CN115480394A - 波导瞳孔扩展 - Google Patents

Abstract

一种光引擎，其布置成形成从观察窗可见的图像，其中光引擎包括显示设备，其布置为显示图像的全息图并根据该全息图对光进行空间调制。全息图配置为根据图像内容的位置对图像的空间调制光进行角度分布，使得空间调制光的角度通道对应于图像的相应连续区域。光引擎还包括波导瞳孔扩展器，其布置成接收空间调制光，并为空间调制光提供从显示设备到观察窗的多个不同的光传播路径；以及设置在波导和观察窗之间的控制设备。控制设备包括至少一个孔径，所述孔径布置成使得观察窗内的第一观察位置接收由全息图根据图像的第一区域进行空间调制的第一光通道，并且观察窗内的第二观察位置接收由全息图根据图像的第二区域进行空间调制的第二光通道。

Description

波导瞳孔扩展

技术领域

本公开涉及图像投影。更具体地，本公开涉及全息投影和用于确定诸如全息图或相息图的衍射结构的方法。一些实施例涉及基于眼睛跟踪信息的实时全息图计算。一些实施例涉及虚拟图像投影。其他实施例涉及真实图像投影。实施例涉及通过波导观察投影图像。实施例涉及控制通过波导投影的图像的光。一些实施例涉及诸如图片生成单元的光引擎。一些实施例涉及平视显示器。

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重放图像。

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，还可以通过相干光线跟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，其也可被称为单元或元素。光调制方案可以是二元、多级或连续的。可替代地，该设备可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制可以在设备上是连续的。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。

使用这里描述的系统可以提供全息投影仪。例如，这种投影仪已经在平视显示器“HUD”以及光探测和测距“LIDAR”中得到应用。

发明内容

在所附的独立权利要求中定义了本公开的各方面。

本公开涉及图像投影。它涉及图像投影的方法和包括显示设备的图像投影仪。本公开还涉及包括图像投影仪和观察系统的投影系统。本公开同样适用于单目和双目观察系统。观察系统可以包括观察者的一只或多只眼睛。观察系统包括具有光焦度的光学元件(例如人眼的晶状体)和观察平面(例如人眼的视网膜)。投影仪可被称为“光引擎”。显示设备和使用显示设备形成(或感知)的图像在空间上彼此分离。观察者在显示平面上形成或感知图像。在一些实施例中，图像是虚拟图像，并且显示平面可被称为虚拟图像平面。通过照射显示在显示设备上的衍射图案(例如全息图)来形成图像。

显示设备包括像素。显示设备的像素衍射光。根据众所周知的光学原理，最大衍射角的幅度取决于像素的大小(以及其他因素，比如光的波长)。

在实施例中，显示设备是空间光调制器，例如硅上液晶(“LCOS”)空间光调制器(SLM)。光在衍射角范围内(例如从零到最大衍射角)从LCOS向观察实体/系统比如相机或眼睛传播。在一些实施例中，可以使用放大技术来增加可用衍射角的范围，使其超过LCOS的传统最大衍射角。

在实施例中，图像是真实图像。在其他实施例中，图像是由人眼(或多只眼睛)感知的虚拟图像。投影系统或光引擎因此可以配置成使得观察者直接看着显示设备。在这样的实施例中，用全息图编码的光直接传播到眼睛，并且在显示设备和观察者之间的自由空间或屏幕或其他光接收表面上没有形成中间全息重建。在这样的实施例中，眼睛的瞳孔可被认为是观察系统的入射孔径(或“入射瞳孔”)，眼睛的视网膜可被认为是观察系统的观察平面。有时据说，在这种配置中，眼睛的晶状体执行全息图到图像的转换。

根据众所周知的光学原理，眼睛或其他观察实体/系统可以观察到的从显示设备传播的光的角度范围随着显示设备和观察实体之间的距离而变化。例如，在1米的观察距离，来自LCOS的仅小范围角度可以传播通过眼睛的瞳孔，以在给定眼睛位置的视网膜上形成图像。从显示设备传播的光线的角度范围决定了观察者“可见”的图像部分，该光线可以成功地传播通过眼睛的瞳孔以在给定眼睛位置的视网膜上形成图像。换句话说，不是图像的所有部分从观察平面上的任何一点都是可见的(例如诸如眼动盒的观察窗口内的任何一个眼睛位置)。

在一些实施例中，观察者感知的图像是出现在显示设备上游的虚拟图像，也就是说，观察者感知图像比显示设备离他们更远。从概念上讲，可以考虑虚拟图像的多个不同的虚拟图像点。对于该虚拟图像点，从虚拟点到观察者的距离在这里被称为虚拟图像距离。当然，不同的虚拟点可以具有不同的虚拟图像距离。与每个虚拟点相关的光线束中的各个光线可以经由显示设备采取不同的相应光路到达观察者。然而，只有显示设备的一些部分，因此只有来自虚拟图像的一个或多个虚拟点的一些光线，可能在用户的视野内。换句话说，只有来自虚拟图像上的一些虚拟点的一些光线将通过显示设备传播到用户的眼睛中，因此对观察者可见。因此，从概念上讲，可以认为观察者正在通过“显示设备大小的窗口”观察虚拟图像，该窗口可以非常小，例如直径为1cm，处于相对较大的距离，例如1米。并且用户将通过他们眼睛的瞳孔观察显示设备大小的窗口，瞳孔也可以非常小。因此，在任何给定时间，视场变小，并且能够看到的特定角度范围严重依赖于眼睛位置。

本公开解决了如何增大视场的技术问题，即，当显示设备(相对而言)小时，投影距离(相对而言)大时，如何增大从显示设备传播的光线的角度范围，并且该光线可以成功地传播通过眼睛的瞳孔以形成图像。在一些实施例中，投影距离比显示设备的孔径的直径或宽度(即像素阵列的尺寸)大至少一个数量级，例如至少两个数量级。更具体地，本公开解决了如何用所谓的直视全息术来做到这一点的技术问题，在直视全息术中，图像的全息图而不是图像本身被传播到人眼。换句话说，观察者接收的光根据图像的全息图进行调制。

使用波导来扩展视场，并因此增加最大传播距离，在该距离上可以使用显示设备的全衍射角。波导的使用还可以横向增大用户的眼盒，从而使得眼睛能够发生一些运动，同时仍使得用户能够看到图像。因此，波导可被称为波导瞳孔扩展器。然而，本发明人已经发现，对于非无限虚拟图像距离，即近场虚拟图像，由于通过波导的不同可能光传播路径，出现了所谓的“重影”。重影图像是主图像的低亮度副本。主要的最高强度图像可被称为主图像。每个重影图像可被称为次图像。重影的存在会显著降低感知到的虚拟图像的质量。重影图像可能会使主图像看起来模糊。

本公开阐述了用于解决由重影引起的问题的不同方法。这里公开的一些解决方案已经显示出成功地去除了重影。在此公开的一些解决方案已经显示出修改/操纵重影图像，以便增强或加强主/非重影图像。

光引擎布置成向具有入射瞳孔的观察系统提供空间调制光。显示系统包括显示设备，其布置成显示全息图并根据全息图对光进行空间调制。显示系统还包括全息引擎，其布置成接收贡献信息，该贡献信息基于入射瞳孔的位置来识别显示设备的有贡献区域和无贡献区域。显示设备的有贡献区域基本传播在确定位置穿过入射瞳孔的光。显示设备的无贡献区域基本传播被确定位置处的入射瞳孔阻挡的光。贡献信息还识别(i)将光传播到观察系统的显示设备的至少一个主贡献区域，其对主图像有贡献，以及(ii)将光传播到观察系统的显示设备的至少一个次贡献区域，其对次图像有贡献。全息引擎还布置成基于由处理引擎识别的显示设备的至少一个主贡献区域来确定全息图。全息引擎还布置成将全息图输出到显示设备进行显示。

为避免疑问，形成或感知的图像是目标图像的全息重建。全息重建由基于目标图像的全息图形成。在一些实施例中，从目标图像确定(例如计算)全息图。

通过识别显示设备的有贡献和无贡献区域，对于观察系统的入射孔径的给定位置，光引擎可以确定显示设备的哪个或哪些部分可被全息图有效地编码，以便积极地有助于主图像的形成。例如，这可以对应于在给定时间观察者眼睛的位置。此外，光引擎可以确定显示设备的哪些部分不能通过入射孔径传播光，因此不值得填充全息图值。此外，光引擎可以区分显示设备中对“主”目标图像有积极贡献的部分和对主图像的拷贝/副本或“重影”版本有贡献的部分。因此，可以在所谓的次贡献区域中省略全息图，以消除重影。

可替代地，在显著的进一步改进中，可以基于图像点(即期望图像内的点，其将被全息重建)的位移或修正位置来确定在附加贡献区域中显示的全息图。该修正位置可被称为“次图像点”,但这是它是(主)图像点的次(即改变的)位置的简写。简而言之，可以修改(例如在图像平面上平移)图像点的模型化/计算的位置，使得从所述修改位置经由显示设备上的附加贡献区域传播的光将到达观察平面上的期望位置，以便有效地增强主图像。因此，在该替代方法中，基于图像点的与用于识别显示设备上的主贡献区域的位置不同的位置来确定附加贡献区域的全息图。从主图像点开始的光路长度通常不同于从次图像点到在观察平面上形成的相应图像的光路长度。因此可以说，与附加贡献区域相关的全息图确定过程包括平移或移动在全息图确定过程中使用的图像点。

因此，提供了智能且高效的光引擎，其可以配置和操作以提供清晰、准确的图像，对应于已经以流线型且计算高效的方式确定的全息图。

提供了一种确定用于在显示设备上显示的全息图的方法。该方法包括确定布置成观察全息图的观察系统的入射瞳孔的位置，并且识别显示设备的有贡献区域和无贡献区域，其中显示设备的有贡献区域基本传播在确定位置处穿过观察系统的入射瞳孔的光，并且显示设备的无贡献区域基本传播在确定位置处被观察系统的入射瞳孔阻挡的光。该方法还包括识别提供对主图像有贡献的光的显示设备的至少一个主贡献区域和提供对次图像有贡献的光的显示设备的至少一个次贡献区域；以及基于显示设备的至少一个主贡献区域来确定全息图。

提供了衍射结构，其布置成将可由观察系统转换的光空间调制成目标图像，其中衍射结构配置成生成多个离散光图案，每个光图案对应于目标图像的不同部分，其中每个离散光图案的形状基本对应于观察系统的入射孔径的形状。

提供了衍射结构，其布置成将可由观察系统(包括透镜)转换的光空间调制成图像，其中衍射结构布置成将光引导到多个离散的光通道中，其中每个光通道具有基本对应于观察系统的入射瞳孔的横截面形状，并且每个光通道基本对应于图像的不同部分。

提供了一种确定用于显示在显示设备上的全息图以及通过经由波导观察显示在显示设备上的全息图来形成可从观察平面感知的虚拟图像的方法。该方法包括，对于虚拟图像的每个虚拟图像点，确定虚拟图像点的坐标[x_virtual,y_virtual,z_virtual]，确定观察平面上的观察位置，以及确定与波导形成的主图像相关的波导内的光反射数量B。该方法还包括对于波导内的“B”光反射，从虚拟图像点到观察平面的光线跟踪，以及对于从[x_virtual,y_virtual,z_virtual]到具有B反射的观察平面的光传播，确定主光线在显示设备处的坐标[x_LCOS(B),y_LCOS(B)]。该方法还包括确定由[x_LCOS(B),y_LCOS(B)]定义的区域内的显示设备的有效像素；以及通过从[x_virtual,y_virtual,z_virtual]向有效像素传播光波来确定包括有效像素的振幅和/或相位全息图分量的子全息图。

主光线可以包括被确定(例如计算或模拟)为从虚拟图像点经由显示设备行进到观察平面上的虚拟图像点的主要或“主”图像点的光线。

该方法还可以包括组合分别为两个或更多个对应虚拟图像点计算的子全息图，以便形成全息图。

该方法还可以包括确定虚拟图像点的主图像在观察平面上的位置[x_sensor,y_sensor]。

该方法可以还包括，对于波导允许的每个DB值，光线从[x_sensor,y_sensor]追溯到虚拟图像平面z_virtual用于B+DB反弹，并确定虚拟点坐标[x_virtual(DB),y_virtual(DB),z_virtual]，其将成像到[x_sensor,y_sensor]用于B+DB反射。该方法还可以包括确定显示设备处的主光线的坐标[x_LCOS(B+DB),y_LCOS(B+DB)]，用于从[x_virtual(DB),y_virtual(DB),z_virtual]到具有B+DB反弹的观察平面的光传播，并且识别由[x_LCOS(B+DB),y_LCOS(B+DB)]定义的第二区域(即附加区域)内的显示设备的附加有效像素。该方法还可以包括通过将来自[x_virtual(DB),y_virtual(DB),z_virtual]的光波传播到附加有效像素来确定附加子全息图，该附加子全息图包括附加有效像素的振幅和/或相位全息图分量。

本公开的各方面还涉及一种全息图或相息图，其特征在于全息光的引导或路由。具体而言，本文公开了一种衍射结构，其布置成将可由观察系统转换成图像的光进行空间调制，其中该衍射结构配置成将光路由到多个全息图通道中，每个全息图通道对应于图像的不同部分。

衍射结构可以布置成使得全息图通道以不同的角度从衍射结构传播。

根据图像的相应不同部分的全息图，每个全息图通道可以包括空间调制光。

衍射结构可以布置成对光的相位进行空间调制。

衍射结构可以布置成通过波导路由光。波导可以设置用于瞳孔扩展。

可由每个全息图通道形成的光图案的横截面形状可以基本对应于观察系统的入射孔径的形状。

全息图通道可以是空间分离的或者至少部分空间分离的。

这里还公开了一种系统，该系统包括衍射结构、布置成接收来自衍射结构的空间调制光的波导以及布置成经由波导接收空间调制光的观察系统。

该系统可以布置成使得每个全息图通道的光沿着不同的光路从衍射结构到达观察系统。

不同的光路可以包括波导内不同数量的反射。不同的光路可以具有不同的长度。不同的光路可以不同的角度穿过观察系统的入射孔径。

波导可以布置成使得所有全息图通道在观察平面上的任何观察位置处被路由通过观察系统的入射孔径。对于每个允许的观察位置，波导仅通过一个光路将每个全息图通道路由到观察系统。

多个全息图通道中的至少两个全息图通道可以在观察系统的入射孔径处部分重叠。

衍射结构可以是相息图或全息图。

该系统可以包括“显示系统”或“光引擎”。

该系统可以布置成使得每个全息图通道的光从波导上的多个不同透射点中的每个向观察系统发射。例如，每个透射点可以出现在光在波导内不同的相应反射(或“反弹”)次数之后。该系统可以布置成使得相同全息图通道的光以相同的角度或角度范围从每个透射点传播。因此，每个全息图通道可被称为“角度通道”。换句话说，根据图像的不同的相应部分，每个全息图通道可以包括空间调制光。因此，每个全息图通道可以对应于不同的相应图像内容。此外，每个全息图通道可以具有唯一的相应“特征角度”(或特征角度范围)，其中每个(即“每一个”)全息图通道从波导上的每个(即“每一个”)透射点以其特征角度(或特征角度范围)传播。相同图像内容的光可以从波导上的多个不同的透射点发射，相对于波导的表面，所有的透射点都处于相同的角度或相同的角度范围内，即使透射点在波导上空间地彼此分离。

该系统可以布置成使得每个单独的全息图通道只有一个实例到达观察系统的单独的眼睛或单独的观察孔径或观察窗。全息图通道可以通过在计算过程中根据该单独眼睛或其他观察孔径/窗约束全息图来实现。然而，观察系统通常具有多个观察孔径，每个占据不同的位置，因此每个限定不同的相应观察位置。例如，人类观察者通常有两只眼睛，它们在空间上自然地相互分离。因此，这里已经认识到，相反在没有任何控制的情况下，存在相同(即公共)全息图通道的光的多个实例基本同时到达观察系统的相应多个观察孔径/窗(也可以称为“入射瞳孔”)的风险。如果这发生，观察者的大脑—或者与非人类观察系统相关的处理器—将会感知双眼(或者两个或每个观察孔径)以相同的角度接收到相同图像内容的光(即图像的相同部分或点的光),尽管事实上这些眼睛或观察孔径本身处于不同的观察位置。这对于观察者或观察系统来说是违反直觉的，因为根据公认的数学原理，通常两个不同的观察位置应该以各自不同的角度接收来自公共点的光。

因此，本公开解决了当观察由系统投影的图像时如何避免观察系统混乱的技术问题，该系统包括衍射结构(和/或配置为显示这种衍射结构的显示设备)、布置为接收来自衍射结构的空间调制光的波导以及具有带有两个或更多个观察孔径的观察窗口的观察系统，其布置为经由波导接收空间调制光，其中根据图像内容，衍射结构使得图像的光被分配到空间调制光的多个不同通道中。图像的光可以在全息域中。当从波导发射时，每个不同的通道可以具有不同的各自角度方向。

本公开提供了用于控制由波导发射的光的控制设备和方法。本公开还提供了包括这种控制设备的系统和用于操作该系统的方法。

控制设备可配置成选择性地阻挡或阻止由波导发射的一个或多个空间调制光通道的传播，并允许一个或多个相应的其他通道朝向观察系统向前传播。每个通道可以由光传播相对于参考表面或平面(例如波导的发射(或透射)表面)的角度或角度范围来定义。控制设备可以包括一个或多个开口或孔径，以及一个或多个壁或屏障，以便选择性地发射和阻挡来自波导的光。控制设备可以是动态可配置的，以便在给定时间选择和/或改变控制设备的哪个(些)部分充当开口，以及控制设备的哪个(些)相应的其他部分充当屏障。

控制设备可以使得空间调制光能够在观察系统的多个入射瞳孔之间被划分，其中每个入射瞳孔具有不同的各自观察位置，使得没有两个入射瞳孔同时以相同的光线角度接收完全相同图像内容的光。在实施例中，在给定时间，由第一观察位置接收的最大光线角度基本等于第二眼睛位置的最小光线角度。

可以使用交错，使得第一组图像内容的空间调制光在第一时间到达第一观察位置，而第二组图像内容的空间调制光在不同的第二时间到达第一观察位置。交错可以是快速的，例如系统可以在比人眼的典型积分时间更短的时间窗口内在第一观察位置接收的第一和第二组图像内容的相应光之间切换。第一和第二组图像内容可以组合起来提供观察系统所需的所有图像内容，以形成全息重建图像。在一些实施例中，在当第一观察位置接收第一组图像内容的光时，第二观察位置接收第二组图像内容的光，反之亦然。在一些实施例中，在当第一观察位置接收第一组图像内容的光时，第二观察位置接收第三组图像内容的光，并且在当第一观察位置接收第二组图像内容的光时，第二观察位置接收第四组图像内容的光。在这些实施例中，第一、第二、第三和第四组图像内容可以组合以提供目标图像的所有图像内容。每组图像内容可以对应于一个图像或多个图像的不同的相应部分或区域(例如一个图像对应于一对观察位置中的每个观察位置)。在实施例中，第一和第二组图像内容可以组合起来为第一观察位置的第一目标图像提供所有图像内容，并且第三和第四组图像内容可以组合起来为不同的第二观察位置的第二目标图像提供所有图像内容。同一图像的分量图像部分(即成组图像内容)可以在人眼的积分时间内和/或在图像的视频速率序列的帧间时间内被传送到相应的观察位置。为了避免疑问，提供给第一观察位置的第一图像可以不同于提供给第二观察位置的第二图像，并且可以通过将每个图像分成多组图像内容，使用连续显示(即时间交错)的多个全息图将每个图像传递给每个观察位置，可选地，其中每个全息图对应于一个观察位置的一组图像内容。在一些实施例中，三维全息图像/重建可被观察系统或观察者感知。

根据一方面，提供了一种布置成形成从观察窗可见的图像的光引擎，其中该光引擎包括显示设备，该显示设备布置成显示图像的全息图并根据该全息图对光进行空间调制。全息图配置成根据图像内容的位置成角度地分布图像的空间调制光，使得空间调制光的角度通道对应于图像的相应连续区域。该光引擎还包括波导瞳孔扩展器和控制设备，该波导瞳孔扩展器布置成接收空间调制光，并为空间调制光提供从显示设备到观察窗的多个不同的光传播路径，该控制设备设置在波导和观察窗之间。该控制设备包括至少一个孔径，该孔径布置成使得观察窗内的第一观察位置接收由全息图根据图像的第一区域进行空间调制的第一光通道，并且观察窗内的第二观察位置接收由全息图根据图像的第二区域进行空间调制的第二光通道。

第一和第二光通道可以在基本相同的时间或不同的时间在不同的观察位置被接收，例如顺序地一个接一个。控制设备布置成确保第一光通道不会同时被传递到第二观察位置，反之亦然。例如，控制设备可以配置为确保由波导瞳孔扩展器形成的并且在第二观察位置的路线上的第一光通道的副本被阻挡，反之亦然。在一些实施例中，多个观察位置中只有一个观察位置同时接收光。例如，第一观察位置可以同时接收一个或多个不同的光通道，同时控制设备确保(例如通过孔径配置)第二观察位置不接收任何光通道。作为另一示例，在任一时刻，第一观察位置可以接收一个光通道，第二观察位置可以接收多个光通道。

观察窗可以是眼盒或眼动盒。观察系统可以是人类观察者。

图像的空间调制光可以在全息域中。换句话说，仅当在观察窗处接收到空间调制光时，观察系统才可以形成可见图像。在控制设备和观察窗之间的自由空间中或光接收表面上可能没有中间图像形成。

该系统可以布置成基本同时显示两个或更多个全息图。例如，该系统可以布置成显示根据观察系统的第一观察孔径约束的第一全息图和根据观察系统的不同的第二观察孔径约束的第二全息图。例如，两个或更多个全息图可以分别对应于要产生的图像的两个或更多个相应视图，其中第一视图是从第一观察孔径的视角，第二视图是从观察系统的不同的第二观察孔径的视角。

两个或更多个全息图可以组合例如相加成单个全息图用于显示。两个或更多个全息图可以显示在显示设备的不同的相应部分上。两个或更多个全息图可以在快速交替的基础上显示，例如以比人眼的典型积分时间更快的速率交替。

该图像可以是真实图像或虚拟图像。图像可以是由观察系统或与观察系统相关的处理器感知的位于显示设备上游的虚拟图像。

图像的第一和第二区域可以各自包括图像的连续区域。图像的第一和第二区域可以彼此相邻。图像的第一和第二区域可以彼此邻接或相连。图像的第一和第二区域可以重叠或不重叠。第一和第二区域可以不相邻。第一和第二区域可以包括从第一和第二不同视角观察的图像区域。例如，第一区域可以包括从第一观察位置观察的图像的连续区域，第二区域可以包括从第二观察位置观察的图像的连续区域。

可以计算全息图，以便根据图像内容的位置有角度地分布图像的空间调制光。例如，可以使用要形成的图像内的多个图像点来计算全息图，其中识别显示设备上的主贡献区域，光经由其从多个图像点中的每个图像点传播到观察窗内的第一观察位置或第二观察位置。全息图可以从多个子全息图中计算出来。例如，全息图可以包括表示从第一观察位置观察的图像的第一全息图(或子全息图)和表示从第二观察位置观察的图像的第二全息图(或子全息图)的组合。

全息图可以包括任何合适类型的全息图，例如，它可以包括以下中的任何一个：菲涅耳全息图、傅立叶全息图或点云全息图。

在计算期间，全息图(和/或对全息图有贡献的全息图或子全息图)可以根据观察系统的入射瞳孔来约束。例如，入射瞳孔可以位于观察窗内的第一观察位置或第二观察位置。在给定时间，可以使用入射瞳孔的位置来约束全息图。可以使用入射瞳孔的尺寸(例如入射瞳孔的直径)来约束全息图，在给定时间，光可以经由入射瞳孔进入观察窗。

由于全息图，图像内容的角度分布可以导致每个角度通道具有不同的相应角度或角度范围，图像内容从显示设备和/或从波导瞳孔扩展器(可以简称为“波导”)发射。第一角度通道的最大角度可以等于第二角度通道的最小角度。角度通道的光的尺寸和/或形状可以对应于第一观察位置或第二观察位置处的入射瞳孔(或观察孔径)的尺寸和/或形状。

在给定时间，观察窗可以包括两个以上的观察位置。观察窗内观察位置的数量可以动态变化。

第一观察位置和/或第二观察位置的位置可以动态变化。在实施例中，当一个或另一个(或两个)观察位置改变时，可以检查和/或重新计算全息图。例如，如果根据位于观察位置之一的入射瞳孔来约束全息图，并且移动入射瞳孔以改变该观察位置，则可以重新计算全息图。

在实施例中，第一和第二观察位置对应于同一入射瞳孔(或观察孔径)的第一和第二位置。入射瞳孔可以配置成在第一和第二观察位置之间移动，例如快速移动。

在实施例中，第一和第二观察位置对应于观察窗内不同的第一和第二入射瞳孔(或观察孔径)。例如，它们可以分别对应于观察者的右眼和左眼。因此，控制设备可以配置成防止相同角度通道(因此，相同角度的相同图像内容的光)同时到达两个入射孔径。

空间调制光的相邻角度通道可以对应于图像的相邻区域。各个角度通道在角空间中可以不重叠，但可以是连续的。第一角度通道的最大光线角度可以基本等于相邻的第二角度通道的最小光线角度。

波导瞳孔扩展器提供的从显示设备到观察窗的空间调制光的多个不同光传播路径中的每个可以包括多个角度通道，每个角度通道对应于图像的不同的相应区域。在实施例中，波导瞳孔扩展器和控制设备可以配置为使得对于每个光传播路径，在给定时间，只有一个角度通道将到达第一观察位置。在实施例中，波导瞳孔扩展器和控制设备可以配置为使得对于每个光传播路径，在给定时间，只有一个角度通道将到达第二观察位置。

控制设备可以联接到波导瞳孔扩展器的输出面或输出端口。例如，它可以在光学上设置在波导瞳孔扩展器的下游，与它分开一小段距离。波导瞳孔扩展器和控制设备可以任何合适的方式相互附接。波导瞳孔扩展器和控制设备可以布置成基本平行或彼此平行。

控制设备可以配置成限制从观察窗可见的波导输出面的一个或多个区域。

波导瞳孔扩展器和观察窗可以是不平行的。例如，观察窗可以包括包含第一和/或第二观察位置的观察平面，并且波导瞳孔扩展器的面，例如输出不同光传播路径的输出面，可以不平行于该观察平面。

控制设备可以包括多个开口(其可以替代地被称为“孔径”或“窗”，或者被称为控制设备的基本“开放”或“透明”的部分或区段)，其中每个开口为第一观察位置和/或第二观察位置提供各自的空间调制光通道，使得不相同的图像内容基本同时被分别传送到第一和第二观察位置。在实施例中，图像的所有图像内容可以基本同时通过开口完全传递到观察窗，但其中没有图像内容的任何部分基本同时传递到两个观察位置。

控制设备还可以包括多个屏障或闭合部分。可以沿着控制设备的透射面交替地向屏障提供开口。

控制设备内的一个或多个开口(以及一个或多个屏障)的尺寸和/或位置可以动态变化。可以根据在给定时间显示的全息图来确定开口的尺寸和/或位置。可以根据第一观察位置和/或第二观察位置在给定时间的位置来确定开口的尺寸和/或位置。

虽然术语“开口”已经被用来描述在给定时间通过其发光的控制设备的部分，但它不应被理解为意味着物理间隙或者没有材料。相反,“开口”可以包括控制设备的一部分，该部分可被动态地控制为开放从而光学透明，或者闭合从而光学不透明。例如，开口可以包括控制设备的一部分，快门或盖可以从该部分移除，和/或它可以包括可动态配置为光学透明或不透明的材料的一部分。

控制设备可以至少部分地由光学可变材料形成。例如通过施加选定的电压，或者通过对其施加光或热，可以改变和控制至少部分控制设备的光透射特性。控制设备可以包括像素化设备，其中每个像素可以在光学透明和光学不透明之间切换。例如，像素化设备可以是液晶设备。因此，控制设备的“开口”的尺寸和位置可以由在给定时间切换到透明状态的像素的数量和位置来确定。

控制设备本身可被称为“波导孔径”，或者简称为“孔径”。控制设备可配置成使得每个开口可在开放位置和闭合位置之间切换，从而提供多个不同的控制设备配置，其中每个控制设备配置包括控制设备的开放和闭合部分的交替序列。

控制设备可以配置成在第一时间提供第一控制设备配置，在第二时间提供第二控制设备配置，其中第一控制设备配置和第二控制设备配置是互补的。例如，在第一控制设备配置中，控制设备可以使得图像的第一部分的光到达第一观察位置，并且使得图像的第二部分的光到达第二观察位置，并且在第二控制设备配置中，控制设备可以使得图像的第二部分的光能够到达第一观察位置，并且使得图像的第一部分的光能够到达第二观察位置。

第一时间和第二时间之间的时间间隔可以小于人眼的典型积分时间。

在第一控制设备配置中，控制设备可以将根据第一图像的第一和第三图像区域调制的光传送到第一观察位置，并将根据第二图像的第二和第四图像区域调制的光传送到第二观察位置，其中每个图像的第一至第四区域是该图像的有序连续区域。

在第二控制设备配置中，控制设备可以将根据图像的第二和第四图像区调制的光传送到第一观察位置，并将根据图像的第一和第三图像区调制的光传送到第二观察位置。

传递到第一观察位置的每个区域的图像内容可以与传递到第二观察位置的每个相应区域的图像内容不同。换句话说，可以计算该(或多个)全息图，使得图像内容被划分成第一组区域以传递到第一观察位置，并且图像内容被划分成第二组区域以传递到第二观察位置，其中将图像内容分配到每个区域考虑了观察系统将看到(或感知)的全息重建图像的相应观察位置的透视。例如，与第二观察位置如何和在哪里看到图像相比，第一观察位置可以看到图像被平移或移位。

根据一方面，提供了一种控制光引擎中的光传播以形成从观察窗可见的图像的方法，其中光引擎包括显示设备、波导瞳孔扩展器和观察窗内的观察系统。该方法包括在显示设备上显示图像的全息图，并照射显示设备以根据全息图对光进行空间调制。全息图配置成根据图像内容的位置成角度地分布图像的空间调制光，使得空间调制光的角度通道对应于图像的相应连续区域。该方法还包括布置波导瞳孔扩展器以接收空间调制光，并为空间调制光提供从显示设备到观察窗的相应的多个不同光传播路径，以及使用设置在波导和观察窗之间的控制设备控制多个不同光传播路径的传播，其中控制设备包括至少一个孔径。控制多个不同光传播路径的传播的步骤包括配置控制设备，使得观察窗内的第一观察位置接收由全息图根据图像的第一区域进行空间调制的第一光通道，观察窗内的第二观察位置接收由全息图根据图像的第二区域进行空间调制的第二光通道。

该方法还可以包括计算图像的全息图。全息图可以包括两个或更多个全息图或子全息图，它们同时显示或组合形成全息图。

配置控制设备的步骤可以包括允许光透过控制设备的第一部分，并阻止光透过控制设备的不同的第二部分。它还可以包括允许光透过控制设备的一个或多个另外的部分和/或阻止光透过控制设备的一个或多个相应的其他另外的部分。

波导瞳孔扩展器可以包括多个透射点，并且其中多个不同光传播路径中的每个从不同的相应透射点透射。每个透射点可以包括波导瞳孔扩展器输出面上的区域或面积。

该方法还可以包括：在没有控制设备的情况下，识别第一角度通道的光将从其传播到第一观察位置的第一透射点；在没有控制设备的情况下，识别第一角度通道的光将从其传播到第二观察位置的不同的第二透射点；以及将控制设备配置成在选定时间(t)阻挡第一角度通道到第一观察位置的光路或者第一角度通道到第二观察位置的光路。例如，该方法可以包括在包括选定时间(t)的选定时间段期间，交替地阻挡第一角度通道到第一观察位置的光路和阻挡第一角度通道到第二观察位置的光路。交替可以非常快速地进行，例如比人眼的典型积分时间更快。

该方法还可以包括识别图像内的多个连续区域，其中每个连续区域对应于不同的相应角度通道的光，并且配置控制设备以允许所述多个连续区域内的第一子集连续区域的光仅透射到第一观察位置，并且允许所述多个连续区域内的第二不同子集连续区域的光仅透射到第二观察位置。第一和第二子集可以组合以提供图像的所有图像内容。

实施例描述了一维瞳孔扩展，但本公开扩展到二维瞳孔扩展，使用例如第一细长波导在第一维度扩展，第二波导在第二垂直维度扩展。根据实施例，控制设备位于第一波导瞳孔扩展器之后。因此，本公开的光引擎可以包括第二波导瞳孔扩展器。这里公开的控制设备可以位于第一和第二波导瞳孔扩展器之间。在一些实施例中，控制设备并不紧邻第一波导的出口。在一些实施例中，控制设备位于第二瞳孔扩展器的入口之前。在其他实施例中，控制设备位于第二波导瞳孔扩展器的下游，即在第二波导瞳孔扩展器和观察窗之间。

控制设备(即这里公开的孔径或快门)的透射率可以在基本平行于连接观察系统的入射瞳孔中心的直线的方向上切换。例如，即使在2D瞳孔扩展的情况下，孔径或快门也可以仅在水平方向上是一维的。由控制设备提供的开放或闭合的孔径可以在第一波导瞳孔扩展器的瞳孔扩展方向上切换。也就是说，在第一波导瞳孔扩展器的细长维度上。

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”，因为全息重建可以是真实图像并且与全息图在空间上分离。术语“重放场”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，则重放场将以多个衍射级的形式重复，其中每个衍射级是零级重放场的副本。零级重放场通常对应于优选或主重放场，因为它是最亮重放场。除非另有明确说明，术语“重放场”应被认为是指零级重放场。术语“重放平面”用于指代包含所有重放场的空间中的平面。术语“图像”、“重放图像”和“图像区域”指通过全息重建的光照射的重放场的区域。在一些实施例中，“图像”可包括离散点，其可被称为“图像点”，或仅出于方便起见而被称为“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，可接受质量的全息重建可以由仅包含与原始物体(即用于重建的目标图像)相关的相位信息的“全息图”形成。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术。本公开不限于任何特定的全息图计算方法。仅作为示例，一些实施例涉及点云全息图，即使用点云方法构建的全息图。然而，本公开同样适用于傅立叶或菲涅耳型全息图以及根据诸如相干光线追踪的其他技术计算的全息图。

本公开也同样适用于使用与原始物体(即目标图像)相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重放平面上平移重放场，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重放平面上。

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示出了从显示设备向孔径有效传播的虚拟图像的角度内容；

图5A示出了具有相对较小传播距离的观察系统；

图5B示出了具有相对较大传播距离的观察系统；

图6A示出了具有相对较大传播距离的观察系统，其包括波导，用于在无穷远处形成虚拟图像；

图6B示出了图6A的光路的放大图；

图7示出了如何利用有限虚拟图像和波导瞳孔扩展器来形成重影图像；

图8示出了包括主图像和两个重影图像的虚拟图像；

图9A到9C示出了一示例，其中整个LCOS用于形成一个主图像点和两个相应的重影图像点；

图10A到10C示出了通过波导的第一、第二和第三传播路径，分别产生第二重影点、主图像点和第一重影点；

图11A到11C示出了与三个不同的场/图像点相关的三个传播路径和LCOS利用；

图12A示出了包括虚拟图像点和由观察系统和波导形成的该虚拟图像点的图像的观察系统；

图12B示出了与图12A的示例相关的LCOS的主贡献区域；

图13示出了根据实施例的导出改进的数据结构的改进方法的流程图；

图14示出了根据实施例的导出改进的数据结构的进一步改进的方法的流程图；

图15A示出了包括多个图像区域的图像(底部)和包括多个全息图分量的相应全息图(顶部)；

图15B示出了根据本公开的全息图，其特征在于将全息编码的光路由或引导到多个离散的全息图通道中；

图15C示出了优化的系统，其布置成通过不同的光路将每个全息图通道的光内容传送到眼睛；

图16示出了包括波导的系统，该波导输出光角度通道的多个实例；

图17示出了波导管和观察系统；

图18包括示出光线角度和沿着图17的波导的位置(PWG)之间的关系的曲线图；

图19示出了根据实施例的控制设备，其相对于图18的曲线图布置，用于具有4个区域的图像；

图20示出了分成4个区域的目标图像；

图21示出了根据实施例的控制设备的一部分，其相对于图19的曲线图布置；

图22A示出了根据实施例的包括控制设备的显示系统；

图22B示出了图22A中左眼接收的图像内容；

图22C示出了图22B中右眼接收的图像内容；

图23A示出了将由左眼接收的期望图像，其被分成多个区域；

图23B示出了将由右眼接收的期望图像，其被分成多个区域；

图23C示出了在根据实施例的控制设备的第一相位由观察者接收的图像区域；

图23D示出了在根据实施例的控制设备的第二相位由观察者接收的图像区域；

图24A示出了在第一相位包括控制设备的显示系统；

图24B示出了在图24A的第一相位期间右眼接收的图像区域；

图24C示出了在图24A的第一相位期间左眼接收的图像区域；

图25A示出了图24A的显示系统，但控制设备处于第二相位；

图25B示出了在图25A的第二相位期间右眼接收的图像区域；

图25C示出了在图25A的第二相位期间左眼接收的图像区域；

图26示出了根据实施例的提供一维瞳孔扩展的光引擎，以及通过观察者的有限尺寸瞳孔的光线追踪；

图27示出了对图26的实施例中的双眼串扰的分析；以及

图28、29和30分别示出了根据一实施例的控制设备的第一至第三快门相位。

在所有附图中，相同的附图标记将用于指代相同或相似的部分。

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，本发明可以不同的形式实施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，单数形式的术语可以包括复数形式。

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，此外，还包括在它们之间设置第三结构的情况。

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，除非另有说明。例如，除非使用诸如“刚好”、“紧邻”或“直接”等措辞，否则描述应被视为包括不连续的情况。

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。应当理解，这仅仅是一示例，在本公开中也考虑了用于计算机生成全息图的其他方法。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，并且在重放场例如光接收表面比如屏幕或漫射器处形成全息重建。

光源110例如激光或激光二极管设置成经由准直透镜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(例如与真正正交于透明层的平面相距两度或三度)。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学路径。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，傅立叶变换透镜120的焦点位于屏幕125处。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处产生全息重建。

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。重放场上的特定点(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重放场上。

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，并且在光学上执行傅立叶变换。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，或者简称单地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。通过将重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，分别求出了平面A和B中的相位分布近似Ψ_A(x,y)和Ψ_B(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程求出该问题的解。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，仅相位全息图是使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法来计算的，比如在英国专利2498170或2501112中描述的算法，所述专利的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本质上是结合的，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，算法可以与振幅和相位信息的反馈一起迭代使用。然而，在这些实施例中，仅相位信息Ψ[u,v]用作全息图，以在图像平面处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。也就是说，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)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1，以便形成全息图280A。根据可以在空间光调制器的将用于“显示”仅相位全息图的像素上表示的相位水平来量化每个相位值。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。也就是说，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。拒绝幅度值211A的分布，有利于输入图像210的幅度值的分布。在第一迭代中，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。拒绝幅度值211A的分布，有利于幅度值的替代分布。在该替代实施例中，幅度值的替代分布是从先前迭代的幅度值211的分布中导出的。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。这在数学上通过以下等式来表述，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)包括频率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。也就是说，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，透镜数据提供了光焦度或聚焦功率。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学路径长度而引起的相位延迟来形成。例如，在凸透镜的中心的光学路径长度大于透镜边缘处的光学路径长度。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结合。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，全息图可以相同的方式与光栅数据—即布置成执行光栅函数比如图像转向的数据结合。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。也就是说，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在SLM上显示。也就是说，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。本公开还可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。如将看到，本文的后续附图被描述为包括用于全息图计算的点云方法。然而，可以替代地使用全息图计算的其他方法，包括上面参照图2A至2C描述的傅立叶方法。

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。也就是说，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。也就是说，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器件在小孔径(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器件通常是反射性的，这意味着驱动LCOS SLM像素的电路可以埋在反射表面下。这导致更高的孔径比。换句话说，像素密集填充，意味着像素之间几乎没有死区。这是有利的，因为它减少了重放场中的光学噪声。LCOSSLM使用硅底板，其优点是像素是光学平坦的。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。它具有方形平面铝电极301的2D阵列，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，即不出现振幅效应。

所描述的LCOS SLM以反射方式输出空间调制光。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器件时所需厚度的一半。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，本公开的教导同样可以使用透射型LCOS SLM来实现。

使用小显示设备和长观察距离的图像投影

本公开涉及图像投影，其中显示设备和观察者之间的间隔远大于显示设备的尺寸。观察距离(即观察者和显示设备之间的距离)可以至少比显示设备的尺寸大一个数量级。观察距离可以比显示设备的尺寸大至少两个数量级。例如，显示设备的像素区域可以是10mm×10mm，观察距离可以是1m。由系统投影的图像形成在与显示设备空间分离的显示平面上。

根据本公开，图像由全息投影形成。全息图显示在显示设备上。全息图由光源(未示出)照射，并且在与全息图空间分离的显示平面上感知到图像。图像可以是真实的或虚拟的。出于以下解释的目的，考虑在显示设备上游形成的虚拟图像是有帮助的。也就是说，出现在显示设备的后面。然而，图像是虚拟图像并不重要，并且本公开同样适用于在显示设备和观察系统之间形成的真实图像。

显示设备包括显示全息图的像素。显示设备的像素结构是衍射的。因此，全息图像的大小是由衍射规则决定的。下面参照图4解释显示设备的衍射特性的结果。

图4示出了像素化显示设备402，其布置为显示在显示设备402的上游形成虚拟图像401的全息图。显示设备的衍射角q决定了虚拟图像401的大小。虚拟图像401、显示设备402和观察系统405布置在光轴Ax上。

观察系统405具有入口孔404和观察平面406。观察系统405可以是人眼。因此，入射孔径404可以是眼睛的瞳孔，而观察平面406可以是眼睛的视网膜。

在显示设备402和观察系统405之间传播的光被图像的全息图(不是图像本身)调制。然而，图4示出了全息图如何通过角度划分虚拟图像内容。每个图示的光线束涉及虚拟图像401的不同部分。更具体地，每个光线束中的光由全息图用关于虚拟图像的一部分的信息编码。图4示出了五个示例光线束，每个光线束的特征在于相对于光轴Ax的相应角度，并且每个光线束表示虚拟图像的相应部分。在该示例中，光束之一穿过瞳孔404，而其他四个光束被瞳孔404阻挡。同样，五个不同的光线束对应于虚拟图像401的五个不同部分。虚拟图像的完整图像内容被有效地按角度划分。沿着光轴Ax传播的光束携带图像信息的中心部分，即与图像中心相关的信息。其他光束携带图像信息的其他部分。显示在光锥末端的两个光束携带图像信息的边缘部分。图像信息按角度划分的结果是，不是所有的图像内容都能在给定的观察位置通过观察系统的入射孔径404。换句话说，不是所有的图像内容都被眼睛接收到。在图4的示例中，所示的五个光束中只有一个在任何观察位置穿过瞳孔404。读者将理解，仅以示例的方式示出了五个光束，并且所描述的过程不限于将虚拟图像的图像信息划分成仅仅五个光束。

在这个示例中，图像信息的中心部分由眼睛接收。图像信息的边缘部分被眼睛的瞳孔阻挡。读者将理解，如果观察者向上或向下移动，眼睛可能会接收到不同的光束，例如，图像信息的中心部分可能会被阻挡。因此，观察者只能看到整个图像的一部分。其余的图像信息被入射瞳孔阻挡。观察者的视野受到严重限制，因为他们实际上是通过显示设备本身的小孔径观察图像。

总之，光从显示设备在衍射角范围内传播。在1m观察距离下，对于给定的眼睛位置，只有来自显示设备的小范围的角度可以通过眼睛的瞳孔传播以在视网膜上形成图像。虚拟图像中可见的部分仅是那些落入图4所示的穿过入射孔径的小角度范围内的部分。因此，视场非常小，并且具体的角度范围严重依赖于眼睛位置。

参考图4解释的小视场和对眼睛位置的敏感性的问题是显示设备的大观察距离和小孔径的结果。参照图5至7进一步解释观察距离的重要性。

图5A示出了显示设备502，其布置为显示全息图并将根据全息图调制的光传播到包括入射孔径504和观察平面506的观察系统。虚拟图像501在无穷远处，因此在虚拟图像和显示设备之间跟踪的光线是准直的。图5A的下部显示了观察系统的放大图。该图是示意性的，因此没有示出眼睛的生理细节。实际上，当然存在布置成照射显示设备502的光源(图5A中未示出)。

图5A仅示出了那些可以通过孔径504传播的光线；不能穿过孔径504的任何其他光线被省略。然而，将理解，在实践中，那些其他光线也将从显示设备502传播。在图5A中，显示设备和观察平面之间的距离足够小，使得来自显示设备的全衍射角可以在视网膜上形成图像。从虚拟图像显示的所有光传播路径都穿过入射孔径。因此，虚拟图像上的所有点都映射到视网膜上，并且所有图像内容都被传递到观察平面。因此，感知图像的视野是最大的。在最佳位置，视场等于显示设备的衍射角。有趣的是，视网膜上的不同图像点是由从显示设备502上的不同区域传播的光形成的，例如，最靠近图5A顶部的图像点仅由从显示设备的下部传播的光形成。从显示设备的其他区域传播的光对该图像点没有贡献。

图5B示出了当观察距离增加时出现的情况。

更详细地，图5B示出了显示设备502’，其布置成显示全息图并将根据全息图调制的光传播到包括入射孔径504’和观察平面506’的观察系统。虚拟图像501’在无穷远处，因此虚拟图像501’和显示设备502’之间的光线是准直的。图5B的下部显示了观察系统的放大图。该图是示意性的，因此没有示出眼睛的生理细节。实际上，当然具有布置成照射显示设备502’的光源(图5B中未示出)。

图5B仅示出了那些可以通过孔径504’传播的光线。在图5B的较大观察距离处，一些光束被入射孔径504’阻挡。具体地，与虚拟图像的边缘部分相关的光线束被入射瞳孔504’阻挡。因此，整个虚拟图像是不可见的，并且虚拟图像的可见部分严重依赖于眼睛位置。因此，由于显示设备的小尺寸，显示设备和观察系统之间的大距离是有问题的。

图6A示出了包括显示设备602的改进系统，向包括入射孔径604和观察平面606的观察系统传播已经用显示设备602上显示的全息图编码的光。实际上，当然存在布置成照射显示设备602的光源(未示出)。改进系统还包括位于显示设备602和入口孔604之间的波导608。图6A的下部示出了入射瞳孔604和观察平面606的放大视图。该图是示意性的，因此没有示出眼睛的生理细节。

图6A的观察距离与图5B的相同。然而，在图5B中被阻挡的光束被波导608有效地恢复，使得观察系统接收到完整的图像信息—尽管观察距离更长。

波导608的存在使得来自显示设备602的所有角度内容能够被眼睛接收，即使在这个相对大的投影距离上。这是因为波导608以众所周知的方式充当瞳孔扩展器，因此在此仅简要描述。

简而言之，波导608包括基本细长的结构。在这个示例中，它包括折射材料的光学板，但其他类型的波导也是众所周知的并且可被使用。波导608被定位成与从显示设备602投影的光锥相交，例如以斜角相交。波导608的大小、位置和定位配置成确保来自光锥内的五个光束中的每个的光进入波导608。来自光锥的光经由波导608的第一平面表面610(位置最靠近显示设备602)进入波导608，并且在经由波导608的第二平面表面612发射之前，至少部分地沿着波导608的长度被引导，第二平面表面612基本与第一表面610相对(位置最靠近眼睛)。很容易理解，第二平面表面612是部分反射、部分透射的。换句话说，当每条光线在波导608内从波导608的第一平面表面610传播到第二平面表面612时，一些光将透射出波导608，一些光将被第二平面表面612反射回第一平面表面610。第一平面表面610是反射性的，使得从波导608内撞击它的所有光将被反射回第二平面表面612。因此，一些光在被透射之前可以简单地在波导608的两个平面表面610、612之间折射，而其他光可被反射，因此在被透射之前可以在波导608的平面表面610、612之间经历一次或多次反射(或“反弹”)。因此，波导608的净效应是光的透射有效地扩展到波导608的第二平面表面612上的多个位置。因此，与没有波导608的情况相比，显示设备602输出的所有角度内容可以出现在显示平面上更多数量的位置处(并且在孔径平面上更多数量的位置处)。这意味着来自每个光线束的光可以进入入射孔径604，并有助于由观察平面606形成的图像，尽管投影距离相对较大。换句话说，眼睛可以接收来自显示设备602的所有角度内容。因此，显示设备602的全衍射角被利用，并且对于用户来说观察窗被最大化。反过来，这意味着所有光线都对感知的虚拟图像601有贡献。

图6B示出了对虚拟图像601内的五个相应图像点有贡献的五个光线束中的每个的单独光路，虚拟图像601在图6A中形成，从上到下分别标记为R1到R5。如在其中可以看到，R1和R2中的每个的光被简单地折射，然后被波导608透射。另一方面，R4的光在透射之前会遇到单次反弹。R3的光包括来自显示设备602的相应第一部分的一些光，其在被透射之前被波导608简单地折射，以及来自显示设备602的不同的第二相应部分的一些光，其在被透射之前遇到单次反弹。类似地，R5的光包括来自显示设备602的对应的第一部分的在被透射之前遇到单次反弹的一些光，以及来自显示设备602的不同的第二对应部分的在被透射之前遇到两次反弹的一些光。对于R3和R5中的每个，LCOS的两个不同部分传播对应于虚拟图像部分的光。

本发明人已经认识到，至少在一些应用中，与在无穷远处形成虚拟图像相反，虚拟图像距离(即从观察者到虚拟图像的距离)优选是有限的。在某些应用中，将存在优选的虚拟图像距离，在该距离处，虚拟图像内容出现是期望的或必要的。例如，这可以是平视显示器中的情况，例如在汽车设定中，例如如果虚拟图像内容要被叠加到观察者通过车辆挡风玻璃观察的真实内容上。例如，期望的虚拟图像距离可以包括在观察者的车辆或挡风玻璃前方几米处形成的虚拟图像内容，例如3米或5米。

图7的上部示出了包括显示设备702的系统，该系统向包括入射孔径704和观察平面706的眼睛传播光703，该光703已经被显示在显示设备702上的全息图编码(即根据该全息图调制)。存在布置成照射显示设备702的光源(未示出)。该系统还包括位于显示设备702和入射孔径704之间的波导708，作为瞳孔扩展器，如上面关于图6a详细描述。图7的中间部分示出了入射孔径704和观察平面706的放大视图，图7的最下面部分示出了观察平面706的进一步放大视图。该图是示意性的，因此没有示出眼睛的生理细节。在这种布置中，眼睛感觉到虚拟图像701位于显示设备702上游的有限距离处。虚拟图像701和显示设备702之间的光线是发散的，因为虚拟图像距离是有限的。

根据上面的图6A，图7中波导708的存在有效地使显示设备702的全衍射角能够在相对大的投影距离处被访问，使得用户在所示的观察位置可以看到完整的图像内容。

然而，引入了进一步的技术问题。对于某些光线束，来自显示设备702的不同部分的光的不同光路可以导致当在有限虚拟图像距离处形成虚拟图像时，这些光线束各自在视网膜706上形成多个像点。这在图7a中相对于标记为R3’和R5’的光束示出。所形成的附加图像点附属于虚拟图像内给定点的主图像点，可被称为“重影图像点”,它们共同形成“重影图像”或简称为“重影”。如图像形成领域的技术人员将理解，从观察者的角度来看，重影的形成会导致虚拟图像的模糊和感知质量的总体下降。如果“重影”与“主”图像部分重叠，情况尤其如此。

图8示出了数字“5”和“9”的虚拟图像的示例，该虚拟图像是使用类似于图7a所示的观察系统创建的，除了主图像之外还包括重影图像。主图像可被看作是每个数字最亮的中央图像，左右两边都有重影。在图8的示例中，当观察距离大于对于‘5’而言时，形成‘9’，因此‘9’的模糊更明显。

发明人已经解决了重影的问题。发明人已经认识到，希望提供一种观察系统，其中可以在有限的虚拟图像距离处形成虚拟图像，该虚拟图像包括由显示设备输出的所有角度图像内容，并且减少或消除了重影的形成。此外，发明人已经发现，随着常规观察系统中观察孔径尺寸的增加，形成重影图像点的风险增加，因为该孔径可以允许额外的光线进入，这可能在显示平面上形成额外的图像点。因此，希望提供一种改进的观察系统，其能够适应不同尺寸的孔，同时仍减少或消除重影的形成。下面详述的由发明人提供的解决方案适用于孔径、波导和显示设备的不同尺寸和布置的范围，并且可以应用于不同的传播距离，对于不同的传播距离，传统上可以形成一个或多个重影图像。

总的来说，发明人已经认识到，可以提供一种用于生成全息图的光引擎，该光引擎实际上识别显示设备的一个或多个区域，在传统的布置中，这些区域会产生一个或多个重影图像，其中获得全息图是为了控制来自显示设备的这些一个或多个区域的贡献，从而避免或减少当全息图显示在显示设备上并被照射时重影图像点的形成。发明人还认识到，即使当观察系统中的投影距离相对较大并且显示设备和/或观察孔径相对较小时，也可以提供用于提供这种全息图的全息图引擎，并且提供用于显示和照射改进的全息图的改进观察系统，用于形成改进图像。

发明人已经认识到，由于具有包括波导(例如这里的图6A和7A中所示)的观察系统所施加的角度限制，该观察系统包括相对较小的观察孔径，并且可选地还包括相对较小的显示设备，因此有可能分别考虑波导内不同的可能传播路径。此外，他们已经认识到，作为这种考虑的结果，有可能识别以下每一个：显示设备的是对期望的“主”图像有贡献的光源的区域；显示设备的是造成不期望的“重影”图像的光源的区域；以及显示设备的是被孔径阻挡的光源且因此对主图像或重影图像都没有贡献的区域。发明人还认识到，有可能将全息图计算限制到仅对主图像有贡献的显示设备的区域。

参照下面详细描述的附图，可以进一步理解发明人的认识以及体现这些认识的改进系统和方法。

图9示出了显示设备902，在这个示例中它是LCOS空间光调制器。下文中提到的“LCOS”是“显示设备”的简称。本公开的教导不限于LCOS显示设备。图9描绘了从LCOS902经由波导908朝向观察实体/系统905的与一个虚拟图像点相关的光线，在该示例中，观察实体/系统905包括观察者的眼睛。图9还包括眼睛905的放大视图，示出了瞳孔904(即入射孔径)和视网膜906(即传感器或观察平面)处的光线。在这个示例中，整个LCOS区域有助于在视网膜906上形成图像点。换句话说，整个LCOS902对于观察者是“可见的”。整个LCOS902对图像的这种贡献由被阴影化的整个LCOS示出，将其整个表面区域表示为“有贡献区域”。

可以看出，从图9中的LCOS902的光导致在视网膜906上形成三个图像点—分别标记为G1、M和G2—用于该特定虚拟图像点。中间图像点‘M’包括主图像点，其有助于观察者感知的主/主要虚拟图像。顶部图像点G1包括第一重影图像点，底部图像点G2包括同一虚拟图像点的不同的第二重影图像点。值得注意的是，在又一个进步中，发明人已经认识到，有可能识别出对主图像点M和/或重影图像点G1、G2有贡献的LCOS902的区域。

图10A到10C示出了LCOS902和图9的光线图，其被分成三个相应的传播路径—第一路径包括对底部重影图像点G2有贡献的光，第二路径包括对主图像点M有贡献的光，第三路径包括对顶部重影图像点G1有贡献的光。如图10A所示，对G2有贡献的光在被波导908透射之前反弹三次。如图10b所示，对M有贡献的光在被波导908透射之前反弹两次。如图10C所示，对G1有贡献的光在被波导908透射之前反弹一次。

每个图(10A、10B、10C)还通过阴影示出了对相应图像点有贡献的LCOS902的部分。因此，可以看出，底部重影图像点G2由朝向LCOS902下部的区域贡献，顶部重影图像点G1由朝向LCOS902上部的区域贡献，并且主图像点由整个LCOS902贡献。

在图9和10a至10c的示例中，孔径904(即观察者的瞳孔)相对较宽，这解释了为什么整个LCOS902对主图像点有贡献。换句话说，在这个示例中，观察系统的f数相对较低。图10A至10C示出，尽管LCOS902的部分也对一个或另一个重影图像G1、G2有贡献，但LCOS902的一个区域都不对重影图像G1、G2有贡献，而只对主图像点M有贡献。发明人已经认识到，该区域可被识别为有贡献区域，对于该示例中的LCOS902，更具体地说，它可被识别为“主要有贡献的区域”，这将从后续附图的描述中进一步理解。因此，可以看出，在这种情况下，主贡献区域不限于圆形或椭圆形，而是可以采用其他更复杂的形状。

图11A至11C示出了当入射孔径相对较小时(即f数相对较高)虚拟图像不同点的相应光线图。图11A涉及虚拟图像的第一场点(即第一虚拟图像点)，图11B涉及虚拟图像的第二场点，图11C涉及虚拟图像的第三场点。图11A至11C示出了并非所有的LCOS902都对主图像点有贡献。事实上，图11A至11C示出了LCOS的第一区域对应于主图像点(这里称为“主贡献区域”)，而LCOS的第二区域对应于重影图像点(这里称为“次贡献区域”)。

发明人已经认识到，在某些条件下，LCOS902(或观察系统中的其他显示设备)的不同的相应区域将对主图像或重影图像有贡献，或者不会对图像的任何可见部分有贡献。他们进一步认识到，可以使用该信息来优化全息图确定过程。例如，可以省略来自显示设备的某些部分的光，或者在某些情况下，可以改变全息图对它们进行编码的方式，以便对主图像做出积极贡献，而不是对重影图像做出贡献。此外，可以识别显示设备的附加区域，其可以配置为对主图像做出积极贡献。

作为一示例，下面将结合点云全息图来描述发明人的认识。然而，它们可以应用于其他类型的全息图，例如傅立叶或菲涅耳全息图。也就是说，可以使用根据本公开确定的LCOS信息来优化其他全息图计算方法。

众所周知，通常为了计算图像(例如虚拟图像)的点云全息图，图像被分解成(即由其表示)多个单独的点—这里称为“虚拟点”,因为我们描述了虚拟图像的形成。然后，球面波(或“小波”)从虚拟图像内的每个虚拟点的预期或期望位置通过计算(即使用模型或其他理论工具)传播到显示设备的平面，例如上述示例中的LCOS平面。考虑这种小波相互干扰的方式，并且计算在显示设备的每个像素处接收的小波的最终振幅和/或相位。然后，显示设备可以众所周知的方式被调谐，因此在此不再描述，以展示在每个像素位置所需的振幅和/或相位调制，以便模拟计算出的小波，从而创建图像的全息图。

发明人已经认识到，对于如本文所述的具有波导和大观察距离的观察系统，如果整个显示设备具有所有虚拟点的相应小波的净振幅和相位，则当显示和照射时，将创建的全息图可能产生一个或多个重影图像以及主图像。例如，当观察系统配置成在离观察者有限距离处感知虚拟图像时，这可能发生。此外，在许多情况下，从该设备的一些部分中的像素发射的光线将被浪费(即它们将不会有助于观察者看到或感知的图像)，因为观察系统的物理限制(例如小孔径和/或小显示设备和/或大投影距离)将规定来自设备的那些部分的光不会进入观察者的眼睛。因此，发明人已经认识到可以应用智能选择，关于显示设备的哪些部分被调谐以提供全息图。具体地，如果仅选择了对主图像有贡献的LCOS的那些部分(或多个部分或区域),并且如果小波仅从预期虚拟图像的虚拟点通过计算传播到LCOS的那些部分，而不传播到对主图像没有贡献的LCOS的其他部分，则可以计算出在显示设备的所选区域内的每个像素处接收到的小波的合成振幅和/或相位。显示设备的任何相应的其他部分都不需要计算。

然后，根据改进的计算，显示设备可被调谐，以显示在选定部分内的每个像素位置所需的振幅和相位调制，以便模拟计算出的小波，从而创建主图像的全息图。当这样做时，将没有对LCOS的任何其他部分的调谐，因此当计算的全息图显示在显示设备上并被照射时，没有图像信息将从那些其他部分传播到观察者的眼睛(或其他观察实体)。因此，对于观察者来说没有可用的信息，这可能导致形成不希望的“重影”图像点。结果，重影被消除或“熄灭”。此外，没有计算或图像信息被浪费，因为对于给定的一组条件(例如对于眼睛的特定孔径宽度和位置)，只有那些已知提供将被允许通过观察者的瞳孔(或者通过相应的其他观察实体的孔径)的光的显示设备的像素将被调谐。

图12示出了形成包括示例虚拟点1201的虚拟图像的系统1200。观察系统1200包括显示设备1202，其在该示例中是LCOS SLM，其包括根据本公开识别的有贡献区域1203和无贡献区域1207。显示设备1202布置为显示虚拟图像的全息图，并将根据全息图编码的光投射到眼睛1205，眼睛1205包括充当孔径的瞳孔(未示出)、晶状体1209和充当观察平面的视网膜1206。晶状体1209和视网膜分开一个间距‘A’。存在布置成照射显示设备1202的光源(未示出)。观察系统1200还包括位于LCOS1202和眼睛1205之间的波导1208。该图像是示意性的，因此没有示出眼睛的生理细节。

虚拟点1201位于显示设备1202的上游，这在图12中由位于显示设备1202左侧的虚拟点1201来描述。虚拟点1201具有由空间坐标定义的位置，在该示例中，空间坐标包括笛卡尔(x,y,z)坐标，但可以使用其他坐标系统或其他识别虚拟点位置的手段。在基本平行于显示设备1202的光轴的方向上，在虚拟点1201和显示设备1202之间定义了距离‘z’。在基本平行于显示设备1201的光轴的方向上，在显示设备1201和眼睛晶状体1209之间还定义了显示器到透镜的距离‘l’。在给定时间，‘z’和‘l’的数值将根据观察系统1200的具体布置而变化，包括观察者位置。例如，显示器到透镜的距离‘l’可以是约1米的数量级，而显示器到图像的距离‘z’可以更大，例如几米的数量级。但这些数字示例纯粹是说明性的，不应该被认为是限制性的。

发明人已经认识到，如果包括虚拟图像点1201的虚拟图像将被观察者在图12所示的位置感知，则相应图像点1211必须形成在视网膜1206上。光线可以通过LCOS1202从虚拟图像的虚拟点1201跟踪到视网膜1211上的对应点1211。

应当理解，由于由波导1208创建/产生的可能路径，在虚拟点1201和其在视网膜上的对应点1211之间，可以通过LCOS1202采用不止一个可能的光路。根据实施例，可以确定主光线，该主光线包括观察平面(即视网膜1206)上的虚拟图像点1201和对应点1211之间的多条光线路径中的光线路径。当这个主光线路径被识别时，光在波导内经历的反弹次数就被确定了。该反弹次数(B)可以设置为在虚拟图像和观察平面之间光线应该被追踪的反弹次数。根据实施例，作为初始步骤，可以识别主光线以及相关的反弹次数(B)。

在本示例中，光线追踪可以确定LCOS1202的一部分，在每个虚拟图像点1201到视网膜上的相应点1211之间,“主光线”穿过该部分，以便识别该虚拟图像点1201的“有贡献区域”1203。因此，在图12中，存在被描绘为在虚拟图像点1201和显示设备1202的有贡献区域1203之间传播的光线‘r’。根据发明人的认识，从虚拟图像点1201到显示设备1202，仅需要对LCOS的有贡献区域有贡献的小波进行建模(或以其他方式计算考虑)。换句话说，只有显示设备1202的识别出的有贡献区域1203需要被编码(或“调谐”)，以便生成适当的全息图。当在显示设备上编码并适当照射时，这种全息图将使得观察者能够感知虚拟图像点1201，而不存在该虚拟图像点1201的任何重影。这可以从下面讨论的图13和14中进一步理解。

图12中的有贡献区域1203—以及下面关于图13和14讨论的有贡献区域—可以基于相应观察实体和相关光学器件(例如波导几何形状、较大光学系统内的任何反射等)的入射孔径的尺寸和形状来确定尺寸和形状。因此，当观察实体是人眼时，在一些情况下，显示设备上的有贡献区域可以包括基本圆形或椭圆形的形状，或者任何其他合适的形状，例如与接收瞳孔尺寸相似的复杂形状。然而，本公开包括更复杂的有贡献区域形状。可以用任何合适的方式测量或估计瞳孔直径。例如，眼睛瞳孔直径的测量可以通过眼睛跟踪系统来进行。可替代地，可以基于眼睛瞳孔直径的已知范围(例如2-6mm)或者基于给定时间的环境光条件下的另一估计来估计。

可以设置有贡献区域，以便有意地贡献比瞳孔稍大的区域(在孔径平面上)，和/或贡献形状与瞳孔(或其他孔径)稍微不同的区域(在孔径平面上)。在这种情况下，并非所有来自“有贡献区域”的光都可以一直穿过瞳孔，但眼睛将能够稍微移动，同时仍收集足够的光以在视网膜上形成良好的图像。

图13示出了根据本公开的主要方面的用于确定显示设备的有贡献区域和无贡献区域的方法。可选地，这些确定然后可以用于优化一个或多个全息图的生成，用于由诸如图12的系统1200的观察系统显示和照射。在参考图13描述的方法中，观察系统包括具有“f”数(即焦距和孔径)的透镜和相机。相机的光敏部件可以是例如CCD阵列，并且位于观察平面上。在功能上，透镜和相机代替观察者人眼的眼睛透镜和视网膜，并且仅用于确定显示设备的有贡献区域和无贡献区域的过程。可以针对多个观察位置(例如眼动盒内的眼睛位置)和/或多个图像距离(例如车辆前方的虚拟图像距离)来确定显示设备的这些区域。在某些方面，参考图13公开的方法可被认为是全息图计算的先驱。该方法可被认为是优化或者甚至是校准过程。

很容易理解，要生成的每个虚拟图像可以由一个或多个虚拟图像点表示，每个虚拟图像点具有相应的位置，例如由(x,y,z)坐标定义。图13的方法1300的步骤一1302到步骤六1312(下面详述)可以分别应用于要创建的虚拟图像内的每个虚拟图像点。此外，方法1300适用于观察系统的一组特定条件，即特定的测量和约束。因此，方法1300的任何给定迭代(或“运行”)适用于建立要创建的特定图像(一个虚拟图像点接一个虚拟图像点)，并且适用于系统何时具有特定的显示到图像距离“z”、显示设备和视网膜之间的特定距离“d”、特定的孔径(瞳孔)宽度以及眼睛聚焦的特定虚拟图像距离。方法1300的迭代也专用于特定尺寸和类型的显示设备，并且对于眼睛的特定位置，具有允许的观察窗。可能存在该方法的每次迭代所特有的其他测量和/或约束。根据实施例，如果这些测量或约束中的任何一个改变，则方法1300可以重新运行，以在改变的情况下重新确定显示设备的有贡献区域。然而，将理解，根据实施例，某些容差可以应用于这些测量或约束中的一个或多个，使得如果它们的变化小于预定量和/或小于预定时间长度，则该方法可以不必重新运行。关于何时应该重复该方法的规则可以基于每个系统来确定。

方法1300可以由合适的处理器来执行。处理器可以包括全息引擎，或者被包括在其内或者与之通信。处理器或全息引擎可以包含在光引擎中。

在执行方法1300之前，处理器可以获得或接收关于观察系统的边界信息。例如，它可以获得或接收关于诸如显示设备的部件的大小的信息、关于各种部件和观察系统(例如潜在的人类观察者)的绝对和/或相对位置的信息、关于光源的信息等。

根据方法1300，在第一步骤1302中，根据虚拟图像将被感知的位置，获得虚拟图像点(这里简称为“虚拟点”)的位置，例如坐标[x_virtual,y_virtual,z_virtual]。然后获得或确定透镜1209和虚拟点之间的虚拟图像距离。该虚拟图像距离可以由执行方法1300的处理器来设定或确定，或者可以由另一个实体来设定或确定，并传送给该处理器。在一些布置中，它可以是预设的或者从多个可能的虚拟图像距离中选择的。在现实操作中，当观察系统是眼睛时，眼睛跟踪或头部跟踪信息可以用于确定虚拟图像距离。

在第二步骤1304中，为聚焦在虚拟图像点上，确定透镜和传感器之间的所需距离‘A’。每个虚拟图像点也可以用一个角度来定义，见图4。这里提到的“角度内容”是相对于虚拟图像的虚拟图像点而言的。

在第三步骤1306中，确定与观察系统形成的主图像或主要图像相关的光在波导内的反射或反弹次数“B”。光学领域的技术人员将理解，波导产生与虚拟图像点相关的光的多个副本，并且每个副本可以与波导内不同数量的光反弹/反射相关。仅举例来说，确定B的一种方式是确定波导中每个可能的光传播路径的主光线与显示设备的交点，并选择使主光线最接近显示设备中心的反射/反弹次数。有利地，这种方法使得显示设备对观察系统有贡献的区域最大。

可替代地，在第三步骤1306中使用的计算反弹次数的另一种方式包括下面的子步骤1至5：

1.已知眼睛位置并用作输入

2.对于第一次反弹次数B，从显示设备的中心到确定的眼睛位置的光线跟踪。光线向虚拟图像的外推定义了该反弹次数B的视场角(θ_B)。

3.对于第二次反弹次数B+1，从显示设备的中心到确定的眼睛位置的光线跟踪。光线向虚拟图像外推定义了该反弹次数(B+1)的视场角(θ_B+1)。

4.B是用于θ_B和θ_B+(θ_B+1-θ_B)/2之间的角度内容的反弹次数

5.B+1是用于θ_B+(θ_B+1-θ_B)/2和θ_B之间的角度内容的反弹次数

在第四步骤1308中使用第一步骤1302的输出(即虚拟图像点的坐标)和第三步骤1306的输出(参数b)来确定传感器上相应的图像位置/点[x_sensor,y_sensor,z_sensor]。也就是说，第四步骤1308确定传感器上接收虚拟图像点的光的点。换句话说，虚拟图像点在传感器上成像的点。关于图14，传感器上的该点在下面被称为主图像点[x_sensor,y_sensor,z_sensor]。仅作为示例，对于波导内的B反弹，可以使用从虚拟点到传感器的计算光线追踪，但本公开不限于第四步骤的这种方法。

本领域技术人员将理解，可以识别从虚拟点[x_virtual,y_virtual,z_virtual]到传感器上的点[x_sensor,y_sensor,z_sensor]的主光线(或简称为主光线)。同样，可以使用计算光线追踪来识别或追踪主光线，但其他方法同样适用。在第五步骤1310中，识别显示设备交点[x_LCOS(B),y_LCOS(B),z_LCOS(B)]，其中显示设备交点是显示设备上主光线与显示设备相交的位置。可以例如通过计算光线追踪来确定、计算或测量显示设备交点。

在第六步骤1312中，识别与显示设备交点[x_LCOS(B),y_LCOS(B),z_LCOS(B)]相关的显示设备区域。显示设备区域可以在几何上以该点为中心[x_LCOS(B),y_LCOS(B),z_LCOS(B)]。例如，该区域可以是圆形或椭圆形，但也可以设想其他更复杂的形状。如果该区域为规则形状，如圆形或椭圆形，则可以确定该区域的半径，例如根据观察系统镜头的f数。该区域在这里被称为“主有贡献区域”，因为它对应于由观察系统形成的主图像。词语“有贡献的”反映了在显示设备的识别区域内的显示设备的像素是向传感器提供必要信息内容的像素。显示设备的其他区域(即显示设备的其他像素)对传感器上的图像点的形成没有贡献。当然，其他像素可以对传感器上与其他虚拟图像点相关的其他图像点有贡献。

根据本公开的主要方面的方法以确定显示设备的主有贡献区域结束。可替代地，可以基于主有贡献区域而不是显示设备的整个区域来确定全息图。

因此，在可选的第七步骤1314中，基于虚拟点为主有贡献区域确定全息图分量。具体地，确定主有贡献区域的光参数。光参数可以是主有贡献区域的每个像素的振幅和/或相位。例如，可以使用本领域技术人员熟悉的点云方法，基于光从虚拟点到主有贡献区域的传播，为主有贡献区域内的每个像素确定光振幅和相位。虚拟点的全息图分量可被存储，并与其他虚拟点的全息图分量组合，作为下一段中描述的迭代过程的一部分，以便为整个虚拟图像建立完整的全息图。

总的来说，在第七步骤1314中，光调制值(例如振幅和/或相位值)被分配给主有贡献区域内的显示设备的每个像素值。这是通过考虑光波从[x_virtual,y_virtual,z_virtual]到主有贡献区域的传播，并且将振幅和/或相位添加到[x_LCOS(B),y_LCOS(B),z_LCOS(B)]的期望半径内的显示设备的像素来实现的。也就是说，从虚拟图像点发出并到达主有贡献区域的每个点(即像素)的光的振幅和/或相位是通过考虑光波的传播来确定的，也就是说，光波在从虚拟图像点到每个像素传播一段距离后的振幅和/或相位。该确定可以通过光学领域的技术人员已知的多种不同技术中的任何一种来执行。这种确定可以通过实验测量来进行。

在要使用全息图投影的虚拟图像内，可以对每个虚拟点重复第一至第七步骤。例如，可以将多个全息图分量相加在一起，以产生显示设备的每个像素的合成全息图。例如，对于从所有虚拟图像点的传播，可以在每个像素处将复振幅相加。如果全息图要在纯相位调制器上显示，则所得复振幅和的振幅分量可以忽略，只留下相位。更广泛地说，这个结果是对应于虚拟图像的衍射结构，如果在观察系统内的显示设备上显示和照射，则形成虚拟图像。

全息图可以在显示设备上显示或编码。结果，显示设备将被调谐为以使得观察者能够在所需的虚拟图像距离处感知虚拟图像的方式来调制光。

对于虚拟图像内的多个虚拟点中的每个，方法1300可以基本同时(或非常快速地连续)执行，从而对于给定的观察设置和特定的数值测量和约束，可以非常快速地导出整个虚拟图像的合适全息图并将其编码到显示设备上。如果有任何可能影响有贡献区域的识别和/或显示设备的所需调谐的变化，该方法可以重新运行。处理器可以配置为在时间控制的循环上，和/或响应于指示已经发生变化的信号，和/或当所需虚拟图像的内容或身份发生变化时，重新运行该方法。处理器可以包括用于存储先前计算的数据的存储器，或者可以与存储器通信。例如，可以提供查找表或其他存储装置，其在一组特定的测量和/或约束下，针对特定的虚拟图像或虚拟点，指示显示设备的有效区域。

方法1300可以非常快速地运行(或重新运行)，以便快速连续地显示多个不同的虚拟图像，和/或准确地响应条件的变化，例如用户的移动。尽管在图12的系统中仅示出了一只眼睛，但方法1300可以配置为考虑观察者的两只眼睛。此外，尽管上面的某些描述可能涉及孔径宽度，但应当理解，瞳孔(以及用于观察实体的大多数其他孔径)是二维的，并且可以在这两个维度中的每个维度上改变尺寸。方法1300可以配置为考虑二维孔径尺寸及其变化。

发明人发现使用参照图13公开的方法可以有效地确定虚拟图像的全息图。然而，发明人还观察到，在某些情况下，当LCOS的所有传统上传播会形成重影图像的光的区域都没有被使用时，只有相对小部分的LCOS被利用。在另一个值得注意的技术进步中，除了主有贡献区域之外，发明人还找到了使用LCOS的附加区域的方法，并且为这些附加区域计算全息图值，这将使它们能够贡献光以增强主图像，而不是形成不需要的重影图像。

众所周知，相对于其他光线的路径长度，光线通过观察系统中的波导所采用的光路可能会增加其路径长度。通常，与虚拟图像距离‘v’相比，这种增加可能很小，因此眼睛看不到。

图14示出了根据发明人的附加认识的又一改进的方法1400，该方法可以应用于诸如图12的系统1200的系统。图14的方法1400包括图13的方法1300的所有步骤，此外，它还包括对应于虚拟点的一个或多个重影图像点的处理，该虚拟点也可能存在，并且通常会导致对虚拟图像的一个或多个重影图像的感知。

方法1400可以由合适的处理器来执行。处理器可以包括全息引擎，或者被包括在全息引擎内或与之通信。处理器或全息引擎可以包含在光引擎内。

在执行该方法之前，处理器可以获得或接收关于系统的边界信息。例如，它可以获得或接收关于诸如显示设备的部件的大小的信息、关于各种部件和观察者的绝对和/或相对位置的信息、关于光源的信息等。

在某些情况下，发明人已经发现，由于来自相应虚拟点的光穿过显示设备的不同于主图像的主光线穿过的“主有贡献区域”的一部分，出现了重影图像点。在前面的图中，显示设备的这些部分被称为“次有贡献区域”。产生一个或多个重影图像点的光可被称为包括一个或多个“重影光线”。产生重影图像的光线在波导内可能经历与对应于主图像的光线不同次数的反弹，以便也穿过观察者眼睛的狭窄瞳孔并与视网膜重合。因此，如果确定对应于主图像的主光线在波导内经历了“B”反弹，则可以确定对应于重影图像的光经历了“B+ΔB”反弹，其中ΔB可以是负的或正的整数，通常是个位数，例如在-5到+5的范围内。

根据图14的改进方法1400，在图13的方法1300的第四步骤1308之后，其中建立了观察平面上的主图像点的位置，例如其坐标(x_sensor,y_sensor,z_sensor)，图13的方法1300的后续步骤可以继续，并且此外，例如并行地或在稍后的时间，对于至少一个DB值，可以如下执行另一组步骤。总之，图14的改进方法1400从虚拟点的坐标[x_virtual,y_virtual,z_virtual]确定重影光线将经历多少次反弹‘B+ΔB’,以便在观察平面处形成重影图像点。然后，改进方法1400确定虚拟点的平移(或修正)位置，光可以从该位置行进并在波导内经历“B+ΔB”反弹，并到达观察平面上的主图像点，而不是形成单独的重影图像点。光线从虚拟点的平移位置传播到主图像点所经过的LCOS上的位置然后可被识别，并且可以相应地用全息图编码。因此，LCOS的一个或多个附加区域(除了主有贡献区域之外)可以用全息图值进行编码，以对主图像做出贡献，同时仍避免重影图像的产生。

更详细地，改进方法1400如下：

在第一进一步步骤1402中，来自主图像点(x_sensor,y_sensor,z_sensor)的光线被追溯到虚拟图像，但对于在波导内经历‘B+ΔB’反弹/反射(而不是B反弹)的光线。

在第二进一步步骤1404中，确定虚拟图像的次虚拟点的位置(例如坐标[x_virtual(ΔB),y_virtual(ΔB),z_virtual(ΔB)](例如作为在第一进一步步骤1402中执行的光线跟踪的结果)，该次虚拟点将成像到主图像点[x_sensor,y_sensor,z_sensor]，即该次虚拟点将传播将穿过显示设备、波导和入射孔径的光，以与位置[x_sensor,y_sensor,z_sensor]处的观察平面重合，如果光经历‘B+ΔB’反弹的话。术语“次虚拟点”在这里被用作(主)虚拟点的次(即移位或修改)位置的简称。也就是说，本发明人已经认识到，如果虚拟点的位置被移动到‘次虚拟点’位置[x_virtual(ΔB),y_virtual(ΔB),z_virtual(ΔB)]，来自‘次虚拟点’的在波导中经历‘B+ΔB’反弹/反射的任何光将有助于观察平面处的主图像。

总之，第三进一步步骤1406包括确定主光线在显示设备处的坐标[x_LCOS(B+ΔB),y_LCOS(B+ΔB),z_LCOS]，用于在波导内从[x_virtual(ΔB),y_virtual(ΔB),z_virtual]到观察平面达B+ΔB反弹的光传播。在一些情况下，z_virtual可被调整以考虑通过波导的不同路径长度(即由于不同的反弹次数)。该主光线可被称为“次主光线”。

更详细地说，在第三进一步步骤1406中，识别显示设备上的一个点，其中从次虚拟点到主图像点[x_sensor,y_sensor,z_sensor]的“次主光线”将通过该点在波导中经历B+ΔB反弹。该点在显示设备上有坐标[x_LCOS(B+ΔB),y_LCOS(B+ΔB),z_LCOS]。

在第四附加步骤1408中，点[x_LCOS(B+ΔB),y_LCOS(B+ΔB),z_LCOS]被分配与其相关的区域的范围或大小的半径或其他合适的指示符。与点[xlcos(b+δb]，ylcos(b+δb]，zLCOS]相关的区域在这里被称为“附加有贡献区域”，因为它传播对观察平面处的主图像点有贡献的光，但仅当该光来源于(主)虚拟点的位移或修改的位置时，即[x_virtual(ΔB),y_virtual(ΔB),z_virtual]而不是[x_virtual,y_virtual,z_virtual]，如在第二进一步步骤1404中所确定的。

第四进一步步骤1408类似于第六步骤1312。具体地，第四进一步步骤1408包括识别与显示设备交点[x_LCOS(B+DB),y_LCOS(B+DB),z_LCOS(B)]相关的显示设备区域。显示设备的区域可以在几何上以该点[x_LCOS(B+DB),y_LCOS(B+DB),z_LCOS(B)]为中心。例如，该区域可以是圆形或椭圆形，但也可以设想其他更复杂的形状。如果该区域为规则形状，如圆形或椭圆形，则可以确定该区域的半径，例如，根据观察系统镜头的f数。该区域在这里被称为“附加有贡献区域”，因为如果基于(主)虚拟点的位移或修改的位置计算适当的全息图，它将传播对虚拟图像有贡献的光。

第五进一步步骤1410类似于第七步骤1314。第五进一步步骤1410是可选的。在第五进一步步骤1410中，基于(主)虚拟点的修改位置[x_virtual(ΔB),y_virtual(ΔB),z_virtual]，为附加有贡献区域确定全息图分量。具体地，确定附加有贡献区域的光参数。光参数可以是附加有贡献区域的每个像素的振幅和/或相位。例如，可以使用本领域技术人员熟悉的点云方法，基于光从不同虚拟点[x_virtual(ΔB),y_virtual(ΔB),z_virtual]到附加有贡献区域的传播，为附加有贡献区域内的每个像素确定光振幅和相位。可以存储不同虚拟点[x_virtual(ΔB),y_virtual(ΔB),z_virtual]的全息图分量，并将其与其他虚拟点的全息图分量组合，作为下面段落中描述的迭代的一部分，以便为整个虚拟图像建立完整的全息图。

由显示设备进行的这种所需的光调制(其相对于单个虚拟点输出)可被称为该虚拟点的“全息图分量”。在对一个或多个其他虚拟点的方法1300的后续重复过程中，全息图分量可以由处理器存储在要创建的虚拟图像内。

图14的进一步改进方法1400的步骤1402至1410可以与图13的方法1300的步骤一1302至第七1314一起，对要创建的虚拟图像内的每个虚拟点重复。当已经确定了每个虚拟点的调制行为和对应的全息图分量时，可以将全息图分量相加在一起，以产生显示设备的每个像素的合成调制行为。该合成调制行为代表虚拟图像的衍射结构或全息图，如果在观察系统内的显示设备上显示和照射，只会导致形成主图像，而不会形成任何重影图像。作为执行图14的改进方法1400的结果而形成的主图像可能比单独由图13的方法1300产生的相应主图像更亮。

处理器可以任何合适的方式输出对应于全息图的数据。全息图可被编码到显示设备上。结果，显示设备将被调谐以调制光，使得观察者能够在所需的虚拟图像距离处感知虚拟图像，而不会形成任何重影图像。

对于虚拟图像内的多个虚拟点中的每个，方法1400可以基本同时(或非常快速地连续)执行，从而对于给定的观察设定和特定的数值测量和约束，可以非常快速地导出整个虚拟图像的合适全息图并将其编码到显示设备上。如果有任何可能影响显示设备的识别和/或所需调谐的变化，则可以重新运行该方法。处理器可以配置为在时间控制的循环上，和/或响应于指示已经发生变化的信号，和/或当所需虚拟图像的内容或身份发生变化时，重新运行该方法。处理器可以包括用于存储先前计算的数据的存储器，或者可以与该存储器通信。例如，可以提供查找表或其他存储装置，其在一组特定的测量和/或约束下，针对特定的虚拟图像或虚拟点，指示显示设备的有效区域。

方法1400可以非常快速地运行(或重新运行)，以便快速连续地显示多个不同的虚拟图像，和/或准确地响应条件的变化，比如用户的移动。尽管在图12的系统中仅示出了一只眼睛，但方法1400可以配置为考虑观察者的两只眼睛。此外，尽管上面的某些描述可能涉及孔径宽度，但应当理解，瞳孔(以及用于观察实体的大多数其他孔径)是二维的，并且可以在这两个维度中的每个维度上改变尺寸。方法1400可以配置为考虑二维孔径尺寸及其变化。

根据本公开的主要方面，发明人发现每个虚拟图像点对应于显示设备上不同的主有贡献区域。发明人进一步认识到，这意味着来自虚拟图像的不同部分(即不同的虚拟图像点)的光沿着不同的光路通过系统。在图15A和15B所示的实施例中，发明人配置了系统，使得简单地说，(i)虚拟图像包括多个离散的虚拟图像分量或区域，以及(ii)每个虚拟图像分量的光与波导1508内不同数量的反弹/反射相关。

图15A示出了用于投影的图像1552，包括八个图像区域/分量V1至V8。图15A仅作为示例示出了八个图像分量，并且图像1552可被分成任意数量的分量。图15A还示出了编码光图案1554，其可以重构图像1552—例如，当被合适的观察系统的透镜转换时。编码光图案1554包括第一至第八子全息图或分量H1至H8，对应于第一至第八图像分量/区域V1至V8。图15A进一步示出了根据本公开计算的全息图如何通过角度有效地分解图像内容。因此，全息图的特征在于其执行的光引导。这在图15B中示出。具体而言，根据本公开的全息图将光引导到多个离散区域中。在所示的示例中，离散区域是盘，但也可以设想其他形状。在通过波导传播之后，最佳盘的尺寸和形状可以与观察系统的入射瞳孔的尺寸和形状相关。这种光引导仅因在此公开的确定全息图的特定方法而发生。

图15C示出了根据图15A和15B所示认识的改进的观察系统1500。图13的方法1300或图14的方法1400可以应用于图15A和15B所示的方案。

观察系统1500包括显示设备，其在该布置中包括LCOS1502。LCOS1502布置成显示包括全息图的调制图案(或“衍射图案”)，并将已经全息编码的光投射到眼睛1505，眼睛1505包括充当孔径1504的瞳孔、晶状体1509和充当观察平面的视网膜(未示出)。具有布置成照射LCOS1502的光源(未示出)。眼睛1505的晶状体1509执行全息图到图像的转换。

观察系统1500还包括位于LCOS1502和眼睛1505之间的波导1508。图15C中的投影距离可能相对较大。然而，如关于前面附图所述，波导1508的存在使得来自LCOS1502的所有角度内容能够被眼睛1505接收，即使在该相对大的投影距离处。这是因为波导1508以上面已经描述的方式充当瞳孔扩展器。

此外，在这种布置中，当LCOS1502已经根据这里描述的方法被编码时，波导1508可以相对于LCOS1502以一角度被定向，以便在来自LCOS1502的光和观察者将感知的虚拟图像之间建立独特的关系。波导1508的尺寸、位置和定位配置成确保来自虚拟图像的每个部分的光进入波导1508，并沿着其细长轴被引导，在波导1508的基本平面表面之间反弹。每当光到达第二平面表面(最靠近眼睛1505)时，一些光被透射，一些光被反射。

图15C示出了沿着波导1502长度的总共九个“反弹”点B0到B8。读者会注意到图像1552的中心保持空白。图15C示出了波导内第0到第9个光“反弹”或反射点B0到B8。尽管与图像(V1-V8)所有点相关的光在从波导1508的第二平面表面的每次“反弹”时被透射出波导，但只有来自图像的一个角度部分的光(例如V1至V8之一的光)具有使其能够从每个相应的“反弹”点B0到B8到达眼睛1505的轨迹。此外，来自图像的不同角度部分V1至V8的光从每个相应的“反弹”点到达眼睛1505。图15C示出了在每个“反弹”点发射的来自所有不同角度内容的光(由每个透射点处的多个短箭头表示)，但随后仅示出了各个角度内容到眼睛1505的光路，该光路将实际到达眼睛1505，因此将有助于观察者将从波导的该相应部分感知的虚拟图像的相应部分。例如，对于第零反弹B0，由波导1508透射的光被简单地折射，并且在其中不经历任何反射。第八子全息图H8的光从第零反弹B0到达眼睛。对于下一次反弹B1，由波导1502透射的光在透射之前在其中经历一次反弹。来自第七全息图H7的光从下一次反弹B1到达眼睛。这按顺序继续，直到由波导1508在最后一次反弹B8处透射的光在被透射并到达眼睛1505之前已经经历了八次反弹，并且包括根据第一全息图H1编码的光。

在图15所示的示例中，只有一个图像区域的光从每个反弹点到达眼睛。因此，当如本文所述确定全息图时，在虚拟图像的区域和它们在波导上的相关反弹点之间建立了空间相关性。在一些其他示例中，可能存在相对较小的重叠，使得图像的一个区域来自两个相邻的透射点，并因此包含在从波导向观察平面传播的两个相邻盘内。

因此，发明人的认识以及这里描述的方法和装置能够产生包括全息图的衍射图案(或光调制图案),当在LCOS或其他合适的显示设备上显示时，能够使光以多个“盘”或光束从其中有效地发射，每个盘或光束对应于(更具体地，编码)相应虚拟图像的不同的相应部分。

因此，本文描述了改进的方法和装置，其使得全息图能够被计算，并以当显示设备被合适的光源照射时，观察者能够看到清晰图像的方式显示在合适的显示设备上。观察者看到的图像可以没有重影，并且可以通过光的贡献而变得更亮，光的贡献通常会产生重影图像，而不是产生单个主图像。

这里描述的改进的方法和装置可以在各种不同的应用和观察系统中实现。例如，它们可以在平视显示器(HUD)中实现。在对其中形成虚拟图像的许多传统HUD的改进中，这里描述的改进的方法和装置可被实现用于在有限的图像距离处创建虚拟图像，该图像距离可以由合适的控制器选择和调谐，同时仍消除重影图像。

虽然这里已经讨论了虚拟图像，虚拟图像需要眼睛转换接收的调制光以形成感知的图像，但这里描述的改进的方法和装置可以应用于真实图像。

波导孔径

尽管上面的附图已经示出了单眼或单个“开口”或“入射瞳孔”，但这里描述的所有布置和方法都适用于具有多个入射瞳孔的观察系统，例如，最常见的是，适用于具有双眼的人类观察者。

发明人已经认识到，当如上所述计算目标图像的全息图时，包括根据观察系统的入射瞳孔来约束全息图，应该考虑观察系统具有多个入射瞳孔时的可能影响—例如当观察者用双眼观察全息重建的图像时。在实施例中，可以根据多个入射瞳孔中的一个入射瞳孔来约束全息图，但图像的一些或全部对于多个入射瞳孔中的一个或多个其他入射瞳孔也是可见的。在实施例中，可以根据多个入射瞳孔中的两个或更多个入射瞳孔来约束全息图。例如，可以计算两个子全息图并将其组合(例如相加)成单个全息图，用于在显示设备上显示，其中每个子全息图根据不同的相应入射瞳孔来约束。例如，可以根据相应的左眼图像和右眼图像来计算左眼全息图和右眼全息图，其中在计算期间根据观察者左眼的入射瞳孔来约束左眼全息图，并且在计算期间根据观察者右眼的入射瞳孔来约束右眼全息图。在实施例中，根据多个入射瞳孔中不同的相应入射瞳孔来约束的两个或更多个全息图可以彼此交错。换句话说，两个全息图可以快速连续地交替显示，使得观察者感知两个相应的图像基本同时形成。

发明人已经认识到，可以对从显示的全息图向观察系统传播的光施加额外的引导或控制，以便使其更适于被该观察系统的多个入射瞳孔接收。

如上文详细描述，当根据所述方法计算全息图并用诸如图15c所示的系统显示和传播时，在每个透射点-或“反弹点”，诸如图15c所示的B0到B8—与图像(V1-V8)所有点相关的光被透射出波导。图15A中图像1552的中间区域是空白的，因此在图15B中没有示出或标记与图像中间相关的全息图通道。因此，在图15C中，与透射点B4相关的光路可能不会将任何图像内容传递至观察系统。然而，对于单入射瞳孔观察系统，只有来自图像的一个角度部分的光(例如V1至V8中的每个的光)具有使其能够从每个相应的“反弹”点B0至B8到达眼睛1505的轨迹。此外，来自图像(V1到V8)的不同角度部分的光从每个相应的“反弹”点到达眼睛1505。因此，在图15c中，单个入射瞳孔1504被示出为接收图像的所有角度内容，但图像的每个角度部分来自波导1508上不同的相应反弹点。然而，本发明人已经认识到，如果观察系统具有两个或更多个入射瞳孔，则存在来自图像的相同角度部分的光将同时到达两个入射瞳孔的风险，因为图像的所有角度部分都在波导上的每个反弹点发射。例如，当观察系统是人并且多个入射瞳孔包括双眼时，右眼可以经由光路接收包括特定角度内容V_x的光，该光在第一数量B_y反弹之后从波导发射，并且左眼可以经由光路同时(或者基本同时，给定光速)接收相同的角度内容V_x，其在不同的第二数量反弹B_z之后从波导发射。这可能导致混淆，因为人脑—实际上，与任何非人类观察系统相关的处理器—并不期望在空间上彼此分离的两个入射瞳孔处以相同的角度同时接收图像的相同部分(即相同的图像内容)。相反，大脑(或其他处理器)会期望来自单个点或图像的单个部分的光被两个(或更多)入射瞳孔以不同的相应角度接收。

图16示出了本发明人已经解决的上述问题。图16示出了显示设备1602，该显示设备1602显示根据这里描述的方法计算的全息图。

显示设备1602由光源(未示出)照射。光被显示的全息图空间调制，并向波导1604传播。如关于先前附图详细描述，光在波导1604内折射。在折射之后，一些光在第一透射点(或“反弹点”)向观察者发射，而其他部分的光在透射之前在波导1604内被内部反射(或“反弹”)，光的相应部分在沿着波导1604的长度的不同的相应透射点(或“反弹点”)向观察者发射。

图16仅示出了由显示的全息图表示的图像的一部分(V_x)的光的光路1610。实际上，图像的其他部分的光也将从波导向观察者透射，但为了便于理解，在图16中省略了它们。应当理解，图像的其他角度部分的光将在波导1604上的反弹点和观察者之间沿着不同的相应光路行进，并且图像的每个(即每一个)角度部分的光将在波导上的每个(即每一个)反弹点向观察者发射。

图16示出了入射瞳孔平面1612和图像显示平面1614，入射瞳孔平面1612表示观察者眼睛的瞳孔所在的平面，图像显示平面1614表示在观察者眼睛的视网膜上形成图像的平面。图16还示出了第一标记1608和第二标记1606，第一标记1608指示哪一条光路1610正朝着观察者右眼的入射瞳孔行进并将穿过观察者右眼的入射瞳孔进入，第二标记1606指示哪一条光路1610正朝着观察者左眼的入射瞳孔行进并将穿过观察者左眼的入射瞳孔进入。可以看出，每只眼睛将仅接收多个光路1610中的一个光路的光，并且每只眼睛将通过相对于相应其他而不同的光路1610接收光，因为观察者的眼睛自然地在空间上彼此分离。然而，如上所述，图16所示的所有光路包括图像的相同(即共同)部分的光。因此，两只眼睛将以相同的入射角接收相同的图像内容，尽管通过不同的相应光路。本发明人已经认识到，这可能导致混淆，并且可能损害观察者感知的图像的清晰度。本发明人已经解决了这个潜在的问题，这将从下面的描述中理解。此外，尽管图16中仅示出了图像的一个角度部分的光的光路，但观察者的左眼和右眼也可以类似的方式同时接收图像的一个或多个其他角度部分的光。

图17示出了显示系统或光引擎，其包括波导1704和包含两个入射瞳孔的观察系统1710。在该示例中，观察系统1710是人类观察者，并且两个入射瞳孔分别是观察者左眼1706和右眼1708的一部分，然而这应当被视为非限制性的，并且本公开也适用于其他类型的观察系统。图17中省略了显示系统的其他部分。波导1704具有(基本)中心点1702，该中心点1702被限定在它的更靠近观察系统1710的大面上，其中限定在中心点1702处“沿波导的位置”(P_WG)等于零(P_WG＝0)。光轴由基本水平的虚线表示，从中心点1702延伸(在本例中为“z”方向)到观察系统1710。“x”轴由从中心点1702延伸的基本垂直于光轴的基本竖直线定义。波导1704布置成与x轴成角度“α”。在该示例中，观察者眼睛(在入射瞳孔平面上彼此空间分离)的瞳孔所在的入射瞳孔平面，基本平行于x轴。然而，本公开不限于图17的布置，也不限于其中任何特征的相对位置。例如，在实践中，观察者的眼睛可能不会精确地位于与从波导向观察者延伸的光轴垂直的公共入射瞳孔平面上。观察者眼睛在给定时间的位置可以由包含在显示系统内或与之通信的处理器计算或以其他方式获得。例如，可以采用任何合适的眼睛跟踪方法。

波导1704的那个面上的其他点的“沿波导的位置”(P_WG)可以根据它们相对于中心点1702的位置来定义。作为非限制性示例，从图17中的观察者1710来看，位于中心点1702右侧的任何点都可被赋予正(+)的P_WG值，P_WG的大小由中心点1702和另一个点之间沿波导面的距离来定义。相反，从图17中的观察者1710来看，位于中心点1702左侧的任何点都可被赋予负(-)P_WG值，P_WG的大小也由中心点1702和另一个点之间沿波导面的距离来定义。在中心点1702和入射瞳孔平面之间定义了基本平行于光轴的距离“D”。与观察者眼睛的入射瞳孔的大小相比，和/或与显示将由观察系统1710观察的图像的全息图的显示设备(未示出)的大小相比，距离“D”可以相对较大。例如，距离“D”可以是大约1000毫米(1000mm)。

可以看出，观察者的眼睛1706、1708自然地在空间上彼此分离。观察者眼睛的入射瞳孔之间的间隔可被称为“瞳孔间距离”(IPD)。在图17所示的示例中，右眼1708的入射瞳孔在沿着x轴的正(+)方向上偏离光轴和入射瞳孔平面的交点，而左眼1706的入射瞳孔在沿着x轴的负(-)方向上偏离光轴和入射瞳孔平面的交点。同样，这只是一个示例，而非限制性的。本发明人已经认识到，可以提供控制，使得可以考虑观察者两只眼睛的不同的相应位置(以及相应地，任何多入射瞳孔观察系统中的两个或更多入射瞳孔的不同的相应位置)，以确保图像的任何部分都不会被两只眼睛基本同时接收到。作为提醒，根据本公开的特殊类型的全息图通过角度有效地划分或分离图像内容(尽管在全息图域中)。

图18包括示出了本发明人做出的认识的曲线图，该认识应用于显示系统或光引擎，例如本文图15c、16或17所示的显示系统或光引擎。该图显示了面对观察者或观察系统的波导大面上的点沿波导的位置(P_WG)与从每只眼睛到波导上的点的角度之间的关系。在实施例中，波导相对于显示设备(即全息图)和/或观察系统的观察或入射瞳孔平面倾斜。

图18中的曲线图显示了两条线—一条1806用于观察系统的第一入射瞳孔，例如观察者的左眼，另一条1808用于观察系统的不同的第二入射瞳孔，例如观察者的右眼。可以看出，对于任何给定的光角度θ，存在沿波导第一位置P_WG1，光从该位置发射以到达左眼。对于该相同光角度θ，存在沿波导不同的第二位置P_WG2，光从该位置发射以到达右眼。因此，两只眼睛将在基本相同的时间接收相同的图像内容(即光的角度)，但来自波导的不同部分。这是发明人解决的问题的原因。

对应于图像的不同部分的所有光线(或光线束)从波导上的多个位置(即从多个“反弹点”)发射。因此，如果从波导的不同位置但以相同角度发射的两条或更多条空间调制光线基本同时进入两个入射瞳孔，则由两个入射瞳孔(例如由观察者的双眼)接收的图像内容将是相同的。这可能导致观察者混淆，并且可能抑制观察者看到或感知的图像质量。

因此，本发明人已经认识到，根据实施例，应当控制由多入射瞳孔观察系统的每个入射瞳孔接收的光。例如，多入射瞳孔观察系统的两个或更多入射瞳孔在相同角度对相同图像内容的光的同时接收应该减少，并且至少在某些情况下应该消除。此外，本发明人已经认识到，至少在一些情况下，应该防止多入射瞳孔观察系统的两个或更多入射瞳孔同时接收相同图像内容的光(即相同特定角度范围的光)。参照图19将会理解本发明人的解决方案，图19还示出了根据一示例的第一线1906和第二线1908，它们分别表示由观察者的左眼和右眼接收的光。

由于根据本公开所采用的特殊类型的全息图，图19中的每个角度对应于图像的不同部分。总之，发明人从他们对这种光学几何的分析中发现，可以识别波导的多个角度范围或“区域”(即子区域)，其中只有一只眼睛将接收到相应的图像内容。例如，在波导的区域2中，左眼可接收的光的角度范围与右眼可接收的光的角度范围不重叠。在任何区域中，一只眼睛可接收的最大角度小于另一只眼睛可接收的最小角度，从而没有重叠。但这些区域是无缝连接的，使得所有图像内容(即所有角度)都被传送到观察系统。换个角度来看，与图19中的区域2相关的角度范围从波导的第一子区域(即P_WG的第一范围)传递到第一只眼睛，该第一子区域与将相同角度内容传递到第二只眼睛的波导的第二子区域(即P_WG的第二范围)不重叠(但无缝连接)。第一子区域的末端(例如第一只眼睛的P_WG的上限)紧邻第二子区域的开始(例如另一只眼睛的P_WG的下限)，或者反之亦然。简而言之，由于系统的几何形状和全息图的性质，发明人发现存在波导的多个区域(即子区域),两只眼睛将从这些区域接收用图像的不同部分(关键的是，不重叠部分)编码的光。本领域的技术人员将理解，参照图19描述的方法近似于复杂的光学系统，并且例如入射瞳孔的有限尺寸可能仍允许眼睛之间的角度内容的一些串扰。然而，发明人已经发现，这种方法在识别波导孔径配置方面非常有效，该波导孔径配置显著降低了双眼之间的串扰，同时仍向双眼传送完整的图像内容。

更详细地，图19以举例的方式示出了4个不同的区域，其中每个区域(区域1、区域2、区域3、区域4)限定了将从波导向观察者发射的光的不同的相应角度范围。每个区域(区域1、区域2、区域3、区域4)对应于不同的相应角度通道，因此对应于不同的相应图像内容。换句话说，由于计算全息图的独特方式，每个区域代表图像的不同的相应部分，因此被认为对应于不同的图像内容。这些区域彼此相邻，并且彼此邻接，使得它们组合地覆盖构成图像的整个角度范围，并且因此组合起来提供观察者的大脑在接收到空间调制光时全息重建图像所需的所有图像内容。

本发明人已经认识到，对于图像的每个部分，因此对于每个区域，光应该优选地仅被允许由一个入射瞳孔接收(即由观察者的一只眼睛而不是两只眼睛接收)，以避免观察者混淆。值得注意的是，本发明人已经在波导和观察者之间的一个或多个选定位置设计了一种控制设备，以确保在任何给定时间，来自图像的每个部分(即每个角度)的光仅被观察者的一只眼睛接收。控制设备可以包括一个或多个开口或孔，以及一个或多个屏障或挡板。控制设备可被称为具有闭合部分和开放部分的“孔径”或“波导孔径”。波导孔径可以配置成使得观察者的第一只眼睛接收第二只眼睛不能接收的角度内容，反之亦然。

图19示出了处于第一相位1900A和第二相位1900B的示例性波导孔径1900。这些相位可被称为“配置”。本公开不限于附图中所示的特定相位。这些只是说明性的示例。

波导孔径1900显示在图19中的曲线图附近，图19中的曲线图类似于图18中的曲线图，以显示波导孔径1900将如何影响光，否则光将从全息图的区域1至4经由波导向观察者的眼睛传播。每个相位1900A、1900B代表一种可以应用的可能的波导孔径配置，以确保在任何给定时间只有一只眼睛接收每个区域的光。对于每个相位1900A、1900B，波导孔径1900包括“开放”部分和“闭合”部分，每个部分对应于沿着波导(P_WG)的位置范围(以毫米mm为单位),光可以从该位置发射。在实践中，波导孔径1900可以物理地位于波导附近，延伸穿过波导和观察者之间的光路，以选择性地允许和阻挡某些光路，如下详述。例如，如这里图22A、24A和25A所示，波导孔可以直接位于波导的前面。在这种布置中，波导孔径可以相对于入射瞳孔平面倾斜，例如它可以基本平行于波导的细长面。然而，也考虑了波导孔的其他位置和定向，这将提供类似的功能。

可以提供对应于任一相位1900A、1900B的固定波导孔径，其中固定波导孔径位于波导和观察者之间，以允许从沿波导的某些位置(P_WG)发射的光到达观察者，并阻挡来自沿波导的某些其他位置(P_WG)的光，如图19所示的开放(白色)和封闭(黑色)部分限定。可以提供多个不同的固定波导孔径，其中在给定时间，多个孔径中选定的一个可以与波导一起设置，以提供对波导和观察者之间的空间调制光的选定控制。可替代地，可以提供动态可重新配置的波导孔径，其在第一相位1900A和第二相位1900B之间交替。依次考虑每个相位，可以更详细地理解波导孔径1900，如下：

对于第一相位1900A，波导孔径在空间上被分成5个部分，每个部分限定沿波导(P_WG)的位置范围，其中这些部分交替地开放和闭合。更详细地，在图的左手侧限定第一开放部分1921。应当理解，诸如“左”、“右”等位置术语仅用于帮助理解图中所示的示例，而不应被视为限制。第一开放部分1921限定沿波导(P_WG)的右眼接收区域4的光的位置范围。左眼接收不到来自这个位置范围的任何光。从左向右移动，紧邻第一开放部分1921的是第一闭合部分1922，其限定沿波导(P_WG)的右眼可以接收区域3的光的位置范围。然而，因为它是闭合部分1922，所以它确保右眼不会接收到来自区域3的任何光。此外，第一闭合部分1922还覆盖了左眼可以接收来自区域4的光的位置范围。然而，同样，由于它是闭合部分1922，它确保左眼不会接收到来自区域4的任何光。进一步向右移动，紧邻第一闭合部分1922的是第二开放部分1923，其限定沿波导(P_WG)的左眼接收区域3的光的位置范围。此外，沿波导的相同位置范围是右眼接收区域2的光的范围。进一步向右移动，紧邻第二开放部分1923的是第二闭合部分1924，其限定沿波导(P_WG)的左眼将接收区域2的光的位置范围。然而，因为它是闭合部分1924，所以它确保左眼不会接收到来自区域2的任何光。此外，第二闭合部分1924还覆盖右眼将接收来自区域1的光的位置范围。然而，同样，由于它是闭合部分1924，它确保右眼不会接收到来自区域1的任何光。最后，紧邻第二闭合部分1924的是第三开放部分1925。它限定沿波导(P_WG)的左眼接收区域1的光的位置范围。右眼接收不到来自这个位置范围的任何光。因此，当波导孔径处于由第一相位1900A表示的配置时，来自每个区域的光被允许进入一只眼睛，而被阻止进入相应的另一只眼睛。因此，避免了复制接收的图像内容。

对于第二相位1900B，波导孔径再次在空间上被分成5个部分，限定与第一相位1900A中的相应部分相同的沿波导(P_WG)的相应位置范围，但在第二相位1900B中，当从左向右看时，这些部分交替地闭合和开放，如图19中限定。更详细地：第一闭合部分1921’防止来自区域4的光进入右眼。它不影响左眼，因为左眼没有接收到来自这个位置范围的任何光。向右移动，紧邻第一闭合部分1921’的是第一开放部分1922’。它允许来自区域4的光进入左眼，并允许来自区域3的光进入右眼。再次向右移动，紧邻第一开放部分1922’的是第二闭合部分1923’。它防止来自区域3的光进入左眼，并防止来自区域2的光进入右眼。再次向右移动，紧邻第二闭合部分1923’的是第二开放部分1924’。它允许来自区域2的光进入左眼，并允许来自区域1的光进入右眼。再次向右移动，紧邻第二开放部分1924’的是第三闭合部分1925’。它阻止来自区域1的光进入左眼。因此，波导孔径的两个相位的功能总结在下面的表1中。

仅作为示例，实施例描述了其中第一和第二孔径配置相反(即完全互补)的布置。控制设备的相位完全互补并不重要。在这里描述的其他实施例中，特别是当充分考虑每个入射瞳孔的有限尺寸时，使用更复杂的配置和相位。

表1

图20是目标图像2000的示例，根据这里描述的方法为其计算全息图，以形成包括全息重建的虚拟图像。目标图像2000被分成4个区域，每个区域具有各自不同的图像内容。因此，当全息图被适当地显示和照射时，显示设备和波导发射的空间调制光包括4条不同的光线(或光线束，或角度通道)，每条光线具有唯一的相应角度范围，并且每条光线包括图像的不同的相应部分。

全息图是这样计算的，它按角度划分图像内容。可以使用各种不同的方法来计算这样的全息图。一般来说，可以说全息图是根据观察系统的至少一个入射瞳孔来约束的。全息图的表征特征是将图像内容按角度分成通道。根据实施例，使用点云方法计算全息图，如上所述，该点云方法使用要生成的虚拟图像的各个虚拟图像点来计算全息图。然而，该方法仅通过示例的方式进行描述，并且可以使用计算以图像内容的角度通道为特征的全息图的其他方法。在利用非限制性示例点云方法的实施例中，每个虚拟图像点可以对应于显示设备和观察系统的入射瞳孔之间的光的一个光线角度。每个虚拟图像点可被视为单独的图像分量。在实施例中，虚拟图像的区域可以包括单个虚拟图像点或多个虚拟图像点。在实施例中，两个或更多个相邻的虚拟图像点可以包括在虚拟图像的区域内，其中该区域的角度范围包括分别对应于该区域内包括的各个虚拟图像点的所有角度。

为了成功地控制到达观察者(或观察系统)的每只眼睛(或入射瞳孔)的内容，其中每只眼睛(或入射瞳孔)占据不同的相应观察位置，这里公开的波导孔径的每个部分(即每个区域)限定可以从每个观察位置接收的最大光线角度和最小光线角度—例如当观察系统是具有两只眼睛的人类观察者时，从每只眼睛接收。为了避免观察位置之间(例如两只眼睛之间)接收的全息图内容的重叠，对于每个区域，第一只眼睛位置的最大光线角度小于第二只眼睛位置的最小光线角度。如果两个观察位置配置成接收来自两个相邻区域的内容，则第一眼睛位置的最大光线角度基本等于第二眼睛位置的最小光线角度。例如，波导孔径可以配置为使得第一观察位置接收对应于直到并包括其最大光线角度(θ_max1)的角度范围中的内容的空间调制光，并且第二观察位置接收对应于大于但不等于θ_max1直到第二眼睛位置的最大光线角度(θ_max2)的角度范围中的内容的空间调制光。

图21示出了上述内容，其中示出了波导孔径的开放部分2100，波导孔径的其余部分未示出。开放部分2100应该相对于波导(未示出)定位，以允许从P_WG1和P_WG2之间沿波导的突出位置范围(P_WG)从波导发射的任何光朝向观察者通过。因此，它允许来自区域2的光进入左眼，如第一线2106所示，并允许来自区域1的光进入右眼，如第二线2108所示。区域2的角度范围显示为从最小角度2106_MIN延伸到最大角度2106_MAX。类似地，区域1的角度范围显示为从最小角度2108_MIN延伸到最大角度2108_MAX。如图21中的水平虚线所示，区域2且因此左眼的最大角度2106_MAX等于区域1且因此右眼的最小角度2108_MIN。因此，从区域2的下限2106_MIN到区域1的上限2108_MAX的整个角度范围被覆盖，其中区域1和2中的图像的每个部分空间调制的光被一只眼睛或另一只眼睛通过开放部分2100接收。

图22A示出了工作中的波导孔径2250。波导孔2250设置在波导2204的前面，即在光学上的下游，波导2204设置为显示系统或光引擎的一部分。显示系统的其他元件未示出。例如，显示系统还包括显示设备，该显示设备配置为显示如本文所述计算的全息图，并且被合适的光源照射。观察者位于波导孔径2250的光学下游，观察者左眼2206和右眼2208的入射瞳孔限定“x”方向上的入射瞳孔平面。观察者的眼睛2206、2208之间的间隔限定为x方向上的“瞳孔间距离”(IPD)。波导孔径2250正好设置在波导2250的前面，并且基本平行于波导2250，使得两者都相对于入射瞳孔平面倾斜。

波导2250的开放部分2251示出为允许光从沿着波导(P_WG)的预定位置范围朝向观察者发射。在实施例中，波导孔中将有一个以上的开放部分，但为了便于理解，图22A中仅示出了一个。如上关于图21所述，波导孔径2250允许第一角度范围内的光从开放部分2251发出并到达右眼2208，并允许不同的第二角度范围内的光从开放部分2251发出并到达左眼2206。熟练的读者将理解，在实践中，光也可以从波导2204发射，并且也可以其他角度穿过波导孔2250的开放部分2251，但仅示出的两个角度范围包括来自开放部分2251的光，该光将到达观察者的一只或另一只眼睛。

图22B示出了目标图像2000的区域1的图像内容，使用图22A的系统，其光将被传递到观察者的左眼。图22C示出了目标图像2000的区域2的图像内容，其光将被传递到观察者的右眼。如熟练的读者将理解，观察者的大脑(可替代地，非人类观察系统中的处理器)可以组合从每只眼睛(或者其他入射瞳孔)接收的图像内容，以便同时“看到”两个区域。然而，由于观察者两只眼睛的视角不同，至少在某些情况下，每个区域中包含的图像内容实际上对于每只眼睛应该略有不同。

根据实施例，根据本公开，为其计算全息图并且全息重建的“目标图像”对于每只眼睛是不同的。因此，为每只眼睛分别计算的对应于图像的全息图实际上可以是不同图像的全息图。换句话说，为左眼计算的全息图是对应于当从左眼视角观察时的图像的全息图，相反，用于右眼的全息图是对应于当从右眼视角观察时的图像的全息图。

因此，本发明人已经认识到，每个区域内包含的图像内容对于每只眼睛(或者对于任何其他多孔径观察系统的每个孔径)可以是不同的。因此，根据实施例，本文公开的波导孔径可以配置为在窄时间窗内向每只眼睛提供所有区域的光，使得大脑(或与非人类观察系统相关的处理器)感知到每只眼睛基本同时接收到其相应图像的所有全息图内容。

根据实施例，波导孔径可以是动态可配置的，和/或可以提供不止一个波导孔径或其他控制设备，其中合适的控制器可以动态地控制波导孔径的不同相应配置之间的切换，和/或不同控制设备之间的切换。优选地，这应该非常快地完成，例如比人眼的典型积分时间更快。这种切换使得由控制设备在两个相位发射的所有空间调制光能够在非常短的时间窗口内被观察者接收到，使得观察者感觉到它已经被同时接收到。

图23A示出了观察者左眼所需的图像，该图像被分成4个区域，分别标记为L1、L2、L3和L4。图23B示出了观察者右眼所需的图像，该图像被分成4个区域，分别标记为R1、R2、R3和R4。为了确保双眼在短时间窗口内接收到所有期望的图像内容，但没有图像内容被双眼在完全相同的时间以相同的角度接收到，提供了诸如波导孔径的控制设备，其配置为在彼此互补的第一相位和第二相位之间动态切换。图23C示出了用于相位1的全息图计算的目标图像，图23D示出了用于相位2的全息图计算的目标图像。也就是说，图23C中的目标图像用于计算在相位1期间重建的第一全息图，而图23D中的目标图像用于计算在相位2期间重建的第二全息图。所使用的目标图像确保每只眼睛接收到适合其图像位置/视角的内容。

从图24A到24C可以更全面地理解第一相位。波导孔径2450在第一相位布置成第一配置2400A，具有3个开放部分2451、2453、2455和两个闭合部分2452、2554。波导孔径2450设置在显示系统或光引擎中，其类似于图22A的系统，其中波导孔径2450相对于由观察者的左眼2406和右眼2408限定的入射瞳孔平面倾斜，使得波导孔径2450基本平行于波导2404，波导2450从波导2404接收空间调制光。未示出显示系统的其他方面，例如显示如本文所述计算的一个或多个全息图的显示设备。在第一相位，第一开放部分2451允许右眼视图图像的区域1的光到达右眼，因此接收到图像内容“R1”。第二开放部分2453允许来自右眼视图图像的区域3的光到达右眼，因此接收到图像内容“R3”。第二开放部分2453还允许来自左眼视图图像的区域2的光到达左眼—因此，接收到图像内容“L2”。最后，第三开放部分2455允许来自左眼视图图像的区域4的光被左眼接收，因此，接收到图像内容“L4”。因此，在第一相位，图24B示出了由右眼2408接收的图像内容，而图24C示出了由左眼2406接收的图像内容。

从图25A到25C可以更全面地理解第二相位。波导孔径2450处于第二相位2400B，具有两个开放部分2452’、2454’和三个闭合部分2451’、2453’、2455’。此外，显示系统的其他方面将在实践中出现，但没有在图25A中示出。在第二相位，第一开放部分2452’允许右眼视图图像的区域2的光到达右眼，因此接收到图像内容“R2”。第一开放部分2452’还允许左眼视图图像的区域1的光到达左眼，因此接收到图像内容“L1”。第二开放部分2454’允许右眼视图图像的区域4的光到达右眼，因此，接收到图像内容“R4”。最后，第二开放部分2454’还允许左眼观察图像的区域3的光被左眼接收，因此，接收到图像内容“L3”。因此，在第二相位，图25B示出了由右眼2408接收的图像内容，而图25C示出了由左眼2406接收的图像内容。

可以控制波导孔径2450在第一和第二相位之间快速切换，例如比人眼的典型积分时间更快，使得观察者在每个相位接收到的相应图像内容(分别如图23C和23D的组合所示)彼此交错。因此，观察者感觉到他们用两只眼睛看到了完整的图像，每只眼睛根据其位置从自己独特的视角观察。然而，观察者不会感觉到图像恶化，也不会遇到任何混淆，这种混淆是在同一时间以同一角度用两只眼睛实际接收共同的或重叠的图像内容所造成的。因此，如本文所述，控制设备与计算的全息图结合工作，为观察者创建清晰和准确的全息构造图像。它以简单而有效的方式做到了这一点。

发明人发现，上述工作实施例可以通过基于每个入射瞳孔中心的几何形状来充分确定。在下面参照图26至30描述的进一步改进中，发明人考虑了入射瞳孔的有限尺寸。根据这些实施例，图像质量被进一步提高，并且多个观察系统之间的图像串扰被进一步降低甚至消除。本领域技术人员将会理解，下述方法可以如何用于响应于例如眼睛或头部位置和/或瞳孔大小的变化，实时动态地重新配置控制设备和孔径装置。由控制设备提供的孔径配置是可重新配置的软件，因此在此公开的系统也可以响应于观察系统的参数比如两个观察系统之间的间隔(例如人类观察者的瞳孔间距)来调整自身。

在一些实施例中，对瞳孔直径进行测量(例如通过眼睛跟踪系统)，并且这被用作快门控制系统的一部分。例如，驾驶员的瞳孔可能有很大不同。环境光线较亮时，瞳孔直径会较小。这里公开的系统的优点是，在明亮的条件下，当瞳孔直径相对较小(例如2mm)时，需要较少的“闭合”孔径面积来消除眼睛串扰。这是有利的，因为这意味着整体效率(向观察者传播的光量)相对较高。因此，在本公开的快门系统和图像显示器尤其是车辆中的平视显示器之间存在极好的协同作用。

图26至30示出了根据另一实施例的更复杂的快门方案。这些图示出了在动态快门的操作过程中，快门区域的大小以及位置如何变化。可以实现任意数量的不同快门方案，以便确保图像的任何部分都不会同时被多个观察位置(例如眼睛位置)接收到。同样，这是通过确保来自波导瞳孔扩展器的每个光角度在任一时刻仅到达一个观察位置(例如一只眼睛)来实现的。图28至30仅通过举例的方式示出了一个实施例，其中三种不同的快门配置在操作过程中依次实施(例如循环实施)。

图26示出了对应于图28至30所示的三相动态快门方案的几何配置。图26示出了空间光调制器2600，其显示一个或多个图像的全息图(例如根据图23C或23D的两个不同的分区图像)。图26还示出了波导瞳孔扩展器2604，在该示例中，是杆的形式。波导瞳孔扩展器2604布置成接收来自空间光调制器2600的空间调制光。根据显示的全息图对接收的光进行空间调制。动态快门形式的控制设备2650接收来自波导瞳孔扩展器2604的输出面的光。如上所述，波导瞳孔扩展器2604有效地复制接收到的光，使得光沿着其长度在多个点发射。

穿过控制设备2650的一些光到达多个视点中的一个视点。在这个示例中，有两个观察点。第一观察系统包括位于第一观察点的第一入射瞳孔2609A和第一光传感器2611A。第二观察系统包括位于第二观察点的第二入射瞳孔2605B和第二光传感器2607B。

图26示出了一示例快门配置，其中仅作为示例提供了五个离散的快门区域。每个快门区域可独立控制为透射或不透射(例如吸收或反射)从杆的相应子区域接收的光。从下文中可以理解，控制设备是可重新配置的，使得快门区域的数量、大小和位置可以在一组快门配置的快门配置之间变化，这些快门配置被设计成将整个图像内容传送到相应的观察位置。从前面的实施例中可以理解，通过控制区域传送到第一观察位置的图像内容不一定与通过控制设备传送到第二观察系统的图像内容相同。

在该实施例中，控制设备2650依次包括第一快门区域2651、第二快门区域2652、第三快门区域2653、第四快门区域2654和第五快门区域2655。在该实施例中，穿过控制设备2650的第二快门区域2652的第一光2662A和穿过控制设备2650的第四快门区域2654的第二光2664A到达第一观察系统。穿过控制设备2650的第四快门区域2654的第三光2664B到达第二观察系统。从前面的描述可以理解，该系统配置成使得特定角度的光在特定时间被传送到观察位置。每个光线角度对应于图像的不同部分，尽管是在全息域中编码的。没有光线角度同时传递到两个或所有的观察系统(例如眼睛)。

在图26中，空间光调制器2600、波导瞳孔扩展器2604、控制设备2650以及第一和第二观察系统是基本共面的。系统的光轴位于单个平面上。直线将控制设备2650的中心连接到第一和第二观察系统之间的中点。在该实施例中，波导瞳孔扩展器和控制设备是基本细长的，并且在杆的长轴和控制设备的长轴之间有角度。该角度位于包含系统光轴的平面上。

在图26所示的配置中，控制设备的第二快门区域2652和第四快门区域2654被操作为透射或至少基本透射，而第一、第三和第五快门区域2651、2653和2655被操作为不透射或至少基本不透射。

在该实施例中，已经充分考虑了与该对观察系统中的每个观察系统(例如每只眼睛)相关的入射瞳孔的有限尺寸。图27是与图18类似的样式图，但对应于图26的几何配置和入射瞳孔2609A和2605B，代表具有瞳孔间距和有限瞳孔尺寸的一对人眼。图27示出了到每个观察系统/眼睛中心的角度，该角度是沿着波导的位置的函数。图27为每只眼睛绘制了三条线。线2703对应于入射瞳孔2609A的中心，线2701和2705对应于系统平面上入射瞳孔2609A的两个相对边缘。线2709对应于入射瞳孔2605B的中心，线2707和2711对应于系统平面上入射瞳孔2605B的两个相对侧。

基于这种几何形状，发明人已经确定了一种动态快门方案，该方案消除了具有有限瞳孔大小的两只眼睛之间的串扰。在该实施例中，动态快门方案包括三个相位或配置或阶段。也就是说，使用三种不同的快门布置/图案来重建每个全息图。三个快门装置按时间顺序形成。因此，可以说不同的布置是时间交错的。然而，本公开不限于三种不同的快门布置，并且在本公开的范围内可以设想任何数量的不同快门布置。

图28示出了第一相位，其中只有控制设备的第一区域2850配置为不透射的。图29示出了第二相位，其中只有控制设备的第二区域2950配置为不透射的。前面的第一区域2850的边界在图29中示出仅仅是为了帮助理解。第一区域2850和第二区域2950在不同的时间形成，但部分重叠(在空间上)。图30示出了第三相位，其中控制设备的第三区域3051和第四区域3052配置为不透射的。前面的第二区域2950的边界在图30中示出仅仅是为了帮助理解。读者应该理解，在快门相位循环期间，阻挡/不透射或未阻挡/透射的控制设备的总面积不是恒定的。

控制设备在这里被描述为“波导孔径”，但可以使用任何合适的控制设备来提供这里描述的功能。诸如波导孔径的控制设备可以由任何合适的材料形成。例如，它可以包括一个液晶器件或多个液晶器件，比如阵列，每个液晶器件可以在不透明和透射之间切换。例如，控制设备可以包括“智能玻璃”或“可切换玻璃”,当施加电压、光或热时，其光透射特性可以改变。控制设备可以由任何合适的处理器或控制器控制。为了与显示设备上多个不同全息图的动态显示协调或同步，例如为了重建不同的相应目标图像和/或适应观察者或观察系统的移动，可以快速改变其配置。

这里公开的控制设备可以采取许多不同的形式。在一些实施例中，控制设备包括多个例如2D阵列单独可控的光接收/处理元件，例如像素。在一些实施例中，控制设备包括像素化液晶设备或显示器。在一些实施例中，元件或像素可在连续的组中操作，以形成本文公开的透射和非透射快门区。每组像素可以在例如透射的第一模式和例如反射的第二模式之间切换。本领域技术人员熟悉如何控制像素化显示设备，以便在操作中例如实时改变像素组或区域的大小和位置，每个区域对光具有不同的响应。每个区域都大于设备的像素大小。因此，每个区域可以包括多个像素。本领域技术人员同样熟悉如何结合像素化液晶设备来实现诸如偏振器和波片之类的光学部件，以提供可重新配置的光快门。仅作为示例，控制设备可以利用偏振选择，但基于光的其他表征属性的其他方案同样适用。在一些实施例中，控制设备包括像素化液晶显示器，并且可选地，其他光学元件被共同配置成透射具有第一偏振的光并且吸收或反射具有第二偏振的光，可选地，其中第一偏振和第二偏振相反或互补。为了避免疑问，根据形成图像的光的特性，例如偏振和波长，可以使用任何数量的不同光学系统来形成控制设备，因此本公开不受控制设备的构造的限制。因此，应当理解，这里公开的控制设备由其功能而不是其结构来定义。

控制设备是动态可重新配置的。在一些实施例中，控制设备是像素化的。也就是说，控制设备包括可单独控制的像素阵列。每个像素可以包括例如可在透射状态和非透射状态之间配置的液晶。根据本公开内容识别的像素边缘和理想孔径区域边缘之间的任何对准缺陷可以通过让太多或太少的光通过来处理。也就是说，通过在区域配置中“打开”另一行像素或者“关闭”另一行像素。在包括三个或更多个孔径相位的实施例中(例如当充分考虑每个入射瞳孔的有限尺寸时)，控制设备具有足够的分辨率或像素数量，使得界面处的像素总是能够阻挡光。

上文描述的示例不应被视为限制性的。例如，观察系统可以具有两个以上的观察孔径或入射瞳孔。例如，可以将图像(以及相应地，计算出的全息图和得到的全息再现图像)分成任意数量的区域，从而产生任意数量的空间调制光的相应角度通道。例如，控制设备已被描述为在第一和第二相位之间切换，但它可以配置为在多于两个相位之间切换。例如，控制可以有四个相位。根据一实施例，控制设备的一个相位(例如每个相位)可以使得光仅被传送到一只眼睛(或观察孔径)。根据一实施例，控制设备的一个相位(例如每个相位)可以使得光仅被传送到多于一只眼睛(可替代地，多于一个观察孔径)。

对于每个相位，接收图像内容的区域的数量和/或区域的大小不需要相同。换句话说，控制设备的一些相位可以比一些相应的其他相位传递更多的图像内容。类似地，当控制设备的多个相位彼此交错时，两只眼睛不需要在每个相位或总共接收彼此相同量的图像内容。例如，取决于它们的相对位置和/或其他因素，一只眼睛可能比相应的另一只眼睛看到更多的图像内容。

包括如本文所述的诸如波导孔径的控制设备的显示系统可以配置成一个接一个地和/或在不同的相应时间显示多个不同的图像。因此，这种系统中的显示设备可以配置成显示不同的相应全息图，有时是快速连续地显示。不同的图像可能具有不同数量的区域。此外，在不同的相应图像之间，区域的大小可以不同。类似地，一个图像的区域的光线可以由相对于不同的第二图像的区域的光线的不同角度来定义。控制设备可以配置为动态可调节的，以适应区域的数量和/或大小的变化。换句话说，沿着波导的精确位置(P_WG)可能不是固定的，在该精确位置，控制设备从开放改变到闭合，反之亦然。取而代之的是，控制设备可以配置成动态地改变控制设备从开放变为闭合的沿着波导的位置(P_WG)。因此，由控制设备提供的开放和闭合部分的总数可以变化。这些部分中的一个或多个的单独尺寸也可以变化。

该系统可以配置为显示图像序列，例如图像的视频速率序列。每个图像可以对应于具有诸如50或60Hz的帧速率的帧序列中的一帧。每个帧可以包括多个子帧。例如，子帧速率可以是帧速率的4或8倍。对于每个连续的子帧，显示的全息图可以改变。每个子帧可被认为是单独的显示事件。每个子帧可以对应于图像或图像的至少一部分。虽然实施例已经示出了在每个显示事件中向双眼传送光，但本公开不限于此。例如，光引擎可以配置为在每个显示事件中仅向一只眼睛/入射瞳孔传递光。波导孔径的配置(即开放和闭合孔径/开口的尺寸和/或分布)可以在每个显示事件或每n个显示事件中改变，其中n是整数。同样，虽然所描述的实施例已经示出了在显示事件期间通过每个孔径/开口传递的相邻图像内容，但本公开不限于这种情况，并且通过每个孔径传递的图像内容可以不是相邻图像内容。在一些实施例中，每个显示事件/孔径配置只有一个角度范围的光被传递到一只眼睛。在一些实施例中，控制系统配置为依次向每个眼睛/入射瞳孔传递光。

如先前在本公开中已经描述，可以针对观察孔径的特定尺寸和位置，例如针对观察者眼睛的入射瞳孔的特定尺寸和位置，计算目标图像的全息图。如果诸如入射瞳孔直径或位置之类的约束条件发生变化，则可以重新计算全息图，即使此时要重建的目标图像(以及因此观察者将看到或感知的图像内容)保持不变。每个全息图不需要具有相同数量或大小的区域，即使两个全息图代表相同的目标图像。

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。

本公开的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。

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。

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 (25)

1.一种光引擎，其布置成形成从观察窗可见的图像，其中，光引擎包括：

显示设备，其布置为显示图像的全息图并根据该全息图对光进行空间调制，其中全息图配置为根据图像内容的位置对图像的空间调制光进行角度分布，使得空间调制光的角度通道对应于图像的相应连续区域；

波导瞳孔扩展器，其布置成接收空间调制光，并为空间调制光提供从显示设备到观察窗的多个不同的光传播路径；以及

设置在波导和观察窗之间的控制设备，其中控制设备包括至少一个孔径，所述孔径布置成使得观察窗内的第一观察位置接收由全息图根据图像的第一区域进行空间调制的第一光通道，并且观察窗内的第二观察位置接收由全息图根据图像的第二区域进行空间调制的第二光通道。

2.如权利要求1所述的光引擎，其中，所述第一区域和第二区域是图像的相邻区域。

3.如前述权利要求中任一项所述的光引擎，其中，所述空间调制光的相邻角度通道对应于图像的相邻区域。

4.如前述权利要求中任一项所述的光引擎，其中，所述图像的第一区域和第二区域基本不重叠。

5.如前述权利要求中任一项所述的光引擎，其中，所述图像是在所述显示设备上游感知的虚拟图像。

6.如前述权利要求中任一项所述的光引擎，其中，所述控制设备偶接联接到所述波导瞳孔扩展器的输出面。

7.如前述权利要求中任一项所述的光引擎，其中，所述控制设备限制从所述观察窗可见的波导输出面的面积。

8.如前述权利要求中任一项所述的光引擎，其中，所述波导瞳孔扩展器和观察窗不平行。

9.如前述权利要求中任一项所述的光引擎，其中，所述控制设备包括至少一个开口，比如多个开口，其中，每个开口为所述第一观察位置和/或所述第二观察位置提供相应的空间调制光通道，使得不同的图像内容基本同时分别传递到所述第一和第二观察位置。

10.如权利要求9所述的光引擎，其中，相应的通道不重叠但连续。

11.如权利要求9或10所述的光引擎，其中，所述控制设备配置为使得每个开口可在开放位置和闭合位置之间切换，从而提供多个不同的控制设备配置，其中每个控制设备配置包括交替的开放和闭合开口序列。

12.如权利要求11所述的光引擎，其中，所述控制设备配置为在第一时间提供第一控制设备配置，在第二时间提供第二控制设备配置，其中第一控制设备配置和第二控制设备配置是互补的。

13.如权利要求12所述的光引擎，其中，所述第一时间和第二时间之间的时间间隔小于人眼的积分时间。

14.如前述权利要求中任一项所述的光引擎，其中，由所述控制设备提供的第一控制设备配置将根据图像的第一和第三图像区域调制的光传送到所述第一观察位置，并将根据图像的第二和第四图像区域调制的光传送到所述第二观察位置，其中第一至第四区域是图像的有序连续区域。

15.如前述权利要求中任一项所述的光引擎，其中，由所述控制设备提供的第二控制设备配置将根据图像的第二和第四图像区域调制的光传送到所述第一观察位置，并将根据图像的第一和第三图像区域调制的光传送到所述第二观察位置。

16.如权利要求14或15所述的光引擎，其中，所述第一至第四图像区域中的任何一个被传送到第一观察位置时的图像内容与所述第一至第四图像区域中的相应一个被传送到第二观察位置时的图像内容不相同。

17.如前述权利要求中任一项所述的光引擎，其中，所述第一观察位置和第二观察位置是观察者的第一和第二眼睛位置，并且所述观察窗是眼盒。

18.如权利要求9至17中任一项所述的光引擎，其中，在所述控制设备内，至少一个开口的尺寸和/或位置是动态可变的。

19.一种控制光引擎中的光传播以形成从观察窗可见的图像的方法，其中光引擎包括显示设备、波导瞳孔扩展器和包括观察窗的观察系统；该方法包括：

在显示设备上显示图像的全息图；

照射显示设备以根据全息图对光进行空间调制，其中全息图配置为根据图像内容的位置对图像的空间调制光进行角度分布，使得空间调制光的角度通道对应于图像的相应连续区域；

布置波导瞳孔扩展器以接收空间调制光，并为空间调制光提供从显示设备到观察窗的相应多个不同的光传播路径；以及

使用设置在波导和观察窗之间的控制设备来控制多个不同光传播路径的传播，其中控制设备包括至少一个孔径；

其中，控制多个不同光传播路径的传播的步骤包括配置控制设备，使得观察窗内的第一观察位置接收由全息图根据图像的第一区域进行空间调制的第一光通道，并且观察窗内的第二观察位置接收由全息图根据图像的第二区域进行空间调制的第二光通道。

20.如权利要求19所述的方法，还包括计算图像的全息图。

21.如权利要求19或20所述的方法，其中，配置控制设备的步骤包括允许光透过控制设备的第一部分，并阻止光透过控制设备的不同的第二部分。

22.如权利要求1至18中任一项所述的光引擎或如权利要求19至21中任一项所述的方法，其中，所述波导瞳孔扩展器包括多个透射点，并且其中，所述多个不同光传播路径中的每个从不同的相应透射点透射。

23.如权利要求22所述的方法，还包括：

i.识别第一透射点，在没有所述控制设备的情况下，第一角度通道的光将从该第一透射点传播到所述第一观察位置；

ii.识别不同的第二透射点，在没有控制设备的情况下，第一角度通道的光将从该第二透射点传播到所述第二观察位置；以及

iii.配置控制设备以在选定时间(t)阻挡第一角度通道到第一观察位置的光路或者第一角度通道到第二观察位置的光路。

24.如权利要求23所述的方法，其中，步骤(iii)包括在选定时间段内，交替地阻挡第一角度通道到第一观察位置的光路和阻挡第一角度通道到第二观察位置的光路。

25.如权利要求19至24中任一项所述的方法，还包括识别图像内的多个连续区域，其中每个连续区域对应于不同的相应角度通道的光，并且配置所述控制设备以在选定时间段内允许所述多个连续区域内的第一子集连续区域的光仅透射到所述第一观察位置，并且允许所述多个连续区域内的不同的第二子集连续区域的光仅透射到第二观察位置。

Images