TW202136836A - 光瞳擴展 - Google Patents

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Abstract

本文揭示一種包含光學平板及光楔之波導。該光學平板具有第一折射率n1 ＞ 1。該光學平板包含：一對相對表面以及輸入埠。該對相對表面以平行組態的方式配置。該輸入埠被配置以用於在一角度處將光接收至該光學平板中，使得該光藉由一連串內反射在相對的第一表面與第二表面之間被導引。該光楔具有第二折射率n 2 ，其中1＜n 2 ＜n 1 。該光楔包含以楔形組態配置之一對相對表面。該光楔之第一表面鄰接該光學平板之第二表面以形成介面，該介面允許由該光學平板導引之光在沿著該介面之複數個點處部分地透射至該光楔中，使得該光被多次劃分。該光楔之角度允許在該介面處接收之光自該光楔之該第二表面逸出，使得該波導之出射光瞳藉由該光之多次劃分而擴展。

Description

光瞳擴展
本發明關於一種光瞳擴展器，諸如波導光瞳擴展器。更特定言之，本發明關於一種用於平視顯示器之圖像產生單元之平板波導光瞳擴展器。本發明亦關於一種投影機及一種投影方法，諸如全像投影。一些具體實例是關於一種平視顯示器及一種增大平視顯示器之檢視窗口或眼睛運動箱之方法。
從物件散射之光含有振幅及相位資訊兩者。可藉由熟知之干涉技術在例如感光性板上獲得此振幅及相位資訊，以形成包含干涉條紋之全像記錄或稱「全像圖」。可藉由運用合適光進行照射來重建全像圖，以形成表示原始物件之二維或三維全像重建或重放影像。
電腦產生之全像術可在數值上模擬干涉過程。可藉由基於諸如菲涅爾（Fresnel）或傅立葉變換（Fourier transform）之數學變換之技術來計算電腦產生之全像圖。此等類型之全像圖可稱為菲涅爾/傅立葉變換全像圖或簡稱菲涅爾/傅立葉全像圖。傅立葉全像圖可被認為是物件之傅立葉域(domain)/平面表示或物件之頻域/平面表示。亦可藉由例如相干射線追蹤或點雲技術來計算電腦產生之全像圖。
可在配置用以調變入射光之振幅及/或相位的空間光調變器上對電腦產生之全像圖進行編碼。舉例而言，可使用可電定址液晶、可光學定址液晶或微鏡來達成光調變。
空間光調變器典型地包含複數個亦可稱為胞元(cell)或元素(element)之可個別定址像素。光調變方案可為二元的、多位階的或連續的。替代地，裝置可為連續的（亦即，不包含像素），且因此跨越該裝置之光調變可為連續的。空間光調變器可為反射的，此意謂調變過的光以反射方式輸出。空間光調變器同樣可為透射性的，此意謂調變過的光以透射方式輸出。
可使用本文所描述之系統提供全像顯示裝置，諸如全像投影機。此類投影機已應用於平視顯示器「HUD」中。
本文揭示一種包含光學平板及光楔之波導。該光學平板具有第一折射率n 1 ＞ 1。該光學平板包含：一對相對表面及輸入埠，或更簡單地，「輸入」。該對相對表面以平行組態配置。亦即，該光學平板之第一表面與第二表面實質上平行。該第一表面包含輸入（埠），該輸入經配置而以一角度將光接收至光學平板中，使得光藉由一系列內反射被導引在相對的第一表面與第二表面之間。因此，在具體實例中，第一表面在輸入（埠）處並不平行於第二表面。該光楔具有第二折射率n2 ，其中1＜n2 ＜n1 。
該光楔包含以楔形組態配置之一對相對表面。亦即，該光楔之第一表面與第二表面不平行。該光楔具有一個相對厚端及一個相對薄端。該光楔之第一表面鄰接該光學平板之第二表面，且實質上平行於該光學平板之第二表面，以形成介面，其允許由光學平板導引之光在沿該介面之複數個點處部分地透射至光楔中，使得光被多次劃分。一般而言，光楔之第一表面與第二表面之間存在銳角，使得光楔之第二表面與第一表面之間的距離或間隔（在實質上垂直於光楔之第一表面的方向上）隨著與波導之輸入端相距的距離增大而減小。因此，第二表面通常逐漸變窄以在波導之輸出端處的一點或頂點處與第一表面相接。光楔之角允許在介面處接收之光自光楔之第二表面逸出，使得波導之出射光瞳藉由光之多次劃分而擴展。光藉由平板的第一表面與周圍介質（例如空氣）之間的介面處的全內反射而牽制於波導內。
光學平板之相對的第一表面及第二表面為平板之光導引表面。亦即，其為使光藉由內反射在其間反彈以便以光學領域中具通常知識者將熟悉之方式將光自平板的一端傳播至另一端的表面。就此而言，可稱光學平板之第一表面及第二表面為光學平板之主表面。在本文中的用詞-平板，是用以反映所述第一表面及第二表面為實質上平面且實質上平坦的。所屬領域中具通常知識者將熟悉光學平板，所述光學平板具有傳播軸線或傳播方向，所述傳播軸線或傳播方向指示光被導引之一般方向（即使實際光線路徑是在兩個光導引表面之間為鋸齒形的）。光學平板之該對光導引表面實質上平行，使得每一反彈之入射角是恆定的。
光楔之第一（底部）表面鄰接光學平板之第二（頂部）表面。光學平板之第一（底部）表面及光楔之第二（頂部）表面形成具有低折射率材料（諸如空氣）之介面。光學平板之材料的折射率高於光楔之材料的折射率。平板與光楔之間的介面產生光線之複數個複本(replica)。光楔之成角度的第二（頂部）表面允許光路複本離開波導。波導之出射光瞳藉由形成光線之複數個複本而擴展。光楔之第一（底部）表面接收光，且光楔之第二（頂部）表面透射光。就此而言，可稱光楔之第一及第二表面為光楔之主表面。術語「楔形」在本文中用以反映組件的厚端在厚度上向下至薄端逐漸減小。逐漸減小可為線性或非線性的。術語楔形亦反映頂部表面與底部表面之間存在角度。該角度可為恆定的，或沿著光楔隨著距離而改變。光楔之第一（底部）表面上之入射角不同於光楔之第二（頂部）表面上之入射角。在本文中使用彎曲楔形表面所描述之具體實例中，光在光楔之第一（底部）表面上之入射角大於光在光楔之第二（頂部）表面上之入射角。
在具體實例中，自光學平板之第一（底部）表面的反射滿足全內反射之條件，亦即入射角大於平板與空氣之間的臨界角。在具體實例中，自光學平板的第二（頂部）表面的反射不滿足全內反射條件，且因此一些光藉由平板與光楔之間的介面進行透射。這是因為平板-楔形介面之臨界角大於平板-空氣介面之臨界角，因為1 ＜n2 ＜n1 。在從平板-楔形介面之每一反彈時，光被劃分。在具體實例中，提供複數次劃分以用於光瞳擴展。光楔用以自波導提取或耦合光。光楔之底部表面由於折射率高於空氣而破壞平板內之全內反射的條件。藉由使頂部表面相對於底部表面成角度而增大光楔之頂部表面的透射率。本發明之波導製造起來不複雜，且提供減小自去耦組件之頂部表面的非所需反射之強度的技術改進。
波導光瞳擴展器之問題在於每一複本之強度並不相同，因為光隨每一反彈而被不斷地劃分。本發明者已藉由使光楔之頂部表面彎曲來解決此問題。特定言之，光楔之相對的第一表面與第二表面之間的角度隨距輸入（埠）之距離而改變。根據具體實例，光楔之相對的第一表面與第二表面之間的角度朝輸入端增大且朝輸出端減小。換言之，光楔之角度朝輸入端較陡，且朝輸出端陡度較小（或角度變小）。因此，可補償複本之間的強度差異。換言之，彎曲至少部分地補償複本隨每一反彈而減小的強度。在一些情況下，可使透射光在每次劃分時之強度實質上相同。彎曲如本文中所描述進行補償，此係因為隨沿波導之距離而改變（例如，減小）的入射角改變透射率，如所屬領域中具通常知識者將自其對菲涅爾等式之理解而瞭解的。在一些具體實例中，光楔之第二表面形成波導之凹形表面。在其他具體實例中，光楔之第二表面形成波導之凸形表面。
本文揭示一種包含波導的平視顯示器，其中波導之彎曲表面形成平視顯示器之角度防護玻璃罩(angled cover glass)或眩光陷阱(glare trap)。因此，本發明之波導用於管理平視顯示器頂部表面之日光反射的額外目的。
在其他具體實例中，光楔之頂部表面為實質上平坦的。亦即，光楔之相對的第一表面與第二表面之間的角度隨距輸入（埠）之距離而實質上恆定。
在一些具體實例中，光楔之折射率隨著與輸入（埠）相距的距離而改變，視情況隨著與輸入（埠）相距的距離而增大。若光楔之折射率隨距輸入之距離而增大，則光楔之折射率與光學平板之折射率之間的對應差隨距輸入之距離而減小，且因此平板楔形介面處之反射量隨該距離而對應地減小。因此，在光楔與平板之間的介面處透射之光的比例隨著與平板之輸入（埠）相距的距離而改變。此折射率梯度可至少部分地補償每一複本隨著與輸入（埠）相距的距離而減小的強度。
在一替代性具體實例中，折射率匹配流體層包夾在光學平板與光楔之間。折射率匹配流體之折射率可隨著與輸入（埠）相距的距離而改變。折射率匹配流體之折射率可隨著與輸入（埠）相距的距離而增大。再次，此將促進較高比例之剩餘光被透射，而非隨著與輸入相距的距離增大而在平板楔形介面處反射至平板中。折射率隨沿著介面之距離的改變可至少部分地補償每一複本隨著與輸入（埠）相距的距離而減小的強度。
在其他實例中，光楔進一步包含執行至少部分強度校正之梯度塗層，諸如梯度不透明塗層。梯度塗層可為雙色的。換言之，梯度塗層至少部分地補償每一複本隨沿波導的距離而減小的強度。舉例而言，梯度塗層的不透明性可隨沿波導的距離而減小。
在一些具體實例中，光學平板包含輸出（或出射）埠。輸出埠可與輸入埠互補，諸如與輸入埠對置。輸出埠可處於光學平板之與輸入埠相對的末端。已自輸入埠透射至平板的另一端的光（亦即，已保持在平板內部）可經由輸出埠自光學平板移除，以便防止例如非所需的背向反射。因此，可稱光學平板包括經配置以自光學平板射出光的輸出埠。更特定言之，輸出埠射出尚未透射至光楔中的光。
本文亦揭示一種顯示系統，例如影像投影機，其包括波導及經配置以顯示圖案之圖像產生單元，其中由輸入（埠）接收之光係由圖像產生單元顯示之圖案之光。
該顯示系統可進一步包含在圖像產生單元與波導之間的光學系統。該光學系統可包含選自包含以下各者之群中的至少一者：準直透鏡、被配置以形成諸如縮小望遠鏡之望遠鏡的一對透鏡及空間濾波器。在一些具體實例中，波導被配置以用於接收準直光或實質上準直光。
該圖像產生單元可為全像投影機。所顯示之圖案為全像圖，諸如傅立葉或菲涅爾全像圖。此等具體實例之特徵在於顯示裝置（例如空間光調變器）與檢視者之間不存在螢幕。此等具體實例有時稱為「直接檢視」，因為檢視者直接觀看顯示裝置。有時可稱，在此等組態中，檢視者之眼睛執行全像圖之傅立葉變換。
所顯示之圖案可為對應於全像圖的圖像，諸如由全像圖形成的全像圖重建圖像。因此，由波導接收之光為圖像之光。可稱圖像之光線由波導複製。有時簡而言之，圖像由波導複製。圖像可形成於諸如漫射螢幕之螢幕上。
本文中亦揭示一種光瞳擴展方法。該方法包含經由輸入埠將光接收至光學平板中的一第一步驟，其中光學平板具有第一折射率n 1 ＞ 1。該方法包含藉由一系列內反射在光學平板之相對的第一表面與第二表面之間導引光的第二步驟，其中相對的第一表面及第二表面以平行組態配置。該方法包含藉由在光楔之第一表面與光學平板之第二表面之間形成介面而將光劃分多次的第三步驟，該介面允許在沿著該介面之複數個點處將光部分地透射至光楔中，其中光楔具有第二折射率n2 且1 ＜n 2 ＜n 1 。該方法包含將光楔之相對的第一表面及第二表面配置成楔形組態，使得由光楔經由介面（亦即經由第一表面）接收之光自光楔之第二表面逸出，使得波導之出射光瞳藉由光之多次劃分而擴展。
術語「全像圖」用以指含有關於物件之振幅資訊或相位資訊或其某一組合的記錄。術語「全像重建」用以指藉由照射全像圖形成的物件之光學重建。本文中所揭示之系統被描述為「全像投影機」，此係因為全像重建係真實影像且與全像圖在空間上分離。術語「重放場(replay field)」用以指在其內形成且完全聚焦全像重建的2D區域。若在包含像素之空間光調變器上顯示全像圖，則重放場將以複數個繞射階之形式重複，其中每一繞射階係零階重放場之複本。零階重放場通常對應於較佳或主要重放場，此係因為其係最亮的重放場。除非另外明確陳述，否則術語「重放場」應被視為係指零階重放場。術語「重放平面(replay plane)」用以指含有所有重放場之空間中的平面。術語「影像」、「重放影像(replay image)」及「影像區」係指由全像重建之光照射的重放場之區域。在一些具體實例中，「影像」可包含離散光點，該等離散光點可稱為「影像光點」或僅出於方便起見稱為「影像像素」。
術語「寫入」或「定址」可用以描述向SLM之複數個像素提供分別判定每一像素之調變位準的各別複數個控制值的過程。可稱SLM之像素經組態以回應於接收到複數個控制值而「顯示」光調變分佈。因此，可稱SLM「顯示」全像圖，且全像圖可被認為係光調變值或位準之陣列。
已發現，具有可接受品質之全像重建可由僅含有與原始物件之傅立葉變換相關之相位資訊的「全像圖」形成。此類全像記錄可稱為僅相位全像圖。具體實例係關於僅相位全像圖，但本發明同樣適用於僅振幅全像術。
本發明亦同樣適用於使用與原始物件之傅立葉變換相關之振幅及相位資訊來形成全像重建。在一些具體實例中，此係藉由使用含有與原始物件相關之振幅及相位資訊兩者之所謂的完全複合全像圖之複合調變來達成。此類全像圖可稱為完全複合全像圖，此係因為指派至全像圖之每一像素之值（灰階）具有振幅及相位分量。指派至每一像素之值（灰階）可表示為具有振幅及相位分量兩者之複數。在一些具體實例中，計算完全複合的電腦產生之全像圖。
可參考電腦產生之全像圖或空間光調變器之像素的相位值、相位分量、相位資訊（或簡言之相位）作為「相位延遲」的簡寫。亦即，所描述之任何相位值實際上為表示由彼像素提供之相位延遲之量的數目（例如在0至2π範圍內）。舉例而言，描述為具有π/2之相位值的空間光調變器之像素將延遲所接收到之光的相位π/2弧度。在一些具體實例中，空間光調變器之每一像素在複數個可能調變值（例如相位延遲值）中之一者中可操作。術語「灰階」可用以指複數個可用調變位準。舉例而言，術語「灰階」為方便起見可用於指代僅相位調變器中之複數個可用相位位準，即使不同相位位準並不提供不同灰度位階。術語「灰階」為方便起見亦可用以指複合調變器中之複數個可用複合調變位準。
全像圖因此包含灰階之陣列，亦即光調變值之陣列，諸如相位延遲值或複合調變值之陣列。全像圖亦被視為繞射圖案，此係因為其為當顯示於空間光調變器上並運用具有與空間光調變器之像素間距相當，通常小於該像素間距的波長之光照射時引起繞射的圖案。本文中對組合全像圖與其他繞射圖案（諸如充當透鏡或光柵之繞射圖案）進行了參考。舉例而言，充當光柵之繞射圖案可與全像圖組合以在重放平面上平移重放場，或充當透鏡之繞射圖案可與全像圖組合以將全像重建聚焦於近場中之重放平面上。
儘管不同具體實例及具體實例之群可在以下詳細描述中單獨地揭示，但任何具體實例或具體實例之群的任何特徵可與任何具體實例或具體實例之群的任何其他特徵或特徵之組合加以組合。亦即，設想本發明中所揭示之特徵之所有可能的組合及排列。
本發明並不受限於下文描述之具體實例，而擴展至所附申請專利範圍之完整範圍。亦即，本發明可利用不同形式體現，且不應被解釋為受限於出於說明之目的而陳述之所描述具體實例。
除非另外規定，否則單數形式之術語可包括複數形式。
描述為形成於另一結構之上部部分/下部部分處或在其他結構上/下的結構應被解釋為包括其中該等結構彼此接觸的情況，又或者是其中有第三結構安置於其間的情況。
在描述時間關係時，例如，當事件之時間順序描述為「之後」、「後續」、「接下來」、「之前」或諸如此類時，除非另外規定，否則本發明應被視為包括連續及非連續事件。舉例而言，本說明書應被視為包括不連續之情況，除非使用諸如「剛剛」、「緊接」或「直接」之措辭。
儘管術語「第一」、「第二」等可在本文中用以描述各種元件，但此等元件並不受此等術語限制。此等術語僅用以將一個元件與另一元件區分開來。舉例而言，在不脫離所附申請專利範圍之範圍的情況下，可將第一元件稱為第二元件，且類似地，可將第二元件稱為第一元件。
不同具體實例之特徵可部分或整體彼此耦接或組合，且可以不同方式彼此互相操作。一些具體實例可彼此獨立地進行，或可以相互依賴關係一起進行。
光學組態
圖1展示其中電腦產生之全像圖編碼於單一空間光調變器上的具體實例。電腦產生之全像圖用於重建之物件的傅立葉變換。因此可稱全像圖為物件之傅立葉域或頻域或光譜域表示。在此具體實例中，空間光調變器為反射性矽上液晶「liquid crystal on silicon，LCOS」裝置。全像圖編碼於空間光調變器上，且全像重建形成於重放場，例如諸如螢幕或漫射器(diffuser)之光接收表面處。
光源110（例如雷射或雷射二極體）被安置以經由準直透鏡111照射SLM 140。準直透鏡使光之大體上平面的波前入射於SLM上。在圖1中，波前之方向是離位的(off-normal)（例如與真正地正交於透明層之平面相差二或三度）。然而，在其他具體實例中，大體上平面波前是以正入射提供，且分束器配置用以將輸入與輸出光學路徑分開。在圖1中所展示之具體實例中，該配置使得來自光源之光自SLM之鏡像後表面反射，且與光調變層相互作用以形成出射波前112。出射波前112應用於包括焦點處於螢幕125處的傅立葉變換透鏡120之光學件。更特定言之，傅立葉變換透鏡120自SLM 140接收調變光之光束，並執行頻率空間變換以在螢幕125處產生全像重建。
值得注意的是，在此類型之全像術中，全像圖之每一像素促成整個重建。在重放場上之特定點（或影像像素）與特定光調變元素（或全像圖像素）之間不存在一對一相關性。換言之，射出光調變層之調變光跨越重放場分佈。
在此等具體實例中，全像重建在空間中之位置係由傅立葉變換透鏡之屈光（聚焦）能力判定。在圖1中所展示之具體實例中，傅立葉變換透鏡為實體透鏡。亦即，傅立葉變換透鏡為光學傅立葉變換透鏡，且以光學方式執行傅立葉變換。任何透鏡皆可充當傅立葉變換透鏡，但透鏡之效能將限制其執行的傅立葉變換之準確度。所屬領域中具通常知識者理解如何使用透鏡來執行光學傅立葉變換。
全像圖計算
在一些具體實例中，電腦產生之全像圖為傅立葉變換全像圖，或簡稱傅立葉全像圖或基於傅立葉之全像圖，其中影像藉由利用正透鏡之傅立葉變換性質而重建於遠場中。藉由將重放平面中之所要光場傅立葉變換回透鏡平面來計算傅立葉全像圖。可使用傅立葉變換來計算電腦產生之傅立葉全像圖。
可使用諸如蓋師貝格-撒克斯通演算法之演算法來計算傅立葉變換全像圖。此外，蓋師貝格-撒克斯通演算法可用以根據空間域中之僅振幅資訊（諸如相片）計算傅立葉域中之全像圖（亦即傅立葉變換全像圖）。自空間域中之僅振幅資訊有效地「擷取」與物件相關之相位資訊。在一些具體實例中，使用蓋師貝格-撒克斯通演算法或其變體根據僅振幅資訊來計算電腦產生之全像圖。
蓋師貝格-撒克斯通演算法考慮當分別在平面A及B中之光束，Ia （x,y）及Ib （x,y）之強度橫截面係已知的且Ia （x,y）及Ib （x,y）與單一傅立葉變換相關時的情形。在給定強度橫截面之情況下，發現平面A及B中之各別相位分佈的近似值ψA（x,y）及ψB（x,y）。蓋師貝格-撒克斯通演算法藉由遵循疊代過程發現此問題之解決方案。更特定言之，蓋師貝格-撒克斯通演算法疊代地應用空間及光譜約束，同時在空間域與傅立葉（光譜或頻率）域之間重複地傳送表示Ia （x,y）及Ib （x,y）之資料集（振幅及相位）。經由演算法之至少一次疊代獲得光譜域中之對應的電腦產生之全像圖。演算法是收斂的，且經配置以產生表示輸入影像之全像圖。全像圖可為僅振幅全像圖、僅相位全像圖或完全複合全像圖。
在一些具體實例中，使用基於例如特別以引用的方式全文併入本申請的英國專利2,498,170或2,501,112中所描述的蓋師貝格-撒克斯通演算法之演算法計算僅相位全像圖(phase‐only hologram)。然而，本文所揭示之具體實例描述僅作為實例計算僅相位全像圖。在此等具體實例中，蓋師貝格-撒克斯通演算法擷取產生已知振幅資訊T[x,y]的資料集之傅立葉變換之相位資訊ψ[u,v]，其中振幅資訊T[x,y]表示目標影像（例如相片）。由於幅度及相位固有地組合於傅立葉變換中，因此所變換幅度及相位含有關於所計算資料集之準確度的適用資訊。因此，可運用對振幅及相位資訊兩者之回饋疊代地使用演算法。然而，在此等具體實例中，僅相位資訊ψ[u,v]用作全像圖以形成表示影像平面處的目標影像之全像圖。全像圖為相位值之資料集（例如2D陣列）。
在其他具體實例中，基於蓋師貝格-撒克斯通演算法之演算法用以計算完全複合全像圖。完全複合全像圖為具有幅度分量及相位分量之全像圖。全像圖為包含複合資料值之陣列的資料集（例如2D陣列），其中每一複合資料值包含幅度分量及相位分量。
在一些具體實例中，演算法處理複合資料且傅立葉變換為複合傅立葉變換。複合資料可被視為包含（i）實分量及虛分量或（ii）幅度分量及相位分量。在一些具體實例中，在演算法之各個階段以不同方式處理複合資料之兩個分量。
圖2A說明用於計算僅相位全像圖之根據一些具體實例之演算法的第一疊代。至演算法之輸入為包含像素或資料值之2D陣列的輸入影像210，其中每一像素或資料值為幅度值或振幅值。亦即，輸入影像210之每一像素或資料值不具有相位分量。輸入影像210因此可被認為僅幅度或僅振幅或僅強度分佈。此輸入影像210之實例為包含圖框之時間序列的相片或一個視訊圖框。演算法之第一疊代開始於資料形成步驟202A，該步驟包含使用隨機相位分佈（或隨機相位種子）230將隨機相位值指派至輸入影像之每一像素以形成起始複合資料集，其中集合之每一資料元素包含幅度及相位。可稱起始複合資料集表示空間域中之輸入影像。
第一處理區塊250接收起始複合資料集，並執行複合傅立葉變換以形成傅立葉變換之複合資料集。第二處理區塊253接收傅立葉變換之複合資料集並輸出全像圖280A。在一些具體實例中，全像圖280A為僅相位全像圖。在此等具體實例中，第二處理區塊253量化每一相位值，且將每一振幅值設定成統一值以便形成全像圖280A。每一相位值係根據可在將用以「顯示」僅相位全像圖之空間光調變器之像素上表示的相位位準來量化。舉例而言，若空間光調變器之每一像素提供256個不同相位位準，則將全像圖之每一相位值量化成256個可能相位位準中之一個相位位準。全像圖280A為表示輸入影像的僅相位傅立葉全像圖。在其他具體實例中，全像圖280A為包含自所接收傅立葉變換複合資料集導出的複合資料值（各自包括振幅分量及相位分量）之陣列的完全複合全像圖。在一些具體實例中，第二處理區塊253將每一複合資料值限制於複數個可允許複合調變位準中之一者以形成全像圖280A。限制步驟可包括將每一複合資料值設定成複合平面中之最接近的可允許複合調變位準。可稱全像圖280A表示光譜域或傅立葉域或頻域中之輸入影像。在一些具體實例中，演算法此時停止。
然而，在其他具體實例中，演算法繼續，如由圖2A中之虛線箭頭表示。換言之，遵循圖2A中之虛線箭頭的步驟是可選的（亦即並非所有具體實例所必需的）。
第三處理區塊256自第二處理區塊253接收經修改複合資料集，並執行反傅立葉變換以形成經反傅立葉變換之複合資料集。可稱經反傅立葉變換之複合資料集表示空間域中之輸入影像。
第四處理區塊259接收經反傅立葉變換之複合資料集，並提取幅度值分佈211A及相位值分佈213A。視情況，第四處理區塊259評估幅度值分佈211A。特定言之，第四處理區塊259可將經反傅立葉變換之複合資料集之幅度值分佈211A與輸入影像510進行比較，該輸入影像自身當然為幅度值分佈。若幅度值分佈211A與輸入影像210之間的差足夠小，則第四處理區塊259可判定全像圖280A係可接受的。亦即，若幅度值分佈211A與輸入影像210之間的差足夠小，則第四處理區塊259可判定全像圖280A為輸入影像210之足夠準確的表示。在一些具體實例中，經反傅立葉變換之複合資料集之相位值分佈213A出於比較之目的而被忽略。應瞭解，可使用用於比較幅度值分佈211A與輸入影像210之任何數目個不同的方法，且本發明不限於任何特定方法。在一些具體實例中，計算均方差，且若均方差小於臨限值，則全像圖280A視為可接受的。若第四處理區塊259判定全像圖280A為不可接受的，則可執行演算法之另一疊代。然而，此比較步驟並非必需的，且在其他具體實例中，所執行演算法之疊代的數目為預定或預設或使用者定義的。
圖2B表示演算法之第二疊代及演算法之任何進一步疊代。經由演算法之處理區塊回饋前一疊代之相位值分佈213A。拒絕幅度值分佈211A以促進輸入影像210之幅度值分佈。在第一疊代中，資料形成步驟202A藉由組合輸入影像210之幅度值分佈與隨機相位分佈230而形成第一複合資料集。然而，在第二及後續疊代中，資料形成步驟202B包含藉由組合（i）來自演算法之前一疊代的相位值分佈213A與（ii）輸入影像210之幅度值分佈而形成複合資料集。
隨後以參考圖2A所描述之相同方式處理由圖2B之資料形成步驟202B形成的複合資料集以形成第二疊代全像圖280B。因此，此處不重複對過程之解釋。演算法可在已計算第二疊代全像圖280B時停止。然而，可執行演算法之任何數目個其他疊代。應理解，僅在需要第四處理區塊259或需要另一疊代之情況下需要第三處理區塊256。輸出全像圖280B通常隨每一疊代而變得更佳。然而，實務上，通常會出現以下時刻：未觀測到可量測改良，或執行進一步迭代的積極好處被額外處理時間的負面影響所抵消。因此，演算法被描述為疊代及收斂的。
圖2C表示第二及後續疊代之替代性具體實例。經由演算法之處理區塊回饋前一疊代之相位值分佈213A。拒絕幅度值分佈211A以促進幅度值之替代性分佈。在此替代性具體實例中，幅度值之替代性分佈是自前一疊代之幅度值分佈211導出。特定言之，處理區塊258自前一疊代之幅度值分佈211減去輸入影像210之幅度值分佈，以增益因數α按比例調整彼差且自輸入影像210減去該按比例調整之差。此在數學上藉由以下方程式表示，其中下標文字及數字代表疊代數目：
Figure 02_image001
其中： F'為反傅立葉變換； F為正傅立葉變換； R[x,y]為由第三處理區塊256輸出之複合資料集； T[x,y]為輸入或目標影像；
Figure 02_image003
為相位分量； Ψ為僅相位全像圖280B； η為新幅度值分佈211B；且α為增益因數。
增益因數α可為固定或可變的。在一些具體實例中，增益因數α是基於傳入目標影像資料之大小及速率而判定的。在一些具體實例中，增益因數α取決於疊代數目。在一些具體實例中，增益因數α僅隨疊代數目而變。
圖2C之具體實例在所有其他方面與圖2A及圖2B之具體實例相同。可稱僅相位全像圖ψ(u,v)包含在頻域或傅立葉域中之相位分佈。
在一些具體實例中，使用空間光調變器來執行傅立葉變換。特定言之，全像圖資料與提供光學能力之第二資料組合。亦即，寫入至空間光調變之資料包含表示物件之全像圖資料及表示透鏡之透鏡資料。當顯示於空間光調變器上並運用光照射時，透鏡資料仿真實體透鏡，亦即，其以與對應實體光學件相同的方式將光引入焦點。因此，透鏡資料提供光學能力或聚焦能力。在此等具體實例中，可省略圖1之實體傅立葉變換透鏡120。如何計算表示透鏡之資料係已知的。表示透鏡之資料可稱為軟體透鏡。舉例而言，僅相位透鏡可藉由計算由透鏡之每一點由於其折射率及空間上改變之光學路徑長度所引起的相位延遲而形成。舉例而言，凸透鏡之中心處的光學路徑長度大於透鏡之邊緣處的光學路徑長度。僅振幅透鏡可由菲涅爾區板（Fresnel zone plate）形成。在電腦產生之全像術領域中亦已知如何組合表示透鏡之資料與全像圖，使得可在無需實體傅立葉透鏡之情況下執行全像圖之傅立葉變換。在一些具體實例中，透鏡資料藉由諸如簡單向量加法之簡單加法與全像圖組合。在一些具體實例中，實體透鏡與軟體透鏡結合使用以執行傅立葉變換。替代地，在其他具體實例中，完全省略傅立葉變換透鏡，使得全像重建發生在遠場中。在其他具體實例中，全像圖可以相同方式與光柵資料組合，光柵資料即為經配置以執行光柵之功能（諸如影像轉向）的資料。同樣，在本領域中已知如何計算此類資料。舉例而言，可藉由模型化由炫耀光柵之表面上的每一點所引起的相位延遲而形成僅相位光柵。僅振幅光柵可簡單地與僅振幅全像圖疊加以提供全像重建之角轉向。提供透鏡化及/或轉向之第二資料可稱為光處理功能或光處理圖案，以與可稱為影像形成功能或影像形成圖案之全像圖資料區分開。
在一些具體實例中，傅立葉變換由實體傅立葉變換透鏡及軟體透鏡聯合地執行。亦即，促成傅立葉變換的一些光學能力由軟體透鏡提供，且促成傅立葉變換的光學能力的其餘部分由一或多個實體光學件提供。
在一些具體實例中，提供一種經配置以接收影像資料且使用演算法即時計算全像圖的即時引擎。在一些具體實例中，影像資料為包含影像圖框序列之視訊。在其他具體實例中，全像圖經預計算、儲存於電腦記憶體中且根據需要被重新召回以顯示於SLM上。亦即，在一些具體實例中，提供預定全像圖之儲存庫。
僅作為實例，具體實例關於傅立葉全像術及蓋師貝格-撒克斯通型演算法。本發明同樣適用於可藉由類似方法計算的菲涅爾全像術及菲涅爾全像圖。本發明亦適用於藉由諸如基於點雲方法之技術的其他技術所計算之全像圖。
光調變
空間光調變器可用於顯示包括電腦產生之全像圖的繞射圖案。若全像圖為僅相位全像圖，則需要調變相位之空間光調變器。若全像圖為完全複合全像圖(fully‐complex hologram)，則可使用調變相位及振幅之空間光調變器，或可使用調變相位之第一空間光調變器及調變振幅之第二空間光調變器。
在一些具體實例中，空間光調變器之光調變元素（即像素）為含有液晶之胞元。亦即，在一些具體實例中，空間光調變器為其中光學主動組件為液晶的液晶裝置。每一液晶胞元被組態以用於選擇性地提供複數個光調變位準。亦即，每一液晶胞元在任一時間被組態以用於從複數個可能的光調變位準中選擇的一個光調變位準下進行操作。每一液晶胞元可動態地重新組態至與複數個光調變位準不同的光調變位準。在一些具體實例中，空間光調變器為反射性矽基液晶（LCOS）空間光調變器，但本發明並不限於此類型之空間光調變器。
LCOS裝置在小孔隙（例如寬度為若干公分）內提供光調變元素或像素之密集陣列。像素典型地為大致10微米或更小，此舉產生為若干度之繞射角，此意謂光學系統可為緊湊的。與其他液晶裝置之較大孔隙相比，更易於充分照射LCOS SLM之小孔隙。LCOS裝置典型地係反射性的，此意謂驅動LCOS SLM之像素的電路可內埋於反射表面下。此導致孔隙比較高。換言之，像素緊密堆積，此意謂在該等像素之間存在極少的無效空間（dead space）。這是有利的，因為這減少了重放場中之光學雜訊。LCOS SLM使用具有像素在光學上係平坦之優點的矽背板。此對於相位調變裝置特別重要。
僅作為實例，在下文參考圖3描述合適之LCOS SLM。使用單晶體矽基板302形成LCOS裝置。其具有由間隙301a間隔開、配置於基板之上部表面上的正方形平面鋁電極301之2D陣列。電極301中之每一者可經由內埋於基板302中之電路302a定址。電極中之每一者形成各別平面鏡。對準層303安置於電極陣列上，且液晶層304安置於對準層303上。第二對準層305安置於例如玻璃之平面透明層306上。例如ITO之單個透明電極307安置於透明層306與第二對準層305之間。
正方形電極301中之每一者與透明電極307之上覆區及介入液晶材料一起界定可控相位調變元素308，其常常稱為像素。考量到像素301a之間的空間，有效像素區域或填充因數為光學活性的總像素之百分比。藉由控制相對於透明電極307施加至每一電極301之電壓，各別相位調變元件之液晶材料之性質可改變，從而提供對入射於其上之光之可變延遲。效果為向波前提供僅相位調變，亦即不發生振幅效應。
所描述LCOS SLM以反射方式輸出空間調變光。反射性LCOS SLM具有信號線、閘極線及電晶體在成鏡像表面下方之優點，此導致高填充因數（通常大於90%）及高解析度。使用反射性LCOS空間光調變器之另一優點在於與在使用透射性裝置之情況下所需的厚度相比，液晶層可為該厚度的一半。此極大地提高了液晶之切換速度（移動視訊影像之投影的關鍵優點）。然而，本發明之教示可同樣使用透射性LCOS SLM來實施。
波導光瞳 / 檢視窗口擴展器
在諸如平視顯示器（HRD）之全像投影系統中，使用者之眼睛可位於其中以便成功地檢視自投影系統發射之光的區域或體積被稱為眼睛運動箱（EMB）、眼睛箱或更一般而言為檢視窗口。將光朝向眼睛箱發射之投影系統之對應部分稱為出射光瞳。通常需要擴展對應於眼框區域或檢視窗口之出射光瞳。詳言之，檢視者需要能夠轉動他或她的頭部，且因此能夠自眼睛箱/觀察距離處之受限區域內之任何位置看見完整影像。因此，光瞳擴展器可用以放大EMB、眼睛箱或檢視窗口。典型地，光瞳擴展器藉由劃分入射波前之振幅來產生額外射線以放大EMB。
圖4說明包含波導之實例光瞳擴展器。在此實例中，波導包含兩個反射表面，但以下描述同樣適用於其中藉由平板之頂部表面與底部表面之間的內反射而在內部導引光之平板組態。波導之大體原理為本領域中已知的，且未在本文中詳細地描述。波導藉由內反射在一對平行反射表面之間的層內導引光。光瞳擴展器由波導形成，該波導包含第一梯度/部分反射表面420（例如，具有隨距離而改變之反射率的梯度鏡面）及第二完全反射表面410（例如，具有實質上100%反射率之鏡面）。詳言之，第一反射表面420包含反射塗層，該反射塗層之反射率沿平板之長度而減小。該層可為玻璃或有機玻璃。波導可因此為玻璃或有機玻璃塊或平板。第一反射表面可為玻璃塊之第一表面，且第二反射表面可為玻璃塊之第二表面，其中第一表面與第二表面相對且平行。替代地，該層可為空氣，且第一及第二反射表面可為分離組件，例如，在空間上分離之第一及第二鏡面，以形成光藉由內反射在其內傳播之氣隙。
因此，如圖4中所展示，輸入光束402（其可包含編碼有圖像（亦即，圖像/影像，或僅圖像之光）之空間調變光或編碼有如下所描述之全像圖的空間調變光）包含經由其輸入埠進入波導之輸入光線。波導經配置以將在輸入埠處接收之光導引至檢視窗口。在所說明配置中，輸入埠包含在接近波導之一末端的第一部分反射表面420中之間隙，但輸入埠之其他位置係可能的。檢視窗口為可供檢視者檢視如本文中所描述之影像的區域或體積。輸入光束402之入射角使得由於由第一部分反射表面420及第二完全反射表面410進行之內反射，光線沿波導之長度傳播。實例射線在圖4中說明。由於第一反射表面420之梯度反射率，一定比例的光由第一反射表面420透射以沿波導之長度提供複數個輸出光線404a-404f（在本文中稱為「複本」，因為其複製輸入光線）。因此，第一反射表面420形成檢視表面。可稱由波導形成之複本擴展光瞳（或檢視窗口）。詳言之，藉由沿波導之長度形成複數個複本404a-404f，檢視窗口之大小增大。每一複本404a-404f對應於輸入光束402之振幅（強度或亮度）之一定比例。合乎需要的是，梯度沿波導之長度提供減小的第一反射表面420之反射率（或相反地，增大的透射率），使得每一複本404a-404f具有實質上相同的振幅。因此，在眼睛箱處在距第一反射表面420一定觀察距離處具有檢視者右眼430R及檢視者左眼430L的檢視者能夠在擴展的檢視窗口內之任何位置處看見影像，如箭頭440所示。
圖4中所展示之波導在一個維度上擴展對應於光束在波導內傳播所沿之縱向方向的檢視窗口，如箭頭440所示。所屬領域中具通常知識者將瞭解，必要時藉由使用兩個正交波導在兩個維度上擴展檢視窗口係可能的。
波導之第一反射表面420可塗有包含大量薄膜（例如，25個或更多個薄膜）之塗層，以便提供必要的梯度反射率。詳言之，如上文所描述，此類薄膜或類似塗層需要隨傳播距離而減小反射率，且因此增大透射率，使得每一複本404a-404f之亮度（光線強度）實質上恆定。由於複本404a-404f之輸出且由於諸如自第二反射表面410之不完全反射的任何其他光學損失，傳播光束之振幅隨傳播距離而減小。因此，第一反射表面420之梯度設計成考慮傳播光束之強度隨傳播距離的減小，同時確保每一複本404a-404f具有實質上相同的強度，使得所見影像在整個檢視窗口中（亦即，在所有檢視位置處）具有均一亮度。
圖5展示平板波導500，其包含經配置以接收諸如圖像之光或全像圖之光的輸入光510的輸入埠501。平板由折射率大於空氣之材料製成。接收至平板500中的光由底部表面503b與相對的頂部表面503a之間的一系列內反射導引。底部表面503b可為實質上完美的反射器，諸如鏡面，且頂部表面503a可為大部分反射的。頂部表面503a可允許光部分透射。因此，光通常藉由內反射沿平板傳播，但由於頂部表面503a之部分透射率而形成光線之一連串的複本R0至R7。圖5中所展示之光（或光線之複本）之劃分用以擴展波導之出射光瞳。由光線複本達成之光瞳擴展允許具有右眼530R及左眼530L之檢視者在檢視窗口區域（或體積）內移動（如箭頭540所示），同時仍接收圖像之光，亦即同時仍能夠看到圖像或全像圖。如參考圖4所描述，頂部表面之反射率隨距輸入埠間隔之距離而減小，使得每一複本R0至R7的強度實質上相同。頂部表面503a之所謂的梯度反射率可由多層介電塗層提供。實際上，難以製造用於高品質顯示，尤其是全色彩顯示之充足介電塗層。
本發明提供基於平板之改良波導。為避免疑義，說明根據本發明之實例系統組態之圖6、圖7B及圖8展示由兩個鏡面而非具有反射塗層之平板（僅作為實例）形成的波導。為保持簡單性，光折射之效應並未在圖5中充分說明，但其將由所屬領域中具通常知識者充分理解。
第一實例系統
圖6展示根據第一實例系統組態之包含形成波導光瞳擴展器之波導的全像顯示系統。圖6至圖8僅作為實例參考彩色投影系統，且本發明同樣適用於單色系統。
全像顯示裝置包含經配置以形成第一圖像（亦稱為「第一影像」）及第二圖像（亦稱為「第二影像」）之圖像產生單元。第一單色通道（亦稱為「第一顯示通道」）經配置以形成第一圖像，且包含第一光源610、第一準直透鏡612及第一雙色鏡614。第一雙色鏡614經配置以沿共同光學路徑反射具有第一波長之光，以便照射空間光調變器（SLM）640。光之第一波長對應於第一色彩（例如紅色）之第一顯示通道。第二單色通道（亦稱為「第二顯示通道」）經配置以形成第二圖像，且包含第二光源620、第二準直透鏡622及第二鏡面624。第二鏡面624經配置以沿共同光學路徑反射具有第二波長之光，以便照射SLM 640。光之第二波長對應於第二色彩（例如綠色）之第二單色通道。如下文所描述，在其他具體實例中，圖像產生單元可包含經配置以形成第三圖像之第三單色/顯示通道（等效於第一及第二通道），其中第三彩色通道對應於第三色彩（例如藍色）之光之波長。在所說明具體實例中，SLM 640包含由第一及第二波長兩者之光照射的光調變像素（例如LCOS）之單一陣列。在其他具體實例中，SLM 640可包含由各別第一及第二波長之光照射的光調變像素之分離陣列。
全像顯示裝置進一步包含全像控制器602，該全像控制器經配置以控制圖像產生單元，具體言之，控制由如本文中所描述之圖像產生單元輸出之光。對應於第一圖像之第一色彩的第一空間調變光由SLM 640輸出，以在諸如螢幕或漫射器之光接收表面670上形成第一單色影像（例如，紅色影像）。由全像控制器602計算第一單色電腦產生之全像圖，且例如由顯示驅動器642在SLM 640上對其進行編碼。SLM 640顯示第一全像圖，且由來自第一彩色/顯示通道之第一色彩之光照射，以在定位於重放平面處之光接收表面670上形成第一全像重建。類似地，對應於第二圖像之第二色彩之第二空間調變光由SLM 640輸出，以在光接收表面670上形成第二單色影像（例如，綠色影像）。由全像控制器602在SLM 640上對第二單色電腦產生之全像圖進行編碼。SLM 640顯示第二全像圖，且由來自第二彩色/顯示通道之第二色彩之光照射，以在位於重放平面處之光接收表面670上形成第二全像重建。在所說明配置中，分束器立方體630經配置以將輸入至SLM 640之光與由SLM 640輸出之空間調變光分離。傅立葉透鏡650及鏡面660提供於輸出空間調變光至光接收表面670之光學路徑中。可稱第一/第二圖像形成於光接收表面670上。第一/第二圖像係各別第一/第二全像圖之第一/第二全像重建。因此，複合彩色圖像可形成於組合第一及第二圖像之光接收表面670上。投影透鏡680經配置以將形成於光接收表面672上之第一及第二圖像投影至呈波導690之形式的光瞳擴展器之輸入埠。歸因於投影透鏡680的光學能力，檢視者608可檢視由波導690形成之來自擴展眼框（「檢視窗口」）之圖像的放大影像。波導690包含由如上文參考圖4所描述之第一及第二反射表面分離之光學透明介質。因此，全像顯示裝置具有「間接檢視」組態，亦即檢視者並不直接檢視全像重建，而是檢視形成於光接收表面670上之圖像。全像控制器602可接收其他外部及內部輸入600，以用於產生如本領域中已知的電腦產生之全像圖。此類輸入可判定由全像顯示裝置顯示之影像內容。
僅作為實例，圖6中所說明之全像顯示裝置具有圖像產生單元，該圖像產生單元包含經配置以顯示第一單色全像圖之第一色彩（例如，紅色）顯示通道及經配置以顯示第二單色全像圖之第二色彩（例如，綠色）顯示通道。在實例實施中，可提供經組態以顯示各別單色全像圖之三個或更多個顯示通道。舉例而言，全色複合影像/圖像可藉由顯示各別紅色、綠色及藍色單色全像圖而形成。本發明可使用包含任何數目之僅包括一個彩色通道的單色通道之圖像產生單元來實施。
波導幾何結構
圖7A至7C展示根據具體實例之波導光瞳擴展器的幾何結構。詳言之，圖7B及圖7C展示輸入影像光束702之主要射線（如上文所描述）及對檢視者730可見之複本之輸出沿波導之定位及傳播。波導包含如上文所描述之第一部分反射表面720及第二完全反射表面710。
圖7C中所展示之幾何形狀可由以下方程式表示。 w1 =2dtan(θ-ϕ) w2 =2dtan(θ+ϕ) p1 =2dsin(θ-ϕ) p2 =2dsin(θ+ϕ) tan(θ-ϕ)=s1 /d=(s1 +w1 -s)/d1 tan(θ+ϕ)=s2 /d=(s2 +w2 -s)/d1 s1 d1 =(s1 +w1 -s)d s1 Δd=2d2 tan(θ-ϕ)-sd             （1） s2 d1 =(s2 +w2 -s)d s2 Δd=2d2 tan(θ+ϕ)-sd      （2） 自（2）減去（1） Δd = 2d2 (tan(θ+ϕ)-tan(θ-ϕ))/(s2 -s1 ) 自s2 （1）減去s1 （2） 0 = 2s2 d2 tan(θ-ϕ)-ss2 d- 2s1 d2 tan(θ+ϕ)-ss1 d s = (2s2 dtan(θ-ϕ)-2s1 dtan(θ+ϕ))/ (s1 +s2 ) = (s2 w1 -s1 w2 )/ (s1 +s2 )
第二實例系統
圖8展示根據第二實例系統組態之包含波導光瞳擴展器之全像顯示系統。
圖8中所說明之全像顯示系統類似於圖6之全像顯示系統，但其特徵在於在空間光調變器與檢視平面之間不存在螢幕。因此，其為直接檢視組態。詳言之，全像顯示裝置包含經配置以形成第一圖像（或第一影像）及第二圖像（或第二影像）之圖像產生單元。第一單色/顯示通道（例如紅色通道）包含經配置以用第一波長之光照射SLM 840之第一光源810、第一準直透鏡812及第一雙色鏡814。第二單色/顯示通道（例如綠色的彩色通道）包含經配置以用第二波長之光照射SLM 840之第二光源820、第二準直透鏡822及第二鏡面824。第一顯示通道經配置以在檢視者之眼睛808處形成第一影像（例如紅色影像）。由全像控制器802在SLM 840上對第一單色電腦產生之全像圖進行編碼。SLM 840顯示第一全像圖，且由來自第一彩色通道之光照射，以在定位於重放平面處之光接收表面870上形成第一全像重建。類似地，第二顯示通道經配置以在檢視者之眼睛808處形成第二影像（例如綠色影像）。由全像控制器802在SLM 840上對第二單色電腦產生之全像圖進行編碼。SLM 840顯示第二全像圖，且由來自第二彩色通道之光照射，以在位於重放平面處之光接收表面上形成第二全像重建。
全像顯示裝置進一步包含分束器立方體830，該分束器立方體經配置以將輸入SLM 840之光與自該SLM輸出之光分離。然而，相比於圖6，全像顯示裝置為直接檢視系統。在所說明配置中，透鏡850定位於由SLM 840輸出之空間調變光之光學路徑中。透鏡850為視情況選用的。檢視者808可直接檢視來自空間光調變器之空間調變光。在一些具體實例中，如上文所描述，檢視者眼睛之晶狀體在眼睛之視網膜上形成全像重建。在此等具體實例中，可稱檢視者接收編碼有全像圖之空間調變光。在其他具體實例中，檢視者接收圖像之光或編碼有該圖像之光。圖像可形成於自由空間中之中間平面處。波導890包含由如上文所描述之第一及第二反射表面分離之光學透明介質。因此，全息顯示裝置具有「直接檢視」組態，亦即檢視者直接觀看顯示裝置（亦即，空間光調變器），且圖6之光接收表面係視情況選用的。
平板及光楔
圖9A展示根據具體實例之波導900。波導900包含類似於參考圖5所描述之光學平板的光學平板903。然而，在此具體實例中，光在每一反彈時藉由高折射率材料與低折射率材料之間的內反射而非藉由將反射塗層施加至平板之頂部表面及底部表面而由平板導引。更具體言之，自平板之底部表面（圖9A中的下部表面）之反射係滿足平板的高折射率材料與周圍介質（例如空氣）之間的臨界角條件的全內反射。底部表面上之入射角可至少為臨界角。所屬領域中具通常知識者應瞭解，如何經由輸入埠901將光射至平板中及可如何選擇平板及周圍介質（例如空氣）之折射率以達成自平板903之底部表面的總介面反射。
光楔905鄰接平板的頂部表面（圖9A中的上部表面）。光楔905之折射率大於周圍介質，但小於平板903之折射率。光楔905之折射率足以破壞平板903之頂部表面上的臨界角條件，使得一定比例的光自平板903透射至光楔905。光楔之成角度的/楔形頂部表面提供有利於透射而非反射之不同（例如，減小/較低）入射角。換言之，頂部表面上之入射角使得實質上複本之所有光自光楔逸出且促成光瞳擴展。在一些具體實例中，正入射發生於光楔之頂部表面。展示於圖9至圖11中之波導的特徵在於使用全內反射（而非如圖5中之反射表面）來導引光，且另一特徵在於使用具有經組態以自平板之頂部表面提取光的下部表面及增大射出波導之光之比例的上部表面的光楔。在圖9A之具體實例中，光楔的厚度隨距輸入埠901之距離而減小。光楔之厚度可隨距輸入埠901之距離而增大。為保持簡單性，圖9A並未完全說明光折射之效應。
圖9B展示關於圖9A之波導內之光傳播的一些光介面。高折射率平板903與低折射率周圍介質（n=1）之間的第一介面910滿足臨界角條件（亦即，入射角等於或大於平板與例如空氣之間的臨界角)，且因此為全內反射。平板903與中等折射率光楔905之間的第二介面920並不滿足臨界角條件（亦即，入射角小於平板與光楔之間的臨界角），此係因為光楔之折射率足以使臨界角增大超過入射角。光楔905與低折射率周圍介質（n=1）之間的第三介面930處的光經歷正入射（亦即，第三介面930上之入射角為零），且透射因此最大化。在一些具體實例中，第三介面930上之入射角不為零（正），但足夠小（亦即，稍微偏離正入射），使得可忽略介面930處反射之光的比例。可稱第三介面處之入射角實質上為零。第三介面處之入射角小於光楔與例如空氣之間的臨界角。第四介面展示未在第二介面920處在光楔905中透射之光的下一相互作用。第四介面940（同樣在平板與周圍介質之間）亦為全內反射。在一些具體實例中，光楔之至少一個表面包含抗反射塗層。
圖10展示其中上部/頂部表面為彎曲的另一具體實例。光楔之厚度隨著與輸入埠相距的距離而改變。在一些具體實例中，上部表面為凹面或凸面的。
在一些具體實例中，光楔之折射率是梯度式的，亦即光楔之折射率是隨著與輸入埠相距的距離而改變。在一些具體實例中，最接近輸入埠的光楔之第一側的折射率相對較低（但大於周圍介質），且最遠離輸入埠的光楔之第二側的折射率相對較低（但小於平板）。因此，平板的折射率與光楔的折射率之間的差隨著與輸入埠相距的距離增大而減小。此意謂當與輸入埠相距的距離減小且剩餘光之量減小時，將存在較少反射，且因此在平板-光楔介面處存在較多透射。
在諸如圖11中所示之具體實例的其他具體實例中，折射率匹配流體1150層（或對應介電塗層）包夾於平板1103與光楔1105之間。匹配流體1150層之折射率是梯度式的，亦即匹配流體1150之折射率隨著與輸入埠1101相距的距離而改變。光學領域中具通常知識者將理解梯度折射率匹配流體可如何提供於光學平板與光楔之間。
在一些實例中，平板之折射率為1.5至2.5，諸如1.8至2.2，且光楔之折射率為1.1至1.9，諸如1.3至1.7。折射率匹配層之折射率可在波導之長度上線性地改變總共0.2至0.8，諸如0.4至0.6。波導可包含雙色塗層。
在一個實例中，平板之折射率為2.0 +/- 0.2，光楔之折射率為1.5 +/- 0.2，且周圍介質之折射率為1.0 +/- 0.2。在此實例中，平板與空氣之間的（第一）臨界角實質上為30.0度。
平板與光楔之間的（第二）臨界角實質上為48.6度，且光楔與空氣之間的（第三）臨界角實質上為41.8度。在一些具體實例中，光在平板內之入射角大於或等於第一臨界角且小於第二臨界角。在一些具體實例中，第二臨界角小於第三臨界角。在一些具體實例中，波導及輸入埠經組態以使得光在平板內的入射角為30至42。在一些具體實例中，平板內的入射角為38 +/- 4度，諸如40 +/- 2度。
平視顯示器
圖12A展示下部（或第一）殼體1225，其包含具有擋風玻璃1230及儀錶板1280之車輛中的平視顯示器之光學系統。下部殼體至少包含根據本發明之具體實例的圖像產生單元及波導（此圖中未展示）。平視顯示器包括含有日光防範措施之上部（或第二）殼體1270。特定言之，上部殼體1270包含光阱1274及防護玻璃罩1272。防護玻璃罩1272通常為彎曲的，諸如大體上為拋物線形或橢圓形。參考圖12B可更佳地理解日光防範措施之功能。
圖12B展示平視顯示器之所謂的眼睛箱1290，該眼框為可檢視HUD影像（例如，形成於圖像之擋風玻璃中之虛擬影像）之空間區域。若檢視者之眼睛在眼睛箱之內，則將看見HUD影像。若檢視者之眼睛在眼睛箱之外，則不會看見HUD影像。眼睛箱1290足以適應高的及矮的駕駛員，且允許駕駛期間頭部的正常移動。圖12B展示含有形成HUD影像之來自下部殼體1225之光線的體積1285。圖12B亦展示防護玻璃罩1272如何彎曲以使得穿過擋風玻璃1230且到達防護玻璃罩1272之諸如日光光線A之日光不會自擋風玻璃之內表面反射且進入駕駛員眼中。習知地，防護玻璃罩1272之彎曲使得反射離開防護玻璃罩1272及擋風玻璃之內表面之諸如日光光線A之日光被向下引至如圖12B中所展示之駕駛員的胸部區域上。應理解，儘管自擋風玻璃之內表面的反射可能小於4%（若擋風玻璃經塗佈，則可能甚至僅為0.1%），但日光之峰值強度使得此等反射在HUD中成問題。使防護玻璃罩1272彎曲會增大製造複雜性，並增大HUD的體積。
上部殼體之第二組件為光阱1274。光阱1274為屏蔽HUD之其他組件而使其免受一些日光影響的實體擋板。詳言之，光阱1274通常屏蔽相對低射的日光（亦即，當太陽在天空中相對較低（諸如，近日落）時之日光，例如，日光光線B），使得其不到達防護玻璃罩1272。
圖12A及圖12B說明彎曲上部表面通常如何由通常稱為防護玻璃罩之單獨組件提供，以便保護平視顯示器免受日光影響。在根據本發明之一些具體實例中，使用波導之光楔之彎曲上部表面而非彎曲防護玻璃罩來保護顯示裝置。換言之，波導之彎曲上部表面充當平視顯示器之保護性防護玻璃罩。
額外特徵
具體實例涉及電啟動LCOS空間光調變器（僅作為實例）。本發明之教示可同樣實施於能夠根據本發明顯示電腦產生之全像圖的任何空間光調變器上，諸如（例如）任何電啟動SLM、光啟動SLM、數位微鏡裝置或微機電裝置。
在一些具體實例中，光源為諸如雷射二極體之雷射。在一些具體實例中，顯示平面包含漫射表面或諸如漫射器之螢幕。本發明之全像投影系統可用以提供改良之平視顯示器（HUD）。在一些具體實例中，提供一種車輛，其包含安裝在該車輛中以提供HUD之全像投影系統。車輛可為機動車輛，諸如汽車、卡車、廂式車、貨車、機車、火車、飛機、船或船舶。
在一些具體實例中，由波導接收及複製之光未經偏振。在一些具體實例中，光經s偏振，且在其他具體實例中，光經p偏振。在一些具體實例中，由波導接收及複製之光為單色的，且在其他具體實例中，光包含複數個單色分量。
本文中所描述之方法及過程可體現於電腦可讀媒體上。術語「電腦可讀媒體」包括經配置以暫時或永久地儲存資料之媒體，諸如隨機存取記憶體（RAM）、唯讀記憶體（ROM）、緩衝器記憶體、快閃記憶體及快取記憶體。亦應將術語「電腦可讀媒體」視為包括能夠儲存供機器執行之指令的任何媒體或多個媒體之組合，使得指令在由一或多個處理器執行時使機器整體或部分地執行本文中所描述之方法中的任何一或多者。
術語「電腦可讀媒體」亦涵蓋基於雲端之儲存系統。術語「電腦可讀媒體」包括但不限於呈固態記憶體晶片、光學光碟、磁碟或其任何合適組合之實例形式的一或多個有形及非暫時性資料儲存庫（例如資料卷）。在一些實例具體實例中，用於執行之指令可由載體媒體傳達。此類載體媒體之實例包括暫態媒體（例如，傳達指令之傳播信號）。
所屬領域中具通常知識者將顯而易見，可在不脫離所附申請專利範圍之範圍之情況下進行各種修改及變化。本發明涵蓋在所附申請專利範圍及其等效物之範圍內的所有修改及變化。
110:光源 111:準直透鏡 112:出射波前 120:傅立葉變換透鏡 125:螢幕 140:SLM 202A:資料形成步驟 202B:資料形成步驟 210:輸入影像 211A:幅度值分佈 211B:新幅度值分佈 213A:相位值分佈 230:隨機相位分佈/隨機相位種子 230:隨機相位分佈 250:第一處理區塊 253:第二處理區塊 256:第三處理區塊 258:處理區塊 259:第四處理區塊 280A:全像圖 280B:第二疊代全像圖/純相位全像圖 301a:間隙/像素 301:鋁電極 302:單晶體矽基板 302a:電路 303:對準層 304:液晶層 305:第二對準層 306:平面透明層/透明層 307:透明電極 308:可控相位調變元素 402:輸入光束 404a-404f:輸出光線 410:第二完全反射表面 420:第一梯度反射表面/第一反射表面/第一部分反射表面 430R:檢視者右眼 430L:檢視者左眼 440:箭頭 500:平板波導/平板 501:輸入埠 503b:底部表面 503a:頂部表面 510:輸入影像/輸入光 530R:右眼 530L:左眼 540:箭頭 600:外部及內部輸入 602:全像控制器 608:檢視者 610:第一光源 612:第一準直透鏡 614:第一雙色鏡 620:第二光源 622:第二準直透鏡 624:第二鏡面 630:分束器立方體 640:空間光調變器 642:顯示驅動器 650:傅立葉透鏡 660:鏡面 670:光接收表面 672:光接收表面 680:投影透鏡 690:波導 702:輸入影像光束 710:第二完全反射表面 720:第一部分反射表面 730:檢視者 802:全像控制器 808:眼睛/檢視者 810:第一光源 812:第一準直透鏡 814:第一雙色鏡 820:第二光源 822:第二準直透鏡 824:第二鏡面 830:分束器立方體 840:SLM 850:透鏡 870:光接收表面 890:波導 900:波導 901:輸入埠 903:光學平板/高折射率平板 905:光楔/光楔 910:第一介面 920:第二介面 930:第三介面 940:第四介面 1000:波導 1001:輸入埠 1003:光學平板 1005A:光楔 1010:第一介面 1020:檢視者 1101:輸入埠 1103:平板 1105:光楔 1110:第一介面 1120:檢視者 1150:折射率匹配流體 1225:下部（第一）殼體 1230:擋風玻璃 1270:上部（第二）殼體 1272:防護玻璃罩 1274:光阱 1280:儀錶板 1285:體積 1290:眼睛箱 A:日光光線 B:日光光線 R0-R7:複本
僅作為實例參考下圖以描述特定具體實例：
[圖1]為展示在螢幕上產生全像重建之反射性SLM之示意圖；
[圖2A]說明實例蓋師貝格-撒克斯通（Gerchberg-Saxton）型演算法之第一疊代(iteration)；
[圖2B]說明實例蓋師貝格-撒克斯通型演算法之第二及後續疊代；
[圖2C]說明實例蓋師貝格-撒克斯通型演算法之替代性第二及後續疊代；
[圖3]為反射性LCOS SLM之示意圖；
[圖4]展示包含波導之實例光瞳擴展器；
[圖5]展示用於光瞳擴展之平板型波導；
[圖6]展示包含實例光瞳擴展器之全像顯示系統；
[圖7A至圖7C]展示光瞳擴展器之幾何結構；
[圖8]展示包含實例光瞳擴展器之全像顯示系統；
[圖9A]展示根據具體實例之包含線性梯度光楔之波導；
[圖9B]展示根據本發明之波導的光傳播；
[圖10]展示根據具體實例之包含彎曲光楔之波導；
[圖11]展示根據具體實例之包含光楔及折射率匹配層之波導；及
[圖12A及圖12B]展示包含彎曲防護玻璃罩之平視顯示器。
全部圖式將使用相同的元件符號指代相同或類似部分。
1000:波導
1001:第一介面
1003:光學平板
1005A:光楔
1010:第一介面
1020:檢視者
R0~Rn:複本

Claims (13)

  1. 一種波導，其包含： 光學平板，其具有第一折射率n1 ＞ 1，其中該光學平板包含：相對的第一表面及第二表面，其以平行組態配置；及輸入，其配置為以一角度將光接收至該光學平板中，使得該光藉由一連串內反射而被導引在相對的該第一表面與該第二表面之間； 光楔，其具有第二折射率n2 ，其中該光楔包含以楔形組態配置的相對的第一表面及第二表面，其中1 ＜n2 ＜n1 ；且 其中該光楔之該第一表面鄰接該光學平板之該第二表面以形成介面，該介面允許由該光學平板導引之光在沿著該介面之複數個點處部分地透射至該光楔中，使得該光被多次劃分，且其中該光楔之該角度允許在該介面處接收之光自該光楔之該第二表面逸出，使得該波導之出射光瞳藉由該光之該多次劃分而擴展。
  2. 如請求項1之波導，其中該光楔之相對的該第一表面與該第二表面之間的該角度隨著與該輸入相距的距離而改變。
  3. 如請求項2之波導，其中該角度隨著與該輸入相距的距離而減小。
  4. 如請求項2或請求項3之波導，其中該光楔之該第二表面形成該波導之凹形表面。
  5. 如請求項1之波導，其中該光楔之該折射率隨著與該輸入相距的距離而改變。
  6. 如請求項5之波導，其中該光楔之該折射率隨著與該輸入相距的距離而增大。
  7. 如請求項1之波導，其進一步包含包夾於該光學平板與光楔之間的折射率匹配流體層，其中該折射率匹配流體之折射率隨著與該輸入相距的距離而改變。
  8. 如請求項7之波導，其中該折射率匹配流體之該折射率隨著與該輸入相距的距離而增大。
  9. 一種顯示系統，其包含如請求項1之波導且進一步包含配置以用於顯示圖案的圖像產生單元，其中由該輸入接收之該光是由該圖像產生單元顯示之該圖案的光。
  10. 如請求項9之顯示系統，其進一步包含在該圖像產生單元與波導之間的光學系統，其中該光學系統包括從下列各者所組成的群組中選擇至少一者：準直透鏡、配置用以形成諸如縮小望遠鏡的望遠鏡之一對透鏡，及空間濾波器。
  11. 如請求項9之顯示系統，其中該所顯示之圖案是全像圖或由全像圖所形成之全像重建圖像。
  12. 一種平視顯示器，其包含如請求項9至11中任一項之顯示系統，其中該光楔之該第二表面形成該平視顯示器之角度防護玻璃罩或眩光陷阱。
  13. 一種光瞳擴展方法，該方法包含： 經由輸入埠將光接收至光學平板中，其中該光學平板具有第一折射率n1 ＞ 1； 藉由一連串內反射在該光學平板之相對的第一表面與第二表面之間導引該光，其中相對的該第一表面及該第二表面是平行組態配置； 藉由在光楔之第一表面與該光學平板之該第二表面之間形成介面而將該光劃分多次，該介面允許在沿著該介面之複數個點處將該光部分地透射至該光楔中，其中該光楔具有第二折射率n2 ，且1 ＜n2 ＜n1 ；並且 將該光楔之相對的該第一表面及第二表面配置成楔形組態，使得由該光楔經由該介面接收之光自該光楔之該第二表面逸出，使得該波導之出射光瞳藉由該光之多次劃分而擴展。
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