JP2020521170A - 光ガイドを備える表示デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、表示デバイス、具体的には、ユーザの眼の付近に設けられた表示デバイスに関する。表示デバイスは、少なくとも１つの照明デバイスと、少なくとも１つの空間光変調器デバイスと、少なくとも１つの結像素子と、少なくとも１つの光ガイドと、少なくとも２つの部分反射分離素子と、を備える。少なくとも１つの照明デバイスは、十分にコヒーレントな光を放出するために使用される。少なくとも１つの結像素子は、少なくとも１つの光変調器デバイスから生じる光を結像するために提供される。少なくとも１つの光ガイドに設けられた少なくとも２つの部分反射分離素子は、光が光ガイドから結合を出るために使用される。【選択図】図４ｄ

Description

本発明は、好ましくは３次元オブジェクト又はシーンを表現するための表示デバイスに関する。具体的には、本発明は、ニアアイ表示デバイス、例えば、ヘッドマウントディスプレイに関し、ヘッドアップディスプレイも含まれる。

ヘッドマウントディスプレイ（head-mounted display、ＨＭＤ）又は同様のユーザの眼の付近のディスプレイ若しくは表示デバイスに関して、これらのタイプのディスプレイがユーザの頭部に装着され、かつ心地よい着用感をユーザに与えるためのものであるため、コンパクトかつ軽量な光学構成を提供し、確実にすることが望ましく、かつ有利である。

ＡＲ（Augmented Reality、拡張現実）−ヘッドマウントディスプレイの場合、一方では、ユーザが、ヘッドマウントディスプレイに起因する障害なしに可能な限りユーザの自然環境を知覚することができ、他方では、問題なしにヘッドマウントディスプレイ自体に表示されたコンテンツを良好に知覚することができることが更に望ましい。

空間光変調器デバイス及び空間光変調器デバイスの結像のための光学構成が使用される場合、しかしながら、この場合では、光学構成は、空間光変調器デバイスからの光、及びまた、ユーザ又は観察者の自然環境からの光の両方が、片眼若しくは両眼に誘導又は到達することができるように、想定されるべきである。

視野（field of view、ＦｏＶ）はまた、ヘッドマウントディスプレイにおけるユーザの快適性にとって非常に重要である。したがって、最大の可能な視野が有利である。

光ガイド又は導波路を使用して、空間光変調器デバイスから眼に光を向ける又は誘導する、ＡＲディスプレイ又はＡＲ表示デバイスも既知である。次いで、ユーザは、光ガイド又は導波路を介してユーザの自然環境を追加的に見る。

光ガイドの薄い厚さで比較的広視野を達成するために、光を分離するための部分反射ミラーを含むそのような光ガイドは、米国特許第６，８２９，０９５（Ｂ２）号に記載されている。この光ガイドに特定の角度で結合され、ジグザグモードで又は全反射により光ガイド内を伝搬する光は、分離領域内の部分反射ミラーに入射する。部分反射ミラーによって、光は、光ガイドに結合されたのと同じ角度で再び光ガイドから結合を出る。 この場合、無限遠に位置するシーン画像の光は、光ガイドに結合される。米国特許第６，８２９，０９５（Ｂ２）号に開示されているような、そのような光ガイドが、無限遠に結像された空間光変調器（spatial light modulator、ＳＬＭ）、例えば、ＬＣＯＳ（liquid crystal on silicon、シリコン上の液晶）ＳＬＭ、又は自発光型ＯＬＥＤ（organic light emitting device、有機発光デバイス）ＳＬＭとともに使用される場合、光は、したがって、空間光変調器の単一の画素から本質的に互いに平行に伝搬する。しかしながら、空間光変調器の異なる画素からの光は、空間光変調器上の画素の位置に応じて、その伝搬角度によって異なる。したがって、空間光変調器の１つの画素から生じ、かつ一定の伝搬角度を有する光が、光ガイドに結合されて、同じ角度で別の位置で再び光ガイドから結合を出る場合、光は、したがって、また光ガイドの観察者の眼に同じ角度で入射する。

そのような場合、光ガイドの存在なしに空間光変調器が無限遠に結像される場合、観察者は、空間光変調器の像を無限遠で見ることになり、光ガイドを通る光の伝播は、空間光変調器の像の深度位置を好都合に変化させないことになる。この場合、光ガイドを介して光がカバーする分離位置及びまた光路は、空間光変調器の像の深度位置に影響を与えない。したがって、観察者は、無限遠で空間光変調器の像を依然として知覚する。空間光変調器の像上の画素の位置は、光ガイドを出るこの画素からの光の分離角度によってもたらされる。次いで、観察者の眼は、光ガイドが存在しなかった場合に、眼が空間光変調器の像を直接見ていた場合と同じ方法で、光ガイドを介して空間光変調器の像を見る。

しかしながら、そのような構成は、無限遠の空間光変調器の像に対してのみ機能することになる。これは、以下のように説明することができる。光ガイドに結合され、かつ異なる部分反射ミラーによって結合を出る空間光変調器の同じ画素からの光は、光ガイド内の異なる長さの光路をカバーする。しかしながら、画素の像から光ガイドを通る眼までの光の経路は全て無限に長いため、画素の像が観察者の眼から離れた無限遠である限り、これは重要ではない。しかしながら、眼から有限距離にある空間光変調器の像が光ガイドへの結合前の光路内の像によって生成された場合、画素から観察者の眼への光の異なる経路は、重要な役割を果たすことになる。次いで、光ガイドに結合され、かつ異なる部分反射ミラーによって結合から出る、空間光変調器の同じ画素からの光の異なる経路は、観察者に見える像の深度位置が異なる部分反射ミラーによって異なる方式で影響されるという効果を有する。次いで、観察者は、隣接する第２の部分反射ミラーを介してとは異なる距離で、第１の部分反射ミラーを介して画素の像を見ることになる。

いずれにしても、米国特許第６，８２９，０９５（Ｂ２）号によるそのような光ガイドが表示デバイスに使用される場合、光ガイドへの結合前の光路内に無限遠の空間光変調器の像が生成されることが必要である。したがって、平行光は、空間光変調器の全ての画素から光ガイドを通って伝搬する。次いで、光が光ガイドから結合を出た後、すなわち、光ガイドと観察者の眼との間の光路内に、空間光変調器の像位置を変化させるレンズを配置することが可能である。この場合、像位置を変化させるレンズは、光が光ガイドから結合を出た後の光路内にのみ配置されているため、光ガイド内の光の光路は、空間光変調器の像の深度位置に影響を与えない。しかし、光ガイドを通過する観察者の自然環境からの光はまた、このレンズによって偏向され、それにより、観察者の自然環境からのオブジェクトは、観察者から不正確な距離に見える。したがって、眼から離れる方向を向く光ガイドの他方の側に補償レンズを提供する構成が既知である。次いで、自然環境からの光は、両方のレンズを通過し、補償レンズは、光ガイドと眼との間のレンズの焦点効果を相殺する。空間光変調器から生じる光は、２つのレンズのうちの１つのみを通過し、それにより、空間光変調器の像は、このレンズによって深度を変位することができる。しかし、観察者の自然環境からの光は、両方のレンズを通過し、それにより、自然環境は、表示デバイスによって変化しない通常の固定距離で見える。

光ガイド構成のそのような実施形態により、有限固定深度における空間光変調器の像は、観察者にもたらされる。しかしながら、既に述べたように、空間光変調器から光が光ガイドから結合を出るまでの光路は、無限遠の空間光変調器の像の光路に対応しなければならない。

したがって、そのような光ガイドは、固定深度で空間光変調器の像を生成する。この場合、観察者の片眼用の平面視画像のいずれかを生成すること、又は例えば、観察者の左眼及び右眼用の別個の光ガイドの組み合わせを使用して、固定深度で立体視画像を生成することも可能である。

単一の光ガイドは、この場合、一方向に広視野を生成することのみが可能である。視野を水平及びまた垂直の両方に拡張するために、互いに対して垂直に配置され、かつ、例えば、第１の光ガイドが垂直視野を画定し生成し、第２の光ガイドが水平視野を画定し生成する、２つの光ガイドの組み合わせを使用することができる。

光を結合するために単一のプリズム又は単一のミラーを使用するが、光を結合から出すために複数の部分反射ミラーを使用する、薄い光ガイドは、その分離領域と比較して比較的小さい結合領域を含む。

広視野からの光を限られた領域上で光ガイドに結合することができるために、空間光変調器の全ての画素からの光を、小さい領域上の光ガイドの結合領域上に又はそれに近接して集中させる必要がある。換言すれば、空間光変調器を結像するための投影光学ユニットは、光を結合することができるように、光ガイドの結合領域に又はそれに近接してその射出瞳を有するものである。

更に、好ましくは３次元（three-dimensional、３Ｄ）シーンが見え、かつ観察可能である、仮想観察者領域又は観察者窓を有するホログラフィックヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）が既知である。ホログラフィック表現は、実深度が生成され、したがって輻輳調節矛盾が回避されるという利点を有する。輻輳調節矛盾は、特に、例えば、米国特許第６，８２９，０９５（Ｂ２）号に開示されているような、立体表示デバイス又はディスプレイの場合、観察者が空間光変調器の表示領域又は表面に焦点を合わせて、それにより観察者がそれを鮮鋭に知覚する場合に、生じる。２つの表示された立体視画像の視差は、表示領域の前方又は後方に見える３次元オブジェクトを示唆する。この場合、眼は、表示領域からのこれらのオブジェクトの見かけの距離に収束する。このようにして、オブジェクトは固定され、鮮鋭に知覚されるものになる。しかし、オブジェクトは、実際には表示領域から一定の距離に位置しておらず、そのため、観察者は、観察者がオブジェクトを固定したときに、もはやオブジェクトを鮮鋭に見ることができない。したがって、立体的シーン又はオブジェクトを観察する際に、頭痛又は他の種類の不快感が、観察者に非常に頻繁に生じることがある。

しかしながら、これらの悪影響は、ホログラフィック表示デバイス又はディスプレイの使用時に回避することができる。

仮想観察者領域を有するヘッドマウントディスプレイは、米国特許第８，５４７，６１５（Ｂ２）号に記載されており、観察者領域は、空間光変調器のフーリエ変換、又は空間光変調器の像のいずれかとして交互に生成される。

仮想観察者領域を有するホログラフィックヘッドマウントディスプレイは、米国特許第９，４０６，１６６（Ｂ２）号に開示されており、これは、タイリング又はセグメント化によって広視野を達成する。この場合、仮想観察者領域から見える視野の異なる部分は、空間光変調器及び好適な光学系を使用して、時系列的に生成される。本明細書では、タイリング／セグメント化は、「セグメントから構成される空間光変調器の複数の像」としても記載されているが、これは、各セグメントに対して空間光変調器がその都度結像されるためである。

米国特許第９，４０６，１６６（Ｂ２）号の一実施形態では、導波路の使用も開示されており、光は、グレーティング、特に体積格子によって結合され、かつ結合から出される。とりわけ、ホログラフィック再構成における大きな偏向角度を有するグレーティングの使用は、空間光変調器の像位置及び３次元シーンの物点における収差を生成することがあり、これは複雑に補正されなければならない。

対照的に、光路がプリズムを介して偏向される、かつ／若しくはミラー上で反射されるのみ、又はせいぜい小さい偏向角度、例えば、角度＜１５°を有するグレーティングを含む光ガイドの使用は、この場合、グレーティングを使用する偏向と比較してより小さい収差がもたらされるため、有利である。

米国特許第８，５４７，６１５（Ｂ２）号又は同第９，４０６，１６６（Ｂ２）号によるそのようなホログラフィック表示デバイスでは、異なる深度平面に位置する物点を使用して３次元シーンが生成される。この場合、少なくともほぼコヒーレントな光が使用される。空間光変調器の前方又は後方に位置する物点は、空間光変調器に書き込まれた又は符号化されたサブホログラムによって生成される。光ガイドが空間光変調器と再構成されることになるシーンの観察者の眼との間に配置される場合、空間光変調器の十分にコヒーレントな照明を用いて、物点は、空間光変調器の周囲の空間内、すなわち光の光ガイドへの起こり得る結合前の光路内の焦点として既にもたらされる。

ホログラフィック表示デバイスの場合に、空間光変調器自体が無限遠に結像されることになるとしても、再構成されることになる３次元シーンの物点は、したがって、観察者の眼から有限距離に位置することになる。ホログラフィックベースで３次元シーンを生成し表示する表示デバイスに光ガイドが使用される場合、したがって、単一の平面、すなわち空間光変調器の平面からの光が、光ガイドを通って伝搬するだけではなく、物点の３次元体積からの光も光ガイドを通って伝搬し、かつこれらの物点が、光ガイドを介して見る観察者に有意な障害なしに見えることが必要である。

したがって、無限遠の空間光変調器の像の光の伝播のためにのみ機能することになる光ガイド、例えば、米国特許第６，８２９，０９５（Ｂ２）号による光ガイド構成は、ホログラフィック表示デバイスでの使用に、このように好適には見えない。

更に、例えば米国特許第６，８２９，０９５（Ｂ２）号に開示されているような部分反射ミラーに基づく光ガイドにおいて、ホログラフィック再構成に必要とされるような少なくともほぼコヒーレントな光の使用が、例えば、空間光変調器の同じ画素から生じるが、この場合には異なる部分反射ミラーによって光ガイド内の異なる長さの経路の後に部分的に結合を出て、次いで、分離及び干渉した後に更に伝搬する、光の妨害干渉をもたらすという欠点がもたらされる。

したがって、本発明の目的は、表示デバイス、具体的にはニアアイ表示デバイスを提供することであり、これにより、広い視界領域又は視野を生成することが可能になる。本発明の更なる目的は、コンパクトかつ軽量な構成を有する表示デバイスを提供することである。

更に、本発明の目的は、米国特許第６，８２９，０９５（Ｂ２）号によるデバイスを、好ましくは３次元シーンのホログラフィック生成のために光を結合する及び／又は光ガイドから結合を出すために、そのような光ガイドを使用することができるように、改良することである。

本目的は、請求項１に記載の特徴による発明により達成される。

本発明によれば、ニアアイディスプレイ、具体的には本明細書のヘッドマウントディスプレイでの使用に特に好適であるが、使用はこれらのディスプレイに限定されるものではなく、むしろ、例えば、ヘッドアップディスプレイに使用することもできる、表示デバイスが提案される。

本発明に係るそのような表示デバイスは、十分なコヒーレント光を放出するための少なくとも１つの照明デバイスと、少なくとも１つの空間光変調器デバイスと、少なくとも１つの光変調器デバイスから生じる光を結像するための少なくとも１つの結像素子と、少なくとも１つの光ガイドと、少なくとも１つの光ガイド内に設けられ、光が光ガイドから結合を出るための、少なくとも２つの部分反射分離素子と、を備える。

このようにして、コンパクトな構成を有し、したがって、軽量として具現化され、かつ少なくとも一方向に、例えば、水平方向に拡大した視野又は視界を生成することができる、表示デバイスを提供することができる。更に、米国特許第６，８２９，０９５（Ｂ２）号の光ガイド構成は、今度はホログラフィック表示デバイスにも使用して、ホログラフィックに３次元シーンを再構成し、表現することができるように改良されている。

この目的のために、部分反射分離素子は、ミラー素子又はプリズム素子として好都合に設計することができる。

発生する収差は、分離素子としてミラー素子を使用することによって、小さく保つ、かつ／又は実質的に低減することができる。更に、したがって、コンパクトな光学系を可能にすることができる。

例えば、少なくとも１つの光ガイドは、ミラー素子として設計された、４〜１０個の部分反射分離素子を含むことができる。しかしながら、本発明は、この数に限定されるものではない。他の実施形態では、少なくとも１つの光ガイドはまた、より少ない、又はより多くの部分反射分離素子を含むことができる。

少なくとも１つの光ガイド内の部分反射分離素子は、例えば、基板に適用される誘電体層積層体の一種として製造することができる。

本発明の更なる有利な実施形態及び改良は、更なる従属請求項に見出すことができる。

本発明の１つの有利な実施形態では、部分反射分離素子が互いに平行であることを提供することができる。このようにして、様々な部分反射分離素子に特定の角度で入射する、少なくとも１つの空間光変調器デバイスの同じ画素からの光線はまた、同じ角度で光ガイドから結合を出ることができる。

更に、部分反射分離素子が、互いに対してその都度、既定の距離、好ましくは等間隔で配置される場合に有利であり得る。分離素子の距離が過度に大きい場合、例えば、望ましくない間隙が、生成されたスイートスポット内にもたらされることになる。

部分反射分離素子がミラー素子である場合、互いに対するその距離は、１つの好ましい実施形態では、少なくとも１つの光ガイドの表面上の部分反射分離素子の投影が、間隙なしに、かつ投影された分離素子の重なり合いなしにコヒーレントな表面内にもたらされるように選択されるものである。

この場合、部分反射分離素子は、これらの分離素子が、少なくとも１つの光ガイド内を伝搬する光を、既定の方向に、例えば、観察者の眼の方向に偏向させるように配置することができる。

本発明の１つの有利な実施形態では、少なくとも１つの光ガイドに入射する光を光ガイドに結合することができる、光結合デバイスが設けられることを更に提供することができる。

光結合デバイスは、好ましくは、少なくとも１つのミラー素子、及び／又は１つの格子素子、及び／又は１つのプリズム素子を含む。

本発明に係る表示デバイスは、単一のホログラフィック視差符号化を好都合に備えることができる。換言すれば、１次元ホログラムを、少なくとも１つの空間光変調器デバイス内に符号化することができる。空間光変調器デバイス内の１次元ホログラムの符号化方向は、好ましくは、垂直方向とすることができ、符号化方向は、１次元ホログラムの非符号化方向に対して垂直に設けられる。この点で、非符号化方向は、水平方向である。当然ながら、本発明は、符号化方向及び非符号化方向の、この実施形態に限定されるものではなく、むしろ、符号化方向が水平方向であり、かつ非符号化方向が垂直方向である逆の場合も提供することができる。互いに対して垂直な符号化方向及び非符号化方向の他の方向、例えば、傾斜方向も考えられ、かつ可能である。

具体的には、本発明の１つの有利な実施形態では、符号化方向は、部分反射分離素子が少なくとも１つの光ガイド内に、連続して配置される方向に対して垂直である。複数の部分反射分離素子が、互いに隣接して水平に配置されている光ガイドでは、ホログラムの垂直符号化方向が、好ましくは使用される。複数の部分反射分離素子が、互いの上に垂直に配置されている光ガイドでは、ホログラムの水平符号化方向が、好ましくは使用される。

しかしながら、本発明は、単一の視差符号化に限定されるものではない。むしろ、本発明を、少なくとも１つの空間光変調器デバイス内のホログラムの全視差符号化に適用することもまた可能である。

本発明では、部分反射分離素子を有する光ガイドは、空間光変調器デバイスと組み合わせて、本質的にまた、１つの方向に平行かつ／又はコリメートされ、かつ空間光変調器デバイスの画素から生じる光のみを必要とする、１次元配置を表すことが、好ましくは想定される。

他方で、単一のホログラフィック視差符号化に関して、表現されることになるシーンの３次元物点の位置に、非点収差が存在する。シーンは、物点に分割され、各物点は、空間光変調器デバイス内の全体ホログラムのサブホログラムとして符号化される。単一の視差符号化の場合、全体ホログラムは、空間光変調器デバイスの全領域上でその都度符号化され、全体ホログラムは、物点のサブホログラムを合計することによって生成される。３次元物点を生成するために、本発明によれば、好ましい単一の視差符号化の場合では、したがって、符号化されたサブホログラムによる符号化方向のみに、シーンの物点の観察者の方向から見て、空間光変調器デバイスの前に物点が生成される、又は空間光変調器デバイスの背後に物点の虚像が生成される。それに垂直なサブホログラム又はホログラムの非符号化方向では、物点のサブホログラムの焦点は、空間光変調器デバイスの像の平面内に位置する。したがって、この事実は、少なくとも１つの光ガイドを備える、本発明に係る表示デバイスに好都合に利用することができる。

本発明に係る表示デバイスは、結像ビーム経路と、照明ビーム経路と、を備える。観察者に見える空間光変調器デバイスの像は、結像ビーム経路によって生成される。対照的に、照明ビーム経路は、仮想観察者領域又はスイートスポットの発生に影響を及ぼす。仮想観察者領域は、例えば、少なくとも１つの照明デバイスの少なくとも１つの光源の像の平面内に生成される。

少なくとも１つの空間光変調器デバイスと、再構成されることになる３次元シーンの観察者との間の、光路内に設けられた結像素子は、概して、両方のビーム経路、照明ビーム経路及び結像ビーム経路に影響を及ぼすことができる。光路内の特定の位置又は特定の場所では、それらはまた、２つのビーム経路のうちの１つにのみ、又は主に影響を及ぼすことができる。例えば、少なくとも１つの空間光変調器デバイスに直接配置されたレンズ素子は、結像ビーム経路を変化させないが、むしろ照明ビーム経路のみを変化させる。

本発明に係る表示デバイスは、少なくとも結像ビーム経路に影響を及ぼす少なくとも１つの結像素子を備える。

本発明の有利な実施形態では、本発明に係る表示デバイスは、少なくとも照明ビーム経路に影響を及ぼす、少なくとも１つの更なる結像素子を備えることができる。

少なくとも１つの結像素子は、少なくとも１つのレンズ素子、及び／若しくは１つのミラー素子、及び／若しくは１つの格子素子とする、又はそれを含むことができる。また、複数の結像素子を使用及び組み合わせて、結像系を形成することも可能である。

少なくとも１つの結像素子は、少なくとも１つの光ガイドの前に、特に少なくとも１つの空間光変調器デバイスと少なくとも１つの光ガイドとの間に、光線方向に好都合に配置することができる。

この場合、少なくとも結像ビーム経路に影響を及ぼす、少なくとも１つの結像素子を、少なくとも１つの空間光変調器デバイスを無限遠に結像するために設けることができる。

無限遠の空間光変調器デバイスの像は、少なくとも１つの結像素子の支援により生成することができる。したがって、好ましい単一の視差符号化に関して見て、光伝搬は、例えば、空間光変調器デバイスの画素列又は画素行の画素からの、光ガイドを通る又は光ガイド内のホログラムの符号化方向に、垂直な平行かつ／又はコリメートされた光により本質的に行うことができる。しかしながら、光は、ホログラムの符号化方向の対応する物点上の個々のサブホログラムによって焦点を合わせる。例えば、小さい角度で発散又は収束する光線は、次いで、物点から生じる。

発散又は収束する光線は、物点がシーンの観察者に対して有限距離で見えるように、光ガイドを符号化方向に通過又は透過することができる。

したがって、本発明に係るホログラフィック表示デバイスは、有限距離の物点及び無限遠の空間光変調器デバイスの像を含むことができる。

しかしながら、単一の視差ホログラム符号化は、一般に、空間光変調器デバイス又は空間光変調器デバイスの像平面に、より近接して位置するその物点に、３次元シーンに対してより良好な可視解像度を提供し、空間光変調器デバイスからより遠く離れて位置するその物点に、３次元シーンに対して幾分劣る可視解像度を提供する。例えば、空間光変調器デバイスの像が観察者から２ｍの距離にある場合、したがって、観察者から約１．３ｍ〜６ｍの距離の深度範囲を良好な解像度で表現することができる。一般に、良好な解像度が達成可能である、空間光変調器デバイスの像平面の背後の領域は、この場合、空間光変調器デバイスの像平面の前の範囲よりも大きい。

空間光変調器デバイスの像が無限遠にある場合、空間光変調器デバイスの像の前の領域のみを、物点の表現のために使用することができる。単一の視差ホログラム符号化を使用して、良好な解像度が達成可能である物点は、次いで、観察者に対して比較的大きな距離を有する。良好な解像度で表現することができる領域は、無限遠の空間光変調器デバイスの像に対して観察者から数メートルに位置する。

したがって、空間光変調器デバイスの像が観察者から有限距離に位置する場合、空間光変調器デバイスの前方及びまた後方の両方の深度範囲を、空間光変調器デバイスに近接した又はその近傍の物点の表現に使用することができるため、より有利であり得る。空間光変調器デバイスの像の妥当な距離は、例えば、観察者から上述の２ｍの距離、又は、より短い距離若しくは幾分より大きな距離、例えば、好ましい実施形態では、０．７ｍ〜２ｍの空間光変調器デバイスの像の範囲、又は更なる実施形態では、また、０．５ｍ〜５ｍのより大きな範囲でもあることになる。しかし、本発明は、空間光変調器デバイスの像のこれらの距離に限定されるものではない。

したがって、本発明の１つの有利な実施形態では、少なくとも結像ビーム経路に再度影響を及ぼし、かつ少なくとも１つの光ガイドの後に光線方向に配置された、少なくとも１つの更なる結像素子が、設けられることを提供することができる。少なくとも１つの更なる結像素子は、少なくとも１つの結像素子によって無限遠に生成可能である、少なくとも１つの空間光変調器デバイスの中間像を、有限距離に結像するために、好都合に設けられる。換言すれば、この少なくとも１つの更なる結像素子は、少なくとも１つの光ガイドへの結合前に光路内の少なくとも１つの結像素子によって無限遠に生成されていた、空間光変調器デバイスの中間像を、有限距離の空間光変調器デバイスの像内に結像する。このようにして、空間光変調器デバイスの像は、有限距離で観察者の眼に見えるように生成することができる。観察者から０．７ｍ〜２ｍ、又は更なる実施形態では、０．５ｍ〜５ｍの距離での距離が、好ましくは使用される。少なくとも１つの光ガイドの後、すなわち、光ガイドと観察者の眼との間に光線方向に好都合に配置することができる、この更なる結像素子によって、空間光変調器デバイスの像を変位させることができるだけでなく、空間内の物点の位置も変位させることができる。

少なくとも結像ビーム経路に影響を及ぼす更なる結像素子が、例えば、−２ｍの負の焦点距離を有するレンズ素子である場合、無限遠の空間光変調器デバイスの中間像は、したがって、２ｍの距離で観察者に見える像上に更に結像される。

物点は、この場合、次に、１つの好ましい実施形態では、物理的又は実際の空間光変調器デバイスが光ガイドの後に有限距離に位置し、かつ観察者の眼が空間光変調器デバイスで直接見た又は観察した場合のように、空間光変調器デバイス上のサブホログラムとして符号化される。

一実施形態では、少なくとも結像ビーム経路に影響を及ぼし、かつ光が少なくとも１つの光ガイドから結合を出た後の光路内に配置された、少なくとも１つの更なる結像素子は、例えば、固定焦点距離を有するレンズ素子として静的に構成され、観察者に見える少なくとも１つの空間光変調器デバイスの像は、観察者から固定距離に生成される。

別の実施形態では、少なくとも結像ビーム経路に影響を及ぼし、かつ光が少なくとも１つの光ガイドから結合を出た後の光路内に配置された、少なくとも１つの更なる結像素子は、制御可能又は切り替え可能として、例えば、可変焦点距離を有するレンズ素子として、又は制御可能な格子素子としても、設計される。結像素子が、屈折若しくは回折光学素子（Ａｌｖａｒｅｚレンズ又はモアレレンズ）の機械的シフト又は回転によって、可変焦点距離を得ることができる方法も既知である。少なくとも１つの更なる結像素子はまた、そのようなＡｌｖａｒｅｚレンズ又はモアレレンズとして具現化することができる。

したがって、少なくとも１つの更なる結像素子は、少なくとも１つのレンズ素子、及び／又は可変焦点距離を有する少なくとも１つの結像素子、及び／又は少なくとも１つの切り替え可能な結像素子を含むことを提供することができる。

また、例えば、光が少なくとも１つの光ガイドから結合を出た後の光路内の２つのレンズ素子、固定レンズ素子及び切り替え可能又は制御可能なレンズ素子の組み合わせによって、このレンズ系の２つの焦点距離の間で切り替えることも可能である。したがって、空間光変調器デバイスの像は、２つの異なる深度平面内に時系列的に生成することができる。３次元シーンの物点は、空間光変調器デバイスの一方又は他方の像平面に近接して位置する物点に分割して、より短い計算時間でその都度ホログラムを計算して表示することができる。空間光変調器デバイスの像の異なる深度平面への物点のこの分割及び／又は割り当ての支援により、空間光変調器デバイスに近接した又はその近傍の物点を有する全体的なより大きな深度範囲を生成することができる。当然ながら、本発明は、２つの異なる深度平面内の空間光変調器デバイスの像の使用に限定されるものではない。２つより多くの深度平面内の空間光変調器デバイスの像を使用して、その都度ホログラムを計算し表現することも可能である。例えば、視線追跡を実行し、観察者が現在焦点を合わせる深度に従って、少なくとも１つの空間光変調器デバイスの像平面の変位を実行することも可能である。ホログラムの好ましい単一の視差符号化は、その都度、３次元シーンをより大きな深度で表現することを可能にする。しかしながら、観察者が観察者の眼で焦点を合わせる深度で、最も高い空間解像度が生成される。

本発明の更なる有利な実施形態では、少なくとも１つの補償素子を設けることができる。この場合、補償素子は、好ましくは、少なくとも１つの更なる結像素子の反対側の少なくとも１つの光ガイドの側に配置することができる。

したがって、観察者による自然環境の知覚が光ガイドと観察者の眼との間の、少なくとも１つの更なる結像素子によって損なわれないという効果を有する、補償素子、例えば補償レンズを、少なくとも１つの光ガイドと自然環境との間に設けることができる。

例えば、少なくとも１つの更なる結像素子が、−２ｍの負の焦点距離を有するレンズ素子として設計される場合、したがって、補償素子は、＋２ｍの正の焦点距離を有するレンズ素子であるべきである。

可変又は切り替え可能な更なる結像素子の支援による、空間光変調器デバイスの像の様々な深度平面への物点の言及した分割及び／又は割り当ては、少なくとも１つのレンズ素子、可変焦点距離を有する少なくとも１つの結像素子、並びに／又は少なくとも１つの切り替え可能及び／若しくは制御可能な結像素子を含む補償素子と組み合わせることができる。光ガイドと観察者の自然環境との間に配置された補償素子はまた、切り替え可能な要素を含むことができ、それにより、観察者に対する自然環境の距離は、空間光変調器デバイスの像の両方又は複数の像位置に対してその都度補正される。

一方で、ホログラフィック再構成を生成するのに十分なコヒーレント光が、必要とされる。しかしながら、ホログラムの好ましい単一の視差符号化の場合に、異なる部分反射分離素子による光の部分的分離の場合の、スイートスポット方向の妨害干渉効果を回避することも重要である。単一の視差符号化が空間光変調器デバイスに対して提供される場合、スイートスポット方向は、１次元ホログラムの非符号化方向である。これは、非符号化方向にスイートスポットが生成されることを意味し、観察者が再構成された３次元シーンを観察することができる、仮想観察者領域が、１次元ホログラムの符号化方向に生成される。

本発明の一実施形態では、コヒーレンス長が少なくとも１つの光ガイド内の２つの部分反射分離素子の互いの最短距離未満であるように、光のコヒーレンス長が設定されることを更に提供することができる。少なくとも１つの照明デバイスによって放出される光のコヒーレンス長は、同じ画素、又は垂直符号化方向の場合には、同じ画素列若しくは水平符号化方向の場合には、同じ画素行から生じる光が、それぞれ、単一の視差符号化、かつ光ガイドの同じ部分反射分離素子によって結合から出るものに関して、互いに対してコヒーレントであるように、適応させることができ、この画素又はこの画素列若しくはこの画素行から生じるが、加えて光ガイドの隣接する又は異なる部分反射分離素子によって結合から出る光は、それぞれ、互いに対してインコヒーレントである。

これを達成するために、光のコヒーレンス長ｌ_Ｋ

は、コヒーレンス長が光ガイド内の２つの部分反射分離素子間の最短距離未満であるように好都合に選択される。λは、照明デバイスによって放出される光の波長であり、Δλは、照明デバイスの少なくとも１つの光源のスペクトル幅である。光ガイド内の２つの部分反射分離素子間の最短距離は、部分反射分離素子の表面に垂直な接続線Δｍである。光のコヒーレンス長の設定は、例えば、十分なスペクトル幅Δλを有する光源を選択することによって実行される。光のコヒーレンス長がΔｍ未満であるために、スペクトル幅は、したがって、特定のΔλよりも大きくなければならない。
ｌ_Ｋ≦Δｍ、Δλ≧λ^２／Δｍ。

例えば、約３ｍｍの分離素子の距離、及び５３２ｎｍの光波長λ、したがって緑色光に対して、
Δλ≧（５３２ｎｍ）^２／３ｍｍのスペクトル幅がもたらされる。

この場合、照明デバイスに使用される光源のスペクトル幅Δλは、約０．１ｎｍ以上であるべきである。したがって、≧０．１の十分に大きい線幅を有する光源、例えば、レーザーが、選択されるべきである。これは、単に一例として見なされるべきであり、当然ながら、分離素子の他の距離及び使用される光の他の波長もまた可能である。

本発明の更なる実施形態では、表示デバイスは、特に円筒要素を含む、少なくとも１つの光学構成要素を提供することができる。少なくとも１つの光学構成要素は、少なくとも照明ビーム経路に影響を及ぼす。好ましい単一の視差符号化に関しては、少なくとも１つの光学構成要素が、円筒形結像素子である、若しくはそれを含む、又は符号化方向と非符号化方向で異なる焦点距離を有する場合に、有利である。また、光学系を形成する複数の光学構成要素を使用及び組み合わせることも可能である。この目的のために、単一の視差符号化の場合、少なくとも１つの光学構成要素は、円筒形に形成される、又は符号化方向と非符号化方向で異なる焦点距離を有するべきである。したがって、この光学構成要素は、照明デバイスの少なくとも１つの光源の水平像及び垂直像を様々な平面内に生成するために提供される。

この目的のために、空間光変調器デバイスの像位置に影響を及ぼさないように、少なくとも１つの光学構成要素が、少なくとも１つの空間光変調器デバイスの直後の光路内に配置される場合に、有利である。少なくとも１つの空間光変調器デバイスの直後とは、本明細書では、空間光変調器デバイスと光学構成要素との間の距離が、非常に小さい、理想的にはゼロであることを意味するものである。この距離は、光学構成要素の焦点距離よりも非常に小さい、好ましくは焦点距離の１０％未満であるべきである。光学構成要素が、例えば、１００ｍｍの焦点距離を有するレンズ素子である場合、空間光変調器デバイスと光学構成要素との間の距離は、したがって、好ましくは１０ｍｍ未満であるべきである。

例えば、本発明に係る表示デバイスはまた、個々のレンズ素子の代わりに、空間光変調器デバイスを結像するための投影系、例えば、多くのレンズ素子で作製された系を備えることもできる。投影系は、この場合、１つの方向、例えば、水平方向では、その射出瞳を、少なくとも１つの光ガイドの結合側に含む。それに垂直な方向、例えば垂直方向では、投影系の射出瞳は、光が少なくとも１つの光ガイドから結合を出た後の光路内に位置する。符号化方向の十分にコヒーレントな光源による、空間光変調器デバイスのコリメートされた照明の場合、投影系は、次に、射出瞳の平面内で光が少なくとも１つの光ガイドから、結合を出た後の光線方向に仮想観察者領域を生成する。

本発明の１つの有利な実施形態では、仮想観察者領域が、少なくともホログラムの１つの符号化方向かつ少なくとも１つの光ガイドの後の光線方向に、少なくとも１つの空間光変調器デバイスのフーリエ平面又は像平面内で、生成可能であることを提供することができる。ホログラムの好ましい単一の視差符号化が、少なくとも１つの空間光変調器デバイスに提供される場合、次に、光ガイドから結合を出た後の、光路内のホログラムの非符号化方向に、スイートスポットが生成可能である。

したがって、仮想観察者領域は、空間光変調器デバイスのフーリエ平面内のホログラムの符号化方向に好都合に提供される。ホログラムのフーリエ変換がもたらされるこの平面はまた、空間光変調器デバイスにホログラムが、書き込まれない又は符号化されない場合には、この場合では光源像の平面に対応する。光源の像は、この場合、光が光ガイドから結合を出た後に、光ガイドから既定の距離、例えば、約３５ｍｍの距離に生成される。換言すれば、少なくとも１つの照明デバイスの少なくとも１つの光源の光源像は、符号化方向の仮想観察者領域の位置に、光が少なくとも１つの光ガイドから結合を出た後の光路内に生成することができる。これは、光源像の平面内、又は空間光変調器デバイスの像の平面内に仮想観察者領域を生成することができることを意味する。

それに垂直な非符号化方向では、ホログラムの好ましい単一の視差符号化が少なくとも１つの空間光変調器デバイス内に提供される場合、少なくとも１つの照明デバイスの少なくとも１つの光源の光源像は、光ガイドへの光の結合位置に又はそれに近接した光路内に生成可能である。換言すれば、空間光変調器デバイスにホログラムが、書き込まれない又は符号化されない場合、１次元光源像は、光ガイドへの光の結合位置に又はそれに近接して位置する。

少なくとも１つの光学構成要素は、水平光源像及び垂直光源像を生成するために好都合に提供することができ、光源像は、ビーム経路内の異なる位置にもたらされる。説明のために、ここで、用語「水平光源像」及び「垂直光源像」は、例えば、垂直線の形態の水平像又は水平線の形態の垂直像それぞれが、点光源からもたらされることになる、ことを意味すると理解されるべきであることが説明される。これは、本発明に係る表示デバイスの空間光変調器デバイスに、ホログラムの単一の視差符号化が行われる場合に適用される。この目的のための円筒機能を含む光学構成要素によって、生成されることになる水平光源像の位置は、したがって、ビーム経路内に生成されることになる垂直光源像の位置とは、異なるように選択して生成することができる。

仮想観察者領域は、少なくとも１つの光ガイドの後の光線方向に設けられた光源像の平面内、又は少なくとも１つの光ガイドの後の光線方向に設けられた空間光変調器デバイスの像の平面内に、少なくとも１つの符号化方向に生成することができる。

本発明の別の実施形態では、仮想観察者領域は、空間光変調器デバイスの像として符号化方向に生成することができる。３次元シーンを再構成することができる錐台は、この場合、物理的又は実際の空間光変調器デバイスと空間光変調器デバイスの像との間に位置する、フーリエ平面と空間光変調器デバイスのこの像との間に広がる。この実施形態では、光学構成要素は、空間光変調器デバイスに直接位置せず、むしろ空間光変調器デバイスのフーリエ平面内に位置する。この実施形態では、光が少なくとも１つの光ガイドから結合を出た後の、少なくとも１つの空間光変調器デバイスの像は、結像素子によって仮想観察者領域の位置に符号化方向に生成される。少なくとも１つの光ガイドから結合を出た後の更なる結像素子は、この実施形態では、少なくとも照明ビーム経路に影響を及ぼすことになり、観察者から見える少なくとも１つの空間光変調器デバイスの、フーリエ平面の位置をシフトさせることになる。しかしながら、本発明の従来の実施形態のみを以下で説明することになる。

単一の視差ホログラム符号化が用いられる場合、例えば、スイートスポットは、１つの方向、例えば、水平方向に生成され、仮想観察者領域は、それに垂直な方向、例えば、垂直方向に生成される。

本発明に係る表示デバイスに設けられた部分反射分離素子を有する光ガイドを使用して、単一の視差符号化が使用される場合、スイートスポット方向、すなわち非符号化方向に比較的広視野を達成することができる。

しかしながら、ホログラムの符号化方向では、仮想観察者領域のサイズと、使用される光波長と、視野の１度当たりの空間光変調器デバイスの必要な画素数との間に、関係が存在する。この場合、例えば、約７ｍｍの仮想観察者領域に対して、視野の１度当たり約２５０画素が必要とされ、より大きい仮想観察者領域に対して画素数は、より多いことをシミュレーションが示している。従来の空間光変調器デバイスの画素数の制限のため、その結果、数度のサイズが小さい視野のみを符号化方向に生成することができる。例えば、ＨＤＴＶ（high-definition television、高精細テレビ）の解像度、すなわち、１９２０×１０８０画素を有する空間光変調器デバイスを使用すると、この空間光変調器デバイスが縦置き配置で整列されている、すなわち、垂直方向に長辺を有する場合、約７ｍｍの仮想観察者領域に対して、約８°の垂直視野（１９２０画素／１度当たり２５０画素）を生成することができる。

本発明の１つの特に有利な実施形態では、したがって、水平方向及び／又は垂直方向に視野を拡大するために偏向デバイスが設けられることを提供することができる。このようにして、水平視野及び／又は垂直視野を拡大することができる。視野の拡大は、この目的のために、タイリング及び／又はセグメント化、好ましくは時系列タイリングにより行われる。これは、結像された空間光変調器デバイスの複数のタイル又はセグメントを並置することによって視野が拡大されることを意味する。

この目的のために、偏向デバイスは、少なくとも１つの偏向素子が切り替え可能なように設計された、少なくとも２つの偏向素子を好都合に含むことができ、偏向素子は、好ましくは、格子素子又はミラー素子又は方向転換素子として設計される。

少なくとも２つの偏向素子のうちの１つは、少なくとも１つのミラー素子、好ましくはワイヤグリッド偏光子、及び少なくとも１つの偏光スイッチを含む方向転換素子として設計することができ、少なくとも２つの偏向素子のうちのもう１つは、ミラー素子として設計することができる。

空間光変調器デバイス内のホログラムの好ましい単一の視差符号化に関して、スイートスポットを生成することによって、非符号化方向に広視野を既に生成することができるため、視野が符号化方向に拡大される場合には十分である。これは、非符号化方向に単一のタイル又はセグメントを使用して、広視野を既に達成することができることを意味する。しかしながら、ホログラムの符号化方向では、視野は、仮想観察者領域のサイズとタイル又はセグメントの視野との比によって制限される。したがって、大きな再構成されたオブジェクト又はシーンを表現することができるように、符号化方向に視野を拡大することが有利であり得る。

どの方向（単数又は複数）が符号化方向（単数又は複数）であるかに応じて、垂直及び／又は水平オフセットを、偏向デバイスの少なくとも２つの偏向素子によって、光が少なくとも１つの光ガイドに結合する前の光ビーム経路内に好都合に提供することができ、それにより、個々のタイル又はセグメントの光が、異なる高さ又は幅で光ガイドに結合される。換言すれば、偏向デバイスの少なくとも２つの結像素子は、少なくとも１つの光ガイドの前の光線方向に互いに対してオフセットして位置して、少なくとも１つの光ガイドへの光の結合位置を変位させることができる。

光が光ガイドに結合される、少なくとも１つの光ガイドの結合面内の、光の垂直及び／又は水平オフセットを生成するために、例えば、切り替え可能な格子素子又は他の切り替え可能な方向転換素子などの、切り替え可能な偏向素子を使用することができる。例えば、ワイヤグリッド偏光子は、切り替え可能な方向転換素子として、特に切り替え可能な偏向ミラーとして、偏光スイッチと組み合わせて構成されてもよく、それにより、方向転換素子のスイッチング状態に応じて、その都度、２つ以上の垂直及び／若しくは水平のタイル又はセグメントのうちの１つを生成することができる。

このようにして、少なくとも１つの光ガイド及び偏向デバイスによって、タイル又はセグメントから構成される、少なくとも１つの空間光変調器デバイスの像を生成することができることを提供することができ、この像は、空間光変調器デバイス内に符号化された情報のアイテム又はシーンのホログラムを、光源像の平面内の仮想観察者領域を通して観察するために再構成することができる、視野を画定する。

本発明の別の実施形態では、タイル又はセグメントから構成される回折次数の像を、少なくとも１つの光ガイド及び偏向デバイスによって、空間光変調器デバイスのフーリエ平面内に生成することができることを提供することができ、この像は、空間光変調器デバイス内に符号化された情報のアイテム又はシーンのホログラムを、空間光変調器デバイスの像平面内の仮想観察者領域を通して観察するために再構成することができる、視野を画定する。

更に、光が、光ガイドの境界面上の反射により、特に全反射により、少なくとも１つの光ガイド内を伝搬することを提供することができ、光の光束が光ガイドから結合を出ることは、その都度、既定の部分反射分離素子において提供される。

空間光変調器デバイスは、位相変調空間光変調器デバイスとして、又は複素数値空間光変調器デバイスとして、好都合に設計することができる。

本発明に係る表示デバイスは、ヘッドマウントディスプレイとして、又は拡張現実ディスプレイとして、又は仮想現実ディスプレイとして設計することができる。

この目的のために、本発明に係る表示デバイスは、観察者の片眼に対してその都度、光源と、空間光変調器デバイスと、少なくとも１つの結像素子と、少なくとも２つの部分反射分離素子を含む光ガイドと、を備える。同じ要素、すなわち、光源、空間光変調器デバイス、結像素子、及び光ガイドは、好ましくは、観察者の鼻に対して鏡面対称に表示デバイス内に配置される。

本発明に係る目的は、請求項１〜３４のいずれか一項に記載の表示デバイスを使用して実行される、再構成されたシーンを表現する方法によって更に達成される。

本発明の教示を有利な方法で構成し、かつ／又は上述及び後述する例示的な実施形態並びに／若しくは構成を互いに組み合わせるための様々な選択肢がある。この目的のために、一方では、独立請求項に従属する請求項を、他方では、概して本教示の好ましい構成も説明される、図面に基づく本発明の好ましい例示的な実施形態の以下の説明を参照する。この場合、本発明は、記載される例示的な実施形態に基づいて原則として説明されるが、これらに限定されるべきではない。

先行技術による光ガイドの概略図を示す。 先行技術による図１によるそのような光ガイドを有する光学デバイスの概略図を示す。 先行技術による図１及び図２による光ガイドを有する光学デバイスの概略図を示す。 単一の視差符号化が提供される場合の非符号化方向の本発明に係る表示デバイスの概略図を示す。 図４ａによる本発明に係る表示デバイスを、９０°だけ回転した図で示す。 図４ａ及び図４ｂによる本発明に係る表示デバイスを、図４ｂに対して９０°だけ回転した図で示す。 図４ａ、図４ｂ、及び図４ｃによる本発明に係る表示デバイスを斜視図で示す。 単一の視差符号化が提供される場合の非符号化方向の本発明に係る更なる表示デバイスの概略図を示す。 使用される光のコヒーレンス長の設定の概略図を示す。 格子素子が視野を拡大するために設けられた、本発明に係る表示デバイスの更なる実施形態の概略図を示す。 ミラー素子が視野を拡大するために設けられた、本発明に係る表示デバイスの第３の実施形態の概略図を示す。 視野がここでは３つの生成されたセグメントによって拡大された、図７ａによる表示デバイスの概略図を示す。 視野がここでは３つの生成されたセグメントによって拡大された、図７ｂによる表示デバイスの概略図を示す。 本発明に係る更なる表示デバイスの概略図を斜視図で示す。 セグメントの生成のための側面図での図７ａによる表示デバイスを示す。 更なるセグメントの生成のための側面図での図７ａによる表示デバイスを示す。 分離素子の互いの好適な距離の選択と関連して、本発明に係る表示デバイス内に設けられた光ガイドの概略図を示す。 分離素子の有利な構成を有する光ガイドの概略図を示す。 本発明に係る表示デバイス用の光ガイドの製造の概略図を示す。

同一の要素／部品／構成要素はまた、これらの図において同一の参照符号を有することを簡単に言及しておく。

先行技術による光ガイドＬＧを有する光学デバイスを図１に示す。光ガイドＬＧは、光ガイドＬＧ内を伝搬する光を分離するための、ここではミラー素子Ｓの形態の、部分反射分離素子を含む。更に、入射光を光ガイドＬＧに結合するために用いられる、ここでは結合ミラーＥＳの形態の、結合素子が設けられている。ここで、黒色矢印で示される光源（図示せず）によって放出される光Ｌは、結合ミラーＥＳに入射し、それによって光ガイドＬＧに結合される。光又は光線Ｌは、光ガイドＬＧを通ってジグザグに及び／又は全反射により、その２つの内面又は境界面ＢＳ上で交互に反射されることにより伝搬する。光ガイドＬＧ内の光の数回の反射の後に、光は、光が光ガイドＬＧから結合を出て、観察者ＯＥの眼の方向に向けられる、ミラー素子Ｓの配列に入射する。伝搬する光線又は光は、光ガイドＬＧの下面ＢＳ又は上面ＢＳ上で、最後に反射されたかに応じて、２つの異なる角度で部分反射ミラー素子Ｓに入射する。

これらのミラー素子Ｓは、この場合、ミラー素子が光の入射角の既定の範囲に対して、部分的に反射するようにのみ機能し、対照的に、光の他の入射角に対して、それらが透過するように機能する、ように形成される。図１では、光ガイドＬＧの上面ＢＳからミラー素子Ｓに入射する光線Ｌのみが、ミラー素子Ｓによって部分的に反射されるが、光ガイドＬＧの下面ＢＳからミラー素子Ｓに入射する光線Ｌは、ミラー素子Ｓによって部分的に反射されない。

光ガイドＬＧの表面ＢＳに対する結合ミラーＥＳ及びミラー素子Ｓの角度の選択により、表面ＢＳに垂直に結合された光線Ｌに関して、ミラー素子Ｓによって結合を出た光線は、結合される光線と平行である。

図２は、図１により示す光ガイドＬＧを有する光学デバイスを概略的に示す。部分反射ミラー素子Ｓを有する、そのような光ガイドＬＧを使用して生成することができる視野がこの図２に示されている。生成されることになる視野のための光の角スペクトルは、光変調器ＳＬＭ、光学ユニットＯＳ、及び結合ミラーＥＳによって光ガイドＬＧに結合される。部分反射ミラー素子Ｓの配列は、光ガイドＬＧ内を伝搬する光を結合から出す。観察者が光ガイドＬＧからある距離に位置する場合、したがって、視野は、様々なミラーセグメントＳで異なる角度で結合を出て、観察者の眼に到達する光によって広がる。生成されたスイートスポットの拡張はまた、視野のサイズが考慮されたものとなる。図２の場合、スイートスポットは、例えば、最初の２つの部分反射ミラー素子Ｓによって、結合を出た光によって視野内の第１の角度に対して、及び最後の２つのミラー素子Ｓによって、結合を出た光によって視野内の第２の角度に対して、生成される。次いで、例えば、左側から見た最初のミラー素子からの光が、第１の角度でスイートスポットの左縁部に到達する、又は最後から２番目のミラー素子から第２の角度でスイートスポットの同じ左縁部に到達するという点で、視野が形成される。

しかしながら、ホログラフィック表示デバイスに関して、空間光変調器デバイスの同じ画素から生じる平行光線が、光ガイド内の異なる長さの経路を通過した後に異なるミラー素子で結合を出る場合、及びこれらの光線が、次いで、観察者の眼に到達する場合に問題となり得る。コヒーレントな光の場合、次いで、同じ画素から生じる個々の光線の間に、干渉の望ましくない様相が生じることがある。図２の場合、例えば、第１及び第２のミラー素子で、同じ第１の角度で同じ画素から結合を出る光は、スイートスポット内で干渉することになる。

図１による光ガイドを有する光学デバイスはまた、図３にも示す。既に述べたように、光ガイドＬＧは、部分反射ミラー素子Ｓを含み、ここで図３の光学デバイスはまた、追加のレンズ素子も備える。図３の説明図の右手側で、光Ｌは、結合ミラーＥＳによって光ガイドＬＧに結合される。次いで、光は、光ガイドＬＧ内の全反射下で、その表面ＢＳ上で反射されることによって伝搬する。

この図３の左手側に、光ガイドＬＧ内を伝搬する光が結合を出ることができる、複数の部分反射ミラー素子Ｓの配列が再び配置される。明らかなように、凹レンズとも呼ばれることがある発散レンズＺＬは、光ガイドＬＧと観察者の眼ＯＥとの間に配置される。凸レンズとも呼ばれることがある収束レンズＳＬは、光ガイドＬＧの反対側に配置される。

部分反射ミラー素子Ｓによって光ガイドから結合を出る光線は、光路内の発散レンズＺＬを通過して観察者の眼に到達するだけである。光ガイドＬＧの他方の側から生じる光線、例えば、自然環境から生じる光線は、光路内の収束レンズＳＬを通過して観察者の眼に到達し、また、光ガイドＬＧを通過した後に発散レンズＺＬを通過する。

図１〜３に従って説明される光ガイドを備える表示デバイス１、具体的にはホログラフィック表示デバイスを図４ａ〜図４ｄに示す。この例示的な実施形態を、空間光変調器デバイス内のホログラムの単一の視差符号化に関して説明する。

この場合、表示デバイス１は、図４ａのＹＺ平面の断面に従って示されている。表示デバイス１は、少なくとも１つの光源を含む照明デバイス２と、以後ＳＬＭと呼ばれる空間光変調器デバイス３と、光ガイド４と、少なくとも１つの結像素子５と、を備える。照明デバイス２は、十分なコヒーレント光を放出するように設計されている。ホログラムは、ＳＬＭ ３内に符号化されて、好ましくは３次元シーンをホログラフィックに再構成することができる。ＳＬＭ ３内のホログラムの符号化は、全視差符号化又は単一の視差符号化として実行することができる。本発明に係る表示デバイスを、以下、ＳＬＭ ３上のホログラムの単一の視差符号化に関して説明するが、本発明は、単一の視差符号化に限定されるものではなく、むしろ全視差符号化にも使用可能である。単一の視差符号化の場合、１次元ホログラムのみがＳＬＭ ３内に符号化される。したがって、光は、ホログラムの符号化方向及び非符号化方向に、表示デバイスを通過することができる。

照明光学ユニット６は、照明デバイス２とＳＬＭ ３との間に設けられ、それを使用して、ＳＬＭ ３は、好ましくはコリメートされた光を使用して照明される。次に、ＳＬＭ ３の後の光路内の光線角は、ＳＬＭ ３の画素開口における回折によって符号化方向に決定される。符号化方向に垂直な、すなわち、非符号化方向では、観察者平面８内にスイートスポット７を生成するために、定義された最小ビーム角度が必要とされる。このビーム角度は、好ましくは、非符号化方向の光路内のＳＬＭ ３の全ての画素からの光が光結合デバイス１０の領域を満たすように選択される。図４ａの場合、ＳＬＭ ３の３つの画素から生じる光が示されている。それぞれの画素の光は、ＳＬＭ ３と結像素子５との間の光路内で発散する。結像素子５と光結合デバイス１０との間の光路では、それはコリメートされる。光結合デバイス１０の領域を満たすために、結像素子５上のそれぞれの画素からのビーム束の直径は、光ガイド４の下面上の光結合デバイス１０の投影に対応するものである。したがって、必要な角度は、ＳＬＭ ３と結像素子５との間の距離、及びまた光結合デバイス１０のサイズからもたらされる。図４ａに示す例示的な実施形態では、光結合デバイス１０の領域を満たすためのビーム角度は、約±８°である。しかし、単に説明のために、光結合デバイスをより良好に見ることができるように、より小さい角度が図４ａで使用されている。すなわち、光結合デバイス１０は、図４ａでは満たされていない。

このビーム角度の生成は、以下のように実行することができる。任意選択的に、この定義されたビーム角度を生成する１次元散乱素子は、ＳＬＭ ３上に、又はＳＬＭ ３の近傍に、又は、一般に他の特定の実施形態ではＳＬＭ ３の像平面内にも、設けることができる。あるいは、ＳＬＭ ３の照明は、コリメートされた光を使用して符号化方向でのみ実行し、かつ、最小ビーム角度にほぼ対応する、又はそれよりわずかに大きい角スペクトルを使用して、それに垂直な非符号化方向で実行することも可能である。

ＳＬＭ ３は、透過型ＳＬＭとして、又は反射型ＳＬＭとして交互に設計することができる。図４ａでは、表示デバイス１は、透過型ＳＬＭを備える。ＳＬＭ ３は、好ましくは、位相変調ＳＬＭ、又は光の位相及び振幅を変調する複素数値ＳＬＭとすることができる。しかしながら、本発明はこれらの事例に限定されるものではなく、ＳＬＭ ３はまた、振幅変調ＳＬＭであってもよい。図４ａによる表示デバイス１の実施形態では、単一の視差ホログラムが、紙面に垂直な方向、すなわちＸ方向にＳＬＭ ３に書き込まれる、又は符号化される。

光ガイド４は、光ガイド４内を伝搬する光線又は光を結合から出すための、部分反射分離素子９を含む。部分反射分離素子９は、光ガイド４内で互いに対して平行である。更に、部分反射分離素子９は、光ガイド４内で互いに対して定義された距離で配置される。このように、光ガイド４内を伝搬する光はまた、この目的のために設けられた分離素子９で光ガイド４から結合を出ることが確実になる。

レンズ素子、ミラー素子、又は格子素子としても設計することができる結像素子５は、ＳＬＭ ３と光ガイド４との間の光路内に設けられる。一般的な場合では、それは、少なくとも２つ以上の結像素子を有する結像系であってもよい。結像素子５に対する焦点距離及び特定の距離に関して本明細書でなされる記載は、次いで、結像系の合計焦点距離及び主平面に適用される。

図４ａから明らかなように、光は、ＳＬＭ ３の様々な画素から、明確さのために本明細書のこの例示的な実施形態では、ＳＬＭ ３の異なる３つの画素からのみ、放出され、ＳＬＭ ３は、再構成され表現されるオブジェクト又はシーンの情報に従って照明デバイス２によって放出された光を変調する。結像素子５は、表示デバイス１内でＳＬＭ ３からその焦点距離の距離に配置される。このようにして、結像素子５は、無限遠にＳＬＭ ３の像を生成することができる。これは、ＳＬＭ ３の同じ画素から生じる光線がコリメートされる、かつ／又は結像素子５の後の光路内で互いに対して平行に延びることを意味する。しかしながら、ＳＬＭの異なる画素から生じる光線は、結像素子５の後の光線方向に互いに対して異なる角度を有する。

更に、表示デバイス１は、光ガイド４に入射する光を光ガイド４に結合することができる光結合デバイス１０を備える。この光結合デバイス１０は、光を光ガイド４に結合するための、少なくとも１つのミラー素子及び／又は少なくとも１つの格子素子及び／又は少なくとも１つのプリズム素子を含む。図４ａでは、光結合デバイス１０は、光を光ガイド４に結合するためのミラー素子を含む。結像素子５は、更に、光結合デバイス１０のミラー素子上、又は、一般的な場合では光ガイド４の光結合デバイス１０の近傍に、図４ａの図示したＹＺ平面内で照明デバイス２の光源を結像する。したがって、ＳＬＭ ３の様々な画素から生じる光線は、光結合デバイス１０のミラー素子上で完全に又は少なくとも実質的に互いに重ね合わされる。

Ｙ方向の視野に本質的に対応する光の結合される角スペクトルは、垂直方向にＳＬＭ ３の縁部画素から生じ、結像素子５を通過又は透過し、光結合デバイス１０のミラー素子に入射する光線によって画定され、Ｙ方向は、ここで水平方向に対応する。

例えば、表示デバイス１が、ＳＬＭを結像するための投影系を備え、投影系が１つの方向に光ガイド４の光結合側にその射出瞳を有し、かつそれに垂直な方向に、光が光ガイド４から結合を出た後の光路内に、投影系の射出瞳が位置することも可能であることになる。照明デバイスの十分にコヒーレントな光源によってコリメートされた光線を使用したＳＬＭの照明で、投影系の射出瞳の平面内の単一の視差符号化の場合、仮想観察者領域は、符号化方向に更に生成される。

光結合デバイス１０への光線の入射後に、光線は、光結合デバイス１０のミラー素子によって光ガイド４に結合される。次いで、光線は、全反射により光ガイド４内を伝搬し、かつ／又は光ガイド４の境界面若しくは表面で反射され、部分反射分離素子９の配列によって光ガイド４から結合を出る。一般に、同じ画素から生じる光の分離は、異なる複数の分離素子で行われる。ＳＬＭ ３の異なる画素から生じる光は、異なる角度で光ガイド４から結合を出る。これは、その都度、光線の結合角度に平行に行われる。したがって、光の結合角度は、光の分離角度に対応する。ＳＬＭ ３の様々な画素から生じる光は、次いで、光路内のスイートスポット７を通過する。したがって、ホログラムの非符号化方向に観察者平面８内にスイートスポット７が生成され、これにより、非符号化方向、ここではＹ方向に広視野を達成することができる。

表示デバイス１は、更なる結像素子１１を更に備える。更なる結像素子１１は、少なくとも１つのレンズ素子、可変焦点距離を有する少なくとも１つの結像素子、及び／又は少なくとも１つの切り替え可能な結像素子を含むことができる。更なる結像素子１１は、光ガイド４の後、及び／又は、光ガイド４と、再構成された３次元オブジェクト又はシーンを観察するために、観察者が位置することができる観察者平面８と、の間の光線方向に配置される。この更なる結像素子１１は、凹状結像素子、又は少なくとも２つの結像素子を含む凹状結像系として設計されている。無限遠に位置するＳＬＭ ３の像は、光が光ガイド４から結合を出ることと、非符号化方向のスイートスポット７又はホログラムの符号化方向の仮想観察者領域それぞれとの間の、この更なる結像素子１１を使用して、観察者に対して有限距離に再び変位又は移動させることができる。

したがって、光ガイド４と観察者との間に設けられた更なる凹状結像素子１１を使用して、眼から見られるように、ＳＬＭ ３の像位置を設定することができる。光が光ガイド４に結合する前の、光路内の光学系又は結像素子５によって無限遠にＳＬＭ ３の像が生成される場合、したがって、光ガイド４と観察者との間の光路内の更なる凹状結像素子１１は、ＳＬＭ ３の像の位置を観察者に対して有限距離に変位させる。例えば、ｆ＝−２ｍの焦点距離を有する更なる結像素子は、無限遠から２ｍの有限距離まで観察者に向かってＳＬＭの像を移動又は変位させることになる。

周辺光、すなわち、表示デバイスが拡張現実ディスプレイとして具現化される場合に、表示デバイス１の周囲から補償素子１２の領域内の光ガイド４内に入射し、それ及び更なる凹状結像素子１１を通過する光に対する、この更なる凹状結像素子１１の効果は、更なる結像素子１１の反対側の光ガイド４の側に配置された、補償素子１２によって補償することができる。表示デバイス１がヘッドマウントディスプレイとして、又は仮想現実ディスプレイとしてのみ使用される場合、表示デバイス内のそのような補償素子は、必要ではなく、したがって、省略することができる。これに関して、この場合を示す図５を参照する。

補償素子１２及びまた更なる結像素子１１の両方を通過する、表示デバイス１の自然環境からの光は、観察者に対して距離が変更されるべきではない。補償素子１２がｆ＝＋２ｍ、すなわち、上述の数値例では更なる結像素子１１と同じ絶対値だが、反対の符号の焦点距離を有する場合、補償素子１２及び更なる結像素子１１は、互いに対するその距離が小さい場合に、無限の焦点距離を有する結像素子のように協働する。したがって、素子１１及び１２の両方は、観察者の眼に見える表示デバイス１の自然環境内のオブジェクトからの距離を変更しないままである。任意選択的に、眼鏡の機能が図５の拡張現実ディスプレイ又は表示デバイスそれぞれに統合されている場合、補償素子はまた、それぞれの観察者の視覚的欠陥又は視覚障害の補正に適応させることができる。

図４ａはまた、ここでは円筒要素として設計された光学構成要素１３を、表示デバイス１が備えることも示す。光学構成要素１３は、ＳＬＭ ３に近接して又はその近傍に位置する。この光学構成要素１３は、図示したＹＺ平面内で焦点効果を有さない。しかしながら、この光学構成要素１３は、ＹＺ平面に垂直な平面内で焦点効果を有する。ＳＬＭ ３に近接した又はその近傍のその位置のため、光学構成要素１３は、したがって、ＳＬＭ ３の像位置に影響を及ぼさない。

図示の実施例では、光ガイドの表面に対する光結合デバイス及び分離素子の傾斜角は、特定の角度で結合された光線がまた同じ角度で再度結合を出るように選択される。

また、例えば、分離素子の傾斜角の異なる向きによって、分離された光線が結合された光線に平行ではない表示デバイス内の光ガイドを、使用することも可能であることになる。しかしながら、この条件は、光の分離角度に対して光の結合角度の固有の割り当てが存在することである。例えば、光の同じ結合角度は、光の異なる２つの分離角度をもたらすことができず、また、光の異なる２つの結合角度は、光の同じ分離角度をもたらすことができない。

９０°だけ回転した図４ａに示す表示デバイス１の図を、図４ｂに示す。ＸＺ平面内で９０°だけ回転したこの図は、光学構成要素１３の動作モードを示す。ＳＬＭ ３が十分なコヒーレント光を使用して照明デバイス３によって照明された後に、ＳＬＭ ３の異なる３つの画素から生じる光線が再び示されている。図４ｄによる表示デバイス１の斜視図から明確に見ることができるように、光ガイド４の方向にＳＬＭ ３から生じる図示した２つの外側画素又は光線は、図４ａによる画素又は光線とは異なる画素又は光線であり、中間画素又は中央光線は、図４ａの中間画素又は光線それぞれに対応する。光学構成要素１３は、外側画素から生じる光線又はＳＬＭ ３の縁部領域内の画素の互いに対する距離が、光線のこの距離がＳＬＭ ３の結像のために、ここで球面効果を有する結像素子５を通過した後に再び低減される前に、光学構成要素１３の後で最初に光線方向に拡大されるように、拡大効果を有する。次いで、光は、光結合デバイス１０に入射し、それによって光ガイド４に結合される。結合された光は、光ガイド４内を伝搬し、図４ａに関して説明したように、部分反射分離素子９によって光ガイド４から再び結合を出る。

表示デバイス１は、図４ｃではＸＹ平面を通る断面で示されている。ここではＳＬＭ ３の図４ｂと同じ３つの画素が示されている。理解しやすさのために、光ガイド４内の光の伝播のみが示されており、対照的に、光ガイド４から結合を出た後の光の伝播は示されていない。

この場合、発散光学構成要素１３と球面結像素子５との焦点距離の組み合わせは、照明デバイス２の光源の像、したがってＳＬＭ ３の様々な画素からの光線の重ね合わせが、Ｘ方向に、すなわち、ここではＸ方向又は垂直方向に対応する符号化方向の単一の視差符号化に従って、光が光ガイド４から結合を出た後に、ここではホログラムの非符号化方向に対応する水平方向のスイートスポットの位置及び垂直方向の観察者領域の位置で、もたらされるように選択される。

表示デバイス１は、図４ｄでは斜視図で示されている。ここでは、オブジェクト又はシーンの情報で変調された光線が、ＳＬＭ ３の５つの画素から生じていることを示している。この図４ｄでは、水平方向、すなわち、ここでは非符号化方向又はＹ方向に、ＳＬＭ ３の様々な画素からの光が、光結合デバイス１０で光ガイド４内に重ね合わされることを再度明確に見ることができる。垂直方向、したがって、符号化方向又はＸ方向では、ＳＬＭ ３の様々な画素の光は、光ガイド４から結合を出た後にＳＬＭ３からより遠くの距離で重ね合わされるだけである。しかしながら、理解しやすさのために、光ガイド４から結合を出た光線は、ＳＬＭ ３の画素のうちの１つについてのみ図示されている。

図４ａ〜図４ｄの表示デバイス１は、拡張現実ディスプレイ（ＡＲディスプレイ）として設計されている。

仮想現実ディスプレイ（virtual-reality、ＶＲディスプレイ）として設計された表示デバイスを図５に示す。この表示デバイスは、図４ａ〜図４ｄに示す表示デバイス１と同様に設計されており、また、図１〜図３に従って説明した光ガイド４も備える。この例示的な実施形態も、空間光変調器デバイス内のホログラムの単一の視差符号化に関して説明する。

ここでは、表示デバイスはまた、ＹＺ平面内の断面に従って図示されている。表示デバイスは、図４ａ〜図４ｄの表示デバイス１と同じ要素を備える。換言すれば、表示デバイスは、少なくとも１つの光源を含む照明デバイス２と、ＳＬＭ ３と、光ガイド４と、少なくとも１つの結像素子５と、を備える。照明デバイス２は、再度、十分なコヒーレント光を放出するように設計されている。ホログラムは、ＳＬＭ ３内に符号化されて、好ましくは３次元シーンをホログラフィックに再構成することができる。ホログラムＳＬＭ ３の符号化は、全視差符号化又は単一の視差符号化として実行することができる。 この例示的な実施形態も、ＳＬＭ ３上のホログラムの単一の視差符号化に基づいて説明するが、本発明は、単一の視差符号化に限定されるものではなく、むしろ全視差符号化にも使用可能である。

ＳＬＭ ３が好ましくはコリメートされた光を用いて照明される照明光学ユニット６は、照明デバイス２とＳＬＭ ３との間に設けられる。次に、ＳＬＭ ３の後の光路内の光線角は、ＳＬＭ ３の画素開口における回折によって符号化方向に画定される。符号化方向に垂直な、すなわち、非符号化方向では、観察者平面８内にスイートスポット７を生成するために、定義された最小ビーム角度が必要とされる。このビーム角度は、好ましくは、非符号化方向の光路内のＳＬＭ ３の全ての画素からの光が、光結合デバイス１０の領域を満たすように選択される。図５の場合、ＳＬＭ ３の３つの画素から生じる光が示されている。それぞれの画素からの光は、ＳＬＭ ３と結像素子５との間の光路内で発散する。それは、結像素子５と光結合デバイス１０との間の光路内でコリメートされる。光結合デバイス１０の領域を満たすために、結像素子５上のそれぞれの画素からのビーム束の直径は、光ガイド４の下面上の光結合デバイス１０の投影に対応するものである。したがって、必要な角度は、ＳＬＭ ３と結像素子５との間の距離、及びまた光結合デバイス１０のサイズからもたらされる。図５に示す例示的な実施形態では、光結合デバイス１０の領域を満たすためのビーム角度は、約±８°である。しかしながら、光結合デバイスをより良好に見ることができるように、単に説明のために、図５ではより小さい角度が使用されている。すなわち、光結合デバイス１０は、図５では満たされていない。

このビーム角度の生成は、以下のように実行することができる。任意選択的に、この定義されたビーム角度を生成する１次元散乱素子は、ＳＬＭ ３上に、又はＳＬＭ ３の近傍に、又は、一般に他の特定の実施形態ではＳＬＭ ３の像平面内にも、設けることができる。あるいは、ＳＬＭ ３の照明は、コリメートされた光を使用して符号化方向でのみ実行し、かつ、最小ビーム角度にほぼ対応する、又はそれよりわずかに大きい角スペクトルを使用して、それに垂直な非符号化方向で実行することも可能である。

ＳＬＭ ３はまた、ここで、透過型ＳＬＭとして、又は反射型ＳＬＭとして交互に設計することができる。図５では、表示デバイスは、透過型ＳＬＭを備える。ＳＬＭ ３は、好ましくは、位相変調ＳＬＭ、又は光の位相及び振幅を変調する複素数値ＳＬＭとすることができる。しかしながら、本発明は、これらの事例に限定されるものではなく、ＳＬＭ ３はまた、振幅変調ＳＬＭであってもよい。表示デバイスのこの実施形態では、単一の視差ホログラムが、紙面に垂直な方向、すなわちＸ方向にＳＬＭ ３に書き込まれる、又は符号化される。

光ガイド４は、光ガイド４内を伝搬する光線又は光を結合から出すための、部分反射分離素子９を含む。部分反射分離素子９は、光ガイド４内で互いに対して平行である。更に、部分反射分離素子９は、光ガイド４内で互いに対して定義された距離で配置される。このように、光ガイド４内を伝搬する光はまた、この目的のために設けられた分離素子９で光ガイド４から結合を出ることが確実になる。

レンズ素子、ミラー素子、又は格子素子としても設計することができる結像素子５は、ＳＬＭ ３と光ガイド４との間の光路内に設けられる。一般的な場合では、それは、少なくとも２つ以上の結像素子を有する結像系であってもよい。結像素子５に対する焦点距離及び特定の距離に関して本明細書でなされる記載は、次いで、結像系の合計焦点距離及び主平面に適用される。

図５から明らかなように、光は、ＳＬＭ ３の様々な画素から、明確さのために本明細書のこの例示的な実施形態では、ＳＬＭ ３の異なる３つの画素からのみ放出され、ＳＬＭ ３は、再構成され表現されるオブジェクト又はシーンの情報に従って、照明デバイス２によって放出された光を変調する。結像素子５は、表示デバイス内でＳＬＭ ３からその焦点距離の距離に配置される。このようにして、結像素子５は、無限遠にＳＬＭ ３の像を生成することができる。これは、ＳＬＭ ３の同じ画素から生じる光線がコリメートされる、かつ／又は結像素子５の後の光路内で互いに対して平行に延びることを意味する。しかしながら、ＳＬＭの異なる画素から生じる光線は、結像素子５の後の光線方向に互いに対して異なる角度を有する。

更に、表示デバイスは、光ガイド４に入射する光を光ガイド４に結合することができる光結合デバイス１０を備える。この光結合デバイス１０は、光を光ガイド４に結合するための、少なくとも１つのミラー素子及び／又は少なくとも１つの格子素子及び／又は少なくとも１つのプリズム素子を含む。図５では、光結合デバイス１０は、光を光ガイド４に結合するためのミラー素子を含む。結像素子５は、更に、光結合デバイス１０のミラー素子上、又は、一般的な場合では光ガイド４の光結合デバイス１０の近傍に、図５の図示したＹＺ平面内で照明デバイス２の光源を結像する。したがって、ＳＬＭ ３の様々な画素から生じる光線は、光結合デバイス１０のミラー素子上で完全に又は少なくとも実質的に互いに重ね合わされる。

Ｙ方向の視野に本質的に対応する光の結合される角スペクトルは、垂直方向にＳＬＭ ３の縁部画素から生じ、結像素子５を通過又は透過し、光結合デバイス１０のミラー素子に入射する光線によって画定され、Ｙ方向は、ここで水平方向に対応する。

図４ａ〜図４ｄで述べたように、例えば、図５の表示デバイスが、ＳＬＭを結像するための投影系を備えることも可能であることになり、そこでなされた開示は、図５にも適用される。

光結合デバイス１０への光線の入射後に、光線は、光結合デバイス１０のミラー素子によって光ガイド４に結合される。次いで、光線は、全反射により光ガイド４内を伝搬し、かつ／又は光ガイド４の境界面若しくは表面で反射され、部分反射分離素子９の配列によって光ガイド４から結合を出る。ＳＬＭ ３の異なる画素から生じる光は、異なる角度で光ガイド４から結合を出る。これは、その都度、光線の結合角度に平行に行われる。ＳＬＭ ３の様々な画素から生じる光は、次いで、光路内のスイートスポット７を通過する。したがって、ホログラムの非符号化方向に観察者平面８内にスイートスポット７が生成され、これにより、非符号化方向、ここではＹ方向に広視野を達成することができる。

表示デバイスは、更なる結像素子１１を更に備える。更なる結像素子１１は、この場合、少なくとも１つのレンズ素子、可変焦点距離を有する少なくとも１つの結像素子、及び／又は少なくとも１つの切り替え可能な結像素子を含むことができる。更なる結像素子１１は、光ガイド４の後、及び／又は、光ガイド４と、再構成された３次元オブジェクト又はシーンを観察するために観察者が位置することができる観察者平面８と、の間の光線方向に配置される。この更なる結像素子１１は、凹状結像素子、又は少なくとも２つの結像素子を含む凹状結像系として設計されている。無限遠に位置するＳＬＭ ３の像は、光が光ガイド４から結合を出ることと、非符号化方向のスイートスポット７又はホログラムの符号化方向の仮想観察者領域との間の、この更なる結像素子１１を使用して、観察者に対して有限距離に再び変位又は移動させることができる。

したがって、光ガイド４と観察者との間に設けられた更なる凹状結像素子１１を使用して、眼から見られるように、ＳＬＭ ３の像位置を設定することができる。光が光ガイド４に結合する前の光路内の光学系又は結像素子５によって、無限遠にＳＬＭ ３の像が生成される場合、したがって、光ガイド４と観察者との間の光路内の更なる凹状結像素子１１は、ＳＬＭ ３の位置を観察者に対して有限距離に変位させる。例えば、ｆ＝−２ｍの焦点距離を有する更なる結像素子は、関連して無限遠から２ｍの有限距離まで観察者に向かってＳＬＭの像を移動又は変位させることになる。

図５には、表示デバイスが、ここでは円筒要素として形成された光学構成要素１３を備えることも示されている。光学構成要素１３は、ＳＬＭ ３に近接して又はその近傍に位置する。この光学構成要素１３は、図示したＹＺ平面内で焦点効果を有さない。しかしながら、この光学構成要素１３は、ＹＺ平面に垂直な平面内で焦点効果を有する。ＳＬＭ ３に近接した又はその近傍のその位置のため、光学構成要素１３は、したがって、ＳＬＭ ３の像位置に影響を及ぼさない。

しかしながら、図５によるこの表示デバイスは、ここに示すこの表示デバイスがＶＲ（仮想現実）ディスプレイとして設計されており、したがって補償素子１２を必要としないという点で、図４ａ〜図４ｄによる表示デバイス１とは基本的に異なる。しかしながら、表示デバイスの自然環境から光ガイド４を通って透過することがあり、生成されたシーンの質を実質的に損なうことがある、望ましくない光から再構成された３次元シーンの観察者の眼を保護するために、図５によるこの表示デバイスは、観察者から離れる方向を向く光ガイド４の側に吸収素子１４を備える。この場合、吸収素子１４は、自然環境から光ガイド４に入射する光をこの側面から遮り、したがって、望ましくない周辺光が観察者の眼に入射することを防止するために使用される。吸収素子１４は、好ましくは、この場合、光ガイド４の近傍に単一の素子として配置することができる。単一の吸収素子１４の代替として、例えば、観察者から離れる方向を向く光ガイド４の表面は、反射性とすることもできる。

照明デバイスに使用される光源の光のコヒーレンス長の設定を、図６を参照して説明する。ＳＬＭの同じ画素から生じ又は放出され、光ガイド４内を伝播する光は、異なる分離素子９によって、したがって、異なる光路を有して、光ガイド４から部分的に結合を出ることができる。図６では、光ガイド４内を伝搬する光線Ｓｉｎは、異なる３つの分離素子９_１、９_２、及び９_３によって、その都度その強度の一部を有して結合を出て、それにより、光ガイド４内の異なる光路をカバーしていた互いに平行な３つの光線Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３は、光ガイド４から出る。個々の光線のこの経路差は、ここではインコヒーレント光の使用時には役割を果たさないことになる。しかしながら、ＳＬＭの十分なコヒーレント照明を有するホログラフィック表示デバイスでは、これらの光線は、その複数の光線が観察者の眼の瞳孔に入射する場合、干渉の望ましくない様相をもたらすことがある。３次元シーンの再構成された物点は、その強度が不必要に増幅又は減衰されることがある。光の角スペクトルが光ガイドを通って伝播するため、隣接する分離素子間の光の経路差は、例えば、ＳＬＭの異なる画素列からの光に対して異なることがある。

しかしながら、干渉の障害様相が発生するのを防止するために、照明デバイスの光源の光のコヒーレンス長は、コヒーレンス長が２つの分離素子間の最短接続距離Δｍ未満であるように適応されるべきである。次に、この最短接続距離Δｍは、分離素子の水平距離Δｘ及び面法線Ｎに対する分離素子の傾斜角αからもたらされる。
Δｍ＝ｓｉｎ（９０°−α）Δｘ。

そのそれぞれを使用してタイリング又はセグメント化により、視野をホログラムの符号化方向に拡大することができる、表示デバイスの２つの例示的な実施形態を、図７ａ〜図７ｄのそれぞれに示す。動作における表示デバイス１００及び２００の原理をより簡単に説明することができるように、２つの表示デバイス１００及び２００は、その都度互いに隣接して図示されている。

図７ａは、ホログラムの符号化方向、すなわち垂直方向及び／又は水平方向に視野を拡大するための偏向デバイス１５０を備える表示デバイス１００の一部を示す。偏向デバイス１５０は、この例示的な実施形態では、２つの偏向素子１５１及び１５２を含み、偏向デバイスはまた、更なる又は多数の偏向素子も含むことができる。偏向素子のうちの少なくとも１つは、切り替え可能なように設計される。２つの結像素子１５１及び１５２は、光ガイド１４０の前で光線方向に互いに対してオフセットして配置される。 この例示的な実施形態では、偏向素子１５１及び１５２は、格子素子として設計される。したがって、ＳＬＭ １０３と、照明デバイスの光源１０２によって放出された光が、光結合デバイス（ここでは図示せず）を介して光ガイド１４０に結合することとの間に、格子素子１５２が切り替え可能かつ／又は制御可能として設計される、格子素子１５１及び１５２の形態の２つの偏向素子が設けられる。一般に、格子素子の偏向角度はまた、格子素子上の位置により変化することができ、それにより、格子素子は、例えば、焦点構成要素を含むことができる。したがって、偏向格子及び回折レンズの組み合わせが提供される。

タイリング又はセグメント化による視野の拡大の原理は、例えば、以下のように行われる。光源１０２によって放出された光は、照明光学ユニット１０６を介してＳＬＭ １０３に入射し、それによって、再構成されることになるオブジェクト又はシーンの情報に従って変調され、光学構成要素１３０及び結像素子１０５を通過し、次いで、光路内の偏向デバイス１５０の格子素子１５１に入射する。 この格子素子１５１は、切り替え可能なものとして具現化される。格子素子１５１が、オフに切り替えられた状態にある場合、図７ａの左部分に示すように、ＳＬＭ １０３によって変調された光は、矢印によって示すように偏向されずに格子素子１５１を通過し、それによって、偏向せずに光ガイド１４０に入射する。次いで、偏向されない光は、光結合デバイスに入射し、第１の位置で光ガイド１４０に結合される。しかしながら、格子素子１５１が、オンに切り替えられた状態にある場合、図７ａの右部分に示すように、ＳＬＭ １０３によって変調された光は、したがって、それに応じてこの格子素子１５１によって偏向される。偏向された光は、格子素子１５２の方向に伝搬し、それに入射する。この格子素子１５２は、切り替え可能な偏向素子ではない。格子素子１５２に入射する光はまた、それによって偏向され、それにより、光は、次いで光ガイド１４０の表面に入射し、光結合デバイスによって光ガイド１４０に結合される。格子素子１５１及び１５２の両方の偏向効果により、光は、以前に結合された光の結合位置に対してオフセットして光ガイド１４０に結合される。これは、光ガイド１４０上の光の結合位置を偏向デバイス１５０によって選択し確立することができることを意味する。このようにして、光ガイド１４０及び偏向デバイス１５０によって、ＳＬＭ １０３の像、又はセグメント若しくはタイルから構成されるＳＬＭ １０３のフーリエ平面内の回折次数の像を生成することができる。ＳＬＭ １０３のこのセグメント化された像は、ＳＬＭ １０３内に符号化されたシーンの情報のアイテムを、光源像の平面内又はＳＬＭ １０３の像平面内の仮想観察者領域を通して観察するために再構成することができる、視野を画定する。これは、ＳＬＭ １０３が結像素子によって複数回結像されることを意味する。ＳＬＭ １０３の個々の像は、偏向デバイス１５０によって垂直及び／又は水平に並置されて、広視野を生成する、セグメント又はタイルを表す。この目的のために、それぞれのセグメントに対する様々なコンテンツが、ＳＬＭ １０３に時系列的に書き込まれる。

図７ｃに示すように、更なる格子素子を偏向デバイス内に追加することにより、ＳＬＭの像若しくは回折次数の２つより多いセグメント又はタイルを生成することができる。したがって、更により広い視野を、複数の偏向素子によって生成することができる。好ましい実施形態では、セグメントの数は、例えば、ＳＬＭ内のホログラムの垂直符号化方向に対して、２〜４である。更なる実施形態では、例えば、ＳＬＭ内のホログラムの水平符号化方向に対して、セグメントの数はまた、４より多い、例えば、２〜１０個のセグメントであってもよい。

図７ｂは、表示デバイス２００を概略的に示し、図７ａのように、照明デバイスの光源２０２から光ガイド２４０までの表示デバイス２００の一部のみが、ここでも示されている。この表示デバイス２００は、図７ａによる表示デバイス１００と同じ構成要素を備えるが、ここでは、図７ａのような格子素子の代わりに、偏向素子としてミラー素子２５６及び２５７を含む偏向デバイス２５０が設けられている。ここでは、第１のミラー素子２５６は、ワイヤグリッド偏光子（wire grid polarizer、ＷＧＰ）の形態で形成される。このミラー素子２５６は、偏光スイッチ２５５と組み合わされて、切り替え可能なものとして具現化される。したがって、偏向デバイス２５０の少なくとも１つのミラー素子は、切り替え可能なように設計される。ミラー素子２５６は、光源２０２から放出された光の偏光線方向に対して透過効果を有するが、ミラー素子２５６は、それに垂直な光の偏光線方向に対して反射効果を有する。偏光スイッチ２５５は、例えば、液晶ベースの素子として設計することができる。

偏向デバイス２００内のミラー素子を介したタイリング又はセグメント化による視野の拡大の原理は、例えば、以下のように行われる。光源２０２によって放出された光は、照明光学ユニット２０６を介してＳＬＭ ２０３に入射し、それによって、再構成されることになるオブジェクト又はシーンの情報に従って変調され、光学構成要素２１３及び結像素子２０５を通過し、次いで、光路内の偏向デバイス２５０に入射する。この場合を図７ｂの左部分に示し、偏向デバイス２５０に入射する光の偏光は、ミラー素子２５６がＳＬＭ ２０３によって放出される光を透過し、それによって、偏向せずに光ガイド２４０に入射するように切り替えられる。次いで、偏向されない光は、光結合デバイス（ここでは図示せず）に入射し、第１の位置で光ガイド２４０に結合される。

しかしながら、図７ｂの右部分では、光偏向デバイス２５０に入射する光の偏光は、ミラー素子２５６がＳＬＭ ２０３によって放出された光を反射するように切り替えられる。したがって、反射された光は、ミラー素子２５７に入射する。次いで、ミラー素子２５７は、偏向されていない光とは異なる位置で、光が光ガイド２４０に結合されるように偏向させることができる。これはまた、ここでは、光ガイド２４０上の光の結合位置を偏向デバイス２５０によって選択し確立することができることを意味する。このようにして、ＳＬＭ ２０３の像、あるいは、セグメント又はタイルから構成されるＳＬＭ ２０３のフーリエ平面内の回折次数の像を、光ガイド２４０及び偏向デバイス２５０によって生成することができる。ＳＬＭ ２０３のこのセグメント化された像は、ＳＬＭ ２０３内に符号化されたシーンの情報のアイテムを、光源像の平面内又はＳＬＭ ２０３の像平面内の仮想観察者領域を通して観察するために再構成することができる、視野を画定する。これは、ＳＬＭ ２０３が結像素子によって複数回結像されるが、その都度ＳＬＭ ２０３に異なるコンテンツが書き込まれることを意味する。ＳＬＭ ２０３の個々の像は、偏向デバイス２５０によって垂直及び／又は水平に並置されて、広視野を生成する、セグメント又はタイルを表す。

一般的な場合、ミラー素子２５６及び２５７は、平坦又は平面として具体化される必要はないが、むしろ、例えば、湾曲を含む、かつ／又は焦点機能を含むこともできる。

偏向デバイスはまた、図７ｄに示すように、追加の偏光スイッチ及び追加のミラー素子２５６を有する構成によって、２つより多いセグメント又はタイルの生成に拡張可能である。したがって、更により広い視野を、複数の偏向素子によって生成することができる。

図７ａによる表示デバイス１００を図７ｃに示し、ここで、表示デバイス１００は、偏向デバイス１５０を使用して３つのセグメント又はタイルから構成されたＳＬＭ １０３の像を生成する場合のために設計されている。この例示的な実施形態では、切り替え可能な格子素子１５１は、少なくとも３つのスイッチング状態を含む。図７ｃの中央の画像によるオフ状態では、格子素子１５１は、ＳＬＭ １０３によって変調され、かつここで直進しかつ偏向されないで入射する光を透過する。図７ｃの左側の画像による格子素子１５１の第１のオン状態では、この格子素子１５１は、左又は格子素子１５３の方向に光を偏向させる。図７ｃの右側の画像による格子素子１５１の第２のオン状態では、この格子素子１５１は、右又は格子素子１５２の方向に光を偏向させる。

２つの格子素子１５２及び１５３は、受動格子素子として設計されており、それぞれ、格子素子１５１によって左に偏向された光が格子素子１５３に入射し、格子素子１５１によって右に偏向された光が格子素子１５２に入射するように、表示デバイス１００内に配置される。

以下のことは、図７ｃの左側、中央、及び右側の画像にそれぞれ示されている。左側の画像では、格子素子１５１及び１５３の支援によるＳＬＭ １０３の像の左セグメントの生成が示されている。中央の画像では、中央セグメントの生成が示されており、格子素子１５１は、ここではオフに切り替えられた状態にあり、光は、光ガイド１４０に偏向されないで入射する。右側の画像では、格子素子１５１及び１５２の支援による右セグメントの生成が示されている。個々のセグメントの生成は、図７ａに関して説明した手順に従って実行される。

しかしながら、少なくとも３つのスイッチング状態を有する必要がある単一の切り替え可能な格子素子のみが、ここでは好都合に必要とされる。例えば、格子素子１５１が可変的に書き込み可能な格子周期を有する格子素子である場合、これにより、追加の更なる偏向角度、したがって、更なるセグメントを実装することができる。例えば、格子素子１５１が制御可能な偏光格子である場合、したがって、格子素子の回転方向を等しい周期で変更することによって、左又は右への交互の偏向を実施することができる。

図７ｂによる表示デバイス２００を図７ｄに示し、ここで、表示デバイス２００は、偏向デバイス２５０を使用して３つのセグメント又はタイルから構成されたＳＬＭ ２０３の像を生成する場合のために設計されている。

この例示的な実施形態では、２つの偏光スイッチ２５５及び２５９と組み合わされた、ワイヤグリッド偏光子の形態のミラーセグメント２５６及び２５８を含む、３つのセグメントを生成するための２つの方向転換素子が設けられている。

ＳＬＭ ２０３の像の３つのセグメントの生成は、この場合、以下のように行われる。図７ｄの左側の画像に見ることができるように、偏光スイッチ２５５は、図７ｂによる第１のセグメントを生成するためのオフに切り替えられた状態にあり、それにより、入射光は、ミラー素子２５６を偏向されずに通過することができ、光ガイド２４０に入射することができる。したがって、ＳＬＭ ２０３によって変調された入射直線偏光は、偏光スイッチ２５５及びミラー素子２５６を通過し、光ガイド２４０に入射する。

図７ｄの中央の画像は、どのように第２のセグメントを生成することができるかを示す。第２のセグメントを生成するために、偏光スイッチ２５５は、オンに切り替えられた状態に移動される。次いで、ＳＬＭ ２０３によって放出された光の偏光は、光がミラー素子２５６によって反射され、ミラー素子２５８の方向に向けられるように、偏光スイッチ２５５によって回転される。更なる偏光スイッチ２５９は、オフに切り替えられた状態にある。次いで、光の偏光は、ミラー素子２５６とミラー素子２５８との間で変化しないままであり、それにより、光はまた、ミラー素子２５８で反射され、次いで光ガイド２４０の方向に誘導され、この光ガイド２４０に結合される。

ＳＬＭ ２０３の像の第３のセグメントは、ここで、図７ｄの右側の画像に従って生成される。この場合、偏光スイッチ２５５及び２５９は両方とも、オンに切り替えられた状態にある。ＳＬＭ ２０３によって変調された光は、ここでミラー素子２５６によって反射される。しかし、光の偏光は、偏光スイッチ２５９によって２つのミラーセグメント２５６及び２５８の間で１回だけ回転されるので、光は、偏向されないでミラー素子２５８を通過する。次いで、この光は、ミラー素子２５７に入射し、そこで光ガイド２４０の方向に反射され、光ガイド２４０に結合される。

このようにして、光ガイド２０４への光の結合場所又は結合位置が適切に変更され、それにより、ＳＬＭ ２０３の像の３つのセグメントを生成することができる。

これらの表示デバイス１００及び２００はまた、追加のセグメント又はタイルを生成するために、偏光スイッチと併せてミラー素子を含む、更なる格子素子又は更なる方向転換素子によって拡張することができることも明らかに可能である。しかしながら、必要とされる切り替え可能な素子の数もまた、セグメントの数とともに増加する。

ＳＬＭと光が光ガイドに結合することとの間の、複数の結像素子から作製されたより複雑な光学系を使用し、また、符号化方向の視野を拡大するためにタイリング又はセグメント化を提供することができ、また、好ましくは、単一の視差符号化を提供する、表示デバイスの一実施形態を図８ａ〜図８ｃに示す。図８ａ〜図８ｃの表示デバイス３００の光学構造は、図４ａ〜図４ｄによる表示デバイス１の光学構造に基本的に対応する。ＳＬＭ上のホログラムの単一の視差符号化もまた、ここで再び想定される。

しかし、単一の球面結像素子の形態の結像素子５、例えば、レンズと、単一の円筒形結像素子の形態の光学構成要素１３、例えば、円筒レンズと、を備える、図４ａ〜図４ｄによる表示デバイス１の例示的な実施形態と比較して、図示した図８ａ〜図８ｃでは、ＳＬＭ ３３０と光ガイド３４０との間に、複数の結像素子が設けられている。この例示的な実施形態では、レンズの形態の合計１０個の結像素子が表示デバイス３００に設けられており、レンズの代わりに、ミラー素子又は格子素子を設けることもでき、結像素子の数もまた変更することができる。ここで複数の素子を含む結像素子３０５と、また複数の素子を含む結像系３６０とは、少なくとも部分的に球形で形成され、光学構成要素３１３は、円筒状に形成されている。結像系３６０の素子３１４は、円筒状に形成されていないが、また、例えば、水平方向及び垂直方向に異なる曲率半径、したがって異なる焦点距離も有する。これは、本発明が２つ又は３つなどの少数の結像素子の使用に限定されるものではないことを例として示すためのものである。映像素子３０５などの球面結像素子及び光学構成要素３１３などの円筒形光学構成要素の機能はまた、表示デバイス３００内のその配置の順序に対して交換及び／又は入れ子にすることもできる。ＳＬＭ ３３０の個々のセグメント又はタイルを生成するための、少なくとも１つの切り替え可能な格子素子又はミラー素子又は方向転換素子を含む、結像素子、球面又はほぼ円筒形の、及び場合によって設けられる偏向デバイス３５０の順序は、交換又は入れ子にすることができる。

結像系３６０、結像素子３０５、及び光学構成要素３１３で作製された例示した光学系は、光が光ガイド３４０から結合を出た後の符号化方向の光路内の観察者領域３０７の位置に、照明デバイス（図示せず）の少なくとも１つの光源の１次元光源像を生成することができ、非符号化方向の光路内の光の光ガイド３４０への結合位置又はその近傍に、照明デバイスの光源の１次元光源像を生成することができるという効果を有する。

図示の光学系では、ＳＬＭ ３３０の中間像は、結像系３６０を使用して生成される。光学構成要素３１３は、この場合、ＳＬＭの像平面内に配置される。したがって、ＳＬＭ ３３０の中間像は、光学構成要素の領域内にもたらされ、それにより、光学構成要素はまた、この例示的な実施形態では、空間光変調器デバイスの更なる像位置に影響を及ぼさない。

偏向デバイス３５０は、ビーム経路内のＳＬＭ ３３０の直後に続く結像系３６０の球面結像素子の第１の対の間に設けられる。偏向デバイス３５０は、切り替え可能な格子素子を含む。

ＳＬＭ ３３０の像の１つのセグメントをその都度生成するためのそれぞれの光路は、格子素子の第１のスイッチング状態（図８ｂ）及び偏向デバイス３５０の格子素子の第２のスイッチング状態（図８ｃ）について、図８ｂ及び図８ｃに概略的に示されている。偏向デバイス３５０の格子素子のスイッチング状態に応じて、ＳＬＭ ３３０によって変調された光は、結像系３６０、光学構成要素、及び結像素子３０５の後続の素子に異なる位置で入射し、符号化方向に異なる２つのセグメント又はタイルを生成する。セグメントはそれぞれ、ＳＬＭ ３３０の１つの像であり、広視野を達成することができるように生成される。これは、セグメントが垂直に及び／若しくは水平に重なり合って又は間隙を有さずに並置されて、広視野を生成することを意味する。ＳＬＭの像としてのこれらのセグメントは、ここで互いに対して垂直にオフセットして、光学構成要素３１３も配置される平面内にもたらされる。したがって、図８ｂは、第１のセグメントを示し、図８ｃは、第２のセグメントを示す。

図７ａ〜図７ｄに示す２つ以上の格子素子又はミラー素子をその都度含む、タイリング又はセグメント化を有する表示デバイスの特定の実施形態とは対照的に、図８ａ〜図８ｃに従ってここで示す特定の実施形態では、単一の切り替え可能な格子素子のみが偏向デバイス３５０に使用される。第２の格子素子の代わりに、光線方向に続く結像素子のサイズは、格子素子のスイッチング状態に応じて格子素子から伝搬する光が、図８ｂに示すように、後続の結像素子の上部領域を本質的に通過する、又は図８ｃに示すように、後続の結像素子の下部領域を本質的に通過する、のいずれかであるように設計される。したがって、偏向デバイス３５０の単一の切り替え可能な格子素子は、ビーム経路内に設けられた結像素子及び光学構成要素と組み合わせて、個々のセグメントを好適な方式で生成するために提供される。

垂直視野及び／若しくは水平視野のタイリング又はセグメント化の選択肢は、図示及び説明した例示的な実施形態に限定されるものではない。

図９に基づいて、光ガイド４内の部分反射分離素子Ｓの距離が、どのように選択されるものであるかが示されている。見ることができるように、部分反射分離素子Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３はそれぞれ、光ガイド４内に法線Ｎに対して角度αで配置されている。部分反射分離素子Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３の光ガイド４の表面上への投影が考慮される場合、投影は、ここでは分離素子Ｓ１及びＳ２に対してのみ行われており、この投影は、好ましくは、隣接する分離素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、．．．．に対して間隙を含まないものである。

部分反射分離素子Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３が互いに対して過度に大きな距離で配置されている場合を図９の画像（ａ）に示す。明らかなように、光ガイド内の分離素子Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３のそのような配置によって、分離素子Ｓ１の投影Ｐ１と分離素子Ｓ２の投影Ｐ２との間に、間隙が形成される。したがって、単一の視差符号化の場合に、ホログラムの非符号化方向に生成されたスイートスポット内に間隙が存在することがある。全視差符号化によってホログラムがＳＬＭに符号化されている場合、間隙は、次に仮想観察者領域内にも存在することがある。これらの間隙は、観察者による３次元シーンの知覚を実質的に妨げることになる。

光ガイド４の表面又は境界面上の部分反射分離素子Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３の投影はまた、好ましくは、大きい重なり合いを有さないものである。投影は、重なり合いなしに互いに隣接するもの、又は、例えば、最大で１０％の非常に小さい重なり合いを有するだけのもののいずれかである。

分離素子Ｓ１及びＳ２の投影Ｐ１及びＰ２の小さな重なり合いが光ガイド４の表面又は境界面上に存在する、そのような場合を図９の画像（ｂ）に示す。このようにしてスイートスポット及び／又は仮想観察者領域内に間隙がもたらされないため、光ガイド４内の部分反射分離素子のそのような配置が好ましい。

薄くかつ軽量の光ガイドが、好ましくは、表示デバイスに使用されるべきである。光ガイドの製造における費用を制限するために、更に、可能な限り少ない部分反射分離素子を光ガイド内に設けるべきである。

薄い光ガイド内に少数の部分反射分離素子を使用して広視野を生成するために、分離素子は、好ましくは、法線Ｎに対して大きな角度αで傾斜して配置されるべきである。

図面に示す表示デバイスに使用することができる、薄い光ガイド４の特定の実施形態を図１０に示す。この光ガイド４では、部分反射分離素子Ｓ１及びＳ２は、法線Ｎに対して７２．５°の傾斜角αで配置されている。光ガイド４は、ここではｄ＝１．６ｍｍの厚さを有する。この例示的な実施形態では、次に、互いに対する分離素子の距離は、ｘ＝ｄ ｔａｎ α＝５．１ｍｍである。２つの分離素子のみが図１０に示されている。 光ガイド内の分離素子のそのような配置により、例えば、６つの分離素子を使用して、約３５°の視野を実装することができる。

光ガイド４の境界面には、入射光に対するこれら境界面の反射率を高めるための反射層を設けることができる。これは、特に、光ガイド内の光の伝搬中に境界面において全反射が生じない場合には合理的である。

ここで破線矢印で示されている光の光ガイド４への結合は、図１０では光結合デバイスとしてミラー素子を介して行われるのではなく、むしろプリズム素子２０を介して行なわれる。プリズム素子２０のプリズム角度γは、ここでは３５°である。したがって、プリズム素子２０の表面に対して垂直に結合された光はまた、光ガイド４の表面に対して垂直に結合を出ることが確実になる。ゆえに、これは、分離素子の角度が水平に対して１７．５°に対応し、プリズム角度γがこの角度の２倍、すなわち、２×１７．５°＝３５°に対応するという結果を有する。

部分反射分離素子Ｓ１及びＳ２は、分離素子Ｓ１及びＳ２の表面に法線Ｎに対して小さい角度で入射する光を部分的に反射し、分離素子Ｓ１及びＳ２の表面に法線Ｎに対して大きな角度で入射する光を透過するように、この例示的な実施形態では適応又は形成される。

ＳＬＭ（ここには図示せず）又は散乱素子の照明角度は、この場合では光が通過するプリズム素子２０の片側の表面が非符号化方向に完全に照明されるように、適応又は設定することができる。

当然ながら、本発明は、図１０によるこの例示的な実施形態で言及した数値例に限定されるものではない。光ガイド内の部分反射分離素子の傾斜角αは、好ましくは、法線Ｎに対して５５°〜７５°とすることができる。しかし、傾斜角の範囲は、より大きいように選択することができる。

図１１は、部分反射分離素子を有する光ガイドを製造するための１つの選択肢をおおまかに概略的に示す。

光ガイドの材料、好ましくは光学プラスチック又はガラスは、最初に、画像（ａ）に従って個々の部分Ａに分割される。個々の部分Ａの切断面の角度は、好ましくは、この場合、このようにして製造されることになる分離素子の所望の傾斜角αに対応する。

図（ｂ）に従って、例えば誘電体層積層体の形態の部分反射層ＴＳ、すなわちコーティングが、次いで、各２つの部分Ａの間に部分反射層ＴＳが設けられるように、個々の部分Ａの切断面に適用される。誘電体層積層体が部分反射層ＴＳとして設けられる場合、次いで、誘電体層積層体の個々の層の屈折率、順序、及び厚さは、入射光の部分反射が光入射角の特定の範囲内で生じるように適応されるべきである。続いて、図１１の画像（ｃ）に従って、部分反射層ＴＳを有する個々の部分Ａは、再び一緒に接合されて、例えば、接着結合により、光ガイドを形成する。このようにして、例示的な分離素子を光ガイド内に製造することができる。

光ガイドを製造するこの方法は、単なる例示的な実施形態である。当然ながら、表示デバイスを使用することができる光ガイドは、別の方法で製造することもできる。 したがって、本発明は、このようにして製造された光ガイドの使用に限定されるものではない。

例えば、光ガイドの１つの単純な実施形態では、全ての部分反射分離素子は、同じ反射率を有する。しかしながら、輝度の勾配が、それからもたらされることになる。光の一部は、光ガイド内を伝搬する光が最初に入射する光ガイドの第１の分離素子で既に結合を出されるため、光ガイドに入射する全光のより少ない部分のみが、依然として後続の分離素子に入射する。入射光の同じパーセント値が分離素子により常に結合を出される場合、分離された光の絶対強度は、光ガイド内の各追加の分離素子とともに減少する。

これは、例えば、ＳＬＭの照明によって、又はＳＬＭへのコンテンツの書き込みによって、補償することができる。この目的のために、例えば、サブホログラムの下側振幅を、表現されることになるシーンの右部分よりも表現されることになるシーンの左部分と関連付けることができる。

あるいは、例えば、光ガイドは、個別に異なる反射率を有する分離素子を含むことができる。このようにして、光ガイドに入射する光の比較的大きい部分が、光路内に最後に設けられた分離素子又は光路内の第１の分離素子の後に位置する分離素子で、依然として結合を出ることができることを達成することができる。次いで、光の絶対分離強度は、光ガイド内の全ての分離素子に対してほぼ等しくてもよい。

分離素子がそれぞれ誘電体層積層体として形成される場合、例えば、層積層体は、所望の反射率を達成するように各分離素子に対して個別に適応させることができる。

更に、実施形態及び／又は例示的な実施形態の組み合わせが可能である。最後に、上述の例示的な実施形態は、特許請求される教示を説明するためにのみ使用され、この教示を例示的な実施形態に限定するものではないことに殊更に留意されたい。

先行技術による光ガイドの概略図を示す。 先行技術による図１によるそのような光ガイドを有する光学デバイスの概略図を示す。 先行技術による図１及び図２による光ガイドを有する光学デバイスの概略図を示す。 単一の視差符号化が提供される場合の非符号化方向の本発明に係る表示デバイスの概略図を示す。 図４ａによる本発明に係る表示デバイスを、９０°だけ回転した図で示す。 図４ａ及び図４ｂによる本発明に係る表示デバイスを、図４ｂに対して９０°だけ回転した図で示す。 図４ａ、図４ｂ、及び図４ｃによる本発明に係る表示デバイスを斜視図で示す。 単一の視差符号化が提供される場合の非符号化方向の本発明に係る更なる表示デバイスの概略図を示す。 使用される光のコヒーレンス長の設定の概略図を示す。 格子素子が視野を拡大するために設けられた、本発明に係る表示デバイスの更なる実施形態の概略図を示す。 ミラー素子が視野を拡大するために設けられた、本発明に係る表示デバイスの第３の実施形態の概略図を示す。 視野がここでは３つの生成されたセグメントによって拡大された、図７ａによる表示デバイスの概略図を示す。 視野がここでは３つの生成されたセグメントによって拡大された、図７ｂによる表示デバイスの概略図を示す。 本発明に係る更なる表示デバイスの概略図を斜視図で示す。 セグメントの生成のための側面図での図８ａによる表示デバイスを示す。 更なるセグメントの生成のための側面図での図８ａによる表示デバイスを示す。 分離素子の互いの好適な距離の選択と関連して、本発明に係る表示デバイス内に設けられた光ガイドの概略図を示す。 分離素子の有利な構成を有する光ガイドの概略図を示す。 本発明に係る表示デバイス用の光ガイドの製造の概略図を示す。

Claims (35)

1. 表示デバイス、特に、ユーザの眼の付近に設けられた表示デバイスであって、
   十分にコヒーレントな光を放出するための少なくとも１つの照明デバイスと、
   少なくとも１つの空間光変調器デバイスと、
   前記少なくとも１つの光変調器デバイスから生じる光を結像するための少なくとも１つの結像素子と、
   少なくとも１つの光ガイドと、
   前記少なくとも１つの光ガイド内に設けられ、前記光が前記光ガイドから結合を出るための、少なくとも２つの部分反射分離素子と、
   を備える、
   表示デバイス。
2. 前記部分反射分離素子が、ミラー素子又はプリズム素子として設計されている、請求項１に記載の表示デバイス。
3. 前記部分反射分離素子が、互いに平行である、請求項１又は２に記載の表示デバイス。
4. 前記部分反射分離素子が、互いに対して既定の距離に配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の表示デバイス。
5. 前記部分反射分離素子は、これらの分離素子が前記少なくとも１つの光ガイド内を伝搬する前記光を既定の方向に偏向させるように配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の表示デバイス。
6. 前記少なくとも１つの光ガイドに入射する前記光を前記光ガイドに結合することができる、光結合デバイスが設けられている、請求項１から５のいずれか一項に記載の表示デバイス。
7. 前記光結合デバイスが、少なくとも１つのミラー素子及び／又は少なくとも１つの格子素子及び／又は少なくとも１つのプリズム素子を含む、請求項６に記載の表示デバイス。
8. １次元ホログラムが、好ましくは、前記少なくとも１つの空間光変調器デバイス内に符号化されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の表示デバイス。
9. 前記少なくとも１つの結像素子が、少なくとも１つのレンズ素子及び／又は１つのミラー素子及び／又は１つの格子素子を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の表示デバイス。
10. 前記少なくとも１つの結像素子が、前記少なくとも１つの光ガイドの前に、特に前記少なくとも１つの空間光変調器デバイスと前記少なくとも１つの光ガイドとの間に、前記光線方向に配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の表示デバイス。
11. 前記少なくとも１つの結像素子が、前記少なくとも１つの空間光変調器デバイスを無限遠に結像するために設けられている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の表示デバイス。
12. 前記少なくとも１つの光ガイドの後に前記光線方向に配置された少なくとも１つの更なる結像素子が設けられている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の表示デバイス。
13. 前記少なくとも１つの更なる結像素子が、前記少なくとも１つの結像素子によって無限遠に生成可能である、前記少なくとも１つの空間光変調器デバイスの中間像を、有限距離に結像するために設けられている、請求項１２に記載の表示デバイス。
14. 前記少なくとも１つの更なる結像素子が、少なくとも１つのレンズ素子、及び／又は可変焦点距離を有する少なくとも１つの結像素子、及び／又は少なくとも１つの切り替え可能な結像素子を含む、請求項１２又は１３に記載の表示デバイス。
15. 少なくとも１つの補償素子が設けられている、請求項１から１４のいずれか一項に記載の表示デバイス。
16. 前記補償素子が、前記少なくとも１つの更なる結像素子の反対側の前記少なくとも１つの光ガイドの側に配置されている、請求項１５に記載の表示デバイス。
17. 前記補償素子が、少なくとも１つのレンズ素子、及び／又は可変焦点距離を有する少なくとも１つの結像素子、及び／又は少なくとも１つの切り替え可能な結像素子を含む、請求項１５又は１６に記載の表示デバイス。
18. 前記光の前記コヒーレンス長は、前記コヒーレンス長が前記少なくとも１つの光ガイド内の２つの部分反射分離素子の最短距離未満であるように設定されている、請求項１から１７のいずれか一項に記載の表示デバイス。
19. 特に円筒要素を含む、少なくとも１つの光学構成要素が設けられている、請求項１から１８のいずれか一項に記載の表示デバイス。
20. 前記少なくとも１つの光学構成要素が、前記少なくとも１つの空間光変調器デバイスの直後の前記光路内、又は前記少なくとも１つの空間光変調器デバイスの像平面内に配置されている、請求項１９に記載の表示デバイス。
21. 仮想観察者領域が、ホログラムの少なくとも１つの符号化方向かつ前記少なくとも１つの光ガイドの後の光線方向に、前記少なくとも１つの空間光変調器デバイスのフーリエ平面又は像平面内で生成可能である、請求項１から２０のいずれか一項に記載の表示デバイス。
22. ホログラムの単一の視差符号化が前記少なくとも１つの空間光変調器デバイス内に提供される場合、前記ホログラムの非符号化方向にスイートスポットが生成可能である、請求項２１に記載の表示デバイス。
23. 前記少なくとも１つの照明デバイスの少なくとも１つの光源の光源像が、前記符号化方向の仮想観察者領域の位置に、前記光が前記少なくとも１つの光ガイドから結合を出た後の前記光路内に生成可能である、請求項１から２２のいずれか一項に記載の表示デバイス。
24. ホログラムの単一の視差符号化が前記少なくとも１つの空間光変調器デバイス内に提供される場合、前記少なくとも１つの照明デバイスの少なくとも１つの光源の光源像が、前記光路内の非符号化方向の前記光の前記光ガイドへの結合位置に又は前記結合位置に近接して生成可能である、請求項１から２３のいずれか一項に記載の表示デバイス。
25. 前記少なくとも１つの光学構成要素が、水平光源像及び垂直光源像を生成するために提供され、前記光源像が、前記ビーム経路内の異なる位置にもたらされる、請求項１９又は２０に記載の表示デバイス。
26. 仮想観察者領域が、前記少なくとも１つの光ガイドの後の前記光線方向に設けられた光源像の平面内、又は前記少なくとも１つの光ガイドの後の前記光線方向に設けられた前記空間光変調器デバイスの像の平面内に、少なくとも１つの符号化方向に生成可能である、請求項２３から２５のいずれか一項に記載の表示デバイス。
27. 水平方向及び／又は垂直方向に視野を拡大するための偏向デバイスが設けられている、請求項１から２６のいずれか一項に記載の表示デバイス。
28. 前記偏向デバイスが、少なくとも１つの偏向素子が切り替え可能なように設計された、少なくとも２つの偏向素子を含み、前記偏向素子が、好ましくは、格子素子又はミラー素子又は方向転換素子として設計されている、請求項２７に記載の表示デバイス。
29. 前記少なくとも２つの偏向素子のうちの１つが、少なくとも１つのミラー素子、好ましくはワイヤグリッド偏光子、及び少なくとも１つの偏光スイッチを含む方向転換素子として設計されており、前記少なくとも２つの偏向素子のうちのもう１つが、ミラー素子として設計されている、請求項２８に記載の表示デバイス。
30. 前記少なくとも２つの偏向素子が、前記少なくとも１つの光ガイドの前の前記光線方向に互いに対してオフセットして配置されている、請求項２８又は２９に記載の表示デバイス。
31. セグメントから構成される前記少なくとも１つの空間光変調器デバイスの像が、前記少なくとも１つの光ガイド及び前記偏向デバイスによって生成可能であり、前記像が、前記空間光変調器デバイス内のシーンの符号化された情報のアイテムが光源像の前記平面内の前記仮想観察者領域を通して観察するために再構成可能である、視野を画定する、請求項２７から３０のいずれか一項に記載の表示デバイス。
32. 前記光が、前記光ガイドの境界面上の反射により前記少なくとも１つの光ガイド内を伝搬し、前記光の光束が前記光ガイドから前記結合を出ることが、既定の部分反射分離素子においてその都度提供される、請求項１から３１のいずれか一項に記載の表示デバイス。
33. 前記空間光変調器デバイスが、位相変調空間光変調器デバイスとして、又は複素数値空間光変調器デバイスとして設計されている、請求項１から３２のいずれか一項に記載の表示デバイス。
34. 前記表示デバイスが、ヘッドマウントディスプレイとして、又は拡張現実ディスプレイとして、又は仮想現実ディスプレイとして設計されている、請求項１から３３のいずれか一項に記載の表示デバイス。
35. 請求項１から３４のいずれか一項に記載の表示デバイスを使用して実行される、再構成されたシーンを表現する方法。
    

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