【技术实现步骤摘要】
本公开涉及光瞳扩展或全息图复制。更具体地，本公开涉及波导、包括根据本公开的至少一个波导的显示系统、使用该至少一个波导的全息图复制方法以及波导全息波前的方法。更具体地，本专利技术涉及提高由波导和光学部件(例如光学层、介电层或介电叠层)输出的全息图复本的均匀性的方法。
技术介绍
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
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、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。
3、显示设备包括像素。显示设备的像素衍射光。根据众所周知的光学原理，最大衍射角的大小取决于像素的大小(以及其他因素，比如光的波长)。
4、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。
5、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或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。
6、在一些其他示例中，全息图本身(的光)传播到眼睛。例如，全息图的空间调制光(尚未完全转换为全息重建，即图像)—可以非正式地称为用/由全息图“编码”—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。
7、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(例如诸如眼盒的观察窗口内的任何一个眼睛位置)。
8、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1厘米，距离相对较大，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。
9、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射光瞳和/或孔径的直径或宽度(即像素阵列的尺寸)大至少一个数量级，例如至少两个数量级。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被传播到人眼。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被传播到人眼—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”的光被传播到人眼。
10、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，同时仍使用户能够看到图像。如本领域技术人员将理解，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拟图像距离，即近场虚拟图像，但同样适用于在无穷远处形成的虚拟图像或者甚至是在显示设备/全息图下游形成的真实图像。
11、传统上，二维光瞳扩展器包括一个或多个一维光波导，每个使用一对相对反射表面形成，其中来自表面的输出光形成观察窗或眼盒—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。
12、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。
13、在根据本公开仅通过衍射或全息光场的示例描述的一些实施例中，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本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种包括一对互补表面的波导，该对互补表面布置成在其间提供波导，其中该对互补表面中的第一表面包括多个第一层和多个第二层，每个第一层包括第一电介质，每个第二层包括第二电介质，其中每个第一和第二层具有第一端和第二端，其中每层的厚度从该层的第一端到第二端的百分比变化具有多个离散允许值中的一个；其中第一和第二层的总数大于离散允许值的总数；并且其中第一电介质和第二电介质之间的折射率差大于0.4。
2.如权利要求1所述的波导，其中，所述多个离散允许值由两到六个离散值构成，可选地由两到四个离散值构成，可选地由四个离散值构成。
3.如权利要求1或2所述的波导，其中，所述多个离散允许值包括第一值、第二值和第三值，并且其中第一电介质的每一层的厚度百分比变化等于第一值或第二值，并且其中第二电介质的至少一层的厚度百分比变化等于第三值。
4.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述多个离散允许值包括第一至第四值，并且其中，所述第二电介质的每一层的厚度变化百分比等于第三值或第四值。
5.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述第一和第二电介质的每一层
6.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述第一表面是部分反射-透射的，和/或所述一对互补表面中的第二表面是基本完全反射的，并且其中，所述第一表面为在所述第一表面和第二表面之间被波导的光提供多个即n个光发射区，可选地，其中，每个发射区处的内部入射角在0至70度的范围内，可选地为10至50度。
7.如权利要求6所述的波导，其中，所述第一表面在第一、第二和第三可见波长的透射率随着从第一光发射区到第n光发射区的距离而增加，以保持多个光发射的强度在第一、第二和第三波长基本恒定。
8.如权利要求7所述的波导，其中，所述第一波长在630-670nm范围内，所述第二波长在500-540nm范围内，所述第三波长在430-470nm范围内。
9.如权利要求7或8所述的波导，其中，在每个发射点处的第一表面的透射率T(n)满足下列方程：其中L是波导材料的光损耗因子。
10.如任一前述权利要求所述的波导，其中，所述第一电介质是第一过渡金属或半导体的第一氧化物、氟化物、硫化物或硝酸盐，所述第二电介质是第二过渡金属或半导体的第二氧化物、氟化物、硫化物或硝酸盐。
11.如任一前述权利要求所述的波导，其中，每层的厚度在2至300nm的范围内，可选地在20至200nm之间。
12.如任一前述权利要求所述的波导，其中，比值的第一至第四值中的至少一个是正的，并且是厚度百分比变化的第一至第四值中的至少一个。
13.如任一前述权利要求所述的波导，其中，厚度百分比变化的第一至第四值中的每个在-150％至+150％的范围内。
14.如任一前述权利要求所述的波导，其中，相应层的厚度百分比变化是以下中的至少一个：物理厚度的百分比变化或光学厚度的百分比。
15.一种全息系统，包括：
16.如权利要求15所述的全息系统，还包括第二波导，该第二波导包括一对互补表面，该对互补表面布置成在其间提供波导。
17.如权利要求16所述的全息系统，其中，所述第一波导的第一表面布置成为在第一表面和第二表面之间被波导的光提供多个即n个光发射区，第二波导的第二表面布置成接收来自第一波导的n个光发射区的光。
18.如权利要求15或16所述的全息系统，其中，所述第二波导是如前述权利要求中任一项所述的波导。
19.如权利要求15至18中任一项所述的全息系统，其中，所述第一波导是基本细长的，并且其中第一和第二表面是细长表面。
20.如权利要求16至18中任一项所述的全息系统，其中，所述第二波导是平面的，并且其中第一和第二表面是平面第二波导的主表面。
21.一种波导光场的方法，该方法包括：
22.如任一前述权利要求所述的波导，其中，所述第一表面为在第一表面和第二表面之间被波导的光提供多个即n个光发射区，可选地，其中，在每个发射区的内部入射角在10至50度的范围内。
23.一种提供波导的方法，该方法包括：
...【技术特征摘要】
1.一种包括一对互补表面的波导，该对互补表面布置成在其间提供波导，其中该对互补表面中的第一表面包括多个第一层和多个第二层，每个第一层包括第一电介质，每个第二层包括第二电介质，其中每个第一和第二层具有第一端和第二端，其中每层的厚度从该层的第一端到第二端的百分比变化具有多个离散允许值中的一个；其中第一和第二层的总数大于离散允许值的总数；并且其中第一电介质和第二电介质之间的折射率差大于0.4。
2.如权利要求1所述的波导，其中，所述多个离散允许值由两到六个离散值构成，可选地由两到四个离散值构成，可选地由四个离散值构成。
3.如权利要求1或2所述的波导，其中，所述多个离散允许值包括第一值、第二值和第三值，并且其中第一电介质的每一层的厚度百分比变化等于第一值或第二值，并且其中第二电介质的至少一层的厚度百分比变化等于第三值。
4.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述多个离散允许值包括第一至第四值，并且其中，所述第二电介质的每一层的厚度变化百分比等于第三值或第四值。
5.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述第一和第二电介质的每一层的厚度变化率是恒定的。
6.如前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述第一表面是部分反射-透射的，和/或所述一对互补表面中的第二表面是基本完全反射的，并且其中，所述第一表面为在所述第一表面和第二表面之间被波导的光提供多个即n个光发射区，可选地，其中，每个发射区处的内部入射角在0至70度的范围内，可选地为10至50度。
7.如权利要求6所述的波导，其中，所述第一表面在第一、第二和第三可见波长的透射率随着从第一光发射区到第n光发射区的距离而增加，以保持多个光发射的强度在第一、第二和第三波长基本恒定。
8.如权利要求7所述的波导，其中，所述第一波长在630-670nm范围内，所述第二波长在500-540nm范围内，所述第三波长在430-470nm范围内。
9.如权利要求7或8所述的波导，其中，在每个发射点处的第一表面的透射率t(n)满足下列方程：其中l...
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