[0001] 本公开涉及一种平视显示器的瞳孔复制器。传统瞳孔复制器占用相当大的空间且增加系统的重量。设计平视系统时，首要目标是减少平视显示器系统的重量和尺寸。

[0002] 因此，虽然当前用于平视系统的瞳孔复制器实现其预期目的，但仍需要一种新的改进的瞳孔复制器，这种瞳孔复制器使眼盒膨胀良好且比传统瞳孔复制器更小更轻。发明内容

[0003] 根据本公开的几个方面，一种平视显示器的瞳孔复制器包括波导管，用于接收入射像束；达曼光栅，用于创造多个等强度的复制像束，每个复制像束与入射像束相同，并将多个复制像束中的每一个在波导管中反射；以及光束对准装置，用于接收多个复制像束中的每一个并将多个复制像束中的每一个相对于波导管以公共角反射，其中，多个复制像束中的每一个被光束对准装置反射后相互平行。

[0004] 根据另一方面，波导管包括具有局部透射顶面和反射底面的透明体。

[0005] 根据另一方面，达曼光栅与透射顶面位置相邻。

[0006] 根据另一方面，达曼光栅蚀刻到透射顶面中。

[0007] 根据另一方面，光束对准装置包括多个光束对准棱镜。

[0008] 根据另一方面，多个光束对准棱镜包括反射底面从波导管向外延伸的部分。

[0009] 根据另一方面，多个光束对准棱镜包括反射底面从波导管向内延伸的部分。

[0010] 根据另一方面，光束对准装置包括至少一个全息光学元件。

[0011] 根据另一方面，全息光学元件包括写进载体材料的反射全息图，载体材料附着到波导管的反射底面。

[0012] 根据另一方面，反射底面的空气玻璃界面的反射率为100％。

[0013] 根据另一方面，入射像束进入波导管的透明体中，波导管的透明体允许入射像束以100％透度进入波导管的透明体中。

[0014] 根据另一方面，透射顶面包括第一区域和第二区域，并且其中，对于每一个复制像束，入射像束的第一相同复制在第一区域内通过透射顶面传输，入射像束的第二相同复制在第二区域内通过透射顶面传输。

[0015] 根据另一方面，透射顶面的第一区域允许第一预定透射率水平，透射顶面的第二区域允许第二预定透射率水平，第二预定透射率水平高于第一预定透射率水平。

[0016] 根据另一方面，对于每一个复制像束，入射像束的第一和第二相同复制的每一个具有相同强度。

[0017] 根据另一方面，波导管由玻璃和透明塑料中的一种构成。

[0018] 根据另一方面，透射顶面包括至少一个抽取全息光学元件。

[0019] 从本文的描述可以看出，还有更多的适用范围。应当理解，描述和具体示例仅用于说明的目的，并且不旨在限制本公开的范围。附图说明

[0020] 本文描述的附图仅用于说明目的，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。

[0021] 图1A为具有平视显示器系统的汽车的侧视示意图；

[0022] 图1B为根据本公开的一个示例性实施例的瞳孔复制器的剖面侧视示意图；

[0023] 图2为具有最优厚度的传统瞳孔复制器的剖面侧视示意图；

[0024] 图3为具有小于最优厚度的传统瞳孔复制器的剖面侧视示意图；

[0025] 图4为示出达曼光栅功能的示意图；

[0026] 图5为具有蚀刻入波导管透射顶面的达曼光栅的瞳孔复制器的剖面侧视示意图；

[0027] 图6为图1所示图1B的一部分的放大图；

[0028] 图7为具有向波导管本体内部延伸的反射底面的部分的瞳孔复制器的剖面侧视示意图；

[0029] 图8为具有全息光学元件的瞳孔复制器的剖面侧视示意图；以及

[0030] 图9为图1所示瞳孔复制器的剖面侧视示意图，其中透射顶面包括第一和第二区域。

[0031] 附图不一定是按比例的，某些部件可能被放大或缩小，例如显示特定部件的细节。在某些情况下，为避免混淆本公开，未详细描述已知元件、系统、材料或方法。因此，所述具体结构和功能细节不应被理解为限制，而仅是作为权利要求的基础和代表性基础以教导本领域技术人员以各种方式应用本公开。

[0032] 以下描述本质上仅是示例性的并且不旨在限制本公开、应用或使用。另外，本公开不受前述技术领域、背景、简要概括或后文详细描述中所呈现的任何明示或暗示的理论的约束。应当理解，在附图中，相应参考标号表示类似或相应部分和部件。应当理解，附图仅为说明性的，可能不是按比例绘制而成。

[0033] 这里所用术语“车辆”不限于汽车。虽然本文主要针对汽车介绍现有技术，但是该技术并不限于汽车。这些概念可用于各种应用，如飞机、船舶、其他车辆以及消费类电子元件。

[0034] 参考图1A，一种平视显示器(HUD)系统200包括全息投影仪202，用于将全息图像204投影到汽车208的挡风玻璃206。车辆208内的乘员210看见挡风玻璃206上的投影图像
204并在挡风玻璃206的前方一段距离感知虚拟图像212。在一个示例性实施例中，HUD系统
200包括瞳孔复制器10。

[0035] 参考图1B，平视显示器系统的瞳孔复制器10包括波导管12，用于接收入射像束14。达曼光栅16用于创造多个等强度的复制像束114、214和314，每一个复制像束114、214和314与入射像束14相同。达曼光栅16还用于在波导管12中反射多个复制像束114、214和314中的每一个。光束对准装置18用于接收多个复制像束114、214和314中的每一个并将多个复制像束114、214和314中的每一个相对于波导管12以公共角20反射，其中多个复制像束114、214和314中的每一个被光束对准装置18反射后相互平行。

[0036] 在一个示例性实施例中，波导管12由玻璃或塑料构成并且包括具有透射顶面24和反射底面26的透明体22。参考图2，在传统波导管112中，全息像束28投影到波导管112的本体，随后在波导管112中传播并被多次抽取。波导管112中光多次再循环使瞳孔扩大，观看者能从扩大的眼盒中看见全息图像28。除了扩大眼盒外，瞳孔复制器10还放大原始投影图像。

[0037] 设计平视系统最为重要的是系统的重量和尺寸。通常，波导管112由玻璃或重塑料构成，使系统重量显著增加。减少平视系统的尺寸和重量的一个方法是将波导管112做的更薄。很遗憾，这么做会增加从波导管112提取的图像复制之间的缝隙。再次参考图2，当波导管112的厚度30A最佳时，相邻提取图像复制34A之间的缝隙32A足够小，确保当平视系统用户移动时，用户能看见连续图像。每个图像复制34A之间的缝隙32A应小于最小人类瞳孔预定尺寸，当观看者的眼睛在眼盒内移动时，确保虚拟图像的连续性。最小人类瞳孔预定尺寸可约等于或等于2毫米(mm)，例如，每个图像复制34A之间的缝隙32A满足以下关系：

[0038] 0mm≤缝隙32A≤最小人类瞳孔预定尺寸(如2mm)。

[0039] 满足以上关系的缝隙32A确保图像复制34A相互不重叠。同样，如果瞳孔位于两图像复制34A之间的缝隙32A中，眼睛依然能看见部分图像并维持图像连续性。参考图3，当波导管112的厚度30B减小时，图像28在波导管112中以更浅的角度反射，因此，图像复制34B之间的缝隙32B变大。因此，通过将波导管112做的更薄来减小波导管112的重量和尺寸可能会损害用户感知到的图像的质量。

[0040] 达曼光栅16用于接收入射像束14并创造多个等强度的复制像束114、214和314，每一个复制像束114、214和314与入射像束14相同，并在波导管12中反射多个复制像束114、214和314中的每一个。这就减小了从波导管12抽取的相邻图像复制之间的缝隙。

[0041] 再次参考图1B，在一个示例性实施例中，入射像束14进入波导管12的透明体22中。波导管12的透明体22允许入射像束14以100％透度进入波导管12的透明体22中。图像由达曼光栅16接收。达曼光栅16将入射像束14分为三个相同强度的复制像束114、214和314。每个复制像束114、214和314与入射像束14相同。达曼光栅16则在波导管12中反射三个复制像束114、214和314中的每一个，其中三个复制像束114、214和314中的每一个由波导管12复制。如图1B所示，三个复制像束114、214和314中的每一个由波导管12复制两次。本领域技术人员应当理解，达曼光栅16能够创造任何适当数量的复制像束114、214和314。本领域技术人员应当理解，波导管12可用于提供大于或等于复制像束114、214和314中的每一个的两个复制的任何适当数量。

[0042] 当光入射到与光波长相比的长度尺寸不规律的侧面表面时，正如衍射定律那样，它在微观层面上在许多不同方向上发生反射和折射。如果表面不规律性是周期性的，例如一系列凹槽蚀刻进表面，从许多周期在某些特殊方向上衍射的光发生构造性干涉，产生在这些方向上传播的入射光的复制品。

[0043] 参考图4，光束由入射到所示二进制(矩形侧面)光栅上的两个平行第一光线36表示。光在多个方向衍射，其中只有一个方向由第二光线38指示。如果相邻周期相同位置处衍射的相邻第一光线36和第二光线38光路之间的差等于光波长的倍数，第二光线38发生构造性干涉。

[0044] 在数学上，当AB–A’B’＝mλ时，光路AB和A’B’之间的差为波长的倍数，其中m为整数，λ为光波长(通常以nm表示)。由于AB＝Λsinθm和A’B’＝Λsinθ，其中Λ为光栅周期，θm和θ分别为相对于曲面法线的衍射和入射角度，构造性反射的条件为：

[0045]

[0046] 这是已知的光栅方程。对于给定的入射角θ，为每个用于光栅方程的解的“度”m，给6
定衍射角θm。通常，通过光栅边线频率而非光栅周期描述光栅，其中f(划线/mm)等于10/Λ(Λ以纳米表示)。依据f，光栅方程变为：

[0047] Sinθm＝sinθ+mλf×10‑6。

[0048] 再次参考图1B，在一个示例性实施例中，达曼光栅16可打印到载体材料40，定位于临近透射顶面24且与透射顶面24接触。参考图5，在另一个示例性实施例中，达曼光栅16蚀刻进透射顶面24。

[0049] 重要的是，所有反射的复制像束114、214和314等距分布并在波导管12中平行传播，确保结合根据本公开的瞳孔复制器10的平视系统用户感知的图像的质量。光束对准装置18用于接收多个(如图所示，3个)复制像束114、214和314的每一个，并将多个复制像束114、214和314中的每一个以相对于波导管12以公共角20反射，其中多个复制像束114、214和314中的每一个被光束对准装置18反射后相互平行。

[0050] 再次参考图1B，在一个示例性实施例中，光束对准装置18包括波导管反射底面的区域，波导管包括多个光束对准棱镜118。如图所示，入射像束14由波导管12接收，并通过达曼光栅16分为三个复制像束114、214和314。三个复制像束114、214和314中的每一个以相对于瞳孔复制器10纵轴的不同角度传播。参考图6，例如，第一复制像束114以25度角20A由达曼光栅16朝波导管12的反射底面26向下反射。第二复制像束214以30度角20由达曼光栅16朝波导管12的反射底面26向下反射。最后，第三复制像束314以35度角20B由达曼光栅16朝波导管12的反射底面26向下反射。注意，在这个示例中，30度角为公共角20，所有复制像束114、214和314应以此角度反射。

[0051] 第一复制像束114由第一光束对准棱镜118A反射，使得第一复制像束114以30度角20朝波导管的透射上表面向上反射。第二复制像束214已经以相对于纵轴42成30度角传播，因此，其由未经光束对准棱镜118改变的波导管12的反射底面26反射。第三复制像束314由第二光束对准棱镜118B反射，使得第三复制像束314以30度角20朝波导管12的透射顶面24向上反射。因此，在被光束对准装置18反射后，三个复制像束114、214和314中的每一个在波导管12中传播，它们相互平行、并且以相对于波导管12成30度角20传播并等距隔开。

[0052] 如图1B和图6所示，在一个示例性实施例中，多个光束对准棱镜118A和118B包括反射底面26从波导管12向外延伸的部分44。从波导管12的本体22向外延伸的部分44包括用于反射复制像束114、214和314的表面46，使得复制像束114、214和314相互平行并等距隔开。

[0053] 参考图7，在另一个示例性实施例中，多个光束对准棱镜218A和218B包括反射底面26从波导管12向内延伸的部分44B。从波导管12的本体22向内延伸的部分44B包括用于反射复制像束114、214和314的表面46B，使得复制像束114、214和314相互平行并等距隔开。

[0054] 参考图8，在另一个示例性实施例中，光束对准装置318包括至少一个全息光学元件318A和318B。全息光学元件(HOEs)为复制光学元件如透镜的性能的全息图。在本申请中，正如其他光学元件一样，全息图用于变换波前性质。元件，如透镜的全息记录具有与该元件相同的光学性质。如透镜一样，全息记录以相同方式聚光。这里所用的全息光学元件318A和318B复制衍射光栅的性能以改变光线的角度，即这里的复制像束114、214和314。全息衍射光栅通过记录形成的干涉图样做成，干涉图样中两条光束形成激光交叉。在一个示例性实施例中，全息光学元件通过曝光基底顶部的感光层做成。薄膜化学处理选择性溶解它形成基底上的凹凸图样。该图样则可用做透射光栅或覆盖薄金属层以生成反射光栅。这样，全息光学元件318A和318B包括反射全息图，反射全息图被写入载体材料(基底)并被附着到波导管12的反射底面26上。反射底面26的空气‑玻璃界面48具有100％的反射率。光束以等于或大于临界角的角度落在该界面上，因此，发生全内反射(TIR)。当全息光学元件318A和318B置于其上时，沿着复制像束114、214和314的反射，反射底面26会改变复制像束114、214和
314的角度，使得复制像束114、214和314朝波导管12的透射表面24向上反射，这些反射复制像束相互平行并等距隔开。

[0055] 第一复制像束114由第一全息光元件318A反射，使得第一复制像束114以30度角朝波导管12的透射顶面24向上反射。第二复制像束214已经相对于纵轴42以30度角传播，因此，其由未经全息光学元件318改变的波导管12的反射底面26反射。第三复制像束314由第二全息光学元件318B反射，使得第三复制像束314以30度角朝波导管12的透射顶面24向上反射。因此，在被光束对准装置18，即此处的全息光学元件318A和318B反射后，三个复制像束114、214和314中的每一个在波导管12中彼此平行地传播，并且相对于波导管12成30度角并等距隔开。

[0056] 波导管12的本体22透射100％的入射光。透射顶面24包括不同位置上的不同透射率水平。透射顶面24可以是一个或多个具有不同设计区域的介电层，设计用于提供预定的透射和反射特征。可替代地，透射顶面24可包括具有不同面密度的金属纳米线(例如，银)或金属纳米颗粒(例如，金)，以分别提供不同区域的预定透射和反射率特征。可替代地，透射顶面24可以是折射率不匹配界面(例如，具有控制聚合度的光聚物)，设计用于分别提供不同区域的预定透射和反射率特征。可替代地，透射顶面24可以是或包括提取全息光学元件50，设计用于分别提供不同区域的预定透射和反射率特征。透射顶面24可通过粘合剂用于波导管12的本体22或以其他适当方式用于透射顶面24，或直接形成于、写入或蚀刻进波导管12的本体22。

[0057] 透射顶面24的透射率水平可随着远离波导管12的本体22中接收入射像束14的位置而增大。例如，参考图9，在一个示例性实施例中，透射顶面24包含第一区域52和第二区域54，并且其中，对于每一个复制像束114、214和314，入射像束14的第一相同复制114A、214A和314A在第一区域52内通过透射顶面24传输，入射像束14的第二相同复制114B、214B和
314B在第二区域54内通过透射顶面24传输。

[0058] 因此，如图9所示，在第一区域52中，第一复制像束114的第一相同复制114A通过透射顶面24传输，第二复制像束214的第一相同复制214A通过透射顶面24传输，并且第三复制像束314的第一相同复制314A通过透射顶面24传输。另外，在第二区域54中，第一复制像束114的第二相同复制114B通过透射顶面24传输，第二复制像束214的第二相同复制214B通过透射顶面24传输，第三复制像束314的第二相同复制314B通过透射顶面24传输。

[0059] 第一、第二和第三复制像束114、214和314的第一和第二相同复制114A、114B、214A、214B、314A和314B中的每一个需相同且强度相等，因此，第二区域54的透射率水平大于第一区域52的透射率水平。在一个示例性实施例中，透射顶面24的第一区域52允许第一预定透射率水平，透射顶面24的第二区域54允许第二预定透射率水平，第二预定透射率水平高于第一预定透射率水平。例如，第一区域52的预定透射率水平可以为50％，第二区域的预定透射率水平可以为100％。因此，第一、第二和第三复制像束114、214和314的第一相同复制114A、214A和314A的强度与第一、第二和第三复制像束114、214和314的第二相同复制
114B、214B和314B相匹配。本领域技术人员应当理解，每一复制像束114、214和314的透射率可以为任意数。本文展示并讨论了两种透射率，然而，透射率可能是任意数，如三、四、六或十。例如，可能存在四个区域，其中第一区域的预定透射率水平为25％，第二区域的预定透射率水平为33％，第三区域的预定透射率水平为50％，第四区域的预定透射率水平为
100％。每个区域的预定透射率水平取决于区域的数量，计算预定透射率水平以确保入射像束14的所有传输的相同复制的强度相同且具有相等强度。

[0060] 本公开的瞳孔复制器具有许多优势。这些优势包括允许可能使用达曼光栅16将波导管12设计地比传统的波导管更薄以创造复制像束114、214和314，这样，保持相邻透射像束之间的缝隙足够小以确保用户接收到有质量的图像。

[0061] 本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型旨在处于本公开的范围内。此类变化不应被视为背离了本公开的精神和范围。