[發明專利]用于擴大視場的顯示裝置

在審

• 申請號: 201880046779.7
• 申請日: 2018-07-12
• 公開（公告）號: CN111065951A
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 諾伯特·萊斯特;伯·克羅爾;杰拉爾德·菲特雷爾
• 申請（專利權）人: 視瑞爾技術公司
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B5/18;G02B5/30;F21V8/00;G02B27/01
• 代理公司: 北京連和連知識產權代理有限公司 11278
• 代理人: 劉小峰

本發明涉及一種用于表示二維和/或三維物體或場景的顯示裝置。該顯示裝置包含具有用于調制光的像素的至少一個空間光調制裝置、至少一個光學系統和至少一個光導裝置。該光學系統以這樣的方式被設計，即源自空間光調制裝置的各個像素的光束相對于至少一個光導裝置的表面平均以不同角度入射在至少一個光導裝置上并且能夠耦合在至少一個光導裝置中，由此可限定耦合角譜。在至少一個光導裝置中傳播的光束相對于觀察者區域平均以不同角度從至少一個光導裝置中耦合出來。其中與耦合角譜相比，該解耦角譜被擴大。

本發明涉及一種用于表示二維和/或三維物體或場景的顯示裝置。此外，本發明還涉及一種通過這種顯示裝置產生大視場的方法。

具有光導的光導裝置特別是在光學領域中具有廣泛的應用。特別地，它們用于激光領域。光導總體具有位于內部的芯，該芯由包覆件或包層包圍。進入光導的光通常通過全反射在光導內傳播。由于全反射導致的這種光導效應由于芯材料的折射率高于包覆材料的折射率而產生，或者在沒有設置包層的情況下，則由于光導材料的折射率高于例如空氣的周圍環境的折射率而產生。

然而，光導裝置也可以用于其他領域，例如，用于表示重建場景的裝置中，特別是用于表示優選地是三維場景或物點的重建裝置中。這樣的裝置可以是例如位于場景的觀察者眼睛附近的顯示器或顯示裝置，即所謂的近眼顯示器。一種近眼顯示器是例如頭戴式顯示器(HMD)。

對于頭戴式顯示器(HMD)或位于眼睛附近的類似顯示器或顯示裝置，期望使用緊湊且輕的光學構造。由于這種顯示裝置總體上緊固到使用者的頭部，因此體積龐大且沉重的布置會不利地損害使用者的舒適性。

可視范圍或視場對于HMD中的用戶舒適度也是重要的。在這種情況下，最大可行的視場是有利的。然而，總體而言，大視場的表示與高分辨率的結合需要具有數量非常高的像素的空間光調制裝置。

在US 2013/0222384 A1中公開了一種具有虛擬觀察者窗口的全息頭戴式顯示器(HMD)。這種頭戴式顯示器可以通過分割視場來實現大視場。在這種情況下，使用空間光調制器和合適的光學系統按時間順序生成從觀察者窗口可見的視場的各個部分。該裝置的一個優點在于，由于順序表示，在不需要空間光調制器的大量像素的情況下實現了大視場。

在US 2013/0222384 A1中描述了借助于由片段組成的空間光調制器的這種多重圖像或借助于平鋪來實現視場的擴大的各種實施例。

在US 2013/0222384 A1中也描述了具有波導的實施例。一個實施例分別具有用于左觀察者眼睛的一個波導和用于右觀察者眼睛的一個波導。在這種布置中，空間光調制器和光學單元分別在橫向上鄰近觀察者的頭部設置，其中光分別通過用于每只眼睛的光柵耦合到波導中。光通過耦合光柵以平角耦合到波導中，從而所有耦合角的光都通過全反射在波導的兩個相互平行布置的邊界表面上在波導的方向上傳播。光偏轉裝置產生按時間順序不同的各種角譜，這些角譜被耦合到波導中。為了產生分割的多重圖像，對于多重圖像的每個片段，將不同的角譜耦合到波導中。由光偏轉裝置產生的角譜之一的光通過多個解耦光柵在觀察者眼睛的方向上分別在不同位置從波導耦合出來，這些解耦光柵每個相對于其角度選擇性被設計用于不同的角度范圍，并且彼此相鄰布置。

相對于US 2013/0222384 A1中描述的其他實施例，該實施例的一個優點在于波導是輕的且緊湊的。

這里也引用了Keigo Iizuka出版的“光子學要素”第二卷第9章“集成光學裝置的平面光學指南”關于光導中的光傳播：“集成光學裝置的基礎是平面光導。光被折射率高于周圍層的介質引導....根據幾何光學，只要滿足某些條件，光將以連續的全內反射(TIR)傳播而損失很小。這些條件是支持傳播的層必須具有比周圍介質更高的折射率，并且光必須在滿足上、下邊界全內反射的角度內發射。當引導介質的尺寸與光的波長相當時，這種簡單的幾何光學理論失效了。在這種情況下，光導僅支持離散數量的角度的傳播，稱為傳播模式”。在后一種情況下，通過波光學方法描述光傳播。然后通常使用術語“波導”。在這種波導中不存在限定的幾何光束輪廓。