CN117492345A - 投影组件 - Google Patents

Abstract

描述了一种投影组件(600)。投影组件(600)包括配置为输出第一全息光场(603)的第一全息投影通道(602)。投影组件(600)还包括配置为输出第二全息光场(605)的第二全息投影通道(604)。第一全息投影通道(602)和第二全息投影通道(604)布置为使得第一全息光场(603)与第二全息光场(605)邻接，以便形成连续的视场。

Description

投影组件

技术领域

本公开涉及一种光引擎，例如全息光引擎。本公开涉及用于输出全息光场的全息投影仪和投影组件。更具体地，本公开涉及具有大视场的紧凑型全息投影仪。一些实施例涉及用于平视显示器的图片生成单元或全息图生成单元。其他实施例涉及用于车辆的平视显示器。

背景技术

从物体散射的光包含振幅和相位信息。可以通过众所周知的干涉技术在例如感光板上捕获该振幅和相位信息，以形成包括干涉条纹的全息记录或“全息图”。可以通过用合适的光照射来重建全息图，以形成代表原始物体的二维或三维全息重建或重放图像。

计算机生成的全息术可以在数值上模拟干涉过程。可以通过基于数学变换比如菲涅耳或傅立叶变换的技术来计算计算机生成的全息图。这些类型的全息图可被称为菲涅耳/傅立叶变换全息图或简称为菲涅耳/傅立叶全息图。傅立叶全息图可被认为是物体的傅立叶域/平面表示或物体的频域/平面表示。例如，还可以通过相干光线跟踪或点云技术来计算计算机生成的全息图。

可以在布置为调制入射光的振幅和/或相位的空间光调制器(SLM)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个方面。

在第一方面，提供了一种投影组件。投影组件包括配置为从第一图像的第一全息图形成第一全息光场的第一全息投影通道，以及配置为从第二图像的第二全息图形成第二全息光场的第二全息投影通道。每个全息图配置为形成全息光场，例如当被相应的光源照射时，其中第一维度上的对应图像的内容(例如空间内容)由角度编码(在全息图域中)，使得全息光的角通道每个对应于第一维度上的对应图像的相应切片。投影组件还布置为在第一维度上组合第一全息投影通道的第一多个角通道和第二全息投影通道的第二多个角通道。这种组合使得观察者可以接收第一全息光场和第二全息光场，并由此形成包括与第二图像邻接的第一图像的扩展图像。可以说第一全息光场和第二全息光场是可共同接收的(由观察者)。这里使用的词语“可共同接收”是指例如基本同时一起接收。扩展图像可以包括定位成与第二图像相邻并邻接的第一图像。当位于眼盒(eye-box)处的观察者接收到第一全息光场和第二全息光场时，观察者看到由第一全息光场和第二全息光场形成的扩展图像。可以说，第一全息光场和第二全息光场可转换成扩展图像，以反映观察者或观察系统(更具体地是其透镜)将全息光场或波前从全息域转换成空间域中有意义图像。扩展图像包括与第二图像相邻并邻接的第一图像。也可以说第一图像和第二图像是合并的。有利地，投影组件具有增大的角度范围/视场。

第一全息投影通道可以包括第一显示设备，其配置为显示对应于第一图像的第一全息图。当用第一光照射第一显示设备时，根据所显示的第一全息图对第一光进行空间调制，使得第一全息投影通道输出第一全息光场。第一全息光场可以编码第一图像。第二全息投影通道可以包括第二显示设备，其配置为显示对应于第二图像的第二全息图。当用第二光照射第二显示设备时，根据所显示的第二全息图对第二光进行空间调制，使得第二全息投影通道输出第二全息光场。第二全息光场可以编码第二图像。第一显示设备和第二显示设备可以相对于彼此倾斜，使得第一全息光场的第一传播方向偏离第二全息光场的第二传播方向。第一显示设备和第二显示设备可以相对于彼此倾斜的倾斜角度基本等于邻接的第一和第二全息光场的衍射角之和。该倾斜可以是围绕垂直于第一维度(例如x轴)的第二维度(例如y轴)的旋转，使得第一和第二全息光场在第一维度上邻接。例如，第一显示设备和第二显示设备在由x轴和z轴定义的平面中相对于彼此倾斜，使得第一和第二全息光场沿着x轴邻接。

投影系统在第一主维度上的角视场可以等于第一主维度上的第一全息光场的角视场和第一主维度上的第二全息光场的角视场之和。投影组件在第二维度上的角视场基本等于第二维度上的第一全息光场的角视场和/或第二维度上的第二全息光场的角视场。第二维度可以垂直于第一维度。第一全息光场的角视场和第二全息光场的角视场可以彼此相同或彼此不同。投影系统的角视场可被认为是邻接的第一和第二全息光场的角视场。第一全息光场可以具有第一视场。第二全息光场可以具有第二视场。邻接的第一和第二全息光场可以具有第三视场。第一维度上的第三角视场可以基本等于第一维度上的第一和第二角视场之和。第二维度上的第三视场可以基本等于第二维度上的第一视场和/或第二维度上的第二视场。第二维度可以垂直于第一维度。

第一全息投影通道可以包括第一光源，用于通过照射第一全息图来形成第一全息光场。第二全息投影通道可以包括第二光源，用于通过照射第二全息图来形成第二全息光场。第一光源可以不同于第二光源。有利地，如果使用两个不同的光源，即使规格相似，两个全息光场之间也很少或没有相干干涉。

投影组件可以布置为形成两个或更多个复用通道。每个复用通道可以包括与第二全息光场的一部分邻接的第一全息光场的一部分。有利地，每个复用通道可被用作相应波导或光瞳扩展器的输入。复用通道可以基本彼此平行。复用通道可以在两个垂直方向上彼此空间偏移。两个垂直方向可以是第一和第二维度。投影组件还可以包括多个波导。每个波导可以布置为接收复用通道中的相应的一个。多个波导中的第一波导可以配置为在第一方向上复制光场。第一方向可以是第一维度。多个波导中的第二波导可以配置为在与第一方向相反的第二方向上复制光场。第二方向可以在第一维度上。

投影组件还可以包括光束组合器，其配置为接收第一全息光场和第二全息光场，并输出两个复用通道。光束组合器可以包括分束器，布置为在其第一侧接收第一全息光场，在其第二侧接收第二全息光场。分束器可以包括透射-反射元件，布置为透射入射到其上的第一部分光并反射入射到其上的第二部分光。分束器可以配置为：将第一全息光场分成第一透射光场和第一反射光场；将第二全息光场分成第二透射光场和第二反射光场；将第一透射光场与第二反射光场合并或组合，从而形成两个或更多个复用通道中的第一复用通道；并且将第一反射光场与第二透射光场合并或组合，从而形成两个或更多个复用通道中的第二复用通道。第一和第二复用通道可以彼此相同。由第一透射光场传播的路径可以与由第二反射光场传播的路径相同，从而形成复用通道之一，和/或由第一反射光场传播的路径可以与由第二透射光场传播的路径相同。有利地，分束器的使用有助于减少或消除投影系统的光损失。这是因为两个复用通道都被用作相应波导的输入。另一个优点是，第一和第二全息光场的无缝合并往往是可以实现的。这是由于使用了连续部件(即分束器中的反射和透射元件),这有助于避免在图像中形成不连续，如果使用锐边镜来组合光场，则可能会出现这种不连续。对于双棒光瞳扩展器，分束器倾向于以高效率实现来自两个显示设备的光场的无缝合并(用于角度范围扩展)。

第一和第二全息投影通道可以各自包括相应的光中继器，其配置为形成相应全息光场的中间图像。每个光中继器可以改变相应全息光场的衍射角。在邻接全息光场之前使用光中继器来缩小全息光场意味着高视场“FOV”倾向于在没有任何重影图像的情况下实现。相应全息光场的每个中间图像可以具有大于5mm的尺寸，例如大于7mm或10mm。

在另一方面，提供了一种投影组件，包括配置为输出第一全息光场的第一全息投影通道和配置为输出第二全息光场的第二全息投影通道。第一全息投影通道和第二全息投影通道布置为使得第一全息光场与第二全息光场邻接，以便形成连续的视场。邻接的第一全息光场和第二全息光场的组合可以被认为是第三全息光场。

在本公开中，术语“复本”在这里相对于诸如波导光瞳扩展器的波导使用，以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学路径传播。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。因此，可以说形成了全息图的多个复本。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。从全息图传播到再现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纯相位全息图。实施例涉及纯相位全息图，但本公开同样适用于纯振幅全息术。

术语“眼盒”或“眼动盒”是本领域中众所周知的术语，其通常被定义为(远离显示设备的)空间的区域或体积，在该区域或体积内，由显示系统形成的可视图像对于观察系统或观察者来说是可视的或可见的。可视图像可以是虚拟图像。

显示系统的“视场”可被认为是由显示系统形成的图像的大小或范围，该图像由位于显示系统的眼盒内的观察系统或观察者看到。图像的尺寸通常在角空间中由观察者从眼盒看到的图像延伸的角度范围来定义。角度范围可以相对于诸如投影轴线的中心轴线来定义。可以在两个垂直方向上定义视场。例如，水平角视场可以是-10度到+10度，竖直角视场可以是-5度到+5度。在一些实施例中，视场从眼盒的中心定义。在一些实施例中，从眼盒内的所有位置看，视场基本相同。

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纯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

参考以下附图，仅通过示例描述具体实施例：

图1是示出在屏幕上产生全息重建的反射式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V1到V8，以及相应的全息图通道H1-H8的横截面；

图3示出了显示在将光导向多个离散区域的LCOS上的全息图；

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示出了包括两个复制器的第一示例二维光瞳扩展器的透视图；

图6示出了投影组件的示意图(不按比例)；

图7A示出了来自第一显示设备的第一光线束形成第一显示设备的图像的示意图(不按比例)；

图7B示出了来自第二显示设备的第二光束形成第二显示设备的图像的示意图(不按比例)；

图7C示出了第一和第二显示设备的图像叠加的示意图(不按比例)；

图8A示出了第一和第二输出的第一侧视图的示意图(不按比例)；

图8B示出了与第一和第二输出的第一侧视图相对的第二侧视图的示意图(不按比例)；

图9A示出了光束组合器的示意图(不按比例)；

图9B示出了具有传播通过其中的第一全息光场的光束组合器的示意图(不按比例)；以及

图9C示出了光束组合器的示意图(未按比例绘制),该光束组合器具有通过其传播的第二全息光场。

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。

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。

全息投影的传统光学配置

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基液晶“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。在本公开的一些实施例中，观察者眼睛的晶状体执行全息图到图像的转换。

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。

在一些实施例中，全息图引擎布置为从全息图计算中排除被显示系统的限制孔径阻挡的光的贡献。于2021年2月5日提交并通过引用结合于此的英国专利申请2101666.2公开了第一种全息图计算方法，其中使用眼睛跟踪和光线跟踪来识别显示设备的子区域，用于计算消除重影图像的点云全息图。显示设备的子区域对应于本公开的孔径，并且用于从全息图计算中排除光学路径。于2021年8月26日提交并通过引用结合于此的英国专利申请2112213.0公开了基于改进的Gerchberg-Saxton型算法的第二种方法，该方法包括在全息图计算期间根据光学系统的光瞳进行光场裁剪的步骤。光场的裁剪对应于本公开的限制孔径的确定。于2021年12月23日提交并且也通过引用结合于此的英国专利申请GB2118911.3公开了计算全息图的第三种方法，该方法包括确定由全息图复制器形成的所谓扩展调制器的区域的步骤。根据本公开，扩展调制器的区域也是孔径。

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。

使用小显示设备的大眼盒

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。在其他示例中，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。在这些其他示例中，在自由空间中或者在显示设备和观察者之间的屏幕或其他光接收表面上形成的中间全息重建的空间调制光被传播到观察者。在这两种情况下，通过照射显示在显示设备上的衍射图案(例如全息图或相息图)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，例如硅基液晶(“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。

在一些实施例中，全息图本身(的光)传播到眼睛。例如，全息图的空间调制光(尚未完全转换为全息重建，即图像)—可以非正式地称为用/由全息图“编码”—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为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度和相位。因此，“全息光场”可被认为是用于形成观察者所看到的最终图像的光场。

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1厘米，距离相对较大，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。

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。本公开包含非无限虚拟图像距离—即近场虚拟图像。

传统上，二维光瞳扩展器包括一个或多个一维光波导，每个使用一对相对反射表面形成，其中来自表面的输出光形成观察窗口或眼盒。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。

在根据本公开仅通过衍射或全息光场的示例描述的一些实施例中，全息图配置为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)。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。全息图也可以是点云全息图。全息图在本文中被描述为将光路由到多个全息图通道中，以反映可从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将对应于每个图像子区域。重要地，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。具体而独特地，全息图按角度划分图像内容。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分成多个全息图通道，其中每个全息图通道由一定范围的光线角度(以二维)限定。从上文可以理解，可以在空间调制光中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。

尽管如此，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是可见的。如果空间调制光的不同连续部分或子区域被重建，图像的不同子区域应是可见的。这种类型全息图的另一识别特征是任何全息图通道的横截面的形状基本对应于入射光瞳的形状(即基本与之相同)，虽然大小可能不同—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，本文中对配置为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。这使得该系统适用于广泛的实际应用，包括那些空间有限且资产价值高的应用。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，为衍射光提供光瞳扩展，其可以包括发散的光线束。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。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根据全息图被空间调制。

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为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为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为扩展/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。

光通道

根据一些实施例形成的全息图对图像内容进行角度划分，以提供多个全息图通道，这些通道可以具有由光学系统的孔径限定的横截面形状。全息图被计算来提供衍射光场的这种引导。在一些实施例中，如上所述，这是在全息图计算期间通过考虑光学系统的孔径(虚拟或真实)来实现的。

图2和3示出了这种类型的全息图的示例，该全息图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光学系统的孔径(例如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。LCOS 402布置为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)。具有布置为照射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、位置和定位配置为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)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。每个“反弹”点B1到B8对应于各自的LCOS402’。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。

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—示例1

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，其布置为以类似于图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，布置为接收第一多个光束508的每个准直光束，并且进一步布置为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”)。

二维光瞳扩展—示例2

于2021年9月21日提交且通过引用并入本文的英国专利申请GB2113454.9公开了一种图像投影仪，其包括根据本公开布置的更先进的二维光瞳扩展器。

图像投影仪可以布置为投影发散或衍射的光场。在一些实施例中，光场用全息图编码。在一些实施例中，衍射光场包括发散的光线束。在一些实施例中，由衍射光场形成的图像是虚拟图像。

在一些实施例中，第一对平行/互补表面是伸长或细长表面，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个相对较短，每个维度基本与相应其他维度中的每个正交。光在第一对平行表面之间/从第一对平行表面反射/透射的过程布置为使得光在第一波导光瞳扩展器内传播，光传播的大致方向是第一波导光瞳扩展器相对较长的方向(即在其“伸长”方向)。

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。

在一些实施例中，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)或硅基液晶(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。

衍射或发散光场可被称为具有“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。因为光被衍射/发散，所以光场大小随着传播距离而增加。

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)的图像的不同部分。像素化显示设备可以配置为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布置为通过第二波导光瞳扩展器的第三对平行表面之间的内反射将衍射光场(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、优选全部复本)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布置为在第一方向上提供光瞳扩展或复制，而第二波导光瞳扩展器可以布置为在不同的第二方向上提供光瞳扩展或复制。第二方向可以基本正交于第一方向。第二波导光瞳扩展器可以布置为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、优选全部复本。第二波导光瞳扩展器可以布置为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。

第一波导光瞳扩展器可以是基本细长的，第二波导光瞳扩展器可以是基本平面的。第一波导光瞳扩展器的细长形状可以由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正交于第一维度的第二维度的宽度或阔度来定义。第一波导光瞳扩展器沿其第一维的尺寸或长度可以分别对应于第二波导光瞳扩展器沿其第一维或第二维的长度或宽度。包括其输入端口的第二波导光瞳扩展器的一对平行表面中的第一表面可被成形、定尺寸和/或定位成对应于由第一波导光瞳扩展器上的成对平行表面中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布置为接收由第一波导光瞳扩展器输出的每个复本。

第一和第二波导光瞳扩展器可以共同地在第一方向和垂直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宽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，观察者可以从该区域接收输入衍射或发散光场的光。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。可替代地，在包括诸如光学组合器的其他元件的布置中，例如车辆的挡风玻璃，出射光瞳可被认为是来自该其他元件的出射光瞳，比如来自挡风玻璃。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，出射光瞳可以基本垂直于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。

观察平面和/或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，观察平面可以基本垂直于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。

组合器形状补偿

将全息图投影到眼盒的优点是光学补偿可被编码在全息图中(例如，参见欧洲专利2936252，在此引入作为参考)。本公开与补偿用作投影系统一部分的光学组合器的复杂曲率的全息图兼容。在一些实施例中，光学组合器是车辆的挡风玻璃。这种方法的全部细节在欧洲专利2936252中提供，并且在此不重复，因为这些系统和方法的详细特征对于本文的此公开的新教导不是必要的，并且仅仅是受益于本公开教导的配置的示例。

控制装置

本公开还与包括控制设备(例如光快门设备)的光学配置兼容，以控制光从光通道全息图到观察者的传递。全息投影仪还可以包括控制设备，其布置为控制角通道向眼盒位置的传递。于2021年6月14日提交并通过引用结合于此的英国专利申请GB2108456.1公开了至少一个波导光瞳扩展器和控制设备。读者将从至少该在先公开中理解，控制设备的光学配置基本基于用户的眼盒位置，并且与实现这里描述的光通道的任何全息图计算方法兼容。可以说控制设备是光快门或光圈设备。光快门设备可以包括1D阵列孔径或窗口，其中每个孔径或窗口可以独立地在透光和不透光状态之间切换，以便控制全息图光通道及其复本向眼盒的传递。每个孔径或窗口可以包括多个液晶单元或像素。

用于增加视场的投影组件

传统的全息显示器在全息显示器的眼盒处形成观察者看到的图像。观察者看到的传统全息显示器可形成的图像的最大尺寸(即视场)受到衍射的限制。这是由于来自诸如全息图的衍射结构的光的角展度由全息显示器的显示设备的像素间距决定(并因此受到其限制)。因此，使用传统的全息装置来提供工业(例如平视显示器工业)所需的角度视场和眼盒尺寸是具有挑战性的。找到增加全息显示设备的FOV的方法和/或装置以增加观察者看到的投影全息图像的尺寸可能是有益的。在下文中，FOV和眼盒在基本平行的平面上，并定义投影系统的第一(x)和第二(y)主维度，其中第三维(z)是系统的传播轴。第一、第二和第三维都相互垂直。

图6描绘了投影组件600的示意图(未按比例)。投影组件600包括第一全息投影通道602和第二全息投影通道604。第一全息投影通道602配置为输出第一全息光场603。第二全息投影通道604配置为输出第二全息光场605。全息投影通道的全息光场可被认为包括在特定时间由3D空间中的全息投影通道输出的所有光线。

第一全息投影通道602包括配置为显示对应于第一图像的第一全息图的第一显示设备606。第一图像可以是观众在投影组件600的眼盒处看到的图像。第一显示设备606可以是SLM，例如LCOS。当显示第一全息图的第一显示设备606被来自第一光源(未示出)的光照射时，来自第一光源的光根据所显示的第一全息图被空间调制，以形成编码第一图像的全息光场。

第一全息投影通道602还包括第一光中继器610。第一光中继器610配置为缩小编码第一图像的全息光场。第一光中继器610输出对第一图像进行编码的缩小全息光场，该缩小全息光场是由第一全息投影通道602输出的第一全息光场603。第一光中继器610可以是缩小的4f系统。在没有第一光中继器610的其他实施例中，编码第一图像的全息光场是第一全息光场603。

第二全息投影通道604包括配置为显示对应于第二图像的第二全息图的第二显示设备608。第二图像可以是观察者在投影组件的不同眼盒处看到的图像。第二图像可以与第一图像相同。第二显示设备608也可以是SLM，例如LCOS。当显示第二全息图的第二显示设备608被来自第二光源(未示出)的光照射时，来自第二光源的光根据所显示的第二全息图被空间调制，以形成编码第二图像的全息光场。

第二全息投影通道604还包括第二光中继器612。第二光中继器612配置为缩小编码第二图像的全息光场。第二光中继器612输出编码第二图像的缩小全息光场，该第二图像是由第二全息投影通道604输出的第二全息光场605。第二光中继器612可以是缩小的4f系统。在没有第二光学中继612的其他实施例中，编码第二图像的全息光场是第二全息光场605。

从显示在第一和第二显示设备606、608上的全息图中可获得的角度内容受到像素尺寸的限制(例如，LCOS可具有从约-4°到+4°的角度范围的可获得内容)。可以通过光学缩小编码第一和第二图像的衍射结构/全息图来增加角度范围(例如，使用一个或多个光学中继器，例如第一和/或第二光学中继器610、612)。这种缩小有效地减小了形成全息光场的像素的尺寸，因此增加了衍射角。例如，如果衍射结构(例如显示在LCOS上)具有12mm的尺寸，并且约-4°到+4°的角度范围缩小了2，则相应的缩小的衍射结构具有6mm的尺寸和约-8°到+8°的角度范围。重要的是，为了避免观察者感觉到图像中的重影，发明人已经认识到，缩小的尺寸不小于人眼瞳孔直径是非常有益的。通常，人眼瞳孔的最大直径是7mm。如果第一维度(x)上的衍射结构/全息图小于7mm，那么在根据本公开的波导/光瞳扩展器中复制之后，发明人发现图像的相同区域可以通过一个以上的复本被有效地接收，并且这可能导致重影图像，这显著降低了观察体验。因此，如果衍射结构/全息图被缩小以增加角度/衍射范围，那么根据发明人的发现，所使用的缩小量应被小心地限制。实际上，在全息图像投影中包含挡风玻璃意味着眼睛瞳孔直径和最小尺寸之间的这种直接关系并不精确，例如最小尺寸实际上可以是5mm。

投影组件600还包括光束组合器614，其配置为邻接/合并第一和第二全息光场603、605。光束组合器614包括光束分离器902。光束组合器614的使用产生第一输出616和第二输出618。第二输出618可以与第一输出616相同。第一和第二输出616、618中的每个都是复用通道，包括与第二全息光场605邻接/合并的第一全息光场603。第一和第二输出616、618中的每个都具有比单独的第一或第二全息光场603、605更大的连续FOV，即如在眼盒处的观察者所看到，对应于第一或第二输出616、618的图像在比对应于第一或第二全息光场的图像延伸的角度范围更大的角度范围上连续延伸。第一和第二输出616、618各自可以具有基本等于第一和第二全息光场603、605的FOV之和的FOV。在本申请的上下文中，邻接光场意味着光场被定位/定向为彼此相邻地传播并且彼此共享边界。邻接的光场可被认为是连续的。换句话说，由邻接的传播光场传播的体积被定位成彼此相邻并且彼此邻接。当第一全息光场603具有与第二全息光场605相同的角度范围/FOV时，第一全息投影通道602可被认为在第一维度(x)上传递第一和/或第二输出616、618的FOV的角度范围的前一半。类似地，当第一全息光场603具有与第二全息光场605相同的角度范围/FOV时，第二全息投影通道604可被认为在第一维度(x)上传递第一和/或第二输出616、618的FOV的角度范围的后一半。参考图8A和8B更详细地描述了第一和第二输出616、618。关于图9A至9C更详细地解释光束组合器614。

在示例中，第一和第二全息投影通道602、604中的每个在第一和第二维(x，y)中都具有+/-4°的自然发射。在这种情况下，第一全息投影通道602布置为在第一维度(x)上的-8°到0°的角度范围和第二维度(y)上的-4°到+4°的角度范围内传递第一全息光场603。第二全息投影通道604布置为在第一维度(x)上的0°到+8°的角度范围和第二维度(y)上的-4°到+4°的角度范围内传递第二全息光场605。这样，第三全息光场(即邻接/合并的第一和第二全息光场)在第一维度(x)上具有-8到+8°的FOV，在第二维度(y)上具有-4到+4°的FOV。因此，实现了FOV的增加。

投影组件600还可以包括第一镜620，其布置为将第一全息光场603导向光束组合器614。投影组件600还可以包括第二镜622，其布置为将第二全息光场605导向光束组合器614。投影组件600还可以包括一个或多个输出镜或其他光学设备，用于将第一输出616和第二输出618引导至相应的眼盒。

波导或光瞳扩展器可以另外用于增加传递给观察者的角度内容。水平波导/光瞳扩展器通常被称为杆。竖直波导/光瞳扩展器通常被称为平板。

当用作多个波导的输入时，第一和第二输出616、618特别有用。例如，可以通过一对细长的波导(例如杆)来提供第一维度上的光瞳扩展。每个波导需要接收第一和第二全息光场，否则整个/组合的FOV将不能从所有眼盒位置看到。在2022年5月10日提交的GB2206791.2中描述了这种光瞳扩展系统。

用于照射第一和第二显示设备606、608的光源可以彼此不同。这倾向于减少或消除传播的第一和第二全息光场603、605之间相干干涉的发生。

图7A描绘了来自第一显示设备606的第一光线束形成第一显示设备606’的图像的示意图(未按比例)。图7B描绘了来自第二显示设备608的第二光束形成第二显示设备608’的图像的示意图(未按比例)。

第一显示设备606相对于第二显示设备608倾斜。在这种布置中，编码第一和第二图像的全息光场的相应轴是发散的(至少在显示设备和其相应的光中继器之间的位置上)。换句话说，来自第一和第二显示设备606、608的全息光场最初彼此远离传播。第一显示设备606和第二显示设备608关于第二维度(y)相对于彼此倾斜/旋转。编码第一和第二图像的第一和第二全息光场可以在第一维度(x)上彼此邻接或融合。

第一显示器606也在第一方向上相对于投影组件600的传播方向，即第三维(z)倾斜。第一显示器606上的每个场点形成各自的第一光线束，其在第一显示设备606’的图像上形成相应的图像点。每个第一光线束会聚到第一显示设备606’的图像上的相应点。第一显示设备606’的图像可以是第一全息图或缩小的第一全息图(如果光中继器具有光焦度)。每个第一光线束在各自的第一体积702内传播，如图7A中的虚线体积所示。每个第一体积702具有基本平行于第三维(z)的相应第一边界704。

第二显示设备608也在第二方向上相对于投影组件600的传播方向即第三维(z)倾斜。第二方向与第一方向相反。第二显示设备608上的每个场点形成各自的第二光线束，其在第二显示设备608’的图像上形成相应的图像点。每个第二光线束会聚到第二显示设备608’的图像上的相应点。第二显示设备608’的图像可以是第二全息图或缩小的第二全息图(如果光中继器具有光焦度)。每个第二光束在各自的第二体积706内传播，如图7B中阴影体积所示。每个第二体积706具有基本平行于第三维(z)的相应第二边界708。

图7C描绘了第一和第二显示设备606’、608’的图像叠加的示意图(未按比例)以及形成每个图像的光线束的示例。第一显示设备606’的图像可被认为是第一LCOS图像。第二显示设备608’的图像可被认为是第二LCOS图像。布置第一和第二光学通道(例如，使用下面关于图9讨论的光束组合器614)，使得第一和第二显示设备606’、608’的图像彼此重叠。第一和第二显示设备606’、608’的图像的这种重叠意味着远离LCOS图像传播的第一和第二全息光场被组合。更具体地，由于第一和第二显示设备606、608(以及因此第一和第二显示设备606’、608’的图像)以上述方式相对于彼此倾斜，全息光场的组合包括合并、邻接或拼接在一起。这种合并的全息光场由合并的光线束形成，每个光线束包括在一侧上的相应的第一光线束，该第一光线束与在相对侧上的相应的第二光线束相邻/邻接。第一和/或第二输出616、618可以各自包括以这种方式合并的全息光场。合并的全息光场具有不同的传播方向，因为在第一显示设备606’的图像和第二显示设备608’的图像之间存在角度θ。此外，第一和第二体积702、706共享基本平行于第三维(z)的边界，即基本平行于第三维(z)的第一体积702的第一边界704覆盖基本平行于第三维(z)的第二体积706的第二边界708。倾斜角θ，即第一和第二显示设备的图像(例如，第一和第二LCOS图像)606’、608’之间的角度，由全息光场603、605形成的图像的角度范围来定义。倾斜角θ与全息光场中编码的第一和第二图像的角度范围相同。为了避免疑问，从每对叠加的LCOS图像606’、608’传播离开(在正z方向上)的组合/合并的全息光场或波前(图7中未示出)以与形成LCOS图像606’、608’的光线束(图7中示出)相同的方式邻接。也就是说，到达观察者的合并的全息光场或波前包括与第二全息光场(包含后半个视场的角度信息)相邻的第一全息光场(包含前半个视场的角度信息)。同样，这是可以实现的，这是由于全息图在全息域中按角度划分图像内容的不寻常方式，以及以全息图形式(即在全息域中)将图像信息传递给观察者的方法。通过在全息域中增加更多的角度，可以有效地实现图像尺寸(即视场)的增加。这是通过第二显示设备608实现的。第一和第二显示设备606、608是倾斜的，以便将两个角度范围完美地缝合在一起。为了进一步避免疑问，每个输出616、618包括如本文所述的合并全息光场。

图8A描绘了由图6所示的投影组件600输出的第一和第二输出616、618的第一侧视图的示意图(不按比例)(从投影组件600的左侧看)。图8B描绘了与图6所示投影组件600输出的第一和第二输出616、618的第一侧视图相对的第二侧视图的示意图(不按比例)(从投影组件600的右侧看)。当第一和第二输出616、618从光束组合器614出现时，它们各自包括在第一维度(x)上彼此合并的第一和第二全息光场603、605。这意味着，如图8A所示，从第一维度(x)上的第一方向，可以看到第一和第二输出616、618的第一全息光场603的外部部分(如图8A中的点所示)。如图8B所示，从第一维度(x)上的第二方向(与第一方向相反)，可以看到第一和第二输出616、618的第二全息光场605的外部部分(如图8B中的线所示)。第一和第二输出616、618在第三维(z)和第二维(y)上都彼此偏移。第一和第二输出616、618在第一维度(x)上以彼此相同的方式定向。当第一和第二输出616、618中的每个被用作双1D波导配置中的相应波导的输入时，第一和第二输出616、618特别有用(例如在2022年5月10日提交的英国专利申请GB2206791.2中描述，该专利申请通过引用全部并入本文)。通过这种方式，通常因使用分束器而损失或浪费的光被回收或投入使用。

图9A描绘了与第一和第二全息光场603、605邻接/合并的光束组合器614的示意图(未按比例绘制)。光束组合器614包括光束分离器902。分束器902包括部分透射且部分反射的元件904。部分透射且部分反射的元件904可透射50％的入射光并反射50％的入射光。光束组合器614还包括输出镜906，输出镜906定位成引导/定向第一输出616，使得第一输出616在第二维和第三维(y，z)上偏离第二输出618，并且在第一维(x)上与第二输出618定向相同。光束组合器614还可以包括一个或多个第一输入镜912，其定位成接收第一全息光场603并将第一全息光场603重新导向分束器902的第一侧908。光束组合器614还可以包括一个或多个第二输入镜914，其定位成接收第二全息光场605并将第二全息光场605重新导向分束器902的第二侧910。第一侧908不同于第二侧910。第一侧908垂直于第二侧910。元件904与第一侧908成45°角。元件904也与第二侧910成45°角。

图9B描绘了光束组合器614的示意图(未按比例绘制),第一全息光场603穿过该光束组合器614传播。第一全息光场603在分束器902的第一侧908进入分束器902。第一全息光场603的一部分(例如50％)透过元件904。然后，传输的部分形成第一输出616的一部分。第一全息光场603的剩余部分，例如50％，被元件904反射。反射部分然后形成第二输出618的一部分。

图9C描绘了光束组合器614的示意图(未按比例绘制),第二全息光场605穿过该光束组合器614传播。第二全息光场605在分束器902的第二侧910进入分束器902。第二全息光场605的一部分例如50％透过元件904。然后，透射的部分形成第二输出618的一部分。第二全息光场605的剩余部分例如50％被元件904反射。反射部分然后形成第一输出616的一部分。

第一全息光场603的透射部分与第二全息光场605的反射部分合并，从而形成第一输出616。第一全息光场603的反射部分与第二全息光场605的透射部分合并，从而形成第二输出618。

第一和第二全息投影通道602、604布置为使得第一和第二全息光场603、605在元件904上的相同位置入射到元件904上。换句话说，元件904上的第一和第二全息光场603、605的足迹彼此大部分重叠。离开分束器的第一和第二全息光场603、605被认为是与第二全息光场605合并的第一全息光场603。

下面提供了输出与第二全息光场605合并的第一全息光场603的示例方法。该示例方法可以包括定位第一和第二全息投影通道602、604，使得第一和第二显示设备606、608以其间的预定角度θ相对于彼此倾斜。随后，分束器902可被定位/布置为在分束器902的第一侧908上接收第一全息光场603，并且在分束器902的第二侧910上接收第二全息光场605。第一和第二全息光场603、605在分束器902的部分透射部分反射元件904上的相同位置入射。这样，第一全息光场603的透射部分与第二全息光场605的反射部分合并。类似地，第一全息光场603的反射部分与第二全息光场605的透射部分合并。这将导致第一和第二输出616、618各自包括与第二全息光场605邻接/合并的第一全息光场603的一部分，如上所述。

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 (16)

1.一种投影组件，包括：

第一全息投影通道，其配置为从第一图像的第一全息图形成第一全息光场；以及

第二全息投影通道，其配置为从第二图像的第二全息图形成第二全息光场，

其中每个全息图配置为形成全息光场，在该全息光场中，第一维度上的对应图像的内容由角度编码，使得全息光的角通道各自对应于第一维度上的对应图像的相应切片，

其中投影组件布置为在第一维度上组合第一全息投影通道的第一多个角通道和第二全息投影通道的第二多个角通道，以便第一全息光场和第二全息光场是可共同接收的并且可转换成包括与第二图像邻接的第一图像的扩展图像。

2.根据权利要求1所述的投影组件，其中：

所述第一全息投影通道包括配置为显示所述第一全息图的第一显示设备，其中当第一显示设备被第一光照射时，第一光根据所显示的第一全息图被空间调制，使得第一全息投影通道形成所述第一全息光场；

所述第二全息投影通道包括配置为显示所述第二全息图的第二显示设备，其中当第二显示设备被第二光照射时，第二光根据所显示的第二全息图被空间调制，使得第二全息投影通道形成所述第二全息光场；并且

第一显示设备和第二显示设备相对于彼此倾斜，使得第一全息光场的第一传播方向偏离第二全息光场的第二传播方向。

3.根据权利要求2所述的投影组件，其中，所述第一显示设备和所述第二显示设备相对于彼此倾斜的倾斜角度基本等于邻接的第一和第二全息光场的衍射角之和。

4.根据权利要求2或3所述的投影组件，其中，所述倾斜是围绕第二维度的旋转，第二维度垂直于所述第一维度，使得所述第一和第二全息光场在所述第一维度上邻接。

5.根据前述权利要求中任一项所述的投影组件，其中，所述投影组件在第一维度上的角视场等于第一维度上的第一全息光场的角视场和第一维度上的第二全息光场的角视场之和。

6.根据权利要求5所述的投影组件，其中，所述投影组件在第二维度上的角视场基本等于第二维度上的第一全息光场的角视场和/或第二维度上的第二全息光场的角视场，并且第二维度垂直于第一维度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的投影组件，其中：

所述第一全息投影通道包括用于通过照射所述第一全息图来形成所述第一全息光场的第一光源；

所述第二全息投影通道包括用于通过照射所述第二全息图来形成所述第二全息光场的第二光源；并且

第一光源不同于第二光源。

8.根据前述权利要求中任一项所述的投影组件，其中，所述投影组件布置为形成两个复用通道，每个复用通道包括与所述第二全息光场的一部分邻接的所述第一全息光场的一部分。

9.根据权利要求8所述的投影组件，其中：

所述复用通道基本平行，并且在两个垂直方向上空间偏移；并且

可选地，两个垂直方向是第二维度和第三维度。

10.根据权利要求8或9所述的投影组件，还包括多个波导，每个波导布置为接收所述复用通道中的相应的一个。

11.根据权利要求10所述的投影组件，其中，所述多个波导中的第一波导配置为沿第一方向复制光场，所述多个波导中的第二波导配置为沿与第一方向相反的第二方向复制光场。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的投影组件，还包括光束组合器，其配置为接收所述第一全息光场和第二全息光场，并输出所述两个复用通道。

13.根据权利要求12所述的投影组件，其中，所述光束组合器包括分束器，布置为在其第一侧接收所述第一全息光场，在其第二侧接收所述第二全息光场。

14.根据权利要求13所述的投影组件，其中，所述分束器配置为：

将所述第一全息光场分成第一透射光场和第一反射光场；

将所述第二全息光场分成第二透射光场和第二反射光场；

将第一透射光场与第二反射光场合并，从而形成所述两个复用通道中的第一复用通道；以及

将第一反射光场与第二透射光场合并，从而形成所述两个复用通道中的第二复用通道；并且

其中第一和第二复用通道彼此相同。

15.根据前述权利要求所述的投影组件，其中，所述第一全息投影通道和第二全息投影通道各自包括相应的光中继器，其配置为形成相应全息光场的中间图像，其中每个光中继器改变相应全息光场的衍射角。

16.根据权利要求15所述的投影组件，其中，相应全息光场的每个中间图像的尺寸大于5mm。