透视型全息显示设备和头戴式显示设备的制作方法

本申请要求向韩国专利局于2015年10月28日提交的韩国专利申请No.10-2015-0150272以及于2016年5月4日提交的韩国专利申请No.10-2016-0055766的权益，这些申请的公开内容作为引用并入本文。

技术领域

本公开涉及一种全息显示设备，更具体地涉及一种透视型全息显示设备，经由该设备，同时或选择地看见全息图和外部。

背景技术：

随着许多三维(3D)电影显现出来，已进行对关于3D图像显示设备相关的技术的研究。例如，积极地执行对通过使用空间光调制器(SLM)实时实施高质量全息图的设备的研究。

近期引入了对实施虚拟现实(VR)的头戴式显示器(HMD)及相关产品的许多研究。大公司频繁占有具有VR技术的创业公司。然而，用于VR的常规HMD是基于立体视觉的技术，由于视觉辐辏调节冲突，这导致视觉疲劳。在应用于空间交互技术时，用于VR的常规HMD还导致许多问题。

技术实现要素：

提供了能够实施透视型全息三维(3D)图像的显示设备。

提供了个人透视型3D显示头戴式显示器(HMD)。

根据本公开的一方面，提供了透视型全息显示设备，包括光源，提供光；空间光调制器，使光发生衍射，并再现全息图；中继光学系统，放大或缩小并传输由空间光调制器产生的全息图；噪声去除滤波器，从经由中继光学系统传输的全息图的衍射光中去除噪声；以及光路转换器，改变从中继光学系统传输的全息图的衍射光的路径以及外部光的路径中的至少一个，并将衍射光和外部光传输到相同区域。

透视型全息显示设备还可包括：准直器，将由光源提供的光转换为准直光。

空间光调制器可包括振幅空间光调制器、相位空间光调制器或复合空间光调制器。

中继光学系统可包括第一光学元件，由空间光调制器调制的全息图入射到第一光学元件；以及第二光学元件，具有靠近第一光学元件的发射表面侧的第一焦点的入射表面侧的第二焦点。第一光学元件可具有第一焦距，第二光学元件具有与第一焦距不同的第二焦距。噪声去除滤波器可设置在第一光学元件的发射表面侧的第一焦点附近。噪声去除滤波器可包括针孔。

透视型全息显示设备还可包括：场光学元件，聚焦从中继光学系统传输的全息图。

场光学元件可设置在像平面附近，从中继光学系统传输的全息图成像在像平面中。或者，场光学元件可布置为像平面位于场光学元件的入射表面侧的焦点位置和场光学元件的入射表面之间，从中继光学系统传输的全息图成像在像平面中。场光学元件可布置为像平面重新成像为竖立虚像，从中继光学系统传输的全息图成像在像平面中。

场光学元件可邻近光路转换器设置。从中继光学系统传输的全息图的尺寸可通过改变中继光学系统和场光学元件之间的距离来调整。

光路转换器可包括分束器，其包括第一表面、第二表面、第三表面和设置在内部的束分离薄膜，从中继光学系统传输的全息图的衍射光入射到第一表面，外部光入射到第二表面，第三表面与第二表面相对，束分离薄膜反射经由第一表面透射的全息图的衍射光的至少一部分至第三表面，并使经由第二表面透射的外部光的至少一部分透射至第三表面，场光学元件包括邻近光路转换器的第一表面设置的物镜。

光路转换器可包括分束器，其包括第一表面、第二表面、第三表面、第四表面和设置在内部的束分离薄膜，从中继光学系统传输的全息图的衍射光入射到第一表面，外部光入射到第二表面，第三表面与第二表面相对，第四表面与第一表面相对，束分离薄膜反射经由第一表面透射的全息图的衍射光的至少一部分至第四表面，再次反射经由第四表面透射的全息图的衍射光的至少一部分至第三表面，并使经由第二表面透射的外部光的至少一部分透射至第三表面，场光学元件包括邻近光路转换器的第四表面设置的凹反射镜。

光路转换器可包括半透反射镜，场光学元件位于中继光学系统和光路转换器之间，邻近光路转换器。

光路转换器可包括分束器，其包括第一表面、第二表面、第三表面和设置在内部的束分离薄膜，从中继光学系统传输的全息图的衍射光入射到第一表面，外部光入射到第二表面，第三表面与第二表面相对，束分离薄膜反射经由第一表面透射的全息图的衍射光的至少一部分至第三表面，并将经由第二表面透射的外部光的至少一部分透射至第三表面，其中，束分离薄膜相对于第一表面具有凹弯曲表面形状，以反射和聚焦从中继光学系统传输的全息图至第三表面。

束分离薄膜可以是偏振选择性反射薄膜。

光路转换器可布置成束分离薄膜设置在像平面附近，从中继光学系统传输的全息图成像的像平面上。

透视型全息显示设备还可包括光束选择性光学元件，其聚焦衍射光并使外部光透射通过。光束选择性光学元件可以是具有各向同性透镜和各向异性透镜的粘合透镜，其中，粘合透镜相对于衍射光的折射率具有正(+)值，粘合透镜相对于外部光的总折射率为零。光束选择性光学元件可包括彼此相对的第一和第二透明基底层以及置于第一和第二透明基底层之间的液晶层，并通过用设置在第一和第二透明基底层的至少一个表面上的电极控制液晶层而选择性地具有偏振特性。光束选择性光学元件可包括彼此相对的第一和第二透明基底层以及置于第一和第二透明基底层之间的液晶层，并且是通过用设置在第一和第二透明基底层的至少一个表面上的电极控制液晶层而选择性地具有折射率的有源液晶透镜。

光路转换器可包括调整外部光的透射量的有源反射器。有源反射器可包括液晶滤波器和电致变色装置之一。

光路转换器可以设置在用户的瞳孔附近。

透视型全息显示设备可以安装在戴在观察者头部上的头部安装壳体中，以用于左眼和右眼中的至少一只。

根据本公开的另一方面，提供了显示全息图的头戴式显示(HMD)设备，包括左眼透视型全息显示设备；右眼透视型全息显示设备；以及连接左眼透视型全息显示设备和右眼透视型全息显示设备的框架，其中，左眼透视型全息显示设备和右眼透视型全息显示设备均包括：光源，提供光；空间光调制器，使光衍射，并再现全息图；中继光学系统，放大或缩小并传输由空间光调制器产生的全息图；噪声去除滤波器，从经由中继光学系统传输的全息图的衍射光中去除噪声；以及光路转换器，改变从中继光学系统传输的全息图的衍射光的路径和外部光的路径中的至少一个，并将衍射光和外部光传输至相同区域。

当HMD设备戴在用户头部上时，左眼透视型全息显示设备的光路转换器可以邻近用户左眼设置，右眼透视型全息显示设备的光路转换器可以邻近用户右眼设置。

左眼透视型全息显示设备的光路转换器和右眼透视型全息显示设备的光路转换器之间的距离可以调整。

附图说明

结合附图，从实施例的下列描述中，这些和/或其它方面变得明白和更易理解，附图中：

图1是根据实施例的由用户戴着的透视型全息显示设备的示例的示意图；

图2是图1的透视型全息显示设备的光学系统的示意图；

图3是物镜的布局的示例的图；

图4是物镜的布局的另一示例的图；

图5是描述图4的物镜的布局的操作的图；

图6是根据另一实施例的透视型全息显示设备的光学系统的示意图；

图7是根据另一实施例的透视型全息显示设备的光学系统的示意图；

图8是根据另一实施例的透视型全息显示设备的光学系统的示意图；

图9是根据另一实施例的透视型全息显示设备的光学系统的示意图；

图10是描述图9的透视型全息显示设备的操作的图；

图11是根据另一实施例的透视型全息显示设备的光学系统的示意图；

图12是根据另一实施例的透视型全息显示设备的光学系统的示意图；

图13是根据另一实施例的透视型全息显示设备的光学系统的示意图；

图14是图13的透视型全息显示设备中使用的光束选择性光学元件的示例的图；

图15A至15C是图13的透视型全息显示设备中使用的光束选择性光学元件的示例的图；

图16是根据另一实施例的由用户戴着的头戴式显示器(HMD)设备(透视型全息显示设备)的示例的示意性平面图；以及

图17是图16的HMD的设备的光学系统的示意图。

具体实施方式

在下文中，参考附图，详细描述透视型全息显示设备。相同的附图标记指代相同的元件，在附图中，为了清楚和便于解释，夸大了元件的尺寸。

图1是根据实施例的由用户(观察者)10戴着的透视型全息显示设备100的示例的示意图。图2是图1的透视型全息显示设备100的中继光学系统140的示意图。

参见图1，根据实施例的透视型全息显示设备100可以是可穿戴设备，比如戴在用户10头部的眼镜。例如，透视型全息显示设备100可具有独眼眼镜的形状，经由该独眼眼镜，用户10的两只眼睛11的一只(例如图1所示左眼11L)看见全息图和外部。作为另一示例，透视型全息显示设备100可具有附接到眼镜的目镜(eye lens)之一(例如图1所示左眼11L)的形状。

透视型全息显示设备100可包括壳体190、安装在壳体190中的光学系统和控制光学系统的控制单元900。控制单元900可设置在壳体190外部或内部。

参见图2，本实施例的透视型全息显示设备100可包括提供光的光源单元110、形成全息图的空间光调制器120、放大或缩小并传输由空间光调制器120产生的全息图的中继光学系统140以及光路转换器180，光路转换器改变从中继光学系统140传输的全息图的衍射光的路径和外部光Lo的路径中的至少一个，并将全息图的衍射光和外部光Lo传输至相同区域。透视型全息显示设备100还可包括噪声去除滤波器150，其从由中继光学系统140传输的全息图的衍射光中去除噪声。透视型全息显示设备100还可包括物镜170，其准直从中继光学系统140传输的全息图。透视型全息显示设备100还可包括控制单元900，其控制空间光调制器120以产生全息图。

光源单元110可包括光源111。光源111可包括激光二极管(LD)，以给空间光调制器120提供具有高空间相干性的光。然而，如果由光源111提供的光具有一定空间相干度，则由于光通过空间光调制器120充分衍射和调制，光源111可包括发光二极管(LED)。光源111可构造为红色、绿色和蓝色光源的阵列，如稍后所述，以通过RGB时分驱动实施彩色全息图。例如，光源111可包括多个激光器或LED的阵列。除了激光光源或LED，光源111可包括任何其它光源，只要发射出具有空间相干性的光即可。

光源单元110可照明准直平行光。例如，准直透镜112还可设置在光源单元110中，以将从光源111发射的光准直为平行光。

空间光调制器120可根据由控制单元900提供的全息数据在其调制表面上形成全息图案。入射到空间光调制器120的光可变为衍射光，衍射光通过全息图案被调制为全息波前的图像。如稍后所述，在空间光器120上具有全息波前的图像的衍射光使得经由中继光学系统140和物镜170通过衍射干涉在观察孔(VW)中看见全息图。

空间光调制器120可包括振幅空间光调制器，其仅执行振幅调制，从而防止分辨率恶化，并当2D图像形成时，抑制2D图像的质量恶化。例如，空间光调制器120可包括数字微反射镜装置(DMD)、硅上液晶(LCoS)或半导体光调制器。调制相位和振幅两者的复合空间光调制器或调制相位的相位空间光调制器还可用作空间光调制器120。

分支入射光和发射光的光分支器130可以位于光源111和空间光调制器120之间。在这方面，入射光和发射光可分别指的是入射到空间光调制器120的光和从空间光调制器发出的光。光分支器130可允许从光源111入射的光穿过并行进到空间光调制器120，并且可以是朝向中继光学系统140反射从空间光调制器120反射的光的分束器。作为另一示例，光分支器130可以是半透反射镜(half mirror)。

由光源单元110照明的光可以是偏振的。光源111可发射偏振光，或者光源110可包括偏振滤波器以偏振从光源111发射的光。在该情况下，光分支器130可以是偏振分束器。诸如1/4偏振板的偏振转换构件还可设置在光分支器130和空间光调制器120之间，以区分从光分支器130到空间光调制器120的光的偏振以及从空间光调制器120反射的光的偏振，从而更有效地分支入射光和发射光。

反射构件113可以位于光源111和光分支器130之间。反射构件113可以是全反射棱镜或纯反射镜(mere mirror)。反射构件113可设置用于光学构件(比如光源111等)在壳体190的有限空间中的恰当布局。

中继光学系统140可以是变型的4f光学系统，其放大或缩小并传输由空间光调制器120产生的全息波前的图像。例如，中继光学系统140可包括具有第一焦距f1的第一中继透镜141和具有第二焦距f2的第二中继透镜143。第一中继透镜141可以设置成空间光调制器120的调制表面定位在第一中继透镜141的入射表面侧的第一焦距f1的位置处或者该位置附近。第二中继透镜143可以设置成其入射表面侧的第二焦距f2定位在第一中继透镜141的发射表面侧的第一焦距f1的位置处或者该位置附近。根据中继光学系统140的光学布局，在空间光调制器120的调制表面上产生的全息波前的图像可以成像在第二中继透镜143的发射表面侧的第二焦距f2处。由中继光学系统140成像的全息波前的图像在下面指的是成像的SLM(图3的172)。

第一焦距f1可以与第二焦距f2不同。例如，第二焦距f2可以大于第一焦距f1，从而中继光学系统140可以放大成像的SLM 172。或者，第一焦距f1可以大于第二焦距f2，从而中继光学系统140可以缩小成像的SLM 172。如稍后所述，由于成像的SLM 172的尺寸与视角(VA)成比例，VA可通过放大或缩小成像的SLM 172来改变。

噪声去除滤波器150可设置在第一中继透镜141的发射表面侧的第一焦距f1和第二中继透镜143的入射表面侧的第二焦距f2彼此重叠的位置处或者该位置附近。噪声去除滤波器150可以是例如针孔。噪声去除滤波器150可以放置在中继光学系统140的第一中继透镜141的第一焦距f1处，并可阻挡除了期望衍射级光之外的光，从而去除由于空间光调制器120的像素结构引起的噪声，比如衍射图案或多重衍射。

如上所述，在空间光调制器120的调制表面上形成的全息波前的图像可通过中继光学系统140形成成像的SLM 172。物镜170可在用户10的瞳孔13前方聚焦成像的SLM 172，以在用户10的瞳孔13前方形成观察孔。观察孔可以理解为用户10看见全息图的空间。稍后参考图3描述物镜170的布局。

光路转换器180可以是分束器，其反射从中继光学系统140传输的衍射光，并允许外部光Lo透射通过。光路转换器180可以构造成入射到并透射通过第一入射表面180a的光束从位于光路转换器180内部的束分离薄膜181反射，并发射到发射表面180c，入射到并透射通过第二入射表面180b的光束透射通过束分离薄膜181，并发射到发射表面180c。

作为示例，束分离薄膜181可以是半透反射镜。在该情况下，由光源单元110照明的光不必局限于偏振光。

作为另一示例，当由光源单元110照明的光可偏振时，光路转换器180的束分离薄膜181可以是偏振选择性反射薄膜。如果入射到第一入射表面180a的光束的偏振方向是第一偏振方向，则正交于第一偏振方向的偏振方向是第二偏振方向，束分离薄膜181可具有偏振选择性，具有第一偏振方向的光(下文中指的是第一偏振方向的光)反射，具有第二偏振方向的光(下文中指的是第二偏振方向的光)透射。由于外部光Lo具有第一偏振分量和第二偏振分量两者，所以如果束分离薄膜181具有偏振选择性，则仅包含在从第二入射表面180b入射的外部光Lo中的第二偏振分量可透过束分离薄膜181，到达用户眼睛11的瞳孔13。

光路转换器180的第一入射表面180a可以邻近物镜170。光路转换器180的发射表面180c可邻近用户眼睛11的瞳孔13。

光路转换器180可以是改变从中继光学系统140传输的全息图的衍射光的路径以及外部光Lo的路径中的至少一个，并将衍射光和外部光Lo传输到相同区域(即，用户眼睛11的瞳孔13)的光学构件的示例。

如上所述，根据实施例的透视型全息显示设备100可以是戴在用户10头部的可穿戴设备，由此，壳体190可具有独眼眼镜(其是从用户10的眼睛到耳朵的紧密安装零件)的形状，或者可具有附接到眼镜的透镜之一的形状。

例如，壳体190可包括邻近耳朵的第一壳体部分190A、弯曲部分190B和邻近眼睛11的第二壳体部分190C。第一壳体部分190A、弯曲部分190B和第二壳体部分190C可一体形成，但是不局限于此。第一壳体部分190A可具有例如光源单元110、空间光调制器120、光分支器130、中继光学系统140和噪声去除滤波器150。第二壳体部分190C可具有例如物镜170和光路转换器180。弯曲部分190B可具有根据壳体190的形状弯曲光路的反射构件160，比如全反射棱镜或纯反射镜。根据壳体190的尺寸或光学系统的中继光学系统140的焦距，中继光学系统140的第二中继透镜143或噪声去除滤波器150可设置在第二壳体部分190C中。第二壳体部分190C可包括第一窗191和第二窗192，第一窗设置在面向用户10的眼睛11的位置处，当透视型全息显示设备100戴在用户10的头部上时，第二窗192设置在与第一窗191相对人新加坡。第一窗和第二窗191和192可包括玻璃或透明塑料材料或者可以是第二壳体部分190C的敞开部分。光路转换器180可设置成第二入射表面180b位于第二窗192附近。根据上述布局，外部光Lo可经由第二窗192入射到光路转换器180，并可经由光路转换器180和第一窗191到达用户10的眼睛11。换言之，用户10可经由第一窗191、光路转换器180和第二窗192看见外部。根据上述布局，光路转换器180可邻近用户10的眼睛11设置。

下面描述物镜170的布局。

图3是物镜170的布局的示例的图。为了便于说明，图3示出未被图2的光路转换器180的束分离薄膜181弯曲的衍射光。参见图3，物镜170可设置在成像的SLM 172的位置处或者该位置附近。如果空间光调制器120的光调制表面设置在第一中继透镜141的入射表面侧的第一焦距f1的位置处或该位置附近，由于成像的SLM 172形成在第二中继透镜143的发射表面侧的第二焦距f2处或该位置附近，所以物镜170可设置在第二中继透镜143的发射表面侧的第二焦距f2处或该位置附近。

图4是物镜170的布局的另一示例的图。为了便于说明，图4还示出未被图2的光路转换器180的束分离薄膜181弯曲的衍射光。参见图4，物镜170可设置成成像的SLM 172放置在物镜170的前焦点(物方焦点)Fo和物镜170的入射表面之间。

现在参考图2描述透视型全息显示设备100的操作。控制单元900可产生全息数据，并给空间光调制器120提供全息数据信号。全息数据信号可以是计算机产生全息图(CGH)信号，其被计算以在空间中再现目标全息图。彩色全息图可以由RGB时分驱动来实施。例如，控制单元900可相继地驱动光源单元110的红色、绿色、蓝色光源，传输对应于红色、绿色和蓝色全息图的全息数据信号，并相继地显示红色、绿色和蓝色全息图，由此可显示彩色全息图。

空间光调制器120可根据由控制单元900提供的全息数据信号在空间光调制器120的表面上形成全息图案。空间光调制器120形成全息图案的原理可以与例如显示面板显示图像的原理一样。例如，全息图案可显示在空间光调制器120上，作为包括与要再现的全息图相关的信息的干涉图案。然后，光可通过由空间光调制器120形成的全息图案变为衍射光，衍射光被调制以在空间光调制器120的调制表面上具有全息波前。

由空间光调制器120产生的衍射光可通过中继光学系统140形成成像的SLM 172。

空间光调制器120可以构造为多个像素的阵列，由此，多个像素的阵列充当像素点阵。由此，入射光不仅可以通过由空间光调制器120形成的全息图案而衍射和干涉，而且还可以通过构造为空间光调制器120的鲜红阵列的像素点阵而衍射和干涉。入射光的一部分不通过空间光调制器120的全息图案衍射，而是可透过空间光调制器120。结果，多个格点可显现在光瞳平面上，全息图在光瞳平面上聚焦为斑点，VW放置在光瞳平面中。多个格点可充当图像噪声，图像噪声使多个全息图恶化，并使得不便于欣赏全息图。噪声去除滤波器150可放置在中继光学系统140的第一中继透镜141的第一焦距f1处，并可阻挡除了期望衍射级光之外的光，从而去除由于空间光调制器120引起的噪声，比如衍射图案或多重衍射。

物镜170可准直成像的SLM 172以在用户10眼睛11的瞳孔13前方形成VW。即，由中继光学系统140形成的全息波前(即成像的SLM 172)可以在VW中衍射和干涉，由此，物镜170使得看见3D全息图。

同时，如上所述，图2的光路转换器180的束分离薄膜181可允许图2的外部光Lo透过，由此不仅可在VW中看见全息图而且还可看见图2的第二窗192外部的场景。

如图3所示，当物镜170设置在成像的SLM 172的位置处或者该位置附近时，用户经由物镜170看见的图像可以是成像的SLM 172。即，当再现全息图时，用户10可在与成像的SLM 172相距d的观看位置中(VW)欣赏全息图。在这方面，可根据成像的SLM 172的尺寸S和成像的SLM 172与VW的距离d来控制再现的全息图的VA或视场(FOV)。即，如果成像的SLM 172的尺寸S增加，则FOV的VA可增加，如果成像的SLM 172的尺寸S减小，则FOV的VA可减小。成像的SLM 172的尺寸S可以根据空间光调制器120的尺寸和中继光学系统140的放大率来确定。同时，如果成像的SLM 172与VW的距离d减小，则VA或FOV可增加。成像的SLM 172与VW的距离d可以根据物镜170的F值F/#确定。如上所述，物镜170和光路转换器180设置成与用户10的瞳孔13接触，由此，成像的SLM 172与VW的距离d可减小，相应地，VA或FOV可增加。

如图4所示，成像的SLM 172可放置在物镜170的前焦点(物方焦点)Fo和物镜170的入射表面之间。图5是描述图4的物镜170的布局的操作的图。当成像的SLM 172放置在物镜170的前焦点(物方焦点)Fo和物镜170的入射表面之间时，如图5所示，经由物镜170看见的图像可以是通过物镜170的竖立虚拟成像的SLM 173。在这方面，竖立虚拟成像的SLM 173的尺寸S’可相对于成像的SLM 172的尺寸S满足透镜的下面方程式，

[方程式1]

其中，负号-表示虚像，a表示成像的SLM 172和物镜170之间的距离，b表示竖立虚拟成像的SLM 173和物镜170之间的距离，f3表示物镜170的前焦距。

用户10可在与竖立虚拟成像的SLM 173相距d’的观察位置(VW)中欣赏全息图。在这方面，可以根据竖立虚拟成像的SLM 173的尺寸S’和竖立虚拟成像的SLM 173与VW的距离d’控制再现的全息图的VA或FOV。即，如果竖立虚拟成像的SLM 173的尺寸S’增加，则VA或FOV增加，如果竖立虚拟成像的SLM 173的尺寸S’减小，则VA或FOV减小。竖立虚拟成像的SLM 173的尺寸S’可以根据成像的SLM 172和物镜170之间的位置关系来确定，如上面方程式1所示。更详细地，当物镜170的前焦点Fo设置成更靠近成像的SLM 172时，竖立虚拟成像的SLM 173的尺寸S’极大地增加，由此，VA或FOV可极大地增加。

通过使用复合空间光调制器实施全息图的沉浸式全息显示设备已知为应用于常规HMD的全息显示设备，然而，复合空间光调制器可需要复杂结构，导致分辨率恶化，并当表达2D图像时导致2D图像质量恶化。超高清晰度复合空间光调制器有必要最小化高阶衍射的影响，FOV可以由复合空间光调制器的尺寸限制。由此，相对于相同分辨率，具有超高清晰度像素的复合空间光调制器可具有比较窄的FOV。

同时，本实施例的透视型全息显示设备100不仅可根据空间光调制器120的尺寸而且还可以根据光学系统的构造(例如，中继光学系统140的放大率、物镜170的F值F/#或物镜170的位置等)确定成像的SLM 172的尺寸S或竖立虚拟成像的SLM 173的尺寸S’，由此，全息图的VA或FOV不由空间光调制器120的尺寸限制。

在本实施例中描述用于实施彩色全息图的RGB时分驱动的示例，但是实施例不限于此。作为另一示例，光源单元110可照明白光，并使用包括滤色器的液晶面板作为空间光调制器120，从而根据空间分割实施彩色全息图。

在上述实施例中描述了光源单元110照明准直平行光的情况。然而，光源单元110可照明发散光或会聚光。在该情况下，光源单元110可包括发散或会聚光的透镜而不是准直透镜。根据情形，物镜170可以省略。

尽管在图1和2中透视型全息显示设备100戴在用户10的左眼11L上，但是透视型全息显示设备100可以戴在用户10的右眼11R上。戴在右眼11R上的透视型全息显示设备100可具有与戴在左眼11L上的透视型全息显示设备100对称的结构。

图6是根据另一实施例的透视型全息显示设备200的光学系统的示意图。参见图6，本实施例的透视型全息显示设备200与参考图1至5所述的透视型全息显示设备100基本相同，除了透视型全息显示设备200使用透射式空间光调制器220。透射式空间光调制器220可包括例如使用液晶装置(LCD)的光调制器或者基于化合物半导体(比如GaAs)的半导体光调制器。从光源单元110发出的光经由透射式空间光调制器220衍射和调制。穿过透射式空间光调制器220的衍射光可经由中继光学系统140、物镜170和光路转换器180聚焦在用户10眼睛11的瞳孔13前方，以形成VW。

图7是根据另一实施例的透视型全息显示设备300的光学系统的示意图。参见图7，本实施例的透视型全息显示设备300与参考图1至5所述的透视型全息显示设备100基本相同，除了透视型全息显示设备300使用有源反射器380作为光路转换器。有源反射器380可以是在控制单元901的控制下主动地调整反射和透射的光学部件。例如，作为使用液晶(LC)的透射调整装置，连同(半透)反射镜，有源反射器380可包括电致变色装置等。可增加朝向用户10的瞳孔13的光量的反射涂层或具有其它额外功能的薄膜可额外地设置在有源反射器380的束分离薄膜上。有源反射器380可用作光路转换器，由此，在因极其亮的外部环境而不易观察全息图的情况下，控制单元901可调整从外部入射到瞳孔13的光量。

图8是根据另一实施例的透视型全息显示设备400的光学系统的示意图。参见图8，本实施例的透视型全息显示设备400可包括光路转换器480(比如参考图1至5所述的分束器)和设置在光路转换器480的第二入射表面480b上的分离透射式调整装置485。透射式调整装置485可以分离地使用，由此，在因极其亮的外部环境而不易观察全息图的情况下，控制单元902可调整从外部经由第二窗192入射到瞳孔13的外部光Lo的量。

图9是根据另一实施例的透视式全息显示设备500的光学系统的示意图。图10是描述图9的透视型全息显示设备500的操作的图。

参见图9，本实施例的透视型全息显示设备500与参考图1至5所述的透视型全息显示设备100基本相同，除了透视型全息显示设备500还包括可沿光轴方向546a移动中继光学系统540的第二中继透镜543的移动透镜保持器546。移动透镜保持器546可包括电机(未示出)，以在控制单元903的控制下在光轴方向546a上移动第二中继透镜543。作为另一示例，移动透镜保持器546可沿光轴方向546a手动地移动第二中继透镜543。如果第二中继透镜543在光轴方向546a上移动，则由中继光学系统540形成的成像的SLM 172的尺寸可以调整，或者成像的SLM 172的位置可以移动，如图10所示。

更详细地，经由中继光学系统540的第一中继透镜541由空间光调制器120形成的衍射光可以在聚焦在第一中继透镜541的发射表面侧的焦点位置处之后发散。与参考图1至5所述的透视型全息显示设备100类似，如果第二中继透镜543位于第二中继透镜543的入射表面侧的焦点位置与第一中继透镜541的发射表面侧的焦点位置相同的地点(下文中称为原始位置)，则成像的SLM 172的尺寸可以是S1。然而，如果第二中继透镜543从原始位置在方向547上移动得更靠近第一中继透镜541，则成像的SLM 172的尺寸可以缩小至S2。结果，用户可看见小尺寸(S2)的成像的SLM 172，由此，VA或FOV可以减小。相反地，如果第二中继透镜543从原始位置在远离第一中继透镜541的方向上移动，由于成像的SLM 172的尺寸大于S1，所以用户可看见大尺寸的成像的SLM 172，由此，VA或FOV可增加。如上所述，本实施例的透视型全息显示设备500可通过移动中继光学系统540的透镜位置调整FOV，参考图3所述。

如上所述，如果第二中继透镜543在光轴方向546a上移动，由于成像的SLM 172的位置也可移动，如参考图4所述，所以成像的SLM 172的位置可在物镜170的前焦点Fo和物镜170的入射表面之间调整，由此，竖立虚拟成像的SLM 172的尺寸(方程式1的S’)可以调整，从而调整FOV。

同时，如果FOV增加，由于全息图的每英寸像素(PPI)减小，所以图像质量可恶化，如果FOV减小，由于全息图的PPI增加，所以图像质量提高。

图11是根据另一实施例的透视型全息显示设备600的光学系统的示意图。参见图11，本实施例的透视型全息显示设备600与参考图1至5所述的透视型全息显示设备100基本相同，除了透视型全息显示设备600使用场反射镜670而不是参考图1至5所述的物镜170。光路转换器680可以是分束器。光路转换器680的束分离薄膜681可设置成入射到并透射通过第一入射表面680a的衍射光以及入射到并透射通过第二入射表面680b的外部光Lo可以朝向发射表面680c传输，入射到并透射通过第三表面680d的光可朝向发射表面680c反射，如图11所示。在这方面，第三表面680d可以与第一入射表面680a相对。场反射镜670可设置成邻近光路转换器680的第三表面680d。

根据上述布局，经由中继光学系统140的衍射光可入射到光路转换器680的第一入射表面680a，并可经由束分离薄膜681发射到第三表面680d。从第三表面680d发射的衍射光可以从场反射镜670反射，可再次入射到光路转换器680的第三表面680d，可从束分离薄膜681反射，然后可发射通过发射表面680c，由此，衍射光可到达用户10的眼睛11的瞳孔13。在这方面，衍射光可以准直平行光入射到场反射镜670，并可通过场反射镜670聚焦以在瞳孔13处形成VW。同时，外部光Lo可入射到光路转换器680的第二入射表面680d，然后可经由束分离薄膜681发射到发射表面680c，由此外部光Lo可到达用户10的瞳孔13。

图12是根据另一实施例的透视型全息显示设备700的光学系统的示意图。参见图12，本实施例的透视型全息显示设备700与参考图1至5所述的透视型全息显示设备100基本相同，除了透视型全息显示设备700使用具有弯曲表面束分离薄膜781的光路转换器780而不是图1至5所述的物镜170和光路转换器180。

光路转换器780可以是分束器，其包括相对于第一入射表面780a以凹弯曲表面形成的束分离薄膜781。光路转换器780可具有这样的形状，其中，由束分离薄膜781分离的两部分相对于束分离薄膜781通过一边界结合起来。在这方面，光路转换器781的两部分具有大致相同的折射率。

光路转换器780的束分离薄膜781可以是半透反射镜。在该情况下，由光源单元110照明的光不必局限于偏振光。

作为另一示例，当由光源单元110照明的光可偏振时，光路转换器780的束分离薄膜781可以是偏振选择性薄膜。例如，束分离薄膜781可具有偏振选择性，入射到第一偏振表面780a的光(即从光源110发射的偏振光)反射，第二偏振的光透射。由于外部光Lo具有第一偏振分量和正交于第一偏振方向的第二偏振分量两者，所以如果束分离薄膜781具有偏振选择性，则仅包含在从第二入射表面780b入射的外部光Lo中的第二偏振分量可透过束分离薄膜781，并到达用户眼睛11的瞳孔13。

束分离薄膜781的弯曲表面可以设计成使得入射到第一偏振表面780a的光束反射，并聚集在束分离薄膜781中以在用户眼睛11的瞳孔13前方形成VW。通过束分离薄膜781对光束的聚焦可代替参考图1至10所述的物镜170的功能或参考图11所述的场反射镜670的功能。由此，光路转换器780可设置在对应于上述物镜170的位置的位置处。例如，光路转换器780可以设置成束分离薄膜781放置在像平面(图3的172)附近，从中继光学系统140传输的全息图成像在像平面上。

同时，由于光路转换器780的相对于束分离薄膜781通过一边界结合起来的两部分具有大致相同的折射率，所以当外部光Lo穿过束分离薄膜781时，不会发生折射。换言之，外部光Lo无折射地穿过束分离薄膜781，用户可看见没有畸变的外部场景。

图13是根据另一实施例的透视型全息显示设备800的光学系统的示意图。

参见图13，本实施例的透视型全息显示设备800的光学系统基本上与参考图7所述的透视型全息显示设备700的光学系统相同，除了透视型全息显示设备800的光学系统还包括光束选择性光学元件890，由此，下面主要描述差别。

光源单元110可照明偏振光。如参考图2所述，当光源单元110照明偏振光时，光分支器130可以是偏振分束器，诸如1/4偏振板(未示出)的偏振转换构件还可设置在光分支器130和空间光调制器120之间。光路转换器880可具有偏振选择性，并包括以预定弯曲表面形成的束分离薄膜881。如参考图12所述，束分离薄膜881可具有偏振选择性，入射到第一偏振表面880a的第一偏振光(即从光源110发射的偏振光)反射，第二偏振光透射。由于外部光Lo具有第一偏振分量和正交于第一偏振方向的第二偏振分量，所以仅包含在外部光Lo中的第二偏振分量可透过束分离薄膜881，并到达用户眼睛11的瞳孔13。如下所述，光束选择性光学元件890仅相对于第一偏振光具有正(+)折射率，相对于第二偏振光不具有折射率。由此，束分离薄膜881的弯曲表面可考虑光束选择性光学元件890的折射率来设计。

图14是用在图13的透视型全息显示设备800中的光束选择性光学元件890的示例的图。图14的光束选择性光学元件890是相对于第一偏振光和第二偏振光具有不同折射率的偏振依赖性透镜。参见图14，光束选择性光学元件890可以是粘合透镜，第一透镜891和第二透镜892粘合起来。第一透镜891可以是各向同性透镜，包括例如玻璃或各向同性聚合材料。第二透镜892可以是各向异性透镜，包括根据偏振方向具有不同折射率的各向异性聚合材料。包括各向异性聚合材料的第二透镜892可相对于第一偏振光具有与第一透镜891不同的折射率，并可相对于第二偏振光具有与第一透镜891相同的折射率。光束选择性光学元件890的入射表面890a(即第一透镜891的入射表面)和光束选择性光学元件890的发射表面890c(即第二透镜892的发射表面)可以是平坦表面。第一透镜891和第二透镜892之间的边界表面890b可以是具有预定曲率的弯曲表面。边界表面890b的弯曲表面可以设计成入射到光束选择性光学元件890的入射表面890a的第一偏振的光束聚焦以在用户眼睛11的瞳孔13前方形成VW。

现在简要地描述本实施例的透视型全息显示设备800的操作。

具有由光源单元110照明的偏振的光可具有预定全息图信息，并可经由空间光调制器120衍射，并作为第一偏振的衍射光经由中继光学系统140和噪声去除滤波器150入射到光路转换器880的第一偏振表面880a。光路转换器880可构造成第一偏振光可在束分离薄膜881中反射，由束分离薄膜881的曲率聚焦，并发射通过发射表面880c。从光路转换器880发射的第一偏振光可在光束选择性光学元件890中聚焦，以在用户眼睛11的瞳孔13前方形成VW，由此用户可看见全息图。

外部光Lo可入射到光路转换器880的第二偏振表面880b。仅包含在外部光Lo中的垂直于第一偏振的第二偏振光可穿过光路转换器880的束分离薄膜881，并发射通过发射表面880c。从光路转换器880发射的第二偏振的外部光Lo可无折射地穿过光束选择性光学元件890，由此用户可看见无畸变的外部场景。

在本实施例中，光路转换器880和光束选择性光学元件890可通过分配折射率相对于第一偏振光设计，由此光学设计在自由度方面进一步自由，VA可充分地增加。根据情况，当光束选择性光学元件890充分地控制折射率时，光路转换器880的束分离薄膜881可形成为平坦表面。

图15A至15C是用在图13的透视型全息显示设备800中的光束选择性光学元件990、990’和990”的示例的图。

参见图15A，光束选择性光学元件990可包括彼此相对的第一和第二透明基底层991和992以及置于第一和第二透明基底层991和992之间的液晶层994。第一和第二透明基底层991和992的相对表面之间的至少一个表面可以弯曲表面形成使得光束选择性光学元件990可根据液晶层994的取向具有预定折射率。第一和第二电极996和997可以分别设置在第一和第二透明基底层991和992中。电源998可对第一和第二电极996和997施加电压。液晶层994的液晶可以通过所施加电压对齐。参考标号995表示密封液晶层994的屏障。液晶层994的折射率和偏振特性可以根据液晶的对齐来改变，由此，本实施例的光束选择性光学元件990可以是有源透镜。作为示例，当不对液晶层994施加电压时，第一偏振光或第二偏振光可实际上透射通过液晶层994，由此，用户可看见全息图和外部场景两者。当对液晶层994施加电压时，仅第一偏振光可在透射通过液晶层994之后聚焦，由此，用户仅看见全息图。作为另一示例，在对液晶层994施加电压且仅第二偏振光透射通过液晶层994的情况下，当不对液晶层994施加电压时，第一偏振光和第二偏振光两者可实际上透射通过液晶层994，由此用户可看见全息图和外部场景两者，在对液晶层994施加电压时，仅第二偏振光可在透射通过液晶层994之后聚焦，由此，用户仅看见外部场景。

尽管第二透镜基底层992的内表面(即第二电极997所在的表面)在图15A中形成为弯曲表面，但是第一透明基底层991可以形成为弯曲表面。第一和第二电极996和997在图15A分别设置在第一和第二透明基底层991和992的相对表面上，但是本公开不限于此。

图15B示出图15A的光束选择性光学元件990的变型例。参见图15B，光束选择性光学元件990’可包括彼此相对的第一和第二透明基底层991’和992’以及置于第一和第二透明基底层991’和992’之间的液晶层994’。第一和第二电极996’和997’可分别设置在第一和第二透明基底层991’和992’中。电源998’可对第一和第二电极996’和997’施加电压。液晶层994’的液晶可通过所施加电压对齐。液晶层994’的偏振特性可以根据电压的施加而改变。液晶层994’可以由屏障995’密封。

第一和第二透明基底层991’和992’中的至少一个可以是粘合透镜。作为示例，如图15B所示，第二透明基底层992’可以通过粘合具有不同折射率的第一透镜层992a’和第二透镜层992b’来形成。在这方面，第二透明基底层992’整体具有平板形状。第一透镜层992a’和第二透镜层992b’之间的粘合表面可以相对于入射表面凸出地形成，使得第二透明基底层992’可具有正(+)折射率。粘合表面的形状可以根据第一透射层992a’和第二透镜层992b’的折射率改变。与上面参考图14所述的光束选择性光学元件890类似，第一透镜层992a’可包括各向同性材料，第二透镜层992b’可包括各向异性材料，使得第二透明基底层992’可相对于第一偏振光(即衍射光)和第二偏振光(即外部光)具有不同的折射率。

本实施例的光束选择性光学元件990’与参考图15A所述的光束选择性光学元件990的不同之处在于，第二透明基底层992’控制折射率，光束选择性光学元件990’仅选择偏振。

图15C示出图15A的光束选择性光学元件990的变型例。参见图15C，光束选择性光学元件990”可包括彼此相对的第一和第二透明基底层991”和992”以及置于第一和第二透明基底层991”和992”之间的液晶层994”。第一和第二电极996”和997”可分别设置在第一和第二透明基底层991”和992”中。第二电极997”可设置在第二透明基底层992”的整个表面上，而第一电极996”可设置在第一透明基底层991”的一部分上(例如，如图15C所示的第一透明基底层991”的圆周或两侧)。电源998”可对第一和第二电极996”和997”施加电压。液晶层994”的液晶可以通过所施加电压对齐。液晶层994”可以由屏障995”密封。

由于第一电极996”的位置与第二电极997”的位置不同，所以施加到液晶层994”的电场可以是非均匀的。例如，当第一电极996”设置在第一透明基底层991”的圆周或两侧上时，第一电极996”的边缘侧的电场可具有弥散场形状。由此，如果第一电极996”的形状和施加到其的电压恰当地选择，则液晶层994”可通过施加到液晶层994”的非均匀电场具有正(+)折射率。即，在不对液晶层994”施加电压时，第一偏振光或第二偏振光可实际上透射通过液晶层994”，由此，用户可看见全息图和外部场景。在对液晶层施加电压时，仅第一偏振光在透射通过液晶层994”之后聚焦，由此，用户仅看见全息图。

图16是根据另一实施例的由用户戴着的头戴式显示器(HMD)设备700(透视型全息显示设备)的示意性平面图。图17是图10的HMD设备700的光学系统的示意图。

参见图16，本实施例的HMD设备可以是戴在用户10头部的设备(比如眼镜或护目镜)或者附接在眼镜或护目镜上。

HMD设备1000可包括左眼透视型显示设备1001、右眼透视型显示设备1002以及连接左眼透视型显示设备1001和右眼透视型显示设备1002的框架803。左眼透视型显示设备1001和右眼透视型显示设备1002均可以是参考图1至15所述的透视型全息显示设备100至600之一。当HMD设备1000戴在用户10的头部上时，左眼透视型显示设备1001的光路转换器1081可以邻近用户10的左眼11L设置，右眼透视型显示设备1002的光路转换器1082可以邻近用户10的右眼11R设置。左眼透视型显示设备1001和右眼透视型显示设备1002可分别显示左眼全息图和右眼全息图。由于左眼透视型显示设备1001和右眼透视型显示设备1002是透视型显示设备，本实施例的HMD设备1000可以是看见左右眼全息图和外部场景的透视型显示设备。

控制左眼透视型显示设备1001和右眼透视型显示设备1002的光学系统的控制单元1004可设置在左眼透视型显示设备1001和右眼透视型显示设备1002之一的壳体的内部或外部。

不同用户的瞳孔的位置可稍微不同。由此，需要调整由左眼透视型显示设备1001和右眼透视型显示设备1002每个形成的观察孔VW的位置的构成元件，使得VW在用户的瞳孔处。在这方面，框架1003可在左右方向1004上移动左眼透视型显示设备1001和右眼透视型显示设备1002中的至少一个，以减小或增加左眼透视型显示设备1001和右眼透视型显示设备1002之间的空间，从而固定左眼透视型显示设备1001和右眼透视型显示设备1002。这种框架1003的固定设备可使用熟知的方法。本实施例的HMD设备1000可分离地包括左眼透视型显示设备1001的光学系统和右眼透视型显示设备1002的光学系统，从而容易地调整左眼透视型显示设备1001和右眼透视型显示设备1002之间的距离。

根据实施例的透视型全息显示设备可同时看见全息图和外部。

根据实施例的透视型全息显示设备可调整视场的尺寸。

根据实施例的透视型全息显示设备可应用于个人透视型显示头戴式显示器。

根据实施例的透视型全息显示设备可实施光学系统，该光学系统经由振幅调制将全息图实施到头戴式显示器。

当根据实施例的透视型全息显示设备应用于双目头戴式显示器时，由于左光学系统和右光学系统完全分离，所以左光学系统和右光学系统的一个或两个根据用户(观察者)的左瞳孔和右瞳孔之间的距离移动，从而调整左瞳孔和右瞳孔之间的距离。

为了便于理解透视型全息显示设备，在附图中描述和显示了各实施例。然而，应理解的是，本文所述实施例应仅以描述性考虑，不用于限制性。每个实施例内的特征或方面的描述通常应考虑为可用于其它实施例中的其它类似特征或方面。

尽管参考附图描述了一个或多个实施例，但是本领域技术人员应理解的是，在不脱离由下面权利要求限定的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。