CN117396702A - 光瞳扩展器完整性 - Google Patents

Abstract

一种全息系统包括显示设备和波导光瞳扩展器。显示设备布置成显示全息图并根据全息图输出空间调制光。波导光瞳扩展器配置成在其输入端口接收来自显示设备的空间调制光，并扩展系统的观察窗。波导光瞳扩展器包括平行布置的第一和第二基本平面反射表面，其间具有光学透明材料。第一反射表面是完全反射的，第二反射表面是部分反射的，使得光通过一系列内反射从输入端口被引导到第二反射表面处的输出端口。光学透明材料由分层玻璃结构形成，该分层玻璃结构布置成在玻璃破裂的情况下保持波导的完整性。

Description

光瞳扩展器完整性

技术领域

本公开涉及光瞳扩展器，比如平面波导光瞳扩展器。本公开还涉及投影仪和投影方法，比如全息投影和全息投影方法。一些实施例涉及平视显示器。一些实施例涉及波导光瞳扩展器，其在破裂情况下保持功能和/或结构的完整性。

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显示设备，比如全息投影仪。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。

本文公开了一种包括显示设备和波导光瞳扩展器的系统。显示设备布置成输出空间调制光以形成图像。波导光瞳扩展器包括一对平行的平面反射表面。波导光瞳扩展器限定输入端口和输出端口或观察表面。输入端口布置成接收来自显示设备的空间调制光。输出端口布置成将空间调制光输出到系统的观察窗。观察窗通常是观察者可以观察或感知图像的区域或容积。该对平行反射表面布置成通过一系列内部反射将空间调制光从输入端口引导到输出端口。该对平行反射表面中的第一反射表面是部分透射和部分反射的，该对平行反射表面中的第二反射表面基本是完全反射的(即接近完美的镜子)。

该系统的波导光瞳扩展器包括玻璃结构，其可能由于玻璃破裂而遭受机械、结构和/或光学故障。根据本公开的第一方面，波导光瞳扩展器包括分层玻璃结构，其布置成在玻璃破裂等情况下保持波导光瞳扩展器的完整性。特别地，分层玻璃结构包括至少一层玻璃材料和至少一层具有保持波导光瞳扩展器完整性的特性的另一种材料。在下面的描述中，术语“玻璃”是指易碎(即在撞击时可破裂)的任何形式的光学透明(固体)材料，包括硅基玻璃或晶体光学透明材料。

在本公开中，提及波导光瞳扩展器的“完整性”可以指其结构完整性。当(外部)反射表面在其中的玻璃破裂的情况下保持平行时，可以认为波导光瞳扩展器的结构完整性得到保持。此外，波导光瞳扩展器的完整性可以指其功能完整性。当在其输入端口接收的光的至少一部分在玻璃破裂的情况下被引导至观察区域时，波导光瞳扩展器的功能完整性可被认为得到保持。

在实施例中，波导光瞳扩展器的分层玻璃结构包括玻璃层和光学透明的非玻璃层。在一些示例中，分层玻璃结构包括与基于聚合物的层层压在一起或层压到其上的玻璃层。基于聚合物的层可以包括基于聚合物的百叶片、基于聚合物的偏振器、基于聚合物的转向膜等。在其他示例中，分层玻璃结构包括玻璃层和树脂层。在这些示例中，分层玻璃结构可以在第一和第二反射表面之间形成光学透明材料。分层玻璃结构可以具有低双折射和/或树脂可以包括折射率与玻璃匹配的树脂材料。分层玻璃结构可以包括在第一和第二玻璃层的内部主表面之间的树脂夹层。分层玻璃结构可以在第一玻璃层的外部主表面上具有完全反射涂层，在第二玻璃层的外部主表面上具有部分反射涂层。树脂材料可以布置成保持第一和第二玻璃层的外部主表面之间的平行。例如，树脂材料可以包括聚乙烯醇缩丁醛。

在其他实施例中，分层玻璃结构包括两层或更多层钢化玻璃。在这些示例中，分层玻璃结构可以在第一和第二反射表面之间形成光学透明材料。在一些示例中，分层玻璃结构包括处于压缩应变下的第一层玻璃和处于拉伸应变下的第二层玻璃，以及可选地，处于压缩或拉伸应变下的第三层玻璃。

根据本公开的第二方面，该系统包括显示设备和根据第一方面的波导光瞳扩展器。在实施例中，该系统包括激光光源。

显示设备和波导光瞳扩展器可被称为投影系统或图像投影系统。在一些实施例中，投影系统是全息系统。该系统包括显示设备，其包括空间光调制器，空间光调制器布置成显示图像的/与之对应的衍射图案(例如全息图)，并根据衍射图案输出空间调制光。该系统还包括波导光瞳扩展器，其配置为在其输入端口接收来自显示设备的空间调制光，并扩展投影系统的观察窗。

在第一和第二方面的一些实施例中，显示设备还包括控制器，其配置成控制由显示设备输出的空间调制光。在示例中，控制器配置为响应于指示检测到玻璃破裂的信号来控制(例如关闭)显示设备的光源。

在第一和第二方面的实施例中，该系统还包括与控制器(例如系统控制器或全息控制器)通信的观察者跟踪系统(或眼睛跟踪系统)。观察者跟踪系统可以布置成确定观察窗内的观察位置(例如眼睛位置)。观察者跟踪系统还布置成监测观察者面部以检测入射到其上的杂散光，并且可以布置成在检测到杂散光时向控制器提供信号。在示例中，观察者跟踪系统包括指向观察者面部的光检测器，以检测观察者面部上的杂散可见光，比如可见激光。在示例中，观察者跟踪系统包括配置成周期性地照射观察者面部的红外光源。光检测器可以配置成检测杂散红外光。光检测器可以配置成检测红外光和可见光波长的光。

指示检测到玻璃破裂的信号可以响应于眼睛跟踪系统对系统的杂散激光的检测而产生，可选地，眼睛跟踪系统配置为使用红外光进行眼睛跟踪。在一些实施例中，眼睛跟踪系统配置为使用红外光进行眼睛跟踪。在实施例中，眼睛跟踪系统的光检测器还配置为响应可见光，可选地，在用于眼睛跟踪目的的红外光发射的脉冲或门之间。在一些实施例中，结合了波长转换元件，例如量子点，以允许眼睛跟踪系统的红外相机检测非红外光，例如投影系统的可见激光。在其他实施例中，宽带(即红外和可见光)相机具有眼睛跟踪系统和杂散激光检测的双重用途—例如，在门控/时序方案中，如上所述。

在第一和第二方面的实施例中，波导光瞳扩展器进一步配置为使得其第一完全反射表面可被安装到相对较大且稳定的部件或与之集成，该部件布置成吸收任何冲击，从而降低玻璃破碎的风险。在示例中，该部件包括金属，以提高热稳定性。

在第一和第二方面的实施例中，该系统还包括用于监测散射光的光检测系统。在示例中，光检测系统配置成检测来自以下中的一个或多个的散射光：波导光瞳扩展器、系统的光学部件以及系统周围的外部反射部件，比如挡风玻璃或镜子。

在第一和第二方面的实施例中，该系统还包括可扩展泡沫的容器，其布置成响应于事件(比如冲击、破裂或其他类型故障事件)的检测而释放泡沫以包围系统的一个或多个光学部件。在一些示例中，扩展器泡沫包括吸光填充材料。

在第一和第二方面的实施例中，系统的易碎光学部件比如光瞳扩展器波导被浸入(透明)流体中；在波导和盖玻璃之间提供高折射率(透明)液体，和/或光学透明粘合剂至少部分地包围波导光瞳扩展器。

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。全息图的记录可被存储在数据存储设备(即存储器)中或者体现在形成振幅和/或相位信息的载波的光中(例如作为光信号)。也就是说，光可被描述为“用全息图编码”或“根据全息图调制”，以便传播全息图，而不是图像。

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“写入”和“寻址”可以用于描述向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。

附图说明

仅参考以下附图以示例的方式描述特定实施例：

图1是示出在屏幕上产生全息重建的反射型SLM的示意图；

图2A示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第一迭代；

图2B示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第二及后续迭代；

图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的替代第二及后续迭代；

图3是反射型LCOS SLM的示意图；

图4示出了包括波导的示例光瞳扩展器；

图5示出了根据实施例的包括光瞳扩展器的全息显示设备；

图6示出了根据进一步实施例的包括光瞳扩展器的全息显示设备；

图7示出了根据实施例的光瞳扩展器的分层结构；

图8示出了根据进一步实施例的光瞳扩展器的分层结构；

图9示出了根据其他实施例的光瞳扩展器的分层结构；以及

图10示出了根据其他实施例的光瞳扩展器的分层结构。

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。

图1的实施例可以用作全息系统的一部分，其中全息重建或重放图像被中继到观察区域。如本领域技术人员将理解，在其他实施例中，全息系统可以用在全息系统中，其中出射波前112被中继到观察区域，而不形成中间全息重建。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。

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。

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。

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。

波导光瞳/观察窗扩展器

在诸如平视显示器(HUD)的全息投影系统中，希望扩展对应于眼盒区域或观察窗的系统出射光瞳。特别地，诸如空间光调制器的显示设备的孔径是全息系统的极限孔径。也就是说，空间光调制器的孔径，更具体地是界定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)。这通常很小。然而，观察者需要能够四处移动其头部，从而能够从眼盒/观察距离处的区域/容积内的任何位置看到完整图像。这被称为眼球运动盒(EMB)或观察窗。因此，可以采用光瞳扩展器来扩大EMB或观察窗的尺寸。根据本公开，因此陈述了通过波导光瞳扩展器来扩展全息系统的出射光瞳。也可以说光瞳扩展器扩展/增加了所接收的光瞳的大小。

图4示出了包括平面波导的示例光瞳扩展器。波导的一般原理在本领域中是已知的，这里不再详细描述。波导通过内部反射在一对平行反射表面之间的层内引导光。光瞳扩展器由包括第一部分反射表面420(例如具有部分反射率/透射率的镜子)和第二完全反射表面410(例如具有基本100％反射率的镜子)的波导形成。第一反射表面420可以具有随距离变化的反射率，使得透射光线沿着波导的长度具有期望的强度。特别地，第一反射表面420可以包括反射涂层，其反射率沿着波导的长度减小。该层可以是玻璃或有机玻璃。因此，波导可以是玻璃或有机玻璃块或板。这可被称为“块状光学器件”或“平板波导”。第一反射表面可以是玻璃块的第一表面，第二反射表面可以是玻璃块的第二表面，其中第一表面与第二表面相对并平行。可替代地，该层可以是空气，而第一和第二反射表面可以是单独部件，例如在空间上分开的第一和第二镜，以形成空气间隙，光在其内通过内部反射传播。

因此，如图4所示，包括输入光线的输入光束402(其可以包括用图片(即图片/图像的光或仅图片)编码的空间调制光或者用全息图编码的空间调制光，如下所述)通过其输入端口进入波导。波导布置成将在输入端口接收的光引导到输出端口或观察表面，以输出到观察窗。在所示的布置中，输入端口在波导的一端附近在第一部分反射表面420中包括间隙，但用于输入端口的其他位置也是可能的。观察窗是观察者可以在其内观察图像的区域或体积，如本文所述。输入光束402的入射角使得光线由于第一部分反射表面420和第二全反射表面410的内部反射而沿着波导的长度传播。示例性光线在图4中示出。由于第一反射表面420的分级反射率，一部分光被第一反射表面420透射，以沿着波导的长度提供多条输出光线404a-f。因此，第一反射表面420形成输出端口或观察表面。可以说，光瞳(或观察窗)沿着波导长度被多条输出光线404a-f扩展，从而观察窗的尺寸增大。每条光线404a-f对应于输入光束402的振幅(强度或亮度)的一部分。理想的是，渐变涂层沿着波导长度提供第一反射表面420的反射率的降低(或者相反地，透射率的增加),使得每个输出光线404a-f具有基本相同的振幅。因此，在距第一反射表面420一定观察距离的眼盒处的观察者430能够在扩展的观察窗内的任何位置看到图像，如箭头440所示。

光线404a-f通常可被称为“复制品”。术语“复制品”通常可以理解为是指由于输入光的传播(和振幅分割)而由光瞳扩展器在扩展的出射光瞳上输出的光线，并且术语“复制”具有相应的含义。更详细地，术语“复制品”在本文中仅用于反映光在波导内传播时被分割并被引导沿不同光路输出。在用全息图编码的空间调制光的情况下，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。“复制品”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。每个复制品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“复制品”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“复制品”，即使分支具有不同的长度，使得复合光场沿着每个路径不同地演化。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“复制品”—假设它们源自相同的复制事件或一系列复制事件。

如图4所示的波导在一维上扩展观察窗，该一维对应于光束在波导内传播所沿的纵向方向，如箭头440所示。如技术人员将理解的，如果需要，可以通过使用两个正交波导在二维上扩展观察窗。

本公开的示例实施方式包括如上所述使用波导作为光瞳扩展器的全息显示设备和方法。

第一实施例

图5示出了包括根据本公开的第一示例实施例的波导光瞳扩展器的全息显示系统。

全息系统包括布置成形成图像的显示设备。在所示的布置中，显示设备布置成形成两个单色图像。参考图5，第一单色/显示通道(例如红色通道)包括第一光源510、第一准直透镜512和第一分色镜514，其布置成用第一波长的光照射空间光调制器(SLM)540。第二单色/显示通道(例如绿色通道)包括第二光源520、第二准直透镜522和第二镜子524，其布置成用第二波长的光照射SLM940。

全息系统还包括全息控制器602，其布置成控制本文描述的系统。第一单色图像(例如红色图像)的第一单色计算机生成全息图由全息控制器602计算并在SLM640上编码，例如由显示驱动器642编码。SLM640显示第一全息图，并且被来自第一颜色/显示通道的第一颜色的光照射，以便输出用第一全息图编码的第一颜色的第一空间调制光。类似地，第二单色图像(例如绿色图像)的第二单色计算机生成全息图由全息控制器602计算并在SLM640上编码。SLM640显示第二全息图，并且被来自第二颜色/显示通道的第二颜色的光照射，以便输出用第二全息图编码的第二颜色的第二空间调制光。

全息系统还包括分束器立方体530，其布置成分离SLM540的输入光和输出光。在图5的实施例中，全息显示系统以直视配置布置。在所示的布置中，透镜550位于SLM540输出的空间调制光的光路中。透镜550是可选的。观察者508可以根据来自SLM540的全息图直接观察空间调制光。在一些实施例中，如上所述，观察者眼睛的晶状体在眼睛的视网膜上形成全息重建。因此，可以说显示设备在对应于眼睛视网膜的图像平面上形成图像。在这些实施例中，可以说观察者接收用全息图编码的空间调制光。换句话说，观察者接收用图像的全息图编码的光，而不是图像本身。波导590包括由本文所述的第一和第二反射表面分开的光学透明介质。因此，全息显示设备具有“直视”配置—即观察者直接看着显示设备/SLM。

第二实施例

图6示出了根据本公开的第二示例实施例的全息显示系统，其包括形成波导光瞳扩展器的波导。

图6所示的全息系统类似于图5的全息系统，并且同样布置成形成两个单色图像。因此，第一单色通道(也称为“第一显示通道”)包括第一光源610、第一准直透镜612和第一分色镜614。第一分色镜614布置为沿着公共光路反射第一波长的光以照射空间光调制器(SLM)640。光的第一波长对应于第一颜色(例如红色)的第一显示通道。第二单色通道(也称为“第二显示通道”)包括第二光源620、第二准直透镜622和第二镜624。第二镜624布置为沿着公共光路反射第二波长的光以照射SLM640。光的第二波长对应于第二颜色(例如绿色)的第二单色通道。在所示的实施例中，SLM640包括由第一和第二波长的光照射的光调制像素(例如LCOS)的单个阵列。在其他实施例中，SLM640可以包括由相应的第一和第二波长的光照射的光调制像素的单独阵列。

全息系统还包括全息控制器602，其布置成控制这里描述的系统。第一单色计算机生成全息图由全息控制器602计算并在SLM640上编码，例如由显示驱动器642编码。SLM640显示第一全息图，并被来自第一颜色/显示通道的第一颜色的光照射，以便输出空间调制光，并在位于重放平面的光接收表面670上形成第一全息重建。SLM640输出第一颜色的第一空间调制光，以在光接收表面670(例如屏幕或漫射器)上形成第一单色图像(例如红色图像)。类似地，第二单色计算机生成全息图由全息控制器602编码在SLM640上。SLM640显示第二全息图，并被来自第二颜色/显示通道的第二颜色的光照射，以便输出空间调制光，并在重放平面的光接收表面上形成第二全息重建。SLM640输出第二颜色的第二空间调制光，以在光接收表面670上形成第二单色图像(例如绿色图像)。

在所示的布置中，分束器立方体630布置成将到SLM640的输入光和由SLM640输出的空间调制光分离。在输出空间调制光到光接收表面670的光路中提供傅立叶透镜650和镜子660。可以说第一/第二图像形成在光接收表面670上。第一/第二图像是相应第一/第二全息图的第一/第二全息重建。因此，可以在组合第一和第二单色图像的光接收表面670上形成合成彩色图片。布置投影透镜680，以将形成在光接收表面672上的第一和第二图像投影到波导690形式的光瞳扩展器的输入端口。观察者608可以从由于投影透镜680的光功率而由波导690形成的扩展的眼盒(“观察窗”)观察图片的放大图像。波导690包括光学透明介质，其由第一和第二反射表面分开，如上面参考图4所述。因此，全息显示装置具有“间接视图”配置—即观察者不直接观察显示设备/SLM，而是观察在光接收表面670上形成的图像。

全息系统还包括观察者跟踪系统，其包括眼睛跟踪相机606和眼睛跟踪控制器604。如本领域中已知，眼睛跟踪相机布置为捕获观察者的眼睛的图像以跟踪眼睛位置且因此观察窗内的观察位置。眼睛跟踪控制器604向全息控制器602提供指示当前观察位置的反馈。

除了来自观察者跟踪系统的反馈输入之外，全息控制器602还可以接收其他外部和内部输入600，以用于生成如本领域中已知的计算机生成的全息图。这样的输入可以确定要由全息显示装置显示的图像内容。

仅作为示例，在根据图5和6中的每个的实施例所示的全息系统中，显示设备包括布置成显示第一单色全息图的第一颜色(例如红色)显示通道和布置成显示第二单色全息图的第二颜色(例如绿色)显示通道。在其他示例实施方式中，可以提供三个或更多个显示通道，其配置为显示相应的单色全息图。例如，全色合成图像/图片可以通过显示相应的红色、绿色和蓝色单色全息图来形成。在其他示例实施方式中，仅提供单个显示通道。

具有改进完整性的波导光瞳扩展器

如上所述，包括诸如空间光调制器的显示设备的全息系统包括一个或多个光瞳扩展器，以在一个或多个维度上扩展观察窗。光瞳扩展器通常被实现为包括平面平行(主)反射表面的体光波导，如上面参考图4所述。然而，在实践中，这种类型的波导光瞳扩展器是相对较大的部件(例如最大的两个维度/主表面的维度各为几百毫米，例如在100毫米和300毫米之间，例如150毫米)，并且由光学透明固体材料比如玻璃形成。因此，由于玻璃材料及其尺寸，波导光瞳扩展器是易碎的。因此，当全息系统用在某些应用中时，例如用在车辆内的平视显示器中时，波导光瞳扩展器在发生冲击(例如车辆碰撞)时有损坏的风险。具体而言，汽车平视显示器安装在车辆的位于发动机罩或引擎罩下方的腔内，发动机罩或引擎罩被设计成在碰撞时起皱，并且也靠近驾驶员。此外，体光波导是相对较大的光学部件(例如与透镜相比)，其与显示设备的部件一起布置在通常薄壁的外壳内，并且在空间上与显示设备的部件分离。这意味着体光波导没有牢固地紧固到车辆的框架或底盘，并且在车辆受到冲击时可能会移动。这导致体光波导的玻璃破裂的可能性很高，并且所产生的玻璃碎片从车辆向驾驶员排出的可能性很高，这或者是碰撞冲击的直接结果，或者是由于引擎盖的压皱、安全气囊的释放等的间接结果。

波导内玻璃的破裂可能会损害光瞳扩展器的结构完整性。例如，这种破裂的玻璃可能不希望地导致产生未包含的大玻璃碎片，这有可能造成伤害。此外，即使波导的玻璃破碎，没有排出碎片，破碎的玻璃也可能损害光瞳扩展器的功能完整性。例如，玻璃内的裂缝可能改变光通过波导的传播方向，导致不希望的反射和散射。这不仅会降低图像质量，还会导致激光向观察者散射，这可能是危险的。同样，由于波导的易碎性质和尺寸(例如一维或二维100毫米至300毫米)，这对于具有显示设备的汽车平视显示器来说是特别重要的，该显示器具有激光光源，即使在相对较小的碰撞下也可能破裂。

因此，本公开的实施例提供了包括易碎光学透明(固体)材料比如玻璃的体光波导的改善的完整性。

分层玻璃结构

根据本公开的第一方面的波导光瞳扩展器的结构可以采取各种不同的分层形式，包括易碎光学透明(固体)材料，比如玻璃，这里称为“分层玻璃结构”。下面参照图7至10描述示例。

图7示出了包括第一示例的分层玻璃结构的波导光瞳扩展器700的示意性横截面。波导700包括第一和第二反射主表面720、710，通常如上文参考图4所述进行布置。特别地，波导包括第一基本平面部分反射表面720(例如具有部分反射率/透射率)和第二基本平面完全反射表面710(例如具有基本100％的反射率)，其布置成平行于第一部分反射表面720并且与之在空间上分离。根据第一示例，波导700包括分层玻璃结构，该分层玻璃结构包括与基于聚合物的层740层压在一起或层压至其的玻璃层730。在一示例中，基于聚合物的层740包括多个平行的基于聚合物的线或板条，例如形成为基于聚合物的百叶片或网格。在另一示例中，基于聚合物的层可以包括基于聚合物的偏振器，比如圆偏振器。在又一示例中，如本领域公知，基于聚合物的层包括基于聚合物的转向膜，其布置成改变或“转向”光束(通常是准直的)的传播角度。在所示的示例中，基于聚合物的层与第二部分反射/部分透射表面720层压在一起或层压至其。

将基于聚合物的层740与玻璃(例如浮法玻璃)层730层压在一起或层压至其有两个功能。首先，在玻璃层730破碎的情况下，聚合物有助于保持波导700的(结构)完整性。其次，基于聚合物的层740的百叶片/偏振器/转向膜布置用于减轻不想要的眩光。特别地，如英国专利申请GB2016616.1(其通过引用结合于此)中所述，圆偏振器可以布置在波导的部分反射表面附近，以减少在波导光瞳扩展器的观察表面和/或全息系统中的观察窗处的眩光，例如当用于平视显示器(HUD)中时。因此，在基于聚合物的层740包括基于聚合物的圆偏振器的实施例中，可以减少眩光，同时保持波导700的完整性，如本文所述。类似地，在基于聚合物的层740包括多个平行的基于聚合物的线或板条的实施例中，平行线或板条之间的间隔可以根据应用要求来选择。特别地，可以选择平行线或板条之间的间距，以基于其材料和尺寸来优化波导在断裂时的(结构)完整性。同时，可以选择平行线或板条之间的间距，以阻挡与从波导的观察表面反射的光相对应的角度的光，该观察表面由该对平行反射表面中的第二反射表面形成，同时透射源自显示设备的所有角度的空间调制光。因此，如本文所述，可以选择基于聚合物的百叶片或网格的周期性，以达到在保持波导完整性的同时减少眩光(例如来自阳光)的双重目的。这在汽车平视显示器应用中尤其有价值，在这种应用中，波导光瞳扩展器的观察表面直接面向车辆挡风玻璃。特别地，挡风玻璃接收来自观察表面(其形成波导的输出端口)的投射光，并且充当观察者同时观察图像和真实世界的光学组合器。因此，波导的位置使得直射阳光可以入射到形成输出端口的第二反射表面上，并因此朝向观察者反射，导致眩光，这可能对车辆驾驶员的安全造成危害。

最后，在基于聚合物的层740包括光转向膜的实施例中，可以选择膜的转向角来控制来自波导的输出光场的方向，例如朝向观察窗的特定目标区域，如英国专利申请GB2209439.5中所述。因此，在这些实施例中，基于聚合物的层提供了改善的观察体验以及保持波导的完整性。

图8示出了包括第二示例的分层玻璃结构的波导光瞳扩展器800的示意性横截面。类似于第一示例，波导800包括平行布置的第一和第二反射主表面820、810，其间具有用于传播光的光学透明材料。根据第二示例，光学透明材料包括分层玻璃结构，其包括一个或多个玻璃层830和树脂层840。在所示的布置中，分层玻璃结构包括夹在第一和第二玻璃层830A、830B之间的树脂层840。第一和第二玻璃层830A、830B可以具有低双折射，并且树脂层840可以包括折射率匹配的树脂材料。

树脂层840可以包括聚乙烯醇缩丁醛(PVB)树脂夹层。PVB是特别合适的，因为它可以容易地与玻璃材料的折射率相匹配，并且相对自由地流动。此外，层结构可以在压机中形成。

将树脂层840层压到玻璃层830A、830B上或与之层压在一起有助于在玻璃层830A、830B破碎的情况下保持波导800的结构完整性。特别地，选择树脂以在玻璃层830A、830B中提供必要的平行度(在外表面之间)。此外，树脂层的折射率匹配可以有助于保持波导800的功能完整性，使得玻璃的任何破裂都不会不利地影响光在其中的传播。

本领域技术人员可以理解，图8的第二示例在波导反射表面之间的光学透明材料内的玻璃上添加了一个或多个夹层。然而，其他形式的层状玻璃结构也是可能的。

图9示出了包括第三示例的分层玻璃结构的波导光瞳扩展器900的横截面。类似于第一和第二示例，波导900包括平行布置的第一和第二反射主表面920、910，其间具有用于传播光的光学透明材料。根据第三示例，第一和第二反射表面920、910之间的光学透明材料包括包含钢化玻璃的分层玻璃结构。特别地，光学透明材料包括玻璃，该玻璃被回火以在拉伸应变下形成内部玻璃区域或层940，其布置在处于压缩应变下的一对外部玻璃区域或层930、950之间。

对形成光学透明材料的玻璃进行回火起到强化玻璃的作用，从而防止或减轻冲击时的显著破裂并减少破碎。如本领域技术人员将理解，根据第三实施例的钢化玻璃的使用可以结合一个或多个其他实例来实施。

图10示出了包括第四示例的分层玻璃结构的波导光瞳扩展器1000的横截面。类似于前面的示例，波导1000包括平行布置的第一和第二反射主表面1020、1010，其间具有用于传播光的光学透明材料。然而，与前面的示例不同，光学透明材料(主要)包括空气间隙1030。在该示例中，第一和第二反射表面1020、1010包括镜子，每个镜子都是相对薄的光学透明衬底(例如玻璃)的形式，其上具有一个或多个反射涂层。在该示例中，在空气间隙1030与第一和第二反射表面1020、1010中的一个或两个之间提供另一种材料的一个或多个附加层1040A、1040B，比如基于聚合物的层、树脂层和/或钢化玻璃层。

发现使用如本文所述的体光波导可以有效地用作光瞳扩展器。根据可以单独使用或以任何合适的组合使用的第一方面的上述示例，本公开提出了波导光瞳扩展器的分层玻璃结构，其被适配、配置或布置成在其中的玻璃破裂的情况下保持波导的完整性。这提高了安全性，并根据玻璃的损坏程度在某些情况下保持了功能。

全息系统中的实施方式

如本领域技术人员将理解，与传统的玻璃或空气腔相比，根据以上参照图8至10描述的示例的分层玻璃结构的层可以改变被引导通过输入端口和出射光瞳/观察窗之间的波导的分层结构的光的光路的双折射。因此，根据本公开第一方面的全息系统(即其中实现了波导光瞳扩展器)需要适于解决任何这种双折射及其在沿波导长度的不同位置的影响。因此，例如，如图5或图6所示的全息系统可以使用眼睛跟踪系统来确定观察者的眼睛位置，并调整显示在SLM上的衍射图案，以补偿由于光传播(例如通过不同的传播距离/分层结构的多个层)引起的波前误差。

其他安全特征

根据本公开的第二方面，在全息系统中可以使用其他安全特征。

例如，上述用于使全息系统适应与波导腔内的不同透明光学材料相关的特定双折射的技术也可以与透明塑料波导结合使用。为了便于制造，透明塑料波导可以注射成型。可以选择塑料材料，使得冲击时破碎或其他损坏的风险较低。例如，透明光学材料可以包括适用于TIR光学器件的透明聚碳酸酯或硅级材料(例如软聚合物)。

其他示例安全特征可以包括使用扩展泡沫，可选地具有黑色填充物，泡沫在检测到碰撞时以与安全气囊相同的方式释放。泡沫可以防止破碎部分的释放，并进一步有助于保持波导的平行性和结构完整性。此外，使用黑色填充物可以吸收杂散光/散射光，从而防止其到达观察者的眼睛。根据进一步示例，波导(以及可选的其他易碎光学部件)可以浸入(透明)流体中，可以在波导和盖玻璃(例如曲面盖)之间使用高折射率(透明)液体，或者可以在制造结束时在波导周围泵入光学透明粘合剂(OCA),以形成保护涂层。在这些进一步的示例的每个中，波导的玻璃可被保护和/或抑制来自碰撞冲击的震动，以便防止破碎部分的释放，并且进一步帮助维持波导的平行性和结构完整性。

全息系统还可以包括一个或多个光检测器，其布置用于监测由于玻璃破裂而产生的散射光(例如激光)并检测其位置。这种散射光可能对观察者的眼睛造成安全危害。光检测器可以与波导光瞳扩展器相关，以检测直接来自其的散射光，或者可以布置成检测来自其他反射表面(比如车辆的挡风玻璃)的其他散射光，这是由于破碎的玻璃。这种光检测系统可以向全息控制器提供光检测信号，作为闭环反馈系统的一部分，以保持安全(例如通过关闭激光源)。

波导光瞳扩展器可被适配或配置成使得外表面可以安装到相对较大且稳定的物体上，例如车辆内的大型金属部件。特别地，对应于第二完全反射层的外表面可以安装到稳定部件上，这可以吸收碰撞的冲击并降低破碎的风险。将波导安装到金属部件上具有提高热稳定性的额外优点。此外，完全反射层可以集成在安装其的这种平面金属部件内，例如通过在金属部件的平面表面上提供完全反射涂层，其从而用作波导的一部分。(全息系统的)其他光学部件可以使用泡沫或低折射率材料附着(到金属部件上)。

全息系统的眼睛跟踪系统也可以用于检测碰撞和/或碰撞的危险影响，并向全息控制器提供反馈以采取安全措施。例如，参考图5和图6描述的眼睛跟踪系统可以使用红外(IR)光源来提供观察者(例如驾驶员)面部的脉冲照射。可以检测IR和可见光的相机不仅可以用于眼睛跟踪，还可以检测可见光。在IR脉冲之间的周期中，由波导散射或由于破裂玻璃或者由于碰撞而导向观察者面部的可见光可被相机检测到。在脉冲IR期间，相机可用于检测激光(IR光)，其由于碰撞被导向驾驶员的面部并存在安全危险。在检测到这种安全危险的情况下，眼睛跟踪系统可以向全息控制器提供反馈信号，以关闭相关激光器等。

如技术人员将理解，通过在包括具有分层玻璃结构的波导光瞳扩展器的全息系统中实现上述其他安全特征，可以组合本公开的第一和第二方面，如上所述。

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，光源是诸如激光二极管的激光器。在一些实施例中，检测器是诸如光电二极管的光电检测器。在一些实施例中，光接收表面是漫射器表面或屏幕，比如漫射器。本公开的全息投影系统可以用于提供改进的平视显示器(HUD)或头戴式显示器。在一些实施例中，提供了一种车辆，其包括安装在车辆中以提供HUD的全息投影系统。车辆可以是机动车辆，比如汽车、卡车、厢式货车、运货卡车、摩托车、火车、飞机、船或轮船。

全息重建的质量可能受到所谓的零级问题的影响，这是使用像素化空间光调制器的衍射性质的结果。这种零级光可被认为是“噪声”，并且包括例如镜面反射光以及来自SLM的其他不需要的光。

在傅立叶全息术的示例中，这种“噪声”集中在傅立叶透镜的焦点上，从而导致全息重建中心处出现亮光斑。零级光可以简单地被遮挡掉，然而这意味着用暗光斑代替亮光斑。一些实施例包括角度选择性滤光器以仅去除零级的准直光线。实施例还包括在欧洲专利2030072中描述的管理零级的方法，该专利通过引用整体结合于此。

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

在上述实施例中，全息重建是合成彩色图像。在一些实施例中，被称为空间分离的颜色“SSC”的方法用于提供彩色全息重建。在其他实施例中，使用被称为帧顺序颜色“FSC”的方法。

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

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

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 (16)

1.一种波导光瞳扩展器，包括：

平行布置的第一和第二基本平面反射表面，其间具有光学透明材料，以及

用于接收输入光的输入端口；

其中第一反射表面是完全反射的，第二反射表面是部分反射的，使得输入光通过一系列内部反射从输入端口被引导到第二部分反射表面处的输出端口；

其中波导由分层玻璃结构形成，该玻璃结构布置成在玻璃破裂的情况下保持波导的完整性。

2.如权利要求1所述的波导光瞳扩展器，其中，所述分层玻璃结构包括玻璃层和光学透明非玻璃层。

3.如权利要求1或2所述的波导光瞳扩展器，其中，所述分层玻璃结构包括与基于聚合物的层层压在一起的玻璃层。

4.如权利要求3所述的波导光瞳扩展器，其中，所述基于聚合物的层包括基于聚合物的百叶片、基于聚合物的偏振器、基于聚合物的转向膜等。

5.如任一前述权利要求所述的波导光瞳扩展器，其中，所述分层玻璃结构包括玻璃层和树脂层，可选地形成所述光学透明材料，其中，进一步可选地，所述分层玻璃结构具有低双折射和/或所述树脂是折射率与玻璃匹配的树脂材料。

6.如权利要求5所述的波导光瞳扩展器，其中，所述分层玻璃结构包括在第一和第二玻璃层的内部主表面之间的树脂夹层。

7.如权利要求6所述的波导光瞳扩展器，包括在所述第一玻璃层的外部主表面上的完全反射涂层和在所述第二玻璃层表面的外部主表面上的部分反射涂层。

8.如权利要求5、6或7所述的波导光瞳扩展器，其中，所述树脂材料布置成保持所述第一和第二玻璃层的外部主表面之间的平行，可选地，其中，所述树脂材料包括聚乙烯醇缩丁醛。

9.如权利要求1所述的波导光瞳扩展器，其中，所述分层玻璃结构包括两层或更多层钢化玻璃，可选地形成所述光学透明材料。

10.如权利要求9所述的波导光瞳扩展器，其中，所述分层玻璃结构包括处于压缩应变下的第一层玻璃和处于拉伸应变下的第二层玻璃，以及可选地，处于压缩应变或拉伸应变下的第三层玻璃。

11.一种系统，包括：

显示设备，其包括布置成输出空间调制光以形成图像的空间光调制器，以及

如权利要求1至10中任一项所述的波导光瞳扩展器，其配置为在其输入端口接收来自显示设备的空间调制光，并扩展系统的观察窗。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述显示设备还包括控制器，该控制器配置成控制由显示设备输出的空间调制光。

13.如权利要求12所述的系统，其中，所述控制器配置成响应于指示检测到玻璃破裂的信号来控制所述显示设备的光源。

14.如权利要求11、12或13所述的系统，还包括观察者跟踪系统，该观察者跟踪系统布置成监测观察者面部以检测入射到其上的杂散光，并且可选地在检测到杂散光时向控制器提供信号。

15.如权利要求14所述的系统，其中，所述观察者跟踪系统包括指向观察者面部的光检测器，以检测观察者面部上的杂散可见光，例如可见激光。

16.如权利要求11至15中任一项所述的系统，包括全息系统，其中：

所述显示设备包括空间光调制器，其布置成显示图像的衍射图案，并根据衍射图案输出空间调制光，以形成对应于图像的全息重建。