CN117980794A - 全息系统及其光瞳扩展器 - Google Patents

Abstract

一种全息系统包括空间光调制器和光瞳扩展器。空间光调制器布置成显示图像的全息图并输出用全息图编码的空间调制光。在实施例中，光瞳扩展器包括多个光纤，每个光纤具有输入端和输出端。光瞳扩展器布置成使得由空间光调制器输出的空间调制光耦合到每个光纤的输入端中，并从其输出端输出到观察区域。多个光纤中的每个布置成传播在其输入端接收的所接收的空间调制光，以便在第一维度上扩展系统的出射光瞳，该第一维度通常对应于观察区域的维度。

Description

全息系统及其光瞳扩展器

技术领域

本公开涉及全息系统。更具体地，本公开涉及全息成像系统和全息成像方法。一些实施例涉及图片生成单元和平视显示器。一些实施例涉及用于全息系统的观察区域的光瞳扩展方法和光瞳扩展装置。

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。例如，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。

广泛地，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，其中图像投影仪将光从显示设备投射或中继到观察系统。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功率的光学元件(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。显示设备的像素衍射光。根据众所周知的光学原理，最大衍射角的幅度取决于像素的大小(以及其他因素，比如光的波长)。

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/图像的空间调制光可以传播到观察者。

在其他示例中，全息图本身传播到眼睛。也就是说，全息图的空间调制光传播到眼睛。观察者可以感知到真实或虚拟的图像。也可以说用全息图编码的光直接传播到眼睛。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。

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视场的问题—即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(相对而言)小而投影距离(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。本文描述的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。然而，本公开的其他实施例可以涉及这样的配置，其中图像被传播到人眼而不是全息图—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“重放图像”的光被传播到人眼。

光瞳扩展器增加了视场，因此增加了可以使用显示设备的全衍射角的最大传播距离。光瞳扩展器的使用还可以横向增加观察区域(即用户的眼盒)，从而使眼睛能够发生一些运动，同时仍使用户能够看到图像。本领域技术人员将理解，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。本公开总体涉及非无限虚拟图像距离—即近场虚拟图像。然而，本公开的光瞳扩展器可以应用于成像形式，其可以受益于在显示设备和观察区域之间中继光的路径中的光瞳扩展。

传统上，光瞳扩展器包括一个或多个一维光波导，每个使用诸如玻璃块或平面镜之类的块体光学器件形成，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了额外的光线或“复本”，波导扩大了观察窗。然而，为了实现这一点，显示设备必须非常接近(例如邻近)波导光瞳扩展器。这限制了显示设备的整体配置、尺寸和体积，从而妨碍了更紧凑设备的设计。此外，光瞳扩展器的出射光瞳必须定位成使得输出光被中继到观察系统(例如观察者的眼睛)所在的观察区域。这一要求与显示设备的尺寸相结合，限制了其在原位的放置。例如，当实现为车辆中驾驶员的平视显示器时，显示设备必须放置在车辆仪表板内输出光可被中继到驾驶员眼睛所在的观察区域的位置。

本公开提出了光瞳扩展的替代方法。不是在显示设备和观察区域之间的中继路径中使用一个或多个块体光学器件光瞳扩展器，而是使用包括形成“光纤光瞳扩展器”的多个光纤的装置来实现光瞳扩展。特别地，根据本公开，显示设备的输出光由多个光纤的输入端接收。多个光纤的输出端定位成形成具有增大的大视场(即从显示设备传播到观察者的光线的角度范围增大)的扩展出射窗，因此观察系统的观察区域增大。因此，每个光纤可被视为复制或形成输入光场的至少一部分的复本，使得多个光纤形成多个复本以实现一维或二维的光瞳扩展。术语“复本”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。这些术语的更详细定义如下。

如上所述，在包括相对较小的显示设备和相对较大的投影/传播距离的显示系统中，需要光瞳扩展。通常，投影距离比显示设备的孔径大至少一个数量级。在实施例中，显示系统包括相对较小的显示设备(例如直径为0.8至3cm量级的所谓“微显示器”)和距其相对较大传播距离(例如30cm至1.5米)的观察区域，从而在没有光瞳扩展的情况下，对于给定的眼睛位置，视场受到限制。因此，本公开的光纤光瞳扩展器特别适用于包括微显示器(例如LCOS)的显示系统，该微显示器具有与其隔开相对较大距离的观察区域，其中观察区域应允许一定范围的眼睛位置。如本文所述，这种显示系统的示例包括用于汽车和其他应用的平视显示器。

虽然本公开描述了多个光纤来实现光瞳扩展，但本公开的原理可以通过用任何类型的光导或光导管来代替光纤来实现，光导或光导管用于通过内反射(例如全内反射)将光从输入端传播到输出端。因此，说明书中对“光纤光瞳扩展器”的引用仅是为了方便起见，并不意图限制本公开的范围。

提供了一种全息系统，包括显示设备，该显示设备布置成显示图像的衍射图案，例如全息图。显示设备还布置成输出用衍射图案编码(或调制)的光。全息系统还包括光瞳扩展器。光瞳扩展器包括多个光导，每个光导具有输入端和输出端。光瞳扩展器布置成使得来自显示设备的输出光耦合到每个光导的输入端中，并从其输出端输出到观察区域(观察者可以在该观察区域感知图像)。多个光导中的每个布置成传播在其输入端接收的光，以便在第一维度上扩展系统的出射光瞳。第一维度可以对应于观察区域的维度。

在实施例中，空间光调制器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(更具体地说，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)。根据本公开，因此陈述了全息系统的出射光瞳被光纤阵列扩展以反映光瞳扩展器有效地使系统的出射光瞳更大。可以说，多个光导中的每个布置成形成在其输入端接收的空间调制光的“复本”，以便扩展全息系统的出射光瞳。在一些实施例中，由空间光调制器输出的全息光内容被分成光通道，其中每个光导接收一个相应光通道的光，并且多个光导共同将所有全息光内容传递给观察者(例如在每个可能的观察位置)。这些实施例与这里描述的特殊类型的通道全息图是协同的。在其他实施例中，多个光导中的每个光导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增加出射光瞳的尺寸。也可以说多个光导扩展/增加了所接收光瞳的尺寸。空间光调制器显示全息图，因此也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，以反映传送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。

在实施例中，多个光导的输出端在第一维度上以一维阵列布置。在其他实施例中，多个光导的输出端在第一维度和与第一维度正交的第二维度上以二维阵列布置。

在实施例中，从光导的输出端输出的光在被中继到观察系统之前被准直(例如通过准直透镜)。光也可以通过相应的透镜耦合到光导的输入端。

在一些实施例中，显示设备是全息显示设备，例如根据全息图对光进行空间调制的空间光调制器(例如LCOS SLM)。在本文描述的实施例中，用全息图编码的光由全息显示设备输出到光纤光瞳扩展器(即不形成中间全息重建)。因此，图像的全息图是由输出光传播的，而不是图像本身。

在一些示例中，使用光导分束器(例如光纤分束器)将(调制的)光同时耦合到多个光导中的每个的输入端。在其他实施例中，调制光以时分复用方式耦合到多个光导中的每个的输入端。也就是说，(调制的)光以定义的序列一次一个地耦合到多个光导中的每个中。在示例中，序列的总持续时间(即用于将光输入到多个光导中的每一个)小于人眼的积分时间。

在更进一步的实施例中，如本文所述，通过在显示设备上编码所谓的“通道全息图”，显示设备可以多个角度提供调制光。在一些实施例中，可以选择角度，使得每个角度的光耦合(或发射)到多个光导中的每个的输入端。也就是说，每个光导的输入光场是相同的，并且包括所有角通道的(图像)内容。因此，每个光导复制通道全息图的所有角度/通道，以提供光瞳扩展。在其他实施例中，可以选择角度，使得每个角度的光耦合到多个光导中的相应一个的输入端。因此，多个光导中的每个的输入光场包括相应一个角通道的(图像)内容。

相同的输入光场可以耦合(或发射)到多个光导中的至少两个的输入端中，使得该至少两个光导复制通道全息图的相同角度/通道以提供光瞳扩展。

在一些实施例中，具有相同角度/通道的光导在其输出端阵列中具有相邻的输出端，使得其输入光场的复本是连续的。在更进一步的实施例中，可以选择角度，使得角度通道的子集的光耦合到多个光导中的每个的输入端。因此，多个光导中的每个光导的输入光场包括相邻角度通道子集的(图像)内容，并因此包括相邻角度通道子集的(图像)内容的重叠区域。每个角通道(或子集)的输入光场耦合到多个光导中的至少两个的输入端，使得至少两个光导复制通道全息图的相同角度/通道(或子集)以提供光瞳扩展。在这些实施例中，携带相同或相邻角度通道的光导具有在其输出端阵列中相邻的输出端，使得相应角通道的光场的复本是连续的。在这些实施例的至少一些中，调制光可以同时耦合到多个光纤中的每个的输入端。因此，每个光导复制通道全息图的一个或多个相应角度/通道。

所公开的使用多个光导来提供光瞳扩展的新技术与使用一个或多个块体光学器件波导的传统技术相比具有许多优点。特别地，显示设备或光引擎不再需要靠近向观察系统(例如驾驶员的眼睛)提供光的出射窗(例如在车辆仪表板中)。因此，可以减小仪表板中投影系统部件的尺寸、体积和重量。此外，从显示设备接收的光场可以沿着不同组光导复制和/或中继，以便向车辆的不同观察区域提供相应的出射窗。因此，额外的观察者(例如乘客)可能能够观察同一全息系统的图像，而不需要额外的完整全息成像系统。

还提供了一种扩展全息系统出射光瞳的方法。该方法包括通过显示设备显示图像的衍射图案(例如全息图)。该方法还包括由显示设备输出用衍射图案编码(即调制)的光。在实施例中，显示设备是空间光调制器，并且该方法包括照射显示全息图的空间光调制器，以便输出用全息图编码的空间调制光。该方法还包括通过包括多个光导的光瞳扩展器将显示设备输出的(调制的)光耦合到多个光导中的每个的输入端。该方法还包括通过光瞳扩展器的多个光导中的每个传播在其输入端接收的光以在其输出端输出，以便在第一维度上扩展其出射光瞳。第一维度可以对应于观察区域的维度(观察者可以在该维度上感知图像)。

术语“全息图”用于指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。全息图的记录可以存储在数据存储设备(即存储器)中或者包含在形成用于振幅和/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”用于指通过照射全息图形成的物体的光学重建。全息重建也可以称为“重放图像”或“全息图像”。这里公开的全息系统的实施例可被描述为“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。

这里提到了“复合光场”。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。复合光场可以在全息平面和图像平面之间沿+z和-z方向向前和向后传播。可以使用波动光学领域的技术人员熟悉的多种不同方法或数学变换中的任何一种来模拟或建模光传播。

在本公开中，术语“复本”在本文中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次出现或实例—例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光的两个分支或路径仍被称为彼此的“复本”，即使这些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”—只要它们是从相同的复制事件或一系列复制事件中产生的。

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示出了从显示设备向孔径有效传播的虚拟图像的角内容；

图5a示出了具有相对较小传播距离的观察系统；

图5b示出了具有相对较大传播距离的观察系统；

图6a示出了具有相对较大传播距离的观察系统，其包括波导，用于在无穷远处形成虚拟图像；

图6b示出了图6a的光路的放大图；

图7示出了根据实施例的光学系统；

图8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9示出了根据本公开的全息图，其特征在于将全息编码的光路由或引导到多个离散的全息图通道中；以及

图10示出了优化的系统，其布置成通过不同的光路将每个全息图通道的光内容传送到眼睛。

图11是根据实施例的光纤光瞳扩展器的示意图；以及

图12是根据示例的平视显示器的示意图，包括位于车辆内的图11的光瞳扩展器。

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。

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功率的第二数据组合。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，透镜数据提供了光功率或聚焦功率。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功率，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功率。

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。

使用小显示设备和长观察距离的图像投影

本公开涉及图像投影，其中显示设备和观察者之间的间隔远大于显示设备的尺寸。观察距离(即观察者和显示设备之间的距离)可以至少比显示设备的尺寸大一个数量级。观察距离可以比显示设备的尺寸大至少两个数量级。例如，显示设备的像素区域可以是10mm×10mm，观察距离可以是1m。由系统投影的图像形成在与显示设备空间分离的显示平面上。

根据本公开，图像由全息投影形成。全息图显示在显示设备上。全息图由光源(未示出)照射，并且在与全息图空间分离的显示平面上感知到图像。图像可以是真实的或虚拟的。出于以下解释的目的，考虑在显示设备上游形成的虚拟图像是有帮助的。也就是说，出现在显示设备的后面。然而，图像是虚拟图像并不重要，并且本公开同样适用于在显示设备和观察系统之间形成的真实图像。

显示设备包括显示全息图的像素。显示设备的像素结构是衍射的。因此，全息图像的大小由衍射规则决定。下面参考图4解释显示设备的衍射特性的结果。

图4示出了像素化显示设备402，其布置成在显示设备402的上游显示形成虚拟图像401的全息图。显示设备的衍射角q决定了虚拟图像401的大小。虚拟图像401、显示设备402和观察系统405布置在光轴Ax上。

观察系统405具有入射孔径404和观察平面406。观察系统406可以是人眼。因此，入射孔径404可以是眼睛的瞳孔，观察平面406可以是眼睛的视网膜。

用图像的全息图(不是图像本身)调制在显示设备402和观察系统405之间传播的光。然而，图4说明了全息图如何按角度划分虚拟图像内容。每个图示的光线束与虚拟图像401的不同部分相关。更具体地，每个光线束中的光被全息图用关于虚拟图像的一部分的信息编码。图4示出了五个示例光线束，每个的特征在于相对于光轴Ax的相应角度，并且每个表示虚拟图像的相应部分。在该示例中，一个光束穿过光瞳404，其他四个光束被光瞳404阻挡。同样，五个不同的光线束对应于虚拟图像401的五个不同部分。虚拟图像的完整图像内容被有效地按角度划分。沿着光轴Ax传播的光束携带图像信息的中心部分—即与图像中心相关的信息。其他光束携带图像信息的其他部分。光锥末端显示的两个光束携带图像信息的边缘部分。图像信息按角度的该划分结果是，并非所有图像内容都能在给定的观察位置通过观察系统的入射孔径404。换句话说，不是所有的图像内容都能被眼睛接收到。在图4的示例中，所示的五个光束中只有一个在任何观察位置穿过光瞳404。读者将理解，仅以示例的方式示出了五个光束，并且所描述的过程不限于将虚拟图像的图像信息划分成仅五个光束。

在该示例中，图像信息的中心部分由眼睛接收。图像信息的边缘部分被眼睛的瞳孔阻挡。读者将理解，如果观察者向上或向下移动，眼睛可能会接收到不同的光束，并且例如图像信息的中心部分可能会被阻挡。因此观察者只能看到整个图像的一部分。图像信息的其余部分被入射光瞳阻挡。观察者的视野受到严重限制，因为他们实际上是通过显示设备本身的小孔径观察图像。

总之，光从显示设备在衍射角范围内传播。在1米的观察距离上，对于给定的眼睛位置，只有来自显示设备的小范围的角度可以通过眼睛的瞳孔传播以在视网膜上形成图像。虚拟图像的仅可见部分是落在图4所示的小角度范围内的部分，其穿过入射孔径。因此，视场非常小，并且具体的角度范围严重依赖于眼睛的位置。

参照图4解释的小视场和对眼睛位置的敏感性的问题是显示设备的大观察距离和小孔径的结果。参照图5至7进一步解释观察距离的重要性。

图5A示出了显示设备502，其布置成显示全息图并将根据全息图调制的光传播到包括入射孔径504和观察平面506的观察系统。虚拟图像501在无穷远处，因此在虚拟图像和显示设备之间跟踪的光线是准直的。图5A的下部示出了观察系统的放大图。该图是示意性的，因此没有示出眼睛的生理细节。实际上，当然存在布置成照射显示设备502的光源(图5A中未示出)。

图5A仅示出了那些可以通过孔径504传播的光线；不能穿过孔径504的任何其他光线被省略。然而，将理解，实际上那些其他光线也将从显示设备502传播。在图5A中，显示设备和观察平面之间的距离足够小，使得来自显示设备的全衍射角可以在视网膜上形成图像。从虚拟图像显示的所有光传播路径都穿过入射孔径。因此，虚拟图像上的所有点都映射到视网膜上，并且所有图像内容都被传递到观察平面。因此，感知图像的视场是最大的。在最佳位置，视场等于显示设备的衍射角。有趣的是，视网膜上的不同图像点是由从显示设备502上的不同区域传播的光形成的，例如最靠近图5A顶部的图像点仅由从显示设备的下部传播的光形成。从显示设备的其他区域传播的光对该图像点没有贡献。

图5B示出了当观察距离增加时出现的情况。

更详细地，图5B示出了显示设备502’,其布置成显示全息图并将根据全息图调制的光传播到包括入射孔径504’和观察平面506’的观察系统。虚拟图像501’在无穷远处，因此虚拟图像和显示设备之间的光线是准直的。图5B的下部显示了观察系统的放大图。该图是示意性的，因此没有示出眼睛的生理细节。实际上，当然具有布置成照射显示设备502’的光源(图5B中未示出)。

图5B仅示出了那些可以通过孔径504’传播的光线。在图5B的较大观察距离处，一些光束被入射孔径504’阻挡。具体而言，与虚拟图像的边缘部分相关的光线束被入射光瞳504’阻挡。因此，整个虚拟图像是不可见的，并且虚拟图像的可见部分严重依赖于眼睛的位置。因此，由于显示设备的小尺寸，显示设备和观察系统之间的大距离是有问题的。

图6A示出了包括显示设备602的改进系统，向包括入射孔径604和观察平面606的观察系统传播已经用显示设备602上显示的全息图编码的光。实际上，当然存在布置成照射显示设备602的光源(未示出)。改进系统还包括位于显示设备602和入射孔径604之间的块体光学器件波导608。图6A的下部示出了入射光瞳604和观察平面606的放大视图。该图是示意性的，因此没有示出眼睛的生理细节。

图6的观察距离与图5B的相同。然而，在图5B中被阻挡的光束被波导608有效地恢复，使得观察系统接收到完整的图像信息—尽管观察距离更长。

波导608的存在使得来自显示设备602的所有角度内容能够被眼睛接收，即使在这个相对大的投影距离上。这是因为波导608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，块体光学器件波导608包括具有第一和第二平面(主)表面610、612的基本细长结构。在该示例中，它包括折射材料的光学板，但包括一对平行平面反射表面的其他类型的波导也是众所周知的并且可以使用。波导608被定位成与从显示设备602投影的光锥相交，例如以斜角相交。波导608的大小、位置和定位配置成确保来自光锥内的五个光束中的每个的光进入波导608。来自光锥的光经由波导608的第一平面表面610(位置最靠近显示设备602)进入波导608，并且在经由波导608的第二平面表面612发射之前，至少部分地沿着波导608的长度被引导，第二平面表面612基本与第一表面610相对(位置最靠近眼睛)。很容易理解，第二平面表面612是部分反射、部分透射的。换句话说，当每条光线在波导608内从波导608的第一平面表面610传播到第二平面表面612时，一些光将透射出波导608作为接收光的“复本”，一些光将被第二平面表面612反射回第一平面表面610。第一平面表面610是反射性的，使得从波导608内撞击它的所有光将被反射回第二平面表面612。因此，一些光在被透射之前可以简单地在波导608的两个平面(主)表面610、612之间折射，而其他光可被反射，因此在被透射之前可以在波导608的平面表面610、612之间经历一次或多次反射(或“反弹”)。因此，波导608的净效应是，通过沿其长度透射一系列副本，光的透射被有效地扩展到波导608的第二平面表面612上的多个位置。因此，与没有波导608的情况相比，显示设备602输出的所有角度内容可以出现在显示平面上更多数量的位置处(并且在孔径平面上更多数量的位置处)。这意味着来自每个光线束的光可以进入入射孔径604，并有助于由观察平面606形成的图像，尽管投影距离相对较大。换句话说，眼睛可以接收来自显示设备602的所有角度内容。因此，显示设备602的全衍射角被利用，并且对于用户来说观察窗被最大化。反过来，这意味着所有光线都对感知的虚拟图像601有贡献。

图6B示出了对虚拟图像601内的五个相应图像点有贡献的五个光线束中的每个的单独光路，虚拟图像601在图6A中形成，从上到下分别标记为R1到R5。如在其中可以看到，R1和R2中的每个的光被简单地折射，然后被波导608透射。另一方面，R4的光在透射之前会遇到单次反弹。R3的光包括来自显示设备602的相应第一部分的一些光，其在被透射之前被波导608简单地折射，以及来自显示设备602的不同的第二相应部分的一些光，其在被透射之前遇到单次反弹。类似地，R5的光包括来自显示设备602的对应的第一部分的在被透射之前遇到单次反弹的一些光，以及来自显示设备602的不同的第二对应部分的在被透射之前遇到两次反弹的一些光。对于R3和R5中的每个，LCOS的两个不同部分传播对应于虚拟图像部分的光。

本发明人已经认识到，至少在一些应用中，与在无穷远处形成虚拟图像相反，虚拟图像距离(即从观察者到虚拟图像的距离)优选是有限的。在某些应用中，将存在优选的虚拟图像距离，在该距离处，虚拟图像内容出现是期望的或必要的。例如，这可以是平视显示器中的情况，例如在汽车设定中，例如如果虚拟图像内容要被叠加到观察者通过车辆挡风玻璃观察的真实内容上。例如，期望的虚拟图像距离可以包括在观察者的车辆或挡风玻璃前方几米处形成的虚拟图像内容，例如3米或5米。

用于小显示设备、长观察距离和光瞳扩展器的全息图计算

发明人先前已经设计了一种使用点云方法或使用英国专利申请号GB2101666.2、GB2101667.0和GB2112213.0中公开的迭代算法来计算图7所示的光学系统的全息图的方法，这些专利申请通过引用结合于此。这种类型的全息图在本文中被非正式地称为“光通道全息图”或简称为“通道全息图”。重要的是，显示设备相对较小，投影距离相对较长。全息图被直接投影到观察系统，并且该方法能够实时实施。显示设备的相对小的尺寸和相对长的投影距离需要光瞳扩展器。该方法解决了通过光瞳扩展器的不同路径。该方法允许图像内容出现在离观察系统不同的距离和/或多个距离处，可选地同时出现，例如使用一个全息图。该方法允许图像内容出现在显示设备的下游和显示设备的上游，可选地同时出现，例如使用一个全息图。

图7示出了可用于显示图像全息图的空间光调制器701。在该实施例中，空间光调制器701是硅上液晶器件，其布置成对接收到的光的相位进行模块化。空间光调制器701由来自光源(未示出)的至少部分相干光照射。光源可以是激光二极管。空间光调制器701输出根据显示全息图进行空间调制的光。图7示出了空间调制光的一条光线702。光瞳扩展器703接收空间调制光。光瞳扩展器703相对于显示设备701的平面倾斜。光瞳扩展器703因此接收非垂直入射的光。入射角(光轴与光瞳扩展器形成的角度)可以小于25度，例如10到20度。光瞳扩展器包括接收空间调制光的输入表面703a和输出表面703b。输入表面703a和输出表面703b基本平行，并在光瞳扩展的方向上伸长。输入表面703a包括基本全反射的至少一部分(例如R＝1)。输出表面703b包括高反射但部分透射的至少一部分(例如R＝0.9和T＝0.1)。反射表面布置成使得空间调制光在它们之间来回反射，并且光在沿着输出表面703b的多个点发射，如上面参考图6的波导608所述。在这个实施例中，光瞳扩展器基本是细长的。光瞳扩展器提供在一个方向上的光瞳扩展—即伸长方向，但本公开可以扩展到包括布置成在正交方向上扩展光瞳的第二光瞳扩展器的存在。

图7示出了光线702如何被有效地复制两次以形成三个传播路径705，每个路径与不同的距离Z₀,Z₁和Z₂相关。最短的传播路径对应于Z₀，并且在这个示例中，光已经穿过波导而没有任何内部反射。所示的三个中的中距离传播路径对应于Z₁和光瞳扩展器中的两个内部反射(每个表面一个)。所示的最长传播路径对应于Z₂和光瞳扩展器中的四次内部反射(每个表面两次)。平面x₀,x₁和x₂分别示出了与三个传播路径Z₀,Z₁和Z₂中的每个相关的光场的空间范围。更具体地，图7示出了三个平面x₀、x₁和x₂在x方向上是如何相互偏移的。

图7还示出了观察系统713，其包括入射光瞳707、透镜709和光传感器711。在实施例中，观察系统713是人眼，光传感器711是眼睛的视网膜。图7示出了只有一些与每个传播路径相关的光场如何穿过入射光瞳707。图7示出了与穿过入射光瞳707中心的中距离传播路径的中心相关的光线。但是例如，与最短传播路径的光场的中心相关的光线被孔径707的顶部阻挡。然而，与最短传播路径的光场相关的其他光线可以穿过孔径707。与最长传播路径的光场中心相关的光线被孔径707的下部阻挡。然而，与最长传播路径的光场相关的其他光线也可以穿过孔径707。

穿过孔径707的光被透镜709聚焦到光传感器711上。光传感器711的平面基本平行于显示设备701的平面，因此也相对于光瞳扩展器703的细长维度倾斜。

仅作为示例，图15示出了三条可能的光传播路径。本公开不受传播路径数量的限制。也就是说，本领域技术人员将从以下描述中理解，该方法可以扩展到考虑任何数量的光传播路径。同样，光瞳扩展器相对于显示平面和传感器平面倾斜也不是必须的。

图8和图9示出了由点云方法或使用英国专利申请号GB2101666.2、GB2101667.0和GB2112213.0中公开的迭代算法的方法形成的通道全息图的示例。

光通道

图8示出了用于投影的图像1552，包括八个图像区域/分量V1至V8。图8仅以举例的方式示出了八个图像分量，并且图像1552可被分成任意数量的分量。图8还示出了编码光图案1554(即全息图)，其可以重构图像1552—例如，当被合适的观察系统的透镜转换时。编码光图案1554包括对应于第一至第八图像分量/区域V1至V8的第一至第八子全息图或分量H1至H8。图8进一步示出了这种类型的全息图如何根据角度有效地分解图像内容。因此，全息图可以通过其执行的光通道来表征，因此被称为“光通道全息图”或简称为“通道全息图”。这如图9所示。具体而言，全息图将光导入多个离散区域。在所示的示例中，离散区域是圆盘，但也可以设想其他形状。这种光通道的出现仅仅是由于确定全息图的特定方法。

图10示出了根据图8和图9所示认知的改进的观察系统1500。

观察系统1500包括显示设备，其在该布置中包括LCOS1502。LCOS1502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1505，眼睛1505包括充当孔径1504的瞳孔、晶状体1509和充当观察平面的视网膜(未示出)。存在布置成照射LCOS1502的光源(未示出)。眼睛1505的晶状体1509执行全息图到图像的转换。

观察系统1500还包括位于LCOS1502和眼睛1505之间的块体光学器件波导1508。图10中的投影距离可能相对较大。然而，如关于前面的附图所描述，波导1508的存在使得来自LCOS1502的所有角度内容能够被眼睛1505接收，即使在这个相对大的投影距离处。这是因为波导1508以上面已经描述的方式充当光瞳扩展器。

此外，在该布置中，当LCOS1502已经用通道全息图编码时，波导1508可以相对于LCOS1502成一定角度取向，以便在来自LCOS1502的光和观察者将感知的虚拟图像之间建立独特的关系。波导1508的大小、位置和定位配置成确保来自虚拟图像的每个部分的光进入波导1508并沿其细长轴被引导，在波导1508的基本平面表面之间反弹。每当光到达第二平面表面(最靠近眼睛1505)时，一些光被透射，一些光被反射。

图10示出了沿着波导1502长度的总共九个“反弹”点B0到B8。读者会注意到图像1552的中心保持空白。图10示出了波导内第0到第9个光“反弹”或反射点B0到B8。尽管与图像(V1-V8)所有点相关的光在从波导1508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至B8到达眼睛1505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1505。图10示出了在每个“反弹”点发射的来自所有不同角度内容的光(在每个透射点由多个短箭头表示)，但则仅示出了从波导的相应部分实际到达眼睛1505的相应角度内容到眼睛1505的光路，因此将有助于观察者将感知到的虚拟图像的相应部分。例如，对于第零次反弹B0，由波导1508传输的光被简单地折射，并且在其中不经历任何反射。第八子全息图H8的光从第零次反弹B0到达眼睛。对于下一次反弹B1，由波导1502传输的光在传输之前在其中经历一次反弹。来自第七全息图H7的光从下一次反弹B1到达眼睛。这按顺序继续，直到由波导1508在最后一次反弹B8处透射的光在被透射并到达眼睛1505之前已经经历了八次反射，并且包括根据第一全息图H1编码的光。

在图10所示的示例中，只有一个图像区域的光从每个反弹点到达眼睛。因此，当如本文所述确定全息图时，在虚拟图像的区域和它们在波导上的相关反弹点之间建立了空间相关性。在一些其他示例中，可能存在相对小的重叠，使得图像的一个区域来自两个相邻的传输点，并且因此包含在从波导向观察平面传播的两个相邻的光盘中。

因此，发明人的认识以及上述的方法和装置能够产生包括全息图的衍射图案(或光调制图案),当在LCOS或其他合适的显示设备上显示时，能够使光在多个“盘”或光线束中有效地从其中发射，每个“盘”或光线束对应于(更具体地，编码)相应虚拟图像的不同的相应部分。如前所述，在本公开中，这种类型的全息图被称为“光通道全息图”或简称为“通道全息图”。

光纤光瞳扩展

图11是根据本公开实施例的光瞳扩展的新技术的示意图。该技术使用多个光纤(也称为“光纤光学器件”)，而不是使用块体光学器件作为光瞳扩展器。在其他实施例中，光纤可以由用于将光从输入端传播到输出端的其他类型的光导或光导管代替。

光瞳扩展器1100由多个光纤1120形成。每个光纤1120包括输入端1122和输出端1124。在图11所示的布置中，光纤1120的输入端1122在光瞳扩展器1100的输入平面1130上布置成二维阵列，光纤1120的输出端1124在光瞳扩展器1100的输出平面1140上布置成相应的二维阵列。如图11中的箭头所示，光瞳扩展器1100布置成从显示在显示设备上的全息图1150接收光到输入平面1130，并从输出平面1140向观察系统或观察者(未示出)的观察区域输出光。

因此，由显示设备输出的用全息图1150编码的(调制的)光通过耦合器1160耦合到光瞳扩展器1100中。具体而言，耦合器1160在输入平面1130处将光耦合到多个光纤1120的输入端1122。在一些示例中，耦合透镜或耦合透镜阵列可以设置在多个光纤1120的该或每个光纤的输入端1122的上游。如下所述，用于将光耦合到光瞳扩展器1100中的各种技术是可能的。此外，在一些布置中，耦合到多个光纤中的每个的相应输入端1122中的光可以是相同的(例如对应于整个全息图1150)。因此，在输出平面1140处的阵列中，所有光纤1120在其输出端1124输出整个全息图的光，从而形成“复本”1150”的阵列以及其光瞳扩展。在其他布置中，耦合到多个光纤1120中的每个的相应输入端1122中的光可以不同(例如对应于全息图1150的一部分)。在一示例中，仅对应于单个全息图的相应部分的光可以根据其在阵列中的位置(例如基于角度内容，比如通道全息图的单个通道或通道子集)耦合到每个光纤1120中。在该示例中，可以通过将全息图的每个相应部分的光耦合到在输出平面1140处的阵列中具有相邻输出端1124的两个或更多个光纤1120中来实现光瞳扩展，以便形成其连续“复本”。在另一示例中，多个光纤1120可以接收来自不同全息图的光。在该示例中，每个全息图可以对应于图像的不同部分。通过将每个相应全息图的光耦合到在输出平面1140处的阵列中具有相邻输出端1124的两个或更多个光纤1120中，可以实现光瞳扩展，从而形成其连续“复本”。该布置可以动态地重新配置，使得全息图和纤维的配对可以例如基于眼睛跟踪信息(即关于观察者的眼睛在观察窗口内的位置的信息)随时间而改变。因此，如图11所示，耦合器1160将利用相应全息图1150’(可以是全息图1150的全部或一部分)编码的输入光的独立通道耦合到每个光纤1120的输入端1122。

每个光纤1120布置成将在其输入端1122接收的相应光通道的(调制)光传播到其输出端1124，从而有效地形成用全息图1150’(如上所述的相同全息图或不同全息图)编码的光的“复本”1150”。特别地，如本领域技术人员将理解，每个光纤1120可以通过光纤芯内的全内反射沿其长度传播对应于全息图1150’的复合输入光场。因此，可以通过控制全息图1150来控制由光瞳扩展器1110从每个光纤1120的输出端1124提供给观察区域的复合输出光场。在一些示例中，多个光纤1120的该或每个光纤的输出端1124可以耦合到透镜。因此，根据应用要求，由光瞳扩展器1100的输出平面1140输出的光场在被中继到观察区域之前可被光学处理，例如准直。

在图11所示的布置中，光瞳扩展器1100包括15个光纤1110a-o，它们具有布置成3×5阵列的相应输入端1122a-o和输出端1124a-o。应当理解，在其他布置中，根据应用要求，可以使用任意数量的光纤1110，其输入和输出端布置成任意期望的一维阵列(用于一维光瞳扩展)或二维阵列(用于二维光瞳扩展)。

在一些实施例中，光瞳扩展器1100的多个光纤1120是一束光纤1120，该束的输入端包括在输入平面1130处布置成阵列的光纤的输入端1122，该束的输出端1124包括在输出平面1140处布置成阵列的光纤的输出端1124。在其他实施例中，光瞳扩展器的多个光纤1120是多个单独的多模光纤，其相应的输入端1122和输出端1124布置成阵列，如上所述。在更进一步的实施例中，光瞳扩展器1100的多个光纤1120是一束多模光纤，该束的输入端包括在输入平面1130处布置成阵列的光纤的输入端1122，该束的输出端包括在输出平面1140处布置成阵列的光纤的输出端1124。在其他实施例中，每个光纤是单模光纤。

提供了一种使用光瞳扩展器扩展全息系统的出射光瞳的方法，该光瞳扩展器包括多个光导，例如光纤。该方法包括显示图像的衍射图案(例如全息图)。例如，衍射图案可以通过用全息图编码或寻址的空间光调制器来显示。该方法还可以包括通过光源照射衍射图案。该方法还包括通过衍射图案输出用全息图编码的光。例如，空间光调制器可以用光照射并根据全息图输出空间调制光。该方法还包括将用全息图编码的光耦合到包括多个光导的光瞳扩展器中，到多个光导中的每个的输入端。例如，空间光调制器输出的(调制)光可以通过耦合器耦合到光瞳扩展器的多个光导中的每个的输入端。该方法还包括通过光瞳扩展器的多个光导中的每个传播在其输入端接收的光以在其输出端输出，以便在第一维度上扩展出射光瞳。第一维度可以对应于观察区域的维度(观察者可以在该维度上感知图像)。在一示例中，多个光导的输出端可以布置成一维阵列，以便沿着阵列的维度扩展出射光瞳。在另一示例中，多个光导的输出端可以布置成二维阵列，以便沿着阵列的两个维度扩展出射光瞳。

如本领域技术人员将理解，如本文所述，本公开的光纤光瞳扩展器可以与一个或多个常规光学部件(包括光学/块体光学器件波导)一起使用在光学系统的路径中，用于将来自显示设备的光中继到观察区域以供观察系统观察。例如，光纤光瞳扩展器可以用于在第一维度上扩展出射光瞳以输入到波导光瞳扩展器中，该波导光瞳扩展器在与第一维度正交的第二维度上扩展出射光瞳。

因此，可以看出，通过以与传统体光学器件相同的方式形成“复本”，多个光导(例如光纤)可以在一个或两个维度上执行光瞳扩展，光导可以在如本文所述的阵列配置中捆绑在一起。然而，与通常只能在一个维度上扩展出射光瞳的块体光学器件不同，光纤光瞳扩展器可以通过在二维阵列中布置输出端来同时在两个维度上扩展出射光瞳。此外，包括多个光导的光瞳扩展器可以相对于显示设备和/或(全息)成像系统的观察区域更灵活地定位，例如通过在原位修改光导的长度和路由。

例如，如图12所示，在车辆1200的平视显示器中，显示设备1250可以位于车辆的后部(例如在行李箱中)，图11的实施例的光瞳扩展器1100的输入平面1130与其接近，并且光瞳扩展器1100的多个光纤1120可以沿着车辆1200的侧面延伸到光瞳扩展器1100的输出平面1140。这样，平视显示器占用车辆仪表板内的宝贵空间量减少。此外，将可能提供从显示设备1250经由该(或其他)多个光纤1120到车辆1200内的另一个位置的光通道馈送，例如前排乘客侧的车辆仪表板以供乘客观察。

耦合技术

如上参考图11所述，耦合器1160可以使用各种技术将来自显示设备的用全息图编码的(调制的)光耦合到包括多个光纤1120的光瞳扩展器1100中。

在第一耦合技术中，例如使用光纤分路器(也称为“光纤分路器”)，将相同的(调制的)光同时耦合到多个光纤1120中的每个的输入端1122。因此，耦合器1160可以包括光纤分路器，其包括一个输入端口和与光瞳扩展器1100的光纤1120的数量相对应的多个输出端口。光纤分路器在其输入端口接收来自显示设备(未示出)的用全息图1150编码的光，并将接收到的光“分成”多个相同的通道1150’，以便从其输出端口输出。光纤分路器的输出端口可以多个角度配置，以便将相应输出光通道耦合到多个光纤1120的输入端1122阵列的相应输入端1122中。因此，每个光纤1120同时接收相同的(调制的)光。可以说，同一全息图同时以不同的角度射入每个光纤。因此，多个光纤1120在输出平面1140处的扩展出射光瞳的所有位置处形成相同的复本(即复制相同的信息/图像内容)，用于向观察区域中继。

在第二耦合技术中，相同的(调制的)光以时分复用的方式耦合到多个光纤1120中的每个的输入端1122中。也就是说，光以限定的顺序一次一个地耦合到多个光纤1120中的每个中。因此，耦合器1160可以包括输入端口、至少一个输出端口和复用器。复用器依次将来自该/相应输出端口的光(例如以不同角度)耦合到光瞳扩展器1100的多个光纤1120中的每个中。这可以使用任何合适的技术来实现，例如使用扫描镜或光束控制以从一个输出端口以不同角度输出光，或者通过顺序地将光输出到以不同角度布置的多个输出端口。因此，每个光纤1120接收相同的编码光，但在时间序列中的不同时间。可以说，同一全息图以不同的角度按顺序或时分复用的方式射入每个光纤。因此，多个光纤1120在输出平面1140处的扩展出射光瞳的所有位置处形成相同的复本(即复制相同的信息/图像内容)，用于向观察区域中继，但在不同的时间。在示例中，该序列的总持续时间(即光输入到形成光瞳扩展器的每个光纤的时间)小于人眼的积分时间。

在一些示例中，全息图1150本身沿着每个光纤分发必要的信息。也就是说，全息图可以配置成将全息编码的光沿着多个光纤中的每个光纤路由。耦合到每个光纤中的编码光可以包含关于整个图像的全息域信息或仅关于图像的相应部分(例如通道)的全息域信息。

在第三耦合技术中，不同的(调制的)光耦合到多个光纤1120中的不同光纤的输入端1122中，例如根据其在阵列内的相应位置。例如，显示设备(未示出)可以计算和显示一种类型的全息图，非正式地称为“通道全息图”，如下文以及上述英国专利申请号2101666.2、GB2101667.0和GB2112213.0中所述。通过在显示设备(未示出)上编码通道全息图，调制光形成以多个角度输出的光通道。可以选择通道全息图的角度，使得每个角度的光耦合或发射到光瞳扩展器1100的多个光纤1120的相应一个输入端1122中。因此，不同的调制光同时耦合到多个光纤1120中的不同光纤的输入端1122中。具有相邻输入/输出端的两个或更多个光纤1120可以接收相同光通道或相同角度的光，用于如本文所述的光瞳扩展。单个光通道/角度或(相邻)光通道/角度子集的光可以耦合到每个光纤1120中。因此，根据其输入端1122在阵列内的位置，不同的全息图(例如不同的信息)耦合到多个光纤1120中的每个中。因此，每个光纤1120传播图像的不同部分(尽管在全息域中)。可以说，多个光纤1120在输出平面1140处的扩展出射光瞳的不同位置处形成图像的不同复本或部分(即复制或对应于不同信息/图像内容)，用于中继到观察区域。

光纤光瞳扩展器应用于通道全息图

如本文所述，根据本公开的光纤光瞳扩展可以用所谓的通道全息图来实现，如上文以及上述英国专利申请号GB2112216.3、GB2101667.0和GB2112213中所述。如上所述，可以计算通道全息图，其根据图像内的位置和所述光通过光瞳扩展器的传播来成角度地分布光(在全息域中)，光瞳扩展器提供多个光传播路径或“通道”，其中每个光传播路径对应于图像的相应连续区域。计算通道全息图的方法有效地计算每个图像的多个子全息图，并组合这些子全息图以形成用于显示的全息图。在实施例中，可以说图像包括第一图像分量和第二图像分量，其中每个图像分量是图像的不同子区域。也就是说，图像分量是图像的空间分量—例如图像像素的连续块，它们共同构成完整图像。然而，根据本公开，图像可被不同地分解。也就是说，“图像分量”可以是图像的不同方面或分量元素。

因此，可以计算成角度地分布光(在全息域中)的通道全息图，使得相应的光通道(角度内容)或其子集根据其输入/输出端在多个光纤的输入/输出端阵列中的位置耦合到多个光纤中的相应一个中。

在一些实施例中，眼睛跟踪系统可以用于跟踪观察者的眼睛在观察区域内的位置(例如眼动盒)。在这种情况下，该系统可以布置成动态控制光通道耦合到多个光纤中。因此，当观察者的眼睛在眼动盒内移动时，系统可以布置成基于作为反馈接收的眼睛跟踪数据来重新配置光纤之间的角度内容(即图像内容)的分配，以便眼睛接收所有角度内容(即图像的所有部分)。

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，光源是激光器，比如激光二极管。本公开的全息投影系统可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的全息投影系统，以提供HUD。车辆可以是机动车辆，比如汽车、卡车、货车、卡车、摩托车、火车、飞机、船只或轮船。

在实施例中，全息重建是彩色的。在一些实施例中，被称为空间分离颜色“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。

SSC方法将三个空间分离的光调制像素阵列用于三个单色全息图。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可以同时形成。然而，如果由于空间限制，在公共SLM上提供三个空间分离的光调制像素阵列，则每个单色图像的质量是次优的，因为只有可用光调制像素的子集用于每种颜色。因此，提供了相对低分辨率的彩色图像。

FSC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。循环单色重建(例如红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等)足够快，使得人类观察者从三个单色图像的合成中感知到多色图像。FSC的优点是整个SLM用于每种颜色。这意味着所产生的三个彩色图像的质量是最佳的，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方法低大约3倍，因为每个单色照射事件只能在三分之一的帧时间内发生。这个缺点可以通过过激励激光器或者通过使用更大功率的激光器来解决，但这需要更大的功率，导致更高的成本和系统尺寸的增加。

示例描述了用可见光照射SLM，但本领域技术人员将理解，例如，光源和SLM同样可以用于引导红外或紫外光，如本文公开。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。

一些实施例仅通过示例描述了2D全息重建。在其他实施例中，全息重建是3D全息重建。也就是说，在一些实施例中，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 (20)

1.一种全息系统，包括：

空间光调制器，其布置成显示图像的全息图并输出用全息图编码的空间调制光；

光瞳扩展器，其包括多个光导，每个光导具有输入端和输出端，其中光瞳扩展器布置成使得由空间光调制器输出的空间调制光耦合到每个光导的输入端中，并从其输出端输出到观察区域；

其中，多个光导中的每个布置成传播在其输入端接收的空间调制光，以便在第一维度上扩展系统的出射光瞳，其中可选地，第一维度对应于观察区域的维度。

2.如权利要求1所述的全息系统，其中，所述多个光导中的每个布置成形成在其输入端接收的空间调制光的复本，以便在所述第一维度上扩展所述出射光瞳。

3.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述多个光导的输出端在所述第一维度上以一维阵列布置。

4.如权利要求1、2或3所述的系统，还包括光导分束器，其布置成将由所述空间光调制器输出的空间调制光同时耦合到所述多个光导中的每个的输入端。

5.如任一前述权利要求所述的系统，还包括多路复用器，其布置成以定义的序列将由所述空间光调制器输出的空间调制光一次一个地耦合到所述多个光导中的每个中，其中可选地，该序列的持续时间小于人眼的积分时间。

6.如任一前述权利要求所述的系统，其中，所述空间光调制器布置成以多个角度输出用所述全息图编码的空间调制光，使得每个角度的输出光形成相应的光通道，其耦合到所述多个光导中的每个或相应的一个或多个的输入端中，可选地，其中，每个角度光通道包括按角度划分的图像信息的一部分。

7.如权利要求6所述的系统，其中，每个光通道耦合到至少两个光导的输入端，其中，至少两个光导中的每个复制相应的光通道，以便在所述第一维度上扩展所述出射光瞳，并且可选地，其中，至少两个光导中的每个在第一维度上具有相邻的输出端。

8.如权利要求6或7所述的系统，其中，所述系统布置成响应于来自眼睛跟踪系统的反馈来动态控制光通道到多个光导的分配。

9.如任一前述权利要求所述的系统，其中，所述出射光瞳在第二维度上被额外扩展，其中第二维度与所述第一维度正交，并且可选地对应于所述观察区域的维度。

10.如权利要求9所述的系统，其中，所述多个光导的输出端在所述第一和第二维度上以二维阵列布置。

11.如任一前述权利要求所述的系统，还包括准直透镜，其布置成准直从光导的输出端输出的光，以便中继到所述观察区域。

12.如任一前述权利要求所述的系统，还包括光源，其布置成照射所述空间光调制器，以便根据所述全息图对光进行空间调制。

13.如任一前述权利要求所述的系统，其中，所述空间光调制器包括用所述全息图编码的硅基液晶(“LCOS”)空间光调制器。

14.如任一前述权利要求所述的系统，还包括放大光学器件，其布置成将所述观察区域的可用衍射角范围增大到所述空间光调制器的衍射角之外。

15.如任一前述权利要求所述的系统，其中，所述系统以直视配置布置，并且所述观察区域是用于通过人眼观察所述图像的区域。

16.如任一前述权利要求所述的系统，其中，所述观察区域与所述空间光调制器在空间上分开的传播距离比空间光调制器的孔径宽度大至少一个数量级，可选地，其中投影距离在30cm至150cm的范围内。

17.一种平视显示器，包括任一前述权利要求所述的系统，可选地，其中，观察区域是眼动盒。

18.一种扩展全息系统的出射光瞳的方法，该方法包括：

通过空间光调制器显示图像的全息图；

由空间光调制器输出用全息图编码的空间调制光；

通过包括多个光导的光瞳扩展器将由空间光调制器输出的空间调制光耦合到多个光导中的每个的输入端；

由光瞳扩展器的多个光导中的每个传播在其输入端接收的空间调制光以在其输出端输出，以便在第一维度上扩展系统的出射光瞳，其中可选地，第一维度对应于观察区域的维度。

19.一种全息系统，包括：

空间光调制器，其布置成显示图像的全息图并输出用全息图编码的空间调制光；

多个光导，每个具有输入端和输出端，其中，多个光导布置成使得由空间光调制器输出的空间调制光耦合到每个光导的输入端中，并从其输出端输出到观察区域；

其中，多个光导中的每个布置成形成在其输入端接收的空间调制光的复本，使得多个光导在第一维度上扩展出射光瞳。

20.一种全息系统，包括：

空间光调制器，其布置成显示图像的全息图并输出用包括多个光通道的全息图编码的空间调制光；

多个光导，每个具有输入端和输出端，其中多个光导布置成使得包括由空间光调制器输出的光通道中的一个或多个的空间调制光耦合到每个相应光导的输入端中，并从其输出端输出到观察区域；

其中，多个光导中的每个布置成传播在其输入端接收的相应光通道，使得多个光导在第一维度上扩展出射光瞳。