CN116300081A - 紧凑型平视显示器及其波导 - Google Patents

Abstract

公开了一种被布置作为用于显示系统的光瞳扩展器的波导。该波导包括一对相对表面，该对相对的表面被设置成通过内部反射在它们之间引导光场。输入端口被布置成接收来自显示系统的光。反射元件被布置成内部反射光场。输入端口和反射元件形成在该对相对表面的第二表面上。通过透射‑反射元件在该对相对表面的第一表面上形成输出端口，该透射‑反射元件被配置成在每次从其内部反射时分割光场，使得光场的多个复制品通过输出端口透射出波导。反射元件包括设置在波导的第二表面上的金属层和至少部分设置在金属层上以形成台阶的电介质堆叠。金属层与输入端口形成边缘，并且电介质堆叠在远离输入端口的方向上相对于边缘偏移。

Description

紧凑型平视显示器及其波导

技术领域

本公开涉及光瞳扩展或复制，特别是用于包括发散的光线束的衍射光场。更具体地，本公开涉及一种包括波导光瞳扩展器的显示系统以及一种使用波导进行光瞳扩展的方法。一些实施例涉及使用第一和第二波导光瞳扩展器的二维光瞳扩展。一些实施例涉及图片生成单元和平视显示器，例如汽车平视显示器(HUD)。

背景技术

从物体散射的光包含振幅和相位信息。这种振幅和相位信息可以通过公知的干涉技术在例如感光板上捕获，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。

计算机生成全息术可以数值模拟干涉过程。计算机生成的全息图可以通过基于诸如菲涅耳或傅立叶变换的数学变换的技术来计算。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。傅立叶全息图可以被认为是物体的傅立叶域/平面表示或者物体的频域/平面表示。例如，计算机生成的全息图也可以通过相干光线追踪或点云技术来计算。

计算机生成的全息图可以被编码在空间光调制器上，该空间光调制器被布置成调制入射光的振幅和/或相位。例如，可以使用电可寻址液晶、光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可单独寻址的像素，这些像素也可以称为单元或元件。光调制方案可以是二元的、多级的或连续的。或者，该装置可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制在该装置上可以是连续的。空间光调制器可以是反射性的，这意味着调制光以反射方式输出。空间光调制器同样可以是透射的，这意味着调制光以透射方式输出。

使用这里描述的系统可以提供全息投影仪。这种投影仪已经在平视显示器(HUD)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个方面。

概括地说，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，其中图像投影仪将来自显示设备的光投影或中继到观察系统。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)。投影仪可以被称为“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。图像形成在显示平面上或被观察者感知在显示平面上。在一些实施例中，图像是虚像，并且显示平面可以被称为虚像平面。在其他实施例中，图像是通过全息重建形成的真实图像，并且该图像被投影或中继到观察平面。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。显示设备的像素可以显示对光进行衍射的衍射图案或结构。衍射光可以在与显示设备空间分离的平面上形成图像。根据众所周知的光学原理，最大衍射角的大小由像素的尺寸和如光的波长的其他因素决定。

在实施例中，显示设备是空间光调制器，例如硅基液晶(“LCOS”)空间光调制器(SLM)。光在一定衍射角范围内(例如，从零到最大衍射角)从LCOS向观察实体/系统(如照相机或眼睛)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。

在一些示例中，图像(由显示的衍射图案/全息图形成)传播到眼睛。例如，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形成的中间全息重建/图像的空间调制光可以传播到观察者。

在其他一些示例中，衍射图案/全息图本身的(光)被传播到眼睛。例如，全息图的空间调制光(还没有完全转换成全息重建，即图像)(可以非正式地说是用/通过全息图“编码”的)直接传播到观察者的眼睛。观察者可以感知到真实或虚拟图像。在这些实施例中，在显示设备和观察者之间没有形成中间全息重建/图像。有时而言，在这些实施例中，眼睛的晶状体执行全息图到图像的转换或变换。投影系统或光引擎可以被配置成使得观察者有效地直视显示设备。

这里提到的“光场”是“复合光场”。术语“光场”仅仅表示在至少两个正交的空间方向上具有有限尺寸的光图案，例如x和y。这里使用的“复合”一词仅仅表示光场中每个点处的光可以由振幅值和相位值来定义，因此可以由复数或一对值来表示。出于全息图计算的目的，复合光场可以是复数的二维阵列，其中复数定义光场内多个离散位置处的光强和相位。

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的只有小范围的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(例如，诸如眼动范围的观察窗内的任何一个眼睛位置)都是可见的。

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像，也就是说，观察者感觉图像比显示设备离他们更远。从概念上讲，因此可以认为观察者正在通过“显示设备大小的窗口”观看虚像，该窗口可以非常小，例如直径为1cm，处于相对大的距离，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，他们眼睛的瞳孔也可以非常小。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。

光瞳扩展器解决了如何增加从显示设备传播的光线的角度范围的问题，该光线可以成功地传播通过眼睛的瞳孔以形成图像。显示设备通常(相对而言)较小，而投影距离(相对而言)较大。在一些实施例中，投影距离比显示设备的入射光瞳和/或孔径的直径或宽度(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。本公开的实施例涉及一种配置，其中图像的全息图而不是图像本身被传播到人眼。换句话说，观察者接收到的光根据图像的全息图进行调制(或者用/通过图像的全息图进行编码)。然而，本公开的其他实施例可以涉及这样的配置，其中图像而不是全息图被传播到人眼，例如，通过所谓的间接观察，其中在屏幕上(或者甚至在自由空间中)形成的全息重建或者“重放图像”的光被传播到人眼。

光瞳扩展器的使用横向增加了观察区域(即，用户的眼盒(eye box))，从而使得眼睛能够发生一些运动，同时仍然使得用户能够看到图像。如技术人员将理解的，在成像系统中，观察区域(用户的眼盒)是观察者的眼睛能够感知图像的区域。本公开涉及非无限虚像距离，即近场虚像。

传统上，二维光瞳扩展器包括一个或多个一维光波导，每个光波导使用一对相对的反射表面形成，其中来自表面的输出光形成观察窗，例如供观察者观察的眼盒或眼动范围。从显示设备接收的光(例如，来自LCOS的空间调制光)被该波导或每个波导复制，以便在至少一个维度上增加视场(或观察区域)。特别是，由于通过划分入射波前的振幅产生额外的光线或“复制品”,波导扩大了观察窗。

本文公开了一种系统，该系统使用衍射光形成图像，并提供适合于真实世界应用的眼盒尺寸和视场，例如在汽车工业中通过平视显示器。衍射光是从衍射结构(例如诸如傅里叶或菲涅耳全息图的全息图)形成图像全息重建的光。衍射和衍射结构的使用需要具有非常小的像素(例如1微米)的高密度的显示设备，这在实践中意味着小的显示设备(例如1cm)。发明人已经解决了如何为2D光瞳扩展提供衍射光场(例如包括发散(非准直)光线束的衍射光)的问题。

在一些方面，显示系统包括显示设备，例如像素化显示设备，例如空间光调制器(SLM)或硅基液晶(LCoS)SLM，其被布置为提供或形成衍射光。在这些方面，空间光调制器(SLM)的孔径是系统的极限孔径。也就是说，空间光调制器的孔径(更具体地说，界定SLM中包含的光调制像素阵列的区域的大小)决定了可以离开系统的光线束的大小(例如，空间范围)。根据本公开，陈述了通过使用至少一个光瞳扩展器，系统的出射光瞳被扩展以反映系统的出射光瞳(其受到具有用于光衍射的像素尺寸的小型显示设备的限制)在空间范围上变得更大。

衍射光场可以被称为具有“光场大小”，其被定义在与光场的传播方向基本正交的方向上。在一些实施例中，光是发散的，使得光场大小随着传播距离而增加。在其他实施例中，光被准直，使得光场大小不随传播距离而改变。

在一些实施例中，衍射光场根据全息图被空间调制。换句话说，在这些方面，衍射光场包括“全息光场”。全息图可以显示在像素化显示设备上。全息图可以是计算机生成的全息图(CGH)。它可以是傅立叶全息图或菲涅耳全息图或点云全息图或任何其他合适类型的全息图。可选地，可以计算全息图，以便形成全息光的通道，每个通道对应于观察者想要观察(或者感知，如果是虚像的话)的图像的不同相应部分。像素化显示设备可以被配置成连续或依次显示多个不同的全息图。这里公开的每个方面和实施例可以应用于多个全息图的显示。

第一波导光瞳扩展器的输出端口可以耦合到第二波导光瞳扩展器的输入端口。第二波导光瞳扩展器可以被布置成通过第二波导光瞳扩展器的第三对平行表面之间的内部反射，将衍射光场(包括由第一波导光瞳扩展器输出的光场的一些、优选大部分、优选全部复制品)从其输入端口引导到相应的输出端口。

第一波导光瞳扩展器可以被布置成在第一方向上提供光瞳扩展或复制，并且第二波导光瞳扩展器可以被布置成在不同的第二方向上提供光瞳扩展或复制。第二方向可以基本上正交于第一方向。第二波导光瞳扩展器可以被布置成保持第一波导光瞳扩展器在第一方向上已经提供的光瞳扩展，并且扩展(或复制)它在不同的第二方向上从第一波导光瞳扩展器接收的一些、优选大多数、优选全部复制品。第二波导光瞳扩展器可以被布置成直接或间接地从第一波导光瞳扩展器接收光场。可以沿着第一和第二波导光瞳扩展器之间的光场的传播路径提供一个或多个其他元件。

在一些实施例中，第一波导光瞳扩展器的一对相对表面是伸长的或细长的表面，沿着第一维度相对较长，沿着第二维度相对较短，例如沿着两个其他维度中的每一个相对较短，每个维度基本上与相应的其他维度中的每一个正交。光在第一对表面之间/从第一对表面反射/透射的过程被布置成使得光在第一波导光瞳扩展器内传播，其中光传播的总体方向以及光瞳扩展的总体方向是第一波导光瞳扩展器相对较长的方向(即，在其“伸长的”方向)。

因此，第一波导光瞳扩展器可以是基本上细长的(例如杆状的)。第二波导光瞳扩展器可以是基本上平面的(例如矩形的)。第一波导光瞳扩展器的细长形状可以由对应于第一方向(即光瞳扩展的方向)的沿着第一维度的长度来定义。第二波导光瞳扩展器的平面或矩形形状可以由沿着第一维度的长度和沿着基本上正交于第一维度的第二维度的宽度或广度来定义。第一波导光瞳扩展器沿其第一维度的尺寸或长度分别对应于第二波导光瞳扩展器沿其第一维度或第二维度的长度或宽度。包括其输入端口的第二波导光瞳扩展器的一对平行表面的第一表面可以被成形、定尺寸和/或定位以对应于由第一波导光瞳扩展器上的一对平行表面的第一表面上的输出端口限定的区域，使得第二波导光瞳扩展器被布置成接收由第一波导光瞳扩展器输出的每个复制品。

第一和第二波导光瞳扩展器可以共同地在第一方向和正交于第一方向的第二方向上提供光瞳扩展，可选地，其中包含第一和第二方向的平面基本上平行于第二波导光瞳扩展器的平面。换句话说，分别限定第二波导光瞳扩展器的长度和广度的第一和第二维度可以分别平行于第一和第二方向(或者分别平行于第二和第一方向)，其中波导光瞳扩展器提供光瞳扩展。第一波导光瞳扩展器和第二波导光瞳扩展器的组合通常可以被称为“光瞳扩展器”。

可以说，由第一和第二波导扩展器提供的扩展/复制具有在两个方向中的每一个方向上扩展显示系统的出射光瞳的效果。由扩展的出射光瞳定义的区域又可以定义扩展的眼盒区域，观察者可以从该扩展的眼盒区域接收输入衍射光场的光。可以说眼盒区域位于或定义了观察平面。

出射光瞳扩展的两个方向可以与第一和第二波导光瞳扩展器提供复制/扩展的第一和第二方向共面或平行。可选地，在包括诸如光学组合器的其他元件的布置中，例如车辆的挡风屏(或挡风玻璃)，出射光瞳可以被认为是来自该其他元件的出射光瞳，例如来自挡风屏的出射光瞳。在这种布置中，出射光瞳可以与第一和第二波导光瞳扩展器提供复制/扩展的第一和第二方向不共面且不平行。例如，出射光瞳可以基本上正交于其中第一和第二波导光瞳扩展器提供复制/扩展的第一和第二方向。

因此，在一些实施例中，观察平面(例如，眼盒区域)可以与第一和第二波导光瞳扩展器提供复制/扩展的第一和第二方向不共面或不平行。例如，观察平面可以基本上垂直于其中第一和第二波导光瞳扩展器提供复制/扩展的第一和第二方向。

为了提供合适的发射条件以实现第一和第二波导光瞳扩展器内的内部反射，第一波导光瞳扩展器的细长维度可以相对于第二波导光瞳扩展器的第一和第二维度倾斜。

显示设备可以具有有效或显示区域，该有效或显示区域具有小于10cm的第一维度，例如小于5cm或小于2cm。显示设备和观察系统之间的传播距离可以大于1m，例如大于1.5m或大于2m。波导内的光学传播距离可以高达2m，例如高达1.5m或高达1m。该方法能够在小于20ms，例如小于15ms或小于10ms内接收图像并确定足够质量的对应全息图。

在一些实施例中，仅通过根据本公开的衍射或全息光场的示例来描述，全息图被配置成将光学路径由到多个通道中，每个通道对应于图像的不同部分(即子区域)。全息图可以在诸如空间光调制器的显示设备上显示。当显示在适当的显示设备上时，全息图可以对可由观察系统转换成图像的光进行空间调制。由衍射结构(包括全息图)形成的通道在这里被称为“全息图通道”,仅仅是为了反映它们是由具有图像信息的全息图编码的光通道。可以说每个通道的光是在全息图域中，而不是在图像或空间域中。在一些实施例中，全息图是傅立叶或傅立叶变换全息图，因此全息图域是傅立叶或频域。全息图同样可以是菲涅耳或菲涅耳变换全息图。全息图在本文中被描述为将光学路径由到多个全息图通道中，仅仅是为了反映可以从全息图中重建的图像具有有限的尺寸，并且可以被任意划分成多个图像子区域，其中每个全息图通道将对应于每个图像子区域。重要的是，这个示例的全息图的特征在于它在被照射时如何分布图像内容。具体来说，全息图通过角度来划分图像内容。也就是说，图像上的每个点都与照明时全息图形成的空间调制光中的唯一光线角度相关联——至少是唯一的一对角度，因为全息图是二维的。为了避免疑问，这种全息图行为不是常规的。当被照射时，由这种特殊类型的全息图形成的空间调制光可以被任意分成多个全息图通道，其中每个全息图通道由光线角度(二维)的范围限定。从上文可以理解，在空间调制光中可以考虑的任何全息图通道(即光线角度的子范围)将与图像的相应部分或子区域相关联。也就是说，重建图像的该部分或子区域所需的所有信息都包含在由图像的全息图形成的空间调制光的角度子范围内。当作为整体观察空间调制光时，不一定存在多个离散光通道的任何证据。然而，在一些布置中，通过有意地将从中计算全息图的目标图像的区域留为空白或空的(即，不存在图像内容)，来形成多个空间分离的全息图通道。

尽管如此，全息图仍然可以被识别。例如，如果只有由全息图形成的空间调制光的连续部分或子区域被重建，则只有图像的子区域应该是可见的。如果重构空间调制光的不同的连续部分或子区域，图像的不同子区域应该是可见的。这种类型的全息图的另一个识别特征是，任何全息图通道的横截面的形状基本上对应于(即基本上相同于)入射光瞳的形状，尽管尺寸可能不同，至少在计算全息图的正确平面上是不同的。每个光/全息图通道以不同的角度或角度范围从全息图传播。虽然这些是表征或识别这种类型全息图的示例方式，但是也可以使用其他方式。总之，本文公开的(特殊类型的)全息图通过图像内容在全息图编码的光内的分布来表征和识别。再次，为了避免任何疑问，本文中对被配置成引导光或将图像成角度地划分成多个全息图通道的全息图的引用仅作为示例，并且本公开同样适用于任何类型的全息光场或者甚至任何类型的衍射或衍射的光场的光瞳扩展。

概括地说，本文公开了一种为输入光场提供光瞳扩展的系统，其中输入光场是衍射或全息光场。在一些实施例中，输入光场的大小随着传播距离而变化，使得光线束形成发散(或会聚)光束。在这种情况下，光线束的光线具有不同的光线角度/方向。如上所述，通过创建输入光线(或光线束)的一个或多个复制品，光瞳扩展(也可以称为“图像复制”或“复制”或“光瞳复制”)使得观察者可以在其上或者从其中看到图像(或可以接收全息图的光，观察者的眼睛形成图像)的区域的尺寸增加。可以在一个或多个维度上提供光瞳扩展。例如，可以提供二维光瞳扩展，其中每个维度基本上与相应的另一个维度正交。

该系统可以以紧凑和流线型的物理形式提供。这使得该系统适用于广泛的现实世界应用，包括那些空间有限和财产价值高的应用。例如，它可以在平视显示器(HUD)中实现，例如车辆或汽车HUD。

根据本公开，为衍射光或衍射的光提供光瞳扩展，其可以包括发散的光线束。衍射光或衍射的光可以由显示设备输出，例如像素化显示设备，例如被布置成显示衍射结构(例如全息图)的空间光调制器(SLM)。衍射光场可以由“光锥”来定义。因此，(如在二维平面上定义的)衍射光场的尺寸随着距对应衍射结构(即显示设备)的传播距离而增加。

空间光调制器可以被布置成显示全息图(或者包括全息图的衍射图案)。衍射或发散光可以包括用/通过全息图编码的光，而不是图像或全息重建的光。因此，在这样的实施例中，可以说光瞳扩展器复制全息图或形成全息图的至少一个复制品，以传达传递给观察者的光是根据图像的全息图而不是图像本身进行空间调制的。也就是说，衍射光场被传播到观察者。

在一些实施例中，提供了两个一维波导光瞳扩展器，每个一维波导光瞳扩展器被布置成通过形成空间光调制器的出射光瞳(或出射光瞳的光)的多个复制品或副本来有效地增加系统的出射光瞳的尺寸。出射光瞳可以理解为系统输出光的物理区域。也可以说，每个波导光瞳扩展器被布置成扩展系统的出射光瞳的尺寸。也可以说，每个波导光瞳扩展器被布置成扩展/增加观察者的眼睛可以位于其中的眼盒的尺寸，以便看到/接收由系统输出的光。

在本公开中，术语“复制品”仅用于反映空间调制光被分割，使得复合光场沿着多个不同的光学路径被引导。“复制品”一词用于指复制事件后复合光场的每个出现或实例，诸如由光瞳扩展器的部分反射-透射。每个复制品沿着不同的光学路径传播。本公开的一些实施例涉及用全息图而不是用图像编码的光的传播，即，用图像的全息图而不是图像本身进行空间调制的光。全息术领域的技术人员将理解，与用全息图编码的光的传播相关联的复合光场将随着传播距离而变化。这里使用的术语“复制品”与传播距离无关，因此与复制事件相关联的两个光的分支或路径仍然被称为彼此的“复制品”，即使分支具有不同的长度，从而使得复合光场沿着每条路径不同地演化。也就是说，根据本公开，即使两个复合光场与不同的传播距离相关联，它们仍然被认为是“复制品”，这是在假设它们源自相同的复制事件或一系列复制事件的前提下。

根据本公开的“衍射光场”或“衍射性光场”是由衍射形成的光场。可以通过照射相应的衍射的图案来形成衍射光场。根据本公开，衍射图案的示例是全息图，衍射光场的示例是全息光场或形成图像的全息重建的光场。全息光场在重放平面上形成图像的(全息)重建。从全息图传播到重放平面的全息光场可以说包括用/通过全息图编码的光或全息图域中的光。衍射光场的特征在于由衍射结构的最小特征尺寸和(衍射光场的)光的波长确定的衍射角。根据本公开，也可以说“衍射光场”是在与对应衍射结构空间分离的平面上形成重建的光场。本文公开了一种光学系统，用于将衍射光场从衍射结构传播到观察者(例如，从显示设备传播到观察系统)。衍射光场可以形成图像。

光学系统包括波导，例如本文描述的波导光瞳扩展器。波导包括输入端口、输出端口和一对相对表面。该对相对表面被布置成通过内部反射在其间引导衍射光场。输入端口被布置成直接或间接地接收来自显示系统的光。输出端口由该对相对表面的第一表面的第一透射-反射元件形成。第一透射-反射元件使得衍射光场在每次内部反射时被分割，并且衍射光场的多个复制品通过输出端口透射出波导。输入端口包括在该对相对表面的第二表面的(高)反射元件中的光学透明窗口。透明窗口被布置成接收来自显示设备的光场的至少一部分。(高)反射元件包括在波导的第二表面上形成的相对较短的金属层和至少部分设置在金属层上的电介质堆叠。因此，反射元件的金属层在透明窗口的边缘(或边界)形成台阶。电介质堆叠在远离透明窗口的方向上相对于边缘偏移。

光场包括多个单色分量。波导被配置成对每个单色分量进行波导和复制每个单色分量。术语“消色差的”和“彩色的”在本文中是相对于多个不同的单色分量的不同波长而使用的。例如，术语消色差反射率在本文中用来表示在多个不同波长的每个波长处反射率基本相等。同样，术语彩色反射率在本文中用于表示在多个不同波长的每个波长处反射率基本上不相等。光学领域的技术人员将会理解，金属的反射率是彩色的，也就是说，金属的反射率是波长的强函数。光学领域的技术人员将熟悉如何设计包括多个不同电介质层的电介质堆叠以提供期望的反射率(例如消色差反射率)，因此这里不再给出进一步的细节。为了避免疑问，根据本公开，电介质堆叠的多个电介质层共同(即，作为整体或组合)提供消色差反射率。

表述“至少部分设置在金属层上”用于表示电介质堆叠的第一部分设置在金属层上，电介质堆叠的第二部分直接设置在波导的第二表面上(即没有中间层)，其中第二部分比第一部分离输入端口更远。当金属层结束时，电介质堆叠的第二部分开始。

本文中提到的波导的“长度”是指平行于光在波导内传播的方向(即“进行波导”的方向)的横向维度，这也是通过波导的光瞳扩展的方向(或维度)。

在波导的实施例中，金属层不延伸反射元件的全部长度。例如，金属层的长度小于20mm或10mm，例如小于5mm或小于2mm

在实施例中，电介质堆叠的第一部分设置在金属层上以形成台阶，电介质堆叠的第二部分直接设置在波导的第二表面上。电介质堆叠的第二部分的长度可以大于第一部分的长度。

在实施中，至少在波导光的一个或多个波长处，金属层具有/表现出彩色反射率，电介质堆叠具有/表现出消色差反射率，和/或电介质堆叠的反射率大于金属层的反射率。

在一些实施例中，由邻近输入端口的金属层形成的边缘比由邻近输入端口的电介质堆叠在台阶处形成的第二边缘更尖锐(即，更大的梯度，理想地，该边缘垂直于(成90°)其上形成金属层的波导的第二表面)。也就是说，金属层和输入端口之间的转变被清楚地限定，并且该转变在不沿着波导的第二表面的长度的一段距离上变化(如同与波导的第二表面成一角度(小于90°)倾斜的边缘一样)。

典型地，透射-反射元件的透射率随着距输入端口的距离而增加，以补偿每次反射时光的分割(一些反射/一些透射)，因此复制品具有相同的亮度。

在一些实施方式中，由波导的一对相对表面在其间引导的光场是衍射光场。例如，衍射光场可以是全息光场。在一些实施例中，光是发散的。在观察系统在有限虚像距离(与无限远相反)观察虚像的应用中，可能需要发散光场。

提供了一种包括波导的显示系统。显示系统可以包括被布置成显示全息图的空间光调制器。入射到波导上的光场可以根据全息图进行空间调制。显示系统可以包括具有像素区域的显示设备，该像素区域限定了由波导扩展的显示系统的出射光瞳。该波导可以形成一对波导光瞳扩展器中的第一一维光瞳扩展器，该对波导光瞳扩展器被布置成分别在第一方向和第二垂直方向上扩展显示系统的光瞳。

术语“全息图”用来指包含关于物体的振幅信息或相位信息，或它们的某种组合的记录。术语“全息重建”用于指通过照射全息图形成的物体的光学重建。本文公开的系统被描述为“全息投影仪”，因为全息重建是实像并且在空间上与全息图分离。术语“重放场”用于指2D区域，在该区域内形成全息重建并完全聚焦。如果全息图显示在包括像素的空间光调制器上，重放场将以多个衍射级的形式重复，其中每个衍射级是零阶重放场的复制品。零阶重放场通常对应于优选的或主要的重放场，因为它是最亮的重放场。除非明确说明，否则术语“重放场”应该被认为是指零阶重放场。术语“重放平面”用于指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”是指由全息重建的光照射的重放场的区域。在一些实施例中，“图像”可以包括离散的点，这些点可以被称为“图像点”，或者为了方便起见，称为“图像像素”。

术语“编码”、“写入”或“寻址”用于描述向SLM的多个像素提供相应的多个控制值的过程，这些控制值分别确定每个像素的调制水平。可以说SLM的像素被配置成响应于接收多个控制值而“显示”光调制分布。因此，可以说SLM“显示”了全息图，并且该全息图可以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的傅立叶变换相关的相位信息的“全息图”形成。这种全息记录可以被称为纯相位全息图。实施例涉及仅相位全息图，但是本公开同样适用于仅振幅全息术。

本公开同样适用于使用与原始物体的傅立叶变换相关的振幅和相位信息来形成全息重建。在一些实施例中，这通过使用所谓的完全复合全息图的复合调制来实现，该完全复合全息图包含与原始物体相关的振幅和相位信息。这种全息图可以被称为完全复合全息图，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。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，计算完全复合的计算机生成全息图。

可以参考相位值、相位分量、相位信息，或者简单地参考计算机生成的全息图或空间光调制器的像素相位，作为“相位延迟”的简写。也就是说，所描述的任何相位值实际上是表示由该像素提供的相位迟延的量的数字(例如，在0到2π的范围内)。例如，被描述为具有π/2相位值的空间光调制器的像素会将接收到的光的相位迟延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级。例如，为了方便起见，术语“灰度级”可以用于指代纯相位调制器中的多个可用相位级，即使不同的相位级不提供不同的灰度。为了方便起见，术语“灰度级”也可以用于指代复合调制器中的多个可用复合调制级。

因此，全息图包含灰度级的阵列，即光调制值的阵列，诸如相位延迟值或复合调制值的阵列。全息图也被认为是衍射图案，因为它是一种当显示在空间光调制器上并用波长与空间光调制器的像素间距相当、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。这里参考将全息图与其他衍射图案相结合，例如用作透镜或光栅的衍射图案。例如，用作光栅的衍射图案可以与全息图结合，以平移重放平面上的重放场，或者用作透镜的衍射图案可以与全息图结合，以将全息重建聚焦在近场中的重放平面上。

尽管不同的实施例和实施例组可以在下面的详细描述中单独公开，但是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组合相结合。也就是说，设想了本公开中公开的特征的所有可能的组合和排列。

附图说明

参考以下附图，仅以示例的方式描述具体实施例:

图1是显示在屏幕上产生全息重建的反射式SLM的示意图；

图2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3示出了全息图，其特点是通过将全息编码的光学路径传送或通道化引导(chanelling)到多个离散的全息图通道中；

图4示出了一种系统，该系统被布置成通过不同的光学路径将图3的每个全息图通道的光内容传送到眼睛；

图5示出了一对堆叠的图像复制器的透视图，该图像复制器被布置用于在两个维度上扩展光束；

图6示出了根据现有技术的通过光学透明窗口将光束的平行光线耦合到波导中；

图7A示出了根据一个实施例的波导；以及

图7B示出了光束的平行光线耦合到图7A的波导中。

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

本发明不限于下面描述的实施例，而是延伸到所附权利要求的全部范围。也就是说，本发明可以以不同的形式实施，并且不应该被解释为限于所描述的实施例，所描述的实施例是为了说明的目的而阐述的。

除非另有说明，单数形式的术语可以包括复数形式。

被描述为形成在另一个结构的上部/下部或者在另一个结构之上/之下的结构应该被解释为包括这些结构彼此接触的情况，此外，还包括在它们之间布置有第三结构的情况。

在描述时间关系时，例如，当事件的时间顺序被描述为“之后”、“随后”、“下一个”、“之前”等时，除非另有说明，本公开应当被理解为包括连续和非连续事件。例如，除非使用诸如“刚刚”、“立即”或“直接”之类的措辞，否则描述应包括不连续的情况。

尽管术语“第一”、“第二”等可以在本文用来描述各种元素，但是这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。例如，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，第一元素可以被称为第二元素，并且类似地，第二元素可以被称为第一元素。

不同实施例的特征可以部分地或全部地彼此耦合或组合，并且可以彼此不同地互操作。一些实施例可以彼此独立地实现，或者可以以相互依赖的关系一起实现。

光学配置

图1示出了一个实施例，其中计算机生成的全息图被编码在单个空间光调制器上。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基液晶“LCOS”器件。全息图在空间光调制器上被编码，并且全息重建在重放场形成，例如，诸如屏幕或漫射器的光接收表面。

光源110，例如激光器或激光二极管，被设置成通过准直透镜111照射SLM 140。准直透镜使光的大致平面的波前入射到SLM上。在图1中，波前的方向偏离法线(例如，从真正垂直于透明层平面偏离2或3度)。然而，在其他实施例中，大致平面的波前以法线入射而提供，并且分束器装置用于分离输入和输出光学路径。在图1所示的实施例中，这种布置使得来自光源的光被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的光学器件上，其焦点在屏幕125上。更具体地，傅立叶变换透镜120接收来自SLM 140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，在这种全息术中，全息图的每个像素都对整个重建有贡献。在重放场上的特定点(或图像像素)和特定光调制元件(或全息图像素)之间没有一对一的关系。换句话说，离开光调制层的调制光分布在重放场上。

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)能力决定。在图1所示的实施例中，傅立叶变换透镜是物理透镜。也就是说，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执行的。任何透镜都可以充当傅立叶变换透镜，但是透镜的性能会限制其执行傅立叶变换的精度。技术人员知道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。傅立叶全息图是通过将重放平面中的期望光场傅立叶变换回透镜平面来计算的。计算机生成的傅立叶全息图可以使用傅立叶变换来计算。仅作为示例，实施例涉及傅立叶全息术和Gerchberg-Saxton型算法。本公开同样适用于可以通过类似方法计算的菲涅耳全息术和菲涅耳全息图。在一些实施例中，全息图是相位或纯相位全息图。然而，本公开也适用于通过其他技术计算的全息图，例如基于点云方法的技术。2021年8月26日提交的英国专利申请GB 2112213.0公开了可以与本公开结合的示例全息图计算方法，该专利申请通过引用结合于此。特别地，该早期专利申请描述了用于计算一种(特别)类型的全息图的方法，这将在下面参考图2和图3进行描述，该全息图对图像内容进行角划分/通道化引导。

在一些实施例中，提供了实时引擎，其被布置成接收图像数据并使用算法实时计算全息图。在一些实施例中，图像数据是包括图像帧序列的视频。在其他实施例中，全息图被预先计算，存储在计算机存储器中，并在需要时被调用以在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。

光调制

显示系统包括限定显示系统出射光瞳的显示设备。显示设备是空间光调制器。空间光调制可以是相位调制器。显示设备可以是本领域公知的硅基液晶、“LCOS”、空间光调制器(SLM)。LCOS SLM包括多个像素，例如四边形LC像素的阵列。像素可以用包括全息图的衍射图案来寻址或编码。可以说LCOS SLM被布置成“显示”全息图。LCOS SLM被布置成用光照射，并根据全息图输出空间调制光。LCOS SLM输出的空间调制光包括如本文所述的衍射或全息光场。

光通道化引导

本文公开的光学系统适用于具有任何衍射光场的光瞳扩展。在一些实施例中，衍射光场是全息光场，即，已经根据图像的全息图而不是图像本身进行空间调制的复合光场。在一些实施例中，全息图是一种特殊类型的全息图，其成角度地划分/通道化引导图像内容。这种类型的全息图在本文中被进一步描述，仅仅作为与本公开兼容的衍射光场的示例。其他类型的全息图可以与本文公开的显示系统和光引擎结合使用。

下面描述了一种显示系统和方法，其包括波导光瞳扩展器。如本领域的读者所熟悉的，波导可以被配置为“光瞳扩展器”，因为它可以用于增加区域，在该区域上(或在该区域内)由相对小的光发射器(例如相对小的SLM或在本文描述的布置中使用的其他像素化显示设备)发射的光可以被位于远离光发射器一定距离(例如相对大的距离)的人类观察者或其他观察系统观察到。波导通过增加向观察者输出光的透射点的数量来实现这一点。结果，可以从多个不同的观察者位置看到光，例如，观察者可以移动他们的头部，从而移动他们的视线，同时仍然能够看到来自光发射器的光。因此，可以说，通过使用波导光瞳扩展器，观察者的“眼盒”或“眼动范围”被放大了。这具有许多有用的应用，例如但不限于平视显示器，例如但不限于汽车平视显示器。

本文描述的显示系统可以被配置成引导光(诸如衍射光场)通过波导光瞳扩展器，以便在至少一个维度上(例如在两个维度上)提供光瞳扩展。衍射光场可以包括由空间光调制器(SLM)诸如LCOS SLM输出的光。例如，衍射光场可以包括由SLM显示的全息图编码的光。例如，衍射光场可以包括全息重建图像的光，对应于SLM显示的全息图。全息图可以包括计算机生成的全息图(CGH)，例如但不限于点云全息图、菲涅耳全息图或傅立叶全息图。全息图可以被称为“衍射结构”或“调制图案”。SLM或其他显示设备可以被布置成以本领域读者熟悉的方式显示衍射图案(或调制图案)，该衍射图案包括全息图和一个或多个其他元件，例如软件透镜或衍射光栅。

全息图可以被计算以提供衍射光场的引导。这在GB2101666.2、GB2101667.0和GB2112213.0中均有详细描述，所有这些文献在此引入作为参考。一般来说，全息图可以被计算成对应于将要被全息重建的图像。全息图所对应的图像可以称为“输入图像”或“目标图像”。可以计算全息图，使得当它被显示在SLM上并被适当照射时，它形成包括空间调制光的光锥的光场(由SLM输出)。在一些实施例中，光锥包括空间调制光的多个连续光通道，其对应于图像的相应连续区域。然而，本公开不限于这种类型的全息图。

尽管我们在这里称之为“全息图”或“计算机生成的全息图(CGH)”，但是应当理解，SLM可以被配置成连续地或根据序列动态地显示多个不同的全息图。这里描述的系统和方法适用于多个不同全息图的动态显示。

图2和3示出了可以在诸如SLM的显示设备上显示的一种类型的全息图的示例，其可以与本文公开的光瞳扩展器结合使用。然而，该示例不应被视为对本公开的限制。

图2示出了用于投影的图像252，包括八个图像区域/分量，V1到V8。图2仅以举例的方式示出了八个图像分量，并且图像252可以被分成任意数量的分量。图2还示出了编码光图案254(即，全息图)，其可以重建图像252，例如，当被合适的观察系统的透镜转换时。编码光图案254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2进一步显示了全息图如何通过角度分解图像内容。因此，全息图的特征在于它所执行的对光的通道化引导。这如图3所示。具体而言，本例中的全息图将光引导入多个离散区域。在所示的示例中，离散区域是圆盘，但是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光瞳的尺寸和形状相关。

图4示出了系统400，包括显示已经如图2和3所示计算的全息图的显示设备。

系统400包括显示设备，该显示设备在该布置中包括LCOS SLM 402(可以简称为LCOS 402)。LCOS 402被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405，眼睛405包括充当孔径404的瞳孔、晶状体409和充当观察平面的视网膜(未示出)。有一个光源(未示出)被布置来照射LCOS 402。眼睛405的晶状体409执行全息图到图像的转换。光源可以是任何合适的类型。例如，它可以包括激光光源。

观察系统400还包括位于LCOS 402和眼睛405之间的波导408。波导408的存在使得来自LCOS 402的所有角内容能够被眼睛接收，即使在所示的相对大的投影距离下。这是因为波导508以众所周知的方式充当光瞳扩展器，因此在此仅简要描述。

简而言之，图4所示的波导408包括基本上细长的结构。在该示例中，波导408包括折射材料的光学板，但是其他类型的波导也是众所周知的并且可以被使用。波导408被定位成与从LCOS 402投射的光锥(即衍射光场)相交，例如以一倾斜角相交。在这个示例中，波导408的尺寸、定位和位置被配置成确保来自光锥内的八个光线束中的每一个的光进入波导408。来自光锥的光经由波导408的第一平面表面(位置最靠近LCOS 402)进入波导408，并且在经由波导408的基本上与第一表面(位置最靠近眼睛)相对的第二平面表面发射之前，至少部分地沿着波导408的长度被引导。很容易理解，第二平面表面是部分反射、部分透射的。换句话说，当每条光线从第一平面表面在波导408内传播并撞击第二平面表面时，一些光将透射出波导408，一些光将被第二平面表面反射回第一平面表面。第一平面表面是(高)反射性的，使得从波导408内撞击它的所有光将被反射回第二平面表面。因此，一些光在被透射之前可以简单地在波导408的两个平面表面之间折射，而其他光可以被反射，因此在被透射之前可以在波导408的平面表面之间经历一次或多次反射(或“反弹”)。

图4示出了沿着波导408的长度的总共九个“反弹”点B0到B8。尽管与图2所示的图像(V1-V8)所有点相关的光在从波导408的第二平面表面的每次“反弹”时都被透射出波导，但是只有来自图像的一个角部分的光(例如，V1到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405的轨迹。此外，来自图像的不同角部分(V1到V8)的光从每个相应的“反弹”点到达眼睛405。因此，在图4的示例中，编码光的每个角通道仅从波导408到达眼睛一次。

波导408在沿着其长度的相应“反弹”点B1到B8处形成全息图的多个复制品，对应于光瞳扩展的方向。如图4所示，多个复制品可以以直线外推回对应的多个复制品或虚拟显示设备402’。该过程对应于在波导内“展开”光学路径的步骤，使得复制品的光线被外推回“虚拟表面”，而在波导内没有内部反射。因此，扩展的出射光瞳的光可以被认为源自包括显示设备402和复制显示设备402’的虚拟表面(这里也称为“扩展调制器”)。

上述方法和布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)中或者在诸如增强现实(AR)HMD的头部或头盔安装设备(HMD)中实现。

尽管本文已经一般性地讨论了虚像，虚像需要眼睛转换接收的调制光以形成感知图像，但是这里描述的方法和装置可以应用于实像。

二维光瞳扩展

虽然图4所示的布置包括在一个维度上提供光瞳扩展的单个波导，但是光瞳扩展可以在不止一个维度上提供，例如在两个维度上。此外，虽然图4中的示例使用了已经被计算以创建光通道的全息图，每个光通道对应于图像的不同角内容和/或不同部分，但是本公开和下面描述的系统不限于这种全息图类型。

图5示出了系统500的透视图，系统500包括两个复制器504、506，被布置用于在两个维度上扩展光束502。

在图5的系统500中，第一复制器504包括彼此平行堆叠的第一对表面，并且被布置成以类似于图4的波导408的方式提供复制或者光瞳扩展。第一对表面的尺寸和形状彼此相似(在某些情况下相同)，并且在一个方向上基本上是细长的。光束502被导向第一复制器504上的输入端。由于两个表面之间的内部反射过程，以及来自其中一个表面(上表面，如图5所示)上的多个输出点中的每个输出点的光的部分透射(这对于本领域的读者来说是熟悉的)，光束502的光沿着第一复制器504的长度在第一方向上被复制。因此，第一多个复制光束508从第一复制器504朝向第二复制器506发射。

第二复制器506包括彼此平行堆叠的第二对表面，布置成接收第一多个光束508的每个准直光束，并且进一步布置成通过在基本上正交于第一方向的第二方向上扩展这些光束中的每个光束来提供复制或者光瞳扩展。第一对表面的尺寸和形状彼此相似(在某些情况下相同)，并且基本上为矩形。为第二复制器实现矩形形状，以使其具有沿着第一方向的长度以便接收第一多个光束508，并且具有沿着第二正交方向的长度以便在该第二方向上提供复制。由于两个表面之间的内部反射过程，以及来自其中一个表面(如图5所示的上表面)上的多个输出点中的每个输出点的光的部分透射，第一多个光束508中的每个光束的光在第二方向上被复制。因此，第二多个光束510从第二复制器506发射，其中第二多个光束510包括输入光束502沿着第一方向和第二方向中的每一个的复制品。因此，第二多个光束510可以被视为包括复制光束的二维网格或阵列。

因此，可以说图5的第一和第二复制器504、505组合起来提供了二维复制器(或“二维光瞳扩展器”)。第一和第二复制器504、505中的每一个都采取波导光瞳扩展器的形式，包括一对相对表面，该对相对表面被布置成通过内部反射在其间引导光，如本文所述。图5中所示的波导各自包括一对第一和第二相对表面，它们基本上平行布置，并且在空间上相互分离(例如通过空气)。在其他布置中，波导可以包括所谓的“板波导”，其中第一和第二相对表面是光学透明固体材料的板的相对(主)平行表面。在这种情况下，第一复制器504可以包括细长杆状板，用于在沿着杆的长度的第一方向上提供ID光瞳扩展，并且第二复制器可以包括平面矩形板，用于在与第一方向正交的第二方向上提供光瞳扩展。

通过反射表面中的透明窗口来耦合光

传统上，衍射光场(例如全息光场)通过波导的(高)反射表面中的光学透明窗口或入射孔径耦合到波导中。理想地，光场应该通过透明窗口发射，使得它位于与(高)反射表面一起或相邻的入射孔径的边缘。例如，衍射光场边缘的光线应该基本上邻接或接触与(高)反射表面相邻的透明窗口的边缘。这如图6所示。

为了便于说明，图6和其他图仅示出了光线束的一些光线。虽然图6和其他附图为了便于说明而示出了彼此平行的光线，但是在一些实施例中，光线束包括发散的光线。也就是说，波导接收的光束是发散光束。因此，光线束的光线具有不同的光线角度。本文公开的概念在改善准直光和非准直光(例如发散光或会聚光)的内耦合(in-coupling)方面同样有效。

参考图6，包括一光线束的光场601入射到波导600的一对相对表面620、640的第二表面640的输入端口上。输入端口被形成为在第二表面640上形成的连续(高)反射元件604中的透明窗口。光线束被透射到波导600中，其中光线以一倾斜角入射到第一表面620上，第一表面620上具有(连续的)部分透射/部分反射元件602。因此，光线被部分地内部反射，以及部分地透射，以形成复制品(为了便于说明，未示出所有复制品),该复制品通过由第一表面620形成的输出端口出射。内部反射的光线从第一表面620以一定角度“反弹”,使得它们入射到在第二表面640(高)上的反射元件604上。一部分内部反射的光线在每次“反射”时通过输出端口出射(为了便于说明，在图6中没有示出与第一次“反射”相关的部分)。因此，如图6所示，光场601的光线束的光线被完全耦合到波导600中(即被捕获在其中)。

如650所示，透明窗口的边缘形成在与第二表面640上的(高)反射元件604的相交处。为了提供高质量的图像，发明人惊奇地发现入射孔径的边缘的形状是至关重要的。在某些情况下，发现边缘会在图像中造成明显的伪影或缺陷，例如不需要的线条，例如暗带。这些伪像可能出现在每个复制品中。因此，伪像被波导复制，并由具有高反射元件的输入端口的边缘处的物理过程(可能是棱镜偏转或复杂散射)引起。消除这些伪像对于实现工业应用中可接受的图像质量是至关重要的。发明人发现该边缘应该是非常陡峭的，理想地从高透射率突变到高反射率(例如，边缘基本上垂直于波导的第二表面)。此外，发明人发现，如下所述，对于包括电介质层的反射元件，这些图像伪像要糟糕得多。

在一些现有技术的布置中，连续的(高)反射元件可以包括在波导的第二表面上形成的具有高反射率的电介质堆叠(或电介质多层)。在这种情况下，使用阴影掩膜来限定入射孔径(形成输入端口)和反射元件之间的边缘的位置，通过真空或等离子体沉积，连续的(高)反射元件通常形成(在一系列层中)。电介质堆叠可能是优选的，以实现为彩色显示对不同波长进行波导所必需的消色差反射率。

发明人发现，电介质堆叠的使用在波导的第二表面上提供了高质量、高反射率(R>99％)的元件。然而，透明窗口在与电介质堆叠相交处的边缘是不完美的，即，不是非常陡峭的，例如，边缘的厚度可以在几十μm的范围内变化。如上所述，关键的是，已经意外地发现电介质堆叠的边缘处的转变会在系统的观察者所感知的图像中产生伪像。虽然可以补偿不完美的反射率，但是对于使用电介质堆叠作为波导第二表面上的(高)反射元件来说，伪像是一个显著的障碍。

在其他现有技术布置中，连续的(高)反射元件可以包括在波导的第二表面上形成的金属层。在这种情况下，可以使用阴影掩膜来限定入射孔径(形成输入端口)和(高)反射元件之间的边缘位置通过真空沉积形成(高)反射层。金属反射器可能不太优选，因为反射率是彩色的，这与为彩色显示对不同波长进行波导是不相容的。

发明人已经发现，金属层的使用在与透明窗口的相交处提供了陡峭的边缘。然而，金属层的反射率低于电介质堆叠可实现的反射率(例如，仅约96％)。此外，由于上述金属的彩色特性，金属层对红光、绿光和蓝光的反射率是不同的。结果，由于金属层的多次内部反射具有不同的各自反射率，在沿着波导长度的不同位置，红、绿和蓝光的相对强度有变化。发明人已经发现，这导致从波导的扩展出射光瞳发射的光的红、绿和蓝分量出现可观察到的不平衡，特别是如果观察者移动到不同的观察位置，这对于工业应用来说是不可接受的。

考虑到上述发现，发明人设计了一种用于在邻近输入端口的波导的第二表面上形成的(高)反射元件的改进结构。特别地，(高)反射元件包括“混合结构”，包括金属层和电介质多层。图7A和7B示出了根据本发明的混合结构的实施例。

参考图7A和7B，波导700包括一对相对表面720、740，它们被布置成沿着波导700的长度，特别是从其第一端到第二端(即，在附图中从左到右)，通过它们之间的内部反射来引导光。该对相对表面720、740基本平行，并被光学透明材料分隔开，如上文所述，例如参考图5。在波导由固体透明材料形成的情况下，这对相对表面720、740由固体透明材料的相对主表面形成。

波导700的该对相对表面的第一表面720包括透射-反射元件702，其被配置为在每次从其内部反射时分割光场，并沿其长度输出一系列复制品(未示出)。因此，透射-反射元件702扩展了出射光瞳(例如，提供用于波导的光的显示系统的出射光瞳)，并形成波导700的输出端口。波导700的该对相对表面的第二表面740包括邻近波导700的第一端的输入端口710和用于内部反射光并从输入端口710延伸到波导700的第二端的(高)反射元件。在示例中，透射-反射元件702的反射率是渐变的，使得反射率随着沿着波导700的长度离开输入端口的距离而降低。这可以被设计成导致沿着波导700的长度形成基本均匀强度的复制品。根据本公开，(高)反射元件具有如下所述的混合结构。在所示的布置中，输入端口710是从波导700的第一端延伸到邻近反射元件的边缘762的光学透明窗口，尽管输入端口710的其它形式的入射孔径也是可能的。

反射元件由包括(短)金属层760和电介质堆叠704的“混合结构”形成。电介质堆叠704包括至少一个电介质层。在一些实施例中，电介质堆叠704包括至少十个不同的电介质层。金属层760设置在波导700的第二表面740的邻近输入端口710的部分上。因此，金属层760限定了形成输入端口710的透明窗口的边界。因为透明窗口由金属层760限定，所以边界是从高透射率突然变为高反射率的陡峭边缘762。可以说，在沿着波导700的第二表面740的长度的(精确的)线性位置处，陡峭边缘762是透明窗口和反射元件之间的尖锐或清晰限定的边界。特别地，陡峭边缘762可以基本上垂直于其上形成金属层760的波导700的第二表面740。电介质堆叠704的第一部分791设置在金属层760上，并且电介质堆叠704的第二部分792设置在波导700的第二表面740上(例如，直到第二端)，其中第二部分792比第一部分791更远离透明窗口。在示出的实施例中，电介质堆叠704仅设置在金属层760的一部分上，以便限定包括第二边缘764的“台阶”,该第二边缘764基本上邻近透明窗口，但是偏离陡峭边缘762，如下面进一步描述的。金属层760的厚度可以小于电介质堆叠704的厚度。

金属层760可以通过真空沉积形成在波导700的第二表面740上，该真空沉积使用被布置成限定第二表面740上形成金属层760的部分的位置、形状和/或尺寸的阴影掩膜。电介质堆叠704可以通过真空或等离子体沉积(在一系列层中)形成，该真空或等离子体沉积使用被布置成限定金属层760上的电介质堆叠704的“台阶”位置以及第二边缘764的阴影掩模。

因此，在混合结构中，金属层760不沿着波导700的第二表面740的整个长度延伸(即，直到第二端)。相反，金属层760相对较短，因此形成了另一个陡峭边缘，该另一个陡峭边缘沿着波导700的长度与在具有透明窗口的边界处的陡峭边缘762空间分离。电介质堆叠704设置在金属层760上和波导700的第二表面740的剩余部分上(例如，直到第二端)。

有利的是，在金属层760上形成的电介质堆叠704的“台阶”具有不完美的边缘764，该边缘764邻近透明窗口并在远离透明窗口的方向上偏移。然而，这个不完美的边缘764位于具有陡峭边缘762的金属层760的顶部。因此，输入端口710的透明窗口在与波导的第二表面740上的(高)反射元件的边界处形成有陡峭边缘762。因此，耦合到波导700中的光不会由于不完美的边缘764而形成不希望的伪像，如下面参考图7B进一步描述的。

此外，波导700的第二表面740的剩余部分包括电介质堆叠704的第二部分792，其提供对于光的所有波长一致/不可变的高反射率(即消色差)。因此，(高)反射元件不会不利地影响从波导的扩展出射光瞳发射的红色、绿色和蓝色光的色彩平衡。因此，观察者在眼盒内不同位置感知的彩色图像具有基本相同的色彩平衡。电介质堆叠704的长度(在波导的伸长方向上)可以远大于金属层760的长度，例如至少大五倍或十倍。

参考图7B，光场的光线781-785，例如本文描述的(单色)衍射或全息光场，入射到输入端口710上。光线781-785通过第二表面740中的透明窗口进入波导700，并以用于全内部反射的一倾斜角(相对于表面法线)入射到波导700的第一表面720的反射-透射元件702上。因此，光线以相同的倾斜角(相对于表面法线)被反射-透射元件702内部反射(在第一次“反弹”中)。光场与输入端口710对准，使得离波导700的第一端最远的光场的前光线781刚好邻接或接触由反射元件的金属层760形成的陡峭边缘762。此外，光场以一倾斜角入射，使得所有光线781-785通过第一表面720处的第一内部反射(第一“反弹”)耦合到波导700中。

作为第一次内部反射或“反弹”的结果，最靠近波导700的第一端的光场的一些光线(例如，图示的光线781、782)入射到第二表面740处的金属层760上。如本文所述，金属层760具有相对低的反射率，该反射率根据光的波长(即，色度)而变化。由于电介质堆叠704的第一部分791覆盖在金属层760上，所以透射穿过金属层760的光的一部分(由于其较低的反射率)仍然可以被覆盖的较高反射率的电介质堆叠704反射回波导700中(例如，图示的光线782)。这最小化了本文描述的金属层760的低反射率和彩色反射率的不利影响，并且改善了这些光线781、782到波导700中的耦合。然而，离波导700的第一端最远的光场的其他光线(例如，图示的光线783、784和785)直接入射到电介质堆叠704的第二部分792上，该第二部分792直接形成在第二表面720上。如本文所述，电介质堆叠704具有相对高的反射率，该反射率对于所有波长的光基本相同(即消色差)。这导致这些光线783、784、785最佳耦合到波导700中。

在所有光线781-785的第一次内部反射或“反弹”之后，光场在波导700的第一表面720上的透射-反射元件702和第二表面740上的电介质堆叠704的第二部分792之间被引导，因此对于所有波长的光具有基本相同的高反射率。

如本领域技术人员将理解的，(相对较短的)金属层760沿着波导700的第二表面740的长度(例如由阴影掩膜限定的长度)，可以根据应用要求来选择。在一些示例中，金属层760的陡峭边缘之间的合适长度在0.5mm和20mm之间。在其他示例中，金属层760的长度可以最小化(例如，大约1mm)，以便最小化金属层760的相对低的反射率的影响(例如，对图7B所示的光场的背光线785的影响)。在进一步的例子中，金属层760的长度大约等于光场的中继图像的维度大小。以这种方式，光主要仅从金属层760反射一次，并且随后从电介质堆叠704一致地反射，如图7A和7B所示的实施例。

如本领域技术人员将进一步理解的，由金属层760形成的陡峭边缘762和由邻近透明窗口的电介质堆叠604形成的“台阶”的不完美边缘764之间的偏移也可以根据应用要求来选择。例如，可以最小化偏移，以便最小化金属层760的相对低的反射率的影响(例如，在图7B所示的光场的背光线785上)。然而，本领域技术人员将理解，由金属层760形成的陡峭边缘762和由具有透明窗口的电介质堆叠604形成的不完美边缘764之间的偏移是期望的。具体而言，电介质堆叠的不完美边缘764可以在几十μm内变化，而不是突然转变(即，在精确的线性位置处)，使得需要这些边缘762、764之间的最小间隔(例如，10-90μm)来保持在与透明窗口的边界处的陡峭边缘，从而尤其防止观察者所感知的图像中的伪像的形成。

附加特征

在实施例中，全息重建是彩色的。在一些实施例中，被称为空间分离彩色“SSC”的方法被用于提供彩色全息重建。在其他实施例中，使用了被称为帧顺序彩色“FSC”的方法。

示例描述了用可见光照射SLM，但是本领域技术人员将会理解，光源和SLM同样可以用于引导红外光或紫外光，例如，如本文所公开的。例如，为了向用户提供信息，本领域技术人员将知道用于将红外和紫外光转换成可见光的技术。例如，本公开延伸到为此目的使用磷光体和/或量子点技术。

一些布置仅以举例的方式描述了2D全息重建。在其他布置中，全息重建是3D全息重建。也就是说，在一些布置中，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在计算机可读介质上实现。术语“计算机可读介质”包括用于临时或永久存储数据的介质，例如随机存取存储器(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”还应被理解为包括任何介质或多个介质的组合，其能够存储由机器执行的指令，使得当由一个或多个处理器执行指令时，使机器整体或部分地执行本文描述的任何一个或多个方法。

术语“计算机可读介质”还包括基于云的存储系统。术语“计算机可读介质”包括但不限于固态存储器芯片、光盘、磁盘或其任何合适组合的示例形式的一个或多个有形和非暂时性数据储存库(例如，数据卷)。在一些示例实施例中，用于执行的指令可以通过载体介质来传送。这种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来说，很明显，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化。本公开覆盖了所附权利要求及其等同物范围内的所有修改和变化。

Claims (15)

1.一种波导(700)，包括:

一对相对表面(720，740)，其被布置成通过内部反射在其间引导光场；

输入端口(710)，其被布置成接收来自显示系统的光；

反射元件，其被布置成内部反射所述光场，其中所述输入端口和所述反射元件形成在所述一对相对表面的第二表面(740)上；

由透射-反射元件(702)形成的输出端口，所述透射-反射元件(702)被配置成在每次从其内部反射时分割所述光场，使得所述光场的多个复制品通过所述输出端口透射出所述波导，

其中所述反射元件包括设置在所述波导的所述第二表面上的金属层(760)和至少部分设置在所述金属层上以形成台阶的电介质堆叠(704)，其中所述金属层与所述输入端口形成边缘(762)，并且所述电介质堆叠在远离所述输入端口的方向上相对于所述边缘(762)偏移。

2.如权利要求1所述的波导，其中所述金属层不延伸所述反射元件的全部长度。

3.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中所述金属层的长度小于20mm或10mm，例如小于5mm或小于2mm。

4.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中所述电介质堆叠的第一部分(791)设置在所述金属层上以形成所述台阶，并且所述电介质堆叠的第二部分(792)直接设置在所述波导的所述第二表面上。

5.如权利要求4所述的波导，其中所述电介质堆叠的所述第二部分的长度大于所述第一部分的长度。

6.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中所述金属层具有彩色反射率，并且所述电介质堆叠具有消色差反射率。

7.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中所述电介质堆叠的反射率大于所述金属层的反射率。

8.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中由邻近所述输入端口的所述金属层形成的边缘(762)比由邻近所述输入端口的所述电介质堆叠在台阶处形成的第二边缘(764)更尖锐。

9.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中所述透射-反射元件的反射率随着离所述输入端口的距离而降低。

10.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中所述输出端口形成在所述一对相对表面(720，740)的第一表面(720)上。

11.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中由所述一对相对表面在其间引导的光场是发散光场。

12.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中所述显示系统包括布置成显示全息图的空间光调制器，和/或所述光场根据所述全息图被空间调制。

13.如权利要求12所述的波导，其中所述显示系统包括具有像素区域的显示设备，所述像素区域定义由所述波导扩展的所述显示系统的出射光瞳。

14.一种系统，其中如前述权利要求中任一项所述的波导是一对波导光瞳扩展器的第一一维光瞳扩展器，其被布置成分别在第一方向和第二垂直方向上扩展所述显示系统的光瞳。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述波导的长度大于其宽度，其中所述长度在所述第一方向上延伸，并且所述宽度在所述第二方向上延伸。

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