光瞳扩展器完整性的制作方法

本公开涉及光瞳扩展器，比如平面波导光瞳扩展器。本公开还涉及投影仪和投影方法，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。一些实施例涉及波导光瞳扩展器，其在破裂情况下保持功能和/或结构的完整性。

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重放图像。

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，还可以通过相干光线跟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。

5、使用这里描述的系统可以提供全息显示设备，比如全息投影仪。例如，这种投影仪已经在平视显示器“hud”以及光探测和测距“lidar”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方面。

2、本文公开了一种包括显示设备和波导光瞳扩展器的系统。显示设备布置成输出空间调制光以形成图像。波导光瞳扩展器包括一对平行的平面反射表面。波导光瞳扩展器限定输入端口和输出端口或观察表面。输入端口布置成接收来自显示设备的空间调制光。输出端口布置成将空间调制光输出到系统的观察窗。观察窗通常是观察者可以观察或感知图像的区域或容积。该对平行反射表面布置成通过一系列内部反射将空间调制光从输入端口引导到输出端口。该对平行反射表面中的第一反射表面是部分透射和部分反射的，该对平行反射表面中的第二反射表面基本是完全反射的(即接近完美的镜子)。

3、该系统的波导光瞳扩展器包括玻璃结构，其可能由于玻璃破裂而遭受机械、结构和/或光学故障。根据本公开的第一方面，波导光瞳扩展器包括分层玻璃结构，其布置成在玻璃破裂等情况下保持波导光瞳扩展器的完整性。特别地，分层玻璃结构包括至少一层玻璃材料和至少一层具有保持波导光瞳扩展器完整性的特性的另一种材料。在下面的描述中，术语“玻璃”是指易碎(即在撞击时可破裂)的任何形式的光学透明(固体)材料，包括硅基玻璃或晶体光学透明材料。

4、在本公开中，提及波导光瞳扩展器的“完整性”可以指其结构完整性。当(外部)反射表面在其中的玻璃破裂的情况下保持平行时，可以认为波导光瞳扩展器的结构完整性得到保持。此外，波导光瞳扩展器的完整性可以指其功能完整性。当在其输入端口接收的光的至少一部分在玻璃破裂的情况下被引导至观察区域时，波导光瞳扩展器的功能完整性可被认为得到保持。

5、在实施例中，波导光瞳扩展器的分层玻璃结构包括玻璃层和光学透明的非玻璃层。在一些示例中，分层玻璃结构包括与基于聚合物的层层压在一起或层压到其上的玻璃层。基于聚合物的层可以包括基于聚合物的百叶片、基于聚合物的偏振器、基于聚合物的转向膜等。在其他示例中，分层玻璃结构包括玻璃层和树脂层。在这些示例中，分层玻璃结构可以在第一和第二反射表面之间形成光学透明材料。分层玻璃结构可以具有低双折射和/或树脂可以包括折射率与玻璃匹配的树脂材料。分层玻璃结构可以包括在第一和第二玻璃层的内部主表面之间的树脂夹层。分层玻璃结构可以在第一玻璃层的外部主表面上具有完全反射涂层，在第二玻璃层的外部主表面上具有部分反射涂层。树脂材料可以布置成保持第一和第二玻璃层的外部主表面之间的平行。例如，树脂材料可以包括聚乙烯醇缩丁醛。

6、在其他实施例中，分层玻璃结构包括两层或更多层钢化玻璃。在这些示例中，分层玻璃结构可以在第一和第二反射表面之间形成光学透明材料。在一些示例中，分层玻璃结构包括处于压缩应变下的第一层玻璃和处于拉伸应变下的第二层玻璃，以及可选地，处于压缩或拉伸应变下的第三层玻璃。

7、根据本公开的第二方面，该系统包括显示设备和根据第一方面的波导光瞳扩展器。在实施例中，该系统包括激光光源。

8、显示设备和波导光瞳扩展器可被称为投影系统或图像投影系统。在一些实施例中，投影系统是全息系统。该系统包括显示设备，其包括空间光调制器，空间光调制器布置成显示图像的/与之对应的衍射图案(例如全息图)，并根据衍射图案输出空间调制光。该系统还包括波导光瞳扩展器，其配置为在其输入端口接收来自显示设备的空间调制光，并扩展投影系统的观察窗。

9、在第一和第二方面的一些实施例中，显示设备还包括控制器，其配置成控制由显示设备输出的空间调制光。在示例中，控制器配置为响应于指示检测到玻璃破裂的信号来控制(例如关闭)显示设备的光源。

10、在第一和第二方面的实施例中，该系统还包括与控制器(例如系统控制器或全息控制器)通信的观察者跟踪系统(或眼睛跟踪系统)。观察者跟踪系统可以布置成确定观察窗内的观察位置(例如眼睛位置)。观察者跟踪系统还布置成监测观察者面部以检测入射到其上的杂散光，并且可以布置成在检测到杂散光时向控制器提供信号。在示例中，观察者跟踪系统包括指向观察者面部的光检测器，以检测观察者面部上的杂散可见光，比如可见激光。在示例中，观察者跟踪系统包括配置成周期性地照射观察者面部的红外光源。光检测器可以配置成检测杂散红外光。光检测器可以配置成检测红外光和可见光波长的光。

11、指示检测到玻璃破裂的信号可以响应于眼睛跟踪系统对系统的杂散激光的检测而产生，可选地，眼睛跟踪系统配置为使用红外光进行眼睛跟踪。在一些实施例中，眼睛跟踪系统配置为使用红外光进行眼睛跟踪。在实施例中，眼睛跟踪系统的光检测器还配置为响应可见光，可选地，在用于眼睛跟踪目的的红外光发射的脉冲或门之间。在一些实施例中，结合了波长转换元件，例如量子点，以允许眼睛跟踪系统的红外相机检测非红外光，例如投影系统的可见激光。在其他实施例中，宽带(即红外和可见光)相机具有眼睛跟踪系统和杂散激光检测的双重用途—例如，在门控/时序方案中，如上所述。

12、在第一和第二方面的实施例中，波导光瞳扩展器进一步配置为使得其第一完全反射表面可被安装到相对较大且稳定的部件或与之集成，该部件布置成吸收任何冲击，从而降低玻璃破碎的风险。在示例中，该部件包括金属，以提高热稳定性。

13、在第一和第二方面的实施例中，该系统还包括用于监测散射光的光检测系统。在示例中，光检测系统配置成检测来自以下中的一个或多个的散射光：波导光瞳扩展器、系统的光学部件以及系统周围的外部反射部件，比如挡风玻璃或镜子。

14、在第一和第二方面的实施例中，该系统还包括可扩展泡沫的容器，其布置成响应于事件(比如冲击、破裂或其他类型故障事件)的检测而释放泡沫以包围系统的一个或多个光学部件。在一些示例中，扩展器泡沫包括吸光填充材料。

15、在第一和第二方面的实施例中，系统的易碎光学部件比如光瞳扩展器波导被浸入(透明)流体中；在波导和盖玻璃之间提供高折射率(透明)液体，和/或光学透明粘合剂至少部分地包围波导光瞳扩展器。

16、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。全息图的记录可被存储在数据存储设备(即存储器)中或者体现在形成振幅和/或相位信息的载波的光中(例如作为光信号)。也就是说，光可被描述为“用全息图编码”或“根据全息图调制”，以便传播全息图，而不是图像。

17、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副本。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”。

18、术语“写入”和“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。

20、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。

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。

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。

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。