透視型全息顯示設備和頭戴式顯示設備的制作方法

本申請要求向韓國專利局于2015年10月28日提交的韓國專利申請No.10-2015-0150272以及于2016年5月4日提交的韓國專利申請No.10-2016-0055766的權益，這些申請的公開內容作為引用并入本文。

技術領域

本公開涉及一種全息顯示設備，更具體地涉及一種透視型全息顯示設備，經由該設備，同時或選擇地看見全息圖和外部。

背景技術：

隨著許多三維(3D)電影顯現出來，已進行對關于3D圖像顯示設備相關的技術的研究。例如，積極地執行對通過使用空間光調制器(SLM)實時實施高質量全息圖的設備的研究。

近期引入了對實施虛擬現實(VR)的頭戴式顯示器(HMD)及相關產品的許多研究。大公司頻繁占有具有VR技術的創業公司。然而，用于VR的常規HMD是基于立體視覺的技術，由于視覺輻輳調節沖突，這導致視覺疲勞。在應用于空間交互技術時，用于VR的常規HMD還導致許多問題。

技術實現要素：

提供了能夠實施透視型全息三維(3D)圖像的顯示設備。

提供了個人透視型3D顯示頭戴式顯示器(HMD)。

根據本公開的一方面，提供了透視型全息顯示設備，包括光源，提供光；空間光調制器，使光發生衍射，并再現全息圖；中繼光學系統，放大或縮小并傳輸由空間光調制器產生的全息圖；噪聲去除濾波器，從經由中繼光學系統傳輸的全息圖的衍射光中去除噪聲；以及光路轉換器，改變從中繼光學系統傳輸的全息圖的衍射光的路徑以及外部光的路徑中的至少一個，并將衍射光和外部光傳輸到相同區域。

透視型全息顯示設備還可包括：準直器，將由光源提供的光轉換為準直光。

空間光調制器可包括振幅空間光調制器、相位空間光調制器或復合空間光調制器。

中繼光學系統可包括第一光學元件，由空間光調制器調制的全息圖入射到第一光學元件；以及第二光學元件，具有靠近第一光學元件的發射表面側的第一焦點的入射表面側的第二焦點。第一光學元件可具有第一焦距，第二光學元件具有與第一焦距不同的第二焦距。噪聲去除濾波器可設置在第一光學元件的發射表面側的第一焦點附近。噪聲去除濾波器可包括針孔。

透視型全息顯示設備還可包括：場光學元件，聚焦從中繼光學系統傳輸的全息圖。

場光學元件可設置在像平面附近，從中繼光學系統傳輸的全息圖成像在像平面中。或者，場光學元件可布置為像平面位于場光學元件的入射表面側的焦點位置和場光學元件的入射表面之間，從中繼光學系統傳輸的全息圖成像在像平面中。場光學元件可布置為像平面重新成像為豎立虛像，從中繼光學系統傳輸的全息圖成像在像平面中。

場光學元件可鄰近光路轉換器設置。從中繼光學系統傳輸的全息圖的尺寸可通過改變中繼光學系統和場光學元件之間的距離來調整。

光路轉換器可包括分束器，其包括第一表面、第二表面、第三表面和設置在內部的束分離薄膜，從中繼光學系統傳輸的全息圖的衍射光入射到第一表面，外部光入射到第二表面，第三表面與第二表面相對，束分離薄膜反射經由第一表面透射的全息圖的衍射光的至少一部分至第三表面，并使經由第二表面透射的外部光的至少一部分透射至第三表面，場光學元件包括鄰近光路轉換器的第一表面設置的物鏡。

光路轉換器可包括分束器，其包括第一表面、第二表面、第三表面、第四表面和設置在內部的束分離薄膜，從中繼光學系統傳輸的全息圖的衍射光入射到第一表面，外部光入射到第二表面，第三表面與第二表面相對，第四表面與第一表面相對，束分離薄膜反射經由第一表面透射的全息圖的衍射光的至少一部分至第四表面，再次反射經由第四表面透射的全息圖的衍射光的至少一部分至第三表面，并使經由第二表面透射的外部光的至少一部分透射至第三表面，場光學元件包括鄰近光路轉換器的第四表面設置的凹反射鏡。

光路轉換器可包括半透反射鏡，場光學元件位于中繼光學系統和光路轉換器之間，鄰近光路轉換器。

光路轉換器可包括分束器，其包括第一表面、第二表面、第三表面和設置在內部的束分離薄膜，從中繼光學系統傳輸的全息圖的衍射光入射到第一表面，外部光入射到第二表面，第三表面與第二表面相對，束分離薄膜反射經由第一表面透射的全息圖的衍射光的至少一部分至第三表面，并將經由第二表面透射的外部光的至少一部分透射至第三表面，其中，束分離薄膜相對于第一表面具有凹彎曲表面形狀，以反射和聚焦從中繼光學系統傳輸的全息圖至第三表面。

束分離薄膜可以是偏振選擇性反射薄膜。

光路轉換器可布置成束分離薄膜設置在像平面附近，從中繼光學系統傳輸的全息圖成像的像平面上。

透視型全息顯示設備還可包括光束選擇性光學元件，其聚焦衍射光并使外部光透射通過。光束選擇性光學元件可以是具有各向同性透鏡和各向異性透鏡的粘合透鏡，其中，粘合透鏡相對于衍射光的折射率具有正(+)值，粘合透鏡相對于外部光的總折射率為零。光束選擇性光學元件可包括彼此相對的第一和第二透明基底層以及置于第一和第二透明基底層之間的液晶層，并通過用設置在第一和第二透明基底層的至少一個表面上的電極控制液晶層而選擇性地具有偏振特性。光束選擇性光學元件可包括彼此相對的第一和第二透明基底層以及置于第一和第二透明基底層之間的液晶層，并且是通過用設置在第一和第二透明基底層的至少一個表面上的電極控制液晶層而選擇性地具有折射率的有源液晶透鏡。

光路轉換器可包括調整外部光的透射量的有源反射器。有源反射器可包括液晶濾波器和電致變色裝置之一。

光路轉換器可以設置在用戶的瞳孔附近。

透視型全息顯示設備可以安裝在戴在觀察者頭部上的頭部安裝殼體中，以用于左眼和右眼中的至少一只。

根據本公開的另一方面，提供了顯示全息圖的頭戴式顯示(HMD)設備，包括左眼透視型全息顯示設備；右眼透視型全息顯示設備；以及連接左眼透視型全息顯示設備和右眼透視型全息顯示設備的框架，其中，左眼透視型全息顯示設備和右眼透視型全息顯示設備均包括：光源，提供光；空間光調制器，使光衍射，并再現全息圖；中繼光學系統，放大或縮小并傳輸由空間光調制器產生的全息圖；噪聲去除濾波器，從經由中繼光學系統傳輸的全息圖的衍射光中去除噪聲；以及光路轉換器，改變從中繼光學系統傳輸的全息圖的衍射光的路徑和外部光的路徑中的至少一個，并將衍射光和外部光傳輸至相同區域。

當HMD設備戴在用戶頭部上時，左眼透視型全息顯示設備的光路轉換器可以鄰近用戶左眼設置，右眼透視型全息顯示設備的光路轉換器可以鄰近用戶右眼設置。

左眼透視型全息顯示設備的光路轉換器和右眼透視型全息顯示設備的光路轉換器之間的距離可以調整。

附圖說明

結合附圖，從實施例的下列描述中，這些和/或其它方面變得明白和更易理解，附圖中：

圖1是根據實施例的由用戶戴著的透視型全息顯示設備的示例的示意圖；

圖2是圖1的透視型全息顯示設備的光學系統的示意圖；

圖3是物鏡的布局的示例的圖；

圖4是物鏡的布局的另一示例的圖；

圖5是描述圖4的物鏡的布局的操作的圖；

圖6是根據另一實施例的透視型全息顯示設備的光學系統的示意圖；

圖7是根據另一實施例的透視型全息顯示設備的光學系統的示意圖；

圖8是根據另一實施例的透視型全息顯示設備的光學系統的示意圖；

圖9是根據另一實施例的透視型全息顯示設備的光學系統的示意圖；

圖10是描述圖9的透視型全息顯示設備的操作的圖；

圖11是根據另一實施例的透視型全息顯示設備的光學系統的示意圖；

圖12是根據另一實施例的透視型全息顯示設備的光學系統的示意圖；

圖13是根據另一實施例的透視型全息顯示設備的光學系統的示意圖；

圖14是圖13的透視型全息顯示設備中使用的光束選擇性光學元件的示例的圖；

圖15A至15C是圖13的透視型全息顯示設備中使用的光束選擇性光學元件的示例的圖；

圖16是根據另一實施例的由用戶戴著的頭戴式顯示器(HMD)設備(透視型全息顯示設備)的示例的示意性平面圖；以及

圖17是圖16的HMD的設備的光學系統的示意圖。

具體實施方式

在下文中，參考附圖，詳細描述透視型全息顯示設備。相同的附圖標記指代相同的元件，在附圖中，為了清楚和便于解釋，夸大了元件的尺寸。

圖1是根據實施例的由用戶(觀察者)10戴著的透視型全息顯示設備100的示例的示意圖。圖2是圖1的透視型全息顯示設備100的中繼光學系統140的示意圖。

參見圖1，根據實施例的透視型全息顯示設備100可以是可穿戴設備，比如戴在用戶10頭部的眼鏡。例如，透視型全息顯示設備100可具有獨眼眼鏡的形狀，經由該獨眼眼鏡，用戶10的兩只眼睛11的一只(例如圖1所示左眼11L)看見全息圖和外部。作為另一示例，透視型全息顯示設備100可具有附接到眼鏡的目鏡(eye lens)之一(例如圖1所示左眼11L)的形狀。

透視型全息顯示設備100可包括殼體190、安裝在殼體190中的光學系統和控制光學系統的控制單元900。控制單元900可設置在殼體190外部或內部。

參見圖2，本實施例的透視型全息顯示設備100可包括提供光的光源單元110、形成全息圖的空間光調制器120、放大或縮小并傳輸由空間光調制器120產生的全息圖的中繼光學系統140以及光路轉換器180，光路轉換器改變從中繼光學系統140傳輸的全息圖的衍射光的路徑和外部光Lo的路徑中的至少一個，并將全息圖的衍射光和外部光Lo傳輸至相同區域。透視型全息顯示設備100還可包括噪聲去除濾波器150，其從由中繼光學系統140傳輸的全息圖的衍射光中去除噪聲。透視型全息顯示設備100還可包括物鏡170，其準直從中繼光學系統140傳輸的全息圖。透視型全息顯示設備100還可包括控制單元900，其控制空間光調制器120以產生全息圖。

光源單元110可包括光源111。光源111可包括激光二極管(LD)，以給空間光調制器120提供具有高空間相干性的光。然而，如果由光源111提供的光具有一定空間相干度，則由于光通過空間光調制器120充分衍射和調制，光源111可包括發光二極管(LED)。光源111可構造為紅色、綠色和藍色光源的陣列，如稍后所述，以通過RGB時分驅動實施彩色全息圖。例如，光源111可包括多個激光器或LED的陣列。除了激光光源或LED，光源111可包括任何其它光源，只要發射出具有空間相干性的光即可。

光源單元110可照明準直平行光。例如，準直透鏡112還可設置在光源單元110中，以將從光源111發射的光準直為平行光。

空間光調制器120可根據由控制單元900提供的全息數據在其調制表面上形成全息圖案。入射到空間光調制器120的光可變為衍射光，衍射光通過全息圖案被調制為全息波前的圖像。如稍后所述，在空間光器120上具有全息波前的圖像的衍射光使得經由中繼光學系統140和物鏡170通過衍射干涉在觀察孔(VW)中看見全息圖。

空間光調制器120可包括振幅空間光調制器，其僅執行振幅調制，從而防止分辨率惡化，并當2D圖像形成時，抑制2D圖像的質量惡化。例如，空間光調制器120可包括數字微反射鏡裝置(DMD)、硅上液晶(LCoS)或半導體光調制器。調制相位和振幅兩者的復合空間光調制器或調制相位的相位空間光調制器還可用作空間光調制器120。

分支入射光和發射光的光分支器130可以位于光源111和空間光調制器120之間。在這方面，入射光和發射光可分別指的是入射到空間光調制器120的光和從空間光調制器發出的光。光分支器130可允許從光源111入射的光穿過并行進到空間光調制器120，并且可以是朝向中繼光學系統140反射從空間光調制器120反射的光的分束器。作為另一示例，光分支器130可以是半透反射鏡(half mirror)。

由光源單元110照明的光可以是偏振的。光源111可發射偏振光，或者光源110可包括偏振濾波器以偏振從光源111發射的光。在該情況下，光分支器130可以是偏振分束器。諸如1/4偏振板的偏振轉換構件還可設置在光分支器130和空間光調制器120之間，以區分從光分支器130到空間光調制器120的光的偏振以及從空間光調制器120反射的光的偏振，從而更有效地分支入射光和發射光。

反射構件113可以位于光源111和光分支器130之間。反射構件113可以是全反射棱鏡或純反射鏡(mere mirror)。反射構件113可設置用于光學構件(比如光源111等)在殼體190的有限空間中的恰當布局。

中繼光學系統140可以是變型的4f光學系統，其放大或縮小并傳輸由空間光調制器120產生的全息波前的圖像。例如，中繼光學系統140可包括具有第一焦距f1的第一中繼透鏡141和具有第二焦距f2的第二中繼透鏡143。第一中繼透鏡141可以設置成空間光調制器120的調制表面定位在第一中繼透鏡141的入射表面側的第一焦距f1的位置處或者該位置附近。第二中繼透鏡143可以設置成其入射表面側的第二焦距f2定位在第一中繼透鏡141的發射表面側的第一焦距f1的位置處或者該位置附近。根據中繼光學系統140的光學布局，在空間光調制器120的調制表面上產生的全息波前的圖像可以成像在第二中繼透鏡143的發射表面側的第二焦距f2處。由中繼光學系統140成像的全息波前的圖像在下面指的是成像的SLM(圖3的172)。

第一焦距f1可以與第二焦距f2不同。例如，第二焦距f2可以大于第一焦距f1，從而中繼光學系統140可以放大成像的SLM 172。或者，第一焦距f1可以大于第二焦距f2，從而中繼光學系統140可以縮小成像的SLM 172。如稍后所述，由于成像的SLM 172的尺寸與視角(VA)成比例，VA可通過放大或縮小成像的SLM 172來改變。

噪聲去除濾波器150可設置在第一中繼透鏡141的發射表面側的第一焦距f1和第二中繼透鏡143的入射表面側的第二焦距f2彼此重疊的位置處或者該位置附近。噪聲去除濾波器150可以是例如針孔。噪聲去除濾波器150可以放置在中繼光學系統140的第一中繼透鏡141的第一焦距f1處，并可阻擋除了期望衍射級光之外的光，從而去除由于空間光調制器120的像素結構引起的噪聲，比如衍射圖案或多重衍射。

如上所述，在空間光調制器120的調制表面上形成的全息波前的圖像可通過中繼光學系統140形成成像的SLM 172。物鏡170可在用戶10的瞳孔13前方聚焦成像的SLM 172，以在用戶10的瞳孔13前方形成觀察孔。觀察孔可以理解為用戶10看見全息圖的空間。稍后參考圖3描述物鏡170的布局。

光路轉換器180可以是分束器，其反射從中繼光學系統140傳輸的衍射光，并允許外部光Lo透射通過。光路轉換器180可以構造成入射到并透射通過第一入射表面180a的光束從位于光路轉換器180內部的束分離薄膜181反射，并發射到發射表面180c，入射到并透射通過第二入射表面180b的光束透射通過束分離薄膜181，并發射到發射表面180c。

作為示例，束分離薄膜181可以是半透反射鏡。在該情況下，由光源單元110照明的光不必局限于偏振光。

作為另一示例，當由光源單元110照明的光可偏振時，光路轉換器180的束分離薄膜181可以是偏振選擇性反射薄膜。如果入射到第一入射表面180a的光束的偏振方向是第一偏振方向，則正交于第一偏振方向的偏振方向是第二偏振方向，束分離薄膜181可具有偏振選擇性，具有第一偏振方向的光(下文中指的是第一偏振方向的光)反射，具有第二偏振方向的光(下文中指的是第二偏振方向的光)透射。由于外部光Lo具有第一偏振分量和第二偏振分量兩者，所以如果束分離薄膜181具有偏振選擇性，則僅包含在從第二入射表面180b入射的外部光Lo中的第二偏振分量可透過束分離薄膜181，到達用戶眼睛11的瞳孔13。

光路轉換器180的第一入射表面180a可以鄰近物鏡170。光路轉換器180的發射表面180c可鄰近用戶眼睛11的瞳孔13。

光路轉換器180可以是改變從中繼光學系統140傳輸的全息圖的衍射光的路徑以及外部光Lo的路徑中的至少一個，并將衍射光和外部光Lo傳輸到相同區域(即，用戶眼睛11的瞳孔13)的光學構件的示例。

如上所述，根據實施例的透視型全息顯示設備100可以是戴在用戶10頭部的可穿戴設備，由此，殼體190可具有獨眼眼鏡(其是從用戶10的眼睛到耳朵的緊密安裝零件)的形狀，或者可具有附接到眼鏡的透鏡之一的形狀。

例如，殼體190可包括鄰近耳朵的第一殼體部分190A、彎曲部分190B和鄰近眼睛11的第二殼體部分190C。第一殼體部分190A、彎曲部分190B和第二殼體部分190C可一體形成，但是不局限于此。第一殼體部分190A可具有例如光源單元110、空間光調制器120、光分支器130、中繼光學系統140和噪聲去除濾波器150。第二殼體部分190C可具有例如物鏡170和光路轉換器180。彎曲部分190B可具有根據殼體190的形狀彎曲光路的反射構件160，比如全反射棱鏡或純反射鏡。根據殼體190的尺寸或光學系統的中繼光學系統140的焦距，中繼光學系統140的第二中繼透鏡143或噪聲去除濾波器150可設置在第二殼體部分190C中。第二殼體部分190C可包括第一窗191和第二窗192，第一窗設置在面向用戶10的眼睛11的位置處，當透視型全息顯示設備100戴在用戶10的頭部上時，第二窗192設置在與第一窗191相對人新加坡。第一窗和第二窗191和192可包括玻璃或透明塑料材料或者可以是第二殼體部分190C的敞開部分。光路轉換器180可設置成第二入射表面180b位于第二窗192附近。根據上述布局，外部光Lo可經由第二窗192入射到光路轉換器180，并可經由光路轉換器180和第一窗191到達用戶10的眼睛11。換言之，用戶10可經由第一窗191、光路轉換器180和第二窗192看見外部。根據上述布局，光路轉換器180可鄰近用戶10的眼睛11設置。

下面描述物鏡170的布局。

圖3是物鏡170的布局的示例的圖。為了便于說明，圖3示出未被圖2的光路轉換器180的束分離薄膜181彎曲的衍射光。參見圖3，物鏡170可設置在成像的SLM 172的位置處或者該位置附近。如果空間光調制器120的光調制表面設置在第一中繼透鏡141的入射表面側的第一焦距f1的位置處或該位置附近，由于成像的SLM 172形成在第二中繼透鏡143的發射表面側的第二焦距f2處或該位置附近，所以物鏡170可設置在第二中繼透鏡143的發射表面側的第二焦距f2處或該位置附近。

圖4是物鏡170的布局的另一示例的圖。為了便于說明，圖4還示出未被圖2的光路轉換器180的束分離薄膜181彎曲的衍射光。參見圖4，物鏡170可設置成成像的SLM 172放置在物鏡170的前焦點(物方焦點)Fo和物鏡170的入射表面之間。

現在參考圖2描述透視型全息顯示設備100的操作。控制單元900可產生全息數據，并給空間光調制器120提供全息數據信號。全息數據信號可以是計算機產生全息圖(CGH)信號，其被計算以在空間中再現目標全息圖。彩色全息圖可以由RGB時分驅動來實施。例如，控制單元900可相繼地驅動光源單元110的紅色、綠色、藍色光源，傳輸對應于紅色、綠色和藍色全息圖的全息數據信號，并相繼地顯示紅色、綠色和藍色全息圖，由此可顯示彩色全息圖。

空間光調制器120可根據由控制單元900提供的全息數據信號在空間光調制器120的表面上形成全息圖案。空間光調制器120形成全息圖案的原理可以與例如顯示面板顯示圖像的原理一樣。例如，全息圖案可顯示在空間光調制器120上，作為包括與要再現的全息圖相關的信息的干涉圖案。然后，光可通過由空間光調制器120形成的全息圖案變為衍射光，衍射光被調制以在空間光調制器120的調制表面上具有全息波前。

由空間光調制器120產生的衍射光可通過中繼光學系統140形成成像的SLM 172。

空間光調制器120可以構造為多個像素的陣列，由此，多個像素的陣列充當像素點陣。由此，入射光不僅可以通過由空間光調制器120形成的全息圖案而衍射和干涉，而且還可以通過構造為空間光調制器120的鮮紅陣列的像素點陣而衍射和干涉。入射光的一部分不通過空間光調制器120的全息圖案衍射，而是可透過空間光調制器120。結果，多個格點可顯現在光瞳平面上，全息圖在光瞳平面上聚焦為斑點，VW放置在光瞳平面中。多個格點可充當圖像噪聲，圖像噪聲使多個全息圖惡化，并使得不便于欣賞全息圖。噪聲去除濾波器150可放置在中繼光學系統140的第一中繼透鏡141的第一焦距f1處，并可阻擋除了期望衍射級光之外的光，從而去除由于空間光調制器120引起的噪聲，比如衍射圖案或多重衍射。

物鏡170可準直成像的SLM 172以在用戶10眼睛11的瞳孔13前方形成VW。即，由中繼光學系統140形成的全息波前(即成像的SLM 172)可以在VW中衍射和干涉，由此，物鏡170使得看見3D全息圖。

同時，如上所述，圖2的光路轉換器180的束分離薄膜181可允許圖2的外部光Lo透過，由此不僅可在VW中看見全息圖而且還可看見圖2的第二窗192外部的場景。

如圖3所示，當物鏡170設置在成像的SLM 172的位置處或者該位置附近時，用戶經由物鏡170看見的圖像可以是成像的SLM 172。即，當再現全息圖時，用戶10可在與成像的SLM 172相距d的觀看位置中(VW)欣賞全息圖。在這方面，可根據成像的SLM 172的尺寸S和成像的SLM 172與VW的距離d來控制再現的全息圖的VA或視場(FOV)。即，如果成像的SLM 172的尺寸S增加，則FOV的VA可增加，如果成像的SLM 172的尺寸S減小，則FOV的VA可減小。成像的SLM 172的尺寸S可以根據空間光調制器120的尺寸和中繼光學系統140的放大率來確定。同時，如果成像的SLM 172與VW的距離d減小，則VA或FOV可增加。成像的SLM 172與VW的距離d可以根據物鏡170的F值F/#確定。如上所述，物鏡170和光路轉換器180設置成與用戶10的瞳孔13接觸，由此，成像的SLM 172與VW的距離d可減小，相應地，VA或FOV可增加。

如圖4所示，成像的SLM 172可放置在物鏡170的前焦點(物方焦點)Fo和物鏡170的入射表面之間。圖5是描述圖4的物鏡170的布局的操作的圖。當成像的SLM 172放置在物鏡170的前焦點(物方焦點)Fo和物鏡170的入射表面之間時，如圖5所示，經由物鏡170看見的圖像可以是通過物鏡170的豎立虛擬成像的SLM 173。在這方面，豎立虛擬成像的SLM 173的尺寸S’可相對于成像的SLM 172的尺寸S滿足透鏡的下面方程式，

[方程式1]

其中，負號-表示虛像，a表示成像的SLM 172和物鏡170之間的距離，b表示豎立虛擬成像的SLM 173和物鏡170之間的距離，f3表示物鏡170的前焦距。

用戶10可在與豎立虛擬成像的SLM 173相距d’的觀察位置(VW)中欣賞全息圖。在這方面，可以根據豎立虛擬成像的SLM 173的尺寸S’和豎立虛擬成像的SLM 173與VW的距離d’控制再現的全息圖的VA或FOV。即，如果豎立虛擬成像的SLM 173的尺寸S’增加，則VA或FOV增加，如果豎立虛擬成像的SLM 173的尺寸S’減小，則VA或FOV減小。豎立虛擬成像的SLM 173的尺寸S’可以根據成像的SLM 172和物鏡170之間的位置關系來確定，如上面方程式1所示。更詳細地，當物鏡170的前焦點Fo設置成更靠近成像的SLM 172時，豎立虛擬成像的SLM 173的尺寸S’極大地增加，由此，VA或FOV可極大地增加。

通過使用復合空間光調制器實施全息圖的沉浸式全息顯示設備已知為應用于常規HMD的全息顯示設備，然而，復合空間光調制器可需要復雜結構，導致分辨率惡化，并當表達2D圖像時導致2D圖像質量惡化。超高清晰度復合空間光調制器有必要最小化高階衍射的影響，FOV可以由復合空間光調制器的尺寸限制。由此，相對于相同分辨率，具有超高清晰度像素的復合空間光調制器可具有比較窄的FOV。

同時，本實施例的透視型全息顯示設備100不僅可根據空間光調制器120的尺寸而且還可以根據光學系統的構造(例如，中繼光學系統140的放大率、物鏡170的F值F/#或物鏡170的位置等)確定成像的SLM 172的尺寸S或豎立虛擬成像的SLM 173的尺寸S’，由此，全息圖的VA或FOV不由空間光調制器120的尺寸限制。

在本實施例中描述用于實施彩色全息圖的RGB時分驅動的示例，但是實施例不限于此。作為另一示例，光源單元110可照明白光，并使用包括濾色器的液晶面板作為空間光調制器120，從而根據空間分割實施彩色全息圖。

在上述實施例中描述了光源單元110照明準直平行光的情況。然而，光源單元110可照明發散光或會聚光。在該情況下，光源單元110可包括發散或會聚光的透鏡而不是準直透鏡。根據情形，物鏡170可以省略。

盡管在圖1和2中透視型全息顯示設備100戴在用戶10的左眼11L上，但是透視型全息顯示設備100可以戴在用戶10的右眼11R上。戴在右眼11R上的透視型全息顯示設備100可具有與戴在左眼11L上的透視型全息顯示設備100對稱的結構。

圖6是根據另一實施例的透視型全息顯示設備200的光學系統的示意圖。參見圖6，本實施例的透視型全息顯示設備200與參考圖1至5所述的透視型全息顯示設備100基本相同，除了透視型全息顯示設備200使用透射式空間光調制器220。透射式空間光調制器220可包括例如使用液晶裝置(LCD)的光調制器或者基于化合物半導體(比如GaAs)的半導體光調制器。從光源單元110發出的光經由透射式空間光調制器220衍射和調制。穿過透射式空間光調制器220的衍射光可經由中繼光學系統140、物鏡170和光路轉換器180聚焦在用戶10眼睛11的瞳孔13前方，以形成VW。

圖7是根據另一實施例的透視型全息顯示設備300的光學系統的示意圖。參見圖7，本實施例的透視型全息顯示設備300與參考圖1至5所述的透視型全息顯示設備100基本相同，除了透視型全息顯示設備300使用有源反射器380作為光路轉換器。有源反射器380可以是在控制單元901的控制下主動地調整反射和透射的光學部件。例如，作為使用液晶(LC)的透射調整裝置，連同(半透)反射鏡，有源反射器380可包括電致變色裝置等。可增加朝向用戶10的瞳孔13的光量的反射涂層或具有其它額外功能的薄膜可額外地設置在有源反射器380的束分離薄膜上。有源反射器380可用作光路轉換器，由此，在因極其亮的外部環境而不易觀察全息圖的情況下，控制單元901可調整從外部入射到瞳孔13的光量。

圖8是根據另一實施例的透視型全息顯示設備400的光學系統的示意圖。參見圖8，本實施例的透視型全息顯示設備400可包括光路轉換器480(比如參考圖1至5所述的分束器)和設置在光路轉換器480的第二入射表面480b上的分離透射式調整裝置485。透射式調整裝置485可以分離地使用，由此，在因極其亮的外部環境而不易觀察全息圖的情況下，控制單元902可調整從外部經由第二窗192入射到瞳孔13的外部光Lo的量。

圖9是根據另一實施例的透視式全息顯示設備500的光學系統的示意圖。圖10是描述圖9的透視型全息顯示設備500的操作的圖。

參見圖9，本實施例的透視型全息顯示設備500與參考圖1至5所述的透視型全息顯示設備100基本相同，除了透視型全息顯示設備500還包括可沿光軸方向546a移動中繼光學系統540的第二中繼透鏡543的移動透鏡保持器546。移動透鏡保持器546可包括電機(未示出)，以在控制單元903的控制下在光軸方向546a上移動第二中繼透鏡543。作為另一示例，移動透鏡保持器546可沿光軸方向546a手動地移動第二中繼透鏡543。如果第二中繼透鏡543在光軸方向546a上移動，則由中繼光學系統540形成的成像的SLM 172的尺寸可以調整，或者成像的SLM 172的位置可以移動，如圖10所示。

更詳細地，經由中繼光學系統540的第一中繼透鏡541由空間光調制器120形成的衍射光可以在聚焦在第一中繼透鏡541的發射表面側的焦點位置處之后發散。與參考圖1至5所述的透視型全息顯示設備100類似，如果第二中繼透鏡543位于第二中繼透鏡543的入射表面側的焦點位置與第一中繼透鏡541的發射表面側的焦點位置相同的地點(下文中稱為原始位置)，則成像的SLM 172的尺寸可以是S1。然而，如果第二中繼透鏡543從原始位置在方向547上移動得更靠近第一中繼透鏡541，則成像的SLM 172的尺寸可以縮小至S2。結果，用戶可看見小尺寸(S2)的成像的SLM 172，由此，VA或FOV可以減小。相反地，如果第二中繼透鏡543從原始位置在遠離第一中繼透鏡541的方向上移動，由于成像的SLM 172的尺寸大于S1，所以用戶可看見大尺寸的成像的SLM 172，由此，VA或FOV可增加。如上所述，本實施例的透視型全息顯示設備500可通過移動中繼光學系統540的透鏡位置調整FOV，參考圖3所述。

如上所述，如果第二中繼透鏡543在光軸方向546a上移動，由于成像的SLM 172的位置也可移動，如參考圖4所述，所以成像的SLM 172的位置可在物鏡170的前焦點Fo和物鏡170的入射表面之間調整，由此，豎立虛擬成像的SLM 172的尺寸(方程式1的S’)可以調整，從而調整FOV。

同時，如果FOV增加，由于全息圖的每英寸像素(PPI)減小，所以圖像質量可惡化，如果FOV減小，由于全息圖的PPI增加，所以圖像質量提高。

圖11是根據另一實施例的透視型全息顯示設備600的光學系統的示意圖。參見圖11，本實施例的透視型全息顯示設備600與參考圖1至5所述的透視型全息顯示設備100基本相同，除了透視型全息顯示設備600使用場反射鏡670而不是參考圖1至5所述的物鏡170。光路轉換器680可以是分束器。光路轉換器680的束分離薄膜681可設置成入射到并透射通過第一入射表面680a的衍射光以及入射到并透射通過第二入射表面680b的外部光Lo可以朝向發射表面680c傳輸，入射到并透射通過第三表面680d的光可朝向發射表面680c反射，如圖11所示。在這方面，第三表面680d可以與第一入射表面680a相對。場反射鏡670可設置成鄰近光路轉換器680的第三表面680d。

根據上述布局，經由中繼光學系統140的衍射光可入射到光路轉換器680的第一入射表面680a，并可經由束分離薄膜681發射到第三表面680d。從第三表面680d發射的衍射光可以從場反射鏡670反射，可再次入射到光路轉換器680的第三表面680d，可從束分離薄膜681反射，然后可發射通過發射表面680c，由此，衍射光可到達用戶10的眼睛11的瞳孔13。在這方面，衍射光可以準直平行光入射到場反射鏡670，并可通過場反射鏡670聚焦以在瞳孔13處形成VW。同時，外部光Lo可入射到光路轉換器680的第二入射表面680d，然后可經由束分離薄膜681發射到發射表面680c，由此外部光Lo可到達用戶10的瞳孔13。

圖12是根據另一實施例的透視型全息顯示設備700的光學系統的示意圖。參見圖12，本實施例的透視型全息顯示設備700與參考圖1至5所述的透視型全息顯示設備100基本相同，除了透視型全息顯示設備700使用具有彎曲表面束分離薄膜781的光路轉換器780而不是圖1至5所述的物鏡170和光路轉換器180。

光路轉換器780可以是分束器，其包括相對于第一入射表面780a以凹彎曲表面形成的束分離薄膜781。光路轉換器780可具有這樣的形狀，其中，由束分離薄膜781分離的兩部分相對于束分離薄膜781通過一邊界結合起來。在這方面，光路轉換器781的兩部分具有大致相同的折射率。

光路轉換器780的束分離薄膜781可以是半透反射鏡。在該情況下，由光源單元110照明的光不必局限于偏振光。

作為另一示例，當由光源單元110照明的光可偏振時，光路轉換器780的束分離薄膜781可以是偏振選擇性薄膜。例如，束分離薄膜781可具有偏振選擇性，入射到第一偏振表面780a的光(即從光源110發射的偏振光)反射，第二偏振的光透射。由于外部光Lo具有第一偏振分量和正交于第一偏振方向的第二偏振分量兩者，所以如果束分離薄膜781具有偏振選擇性，則僅包含在從第二入射表面780b入射的外部光Lo中的第二偏振分量可透過束分離薄膜781，并到達用戶眼睛11的瞳孔13。

束分離薄膜781的彎曲表面可以設計成使得入射到第一偏振表面780a的光束反射，并聚集在束分離薄膜781中以在用戶眼睛11的瞳孔13前方形成VW。通過束分離薄膜781對光束的聚焦可代替參考圖1至10所述的物鏡170的功能或參考圖11所述的場反射鏡670的功能。由此，光路轉換器780可設置在對應于上述物鏡170的位置的位置處。例如，光路轉換器780可以設置成束分離薄膜781放置在像平面(圖3的172)附近，從中繼光學系統140傳輸的全息圖成像在像平面上。

同時，由于光路轉換器780的相對于束分離薄膜781通過一邊界結合起來的兩部分具有大致相同的折射率，所以當外部光Lo穿過束分離薄膜781時，不會發生折射。換言之，外部光Lo無折射地穿過束分離薄膜781，用戶可看見沒有畸變的外部場景。

圖13是根據另一實施例的透視型全息顯示設備800的光學系統的示意圖。

參見圖13，本實施例的透視型全息顯示設備800的光學系統基本上與參考圖7所述的透視型全息顯示設備700的光學系統相同，除了透視型全息顯示設備800的光學系統還包括光束選擇性光學元件890，由此，下面主要描述差別。

光源單元110可照明偏振光。如參考圖2所述，當光源單元110照明偏振光時，光分支器130可以是偏振分束器，諸如1/4偏振板(未示出)的偏振轉換構件還可設置在光分支器130和空間光調制器120之間。光路轉換器880可具有偏振選擇性，并包括以預定彎曲表面形成的束分離薄膜881。如參考圖12所述，束分離薄膜881可具有偏振選擇性，入射到第一偏振表面880a的第一偏振光(即從光源110發射的偏振光)反射，第二偏振光透射。由于外部光Lo具有第一偏振分量和正交于第一偏振方向的第二偏振分量，所以僅包含在外部光Lo中的第二偏振分量可透過束分離薄膜881，并到達用戶眼睛11的瞳孔13。如下所述，光束選擇性光學元件890僅相對于第一偏振光具有正(+)折射率，相對于第二偏振光不具有折射率。由此，束分離薄膜881的彎曲表面可考慮光束選擇性光學元件890的折射率來設計。

圖14是用在圖13的透視型全息顯示設備800中的光束選擇性光學元件890的示例的圖。圖14的光束選擇性光學元件890是相對于第一偏振光和第二偏振光具有不同折射率的偏振依賴性透鏡。參見圖14，光束選擇性光學元件890可以是粘合透鏡，第一透鏡891和第二透鏡892粘合起來。第一透鏡891可以是各向同性透鏡，包括例如玻璃或各向同性聚合材料。第二透鏡892可以是各向異性透鏡，包括根據偏振方向具有不同折射率的各向異性聚合材料。包括各向異性聚合材料的第二透鏡892可相對于第一偏振光具有與第一透鏡891不同的折射率，并可相對于第二偏振光具有與第一透鏡891相同的折射率。光束選擇性光學元件890的入射表面890a(即第一透鏡891的入射表面)和光束選擇性光學元件890的發射表面890c(即第二透鏡892的發射表面)可以是平坦表面。第一透鏡891和第二透鏡892之間的邊界表面890b可以是具有預定曲率的彎曲表面。邊界表面890b的彎曲表面可以設計成入射到光束選擇性光學元件890的入射表面890a的第一偏振的光束聚焦以在用戶眼睛11的瞳孔13前方形成VW。

現在簡要地描述本實施例的透視型全息顯示設備800的操作。

具有由光源單元110照明的偏振的光可具有預定全息圖信息，并可經由空間光調制器120衍射，并作為第一偏振的衍射光經由中繼光學系統140和噪聲去除濾波器150入射到光路轉換器880的第一偏振表面880a。光路轉換器880可構造成第一偏振光可在束分離薄膜881中反射，由束分離薄膜881的曲率聚焦，并發射通過發射表面880c。從光路轉換器880發射的第一偏振光可在光束選擇性光學元件890中聚焦，以在用戶眼睛11的瞳孔13前方形成VW，由此用戶可看見全息圖。

外部光Lo可入射到光路轉換器880的第二偏振表面880b。僅包含在外部光Lo中的垂直于第一偏振的第二偏振光可穿過光路轉換器880的束分離薄膜881，并發射通過發射表面880c。從光路轉換器880發射的第二偏振的外部光Lo可無折射地穿過光束選擇性光學元件890，由此用戶可看見無畸變的外部場景。

在本實施例中，光路轉換器880和光束選擇性光學元件890可通過分配折射率相對于第一偏振光設計，由此光學設計在自由度方面進一步自由，VA可充分地增加。根據情況，當光束選擇性光學元件890充分地控制折射率時，光路轉換器880的束分離薄膜881可形成為平坦表面。

圖15A至15C是用在圖13的透視型全息顯示設備800中的光束選擇性光學元件990、990’和990”的示例的圖。

參見圖15A，光束選擇性光學元件990可包括彼此相對的第一和第二透明基底層991和992以及置于第一和第二透明基底層991和992之間的液晶層994。第一和第二透明基底層991和992的相對表面之間的至少一個表面可以彎曲表面形成使得光束選擇性光學元件990可根據液晶層994的取向具有預定折射率。第一和第二電極996和997可以分別設置在第一和第二透明基底層991和992中。電源998可對第一和第二電極996和997施加電壓。液晶層994的液晶可以通過所施加電壓對齊。參考標號995表示密封液晶層994的屏障。液晶層994的折射率和偏振特性可以根據液晶的對齊來改變，由此，本實施例的光束選擇性光學元件990可以是有源透鏡。作為示例，當不對液晶層994施加電壓時，第一偏振光或第二偏振光可實際上透射通過液晶層994，由此，用戶可看見全息圖和外部場景兩者。當對液晶層994施加電壓時，僅第一偏振光可在透射通過液晶層994之后聚焦，由此，用戶僅看見全息圖。作為另一示例，在對液晶層994施加電壓且僅第二偏振光透射通過液晶層994的情況下，當不對液晶層994施加電壓時，第一偏振光和第二偏振光兩者可實際上透射通過液晶層994，由此用戶可看見全息圖和外部場景兩者，在對液晶層994施加電壓時，僅第二偏振光可在透射通過液晶層994之后聚焦，由此，用戶僅看見外部場景。

盡管第二透鏡基底層992的內表面(即第二電極997所在的表面)在圖15A中形成為彎曲表面，但是第一透明基底層991可以形成為彎曲表面。第一和第二電極996和997在圖15A分別設置在第一和第二透明基底層991和992的相對表面上，但是本公開不限于此。

圖15B示出圖15A的光束選擇性光學元件990的變型例。參見圖15B，光束選擇性光學元件990’可包括彼此相對的第一和第二透明基底層991’和992’以及置于第一和第二透明基底層991’和992’之間的液晶層994’。第一和第二電極996’和997’可分別設置在第一和第二透明基底層991’和992’中。電源998’可對第一和第二電極996’和997’施加電壓。液晶層994’的液晶可通過所施加電壓對齊。液晶層994’的偏振特性可以根據電壓的施加而改變。液晶層994’可以由屏障995’密封。

第一和第二透明基底層991’和992’中的至少一個可以是粘合透鏡。作為示例，如圖15B所示，第二透明基底層992’可以通過粘合具有不同折射率的第一透鏡層992a’和第二透鏡層992b’來形成。在這方面，第二透明基底層992’整體具有平板形狀。第一透鏡層992a’和第二透鏡層992b’之間的粘合表面可以相對于入射表面凸出地形成，使得第二透明基底層992’可具有正(+)折射率。粘合表面的形狀可以根據第一透射層992a’和第二透鏡層992b’的折射率改變。與上面參考圖14所述的光束選擇性光學元件890類似，第一透鏡層992a’可包括各向同性材料，第二透鏡層992b’可包括各向異性材料，使得第二透明基底層992’可相對于第一偏振光(即衍射光)和第二偏振光(即外部光)具有不同的折射率。

本實施例的光束選擇性光學元件990’與參考圖15A所述的光束選擇性光學元件990的不同之處在于，第二透明基底層992’控制折射率，光束選擇性光學元件990’僅選擇偏振。

圖15C示出圖15A的光束選擇性光學元件990的變型例。參見圖15C，光束選擇性光學元件990”可包括彼此相對的第一和第二透明基底層991”和992”以及置于第一和第二透明基底層991”和992”之間的液晶層994”。第一和第二電極996”和997”可分別設置在第一和第二透明基底層991”和992”中。第二電極997”可設置在第二透明基底層992”的整個表面上，而第一電極996”可設置在第一透明基底層991”的一部分上(例如，如圖15C所示的第一透明基底層991”的圓周或兩側)。電源998”可對第一和第二電極996”和997”施加電壓。液晶層994”的液晶可以通過所施加電壓對齊。液晶層994”可以由屏障995”密封。

由于第一電極996”的位置與第二電極997”的位置不同，所以施加到液晶層994”的電場可以是非均勻的。例如，當第一電極996”設置在第一透明基底層991”的圓周或兩側上時，第一電極996”的邊緣側的電場可具有彌散場形狀。由此，如果第一電極996”的形狀和施加到其的電壓恰當地選擇，則液晶層994”可通過施加到液晶層994”的非均勻電場具有正(+)折射率。即，在不對液晶層994”施加電壓時，第一偏振光或第二偏振光可實際上透射通過液晶層994”，由此，用戶可看見全息圖和外部場景。在對液晶層施加電壓時，僅第一偏振光在透射通過液晶層994”之后聚焦，由此，用戶僅看見全息圖。

圖16是根據另一實施例的由用戶戴著的頭戴式顯示器(HMD)設備700(透視型全息顯示設備)的示意性平面圖。圖17是圖10的HMD設備700的光學系統的示意圖。

參見圖16，本實施例的HMD設備可以是戴在用戶10頭部的設備(比如眼鏡或護目鏡)或者附接在眼鏡或護目鏡上。

HMD設備1000可包括左眼透視型顯示設備1001、右眼透視型顯示設備1002以及連接左眼透視型顯示設備1001和右眼透視型顯示設備1002的框架803。左眼透視型顯示設備1001和右眼透視型顯示設備1002均可以是參考圖1至15所述的透視型全息顯示設備100至600之一。當HMD設備1000戴在用戶10的頭部上時，左眼透視型顯示設備1001的光路轉換器1081可以鄰近用戶10的左眼11L設置，右眼透視型顯示設備1002的光路轉換器1082可以鄰近用戶10的右眼11R設置。左眼透視型顯示設備1001和右眼透視型顯示設備1002可分別顯示左眼全息圖和右眼全息圖。由于左眼透視型顯示設備1001和右眼透視型顯示設備1002是透視型顯示設備，本實施例的HMD設備1000可以是看見左右眼全息圖和外部場景的透視型顯示設備。

控制左眼透視型顯示設備1001和右眼透視型顯示設備1002的光學系統的控制單元1004可設置在左眼透視型顯示設備1001和右眼透視型顯示設備1002之一的殼體的內部或外部。

不同用戶的瞳孔的位置可稍微不同。由此，需要調整由左眼透視型顯示設備1001和右眼透視型顯示設備1002每個形成的觀察孔VW的位置的構成元件，使得VW在用戶的瞳孔處。在這方面，框架1003可在左右方向1004上移動左眼透視型顯示設備1001和右眼透視型顯示設備1002中的至少一個，以減小或增加左眼透視型顯示設備1001和右眼透視型顯示設備1002之間的空間，從而固定左眼透視型顯示設備1001和右眼透視型顯示設備1002。這種框架1003的固定設備可使用熟知的方法。本實施例的HMD設備1000可分離地包括左眼透視型顯示設備1001的光學系統和右眼透視型顯示設備1002的光學系統，從而容易地調整左眼透視型顯示設備1001和右眼透視型顯示設備1002之間的距離。

根據實施例的透視型全息顯示設備可同時看見全息圖和外部。

根據實施例的透視型全息顯示設備可調整視場的尺寸。

根據實施例的透視型全息顯示設備可應用于個人透視型顯示頭戴式顯示器。

根據實施例的透視型全息顯示設備可實施光學系統，該光學系統經由振幅調制將全息圖實施到頭戴式顯示器。

當根據實施例的透視型全息顯示設備應用于雙目頭戴式顯示器時，由于左光學系統和右光學系統完全分離，所以左光學系統和右光學系統的一個或兩個根據用戶(觀察者)的左瞳孔和右瞳孔之間的距離移動，從而調整左瞳孔和右瞳孔之間的距離。

為了便于理解透視型全息顯示設備，在附圖中描述和顯示了各實施例。然而，應理解的是，本文所述實施例應僅以描述性考慮，不用于限制性。每個實施例內的特征或方面的描述通常應考慮為可用于其它實施例中的其它類似特征或方面。

盡管參考附圖描述了一個或多個實施例，但是本領域技術人員應理解的是，在不脫離由下面權利要求限定的精神和范圍的情況下，可以對形式和細節進行各種改變。