CN110998413B - 包括光导的显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显示装置，尤其是靠近用户眼睛设置的显示装置。该显示装置包括至少一个照明装置、至少一个空间光调制装置、至少一个成像元件、至少一个光导以及至少两个部分反射解耦元件。至少一个照明装置用于发射足够相干的光。至少一个成像元件设置用于使源于至少一个光调制装置的光成像。至少两个部分反射解耦元件用于使光与光导解耦，部分反射解耦元件设置在至少一个光导中。

Description

包括光导的显示装置

本发明涉及一种用于优选表示三维物体或场景的显示装置。具体地，本发明涉及一种近眼显示装置，例如，头戴式显示器，其中也包括平视显示器。

对于用户的头戴式显示器(HMD)或类似的近眼显示器或显示装置，提供并确保紧凑和轻的光学装置是可取和有利的，因为这些类型的显示器戴在用户的头上，并给用户一种愉快的穿戴感。

在AR(增强现实)头戴式显示器的情况下，一方面更期望用户最好能够尽可能多地感知他的自然环境，而不受由头戴式显示器带来的干扰，另一方面期望能够很好地感知显示在头戴式显示器上的内容而没有问题。

如果使用空间光调制装置和用于空间光调制装置成像的光学装置，则在这种情况下，会将光学装置设想为使来自空间光调制装置的光和来自用户或观察者的自然环境的光都能够被引导到或能够到达一个或多个眼睛。

对于头戴式显示器用户的舒适性而言，视场(FoV)也具有重要意义。因此，尽可能大的视场是有利的。

AR显示器或AR显示装置也是已知的，它们使用光导或波导将光从空间光调制装置投向或引导到眼睛。然后，用户通过光导或波导看到他周围的环境。

在美国专利US 6,829,095 B2中描述了这种光导，其包括用于使光解耦的部分反射的镜，以在较薄的光导中实现较大的视场。以特定的角度耦合到光导中并以曲折形式或通过全反射在光导中传播的光在解耦区域入射到部分反射的镜上。通过部分反射的镜，光以与耦合到光导中时的角度相同的角度再次从光导解耦。在这种情况下，位于无限远的场景图像的光耦合到光导中。如果如美国专利US 6,829,095 B2所公开的这种光导与空间光调制器(SLM)(例如LCOS(硅上的液晶)SLM或在无限远处成像的自发射OLED(有机发光装置)SLM)一起使用，那么光就会从空间光调制器的单个像素基本上彼此平行地传播。然而，根据像素在空间光调制器上的位置的不同，来自空间光调制装置的不同像素的光的传播角度会不同。因此，如果来自空间光调制器的一个像素并且具有固定传播角度的光耦合到光导中，并且以相同的角度在另一位置又与光导解耦，则光也以同一角度入射到光导的观察者的眼睛上。

在这种情况下，如果空间光调制器在无限远处成像，并且在没有光导的情况下观察者将看到空间光调制器无限远处的图像，则通过光导传播的光将有利于保持空间光调制器图像的深度位置不变。在这种情况下，解耦位置和光通过光导覆盖的光路对空间光调制器图像的深度位置没有影响。因此，观察者仍然感知到在无限远处的空间光调制器的图像。空间光调制器图像上像素的位置决定光从该像素与光导解耦的角度。然后，观察者的眼睛通过光导看到空间光调制器的图像，就像眼睛直接看到空间光调制器的图像而没有光导的情况一样。

然而，这种设置只对无限远的空间光调制器的图像起作用。这可以解释如下：耦合到光导中并通过不同的部分反射镜解耦的来自空间光调制器的同一像素的光覆盖光导中不同长度的光路。然而，只要像素的图像离观察者的眼睛无限远，那么这就不重要，因为光从像素的图像通过光导到眼睛的路径都是无限长的。然而，如果在距离眼睛有限距离处的空间光调制器的图像是在耦合到光导之前由光路中的图像产生的，那么从像素到观察者眼睛的不同光路将产生重要影响。耦合到光导中并且由不同的部分反射镜解耦的空间光调制器的相同像素的不同光路会产生下列影响，即观察者可见图像的深度位置受到不同的部分反射镜的不同方式的影响。然后，观察者会通过第一个部分反射镜而不是通过相邻的第二部分反射镜看到处于不同距离的像素图像。

无论如何，当在显示装置中使用根据美国专利US 6829095 B2所述的这种光导时，则有必要在耦合到光导中之前在光路中产生处于无限远处的空间光调制器的图像。因此，平行光从空间光调制器的每个像素传播通过光导。然后，可以设置透镜，该透镜在光从光导解耦之后(即在光导和观察者的眼睛之间)改变光路中的空间光调制器的图像位置。由于改变图像位置的透镜在光路中仅设置在光从光导解耦之后，在这种情况下，光在光导中的光路对空间光调制器图像的深度位置没有影响。然而，通过光导的来自观察者自然环境的光也会被这种透镜偏转，这样，来自观察者自然环境的物体就会出现在与观察者不恰当的距离上。因此，已知的是在光导远离眼睛的另一侧设置补偿透镜。来自自然环境的光然后通过两个透镜，其中补偿透镜抵消透镜在光导和眼睛之间的聚焦效应。来自空间光调制器的光只通过两个透镜中的一个，使得空间光调制器的图像可以通过这个透镜在深度上移位。然而，来自观察者的自然环境的光通过两个透镜，使自然环境出现在正常的固定距离，不随显示装置改变。

通过光导设置的这种实施例，为观察者产生在有限固定深度的空间光调制器的图像。然而，正如已经提到的，从空间光调制器到光从光导解耦的光路必须对应于空间光调制器的处于无限远处的图像的光路。

这样的光导就产生了空间光调制器在固定深度的图像。在这种情况下，可以为观察者的一只眼睛生成单镜图像，或者例如也可以使用分别针对观察者的左右眼的单独光导的组合在固定的深度生成立体图像。

在这种情况下单个光导只能在一个方向上产生一个大的视场。为了横向和纵向扩展视场，可以使用两个光导的组合，这两个光导是相互垂直排列的，例如，第一光导限定和生成竖直视场，第二光导限定和生成水平视场。

使用单个棱镜或单个反射镜使光耦合并且使用多个部分反射镜使光解耦的薄光导包含与其解耦面积相比相对较小的耦合面积。

为了能够将来自大视场的光耦合到有限区域上的光导上，需要将来自空间光调制器的所有像素的光集中在光导的小区域上的耦合区域或接近该区域。换句话说，用于空间光调制器成像的投影光学单元是使其出射孔径处于或接近光导的耦合区域，以便可以使光耦合。

而且，具有虚拟观察区域或观察窗口的头戴式全息显示器(HMD)是已知的，可以从该区域中看到和观察到优选的三维(3D)场景。全息表示具有产生实际深度的优点，因此避免了辐辏调节冲突(Vergenz-Akkommodation-Konflikt)。例如，如在美国专利US 6,829,095B2所公开的那样，如果观察者聚焦在显示区域或空间光调制器的表面以更敏锐地感知到它，则尤其在立体显示装置或显示器的情况下会发生辐辏调节冲突。显示的两个立体图像的差异表明在显示区域前面或后面可见的三维物体。在这种情况下，眼睛聚集在这些物体与显示区域相距明显的距离处。这样，物体就会被凝视，并且会被敏锐地感知到。然而，物体实际上并不位于距离显示区域的该距离处，因此当观察者凝视物体时，不再敏锐地看到它。因此，在观察者观察立体场景或物体时，头痛或其他类型的不适会非常频繁地发生。

然而，使用全息显示装置或显示器可以避免这些负面影响。

在专利文献US 8,547,615 B2中描述了具有虚拟观察区域的头戴式显示器，其中观察区域可选地以空间光调制器的傅里叶变换或作为空间光调制器的图像产生。

在美国专利文献US 9,406,166 B2中公开了一种具有虚拟观察区域的头戴式全息显示器，该显示器通过拼接或分段实现了较大的视场。在这种情况下，使用空间光调制器和合适的光学系统按时间顺序产生从虚拟观察区域可见的视场的不同部分。在本文件中，拼接/分段也被描述为“由片段组成的空间光调制器的多个图像”，因为空间光调制器在每种情况下都为每个片段成像。

在美国专利文献US 9,406,166 B2的一个实施例中，还公开了波导的使用，其中光通过光栅(具体是体光栅)耦合和解耦。除其他外，在全息重建中使用具有较大偏转角度的光栅可以在空间光调制器的图像位置和三维场景的物点中产生像差，这些像差必须进行复杂的校正。

相比之下，使用只通过棱镜偏转光路和/或光路被反射到反射镜上的光导或至多包括具有小偏转角度(例如角度<15°)的光栅是有利的，因为在这种情况下，与使用光栅的偏转相比会产生较小的像差。

在根据专利文献US 8,547,615 B2或根据专利文献US 9,406,166 B2的这种全息显示装置中，使用位于不同深度平面的物点生成三维场景。在这种情况下，使用了至少近似相干的光。由写入或编码在空间光调制器中的子全息图产生位于空间光调制器的前面或后面的物点。在空间光调制器具有足够的相干照明的情况下，如果光导位于空间光调制器和待重建的场景的观察者的眼睛之间，则物点已经在空间光调制器的周围空间中作为焦点，即在光路中位于光与光导的可行的耦合之前。

在全息显示装置的情况下，即使空间光调制器本身将在无限远的距离处成像，但待重建的三维场景的物点将位于与观察者的眼睛的有限距离处。如果在全息基础上产生和显示三维场景的显示装置中使用光导，那么不仅来自单个平面(即空间光调制器的平面)的光需要传播通过光导，而且下列光也需要传播通过光导：来自物点的三维体积以及对于通过光导观看的观察者而言没有明显干扰就可以看到的这些物点的光。

因此在全息显示装置中似乎不适合使用下列光导，该光导只用于无限远处的空间光调制器图像的光的传播，例如，根据专利文献US 6,829,095 B2中所述的光导装置。

此外，所产生的不足是，在基于部分反射镜的光导(例如专利文献US 6,829,095B2所述的)中使用全息重建所必需的至少近似相干的光导致下列光的干扰：例如来自空间光调制器的同一像素，但在光导中的不同长度路径之后在不同部分反射镜部分地解耦，然后在解耦后进一步传播，并在这种情况下进行干扰。

因此，本发明的目的是提供一种显示装置，尤其是近眼显示装置，该装置能够产生大的可见区域或视场。本发明的另一目的是提供一种具有紧凑和轻的设置的显示装置。

此外，本发明的目的是对专利文献US 6,829,095 B2所述的装置进行改进，以便光导可以用于耦合和/或解耦用于全息生成优选三维场景的光。

通过权利要求1的特征实现根据本发明的该目的。

根据本发明，提出一种显示装置，该显示装置在这里尤其适合用在近眼显示器中并且尤其用在头戴式显示器中，但其使用不限于这些显示器，而是也可以用在例如平视显示器中。

根据本发明的这种显示装置包括用于发射足够相干光的至少一个照明装置、至少一个空间光调制装置、用于使来自至少一个光调制装置的光成像的至少一个成像元件、至少一个光导、以及用于使光与光导解耦的至少两个部分反射解耦元件，部分反射解耦元件设置在至少一个光导中。

这样，可以提供具有紧凑设置的显示装置，因此体现为重量轻的，并且可以在至少一个方向上(例如在水平方向上)产生放大的视场或视野。此外，对专利文献US 6,829,095B2的光导装置进行了改进，使其现在也可以用于以全息方式重建和表示三维场景的全息显示装置。

为此，部分反射解耦元件可以有利地设计为反射镜元件或棱镜元件。

通过使用反射镜元件作为解耦元件，可以保持小的相差和/或大幅度减少出现的像差。此外，由此可以实现紧凑的光学系统。

例如，至少一个光导可以包括4到10个部分反射解耦元件，它们被设计为反射镜元件。然而，本发明不应仅限于此数量。在其他实施例中，至少一个光导还可以包括更少或更多的部分反射解耦元件。

至少一个光导中的部分反射解耦元件可以形成为例如应用于基底的介电层堆叠的类型。

本发明的进一步有利的实施例和改进可以在附加的从属权利要求中找到。

在本发明的一个有利实施例中，可以将部分反射解耦元件设置为相互平行。以这种方式，来自至少一个空间光调制装置的同一像素的光束也会以相同的角度与光导解耦，这些光束以特定角度入射在各个部分反射解耦元件上。

此外，有利的是，在每种情况下，部分反射解耦元件相对于彼此以预定的并且最好相等的距离设置。例如，如果解耦元件的距离过大，则在生成的最佳点中会产生不想要的间隙。

如果部分反射解耦元件是反射镜元件，则在一个优选的实施例中将反射镜元件彼此之间的距离选择为使部分反射解耦元件在至少一个光导表面上的投影产生相干表面而没有间隙，并且投影解耦元件没有重叠。

在这种情况下，以下列方式设置部分反射解耦元件，即，使得这些解耦元件将在至少一个光导中传播的光偏转到预定方向，例如在观察者的眼睛的方向上。

在本发明的一个有利的实施例中，还可以进一步提供一种光耦合装置，利用该装置可以使至少一个光导上的入射光耦合到光导中。

优选地，光耦合装置包括至少一个反射镜元件和/或至少一个光栅元件和/或至少一个棱镜元件。

根据本发明所述的显示装置可以有利地包括全息单视差编码。换句话说，一维全息图可以编码在至少一个空间光调制装置中。空间光调制装置中一维全息图的编码方向优选是竖直方向，其中编码方向相对于一维全息图的非编码方向垂直设置。在这方面，非编码方向在水平方向。当然，本发明并不限于编码方向和非编码方向的该实施例，还可以提供相反的情况，即编码方向为水平方向，非编码方向为竖直方向。垂直于彼此的其他方向的编码方向和非编码方向(例如倾斜方向)也是可以想到和可行的。

具体地，在本发明的一个有利实施例中，编码方向相对于部分反射解耦元件在至少一个光导上连续设置的方向垂直。在多个部分反射解耦元件水平相邻设置的光导中，优选地使用全息图的竖直编码方向。在多个部分反射解耦元件彼此竖直排列的光导中，优选使用全息图的水平编码方向。

然而，本发明不限于单视差编码。相对地，还可以将本发明应用于至少一个空间光调制装置中的全息图的全视差编码。

本发明优选地设定为，具有部分反射解耦元件的光导表示一维设置，该一维设置与空间光调制装置相结合，基本上也只需要光在一个方向上平行和/或准直并且起源于空间光调制装置的像素。

另一方面，对于全息单视差编码，在要表示的场景的三维物点的位置存在像散。场景被划分为物点，其中每个物点在空间光调制装置中被编码为整体全息图的子全息图。在单视差编码的情况下，在每种情况下，在空间光调制装置的整个区域上编码整体的全息图，其中通过将物点的子全息图加和来生成整体的全息图。为了产生三维物点，根据本发明，在优选的单视差编码的情况下，因此利用编码的子全息图仅在编码方向上在空间光调制装置之前产生物点，或在空间光调制装置之后产生物点的虚像(从场景物点的观察者的方向观看)。在与编码方向垂直的子全息图或全息图的非编码方向上，物点的子全息图的焦点位于空间光调制装置的像平面内。因此，该情况可以有利地用于根据本发明的显示装置，该显示装置包括至少一个光导。

根据本发明所述的显示装置包括成像光束路径和照明光束路径。利用成像光束路径生成对于观察者可见的空间光调制装置的图像。相比之下，照明光束路径对虚拟观察区域或最佳点的产生有影响。例如，在至少一个照明装置的至少一个光源的图像平面中生成虚拟观察区域。

在至少一个空间光调制装置和要重建的三维场景的观察者之间的光路中设置的成像元件总体可以影响光束路径，照明光束路径和成像光束路径。在光路中的特定位置或特定地点，它们也只能或主要影响两条光束路径中的一条。例如，直接设置在至少一个空间光调制装置上的透镜元件不改变成像光束路径，而只改变照明光束路径。

根据本发明所述的显示装置包括至少一个成像元件，该成像元件至少影响成像光束路径。

在本发明的有利实施例中，根据本发明的显示装置可以包括至少一个附加成像元件，该成像元件至少影响照明光束路径。

至少一个成像元件可以是或包括至少一个透镜元件和/或至少一个反射镜元件和/或至少一个光栅元件。也可以使用和组合多个成像元件以形成成像系统。

优选地，该至少一个成像元件在光的方向上可以设置在至少一个光导之前，尤其是在至少一个空间光调制装置和至少一个光导之间。

在这种情况下，至少影响成像光束路径的至少一个成像元件可用于使至少一个空间光调制装置在无限远处成像。

可以借助于至少一个成像元件在无限远处生成空间光调制装置的图像。因此，对于优选的单视差编码，光基本上从例如空间光调制装置的像素列或像素行的像素垂直于全息图的编码方向以平行和/或准直方式传播通过光导或在光导中传播。然而，在全息图的编码方向上，通过各个子全息图使光聚焦在各个物点上。然后，例如，以小角度发散或收敛的光束起源于物点。

在编码方向上发散或收敛的光束可以通过或穿透光导，从而使物点对于场景的观察者而言在有限的距离处可见。

根据本发明的全息显示装置可以包括处于有限距离处的物点和处于无限远处的空间光调制装置的图像。

然而，对于定位为更靠近空间光调制装置或空间光调制装置的像平面的三维场景的物点，单视差全息图编码总体为三维场景提供更好的可见分辨率，而对于定位为距离空间光调制装置更远的物点，单视差全息图编码为三维场景提供稍低的可见分辨率。例如，如果空间光调制装置的图像距离观察者2m，则可以用良好的分辨率表示距离观察者约1.3m至6m的深度范围。总体上，在这种情况下，空间光调制装置的像平面后面的区域大于空间光调制装置的像平面前面的范围，空间光调制装置的像平面后面的区域可以实现良好的分辨率。

如果空间光调制装置的图像位于无限远处，则只能使用空间光调制装置的图像前面的区域来表示物点。使用单视差全息图编码可以获得良好分辨率的物点会与观察者有一个相对较大的距离。对于空间光调制装置的图像处于无限远处的情况，可以以良好的分辨率表示的区域位于距离观察者数米远处。

因此，更有利的是，空间光调制装置的图像位于距离观察者的有限距离处，因为空间光调制装置的前面和后面的深度范围都可以用于表示空间光调制装置附近或周围的物点。例如，空间光调制装置的图像的合理距离可以是例如上述的距离观察者2m的距离或更小的距离或稍大的距离，例如，在优选实施例中，空间光调制装置的图像在0.7m至2m之间的范围，或在另一实施例中，在0.5m至5m之间的更大范围中。然而，本发明不应仅限于空间光调制装置的图像的这些距离。

因此，在本发明的一个有利的实施例中可以设置为：设置至少一个附加成像元件，附加成像元件再次至少影响成像光束路径并且在光的方向上设置在至少一个光导之后。有利地，至少一个附加成像元件设置用于使至少一个空间光调制装置的中间图像在有限的距离处成像，该中间图像可利用至少一个成像元件在无限远处生成。换句话说，该至少一个附加成像元件使空间光调制装置的中间图像在空间光调制装置的图像中的有限距离处成像，该中间图像是在耦合到至少一个光导之前利用至少一个成像元件在光路中在无限远处生成。通过这种方式，可以在有限距离处生成对于观察者的眼睛而言可见的空间光调制装置的图像。优选地使用距离观察者为0.7m至2m之间的距离，或在另一实施例使用距离观察者0.5m至5m的距离。通过这种附加成像元件，该成像元件可以有利地在光的方向上设置在至少一个光导之后，即在光导和观察者的眼睛之间，不仅可以使空间光调制装置的图像移位，而且空间内物点的位置也可以被移位。

如果至少影响成像光束路径的附加成像元件是例如具有-2m的负焦距的透镜元件，则处于无限远处的空间光调制装置的中间图像因此在2m的距离处对于观察者可见的图像上进一步成像。

在这种情况下，在一个优选的实施例中，物点会以下列方式编码作为空间光调制装置上的子全息图，即，如同物理或真实的空间光调制装置位于光导或观看或直接查看空间光调制装置的观察者的眼睛之后的有限距离处。

在一个实施例中，至少影响成像光束路径并且在光路中设置在光与至少一个光导解耦处之后的至少一个附加成像元件配置为静态的，例如，作为具有固定焦距的透镜元件，其中对于观察者可见的至少一个空间光调制装置的图像在距离观察者的固定距离处产生。

在另一实施例中，至少影响成像光束路径并且在光路中设置在光与至少一个光导解耦处之后的至少一个附加成像元件设计为可控的或可转换的，例如，具有可变焦距的透镜元件或可控光栅元件。通过机械移动或旋转折射或衍射光学元件(阿尔瓦雷斯透镜(Alvarez lenses)或穆瓦尔透镜(Moiré lenses))来使成像元件获得可变焦距的方法也是已知的。至少一个附加成像元件也可以具体化为Alvarez透镜或Moiré透镜。

因此，可以将至少一个附加成像元件设置为包括至少一个透镜元件和/或具有可变焦距的至少一个成像元件和/或至少一个可转换的成像元件。

例如，还可行的是，在该透镜系统的两个焦距之间的转换通过下列实现：在光路中在光与至少一个光导的解耦处之后的两个透镜元件的组合、固定透镜元件和可转换或可控的透镜元件。因此，可以在两个不同的深度平面上按时间顺序产生空间光调制装置的图像。三维场景的物点可分为位于空间光调制装置的一个像平面或另一个像平面附近的物点，以便在每种情况下以较短的计算时间计算和显示全息图。借助这种分割和/或将物点分配到空间光调制装置的图像的不同深度平面中，可以产生整体更大的深度范围，该深度范围具有更靠近或接近空间光调制装置的物点。当然，本发明不限于使用空间光调制装置的处于两个不同深度平面上的图像。在每种情况下，还可行的是，使用空间光调制装置的两个以上的深度平面的图像来计算和表示全息图。例如，还可以进行凝视跟踪，并根据观察者当前聚焦的深度对至少一个空间光调制装置的像平面进行位移。在每种情况下，全息图的优选单视差编码允许三维场景以更大的深度表示。然而，最高的空间分辨率是在观察者用眼睛聚焦的深度产生的。

在本发明的进一步有利实施例中，可以设置至少一个补偿元件。在这种情况下，补偿元件优选设置在至少一个光导的与至少一个附加成像元件相对的一侧。

因此，可以在至少一个光导和自然环境之间设置补偿元件，例如补偿透镜，这种补偿元件的作用是观察者对自然环境的感知不会受到光导和观察者眼睛之间的至少一个附加成像元件的损害。

例如，如果至少一个附加成像元件被设计为具有-2m的负焦距的透镜元件，则补偿元件因此是具有+2m的正焦距的透镜元件。

所述的借助于可变或可转换的附加成像元件来将物点分割和/或分配到空间光调制装置的图像的不同深度平面可以与补偿元件组合，补偿元件包括至少一个透镜元件、具有可变焦距的至少一个成像元件和/或可转换和/或可控的至少一个成像元件。设置在光导和观察者的自然环境之间的补偿元件还可以包括可转换元件，以在每种情况下针对空间光调制装置的图像的两个或多个图像位置对自然环境与所述观察者的距离进行校正。

一方面，需要足够相干光来产生全息重建。然而，在全息图的优选单视差编码的情况下，同样重要的是，避免不同部分反射解耦元件在光的部分解耦的情况下在最佳点的方向上产生干扰效应。在相对于空间光调制装置设置单视差编码的情况下，最佳点的方向是一维全息图的非编码方向。这意味着在非编码方向上产生最佳点，其中在一维全息图的编码方向上产生虚拟观察区域，通过该区域，观察者可以观察到重建的三维场景。

在本发明的一个实施例中，还可以进一步设置，将光的相干长度设置为使相干长度小于在至少一个光导中的两个部分反射解耦元件相互间的最短距离。至少一个照明装置发射的光的相干长度可以以下列方式调整，即，关于单视差编码，源于相同像素或在竖直编码方向的情况下源于相同像素列或者在水平编码方向的情况下源于相同像素行并且由光导的同一部分反射解耦元件解耦的光相对于彼此相干，其中分别来自该像素或该像素列或像素行但另外通过光导的相邻的或不同的部分反射解耦元件解耦的光相对于彼此不相干。

为了实现这一点，光的相干长度l_K

优选以下列方式进行选择，即，相干长度小于光导中两个部分反射解耦元件之间的最短距离。λ是照明装置发射的光的波长，Δλ是照明装置的至少一个光源的光谱宽度。光导中两个部分反射解耦元件之间的最短距离是垂直于部分反射解耦元件表面的连接线Δm。例如，光的相干长度的设置是通过选择具有足够光谱宽度Δλ的光源来实现的。为了使光的相干长度小于Δm，光谱宽度必须大于特定的Δλ：

l_K≤Δλ；Δλ≥λ²/Δm。

例如，对于解耦元件距离约为3mm，光波长λ为532nm，因此是绿光，得到光谱宽度为

Δλ≥(532nm)²/3mm。

在这种情况下，照明装置中使用的光源的光谱宽度Δλ应大于或等于约0.1nm。因此选择具有≥0.1的足够大的线宽的光源，例如激光器。当然，这只是示例，其中也可以使用解耦元件的其他距离和光的其他波长。

在本发明的另一实施例中，显示装置可以设置至少一个光学部件，光学部件尤其包括柱面元件。至少一个光学部件影响至少照明光束路径。对于优选的单视差编码，有利的是，至少一个光学部件是柱面成像元件或包括柱面成像元件，或者在编码方向和非编码方向上具有不同的焦距。也可以使用和组合多个光学部件，这些部件形成光学系统。为此，在单视差编码的情况下，至少一个光学部件是柱面的，或者在编码方向和非编码方向上具有不同的焦距。因此，该光学部件被设置用于在不同平面上生成照明装置的至少一个光源的水平图像和竖直图像。

为此，有利的是，在光路中紧接着至少一个空间光调制装置之后设置至少一个光学部件，以使其对空间光调制装置的成像位置没有影响。紧接着至少一个空间光调制装置在这里意味着空间光调制装置与该光学部件之间的距离非常小，理想为零。这个距离要比光学部件的焦距小得多，优选小于焦距的10％。例如，如果光学部件是焦距为100mm的透镜元件，则空间光调制装置与光学部件之间的距离优选小于10mm。

例如，根据本发明的显示装置还可以包括用于对空间光调制装置进行成像的投影系统，而不是单独的透镜元件，投影系统是例如由许多透镜元件组成的系统。在这种情况下，投影系统包括在至少一个方向(例如水平方向)的至少一个光导的耦合侧上的出射孔。在与此垂直的方向上(例如竖直方向)，投影系统的出射孔在光路中位于光与至少一个光导解耦处之后。在编码方向上利用足够相干光源对空间光调制装置进行准直照明的情况下，投影系统会在出射孔平面中在光的方向上在光与至少一个光导解耦处之后产生虚拟观察区域。

在本发明的一个有利的实施例中，可以设置为，至少在全息图的一个编码方向上并且在光的方向上在至少一个光导之后在至少一个空间光调制装置的傅里叶平面或像平面内生成虚拟观察区域。如果在至少一个空间光调制装置中设置了全息图的优选单视差编码，则在光路中在光与光导解耦之后，在全息图的非编码方向上生成最佳点。

因此，在全息图的编码方向上，虚拟观察区域优选地设置在空间光调制装置的傅里叶平面上。在这种情况下，如果空间光调制装置中没有写入或编码全息图，则全息图的傅里叶变换所产生的这个平面也对应于光源像平面。在这种情况下，在光与光导解耦之后距离光导限定距离处(例如，在大约35mm的距离处)生成光源的图像。也就是说，在该光路中在光与至少一个光导解耦处之后在编码方向上在虚拟观察区域的位置处生成至少一个照明装置的至少一个光源的光源图像。这意味着可以在光源像平面或在空间光调制装置的像平面中生成虚拟观察区域。

在与此垂直的非编码方向上，如果在至少一个空间光调制装置中设置了全息图的优选单视差编码，则在光路中在光与光导的耦合位置处或该位置附近生成至少一个照明装置的至少一个光源的光源图像。换句话说，如果空间光调制装置中没有写入或编码全息图，则一维光源图像位于或接近光与光导的耦合位置。

优选的，至少一个光学部件可以设置用于产生水平光源图像和竖直光源图像，其中光源图像产生于光束路径中的不同位置。为了说明，这里需要说明的是，“水平光源图像”和“竖直光源图像”这两个术语应理解为，例如，以竖直线形式出现的水平图像或以水平线形式出现的竖直图像将分别由点光源产生。这适用于根据本发明的显示装置的空间光调制装置中执行的全息图的单视差编码。因此，利用包括为此目的的柱面功能的光学部件，可以选择要生成的水平光源图像的位置，并在与光束路径中生成的竖直光源图像的位置不同的位置生成。

在至少一个编码方向上，在光的方向上设置于至少一个光导之后的光源像平面中，或在光的方向上设置于至少一个光导之后的空间光调制装置的像平面中，可以生成虚拟观察区域。

在本发明的另一实施例中，虚拟观察区域在编码方向上可以作为空间光调制装置的图像产生。在这种情况下，截头体跨越在空间光调制装置的傅里叶平面和该图像之间，在该截头体中可以重建三维场景，傅里叶平面位于物理或实际的空间光调制装置和空间光调制装置的图像之间。在本实施例中，光学部件并非直接位于空间光调制装置处，而是位于空间光调制装置的傅里叶平面内。在本实施例中，在编码方向上，在虚拟观察区域的位置处通过成像元件产生至少一个空间光调制装置的图像，该图像位于光与至少一个光导解耦处之后。在本实施例中，在光与至少一个光导解耦处之后的附加成像元件将至少影响照明光束路径，并使观察者可见的至少一个空间光调制装置的傅里叶平面的位置移动。然而，下面只描述本发明的常规实施例。

如果使用单视差全息图编码，例如，在一个方向上(例如水平方向)产生最佳点，而在与此垂直的方向(例如竖直方向上)产生虚拟观察区域。

使用根据本发明的显示装置中设置的具有部分反射解耦元件的光导，可以在最佳点的方向上(即在使用单视差编码的情况下是非编码方向)实现相对较大的视场。

然而，在全息图的编码方向上，虚拟观察区域的大小、所使用的光的波长以及每度视场的空间光调制装置所需像素数之间存在着关系。在这种情况下，模拟表明，例如，对于大约7mm的虚拟观察区域，每度视场大约需要250个像素，对于较大的虚拟观察区域，像素的数量更高。由于传统空间光调制装置的像素数的限制，在编码方向上只能产生几度的小尺寸的视场。例如，如果使用具有高清电视(高清电视)分辨率(即1920×1080像素)的空间光调制装置，在该空间光调制装置按直式设置的情况下，即在竖直方向上具有较长的一面，则可为大约7mm的虚拟观察区域产生大约8°(1920像素/250像素/每度)的竖直视场。

因此，在本发明的一个尤其有利的实施例中，可以设置用于在水平和/或竖直方向上放大视场的偏转装置。以这种方式，水平和/或竖直视场可以扩大。为此目的，通过拼接和/或分段(优选以时间顺序拼接)扩大视场。这意味着通过将成像的空间光调制装置的多个块或片段并置来扩大视场。

为此，偏转装置可以有利地包括至少两个偏转元件，其中至少一个偏转元件被设计为可转换的，其中偏转元件优选设计为光栅元件或反射镜元件或重定向元件。

至少两个偏转元件中的一个可以设计为重定向元件，重定向元件包括优选为线栅偏振器的至少一个反射镜元件以及至少一个偏振开关，至少两个偏转元件中的另一个可以设计为反射镜元件。

对于空间光调制装置中全息图的优选单视差编码，在编码方向上放大视场就足够了，因为通过产生一个最佳点，已经可以在非编码方向上产生大的视场。这意味着，在非编码方向上，使用单个块或片段已经可以实现大视场。然而，在全息图的编码方向上，视场受到虚拟观察区域与块或片段的视场的大小之比的限制。因此，有利的是，在编码方向上扩大视场以能够表示大的重建对象或场景。

在光束路径中，在利用偏转装置的至少两个偏转元件使光耦合到至少一个光导之前，可以有利地设置竖直和/或水平偏移，这取决于编码方向在哪个方向，从而使单个块或片段的光在不同的高度或宽度耦合到光导上。换句话说，偏转装置的至少两个成像元件在光的方向上在至少一个光导之前相对于另一个偏移，以使光与至少一个光导的耦合位置移位。

为了在至少一个光导的耦合平面(光在该平面中耦合到光导中)上产生光的竖直和/或水平偏移，可以使用例如可转换的偏转元件，如可转换的光栅元件或其他可转换的重定向元件。例如，可将线栅偏振片与偏振开关(尤其是可转换的偏转反射镜)组合配置为可转换的重定向反射镜，以便根据重定向元件的开关状态，在每种情况下可以生成两个或更多个竖直和/或水平块或片段中的一个。

通过这种方式，可以设置为，利用至少一个光导和偏转装置，可以生成由块或片段组成的至少一个空间光调制装置的图像，其中图像限定了视场，在该视场中，可以在光源像平面中重建通过虚拟观察区域观察的空间光调制装置中编码的场景的信息项目或全息图。

在本发明的另一实施例中，可以设置为，利用至少一个光导和偏转装置，可以在空间光调制装置的傅里叶平面上生成由块或片段组成的衍射级的图像，其中图像限定了视场，可以在空间光调制装置的像平面中重建通过虚拟观察区域观察的空间光调制装置中编码的场景的信息项目或全息图。

此外，可以设置为，光线通过在光导边界表面的反射(尤其通过全反射)在至少一个光导内传播，并且在每种情况下在预定的部分反射解耦元件处提供光的光束与光导解耦。

空间光调制装置可以有利地设计为相位调制空间光调制装置或复值空间光调制装置。

根据本发明所述的显示装置可以设计为头戴式显示器或增强现实显示器或虚拟现实显示器。

为此，根据本发明所述的显示装置针对观察者的其中一个眼而包括光源、空间光调制装置、至少一个成像元件以及光导，光导包括至少两个部分反射解耦元件。相同的元件，即光源、空间光调制装置、成像元件和光导，优选相对于观察者的鼻子镜像对称地设置在显示装置中。

根据本发明的目的还通过用于表示重建场景的方法来实现，该方法使用根据权利要求1至34中任一项所述的显示装置实施。

现在存在有利地配置本发明的教导和/或用于将上述示例性实施例或配置彼此组合的各种可行方案。为此，一方面，参考从属于独立权利要求的专利权利要求，另一方面参考借助于附图对本发明的优选示例性实施例的以下说明，其中总体还说明了该教导的优选配置。本发明原则上借助于所述的示例性实施例进行说明。

在图中：

图1示出了根据现有技术的光导的示意图；

图2示出了根据现有技术的具有如图1的光导的光学装置的示意图；

图3示出了根据现有技术的具有如图1和图2的光导的光学装置的示意图；

图4a示出了在设置单视差编码情况下的根据本发明的显示装置在非编码方向上的示意图；

图4b示出了根据图4a的根据本发明的显示装置旋转90°；

图4c示出了根据图4a和图4b的根据本发明的显示装置相对于图4b旋转90°；

图4d以透视图示出了根据图4a、图4b和图4c的根据本发明的显示装置；

图5示出了在设置单视差编码情况下的根据本发明的另一显示装置在非编码方向的示意图；

图6示出了使用一组相干长度的光的示意图；

图7a示出了根据本发明的另一实施例的显示装置的示意图，其中设置光栅元件以扩大视场；

图7b示出了根据本发明的第三实施例的显示装置的示意图，其中设置用于放大视场的反射镜元件；

图7c示出了根据图7a的显示装置的示意图，其中通过这里的三个生成片段放大视场；

图7d示出了根据图7b的显示装置的示意图，其中通过这里的三个生成片段放大视场；

图8a以透视图示出了根据本发明的另一显示装置的示意图；

图8b以侧视图示出了根据图8a的关于生成片段的显示装置；

图8c以侧视图示出了根据图8a的关于生成另一片段的显示装置；

图9示出了设置在根据本发明的显示装置中的光导的示意图，该光导与选择合适距离的解耦元件彼此结合；

图10示出具有有利的解耦元件装置的光导的示意图；以及

图11示出了制作用于根据本发明的显示装置的光导的示意图。

应简要地提到，相同的元件/部分/部件在附图中也具有相同的附图标记。

图1示出了根据现有技术的具有光导LG的光学装置。光导LG包括部分反射解耦元件，这里是反射镜元件S的形式，其用于使在光导LG中传播的光解耦。而且，还设置了一种耦合元件，其在这里形式为耦合反射镜ES，耦合元件用于将入射光耦合到光导LG中。由光源(未显示)发出的光L(在这里用黑色箭头表示)入射到耦合反射镜ES上，并由此耦合到光导LG中。光或光束L以锯齿形和/或通过全反射在光导的两个内表面或边界表面BS上交替反射传播通过光导LG。在光导LG内的几次反射之后，光被入射到布置的反射镜元件S上，利用反射镜元件S使光与光导LG解耦并指向观察者眼睛OE的方向。根据传播光束或光最后是在光导LG的下表面BS或上表面BS上反射，它以两个不同的角度入射到部分反射镜元件S上。

在这种情况下，这些反射镜元件S是以下列方式形成，即反射镜元件仅对限定入射角度范围的光进行部分反射，相对地，对于其他入射角度的光产生透射作用。在图1中，只有从光导LG的上表面BS入射到反射镜元件S上的光束L被反射镜元件S部分反射，而从光导LG的下表面BS入射到反射镜元件S上的光束L没有被反射。

由于耦合反射镜ES和反射镜元件S对于光导LG的表面BS的角度的选择性，对于垂直于表面BS耦合的光束L，由反射镜元件S解耦的光束与耦合光束平行。

图2示意性地示出了具有如图1所示的光导LG的光学装置。该图2中示出了视场，可以使用具有部分反射镜元件S的这种光导LG生成该视场。通过光调制器SLM、光学单元OS和耦合反射镜ES将要产生的视场的光的角谱耦合到光导LG中。布置部分反射反射镜元件S使在光导LG中传播的光解耦。如果观测者位于距离光导LG的一距离处，那么视场就会被在不同的反射镜元件S处以不同的角度解耦并且到达观察者的眼睛的光所覆盖。生成的最佳点的扩展也要考虑到视场的大小。在图2的情况下，例如，对于视场内的第一角度，由前两个部分反射反射镜元件S解耦的光产生最佳点，并且对于视场内的第二角度，由最后两个反射镜元件S解耦产生最佳点。通过以下方式然后形成视场：例如，光从左边观察的第一反射镜以第一角度到达最佳点的左边缘，或者从挨着最后一个反射镜元件以第二角度到达最佳点的相同的左边缘。

然而，如果来自空间光调制装置的同一像素的平行光束在光导中穿过不同长度的路径后在不同的反射镜元件上解耦，并且这些光束然后到达观察者的眼睛，则全息显示装置会遇到问题。在相干光的情况下，来自同一像素的单个光束之间会出现不希望出现的干扰。例如，在图2的情况下，在第一和第二反射镜元件以相同的第一角度从同一像素解耦的光会干扰最佳点。

具有如图1的光导的光学装置同样在图3中示出。如前所述，光导LG包括部分反射反射镜元件S，其中图3中的光学装置现在也包括另外的透镜元件。在图3中图示的右边，光L通过耦合反射镜ES耦合到光导LG中。然后，光在光导LG中通过在光导表面BS反射而以全反射传播。

在该图3的左边，再次设置多个部分反射反射镜元件S的布置，可以使用它使在光导LG中传播的光解耦。显然，在光导LG和观察者的眼睛OE之间设置了发散透镜ZL，也可以称为凹透镜。在光导LG的相对侧设置有聚光透镜SL，也可以称为凸透镜。

利用部分反射反射镜元件S与光导解耦的光束在光路中只通过发散透镜ZL到达观察者的眼睛。源于光导LG的另一侧的光束，例如来自自然环境的光束，通过光路中的聚光透镜SL到达观察者的眼睛，在通过光导LG后也通过发散透镜ZL。

在图4a至图4d示出了显示装置1，尤其是全息显示装置，该装置包括如图1至图3所述的光导。该示例性实施例描述了空间光调制装置中全息图的单视差编码。

在这种情况下，在图4a中根据YZ平面中的截面来说明显示装置1。显示装置1包括具有至少一个光源的照明装置2、空间光调制装置3(以下简称SLM)、光导4以及至少一个成像元件5。照明装置2设计用于发出足够相干的光。全息图可以编码在SLM 3中，以全息重建优选的三维场景。在SLM 3中的全息图的编码可以以全视差编码或以单视差编码。根据本发明的显示装置在下文描述为SLM 3上的全息图的单视差编码，其中本发明不限于单视差编码，也可用于全视差编码。在单视差编码的情况下，只有一维全息图编码在SLM 3中。因此，光可以在全息图的编码方向和非编码方向通过显示装置。

优选使用准直光照明SLM 3的照明光学单元6设置在照明装置2和SLM 3之间。然后通过SLM 3像素孔径处的衍射确定在编码方向上的SLM 3之后的光路中的光束角。垂直于编码方向，即在非编码方向上，需要限定的最小光束角来在观察平面8中产生最佳点7。优选地，该光束角选择为使在非编码方向的光路中来自SLM 3的每个像素的光填充光耦合装置10的区域。在图4a的情况下，示出了来自SLM 3的三个像素的光。在SLM 3和成像元件5之间的光路中，各像素的光是发散的。在成像元件5与光耦合装置10之间的光路中进行准直。为了填充光耦合装置10的区域，来自成像元件5上各像素的光束的直径与光耦合装置10在光导4下侧的投影相对应。因此，所需的角度是由SLM 3与成像元件5之间的距离以及光耦合装置10的大小产生的。在图4a所示的示例性实施例中，为了填充光耦合装置10的区域，光束角约为±8°。仅供说明，以便更好地看到光耦合装置，然而，图4a中使用了较小的角度，即光耦合装置10在图4a中没有完全填充。

可以以下列方式产生这种光束角：可选地，可以在SLM 3上或SLM 3附近或在其他特定实施例中总体设置在SLM 3的像平面上设置产生这种限定的光束角的一维散射元件。可选地，也可以只在编码方向上使用准直光执行SLM 3的照明，并且在与编码方向垂直的非编码方向上使用近似对应于最小光束角或稍大的角谱执行SLM 3的照明。

SLM 3可以可选地设计为透射性SLM或反射性SLM。在图4a中，显示装置1包括透射SLM。SLM 3优选是相位调制SLM或复值SLM，它调制光的相位和振幅。然而，本发明不限于这些情况，SLM 3也可以是振幅调制SLM。在根据图4a所示的显示装置1的实施例中，单视差全息图在垂直于纸面的方向(即X方向)写入或编码到SLM 3中。

光导4包括部分反射解耦元件9，其用于使在光导4中传播的光束或光解耦。部分反射解耦元件9在光导4中相互平行。而且，部分反射解耦元件9在光导4中相对于彼此设置在限定的距离处。通过这种方式，确保在光导4中传播的光在为此目的设置的解耦元件9处与光导4解耦。

可设计为透镜元件、反射镜元件或者也可为光栅元件的成像元件5在光路中设置在SLM 3和光导4之间。一般情况下，它也可以是具有至少两个或更多个成像元件的成像系统。本文件中关于成像元件5的焦距和特定距离的陈述之后适用于成像系统的总焦距和主平面。

从图4a中可以明显看出，光是从SLM 3的不同像素发出的，为了清晰起见，在此示例性实施例中仅从SLM 3的三个不同像素发出，其中SLM 3根据要重建和表示的物体或场景的信息调制照明装置2发出的光。成像元件5设置在与显示装置1中的SLM 3的距离为其焦距处。以这种方式，成像元件5可以在无限远处生成SLM 3的图像。这意味着来自SLM 3的同一像素的光束在成像元件5之后的光路中相互平行地准直和/或扩展。然而，来自SLM不同像素的光束在成像元件5之后在光的方向上具有彼此不同的角度。

进一步地，显示装置1包括光耦合装置10，光导4上的入射光使用该光耦合装置10可以耦合到光导4中。该光耦合装置10包括用于将光耦合到光导4中的至少一个反射镜元件和/或至少一个光栅元件和/或至少一个棱镜元件。在图4a中，光耦合装置10包括用于将光耦合到光导4中的反射镜元件。此外，成像元件5在图4a的图示YZ平面上将照明装置2的光源成像在光耦合装置10的反射镜元件上或总体在光导4的光耦合装置10附近。因此，来自SLM3的不同像素的光束在光耦合装置10的反射镜元件上完全或至少大体相互叠加。

本质上对应于Y方向的视场的光的耦合角谱由来自SLM 3的边缘像素在垂直方向上的光束限定，该光束经过或通过成像元件5并入射到光耦合装置10的反射镜元件上，其中Y方向对应于这里的水平方向。

例如，也可行的是，显示装置1包括用于对SLM进行成像的投影系统，投影系统在光导4的光耦合侧在一个方向以及在垂直于该方向上具有出射孔，投影系统的出射孔在光路中位于光与光导4解耦处之后。在利用照明装置的足够相干光源使用准直光束照明SLM时，在投影系统出射孔平面上以单视差编码的情况下，在编码方向上产生虚拟观察区域。

在光束入射到光耦合装置10上后，利用光耦合装置10的反射镜元件将它们耦合到光导4中。然后，光束通过全反射在光导4中传播和/或在光导4的边界表面或表面反射，并利用布置的部分反射解耦元件9与光导4解耦。总体上，来自同一像素的光的解耦发生在多个不同的解耦元件上。来自SLM 3的不同像素的光以不同角度与光导4解耦。在每种情况下，这以平行于光束的耦合角度进行。因此，光的耦合角度对应于光的解耦角度。来自SLM 3的不同像素的光在光路中然后通过最佳点7。因此，在全息图的非编码方向上，在观察平面8中产生最佳点7，从而可以在非编码方向(即这里的Y方向)上实现大的视场。

而且，显示装置1还包括附加成像元件11。附加成像元件11可以包括至少一个透镜元件、至少一个具有可变焦距的成像元件和/或至少一个可转换的成像元件。附加成像元件11在光的方向上设置在光导4之后和/或在光导4和观察平面8之间，观察者可以位于观察平面中以观察重建的三维物体或场景。该附加成像元件11设计为凹形成像元件或凹形成像系统，该系统包括至少两个成像元件。使用该附加成像元件11，位于无限远处的SLM 3的图像可以相对于观察者又移位或移动到有限的距离处，该附加成像元件11分别在非编码方向上位于与光导4的解耦处和最佳点7之间或者在全息图的编码方向上在与光导4的解耦处和虚拟观察区域之间。

因此，在光导4和观察者之间设置的附加凹形成像元件11可以用来设置从眼睛中看到的SLM 3的图像位置。如果利用在光路中在光耦合到光导4之前的光学系统或成像元件5产生处于无限远处的SLM 3的图像，则在光路中在光导4和观察者之间的附加凹形成像元件11将SLM 3的图像的位置移位到相对于观察者有限的距离处。例如，焦距为f＝-2m的附加成像元件将SLM的图像从距离观察者无限远处移动到距离2m的有限距离处。

可以通过补偿元件12补偿这种附加的凹形成像元件11对环境光(即，在显示装置具体化为增强现实显示器的情况下，从显示装置1自然环境进入光导4的补偿元件12区域并通过该区域和附加成像元件11的光)的影响，补偿元件12设置在光导4与附加成像元件11相对的一侧。如果显示装置1仅用作头戴式显示器或虚拟现实显示器，则在显示装置中不需要这样的补偿元件，因此可以省略。在这方面，请参考图5，该图中示出了这种情况。

来自显示装置1的通过补偿元件12和附加成像元件11的自然环境的光相对于观察者在距离上不会改变。如果补偿元件12的焦距为f＝+2m，即与上述数值示例中的附加成像元件11具有相同的绝对值但相反的符号，则在补偿元件12和附加成像元件11之间的距离较小的情况下，补偿元件12和附加成像元件11组合就如同具有无限焦距的成像元件一样。因此，元件11和12与显示装置1的自然环境中对观察者的眼睛可见的物体的距离都保持不变。可选地，如果眼镜的功能分别集成到增强现实显示器或图5的显示装置中，则补偿元件也可以适应于对相应观察者的视觉缺陷或视觉损伤的校正。

图4a还示出，显示装置1包括光学部件13，此处设计为柱面元件。光学部件13靠近SLM 3或位于其附近。该光学部件13在图示的YZ平面上没有聚焦效应。然而，该光学部件13在垂直于YZ平面的平面上具有聚焦效应。由于其位置靠近SLM 3或位于其附近，因此光学部件13对SLM 3的图像位置没有影响。

在所示的示例中，光耦合装置和解耦元件相对于光导表面的倾角被选择为使以特定角度耦合的光束也以相同的角度再次解耦。

还可以在显示装置中使用光导，在该装置中，通过例如使解耦元件倾斜不同定向的角度使解耦光束不平行于耦合光束。然而，前提是，光的耦合角度与光的解耦角度的独特分配。例如，光的相同的耦合角度不能产生光的两个不同的解耦角度；光的两个不同的耦合角度也不能产生光的相同的解耦角度。

图4b示出了图4a所示的显示装置1旋转90°的视图。该视图在XZ平面上旋转90°，示出了光学部件13的工作模式。再次示出了在SLM 3被照明装置3使用足够相干的光照射之后的光束，该光束来自SLM 3的三个不同像素。所示的在光导4的方向上来自SLM 3的两个外部像素或光束与根据图4a的像素或光束不同，其中中间像素或中间光束分别对应于图4a中的中间像素或光束，从图4d的显示装置1的透视图中可以清楚地看到这些。光学部件13具有加宽效应，因此来自SLM 3的外部像素或边缘区域像素的光束相对于彼此的距离在光的方向上在光学部件13之后最初扩大，在通过此处用于SLM 3的成像具有球面效应的成像元件5之后光束的这一距离再次减小。然后，光入射到光耦合装置10上，从而耦合到光导4中。耦合的光在光导4中传播，并利用部分反射解耦元件9再次从光导4解耦，如关于图4a所描述的。

图4c以通过XY平面的截面示出显示装置1。在这里示出了与图4b相同的SLM 3的三个像素。为了便于理解，只示出了光在光导4中的传播，相对地，没有示出与光导4解耦之后的光的传播。

在这种情况下，发散光学部件13和球形成像元件5的焦距的组合以下列方式选择：使得照明装置2的光源的图像以及来自SLM 3的不同像素的光束的叠加只在X方向上(即按照编码方向的单视差编码，在这里对应于X方向或竖直方向)产生，在光与光导4解耦之后在水平方向上(在此处对应于全息图的非编码方向)的最佳点位置处以及在竖直方向上在观察区域的位置处产生。

图4d以透视图示出了显示装置1。这里示出了利用物体或场景的信息调制的光束来自SLM 3的5个像素。在该图4d中再次可以清楚地看到，在水平方向，即在这里的非编码方向或在Y方向，来自SLM 3的各个像素的光在光耦合装置10处被叠加到光导4中。在竖直方向上(即编码方向或X方向)，SLM 3的各个像素的光仅在与光导4解耦之后距离SLM 3的更大距离处叠加。然而，为了便于理解，只针对SLM 3的一个像素说明了从光导4解耦的光束。

图4a至图4d的显示装置1设计为增强现实显示器(AR显示器)。

在图5中示出了设计为虚拟现实显示器(VR显示器)的显示装置。该显示装置的设计类似于图4a至图4d中所示的显示装置1，并且还包括根据图1至图3所描述的光导4。该示例性实施例还描述了空间光调制装置中全息图的单视差编码。

这里还根据YZ平面中的截面说明了显示装置。该显示装置包括与图4a至图4d的显示装置1相同的元件。也就是说，该显示装置包括具有至少一个光源的照明装置2、SLM 3、光导4以及至少一个成像元件5。照明装置2再次设计为发出足够相干的光。全息图可以编码在SLM 3中，以全息重建优选的三维场景。全息图SLM 3的编码可以以全视差编码或以单视差编码执行。该示例性实施例还描述了基于SLM 3上的全息图的单视差编码，其中本发明不限于单视差编码，而是也可用全视差编码。

优选使用准直光照明SLM 3的照明光学单元6设置在照明装置2和SLM 3之间。然后通过SLM 3像素孔径处的衍射在编码方向上限定光路中SLM 3之后的光束角。垂直于编码方向，即在非编码方向，需要限定的最小光束角来在观察平面8中产生最佳点7。优选地，该光束角选择为使非编码方向的光路中来自SLM 3的每个像素的光填充光耦合装置10的区域。在图5的情况下，示出了来自SLM 3的三个像素的光。在SLM 3和成像元件5之间的光路中，各像素的光是发散的。在成像元件5与光耦合装置10之间的光路中进行准直。为了填充光耦合装置10的区域，来自成像元件5上各像素的光束的直径与光耦合装置10在光导4下侧的投影相对应。因此，所需的角度是由SLM 3与成像元件5之间的距离以及光耦合装置10的大小产生的。在图5所示的示例性实施例中，填充光耦合装置10区域的光束角约为±8°。然而，图5中只使用了一个较小的角度来说明，这样就可以更好地看到光耦合装置，即光耦合装置10在图5中没有完全填充。

可以以下列方式产生这种光束角：可选地，可以在SLM 3上或SLM 3附近或在其他特定实施例中总体设置在SLM 3的像平面中设置产生这种限定的光束角的一维散射元件。可选地，也可以只在编码方向上使用准直光执行SLM 3的照明，并且在与编码方向垂直的非编码方向上使用近似对应于最小光束角或稍大的角谱执行SLM 3的照明。

SLM 3可以可选地设计为透射性SLM或反射性SLM。在图5中，显示装置1包括透射SLM。SLM 3优选是相位调制SLM或复值SLM，它调制光的相位和振幅。然而，本发明不限于这些情况，SLM 3也可以是振幅调制SLM。在显示装置的该实施例中，单视差全息图在垂直于纸面的方向(即X方向)写入或编码到SLM 3中。

光导4包括部分反射解耦元件9，其用于使在光导4中传播的光束或光解耦。部分反射解耦元件9在光导4中相互平行。而且，部分反射解耦元件9在光导4中相对于彼此设置在限定的距离处。通过这种方式，确保在光导4中传播的光在为此目的设置的解耦元件9处与光导4解耦。

可设计为透镜元件、反射镜元件或者也可为光栅元件的成像元件5在光路中设置在SLM 3和光导4之间。一般情况下，它也可以是具有至少两个或更多个成像元件的成像系统。本文件中关于成像元件5的焦距和特定距离的陈述之后适用于成像系统的总焦距和主平面。

从图5中可以明显看出，光是从SLM 3的不同像素发出的，为了清晰起见，在此示例性实施例中仅从SLM 3的三个不同像素发出，其中SLM 3根据要重建和表示的物体或场景的信息调制照明装置2发出的光。成像元件5设置在与显示装置中的SLM 3的距离为其焦距处。以这种方式，成像元件5可以在无限远处生成SLM 3的图像。这意味着来自SLM 3的相同像素的光束在成像元件5之后的光路中相互平行地准直和/或扩展。然而，来自SLM不同像素的光束在成像元件5之后在光的方向上具有相对于彼此不同的角度。

进一步地，显示装置包括光耦合装置10，光导4上的入射光使用该光耦合装置10可以耦合到光导4中。该光耦合装置10包括用于将光耦合到光导4中的至少一个反射镜元件和/或至少一个光栅元件和/或至少一个棱镜元件。在图5中，光耦合装置10包括用于将光耦合到光导4中的反射镜元件。此外，成像元件5在图5的图示YZ平面上将照明装置2的光源成像在光耦合装置10的反射镜元件上或总体在光导4的光耦合装置10附近。因此，来自SLM 3的不同像素的光束在光耦合装置10的反射镜元件上完全或至少大体相互叠加。

本质上对应于Y方向的视场的光的耦合角谱由来自SLM 3的边缘像素在垂直方向上的光束限定，该光束经过或通过成像元件5并入射到光耦合装置10的反射镜元件上，其中Y方向对应于这里的水平方向。

例如，图5的显示装置也可以包括如图4a至图4d所提到的成像SLM的投影系统，其中所公开的内容也适用于图5。

在光束入射到光耦合装置10上后，利用光耦合装置10的反射镜元件将它们耦合到光导4中。然后，光束通过全反射在光导4中传播和/或在光导4的边界表面或表面反射，并利用布置的部分反射解耦元件9与光导4解耦。来自SLM 3的不同像素的光以不同角度与光导4解耦。在每种情况下，这以平行于光束的耦合角度进行。来自SLM 3的不同像素的光在光路中然后通过最佳点7。因此，在全息图的非编码方向上，在观察平面8中产生最佳点7，从而可以在非编码方向(即这里的Y方向)上实现大的视场。

而且，显示装置还包括附加成像元件11。在这种情况下，附加成像元件11可以包括至少一个透镜元件、至少一个具有可变焦距的成像元件和/或至少一个可转换的成像元件。附加成像元件11在光的方向上设置在光导4之后和/或在光导4和观察平面8之间，观察者可以位于观察平面中以观察重建的三维物体或场景。该附加成像元件11设计为凹形成像元件或凹形成像系统，该系统包括至少两个成像元件。使用该附加成像元件11，位于无限远处的SLM 3的图像可以相对于观察者又移位或移动到有限的距离处，该附加成像元件11在非编码方向上位于与光导4的解耦处和最佳点7之间或者在全息图的编码方向上位于与光导4的解耦处和虚拟观察区域之间。

因此，在光导4和观察者之间设置的附加凹形成像元件11可以用来设置从眼睛中看到的SLM 3的图像位置。如果在光路中在光耦合到光导4之前由光学系统或成像元件5在无限远处产生SLM 3的图像，则在光路中在光导4和观察者之间的附加凹形成像元件11将SLM 3的位置移位到相对于观察者有限的距离处。例如，焦距为f＝-2m的附加成像元件将SLM的图像从距离观察者无限远处移动到距离2m的有限距离处。

图5还示出，显示装置包括光学部件13，此处设计为柱面元件。光学部件13靠近SLM3或位于其附近。该光学部件13在图示的YZ平面上没有聚焦效应。然而，该光学部件13在垂直于YZ平面的平面上具有聚焦效应。由于其位置靠近SLM 3或位于其附近，因此光学部件13对SLM 3的图像位置没有影响。

然而，根据图5的这个显示装置与根据图4a至图4d的显示装置1有根本的不同，因为这里说明的这个显示装置被设计为VR(虚拟现实)显示器，因此不需要补偿元件12。然而，为了保护重建的三维场景的观察者的眼睛不受不需要的光的影响，该不需要的光可以从显示装置的自然环境中穿过光导4并且可以实质地损害生成的场景的质量，因此，根据图5的该显示装置包括位于光导4远离观察者一侧的吸收元件14。在这种情况下，吸收元件14用于阻挡来自自然环境的光从该侧入射到光导4，从而防止不希望的环境光入射到观察者的眼睛上。在这种情况下，吸收元件14优选地可以作为单个元件布置在光导4附近。作为单个吸收元件14的可选方式，例如，光导4远离观察者的表面也可以是反射的。

照明装置使用的光源的光的相干长度的设置将参考图6说明。来自SLM的相同像素或从SLM的相同像素发射并在光导4中传播的光可以由不同的解耦元件9部分解耦，因此具有不同的与光导4解耦的光路。在图6中，在光导4中传播的光束Sin被三个不同的解耦元件9₁、9₂、9₃解耦成各自具有它的部分强度，以使三束光束S₁、S₂和S₃彼此平行地从光导4出射，这些光束在光导4中覆盖了不同的光路。单个光束的这种光路差不会对这里使用的非相干光产生作用。然而，在具有SLM足够相干照明的全息显示装置中，如果多个光束入射到观察者眼睛的瞳孔中，这些光束会导致出现不希望的干扰。重建的三维场景的物点在其强度上会被不期望地放大或衰减。由于光的角谱传播通过光导，例如对于来自SLM的不同像素列的光，相邻解耦元件之间的光的光路差会不同。

然而，为了防止扰人的干扰出现，照明装置光源的光的相干长度应以使相干长度小于两个解耦元件之间的最短连接距离Δm的方式进行调整。这一最短连接距离Δm相应地来自于解耦元件的水平距离Δx和解耦元件相对于表面法线N的倾角α：

Δm＝sin(90°-α)Δx。

在图7a至图7d的每附图中示出了显示装置的两个示例性实施例，其中每一个都可以通过拼接或分段而在全息图的编码方向上放大视场。为了能够更简单地解释显示装置100和200的工作原理，在各自的情况下两个显示装置100和200示出为彼此相邻。

图7a示出了显示装置100的一部分，该部分包括偏转装置150，偏转装置150用于在全息图的编码方向上(即在竖直和/或水平方向上)放大视场。在该示例性实施例中偏转装置150包括两个偏转元件151和152，其中偏转装置还可以包括附加的或多个偏转元件。至少一个偏转元件设计为可转换的。在光导140之前，两个成像元件151和152在光的方向上设置为相对于彼此偏移。在该示例性实施例中，偏转元件151和152设计为光栅元件。在SLM 103和照明装置的光源102发射的光经由光耦合装置(这里未示出)耦合到光导140之间，设置了光栅元件151和152形式的两个偏转元件，其中光栅元件152设计为可转换和/或可控的。总体上，光栅元件的偏转角度也可以随光栅元件上的位置而变化，因此光栅元件可以包括例如聚焦元件。由此设置了偏转光栅和衍射透镜的组合。

通过拼接或分段扩大视场的原理例如如下：光源102发出的光通过照明光学单元106入射到SLM 103上，从而根据要重建的物体或场景的信息进行调制，通过光学部件130和成像元件105，然后在光路中入射到偏转装置150的光栅元件151上。该光栅元件151具体化为可转换的。如果光栅元件151处于关闭状态，如图7a的左侧部分所示，则由SLM 103调制的光通过光栅元件151而未发生偏转，如箭头所示，使其未偏转地入射在光导140上。然后，未偏转的光入射到光耦合装置上，并在第一位置耦合到光导140中。然而，如果光栅元件151处于开启状态，如图7a的右侧所示，则由SLM 103调制的光相应地被该光栅元件151偏转。偏转光向光栅元件152的方向传播，并入射在光栅元件152上。该光栅元件152不是可转换的偏转元件。因此，光栅元件152上的入射光也被偏转，从而使光被入射到光导140的表面，并通过光耦合装置耦合到光导140中。由于光栅元件151和152两者的偏转效应，光相对于先前耦合的光的耦合位置偏移地耦合到光导140中。这意味着可以通过偏转装置150来选择和建立光在光导140上的耦合位置。以这种方式，利用光导140和偏转装置150，可以生成SLM 103的图像或由片段或块组成的SLM 103的傅里叶平面上的衍射级的图像。SLM 103的这种分段图像限定了视场，在该视场中，可以重建通过光源像平面或SLM 103的像平面中的虚拟观察区域观察的场景的信息项目，场景的信息项目编码在SLM 103中。这意味着可以通过成像元件多次成像SLM 103。SLM 103的单个图像表示通过偏转装置150竖直和/或水平并列以产生大的视场的片段或块。为此目的，在SLM 103中按时间顺序写入了相应片段的各种内容。

通过在偏转装置中添加附加的光栅元件，如图7c所示，可以产生两个以上的SLM的图像片段或块或衍射顺序。因此，可以由多个偏转元件产生更大的视场。在优选的实施例中，例如对于SLM的全息图的竖直编码方向，所述片段的数目在2到4之间。然而，在另一实施例中，例如对于SLM的全息图的水平编码方向，片段的数目也可以大于4，例如在2到10个片段之间。

图7b示意性地示出了显示装置200，其中在这里同样示出了如图7a所示的显示装置200的从照明装置的光源202到光导240的部分。该显示装置200包括与根据图7a的显示装置100相同的部件，然而，这里设置偏转装置250，偏转装置250包括反射镜元件256和257作为偏转元件，而不是如图7a所示的光栅元件。第一反射镜元件256在这里以线栅偏振器(WGP)的形式形成。该反射镜元件256与偏振开关255结合在一起，以实现它的可转换。因此，偏转装置250的至少一个反射镜元件被设计为可转换的。反射镜元件256对光源202发射的偏振方向的光有透射效应，但反射镜元件256对垂直于上述偏振方向的偏振光有反射效应。例如，偏振开关255可以设计为液晶元件。

通过偏转装置200中的反射镜元件进行拼接或分段来扩大视场的原理例如以下列方式进行：光源202发射的光经由照明光学单元206入射到SLM 203上，从而根据要重建的物体或场景的信息进行调制，通过光学部件213和成像元件205，然后在光路中入射到偏转装置250上。在图7b的左边示出了该情况，其中入射到偏转装置250上的偏振光以下列方式被转换：使反射镜元件256透射由SLM 203发射的光，从而使它未偏转地入射在光导240上。然后，未偏转的光入射到光耦合装置上(这里未示出)，并在第一位置耦合到光导240中。

然而，在图7b的右侧部分，入射到光偏转装置250上的偏振光以下列方式被转换：使反射镜元件256反射由SLM 203发射的光。由此反射的光入射到反射镜元件257上。然后，反射镜元件257以使其在与未偏转的光不同的位置处耦合到光导240中的方式被偏转。这也意味着，这里可以通过偏转装置250来选择和建立光在光导240上的耦合位置。通过这种方式，可以通过光导240和偏转装置250生成SLM 203的图像或可选地由片段或块组成的SLM203的傅里叶平面上的衍射级的图像。SLM 203的这种分段图像限定了视场，在该视场中，可以重建通过光源像平面或SLM 203的像平面中的虚拟观察区域观察的场景的信息项目，场景的信息项目编码在SLM 203中。这意味着可以通过成像元件多次成像SLM 203，然而，在每种情况下，不同的内容写入SLM 203中。SLM 203的单个图像表示通过偏转装置250竖直和/或水平并列以产生大的视场的片段或块。

在一般情况下，反射镜元件256和257不必具体化为平面或平的，而是也可以包括曲率和/或包含例如聚焦功能。

偏转装置同样是可扩展的以通过具有附加偏振开关和附加反射镜元件256的布置产生两个以上的片段或块，如图7d所示。因此，可以通过多个偏转元件产生更大的视场。

图7c示出了如图7a所示的显示装置100，其中显示装置100当前在该情况下设计为使用偏转装置150生成由三个片段或块组成的SLM 103的图像。可转换光栅元件151包括该示例性实施例中的至少三种转换状态。根据图7c的中间图像，在关闭状态下，光栅元件151将由SLM 103调制的光透射，并且现在以通过和未偏转的方式入射。根据图7c中的左侧图像，在光栅元件151的第一开启状态下，该光栅元件151将光偏向左边或光栅元件153的方向。根据图7c中的右侧图像，在光栅元件151的第二开启状态下，该光栅元件151将光偏向右边或光栅元件152的方向。

两个光栅元件152和153设计为无源光栅元件并且以下列方式设置在显示装置100中：分别使光栅元件151向左偏转的光入射到光栅元件153上，光栅元件151向右偏转的光入射到光栅元件152上。

下列图7c的左、中、右侧图像分别示出：在左侧图像中，示出了借助光栅元件151和153生成SLM 103图像的左侧片段。在中间图像中，示出了生成的中间片段，其中光栅元件151在这里处于关闭状态，并且光未偏转地入射在光导40上。在右侧图中，示出了借助光栅元件151和152生成右侧片段。根据关于图7a所描述的过程执行单个片段的生成。

这里有利地只需要单个可转换的光栅元件，但它确实必须有至少三个开关状态。例如，如果光栅元件151是具有可变可写光栅周期的光栅元件，则可以实现另外进一步的偏转角，从而实现进一步的分段。例如，如果光栅元件151是可控的偏振光栅，则可以通过以等周期改变光栅元件的旋转方向来实现向左或向右的交替偏转。

图7d示出了根据图7b的显示装置200，其中显示装置200在目前的情况下被设计为使用偏转装置250生成由三个片段或块组成的SLM 203的图像。

在该示例性实施例中，设置了用于生成三个片段的两个重定向元件，其中两个重定向元件包括以线栅偏振器形式的反射镜部分256和258，反射镜部分与两个偏振开关255和259相结合。

在这种情况下，SLM 203图像的三个片段以如下方式生成：如图7d的左图所示，偏振开关255处于关闭状态以根据图7b产生第一片段，这样入射光可以不偏转地通过反射镜元件256，并且可以入射到光导240中。由SLM 203调制的线性偏振入射光由此通过偏振开关255和反射镜元件256并入射到光导240中。

图7d的中间图像说明了如何生成第二片段。为了生成第二片段，偏振开关255被移动到开启状态。然后利用偏振开关255旋转由SLM 203发射的偏振光，使光被反射镜元件256反射并指向反射镜元件258的方向。附加的偏振开关259处于关闭状态。然后，偏振光在反射镜元件256和反射镜元件258之间保持不变，以使光还在反射镜元件258处被反射，然后引导到光导240的方向，并耦合到该光导240中。

现在根据图7d中的右图生成SLM 203的图像的第三片段。在这种情况下，偏振开关255和259都处于开启状态。由SLM 203调制的光现在由反射镜元件256反射。但由于偏振光仅在两个反射镜元件256和258之间由偏振开关259旋转一次，因此光未偏转地通过反射镜元件258。然后，该光被入射到反射镜元件257上，并向光导240的方向反射，并耦合到光导240中。

这样，光与光导204的耦合点或耦合位置就会相应地改变，从而生成SLM 203的图像的三个片段。

显然可行的是，这些显示装置100和200也可以通过附加的光栅元件或附加的重定向元件来扩展，这些元件包括与偏振开关组合的反射镜元件，以产生另外的片段或拼接块。然而，所需的可转换元件的数量也随着片段数的增加而增加。

图8a至图8c示出了显示装置的一个实施例，它使用更复杂的光学系统，该光学系统由位于SLM和光与光导的耦合处之间的多个成像元件组成并且可以提供拼接或分段以扩大编码方向上的视场，并且优选地提供单视差编码。图8a至图8c的显示装置300的光学结构基本上对应于根据图4a至图4d的显示装置1的光学结构。在这里再次同样设定为在SLM上的全息图的单视差编码。

与根据图4a至图4d的显示装置1的示例性实施例相比，该实施例包括以单个球形成像元件的形式的成像元件5(例如透镜)以及以单个柱面成像元件的形式的光学部件13(例如柱面透镜)，然而，图8a至图8c示出在SLM 330和光导340之间设置了多个成像元件。在该示例性实施例中，显示装置300中共设置了十个透镜形式的成像元件，其中还可以设置反射镜元件或光栅元件代替透镜，成像元件的数量也可以变化。在这里包括多个元件的成像元件305以及同样包括多个元件的成像系统360形成至少部分球形，其中光学部件313形成柱面。成像系统360的元件314不是柱面的，而是有例如不同的曲率半径，因此在水平和竖直方向上也有不同的焦距。这是为了举例说明，但本发明不应限于使用少数(如两个或三个)成像元件。球形成像元件(如成像元件305)和柱面光学部件(如光学部件313)的功能相对于显示装置300中的排列顺序也可以进行交换和/或嵌套。可以交换所述成像元件、球形或近似柱面以及可以设置的偏转装置350的序列或使其嵌套，其中偏转装置350包括用于生成SLM 330的单个片段或块的至少一个可转换的光栅元件或反射镜元件或重定向元件。

由成像系统360、成像元件305和光学部件313构成的图示光学系统具有这样的效果：在光与光导340解耦之后，在编码方向上在光路中的观察区域307的位置处可以产生照明装置(未显示)的至少一个光源的一维光源图像，在非编码方向上在光路中在光与光导340的耦合位置或附近可以产生照明装置的光源的一维光源图像。

在图示光学系统中，使用成像系统360生成SLM 330的中间图像。在这种情况下，光学部件313设置在SLM的像平面中。因此，SLM 330的中间图像在光学部件的区域中产生，以使光学部件也不会对本示例性实施例中的空间光调制装置的附加图像位置产生影响。

偏转装置350设置在成像系统360的第一对球面成像元件之间，该球面成像元件在光束路径中紧随SLM 330之后。偏转装置350包括可转换光栅元件。

在每种情况下，在图8b和图8c示意性示出了用于产生SLM 330图像的其中一个片段的相应光路，示出了偏转装置350的光栅元件的第一开关状态(图8b)和光栅元件的第二开关状态(图8c)。根据偏转装置350的光栅元件的开关状态，由SLM 330调制的光在不同的位置入射到成像系统360的下列元件上，即光学部件和成像元件305上，并在编码方向上产生两个不同的片段或拼接块。这些片段各自是SLM 330的一个图像，并且为了实现大的视场而生成。这意味着这些片段是竖直和/或水平并列重叠的，或者没有间隙以产生一个大的视场。这些片段作为SLM的图像在平面中相对于彼此竖直偏移地生成，其中光学部件313也位于该平面中。因此，图8b示出了第一片段，图8c示出了第二片段。

在根据图8a至图8c在这里示出的具体实施例中，在偏转装置350中只使用单个可转换的光栅元件，这与具有拼接或分段的显示装置的具体实施例不同，具有拼接或分段的显示装置包括图7a至图7d所示的两个或更多个光栅元件或反射镜元件。代替第二光栅元件，成像元件的大小设计为在随后的光路中基于光栅元件的开关状态使从光栅元件传播的光基本上通过随后的成像元件的上部区域(如图8b所示)，或者基本上通过随后的成像元件的下部区域(如图8c所示)。因此，偏转装置350的单个可转换光栅元件与光路中设置的成像元件和光学部件的结合可以以适当的方式产生各个片段。

竖直和/或水平视场的拼接或分段选项不应限于说明和描述的示例性实施例。

将在图9的基础上说明如何选择光导4中部分反射解耦元件S的距离。可以看出，部分反射解耦元件S1、S2和S3各自相对于光导4中的法向N以角度α设置。如果可以认为部分反射解耦元件S1、S2和S3在光导4的表面有投影，其中投影仅针对这里的解耦元件S1和S2执行，则该投影优选地在相邻解耦元件S1、S2、S3……之间没有间隙。

在图9的图(a)中示出了该情况，其中部分反射解耦元件S1、S2和S3以过大的距离相对于彼此设置。很明显，通过光导中解耦元件S1、S2和S3的这种设置，解耦元件S1的投影P1与解耦元件S2的投影P2之间形成了间隙。因此，在单视差编码的情况下，在全息图的非编码方向上，在生成的最佳点中存在间隙。如果利用SLM中的全视差编码来编码全息图，那么在虚拟观察区域中也存在间隙。这些间隙将极大地干扰观察者对三维场景的感知。

部分反射解耦元件S1、S2和S3在光导4的表面或边界表面的投影也不宜有大的重叠。这些投影要么没有重叠地相互连接，要么只有很小的重叠，例如最多10％的重叠。

在图9的图像(b)中说明了这种情况，其中解耦元件S1和S2在光导4的表面或边界表面的投影P1和P2存在一个小重叠。部分反射解耦元件在光导4中的这种设置是优选的，因为以这种方式不会产生位于最佳点和/或虚拟观察区域中的间隙。

优选地，在显示装置中采用薄的且轻的光导。为了限制制造光导的开支，在光导中设置尽可能少的部分反射解耦元件。

为了在薄的光导中使用很少的部分反射解耦元件来产生大的视场，解耦元件优选设置为相对于法向N倾斜并且成大的角度α。

在图10中示出了薄的光导4的具体实施例，该光导可用于图中所示的显示装置中。在该光导4中，部分反射解耦元件S1和S2相对于法向N以倾角α为72.5°地设置。这里光导4的厚度为d＝1.6mm。在该示例性实施例中，解耦元件相对于彼此的距离是x＝dtanα＝5.1mm。图10中只示出了两个解耦元件。例如，通过光导中解耦元件的这种设置，可以使用六个解耦元件实现大约35°的视场。

光导4的边界表面可以设置反射层，以增强这些边界表面对入射光的反射率。这是合理的，尤其是当光在光导中传播期间在边界表面不会发生全反射的情况下。

在图10中在这里用虚线箭头说明的光与光导4的耦合不是通过作为光耦合装置的反射镜元件产生，而是通过棱镜元件20产生。棱镜元件20的棱镜角度γ在这里是35°。由此确保垂直于棱镜元件20表面耦合的光也相对于光导4的表面垂直解耦。因此，这得到的结果是，解耦元件的角度相对于水平方向成17.5°，而棱镜角度γ相当于这一角度的两倍，即2x17.5°＝35°。

在该示例性实施例中，以下列方式调整或形成部分反射解耦元件S1和S2，即使得部分反射解耦元件S1和S2在解耦元件S1和S2的表面上部分反射相对于法向N成小角度入射的光，并且在解耦元件S1和S2的表面上传输相对于法向N以大角度入射的光。

在这种情况下，SLM(这里没有显示)或散射元件的照射角度可以以下列方式调整或设置，即使得在非编码方向上完全照射棱镜元件20的光线所通过的一侧的表面。

当然，本发明不限于在根据图10的示例性实施例中所提到的数字示例。部分反射解耦元件在光导上相对于法向N的倾角α优选在55°和75°之间。然而，倾角范围也可以选择为更大。

图11总体示意性地示出了产生具有部分反射解耦元件的光导的一种选择。

优选为光学塑料或玻璃的光导材料首先根据图(a)分为各个部分A。在这种情况下，单个部分A的切割面的角度优选对应于以这种方式产生的解耦元件的期望倾角α。

根据图(b)，例如以介电层堆叠(即涂层)形式的部分反射层TS然后以下列方式应用于各个部分A的切割面，即使得部分反射层TS设置在每两个部分A之间。如果作为部分反射层TS设置介电层堆叠，则介电层堆叠的各个层的折射率、顺序和厚度将被调整为使得入射光的部分反射发生在入射光的特定角度范围内。随后，根据图11的图(c)，具有部分反射层TS的各个部分A例如通过粘合再次连接在一起以形成光导。以这种方式，可以在光导中产生示例性解耦元件。

这种制作光导的方法完全是一种示例性的实施例。当然，还可以以另一种方式制作可以在显示装置中使用的光导。因此，本发明不限于使用以这种方式制作的光导。

例如，在光导的一个简单的实施例中，所有部分反射解耦元件都具有相同的反射率。然而，将由此产生亮度梯度。由于一部分光已经在光导的第一解耦元件处解耦，在光导中传播的光首先入射到第一解耦元件上，因此进入光导的所有光的仅小部分仍入射到随后的解耦元件上。如果相同百分比的入射光总是通过解耦元件解耦，则解耦光的绝对强度随着光导中的每个附加解耦元件而减小。

例如，这可以通过SLM的照明或写入SLM的内容来补偿。为此目的，例如，子全息图的低振幅可以与要表示的场景的左侧部分而不是要表示的场景的右侧部分相关联。

可选地，例如，光导可以包括各自具有不同的反射率的解耦元件。通过这种方式，可以实现的是，较大比例的入射到光导中的光仍然可以在光路中最后设置的解耦元件或在光路中位于第一解耦元件之后的解耦元件处解耦。那么光的绝对解耦强度对于光导中的所有解耦元件而言几乎相等。

例如，如果解耦元件各自都以介电层堆叠形成，则可以针对每个解耦元件单独地调整层堆叠以实现所需的反射率。

而且，实施例和/或示例实施例的组合是可行的。最后，尤其值得注意的是，上述示例性实施例仅用于描述所要求的教导，而并非将该教导限制为示例性实施例。

Claims (32)

1.一种显示装置，具体是近眼显示装置，包括：

–至少一个照明装置，所述至少一个照明装置用于发射足够相干的光，–至少一个空间光调制装置，全息图被编码在所述至少一个空间光调制装置中以全息重建场景，

–至少一个成像元件，所述至少一个成像元件用于使所述至少一个空间光调制装置在无限远处成像，

–至少一个附加成像元件，所述至少一个附加成像元件被设置用于使所述至少一个空间光调制装置的中间图像在有限的距离处成像，所述中间图像由所述至少一个成像元件在无限远处生成，

–至少一个光导，

–至少两个部分反射解耦元件，所述至少两个部分反射解耦元件设置在所述至少一个光导中并用于使光与所述光导解耦，以及

–虚拟观察区域在全息图的至少一个编码方向上在光的方向上位于所述至少一个光导之后且在所述至少一个空间光调制装置的傅里叶平面或像平面中在观察者的眼睛之前生成。

2.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述部分反射解耦元件被设计为反射镜元件或棱镜元件。

3.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述部分反射解耦元件彼此平行。

4.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述部分反射解耦元件相对于彼此以预定距离设置。

5.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述部分反射解耦元件以使这些解耦元件将在所述至少一个光导中传播的光偏转到预定方向的方式设置。

6.根据权利要求1所述的显示装置，其中光耦合装置被设置，使用所述光耦合装置将入射到所述至少一个光导上的光耦合到所述光导中。

7.根据权利要求6所述的显示装置，其中所述光耦合装置包括至少一个反射镜元件和/或至少一个光栅元件和/或至少一个棱镜元件。

8.根据权利要求1所述的显示装置，其中一维全息图优选编码在所述至少一个空间光调制装置中。

9.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述至少一个成像元件包括至少一个透镜元件和/或至少一个反射镜元件和/或至少一个光栅元件。

10.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述至少一个成像元件在光的方向上设置在所述至少一个光导之前，具体位于所述至少一个空间光调制装置和所述至少一个光导之间。

11.根据权利要求1所述的显示装置，其中至少一个附加成像元件被设置，所述至少一个附加成像元件在光的方向上设置在所述至少一个光导之后。

12.根据权利要求1或11所述的显示装置，其中所述至少一个附加成像元件包括至少一个透镜元件和/或至少一个具有可变焦距的成像元件和/或至少一个可转换的成像元件。

13.根据权利要求1所述的显示装置，其中至少一个补偿元件被设置。

14.根据权利要求13所述的显示装置，其中所述补偿元件设置在所述至少一个光导的与所述至少一个附加成像元件相对的一侧。

15.根据权利要求13或14所述的显示装置，其中所述补偿元件包括至少一个透镜元件和/或至少一个具有可变焦距的成像元件和/或至少一个可转换的成像元件。

16.根据权利要求1所述的显示装置，其中光的相干长度设置为使所述相干长度小于所述至少一个光导中的两个所述部分反射解耦元件的最短距离。

17.根据权利要求1所述的显示装置，其中至少一个光学部件被设置，所述至少一个光学部件具体包括柱面元件。

18.根据权利要求17所述的显示装置，其中所述至少一个光学部件在光路中设置为紧随所述至少一个空间光调制装置之后，或在所述至少一个空间光调制装置的像平面中。

19.根据权利要求1所述的显示装置，其中在所述至少一个空间光调制装置中设置全息图的单视差编码的情况下，在所述全息图的非编码方向上生成最佳点。

20.根据权利要求1所述的显示装置，其中在编码方向上所述至少一个照明装置的至少一个光源的光源图像在光路中在光与所述至少一个光导的解耦处之后在虚拟观察区域的位置处生成。

21.根据权利要求1所述的显示装置，其中在所述至少一个空间光调制装置中设置全息图的单视差编码的情况下，在非编码方向上所述至少一个照明装置的至少一个光源的光源图像在光路中在光与所述光导的耦合位置或接近所述耦合位置处生成。

22.根据权利要求17或18所述的显示装置，其中所述至少一个光学部件设置用于产生水平光源图像和竖直光源图像，所述光源图像在光路中的不同位置产生。

23.根据权利要求20所述的显示装置，其中虚拟观察区域在至少一个编码方向上在光源像平面中或在所述空间光调制装置的像平面中生成，所述光源像平面在光的方向上设置在所述至少一个光导之后，所述空间光调制装置的像平面在光的方向上设置在所述至少一个光导之后。

24.根据权利要求1所述的显示装置，其中偏转装置设置用于放大水平方向和/或竖直方向的视场。

25.根据权利要求24所述的显示装置，其中所述偏转装置包括至少两个偏转元件，其中至少一个所述偏转元件设计为可转换的，其中所述偏转元件优选设计为光栅元件或反射镜元件或重定向元件。

26.根据权利要求25所述的显示装置，其中所述至少两个偏转元件中的一个设计为重定向元件，所述重定向元件包括优选是线栅偏振片的至少一个反射镜元件以及至少一个偏振开关，并且所述至少两个偏转元件中的另一个设计为反射镜元件。

27.根据权利要求25或26所述的显示装置，其中所述至少两个偏转元件设置为在光的方向上在所述至少一个光导之前相对于彼此偏移。

28.根据权利要求24所述的显示装置，其中由片段组成的所述至少一个空间光调制装置的图像通过所述至少一个光导和所述偏转装置生成，其中所述图像限定视场，所述空间光调制装置中的场景的编码信息项可在所述视场中针对通过所述虚拟观察区域的观察进行重建，所述虚拟观察区域处于光源像平面中。

29.根据权利要求1所述的显示装置，其中光通过所述光导的边界表面上的反射而在所述至少一个光导中传播，并且在每种情况下在预定的部分反射解耦元件处提供光的光束与所述光导的解耦。

30.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述空间光调制装置被设计为相位调制空间光调制装置或复值空间光调制装置。

31.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述显示装置被设计为头戴式显示器或增强现实显示器或虚拟现实显示器。

32.一种表示重建场景的方法，所述方法使用根据权利要求1-31中任一项所述的显示装置实施。

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