TWI811224B - 放大視野顯示裝置及產生大視野的方法 - Google Patents

放大視野顯示裝置及產生大視野的方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI811224B
TWI811224B TW107124191A TW107124191A TWI811224B TW I811224 B TWI811224 B TW I811224B TW 107124191 A TW107124191 A TW 107124191A TW 107124191 A TW107124191 A TW 107124191A TW I811224 B TWI811224 B TW I811224B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
light
light guide
display device
photoconductor
reflections
Prior art date
Application number
TW107124191A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201908816A (zh
Inventor
諾伯特 萊斯特
博 克勒爾
杰拉爾德 費德勒
Original Assignee
盧森堡商喜瑞爾工業公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 盧森堡商喜瑞爾工業公司 filed Critical 盧森堡商喜瑞爾工業公司
Publication of TW201908816A publication Critical patent/TW201908816A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI811224B publication Critical patent/TWI811224B/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0176—Head mounted characterised by mechanical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0081—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. enlarging, the entrance or exit pupil
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1828—Diffraction gratings having means for producing variable diffraction
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3083—Birefringent or phase retarding elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0045—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it by shaping at least a portion of the light guide
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2294—Addressing the hologram to an active spatial light modulator
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0149—Head-up displays characterised by mechanical features
    • G02B2027/015—Head-up displays characterised by mechanical features involving arrangement aiming to get less bulky devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2202—Reconstruction geometries or arrangements
    • G03H2001/2236—Details of the viewing window
    • G03H2001/2239—Enlarging the viewing window
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2270/00—Substrate bearing the hologram
    • G03H2270/20—Shape
    • G03H2270/21—Curved bearing surface

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)
  • Devices For Indicating Variable Information By Combining Individual Elements (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Stereoscopic And Panoramic Photography (AREA)
  • Transforming Electric Information Into Light Information (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)
  • Control Of Indicators Other Than Cathode Ray Tubes (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

本發明涉及一種顯示二維及/或生維物件或場景的顯示裝置。本發明的顯示裝置具有至少一個帶有調制光線用的像素的空間光調制裝置、至少一個光學系統、以及至少一個光導裝置。光學系統的構造使空間光調制裝置的各個像素發出的光束以在中間相對於至少一個光導裝置的表面的不同角度照射到該至少一個光導裝置，而且可以輸入耦合，因此可以定義一個輸入耦合角度譜。在至少一個光導裝置內傳播的光線能夠以在中間相對於一個觀察者範圍的不同角度從至少一個光導裝置輸出耦合，因此可以定義一個輸出耦合角度譜。相較於輸入耦合角度譜，輸出耦合角度譜被放大。

Description

放大視野顯示裝置及產生大視野的方法
本發明涉及一種顯示二維及/或三維物件或場景用的顯示裝置。此外，本發明還涉及一種利用此種顯示裝置產生大視野的方法。
具有光導體的光導裝置在光學領域的應用非常廣泛。尤其被廣泛後於雷射領域。光導體的內部通常有一個被外殼或外殼層圍繞住的核心。進入光導體的光線在光導體內通常是經由全反射被導引。之所以會產生這種以全反射為基礎的光線導引作用，是因為核心材料的折射率大於外殼材料的折射率，如果沒外殼層，則是因為光導體材料的折射率大於周圍環境(例如空氣)的折射率。
光導裝置可應用於其他領域，例如用於顯示重建場景的裝置，特別是用於顯示重建的三維場景或物點用的裝置。例如，此類裝置可以是放置在非常接近場景觀察者的眼睛的顯示器或顯示裝置，也就是所謂的近眼顯示器(Near-to-Eye-Display)。例如，頭戴顯示器(HMD)就是一種近眼顯示器。
對頭戴顯示器(HMD)或其他類似的近眼顯示器或顯示裝置而言，一個很重要的要求是使具有緊實且重量輕的光學結構。因為此類顯示裝置通常是被固定在使用者的頭上，因此體積大又很重的結構會對使用者的舒適度造成不利影響。
對於HMD的使用者舒適度的另一個重要條件是使用者的視場或視野(Field of View)。盡可能大的視野有很大的優點。但是要達到顯示大視野及高解析度的要求，空間光調制裝置通常需具有龐大數量的像素。
US 2013/0222384 A1揭示一種具有一個虛擬觀察者視窗的全息頭戴顯示器(HMD)。這種頭戴顯示器可以透過將視野分段產生大視野。其實施方式是利用一空間光調制裝置及一適當的光學系統按照時序產生不同的視野部分，透過一虛擬觀察者視窗可以看到該等視野部分。這種裝置的一個優點是可以透過依序顯示的方式產生一個大視野，因此空間光調制裝置無需很大數量的像素。
US 2013/0222384 A1有描述不同的實施方式，這些實施方式都是利用這種由空間光調制裝置的分段集成的多重成像達到放大視野的目的。
US 2013/0222384 A1也有描述具有波導管的實施方式。一種實施方式具有一個左眼用的波導管及一個右眼用的波導管。在觀察者的頭部兩邊各設有一個光調制裝置及一個光學鏡組，其中觀察者的每一個眼睛都經由光柵讓光線被輸入耦合到波導管。光線經由輸入耦合光柵以平角被輸入耦合到波導管，因此所有輸入耦合角度的光線都會經由在波導管的兩個彼此平行的交界面上的全反射朝波導管的方向傳播。一個光偏轉裝置會按照時序產生不同的角度譜，同時這些角度譜輸入耦合到波導管。為了產生分段式多重成像，必須為多重成像的每一個分段將一個不同的角度譜輸入耦合到波導管。由光偏轉裝置產生的每一個角度譜的光線會分別在不 同的位置，通過多個輸出耦合光柵朝觀察者的眼睛方向輸出耦合到波導管之外，其中該等輸出耦合光柵是按照其對一不同角度範圍的角度選擇性陳列，而且彼此並排在一起。
相較於US 2013/0222384 A1描述的其他實施方式，這種實施方式的優點是波導管的重量較輕，而且結構緊實。
關於光線在光導體內的傳播，此處要摘錄的是Keigo Lizuka的光子學二(Element of Photonics)，第9章，“集成光學鏡組的平面光導體”：“積體光學的基礎是平面光導體。光線被介質導引，此種介質的反射率大於周圍層的反射率...。根據幾何光學，如果滿足某些條件，光線將會通過連續全內反射傳播，而且損耗非常小。這些條件是光線傳播支持層的反射率必須大於周圍介質的折射率，以及光線必須在滿足上邊界及下邊界處全內反射的角度內被發射出去。但是當導光介質的尺寸與光的波長相當時，這個簡單的幾何光學理論就失效了。在這種情況下，光導體僅支持離散數量的角度的傳播，這稱為傳播模式”。在這種情況下，光線的傳播是以擬設波光學來描述。通常是使用”波導管”這個名詞。在這種波管導內不存在特定的幾何光束路徑。
為區別起見，本專利登記所稱的”光導體”是指一種能夠以幾何光學描述其光線傳播的具有足夠厚度的元件。例如，這種光導體的厚度可以是數公厘，例如2mm或3mm。
雖然全息顯示裝置或顯示器是奠基於在空間光調制裝置之像素的孔隙上的繞射效應，以及從一個光源發出的相干光線的干涉效應。但是產生虛擬觀察者視窗的全息顯示裝置的若干重要的條件能夠以幾何光學加以表述及定義。
其中一個重要的條件是顯示裝置內的照明光程。這個照明光程用於產生虛擬觀察者視窗。一個空間光調制裝置被一具有至少一個真實或虛擬光源的照明裝置照亮。接著來自空間光調制裝置之不同像素的光線必須射入觀察者視窗照亮空間光調制裝置的照明裝置的至少一個光源通常會成像在一具有虛擬觀察者視窗的觀察者平面上。例如，光源像在虛擬觀察者視窗的中心。在以平面波(相當於一位於無窮遠處的光源)照亮空間光調制裝置時，從空間光調制裝置之不同像素垂直射出的光線會聚焦在觀察者視窗的中心。從空間光調制裝置之不同像素以相同的繞射角度(但不是垂直)射出的光線也會聚焦在觀察者視窗的同一個位置。但是一般而言，虛擬觀察者視窗也可以相對於該至少一個光源的成像朝側面偏移，例如，該至少一個光源的成像的位置能夠與觀察者視窗的左邊或右邊邊緣重合。
另一個重要條件是在全息顯示裝置或顯示器(不包括直視顯示器)內的成像光程。在HMD內，一個小尺寸的空間光調制裝置通常會產生一個放大的成像。這通常是一個虛像，觀察者看到這個虛像的距離會大於這個空間光調制裝置本身所在的距離。空間光調制裝置的各個像素通常會被放大成像。
產生一虛擬觀察者視窗的全息直視顯示器具有一個照明光程。這種顯示器具有一包含至少一個光源的照明裝置。例如，照明裝置是一個背光，其產生的準直平面波前將空間光調制裝置照亮。準直波前相當於一個從無窮遠處將空間光調制裝置照亮的虛擬光源。但是也可以用發散波前或收斂波前照亮空間光調制裝置，這相當於一在有限遠處位於空間光調制裝置之前或之後的真實光源或虛擬光源。場透鏡將來自空間光調制裝置的光線聚焦在一虛擬觀察者視窗的位置。如果沒有任何全息圖被寫入空間光調制裝置，則會在觀察者平面 上產生光源的一個成像，而且會以較高的繞射級周期性重覆這個成像。如果有一適當的全息圖被寫入空間光調制裝置，則會在第0繞射級附近產生一個虛擬觀察者視窗。在以下的說明中將這個情況表述為虛擬觀察者視窗位於光源像的一個平面上。在全息直視顯示器中，產生光源之成像的場透鏡通常位於空間光調制裝置附近。觀察者是從他所在的真實距離看到空間光調制裝置，而且不存在空間光調制裝置的成像。因此不會有成像光程。如前面所述，如果是其他的全息顯示裝置，例如頭戴顯示器(HMD)、抬頭顯示器(HUD)、或其他的投影顯示器，則可能另外具有一個成像光程。在這些顯示裝置內會產生空間光調制裝置的一個被觀察者看到的實像或虛像，其中照明光程對於產生虛擬觀察者視窗是很重要的。因此對這些顯示裝置而言，這兩個光程(照明光程及成像光程)都是很重要的。
對於其他顯示裝置，例如立體顯示裝置，一種可能出現的情況是有一個成像光程及一個照明光程。例如，用於產生甜蜜點(Sweet-Spots)的立體顯示裝置可以具有一類似於前面提及之全息顯示裝置的光學裝置，也就是說，具有一空間光調制裝置的準直照明及一個場透鏡，以及其他的附加元件，例如具有特定散射角的散射元件。如果將散射元件從顯示裝置取出，場透鏡就會在甜蜜點的平面上產生一個光源像。但是在有散射元件的情況下，光線會分佈在延伸的甜蜜點上，這個甜蜜點的寬度小於觀察者的瞳孔間的距離。但是要能夠以沒有暈映效應的方式完整的看到立體成像，照明光程是很重要的。三維立體顯示裝置同樣可以具有一個成像光程，這樣就可以在距離觀察者一個特定距離的位置產生空間光調制裝置的成像。
對全息顯示裝置而言，在計算源自三維場景的全息圖時，半全息圖的典型尺寸是由三維場景在空間中相對於空間光調制裝置之平面或像平面的位置決定。例如，一個位於空間光調制裝置之平面或像平面之前與觀察者相距很遠位置的場景會形成大尺寸的半全息圖。但是大尺寸的半全息圖會使計算全息圖的工作量變大。本案申請人在WO 2016/156287 A1揭示一種引進空間光調制裝置的虛平面的計算方法，以減輕計算全息圖的工作量。另一個目的是提供選擇光學系統的可能性，以便在一有利的位置形成空間光調制裝置的像平面，這樣就能夠以小尺寸的半全息圖計算全息圖。
由於光學系統及/或成像系統內的限制，並不是在所有的情況下都能夠在一個對半全息圖的計算有利的位置產生空間光調制裝置的成像。例如，為了達到在頭載顯示器內形成大視野的要求，可能必須將一個焦距很短的透鏡設置在觀察者的眼睛前面距離眼睛很近的位置。但是在這種情況下，如果不能將空間光調制裝置設置在足夠靠近透鏡的位置，將會提高在一個對全息圖之計算有利的位置產生空間光調制裝置的像平面的困難度。
根據產生虛擬觀察者視窗之全息顯示裝置的另一種配置方式，空間光調制裝置也可能成像在虛擬觀察者視窗上。如果不存在一個物理性的屏幕，則三維場景的全息顯示是發生在空間光調制裝置的傅利葉平面(也就是光源的像平面)上的一種屏幕或參考平面上。因此在這種顯示裝置內同樣會有成像光程及照明光程。只是二者對於全息圖平面及觀察者平面的重要性會互換。在這種情況下，虛擬觀察者視窗位於空間光調制裝置的一個像平面上，因此與成像光程有關。全息圖或從三維場景計算全息圖用的參考平面位於空間光調制裝置的傅利葉平面上，因此與照明光程有關。根據WO 2016/156287 A1，為了計算這 種顯示裝置的全息圖，可以在空間光調制裝置的傅利葉平面上設置一個虛擬平面。接著在這個虛擬平面上計算半全息圖，並將其加總。然後經過傅利葉轉換，從總全息圖計算出能夠被寫入空間光調制裝置的全息圖。
經過修改後，這種在觀察者平面上具有空間光調制裝置的一個成像的顯示裝置，可以成為一種對左眼及右眼具有兩個平視的立體三維顯示裝置。
如果在空間光調制裝置內寫入一個適當的計算出的全息圖，而且顯示裝置的照明裝置能夠產生足夠的相干光線，則會在空間光調制裝置的傅利葉平面產生一個作為全息圖的傅利葉轉換式的二維成像。在這個平面上可以有另一個散射元件。如果是在沒有散射元件的情況下在觀察者平面產生空間光調制裝置的成像，則在有散射元件的情況下會產生一個甜蜜點，而不是產生空間光調制裝置的成像。甜蜜點的尺寸是由散射元件的散射角決定。例如，這種配置方式可應用於抬頭顯示器(HUD)。
以下的說明主要是涉及在光源像的平面上存在虛擬觀察者視窗或甜蜜點的情況。但是前面提及的成像光程與照明光程互換，或是空間光調制裝置的平面與焦平面的互換，亦可應用於空間光調制裝置在虛擬觀察者視窗有一個成像的實施方式。因此本發明並不限於在光源像的平面上有虛擬觀察者視窗或甜蜜點的情況。
在某些情況下，透過產生光調制裝置的多重成像的複數個全息分段以產生大視野的作法，可以需要大量的計算工作及花費很長的時間。
因此本發明的目的是提出一種顯示裝置，尤其是一種設置在很接近使用者的眼睛位置的顯示裝置，這種顯示裝置能夠以簡單的方法且無需大量的計算工作及很長的時間，就可以產生很大的可視或視野。一種有利的方式是結合空間光調制裝置的分段成像以實現這種顯示裝置。本發明的另一個目的是提出一種顯示裝置，其具有一緊實且重量輕的結構，而且能夠為空間光調制裝置的成像的所有分段在同一個位置產生一個虛擬觀察者視窗。
採用具有申請專利範圍第1項之特徵的顯示裝置即可達到這個目的。
本發明提出的顯示裝置特別適於應用在近眼顯示器(Near-to-Eye-Display)及頭載顯示器，並是其應用範圍並不限於此等顯示器。例如，本發明的顯示裝置亦可應用於抬頭顯示器。本發明的這種顯示二維及/或三維物件或場景的顯示裝置具有至少一個帶有像素的空間光調制裝置、至少一個光學系統、以及至少一個光導裝置。該至少一個空間光調制裝置的任務是調制入射光線。光學系統的構造使空間光調制裝置的各個像素發出的光束以在中間相對於光導裝置的表面的不同角度照射到光導裝置，而且可以輸入耦合。因此可以定義光線的一個輸入耦合角度譜。由空間光調制裝置的各個像素發出並在光導裝置內傳播的光線，能夠以在中間相對於一個觀察者範圍(例如虛擬觀察者視窗或甜蜜點)的不同角度從光導裝置輸出耦合，因此可以定義一個輸出耦合角度譜。相較於輸入耦合角度譜，輸出耦合角度譜被放大。
從至少一個空間光調制裝置的不同像素發出的光線或光束被具有一個光導體、至少一個光輸入耦合裝置及至少一個光輸出合裝置的光導裝置以在中間不同的角度輸入耦合到光導裝置。由於光線的各個光束各有不同的角 度，因此可以定義出輸入耦合角度譜或輸入耦合角度範圍，其中光線的各個光束是由至少一個空間光調制裝置的各個像素發出，並以不同的角度照射在光導裝置上。從各個不同的像素發出、並在光導裝置的光導體內以不同角度傳播的光線也會以在中間相對於一個觀察者範圍的不同角度從光導裝置輸出耦合。以這種方式可以產生及定義光線的輸出耦合角度譜或輸出角度範圍。這個輸出耦合角度譜大於輸入耦合角度譜。
如果光導裝置內的光導體是一種扁平光導體，則空間光調制裝置的各個不同像素發出的光線也會以相對於光導裝置的表面不同的角度，或是以相對於一個觀察者範圍的不同角度從光導裝置耦合。如果光導裝置內的光導體是一種彎曲的光導體，則一種可能的情況是，光線以垂直於光導裝置的表面的角度被輸出耦合，但然後以不同的角度朝觀察者範圍傳播。
所面提及的”以在中間的”不同角度是指至少一個空間光調制裝置的每一個像素發出的光束中的中間光束的角度。如果所有像素的中間光束照射到光導裝置的光輸入耦合裝置，這些光束的角度對每一個像素都應該是不同的。例如，可以利用設置在空間光調制裝置及光導裝置之間的光學系統調整所有像素的中間光束照射到光導裝置的光輸入耦合裝置的角度，也可以選擇利用在光程上位於空間光調制裝置之前的光學系統調整這個角度。但是根據本發明某些實施方式，由各個像素發出的各個光束彼此之間並無明顯的平行性，也就是說並非所有的光束都是彼此平行。因此一種可能的情況是，某一個像素發出的光束的角度與另一個像素發出的光束的角度是一樣的。例如，由於在發生在像素孔隙的繞射，從像素發出的光束可以為每一個像素形成一個角度譜。另一個可能性是，由於使用散射元件，因此已經是用角度譜照亮空間光調制裝置。 但是在這些情況下，可以從這個角度譜明確找出一個中間角度。因此平均來看，至少一個空間光調制裝置的所有像素的光束是以相對於光導裝置或光輸入耦合裝置的表面的不同角度被輸入耦合到光導裝置，以及相對於一個觀察者範圍以不同的角度從光導裝置被輸出耦合。由於人在其所處的自然環境中僅能從一個有限的立體角看到具有高解析度及可強烈感受的三維印象。如果有一很大的立體角供這個人使用，則只有在整個立體角的部分範圍內具有”高解析度及可強烈感受三維印象”的特徵。這個部分範圍就是這個人能夠特別集中注意力的範圍，或說是這個人能夠聚焦的範圍。由於這個範圍能夠隨著人的眼睛移動而移動，因此一種有利的作法是使以很強的聚焦特徵及三維特徵顯示的空間範圍也跟著移動。為了讓這個空間範圍能夠移動，需要掌握人的眼睛位置及/或視線。
本發明的顯示裝置是以這種方式產生大視野，在這個大場景內可以顯示二維或三維物件或場景。所顯示的內容也可以是二維物件及三維物件的組合。顯示二維物件及三維物件的組合的優點是所需的計算工作及時間花費遠少於顯示全息重建的三維場景所需的計算工作及時間花費，因為只有三維物件要求較多的計算工作及時間花費才能顯示，而二維物件僅需較少的計算工作及時間花費即可顯示。這個巨大的優點就是採用組合顯示的背景。人在其所處的自然環境中僅能從一個有限的立體角看到具有高解析度及可強烈感受的三維印象。如果有一很大的立體角供這個人使用，則只有在整個立體角的部分範圍內具有”高解析度及可強烈感受三維印象”的特徵。這個部分範圍就是這個人能夠特別集中注意力的範圍，或說是這個人能夠聚焦的範圍。由於這個範圍能夠隨著人的眼睛移動而移動，因此一種有利的作法是使以很強的聚焦特徵及三維特徵 顯示的空間範圍也跟著移動。為了讓這個空間範圍能夠移動，需要掌握人的眼睛位置及/或視線。
使用先前技術的顯示裝置內的光導體通常會將一特定角度譜的光線輸入耦合到光導體。這個具有特定角度譜的光線在光導體內傳播，然後在一個輸出耦合區從光導體被輸出耦合。但是光導體本身並不會改變光線的角度譜，因此也不會改變視野。輸出耦合的光線的角度譜，也就是一個觀察物件或場景的觀察者可看到的視野，就相當於輸入耦合的角度譜。
不論是申請人在PCT/EP2018/053496或US 2013/0222384 A1揭示的顯示裝置都具有一個光導裝置，透過這個光導裝置可以產生空間光調制裝置的成像的全息分段，此種顯示裝置可依序顯示多個分段，以擴大整個視野。其作法是將視野的分段結點在一起，其中成像的各個分段分別顯示視野的一個分段。但是在這個顯示裝置內，對於成像的各個分段而言，輸出耦合的角度譜及分段所屬的視野相當於光線的輸入耦合的角度譜。
但是本發明的顯示裝置並不是這樣，因為對本發明的顯示裝置而言，源自光導裝置的光線的輸出耦合的角度譜，以及由此產生的視野大於輸入耦合到光導裝置上的光線的角度譜。例如，透過這種方式，可以為立體顯示物件或場景產生及/或達到一個很大的視野。例如，這種視野可以大到約60度的角度範圍。僅需一個分段或空間光調制裝置的一個成像，即可產生這個角度範圍。
根據申請在PCT/EP2018/053496揭示一種產生全息分段用的光導裝置。在不考慮空間光調制裝置的像素的繞射角的情況下，光線輸入耦合到光導裝置的光導體的方式是空間光調制裝置的所有像素的光線都是垂直入射到光 導體表面及一個輸入耦合元件。在光導體內傳播的光線在經過固定次數的反射後，會以垂直於光導體表面的方式被輸出耦合。
在其他使用先前技術的光導體中，光線的角度譜是在一個輸入耦合面被輸入耦合到光導體，同時在光導體內經過在光導體的輸出耦合面上不同次數的反射後(對每一個角度的反射次數均不同)，一個相同的角度譜(未變大的角度譜)在距離輸入耦合面一特定距離的位置被輸出耦合。
本發明的顯示裝置的一個優點是能夠結合在光導體內發生固定次數的反射的特徵。因此光線經由在光導體的交界面上的反射在光導體內傳播，其中經過在光導體的交界面上發生特定次數的反射後，光線會經由一光線輸出耦合裝置從光導體輸出耦合。一種有利的方式是設置一個可控制元件，以改變光線在光導體的交界面上發生反射的次數。
為了產生大視野，這種方式是透過光學系統及光導裝置的組合，將光線的一個特定的角度譜的輸入耦合與為每一個角度在光導裝置的光導體內發生固定次數的反射組合在一起。
這表示透過光導裝置，當光線在光導體的交界面上的反射達到一事先設定的固定次數後，光線會在光導體內的不同位置從光導體輸出耦合。
從至少一個空間空調制裝置的不同像素發出、並分別以不同的角度輸入耦合到光導裝置或光導裝置的光導體的光線，在經過事先設定次數的反射後，會在光導體內通過不同長度的傳播路徑，然後經由至少一個光輸出耦合裝置從光導裝置被輸出耦合。通過光線在光導裝置內的不同長度的傳播路徑，可以將輸出耦合角度譜放大，也就是說輸出耦合角度會大於輸入耦合角度譜。
根據本發明的一種有利的實施方式，如果入射到至少一個光導裝置的光束構成光束或光場，也就含有複數或許多道光線的光束或光場，在光束或光場的所有光線都在光導裝置的光導體的交界面上經過相同次數的反射後，光線會從光導體被輸出耦合。
根據本發明，光場是由一特定範圍內的光線總數所定義。因此光場是所有入射光線的總合。
為了顯示立體物件或場景，一種有利的方式是使至少一個空間光調制裝置的不同像素發出的光線在不同的位置經過相同次數的反射後，從光導裝置被輸出耦合，這樣就可以產生無間隙且一致的立體像。
附屬申請專利項目的內容為本發明的其他有利的實施方式及改良方式。
光導體內存在一個特定的幾何路徑。因此可以確定光線在光導體內傳播的光程及在光導體的交界面上的反射次數。因此以這種方式可以事先設定光線應在光導體的交界面上反射多少次，然後再從光導體輸出耦合。
根據本發明的一種實施方式，可以根據光導體的幾何特性及光學特性，以及光輸入耦合裝置的光學特性，計算出至少一個空間光調制裝置的每一個像素在光導體的交界面上的光線入射位置，也就是每一個像素發出的光線在經過特定次數的反射後到達的位置。根據本發明的一種有利的實施方式，為了計算光線入射位置，可以用光導體的交界面的厚度及/或可能有的彎曲度作為光導體的幾何特性，以及用光導體材料的折射率作為光導體的光學特性。
可以按照內容應被納入本發明的PCT/EP2018/053496描述的方式，計算光線在光導體的一個交界面上的光線入射位置或光輸出耦合位置。此 處所稱的光導體的幾何形狀是指光導體的厚度及可能有的彎曲度，視光導體的結構而定，不同的光導體可能會有不同的幾何形狀。光輸入耦合裝置的光學特性涉及至少一種設置在光輸入耦合裝置內的元件，例如光柵元件。如果光輸入耦合元件是一個光柵元件，則其影響光線在光導體內的反射次數的光學特性是光柵元件的光柵周期。為了計算出光線在光導體內理想的反射次數，可以求出光導體的厚度及可能有的彎曲度及輸入耦合元件的光學特性(在本例中是光柵元件的光柵周期)，並將其納入考量。根據上述數值可以計算並確定光線在光導體內應有或理想的反射次數。常用的光柵方程式是sinβout=λ/g+sinβin，其中g代表光柵周期，λ代表光線的波長，βin代表光線的入射角，βout代表光線的出射角。但是這個方程式成立的前提是，在光程上位於光柵元件之前及之後的介質的折射率是相同的。如果所使用的輸入耦合元件是將光線從空氣輸入耦合到光導體的介質，則要將光導體的折射率nlichtleiter也考慮進去：nlichtleiter sinβout=λ/g+nluft sinβin。
例如，一個波長λ=532nm的光束的中間光線從空氣中垂直入射到輸入耦合元件，同時輸入耦合元件的光柵周期g=400nm，光導體材料的折射率nlichtleiter=1.6，則可以計算出光線在輸入耦合到光導體後的傳播角度βout=56.2°。例如，在厚度d=3mm的扁平光導體內，光線在光導體的另一面上反射並通過2dtanβout的路段(在本例中為8.96mm)後，會重新到達光線當初被輸入耦合到光導體的那一個表面。經過5次反射後，光線可以在距離輸入耦合位置5x8.96=44.8mm的位置從光導體被輸出耦合。
例如，如果空間光調制裝置的另一個像素發出的一個波長λ=532nm的光束的中間光線從空氣中以角度10°入射到輸入耦合元件，同時輸入 耦合元件的光柵周期g=400nm，光導體材料的折射率nlichtleiter=1.6，則可以利用方程式nlichtleiter sinβout=λ/g+nluft sinβin計算出光線在輸入耦合到光導體後的傳播角度βout=70°。例如，在厚度d=3mm的扁平光導體內，光線在光導體的另一面上反射並通過2dtanβout的路段(在本例中為16.48mm)後，會重新到達光線當初被輸入耦合到光導體的那一個表面。經過5次反射後，光線可以在距離輸入耦合位置5x16.48=82.42mm的位置從光導體被輸出耦合。
例如，一個觀察者範圍位於距離光導裝置30mm的位置，同時垂直入射的光線也是以垂直方式從光導裝置被輸出耦合，從空氣中以角度10°輸入耦合的光線被輸出耦合後同樣是朝觀察者範圍的方向前進，則會形成一個輸出耦合角度譜atan((82,42-44,8)/30)=51°，相較於輸入耦合角度譜=10°，這個輸出耦合角度譜大約放大5倍。
較佳是將計算出的數值記載或儲存在一張數值表(查找表)中。將計算出的光線反射次數記載或儲存在數值表中的優點是以後無需再重新計算這些數值，因此可以減少計算工作量。從數值表很容易就可以找出所需的數值，並加以應用。
根據本發明的一種有利的實施方式，可以利用至少一個光導裝置及至少一個光學系統產生至少一個空間光調制裝置的成像。
這個成像可以確定一個視野，其中場景在至少一個空間光調制裝置內編碼的資料可以在這個視野內被顯示。
特別是可以按照下述方式求出一個物件或場景的立體顯示的視野，那就是根據至少一個空間光調制裝置的邊緣像素的光線在光導體內有不同長度的傳播路徑，因此這些邊緣像素的光線會從不同的輸出耦合位置從光導體 被輸出耦合，以及根據光導體到一事先設定的觀察者位置的距離，可以確定一個視野，其中場景在至少一個空間光調制裝置內編碼或顯示的資料可以在這個視野內被顯示。
為了說明以下關於本發明之顯示裝置的特徵的描述，此處要先指出的是，在具有大視野的情況下，如果一位觀察者要觀察視野的不同部分，他的瞳孔通常會隨著顯示裝置流產生的場景作不同的轉動。根據本發明，可以將具有大視野的及虛擬觀察者視窗(觀察者範圍)的顯示裝置或顯示器理解如下：當觀察者的一隻眼睛的瞳孔轉動時，讓觀察者觀察所產生的場景用的虛擬觀察者視窗就會繞著自身的中心點轉動。通常可以將需要為空間光調制裝置的一個成像的所有分段在相同位置產生一個虛擬觀察者視窗的要求理解如下：一個成像的不同分段的虛擬觀察者視窗可以互相傾斜，但是具有一共同的中心點。根據本發明，可以將”空間光調制裝置的一個成像的分段”理解如下：空間光調制裝置被多重成像，並以這種方式產生各個分段，這些分段共同構成賽間光調制裝置的一個成像。
當一位觀察者觀察一個大視野的不同部分，並轉動他的眼睛，則位於瞳孔後方約12mm處的水晶體也會繞中心點轉動。水晶體轉動時，瞳孔位置會自動側向移動。例如，水晶體轉動15度，瞳孔大約會移動3.2mm。因此根據一種變化的實施方式，對具有大視野的顯示裝置而言，例如由空間光調制裝置的一個分段的成像形成的大視野，可以將水晶體轉動時瞳孔位置的改變以下述方式考慮進去：成像的各個分段的虛擬觀察者視窗被相應的相互移動。例如，對於在視野內具有15度距離的分段，虛擬觀察者視窗的中心點也會被相互移動3.2mm，因此在眼睛轉動時，虛擬觀察者視窗的中心點會與瞳孔中心點吻合。在 這種情況下，每一個分段的位置都會略微移動，而且必要時虛擬觀察者視窗可以傾斜。
例如，可以按下述方式配合光導體的彎曲：在距離光導體表面的一個觀察者距離內，為光線從光導體相對於光導裝置的表面垂直的輸出耦合產生這個移動。
在本發明的顯示裝置中，光線在光導體的交界面上經過事先設定的反射次數後，光線會在光導裝置內的不同位置輸出耦合。
如前面所述，光導體內存在一個特定的幾何路徑。因此可以確定光線在光導體內傳播的光程及在光導體的交界面上的反射次數。這樣就可以調整所使用的光導體的長度、光學系統之成像元件的焦距、以及空間光調制裝置及虛擬觀察者視窗或甜蜜點到光導裝置的距離，以便調整到一個特定的成像光程及/或照明光程。此處所謂的”觀察者範圍”有兩個含義，其中一個含義是虛擬觀察者視窗，另一個含義是甜蜜點，視本發明的顯示裝置是全息顯示裝置/或立體顯示裝置而定。
根據一種特別有利的實施方式，在光線輸入耦合到光導裝置之前，利用設置於光程上的光學系統產生照明裝置內的至少一個光源的光源像，或空間光調制裝置的一個像。
可以將光輸入耦合裝置設置在緊鄰光源像的位置的範圍，或是設置在這個範圍內。
根據本發明，光線是在緊鄰或靠近光源像的位置輸入耦合到光導裝置的光導體。經過至少一個空間光調制裝置調制並發出的光線被光學系統(例如至少一個成像元件)集中及聚焦或成像在光導裝置的光輸入耦合裝置上，其中 光輸入耦合裝置與光導體組合在一起，這樣至少一個光調制裝置的各個像素發出的光線會以不同的角度入射到光輸入耦合裝置上。在光線被光輸入耦合裝置輸入耦合到光導體後，以不同角度入射的光線會被偏轉，使光線在光導體內以不同的角度傳播。經由事先設定次數的反射後，以不同角度傳播的光線會在光導體內行經不同長過的光程或傳播路徑。光線在光導體內反射的次數愈多，以兩個不同的傳播角度傳播的光線之間的路徑差就愈大。根據本發明，在經過事先設定次數的反射後，光線會被光輸出耦合裝置再度從光導體輸出耦合，也就是從光導裝置輸出耦合。如果使用的是彎曲的光導體，則較佳是相對於光導體的表面以垂直方式輸出耦合。在這種情況下，各個輸出耦合的光線會在彎曲的光導體構成的圓弧中心相會或相交。在這種情況下，由於光線是以不同的角度入射到圓弧中心，因此可以定義輸出耦合角度譜。由於以不同傳播角度在光導體內傳播的光線行經不同長度的光程，以及與此相應的光線在光導體上會有不同的輸出耦合位置，因此會從圓弧中心到光導裝置為觀察者的眼睛產生一個視野，而且這個視野大於輸入耦合的角度譜或光線的輸入耦合角度譜。
光輸入耦合裝置可以具有至少一個反射鏡或至少一個光柵元件，其中光柵元件是一種被動或可控制的光柵元件。
根據本發明的一種實施方式，光輸入耦合裝置至有至少一個反射鏡元件，其作用是將光線輸入耦合到光導體。反射鏡元件可以是一個設置在光導體的內面或交界面的傾斜鏡面。
根據另一種實施方式，光輸入耦合裝置可以具有至少一個光柵元件，其作用是將光線輸入耦合到光導體。如果是利用光柵元件將光線輸入耦合 到光導體，光柵元件需能夠以很高的效率將至少一個空間光調制裝置的各個像素發出的光線的整個角度譜輸入耦合。
一種有利的方式是以光柵元件的光柵常數或反射鏡元件相對於光導體表面的傾斜角作為光輸入耦合裝置的光學特性，以計算光線入射位置，也就是光線在經過固定次數的反射後到達的位置。
另一種有利的方式是，將至少一個光輸出耦合裝置設置在至少一個光導裝置內，並使光輸出耦合裝置的範圍及位置能夠含蓋空間光調制裝置的不同像素發出的光線在經過固定的次數的反射後，在光導體的交界面上到達的所有的光線入射位置。
透過這種方式可以確保光線會在事先設定的光導體上的位置從光導體被輸出耦合。光輸出耦合裝置的範圍應含蓋所有光線入射位置的範圍，也就是含蓋至少一個空間光調制裝置的各個像素發出的光線入射的所有位置，這樣就可以確保全部的光線或光線的整個輸入耦合的角度譜被輸出耦合。
根據一種特殊的實施方式，光輸出耦合裝置具有至少一個光柵元件，尤其是一個偏轉光柵元件，而且較佳是一個角度選擇偏轉光柵元件，或最好是一個體積光柵，或具有至少一個反射鏡元件。
根據本發明的一種有利的實施方式，可以利用至少一個光柵元件，較佳是至少一個偏轉光柵元件，使光線從光導體或光導裝置輸出耦合。偏轉光柵元件能夠以角度選擇的方式構成，例如構成一個體積光柵。為了將光線輸出耦合，也可以在光輸出耦合裝置內設置至少一個反射鏡元件，以取代至少一個光柵元件。反射鏡元件可以具有相對於光導體表面傾斜的鏡面。
另一種有利的方式是該至少一個光柵元件是可控制的，也就是可以控制光柵元件的光柵周期，使其隨著光線入射位置而改變，也就是隨著光線在光導體內經過固定次數的反射後到達的位置而改變，或是隨著光入射角度而改變，也就是隨著光線在光導體內經過固定次數的反射後的角度而改變。透過這種方式可以控制光線在光導體內應經過多少次反射後，從光導體被輸出耦合。這樣就可以改變光線在光導體的交界面上的反射次數。
如果是純立體顯示，則不需要可控制的至少一個光柵元件及光輸出耦合裝置。如果是全息三維顯示，而且此全息三維顯示能夠與物件或場景的立體顯示結合，則該至少一個光柵元件必須是可控制的，以便輸出合及產生至少一個空間光調制裝置的成像的複數個分段，進而獲得一個大視場。
但是在光導體內各自以不同的角度傳播的光線或光束，在經過不同次數的反射後，可以照射到光輸出耦合裝置的相同的輸出耦合面上。例如，傳播的光線經過在光導體的交界面上3次或4次反射後，其照射到的範圍在光導體的一個內側重疊。在光線經過事先設定次數的反射後，為了使光線以理想的方式從光導體輸出耦合，應避免反射次數不足的光線一起被輸出耦合。有不同的方法可以達到這個目的。例如，可以用一種角度選擇的偏轉元件(例如體積光柵)將光線從光導裝置輸出耦合。應調整偏轉光柵元件的角度選擇性，以使只有應從光導體的一個特定位置被輸出耦合的光線(具有特定的傳播角度)也以高效率被偏轉光柵元件偏轉。對於偏轉角要隨著光柵元件在光導體上的位置而改變的光柵元件而言，要調整到適當角度選擇性可能會是一件很麻煩的事。
根據另一種有利的實施方式，可以用另一種方法避免光線過早(經過的反射次數不足)從光導體被輸出耦合。這種方法是調整在光導體內傳播的光 線的極化，使經過偶數次反射的光線的極化不同於經過奇數次反射的光線的極化。這種改變光線極化的方法可應用於以光導體顯示立體分段，亦可應用於以光導體產生全息分段。
一種很好的調整極化的方法是使光導裝置具有至少一個延遲層。
光導裝置也可以具有至少兩個延遲層，其中該至少兩個延遲層各含有一種雙折射材料，同時該至少兩個延遲層的雙折射材料可以是相同的雙折射材料，也可以是不同的雙折射材料。
根據本發明的一種有利的實施方式，第一延遲層的雙折射材料的光學軸是定向在此層所在的平面上，同時第二延遲層的雙折射材料的光學軸的定向是垂直於此層所在的平面。
可以調整該至少兩個延遲層的設置方式，讓第一延遲層的延遲使隨著光線對延遲層的傳播角度的升高而降低，以及讓第二延遲層的延遲隨著光線對延遲層的傳播角度的升高而升高。可以調整第一延遲層的厚度及第二延遲層的厚度，以便兩個延遲層對事先設定或要求的光線的傳播角度範圍產生大致固定不變的延遲。
另一種有利的方式是將至少一個延遲層設置在光導體的一個外表面上，同時選擇這個延遲層的折射率及在光導體內傳播的光線的傳播角度，以使光線在這個延遲層與光導體周圍環境的交界面上發生全反射。根據另一種實施方式，可以在這個延遲層與光導體周圍環境的交界面上另外設置一個反射鏡層，例如一個介電層或金屬層，以便取代全反射在這個反射鏡層上發生反射。
選擇光線在光導體內的傳播角度及這個延遲層的折射率，以便在這個延遲層與光導體周圍環境(例如空氣)的交界面上繼續發生全反射。選擇該至 少一個延遲層的厚度，使光線在第一次通過該至少一個延遲層後，在與光導體周圍環境的交界面上發生反射，以及在下一次通過該至少一個延遲層後，如果入射光是一種線性極化光線，則光線的極化會轉動90度，如果入射光是一種循環極化光線，則光線的轉動方向會改變，也就是從左旋循環變成右旋循環，或是從右旋循環變成左旋循環。換句話說，一種有利的方式是選擇該至少一個延遲層的厚度及雙折射，以及該至少一個延遲層的光學軸的取向，使在光導體內以中間傳播角度傳播的線性極化入射光線在第一次通過該至少一個延遲層後，在與光導體周圍環境的交界面上發生反射，以及在下一次通過該至少一個延遲層後，如果入射光是一種線性極化光線，則光線的極化狀態會轉動90度，如果入射光是一種循環極化光線，則光線的轉動方向會改變。
根據另一種實施方式，可以為整個傳播角度範圍設置至少一個延遲層。此處所稱的為整個傳播角度範圍是指選擇至少一個延遲層的厚度及雙折射，以及該至少一個延遲層的光學軸的取向，對入射的線性極化光線，以及在光導體內傳播的光線的整個傳播角度範圍(由輸入耦合角度範圍及光輸入耦合裝置定義)而言，在光線第一次通過該至少一個會在與光導體周圍環境的交界面發生反射延遲層後，以及在下一次通過該至少一個延遲層後，光線的極化狀態會轉動90度，如果入射光是一種循環極化光線，則光線的轉動方向會改變。
例如，將整個傳播角度範圍考慮進去的實施方式可以使用比僅考慮一個中間傳播角度的實施方式更多的延遲層。例如，僅考慮一個中間傳播角度的實施方式可以只有一個延遲層，但是考慮整個傳播角度範圍的實施方式有兩個延遲層。如果是後者的實施方式，可以選擇第一及第二延遲層的厚度、第一及第二延遲層的雙折射、以及第一及第二延遲層的光學軸的取向，以使整個 傳播角度範圍都產生所希望的極化改變。但是本發明的範圍絕不限於以上提及的具有一或二個延遲層的例子。
單一的延遲層通常是由波長決定。例如，數個延遲層的組合也可以是消色差的。根據本發明的一種有利的實施方式，至少一個延遲層的構造方式使其能夠為一個傳播角度範圍及藍光、綠光及紅光產生極化轉動(對入射的線性極化光線)，或改變轉動方向(對循環極化光線)。另一種已知方式是使用所謂的顏色選擇膜(color selective film,CCF)，其作用是將特定波長範圍的光線的極化轉動90度，以及讓其他波長的光線通過，且不會發生極化轉動。也可以不使用傳統的延遲層，本發明的一種實施方式是使用這種顏色選擇膜，其作用是為紅光、綠光或藍光及傳播角度範圍產生極化轉動(對入射的線性極化光線)，或是改變轉動方向(對循環極化光線)。
本發明設置在光導體外表面的至少一個延遲層可以改變或調整光導體內光線的極化狀態，使在光導體內經過偶數次反射的光線的極化狀態不同於在光導體內經過奇數次反射的光線的極化狀態。
根據另一種有利的實施方式，在光導體及光輸出耦合裝置之間設有一個反射極化元件，此反射極化元件較佳是一種線柵極化器。
根據一種特別有利的實施方式，這個設置在光導體及光輸出耦合裝置之間的反射極化元件是位於光導體的內側，而且這個內側最好是彎曲的。這個反射極化元件可以是一種線柵極化器(Wire Grid Polarizer(WGP))。例如，可以使用一種薄膜式的線柵極化器，這樣就可將其設置在彎曲的表面上，例如設置在彎曲的光導體上。
根據另一種有利的實施方式，可以選擇反射極化元件的取向，使在具有至少一個延遲層的光導體的交界面上經過奇數次反射後，照射到反射極化元件的光線被反射，反之在具有至少一個延遲層的光導體的交界面上經過偶數次反射後，照射到反射極化元件的光線會通過反射極化元件，其中偶數次及奇數次反射可以彼此互換。
可以選擇反射極化元件的取向，例如使在具有至少一個延遲層的光導體的交界面或外側面上經過奇數次反射後，照射到反射極化元件的光線被反射，然後在光導體內繼續傳播，因而不會到達光輸出耦合裝置。在具有至少一個延遲層的光導體的交界面或外側面上經過偶數次反射後，照射或入射到反射極化元件的光線的極化使光線通過或通過極化元件。光線在通過極化元件後，照射到生輸出耦合裝置，接著能夠被光輸出耦合裝置從光導體或光導裝置輸出耦合。
根據另一種有利的實施方式，可以使用具有一個極化選擇光柵元件的光輸出耦合裝置，這樣就不必設置反射極化元件。
根據這種實施方式，在具有至少一個延遲層的光導體的交界面上經過奇數次反射後，照射到光輸出耦合裝置之極化選擇光柵元件的光線不會被這個光柵元件偏轉，而是在光導體及周圍環境之間的交界面被反射，反之在具有至少一個延遲層的光導體的交界面上經過偶數次反射後，照射到光輸出耦合裝置之極化選擇光柵元件的光線會被這個光柵元件偏轉，並從光導體發射出去或被輸出耦合，其中偶數次及奇數次反射可以彼此互換。
例如，這種極化選擇光柵元件將P型極化光線偏轉，但是不會將S型極化光線偏轉。可以將這種極化選擇光柵元件製作成透射式及被動式元件。 這樣做對於產生立體分段或立體顯示有特殊的優點。也可以將極化選擇光柵元件製作成可控制或可開關的元件。這樣做對於產生至少一個全息分段或全息顯示有特殊的優點。
還有一種布拉格極化光柵，其特性是將右旋循環極化光線偏轉，但不會將左旋循環極化光線偏轉。因此可以在光輸出耦合裝置內設置布拉格極化光柵，以便將光線從光導體或光導裝置輸出耦合。在這種情況下，較佳是將該至少一個延遲層設計成會將左旋循環入射光轉變成右旋循環入射光，以及將右旋循環入射光轉變成左旋循環入射光。
根據另一種有利的實施方式，可以在本發明的顯示裝置內設置一個可控制的極化轉換器，在光線方向上，這個極化轉換器位於至少一個光導裝置之前。
利用這個在本發明之顯示裝置內在光線方向上位於至少一個光導裝置之前的可控制的極化轉換器，可以選擇要輸入耦合到光導體的光線的極化。可以控制可控制的極化轉換器，使其將P型極化光線或S型極化光線輸入耦合到光導體。
根據另一種有利的實施方式，顯示裝置具有至少一個光學系統及至少一個光導裝置，以產生至少一個空間光調制裝置的成像的構成視野的一個立體分段或至少一個全息分段，其中在視野內有一個場景或物件的立體或全息顯示。
本發明的顯示裝置可用於立體顯示物件或場景。這表示只顯示物件或場景的純立體視圖。由於至少一個空間光調制裝置的邊緣像素發出的光線在光導體內有不同長度的傳播路徑(因此會有不同的輸出耦合位置)，以及由於光 導體與觀察者所在位置的距離，因而張拉出一個視野，物件或場景就在這個視野內被顯示。這個大視野是由顯示裝置產生的唯一一個分段構成，而且可以具有或張拉出最大約70度的角度範圍。
根據另一種有利的實施方式，顯示裝置具有至少一個光學系統及至少一個光導裝置，以產生一個立體分段及至少一個全息分段，或是產生至少兩個全息分段，其中該立體分段及該至少一個全息分段或是該至少兩個全息分段共同構成一個視野，其中在視野內可以顯示三維場景或三維物件。
可以將光學系統及光導裝置組合在一起，並將其設計成只需一個光導裝置按照時序在整個視野範圍內產生一個立體顯示物件或場景用的分段，以及僅在視野的一個特定範圍內產生至少一個顯示全息重建的物件或場景用的分段。立體分段及全息分段可以彼此重疊。
另一種可能的方式是，在整個視野範圍內將複數個全息產生的分段結合成一個大視野，其中另外在視野的一個特定範圍內產生至少一個顯示全息重建的物件或場景用的分段。同樣的，全息分段也可以在一個特定的範圍內彼此重疊。
另一種可能的方式是，僅經由全息編碼的三維顯示產生視野的一個中間角度範圍，其中與中間角度範圍相鄰的視野角度範圍是經由物件或場景的一個二維或立體顯示所產生。
根據另一種實施方式，可以使用兩個彼此分離的光導裝置。同樣的，其中一或兩個光導體可以至少是逐段彎曲的。在本文中所謂“逐段彎曲“是指一個光導體是由扁平段及彎曲段共同構成。其中一個光導裝置的任務是顯示三維場景或物件的全息重建的至少一個分段，其中另一個光導裝置的任務是產生 物件或場景的立體顯示。如果光導裝置的兩個光導體至少是逐段彎曲，則光導體的彎曲段可以具有不同的半徑。此外，兩個光導裝置可以一前一後設置，使觀察者的一隻眼睛能夠通過兩個光導裝置看到及觀察全息及立體重建的組合。
此外，一種有利的方式是，該至少一個光導裝置具有兩個用於產生至少兩個視野分段的光輸入耦合裝置。
該至少一個光導裝置可以具有兩個光輸入耦合裝置，以產生至少兩個視野分段。
兩個光輸入耦合裝置較佳是能夠以彼此相隔一段距離或直接相鄰的方式與光導體組合，其中從至少一個照明裝置發出的光線可以經由兩個輸入耦合裝置在不同的位置輸入耦合到光導體。
可以選擇性的利用兩個不同的空間光調制裝置，使光線在兩個不同的位置輸入耦合到光導體，或是使僅經過一個空間光調制裝置調制並發出的光線按照時序對準光導體的一個光輸入耦合位置，或對準光導體的另一個輸入耦合位置，並被耦合到光導體。在後者的情況中，位於空間光調制裝置及光導裝置之間的光學系統具有至少一個可開關的元件，例如可選擇性將光線對準一個光輸入耦合位置或另一個光輸入耦合位置的光柵元件。
該至少兩個分段可以彼此重疊並構成視野，其中兩個分段的重疊區的每一度觀察角具有最高的像素密度，且相當於一位觀察二維及/或三維場景的觀察者的中心視線。
透過至少兩個分段的重合或重疊，可以放大重疊區的像素密度。一般而言，人眼的周邊視野的解析度遠小於中心視野的解析度。雖然轉動眼睛可以轉動中心視野的位置。但是眼睛通常只能在+/-15度的範圍內轉動。如果要 較大幅度的改變視線，頭部也要跟著轉動。因此與觀察者本身當下的視線無關，重要的是視野中心(例如約30度的範圍)的每一度觀察角的像素密度要大於視野周邊範圍的像素密度。
在整個視野內，觀察者能夠看到的至少一個空間光調制裝置每一度觀察角的像素數量不會是相同的。視野內每一度觀察角的像素數量是以梯度方式變化。從觀察者的一側看過去的像素密度大於從觀察者的另一側看過去的像素密度。
因此一種有利的方式是將至少兩個分段設置於眼睛前面，以使這兩個分段的重疊區相當於觀察者具有最大像素密度的中心視線，同時像素密度會從這個重疊區朝視野的兩端隨著逐漸變大的視角而變小。
根據本發明的一種有利的實施方式，可以執行視線追踨(Gaze-Tracking)，也就是說顯示裝置會偵測觀察者的眼睛看的是那一個方向。在視線上，觀察者可以看到較高解析度的場景，因為來自該處的光線會入射到觀察者眼睛視網膜的中央區域。若是離開視線，觀察者僅能看到較低解析度的場景，因為來自該處的光線會入射到觀察者眼睛視網膜的周邊區域。
透過調整在光導體內的反射次數，可以移動一個像素密度高的分段，使其在視野中位於目前偵測到觀察者的視線上。一個像素密度較低的分段，例如在光導體內的反射次數始終固定不變的分段，構成一個以低解析度顯示周邊圖像內容的大視野。即使觀察者的視線不是對準中央，透過移動像素密度高的分段，觀察者仍然可以看到高解析度的場景。這種實施方式也可以擴充到兩個以上具有不同像素密度的分段。
根據本發明的一種具有兩個分段的實施方式，其中至少兩個分段中的一個分段是作為立體分段，至少兩個分段中的另一個分段是作為全息分段，其中可以在觀察者的中央視線或視線追踨偵測到的觀察者視線產生全息分段。根據本發明的一種具有兩個以上分段的實施方式，其中至少有一個分段可以作為立體分段，以及至少一個分段可以作為全息分段。例如，也可以是一個立體分段及兩個全息分段的組合，或是兩個立體分段及一個全息分段的組合。
根據本發明，以上提及的空間光調制裝置的像素每一度觀察角的密度差異會在所顯示的圖像內容被補償。在計算全息圖或是將立體內容寫入空間光調制裝置時，可以透過標度及掃描所顯示的場景，進行這個補償。但是視野的一個邊緣區域的像素密度可能會對可視解析度造成限制。為了產生一個有利的組合，可以利用視線追踨(gaze tracking)對一個具有至少一個全息分段視圖(每一度觀察角都具有很大數量的三維物點)的立體分段視圖，以及觀察者眼睛的視線進行追踨，但是這並非很大的缺點，因為所產生物件或場景的立體內容僅顯示在觀察者視網膜的一個區域，視網膜的感受器在這個區域僅以相當低的解析度進行偵測。
根據本發明的一種實施方式，對於僅應在唯一一個大分段顯示純立體內容或顯示的顯示裝置而言，可以先形成至少一個空間調制的中間成像，其中空間光調制裝置的像素被不同程度的放大。這表示在光導裝置的一個光輸入耦合側，每一度光輸入耦合角度的像素數量具有一個梯度，這個梯度與在光導裝置的一個光輸出耦合側，每一度光輸出耦合角度的像素數量的度反向。如前面所述，可以透過對場景的像素圖或所顯示內容進行標度及掃描，其中標度 係數會隨著在視野中的位置而改變，使各個光束的不同的角距在輸出耦合時獲得補償，這樣整個視野依然可以保持每一度觀察角度的固定數量的像素。
根據本發明的一種實施方式，該至少兩個分段是作為全息分段，其中該至少兩個分段的重疊區相當於觀察者的一個中央視線，或相當於觀察二維及/或三維場景的一位觀察者被視線追踨偵測到的一個視線。
本發明的這種實施方式可以產生複數個全息分段，以獲得一個大視野。該至少兩個分段或較佳是複數個全息分段也可以彼此重疊，以使所產生的大視野不會因為可以能出現的像差而形成空隙。此外，另一種可能性是，除了產生將視野放大的全息分段外，另外產生一個全息分段，其中這個全息分段與將視野放大的全息分段重疊。這個重疊區應相當於觀察者的一個中央視線，或相當於觀察者被視線追踨偵測到的一個視線，如果是後者的情況，可以經由對觀察者的視線追踨，追踨觀察者在一個位位置的視線。
根據本發明的一種有利的實施方式，顯示裝置具有至少兩個光輸出耦合裝置，其中第一光輸出耦合裝置的作用是將光線輸出耦合，以產生至少一個全息分段，第二光輸出耦合裝置的作用是將光線輸出耦合，以產生至少一個立體分段。如果一個顯示裝置應在一個大視野內顯示至少一個立體分段及至少一個全息分段，則在必要時可能會要求光線必須在相同的位置以不同的角度從光導裝置的光導體被輸出耦合。例如，立體分段的光線應以不同於全息分段的光線的角度從光導體射出。同樣的，如果顯示裝置具有至少兩個彼此重疊的全息分段，則在必要時可能會要求光線必須在相同的位置以不同的角度從光導裝置的光導體被輸出耦合。
為了使光線以不同的角度輸出耦合，必須使用不同的輸出耦合元件，例如具有不同光柵周期的不同的光柵元件。例如，一個光輸出耦合裝置可以具有一個光柵元件，其中這個光柵元件的光柵周期不同於另一個光輸出耦合裝置的光柵元件的光柵周期。因此光導裝置可以具有至少一個用於至少一個全息分段的光輸出耦合裝置，以及至少一個用於至少一個立體分段的光輸出耦合裝置。在這種情況下，一種有利的方式是阻止至少一個全息分段的光線被用於至少一個立體分段的光輸出耦合裝置不當的輸出耦合，反之亦然。
根據本發明的一種有利的方式，光輸出耦合置是可控制的，其中在光輸出耦合裝置的一個控制狀態下，光線在經過特定次數的反射後被輸出耦合，在光輸出耦合裝置的另一個控制狀態下，光線會繼續在光導體內傳播。
光輸出耦合裝置可以具有可開關或可控制的光柵元件。在光輸出耦合裝置的至少一個光柵元件的第一種開關狀態下，在光導體內傳播的光線會從光導體輸出耦合，但是在至少一個光柵元件的第二種開關狀態下，光線不會輸出耦合，而是繼續在光導體內傳播。
可以選擇性的將設置光輸出耦合裝置的可開關或可控制的光柵元件分配到不同的段落，並使其能夠獨立被切換到“開“或“關“的狀態。如果顯示裝置有一個立體分段與至少一個全息分段組合在一起，則將光線輸出耦合的光輸出耦合裝置的至少一個可開關的光柵元件分配到不同的段落，以產生至少一個全息分段。
換句話說，可以將至少一個光輸出耦合裝置分配到不同的段落，其中該至少一個光輸出耦合裝置可以被逐段控制，其中可以控制該至少一個光輸出耦合裝置，以透過至少一個光輸出耦合裝置的一個段落的一個控制狀態改 變光線在光導體界面反射的次數，其中該段落與光線在經過特定次數的反射後到達的光線入射位置吻合，以及透過至少一個光輸出耦合裝置的另一個段落的另一個控制狀態，或是透過至少一個光輸出耦合裝置的一個段落的另一個控制狀態，改變光線在光導體界面反射的次數，其中該段落與光線在經過特定次數的反射後到達的光線入射位置吻合。
如果是利用兩個光輸出耦合裝置進行至少一個全息分段及至少一個立體分段的輸出耦合，則這些分段的光線輸出耦合是按照時序進行，其中一個光輸出耦合裝置的至少一個光柵元件或至少一個可控制光柵元件的一個段落，接著另一個光輸出耦合裝置的至少一個光柵元件或至少一個可控制光柵元件的一個段落，是按照時序依序被切換到狀態“開“，同時另一個光輸出耦合裝置的至少一個可開關的光柵元件被切換到狀態“關“。因此毫無疑問的，複數個全息分段及多個立體分段也能夠以同樣方式依序輸出耦合，例如光輸出耦合裝置的特定的段落被切換到狀態“開“。
因此可以控制不同分段從光導體的輸出耦合，以控制至少一個光輸出耦合裝置的至少一個可控制的光柵元件或至少一個可控制的光柵元件的各個段落的輸出耦合，也就是說控制“開“或“關“。例如，光輸出耦合的一個被關掉的光柵元件會使照射在這個光柵元件上的光線不會被輸出耦合，而是被反射，並繼續在光導體內傳播，然後在光導體的另一個位置被反射後輸出耦合。
但是製造及操作這種具有兩個光輸出耦合裝置(各自具有至少一個可開關的光柵元件)的光導裝置是很費事的。特別是如果光導裝置的光導體至少有部分段落是彎曲的，則其製造及操作就更加費事。因為在使用這種光導體的情況下，可控制的光導裝置的光柵元件也必須具有彎曲的段落。
因此一種有利的方式是，兩個光輸出耦合裝置中的一個光輸出耦合裝置具有至少一個被動光柵元件，同時兩個光輸出耦合裝置中的另一個光輸出耦合裝置具有至少一個可控制的光柵元件。一種特別有利的方式是，其中另一個光輸出耦合裝置僅具有一個可開關或可控制的光柵元件。因為這樣做可以減少可控制元件的數量，因而降低製造的困難度及成本。
該至少一個光輸出耦合裝置的至少一個光柵元件，以及光輸出耦合裝置的至少一個光柵元件可以是透射式或反射式的元件。
根據本發明的一種特別有利的實施方式，顯示裝置具有一個跟踨裝置，在光線方向上，這個跟踨裝置位於該至少一個光導裝置的前面。
跟踨裝置可以具有至少一個光柵元件或一個可變的透鏡元件，其中一個透鏡功能被寫入該至少一個光柵元件。
例如，這配置方式的一個優點是，當觀察者改變視線，一個與至少一個立體分段或至少另一個全息分段重疊，並形成一個每一度觀察角具有高像素密度的重疊區的全息分段能夠追踨或配合觀察者的一個新的視線或聚焦方向，因此觀察者在所形成的視野中，可以看到高品質的三維物件或三維場景。
本發明的一種實施方式具有一個視線追踨裝置，其可以追踨及偵測觀察者觀察物件或場景的視線，其中透過跟踨裝置可以使至少一個空間光調制裝置的圖像位置或分段的位置與視線追踨裝置追踨到的觀察者的眼睛的聚焦位置適配。
如果本發明的顯示裝置具有一個視線追踨裝置及一個跟踨裝置，則此種顯示裝置可以作為變焦點顯示器或變焦點顯示裝置。這種變焦點顯示裝置可以顯示一個場景的扁平的二維視圖，其中具有一個可控制元件(例如具 有可變焦距的透鏡元件)的跟踨裝置可以移動這個場景的景深及/或在z方向上移動景深，也就是移動場景與觀察者的距離。
一個景深可變化的扁平的二維視圖或顯示的一個分段能夠與全息分段組合在一起，不論是經由相同的光導裝置，或是經由用於全息分段的獨立的光導裝置。
例如，一種可能的方式是利用全息圖的一個單一視差編碼(single-parallax-encoding)在至少一個空間光調制裝置內產生一個產生小尺寸的虛擬觀察者視窗(例如尺寸只有約3mm-5mm)的全息分段，這樣在全息圖的非編碼方向就會存在或形成一個甜密點，在全息圖編碼的另一個方向就會存在或形成一個虛擬觀察者視窗。
根據本發明的一種有利的實施方式，至少一個光導裝置的光導體至少是逐段在至少一個方向上彎曲。
在本發明的特定的實施方式中，光導體具有一扁平、平面或平坦的幾何形狀。例如，此種光導體可應用於需要節省空間的情況，因此扁平的光導體或扁平的光導裝置佔據的空間比彎曲的光導體或光導裝置小。在其他的實施方式中，例如應用於頭戴顯示器情況，光導體可以具有彎曲的幾何形狀。在一般情況下，光導體可以是由筆直段及彎曲段組成，或是由多個不同彎曲度的段落組成。例如，光輸入耦合區可以是平坦的，但是光輸出耦合區是彎曲的。例如，如果是眼鏡狀的頭戴顯示器，可以將光導體的一個扁平段設置在使用者頭部側面的眼鏡腿區域，以及將一個彎曲段設置在使用者的眼睛前面。如果是彎曲的光導體，則可以在光輸出耦合裝置內使用光柵元件，其中光柵元件的輸出耦合角度與光柵元件在光導體上或在光導體內的位置無關。
光導體至少有部分段落可以具有空心圓柱體的形狀，其中光導體的交界面是由不同半徑的空心圓柱體的截面構成。例如，光導體可以具有類似半圓形的形狀。
光導裝置的光導體可以是由玻璃或一種光學塑膠製成。
此外，根據本發明的一種有利的實施方式，可以在光源像的一個平面或至少一個空間光調制裝置的一個平面上產生一個虛擬觀察者範圍。
觀察者可以透過這個虛擬觀察區觀察所產生的物件或所產生的場景。在本文中使用的“觀察者範圍“一詞是指虛擬觀察者視窗(產生全息分段的情況)，或是指甜密點(產生立體分段的情況)。
根據本發明的另一種實施方式，為了空間光調制裝置的成像或成像的一個分段，來自空間光調制裝置的不同像素的光線在入射到至少一個光導裝置後，會在光導體的交界面上經過對所有像素都相同次數的反射，然後再輸出耦合。
根據本發明的另一種實施方式，對於至少一個空間光調制裝置的成像的不同分段而言，為了產生一個分段光線在光導體的交界面上的反射次數不同於為了產生另一個分段光線在光導體的交界面上的反射次數。
例如，至少一個空間光調制裝置的成像的不同分段可以構成如下：為了產生一個成像的相鄰的分段(例如相鄰的全息分段)，光線在光導體的交界面會進行不同次數的反射。另一種可能性是，光線在光導體的交界面進行相同次數的反射，以產生一個成像的不同分段，但是光輸入耦合位置需要移動，或是需要使用變變過的輸入耦合角度。
可以將本發明的顯示裝置製作成一種具有兩個顯示裝置的頭戴顯示器，其中一個顯示裝置配屬於觀察者的左眼，另一個顯示裝置配屬於觀察者的右眼。
以下關於頭戴顯示器的說明並非僅適用於頭載顯示器，而是亦適用於其他的顯示裝置。對於頭戴顯示器而言，一種有利的方式是水平視野大約是60°，垂直視野大約是30°。高清晰度(HD)視覺體驗的視野的角度範圍應大約在7.5° x 7.5°至20° x 20°之間。在這個角度範圍內，應產生至少一個全息分段，該至少一個全息分段的每一度觀察角度應具有很高的像素密度，並相當於中央視線或偵測到的觀察者的視線，以便讓觀察者能夠看到HD品質的場景或物件。
如果是用於大視野顯示立體分段，則較低的像素密度(例如30像素/度)應該是足夠的。
例如，可使用大約4000x2000像素及以液晶覆矽(LCOS)為主要成份的空間光調制裝置，這個像素數量對於顯示全息分段及立體分段都是足夠的。但是本發明並不限於使用特定類型的空間光調制裝置。例如，也可以使用具有MEMS反射陣列的空間光調制裝置。如果是顯示立體分段，原則上亦可使用OLED(有機發光二極體)-微顯示器，其中對於立體分段不能在光輸入耦合裝置及光輸出耦合裝置內使用繞射元件(例如光柵元件)與OLED的組合。空間光調制裝置可以是一種相位調制及/或振幅調制空間光調制裝置。對於立體分段而言，使用振幅調制空間光調制裝置即已足夠。但是也可以將相同的相位及振幅調制空間光調制裝置應用於至少一個全息分段及少一個立體分段。例如，相位及振幅調制空間光調制裝置可以使用一個如申請人在WO 2010/149588A1中描述的光束組合器。
可以將一個由至少一全息分段產生的虛擬觀察者視窗的尺寸做的很小，以便能夠使用一個像素數量小(但是足夠)的空間光調制裝置，其中頭戴顯示器的使用者能夠透過這個虛擬觀察者視窗觀察所產生的場景或物件。虛擬觀察者視窗是產生於使用者眼睛的入射光瞳。例如，可以在虛擬者視窗的平面上設置一個光圈，以阻斷不當形成的繞射級。例如，如果在使用者改變視線位置時，能夠快速視線追踨及快速追踨虛擬觀察者視窗，則虛擬觀察者視窗的尺寸可以是大約5mm x 5mm，或是只有大約3mm x 3mm。如果虛擬觀察者視窗的形狀應是矩形，則虛擬觀察者視窗的尺寸可以是在3mm至6mm(垂直及水平)的範圍。
對觀察者的眼睛進行視線追踨，就可以追踨偵測到的視線的一個具有高像素密度的分段，其中在光導裝置的光導體內的反射次數會被調整，因而改變光線離開光導裝置的輸出耦合位置。此外，可以利用一個位置在空間光調制裝置及光線輸入耦合到光導裝置之間的偏轉元件移動光輸入耦合位置，以及在光導體的交界面上相同的反射次數的情況下，改變光線的輸出耦合位置。例如，這可以透過一個可控制的光柵元件來進行。
追踨至少一個全息分段或高清晰度(HD)錐體被偵測到的視線(以下也稱為掃描)，其中(HD)錐體是由至少一個像素密度的全息分段構成，視野的整個角度範圍約60° x 30°應該是足夠的，但前提是使用者的視線改變對掃描用的探測元件而言要夠緩慢，其中探測元件可以是一種可控制的光柵元件、探測鏡、或介電光楔。掃描用的探測元件的介電配備可以避免繞射色散的形成。將具有高阿貝數(色散本領倒數)的玻璃或塑膠材料用於探測元件可以降低繞射色散，而 且可以忽略很小的繞散色散。如果色散大到不能忽略，但仍然夠小，可以利用探測元件補償這個色散效應。探測元件也可以補償虛擬觀察者視的微小移動。
另一種可能的方式是以角度可開關的配置取代掃描。例如可以在光線方向上將一個線柵極化器設置在光楔前面，其中光楔可以具有一個反射背面。透過使用一種具有快速切換鐵電液晶的延遲板進行極化切換，光線可以在線柵極化器或光楔的反射背面上被反射。以這種方式可以在兩個角度之間切換。這種方式可以擴充到許多個角度，例如使用一列這種元件。這種作法不會產生繞射色散。
另一種可行的方式是使用以液晶為主要成份的極化光柵進行角度切換，或是使用可控制的繞射光柵進行角度切換。
也可以使用掃描鏡追踨使用者的視線，另一種選擇是使用可變形鏡追踨使用者的視線。這種可變形鏡可以有一傾斜面，也就是說一個光楔加上一個連續輪廓，其中前者可用於追踨視線，後者可用於為視線補償像差。像差可能會隨著視野內不同的角度範圍變化。為了將這個效應考慮進去，可以為每一個角度範圍個別調的連續的輪廓。
典型的光學設計是視野中央的像差是最小的，同時像差會隨著與視野中央的距離增加而變大。
根據一種使用可變形鏡的實施方式，可以優化整個頭戴顯示器的光學設計，例如在透過可變形鏡進行像差補償之前，使最小像差不是出現在視野中央，而是出現在環繞視野中央的一個橢圓形區。但是這表示利用可變形鏡進行的像差修正也會在視野中央進行。這種光學設計的效果是可以擴大可變形鏡足以補償像差因而能夠被HD利用的角度範圍，也就是擴大這個角度範圍，使 其大於在以可變形鏡進行像差補償之前，最小像差位於視野中央的典型光學設計的角度範圍。
視線追踨的另一種選擇是使用一種可開關的照明。例如，一種雙折射光楔，其能夠被兩個彼此正交的極化光束產生不同的光學光楔角。以這種方式也可以利用極化切換。
如前面所述，可以在虛擬觀察者視窗的平面上設置一個光圈。這種作法可以消除空間光調制裝置造成的繞射級。另一個效應是光圈可以減低光學系統的數值孔徑，其中使用數值孔徑的目的是在一個平面上形成空間光調制裝置的虛像。只要虛擬觀察者視窗的尺寸至少和使用者眼睛的入射光瞳一樣大，這樣做就不會有問題。
另一個重要特徵是能夠快速且精確的追踨使用者的視線，例如，尤其是所產生的虛擬觀察者視窗的尺寸只有約4mm x 4mm時。例如，可以對使用者的每一個眼睛使用紅外線照明及一台照相機。對於一般顯示裝置及頭戴顯示器，可以將視線追踨與眼睛追踨結合在一起。可以利用視線追踨獲得的數據將HD光楔偏轉或對準到需要HD光楔的位置。與此同時，在至少一個立體分段內，所顯示的場景的一個片段會漸隱，例如在這個分段內的像素值被設置為黑色，其中這個片段是由具有高像素密度的至少一個全息分段所顯示。
在視野內產生至少一個全息分段，其中在這個視野內可以看到一個具有高解析度的場景的全息產生的三維物件，以及在視野內產生至少一個立體分段，其中在這個視野內可以看到具有低解析度的同一個場景的立體產生的三維或二維物件，其中該至少一個全息分段與該立體分段重疊或重合，並構成視野，這種作法的優點是只需在一個大約±7.5°至±15°的角度範圍內產生全息分 段。以這種方式可以很快的產生整個視野，因為相較於只產生全息分段的作法，這種產生一個立體分段及至少一個全息分段的作法可以大幅降低計算工作量。例如，可以應用一個具有約2000x2000個複數值像素的複數值空間光調制裝置。例如，一個具有約4000x2000個相位像素及一個光束組合器的相位-LCOS調制器，其中光束組合器能夠將兩個相位像素組合成一個複數。但是本發明的應用範圍絕非僅限於特定的像素數量或使用特定類型的空間光調制裝置，亦不限於以特定方式產生複數值(振幅及相位)調制。
在顯示彩色場景的顯示裝置中，可以按照時序以紅光、綠光、藍光波長的光線照射光導裝置。但是顯示彩色場景並不限於每一幀僅應用一次RGB(紅綠藍)。例如，可以使用一個滾動的幀順序rGBr｜gBRg｜bRGb｜rGBr，其中每一幀(單一圖像)是由4個部分組成，同時特定的單色被每一幀使用兩次。例如，rGBr代表紅色部分的內容被顯示兩次，一次在幀的開頭，另一次在幀的結尾，在此之間綠色及藍色部分的內容分別被顯示一次。
另一種可能的方式是，在顯示彩色場景的顯示裝置中，分別為紅色、綠色及藍使用獨立的空間光調制裝置，其中一個位於空間光調制裝置及光導裝置之間的光學系統可以將不同波長的光線組合在一起。
採用具有申請專利範圍第47項之特徵的方法即可達到上述目的。
本發明的方法是利用至少一個具有像素的空間光調制裝置及至少一個光導裝置產生大視野，其中一個場景或一個物件在這個大視野內以立體及/或全息方式被顯示：-- 該至少一個空間光調制裝置調制含有場景或物件所需資料的入射光線， -- 經過調制的光線被光學系統塑形，使至少一個空間光調制裝置的像素發出的光線以在中間相對於至少一個光導裝置的表面的不同角度照射到光導裝置，並被輸入耦合，因而定義一個角度譜，其中在至少一個光導裝置內傳播的光線以在中間相對於一個觀察者範圍的不同角度從至少一個光導裝置被輸出耦合，因而定義一個輸出耦合角度譜，其中-- 相較於輸入耦合角度譜，輸出耦合角度譜被放大。
一種有利的方式是產生空間光調制裝置的成像及/或空間光調制裝置由分段構成的成像。
可以在光輸入耦合裝置的範圍產生一個光源像。
有許多不同的可能性能夠以有利的方式落實本發明的學理，及/或將前面及以下描述的實施例或實施方式組合在一起。這些內容一方面記載於附屬申請專利項目中，另一方面將在下面配合圖式及本發明的有利的實施例或實施方式加以說明。以下也將配合所描述的實施說說明本發明的原理。
1:顯示裝置
2、100、101:空間光調制裝置(SLM)
3:成像元件
4、40、50、60、106:光導裝置
5、42、52、61、70、71:光導體
6、41、51、62、63、72、77:光輸入耦合裝置
7、43、53、73、74:光輸出耦合裝置
8:輸入耦合角度譜
9:耦合角度譜
10:視野
11:像平面
12:液晶光柵元件(LCG)
44:反射極化元件
45、54、75、S1、S2:延遲層
64、65:成像元件
73-1、73-2:光柵元件、段落
73-3:段落
74-1:光柵元件
76:極化切換開關
81:視野
80、104:眼睛
82:視線
102:光學裝置
103:出射光瞳
105:大視野
B:重疊區
F:焦點
HSG:全息分段
OA:光學軸
P1、P2、P3:像素
SG1、SG2:分段
SSG:立體分段
第1a圖：顯示本發明的一種全息顯示裝置的基本結構。
第1b圖：如第1圖之顯示裝置的光導裝置的放大圖。
第2圖：顯示本發明的光導裝置的基本結構。
第3圖：顯示光導裝置的另一種實施方式的基本結構。
第4a圖、第4b圖：顯示兩個延遲層的基本結構，以及以圖形方式顯示延遲層的厚度，其中可以將延遲層設置於光導裝置內。
第5a圖、第5b圖、第5c圖：顯示光導裝置的基本結構，其可以為視野產生兩個分段。
第6圖：顯示光導裝置的基本結構，具有兩個光輸出耦合裝置，配備一個極化切換開關，其中有一個光輸出耦合裝置處於第一控制狀態。
第7圖：顯示如第6圖的光導裝置的基本結構，其中有一個光輸出耦合裝置處於第二控制狀態。
第8圖：顯示如第6圖的光導裝置的基本結構，其中有一個光輸出耦合裝置處於第三控制狀態。
第9圖：顯示一個全息分段及一個立體分段的視野。
第10圖：顯示本發明的頭戴顯示器的基本結構。
此處要簡短說明的是，在所有的圖式中，相同的元件/構件/部件均以相同的元件符號標示。
為了易於理解以下描述的實施例，首先應說明成像光程及照明光程，以及說明在顯示裝置內，尤其是在一個未使用光導體的全息頭戴顯示器內，觀察者範圍(也就是說虛擬觀察者視窗或甜密點)的尺寸與視野尺寸的關係。在以下的說明中，”觀察者視窗”一詞亦代表”甜密點”，例如在提及產生立體分段時。這種顯示裝置具有一個照明裝置、一個空間光調制裝置(以下簡寫為SLM)、以及一個光學系統，為說明起見，以下將該光學系統理想化為透鏡，也就是無成像誤差的透鏡。這種顯示裝置原本應僅有一個範圍有限的視野。
視野的尺寸與虛擬觀察者視窗的尺寸存在一個固定關係，因為二者都與顯示裝置的光學系統的焦距有關。如果虛擬觀察者視窗被放大，則視野的尺寸會變小，如果虛擬觀察者視窗被縮小，則視野的尺寸會變大。一般而言，所使用的光學系統對顯示裝置內的照明光程及成像光程都會造成影響。
顯示裝置的光學系統通常不只具有一個成像元件，而是具有複數個成像元件。利用已知的幾何光學方法可以找出系統的一個總焦距及一個主平面。以上陳述適用於整個系統。
如果在這種光學系統具有複數個成像元件的顯示裝置加上一個光導裝置，以及使用SLM的一個成像，因此入射到光導裝置的光線會有一個固定的輸入耦合位置及一個固定的輸出耦合位置，則在算SLM、光學系統的成像元件、以及在成像光程及照明光程內的虛擬觀察者視窗之間的距離時，必須將光線在光導裝置的光導體上的輸入耦合位置及輸出耦合位置之間的光程考慮進去。
以下描述的實施例是利用一個顯示裝置產生一個大視野。這個視野是由至少一個立體分段及/或至少一個全息分段構成。這個分段是SLM的一個成像，或是SLM的一個傅利葉平面上的繞射級的一個成像，或如果是一個立體分段，則這個分段是由SLM的邊緣像素的光線在光導裝置的光導體內不同長度的傳播路徑及光導體到一事先設定的觀察者位置的距離決定。換句話說，如果是產生一個立體顯示，則只需利用顯示裝置產生一個立體分段即已足夠。這個單一的立體分段可以產生一個大視野，例如張拉出一個角度範圍約60°的視野。人在其所處的自然環境中僅能從一個 有限的立體角看到的具有高解析度及可強烈感受的三維印象，我們可以接受及利用這個事實。因此一種可能的方式是，當觀察者觀察一個場景時，觀察者並非直接觀察或聚焦這個場景的物件，而只是在背景中看到這個物件，則可以用較小的解析度顯示這個物件。基於前面提及的事實，觀察者會看到在背景中以低解析度顯示的物件。因此可以透過一個立體分段產生一個要顯示的具有複數個物件且在整個視野都看得見的場景的背景，其中該立體分段可以構成整個視野。如果在一個用於左眼的顯示裝置及在一個用於右眼的顯示裝置分別產生至少一個立體分段，這樣就可以透過顯示左眼及右眼之間的視差，以三維方式顯示一個立體場景。
但是觀察者瞄準或聚焦的物件必須具有一個很強的三維印象。但是該物件必須僅在視野的一個有限的立體角範圍以很高的解析度被顯示。為此顯示裝置會產生至少一個全息分段。視這個立體角範圍的大小而定，也可以產生複數個排列在一起的全息分段，以產生這個立體角範圍。觀察者聚焦的三維物件在這個全息產生的分段內被重建及顯示。這表示，這個全息分段是在立體產生的大視野內被產生，其中該全息分段與立體分段重疊或重合。由於這個單一的分段是SLM的一個成像，因此也是SLM的像素的一個成像，如果該至少一個全息分段代表一個具有高像素密度的成像，則該至少一個立體元件通常代表一個具有較低像素密度的成像。例如，立體內容會在立體分段及全息分段的重疊區漸隱，其中立體分段中SLM的相應的像素的振幅被設置為0，也就是被設置為黑色。
例如，一個立體分段產生一個60° x 30°的視野，一個全息分段產生一個8° x 8°的視野，也就是說，大約相當於立體分段13%的寬度及 26%的高度，因此立體場景的一個相應大小的區域會變黑，其中振幅0(零)被寫入SLM。因此場景的這個片段沒有立體場景，其中這個片段被作為全息圖計算，並顯示於全息分段內。例如，為了避免從立體場景到全息場景出現不連貫的過渡，以避免觀察者產生受干擾的感覺，可以不在靠近全息分段及立體分段的重疊區邊緣產生立體場景變黑的現象。
但是本發明並不限於全息顯示及立體顯示的組合。根據本發明，光導裝置也可以用於僅產生純立體視圖或顯示。
顯示裝置內用於產生一個立體分段及/或全息分段的光導裝置將兩個特徵組合在一起，也就是光線的角度譜的輸入耦合，以及事先設定光線在光導裝置的光導體內每一個輸入耦合角的反射次數。
第1a圖及第1b圖顯示一個實施例，其中第1b圖顯示第1a圖中的光導裝置的一個放大圖。第1a圖顯示的顯示裝置1具有一個未顯示於圖中的照明裝置(具有至少一個光源)、一個SLM 2、一個光學系統(在本實施例中為成像元件3)、以及一個光導裝置4。光導裝置4具有一個光導體5、一個光輸入耦合裝置6、以及一個光輸出耦合裝置7。在本實施例中，光導體5是彎曲的。在本實施例中，光輸出耦合裝置6具有一個將光線輸入耦合到光導體5的反射鏡元件，其中反射鏡元件構成一個位於光導體5內的傾斜鏡面。光輸出耦合裝置7具有一個光柵元件。光柵元件的光柵周期會隨著光線入射位置變化，以便在每一個光線入射位置使光線以垂直於光導體5的表面的角度從光導裝置4被輸出耦合。為了放大視野，從照明裝置發出的光線照射到SLM 2，並由SLM 2根據要顯示的物件或場景的資料調制該等光線。為了使圖面易於閱讀，圖中僅以SLM 2的像素P1、P2、 P3發出的光線(以不同灰度顯示的3個光束)代表經過調制的光線，該等光線被光學系統(也就是成像元件3)聚焦到光輸入耦合裝置6，因而在該處形成或產生照明裝置的光源的像，以這種方式，從SLM 2的各個像素P1、P2、P3、…PN發出的光線以在中間的不同角度照射到光導裝置4，尤其是照射到光輸入耦合裝置6，並被光輸入耦合裝置6輸入耦合到光導體5。這樣就定義出光線的輸入耦合角度譜8，如第1b圖所示。來自像素P1、P2、P3的3個光束以不同輸入耦合角度照射到光輸入耦合裝置6。這3個光束被光輸入耦合裝置6的反射鏡元件輸入耦合到光導體5，然後在光導體5的交界面發生全反射，並以不同的傳播角度在光導體5內傳播。在這種情況下，輸入耦合的角度譜或輸入耦合角度譜8在空氣中大約是30度，在光導體5內大約是20度。光線在光導體5內經過事先設定或特定次數的反射後，光線會再度從光導體5被輸出耦合。在本實施例中，被輸入耦合的光線在光導體5的內表面及外表面或交界面上反射4次後，被光輸出耦合裝置7(也就是光柵元件)再度從光導體5被輸出耦合。在光導裝置4或光導體5內傳播的光線是以垂直於光導體5的局部表面的角度被輸出耦合，但由於光導體5是彎曲的，因此光線是以在中間相對於觀察者範圍不同的角度從光導裝置4或光導體5被輸出耦合。這樣就定義出光線的輸出耦合角度譜9，如第1b圖所示。從第1a圖及第1b圖可以看出，在光線從光導體5輸出耦合後，產生一個從光束的焦點F看出去的視野10，也就是圖中以點狀陰影線標示的視野10。此處產生的視野10的角度範圍大約是56度。從圖中可以看出，光線的輸出耦合角度譜9大約是光線輸入耦合到光導體5的輸入耦合角度譜8的兩倍大。因此以這種方式可以產生一個大視野，在 這個視野內可以產生立體及/或全息顯示。因此產生大視野的方式是產生至少一個立體分段及/或至少一個全息分段，並由該等分段合起來構成視野。但是透過傳播光線的角度譜及光線在經過事先設定的反射次數後被輸出合，以放大視野的方法並不限於本實施使用的彎曲的光導體，而是也可以應用於光導裝置內是一個扁平的光導體的情況。
如1a圖所示，SLM 2的一個光程被照明裝置發出一直到輸入耦合到光導裝置4的平行光線照亮。如前面所述，在光輸入耦合裝置6的範圍內會產生照明裝置的一個光源像。但在此之前，在光線方向上，在光學系統的成像元件3前面已經有形成一個光源像，在第1a圖中，光源的這個像平面被標示為元件符號11。這個光源像是由光學系統的成像元件(未在圖式中繪出)所產生。在像平面11上有一組彼此交叉(彼此夾90度角)的液晶光柵元件(LCG)12。將一個透鏡功能寫入兩個液晶光柵元件12可以移動SLM 2的像平面。如果不使用液晶光柵元件，也可以用其他形式的可變光學元件移動SLM 2的像平面。配合顯示裝置1的視線追踨裝置可以實現或產生一個具有適當的焦點的立體分段。如果對觀察者的雙眼進行視線追踨，可以從視線的聚散度角度為觀察者的雙眼偵測出景深，也就是觀察者的一隻眼睛聚焦的景深。接著透過寫入液晶光柵元件的透鏡功能為所產生的立體分段將SLM 2的像平面移入這個偵測到的景深，這樣觀察者就可以清楚的看到所顯示的場景，不會受到適應調節-聚散度衝突的干擾。為此也可以配合立體場景之內容的計算工作，使位於偵測到的景深內的部分場景被清晰的顯示出來，以及有意的使位於其他景深的部分場景被比較不清晰的顯示出來。為立體分段對SLM 2的像平面進行的這個追踨也可以與產生 至少一個全息分段組合在一起。如果將一個立體分段與至少一個全息分段組合在一起，則同樣可以設置一個視線追踨裝置。利用這種視線追踨裝置及跟踨裝置可以使全息分段的位置在視野內相應於觀察者眼睛的視線移動，以及使立體分段的SLM 2的景深適配。因此在視網膜的中央區域會產生最大的橫向解析度，以及所顯示的場景或物件的一個完整的三維景深。在視網膜的中央區域以外的區域，在立體分段內僅有一個二維場景或物件。但是在視網膜的中央區域，也會透過追踨SLM的像的景深，以避免出現適應調節-聚散度衝突。雖然人眼在周圍視域或視野只能大略解析或無法解析物件的景深。儘管如此，仍然可以改善整體的像品質，但前提是像內容或要顯示的場景的物件比被全息分段遮蔽的片段在視野內更大的角度範圍與觀察者眼睛的聚焦位置適配。
但是在光導裝置4的光導體5內以不同的角度傳播的光線或光束，在經過不同次數的反射後，可以照射到光輸出耦合裝置7的相同的輸出耦合面上。例如，傳播的光線經過在光導體5的交界面上3次或4次反射後，其照射到的範圍在光導體的一個內側重疊。在光線經過事先設定次數的反射後，為了使光線以理想的方式從光導體5輸出耦合，應避免反射次數不足的光線一起被輸出耦合。有不同的方法可以達到這個目的。例如，可以用一種角度選擇的偏轉元件將光線從光導裝置4輸出耦合。應調整偏轉光柵元件的角度選擇性，以使只有應從光導體5的一個特定位置被輸出耦合的光線(具有特定的傳播角度)也以高效率被偏轉光柵元件偏轉。對於偏轉角要隨著光柵元件在光導體上的位置而改變的光柵元件而言，要調整到適當角度選擇性可能會是一件很麻煩的事
可以用另一種方法避免光線過早(經過的反射次數不足)從光導體被輸出耦合。這種方法是調整在光導體內傳播的光線的極化，使經過偶數次反射的光線的極化不同於經過奇數次反射的光線的極化。這種改變光線極化的方法可應用於以光導裝置立體顯示及全息顯示物件或場景。
第2圖以示意方式顯示這種調整或改變光線的極化以避免光線不當的從光導體輸出耦合的可能性。在這個實施例中，第1a圖的顯示裝置具有另一種光導裝置40，為了簡化圖面起見，第2圖僅顯示及解釋光導裝置40。光導裝置40具有一個光輸入耦合裝置41、一個光導體42、以及一個光輸出耦合裝置43。在本實施例中，光輸入耦合裝置41具有一個將光線輸入耦合到光導體42的光柵元件。這個光柵元件位於光導體42的一個面朝SLM(未在圖式中繪出)的面上。這個實施例使用的也是一個彎曲的光導體42。光輸出耦合裝置43具有一個將光線從光導體42輸出耦合的光柵元件。此外還設有一個反射極化元件44。反射極化元件44較佳是一種線柵極化器。為了使反射極化元件能夠正確作用，可以將反射極化元件44設置在光導體42及光輸出耦合裝置43之間。但是也可以將反射極化元件整合到光輸出耦合裝置中。反射極化元件能夠將一種極化狀態的入射光線反射，以及讓另一種極化狀態的光線通過或透過。例如，將S型光線反射，但是讓P型光線通過。此外還有一個設置在光導體42的外側上的延遲層45。在本實施例中，延遲層45位於光導體42與光輸出耦合裝置43相對而立的一個面或交界面上。
以下將說明在光導裝置40的光導體42內傳播的光線輸出耦合的方式。第2圖顯示兩道傳播光線，這兩個光束是由SLM的兩個像素發 出，並在輸入耦合到光導體42之前被P型極化(平行於入射平面極化)。這兩道線性極化光束(圖面上分別以點狀線及虛線顯示)被光學系統(未在圖式中繪出)聚焦到光輸入耦合裝置41，因而在焦平面上產生一個光源像。兩個像素發出的光束以不同的角度照射到光輸入耦合裝置41，然後被光輸入耦合裝置41輸入耦合到光導體42，接著在光導體42內以不同的角度傳播，並在光導體42的一個交界面經歷第一次反射，其中發生第一次反射的光導體42的區域未設置光輸出耦合裝置43。接著這兩個光束照射到位於光導體42之交界面對面的延遲層45，並一次通過延遲層，因而使兩個光束的極化轉動90度。這表示，在通過延遲層45後，兩個光束不再是P型極化，而是S型極化(垂直於入射平面極化)。接著光線在光導體42的交界面(其上有設置光輸出耦合裝置43)照射到反射極化元件44，其中這個光線或光束(圖面上以點狀線顯示)被反射極化元件反射。接著光束再度照射到延遲層45，並在通過延遲層45時再度經極化轉動，使光束再度變成P型極化。在通過延遲層45後，P型極化光束再度照射到反射極化元件44，並通過延遲層45，然後照射到光輸出耦合裝置43，在本實施例中，光輸出耦合裝置43是一個光柵元件。光輸出耦合裝置43將光束相應的偏轉，並將光束從光導體42輸出耦合。同樣的，以虛線顯示的光束在兩次通過延遲層45後，會繼續通過反射極化元件44，然後被光輸出耦合裝置43偏轉，並從光導體42輸出耦合。這個過程和以點狀線顯示的光束在光導體42的交界面上經歷兩次反射後的過程一樣，但是此時以虛線顯示的虛線已經在光導體42的前三分之一位置從光導體42輸出耦合，因為這個光束是以不 同於以點狀線顯示的光束的角度照射到光輸入耦合裝置41。可以在顯示裝置運轉之前或運轉過程中設定及定義光線在光導體42內的反射次數。
因此光線只有在導體2的交界面經過偶數次反射後才會到達光輸出耦合裝置43，這樣就可以更好的將應輸出耦合的光線與不應輸出耦合的光線分開。因此在第1a圖及第1b圖顯示的結合光線的極化轉動的實施例中可以防止光線在經過3次反射後就從光導體輸出耦合。這樣就可以在經過4次反射後達到並進行事先設定或定義的輸出耦合。
這種實施方式也可以與輸出耦合光柵元件的角度選擇性結合在一起。在第1a圖及第1b圖中有一個小的區域，光束在這個小區域內在光導體5的交界面經過兩次及4次反射後會照射到光輸出耦合裝置7的光柵元件上的相同位置或相同地點，因而具有相同的極化。這個小區域位於光導體5的前半段。如果僅透過極化將光束分離，則在產生視野的分段時不會用到這個小區域。但是在兩次反射及4次反射的情況下，二者的光束在光輸出耦合裝置7的光柵元件上相同位置的照射角度的差異遠大於光束在光導體5內經過3次反射及4次反射的情況下，照射角度的差異。因此在這種情況下可以應用光柵元件的角度選擇性，以防止光束在經過兩次反射後就被不當的輸出耦合。
第3圖顯示另一種光導裝置50，這種光導裝置亦可應用於第1a圖及第1b圖的顯示裝置。光導裝置50具有一個光輸入耦合裝置51、一個光導體52、以及一個光輸出耦合裝置53。和第2圖的實施例一樣，光輸入耦合裝置51也具有一個將光線輸入耦合到光導體52的光柵元件。光柵元件52設置在光導體52的一個朝向SLM(未在圖式中繪出)的面上。光 導體52是彎曲的。光輸出耦合裝置53具有一個極化選擇光柵元件，其作用是將光線從光導體52輸出耦合。極化選擇光柵元件能夠將一種極化狀態的入射光線反射，以及讓另一種極化狀態的光線通過或透過。此外，光導體52的外側具有一個延遲層54，這個延遲層53位於光導體52面對光輸出耦合裝置53的一個面或交界面上。
以下將說明在光導裝置50的光導體52內傳播的光線輸出耦合的方式。和第2圖一樣，第3圖也顯示兩道傳播光線(分別以點狀線及虛線顯示)，這兩個光束是由SLM的兩個像素發出，並在輸入耦合到光導體52之前被P型極化。這兩道線性極化光束被光學系統(未在圖式中繪出)聚焦到光輸入耦合裝置41，因而在焦平面上產生照明裝置的一個光源像。接著這兩個光束被光輸入耦合裝置51輸入耦合到光導體52，並在光導體52的一個交界面經歷第一次反射，其中發生第一次反射的光導體52的區域未設置光輸出耦合裝置53。接著這兩個光束照射到位於光導體52之交界面對面的延遲層54，並一次通過延遲層，因而使兩個光束的極化轉動90度。這表示，在通過延遲層54後，兩個光束不再是P型極化，而是S型極化。接著以點狀線顯示的光束照射到光輸出耦合裝置53的極化選擇光柵元件，並被極化選擇光柵元件反射。接著光束再度照射到延遲層54，並在通過延遲層54時再度經極化轉動，使光束再度變成P型極化。在繼續通過延遲層54後，P型極化光束再度照射到極化選擇光柵元件，並通過延遲層54，並在被相應的偏轉後從光導體52輸出耦合。同樣的，以虛線顯示的光束在兩次通過延遲層54後，會繼續通過光輸出耦合裝置53的極化選擇光柵元件，並被相應的偏轉，並從光導體52輸出耦合。這個過程和以點狀線顯示的光 束在光導體52的交界面上經歷兩次反射後的過程一樣，但是此時以虛線顯示的虛線已經在光導體52的前三分之一位置從光導體52輸出耦合，因為這個光束是以不同於以點狀線顯示的光束的角度照射到光輸入耦合裝置51。
同樣的，這個實施例也可以在光導體52的交界面經過偶數次反射後，較好的將光束分開。
換句話說，在光導體52的交界面(其上設有延遲層54)經過奇數次反射後，照射到光輸出耦合裝置53的極化選擇光柵的光線不會被極化選擇光柵偏轉，因此會在光導體52及周圍環境之間被反射。在光導體52的交界面(其上設有延遲層54)經過偶數次反射後，照射到光輸出耦合裝置53的極化選擇光柵的光線會被極化選擇光柵偏轉，並從光導體52輸出耦合，其中偶數次及奇數次反射可以彼此互換。可以在顯示裝置運轉之前或運轉過程中設定及定義光線在光導體52內的反射次數。
如果將光導裝置40及50分別應用於第1a圖的顯示裝置，則可以利用光導裝置40及50分別產生一個大視野，而且這個大視野是以立體路徑產生。這個大視野是由SLM的邊緣像素發出的輸出耦合光束、這些光線在光導裝置內不同長度的傳播路徑、以及光導裝置到一事先設定的觀察者位置的距離所產生。這可能表示，如果以虛線顯示的光束及以點狀線顯示的光束分別從SLM的一個像素發出，然後被輸出耦合的以虛線及點狀線顯示的光束產生一個視野，其中這些光束從側面限制視野的範圍。這個視野構成一個以這種方式經由光導裝置40或50立體產生的分段。在這個視野內可以顯示一個場景或物件在SLM內被編碼或顯示的資料。
但是設置延遲層的作法並非僅限於使用S型極化光線或P型極化光線的情況。例如，延遲層也可以將+45°的線性極化光線轉動成-45°的線性極化光線，或是將左旋循環極化光線轉變成右旋循環極化光線。例如，如果以僅選擇性的將右旋循環極化光線偏轉布拉格極化光柵元件取代第3圖中僅選擇性的將P型極化光線偏轉的極化選擇光柵元件，則延遲層的構造要使其能夠將右旋循環光線轉變成左旋循環光線，或是將左旋循環光線轉變成右旋循環光線，其中SLM的兩個像素發出的循環極化光線已經被輸入耦合到光導裝置。
第4圖(a)顯示兩個延遲層以類似的方式被設置在第2圖及第3圖的光導裝置40或50中。在這種情況下，兩個延遲層的配置會將+45°的線性極化光線轉動成-45°的線性極化光線。
在第1a圖及第1b圖中的實施例中，其中輸入耦合角度譜在空氣中大約是30度，在光導體的材料內大約是20度，其中光導體的折射率n=1.5，則至少一個延遲層的構造要使其能夠為光線的整個角度譜以很高的效率使光線在光導體內產生所希望及要求的極化轉動或極化轉變。該至少一個延遲層的厚度應對傾斜入射光優化，因為光束是以一個角度照射到該至少一個延遲層。此外，光束在通過該至少一個延遲層受到的延遲應在一個對所有光束都類似的規定的角度範圍內。例如，如果利用具有一個分段的光輸入耦合裝置輸入耦合一個在光導體材料內為20度的角度譜，則在光輸入耦合後，在光導體內傳播的角度譜也是20度。例如，如果中間輸入耦合的光束(也就是SLM的中間像素發出的光束)對面的反射鏡元件傾斜27.5度，則這個光束會以雙倍的角度(也就是55度)在光導體內傳播。SLM 的其他像素發出的光束的傳播角度介於45度至65度之間。因此在這個實施例中，對於所有光束而言，光束通過該至少一個延遲層受到的延遲都應該類似於這個從45度至65度的角度範圍。
兩個延遲層S1及S2都是由一種雙折射材料構成，其中構成兩個延遲層S1及S2的雙折射材料可以是相同的，也可以是不同的。在本實施例中，二者是由相同的材料構成。從第4圖(a)可以看出，延遲層S1的厚度d大於延遲層S2的厚度。在延遲層S1內，雙折射材料的光學軸OA的取向在延遲層S1的平面上。在延遲層S2內，雙折射材料的光學軸OA的取向垂直於延遲層S2。
第4圖(b)以圖形方式顯示根據第4圖(a)的延遲層的模擬數據。圖中的曲線顯示，為入射角在0度至略高於65度的範圍的光線選擇適當的層厚度，以及雙折射及兩個延遲層S1及S2的光學軸取向，則會有95%以上波長λ=532的綠光的極化以所希望及要求的方式被轉動或改變。
透過選擇延遲層S1及延遲層S2的光學軸，使延遲層S1的延遲作用隨著傳播角變的變大而變小，但是延遲層S2的延遲作用則隨著傳播角變的變大而變大。透過兩個延遲層S1及延遲層S2的組合，可以補償大部分的角度相關性。
根據第4圖(a)及第4圖(b)，所選擇的延遲層S的雙折射及厚度使其相當於一個1/4波片在垂直入射時的情況，也就是d x△n=133nm。延遲層S2的厚度為d x△n=50nm。
因此雙折射△n=0.1的材料，兩個延遲層S1及S2的整個厚度是1.83μm。
此處描述的兩個延遲層的配置方式只用於說明的如何透過利用一個以上的延遲層及調整參數(例如延遲層的厚度及雙折射)，以及延遲層的光學軸的取向，以便為一個傳播角度範圍達到轉動及極化的一個例子，本發明應用至少一個延遲層在光導體內達到轉動及極化的方法並不限於兩個延遲層的配置方式。
如前面所述，顯示裝置可以產生複數個立體及/或全息分段，以產生一個大視野。如果透過設置複數個相鄰的分段，以進一步擴大視野，其中在這些分段上，光線在經過不同次數的反射後從光導裝置被輸出耦合，則可以設置一個極化切換開關。在顯示裝置內的光程上，可以將這個極化切換開關設置光線輸入耦合到光導裝置之前的位置。例如，相較於第2圖及第3圖的實施例，在輸入耦合到光導裝置之前，光線的極化轉動90度，也就是說，S型極化光線會取代P型極化光線會被輸入耦合到光導裝置的光導體，因此在光線第一次照射到光輸出耦合裝置的反射極化元件或極化選擇光柵元件時，光線就已經通過該反射極化元件或極化選擇光柵元件，並被輸出耦合。若是要產生複數個全息分段，或產生複數個全息分段及一個立體分段，其中立體分段是用於產生場景中一個被對準的三維物件的背景，則可以使用這種具有在光線方向上位於光導裝置之前的極化切換開關的顯示裝置。如果要在視野中純立體顯示一個物件或場景，通常是只需一個構成整個視野的分段就已經達到大視野。
將第1a圖顯示的SLM的3個像素發出的光束相互比較可以發現，這些光束進入光輸入耦合裝置的輸入耦合角度具有相同的差值，例如在材料內的差值大約是10度，在空氣中的差值大約是15度，包括從SLM 的中間區域的一個像素及SLM的兩個邊緣像素來看。但此處需要清楚看出的是，在相對於觀察者範圍的光線的輸出耦合角度譜內，從第一個像素的光束至第二個像素光束的角度明顯小於從第二個像素的光束到第三個像素的光束的角度。因此在整個視野內，觀察一個場景的觀察者能夠看到SLM每一度觀察角度的像素數量不會是相同的。視野內每一度觀察角的像素數量是以梯度方式變化。如果觀察者位於一個觀察者平面，並觀察視野內顯示的場景，也就是說，觀察者透過如第1a圖的觀察者範圍朝光導裝置的方向觀看，則從觀察者的左側看出去的像素密度大於從觀察者的右側看出去的像素密度，因此顯示的場景會失真或扭曲，也就是錯誤的呈現。
每一度觀察角的像素密度的差異可以在視野內顯示的像內容獲得補償。例如，一種可能的方式是使所顯示的場景或物件被相應的標度或失真。這可以在將資料編碼到SLM時進行。但是這樣做可能會使視野的一個邊緣區的像素密度對場景或物件的可視解析度造成限制。對於立體分段的視圖與至少一個全息分段的組合，其中該至少一個全息分段每一度觀察角可以具有很大數量的三維物點，同時可以追踨觀察者眼睛的視線，視野邊緣區的解析度較低並不會造成任何問題，因為立體顯示的場景內容僅顯示在觀察者視網膜的一個區域，視網膜在這個區域僅以相當低的解析度偵測入射光線。
對於僅應在一個大視野中顯示一個場景或物件的立體內容的顯示裝置而言，可以先形成SLM的一個中間成像，其中SLM的像素被不同程度的放大。這表示在光導裝置或光導體的一個光輸入耦合側，每一度光輸入耦合角度的像素數量具有一個梯度，這個梯度與在光導裝置的一 個光輸出耦合側，每一度光輸出耦合角度的像素數量的梯度反向。可以透過對像平面或要顯示的場景或物件的標度或預矯，使光束的不同的角距在從光導裝置輸出耦合時獲得補償，這樣整個視野依然可以保持每一度觀察角度的固定數量的像素。
第5a圖、第5b圖及第5c圖以示意方式分別顯示顯示裝置的一個部分，此部分主要包括光導裝置及光學系統的一個成像元件，其中第5a圖顯示產生一個分段，第5b圖顯示產生另一個分段，第5c圖顯示在一起的兩個分段。這種顯示裝置較佳是用來構成VR(虛擬實境)顯示器。這種顯示裝置產生至少兩個分段，在本實施例中是產生兩個立體分段。從第5a圖、第5b圖及第5c圖可以看出，光線是從兩個基本上彼此相對而立的面輸入耦合到光導裝置。這個顯示裝置僅具有一個具有光導體61的光導裝置60。但是在光導裝置60內設有兩個光輸入耦合裝置62及63。光輸入耦合裝置62及63具有基本上相同的反射鏡元件，只是在光導體61內的位置不同。在第5a圖中，光線經由輸入耦合裝置62輸入耦合到光導體61，以產生從像左側看過去的第一分段。在第5b圖中，光線經由輸入耦合裝置63輸入耦合到光導體61，以產生從像右上方看過去的第二分段。光輸入耦合裝置62及63分別具有一個將光線輸入耦合到光導體61的反射鏡元件，該等反射元件也限制了整個視野。第5a圖及第5b圖都只顯示運轉中的光輸出耦合裝置，也就是說，第5a圖顯示的是光輸出耦合裝置62，第5b圖顯示的是光輸出耦合裝置63。在第5a圖中，以光學系統的成像元件64及光導裝置60產生的以陰影區顯示的第一分段SG1具有一個大約60度的水平視野，同時其像素密度(每一度觀察角的像素數量)從第5a圖左側向右上 方看過去逐漸降低。在第5b圖中，以光學系統的成像元件65及相同的光導裝置61產生的以點狀區顯示的第二分段SG2同樣具有一個大約60度的水平視野，同時其像素密度(每一度觀察角的像素數量)從第5b圖右側向左下方看過去逐漸低。整體而言，在由兩個分段SG1及SG2組成的整個視野中，中間區域具有最高的像素密度。兩個分段SG1及SG2共同構成一個大視野，如第5c所示，這兩個分段SG1及SG2可以在一個小區域重疊。透過兩個分段SG1及SG2的重疊，可以進一步提高重疊區的像素密度。第5c圖以示意方式顯示兩個分段SG1及SG2。分段SG1的視野以實線顯示，分段SG2的視野以虛線顯示。兩個分段SG1及SG2的重疊區B以陰影線顯示。在第5a圖、第5b圖及第5c圖的實施例中，分段SG1及SG2各有一個大約60度的視野。重疊區B大約是20度，因此整個視野大約是100度。
在正常情況下，人眼的周邊視野的解析度遠小於中心視野的解析度。雖然轉動眼睛可以轉動中心視野的位置。但是眼睛通常只能在+/-15度的範圍內轉動。如果要較大幅度的改變視線，頭部也要跟著轉動。因此如果與觀察者本身當下的視線無關，視野中心(例如約30度的範圍)的每一度觀察角的像素密度大於視野周邊範圍的像素密度，那將是一個很大的優點。
因此應將夠產生至少兩個分段顯示裝置，尤其是顯示裝置的光導裝置，設置在觀察者的眼睛前面，且其設置方式要使所產生的視野的兩個分段的重疊區(每一度觀測角的像素密度最高的區域)相當於觀察者的 視線，其中從重疊區到視野的兩側，每一度觀測角的像素密度會隨著視角的增加而降低。
為了將光線輸出耦合，以產生第一分段SG1及第二分段SG2，光輸出耦合裝置(未在圖式中繪出)可以具有至少兩個不同的角度選擇偏轉光柵元件，例如體積光柵。由於在光導體61內傳播的光束以很大的角度從兩個彼此相距一段距離的光輸出耦合裝置62及63的兩個相互對立的邊照射到角度選擇光柵，例如以+45度及+65度從一個光輸出耦合裝置及以-45度及-65度從另一個光輸出耦合裝置照射到角度選擇光柵，由於偏轉元件的選擇性的關係，因此可以將各個光束分開輸出耦合。可以利用兩個不同且具有光學系統的SLM，使光線從兩個不同的邊輸入耦合，或是在兩個相距一段距離的不同的輸入耦合位置輸入耦合，以產生兩個分段SG1及SG2。另一種可能性是，經由一個偏轉裝置按照時序，將經過SLM以相應於顯示場景所需的資料調制的光線發送到光輸出耦合裝置62及光輸出耦合裝置63(或是反過來發送到光輸出耦合裝置63及光輸出耦合裝置62)。立體產生的視野或構成視野的立體分段顯示的場景的解析度當然可以低於每一度觀察角的像素數量。這表示如第5a圖的顯示裝置也可以具有一個視線追踨及跟踨裝置(gaze tracking unit)，以使高解析度的像內容或所顯示的高解析度的場景或物件與觀察者的視線適配。這稱為注視點渲染技術(foveated rendering)。
第6圖、第7圖及第8圖描述的實施例都是利用光導裝置內兩個光輸出耦合裝置的組合將光線從光導裝置輸出耦合。此種光導裝置可 以應用於以立體分段及全息分段產生的顯示裝置，亦可應用於在SLM的一個傅利葉平面上產生SLM或照明裝置的成像的顯示裝置。
第6圖、第7圖及第8圖詳細說明如何產生至少一個全息分段及一個立體分段。例如，可以用單視差編碼產生一個全息分段，這樣在一個方向有一個甜密點，在另一方向有一個虛擬觀察者視窗。在這個例子中，這個全息分段在水平方向(編碼方向)有一個小視野，但是在垂直方向有一個垂直於圖面的大視野。
光導裝置的兩個光輸出耦合裝置可以分別具有至少一個可開關或可控制的光柵元件。可控制的光柵元件能夠在第一開關狀態及第二開關狀態之間切換，其中在光柵元件的第一開關狀態(也就是主動開關狀態)“開“的情況下下，照射到光柵元件的光線會從光導體輸出耦合。在光柵元件的第二開關狀態(也就是被動開關狀態)“關“的情況下，照射到光柵元件的光線不會從光導體輸出耦合，而是在光導體內繼續傳播。
此外，可以將可控制的光柵元件分配到不同的段落，並使其能夠獨立被切換到“開“或“關“的狀態。如果顯示裝置有一個立體分段與至少一個全息分段組合在一起，則將光線輸出耦合的光輸出耦合裝置的至少一個可控制的光柵元件分配到不同的段落，以產生至少一個全息分段。
透過一個全息分段的輸出耦合加上一個立體分段的輸出耦合，以達到一個大視野的作法應按照時序進行。這表示，第一光輸出耦合裝置的至少一個可控制的光柵元件或至少一個可控制光柵元件的一個段落，接著第二光輸出耦合裝置的至少一個可控制光柵元件或至少一個可控制的光柵元件的一個段落，是按照時序依序被切換到第一開關狀態“開“，同時 另一個光輸出耦合裝置的至少一個可可控制的光柵元件被切換到第二開關狀態“關“。因此多個全息分段及多個立體分段也能夠以同樣方式依序輸出耦合。例如，可以只將每一個光輸出耦合裝置的至少一個光柵元件的特定段落切換到第一開關狀態“開“，因此只有照射到至少一個光柵元件的這些段落上的光線被輸出耦合，並產生不同的分段。
但是這種具有兩個光輸出耦合裝置，而且每個光導輸出裝置具有至少一個可控制的光柵元件的光導裝置不但製造成本高，製造過程也很麻煩，而且這種光導裝置在運轉時對光輸出耦合的要求很高。特別是在光導裝置內使用彎曲的光導體，上述缺點更加明顯，這是因為在這種情況下，光輸出耦合裝置的可控制的光柵元件也必須是彎曲的。
因此一種特別有利的方式是，光導裝置同樣具有兩個光輸出耦合裝置，但是這兩個光輸出耦合裝置中的一個光輸出耦合裝置僅具有至少一個被動光柵元件，另一個光輸出耦合裝置具有至少一個可控制的光柵元件，而且最好是只具有一個可控制的光柵元件。但是這個可控制的光柵元件可以分成不同的段落。
第6圖顯示這種用於顯示裝置的光導裝置，例如用於如第1a圖的顯示裝置。在這個實施例中，光導裝置70具有一個彎曲的光導體71，和本文揭示的其他所有光導裝置一樣，這種光導裝置也可以使用扁平或平坦狀的光導體。此外，光導裝置70還具有一個光輸入耦合裝置72，以及兩個光輸出耦合裝置73及74。光導體71的外側設有一個延遲層75。光線每次通過延遲層75，光線的極化都會改變，也就是說第一次通過延遲層75，以及在光導體71的交界面經過一次反射後，第二次通過延遲層75。 延遲層75使線性極化光線的極化轉動90度。第6圖以示意方式繪出一個延遲層。但是如第4圖所示，也可以設有複數個延遲層。
利用第6圖的光導裝置可以產生及顯示一個具有大視野的立體分段，以及一個較小的全息分段。這個較小的全息分段的位置可以在這個由立體分段產生的大視野內移動。為了使全息分段移動，在經過不同次數的反射後，全息分段從光導裝置70被輸出耦合。
將這個大的立體分段輸出耦合的光輸出耦合裝置74具有一個光柵元件74-1。光輸出耦合裝置74也可以具有複數個光柵元件。光柵元件74-1是一個透光的被動光柵元件。光輸出耦合裝置74較佳是具有至少一個極化選擇光柵元件，例如一個極化選擇體積光柵。該至少一個光柵元件較佳是只將p型極化光線從光導裝置70的光導體71輸出耦合。如第6圖的光輸出耦合裝置74的極化選擇光柵元件74-1會將入射的線性P型極化光線偏轉，但是不會將入射的線性S型極化光線偏轉，而是將其輸出耦合。
也可以用布拉格極化光柵元件作為本實施例的光柵元件，其特性是將右旋循環極化光線偏轉，但不會將左旋循環極化光線偏轉。以下關於從光導裝置70將光線輸出合的說明亦適用於具有布拉格極化光柵元件的光導裝置。在具有布拉格極化光柵元件的光導裝置中，延遲層75的作用是將右旋循環極化光線轉變成左旋循環極化光線，以及將左旋循環極化光線轉變成右旋循環極化光線。
但是用於該至少一個全息分段的光輸出耦合裝置73具有一個可控制或可開關的光柵元件。光輸出耦合裝置73還可以具有其他的被動光柵元件，例如修正單一波長用的光柵元件。
光柵元件的偏轉角度通常與波長有關。相同的光柵元件通常會以比綠光或藍光更大的角度偏轉紅光。具有一個光導裝置的顯示裝置較佳是將不同波長的光線(例如紅光、綠光及藍光(RGB))在光導體內經過相同的事先設定的反射次數後，在相同的位置從光導體輸出耦合。接著不同波長的光線應從光導體的出耦合位置以相同的角度傳播到一個觀察者範圍。如果對所使用的波長(紅光、綠光及藍光(RGB))而言，光線的輸入耦合角及輸出耦合角是相同的，則可以用最簡單的方式實現上述要求。
要利用光柵元件將光線輸入耦合到光導裝置，或是從光導裝置輸出耦合，以及實現不同顏色或波長的光線以相同的角度傳播，一種可能的方式是為不同波長的光線使用不同的光柵元件，另一種可能的方式是使用一個光柵元件，但是以根據不同色光調整其光柵周期。例如體積光柵是一種已知的具備有限的角度選擇性及波長選擇性的光柵元件。例如，可以製造一種體積光柵，這種體積光柵基本上只能偏轉紅光、綠光、或藍光，因為其對於其他波長僅具有一很小的繞射效率。
光輸入耦合裝置或光輸出耦合裝置可以具有一包含3個光柵元件的堆疊，例如一個用於紅光的體積光柵、一個用於綠光的體積光柵、以及一個用於藍光的體積光柵。以相同角度照射到這3個體積光柵的紅光、綠光及藍光也是以相同的角度被這3個體積光柵偏轉。另一個已知的事實是，體積光柵可以將複數個光柵功能整合到一個單一層。光輸入耦合裝置 或光輸出耦合裝置也可以具有一個光柵元件，但是這個光柵元件具有複數個偏轉紅光、綠光及藍光的光柵功能，以取代一個光柵元件堆疊。如果是使用光柵元件堆疊，則可以選擇性的開關或控制所有的光柵元件。但最好是使用複數個被動光柵元件及一個關開元件(例如極化切換開關)的組合。
另一種使不同波長的光線的輸入耦合及輸出耦合達到相同的偏轉角的方式是，使用一種將複數種波長以不同的角度偏轉的光柵元件與修正光柵元件的組合，其中修正光柵元件的作用是修正個別波長的偏轉角，使修正過的偏轉角與另一個波長的偏轉角相同。例如，在這種光輸入耦合裝置或光輸出耦合裝置中，將複數個波長偏轉的第一光柵元件是一個表面浮雕光柵或極化光柵，其他修正個別波長的偏轉角的光柵元件是體積光柵。例如，第一光柵元件將紅光、綠光及藍光偏轉，其中綠光是以所希望的角度被偏轉，但是紅光以過大的角度被偏轉，藍光以過小的角度被偏轉。其他的光柵元件對紅光及藍光的偏轉角進行修正，使紅光、綠光及藍光以相同的偏轉角輸入耦合到光導體，然後再以相同的偏轉角輸出耦合。為了修正個別波長的偏轉角，也可以將一個以上的光柵元件用於每一個波長，例如將每個體積光柵都具有兩個光柵元件的體積光柵裝置用於一個波長。修正偏轉角用的第一體積光柵可以執行一個預偏轉。接著第二體積光柵將經過預偏轉的光線偏轉，以實現或形成所希望的出射角。此處應充分利用的一個特性是，具有大偏轉角的體積光柵的波長選擇性通常小於具有小偏轉角的體積光柵的波長選擇性。由於波長選擇性較小，比較容易使體積光柵只偏轉一種波長的光線。
如第6圖將可控制的光柵元件分成3個段落73-1、73-2、73-3。
第6圖顯示產生及顯示至少一個全息分段的光輸入耦合裝置72，以及在光導體71內僅用於這個全息分段的光線傳播。此外還顯示產生及顯示至少一個立體分段的光輸入耦合裝置77。為使圖面易於閱讀起見，第6圖並未顯示在光導體71內用於這個立體分段的光線傳播。這個用於立體分段光線傳播及光輸入耦合是以類似於第3圖的方式進行。
在光線傳播方向上，在光導體70之前，也就是在光線輸入耦合到用於產生全息分段的光導體71之前，設有一個極化切換開關76。用於產生全息分段的光輸入耦合裝置72不具備極化選擇性。這表示光輸入耦合裝置72對於S型極化光線及P型極化光線具有類似的效應。光輸入耦合裝置72可以具有至少一個光柵元件，例如體積光柵。體積光柵可以是由光聚合物構成。
體積光柵具有角度選擇性及波長選擇性。因此利用體積光柵可以高效率的偏轉具有特定入射角及/或特定波長的光線。
例如，一個具有光導裝置的顯示裝置，其中光導裝置是用於產生一個全息分段及產生一個虛擬觀察者視窗，觀察者可以透過該視窗觀察所產生的場景，或是光導裝置是用於產生一個立體分段及產生一個甜密點，則通常需要一個特定寬度的角度選擇性，以便在光線傳播方向上，在光導裝置的後面產生一個觀察者範圍，也就是說產生一個觀察者視窗或甜密點。因此光線需要從相同的位置以不同的角度從光導體輸出耦合，以便離開光導體的光線傳播到觀察者範圍內不同的位置。
因此光輸出耦合裝置內的光柵元件應具有足夠寬度的角度選擇性，以產生一個甜密點，例如可以透過選擇適當的厚度及折射率調制，使光柵元件具有適當的角度選擇性。但是這樣做可能會增加在光導體內的相同位置使用不同的光柵元件，以透過不同的光柵的角度選擇性將入光束分開的作法的困難度。
根據第1a圖及第1b圖描述的立體分段，對於彎曲的光導體而言，光輸出耦合裝置的光柵元件的偏轉角會隨著光柵元件在光導體內的位置而改變。
對於彎曲的光導體而言，在產生全息分段時，光輸出耦合裝置的光柵元件的偏轉角在整個視野內都是一樣的。
第6圖描述的情況是，光輸出耦合裝置73的光柵元件對於在中間段73-2的全息分段及立體分段的偏轉角是雖然是不同的，但由於其間的差異很小，因此不可能僅透過所使用的體積光柵的角度選擇性將偏轉角分開。與此相反的，光輸出耦合裝置73的光柵元件對於在段落73-1及73-3的全息分段及立體分段的偏轉角的應有較大差異，以便可以在段落73-1及73-3內透過可控制的光柵元件73-1或73-2的角度選擇性將全息分段的偏轉角與立體分段的偏轉角分開，這個角度選擇性是針對全息分段的輸出耦合而調整，但是光柵元件74-1的角度選擇性是針對立體分段的輸出耦合而調整，因此二者的角度選擇性是不同的。例如，調整可控制的光柵元件73-1，使其僅將入射角在53度至57度之間的光線偏轉。但是立體分段的光線在可控制的光柵元件73-1的位置僅具有角度在45度至50度之間 的光線。因此可控制的光柵元件73-1的角度選擇性足以避免立體分段的不適當的光線被輸出耦合。
第6圖顯示產生全息分段的過程，其中用於產生全息分段的極化切換開關76及光輸出耦合裝置73受到相應的控制。根據第6圖，極化切換開關76處於“關”狀態，也就是被關掉。用於產生全息分段的光輸出耦合裝置73的段落73-1、73-2及73-3也是處於”關”狀態。未在圖式中繪出的照明裝置發出、並被一個同樣未在圖式中繪出的SLM以必要的資料調制過的光線通過極化選擇切換開關76，其中光線的極化不會改變，並照射到光導裝置70。S型極化光線被光輸入耦合裝置72輸入耦合到光導體71。接著S型極化光線照射到延遲層75，因而使S型極化光線的極化改變，變成P型極化光線。這個P型極化光線照射到光輸出耦合裝置73的光柵元件的第一段落73-1，而且不會被這個段落輸出耦合，而是被偏轉到延遲層75的方向。P型極化光線再度照射到延遲層75，然後通過延遲層75，因而被轉換回S型極化光線。這個S型極化光線照射到第二段落73-2，而且不會被這個段落輸出耦合，而是被偏轉到延遲層75的方向。S型極化光線再度照射到延遲層75，然後通過延遲層75，因而被轉換回P型極化光線。這個P型極化光線照射到第二段落73-3，而且不會被這個段落輸出耦合，而是在光導體71內繼續傳播。由於光輸出耦合裝置73的光柵元件在3個段落內都處於“關”狀態，因此不會將光線輸出耦合。
但是在光輸出耦合裝置73的光柵元件的第一段落73-1及第三段落73-3內，光線的入射角位於這個光柵元件的角度選擇性之外，因此不會有光線被輸出耦合。在光柵元件的第二段落73-2，只有S型極化光線 照射到光柵元件，但是光柵元件在此僅選擇P型極化光線，也就是說僅輸出耦合P型極化光線並將其偏轉。因此在此同樣不會有光線被輸出耦合。
輸出耦合裝置73的光柵元件的3個段落73-1、73-2及73-3的這個控制狀態，也就是說，在3個段落73-1、73-2及73-3內，用於產生全息分段的光柵元件都被關掉，也就是處於”關”狀態，因此可以利用光輸出合裝置74的被動光柵元件將用於產生立體分段的光線輸出耦合。為了產生一個立體分段，在光導裝置70內設有另一個光輸入耦合裝置77，如第6圖所示，這個光輸入耦合裝置77在光導裝置70內與光輸入耦合裝置72相鄰。在光線傳播方向上，沒有極化切換開關位於光輸入耦合裝置77的前面。為了產生立體分段，以達到一個大視野，照明裝置發出、並被SLM以必要的資料調制過的光線射向光導裝置70的光輸出耦合裝置77，並被光輸出耦合裝置77輸入耦合到光導裝置71。如圖式中隱含的光束所示。例如，在用於產生立體分段的光導體71內的光程如第2圖及第3圖所示。從SLM的像素發出、並在光導體71內傳播的光線照射到光輸出耦合裝置74的被動光柵元件74-1，接著被被動光柵元件74-1從光導體71輸出耦合，並產生一個構成大視野的立體分段。
第7圖顯示如第6圖的光導裝置70的兩種不同的情況。極化切換開關76在兩種情況中均處於”關”狀態，其中用於產生全息分段的光輸出耦合裝置73的光柵元件的第一段落73-1(圖式下方顯示的情況)或第三段落73-3(圖式上方顯示的情況)被接通，也就是處於“開”狀態。光輸出耦合裝置73的光柵元件僅將P型極化光線輸出耦合，S型極化光線則繼續在光導體71內傳播。這表示P型極化光線照射到光輸出耦合裝置73的光 柵元件，然後光線在第一段落73-1或第三段落73-3被輸出耦合，因為根據第7圖的兩種情況，第一段落73-1及第三段落73-3均處於”開”狀態。在以光柵元件的第一段落73-1將光線輸出耦合時，原則上第二段落73-2及第三段落73-3是處於何種開關狀態並沒有影響，因為被第一段落73-1輸出耦合的光線完全沒的到達第二段落73-2及第三段落73-3。反之如果要以第三段落73-3將光輝輸出耦合，第一段落73-1必須處於”關”狀態。
第8圖顯示如第6圖及第7圖的光導裝置70。但是第8圖顯示的情況是極化切換開關76處於“開”狀態。極化切換開關76以這種方式改變入射生的極化。在第8圖的情況中，這代表照射到極化切換開關76的S型極化光線被轉換成P型極化光線。因此此時P型極化光線被光輸入耦合裝置72輸入耦合到光導裝置70的光導體71。接著P型極化光線照射到延遲層75，並被轉換成S型極化光線，然後照射到光輸出耦合裝置73的光柵元件的第一段落73-1。S型極化光線不會被輸出耦合，而是繼續在光導體71內傳播，接著被延遲層75再度轉換成P型極化光線，並照射到光柵元件的第二段落73-2，此時第二段落73-2處於“開“狀態。照射到第二段落73-2的P型極化光線被第二段落73-2從光導體71輸出耦合。另外兩個段落73-1及73-2均處於“關“狀態。但是這兩個段落73-1及73-2的開關狀態並沒有任何影響，因為照射到段落73-1及73-2的是S型極化光線，但是S型極化光線不會被光輸出耦合裝置73的光柵元件輸出耦合。
經由第6圖至第8圖的具有兩個光輸出耦合裝置73及74的光導裝置70，可以按照時序經由光輸出耦合裝置74將一個立體分段從 光導裝置70的相同的光導體71輸出耦合，以及將一或複數個全息分段選擇性的輸出耦合到光輸出耦合裝置73的光柵元件的不同的段落。
這種具有兩個光輸出耦合裝置73及74的裝置可以另外與一個被動光柵元件組合，例如用於修正不同波長光線的輸出耦合角。
第9圖以簡單透視的示意方式顯示從觀察者的一隻眼睛80看出去的一個全息分段HSG的視野，以及一個立體分段SSG的視野。立體分段SSG產生一個固定的視野81，以及產生具有低像素密度的SLM的一個成像。這在第9圖中以粗的陰影線或結構顯示。全息分段HSG產生一個位於立體分段SSG的視野內的小視野，並能夠被移動，使全息產生的視野或段落HSG與觀察者的眼睛80的視線82一致。全息分段HSG產生具有較高像素密度的SLM的一個成像。這在第9圖中以細的陰影線或結構顯示。以一個視線追踨裝置(未在第9圖中繪出)偵測觀察者的視線82。
第1a圖、第1b圖至第9圖的所有實施例，以及接下來要描述的第10圖的實施例都是透過光學系統及光導裝置產生SLM的至少一個成像，這個成像是以立體分段或全息分段的方式被產生，並決定視野，其中要產生的場景或物件是顯示在這個視野內。如果視野是由一個立體分段及至少一個全息分段所構成，則部分場景可以被顯示在立體產生的分段內，其中觀察者未直接聚焦或凝視該部分場景，而只是在背景中顯示所看到的物件。因此只需以較低的解析度及二維(2D)顯示這個立體產生的部分場景即已足夠。但是觀察者直接聚焦的部分場景，例如一個物件，則是以全息產生的分段顯示。這個全息分段是以高解析度被顯示，其中場景瞄準的物件是以全息及三維(3D)的方式產生。此外，被聚焦的三維顯示空間範圍或 全息分段是可以移動的，其中以光導裝置使產生全息分段的光線的輸出耦合位置配合或追踨偵測到的觀察者的視線。
此處要說明的是，在本發明的其他實施方式中，用於產生一個立體分段及至少一個全息分段的光導裝置的兩個光輸出耦合裝置的光柵元件也可以是反射式的，而且可以設置在光導體的外側上，在這種情況下，延遲層應設置在光導體的內側。例如，如果所有使用的光柵元件是一種體積光柵，則具有不同的角度選擇性的反射體積光柵及透射體積光柵可以分別應用在不同的實施方式。反射體積光柵通常具有較寬的角度選擇性。透射體積光柵可以具有一非常窄的角度選擇性。
在一般情況下，光導裝置也可以具有一個用於立體分段及全息分段的獨立的光輸入耦合裝置，或是具有複數個用於不同的全息分段及立體分段的光輸入耦合裝置，例如第6圖顯示的就是後者的情況。與光輸出耦合裝置相反，光輸入耦合裝置可以設置在光導體上的不同位置。
因此在光導裝置的不同的配置方式中，一種可能性是使用一個專用的具有SLM的固定景深的像的立體分段，另一種可能性是使用一個專用的具有SLM的變化景深的像的立體分段，其中後者的情況最好是能夠與偵測觀察者的視線(Gaze-Tracking)結合。還有一種可能性是，使用一個具有SLM的固定景深或變化景深的像的立體分段與至少一個全息分段的組合，其中全息分段是由同一個光導裝置所產生，或是由一個獨立的光導裝置所產生。如果是使用同一個光導裝置產生立體分段及至少一個全息分段，則光導裝置可以具有複數個將光線輸入耦合到光導體且彼此相鄰的不 同區域，以產生全息分段及立體分段，及/或光導裝置可以具有將全息分段及立體分段輸出耦合的不同的光柵元件。
例如，一個全息顯示及一個二維或三維立體顯示與兩個不同的SLM的組合可以在VR(虛擬實境)系統(例如頭戴顯示器)獲得實現。為此可以將一個如第5圖及第6圖至第8圖的光導裝置，且較佳是一個具有彎曲的光導體的光的裝置，設置在很接近頭戴顯示器的使用者的眼睛的位置。使用使透過這個光導裝置向一個傳統的二維或三維頭戴顯示器看過去，例如先前技術的頭戴顯示器。透過光導裝置可以根據偵測到的視線在選定或特定的位置產生或漸顯至少一個全息分段。相應的區域會在立體顯示內漸隱，例如立體顯示的相應的像素被設置為0(零)振幅，因而被關掉。如果未產生全息分段，則觀察者是透過光導裝置，在一個大視野中看到一個二維或三維立體顯示。
第10圖以示意方式顯示這種頭戴顯示器。頭戴顯示器具有一個用於產生一個立體分段的SLM 100，以及一個用於產生至少一個全息分段的SLM 101。設置在頭戴顯示器內的光學系統102可以將SLM 100放大顯示。光線射向一個出射光瞳103的一個平面，也就是頭戴顯示器的觀察者的一隻眼睛104所在的平面。在這種情況下，會產生一個由立體分段構成的大視野105。此外，頭戴顯示器還具有一個如第5圖及第6圖至第8圖的光導裝置106。光導裝置106是設置在使用者的眼睛104及光學裝置102之間。經過SLM 101以相應的資料調制過並發出的光線從側面被輸入耦合到光導裝置106。SLM 101被足夠的相干光線照亮，以產生至少一個全息分段。接著一個全息分段從光導裝置106被輸出耦合，這個全息 分段顯示一個三維產生的顯示，且在必要時可以追踨使用者的眼睛移動。接著頭戴顯示器的使用者可以透過光導裝置106看到立體內容及/或顯示或場景。也可以根據使用者的眼睛的視線，將另外選定或特定的全息分段從光導裝置106全息輸出耦合，並顯示三維內容或場景。
第10圖僅是以示意方式顯示頭戴顯示器。一般而言，不能不經改變直接利用收立體頭戴顯示器的光學結構，以產生全息分段，而是必須調整光學結構到使用者的眼睛的距離，以使用於全息分段的光導裝置仍然位於使用者的眼睛及立體頭戴顯示器的光學結構之間。可能的組合方式並不限於以上描述的頭戴顯示器的實施方式。
此外，本發明的各種實施方式及/或實施例可以彼此組合。最後要特別指出的是，以上描述的實施例僅是用於描述本發明主張專利權的學理，但是本發明的學理並不受這些實施例的限制。
1:顯示裝置
2:空間光調制裝置(SLM)
3:成像元件
4:光導裝置
5:光導體
6:光輸入耦合裝置
7:光輸出耦合裝置
11:像平面
12:液晶光柵元件(LCG)
F:焦點
P1、P2、P3:像素

Claims (49)

  1. 一種顯示二維及/或三維物件或場景的顯示裝置，具有：-- 至少一個帶有調制光線用的像素的空間光調制裝置，-- 至少一個光學系統，-- 至少一個光導裝置，其中該光學系統的構造使該空間光調制裝置的各個像素發出的光束以在中間相對於該至少一個光導裝置的表面的不同角度照射到該至少一個光導裝置，而且可以輸入耦合，因此可以定義一個輸入耦合角度譜，其中在該至少一個光導裝置內傳播的光線能夠以在中間相對於一個觀察者範圍的不同角度從該至少一個光導裝置輸出耦合，因此可以定義一個輸出耦合角度譜，其中相較於該輸入耦合角度譜，該輸出耦合角度譜被放大。
  2. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，該至少一個光導裝置具有一個光導體、至少一個光輸入耦合裝置及至少一個光輸出耦合裝置，其中光線在該光導體內經由該光導體的一交界面上的反射傳播，其中光線經由在該光導體的該交界面上的反射在該光導體內傳播，其中經過在該光導體的該交界面上發生特定次數的反射後，光線經由一光線輸出耦合裝置從該光導體輸出耦合。
  3. 如申請專利範圍第2項的顯示裝置，其中，設置一個可控制元件，以改變光線在該光導體的該交界面上發生反射的次數。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項的顯示裝置，其中，如果入射到該至少一個光導裝置的光線構成光束或光場，也就含有複數或許多道光線的光束或光場，在該光束或該光場的所有光線都在該光導裝置的光導體的交界面上經過相同次數的反射後，光線會從該光導體被輸出耦合。
  5. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，可以根據光導體的幾何特性及光學特性，以及光輸入耦合裝置的光學特性，計算出該至少一個空間光調制裝置的每一個像素在該光導體的交界面上的光線入射位置，也就是每一個像素發出的光線在經過特定次數的反射後到達的位置。
  6. 如申請專利範圍第5項的顯示裝置，其中，可以用該光導體的該交界面的厚度及/或彎曲度作為該光導體的幾何特性，以及用光導體材料的折射率作為該光導體的光學特性，以計算該光線入射位置。
  7. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，利用該至少一個光導裝置及該至少一個光學系統產生該至少一個空間光調制裝置的成像。
  8. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，根據該至少一個空間光調制裝置的邊緣像素的光線在光導體內有不同長度的傳播路徑，因此這些邊緣像素的光線會從不同的輸出耦合位置從該光導體被輸出耦合，以及根據該光導體到一事先設定的觀察者位置的距離，可以確定一個視野，其中場景在該至少一個空間光調制裝置內編碼或顯示的資料可以在這個視野內被顯示。
  9. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，在光線輸入耦合到該光導裝置之前，利用設置於光程上的該光學系統產生照明裝置內的至少一個光源的光源像，或該空間光調制裝置的一個像。
  10. 如申請專利範圍第9項的顯示裝置，其中，將光輸入耦合裝置設置在緊鄰該光源像的位置的範圍，或是設置在這個範圍內。
  11. 如申請專利範圍第2項的顯示裝置，其中，該光輸入耦合裝置具有至少一個反射鏡元件或至少一個光柵元件，其中該光柵元件是一種被動或可控制的光柵元件。
  12. 如申請專利範圍第11項的顯示裝置，其中，以該光柵元件的光柵常數或該反射鏡元件相對於該光導體表面的傾斜角作為該光輸入耦合裝置的光學特性，以計算光線入射位置，也就是光線在經過固定次數的反射後到達的位置。
  13. 如申請專利範圍第2項的顯示裝置，其中，將該至少一個光輸出耦合裝置設置在該至少一個光導裝置內，並使該光輸出耦合裝置的範圍及位置包含該空間光調制裝置的不同像素發出的光線在經過固定的次數的反射後，在該光導體的該交界面上到達的所有的光線入射位置。
  14. 如申請專利範圍第13項的顯示裝置，其中，該光輸出耦合裝置具有至少一個光柵元件，或具有至少一個反射鏡元件。
  15. 如申請專利範圍第14項的顯示裝置，其中，該至少一個光柵元件是可控制的，也就是可以控制該光柵元件的光柵周期，使其隨著該光線入射位置而改變，也就是隨著光線在該光導體內經過固定次數的反射後到達的位置而改變，或是隨著光入射角度而改變，也就是隨著光線在該光導體內經過固定次數的反射後的角度而改變。
  16. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，該光導裝置具有至少一個延遲層。
  17. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，該光導裝置也可以具有至少兩個延遲層，其中該至少兩個延遲層各含有一種雙折射材料，其中該至少兩個延遲層的該雙折射材料可以是相同的雙折射材料，也可以是不同的雙折射材料。
  18. 如申請專利範圍第17項的顯示裝置，其中，第一延遲層的雙折射材料的光學軸是定向在此層所在的平面上，同時第二延遲層的雙折射材料的光學軸的定向是垂直於此層所在的平面。
  19. 如申請專利範圍第16項、第17項或第18項中任一項的顯示裝置，其中，將至少一個延遲層設置在光導體的一個外表面上，同時選擇這個延遲層的折射率及在該光導體內傳播的光線的傳播角度，以使光線在這個延遲層與該光導體周圍環境的交界面上發生全反射。
  20. 如申請專利範圍第16項的顯示裝置，其中，選擇該至少一個延遲層的厚度及雙折射，以及該至少一個延遲層的光學軸的取向，使在光導體內以中間傳播角度傳播的線性極化入射光線在第一次通過該至少一個延遲層後，在與該光導體周圍環境的交界面上發生反射，以及在下一次通過該至少一個延遲層後，光線的極化狀態會轉動90度，如果入射光是一種在該光導體內以中間傳播角度傳播的循環極化光線，則在光線第一次通過該至少一個延遲層後，會在與該光導體周圍環境的該交界面上發生反射，同時在下一次通過該至少一個延遲層後，光線的該極化狀態會變成反向循環。
  21. 如申請專利範圍第16項的顯示裝置，其中，選擇該至少一個延遲層的厚度及雙折射，以及該至少一個延遲層的光學軸的取向，使在光導體內以總傳播角度範圍傳播的線性極化入射光線在第一次通過該至少一個延遲層後，在與該光導體周圍環境的交界面上發生反射，以及在下一次通過該至少一個延遲層後，光線的極化狀態會轉動90度。
  22. 如申請專利範圍第16項的顯示裝置，其中，可以經由該至少一個延遲層改變或調整光導體內光線的極化狀態，使在該光導體內經過偶數次反射的光線的極化狀態不同於在該光導體內經過奇數次反射的光線的極化狀態。
  23. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，在光導體及光輸出耦合裝置之間設有一個反射極化元件。
  24. 如申請專利範圍第23項的顯示裝置，其中，可以選擇該反射極化元件的取向，使在具有至少一個延遲層的該光導體的交界面上經過奇數次反射後，照射到反射極化元件的光線被反射，反之在具有至少一個延遲層的該光導體的該交界面上經過偶數次反射後，照射到該反射極化元件的光線會通過該反射極化元件，其中偶數次及奇數次反射可以彼此互換。
  25. 如申請專利範圍第2項的顯示裝置，其中，該光輸出耦合裝置具有一個極化選擇光柵元件。
  26. 如申請專利範圍第25項的顯示裝置，其中，在具有至少一個延遲層的該光導體的該交界面上經過奇數次反射後，照射到該光輸出耦合裝置之該極化選擇光柵元件的光線不會被這個光柵元件偏轉，而是在該光導體及周圍環境之間的該交界面被反射，反之在具有該至少一個延遲層的該光導體的該交界面上經過偶數次反射後，照射到該光輸出耦合裝置之該極化選擇光柵元件的光線會被這個光柵元件偏轉，並從該光導體發射出去或被輸出耦合，其中偶數次及奇數次反射可以彼此互換。
  27. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，設有一個可控制的極化轉換器，在光線方向上，該極化轉換器位於該至少一個光導裝置之前。
  28. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，具有該至少一個光學系統及該至少一個光導裝置，以產生該至少一個空間光調制裝置的成像的構成視野的一個立體分段或至少一個全息分段，其中在視野內有一個場景或物件的立體或全息顯示。
  29. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，具有該至少一個光學系統及該至少一個光導裝置，以產生一個立體分段及至少一個全息分段，或是產生至少兩個全息分段，其中該立體分段及該至少一個全息分段或是該至少兩個全息分段共同構成一個視野，其中在視野內可以顯示該三維場景或該三維物件。
  30. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，該至少一個光導裝置具有用於產生至少兩個視野分段的兩個光輸入耦合裝置。
  31. 如申請專利範圍第30項的顯示裝置，其中，該兩個光輸入耦合裝置以彼此相隔一段距離或直接相鄰的方式與光導體組合，同時從至少一個照明裝置發出的光線可以經由該兩個光輸入耦合裝置在不同的位置輸入耦合到該光導體。
  32. 如申請專利範圍第30項或第31項的顯示裝置，其中，該至少兩個分段彼此重疊並構成視野，其中兩個分段的重疊區的每一度觀察角具有最高的像素密度，且相當於一位觀察二維及/或三維場景的觀察者的中心視線。
  33. 如申請專利範圍第30項或第31項的顯示裝置，其中，至少兩個分段中的一個分段是作為立體分段，至少兩個分段中的另一個分段是作為全息分段，其中可以在觀察者的中央視線產生全息分段。
  34. 如申請專利範圍第30項或第31項的顯示裝置，其中，該至少兩個分段是作為全息分段，其中該至少兩個分段的重疊區相當於觀察者的一個中央視線，或相當於觀察二維及/或三維場景的一位觀察者被視線追踨偵測到的一個視線。
  35. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，具有至少兩個光輸出耦合裝置，其中第一光輸出耦合裝置的作用是將光線輸出耦合，以產生至少一個全息分段，第二光輸出耦合裝置的作用是將光線輸出耦合，以產生至少一個立體分段。
  36. 如申請專利範圍第35項的顯示裝置，其中，光輸出耦合置是可控制的，其中在該光輸出耦合裝置的一個控制狀態下，光線在經過特定次數的反射後被輸出耦合，在該光輸出耦合裝置的另一個控制狀態下，光線會繼續在光導體內傳播。
  37. 如申請專利範圍第2項、第35項或第36項的顯示裝置，其中，將該至少一個光輸出耦合裝置分配到不同的段落，其中該至少一個光輸出耦合裝置可以被逐段控制，其中可以控制該至少一個光輸出耦合裝置，以透過該至少一個光輸出耦合裝置的一個段落的一個控制狀態改變光線在光導體的交界面反射的次數，其中該段落與光線在經過特定次數的反射後到達的光線入射位置吻合，以及透過該至少一個光輸出耦合裝置的另一個段落的另一個控制狀態，或是透過該至少一個光輸出耦合裝置的一個段落的另一個控制狀態，改變光線在該光導體的該交界面反射的次數，其中該段落與光線在經過特定次數的反射後到達的該光線入射位置吻合。
  38. 如申請專利範圍第35項的顯示裝置，其中，該兩個光輸出耦合裝置中的一個光輸出耦合裝置具有至少一個被動光柵元件，同時該兩個光輸出耦合裝置中的另一個光輸出耦合裝置具有至少一個可控制的光柵元件。
  39. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，具有一個跟踨裝置，在光線方向上，該跟踨裝置位於該至少一個光導裝置的前面。
  40. 如申請專利範圍第39項的顯示裝置，其中，該跟踨裝置具有至少一個光柵元件或一個可變的透鏡元件，其中一個透鏡功能被寫入該至少一個光柵元件。
  41. 如申請專利範圍第39項或第40項的顯示裝置，其中，具有一個視線追踨裝置，其可以追踨及偵測觀察者觀察物件或場景的視線，其中透過跟踨裝置可以使該至少一個空間光調制裝置的圖像位置或分段的位置與視線追踨裝置追踨到的觀察者的眼睛的聚焦位置適配。
  42. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，該至少一個光導裝置的光導體至少是逐段在至少一個方向上彎曲。
  43. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，可以在光源像的一個平面或該至少一個空間光調制裝置的一個平面上產生一個虛擬觀察者範圍。
  44. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，為了該空間光調制裝置的成像或成像的一個分段，來自該空間光調制裝置的不同像素的光線在入射到該至少一個光導裝置後，會在光導體的交界面上經過對所有像素都相同次數的反射，然後再輸出耦合。
  45. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其中，對於該至少一個空間光調制裝置的成像的不同分段而言，為了產生一個分段光線在光導體的交界面 上的反射次數不同於為了產生另一個分段光線在該光導體的該交界面上的反射次數。
  46. 一種頭戴顯示器，具有兩個如申請專利範圍第1項至第45項中任一項的顯示裝置，其中一個顯示裝置配屬於觀察者的左眼，另一個顯示裝置配屬於觀察者的右眼。
  47. 一種產生大視野的方法，利用具有像素的至少一個空間光調制裝置及至少一個光導裝置產生大視野，其中一個場景或一個物件在這個大視野內以立體及/或全息方式被顯示：-- 該至少一個空間光調制裝置調制含有場景或物件所需資料的入射光線，-- 經過調制的光線被一光學系統塑形，使該至少一個空間光調制裝置的該像素發出的光線以在中間相對於該至少一個光導裝置的表面的不同角度照射到該至少一個光導裝置，並被輸入耦合，因而定義一個輸入耦合角度譜，其中在該至少一個光導裝置內傳播的光線以在中間相對於一個觀察者範圍的不同角度從該至少一個光導裝置被輸出耦合，因而定義一個輸出耦合角度譜，其中-- 相較於該輸入耦合角度譜，該輸出耦合角度譜被放大。
  48. 如申請專利範圍第47項的方法，其中，產生該空間光調制裝置的成像及/或該空間光調制裝置由分段構成的成像。
  49. 如申請專利範圍第47項或第48項的方法，其中，在光輸入耦合裝置的範圍產生一個光源像。
TW107124191A 2017-07-13 2018-07-13 放大視野顯示裝置及產生大視野的方法 TWI811224B (zh)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17181136 2017-07-13
??17181136.7 2017-07-13
EP17181136.7 2017-07-13
??17197171.6 2017-10-18
EP17197171.6 2017-10-18
EP17197171 2017-10-18

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201908816A TW201908816A (zh) 2019-03-01
TWI811224B true TWI811224B (zh) 2023-08-11

Family

ID=62846213

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW112125439A TW202409653A (zh) 2017-07-13 2018-07-13 放大視野顯示裝置及產生大視野的方法
TW107124191A TWI811224B (zh) 2017-07-13 2018-07-13 放大視野顯示裝置及產生大視野的方法

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW112125439A TW202409653A (zh) 2017-07-13 2018-07-13 放大視野顯示裝置及產生大視野的方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11340457B2 (zh)
JP (2) JP7222968B2 (zh)
KR (1) KR20200022508A (zh)
CN (1) CN111065951A (zh)
DE (1) DE112018003552A5 (zh)
TW (2) TW202409653A (zh)
WO (1) WO2019012028A1 (zh)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11231581B2 (en) 2017-09-27 2022-01-25 Magic Leap, Inc. Near eye 3D display with separate phase and amplitude modulators
JP7485598B2 (ja) 2017-10-18 2024-05-16 シーリアル テクノロジーズ ソシエテ アノニム 大きな視野を生成するための表示装置および方法
US11366309B2 (en) 2019-03-29 2022-06-21 Facebook Technologies, Llc Scanning projector display with multiple light engines
US11714282B2 (en) * 2019-03-29 2023-08-01 Meta Platforms Technologies, Llc Compact array light source for scanning display
WO2020229599A1 (de) 2019-05-16 2020-11-19 Seereal Technologies S.A. Anzeigevorrichtung mit reduziertem energieverbrauch
US11619815B2 (en) * 2020-01-02 2023-04-04 Meta Platforms Technologies, Llc Optical combiner including polarization-selective elements and switchable half-wave plates for pupil steering
GB2593214B (en) * 2020-03-20 2022-06-08 Envisics Ltd A display device and system
FR3110908B1 (fr) * 2020-05-28 2022-05-27 Saint Gobain Element vitre, dispositif avec element vitre et camera thermique associee
US11740455B2 (en) * 2020-08-25 2023-08-29 Meta Platforms Technologies, Llc Pupil steered display
CN111965826B (zh) * 2020-08-27 2022-11-15 Oppo广东移动通信有限公司 智能眼镜的控制方法、装置、存储介质及智能眼镜
GB2599023B (en) * 2020-09-21 2023-02-22 Trulife Optics Ltd Cylindrical optical waveguide system
FI129781B (en) * 2020-10-26 2022-08-31 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Device for checking visibility
US20230045957A1 (en) * 2021-08-12 2023-02-16 Facebook Technologies, Llc Multi-source light-guiding illuminator
GB2610205B (en) * 2021-08-26 2024-08-14 Envisics Ltd Field of view optimisation
CN114252997A (zh) * 2021-11-03 2022-03-29 上海大学 一种基于柱面波导的彩色近眼显示装置及方法
CN114236854A (zh) * 2021-12-14 2022-03-25 上海慧希电子科技有限公司 光学器件和光学系统以及ar设备
CN114428376B (zh) * 2021-12-29 2024-07-02 歌尔股份有限公司 光波导系统及增强现实设备
CN114839778B (zh) * 2022-05-24 2023-11-10 歌尔光学科技有限公司 光波导结构以及头戴显示设备
US12106688B1 (en) * 2023-05-15 2024-10-01 Snap Inc. Adjustable light field for extended reality

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2071382A1 (en) * 2007-12-11 2009-06-17 Wings Aktiebolag Optical arrangement for coupling two different image sources comprising a diffractive optical beam guide
CN102165357A (zh) * 2008-09-29 2011-08-24 卡尔蔡司公司 显示装置和显示方法
TW201221999A (en) * 2010-08-18 2012-06-01 Sony Corp Display apparatus
WO2015192117A1 (en) * 2014-06-14 2015-12-17 Magic Leap, Inc. Methods and systems for creating virtual and augmented reality
US20160231566A1 (en) * 2015-02-09 2016-08-11 Tapani Levola Display System
CN106338832A (zh) * 2016-11-09 2017-01-18 苏州苏大维格光电科技股份有限公司 一种单片全息衍射光波导镜片及三维显示装置
CN106716223A (zh) * 2014-09-24 2017-05-24 微软技术许可有限责任公司 采用可切换衍射光栅的波导眼睛跟踪

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08507879A (ja) * 1993-02-26 1996-08-20 イエダ リサーチ アンド デベロツプメント カンパニー リミテツド ホログラフィー光学装置
JP4862298B2 (ja) 2005-06-30 2012-01-25 ソニー株式会社 光学装置及び虚像表示装置
IL171820A (en) 2005-11-08 2014-04-30 Lumus Ltd A polarizing optical component for light coupling within a conductive substrate
EP1952189B1 (en) 2005-11-21 2016-06-01 Microvision, Inc. Display with image-guiding substrate
JP4779887B2 (ja) 2006-09-01 2011-09-28 ソニー株式会社 画像表示装置
DE102009044910B4 (de) 2009-06-23 2024-09-05 Seereal Technologies S.A. Räumliche Lichtmodulationseinrichtung zum Modulieren eines Wellenfeldes mit komplexer Information
WO2012062681A1 (de) 2010-11-08 2012-05-18 Seereal Technologies S.A. Anzeigegerät, insbesondere ein head-mounted display, basierend auf zeitlichen und räumlichen multiplexing von hologrammkacheln
WO2012132289A1 (ja) 2011-03-25 2012-10-04 パナソニック株式会社 表示装置
US9400395B2 (en) * 2011-08-29 2016-07-26 Vuzix Corporation Controllable waveguide for near-eye display applications
US9933684B2 (en) 2012-11-16 2018-04-03 Rockwell Collins, Inc. Transparent waveguide display providing upper and lower fields of view having a specific light output aperture configuration
US10209517B2 (en) 2013-05-20 2019-02-19 Digilens, Inc. Holographic waveguide eye tracker
JP6442149B2 (ja) 2014-03-27 2018-12-19 オリンパス株式会社 画像表示装置
US9827209B2 (en) * 2015-02-09 2017-11-28 Microsoft Technology Licensing, Llc Display system
US9513480B2 (en) * 2015-02-09 2016-12-06 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide
US10018844B2 (en) * 2015-02-09 2018-07-10 Microsoft Technology Licensing, Llc Wearable image display system
US10317677B2 (en) * 2015-02-09 2019-06-11 Microsoft Technology Licensing, Llc Display system
DE102015205873A1 (de) 2015-04-01 2016-10-06 Seereal Technologies S.A. Verfahren zur Berechnung von Hologrammen zur holographischen Rekonstruktion von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen
US10670862B2 (en) * 2015-07-02 2020-06-02 Microsoft Technology Licensing, Llc Diffractive optical elements with asymmetric profiles
WO2017060665A1 (en) 2015-10-05 2017-04-13 Milan Momcilo Popovich Waveguide display
US10429645B2 (en) * 2015-10-07 2019-10-01 Microsoft Technology Licensing, Llc Diffractive optical element with integrated in-coupling, exit pupil expansion, and out-coupling
US10241332B2 (en) * 2015-10-08 2019-03-26 Microsoft Technology Licensing, Llc Reducing stray light transmission in near eye display using resonant grating filter
CN106501938A (zh) * 2016-11-21 2017-03-15 苏州苏大维格光电科技股份有限公司 一种头戴式增强现实三维显示装置
CN106526730B (zh) 2016-11-21 2019-07-12 苏州苏大维格光电科技股份有限公司 一种宽视角波导镜片及制作方法和头戴式三维显示装置
KR20240023189A (ko) 2017-02-13 2024-02-20 시리얼 테크놀로지즈 에스.에이. 광 가이드 디바이스 및 장면을 표현하기 위한 디스플레이 디바이스
CN106918913A (zh) * 2017-04-01 2017-07-04 北京铅笔视界科技有限公司 一种自由曲面离轴反射近眼显示光学系统及建立方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2071382A1 (en) * 2007-12-11 2009-06-17 Wings Aktiebolag Optical arrangement for coupling two different image sources comprising a diffractive optical beam guide
CN102165357A (zh) * 2008-09-29 2011-08-24 卡尔蔡司公司 显示装置和显示方法
TW201221999A (en) * 2010-08-18 2012-06-01 Sony Corp Display apparatus
WO2015192117A1 (en) * 2014-06-14 2015-12-17 Magic Leap, Inc. Methods and systems for creating virtual and augmented reality
CN106716223A (zh) * 2014-09-24 2017-05-24 微软技术许可有限责任公司 采用可切换衍射光栅的波导眼睛跟踪
US20160231566A1 (en) * 2015-02-09 2016-08-11 Tapani Levola Display System
CN106338832A (zh) * 2016-11-09 2017-01-18 苏州苏大维格光电科技股份有限公司 一种单片全息衍射光波导镜片及三维显示装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE112018003552A5 (de) 2020-03-26
TW202409653A (zh) 2024-03-01
JP2020526793A (ja) 2020-08-31
KR20200022508A (ko) 2020-03-03
JP7222968B2 (ja) 2023-02-15
CN111065951A (zh) 2020-04-24
WO2019012028A1 (de) 2019-01-17
US20200166754A1 (en) 2020-05-28
JP2023075080A (ja) 2023-05-30
US11340457B2 (en) 2022-05-24
JP7568757B2 (ja) 2024-10-16
TW201908816A (zh) 2019-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI811224B (zh) 放大視野顯示裝置及產生大視野的方法
KR102678957B1 (ko) 광 가이드를 포함하는 디스플레이 장치
US11953683B2 (en) Display device, in particular a head-mounted display, based on temporal and spatial multiplexing of hologram tiles
TWI785003B (zh) 擴增實境成像系統
US20200183152A1 (en) Optical hyperfocal reflective systems and methods, and augmented reality and/or virtual reality displays incorporating same
WO2017150631A1 (en) Head Mounted Display Using Spatial Light Modulator To Move the Viewing Zone
US11022799B2 (en) Projector-combiner display with beam replication
JP7182796B2 (ja) インテグラルイメージングおよび導波路プリズムを用いたヘッドマウント・ライトフィールド・ディスプレイ
WO2019041812A1 (zh) 显示系统和显示方法
US11320668B2 (en) Methods, systems, apparatuses, and devices for facilitating light field optical fusion
EP3792681B1 (en) Multi-image display apparatus using holographic projection
TW201300834A (zh) 顯示裝置，尤其是頭戴式顯示器或護目鏡
TWI801439B (zh) 用於生成大視場之顯示裝置及方法
CN112748570A (zh) 正交特性光栅-像素阵列对及基于其的近眼光场显示模组
KR20130021868A (ko) 입체영상 표시장치
유찬형 Enhanced waveguide-based near-eye displays with polarization multiplexing
WO2024209206A1 (en) Eyebox targeting using an image-replicating combiner
Lee et al. 79‐1: Invited Paper: Accommodative AR HMD Using Birefringent Crystal