光导装置和用于表示场景的显示装置的制作方法

光导装置和用于表示场景的显示装置
1.本技术是申请号为201880011482.7，国际申请号为pct/ep2018/053496，国际申请日为2018年2月13日，申请人为视瑞尔技术公司，发明名称为“光导装置和用于表示场景的显示装置”的申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及一种用于引导光的光导装置和一种用于表示场景(尤其是三维场景)的显示装置，显示装置包括这种光导装置。此外，本发明还涉及一种通过空间光调制装置和光导装置生成重建场景的方法。


背景技术：

3.光导装置尤其在光学领域中具有广泛的应用。尤其地，它们用于激光领域。光导总体具有位于内部的芯，芯由包覆件或包层包围。进入光导的光通常通过全反射在光导内传播。由于全反射导致的这种光导效应是由于芯材料的折射率高于包层材料的折射率而产生的，或者在没有设置包层的情况下，则由于光导材料的折射率高于例如空气的周围环境的折射率而产生。
4.然而，光导装置或光导也可用于其他领域，例如，用于表示重建场景的装置中，尤其是用于表示优选地是三维场景或物点的重建装置中。这样的装置可以是例如位于场景观察者眼睛附近的显示器或显示装置，即所谓的近眼显示器。一种近眼显示器是例如头戴式显示器(hmd)。
5.对于头戴式显示器(hmd)或类似的近眼显示器或显示装置，期望使用紧凑且轻的光学构造。由于这种显示装置总体固定在使用者的头上，因此体积庞大且沉重的布置会不利地损害使用者的舒适性。
6.在ar(增强现实)hmd的情况下，另外希望用户能够尽可能地感知他的自然环境而没有由于hmd引起的干扰，并且另一方面，能够很好地感知hmd本身显示的内容。
7.如果使用空间光调制装置和用于对空间光调制装置成像的光学装置，则在这种情况下，要设想该光学装置使得来自空间光调制装置的光和来自观察者的自然环境的光都可以到达眼睛。
8.可视范围或视场对于hmd中的用户舒适度也是重要的。在这种情况下，最大可行的可视范围是有利的。然而，总体而言，大的可视范围的表示与高分辨率的结合需要具有数量非常高的像素的空间光调制装置。
9.在专利文献us2013/0222384a1中公开了一种具有观察者窗口的全息头戴式显示器(hmd)。在图1中示意性地示出了这种头戴式显示器，并且通过将可视范围分段可以实现大的可视范围。在这种情况下，使用空间光调制器200和合适的光学系统400、500，按时间顺序生成可视范围的各个部分，这些部分是从观察者窗口可见的。这种布置的优点在于，由于顺序表示，在不需要空间光调制器的大量像素的情况下实现了大的可视范围。
10.在专利文献us2013/0222384a1中描述了用于产生由片段组成或以这种方式拼接
组成的空间光调制器的多个图像的多种实施例。然而，几个描述的实施例使用尺寸较大的光学部件，并且其与ar-hmd中的紧凑和/或轻型或可用性的设计要求仅在有限程度上一致。
11.例如，在图2中示出了专利文献us2013/0222384a1的布置，其具有紧邻观察者眼睛前方的多个透镜800。这种布置尤其适用于vr(虚拟现实)hmd。然而，在ar-hmd中，这些透镜800将具有如下效果：由于观察者也可以通过透镜感知自然环境，因此自然环境将以扭曲的形式显示。
12.图3也是从专利文献us2013/0222384a1中获得的，公开了一种具有多个反射镜950、960、970的hmd装置。通过将反射镜作为部分透射元件的适当设计，这种布置原则上也适用于感知周围环境的观察者。这意味着该布置可适用于增强现实(ar)应用。然而，为了产生大的可视范围，将需要较大的反射镜。这意味着可能难以获得这种布置的紧凑、节省空间的版本。
13.在专利文献us2013/0222384a1中还描述了使用波导的实施例。这样的实施例在图4中示出，并且分别具有用于观察者左眼的一个波导1101和用于观察者右眼的一个波导1102。在这种布置中，空间光调制器201、202和光学单元811、812在横向上各自设置为邻近观察者的头部，其中针对每个眼睛的光分别通过光栅1111、1112耦合到薄波导1101、1102中。用作耦合光学单元的光栅优选地设计为体光栅，其中使用它们使光以平角耦合到薄波导中，使得所有耦合角的光在波导的两个边界表面处通过全反射沿波导方向传播，波导的两个边界表面彼此平行布置。在这种情况下，波导不必是完全平的，而是也可以具有弯曲表面。然而，在专利文献us2013/0222384a1中没有提供关于表面曲率的定量规范。光偏转装置产生各种角度光谱，其按时间顺序耦合到波导中。为了生成分段的多个图像，将多个图像的每个片段的不同角度光谱耦合到波导中。由光偏转装置产生的其中一个角度光谱的光通过多个反射体光栅在观察者眼睛方向上与波导解耦，每个反射体光栅设计为相对于其角度选择性成不同的角度范围并且布置为邻近彼此。
14.根据图4的这种布置相对于专利文献us2013/0222384a1中描述的其他设计的优点在于波导是轻且紧凑的，并且在观察者透过波导观察的情况下，也可以感知到他周围的环境。因此，波导的使用对于ar布置是有利的。然而，波导的使用不限于ar布置，而是也适用于vr布置。在专利文献us2013/0222384a1的描述中，波导被称为薄的，但没有设定厚度的数值。
15.这里也引用了keigo iizuka出版的“光子学要素”第二卷第9章“集成光学装置的平面光学指南”关于光导中的光传播：“集成光学装置的基础是平面光导。光被折射率高于周围层的介质引导....根据几何光学，只要满足某些条件，光将以连续的全内反射(tir)传播而损失很小。这些条件是支持传播的层必须具有比周围介质更高的折射率，光必须在满足上、下边界全内反射的角度内发射。当引导介质的尺寸与光的波长相当时，这种简单的几何光学理论失效了。在这种情况下，光导仅支持离散数量的角度的传播，称为传播模式”。在后一种情况下，通过波光学方法描述光传播。然后通常使用术语“波导”。在这种波导中不存在限定的几何光束轮廓。
16.与此相对的，在本技术中，术语“光导”以这样的方式使用，即它指的是足够厚的布置，对于该布置，可以通过几何光学来描述光传播。这种光导可以具有例如几毫米的厚度，例如2mm或3mm。
17.全息显示器或显示装置尤其基于空间光调制装置的像素孔径处的衍射效应和由光源发射的相干光的干涉。尽管如此，可以为生成虚拟观察者窗口的全息显示器制定和定义使用几何光学的若干重要条件。
18.一方面，显示装置中的照射光束路径对于此目的是重要的。除其他外，它用于生成虚拟观察者窗口。借助于包括至少一个真实或虚拟光源的照射装置照射空间光调制装置。然后，来自空间光调制装置的不同像素的光必须分别被引导到虚拟观察者窗口中。为此目的，照射空间光调制装置的照射装置的至少一个光源通常在具有虚拟观察者窗口的观察者平面中成像。光源的这种成像例如发生在虚拟观察者窗口的中心。在使用对应于无限远的光源的平面波照射空间光调制装置时，例如来自空间光调制装置的不同像素、从这些像素垂直出射的光聚焦在虚拟观察者窗口的中心。然后，在空间光调制装置的各个像素的衍射角相同的情况下，非垂直地产生的光也聚焦在虚拟观察者窗口中的相应相同位置。然而，总体上，虚拟观察者窗口也可以相对于至少一个光源的图像横向移位，例如，至少一个光源的图像的位置可以与观察者窗口的左边缘或右边缘重合。
19.另一方面，除了直视显示器之外，在全息显示器或显示装置中成像光束路径是重要的。在hmd中，尺寸小的空间光调制装置产生总体放大的图像。这通常是虚像，其看起来距离观察者的距离大于空间光调制装置本身所处的距离。空间光调制装置的各个像素通常被放大成像。
20.然而，专利文献us2013/0222384a1不包含关于如何设计波导以提供明确定义的成像光束路径和明确定义的照射光束路径以及如何以所需的方式产生虚拟观察者窗口和空间光调制器的图像的任何教导。尤其地，如所指出的，在波导中总体不可能在几何上描述光束路径。在波导中传播的各种光学模式可以对应于不同的光路。
21.例如，在专利文献us2009/303212a1中描述了用于具有波导的非全息hmd的布置。光调制器在其中的无限远处成像。由于无限远的距离，光的光路对波导中的传播不起作用。以简化的术语表示，即使延伸通过波导的光路分量具有不同的长度，从光调制器的像素的图像到眼睛的整个光路也总是无限长。
22.然而，在全息显示器中，总是努力实现能够表示具有大深度区域的三维(3d)场景。这种显示的目的总体不仅仅是在距离观察者很远处表示内容。即使光调制器的图像在全息显示器中位于无限远处，但总体会在有限距离处表示三维场景。利用专利文献us2009/303212a1中描述的布置，在某些情况下，光调制器本身可以在全息显示器中无限远地恰当成像。然而，无法在有限距离处(即在光调制器的图像前面)恰当地重建场景的物点。
23.产生虚拟观察者窗口的全息直视显示器包括照射光束路径。显示器包括具有至少一个光源的照射装置。例如，照射装置被设计为背光，其产生照射空间光调制装置的准直的平面波阵面。准直波阵面对应于虚拟光源，其从无限远距离照射空间光调制装置。然而，也可以使用发散或会聚波阵面照射空间光调制装置，其对应于空间光调制装置前面或后面的有限距离处的真实或虚拟光源。场透镜将来自空间光调制装置的光聚焦在虚拟观察者窗口的位置上。如果空间光调制装置中未编码全息图，则光源的图像因此形成观察者平面，并且该图像的周期性重复产生更高的衍射级。如果在空间光调制装置中编码合适的全息图，则虚拟观察者窗口产生接近零级衍射级。这在下文中通过陈述虚拟观察者窗口位于光源图像的平面中来指代。在全息直视显示器中，产生光源图像的场透镜通常位于空间光调制装置
附近。观察者在其实际距离处观看空间光调制装置，而不存在空间光调制装置的图像。那么没有成像光束路径。
24.在其他全息显示装置中，例如，头戴式显示器(hmd)、平视显示器(hud)或其他投影显示器，还可以有成像光束路径，如已经简要提到的。在观察者观看的这些显示装置中产生空间光调制装置的实像或虚像，其中照射光束路径对于虚拟观察者窗口的产生仍然是重要的。因此，光束路径、照射光束路径和成像光束路径在此都很重要。
25.在其他显示装置中，例如立体显示装置中，也可以出现存在成像光束路径和照射光束路径的情况。用于产生最佳光斑的立体显示装置可以具有例如与所述全息显示器类似的光学布置，即空间光调制装置和场透镜的准直照射，但是也可以具有附加组件，例如，具有限定散射角的散射元件。如果从显示装置移除散射元件，则场透镜因此将在最佳光斑的平面中产生光源图像。通过使用散射元件，光被分布在扩展的最佳光斑上，该扩展的最佳光斑比观察者的瞳孔间距窄。然而，照射光束路径是重要的，以便能够看到完整的立体图像而没有渐晕效果。在这种情况下，三维立体显示装置也可以具有成像光束路径，空间光调制装置使用该成像光束路径在距观察者特定距离处成像。
26.在一般情况下，显示装置可包括影响光束路径、照射光束路径以及成像光束路径的透镜或其他成像元件。例如，单个成像元件可以布置在空间光调制装置和观察者之间，使得该成像元件既产生空间光调制装置的图像，又产生观察者平面中的光源图像。
27.在全息显示装置中，由三维场景计算的全息图的子全息图的典型尺寸取决于空间中三维场景相对于空间光调制装置的像平面的位置。例如，如果场景位于远离朝向观察者的空间光调制装置的像平面的前方，则产生具有大尺寸的子全息图。然而，大的子全息图增加了全息图计算期间的计算工作量。在申请人的专利文献wo2016/156287a1中公开了一种方法，其通过算术引入空间光调制装置的虚拟平面来减少计算工作量。然而，选择光学系统以使空间光调制装置的像平面得到有利位置的选择也是可取的，因此可以计算具有小尺寸的子全息图的全息图。
28.由于光学系统和/或成像系统中的限制，在所有情况下都不可能在有利于子全息图计算的点处生成空间光调制装置的图像。例如，在头戴式显示器中产生大视场的要求可能导致必须在紧邻观察者眼睛前方使用具有短焦距的透镜。另一方面，如果不能将空间光调制装置放置得足够靠近透镜，则这使得在有利于全息图计算的位置产生空间光调制装置的像平面变得更加困难。
29.总体考虑，照射光束路径所需的光学元件会对成像光束路径具有不利影响，反之亦然。
30.在产生虚拟观察者窗口的全息显示装置的可选设计中，也可以在虚拟观察者窗口中进行空间光调制装置的成像。如果不存在物理屏幕，则在空间光调制装置的傅立叶平面(由此是光源的图像平面)中提供用于三维场景的全息表示的类型的屏幕或者参考平面。因此，在这种显示装置中，还存在成像光束路径和照射光束路径。但全息图平面和观察者平面的重要性被交换。然后，虚拟观察者窗口位于空间光调制装置的像平面中，因此与成像光束路径相关。用于由三维场景计算全息图的全息图或参考平面位于空间光调制装置的傅立叶平面中，因此与照射光束路径相关。
31.根据专利文献wo2016/156287a1，用于计算这种显示装置的全息图的虚拟平面可
以放置在空间光调制装置的傅里叶平面中。计算该虚拟平面中的子全息图并将子全息图加和。然后，通过加和的全息图的傅立叶变换确定可写入空间光调制装置的全息图。
32.也可以以修改的形式使用具有位于观察者平面中的空间光调制装置的图像的显示装置，以产生具有用于左眼和右眼的两个平面视图的立体三维显示装置的设计。
33.如果将适当计算的全息图写入空间光调制装置中并且如果显示装置包括产生充分相干的光的照射装置，则因此以全息图的傅里叶变换在空间光调制装置的傅里叶平面中产生二维图像。附加的散射元件可以位于该平面中。如果在没有散射元件的情况下在观察者平面中产生空间光调制装置的图像，则因此将产生最佳光斑而不是使用散射元件。最佳光斑的大小取决于散射元件的散射角。这种布置可以用在例如平视显示器(hud)中。
34.以下描述主要涉及虚拟观察者窗口或最佳光斑位于光源图像的平面中的情况。所作出的陈述也相应地适用于通过成像光束路径和照射光束路径或空间光调制装置的平面和傅里叶平面的相应交换而在虚拟观察者窗口中具有空间光调制装置的图像的实施例。因此，本发明不限于具有位于光源图像的平面中的虚拟观察者窗口或最佳光斑的情况。
35.如已经简要提到的，专利文献us2013/0222384a1的显示装置是全息显示装置，其中成像光束路径以及照射光束路径都可能导致困难。取决于所选择的光学系统，在特定情况下，在多个图像的不同片段中产生不同的光路。
36.对于成像光束路径，这可以意味着空间光调制装置的像平面位于各个片段的不同深度处。对于全息显示装置，由于根据空间光调制装置的相应图像位置来计算各个片段的子全息图，原则上可以补偿空间光调制装置在不同片段中的不同像平面。例如，对于具有空间光调制装置的非常远的图像的段，可以将距观察者特定距离的物点编码为空间光调制装置前面的物点的子全息图，并且在空间光调制装置的较近图像中的类似距离处的物点可被编码为空间光调制装置后面的物点的子全息图。尽管空间光调制装置的图像与观察者的距离不同，但可以表示相干的三维场景。然而，不利的是，对于多个图像的各个片段的不利图像位置潜在地增加子全息图的尺寸，从而增加计算量。由各个片段中不同光路所引起的虚拟观察者窗口的轴向位置的潜在位移会比空间光调制装置的图像在各个片段中的位移更加不利。分段或拼接的目标是生成统一的虚拟观察者窗口，从中可以看到大的视场。多个图像的各个片段在深度上移位的虚拟观察者窗口的位置在任何情况下都将不利地影响三维场景的感知。因此，需要在所有片段中获得同一观察者平面中的均匀光源图像。此外，还为所有片段另外生成距离观察者相等或至少相似距离的空间光调制装置的图像。通常，如专利文献us2013/0222384a1中所公开的，其中在观察者平面中生成光源图像的显示装置将用于生成多个图像的片段。以下列方式产生片段，即在每个单独的片段中产生相对于彼此偏移的空间光调制装置的图像。
37.然而，对于具有位于观察者平面中的空间光调制装置的图像的显示装置，也可以产生分段或拼接。对于这样的显示装置，在每个片段中在相同位置处生成空间光调制装置的图像，以为所有片段生成统一的虚拟观察者窗口。相反，空间光调制装置的傅里叶平面在各个片段中相对于彼此移位以产生大视场。由于更高的衍射级总体也导致空间光调制装置的傅里叶平面，所以这种布置可以例如以多级产生，例如，通过在第一级中产生非移位的傅里叶平面，在这个傅里叶平面中以下列方式进行滤波，即仅传输至多一个衍射级并且滤除其他衍射级。在第二级中，生成该滤波衍射级的图像，其中该图像在各个片段中相对于彼此
移位以产生大视场。一种可选方案是具有可变滤波器的单级系统，其中所有衍射级在第一级中被移位，但是滤波器的孔以下列方式同样移位，即在每种情况下传输相同的衍射级。对具有位于观察者平面中的光源图像的显示装置做出的陈述也可以相应地转换到具有位于观察者平面中的空间光调制装置的图像的显示装置。
38.用于在显示装置中产生照射光束路径和成像光束路径的光学系统在一般情况下也具有像差。例如，对于具有位于观察者平面中的光源图像的全息显示装置，可以产生以下效果。成像光束路径的像差影响产生空间光调制装置的图像的分辨率，并且潜在地在全息显示装置中也影响三维场景的清晰度和分辨率，该三维场景的全息图编码在空间光调制装置上。
39.照射光束路径的像差影响例如边界清晰的虚拟观察者窗口的成像。由于像差而模糊的虚拟观察者窗口可以导致例如渐晕效果，使得不再能够从虚拟观察者窗口中的特定位置看到完整的三维场景。
40.如果光学元件对照射光束路径以及成像光束路径有影响，则其像差总体也对两个光束路径都有影响。


技术实现要素：

41.因此，本发明的目的是提供一种装置，该装置可用在显示装置中并且使用该装置可以在显示装置内实现明确限定的成像光束路径和明确限定的照射光束路径。此外，将提供具有这种装置的显示装置，尤其是靠近用户眼睛设置的显示装置，这使得能够产生大的可视范围或视场。这优选地可以与空间光调制装置的分段多图像组合实现。本发明的另一个目的是提供一种显示装置，该显示装置具有紧凑和轻的结构，并且使用该显示装置可以为空间光调制装置的多个图像的所有片段各自产生处于相同位置处的虚拟观察者窗口。
42.根据本发明，通过权利要求1的特征实现了本发明的目的。
43.根据本发明，提出了一种光导装置，其尤其适用于近眼显示器，尤其是用于头戴式显示器，但其使用不限于这些显示器。
44.根据本发明的用于引导光的这种光导装置包括光导、光耦合装置和光解耦装置。由光耦合装置进入光导的光在光导的内部通过光导的边界表面处的反射传播，尤其是通过全反射传播。多次反射的光通过光解耦装置执行与光导的解耦。在光导的边界表面处的预定或预设数量的光反射之后提供光的解耦。
45.这意味着借助于根据本发明的光导装置，在光的边界表面处的光的相应预定或固定限定数量的反射之后，光在光导中的不同位置处发生光的解耦。在这种情况下，相等角度范围的光也可以各自在光导的不同位置处解耦。
46.尤其有利的是，如果入射在光导装置上的光形成为具有多个或多重光束的光柱或光场，则对于光柱或光场的所有光束，当在光导的边界表面处各自经过相同数量的反射之后，使光束与光导解耦。
47.根据本发明，通过特定区域内的多个光束来定义光场。因此，光场是整体的全部入射光束。
48.例如，如果光导装置用于显示装置，例如，根据专利文献us2013/0222384a1的显示装置，对于空间光调制装置的多个图像的单个片段，来自空间光调制装置的各个像素的光
将耦合到光导装置的光导中并且经过在光导的边界表面处的多次反射之后又解耦，各自的反射数量对于所有像素是相等的。
49.限定的几何路径存在于光导中。因此，当光在光导中传播期间，可以具体确定光导中的光路和其边界表面上的反射次数。以这种方式，因此预先确定在光导的边界表面处的先前限定的反射次数之后使光与光导解耦。
50.因此，根据本发明可以设置的是，可以根据光导的几何特性和光学特性以及光耦合装置的光学特性来确定光导的一个边界表面上的光的入射位置，光在预定数量的反射之后到达该入射位置。在这种情况下，光导的边界表面的厚度和/或可行的曲率可以优选地用作用于确定光的入射位置的光导的几何特性，其中光导材料的折射率可以用作光导的光学特性。
51.光导的几何形状在此应理解为光导的厚度和可行的曲率，其可以根据光导的实施例而不同。光耦合装置的光学特性在此涉及设置在光耦合装置中的至少一个元件，例如光栅元件。如果光耦合元件是光栅元件，那么影响光导中光的反射次数的光学特性就是光栅元件的光栅周期。为了确定光导内所需的反射次数，因此使用并考虑光导的厚度和可以存在的曲率以及耦合元件的光学特性(在本示例中为光栅元件的光栅周期)。然后，根据这些值确定和定义光导中的光所需或所期望的反射数量。光栅方程通常称为sinβ
出射
＝λ/g sinβ
入射
，其中g是光栅周期，λ是光的波长，β
入射
是光的入射角，β
出射
是光的出射角。然而，该等式仅适用于在光栅元件之前和之后的光路中介质的折射率相等的情况。如果耦合元件用于将来自空气的光耦合到光导的介质中，还要考虑光导的折射率n
光导
：n
光导
sinβ
出射
＝λ/g n
空气
sinβ
入射
。
52.例如，如果波长λ＝532nm的光束从空气垂直地入射到耦合元件上，并且耦合元件的光栅周期g＝400nm并且光导材料折射率n
光导
＝1.6，由此可以计算出角度β
出射
为56.2
°
，光束在耦合到光导中之后以该角度传播。在厚度d＝3mm的平面光导中，光束例如在光导的相对侧上反射之后经过距离2dtanβ
出射
(在这种情况下为8.96mm)之后又到达光束耦合进入的一侧的光导的表面。在五次反射之后，光束在距离耦合位置为5
×
8.96＝44.8mm处相应地又与光导解耦。
53.优选地，可以将确定的值保存或存储在值表(查找表)中。由此在值表中针对光的反射数量确定的保存或存储值是有利的，因为以这种方式就不需要再次确定这些值并且因此可以减少计算工作量。然后可以简单地从值表中获取值并相应地使用。
54.光导装置还可以有利地用在显示装置中，该显示装置例如用作ar(增强现实)显示装置，因为它有助于ar应用中对自然环境的良好感知。在这种情况下，“增强现实”总体理解为信息项的视觉表示，这意味着通过叠加和/或重叠所生成的附加信息项/附加表示增强(移动)图像或场景。当然，根据本发明的这种光导装置的使用不限于这种ar显示装置。
55.在其他从属权利要求中可以找到本发明的其他有利实施例和改进。
56.在本发明的一个有利实施例中，可以设置为将光解耦装置布置在光导上，使得光解耦装置的位置对应于光在经过预定数量的反射之后到达的其中一个边界表面上的光入射位置。以这种方式可以确保光也在光导的预定位置处与光导解耦。在这种情况下，光解耦装置的尺寸包括入射在其上的光柱的尺寸，从而始终确保光完全解耦。
57.在本发明的一个特定实施例中，可以设置为，光解耦装置被设计成可控的，其中可
以以下列方式控制光解耦装置，在光解耦装置的驱动状态下，使光在预定数量的反射之后解耦，并且在光解耦装置的另一驱动状态下，使光在光导中进一步传播。因此，可以控制光在光导中经过多少次反射之后光被解耦。因此可以改变光导的边界表面处的反射次数。
58.此外可以有利地设置为，光解耦装置被分成多个部分，其中光解耦装置被设计成分段可控的，其中光解耦装置可以通过下列方式控制，通过光解耦装置的一部分的一种(例如第一)驱动状态，该部分对应于光在多次反射之后到达的光入射位置，以及通过光解耦装置的另一部分的另一(例如，第二)驱动状态，该部分对应于光在另外数量的反射之后到达的光入射位置，光导边界表面处的光的反射次数是可变的。此外，通过光解耦装置的各部分的不同驱动状态之间的进一步交替控制，可以改变光导的边界表面处的光的反射次数。通过将光解耦装置分成多个部分，可以以尤其有利的方式改变反射次数。
59.如果光耦合装置包括至少一个光栅元件(优选为体光栅)或至少一个反射镜元件，并且如果光解耦装置包括至少一个光栅元件(尤其是偏转光栅元件，优选为体光栅)或至少一个反射镜元件，则是尤其有利的。
60.在本发明的一个优选实施例中，使用光栅元件(优选为可控的光栅元件，例如使用体光栅)可以实现光与光导的耦合和解耦。例如，如果在显示装置中使用光导装置，例如该显示装置产生空间光调制装置的分段多个图像，可以以下列方式控制各个片段与光导的解耦：光解耦装置的至少一个可控光栅元件或至少一个可控光栅元件的各个部分被控制以解耦，即例如被开启或关闭。例如，关闭解耦装置的光栅元件的结果是例如入射在该光栅元件上的光不会解耦，而是在光导中反射和进一步传播，并且在另外的反射之后在光导的另一位置解耦。
61.代替至少一个可控光栅元件，至少一个反射镜元件也可以用在光解耦装置中，用于光的耦合和解耦。为此目的，反射镜元件可以具有相对于光导表面倾斜的反射镜表面。
62.光栅元件的光栅常数或反射镜元件相对于光导表面的倾斜角度可以用作用于确定光入射位置的光耦合装置的光学特性，光入射位置是光在经过预定数量的反射之后到达的位置。
63.尤其优选地，光解耦装置包括与开关元件结合的至少一个无源光栅元件，优选地是与偏振开关结合的偏振选择光栅元件。
64.代替至少一个可切换光栅元件，光解耦装置还可以包括与可切换元件组合的无源光栅元件。例如，无源光栅元件可以设计为偏振选择光栅元件，尤其是偏振选择性布拉格光栅元件，其仅使一个偏振方向的光偏转并且不偏转另一个偏振方向上的光。在这种情况下，偏振选择光栅元件可以与作为可切换元件的偏振开关组合。在这种情况下，该无源光栅元件与开关元件可以一起设置在光导的外表面或包层上。
65.与具有大的或较大的光栅周期的偏振光栅相比，偏振选择性布拉格光栅元件具有《2μm的光栅周期和布拉格特性。根据入射光束的圆偏振方向，光束在没有衍射或被衍射的情况下透射，其中仅在恰当的入射角处实现最大衍射效率。这种偏振选择性布拉格光栅元件的制造分两步进行。在第一步中，在室温下通过液晶聚合物层的体光对准技术进行层的全息结构化，全息结构化是由肉桂酸酯基的光选择性环加成引发的。最后，在高于玻璃化温度tg对层热回火(在较长时间段内加热)增强层的光致光学各向异性，从而提高了光栅元件的衍射效率。
66.在光可交联液晶聚合物(lcp)的基础上形成具有高衍射效率(de》95％)、大衍射角(例如，大于30
°
)、宽的角度和波长接受性的圆偏振选择性布拉格光栅元件。由这些可光交联的液晶聚合物的特定性质和两步光化学/热处理产生这些光栅元件。全息结构化实现了液晶指向矢的高空间分辨率和任意对准以及最终光栅元件的高光学质量和热稳定性和化学稳定性。
67.这种光栅元件可以与作为二元可切换偏转元件的偏振开关结合使用和/或作为使用场透镜进行预偏转的开关元件使用。此外，它们还可以用作偏转偏振光栅或反射偏振滤波器。高可用的衍射角度和高衍射效率使得这种类型的光栅元件对于与ar(增强现实)/vr(虚拟现实)应用结合的头戴式显示器是有吸引力的，因为在头戴式显示器中需要系统指定的短焦距和大的数字孔径。如果使用具有相反取向的两个光栅元件，则光的偏转角可以加倍。
68.在下面的附图说明中，可以对光导装置的光解耦装置中使用的偏振选择性布拉格光栅元件进行更广泛的描述。
69.在本发明的另一实施例中，可以设置为，光解耦装置的至少一个可控光栅元件在光导的预定区域上延伸，其中光栅元件被分成可切换部分。
70.在光导的一个可行的解耦区域中，设置以光栅元件的形式的至少一个可切换的解耦元件。该光栅元件分为可切换部分。通过开启或关闭光栅元件的限定部分，可以确定和限定光与光导的解耦位置。这也适用于与开关元件结合的无源光栅元件，即，例如，结合偏振开关的偏振敏感布拉格光栅元件。然后，无源光栅元件将在光导的预定区域上延伸，其中开关元件将被分成单独的可切换部分。
71.可切换光栅元件形式的解耦元件可以是例如反射光栅元件或透射光栅元件。反射光栅元件可以设置在光导的外侧，其中透射光栅元件可以设置在光导的内侧。
72.在本发明的一个尤其优选的实施例中，可以设置在至少一个方向上至少部分弯曲的光导。
73.在特定实施例中，优选地，光导具有平直或面状或平面几何形状。例如，重视节省空间的应用就是这种情况，因为平面光导比弯曲光导占用更少的安装空间。在其他实施例中，尤其是头戴式显示器，例如，光导也可以具有弯曲的几何形状。在一般情况下，光导也可以由直的和弯曲的部分组成，或者也可以由具有不同强度的曲率的多个部分组成。例如，耦合区域可以形成为平直的，但解耦区域可以形成为弯曲的。例如，在设计成类似于眼镜的头戴式显示器的情况下，可以在眼镜腿的区域中相对于头部横向布置光导的平直部分，并且弯曲部分可以布置在眼睛的前方。弯曲光导使得能够在光解耦装置中使用光栅元件，其解耦角度与光栅元件在光导上/中的位置无关。
74.根据本发明，在本发明的一个有利实施例中可以设置为，光导至少部分地具有中空圆柱形状，其中该部分的边界表面形成具有不同半径的中空圆柱部分。光导可以具有例如类似于半圆的形状。
75.光耦合装置设置在光与根据本发明的光导装置的光导耦合的区域中。光耦合装置具有例如以光栅元件或反射镜元件的形式的至少一个耦合元件。光栅元件可以设计成可控制和/或可切换的。而且，耦合元件可以设置在光导的外表面或内表面上。在耦合元件的一个实施例中，它可以设计为反射光栅元件，其设置在光导的内表面上。入射在光导上的光最
初垂直穿过光导，在光导的内表面上被反射光栅元件或反射镜元件偏转，然后以z字形传播通过光导。
76.在一个示例性实施例中，在这种情况下，传播角度可以选择为在光导与周围介质(例如空气)的边界表面处发生全反射形式的反射。可选地，可以在光导的内包层表面或外包层表面或边界表面上设置附加层，例如介电层堆叠。该介电层使得以特定或预定角度入射的光反射。在这种情况下，介电层可以优选地设计为当根据本发明的光导装置用于ar应用的装置中时，使得环境光可以在ar应用期间穿过光导。
77.因此可以进一步有利地设置为，光导在其边界表面上具有介电层。
78.在本发明的一个尤其有利的实施例中，光耦合装置的光偏转角和光解耦装置的光偏转角可以选择为相反的，使得垂直入射在光导表面上的光束也可以垂直(即以直角)离开光导。换句话说，光耦合装置的光栅元件的光偏转角可以与光解耦装置的光栅元件的光偏转角相反，使得垂直穿过光导的外表面进入光导的光束同样从光导的内表面又垂直出射。
79.光导装置的光导可以可选地由玻璃或光学塑料构成。
80.光耦合装置和/或光解耦装置的光栅元件可以设计为透射或反射的。
81.光耦合装置的尺寸可以有利地大于入射在光导装置上的光柱的尺寸，其中光柱与光导的耦合位置可在光耦合装置的尺寸的边界内移位。通过使光柱的耦合位置移位，在光导中进行预定或设定数量的反射，光束与光导解耦的位置也移位。
82.此外，本发明的目的还通过根据权利要求18的显示装置实现。
83.根据本发明的显示装置可以设计为全息显示装置或者也可以设计为自动立体显示装置。根据本发明的显示装置可以尤其有利地设计为近眼显示装置，例如头戴式显示器或平视显示器。在这种情况下，显示装置包括照射装置、至少一个空间光调制装置、光学系统和根据本发明的光导装置。
84.为了说明对根据本发明的显示装置的特征的下列描述，首先要注意的是，在大视场的情况下，当观察者观察视场的不同部分时，使用显示装置产生的场景的观察者的瞳孔通常以不同方式旋转。具有大视场和虚拟观察者窗口的显示装置或显示器在本技术中的含义通常也应理解为在观察者眼睛的瞳孔旋转时使得虚拟观察者窗口在其中心点处共同旋转。对于空间光调制装置的多个图像的所有片段在相同位置处生成虚拟观察者窗口的要求通常应被理解为使得针对多个图像的各个片段的虚拟观察者窗口也可以相对于彼此倾斜，但具有共同的中心点。
85.如果观察者观察大视场的不同部分并同时旋转他的眼睛，则因此在眼睛的晶状体的中心点周围发生旋转，晶状体位于瞳孔后面大约12mm处。因此，当眼睛的晶状体旋转时也自动发生瞳孔位置的横向位移。旋转15
°
例如对应于约3.2mm的瞳孔位移。对于具有例如使用空间光调制装置的分段多个图像生成的大视场的显示装置，因此可选实施例也可以在眼睛的晶状体旋转时将该瞳孔位置的这种改变有意地考虑在内，以这种方式多个图像的各个片段的虚拟观察者窗口相应地相对于彼此移位。例如，对于在视场中具有15
°
间隔的片段，虚拟观察者窗口的中心点也将相对于彼此移位3.2mm，使得虚拟观察者窗口的中心点在眼睛旋转时对应于瞳孔中心点。在这种情况下，每个片段因此有意地具有略微移位的位置并且可以另外具有虚拟观察者窗口的倾斜对准。
86.例如，可以调整光导的曲率，以使该位移导致光在观察者距离处从光导表面与光
导垂直解耦。
87.在根据本发明的显示装置中，经过在光导的边界表面处的相应预定数量的光反射之后，在根据本发明的光导装置的不同位置处发生光的解耦。
88.如已经提到的，在光导中存在限定的几何路径。因此，在光在光导中传播期间，可以限定光导中的光路和光导的边界表面处的反射次数。因此，可以预先限定所采用的光导的长度，可以设置光学系统的成像元件的焦距以及空间光调制装置和虚拟观察者窗口或最佳光斑与光导装置的距离，以这种方式可以设定特定的成像光束路径和/或照射光束路径。所采用的术语“观察者区域”包括虚拟观察者窗口或最佳光斑，这取决于根据本发明的显示装置是否被设计为全息或立体显示装置。
89.在根据本发明的显示装置的一个实施例中，可以设置为，可以通过光导装置和光学系统产生空间光调制装置的图像。该图像可以限定视场，在该视场内可以重建通过虚拟观察者区域观察的编码在空间光调制装置中的场景的信息项。
90.可以有利地设置为，可以通过光导装置和光路中的光学系统在与光导装置解耦之后产生照射装置的至少一个光源的光源图像或空间光调制装置的图像。
91.在这种情况下，可以在光源的像平面中或在空间光调制装置的像平面中生成虚拟观察者区域。
92.在本发明的另一实施例中，可以设置为，光导装置的光导至少部分地弯曲为空心圆柱的一部分，其中可以在空心圆柱的圆弧中心点的区域中产生虚拟观察者区域。
93.在这种情况下可以尤其优选地设置为，由光导装置和光学系统产生由片段组成的空间光调制装置的多个图像，其中多个图像限定视场，在该视场内重建通过光源的像平面中的虚拟观察者区域观察的编码在空间光调制装置中的场景信息。
94.在另一个实施例中，在这种情况下可以设置为，由光导装置和光学系统在空间光调制装置的傅里叶平面中生成由片段组成的衍射级的多个图像，其中多个图像限定了视场，在该视场内重建通过空间光调制装置的像平面中的虚拟观察者区域观察的编码在空间光调制装置中的场景的信息。
95.借助于光导装置和光学系统可以产生空间光调制装置的图像。该图像限定了视场的大小，在该视场内可以生成或重建场景或对象。
96.根据本发明，为了产生大视场，至少一个空间光调制装置可以彼此相邻地和/或一个在另一个之上地或者相对于彼此横向偏移地多次成像。这是以观察者不会察觉到视场的时间顺序组成的速度执行的。但是，图像也可以部分或完全重叠。
97.可以在空间光调制装置的前面或后面或周围产生场景或物体。尤其是在场景的全息重建中，场景生成的区域取决于场景或物体在全息图中的深度编码。
98.可以产生空间光调制装置，使得它可以在视场中被放大成像。可以根据在空间光调制装置的多个图像中要产生的片段的数量在视场中放大空间光调制装置的平面，因为空间光调制装置的图像被放大地生成并因此限定视场的大小。
99.例如，在专利文献us2013/0222384a1中可以找到生成空间光调制装置的分段多个图像的详细公开内容，其公开内容也全部结合于此。
100.在另一个实施例中，可以使用光学系统产生至少一个空间光调制装置的傅立叶平面。这可以例如使用2f布置来执行，其中slm布置在成像元件的物侧焦平面中，并且傅立叶
平面形成成像元件的像侧焦平面。滤波器孔径可以布置在该傅里叶平面中，其最多传输一个衍射级并滤除其他衍射级。然后可以由光学系统生成由滤波器孔径透射的衍射级的一部分或多个部分的分段多个图像。该衍射级的多个图像限定了视场的大小，在该视场内可以生成或重建场景或物体。
101.根据本发明，为了产生大的视场，至少一个空间光调制装置的衍射级可以彼此相邻地和/或一个在另一个的顶部上地或者相对于彼此横向偏移地多次成像。这是以观察者不会察觉到视场的时间顺序组成的速度执行的。但是，图像也可以部分或完全重叠。
102.可以在空间光调制装置的傅里叶平面的前面或后面或周围产生场景或物体。尤其是在场景的全息重建中，场景生成的区域取决于场景或物体在全息图中的深度编码。
103.可以生成空间光调制装置的衍射级，使得它可以在视场中被放大成像。可以根据视场中空间光调制装置要产生的片段的数量来放大空间光调制装置的傅立叶平面中的衍射级，其中在空间光调制装置的傅里叶平面中放大地产生衍射级的图像并因此限定视场的大小。
104.下面更详细地描述具有至少一个空间光调制装置的分段多个图像的实施例。然而，这些陈述也可相应地转移到空间光调制装置的傅里叶平面中衍射级的分段多个图像的情况。
105.根据本发明的用于至少一个空间光调制装置的分段多个图像的布置中的光导的使用，尤其是用于空间光调制装置的多个图像的单个片段，来自空间光调制装置的各种像素的光被耦合到光导装置中并且经过在光导的边界表面处的光的多次反射之后又解耦，反射次数在每种情况下对于空间光调制装置的所有像素是相等的。
106.换句话说，可以设置为，对于图像或多个图像的单个片段，来自空间光调制装置的各个像素的光在进入光导装置之后在光导的边界表面处经过多次反射之后解耦，在每种情况下对于所有像素而言反射数量都相等。
107.此外可以设置为，对于多个图像的不同片段，用于产生一个片段的在光导的边界表面处的光的反射数量不同于用于产生另一片段的在光导的边界表面处的光的反射数量。可以以下列方式形成空间光调制装置的多个图像的不同片段，例如，对于多个图像的相邻片段，在光导的边界表面处执行不同数量的反射。然而，其他布置也是可行的，例如对于多个图像的不同片段，其在光导的边界表面处产生相等数量的光反射，但是使用移位的耦合位置或改变的光耦合角度。
108.如关于根据本发明的光导装置已经陈述的，例如，可以以下列方式控制用于产生多个图像的各个片段的光的解耦，例如，使光耦合装置的至少一个光栅元件或至少一个光栅元件的各个部分被开启或关闭以使光解耦。例如，关闭光栅元件的结果是，入射在该光栅元件上的光不会被解耦，而是被反射并在光导中进一步传播，可以在另外的反射之后在光导的另一点处解耦。
109.光解耦装置以及光耦合装置也可以包括反射镜元件，尤其是具有倾斜镜面的反射镜元件，而不是光栅元件。这些反射镜元件还可以分别用于使光耦合到光导装置内或使光与光导装置解耦。
110.在本发明的一个实施例中，对于多个图像的不同片段，光在光导的边界表面处的反射次数可以相等，并且对于这些片段，光耦合到光导内的位置可以不同。
111.光偏转装置在光导方向上可以有利地设置在光导装置的前面，以使光在光导中的耦合位置移动。
112.可以优选地通过光偏转装置来实现光在光导上的耦合位置的位移。为此目的，光偏转装置可以包括至少一个光栅元件，其光栅周期是可设定的。例如，光偏转装置可以包括两个光栅元件。然后，第一光栅元件使入射光偏转可设定的角度，其中第二光栅元件使由第一光栅元件偏转的光在相反方向上偏转绝对值相等但符号相反的角度，使得获得或生成基本上平行偏移的光。
113.在显示装置的另一有利实施例中，可以设置为，光学系统被设计为两级光学系统，其中在第一级中，通过光学系统的至少一个第一成像元件生成照射装置的至少一个光源的中间像，其中在第二级中，通过光学系统的至少一个第二成像元件使光源的中间像在虚拟观察者区域中成像，该虚拟观察者区域在光路中位于光与光导解耦之后。
114.根据本发明，两级光学系统可用在具有光导装置的显示装置中。为此目的，显示装置包括至少一个空间光调制装置和照射装置，照射装置照射空间光调制装置并包括至少一个光源。在第一级中，使用至少一个第一成像元件(例如透镜)在光的方向上在空间光调制装置之后产生照射装置的中间像以及观察者区域的中间像，照射装置的中间像即为照射装置包括的至少一个光源的中间像，观察者区域尤其是虚拟观察者窗口或最佳光斑。在第二级中，然后使用至少一个另外的或第二成像元件(其也可以是透镜)在观察者平面中——更准确地在实际的虚拟观察者窗口或最佳光斑中——对该照射装置的中间像进行成像。为此目的，在显示装置中，光导装置在光束路径上定位在照射光束路径的中间像和第二成像元件之后。至少一个第一成像元件同时产生空间光调制装置的图像。对照射装置和虚拟观察者窗口或最佳光斑进行成像的第二成像元件也有助于空间光调制装置的成像。通过适当选择光学系统的成像元件的焦距，可以在光导装置内(尤其是在光导内)产生空间光调制装置的另一图像。在本发明的一个实施例中，也可以仅在光耦合装置的至少一个光栅元件的偏转方向上产生光导装置内的空间光调制装置的中间像，光导装置包括圆柱形成像元件，而在与其垂直的方向上，空间光调制装置的中间图像可以位于光导装置的外部。
115.此外，在显示装置的一个尤其有利的实施例中，可以设置至少一个可变成像系统，其在光的方向上布置在光导装置的前面。
116.该至少一个可变成像系统可以优选地设置为邻近或尽可能靠近中间像平面或者在照射装置的至少一个光源的中间像平面中和/或可变成像系统可以设置为靠近空间光调制装置或空间光调制装置的像平面。
117.至少一个可变成像系统可包括至少一个成像元件，其被设计为具有可控可变周期或可控液晶元件的光栅元件或距离可变的至少两个透镜元件。可变成像系统的至少一个成像元件可以设计为透射或反射的。例如，可变成像系统可以包括两个可控的液晶元件作为成像元件，它们都可以设计为反射的。由于两个液晶元件的反射实施例，两个液晶元件之间需要一定的距离。因此，两个液晶元件不能精确地布置在照射装置的中间像平面中。因此，如果可变成像系统具有这样的液晶元件，则应该总体上将其视为布置成尽可能靠近照射装置的中间像平面。
118.因此，可变成像系统可以设置在照射装置的中间像平面中或非常靠近照射装置的中间像平面，该平面同时表示虚拟观察者窗口或最佳光斑的中间像平面。可变成像系统在
此应理解为成像系统，其焦距是可变的。光学系统的至少一个第一成像元件还产生空间光调制装置的图像。对虚拟观察者窗口或最佳光斑进行成像的光学系统的至少一个第二成像元件也有助于空间光调制装置的成像。然而，可以有利地使用可变成像系统使空间光调制装置的图像在照射装置的中间像平面或虚拟观察者窗口或最佳光斑中或其附近在深度上移位，而不会对照射光束路径以及虚拟观察者窗口或最佳光斑本身的位置和大小产生影响。
119.根据本发明，因此可以通过可变成像系统以下列方式使空间光调制装置的图像针对空间光调制装置的多个图像的每个单独片段移位，在这种情况下，使得通过光导装置的光导针对各个不同的片段形成的光的不同光路可以至少部分地得到补偿。在显示装置投入运行之前，执行空间光调制装置的图像针对每个单独片段必须移位多少的计算。
120.优选地，在这种情况下对于多个图像的所有片段在距离空间光调制装置的虚拟观察者窗口或最佳光斑相等或至少相似的深度处形成对于观察者可见的图像。可变成像系统包括至少一个成像元件，其可以被设计为例如具有可控可变周期的光栅元件(例如液晶光栅(lcg))或电润湿透镜或液晶透镜。可变成像系统还可以包括由可相对于彼此可变地设定距离的至少两个成像元件制成的系统，例如以至少两个透镜的形式，例如变焦类型的物镜。
121.可变棱镜函数或可变透镜函数和/或可变复合相位函数可以有利地写入至少一个可变成像系统的至少一个可控成像元件中。
122.可变成像系统的可控成像元件可以布置在照射装置的中间像平面中，以改变光与光导装置的光导的耦合位置。通过在可控成像元件中尤其写入可变棱镜函数，可以使光在光导上的耦合位置移位。以这种方式，空间光调制装置的图像可以在视场中横向移位。
123.在可变成像系统的这种可控成像元件中，例如相位调制元件(例如具有可控可变周期(lcg)的光栅元件)，另外代替可变透镜函数或棱镜函数或除此之外，也可以写入可变复数相位函数，其因此偏离简单的线性或球形函数。例如，用于像差校正的相位函数可以是多项式。例如，可以通过zernike多项式来描述像差。该过程有利地用于补偿像差，尤其是在根据本发明的显示装置被设计为全息显示装置的情况下。因此，可以有利地设置为，可变成像系统布置在照射装置的光源像平面中或空间光调制装置的傅里叶平面中，以校正成像光束路径中的像差。
124.如果例如借助于光栅元件使光耦合到光导中和与光导解耦，则会因此产生像差。对于成像光束路径，这些像差可以具有类似于像散的效果，例如在水平方向和竖直方向上，在相对于观察者不同的距离处产生空间光调制装置的图像。此外，由于耦合元件和解耦元件之间的不同的路径长度，不同的片段也可以具有不同的像差。
125.可以例如结合在从虚拟观察者窗口通过光导在空间光调制装置的方向上的反向计算期间所确定的全息图的振幅和相位来执行成像光束路径中的像差校正。然而，最初仅从虚拟观察者窗口到照射装置的中间像平面进行反向计算。尤其是在成像光束路径存在实质上的像差并且照射光束路径不存在像差或仅存在小相差的示例性实施例中，在反向计算中，与直接在虚拟观察者窗口中的光束的目标位置和角度相比，照射装置的中间像平面中的光束基本上具有正确的位置，但由于像差，具有不正确的角度。因此，对于单独的光束，可以借助于照射装置的中间像平面中的可变成像系统的相应局部成像元件(例如局部偏转光栅元件)校正角度。例如，如果β(x)是在位置x的所需入射角度的光束，而β'(x)是在该位置x
的实际入射角度的光束，则可以确定使用校正函数δβ(x)＝β(x)-β'(x)至少部分地移除当前的像差。然后将可变成像系统的成像元件的局部光栅周期确定为g(x)＝λ/tanδβ(x)，其中λ是所用光的波长。因此，考虑到从照射装置的中间像平面到虚拟观察者窗口的成像比例，可以以下列方式改变或调整成像元件的光栅周期，使得每个单独光束的位置和所需入射角对应于虚拟观察者窗口本身中的那些。
126.借助于照射装置的中间像平面中的相位函数校正像差的优点在于该校正与优选的三维(3d)场景的内容无关。因此，对于空间光调制装置的多个图像的每个片段以及在光导中的光的耦合位置的连续位移期间空间光调制装置的中间位置，可以分别进行一次校正函数的计算并且存储在值表中，然后重复地应用，并且可以计算相应的光栅周期。
127.类似地设计的第二可变成像系统也可以有利地布置在空间光调制装置的像平面中，以校正照射光束路径中的像差，并且针对多个图像的所有片段在相同位置处生成虚拟观察者区域。
128.在空间光调制装置的像平面中而不是在空间光调制装置的傅立叶平面中使用可变成像系统，可以校正照射光束路径中的像差，该相差是在光分别与光导耦合和/或与光导解耦期间由光耦合装置和/或光解耦装置的至少一个光栅元件产生的。
129.在显示装置的另一有利的实施例中，可以设置为，光导装置的光解耦装置的至少一个可控光栅元件包括至少一个透镜函数。
130.除了可变成像系统之外，光导装置的光解耦装置中的显示装置还可以包括具有至少一个透镜函数的光栅元件，而不是简单的光栅元件。如果产生空间光调制装置的多个片段来产生大视场，则针对各个不同片段的透镜函数由此可以不同。然而，在另一实施例中，可以为多个图像的所有片段设置相同的透镜函数。例如，在仅在水平方向上彼此相邻地产生多个片段但在竖直方向上仅存在单个片段的光导中，光解耦装置可以包括用于产生竖直聚焦的对于所有片段相同的圆柱形透镜函数。该透镜函数有助于可变成像系统的总焦距。这减小了必须改变的可变成像系统的焦距的设定范围。
131.根据本发明的显示装置可以有利地设计为具有两个显示装置的头戴式显示器，其中显示装置各自按照如权利要求18-38中任一项所述的显示装置设计，并且分别分配给观察者的左眼和观察者的右眼。
132.此外，本发明的目的通过具有权利要求40的特征的方法实现。
133.根据本发明的借助于空间光调制装置和光导产生重建场景的方法如下进行：
134.–
空间光调制装置利用所需的场景信息调制入射光，
135.–
由空间光调制装置调制的光通过光耦合装置耦合到光导中，并通过光解耦装置与光导解耦，以及
136.–
经过光导的边界表面处的预定数量的反射之后使光与光导解耦。
137.有利地产生空间光调制装置的图像或由片段组成的空间光调制装置的多个图像。
138.可以针对多个图像的至少部分片段在光导内生成空间光调制装置的中间像。
139.在光的方向上在光导装置的前面或在光导的前面产生空间光调制装置的第一中间像。可以生成空间光调制装置的另一中间像，使得对于空间光调制装置的多个图像的至少部分片段的中间像位于光导内部。对于多个图像的另一部分片段，中间像也可以位于光导的外部。
140.使用至少一个可变成像系统针对多个图像的各个单独的片段使空间光调制装置的图像移位，至少一个可变成像系统优选地布置在照射装置的至少一个光源的光源像平面中，在光路中位于光与光导的耦合之前，以使光导中针对各个片段产生的不同光学光路至少部分地得到补偿。
141.以使可变成像系统的至少一个光学特性改变的方式利用可变成像系统对多个图像的每个单独的片段执行像差校正，其中各自针对每个片段进行一次校正函数的计算并存储。
142.如果可变成像系统包括例如具有可控可变周期(lcg)的光栅元件，则可以在其中写入多项式形式的相位函数用于像差校正。
143.可以在照射装置的中间像平面中和/或编码在空间光调制装置中的全息图的振幅和相位曲线中执行对于多个图像的每个单独片段的像差校正。
144.校正函数的计算是通过光路的反向计算以及从虚拟观察者区域通过光导进入照射装置的至少一个光源的光源像平面的回溯来实现的。
附图说明
145.存在用于以有利的方式配置本发明的教导和/或将上文和下文描述的示例性实施例和/或配置彼此组合的多种选项。为此目的，一方面参考根据独立权利要求的专利权利要求，另一方面参考根据附图对本发明的优选示例性实施例的以下说明，其中还解释了总体优选的教导配置。在这种情况下，原则上基于所描述的示例性实施例解释本发明。
146.在图中：
147.图1示出了根据现有技术的全息显示装置的示意图；
148.图2示出了根据图1的显示装置的另一实施例的示意图；
149.图3示出了根据图1的显示装置的另一实施例的示意图；
150.图4示出了根据图1的显示装置的另一实施例的示意图，其中显示装置被设计为头戴式显示器；
151.图5示出了未设置光导的简单显示装置的示意图；
152.图6示出了空间光调制装置的放大虚像的示意图；
153.图7示出了位置相对于图6的空间光调制装置变化了的示意图；
154.图8示出了根据本发明的第一实施例的光导装置的示意图；
155.图9示出了根据本发明的第二实施例的光导装置的示意图；
156.图10示出了根据本发明的第三实施例的光导装置的示意图；
157.图11示出了根据图10的根据本发明的光导装置的示意图，其中光导是圆柱形的；
158.图12示意性地示出了用于具有光导装置的显示装置的照射光束路径；
159.图13示意性地示出了显示装置的成像光束路径，其中各个像素在光导内形成焦点；
160.图14示意性地示出了光偏转装置的光耦合位置的位移；
161.图15示意性地示出了用于确定从虚拟观察者窗口通过光导到达空间光调制装置的全息图的振幅和相位的反向计算；
162.图16示出了由于根据图15的反向计算而产生的在空间光调制装置的平面中的强
度分布的图形表示；
163.图17示意性地示出照射装置的中间像平面的反向计算和像差校正；
164.图18以头戴式显示器形式示意性地示出了根据本发明的显示装置；
165.图19结合光在光导中的传播在图a)中示出了平直光导，并且在图b)中示出了弯曲光导；
166.图20示意性地示出了平直光导，其中不同的光束在不同的位置耦合到光导中；
167.图21示意性地示出了具有光导和光解耦装置的光导装置的实施例；
168.图22示意性地示出了具有光导和光解耦装置的光导装置的第二实施例；
169.图23示意性地示出了具有光导和光解耦装置的光导装置的第三实施例；
170.图24示意性地示出了具有光导和光解耦装置的光导装置的第四实施例；
171.图25示意性地示出了具有光导和光解耦装置的光导装置的第五实施例；以及
172.图26示意性地示出了具有光导和光解耦装置的光导装置的第六实施例。
具体实施方式
173.简要地提出，相同的元件/部件/组件在图中也具有相同的附图标记。
174.为了理解现在描述的示例性实施例，首先解释成像光束路径和照射光束路径以及观察者区域(即，虚拟观察者窗口或最佳光斑)的尺寸与显示装置中的视场的关系，尤其是在不使用光导的简单的全息头戴式显示器的基础上。当在下文中使用术语“观察者窗口”时，如果该应用也可以应用于立体显示装置，则这也可以被理解为“最佳光斑”。该显示装置包括照射装置、空间光调制装置(下文称为slm)和光学系统，光学系统包括用于说明的理想透镜，即没有成像误差的薄透镜。这样的显示装置将仅具有有限的视场，因此不适合于增强现实应用，其在下文中称为ar应用。在图5中示意性地示出这种显示装置。
175.使用波长λ的平面波1照射slm。例如可以使用包括点光源的照射装置生成平面波1，并且平面波1设置在与光学系统的透镜距离为焦距的位置，该光学系统的透镜位于点光源和slm之间。然后在无限远处产生点光源的虚像。slm具有像素间距p并且定位在与焦距为f1的透镜2距离为d的位置。在使用平面波照射slm时，照射装置位于无限远处。然后，照射装置在透镜2的焦平面be中成像，即在距透镜2的距离f1处成像，这从图5的上图可以清楚地看出。
176.如果将全息图写入slm，则在透镜2的焦平面be中产生尺寸为f1λ/p的虚拟观察者窗口vw。可以通过观察源自slm的像素的成角度衍射的光束而在几何光学建模中将该尺寸考虑在内，如由图5的下图所示。各自源于slm的不同像素的这些光束在这里以不同的灰度色调示出。
177.在这种情况下，从slm的空间维度的反正切除以透镜2的焦距f1得出视场。这意味着水平视场可以计算为arctan(slm的宽度)/f1，并且竖直视场为arctan(slm的高度)/f1。
178.如果slm与透镜2的距离d《f1，则根据成像方程式1/d'-1/d＝1/f1，因此在距离透镜的距离为d'处产生slm的放大虚像3，放大率为β＝d'/d。这在图6中示意性地示出。如果slm与透镜2的距离d》f1，则因此将产生实像而不是虚像。
179.如果现在改变slm与透镜2的距离，但其焦距保持不变，则虚拟观察者窗口vw、虚拟观察者窗口vw的位置和大小以及视场4将因此保持不变，只有slm图像的位置会发生变化。
这在图7中示意性地示出。然而，例如，如果改变透镜2的焦距，则照射装置的图像的位置和虚拟观察者窗口vw的位置以及虚拟观察者窗口vw的大小、视场4的大小和slm的图像位置都将改变。
180.尤其地，视场与虚拟观察者窗口的大小具有固定的关系，因为两者都取决于透镜或显示装置的光学系统的焦距f1。如果虚拟观察者窗口被放大，则视场因此尺寸变小，反之亦然。总体上，所使用的透镜或光学系统既影响显示装置内的照射光束路径又影响成像光束路径。
181.显示装置的光学系统总体还可包括多个透镜或成像元件。然后可以根据几何光学的已知方法确定系统的总焦距和主平面。以上陈述随后适用于整个系统。
182.如果将光导引入这样的具有光学系统的显示装置中，该光学系统具有多个成像元件，并且如果最初仅使用slm的单个图像，则在slm、光学系统的成像元件、以及成像光束路径和照射光束路径中的虚拟观察者之间的距离必须考虑入射到光导内的光的固定耦合位置和固定的解耦位置、在光导中的传播、在光导上的光的耦合位置和解耦位置之间的光路。
183.如果例如在至少一个成像元件和虚拟观察者窗口之间引入光导，并且将焦距为60mm的成像元件设置在光耦合到光导内的位置附近并且通过光导的光路是40mm，因此可以在与光导解耦的一侧距离为20mm处产生虚拟观察者窗口。
184.图8示出了根据本发明的显示装置的照射光束路径，其包括光导装置5。光导装置5包括光导6、光耦合装置7和光解耦装置8。在这种情况下，光耦合装置7和光解耦装置8分别包括至少一个反射镜元件9、10。图8中的反射镜元件9、10设计为倾斜的反射镜元件。代替反射镜元件，光耦合装置7和光解耦装置8也可以可选地包括光栅元件。下面将更详细地描述光耦合装置7和光解耦装置8的反射镜或光栅元件。显示装置包括slm和具有至少一个成像元件的光学系统。在此将至少一个成像元件设计为透镜11。slm和透镜11在光的方向上位于光耦合装置7的前面。为简单起见，仅示出了slm的三个像素p1、p2和p3。来自slm的每个像素p1、p2和p3的光被引导通过透镜11到达光导装置5并入射到其中。可以根据光导6的几何形状(即例如厚度或可行的曲率)、以及光耦合装置7的光学特性(尤其是倾斜反射镜元件的倾斜角度或者在使用光栅元件的情况下则根据光栅周期)确定光在光导6内部执行反射的次数。取决于光与光导的解耦位置，光导6中的一定数量的光反射是必要的，这可以预先定义。然后，可以将用于各种解耦位置的反射次数的这些值存储在数值表中，并因此在使用期间可用，并且不必再次计算。因此，只需对它们进行一次确定。在图8中，光导6中的光在其边界表面处经过固定数量的反射。在这种情况下，在将从光与光导装置5解耦之后，在与光导装置相距限定距离处产生照射装置的图像。可以在照射装置的图像的该点处生成虚拟观察者窗口vw。
185.如果在slm和光学系统(这里的透镜11)之间引入光导装置5，通过光导6的光路将因此影响slm的图像位置。例如，如果slm与透镜11的距离为50mm，在光导中的光路为40mm的情况下，则slm可以布置在距光导装置5距离为10mm处。
186.因此，图8示出了显示装置中的光导装置5，其中在光导6中经过预定数量的反射之后，slm的所有像素的光又与光导装置5解耦。在图8中所示的显示装置仅生成slm的单个图像。
187.然而，为了能够生成大视场，将生成slm的分段的多个图像。在这样的显示装置中，
可以使用该装置产生大视场，slm的多个图像的各个片段的光在不同位置处与光导装置解耦。
188.例如，如果slm的多个图像的不同片段的光在光导装置中在固定位置耦合，但在不同位置处与光导装置解耦，则由此对于每个片段产生通过光导本身的不同光路，如图9明显示出的。这尤其涉及照射光束路径。尤其地，这将意味着光导装置中的平直或平面光导，其布置在具有固定焦距的成像元件和虚拟观察者窗口之间，与光导解耦的光的虚拟观察者窗口的距离对于slm的多个图像的每个片段而言发生变化。然而，这是不利的，因为使用显示装置产生的整个场景的观察不可能来自相同的位置。观察者必须移动他的头部以看到从各个位置中的每一个所生成的场景的部分。因此，重要的是，在距离光导装置相等距离处为slm的多个图像的所有片段产生处于共同位置的共同的虚拟观察者窗口。
189.为了弥补对于slm的多个图像的各个片段的不同位置的虚拟观察者窗口的这个不足，显示装置包括位于光束路径中的可变成像系统。可变成像系统包括至少一个成像元件，尤其是具有可控可变周期的至少一个光栅元件或可控液晶元件或距离可变的至少两个透镜元件。成像元件也可以是具有可变焦距的至少一个透镜。该可变成像系统设置在沿光的方向的光导装置的光耦合装置的前面。可变成像系统的光学特性(即例如焦距或光栅周期)适合于slm的多个图像的每个片段，使得在每种情况下在距光导装置的解耦侧的距离相等的位置生成虚拟观察者窗口。
190.另外，光解耦装置包括可以代替简单的光栅元件的透镜项或透镜函数，其对于slm的多个图像的每个片段不同并且有助于总焦距。这有利于在设定范围内的设定，必须针对各个片段在该设定范围内改变可变成像系统的光学特性。然而，根据可变成像系统的布置，这总体会影响光束路径，即成像光束路径和照射光束路径两者。为了仅影响照射光束路径，可变成像系统将直接布置在slm处或slm的像平面中。对于具有直接布置在slm处并位于slm和光耦合到光导内的位置之间的可变成像系统的显示装置，总体可以通过针对slm的多个图像的各个片段改变可变成像系统的光学特性来产生处在相同位置处的共同的虚拟观察者窗口。然而，如已经提到的，尤其是可变成像系统的这些光学特性与虚拟观察者窗口和视场的大小有关。因此，在根据图9的该设计中，生成对于slm的多个图像的各个片段具有不同大小的虚拟观察者窗口，并且视场的各个部分对于各个片段的大小也不同。因此，slm的多个图像的各个片段以不同的权重促成总视场。
191.关于虚拟观察者窗口，在这种情况下，有效地仅针对slm的多个图像的各个片段产生的最小观察者窗口同样是有用的。
192.尤其是在透镜函数也用在用于使光解耦的光解耦装置的光栅元件中的情况下，对于slm的多个图像的每个片段而言解耦装置不同，则产生另外的问题：
193.总体上，slm的多个图像的相邻片段在光解耦时各个片段也在空间上重叠。因此，必须在光解耦装置中一个接一个地产生多层可切换光栅元件，以产生slm的多个图像的重叠片段。因此，在光导装置的一种配置中，设置为slm的多个图像的相邻片段通过光栅元件在光导装置的光导的前侧和后侧或两侧的表面/边界表面交替地解耦。
194.图9示出了具有光导装置5并具有照射光束路径的显示装置的三个不同图示，其中生成slm的多个图像的三个不同片段。光耦合装置7在此同样包括至少一个反射镜元件9，尤其是倾斜设置的反射镜元件。光解耦装置8在此包括光栅元件12而不是反射镜元件，这里有
三个光栅元件。光栅元件12设计成可切换或可控制的。这意味着光栅元件12可以切换到开启状态和关闭状态。如果在光导内部传播的光要在光栅元件12处解耦，则控制该光栅元件12并从关闭状态切换到开启状态。以这种方式，光在光栅元件12处不再反射，而是通过光栅元件12与光导解耦。从图9中可以清楚地看出，光栅元件12可以附接在光导的上侧或下侧。光导的下侧是光导面向虚拟观察者窗口vw的一侧。因此，光导的上侧是光导与下侧相对并且比下侧更远离虚拟观察者窗口vw的一侧。在光导上侧上的光栅元件12被设计为反射光栅元件，并且在光导的下侧上的光栅元件12被设计为透射光栅元件。在所有三个图示中的每种情况下图9中所示的slm是为了简单起见表示slm和可变成像系统。当然，这意味着slm和可变成像系统是两个独立的部件，它们彼此不连接。
195.根据图9的图示a)，源自照射装置(未示出)的光入射在slm上并且由此利用片段的信息或者要表示的图像进行调制。经调制的光通过可变成像系统并入射到光导装置5的光耦合装置7的反射镜元件9上。反射镜元件9反射光，其中光在光导6中以全反射传播。以这种方式在光导6中传播的光在光导的边界表面处被反射，直到它入射到光栅元件12上，光栅元件12被切换到开启状态。在图9的图示a)之后，对于slm的多个图像的中间片段，光的解耦发生在光导6的上侧上的可切换反射光栅元件12处。光导6上侧上的该光栅元件12不仅相应地使光偏转，而且还具有透镜函数。根据图示b)的左侧片段的光解耦和根据图9的图示c)的slm的多图像的右侧片段的光解耦在每种情况下通过在光导下侧上的透射可切换光栅元件12进行。在光导下侧上的这些透射光栅元件12也具有透镜函数。
196.另外，可变成像系统的焦距可以在每个片段的光耦合到光导6中之前改变。以这种方式，对于根据图9的图示a)至c)中的slm的多个图像的所有三个片段，可以在相同位置生成虚拟观察者窗口。然而，在该示例中，与根据图示a)的虚拟观察者窗口vw和视场相比，根据图9的图示b)的slm的多个图像的左侧片段的虚拟观察者窗口vw的尺寸略小，并且因此视场略大。对于slm的多个图像的右侧片段，它是相反的，虚拟观察者窗口vw的尺寸略大并且视场略小。造成这种情况的原因是虚拟观察者窗口的大小取决于slm和虚拟观察者窗口之间的根据λd/p的光路，其中d是slm和虚拟观察者窗口之间的路径，各个片段中的该路径长度不同。视场的较小角度也导致slm的大小相等而与虚拟观察者窗口的距离d更大。
197.光导的slm的多个图像的各个片段的解耦点的位置通过用于解耦的光栅元件中的透镜函数的位置来固定，解耦点的位置对于各个片段是不同的。例如，因为使用光栅元件的两个不同透镜函数来解耦光，因此不可能进行各个片段的连续位移，这对于特定应用是合理的，例如，用于注视跟踪。
198.光导装置的光导可以形成为平直的和/或平面的或者也可以是弯曲的。
199.在下文中阐述了示例性实施例，每个实施例都具有弯曲的光导。在用于产生slm的至少一个图像的显示装置中，弯曲光导而不是平面光导可以具有特殊的优点。一方面，可以启用照射光束路径，该照射光束路径中可以不需要使用可变成像系统，因此利用固定光学系统，对于slm的多个图像的多个片段，可以在每种情况下在相同的地点或位置生成虚拟观察者窗口。另外，对于slm的多个图像的多个片段，虚拟观察者窗口可以具有相同的大小，并且与此伴随地，在每种情况下还为所有片段生成相同大小的部分视场。因此，slm的多个图像的所有片段相等地促成了整个视场。
200.另一方面，可以使用光解耦装置，光解耦装置的光解耦角不依赖于光导或光导装
置上/中的位置。尤其地，在每种情况下，对于slm的多个图像的各个片段的解耦而言，解耦角度也是相等的。尤其地，这还实现了各个片段离开光导的解耦位置的连续移位，从而不必提供各个片段的预定的解耦位置。
201.在一个示例性实施例中，光导装置中的弯曲光导形成圆弧的一部分，其中虚拟观察者窗口表示圆的中心点。
202.因此，光导的内边界表面和外边界表面均形成圆弧，其中位于更靠近虚拟观察者窗口的内边界表面具有更小的半径，并且位于更远离虚拟观察者窗口的外边界表面具有更大的半径。因此，两个边界表面彼此也不平行。
203.例如，内边界表面的半径为30mm并且位于距离虚拟观察者窗口的中心30mm处。外边界表面的半径为35mm(相应光导厚度为5mm)，并且因此位于距虚拟观察者窗口中心35mm处。
204.在一个优选的示例性实施例中，光导具有圆柱形形状，即，在一个维度和/或方向上存在上述形式的曲率，并且在与其垂直的维度上线性延伸。例如，由于在hmd形式的显示装置中，与竖直方向相比，水平方向上的大视场通常被分配更大的重要性，因此光导将优选地以下列方式布置在显示装置中，即光导的曲率在水平方向上延伸，并且光导的非弯曲或平直的实施例在竖直方向上延伸。
205.光导也可以在两个维度和/或方向上弯曲形成。然后，光导的内边界表面和外边界表面具有球壳的一部分的形状，其中在每种情况下虚拟观察者窗口的中心代表球体的中心点。
206.一种具有光导装置的显示装置包括至少一个slm、照射slm的照射装置、以及光学系统，光导装置包括在至少一个方向上弯曲的光导，照射装置具有至少一个光源，光学系统具有至少一个成像元件。照射装置、slm和光学系统以下列方式相对于彼此布置，使得在没有具有光导的光导装置的情况下，光学系统在虚拟观察者窗口的中心为照射装置成像。
207.如果使用圆柱形光导，则光学系统优选地包括圆柱形成像元件。
208.然后将具有光导的光导装置引入显示装置，使得由光学系统产生的照射装置的图像位于光导的圆弧的中心。照射光束路径以使光束基本上垂直地入射在光导的外表面上的方式延伸通过该显示装置。
209.利用圆柱形光导，在光导的非弯曲方向上，优选地在光导装置的光解耦装置中设置圆柱形透镜函数，或者在光导的光解耦侧上或附近设置圆柱形透镜，该透镜在该方向聚焦在虚拟观察者窗口的中心。
210.然而，如果设置单个视差全息图编码，则可以省去对该竖直聚焦的需求。尽管如此，可以在光导的解耦侧上设置透镜，或者可以在光解耦装置中设置透镜函数，然而，透镜的焦距也可以偏离与虚拟观察者窗口的距离。
211.光耦合装置设置在光导的外表面或内表面上的耦合区域中。然后，光耦合装置可以具有用于使光与光导解耦的至少一个光栅元件，在一个实施例中，光耦合装置是光导内表面上的反射光栅元件。然后，光首先垂直穿过光导，在内表面上被反射光栅元件偏转，然后以z字形传播通过光导。
212.可以以下列方式选择光的传播角度，使得在光导与空气的边界表面处通过全反射的形式发生反射。可选地，也可以将光的传播角度选择为使得在其与空气的边界表面处不
会发生全反射。对于这种情况，可以设置附加层，例如介电层或层堆叠，其使得以特定角度入射在层或层堆叠上的光反射，因此使得光由于在层或层堆叠处的反射进一步在光导内传播。层或层堆叠可以优选地设计成在潜在的ar应用中使得环境光可以穿过光导。然后，层堆叠选择性地仅对小角度范围具有反射效果，其中该角度范围对应于光导中的光的传播角度。以这种方式，显示装置也可以用在ar应用中。
213.光解耦装置设置在光导中的潜在光解耦区域中。光解耦装置可包括至少一个无源或可控或可切换的光栅元件。通过开启或关闭光栅元件或光栅元件的限定部分，在其被实施为分成可切换部分的情况下，则可以建立光与光导解耦的位置。如果使用无源光栅元件，则需要另外的可切换元件，例如，仅偏转一个偏振方向的光并且不偏转另一个偏振方向的光的偏振选择光栅元件结合偏振开关。
214.例如，在光在光导中通过全反射传播的情况下，通过光解耦装置的光栅元件以下列方式改变角度，即使得角度下降到总反射角以下并且光从光导出射。
215.在光在光导中传播期间，光束交替地在具有较大半径的外边界表面处和具有较小半径的内边界表面处反射。作为说明，这有助于在每种情况下在与光导的解耦位置距离相等的位置发生聚焦，尽管通过光导的多个光束在这些光束解耦之后的路径长度不同。
216.尤其地，上述显示装置中的光解耦装置的光栅元件的偏转角度不依赖于光栅元件在光导中的位置。对于圆柱形光导，其中在光栅元件中提供圆柱形透镜函数，或者在光导的非弯曲方向上在光的解耦位置附近使用圆柱形透镜，则该透镜或透镜函数的焦距也不依赖于光的解耦位置。例如，这可以是具有圆柱形透镜函数的矩形光栅元件，其被层压到圆柱形光导的内曲面上，使得聚焦功能垂直于曲率方向作用。
217.通过将光解耦装置切换到开启状态或关闭状态，slm的多个图像的多个片段的光可以在不同数量的反射之后与弯曲的光导解耦。
218.图10示出了这种弯曲的光导装置15，其设置在显示装置中。除了具有光导16的光导装置15之外，该显示装置还包括slm和光学系统。这里以成像元件17的形式示出光学系统。光通过光耦合装置18耦合到光导16中，并且在预定数量的反射之后通过光解耦装置19再次与光导解耦。光耦合装置18以及光解耦装置19均包括至少一个光栅元件20、21。光解耦装置19的至少一个光栅元件20设计成可切换或可控制的并且在此分成单独的部分20-1、20-2。这里光栅元件19的部分20-1处于关闭状态，其中部分20-2处于开启状态，使得在光导中传播的光在光栅的部分20-2处解耦。如果光栅元件19的部分20-1处于开启状态并且部分20-2处于关闭状态，则光会在较少数量的反射之后从光导解耦。源自slm的各个像素p1、p2和p3的光束穿过成像元件17并入射到光导16中。然后光束入射到光耦合装置18上，光耦合装置18设置在光导16的内表面上。光耦合装置18包括至少一个光栅元件21，该光栅元件在该示例性实施例中设计成反射的。入射在光栅元件21上的光束以下列方式被反射和偏转，使得光束经由全反射在光导16中传播。然后，各个光束在预定数量的反射之后在光栅元件19处(这里是在光栅元件的部分20-2处)与光导装置15的光导16解耦。用于表示slm的图像或多个图像的片段的所有光束在相同数量的反射之后被解耦。
219.然而，代替slm的多个图像的不同片段的不同数量的反射，光在光导上/内的解耦位置的连续位移也是可行的。例如，这可以通过光耦合位置的小位移以及在光导的边界表面处的数量相等的光反射来实现。
220.然后可以例如通过使用光导的边界表面处的不同数量的反射来生成slm的多个图像的单独片段的较多的步骤以及slm的多个图像的各个片段的光的耦合位置之间的连续位移的较少的步骤生成大视场。例如，可以由不重叠的每个片段10
°
的六个片段生成60
°
大小的视场。在这种情况下，光导和光耦合装置的光栅元件可以设计成利用光导中的附加反射，使得光的解耦位置与观察者的视角偏移20
°
。此外，通过耦合位置的移位，解耦位置在固定数量的反射时可以从观察者的视角移位10
°
。
221.例如，然后在耦合位置未移位的情况下经过一次反射之后将光解耦来生成第一片段。在耦合位置移位10
°
的情况下经过一次反射之后将光解耦来生成第二片段。在耦合位置未移位的情况下经过两次反射之后将光解耦来生成第三片段。在耦合位置移位10
°
的情况下经过两次反射之后将光解耦来生成第四片段。在耦合位置未移位的情况下经过三次反射之后将光解耦来生成第五片段。在耦合位置移位10
°
的情况下经过三次反射之后将光解耦来生成第六片段。
222.可选地，由光耦合装置18的光栅元件20产生的光的偏转角的微小变化也可用于产生大视场。然而，为此目的还必须将光栅元件20设计为可控的或可切换的。
223.光在光导上的耦合位置的位移优选地由光偏转装置29执行，光偏转装置29可包括至少一个光栅元件。这将结合图14更详细地描述。光栅元件具有可设定的光栅周期。例如，可以在光偏转装置中使用一对两个光栅元件，其第一光栅元件使来自slm的光偏转，然后第二光栅元件使光沿相反方向偏转，从而基本上实现平行偏移的结果。
224.在具有两级光学系统或光的两级成像的显示装置中，即，产生照射装置的中间像，光偏转装置可以布置在照射装置的中间像平面中。作为一个示例，通过在前后两侧分别进行一次另外的反射之后实现20
°
的粗略步长来实现在光导的曲率方向上的大约60
°
的视场，此外通过光偏转装置将耦合位置移动高达
±
10
°
。
225.利用圆柱形光导，也可以通过光偏转装置来实施光在光导上的耦合位置在非弯曲方向上的位移。例如，20
°
大小的竖直视场可以由每个片段10
°
的两个片段组成，其中通过移动竖直耦合位置使光在光导的下半部或上半部中耦合。
226.图11以透视图示出了显示装置，该显示装置包括slm、光学系统(这里也是成像元件17的形式)以及光导装置22，光导装置22包括圆柱形光导23。可以看到，在光导23的非弯曲方向上，来自slm的不同竖直位置v1、v2、v3的光通过光耦合装置24耦合到光导23中。此后在光导中通过全反射传播的光通过光解耦装置25解耦并通过结合在光解耦装置25中的竖直圆柱形透镜函数聚焦在光导23的解耦侧的虚拟观察者窗口vw中。
227.片段的连续位移也是合理的，尤其是在根据要表示的优选三维(3d)场景的内容或者根据观察场景期间观察者的眼睛查看的精确位置来表示视场的不同部分的情况下。
228.因此，例如，可以在hmd中精确地检测观察者正在观看场景的哪些部分，并且例如可以全息地仅表示这些部分。
229.下面将更详细地描述具有两级光学系统或两级成像的显示装置。
230.在全息显示装置中，例如hmd，总体上对slm进行成像。在分段的多个图像的情况下，slm的一个图像各自产生每个片段。在预定距离处的slm的图像设定所使用的光学系统的成像元件的特定焦距以及slm与这些成像元件的特定距离。尤其地，显示装置中的成像光束路径和照射光束路径通常不是彼此独立的。照射光束路径的潜在所需设置也可以潜在地
导致成像光束路径的变化。
231.在使用平直和/或平面光导和至少一个成像元件(例如透镜)的显示装置的配置中，在沿光的方向耦合到光导中之前，例如，如上所述，必须改变该至少一个成像元件的焦距以将slm的多个图像的各个片段的虚拟观察者窗口设置在相同位置。如果slm与成像元件的距离是固定的，则在成像元件的焦距变化的情况下，slm的成像位置由此改变。因此，在slm的分段的多个图像中，对于每个片段将产生slm的不同像平面。
232.在使用光导的显示装置的另一种配置中，该光导仅包括位于光导装置的光解耦装置和观察者的眼睛之间的至少一个透镜或者结合到光解耦装置的光栅元件中的透镜函数，光解耦与观察者之间的至少一个透镜的焦距对于slm的多个图像的所有片段必须相等。然而，由于通过光导的slm的多个图像的各个片段的光的光路长度不同，slm与光解耦装置的光栅元件中的至少一个透镜或透镜函数之间的距离对于每个片段的长度不同。因此，在这种情况下，slm的多个图像的每个片段的slm图像总体也在不同的距离或不同的位置处。
233.在全息显示装置中，并非绝对必须使多个图像的所有片段具有共同的像平面。还可以在具有slm的不同像平面的片段边界上连续地表示3d场景，例如，通过调整各个片段中slm上的全息图的子全息图的焦距。例如，如果物点位于该片段的slm像平面的前面，则可以通过具有正焦距(凸透镜)的子全息图在slm的多个图像的片段中表示场景的物点。例如，如果物点位于该片段的slm图像的后面，则可以通过具有负焦距(凹透镜)的子全息图来表示相对于观察者处于相同深度的另一片段中的相邻物点。然而，另一方面，如果slm的像平面对于所有片段至少类似，例如其仅相差几厘米而不是数米，则这简化了全息图计算。
234.如果光栅元件分别用于光耦合进入光导和/或光解耦离开光导，尤其是具有小周期(在1μm或更小的范围内)的光栅元件，因此其具有通常大于30
°
的大的偏转角，例如在50
°
和60
°
之间，因此总体在光束路径中产生像差。
235.为了将像差保持为尽可能地小，优选使用用于使光耦合进入光导和解耦离开光导的一对光栅元件。这意味着在光耦合装置中设置一个光栅元件，并且在光解耦装置中设置一个光栅元件，其中两个光栅元件具有基本相反的相等的偏转角。在第一光栅元件(即光耦合装置的光栅元件)中，例如，垂直入射光相对于法线偏转60
°
的角度。在第二光栅元件(即光解耦装置的光栅元件)中，以60
°
入射的光以下列方式偏转，即它从光栅元件垂直出射。在穿过两个光栅元件之后，光从第二光栅元件出射的角度因此对应于光进入第一光栅元件的入射角。在光导装置中的分别用于使光耦合进入光导或解耦离开光导的两个光栅元件的这种布置有利于将显示装置(例如hmd)中的照射光束路径的像差保持为小的或减小该像差。剩余的像差尤其影响成像光束路径。由于这些像差，与光耦合装置和/或光解耦装置中不使用光栅元件的光导装置相比，slm图像的位置会不利地移位。尤其地，slm图像的这种移位主要发生在光栅元件偏转光的方向上，从而也可以产生slm图像的像散。例如，对于水平偏转的光栅元件，slm的水平像素图像将产生在与slm的竖直像素图像不同的深度处。
236.为了补偿或减小光导装置中光栅元件对slm图像位置的影响，可以在光导和/或光导装置内部产生slm的中间像。
237.显示装置可以使用两级光学系统来生成slm的中间像。在这种情况下，除了该两级光学系统之外，显示装置还包括至少一个slm和具有照射slm的至少一个光源的一个照射装置。在第一级中，使用两级光学系统的至少一个第一成像元件(例如透镜)在光的方向上在
slm之后生成照射装置的中间像并且因此还生成要生成的虚拟观察者窗口的中间像。在第二级中，使用两级光学系统的至少一个第二成像元件(例如透镜)将虚拟观察者窗口的中间像以及照射装置的中间像成像在实际的虚拟观察者窗口中或观察者平面中。在这种情况下，显示装置中的光导装置在光路中定位在虚拟观察者窗口的中间像和第二成像元件之后。具有第一和第二成像元件的布置也产生slm的图像。分别对虚拟观察者窗口的中间像或照射装置的中间像进行成像的第二成像元件也可以有助于slm的成像。通过适当选择成像元件的焦距，在光导装置的光导内部产生slm的另一图像。光导内部的slm的该中间像也可以仅在使用例如圆柱形成像元件的光耦合装置和/或光解耦装置的光栅元件的偏转方向上产生，而slm的中间像可以位于光导之外在与其垂直的方向上。
238.在图12中示出了具有两级光学系统的显示装置。显示装置另外包括至少一个slm和光导装置26。在这种情况下，光导装置26在光的方向上布置在两级光学系统之后，该两级光学系统包括至少两个成像元件27和28。第一成像元件27在光的方向上布置在slm之后，但紧邻slm。图12示意性地示出了在这种情况下用于这种显示装置的照射光束路径，其中成像元件27产生照射装置(未示出)的中间像zb。然后借助于成像元件28在虚拟观察者窗口vw中对照射装置的中间像zb成像，在虚拟观察者窗口vw中再次产生照射装置的图像。然而，成像系统30可以设置在中间像zb的平面中，而对照射光束路径没有影响。成像系统30对成像光束路径的功能将在下文中解释。
239.图13示出了根据图12的显示装置的成像光束路径，其中在上图中示出了成像光束路径的概览图，并且在下图中示出了上图中带圆圈的区域的详细视图。为了清楚起见，示出了在上图中仅源自slm的一个像素的光。可以看出，在通过成像元件27和28以及成像系统30之后，光进入光导装置的光导，通过全反射在光导中传播，然后通过光解耦装置再次解耦。
240.在下图中更详细地示出了上图的圆圈区域，然而其中示出了不仅一个光束，而且示出了源自slm的多个像素的多个光束。从该详细视图可以看出，借助于成像元件27和28以及成像系统30，在每种情况下使slm的各个像素在光导内部产生一个焦点。这意味着slm的另一个图像zs在光导装置26的光导内部产生。在照射装置的中间像zb的平面中的成像系统30具有仅影响成像光束路径而不影响照射光束路径的有利特性。
241.如果成像系统30是例如透镜元件，则可以通过适当选择该透镜元件的焦距来移动slm的像平面，而不会使虚拟观察者窗口的位置无意地移位。
242.在本示例中，成像元件28也是透镜元件。首先，将该透镜元件的焦距选择成使得光在与光导26解耦之后，生成虚拟观察者窗口。考虑成像元件28的焦距，然后将成像系统30的透镜元件的焦距选择成使得在光导装置26的光导内部产生slm的图像zs。
243.由用于光耦合和解耦的光栅元件而导致的成像光束路径中的像差的大小也取决于光栅元件的距离，即，取决于光耦合装置的至少一个光栅元件与光解耦装置的至少一个光栅元件的距离。因此，光导中的slm的多个图像的各个片段也将导致每个片段的成像光束路径中的不同像差，其中光在光导中传播不同的距离，因此在用于光耦合的光栅元件和光解耦的光栅元件之间具有不同的距离。
244.关于从虚拟观察者窗口的视角的slm的多个图像的各个片段的不同深度位置的解决方案，由于因光导中的光的路径长度不同或者同样由于用于耦合和解耦的光栅元件产生的像差而引起的slm的多个图像的各个片段与光学系统的成像元件的距离不同，因此提出
了以下内容：如已经公开的，除了两级光学系统之外，显示装置包括至少一个slm和照射slm的照射装置。在第一级中，通过至少一个第一成像元件在光的方向上在slm之后生成照射装置的中间像并且因此也生成虚拟观察者窗口的中间像。在第二级中，通过至少一个第二成像元件使照射装置的中间像以及虚拟观察者窗口的中间像在实际虚拟观察者窗口中成像。此外，该显示装置包括可变成像系统，例如参见图15。这意味着在这种情况下中间像平面zb中的成像系统30被设计成是可变的。可变成像系统30布置在虚拟观察者窗口的中间像平面zb中或者靠近该中间像平面。可变成像系统30包括至少一个成像元件，其可被设计为可控制的。例如，成像元件的焦距可以是可变的。具有第一和第二成像元件27、28的布置也生成slm的图像。对虚拟观察者窗口成像的第二成像元件28也有助于slm的成像。然而，通过在虚拟观察者窗口的中间像平面中或尽可能靠近虚拟观察者窗口的中间像平面使用可变成像系统的成像元件，slm的图像也可以有利地移位，而不会对照射光束路径以及虚拟观察者窗口本身的位置和大小产生影响。利用可变成像系统的成像元件使slm的多个图像的每个片段的slm图像以下列方式移位，即使得各个片段所产生的通过光导的光的不同光路至少部分得到补偿。
245.由于补偿，使得观察者可通过虚拟观察者窗口观察到的slm的可见图像对于所有片段处于相等或至少相似的深度处。可变成像系统30的成像元件可以是例如具有可控可变周期的光栅元件(lcg-液晶光栅)、电润湿透镜、液晶透镜、或者也可以是由距离改变的至少两个成像元件(例如透镜)制成的系统，类似于变焦物镜。
246.还可以以下列方式生成slm的中间像：slm的多个图像的一部分片段的slm中间像位于光导内部。然而，对于另一部分片段，slm的中间像也可以位于光导之外。
247.由于这种补偿，优选地在解耦的光离开光导的相似距离处产生所有片段slm的中间像。对于在光导内产生所有片段的中间像的情况，下列情况是真实的，与在光导中具有较少数量的反射的片段相比，在光导中具有更多数量的反射的片段在光导中的中间像更远离光的耦合。
248.由于使用了分别将光耦合到光导中或与光导解耦的光栅元件，在slm的像素成像中因仅单级光学系统导致的像散至少可以在所描述的两级系统中得到部分补偿。在交叉——即相对于彼此垂直布置——的圆柱形成像元件(例如圆柱形透镜)的两级光学系统中可以产生该效果，在虚拟观察者窗口的中间像平面中使用具有可变焦距的每个圆柱形成像元件或具有圆柱形透镜函数的可控光栅元件，并且对于slm的多个图像的每个片段，两个圆柱形成像元素的焦距各自以下列方式设置：在类似的深度平面中产生通过虚拟观察者窗口可见的slm的水平和竖直图像。
249.此外，可以通过光偏转装置29来执行光在光导上的耦合位置的连续位移，光偏转装置29布置在虚拟观察者窗口和/或照射装置的中间像平面zb中，在光的方向上位于光导或光导装置26前方紧邻可变成像系统30，如图14所示。光偏转装置29可包括用于此目的的至少一个光栅元件，其被设计为可控的或可变的。因此，入射到其上的光可以相应地通过光偏转装置29偏转，即，可以以使得入射光被偏转到所需的方向上并因此耦合到光导中的方式控制光偏转装置的光栅元件，光导上的该耦合位置与没有利用由光偏转装置29进行的这种光偏转的耦合位置不同。图12和图14都示出了照射光束路径。图12中示出了不利用光偏转装置的情况下在光导中的未移位的耦合位置。与此相比地，在图14中示出了移位的耦合
位置。
250.以这种方式，可以在光导上产生光的各种耦合位置。光偏转装置29的功能和可变成像系统30的功能也可以组合在一个装置或系统中，使得两种功能仅需要一个装置。用于可变成像的透镜函数和用于偏转的透镜函数都可以写入例如相同的可控光栅元件中。
251.slm的图像相对于要生成的优选三维场景的位置尤其地也影响要编码到slm中的全息图的计算。尤其地，在所有子全息图形成整体全息图或全息图的情况下，子全息图的大小取决于场景的物点位于slm像平面的前面或后面的距离，这也限定了视场。如果slm的图像非常靠近虚拟观察者窗口(观察者可以通过该窗口观察重建或生成的场景)，则子全息图的尺寸通常非常大。相对地，如果slm的图像位于远离虚拟观察者窗口的位置，则这也可以意味着尺寸大的子全息图。如果虚拟观察者窗口和无穷远之间完全没有slm的图像，则可以表示三维场景，然而是位于虚拟观察者窗口后面的slm的实像。如果slm距成像元件的距离大于成像元件的焦距，则不会产生虚像。那么观察者无法看到slm的清晰图像。然而，如果子全息图被编码在焦距足够长的slm本身上，即不在其图像上，则可以产生物点，物点与成像元件的距离小于成像元件的焦距，不产生slm的虚像，但产生物点的虚像。然而，在这种情况下，还设置了尺寸非常大的子全息图。
252.总体上，位于三维场景内的slm的像平面可以是有利的，使得场景的一部分物点位于前面，而另一部分物点位于slm图像的后面，例如，像平面位于距离虚拟观察者窗口约1米或1.5米的位置。用于计算全息图的计算工作量随着子全息图的大小而增加。
253.例如，在具有两级光学系统和可变成像系统的显示装置中，slm的像平面的位置可以通过下列方式在slm的多个图像的各个片段中移位，即通过调整可变成像系统的成像元件的焦距使得子全息图的典型或最大尺寸最小化。然后有利地减少了计算全息图的工作量。
254.在不使用可变成像系统的显示装置中，可以通过虚拟slm平面来执行要编码到slm中的全息图的计算，该全息图具有小的子全息图的平均尺寸，并且针对slm的多个图像的每个片段算术变换成slm的相应像平面。这还可以包括变换到虚拟观察者窗口后面的slm的实像平面。例如，slm的虚像平面对于slm的多个图像的所有片段将是相同的，但根据由光学系统生成的像平面对于每个片段执行变换的slm的像平面是不同的。
255.以下说明涉及考虑到光学系统的像差来确定子全息图的振幅和相位的反向计算。如已经描述的，在成像光束路径中也产生像差，例如，由于分别用于将光耦合到光导中或与光导解耦的光栅元件，这不仅导致slm的像素图像的不期望的位移，也具有潜在地使得slm的清晰成像像素图像完全不存在的结果。
256.原则上，即使slm没有清晰地成像，但也可以使用全息显示装置在空间中清晰地重建场景的三维物点。然而，在某些情况下，子全息图的相位曲线然后具有与简单球面透镜函数的偏差，这通常形成具有slm的清晰成像的全息直视显示器或显示器。子全息图的振幅曲线也可能与典型曲线存在偏差，在最简单的情况下，整个子全息图是恒定的振幅。
257.现在将描述一种方法，其用于检查是否可以将子全息图正确地表示在slm上，并确定子全息图中的振幅分布和相位分布，这是重建物点所必需的。
258.该方法可以优选地使用用于几何光学计算的软件来执行，与更复杂的光学系统中的波光学计算相比，这简化了性能。首先，执行从优选三维场景的物点到虚拟观察者窗口的
光传播的计算，如果物点实际存在于空间中并且光学系统不位于物点和虚拟观察者窗口之间，则将进行计算。因此，在波光学计算的情况下，在虚拟观察者窗口中计算源自物点的光的波阵面。在简化的几何计算中，从物点到虚拟观察者窗口中的各个位置计算光束。然后，从虚拟观察者窗口通过光学系统到slm反向地进行波阵面或光束的计算。
259.这可以如下进行，例如：在光学计算中，在光的方向上在虚拟观察者窗口的前面引入分束元件，并且在虚拟观察者窗口的位置处引入反射镜元件。来自三维场景的物点的光在分束元件的表面处耦合，朝向虚拟观察者窗口偏转，由反射镜元件在虚拟观察者窗口处反射，再次进入分束元件并通过分束元件的另一表面离开并且由此反向穿过光学系统到达slm。以这种方式，可以针对物点确定子全息图中的振幅分布和相位分布。
260.可选地，例如，在光学计算中，可以在后面照射虚拟观察者窗口，并且透镜可以布置在虚拟观察者窗口中，这将在没有剩余光学系统的情况下产生物点。例如，为了执行距离虚拟观察者窗口1米的物点的计算，可以使用平面波从后侧照射虚拟观察者窗口，并且焦距为1m的透镜可以被设置在虚拟观察者窗口中。还可以以这种方式针对物点计算子全息图中的振幅分布和相位分布。
261.对于具有至少一个slm、光学系统的多个成像元件和光导装置的显示装置，可以进行计算，例如，使得来自虚拟观察者窗口的光在光的解耦位置进入光导装置的光导，并且在光的耦合位置处又离开光导，然后进一步通过光学系统的成像元件传播到slm。然后，通过反向传播的光束入射在slm上的位置产生子全息图的位置和大小。
262.图15示意性地示出了具有slm、光学系统的成像元件27和28、可变成像系统30和光导装置26的显示装置，其中示出了用于确定物点的振幅分布和相位分布的反向计算。在这种情况下，从虚拟观察者窗口vw通过光导装置26到slm执行反向计算，并确定值。可以在slm上正确地表示要重建的物点，尤其是在虚拟观察者窗口vw内的所有位置的光束在反向计算中都入射在slm上的情况下。另外，光束必须以小于或等于slm衍射角的一半的角度入射在slm上。由所使用的波长λ和slm的像素间距p产生的衍射角为λ/p。在照射光束路径中的像差很小并且像差基本上仅存在于成像光束路径中的情况下，通常满足该条件。
263.在波光学计算的情况下，可以通过反向计算直接定义子全息图中的物点的振幅分布和相位分布。
264.在几何计算中，振幅分布和相位分布定义如下：
265.使用数量非常大的光束(例如100,000个光束)执行光束的几何反向计算。然后，slm的子全息图中像素的相对强度由入射在slm中的像素的区域中的光束的数量产生。可以将相对振幅计算为该强度的平方根。对于振幅的绝对值，将子全息图中像素的所有强度之和设置为等于物点的强度。由于振幅在子全息图中总体连续变化，因此不必为每个像素单独计算，而是也可以以简化形式基于样本点进行插值。
266.图16示意性地示出了slm平面中的强度分布，其通过根据图15的几何计算的反向计算得到。它示出了子全息图中的强度分布。所示的子全息图在该示例中大致具有三角形形状，并且大致具有镰刀形的窄区域，该区域在下边缘处具有高强度。它与slm上的常规子全息图明显不同，常规子全息图具有矩形形状，其在子全息图的整个区域上具有恒定振幅。尤其在slm上的位置和光束进入slm的入射角之间存在唯一关联的情况下，则可以执行相位值的计算。这意味着光束不能以明显不同的角度入射到slm中的相同位置。写入子全息图的
透镜函数可以被认为是具有随位置变化的光栅周期的衍射光栅。因此，对于slm的每两个相邻像素，光的偏转角度局部地对应于局部光栅周期，由此可以定义两个像素的相位值的差。如果因此为第一像素定义了相位值，则还可以为每个相邻像素定义对应于期望差的相位值。因此，可以从一个像素到每个相邻像素逐步地定义相位值。
267.因此，首先，根据slm上光束的入射角在几何反向计算中确定局部光栅周期。根据等式tanα＝λ/g，其中α是光束的入射角，λ是光的波长，局部光栅周期g定义为g＝λ/tanα。那么，其中p是slm的复值像素的像素间距，表示两个相邻像素的相位差，这是设定该偏转角度所必需的。因此，如果第一像素具有相位值则第二像素因此接收相位值
268.利用slm的二维像素布置，在这种情况下，入射角被分解为水平分量和竖直分量。然后，上述等式分别用于确定局部水平光栅周期和竖直光栅周期。根据具有复值像素的像素间距p的比率2*π*p/g，由局部光栅周期确定相邻像素的相位差。例如，如果光束在slm上的入射角对应于衍射角的一半，则因此在相邻像素之间产生π的相位差。如果光束在slm上的入射角对应于例如衍射角的四分之一，则因此产生π/2的相位差。然后使用相位差和可选择的偏移相位值来定义子全息图中的相位曲线。例如，该偏移相位值可以定义为使得子全息图左上角的像素的相位值设置为0。由于子全息图中的局部光栅周期总体连续变化，因此也不必针对每个像素对单独计算，而是可以基于样本点进行插值。由此确定的相位对应于使用平面波照射的slm的子全息图中的相位。如果照射波阵面偏离平面波，则因此也从子全息图的相位值中减去该照射波阵面。
269.类似于上面的描述，照射波阵面的相位分布可以可选地由几何光学计算和照射装置在slm上的光束的入射角确定。这种计算也可以离线执行，然后可以将确定的值存储在进行全息图计算的查找表中。
270.如已经说明的那样，两级光学系统优选地用在显示装置中，两级光学系统产生照射装置的中间像平面。在具有这种两级光学系统的一个示例性实施例中，可以在虚拟观察者窗口的中间像平面中设置可变成像系统。在这种情况下，可变成像系统可以包括例如具有可控可变周期(lcg)的光栅元件。
271.还描述了一个示例性实施例，其中，在具有照射装置的中间像的两级光学系统中，光偏转装置布置在照射装置的中间像平面中，以通过将透镜函数写入光偏转装置的至少一个光栅元件中来使光耦合位置在光导中移位。该光栅元件也可以设计为例如具有可控周期的光栅元件。可变成像系统和光偏转装置两者也可以在这里再次组合在单个装置中。
272.以下描述具有两级光学系统的显示装置的另一示例性实施例。在这种情况下，在可变成像系统和/或光偏转装置的至少一个光栅元件中，其中可选地或除了简单的透镜函数或棱镜函数之外，光栅元件是相位调制元件，例如具有可控可变周期(lcg)的光栅元件，还可以写入复值相位特性以补偿像差。例如，这可以结合上述从虚拟观察者窗口通过光导在slm方向上的反向计算来执行。然而，首先仅从虚拟观察者窗口到照射装置的中间像平面进行反向计算。与实际虚拟观察者窗口中的目标位置和目标角度相比，尤其是在像差基本上仅存在于成像光束路径中并且在照射光束路径中不存在或仅存在小的像差的情况下，在反向计算中，照射装置的中间像平面中的光束基本上具有正确的位置，但由于像差，存在错
误的角度。因此，对于各个光束，可以通过照射装置的中间像平面中的相应局部光栅元件来校正角度。例如，如果β(x)是光束在位置x处的所需入射角，则β'(x)是光束在位置x处的实际入射角，则校正值为δβ(x)＝β(x)-β'(x)。考虑到从照射装置的中间像平面到虚拟观察者窗口的成像比例，光束的入射位置和期望的入射角对应于实际虚拟观察者窗口中的那些。类似于关于slm中的反向计算已经描述的，然后将局部光栅周期定义为g(x)＝λ/tanδβ(x)。
273.通过照射装置的中间像平面中的相位函数校正成像光束路径中的像差的优点在于该校正与三维场景的内容无关。因此，对于slm的多个图像的每个片段，可以分别计算一次校正函数和/或校正值，并且在光的耦合位置连续移位的情况下，也可以选择可行的解耦位置并且存储在值表中，以便在需要时可以重复使用这些值。
274.通过对slm的反向计算，上述slm平面中的子全息图的像差校正表示利用子全息图中的合适的振幅曲线和相位曲线，即使没有slm像素的清晰图像，在空间中的物点也可以生成清晰的点。在照射装置的中间像平面中使用可变成像系统(同样已经描述)确实使slm的图像移位，但可以存在模糊图像。
275.与此相比，slm自身的图像通过现在描述的在照射装置的中间像平面中的像差校正来改善。slm像素的图像变得更清晰，因此用于重建物点的子全息图可以更类似于具有恒定振幅的透镜函数，如同在直视显示器中同样存在的那样。因此，用于计算全息图的计算工作量也因为尺寸较小的子全息图而降低。然而，两种方法，即照射装置的中间像平面中的像差校正和子全息图的振幅曲线和相位曲线中的像差校正也可以彼此组合。
276.例如，在照射装置的中间像平面中以如图17所示的如下方式执行反向计算和像差校正，首先计算物点的光路，该物点位于slm的多个图像的单个片段的视场部分的中心处并且与虚拟观察者窗口的距离对应于slm图像的从虚拟观察者窗口到照射装置的中间像平面的目标距离。利用清晰成像的slm，子全息图的尺寸将仅为一个像素，因为物点位于显示平面中。可变成像系统的光栅元件和/或照射装置的中间像平面zb中的光偏转装置的局部光栅周期被设置为使得在向slm的进一步反向计算期间，光束在slm中心的一个像素中一起传输。图17基于五个光束的示例示出了这一点，这五个光束从虚拟观察者窗口(这里未示出)中的不同位置穿过光导或光导装置26和成像元件28传播到照射装置的中间像平面zb，并且由此在经过设置在那里的光栅周期匹配设置的光栅元件之后进一步通过成像元件27到达slm。对于处在与虚拟观察者窗口不同距离处但仍然在slm的多个图像的片段的视场部分的中心区域中的物点，那么子全息图形成简单透镜函数，其焦距为与物点的距离。然而，对于位于片段的部分视场的边缘处的物点，如果在照射装置的中间像平面zb中使用相同的校正，则残留像差因此仍然存在于slm平面中。为此目的，如已经针对仍然存在的像差的进一步校正所描述的，确定全息图平面中的入射角并且由此计算子全息图的相位函数。以简化形式表示，在slm子全息图的中间区域中子全息图用作透镜函数而无需校正，因为在那里的像素图像是清晰的，但在slm的边缘区域中，使用在slm平面中具有另外的像差校正的子全息图，因为那里的像素图像不那么清晰。然而，总体而言，在这种情况下，通过在照射装置的中间像平面中使用校正，也可以显著减小slm平面中的子全息图所需的像差校正。
277.如已经描述的在照射装置的中间像平面中使用可变成像系统，该实施例可以由可选实施例代替，即，可变成像系统由虚拟slm平面转换到虚拟观察者窗口并反向转换成实际
slm平面(在这种情况下是slm的实像平面)的计算代替。在从虚拟slm平面向具有虚拟观察者窗口的观察者平面并且由此向slm的像平面的转换期间，根据与两个平面(slm平面、观察者平面)的距离将相位二次项加到观察者平面的相位值上。这些相位二次项对于透镜函数是等效的。在照射装置的中间像平面中使用可变成像系统以及因此也使用虚拟观察者窗口的中间像平面来移动slm图像作为一种方法，或者可选地为了slm图像在slm的虚拟平面和slm的实像平面之间的算术位移的目的，物点向观察者平面的算术转换以及将相位的二次项加到该平面中的相位值上，并且进行反向计算，这是用于像差校正的可选选项。
278.然而，如果可选地或另外地在照射装置的中间像平面中使用具有相位元件的可变成像系统，还以算术转换的形式执行校正，则有利于像差校正。因此，在slm的几乎无像差的像平面中计算子全息图，它们由此算术地转换成照射装置的中间像平面。在该中间像平面中，执行倒数像差校正，并且因此将校正后的数据逆变换为slm的实际像差折衷像平面。算术校正和借助于相位元件的校正的组合是合理的，例如，在使用具有可变可控周期的一维电极结构的光栅元件的情况下。例如，如果在可变成像系统或光偏转装置中使用两个交叉光栅元件，则可以在每种情况下通过一个光栅元件中的硬件来校正仅依赖于水平坐标或仅依赖于竖直坐标的相位曲线。在另外的算术校正中，可以以相位值的二维矩阵的形式考虑非水平和竖直的独立的其他相位项或相位函数。为此，首先进行关于相位曲线的校正计算，然后将相位曲线分解为单个分量ph(x，y)＝ph1(x) ph2(y) ph3(x，y)。
279.在算术考虑像差校正的情况下，也可以通过从虚拟观察者窗口经由角度和局部光栅周期的反向计算来确定校正值，如图校正元件物理地存在于照射装置的中间像平面中一样。
280.图18示意性地示出了观察者的头部31，其中具有光导装置26的显示装置分别布置在右眼ra和左眼la的前面。两个显示装置形成所谓的头戴式显示器(hmd)，其附接到观察者的头部31。为了更好地理解，展开了相应显示装置的光束路径。然而，为了提供合适的hmd，两个显示装置的光束路径在实践中将是折叠光束路径。为此目的，例如，可以在slm和光导装置26之间设置偏转镜，使得在每种情况下slm和光学系统的成像元件横向地布置在观察者的头部31附近。在每种情况下，光从头部31的外侧耦合到设置在相应的眼睛la、ra前面的光导装置26中，在其中传播，并且通过光解耦装置25在观察者的眼睛ra、la的方向上与光导装置26的光导解耦。然后，在眼睛ra、la的瞳孔上产生相应的虚拟观察者窗口，使得观察者可以观察生成或重建的场景。在图18中，在光导装置26中使用弯曲的光导。原则上，在hmd中不需要跟踪虚拟观察者窗口，因为hmd固定地连接到用户的头部31并因此不会发生用户位置的较大改变。这是因为如果用户移动，则hmd同时也被转移到该位置。然而，在某些情况下，如果优选地在光的方向上在光导装置之后设置观察者跟踪装置，则精确跟踪虚拟观察者窗口是合理的，观察者跟踪装置例如包括至少一个液晶光栅元件并且设计用于至少在一个方向上跟踪虚拟观察者窗口，优选地在水平方向上。
281.这里将在各种环境中提及和描述光栅元件的使用。显示装置(例如hmd)通常需要使用多个波长(例如红色、绿色和蓝色)以用于场景的彩色重建或表示。为此目的，例如可以设置为不同波长的光在时间上顺序地应用到光栅元件上，尤其是在光栅元件具有可设定周期的情况下，针对每个波长分别设置光栅；或者如果使用光栅元件例如作为分别用于使光耦合到光导中或与光导解耦的耦合光栅元件和解耦光栅元件，则使用具有足够的波长选择
性的光栅元件，例如使得它们仅作为一个波长的光栅元件。在一般情况下，多个光栅元件的堆叠也应理解为根据本发明的耦合光栅元件，例如三个光栅元件的堆叠，一个光栅元件用于一个基色红色、绿色、蓝色(rgb)或一个波长。
282.本发明的上述总体描述以及示例性实施例的上述描述首先涉及具有光导和/或光导装置的显示装置。然而，这里要注意的是，为了清楚起见，尤其是涉及两级光学系统以及通过反向计算确定子全息图的说明部分总体也适用于不具有光导或光导装置的全息或立体显示装置。
283.总体上，将描述具有两级光学系统的显示装置，其中由照射装置照射slm，并且由光学系统的至少一个第一成像元件在照射装置的中间像平面中产生虚拟观察者窗口的中间像。通过光学系统的至少一个第二成像元件在实际虚拟观察者窗口的位置使虚拟观察者窗口的该中间图像成像。在这种情况下，包括至少一个成像元件的可变成像系统布置在照射装置的中间像平面中。可以将用于像差校正的棱镜函数和/或透镜函数和/或相位曲线写入至少一个成像元件。
284.即使不使用光导或光导装置，在照射装置的中间像平面中的上述算术像差校正总体也可以用于两级光学系统。
285.显示装置总体也可以是例如全息投影系统，其中在屏幕上生成slm的实像，或者也可以是头戴式显示器，其具有如传统透镜或反射镜等的其他组件而不是光导。
286.这种显示装置可以有利地与例如在图7和图8中的申请人的申请pct/ep2017/071328中描述的系统组合，其中在照射装置的中间像平面中使用滤波元件来执行滤波。例如，该滤波用于滤除零级光斑或滤除特定衍射级。该申请公开的内容将整体结合于此。因此，在照射装置的中间像平面中用于滤波的无源或可变振幅元件可以与这里提出的可变成像系统的至少一个相位元件组合以实现棱镜函数或透镜函数或用于像差校正。此外，除了滤波之外，振幅元件还可以用于像差校正。
287.如申请人的申请pct/ep2017/071328中所述的，虚拟观察者窗口在一个或两个衍射级上的横向位移也可以与这里描述的在照射装置的中间像平面中具有可变相位元件的两级光学系统组合。例如，如果将用于在深度中移动slm图像的透镜函数实施为具有使虚拟观察者窗口的位置横向位移的可变成像系统的相位元件或光栅元件，则相位元件或光栅元件其尺寸应与考虑的整个区域一样大，即，与照射装置的中间像平面中的多个衍射级一样大。透镜函数写入光栅元件的位置也可以在该光栅元件上横向移位，并且光栅元件上写入透镜函数的区域的尺寸必须与对应于观察者窗口的区域一样大，即最多与一个衍射级一样大。可以例如通过在照射装置的中间像平面中滤波来滤除其他衍射级。例如，它可以是可控的滤波装置，利用该装置可以可选地滤除或传输各种衍射级。在从虚拟观察者窗口反向计算的情况下，例如，对于像差校正，仅相应地移位的至多一个衍射级的部分尺寸也用于校正的计算。在横向移位的虚拟观察者窗口中的算术校正的情况下，可以通过在计算中对应的全息图平面或slm平面中的线性相位项来考虑这一点。
288.总体上，还可以使用接近slm的具有可控可变光栅周期的附加光栅元件，使用该附加光栅元件，通过写入的透镜函数使观察者窗口的中间像的位置在照射装置的中间像平面中移位，并且在该中间像平面中可以使用可变成像系统的较大相位元件或光栅元件，其尺寸足够大以使其包括观察者窗口的中间像可以移位的整个可行区域，其中仅在虚拟观察者
窗口的中间像的当前位置区域中局部地写入棱镜函数或透镜函数的相位函数或用于像差校正的相位函数。
289.从虚拟观察者窗口通过光学系统到slm的反向计算总体不仅适用于光学系统与光导和/或光导装置的结合和/或适用于两级光学系统。然而，将反向计算方法与两级光学系统相结合可以尤其有利地应用，两级光学系统在第二成像阶段中包含光导(尤其是弯曲光导)并且包括位于照射装置的中间像平面中的可控的可变成像系统，并且其中使用反向计算来确定在可变成像系统中写入相位函数形式的像差校正。
290.以下说明总体地尤其讨论了光导中的角度和光导装置的光导上的解耦位置的计算。
291.可以基于光导的几何形状和光耦合装置和光解耦装置的光学性质来计算在光导中的限定数量的反射之后光束已经覆盖的路径。
292.在图19中，在图示(a)中示出了平直或平面光导lga的示例，并且在图示(b)中示出了弯曲光导lgb的示例。在图19a)中，光l以使得它相对于光导lga的法线成角度β传播的方式耦合进入厚度为d的光导lga中。然后，光l在距耦合位置距离为δx＝dtanβ之后到达与耦合侧相对的表面，并且在经过2倍的距离2δx＝2dtanβ之后再次到达光耦合的表面。如果光束l在n次反射之后相应地又与光导lga解耦，则耦合侧和解耦侧之间的距离是：2ndtanβ。
293.在图19b)中，示出了在弯曲光导lgb中的光传播，其表示圆弧的截面。内表面具有围绕圆心k的半径r1，并且外表面具有围绕圆心k的较大半径r2。光导lgb的厚度为d＝r2-r1，即两个半径r1和r2的差。使光相对于光导lgb的内表面上的法线以角度β传播的耦合进入的光l入射，由于光导lgb的外侧上的半径r2与r1不同，相对于法线成不同的角度β-γ/2。在光导lgb的外侧上反射之后，在光束l覆盖γ圆弧上的角度段之后，光束l再次到达内侧。以下关系来自正弦定律：
294.γ＝2*(β-asin(sin(β)r1/r2))。
295.数值示例：光导的内径为32毫米、外径为36毫米、角度β为51.9
°
，圆弧截面的角度γ为15
°
可以引起在光导的外侧上反射光，直到光再次入射到光导的内侧。对于光导中的光的四次反射，光将在光导中的圆弧上传播例如60
°
。根据上面的等式，对于来自光导上的已知耦合位置和角度β的弯曲光导的情况，因此也可以计算限定数量的反射之后在光导上的解耦位置。
296.为了使用光栅元件将光耦合到光导中，产生已知的光栅方程：sinβ
出射
＝λ/g sinβ
入射
，其中λ是波长，g是光栅元件的光栅常数，β
入射
是光的入射角，β
出射
是光随后在光导中传播所产生的角度。如果入射介质和出射介质相同，则光栅方程以这种形式应用。对于光从空气入射并且在折射率为n的光导中传播的情况，还要考虑两种介质的边界表面上的折射：sinβ
在介质中
＝1/nsinβ
在空气中
，其中β
在介质中
是光在折射率为n的介质中的光栅元件的入射角，β
在空气中
是光在空气中的入射角。
297.图20示出了平直或平面光导lg，其中现在考虑到光柱的不同光束在不同地点或位置耦合到光导lg中。在这种情况下，这些不同的耦合位置以距离δx变化。从图20中可以明显看出，例如，在空气中具有不同角度α1和α2的两个光束l1和l2入射在耦合光栅元件g
入射
上。因此，这些光束l1和l2在光导lg中也被该耦合光栅元件g
入射
偏转不同的传播角β1和β2。
298.在显示装置中，可以例如由具有预定像素间距的slm的衍射角产生用于将光耦合
到光导中的角度光谱。通过在光导上适当地定位解耦光栅元件，在当前情况下可以在光导中经过一次、两次或三次反射之后使光束l1和l2又与光导解耦。图20示出了解耦光栅元件g
出射
，其用于光在光导lg的边界表面处的两次反射(n＝2)的情况。在图20所示的示例中，在光导的边界表面处的四次反射之后将光从光导lg中解耦将变得更加困难，因为以较小角度β1延伸的光束l1在四次反射之后到达与以更大的角度β2延伸的光束l2在光导lg的边界表面处的光的三次反射之后的光导的边界表面上的相同位置p。如果在该位置处设置解耦光栅元件，则会发生这样的情况：以角度β2延伸的光束l2在经光导中的三次反射之后就无意地解耦，因此太早。对于要耦合的光柱的给定尺寸和要耦合的光的给定角度光谱，例如通过适当选择光导的厚度和耦合光栅元件的光栅常数，可以避免解耦区域的这种不利的重叠。
299.在下面的描述中，更广泛地讨论了光耦合装置和光解耦装置中的光栅元件并进行更详细地解释。
300.如已经提到的，用于将光从光导装置的光导中解耦的光解耦装置可以可选地包括可控光栅元件或者也可以包括与偏振开关组合的无源光栅元件。然而，光解耦装置也可以仅包括无源光栅元件。
301.显示装置需要可切换光栅元件或无源光栅元件与偏振开关的组合，在显示装置中由光导装置产生由片段组成的slm的多个图像。显示装置在特定配置中也可以仅包括无源光栅元件而没有附加的开关元件，在该显示装置中由光导装置产生slm的仅单个图像，因此该图像不是由片段组成。在下文中更广泛地描述了可用于这种显示装置的光导装置的光解耦装置的具体配置。
302.光耦合装置也可包括光栅元件。光栅元件的具体布置也可以以类似的形式用于光耦合装置和光解耦装置。可控或无源光栅元件可以可选地设计为透射或反射的。它们可以可选地布置在内边界表面上，例如，布置在光导芯和外层之间，例如介电层堆叠，或者布置在光导的外表面上。光解耦装置还可以包括反射和透射光栅元件的组合。在具有光导装置的显示装置中，在光解耦装置中，透射光栅元件优选地布置在光导的面向观察者的边界表面或表面上，并且反射光栅元件优选地布置在光导的背离观察者的边界表面或表面上。
303.在显示装置中，相对地，光耦合装置还可以具有优选地位于背离观察者的表面或边界表面上的透射光栅元件，并且反射光栅元件优选地位于光导面向观察者的表面或边界表面上。
304.光栅元件的偏转角度总体对波长具有相关性。相同的光栅元件通常会以比绿光或蓝光更大的角度偏转红光。对于具有光导装置的显示装置，不同波长的光(例如红光、绿光和蓝光(rgb))也有利地在光导内经过相同的预定数量的光反射之后在光导的相同地点或位置处解耦。此外，不同波长的光然后也以相同的角度从光导的解耦位置传播到观察者区域，即虚拟观察者窗口或最佳光斑。如果光的耦合角和解耦角对于所使用的波长(红色、绿色、蓝色(rgb))是相等的，则这可以最容易地实现。为了将光耦合到光导中，例如还可以使用反射镜元件，使用反射镜元件而不是光栅元件可以与波长不相关地实施耦合角度。
305.用于使光耦合到光导中或使光与光导解耦的光栅元件的应用以及用于各种颜色或波长的相等角度的实施需要使用针对各个波长的不同光栅元件或可以针对各种颜色设置光栅周期的单个光栅元件。例如，已知体光栅可以具有受限的角度选择性和波长选择性。例如，可以产生有利地基本上仅偏转红光或仅偏转绿光或仅偏转蓝光的体光栅，因为它们
在相应的其他波长处具有非常低的衍射效率。
306.光耦合装置或光解耦装置可包括由三个光栅元件制成的堆叠，例如，用于红光的体光栅、用于绿光的体光栅和用于蓝光的体光栅。将这三个体光栅设计为使得它们各自也以相同的角度偏转以相同的角度入射到体光栅上的红光、绿光和蓝光。还已知的是，体光栅可以在单层中显露多个光栅函数。作为光栅元件堆叠的替代方式，光耦合装置或光解耦装置因此也可以包括用于偏转红光、绿光和蓝光的具有多个显露光栅函数的单个光栅元件。在光栅元件堆叠的情况下，所有光栅元件可以可选地设计为可切换和/或可控制的。然而，多个无源光栅元件然后优选地与单个开关元件(例如偏振开关)组合使用。
307.在实现不同波长的光的耦合和解耦中的相同偏转角的另一种可行方式是使用以不同角度偏转多个波长的光栅元件结合校正光栅元件，每个校正光栅元件各自校正单个波长的偏转角，使得该偏转角对应于另一波长的偏转角。在这种光耦合装置或光解耦装置中，例如，用于偏转多个波长的第一光栅元件可以设计为表面浮雕光栅或偏振光栅，而用于校正一个波长的偏转角的另外的光栅元件各自可以设计成体光栅。第一光栅元件偏转例如红光、绿光和蓝光，其中绿光以所需角度偏转，但红光以过大的角度偏转，蓝光以过小的角度偏转。然后，进一步设置的光栅元件对蓝光和红光的偏转角进行校正，使得红光、绿光和蓝光以相同的偏转角耦合到光导中以及再次解耦。为了校正每个波长的偏转角，每个波长也可以使用一个以上的光栅元件，例如，在每种情况下根据每个波长布置具有两个光栅元件的体光栅。用于校正偏转角的第一体光栅可以各自进行预偏转。然后，第二体光栅可以以实现或产生所需的出射角的方式使预偏转的光偏转。在这种情况下利用的事实是，具有大的偏转角的体光栅总体具有比具有小的偏转角的体光栅更窄的波长选择性。通过较窄的波长选择性，更容易实现体光栅仅偏转一个波长的光。
308.尤其地，用于偏转多个波长的光耦合装置或光解耦装置的第一光栅元件可以设计为可切换和/或可控的。用于校正一个波长的偏转角的另外的光栅元件各自可以设计为无源的。然而，光耦合装置或光解耦装置的所有光栅元件也可以设计为无源的。如果光的解耦需要可切换元件或开关元件，则无源光栅元件然后可以再次与作为开关元件的偏振开关组合。然而，所有光栅元件也可以可行地设计为可切换和/或可控的。
309.在光解耦装置的配置中，其中无源光栅元件与开关元件(例如偏振开关)结合使用，或者至少一个光栅元件本身被设计为偏振选择性的，即仅偏转预定偏振的光，或者在偏振开关和光栅元件之间设置附加的偏振元件。
310.然而，在仅具有无源光栅元件而没有开关元件的光解耦装置的配置中，其中仅限定偏振的光被解耦，则至少一个光栅元件本身被设计为偏振选择，或者附加的偏振元件设置在偏振开关和光栅元件之间。
311.可以例如使用特定类型的体光栅来实现偏振选择性、波长选择性和角度选择性的组合。具有由双折射的液晶材料制成的光栅结构的体光栅和具有与液晶材料的常规折射率或非常规折射率相同的折射率的各向同性材料可以用作类似于光栅的第一线性偏振以及类似于各向同性材料的与第一线性偏振垂直的第二线性偏振。这种光栅的示例是聚合物分散液晶(pdlc)光栅、聚合物光栅或聚合物液晶聚合物切片(policryps)光栅。这些光栅在下文中称为偏振选择性体光栅(psvg)。基于液晶的偏振选择性体光栅也可以设计为可切换的，其中光栅布置在两个电极之间并且通过电场改变液晶的取向。在第一开关状态(下文称
为开启)中，这些光栅对于线性偏振光(通常为p偏振光)具有偏转效应，但对于由其旋转90
°
的线性偏振(通常是s偏振)具有非偏转效应。在第二开关状态(下文称为关闭)中，这些光栅对s偏振或p偏振没有影响。特定类型的可切换偏振选择性体光栅有时在文献中也称为“可切换布拉格光栅(sbg)”。在本文中，名称psvg也用于此目的。在单个衍射级中具有高衍射效率的另一种类型的光栅是偏振光栅(pg)。传统的偏振光栅偏转例如 1衍射级的左旋圆偏振光和-1衍射级的右旋圆偏振光，反之亦然，这取决于光栅的设计。与体光栅相比，传统偏振光栅具有广角接受性和对各种波长的高效率。
312.然而，具有小光栅周期的特殊类型的偏振光栅具有下列性质：它们仅偏转限定圆偏振的光，但是透射而不偏转具有相反旋转方向的圆偏振光。为了区别于偏振选择性体光栅(psvg)和传统的偏振光栅(pg)，在下文中将它们称为布拉格偏振光栅(b-pg)。将在下文中更详细地描述这些光栅。
313.在具有附加偏振元件的光解耦装置的一种配置中，线栅偏振器(wgp)设置在光导的内包层或外包层上。线栅偏振器也可作为薄膜使用，并且还可以例如层压到弯曲表面上，例如弯曲光导的包层。在线栅偏振器的外表面上设置或施加光栅元件。线栅偏振器具有反射第一线性偏振光并透射与之垂直的第二线性偏振光的特性。因此，第一偏振光由光导包层上的线栅偏振器反射，然后在光导中进一步传播，因此根本不会到达光栅元件。与第一线性偏振光垂直的第二线性偏振光穿过线栅偏振器并入射在至少一个光栅元件上，例如由三个体光栅构成的光栅元件堆叠，并且可以从光栅元件或在设置光栅元件堆叠的情况下的光栅元件中的一个偏转，并且与光导解耦。
314.如已经提到的，可切换或可控的光栅元件或者与无源光栅元件结合使用的偏振开关可以被分成多个部分，使得各个部分各自具有单独的电极，使用这些电极可以通过施加电场分段地执行偏振的切换。术语“部分”也包括根据本发明的大致结构。例如，可切换或可控的光栅元件或开关元件(例如偏振开关)只能分成三个或四个大致的部分，每个大致的部分具有单独的电极并且宽度为数毫米，例如5mm-10mm。然而，可以更精细地划分成多个小部分，例如分成宽度为0.5mm的条形部分。
315.可以在显示装置中如下所述地设置或使用可切换或可控的光栅元件或开关元件分成的多个部分，其中通过光导装置产生slm的单个图像或由片段组成的多个图像：
316.在显示装置的一个实施例中，通过开启和关闭可切换或可控光栅元件或至少一个开关元件的特定部分来设定光导内到达解耦处的光的反射次数。为此目的还可以设置的是，将特定部分设置为一个驱动状态，并且将其他部分设置为另一个驱动状态，以更改或改变或限定光导内的光的反射次数。
317.在显示装置的另一个实施例中，通过开启和关闭可切换或可控光栅元件或至少一个开关元件的特定部分或者还利用光导的边界表面处的光的固定数量的反射的各部分的不同驱动状态以精细步骤改变光的解耦位置。例如，这可以用于以精细步骤移位slm的多个图像的单个片段的位置。例如，这可以与注视跟踪结合使用，以将多个图像的特定片段定位在观察者注视方向的中心。
318.图21示意性地示出了具有光导lg和光解耦装置的光导装置，其中偏振开关ps设置在光解耦装置的一侧。偏振开关ps本身可以例如由电极之间的液晶层构成，可以向电极施加电场。在这种情况下，左旋圆偏振光cl最初在光导lg中传播，显然地，其中左旋圆偏振光
cl在图21中的左侧耦合到光导lg中并在光导lg中经由全反射向右传播。从图21中可以进一步看出，偏振开关ps被分成两个部分，为了简单起见，在下文中将其称为左侧部分和右侧部分。在对应于图21左侧的左侧部分中，偏振开关ps被控制为使其不改变入射光的偏振。该左侧部分处于关闭状态。在右侧部分中，偏振开关被控制为使其改变入射的左旋圆形光cl的偏振，以在光通过偏振开关ps的该右侧部分之后，提供右旋圆形光cr。偏振开关ps的右侧部分处于开启状态。
319.在光导lg的外侧，即在偏振开关ps之后，布置具有体光栅特性的偏振光栅元件，由此布置布拉格偏振光栅b-pg。该布拉格偏振光栅b-pg具有以下的特性：使右旋圆偏振光cr偏转由布拉格偏振光栅b-pg的光栅周期限定的角度，但不会使左旋圆偏振光cl偏转。可以在偏振开关ps和布拉格偏振光栅b-pg之间以及布拉格偏振光栅b-pg和光导装置的外表面之间设置例如由塑料制成的附加载体基板。这种载体基板如图21所示，但不是必需的。
320.在光导装置的操作中，穿过偏振开关ps的左侧部分的左旋圆偏振光cl然后入射在布拉格偏振光栅b-pg上，未偏转地穿过它并以发生全反射tir的方式入射到光导装置的光导lg的边界表面上。然后光在光导lg中进一步传播。穿过偏振开关ps的右侧部分的右旋圆偏振光cr入射在布拉格偏振光栅b-pg上，相应地被该布拉格偏振光栅b-pg偏转，因此垂直入射到光导lg的边界表面上进入周围的介质空气，并且与光导lg解耦。如已经描述的那样，校正光栅元件也可以在布拉格偏振光栅b-pg之后，其在光导装置中用于使多个波长的光以相同的角度从光导解耦。
321.图22示意性地示出了光导装置，其包括光解耦装置中的线栅偏振器wgp。线性s偏振光s在此处在光导装置的光导lg中传播。所设置的偏振开关ps在此再次分成两部分，分为右侧部分和左侧部分。在偏振开关ps的左侧部分的驱动状态或开启状态中，它将入射的s偏振光s改变为p偏振光p。如在偏振开关ps的右侧部分中看到的，在处于关闭状态时，入射s偏振光s不变地通过该部分，从而之后s偏振光s仍然存在。之后，s偏振光s入射到线栅偏振器wgp上。线栅偏振器wgp反射s偏振光s，然后s偏振光s在光导lg中进一步传播，如箭头所示。与此相对地，由偏振开关ps的左侧部分转换的p偏振光p穿过线栅偏振器wgp并入射在四分之一波片qwp上。四分之一波片qwp将入射的p偏振光p转换成右旋圆偏振光cr，然后右旋圆偏振光cr入射到布拉格偏振光栅b-pg上。右旋圆偏振光cr被该布拉格偏振光栅b-pg偏转，然后垂直入射到光导lg的边界表面上，进入周围的介质空气，并从光导lg解耦。以这种方式构造的光导装置的优点是可以补偿偏振开关ps和四分之一波片qwp的不足的性能。
322.如果通过偏振开关ps将小于100％的光从s偏振光改变为p偏振光，则该光在线栅偏振器wpg处被反射。如果通过四分之一波片qwp将小于100％的光改变为圆偏振光，则该光因此以全反射在边界表面处反射并且还在光导lg中进一步传播。因此，防止具有不恰当偏振的干涉光也不经意地从光导lg中解耦。
323.该光导装置还可以与用于基色rgb的其他波长的校正光栅元件组合使用，以使各种波长的光以相等的角度从光导解耦。
324.图23中示意性地示出了光导装置，该光导装置也包括位于光解耦装置中的线栅偏振器wgp，类似于图22的光导装置。代替布拉格偏振光栅b-pg，光导装置的光解耦装置现在包括体光栅vg。这里不设置四分之一波片。通过光导lg和光解耦装置的光传播与图22中类似地进行。显然地，如果偏振开关ps的一部分处于关闭状态，则s偏振光s在线栅偏振器wgp
处被反射。如果偏振开关ps的一部分处于开启状态，则入射在其上的s偏振光s被转换为p偏振光p，穿过线栅偏振器wgp，并入射在体光栅vg上。在该示例性实施例中，体光栅vg本身不被设计为偏振选择性的。它可以是例如由传统光聚合物材料制成的体光栅。p偏振光p被体光栅vp偏转，然后垂直入射到光导lg的边界表面上，进入周围的介质空气，并与光导lg解耦。
325.在图24中示意性地示出了具有光解耦装置的光导装置，其与图23的不同之处仅在于体光栅vg被设计为反射的。在偏振开关ps的关闭状态下，入射的s偏振光s在线栅偏振器wgp处被反射并在光导lg中进一步传播。然而，如果偏振开关ps的一部分处于开启状态，则入射的s偏振光被偏振开关ps转换成p偏振光p，该光穿过线栅偏振器wgp，并入射到反射性体光栅vg。p偏振光p被体光栅vg偏转和反射。然后，反射的p偏振光p再次垂直地穿过光解耦装置和光导lg，并在相对侧与光导lg解耦。
326.在图25中示意性地示出了光导装置，其中光解耦装置包括可切换偏振选择性体光栅psvg，例如，基于液晶的。如果可切换偏振选择性体光栅psvg处于特定驱动状态或处于关闭状态，则入射在可切换偏振选择性体光栅psvg上的s偏振光s和p偏振光p都不会偏转，而是通过全反射在光导lg的边界表面处反射，然后在光导lg中进一步传播，如最左边的箭头所示。然而，如果可切换偏振选择性体光栅psvg处于另一驱动状态或处于开启状态，则p偏振光p与光导lg解耦。然而，s偏振光s在光导lg的边界表面处被反射并且在光导lg中进一步传播。体光栅本身在此可以是可切换的或可控的，其中可切换偏振选择性体光栅psvg被分成两个部分以便在图25中更好地理解，从而能够更好地与光路相结合地说明控制可切换的偏振选择性体光栅psvg的能力。以类似的方式，仅使用圆形光而不是线性偏振光，也可以使用可切换布拉格偏振光栅来实现这种光导装置。
327.在图26中示意性地示出了光导装置，其光解耦装置包括以不同角度偏转所有波长的光的布拉格偏振光栅b-pg以及多个体光栅vg。多个体光栅vg形成体光栅堆叠，在该示例性实施例中，其具有四个体光栅vg1、vg2、vg3和vg4。红色波长的光r、绿色波长的光g和蓝色波长的光b现在以相同的角度入射在布拉格偏振光栅b-pg上。在这种情况下，绿色波长的光g被偏转为使得它垂直于光导lg的表面或边界表面地从布拉格偏振光栅b-pg出射。然而，红色波长的光r和蓝色波长的光b以不同的角度从布拉格偏振光栅b-pg出射，如基于图26中的虚线箭头和实线箭头所示。
328.布拉格偏振光栅b-pg之后是具有四个体光栅vg1、vg2、vg3和vg4的体光栅堆叠。体光栅堆叠的这些体光栅vg1、vg2、vg3和vg4设计为波长选择性的。在该示例性实施例中，这意味着绿色波长的光g未偏转地通过所有四个体光栅vg1、vg2、vg3和vg4，然后与光导lg解耦。红色波长的光r未偏转地通过前两个体光栅vg1和vg2，并且仅被最后两个体积光栅vg3和vg4偏转，使得它以与绿色波长的光g相同的角度从光导lg出射。蓝色波长的光b仅由前两个体光栅vg1和vg2偏转，并且未偏转地通过最后两个体光栅vg3和vg4，其中体光栅vg1和vg2以下列方式偏转蓝色波长的光，即使得它以与绿色波长的光g或红色波长的光相同的角度从光导lg出射。
329.在每种情况下使用一对体光栅来校正蓝色波长的光和红色波长的光从光导出射的角度，因为体光栅偏转角更大，可以更容易地设定良好的波长选择性。例如，在体光栅vg2偏转蓝色波长的光之前，蓝色波长的光b首先被体光栅vg1偏转到更大的角度，使得它垂直
于光导lg的表面或边界表面由此出射。
330.下面的说明涉及具有衍射元件的显示装置中对成像光束路径和照射光束路径的单独影响，该衍射元件位于slm的傅里叶平面或照射装置的光源平面或者slm的像平面中。
331.在全息显示装置或优选为另一三维显示装置(例如立体显示装置)中，使用至少一个衍射光学元件以使其基本上仅影响照射光束路径或仅影响成像光束路径。该至少一个衍射光学元件在本发明的上述描述中也称为可变成像系统。由于现在主要设想总体涉及照射光束路径和成像光束路径的影响，因此在下文中使用名称“衍射光学元件”。
332.仅照射光束路径或仅成像光束路径的影响的实现在于至少一个衍射光学元件布置在slm的像平面中或附近，以仅影响照射光束路径。相对地，至少一个衍射光学元件可以布置在slm的傅里叶平面中或附近，以仅影响成像光束路径。在图12和图13中，例如，在其中标识为可变成像系统30的至少一个衍射元件布置在照射装置的光源平面中，使得其仅影响成像光束路径。可选地或另外地，例如，也在图12和图13中示出的第一成像元件27(其布置在slm的平面中)可以具有至少一个衍射元件，该衍射元件然后仅影响照射光束路径。
333.在三维显示装置中，其中照射装置的至少一个光源的光源图像存在于观察者平面中，在slm的傅里叶平面中或附近的衍射光学元件将影响成像光束路径并且因此影响slm的像平面而不改变观察者区域(尤其是虚拟观察者窗口)的位置和尺寸。然而，在slm的像平面中或附近的衍射光学元件将影响观察者区域的位置和尺寸，而不会影响slm的图像距离。在三维显示装置中，其中在观察者平面中产生slm的图像，反之亦然，在slm的像平面中或附近的衍射光学元件影响用于全息图计算的参考平面(例如可以选择为专利文献wo2016/156287a1的含义中的虚像平面)的位置，而不改变观察者区域的位置和尺寸。专利文献wo2016/156287a1的内容全部结合于此。在slm的傅立叶平面中或附近的衍射光学元件影响观察者区域的位置和尺寸，而不影响参考平面的距离。
334.在下文中更详细地描述具体配置：
335.尤其地，在用于显示装置的一种配置中，该显示装置在观察者平面中产生光源图像，使用两级系统，两级系统在slm的傅立叶平面中产生观察者区域的中间像或者产生光源的中间像，并且其中至少一个衍射光学元件布置在该中间像平面中或非常靠近该中间像平面，以仅影响成像光束路径并使观察者区域的位置保持不变。在图12中示出具有光导的这种布置。在这种情况下，至少一个衍射元件或可变成像系统30布置在照射装置的中间像平面中。总体上，具有至少一个衍射元件的这种布置也可以用在没有光导的装置中。
336.尤其地，在观察者平面中产生光源图像的显示装置中，位于slm的傅立叶平面中的至少一个衍射光学元件可以具有影响slm的像平面的位置的透镜函数。
337.在观察者平面中产生光源图像的显示装置中，可以通过slm的傅里叶平面中的至少一个衍射光学元件将slm的像平面的位置优选地调整为使得用于计算优选三维场景的子全息图的平均尺寸与不使用衍射光学元件的显示装置相比减少。
338.可以以校正成像光束路径中的像差的方式设计slm的傅里叶平面中的至少一个衍射光学元件。至少一个衍射光学元件可以设计为可控的。此外，衍射光学元件可以设计为液晶光栅(lcg)。此外，还可以使用两个衍射光学元件，其中水平圆柱形透镜函数被写入一个衍射光学元件，竖直圆柱形透镜函数被写入另一个衍射光学元件。
339.在显示装置中，该显示装置在观察者平面中产生光源图像并且产生slm的分段多
个图像以产生大视场，至少一个可控衍射光学元件被布置在slm的傅里叶平面中，以针对多个图像的每个片段将透镜函数写入至少一个衍射光学元件中，以对于所有片段与观察者相似或相等的距离处生成slm的像平面。
340.在显示装置中，该显示装置在观察者平面中产生光源图像并且产生slm的分段多个图像以产生大视场，并且其包括在光导中具有不同数量的反射以产生slm的多个图像的各个片段的光导，至少一个可控衍射光学元件被布置在slm的傅里叶平面中，以均衡各个片段在光导中的光的不同光路，并且对于所有的片段在与观察者相似或相等的距离处生成slm的像平面。
341.在显示装置中，该显示装置在观察者平面中产生光源图像并且产生slm的分段多个图像以产生大视场，并且其包括在光导中具有不同数量的反射以产生slm的多个图像的各个片段的光导以及用于分别将光耦合到光导中和/或使光与光导解耦的至少一个光栅元件，至少一个可控衍射光学元件可以布置在slm的傅里叶平面中，以校正由至少一个光栅元件产生的成像光束路径中的像差。
342.在显示装置中，该显示装置在观察者平面中产生光源图像并且产生slm的分段多个图像以产生大视场，并且其包括在光导中具有不同数量的反射以产生slm的多个图像的各个片段的光导和用于分别将光耦合到光导中和/或使光与光导解耦的至少一个光栅元件，至少一个可控衍射光学元件可以布置在slm的像平面中，以校正由至少一个光栅元件产生的照射光束路径中的像差。
343.在显示装置中，该显示装置在观察者平面中产生光源图像并且产生slm的分段多个图像以产生大视场，并且其包括在光导中具有不同数量的反射以产生slm的多个图像的各个片段的光导，至少一个可控衍射光学元件可以布置在slm的像平面中，以均衡slm的多个图像的各个片段在光导中的光的不同光路，并且对于所有的片段在相同的位置处生成观察者区域。以下还将针对显示装置的这种配置进行描述：
344.如果弯曲的光导形成将观察区域的中心作为圆的中心点的圆弧形截面，并且如果由于在slm的像平面中使用了衍射光学元件，使得对于这样的光导在光导中经不同数量的反射之后光从光导解耦，则对于slm的多个图像的所有片段有利地产生处于相同位置的观察者区域，因此不需要在这方面的附加校正。然而，这确实限制了可用光导的几何形状。
345.所描述的具有位于slm的像平面中的至少一个衍射光学元件的实施例因此也能够使用其他光导，例如，平直或平面光导或曲率偏离圆弧形截面的弯曲光导，但可以为多个片段在相同的位置生成观察区域。
346.在显示装置中，该显示装置在观察者平面中产生光源图像，可以通过注视跟踪在全息或立体系统中检测观察者对焦眼睛所在的观察者平面的距离。可以使用位于slm的傅里叶平面中的至少一个可控衍射光学元件来改变slm的像平面的位置，使得slm的像平面与观察者的距离定位为与通过注视跟踪检测的距离相似或相等的距离处。
347.然而，本发明不限于这里示出和描述的实施例。例如，这里提到的示例性实施例或实施例也可相应地转换到在观察者平面中产生slm的图像的显示装置。
348.以下实施例将作为示例简要描述：在显示装置中，其在观察者平面中产生slm的图像并且在slm的傅立叶平面中产生衍射级的分段多个图像以生成大视场，至少一个可控衍射光学元件可以布置在slm的像平面中，以针对每个片段将透镜函数以下列方式写入至少
一个衍射光学元件中，使得slm的傅立叶平面生成全息图计算的参考平面，该参考平面对于所有片段而言与观察者的距离相似或相等。
349.偏振选择性布拉格光栅元件或布拉格偏振光栅总体也将在下文中进行讨论，其可以有利地用在光导装置的光解耦装置中以使光与光导解耦。然后，该光导装置可以有利地用在头戴式显示器中。
350.可以通过体光对准方法制造布拉格偏振光栅，该方法确保了取向层的每个图案表面的分子取向的独立性，并且能够形成倾斜的干涉图案。为此目的，仅需要将图案旋转适当的角度在这种情况下，设想这种倾斜的全息偏振曝光可以实现lc聚合物的复杂3d对准，而不使用另外的化学添加剂(手性lc添加剂)或取向层。有利的是，lc导向体定位为垂直于平面中的干涉图案。这意味着有效的局部双折射不依赖于干涉图案的倾斜。这是光交联lc聚合物的优点。
351.通过模拟可以确定当右旋圆偏振光束入射到布拉格偏振光栅上时，衍射发生在-1衍射级，其中布拉格偏振光栅将入射的右旋圆偏振光转换成左旋圆偏振光。在这种情况下，在该-1衍射级中产生的衍射效率约为98％。其他衍射级(零衍射级和 1衍射级)具有可忽略的衍射强度。与此相对地，如果使用入射在布拉格偏振光栅上的左旋圆偏振光，在-1衍射级和 1衍射级几乎不出现衍射，而是大多数光是在零衍射级中，其中衍射效率约为93％。左旋圆偏振光通过布拉格偏振光栅而没有偏转和转换成另一种偏振态。
352.布拉格偏振光栅由于其厚度薄而具有宽光谱接受度和广角接受度。使用波长为488nm、532nm和633nm的右旋圆偏振激光束测量例如针对波长为λ＝532nm的法向入射光优化的布拉格偏振光栅的光谱接受度和角度接受度，并且获得了相应的结果。在这种情况下，具有在绿色波长的第一衍射级中近似大于90％的衍射效率(η
±1)的布拉格偏振光栅具有与红色和蓝色波长几乎相同的衍射效率。这又具有使该光栅元件可用于整个可见光谱范围的优点。
353.布拉格偏振光栅的角度接受度约为35
°
。
354.由于这种布拉格偏振光栅的独特的性质，例如薄膜的高光学质量、高衍射效率、宽角度或广角接受度以及大的光谱接受性，可以在广泛的应用领域中使用这种布拉格偏振光栅。例如，它们可以有利地用于头戴式显示器(hmd)或者也可以用于ar(增强现实)应用或vr(虚拟现实)应用的装置中。这些光栅元件结合偏振开关实现了相干光的非常有效的光束偏转。在利用532nm的波长的情况下，在模拟中实现了在空气中42
°
的偏转角(即布拉格偏振光栅的两个“有效”衍射级(即第零和第一衍射级)之间的角度)。切换对比度(即衍射效率与相对圆偏振的比率)可以约为100。布拉格偏振光栅的特定偏振和衍射特性提供了在一个堆叠中组合多个这种光栅元件的选择。例如，光栅元件堆叠可包括两个这样的光栅元件，其被设计用于绿光的法向入射光。在操作中，取决于光的偏振状态(右旋圆偏振光或左旋圆偏振光)，这种光栅元件堆叠将使 1衍射级或-1衍射级中的入射光束偏转。光栅元件堆叠的两个光栅元件具有相同的周期λ＝0.77μm以及相同的倾斜角，但具有干涉图案的相反倾斜角。通过全息曝光，旋转角可以保持在 28
°
或-28
°
。在全息曝光和调和之后，使用uv固化胶将光栅元件彼此固定。
355.入射在光栅元件堆叠上的右旋圆偏振光束由第一光栅元件以-1衍射级衍射，并且由于其与第二光栅元件的布拉格角的大角度偏差而没有衍射地穿过第二光栅元件。入射在
光栅元件堆叠上的左旋圆偏振光束不被第一光栅元件衍射，而是由第二光栅元件以其 1衍射级衍射。光栅元件堆叠在
±
1衍射级中的衍射效率约为85％。这种光栅元件堆叠在波长为532nm的情况下提供
±
42
°
的衍射角，这导致在空气中的总偏转角为84
°
。使用单个布拉格偏振光栅不能实现这种有效的、大的和对称的一步偏振相关的光偏转。
356.尤其在根据本发明的光导装置或显示装置中，可以有利地使用这种光栅元件堆叠或者也可以仅使用单个布拉格偏振光栅。
357.此外，实施例和/或示例性实施例的组合是可行的。最后，还应特别注意，上述示例性实施例仅用于描述所要求保护的教导，但不将该教导限制于示例性实施例。