CN115840290A - 紧凑型平视显示器 - Google Patents

Abstract

一种用于车辆的平视显示器，包括第一光瞳复制器和第二光瞳复制器。第一光瞳复制器在第一方向上延伸。第一光瞳复制器布置成从空间光调制器接收全息光场，该空间光调制器具有限定平视显示器的极限孔径的像素阵列。全息光场是根据显示在空间光调制器上的全息图进行空间调制的复合光场。第二光瞳复制器在第一方向上和垂直于第一方向的第二方向上延伸。第二光瞳复制器包括形成输出的第一主表面和平行于第一主表面的第二主表面。第一光瞳复制器布置在与第二光瞳复制器的第二主表面基本平行且相邻的平面层内。

Description

紧凑型平视显示器

技术领域

本公开涉及光瞳扩展或复制，特别是对于包括发散光线束的衍射光场。更具体地，本公开涉及包括波导光瞳扩展器的显示系统以及使用波导的光瞳扩展方法。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

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

在所附的独立权利要求中定义了本公开的各方面。

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。观察者在显示平面上形成或感知图像。在一些实施例中，图像是虚拟图像，并且显示平面可被称为虚拟图像平面。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。

显示设备包括像素。显示器的像素可以显示衍射光的衍射图案或结构。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，最大衍射角的幅度由像素的大小和其他因素比如光的波长决定。

在实施例中，显示设备是空间光调制器，例如硅上液晶(“LCOS”)空间光调制器(SLM)。光在衍射角范围内(例如从零到最大衍射角)从LCOS向观察实体/系统比如相机或眼睛传播。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。

在一些示例中，图像(由显示的全息图形成)传播到眼睛。例如，在显示设备和观察者之间的自由空间中或者在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。

在一些其他示例中，全息图本身(的光)传播到眼睛。例如，全息图(尚未完全转换为全息重建，即图像)—可以非正式地说是用全息图“编码”的—的空间调制光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。有时说，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配置成使得观察者有效地直视显示设备。

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例如x和y上具有有限大小的光图案。术语“光场”仅仅表示在至少两个正交空间方向(x和y)上具有有限尺寸的光图案。这里使用的“复数”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。根据本文公开的方法，复合光场在全息平面和图像平面之间向前和向后传播—例如在+z和-z方向上传播。可以使用波动光学领域的技术人员熟悉的多种不同方法或数学变换中的任何一种来模拟或建模光传播。

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的仅小范围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都是可见的(例如诸如眼动盒的观察窗口内的任何一个眼睛位置)。

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拟图像，也就是说，观察者感知图像比显示设备离他们更远。因此，从概念上讲，可以认为观察者正在通过“显示设备大小的窗口”观察虚拟图像，该窗口可以非常小，例如直径为1cm，处于相对较大的距离，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，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。

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，并且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)小，投影距离(相对而言)大。在一些实施例中，投影距离比显示设备的入瞳和/或孔径的直径或宽度(即像素阵列的尺寸)大至少一个(比如至少两个)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。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”的光传播到人眼。

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

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

显示设备可以具有有源或像素显示区域，该有效或显示区域具有小于10厘米的第一维度，例如小于5厘米或小于2厘米。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比如小于15ms或小于10ms内接收图像并确定足够质量的相应全息图。

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—全息图配置成将光路由到多个通道中，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展示比如显示。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路由到多个全息图通道中，仅仅是为了反映可由全息图重建的图像具有有限的大小，并且可被任意划分成多个图像子区域，其中每个全息图通道对应于每个图像子区域。重要的是，本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射时全息图形成的空间调制光中的唯一光线角度相关—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被任意分成多个全息图通道，其中每个全息图通道由一系列光线角度(二维)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。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。

然而，全息图仍可被识别。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。如果重建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区域的形状基本对应于入射光瞳的形状(即基本相同)，尽管尺寸可以不同—至少在计算全息图的正确平面处。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，但也可以使用其他方式。总之，本文公开的全息图通过图像内容如何分布在全息图编码的光内来表征和识别。此外，为了避免任何疑问，本文中对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光场的光瞳扩展。

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，其中输入光场是包括发散光线束的衍射或全息光场。如上所述，通过创建输入光线(或光线束)的一个或多个副本，光瞳扩展(也可以称为“图像复制”或“复制”或“光瞳复制”)使得观察者可以看到/从之看到图像(或可以接收全息图的光，观察者的眼睛形成图像)的区域的大小能够增加。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，其中每个维度基本与相应的另一个维度正交。

该系统可以紧凑和流线型的物理形式提供。这使得系统适用于广泛的现实世界应用，包括那些空间有限和不动产价值高的应用。例如，它可以在平视显示器(HUD)中实现，比如车辆或汽车HUD。

根据本公开，为衍射或衍射光提供光瞳扩展，其可以包括发散的光线束。衍射光可以由显示设备输出，比如像素化显示设备，比如布置成显示衍射结构(比如全息图)的空间光调制器(SLM)。衍射光场可以由“光锥”来定义。因此，衍射光场的大小(如在二维平面上定义的)随着距相应衍射结构(即显示设备)的传播距离而增加。

空间光调制器可以布置成显示全息图。衍射或发散光可以包括用/由全息图编码的光，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本，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，衍射光场传播到观察者。

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)的多个复本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从其输出光的物理区域。也可以说，每个波导光瞳扩展器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布置成扩展/增加观察者的眼睛可以位于其内的眼盒的尺寸，以便看到/接收由系统输出的光。

在本公开中，术语“复本”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路被引导。“复本”一词用于指复制事件后复合光场的每一次出现或实例—比如光瞳扩展器的部分反射-透射。每个复本沿着不同的光路传播。本公开的一些实施例涉及用全息图而不是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的复合光场将随着传播距离而变化。这里使用的术语“复本”与传播距离无关，因此与复制事件相关的两个光分支或路径仍被称为彼此的“复本”，即使分支具有不同的长度，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，它们仍被认为是“复本”—假设它们源自相同的复制事件或一系列复制事件。

根据第一方面，提供了一种显示系统，包括第一波导光瞳扩展器。第一波导光瞳扩展器包括输入端口、输出端口、第一对平行表面和第二对平行表面。第一对平行表面正交于第二对平行表面。第一对平行表面布置成通过其间的内部反射将衍射或发散(例如全息)光场从输入端口光引导至输出端口。第一对平行表面中的第一表面是部分透射-反射的，使得光场在每次内部反射时被分割，并且光场的多个复本透射穿过第一表面的形成输出端口的区域。第二对平行表面还布置成通过至少一次内部反射将光场从输入端口光引导至输出端口。输入端口可以形成在第一对平行表面中的第一表面上/由第一表面形成，或者形成在第二表面上/由第二表面形成。

根据本公开的“衍射光场”是由衍射形成的光场。可以通过照射相应的衍射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全息图编码的光或全息域中的光。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”是在与相应衍射结构空间分离的平面上形成重建的光场。本文公开了一种用于将衍射光场从衍射结构传播到观察者的光学系统。衍射光场可以形成图像。在一些实施例中，衍射光场包括发散的光线束。在一些实施例中，由衍射光场形成的图像是虚像。

在一些实施例中，第一对平行/互补表面是细长或伸长的表面，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个相对较短，每个维度基本与相应的其他维度中的每个正交。光在第一对平行表面之间/从第一对平行表面反射/透射的过程布置成使得光在第一波导光瞳扩展器内传播，光传播的大致方向是第一波导光瞳扩展器相对较长的方向(即在其“细长”方向上)。

在一些实施例中，第二对平行表面是细长表面，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个相对较短，每个维度基本与相应的其他维度中的每个正交。

由于第二对平行表面也布置成通过至少一次内部反射将光场从输入端口光引导至输出端口，第一波导光瞳扩展器确保在光在第一波导光瞳扩展器内传播期间，衍射光场的光不会通过第二对平行表面而损失。当第一波导光瞳扩展器相对较薄时，尤其是当衍射或发散光通过第一波导光瞳扩展器传播时，如果第一波导光瞳扩展器沿着其相对较短的一个或两个维度的尺寸基本等于或小于由衍射或发散光定义的光场的尺寸，这可能是特别有利的。

这里公开了一种系统，其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形成图像全息重建的光—例如全息图比如傅立叶或菲涅耳全息图。使用衍射和衍射结构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的问题，例如包括发散(非准直)光线束的衍射光。

在一些方面，显示系统包括显示设备—比如像素化显示设备，例如空间光调制器(SLM)或硅上液晶(LCoS)SLM—其布置为提供或形成衍射或发散光。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，界定包含在SLM内的光调制像素阵列的区域的尺寸—决定了可以离开系统的光线束的尺寸(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显示设备的限制)在空间延伸上变得更大。

衍射或发散光场可被称为具有“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。因为光被衍射/发散，所以光场大小随着传播距离而增加。在一些实施例中，第一波导光瞳扩展器内的光场尺寸超过第一波导光瞳扩展器的尺寸—也就是说，光场尺寸在至少一个维度上大于第一波导光瞳扩展器的尺寸。换句话说，光场尺寸可以基本等于或大于以下中的至少一个：在第一对平行表面中的第一和第二表面之间限定的“第一间隔尺寸”；以及在光场在第一波导光瞳扩展器内的内部反射期间，在第二对平行表面中的第一和第二表面之间限定的“第二间隔尺寸”。换句话说，在至少一个维度上，光场的大小可以等于或大于第一波导光瞳扩展器的厚度。根据本公开，由于第一对平行表面中的表面之间的内部反射，第二对平行表面配置为提供光场的反射，以将其保持在第一波导光瞳扩展器内，并确保其仅经由输出端口离开第一波导光瞳扩展器。

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)的图像的不同部分。像素化显示设备可以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。

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、优选大多数、优选全部复本—从其输入端口引导至相应的输出端口。第三对平行表面的第一表面可以是部分透射反射的，使得光场在每次内部反射时被分割，并且光场的多个复本透射通过第二波导光瞳扩展器上的第一表面的形成其输出端口的区域。

第一波导光瞳扩展器可以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。第二方向可以基本正交于第一方向。第二波导光瞳扩展器可以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、优选全部复本。第二波导光瞳扩展器可以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。

第一波导光瞳扩展器可以是基本细长的，第二波导光瞳扩展器可以是基本平面的。第一波导光瞳扩展器的细长形状可以由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正交于第一维度的第二维度的宽度或阔度来定义。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第三对平行表面中的第一表面的形状、尺寸和/或位置可被设计成对应于由第一波导光瞳扩展器上的第一对平行表面中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布置成接收由第一波导光瞳扩展器输出的每个复本。

第一和第二波导光瞳扩展器可以共同地在第一方向和垂直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宽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被称为“光瞳扩展器”。

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，观察者可以从该区域接收输入衍射或发散光场的光。可以说眼盒区域位于或定义了观察平面。

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。可替代地，在包括诸如光学组合器的其他元件的布置中，例如车辆的挡风玻璃，出射光瞳可被认为是来自该其他元件的出射光瞳，比如来自挡风玻璃。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，出射光瞳可以基本垂直于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。

观察平面和/或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，观察平面可以基本垂直于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。

在一些实施例中，可以在第一和第二波导光瞳扩展器之间提供波导耦合器。波导耦合器可以配置成直接或间接地接收由第一波导光瞳扩展器输出的光场的多个复本中的一些或全部。波导耦合器可以进一步配置为输出多个复本中的所述一些或全部，并且直接或间接地向第二波导光瞳扩展器透射它们。

波导耦合器可以具有包括输入端口的接收面，该接收面配置为接收由第一波导光瞳扩展器输出的光场的多个复本中的一些，优选大多数，优选全部。波导耦合器的接收面可以布置成平行于第一波导光瞳扩展器的第一对平行表面，但这不是必需的。可以提供一个或多个其他元件，以确保光场的复本以合适的入射角进入波导耦合器。波导耦合器还可以包括发射面，该发射面包括输出端口，该输出端口配置为向第二波导光瞳扩展器发射光场的多个复本中的一些，优选大多数，优选全部。

波导耦合器还可以包括第四对平行反射表面，其中第四对平行表面布置成通过至少一次内部反射将光场从波导耦合器的接收面向发射面引导。第四对平行表面可以基本对应于第一波导光瞳扩展器的第二对平行表面。例如，第四对平行表面内的第一表面可以与第二对平行表面内的第一表面共面，和/或第四对平行表面内的第二表面可以与第二对平行表面内的第二表面共面。

包括第二对平行表面中的两个表面之间的分开尺寸的第二间隔尺寸可以基本等于第四对平行表面中的两个表面之间的分开尺寸。因此，第四对平行表面和第二对平行表面之间的对应关系可以确定第一波导光瞳扩展器和波导耦合器占据公共平面或层。

第一波导光瞳扩展器和可选的波导耦合器可以布置为占据第一平面或层。第二波导光瞳扩展器可以布置成占据不同的第二平面或层。第二层可以基本平行于第一层。可以说第二波导光瞳扩展器的形状和尺寸定义了第二层上/内的区域或“覆盖区”。由于第一层和第二层基本平行，所以第二光瞳复制器的“覆盖区”也可被描述为限定在第一层上。第一波导光瞳扩展器以及可选地还有波导耦合器可以布置在第一层的区域内，该区域小于或等于第二层上的第二波导光瞳扩展器的覆盖区的尺寸。一个或多个附加元件例如镜子也可以布置在第一层的该区域内。

第一和第二层可以相对于彼此设置，使得第二层上的第二波导光瞳扩展器的覆盖区覆盖第一层的区域，在该区域内布置第一波导光瞳扩展器和可选的波导耦合器。换句话说，在这种布置中，采用第二层上的第二波导光瞳扩展器的“平面”或“俯视”视图将阻止观察者看到被第一波导光瞳扩展器占据并且可选地也被波导耦合器和/或一个或多个附加元件占据的第一层的区域。

波导耦合器可以具有基本填充第一和第二波导光瞳扩展器之间的空间或间隙的形状。例如，波导耦合器可以具有基本三角形形状。

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。这种倾斜可产生固有的三角形间隙，波导耦合器可布置成至少部分占据该间隙。

显示系统还可以包括布置成在第一和第二波导光瞳扩展器之间，例如在波导耦合器和第二波导光瞳扩展器之间，折叠光场复本的光路的元件。该元件可以包括折叠镜。折叠镜可以布置成占据第一波导光瞳扩展器和可选地还有波导耦合器占据的第一层。折叠镜可以布置成将来自第一层的光导向第二层。折叠镜可以布置成提供合适的发射条件，以在第二波导光瞳扩展器内实现内部反射。折叠镜的使用可以使第二层能够覆盖第一层，从而实现紧凑且体积减小的系统。

在第二层上的第二波导光瞳扩展器的覆盖区覆盖第一层的区域的实施例中，第一波导光瞳扩展器以及可选地还有波导耦合器布置在该区域内，第二波导光瞳扩展器可被认为定义了覆盖区的相应的第一和第二维度或轴线。由第一波导光瞳扩展器输出的光可以布置成平行于覆盖区的所述第一和第二维度之一。第一波导光瞳扩展器的细长维度可以布置为相对于覆盖区的所述第一和第二维度中的相应另一个倾斜。

根据一些实施例，控制设备可以设置在显示系统内。例如，它可以设置在第一波导光瞳扩展器的下游，例如在第一波导光瞳扩展器和第二波导光瞳扩展器之间，其中控制设备包括孔径阵列，每个孔径可选择性地在透射状态和非透射状态之间操作。

因此，控制设备可以配置成在动态基础上选择性地控制在第一波导光瞳扩展器和第二波导光瞳扩展器之间透射哪些光，以及不透射哪些光。在一些方面，控制设备是可控的，以允许来自第一波导光瞳扩展器的输出衍射光场的一些复本向第二波导光瞳扩展器透射，并防止某些其他复本这样做。控制设备可被控制以允许给定衍射光场的所有复本被透射到第二波导光瞳扩展器，但不是全部在完全相同的时间。例如，复本的透射可以是交错的，或顺序的，或以另一种方式进行时间控制。例如，这可以使控制设备并因此使显示系统适应观察者头部的运动，并因此适应他们的眼盒的运动。可替代地或另外，它还可以用于适应观察者几乎肯定具有多个观察孔径(即两只眼睛)的事实，并因此确保这两只眼睛不会在完全相同的时间接收到对应于相同图像内容的全息光，因为人类大脑固有地期望每只眼睛具有至少略微不同的视图，这是因为眼睛在物理上彼此移位并具有不同的各自固有视场。

控制设备的孔径阵列可以在第一波导光瞳扩展器的细长方向上延伸。这些孔径可以是物理上离散的孔径，或者它们可以是控制设备的软件控制部分。这样，控制设备内的孔径的尺寸、数量和位置可以动态变化。控制设备可以包括多个液晶单元或区域，它们可在透射和非透射状态之间独立切换。

控制设备可以设置在第一波导光瞳扩展器和波导耦合器之间，或者波导耦合器和第二波导光瞳扩展器之间，或者折叠镜和第二波导光瞳扩展器之间。

在一些实施例中，第一波导光瞳扩展器和波导耦合器可以结合在一起。在一些实施例中，第一波导光瞳扩展器、波导耦合器和控制设备可以结合在一起。在任何这样的方面，结合可以包括各个构成部分之间的任何合适类型的附接。将显示系统的构成部分结合在一起可以增强显示系统的整体机械和热稳定性。它还可以增强和确保构成部分之间的光学对准，从而确保光通过系统正确传播并到达观察者。

每个“波导光瞳扩展器”通过复制光瞳的光来执行光瞳扩展。

根据第二方面，光引擎布置成包括第一层和第二层的堆叠或分层配置。第一层包括第一光瞳复制器和波导耦合器。第一光瞳复制器布置成接收来自具有光瞳的衍射结构的衍射光场。第一光瞳复制器基本是细长的。第二层包括第二光瞳复制器。第二光瞳复制器基本是平面的。第二光瞳复制器包括布置成形成光引擎的输入的第一主表面和布置成形成光引擎的输出的第二主表面。波导耦合器布置成将第一光瞳复制器的输出耦合到第二光瞳复制器的输入。第一层和第二层基本平行且彼此相邻。

第一光瞳复制器可以布置成在第一方向上复制衍射结构的光瞳，并且第二光瞳复制器可以布置成在第二方向上复制衍射结构的光瞳。第一方向可以基本垂直于第二方向。

第一光瞳复制器和波导耦合器可以布置在第二光瞳复制器的覆盖区内，其中该覆盖区包括当在基本垂直于相应层的方向上观察时该层占据的区域。

第一光瞳复制器可以包括主对相对表面，该表面布置成在其间提供光导和光瞳复制。

波导耦合器可以包括分别包括输入表面和输出表面的主对相对表面，其中输入表面和输出表面彼此成一定角度。

第一光瞳复制器和波导耦合器可以基本共面。

第一层的第一光瞳复制器和波导耦合器可以布置成在基本平行于第二层的平面中波导衍射光场，其中“波导”意味着通过内部反射传播光。

第二层可以由第一和第二轴线定义，其中第一光瞳复制器的细长维度相对于第二层的第一和第二轴线中的至少一个成角度。第一光瞳复制器的细长维度相对于第二层的第一轴线或第二轴线的角度可以基本等于由第一光瞳复制器接收的衍射光的入射角。

第二光瞳复制器可以具有基本四边形的横截面形状。

第二光瞳复制器的输入可以是细长的，并且对应于第二层的第一轴线。

第二光瞳复制器的第一和第二主表面可以形成主对相对表面，该表面布置成提供其间的光导和光瞳复制。

第二层的第二光瞳复制器可以布置成在基本平行于第一层的平面中波导衍射光场。

第一光瞳复制器和波导耦合器可以固定到第二光瞳复制器的第一主表面。

第一光瞳复制器和波导耦合器可以各自包括副对相对表面，该表面布置成将衍射光场捕获在其平面内，其中“捕获”装置防止衍射光通过其离开。每个副对相对表面中的至少一个表面可以包括反射部件(例如镜面涂层)，并且每个副对相对表面中的至少一个表面可以通过反射部件固定到公共基底上。公共基底可以是第二光瞳复制器或者容纳光引擎的车辆部件。

第一光瞳复制器和波导耦合器可以结合在一起。

光引擎可以进一步包括控制设备。控制设备可以包括多个独立控制的孔径，其布置成确定哪些光瞳复本被从第一光瞳复制器中继到第二光瞳复制器。第一光瞳复制器、波导耦合器和/或控制设备可以结合在一起。

根据第三方面，一种用于车辆的平视显示器包括第一光瞳复制器、第二光瞳复制器和波导耦合器。第一光瞳复制器在第一方向上延伸。第一光瞳复制器布置成从空间光调制器接收全息光场，该空间光调制器具有限定平视显示器的极限孔径的像素阵列。全息光场是根据显示在空间光调制器上的全息图进行空间调制的复合光场。第二光瞳复制器在第一方向上和垂直于第一方向的第二方向上延伸。第二光瞳复制器包括形成输出的第一主表面和平行于第一主表面的第二主表面。波导耦合器布置成将第一光瞳复制器的输出光学耦合到第二光瞳复制器的输入。第一光瞳复制器和波导耦合器布置在与第二光瞳复制器的第二主表面基本平行且相邻的平面层内。可选地，第一光瞳复制器和波导耦合器可以附接到第二光瞳复制器的第二主表面或者容纳平视显示器的车辆结构框架。

还提供了一种包括第一层的光引擎，该第一层包括第一光瞳复制器，其中第一光瞳复制器基本是平面的，并且包括布置成形成输入的第一主表面和布置成形成输出的第二主表面。光引擎还包括第二层，该第二层包括第二光瞳复制器和波导耦合器，该波导耦合器布置成将第二光瞳复制器的输出耦合到第一光瞳复制器的输入，其中第二光瞳复制器基本是细长的，并且波导耦合器基本是平面的，其中第一层由第一和第二轴线限定，并且其中第二光瞳复制器的细长维度相对于所述第一和第二轴线中的至少一个成角度，以便第二层的光覆盖区落在第一层的光覆盖区内。

第一层的表面积可以基本等于或大于例如稍微大于第一光瞳复制器的每个主表面的表面积。换句话说，第一层可以仅包括第一光瞳复制器，或者除了包括第一光瞳复制器之外，它还可以包括其他物质和/或一个或多个其他部件。

第一光瞳复制器可以是四边形形状。四边形的长度和宽度可以分别基本平行于限定光引擎的第一层的第一和第二轴线。

第一层和第二层可以基本平行且相邻。因此，第一和第二层可以紧凑和节省空间的形式提供。

第一光瞳复制器可以布置成在第一方向上复制，第二光瞳复制器可以布置成在第二方向上复制，其中第二光瞳复制器在第二层上成角度。

每层的光覆盖区可被定义为当在垂直于第一层和第二层的方向上观察时它占据的覆盖区或面积。

第二光瞳复制器可以在第二层上成角度，使得第二层的光覆盖区落在第一层的光覆盖区内。因此，这两层可以横截面面积不超过第一层的横截面面积的形式一起提供。

还提供了一种光引擎，包括在第一方向和垂直于第一方向的第二方向上延伸的第一光瞳复制器，其中第一光瞳复制器包括形成输出的第一主表面和平行于第一主表面的第二主表面。该光引擎还包括：第二光瞳复制器，其在第一方向上延伸并布置成接收来自空间光调制器的衍射光场；以及波导耦合器，其位于第一光瞳复制器和第二光瞳复制器之间，其中第二光瞳复制器和波导耦合器设置在基本平行于并邻近第一光瞳复制器的第二主表面的平面上。

第二光瞳复制器(其可被称为“光瞳扩展器”)可以包括主对相对表面，该表面布置成在其间提供光导和在第一方向上的光瞳复制。波导耦合器可以包括分别形成输入和输出的主对相对表面，其中输入表面和输出表面彼此成一定角度。输入表面和输出表面可以在顶点或拐角处彼此相遇或接触。

第二光瞳复制器和波导耦合器可以各自包括相应的副对相对表面，该表面布置成在其平面内捕获衍射光场。因此，当衍射或发散光被输入到第二光瞳复制器或波导中时，其将布置成防止光从其副对相对表面逸出。对于第二光瞳复制器和波导耦合器中的每个，相应的副对相对表面可以布置成基本垂直于相应的主对相对表面。

第一光瞳扩展器可以包括主对相对表面，该表面布置成在其间提供光导和在第二方向上的光瞳复制。

第二光瞳复制器和波导耦合器可以固定到第一光瞳复制器的第二主表面。

(第二光瞳复制器和波导耦合器的)每个副对相对表面中的至少一个表面可以固定到公共基底。公共基底可以是第二光瞳复制器。

光引擎可以形成平视显示器(HUD)的一部分，比如车辆HUD。每个副对相对表面中的至少一个表面可以结合到其中将提供HUD的车辆的另一部件或零件上。因此，公共基底可以是容纳光引擎的车辆的部件。例如，它可以是机动车辆的底盘。

将第二光瞳复制器和波导耦合器结合到公共基底有助于降低制造成本，并确保光引擎的鲁棒性，例如通过确保以紧凑的形式提供光引擎，例如以相对扁平的流线型形式。

第二光瞳复制器和波导耦合器可以布置在第一光瞳复制器的覆盖区内。光引擎可以布置成包括第一层和第二层的堆叠/分层配置，其中第一层包括第一光瞳复制器和波导耦合器，第二层包括第二光瞳复制器，反之亦然。

第一层和第二层可以基本平行并邻接。

第二光瞳复制器和波导耦合器可以布置成在与第一光瞳复制器的平面基本平行的平面中传播光。

第二光瞳复制器可以布置成在第一方向上复制衍射光场，并且第一光瞳复制器可以布置成在第二方向上复制衍射光场。

第二光瞳复制器可以包括第一对相对表面，其布置成在平行于第一光瞳扩展器的平面的平面中波导。

第二光瞳扩展器可以包括第二对相对表面，其布置成防止衍射光场通过所述第二对相对表面离开第一光瞳扩展器。

第二对相对表面可以垂直于第一对相对表面。第二对相对表面中的至少一个表面可以包括反射涂层，其布置成在第二光瞳复制器内提供内部反射。

还提供了一种光引擎，包括：第一光瞳复制器，其在第一方向上延伸并布置成接收来自空间光调制器(SLM)的衍射光场；第二光瞳复制器，其在第一方向上和垂直于第一方向的第二方向上延伸，其中第二光瞳复制器包括形成输出的第一主表面和平行于第一主表面的第二主表面；以及波导耦合器，其布置成将第一光瞳复制器的输出光学耦合到第二光瞳复制器的输入，其中第一光瞳复制器和波导耦合器被固定到第二光瞳复制器的第二主表面。

通过提供固定到第二光瞳复制器的第二主表面的第一光瞳复制器和波导耦合器，可以紧凑、流线型和坚固的形式提供光引擎。例如，将部件彼此固定可以保护光引擎免受潜在的损坏，否则当光引擎设置在不稳定的环境中时，比如在移动或振动的环境中，例如在车辆中，可能会发生这种损坏。

第一光瞳复制器和波导耦合器可以设置在公共平面或公共层内。SLM以及可选的光源也可以设置在该公共层内。第二光瞳复制器可以设置在不同的第二层中。

还提供了一种平视显示器(HUD)系统，其包括任何上述方面的显示设备。HUD系统可以在车辆中实现，包括但不限于机动车辆。HUD系统还可以包括光学组合器，比如挡风玻璃。在一些方面，显示系统可以配置成将输出光引向光学组合器，并且光学组合器可以布置成将输出光引向(或重定向)预期观察者的眼盒。眼盒可以基本正交于由第二波导光瞳扩展器限定的平面。

还提供了一种为衍射光场提供光瞳扩展的方法，该方法包括将衍射光场导入第一波导光瞳扩展器，其中第一波导光瞳扩展器包括输入端口、输出端口、第一对平行表面和第二对平行表面，其中第一对平行表面与第二对平行表面正交。该方法还包括通过第一对平行表面之间的内部反射将衍射光场从输入端口引导至输出端口，其中第一对平行表面中的第一表面是部分透射-反射的，使得光场在每次内部反射时被分割，并且光场的多个复本透射穿过形成输出端口的第一表面的区域；并且其中第二对平行表面还布置成通过至少一次内部反射将光场从输入端口引导至输出端口。

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“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”。

术语“编码”、“写入”和“寻址”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。

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。

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。

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。

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。

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。

附图说明

仅参考以下附图以示例的方式描述特定实施例：

图1是示出在屏幕上产生全息重建的反射型SLM的示意图；

图2A示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第一迭代；

图2B示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第二及后续迭代；

图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的替代第二及后续迭代；

图3是反射型LCOS SLM的示意图；

图4A示出了包括多个图像区域的图像(底部)和包括多个全息图成分的相应全息图(顶部)；

图4B示出了全息图，其特征在于将全息编码光路由或引导到多个离散的全息图通道中；

图5示出了一种系统，该系统布置成通过不同的光路将图4B的每个全息图通道的光内容路由到眼睛；

图6示出了一对堆叠的图像复制器的透视图，该图像复制器布置用于在二维方向上扩展光束；

图7示出了包括二维光瞳扩展器的改进的显示系统；

图8示出了由衍射结构输出的衍射光锥；

图9示出了双层光瞳扩展器；

图10示出了图9的双层光瞳扩展器的放大图；

图11示出了图10的双层光瞳扩展器的平面图，还包括空间光调制器(SLM)；以及

图12示出了包括光瞳扩展器的平视显示系统。

在所有附图中，相同的附图标记将用于指代相同或相似的部分。

具体实施方式

本发明不限于以下描述的实施例，而是扩展到所附权利要求的全部范围。即，本发明可以不同的形式实施且不应被解释为限于所描述的实施例，实施例出于说明的目的而阐述。

除非另有说明，单数形式的术语可以包括复数形式。

描述为形成在另一结构的上部/下部或者在另一结构之上/之下的结构应被解释为包括结构彼此接触的情况，此外，还包括在它们之间设置第三结构的情况。

在描述时间关系时，例如当事件的时间顺序描述为“之后”、“随后”、“下一个”、“之前”等时，本公开应被认为包括连续和非连续事件，除非另有说明。例如，除非使用诸如“刚好”、“紧邻”或“直接”等措辞，否则描述应被视为包括不连续的情况。

尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分各个元件。例如，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，类似地，第二元件可被称为第一元件。

不同实施例的特征可以部分或整体地彼此耦合或组合，并且可以彼此不同地互操作。一些实施例可以彼此独立地执行，或者可以相互依存的关系一起执行。

光学配置

图1示出了其中计算机生成的全息图被编码在单个空间光调制器上的实施例。计算机生成的全息图是用于重建的物体的傅立叶变换。因此，可以说全息图是物体的傅立叶域或频域或光谱域表示。在该实施例中，空间光调制器是反射型硅上液晶“LCOS”器件。全息图在空间光调制器上编码，并且在重放场例如光接收表面比如屏幕或漫射器处形成全息重建。

光源110例如激光或激光二极管设置成经由准直透镜111照射SLM140。准直透镜使光的大致平面波前入射在SLM上。在图1中，波前的方向是偏离法线的(例如与真正正交于透明层的平面相距两度或三度)。然而，在其他实施例中，大致平面波前以法向入射提供，并且分束器布置用于分离输入和输出光学路径。在图1所示的实施例中，布置使得来自光源的光从SLM的镜面后表面反射并与光调制层相互作用以形成出射波前112。出射波前112被施加到包括傅立叶变换透镜120的光学器件，傅立叶变换透镜120的焦点位于屏幕125处。更具体地，傅立叶变换透镜120接收来自SLM140的调制光束，并执行频率-空间变换以在屏幕125处产生全息重建。

值得注意的是，在这种类型的全息图中，全息图的每个像素都有助于整个重建。重放场上的特定点(或图像像素)与特定的光调制元件(或全息图像素)之间没有一对一的相关性。换句话说，离开光调制层的调制光分布在整个重放场上。

在这些实施例中，全息重建在空间中的位置由傅立叶变换透镜的屈光度(聚焦)确定。在图1所示的实施例中，傅立叶变换透镜是物理透镜。即，傅立叶变换透镜是光学傅立叶变换透镜，并且在光学上执行傅立叶变换。任何透镜都可以充当傅立叶变换透镜，但透镜的性能将限制其执行的傅立叶变换的准确性。技术人员理解如何使用透镜来执行光学傅立叶变换。

全息图计算

在一些实施例中，计算机生成的全息图是傅立叶变换全息图，或者简单地是傅立叶全息图或基于傅立叶的全息图，其中通过利用正透镜的傅立叶变换特性在远场中重建图像。通过将重放平面中的所需光场傅立叶变换回透镜平面来计算傅立叶全息图。可以使用傅立叶变换来计算计算机生成的傅立叶全息图。

可以使用算法比如Gerchberg-Saxton算法来计算傅立叶变换全息图。此外，Gerchberg-Saxton算法可用于根据空间域(比如照片)中的仅振幅信息来计算傅立叶域中的全息图(即傅立叶变换全息图)。从空间域中的仅振幅信息中有效地“检索”与物体有关的相位信息。在一些实施例中，使用Gerchberg-Saxton算法或其变型从仅振幅信息计算计算机生成的全息图。

Gerchberg-Saxton算法考虑了当已知分别在平面A和B中的光束的强度截面I_A(x,y)和I_B(x,y)并且I_A(x,y)和I_B(x,y)通过单个傅立叶变换关联时的情况。对于给定的强度横截面，分别求出了平面A和B中的相位分布近似Ψ_A(x,y)和Ψ_B(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程求出该问题的解。更具体地，Gerchberg-Saxton算法迭代地应用空间和频谱约束，同时在空间域和傅立叶(频谱或频率)域之间重复传输代表I_A(x,y)和I_B(x,y)的数据集(振幅和相位)。通过算法的至少一次迭代获得频谱域中的相应计算机生成的全息图。该算法是收敛的并且布置为产生表示输入图像的全息图。全息图可以是仅振幅全息图、仅相位全息图或全复数全息图。

在一些实施例中，仅相位全息图是使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法来计算的，比如在英国专利2498170或2501112中描述的算法，所述专利的全部内容通过引用结合于此。然而，本文公开的实施例仅通过示例的方式描述计算仅相位全息图。在这些实施例中，Gerchberg-Saxton算法检索数据集的傅立叶变换的相位信息Ψ[u,v]，其产生已知的振幅信息T[x,y]，其中振幅信息T[x,y]代表目标图像(例如照片)。由于幅度和相位在傅立叶变换中本质上是结合的，因此变换后的幅度和相位包含有关计算数据集的准确性的有用信息。因此，算法可以与振幅和相位信息的反馈一起迭代使用。然而，在这些实施例中，仅相位信息Ψ[u,v]用作全息图，以在图像平面处形成目标图像的全息表示。全息图是相位值的数据集(例如2D阵列)。

在其他实施例中，基于Gerchberg-Saxton算法的算法用于计算全复数全息图。全复数全息图是具有幅度分量和相位分量的全息图。全息图是包括复数数据值阵列的数据集(例如2D阵列)，其中每个复数数据值包括幅度分量和相位分量。

在一些实施例中，算法处理复数数据，并且傅立叶变换是复数傅立叶变换。可以将复数数据视为包括(i)实数分量和虚数分量，或(ii)幅度分量和相位分量。在一些实施例中，复数数据的两个分量在算法的各个阶段被不同地处理。

图2A示出了根据一些实施例的用于计算仅相位全息图的算法的第一迭代。算法的输入是包括像素或数据值的2D阵列的输入图像210，其中每个像素或数据值是幅度或振幅值。也就是说，输入图像210的每个像素或数据值不具有相位分量。因此，输入图像210可被视为仅幅度或仅振幅或仅强度分布。这样的输入图像210的示例是照片或包括帧时间序列的视频的一帧。算法的第一迭代从数据形成步骤202A开始，该步骤包括使用随机相位分布(或随机相位种子)230将随机相位值分配给输入图像的每个像素，以形成起始复数数据集，其中数据集的每个数据元素包括幅度和相位。可以说，起始复数数据集代表了空间域中的输入图像。

第一处理块250接收起始复数数据集并执行复数傅立叶变换以形成傅立叶变换的复数数据集。第二处理块253接收傅立叶变换的复数数据集并输出全息图280A。在一些实施例中，全息图280A是仅相位全息图。在这些实施例中，第二处理块253量化每个相位值并将每个振幅值设置为1，以便形成全息图280A。根据可以在空间光调制器的将用于“显示”仅相位全息图的像素上表示的相位水平来量化每个相位值。例如，如果空间光调制器的每个像素提供256个不同的相位水平，则将全息图的每个相位值量化为256个可能相位水平中的一个相位水平。全息图280A是代表输入图像的仅相位傅立叶全息图。在其他实施例中，全息图280A是全复数全息图，其包括从接收的傅立叶变换的复数数据集导出的复数数据值(每个包括振幅分量和相位分量)阵列。在一些实施例中，第二处理块253将每个复数数据值约束到多个可允许复数调制水平之一以形成全息图280A。约束步骤可以包括将每个复数数据值设置为复数平面中最接近的可允许复数调制水平。可以说全息图280A代表频谱或傅立叶或频域中的输入图像。在一些实施例中，算法在该点处停止。

然而，在其他实施例中，算法继续，如图2A中的虚线箭头所示。换句话说，遵循图2A中的虚线箭头的步骤是可选的(即并非对所有实施例都是必不可少的)。

第三处理块256从第二处理块253接收修改的复数数据集，并执行逆傅立叶变换以形成逆傅立叶变换的复数数据集。可以说逆傅立叶变换的复数数据集代表空间域中的输入图像。

第四处理块259接收逆傅立叶变换的复数数据集，并提取幅度值211A的分布和相位值213A的分布。可选地，第四处理块259评估幅度值211A的分布。具体地，第四处理块259可以将逆傅立叶变换的复数数据集的幅度值211A的分布与输入图像510进行比较，输入图像510本身当然是幅度值的分布。如果幅度值211A的分布与输入图像210之间的差足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是可接受的。也就是说，如果幅度值211A的分布与输入图像210之间的差足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是输入图像210的足够准确表示。在一些实施例中，为了比较的目的，忽略了逆傅立叶变换的复数数据集的相位值213A的分布。将理解的是，可以采用任何数量的不同方法来比较幅度值211A的分布和输入图像210，并且本公开不限于任何特定方法。在一些实施例中，计算均方差，并且如果均方差小于阈值，则认为全息图280A是可接受的。如果第四处理块259确定全息图280A是不可接受的，则可以执行算法的进一步迭代。然而，该比较步骤不是必需的，并且在其他实施例中，执行的算法的迭代次数是预定的或预设的或用户定义的。

图2B表示算法的第二迭代以及算法的任何进一步迭代。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布，有利于输入图像210的幅度值的分布。在第一迭代中，数据形成步骤202A通过将输入图像210的幅度值的分布与随机相位分布230相结合来形成第一复数数据集。然而，在第二和后续迭代中，数据形成步骤202B包括通过将(i)来自算法的先前迭代的相位值213A的分布与(ii)输入图像210的幅度值的分布相结合来形成复数数据集。

然后，以参照图2A描述的相同方式处理由图2B的数据形成步骤202B形成的复数数据集，以形成第二迭代全息图280B。因此，此处不重复对该过程的说明。当已经计算了第二迭代全息图280B时，算法可以停止。然而，可以执行该算法的任何数量的进一步迭代。将理解的是，仅在需要第四处理块259或需要进一步迭代时才需要第三处理块256。输出全息图280B通常随着每次迭代而变得更好。然而，实际上，通常会达到无法观察到可测量的改进的点，或者执行进一步迭代的正面好处被额外处理时间所带来的负面影响抵消。因此，该算法被描述为迭代和收敛的。

图2C表示第二和后续迭代的替代实施例。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布，有利于幅度值的替代分布。在该替代实施例中，幅度值的替代分布是从先前迭代的幅度值211的分布中导出的。具体地，处理块258从先前迭代的幅度值211的分布中减去输入图像210的幅度值的分布，通过增益因子α缩放该差，并从输入图像210中减去经缩放的差。这在数学上通过以下等式来表述，其中下标文本和数字表示迭代次数：

R_n+1[x,y]＝F'{exp(iψ_n[u,v])}

ψ_n[u,v]＝∠F{η·exp(i∠R_n[x,y])}

η＝T[x,y]-α(|R_n[x,y]|-T[x,y])

其中：

F'是逆傅立叶变换；

F是正向傅立叶变换；

R[x,y]是第三处理块256输出的复数数据集；

T[x,y]是输入或目标图像；

∠是相位分量；

Ψ是仅相位全息图280B；

η是幅度值211B的新分布；以及

α是增益因子。

增益因子α可以是固定的或可变的。在一些实施例中，基于输入目标图像数据的大小和速率来确定增益因子α。在一些实施例中，增益因子α取决于迭代次数。在一些实施例中，增益因子α仅是迭代次数的函数。

在所有其他方面，图2C的实施例与图2A和图2B的实施例相同。可以说，仅相位全息图Ψ(u,v)包括频率或傅立叶域中的相位分布。

在一些实施例中，使用空间光调制器执行傅立叶变换。具体地，全息图数据与提供光焦度的第二数据组合。也就是说，写入空间光调制的数据包括表示物体的全息图数据和表示透镜的透镜数据。当显示在空间光调制器上并用光照射时，透镜数据会模拟物理透镜—即它以与相应物理光学元件相同的方式将光聚焦。因此，透镜数据提供了光焦度或聚焦功率。在这些实施例中，可以省略图1的物理傅立叶变换透镜120。已知如何计算代表透镜的数据。代表透镜的数据可以称为软件透镜。例如，仅相位透镜可以通过计算由透镜的每个点由于其折射率和空间变化的光学路径长度而引起的相位延迟来形成。例如，在凸透镜的中心的光学路径长度大于透镜边缘处的光学路径长度。仅振幅透镜可以由菲涅耳波带片形成。在计算机生成的全息术领域中，还已知如何将代表透镜的数据与全息图相结合，从而可以在不需要物理傅立叶透镜的情况下执行全息图的傅立叶变换。在一些实施例中，通过简单的加法比如简单的矢量加法将透镜化数据与全息图结合。在一些实施例中，物理透镜与软件透镜结合使用以执行傅立叶变换。可替代地，在其他实施例中，完全省略傅立叶变换透镜，使得全息重建在远场中发生。在进一步的实施例中，全息图可以相同的方式与光栅数据—即布置成执行光栅函数比如图像转向的数据结合。同样，在本领域中已知如何计算这样的数据。例如，可以通过对由闪耀光栅的表面上的每个点引起的相位延迟进行建模来形成仅相位光栅。仅振幅光栅可以简单地与仅振幅全息图叠加以提供全息重建的角度转向。提供透镜化和/或转向的第二数据可被称为光处理函数或光处理图案，以与可被称为图像形成函数或图像形成图案的全息图数据区分开。

在一些实施例中，傅立叶变换由物理傅立叶变换透镜和软件透镜联合执行。也就是说，由软件透镜提供有助于傅立叶变换的一些光焦度，而由一个或多个物理光学器件提供有助于傅立叶变换的其余光焦度。

在一些实施例中，提供了一种实时引擎，其布置为使用算法接收图像数据并实时计算全息图。在一些实施例中，图像数据是包括图像帧序列的视频。在其他实施例中，全息图被预先计算，存储在计算机存储器中并且根据需要被调出以在SLM上显示。也就是说，在一些实施例中，提供了预定全息图的储存库。

实施例仅通过示例的方式涉及傅立叶全息术和Gerchberg-Saxton类型算法。本公开同样适用于可通过类似方法计算的菲涅耳全息术和菲涅耳全息图。本公开还可适用于通过其他技术比如基于点云方法的技术计算的全息图。

光调制

可以使用空间光调制器来显示包括计算机生成的全息图的衍射图案。如果全息图是仅相位全息图，则需要调制相位的空间光调制器。如果全息图是全复数全息图，则可以使用调制相位和振幅的空间光调制器，或者可以使用调制相位的第一空间光调制器和调制振幅的第二空间光调制器。

在一些实施例中，空间光调制器的光调制元件(即像素)是包含液晶的单元。也就是说，在一些实施例中，空间光调制器是其中光学活性成分是液晶的液晶装置。每个液晶单元配置为选择性地提供多个光调制水平。也就是说，每个液晶单元在任何时候配置为以从多个可能光调制水平中选择的一个光调制水平操作。每个液晶单元可动态地重新配置为与多个光调制水平不同的光调制水平。在一些实施例中，空间光调制器是反射型硅上液晶(LCOS)空间光调制器，但本公开不限于这种类型的空间光调制器。

LCOS器件在小孔径(例如几厘米宽)内提供密集的光调制元件或像素阵列。像素通常约为10微米或更小，这导致几度的衍射角，意味着光学系统可以紧凑。充分照射LCOS SLM的小孔径比其他液晶装置的大孔径要容易得多。LCOS器件通常是反射性的，这意味着驱动LCOS SLM像素的电路可以埋在反射表面下。这导致更高的孔径比。换句话说，像素密集填充，意味着像素之间几乎没有死区。这是有利的，因为它减少了重放场中的光学噪声。LCOSSLM使用硅底板，其优点是像素是光学平坦的。这对于相位调制装置特别重要。

下面仅以举例的方式，参考图3来描述合适的LCOS SLM。使用单晶硅基板302形成LCOS器件。它具有方形平面铝电极301的2D阵列，由间隙301a间隔开，布置在基板的上表面上。可以通过掩埋在基板302中的电路302a来对每个电极301进行寻址。每个电极形成各自的平面镜。取向层303设置在电极阵列上，液晶层304设置在取向层303上。第二取向层305设置在例如由玻璃制成的平面透明层306上。例如由ITO制成的单个透明电极307设置在透明层306和第二取向层305之间。

每个方形电极301与透明电极307的覆盖区域和中间液晶材料一起限定可控的相位调制元件308，通常称为像素。考虑到像素301a之间的空间，有效像素面积或填充因子是光学上活性的总像素的百分比。通过控制相对于透明电极307施加到每个电极301的电压，可以改变各个相位调制元件的液晶材料的特性，从而为入射在其上的光提供可变延迟。效果是向波前提供仅相位调制，即不出现振幅效应。

所描述的LCOS SLM以反射方式输出空间调制光。反射型LCOS SLM具有的优势在于，信号线、光栅线和晶体管位于镜面之下，这导致高填充因子(通常大于90％)和高分辨率。使用反射型LCOS空间光调制器的另一优势在于，液晶层的厚度可以是使用透射型器件时所需厚度的一半。这大大提高了液晶的切换速度(投影运动视频图像的关键优势)。然而，本公开的教导同样可以使用透射型LCOS SLM来实现。

光通道

这里公开的光学系统适用于具有任何衍射光场的光瞳扩展。在一些实施例中，衍射光场是全息光场—即，根据图像的全息图而不是图像本身进行空间调制的复合光场。在一些实施例中，全息图是特殊类型的全息图，其成角度地划分/引导图像内容。这种类型的全息图在本文中被进一步描述，仅仅作为与本公开兼容的衍射光场的示例。其他类型的全息图可以与这里公开的显示系统和光引擎结合使用。

下文描述了一种显示系统和方法，其包括波导光瞳扩展器，这将从图7及其后的描述中得到进一步理解。如熟练的读者所熟悉，波导可被认为是“光瞳扩展器”,因为它可以用于增加由相对小的光发射器(比如相对小的SLM或在这里描述的装置中使用的其他像素化显示设备)发射的光可被位于远离光发射器一定距离(比如相对大的距离)的人类观察者或其他观察系统观察到的面积。波导通过增加向观察者输出光的透射点的数量来实现此。结果，可以从多个不同的观察者位置看到光，例如，观察者可以移动他们的头部，从而移动他们的视线，同时仍能够看到来自光发射器的光。因此，可以说，通过使用波导光瞳扩展器，观察者的“眼盒”或“眼动盒”被放大了。这具有许多有用的应用，例如但不限于平视显示器，例如但不限于汽车平视显示器。

这里描述的显示系统可以配置成引导光比如衍射光场通过波导光瞳扩展器，以便在至少一个维度上例如在两个维度上提供光瞳扩展。衍射光场可以包括由空间光调制器(SLM)比如LCOS SLM输出的光。例如，该衍射光场可以包括由SLM显示的全息图编码的光。例如，该衍射光场可以包括全息重建图像的光，对应于由SLM显示的全息图。全息图可以包括计算机生成的全息图(CGH),例如但不限于点云全息图、菲涅耳全息图或傅立叶全息图。全息图可被称为“衍射结构”或“调制图案”。SLM或其他显示设备可以布置成以熟练读者熟悉的方式显示衍射图案(或调制图案)，其包括全息图和一个或多个其他元件，比如软件透镜或衍射光栅。

全息图可被计算以提供衍射光场的引导。这在GB2101666.2、GB2101667.0和GB2112213.0中均有详细描述，所有这些文献在此引入作为参考。一般来说，全息图可被计算成对应于将要全息重建的图像。全息图所对应的该图像可被称为“输入图像”或“目标图像”。可以计算全息图，使得当它显示在SLM上并被适当照射时，它形成包括空间调制光锥的光场(由SLM输出)。在一些实施例中，光锥包括多个空间调制光的连续光通道，其对应于图像的相应连续区域。然而，本公开不限于这种类型的全息图。

尽管我们在这里称之为“全息图”或“计算机生成的全息图(CGH)”，但应当理解，SLM可以配置成连续地或根据序列动态地显示多个不同的全息图。这里描述的系统和方法适用于多个不同全息图的动态显示。

图4A至图5示出了可以在诸如SLM的显示设备上显示的全息图类型的示例，该显示设备可以与这里公开的光瞳扩展器结合使用。然而，该示例不应被视为对本公开的限制。

图4A示出了用于投影的图像452，包括八个图像区域/分量V1到V8。仅作为示例，图4A示出了八个图像分量，并且图像452可被分成任意数量的分量。图4A还示出了编码光图案454(即全息图),其可以重建图像452—例如，当被合适的观察系统的透镜转换时。编码光图案454包括第一至第八子全息图或分量H1至H8，对应于第一至第八图像分量/区域V1至V8。图4A进一步显示了全息图如何通过角度分解图像内容。因此，全息图的特征在于它对光的引导。这在图4B中示出。具体而言，本示例中的全息图将光导入多个离散区域。在所示的示例中，离散区域是盘，但也可以设想其他形状。在通过波导传播之后，最佳盘的尺寸和形状可以与观察系统的入射光瞳的尺寸和形状相关。

图5示出了观察系统500，包括显示如图4A和4B所示计算的全息图的显示设备。

观察系统500包括显示设备，该显示设备在该布置中包括LCOS 502。LCOS 502布置成显示包括全息图的调制图案(或“衍射图案”)，并将已经全息编码的光投射到眼睛505，眼睛505包括充当孔径504的瞳孔、晶状体509和充当观察平面的视网膜(未示出)。具有布置成照射LCOS 502的光源(未示出)。眼睛505的晶状体509执行全息图到图像的转换。光源可以是任何合适的类型。例如，它可以包括激光源。

观察系统500还包括位于LCOS 502和眼睛505之间的波导508。波导508的存在使得来自LCOS 502的所有角度内容能够被眼睛接收，即使在所示的相对大的投影距离下。这是因为波导508以众所周知的方式充当光瞳扩展器，因此在此仅简要描述。

简而言之，图5所示的波导508包括基本细长的结构。在该示例中，波导508包括折射材料的光学板，但其他类型的波导也是众所周知的并且可被使用。波导508定位成与从LCOS 502投射的光锥(即衍射光场)相交，例如以斜角相交。在该示例中，波导508的尺寸、位置和定位配置成确保来自光锥内的八个光束中的每个的光进入波导508。来自光锥的光经由波导508的第一平面表面(位置最靠近LCOS 502)进入波导508，并且在经由波导508的与第一表面基本相对的第二平面表面(位置最靠近眼睛)发射之前，至少部分地沿着波导508的长度被引导。很容易理解，第二平面表面是部分反射、部分透射的。换句话说，当每条光线从第一平面表面在波导508内传播并撞击第二平面表面时，一些光将透射出波导508，一些光将被第二平面表面反射回第一平面表面。第一平面表面是反射性的，使得从波导508内撞击它的所有光将被反射回第二平面表面。因此，一些光在被透射之前可以简单地在波导508的两个平面表面之间折射，而其他光可以被反射，因此在被透射之前可以在波导508的平面表面之间经历一次或多次反射(或“反弹”)。

图5示出了沿着波导508长度的总共九个“反弹”点B0到B8。尽管如图4A所示，与图像(V1-V8)所有点相关的光在从波导508的第二平面表面的每次“反弹”时被透射出波导，但只有来自图像的一个角度部分的光(例如V1到V8之一的光)具有使其能够从每个相应的“反弹”点B0到B8到达眼睛505的轨迹。此外，来自图像的不同角度部分(V1到V8)的光从每个相应的“反弹”点到达眼睛505。因此，在图5的示例中，编码光的每个角度通道仅从波导508到达眼睛一次。

上述方法和装置可以在各种不同的应用和观察系统中实现。例如，它们可以在平视显示器(HUD)中或者在诸如增强现实(AR)HMD的头部或头盔安装设备(HMD)中实现。

尽管这里已经一般性地讨论了虚像，虚像需要眼睛转换接收的调制光以形成感知图像，但这里描述的方法和装置可以应用于实像。

二维光瞳扩展

虽然图5所示的布置包括在一个维度上提供光瞳扩展的单个波导，但光瞳扩展可以在不止一个维度上提供，例如在两个维度上。此外，虽然图5中的示例使用了已被计算以创建光通道的全息图，每个光通道对应于图像的不同部分，但本公开和下面描述的系统不限于这种全息图类型。

图6示出了系统600的透视图，该系统包括两个复制器604、606，布置用于在二维上扩展光束602。

在图6的系统600中，第一复制器604包括彼此平行堆叠的第一对表面，其布置成以类似于图5的波导508的方式提供复制或者光瞳扩展。第一对表面的尺寸和形状彼此相似(在某些情况下相同),并且在一个方向上基本是细长的。准直光束602被导向第一复制器604上的输入。由于两个表面之间的内部反射过程，以及来自其中一个表面(上表面，如图6所示)上的多个输出点中的每个的光的部分透射，这对于熟练的读者来说是熟悉的，光束602的光沿着第一复制器604的长度在第一方向上被复制。因此，第一多个复本光束608从第一复制器604朝向第二复制器606发射。

第二复制器606包括彼此平行堆叠的第二对表面，布置成接收第一多个光束608的每个准直光束，并且进一步布置成通过在基本正交于第一方向的第二方向上扩展这些光束中的每个来提供复制或者光瞳扩展。第一对表面的尺寸和形状彼此相似(在某些情况下相同),并且基本为矩形。为第二复制器实现矩形形状，以使其具有沿着第一方向的长度，以便接收第一多个光束608，并且具有沿着第二正交方向的长度，以便在该第二方向上提供复制。由于两个表面之间的内部反射过程，以及来自其中一个表面(如图6所示的上表面)上的多个输出点中的每个的光的部分透射，第一多个光束608内的每个光束的光在第二方向上被复制。因此，第二多个光束610从第二复制器606发射，其中第二多个光束610包括输入光束602沿着第一方向和第二方向中的每个的复本。因此，第二多个光束610可被视为包括复本光束的二维网格或阵列。

因此，可以说图6的第一和第二复制器604、605组合以提供二维复制器(或“二维光瞳扩展器”)。

改进的二维光瞳扩展器

发明人已经认识到光瞳扩展器在实际应用中的有用和效率的局限。例如，熟练的读者将会意识到，许多需要使用光瞳扩展的实际应用具有物理空间限制。例如，在汽车平视显示器中，可能希望光瞳扩展器被提供在有限的空间中，例如在车辆的仪表板下。此外，这种空间通常是移动或振动的不稳定环境，这对于许多传统的光瞳扩展器来说是有问题的。此外，光瞳扩展器通常被提供为较大的显示系统或观察系统的一部分，该显示系统或观察系统包括其他光学元件，所有这些元件可能必须被物理地限制在有限的空间内。然而，已知的光瞳扩展器通常需要在所提供的光瞳扩展的程度(或范围)和二维光瞳扩展器占据的空间的物理体积以及对其周围环境的适应性之间做出非最佳的折衷。

更有甚者，当光场是衍射光场，比如来自小型显示设备的全息光场时，发明人已经发现了与使用波导来复制/扩展光瞳相关的技术问题。与常规成像不同，全息术包含衍射，并且当图像由眼睛处的全息重建形成时，在波导内传播衍射/发散光而不是准直光是有利的。重要的问题是，由于衍射所需的像素尺寸很小，所以所需的显示设备很小，投影距离需要很大(相对而言),因此光场的尺寸(在横截面尺寸上)也变大。值得注意的是，发明人发现，通过使用来自细长波导的两个互补表面(即对光瞳复制/扩大没有贡献的另外两个细长表面)的简单内部反射，可以在该维度上有效地“折叠”全息光场并保留所有图像内容(尽管在全息域中)。此外，发明人设计了紧凑的堆叠配置，该配置利用波导耦合器来进一步折叠全息光场，从而有利于最佳(即小体积)封装。

发明人已经认识到，提供用于全息术的二维光瞳扩展器是可能的，这增强了效率、鲁棒性和紧凑性之间的平衡。这里公开的二维光瞳扩展器通过使用户能够接收与二维光瞳扩展器一起使用的光发射器(比如SLM或另一种像素化设备)输出的全部(或至少所需部分)光，并且还为用户提供了比常规可实现的更大的眼盒，从而使他们能够移动他们的头部并且仍看到所需的光，从而使用户能够具有宽的视野。所有这些都是以紧凑、坚固和节省空间的方式提供的。这可以从图7及其后的图中进一步理解。

图7示出了改进的系统700，包括第一波导光瞳扩展器702、波导耦合器704(在一些实施例中是可选的)和第二波导光瞳扩展器706。

第一波导光瞳扩展器702包括三维元件。第一波导光瞳扩展器702在形状上基本是立方形的，具有三对相互正交的面，第一波导光瞳扩展器702沿着一个维度相对较长，并且沿着另外两个维度中的每个相对较短。然而，本公开不限于图7所示的第一波导光瞳扩展器702的特定尺寸或形状。

第一波导光瞳扩展器702包括第一对平行细长面708a、708b，在图7所示的特定布置中，它们分别被示为上表面和下表面。第一波导光瞳扩展器702还包括第二对平行细长面710a、710b，在图7所示的特定布置中，它们被示为侧面。第一波导光瞳扩展器702还包括一对相对较小的端面712a、712b，它们也彼此平行。为了便于理解和方便起见，在图7的描述中将使用相关术语“上”、“下”、“侧”和“端”，然而，应该理解的是，本公开不限于这些相关术语，并且系统700可以任何合适的方式移动、旋转或平移，同时仍如本文所述起作用。

上细长面708a上的输入端口布置成接收输入光714。上细长面708a还包括位于上细长面708a的与输入端口基本相对的一端的输出端口(图7中未具体示出),其中输出端口是沿着上细长面708a限定的多个透射点中的最后一个透射点。

尽管输入光714在图7中用单线描绘，但发明人已经认识到需要/希望输入光714是非准直的和/或包括发散的光线束。因此，在实施例中，输入光714包括衍射或发散光。输入光714可以直接或间接地从SLM接收，例如在SLM和第一波导光瞳扩展器702之间可以有一个或多个其他光学元件。

第一对平行细长面708a、708b布置成以与上面关于图5和6描述的方式类似的方式用作波导光瞳扩展器(或复制器)。下表面708b的内表面是反射的，上表面708a是部分透射反射的。因此，第一对平行细长面708a、708b布置成沿着第一波导光瞳扩展器702的细长方向在它们之间内部反射或“反弹”光，并且透射来自输入端口和输出端口之间的上表面708a上的多个透射点中的每个的一些光。因此，全息图的光在第一方向上被复制或扩展。简而言之，也可以说全息图是复制的。

然而，发明人已经认识到，如果输入光714是衍射或发散光(即包括发散光束的光)，它将包括扩展的光锥(与准直光内包括的一个或多个平行光束相反)，使得光锥的尺寸—即光锥的端部或口部限定的衍射光场的尺寸‘L’,如图8所示—随着光沿其光路传播而增加。这是公认的衍射/发散光原理，并且例如可以从图8中所示的从SLM804发射的光锥802中理解。如图所示，光锥802以衍射角θ发射，衍射角θ是光轴‘A’(基本垂直于SLM804的面上发射光的中心点延伸)和光锥802的最外部分或极限在相对于该轴‘A’的正或负方向(即在图8所示的示例中，在光轴‘A’的上方或下方)之间限定的角度。根据公认的三角原理，可以看出衍射光场的尺寸‘L’取决于衍射角θ和距测量该尺寸‘L’的SLM804的距离‘d’。

因此，本发明人进一步认识到，如果衍射/发散光被输入到传统布置中的第一图像复制器的细长面中，则存在光锥的尺寸(即由光锥的端部或口限定的衍射光场的尺寸‘L’)将沿着光瞳复制器的较短尺寸之一超过光瞳复制器的尺寸的风险。换句话说，如果图7中所示的第一波导光瞳扩展器702是传统的布置，则存在这样的风险，即在沿着其上表面708a和下表面708b之间的传播路径的某一点，衍射光场的尺寸‘L’会超过第一波导光瞳扩展器702的左右厚度。如果发生这种情况，在传统的光瞳扩展器中，来自输入光锥714的至少一部分光将因此通过一个或两个侧面逸出，并因此不会正确地到达预期的观察者。

因此，发明人提供了改进的第一波导光瞳扩展器702，其中第二对平行面—在图7的示例中是一对细长侧面710a、710b—也布置成通过至少一次内部反射将光场从输入端口导向输出端口。这种内部反射使得空间调制光锥的光能够保持被捕获在第一波导光瞳扩展器内，即使当衍射光场的尺寸在一个或多个维度上扩展到超过第一波导光瞳扩展器702的尺寸的尺寸时也是如此，并且在图7所示的示例中，光仅通过限定在专门用于光瞳扩展的细长面(上细长面708a)上的多个透射点透射。因此，包括期望信息的光，比如图像相关信息(例如对应于图像的全息图的编码光)不会通过第一波导光瞳扩展器702的副面而损失。简而言之，发明人发现有可能在这个方向上有效地“折叠”衍射/全息光场(使用来自其他相对表面的附加反射)，以便保留所有必要的衍射/全息光内容，用于在眼睛处重建高质量的图像。

发明人已经认识到，至少在一些实施例中，应当主动控制光发射条件，使得第一波导光瞳扩展器702内的光除了被第一对相对面反射/透射之外，还被第二对相对面内部反射。例如，从图7中的示例可以看出，输入光714应当以入射角(AOI)进入第一波导光瞳扩展器702，该入射角是相对于其进入的面708a的法线定义的。为了至少在第一对相对面之间建立传播，需要这样的角度。

发明人发现，第一波导光瞳扩展器702的相对小的厚度和入射角(AOI)的组合使得第一波导光瞳扩展器702能够在第一方向上提供高质量的光瞳扩展(例如没有任何竖直的黑/白带)。

第一波导耦合器702可由任何合适的材料形成，以使其起到如本文所述的波导的作用。在实施例中，第一波导耦合器702和空气的折射率‘n’之间的固有差异将使得第二对平行面能够提供内部反射，例如全内部反射，从而将衍射光保持在第一波导耦合器702内部，除了当它以受控方式从第一对平行面的反射/透射表面上的输出端口透射时。在其他实施例中，第二对平行面的至少一个表面可被另一种材料涂覆或添加，以实现期望的内部反射和光捕获。这将在下面结合随后的附图进一步讨论。

从第一波导光瞳扩展器702输出的光包括从上细长面708a上的相应多个透射点(图7中未具体示出)输出的多个复本光束。输出光以一角度(图7中未具体示出)从透射点发射，其中每个输出光束基本平行于每个相应的其他光束。这可以从图10所示的光路中看出，图10示出了这里公开的改进系统的实施例，这将在下面进一步讨论。回到图7；在一些实施例中，仅在一个方向上提供光瞳扩展，从而不需要图7所示的波导耦合器704和第二波导光瞳扩展器706。

因此，提供了包括第一波导光瞳扩展器的显示系统，该第一波导光瞳扩展器包括输入端口、输出端口、第一对平行面和第二对平行面，其中第一对平行面与第二对平行面正交，其中第一对平行面布置成通过它们之间的内部反射将衍射光场从输入端口光引导至输出端口，并且其中第一对平行面的第一面是部分透射-反射的，使得光场在每次内部反射时被分割，并且光场的多个复本透射穿过形成输出端口的第一面的区域，并且其中第二对平行面还布置成通过至少一次内部反射将光场从输入端口光引导至输出端口。第二对平行面没有布置成通过允许部分透射来提供光瞳复制，并且可选地，其两个面可以布置成用于将光完美地引导至输出端口，即100％(或接近100％)反射。

本文公开的改进的第一波导光瞳扩展器702使得衍射光场能够通过其传播，并因此在第一维度上扩展。因此，例如，全息图的光(即已经被显示在SLM或其他显示设备上的全息图空间调制但没有被转换以形成全息重建图像的光)可以被改进的第一波导光瞳扩展器702传播和扩展。由第一波导光瞳扩展器形成的每个“复本”或输出光束实际上是全息图的复本，因为光根据全息图被空间调制。通俗地说，可以说光是用全息图“编码”的。

在第一波导光瞳扩展器以紧凑形式提供的实施例中—例如在这里的图7至11中所示的相对薄的细长形式—第一波导光瞳扩展器是有利的，因为它减小了包含它的显示系统的整体尺寸和重量。

在需要二维光瞳扩展的实施例中，第一波导光瞳扩展器702被定向为使得多个输出光束被导向(直接或间接，例如经由一个或多个其他部件，如下面进一步讨论)第二波导光瞳扩展器706的接收面716b，第二波导光瞳扩展器706布置为在基本垂直于第一方向的第二方向上提供光瞳扩展。

在图7的示例中，第二波导光瞳扩展器706包括三维元件。第二波导光瞳扩展器706基本是平面形状，具有三对相互正交的面，第二波导光瞳扩展器706沿着两个维度相对较长，并且沿着其第三维度相对较短。然而，本公开不限于图7所示的第二波导光瞳扩展器706的特定尺寸或形状。

第二波导光瞳扩展器706包括第一对平行矩形(或四边形或平面)面716a、716b，在图7所示的特定布置中，它们分别被示为上表面和下表面。这些可被称为第二波导光瞳扩展器的“主面”或“主表面”。平行矩形面716a、716b中的每个具有相对较大的表面积，矩形的长度和宽度沿着第二波导光瞳扩展器706的第一和第二细长维度来定义。第二波导光瞳扩展器706还包括一对平行细长侧面718和一对平行细长端面720，它们都具有相对较小的表面积。

第一波导光瞳扩展器702和第二波导光瞳扩展器706相对于彼此定向，使得来自第一波导光瞳扩展器706的多个输出光束被导向第二波导光瞳扩展器706的接收面716b—在该非限制性示例中，该接收面是下表面716b。优选地，它们指向下表面716b的一端，使得沿着/靠近下表面716b的该端限定多个输入端口，其中这些输入端口接收来自第一波导光瞳扩展器706的多个输出光束。系统700配置为使得光束经由输入端口以相对于下表面716b的表面法线的斜角进入第二波导光瞳扩展器706。此外，第二波导光瞳扩展器706优选地被确定尺寸和定向，以便接收来自第一波导光瞳扩展器的每个输出光束，以便保持第一波导光瞳扩展器706已经在一个方向上提供的光瞳扩展，然后在由第二波导光瞳扩展器706的第二延长维度限定的第二基本正交方向上扩展这些光束中的每个。

下表面716b的内表面是反射性的，上(透射)表面716a是部分透射-反射性的。因此，由于两个面之间的内部反射过程，以及来自上表面716a上的多个输出点中的每个的光的部分透射，经由第二波导光瞳扩展器706的输入端口接收的每个光束的光在第二方向上被扩展(或复制)。因此，从波导光瞳扩展器706发射第二多个光束，其中第二多个光束包括沿着第一方向和第二方向中的每个的输入光束714的多个复本。因此，第二多个光束可被视为包括复本光束的二维网格或阵列。在输入衍射/发散光是全息图的光的实施例中—即已经根据全息图被空间调制并且还没有被转换以形成全息再现图像的光—每个复本实际上是全息图的复本。

本领域技术人员将理解，例如，如何确定第二波导光瞳扩展器的厚度和入射角AOI用于最佳的二维光瞳扩展，其中复本被完美地缝合在一起，即邻接。

在进一步的技术进步中，波导耦合器704设置在第一波导光瞳扩展器702和第二波导光瞳扩展器706之间。波导耦合器704布置成在第一波导光瞳扩展器702和第二波导光瞳扩展器706之间耦合或引导光。取决于任何给定显示系统的物理配置和/或约束，波导耦合器704的形状可以变化，但在图7至11的示例布置中，波导耦合器704的横截面基本是三角形的。波导耦合器704包括两个三角形的平行面722，它们具有相对较大的表面积，并且可以说形成了波导耦合器704的“主面”。在该示例中，它们是直角三角形，但这不应被认为是限制性的。它还具有三个基本为矩形的面724，这三个面724在两个三角形面722之间形成连接壁或侧面，并且具有相对较小的表面积，因此可以说它们形成了波导耦合器704的“次面”。

波导耦合器704布置成接收从第一波导光瞳扩展器702输出的多条复本光线，并将它们朝向第二波导光瞳扩展器706输出。如图7所示，在该示例布置中，多条复本光线由第一次面724接收，并由不同的第二次面724输出，第二次面724将多条复本光线导向第二波导光瞳扩展器706的下表面716b。波导耦合器704可以具有任何合适的形状，取决于第一和第二波导光瞳扩展器702、706的期望或要求的相对定位。在图7所示的特定布置中，为了实现期望的内部反射和光瞳扩展，诸如用于将光输入到每个波导光瞳扩展器702、706中的角度要求等因素固有地导致在两个波导光瞳扩展器702、706之间存在三角形间隙。波导耦合器704配置为占据该间隙，并且在两个波导光瞳扩展器702、706之间耦合或引导光，使得在两个波导光瞳扩展器702、706之间的传播期间没有光损失。

在输入光714包括衍射或发散光的实施例中，由第一波导光瞳扩展器702输出的每个复本也将包括衍射或发散光。因此，每个复本包括未准直的光锥，其中在光锥口限定的光场随着光传播距离的增加而增大。结果，如果光在第一波导光瞳扩展器702和第二波导光瞳扩展器706之间不受控制地传播，那么将存在这样的风险，即一些光将偏离由第二波导光瞳扩展器706上的输入端口所限定的区域，并且因此将会丢失，或者至少不会正确地到达终端观察者。在许多应用中，不希望增加第二波导光瞳扩展器706的表面积，因为通常需要物理紧凑性，例如在平视显示器(HUD)系统中，尤其是在车辆平视显示器(HUD)系统中。

因此，发明人已经认识到，在两个波导光瞳扩展器702、706之间提供波导耦合器704是一种有效且有利的解决方案，因为波导耦合器704可被适当地形成、成形和定尺寸以装配到两个波导光瞳扩展器之间无论如何都需要的间隙中，并且在该间隙内，它可以提供非常有用且重要的光控制功能。发明人还认识到，尽管在光瞳扩展器系统内包括附加部件可能是违反直觉的，特别是如果意图是将该系统结合到紧凑性和/或重量减轻是有利的环境中，但波导耦合器的存在及如本文所述其带来的益处可以超过引入附加元件的潜在不利方面。此外，他们已经意识到，至少在一些实施例中，波导耦合器可被形成为装配到第一和第二波导光瞳扩展器之间固有需要存在的间隙中，无论如何，使得波导耦合器不会显著增加系统的整体尺寸，如果有的话。

例如，波导耦合器704的面的尺寸和形状可以对应于第一波导光瞳扩展器的输出面，或者至少对应于来自第一波导光瞳扩展器702的多条输出光线，以便接收这些复本中的一些或全部。这可以从这里的图10和11的布置中最清楚地看出。在这些布置中，也是图7的情况，波导耦合器704的横截面形状基本是直角三角形。波导耦合器704的第一次面724(在该示例中，用三角术语来说，是在‘斜边’侧的次面)布置成接收来自第一波导光瞳扩展器702的光。光穿过波导耦合器704，并从第二次面724向第二波导光瞳扩展器706输出。在图10和11的示例布置中，从波导耦合器704输出的光经由镜子1002被间接导向第二波导光瞳扩展器706，这将在下面进一步讨论。然而，光从波导耦合器704到第二波导光瞳扩展器706的直接传播，以及光经由任何合适的一个或多个其他元件在其间的间接传播，也在本公开中被预期。

波导耦合器704由任何合适的一种或多种材料形成，该材料使其能够将光保留在其中并将其导向第二波导光瞳扩展器706。在输入光714以及因此由第一波导光瞳扩展器702输出的多个复本包括衍射或发散光的实施例中，波导耦合器704的一个或多个面可以布置成提供内部反射，以便防止发散光逸出波导耦合器704，除了通过旨在将光导向第二波导耦合器706的指定区域，比如输出端口。因此，在图10和11的示例布置中，不包括输出端口的三角形主面722和/或一个或多个次面724可以配置为提供内部反射，使得光不被允许通过另一个次面(其可以被称为“输出面”)逃逸，光旨在通过该另一个次面向第二波导光瞳扩展器706传播。输出面可以包括透射表面，光旨在通过该输出面向第二波导光瞳扩展器706传播。

波导耦合器704的输出面的位置、尺寸和/或形状可以对应于第二波导耦合器706上的输入端口。也可以在波导耦合器704和第二波导光瞳扩展器706之间使用一个或多个其他元件，以适当地将多条复本光线导向第二波导光瞳扩展器706，用于在第二方向上的光瞳扩展。同样，这可以从图10和11中最清楚地看到，其中从波导耦合器704输出的光线被导向镜子1002，镜子1002将光线反射到靠近第二波导光瞳扩展器706的接收侧(在这些示例中是下侧)的一端的区域，光线从该区域经历上述的反射和透射，以实现二维光瞳扩展。除了确保复本光线到达第二波导光瞳扩展器706，波导耦合器704还可以确保它们以期望的角度到达它。这可以确保在第二波导光瞳扩展器706中可实现内部反射，并且第二波导光瞳扩展器706的输出相应地被正确定向。这有助于确保显示系统的整体校正功能，并且例如确保期望的观察者眼盒的正确定位。发明人发现波导耦合器显著地有助于最小化2D光瞳扩展中的水平黑/白带。

如上所述，在许多实际应用中，希望并且在某些情况下有必要以紧凑和空间有效的布置来提供光瞳扩展，以便将光瞳扩展系统实现到更大的系统中，例如实现到车辆中。如果要提供光瞳扩展系统的环境是移动、振动或其他不稳定的环境，例如车辆，则紧凑性也是有益的。发明人已经认识到，上述的一个或多个波导光瞳扩展器以及可选的波导耦合器可以高度紧凑和有效的方式布置。例如，他们已经认识到，可以将第一波导光瞳扩展器和波导耦合器，可选地连同诸如转向镜(或“折叠镜”)之类的另一合适的光学元件一起，布置在由第二波导光瞳扩展器的“覆盖区”所限定的物理区域内(第二波导光瞳扩展器必须大于第一波导人扩展器，因为其布置为保持第一方向上的光瞳扩展并增加第二基本正交方向上的光瞳扩展)，并且即使对于衍射/发散的输入光线也能提供这里描述的二维光瞳扩展的效率和效果。

因此，在至少一些情况下，根据发明人的认识，可以提供显示系统(或光引擎),其中第一波导光瞳扩展器、波导耦合器和可选的一个或多个其他元件可以设置在紧凑二维光瞳扩展系统的第一层(例如下层)内，而第二波导光瞳扩展器可以设置在第二层(例如上层)内。紧凑型二维光瞳扩展系统的横截面积可以等于或基本等于第二波导光瞳扩展器的主面的横截面积。在一些情况下，紧凑型二维光瞳扩展系统可以具有稍微大于第二波导人扩展器的主面的横截面积的横截面积，例如在预定阈值或公差水平内大于该横截面积。

紧凑型二维光瞳扩展系统可以形成观察系统、光引擎或显示系统的一部分，例如平视显示器(HUD)系统，其包括SLM或其他像素化显示设备，在其上可以显示图像或全息图。至少在一些情况下，SLM或其他显示设备也可以位于第二波导光瞳扩展器的覆盖区内。例如，它可以与第一波导光瞳扩展器和波导耦合器以及可选的一个或多个其他光学元件一起设置在下层内，第二波导光瞳扩展器形成第二上层(的至少一部分)。经由第一波导光瞳扩展器、波导耦合器和所提供的任何其他光学元件从显示设备行进到第二波导光瞳扩展器的光的光路也可被定位成落入由第二波导光瞳扩展器的横截面区域所限定的物理覆盖区内，或者至少落入由包含第二波导光瞳扩展器的层所限定的物理覆盖区内。其中包括第一波导光瞳扩展器和波导耦合器的第一层可以与其中包括第二波导人扩展器的第二层邻接。例如，第一和第二层可以彼此邻接。例如，第一层和第二层可以彼此附接。例如，第一层和第二层可以彼此结合。为了提供紧凑和有效的二维光瞳扩展，可以通过任何合适的材料来提供结合，该材料使得光在二维光瞳扩展系统中的传播能够如这里所公开的那样发生。这可以从本文的图9至12中进一步理解。

图10示出了包括第一波导光瞳扩展器702、波导耦合器704和第二波导光瞳扩展器706的示例性配置，它们以与上面关于图7所示的类似配置详细描述的方式类似的方式工作。因此，图10的布置体现了如上所述的发明人的认识。在图10中(以及在图7中)，波导耦合器704的主面722与第一波导光瞳扩展器702内的第二对细长平行面710a、710b共面，第一波导光瞳扩展器702(如上所述)布置成提供内部反射以将光捕获在第一波导光瞳扩展器702内，从而确保光仅经由第一波导光瞳扩展器702的另一第一对平行细长面708a、708b中的一个面上限定的输出端口逸出。依次地，光通过其进入和离开的第一波导光瞳扩展器702的第一对平行细长面708a、708b布置成与波导耦合器704的次“输入”面724基本平行，波导耦合器704配置成从第一波导光瞳扩展器702接收多个复本光线。在该示例中，用三角术语来说，该次面724是由波导耦合器的主面限定的基本直角三角形的“斜边”。这种布置使得第一波导光瞳扩展器702和波导耦合器704能够被提供作为第一相对薄层的一部分。在图10中的第一相对薄层内还提供了镜子1002，其可被称为“转向镜”。镜子1002布置成改变从波导耦合器702输出的光的方向。应当理解，镜子1002是能够以所示方式重定向光的光学元件的一个示例，并且可以替代地使用一个或多个其他元件来执行该任务。

在图10所示的布置中，镜子1002配置成引导光远离第一波导光瞳扩展器702和波导耦合器704所在的层/平面，而是引导光朝向基本平行于第一层的第二层，其中第二波导光瞳扩展器706位于该第二层内。镜子1002适当地位于第一层内，并且是倾斜的，以便将光导向第二层，在所示的示例中，第二层位于第一层上方，然而这种相对定位不应被认为是对本公开的限制。从图11所示的平面图中可以更清楚地看到，在该示例布置中，第一层内包括的第一波导光瞳扩展器702、波导耦合器704和镜子1002都落在第二层的物理覆盖区内，该物理覆盖区由第二波导光瞳扩展器706的主面的横截面面积限定。图11还示出了在第一层内提供的SLM1102，也在相同的覆盖区内。在图11中，SLM1102输出的光被一个或多个合适的光学元件导向第一波导光瞳扩展器702的输入端口，这些光学元件未示出，但优选地也落在相同的覆盖区内。

尽管在图10和11中示出了镜子1002，但考虑了可替代布置，其中不需要镜子或其他光学元件来将来自第一波导光瞳扩展器702和波导耦合器704所在的第一层的光复本引导至第二波导光瞳扩展器706所在的优选平行的第二层。例如，波导耦合器704的一个或多个表面可被形成或涂覆或以其他方式布置，使得光由波导耦合器704在与第一层不共面的方向上直接输出，并且将光导向第二波导光瞳扩展器706的合适的输入端口区域。

从图11中还可以看出，为了确保波导光瞳扩展器702、706的正确输入和输出角度，例如为了在其中实现内部反射，第一波导光瞳扩展器702的细长维度相对于限定第二波导光瞳扩展器706的主面的每个维度倾斜。发明人已经认识到，当第一波导光瞳扩展器702以这种方式倾斜时，可以将其定位在第二波导光瞳扩展器706的主面的物理覆盖区内。相反，如果第一波导光瞳扩展器702在该平面上不倾斜，则从图10和11中可以看出，代替地，第二波导光瞳706需要在其平面上倾斜，否则光学性能会受到损害。因此，下层上的第一波导光瞳扩展器702的倾斜提供了优化封装的技术进步，即通过允许底层部件落入顶层部件的覆盖区内来最小化体积。这种倾斜自然在第一波导光瞳扩展器和第二波导光瞳扩展器的覆盖区的周界之间产生基本三角形的间隙。因此，这种固有的三角形间隙形状有助于形成基本为三角形的波导耦合器704，如图11所示以及上文详细描述的那样。

如这里的图9所示，包括第一波导光瞳扩展器702和波导耦合器704以及可选的镜子1002的第一层可以直接邻近或邻接包括第二波导光瞳扩展器706的第二层。可选地，第一层内邻接第二层的任何表面可以设置有反射涂层。在一些实施例中，第一波导光瞳扩展器702的第二对平行面710a、710b和波导耦合器704的三角形主面722由于基于折射率差和适当入射角的全内部反射而提供光导(如本领域技术人员所熟悉的)。然而，在其他实施例中，可以在第一波导光瞳扩展器702的第二对平行面710a、710b和/或波导耦合器704的三角形主面722上提供合适的镜面涂层，以分别在第一波导光瞳扩展器702和波导耦合器704内提供内部反射，这补偿了衍射光的衍射角。

如这里的图12所示，发明人的认识使得能够以高度紧凑和稳定的形式提供包括或包含这里描述的二维光瞳扩展系统的系统。例如，图12示出了平视显示器(HUD)系统，其被提供为HUD封装1202，该HUD封装1202包括多个彼此邻接的基本为四边形的层，例如，它们可以任何合适的方式彼此结合。HUD封装1202包括在第一和第二层中的图11中示出的和上面关于图11描述的元件。它还可以包括这些层内和/或第三(或随后的)基本平行且相对薄(平面)的层内的附加元件，该层邻接HUD封装1202内的一个或多个相应的其他层。结果，HUD封装1202被形成为紧凑且规则的形状，其可被结合到各种不同的环境中。例如，在图12的示例中，它被示出位于机动车辆的仪表板1203下方，但这不应被认为是对本公开的限制。由于HUD封装1202的规则形状和分层配置，对于用户(例如制造商)来说，以期望的定向和位置将其结合到周围环境中是相对直接的。例如，在图12中，HUD封装1202被定向为使得其各层的主表面基本是水平的，结果，光以合适的角度被导向车辆的挡风玻璃1204，以确保光从挡风玻璃1204被反射或以其他方式被重定向至观察者的眼盒1206，该眼盒1206被限定在基本竖直的平面中。然而，在其他示例中，HUD封装1202相对于水平面倾斜，以便提供最佳封装—例如最小体积。

以紧凑的形式，例如以规则形状的紧凑形式，提供这里所述的二维光瞳扩展(或光瞳复制)系统，其部件彼此尽可能靠近，同时仍确保光传播的正确角度，在简化和降低制造成本方面是进一步有益的。换句话说，将第一和第二波导光瞳扩展器以及(如果适用的话)波导耦合器制造在一起，例如作为单个分层部件，比单独制造它们并在之后将它们布置在一起更简单且更具成本效益。此外，从制造效率的角度和从财务成本的角度来看，减小波导光瞳扩展器的物理尺寸是有益的，例如将第一波导光瞳扩展器制成薄细长形状。这又可以使得能够使用比传统的、不太紧凑的和/或更不规则的系统布置可能使用的更高质量的光学表面或光学材料。此外，这里描述的二维光瞳扩展系统的规则和紧凑的形状使得它在物理上更加稳定和鲁棒，例如当位于具有挑战性的环境中时，例如在车辆中，比传统的二维光瞳扩展系统通常可实现的更稳定和鲁棒。

本文公开的改进系统使得衍射或发散光能够经由一个或多个波导光瞳扩展器在至少一个维度上被复制，这是传统观察系统所不能实现的。结果，由衍射结构输出的光，包括但不限于由全息图编码的光，在被透射到观察者之前，可以在一个或多个维度上被复制或扩展。这种扩展使得观察者能够具有更大的眼盒，他们的眼睛可以位于该眼盒内，同时仍捕获所需的光，从而使得观察者能够从大量不同的眼睛位置看到或感知图像(例如对应于全息图的图像)。

波导孔径

这里描述的装置和方法适用于具有单个观察孔径或入射光瞳的观察系统，也适用于具有多个入射光瞳的观察系统，例如，最常见但不限于，具有两只眼睛的人类观察者。

发明人已经认识到，至少在某些情况下，应该考虑观察系统具有多个入射光瞳时的可能影响。换句话说，他们已经认识到，提供关于共同衍射光场的多个复本如何以及何时到达观察者或其他观察系统的控制可能是合适的。例如，至少在一些情况下，防止相同衍射光场的两个复本同时到达观察者的左眼和右眼可能是合适的，因为假设这两个眼睛在物理上彼此有位移，则人脑不会期望两个眼睛同时接收相同的内容。本发明人已经认识到，可以提供控制，使得观察者两只眼睛的不同相应位置(以及相应地，在任何多入射光瞳观察系统中两个或更多个入射光瞳的不同相应位置)可以被考虑，以确保两只眼睛在基本相同的时间没有相同地接收到图像或图像的一部分(或者，没有属于同一图像或图像的一部分的全息光)。这将特别结合关于图4A至图5描述的全息图类型进行更详细的描述，参见共同未决的英国专利申请GB2108456.1，其全部内容通过引用结合于此。然而，包括如下文进一步描述的波导孔径的使用的本公开适用于任何类型的衍射或发散光场的光瞳扩展，包括但不限于由任何类型的全息图调制的衍射光场，所述全息图包括但不限于傅立叶全息图、点云全息图或菲涅耳全息图。

因此，在一些实施例中，控制设备设置在显示系统内，并且布置成控制系统内衍射光的至少一些复本的透射。控制设备可被称为“孔径”或“波导孔径”,因为它可以配置成提供系统的一个或多个部件配置成输出的孔径，或者特定光路的选择性阻挡和透射。它配置成通过选择性地具有一个或多个透射光的“开放区”和一个或多个阻挡光的“封闭区”(即非透射区)来实现这一点。“区”可被称为“孔径”，但应当理解，它们可以不是物理上不同的或离散的结构，而是它们可以由软件控制，因此可以在位置和形式上动态变化。例如，开放区与封闭区的比率可以动态变化，任何给定区的大小和位置也是如此。采用控制设备的开放区和封闭区的特定配置的时间段可被称为“阶段”。控制设备可被控制为在动态的、通常非常快速的基础上在各个阶段之间循环或改变。

在一些实施例中，控制设备被提供在第一波导光瞳扩展器的下游，例如紧接着下游。例如，控制设备可以设置在第一波导光瞳扩展器和(如果存在的话)波导耦合器之间，并且更一般地，它可以设置在第一和第二波导光瞳扩展器之间。在一些实施例中，代替或除了在第一和第二波导光瞳扩展器之间提供控制设备之外，控制设备可以设置在第二波导光瞳扩展器的下游。

回到这里的图10和11所示的实施例，控制设备可以与第一波导光瞳扩展器702和(如果存在的话)波导耦合器704基本设置在同一层内。例如，控制设备可以固定到(例如结合到)第一波导光瞳扩展器702和/或波导耦合器702。

例如，控制设备可以包括可以位于第一波导光瞳扩展器702和波导耦合器704之间的细长结构。它可以布置成基本平行于第一波导光瞳扩展器702，和/或它可以具有细长尺寸，使得它能够截取第一波导光瞳扩展器704配置成输出的衍射光场的一些、优选大多数、优选全部复本。可以控制控制设备，以便选择性地透射或阻挡这些复本中的至少一些的向前透射，以便动态地控制到达观察者的全息图内容，例如控制哪个全息图内容到达观察者的每只眼睛。控制设备可以在不允许、或允许所有、或允许选定数量的复本通过其透射之间切换。

在一些实施例中，控制设备包括基本平坦的液晶显示面板，该液晶显示面板布置成提供定制的光快门，该光快门基于观察者眼睛位置选择性地让特定复本通过。眼睛位置可以通过任何合适的传感器和/或反馈装置为控制设备的控制器所知。控制设备可以与波导光瞳扩展器基本共面，控制设备配置成与波导光瞳扩展器一起操作。

在实施例中，控制设备还可配置成选择性地控制输入衍射光场的单个复本内的衍射光场的哪些部分将在任何给定时间到达观察者。例如，它可以配置成动态地控制由衍射光定义的光锥内的哪个或哪些衍射角范围被透射以及哪些被阻挡。

控制设备在上面被称为“波导孔径”，但可以使用任何合适的控制设备来提供这里描述的功能。诸如波导孔径的控制设备可以由任何合适的材料形成。例如，它可以包括一个或多个(比如阵列)液晶器件，每个液晶器件可以在不透明和透射之间切换。例如，控制设备可以包括“智能玻璃”或“可切换玻璃”,当施加电压、光或热时，其光透射特性可以改变。控制设备可以由任何合适的处理器或控制器控制。为了与显示设备上的多个不同全息图的动态显示相协调或同步，例如为了透射对应于各个不同目标图像的全息光和/或适应观察者或观察系统的移动，可以快速改变其配置。

这里公开的控制设备可以采取许多不同的形式。在一些实施例中，控制设备包括多个(比如2D阵列)单独可控的光接收/处理元件，比如像素。在一些实施例中，控制设备包括像素化液晶设备或显示器。在一些实施例中，元件或像素可在连续的组中操作，以形成透射和非透射“快门区”。每组像素可以在例如透射的第一模式和例如反射的第二模式之间切换。本领域技术人员熟悉如何控制像素化显示设备，以便在操作中例如实时改变像素组或区的大小和位置，每个区对光具有不同的响应。在实施例中，每个区大于控制设备的像素尺寸。因此，每个区可以包括多个像素。本领域技术人员同样熟悉如何结合像素化液晶设备来实现诸如偏振器和波片之类的光学部件，以提供可重新配置的光闸。仅作为示例，控制设备可以利用偏振选择，但基于光的其他表征属性的其他方案同样适用。在一些实施例中，控制设备包括像素化液晶显示器，并且可选地，其他光学元件共同配置成透射具有第一偏振的光并且吸收或反射具有第二偏振的光，可选地，其中第一偏振和第二偏振相反或互补。为了避免疑问，根据形成图像的光的特性，例如偏振和波长，可以使用任何数量的不同光学系统来形成控制设备，因此本公开不受控制设备的构造的限制。因此，应当理解，这里公开的控制设备由其功能而不是其结构来定义。

控制设备是动态可重新配置的。读者应该理解，被阻挡/不透射或未被阻挡/透射的控制设备的总面积在其操作期间通常不是恒定的。在一些实施例中，控制设备是像素化的。也就是说，控制设备包括可单独控制的像素阵列。每个像素可以包括例如可在透射状态和非透射状态之间配置的液晶。像素边缘和理想孔径区边缘之间对准的任何缺陷可以通过让太多或太少的光通过来处理。

上文描述的示例不应被视为限制性的。例如，观察系统可以具有两个以上的观察孔径或入射光瞳。例如，控制设备的操作可以根据任何合适的“相序”或定时方案来控制。例如，控制设备可以选择性地休眠。

在实施例中，两个或更多个全息图或者两个或更多个其他衍射图案可以彼此交错。换句话说，两个全息图可以快速连续地交替显示，使得观察者感觉到两个相应的图像基本同时形成。

控制设备的一些相位可以比一些相应的其他相位传递更多的光内容。类似地，当控制设备的多个相位彼此交错时，两只眼睛不需要在每个相位中或者总共接收彼此相同量的光内容。例如，取决于它们的相对位置和/或其他因素，一只眼睛可能比相应的另一只眼睛看到更多的光内容。

包括如本文所述的诸如波导孔径的控制设备的显示系统可以配置成显示多个不同的衍射图案，并且相继地和/或在不同的相应时间输出多个相应的不同衍射或发散光场。因此，这种系统中的显示设备可以配置成显示不同的相应全息图，有时是快速连续地显示。控制设备可以配置成动态可适应的，以适应衍射光场的变化和/或观察要求的变化。

该系统可以配置成显示对应于图像序列的衍射图案，例如图像的视频速率序列。每个图像可以对应于具有诸如50或60Hz的帧速率的帧序列中的一帧。每个帧可以包括多个子帧。例如，子帧速率可以是帧速率的4或8倍。对于每个连续的子帧，显示的全息图可以改变。每个子帧可被认为是单独的显示事件。每个子帧可以对应于图像或图像的至少一部分。虽然实施例已经示出了在每个显示事件中向双眼传递光，但本公开不限于此。例如，光引擎可以配置为在每个显示事件中仅向一只眼睛/入瞳传递光。波导孔径的配置(即开放和封闭孔径/开口的尺寸和/或分布)可以在每个显示事件或每n个显示事件中改变，其中n是整数。在一些实施例中，每个显示事件/孔径配置只有一个角度范围的光被传递到一只眼睛。在一些实施例中，控制系统配置为依次向每个眼睛/入瞳传递光。

在一些实施例中，可以针对观察孔的特定尺寸和位置，例如针对观察者眼睛的入瞳的特定尺寸和位置，计算目标图像的全息图。如果诸如入射光瞳直径或位置之类的约束改变，则可以重新计算全息图，即使此时要重建的目标图像(以及因此观察者将看到或感知的图像内容)保持不变。每个全息图不需要具有相同数量或大小的区域，即使两个全息图代表相同的目标图像。

附加特征

实施例仅通过示例的方式涉及电激活的LCOS空间光调制器。本公开的教导可以等同地在能够显示根据本公开的计算机生成的全息图的任何空间光调制器上实现，例如任何电激活的SLM、光学激活的SLM、数字微镜设备或微机电设备。

在一些实施例中，光源是激光器，比如激光二极管。在一些实施例中，检测器是光电检测器，比如光电二极管。在一些实施例中，光接收表面是漫射表面或屏幕，比如漫射器。本公开的全息投影系统可以用于提供改进的平视显示器(HUD)。在一些实施例中，提供了一种车辆，其包括安装在车辆中以提供HUD的显示系统。车辆可以是机动车辆，比如汽车、卡车、厢式货车、运货卡车、摩托车、火车、飞机、船或轮船。

全息重建的质量可能受到所谓的零级问题的影响，这是使用像素化空间光调制器的衍射性质的结果。这种零级光可被认为是“噪声”，并且包括例如镜面反射光以及来自SLM的其他不需要的光。

在傅立叶全息术的示例中，这种“噪声”集中在傅立叶透镜的焦点上，从而导致全息重建中心处出现亮光斑。零级光可以简单地被遮挡掉，然而这意味着用暗光斑代替亮光斑。一些实施例包括角度选择性滤光器以仅去除零级的准直光线。实施例还包括在欧洲专利2030072中描述的管理零级的方法，该专利通过引用整体结合于此。

在一些实施例中，全息图的尺寸(每个方向上的像素数)等于空间光调制器的尺寸，使得全息图填充空间光调制器。也就是说，全息图使用空间光调制器的所有像素。在其他实施例中，全息图小于空间光调制器。更具体地，全息图像素的数量少于空间光调制器上可用的光调制像素的数量。在这些其他实施例的一些中，全息图的一部分(即全息图像素的连续子集)在未使用的像素中重复。这种技术可被称为“拼接”，其中空间光调制器的表面区域被分成多个“拼接”，其中的每个代表全息图的至少一个子集。因此，每个拼接的尺寸小于空间光调制器的尺寸。在一些实施例中，实施“拼接”技术来提高图像质量。具体地，一些实施例实施拼接技术以最小化图像像素的大小，同时最大化进入全息重建的信号内容的量。在一些实施例中，写入空间光调制器的全息图案包括至少一个完整拼接(即完整全息图)和拼接的至少一部分(即全息图像素的相邻子集)。

在实施例中，仅利用主重放场，并且系统包括物理块，比如挡板，其布置为限制更高级回放场通过系统的传播。

在实施例中，全息重建是彩色的。在一些实施例中，被称为空间分离颜色“SSC”的方法被用于提供彩色全息重建。在其他实施例中，使用了被称为帧顺序彩色“FSC”的方法。

SSC方法将三个空间分离的光调制像素阵列用于三个单色全息图。SSC方法的优点是图像可以非常明亮，因为所有三个全息重建可以同时形成。然而，如果由于空间限制，在公共SLM上提供三个空间分离的光调制像素阵列，则每个单色图像的质量是次优的，因为只有可用光调制像素的子集用于每种颜色。因此，提供了相对低分辨率的彩色图像。

FSC方法可以使用公共空间光调制器的所有像素来依次显示三个单色全息图。循环单色重建(例如红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等)足够快，使得人类观察者从三个单色图像的合成中感知到多色图像。FSC的优点是整个SLM用于每种颜色。这意味着所产生的三个彩色图像的质量是最佳的，因为SLM的所有像素都用于每个彩色图像。然而，FSC方法的缺点是合成彩色图像的亮度比SSC方法低大约3倍，因为每个单色照射事件只能在三分之一的帧时间内发生。这个缺点可以通过过激励激光器或者通过使用更大功率的激光器来解决，但这需要更大的功率，导致更高的成本和系统尺寸的增加。

示例描述了用可见光照射SLM，但本领域技术人员将理解，例如，光源和SLM同样可以用于引导红外或紫外光，如本文公开。例如，为了向用户提供信息，本领域技术人员将知道用于将红外和紫外光转换成可见光的技术。例如，本公开延伸到为此目的使用磷光体和/或量子点技术。

一些布置仅通过示例描述了2D全息重建。在其他布置中，全息重建是3D全息重建。也就是说，在一些布置中，每个计算机生成的全息图形成3D全息重建。

本文描述的方法和过程可以体现在计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”包括布置为临时或永久地存储数据的介质，比如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、缓冲存储器、闪存和高速缓冲存储器。术语“计算机可读介质”也应被认为包括能够存储用于由机器执行的指令的任何介质或多种介质的组合，使得当指令被一个或多个处理器执行时使该机器整体地或部分地执行本文所述的任何一种或多种方法。

术语“计算机可读介质”还涵盖基于云的存储系统。术语“计算机可读介质”包括但不限于以固态存储芯片、光盘、磁盘或其任何合适的组合的示例形式的一个或多个有形和非暂时性数据存储库(例如数据卷)。在一些示例实施例中，用于执行的指令可以由载体介质传递。这样的载体介质的示例包括瞬态介质(例如传递指令的传播信号)。

对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以进行各种修改和变型。本公开涵盖所附权利要求及其等同物的范围内的所有修改和变型。

还公开了以下编号的项目。

项目1.一种光引擎，包括：

第一层，包括：第一光瞳复制器，其布置为从限定光瞳的衍射结构接收衍射光场；以及波导耦合器，其中第一光瞳复制器基本是细长的；

第二层，包括第二光瞳复制器，其中第二光瞳复制器基本是平面的，并且包括布置成形成光引擎的输入的第一主表面和布置成形成光引擎的输出的第二主表面，其中波导耦合器布置成将第一光瞳复制器的输出耦合到第二光瞳复制器的输入，

其中第一层和第二层基本平行并且彼此相邻。

项目2.如任一前述项目的光引擎，其中第一光瞳复制器和波导耦合器布置在第二光瞳复制器的覆盖区内。

项目3.如任一前述项目的光引擎，其中第一光瞳复制器包括主对相对表面，该表面布置成提供其间的光导和光瞳复制。

项目4.如任一前述项目的光引擎，其中波导耦合器包括分别包括输入表面和输出表面的主对相对表面，其中输入表面和输出表面彼此成一角度。

项目5.如任一前述项目的光引擎，其中第一光瞳复制器和波导耦合器基本共面。

项目6.如任一前述项目的光引擎，其中第一层的第一光瞳复制器和波导耦合器布置成在基本平行于第二层的平面中波导衍射光场。

项目7.如任一前述项目的光引擎，其中第二层由第一和第二轴线限定，其中第一光瞳复制器的细长维度相对于第二层的第一和第二轴线中的至少一个成角度。

项目8.如项目7的光引擎，其中第一光瞳复制器的细长维度相对于第二层的第一轴线或第二轴线的角度基本等于由第一光瞳复制器接收的衍射光的入射角。

项目9.如任一前述项目的光引擎，其中第二光瞳复制器具有基本四边形的横截面形状。

项目10.如任一前述项目的光引擎，其中第二光瞳复制器的输入是细长的，并且对应于第二层的第一轴线。

项目11.如任一前述项目的光引擎，其中第二光瞳复制器的第一和第二主表面形成主对相对表面，该表面布置成提供在其间的光导和光瞳复制。

项目12.如任一前述项目的光引擎，其中第二层的第二光瞳复制器布置成在基本平行于第一层的平面中波导衍射光场。

项目13.如任一前述项目的光引擎，其中第一光瞳复制器和波导耦合器被固定到第二光瞳复制器的第二主表面。

项目14.如任一前述项目的光引擎，其中第一光瞳复制器和波导耦合器每个都包括相应的副对相对表面，该表面布置成在其平面内捕获衍射光场。

项目15.如项目14的光引擎，其中每个副对相对表面中的至少一个表面包括反射部件，并且每个副对相对表面中的至少一个表面通过反射部件固定到公共基底。

项目16.如项目15的光引擎，其中公共基底是第二光瞳复制器或容纳光引擎的车辆的部件。

项目17.如任一前述项目的光引擎，其中第一光瞳复制器和波导耦合器结合在一起。

项目18.如任一前述项目的光引擎，其中光引擎还包括控制设备，其中控制设备包括多个独立控制的孔径，其布置成确定哪些光瞳复本被从第一光瞳复制器中继到第二光瞳复制器，可选地，其中第一光瞳复制器、波导耦合器和控制设备结合在一起。

项目19.一种用于车辆的平视显示器，其中该平视显示器包括：

第一光瞳复制器，其在第一方向上延伸并布置成从空间光调制器接收全息光场，该空间光调制器具有限定平视显示器的极限孔径的像素阵列，其中全息光场是根据显示在空间光调制器上的全息图进行空间调制的复合光场；

第二光瞳复制器，其在第一方向上和垂直于第一方向的第二方向上延伸，其中第二光瞳复制器包括形成输出的第一主表面和平行于第一主表面的第二主表面；

波导耦合器，其布置成将第一光瞳复制器的输出光学耦合到第二光瞳复制器的输入，

其中第一光瞳复制器和波导耦合器布置在与第二光瞳复制器的第二主表面基本平行且相邻的平面层内。

项目20.如项目19的平视显示器，其中第一光瞳复制器和波导耦合器附接到第二光瞳复制器的第二主表面或者附接到容纳平视显示器的车辆的结构框架。

Claims (23)

1.一种光引擎，包括：

第一层，包括第一光瞳复制器，其布置为从限定光瞳的衍射结构接收衍射光场；其中第一光瞳复制器基本是细长的；

第二层，包括第二光瞳复制器，其中第二光瞳复制器基本是平面的，并且包括布置成形成光引擎的输入的第一主表面和布置成形成光引擎的输出的第二主表面，

其中，第一层和第二层基本平行并且彼此相邻；

其中，第二光瞳复制器在第一层上限定在第一方向和第二方向上延伸的覆盖区；并且其中第一光瞳复制器布置成使得由第一光瞳复制器输出的光平行于覆盖区的第一和第二方向之一。

2.如任一前述权利要求所述的光引擎，其中，所述第一光瞳复制器布置在所述第二光瞳复制器的覆盖区内。

3.如任一前述权利要求所述的光引擎，其中，所述第一层还包括波导耦合器，其布置成将所述第一光瞳复制器的输出耦合到所述第二光瞳复制器的输入。

4.如权利要求3所述的光引擎，其中，所述波导耦合器包括主对相对表面，其分别包括输入表面和输出表面，其中输入表面和输出表面彼此成一角度。

5.如权利要求3或4所述的光引擎，其中，所述第一光瞳复制器和波导耦合器基本共面。

6.如权利要求3至5中任一项所述的光引擎，其中，所述第一层的第一光瞳复制器和波导耦合器布置成在基本平行于所述第二层的平面中波导衍射光场。

7.如权利要求3至6中任一项所述的光引擎，其中，所述第二层的第二光瞳复制器布置成在基本平行于所述第一层的平面中波导衍射光场。

8.如权利要求3至7中任一项所述的光引擎，其中，所述第一光瞳复制器和波导耦合器被固定到所述第二光瞳复制器的第一主表面。

9.如权利要求3至8中任一项所述的光引擎，其中，所述第一光瞳复制器和波导耦合器每个都包括相应的副对相对表面，该表面布置成在其平面内捕获衍射光场。

10.如权利要求9所述的光引擎，其中，每个副对相对表面中的至少一个表面包括反射部件，并且每个副对相对表面中的至少一个表面通过反射部件固定到公共基底。

11.如权利要求10所述的光引擎，其中，所述公共基底是所述第二光瞳复制器或容纳所述光引擎的车辆的部件。

12.如权利要求3至11中任一项所述的光引擎，其中，所述第一光瞳复制器和波导耦合器结合在一起。

13.如权利要求3至12中任一项所述的光引擎，其中，所述光引擎还包括控制设备，其中控制设备包括多个独立控制的孔径，所述孔径布置成确定哪些光瞳复本被从所述第一光瞳复制器中继到所述第二光瞳复制器，可选地，其中，所述第一光瞳复制器、波导耦合器和控制设备结合在一起。

14.如任一前述权利要求所述的光引擎，其中，所述第二层由第一和第二轴线限定，其中，所述第一光瞳复制器的细长维度相对于所述第二层的第一和第二轴线中的至少一个成角度。

15.如任一前述权利要求所述的光引擎，其中，所述第一光瞳复制器的细长维度布置为相对于所述覆盖区的所述第一和第二方向中的相应另一个方向倾斜。

16.如权利要求14或15所述的光引擎，其中，所述第一光瞳复制器的细长维度相对于所述第二层的第一轴线或第二轴线的角度基本等于第一光瞳复制器接收的衍射光的入射角。

17.如任一前述权利要求所述的光引擎，其中，所述第二光瞳复制器具有基本四边形的横截面形状。

18.如任一前述权利要求所述的光引擎，其中，所述第二光瞳复制器的输入是细长的，并且对应于所述第二层的第一轴线。

19.如任一前述权利要求所述的光引擎，其中，所述第二光瞳复制器的第一和第二主表面形成主对相对表面，该表面布置成提供其间的光导和光瞳复制。

20.如任一前述权利要求所述的光引擎，其中，所述第一光瞳复制器包括主对相对表面，该表面布置成提供其间的光导和光瞳复制。

21.一种用于车辆的平视显示器，其中该平视显示器包括：

第一光瞳复制器，其在第一方向上延伸并布置成从空间光调制器接收全息光场，该空间光调制器具有限定平视显示器的极限孔径的像素阵列，其中全息光场是根据显示在空间光调制器上的全息图进行空间调制的复合光场；

第二光瞳复制器，其在第一方向上和垂直于第一方向的第二方向上延伸，其中第二光瞳复制器包括形成输出的第一主表面和平行于第一主表面的第二主表面；

其中，第一光瞳复制器布置在与第二光瞳复制器的第二主表面基本平行且相邻的平面层内；

其中，第一光瞳复制器布置成使得由第一光瞳复制器输出的光平行于第一和第二方向之一。

22.如权利要求21所述的平视显示器，其中，所述第一光瞳复制器附接到所述第二光瞳复制器的第二主表面，或者附接到容纳所述平视显示器的车辆的结构框架；并且可选地，其中平视显示器还包括波导耦合器，其布置成将第一光瞳复制器的输出光学耦合到第二光瞳复制器的输入，该波导耦合器布置在第一光瞳复制器的平面层内。

23.如权利要求21或22所述的平视显示器，其中，所述第一光瞳复制器布置成使得由第一光瞳复制器输出的光平行于所述第一和第二方向之一。

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