全息平视显示装置的制作方法

1.所公开的发明总体上涉及一种具有可转向出射光瞳平面的平视显示(head
‑
up display)装置。更具体地，本发明和本文包含的教导连同各种实施例涉及包括点光源、光学转向设备和空间光调制器元件的平视显示装置，它们一起形成用于在诸如挡风玻璃的物体的表面上显示计算机生成的全息图的装置。


背景技术：

2.虚拟平视显示器(hud)被应用在飞机、陆地车辆、零售商店橱窗中以向个人/用户呈现叠加到周围环境上的信息。许多车辆hud使用挡风玻璃的内表面作为光学组合器，以向用户提供任何待传输的相关信息的2d或3d立体图像。
3.传统hud的重要问题是它们缺乏诸如基于软件的像差校正和可视区(eyebox)调整的能力。像差校正本身允许在更大的可视区上投射更大的视场(fov)，尽管由于从显示器辐射的信息在从车辆的挡风玻璃反射时出现像差，所以无法设计单个光学部件来形成大fov无像差图像。与传统hud应用相比，全息hud设置具有许多优势，诸如在使用全息平视装置的情况下，可以获得宽视场(fov)，并且像差校正以及瞳距是动态可调节的。
4.动态全息包括作为有源光学元件的空间光调制器(slm)，其是动态可编程以实现作为两个空间坐标和时间的函数的二维复倍增光学透明度的装置。在全息显示应用中，slm通常被部署以显示计算机生成的全息图(cgh)。本领域现有的slm技术通常基于液晶技术、硅基液晶(lcos)技术、基于mems的数字微镜阵列技术等。lcd slm是透射式的，而lcos slm在原理上是反射式的。基于液晶的透射式slm具有更大的像素间距，按照推论，这是由嵌入在像素孔内的与其相关联的电路产生的。另一方面，可以使反射式lcos slm具有小得多的像素间距，因为可以将电子器件埋在所讨论的像素下方。尽管理想情况下期望slm提供全复调制，但实际的slm仅提供一些受限类型的调制，诸如仅相位调制、仅幅度调制、二进制调制等。设计了多种算法，诸如gerchberg
‑
saxton、迭代傅立叶和误差扩散，以便将期望的全复全息图编码为受限形式的全息图。这些程序和应用通常导致噪声和信号光束的出现。slm的另一实际问题是大多数slm不具备100％的调制效率，即，仅一小部分的入射光被slm调制，而其余的光保持未调制。几乎所有的slm都是像素化装置，从而生成信号、噪声和未调制光束的更高衍射级复制物。在全息hud设计的情况下，只有主信号光束应进入眼睛并到达视网膜，而来自噪声和未调制光束以及更高衍射级复制物的光束应被阻挡。该要求需要附加措施。
5.本发明的技术领域中的现有技术公开文本之一可以是指wo 2016105285，其教导了清晰的中央凹视觉与具有宽视场(fov)的低分辨率外围显示器和能够创建高分辨率可转向图像的可旋转全息模块相结合。在另一文件us20180003981a1中，公开了一种包括slm、可旋转反射光学元件和瞳孔追踪装置的近眼显示装置。瞳孔追踪装置追踪用户的眼睛瞳孔位置并基于由所述瞳孔追踪装置提供的数据，旋转反射光学元件，使得由空间光调制器调制的光被引导至用户的眼睛瞳孔。
6.de 102011075884公开了一种包括光发射图像源以及形成光束路径的光学元件的平视显示装置。光学元件包括具有光学成像功能的全息光学元件和反射器。所述反射器和全息光学元件被布置成使得由前者发射到光束路径的第三区段中的光束可以至少部分地透射全息光学元件，其中，光束路径的第三区段中的透射光束的照射角度基本偏离全息光学元件的成像功能的一部分变得有效的入射角。
7.gb 2554575和ep 3146377公开了一种具有可能导致失真的空间变化光焦度的挡风玻璃，其中，显示器具有成形的漫射器以补偿挡风玻璃的失真和用于在其上投影图像的全息投影仪。全息投影仪具有slm，其被布置成显示代表图像的全息图，并将相位延迟分布应用于入射光，其中，相位延迟分布被布置成使图像成为漫射器上的非平面焦点。hud可以具有带有光焦度或抛物线曲率的镜，以将来自漫射器的光重新引导到挡风玻璃上。在申请的另一方面，使用上述设备提供了一种补偿挡风玻璃的空间变化光焦度的方法，其中，使用挡风玻璃形成虚像。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的是提供一种全息hud装置，该全息hud装置由能够在多个深度处提供虚像的至少一个光模块构成。
9.本发明的另一目的是提供一种全息hud装置，该全息hud装置具有在出射光瞳平面上可转向的出射光瞳。
10.本发明的进一步目的是提供一种具有至少一个slm的全息hud装置，其中，像差和瞳距的校正在至少一个计算装置上运算并在slm上实施，以提高图像质量并实现大fov。
11.本发明的再一目的是提供一种全息hud装置，该全息hud装置同时利用光束转向来向用户的双眼传输光线。
12.本发明的再一目的是提供一种全息hud装置，该全息hud装置在以可调节的瞳距间隔开的两个出射瞳孔上利用光学转向。
13.本发明的再一目的是提供一种全息hud装置，该全息hud装置利用部分实时渲染进行立体全息。
14.应当注意，在本发明中，全息立体图是用于产生三维效果的手段。在本发明的一个实施例中，不同的、单独的slm模块负责将光束转向到用户的每个可视区。
15.根据本发明的一个实施例，在车辆挡风玻璃的表面上生成的全息平视显示器被证明是有利的，因为它可以有效地校正像差以限制扩散并因此增强其控制，以及在不同的实施例中设置有透射元件和反射元件及其组合。
16.根据本发明的实施例，用于基于摄像头系统的瞳孔追踪投影组件的眼追踪系统将有关瞳孔位置的信息传递给处理装置，目的是瞳距运算，随后将所述ipd结果用于通过用户双眼的同时光束转向来调整计算机生成的全息图。
17.根据本发明的一个实施例，将转向镜空间定位在成像透镜之后在具有光焦度的部件和不具有光焦度的部件之间形成层级。
附图说明
18.附图仅用于举例说明对象重建系统的目的，其优于现有技术的优点已在上文概述
并将在下文中简要说明。
19.附图不旨在限定权利要求中确定的保护范围，也不应单独引用它们以试图解释所述权利要求中确定的范围而不追溯本发明说明书中的技术公开。附图仅是示例性的，它们不一定反映任何系统或子系统的相应部件的实际尺寸和相对比例。
20.图1示出了根据本发明的全息hud以及与车辆计算机和传感器的接口的总体示意图。
21.图2示出了在挡风玻璃后面形成虚像的光模块和成像系统。
22.图3示出了使用转向镜在中间图像平面上形成在挡风玻璃后面的虚像的光模块和成像系统。
23.图4示出了使用空间滤光器来消除由根据本发明的slm生成的非期望光束的hud系统架构。
24.图5示出了在根据本发明的slm之后使用角度选择滤光器并将slm投影到用户的瞳孔上的替代hud系统架构。
25.图6示出了光学架构，其中，如观看者所见，根据本发明，slm出现在成像透镜后面的平面上。
26.图7示出了光学架构，其中，如观看者所见，根据本发明，slm出现在成像透镜与观看者之间的平面上。
27.图8示出了响应于根据本发明的转向镜的倾斜运动的可视区的移动。
28.图9a在顶视图中示出了根据本发明的光学架构，其中，转向镜被放置在成像透镜与出射光瞳平面之间的平面上。
29.图9b在侧视图中示出了根据本发明的光学架构，其中，转向镜被放置在形成在成像透镜与出射光瞳平面之间的slm图像的位置处。
30.图9c在侧视图中示出了根据本发明的光学架构，其中，转向镜被放置在slm与成像透镜之间。
31.图10a示出了根据本发明的待显示在hud上的仪表盘图像布局的示例。
32.图10b和图10c示出了根据本发明的用于计算机生成全息图(cgh)计算的图像布局相关过程。
33.图11a示出了hud系统，其中，计算cgh使得为根据本发明的平坦挡风玻璃形成衍射受限的出射光瞳。
34.图11b示出了根据本发明的hud系统，其中，在实际挡风玻璃弯曲时假设平坦挡风玻璃形成有像差的出射光瞳而计算cgh。
35.图11c示出了hud系统，其中，根据本发明通过修改cgh来补偿出射光瞳的像差。
36.图12示出了根据本发明的针对不同情况的瞳距(ipd)调节。
37.图13a示出了根据本发明的具有标称瞳距的hud系统。
38.图13b示出了根据本发明的具有在cgh计算中用衍射光栅补偿的更宽瞳距的hud系统。
39.图14a示出了根据本发明空间滤光器和用于将角度映射到不同空间方向的映射透镜。
40.图14b示出了根据本发明的用于角度操纵到不同空间方向的体积全息光栅。
41.图14c示出了根据本发明的用于角度操纵到不同空间方向的n＞1的棱镜。
42.图15示出了根据本发明的未调制光束、期望的调制光束窗口及其更高级复制物以及竖直和水平噪声光束之间的空间关系。
43.图16a示出了根据本发明的结合期望调制光束窗口的空间滤光器的使用。
44.图16b示出了根据本发明的水平带形式的空间滤光器。
45.图16c示出了根据本发明的水平带形式的空间滤光器利用，其中，期望的调制光束窗口被转向到其水平孔内的不同位置。
46.图17a和图17b示出了根据本发明的用于阻挡未调制光束的不透明点的利用。
47.图18示出了根据本发明的转向镜的顶视立体图。
48.图19a示出了使用1、2、3或4个slm在不同方向上的各种平铺选项。
49.图19b示出了使用分束器平铺2个slm。
50.图20示出了使用滤色器和偏振部件的双眼光学模块。
51.图21示出了专用于不同颜色内容的slm的各个子区段。
52.图22a和图22b示出了当声光扫描器使用啁啾频率输入操作时，用于光束转向和偏转角扩展的声光扫描器的使用。
53.图23示出了全息中央显示器和中央显示器周围的外围显示器的使用。
54.图24示出了基于软件的头部倾斜补偿。
55.图25示出了竖直移动一只眼睛的出射光瞳以补偿头部倾斜。
56.图26示出了用于在一个轴线上改变成像系统的放大倍数的棱镜的使用。
具体实施方式
57.在本发明的详细描述中，参考了以下附图标记：
58.10)平视显示装置
59.101)挡风玻璃
60.102)头部追踪摄像头
61.103)车辆计算机
62.104)头部追踪控制
63.105)虚像
64.106)全息投影模块
65.107)虚拟slm
66.11)光源
67.111)照明透镜
68.12)光模块
69.13)空间光调制器(slm)
70.13r)专用于红色内容的slm像素
71.13g)专用于绿色内容的slm像素
72.13b)专用于蓝色内容的slm像素
73.14)期望调制光束
74.141)非期望光束
75.15)光学过滤装置
76.151)空间滤光器
77.151c)空间滤光器平面上的红色、绿色、蓝色滤光器
78.16)出射光瞳
79.17)出射光瞳平面
80.18)光学转向设备
81.19)头部追踪系统
82.20)处理装置
83.21)用户的眼睛
84.22)成像透镜
85.23)转向镜
86.24)瞳距(ipd)
87.25)slm图像
88.26)ar屏幕
89.27)追踪光斑
90.28)光源阵列
91.29)外围显示器
92.30)中央显示器
93.31)凹式显示器
94.32)中间图像平面
95.33)分束器(bs)
96.34)偏光器
97.35)半波片
98.36)声光扫描器
99.37)放大棱镜对
100.38)镜组件
101.根据本发明，提出了一种计算机生成的全息投影显示装置形式的装置和系统以及包括其的系统。更具体地，提出了一种用于通过车辆挡风玻璃看到的全息平视显示器(hud)投影的装置和系统。
102.参考图1，全息hud(10)包括：全息投影模块(106)，其包含光学系统和电子设备；光学转向设备(18)，其旨在在驾驶员眼睛的前方创建可转向的可视区；头部追踪摄像头(102)，其用于追踪驾驶员的头部运动、面部和瞳孔；以及头部追踪控制(104)系统。在车辆计算机(103)上分析来自外部传感器和车辆传感器的其他输入以及来自头部追踪控制(104)的输入，并运算出适当的内容以显示在hud(10)系统上。驾驶员在由全息hud(10)确定的距离处看到虚像(105)。cgh可以包含出现在用户的眼睛(21)的不同深度处的多个虚像(105)。
103.参考图2，hud(10)装置光学器件在出射光瞳平面(17)处形成出射光瞳(16)并且由成像透镜(22)形成的虚拟slm图像(25)出现在挡风玻璃(101)后面。光模块(12)由以下部件中的每个的至少一个构成：slm(13)、光源(11)、用于光束成形的源透镜(111)和折叠镜。该
图示出了剖视图。用户的每只眼睛均需要一个光模块(12)。在本实施例中，转向镜(23)在成像透镜(22)之后，这导致转向镜(23)上的光束的占用空间更小。系统的视场(fov)可以从出射光瞳平面(17)到挡风玻璃(101)上的占用空间进行测量。对于固定的fov，转向镜(23)的旋转使出射光瞳(16)的位置移动，而不增加成像透镜(22)上的光束的尺寸。
104.图3示出了另一实施例，其中，转向镜(23)和slm(13)的中间图像平面(32)重合。成像透镜(22)出现在转向镜(23)之后。虚拟slm(107)平面是中间图像平面(32)的光学共轭。当转向镜(23)平面与中间图像平面(32)重合时，转向镜(23)的旋转不改变虚拟slm平面(107)的位置。空间滤光器(151)平面是出射光瞳平面(17)的光学共轭。代替转向镜(23)，slm(13)或整个光模块(12)可以旋转以用于移动跨出射光瞳平面(17)的出射光瞳(16)位置。
105.参考图1至图4，提供了一种包括至少两个光模块(12)的平视显示装置(10)，至少两个光模块(12)中的每个还包括至少一个光源(11)以及slm(13)；为根据至少一个实施例的通过车辆挡风玻璃(101)看到的计算机生成的全息显示装置的形式。本发明中公开的装置和系统依赖于所述计算机生成的全息图的显示来在空间上调制从所述至少一个光源(11)入射的光。计算机生成的全息图显示在车辆挡风玻璃(101)的内表面上，作为用于外围交互和检索有关周围环境和所讨论的车辆的信息(即，导航/地图、仪表(诸如速度计)和其他仪表盘元件)的装置。包括本发明也公开的hud装置的本发明中公开的系统提出了一种配置，其特征在于实现大视场(fov)并符合所讨论的车辆挡风玻璃(101)的凹面。挡风玻璃(101)可以是具有不同厚度的楔形挡风玻璃，以便使来自后表面的虚反射转向远离出射光瞳(16)。
106.图4示出了包括光源(11)、两个光模块(12)、成像透镜(22)和空间滤光器(151)的全息hud装置(10)的总体示意图。光源(11)之后是照明透镜(111)，该照明透镜(111)可以位于slm(13)之前或之后，并将光线传送到空间滤光器(151)平面。
107.参考图4，hud基本光学系统架构使用空间滤光器(151)来阻挡由slm(13)生成的非期望光束(图中未示出)并让期望调制光束(14)(将在出射光瞳(16)内向观看者提供视觉信息的光束)到达出射光瞳平面(17)。两个光模块(12)—每只眼睛一个—用于形成出射光瞳(16)的初始副本。视觉信息由显示在slm(13)上的计算机生成的全息图生成。每个光模块(12)将至少一个点光源(11)成像到空间滤光器(151)平面上，其中，对于每个模块，除了不重要的乘法相位因子之外，光分布本质上由slm透射函数的傅立叶变换给出。在另一实施例中，hud可以具有用于双眼的单个光模块，其具有两个点光源(每只眼睛一个)。非期望光束(141)—未调制光束、噪声光束和更高级复制物—在空间滤光器(151)平面中在空间上分离，并且因此可以用仅让期望光束不受影响地通过的孔过滤掉。在图4中，光学模块被实现为简单的4
‑
f望远镜。在实际设计中，应当注意，该模块可以是将光源成像到空间滤光器平面(151c)的任意成像系统，并且可以包括反射、折射、多部分、常规、衍射、自由形态部件，其中一些可以用于离轴和/或引入折叠。同样，slm(13)被示出为透射部件，但它可以是反射部件。在不同的实施例中，可以使用直接来自光源(11)或波导片的离轴照明来照明slm(13)。波导片可以用于耦合进出波导的光，该波导使用全内反射来引导光。
108.由仅通过左眼和右眼的信号光束的孔构成的空间滤光器(151)平面被成像到观看者的眼睛所在的实际出射光瞳平面(17)。在图中由成像透镜(22)执行成像。成像通常可以
执行非统一放大。最有可能的是，期望位于系统背面的光学模块占据尽可能小的体积，使得空间滤光器平面(151c)上的出射光瞳(16)的副本比典型的人类瞳距(24)彼此更近。在这种情况下，成像系统的放大倍数将大于一，并且成像系统可以导致光学失真和像差。在该图中，空间滤光器(151)与出射光瞳平面(17)之间的成像是用单个成像透镜(22)完成的。在实际设计中，应当注意，该透镜可以用可能包括反射、折射、常规、多部分、衍射、自由形态部件的任意成像系统替换，其中一些可能用于离轴和/或引入折叠。在图中，观看者观察到的虚像(105)首先在中间图像平面(32)上形成为实像或虚像(105)。该图像被成像透镜(22)映射到最终的虚像(105)。注意，中间图像平面(32)的位置取决于虚拟对象平面与用户的距离。对于3d虚拟内容，每个虚拟对象平面的中间图像平面(32)形成连续体。在这种架构中，slm上的cgh不是菲涅耳全息图。每个虚拟对象点的cgfi仅占据slm孔的子区域。在一些设计中，slm与虚像(105)平面共轭。在这种情况下，cgh本质上类似于图像本身，除了失真和出射光瞳平面(17)上的用于像差校正的可能的乘法相位项。
109.如图4所示，至少一个指向激光束—优选地红外激光束—可以是光模块(12)的一部分并且在出射光瞳平面(17)处提供基本聚焦的追踪光斑(27)。追踪光斑(27)或多个追踪光斑(27)可以很容易地被头部追踪系统(19)检测到并提供自动校准以寻找用户的眼睛(21)以将出射光瞳(16)引向用户的眼睛(21)。
110.参考图5，在替代实施例中，两个slm(13)被直接成像在出射光瞳平面(17)上。如果没有对从slm(13)发出的光施加空间滤光，所有非期望光束(141)—未调制光束、噪声光束、更高级复制物—将有助于在出射光瞳平面(17)上形成的slm图像(25)，并导致非期望重影图像(ghost image)、对比度降低、背景中的明亮光斑。被放置在slm之后的角度选择性光学过滤装置(15)可以用于消除非期望光束(141)，使得出射光瞳平面(17)上的slm图像(25)仅由承载信息的信号光束形成。
111.角度选择性光学过滤装置(15)可以用具有固有角度和波长选择性的全息光学元件(hoe)或用使用棱镜、孔或的常规光学器件或组合来实现。在本实施例中，slm上的cgh是傅立叶全息图。每个虚拟对象点的cgh占据整个slm孔。除了乘法相位项之外，cgh本质上由期望图像的傅立叶变换给出。
112.参考图6，在一些实施例中，hud光学器件形成位于成像透镜(22)之外的slm(13)的虚像(105)。在图中，虚拟slm图像(25)被对准，使得左右虚拟slm图像(25)的中心重合。在其他实施例中，它们之间可能存在偏移，以增加感知的视场。在所示实施例中，slm的实像也形成在光模块(12)与成像透镜(22)之间的平面上。该平面也与中间图像平面(32)相对应。在一些实施例中，转向镜(23)可以被放置在该位置，因此当转向镜(23)旋转时，出射光瞳平面(17)上的出射光瞳(16，左)和(16，右)的位置可以一起移动。
113.参考图7，hud(10)光学器件在成像透镜(22)的观看者侧形成slm(13)的实像。在图中，slm图像(25)对准，使得左右slm图像(25)的中心重合。在其他实施例中，它们之间可能存在偏移，以增加感知的视场。在所示实施例中，slm的实像也形成在成像透镜(22)与出射光瞳平面(17)之间的平面上。在一些实施例中，转向镜(23)可以位于该位置，因此出射光瞳平面(17)上的出射光瞳(16)的位置可以一起移动。在一些替代实施例中，实际slm图像(25)也可以形成在出射光瞳平面(17)上或之后。
114.参考图8，全息投影模块(106)向光学转向装置(15)提供照明，在当前实施例中用
扫描镜或转向镜(23)示出。当用户的眼睛(21)移动到示出为21
‑
a、21
‑
b、21
‑
c的不同位置时，头部追踪系统(19)检测用户的眼睛(21)的新位置并且转向镜(23)偏转到位置23
‑
a、23
‑
b和23
‑
c。
115.参考图9a(顶视图)和图9b(侧视图)，转向镜(23)有效地使位于其后面的虚拟空间围绕其旋转轴旋转。转向镜(23)的旋转可以导致虚拟对象的旋转。因此，通常，需要为每个新的出射光瞳(16)位置运算cgh。需要根据用户的左眼(21，左)和右眼(21，右)及其位置的定位来渲染正确的立体图像。在转向镜(23)与对象平面共轭(诸如如图9b所示)的特定情况下，被放置在虚像(105)平面上的虚拟对象保持静止，而不管转向镜(23)的旋转如何。在图9b中，空间滤光器(151)平面是光源(11)和出射光瞳平面(17)的光学共轭。给定图9b所示的距离并假设成像透镜(22)具有有效焦距f，在当前实施例中满足以下关系。
[0116][0117][0118]
参考图9a，转向镜(23)被放置在成像透镜(22)与出射光瞳平面(17)之间的平面上。在这种情况下，所需的镜通光孔尺寸将很大，但所需的倾角将很小。成像透镜(22)也将很小。
[0119]
在图9c中，转向镜(23)被放置在空间滤光器(151)平面与成像透镜(22)之间的平面上。在这种情况下，所需的转向镜(23)的通光孔将更小，但所需的倾斜角将更大。注意，对于相同的视场，与图9c相比，图9a的成像透镜(22)所需的通光孔尺寸较小。较小的通光孔提供了重要的附加优势，因为它减少了由成像透镜(22)或透镜引起的像差，并减少了fiud(10)光学器件的总体积。
[0120]
图10a示出了待在hud(10)上显示的典型仪表盘图像，并且图10b示出了用于cgh计算的相关程序。仪表盘数据的一部分由速度计、发动机rpm、温度、时间读数和标志构成。数据的该部分从一组有限的可能性中生成。为了加速cgh计算，可以预先计算这些部分的基础cgh(不包括最终相位项乘法的cgh的部分)并将其存储到全息计算处理器或车辆计算机(103)中的一些存储器，并且可以基于瞬时巡航数据检索适当的cgh。仪表盘数据的其他部分—诸如导航地图、来自侧视镜、后视镜和倒车摄像头的视频馈送或智能手机主屏幕的镜像—需要从更大的一组可能性中生成，并且它们被称作动态零件。动态零件的对应cgh需要实时计算。对于该零件，实时计算可以利用计算资源，诸如gpu、fpga、asic等。涉及可能迭代—诸如自由空间传播(fsp)和迭代傅立叶变换算法(ifta)—的计算可以用仅覆盖相关子图像尺寸的模拟窗口进行，即，模拟窗口像素数不需要与slm像素数一样大。一旦检索到预先计算零件的基础cgh并对动态零件进行运算，就可以获得仪表盘图像尺寸的基础cgh。这些可以适当组合，并与可能的相位项相乘以得到最终的cgh，如图10c所示。
[0121]
全息hud(10)可以仅通过计算程序的改变来补偿系统中的硬件修改，而无需附加的硬件改变。图11a示出了为平坦挡风玻璃(101)设计的hud系统的实例1。计算cgh使得衍射受限的出射光瞳(16)形成在出射光瞳平面(17)上。在图11b中示出了实例2，其中，挡风玻璃(101)是弯曲的。保持与实例1相同的cgh导致有像差的出射光瞳(16)。图11c示出了实例3，通过适当修改实例1的cgh来补偿实例2中的由于弯曲挡风玻璃(101)引起的像差。如图11c
所示，与可能是zernike函数的附加相位项相乘将足以补偿像差并获得无像差的出射光瞳(16)。在一些情况下，可能需要更高级的程序，诸如对目标图像应用预失真，以及修改slm平面上的点扩散函数。
[0122]
参考图12和图13，全息hud(10)系统可以通过修改cgh计算来提供基于软件的ipd调整。图13a示出了具有预定义标称ipd(24)的系统。如图13b所示，当生成标称ipd(24)的cgh适当地改变时，ipd值可以改变。使出射光瞳平面(17)上的出射光瞳(16)位置转向的最简单方法是将cgh与线性相位项相乘，这将导致slm(13)平面上的附加角偏转。在一些情况下，诸如当虚像(105)平面与slm(13)平面共轭时，这种简单的解决方案可能就足够了。在其他情况下，仅使用线性相位项可能导致在出射光瞳平面(17)上形成像差，并在观察到的虚像(105)上出现失真。在这种情况下，可以在线性相位项之上包括附加zernike多项式项。
[0123]
图14示出了各种光学过滤装置(15)以消除非期望光束(141)，同时允许携带图像信息的期望调制光束(14)。非期望光束(141)可以是未调制的第0(0
th
)级光束、由于slm的像素化性质而具有的更高衍射级、以及由slm(13)的像素化和不完美性质创建的非期望共轭光束和期望调制光束(14)的非期望复制物。图14a图示了基于空间滤光器(151)的消除方法。图14b示出了全息光学元件(hoe)的使用，其传输期望调制光束(14)，同时反射非期望光束(141)。图14c示出了使用棱镜元件和在一个界面处的全内反射(tir)以分离具有不同传播方向的光束来分离期望调制光束(14)。由于tir，非期望光束(141)可以被100％反射。
[0124]
图15示出了针对不同照明颜色的期望调制光束(14)和非期望光束(141)。空间滤光器(151)或傅立叶滤光器平面上的光分布用于全息显示系统。当slm(13)被红色、绿色和蓝色光源(11)照明时。对应的图案出现在图中的以下方框中：红色是具有圆角的方框，绿色是具有菱形角的方框，并且蓝色是具有星形角的方框。期望调制光束(14)窗口或信号窗口不能具有任意尺寸。其尺寸在两个方向上至多等于未调制蓝色光束的0
th
级和第1(1
st
)级之间的距离。一些实施例可以允许竖直和水平噪声带两者。在一些实施例中，不放置竖直噪声带(信号窗口占据未调制蓝色光束的从0
th
到1
st
的整个宽度)并且仅能允许水平噪声带，反之亦然。
[0125]
在一些实施例中，傅立叶滤光器是选择0
th
未调制光束周围的象限之一的孔，如图16a所示。期望调制光束(14)或信号光束被放置在指定的矩形孔内。如果眼睛瞳孔也与出射光瞳平面(17)上的对应出射光瞳(16)的尺寸匹配，则该系统可以仅支持固定的出射光瞳(16)位置，该位置无法通过修改cgh—诸如与线性相位项相乘—而进一步转向。如果眼睛瞳孔尺寸远小于出射光瞳平面(17)上的对应出射光瞳(16)的尺寸，则携带信号信息的实际期望调制光束(14)将通过cgh修改而在信号窗口内转向。然而，这种配置将导致slm(13)的可用空间带宽乘积(sbp)的利用率低下，其中sbp是光学系统拥有的信息容量的度量并且与slm(13)中的像素数量成正比。sbp的有效利用要求瞬时出射瞳孔(16)的尺寸不能比观看者的眼睛瞳孔尺寸大很多。
[0126]
参考图16b，在一些实施例中，傅立叶滤光器是位于0
th
级未调制光束下方(上方)的水平带形式的孔。虽然该区域的一部分可以被唯一寻址并设计为期望调制光束(14)窗口，但该窗口可以在水平带内转向，如图16c所示。如果用户的眼睛(21)瞳孔充当出射光瞳平面(17)上的辅助空间滤光器(151)，该辅助空间滤光器(151)仅选择期望调制光束(14)窗口并滤除更高级复制物和噪声，则系统能够传输无重影图像和无噪声图像。在一些实施例中，所
有计算噪声都可以被放置在空间滤光器(151)的通带之外，并且因此所有噪声都将被阻挡。与头部追踪系统(19)和瞳孔追踪器耦合，这种空间滤光为基于软件的ipd调整和出射光瞳(16)转向提供机会。这种基于软件的出射光瞳(16)转向可以与光学转向设备(18)—诸如声光扫描器(36)和转向镜(23)—结合使用。
[0127]
在一些实施例中，空间滤光器(151)仅由阻挡未调制光束的不透明点构成。再次与瞳孔追踪器耦合，并再次假设观看者的瞳孔充当辅助空间滤光器(151)以选择期望调制光束(14)窗口(或信号窗口)并消除更高级复制物和噪声，该配置给出出射光瞳(16)在出射光瞳平面(17)上进行更大区域转向的能力，理论上没有任何限制。但实际上，随着信号窗口远离
th
0级未调制光束，亮度迅速衰减。将信号窗口的位置限制在未调制光束的一级内(0
th
未调制光束周围的4个象限)实际上是一个合理的选择。只要信号光束没有将大量能量集中在不透明点上，观看者将无法识别不透明点的存在。参考图17b，其示出了期望调制光束(14)窗口或信号窗口转向到包含不透明点的位置的情况。只要用户的眼睛瞳孔适配在信号窗口内并且能量不集中在不透明点上，不透明点就将等效于用户瞳孔上的轻微遮挡，如果它远小于用户的眼睛(21)瞳孔则其无法识别。
[0128]
图18示出了使用附接镜的背面处的两个电磁致动电机的2轴可旋转转向镜(23)结构。该配置被设计成最小化转向镜(23)结构的惯性。在替代实施例中，可以使用双万向节结构。致动器电机及其控制器应被设计成提供抗振性。
[0129]
图19a示出了使用1、2、3和4个slm(13)的slm(13)平铺选项。如图所示，slm(13)可以水平和竖直平铺，并且可以基于slm(13)的纵横比调整它们的定向。slm平铺可以是无缝的，或者可以在两个相邻slm(13)的有源区域之间引入一些slm间距。图19b示出了使用分束器(bs)(33)并排平铺两个slm，它们之间没有任何接缝。可以调整slm位置以引入slm(13)和虚拟slm(107)的重叠、无重叠或无缝平铺。可以调整每个slm(13)到bs(33)的距离以去除平铺slm(13)与虚拟slm(107)之间的任何相位误差。bs(33)可以是偏振bs，并且四分之一波片可以在slm的前方使用，以改变光的偏振用于光效组合。
[0130]
参考图20，每个眼睛光学模块由准直和聚焦透镜构成。具有不同颜色的光源(11)—即，红色、绿色和蓝色(rgb)光源—可以在空间上分离或与光束组合器组合。可以在空间滤光器(151)平面上引入不同空间位置的rgb滤色器(151c)以针对每种颜色分离出期望调制光束(14)和非期望调制光束(141)。偏振光学部件—诸如偏振器(34)和半波片(35)—可以用于在光束被发送到随后的光学器件和挡风玻璃(101)之前选择期望偏振并使偏振在期望方向上旋转。
[0131]
参考图21，slm(13)具有带有有源像素的有源区域。slm(13)的被称为13r、13g、13b的子区段可以专用于不同的子全息图。这种子区段可以具有滤色器或者可以在空间滤光器(151)处使用红色、绿色和蓝色滤色器在空间滤色器平面(151c)上执行颜色过滤。子全息图可以是大区段，或者可以是像素级，如图21a、b和c所示。在另一实施例中，滤色器可以用像素化液晶快门装置代替，该像素化液晶快门装置被电控制以打开和关闭不同的像素，以允许或阻挡空间滤光器(151)平面的不同区段中的光。
[0132]
参考图22，声光扫描器(aos)(36)可以用于使光束转向并用作光学转向设备(18)。aos可以取决于施加到声光介质的信号的频率来将光束转向不同的方向。通过改变频率，可以改变一级角度。如图22b所示，通过向声光介质施加啁啾声波，可以使光束在一定角度范
围内转向。
[0133]
参考图23，凹式显示器(31)将中央显示器(30)与小fov组合并将外围显示器(29)与大fov组合。外围显示器(29)可以使用投影仪而形成，该投影仪照明附接到挡风玻璃(101)的透明全息屏幕。由于外围显示器(29)图像出现在挡风玻璃(101)上，所以用户的眼睛(21)需要聚焦在挡风玻璃(101)上以便看到外围显示器(29)内容的清晰图像。当用户的眼睛(21)聚焦在由本发明的中央显示器(30)或全息投影模块(106)提供的虚像(105)上时，外围显示器(29)图像出现如图所示的模糊。
[0134]
参考图24，当用户的头部是直的并且在可视区内时，用十字示出的左眼和右眼的出射光瞳(16)且用户的眼睛(21)被很好地对准。当用户的头部在使用显示器的同时倾斜时，出射光瞳(16)可能不再与用户的眼睛(21)对准。如图24(b)所示，通过改变包含期望调制光束(14)的窗口的位置，可以竖直移动一只眼睛的出射光瞳(16)。这种基于软件的调整通过在cgh上添加光栅相位项有效地补偿了头部倾斜。空间滤光器(151)平面中所需的竖直移动量是出射光瞳平面(17)上所需的竖直位移量除以系统的光学放大率。如上所述，出射光瞳(16)的水平调整允许ipd(24)调整。
[0135]
参考图25a，可以通过使一个眼光模块(12)相对于另一眼光模块(12)移动来补偿头部倾斜。图25b示出了使用两个折叠镜为一只眼睛竖直移动出射瞳孔(16)，其中，一个镜如图所示是可移动的。折叠镜的竖直向上运动导致对应出射光瞳(16)的竖直向下移动。
[0136]
参考图26，放大棱镜对(37)可以用于改变成像系统在一个轴线上的放大率。这种放大倍数改变导致有效地改变显示器的纵横比。例如，两个16:9纵横比slm(13)可以水平平铺以实现32:9纵横比。使用放大棱镜对(37)将竖直放大倍数增加1.2倍导致32:10.8或大约3:1的纵横比。
[0137]
在本发明的一个方面，提出了一种包括至少一个光模块(12)的平视显示装置(10)，其中，每个光模块(12)由至少一个光源(11)和至少一个空间光调制器(13)组成，其显示计算机生成的全息图以在空间上调制从所述至少一个光源(11)入射的光。
[0138]
在本发明的另一方面，所述至少一个光模块(12)形成携带全息图像信息的期望调制光束(14)和非期望光束(141)；其中，非期望光束(141)被光学过滤装置(15)阻挡；而传输通过光学过滤装置(15)的期望调制光束(14)在出射光瞳平面(17)上形成至少一个出射光瞳(16)以用于观看平视显示器内容；并且其中，使用光学转向设备(18)将由至少一个光模块(12)中的每个创建的出射光瞳(16)跨出射光瞳平面(17)上能够转向。
[0139]
本发明中的平视显示器(10)被定义为包括非头戴式或头戴式的增强现实显示器用例。因此，本发明所指的所有实施例不限于平视显示器，并且可以适用于可穿戴和近眼显示系统、全息电视、全息投影显示系统或任何其他显示系统。
[0140]
在本发明的另一方面，所述光学转向设备(18)包括机械扫描器。
[0141]
在本发明的另一方面，所述光学转向设备(18)包括em致动电机、万向节电机、步进电机、2轴致动器形式的致动装置。
[0142]
在本发明的另一方面，所述光学转向设备(18)包括至少一个声光扫描器(36)。
[0143]
在本发明的另一方面，所述出射光瞳(16)使用成像透镜(22)而形成。
[0144]
在本发明的另一方面，所述成像透镜(22)包括具有光焦度的至少一个表面，该至少一个表面由反射透镜、衍射透镜、折射透镜、自由形态光学元件、全息光学元件或其组合
构成。
[0145]
在本发明的另一方面，所述出射光瞳(16)是空间光调制器(13)的光学共轭。
[0146]
在本发明的另一方面，由成像透镜(22)形成的两个出射光瞳(16)由值在52mm至75mm范围内的瞳距(ipd)(24)分隔。
[0147]
在本发明的另一方面，所述瞳距(ipd)(24)可通过cgh计算软件而在算法上调整。
[0148]
在本发明的另一方面，所述装置被配置成执行像差校正算法。
[0149]
在本发明的另一方面，光学转向设备(18)是可旋转的转向镜(23)。
[0150]
在本发明的另一方面，所述装置还包括附加转向镜(23)，该附加转向镜使两个出射光瞳(16)在出射光瞳平面(17)中旋转以补偿用户的头部旋转。
[0151]
在本发明的另一方面，所述转向镜(23)针对左眼出射光瞳(16)和右眼出射光瞳(16)两者一起跨出射光瞳平面(17)执行转向。
[0152]
在本发明的另一方面，通过使转向镜(23)通光孔小于成像透镜(22)通光孔，将所述转向镜(23)放置在空间光调制器(13)之后。
[0153]
在本发明的另一方面，所述转向镜(23)被放置在成像透镜(22)之后。
[0154]
在本发明的另一方面，由与用户的两只眼睛对准的两个出射光瞳(16)中的每个提供的视场在成像透镜(22)或转向镜(23)处提供完全的双眼重叠。
[0155]
在本发明的另一方面，所述空间光调制器(13)同时生成以不同深度显示到用户的眼睛(21)的全息图像内容。
[0156]
在本发明的另一方面，所述全息图像信息是3
‑
d的并且以不同深度显示到用户的眼睛(21)。
[0157]
在本发明的另一方面，所述转向镜(23)被放置在与空间光调制器(13)的光学共轭平面基本重合的平面上。
[0158]
在本发明的另一方面中，所述转向镜(23)被放置在光模块(12)与成像透镜(22)之间。
[0159]
在本发明的另一方面，所述光源(11)是出射光瞳(16)的光学共轭。
[0160]
在本发明的另一方面，空间光调制器图像(25)出现在朝向挡风玻璃(101)远离出射光瞳平面(17)25cm至100cm之间的距离处。
[0161]
在本发明的另一方面，空间光调制器图像(25)出现在朝向挡风玻璃(101)远离出射光瞳平面(17)100cm至500cm之间的距离处。
[0162]
在本发明的另一方面，空间光调制器图像(25)出现在远离挡风玻璃(101)出射光瞳平面(17)后面。
[0163]
在本发明的另一方面，所述空间光调制器(13)是仅相位装置。
[0164]
在本发明的另一方面，所述空间光调制器(13)是光学组合的slm的平铺阵列的装置。
[0165]
在本发明的另一方面，所述slm(13)在空间上调制来自光源(11)的入射光的相位、强度或组合。
[0166]
在本发明的另一方面，所述空间光调制器(13)还包括包含滤色器的至少两个区段，并且其中，slm图像(25)出现在全息图的观看体积之外。
[0167]
在本发明的另一方面，所述光源(11)是led、超发光led或激光二极管。
[0168]
在本发明的另一方面，所述光源(11)是耦合到光纤的激光光源。
[0169]
在本发明的另一方面，所述光源(11)使用离轴照明或波导片入射到slm(13)上。
[0170]
在本发明的另一方面，计算由所述slm(13)显示的计算机生成的全息图，使得根据用户的ipd(24)调整在出射光瞳平面(17)上形成的出射光瞳(16)。
[0171]
在本发明的另一方面，计算由所述slm(13)显示的计算机生成的全息图，使得根据用户的眼睛(21)的瞳孔中心的位置来偏移在出射光瞳平面(17)上形成的出射光瞳(16)。
[0172]
在本发明的另一方面，所述装置(10)包括：头部追踪系统(19)，该头部追踪系统被配置成追踪用户头部的位移和用户的眼睛(21)瞳孔的中心位置；以及处理装置(20)，该处理装置实现对所述光学转向设备(18)的控制。
[0173]
在本发明的另一方面，光学转向设备(18)是光源阵列(28)中的至少一个光源(11)。
[0174]
在本发明的另一方面，光模块(12)中的指向光源在用户的面部上形成追踪光斑(27)，其中，追踪光斑(27)的坐标由头部追踪系统(19)检测。
[0175]
在本发明的另一方面，光学转向设备(18)包括转向镜(23)，该转向镜调整ipd(24)、出射光瞳平面(17)在轴向方向上的位置或出射光瞳(16)的竖直偏移。
[0176]
在本发明的另一方面，cgh计算算法被用于调整ipd(24)、出射光瞳平面(17)在轴向方向上的位置或出射光瞳(16)的竖直偏移。
[0177]
在本发明的另一方面，所述光源(11)响应于由所述头部追踪系统(19)追踪的眼睛瞳孔位置的改变而能够移动。
[0178]
在本发明的另一方面，根据检测到的用户的眼睛(21)的瞳孔位置，处理装置(20)向所述光源阵列(28)传送信号，使得一次选择性地激活一个光源(11)，并且驱动所述slm(13)使得上传新的计算机生成的全息图。
[0179]
在本发明的另一方面，所述装置(10)是全色显示装置并且所述光源(11)以时间顺序方式生成不同波长的相干光波。
[0180]
在本发明的另一方面，所述光学过滤装置(15)是位于slm(13)之后的空间滤光器(151)，以在非期望光束(141)到达出射光瞳平面(17)之前将其滤除。
[0181]
在本发明的另一方面，所述光学过滤装置(15)是二进制液晶快门，其中，使用来自头部追踪系统(19)的输入来选择其打开窗口。
[0182]
在本发明的另一方面，所述光学过滤装置(15)位于形成在用户的眼睛(21)与空间光调制器(13)之间的中间图像平面(32)上。
[0183]
在本发明的另一方面中，所述光学过滤装置(15)是位于slm(13)之后的角度选择滤光器(诸如hoe、棱镜或衍射光栅)，以在非期望光束(141)到达出射光瞳平面(17)之前将其滤除。
[0184]
在本发明的另一方面，所述slm(13)数据是头部追踪数据、瞳孔追踪数据和来自车辆传感器的数据的函数。
[0185]
在另一方面，本发明被生产为在制造期间安装在车辆中。
[0186]
在另一方面，本发明被生产为嵌入车辆中。
[0187]
在本发明的另一方面，全息平视显示系统包括处理装置(20)和在挡风玻璃(101)上或附近围绕由至少一个光模块(12)提供的中央显示器(30)区域的外围显示器(29)。
[0188]
在另一方面，全息平视显示系统还包括围绕中央视觉(28)区域的外围显示器(29)区域。
[0189]
在另一方面，外围显示器(29)区域提供预定分辨率的视觉并且所述外围视觉在所述凹式显示器(31)的中央视觉(30)区域中变暗。
[0190]
在另一方面，所述外围显示器(29)显示器是部分透明的屏幕，其中，使用投影光学器件形成图像。
[0191]
在本发明的另一实施例中，所述slm是使用各种光学部件平铺的若干空间光调制器的阵列。这种平铺装置可以用于增加水平或竖直fov和/或hud的出射光瞳(16)尺寸。
[0192]
在本发明的另一实施例中，光学转向设备(18)包括光源阵列(28)中的至少一个光源(11)，其根据来自头部追踪系统(19)的输入而被致动。
[0193]
在本发明的另一实施例中，头部追踪系统(19)可以计算头部运动、用户的眼睛(21)的位置、用户的眼睛(21)瞳孔的中心位置和尺寸、瞳距(24)。头部追踪系统的校准可以使用出现在用户面部上的追踪光斑(27)的位置而连续或偶尔执行。
[0194]
在本发明的另一实施例中，可以添加第二显示系统以增加视场并提供外围显示器(29)。外围显示器(29)将围绕提供中央视觉(30)的全息hud(10)。这种组合显示系统可以被称为凹式显示(31)系统，其中，全息hud(10)可以使用一些光学转向设备(18)而跨fov转向。
[0195]
在本发明的另一实施例中，slm(13)可以显示规则调幅的非全息图像信息。本发明所描述的光学系统仍然可以使用，并且可以通过0
th
级光束看到期望图像。仍可使用转向镜(23)机构来使出射光瞳(16)转向。
[0196]
在本发明的另一实施例中，slm(13)可以被编程以增加hud(10)内容的信号承载区段的亮度。当内容大多稀疏时，亮度增加更明显。