全息显示系统和方法技术方案

一种全息显示器，包括：照明源，所述照明源至少部分地相干；多个显示元件，所述多个显示元件被定位成接收来自所述照明源的光并且彼此间隔开，每个显示元件包括一组至少两个子元件；以及调制系统，所述调制系统与每个显示元件相关联并且被配置为至少调制所述多个子元件中的每个子元件的相位。件中的每个子元件的相位。件中的每个子元件的相位。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】全息显示系统和方法


[0001]本专利技术涉及全息显示系统和操作全息显示系统的方法。

技术介绍

[0002]计算机生成的全息图(CGH)是已知的。与仅针对幅度调制的传统显示器上显示的图像不同，CGH显示器调制相位，并且产生保留从观察位置的深度信息的图像。
[0003]已经提出了CGH显示器，该CGH显示器为观察者的瞳孔产生具有足够尺寸的图像平面。在此类显示器中，计算的全息图是观察者瞳孔的区域中某处的复杂电场。该位置处的大部分信息存在于相位变化中，因此显示器可以通过将空间光调制器(SLM)重新成像到瞳孔上来使用仅相位SLM。此类显示器需要相对于眼睛小心定位，以确保图像平面大致与瞳孔平面重合。例如，CGH显示器可以安装在头戴式耳机或面盔中，以将图像平面定位在相对于用户眼睛的正确位置。将CGH显示器扩展到覆盖用户的两只眼睛迄今为止集中于包含两个SLM或显示器的双目显示器，每只眼睛一个SLM或显示器。
[0004]虽然双目显示器允许体验真实的立体CGH图像，但是期望单个全息显示器显示在从不同位置观察时看起来不同的图像。

技术实现思路

[0005]根据本专利技术的第一方面，提供了一种全息显示器，其包括：照明源，该照明源至少部分地相干；多个显示元件和调制系统。该多个显示元件被定位成接收来自照明源的光并且彼此间隔开，其中每个显示元件包括一组至少两个子元件。该调制系统与每个显示元件相关联，并且被配置为至少调制该多个子元件中的每个子元件的相位。
[0006]通过调制构成每个显示元件的子元件的相位，子元件可以结合成发射器，该发射器在从不同位置观察时表现为具有不同幅度和相位的点发射器。这样，可以根据需要控制用于观察的不同位置的定位。例如，用于观察的位置可以是预先确定的或基于输入诸如来自眼睛位置跟踪系统的输入来确定。因此，可以使用软件或固件通过调制来移动或调整观察位置。一些示例可以将观察位置的这种基于软件的调整与观察位置的基于物理或硬件的调整相结合。其他示例可能没有基于物理或硬件的调整。因此，双目全息图像可以由单个全息显示器生成，从而允许CGH应用于更大面积的显示器，诸如具有至少为10cm的对角测量值的显示器。该技术还可以应用于较小面积的显示器，例如，其可以简化双目CGH头戴式耳机构造。在双目CGH显示器中，其可以允许在控制系统层面而不是机械地或光学地执行瞳孔间距(IPD)的调整。
[0007]此类全息显示器具有创建稀疏像场的效果，从而允许更大的视场，而不会过度增加所需子元件的数量。此类稀疏像场可以包括间隔开的子元件组，其中子元件占据的图像区域小于25％、小于20％、小于10％、小于5％、小于2％或小于1％。
[0008]可以使用各种不同的调制系统，包括透明液晶显示(LCD)系统或SLM。LCD系统允许线性光学路径，并且可以适于控制相位和幅度。
[0009]部分相干的照明源优选地具有足够的相干性，使得来自每个显示元件内的相应的子元件的光可以彼此干涉。部分相干照明源包括基本上完全相干的照明源，诸如基于激光的照明源，以及包括一些不相干分量但仍足够相干以生成干涉图案的照明源，诸如超发光二极管。照明源可以包括单个光发射器或多个光发射器，并且具有足以照亮多个显示元件的照明区域。可通过扩大光发射器来形成适当尺寸的照明区域，诸如通过：(i)使用波导/全息光学元件的瞳孔复制；(ii)楔形物；或(iii)局部发射器，诸如局部二极管。可用于提供适当尺寸照明区域的一些具体示例包括：
[0010]·
在全息波导中使用的瞳孔复制全息光学元件(HOE)，诸如在“Holographic waveguide heads
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up display for longitudinal image magnification and pupil expansion”中描述的，Colton M.Bigler、Pierre
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Alexandre Blanche和Kalluri Sarma，Applied Optics，第57卷，第9期，2018年3月20日，第2007
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2013页。
[0011]·
使用全内反射将光保持在波导内部的楔形波导，诸如在“Collimated light from a waveguide for a display backlight”中描述的，Adrian Travis、Tim Large、Neil Emerton和Steven Bathiche，Optics Express，第17卷，第22期，2009年10月15日，第19714
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19719页；
[0012]·
由光学系统(诸如准直微透镜阵列)准直的多个激光二极管或超发光二极管。
[0013]一些示例包括光学系统，该光学系统被配置为通过减小每个显示元件内的该组子元件的尺寸使得该组子元件彼此之间间隔得比它们与紧邻的显示元件的子元件间隔得更近来生成该多个显示元件。该光学系统可以被配置为通过减小显示元件内的子元件的尺寸而不减小相邻显示元件的中心之间的间隔来生成该多个显示元件。这可以允许其中所有子元件以基本上相等的间隔分开的阵列(诸如可以为LCD制造)被重新成像以形成显示元件。在此类重新成像之后，显示元件内的子元件彼此之间间隔得比它们与紧邻的显示元件的子元件间隔得更近。可以使用任何合适的光学系统，示例包括多个微透镜、衍射光栅或针孔掩模。在一些示例中，光学系统将子元件的尺寸降低至少二分之一、至少五分之四或至少十分之九。
[0014]光学系统可以包括光学元件阵列。在一个示例中，光学元件阵列具有与显示元件的间隔相同的间隔，每个光学元件产生显示子元件的下层阵列的减少尺寸的图像。
[0015]在一些示例中，调制系统被配置为调制多个子元件中的每个子元件的幅度。这允许用于控制每个子元件的另外的自由度。单个集成调制系统可以控制相位和幅度两者，或者可以提供单独的相位和调制元件，诸如用于幅度和相位的堆叠的透明LCD调制器。幅度和相位调制可以以任何顺序提供(即光学路径中幅度优先或相位优先)。
[0016]每个显示元件可以由具有维度n乘m的二维子元件组组成，其中n和m是整数，n大于或等于2，并且m大于或等于1。可以控制此类矩形或正方形阵列，使得每个子元件的输出结合以在每个观察位置处给出不同的幅度和相位。一般来讲，对于显示器的每个可能的观察位置，需要两个自由度(幅度或相位变量)。
[0017]对于双目显示器需要两个观察位置(每只眼睛一个观察位置)。因此，当n等于2，m等于1，并且调制系统被配置为调制每个子元件的相位和幅度时(给出四个自由度)，可以形成双目显示器。另选地，当n等于2，m等于2，并且调制系统被配置为调制每个子元件的相位时，可以形成双目显示器。这同样具有四个自由度，并且由于不需要幅度调制，因此构造起
来可能更简单。通过在每个显示元件内包括更多的子元件来增加自由度超过四个，可以允许进一步的用例，例如从单个显示器支持两个或更多个观察者。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种全息显示器，其包括：照明源，所述照明源至少部分地相干；多个显示元件，所述多个显示元件被定位成接收来自所述照明源的光并且彼此间隔开，每个显示元件包括一组至少两个子元件；以及调制系统，所述调制系统与每个显示元件相关联并且被配置为至少调制所述多个子元件中的每个子元件的相位。2.根据权利要求1所述的全息显示器，其中所述照明源具有足够的相干性，使得来自每个显示元件内的相应的子元件的所述光能够彼此干涉。3.根据权利要求1或2所述的全息显示器，其还包括光学系统，所述光学系统被配置为通过减小每个显示元件内的所述一组子元件的尺寸使得所述一组子元件彼此之间间隔得比它们与紧邻的显示元件的子元件间隔得更近来生成所述多个显示元件。4.根据权利要求3所述的全息显示器，其中所述光学系统包括光学元件阵列。5.根据权利要求3或4所述的全息显示器，其中所述光学系统在第一维度和第二维度中具有不同的放大率，并且所述第一维度中的第一放大率小于第二维度中的第二放大率。6.根据权利要求5所述的全息显示器，其中所述第一维度在使用中基本上是水平的，并且其中所述第二维度垂直于所述第一维度。7.根据权利要求5或6所述的全息显示器，其中所述光学系统包括光学元件阵列，每个光学元件包括第一透镜表面和第二透镜表面，所述第一透镜表面和所述第二透镜表面中的至少一个透镜表面在由所述第一维度和第三维度限定的第一平面中具有不同于在由所述第二维度和所述第三维度限定的第二平面中的曲率半径。8.根据权利要求7所述的全息显示器，其中所述第一透镜表面和所述第二透镜表面中的至少一者是复曲面透镜表面。9.根据权利要求7或8所述的全息显示器，其中：所述第一透镜表面和所述第二透镜表面分别与所述第一平面中的第一焦距和第二焦距相关联，并且所述第一放大率由第一焦距和第二焦距的比率限定；并且所述第一透镜表面和所述第二透镜表面分别与所述第二平面中的第三焦距和第四焦距相关联，并且所述第二放大率由第三焦距和第四焦距的比率限定。10.根据权利要求5至9中任一项所述的全息显示器，其中所述第二维度中的所述第二放大率至少为15。11.根据权利要求5至10中任一项所述的全息显示器，其中所述第二维度中的所述第二放大率小于30。12.根据权利要求5至11中任一项所述的全息显示器，其中所述第一维度中的所述第一放大率在约2和约15之间。13.根据权利要求3至12中任一项所述的全息显示器，其中所述光学系统包括光学元件阵列，每个光学元件包括：第一透镜表面，所述第一透镜表面配置为接收具有第一波长的光和具有不同于所述第一波长的第二波长的光；以及第二透镜表面，所述第二透镜表面与所述第一透镜表面在光学路径中；其中所述第一透镜表面包括在光学上适于所述第一波长的第一表面部分和在光学上
适于所述第二波长的第二表面部分。14.根据权利要求13所述的全息显示器，其中所述第一表面部分通过具有第一曲率半径而在光学上适于所述第一波长，并且所述第二表面部分通过具有第二曲率半径而在光学上适于所述第二波长。15.根据权利要求13或14所述的全息显示器，其中所述第一透镜表面对于具有所述第一波长的光具有第一焦点，并且所述第二透镜表面对于具有所述第一波长的光具有第二焦点，并且所述第一焦点和所述第二焦点是重合的。16.根据权利要求3至15中任一项所述的全息显示器，其中所述光学系统被配置为将穿过所述光学系统的光朝向观察位置会聚。17.根据权利要求16所述的全息显示器，其中所述光学系统包括光学元件阵列，每个光学元件包括具有第一光轴的第一透镜表面和具有第二光轴的第二透镜表面，并且其中所述第一光轴从所述第二光轴偏移。18.根据权利要求17所述的全息显示器，其中更靠近所述显示器的边缘定位的光学元件具有比更靠近所述显示器的中心定位的光学元件的偏移更大的偏移。19.根据权利要求18所述的全息显示器，其中每个光学元件包括第一透镜表面和沿着穿过所述光学元件的光学路径与所述第一透镜表面间隔开的第二透镜表面，并且其中所述第一透镜表面沿着所述阵列以第一间距间隔开，并且所述第二透镜表面沿着所述阵列以第二间距间隔开，所述第二间距小于所述第一间距。20.根据任一前述权利要求所述的全息显示器，其中所述调制系统被配置为调制所述多个子元件中的每个子元件的幅度。21.根据任一前述权利要求所述的全息显示器，其中每个显示元件由具有维度n乘m的二维子元件组组成，其中n和m是整数，n大于或等于2，并且m大于或等于1。22.根据权利要求21所述的全息显示器，其中n等于2，m等于1，并且所述调制系统被配置为调制每个子元件的相位和幅度。23.根据权利要求21所述的全息显示器，其中n等于2，m等于2，并且所述调制系统被配置为调制每个子元件的相位。24.根据任一前述权利要求所述的全息显示器，其包括会聚系统，所述会聚系统被布置成将所述全息显示器的输出朝向观察位置引导。25.根据任一前述权利要求所述的全息显示器，其包...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾尔弗雷德，
申请(专利权)人：维德酷有限公司，
类型：发明
国别省市：