JP2020526793A - 視野を拡大するためのディスプレイデバイス - Google Patents

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Abstract

本発明は、２次元の及び／若しくは３次元のオブジェクト又はシーンを表現するためのディスプレイデバイスに関連する。上記ディスプレイデバイスは、光を変調するための複数の画素を有する少なくとも１つの空間光変調デバイス、少なくとも１つの光学系、及び少なくとも１つの導光デバイスを備える。上記光学系は、上記空間光変調デバイスの個々の画素から発する光ビームが、上記少なくとも１つの導光デバイスの表面に対して平均して異なる角度で、上記少なくとも１つの導光デバイスに入射してそこでカプリングされ得る形で設計され、それによりカプリング角度スペクトルが定義可能である。上記少なくとも１つの導光デバイスにおいて伝播する光ビームを、観察者領域に対して平均して異なる角度で上記少なくとも１つの導光デバイスからカプリングアウトすることができ、それによりデカプリング角度スペクトルが定義可能である。上記デカプリング角度スペクトルは、上記カプリング角度スペクトルと比較して拡大される。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、２次元の及び／若しくは３次元のオブジェクト又はシーンを表現するためのディスプレイデバイスに関連する。さらに、本発明は、そうしたディスプレイデバイスにより大規模な視野を生成するための方法にも関連する。
光ガイドを有する導光デバイスは、特に光学分野において広い用途を有する。特に、それらはレーザの分野で使用される。光ガイドは一般に、内部にコアを有し、このコアは、クラッド又はクラッド層によって囲まれている。光ガイドに入る光は、通常、全反射を介してその中を伝播する。全反射によるこの導光効果は、クラッド材の屈折率よりもコア材の屈折率が高いために、又はクラッド層が設けられていない場合には、周囲、例えば空気、の屈折率よりも導光材の屈折率が高いために生じる。
しかしながら、導光デバイスは、他の分野、例えば、再構成されたシーンを表す装置、特に、再構成された、好ましくは３次元シーン又はオブジェクトポイントを表す装置にも使用することができる。このような装置は例えば、シーンの観察者の目の近くに配置されたディスプレイ又はディスプレイデバイス、いわゆる目に近い（near-to-eye）ディスプレイとすることができる。１つの目に近いディスプレイは、例えば、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）である。
ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）又は同様の目の近くに位置するディスプレイもしくはディスプレイデバイスの場合、コンパクトで軽量な光学構造を使用することが望ましい。このようなディスプレイデバイスは一般に、ユーザの頭部に固定されるので、容積が大きくて重い構成は、ユーザの快適性を不利に損なう。
可視範囲又は視野は、ＨＭＤにおけるユーザの快適さにとっても重要である。この場合、可能な限り大きな視野が有利である。しかしながら、一般に、高い解像度と組み合わされた大きな視野の表現は、非常に多数の画素を有する空間光変調デバイスを必要とする。
仮想的な観察者ウィンドウ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）は、米国特許出願公開第２０１３／０２２２３８４号明細書に開示されている。このようなヘッドマウントディスプレイは、視野をセグメント化することによって大規模な視野を達成することができる。この場合、観察者ウィンドウから見える視野の様々な部分が、空間光変調器及び適切な光学系を使用して時系列的に生成される。このデバイスの１つの利点は、連続的な表現であるために、空間光変調器の多数の画素を必要とすることなく、大きな視野が達成されることである。
様々な実施形態が米国特許出願公開第２０１３／０２２２３８４号明細書に記載されており、こうした複数のセグメントからなる空間光変調器によって又はタイリング（tiling）によって視野の拡大が達成される。
導波路を有する実施形態も米国特許出願公開第２０１３／０２２２３８４号明細書に記載されている。ある実施形態は、それぞれ観察者の左目のための１つの導波路と、観察者の右目のための１つの導波路とを有する。この構成では空間光変調器及び光学ユニットはそれぞれ観察者の頭部に横方向に隣接して設けられ、光はそれぞれの目のための格子によって導波路にカプリングされる。光はカプリング用格子により平坦な角度で導波路にカプリングされ、その結果、全てのカプリング角の光は互いに平行に配置された導波路の２つの境界面における全反射を介して、導波路の方向に伝播する。光偏向デバイスは様々な角度スペクトルを時系列的に生成し、これらの角度スペクトルは導波路にカプリングされる。セグメント化された多重イメージを生成するために、多重イメージの各セグメントに対して異なる角度スペクトルが導波路にカプリングされる。光偏向デバイスによって生成された角度スペクトルのうちの１つの光は、その角度選択性に関して異なる角度範囲のためにそれぞれ設計され、互いに隣接して配置された複数のデカプリング用格子を介して、観察者の目の方向に、異なる位置でのそれぞれのケースで、導波路からカプリングアウトされる。
米国特許出願公開第２０１３／０２２２３８４Ａ１号明細書に記載された、他の実施形態との関連における上記実施形態の１つの利点は、導波路が軽量かつコンパクトなことである。
Ｋｅｉｇｏ Ｉｉｚｕｋａ著、Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ＩＩ ｃｈａｐｔｅｒ ９「Ｐｌａｎａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇｕｉｄｅｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ」という書籍もまた、光ガイドにおける光伝播に関してここで引用される：「集積オプティクスの基礎は平面光ガイドである。光は、周囲の層の屈折率よりも高い屈折率を有する媒体によって導かれる…。幾何学的オプティクスによれば、光は特定の条件が満たされるならば、損失が非常に少ない連続的な全内部反射によって伝播する。これらの条件は、伝播を支持する層が周囲の媒体よりも高い屈折率を有していなければならず、光が上下の境界で全反射を満たす角度内で発射されなければならないことである。この単純な幾何学的光学理論は、導波媒体の寸法が光の波長に匹敵する場合には失敗する。この範囲では、ガイドは離散的な数の角度についてのみ伝搬をサポートする。このような離散的な数の角度を「伝搬モード」と称する。」後者の場合、光伝播は波動光学的アプローチによって記述される。次に、用語「導波路」が典型的に使用される。このような導波路には、定義された幾何学的ビームプロファイルは現れない。
これとは対照的に、本出願では、用語「光ガイド」は、光伝播が幾何学的オプティクスによって記述され得る、十分に厚い構成を指すように使用される。このような光ガイドは、例えば、数ミリメートル、例えば、２ｍｍ又は３ｍｍの厚さを有することができる。
ホログラフィックディスプレイは、とりわけ、空間光変調デバイスの画素のアパーチャにおける回折の効果、及び光源によって放出されるコヒーレント光の干渉に基づく。それにもかかわらず、幾何学的オプティクスを使用して、仮想的な観察者ウィンドウを生成するホログラフィックディスプレイデバイスのために、いくつかの重要な条件を定式化し、定義することができる。
一方では、ディスプレイデバイスにおける照明ビーム経路がこの目的のために重要である。これは、とりわけ、仮想観察者ウィンドウを生成するために使用される。空間光変調デバイスは、少なくとも１つの実光源又は仮想光源を有する照明デバイスによって照明される。この場合、空間光変調デバイスの異なる画素から来る光は、それぞれのケースで、仮想観察者ウィンドウに向けられなければならない。この目的のために、空間光変調デバイスを照明する照明デバイスの少なくとも１つの光源は、通常、仮想観察者ウィンドウを有する観察者平面内にイメージングされる。この光源のイメージングは例えば、仮想観察者ウィンドウの中心で行われる。無限遠の光源に対応する平面波を用いて空間光変調デバイスを照明する場合、例えば、空間光変調デバイスの異なる画素からの光は、これらの画素から垂直に出射し、仮想観察者ウィンドウの中心に集束される。それぞれのケースで、空間光変調デバイスの様々な画素から垂直出射ではなく同じ回折角度で発せられる光も、仮想観察者ウィンドウ内のそれぞれの同じ位置に集束される。しかしながら、一般に、仮想観察者ウィンドウは少なくとも１つの光源のイメージに対して横方向に変位させることもでき、例えば、少なくとも１つの光源のイメージの位置は、観察者ウィンドウの左又は右エッジと一致し得る。
他方、イメージングビーム経路は、直視型ディスプレイを除いて、ホログラフィックディスプレイ又はディスプレイデバイスにおいて重要である。ＨＭＤでは、一般に、寸法の小さい空間光変調デバイスの拡大像が生成される。これは、しばしば、空間光変調デバイス自体が位置する距離よりも観察者に対してより大きな距離にあるように見える虚像である。空間光変調デバイスの個々の画素は、通常、拡大されてイメージングされる。
仮想観察者ウィンドウを生成するホログラフィック直視型ディスプレイは、照明ビーム経路を含む。ディスプレイは、少なくとも１つの光源を有する照明デバイスを備える。例えば、照明デバイスは、空間光変調デバイスを照明する平行な平面波面を生成するバックライトとして設計される。コリメートされた波面は、空間光変調デバイスを無限遠から照明する仮想光源に対応する。また、空間光変調デバイスは発散又は収束波面を使用して照明することもできるが、これは空間光変調デバイスの前方又は後方の有限距離にある実際の又は仮想の光源に対応する。フィールドレンズは、空間光変調デバイスから来る光を仮想観察者ウィンドウの位置に集束させる。ホログラムが空間光変調デバイスにおいて符号化されていない場合、光源のイメージは観察者平面となり、より高い回折次数の結果としてこのイメージの周期的な繰り返しが生じる。適切なホログラムが空間光変調デバイスにおいて符号化される場合、仮想観察者ウィンドウはゼロ番目の回折次数に近い結果となる。これは、以下、仮想観察者ウィンドウが光源イメージの平面内に位置することを述べることによって言及される。ホログラフィック直視型ディスプレイでは、光源のイメージを生成するフィールドレンズは通常、空間光変調デバイスの近くに配置される。観察者は、空間光変調デバイスのイメージが存在しない状態で、その実際の距離で空間光変調デバイスを見る。その場合、イメージングビーム経路は存在しない。
他のホログラフィックディスプレイデバイス、例えば、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、又は他の投影ディスプレイでは、既に簡単に述べたように、イメージングビーム経路が追加的に存在し得る。観察者が見る空間光変調デバイスの実像又は虚像は、これらのディスプレイデバイスにおいて生成され、照明ビーム経路は仮想観察者ウィンドウの生成にとって依然として重要である。したがって、ここでは、ビーム経路、照明ビーム経路及びイメージングビーム経路の双方が重要である。
イメージングビーム経路及び照明ビーム経路が存在するケースは、他のディスプレイデバイス、例えば、立体ディスプレイデバイスにおいても発生し得る。スイートスポットを生成するための立体ディスプレイデバイスは例えば、上述のホログラフィックディスプレイデバイスと同様の光学構成、即ち、空間光変調デバイス及びフィールドレンズの平行化された照明を有することができるが、例えば、定義された散乱角度を有する散乱エレメントなどの追加のコンポーネントも有することができる。散乱エレメントがディスプレイデバイスから取り除かれた場合、フィールドレンズは、スイートスポットの平面内に光源イメージを生成する。散乱エレメントを使用することによって、光は代わりに、観察者の瞳孔間距離よりも狭い、拡大されたスイートスポットにわたって分散する。しかしながら、照明ビーム経路は、口径食効果なしに立体イメージを完全に見ることができるようにするために、重要である。この場合、３次元ステレオディスプレイデバイスはまたイメージングビーム経路を有することができ、このイメージングビーム経路を用いて、空間光変調デバイスが観察者から特定の距離においてイメージングされる。
ホログラフィックディスプレイデバイスにおいて、３次元シーンからのホログラムの計算におけるサブホログラムの典型的なサイズは、空間光変調デバイスの面又はイメージ平面に対する、３次元シーンの空間位置に依存する。大きな寸法を有するサブホログラムは例えば、シーンが観察者に向かって空間光変調デバイスの面又はイメージ平面のはるか手前に位置する場合に生じる。しかしながら、大きなサブホログラムは、ホログラム計算中の計算労力を増大させる。本出願人の国際公開第２０１６／１５６２８７号パンフレットには、空間光変調デバイスの仮想平面を算術的に導入することによって計算労力を低減する方法が開示されている。しかしながら、空間光変調デバイスのイメージ平面が好適な位置になるように光学系を選択する選択肢も代替手段として望ましいはずであり、それにより寸法の小さいサブホログラムを有するホログラムを計算することができる。
光学系及び／又はイメージング系の制約に起因して、あらゆるケースでサブホログラム計算にとって有利なポイントで空間光変調デバイスのイメージを生成することは不可能である。例えば、ヘッドマウントディスプレイにおいて大きな視野を生成する必要性は、短い焦点距離を有するレンズが観察者の目の近くで使用されなければならないという結果をもたらし得る。他方、これは、空間光変調デバイスをレンズに十分に近接して配置することができない場合、ホログラム計算に有利な位置に空間光変調デバイスのイメージ平面を生成することをより困難にし得る。
仮想観察者ウィンドウを生成するホログラフィックディスプレイデバイスの代替設計では、空間光変調デバイスのイメージングを仮想観察者ウィンドウ内で行うこともできる。あるタイプのスクリーン、又は、物理的なスクリーンが存在しない場合には、３次元シーンのホログラフィック表現のための基準面が、空間光変調デバイスのフーリエ平面、したがって光源のイメージ面に設けられる。したがって、このようなディスプレイデバイスにおいては、イメージングビーム経路及び照明ビーム経路も存在する。但し、ホログラム面及び観察者平面についてのその意義は入れ替わる。この場合、仮想観察者ウィンドウは、空間光変調デバイスのイメージ平面内に配置され、したがって、イメージングビーム経路を参照する。３次元シーンからホログラムを計算するためのホログラム又は基準面は、空間光変調デバイスのフーリエ平面内に位置し、したがって、照明ビーム経路を基準とする。
国際公開第２０１６／１５６２８７号パンフレットによれば、このようなディスプレイデバイスについてのホログラムの計算のために、空間光変調デバイスのフーリエ平面に仮想平面が配置され得る。サブホログラムが計算され、その仮想平面内で合計される。空間光変調デバイスに符号化され得るホログラムは、この場合、合計ホログラムからのフーリエ変換によって決定される。
観察者平面内に空間光変調デバイスのイメージを有するディスプレイデバイスは、左目及び右目のための２つの平坦なビューを有する立体３次元ディスプレイデバイスの設計を生成する目的で、修正されたバージョンで使用されてもよい。
適切に計算されたホログラムが空間光変調デバイスへ符号化され、ディスプレイデバイスが十分にコヒーレントな光を生成する照明デバイスを含む場合、ホログラムのフーリエ変換として空間光変調デバイスのフーリエ平面内に２次元イメージが生成される。追加の散乱エレメントをこの平面内に配置することができる。空間光変調デバイスのイメージが、散乱エレメントのない観察者平面内に生成されたとしたならば、代わりに散乱素子を使用してスイートスポットが生じるはずである。スイートスポットのサイズは、散乱エレメントの散乱角度に依存する。このような構成を、例えば、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）において使用することができる。
以下の説明は、主に、仮想観察者ウィンドウ又はスイートスポットが光源イメージの平面内に現れるケースに関連する。上記の説明は、空間光変調デバイスのイメージを仮想観察者ウィンドウ内に有する実施形態にも適用可能であり、これは、イメージングビーム経路と照明ビーム経路との交換、又は、空間光変調デバイスの面とフーリエ平面との交換によるものである。したがって、本発明は、光源イメージの面内に仮想観察者ウィンドウ又はスイートスポットを有する場合に限定されるものではない。
光変調デバイスの多重的なイメージの複数のホログラムセグメントを生成して大規模な視野を生成することは、ある状況下で、高い計算労力と時間消費とを要し得る。
したがって、本発明の目的は、簡易な手段を用いて、高い計算労力及び時間消費無しで大きい可視範囲又は視野を生成することを可能にするディスプレイデバイス、具体的には目の近くのディスプレイデバイスを提供することである。これは、好適には、空間光変調デバイスのセグメント化されたイメージと組み合わせて実施可能となる。本発明のさらなる目的は、コンパクトで軽量なセットアップを有し、空間光変調デバイスのイメージのすべてのセグメントについて、どのケースでも仮想観察者ウィンドウを同じ位置で生成することのできる、ディスプレイデバイスを提供することである。
請求項１の特徴を有するディスプレイデバイスにより、本発明に従って本目的が達成される。
本発明によれば、目に近いディスプレイ、特にここではヘッドマウントディスプレイにおける使用のために特に適したディスプレイデバイスが提供されるが、用途はそれらディスプレイ又はディスプレイデバイスに限定されるものではない。そのディスプレイデバイスは、例えば、ヘッドアップディスプレイにおいても使用されることができる。
２次元の及び／又は３次元のオブジェクト又はシーンを表現するための本発明によるこのようなディスプレイデバイスは、画素を有する少なくとも１つの空間光変調デバイスと、少なくとも１つの光学系と、少なくとも１つの導光デバイスとを備える。少なくとも１つの空間光変調デバイスは、入射光を変調するために使用される。光学系は、空間光変調デバイスの個々の画素から放出される光ビームを、導光デバイスの表面に対して平均して異なる角度で、少なくとも１つの導光デバイスに入射してそこでカプリングできる形で設計される。それによりカプリング角度スペクトルが定義可能である。空間光変調デバイスの個々の画素から発する導光デバイスにおいて伝播する光ビームを、例えば仮想観察者ウィンドウ又はスイートスポットとして形成され得る観察者領域に対して平均して異なる角度で導光デバイスからカプリングアウトすることができ、それによりデカプリング角度スペクトルが定義可能である。この場合、デカプリング角度スペクトルは、カプリング角度スペクトルと比較して拡大される。
有利には光ガイド、少なくとも１つの光カプリングデバイス、及び少なくとも１つの光デカプリングデバイスを備える、導光デバイスによって、少なくとも１つの空間光変調デバイスの画素から放出された光又は光ビームが、平均して異なる角度で導光デバイスへカプリングされる。少なくとも１つの空間光変調デバイスの個々の画素から発して異なる角度で導光デバイスに入射する光の個々の光ビームの互いに対する異なる角度のため、光のカプリング角度スペクトル又はカプリング角度範囲が定義される。さらに、個々の異なる画素から放出されて異なる角度で導光デバイスの光ガイド内を伝播する光は、観察者領域に対して平均して異なる角度で導光デバイスからカプリングアウトされる。光のデカプリング角度スペクトル又はデカプリング角度範囲は、このようにして生成され定義され得る。この場合、このデカプリング角度スペクトルは、カプリング角度スペクトルに対して拡大される。
導光デバイスにおいて平面的に具現化された光ガイドの場合、空間光変調デバイスの個々の異なる画素から放出された光は、さらに導光デバイスの表面に対して異なる角度で導光デバイスからカプリングアウトされ、又はさらに観察者領域に関係して観察される。導光デバイスの湾曲された光ガイドの場合、例えば、光が各ケースで導光デバイスの表面に垂直にカプリングアウトされるが、観察者領域に対して異なる角度で伝播する。
異なる角度に関して「平均して」という指定は、少なくとも１つの空間光変調デバイスの各画素から発する光ビーム群の平均的な光ビームの角度に関連する。全ての画素の平均光ビームのこれらの個々の角度は、それらが導光デバイスの光カプリングデバイスに入射するとき、各画素について異なることになる。全ての画素の平均光ビームが導光デバイスの光カプリングデバイスに入射するこの角度を、例えば、空間光変調デバイスと導光デバイスとの間の光学系によって、また任意選択で空間光変調デバイスの前段の光の経路にある光学系によって、設定することができる。しかしながら、単一の画素から発する個々の光ビームが互いに明白な平行性を有しない、即ち、すべてのビームが互いに平行であるわけではない本発明の実施形態が存在する。したがって、単一の画素からの光ビームであって、その角度が他の画素からの他の光ビームの角度に相当し得る光ビームも存在し得る。例えば、各画素の画素アパーチャの回折のため、画素から発する光ビームの角度スペクトルが生じ得る。あるいは、例えば、空間光変調デバイスは既に、散乱エレメントの使用による角度スペクトルを使用して照明され得る。しかしながら、これらの場合、平均角度は、この角度スペクトルから明白に決定可能である。しかしながら、平均で見ると、少なくとも１つの空間光変調デバイスのすべての画素の光ビームは、導光デバイスの表面又は光カプリングデバイスに対して異なる角度で導光デバイスへカプリングされ、さらに、観察者領域に対して異なる角度で導光デバイスからカプリングアウトされる。
本発明によるディスプレイデバイスによって、このようにして大規模な視野が生成され、視野内では、２次元の若しくは３次元のオブジェクト又はシーンも表現され得る。この場合、２次元のオブジェクトは３次元のオブジェクトと組み合わせることもできる。表現される２次元の及び３次元のオブジェクトの組み合わせは、例えば、３次元のオブジェクトのみが大きな計算労力及び時間消費を要し、２次元のオブジェクトは大きな労力なしに表現され得るので、もっぱらホログラフィックに再構成される３次元シーンの表現に関連して計算労力及び時間消費が低減され得るという点で有利である。このような組み合わされた表現の背景及び非常に大きな利点は、以下の通りである：人間又は人が、その自然な環境又は周囲において、高い解像度及び強く知覚可能な３次元の印象を獲得できるのは、限られた空間角度のみである。非常に大きい空間角度がこの人間に利用可能であるならば、「高い解像度及び強く知覚可能な３次元の印象」という特徴は、空間角度全体の部分領域のみに存在する。これは、人間が特に集中することができる領域、及び／又はこの人間がその注意を向ける領域である。この領域は人間の目の動きと共に空間内を移動できるので、強い集束特性及び３次元特性を伴って表現される空間領域も移動させることが有利である。この空間領域を移動させることができるように、目の位置及び／又は人間の視認方向が獲得されることが好都合である。
従来技術によるディスプレイデバイスにおける光ガイドの場合、一般に、光の定義された角度スペクトルは光ガイドへカプリングされる。次いで、定義された角度スペクトルを有するこの光は、光ガイド内を伝播し、デカプリング領域において光ガイドから再びカプリングアウトされる。しかしながら、この場合に、光の角度スペクトル及びしたがって視野は、光ガイドそれ自体によって変更されない。したがって、光のデカプリングされた角度スペクトル及びしたがってオブジェクト又はシーンを観察する観察者に見える視野は、カプリングインされた角度スペクトルに対応する。
全体としての視野は、本明細書にその全体が組み込まれるＰＣＴ／ＥＰ２０１８／０５３４９６又は米国特許出願公開第２０１３／０２２２３８４号明細書による本出願人のディスプレイデバイスにおける複数のセグメントの連続的な表現によって拡大され、それぞれにおいて、ディスプレイデバイスは導光デバイスを備え、それを使用して空間光変調デバイスのイメージのホログラフィックセグメントを生成することができる。この場合、これは視野のセグメントを並置することによって行われ、イメージの個々のセグメントは各々が視野の１つのセグメントを表現する。しかしながら、このディスプレイデバイスでは、デカプリングされた角度スペクトル及びしたがってセグメントの関連付けられた視野が、カプリングインされた光の角度スペクトルに対応するということが、イメージの個々のセグメントにも当てはまる。
しかしながら、これは本発明によるディスプレイの場合に当てはまらず、なぜならば、ここでは、導光デバイスからカプリングアウトされた光の角度スペクトル及びしたがってそれにより生成された視野は、導光デバイスへカプリングされた光の角度スペクトルと比較して拡大されるからである。このようにして、非常に大規模な視野が、例えばオブジェクト又はシーンの立体視表現に関して、生成され又は達成され得る。このような視野は、例えば約６０°の角度範囲にわたり得る。この場合、この角度範囲は、空間光変調デバイスのそれぞれ１つの単一のセグメント又は単一のイメージのみを使用して生成され得る。
ホログラフィックセグメントを生成するための導光デバイスは、本出願人の文献ＰＣＴ／ＥＰ２０１８／０５３４９６に開示されている。この場合、導光デバイスの光ガイドへの光のカプリングは、空間光変調デバイスの画素の回折角を別として、空間光変調デバイスの全ての画素からの光が、各ケースで光ガイドの表面に及びカプリングエレメントに垂直に入射する形で行われる。次いで、光ガイド内を伝播する光はまた、固定された回数の反射の後に、光ガイドの表面に垂直に再びカプリングアウトされる。
従来技術による他の光ガイドでは、光の角度スペクトルが、カプリング表面で光ガイドへカプリングされ、同じ角度スペクトルであり、したがって拡大されない角度スペクトルが、個々の角度で異なる光ガイド内のある回数の反射の後に、カプリング表面から定義された距離にある光ガイドのデカプリング表面で再びカプリングアウトされる。
本発明によるディスプレイデバイスは、有利には、光ガイド内の固定された回数の反射の特性と組み合わせることができる。したがって、有利には、光は、光ガイドの境界面における反射を介して光ガイド内を伝播し、光ガイドの境界面での光の定義された回数の反射の後に、光デカプリングデバイスによる光ガイドからの光のカプリングアウトが提供され得る。好適には、光ガイドの境界面における光の反射の定義された回数を変化させるための制御可能エレメントが提供され得る。反射の回数は、このように定義されたやり方で変更され得る。
このようにして、大規模な視野を生成するために、光の定義された角度スペクトルのカプリングが、導光デバイスと関連して光学系によって各角度について導光デバイスの光ガイド内の固定的に定義された回数の反射と組み合わされる。
これは、光ガイドの境界面における各ケースで事前に予め決定され又は予め定義された回数の光の反射の後に、光ガイドにおける異なる位置で導光デバイスからそれによって光のカプリングアウトが行われることを意味する。
少なくとも１つの空間光変調デバイスの異なる画素からの光は、導光デバイスへ又は導光デバイスの光ガイドへ互いに対して異なる角度でカプリングされ、予め定義された回数の反射の後に光ガイド内の異なる長さの伝播経路を越えて、少なくとも１つの光デカプリングデバイスによって導光デバイスからカプリングアウトされる。導光デバイスにおける異なる長さの光の伝播経路により、定義されたやり方でカプリング角度スペクトルに対してデカプリング角度スペクトルの拡大を達成することが可能である。
特に有利には、少なくとも１つの導光デバイスに入射する光が多重的な又は複数の光ビームを有する光束又は光フィールドとして形成される場合、導光デバイスの光ガイドの境界面における、光束又は光フィールドの全ての光ビームについて各ケースで等しい回数の反射の後に、光ビームについて光ガイドからのカプリングアウトが提供され得る。
光フィールドは、特定の領域内のある回数の光ビームによって本発明に従って定義される。したがって、光フィールドは全ての到来する光ビームの全体である。
特に、立体視オブジェクト又はシーンを生成するとき、少なくとも１つの空間光変調デバイスの様々な画素からの光が、回数は等しいが位置が異なる反射の後に導光デバイスからカプリングアウトされることにより、ギャップのない一様な立体イメージが表現されることが有利である。
本発明のさらなる有利な実施形態及び改良点が、さらなる従属請求項から得られる。
定義された幾何学的経路が光ガイドに存在する。したがって、光ガイド内の光の伝播中に、光ガイド内の光路及びその境界面での反射の回数が具体的に定義可能である。したがって、このようにして、光ガイドの境界面で何回の反射の後に光がそれからカプリングアウトされるかが予め決定される。
したがって、本発明によれば、少なくとも１つの空間光変調デバイスの各画素について、定義された回数の反射の後に当該画素からの光が到達する、光ガイドの境界面の１つの光入射位置は、光ガイドの幾何学的特性及び光学的特性並びに光カプリングデバイスの光学的特性から決定可能であることが提供され得る。この場合、光ガイドの境界面の厚さ及び／又はあり得る曲率が、好適には、光入射位置を決定する光ガイドの幾何学的特性として使用可能であり、光ガイドの材料の屈折率が、光ガイドの光学的特性として使用可能であり得る。
光ガイドの境界面の１つでの光入射位置及び／又は光デカプリング位置の計算は、本明細書にその全体が組み込まれるＰＣＴ／ＥＰ２０１８／０５３４９６に記載されている手順に従って行われ得る。
光ガイドの幾何学的形状は、ここでは、光ガイドの実施形態に応じて相違し得る光ガイドの厚さ及びあり得る曲率として理解されることになる。光カプリングデバイスの光学的特性は、ここでは、光カプリングデバイスに提供される少なくとも１つのエレメント、例えば、格子エレメントに関連する。光カプリングエレメントが格子エレメントである場合、光ガイド内の光の反射の回数に影響する光学的特性は、格子エレメントの格子周期である。したがって、光ガイド内の反射の望ましい数を決定するために、光ガイドの厚さ及び場合によってあり得る曲率、並びにカプリングエレメントの光学的特性、本例では格子エレメントの格子周期が、使用され考慮に入れられる。そして、光ガイド内の光の反射の所要又は所望の回数がこれらの値から決定され及び定義される。格子方程式が、典型的にはｓｉｎβｏｕｔ＝λ／ｇ＋ｓｉｎβｉｎとして知られており、ここで、ｇは格子周期であり、λは光の波長であり、βｉｎは光の入射角であり、βｏｕｔは光の出射角である。しかしながら、上記の方程式がこの形式で当てはまるのは、光の経路における媒体の屈折率が格子エレメントの前後で等しい場合のみである。カプリングエレメントが、空気から光ガイドの媒体への光のカプリングに使用される場合、光ガイドの屈折率ｎｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅが、追加的にｎｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅｓｉｎβｏｕｔ＝λ／ｇ＋ｎａｉｒｓｉｎβｉｎとして算入されるべきである。
例えば、波長λ＝５３２ｎｍの光束の平均光ビームが空気から垂直にカプリングエレメントに入射し、カプリングエレメントが格子周期ｇ＝４００ｎｍを有し、光ガイドの材料が屈折率ｎｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅ＝１．６を有する場合、光ガイドへのカプリングの後に光ビームが伝播する５６．２°の角度βｏｕｔが算出され得る。厚さｄ＝３ｍｍの平坦な光ガイドでは、光ビームは、例えば、この場合は８．９６ｍｍである距離２ｄ ｔａｎβｏｕｔの後、光ガイドの反対側の反射の後に、光がカプリングされた側の光ガイドの表面に再び到達する。５回の反射の後、光ビームは、したがって、カプリング位置から５×８．９６＝４４．８ｍｍの距離で光ガイドから再びカプリングアウトされ得る。
同じ波長λ＝５３２ｎｍを有する空間光変調デバイスの異なる画素から発する光束の平均光ビームが、空気から垂直ではなく１０°の角度でカプリングエレメントに入射する場合、且つ、カプリングエレメントが格子周期ｇ＝４００ｎｍを再び有し、光ガイドの材料が屈折率ｎｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅ＝１．６を再び有する場合、ｎｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅ ｓｉｎβｏｕｔ＝λ／ｇ＋ｎａｉｒ ｓｉｎβｉｎを使用して、光ガイドへのカプリングの後に光ビームが伝播する７０．０°の角度βｏｕｔが、再び算出され得る。厚さｄ＝３ｍｍの平坦な光ガイドでは、光ビームは、例えば、この場合は１６．４８ｍｍである距離２ｄ ｔａｎβｏｕｔの後、光ガイドの反対側の反射の後に、光がカプリングされた側の光ガイドの表面に再び到達する。５回の反射の後、光ビームは、したがって、カプリング位置から５×１６．４８＝８２．４２ｍｍの距離で光ガイドから再びカプリングアウトされ得る。
観察者領域が、例えば、導光デバイスから３０ｍｍの距離に配置され、垂直に入射した光ビームがやはり導光デバイスから垂直にカプリングアウトされる場合、且つ、１０°で空気からカプリングされた光ビームが、観察者領域の方向でそれがさらに同様に延びる形でカプリングアウトされる場合、ａｔａｎ（（８２．４２−４４．８）／３０）＝５１°のデカプリング角度スペクトルがもたらされ、それは、１０°のカプリング角度スペクトルに対して約５倍の拡大を表す。
決定された値は、好適には、値テーブル（ルックアップテーブル）に保存され又は記憶され得る。光の反射の回数についてこうして決定された値のルックアップテーブルにおける保存又は記憶は、このようにして再度これらの値を決定することが必要でなくそのため計算労力が低減できるといいう点で有利であり得る。その後、これらの値は単にルックアップテーブルから取り出されてしかるべく使用され得る。
本発明の１つの有利な実施形態では、少なくとも１つの空間光変調デバイスのイメージが、少なくとも１つの導光デバイス及び少なくとも１つの光学系によって提供され得る。
この場合、イメージは、少なくとも１つの空間光変調デバイスにおいて符号化されるシーンの情報項目を表現できる視野を定義することができる。
オブジェクト又はシーンの立体視表現について特に、光ガイド内の少なくとも１つの空間光変調デバイスのエッジ画素からの光の相異なる長さの伝播経路、及びしたがって光ガイドからのこれらのエッジ画素の光の異なるデカプリング位置により、並びにまた提供された観察者位置からの光ガイドの距離により視野が定義可能な形で、視野を決定することができ、その視野内で、少なくとも１つの空間光変調デバイスにおいて符号化される情報項目又はシーンの情報の表示項目が表現され得る。
本発明によるディスプレイデバイスの特徴のこの記述及び以下の記述を説明するために、ここでまず留意するべきことは、大規模な視野の場合、観察者が視野の異なる部分を観察するとき、ディスプレイデバイスを使用して生成されるシーンの観察者の瞳孔は典型的には異なるように回転されることである。大規模な視野及び観察者領域としての仮想観察者ウィンドウを有するディスプレイデバイス又はディスプレイは、概して、本出願における意味では、観察者の目の瞳孔が回転するときに、生成されたシーンを観察者が観察できる仮想観察者ウィンドウがその中心の周りを共に回転するようにも理解される。空間光変調デバイスのイメージの全てのセグメントについて同じ位置で仮想観察者ウィンドウが生成されることは、一般に、互いに対してイメージの様々なセグメントの各々について仮想観察者ウィンドウも傾けられ得るが共通の中心点を有するように理解される。「空間光変調デバイスのイメージのセグメント」という表現は、本発明における意味では、空間光変調デバイスが複数回イメージングされ、このようにして個々のセグメントが生成され、それらが一緒に空間光変調デバイスのイメージをもたらし又は形成するような形で理解される。
観察者が大規模な視野の様々な部分を観察し同時に観察者の目を回転する場合、瞳孔の約１２ｍｍ後方に位置する目のレンズの中心点の周りの回転が行われる。したがって、目のレンズの回転のときに瞳孔位置の横方向の変位も自動的に発生する。１５°の回転は、例えば、約３．２ｍｍの瞳孔の変位に対応する。例えば空間光変調デバイスのセグメント化された多重イメージを使用して生成される大規模な視野を有するディスプレイデバイスに関して、代替的な実施形態では、したがって、目のレンズの回転時の瞳孔位置の変更が、多重イメージの個々のセグメントの仮想観察者ウィンドウがそれに応じて互いに変位される形で、意図的にやはり考慮に入れられる。例えば、視野内で１５°の距離を有するセグメントの場合、仮想観察者ウィンドウの中心点も互いに対して３．２ｍｍ変位され、したがって、それは目の回転時の瞳孔中心点に対応する。この場合、各セグメントは、したがって、わずかに変位された位置、及び加えて場合によっては仮想観察者ウィンドウの傾けられた配置を意図的に有する。
光ガイドの曲率は、例えば、この変位が、光ガイド表面から観察者の距離で、導光デバイスの表面に対して垂直な光ガイドの光のカプリングアウトをもたらすように適応され得る。
本発明によるディスプレイデバイスでは、光ガイドの境界面でのそれぞれの予め決定された回数の光の反射の後に、導光デバイスにおける異なる位置で光のカプリングアウトが行われる。
既に述べたように、定義された幾何学的経路が光ガイドに存在する。したがって、光ガイド内の光の伝播中に、光ガイド内の光路及び光ガイドの境界面での反射の回数が定義され得る。したがって、使用される光ガイドの光は予め定義されることができ、光学系のイメージングエレメントの焦点距離、並びに空間光変調デバイス及び仮想観察者ウィンドウ又はスイートスポットの距離が、特定のイメージングビーム経路及び／又は照明ビーム経路が設定可能である形で、導光デバイスから設定されることができる。使用される用語「観察者領域」は、本発明によるディスプレイデバイスがホログラフィックディスプレイデバイス及び／又は立体ディスプレイデバイスとして設計されているかに依存して、仮想観察者ウィンドウ、スイートスポット、又は双方を含む。
本発明のある特に有利な実施形態では、照明デバイス内に提供される少なくとも１つの光源の光源イメージ又は空間光変調デバイスのイメージが、導光デバイスへの光のカプリングの前に、光の経路において光学系によって提供され得る。
この場合、光カプリングデバイスは、好適には、光源イメージの位置の領域に又は当該領域内に提供され得る。
導光デバイスの光ガイドへの光のカプリングは、本発明に従って、光源イメージの位置で又はその位置の近くで行われる。少なくとも１つの空間光変調デバイスによって変調され放出された光は、光学系によって、例えば少なくとも１つのイメージングエレメントによって、光ガイドと組み合わされる導光デバイスの光カプリングデバイスに向けられ、集束され及び／又は結像され、したがって、少なくとも１つの空間光変調デバイスの個々の画素からの光は、光カプリングデバイスに異なる角度で入射する。光カプリングデバイスによる光ガイドへの光のカプリングの後に、異なる角度で入射した光が、光ガイド内を異なる角度で光が伝播する形で屈折される。永続的に予め定義された回数の反射の後に、異なる角度で伝播する光はまた、光ガイド内の異なる長さの光経路又は伝播経路を進む。光ガイド内の光の反射の回数が増すにつれ、２つの異なる伝播角を有する光ビームの間の経路差が増大する。本発明によれば、予め決定され又は予め定義された回数の反射の後に、光は、光デカプリングデバイスによって光ガイドから再びカプリングアウトされ、したがって導光デバイスからカプリングアウトされる。これは、好適には、湾曲された光ガイドの場合、光ガイドの表面に対して垂直に行われ得る。この場合、個々のデカプリングされた光ビームは、湾曲された光ガイドが形成する円弧の中心に達し又は交差するはずである。この場合、デカプリング角度スペクトルは、円弧の中心に対して光が延びる相異なる角度によって定義される。光ガイドにおける相異なる伝播角を有し、したがって光ガイド上で互いに異なる光ビームのデカプリング位置を有する光ビームの異なる長さの経路のために、導光デバイスに関連する円弧の中心点又は中心からの、観察者の目についての視野が、光のカプリングインされた角度スペクトル又はカプリング角度スペクトルと比較して拡大される結果となる。
光カプリングデバイスは、受動的な又は制御可能な格子エレメントとして設計される、少なくとも１つのミラーエレメント又は少なくとも１つの格子エレメントを含むことができる。
本発明のある実施形態では、光カプリングデバイスは、光を光ガイドへカプリングするための少なくとも１つのミラーエレメントを含むことができる。ミラーエレメントは、光ガイドの内側又は境界面に提供される、傾斜した鏡面加工された面として設計され得る。
本発明の他の実施形態では、光カプリングデバイスは、光ガイドへ光をカプリングするための少なくとも１つの格子エレメントを含むことができる。特に、格子エレメントが光ガイドへ光をカプリングするために使用される場合、これらの格子エレメントは、高効率の少なくとも１つの空間光変調デバイスの個々のプロセスから発する光の角度スペクトル全体をカプリングすることが可能とされる。
格子エレメントの格子定数又は光ガイドの表面に対するミラーエレメントの傾斜の角度は、有利には、定義された回数の反射の後に光が到達する光入射位置を決定するための光カプリングデバイスの光学的特性として使用され得る。
さらに、有利には、光デカプリングデバイスの寸法及び位置又は場所が、定義された回数の反射の後に光ガイドの境界面の１つに空間光変調デバイスの異なる画素からの光が到達する全ての光入射位置を含む形で、少なくとも１つの導光デバイスにおいて少なくとも１つの光デカプリングデバイスが提供され得る。
このようにして、光がまた光ガイドの予め定義された位置で光ガイドからカプリングアウトされることを確実化することができる。光デカプリングデバイスの寸法は、この場合、少なくとも１つの空間光変調デバイスの個々の画素から放出された光が入射する全ての光入射位置の範囲を含むことになり、したがって、光の全て又はカプリングインされた角度スペクトル全体が常にカプリングアウトされることが確実化される。
本発明のある特定の実施形態では、光デカプリングデバイスが、少なくとも１つの格子エレメント、具体的には偏向格子エレメント、好適には角度選択的偏向格子エレメント、好適には体積格子、又は少なくとも１つのミラーエレメントを含むことが提供され得る。
光ガイド又は導光デバイスからの光のカプリングアウトは、本発明のある好適な実施形態では、少なくとも１つの格子エレメント、好適には偏向格子エレメントを使用して行われ得る。この偏向格子エレメントは、角度選択的格子、例えば、体積格子として設計され得る。少なくとも１つの格子エレメントの代わりに、少なくとも１つのミラーエレメントが、光をカプリングアウトするために光デカプリングデバイスにおいて使用されてもよい。この場合、ミラーエレメントは、光ガイドの表面に対し傾斜された鏡面を含むことができる。
さらに、少なくとも１つの格子エレメントは、制御可能に設計され、光ガイド内の光が定義された回数の反射の後に到達する光入射位置に依存して、又は、光ガイド内の光が定義された回数の反射の後に有する光入射角に依存して、格子エレメントの格子周期が可変的に制御可能である。このようにして、光ガイド内で光の何回の反射の後に光がカプリングアウトされるかが意図的に制御され得る。光ガイドの境界面での反射の回数は、このように変化させることができる。
もっぱら立体視表現の場合、少なくとも１つの格子エレメント及びしたがって光デカプリングデバイスは、制御可能に設計される必要がない。しかしながら、オブジェクト又はシーンの立体視表現とも組み合わせることができるホログラフィック３次元表現の場合、少なくとも１つの格子エレメントは、少なくとも１つの空間光変調デバイスのイメージの複数のセグメントを相応にカプリングアウトし及び生成し、したがって大規模な視野を達成するために制御可能に設計される必要がある。
但し、各ケースで互いに異なる角度で導光デバイスの光ガイド内を伝播する光又は光ビームは、光デカプリングデバイスの同じデカプリング表面に異なる回数の反射の後に入射することができる。例えば、伝播する光ビームが光ガイドの境界面で３回の反射又は４回の反射の後に入射する領域は、光ガイドの内側で重なり合うはずである。予め定義された回数の反射の後に光ガイドからの光の望ましいカプリングアウトを達成するために、反射の回数が過剰に少ないうちに光ビームが不用意にカプリングアウトされるのを防止すべきである。この目的で様々な選択肢が提供され得る。ある実施形態では、例えば、角度選択的偏向格子エレメント、例えば、体積格子が、導光デバイスから光をカプリングアウトするために使用され得る。この場合、光ガイドの定義された位置でカプリングアウトされるべき伝播角の光のみが偏向格子エレメントによってやはり高効率で屈折される形で、偏向格子エレメントの角度選択性が設定される。しかしながら、光ガイドにおける格子エレメントの位置と共に偏向角度それ自体も変化する格子エレメントの場合、適切な角度選択性の設定はより複雑であり得る。
したがって、ある好適な実施形態では、少なすぎる回数しか反射しないうちに光ガイドから光がカプリングアウトする望ましくない事態を回避するための他の選択肢が提案される。有利には、偶数回及び奇数回の反射について、光ガイド内の伝播する光ビームの偏光が相違するように、これらの光ビームの偏光が設定され得る。光の偏光のこの変更を、光ガイドを使用して、立体視セグメントの表現及びホログラフィックセグメントの生成の双方のために使用することができる。
導光デバイスが少なくとも１つの遅延層を含むことにより、偏光の設定を有利に提供することができる。
また、導光デバイスは、少なくとも２つの遅延層を含んでもよく、少なくとも２つの遅延層は、複屈折材料を各々含み、少なくとも２つの遅延層の複屈折材料は、同一であるか又は異なる。
有利に提供され得ることとして、第１の遅延層の複屈折材料の光学軸は、当該層の面内に配向され、第２の遅延層の複屈折材料の光学軸は、当該層の面に対し垂直に配向される。
少なくとも２つの遅延層は、この場合、第１の遅延層の遅延が、当該遅延層に対する光の伝播角が増大するにつれて減少し、第２の遅延層の遅延が、当該遅延層に対する光の伝播角が増大するにつれて増加する形で構成され得る。第１の遅延層の厚さ及び第２の遅延層の厚さは、光の提供され又は必要とされる伝播角範囲について双方の遅延層の合計で実質的に一定の遅延が得られる形で設定され得る。
さらに提供され得ることとして、光ガイドの外側面に少なくとも１つの遅延層が適用され、光ガイドの周囲に対してこの遅延層の境界面において光の全反射が生じる形で、この遅延層の屈折率及び光ガイド内を伝播する光の伝播角が選択される。他の実施形態では、さらに、例えば誘電体層又は金属層といった追加のミラー層もまた、光ガイドの周囲に対するこの遅延層の境界面に適用されてもよく、それにより、全反射の代わりにこのミラー層で反射が生じる。
光ガイド内の光の伝播角及びこの遅延層の屈折率は、光ガイドの周囲に向かう、例えば周囲媒質空気に向かうこの遅延層の境界面において全反射がやはり生じるように選択される。少なくとも１つの遅延層を通じた光の第１回又は最初の通過後に、光ガイドの周囲に向かう境界面において反射が提供され、少なくとも１つの遅延層を通じた光の後続のさらなる通過後に、直線偏光した入射光の場合は、光の偏光状態が９０度回転し、又は円偏光した入射光の場合は、円偏光した光の回転の向きが左円偏光から右円偏光若しくはその逆に変更されるように、少なくとも１つの遅延層の厚さが設計される。言い換えれば、有利には、直線偏光した光の入射の際に、光ガイド内を伝播する光の平均伝播角について、少なくとも１つの遅延層を通じた光の最初の通過後に、光ガイドの周囲に向かう境界面において反射が提供され、少なくとも１つの遅延層を通じた光のさらなる通過後に、直線偏光した入射光の場合は、光の偏光状態が９０度回転し、又は円偏光した入射光の場合は、円偏光した光の回転の向きが変更される形で、少なくとも１つの遅延層の各厚さ並びに少なくとも１つの遅延層の複屈折性及び光学軸の配置が形成されることが提供され得る。
本発明の他の実施形態では、総伝播角範囲にわたって、少なくとも１つの遅延層の形成が行われ得る。総伝播角範囲に関しては、これは、直線偏光した光の入射の際に、光ガイド内を伝播する光の、カプリング角度範囲及び光カプリングデバイスによって定義される総伝播角範囲について、少なくとも１つの遅延層を通じた光の第１回の通過後に、光ガイドの周囲に向かう境界面において反射が提供され、少なくとも１つの遅延層を通じた光のさらなる通過後に、光の偏光状態が実質的に９０度回転し、又は円偏光した入射光の場合は、円偏光した光の回転の向きが変更される形で、少なくとも１つの遅延層の各厚さ並びに少なくとも１つの遅延層の複屈折性及び光学軸の配置が形成されることを意味する。
総伝播角範囲を考慮に入れる実施形態では、例えば、平均伝播角を考慮に入れるだけの実施形態よりも多くの遅延層が使用されてもよい。例えば、平均伝播角に関する実施形態は単一の遅延層を含んでもよく、総伝播角範囲に関する実施形態は２つの遅延層を含んでもよい。後者の場合、伝搬角範囲全体にわたって望ましい偏光変化が生じる形で、各ケースで、第１及び第２の遅延層の厚さ、並びに第１及び遅延遅れ層の複屈折、並びに第１及び第２の遅延層の光学軸の配置を形成する選択肢がある。しかしながら、本発明は、１つ又は２つの遅延層を有するこれらの例に文字通り限定されることはない。
単一の遅延層は、典型的には波長依存である。複数の遅延層の組み合わせを、例えばアクロマティックに形成することもできる。ある好適な実施形態では、少なくとも１つの遅延層が、伝播角範囲と青、緑、及び赤の光との双方について、直線偏光した入射光の偏光回転を生じさせ、又は円偏光した光の場合の回転の向きの変更を生じさせるように形成される。定義された波長範囲について偏光を９０°回転し、他の波長について偏光回転なしに光を通過させる、いわゆる色選択フィルム（ＣＳＦ）も知られている。従来の遅延層の代わりに、本発明の実施形態は、伝播角範囲について赤、緑、又は青のいずれかの光のみについて各ケースで、直線偏光した入射光の偏光回転を生じさせ、又は円偏光した光の場合の回転の向きの変更を生じさせる、そうした色選択フィルムを備えることもできる。
光ガイド内での光の偶数回の反射及び奇数回の反射について光の偏光状態が相違するように、光ガイドの外側面に本発明による少なくとも１つの遅延層を用いて、光ガイド内での光の偏光状態が変更可能又は設定可能であり得る。
本発明のさらなる有利な実施形態では、光ガイドと光デカプリングデバイスとの間に配置される反射偏光エレメント、好適にはワイヤグリッド偏光子が提供され得る。
特に、好適には湾曲され得る光ガイドの内側で、反射偏光エレメントが、光ガイドと光デカプリングデバイスとの間に配置される。反射偏光エレメントは、好適にはワイヤグリッド偏光子（ＷＧＰ）として設計され得る。ワイヤグリッド偏光子は、例えばフィルムとして利用可能であり、したがって、それらを湾曲された面、例えば湾曲された光ガイドにも適用することができる。
さらに、有利には、少なくとも１つの遅延層と共に提供される光ガイドの境界面での奇数回の反射後に、反射偏光エレメントに入射した光が反射され、少なくとも１つの遅延層と共に提供される光ガイドの境界面での偶数回の反射後に、反射偏光エレメントに入射した光が透過する形で、反射偏光エレメントの向きが選択可能であり、反射の偶数回と奇数回とは交換されてもよい。
反射偏光エレメントの向きは、例えば、少なくとも１つの遅延層を含む光ガイドの境界面又は外側での奇数回の反射後に、偏光エレメントに入射した光が反射し、光デカプリングデバイスに到達することなく光ガイド内をさらに伝播するように選択され得る。少なくとも１つの遅延層を含む光ガイドの境界面又は外側での偶数回の反射後に、偏光エレメントに入射し又は当たる光は、この光が偏光エレメントを通過し又は透過するようにする偏光を有する。次いで、光は偏光エレメントを通過した後に光デカプリングデバイスに入射し、それにより光ガイド又は導光デバイスからカプリングアウトすることができる。
本発明のさらなる有利な実施形態では、光デカプリングデバイスが偏光選択的な格子エレメントを含むことが、反射偏光エレメントの代替手段として提供されてもよい。
さらに、ここでやはり提供され得ることとして、少なくとも１つの遅延層と共に提供される光ガイドの境界面での奇数回の反射後に、光デカプリングデバイスの偏光選択的な格子エレメントに入射した光が、当該格子エレメントによっては屈折されず光ガイドと周囲との間の境界面において反射され、少なくとも１つの遅延層と共に提供される光ガイドの境界面での偶数回の反射後に、光デカプリングデバイスの偏光選択的な格子エレメントに入射した光が、この格子エレメントによって屈折され且つ光ガイドから出射し又はカプリングアウトされるが、反射の偶数回と奇数回とは交換されてもよい。
このような偏光選択的な格子エレメントは、例えばＰ偏光光を屈折させるが、Ｓ偏光光は屈折させない。これらの偏光選択的な格子エレメントは、透過的及び受動的に設計されてもよい。これは、立体視セグメント又は立体視表現を生成するときに特に有利である。偏光選択的な格子エレメントはまた、制御可能に又は切替え可能に設計されてもよい。これは、少なくとも１つのホログラフィックセグメント又はホログラフ表現を生成するために特に有利である。
右円偏光光を屈折させるが左円偏光光を屈折させない特性を有するブラッグ（Bragg）偏光格子も存在する。したがって、このようなブラッグ偏光格子が、導光デバイス又は光ガイドから光をカプリングアウトするために光デカプリングデバイスにおいて使用されてもよい。この場合、少なくとも１つの遅延層は、好適には、それが左円偏光入射光を右円偏光入射光へ変更し及びその逆も行うように設計される。
本発明のさらなる有利な実施形態において、提供され得ることとして、少なくとも１つの導光デバイスの前段で光の方向に配置される制御可能な偏光スイッチが提供されてもよい。
本発明によるディスプレイデバイスにおける導光デバイスの光カプリングデバイスの前段で光の方向に配置されるこの制御可能な偏光スイッチによって、光ガイドへカプリングされる光の偏光が選択され得る。制御可能な偏光スイッチは、Ｐ偏光光又はＳ偏光光のいずれかが光ガイドへカプリングされるように制御され得る。
さらに、本発明のある有利な実施形態において提供され得ることとして、少なくとも１つの光学系及び少なくとも１つの導光デバイスが、立体視又は少なくとも１つの空間光変調デバイスのイメージの視野を形成する少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成するために提供され、シーン又はオブジェクトの立体視又はホログラフ表現が視野内に提供される。
本発明によるディスプレイデバイスを、オブジェクト又はシーンの立体視表現のために提供することができる。これは、オブジェクト又はシーンのもっぱら立体視ビューのみが表現されることを意味する。この目的のために、オブジェクト又はシーンがその場合に表現される視野は、光ガイド内の少なくとも１つの空間光変調デバイスのエッジ画素から放出される光の相異なる長さの伝播経路に、したがって相異なるデカプリング位置に、及び、観察者が現在位置する位置への光ガイドの距離にわたる。したがって、この大規模な視野は、ディスプレイデバイスを使用して生成された単一のセグメントによって形成され、約７０度までの角度範囲にわたること又はそれを有することができる。
本発明によるディスプレイデバイスの代替的な実施形態において、有利に提供され得ることとして、少なくとも１つの光学系及び少なくとも１つの導光デバイスは、立体視及び少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成するために、又は少なくとも２つのホログラフィックセグメントを生成するために提供され、立体視及び少なくとも１つのホログラフィックセグメント、又は少なくとも２つのホログラフィックセグメントは、それぞれ、３次元のシーン又は３次元のオブジェクトを表現できる視野を共に形成する。
単一の導光デバイスのみを使用して、視野の範囲全体において時間順で、オブジェクト又はシーンの立体視表現のためのセグメントが提供され又は生成され、さらに、視野の対象にされ又は定義された領域のみで、オブジェクト又はシーンのホログラフィックに再構成された表現を有する少なくとも１つのセグメントが提供され又は生成される形で、光学系及び導光デバイスが設計され互いに組み合わされる。この場合、立体視セグメント及びホログラフィックセグメントは重なり合うことができる。
また、複数のホログラフィックに生成されたセグメントの並置によって、視野の領域全体において大規模な視野を生成することが可能であり、さらにまた、オブジェクト又はシーンのホログラフィックに再構成された表現を有する少なくとも１つのセグメントが、ここで視野の定義された領域のみに提供され又は生成される。ホログラフィックセグメントも、ここで定義された領域において重なり合うことができる。
また、例えば、中央の角度範囲の視野のみをホログラフィックに符号化された３次元表現によって生成し、この中央の角度範囲に隣接する角度範囲の視野をオブジェクト又はシーンの２次元又は立体視表現によって生成することも可能である。
本発明の代替的な例示的な実施形態では、２つの別個の導光デバイスが使用され得る。一方又は双方の光ガイドが、この実施形態における少なくともセクションで湾曲されることもできる。本明細書における「セクションで湾曲される」という用語は、光ガイドが平坦なセクション及び湾曲されたセクションからなることを表す。ある導光デバイスは、３次元のシーン又はオブジェクトのホログラフィックな再構成の少なくとも１つのセグメントを表示する目的に使用され、他の導光デバイスは、オブジェクト又はシーンの立体視表現を生成するために使用される。導光デバイスの２つの光ガイドが少なくともセクションで湾曲形成される場合、これらの光ガイドの湾曲されたセクションは、例えば、異なる半径を有することができる。さらに、双方の導光デバイスを通して組み合わされたホログラフィック且つ立体視的な再構成を観察者の目で見て観察できる形で、２つの導光デバイスが前後に配置されてもよい。
さらに、有利に提供され得ることとして、少なくとも１つの導光デバイスは、少なくとも２つのセグメントの視野を生成するための２つの光カプリングデバイスを含む。
少なくとも１つの導光デバイスは、少なくとも２つのセグメントの視野を生成するために２つの光カプリングデバイスを含むことができる。
２つの光カプリングデバイスは、好適には、互いにある距離で又は互いに直接近接して光ガイドに結合されることができ、少なくとも１つの照明デバイスからの光を、２つの光カプリングデバイスによって、異なる位置で光ガイドにカプリングすることができる。
光ガイドへの２つの異なる位置での光のカプリングは、任意選択で、２つの異なる空間光変調デバイスを使用して行われてもよく、又は、１つだけの空間光変調デバイスによって変調され放出された光が、好適には、一方の光カプリング場所若しくは光カプリング位置に又は光ガイドの他方の光カプリング位置に向けられ、そこでカプリングされてもよい。後者の場合、光学系は、空間光変調デバイスと導光デバイスとの間で、光を一方又は他方の光カプリング位置へ交互に向ける少なくとも１つの切替え可能エレメント、例えば、格子エレメントを含む。
これらの少なくとも２つの生成されたセグメントは、有利には、重なり合って視野を形成してもよく、２つのセグメントの重なり合う領域は、視野角度当たり最高の画素密度を有し、２次元の及び／又は３次元のシーンを観察する観察者の中央の視認方向に対応する。
画素密度は、少なくとも２つの生成されたセグメントの重なり合い又はオーバーレイによって、重なり合う領域で増大され得る。一般に観察されるように、人間の目は、周辺視野では中央視野よりもかなり解像度が低い。中央視野の位置は、目が回転することによって回転されることができる。しかしながら、目の回転は、典型的には±１５度の範囲内のみで行われる。視認方向の変化がより大きい場合、頭部がむしろ共に回転されることになる。したがって、観察者の実際の視認方向と独立して、視野の中央領域、例えば約３０°近辺の領域では、視野の周辺領域におけるさらに外側よりも、視野角度当たりのより高い画素密度を提供することが重要である。
観察者に見える、視野角度当たりの少なくとも１つの空間光変調デバイスの画素の数は、視野全体にわたって等しくはない。むしろ、視野内の視野角度当たりの画素の数に勾配がもたらされる。観察者から見て一方の側では、画素が、観察者から見て他方の側よりも密にグループ化される。
したがって、少なくとも２つの生成されたセグメントは、有利には、観察者の目の前に提供される最高画素密度を有するこれら２つのセグメントの重なり合う領域が、観察者の中央視認方向に対応し、画素密度が、この重なり合う領域から視野の両側に向かって視野角度が増大するにつれて減少する形で提供される。
本発明のある好適な実施形態では、視線追跡を行うことができ、即ち、観察者が視認する又は見る方向が検出される。視認方向において、光はそこから観察者の目の網膜の中心に入射するので、観察者はシーンを最高の解像度で見ることができる。視認方向を越えると、そこからの光は観察者の網膜の周辺領域に入射するので、観察者はシーンをより低い解像度で見ることができる。
高い画素密度を有するセグメントは、観察者の現在検出されている視認方向で視野にそれが配置される形で、光ガイド内の反射の回数を設定することによって変位される。より低い画素密度を有する、例えば、光ガイド内で固定された回数の反射を常に有するセグメントは、周辺イメージコンテンツを表現するために、より低い解像度を有するより大規模な視野を形成する。有利には、高い画素密度を有するセグメントを変位させることによって、観察者は、自身の視認方向が中央でない場合に良好な解像度を有するシーンを見ることもできる。この構成は、異なる画素密度を有する３つ以上のセグメントに拡張することもできる。
２つのセグメントを有する本発明の実施形態において、この場合に提供され得ることとして、少なくとも２つのセグメントのうちの一方のセグメントは、立体視セグメントとして形成され、少なくとも２つのセグメントのうちの他方のセグメントは、ホログラフィックセグメントとして形成され、ホログラフィックセグメントが観察者の中央の視認方向に又は視線追跡を使用して検出された観察者の視認方向に生成され得る。３つ以上のセグメントを有する本発明のより一般的な実施形態では、少なくとも１つのセグメントがやはり立体視セグメントとして形成され、少なくとも１つのセグメントがホログラフィックセグメントとして形成される。例えば、１つの立体視セグメントが、２つのホログラフィックセグメントと組み合わされてもよく、逆もまた然りである。
視野角度当たりの空間光変調デバイスの画素の密度の上述した差は、本発明に従って、表現されたイメージコンテンツにおいて補償される。この補償は空間光変調デバイスにおけるホログラム計算中又は立体視コンテンツの符号化中に、表現されたシーンの対応するスケーリング及び走査によって行われる。しかしながら、その場合、視野の１つの境界領域が、可視解像度を制限し得る画素密度を有することになる。しかしながら、視野角度当たりに多数の３次元オブジェクトポイントを有し、視線追跡を介して観察者の目の視認方向へ追跡させられ得る、少なくとも１つのホログラフィックセグメントのビューと立体視セグメントのビューとの有利な組み合わせの場合、これは特に不利にはならず、なぜならば、オブジェクト又はシーンの生成された立体視コンテンツは、いずれにしても網膜の受容体が低解像度で検出をするだけである観察者の目の網膜上の領域内のみで表現されアクティブであるためである。
本発明のある実施形態において、単一の大きなセグメントにおいてもっぱら立体視コンテンツ又は表現を表示するだけであるディスプレイデバイスの場合、少なくとも１つの空間光変調デバイスの中間イメージを提供することもでき、そこでは、空間光変調デバイスの画素が異なるように拡大される。これは、導光デバイスの光カプリング側での光カプリング角度当たりの画素の数は、導光デバイスの光デカプリング側での光デカプリング角度当たりの画素の数の勾配と反対に配向された勾配を有することを意味する。画素イメージ又はシーンの表現されたコンテンツの上述したスケーリング及び走査によって、この場合は視野における位置と共にスケーリングファクタが変化するが、個々の光ビームの互いに対する異なる角距離が、デカプリング中に均等にされ、したがって、視野にわたって視野角度当たりの画素の数がやはり一定となるように提供される。
これに対して代替となる本発明の実施形態において、提供され得ることとして、少なくとも２つのセグメントは、ホログラフィックセグメントとして形成され、少なくとも２つのセグメントの重なり合う領域は、２次元の及び／又は３次元のシーンを観察する観察者の中央の視認方向、又は視線追跡により検出される視認方向に対応する。
本発明のこの実施形態では、複数のホログラフィックセグメントが大規模な視野を達成するように生成され得る。これらの少なくとも２つのセグメント又は好適には複数のホログラフィックセグメントが、場合によって存在する収差のため、生成される大規模な視野にギャップをもたらさないように、重なり合うこともできる。さらに、ここで、全体として視野を拡大するホログラフィックセグメントに加えて、全体として視野を拡大するこれらのホログラフィックセグメントと重ねられ又は重ね合わされるホログラフィックセグメントも生成される。そして、この重なり合う領域は、好適には、観察者の中央視認方向、又は視線追跡によって検出される観察者の視認方向に対応し、後者の場合、他のホログラフィックセグメントと重ね合わされるこのホログラフィックセグメントは、視線追跡を介して観察者の視認方向の新しい位置へ追跡させられ得る。
さらに、有利に提供され得ることとして、少なくとも２つの光デカプリングデバイスが提供され、第１の光デカプリングデバイスは、少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成するための光をデカプリングするために提供され、第２の光デカプリングデバイスは、少なくとも１つの立体視セグメントを生成するための光をデカプリングするために提供される。
少なくとも１つの立体視セグメントと少なくとも１つのホログラフィックセグメントとの双方が大規模な視野で表現されることになるディスプレイデバイスの場合、例えば、光が場合によって同じ位置又は同じポイントで導光デバイスの光ガイドの異なる角度でカプリングアウトされなければならないことを必要とし得る。例えば、立体視セグメントのための光は、ホログラフィックセグメントのための光とは異なる角度で光ガイドから出るべきである。また、重なり合う少なくとも２つのホログラフィックセグメントを含むディスプレイデバイスの場合、光が場合によって同じ位置又は同じポイントで導光デバイスの光ガイドの異なる角度でカプリングアウトされなければならないことが必要であり得る。
様々な角度での光のデカプリングを達成するために、様々なデカプリングエレメント、例えば、異なる格子周期を有する様々な格子エレメントが提供される必要がある。この目的のために、例えば、光デカプリングデバイスは、他の光デカプリングデバイスの格子エレメントの格子周期と異なる格子周期を有する格子エレメントを備え得る。したがって、導光デバイスは、少なくとも１つのホログラフィックセグメント用の少なくとも１つの光デカプリングデバイスと、少なくとも１つの立体視セグメント用の少なくとも１つの光デカプリングデバイスとを備え得る。この場合、少なくとも１つの立体視セグメント用の光デカプリングデバイスによる少なくとも１つのホログラフィックセグメントの光の望ましくないデカプリング、及びその逆の場合が、有利に防止されることになる。
光デカプリングデバイスは、有利には、制御可能なものとして設計されることができ、光デカプリングデバイスのある駆動状態において、定義された回数の反射の後に光がカプリングアウトされ、光デカプリングデバイスの他の駆動状態において、光ガイド内を光がさらに伝播する、という形で光デカプリングデバイスはそれぞれ制御可能である。
光デカプリングデバイスは、この目的で切替え可能な又は制御可能な格子エレメントを含むことができる。この場合、それぞれの光デカプリングデバイスの少なくとも１つの格子エレメントの第１の切替え状態において、光ガイド内を伝播する光が光ガイドからカプリングアウトされるが、少なくとも１つの格子エレメントの第２の切替え状態において、光はカプリングアウトされるのではなく、さらに光ガイド内を伝播する。
光デカプリングデバイスの切替え可能又は制御可能な格子エレメントは、任意選択でさらに複数のセクションに分割することができ、それらのセクションを別個に状態「オン」又は「オフ」に切り替えてもよい。単一の立体視セグメントが少なくとも１つのホログラフィックセグメントと組み合わされるディスプレイデバイスに関して、特に、光デカプリングデバイスの少なくとも１つの切替え可能格子エレメントは、少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成するための光のデカプリングのための複数のセクションに分割される。
言い換えれば、提供され得ることとして、少なくとも１つの光デカプリングデバイスが複数のセクションへ分割され、少なくとも１つの光デカプリングデバイスは、複数のセクションにおいて制御可能なものとして設計され、少なくとも１つの光デカプリングデバイスは、光ガイドの境界面での光の反射回数が、ある回数の反射の後に光が到達する光入射位置に対応する、少なくとも１つの光デカプリングデバイスのあるセクションのある駆動状態により、及び、ある回数のさらなる反射の後に光が到達する光入射位置に対応する、少なくとも１つの光デカプリングデバイスのさらなるセクションの他の駆動状態により、又は、さらなる光デカプリングデバイスのあるセクションの他の駆動状態により、変更可能である形で制御可能である。
２つの光デカプリングデバイスによる少なくとも１つのホログラフィックセグメント及び少なくとも１つの立体視セグメントのデカプリングの場合、これらのセグメントについての光のデカプリングは時系列的に行われ、時間順で、１つの光デカプリングデバイスの少なくとも１つの格子エレメント又は少なくとも１つの制御可能な格子エレメントのセクション、及びその後、他の光デカプリングデバイスの少なくとも１つの格子エレメント又は少なくとも１つの制御可能な格子エレメントのセクションが状態「オン」に切り替えられ、他の各光デカプリングデバイスの少なくとも１つの切替え可能格子エレメントが状態「オフ」にそれぞれ切り替えられる。したがって、複数のホログラフィックセグメントのデカプリング及び場合によっては複数の立体視セグメントのデカプリングも、例えば、それぞれの光デカプリングデバイスの定義されたセクションが「オン」に切り替えられることによって、同様に順次に可能であることは明らかである。
したがって、光ガイドからの様々なセグメントのデカプリングは、少なくとも１つの光デカプリングデバイスの少なくとも１つの制御可能な格子エレメント又は少なくとも１つの制御可能な格子エレメントの個々のセクションがデカプリングのために制御される形、即ち例えばオンに切り替えられ又はオフに切り替えられる形で、制御され得る。光デカプリングデバイスのオフに切り替えられた格子エレメントは、結果として、例えば、格子エレメントに入射した光がカプリングアウトされるのではなく、さらに光ガイド内を反射され伝播し、追加の反射の後に光ガイドの他の位置でカプリングアウトされる。
しかしながら、各々が少なくとも１つの切替え可能格子エレメントを含む、導光デバイス内の２つの光デカプリングデバイスのこのような配置は、このような導光デバイスの製造及び運用に大きな費用を要し得るはずである。これは、導光デバイスの光ガイドが少なくともセクションで湾曲形成される場合に特に当てはまることになる。このような光ガイドでは、したがって、制御可能な光デカプリングデバイスの格子エレメントの各々も曲率を有するはずである。
したがって、２つの光デカプリングデバイスのうちのある光デカプリングデバイスは、少なくとも１つの受動的な格子エレメントを含み、２つの光デカプリングデバイスのうちのさらなる光デカプリングデバイスは、少なくとも１つの制御可能な格子エレメントを含むことが好適であり得る。特に、さらなる光デカプリングデバイスが１つの切替え可能又は制御可能な格子エレメントを含むのみとすることが好適である。これにより、制御可能エレメントの数は有利に低減され、それにより製造費用及びコストが低減され得る。
少なくとも１つの光デカプリングデバイスの少なくとも１つの格子エレメント及びさらに光カプリングデバイスの少なくとも１つの格子エレメントは、透過型又は反射型として設計され得る。
本発明のある特に有利な実施形態において、提供され得ることとして、光の方向において少なくとも１つの導光デバイスの前段に配置される追跡デバイスが提供される。
追跡デバイスは、少なくとも１つの格子エレメントにレンズ機能が書き込まれた少なくとも１つの格子エレメント又は１つの可変レンズエレメントを含むことができる。
このようにして、有利には、例えば、少なくとも１つの立体視セグメント又は少なくとも１つの他のホログラフィックセグメントと重ね合わされ視野角度当たりの最高の画素密度を有する重なり合う領域を形成するホログラフィックセグメントを、観察者がその視認方向を変えたときに、観察者の新しい視認方向又は焦点方向に対し追跡させ又は適応させることが可能であり、その結果、観察者は、形成された視野において高品質で３次元のオブジェクト又は３次元のシーンを観察することができる。
さらに、オブジェクト又はシーンを観察する観察者の視界を追跡し及び検出することのできる視線追跡デバイスが提供されてもよく、少なくとも１つの空間光変調デバイスのイメージの位置又はセグメントの位置は、追跡デバイスを用いて視線追跡デバイスによって検出される観察者の目の焦点位置に対し適応可能である。
本発明によるディスプレイデバイスが視線追跡デバイス及び追跡デバイスを備える場合、ディスプレイデバイスは、有利には、可変焦点ディスプレイ又は可変焦点ディスプレイデバイスとして実装され得る。このような可変焦点ディスプレイデバイスを使用して、シーンの平坦な２次元のビューを表現することができ、制御可能エレメント、例えば、可変焦点距離を有するレンズエレメントを含む追跡デバイスを使用して、このシーンを、深さ及び／又はｚ方向即ち観察者からのシーンの距離の方向に変位させることができる。
次いで、可変の深さを有する平坦な２次元ビュー又は表現のセグメントは、同じ導光デバイスを使用して、又はホログラフィックセグメント用の別個の導光デバイスを使用してホログラフィックセグメントと組み合わせることができる。
例えば、寸法が例えばわずか３ｍｍから５ｍｍの大きさである寸法の小さい仮想観察者ウィンドウを生成するホログラフィックセグメントを、少なくとも１つの空間光変調デバイスにおいてホログラムの単一の視差符号化を使用して生成することができ、したがって、スイートスポットが、ホログラムの非符号化方向に提供され又は形成され、仮想観察者ウィンドウが、他の方向であるホログラムの符号化方向に提供され又は形成されることが可能である。
少なくとも１つの導光デバイスの光ガイドは、有利には、少なくとも複数のセクションで少なくとも一方向に湾曲形成されることができる。
特定の実施形態では、光ガイドが平坦又は平ら又は平面的な幾何学的形状を含むことが好適であり得る。これは、例えば、平坦な光ガイド又は平坦な導光デバイスは、湾曲された光ガイド又は湾曲された導光デバイスよりも構造空間が少ないので、スペースを節約することが重要な用途に当てはまる。他の実施形態では、例えば、特にヘッドマウントディスプレイの場合、光ガイドは、やはり湾曲された幾何学的形状を有し得る。一般的な場合では、光ガイドはまた、直線セクション及び湾曲されたセクション、又は異なる強度の曲率のセクションから構成されてもよい。例えば、光カプリング領域が平坦に形成され、一方で光デカプリング領域が湾曲形成されてもよい。眼鏡のように設計されたヘッドマウントディスプレイの場合、例えば、光ガイドの平坦なセクションを眼鏡のテンプル領域で頭部に対して横方向に配置することができ、湾曲されたセクションを観察者の目の前に配置することができる。湾曲された光ガイドは、光デカプリングデバイスにおける格子エレメントの使用を可能にし、それのデカプリング角度は、光ガイド上／内の格子エレメントの位置に依存しない。
光ガイドは、少なくとも複数のセクションで中空シリンダの形状を有することができ、その境界面は、異なる半径を有する中空シリンダの部分として形成される。光ガイドは、例えば、半円に類似する形状を有することができる。
代替的には、導光デバイスの光ガイドは、ガラス又は光学プラスチックで構成されてもよい。
さらに、提供され得ることとして、光源イメージの平面内又は少なくとも１つの空間光変調デバイスのイメージの平面内に、仮想観察者領域を生成可能である。
その場合、観察者は、生成されたオブジェクト又は生成されたシーンをこの仮想観察者領域を通して観察することができる。本明細書で使用される「観察者領域」という用語は、ホログラフィックセグメントを生成する場合の仮想観察者ウィンドウ、又は立体視セグメントを生成する場合のスイートスポットの双方を含む。
本発明のさらなる実施形態では、イメージ又は少なくとも１つの空間光変調デバイスのイメージの単一のセグメントについて、少なくとも１つの導光デバイスへの進入の後の、少なくとも１つの空間光変調デバイスの多様な画素から来る光のカプリングアウトは、全ての画素について各ケースで等しく光ガイドの境界面でのある回数の反射の後に提供され得る。
さらに、提供され得ることとして、少なくとも１つの空間光変調デバイスのイメージの異なる複数のセグメントについて、あるセグメントを生成するための光ガイドの境界面での光の反射の回数は、他のセグメントを生成するための光ガイドの境界面での光の反射の回数と相違する。
例えば、イメージの隣接セグメント、例えば隣接するホログラフィックセグメントについて、異なる回数の反射が光ガイドの境界面で実行される形で、少なくとも１つの空間光変調デバイスのイメージの異なるセグメントが形成され得る。しかしながら、例えば、イメージの異なるセグメントについて、光ガイドの境界面で等しい回数の光の反射を生成するが、変位された光カプリング位置又は光の変更されたカプリング角度を使用するといった他の構成も可能である。
本発明によるディスプレイデバイスは、有利には、２つのディスプレイデバイスを含むヘッドマウントディスプレイとして設計され、それらディスプレイデバイスは、請求項１〜４５のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスに従って各々設計され、観察者の左目及び観察者の右目にそれぞれ関連付けられる。
ヘッドマウントディスプレイに関して、以下の説明はこれに制限されず、また他のディスプレイデバイスにも一般に適用されるが、水平視野が約６０°であり、垂直視野が約３０°であると有利である。ＨＤ（高解像度）視認体験のための視野における角度範囲は、約７．５°×７．５°から約２０°×２０°までとなる。この角度範囲内で、少なくとも１つのホログラフィックセグメントが生成され、このホログラフィックセグメントは、視野角度当たりの非常に高い画素密度を有し、観察者の中央視認方向又は検出された視認方向に対応し、したがって、観察者は、ＨＤ品質で生成されたシーン又はオブジェクトを観察することができる。
より低い画素密度、例えば、３０画素／度でも、より大規模な視野を有する立体視セグメントでは十分である。
約４０００×２０００画素を有するＬＣＯＳ（液晶オンシリコン）ベースの空間光変調デバイスが利用可能であり、この画素数は、ホログラフィックセグメントと立体視セグメントとの双方の表現に十分である。しかしながら、本発明は、特定のタイプの空間光変調デバイスの使用には限定されない。例えば、ＭＥＭＳミラーアレイを有する空間光変調デバイスの使用も可能である。原則的に、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）マイクロディスプレイも立体視セグメントに関して使用できるが、ＯＬＥＤと組み合わせた場合、光カプリングデバイス及び光デカプリングデバイスにおける回折エレメント、例えば格子エレメントの使用は、立体視セグメントについて不可能である。空間光変調デバイスは、位相変調及び／又は振幅変調するものとして設計され得る。立体視セグメントについては振幅変調する空間光変調デバイスで十分である。しかしながら、例えば、少なくとも１つのホログラフィックセグメントと少なくとも１つの立体視セグメントとの双方のために、位相変調及び振幅変調をする同じ空間光変調デバイスを使用することも可能である。位相変調及び振幅変調をする空間光変調デバイスは、本出願人の国際公開第２０１０／１４９５８８号パンフレットに記載されているように、例えばビームコンバイナを使用することができる。
少なくとも１つのホログラフィックセグメントを使用して生成される仮想観察者ウィンドウは、それを通してヘッドマウントディスプレイのユーザが生成されたシーン又はオブジェクトを観察できるものであり、十分に少ない画素数のみを有する空間光変調デバイスを使用できるようにその寸法を小さく維持することができる。仮想観察者ウィンドウは、ユーザの目の入射瞳の領域に生成される。アパーチャが、例えば、望ましくない回折次数の発生を阻止するために仮想観察者ウィンドウの平面に提供され得る。仮想観察者ウィンドウの寸法は、ユーザの視認位置の変更の際に仮想観察者ウィンドウの迅速な追跡に関連して迅速な視線追跡が提供される場合、例えば、約５ｍｍ×５ｍｍ又はわずか約３ｍｍ×３ｍｍであり得る。
このように、仮想観察者ウィンドウの寸法は、仮想観察者ウィンドウが長方形に形成される場合、縦横に３ｍｍから６ｍｍの範囲であり得る。
観察者の目の視線追跡が行われる場合、設定される導光デバイスの光ガイド内の反射の数、及び変更される導光デバイスからの光のデカプリング位置によって、高画素密度を有するセグメントが、検出された視認方向へ追跡させられることができる。また、光カプリング位置は、空間光変調デバイスと導光デバイスへの光のカプリングとの間の変位エレメントを用いて、そして光ガイドの境界面での等しい回数の反射によって、また光のデカプリング位置によって、変位することもできる。これは、例えば、制御可能な格子エレメントを使用して行われ得る。
約６０°×３０°の視野の総角度範囲で非常に高い画素密度を有する少なくとも１つのホログラフィックセグメントによって形成される少なくとも１つのホログラフィックセグメント又はＨＤコーンの検出された視認方向への追跡（以下、走査ともいう）は、例えば制御可能な格子エレメント又は走査ミラー又は誘電体くさびでもあり得る走査に使用される走査エレメントに対してユーザによる視界変更が十分に緩慢である限り、十分であり得る。走査のための走査エレメントの誘電体設計により、回折分散の発生を回避する。対照的に、屈折分散を、走査エレメントに高いアッベ数を有するガラス又はプラスチック材料の使用によって低減することができ、小さい屈折分散は無視可能である。しかしながら、分散が無視可能とみなすには大きすぎるが依然として十分に小さい場合、走査機構を使用して、これらの分散効果を補償することができる。仮想観察者ウィンドウの小さな変位も、走査エレメントによって補償することができる。
走査の代わりに、角度切替え可能な構成を使用することもできる。この目的で、ワイヤグリッド偏光子が、くさびの前に光の方向に挿入されることができ、くさびは、例えば、反射背面を有することもできる。偏光スイッチングのための急速スイッチング強誘電性液晶を含む位相差板の使用により、ワイヤグリッド偏光子又はくさびの反射背面で光が反射され得る。このようにして、２つの角度間の切替えが可能である。これは、例えばこれらの要素のシリーズを使用することにより、複数の角度に拡張され得る。この手順を用いると回折分散が生じない。
しかしながら、角度切替え又は制御可能な回折格子のために、液晶（ＬＣＧ）に基づく偏光格子を使用することもできる。
ユーザの視界のみを追跡するために使用され得る走査ミラーの使用は、可変形ミラーを使用する選択肢も含む。これらの可変形ミラーは、チルト即ちくさび、及びさらに連続プロファイルを提供することができ、前者は、視認方向を追跡するために使用でき、後者は、各視認方向の収差の補償のために使用できる。収差は、視野内で様々な角度範囲で変化し得る。これを考慮に入れるために、連続的なプロファイルが角度範囲ごとに別個に設定され得る。
光学設計では、典型的には、視野の中心で最小の収差を有し、視野の中心からの距離が増大するにつれて収差が増大する。
しかしながら、可変形ミラーを有するある実施形態では、ヘッドマウントディスプレイ全体の光学設計も最適化することができ、それにより、例えば、可変形ミラーによる収差補償の前に、視野の中心に最小収差が見つからず、中心の周りのオーバルゾーンで見つかるようになる。しかしながら、これは、可変形ミラーによる収差の補正も中心で提供されることを意味する。この結果、可変形ミラーを使用して収差を十分に補償することが可能であって、したがってＨＤのために使用できる角度範囲は、可変形ミラーによる収差補償の前に中心に最小収差を有する通常の光学設計と比べて拡大され得る。
視線追跡のためのさらなる選択肢は、切替え可能な照明の使用である。例えば、この場合、互いに直交して偏光された２つの光ビームの異なる光学くさび角を生成する複屈折くさびが使用され得る。このように偏光の切替えも使用され得る。
既に述べたように、アパーチャが仮想観察者ウィンドウの平面内に提供され得る。このようにして、空間光変調デバイスによって生じる回折次数が除去され得る。第２の効果は、面内で仮想的に空間光変調デバイスを結像するために適用されるアパーチャが光学系の開口数を低減することである。しかしながら、これは、仮想観察者ウィンドウの寸法がユーザの目の瞳孔と少なくとも同じ大きさである限り問題を示すものではない。
さらなる重要な特徴は、迅速で正確なユーザの視線追跡により代表され、特に、生成される仮想観察者ウィンドウが、例えば、わずか約４ｍｍ×４ｍｍのサイズである場合にはそうである。例えば、この目的で、ユーザの目に対して赤外線照明及び１つのカメラが使用され得る。一般に、ヘッドマウントディスプレイでも同様だが、視線追跡がアイトラッキングと組み合わされてもよい。視線追跡により取得されたデータが、必要に応じてＨＤコーンを方向付け又は配向するために使用され得る。それと並行して、少なくとも１つの立体視セグメントでは、表現されるシーンの一部は、例えば、画素値をブラックに設定することによって空白にされ、これは、高い画素密度の少なくとも１つのホログラフィックセグメントを使用して表現される。
シーンのホログラフィックに生成された３次元のオブジェクトを高解像度で視認可能とする視野における少なくとも１つのホログラフィックセグメントの生成、及び、同じシーンの１つ又は複数の立体的に生成された２次元又は３次元のオブジェクトをより低解像度で視認可能とする視野における少なくとも１つの立体視セグメントの生成について、少なくとも１つのホログラフィックセグメントが立体視セグメントと重ねられ又は重ね合わされ、そのようにして視野が生成されるが、それら生成の利点は、ホログラフィックセグメントが、約７．５°から１５°までの角度範囲のみで生成されることになることである。このようにして、視野全体の生成を迅速に実行することができ、なぜならば、立体視セグメント及び少なくとも１つのホログラフィックセグメントの生成によって、ホログラフィックセグメントのみが生成された場合と比較して計算労力が大幅に低減できるからである。この目的で、例えば、約２０００×２０００の複素値画素を含む複素値型の空間光変調デバイスが使用され得る。例えば、これは、複素値を形成するために２つの各位相画素を組み合わせるビームコンバイナと組み合わせた、約４０００×２０００の位相画素を有するフェーズドＬＣＯＳ変調器であり得る。しかしながら、本発明は特定の画素数、又は特定のタイプの空間光変調器の使用、又は複素値（振幅及び位相）変調の特定のタイプの生成に特に限定されない。
カラーシーンを再現するディスプレイデバイスでは、赤、緑、及び青の波長の光が時間順に例えば導光デバイスに適用され得る。しかしながら、カラーシーンの再現は、フレーム当たり１回のＲＧＢに使用に限定されない。例えば、ローリングフレームシーケンスｒＧＢｒ｜ｇＢＲｇ｜ｂＲＧｂ｜ｒＧＢｒを実装することができ、したがって、各フレーム（単一のフレーム）は、４つの部分から構成され、特定の単一の色がフレーム当たり２回使用される。ｒＧＢｒは、例えば、赤部分コンテンツが２回、即ちフレームの最初に１回及び最後に１回表示され、緑及び青がその間に１回表示されることを意味する。
カラーシーンを再現するディスプレイデバイスでは、代替的には、赤、緑、及び青の光について別個の空間光変調デバイスの使用も提供することができ、そして、様々な波長の光が、空間光変調デバイスと導光デバイスとの間の光学系によって組み合わされてもよい。
本発明の目的は、さらに請求項４７の特徴を有する方法によって達成される。
複数の画素を有する少なくとも１つの空間光変調デバイス及び少なくとも１つの導光デバイスによって、シーン又はオブジェクトが立体的に及び／又はホログラフィックに表現される大規模な視野を生成するための本発明による方法は、以下のように実行される：
−少なくとも１つの空間光変調デバイスは、シーン又はオブジェクトの所要の情報を伴う入射光を変調し、
−変調される光は、少なくとも１つの空間光変調デバイスの画素から発する光が、少なくとも１つの導光デバイスの表面に対して平均して異なる角度で、導光デバイスに入射してそこでカプリングされる形で、光学系によって形成され、それによりカプリング角度スペクトルが定義され、少なくとも１つの導光デバイス内を伝播する光ビームは、少なくとも１つの導光デバイスから観察者領域へ平均して異なる角度でカプリングアウトされ、それによりデカプリング角度スペクトルが定義され、
−デカプリング角度スペクトルは、カプリング角度スペクトルと比較して拡大される。
セグメントから構成される空間光変調デバイスのイメージ及び／又は空間光変調デバイスのイメージが有利に生成される。
光源イメージは、光カプリングデバイスの領域に生成されることができる。
有利な様式で本発明の教示を構成し、並びに／又は上記及び下記に説明されている例示的な実施形態及び／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、独立特許請求項に従属する特許請求項に対して、及び他方で、本教示の一般的に好適な構成も説明される図面に基づく本発明の好適かつ例示的な実施形態の以下の説明に対して参照が行われる。この場合、本発明は、原則として、記載されている例示的な実施形態に基づいて説明される。
本発明によるホログラフィックディスプレイデバイスの概略図である。 図１によるディスプレイデバイスの導光デバイスの拡大詳細図である。 本発明による導光デバイスの概略図である。 代替的な実施形態の導光デバイスの概略図である。 （ａ）（ｂ）２つの遅延層の概略図であり、導光デバイス内に提供され得る遅延層の層厚データのグラフ表現を伴う。 導光デバイスを使用して視野について２つのセグメントが生成され得る導光デバイスの概略図である。 導光デバイスを使用して視野について２つのセグメントが生成され得る導光デバイスの概略図である。 導光デバイスを使用して視野について２つのセグメントが生成され得る導光デバイスの概略図である。 偏光スイッチと関連する、２つの光デカプリングデバイスを備える導光デバイスであって、ある光デカプリングデバイスが第１の駆動状態にある導光デバイスの概略図である。 ある光デカプリングデバイスが第２の駆動状態にある、図６による導光デバイスの概略図である。 ある光デカプリングデバイスが第３の駆動状態にある、図６及び図７による導光デバイスの概略図である。 ホログラフィックセグメント及び立体視セグメントに対する視野の概略図である。 本発明によるヘッドマウントディスプレイの概略図である。
図面において同一の要素／部分／コンポーネントが同様に同一の参照符号を有することを簡潔に述べておく。
ここで説明される例示的な実施形態を理解するために、まず、イメージングビーム経路及び照明ビーム経路並びに観察者領域のサイズの関係、即ち、仮想観察者ウィンドウ又はスイートスポット及びディスプレイデバイスにおける視野について、特に単純なホログラフィックヘッドマウントディスプレイを基礎として、光ガイドを使用せずに説明する。「観察者ウィンドウ」という用語が以下で使用される場合、これは、例えば、立体視セグメントが生成される場合の「スイートスポット」として理解されてもよい。このディスプレイデバイスは、照明デバイスと、以下でＳＬＭと呼ばれる空間光変調デバイスと、ここでの説明のために理想化されたレンズ即ち収差なしの薄いレンズを含む光学系とを備える。このようなディスプレイデバイスは、限られた視野のみを有する。
具体的には、視野は、特に仮想観察者ウィンドウのサイズに対して固定された関係を有するが、それは、双方ともディスプレイデバイスの光学系の焦点距離に依存するからである。仮想観察者ウィンドウが拡大された場合、視野のサイズはより小さくなり、逆もまた然りである。概してに、使用される光学系は、ディスプレイデバイス内で照明ビーム経路とイメージングビーム経路との双方に影響する。
ディスプレイデバイスの光学系は、概して、１つのイメージングエレメントだけでなく複数のイメージングエレメントを含むことができる。そして、光学系の総焦点距離及び主平面が、幾何光学の既知の方法に従って決定され得る。上記は、系全体に相応に適用される。
導光デバイスが、複数のイメージングエレメントを有する光学系を備えるこのようなディスプレイデバイスに導入された場合、かつＳＬＭの単一イメージが使用され、したがって、導光デバイスに入射し伝播する光の固定デカプリング位置及び固定カプリング位置が使用される場合、イメージングビーム経路及び照明ビーム経路におけるＳＬＭ、光学系のイメージングエレメント、及び仮想観察者領域の間の距離において、導光デバイスの光ガイドにおける光のカプリング位置とデカプリング位置との間の光路が考慮に入れられる必要がある。
以下に説明される例示的な実施形態では、大規模な視野がディスプレイデバイスによって生成される。この場合、視野は、少なくとも１つの立体視セグメント及び／又は少なくとも１つのホログラフィックセグメントから構成される。このセグメントは、ＳＬＭのイメージ又はＳＬＭのフーリエ平面における回折次数のイメージ、又はこの場合は立体視セグメントのものであり、それは、導光デバイスの光ガイドにおけるＳＬＭのエッジ画素からの光の異なる距離の伝播経路によって、及び提供された観察者位置に対する光ガイドの距離によって定義される。言い換えれば、立体視表現が生成される場合、それは、ディスプレイデバイスを使用して単一の立体視セグメントを１つのみ生成するのに十分である。この単一の立体視セグメントは既に、例えば約６０°の角度範囲にわたる大規模な視野を生成することができる。しかしながら、複数の立体視セグメントを生成することも、視野のサイズがこれを必要とすべき場合に可能である。自身の自然な環境内の人間が、高解像度且つ強力な３次元の印象で捉えて知覚することができるのは限られた空間角度のみであることから、この事実を受け入れそれを利用することが可能である。したがって、シーンの観察者が直接観察せず又は焦点を当てず背景で知覚されるだけの当該シーンのオブジェクトは、より低い解像度で表現できることが可能である。上述された事実のため、観察者は、より弱い３次元の印象で背景内のオブジェクトを知覚するはずである。したがって、視野全体内で可視である複数のオブジェクトを含む表現されるシーンの背景は、立体視セグメントによって生成されることができ、また、立体視セグメントは視野全体を形成することができる。少なくとも１つの立体視セグメントが、左目用に各ケースでディスプレイデバイスにおいて、及び右目用に別個のディスプレイデバイスにおいて生成される場合、立体視シーンは、左ビューと右ビューの間の視差情報を表示することによって、立体視の通常の方式で３次元的に表現され得る。
しかしながら、観察者によって対象とされ又は焦点を当てられる１つ又は複数のオブジェクトは、強い３次元の印象を有することになる。しかしながら、これらのオブジェクトは、視野の限られた空間角度範囲において高解像度で表現されればよい。この目的で、少なくとも１つのホログラフィックセグメントがディスプレイデバイスによって生成される。空間角度範囲がどの程度大きいかに依存して、複数のホログラフィックセグメントが生成されることもでき、それらのホログラフィックセグメントは、この空間角度範囲を生成するために並置される。観察者により焦点を当てられる３次元のオブジェクトは、このホログラフィックに生成されたセグメント内で再構成され表現される。これは、ホログラフィックセグメントが、立体的に生成された大規模な視野内で生成され、立体視セグメントと重ねられ又は重ね合わされることを意味する。単一のセグメントはＳＬＭのイメージであり、したがってＳＬＭの画素のイメージでもあるので、少なくとも１つのホログラフィックセグメントは、より高い画素密度を有するイメージであり、少なくとも１つの立体視エレメントは、概してより低い画素密度を有するイメージである。立体視コンテンツは、例えば、ＳＬＭの対応する画素をゼロの振幅に、したがって立体視セグメントにおいてブラックに設定することによって、立体視及びホログラフィックセグメントのそれぞれの重なり合う領域において、空白にされる。
立体視セグメントが、例えば、６０°×３０°の視野を生成し、ホログラフィックセグメントが、８°×８°、即ち立体視セグメントの幅の約１３％及び高さの約２６％の視野を生成する場合、例えば、振幅０（ゼロ）がＳＬＭに符号化されることにより、立体視シーンの対応するより大きな領域がブラックにされる。したがって、シーンのこの部分が立体視シーンから欠落し、この部分は、代わりにホログラムとして計算され、ホログラフィックセグメントに表示される。観察者が不快に知覚し得るホログラフィックシーンから立体視シーンへの突然の移行を回避するために、例えば、立体視シーンのこのブラック化は、例えばホログラフ及び立体視セグメントの重なり合う領域の境界近くで省略されてもよい。
しかしながら、本発明は、ホログラフィック表現と立体視表現の組み合わせに限定されない。導光デバイスを使用して、もっぱら立体視ビュー又は表現のみを生成することも可能である。
立体視セグメント及び／又は少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成するためにディスプレイデバイスで使用される導光デバイスは、各カプリング角度について導光デバイスの光ガイドへ光の予め定義された回数の反射を有する光の角度スペクトルをカプリングする特徴と組み合わされる。
これに関連して、例示的な実施形態が図１ａ及び図１ｂに示されており、図１ｂは、図１ａに示されている導光デバイスの拡大図を示している。図１ａに示されているディスプレイデバイス１は、少なくとも１つの光源を備える照明デバイス（図示せず）と、ＳＬＭ２と、ここでイメージングエレメント３の形態の光学系と、導光デバイス４とを備える。導光デバイス４は、光ガイド５、光カプリングデバイス６、及び光デカプリングデバイス７を備える。光ガイド５は、ここでは湾曲されて具体化される。この例示的な実施形態では、光カプリングデバイス７は、光ガイド５へ光をカプリングするためのミラーエレメントを備え、このミラーエレメントは、光ガイド５に配置される傾斜した鏡面加工された面として形成される。光デカプリングデバイス７は、ここで格子エレメントを含む。格子エレメントは、全ての光入射位置で光ガイド５の表面に垂直に導光デバイス４からの光のカプリングアウトを可能にするために、この場合には光入射位置につれて変化する格子周期を有する。視野を拡大するために、表現されるべきオブジェクト及び表現されるべきシーンの情報に従って、照明デバイスにより放出された光がＳＬＭ２に向けられ、それにより変調される。明瞭にするため、ＳＬＭ２の３つの画素Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３のみから発し、異なるグレースケールで３つのビーム光で表現される、この変調された光は、光学系を介して、したがってここでイメージングエレメント３によって、光カプリングデバイス６に集束され、その結果、照明デバイスの光源のイメージが、そこで生じ又は生成される。このようにして、ＳＬＭ２の個々の画素Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、…ＰＮから発する光は、導光デバイス４に特に光カプリングデバイス６に平均して異なる角度で入射し、この光カプリングデバイス６によって光ガイド５へカプリングされる。それにより、光のカプリング角度スペクトル８は、図１ｂに示されるように定義される。画素Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３から来る３つの光ビームは、このように光カプリングデバイス６に異なるカプリング角度で入射する。この場合、これらの３つの光ビームは、光カプリングデバイス６のミラーエレメントによって光ガイド５へカプリングされ、その後、光ガイド５の境界面で全反射して光ガイド５内を異なる伝播角で伝播する。カプリングインされた角度スペクトル又はカプリング角度スペクトル８は、この場合、空気中で約３０°及び光ガイド５内で２０°である。予め決定された又は予め定義された回数の光ガイド５内の光の反射の後、この光は、光ガイド５から再びカプリングアウトされる。この例示的な実施形態では、カプリングインされた光ビームは、光ガイド５の内側面及び外側面又は境界面の各々で４回の反射の後に、光デカプリングデバイス７によって、したがってここでは格子エレメントによって、光ガイド５から再びカプリングアウトされる。導光デバイス４内又は光ガイド５内を伝播する光は、この場合、光ガイド５の局所表面に対して垂直にカプリングアウトされるが、光ガイド５の湾曲のため、導光デバイス４又は光ガイド５から観察者領域に対して平均して異なる角度でカプリングアウトされる。図１ｂにより明確に見ることができるように、このようにして光のデカプリング角度スペクトル９が定義される。図１ａ及び図１ｂの双方で明らかなように、光ガイド５からの光のカプリングアウトの後に、視野１０が、光ビームの焦点Ｆから見られるようにもたらされ、それは、ここでは点の網掛けによって明らかである。ここで生成された視野１０は、約５６°の角度範囲を有する。こうして明らかなように、光のデカプリング角度スペクトル９は、光ガイド５へカプリングされた光の角度スペクトル８の約２倍の大きさである。大規模な視野は、このようにして生成されることができ、その視野内で立体視及び／又はホログラフィック表現が生成され得る。したがって、大規模な視野の生成は、少なくとも１つの立体視セグメント及び／又は少なくとも１つのホログラフィックセグメントの生成によって行われ、この１つ又は複数のセグメントが視野を一緒に形成する。光の角度スペクトルの伝播、及び予め決定された回数の反射の後の光カプリングアウトによる視野の拡大は、ここで示すような湾曲された光ガイドに限定されるものではなく、導光デバイス内に平面的に形成された光ガイドの場合にも同様に適用可能である。
図１ａで明らかなように、照明デバイスによって放出された平行光を使用して照明されるＳＬＭ２からのビーム経路が、導光デバイス４へのカプリングまで示されている。既に述べたように、照明デバイスの光源のイメージは、光カプリングデバイス６の領域において生成される。しかしながら、光源のイメージは、光学系のイメージングエレメント３の前に光の方向に既に生じており、図１ａでは光源のこのイメージ平面に参照符号１１が付されている。光源のこのイメージは、光学系の他のイメージングエレメント（図示せず）を使用して生成される。一対の交差された、即ち互いに９０°回転された液晶格子エレメント（ＬＣＧ）１２が、このイメージ平面１１に配置される。２つの液晶格子エレメント１２にレンズ機能を符号化することによって、ＳＬＭ２のイメージ平面が変位されてもよい。液晶格子の代わりに、他の形態の可変レンズエレメントもＳＬＭ２のイメージ平面を変位させるために使用され得る。ディスプレイデバイス１に設けられた視線追跡デバイスに関連して、適応集束を有する立体視セグメントが実装され又は生成されてもよい。視線追跡が観察者の両目に対して実行される場合、観察者の１つの目が焦点を合わせる深さが、観察者の両目についての視認方向の輻輳角から検出され得る。生成された立体視セグメントに関して、ＳＬＭ２のイメージ平面は、液晶格子エレメントに符号化されたレンズ機能によって、この検出された深さへシフトされ、その結果、表現されたシーンの観察者は、調節／輻輳矛盾に干渉することなくそれを知覚することができる。立体視シーンのコンテンツの計算もこの目的に適応されることができ、したがって、検出された深さに配置されたシーンの部分は鮮明に表現され、他の深さに配置されたシーンの部分は意図的に曖昧に表現されるようになる。立体視セグメントに関するＳＬＭのイメージ平面のこの追跡は、少なくとも１つのホログラフィックセグメントの生成と組み合わせることもできる。少なくとも１つのホログラフィックセグメントと立体視セグメントとの組み合わせが提供される場合に、視線追跡デバイスもまた提供されてもよい。このような視線追跡及び追跡デバイスを使用して、視野におけるホログラフィックセグメントの位置が、観察者の各目の視認方向に応じて変位され得ると共に、ＳＬＭのイメージの深さが、立体視セグメントに対して適応され得る。したがって、最大の横方向解像度、及び表現されたシーン又はオブジェクトの完全な３次元の深さが、網膜の中央領域にもたらされる。網膜の中央領域の外側では、２次元のシーン又はオブジェクトのみが立体視セグメントに提供される。しかしながら、あり得る調整／輻輳矛盾は、ＳＬＭのイメージの深さの追跡によって、網膜の中央領域の外側でも回避される。人の目は、視野の周辺視領域において粗くしか又は全くオブジェクトの深さを解像することができない。それにもかかわらず、表現されるシーンのイメージコンテンツ又はオブジェクトが、ホログラフィックセグメントによってカバーされる部分よりも視野の広い角度範囲にわたって観察者の目の焦点位置に対して調整される場合、イメージ品質の改善が全体的に達成される。
但し、導光デバイス４の光ガイド５内で互いに対して異なる角度でそれぞれ伝播する光又は光ビームが、光デカプリングデバイス７の同じデカプリング表面に異なる回数の反射の後に入射するかもしれない。例えば、伝播する光ビームが光ガイド５の境界面で３回の反射又は４回の反射の後に入射する領域は、光ガイド５の内側で重なり合うはずである。予め定義された回数の反射の後に光ガイド５からの光の望ましいカプリングアウトを達成するために、反射の回数が過剰に少ないうちにも光ビームが不用意にカプリングアウトされるのを防止すべきである。この目的で様々な選択肢が提供され得る。例えば、この目的で、角度選択的偏向格子エレメントが、導光デバイス４から光をカプリングアウトするために使用され得る。この場合、偏向格子エレメントの角度選択性は、光ガイド５の定義された位置でカプリングアウトされるべき伝播角の光のみが偏向格子エレメントによって高効率で屈折もされるように設定される。しかしながら、光ガイドにおける格子エレメントの位置と共に偏向角度それ自体も変化する格子エレメントの場合、適切な角度選択性の設定はより複雑であり得る。
少な過ぎる回数の反射の後の光ガイド５からの光の望ましくないカプリングアウトを回避するための他の選択肢が、光の偏光の設定である。この場合、光ガイド５内の伝播する光ビームの偏光は、偶数回及び奇数回の反射についてこれらの光ビームの偏光が相違するように設定される。光の偏光のこの変更は、導光デバイスを使用してオブジェクト又はシーンの立体視表現とホログラフィック表現との双方に使用され得る。
光ガイドからの光の望ましくないカプリングアウトを回避するための光の偏光設定又は偏光の変更の選択肢が、図２に概略的に示されている。図１ａのディスプレイデバイスは、ここでは、異なるように形成された導光デバイス４０を備え、図２では、簡単にするために、導光デバイス４０のみが示され説明される。この導光デバイス４０は、光カプリングデバイス４１、光ガイド４２、及び光デカプリングデバイス４３を備える。光カプリングデバイス４１は、この例示的な実施形態では、光ガイド４２へ光をカプリングするための格子エレメントを含むことができる。格子エレメントは、ここで、ＳＬＭ（図示せず）に面する光ガイド４２の表面に設けられる。また、この例示的な実施形態では、湾曲された光ガイド４２が使用される。光デカプリングデバイス４３はまた、ここで、光ガイド４２から光をカプリングアウトするための格子エレメントを含むことができる。さらに、反射偏光エレメント４４が設けられる。この反射偏光エレメント４４は、好適にはワイヤグリッド偏光子として設計される。反射偏光エレメントがこの配置においてしかるべく動作することができるように、これは光ガイド４２と光デカプリングデバイス４３との間に配置される。しかしながら、反射偏光エレメントは、光デカプリングデバイスに統合されることも可能である。この場合、反射偏光エレメントは、ある偏光状態の入射光がそれにより反射され、別の偏光状態の光がそれにより通過又は透過するように形成される。例えば、Ｓ偏光光は反射され、Ｐ偏光光は透過する。さらに、光ガイド４２の外側に付加される遅延層４５が設けられる。ここでは、遅延層４５は、光デカプリングデバイス４３の反対側の光ガイド４２の表面又は境界面に付加される。
導光デバイス４０の光ガイド４２内を伝播する光のカプリングアウト中の手順は、ここでは以下のように実行される。２つの伝播する光ビームが図２に示されており、これら２つの光ビームはＳＬＭの２つの画素から発し、光ガイド４２へカプリングする前にＰ偏光（入射の平面に平行に偏光）される。破線及び点線で示される２つの直線偏光した光ビームは、光学系（図示せず）を介して光カプリングデバイス４１上へ集束され、その結果、光源のイメージが焦点面に生成される。双方の画素の光ビームは、光カプリングデバイス４１に異なる角度で入射する。次いで、これらの光ビームは、光カプリングデバイス４１によって光ガイド４２へカプリングされ、すると、それらは、光ガイド４２内を異なる角度で伝播し、光デカプリングデバイス４３が設けられていない光ガイド４２の領域において、１回目の反射を光ガイド４２の境界面で経験する。次いで、双方の光ビームは、光ガイド４２の反対側境界面で遅延層４５に入射し、それを初めて通過し、ここで、その偏光がそれぞれ９０°回転される。これは、遅延層４５を通過した後、双方の光ビームは、もはやＰ偏光されておらず、Ｓ偏光（入射の平面に垂直に偏光）されていることを意味する。次いで、光デカプリングデバイス４３も設けられる光ガイド４２の境界面における反射偏光エレメント４４に光が入射した場合、この光又はこの光ビームは、点線の光ビームで示されるように、反射偏光エレメント４４によって反射される。次いで、この光ビームは、遅延層４５に再び入射し、遅延層４５を通過する間に光ビームの偏光が再び回転され、その結果、光ビームはここで再びＰ偏光される。遅延層４５の通過後、Ｐ偏光光ビームは、反射偏光エレメント４４に再び入射し、それを通過することができ、又はそれにより通過させられ、次いで、ここでは格子エレメントの形態の光デカプリングデバイス４３に入射する。次いで、光デカプリングデバイス４３は、この光ビームをそれに応じて屈折させ、それを導光デバイス４２からカプリングアウトする。破線で示される光ビームもまた、遅延層４５を２回通過した後に反射偏光エレメント４４を透過し、光デカプリングデバイス４３によって屈折され、光ガイド４２からカプリングアウトされる。これは、光ガイド４２の境界面で２回の光ビームの反射の後に、点線で示される光ビームと同様に行われるが、破線で示される光ビームは、光ガイド４２の最初の３分の１で既に光ガイド４２からカプリングアウトされ、なぜならば、この光ビームは、点線で示される光ビームとは異なる角度で光カプリングデバイス４１に入射するからである。光ガイド４２内の光の反射の回数は、ディスプレイデバイスの動作前又は動作中に決定され及び定義され得る。
光ガイドの境界面４２での偶数回の反射の後に初めて光は光デカプリングデバイス４３に到達するので、カプリングアウトされない光からのカプリングアウトされる光の分離をより良好に行うことができる。したがって、図１ａ、ｂに示された例示的な実施形態では、光の偏光回転と組み合わせて、３回の反射の後に光が既に光ガイドからカプリングアウトされるのを防止することが可能である。したがって、望ましく及び予め決定された又は予め定義されたデカプリングは、４回の反射の後に達成され行われ得る。
この実施形態は、デカプリング格子エレメントの角度選択性と組み合わせることもできる。図１ａ、１ｂにおいて小さな領域があり、そこでは、光ビームが、光ガイド５の境界面での２回及び４回の反射の後に、光デカプリングデバイス７の格子エレメントの同じ位置又は同じポイントに入射し、したがって同じ偏光を有することになる。この小さな領域は、光ガイド５の延長部の前半に配置される。偏光だけによるこれらの光ビームの分離の場合、この小さな領域は、視野のセグメントの生成に使用できない。２回の反射の場合及び４回の反射の場合の同じ位置での光デカプリングデバイス７の格子エレメント上の光ビームの入射の角度は、光ガイド７内の光ビームの３回の反射の場合及び４回の反射の場合の光ビームの入射の角度よりもかなり強く異なる。この場合、格子エレメントの角度選択性が、したがって、２回の反射の後に不用意に光ビームが既にカプリングアウトされるのを防止するために使用され得る。
図３では、図１ａ及び図１ｂによるディスプレイデバイスにおいてやはり使用することのできるさらなる導光デバイス５０が示されている。この導光デバイス５０は、光カプリングデバイス５１、光ガイド５２、及び光デカプリングデバイス５３を備える。光カプリングデバイス５１は、ここで、やはり光ガイド５２へ光をカプリングするための図２と同様の格子エレメントを有する。格子エレメントは、ここで、やはりＳＬＭ（図示せず）に面する光ガイド５２の表面に設けられる。光ガイド５２は、ここで、やはり湾曲形成される。光デカプリングデバイス５３は、ここで、光ガイド４２から光をカプリングアウトするための偏光選択的な格子エレメントを有する。この場合、偏光選択的な格子エレメントは、ある偏光状態の入射光がそれにより反射され、別の偏光状態の光がそれにより通過又は透過するように形成される。さらに、光ガイド５２は、やはり外側に遅延層５４を備え、ここで、遅延層５４は、光デカプリングデバイス５３の反対側の光ガイド５２の表面又は境界面に付加される。
導光デバイス５０の光ガイド５２内を伝播する光のカプリングアウト中の手順は、ここでは以下のように実行される。破線及び点線で示される２つの伝播する光ビームが図２と同様に図３にも再び示されており、これら２つの光ビームはＳＬＭの２つの画素から発し、光ガイド５２へカプリングする前にＰ偏光される。２つの直線偏光した光ビームは、光学系（図示せず）を介して光カプリングデバイス５１上へ集束され、その結果、照明デバイスの光源のイメージが焦点面に生成される。次いで、これらの光ビームは、光カプリングデバイス５１によって光ガイド５２に異なる角度でカプリングし、光デカプリングデバイス５３が設けられていない光ガイド４２の領域において、１回目の反射を光ガイド５２の境界面で経験する。次いで、２つの光ビームは、光ガイド５２の反対側境界面で遅延層５４に入射し、それを初めて通過し、ここで、その偏光がそれぞれ９０°回転される。これは、遅延層５４の通過後、双方の光ビームは、もはやＰ偏光されておらずＳ偏光されていることを意味する。次いで、点線で示される光ビームが、光デカプリングデバイス５３の偏光選択的な格子エレメントに入射した場合、この光ビームは、偏光選択的な格子エレメントによって反射される。次いで、この光ビームは、遅延層５４に再び入射し、遅延層５４の通過間に光ビームの偏光が再び回転され、その結果、光ビームはここで再びＰ偏光される。遅延層５４の通過後、Ｐ偏光光ビームは、偏光選択的な格子エレメントに再び入射し、それを通過し又はそれにより通過させられ、これに応じて屈折され、光ガイド５２からカプリングアウトされる。破線で示される光ビームもまた、遅延層５４を２回通過した後に光デカプリングデバイス５３の偏光選択的な格子エレメントを透過し、それに応じて屈折され、光ガイド５２からカプリングアウトされる。これは、光ガイド５２の境界面で２回の光ビームの反射の後に、点線で示される光ビームと同様に行われるが、破線で示される光ビームは、光ガイド５２の最初の３分の１で既にそこからカプリングアウトされるが、なぜならば、この光ビームは、点線で示される光ビームとは異なる角度で光カプリングデバイス５１に入射するからである。
光ガイドの境界面５２での偶数回の反射の後の光ビームのより良好な分離がここでも行われ得る。
言い換えれば、遅延層５４と共に提供される光ガイド５２の境界面での奇数回の反射後に、光デカプリングデバイス５３の偏光選択的な格子エレメントに入射した光が、偏光選択的な格子エレメントによっては屈折されず、よって光ガイド５２と周囲との間の境界面において反射される。遅延層５４と共に提供される光ガイド５２の境界面での偶数回の反射後に、光デカプリングデバイス５３の偏光選択的な格子エレメントに入射した光が、この偏光選択的な格子エレメントによって屈折され且つ光ガイド５２からカプリングアウトされ、反射の偶数回と奇数回とは交換されてもよい。光ガイド４２内の光の反射の回数は、ディスプレイデバイスの動作前又は動作中に決定及び定義され得る。
図２及び図３による導光デバイス４０及び５０が図１ａによるディスプレイデバイスにおいて個別に使用された場合、立体的に生成される大規模な視野が、これらの導光デバイス４０及び５０のそれぞれを使用して生成され得る。この大規模な視野は、ＳＬＭのエッジ画素から発するカプリングアウトされた光ビーム、及び導光デバイスにおけるその相異なる長さの伝播経路によって、並びに提供された観察者位置からの導光デバイスの距離によって生成される。これは、例えば、破線で示される光ビーム及び点線で示される光ビームが、ＳＬＭのエッジ画素から発するとした場合、破線及び点線で示されるカプリングアウトされた光ビームは視野を生成し、これらの光ビームは視野を横方向に範囲を定めることを意味する。この視野は、導光デバイス４０又は５０によってこのように立体的に生成されたセグメントを形成する。そして、ＳＬＭに符号化又は表示されたシーン又はオブジェクトの情報項目が、視野内に表現され得る。
但し、遅延層の使用はＳ偏光又はＰ偏光に限定されない。遅延層は、例えば、代わりに、＋４５°直線偏光した光を−４５°直線偏光した光へ回転させてもよく、又は左円偏光した光を右円偏光した光に変更してもよい。
例えば、選択的にＰ偏光光のみを屈折させる図３の偏光選択的な格子エレメントが、選択的に右円偏光した光のみを屈折させるブラッグ偏光格子エレメントに置き換えられる場合、遅延層も右円偏光を左円偏光へ及びその逆に変更する形で形成されることになり、例えば、ＳＬＭの双方の画素からの既に円偏光された光が導光デバイスへカプリングされることになる。
図４（ａ）では、２つの遅延層が、例えば、図２及び図３の導光デバイス４０又は５０において比較可能な様式で提供できるように示されている。但し、この場合、２つの遅延層の配置は＋４５°直線偏光した光を−４５°直線偏光した光に変化させる。
図１ａ及び図１ｂによって開示されている例示的な実施形態では、空気中で約３０°及び光ガイドの物質中で約２０°の光の角度スペクトルのカプリングがｎ＝１．５の屈折率を有し、少なくとも１つの遅延層が、光のこの角度スペクトル全体について高効率で光ガイド内の光の望ましい及び所要の偏光の回転又は偏光の変化を生じさせる形で設計される。したがって、少なくとも１つの遅延層の厚さは、光ビームが少なくとも１つの遅延層に角度をなして入射するため、傾いた光入射に最適化される。また、光ビームが少なくとも１つの遅延層を通過中に経験する遅延は、予め決定された角度範囲内のすべての光ビームについて同様である。例えば、ミラーエレメントを含む光カプリングデバイスを使用して２０°の角度スペクトルが光ガイドの材料へカプリングされる場合、光カプリング後に光ガイド内で伝播する角度スペクトルも２０°である。例えば、ミラーエレメントが、平均のカプリングインされた光ビーム即ちＳＬＭの平均画素からの光ビームに対して、２７．５°傾けられる場合、この光ビームは、光ガイド内で２倍の角度即ち５５°で伝播する。その場合、ＳＬＭの他の画素の光ビームの伝播角は４５°と６５°との間である。したがって、この例では、この４５°と６５°との角度範囲に関して、少なくとも１つの遅延層の通過中に光ビームが経験する遅延は、すべての光ビームについて同様である。
これらの２つの遅延層Ｓ１及びＳ２は、それぞれ複屈折材料からなり、概して２つの遅延層Ｓ１及びＳ２の複屈折材料は同一であっても相違してもよい。ここに説明されている例では、材料は同一である。この場合、２つの遅延層Ｓ１及びＳ２は上下に配置される。図４（ａ）に見ることができるように、遅延層Ｓ１は、遅延層Ｓ２より厚い厚さｄを有する。遅延層Ｓ１では、複屈折材料の光学軸ＯＡはこの層Ｓ１の面に配向される。遅延層Ｓ２では、複屈折材料の光学軸ＯＡはこの層に垂直に配向される。
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示された遅延層に関するシミュレーションデータのグラフ表現を示す。示されている曲線は、適切に選択された層厚、並びに２つの遅延層Ｓ１及びＳ２の複屈折性及び光学軸の配置を有し、０°から６５°をわずかに上回るまでの範囲の光の入射の角度で、各ケースで波長λ＝５３２ｎｍの緑色光の９５％を大きく超え、偏光が、望ましい所要の方式で回転され又は変更されることを示している。
遅延層Ｓ１及び遅延層Ｓ２の光学軸の選択に起因して、遅延層１の遅延は、伝播角が増大するにつれて減少するが、遅延層２の遅延は、伝播角が増大するにつれて増大する。角度依存性は、双方の遅延層Ｓ１及びＳ２の組み合わせによって大きく補償される。
図４ａ及び４ｂでは、遅延層Ｓ１の複屈折性及び厚さは、垂直入射の場合、４分の１波長板に対応するように選択され、したがって、ｄ×Δｎ＝１３３ｎｍである。遅延層Ｓ２は、厚さｄ×Δｎ＝５０ｎｍである。
Δｎ＝０．１の複屈折性を有する材料では、２つの遅延層Ｓ１及びＳ２の総厚は１．８３μｍである。
２つの遅延層のここで説明される配置は、複数の遅延層を使用し、それぞれの遅延層の厚さ及び複屈折性並びにそれぞれの遅延層の光学軸の配置などのパラメータを設定することによって、偏光の回転が伝播角範囲について達成され得る方法の単に一例を表す。光ガイドにおける偏光の回転のための少なくとも１つの遅延層の本発明による使用は、２つの遅延層のこの特別な配置に特に限定されない。
既に述べたように、複数の立体視及び／又はホログラフィックセグメントが、大規模な視野を生成するためにディスプレイデバイスによって生成され得る。制御可能な偏光スイッチが、複数の隣接セグメントの提供による視野のさらなる拡大のために提供されることができ、光は、異なる回数の反射の後に導光デバイスからカプリングアウトされる。制御可能な偏光スイッチは、ディスプレイデバイスにおいて、導光デバイスへの光のカプリングの前段で光の経路に配置され得る。例えば、図２及び図３の例示的な実施形態と比較して、光の偏光は、導光デバイスへのカプリングの前に９０°回転され、即ち、反射偏光エレメントに対する又は光デカプリングデバイスの偏光選択的な格子エレメントに対する１回目の入射があると、Ｐ偏光光の代わりにＳ偏光光が導光デバイスの光ガイドへカプリングされ、それにより光は既に透過されてカプリングアウトされ得る。光の方向で導光デバイスの前に制御可能な偏光スイッチを有するディスプレイデバイスのこのような実施形態は、好適には、複数のホログラフィックセグメントの生成において、又は単一の立体視セグメントの生成と組み合わされた複数のホログラフィックセグメントの生成において使用されることができ、この実施形態では、単一の立体視セグメントは、シーンにおける集束された３次元オブジェクトの背景を生成するために提供される。視野におけるオブジェクト又はシーンのもっぱら立体視表現のために、大きな視野が、概して既に単一のセグメントを使用して達成されてもよく、それが視野全体を形成する。
図１ａにおいてＳＬＭの３つの示された画素の出射光ビームを互いに比較した場合、これらの光ビームは、光カプリングデバイスにおけるそのカプリング角度に同じ差を有し、例えば、ＳＬＭの中央領域の画素から及びＳＬＭの２つのエッジ画素から見て、それぞれ角度で材料において約１０°又は空気中で約１５°の差を有することが分かる。しかしながら、観察者領域に対する光のデカプリングされた角度スペクトルにおいて、第２の画素の光ビームに対する第１の画素の光ビームの角度は、第３の画素の光ビームに対する第２の画素の光ビームの角度よりもかなり小さいことが明確に分かる。したがって、シーンの観察者に見える視野角度当たりのＳＬＭの画素の数は、視野全体にわたって等しくはならない。むしろ、視野内の視野角度当たりの画素の数に勾配がもたらされる。観察者が観察者平面に位置し、視野内の表現されたシーンを観察する、即ち、観察者が、図１ａによる観察者領域を通して導光デバイスの方向で見る場合、画素群の集合は、観察者から見て右側よりも観察者から見て左側で高密度となるので、シーンは歪んで又は反って表現され、したがって不正確に再現される。
この視野角度当たりの画素密度の差は、視野内に表現されるイメージコンテンツにおいて補償され得る。これは、例えば、表現されたシーン又はオブジェクトが適切にスケーリングされ又は歪められることで行われる。これは、ＳＬＭにおける情報の符号化中に行われ得る。しかしながら、視野のある境界領域が、シーン又はオブジェクトの可視解像度に限界をもたらし得る画素密度を有するかもしれない。視野角度当たり多数の３次元オブジェクトポイントを有することができ、観察者の目の視認方向へ追跡させられることができる少なくとも１つのホログラフィックセグメントと立体視セグメントのビューの組み合わせに関して、視野のエッジ領域におけるこの低い解像度は問題にならず、なぜならば、シーンの立体的に表現されたコンテンツは、いずれにしても粗い解像度でのみ入射光を検出する観察者の目の網膜の領域のみでアクティブであるからである。
大きなセグメントにおけるシーン又はオブジェクトの立体視コンテンツだけを変位させるディスプレイデバイスのために、ＳＬＭの中間イメージングを実行することもでき、その場合、ＳＬＭの画素は異なるように拡大される。これは、導光デバイス又は光ガイドの光カプリング側で、カプリング角度当たりの画素の数が勾配を有し、その勾配は、導光デバイス又は光ガイドの光デカプリング側のカプリング角度当たりの画素の数の勾配と反対に配向されることを意味する。導光デバイスからのカプリングアウトのときの光ビームの互いに対する異なる角距離は、画素イメージ又は表現されるシーン若しくはオブジェクトのスケーリング又は前置歪みによって等化され、その結果、視野角度当たり一定の数の画素が再び視野全体にわたってもたらされ又は提供される。
図５ａ、図５ｂ、及び図５ｃはそれぞれが、光学系のイメージングエレメント及び導光デバイスを主に含むディスプレイデバイスの一部のみを示しており、１つのセグメントの生成が図５ａに示され、もう１つの又はさらなるセグメントの生成が図５ｂに示され、これら２つのセグメントが図５ｃに一緒に示されている。このようなディスプレイデバイスは、好適には、ＶＲ（仮想現実）ディスプレイとして設計され得る。このディスプレイデバイスでは、少なくとも２つのセグメントが生成され、ここで、２つの立体視セグメントが生成される。図５ａ、図５ｂ、図５ｃから明らかなように、光のカプリングは、本質的に反対側の２つの側から導光デバイス内へ行われる。ディスプレイデバイスは、ここで、光ガイド６１を有する１つの導光デバイス６０だけを備える。しかしながら、ここでは、２つの光カプリングデバイス６２及び６３が導光デバイス６０に設けられる。これらの光カプリングデバイス６２及び６３は、本質的に同一にミラーエレメントを有して形成され、但しそれらが有する位置は光ガイド６１において異なる。図５ａでは、光カプリングデバイス６２を使用して光ガイド６１へ光のカプリングが行われて、図の左側から見られる第１のセグメントを生成する。図５ｂでは、光カプリングデバイス６３を使用して光ガイド６１へ光のカプリングが行われて、図の右上から見られる第２のセグメントを生成する。導光デバイス６２及び６３は、ここで光を光ガイド６１にカプリングするためのミラーエレメントを各々含み、それはまた、視野全体の範囲を定める。図５ａと図５ｂの双方において各ケースでアクティブな光デカプリングデバイスのみが示されており、即ち、図５ａでは光デカプリングデバイス６２が動作中であり、図５ｂでは光デカプリングデバイス６３が動作中である。図５ａの第１のセグメントＳＧ１は、光学系のイメージングエレメント６４及び導光デバイス６０を使用して生成されるものであり、ここでは斜線部分で示されており、約６０°の水平視野を有し、図５ａの左側から見て右上に向かって低減する画素密度即ち視野角度当たりの画素を有する。第２のセグメントＳＧ２は、同じ光学系のイメージングエレメント６５及び導光デバイス６０の同じ光ガイド６１を使用して生成されるものであり、ここではドットの網掛けで示されており、やはり約６０°の水平視野を有し、図５ｂの右側から見て左下に向かって低減する画素密度を有する。全体的に考えると、セグメントＳＧ１及びＳＧ２の双方から構成される視野全体について、画素密度は視野全体の中央領域で最も高い。双方のセグメントＳＧ１及びＳＧ２が大規模な視野を共に形成し、これらの２つのセグメントＳＧ１及びＳＧ２は、図５ｃで見ることができるように、小さな領域Ｂで重ね合わされ又は重ねられ得る。画素密度は、２つのセグメントＳＧ１及びＳＧ２のこの重なり合いによって、この重なり合う領域Ｂにおいてさらに増大され得る。図５ｃは、この場合の双方のセグメントＳＧ１及びＳＧ２を概略的に示す。セグメントＳＧ１の視野は実線で示され、セグメントＳＧ２の視野は破線で示されている。双方のセグメントＳＧ１及びＳＧ２の重なり合う領域Ｂは、斜線部分で示されている。図５ａ、図５ｂ、及び図５ｃのこの例示的な実施形態では、個々のセグメントＳＧ１及びＳＧ２が約６０°の視野を各々有する。したがって、視野全体は約１００°であり、約２０°の重なり合う領域Ｂを有する。
人間の目は、通常の場合、周辺視野では中央視野よりもかなり解像度が低い。中央視野の位置は、目を回転することによって回転させることができる。しかしながら、回転は、典型的には±１５度の範囲内のみで行われる。観察者による視認方向の変化がより大きい場合、頭部がむしろ共に回転されることになる。したがって、観察者の現在の視認方向と独立して、視野の中央領域、例えば約３０°の中央領域において、視野のエッジ領域よりも視野角度当たりで高い画素密度があることは、大きな利点である。
したがって、使用して少なくとも２つのセグメントを生成し得るディスプレイデバイス、特にディスプレイデバイスの導光デバイスは、視野角度当たり最高の画素密度を有する視野の２つの生成されたセグメントの重なり合う領域が、観察者の中央視認方向に対応し、視野角度当たりの画素密度は、重なり合う領域から視野の両側に向かって、視野角度が増大するにつれて減少する形で、観察者の目の前に提供及び配置される。
第１のセグメントＳＧ１及び第２のセグメントＳＧ２の生成のための光をデカプリングするために、光デカプリングデバイス（ここでは図示せず）は、少なくとも２つの異なる角度選択的偏向格子エレメント、例えば、体積格子を含むことができる。互いに離れて提供される、例えば、一方の光カプリングデバイスから＋４５°から＋６５°の角度で、及び他方の光カプリングデバイスから−４５°から−６５°の角度で提供される２つの光カプリングデバイス６２及び６３のため、光ガイド６１内を伝播する光ビームは各々、角度選択的偏向格子において反対側から大きな角度で入射するので、偏向格子エレメントの角度選択性により、個々の光ビームのデカプリングの分離が合理的に実行されることができる。
２つのセグメントＳＧ１及びＳＧ２を生成するための、２つの異なる側からの光のカプリング、及び／又は２つの異なるカプリング位置で互いに離れた光のカプリングが、各ケースで光学系と組み合わせて異なるＳＬＭを使用して行われてもよい。一方で、シーンの表現に必要とされる対応する情報と共にＳＬＭにより変調された光を、偏向デバイスを介して光カプリングデバイス６２及び光カプリングデバイス６３に時系列的に送信すること、又はその逆も可能である。立体的に生成された視野内及び／又は視野を形成する立体視セグメント内の表現されるシーンの解像度は、当然ながら、視野角度当たりの画素の数よりも少なく選択され得る。これはさらに、図５ａによるこのようなディスプレイデバイスが、特に、高解像度イメージコンテンツ又は表現された高解像度シーン若しくはオブジェクトを観察者の視認方向に適応させるために、例えば、視線追跡及び追跡デバイス（視線追跡ユニット）も備えることを意味する。これは、「フォービエイテッドレンダリング」という用語で要約される。
以下の図６、図７、及び図８では、導光デバイスから光をカプリングアウトするための導光デバイスの２つのデカプリングデバイスの組み合わせに基づく例示的な実施形態が説明される。これらの導光デバイスをディスプレイデバイスにおいて使用することができ、ディスプレイデバイスは、立体視セグメントとホログラフィックセグメントとの双方を生成し、又はＳＬＭのイメージ若しくはＳＬＭのフーリエ平面における回折次数のイメージを生成する。
少なくとも１つのホログラフィック及び１つの立体視セグメントの生成は、図６、図７、及び図８でより詳細に説明される。例えば、ホログラフィックセグメントは、単一視差符号化を使用して生成することもでき、それにより、スイートスポットが一方の方向に提供され、仮想観察者ウィンドウが他方の方向に提供される。この例では、ホログラフィックセグメントは、符号化方向に水平に小さな視野を有するが、垂直方向に、したがって紙面に垂直に大規模な視野を有する。
この目的で、導光デバイスの双方の光デカプリングデバイスは、少なくとも１つの切替え可能な又は制御可能な格子エレメントを各々含むことができる。制御可能な格子エレメントは、第１の切替え状態へ及び第２の切替え状態へ切り替えられることができ、それに応じて制御されることができ、その結果、格子エレメントのアクティブな切替え状態（「オン」）である第１の切替え状態では、格子エレメントに入射する光が光ガイドからカプリングアウトされる。格子エレメントの受動的な切替え状態（「オフ」）である第２の切替え状態では、格子エレメントに入射する光が光ガイドからカプリングアウトされずに、さらに光ガイド内を伝播する。
さらに、制御可能な格子エレメントを複数のセクションへ分割することができ、それらセクションは、第１の切替え状態（「オン」）又は第２の切替え状態（「オフ」）に別個にしかるべく切り替えることができる。単一の立体視セグメントが少なくとも１つのホログラフィックセグメントに組み合わされることになるディスプレイデバイスでは、特に、少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成するために光をカプリングアウトするための光デカプリングデバイスの少なくとも１つの制御可能な格子エレメントが、複数のセクションへ分割される。
大規模な視野を達成するためのホログラフィックセグメント及びさらに立体視セグメントのデカプリングは、時系列的に行われる。これは、時間順で、第１の光デカプリングデバイスの少なくとも１つの制御可能な格子エレメント又は少なくとも１つの制御可能な格子エレメントのセクションが、及びその後に第２の光デカプリングデバイスの少なくとも１つの制御可能な格子エレメント又は少なくとも１つの制御可能な格子エレメントのセクションが、第１の切替え状態「オン」に切り替えられ、また各ケースで、同時に、他の光デカプリングデバイスの少なくとも１つの制御可能な格子エレメント又は少なくとも１つの制御可能な格子エレメントのセクションが、第２の切替え状態「オフ」に切り替えられることを意味する。複数のホログラフィックセグメント及び場合によっては複数の立体視セグメントのデカプリングも、このケースで同じ方式で時系列的に行われることもできる。この目的で、例えば、各光デカプリングデバイスの少なくとも１つの格子エレメントの特定のセクションのみを第１の切替え状態「オン」に切り替えることができ、したがって、少なくとも１つの格子エレメントのこれらのセクションに入射する光がカプリングアウトされ、様々なセグメントが生成される。
少なくとも１つの制御可能な格子エレメントを各々有する２つの光デカプリングデバイスを含む導光デバイスは、製造するには複雑で高コストであるが、そのような導光デバイスの動作における光デカプリングの要求も厳しい。この事実は、特に、湾曲された光ガイドが導光デバイスに使用され、したがって、光デカプリングデバイスの制御可能な格子エレメントもそれぞれ湾曲を有する必要がある場合に当てはまる。
したがって、やはり２つの光デカプリングデバイスを含む導光デバイスは好適であるが、これらの光デカプリングデバイスは、２つの光デカプリングデバイスの一方の光デカプリングデバイスが、少なくとも１つの受動的格子エレメントのみを含み、２つの光デカプリングデバイスの他方の光デカプリングデバイスが、少なくとも１つの制御可能な格子エレメントを含む形で形成される。この場合、特に、他方の光デカプリングデバイスがちょうど１つの制御可能な格子エレメントのみを含むことが好適である。しかしながら、制御可能な格子エレメントは複数のセクションに分割されてもよい。
ディスプレイデバイス、例えば図１ａに係るディスプレイデバイスのためのこのような導光デバイスが、図６に示されている。図示された導光デバイス７０は、この例示的な実施形態では湾曲形成もされる光ガイド７１を含み、ここでは、本明細書に開示されている他の全ての導光デバイスのように、平坦又は平面的な光ガイドも使用され得る。さらに、導光デバイス７０は、光カプリングデバイス７２及び２つの光デカプリングデバイス７３及び７４を含む。光ガイド７１には、その外側に遅延層７５がさらに設けられる。光の各通過中に、即ち、遅延層７５の１回目の通過及び遅延層７５の２回目の通過中に、それに面する光ガイド７１の境界面での反射の後に、光の偏光が変更される。ここでは、直線偏光した光の偏光が遅延層７５によって９０°回転される。ここでは、単一の遅延層が概略的に示されている。しかしながら、一般に、図４のように複数の遅延層を有する構成もあり得る。
図６に係る導光デバイスを使用して、大規模な視野を有する立体視セグメント、及び加えて、寸法がより小さいホログラフィックセグメントが生成され表現される。より小さなホログラフィックセグメントの位置は、立体視セグメントを使用して生成されたこの大規模な視野内で変位可能である。ホログラフィックセグメントの変位を達成するために、ホログラフィックセグメントは、代替的に、導光デバイス７０の異なる回数の反射の後にカプリングアウトされる。
大きな立体視セグメントのカプリングアウトを行う光デカプリングデバイス７４は、格子エレメント７４−１を含む。しかしながら、光デカプリングデバイス７４は、複数の格子エレメントを含むこともできる。格子エレメント７４−１は、ここでは透過的かつ受動的に形成される。光デカプリングデバイス７４は、好適には、ここで、少なくとも１つの偏光選択的な格子エレメント、例えば、偏光選択的な体積格子を含む。少なくとも１つの格子エレメントは、好適には、導光デバイス７０の光ガイド７１のＰ偏光光のみをカプリングアウトする。図６に従って提供された光デカプリングデバイス７４の偏光選択的な格子エレメント７４−１は、この場合、入射直線Ｐ偏光光を屈折させる。しかしながら、入射直線Ｓ偏光光は屈折されずカプリングアウトされない。
ブラッグ偏光格子エレメントを、右円偏光光のみを屈折させ左円偏光光を屈折させない特性を有する格子エレメントとして使用することもできる。したがって、以下に説明される導光デバイス７０の光カプリングアウトの原理は、ブラッグ偏光格子エレメントを含む導光デバイスにも適用可能である。ブラッグ偏光格子エレメントを有する導光デバイスの構成では、遅延層７５は、それが右円偏光光を左円偏光光へ及びその逆に変換又は変更するように形成される。
対照的に、少なくとも１つのホログラフィックセグメントのための光デカプリングデバイス７３は、制御可能又は切替え可能な格子エレメントを含む。加えて、光デカプリングデバイス７３は、さらなる受動的な格子エレメント、例えば、個々の波長の補正のための格子エレメントを含むことができる。
格子エレメントが有する偏向角は、概して、波長への依存性を有する。典型的には、同じ格子エレメントが、緑色又は青色光よりも大きな角度で赤色光を屈折させる。導光デバイスを有するディスプレイデバイスに関して、異なる波長の光、例えば、赤色、緑色、及び青色光（ＲＧＢ）は、有利には、光ガイド内の光の予め定義された等しい回数の反射の後に、光ガイドの同じ位置又はポイントでカプリングアウトされる。加えて、異なる波長の光はまた、観察者領域へ同じ角度で光ガイドのデカプリング位置から伝播する。これは、光のカプリング角度及びデカプリング角度が、使用される波長（赤、緑、青（ＲＧＢ））について等しい場合に、最も容易に実装され得る。
導光デバイスの内／外への光のカプリング又はデカプリング及び様々な色又は波長についての等しい角度の実装のための格子エレメントの使用は、個々の波長について異なる格子エレメント、又は個々の色についてその格子周期が設定可能な単一の格子エレメントの使用を必要とする。体積格子は、例えば、制限付きの角度選択性及び波長選択性を有することができることが知られている。例えば、有利には赤色光のみ又は緑色光のみ又は青色光のみを実質的に屈折させる体積格子を生成することが可能であり、なぜならば、それらは、他の各波長で非常に低い回折効率を有するからである。
光カプリングデバイス又は光デカプリングデバイスは、３つの格子エレメント、例えば、赤色光用の１つの体積格子、緑色光用の１つの体積格子、及び青色光用の１つの体積格子から作られるスタックを含むことができる。これらの３つの体積格子は、それぞれが、体積格子に同じ角度で入射する赤、緑、及び青色光を同じ角度で屈折させるようにも設計される。体積格子を用いて単一の層において複数の格子機能を発揮することが可能であることも知られている。格子エレメントスタックの代わりに、光カプリングデバイス又は光デカプリングデバイスは、したがって、赤、緑、及び青の光の偏向のための複数の発揮される格子機能を有する単一の格子エレメントを含んでもよい。格子エレメントスタックの場合、全ての格子エレメントが、任意選択で、切替え可能に及び／又は制御可能に設計され得る。しかしながら、複数の受動的格子エレメントが、好適には、単一のスイッチエレメント、例えば、偏光スイッチと組み合わされて使用される。
様々な波長の光のカプリング及びデカプリングでの同じ角度の偏向を達成する他の選択肢は、異なる角度で複数の波長を屈折させる格子エレメントを補正格子エレメントと組み合わせて使用することであり、補正格子エレメントは各々が、単一の波長について偏向角を補正して、この偏向角が別の波長の偏向角に対応するようにする。このような光カプリングデバイス又は光デカプリングデバイスにおいて、例えば複数の波長を屈折させる第１の格子エレメントが、表面レリーフ格子として又は偏光格子として設計されることができ、１つの波長の偏向角を補正するためのさらなる格子エレメントが体積格子として各々設計されることができる。第１の格子エレメントは、例えば、赤色光、緑色光、及び青色光を屈折させ、この場合、緑色光は望ましい角度で屈折されるが、赤色光は過剰に大きい角度で屈折され、青色光は過剰に小さい角度で屈折される。そこで、さらに提供された格子エレメントが、青色光及び赤色光について偏向角の補正を実行して、赤色光、緑色光、及び青色光が同じ角度で光ガイド内へカプリングされ、また再びカプリングアウトされるようにする。各波長についての偏向角の補正のために、複数の格子エレメントが１つの波長に対して使用されることもでき、例えば、体積格子の構成が、波長毎に各ケースで２つの格子エレメントを有する。偏向角を補正するための第１の体積格子が、各ケースで事前偏向を実行することができる。次いで、第２の体積格子が、望ましい出射角が実装され又はもたらされる形で、事前偏向された光を屈折させることができる。この場合、大きな偏向角を有する体積格子は一般に、小さな偏向角を有する体積格子よりも狭い波長選択性を有するという事実が利用される。１つの波長の光のみを屈折させる体積格子を実現することは、より狭い波長選択性を用いると、より容易である。
制御可能な格子エレメントは、図６によると、７３−１、７３−２、及び７３−３として識別される３つのセクションに分割される。
図６には、少なくとも１つのホログラフィックセグメントの生成及び表現のための光カプリングデバイス７２、及びこのホログラフィックセグメントについてのみの光ガイド７１内の光伝播が示されている。加えて、少なくとも１つの立体視セグメントの生成及び表現のための光カプリングデバイス７７が示されている。明瞭にするために、立体視セグメントについての光ガイド７１内の光伝播は示されていない。しかしながら、この立体視セグメントについての光伝播及び光デカプリングは、ここでは図３に示されたのと同様の方式で行われる。
偏光スイッチ７６は、導光デバイス７０の前段に、したがって、ホログラフィックセグメントの生成のための光ガイド７１への光のカプリングの前に、光の伝播方向に配置される。ホログラフィックセグメントの生成のための光カプリングデバイス７２は、ここでは偏光選択的でないように形成される。これは、光カプリングデバイス７２がＳ偏光光及びＰ偏光光について同様の効果を有することを意味する。光カプリングデバイス７２は、例えば体積格子として形成される、少なくとも１つの格子エレメントを含むことができる。体積格子は、フォトポリマーから構成されてもよい。
体積格子は、角度選択性及び波長選択性を有することが知られている。したがって、体積格子は、有利には、高効率で特定の入射角及び／又は特定の波長の光を意図的に屈折させるために使用され得る。
例えば、観察者が生成されたシーンを観察できる仮想観察者ウィンドウの生成と関連するホログラフィックセグメントの生成のために、又は、スイートスポットの生成と関連する立体視セグメントの生成のために、導光デバイスを有するディスプレイデバイスにおいて、概して、光の伝播方向において導光デバイスの後段に観察者領域即ち仮想観察者ウィンドウ又はスイートスポットを生成するために、特定の幅の角度選択性が必要である。そして、光ガイドから観察者領域内の様々な位置に伝播するために、光は、異なる角度で光ガイドの同じ位置からカプリングアウトされることが必要である。
したがって、光デカプリングデバイスで使用される格子エレメントは、例えば、その厚さ及び屈折率変調の選択によって、角度選択性がスイートスポットを生成するために十分に広い形で形成される。しかしながら、他方で、これは、光ガイド内の同じ位置での異なる格子エレメントの使用をより難しくする可能性があり、それらを使用して個々の格子エレメントの角度選択性に基づいて入射光ビームの分離が行われる。
図１ａ、図１ｂで説明されている立体視セグメントによると、光デカプリングデバイスの格子エレメントの偏向角は、湾曲された光ガイドに関する光ガイド内の格子エレメントの位置と共に変化する。
ホログラフィックセグメントの生成では、光デカプリングデバイスの格子エレメントの偏向角は、湾曲された光ガイドに関する視野全体にわたって等しい。
図６では、光デカプリングデバイス７３の格子エレメントの偏向角が、中央セクション７３−２におけるホログラフィックエレメント及び立体視セグメントについて異なる場合に関して説明されているが、このような小さな差があるので、格子エレメントとして使用される体積格子の角度選択性によって単に偏向角を分離するのは可能でない。これと対照的に、ホログラフィックセグメント及び立体視セグメントについての光デカプリングデバイス７３の格子エレメントの偏向角は、セクション７３−１及び７３−３においてより強く異なり、したがって、これらのセクション７３−１及び７３−３では、立体視エレメントのデカプリングに設定されるそれらと異なる格子エレメント７４−１の角度選択性と比較して、ホログラフィックセグメントのデカプリングに設定されるそれぞれ制御可能な格子エレメント７３−１又は７３−３の角度選択性によって、立体視セグメントからのホログラフィックセグメントのデカプリングの分離を行うことが可能である。例えば、制御可能な格子エレメント７３−１は、５３°と５７°の間の入射角を有する光のみを屈折させるように設定される。しかしながら、立体視セグメントの光のみが、制御可能な格子エレメント７３−１の位置で４５°と５０°の間の角度を持つ光を有する。したがって、制御可能な格子エレメント７３−１の角度選択性は、立体視セグメントの光が不用意にカプリングアウトされるのを防止するために十分である。
図６は、ホログラフィックセグメントを生成するための以下の手順を示しており、偏光スイッチ７６及び光デカプリングデバイス７３が、ホログラフィックセグメントの生成のためにしかるべく制御される。図６によれば、偏光スイッチ７６は、オフ状態にあるか又はオフに切り替えられる。ホログラフィックセグメントの生成のための光デカプリングデバイス７３の３つのセクション７３−１、７３−２、及び７３−３は同様にオフ状態にある。Ｓ偏光光が、照明デバイス（図示せず）によって放出され、ＳＬＭ（同じく図示せず）によって所要の情報で変調されており、その偏光を変えることなく偏光スイッチ７６を通過し、導光デバイス７０に入射する。Ｓ偏光光は、光カプリングデバイス７２によって光ガイド７１へカプリングされる。次いで、Ｓ偏光光は遅延層７５に入射し、それによりＳ偏光光の偏光が変更され、したがって、その後はＰ偏光光が提供される。次いで、このＰ偏光光は、光デカプリングデバイス７３の格子エレメントの第１のセクション７３−１に入射し、それによりカプリングアウトされずに、遅延層７５の方向に屈折される。Ｐ偏光光は、そこで遅延層７５に入射し、それを通過し、ここで、Ｐ偏光光はＳ偏光光に戻るように変換される。このＳ偏光光は、第２のセクション７３−２に入射し、このセクションによってやはりカプリングアウトされずに、再び遅延層７５の方向に屈折される。Ｓ偏光光は、再び遅延層７５に入射し、再びそれを通過し、ここで、Ｓ偏光光はＰ偏光光に戻るように変換される。Ｐ偏光光は、今度は第３のセクション７３−３に入射し、やはりそれによりカプリングアウトされずに、光ガイド７１内をさらに伝播する。光デカプリングデバイス７３の格子エレメントは、３つ全てのセクションでオフ状態にあるので、それにより光はカプリングアウトされない。
光デカプリングデバイス７３の格子エレメントの第１及び第３のセクション７３−１及び７３−３では、しかしながら、光の入射角は、この格子エレメントの角度選択性から外れており、したがって光はカプリングアウトされない。格子エレメントの第２のセクション２では、Ｓ偏光光は格子エレメントに入射するが、それは、Ｐ偏光光のみを選択的にカプリングアウトし屈折させる。したがって、光のデカプリングはやはり発生しない。
光デカプリングデバイス７３の格子エレメントの３つのセクション７３−１、７３−２、及び７３−３のこの駆動状態では、即ち、ホログラフィックセグメントを生成するための格子エレメントが、３つ全てのセクション７３−１、７３−２、及び７３−３でオフに切り替えられ又はオフ状態にある場合、立体視セグメントを生成するための光は、光デカプリングデバイス７４の受動的な格子エレメントによってカプリングアウトされ得る。さらなる光カプリングデバイス７７が、立体視セグメントを生成するために提供され、これは、図６の導光デバイス７０における光カプリングデバイス７２に隣接して提供される。この場合、偏光スイッチは、光の伝播方向で光カプリングデバイス７７の前段に配置されない。照明デバイスによって放出され、ＳＬＭによって所要の情報で変調された光が、導光デバイス７０の光カプリングデバイス７７へ向けられ、この光カプリングデバイス７７によって光ガイド７１へカプリングされて、立体視セグメントを生成して、より大規模な視野を達成する。これは、指示された光ビームによって示される。立体視セグメントの生成のための光ガイド７１内のビーム経路は、例えば、図２及び図３に示すようなものになる。ＳＬＭの画素から発して光ガイド７１内を伝播する個々の光ビームは、次いで、光デカプリングデバイス７４の受動的格子エレメント７４−１に入射し、導光デバイス７１のこの格子エレメント７４−１によってカプリングアウトされ、大規模な視野を形成する立体視セグメントを生成する。
図６に係る導光デバイス７０が、図７において２つの異なるケースで示されている。偏光スイッチ７６は、双方のケースにおいてオフ状態にあり、そこで、光デカプリングデバイス７３の格子エレメントの、下側に示されるケースによる第１のセクション７３−１、又は上側に示されるケースによる第３のセクション７３−３は、ホログラフィックセグメントを生成するためにオンに切り替えられ、又はオン状態にある。光デカプリングデバイス７３の格子エレメントは、Ｐ偏光光のみをカプリングアウトし、Ｓ偏光光は、光ガイド７１内をさらに伝播する。これは、Ｐ偏光光が光デカプリングデバイス７３の格子エレメントに入射した場合、光は、各ケースで第１のセクション７３−１又は第３のセクション７３−３においてカプリングアウトされることを意味し、なぜならば、これらのセクション７３−１及び７３−３は、図７の２つのケースに従ってオン状態にあるからである。第１のセクション７３−１によってカプリングアウトされた光は第２のセクション７３−２及び第３のセクション７３−３には全く到達しないので、原則として、第２のセクション７３−２及び第３のセクション７３−３の切替え状態は、格子エレメントの第１のセクション７３−１によって光をカプリングアウトするためには重要でない。しかしながら、逆に、光が第３のセクション７３−３によってカプリングアウトされるべき場合は、第１のセクション７３−１はオフ状態になければならない。
図６及び７に係る導光デバイス７０が図８にも示されている。但し、図８は、偏光スイッチ７６がオン状態になる場合を示している。このようにして、偏光スイッチ７６は入射光の偏光を変更する。図８によるケースでは、これは、偏光スイッチ７６に入射したＳ偏光光がＰ偏光光に変換されることを意味する。したがって、Ｐ偏光光は、光カプリングデバイス７２によって、ここで導光デバイス７０の光ガイド７１へカプリングされる。次いで、Ｐ偏光光は、遅延層７５に入射し、Ｓ偏光光に変換され、光デカプリングデバイス７３の格子エレメントの第１のセクション７３−１に入射する。Ｓ偏光光は、カプリングアウトされずに光ガイド７１内をさらに伝播し、遅延層７５によってＰ偏光光に戻るように変換され、オン状態にある格子エレメントの第２のセクション７３−２に入射する。この第２のセクション７３−２に入射したＰ偏光光は、ここで、光ガイド７１のこのセクション７３−２によってカプリングアウトされる。他の２つのセクション７３−１及び７３−３は各々オフ状態にある。しかしながら、２つのセクション７３−１及び７３−３の切替え状態は、ここでは重要ではなく、なぜならば、Ｓ偏光光はこれらのセクション７３−１及び７３−３の各々に入射し、Ｓ偏光光は光デカプリングデバイス７３の格子エレメントによってカプリングアウトされないからである。
図６から図８に係る導光デバイス７０における２つの光デカプリングデバイス７３及び７４の説明された構成を使用して、立体視セグメントを、光デカプリングデバイス７４によってカプリングアウトすることができ、さらに、１つ又は複数のホログラフィックセグメントを、代替的に、導光デバイス７０の同じ光ガイド７１から、時系列的に光デカプリングデバイス７３の格子エレメントの様々なセクションにおいてカプリングアウトすることができる。
２つの光デカプリングデバイス７３及び７４のこのような構成は、例えば様々な波長についての光のデカプリング角度の補正のための、さらなる好適な受動的な格子エレメントと組み合わされることもできる。
ホログラフィックセグメントＨＳＧ及び立体視セグメントＳＳＧについての視野が、図９に少し透視図法的に観察者の目８０から概略的に見られるように示されている。立体視セグメントＳＳＧは、固定された視野８１を生成し、低画素密度を有するＳＬＭのイメージを生成する。これは、図９では粗い網掛け又は構造によって示される。ホログラフィックセグメントＨＳＧが小さな視野を生成し、これは、立体視セグメントＳＳＧの視野内に配置され、このホログラフィックに生成された視野又はセグメントＨＳＧが観察者の目８０の視認方向８２に対応するように変位され得る。ホログラフィックセグメントＨＳＧは、より高い画素密度を有するＳＬＭのイメージを生成する。これは、図９では細かい網掛け又は構造によって示される。観察者の視認方向８２は、図９には示されていないが視線追跡デバイスによって、検出される。
図１ａ、ｂから図９及びさらに以下に説明される図１０による全ての示された例示的な実施形態において、ＳＬＭの少なくとも１つのイメージが、光学系及び導光デバイスによって生成され、それは、立体視セグメントとして又はホログラフィックセグメントとして具現化され、またそれは、表現されるべきシーン又はオブジェクトが表示される視野を定義する。視野が立体視セグメント及び少なくとも１つのホログラフィックセグメントによって形成される場合、観察者により直接注目されない又は焦点を当てられないながら注目されるオブジェクトの背景を表現するシーンの部分が、立体的に生成されたセグメントで表現されることができる。したがって、シーンのこの立体的に生成された部分は、より低い解像度でごく２次元（２Ｄ）的に表現されることで十分である。しかしながら、観察者に直接注目されるシーンの部分、例えばオブジェクトは、ホログラフィックに生成されたセグメントによって表現される。このホログラフィックセグメントは、高い解像度で表現され、シーンの焦点を当てられたオブジェクトは、ホログラフィックに及び３次元（３Ｄ）的に生成される。焦点を当てられた３次元的に表現された空間領域又はホログラフィックセグメントは、導光デバイスを使用して、観察者の検出された視認方向に対して、ホログラフィックセグメントを生成するための光のデカプリング位置を適応させ又は追跡させることによって、さらに移動され得る。
さらに、本発明の他の実施形態では、立体視セグメント及びさらに少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成するための導光デバイスのどちらの光デカプリングデバイスの格子エレメントも、反射型として形成されることもでき、光ガイドの外側に配置されることができ、この場合、遅延層は光ガイドの内側に配置されるべきであることにも留意されたい。体積格子が格子エレメントとして使用される場合、例えば、個々の実施形態で反射型及び透過型の体積格子の異なる角度選択性がそれぞれ利用され得る。反射型体積格子は通常、いくらか広い角度選択性を有する。透過的体積格子は、非常に狭い角度選択性を有することができる。
一般的ケースでは、導光デバイスは、立体視セグメント用とホログラフィックセグメント用の別個の光カプリングデバイス、又は、異なるホログラフィック及び立体視セグメントのための複数の光カプリングデバイスを含むこともでき、後者については図６に示されている。光デカプリングデバイスとは対照的に、光カプリングデバイスは、有利には、光ガイド上の様々な位置で空間的に分離されて配置され得る。
全体的に、例えば、ＳＬＭのイメージの固定された深さのみ又はＳＬＭのイメージの可変の深さを有する１つの立体視セグメントを使用する導光デバイスの様々な実施形態の可能性がもたらされ、後者は、好適には、観察者の視認方向の検出（視線追跡）と組み合わせることができる。さらに、ＳＬＭのイメージの固定された深さ又は可変の深さを有する立体視セグメントを、少なくとも１つのホログラフィックセグメントと組み合わせる選択肢が存在し、ここで、ホログラフィックセグメントは、同じ導光デバイスを用いて、又は別個の導光デバイスを用いて生成される。立体視セグメント及び少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成すために同じ導光デバイスが使用される場合、例えば、導光デバイスは、ホログラフィック及び立体視セグメントを生成するための光ガイドへの光のカプリングのためのいくつかの異なる隣接した領域を含むことができ、並びに／又は導光デバイスは、ホログラフィック及び立体視セグメントをデカプリングするためのいくつかの異なる格子エレメントを含むことができる。
２つの異なるＳＬＭを使用する、ホログラフィック表現と２次元又は３次元の立体視表現との組み合わせが、例えば、ヘッドマウントディスプレイなどのＶＲ（仮想現実）システムにおいて行われ得る。この目的で、好適には湾曲された光ガイドを含み、図５、図６、及び図８に従って設計され得る導光デバイスが、ヘッドマウントディスプレイのユーザの目の近くに配置される。ユーザは、この場合、この導光デバイスを通して、従来技術から既に知られているように、従来の２次元又は３次元の立体視ヘッドマウントディスプレイを見る。導光デバイスによって、少なくとも１つのホログラフィックセグメントが、選択され及び／又は定義された位置において検出された視認方向に応じて生成され重ね合わされ得る。対応する領域は、例えば、ステレオディスプレイの対応する画素を０（ゼロ）の振幅に設定し、それによりそれらをオフに切り替えることによって、ステレオ表現において空白にされる。ホログラフィックセグメントが生成されない場合、観察者は、導光デバイスを通して、大規模な視野において２次元又は３次元の立体視表現を見る。
図１０に、このようなヘッドマウントディスプレイが概略的に示されている。ヘッドマウントディスプレイは、立体視セグメントを生成するためのＳＬＭ１００、及び少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成するためのＳＬＭ１０１を備える。光学系１０２は、ＳＬＭ１００が拡大されて表現されるように、ヘッドマウントディスプレイに提供され配置される。光は、この場合、ヘッドマウントディスプレイのユーザの目１０４が位置付けられる射出瞳１０３の平面内へ向けられる。この場合、立体的に生成されたセグメントによって形成される大規模な視野１０５が生成される。さらに、ヘッドマウントディスプレイは、図５及び図６から図８に従って設計され得る導光デバイス１０６を備える。この導光デバイス１０６は、ユーザの目１０４と光学系１０２との間に提供される。ＳＬＭ１０１によって対応する情報で変調され、そこから放出した光が、導光デバイス１０６へ横方向にカプリングされる。ＳＬＭ１０１は、少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成するために十分にコヒーレントな光で照明される。ホログラフィックセグメントは、３次元のホログラフィックに生成された表現を示し、場合によってはユーザの目の動きへ追跡させられ得るが、次いで、導光デバイス１０６からカプリングアウトされる。次いで、ヘッドマウントディスプレイのユーザがさらに、この導光デバイス１０６を通して立体視コンテンツ又は表現又はシーンを知覚する。しかしながら、追加的に選択されたホログラフィックセグメントが、導光デバイス１０６からホログラフィックにカプリングアウトされることができ、３次元のコンテンツ又はシーンが、ユーザの目の視認方向に応じて表現されることができる。
図１０のヘッドマウントディスプレイは、単に概略的に示されたものである。概して、立体視ヘッドマウントディスプレイの光学的なセットアップは、それを使用してホログラフィックセグメントを生成するために変更されないとは想定できず、例えば、ホログラフ表現のために導光デバイスがユーザの目と立体視ヘッドマウントディスプレイの光学セットアップとの間に依然適合するように、観察者の目に対する光学セットアップの距離が適応されなければならない。また、組み合わせは、立体視ヘッドマウントディスプレイの示された実施形態に限定されない。
さらに、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るが、この教示を例示的な実施形態に限定しないことにも、特に留意されたい。
これに関連して、例示的な実施形態が図１ａ及び図１ｂに示されており、図１ｂは、図１ａに示されている導光デバイスの拡大図を示している。図１ａに示されているディスプレイデバイス１は、少なくとも１つの光源を備える照明デバイス（図示せず）と、ＳＬＭ２と、ここでイメージングエレメント３の形態の光学系と、導光デバイス４とを備える。導光デバイス４は、光ガイド５、光カプリングデバイス６、及び光デカプリングデバイス７を備える。光ガイド５は、ここでは湾曲されて具体化される。この例示的な実施形態では、光カプリングデバイス６は、光ガイド５へ光をカプリングするためのミラーエレメントを備え、このミラーエレメントは、光ガイド５に配置される傾斜した鏡面加工された面として形成される。光デカプリングデバイス７は、ここで格子エレメントを含む。格子エレメントは、全ての光入射位置で光ガイド５の表面に垂直に導光デバイス４からの光のカプリングアウトを可能にするために、この場合には光入射位置につれて変化する格子周期を有する。視野を拡大するために、表現されるべきオブジェクト及び表現されるべきシーンの情報に従って、照明デバイスにより放出された光がＳＬＭ２に向けられ、それにより変調される。明瞭にするため、ＳＬＭ２の３つの画素Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３のみから発し、異なるグレースケールで３つのビーム光で表現される、この変調された光は、光学系を介して、したがってここでイメージングエレメント３によって、光カプリングデバイス６に集束され、その結果、照明デバイスの光源のイメージが、そこで生じ又は生成される。このようにして、ＳＬＭ２の個々の画素Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、…ＰＮから発する光は、導光デバイス４に特に光カプリングデバイス６に平均して異なる角度で入射し、この光カプリングデバイス６によって光ガイド５へカプリングされる。それにより、光のカプリング角度スペクトル８は、図１ｂに示されるように定義される。画素Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３から来る３つの光ビームは、このように光カプリングデバイス６に異なるカプリング角度で入射する。この場合、これらの３つの光ビームは、光カプリングデバイス６のミラーエレメントによって光ガイド５へカプリングされ、その後、光ガイド５の境界面で全反射して光ガイド５内を異なる伝播角で伝播する。カプリングインされた角度スペクトル又はカプリング角度スペクトル８は、この場合、空気中で約３０°及び光ガイド５内で２０°である。予め決定された又は予め定義された回数の光ガイド５内の光の反射の後、この光は、光ガイド５から再びカプリングアウトされる。この例示的な実施形態では、カプリングインされた光ビームは、光ガイド５の内側面及び外側面又は境界面の各々で４回の反射の後に、光デカプリングデバイス７によって、したがってここでは格子エレメントによって、光ガイド５から再びカプリングアウトされる。導光デバイス４内又は光ガイド５内を伝播する光は、この場合、光ガイド５の局所表面に対して垂直にカプリングアウトされるが、光ガイド５の湾曲のため、導光デバイス４又は光ガイド５から観察者領域に対して平均して異なる角度でカプリングアウトされる。図１ｂにより明確に見ることができるように、このようにして光のデカプリング角度スペクトル９が定義される。図１ａ及び図１ｂの双方で明らかなように、光ガイド５からの光のカプリングアウトの後に、視野１０が、光ビームの焦点Ｆから見られるようにもたらされ、それは、ここでは点の網掛けによって明らかである。ここで生成された視野１０は、約５６°の角度範囲を有する。こうして明らかなように、光のデカプリング角度スペクトル９は、光ガイド５へカプリングされた光の角度スペクトル８の約２倍の大きさである。大規模な視野は、このようにして生成されることができ、その視野内で立体視及び／又はホログラフィック表現が生成され得る。したがって、大規模な視野の生成は、少なくとも１つの立体視セグメント及び／又は少なくとも１つのホログラフィックセグメントの生成によって行われ、この１つ又は複数のセグメントが視野を一緒に形成する。光の角度スペクトルの伝播、及び予め決定された回数の反射の後の光カプリングアウトによる視野の拡大は、ここで示すような湾曲された光ガイドに限定されるものではなく、導光デバイス内に平面的に形成された光ガイドの場合にも同様に適用可能である。
光デカプリングデバイス７３の格子エレメントの第１及び第３のセクション７３−１及び７３−３では、しかしながら、光の入射角は、この格子エレメントの角度選択性から外れており、したがって光はカプリングアウトされない。格子エレメントの第２のセクション７３−２では、Ｓ偏光光は格子エレメントに入射するが、それは、Ｐ偏光光のみを選択的にカプリングアウトし屈折させる。したがって、光のデカプリングはやはり発生しない。

Claims (49)

  1. ２次元の及び／若しくは３次元のオブジェクト又はシーンを表現するためのディスプレイデバイスであって、
    −光を変調するための複数の画素を有する少なくとも１つの空間光変調デバイスと、
    −少なくとも１つの光学系と、
    −少なくとも１つの導光デバイスと、を備え、
    前記光学系は、前記空間光変調デバイスの個々の前記画素から発する光ビームを、前記少なくとも１つの導光デバイスの表面に対して平均して異なる角度で、前記少なくとも１つの導光デバイスに入射してそこでカプリングできる形で設計され、それによりカプリング角度スペクトルが定義可能であり、前記少なくとも１つの導光デバイスにおいて伝播する前記光ビームを、観察者領域に対して平均して異なる角度で前記少なくとも１つの導光デバイスからカプリングアウトすることができ、それによりデカプリング角度スペクトルが定義可能であり、前記デカプリング角度スペクトルは、前記カプリング角度スペクトルと比較して拡大される、ディスプレイデバイス。
  2. 請求項１に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの導光デバイスは、光ガイド、少なくとも１つの光カプリングデバイス及び少なくとも１つの光デカプリングデバイスを含み、前記光は、前記光ガイドの境界面における反射を介して前記光ガイド内を伝播し、前記光ガイドの境界面での前記光の定義された回数の反射の後に、前記光デカプリングデバイスによる前記光ガイドからの前記光の前記カプリングアウトが提供される、ディスプレイデバイス。
  3. 請求項２に記載のディスプレイデバイスであって、制御可能エレメントが、前記光ガイドの境界面における前記光の反射の前記定義された回数を変化させるために提供される、ディスプレイデバイス。
  4. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの導光デバイスに入射する前記光が多重的な又は複数の光ビームを有する光束又は光フィールドとして形成される場合、前記導光デバイスの前記光ガイドの境界面における、前記光束又は光フィールドの全ての光ビームについて各ケースで等しい回数の反射の後に、前記光ビームについて前記光ガイドからのカプリングアウトが提供される、ディスプレイデバイス。
  5. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの空間光変調デバイスの各画素について、各ケースで、定義された回数の反射の後に当該画素からの前記光が到達する、前記光ガイドの境界面の１つの光入射位置は、前記光ガイドの幾何学的特性及び光学的特性並びに前記光カプリングデバイスの光学的特性から決定可能である、ディスプレイデバイス。
  6. 請求項５に記載のディスプレイデバイスであって、前記光ガイドの境界面の厚さ及び／又はあり得る曲率が、前記光入射位置を決定する前記光ガイドの幾何学的特性として使用可能であり、前記光ガイドの材料の屈折率が、前記光ガイドの光学的特性として使用可能である、ディスプレイデバイス。
  7. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの空間光変調デバイスのイメージが、前記少なくとも１つの導光デバイス及び前記少なくとも１つの光学系によって提供される、ディスプレイデバイス。
  8. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの空間光変調デバイスにおいて符号化されるシーンの情報項目を表現できる視野が、前記光ガイド内の前記少なくとも１つの空間光変調デバイスのエッジ画素からの光の相異なる長さの伝播経路により、及び、提供される観測者位置への前記光ガイドの距離により定義可能である、ディスプレイデバイス。
  9. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、照明デバイス内に提供される少なくとも１つの光源の光源イメージ又は前記空間光変調デバイスのイメージが、前記導光デバイスへの前記光のカプリングの前に、前記光の経路において前記光学系によって提供される、ディスプレイデバイス。
  10. 請求項９に記載のディスプレイデバイスであって、前記光カプリングデバイスは、光源イメージの位置の領域に又は当該領域内に提供される、ディスプレイデバイス。
  11. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記光カプリングデバイスは、受動的な又は制御可能な格子エレメントとして設計される、少なくとも１つのミラーエレメント又は少なくとも１つの格子エレメントを含む、ディスプレイデバイス。
  12. 請求項１１に記載のディスプレイデバイスであって、前記格子エレメントの格子定数又は前記光ガイドの前記表面に対する前記ミラーエレメントの傾斜角が、定義された回数の反射の後に前記光が到達する光入射位置を決定するための前記光カプリングデバイスの光学的特性として使用可能である、ディスプレイデバイス。
  13. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの光デカプリングデバイスは、前記空間光変調デバイスの異なる複数の画素からの前記光が前記光ガイドの境界面の１つでの定義された回数の反射の後に到達する全ての光入射位置を、当該光デカプリングデバイスの寸法及び位置が含む形で、前記少なくとも１つの導光デバイス内に提供される、ディスプレイデバイス。
  14. 請求項１３に記載のディスプレイデバイスであって、前記光デカプリングデバイスは、少なくとも１つの格子エレメント、具体的には偏向格子エレメント、好適には角度選択的偏向格子エレメント、好適には体積格子、又は少なくとも１つのミラーエレメントを含む、ディスプレイデバイス。
  15. 請求項１４に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの格子エレメントは、制御可能に設計され、前記光ガイド内の前記光が定義された回数の反射の後に到達する光入射位置に依存して、又は、前記光ガイド内の前記光が定義された回数の反射の後に有する光入射角に依存して、前記格子エレメントの格子周期が可変的に制御可能である、ディスプレイデバイス。
  16. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記導光デバイスは、少なくとも１つの遅延層を含む、ディスプレイデバイス。
  17. 先行する請求項１〜１５のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記導光デバイスは、少なくとも２つの遅延層を含み、前記少なくとも２つの遅延層は、複屈折材料を各々含み、前記少なくとも２つの遅延層の前記複屈折材料は、同一であるか又は異なる、ディスプレイデバイス。
  18. 請求項１７に記載のディスプレイデバイスであって、第１の遅延層の前記複屈折材料の光学軸は、当該層の面に配向され、第２の遅延層の前記複屈折材料の光学軸は、当該層の面に垂直に配向される、ディスプレイデバイス。
  19. 請求項１６、１７又は１８のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記光ガイドの外側面に少なくとも１つの遅延層が適用され、前記光ガイドの周囲に向かう当該遅延層の境界面において前記光の全ての反射が生じる形で、当該遅延層の屈折率及び前記光ガイド内を伝播する前記光の伝播角が選択される、ディスプレイデバイス。
  20. 請求項１６〜１９のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、直線偏光した光の入射の際に、前記光ガイド内を伝播する前記光の平均伝播角について、前記少なくとも１つの遅延層を通じた前記光の第１回の通過後に、前記光ガイドの周囲に向かう境界面において反射が提供され、前記少なくとも１つの遅延層を通じた前記光の後続のさらなる通過後に、前記光の偏光状態が９０度回転する形で、又は、円偏光した光の入射の際に、前記光ガイド内を伝播する前記光の平均伝播角について、前記少なくとも１つの遅延層を通じた前記光の第１回の通過後に、前記光ガイドの周囲に向かう境界面において反射が提供され、前記少なくとも１つの遅延層を通じた前記光の後続のさらなる通過後に、前記光の偏光状態が逆方向に回る形で、前記少なくとも１つの遅延層の厚さ、並びに前記少なくとも１つの遅延層の複屈折性及び光学軸の配置がそれぞれ設計される、ディスプレイデバイス。
  21. 請求項１６〜１９のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、直線偏光した光の入射の際に、前記光ガイド内を伝播する前記光の総伝播角範囲について、前記少なくとも１つの遅延層を通じた前記光の第１回の通過後に、前記光ガイドの周囲に向かう境界面において反射が提供され、前記少なくとも１つの遅延層を通じた前記光の後続のさらなる通過後に、前記光の偏光状態が実質的に９０度回転する形で、前記少なくとも１つの遅延層の厚さ、並びに前記少なくとも１つの遅延層の複屈折性及び光学軸の配置がそれぞれ設計される、ディスプレイデバイス。
  22. 請求項１６〜２１のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記光ガイド内での前記光の偶数回の反射及び奇数回の反射について前記光の偏光状態が相違する形で、前記少なくとも１つの遅延層を用いて、前記光ガイド内での前記光の前記偏光状態が変更可能であり又は設定可能である、ディスプレイデバイス。
  23. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記光ガイドと前記光デカプリングデバイスとの間に配置される反射偏光エレメント、好適にはワイヤグリッド偏光器、が提供される、ディスプレイデバイス。
  24. 請求項２３に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの遅延層と共に提供される前記光ガイドの境界面での奇数回の反射後に、前記反射偏光エレメントに入射した前記光が反射され、前記少なくとも１つの遅延層と共に提供される前記光ガイドの境界面での偶数回の反射後に、前記反射偏光エレメントに入射した前記光が透過する形で、前記反射偏光エレメントの向きが選択可能であり、反射の前記偶数回と前記奇数回とは交換されることができる、ディスプレイデバイス。
  25. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記光デカプリングデバイスは、偏光選択的な格子エレメントを含む、ディスプレイデバイス。
  26. 請求項２５に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの遅延層と共に提供される前記光ガイドの境界面での奇数回の反射後に、前記光デカプリングデバイスの前記偏光選択的な格子エレメントに入射した前記光が、当該格子エレメントによっては屈折されず前記光ガイドと周囲との間の境界面において反射され、前記少なくとも１つの遅延層と共に提供される前記光ガイドの境界面での偶数回の反射後に、前記光デカプリングデバイスの前記偏光選択的な格子エレメントに入射した前記光が、当該格子エレメントによって屈折され及び前記光ガイドから出射し、反射の前記偶数回と前記奇数回とは交換されることができる、ディスプレイデバイス。
  27. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記光の方向において前記少なくとも１つの導光デバイスの前に配置される制御可能な偏光スイッチが提供される、ディスプレイデバイス。
  28. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの光学系及び前記少なくとも１つの導光デバイスは、立体視又は前記少なくとも１つの空間光変調デバイスのイメージの視野を形成する少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成するために提供され、シーン又はオブジェクトの立体視又はホログラフ表現が前記視野内に提供される、ディスプレイデバイス。
  29. 先行する請求項１〜２７のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの光学系及び前記少なくとも１つの導光デバイスは、立体視及び少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成するために、又は少なくとも２つのホログラフィックセグメントを生成するために提供され、前記立体視及び前記少なくとも１つのホログラフィックセグメント、又は前記少なくとも２つのホログラフィックセグメントは、それぞれ、３次元のシーン又は３次元のオブジェクトを表現できる視野を共に形成する、ディスプレイデバイス。
  30. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの導光デバイスは、視野の少なくとも２つのセグメントを生成するための２つの光カプリングデバイスを含む、ディスプレイデバイス。
  31. 請求項３０に記載のディスプレイデバイスであって、前記２つの光カプリングデバイスは、互いにある距離で又は互いに直接近接して前記光ガイドに結合され、前記少なくとも１つの照明デバイスからの光は、前記光ガイドに対して位置の異なる前記２つの光カプリングデバイスによってカプリングされることができる、ディスプレイデバイス。
  32. 請求項３０又は３１に記載のディスプレイデバイスであって、生成される前記少なくとも２つのセグメントは、重なり合って前記視野を形成し、前記２つのセグメントの重なり合う領域は、視野角度当たり最高の画素密度を有し、２次元の及び／又は３次元のシーンを観察する観察者の中央の視認方向に対応する、ディスプレイデバイス。
  33. 請求項３０〜３２のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも２つのセグメントのうちの一方のセグメントは、立体視セグメントとして形成され、前記少なくとも２つのセグメントのうちの他方のセグメントは、ホログラフィックセグメントとして形成され、前記ホログラフィックセグメントは、前記観察者の中央の視認方向に生成されることができる、ディスプレイデバイス。
  34. 請求項３０〜３２のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも２つのセグメントは、ホログラフィックセグメントとして形成され、前記少なくとも２つのセグメントの重なり合う領域は、２次元の及び／又は３次元のシーンを観察する観察者の中央の視認方向、又は視線追跡により検出される視認方向に対応する、ディスプレイデバイス。
  35. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、少なくとも２つの光デカプリングデバイスが提供され、第１の光デカプリングデバイスは、少なくとも１つのホログラフィックセグメントを生成するための光をデカプリングするために提供され、第２の光デカプリングデバイスは、少なくとも１つの立体視セグメントを生成するための光をデカプリングするために提供される、ディスプレイデバイス。
  36. 請求項３５に記載のディスプレイデバイスであって、前記光デカプリングデバイスは、制御可能なものとして設計され、前記光デカプリングデバイスのある駆動状態において、定義された回数の反射の後に光がカプリングアウトされ、前記光デカプリングデバイスの他の駆動状態において、前記光ガイド内を前記光がさらに伝播する形で、前記光デカプリングデバイスはそれぞれ制御可能である、ディスプレイデバイス。
  37. 請求項２、３５又は３６のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、少なくとも１つの光デカプリングデバイスが複数のセクションへ分割され、前記少なくとも１つの光デカプリングデバイスは、複数のセクションにおいて制御可能なものとして設計され、前記少なくとも１つの光デカプリングデバイスは、前記光ガイドの境界面での前記光の反射回数が、ある回数の反射の後に前記光が到達する光入射位置に対応する、前記少なくとも１つの光デカプリングデバイスのあるセクションのある駆動状態により、及び、ある回数のさらなる反射の後に前記光が到達する光入射位置に対応する、前記少なくとも１つの光デカプリングデバイスのさらなるセクションの他の駆動状態により、又は、さらなる光デカプリングデバイスのあるセクションの他の駆動状態により、変更可能である形で制御可能である、ディスプレイデバイス。
  38. 請求項３５に記載のディスプレイデバイスであって、前記２つの光デカプリングデバイスのうちのある光デカプリングデバイスは、少なくとも１つの受動的な格子エレメントを含み、前記２つの光デカプリングデバイスのうちのさらなる光デカプリングデバイスは、少なくとも１つの制御可能な格子エレメントを含む、ディスプレイデバイス。
  39. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記光の方向において前記少なくとも１つの導光デバイスの前に配置される追跡デバイスが提供される、ディスプレイデバイス。
  40. 請求項３９に記載のディスプレイデバイスであって、前記追跡デバイスは、レンズ機能が書き込まれた少なくとも１つの格子エレメント又は１つの可変レンズエレメントを含む、ディスプレイデバイス。
  41. 請求項３９又は４０に記載のディスプレイデバイスであって、前記オブジェクト又は前記シーンを観察する観察者の視界を追跡し及び検出することのできる視線追跡デバイスが提供され、前記少なくとも１つの空間光変調デバイスのイメージの位置又はセグメントの位置は、前記追跡デバイスを用いる前記視線追跡デバイスによって検出される前記観察者の目の焦点位置に対し適応可能である、ディスプレイデバイス。
  42. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの導光デバイスの前記光ガイドは、少なくとも複数のセクションで少なくとも一方向に湾曲形成される、ディスプレイデバイス。
  43. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、光源イメージの平面内又は前記少なくとも１つの空間光変調デバイスのイメージの平面内に、仮想観察者領域を生成可能である、ディスプレイデバイス。
  44. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記イメージ又は前記少なくとも１つの空間光変調デバイスの前記イメージの単一のセグメントについて、前記少なくとも１つの導光デバイスへの進入の後の、前記少なくとも１つの空間光変調デバイスの多様な画素から来る光の前記カプリングアウトは、全ての画素について各ケースで等しく前記光ガイドの境界面でのある回数の反射の後に提供される、ディスプレイデバイス。
  45. 先行する請求項のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスであって、前記少なくとも１つの空間光変調デバイスの前記イメージの異なる複数のセグメントについて、あるセグメントを生成するための前記光ガイドの境界面での前記光の反射の回数は、他のセグメントを生成するための前記光ガイドの境界面での前記光の反射の回数と相違する、ディスプレイデバイス。
  46. ２つのディスプレイデバイスを含むヘッドマウントディスプレイであって、前記ディスプレイデバイスは、請求項１〜４５のいずれか１項に記載のディスプレイデバイスに従って各々設計され、観察者の左目及び前記観察者の右目にそれぞれ関連付けられる、ヘッドマウントディスプレイ。
  47. 複数の画素を有する少なくとも１つの空間光変調デバイス及び少なくとも１つの導光デバイスによって、シーン又はオブジェクトが立体的に及び／又はホログラフィックに表現される大規模な視野を生成するための方法であって、
    −前記少なくとも１つの空間光変調デバイスは、前記シーン又は前記オブジェクトの所要の情報を伴う入射光を変調し
    −前記変調される光は、前記少なくとも１つの空間光変調デバイスの前記画素から発する光ビームが、前記少なくとも１つの導光デバイスの表面に対して平均して異なる角度で、前記少なくとも１つの導光デバイスに入射してそこでカプリングされる形で、光学系によって形成され、それによりカプリング角度スペクトルが定義され、前記少なくとも１つの導光デバイス内を伝播する前記光ビームは、前記少なくとも１つの導光デバイスの観察者領域に対して平均して異なる角度でカプリングアウトされ、それによりデカプリング角度スペクトルが定義され、前記デカプリング角度スペクトルは、前記カプリング角度スペクトルと比較して拡大される、方法。
  48. 請求項４７に記載の方法であって、前記空間光変調デバイスのイメージ、及び／又は、複数のセグメントからなる前記空間光変調デバイスのイメージが生成される、方法。
  49. 請求項４７又は４８に記載の方法であって、前記光カプリングデバイスの領域内に光源イメージが生成される、方法。
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