CN118567208A - 光学系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有观察窗的光学系统。该光学系统包括显示设备，该显示设备布置成根据显示在其上的全息图对光进行空间调制，以形成全息波前。全息波前在显示设备的下游形成图像的全息重建。光学系统还包括波导，其布置成接收全息波前并在其一对反射表面之间波导全息波前。该对反射表面中的一个表面是部分透射的，使得全息波前的多个复本从其发射。光学系统还包括在全息重建和波导之间的光学部件，其中该光学部件布置成(a)在显示设备的上游形成全息重建的虚像，并且(b)在无限远处或波导的下游形成所显示的全息图的图像。

Description

光学系统

技术领域

本公开涉及光学系统和使用光学系统成像的方法。更具体地，本公开涉及布置成形成全息重建的虚像的光学系统，该虚像远离全息图的图像。本发明还涉及移动全息图的图像平面的方法和增加全息重建图像和相应全息图图像之间距离的方法。一些实施例涉及全息投影仪、图片生成单元或平视显示器。

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。

这里公开了一种全息投影仪，包括包含显示设备的光学系统。全息投影仪可以包括光中继器。光中继器可以包括第一透镜和第二透镜。第一和第二透镜可以布置成所谓的4f配置。全息投影可以进一步包括一个或多个波导光瞳扩展器。显示设备布置成根据显示在其上的图片的全息图对光进行空间调制。显示设备可以位于第一透镜的前焦平面处。光学系统可以布置成使得显示设备被相干光照明，该相干光根据全息图被空间调制，然后被光中继器的第一透镜接收，使得图片的全息重建形成在第一透镜的后焦平面处。然后，光可以继续传播并被光中继器的第二透镜接收，使得显示设备的中继图像(即全息图的中继图像)可以形成在第二透镜的后焦平面处。第一波导位于第二透镜的后焦平面附近，并且可以布置成接收空间调制光并复制该光以在第一方向上扩展光学系统的出射光瞳。还可以提供第二波导，其布置为接收从第一波导输出的光，以在第二方向上扩展光学系统的出射光瞳。从概念上讲，这样做的结果可以认为是创建了显示设备的复本阵列。复本阵列可以说存在于“虚拟表面”上，该虚拟表面可以交错排列，如2021年12月23日提交的英国专利申请GB2118911.3中所述。具体而言，由于与每个复本相关的波导中不同的路径长度，每个复本可以离显示设备不同的垂直距离。因此，与每个复本相关的虚拟表面部分(例如在x，y维度上)在垂直方向上(例如在z维度上)偏离显示设备。当观察系统(例如用户的眼睛)位于波导下游的观察窗时，全息重建的虚像是可见的。虚像可以在显示设备上游的虚像距离处形成。通常，虚像距离可以在约1米和约10或20米之间。

如本文所用，术语“上游”和“下游”可以用来描述光学系统的特征、元件或部件，或者由光学系统形成的(真实或虚拟)图像或全息重建相对于光通过光学系统的传播方向的相对位置。例如，在光传播到第一部件然后到第二部件的光学系统中，第一部件可被描述为第二部件的上游，而第二部件可被描述为第一部件的下游。由光学部件形成的虚像可被描述为形成在相应光学部件的上游。由光学部件形成的实像可被描述为形成在相应光学部件的下游。

上述光学系统的优点之一是，它增加了一维或二维的观察窗(即用户的眼盒)，从而使眼睛(或其他观察系统)能够发生一些运动，同时即使在非常小的显示设备/全息图的情况下，仍使得观察系统能够看到全息重建。然而，发明人已经发现，尽管全息重建的虚像本身(当聚焦在虚像距离时)可能具有良好的质量，但可能会形成/看到伪像。这些伪像可能出现在全息重建的虚像的前面(即下游)。这些伪像可以在虚拟表面上形成或可见—即对应于显示设备的复本阵列的区域。当波导形成复本阵列时，在单个复本中形成的每个伪像将重复一定数量的次数，在显示设备的复本阵列上形成伪像的重复图案。观察窗处的观察系统/用户可能实际上不得不透过或越过伪像的图案来观察全息重建的虚像。

发明人已经发现，眼睛通常非常能够在不同深度观察图像内容，或者至少意识到不同深度的特征的存在。因此，全息重建的虚像和复本平面上的非均匀强度阵列可被人类观察者同时至少半感知。发明人已经发现，用户的眼睛被伪像(重复图案)吸引，伪像会分散用户想要观察的全息重建的虚像的注意力—即使当观察者聚焦在图像(即全息重建)上，而不是与观察者有不同距离的相应全息图(或其图像)上。发明人通过他们的研究已经认识到(即使一些观察者最初没有注意到),一旦观察者意识到伪像(重复图案),它就是(或者可能成为)显著干扰。发明人提出，与此类似，可以通过透明的玻璃窗观察远处的场景。在这种情况下，玻璃上的标记或特征(例如污垢或污迹)可能构成伪像，观察者必须透过或越过它才能看到后面的景象。如果观察者意识到玻璃上的标记(同样，他们可能没有意识到)，即使观察者将注意力集中在场景而不是玻璃上，标记的存在也可能至少部分地破坏场景的视图。总之，发明人已经发现，由本公开的波导复制器形成的虚拟表面可以影响观察体验的质量。

在虚拟表面(即显示设备的复本区域)可能会形成许多不同的伪像。这种伪像可能是由光学系统的光散射引起的，例如由显示设备形成的全息波前的散射。显示设备的物理特征(例如显示设备的边界)也可能导致伪像的形成。同样，这些伪像可能出现在复本阵列的位置处，而不是出现在虚像的位置处，因此可能引起用户眼睛的注意，并分散虚像的注意力。

虚拟表面可能会分散注意力有多个原因。仅作为示例，发明人已经认识到虚拟表面上的一个分散注意力的来源可能是显示设备的不均匀照射的结果。如果光源的轮廓不均匀(例如具有高斯强度轮廓),则可能会出现这种不均匀照射。发明人发现，照射全息图的光点边缘处强度的微小降低导致形成了从眼盒中可见的延伸的对比度带或轮廓(复本邻接处)。显著地，这些带或轮廓基本是直的(并且基本与全息图复制的两个正交方向对齐/平行)。虽然这种条带极其细微(就强度而言)，但人眼对边缘和线条特征(即直线对比度)非常敏感，因此对视觉体验质量的负面影响惊人地高。也就是说，延伸的直线带或轮廓—由全息图复制的规则图案和光源光的“正常”非均匀性产生，这对于其他类型的全息显示是完全可接受的—对于一些人类观察者来说是惊人地突出。暗带可以在复本平面处形成，因此观察系统可能必须有效地透过或穿过暗带来观察全息重建的虚像。

根据本公开的光学系统提供了一种用于显著降低或最小化复本的虚拟表面的视觉影响的手段。

概括地说，提供了一种具有观察窗的光学系统。该光学系统包括显示设备，其布置成根据显示在其上的全息图对光进行空间调制。空间调制光形成全息波前，该全息波前形成显示设备下游的图像的全息重建。光学系统还包括光学部件(例如透镜)。光学部件布置在全息重建的下游(使得空间调制光例如在重放平面上形成全息重建，然后在光学部件处被接收)。光学部件布置成形成：a)全息重建的虚像；以及b)显示的全息图/显示设备的图像。光学部件布置成使得全息重建的虚像和所显示的全息图/显示设备的图像之间的距离大于全息重建的虚像的虚像距离。这样，显示的全息图/显示设备的图像远离全息重建的虚像。在一些实施例中，全息重建的虚像和显示的全息图/显示设备的图像的分离幅度可以是全息重建的虚像的虚像距离的幅度的至少两倍，例如虚像距离的至少三倍或至少五倍。在一些实施例中，全息重建的虚像和所显示的全息图/显示设备的图像的分离幅度可以至少比全息重建的虚像的虚像距离的幅度大一个数量级。例如，在一些实施例中，显示设备的虚像在无穷远处形成，使得显示设备的虚像和全息重建的虚像之间的有效距离是无限的。在其他实施例中，显示设备的实像形成在光学部件的下游，同样远离全息重建的虚像(其将在光学部件的上游)。例如，显示设备的实像可以形成在光学系统的波导的下游，可选地形成在光学系统的观察窗/眼盒的下游。在任一情况下，光学部件布置成使得全息重建的虚像远离所显示的全息图/显示设备的图像。发明人已经发现，以这种方式布置光学部件有利地显著降低了虚拟表面的伪像对观察窗处的观察者的阻碍/干扰的影响。特别地，发明人已经认识到，光学部件可以布置成在无穷远处(远远超过全息重建的虚像)或者在光学部件的下游位置(通常在观察系统后面)形成全息图/显示设备的图像。在任一实施例中，当光学部件以这种方式布置时，观察者不需要透过或穿过全息图/显示设备的图像来观察全息重建的虚像。发明人发现这显著改善了观察体验。具体来说，全息图/显示设备的图像中的伪像(例如暗带的不均匀强度图案)很少分散注意力。当处于所述图像距离时，观察系统/眼睛/大脑能够更有效地忽略伪像。

在一些实施例中，光学部件布置成执行傅立叶变换。例如，在这些实施例中，可以说光学部件是傅立叶变换部件，例如傅立叶变换透镜，或者简单地说，傅立叶透镜。光学部件(特别是当用作傅立叶透镜时)可以包括前焦平面和后焦平面。前焦平面可以称为物平面，后焦平面可以称为傅立叶变换平面。光学部件可以布置成在后(傅立叶)平面处形成前(物体)平面处的物体的傅立叶变换。根据本发明，提供了一种光学部件，其在由波导复制之前执行全息波前的傅立叶变换。在一些实施例中，可以说全息波前的变换被输入到波导和/或波导布置成复制中继全息图/全息波前的变换。

在第一方面，提供了一种具有观察窗的光学系统。光学系统包括显示设备。该显示设备布置成根据显示在其上的全息图或衍射结构对光进行空间调制，以形成全息波前，该全息波前形成显示设备下游的图像的全息重建。光学系统还包括光学部件。光学部件可被称为成像部件。光学部件的示例包括透镜，例如会聚透镜。光学部件布置成：(a)在显示设备的上游形成全息重建的虚像，以及(b)在无穷远处或在光学部件的下游形成显示的全息图的图像。在无穷远处显示的全息图的图像可以在显示设备上游的无穷远处(即在显示设备的后面)。

在实施例中，光学系统还包括波导。波导布置成接收全息波前。波导可以接收来自光学部件的全息波前。波导可以布置成直接或间接地接收全息波前。波导可以布置成在其一对反射表面之间引导全息波前。该对反射表面中的一个表面可以是部分透射的，使得全息波前的多个复本从该表面发射。在实施例中，光学部件可布置成在无限远处或在波导处或其下游形成显示全息图的图像。

在实施例中，全息重建的图像由光学元件或部件在与显示的全息图的图像不同的位置形成。如本文所用，光学元件可被称为光学部件。在实施例中，全息重建的图像的像距不同于显示的全息图的图像的像距。在实施例中，全息重建图像的像距小于无穷大，例如小于30米。

在一些实施例中，显示设备上的全息图布置成使得空间调制光在显示设备下游形成全息图图片的全息重建，而不穿过诸如(物理)(成像)透镜的光学元件或部件。在实施例中，光学部件可以布置成形成全息重建的虚像(由显示设备上的全息图直接形成)。在其他实施例中，全息重建可被中继到由显示设备上的全息图直接形成的全息重建下游的位置。在这样的实施例中，光学部件可以布置成形成中继全息重建的虚像。换句话说，不是直接在显示设备上形成由全息图形成的全息重建的虚像，而是光学元件可以布置成(直接)形成中继全息重建的虚像。

在一些实施例中，光学部件布置成执行傅立叶变换。例如，光学部件可以是傅立叶透镜。光学部件(傅立叶透镜)可以包括前焦平面和后焦平面。前焦平面可以称为物平面，后焦平面可以称为傅立叶变换平面。光学部件可以布置成在后(傅立叶)平面处形成前(物体)平面处的光/物体/图像的傅立叶变换。

光学部件的后(傅立叶)平面可以耦合到波导(当存在于光学系统中时)。如本文所用，耦合到波导的后(傅立叶)平面可以意味着光学部件的后焦平面与波导的输入重合(即基本重合)。在一些实施例中，后(傅立叶)平面与波导的入耦合端口相邻/重叠。在一些实施例中，后(傅立叶)平面在波导内。例如，后(傅立叶)平面可以在波导的一对反射表面之间。以这种方式，光学部件可以布置成使得光学部件的前(物体)平面处的光/物体/图像的傅立叶变换被耦合到波导中。

在一些实施例中，光学部件可以布置成执行空间-频率变换，使得经变换的显示全息图被耦合到波导中。如本文所用，经变换的显示全息图意味着主要或完全在频域中的全息图。空间频率变换可以是傅立叶变换。换句话说，光学部件可以布置成使得全息图的傅立叶变换被耦合到波导中。在一些实施例中，光学部件可以布置成使得显示在显示设备上的全息图的傅立叶变换被耦合到波导中。例如，当光学部件布置成在无穷远处形成所显示的全息图的图像时，情况可能就是这样。

光学部件可以布置成使得耦合到波导中的波前是编码图片的全息波前的(傅立叶)变换。

在一些实施例中，物体(例如显示设备/显示的全息图或中继显示设备/中继显示的全息图)可以基本/准确地位于光学部件的前焦平面处。波导(例如入耦合端口)可以耦合到光学部件的后焦平面。例如，光学部件的后焦平面可以位于波导的输入端口或波导内。光学部件可以布置成使得所显示的全息图的傅立叶变换被耦合到波导中。

在一些实施例中，光学系统布置成对在显示设备和波导之间传播的光执行奇数次(频率-时间)变换/傅立叶变换(例如频域和时域之间的一次或三次变换/一次或三次傅立叶变换)。这样，当波前耦合到波导中时，可以说它在频域中(即使当从显示设备传播到波导时，它已经经历了空间域和频域之间的多次(奇数次)变换)。例如，光学系统可以包括布置成执行傅立叶变换的多个部件(例如多个傅立叶变换透镜)。上述光学部件可以是第一傅立叶变换透镜。如下所述，光学系统可以进一步包括光学中继，该光学中继包括一对傅立叶透镜。光学系统可以布置成使得光中继器的一对傅立叶透镜和光学部件中的每个依次执行频率-时间变换/傅立叶变换。

在一些实施例中，光学系统还包括光中继器。光中继器可以位于显示设备的下游。光中继器可以位于显示设备和波导(如果存在的话)之间。光中继器可以包括两个透镜。这两个透镜可以配合布置以形成中继全息图和中继全息重建。中继全息图可以是显示在显示设备上的全息图的图像。中继全息重建可以是由显示设备上显示的全息图形成的全息重建的图像。因此，在包括光中继器的实施例中，由光学部件(例如透镜)形成的全息图重建的(虚拟)图像是中继全息重建的(虚拟)图像。由光学部件(例如透镜)形成的显示全息图的(真实)图像是中继全息图的(真实)图像。

光中继器的两个透镜可以包括第一透镜和第二透镜。光中继器的第一透镜可以比光中继器的第二透镜更靠近显示设备。光中继器的第一透镜和光中继器的第二透镜之间的距离可以基本等于第一透镜的焦距和第二透镜的焦距之和。在一些实施例中，光中继器的第一透镜的焦距等于光中继器的第二透镜的焦距。在其他实施例中，光中继器的第一透镜的焦距不同于光中继器的第二透镜的焦距。在这样的实施例中，光中继器可以对中继全息重建和/或中继全息图具有放大(或缩小)效果。光中继器可被称为望远镜(例如放大或缩小望远镜)。当光中继器的第一透镜和光中继器的第二透镜之间的距离基本等于第一透镜的焦距和第二透镜的焦距之和时，光中继器可被称为“4f”系统。这可能是因为第一透镜的前焦平面和第二透镜的后焦平面之间的距离等于四个焦距。当第一和第二透镜的焦距相同时，第一透镜的前焦平面和第二透镜的后焦平面之间的距离可以等于第一和第二透镜中任一个的焦距的四倍。在一些实施例中，第一透镜包括前焦平面和后焦平面，第二透镜包括前焦平面和后焦平面。在一些实施例中，显示设备可以基本位于光中继器的第一透镜的前焦平面处。在一些实施例中，光中继器的第一透镜的后焦平面可以与光中继器的第二透镜的前焦平面基本重合。光中继器的第一透镜的后焦平面可以基本平行于光中继器的第二透镜的前焦平面。光中继器的第一透镜的后焦平面可以与光中继器的第二透镜的前焦平面基本共面。

中继全息图和中继全息重建(由光中继器中继)可被中继到光中继器下游的相应位置，例如光中继器的第二透镜的下游。在一些实施例中，中继全息重建位于中继全息图的下游。换句话说，光中继器(的第二透镜)和中继全息重建之间的距离可以大于光中继器(的第二透镜)和中继全息图之间的距离。

在一些实施例中，中继全息图可以形成/中继到光中继器的第二透镜的后焦平面。这可能意味着显示在显示设备上的全息图的图像基本聚焦在光中继器的第二透镜的后焦平面上。在一些实施例中，中继全息重建可以形成/中继到中继全息重建的焦平面。这可能意味着全息重建的图像基本聚焦在中继全息重建的焦平面上。中继全息重建的焦平面可以基本平行于光学中继的第二透镜的后焦平面。中继全息重建的焦平面可以在光中继器的第二透镜的后焦平面的下游。

在一些实施例中，光学部件(例如透镜)在中继全息重建的下游。光学部件也可以在中继全息图的下游。光学部件可能比中继全息图更接近中继全息重建。

在包括波导的实施例中，光学部件可以在中继全息重建和波导之间。

在一些实施例中，光学部件可以(布置)在中继全息重建和波导之间，使得(a)中继全息重建和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距。因此，由光学部件形成的全息重建的虚像可以是中继全息重建的虚像。光学部件也可以(布置)在中继全息重建和波导之间，使得(b)中继全息图和光学部件之间的距离(基本)等于光学部件的焦距。因此，由光学部件形成的全息图的图像可以是(基本)在无穷远处形成的虚像。全息图的虚像可以形成在中继全息图的上游/光学部件的上游/显示设备的上游。由光学部件形成的全息重建的虚像也可以在光学部件的上游，但在有限像距处。这样，全息图的虚像(在无限远处)和全息图的虚像(不在无限远处)之间的有效距离或间隔实际上是无限的。

在其他实施例中(包括如上定义的光中继器)，光学部件可以(布置)在中继全息重建和波导之间，使得(a)中继全息重建和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距。因此，由光学部件形成的全息重建的虚像可以是中继全息重建的虚像。光学部件也可以(布置)在中继全息图和光学部件之间，使得(b)中继全息图和光学部件之间的距离大于光学部件的焦距。因此，由光学部件形成的全息图的图像可以是实像。全息图的实像可以形成在光学部件的下游。全息图的实像可以基本形成在波导处或其下游。由光学部件形成的全息重建的虚像可以在光学部件的上游(在有限像距处)。因此，在全息重建的虚像(光学部件的上游)和全息图的实像(光学部件的下游)之间可能存在相对较大的距离或间隔。

在一些实施例中，光学系统不包括光中继器。在这样的实施例中，光学系统的光学部件(例如透镜)可以布置成分别基于在显示设备下游形成的全息重建和在显示设备上显示的全息图来形成虚拟全息图重建的(虚拟)图像和显示全息图的(真实)图像。

在一些实施例中，全息重建(而不是上述实施例中的中继全息重建)和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距。因此，全息重建的图像可以是虚像。全息重建的虚像可以在显示设备的上游形成。显示设备或全息图(而不是上述实施例中的中继全息图)和光学部件之间的距离可以基本等于光学部件的焦距。因此，全息图的虚像可以在无穷远处形成。全息图的虚像可以形成在显示设备上显示的全息图的上游/光学部件的上游。由光学部件形成的全息重建的虚像也可以在光学部件的上游，但在有限像距处。这样，全息图的虚像(在无穷远处)和全息图的虚像(不在无穷远处)之间的有效距离或间隔实际上可以是无穷大。

在一些实施例中，全息重建(不是中继全息重建)和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距。因此，全息重建的图像可以是虚像。全息重建的虚像可以在光学部件和/或显示设备的上游形成。显示设备/显示在显示设备上的全息图(不是中继全息图)和波导之间的距离可以大于光学部件的焦距。因此，全息图的图像(显示在显示设备上)可以形成在光学部件的下游。全息图的实像可以基本形成在波导处或其下游。因此，在全息重建的虚像(光学部件和/或显示设备的上游)和全息图的实像(光学部件的下游和/或波导处或下游)之间可能存在相对较大的距离或间隔。全息图的图像可以是实像。

在一些实施例中，由光学部件形成的全息图的图像是在光学系统的观察窗(例如眼盒)下游形成的全息图的实像。

在一些实施例中，全息重建的虚像和由光学部件形成的显示全息图的(真实或虚拟)图像之间的距离大于1米，例如大于2米或大于5米。在一些实施例中，全息重建的(虚拟)图像和显示设备的虚像之间的间隔实际上可以是无限的。更一般地，全息重建的(虚拟)图像和显示设备的(虚拟或真实)图像之间的间隔可以大于全息重建的虚像的虚像距离。

在一些实施例中，光学部件布置成使得从光学部件到全息重建的虚像的距离在0.5至10米的范围内。例如，光学部件可被定位(相对于全息重建或中继全息重建)和/或具有适当的光焦度，以在所述距离范围内形成全息重建的虚像。

在一些实施例中，光学部件的焦距可以是150mm或更小，例如120mm或更小，或者100mm或更小。光学部件可以是透镜。光学部件可以是会聚透镜。光学部件可以包括在光学部件的焦距处的前焦平面。光学部件可以包括在光学部件的焦距处的后焦平面。

从全息重建或中继全息重建(如果存在光学中继)到光学部件的距离可以小于从前焦平面到光学部件的距离。换句话说，全息重建或中继全息重建可能比光学部件的前焦平面更靠近光学部件。

在光学部件布置成使得由光学部件形成的全息图的图像是在无穷远处形成的虚像的实施例中，光学部件的前焦平面可以与a)显示设备或b)光中继器的第二透镜的后焦平面(如果光中继器存在的话)基本重合。光学部件的前焦平面可以基本平行于显示设备的平面或者光学继电器的第二透镜的后焦平面。光学部件的前焦平面可以基本与显示设备的平面或光学继电器的第二透镜的后焦平面共面。

在一些实施例中，由波导接收的全息波前包括非准直光，例如发散光。

在一些实施例中，显示设备是像素化显示设备。例如，空间光调制器可以包括规则的像素阵列。像素阵列可以覆盖显示设备的基本四边形的显示区域。在一些实施例中，显示设备是空间光调制器。在一些实施例中，显示设备是硅上液晶空间光调制器。

在一些实施例中，全息图包括多个叠加的衍射图案，每个衍射图案代表形成图像的像点的透镜(例如菲涅耳透镜)。

在一些实施例中，每个衍射图案代表透镜/将光带到焦点。

在第二方面，提供了一种图片生成单元。图片生成单元可以包括第一方面的光学系统。图片生成单元还可以包括光源，该光源布置成照射光学系统的显示设备。光源可以是相干光源，例如激光器。

在第三方面，提供了一种用于车辆的平视显示器，包括前述方面的光学系统和/或图片生成单元。

在第四方面，提供了一种具有观察窗的光学系统。该光学系统包括显示设备，其布置成根据显示在其上的全息图或衍射结构对光进行空间调制，以形成全息波前。全息波前在显示设备的下游形成图像的全息重建。该光学系统还包括布置成接收全息波前的波导。波导可以直接或间接地接收全息波前。波导可以布置成在其一对反射表面之间引导全息波前。该对反射表面中的一个表面是部分透射的，使得全息波前的多个复本从该表面发射。光学系统还包括光学部件，例如成像部件，例如全息重建和波导之间的透镜(例如会聚透镜)。光学部件布置成(a)在显示设备的上游形成全息重建的虚像，并且(b)在光学部件的无限远处或下游，例如在波导处或下游，形成显示全息图的图像。光学部件可以布置成使得耦合到波导中的波前是编码图片的全息波前的(傅立叶)变换。

在第五方面，提供了一种全息图像形成方法。该方法包括根据全息图对光进行空间调制的步骤。全息图可以是图像的全息图，并显示在显示设备上以形成全息波前。该方法还包括在显示设备的下游形成图像的全息重建的步骤。该方法还包括使用光学部件在显示设备的上游形成全息重建的虚像的步骤。光学部件可以是透镜，例如会聚透镜和/或傅立叶透镜(如前述各方面)。该方法可以进一步包括使用光学部件在无限远处或波导的下游形成显示的全息图的图像的步骤。在实施例中，该方法还包括在波导处接收全息波前。该方法可以进一步包括在其一对反射表面之间波导全息波前，其中该对反射表面中的一个表面是部分透射的，使得全息波前的多个复本从其发射。光学部件可以在全息重建的下游。在实施例中，光学部件可以在全息重建和波导之间。

在一些实施例中，该方法包括将中继全息图形成为显示在显示设备上的全息图的图像。形成中继全息图的步骤可以包括在显示设备和波导之间使用光中继器。光中继器包括配合布置的两个透镜。

在一些实施例中，该方法包括将中继全息重建形成为由显示设备上显示的全息图形成的全息重建的图像。中继全息重建的步骤可以包括使用光学中继。

在一些实施例中，形成全息重建的虚像的步骤包括形成中继全息重建的虚像。中继全息重建和光学部件之间的距离可以小于光学部件的焦距。

在一些实施例中，形成显示全息图的图像的步骤包括在无穷远处形成(中继)全息图的虚像，并且其中中继全息图和光学部件之间的距离(基本)等于光学部件的焦距。

在一些实施例中，形成显示全息图的图像的步骤包括在光学部件/波导的下游形成(中继)全息图的实像，并且其中中继全息图和光学部件之间的距离大于光学部件的焦距。

在一些实施例中，形成全息重建的虚像的步骤包括在显示设备的上游形成全息重建的虚像，并且其中全息重建和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距。

在一些实施例中，形成全息图的图像的步骤包括在无穷远处(全息图的上游)形成全息图的(虚拟)图像，并且其中显示设备和波导之间的距离等于光学部件的焦距。

在一些实施例中，形成全息图的图像的步骤包括在光学部件(波导)的下游形成全息图的(真实)图像，并且其中显示设备和波导之间的距离等于光学部件的焦距。

在一些实施例中，形成全息图图像的步骤包括形成全息图的实像，该实像形成在光学系统的观察窗(例如眼盒)的下游。

关于一个方面公开的特征和优点可以应用于其他方面。特别地，关于光学系统描述的特征和优点可适用于全息成像方法，反之亦然。

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，每个复制器包括成对堆叠表面；

图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，每个复制器都是固体波导的形式；

图6是不根据本公开的光学系统的光学部件的横截面示意图；

图7是根据本发明的第一光学系统的光学部件的截面示意图，该第一光学系统包括光中继器，并布置成在无穷远处形成中继全息图的虚像；

图8示出了显示图7的第一光学系统的特征的横截面示意射线图；

图9是根据本发明的第二光学系统的光学部件的截面示意图，该第二光学系统包括光中继器，并布置成形成中继全息图的实像；

图10示出了显示图9的第一光学系统的特征的横截面示意射线图；

图11示出了根据本发明的第三光学系统的光学部件的截面示意图，该第三光学系统不包括光中继器，并且布置成在无穷远处形成全息图的虚像；以及

图12示出了根据本发明的第四光学系统的光学部件的截面示意图，该第四光学系统不包括光中继器，并且布置成形成全息图的实像。

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。投影系统或光学系统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。

波导408在沿着其长度的相应“反弹”点B1到B8处形成全息图的多个复本，对应于光瞳扩展的方向。如图5所示，多个复本可以直线外推回相应的多个复本或虚拟显示设备402’。该过程对应于在波导内“展开”光路的步骤，使得复本的光线被外推回“虚拟表面”，而在波导内没有内反射。因此，扩展出射光瞳的光可被认为源自包括显示设备402和复制显示设备402’的虚拟表面(这里也称为“扩展调制器”)。

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。

图像形成

图6是不根据本公开的光学系统600的光学部件的截面示意图。光学系统600的光轴由图6中的虚线602示出。光学系统600包括显示设备604，在该示例中，显示设备604是硅上液晶空间光调制器。显示设备604布置成显示图片的全息图。显示设备604的下游是光中继器606。光中继器606包括第一透镜608和第二透镜610。光学系统600还包括光中继器606的第二透镜610下游的波导611。波导611包括一对相对表面622、624，根据先前描述的示例，该对相对表面622、624布置成在其间提供光的波导。

光中继器606的第一透镜608包括前焦平面612和后焦平面614。前焦平面612在第一透镜608的上游，后焦平面614在第一透镜608的下游。光中继器606的第二透镜608包括前焦平面616和后焦平面618。前焦平面616在第二透镜610的上游，后焦平面618在第二透镜610的下游。第一和第二透镜608、610中的每个的前和后焦平面的法线平行于光轴602，并且从前和后焦平面中的每个到相应的第一或第二透镜的距离等于相应透镜的焦距f。在该示例中，显示设备604基本位于第一透镜608的前焦平面612处。在该示例中，第二透镜610的前焦平面616基本与第一透镜608的后焦平面614共面。在该示例中，波导611布置成使得第二透镜610的后焦平面618位于波导622、624的第一和第二表面之间。在图6所示的示例中，第一和第二透镜608、610的焦距f是相同的。这样，光中继器形成4f系统(即光中继器的长度等于第一和第二透镜608、610的焦距的四倍)。然而，在其他实施例中，第一透镜608的焦距可以不同于第二透镜610的焦距。在这种情况下，光中继器可以形成放大(或缩小)望远镜。

光学系统600还包括相干光源，例如激光器。相干光源未在图6中示出。在光学系统600的操作中，相干光布置成照射显示设备604。因此，所述光可以根据显示设备上显示的图片的全息图进行空间调制。空间调制光可以由第一透镜608接收，并中继到第二透镜610。在第一和第二透镜608、610之间，在第一透镜608的后焦平面612上形成图片的全息重建626。第二透镜610将空间调制光中继到波导611。如关于先前附图所述，波导611复制从显示设备接收的光，以便形成显示设备604的多个复本或副本，使得每个复本包括根据显示设备上的全息图进行空间调制的光。在实施例中，光学系统还包括第二波导(图中未示出),以在第二方向上提供波导和复制，使得复本的二维阵列由第二波导输出。空间调制光从第二波导的输出中继到眼盒/观察平面(由于波导实现的复制而扩展)。当观察系统(例如用户的眼睛)放置在眼盒/观察平面处时，观察系统接收空间调制光，该空间调制光形成在显示设备上以虚像距离显示的全息图图片的虚像，该虚像距离被编码在全息图中。

发明人发现，当观察系统位于观察平面/眼盒中时，光学系统600能够提供全息图图片的良好虚像。然而，发明人还发现，在观察平面(即包括多个复本的平面)处可能会形成/出现伪像。伪像可能包括由显示设备被非均匀强度的光照射而产生的暗带，和/或可能由显示设备的物理特征(例如显示设备的特征的散射)而产生。在任何情况下，伪像可被波导复制，以在观察平面处形成伪像的重复图案。例如，这可能显示为暗带网格。因此，虽然图片/全息重建的虚像本身可能是高质量的，但在观察平面处的图片虚像的视图可能看起来被重复的伪像图案所阻碍。观察系统可能必须有效地“看穿”伪像的重复图案来观察虚像。

全息图图像与全息重建图像的分离

图7是根据本公开的第一光学系统700的光学部件的横截面示意图，该光学系统700布置成使得全息图/显示设备的图像远离全息图的全息重建的虚像，从而减少或消除上述伪像的出现。

光学系统700包括由图7中的虚线702表示的光轴702。光学系统700包括显示设备704，在该示例中，显示设备704是硅上液晶空间光调制器。显示设备704布置成显示图片的全息图。显示设备704的下游是光中继器706。光中继器706包括第一透镜708和第二透镜710。

光学系统700的显示设备704和光中继器706非常类似于光学系统600的显示设备604和光中继器706。例如，光中继器706的第一透镜708包括前焦平面712和后焦平面714。前焦平面712在第一透镜708的上游，后焦平面714在第一透镜708的下游。光中继器706的第二透镜708包括前焦平面716和后焦平面718。前焦平面716在第二透镜710的上游，后焦平面718在第二透镜710的下游。第一和第二透镜708、710中的每个的前和后焦平面的法线平行于光轴702，并且从前和后焦平面中的每个到相应的第一或第二透镜的距离等于相应透镜的焦距f。在该示例中，显示设备704基本位于第一透镜708的前焦平面712处。在该示例中，第二透镜710的前焦平面716基本与第一透镜708的后焦平面714共面。在图7所示的示例中，第一和第二透镜708、710的焦距f是相同的。这样，光中继器形成4f系统(即光中继器的长度等于第一和第二透镜708、710的焦距f的四倍)。然而，在其他实施例中，第一透镜708的焦距可以不同于第二透镜710的焦距。在这种情况下，光中继器可以是放大(或缩小)望远镜。

与光学系统600不同，光学系统700还包括位于第二透镜710和波导711之间的光学部件750。该示例中的光学部件750是(第三)透镜。在该示例中，第三透镜750是傅立叶透镜。第三透镜750的前焦平面754在第三透镜750的上游，并且基本与第二透镜710的后焦平面718共面。第三透镜750的后焦平面756位于波导711的第一和第二表面722、724之间。

在该示例中，第三透镜750的焦距f与第一和第二透镜708、710的焦距f相同。这样，光中继器706和第三透镜750共同限定6f系统(其中第一透镜708的前焦平面712和第三透镜750的后焦平面756之间的间隔等于第一/第二或第三透镜708、710、752的焦距的六倍)。然而，在其他示例中，第三透镜750的焦距可以不同于第一透镜708和/或第二透镜710的焦距。

因此，根据本公开的光学系统600和光学系统700之间的重要区别在于，根据本公开的光学系统700包括显示设备704和波导711之间的附加透镜750。

光学系统600和光学系统700之间的另一个重要区别在于，在光学系统700中，显示在显示设备704上的全息图布置成使得当显示设备704被来自相干光源比如激光器的相干光照射时，全息图的图片的全息重建756形成在显示设备的下游。这是全息重建756，它是在显示设备704和全息重建756之间不使用物理透镜的情况下形成的。相反，计算全息图以在该位置形成全息重建756。具体地，全息图被计算/布置成使得全息重建756形成为使得全息重建756和第一透镜708之间的距离小于第一透镜708的焦距f，而显示设备704和第一透镜708之间的距离等于第一透镜708的焦距f。

光中继器706布置成中继显示设备上的全息图，以在第二透镜710的下游形成中继全息图760，并在中继全息图760的下游形成中继全息重建758。中继全息图760对应于显示设备(包括图片的显示全息图)。中继全息重建758对应于全息重建756。

在该示例中，中继全息重建758形成为使得中继全息重建758和第三透镜750之间的距离小于第三透镜750的焦距，而中继全息图760和第三透镜750之间的距离等于第三透镜750的焦距。通过以这种方式相对于第三透镜750定位中继全息图760和中继全息重建758，第三透镜750可以形成彼此远离的中继全息图和中继全息重建的图像。这将参照图8进行更详细的解释。

图8示出了图7的第三透镜750和波导711的截面示意图(以及中继全息图760和中继全息重建758)。这些部件与光学系统700的其他光学部件(例如显示设备704和光中继器706)分开示出。图8是示出来自中继全息图760和中继全息重建758的光线的示意光线图。

本领域技术人员将理解，当要成像的物体位于透镜的焦距处时,(凸)透镜(例如第三透镜750)将在无穷远处形成物体的虚像。如上所述，在第三透镜750的焦距f处(具体地，在第三透镜750的前焦平面752处)(通过光中继器706)形成中继全息图760。因此，第三透镜750布置成在无穷远处形成中继全息图760的虚像。无限远处的虚像在显示设备704/第三透镜750的上游。该虚像的形成由从中继全息图760到第三透镜750然后平行延伸的光线表示。在图8中，所述光线由包括交替配置的点划线的虚线示出。

技术人员还将理解，当待成像的物体定位成使得物体和透镜之间的距离小于透镜的焦距时,(凸)透镜(例如第三透镜750)将在所述透镜上游的有限像距处形成物体的虚像。如上所述,(通过光中继器706)形成中继全息重建758，使得中继全息重建758和第三透镜750之间的距离小于第三透镜750的焦距。换句话说，中继全息重建758位于第三透镜750的前焦平面752和第三透镜750本身之间。通过在此形成中继全息重建758，第三透镜750布置成在第三透镜750上游并在有限像距处形成中继全息重建758的虚像800。该虚像800的形成由从中继全息重建758到第三透镜750然后会聚到第三透镜750上游的光线表示。所述光线在图8中仅由包含点的虚线示出。

中继全息图的虚像760和中继全息重建758的虚像800都在第三透镜750的上游。然而，中继全息图760的虚像的虚像距离在无限远处，而中继全息重建758的虚像800的虚像距离是有限的。因此，两个虚像彼此远离(事实上，两个虚像之间的间隔实际上是无限的)。伪像(如上所述)可以是中继全息图760的虚像中的特征。伪像的外观在中继全息重建758的虚像800中可能不存在/不明显。发明人发现，通过如上所述分离两个虚像，可以显著减少或者甚至消除观察系统视场中的伪像的显著性。不希望被理论所束缚，据信这是因为中继全息图760的虚像(包括伪像)远离中继全息重建758的虚像，并且在这种情况下，正好投射到无限远处，超出中继全息重建758的虚像。因此，观察系统不需要“看穿”中继全息图760的虚像来观察中继全息重建758的虚像。

图9是根据本公开的第二光学系统900的光学部件的截面示意图，其布置成使得全息图/显示设备的图像远离全息重建的虚像，从而减少或消除上述伪像的出现。第二光学系统900与第一光学系统700的相似之处在于，第二光学系统900布置成使得中继全息图和中继全息重建在相对于第三透镜的位置处形成，使得两者的图像彼此远离。然而，在第二光学系统900中，中继全息图的图像是在波导下游(例如在观察系统后面)形成的实像，而不是在无限远处和第三透镜的上游。这将在下面更详细地描述。

光学系统900包括由图9中的虚线902表示的光轴。光学系统900包括显示设备904，在该示例中，显示设备904是硅上液晶空间光调制器。显示设备904布置成显示图片的全息图。显示设备904的下游是光中继器906。光中继器906包括第一透镜908和第二透镜910。光学系统900还包括第三透镜950。

光学系统900的显示设备904、光中继器906和第三透镜950非常类似于第一光学系统700的显示设备704、光中继器706和第三透镜。例如，光中继器906的第一透镜908包括前焦平面912和后焦平面914。前焦平面912在第一透镜908的上游，后焦平面914在第一透镜908的下游。光中继器906的第二透镜910包括前焦平面916和后焦平面918。前焦平面916在第二透镜910的上游，后焦平面918在第二透镜910的下游。第一和第二透镜908、910中的每个的前和后焦平面的法线平行于光轴902，并且从前和后焦平面中的每个到相应的第一或第二透镜的距离等于相应透镜的焦距f。在该示例中，第二透镜910的前焦平面916基本与第一透镜908的后焦平面914共面。在图9所示的示例中，第一和第二透镜908、910的焦距f是相同的。这样，光中继器形成4f系统(即光中继器的长度等于第一和第二透镜908、910的焦距f的四倍)。然而，在其他实施例中，第一透镜908的焦距可以不同于第二透镜910的焦距。在这种情况下，光中继器可以形成放大(或缩小)望远镜。如同在第一光学系统700中一样，第三透镜950是傅立叶透镜。第三透镜950的前焦平面954在第三透镜的上游，并且基本与第二透镜910的后焦平面918共面。第三透镜950的后焦平面956位于波导911的第一和第二表面之间。在该示例中，第三透镜950的焦距f与第一和第二透镜908、910的焦距相同。这样，光中继器906和第三透镜950共同限定6f系统(其中第一透镜908的前焦平面912和第三透镜950的后焦平面956之间的间隔等于第一/第二或第三透镜908、910、952的焦距的六倍)。然而，在其他示例中，第三透镜950的焦距可以不同于第一透镜908和/或第二透镜910的焦距。

第一光学系统700和第二光学系统900之间的关键区别在于，在第二光学系统900中，显示设备904基本不位于第一透镜908的前焦平面912处(如第一光学系统700中的情况)。相反，显示设备904和第一透镜908之间的距离大于第一透镜908的焦距f。然而，类似于第一光学系统700，在第二光学系统900中，显示在显示设备904上的全息图布置成使得全息图的图片的全息重建956形成在显示设备的下游，使得全息重建956和第一透镜908之间的距离小于第一透镜908的焦距f。这样，第二光学系统900中的显示设备904和全息重建956之间的距离大于第二光学系统700中的显示设备704和全息重建756之间的距离。

光中继器906布置成中继显示设备上的全息图，以在第二透镜910的下游形成中继全息图960，并在中继全息图960的下游形成中继全息重建958。中继全息图960对应于显示设备(包括图片的显示全息图)。中继全息重建958对应于全息重建956。

在该示例中，中继全息重建958形成为使得中继全息重建958和第三透镜950之间的距离小于第三透镜950的焦距，而中继全息图960和第三透镜950之间的距离大于第三透镜950的焦距。通过以这种方式相对于第三透镜950定位中继全息图960和中继全息重建986，第三透镜950可以形成彼此远离的中继全息图和中继全息重建的图像。这将参照图10进行更详细的解释。

图10示出了图9的第三透镜950和波导911的截面示意图(以及中继全息图960和中继全息重建958)。这些部件与光学系统900的其他光学部件(例如显示设备904和光中继器906)分开示出。图10是示出来自中继全息图960和中继全息重建958的光线的示意光线图。

本领域技术人员将理解，当待成像物体位于透镜焦距之外时,(凸)透镜(例如第三透镜958)将形成物体的实像。所述实像将在所述透镜下游的有限像距处形成。如上所述，中继全息图960在第三透镜950的焦距f之外形成(通过光中继器906)。特别地，中继全息图960和第三透镜950之间的距离大于第三透镜的焦距f。因此，第三透镜950布置成在第三透镜950的下游形成中继全息图960的实像1002。该实像1002的形成由光线表示，该光线从中继全息图960到达第三透镜950，然后会聚在第三透镜950(和波导911)下游的一点处。在图10中，所述光线由包括交替配置的点划线的虚线示出。

在第一和第二光学系统700、900中，(通过光学中继)形成中继全息重建，使得中继全息重建和第三透镜之间的距离小于第三透镜的焦平面。因此，如同在第一光学系统700中，在第二光学系统900中，第三透镜950布置成在第三透镜950上游并在有限像距处形成中继全息重建958的虚像1000。该虚像1000的形成由从中继全息重建958到第三透镜950然后会聚在第三透镜950上游的一点处的光线表示。所述光线在图10中仅由包含点的虚线示出。

因此，第三透镜950(以及更一般的光学系统900)布置成形成第三透镜上游的中继全息重建958的虚像和波导911下游的中继全息图960的实像。这样，两个图像(虚像和实像)彼此远离。

在示例中，中继全息图960的实像在观察窗/眼盒(图中未示出，但将位于波导911和中继全息图960的实像之间)的下游。因此，如上所述，因为据信伪像在中继全息图960的图像中是可见/明显的，而非中继全息重建958，所以伪像在观察系统的视场中的显著性可被显著降低甚至消除。特别地，中继全息重建958的图像在观察系统的前面，中继全息图960在观察系统的后面，使得观察系统在观察全息重建958的虚像时不需要“看穿”中继全息图(包括伪像)的图像。

上面描述的第一和第二光学系统700、900(根据本公开)每个都包括光中继器702、902。每个示例中的光中继器形成中继全息图760、960和全息图图片的中继全息重建758、958。每个示例中的第三透镜750、950然后形成中继全息图和中继全息重建的图像。根据本公开的一些示例不包括光中继器。这些示例包括(单个)透镜，其形成全息图/显示设备本身和全息重建本身的图像，而不是全息图和全息重建的中继版本。然而，原理与前面描述的基本相同，因为全息图/显示设备和全息重建相对于(单个)透镜定位，使得全息图/显示设备的图像远离全息重建的图像，从而减少/消除上述伪像的出现/影响。这样的示例(没有光中继器)在这里结合图11和12进行描述。

图11示出了光学系统1100的第三示例的截面示意图。光学系统1100不包括光中继器。

光学系统1100包括由图11中的虚线1102表示的光轴。光学系统1100包括显示设备1104，在该示例中，显示设备1104是硅上液晶空间光调制器。显示设备1104布置成显示图片的全息图。光学系统1100还包括显示设备1104下游的(单个)透镜1150，在该示例中，该透镜是会聚傅立叶透镜。第三透镜1150的前焦平面1154在透镜的上游。透镜1150的后焦平面1156位于波导1111的第一和第二表面之间。显示设备1104基本位于透镜1150的前焦平面1152处，使得显示设备1104和透镜1150之间的距离等于第三透镜1150的焦距f。显示在显示设备1104上的全息图布置成使得全息图的图片的全息重建1156形成在显示设备的下游，使得全息重建1156和透镜1150之间的距离小于透镜950的焦距f。通过以这种方式相对于透镜1150定位全息图1160和中继全息重建1186，透镜1150可以形成彼此远离的全息图和全息重建的图像。特别地，透镜1158将在无穷远处在显示设备1104的上游形成全息图1160的虚像，并将在有限像距处在显示设备1104的上游形成全息重建1158的虚像。因此，两个虚像彼此远离(事实上，两个虚像之间的间隔实际上是无限的)。

图12示出了光学系统1200的第四示例的截面示意图。同样，光学系统1200不包括光中继器。

光学系统1200包括由图12中的虚线1202表示的光轴。光学系统1200包括显示设备1204，在该示例中，显示设备1204是硅上液晶空间光调制器。显示设备1204布置成显示图片的全息图。光学系统1200还包括显示设备1204下游的(单个)透镜1250，在该示例中，该透镜是会聚傅立叶透镜。透镜1250的前焦平面1254在透镜的上游。透镜1250的后焦平面1256位于波导1211的第一和第二表面之间。显示设备1204位于透镜1250的前焦平面1254之外，使得显示设备1204和透镜1250之间的距离大于透镜1250的焦距f。显示在显示设备1204上的全息图布置成使得全息图的图片的全息重建1256形成在显示设备的下游，使得全息重建1256和透镜1250之间的距离小于透镜1250的焦距f。通过以这种方式相对于透镜1250定位全息图1260和中继全息重建1256，透镜1250可以形成彼此远离的全息图和全息重建的图像。特别地，透镜1250将在波导1211的下游形成全息图1160的实像，并将在有限像距处在显示设备1204的上游形成全息重建1258的虚像。因此，两个虚像彼此远离(事实上，两个虚像之间的间隔实际上是无限的)。

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 (13)

1.一种具有观察窗的光学系统，其中，该光学系统包括：

显示设备，其布置成根据显示在其上的全息图对光进行空间调制以形成全息波前，其中全息波前形成显示设备下游的图像的全息重建；

波导，其布置成接收全息波前并在其一对反射表面之间波导全息波前，其中该对反射表面中的一个表面是部分透射的，使得全息波前的多个复本从其发射；以及

在全息重建和波导之间的光学部件，其中该光学部件布置成(a)在显示设备的上游形成全息重建的虚像，并且(b)在无限远处或波导的下游形成所显示的全息图的图像。

2.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学部件布置成使得耦合到所述波导中的波前是编码图片的全息波前的变换，可选地是全息波前的傅立叶变换。

3.如权利要求1或2所述的光学系统，其中，该光学系统还包括：

在所述显示设备和波导之间的光中继器，其中光中继器包括两个透镜，所述两个透镜配合布置以形成中继全息图和中继全息重建，其中中继全息图是显示在显示设备上的全息图的图像，中继全息重建是由显示在显示设备上的全息图形成的全息重建的图像，

其中，所述光学部件位于中继全息重建和波导之间，并且(a)中继全息重建和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距，使得由光学部件形成的全息重建的虚像是中继全息重建的虚像；并且(b)中继全息图和光学部件之间的距离等于光学部件的焦距，使得由光学部件形成的全息图的图像是在无穷远处形成的虚像。

4.如权利要求1或2所述的光学系统，其中，该光学系统还包括：

在所述显示设备和波导之间的光中继器，其中光中继器包括两个透镜，所述两个透镜配合布置以形成中继全息图和中继全息重建，其中中继全息图是显示在显示设备上的全息图的图像，中继全息重建是由显示在显示设备上的全息图形成的全息重建的图像，

其中，所述光学部件位于中继全息重建和波导之间，并且(a)中继全息重建和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距，使得由光学部件形成的全息重建的虚像是中继全息重建的虚像；并且(b)中继全息图和光学部件之间的距离大于光学部件的焦距，使得由光学部件形成的全息图的图像是在波导下游形成的实像。

5.如权利要求1或2所述的光学系统，其中，(i)所述全息重建和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距，使得全息重建的图像是在所述显示设备上游形成的虚像，并且(ii)显示设备和波导之间的距离等于光学部件的焦距，使得全息图的图像形成在无穷远处(全息图的上游)。

6.如权利要求1或2所述的光学系统，其中，(i)所述全息重建和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距，使得全息重建的图像是在所述显示设备上游形成的虚像，并且(ii)显示设备和波导之间的距离大于光学部件的焦距，使得全息图的图像形成在波导的下游。

7.如权利要求4或6所述的光学系统，其中，由所述光学部件形成的全息图或中继全息图的图像是在所述光学系统的观察窗下游形成的实像。

8.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述全息重建的虚像和由所述光学部件形成的显示全息图的图像之间的距离大于1米，例如大于2米或大于5米。

9.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述光学部件布置成使得从光学部件到所述全息重建的虚像的距离在0.5至10米的范围内。

10.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述光学部件的焦距小于150mm，例如小于120mm或小于100mm。

11.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，由所述波导接收的全息波前包括非准直光，例如发散光。

12.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，每个衍射图案代表透镜/将光带到焦点。

13.一种全息图像形成方法，该方法包括：

根据显示在显示设备上的全息图对光进行空间调制，以形成全息波前；

在显示设备的下游形成图像的全息重建；

使用光学部件在显示设备的上游形成全息重建的虚像；

使用光学部件在波导的无穷远处或下游形成所显示的全息图的图像；以及

在波导处接收全息波前，并在其一对反射表面之间波导全息波前，其中该对反射表面中的一个表面是部分透射的，使得全息波前的多个复本从其发射；

其中，光学部件位于全息重建和波导之间。