CN115997176A - 全息显示系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种全息显示器，包括：照明源，所述照明源至少部分地相干；多个显示元件，所述多个显示元件被定位成接收来自所述照明源的光并且彼此间隔开，每个显示元件包括一组至少两个子元件；以及调制系统，所述调制系统与每个显示元件相关联并且被配置为至少调制所述多个子元件中的每个子元件的相位。

Description

全息显示系统和方法
技术领域
本发明涉及全息显示系统和操作全息显示系统的方法。
背景技术
计算机生成的全息图(CGH)是已知的。与仅针对幅度调制的传统显示器上显示的图像不同，CGH显示器调制相位，并且产生保留从观察位置的深度信息的图像。
已经提出了CGH显示器，该CGH显示器为观察者的瞳孔产生具有足够尺寸的图像平面。在此类显示器中，计算的全息图是观察者瞳孔的区域中某处的复杂电场。该位置处的大部分信息存在于相位变化中，因此显示器可以通过将空间光调制器(SLM)重新成像到瞳孔上来使用仅相位SLM。此类显示器需要相对于眼睛小心定位，以确保图像平面大致与瞳孔平面重合。例如，CGH显示器可以安装在头戴式耳机或面盔中，以将图像平面定位在相对于用户眼睛的正确位置。将CGH显示器扩展到覆盖用户的两只眼睛迄今为止集中于包含两个SLM或显示器的双目显示器，每只眼睛一个SLM或显示器。
虽然双目显示器允许体验真实的立体CGH图像，但是期望单个全息显示器显示在从不同位置观察时看起来不同的图像。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种全息显示器，其包括：照明源，该照明源至少部分地相干；多个显示元件和调制系统。该多个显示元件被定位成接收来自照明源的光并且彼此间隔开，其中每个显示元件包括一组至少两个子元件。该调制系统与每个显示元件相关联，并且被配置为至少调制该多个子元件中的每个子元件的相位。
通过调制构成每个显示元件的子元件的相位，子元件可以结合成发射器，该发射器在从不同位置观察时表现为具有不同幅度和相位的点发射器。这样，可以根据需要控制用于观察的不同位置的定位。例如，用于观察的位置可以是预先确定的或基于输入诸如来自眼睛位置跟踪系统的输入来确定。因此，可以使用软件或固件通过调制来移动或调整观察位置。一些示例可以将观察位置的这种基于软件的调整与观察位置的基于物理或硬件的调整相结合。其他示例可能没有基于物理或硬件的调整。因此，双目全息图像可以由单个全息显示器生成，从而允许CGH应用于更大面积的显示器，诸如具有至少为10cm的对角测量值的显示器。该技术还可以应用于较小面积的显示器，例如，其可以简化双目CGH头戴式耳机构造。在双目CGH显示器中，其可以允许在控制系统层面而不是机械地或光学地执行瞳孔间距(IPD)的调整。
此类全息显示器具有创建稀疏像场的效果，从而允许更大的视场，而不会过度增加所需子元件的数量。此类稀疏像场可以包括间隔开的子元件组，其中子元件占据的图像区域小于25％、小于20％、小于10％、小于5％、小于2％或小于1％。
可以使用各种不同的调制系统，包括透明液晶显示(LCD)系统或SLM。LCD系统允许线性光学路径，并且可以适于控制相位和幅度。
部分相干的照明源优选地具有足够的相干性，使得来自每个显示元件内的相应的子元件的光可以彼此干涉。部分相干照明源包括基本上完全相干的照明源，诸如基于激光的照明源，以及包括一些不相干分量但仍足够相干以生成干涉图案的照明源，诸如超发光二极管。照明源可以包括单个光发射器或多个光发射器，并且具有足以照亮多个显示元件的照明区域。可通过扩大光发射器来形成适当尺寸的照明区域，诸如通过：(i)使用波导/全息光学元件的瞳孔复制；(ii)楔形物；或(iii)局部发射器，诸如局部二极管。可用于提供适当尺寸照明区域的一些具体示例包括：
·在全息波导中使用的瞳孔复制全息光学元件(HOE)，诸如在“Holographicwaveguide heads-up display for longitudinal image magnification and pupilexpansion”中描述的，Colton M.Bigler、Pierre-Alexandre Blanche和Kalluri Sarma，Applied Optics，第57卷，第9期，2018年3月20日，第2007-2013页。
·使用全内反射将光保持在波导内部的楔形波导，诸如在“Collimated lightfrom a waveguide for a display backlight”中描述的，Adrian Travis、Tim Large、Neil Emerton和Steven Bathiche，Optics Express，第17卷，第22期，2009年10月15日，第19714-19719页；
·由光学系统(诸如准直微透镜阵列)准直的多个激光二极管或超发光二极管。
一些示例包括光学系统，该光学系统被配置为通过减小每个显示元件内的该组子元件的尺寸使得该组子元件彼此之间间隔得比它们与紧邻的显示元件的子元件间隔得更近来生成该多个显示元件。该光学系统可以被配置为通过减小显示元件内的子元件的尺寸而不减小相邻显示元件的中心之间的间隔来生成该多个显示元件。这可以允许其中所有子元件以基本上相等的间隔分开的阵列(诸如可以为LCD制造)被重新成像以形成显示元件。在此类重新成像之后，显示元件内的子元件彼此之间间隔得比它们与紧邻的显示元件的子元件间隔得更近。可以使用任何合适的光学系统，示例包括多个微透镜、衍射光栅或针孔掩模。在一些示例中，光学系统将子元件的尺寸降低至少二分之一、至少五分之四或至少十分之九。
光学系统可以包括光学元件阵列。在一个示例中，光学元件阵列具有与显示元件的间隔相同的间隔，每个光学元件产生显示子元件的下层阵列的减少尺寸的图像。
在一些示例中，调制系统被配置为调制多个子元件中的每个子元件的幅度。这允许用于控制每个子元件的另外的自由度。单个集成调制系统可以控制相位和幅度两者，或者可以提供单独的相位和调制元件，诸如用于幅度和相位的堆叠的透明LCD调制器。幅度和相位调制可以以任何顺序提供(即光学路径中幅度优先或相位优先)。
每个显示元件可以由具有维度n乘m的二维子元件组组成，其中n和m是整数，n大于或等于2，并且m大于或等于1。可以控制此类矩形或正方形阵列，使得每个子元件的输出结合以在每个观察位置处给出不同的幅度和相位。一般来讲，对于显示器的每个可能的观察位置，需要两个自由度(幅度或相位变量)。
对于双目显示器需要两个观察位置(每只眼睛一个观察位置)。因此，当n等于2，m等于1，并且调制系统被配置为调制每个子元件的相位和幅度时(给出四个自由度)，可以形成双目显示器。另选地，当n等于2，m等于2，并且调制系统被配置为调制每个子元件的相位时，可以形成双目显示器。这同样具有四个自由度，并且由于不需要幅度调制，因此构造起来可能更简单。通过在每个显示元件内包括更多的子元件来增加自由度超过四个，可以允许进一步的用例，例如从单个显示器支持两个或更多个观察者。
全息显示器可以包括会聚系统，该会聚系统被布置成将全息显示器的输出朝向观察位置引导。当显示器的尺寸大于观察平面的尺寸时，这对于将来自显示元件的光输出朝向观察平面引导是有用的。例如，会聚系统可以是菲涅耳透镜或与每个显示元件相关联的单独元件。
还可以包括被配置为限制子元件的尺寸的掩模。这可以减小子元件的尺寸，并且增加可寻址的观察区域。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括如上所述的全息显示器和控制器的设备。控制器用于控制调制系统，使得每个显示元件在从第一位置观察时具有第一幅度和相位，并且在从第二位置观察时具有第二幅度和相位。可以从另一个装置向控制器供应用于控制的相关参数，使得控制器驱动调制元件，但是控制器本身不计算要由显示器表示的期望像场所需的输出。另选地或附加地，控制器可以接收用于显示的数据的图像，并且计算所需的调制参数。
一些示例可以包括被配置为确定第一位置和第二位置的眼睛定位系统。这可以允许最少的用户交互来观察双目全息图像，并且减少对显示器处于相对于用户的预先确定的位置的需要。眼睛定位系统可以提供与相对于已知位置的第一位置和第二位置(诸如相对于屏幕处于预先确定的位置的相机)相对应的眼睛的坐标。
在其他示例中，该设备可以将观察者的预先确定的位置假定为第一位置和第二位置。例如，该设备可以大致处于观察者前方的固定位置，或者可以引导观察者站在特定位置。在另一个示例中，观察者可以提供输入来调整第一位置和第二位置。
根据本发明的第三方面，提供了一种显示计算机生成的全息图的方法。该方法包括控制多组子元件的相位，使得每组内的子元件的输出结合以在第一观察位置处产生相应的第一幅度和第一相位，并且在第二观察位置处产生相应的第二幅度和第二相位。这样，可以在不同位置以不同方式感知每组子元件，从而实现从单个显示器进行双目观察。虽然第一幅度和相位与第二幅度和相位通常不同，但是在某些情况下它们可以基本上相同，例如当表示远离观察位置的点时。
如上文针对第一方面所讨论的，对于每个观察位置，需要子元件组中的两个自由度。如果只控制相位，双目观察至少需要四个子元件。在一些示例中，控制还包括控制多组子元件的幅度。这可以允许进一步的自由度，从而实现来自针对幅度和相位两者受控的两个子元件的两个观察位置。
第一位置和第二位置可以是预先确定的或者以其他方式从系统的输入接收。在一些示例中，该方法可以包括基于从眼睛定位系统接收的输入来确定第一观察位置和第二观察位置。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于全息显示器的光学系统。如上所述，该光学系统被配置为通过减小每个显示元件内的一组子元件的尺寸使得该组子元件彼此之间间隔/布置/定位得比它们与紧邻的显示元件的子元件间隔/布置/定位得更近来生成多个显示元件。在该特定方面，光学系统被配置为使得其在第一维度和第二维度(诸如分别沿着第一轴线和第二轴线)中具有不同的放大率，其中第一维度中的第一放大率小于/低于第二维度中的第二放大率。
此类光学系统允许第二维度中的放大率相对于第一维度增加，从而增加显示器可以从其观察的沿第二维度的位置范围。在特定示例中，第一维度是水平维度，并且第二维度是垂直维度。这有效地增加了沿第二维度的可寻址观察区域。
随着放大率在垂直维度上的增加，垂直观察位置的范围可以增加，这意味着观看者/观察者可以在增加的垂直范围上观察显示器。相比之下，第一维度中的放大率通常受到观看者瞳孔之间对向的角度的约束，因此受到瞳孔间距离(IPD)的约束，并且因此通过观察者眼睛对向的典型角度保持固定。这在全息显示器用于单个取向的情况下特别有用。
因此，在特定示例中，第一维度在使用中基本上是水平的。第一维度可以由第一轴线定义，并且第一轴线被大致布置成平行于在观看者的瞳孔之间延伸的轴线。第二维度可以垂直于第一维度，并且可以是垂直的或基本上垂直的维度。第二维度可以由第二轴线定义。第三维度或第三轴线垂直于第一维度/轴线和第二维度/轴线两者。第三维度/轴线可以平行于观看者的瞳孔的瞳孔轴线。例如，第一轴线可以是x轴，第二轴线可以是y轴，并且第三轴线可以是z轴。
在一些示例中，光学系统包括光学元件阵列，并且每个光学元件包括第一透镜表面和第二透镜表面，并且第一透镜表面和第二透镜表面中的至少一者在第一平面(由第一维度和第三维度限定)中具有与在第二平面(在第二维度和第三维度中限定)中不同的曲率半径。换句话说，第一表面可以由第一平面中的第一曲率半径的弧限定，该第一平面然后围绕(第一维度的)第一轴线旋转，在第二平面中具有第二曲率半径(第一半径和第二半径不同)。该表面也可以通过在第三维度(沿着第三轴线)中具有变形来描述，并且可以由ax2+by2来描述，其中a不等于b。
第一透镜表面和第二透镜表面沿着光学元件的光轴间隔开。第一透镜表面被配置为当来自照明源的光进入光学元件时接收该光。
控制透镜表面的曲率允许控制该特定透镜表面的焦距，这继而控制光学元件的放大率。通过设置特定的曲率，可以配置放大率，使得第二放大率大于第一放大率。在特定示例中，每个透镜表面在第一平面中具有曲率半径，并且在第二平面中具有不同的曲率半径。
在不同平面中具有不同曲率的示例性透镜表面是复曲面透镜。因此，第一透镜表面和第二透镜表面中的至少一者是复曲面透镜表面。
改变一个平面中透镜的曲率也可以改变该平面中透镜的焦距。因此，如果透镜表面在两个不同的平面中具有不同的曲率，则透镜表面与两个不同的焦距相关联，其中焦距与每个平面相关联。因此，在一个示例中，第一透镜表面和第二透镜表面分别与第一平面(由第一维度和第三维度限定)中的第一焦距和第二焦距相关联，并且第一放大率由第一焦距和第二焦距的比率限定。类似地，第一透镜表面和第二透镜表面分别与第二平面(由第二维度和第三维度限定)中的第三焦距和第四焦距相关联，并且第二放大率由第三焦距和第四焦距的比率限定。
因此，更具体地，可以通过控制第一焦距和第二焦距的比率以及第三焦距和第四焦距的比率来控制放大率。
在特定示例中，第二维度中的第二放大率至少为15。在另一个示例中，第二维度中的第二放大率大于2。在一个示例中，第二维度中的第二放大率小于约30，诸如大于约2且小于约30，或者大于约15且小于约30。在一个示例中，第一维度中的第一放大率在约2和约15之间。在另一个示例中，第二维度中的第二放大率小于约30，诸如大于约3且小于约30。在另一个示例中，第一维度中的第一放大率在约3和约15之间。
根据本发明的第五方面，提供了一种包括根据第四方面的光学系统的全息显示器。
根据本发明的第六方面，提供了一种包括根据第五方面的全息显示系统的计算装置。在使用中，全息显示器的水平轴线被布置成基本上平行于第一维度。因此，在此类计算装置中，通常在一个取向上观察显示器，并且观察者的眼睛与显示器的水平轴线大致对准。
根据本发明的第七方面，提供了一种用于全息显示器的光学系统，该光学系统被配置为通过减小每个显示元件内的一组子元件的尺寸使得该组子元件彼此之间定位得比它们与紧邻的显示元件的子元件定位得更近来生成多个显示元件。该光学系统包括光学元件阵列，每个光学元件包括：(i)第一透镜表面，该第一透镜表面被配置为接收具有第一波长的光和具有不同于第一波长的第二波长的光；以及(ii)第二透镜表面，该第二透镜表面与第一透镜表面在光学路径中。第一透镜表面包括在光学上适于第一波长的第一表面部分和在光学上适于第二波长的第二表面部分。第一透镜表面和第二透镜表面可沿着光学元件的光轴间隔开。例如，光入射到第一透镜表面上，在穿过第二透镜表面并朝向观看者之前行进穿过光学元件。在一个示例中，可以存在发射每个波长的光的单独的发射器。在另一个示例中，存在发射多个波长的单个发射器，该多个波长然后穿过被配置为通过特定波长的光的滤波器。
此类系统至少部分地补偿光穿过光学元件时的波长相关行为。通过提供不同的表面部分，其中每个表面部分适于特定波长的光，可以更精确地控制不同波长的光，使得光可以聚焦到空间中基本上相同的点(靠近观看者)。当发射器相对于第一透镜表面定位成使得来自每个发射器的光大致入射到第一透镜表面的特定部分上时，这是特别有用的。当子元件具有不同的颜色(波长)时，这种波长相关的控制提高了图像质量。
第一表面部分可以不在光学上适于第二波长，并且第二表面部分可以不在光学上适于第一波长。第一表面可以是不连续的，并且因此在第一表面部分和第二表面部分之间包括台阶形轮廓。
在一个示例中，第一表面部分通过具有第一曲率半径而在光学上适于第一波长，并且第二表面部分通过具有第二曲率半径而在光学上适于第二波长。如上所述，表面曲率控制光学元件的焦距，从而允许控制每个波长的焦点的位置。不同波长的焦点可以是重合的或分开的，这取决于期望的效果。
在一些示例中，第一透镜表面对于具有第一波长的光具有第一焦点，并且第二透镜表面对于具有第一波长的光具有第二焦点，并且第一焦点和第二焦点是重合的。类似地，第一透镜表面对于具有第二波长的光具有第三焦点，并且第二透镜表面对于具有第二波长的光具有第四焦点，并且第三焦点和第四焦点是重合的。通过在空间中重叠第一焦点和第二焦点(以及第三焦点和第四焦点)，可以提高图像质量。
在一个示例中，每个光学元件的第一透镜表面被进一步配置为接收具有不同于第一波长和第二波长的第三波长的光。第一透镜表面还包括在光学上适于第三波长的第三表面部分。例如，第一波长可以对应于红光，第二波长可以对应于绿光，并且第三波长可以对应于蓝光。因此，可以提供全色全息显示器。在一个示例中，第一波长在约625nm和约700nm之间，第二波长在约500nm和约565nm之间，并且第三波长在约450nm和约485nm之间。
根据本发明的第八方面，提供了一种用于全息显示器的光学系统，该光学系统被配置为：(i)通过减小每个显示元件内的该组子元件的尺寸使得该组子元件彼此之间定位得比它们与紧邻的显示元件的子元件定位得更近来生成多个显示元件；以及(ii)将穿过光学系统的光朝向观察位置会聚。
此类系统允许显示器(与观察区域相比较大)将光从显示器的边缘朝向观察区域引导。在该系统中，这种会聚是通过光学系统实现的，因此不需要附加的部件。
在特定示例中，光学系统包括光学元件阵列，每个光学元件包括具有第一光轴的第一透镜表面和具有第二光轴的第二透镜表面，并且其中第一光轴从第二光轴偏移。已经发现，第一透镜表面和第二透镜表面之间的光轴的这种偏移导致光朝向观察区域会聚。例如，第二光轴可以在朝向阵列中心的方向上偏移。在特定示例中，更靠近显示器的边缘定位的光学元件(在其第一光轴和第二光轴之间)具有比更靠近显示器的中心定位的光学元件的偏移更大的偏移。这种更大的偏移将光弯曲到更大的程度(即，来自每个单独的光学元件的光线仍然被准直地发射，但是对于更靠近显示器的边缘的光学元件，来自光学元件的光线通过更大程度地弯曲远离光轴而被朝向观察位置引导)，这是期望的，因为光学元件更远离显示器的中心。在阵列的维度上测量偏移(即，平行于第一轴线和第二轴线中的一者)。在一些示例中，偏移仅存在于阵列上的一个维度中(诸如沿着第一轴线)。如果阵列是矩形形状，则这可能是有用的，因此偏移可能仅沿着显示器的最长维度(诸如沿着布置在景观中的矩形显示器的第一轴线)存在。
在一个示例中，偏移可以在约0μm和约100μm之间，诸如在约1μm和约100μm之间。
在一个示例中，在使用中，第二透镜表面被布置成面向观察者，并且第一透镜表面被布置成面向照明源。
在另一个示例中，光学系统包括光学元件阵列，其中每个光学元件包括第一透镜表面和沿着穿过光学元件的光学路径与第一透镜表面间隔开的第二透镜表面，并且其中第一透镜表面以第一间距跨阵列分布，并且第二透镜表面以第二间距跨阵列分布，该第二间距小于第一间距。同样，这种间距差异意味着系统可以将光从显示器的边缘朝向观察区域引导。第一间距被定义为相邻第一透镜表面的中心之间的距离。第二间距被定义为相邻第二透镜表面的中心之间的距离。透镜表面的中心可以对应于透镜表面的光轴的位置。
本发明的另外的特征和优点将从下面仅通过举例方式给出的、参考附图进行的本发明优选实施方式的描述中变得显而易见。
附图说明
图1是远离观察者眼睛的瞳孔平面定位的CGH图像的图形表示。
图2是重新成像子元件组以形成在一些示例中使用的显示元件的原理的图形表示。
图3是示例性全息显示器的图形表示。
图4是另一个示例性全息显示器的图形表示。
图5是包括图3或图4的显示器的设备的示意图。
图6描绘了与图3和图4的显示器一起使用的2×1显示元件的示例性几何形状。
图7是使用图6的显示元件的显示器的可能观察位置的图形表示。
图8、图9和图10是可如何控制显示元件在不同观察位置产生不同幅度和相位的图形表示。
图11是可以与图3或图4的显示器一起使用的示例性控制方法。
图12是根据一个示例的光学系统的图形表示。
图13是光学元件在第一平面中的横截面，以示出表面曲率。
图14是光学元件在第二平面中的横截面，以示出表面曲率。
图15是光学元件阵列在第一平面中的横截面，以示出光朝向区域的会聚。
图16是光学元件在第一平面中的横截面，以示出光轴的偏移。
图17是光学元件在第一平面中的横截面，以示出适于特定光波长的表面部分。
具体实施方式
基于SLM的显示器通常用于计算观察者瞳孔区域某处的复杂电场。然而，可以为任何平面诸如在屏幕平面中计算复杂电场。远离瞳孔平面，大部分图像信息是幅度而不是相位，但是仍然需要控制相位来保持散焦。这在图1中示意性地示出。瞳孔平面102主要包含相位信息。虚拟图像平面104主要包含幅度信息，但也可以具有相位信息，例如以对图像上的散射轮廓进行编码。屏幕平面106主要包含幅度信息，具有相位编码焦点。虽然为了清楚起见，在图1中示出了单个虚拟图像平面104，但是可以包括附加的深度层。
假设在点网格上对每个平面的场进行采样，这些点中的每个点都可以被视为具有给定相位和幅度的点源。将瞳孔平面102作为限制孔径，描述场所需的点的总数与平面的位置无关。对于宽度为w的正方形瞳孔平面，水平角θx和垂直角θy的视场可以通过用具有近似维度为wθx/λ乘wθy/λ的点网格进行采样来显示。
如果观察者的眼睛位置是已知的，例如通过跟踪用户眼睛的位置或将屏幕定位在相对于眼睛的已知位置，则可以计算CGH，如果有足够的点光源可用于生成图像，则CGH可以正确地显示在瞳孔平面处。可以以任何合适的方式来管理眼睛跟踪，例如通过使用相机系统(诸如可以用于生物面部识别的相机系统)来跟踪用户眼睛的位置。相机系统可以例如使用结构化光、多个相机或飞行时间测量来返回深度信息，并且在3D空间中定位观察者的眼睛，从而确定瞳孔平面的位置。
这样，通过确保瞳孔平面足够大以包括观察者的两个瞳孔，可以制作双目显示器。代替双目头戴式耳机的两个显示器，单个显示器可以用于双目观察，其中每只眼睛感知不同的图像。制造此类双目显示器是具有挑战性的，因为对于典型的视场来说，给出足够大以包括观察者的两只眼睛的瞳孔平面所需的点发射器的数量极其大(数十亿个点源的数量级)。
CGH显示器可以通过时分复用红色、绿色和蓝色分量并使用视觉暂留来显示信息，使得这些分量被观察者感知为组合彩色图像。根据以上讨论，在此类系统中对于瞳孔平面的给定尺寸所需的点数将由于不同的波长而对于红色、绿色和蓝色图像中的每个图像而变化(λ在等式wθx/λ乘wθy/λ中的存在)。对于每种颜色具有相同数量的点是有用的。在这种情况下，将绿色波长设置为期望的瞳孔平面尺寸设置了中点，其中红色和蓝色图像平面分别略大于和略小于绿色图像平面。
对于单眼显示器，瞳孔平面可以是10mm乘10mm，使得在该平面内存在眼睛移动的一些空间。这可能导致眼睛定位的一些不准确性。显示器中使用的典型绿色波长为520nm，并且视场可能为0.48乘0.3弧度，这与在60cm的距离观察16:10、33cm(13英寸)的显示器类似。由此产生的网格将是(10mm×0.48)/520nm＝9230点宽乘(10mm×0.3)/520nm＝5769点高。因此，所需的点发射器总数约为5300万个。缩放到具有足以覆盖两只眼睛的瞳孔平面的更大显示器需要显著更大数量的点发射器：50m×100m的瞳孔平面将需要大约27亿个点发射器。虽然可以通过限制视场来减少点发射器的数量，但所观察的所得全息图会变得非常小。
能够用较少数量的点发射器显示双目全息图将是有用的。
如下文将更详细描述的，实施方式控制在显示器内包括子元件组的显示元件，使得显示元件从不同观察位置被感知为具有不同幅度和相位的点源。子元件组在显示元件的图像平面内较小，其中显示元件之间的间隔较大。结果是稀疏填充的图像平面，其中点源通过显示元件之间的总间隔彼此间隔开。假设每个显示元件具有至少四个自由度(可以控制的相位和/或幅度变量的数量)，则单个显示器实际上可以被驱动以产生指向观察者眼睛的两个较小的瞳孔平面。随着子元件组和/或自由度的增加，支持同一显示器的多个观察者也变得可能。例如，八自由度显示器可以产生四个定向图像平面，从而支持两个观察者(四只眼睛)。
产生示例中使用的显示元件的一种方式是对基本上等距间隔的子元件的阵列进行重新成像，以形成显示元件。图2中示意性地示出了将子元件组重新成像为更小的尺寸。在左边，阵列202包括多个子元件204，可以控制该多个子元件来调制光场。如果在没有重新成像的情况下控制阵列202，则阵列将对应于图1的屏幕106，因此对于10mm乘10mm的图像平面，其可能包括5300万个图像元素204。在示例中，阵列202被重新成像，使得形成包括子元件组的显示元件。如图2所示，每个显示元件由2×2的正方形组成，其中子元件的尺寸减小以占据显示元件区域的较小部分，但是组之间的间隔保持不变。
阵列202被重新成像为显示元件的阵列206，该阵列包括尺寸减小的子元件的组208，但是在组的中心之间的间隔与原始阵列202中的相同。换句话说，重新成像阵列206中包括稀疏的像素簇，其中簇之间的间距比原始间距宽，但是簇中重新成像像素之间的间距比原始间距小。通过这种重新成像，可以获得更宽的有效视场的益处而不增加总的像素计数，因为可以控制显示元件内的各个子元件，以在从不同位置观察时看上去为具有不同幅度和相位的点发射器。
现在将描述显示器的示例性构造，其中像素组被重新成像为较宽像场内稀疏填充的点源。图3是全息显示器的分解示意图，该全息显示器包括相干照明源310、幅度调制元件312、相位调制元件314和光学系统316。
相干照明源310可以具有任何合适的形式。在该示例中，其是全息波导中使用的瞳孔复制全息光学元件(HOE)。使用时分复用控制相干照明源310发射红光、绿光或蓝光。其他示例可以使用其他背光来提供至少部分相干光。
图3的示例具有用作照明源的一部分并覆盖整个区域的单个相干光发射器，替换的构造可以提供一起对图像区域进行照明的多个相干光发射器。例如，可以在相应位置注入多个激光，以提供足够的照明面积。使用多个光发射器的示例还可以具有单独地或按区域控制相干光发射器的能力，从而实现降低的功率消耗和/或增加的对比度。
幅度调制元件312和相位调制元件314两者都是液晶显示(LCD)层，它们被堆叠和对准，使得它们的组成元件处于相同的光学方向。每个都由具有与下面的像素图案匹配的透明电极的底板、接地面和一个或多个波片/偏振膜组成。幅度调制LCD是众所周知的，并且相位调制LCD可以通过改变偏振元件来制造。在论文“Phase-only modulation with atwisted nematic liquid crystal display by means of equi-azimuth polarizationstates”，V.Durán、J.Lancis、E.Tajahuerce和M.Fernández-Alonso，Optics Express，第14卷，第12期，第5607-5616页，2006年6月12日中讨论了如何制造相位调制LCD的一个示例。
在该实施方式中，光学系统316是微透镜层。微透镜阵列可以通过平版印刷工艺制造以产生印模，并且已知用于其他目的，诸如在数字图像传感器上提供更大的有效填充因子。这里，微透镜阵列包括用于要被重新成像的每组子元件的一对正透镜。这些透镜的焦距分别为f1和f2，从而使尺寸以f1/f2的因数减小。在该示例中，尺寸减小到十分之一，在其他示例中可以使用其他减小因子。为了在显示元件之间提供所需的间隔，每个微透镜具有穿过子元件组的几何中心的光轴。一个此类光轴318在图3中被描绘为虚线。
其他示例可以使用除微透镜阵列之外的替代光学系统。这可以包括衍射光栅，以实现期望的聚焦或屏蔽掩模，诸如具有被定位在显示元件的每个角处的小直径孔径的阻挡掩模。阻挡掩模可能比微透镜阵列更容易制造，但阻挡掩模的效率较低，因为大部分相干照明源被阻挡。
在图3中还可以看到相位调制元件314表面上的掩模320。这减小了每个子元件的尺寸，并且增加了可寻址的观察区域。这是因为来自每个子元件的发射圆锥的角度与子元件的发射宽度成反比。在其他示例中，可以省略掩模或者在另一位置提供掩模。掩模的其他位置包括在相干照明源和幅度调制元件312之间，以及在幅度调制元件312上。
图3中的示意性描述是为了帮助理解，并且元件之间的间隔不是必需的。例如，相干照明源310、幅度调制元件312、相位调制元件314和光学系统316之间可以基本上没有空间。还应当理解，相位调制元件和幅度调制元件可以以任何顺序布置在光学路径中。
图3描绘了全息显示器的线性布置，但是其他布置可以包括图像折叠部件。例如，为了允许使用包括微镜阵列的SLM或其他类型的反射型SLM作为相位调制元件，可以提供折叠光学路径。
在屏幕与预期观察区域相比较大的示例中，则每组成像元件可以具有固定的附加相位梯度，以将一组成像元件的发射圆锥朝向标称观察区域引导。可以通过在光学系统316中的每个微透镜上包括类似于菲涅耳透镜的附加楔形轮廓，或者通过在将光会聚到标称观察位置的相干照明源310上包括球面项(也称为球面相位轮廓)来提供相位梯度。球面项赋予相位延迟，该相位延迟与从屏幕中心起的半径的平方成比例，球面透镜提供相同类型的相位轮廓。对于预期观察区域与屏幕尺寸相比较大的显示器，每组成像元件的发射圆锥可以足够大，使得不需要赋予附加相位梯度的元件。
一些示例可以包括附加的非相干照明源，诸如可以与幅度调制元件相结合作为传统屏幕操作的发光二极管(LED)。在此类示例中，显示器可以用作传统的非全息显示器和全息显示器两者。
图4中描绘了另一个示例性显示器构造。这与图3的构造相同，不具有幅度调制元件。该构造包括：相干照明源410、相位调制元件414和具有与图3中所讨论的那些元件相同构造的光学系统416。图4的显示器可以比具有幅度调制元件的显示器更容易构造，因为不需要对准和堆叠两层调制元件。在该示例中，每组成像元件包括可以在相位中被调制的四个成像元件，使得实现支持两个观察位置所需的四个自由度。
在使用中，可以向图3或图4的显示器提供相干照明源310、幅度调制元件312和相位调制元件314的调制值，以实现期望的全息图像。例如，可以计算这些值，以实现特定瞳孔平面位置的期望输出图像。
图3和图4的显示器也可以形成包括处理器的设备的一部分，该处理器接收用于显示的三维数据，并且确定如何针对观察位置驱动显示器。图5描绘了此类设备的示意图。显示系统包括处理系统522，该处理系统具有用于接收三维图像数据、编码颜色和深度信息的输入524。可以跟踪观察者眼睛位置的眼睛跟踪系统526向处理器522提供眼睛位置数据。眼睛跟踪系统可通过商购获得，或者可以使用编程库诸如OpenCV(开源计算机视觉库)结合相机系统来实现。可以通过使用至少两个相机、结构化光和/或观察者IPD的预先确定的数据来提供三维眼睛位置数据。显示系统528从处理器接收信息以显示全息图像。
在使用中，处理系统522经由输入524接收输入图像数据，并且从眼睛跟踪系统526接收眼睛位置数据。使用输入图像数据和眼睛位置数据，处理系统计算相位调制元件(和幅度调制元件，如果存在)的所需调制，以在被定位在观察者眼睛处的确定的瞳孔平面处创建表示图像的像场。
现在将描述显示器向两个不同观察位置提供不同相位和幅度的操作。为了清楚起见，将描述2×1子元件组的情况，其中每个子元件可以在幅度和相位上被调制。这提供了四个自由度(两个相位和两个幅度变量)，以使得能够从第一位置以第一相位和幅度以及从第二位置以第二相位和幅度查看该组子元件。
如上面参考图2所解释的，光学系统对来自照明源的调制信号进行重新成像，使得子元件组的尺寸减小，但彼此保持相同的间隔。图6中描述了具有2×1子元件组的显示元件的这种重新成像的几何形状。
每个子元件或发射区域601、602具有相关联的复幅度U1和U2。控制每个子元件或发射区域的幅度和相位以产生点显示元件，当从瞳孔平面的第一位置观察时，该点显示元件表现为具有第一相位和幅度的点源，并且当从瞳孔平面的第二位置观察时，该点显示元件同时表现为具有第二相位和幅度的点源，瞳孔平面的第一位置和第二位置对应于观察者眼睛的确定位置。从光学系统输出的尺寸减小的子元件之间的间距是2a，该间距从整体图像的中心线612到成像元件601、602的中心测量。维度a由图6中的箭头604示出。显示元件的间距b由图6中的箭头606描绘。维度b是成像元件组之间的间隔。在该示例中，显示元件是正方形的，其中每个成像元件具有由图6上的箭头608描绘的矩形维度宽度c，以及由图6上的箭头610描绘的高度d。
这些维度a、b、c和d一起如下控制显示器的特性。发射区域的间距2a(由箭头604描绘)控制该组的视在值随观察位置变化的速度。对于该示例，最大和最小可能视在强度之间的对向角是λ/4a，并且因此当观察者的瞳孔间距离(IPD)对向λ/4a的角度时，即在距离z＝IPD.4a/λ处，显示器最有效地操作。内容可被显示的效率随着远离该位置而降低。在0.5z时，不再可能为每只眼睛显示不同的场景。因此，a的值对于相对近的显示器(诸如可在头戴式耳机中使用的显示器)可能不同于旨在在更远的地方观察的显示器(诸如对于便携式计算装置可能有用的显示器)。
组的间距b(由箭头606描绘)确定瞳孔的角度尺寸，瞳孔的角度尺寸由λ/b给出。因此，较低的b值增加瞳孔尺寸，但是需要更多数量的显示元件来实现相同的视场。
发射区域的维度c和d(分别由箭头608和610描绘)确定像素组的发射圆锥，其中在角度θx＝λ/c和θy＝λ/d处为零点。当接近这些零点时，图像质量降低，因此保持可接受的图像质量需要在减小的区域中操作，保持与零点足够的距离，使得图像质量保持可接受。减小c和d，使得像素组的尺寸进一步减小，这增加了该组的发射圆锥角，但是以降低的光学效率为代价。
这些约束对可视图像的相互作用如图7所示。具有该组像素的显示器位于位置702。根据减少的发射区域之间的间距2a，对于最有效的操作，观察者位于距位置702的由线704(示出为距包含位置702的屏幕平面的直线)示出的距离z＝IPD.4a/λ处。随着观察者接近屏幕，不再可能在由线706示出的距离z＝IPD.2a/λ处向每只眼睛供应不同的幅度和相位。水平视角θx＝λ/c由角度708描绘。垂直视角θy＝λ/d由角度710描绘。线706和由视角708、710形成的圆锥一起限定可以为观察者形成两个不同瞳孔图像的区域。实际上，图像质量在接近这些边界处降低，因此具有可接受图像质量的区域较小，如虚线区域712所示。
从该讨论中，还可以理解包括在一些示例中的掩模320的益处。子元件中心之间的距离由IPD和观察距离z决定，等式为IPD/z＝θ_IPD＝λ/4a。在没有掩模320的情况下，c＝2a，因此θx＝2×θ_IPD，从而给出2×IPD的可寻址观察宽度。为了使可寻址的观察宽度更宽，有必要使c<2a，这可以通过使用掩模320来进一步减小子元件的尺寸来提供。
在使用中，根据图8、图9和图10所示的原理控制该组子元件。存在两个目标位置，标记为点802的p1和标记为点804的p2。p1和p2的位置是预先确定的或根据眼睛定位系统的输入确定的。要求显示元件表现为与从p1看到的复幅度V1的点源等效，并且表现为与从p2看到的复幅度V2的点源等效。对于显示元件内的每个成像元件，从成像元件的中心到目标位置的矢量分别是s11、s12、s21和s22，在图8中标记为806、808、810和812。作为U1、U2、s11、s12、s21和s22的函数来计算p1和p2处的复幅度。另外，计算由被定位在距p1的矢量位移r1＝(s11+s21)/2(如图9中的902所示)处的复幅度V1的点源引起的复幅度，并且还计算由被定位在距p2的矢量位移r2＝(s12+s22)/2(如图10中的1002所示)处的目标复幅度V2的点源引起的复振幅。然后找到U1和U2的值，其提供与在p1处由V1引起以及在p2处由V2引起的目标复幅度相等的复幅度。
通过考虑线性的麦克斯韦方程组(电场是可叠加的)以及光如何从成像元件的孔径的成像元件传播的已知模型(诸如夫琅和费或菲涅耳衍射方程)，可以解析地计算这些方程的解。在其他示例中，可以例如使用迭代方法对方程进行数值求解。
虽然这个示例已经讨论了2×1子元件组的幅度和相位的控制，但是所需的四个自由度也可以由仅由相位调制的2×2子单元组提供。
虽然该示例已经讨论了幅度和相位独立的控制(换句话讲，每个子元件有两个自由度)，但是其他示例可以用一个自由度控制相位和幅度，而不必保持相位或幅度恒定。例如，相位和幅度可以在U1和U2的可能值的Argand图中绘制一条线，其中一个自由度限定该线上的位置。在这种情况下，所需的四个自由度可以由2×2子元件组提供。
图11中描绘了控制显示器的整体方法。在框1102处，确定观察平面的位置。例如，可以基于来自眼睛定位系统的输入来确定位置。接下来，在框1104，计算在确定的位置处生成图像场所需的相位调制以及可能还有幅度调制，使得每个显示元件内的子元件的输出结合以在第一观察位置处产生相应的第一幅度和第一相位，并且在第二观察位置处产生相应的第二幅度和第二相位。在框1106，子元件的相位以及可能还有幅度被控制以产生输出。
在一些示例中，框1102和1104可以由显示器的处理器来执行。在其他示例中，框1102和1104可以在别处例如由附接的计算系统的处理系统执行。
图12描绘了光学系统1016(诸如图3和图4的光学系统316、416)。如前所述，光学系统1016包括光学元件1018的阵列。每个光学元件具有第一透镜表面1028和第二透镜表面1030，第二透镜表面在沿着光学元件的光轴的方向上与第一透镜表面1028间隔开。在使用中，来自至少两个子元件的光穿过第一透镜表面1028，沿着基于光波长的光学路径穿过光学元件1018，并且朝向观看者的眼睛1026穿过第二透镜表面1230。所描绘的示例示出了四个光学元件，但是在其他示例中可以存在不同的数量。
图12还示出了沿第一维度延伸的第一轴线1220(诸如x轴)、沿第二维度延伸的第二轴线1222(诸如y轴)和沿第三维度延伸的第三轴线1224(诸如z轴)。第一轴线1220大致水平布置，第三轴线1224面向观看者并且可以平行于由观看者的眼睛1226限定的瞳孔轴线，并且第二轴线1222正交/垂直于第一轴线1220和第三轴线1224两者。在一些情况下，第二轴线1222基本上垂直地布置，但是有时可以相对于垂直方向成角度/倾斜(例如，如果显示器形成计算装置的一部分，则显示器可以向上成角度，并且观看者可以朝着显示器向下看)。在某些示例中，第二轴线1222和第三轴线1224因此可以围绕第一轴线1220旋转。
参考图12的整体几何形状，图13和图14描绘了穿过光学元件1218的相应横截面，该光学元件在不同方向上具有不同的放大率。图13描绘了在由第一轴线1220和第三轴线1224限定的第一平面中以及沿着箭头B观察的穿过光学元件1218的横截面。第二轴线1222因此延伸到页面之外。
如图所示，第一透镜表面1228在该第一平面中具有第一曲率(由第一曲率半径限定)，并且第二透镜表面1230在该第一平面中具有第二曲率(由第二曲率半径限定)。在该示例中，第一曲率和第二曲率不同，这导致每个透镜表面的焦距不同。第一透镜表面1228在第一平面中具有第一焦距fx1，并且第二透镜表面1230在第一平面中具有第二焦距fx2。
沿着第一轴线/维度1220的放大率M1(称为“第一放大率”)由第一焦距与第二焦距的比率给出，因此M1＝fx1/fx2。控制第一曲率半径、第二曲率半径以及因此第一平面中的第一焦距和第二焦距因此控制第一维度中的放大率。
图14描绘了在由第二轴线1222和第三轴线1224限定的第二平面中以及沿箭头A观察的光学元件1218的横截面。因此，第一轴线1220延伸到页面中。如图所示，第一透镜表面1228在该第二平面中具有第三曲率(由第三曲率半径限定)，并且第二透镜表面1230在第二平面中具有第四曲率(由第四曲率半径限定)。因此，每个透镜表面的曲率在每个平面中是不同的。在该示例中，第三曲率和第四曲率不同，这导致每个透镜表面的焦距不同。第一透镜表面1228在第二平面中具有第三焦距fy1，并且第二透镜表面1230在第二平面中具有第四焦距fy2。
沿着第二轴线/维度1222的放大率M2(称为“第二放大率”)由第三焦距与第四焦距的比率给出，因此M2＝fy1/fy2。控制第三曲率半径、第四曲率半径以及因此第二平面中的第三焦距和第四焦距因此控制第二维度中的放大率。
一般来讲，第一维度中的放大率是基于观看者的瞳孔之间对向的角度以及因此瞳孔间距离(IPD)来约束的，如图13所示。因此，第一放大率控制图7中的角度708所描绘的水平视角。
相反，沿着第二轴线/维度1222的放大率不受瞳孔间距离(IPD)的约束，因此可以不同于沿着第一轴线1220的放大率。因此，沿着第二轴线1222的放大率可以增加，以提供沿着第二轴线1222的观察位置的增加的范围。因此，第二放大率控制图7中的角度710所描绘的垂直视角。因此，增加的放大率增加了垂直视角710。
下面的讨论对第一放大率和第二放大率设置示例性限制。如上所述，下面的推导假设观看者的眼睛沿着第一轴线1220(x轴)是水平的。
期望重新成像的子像素的中心(沿第一轴线测量)的分隔使得来自两个子像素的光可能在一只眼睛处主要相长地干涉而在另一只眼睛处相消地干涉。
因此，x重新成像＝x子像素/M1，其中x子像素是沿着第一轴线1220的子像素中心之间的距离(并且对应于图6中的2*a)。
这设置了以下条件：
x重新成像～观察距离*波长/(2*IPD)。           [1]
其中观察距离是沿着第三轴线1224测量的到观察者的距离，并且波长是光的波长。
应当理解，不需要精确地满足该条件，因此x重新成像可以是该理想值的大约75％-150％，并且仍然生成具有可接受质量的图像。这意味着系统可以根据IPD和观察距离的标称/典型值来设计。
另外，存在另外的条件，即，来自相邻显示元件的子像素组x像素之间的分隔由沿第一轴线1220(即，其宽度)的所需“眼框”尺寸来设置。“眼框”是瞳孔平面(垂直于瞳孔轴线)中的区域，瞳孔应该包含在该区域中以便用户观察可接受的图像。这一条件要求：
x像素＝观察距离*波长/眼眶_宽度。          [2]
结合等式[1]和[2]得出：
x重新成像～x像素*眼框_宽度/(2*IPD)。
这意味着：
M1～2*IPD*x子像素/(x像素*眼眶_宽度)。
通常，x子像素＝x像素/2，因此M1～IPD/眼眶_宽度。IPD通常为60mm，所需的眼框尺寸可在4mm-20mm的范围内，因此M1可能在3-15的范围内。
在第二维度1222(y轴)中，典型的是y像素＝x像素(即，期望具有1:1宽高比的眼眶)。此外，子像素的高度通常是y像素的大部分。来自第二维度1222中的一组子像素的发射圆锥的两个中心零点在观察者处分开的距离为：
y距离＝M2*观察_距离*波长/子像素_高度～M2*观察_距离*波长/x像素～M2*眼眶_宽度～M2*IPD/M1。
“可寻址观察区域”可以取为该高度的大约一半，即M2*IPD/(2*M1)。如果M1＝M2，则可寻址观察区域的高度约为30mm，该数值太小而不容易使用。如上所述，优选的是M2>M1，因为对M2的约束不同于对M1的约束。
可以设置多大M2的实际上限由像素的尺寸确定。假设y重新成像＝y子像素/M2，但是实际上该系统是衍射受限的，并且y重新成像不能小于该系统的数值孔径(NA)乘以光的波长。典型的NA<0.5，并且波长约为0.5μm，因此y重新成像>1μm。对于典型系统(M1＝6，意味着10mm的眼框，600mm的观察距离)，y子像素＝30μm，因此在这种情况下M2<＝30，M2/M1<＝5。
图15描绘了另一个示例光学系统1816，其中该光学系统被配置为将图像朝向观察者引导，或者更一般地，会聚在观察位置上。再次参考参照图12定义的方向。在由第一维度/轴线1220和第三维度/轴线1224限定的第一平面中的横截面中示出了光学系统1816。在一些示例中，光学系统1816可以用来代替图3和图4中描绘的光学系统316、416。本文描述的光学系统1816的特性也可以结合到图13和图14的光学系统1218中。在该示例中，光学系统1816包括光学元件1818的阵列。每个光学元件具有第一透镜表面1828和第二透镜表面1830，第二透镜表面在沿着光学元件的光轴的方向上与第一透镜表面1228间隔开。单独的光学元件1818的第一透镜表面可以一起形成光学系统1816的第一透镜表面。类似地，单独的光学元件1818的第二透镜表面可以形成光学系统1816的第二透镜表面。所描绘的示例示出了沿着第一轴线1220延伸的5个光学元件1818，但是在其他示例中可以存在不同的数量。
图15的光学系统1816被设计成将光朝向观察位置/地点会聚。每个光学元件1818的第一透镜表面1828具有第一光轴1804，并且第二透镜表面1828具有第二光轴1806。为了实现水平维度上的会聚，第一光轴1804从第二光轴偏移垂直于第一光轴1804和第二光轴1806测量(即，沿着第一维度1220测量)的距离1808(图16中所示)。图16示出了一个光学元件1818的特写，以更清楚地示出偏移。在一些示例中，沿着第二维度1222也存在偏移，以实现在垂直方向上的会聚。
这种偏移意味着(相邻光学元件1818的)相邻第一透镜表面1828之间的第一间距1800(p1)大于(相邻光学元件1818的)相邻第二透镜表面1830之间的第二间距1802(p2)。因此，相邻第二透镜表面1830比对应的相邻第一透镜表面更靠近。在一个示例中，第一间距与第二间距的比率在约1.000001和约1.001之间，换句话说，第一间距与第二间距相差在1/1000和1/1000000之间。在另一个示例中，第一间距与第二间距的比率在约1.00001和约1.0001之间，换句话说，第一间距与第二间距相差在1/10000和1/100000之间。在一些示例中，第二间距1802取决于第二透镜表面1830的焦距。
对于朝向光学系统/显示器的外边缘的光学元件1818，该偏移可以大于朝向显示器的光学系统的中心的光学元件1818的边缘，以确保朝向边缘的会聚大于在中心处的会聚。因此，该偏移可以基于光学元件距显示器中心的距离，并且可以基于光学系统1816的尺寸(宽度和/或高度)。
在一个示例中，沿着第一轴线1200测量的偏移1806(x偏移)由x偏移＝x*f2x/观察距离给出，其中观察距离是沿着第三轴线1224测量的到观察者的距离，并且f2x是第一平面中第二透镜表面的焦距。
从阵列的中心光学元件的中心到第n个光学元件的中心的距离为x，并且x＝n*p1，则p2＝(x-x偏移)/n＝p1*(1-(f2x/观察_距离))。
通常，f2x可以是100μm的量级，并且观察距离是600mm的量级，因此间距的差异可以小于1/1000。然而，由于透镜的总数可大于1000，屏幕边缘处的x偏移可能是光学元件宽度的重要部分。
尽管该分析是针对第一维度1220示出的，但是相同的原理可以应用于第二维度1222。如上所述，M2可以比M1大，这意味着间距的分数差异在第一维度中可以小于在第二维度中。
图17描绘了形成示例性光学系统2016的光学元件2018阵列的示例性光学元件2018，该光学系统用于其中不同的颜色同时发射但是间隔开的彩色全息显示器(与通过时分复用不同颜色来产生颜色的显示器相反)。再次参考图12中的定义讨论维度。在由第一维度/轴线1220和第三维度/轴线1224限定的第一平面中的横截面中示出了光学元件2018。在一些示例中，光学元件2018可以形成图3和图4中描绘的光学系统316、416的一部分。本文描述的光学系统2016的特性也可以结合到图12和图18的光学系统1218、1818中。
每个光学元件2018具有第一透镜表面和第二透镜表面2030，该第二透镜表面在沿着光学元件的光轴的方向上与第一透镜表面间隔开。该示例的第一透镜表面包括两个或更多个表面部分，每个表面部分在光学上适于不同的特定波长。在该示例中，第一透镜表面包括在光学上适于具有第一波长λ1的光的第一表面部分2000、在光学上适于具有第二波长λ2的光的第二表面部分2002以及在光学上适于具有第三波长λ3的光的第三表面部分2004。在该特定示例中，具有第一波长的光由第一发射器2006发射，具有第二波长的光由第二发射器2008发射，并且具有第三波长的光由第三发射器2010发射。因此，由于发射器和光学元件2018之间的空间关系，每个波长的光入射到第一透镜表面的特定部分上。因此，入射到每个表面部分上的光主要是特定波长的光。为了补偿光学元件1818的波长相关效应(诸如波长相关折射率)，表面部分可以适于每个波长，使得光可以朝向观察者眼睛附近的空间中的特定点2012会聚。如下面更详细解释的，这些波长相关效应对于高色散材料诸如具有高折射率的材料可能更普遍。当光学系统1816用光学透明粘合剂粘合到屏幕时，可能需要高折射率材料。
在这个示例中，表面部分可以通过具有适合入射到表面部分上的光的主波长的表面曲率来进行光学调整。例如，第一表面部分2000通过具有第一曲率半径而在光学上适于第一波长，第二表面部分2002通过具有第二曲率半径而在光学上适于第二波长，并且第三表面部分通过具有第三曲率半径而在光学上适于第三波长，其中第一表面曲率、第二表面曲率和第三表面曲率不同。例如，表面曲率可以由曲率半径来定义。
如上所述，特定平面中的焦距基于该平面中的表面曲率。因此，第一透镜表面(或第一表面部分2002)对于具有第一波长的光具有第一焦点，并且第二透镜表面2030对于具有第一波长的光具有第二焦点。在一些示例中，具有第一波长的光的第一焦点和第二焦点是重合的。例如，这可以通过提高聚焦来改善整体图像质量。类似地，第一透镜表面(或第二表面部分2004)具有用于具有第二波长的光的第一焦点，并且第二透镜表面2030具有用于具有第二波长的光的第二焦点，并且用于具有第二波长的光的第一焦点和第二焦点重合。类似地，第一透镜表面(或第三表面部分2006)具有用于具有第三波长的光的第一焦点，并且第二透镜表面2030具有用于具有第三波长的光的第二焦点，并且用于具有第三波长的光的第一焦点和第二焦点重合。
在一个示例中，每个表面部分可以具有球面或环形轮廓，其中在第一平面中具有第一曲率半径rx，并且在第二平面中具有第二曲率半径ry。如果表面部分具有球面轮廓，则rx＝ry。具有此类轮廓的表面使得光线在距离r/(n透镜-n入射)处聚焦，其中n透镜是透镜材料的折射率，并且n入射是周围材料(诸如空气或光学透明粘合剂)的折射率。对于空气，n入射＝1。如上所述，因为n作为波长的函数而变化，所以不同波长的光存在焦距移位。这可以通过在透镜的不同区域中具有不同的曲率半径以补偿折射率的变化来补偿，即，rx(波长)＝f1x*(n透镜(波长)–n入射(波长))，其中f1x是第一平面中的表面部分的焦距，并且rx和n两者都是波长的函数。对于ry(波长)＝f1y*(n透镜(波长)–n入射(波长))，存在类似的等式。
如上所述，如果使用光学透明粘合剂(n入射约为1.5)安装阵列，这是特别重要的，因为n透镜必须更高(通常约为1.7)，并且更高折射率的材料通常更色散(即折射率将随着波长更迅速地变化)。例如，材料N-SF15具有n(635nm)＝1.694和n(450nm)＝1.725，这意味着红色和蓝色表面部分(即第一表面部分和第三表面部分)的曲率半径差超过4％。
如上所述，光学透明粘合剂可用于将上述光学系统安装到显示面板上。这使得制造全息显示器更容易，同时也提高了显示器的物理强度。为了补偿粘合剂，光学系统必须由与粘合剂相比具有较大折射率的材料制成。例如，光学系统中的材料(诸如光学元件的材料)的折射率通常约为1.7，而粘合剂的折射率约为1.5，以在边界处实现所需的折射。如上所述，因为光学系统的高折射率材料可能具有更高的色散，所以光学透明粘合剂可以与图17的光学系统结合使用。
示例性丙烯酸基光学透明粘合带由tesaTM制造，诸如tesaTM69401和tesaTM69402。示例性液体光学透明粘合剂由HenkelTM制造，并且特别有用的粘合剂是LoctiteTM5192，其具有大约1.41的相对较低的折射率(小于1.5)，使其特别适合于此目的。
以上实施方式应被理解为本发明的说明性示例。设想了本发明的另外的实施方式。例如，虽然上面的描述考虑了单一颜色的光，但是这些示例可以应用于具有多种颜色的系统，诸如其中红色、绿色和蓝色光被时分复用的系统。另外，尽管已论述两个观察位置(允许双目观察)，但其他示例可通过增加每个显示元件中的自由度的数目(例如，通过增加每个显示元件中的子元件的数目)来提供多于两个的观察位置。具有n个自由度的系统可以支持n/2个观察位置，并且因此支持n个观察者的双目观察，其中n是4的倍数。应理解，关于任一个实施方式描述的任何特征都可以单独使用，或者与描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他实施方式的一个或多个特征结合使用，或者与任何其他实施方式的任何组合结合使用。此外，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，也可以采用上面没有描述的等同方案和修改方案。

Claims (47)

1.一种全息显示器，其包括：
照明源，所述照明源至少部分地相干；
多个显示元件，所述多个显示元件被定位成接收来自所述照明源的光并且彼此间隔开，每个显示元件包括一组至少两个子元件；以及
调制系统，所述调制系统与每个显示元件相关联并且被配置为至少调制所述多个子元件中的每个子元件的相位。
2.根据权利要求1所述的全息显示器，其中所述照明源具有足够的相干性，使得来自每个显示元件内的相应的子元件的所述光能够彼此干涉。
3.根据权利要求1或2所述的全息显示器，其还包括光学系统，所述光学系统被配置为通过减小每个显示元件内的所述一组子元件的尺寸使得所述一组子元件彼此之间间隔得比它们与紧邻的显示元件的子元件间隔得更近来生成所述多个显示元件。
4.根据权利要求3所述的全息显示器，其中所述光学系统包括光学元件阵列。
5.根据权利要求3或4所述的全息显示器，其中所述光学系统在第一维度和第二维度中具有不同的放大率，并且所述第一维度中的第一放大率小于第二维度中的第二放大率。
6.根据权利要求5所述的全息显示器，其中所述第一维度在使用中基本上是水平的，并且其中所述第二维度垂直于所述第一维度。
7.根据权利要求5或6所述的全息显示器，其中所述光学系统包括光学元件阵列，每个光学元件包括第一透镜表面和第二透镜表面，所述第一透镜表面和所述第二透镜表面中的至少一个透镜表面在由所述第一维度和第三维度限定的第一平面中具有不同于在由所述第二维度和所述第三维度限定的第二平面中的曲率半径。
8.根据权利要求7所述的全息显示器，其中所述第一透镜表面和所述第二透镜表面中的至少一者是复曲面透镜表面。
9.根据权利要求7或8所述的全息显示器，其中：
所述第一透镜表面和所述第二透镜表面分别与所述第一平面中的第一焦距和第二焦距相关联，并且所述第一放大率由第一焦距和第二焦距的比率限定；并且
所述第一透镜表面和所述第二透镜表面分别与所述第二平面中的第三焦距和第四焦距相关联，并且所述第二放大率由第三焦距和第四焦距的比率限定。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的全息显示器，其中所述第二维度中的所述第二放大率至少为15。
11.根据权利要求5至10中任一项所述的全息显示器，其中所述第二维度中的所述第二放大率小于30。
12.根据权利要求5至11中任一项所述的全息显示器，其中所述第一维度中的所述第一放大率在约2和约15之间。
13.根据权利要求3至12中任一项所述的全息显示器，其中所述光学系统包括光学元件阵列，每个光学元件包括：
第一透镜表面，所述第一透镜表面配置为接收具有第一波长的光和具有不同于所述第一波长的第二波长的光；以及
第二透镜表面，所述第二透镜表面与所述第一透镜表面在光学路径中；
其中所述第一透镜表面包括在光学上适于所述第一波长的第一表面部分和在光学上适于所述第二波长的第二表面部分。
14.根据权利要求13所述的全息显示器，其中所述第一表面部分通过具有第一曲率半径而在光学上适于所述第一波长，并且所述第二表面部分通过具有第二曲率半径而在光学上适于所述第二波长。
15.根据权利要求13或14所述的全息显示器，其中所述第一透镜表面对于具有所述第一波长的光具有第一焦点，并且所述第二透镜表面对于具有所述第一波长的光具有第二焦点，并且所述第一焦点和所述第二焦点是重合的。
16.根据权利要求3至15中任一项所述的全息显示器，其中所述光学系统被配置为将穿过所述光学系统的光朝向观察位置会聚。
17.根据权利要求16所述的全息显示器，其中所述光学系统包括光学元件阵列，每个光学元件包括具有第一光轴的第一透镜表面和具有第二光轴的第二透镜表面，并且其中所述第一光轴从所述第二光轴偏移。
18.根据权利要求17所述的全息显示器，其中更靠近所述显示器的边缘定位的光学元件具有比更靠近所述显示器的中心定位的光学元件的偏移更大的偏移。
19.根据权利要求18所述的全息显示器，其中每个光学元件包括第一透镜表面和沿着穿过所述光学元件的光学路径与所述第一透镜表面间隔开的第二透镜表面，并且其中所述第一透镜表面沿着所述阵列以第一间距间隔开，并且所述第二透镜表面沿着所述阵列以第二间距间隔开，所述第二间距小于所述第一间距。
20.根据任一前述权利要求所述的全息显示器，其中所述调制系统被配置为调制所述多个子元件中的每个子元件的幅度。
21.根据任一前述权利要求所述的全息显示器，其中每个显示元件由具有维度n乘m的二维子元件组组成，其中n和m是整数，n大于或等于2，并且m大于或等于1。
22.根据权利要求21所述的全息显示器，其中n等于2，m等于1，并且所述调制系统被配置为调制每个子元件的相位和幅度。
23.根据权利要求21所述的全息显示器，其中n等于2，m等于2，并且所述调制系统被配置为调制每个子元件的相位。
24.根据任一前述权利要求所述的全息显示器，其包括会聚系统，所述会聚系统被布置成将所述全息显示器的输出朝向观察位置引导。
25.根据任一前述权利要求所述的全息显示器，其包括被配置为限制所述子元件的尺寸的掩模。
26.一种设备，其包括：
根据任一前述权利要求所述的全息显示器；以及
控制器，所述控制器用于控制所述调制系统，使得每个显示元件在从第一位置观察时具有第一幅度和相位，并且在从第二位置观察时具有第二幅度和位置。
27.根据权利要求26所述的设备，其还包括眼睛定位系统，所述眼睛定位系统被配置为确定所述第一位置和所述第二位置。
28.一种显示计算机生成的全息图的方法，所述方法包括：
控制多组子元件的相位，使得每组内的子元件的输出结合以在第一观察位置处产生相应的第一幅度和第一相位，并且在第二观察位置处产生相应的第二幅度和第二相位。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述控制还包括控制所述多组子元件的幅度。
30.根据权利要求28或29所述的方法，其还包括：
基于从眼睛定位系统接收的输入来确定所述第一观察位置和所述第二观察位置。
31.一种用于全息显示器的光学系统，所述光学系统被配置为通过减小每个显示元件内的一组子元件的尺寸使得所述一组子元件彼此之间定位得比它们与紧邻的显示元件的子元件定位得更近来生成多个显示元件，所述光学系统在第一维度和第二维度中具有不同的放大率，并且所述第一维度中的第一放大率小于所述第二维度中的第二放大率。
32.根据权利要求31所述的光学系统，其中所述第一维度在使用中基本上是水平的，并且其中所述第二维度垂直于所述第一维度。
33.根据权利要求31或32所述的光学系统，其中所述光学系统包括光学元件阵列，每个光学元件包括第一透镜表面和第二透镜表面，所述第一透镜表面和所述第二透镜表面中的至少一个透镜表面在由所述第一维度和第三维度限定的第一平面中具有不同于在由所述第二维度和所述第三维度限定的第二平面中的曲率半径。
34.根据权利要求33所述的光学系统，其中所述第一透镜表面和所述第二透镜表面中的至少一者是复曲面透镜表面。
35.根据权利要求33或34所述的光学系统，其中：
所述第一透镜表面和所述第二透镜表面分别与所述第一平面中的第一焦距和第二焦距相关联，并且所述第一放大率由第一焦距和第二焦距的比率限定；并且
所述第一透镜表面和所述第二透镜表面分别与所述第二平面中的第三焦距和第四焦距相关联，并且所述第二放大率由第三焦距和第四焦距的比率限定。
36.根据权利要求31至35中任一项所述的光学系统，其中所述第二维度中的所述第二放大率至少为15。
37.根据权利要求31至36中任一项所述的光学系统，其中所述第二维度中的所述第二放大率小于30。
38.根据权利要求31至37中任一项所述的光学系统，其中所述第一维度中的所述第一放大率在约2和约15之间。
39.一种全息显示器，其包括根据权利要求31至38中任一项所述的光学系统。
40.一种计算装置，其包括根据权利要求39所述的全息显示系统。
41.一种用于全息显示器的光学系统，所述光学系统被配置为通过减小每个显示元件内的一组子元件的尺寸使得所述一组子元件彼此之间定位得比它们与紧邻的显示元件的子元件定位得更近来生成多个显示元件，所述光学系统包括光学元件阵列，每个光学元件包括：
第一透镜表面，所述第一透镜表面配置为接收具有第一波长的光和具有不同于所述第一波长的第二波长的光；以及
第二透镜表面，所述第二透镜表面与所述第一透镜表面在光学路径中；
其中所述第一透镜表面包括在光学上适于所述第一波长的第一表面部分和在光学上适于所述第二波长的第二表面部分。
42.根据权利要求41所述的光学系统，其中所述第一表面部分通过具有第一曲率半径而在光学上适于所述第一波长，并且所述第二表面部分通过具有第二曲率半径而在光学上适于所述第二波长。
43.根据权利要求41或42所述的光学系统，其中所述第一透镜表面对于具有所述第一波长的光具有第一焦点，并且所述第二透镜表面对于具有所述第一波长的光具有第二焦点，并且所述第一焦点和所述第二焦点是重合的。
44.一种用于全息显示器的光学系统，所述光学系统被配置为：
通过减小每个显示元件内的一组子元件的尺寸使得所述一组子元件彼此之间定位得比它们与紧邻的显示元件的子元件定位得更近来生成多个显示元件；以及
将穿过所述光学系统的光朝向观察位置会聚。
45.根据权利要求44所述的光学系统，其中所述光学系统包括光学元件阵列，每个光学元件包括具有第一光轴的第一透镜表面和具有第二光轴的第二透镜表面，并且其中所述第一光轴从所述第二光轴偏移。
46.根据权利要求45所述的光学系统，其中更靠近所述显示器的边缘定位的光学元件具有比更靠近所述显示器的中心定位的光学元件的偏移更大的偏移。
47.根据权利要求44所述的光学系统，其中所述光学系统包括光学元件阵列，其中每个光学元件包括第一透镜表面和沿着穿过所述光学元件的光学路径与所述第一透镜表面间隔开的第二透镜表面，并且其中所述第一透镜表面以第一间距跨所述阵列分布，并且所述第二透镜表面以第二间距跨所述阵列分布，所述第二间距小于所述第一间距。
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