CN111542776B - 用于hmd的光导、hmd以及用于在hmd中传输图像的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于HMD(1)的进行导光的光导(3)，该光导设置在HMD(1)中以放置在眼睛的前面。该光导(3)包括：‑至少一个输入耦合结构(5)，用于将被引导通过该光导(3)的光的光线耦合到该光导(3)中，其中，这些光线分别由波向量k表示，如果该光导(3)被放置在该眼睛的前面，这些波向量在由视轴(A)作为z轴、从颞部到鼻部延伸的x轴以及从尾部到颅延伸的y轴形成的坐标系中各自具有在xz平面上的带有绝对值k_xz投影、以及y分量k_y，以及‑至少一个输出耦合结构(7)，用于将被引导通过该光导(3)的光线耦合出该光导(3)。

Description

用于HMD的光导、HMD以及用于在HMD中传输图像的方法

技术领域

本发明涉及用于导光的光导，该光导可以用于要戴在头部上的显示器，该显示器又称为头戴式显示器或简称HMD。另外，本发明涉及一种HMD以及一种用于在HMD中传输图像的方法。

背景技术

一种常规形式的头戴式显示器使用屏幕，屏幕被戴在眼睛的前面、并且向使用者呈现比如计算机生成的图像或由相机记录的图像等电子图像。此类头戴式显示器通常体积庞大并且不允许直接感知周围环境。

近年来，已经开发了能够将电子图像与直接感知到的周围环境的图像组合并因此向使用者呈现电子图像而不会妨碍对周围环境的直接感知的头戴式显示器。这种头戴式显示器(如果它们采用眼镜的形式，则在下文中被称为智能眼镜)使得能够在日常生活中利用这种技术。

当将电子图像与直接感知到的周围环境的图像组合时，在智能眼镜情况下，在这种组合可以基于的以下原理之间从本质上进行区分：

1.使用在前部附接有光束组合器(例如分束立方体)的普通眼镜。

2.从侧面并且从在眼镜镜片内侧朝眼睛的反射来将光输入耦合到头部与眼镜镜片之间，其中，衍射光栅、菲涅耳元件等以互补方式来使用。

3.通过眼镜镜片中的内反射引导电子图像的光，并且借助于输出耦合结构将电子图像的光束路径与周围环境的直接图像组合，该输出耦合结构被布置在眼镜镜片中并用于朝眼睛方向从眼镜镜片耦合出电子图像的光束路径。眼镜镜片在这里用作耦合进的光的光导。

尽管第一原理在光学上起到非常好的作用，但由于附接在前部的光束组合器向外非常明显且大，所以它的社会接受度非常低。此外，眼镜因此变得前部重。

第二原理仅在眼镜与头部之间的距离大大增加的情况下才能在解剖学上实现，这同样是不可接受的。

因此，更有希望的途径从第三原理开始，也即是说在眼镜镜片中引导光。在这种情况下，输出耦合结构可以被配置为衍射光栅、配置为部分透明的倾斜反射镜或者是部分透明的菲涅耳元件的形式。在衍射光栅的情况下，例如通过一级衍射最大值从眼镜镜片耦合出电子图像的光束路径，而通过零级衍射最大值，观察光可以尽可能少减弱地穿过输出耦合结构。

在根据上述第三原理操作的HMD中，来自由初始图像表示的场(以下称为初始图像场)的场点的发散光束被准直并在光导中通常被引导成为准直光束。光束的直径在此由成像设备的入射光瞳限定，光导是成像设备的一部分。光束的中心光线在下文中将被称为主光线。在出射光瞳的区域中测量的表示初始图像场的左右边缘的光束之间的角度或所述光束的主光线之间的角度被称为水平场角。在表示初始图像场的竖直边缘的光束之间或所述光束的主光线之间的在出射光瞳区域中测量的角度被称为竖直场角。在大的初始图像场的情况下，存在大的场角，主要是大的水平视场角，尤其是例如要表示16∶9格式的图像时。

为了能够传输大的场角，已经提出了通过不同的输入耦合结构将初始图像的不同场区域耦合到光导中，并且通过对应于输入耦合结构的不同的输出耦合结构将这些不同场区域从光导中耦合出来，其中，不同的视场区域各自大致覆盖光导最大可传输的场角。然后可以设计输出耦合结构，使得输出耦合结构将光导传输的相应区域的光束耦合输出到不同的方向，使得光束在出射光瞳的区域中重叠以再次形成初始图像的整个场。这样的过程也称为场拼接(field stitching)。例如在US 2012/0062998 A1和WO 2017/102795 A1中描述了这种场拼接。此外，例如从US 2010/0220295 A1、WO 2017/120334 A1和WO 2017/120341A1中已知，使用不同的衍射输入耦合结构和输出耦合结构来将彩色图像的不同波长范围耦合进出光导。为了耦合出彩色图像的不同波长范围，也可以使用相对于彼此旋转的光栅结构，WO 2017/120334 A1和WO 2017/120341 A1中就是这种情况。

当传输大的场时，特别是具有大的竖直场角的这种场时，出现光导中的光束从侧面被引导到输出耦合结构的问题。为了确保图像场对于HMD的使用者向上延伸足够远(例如20°)，必须从输出耦合结构的上部区域耦合出光。因此，HMD的使用者感知为来自底部的光必须从输出耦合结构的下部区域被耦合出。如果输出耦合结构位于使用者眼前的HMD中，则名称-输出耦合结构的上部区域和输出耦合结构的下部区域在此是指输出耦合结构的取向。为了使光束被感知为来自顶部或底部，光束必须具有对应的输出耦合角。如果图像场具有例如40°的竖直场角，其中出现-20°至+20°角度的光束，则必须确保光束可以从输出耦合结构成-20°至+20°的角度出射。由于处于-20°角度的光束和处于+20°角度的光束随着出射光瞳与输入耦合结构的距离的增加而发散以耦合进这些光束，因此光导在输入耦合结构的区域中需要具有对应大的范围。如果光导被实施为眼镜镜片，则这可能使眼镜镜片的高度需要朝向镜腿增大，结果，眼镜镜片的上边缘朝向镜腿增大，或者总体上需要在镜腿区域中突出较远，这样可能被认为不美观。这个问题在下边缘的区域中没有那么重要，但是可以想到HMD的其他设计，其中对下边缘的轮廓存在狭窄约束，但对上边缘的轮廓不存在狭窄约束，例如，在光导从头盔式结构向下延伸时。

发明内容

因此，本发明的第一目的是提供一种用于HMD的光导，该光导即使在大垂直场角的情况下也可以具有紧凑的尺寸。本发明的第二目的是提供一种即使在大垂直场角的情况下也可以具有紧凑的光导的HMD。本发明的第三目的是提供一种用于在HMD中传输图像的方法，该方法在光导成形的情况下提供更大的灵活性。

第一目的是通过如权利要求1所述的光导而实现的，第二目的是通过如权利要求16所述的HMD而实现的，并且第三目的是通过如权利要求17所述的方法而实现的。从属权利要求包含本发明的有利配置。

提供根据本发明的用于引导光的用于HMD的光导，该光导被放置在眼睛前面，并且包括：至少一个输入耦合结构，用于将被引导通过该光导的光的光线耦合到光导中；至少一个输出耦合结构，用于将被引导通过该光导的光线从该光导耦合出。输出耦合结构可以是反射性的、折射性的或衍射性的输出耦合结构。在此，光线分别由波向量k表示，波向量在具有x轴、y轴和z轴的坐标系中分别具有在xz平面上延伸并且带有k_xz的绝对值的分量k_xz、以及y分量k_y。因此，在xz平面上延伸的分量k_xz的绝对值是

在这种情况下，坐标系是以下坐标系，其中，当将光导放置在眼睛的前面时，背离眼睛的光导的法线在输出耦合结构的中心形成z轴，从颞部到鼻部延伸的轴线形成x轴，从尾部到颅延伸的轴线形成y轴。如果光导被布置在右眼的前面，则这个坐标系为右侧坐标系；如果光导被布置在左眼的前面，则为左侧坐标系。出于以下考虑，这提供了在两种情况下y轴都具有相同取向的优点。

根据本发明，输出耦合结构被定向为使得对于通过输出耦合结构耦合出的并且在其被耦合出之后波向量具有负比率k_y/k_xz的所有光线，光导中的波向量的比率是k_y/k_xz＞-0.2。光导中的波向量的比率k_y/k_xz特别地也可以是正的。另外或替代地，输出耦合结构被定向为使得对于通过输出耦合结构耦合出的并且在其被耦合出之后波向量具有正比率k_y/k_xz的所有光线，光导中的波向量的比率k_y/k_xz小于+0.2。光导中的波向量的比率k_y/k_xz特别地也可以是负的。尤其有利的是，输出耦合结构被定向为使得对于通过输出耦合结构耦合出的并且在其被耦合出之后波向量具有负比率k_y/k_xz的所有光线，光导中的波向量的比率为k_y/k_xz＞0，和/或对于通过输出耦合结构耦合出的并且在其被耦合出之后波向量具有正比率k_y/k_xz的所有光线，光导中的波向量的比率k_y/k_xz＜0。比率k_y/k_xz对应于波向量k相对于xz平面的角度的正切值，当眼睛直视前方时，这基本上对应于水平面。因此，负比率对应于负角，因此所述坐标系中的对应波向量被感知为来自上方。正比率因此对应于正角，因此所述坐标系中的对应波向量被认为来自下方。

利用根据本发明的光导，可以通过光导来实现根据本发明的用于在HMD中传输图像的方法，其中，光导设置在HMD中以便放置在眼睛的前面，并且表示要传输的图像的光线各自由波向量k表示，如果将光导放置在眼睛的前面，则这些波向量在由作为z轴的视轴、从颞部到鼻部延伸的x轴、以及从尾部到颅延伸的y轴形成的坐标系中各自具有x分量、y分量和z分量，并且其中，表示要传输的图像的光线的波向量k的x分量和y分量的总和形成要传输的图像的角谱。借助于根据本发明的光导，要传输的图像的角谱可以在光导内部以与要在光导外传输的图像的角谱相比沿y轴位移的方式传送。在此还可以将要传输的图像的角谱分成至少两个部分，并且将角光谱的这两个部分在光导内部以与要在光导外部传输的图像的角谱相比沿y轴的不同位移来传送。在此，角谱的这两个部分可以在光导外、尤其是在y轴方向上彼此上下布置。根据本发明的方法在光导的成形方面提供了很大的灵活性，因为角谱在光导内部的位置可以适于光导的相应形状，特别是适于光导的上边缘和下边缘的相应轮廓。

输出耦合结构的根据本发明的取向使得可以以显著更小的角度在光导内引导以相对于光导的出射光瞳成大的竖直出射角前进的光束。结果，光导可以具有紧凑的设计，这使得例如在被实施为眼镜镜片的光导的情况下，可以实现眼镜镜片的上边缘和/或眼镜的下边缘的美观形状。

根据本发明的光导可以具有至少两个输入耦合结构，每个输入耦合结构耦合进被引导通过光导的光的两个不同光线子集之一。在此，光导还具有至少两个输出耦合结构，其中，每个输出耦合结构都以这样的方式被分配给输入耦合结构之一，使得其将通过对应的输入耦合结构被耦合进的那个光线子集耦合出光导。光导的这种设计使得在引言部分中提到的场拼接成为可能，其与输出耦合结构的根据本发明的取向相结合，使得可以提供特别紧凑的光导。光线子集各自表示要传输的图像的角谱的不同部分。

在光导具有至少两个输入耦合结构和至少两个输出耦合结构的情况下，光线子集可以在表示它们的波向量k的x分量k_x所在的值范围方面彼此不同。然后，每个输出耦合结构分别被定向，其方式为使得对于通过输出耦合结构耦合出的并且在其通过输出耦合结构被耦合出之后其波向量具有负比率k_y/k_xz的光线子集中的所有光线，光导中的波向量的比率k_y/k_xz＞-0.2，尤其是＞0，和/或对于通过其耦合出的并且在其通过输出耦合结构被耦合出之后其波向量具有正比率k_y/k_xz的光线子集中的所有光线，光导中的波向量的比率k_y/k_xz＜+0.2，尤其是＜0。在这种设计中，当初始图像被引导通过光导时，初始图像的场被划分成两个场区域，这两个场区域在其光线的波向量的x分量上彼此不同。这样的划分对应于初始图像上的场的水平划分。在此，根据本发明针对两个场部分选择输出耦合结构的取向。

另外地或替代地，在具有至少两个输入耦合结构和至少两个输出耦合结构(也可以是单个输出耦合结构的至少两个区域)的光导中，子集之一包括在被耦合出之后具有表示光线的波向量k的负y分量k_y的这些光线，并且子集中的另一个子集包括在被耦合出之后具有表示光线的波向量k的正y分量k_y的这些光线。在这种情况下，光线子集表示要传输的图像的角谱的部分，这些部分在光导外部在y轴方向上彼此上下布置。在这种情况下，两个子集的波向量的y分量k_y的值没有重叠或重叠很小。小于相应波向量的10％、优选地小于相应波向量的5％的重叠在此应被认为是小重叠。耦合出包括在被耦合出之后具有表示光线的波向量k的负y分量k_y的这些光线的光线子集的输出耦合结构被定向为使得对于在通过输出耦合结构被耦合出之后波向量具有负比率k_y/k_xz的对应光线子集中的所有光线，光导中的波向量具有比率k_y/k_xz＞-0.2，特别是＞0。另外，耦合出包括在被耦合出之后具有表示光线的波向量k的正y分量ky的这些光线的光线子集的输出耦合结构被定向为使得对于在通过输出耦合结构被耦合出之后波向量具有正比率k_y/k_xz的对应光线子集中的所有光线，光导中的波向量具有比率k_y/k_xz＜+0.2，特别是＜0。在这种设计中，场的划分一方面用于在光导中以小的负角度或正角度引导以大的负角度耦合出光导的光线。另一方面，通过输出耦合结构以大的正角度耦合出的光束在光导中以小的正角度或负角度被引导。这使得可以产生在光导的上边缘与下边缘之间具有小的距离的光导，并且同时传输大的垂直场。到两个输出耦合结构的光束路径在此也可以被交叉引导，使得通过输出耦合结构以大的正角度耦合出的光束以小负角度在光导中前进，反之亦然。

在根据本发明的光导中，光线子集中的至少一些可以各自表示被引导通过光导的光的不同波长范围，而不是初始图像的不同区域。光导还可以包括至少两个辅助光导，其中，每个辅助光导具有至少一个输入耦合结构和一个输出耦合结构。通过使用辅助光导，当光线子集被引导通过光导时，光线子集可以可靠地彼此分离，从而可以避免串扰。

另外，光导或至少一个辅助光导可以具有至少两个输入耦合结构和两个输出耦合结构。在那种情况下，每个输出耦合结构被分配给一个输入耦合结构。另外，输入耦合结构和输出耦合结构相对于彼此被布置为使得光导中的通过输入耦合结构之一被耦合进的光线不会入射到分配给另一输入耦合结构的输出耦合结构上。这允许被引导通过同一个光导或同一个辅助光导的光线子集在空间上分离。光束引导在光导中或在辅助光导中的这种几何分离也使得可以避免串扰。避免串扰的另一种可能性是通过以下事实：光导或至少一个辅助光导具有至少两个输入耦合结构和两个输出耦合结构，其中，每个输出耦合结构都分配给一个输入耦合结构，并且其中，通过相应输出耦合结构被耦合出的光线在其在输出耦合结构上的入射角所位于的区域方面不同。即使光线子集传输通过光导或辅助光导的相同区段以致于它们重叠，这种设计也可以避免串扰。在此，通过在输出耦合结构上的入射角来选择正确的光线子集，在这种情况下例如可以将其实现为体积全息图。

在根据本发明的光导中，有利的是，对于耦合出的光中，在被耦合出之后其波向量的比率k_y/k_xz与被耦合出之前其波向量的比率k_y/k_xz在绝对值方面至少相差0.1、优选地至少相差0.2、特别是至少相差0.3。另外或替代地，有利的是，对于耦合出的光线，在被耦合出之后其波向量的比率k_y/k_xz与被耦合出之前其波向量的比率k_y/k_xz在绝对值方面至多相差0.9、优选地至多相差0.6、特别是至多相差0.4。

在光导的有利发展中，各个输入耦合结构和输出耦合结构被设计为使得耦合出的光线不会完全照亮位于输出耦合结构后面特定距离处的区域的特定区段或多个特定区段。可以用出射光瞳识别这个区域，出射光瞳在所述光导的设计中进行了修整。这一点的背景是，例如，大图像场的特定区域可能被鼻子遮挡，使得在鼻子方向上的视角的情况下，不能感知到相应的场区域。然而，不被感知的场区域不需要传输通过光导。通过省略不可见场区域的传输，可以使波导甚至更加紧凑。

在根据本发明的光导中，衍射结构或反射结构可以至少布置在现有输入耦合结构之一与分配给所述输入耦合结构的输出耦合结构之间。这个附加衍射结构或反射结构使得可以将具有特定取向的输入耦合结构分配给在取向方面不同于该输入耦合结构的输出耦合结构。于是，通过附加衍射结构或反射结构补偿在输入耦合结构与输出耦合结构之间产生的不匹配。

输出耦合结构中的至少一个可以是具有光栅向量的输出耦合光栅。对于通过输出耦合光栅耦合出的光线，耦合出的光线的波向量然后由在入射到输出耦合光栅上之前的光线的波向量和光栅向量的向量和得出。可以将输出耦合结构设计为反射表面而不是输出耦合光栅。又一个替代方案是将输出耦合结构中的至少一个设计为体积全息图。取决于输出耦合结构，输入耦合结构可以是相应适配的结构，也就是说，输入耦合结构在输出耦合光栅的情况下是输入耦合光栅，在输出耦合反射镜的情况下是输入耦合反射镜，而在体积全息图的情况下是体积全息图。

根据本发明，还提供了具有根据本发明的光导的HMD。光导也可以具有曲率，特别是曲率半径在75mm到150mm范围内的曲率。在这个范围内的曲率半径是令人舒适的，并且就成像光学单元的成像品质而言也是可接受的。其他曲率半径将不利于人体工程学或不利于成像品质。根据本发明的HMD的特性及其优点直接产生于已经描述的光导的特性和优点。

附图说明

从以下参考附图对示例性实施例的描述中，本发明的其他特征、特性和优点将变得清楚。

图1示出了HMD的示意图。

图2示出了眼镜镜片的侧倾角。

图3示出了眼镜镜片的前倾角。

图4示出了用于展示能够在光导中传输的波向量以及将光线从光导耦合出的简图。

图5示出了眼动范围(eyebox)与光导的输出耦合区域之间的关系。

图6示出了光导的输出耦合结构的示意图、以及眼动范围在输出耦合结构上的投影。

图7示出了典型眼镜镜片中的输出耦合结构的位置。

图8示出了光线到光导中的输出耦合结构的路线。

图9使用简图示出了在根据本发明的光导中传输波向量以及将光线耦合进出光导的第一示例。

图10使用简图示出了在根据本发明的光导中传输波向量以及将光线耦合进出光导的第二示例。

图11使用简图示出了在根据本发明的光导中传输波向量以及将光线耦合进出光导的第三示例。

图12使用简图示出了在场拼接的情况下的角谱的划分。

图13使用图11的简图示出了角谱的第一部分，以展示其传输以及其输入耦合和输出耦合。

图14使用图11的简图示出了角谱的第二部分，以展示其传输以及其输入耦合和输出耦合。

图15示出了具有三个辅助光导的光导，每个辅助光导传输角谱的不同部分。

图16示出了通过不同的输入耦合元件耦合到同一光导中并表示角谱的不同部分的光线的常见传输。

图17示出了出射光瞳中被阻挡的区域。

在更详细地解释本发明之前，下面将参考图1至图12讨论用于HMD的光导的基本原理。

具体实施方式

图1以俯视(即，从头部上方的位置看到的)示意图示出了HMD。HMD 1包括光导3，光导中嵌入了输入耦合结构5和输出耦合结构7。在本示例性实施例中，使用了衍射输入耦合和输出耦合结构，但是也可以使用反射输入耦合和输出耦合结构。

借助于输入耦合结构5，光线被耦合到光导中，在图1中用附图标记9示意性地示出了这些光线。在光导3中，使用在面向戴着HMD的使用者的眼睛11的内表面处和在背对眼睛11的外表面处的全内反射将光线引导至输出耦合结构17。最终，通过输出耦合结构将光线沿眼睛11的方向耦合出光导。

被引导通过光导的光线的起点是在显示器17上表示的初始图像，其每个像素发射发散光束，在所示的示例中，这些发散光束被布置在显示器17与输入耦合结构5之间的成像光学单元19准直，并作为准直光束被耦合到光导中。

在提及光导中的反射光线时，这应理解为是指耦合进的光束的光线，其中光束在图中各自由其主光线表示。术语“主光线”在此表示光束的中心光线。主光线的方向在此指示光束的方向。在准直光束的情况下，光束的其余光线基本上平行于主光线前进，因此，主光线表示光束的光线。在非准直光束的情况下，光束的光线围成限定的立体角，主光线会在该立体角的中心前进。

由光导3和成像光学单元19形成的成像设备传输的所有光束都穿过所述成像设备的入射光瞳和出射光瞳。入射光瞳由成像设备的孔径光阑或由位于孔径光阑前面的成像光学元件产生的孔径光阑的图像形成。在当前示意性示例性实施例中，孔径光阑由示意性所示的透镜元件19的开口表示。出射光瞳是由孔径光阑后面的成像光学元件形成的孔径光阑的图像。成像光学元件被布置并形成在HMD中，使得当HMD被戴在头部上时，出射光瞳位于眼睛瞳孔所位于的位置。出射光瞳在图1中用附图标记21标识。在HMD的情况下，眼动范围是经常被描述的变量，其中，在眼睛瞳孔在其中移动而没有图像渐晕的光束三维区域被称为眼动范围。由于在HMD的情况下，眼睛与光导的距离基本上恒定，眼动范围然而可以减小到仅考虑眼睛的旋转运动的二维区域。这种减小的眼动范围基本上对应于HMD的出射光瞳。因此，在本说明书的范围内仅考虑出射光瞳21。

在本示例性实施例中，衍射光栅用作输入耦合结构5和输出耦合结构7。此处，光线通过一级衍射最大值被耦合进出眼镜镜片，而观察光则通过零阶衍射最大值尽可能不受损害地穿过输入耦合结构和输出耦合结构。然而，原则上，也可以使用除了一级衍射外的其他衍射级进行耦合进出。除了衍射光栅之外，还可以使用倾斜的、部分反射的反射镜或反射菲涅耳结构，使得输入耦合和输出耦合通过反射而不是通过衍射发生。

图1示意性所示的HMD可以特别地以智能眼镜的形式实现。于是图1的HMD 1的光导3被设计为眼镜镜片。在图2和图3中示意性地示出了这种HMD，为了清楚起见，这些图仅示出了智能眼镜的眼镜镜片，也就是说光导3。此处，图2展示了眼镜镜片相对于右眼的主视轴A的侧倾角α。为了美观的印象，每个眼镜镜片3在耳朵的方向上向相应的侧部倾斜。倾角被称为面部镜圈弧度或包角，并且优选地被选择为处于5°到20°的范围内，其中，被视为运动型的眼镜具有比其他眼镜更大的面部镜圈弧度。在本说明书的上下文中示出的示例性实施例中，已经选择了12°的面部镜圈弧度。

图3示出了眼镜镜片3相对于右眼的主视轴A的水平倾角β。为了美观的印象，每个眼镜镜片3略微向下倾斜。这个角度也被称为前倾角，并且优选地被选择为处于5°到20°的范围内，其中，被视为运动型的眼镜具有相当大的角度。在本说明书的上下文中呈现的示例性实施例中，前倾角为8°。

另外，眼镜镜片通常被设计为在其后表面(也就是说，光导3的内表面13)与角膜之间具有一定距离。被称为角膜顶点距离(在图3中称为HSA)并且沿主视轴A测量的这个距离应大于10mm，优选地约15mm，使得睫毛不触碰到眼镜镜片3。另一方面，大于20mm的过大距离被认为是不漂亮的，因此不是优选的。在本说明书中呈现的示例性实施例中，角膜顶点距离是15mm。

在本发明的上下文中，给出了图1所示的坐标系。在这个坐标系中，z轴沿观察方向延伸，x轴从颞部到鼻部延伸，当眼睛直视前方时，其基本上对应于水平方向。图1中的y轴从像平面伸出，因此在眼睛直视前方的情况下，基本上竖直向上指。因为x方向是从颞部到鼻部定义的并且y方向是从薄片的平面伸出，所以在右眼用光导的情况下，获得右侧坐标系，如图1所示。相比之下，在左眼用光导的情况下，在从颞部到鼻部延伸的x方向和从薄片平面伸出的y方向情况下，获得左侧坐标系。然而，所选择的惯例的优点是，在两种情况下y轴都指向相同的方向，这简化了以下考虑。

应该通过光导1传输尽可能大的场角，使得可以用HMD表示大的图像场。从美学的角度来看，从侧面输入耦合优于从上方输入耦合。使得使特定的光线能够透射，该光线必须以如下方式入射在输入耦合结构上，即被光导中的输入耦合结构反射或衍射的光线满足全内反射的条件。换句话说，当反射或衍射的光线入射在内表面和外表面上时，光线必须分别与表面法线成大于全内反射的临界角的角度。然而，将现有技术用于输入耦合结构，仅可以耦合进特定角度范围，使得在光导中满足全内反射的条件。这个角度范围限制了要耦合到光导中的图像的场角。这特别适用于图像的水平方向。下文将参照图4来解释提到的限制。

出于以下考虑，考虑了在k空间中(即，在波向量的空间中)在光导中的光线的引导以及耦合进光导中和从光导耦合出。在这种情况下，波向量是来自波光学的变量，并且表示相对于波前沿法线方向延伸的向量。通过将2π除以光的波长λ，可以得到波向量的绝对值。在几何光学中，波向量的方向对应于光线的传播方向。

图4示出了波向量空间(以下称为k空间)中的笛卡尔坐标系，其轴线平行于图1中的坐标系延伸。在此，沿x轴绘出波向量k的x分量k_x的值，沿y轴绘出波向量k的y分量k_y的值，并且将沿z轴绘出波向量k的z分量k_z(图4中未示出)。然而，出于以下考虑，波向量k在xy平面上的投影k_xy是最重要的。

全反射的条件是在光学上较薄的介质的界面上的入射角超过特定的临界角。临界角在这里由等式得出

θ_G＝arcsin(n₂/n₁) (1)

其中，n₁是光导材料的折射率，并且n₂是与光导相邻的光学上较薄的介质的折射率。在空气作为光学上较薄的介质情况下，与图1中的光导的内表面13和外表面15一样，值1可以用于n₂，使得等式(1)被简化为

θ_G＝arcsin(1/n) (2)

其中，n是光导材料的折射率。

对于波向量k_a，在光导3外部，其绝对值k_a由下式得出

k_a＝2π/λ (3)

其中，λ是光的波长。当光进入光导1时，由于在其进入时发生折射，所以光导3外部的波向量k_a改变为光导3内部的波向量k_i。在使光导外部的波向量的k_a的绝对值k_a乘以折射率后获得光导中的波向量k_i的绝对值k_i，使得

k_i＝n×k_a。 (4)

为了在内表面13或外表面15处发生全内反射，光线或相关联的波向量k到对应的表面上的入射角θ必须大于由等式(2)产生的临界角θ_G。在图1中使用的坐标系中，全内反射的发生的条件可以基于光导3的内部中的波向量k_i在xy平面上的投影的绝对值而重新用公式表示。在光导3的内部中的波向量k_i在xy平面的投影的绝对值由下式得出

k_ixy＝k_i×sinθ (5)

。为了发生全内反射，θ必须大于由等式(2)产生的临界角θ_G，这是以下条件表示

θ≥θ_G＝arcsin(1/n) (6)

。如果条件(6)被插入等式(5)中，为光导内部中的波向量k_i在xy平面上的投影k_ixy的绝对值获得的全内反射发生的条件是

k_ixy≥k_i×1/n。 (7)

如果根据等式(4)现在也用n×k_a代替k_i，则对于全内反射的发生可得到以下内容

k_ixy≥k_a。 (8)

波导3的内部中的波向量k_i在xy平面上的投影因此必须在绝对值方面至少对应于光导3外部的波向量k_a的绝对值k_a。在另一方面，光导3的内部中的波向量在xy平面上的投影的绝对值k_ixy可以至多对应于光导3内部的波向量k_i的总量k_i(在这种情况下，波向量分量k_z＝0，使得波向量平行于界面、即平行于内表面13或平行于外表面15延伸)。因此始终在光导的内部中的波向量k_i在xy平面上的投影的绝对值k_ixy在光导外部的波向量k_a的绝对值k_a与光导内部的波向量k_i的绝对值k_i之间时，发生全内反射。这在图4中进行了展示。

图4在k空间的xy平面上显示了两个圆(实际上是三维坐标系中球体的球形截面)，这些圆以坐标系的原点为中心，即，以z轴为中心，其半径在由附图标记35表示的圆的情况下表示光导外部的波向量k_a的绝对值k_a，并且在由附图标记37表示的圆的情况下表示光导3内部的波向量k_i的绝对值k_i。光导3可以传输所有从坐标系统的原点开始并且具有的在k空间的xy平面上的投影k_xy位于两个圆35和37之间的波向量k_i。为了使图4中的图示独立于波长，光导3外部的所有波向量k_a通过乘以因子λ/2π而归一化为单位长度1。因此，在光导3的内部中的波向量的长度通过波导中的折射率n得出(参见等式(4))。因此，在图4所示的图示中，内圆具有半径1，外圆具有半径n。

如果具有特定水平图像场角和特定竖直图像场角的图像场现在被耦合到光导3中，则穿过HMD 1的入射光瞳的光线在光导3外部的波向量k_a主要具有波向量分量k_z和仅小的波向量分量k_x和k_y。在这种情况下，可以将出现的一组波向量分量k_x和k_y视为穿过HMD 1的入射光瞳的光线的角谱(表示显示器17上显示的图像)。这个角谱在图4中以附图标记39示出。由于图1的输入耦合结构5，角谱39沿x方向减小成该区域，即，对于光导3的内部中的波向量k_i，波向量分量k_z减小，利于波向量分量k_x，使得对于在光导3的内部中的波向量k_i，k_x表示基本波向量分量。在图4中以附图标记41示出了在光导3的内部中得到的角谱。在图1的输入耦合结构5中那样的衍射输入耦合的情况下，光导的内部中的波向量k_i从光导外部的波向量k_a中根据劳厄条件

k_a-k_i＝G

根据输入耦合结构5的光栅向量G获得。因此，角谱通过输入耦合结构而移位了光栅向量G。在波向量k_i已经被传送通过光导3之后，波向量通过输出耦合结构7再次被耦合出光导3，其中，图1中所示的输出耦合结构7具有光栅向量G′。光栅向量分量G′_x和G′_y在此对应于输入耦合结构5的光栅向量G的光栅向量分量G_x和G_y的负数，而输出耦合结构7的光栅向量G′的光栅向量分量G′_z对应于输入耦合结构5的光栅向量G的光栅向量分量G_z。以此方式，角谱41移回到其原始位置，并且耦合出的波向量的基本波向量分量同样是波向量分量k_z，但是与耦合进光导3之前的波向量k_z相比旋转了180°，这在本示例性实施例中通过光导的面向眼睛的一侧发生。如果输入耦合通过背对眼睛的一侧进行，则波向量分量k_z在其取向上也对应于输入耦合之前的波向量分量k_z。耦合出的角谱基本上再次对应于附图标记39所示的角谱。附图标记39所示的位于k_x轴上方的角谱区域包含HMD 1的使用者感知为来自下方的光线的波向量，而位于k_x轴下方的区域包含HMD 1的使用者感知为来自上方的光线的波向量。

为了使光导3可传输的角谱对于HMD 1的使用者可见，输出耦合结构必须占据光导3中的特定区域。在此，针对HMD的使用者可以在所传输的角谱范围内查看到所传输的图像的所有那些角度，光导3中要采用的区域在此由HMD 1的出射光瞳在光导3中的输出耦合结构7的平面上的投影产生。在此，所需的输出耦合区域的周边由出射光瞳沿最大角度在光导上的投影产生。图5和图6示出了因此确定的光导3中的输出耦合结构的范围，其中，出射光瞳在输出耦合结构7的表面上的投影用附图标记25表示。在图6中，仅分别示出了竖直角和水平角为0°时出射光瞳25的投影，并且在图5中，也示出了在HMD 1传输的图像仍然可以被捕捉的最大负角和最大正角时出射光瞳的投影。0°的水平角和竖直角各自表示当眼睛11笔直向前看时平行于眼睛11的视轴到达眼睛的光线。图6示出了在右眼的情况下从眼睛观看光导的方向输出耦合所需的区域的平面图。

在几乎平坦的光导3中，例如，曲率半径大于150mm的眼镜镜片，与图6中所示的区域相对应的场角为60°×34°，角膜顶点距离为15mm，面部镜圈弧度12°，前倾角为8°。对于弯曲更加明显的眼镜镜片，与图6所示区域有轻微偏差。为了能够更好地了解因此在光导3中确定的输出耦合结构7的大小，图7示出了根据参考图5和图6进行的描述所确定的输出耦合结构的范围。可以看出，输出耦合结构7占据了眼镜镜片、即光导3的相当大的区域。在此，困难在于眼镜镜片中的光、也就是说光导3中的光要从侧面被引导到输出耦合区域。对于负角，例如17°的负角，也就是说，对于观看者而言，光来自上方，光必须从输出耦合结构7的上部区段被耦合出。

在下文中，将考虑波向量分量相对于彼此的关系，而不是角度。在上述坐标系中，具有负场角的波向量是比率k_y/k_xz＜0的那些波向量。在此，k_y表示波向量k的y分量，kxz表示波向量在xz平面上的投影的绝对值。在xz平面上的投影的这个绝对值通过

得出，其中k_x和k_z表示波向量k的x分量和z分量。比率k_y/k_xz＞0表示正角，在本情况下为观看者感知为来自下方的角度。

在现有技术的输出耦合结构中，具有k_y与k_xz负比率的波向量在光导中也必须具有k_y与k_xz负比率，根据斯涅尔折射定律仅减小了折射率差。在聚碳酸酯中，对于光导外部的-17°的角度(对应于k_y与k_xz之比大约为-0.31)，在光导中获得例如-10.6°的角度，该角度对应于k_y与k_xz的比率大约为-0.19(k_y与k_xz的比率对应于波向量k与xz平面的角度的正切值，这在眼睛直视前方时水平面时基本上对应于水平面)。由于折射定律的非线性，光导的内部中的k_y与k_xz的实际比率取决于波向量的x分量k_x的值。因此，取决于波向量的x分量kx的值，在光导外部k_y与k_xz的比率大约为-0.31，可以对应于在光导的内部中k_y与k_xz的比率大于或小于-0.19。

由于具有-17°的负角的光的波向量在由聚碳酸酯制成的光导3的内部中必须成-10.6°的角度延伸，因此，在要“从上方”入射在输出耦合结构7上的光从侧面输入耦合情况下，被实施为眼镜镜片的光导必须朝着镜腿变宽。在图8中示意性地示出了这一点。从图8左上方所示的输出耦合结构7的角27耦合出的光线在光导3中具有由线29表示的路线。相应地，在光导3中，表示+17°角的光线成+10.6°角延伸。从输出耦合结构的左下角成+17°的竖直角耦合出的光线的路线在图10中用线33表示。如图8所示，随着距输出耦合结构的距离增加，光导中的光线竖直发散。这个的结果是，随着距输出耦合结构的距离增加，光导3在y方向上的范围，也就是说图7中的眼镜镜片的竖直范围必须变得越来越大，这在眼镜镜片的情况中在不干扰眼镜镜片的整体美观印象的情况下难以实现。在图7的眼镜镜片3中没有空间用于由线29和33表示的、具有最大负竖直角和最大正竖直角的光线的路线，即具有k_y与k_xz的最大负比率和k_y与k_xz的最大正比率的光线。虽然眼镜镜片3可以扩大下边缘的区域而不会过多地影响总体美观印象，但是上边缘的延伸通常与对眼镜镜片3的美观印象的相当大的负面影响相关。另一方面，本发明使得与最大负角和最大正竖直角相关的光线能够在光导中被引导而不会扩大光导在y方向上的延伸(参见图1)，即，图7中的眼镜镜片的竖直延伸，这使得获得不美观的整体印象。

在本示例性实施例中，本发明被实现为：衍射输出耦合结构7的光栅向量G与k空间的x轴围成角度

光导3的内部中的角谱41被移位这个角度

达到正值k_y，该角度在本示例性实施例中具有11°的值。在本示例性实施例中，实现移位直到在光导3的内部仅出现正值k_y。结果，在光导3的内部中，k_y与波向量在xz平面上的投影的绝对值k_xz之比始终为正。由于这个比率对应于波向量相对于xz平面的角度的正切值，因此这意味着在光导3的内部中仅出现相对于xz平面的正角，因此没有光线从上方到达输出耦合结构，这将对应于负角和负值k_y。因此，眼镜镜片的上边缘不需要在输出耦合结构7的上边缘上方延伸。在这一点上应该注意的是，不一定必须是k_y完全没有负值的情况，而仅仅是k_y的负值减小到这样的程度，以致于不会明显不需要明显升高眼镜镜片的上边缘，以便允许整个角谱39的传输。

然而，图9中所示的角谱41在光导3的内部中的移位会导致眼镜镜片的扩大，使得图7中的下边缘必须进一步向下移动。如已经提到的，与进一步向上移动眼镜镜片的上边缘相比，这产生的美观问题更少。一般而言，然而，例如如果眼镜镜片的下边缘表示不能移动的边缘并且眼镜镜片的上边缘的区域的扩大没有问题，则角谱41也可以变化到负值k_y而不是变化到正值k_y。在这种情况下，减小了从下方入射在输出耦合结构7上的波向量的量，并且可能根本没有更多的波向量从下方入射在输出耦合结构7上。在图10中示出了这种变型。在图10所示的变型中，光栅向量G相对于k空间的x轴旋转了角度

在本示例中其值为-11°。当然，取决于光导3的内部中的角谱41要移位多远达到负值k_y，角度

的其他负值也是可能的。

在本发明的范围内，输出耦合结构7也可以水平地一分为二，例如，其方式为使得输出耦合结构7的上部区段仅耦合出在输出耦合之后具有负值k_y或k_y＝0的波向量，而下部区段仅耦合出在输出耦合之后具有正值k_y的波向量。于是，从输出耦合结构的上部区段耦合出的光线形成角谱39的位于图4中的x轴下方的那部分，而从输出耦合结构的下部区段耦合出的波向量形成角谱39的位于图4中的x轴上方的那部分。如图11所示，输出耦合结构7的上部区段的光栅向量G₁可以被选择为使得角谱39₁的位于k空间中的x轴下方的那部分在k空间中完全位于光导3的内部中的x轴上方(附图标记41₁)并且输出耦合结构7的下部区段的光栅向量G₂可以被选择为使得角谱39₂的部分位于k空间的x轴上方的那部分在k空间中完全位于光导3的内部中的x轴下方(附图标记41₂)。这意味着从下方向光导的内部中的输出耦合结构7的上部区段提供波向量，而从上方向输出耦合结构7的下部区段提供波向量。换句话说，提供给输出耦合结构7的下部区段和上部区段的波向量在光导3的内部交叉延伸。结果，光导3的或由光导形成的眼镜镜片的竖直范围可以保持较低。在配备有这种眼镜镜片的HMD的显示器上的初始图像表示中，需要相应地交换图像场的上部和下部。如果波向量表示的光束部分入射在输出耦合结构7的错误区段上，则它被耦合出，如图11中的虚线光栅向量G′₁和G′₂以及虚线角谱41′₁和41′₂所指示，使得它们具有非常大的值或非常小的值的k_y。通过光栅向量的合适选择，可以确保角谱的误导部分如此远离xz平面，以致于它们不会传入HMD的出射光瞳，并因此不会出现不期望的重像。

在输出耦合结构7被竖直地一分为二的情况下，也有输入耦合结构5被竖直地一分为二，其中，输入耦合结构5的区段分别被分配给输出耦合结构7的区段，其方式为使得通过相应输入耦合结构5耦合进的光线分别基本上仅通过输出耦合结构7之一被耦合出。如参考图11所述，可以解决耦合进的光束与输出耦合结构7的错误部分可能重叠的问题。

在到目前为止所描述的实施例变型中，传输的角谱的水平场角足够小，使得角谱41及其波向量k的x分量k_x的所有值都位于光导3的内部在由附图标记35和37表示的两个圆之间，即，可以传输具有所有其分量k_x的角谱39。特别是在大的水平场角的情况下，比如例如在处于16∶9格式的图像中出现的，然而，可能出现k_x的值的区域比圆35和37之间的区域更宽。在图12中示出了这种情况。由场角产生的角谱在图12中被划分为三个部分(部分39a、39b和39c)，其中，部分39b对应于图4中所示的角谱。图12中所示的在角谱39的中心部分39b的左侧和右侧的角谱39的那些部分(39a，39c)不再能够通过光导3的全内反射的方式被完全传输，因为这些部分在输入耦合之后不完全位于两个圆35和37内。

然而为了仍然能够传输具有大场角的图像，特别是具有大水平场角的图像，例如在WO 2017/102795 A1中提出，为HMD配备多个图像发生器17₁、17₂、17₃或单个图像发生器的多个图像发生区段，并且分别针对图像发生器17₁、17₂、17₃或图像发生区段之一上显示的光导3中的每个部分图像场使用分开的辅助光导3₁、3₂、3₃(参见图15)，其中，每个辅助光导3₁、3₂、3₃具有其自己的输入耦合结构5₁、5₂、5₃和其自己的输出耦合结构7₁、7₂、7₃。各个输入耦合结构5₁、5₂、5₃和各个输出耦合结构7₁、7₂、7₃各自被设计用于相同的场角，但针对来自不同入射方向的光线被优化。例如，在具有60°的水平场角的图像格式的情况下，每个图像发生器17₁、17₂、17₃或图像发生区段可以被设计为使得其显示具有20°的场角的部分图像，并且辅助光导3₁、3₂、3₃可以被设计为使得它们各自传输20°的水平场角，但是其中，这些场角各自以不同的中心角为中心。在衍射输入和输出耦合的情况下，这可以通过合适地选择相应的光栅向量来实现，如图13和图14所示。在本示例中，输入耦合结构5₁和输出耦合结构7₁的光栅向量G_a被设计为使得由此耦合进或耦合出的水平场角以-20°的水平角为中心(对应于图14所示的情况)。然后，输入耦合结构5₂和输出耦合结构7₂的光栅向量被设计为使得它们耦合进出的水平场角以0°的水平角为中心(对应于图4所示的情况)。最后，输入耦合结构5₃和输出耦合结构7₃的光栅向量G_c被设计为使得由此耦合进出的水平场角以+20°的水平角为中心(对应于图13所示的情况)。总的来说，三个辅助光导3₁、3₂和3₃因此在-30°到+30°的范围内传输60°的场角，其中，60°的原始场角被化划分成三个各自为20°的场角(-30°到-10°、-10°到+10°以及+10°到+30°)，这些场角各自被相互分开地传输通过不同的光导1₁、1₂和1₃。以类似的方式，原则上也可以将竖直场角划分成多个部分区域，这些部分区域彼此分开地传输。所描述的过程又被称为“场拼接”。

在此，60°的场角和成20°的场角的划分各自仅用于更好地说明“场拼接”的概念。当然，除了60°的场角以外的场角以及与20°的场角不同的场角划分当然分别是可能的，包括场角划分不均匀的那些划分(例如，50°的场角划分成-30°到-20°的场角、-20°到+10°的场角、+10°至+20°的场角，即，划分成10°、30°以及10°的场角)。

虽然在图15中，如图1所示，输入耦合和输出耦合是借助于衍射光栅实现的，但是也可以通过不同倾斜的部分透射反射镜的方式耦合进出。特别地，然后可以设计部分透射反射镜，其方式为使得这些部分透射反射镜对于特定的入射角是部分反射的，但是对于所有其他入射角是完全透明的。

借助于所描述的场拼接，如参考图15已经描述的，通过衍射输出耦合和三场拼接可以获得60°×34°的图像场(对应于16∶9的图像格式)，该图像场对应于最高达70°的对角线图像场。在具有分离反射镜的实施例中，可以在没有场拼接的情况下实现约47°×26.5°，这对应于54°的对角线。具有大约70°的对角线的较大图像场需要双场拼接。

参照图12至图15，假设分开的光导3₁、3₂、3₃用于角谱39a、39b、39c的各部分。而且，然而，本发明包括角谱39a、39b、39c的至少两个部分通过单个光导3被一起传输的实施例变型。这些实施例变型的特征是较少数量的光导彼此上下堆叠，并且使得用于智能眼镜形式的HMD的特别薄且美观的眼镜镜片成为可能。这种方法与附加边界条件有关，该附加边界条件是智能眼镜的使用者不会感知到由角谱39a、39b、39c在光导中一起传输的部分之间的串扰引起的重影图像。在下文中，认为当光束或角谱39a、39b、39c的一部分的图像信息在被设置用于角谱39a、39b、39c的另一部分的解耦元件上时出现重影图像。对于允许的光瞳位置，当与重影图像有关的光线到达出射光瞳或眼动范围并因此聚焦在视网膜上时，重影图像会烦扰到使用者。可以以不同的方式避免这种影响。

首先，可以在空间上引导角谱39a、39b、39c的各个部分，使得角谱39a、39b、39c的一部分的光线不入射到分配给角谱39a、39b、39c的另一部分的输出耦合结构上。

其次，可以设计输出耦合结构(光栅、波长选择性体全息图或二向色镜)，其方式为使得输出耦合结构对来自角谱39a、39b、39c的不正确部分的光线不敏感。在这种情况下，角谱39a、39b、39c的错误部分的光线继续在光导中传播并且没有被耦合出。这种方法的特殊形式是波导内的角谱和光栅向量的组合，光栅向量将角谱移位到k空间的xy平面中不会发生波导内传播的区域，例如在外圆37外部的区域中。

第三，光学装置可以被设计为使得通过输出耦合结构不正确地耦合出的角谱39a、39b、39c的一部分的光线被偏转，其方式为使得光线错过出射光瞳或眼动范围。参照图11描述了这样的过程，该过程用于将角谱划分为在x轴上方的部分和在x轴下方的部分。

图16示出了双场拼接的示例，其中总角谱通过单个光导3传输。分配给角谱的一个部分的光线45a的输入和输出耦合光栅5a、7a各自具有相同的取向，具有相同的光栅周期并且各自使用相反的衍射级(例如，第一级用于耦合进，而负的第一级用于耦合出)。同样，分配给角谱的另一部分的光线45b的输入和输出耦合光栅5b、7b各自具有相同的取向，具有相同的光栅周期并且各自使用相反的衍射级(例如，第一级用于耦合进，而负的第一级用于耦合出)。通过输入耦合光栅5a、5b耦合进的两个光束45a、45b的主光线各自相对于输入耦合表面的法线旋转+10°或-10°，并具有不同的光栅周期以便分别在光导3中最佳地引导相对于彼此倾斜的光束45a、45b。每个光束45a、45n在此从其自己的显示器17a、17b开始。

为了也能够在竖直方向上扩大光瞳，可以在输入耦合结构与输出耦合结构5a、5b、7a、7b之间设置第三光学元件，例如第三光栅，根据输入耦合结构和输出耦合结构的取向而获得其取向。当在眼镜镜片的周边使用偏转元件46a、47b时，也可以想到输入耦合结构和输出耦合结构的不同取向。

除了已经描述的本发明的实施例变型之外，还可以想到其他的实施例变型。例如，可以想到针对特定的角度修整出射光瞳(严格地说是眼动范围)。例如，如果人向左看，则可以对右眼隐藏与从左下方感知的光线相关的那些角度。当向左看时，这样的光线通常被鼻部遮挡，使得相应地修整通过HMD生成的虚像也不是问题。然后，HMD的使用者具有虚像也会被鼻部遮挡的印象。在图17中示意性地示出了可以省略的这种区域43。通过省略这个区域43，尤其可以省略例如在图4中位于由附图标记39表示的角谱的右角的那些角谱部分。图8的线33由此向上移动，使得眼镜镜片的较小的竖直范围成为可能。

在本发明的上下文中描述的所有原理也可以应用于以下情况：输入耦合不在镜腿的区域中发生(即，主要是向眼睛引导水平光)，而是在前额的区域中发生(主要是向眼睛引导竖直光)。另外，本发明不仅包括其中用于各个通道的输出耦合结构彼此紧密邻接的方法。

已经出于说明性的目的基于示例性实施例对本发明进行了详细描述。然而，对于本领域技术人员而言清楚的是，在本发明的范围内，所描述的示例性实施例的特征可以与其他示例性实施例的特征相组合，并且在本发明的范围内可能与示例性实施例有偏差。

例如，分配给角谱的各个部分的输出耦合结构或输出耦合结构区域也可以成图案地重叠，例如以棋盘图案的形式、以饼块的形式等。还可以使用多路复用体积全息图(具有不同功能的全息图的多次曝光)或彼此上下放置多个薄体积全息图层，其中，每一层都分配给不同的通道。另外，各个光导和/或各个输入耦合元件和输出耦合元件也可以用于传输不同的波长，而不是用于传输角谱的不同部分。特别地，可以对角谱的不同部分使用各个光导和/或各个输入耦合元件和输出耦合元件，并且对于角谱的每个部分进而可以使用各个光导和/或对于不同的波长范围使用各个输入耦合元件和输出耦合元件。因此，本发明并不旨在受限于示例性实施例，而是仅仅受所附权利要求限制。

Claims (21)

1.一种用于HMD(1)的进行导光的光导(3)，其中，该光导(3)设置在该HMD中以放置在眼睛的前面，并且包括：

-至少一个输入耦合结构(5)，用于将被引导通过该光导(3)的光线耦合到该光导(3)中，其中，这些光线分别由波向量k表示，如果该光导(3)被放置在该眼睛的前面，这些波向量在由视轴(A)作为z轴、从颞部到鼻部延伸的x轴以及从尾部到颅延伸的y轴形成的坐标系中各自具有在xz平面上的带有绝对值k_xz投影、以及y分量k_y，以及

-至少一个输出耦合结构(7)，用于将被引导通过该光导(3)的光线耦合出该光导(3)，

其特征在于，该输出耦合结构(7)被定向为使得对于通过该输出耦合结构(7)耦合出的并且在其被耦合出之后该波向量k具有负比率k_y/k_xz的所有光线，该光导(3)中的波向量k的比率为k_y/k_xz大于-0.2，和/或对于通过该输出耦合结构(7)耦合出的并且在其被耦合出之后该波向量k具有正比率k_y/k_xz的所有光线，该光导中的波向量k的比率k_y/k_xz小于+0.2。

2.如权利要求1所述的光导(3)，其特征在于，所述光导(3)具有至少两个输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)和至少两个输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)，每个输入耦合结构耦合进被引导通过该光导(3)的光的两个不同光线子集之一，其中，这些输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)中的每一个被分配给这些输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)之一，其方式为使得该输出耦合结构将通过对应的输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)耦合进的那个光线子集从该光导(3)耦合出。

3.如权利要求2所述的光导(3)，其特征在于，在表示光线子集的波向量k的x分量所在的值范围内的这些光线子集彼此不同，并且这些输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)中的每一个分别被定向，其方式为使得对于通过该输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)耦合出的并且在其被耦合出之后波向量k具有负比率k_y/k_xz的光线子集中的光线，该光导中的波向量k的比率k_y/k_xz大于-0.2，和/或对于通过该输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)耦合出的并且在其被耦合出之后波向量k具有正比率k_y/k_xz的光线子集中的所有光线，该光导(3)中的波向量k的比率k_y/k_zz小于+0.2。

4.如权利要求2或3所述的光导(3)，其特征在于，

-这些光线子集之一包括在被耦合出之后具有表示光线的波向量k的负y分量k_y的这些光线，而这些光线子集中的另一个包括在被耦合出之后具有表示光线的波向量k的正y分量ky的这些光线，其中，这两个子集的波向量的y分量k_y的值没有重叠或仅有小的重叠，

-耦合出包括在被耦合出之后具有表示光线的波向量k的负y分量k_y的这些光线的光线子集的输出耦合结构(7)被定向为使得对于在通过该输出耦合结构(7)被耦合出之后波向量k具有负比率k_y/k_xz的对应光线子集中的所有光线，该光导(3)中的波向量k的比率k_y/k_xz大于-0.2，并且，

-耦合出包括在被耦合出之后具有表示光线的波向量k的正y分量k_y的这些光线的光线子集的输出耦合结构(7)被定向为使得对于在通过该输出耦合结构(7)被耦合出之后波向量k具有正比率k_y/k_xz的对应光线子集中的所有光线，该光导(3)中的波向量k的比率k_y/k_xz小于+0.2。

5.如权利要求2或3所述的光导(3)，其特征在于，这些光线子集中的至少一些各自表示被引导通过该光导(3)的光的不同波长范围。

6.如权利要求2或3所述的光导(3)，其特征在于，该光导包括至少两个辅助光导(3₁，3₂，3₃)，并且这些辅助光导中的每一个具有至少一个输入耦合结构(5₁，5₂，5₃)和一个输出耦合结构(7₁，7₂，7₃)。

7.如权利要求2或3所述的光导(3)，其特征在于，该光导(3)具有至少两个输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)和两个输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)，其中，这些输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)中的每一个被分配给这些输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)之一，并且其中，这些输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)和这些输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)相对于彼此被布置为使得通过该光导(3)中的这些输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)之一耦合进的光线在不入射到被分配给另一个输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)的输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)上。

8.如权利要求6所述的光导(3)，其特征在于，至少一个辅助光导(3₁，3₂，3₃)具有至少两个输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)和两个输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)，其中，这些输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)中的每一个被分配给这些输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)之一，并且其中，这些输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)和这些输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)相对于彼此被布置为使得通过该辅助光导(3₁，3₂，3₃)中的这些输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)之一耦合进的光线在不入射到被分配给另一个输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)的输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)上。

9.如权利要求2或3所述的光导(3)，其特征在于，该光导(3)具有至少两个输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)和两个输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)，其中，这些输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)中的每一个被分配给这些输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)之一，并且其中，通过相应的输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)耦合出的光线相差其在所述输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)上的入射角所位于的区域。

10.如权利要求6所述的光导(3)，其特征在于，至少一个辅助光导(3₁，3₂，3₃)具有至少两个输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)和两个输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)，其中，这些输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)中的每一个被分配给这些输入耦合结构(5a，5b，5₁，5₂，5₃)之一，并且其中，通过相应的输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)耦合出的光线相差其在所述输出耦合结构(7a，7b，7₁，7₂，7₃)上的入射角所位于的区域。

11.如权利要求1至3中任一项所述的光导(3)，其特征在于，对于耦合出的光线，在被耦合出之后其波向量k的比率k_y/k_xz与被耦合出之前其波向量k的比率k_y/k_xz在绝对值方面至少相差0.1。

12.如权利要求1至3中任一项所述的光导(3)，其特征在于，对于耦合出的光线，在被耦合出之后其波向量k的比率k_y/k_xz与被耦合出之前其波向量k的比率k_y/k_xz在绝对值方面至多相差0.9。

13.如权利要求1至3中任一项所述的光导(3)，其特征在于，各输入耦合结构(5)和输出耦合结构(7)被设计为使得耦合出的光线不会完全照亮位于该输出耦合结构后面特定距离处的区域的特定区段或多个特定区段。

14.如权利要求1至3中任一项所述的光导(3)，其特征在于，衍射结构或反射结构至少布置在现有输入耦合结构(5)之一与分配给所述输入耦合结构(5)的输出耦合结构(7)之间。

15.如权利要求1至3中任一项所述的光导(3)，其特征在于，这些输出耦合结构(7)中的至少一个是具有光栅向量G的输出耦合光栅，并且对于通过该输出耦合光栅(7)耦合出的光线，通过该输出耦合光栅(7)耦合出的光线的波向量k由在入射到该输出耦合光栅上之前的光线的波向量k与该光栅向量G的向量和产生。

16.如权利要求1至3中任一项所述的光导(3)，其特征在于，这些输出耦合结构(7)中的至少一个是反射表面。

17.如权利要求1至3中任一项所述的光导，其特征在于，这些输出耦合结构(7)中的至少一个是体积全息图。

18.一种具有如前述权利要求中任一项所述的光导(3)的HMD(1)。

19.一种用于通过如权利要求1-3中任一项所述的光导(3)在HMD(1)中传输图像的方法，其中，该光导(3)设置在该HMD中以便放置在眼睛的前面，并且表示要传输的图像的光线各自由波向量k表示，如果将该光导(3)放置在该眼睛的前面，则这些波向量在由作为z轴的视轴(A)、从颞部到鼻部延伸的x轴、以及从尾部到颅延伸的y轴形成的坐标系中各自具有x分量、y分量和z分量，并且其中，表示要传输的图像的这些光线的波向量k的x分量和y分量的总和形成要传输的该图像的角谱(39，41)，其特征在于要传输的该图像的角谱(41)在该光导(3)内部以与要在该光导(3)外传输的该图像的角谱(39)相比沿该y轴位移的方式传送。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，要传输的该图像的角谱(39₁，39₂，41₁，41₂)被划分成至少两个部分，并且该光导(3)的内部中的角谱(41₁，41₂)的两个部分以与要在该光导(3)外传输的图像的角谱(39₁，39₂)相比沿该y轴不同的位移而传送。

21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该角谱(39₁，39₂)的两个部分在该y轴的方向上在该光导外彼此上下布置。

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