本发明专利技术涉及一种用于引导光的光导装置。光导装置具有光纤、光耦合装置和光解耦装置。光通过光导的边界表面处的反射在光导内传播。在光导的边界表面处经过预定数量的光反射之后，利用光解耦装置使光从光导解耦。还提供了一种显示装置，尤其是近眼显示装置，其具有包括至少一个光源的照射装置、至少一个三维光调制装置、光学系统和光导装置。光学系统和光导装置。光学系统和光导装置。
【技术实现步骤摘要】
光导装置和用于表示场景的显示装置
[0001]本申请是申请号为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，专利技术名称为“光导装置和用于表示场景的显示装置”的申请的分案申请。
[0002]本专利技术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，本专利技术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。
技术介绍
[0003]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。
[0004]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)。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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
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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。
[0011]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
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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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]与此相对的，在本申请中，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。
[0017]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。
[0018]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本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种显示装置，包括：照明装置，所述照明装置具有至少一个光源，至少一个空间光调制装置，光学系统，所述光学系统配置为两级光学系统；以及至少一个可变成像系统，所述至少一个可变成像系统配置用于校正像差和/或实现棱镜功能和/或透镜功能，所述至少一个可变成像系统设置在所述照明装置的光源图像平面内或在所述至少一个空间光调制装置的图像平面内。2.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述至少一个可变成像系统设置在所述照明装置的光源图像平面内以用于校正成像光路中的像差。3.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述至少一个可变成像系统设置在所述至少一个空间光调制装置的图像平面内以用于校正照明光路中的像差。4.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述照明装置的所述至少一个光源的光源图像或所述空间光调制装置的图像能够利用所述两级光学系统生成。5.根据权利要求1所述的显示装置，其中在所述光源的图像平面内或所述空间光调制装置的图像平面内能够生成虚拟观察区域。6.根据权利要求4所述的显示装置，其中所述空间光调制装置的成像限定视场，在所述视场内重构编码在所述空间光调制装置中的场景的信息以通过虚拟观察区域进行观察。7.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述光学系统配置为在第一级中利用所述光学系统的至少一个第一成像元件生成所述照明装置的所述至少一个光源的中间图像，其中在第二级中，利用所述光学系统的至少一个第二成像元件使所述光源的中间图像在光路中位于所述空间光调制装置之后的虚拟观察区域中成像。8.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述至少一个可变成像系统在光的方向上布置在所述至少一个空间光调制装置的后方。9.根据权利要求1或8所述的显示装置，其中所述至少一个可变成像系统设置为靠近或位于所述照明装置的所述至少一个光源的中间像平面中，和/或所述至少一个可变成像系统设置为靠近所述至少一个空间光调制装置或在所述至少一个空间光调制装置的图像平面内。10.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述至少一个可变成像系统包括至少一个可控成像元件。11.根据权利要求10所述的显示装置，其中所述可控成像元件设计为光栅元件或可控液晶元件或间距可变的至少两个透镜元件。12.根据权利要求11所述的显示装置，其中所述光栅元件具有可控的可变周期。13.根据权利要求1所述的显示装置，其中可变棱镜功能或可变透镜功能和/或可变复相功能被写入所述至少一个可变成像系统的至少一个可控成像元件中。14.根据权利要求1或8所述的显示装...
【专利技术属性】
技术研发人员：诺伯特，
申请(专利权)人：视瑞尔技术公司，
类型：发明
国别省市：
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