CN116893509A - 显示系统及其光控制膜 - Google Patents

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CN116893509A CN202310174574.XA CN202310174574A CN116893509A CN 116893509 A CN116893509 A CN 116893509A CN 202310174574 A CN202310174574 A CN 202310174574A CN 116893509 A CN116893509 A CN 116893509A
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Abstract

一种用于车辆的平视显示器，包括具有反射表面的光学部件，该反射表面在平视显示器操作期间布置成有助于阳光眩光的配置。光控制层设置在光学部件上，以接收到反射表面的光学路径上的阳光。光控制层包括阳光接收表面和分隔百叶片阵列的芯材料。光控制层的阳光接收表面是锯齿状的，与百叶片阵列相配合，以便将接收的阳光从平视显示器的眼盒偏转开。

Description

显示系统及其光控制膜
技术领域
本公开涉及显示系统，特别是使用包括发散光束的衍射光场的显示系统。更具体地，本公开涉及包括波导光瞳扩展器的显示系统以及使用波导的光瞳扩展方法。本发明还涉及用于显示系统的光学部件，例如波导光瞳扩展器，的光控制膜。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。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进制、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。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。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。显示器的像素可以显示衍射光的衍射图案或结构。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，最大衍射角的幅度由像素的大小和其他因素比如光的波长决定。
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。
在一些示例中，图像(由显示的全息图形成)传播到眼睛。例如，在显示设备和观察者之间的自由空间中或者在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。
在一些其他示例中，全息图本身(的光)传播到眼睛。例如，全息图(尚未完全转换为全息重建，即图像)—可以非正式地说是用全息图“编码”的—的空间调制光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。有时说，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例如x和y上具有有限大小的光图案。术语“光场”仅仅表示在至少两个正交空间方向(x和y)上具有有限尺寸的光图案。这里使用的“复数”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。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。
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，并且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)小，投影距离(相对而言)大。在一些实施例中，投影距离比显示设备的入瞳和/或孔径的直径或宽度(即像素阵列的尺寸)大至少一个(比如至少两个)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。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)，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。如技术人员将理解，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盒。从显示设备接收的光(例如来自LCOS的空间调制光)被该或每个波导复制，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“复本”，波导扩大了观察窗。
显示设备可以具有有源或像素显示区域，该有效或显示区域具有小于10厘米的第一维度，例如小于5厘米或小于2厘米。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比如小于15ms或小于10ms内接收图像并确定足够质量的相应全息图。
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—全息图配置成将光路由到多个通道中，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展示比如显示。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路由到多个全息图通道中，仅仅是为了反映可由全息图重建的图像具有有限的大小，并且可被任意划分成多个图像子区域，其中每个全息图通道对应于每个图像子区域。重要的是，本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射时全息图形成的空间调制光中的唯一光线角度相关—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被任意分成多个全息图通道，其中每个全息图通道由一系列光线角度(二维)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。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。
然而，全息图仍可被识别。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。如果重建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区域的形状基本对应于入射光瞳的形状(即基本相同)，尽管尺寸可以不同—至少在计算全息图的正确平面处。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，但也可以使用其他方式。总之，本文公开的全息图通过图像内容如何分布在全息图编码的光内来表征和识别。此外，为了避免任何疑问，本文中对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光场的光瞳扩展。
该系统可以紧凑和流线型的物理形式提供。这使得系统适用于广泛的现实世界应用，包括那些空间有限和不动产价值高的应用。例如，它可以在平视显示器(HUD)中实现，比如车辆或汽车HUD。
根据本公开，为衍射或衍射光提供光瞳扩展，其可以包括发散的光线束。衍射光可以由显示设备输出，比如像素化显示设备，比如布置成显示衍射结构(比如全息图)的空间光调制器(SLM)。衍射光场可以由“光锥”来定义。因此，衍射光场的大小(如在二维平面上定义的)随着距相应衍射结构(即显示设备)的传播距离而增加。
空间光调制器可以布置成显示全息图。衍射或发散光可以包括用/由全息图编码的光，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本，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)的多个复本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。
提供了一种用于车辆的平视显示器。平视显示器包括具有反射表面的光学部件。在平视显示操作期间，光学部件布置成有助于阳光眩光的配置。可以说，这种配置使得光学部件(例如其反射表面)容易因入射到其上的阳光(例如通过将阳光引导或传播到眼盒)而导致对平视显示器的观察者的眩光。特别地，光学部件的反射表面可以接收阳光并将阳光引导到平视显示器的眼盒区域(或观察窗),从而导致眩光。光控制层设置在光学部件上，以接收到反射表面的光学路径上的阳光。光控制层包括阳光接收表面和分隔百叶片阵列的芯材料。光控制层的阳光接收表面是锯齿状的，与百叶片阵列相配合。
因此，光控制层配置成控制入射阳光，而不显著改变光学部件的功能。特别地，光控制层可以引导接收的阳光远离平视显示器的眼盒。因此，减少了由于阳光对观察者造成眩光的风险。
如本文所用，百叶片可以是倾斜板条。因此，百叶片阵列可以包括多个倾斜板条。多个倾斜板条中的每个可以是平行的。在一些实施例中，百叶片阵列的相邻百叶片可以是均匀间隔的(即百叶片具有恒定的“百叶片间距”)。因此，可以说百叶片阵列具有周期性。在实施例中，阳光接收表面的锯齿的周期性基本等于百叶片阵列的周期性。
通常，百叶片阵列是具有第一和第二维度的二维阵列。例如，百叶片布置成在第一维度上延伸的阵列，即百叶片在第一维度上由间隔彼此分开，并且每个百叶片具有在第二维度上延伸的长度。光学部件的反射表面可以是平面的。第一和第二维度可以对应于光学部件的平面反射表面的尺寸。在实施例中，阳光接收表面的锯齿状配置是一维的，并且在第一维度上延伸。例如，锯齿状配置可以是包括由倾斜或弯曲表面分开的间隔锯齿、突起或齿的一维阵列的锯齿状配置。
在示例中，第一和第二维度彼此垂直。阳光可以在第一和第二维度上入射到光学部件的平面反射表面上。因此，可以说入射阳光的光线角度的至少一个分量是沿第三维度。然而，由于锯齿状配置，光控制层的阳光接收表面沿第一维度在百叶片之间是非平面的。
在实施例中，百叶片是倾斜的。特别地，百叶片可以从相对于光控制层的平面和/或光学部件的平面反射表面的正交定向倾斜。此外或可替代地，百叶片的一个或两个侧壁可以是倾斜的，使得每个百叶片具有梯形横截面。
在实施例中，百叶片配置成衰减阳光，例如吸收阳光。例如，百叶片可以通过在芯材料中的百叶片形沟槽或凹槽阵列中沉积光衰减或吸收材料来形成。在示例中，阵列中的所有百叶片具有基本相同的间距、定向和几何形状。
在实施例中，芯材料对平视显示器的图像光是基本透射的。例如，芯材料对于波长对应于图像光的光可以是光学透明的。在示例中，百叶片阵列配置成根据传播到眼盒处的观察者眼睛瞳孔所需的透射角范围来透射平视显示器的由光学部件输出的图像光线，从而可以感知图像。
在一些示例中，光控制层包括光学透明的芯材料，该芯材料具有设置在其中的吸光百叶片阵列。百叶片的布置允许平视显示器的图像光通过光学部件传播，而不改变其功能。此外，百叶片的布置可以限制入射在阳光接收表面上的阳光的角度范围，阳光可以进入芯材料到光学部件中。
在一些实施例中，芯材料可以设置在相邻对百叶片之间。芯材料可以设置在每相邻对百叶片之间。每个百叶片可以设置在芯材料内。
在一些实施例中，光学部件是波导。波导可以是基本平面的。在实施例中，在平视显示器操作期间，波导布置成相对于地面基本平坦的配置(例如水平)。波导可以形成布置成在第一和第二维度上扩展出射光瞳的波导光瞳扩展器。
在一些实施例中，阳光接收表面由覆盖芯材料和光控制膜的百叶片阵列的涂层的外表面形成。在示例中，涂层对于平视显示器的图像光是基本透明的。涂层可以由一种或多种用于保护光控制膜的材料形成，例如覆层、耐流体性和/或耐刮擦性。
在实施例中，阳光接收表面还包括抗反射涂层。例如，抗反射涂层可以最小化镜面反射。
在一些实施例中，阳光接收表面的锯齿提供了引导阳光远离眼盒的倾斜表面阵列。特别地，每个倾斜表面在芯材料和空气之间形成界面，使得入射到其上的大部分阳光(例如96％的入射阳光)被反射(即不耦合到光控制膜中)。倾斜表面在第一和第二维度上相对于光控制膜/光学部件的平面成角度定向。由于其定向角度，倾斜表面布置成将反射的阳光从朝向眼盒的方向引导开。
在示例中，阳光接收表面的倾斜表面改变了入射到其上的阳光的反射角。也就是说，由倾斜表面接收的阳光光线角度不同于由倾斜表面反射的阳光光线角度，其中阳光光线角度是相对于沿第一和第二维度的光控制膜/光学部件的平面(正交于该平面)测量的。可以说，与平行于第一和第二维度的非倾斜表面的镜面反射相比，每个倾斜表面改变了入射阳光的镜面反射的路线或路径。
在实施例中，百叶片阵列中的百叶片基本平行。在一些实施例中，百叶片阵列中的每个百叶片的横截面是基本矩形或梯形的。
在实施例中，平视显示器可以布置成使得平视显示器的图像光的光学路径在穿过光控制层之前穿过光学部件。换句话说，平视显示器的图像光的光学路径可以在穿过光学部件之前不穿过光控制层。在一些实施例中，平视显示器可以布置成使得平视显示器的图像光的光学路径在穿过阳光接收表面之前穿过光学部件。换句话说，平视显示器的图像光的光学路径可以在穿过阳光接收表面之前不穿过光学部件。
这里提到的“有助于阳光眩光”或“易于引起眩光”的部件是指该部件会引起眩光。更具体地，部件的物理形式、位置和定向使得接收的阳光可被引导(例如被部件反射和/或传播)到平视显示器的眼盒或观察窗。可以说，在正常操作或使用期间，部件(例如其反射表面)布置成支持眩光的配置。反射表面设置在阳光比如直射阳光的光学路径上。“有助于”或“支持”眩光的配置是指部件可以将阳光引导至平视显示器的眼盒的配置，例如以降低(感知的)图像质量的方式。
在本公开中，术语“图像光”用于指传播到平视显示器的眼盒中的光，使得观察者可以感知图像。因此，如本文所述，图像光可以包括用图像编码的光和用图像的全息图编码的空间调制光。
在本公开中，术语“复本”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路被引导。“复本”一词用于指复制事件后复合光场的每一次出现或实例—比如光瞳扩展器的部分反射-透射。每个复本沿着不同的光路传播。本公开的一些实施例涉及用全息图而不是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的复合光场将随着传播距离而变化。这里使用的术语“复本”与传播距离无关，因此与复制事件相关的两个光分支或路径仍被称为彼此的“复本”，即使分支具有不同的长度，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，它们仍被认为是“复本”—假设它们源自相同的复制事件或一系列复制事件。
根据本公开的“衍射光场”是由衍射形成的光场。可以通过照射相应的衍射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全息图编码的光或全息域中的光。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”是在与相应衍射结构空间分离的平面上形成重建的光场。本文公开了一种用于将衍射光场从衍射结构传播到观察者的光学系统。衍射光场可以形成图像。
术语“全息图”用于指代包含关于物体的振幅信息或相位信息或其某种组合的记录。术语“全息重建”用于指代通过照射全息图而形成的物体的光学重建。本文中公开的系统被描述为“全息投影仪”，因为全息重建是真实图像并且与全息图在空间上分离。术语“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复本。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的傅立叶变换相关的相位信息的“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。
本公开也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。
在本公开中，术语“基本”当应用于装置的结构单元时可被解释为在用于制造其的方法的技术公差内生产的结构单元的技术特征。
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2示出了用于投影的图像，包括八个图像区域/分量，即V1到V8；
图3示出了显示在LCOS上的全息图，其将光导向多个离散区域；
图4示出了包括显示如图2和3所示计算的全息图的显示设备的系统；
图5示出了包括布置用于在两个维度上扩展光束的两个复制器的系统的透视图；
图6A是示意性侧视图，示出了图像光从车辆中的平视显示器到具有复制器的眼盒的光学路径，复制器具有光控制膜，图6B是示意性俯视图，示出了图像光从光控制膜到眼盒的光学路径；
图7是包括百叶片阵列的示例光控制膜的截面图；
图8是根据本发明第一实施例的包括百叶片阵列的光控制膜的截面图；
图9是根据本发明第二实施例的光控制膜的截面图，以及
图10是根据本发明第三实施例的光控制膜的截面图。
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。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度(聚焦)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，或者简单地是傅立叶全息图或基于傅立叶的全息图，其中通过利用正透镜的傅立叶变换特性在远场中重建图像。通过将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。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GB2112213.0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。
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。
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。显示设备可以是硅上液晶“LCOS”空间光调制器。
光通道
这里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，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，全息图是特殊类型的全息图，其成角度地划分/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这里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。正如熟练的读者所熟悉的，波导可以配置为“光瞳扩展器”，因为它可以用于增加由相对小的光发射器(比如相对小的SLM或在这里描述的装置中使用的其他像素化显示设备)发射的光可被位于远离光发射器一定距离(比如相对大的距离)的人类观察者或其他观察系统观察到的面积。波导通过增加向观察者输出光的透射点的数量来实现此。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“眼动盒”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。
这里描述的显示系统可以配置成引导光比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)比如LCOS SLM输出的光。例如，该衍射光场可以包括由SLM显示的全息图编码的光。例如，该衍射光场可以包括全息重建图像的光，对应于由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。全息图可被称为“衍射结构”或“调制图案”。SLM或其他显示设备可以布置成以熟练读者熟悉的方式显示衍射图案(或调制图案)，其包括全息图和一个或多个其他元件，比如软件透镜或衍射光栅。
全息图可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，全息图可被计算成对应于将要全息重建的图像。全息图所对应的该图像可被称为“输入图像”或“目标图像”。可以计算全息图，使得当它显示在SLM上并被适当照射时，它形成包括空间调制光锥的光场(由SLM输出)。在一些实施例中，光锥包括多个空间调制光的连续光通道，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)”，但应当理解，SLM可以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全息图类型的示例，该显示设备可以与这里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。仅作为示例，图2示出了八个图像分量，并且图像252可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454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对光的引导。这在图3中示出。具体而言，本示例中的全息图将光导入多个离散区域。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光瞳的尺寸和形状相关。
图4示出了系统400，包括显示如图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 402。LCOS402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)。具有布置成照射LCOS 402的光源(未示出)。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的所有角度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408充当光瞳扩展器，其方式众所周知，因此在此仅简要描述。
简而言之，图4所示的波导408包括大体细长的结构。在该示例中，波导408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408定位成与从LCOS 402投射的光锥(即衍射光场)相交，例如以斜角相交。在该示例中，波导408的尺寸、位置和定位配置成确保来自光锥内的八个光束中的每个的光进入波导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的与第一表面基本相对的第二平面表面(位置最靠近眼睛)射出之前，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长度的总共九个“反弹”点B0到B8。尽管如图2所示，与图像(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，来自图像的不同角度部分(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，编码光的每个角度通道仅从波导408到达眼睛一次。
上述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。
尽管这里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部分，但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，该系统包括两个复制器504、506，布置用于在二维上扩展光束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，其布置成以类似于图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是细长的。准直光束502被导向第一复制器504上的输入。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的光的部分透射，这对于熟练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，第一多个复本光束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正交于第一方向的第二方向上扩展这些光束中的每个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的光的部分透射，第一多个光束508内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射出，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个的复本。因此，第二多个光束510可被视为包括复本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组合以提供二维复制器(或“二维光瞳扩展器”)。
光控制膜
在操作中，图5的二维光瞳扩展器的第二复制器506的透射表面(即扩展的出射光瞳)形成外表面，图像光从该外表面通过空气透射到眼盒区域用于观察。因此，透射表面可能暴露于来自使用平视显示器的环境的阳光。接收到的阳光可能会对观察者造成眩光。例如，如果阳光以一定角度从外部透射表面直接反射，使得阳光光线沿着光学路径到达眼盒，则可能出现眩光。在另一示例中，如果阳光以一定角度耦合到第二复制器中，使得阳光在复制器内沿着与图像光线相同的光学路径以到达眼盒，则可能出现眩光。
因此，发明人提出在第二复制器506的透射表面上使用光控制膜来控制接收到的阳光的方向，以降低对观察者的眩光风险。用于控制透射光方向的示例光控制膜包括具有多个由光吸收材料形成的平行百叶片的光学透明膜。这种光控制膜通常用于控制来自车辆显示系统的透射光的方向，以防止显示系统发出的光被车窗接收并从车窗反射，从而对驾驶员或乘客造成眩光(例如在夜间)。然而，发明人已经认识到，由于第二复制器506邻近车辆挡风玻璃面向上的定向，相同类型的光控制膜可以用于控制可能入射到第二复制器506上的直射阳光的方向(即在白天)。可以选择光控制膜的百叶片的定向、间距和几何形状(例如侧壁角度)，以允许图像光仅在到达眼盒所需的有限角度范围内从第二复制器506的透射表面透射。
图6A和6B示出了这种光控制膜用于在车辆中操作的平视显示器。在所示的布置中，平视显示器608在与空气的界面处的光学部件(例如图5中的第二复制器506)基本水平定向，如x-y平面所示。例如，光学部件可以位于车辆仪表板的朝上表面的开口中。光学部件的透射表面被包括一维百叶片阵列的光控制膜606覆盖。百叶片可以在基本竖直平面内，图示为x-z平面。在所示的布置中，百叶片相对于竖直平面倾斜(即相对于光控制层的平面从正交定向倾斜)。特别是，百叶片具有倾斜的侧壁。百叶片可以是光吸收的或光衰减的。
如图6A所示，来自平视显示器608的图像光穿过光控制膜606的百叶片之间，并被传输到光学组合器602(例如挡风玻璃)。光学组合器602将图像光朝向眼盒612基本水平地重定向，如y方向所示，在眼盒612处，观察者(例如车辆驾驶员)可以感知虚拟图像(与通过挡风玻璃观察到的外部场景组合)。
图7更详细地示出了包括百叶片阵列的示例光控制膜。光控制膜712包括限定光控制膜712厚度的第一(底部/内部)和第二(顶部/外部)表面。在所示的布置中，由于光控制膜712的表面可能不平坦，所以在第一和第二表面中的每个上提供光学透明涂层(也可以称为“包覆层”)用于平坦化。因此，光控制膜712夹在具有相应外表面720、722的一对光学透明涂层或包覆层或膜之间。本领域技术人员将理解，在光控制膜712直接形成在光学部件(例如第二复制器506)的平面透射表面上的布置中，在第一(底部/内部)表面上不需要涂层/平坦化层。光控制膜712包括光学透明材料的芯，其中设置有多个光吸收百叶片。百叶片周期性地布置成一维阵列，图示为在y方向上延伸，相邻百叶片之间具有均匀的间隔或间距708。百叶片之间的间隔足够小，以优化光吸收，而不会导致衍射或重影。在示例中，百叶片之间的间隔可以是大约10-1000μm，例如50-250μm。百叶片延伸穿过光控制膜712的整个厚度，并且配置成具有布置成限制从第二(顶部/外部)表面的透射角706的范围的定向、间距和几何形状，如虚线所示。
在所示的布置中，每个百叶片具有梯形横截面(即具有不平行的倾斜侧壁)，其在光控制膜712的第二(顶部/外部)表面处逐渐变细(变窄)至厚度710。因此，每个百叶片的侧壁相对于垂直于光控制膜712的第一和第二表面的平面(示出为竖直或x-z平面)倾斜，如倾斜角714所示。在图示的布置中，百叶片的几何形状是相同的，并且每个百叶片的相对侧壁以不同的角度倾斜。如本领域技术人员将理解，在其他布置中，百叶片可以具有矩形横截面(即具有平行的非倾斜侧壁)和/或可以在垂直于光控制膜700的第一和第二表面的平面中定向，以及相对于其成任何期望的倾斜角。
因此，从平视显示器的光学部件的透射表面入射的图像光704穿过光控制膜712和百叶片之间的相关涂层/平坦化层。在实施例中，百叶片在几何上配置成允许图像光704以图像在眼盒内的所有位置都可见所需的角度范围通过百叶片之间的光学透明芯。因此，在实现特殊全息图的示例中，如这里参考图2至图4所述，透射角的范围可以允许全息图的所有角通道到达眼盒。例如，图像光704可以一个或多个限定的光学路径角度透射(例如，作为来自光学部件的多个透射点的光束，如本文所述),所述光学路径角度在百叶片之间传递到眼盒，例如，如图7中的实线箭头所示。由于百叶片之间的小间距，在沿着光学部件的透射表面的多个透射点之一处形成的每个复本可以入射到光控制膜712的多个百叶片上。
然而，如上所述，阳光可能入射到光控制膜712的第二(顶部/外部)表面上，如箭头700所示。因此，光控制膜712的第二(顶部/外部)表面在本文中被描述为光控制膜712的“光接收表面”。应当理解，阳光可以任何角度入射到光控制膜712的表面上，箭头700所示的光线角度仅仅是示例。在平面顶面720(即与空气的外部界面)耦合到光控制膜712中的阳光可以一定角度进入，使得光在“第一次通过”中被百叶片之一直接吸收，如箭头700所示。可替代地，在平面顶面720处耦合到光控制膜712中的阳光可以一定角度进入，使得光通过百叶片之间进入光学部件(未示出)。在这种情况下，从光学部件反射出来的阳光在“第二次通过”时被百叶片之一吸收，因此不被光控制膜712透射。然而，一部分阳光可能在平面顶面720(即与空气的外部界面)处被反射。在这种情况下，存在阳光以沿着光学路径到达眼盒的角度反射的风险。图7以平行于来自平视显示器的图像光704的光线的角度用虚线示出了反射阳光702的示例光线，该图像光704在百叶片之间透射并从光控制膜712出来。应当理解，图示的图像光704的光线仅仅是复本的发散光线束的多条光线的一个示例，这些光线从光学部件的透射点以穿过百叶片之间的角度透射。此外，可以理解的是，相同复本的光线可以相同或不同的光线角度在其他对相邻百叶片之间通过。因此，反射的阳光702的光线将沿着与图示的图像光704的光线相同的光学路径到达眼盒，并对观察者造成眩光。如下面描述的实施例所示，本公开解决了这个问题。在实施例的描述中，类似的附图标记用于表示与图7的示例类似的特征。
图8示出了根据本发明实施例的光控制膜812。除了省略了光控制膜812的第二(顶部/外部)表面上的涂层之外，光控制膜812大体上与上述图7的示例相同。因此，光控制膜812的第二(顶部/外部)表面形成阳光接收表面820。因此，如图7的示例所示，光控制膜812包括光学透明材料的芯，其中设置有均匀间隔的百叶片的一维阵列。百叶片延伸穿过光控制膜812的整个厚度，并且配置成梯形配置(即具有倾斜或斜坡侧壁)。如上所述，光控制膜812可以形成在平视显示器的光学部件的平面反射表面上，例如图5的第二复制器506。
根据本发明，光控制膜812的光接收表面820是锯齿状的。特别地，光接收表面820是锯齿状的，与百叶片阵列相配合。例如，阳光接收表面820的锯齿的布置与下方百叶片阵列的布置协调、同步或对齐。因此，阳光接收表面820的锯齿状配置是一维的，并且在第一维度上延伸。在图8的实施例中，锯齿状配置包括由相对于光控制膜812/光学部件的平面成角度(即相对于水平面或x-y平面成角度)的表面分开的均匀间隔的锯齿(也称为“凸起”或“齿”)的一维阵列。因此，在图8的实施例中，阳光接收表面820的横截面具有大致锯齿形配置。此外，在图8的实施例中，均匀间隔的锯齿与百叶片对齐。因此，可以说阳光接收表面820的锯齿的周期性基本等于百叶片阵列的周期性。
如上参考图7所述，由光控制膜812透射的光被限制在由百叶片的定向、间距和几何形状(例如侧壁角度)所限定的角度范围806内。因此，来自平视显示器(未示出)的光学部件的图像光804仅在落在角度806的有限范围内的光线角度下透射，以便穿过百叶片之间的光控制膜712并沿着光学路径到达眼盒。此外，如上参考图7所述，耦合到光控制膜812中的阳光800或被百叶片之一吸收，和/或由于透射角806的有限范围而被阻止透射到眼盒。
此外，根据本发明，由于锯齿状配置，由顶面820(即与空气的外部界面)反射的阳光800在远离眼盒的方向上反射(例如在汽车应用中，如本文所述，在远离将图像光反射到眼盒的挡风玻璃的方向上)，如虚线所示。具体地，由于百叶片之间的光学透明芯区域上方的光控制膜812的倾斜的第二(顶部/外部)表面820，表面法线类似地相对于光控制膜812/光学部件的平面(即水平或x-y平面)的法线成角度。因此，由于反射定律，与图7的光控制膜712的平面表面720的反射角相比，阳光800的角度发生了变化(例如增大了)。在示例中，倾斜表面相对于光控制膜812/光学部件的平面(其法线)成角度或倾斜，在任一方向上的角度在15°至75°的范围内，例如30°至60°。重要的是，光接收表面820的倾斜表面的斜率或斜度使得反射的阳光802的光线的角度不在来自平视显示器的图像光804所允许/要求的角度806的严格范围内，因此阳光的光线不沿着光学路径到达眼盒并导致眩光。
图9示出了根据另一实施例的光控制膜912。除了均匀厚度的光学透明涂层设置在形成光接收表面920的光控制膜912的第二(顶部/外部)表面上之外，该实施例的光控制膜912大体上与图8的实施例相同。因此，类似于图7的示例，光控制膜912夹在具有相应外表面920、922的一对光学透明涂层或包层或膜之间。
由于在光控制薄膜912的第二(顶部/外部)表面上形成的涂层具有均匀的厚度，所以光接收表面920具有与下面光膜的第二(顶部/外部)表面相同的锯齿状配置，如图8的实施例所示。然而，在光接收膜912的第二(顶部/外部)表面上使用涂层或包层可以提供表面平坦化，从而降低任何表面粗糙度(例如与光控制膜912的形成相关的)，否则这可能降低眼盒处的图像质量。
涂层可以包括任何合适的光学透明层或膜，包括多层结构，其可以所需的厚度均匀性设置在光控制膜912的锯齿状光接收表面上。在一些示例中，涂层可以包括用于最小化镜面反射的抗反射涂层。此外，由于涂层暴露在环境中，例如在车辆驾驶室的仪表板上，涂层的材料也可以选择成保护光控制膜912免受外部原因的损坏，例如提供耐热性、耐刮擦/耐冲击性、耐流体性和其他类似的特性。
图10示出了根据又一实施例的光控制膜1012。除了设置在形成光接收表面1020的第二(顶部/外部)表面上的光学透明涂层不具有均匀的厚度之外，该实施例的光控制膜1012与图9的实施例基本相同。应当注意，由百叶片之间的光控制膜1012的第二(顶部/外部)表面形成的倾斜表面被示为在与图9的光控制膜912的相应倾斜表面相反的方向(相对于水平或x-y平面)上倾斜。本领域技术人员将理解，倾斜表面的角度的倾斜方向不影响光控制膜912的操作，并且任何方向都可以用于所有实施例中。
如图10所示，光控制膜1012的第二(顶部/外部)表面上的涂层厚度在光学透明芯区(百叶片之间)上是基本均匀的。因此，如在图9的实施例中，涂层不影响光控制膜1012在透射角1006的范围内通过芯材料透射来自平视显示器的图像光。然而，涂层的厚度随着光控制膜1012的百叶片上的距离而变化。在图示配置中，百叶片上的涂层厚度在百叶片阵列的方向上(图示为y方向)从每个百叶片的一侧到另一侧增加。因此，如本文所述，光接收表面1020的锯齿状配置具有更大且更尖锐的锯齿、突起或齿。可以说锯齿、突起或齿的拐角处的角度随着沿锯齿尺寸的距离而变化。在图示的示例中，每个锯齿的拐角处的角度从图9中的大致90°减小到图10中的小于90°的锐角。涂层的这种替代配置允许根据应用要求例如平视显示器在使用时的几何形状来定制涂层和阳光反射特性。
本公开的光控制膜防止观察者在平视显示器的眼盒处感受到由于阳光造成的眩光，例如当平视显示器用于车辆时，其中光瞳扩展器(或其其他光学部件)可以布置成接收阳光。由于光吸收百叶片阵列的几何形状，光控制膜具有依赖于角度的透射率，从而允许图像光以期望的角度范围从平视显示器透射到眼盒。例如，透射角的范围可以允许特殊全息图(如本文参考图2至4所述)的所有角通道到达眼盒。百叶片的间距、定向和几何形状可以配置成避免由于衍射而形成重影。根据本发明，在光控制膜和空气之间的界面处的表面的锯齿状配置防止镜面反射的阳光到达眼盒并引起眩光。特别地，在一些实施例中由涂层形成的光接收表面的锯齿状配置布置成将阳光从眼盒偏转开，同时确保图像光仍传播到眼盒，以便提供完整图像。在示例中，锯齿状配置包括倾斜表面—其可以沿着百叶片阵列的维度成任意角度—以便将阳光偏离至眼盒的轨道。倾斜表面的角度可以基于平视显示器的几何形状在原位(例如在车辆内的位置)选择，以防止阳光的镜面反射到达眼盒。在锯齿状光接收表面由涂层形成的实施例中，涂层可以由柔性塑料或其它光学透明材料制成，由提供足够保护特性的材料制成，例如用于汽车应用的热、机械和流体阻力特性，如本文所述。
如本领域技术人员将理解，可以对这里描述的实施例进行许多变化。例如，根据应用要求，光控制膜的百叶片阵列可以布置成具有可变百叶片间距、定向和几何形状的阵列。此外，虽然实施例具有锯齿状的光接收表面，在锯齿、突起或齿之间具有倾斜表面，但在其他布置中，可以在锯齿之间提供弯曲表面或具有两个或更多个倾斜部分的表面，以便重新引导反射的阳光远离眼盒。因此，尽管所描述的实施例包括与百叶片的一个或多个侧壁对齐的锯齿，但是锯齿可以与沿着百叶片阵列的维度的另一周期性位置相配合。
这里公开了一种系统，其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形成图像全息重建的光—例如全息图比如傅立叶或菲涅耳全息图。使用衍射和衍射结构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的问题，例如包括发散(非准直)光线束的衍射光。
在一些方面，显示系统包括显示设备—比如像素化显示设备，例如空间光调制器(SLM)或硅上液晶(LCoS)SLM—其布置为提供或形成衍射或发散光。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，界定包含在SLM内的光调制像素阵列的区域的尺寸—决定了可以离开系统的光线束的尺寸(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显示设备的限制)在空间延伸上变得更大。
附加特征
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 (15)

1.一种用于车辆的平视显示器，其中，该平视显示器包括：
具有反射表面的光学部件，该反射表面在平视显示操作期间布置成有助于阳光眩光的配置；以及
设置在光学部件上的光控制层，用于接收到反射表面的光学路径上的阳光，其中光控制层包括阳光接收表面和分隔百叶片阵列的芯材料，
其中，光控制层的阳光接收表面是锯齿状的，与百叶片阵列相配合。
2.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述阳光接收表面的锯齿的周期性基本等于所述百叶片阵列的周期性。
3.如权利要求2所述的平视显示器，其中，所述百叶片阵列是具有第一和第二维度的二维阵列，并且所述锯齿是一维的并且在第一维度上延伸。
4.如任一前述权利要求所述的平视显示器，其中，所述百叶片相对于所述光控制层的平面倾斜。
5.如任一前述权利要求所述的平视显示器，其中，所述百叶片配置为衰减阳光，比如吸收阳光。
6.如任一前述权利要求所述的平视显示器，其中，所述百叶片阵列配置成透射由所述光学部件输出的平视显示器的图像光。
7.如任一前述权利要求所述的平视显示器，其中，所述光学部件是波导，可选地，其中，所述波导基本是平面的，并且可选地，在平视显示器操作期间布置成相对于地面的基本平坦配置。
8.如任一前述权利要求所述的平视显示器，其中，所述芯材料对于所述平视显示器的图像光是基本透射的。
9.如任一前述权利要求所述的平视显示器，其中，所述阳光接收表面是覆盖所述芯材料和百叶片阵列的涂层，可选地，其中，所述涂层对于所述平视显示器的图像光是基本透明的，可选地，其中，所述涂层是包覆层。
10.如任一前述权利要求所述的平视显示器，其中，所述阳光接收表面还包括抗反射涂层。
11.如任一前述权利要求所述的平视显示器，其中，所述锯齿提供具有任何定向角度的倾斜表面阵列，以将阳光引导远离所述眼盒。
12.如权利要求11所述的平视显示器，其中，所述倾斜表面改变由此接收的阳光的反射角度。
13.如任一前述权利要求所述的平视显示器，其中，所述百叶片阵列中的百叶片基本平行。
14.如任一前述权利要求所述的平视显示器，其中，所述百叶片阵列中的每个百叶片具有基本相同的几何形状。
15.如任一前述权利要求所述的平视显示器，其中，所述百叶片阵列中的每个百叶片的横截面是基本矩形或梯形的。
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