显示装置和方法与流程

本公开涉及一种光瞳扩展器，比如波导光瞳扩展器。更具体地，本公开涉及一种多色波导光瞳扩展器，比如用于两种或三种颜色显示器的波导光瞳扩展器。本公开还涉及一种投影仪和投影方法，比如全息投影和全息投影方法。一些实施例涉及平视显示器。一些实施例涉及优化观看窗口内的图像均匀性。

背景技术：

1、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回放图像。

2、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，还可以通过相干射线追踪或点云技术来计算计算机生成的全息图。

3、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。

4、空间光调制器通常包括多个单独可寻址像素，其也可以称为单元或元素。光调制方案可以是二态、多级或连续的。可替代地，装置可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制可以在整个装置上是连续的。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。

5、可以使用本文描述的系统来提供全息显示装置，比如全息投影仪。这样的投影仪已经在平视显示器“hud”中找到了应用。

技术实现思路

1、本公开的各方面在所附的独立权利要求中限定。

2、本文公开了一种显示装置，包括图片生成单元、波导光瞳扩展器和观看者跟踪系统。图片生成单元包括第一显示通道、第二显示通道和控制器。第一显示通道布置成输出第一颜色的第一空间调制光。第一空间调制光对应于第一图片(或图像)。第二显示通道布置成输出第二颜色的第二空间调制光。第二空间调制光对应于第二图片(或图像)。控制器布置成驱动第一显示通道和第二显示通道。波导光瞳扩展器包括一对平行反射表面。波导光瞳扩展器限定输入端口和观看窗口。输入端口布置为接收第一空间调制光和第二空间调制光。观看窗口是观看者可以在其内观看第一图片/图像和第二图片/图像的区域或体积。该对平行反射表面布置为通过一系列内部反射将第一空间调制光和第二空间调制光从输入端口引导到观看窗口。该对平行反射表面中的第一反射表面的反射率由渐变涂层提供。渐变涂层部分地透射第一颜色的光和第二颜色的光。渐变涂层的透射率是非消色差的。观看者跟踪系统布置为确定观看窗口内的观看位置。控制器布置为基于由观看者跟踪系统确定的观看位置来将从观看位置看到的第一和第二图片的色彩平衡保持为基本恒定。

3、波导光瞳扩展器包括两个反射表面。一个反射表面—例如第一反射表面—是部分透射和部分反射的。部分透射率导致形成由波导接收的光线的副本。波导的另一个反射表面—例如第二反射表面—是完全或接近完全的反射器—例如完全镜。在波导的输入端口处接收空间调制光。波导可以是基本平板状的，其中两个反射表面的间隔小于两个反射表面的尺寸。每个反射表面基本上是平面的。波导配置为使得观看者应注视反射表面之一的大表面—例如部分反射的表面。该表面可被称为观看表面。输入端口可以与观看者在平板的同一侧，或者其可以在相反侧。输入端口可以在全反射表面或部分反射表面的反射部件—例如反射层或涂层中包括裂口或缝隙。输入端口可以可替代地从反射部件的端部开始。

4、观看窗口可以是眼盒或眼动盒。由于入射波前的振幅的划分产生了多余的光线，因此波导扩大了观看窗口。根据本公开，入射光(即由波导接收的光)是空间调制光。空间调制光可以用图片的全息图编码或者用图片本身编码。无论哪种情况，入射光都可以被准直。

5、本公开的实施例涉及一种多色波导光瞳扩展器。也就是说，波导配置为执行第一颜色图片(即由第一波长的光形成的第一图片)和第二颜色图片(即由第二波长的光形成的第二图片，其中第一波长不同于第二波长)的光瞳扩展。该系统可以配置为使得第一颜色图片和第二颜色图片以阅读者熟悉的方式在观看窗口处被感知为基本重合。例如，系统可以通过组合多个单色图像比如红色、绿色和蓝色图像(在此称为“合成彩色图像/图片”)来形成全彩色图像。

6、波导的第一表面包括部分透射反射涂层。涂层的反射率沿着波导的长度(在总体光传播方向上)不是恒定的。然而，为了最佳的观看体验，当观看者在观看窗口内四处移动时，每个颜色图像的亮度都不应改变。此外，不同单色图像分量之间的颜色平衡应保持恒定。涂层可包括多于25个介电层，以便在多个波长下提供必要的光学性能。可以花很多精力来优化涂层，但是几乎不可能提供完全消色差的涂层。

7、第一反射表面/渐变镜的非消色差导致图像的色彩平衡在整个观看窗口上变化。发明人已经发现，观看者对这种类型的不平衡特别敏感，尤其是在观看位置不稳定的现实世界系统中，比如平视显示器。发明人已经设计出一种方法来补偿在观看表面/渐变镜上的不完全(即非消色差)涂层。值得注意的是，发明人已经意识到色度是观看位置的敏感函数的重要性。这种对位置的敏感依赖性是通过使用波导的内部反射引导光的结果。具体地，这是由于在不同的观看位置处由不同的光线形成的感知图像。这些不同光线在波导内可能经历了不同数量的反弹(即反射)。不同光线将沿着平板内的不同反射路径，因此已被渐变涂层的不同局部区域反射。根据本公开，观看者在观看窗口内的位置用于微调各个单色图像的亮度，以便补偿渐变镜的色度。观众跟踪系统用作反馈系统的一部分。观看者跟踪系统可以是眼睛跟踪系统或头部跟踪系统。校准数据可用于实时微调一个或多个单色图像的亮度，以保持颜色平衡。可以通过校准过程来获得校准数据，该校准过程包括在观看窗口内的多个不同观看位置处测量每个单色图像的相对亮度。

8、波导复制入射波前的光线，以扩展观看窗口/光瞳。每个连续的副本由波导内的光线的一个或多个反弹形成。因此，观看表面的反射率/透射率是渐变的，即随着沿波导的距离而变化，以补偿由于光在每次反弹时的部分逸出而导致沿波导的光强度下降。因此，渐变涂层的反射率随距输入端口的距离而降低。渐变涂层可以包括薄膜堆叠，任选地，其中每个薄膜是电介质或金属。本领域技术人员将熟悉这种堆叠的设计，并且将理解在提供如本文所述的多色光瞳扩展所需的光学特性方面的困难。

9、在一些实施例中，空间调制光是在图像生成单元和观看窗口之间的中间平面上形成的图片的光。在中间平面处形成的图片可以形成在自由空间中，或者可以形成在屏幕比如漫射器上。在这些实施例中，光的幅度根据显示的图片在空间上被调制。因此，在这些实施例中，可以说第一显示通道布置为显示第一图片，第二显示通道布置为显示第二图片。可以使用图片的全息图通过全息投影在中间平面或屏幕上形成每个图片。即，每个显示通道可以显示全息图，该全息图被照射并且通过全息重建在中间平面或屏幕(例如漫射器)上形成图片。在图片(即全息重建)形成于屏幕上的实施例中，可能优选地将屏幕视为图片生成单元的一部分。在这种情况下，可以说屏幕设置在全息图平面和观看平面之间。

10、在其他实施例中，用全息图对空间调制光进行编码。在这些实施例中，显示全息图并且根据全息图图案的空间调制光可以用于重建图片。有时会说，在这种配置下，观看者的眼睛的晶状体执行全息图到图像(例如频域到空间域)转换。全息重建因此可以形成在观看者的视网膜上。可选地，透镜可以包括在显示器/全息图和观看者之间，以便中继全息图重建或确定重建平面的位置。全息图可以是傅立叶全息图。观看者直接观看全息图(例如空间光调制器显示全息图)的实施例可被称为直接观看。直接观看实施例的特征在于在观看者和全息图之间没有屏幕(例如漫射器)。直接观看实施例可能是有利的，因为不会遇到与使用屏幕/漫射器相关的问题。

11、第一/第二全息重建可以包括包含第一/第二图片(或图像)的第一/第二图片(或图像)区域和包含第一/第二非图片(或非图像)内容的第一/第二非图片(或非图像)区域。投影仪还包括闭环反馈系统，其包括布置为测量第一/第二非图像区域的亮度的第一/第二光检测器。全息图将光重定向到回放场上的不同点。全息图可以是相位全息图，比如仅相位全息图。因此，由于全息过程的性质，非图像区域的亮度可以指示相应图像区域的亮度。在一些实施例中，如果非图像区域的亮度得以保持，例如通过调制光源的输出，则将保持图像区域的亮度。这些实施例解决了全息回放场的亮度是由全息图形成的图像内容量的函数的问题。

12、在一些实施例中，控制器布置为基于由第一/第二检测器测量的第一/第二非图像区域的亮度通过向第一/第二光源的驱动信号施加主驱动信号校正来将第一图片区域和第二图片区域的相对亮度保持为基本恒定。主驱动信号校正可以是对驱动信号的电压的校正或对驱动信号的开关时间选通的校正。

13、控制器可以布置为通过向第一/第二光源的驱动信号施加副驱动信号校正来将从观看位置看到的第一和第二图片的相对亮度保持为基本恒定。副驱动信号校正是观看窗口内的观看位置的函数。主驱动信号校正补偿全息过程，而副驱动信号校正补偿渐变镜的非消色差。主驱动信号校正可保持光检测器的目标输出，而副驱动信号校正可提供目标输出的变化，例如副驱动信号校正可以是相对于目标输出的偏移。目标输出可以例如是电压或电流的值。保持第一/第二图像亮度所需的偏移值可以通过校准来确定。根据观看位置的目标输出和偏移可以存储在投影仪的存储器的查找表中。

14、可替代地或另外，控制器可以布置为响应于由观看者跟踪系统确定的观看位置而通过改变/重新计算第一/第二全息图来将从观看位置看到的第一和第二图像的相对亮度保持为基本恒定。全息回放平面包括零级回放场。零级回放场在其中心包括零级光斑。零级光斑包括尚未被空间光调制器调制的光。本文公开了在零级回放场中改变调制光与未调制光的比率的各种方式。这些方法中的每一个可用于基于检测的观看位置来微调第一/第二图像的亮度。

15、每个全息图像素的值可以根据量化方案而被限制为多个可允许光调制水平之一。重新计算第一/第二全息图可以包括改变量化方案以便改变有助于全息重建的零级光斑的光比例。

16、改变量化方案可以包括减小在其内分配可允许光调制水平的光调制范围。可替代地或另外，改变量化方案可以包括改变代表复数平面上的可允许光调制水平的矢量的矢量和。这改变了有助于零级光斑的光比例，因此改变所感知图像的亮度。

17、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“回放场”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，则回放场将以多个衍射级的形式重复，其中每个衍射级是零级回放场的副本。零级回放场通常对应于优选或主要回放场，因为它是最亮的回放场。除非另有明确说明，否则术语“回放场”应被认为是指零级回放场。术语“回放平面”用于指代包含所有回放场的空间中的平面。术语“图像”、“回放图像”和“图像区域”指的是通过全息重建的光照射的回放场的区域。在一些实施例中，“图像”可包括离散光斑，其可被称为“图像光斑”，或仅出于方便起见，被称为“图像像素”。

18、术语“写入”或“寻址”可以用于描述向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。

19、已经发现，可以从仅包含与原始物体的傅立叶变换有关的相位信息的“全息图”形成可接受质量的全息重建。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图。

20、本公开也同样适用于使用与原始物体的傅立叶变换有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。

21、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2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。

22、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回放平面上平移回放场，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回放平面上。

23、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。