紧凑型平视显示器及其波导的制作方法

本公开涉及光瞳扩展或复制，特别是用于包括发散的光线束的衍射光场。更具体地，本公开涉及一种包括波导光瞳扩展器的显示系统以及一种使用波导进行光瞳扩展的方法。一些实施例涉及使用第一和第二波导光瞳扩展器的二维光瞳扩展。一些实施例涉及图片生成单元和平视显示器，例如汽车平视显示器(hud)。

背景技术：

1、从物体散射的光包含振幅和相位信息。这种振幅和相位信息可以通过公知的干涉技术在例如感光板上捕获，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。

2、计算机生成全息术可以数值模拟干涉过程。计算机生成的全息图可以通过基于诸如菲涅耳或傅立叶变换的数学变换的技术来计算。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。傅立叶全息图可以被认为是物体的傅立叶域/平面表示或者物体的频域/平面表示。例如，计算机生成的全息图也可以通过相干光线追踪或点云技术来计算。

3、计算机生成的全息图可以被编码在空间光调制器上，该空间光调制器被布置成调制入射光的振幅和/或相位。例如，可以使用电可寻址液晶、光可寻址液晶或微镜来实现光调制。

4、空间光调制器通常包括多个可单独寻址的像素，这些像素也可以称为单元或元件。光调制方案可以是二元的、多级的或连续的。或者，该装置可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制在该装置上可以是连续的。空间光调制器可以是反射性的，这意味着调制光以反射方式输出。空间光调制器同样可以是透射的，这意味着调制光以透射方式输出。

5、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。

技术实现思路

1、在所附的独立权利要求中定义了本公开的各个方面。

2、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)。投影仪可以被称为“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。图像形成在显示平面上或被观察者感知在显示平面上。在一些实施例中，图像是虚像，并且显示平面可以被称为虚像平面。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。

3、显示设备包括像素。显示设备的像素可以显示对光进行衍射的衍射图案或结构。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，最大衍射角的大小由像素的尺寸和如光的波长的其他因素决定。

4、在实施例中，显示设备是空间光调制器，例如硅基液晶(“lcos”)空间光调制器(slm)。光在一定衍射角范围内(例如，从零到最大衍射角)从lcos向观察实体/系统(如照相机或眼睛)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。

5、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或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。

6、在其他一些示例中，衍射图案/全息图本身的(光)被传播到眼睛。例如，全息图的空间调制光(还没有完全转换成全息重建，即图像)(可以非正式地说是用/通过全息图“编码”的)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。有时而言，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被配置成使得观察者有效地直视显示设备。

7、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上具有有限尺寸的光图案，例如x和y。这里使用的“复合”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。

8、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的只有小范围的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(例如，诸如眼动范围的观察窗内的任何一个眼睛位置)都是可见的。

9、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像，也就是说，观察者感觉图像比显示设备离他们更远。从概念上讲，因此可以认为观察者正在通过“显示设备大小的窗口”观看虚像，该窗口可以非常小，例如直径为1cm，处于相对大的距离，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，他们眼睛的瞳孔也可以非常小。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。

10、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的问题，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)较小，而投影距离(相对而言)较大。在一些实施例中，投影距离比显示设备的入射光瞳和/或孔径的直径或宽度(即像素阵列的尺寸)大至少一个数量级，例如至少两个数量级。本公开的实施例涉及一种配置，其中图像的全息图而不是图像本身被传播到人眼。换句话说，观察者接收到的光根据图像的全息图进行调制(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被传播到人眼，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”的光被传播到人眼。

11、光瞳扩展器的使用横向增加了观察区域(即，用户的眼盒(eye box))，从而使得眼睛能够发生一些运动，同时仍然使得用户能够看到图像。如技术人员将理解的，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。

12、传统上，二维光瞳扩展器包括一个或多个一维光波导，每个光波导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范围。从显示设备接收的光(例如，来自lcos的空间调制光)被该波导或每个波导复制，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“复制品”,波导扩大了观察窗。

13、本文公开了一种系统，该系统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(例如诸如傅里叶或菲涅耳全息图的全息图)形成图像全息重建的光。衍射和衍射结构的使用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的显示设备(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(例如包括发散(非准直)光线束的衍射光)的问题。

14、在一些方面，显示系统包括显示设备，例如像素化显示设备，例如空间光调制器(slm)或硅基液晶(lcos)slm，其被布置为提供或形成衍射光。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slm中包含的光调制像素阵列的区域的大小)决定了可以离开系统的光线束的大小(例如，空间范围)。根据本公开，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型显示设备的限制)在空间范围上变得更大。

15、衍射光场可以被称为具有“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。在一些实施例中，光是发散的，使得光场大小随着传播距离而增加。在其他实施例中，光被准直，使得光场大小不随传播距离而改变。

16、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)的图像的不同相应部分。像素化显示设备可以被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。

17、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被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部反射，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、优选全部复制品)从其输入端口引导到相应的输出端口。

18、第一波导光瞳扩展器可以被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被布置成在不同的第二方向上提供光瞳扩展或复制。第二方向可以基本上正交于第一方向。第二波导光瞳扩展器可以被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、优选全部复制品。第二波导光瞳扩展器可以被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。

19、在一些实施例中，第一波导光瞳扩展器的一对相对表面是伸长的或细长的表面，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一个相对较短，每个维度基本上与相应的其他维度中的每一个正交。光在第一对表面之间/从第一对表面反射/透射的过程被布置成使得光在第一波导光瞳扩展器内传播，其中光传播的总体方向以及光瞳扩展的总体方向是第一波导光瞳扩展器相对较长的方向(即，在其“伸长的”方向)。

20、因此，第一波导光瞳扩展器可以是基本上细长的(例如杆状的)。第二波导光瞳扩展器可以是基本上平面的(例如矩形的)。第一波导光瞳扩展器的细长形状可以由对应于第一方向(即光瞳扩展的方向)的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上正交于第一维度的第二维度的宽度或广度来定义。第一波导光瞳扩展器沿其第一维度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度或第二维度的长度或宽度。包括其输入端口的第二波导光瞳扩展器的一对平行表面的第一表面可以被成形、定尺寸和/或定位以对应于由第一波导光瞳扩展器上的一对平行表面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被布置成接收由第一波导光瞳扩展器输出的每个复制品。

21、第一和第二波导光瞳扩展器可以共同地在第一方向和正交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上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广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以被称为“光瞳扩展器”。

22、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一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，观察者可以从该扩展的眼盒区域接收输入衍射光场的光。可以说眼盒区域位于或定义了观察平面。

23、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。可选地，在包括诸如光学组合器的其他元件的布置中，例如车辆的挡风屏(或挡风玻璃)，出射光瞳可以被认为是来自该其他元件的出射光瞳，例如来自挡风屏的出射光瞳。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，出射光瞳可以基本上正交于其中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。

24、因此，在一些实施例中，观察平面(例如，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，观察平面可以基本上垂直于其中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。

25、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。

26、显示设备可以具有有效或显示区域，该有效或显示区域具有小于10cm的第一维度，例如小于5cm或小于2cm。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，例如小于15ms或小于10ms内接收图像并确定足够质量的对应全息图。

27、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，全息图被配置成将光学路径由到多个通道中，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图域中，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。全息图在本文中被描述为将光学路径由到多个全息图通道中，仅仅是为了反映可以从全息图中重建的图像具有有限的尺寸，并且可以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。重要的是，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明时全息图形成的空间调制光中的唯一光线角度相关联——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以被任意分成多个全息图通道，其中每个全息图通道由光线角度(二维)的范围限定。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联。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，通过有意地将从中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。

28、尽管如此，全息图仍然可以被识别。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。如果重构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的形状基本上对应于(即基本上相同于)入射光瞳的形状，尽管尺寸可能不同，至少在计算全息图的正确平面上是不同的。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，但是也可以使用其他方式。总之，本文公开的(特殊类型的)全息图通过图像内容在全息图编码的光内的分布来表征和识别。再次，为了避免任何疑问，本文中对被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的光场的光瞳扩展。

29、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，其中输入光场是衍射或全息光场。在一些实施例中，输入光场的大小随着传播距离而变化，使得光线束形成发散(或会聚)光束。在这种情况下，光线束的光线具有不同的光线角度/方向。如上所述，通过创建输入光线(或光线束)的一个或多个复制品，光瞳扩展(也可以称为“图像复制”或“复制”或“光瞳复制”)使得观察者可以在其上或者从其中看到图像(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，其中每个维度基本上与相应的另一个维度正交。

30、该系统可以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现实世界应用，包括那些空间有限和财产价值高的应用。例如，它可以在平视显示器(hud)中实现，例如车辆或汽车hud。

31、根据本公开，为衍射光或衍射的光提供光瞳扩展，其可以包括发散的光线束。衍射光或衍射的光可以由显示设备输出，例如像素化显示设备，例如被布置成显示衍射结构(例如全息图)的空间光调制器(slm)。衍射光场可以由“光锥”来定义。因此，(如在二维平面上定义的)衍射光场的尺寸随着距对应衍射结构(即显示设备)的传播距离而增加。

32、空间光调制器可以被布置成显示全息图(或者包括全息图的衍射图案)。衍射或发散光可以包括用/通过全息图编码的光，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制品，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，衍射光场被传播到观察者。

33、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被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)的多个复制品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被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被布置成扩展/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。

34、在本公开中，术语“复制品”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学路径被引导。“复制品”一词用于指复制事件后复合光场的每个出现或实例，诸如由光瞳扩展器的部分反射-透射。每个复制品沿着不同的光学路径传播。本公开的一些实施例涉及用全息图而不是用图像编码的光的传播，即，用图像的全息图而不是图像本身进行空间调制的光。全息术领域的技术人员将理解，与用全息图编码的光的传播相关联的复合光场将随着传播距离而变化。这里使用的术语“复制品”与传播距离无关，因此与复制事件相关联的两个光的分支或路径仍然被称为彼此的“复制品”，即使分支具有不同的长度，从而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联，它们仍然被认为是“复制品”，这是在假设它们源自相同的复制事件或一系列复制事件的前提下。

35、根据本公开的“衍射光场”或“衍射性光场”是由衍射形成的光场。可以通过照射相应的衍射的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。从全息图传播到重放平面的全息光场可以说包括用/通过全息图编码的光或全息图域中的光。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”是在与对应衍射结构空间分离的平面上形成重建的光场。本文公开了一种光学系统，用于将衍射光场从衍射结构传播到观察者(例如，从显示设备传播到观察系统)。衍射光场可以形成图像。

36、光学系统包括波导，例如本文描述的波导光瞳扩展器。波导包括输入端口、输出端口和一对相对表面。该对相对表面被布置成通过内部反射在其间引导衍射光场。输入端口被布置成直接或间接地接收来自显示系统的光。输出端口由该对相对表面的第一表面的第一透射-反射元件形成。第一透射-反射元件使得衍射光场在每次内部反射时被分割，并且衍射光场的多个复制品通过输出端口透射出波导。输入端口包括在该对相对表面的第二表面的(高)反射元件中的光学透明窗口。透明窗口被布置成接收来自显示设备的光场的至少一部分。(高)反射元件包括在波导的第二表面上形成的相对较短的金属层和至少部分设置在金属层上的电介质堆叠。因此，反射元件的金属层在透明窗口的边缘(或边界)形成台阶。电介质堆叠在远离透明窗口的方向上相对于边缘偏移。

37、光场包括多个单色分量。波导被配置成对每个单色分量进行波导和复制每个单色分量。术语“消色差的”和“彩色的”在本文中是相对于多个不同的单色分量的不同波长而使用的。例如，术语消色差反射率在本文中用来表示在多个不同波长的每个波长处反射率基本相等。同样，术语彩色反射率在本文中用于表示在多个不同波长的每个波长处反射率基本上不相等。光学领域的技术人员将会理解，金属的反射率是彩色的，也就是说，金属的反射率是波长的强函数。光学领域的技术人员将熟悉如何设计包括多个不同电介质层的电介质堆叠以提供期望的反射率(例如消色差反射率)，因此这里不再给出进一步的细节。为了避免疑问，根据本公开，电介质堆叠的多个电介质层共同(即，作为整体或组合)提供消色差反射率。

38、表述“至少部分设置在金属层上”用于表示电介质堆叠的第一部分设置在金属层上，电介质堆叠的第二部分直接设置在波导的第二表面上(即没有中间层)，其中第二部分比第一部分离输入端口更远。当金属层结束时，电介质堆叠的第二部分开始。

39、本文中提到的波导的“长度”是指平行于光在波导内传播的方向(即“进行波导”的方向)的横向维度，这也是通过波导的光瞳扩展的方向(或维度)。

40、在波导的实施例中，金属层不延伸反射元件的全部长度。例如，金属层的长度小于20mm或10mm，例如小于5mm或小于2mm

41、在实施例中，电介质堆叠的第一部分设置在金属层上以形成台阶，电介质堆叠的第二部分直接设置在波导的第二表面上。电介质堆叠的第二部分的长度可以大于第一部分的长度。

42、在实施中，至少在波导光的一个或多个波长处，金属层具有/表现出彩色反射率，电介质堆叠具有/表现出消色差反射率，和/或电介质堆叠的反射率大于金属层的反射率。

43、在一些实施例中，由邻近输入端口的金属层形成的边缘比由邻近输入端口的电介质堆叠在台阶处形成的第二边缘更尖锐(即，更大的梯度，理想地，该边缘垂直于(成90°)其上形成金属层的波导的第二表面)。也就是说，金属层和输入端口之间的转变被清楚地限定，并且该转变在不沿着波导的第二表面的长度的一段距离上变化(如同与波导的第二表面成一角度(小于90°)倾斜的边缘一样)。

44、典型地，透射-反射元件的透射率随着距输入端口的距离而增加，以补偿每次反射时光的分割(一些反射/一些透射)，因此复制品具有相同的亮度。

45、在一些实施方式中，由波导的一对相对表面在其间引导的光场是衍射光场。例如，衍射光场可以是全息光场。在一些实施例中，光是发散的。在观察系统在有限虚像距离(与无限远相反)观察虚像的应用中，可能需要发散光场。

46、提供了一种包括波导的显示系统。显示系统可以包括被布置成显示全息图的空间光调制器。入射到波导上的光场可以根据全息图进行空间调制。显示系统可以包括具有像素区域的显示设备，该像素区域限定了由波导扩展的显示系统的出射光瞳。该波导可以形成一对波导光瞳扩展器中的第一一维光瞳扩展器，该对波导光瞳扩展器被布置成分别在第一方向和第二垂直方向上扩展显示系统的光瞳。

47、术语“全息图”用来指包含关于物体的振幅信息或相位信息，或它们的某种组合的记录。术语“全息重建”用于指通过照射全息图形成的物体的光学重建。本文公开的系统被描述为“全息投影仪”，因为全息重建是实像并且在空间上与全息图分离。术语“重放场”用于指2d区域，在该区域内形成全息重建并完全聚焦。如果全息图显示在包括像素的空间光调制器上，重放场将以多个衍射级的形式重复，其中每个衍射级是零阶重放场的复制品。零阶重放场通常对应于优选的或主要的重放场，因为它是最亮的重放场。除非明确说明，否则术语“重放场”应该被认为是指零阶重放场。术语“重放平面”用于指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”是指由全息重建的光照射的重放场的区域。在一些实施例中，“图像”可以包括离散的点，这些点可以被称为“图像点”，或者为了方便起见，称为“图像像素”。

48、术语“编码”、“写入”或“寻址”用于描述向slm的多个像素提供相应的多个控制值的过程，这些控制值分别确定每个像素的调制水平。可以说slm的像素被配置成响应于接收多个控制值而“显示”光调制分布。因此，可以说slm“显示”了全息图，并且该全息图可以被认为是光调制值或水平的阵列。

49、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。这种全息记录可以被称为纯相位全息图。实施例涉及仅相位全息图，但是本公开同样适用于仅振幅全息术。

50、本公开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，这通过使用所谓的完全复合全息图的复合调制来实现，该完全复合全息图包含与原始物体相关的振幅和相位信息。这种全息图可以被称为完全复合全息图，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。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，计算完全复合的计算机生成全息图。

51、可以参考相位值、相位分量、相位信息，或者简单地参考计算机生成的全息图或空间光调制器的像素相位，作为“相位延迟”的简写。也就是说，所描述的任何相位值实际上是表示由该像素提供的相位迟延的量的数字(例如，在0到2π的范围内)。例如，被描述为具有π/2相位值的空间光调制器的像素会将接收到的光的相位迟延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级。例如，为了方便起见，术语“灰度级”可以用于指代纯相位调制器中的多个可用相位级，即使不同的相位级不提供不同的灰度。为了方便起见，术语“灰度级”也可以用于指代复合调制器中的多个可用复合调制级。

52、因此，全息图包含灰度级的阵列，即光调制值的阵列，诸如相位延迟值或复合调制值的阵列。全息图也被认为是衍射图案，因为它是一种当显示在空间光调制器上并用波长与空间光调制器的像素间距相当、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。这里参考将全息图与其他衍射图案相结合，例如用作透镜或光栅的衍射图案。例如，用作光栅的衍射图案可以与全息图结合，以平移重放平面上的重放场，或者用作透镜的衍射图案可以与全息图结合，以将全息重建聚焦在近场中的重放平面上。

53、尽管不同的实施例和实施例组可以在下面的详细描述中单独公开，但是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组合相结合。也就是说，设想了本公开中公开的特征的所有可能的组合和排列。