光学系统的制作方法

本公开涉及光学系统和使用光学系统成像的方法。更具体地，本公开涉及布置成形成全息重建的虚像的光学系统，该虚像远离全息图的图像。本发明还涉及移动全息图的图像平面的方法和增加全息重建图像和相应全息图图像之间距离的方法。一些实施例涉及全息投影仪、图片生成单元或平视显示器。

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投影仪。这种投影仪已经在平视显示器“hud”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、这里公开了一种全息投影仪，包括包含显示设备的光学系统。全息投影仪可以包括光中继器。光中继器可以包括第一透镜和第二透镜。第一和第二透镜可以布置成所谓的4f配置。全息投影可以进一步包括一个或多个波导光瞳扩展器。显示设备布置成根据显示在其上的图片的全息图对光进行空间调制。显示设备可以位于第一透镜的前焦平面处。光学系统可以布置成使得显示设备被相干光照明，该相干光根据全息图被空间调制，然后被光中继器的第一透镜接收，使得图片的全息重建形成在第一透镜的后焦平面处。然后，光可以继续传播并被光中继器的第二透镜接收，使得显示设备的中继图像(即全息图的中继图像)可以形成在第二透镜的后焦平面处。第一波导位于第二透镜的后焦平面附近，并且可以布置成接收空间调制光并复制该光以在第一方向上扩展光学系统的出射光瞳。还可以提供第二波导，其布置为接收从第一波导输出的光，以在第二方向上扩展光学系统的出射光瞳。从概念上讲，这样做的结果可以认为是创建了显示设备的复本阵列。复本阵列可以说存在于“虚拟表面”上，该虚拟表面可以交错排列，如2021年12月23日提交的英国专利申请gb2118911.3中所述。具体而言，由于与每个复本相关的波导中不同的路径长度，每个复本可以离显示设备不同的垂直距离。因此，与每个复本相关的虚拟表面部分(例如在x，y维度上)在垂直方向上(例如在z维度上)偏离显示设备。当观察系统(例如用户的眼睛)位于波导下游的观察窗时，全息重建的虚像是可见的。虚像可以在显示设备上游的虚像距离处形成。通常，虚像距离可以在约1米和约10或20米之间。

3、如本文所用，术语“上游”和“下游”可以用来描述光学系统的特征、元件或部件，或者由光学系统形成的(真实或虚拟)图像或全息重建相对于光通过光学系统的传播方向的相对位置。例如，在光传播到第一部件然后到第二部件的光学系统中，第一部件可被描述为第二部件的上游，而第二部件可被描述为第一部件的下游。由光学部件形成的虚像可被描述为形成在相应光学部件的上游。由光学部件形成的实像可被描述为形成在相应光学部件的下游。

4、上述光学系统的优点之一是，它增加了一维或二维的观察窗(即用户的眼盒)，从而使眼睛(或其他观察系统)能够发生一些运动，同时即使在非常小的显示设备/全息图的情况下，仍使得观察系统能够看到全息重建。然而，发明人已经发现，尽管全息重建的虚像本身(当聚焦在虚像距离时)可能具有良好的质量，但可能会形成/看到伪像。这些伪像可能出现在全息重建的虚像的前面(即下游)。这些伪像可以在虚拟表面上形成或可见—即对应于显示设备的复本阵列的区域。当波导形成复本阵列时，在单个复本中形成的每个伪像将重复一定数量的次数，在显示设备的复本阵列上形成伪像的重复图案。观察窗处的观察系统/用户可能实际上不得不透过或越过伪像的图案来观察全息重建的虚像。

5、发明人已经发现，眼睛通常非常能够在不同深度观察图像内容，或者至少意识到不同深度的特征的存在。因此，全息重建的虚像和复本平面上的非均匀强度阵列可被人类观察者同时至少半感知。发明人已经发现，用户的眼睛被伪像(重复图案)吸引，伪像会分散用户想要观察的全息重建的虚像的注意力—即使当观察者聚焦在图像(即全息重建)上，而不是与观察者有不同距离的相应全息图(或其图像)上。发明人通过他们的研究已经认识到(即使一些观察者最初没有注意到),一旦观察者意识到伪像(重复图案),它就是(或者可能成为)显著干扰。发明人提出，与此类似，可以通过透明的玻璃窗观察远处的场景。在这种情况下，玻璃上的标记或特征(例如污垢或污迹)可能构成伪像，观察者必须透过或越过它才能看到后面的景象。如果观察者意识到玻璃上的标记(同样，他们可能没有意识到)，即使观察者将注意力集中在场景而不是玻璃上，标记的存在也可能至少部分地破坏场景的视图。总之，发明人已经发现，由本公开的波导复制器形成的虚拟表面可以影响观察体验的质量。

6、在虚拟表面(即显示设备的复本区域)可能会形成许多不同的伪像。这种伪像可能是由光学系统的光散射引起的，例如由显示设备形成的全息波前的散射。显示设备的物理特征(例如显示设备的边界)也可能导致伪像的形成。同样，这些伪像可能出现在复本阵列的位置处，而不是出现在虚像的位置处，因此可能引起用户眼睛的注意，并分散虚像的注意力。

7、虚拟表面可能会分散注意力有多个原因。仅作为示例，发明人已经认识到虚拟表面上的一个分散注意力的来源可能是显示设备的不均匀照射的结果。如果光源的轮廓不均匀(例如具有高斯强度轮廓),则可能会出现这种不均匀照射。发明人发现，照射全息图的光点边缘处强度的微小降低导致形成了从眼盒中可见的延伸的对比度带或轮廓(复本邻接处)。显著地，这些带或轮廓基本是直的(并且基本与全息图复制的两个正交方向对齐/平行)。虽然这种条带极其细微(就强度而言)，但人眼对边缘和线条特征(即直线对比度)非常敏感，因此对视觉体验质量的负面影响惊人地高。也就是说，延伸的直线带或轮廓—由全息图复制的规则图案和光源光的“正常”非均匀性产生，这对于其他类型的全息显示是完全可接受的—对于一些人类观察者来说是惊人地突出。暗带可以在复本平面处形成，因此观察系统可能必须有效地透过或穿过暗带来观察全息重建的虚像。

8、根据本公开的光学系统提供了一种用于显著降低或最小化复本的虚拟表面的视觉影响的手段。

9、概括地说，提供了一种具有观察窗的光学系统。该光学系统包括显示设备，其布置成根据显示在其上的全息图对光进行空间调制。空间调制光形成全息波前，该全息波前形成显示设备下游的图像的全息重建。光学系统还包括光学部件(例如透镜)。光学部件布置在全息重建的下游(使得空间调制光例如在重放平面上形成全息重建，然后在光学部件处被接收)。光学部件布置成形成：a)全息重建的虚像；以及b)显示的全息图/显示设备的图像。光学部件布置成使得全息重建的虚像和所显示的全息图/显示设备的图像之间的距离大于全息重建的虚像的虚像距离。这样，显示的全息图/显示设备的图像远离全息重建的虚像。在一些实施例中，全息重建的虚像和显示的全息图/显示设备的图像的分离幅度可以是全息重建的虚像的虚像距离的幅度的至少两倍，例如虚像距离的至少三倍或至少五倍。在一些实施例中，全息重建的虚像和所显示的全息图/显示设备的图像的分离幅度可以至少比全息重建的虚像的虚像距离的幅度大一个数量级。例如，在一些实施例中，显示设备的虚像在无穷远处形成，使得显示设备的虚像和全息重建的虚像之间的有效距离是无限的。在其他实施例中，显示设备的实像形成在光学部件的下游，同样远离全息重建的虚像(其将在光学部件的上游)。例如，显示设备的实像可以形成在光学系统的波导的下游，可选地形成在光学系统的观察窗/眼盒的下游。在任一情况下，光学部件布置成使得全息重建的虚像远离所显示的全息图/显示设备的图像。发明人已经发现，以这种方式布置光学部件有利地显著降低了虚拟表面的伪像对观察窗处的观察者的阻碍/干扰的影响。特别地，发明人已经认识到，光学部件可以布置成在无穷远处(远远超过全息重建的虚像)或者在光学部件的下游位置(通常在观察系统后面)形成全息图/显示设备的图像。在任一实施例中，当光学部件以这种方式布置时，观察者不需要透过或穿过全息图/显示设备的图像来观察全息重建的虚像。发明人发现这显著改善了观察体验。具体来说，全息图/显示设备的图像中的伪像(例如暗带的不均匀强度图案)很少分散注意力。当处于所述图像距离时，观察系统/眼睛/大脑能够更有效地忽略伪像。

10、在一些实施例中，光学部件布置成执行傅立叶变换。例如，在这些实施例中，可以说光学部件是傅立叶变换部件，例如傅立叶变换透镜，或者简单地说，傅立叶透镜。光学部件(特别是当用作傅立叶透镜时)可以包括前焦平面和后焦平面。前焦平面可以称为物平面，后焦平面可以称为傅立叶变换平面。光学部件可以布置成在后(傅立叶)平面处形成前(物体)平面处的物体的傅立叶变换。根据本发明，提供了一种光学部件，其在由波导复制之前执行全息波前的傅立叶变换。在一些实施例中，可以说全息波前的变换被输入到波导和/或波导布置成复制中继全息图/全息波前的变换。

11、在第一方面，提供了一种具有观察窗的光学系统。光学系统包括显示设备。该显示设备布置成根据显示在其上的全息图或衍射结构对光进行空间调制，以形成全息波前，该全息波前形成显示设备下游的图像的全息重建。光学系统还包括光学部件。光学部件可被称为成像部件。光学部件的示例包括透镜，例如会聚透镜。光学部件布置成：(a)在显示设备的上游形成全息重建的虚像，以及(b)在无穷远处或在光学部件的下游形成显示的全息图的图像。在无穷远处显示的全息图的图像可以在显示设备上游的无穷远处(即在显示设备的后面)。

12、在实施例中，光学系统还包括波导。波导布置成接收全息波前。波导可以接收来自光学部件的全息波前。波导可以布置成直接或间接地接收全息波前。波导可以布置成在其一对反射表面之间引导全息波前。该对反射表面中的一个表面可以是部分透射的，使得全息波前的多个复本从该表面发射。在实施例中，光学部件可布置成在无限远处或在波导处或其下游形成显示全息图的图像。

13、在实施例中，全息重建的图像由光学元件或部件在与显示的全息图的图像不同的位置形成。如本文所用，光学元件可被称为光学部件。在实施例中，全息重建的图像的像距不同于显示的全息图的图像的像距。在实施例中，全息重建图像的像距小于无穷大，例如小于30米。

14、在一些实施例中，显示设备上的全息图布置成使得空间调制光在显示设备下游形成全息图图片的全息重建，而不穿过诸如(物理)(成像)透镜的光学元件或部件。在实施例中，光学部件可以布置成形成全息重建的虚像(由显示设备上的全息图直接形成)。在其他实施例中，全息重建可被中继到由显示设备上的全息图直接形成的全息重建下游的位置。在这样的实施例中，光学部件可以布置成形成中继全息重建的虚像。换句话说，不是直接在显示设备上形成由全息图形成的全息重建的虚像，而是光学元件可以布置成(直接)形成中继全息重建的虚像。

15、在一些实施例中，光学部件布置成执行傅立叶变换。例如，光学部件可以是傅立叶透镜。光学部件(傅立叶透镜)可以包括前焦平面和后焦平面。前焦平面可以称为物平面，后焦平面可以称为傅立叶变换平面。光学部件可以布置成在后(傅立叶)平面处形成前(物体)平面处的光/物体/图像的傅立叶变换。

16、光学部件的后(傅立叶)平面可以耦合到波导(当存在于光学系统中时)。如本文所用，耦合到波导的后(傅立叶)平面可以意味着光学部件的后焦平面与波导的输入重合(即基本重合)。在一些实施例中，后(傅立叶)平面与波导的入耦合端口相邻/重叠。在一些实施例中，后(傅立叶)平面在波导内。例如，后(傅立叶)平面可以在波导的一对反射表面之间。以这种方式，光学部件可以布置成使得光学部件的前(物体)平面处的光/物体/图像的傅立叶变换被耦合到波导中。

17、在一些实施例中，光学部件可以布置成执行空间-频率变换，使得经变换的显示全息图被耦合到波导中。如本文所用，经变换的显示全息图意味着主要或完全在频域中的全息图。空间频率变换可以是傅立叶变换。换句话说，光学部件可以布置成使得全息图的傅立叶变换被耦合到波导中。在一些实施例中，光学部件可以布置成使得显示在显示设备上的全息图的傅立叶变换被耦合到波导中。例如，当光学部件布置成在无穷远处形成所显示的全息图的图像时，情况可能就是这样。

18、光学部件可以布置成使得耦合到波导中的波前是编码图片的全息波前的(傅立叶)变换。

19、在一些实施例中，物体(例如显示设备/显示的全息图或中继显示设备/中继显示的全息图)可以基本/准确地位于光学部件的前焦平面处。波导(例如入耦合端口)可以耦合到光学部件的后焦平面。例如，光学部件的后焦平面可以位于波导的输入端口或波导内。光学部件可以布置成使得所显示的全息图的傅立叶变换被耦合到波导中。

20、在一些实施例中，光学系统布置成对在显示设备和波导之间传播的光执行奇数次(频率-时间)变换/傅立叶变换(例如频域和时域之间的一次或三次变换/一次或三次傅立叶变换)。这样，当波前耦合到波导中时，可以说它在频域中(即使当从显示设备传播到波导时，它已经经历了空间域和频域之间的多次(奇数次)变换)。例如，光学系统可以包括布置成执行傅立叶变换的多个部件(例如多个傅立叶变换透镜)。上述光学部件可以是第一傅立叶变换透镜。如下所述，光学系统可以进一步包括光学中继，该光学中继包括一对傅立叶透镜。光学系统可以布置成使得光中继器的一对傅立叶透镜和光学部件中的每个依次执行频率-时间变换/傅立叶变换。

21、在一些实施例中，光学系统还包括光中继器。光中继器可以位于显示设备的下游。光中继器可以位于显示设备和波导(如果存在的话)之间。光中继器可以包括两个透镜。这两个透镜可以配合布置以形成中继全息图和中继全息重建。中继全息图可以是显示在显示设备上的全息图的图像。中继全息重建可以是由显示设备上显示的全息图形成的全息重建的图像。因此，在包括光中继器的实施例中，由光学部件(例如透镜)形成的全息图重建的(虚拟)图像是中继全息重建的(虚拟)图像。由光学部件(例如透镜)形成的显示全息图的(真实)图像是中继全息图的(真实)图像。

22、光中继器的两个透镜可以包括第一透镜和第二透镜。光中继器的第一透镜可以比光中继器的第二透镜更靠近显示设备。光中继器的第一透镜和光中继器的第二透镜之间的距离可以基本等于第一透镜的焦距和第二透镜的焦距之和。在一些实施例中，光中继器的第一透镜的焦距等于光中继器的第二透镜的焦距。在其他实施例中，光中继器的第一透镜的焦距不同于光中继器的第二透镜的焦距。在这样的实施例中，光中继器可以对中继全息重建和/或中继全息图具有放大(或缩小)效果。光中继器可被称为望远镜(例如放大或缩小望远镜)。当光中继器的第一透镜和光中继器的第二透镜之间的距离基本等于第一透镜的焦距和第二透镜的焦距之和时，光中继器可被称为“4f”系统。这可能是因为第一透镜的前焦平面和第二透镜的后焦平面之间的距离等于四个焦距。当第一和第二透镜的焦距相同时，第一透镜的前焦平面和第二透镜的后焦平面之间的距离可以等于第一和第二透镜中任一个的焦距的四倍。在一些实施例中，第一透镜包括前焦平面和后焦平面，第二透镜包括前焦平面和后焦平面。在一些实施例中，显示设备可以基本位于光中继器的第一透镜的前焦平面处。在一些实施例中，光中继器的第一透镜的后焦平面可以与光中继器的第二透镜的前焦平面基本重合。光中继器的第一透镜的后焦平面可以基本平行于光中继器的第二透镜的前焦平面。光中继器的第一透镜的后焦平面可以与光中继器的第二透镜的前焦平面基本共面。

23、中继全息图和中继全息重建(由光中继器中继)可被中继到光中继器下游的相应位置，例如光中继器的第二透镜的下游。在一些实施例中，中继全息重建位于中继全息图的下游。换句话说，光中继器(的第二透镜)和中继全息重建之间的距离可以大于光中继器(的第二透镜)和中继全息图之间的距离。

24、在一些实施例中，中继全息图可以形成/中继到光中继器的第二透镜的后焦平面。这可能意味着显示在显示设备上的全息图的图像基本聚焦在光中继器的第二透镜的后焦平面上。在一些实施例中，中继全息重建可以形成/中继到中继全息重建的焦平面。这可能意味着全息重建的图像基本聚焦在中继全息重建的焦平面上。中继全息重建的焦平面可以基本平行于光学中继的第二透镜的后焦平面。中继全息重建的焦平面可以在光中继器的第二透镜的后焦平面的下游。

25、在一些实施例中，光学部件(例如透镜)在中继全息重建的下游。光学部件也可以在中继全息图的下游。光学部件可能比中继全息图更接近中继全息重建。

26、在包括波导的实施例中，光学部件可以在中继全息重建和波导之间。

27、在一些实施例中，光学部件可以(布置)在中继全息重建和波导之间，使得(a)中继全息重建和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距。因此，由光学部件形成的全息重建的虚像可以是中继全息重建的虚像。光学部件也可以(布置)在中继全息重建和波导之间，使得(b)中继全息图和光学部件之间的距离(基本)等于光学部件的焦距。因此，由光学部件形成的全息图的图像可以是(基本)在无穷远处形成的虚像。全息图的虚像可以形成在中继全息图的上游/光学部件的上游/显示设备的上游。由光学部件形成的全息重建的虚像也可以在光学部件的上游，但在有限像距处。这样，全息图的虚像(在无限远处)和全息图的虚像(不在无限远处)之间的有效距离或间隔实际上是无限的。

28、在其他实施例中(包括如上定义的光中继器)，光学部件可以(布置)在中继全息重建和波导之间，使得(a)中继全息重建和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距。因此，由光学部件形成的全息重建的虚像可以是中继全息重建的虚像。光学部件也可以(布置)在中继全息图和光学部件之间，使得(b)中继全息图和光学部件之间的距离大于光学部件的焦距。因此，由光学部件形成的全息图的图像可以是实像。全息图的实像可以形成在光学部件的下游。全息图的实像可以基本形成在波导处或其下游。由光学部件形成的全息重建的虚像可以在光学部件的上游(在有限像距处)。因此，在全息重建的虚像(光学部件的上游)和全息图的实像(光学部件的下游)之间可能存在相对较大的距离或间隔。

29、在一些实施例中，光学系统不包括光中继器。在这样的实施例中，光学系统的光学部件(例如透镜)可以布置成分别基于在显示设备下游形成的全息重建和在显示设备上显示的全息图来形成虚拟全息图重建的(虚拟)图像和显示全息图的(真实)图像。

30、在一些实施例中，全息重建(而不是上述实施例中的中继全息重建)和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距。因此，全息重建的图像可以是虚像。全息重建的虚像可以在显示设备的上游形成。显示设备或全息图(而不是上述实施例中的中继全息图)和光学部件之间的距离可以基本等于光学部件的焦距。因此，全息图的虚像可以在无穷远处形成。全息图的虚像可以形成在显示设备上显示的全息图的上游/光学部件的上游。由光学部件形成的全息重建的虚像也可以在光学部件的上游，但在有限像距处。这样，全息图的虚像(在无穷远处)和全息图的虚像(不在无穷远处)之间的有效距离或间隔实际上可以是无穷大。

31、在一些实施例中，全息重建(不是中继全息重建)和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距。因此，全息重建的图像可以是虚像。全息重建的虚像可以在光学部件和/或显示设备的上游形成。显示设备/显示在显示设备上的全息图(不是中继全息图)和波导之间的距离可以大于光学部件的焦距。因此，全息图的图像(显示在显示设备上)可以形成在光学部件的下游。全息图的实像可以基本形成在波导处或其下游。因此，在全息重建的虚像(光学部件和/或显示设备的上游)和全息图的实像(光学部件的下游和/或波导处或下游)之间可能存在相对较大的距离或间隔。全息图的图像可以是实像。

32、在一些实施例中，由光学部件形成的全息图的图像是在光学系统的观察窗(例如眼盒)下游形成的全息图的实像。

33、在一些实施例中，全息重建的虚像和由光学部件形成的显示全息图的(真实或虚拟)图像之间的距离大于1米，例如大于2米或大于5米。在一些实施例中，全息重建的(虚拟)图像和显示设备的虚像之间的间隔实际上可以是无限的。更一般地，全息重建的(虚拟)图像和显示设备的(虚拟或真实)图像之间的间隔可以大于全息重建的虚像的虚像距离。

34、在一些实施例中，光学部件布置成使得从光学部件到全息重建的虚像的距离在0.5至10米的范围内。例如，光学部件可被定位(相对于全息重建或中继全息重建)和/或具有适当的光焦度，以在所述距离范围内形成全息重建的虚像。

35、在一些实施例中，光学部件的焦距可以是150mm或更小，例如120mm或更小，或者100mm或更小。光学部件可以是透镜。光学部件可以是会聚透镜。光学部件可以包括在光学部件的焦距处的前焦平面。光学部件可以包括在光学部件的焦距处的后焦平面。

36、从全息重建或中继全息重建(如果存在光学中继)到光学部件的距离可以小于从前焦平面到光学部件的距离。换句话说，全息重建或中继全息重建可能比光学部件的前焦平面更靠近光学部件。

37、在光学部件布置成使得由光学部件形成的全息图的图像是在无穷远处形成的虚像的实施例中，光学部件的前焦平面可以与a)显示设备或b)光中继器的第二透镜的后焦平面(如果光中继器存在的话)基本重合。光学部件的前焦平面可以基本平行于显示设备的平面或者光学继电器的第二透镜的后焦平面。光学部件的前焦平面可以基本与显示设备的平面或光学继电器的第二透镜的后焦平面共面。

38、在一些实施例中，由波导接收的全息波前包括非准直光，例如发散光。

39、在一些实施例中，显示设备是像素化显示设备。例如，空间光调制器可以包括规则的像素阵列。像素阵列可以覆盖显示设备的基本四边形的显示区域。在一些实施例中，显示设备是空间光调制器。在一些实施例中，显示设备是硅上液晶空间光调制器。

40、在一些实施例中，全息图包括多个叠加的衍射图案，每个衍射图案代表形成图像的像点的透镜(例如菲涅耳透镜)。

41、在一些实施例中，每个衍射图案代表透镜/将光带到焦点。

42、在第二方面，提供了一种图片生成单元。图片生成单元可以包括第一方面的光学系统。图片生成单元还可以包括光源，该光源布置成照射光学系统的显示设备。光源可以是相干光源，例如激光器。

43、在第三方面，提供了一种用于车辆的平视显示器，包括前述方面的光学系统和/或图片生成单元。

44、在第四方面，提供了一种具有观察窗的光学系统。该光学系统包括显示设备，其布置成根据显示在其上的全息图或衍射结构对光进行空间调制，以形成全息波前。全息波前在显示设备的下游形成图像的全息重建。该光学系统还包括布置成接收全息波前的波导。波导可以直接或间接地接收全息波前。波导可以布置成在其一对反射表面之间引导全息波前。该对反射表面中的一个表面是部分透射的，使得全息波前的多个复本从该表面发射。光学系统还包括光学部件，例如成像部件，例如全息重建和波导之间的透镜(例如会聚透镜)。光学部件布置成(a)在显示设备的上游形成全息重建的虚像，并且(b)在光学部件的无限远处或下游，例如在波导处或下游，形成显示全息图的图像。光学部件可以布置成使得耦合到波导中的波前是编码图片的全息波前的(傅立叶)变换。

45、在第五方面，提供了一种全息图像形成方法。该方法包括根据全息图对光进行空间调制的步骤。全息图可以是图像的全息图，并显示在显示设备上以形成全息波前。该方法还包括在显示设备的下游形成图像的全息重建的步骤。该方法还包括使用光学部件在显示设备的上游形成全息重建的虚像的步骤。光学部件可以是透镜，例如会聚透镜和/或傅立叶透镜(如前述各方面)。该方法可以进一步包括使用光学部件在无限远处或波导的下游形成显示的全息图的图像的步骤。在实施例中，该方法还包括在波导处接收全息波前。该方法可以进一步包括在其一对反射表面之间波导全息波前，其中该对反射表面中的一个表面是部分透射的，使得全息波前的多个复本从其发射。光学部件可以在全息重建的下游。在实施例中，光学部件可以在全息重建和波导之间。

46、在一些实施例中，该方法包括将中继全息图形成为显示在显示设备上的全息图的图像。形成中继全息图的步骤可以包括在显示设备和波导之间使用光中继器。光中继器包括配合布置的两个透镜。

47、在一些实施例中，该方法包括将中继全息重建形成为由显示设备上显示的全息图形成的全息重建的图像。中继全息重建的步骤可以包括使用光学中继。

48、在一些实施例中，形成全息重建的虚像的步骤包括形成中继全息重建的虚像。中继全息重建和光学部件之间的距离可以小于光学部件的焦距。

49、在一些实施例中，形成显示全息图的图像的步骤包括在无穷远处形成(中继)全息图的虚像，并且其中中继全息图和光学部件之间的距离(基本)等于光学部件的焦距。

50、在一些实施例中，形成显示全息图的图像的步骤包括在光学部件/波导的下游形成(中继)全息图的实像，并且其中中继全息图和光学部件之间的距离大于光学部件的焦距。

51、在一些实施例中，形成全息重建的虚像的步骤包括在显示设备的上游形成全息重建的虚像，并且其中全息重建和光学部件之间的距离小于光学部件的焦距。

52、在一些实施例中，形成全息图的图像的步骤包括在无穷远处(全息图的上游)形成全息图的(虚拟)图像，并且其中显示设备和波导之间的距离等于光学部件的焦距。

53、在一些实施例中，形成全息图的图像的步骤包括在光学部件(波导)的下游形成全息图的(真实)图像，并且其中显示设备和波导之间的距离等于光学部件的焦距。

54、在一些实施例中，形成全息图图像的步骤包括形成全息图的实像，该实像形成在光学系统的观察窗(例如眼盒)的下游。

55、关于一个方面公开的特征和优点可以应用于其他方面。特别地，关于光学系统描述的特征和优点可适用于全息成像方法，反之亦然。

56、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。因此，可以说形成了全息图的多个复本。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。

57、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。从全息图传播到再现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。

58、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复本。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”。

59、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。

60、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。

61、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。

62、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。

63、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。

64、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。