CN117991508A - 显示系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种包括光学组合器的显示系统。光学组合器布置成形成用于第一用户的第一眼盒和用于第二用户的第二眼盒的表面，并且是透射的。显示系统还包括与光学组合器的子区域协同布置的结构。当从第一眼盒观察时，该结构是基本透射的，而当从第二眼盒观察时，该结构是或看起来基本不透明的。

Description

显示系统和方法

技术领域

本公开涉及显示系统和显示方法。更具体地，本公开涉及用于向第一用户显示第一图片和向第二用户显示第二图片的显示系统，以及用于向第一用户投影第一全息图和向第二用户投影第二全息图的显示系统。一些实施例涉及全息投影仪、图片生成单元、全息对眼设备或平视显示器，例如用于机动车辆的平视显示器或用于移动应用的平视显示器。

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。显示设备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(由显示的衍射图案/全息图形成)传播到眼睛。例如，在显示设备和观察者之间的自由空间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。

在实施例中，图像是实际图像。在其他实施例中，图像是由一只(或多只)人眼感知的虚拟图像。投影系统或光引擎因此可以配置成使得观察者直接看着显示设备。在这样的实施例中，用全息图编码的光直接传播到眼睛，并且在显示设备和观察者之间的自由空间中或者屏幕或其他光接收表面上没有形成中间全息重建。在这样的实施例中，眼睛的瞳孔可被认为是观察系统的入口孔径，眼睛的视网膜可被认为是观察系统的观察平面。有时可以说在这种配置中，眼睛的晶状体执行全息图到图像的转换。

也就是说，衍射图案/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。从概念上讲，可以考虑虚拟图像的多个不同的虚拟图像点。对于该虚拟图像点，从虚拟点到观察者的距离在这里被称为虚拟图像距离。当然，不同的虚拟点可以具有不同的虚拟图像距离。与每个虚拟点相关的光线束内的各个光线可以经由显示设备采取不同的相应光路到达观察者。然而，只有显示设备的一些部分且因此只有来自虚拟图像的一个或多个虚拟点的一些光线可能在用户的视野内。换句话说，只有来自虚拟图像上的一些虚拟点的一些光线将通过显示设备传播到用户的眼睛中，因此将被观察者看到。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(或者用/通过图像的全息图进行编码)。然而，本公开的其他实施例可以涉及这样的配置，其中图像而不是全息图传播到人眼—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。

使用波导来扩展视场，并因此增加最大传播距离，在该距离上可以使用显示设备的全衍射角。使用波导还可以横向增加用户的眼盒，从而使眼睛能够进行一些运动，同时仍使用户能够看到图像。因此，波导可被称为波导光瞳扩展器。

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。

在一些实施例中，波导的第一对相对表面是伸长或延长表面，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的其他维度中的每个正交。光在第一对表面之间/从其反射/透射的过程布置成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”方向上)。

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或点云全息图。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)。概括地说，本公开描述了如何用衍射光场(例如包括发散(非准直)光束的衍射光)提供2D瞳孔扩展的问题的解决方案。

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(例如发散)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(例如发散)光场可被称为具有“光场尺寸”，其被定义在基本正交于光场传播方向的方向上。因为光被衍射/发散，所以光场尺寸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，如果是虚拟图像的话)的图像的不同部分。像素化显示设备可以配置成连续或依次显示多个不同的全息图。这里公开的每个方面和实施例可以应用于多个全息图的显示。

第一波导光瞳扩展器的输出端口可以耦合到第二波导光瞳扩展器的输入端口。第二波导光瞳扩展器可以布置成通过第二波导光瞳扩展器的第三对平行表面之间的内反射将衍射光场(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成在第一方向上提供光瞳扩展或复制，并且第二波导光瞳扩展器可以布置成在不同的第二方向上提供光瞳扩展或复制。第二方向可以基本正交于第一方向。第二波导光瞳扩展器可以布置成保持第一波导光瞳扩展器在第一方向上已经提供的光瞳扩展，并且扩展(或复制)它在不同的第二方向上从第一波导光瞳扩展器接收的一些、优选大多数、优选全部复本。第二波导光瞳扩展器可以布置成直接或间接地从第一波导光瞳扩展器接收光场。可以沿着第一和第二波导光瞳扩展器之间的光场的传播路径提供一个或多个其他元件。

第一波导光瞳扩展器可以是基本伸长的(例如杆状的)，而第二波导光瞳扩展器可以是基本平面的(例如矩形的)。第一波导光瞳扩展器的伸长形状可以由沿着第一维的长度来定义。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的长度和沿着基本正交于第一维的第二维的宽度或广度来定义。第一波导光瞳扩展器沿其第一维的尺寸或长度分别对应于第二波导光瞳扩展器沿其第一维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一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成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例如来自挡风玻璃的出射光瞳。在这种布置中，出射光瞳可以与第一和第二波导光瞳扩展器提供复制/扩展的第一和第二方向不共面且不平行。例如，出射光瞳可以基本垂直于第一和第二方向，其中第一和第二波导光瞳扩展器提供复制/扩展。

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方向，其中第一和第二波导光瞳扩展器提供复制/扩展。

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反射，第一波导光瞳扩展器的细长维度可以相对于第二波导光瞳扩展器的第一和第二维度倾斜。

显示设备可以具有有源或像素显示区域，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(包括全息图)形成的通道在这里被称为“全息图通道”,仅仅是为了反映它们是由具有图像信息的全息图编码的光通道。可以说每个通道的光是在全息域中，而不是在图像或空间域中。全息通道可以至少部分重叠(在全息域中)。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(特定类型的)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。

概括地说，本文公开了一种为输入光场提供光瞳扩展的系统，其中输入光场是包括发散光线束的衍射或全息光场。如上所述，通过创建输入光线(或光线束)的一个或多个复本，光瞳扩展(也可以称为“图像复制”或“复制”或“光瞳复制”)使得观察者可以看到图像(或可以接收全息图的光，观察者的眼睛形成图像)的区域的尺寸增加。可以在一个或多个维度上提供光瞳扩展。例如，可以提供二维光瞳扩展，其中每个维度基本与各自的另一个维度正交。

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(或包括衍射图案的全息图)。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。

上述系统具有作为平视显示器(HUD)的特定应用，例如在车辆和汽车中。对向车辆乘员提供信息和娱乐的车辆技术的需求越来越大。这可以包括诸如危险警告的信息、速度信息、速度限制信息和诸如燃料水平或车辆充电状态的车辆信息和/或诸如电影、影片甚至游戏的娱乐。这种技术统称为信息娱乐。信息娱乐系统能够以清晰的方式为驾驶员提供有用的信息。信息娱乐系统可以包括用于向驾驶员显示信息的常规和/或平视显示器。平视显示器是有利的，因为平视显示器投射的图像在驾驶员的正常驾驶位置被接收在驾驶员的视野中。驾驶员不需要向下看车辆仪表板上的仪表组或传统显示器或例如中控台。人们越来越希望信息娱乐系统能够娱乐车辆的其他乘员即乘客。如果在车辆行驶时播放娱乐节目，则娱乐节目只能由乘客欣赏，不应分散驾驶员的注意力。

向乘客显示娱乐的信息娱乐系统的一个选择可以包括在车辆的乘客侧的常规显示器，在仪表板中并且(尽可能地)在驾驶员看道路时在驾驶员的视野之外。在长时间内，这种观察位置可能会使乘客感到不舒服。此外，在这种系统中，由于显示器位置的性质，以及需要降低分散驾驶员注意力的风险，显示给乘客的“娱乐”图像的尺寸可能需要相对较小。即使使用背对驾驶员的非常小的屏幕，也有分散驾驶员注意力的风险，尤其是在晚上。

显示在乘客眼睛高度的娱乐节目(如使用平视显示器时的情况)对乘客来说会舒服得多。但是传统的HUD系统对于显示娱乐节目是不可行的，至少因为娱乐节目将被投影到透明的组合器(例如挡风玻璃或“弹出式”组合器)上，使得它将被覆盖到真实世界的场景上。例如，当观察电影或影片时，这显然是不希望的。将娱乐投影到专用屏幕上是优选的，但在车辆的驾驶室内增加观察屏幕会显著影响驾驶员的视野。

希望提供一种信息娱乐系统，其包括向驾驶员显示信息和向乘客显示娱乐的装置，其中娱乐以大的、清晰的图像在乘客舒适的观察位置提供，同时不会分散驾驶员的注意力并且不会影响(例如减小)驾驶员的视野。根据本公开的显示系统解决了这个问题。

概括地说，提供了一种包括多个不同眼盒的显示系统，包括用于第一用户(例如驾驶员)的第一眼盒和用于第二用户(例如乘客)的第二眼盒。显示系统可以配置成向第一用户显示第一图像，并且向第二用户显示不同的第二图像。第一图像可以是计算机生成的图像。第二图像也可以是计算机生成的图像。第一图像可以从第一眼盒可见，第二图像可以从第二眼盒可见。第二图像可能从第一眼盒不可见，反之亦然，使得第一用户不能从每个用户的相应眼盒看到第二图像，而第二用户不能从每个用户的相应眼盒看到第一图像。显示系统包括观察屏。观察屏从第二眼盒看起来是基本不透明的，从第一眼盒看起来是基本透明的。第一计算机生成的图像可以覆盖在真实世界场景上，并且从第一眼盒可见。换句话说，第一用户可以接收包括覆盖在真实世界上的虚拟(第一)图像的增强现实或混合现实体验。对于第一用户，可以说显示系统以AR模式操作。第二用户可能仅感知到没有真实世界的光的第二计算机生成的图像。这是因为观察屏可能基本阻挡真实世界的光在第二眼盒处被接收。换句话说，第二用户可以接收非增强现实或混合现实体验。当观察屏布置成基本阻挡真实世界的光在第二眼盒处被接收时，显示系统可被认为对于第二用户以非AR模式操作。当第二图像形成为电影、影片或游戏的一部分时，这可能是期望的。根据本公开的显示系统在平视显示器(HUD)、可选的车辆或汽车HUD的环境中具有特定的应用。在这种情况下，第一用户可以是车辆的驾驶员，第二用户可以是乘客。重要的是，显示系统被有利地布置成使得第一用户(驾驶员)对真实世界的视野不受阻碍，尤其是不受观察屏幕的阻碍。观察屏幕对第一用户来说可以看起来是透明的。因此，对于第二用户在非AR模式下操作的显示系统不会阻碍第一用户的视野(对于第一用户，显示系统布置成在AR模式下操作)。光学系统还被有利地布置成使得相对较大的第二图像在乘客舒适的眼睛高度显示给乘客，而没有背景光或场景光，其中背景光或场景光是从真实世界接收的光。第二图像对于第一用户是不可见的，因为与第二图像相关的光在第一眼盒处没有被接收到。

在第一方面，提供了一种显示系统。显示系统包括光学组合器。光学组合器布置成形成用于第一用户的第一眼盒和用于第二用户的第二眼盒的(观察)表面。第一眼盒不同于第二眼盒。第一眼盒的位置或地点可以不同于第二眼盒的位置或地点。第一眼盒和第二眼盒可以不重叠。第一眼盒的大小和/或形状可以不同于第二眼盒的大小和/或形状。第一眼盒和第二眼盒可以基本共面。第一眼盒和第二眼盒可以位于车辆的驾驶室内。该表面可被称为观察表面，以表示它有助于形成至少一个可视图像。在一些实施例中，观察表面是部分反射表面或半透射半反射表面，其将第一空间调制光引导(例如反射)到第一眼盒，并将第二空间调制光引导到第二眼盒。观察表面可以是光学组合器，例如窗户或汽车挡风玻璃。由于该表面是第一眼盒和第二眼盒的表面，所以该表面可被称为公共(观察)表面。光学组合器可以是部分反射-部分透射的。

显示系统还包括一种结构。该结构定义光学组合器的子区域。在一些实施例中，该结构与光学组合器的子区域协同布置。在其他实施例中，该结构与光学组合器是一体的或者是光学组合器的一部分。光学组合器和该结构可以整体形成。该结构可以与光学组合器集成在一起，例如附着在其上。因此，在一些实施例中，该结构可以是光学组合器的独立特征。在其他实施例中，光学组合器可以包括光学组合器。该结构可以邻接或紧靠光学组合器。例如，该结构可以是附着或粘附到光学组合器的薄膜的一部分。当从第一眼盒观察时，该结构是或看起来基本透射的，而当从第二眼盒观察时，该结构是或看起来基本不透明的。这样，当从第一眼盒观察时，该结构具有与从第二眼盒观察时不同的外观或光学行为。这使得显示系统能够同时在第一用户的AR(增强现实)模式和第二用户的非AR(非增强现实)模式下操作。这可以没有阻碍第一用户的视图/AR模式体验的结构。该结构可以包括第一状态。在第一状态下，当从第一眼盒观察时，该结构可以是或看起来是基本透射的，而当从第二眼盒观察时，该结构是基本不透明的。特别地，该结构的子区域形成第二眼盒的观察屏。该结构的子区域不形成第一眼盒的观察屏。

光学组合器本身是透射性的，使得没有被阻挡(例如被结构阻挡)的光可以穿过光学组合器，并在一个或多个眼盒处被接收。这样，来自光学系统外部的光可以在一个或多个眼盒处被接收(在通过光学组合器传输之后)。这可以是真实世界的光(这里称为“背景光”或“场景光”)。因为当从第一眼盒观察时，该结构是基本透射的，所以已经穿过光学组合器的所述子区域的场景光可以在第一眼盒处被接收。因为当从第二眼盒观察时，该结构是基本不透明的，所以场景光可能不会在第二眼盒处被接收和/或穿过光学组合器的所述子区域。换句话说，第一用户可能能够从第一眼盒通过光学组合器(和结构)的所述子区域看到真实世界，但第二用户可能不能从第二眼盒通过光学组合器(和结构)的所述子区域看到真实世界。

显示系统可以配置成通过光学组合器将图片内容传播到一个或两个眼盒。在一些实施例中，显示系统可以配置成将第一图片的图片内容传播到第一眼盒。显示系统可以配置成使得第一图片的图片内容在光学组合器反射之后在第一眼盒被接收。在一些实施例中，显示系统可以另外配置成将第二图片的图片内容传播到第二眼盒。显示系统可以配置成使得第二图片的图像内容在光学组合器反射之后在第二眼盒被接收。第二图片可以不同于第一图片。显示系统可以布置成使得第二图片的图像内容不在第一眼盒处被接收，并且第一图片的图像内容不在第二眼盒处被接收。这样，第一用户可以从第一眼盒看到第一图片，而第二用户可以从第二眼盒看到第二图片。然而，第二图片可能对第一用户从第一眼盒不可见，并且第一图片对第二用户从第二眼盒不可见。

第一用户可以从第一眼盒接收第一图片和场景光。换句话说，第一图片可以补充/添加/覆盖在第一眼盒处接收的真实世界的场景光上，使得第一用户可以接收包括覆盖在真实世界上的虚拟(第一)图片的增强现实或混合现实体验。第二用户可能只接收到不存在(即没有)穿过组合器的所述子区域的场景光的虚拟(第二)图像。这是因为观察屏可能会阻挡在第二眼盒处接收的场景光。当第二图片是电影、影片或游戏的一部分，其中第二用户不希望看到第二图片覆盖在真实世界上时，这可能是期望的。

与光学组合器的子区域协同布置的结构可以使得第一用户的真实世界的视野(通过光学组合器)比第二用户的视野更宽。这可能是因为该结构可以通过光学组合器阻挡第二用户的真实世界的至少一部分视野(与该结构不存在的情况相比)，但可以不阻挡第一用户通过光学组合器的任何视野。

该结构限定的光学组合器的子区域可被称为第一子区域。没有与该结构协同布置的光学组合器的子区域可被称为第二子区域。第一和第二子区域可以填充光学组合器。换句话说，光学组合器可以由第一和第二子区域构成。第一子区域可以不同于第二子区域，使得第一子区域的至少一部分不是第二子区域的一部分。第一和第二子区域可以不重叠。已经通过光学组合器的第一和第二子区域的至少一些光可以在第一眼盒处被接收。因此，第一眼盒处的观察系统可以通过光学组合器的第一和第二子区域接收光。已经穿过光学组合器的第一子区域的光可能不会在第二眼盒处被接收。已经穿过第二子区域的光可以在第二眼盒处被接收。因此，第二眼盒处的观察系统可以只接收已经通过第一子区域的光。

(第一)子区域可以填充光学组合器的至少20％，可选地填充光学组合器的至少40％。例如，光学组合器的至少20％的区域可被(第一)子区域填充，可选地，光学组合器的至少40％的区域可被(第一)子区域填充。

在一些实施例中，显示系统是平视显示器(HUD)或者是其一部分，可选地是车辆或汽车HUD。在这种情况下，第一眼盒可以是为车辆驾驶员设置或定位的眼盒。第一用户可以是车辆的驾驶员。第二眼盒可以是为车辆乘客布置或定位的眼盒。第二用户可以是车辆的乘客。第二眼盒可以是为车辆乘客布置或定位的眼盒，例如坐在车辆驾驶员旁边/附近。在这样的系统中，光学组合器可以是车辆的挡风玻璃。

根据本公开的显示系统可以在第二观众(例如乘客)舒适的观察位置以不会分散驾驶员注意力并且不会不利地影响驾驶员视野的方式提供大而清晰的图像/图片。特别地，第二眼盒可以位于挡风玻璃(光学组合器)上，其可以有利地处于第二用户的眼睛高度。这可以有利地是第二用户(乘客)可以从其长时间观察第二张照片的舒适位置。此外，当从第二眼盒观察时，第二图片有利地可以不覆盖在真实世界上，因为该结构基本阻止场景光到达第二眼盒。当第二图片与娱乐功能相关时(例如，如果第二图片是电影、影片或游戏的一部分)，这可能是特别有利的。此外，从第二眼盒观察的第二图片可能看起来比埋在车辆仪表板中的传统显示器上提供的图像大得多。对于第二用户(乘客)的这些好处可以在不分散第一用户(驾驶员)注意力的情况下实现。第一用户(在第一眼盒处)可能根本没有接收到第二图片，因此第一用户(驾驶员)可能不会被第二图片分散注意力。此外，因为该结构从第一眼盒看起来是透明的，所以该结构不会阻挡驾驶员通过光学组合器(挡风玻璃)的视野。这都是在第一用户(驾驶员)可以在眼睛高度接收第一张照片时实现的。当第一图片与驾驶员信息相关时，这意味着驾驶员可以接收驾驶员信息而无需将视线从道路移开。此外，驾驶员不必将注意力从仪表板上的显示器转移到道路上。这种重新聚焦需要眼睛改变透镜的焦距，因为眼睛和仪表板之间的距离与眼睛和道路之间的距离不同。重新聚焦可能需要时间，尤其是对疲劳的眼睛。

第一图片可以包括多个第一图片分量。多个第一图片分量中的每个可以出现在离第一眼盒不同的距离处。例如，第一图片分量可能看起来比第二图片分量更靠近第一眼盒。例如，第一图片分量可以包括所谓的近场图片内容，第二图片分量可以包括所谓的远场图片内容。类似地，第二图片可以包括多个图像分量。多个第二图像分量中的每个可以出现在离第二眼盒不同的距离处。

在一些实施例中，第一眼盒在空间上与第二眼盒分离。第一眼盒和第二眼盒之间的间隔可以为至少0.5米，可选地至少0.75米，可选地至少1米。

在一些实施例中，该结构布置成使得真实世界的场景光可经由光学组合器的子区域传输到第一眼盒。如上所述，该结构(当从第一眼盒观察时是基本透明的)在真实世界的场景光到达第一眼盒之前不会阻挡它。在一些实施例中，该结构布置成使得经由光学组合器的子区域从第二眼盒看不到真实世界。如上所述，该结构(当从第二眼盒观察时是基本不透明的)可以在真实世界的场景光到达第二眼盒之前阻挡它。

在一些实施例中，显示系统还包括第一全息投影仪，其布置成利用光学组合器的反射将第一图片的第一全息图导向第一眼盒。第一全息图的至少一部分可以通过光学组合器的子区域的反射被传递到第一眼盒。如上所述，第一全息投影仪可以包括一个或多个第一显示设备，例如硅上液晶空间光调制器。第一全息投影仪还可以包括一个或多个第一波导。一个或多个第一波导可以配置成在第一方向上提供光瞳扩展。在包括多于一个第一波导的实施例中，主要第一波导可以布置成在第一方向上提供光瞳扩展，而次要第一波导可以布置成在第二方向上提供光瞳扩展。第二方向可以正交于第一方向。第一全息投影可以进一步包括一个或多个光源，其布置成照明一个或多个第一显示设备。

在一些实施例中，第一全息图(在全息图域中)的连续角度范围(用其编码的波前或复合光场)对应于第一图片的连续空间区域(在空间域中)。在这样的实施例中，该结构可以布置成使得对应于(即相交于)该结构(其可以在光学组合器上)的位置的第一全息图(用其编码的波前或复合光场)的角度子范围被(指向和/或)接收在第一眼盒处。第一全息图的所述角度子范围可以由该结构透射。第一全息波前/全息图的所述角度子范围可被光学组合器反射到第一眼盒。重要的是，对应于该结构位置的第一全息波前/全息图的角度子范围不会被该结构阻挡或吸收，使得与所述角度子范围相关的至少一些光到达第一眼盒(例如通过光学组合器的部分反射)。也就是说，对应于该结构的第一全息波前/全息图的角度子范围也可以入射到光学组合器的子区域上。至少一些所述光可被组合器的子区域反射到第一眼盒。可能存在第一全息波前/全息图的第二角度子范围，其对应于不与该结构协同的光学组合器的一部分(即第二子区域)。

如上所述，全息图可以包括多个全息图通道(在全息图域中)的方式形成。可能存在与每个全息图通道相关的全息图的角度范围。每个全息图通道可以对应于第一图片的特定空间区域(在空间域中),并且可以对应于该结构的特定位置，使得不同通道被投影到该结构和光学组合器上的不同位置。对应于结构位置的第一全息图的角度范围可以包括一个或多个全息图通道。用所述全息通道编码的光可被该结构透射，并且可被光学组合器反射到第一眼盒。

在一些实施例中，第二全息投影仪可以布置成在子区域上(即在结构上)形成第二图片的全息重建。该结构可以起到屏幕的作用。第二全息投影仪可以用作全息图到眼睛投影仪。第一全息投影仪可能不作为全息图到眼睛投影仪。该结构可以是漫射或漫散射的。如上所述，第二全息投影仪可以包括一个或多个第二显示设备，例如硅上液晶空间光调制器。在其他情况下，该结构可以将第二图片的第二全息波前/全息图重定向到第二眼盒。换句话说，在这些其他情况下，第二图片的全息重建不在该结构上形成，而是将全息波前/全息图传递到第二眼盒。第二全息投影仪也可以包括一个或多个第二波导。一个或多个第二波导可以配置成在第一方向上提供光瞳扩展。在包括多于一个第二波导的实施例中，主要第二波导可以布置成在第一方向上提供光瞳扩展，而次要第二波导可以布置成在第二方向上提供光瞳扩展。第二全息投影可以进一步包括布置成照明一个或多个第二显示设备的一个或多个光源。

在全息图到眼睛布置中，第二全息波前/全息图(在全息域中)的连续角度范围可以对应于第二图片(在空间域中)的连续空间区域，并且该结构布置成使得对应于该结构位置的第二全息波前/全息图的角度范围被该结构和/或光学组合器反射。第一全息波前/全息图的全角范围(或角视场)可以大于第二全息波前/全息图的全角范围(或角视场)。第二全息波前/全息图的全角范围可以基本只跨越光学组合器的第二子区域。第一全息波前/全息图的全角度范围可以跨越光学组合器的第二子区域和光学组合器的其他区域。第一维度(例如水平方向)中的第一全息波前/全息图的全角范围(例如角视场)可以跨越第一维度的光学组合器的全尺寸的至少80％或90％。

百叶片阵列包括基本平行的纵向板条阵列，每个板条具有长度(例如在竖直或y方向上)、宽度(或高度—例如在水平或x方向上)和厚度(例如在深度或z方向上)。百叶片/百叶片板条可以在阵列中具有固定位置，并且在使用中可以保持静止。在其他布置中，百叶片/百叶片板条可以是可旋转的—例如在第一配置和第二配置之间。在一些实施例中，百叶片/百叶片板条具有均匀厚度。在其他实施例中，百叶片/百叶片板条的厚度变化，例如厚度可以沿着它们的宽度从近端/边缘到远端/边缘逐渐变小(相对于眼盒)。百叶片板条可以在第一维度(例如竖直方向)上纵向延伸，并且可以在第二维度(例如水平方向)上间隔开。第二尺寸可以基本正交于第一尺寸。第一和第二维可以对应于光学组合器的子区域的(主要或限定)尺寸。光学组合器可以具有非矩形和非平面形状，但是是基本矩形和基本平面的。例如，光学组合器可以是车辆的挡风玻璃。这种挡风玻璃通常具有非矩形和非平面形状，但是是基本矩形和基本平面的。如上所述，第一和第二维可能不完全正交。例如，在光学组合器具有复杂曲率的实施例中，第一和第二维度可以稍微偏离正交。这可能导致百叶片阵列中的相邻百叶片之间的间隔在竖直方向上沿着百叶片的长度稍微变化。然而，尽管有这种微小的变化，为了便于描述，百叶片可被描述为在第一(竖直)维度上基本纵向延伸，并且可以在第二(水平)维度上基本间隔开。

百叶片阵列的每个板条/百叶片可以包括第一(次要或最小)面或表面。第一面可以是由每个百叶片的长度和厚度限定的每个百叶片面。在一些实施例中，多个平行百叶片定向成使得其第一面基本面向第一眼盒。如上所述，板条/百叶片可以在第二维度(例如水平)上间隔开。有利地，当百叶片定向成使得第一面面向第一眼盒时，光可以基本通过子区域透射到第一眼盒—即用第一全息图编码的光可以通过百叶片阵列。只有一部分该光会被百叶片吸收。因此，当从第一眼盒观察时，该结构可被描述为透明的，并且真实世界图像的场景光可以穿过光学组合器的子区域并到达第一眼盒。当第一用户是车辆的驾驶员时，这可能意味着驾驶员通过光学组合器的视野基本不受该结构的存在的影响。百叶片间距与百叶片厚度的比率越大，在第一眼盒处接收的而不是被板条/百叶片吸收的场景光的比例就越大。优选地，百叶片间隔比百叶片厚度大至少两倍，可选地比百叶片厚度大至少三倍，可选地至少四倍，可选地至少五倍，可选地至少六倍，可选地至少七倍，可选地至少八倍。

为了使每个百叶片的第一面面向第一眼盒，百叶片可以是不平行的。每个百叶片的第一面可以基本垂直于从第一眼盒的第一部分到相应百叶片的直线。因此，每个百叶片的第一面的角度可以取决于百叶片在光学组合器上的位置。第一眼盒的第一部分可以是第一眼盒的中心。然而，当从第一眼盒看到的光学组合器的子区域的视角相对较小时，百叶片阵列的百叶片相互平行定向是可以接受的。这可以是当视角小于45度，可选地小于30度，可选地小于25度，可选地小于20度时。在这种情况下，每个百叶片的第一面仍可被描述为基本面向第一眼盒。

百叶片阵列的每个板条/百叶片可以包括第二(主要或最大)面或表面。第二面可以是由每个百叶片的宽度和长度限定的每个百叶片面或表面。多个平行百叶片可以定向成使得其第二面基本面向第二眼盒。第二面可以大于第一面。在一些实施例中，第二面在面积上比第一面大至少三或四倍。在一些实施例中，第二面垂直于第一面。

百叶片阵列可以布置成使得当从第二眼盒观察时，百叶片的第二面看起来在光学组合器的子区域形成基本连续表面。这样，可以有利地防止场景光穿过光学组合器到达第二眼盒。换句话说，当从第二眼盒观察时，光学组合器的子区域可以是基本不透明的。在一些实施例中，百叶片结构的相邻百叶片之间的间距使得当从第二眼盒观察时一个百叶片的远端/边缘看起来与相邻百叶片的近端/边缘重叠。也就是说，(从第二眼盒来看)第一百叶片的覆盖区可能与第二百叶片的覆盖区重叠，其中在百叶片阵列中第一百叶片紧邻第二百叶片。

在一些实施例中，该结构包括第一状态和第二状态。在第一状态，可切换液晶可以布置成使得当从第一眼盒观察时，该结构是基本透射的，而当从第二眼盒观察时，该结构是基本不透明的(如上所述)。在第二状态，可切换液晶可以布置成使得当从第一眼盒和第二眼盒观察时，该结构的子区域是基本透射的。因此，与第一状态不同，在第二状态，真实世界的场景光可以经由光学组合器的子区域在第二眼盒处被接收。当可切换液晶处于第二状态时，该结构可以仅形成观察屏(当从第二眼盒观察时)。如上所述的包括第一状态和第二状态的结构可被称为可切换的。可切换结构有利地允许子区域选择性地形成观察屏幕。在车辆的情况下，当车辆的第二用户(例如乘客)可能希望能够在某些时候通过子区域观察真实世界，而在其他时间从显示系统接收第二图片(同时阻挡真实世界的观察)时，这可能是特别有利的。在一些实施例中，显示系统包括控制器。控制器可以布置成在第一状态和第二状态之间控制(例如切换)该结构。

在结构包括百叶片阵列的实施例中，百叶片阵列中的多个平行百叶片可以是可移动的，例如可旋转的。百叶片阵列中的多个平行百叶片可以在第一配置和第二配置之间移动(例如旋转)。第一配置可以对应于该结构的第一状态。第二配置可以对应于该结构的第二状态。在第一配置或状态，多个平行百叶片可以定向成使得其第一面基本面向第一眼盒，而其第二面基本面向第二眼盒(如上所述)。在第二配置或状态，多个平行百叶片可以相对于第一状态旋转。多个百叶片可以定向成使得其第一面和第二面都不实质上面向第一眼盒或第二眼盒。以这种方式，当从第一或第二眼盒观察时，该结构可能看起来不形成连续表面。真实世界的场景光可以通过该结构传输到第一或第二眼盒。换句话说，当从第一或第二眼盒观察时，该结构在第二构型中可以看起来或是基本透射的。可以选择百叶片的角度，使在第一和第二眼盒处接收的场景光量最大化。

在其他实施例中，该结构包括可切换液晶，例如聚合物分散液晶。可切换液晶可以在第一状态和第二状态之间切换。

可切换液晶可以包括聚合物分散液晶。可切换液晶可以包括嵌入聚合物基质中的多个微米或纳米尺寸的液晶微滴。在第一状态，液晶可以均匀对准成允许光在第一方向(朝向第一眼盒)穿过该结构，但不在第二方向(朝向第二眼盒)穿过该结构。沿第二方向传播的光可能被液晶散射。液晶可以对准成使得液晶的折射率在第一方向上与聚合物的折射率匹配，但在第二方向上不匹配。处于第一状态的聚合物可以类似于上述百叶片阵列的方式工作。

控制器可以布置为向可切换液晶施加第一电压，使得可切换液晶处于第一状态。控制器可以布置成向可切换液晶施加第二电压，使得可切换液晶处于第二状态。第一和第二电压之一可以是零伏。以这种方式，通过分别向可切换液晶施加第一或第二电压，控制器可以根据需要有利地选择第一状态或第二状态。控制器可以配置为基于来自第一或第二用户的输入，例如基于第一或第二用户在显示系统的用户界面上的输入，在第一电压和第二电压之间切换。

在一些实施例中，光学组合器是车辆的挡风玻璃。

在一些实施例中，该结构附接到光学组合器。例如，当该结构包括百叶片阵列时，可能就是这种情况。在其他实施例中，该结构与光学组合器是一体的。例如，当该结构包括诸如聚合物分散液晶的可切换液晶时，可能就是这种情况。该结构可以任何可感知的方式与光学组合器邻接、附着或协同布置。

在第二方面，提供了一种使用光学组合器的显示方法，该光学组合器布置成为第一用户的第一眼盒和第二用户的第二眼盒形成观察表面。该方法包括在与光学组合器的子区域协同布置的结构上形成第二图像的全息重建。光学组合器是透射性的，并且当从第一眼盒观察时，该结构是基本透射性的，而当从第二眼盒观察时，该结构是基本不透明的，使得该结构的子区域形成第二眼盒而不是第一眼盒的观察屏。该方法还可以包括在光学组合器的不同于第一子区域的第二子区域上形成第一图像的全息重建。

关于第一方面描述的特征同样适用于第二方面的方法。例如，光学组合器可以是车辆的挡风玻璃。第一用户可以是车辆的驾驶员。第二用户可以是车辆的乘客。第一图片可以涉及旨在显示给驾驶员的信息。第二图片可以涉及旨在显示给乘客的娱乐。该结构可以包括百叶片阵列。可替代地，该结构可以包括可切换液晶。当该结构包括可切换液晶时，该方法可以包括在形成第二图像的全息重建之前，将可切换液晶切换到第一状态的步骤，在第一状态，当从第一眼盒观察时，该结构是基本透射的，而当从第二眼盒观察时，该结构是基本不透明的。该步骤可以包括向可切换液晶施加第一电压。该方法还可以将可切换液晶切换到第一状态，在第一状态，当从第一眼盒观察时以及当从第二眼盒观察时，该结构是基本透射的。该步骤可以包括向可切换液晶施加第二电压。第二电压可以不同于第一电压。在第二状态，第二图片的全息重建可能不在该结构上形成。然而，第一图像仍可以形成在第二子区域上。

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。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

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5A-5B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示出了两个用户从上方观察的光学组合器的显示系统的示意图；以及

图7示出了图6的显示系统，其中通道全息图被投影到光学组合器上。

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。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，全息图引擎布置成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路。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2118911.3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视场

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度和相位。

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)。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。

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)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。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

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5A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5A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5A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5A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5A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”)。因此，复制光束510可以沿着光路发射到显示系统的扩展眼盒，例如平视显示器。

在图5A的系统中，第一复制器504是包括一对彼此平行堆叠的细长直线反射表面的波导，类似地，第二复制器504是包括一对彼此平行堆叠的矩形反射表面的波导。在其他系统中，第一复制器可以是实心细长直线波导，第二复制器可以是实心平面矩形波导，其中每个波导包括光学透明固体材料，例如玻璃。在这种情况下，这对平行反射表面由一对相对主侧壁形成，可选地包括各自的反射和反射-透射表面涂层，这对熟练的读者来说是熟悉的。

图5B示出了系统500的透视图，该系统包括两个复制器520、540，它们布置用于在二维空间中复制光束522，其中第一复制器是实心细长波导520，第二复制器是实心平面波导540。

在图5B的系统中，第一复制器/波导520布置成使得其一对细长平行反射表面524a、524b垂直于第二复制器/波导540的平面。因此，该系统包括布置成将来自第一复制器520的输出端口的光耦合到第二复制器540的输入端口的光学耦合器。在所示的布置中，光学耦合器是平面/折叠镜530，其布置成折叠或转向光的光路，以实现从第一复制器到第二复制器的所需光学耦合。如图5B所示，镜530布置成从第一复制器/波导520的输出端口/反射-透射表面524a接收光，包括在第一维度上延伸的复本的一维阵列。镜530被倾斜，以便将接收到的光以一定角度重定向到第二复制器540的(全)反射表面中的输入端口的光路上，以沿着其在第二维中的长度提供波导和复本形成。应当理解，镜530是能够以所示方式重定向光的光学元件的一个示例，并且可以替代地使用一个或多个其他元件来执行该任务。

在所示的布置中，第一复制器520的(部分)反射-透射表面524a与以一定角度接收输入光束522以沿着其在第一维中的长度提供波导和复本形成的第一复制器/波导520的输入端口相邻。因此，第一复制器/波导520的输入端口位于其输入端，与反射-透射表面524a在同一表面。技术读者将理解，第一复制器/波导520的输入端口可以在任何其他合适的位置。

因此，图5B的布置使得第一复制器520和镜530能够被提供为第一和第三维平面(被示为x-z平面)中的第一相对薄层的一部分。具体而言，第一平面层(第一复制器520位于其中)在第二维度(被示为y维)中的尺寸或“高度”减小。镜530配置成将光从第一复制器520所在的第一层/平面(即“第一平面层”)引导出去，并将其导向第二复制器540所在的第二层/平面(即“第二平面层”)，该第二层/平面位于第一层/平面之上并与其基本平行。因此，系统的整体尺寸或“高度”—包括在第一和第三维(图示为x-z平面)—在第二维(图示为y维)—位于堆叠的第一和第二平面层中的第一和第二复制器520、540和镜530—是紧凑的。技术读者将理解，用于实现本公开的图5B的布置的许多变化是可能的和预期的。

图像投影仪可以布置成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/透射的过程布置成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。

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成连续或依次显示多个不同的全息图。这里公开的每个方面和实施例可以应用于多个全息图的显示。

第一波导光瞳扩展器的输出端口可以耦合到第二波导光瞳扩展器的输入端口。第二波导光瞳扩展器可以布置成通过第二波导光瞳扩展器的第三对平行表面之间的内反射将衍射光场(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成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成在不同的第二方向上提供光瞳扩展或复制。第二方向可以基本正交于第一方向。第二波导光瞳扩展器可以布置成保持第一波导光瞳扩展器在第一方向上已经提供的光瞳扩展，并且扩展(或复制)它在不同的第二方向上从第一波导光瞳扩展器接收的一些、优选大多数、优选全部复本。第二波导光瞳扩展器可以布置成直接或间接地从第一波导光瞳扩展器接收光场。可以沿着第一和第二波导光瞳扩展器之间的光场的传播路径提供一个或多个其他元件。

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成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，其布置成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2108456.1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。

改进的信息娱乐系统

图6示出了从上方观察的包括具有两个用户的光学组合器的显示系统的示意图。特别地，图6中的显示系统是车辆中的平视显示系统，并且光学组合器是车辆的挡风玻璃601。该显示系统包括布置成将第一图片导向第一眼盒的第一全息投影仪和布置成将第二图片导向第二眼盒的第二全息投影仪。图6中没有详细示出第一和第二全息投影仪。然而，波导602表示为虚线。波导602基本平坦地位于车辆的仪表板内。在一些实施例中，第一全息投影仪包括波导602，并且波导602配置成提供第一眼盒的扩展。在这样的实施例中，第一全息投影仪可以配置成将全息图投影到第一眼盒。在一些实施例中，第二全息投影仪不包括波导。第二全息投影仪可以配置成向第二眼盒提供虚拟图像。在这种情况下，第二全息投影仪可以包括在其上形成虚像的漫射器。第一和第二眼盒本身没有在图6中示出。然而，图6中显示了两个用户，每个用户位于不同的眼盒中。

图6所示的车辆为左舵驾驶。图6左侧的第一用户是车辆的驾驶员603。驾驶员603的眼睛位于第一眼盒内。图6右侧的第二用户是车辆的乘客605。乘客605的眼睛位于第二眼盒内。第一和第二图片的第一和第二全息图从波导602被引导到挡风玻璃601，然后到达第一和第二眼盒。

显示系统还包括与挡风玻璃601的子区域协同布置的结构607。结构607是包括多个百叶片609的百叶片阵列，在该示例中，百叶片609围绕挡风玻璃的曲面基本平行且间隔开。图6没有按比例绘制。在大多数示例中，百叶片609相对于光学组合器601要比图6所示的小得多，并且显示系统通常会包括更多这些更小的百叶片。在任何情况下，每个百叶片在Y方向上纵向延伸，在X方向上具有宽度/高度，在Z方向上具有厚度。每个百叶片609的第一面610基本面向驾驶员603/面向第一眼盒。每个第一面610由百叶片的最小表面限定。每个第一面610分别由百叶片在Y轴和Z轴上的长度和厚度限定。因为当从第一眼盒观察时，百叶片阵列607跨越相对小的视角，所以百叶片阵列607的每个第一面610可被描述为基本面向第一用户610，即使各个百叶片609彼此完全平行。然而，如本领域技术人员将清楚，在一些示例中，百叶片可以稍微偏离平行，以确保每个百叶片609实际上基本面向驾驶员603，特别是如果挡风玻璃的子区域在更大的视角上延伸。这种偏离平行可以解释挡风玻璃复杂的曲率。每个百叶片的第二面611基本面向乘客605/第二眼盒。每个百叶片的第二面611比其第一面大得多。每个百叶片的第二面611由百叶片在X方向上的宽度/高度及其在Y方向上的长度来限定。

真实世界的场景光(例如形成前方道路图像的光)可以从车辆外部透过挡风玻璃601。当从第一眼盒(例如在驾驶员603的位置)观察时，与百叶片阵列607协同，场景光甚至透过挡风玻璃601的子区域。这是因为百叶片布置成使得场景光可以通过百叶片609之间的空间到达驾驶员的眼睛。因此，从第一眼盒中的驾驶员603的角度来看，挡风玻璃601上的百叶片阵列607基本透射真实世界的场景光。然而，挡风玻璃601上的百叶片阵列607是基本不透明的，从第二眼盒中的乘客的角度来看，真实世界的场景光不能穿过百叶片阵列607到达乘客605。这是因为当从第二眼盒观察时，面向乘客605的百叶片609的第二(较大)面611看起来重叠，从而形成阻挡场景光透射的连续表面。该连续表面可被称为观察屏，并且防止场景光被透射。第二全息图的光可被反射离开百叶片阵列607的第二表面611和/或挡风玻璃601，以在第二眼盒处被接收。

因此，透过挡风玻璃601的场景光与第一全息图的光组合。这个组合的光场在第一眼盒处被接收。以这种方式，驾驶员603接收混合现实体验，其中第一全息图的第一图像覆盖在真实世界的图像上。然而，在第二眼盒处，第二全息图的光不与场景光组合，因为场景光被百叶片结构607阻挡。因此，乘客605没有接收到混合现实体验。

从挡风玻璃601向驾驶员反射的用第一全息图编码的光的总角度范围由图6中的特征613表示。用第一全息图编码的光的总角度范围跨越挡风玻璃601的大部分长度。从挡风玻璃601向乘客反射的用第二全息图编码的光的总角度范围由图6中的特征615表示。用第二全息图编码的光的总角度范围仅跨越与结构607协同布置的挡风玻璃的子区域。图6示出了第一全息图的光(由613表示)如何没有被乘客605接收，以及第二全息图的光(由615表示)如何没有被驾驶员603接收。

根据本公开的显示系统的一个优点是相对较大和清晰的第二图像可被投影到由百叶片阵列607形成的观察屏上。因为挡风玻璃601(其上布置有百叶片阵列607)固有地处于乘客的眼睛高度，所以第二图像(投影到形成在挡风玻璃601上的观察屏上)形成在乘客605能够长时间观察而没有不适的位置。此外，观察屏防止第二全息图的光在第二眼盒处与场景光结合。因此，第二图像形成时没有覆盖在真实世界上，这在第二图像例如与电影、影片或设计来娱乐乘客605的游戏相关时显然是有利的。这都是在不模糊驾驶员视野或分散驾驶员605注意力的情况下完成的。特别地，驾驶员仍能够通过百叶片阵列607观察真实世界，并且驾驶员不会接收到第二图像的“娱乐”，否则第二图像可能会引起注意力分散。

图7示出了图6的显示系统的示意图，但特别示出了第一全息图如何能够包括多个全息图通道(如关于图4描述)以及这些通道从光学组合器到第一眼盒处的驱动器603所遵循的路径。

图7示出了第一至第八子全息图或分量H1至H8，对应于图2中也示出的第一至第八图像分量/区域V1至V8。图7示出了子全息图H1到H8中的每个是如何在不同点入射到挡风玻璃601上的，子全息图顺序分布，并且H1最靠近驾驶员603，而H8离驾驶员603最远。然后，光从挡风玻璃601反射为光束。图7示出了光线束是如何与每个子全息图相关的。特别地，光束RB1与H1相关，而RB2与H2相关等。每个子全息图可被称为形成第一全息图的角度范围(即H1形成第一全息图的第一角度范围，H2形成第一全息图的第二角度范围)。第一全息图的全角度范围包括H1到H8中的每个。可以说每个子全息图在挡风玻璃601上具有各自的位置。一些子全息图在挡风玻璃601上具有对应于百叶片阵列607的相应位置。这包括H7和H8。角度范围702(如图7所示)对应于百叶片阵列607。百叶片阵列607布置成使得角度范围702(包括H7和H8)的全息图通道被百叶片阵列607透射。特别地，百叶片阵列607布置成使得与子全息图相关的光入射到相邻百叶片之间的挡风玻璃601上，并且被反射到驾驶员603。

参照图6和7描述的百叶片阵列结构607是一种提供子区域的结构的示例，当从第一眼盒观察时，该子区域是基本透射的，而当从第二眼盒观察时，该子区域是基本不透明的。这种结构的另一示例是可切换液晶，例如聚合物分散液晶。在这样的示例中，可切换液晶可在第一状态和第二状态之间切换。在第一状态，可切换液晶布置成使得当从第一眼盒观察时挡风玻璃的子区域是基本透射的，而当从第二眼盒观察时是基本不透明的。在第二状态，可切换液晶布置成使得当从第一眼盒和第二眼盒观察时，挡风玻璃的子区域是基本透射的。可切换液晶有利地允许子区域选择性地形成观察屏。这可能是特别有利的，因为它允许乘客能够在某些时候通过子区域观察真实世界，并在其他时间从显示系统接收第二图像。在这样的示例中，显示系统包括控制器。控制器布置成控制可切换液晶。特别地，控制器布置为当可切换液晶处于第一状态时向可切换液晶施加第一电压。控制器布置成当可切换液晶处于第二状态时向可切换液晶施加第二电压。以这种方式，控制器通过分别向可切换液晶施加第一或第二电压，有利地根据需要选择第一状态或第二状态。控制器配置成基于来自第一或第二用户的输入，例如基于第一或第二用户在显示系统的用户界面上的输入，在第一电压和第二电压之间切换。

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)

1.一种显示系统，包括：

光学组合器，其布置为形成用于第一用户的第一眼盒和用于第二用户的第二眼盒的表面，其中该光学组合器是基本透射的；以及

限定光学组合器的子区域的结构，其中当从第一眼盒观察时，该结构是基本透射的，而当从第二眼盒观察时，该结构是基本不透明的。

2.如权利要求1所述的显示系统，其中，所述第一眼盒与所述第二眼盒在空间上是分开的，可选地，其中第一和第二眼盒是基本共面的。

3.如权利要求1或2所述的显示系统，其中，所述结构布置成使得真实世界的场景光可通过所述光学组合器的子区域传输到所述第一眼盒。

4.如前述权利要求中任一项所述的显示系统，其中，所述结构布置成使得真实世界的场景光基本不能通过所述光学组合器的子区域传输到所述第二眼盒。

5.如前述权利要求中任一项所述的显示系统，还包括第一全息投影仪，其布置成使用所述光学组合器的反射将第一图片的第一全息图导向所述第一眼盒。

6.如权利要求5所述的显示系统，其中，所述第一全息图的连续角度范围对应于所述第一图片的连续空间区域，并且所述结构布置成使得对应于该结构位置的第一全息图的角度范围被该结构透射。

7.如任一前述权利要求所述的显示系统，还包括第二全息投影仪，其布置成在所述子区域上形成第二图片的全息重建。

8.如任一前述权利要求所述的显示系统，其中，所述结构包括百叶片阵列，其中百叶片阵列包括多个平行百叶片。

9.如权利要求8所述的显示系统，其中，所述多个平行百叶片定向成使得其第一面基本面向所述第一眼盒，并且其第二面基本面向所述第二眼盒，其中第二面大于第一面。

10.如权利要求9所述的显示系统，其中，所述第二面在面积上比所述第一面大至少三或四倍。

11.如前述权利要求中任一项所述的显示系统，其中，所述结构包括第一状态和第二状态，并且该结构布置成使得在第一状态下，当从所述第一眼盒观察时该结构是基本透射的，而当从所述第二眼盒观察时是基本不透明的，并且使得在第二状态下，当从第一眼盒和第二眼盒观察时该结构是基本透射的。

12.如权利要求11所述的显示系统，其中，所述结构包括可切换液晶，比如聚合物分散液晶，并且其中可切换液晶可在所述第一状态和第二状态之间切换。

13.如任一前述权利要求所述的显示系统，其中，所述光学组合器是车辆的挡风玻璃。

14.如任一前述权利要求所述的显示系统，其中，所述结构附接到所述光学组合器，或者与光学组合器成为一体或是其一部分。

15.一种使用光学组合器的显示方法，该光学组合器布置成形成用于第一用户的第一眼盒和用于第二用户的第二眼盒的观察表面，该方法包括：

在与光学组合器的子区域协同布置的结构上形成第二图片的全息重建，

其中，光学组合器是透射的，并且当从第一眼盒观察时，该结构是基本透射的，而当从第二眼盒观察时，该结构是基本不透明的。