外的光线来放大EMB。在一些实施例中，对于给定的眼睛位置，光瞳扩展器放大EMB并增加视野。

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以的。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。可以说光瞳(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。为了简单起见，本文提供的描述忽略了反射表面的吸收。该吸收可以基本为零和/或恒定。本领域技术人员将理解，必须定义反射率、透射率和吸收率，以便完全描述接收空间调制光的多个位置中的每个位置处的反射表面的行为。然而，为了理解本公开，可以忽略吸收。

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个或更多薄膜)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可以是基本全反射器，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的观察者能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。

本公开提供了改进的波导。该改进的波导可以包括两个反射镜，或者可以基于平板，其顶面和底面包括适当的反射涂层。为了避免疑问，图6、7B和8示出了根据本公开的示例系统配置，仅作为示例，它们示出了由两个镜形成的波导，而不是具有反射涂层的平板。为了简单起见，图5中没有完全示出光折射的效果，但本领域技术人员将会很好地理解它们。

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。

全息显示系统包括图片生成单元，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，在其他布置中，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。在所示的布置中，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。在其他布置中，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。

全息显示系统还包括全息控制器602，其布置成控制图片生成单元，特别是控制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的光功率而由波导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，图6的全息显示系统具有“间接观察”配置—即观察者不直接观察或接收全息图的光，也不直接观察全息重建本身。相反，全息重建形成在光接收表面670上，并且观察者观察全息重建的图像。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所示的全息显示系统具有图片生成单元，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。

在所示的示例中，例如图6和8，帧顺序颜色方案(如下所述)可以与一个SLM640一起使用。然而，本公开同样适用于空间分离的颜色方案(也在下面描述)，其中不同的SLM用于每个单一颜色通道。

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(如上所述)的主光线702和704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)-ss₁d

s＝(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。特别地，图8中的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。第一显示通道布置成在全息回放平面处形成第一图像(例如红色图像)。全息控制器802在SLM840上编码第一单色计算机生成全息图。SLM840显示第一全息图，并被来自第一颜色通道的光照射，以在全息回放平面处形成第一全息重建。类似地，第二显示通道布置成在全息回放平面处形成第二图像(例如绿色图像)。全息控制器802在SLM840上编码第二单色计算机生成全息图。SLM840显示第二全息图，并被来自第二颜色通道的光照射，以在全息回放平面处形成第二全息重建。

全息显示装置还包括分束器立方体830，其布置成分离输入到SLM840的光和从SLM840输出的光。然而，与图6相反，全息显示装置是直视系统。这意味着在图8中，在SLM840和观察者808之间没有在其上形成一个或多个全息重建的光接收表面。因此，全息重建将或形成在自由空间中的中间平面处或形成在观察者眼睛的视网膜上。在图8所示的布置中，示出了这些选项中的第一个，其中透镜850位于由SLM840输出的空间调制光的光路中。透镜850是可选的。当透镜850存在于SLM840和波导890之间时，透镜850的行为类似于上面参照图6描述的傅立叶透镜650。也就是：透镜850可操作以在透镜850和波导890之间的自由空间中的中间平面处形成照明全息图的全息重建。因此，入射到波导890上并由其透射的光是全息重建的光。在这些实施例中，可以说观察者接收用全息重建编码的空间调制光。这也可以表示为观察者接收“图片”的光或“用图片编码的”光。

在一些布置中，在SLM840和观察者808之间没有透镜，因此观察者808可以直接观察来自空间光调制器的空间调制光。因此，在这种布置中，入射到波导890上并由其透射的光是全息图的光。在这种布置中，观察者的眼睛808接收全息图的光，并且观察者的眼睛808的透镜在眼睛的视网膜上形成全息重建。在这些实施例中，可以说观察者接收用全息图编码的空间调制光。

不管透镜850是否存在于图8的布置中，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，图8的全息显示装置具有“直视”配置，即观察者有效地直视显示装置(即空间光调制器)，因为在观察者和显示装置之间没有屏幕或其他光接收表面。因此，应该理解，图6的光接收表面是可选的。

在其他实施例中，透镜850是弱透镜，其光焦度不足以在观察者808的上游(即在光到达观察者808之前)形成全息重建，但利用观察者808的眼睛提供的光焦度，有助于全息图像变换。

眩光减少

众所周知，波导包含在平视显示器(HUD)系统中，例如在车辆内。这种波导可以用作图片显示系统中的光瞳扩展器(或观察窗口扩展器)，该图片显示系统可以是全息图片显示系统。通常，在包括在例如车辆内的HUD系统中，由其中的波导发射的光或直接朝向观察者的眼睛传播，和/或(更通常地)被导向反射器，例如汽车挡风玻璃(或风挡)，并且从那里被导向观察者的眼睛。这种反射器可被称为“组合器”，因为它配置为将来自图片的光与观察者需要或想要看到的其他光进行组合。例如，它可以将观察者通过车辆挡风玻璃看到的来自地平线的光与由HUD内的图片生成单元生成的图片的光组合。这可以使用户能够保持他或她的观察方向的方式来完成(即保持向挡风玻璃外看，同时也看到来自图片生成单元的光)。

阳光反射到观察者的眼睛中是HUD系统的重要考虑因素，对于HUD系统，观察者通常是车辆的驾驶员。这种反射可以称为“眩光”。众所周知，眩光会使观察者眩目，至少会暂时影响他们的视力。这也可能导致观察者本能地将脸转向远离光源的方向。

本文的图9示出了已知的HUD系统，其中观察者960可能会遇到眩光。该系统包括波导900，光从波导900向挡风玻璃950发射并向观察者960反射。波导900包括上表面902，其可以反射-透射图片的光。波导管900还包括下表面905，其是高反射性的，这将从本文的图4至8的前面描述中理解。波导900可以包含在图片显示系统中，例如图6和8的全息图片显示系统。可替代地，它可以包含在另一种(非全息)类型的图片显示系统中。

常规地，当光比如阳光910通过上表面902进入波导900时，它将被高反射性的下表面905反射，并且它的至少一些随后将被上表面902透射回朝向观察者960和/或朝向将光反射向观察者960的挡风玻璃950。因此，该系统存在明显的眩光风险和相关的潜在危险的眩光副作用。

改进的显示系统如图10所示。图10中的系统包括HUD系统，但本公开不限于HUD系统。类似地，图10包括全息图片生成单元，但本公开不限于全息系统。相反，本文公开的关于眩光减少以及关于防止或减少光从波导向用户的不希望透射的改进可以针对任何合适的显示系统来实现。

图10的显示系统类似于图9，它包括波导1000，一些光可以从波导1000向挡风玻璃1050或其他光学组合器和/或直接向观察者1060发射。波导1000包括上表面1002，其可以是反射-透射的。波导1000还包括高反射性的下表面1005。此外，图10的系统包括位于上表面1002附近的圆偏振器1500。圆偏振器1500被提供来与波导1000一起工作，波导1000已经包括在系统中，用于来自图片生成单元的光的光瞳扩展。圆偏振器1500的添加使得波导1000也有助于系统的眩光减少。

圆偏振器1500位于挡风玻璃1050和波导1000的上表面1002之间，使得穿过挡风玻璃1050的光例如阳光1020在到达波导1000的上表面1002之前将入射到圆偏振器1500上。因此，阳光1020将到达上表面1002作为圆偏振光。此外，在被波导1000的下表面1005反射并被透射回上表面1002之外之后，阳光1020将不得不在到达观察者之前通过圆偏振器1500传播。然而，圆偏振器1500阻挡它，如下面进一步详细描述。

波导1000的上表面1002可以包括例如渐变镜，其具有随距离变化的反射率。波导1000的下表面1005可以包括例如具有基本100％反射率的镜。下表面可以具有至少90％的反射率或至少95％的反射率。

如果上表面1002包括渐变镜，它可以布置成在优选方向上具有降低的反射率，从而增加透射率。在图10的布置中，优选的是，上表面1002的反射率可以在沿着波导1000的轴向方向(在图10所示的非限制性示例中基本从左到右)上降低(并且因此其透射率增加)。随着轴向距离的增加，反射率降低，以更好地适应图片显示系统的光透射，如图10所示，下面将进一步讨论。通常，渐变镜的大部分表面区域将具有相对低的透射率(<10％)。

圆偏振器1500可以由任何合适的材料形成。在图10中，圆偏振器1500示出为基本平面的，然而这应被认为仅是说明性的而不是限制性的。圆偏振器1500可以具有任何合适的尺寸和形状。圆偏振器1500可以设置在挡风玻璃1050和波导1000之间的任何合适的位置。例如，圆偏振器1500的下表面可以邻接波导1000的上表面，或者在波导1000的上表面和圆偏振器1500的下表面之间可以存在间隙，该间隙可以是相对较小的间隙。

通常，圆偏振器具有第一表面和与第一表面相反的第二表面。当非偏振光入射到第一表面上时，它传播通过圆偏振器并从第二表面射出，具有圆偏振。圆偏振器的旋向描述该配置中圆偏振光的旋向。例如，如果从第二表面射出的传播光具有“左手”圆偏振，则圆偏振器被称为“左手”圆偏振器。当具有左手圆偏振的光入射到左手圆偏振器的第二表面上时，光基本透射通过左手圆偏振器，并从其第一表面作为基本线性偏振光出现。当具有右手圆偏振的光入射到左手圆偏振器的第二表面上时，光基本被阻挡(即基本不透射通过左手圆偏振器；它可被基本反射和/或基本吸收)。

圆偏振器可以包括任何合适的部件，这使得它能够表现为圆偏振器，如下所述。例如，如图11所示，圆偏振器1500可以包括线性偏振器1502和λ/4光延迟器(也称为“四分之一波片”)1504。在这种情况下，参考上述圆偏振器的第一表面和第二表面，圆偏振器的第一表面是图11中的线性偏振器1502的上表面(即不靠近λ/4光延迟器1504的表面)，圆偏振器的第二表面是图11中的λ/4光延迟器1504的下表面(即不靠近线性偏振器1502的表面)。λ/4光延迟器1504可以配置成使得延迟器的主轴(例如光轴)与传播通过线性偏振器1502的光的线性偏振方向(电场振荡方向)成45°角。线性偏振器1502可以包括具有低反射率的吸收性线性偏振器。圆偏振器、线性偏振器和波片是众所周知的，因此本文不详细描述它们的基本操作。然而，从下面的描述中将进一步理解图10的系统中的圆偏振器1500的功能和效果。

圆偏振器1500配置为向入射光施加偏振，入射光可以(在到达圆偏振器1500之前)是非偏振光，例如阳光。在图10所示的示例中，其中的圆偏振器1500向入射光1020施加“左手”圆偏振。这可替代地被称为“逆时针”圆偏振。应当理解，本公开不限于应用左手圆偏振的圆偏振器1500。相反，它可以应用“右手”(或“顺时针”)圆偏振，并且对于右手圆偏振器，下面描述的其他偏振可以类似地反转，以便提供与下面关于所示特定示例描述的相同的效果。

再次参考图10，入射光1020被圆偏振器1500偏振为左手圆偏振，并朝着波导1000传播。如上关于先前附图所述，光可以进入波导1000并向其高反射下表面1005传播。当偏振光击中下表面1005时，它被反射回上表面1002。圆偏振的“旋向”(即偏振相对于光传播方向的旋转方向)在被下表面1005反射时也被反转。因此，当入射到下表面1005上时为左手圆偏振的光在从其反射时将为右手圆偏振。新的右手圆偏振光朝着上表面1002往回传播，并且如关于先前附图所述，其中一些将透射通过上表面1002，而另一些将沿着波导1000反射回来，如下所述。上表面1002优选具有低双折射，使得它不会影响通过上表面1002传播出去的任何阳光1020的圆偏振。因此，通过上表面1002透射出波导1000的光将保持右手圆偏振。

与前面图中的布置不同，在图10的系统中，存在圆偏振器1500，并且配置为当右手圆偏振光从波导入射到圆偏振器1500上时，不允许这种右手圆偏振光从中透射。也就是说，从圆偏振器1500的波导侧(图10中向上)接收的右手圆偏振光被阻止进一步透射。因此，在先前布置中可能已经直接和/或经由挡风玻璃1050从波导向观察者1060传播的任何光比如阳光替代地被圆偏振器吸收。换句话说，圆偏振器1500阻挡离开波导1000的阳光1020到达观察者1060。结果，从观察者的角度来看，来自阳光1020的任何潜在眩光被消除或至少被显著减弱。

如果一部分右手圆偏振阳光被波导1000的上表面1002反射(当其剩余部分透射时)，则上表面1002的所述反射也将改变这部分阳光的圆偏振的旋向。因此，它将作为左手圆偏振光向下表面1005传播回去，在那里它将被反射并使其圆偏振再次反转，成为右手圆偏振光。当它第二次到达上表面1002时，一些右手圆偏振光将被波导1000的上表面1002透射，但随后被圆偏振器1500阻挡，并且一些其他的将被反射回下表面1005，其偏振被反转。当阳光1020(或剩余的阳光1020)在图10所示的示例中基本从右向左的轴向方向上传播通过波导1000时，该循环可以重复多次。

不管发生多少次反射循环，在波导1000内，因为阳光1020通过相同的表面(在该示例中是上表面1002)进入和离开波导1000，所以它将总是在波导内遇到奇数次反射。因此，阳光1020将总是以与其进入波导1000的圆偏振方向不同的圆偏振方向入射(并最终离开)波导1000的上表面1002。因此，在该示例中，阳光1020将总是作为右手圆偏振光入射波导1000的上表面1002。因此，被上表面1002透射的那部分光将总是被圆偏振器1500阻挡而不能进一步向观察者1060透射。此外，如上所述，图10的布置中的上表面1002可以具有渐变的反射率，其中其反射率从左到右显著降低(并且其透射率增加)。结果，当阳光1020(基本从图10中的右上侧进入波导1000)基本从右向左沿着波导1000传播时，它遇到反射率增加和透射率降低，具有发生的每个反射循环。

重要地，圆偏振器1500还阻挡被上表面1002直接反射向挡风玻璃1050/观察者1060的环境光。也就是说，圆偏振器还阻挡甚至没有进入波导的环境光。因此，该潜在眩光源被进一步减少。这很重要，因为波导1000的上表面1002的反射率通常很高，尤其是朝向输入端口侧(图10中的左手侧)。

除了如上所述提供来自阳光的眩光减少之外，图10中的波导1000配置为用作图片显示系统的光瞳扩展器(或观察窗口扩展器)。可以使用任何合适的图片显示系统，但在图10中，它包括全息图片生成单元(PGU)。

图10中的全息PGU包括光源1003，其配置为将光导向像素化显示装置，例如空间光调制器(SLM)1006。SLM1006可以包括LCOS像素化显示装置。在图10的示例中，它是反射式SLM，但本公开也涉及具有透射式SLM的显示系统。光源1003可以包括激光光源。该光可以是适于照射显示在SLM1006上的全息图的相干光。例如，全息图可以包括计算机生成全息图(CGH)。

在图10中，具有光延迟器1008，在该示例中，它包括设置在SLM1006和波导1000之间的λ/4延迟器(也称为四分之一波片)。在操作中，光源布置成将光(在图10中，光在箭头1004所示的方向上被线性偏振)导向SLM1006，以照射其上显示的全息图。光被反射为空间调制光，其仍是线性偏振的，并且现在也根据(即通过)显示的全息图进行空间调制。

空间调制光朝着波导1000传播，并且在这样做时，穿过λ/4延迟器1008。这样做的效果是空间调制光从线偏振变为圆偏振。延迟器可以配置成使得延迟器的主轴(例如光轴)与空间调制光的线性偏振方向(电场振荡方向)成45°角。在图10所示的示例中，空间调制光变成左手圆偏振。左手圆偏振光向前朝着波导1000传播，波导1000用作如以上关于前面附图所述的光瞳扩展器，以便将来自SLM1006的光引导到观察者1060的扩展观察窗口。左手圆偏振空间调制光通过输入端口进入波导1000。在图示的布置中，输入端口包括在波导的一端附近的高反射下表面1005中的间隙(如图10中波导1000的左手侧所示)，但输入端口的其他位置也是可以的。

因为空间调制光在其下表面进入波导1000时(至少部分地)是左手圆偏振的，所以当空间调制光到达波导1000的上表面1002时，被该上表面1002透射的那部分光将被圆偏振器1500进一步透射。此外，在穿过圆偏振器1500时，空间调制光将回复到基本线性偏振。因此，当空间调制光到达挡风玻璃1050和观察者1060时，其的偏振(由图10中的箭头R0表示)将至少基本与该光在到达λ/4延迟器1008之前由SLM1006发射时的偏振相同。

与上述其他波导光瞳扩展器一样，图10中的波导1000布置成反射在初始进入波导1000之后到达其上表面1002的空间调制光的一部分。反射会将空间调制光的那部分的圆偏振反转为右手。但波导1000布置成使得它将被反射向高反射下表面1005，该下表面将反射空间调制光的一部分并将其圆偏振反转回左手。当左手圆偏振空间调制光再次到达上表面1002时，它的一部分将透射通过上表面1002和圆偏振器1500。这在图10中用箭头R1表示。空间调制光的相应另一部分将被第二次反射回下表面1005，以使循环重复自身。透射通过上表面1002和圆偏振器1500的空间调制光的下一部分在图10中用箭头R2表示。每当空间调制光的一部分穿过圆偏振器1500时，其偏振回复到基本线性，如图10中表示为R2的箭头所示。

如上所述，波导1000的上表面1002可以具有渐变的反射率。因此，它可以布置成使得在被上表面1002和下表面1005反射两次之后，基本所有剩余的空间调制光都被上表面1002透射。因此，图10中表示为R2的箭头可以包括没有在R0或R1透射的基本所有剩余的空间调制光。然而，这仅仅是一个可能的实施例，并且可以提供其他波导配置，以便比图10所示更多次地反射空间调制光。有利地，圆偏振器1500不衰减空间调制光，或者只是非常轻微地衰减。因此，系统的光学效率保持高，即使眩光由于圆偏振器1500的存在而显著降低。

图10中没有透镜示出在SLM1006和波导1000之间。因此，从SLM1006传播到观察者1060的光由全息图本身而不是由全息重建进行空间调制。因此，观察者的眼睛透镜有效地充当傅立叶变换(FT)透镜，以从由/通过全息图编码的空间调制光在用户视网膜上形成全息重建。

在其他实施例中，在SLM1006和波导1000之间提供至少一个透镜，但观察者的眼睛仍最终形成全息重建。例如，4f光学系统可以包括在SLM1006和波导1000之间。4f光学系统可以去放大或中继在SLM1006的平面上形成的光图案。

根据替代布置，图10的系统可以在空间调制光到达波导1000之前形成全息重建。为此，系统应包括透镜，例如傅立叶透镜。这可以包括物理透镜(类似于图6所示的傅立叶透镜650)或软件透镜，其可以结合全息图被编码在SLM1006上。这种布置可以包括位于全息回放平面处的光接收表面，例如屏幕或漫射器，全息重建可以形成在该全息回放平面上。可替代地，全息重建可以在自由空间中的中间平面上形成。该布置还可以包括准直透镜，用于准直现在用全息重建编码(即由全息重建调制)的空间调制光，并将其导向波导1000。在这种布置中，空间调制光也将通过λ/4延迟器1008传播，以赋予光偏振状态，该偏振状态将使其能够穿过圆偏振器1500(即在图10的示例中为左手圆偏振)。

如果在图10的布置中包括诸如漫射器或屏幕的光接收表面，由于光接收表面中可能存在小但显著的去偏振效应，所以到达观察者1060的光的光功率或亮度会有一些损失。如上所述，在波导1000内，一些光将被上表面1002透射，并且任何反射光将在波导1000内遇到两次反射的一个或多个循环，其中每个循环返回光首次进入波导1000时的圆偏振的原始状态。

在这两种布置即光被全息图空间调制和光被全息重建空间调制中，图10的系统可以在SLM1006和波导1000之间没有λ/4延迟器1008的情况下实现。没有λ/4延迟器1008，圆偏振器1500可以预期从波导1000透射的所有光的50％衰减。

如上所述，在空间调制光已被波导1000的上表面1002和圆偏振器1500透射，并且朝着观察者1060和/或挡风玻璃1050传播之后，光将(至少基本)线性偏振。该系统可以配置成使得光是s偏振的，这可能最适于常规挡风玻璃，或者该系统可以配置成使得光是p偏振的，这可能最适于配置成对p偏振光具有高反射率的挡风玻璃。

虽然图10的系统具有基本位于波导1000下方的全息图片生成单元，使得空间调制光经由其下表面1005进入波导1003，但本公开不限于这种布置。系统的各个部件可以任何合适的方式布置。

例如，全息图片生成单元可以基本位于波导1000上方，和/或来自全息图片生成单元的光可以由镜或其他合适的光学部件以其他方式引导，使得空间调制光从另一方向进入波导，例如经由其上表面1002。如果空间调制光经由波导1000的上表面1002进入其，它将在朝着上表面1002传播回来之前遇到来自高反射下表面1005的反射。因此，在包括四分之一波片或用于在空间调制光进入波导1000之前对其进行圆偏振的其他装置的布置中，空间调制光在其从下方接近上表面1002之前，并且因此在其有机会经由上表面1005透射出波导1000之前，其圆偏振的旋向(即方向)将反转一次。因此，为了确保由上表面1002透射的任何空间调制光不会立即被圆偏振器1500阻挡，首先从上方进入波导1000的入射空间调制光的旋向应该与圆偏振器1500透射的旋向相反。因此，对于上面关于图10的示例系统描述的圆偏振器1500，从上方进入波导的空间调制光应该是右手圆偏振的，这将在从下表面1005反射时反转为左手圆偏振，这将使其能够被圆偏振器1500透射。与图10所示的布置一样，任何未被上表面1002透射的光将遇到两次反射的循环(一次来自上表面1002，然后一次来自下表面1005)，这将确保其圆偏振的旋向适于每次从下方到达上表面1002时透射通过圆偏振器1500。

可以对该系统进行其他变化，同时仍提供上面关于图10所示的示例性布置所描述的优点。例如，在一些布置中，圆偏振器可以结合(例如覆盖)波导上表面的仅仅一部分来提供。例如，如果期望阳光在第一端进入波导，并且期望来自图片生成单元的光在与第一端相对的第二端进入波导，则圆偏振器可以仅设置在波导的第一端处或附近，并且它可以在第二端处或附近省略，使得来自图片生成单元的光可以不必为了透射出波导而被圆偏振，以到达用户。基于每个系统布置的具体细节，例如波导的尺寸、阳光和/或来自图片生成单元的光的预期入射角以及来自图片生成单元的光在透射变得不明显或低于阈值水平之前在波导内的预期反射次数，可以选择波导的上表面有多少应该与圆偏振器结合提供。

应该注意的是，与图10或本文的任何其他附图相关的术语，例如“左”、“右”、“上”和“下”，不应被认为是限制性的。相反，它们用于说明目的，以帮助更好地理解附图中所示的特定示例。

尽管图10中的波导示出为包括两个反射表面，但本文描述的改进同样适用于平板配置波导，其中光通过平板的顶部和底部涂覆表面之间的内部反射被平板引导到内部。尽管以上描述的实施例配置用于波导内光的两个反射(或“反弹”)循环，但也可以考虑其他数量的反射循环。

图片生成单元不必是全息图片生成单元。它可以包括任何合适的图片生成单元或图像投影系统，其配置成经由充当观察窗口扩展器的波导向用户投影图片或图像。图片生成单元可以配置为动态地向用户投射多个图片或图像。图片生成单元可以配置为基本连续地或间歇地操作。

尽管上面已经特别提到阳光会给观察者带来眩光风险，但应当理解，其他类型的光也可能带来眩光风险。本文描述的布置可以配置成以类似的方式解决那些其他潜在的眩光风险，使用圆偏振和波导内的反射来阻挡一些或所有不需要的光到达观察者，而不中断期望的图像或图片向观察者的投影。

尽管本文已经具体描述了车辆中的HUD系统，但本公开不限于车辆或HUD系统。来自图片生成单元的光可以不从挡风玻璃反射，而是可以直接向观察者传播和/或可以被窗口、镜或任何其他合适的部件反射。

因此，本文提供了一种有效且可靠的系统和方法，用于减少和潜在地消除来自包括图片发生器和波导的系统的眩光及其潜在危险的副作用。这是以简单紧凑的方式完成的，通过结合波导的至少一部分提供圆偏振器，并利用光在波导内遇到的每次反射将改变其圆偏振相对于其传播方向的方向(或“旋向”)。本发明人已经认识到，波导内的反射对圆偏振的影响可以有利地用于阻挡不需要的光。此外，他们已经认识到，来自图片生成单元的光可以具有施加到其上的圆偏振，以确保其不被圆偏振器阻挡，并且这样做将对从图片生成单元到达观察者的图像的图像质量或光功率或感知亮度或精度具有很小或没有不利影响。

本文公开的改进可以紧凑低成本的方式提供。它们利用已经在系统中存在的波导用于图片相关光的光瞳扩展，并将其与圆偏振器结合使用，以显著减少由其他环境光引起的眩光。当前的改进不需要使用庞大或复杂的部件，也不会给图片生成单元或包含它的任何系统、装置或车辆带来任何处理负担。此外，这些改进可以在不需要改变图片生成单元及其观察窗口扩展器的相对位置的情况下实现。这在空间有限且由许多不同子系统竞争的布置中非常重要，例如车辆中的HUD系统。本文公开的改进可被添加到预先存在的系统中，或者作为新系统的一部分来实现。

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，光源是激光器，例如激光二极管。在一些实施例中，提供检测器，例如光电检测器，比如光电二极管。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。本公开的全息投影系统可用于提供改进的平视显示器(HUD)或头戴式显示器。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。

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2030072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。也就是说，全息图使用空间光调制器的所有像素。在其他实施例中，全息图小于空间光调制器。更具体地，全息图像素的数量少于空间光调制器上可用的光调制像素的数量。在这些其他实施例的一些中，全息图的一部分(即全息图像素的连续子集)在未使用的像素中重复。这种技术可被称为“平铺”，其中空间光调制器的表面区域被分成多个“平铺”，其中的每个代表全息图的至少一个子集。因此，每个平铺的尺寸小于空间光调制器的尺寸。在一些实施例中，实施“平铺”技术来提高图像质量。具体地，一些实施例实施平铺技术以最小化图像像素的大小，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平铺(即完整全息图)和平铺的至少一部分(即全息图像素的相邻子集)。

在实施例中，仅利用主回放场，并且系统包括物理块，比如挡板，其布置为限制更高级回放场通过系统的传播。

在实施例中，全息重建是彩色的。在一些实施例中，被称为空间分离的颜色“SSC”的方法用于提供彩色全息重建。在其他实施例中，使用被称为帧顺序颜色“FSC”的方法。

SSC方法对三个单色全息图使用三个空间分隔的光调制像素阵列。SSC方法的优点是图像可以非常明亮，因为所有三个全息重建都可以同时形成。然而，如果由于空间限制，在公共SLM上提供了三个空间分隔的光调制像素阵列，则每个单色图像的质量将是次佳的，因为每种颜色仅使用可用光调制像素的子集。因此，提供了相对低分辨率的彩色图像。

FSC的方法可以使用公共空间光调制器的所有像素来依次显示三个单色全息图。单色重建循环(例如红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等)得足够快，使得人类观看者从三个单色图像的积分中感知到多色图像。FSC的优点是，每种颜色都可以使用整个SLM。这意味着产生的三个彩色图像的质量最佳，因为SLM的所有像素都用于每个彩色图像。然而，FSC方法的缺点是合成彩色图像的亮度比SSC方法低—约3倍—因为每个单色照射事件只能发生帧时间的三分之一。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，但这需要更多的功率，从而导致更高的成本和系统尺寸的增加。

示例描述了用可见光照射SLM，但本领域技术人员将理解，光源和SLM同样可以用于引导红外光或紫外光，例如如本文所公开。例如，本领域技术人员将会知道为了向用户提供信息而将红外光和紫外光转换成可见光的技术。例如，本公开扩展到为此目的使用磷光体和/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。也就是说，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 (20)

1.一种具有观察窗口的显示系统，其中该显示系统包括：

布置成形成波导的一对表面，其中所述一对表面的第一表面是透射反射的，第二表面是反射的；

与第一表面协作布置的圆偏振器，其中该圆偏振器布置成在入射环境光经由第一表面进入波导之前向入射环境光施加圆偏振；

其中，所述波导布置成通过所述一对表面之间的内部反射来引导圆偏振环境光，并且经由所述第一表面朝向所述圆偏振器部分透射圆偏振环境光；该显示系统还包括：

图片生成单元，其布置为显示图片的全息图，并将由全息图形成的空间调制光射入波导，使得空间调制光通过所述一对表面之间的内部反射沿着波导被部分引导，并且在第一表面上的多个位置被第一表面部分透射，以便形成基本连续的观察窗口，观察者可以通过该观察窗口接收空间调制光。

2.如权利要求1所述的显示系统，其中，所述空间调制光用所述全息图编码。

3.如权利要求1所述的显示系统，其中，所述空间调制光用所述图片的全息重建编码。

4.如权利要求3所述的显示系统，其中，所述图片的全息重建形成在光接收表面上。

5.如权利要求1所述的显示系统，其中，所述圆偏振器包括线性偏振器和λ/4延迟器，其中λ/4延迟器设置在所述波导的第一表面和线性偏振器之间。

6.如权利要求1所述的显示系统，其中，射入所述波导的空间调制光是圆偏振的，使得它在所述多个位置中的每个位置部分透射通过所述第一表面之后被所述圆偏振器透射。

7.如权利要求1所述的显示系统，其中，所述空间调制光通过所述第二表面射入所述波导，射入波导的空间调制光的圆偏振的旋向性与所述圆偏振器的相同。

8.如权利要求7所述的显示系统，其中，所述空间调制光在到达每个位置时经历的反射总数是2(n-1)，其中n是非零整数。

9.如权利要求1所述的显示系统，其中，所述空间调制光通过所述第一表面射入所述波导，射入波导的空间调制光的圆偏振的旋向性与所述圆偏振器的相反。

10.如权利要求9所述的显示系统，其中，所述空间调制光在到达每个位置时经历的反射总数是2n-1，其中n是非零整数。

11.如权利要求1所述的显示系统，其中，所述第一表面的反射率是传播距离的函数，使得由第一表面在所述多个位置透射的空间调制光的亮度基本相同。

12.如任一前述权利要求所述的显示系统，其中，所述第二表面的反射率大于90％，例如大于95％。

13.如权利要求1所述的显示系统，其中，所述图片生成单元还包括：光源，其布置成用线偏振光照射所述全息图；以及λ/4延迟器，其布置成在空间调制光射入所述波导之前将空间调制光的偏振从线性转换为圆形。

14.一种具有观察窗口的平视显示系统，其中该平视显示系统包括：

布置成形成波导的一对表面，其中该一对表面的第一表面是透射反射的，第二表面是反射的；

与第一表面协作布置的圆偏振器，其中该圆偏振器布置成在入射环境光经由第一表面进入波导之前向入射环境光施加圆偏振；

其中，所述波导布置成通过所述一对表面之间的内部反射来引导圆偏振环境光，并且经由所述第一表面朝向所述圆偏振器部分透射圆偏振环境光；该显示系统还包括：

图片生成单元，其布置为显示图片的全息图，并将由全息图形成的空间调制光射入波导，使得空间调制光通过所述一对表面之间的内部反射沿着波导被部分引导，并且在第一表面上的多个位置被第一表面部分透射；以及

组合器，其布置成接收由波导的第一表面透射的空间调制光，并将其重定向以形成基本连续的观察窗口，观察者可以通过该观察窗口接收空间调制光。

15.一种全息投影的方法，该方法包括：

i.接收用于投影的图片；

ii.显示代表图片的全息图，并用来自光源的光照射全息图以形成空间调制光；

iii.将空间调制光射入到具有一对表面的波导中，其中所述一对表面的第一表面是透射反射的，所述一对表面的第二表面是反射的。

iv.通过所述一对表面之间的内部反射沿着波导部分地引导空间调制光，并且在波导的第一表面上的多个位置将空间调制光部分透射出波导，以形成基本连续的观察窗口，观察者可以通过该观察窗口接收空间调制光；以及

v.使基本连续的观察窗口的空间调制光穿过圆偏振器，

其中，所述圆偏振器布置成与所述第一表面协作，并且布置成在入射环境光经由第一表面进入所述波导之前向入射环境光施加圆偏振；

其中，所述波导布置成通过所述一对表面之间的内部反射来引导圆偏振环境光，并且经由所述第一表面朝向所述圆偏振器部分透射圆偏振环境光。

16.如权利要求15所述的方法，还包括，在步骤iii之前，对所述空间调制光施加圆偏振，使得空间调制光在所述多个位置中的每个位置处在其部分透射通过所述波导的第一表面之后将被所述圆偏振器透射。

17.如权利要求15所述的方法，还包括，在步骤v之后，将所述空间调制光引导到组合器，其中，所述组合器布置成重定向空间调制光以形成基本连续的观察窗口，观察者可以通过该观察窗口接收空间调制光。

18.如权利要求15所述的方法，其中，所述方法是计算机实现的方法。

19.一种包括指令的计算机程序，所述指令在由数据处理设备执行时使数据处理设备执行根据权利要求15所述的方法。

20.一种计算机可读介质，其存储根据权利要求19所述的计算机程序。

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