本发明涉及一种用于表示二维和/或三维物体或场景的显示装置。此外，本发明还涉及一种通过这种显示装置生成大视场的方法。
在二维或三维显示器或显示装置中，为了良好的用户便利性，生成大视场或大视角是特别有利的。
然而，在全息显示器中，大视场在空间光调制装置中通常需要非常大的像素数，或者可选地当视场的不同区域旨在按时间顺序表示时需要空间光调制装置的非常高的帧速率。
对于与物体或场景的表示相关的显示装置或显示器，它们生成虚拟观察窗口，通过该虚拟观察窗口，可以观察到所表示的场景或物体，这意味着：例如为了为波长460nm的蓝光生成7mm大的虚拟观察窗口或可见区域，例如在空间光调制装置中需要每度视场或视角的约250个复值像素。即使使用具有4000×2000像素的高分辨率的仅相位调制的空间光调制装置，并且假设每两个相位像素组合在一起以形成复值宏像素，因此也存在约2000×2000的复值宏像素，仅仅竖直8度×水平8度的视场可以被生成。
全息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。然而，可以为生成虚拟观察窗口的全息显示装置制定和定义使用几何光学的一些重要条件。
一方面，显示装置中的照射光束路径在这种情况下是重要的。除其他外，它用于生成虚拟观察窗口。借助于包含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，来自空间光调制器的不同像素的光必须分别被引导到虚拟观察窗口中。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被通常成像到包含虚拟观察窗口的观察者平面中。光源的这种成像例如在虚拟观察窗口的中心处实施。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的情况下，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到虚拟观察窗口的中间中。然后，从空间光调制装置的不同像素非垂直地但以相同的衍射角各自地出射的光同样各自地聚焦在虚拟观察窗口中的相同位置处。然而，总体上，虚拟观察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窗口的左边缘或右边缘重合。
另一方面，除了直视显示器之外，在全息显示装置中成像光束路径是重要的。在头戴式显示器(hmd)中，尺寸小的空间光调制装置生成总体放大的图像。这通常是虚像，观看者在大于空间光调制装置本身所处的距离的距离处看到该虚像。空间光调制装置的各个像素通常被放大成像。
生成虚拟观察窗口的全息直视显示器具有照射光束路径。该显示器包含具有至少一个光源的照射装置。例如，照射装置被配置为背光，其生成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，该发散或会聚波阵面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窗口的位置上。如果全息图未被写入空间光调制装置中，则光源的图像和更高衍射级的图像的周期性重复在观察者平面中形成。如果合适的全息图被写入空间光调制装置中，则在零级衍射级附近形成虚拟观察窗口。这在下文中描述为虚拟观察窗口位于光源图像的平面中。在全息直视显示器中，生成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看到空间光调制装置，而不发生空间光调制装置的成像。那么没有成像光束路径。
在其他全息显示装置(例如，头戴式显示器(hmd)、抬头显示器(hud)或其他投影显示器)中，可以额外地有成像光束路径，如已经简要提到的。在这些显示装置中，生成空间光调制装置的实像或虚像，观察者看到该图像，此外，用于生成虚拟观察窗口的照射光束路径是重要的。因此，光束路径、照射光束路径和成像光束路径在这种情况下都很重要。
同样在其他显示装置(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。用于生成最佳光斑的立体显示装置可以例如包含与所述全息显示装置类似的光学布置，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部件，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生成光源图像。通过使用散射元件，光被相应地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更窄。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。
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平面或像平面的位置。例如，当场景对于观察者而言位于远离空间光调制装置的平面或像平面的前方时，则产生具有尺寸大的子全息图。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，作为替代方案，以空间光调制装置的像平面在有利位置形成的这样的方式选择光学系统也是令人期望的，因此可以计算具有尺寸小的子全息图的全息图。
在生成虚拟观察窗口的全息显示装置的可选配置中，空间光调制装置到虚拟观察者平面中的成像也可以实施。为此目的，如果不存在物理屏幕，则在空间光调制装置的傅立叶平面(即光源的图像平面)中提供用于三维场景的全息表示的类型的屏幕或者供选择地参考平面。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。然而，全息图平面和观察者平面的重要性被交换。然后，虚拟观察窗口位于空间光调制装置的像平面中，并且因此与成像光束路径相关。全息图或用于由三维场景计算全息图的参考平面位于空间光调制装置的傅立叶平面中，并且因此与照射光束路径相关。
如果将适当计算的全息图写入空间光调制装置中并且显示装置包含充分生成相干光的照射装置，则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生成二维图像。附加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生成空间光调制装置的图像，则将形成最佳光斑而不是使用散射元件。在这种情况下，最佳光斑的大小取决于散射元件的散射角。这种布置可以例如用在抬头显示器(hud)中。
以下解释主要旨在涉及在光源图像的平面中存在虚拟观察窗口或最佳光斑的情况。然而，所作出的陈述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也可适用于将空间光调制装置成像到虚拟观察窗口中的实施例。因此，本发明不限于具有在光源图像的平面中的虚拟观察窗口或最佳光斑的情况。
在wo2012/062681a1中，公开了一种具有虚拟观察窗口的全息显示器。描述了视场的分段表示。可以通过借助于空间光调制器和合适的光学系统按时间顺序表示视场的多个片段来扩大该视场。可以在该分段的视场内表示场景或物体，其然后从虚拟观察窗口中可见。然而，各个片段的时间顺序生成增加了对空间光调制装置的帧速率的要求。
在人眼的中央凹中视网膜的中心处，人类或人通常可以通常实现1弧分的可见角分辨率。例如，字母“e”在其大小为5弧分时被具有100％视力的人感知，字母“e”的三个条杠(暗区)各自占据一弧分，并且字母“e”的两个中间空间(亮区)也各自占据一弧分。因此，每度视场的60个像素的分辨率，或者每度视场的30个周期的分辨率(每个周期分别包含相邻的黑点和白点)对应于人的分辨力。然而，在视网膜的外围区域，分辨率要低得多。
因此，人眼的视网膜的分辨力仅在小角度范围内才高。例如，此事实已用于“视网膜凹式渲染”，其是使用眼追踪系统以便通过降低外围视场中的图像质量来减少渲染期间的工作量的图形渲染技术，即计算仅在图像中间的区域中以全分辨率实施，而图像边缘处的区域以低分辨率计算。因此，这意味着，对于场景的表示，仅在观察者的眼睛在此瞬间注视的情况下以高分辨率计算，并且在中心视场外以较低的分辨率计算。
为此目的，例如，通过视线追踪，可以检测观察者分别在何处观看。这种“视网膜凹式渲染”也可用于全息图的计算。然而，它仅有利地影响所需的计算能力，而不影响所使用的空间光调制装置的所需像素数或所需帧速率。
例如，在wo2012/062681a1中，还描述了在具有视角或视场的部分的分段或平铺表示的全息头戴式显示器(hmd)中，全息表示和立体表示也可以合并。在这种情况下在全息hmd中进行视场的平铺，其被称为分段多重成像，在一个实施例中，片段的一部分被全息地生成，并且片段的另一部分被立体地生成。在这方面，公开了以下内容，“改进的实施例——在扩展的观察者空间中在时间和/或空间上分割图像内容——表示不相干的2d表示和/或立体3d表示与动态编码的至少部分相干的全息3d表示的以立体角可变的组合。例如，在一个简单的实施例中——为了简化表示，在这种情况下将仅考虑竖直观察者角度——(0至±13)°的中心角范围，即26°，(其对应于视场棱镜平面中slm的中心片段)通过动态编码的全息3d来生成。位于中心角度范围上下的 13至 39°和-13至-39°的角度范围可以通过2d或3d立体表示来生成。原理在于，在自然环境内，用户只能看到具有高分辨率和高度可感知3d印象的有限的立体角。如果用户可以使用非常大的立体角，则仅在整体立体角的子区域中存在高分辨率和高度可感知3d印象的特征。这是用户可以集中精力的区域。由于该区域可以随着用户的眼睛移动而在空间中移动，因此同样有利的是使以强焦点和3d特征表示的空间区域移动。为此目的，将提供对眼睛位置和/或视线方向的检测。”
立体三维(3d)表示的一个实体问题是聚散-调节冲突。聚散-调节冲突特别是在立体显示装置或显示器中当观察者将注意力集中在显示表面上或空间光调制装置的表面上时会发生，以使他们可以清楚地感知。所表示的两个立体图像的差异暗示了要在显示表面的前面或后面看到的三维物体。在这种情况下，眼睛会集中在这些物体距显示表面的视距上。物体因此被固定并且应该被清楚地感知。然而，该物体实际上并不位于距显示表面的一距离的位置，因此观察者在将其固定时不再清楚地看到该物体。因此，观察者在观察立体场景或物体时常常会经历头痛或其他种类的不适。
然而，当使用全息显示装置或显示器时，可以克服这些负面影响。
由于可感知的深度分辨率也随着横向分辨率的降低而降低，因此对于观察者在中央凹上的中心区域中以高分辨率感知的那些场景区域，最大程度地发生聚散-调节冲突。即使在中央凹的中心区域之外，眼睛仍然可以感知深度，但是以较低的深度分辨率。然而，在远离中央凹的中心的外围视场中，仍然只有二维视觉是可行的。
如果三维场景在眼睛的视线方向上的视角或视场的区域(其因此冲击中央凹的中心处的视网膜)被全息地表示，并且以较低的分辨率远离中央凹的中心感知的视角的区域被立体地表示，则与纯立体表示相比，减少了可能的聚散-调节冲突。然而，只有在视角或视场的全息部分足够大以使立体表示仅发生在视角区域内而没有深度信息的情况下，才能完全避免聚散-调节冲突。为此目的，必须全息表示的视角区域约为30度，并且因此类似于wo2012/062681a1中指定为26度的数值示例的全息区域。如已经描述的，例如在单个段中具有2000×2000复值宏像素的空间光调制器将近似生成仅竖直8度×8度的视场。
在wo2012/062681a1中，尤其还描述了使用两种不同的光调制器以用于生成立体和全息片段的可能性。
在wo2018/146326a2中，描述了一种全息头戴式显示器，其使用弯曲的光导装置，该弯曲的光导装置同样允许全息片段和立体片段的组合，这些全息片段和立体片段由相同的空间光调制装置或由两种不同的空间光调制装置生成。通过视线追踪和追踪至少一个全息片段的视角部分或视场部分到观察者的视线位置，并且通过生成大视角或大视场，在立体片段的情况下，生成整体大视角或大视场，与在传统纯全息表示的情况下相比，以对空间光调制装置更低的要求来实施生成。
然而，wo2018/146326a2可以具有以下缺点：如果人眼仍具有显著深度分辨率的整个角度范围旨在以传统方式全息地表示，以便完全避免可能的聚散-调节冲突，则仍然需要空间光调制装置中相对大量的像素，或需要相对大量按时间顺序生成的片段。
在wo2012/062681a1中的数值示例提到例如垂直地26°的中心角范围，其全息地表示。在提到的每度250个像素的示例中，这将对应于空间光调制装置中约6500个复值宏像素，或者对应于在空间光调制装置中具有2000个复值宏像素的空间光调制装置的约三至四顺序表示的片段。对于竖直26度×水平26度的视角或视场，这将相应地提供9至16个片段。这将对应于非常高的计算和表示工作量。
因此，本发明的目的是提供一种显示装置，该显示装置能够以简单的手段并且不需要高的计算量和所需时间来生成大视场。优选地，这旨在与空间光调制装置的分段成像相结合来实现。特别地，旨在提供一种显示装置，该显示装置比wo2018/146326a2的显示装置更好地适于以减小的但仍然存在的深度分辨率来降低人眼视网膜的横向分辨率，并且有助于进一步降低空间光调制装置中像素数量或帧速率的要求并且进一步提高显示装置或显示器中用户的便利性。
根据本发明，本目的通过具有权利要求1的特征的显示装置来实现。
根据本发明，提供一种显示装置，该显示装置特别适合用于近眼显示器，并且特别是在这种情况下的头戴式显示器，但是用途不旨在限于这些显示器或显示装置。该显示装置也可以例如用于未来的抬头显示器中，这种抬头显示器比迄今为止的市售抬头显示器具有更大的视场。
根据本发明的用于表示二维和/或三维物体或场景的这种显示装置包含至少一个用于充分地发出相干光的照射装置、至少一个用于调制入射光的空间光调制装置以及至少一个光学系统。至少一个光学系统被提供用于对至少一个空间光调制装置进行多重成像并且根据至少一个空间光调制装置的图像数量来生成虚拟观察窗口。至少一个空间光调制装置的各个图像作为片段彼此组合并且形成视场。该视场包含至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段。
因此，根据本发明，为了通过使用视场的分段表示来生成大视角或大视场，提供至少一个高分辨率全息片段与至少一个低分辨率全息片段的组合。以此方式，与现有技术中已知的显示装置相比，可以使用全息显示装置中的空间光调制装置的减少的像素数量和/或降低的帧速率。此外，通过视场的分段生成和表示，通过各个片段彼此的组合，可以生成大视场，在该大视场内观察者可以观察到三维场景或物体。为此目的，观察者通过虚拟观察窗口观察三维场景。这意味着在生成大视场的每个单独片段期间生成虚拟观察窗口，用于观察者眼睛的所有观察窗口都旨在在观察者平面中的一个位置处形成并且彼此叠加。
三维场景的视场的一个或多个片段(其旨在位于观察者的眼睛的视线方向上、或者可以在生成整个视场之后在那里找到、并且因此冲击在中央凹的中心处的视网膜)被高分辨率全息地生成和表示，即具有非常高的分辨率。在本申请的上下文中，当分辨率(即每度视场的物点，视场由虚拟观察窗口确定)几乎达到或完全达到或超过在视网膜中心处的每度视场60个像素/物点的观察者的眼睛分辨率时，特别是当分辨率大于或等于每度视场50个像素/物点时，片段将被称为高分辨率。当高分辨率全息片段的所需分辨率几乎达到但还没有完全达到眼睛分辨率时，每度视场50个像素/物点也是这样。
然而，相同的三维场景的视场的一个或多个所述片段(其并非旨在位于观察者眼睛的视线方向上、或者可以在生成整个视场之后在那里找到、并且因此冲击视网膜但不在中央凹的中心处)被低分辨率全息地生成并且表示，即具有低分辨率。在本申请的上下文中，当分辨率(即，每度视场的物点，该视场由虚拟观察窗口确定)显著地下降到低于观察者的眼睛分辨率时，特别是当分辨率小于或等于每度视场40个像素/物点(例如在每度视场40个像素/物点至小于每度视场5个像素/物点之间的范围内，但不旨在限于此较低值5个像素/物点)时，片段被称为低分辨率。
例如，可以通过将尺寸约为8×8度的高分辨率全息片段与尺寸约为50×50度的低分辨率全息片段相结合来生成水平50度乘以竖直50度的大视场或大视角。然后，高分辨率全息片段分别位于低分辨率全息片段内。片段的视角的尺寸不限于示例性提及的数值。例如，片段的水平视角和竖直视角可以不同。至少一个低分辨率全息片段也可以具有例如60×30度的尺寸。高分辨率全息片段可以具有约10×10度的视角的最大尺寸。低分辨率全息片段可以具有约100×100度的视角的最大尺寸。
利用根据本发明的显示装置，与针对不位于观察者的眼睛的视线方向上的三维场景的物体的立体片段的生成，甚至针对至少一个低分辨率全息片段的生成相比，可以有利地实现重建物点的更真实的深度表示。以这种方式，由于视角或视场仅仅被全息地生成，因此大体上减少了或完全避免了可能的聚散-调节冲突。
本发明的其他有利的配置和改进方案可以在其他从属权利要求中找到。
在本发明的一个特别有利的配置中，可以提供的是，至少一个光学系统可以被提供用于与至少一个高分辨率全息片段的生成相结合来生成至少一个虚拟观察窗口，至少一个高分辨率全息片段的虚拟观察窗口的尺寸等于或大于观察者观察视场中的物体或场景的眼瞳的尺寸。
人眼的典型眼瞳尺寸位于约2.5mm至6mm的范围内。优选地，至少一个高分辨率全息片段的至少一个虚拟观察窗口的尺寸可以从约6mm至约15mm的范围内选择。
在本发明的另一个特别有利的实施例中，可以提供的是，至少一个光学系统可以被提供用于与至少一个低分辨率全息片段的生成相结合生成至少一个虚拟观察窗口，至少一个低分辨率全息片段的虚拟观察窗口的尺寸小于观察者观察视场中的物体或场景的眼瞳的尺寸。
在这种情况下，低分辨率全息片段通过虚拟观察窗口生成，该虚拟观察窗口小于观察者的眼瞳。优选地，至少一个低分辨率全息片段的至少一个虚拟观察窗口的尺寸在约0.5mm至约2mm的范围内选择。
有利地，不仅是待编码到空间光调制装置中的全息图的计算工作量而且是为了生成特定视角所需的空间光调制装置的像素的所需数目都通过低分辨率全息片段来降低，该低分辨率全息片段具有虚拟观察窗口，该虚拟观察窗口的尺寸小于观察者的眼瞳。
对于多个低分辨率全息片段和/或多个高分辨率全息片段而言，包含不同尺寸的虚拟观察窗口也可以是有利的。
因此可以使用多个高分辨率全息片段，但特别是也可以使用具有不同尺寸的虚拟观察窗口的多个低分辨率全息片段。例如，可以提供并生成具有尺寸约0.5mm的虚拟观察窗口的低分辨率全息片段和具有尺寸约2mm的虚拟观察窗口的低分辨率全息片段。然而，原则上，也可以在观察者平面中使用具有不同尺寸的虚拟观察窗口的多个高分辨率全息片段。用于高分辨率全息片段的各个虚拟观察窗口的尺寸有利地位于约6mm至约15mm的范围内。
此外，具有不同尺寸的虚拟观察窗口的多个低分辨率全息片段也可以与具有不同尺寸的虚拟观察窗口的多个高分辨率全息片段组合并且一起提供。
通过虚拟观察窗口的尺寸，针对每个高分辨率全息片段和对于每个低分辨率全息片段，获得空间光调制装置的每度视场所需像素的不同值。
通过提供至少一个空间光调制装置的成像的适当配置的光学系统，可以适当地限定、选择和调整每度视场的像素数量。在这种情况下，光学系统应该在观察者平面中提供空间光调制装置的图像到虚拟观察窗口的相应限定的距离以及空间光调制装置的图像的预定放大倍数。
可以有利地在相同位置处提供在观察者平面中生成至少一个低分辨率全息片段的虚拟观察窗口和生成至少一个高分辨率全息片段的虚拟观察窗口。
此外，可以提供至少一个低分辨率全息片段的虚拟观察窗口与至少一个高分辨率全息片段的虚拟观察窗口的至少部分重叠。
在本发明的一个实施例中，可以使用不同的空间光调制装置以便生成至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段。为此目的，可以提供至少两个空间光调制装置，一个空间光调制装置被提供用于生成至少一个高分辨率全息片段，并且另一个空间光调制装置被提供用于生成至少一个低分辨率全息片段。
在这种情况下，用于生成至少一个高分辨率全息片段的一个空间光调制装置和用于生成至少一个低分辨率全息片段的另一空间光调制装置可以被不同地配置。例如，两个空间光调制装置可以包含不同尺寸的像素、不同的像素数或不同纵横比。用于生成至少一个高分辨率全息片段的空间光调制装置可以例如包含2000×2000复值像素的正方形布置，以便生成8×8度的观察角。用于生成至少一个低分辨率全息片段的空间光调制装置可以例如包含纵横比为2∶1的1000×500复值像素的矩形布置并且生成60×30度的视角。
在一个替代的优选实施例中，相同的空间光调制装置用于至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段。
根据本发明的另一有利的配置，可以提供的是，光学系统可以包含至少一个可切换或可控元件。
光学系统以这样的方式被配置，即其包含至少一个可切换或可控元件或部件。利用光学系统中的至少一个可切换或可控元件，可以在生成相应的高分辨率全息片段或低分辨率全息片段或每度视场的像素数期间选择并且调整要生成的虚拟观察窗口的尺寸。以此方式，利用简单的手段，可以选择至少一个高分辨率全息片段或至少一个低分辨率全息片段的生成。为此目的，可以根据要生成的高分辨率全息片段或低分辨率全息片段来切换或控制至少一个可切换或可控元件。
在本发明的一个特别有利的配置中，可以提供的是，光学系统可以包含两个可切换或可控光学元件，第一可切换或可控光学元件是可切换的或可控的以便生成至少一个高分辨率全息片段，并且第二可切换或可控光学元件是可切换的或可控的以便生成至少一个低分辨率全息片段。
至少一个光学系统中的至少一个可切换或可控元件可以被配置为透镜元件或镜元件或光栅元件，其根据切换状态而不同地偏转入射光。透镜元件可以可选地被配置为折射的或衍射的。光学系统中的至少一个可切换或可控元件还可以被配置为与充当偏振选择镜的无源偏振选择元件(例如偏振选择透镜元件或线栅偏振器)或根据偏振态使光不同地偏转的有源光栅元件组合的偏振开关。从光传播方向上来看，该至少一个可切换或可控元件可以布置在根据本发明的显示装置的光束路径中，在至少一个空间光调制装置和观察者平面之间，其中至少一个虚拟观察窗口和观察者的眼睛位于该观察者平面中。
有利地是，此外可以将以单视差编码形式的全息图写入至少一个空间光调制装置中以便生成至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段。
也可以将以单视差编码形式的全息图写入至少一个用于全息片段(然而，特别是用于至少一个低分辨率全息片段)的空间光调制装置中。以这种方式，在一个维度或方向上(即在空间光调制装置中的全息图的编码方向上)生成虚拟观察窗口，并且在与其垂直的维度或方向上(即全息图的非编码方向上)生成最佳光斑。因此，可行的是，对于至少一个低分辨率全息片段而言，最佳光斑的大小也可以比观察者的典型眼瞳更大。例如，观察者平面中的最佳光斑的区域可以具有约10mm的范围，而虚拟观察窗口的区域可以具有约1mm的范围。
如果相同的空间光调制装置用于生成低分辨率全息片段和用于生成高分辨率全息片段，则这些片段按时间顺序(即，相继地)生成。
然而，如果使用两个空间光调制装置，即用于生成至少一个低分辨率全息片段的一个空间光调制装置和用于生成至少一个高分辨率全息片段的另一个空间光调制装置，则片段可以并举地(即，同时地)生成。
在本发明的一个替代有利的配置中，可以提供的是，可以将以全视差编码形式的全息图写入至少一个空间光调制装置中以便生成至少一个高分辨率全息片段，并且可以将以单视差编码形式的全息图写入至少一个空间光调制装置中以便生成至少一个低分辨率全息片段。
因此，全息图的全视差编码用于生成至少一个高分辨率全息片段，并且全息图的单视差编码用于生成至少一个低分辨率全息片段。
同样在这种情况下，相同的空间光调制装置可以用于生成低分辨率全息片段和用于生成高分辨率全息片段，尽管这些片段可以通过不同的编码写入空间光调制装置中且然后按时间顺序生成。
然而，再次可行的是，使用两个空间光调制装置，即，用于生成至少一个低分辨率全息片段的一个空间光调制装置和用于生成至少一个高分辨全息片段的另一个空间光调制器，全息图通过不同的编码分别写入两个空间光调制装置中并且然后这些片段被同时生成。
此外，至少一个滤光器装置可以被有利地提供用于消除在观察者平面中存在的较高衍射级。
特别是对于至少一个低分辨率全息片段，可以提供滤出较高衍射级的光以使该光不能到达视场中的三维场景的观察者的眼瞳。这避免了眼睛可见的全息重建或全息重建场景或物体的不期望的双重图像。然而，此外，可以提供的是，对于至少一个高分辨率全息片段，也用相同或附加滤光器装置来滤除全部或仅特定较高衍射级的光。对于至少一个高分辨率全息片段的大于眼瞳的典型尺寸的虚拟观察窗口，该光通常不会直接冲击眼睛。然而，过滤可以减少光学系统中可能发生的不期望的干扰效应，例如在透镜表面处的不期望的反射等。可供选择地，过滤便于仅具有特定接受角的光学元件(例如体积光栅)的使用。
视线追踪装置和至少一个追踪装置可以有利地设置在根据本发明的显示装置中。在这种情况下，视线追踪装置可以被提供用于检测眼睛中的瞳孔位置并且追踪观察者观察物体或场景的视线。
至少一个追踪装置可以被提供用于跟随所述至少一个高分辨率全息片段的虚拟观察窗口和/或用于跟随至少一个低分辨率全息片段的虚拟观察窗口，并且可以因此特别是被配置为观察窗口追踪装置。
此外，至少一个装置可以被提供用于调节位置，即距至少一个空间光调制装置的图像的可视观察窗口的距离或调节至少一个高分辨率全息片段和/或至少一个低分辨率全息片段至由视线追踪装置确定的观察者眼睛的焦点位置和视线方向的位置(在此是视场中的观察角范围)，并且因此可以特别是配置为视线追踪装置。
此外，可行且甚至优选的是，根据本发明的显示装置包含两个追踪装置，即观察窗口追踪装置和视线追踪装置。
在视线追踪装置中，例如可以使用至少一个具有可变光栅周期的衍射光栅，如wo2010/149587a2中所述。例如，通过将透镜功能写入至少一个衍射光栅中，可以使至少一个空间光调制装置的图像至虚拟观察窗口的距离移位。例如，通过将棱镜功能写入至少一个衍射光栅中，可以使至少一个高分辨率全息片段和/或至少一个低分辨率全息片段的在视场中的观察角范围移位。
视线追踪装置可以布置在根据本发明的显示装置中，例如布置在空间光调制装置的傅立叶平面中。然而，本发明不旨在限于视线追踪装置在显示装置中的该位置，因而在显示装置中的其他位置也是可行的。
优选地，观察者追踪通过观察窗口追踪装置，通过使至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段两者的虚拟观察窗口在眼睛或观察者移动到不同位置时跟随三维场景的观察者的眼睛位置来进行。视场的各个片段的这种追踪可以以各种方式进行。例如，如例如在wo2018/037077a2中所述的，多个衍射级可以用于至少一个高分辨率全息片段，并且可以通过将棱镜项和棱镜功能编码到在这些衍射级内的至少一个空间光调制装置中来使用虚拟观察窗口的位移。例如，在不同的配置中，如wo2010/149587a2中所述的，同样可以使用具有可变光栅周期的衍射光栅。
例如，用于追踪虚拟观察窗口的至少一个衍射光栅可以被布置在至少一个空间光调制装置的像平面中。然而，本发明不旨在限于该位置，而是其他位置同样是可行的。
然而，在本发明的另一实施例中，也可以使用至少两个衍射光栅，其执行观察窗口追踪和视线追踪的结合。
然而，本发明不旨在限于特定类型的追踪。
在本发明的另一特别有利的实施例中，可以提供的是，视场包含至少一个高分辨率全息片段、至少一个低分辨率全息片段和至少一个立体片段。
至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段因此可以在视场中与至少一个立体片段结合。这意味着，除了至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段之外，还生成至少一个立体片段。该至少一个立体片段在视场的横向区域中生成，在该横向区域中，观察者仅以低分辨率并且以大大降低的或甚至不再存在的深度分辨率来感知所表示的场景，即几乎没有或没有场景或对象的三维印象。该至少一个立体片段在视场中被配置为固定片段。这意味着，立体片段不会通过追踪装置移位到视场中的不同位置。
例如，可以通过将具有尺寸约8×8度的高分辨率全息片段、具有尺寸约50×50度的低分辨率全息片段和具有尺寸约120×50度的固定且因此不可移位的立体片段结合来生成水平120度乘以竖直50度的大视场或大视角。高分辨率全息片段可以借助于至少一个视线追踪装置在视场内部在水平方向和/或在竖直方向上在约±25度的范围内移位。低分辨率全息片段也可以在视场内部在水平方向上在约±25度的范围内移位，但是在竖直方向上被设置为固定的，即不可移位的。
然后至少一个高分辨率全息片段位于所生成且表示的低分辨率全息片段的内部。这涉及用于生成大视场的这两个片段的总体表示。
如果还另外生成至少一个立体片段并且以这种方式进一步扩大视场，则至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段位于另外生成且表示的立体片段的内部。
因此，将至少一个高分辨率全息片段、至少一个低分辨率全息片段和至少一个立体片段在视场中部分或完全重叠地布置可以是有利的。
各个片段(即低分辨率全息片段和高分辨率全息片段，并且，如果还旨在另外生成立体片段，则该立体片段也是)可以可选地在视场中彼此部分或完全重叠。特别地，被生成为较小尺寸的片段可以被完全包含在被生成为较大尺寸的片段中，并且可以通过追踪装置进行移位。这既涉及高分辨率全息片段，也涉及低分辨率全息片段，并且在存在的情况下还涉及立体片段。
此外，在本发明的一个有利的配置中，可以提供至少一个光导装置，该光导装置包含光导、至少一个光耦合装置和至少一个光解耦装置，光通过在光导的边界表面处的反射在光导内部传播，并且在光在光导的边界表面处经过限定次数的反射之后，通过光解耦装置来将光从光导中解耦出来。
此外，根据本发明的显示装置的光学结构可以例如包含光导装置。在这种情况下，可以以wo2018/146326a2中描述的方式使至少一个高分辨率全息片段生成和移位。低分辨率全息片段可以例如通过使用相同的光导装置但可选地利用分离的进入光导装置的光导中的光耦合装置和从光导装置的光导中出来的光解耦装置以与wo2018/146326a2中针对立体片段描述的类似方式来生成。
同样在生成至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段期间，光然后通过在光导的边界表面处的反射在光导装置的光导内传播。在光在光导的边界表面处经过限定次数的反射之后，通过光解耦装置来分别针对单个片段而言将光从光导或光导装置中解耦出来。对于不同的片段，反射次数可以是相同的。在其他实施例中，反射次数也可以被调整为是不同的。例如，对于高分辨率全息片段，与低分辨率全息片段相比，可以在不同或其他次数的反射之后从光导装置的光导中解耦出来。对于多于一个的高分辨率全息片段或多于一个的低分辨率全息片段，也可以在不同次数的反射之后进行各个高分辨率全息片段或各个低分辨率全息片段的解耦。
例如，至少一个高分辨率全息片段的观察者角范围可以通过以针对该至少一个片段的修改的方式调节反射次数来适应观察者的视线方向。
因此，至少一个光学系统和至少一个光导可以被有利地提供用于生成至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段，并且在需要时用于生成至少一个立体片段，高分辨率全息片段、低分辨率全息片段以及在需要时的立体片段一起形成视场，在该视场内可表示三维场景或三维物体。
即使至少一个光导装置设置在根据本发明的显示装置中，也可以提供借助于至少一个光导装置和至少一个光学系统对至少一个空间光调制器的成像。
此外可能有利的是，在将光耦合到光导装置中之前，通过光学系统在光路中提供设置在至少一个照射装置中的至少一个光源的光源图像。
在这种情况下，特别是对于至少一个低分辨率全息片段，至少一个光耦合装置被优选地设置在光源图像的位置的区域处或区域中。
因此，根据本发明，在光源图像的位置处或附近，将光耦合到光导装置的光导中。
有利地是，光学系统还可以包含两个圆柱形光学元件，这两个圆柱形光学元件相对于彼此交叉布置。
此外，可以有利的是，光学系统被提供用于在将光耦合到光导装置中之前在光路中生成线性或一维光源图像。
以这种方式，特别是对于至少一个低分辨率全息片段，可以具有两个圆柱形配置的光学元件，这些光学元件可以被配置为圆柱形透镜元件，并且在水平方向上和在竖直方向上具有不同的焦距，例如仅在水平方向上在光耦合到光导装置中的位置处生成焦点。因此，在光耦合到光导装置的光耦合装置中的区域中，生成线性或一维光源图像。在另一个方向上，根据示例竖直方向，不会生成光源图像直到将光从光导装置中解耦出来之后。
当提供全息图到至少一个空间光调制装置中的优选的单视差编码时，在光从光导装置的光导中解耦出来之后，在光束路径中在全息图的非编码方向上会生成最佳光斑。在全息图的编码方向上以及在至少一个光导装置之后的光方向上，在至少一个空间光调制装置的傅里叶平面或像平面中生成虚拟观察者区域。因此，在空间光调制装置的傅立叶平面中在全息图的编码方向上提供虚拟观察者区域。在这种情况下，当没有全息图被写入或编码到空间光调制装置中时，形成全息图的傅里叶变换的该平面也对应于光源图像的平面。在这种情况下，光源的图像在距光导的限定距离处将光从光导中解耦出来之后生成。换句话说，可以在虚拟观察者区域的位置处在编码方向上将光从至少一个光导装置中解耦出来之后，在光路中生成至少一个照射装置的至少一个光源的光源图像。这意味着可以在光源图像的平面中或在空间光调制装置的图像的平面中生成虚拟观察者图像或虚拟观察窗口。
在垂直于其的非编码方向上，当提供全息图到至少空间光调制装置中的优选的单视差编码时，至少一个照射装置的至少一个光源的光源图像可以在光路中在光进入光导中的耦合位置处或附近生成。换句话说，当没有全息图被写入或编码到空间光调制装置中时，在光进入光导中的耦合位置处或附近，存在线性光源图像。
根据将全息图编码到至少一个空间光调制装置中的方向，两个圆柱形光学元件生成水平光源图像或竖直光源图像，光源图像形成在显示装置的光束路径中针对编码方向和非编码方向的不同位置处。为了说明的目的，在这里可以提及的是，术语“水平(线性)光源图像”和“竖直(线性)光源图像”应被理解为是指例如以竖直线形式的水平图像或以水平线形式的竖直图像从点光源已经形成。当执行全息图到根据本发明的显示装置的空间光调制装置中的单视差编码时，这是适用的。
根据本发明的目的还通过一种如权利要求29所述的用于生成大视场的方法来实现，在该大视场内用不同的分辨率表示场景或物体。
根据本发明的用于生成大视场的方法通过至少一个照射装置、至少一个空间光调制装置和至少一个光学系统来实施，在该大视场内，以不同的分辨率表示场景或物体，其中
-至少一个空间光调制装置用场景或物体的所需信息调制入射光，
-至少一个光学系统对至少一个空间光调制装置多重成像，并且根据至少一个空间光调制装置的图像数量生成虚拟观察窗口，至少一个空间光调制装置的各个图像作为片段彼此组合并且形成视场，生成至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段以便形成视场。
有利地是，至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段的生成可以通过光学系统的可切换或可控元件来实施。
此外，可以优选的是，在光学系统中提供两个可切换或可控光学元件，为了生成至少一个高分辨率全息片段，第一可切换或可控光学元件被切换或控制并且第二可切换或可控光学元件不被切换或控制，为了生成至少一个低分辨率全息片段，第二可切换或可控光学元件被切换或控制并且第一可切换或可控光学元件不被切换或控制。
现在存在用于有利地配置本发明的教导和/或将所描述的示例性实施例或配置彼此组合的各种可能性。为此，一方面要参考依赖于独立权利要求的专利权利要求，并且另一方面要参考根据附图对本发明的优选示例性实施例的以下说明，其中还说明了本教导的通常优选配置。在这种情况下，本发明原则上根据所描述的示例性实施例进行说明，但不旨在限制于后者。
在附图中：
图1：示出了人眼的视场的示意图；
图2：示出了根据现有技术的显示装置的示意图；
图3：示出了在生成高分辨率全息片段期间根据本发明的显示装置的示意图；
图4：示出了在生成低分辨率全息片段期间根据图3的根据本发明的显示装置的示意图；
图5：示出了根据本发明的显示装置的示意图，其中高分辨率全息片段和低分辨率全息片段的表示与附加立体片段的生成有关；
图6：示出了根据本发明的用于生成高分辨率全息片段的替代显示装置的示意图；
图7：示出了在生成低分辨率全息片段期间根据图6的根据本发明的替代显示装置的示意图；
图8：在用于生成低分辨率全息片段和用于生成高分辨率全息片段的光耦合装置的替代布置中的根据图6和7的根据本发明的替代显示装置的示意图；
图9：示出了根据本发明的显示装置的另一替代实施例的示意图，其中在光导装置之前在光方向上生成光源图像；以及
图10：示出了根据图9的显示装置的替代配置的示意图。
要简要提及的是，相同的元件/部件/组件在附图中也具有相同的附图标记。
图1示出了人眼的视场的示意图。该图示旨在用于更好地理解本发明。
视场中表示的特征被成像到人眼的视网膜上。这意味着视场代表存在视觉感知的区域。仅在视网膜的中央凹内是可行的视场内的特征的最灵敏的视觉或最清晰的识别。关于视敏度、模式识别和色觉的分辨率或感知质量朝着视场的外围区域显著地降低。从图1可以看出，眼睛的视场的水平范围约为120度，图1的表示旨在仅与人的一只眼睛有关。这是因为两只眼睛的水平视场合在一起约为180度至214度。眼睛可以接收到三维印象的视场区域约为30度。在此30度的视角之外，眼睛不再能执行任何深度感知。在约30度至约60度的区域内，立体视觉是可行的但是没有深度感知。
图2示出了其中生成虚拟观察窗口的全息显示装置。在这种情况下，通过视场的分割来实现大视场。在这种情况下，利用空间光调制器200、光偏转装置400和透镜500，从虚拟观察窗口在观察者眼睛的位置处可见的视场的不同部分按时间顺序生成。
空间光调制器200被示出具有携带不同的全息信息的按时间顺序的相干波阵面，具有在至少一维的平面中的多个片段中的光偏转装置400。以这种方式，形成装配的光调制器的图像。按时间顺序形成的分段波阵面通过成像装置在眼瞳的方向上被引导。利用空间光调制器的所示片段，生成空间可见性区域或视场。
为了理解现在描述的示例性实施例，将首先说明成像光束路径和照射光束路径以及虚拟观察窗口的尺寸和显示装置中的视场的关系。该显示装置包含照射装置、空间光调制装置(以下称为slm)和光学系统，在这种情况下，为了说明起见，该光学系统包含理想化的透镜，即没有像差的薄透镜。然而，这种显示装置将仅具有有限的视场。
特别地，视场与虚拟观察窗口的尺寸成固定关系，因为两者都取决于显示装置的光学系统的焦距。如果虚拟观察窗口被放大，则视场的尺寸会变得更小，反之亦然。通常，所使用的光学系统会影响显示装置内的照射光束路径和成像光束路径。
显示装置的光学系统通常可以不仅包含一个成像元件，而且可以包含多个成像元件。然后可以通过已知的几何光学方法确定系统的总焦距和主平面。然后，以上说明相应地适用于整个系统。
在下面描述的示例性实施例中，通过显示装置生成大视场。在这种情况下，视场由至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段形成。这些片段分别是slm的图像或在slm的傅立叶平面中的衍射级的图像。然而，如果视场的尺寸使得有必要，则也可以生成多个高分辨率全息片段和多个低分辨率全息片段。由于处于自然环境中的人只能以高分辨率和强烈的三维印象看到和感知有限的立体角，因此这可以在生成大视场时使用。因此，可行的是，可以以较低的分辨率表示三维场景的物体，该场景的观察者没有直接观察或集中在物体上，而只是在背景中感知到这些物体。因此，观察者将以较小的三维印象感知背景中的物体。因此，可以通过至少一个低分辨率全息片段来生成要表示的三维场景的背景，该三维场景的背景包含在整个视场中可见的多个物体。
然而，由观察者观测或关注的物体或三维场景的物体应该具有强烈的三维印象。然而，这些物体仅需要在视场的有限立体角范围内以高分辨率表示。为此目的，通过显示装置生成至少一个高分辨率全息片段。取决于立体角范围有多大，还可以生成多个高分辨率全息片段，这些全息片段相继地布置以便生成该立体角范围。在以高分辨率全息地生成的此片段内，由观察者关注的三维物体被重建且表示。这意味着在至少一个低分辨率全息片段内生成至少一个高分辨率全息片段。高分辨率全息片段与低分辨率全息片段叠合或重叠。由于单独的片段是slm的图像，并且因此也是slm的像素的图像，因此至少一个高分辨率全息片段代表具有高像素密度的图像，而至少一个低分辨率全息片段代表具有较低像素密度的slm图像。
然而，本发明不旨在毫无例外地限制为高分辨率全息表示和低分辨率全息表示的结合。如一个示例性实施例将示出的，还可以将至少一个高分辨率全息片段和一个低分辨率全息片段额外地与至少一个立体片段结合。
下面将说明虚拟观察窗口的尺寸与slm的每度所需像素数之间的关系。
对于具有在距全息显示装置中的虚拟观察窗口vw的距离d处的像素间距为p的slm以及对于波长为λ的光，虚拟观察窗口的最大尺寸为vw＝d*λ/p。在生成slm的图像的全息显示装置中，例如在从虚拟观察窗口可见的头戴式显示器或投影显示器中，d和p是是slm图像到虚拟观察窗口的距离和像素间距。
如果商d/p保持不变，则例如也可以利用slm或具有更大距离和更大像素间距或slm图像的像素间距的slm图像来生成相同尺寸的虚拟观察窗口。
然后，在slm上1度的视角对应于x＝tan1°*d的范围。为了确定1度视角内slm的像素数n，slm上的这个范围除以像素间距，其为n＝x/p＝tan1°d/p。商d/p同样出现在该方程式中，因此可以将其替换为n＝tan1°vw/λ。对于尺寸约7mm的虚拟观察窗口和λ＝460nm的光波长，则这将得出例如slm的266个像素。该值随着虚拟观察窗口的尺寸线性减小。对于尺寸约1mm的虚拟观察窗口和相同的λ＝460nm的光波长，则需要每度视角约38个像素。在这种情况下，具有带有适当选择的商d/p的2000个复值像素(两个像素形成复值像素)的slm可以生成大于约50度的视场或视角。
现在将说明虚拟观察窗口的尺寸与可见分辨率之间的关系。
对于其中生成虚拟观察窗口的全息显示装置或全息显示器，通常以这样的方式选择虚拟观察窗口的尺寸，即该尺寸至少与观察者的眼瞳一样大。在这种情况下，当观察者的眼瞳完全位于虚拟观察窗口中时，它充当进入眼睛的光的衍射限制的孔径。原则上，然后以与观察者的自然环境的感知相同的方式通过眼睛的瞳孔大小的衍射极限以及可能通过目镜的像差和通过在眼睛的视网膜上的光感受器的分布来限制全息三维(3d)场景的可见分辨率。
然而，全息重建也可以用比观察者的眼瞳更小的虚拟观察窗口来实施。在这种情况下，虚拟观察者窗口的孔径(其然后位于眼瞳内)充当可以限制感知三维场景的分辨率的衍射限制的孔径。
然而，本发明基于这样的见解，即分辨率的这种限制仅在重建场景直接位于眼睛的视网膜中心(即其被成像到代表视网膜上最灵敏视觉的区域的中央凹上)时才有意义，并且因此在该场景由于高密度的光感受器而具有高分辨率的情况下存在。因此，根据本发明，仅针对三维场景的不会冲击观察者眼睛的视网膜中心和观察者的可见分辨率无论如何都会降低的那部分，生成或使用所生成的全息片段，利用该全息片段生成其尺寸小于观察者的眼瞳的虚拟观察窗口。以这样的方式，可以减少空间光调制装置中所需的像素数，而不会损失可感知的分辨率。
图3和4示意性地示出了全息显示装置的一个示例性实施例，利用该全息显示装置生成至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段。为此目的，显示装置包含至少一个slm1、至少一个照射装置(其包含至少一个光源2)和至少一个光学系统3。该光学系统3用于对slm1进行成像。为此目的，该光学系统3包含至少一个成像元件4，其被配置为无源的。成像元件4布置为接近slm1，并且在这种情况下主要用于对slm1成像。在这种情况下，为了生成大视场，slm1按时间顺序或供选择地同时进行多重成像，并且以这种方式，生成多个片段，这些片段一起并且彼此结合导致大视场。换句话说，对于全息片段，光学系统3分别生成slm1的中间图像。在这种情况下，是生成高分辨率全息片段还是生成低分辨率全息片段并不重要。
此外，光学系统3包含至少一个可切换或可控元件。在根据图3和4的该示例性实施例中，光学系统3包含两个可切换或可控元件5和6。在这种情况下，可切换或可控元件5和6被配置为透镜元件，尽管也可以使用其他可切换或可控元件，例如可切换反射镜，其将不同片段的光偏转到不同的光学元件(例如不同的透镜)。代替接通和关断的可切换透镜元件，例如也可以使用类似于变焦物镜的光学系统，在该光学系统中，通过机械地改变透镜元件之间的距离来改变焦距，以便针对各个片段调整不同的焦距。
这些可切换或可控元件5和6布置在slm1和观察者平面7之间的光束路径中，尽管这种布置不是必须的。这两个元件中的一个可切换或可控元件也可以在光方向上布置在slm1之前。这两个可切换或可控元件5和6调整slm到观察者平面7的图像的距离d与slm1的像素的图像的像素间距p的不同大的商d/p，以便改变虚拟观察窗口的尺寸和视场的尺寸。通过商d/p的这种调整，可以根据可切换或可控元件5和6的切换状态来改变在观察者平面7中要生成的虚拟观察窗口8的尺寸以及视角或视场的尺寸。
图3示出了处于生成高分辨率全息片段的模式下的显示装置。在这种情况下，在该图中特别示出了针对高分辨率全息片段在slm1和观察者平面7之间的光束路径。照射装置包含光源2，该光源2用于用足够相干的光照射slm1。在根据图3和4的该示例性实施例中，对于高分辨率全息片段和低分辨率全息片段，slm1的照射是相同的。这意味着相同的光源用于生成这两个片段。当然，对于要生成的这两个全息片段，也可以使用两个光源。这两个光源也可以被不同地配置。然而，重要的是这两个光源充分地发出相干光。
两个可切换或可控元件5和6可以分别进入接通(on)状态和断开(off)状态。因此，它们被配置为使得它们可以被接通和关断，或者可以在不同的状态下控制。为了生成根据图3的高分辨率全息片段，第一可切换或可控元件5被切换为on状态并且将第二可切换或可控元件6被切换为off状态。这意味着，第一可切换或可控元件5因此对冲击该元件5的光表现出影响，第二可切换或可控元件6不表现出任何影响，即，入射光在其传播中不受可切换或可控元件6的影响。为了生成高分辨率全息片段，由照射装置的光源2发出的光冲击slm1，并根据三维场景的信息对其进行调制。然后借助于光学系统3(即借助于成像元件4和第一可切换或可控元件5)生成slm1的图像9，通过该图像9提供视场的片段。图3示出了从slm1的三个像素p1、p2、p3穿过由光学系统3生成的slm1的图像9到观察者平面7的光路，该图像在第一可切换或可控元件5之后形成。在这种情况下，一个像素p2位于slm1的中间，并且其他两个像素p1和p3位于slm1的上边缘处和下边缘处。对于每个像素，示出了有射线束，其光圈角对应于像素的衍射级的衍射角。在slm1和第一可切换或可控元件5之间的滤波器平面11中，例如较高的衍射级可以被滤出。然后在光束路径中在第一可切换或可控元件5之后，生成slm1的图像9。然后，光束从slm1的图像9在观察者平面7的方向上继续前进。在此观察者平面7中，各个像素p1、p2和p3的光束轮廓叠加在一起，虚拟观察窗口8在此观察者平面7中在生成高分辨率全息片段期间形成。通过该虚拟观察窗口8，当观察者的眼睛位于虚拟观察窗口8的区域中的观察者平面7中时，观察者可以观察到在视场中三维生成的场景或物体。
光的这些光束轮廓(其来自像素p1、p2和p3)在观察者平面7中的叠加位置处的总直径给出了生成的虚拟观察窗口8的范围。该虚拟观察窗口8的范围可以在图3中通过观察者平面7中的粗灰线看到。显然，来自slm1的各个像素p1、p2和p3的各个中心光束以不同的角度到达虚拟观察窗口8的中心。来自slm1的边缘像素p1和p3的各个中心光束的角度差给出了所生成的高分辨率全息片段的视角或视场。在高分辨率全息片段的情况下生成的视场在图3中以附图标记10提供，并且由来自slm1的两个外部像素p1和p3的图像9且延伸到虚拟观察窗口的中间8的黑线界定。
在这种情况下，其眼睛在虚拟观察窗口8内的观察者将在距虚拟观察窗口8的距离处看到slm1的图像，如由第一可切换或可控元件5生成的。包含在slm1的要生成的图像9前面和后面的各个物点的全息三维场景可以被写入或编码到slm1中。
三维场景的分辨率是角分辨率，其由在一个维度或方向上slm的每个视场/视角的像素数给出。例如，具有2000个像素的5度视场/视角给出每度视角400个像素的分辨率。
在高分辨率全息片段的生成期间，生成了尺寸大的虚拟观察窗口，该虚拟观察窗口大于观察者的眼瞳，即其范围大于约6mm。然而，所生成的视场在尺寸上被限制为几度，即不大于约10度。
图4示出了在生成低分辨率全息片段期间根据图3的显示装置。在这种情况下，根据与根据图3的高分辨率全息片段相同的原理生成低分辨率全息片段。这意味着，同样在这种情况下，slm1的成像或图像以及由此的片段和虚拟观察者窗口通过照射装置、slm1和光学系统3来生成。在这种情况下，图4示出了在生成低分辨率全息片段期间的光束路径。为此目的，第一可切换或可控元件5被切换为off状态，而第二可切换或可控元件6被切换为on状态，从而仅第二可切换或可控元件6影响光。由照射装置的光源2发出的光冲击slm1并根据三维场景的信息对其进行调制。然后借助于光学系统3(即借助于成像元件4和第二可切换或可控元件5)生成slm1的图像9，通过该图像9提供视场的片段。如图3所示，现在不再在光方向上在第一可切换或可控元件5之后形成slm1的图像9，而是仅在第二可切换或可控元件6之后形成slm1的图像9。显然，slm1的图像9在观察者平面7的附近形成并且，然而，与根据图3的图像9相比，具有不同的放大倍数和距观察者平面7的不同距离。虚拟观察窗口8同样在低分辨率全息片段的生成期间在观察者平面7中形成。通过该虚拟观察窗口8，当观察者的眼睛位于虚拟观察窗口8的区域中的观察者平面7中时，观察者可以观察在视场12中三维生成的场景或物体。然而，场景或物体的该部分以比根据图3生成和表示的场景的部分更低的分辨率表示。
来自各个像素p1、p2和p3的光束的光圈角再次对应于如图3所示的像素的衍射角。在这种情况下，由于可切换或可控元件5和6的其他切换状态，现在在光束路径中，形成虚拟观察窗口8的观察者平面7中的光束(其来自slm1的像素p1、p2和p3)的总直径在叠加位置处只有很小的范围。以这样的方式，因此仅生成范围小的观察窗口8。当生成低分辨率全息片段时，虚拟观察窗口8的尺寸小于约2mm。然而，如可以在图4中看出，来自slm1的像素p1、p2和p3的光束以比图3大得多的不同角度到达观察者平面7，并且到达在那里的虚拟观察窗口8。这在图4中再次通过来自虚拟观察窗口8的中间的slm1的图像11的边缘像素p1和p3的黑线来说明。以这种方式生成大角度范围，以便提供大视场12或大视角。
通过第二可切换或可控元件6，生成slm1的图像，该图像在这种情况下靠近观察者平面7。然而，再次可以将具有位于距观察者平面7的任意距离处的物点的三维场景写入或编码到slm1中。
至少一个低分辨率全息片段中的三维场景的分辨率再次由在一个维度或方向上每视场或视角的slm像素数确定。例如，如果使用2000个像素生成66度的视场，则分辨率是每度视场30个像素。在此再次，这些仅旨是示例性值。
在其生成之后，根据图3的生成并且表示的至少一个高分辨率全息片段然后至少部分地位于根据图4的生成并且表示的低分辨率全息片段内。为了获得大视场，其中可以完全避免干扰的聚散-调节冲突，可以生成多个或大量高分辨率全息片段以及多个或大量低分辨率全息片段。然后根据与图3和4相同的原理来生成这些全息片段。可以按时间顺序或供选择地同时(并举地)实施生成。
当需要时，例如当三维场景的观察者将焦点从三维场景内的一个物体转移到另一个物体，或者当观察者移动到不同位置或仅移动其头部时，可以借助于追踪装置将至少一个高分辨率全息片段以及至少一个低分辨率全息片段移位到视场中的不同位置。为此目的，与要移位的全息片段有关而生成的虚拟观察窗口跟随到观察者平面中相应的新位置。在这种情况下，视线追踪装置检测并追踪观察者观察物体或场景的视线。追踪装置还使slm的图像的位置或至少一个高分辨率全息片段的位置和/或至少一个低分辨率全息片段的位置适应于如通过视线追踪装置确定的观察者眼睛的焦点位置。
在根据图3和4的实施例的情况下，示出了显示装置的简单的结构，其中光学系统包含可切换的或可控元件，生成至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段是可能且可实现的。
图5示出了另一显示装置，利用该显示装置，除了至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段之外，还生成至少一个立体片段。以这样的方式，可以进一步增加视场。各个片段可以至少部分地叠加或重叠。在这种情况下，至少一个高分辨率全息片段至少部分地叠加在至少一个低分辨率全息片段上，这两个全息片段与立体片段叠加并且完全位于立体片段内部。因此，视场的横向区域由至少一个立体片段形成。然后，在该立体片段中，表示三维场景的区域，观察者既不关注也不三维感知但无论如何只能以低分辨率且没有深度感知地看到该区域。
换句话说，该至少一个高分辨率全息片段然后位于所生成并且表示的低分辨率全息片段的内部。这涉及根据依据图3和4的显示装置在生成大视场时这两个片段的一般表示。然而，如果还另外生成至少一个立体片段且视场由此被进一步增加，则至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段位于另外生成并且表示的立体片段的内部。
图5示出了用于生成附加立体片段的显示装置，根据图3和4的显示装置然后根据图5配置。图5因此示出了根据图3和4所述的显示装置的改进。
如图3和4中可以看出，显示装置包含相同的照射装置2、相同的slm1和相同的光学系统3。位于slm1附近的成像元件4现在被配置为可切换或可控的。如图3和4所示，还提供滤波器平面11。滤光器平面11例如可以配置为可切换的光圈或光阑，尽管在这种情况下其被关断以使在该平面11中不进行过滤。此外，光学系统3还包含另外可切换成像元件12和13以及可切换漫射器14。再次示出了来自三个像素p1、p2和p3的光束。
利用这种显示装置，高分辨率全息片段和低分辨率全息片段也可以以与根据图3和4所述的相同方式生成。为了生成这些全息片段，附加可切换成像元件12、13和漫射器14被关断，靠近slm1的成像元件4(其在该情况下被配置为可切换的)处于接通状态。
为了生成至少一个立体片段，成像元件4以及两个可切换或可控元件5和6被关断，即它们处于off状态。相反地，两个附加可切换成像元件12和13以及漫射器14被接通，即它们处于on状态。在成像元件12的帮助下，在成像元件13和可切换漫射器14的位置处生成slm1的放大的中间图像。在这种情况下，漫射器14被接通并且因此增加来自slm1的每个像素的光的角范围。
利用另外的附加成像元件15(然而其不被配置为可切换或可控的)，然后在远距离处对slm1成像以及在观察者平面7中生成最佳光斑16。然而，出于清楚的原因，在远距离处生成的slm1的图像不能在图5中示出。然而，在观察者平面7中存在从slm1的各个像素p1、p2和p3开始的近似平行的射线束，其中它们彼此相互叠加以形成最佳光斑16。以这种方式生成的立体片段以及因此生成的视场17在该示例性实施例中大于在图4中通过低分辨率全息片段生成的视场。
例如，在一个数字示例中，立体片段将生成约133度的视场。对于具有2000个像素的slm，这例如对应于约15像素/度的分辨率。
在这种情况下，该至少一个立体片段被配置为固定在视场中的片段。这意味着该立体片段不会通过追踪装置移位到视场中的不同位置。
高分辨率全息片段可以例如具有8×8度的尺寸，并且低分辨率全息片段可以例如具有50×50度的尺寸。此外，立体片段可以具有例如120×50度的尺寸。以这种方式，可以生成并实现水平120度乘以竖直50度的大视场或大视角。在这种情况下，高分辨率全息片段可以在视场内通过追踪装置在水平方向上和/或在竖直方向上在±25度的范围内移位。低分辨率全息片段同样可以在视场内在水平方向上在约±25°的范围内移位，但是在竖直方向上被设置为固定的，即不旨在移位。
然而，本发明不限于立体片段的固定位置。在其他实施例中，该立体片段可以在视场内额外地移位。
然而，如果另外除了全息表示之外还生成立体表示，则仅用显示装置生成单个立体片段是足够的。该单个立体片段可能已经生成大视场。如果在用于观察者的左眼的显示装置中以及在用于同一观察者的右眼的单独的显示装置中分别生成至少一个立体片段，则可以以立体视觉的传统方式通过在左右视野之间显示视差信息来以三维方式表示立体场景。由于视差信息，即使在目镜的焦点信息不可用的角度范围内，观察者也可以感知深度印象。外围人的视场还包含其中信息仅对于一只眼睛可见的区域，见图1。在这种情况下，术语立体片段通常也用于生成如此大视场以致于其一部分只对一只眼睛可见的片段。然后，左眼和右眼的立体片段将部分但不完全地重叠。
立体片段的生成不限于如图5所示的显示装置的配置。由于立体片段的生成不需要相干光并且可以以振幅slm生成，因此，通常情况下，例如，也可以使用不同的slm和不同的光源以用于生成全息片段和立体片段。全息片段和立体片段的这些光束路径可以例如借助于分束器元件或反射镜叠加。
图6示出了图3、4和5的替代显示装置，利用该显示装置可以生成至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段。
在例如hmd的全息显示装置中，通常对slm成像。在对slm进行分段多重成像的情况下，在每个片段中分别形成slm的图像。然而，在预定距离处slm的成像以光学系统中所使用的成像元件的特定焦距和距这些成像元件的slm特定距离为前提。特别地，通常，显示装置中的成像光束路径和照射光束路径彼此不独立。照射光束路径的可能所需调整有时也可能需要更改成像光束路径。
在具有平面或平坦的光导装置和至少一个成像元件(例如透镜元件)的显示装置的一种配置中，在光方向上在将光耦合到光导装置中之前，例如，需要改变该至少一个成像元件的焦距以便为slm的多重成像的不同片段调整虚拟观察窗口的相同位置。如果slm距成像元件的距离是固定的，则当改变成像元件的焦距时，slm的成像位置改变。在对slm进行分段多重成像的情况下，因此将为每个片段形成slm的不同像平面。
在全息显示装置中，对于多重成像的所有片段，并非绝对需要具有共同图像平面。3d场景也可以在具有slm的不同图像平面的片段边界上连续地表示，例如通过在各个片段中使全息图的子全息图的焦距适应于slm。然而，另一方面，当slm的图像平面对于要生成的所有片段至少相似时，即例如仅相差几厘米而不是相差几米时，全息图计算被简化。
为了生成高分辨率全息片段，根据图6的显示装置还包含除了至少一个slm21之外的光导装置24、具有至少一个照射slm21的光源22的照射装置、和光学系统23。光导装置24包含在此配置为弯曲的光导、两个光耦合装置25和25'以及光解耦装置26。一个光耦合装置25例如可以包含至少一个光栅元件。另一个光耦合装置25'例如可以包含用于将光耦合到光导中的反射镜元件，在这种情况下，反射镜元件可以被配置为已经呈现反射并且布置在光导中的倾斜表面。反射镜元件还可以例如被配置为反射线栅偏振器，从而通过该光耦合装置25'仅将特定偏振方向的光耦合到光导中。在这种情况下，光解耦装置26可以包含光栅元件。光栅元件可以具有随光入射位置而变化的光栅周期，以便允许来自光导装置24的光在每个光入射位置处垂直于光导的表面解耦。除了成像元件27之外，在光方向上在slm21之后，光学系统23还包含至少一个可切换或可控元件。在该示例性实施例中，光学系统包含至少一个可切换或可控元件，在此由附图标记28表示。至少一个可切换或可控元件可以例如是透镜元件，其焦距可以通过驱动来改变。作为替代方案，可切换或可控元件也可以例如被配置为透镜系统，其总焦距可以例如以变焦物镜的方式通过改变各个透镜元件的距离来改变。例如，可切换或可控元件也可以被配置为彼此垂直布置的两个衍射光栅，其具有可控和可调光栅周期，可以在其中写入不同的透镜功能。此外，可切换或可控元件也可以例如配置为可以接通或关断的两个透镜元件。另外，可以提供偏振开关33。光学系统23生成光源22的中间图像30，并且因此还生成待生成的虚拟观察窗口29的中间图像。此外，虚拟观察窗口的中间图像以及光源22的中间图像30通过至少一个可切换或可控元件28成像到实际的虚拟观察窗口29或观察者平面中。位于显示装置中的光导装置24布置在光束路径中在虚拟观察窗口29和至少一个可切换或可控元件28的中间图像30之后。该装置包含成像元件27，并且此外至少一个可切换或可控元件28还生成slm21的图像。至少一个可切换或可控元件28(其对虚拟观察者窗口的中间图像或光源22的中间图像30进行成像)还有助于slm21的成像。通过适当选择成像元件27和至少一个可切换或可控元件28的焦距，在光导装置24的光导内部形成slm21的图像。
还可以看出，在通过光学系统23之后，光通过光耦合装置25进入光导装置24、借助于全内反射在光导中传播并且然后通过光解耦装置26耦合出来。在这方面，示出了来自slm21的多个像素的多个光束。对于slm21的各个像素，在这种情况下，借助于光学系统23分别在光导装置24的光导内部形成焦点。这意味着slm21的图像在光导装置24的光导内部形成。
至少一个可切换或可控元件28的焦距以这样的方式被选择，即在将光从光导装置24中耦合出来之后形成虚拟观察窗口29。
为了利用根据图6的显示装置生成高分辨率全息片段，将至少一个可切换或可控元件28相应地切换或驱动到限定的驱动状态。如果至少一个可切换或可控元件例如是具有可变焦距的透镜元件，则限定的驱动状态对应于限定的焦距，该焦距被调整。如果至少一个可切换或可控元件被配置为衍射光栅，则可以将特定的透镜功能同样写入该衍射光栅中。如果至少一个可切换或可控元件被配置为可以接通/断开的两个透镜元件，则以与图3类似的方式，两个可切换透镜元件中的一个将被切换为on状态，并且另一可切换透镜元件将被切换为off状态。此外，光耦合装置25'必须被配置为可切换的。因此，入射光可以通过一个光耦合装置25耦合到光导装置24的光导中，由此光必须在被耦合进去之前通过另一个光耦合装置25'。因此，在当前情况下，光耦合装置25’必须被关断。
光耦合装置25'本身应被配置为可切换的，或者应当由另一元件执行单独的切换，该另一元件将光耦合到光耦合装置25’中或者不将其耦合。如果光耦合装置25'被配置为例如反射线栅偏振器(其反射且然后耦合在一个偏振方向的光并且透射且因此不耦合垂直的另一偏振方向的光)，则单独的切换元件例如可以是偏振开关33。
如果光耦合装置25'透射光，则该光冲击位于其后面的另一光耦合装置25并被其耦合。
作为替代方案，例如，光耦合装置25'也可以被配置为传统反射镜元件，并且至少一个可切换或可倾斜反射镜元件可以被布置在slm与光耦合装置之间的光路中，该元件将光引导到光耦合装置25'中以便将该光耦合，或者将光引导通过光耦合装置25以便不将该光耦合。例如，两个光耦合装置25和25'也可以彼此相邻且不相继地布置在光导中，在这种情况下，至少一个可切换或可倾斜反射镜元件可以将光引导到光耦合装置25或光耦合装置25'。
为了生成如上所述的高分辨率全息片段，光耦合装置25'被关断，以使光穿过该光耦合装置25'并且通过位于后方的光耦合装置25耦合到光导中。
为了生成高分辨率全息片段，由照射装置的光源22发出的光冲击slm21，并且根据三维场景的信息对其进行调制。借助于光学系统23，即借助于成像元件27和第一可切换或可控元件，然后生成slm21的图像，通过该图像，可以提供视场31的高分辨率全息片段。在第一可切换或可控元件之后形成的slm21的图像在光导装置24内部形成。在观察者平面中，在生成高分辨率全息片段期间形成虚拟观察窗口29。通过该虚拟观察窗口29，当观察者的眼睛位于虚拟观察窗口29的区域中的观察者平面中时，观察者可以观察在视场31中的三维生成的场景或物体。
以这种方式，还可以生成多个高分辨率全息片段，这些高分辨率全息片段组合在一起增加整个视场中的高分辨率视角。例如，为了生成多个高分辨率全息片段，可以针对每个片段不同地调整光导中的反射次数。
利用根据图6的这种显示装置，还可以生成至少一个低分辨率全息片段以便进一步增加视场。这种过程将结合图7进行说明。
图7中所示的显示装置在结构方面对应于根据图6的显示装置的结构，因为与生成高分辨率全息片段相同的显示装置用于生成低分辨率全息片段。因此，图7中所示的显示装置再次包含具有至少一个光源22的照射装置、slm21、光学系统23和光导装置24。光导装置24再次包含相同的光导、两个光耦合装置25和25'以及光解耦装置26。光导被配置为弯曲的。同样在这种情况下，光耦合装置25'可以包含用于将光耦合到光导中的反射镜元件，在这种情况下，反射镜元件可以被配置为已呈现反射并且被布置在光导中的倾斜表面。然而，与图6相反，光耦合装置25′现在被接通，以使光在其处耦合到光导中。因此，没有光冲击随后的光耦合装置25。
光解耦装置26可以包含光栅元件。该光栅元件可以具有随光入射位置而变化的光栅周期，以便允许在每个光入射位置处垂直于光导的表面将光从光导装置24中耦合出来。在图7中仅示出了一个光解耦装置26。然而，通常，光导还可以包含用于至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段的分离的光解耦装置。这些分离的光解耦装置例如可以各自包含至少一个可切换光栅元件，该可切换光栅元件对于至少一个高分辨率全息片段被接通，并且对于至少一个低分辨率全息片段被关断，反之亦然。可以根据pct/ep2018/068901中的实施例来配置光解耦装置，pct/ep2018/068901的公开内容也旨在在此完全并入。
为了增加视场，由照射装置发出的光被引导到slm21上，并且由slm21相应地利用要表示的物体或要表示的场景的信息进行调制。这种调制光(其为了清楚起见在这种情况下仅来自slm21的三个像素p1、p2和p3，并且由三个光束以不同灰度表示)通过光学系统23(即在这种情况下通过成像元件27和至少一个可切换或可控元件28)来聚焦到光耦合装置25’上。例如，如果至少一个可切换或可控元件28是具有可变焦距的透镜元件，则焦距以焦点在光耦合装置25'的位置处形成的这样的方式被调整(为与图6中的不同值)。在这种情况下，光源22的图像30在光方向上在光学系统的至少一个可切换或可控元件28之前形成，从而在该处形成或生成照射装置的光源的图像。通过切换或控制至少一个可切换或可控元件28，特别是通过在光耦合装置25'的位置处生成焦点，来自slm21的各个像素p1、p2、p3、...pn的光平均以不同的角度冲击光导装置24，特别是光耦合装置25'，并且通过该光耦合装置25'耦合到光导中。这与图6有很大的不同，其中由于至少一个可切换或可控元件28的相应不同的切换状态或控制状态，因此没有焦点在光耦合装置的位置，而是来自slm21的所有像素p1、p2、p3、...pn的光以相同的垂直角度冲击光耦合装置25。因此，通过至少一个可切换或可控元件28的切换状态或控制状态，以针对至少一个高分辨率全息片段的所有像素相同但针对至少一个低分辨率全息片段的所有像素不同的方式调整不同像素的光到光导装置24上的入射角。结合不同的光耦合装置25和25′，这导致针对至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段的光在光导中的不同传播。此外，结合光解耦装置26，可以使用在光导中的这种不同传播，以便针对至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段获得不同尺寸的视场。然而，在两种情况下，对于所有像素，分别在相同的反射次数之后，光从光导装置24的光导中耦合出来。
对于图7中所示的低分辨率全息片段，来自slm21的各个像素p1、p2、p3、...pn的光平均以不同角度冲击光导装置24，特别是光耦合装置25'。由此确定光的耦合角谱。因此，来自像素p1、p2和p3的三个光束以不同的耦合角冲击光耦合装置25’。这三个光束通过光耦合装置25’的反射镜元件耦合到光导中，并且然后通过在光导的边界表面处的全内反射以不同的传播角度在光导中传播。在这种情况下，耦合的角谱或耦合角谱在空气中约为30度并且在光导内部约为20度。在光导中的光经过预先确定或确定次数的反射之后，该光然后从光导中耦合出来。在该示例性实施例中，耦合的光束通过光解耦装置26在光导的内表面或外表面或边界表面处分别经过四次反射之后从光导中耦合出来。在光导装置24中或在光导中传播的光相对于光导的局部表面从光导装置24或光导中垂直地耦合出来，但由于光导的曲率相对于虚拟观察窗口29平均以不同角度耦合出来。以这种方式，限定光的解耦角谱。从图7可以看出，在将光从光导装置24解耦出来之后，从虚拟观察窗口29中光束的焦点f可以看出，有由表示的外侧的两个光束横向界定的视场32。在这种情况下，生成的视场32具有高达60度的角度范围。因此可以看出，光的解耦角谱约是光耦合到光导中的角谱的两倍。因此，以这种方式，生成低分辨率全息片段，利用其可以生成大视场，在该大视场内可以生成低分辨率全息片段。
同样在这种情况下，可以生成多个低分辨率全息片段，这些低分辨率全息片段组合在一起增加整个视场中的低分辨率视角。
因此，通过生成至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段来实施大视场的生成，这些片段一起形成视场或整个视场。然而，通过传播光的角谱和在预先确定次数的反射之后将光解耦以及同样生成低分辨率全息片段针对低分辨率全息片段的视场的增加不旨在限制为如在此所示的弯曲的光导，而是在光导装置中的平面配置的光导的情况下也可以以相同的方式使用。
此外，在根据图6和7的这种显示装置中，除了至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段之外，还可以生成至少一个立体片段，以便进一步增加视场，或者使由显示装置生成的视场适应于观察者在其自然环境中将感知的视场。
如果提供立体片段和至少一个全息片段的组合，则可以同样提供视线追踪装置。利用这样的视线追踪和追踪装置，可以根据观察者的各自的眼睛的视线方向来使视场中全息片段的位置移位，并且slm的图像的深度可以适应用立体片段并且可选地还适应用至少一个全息片段。因此，在视网膜的中心区域中，获得所代表场景或物体的最大横向分辨率和整个三维深度。在视网膜的中心区域外部，则在立体片段中仅存在二维场景或物体。然而，即使在视网膜的中心区域外部，可能的调节-聚散冲突通过至少一个低分辨率全息片段避免。在这种情况下，当场景的待表示的图像内容或物体以大于由高分辨率全息片段覆盖的部分的整个视场的角度范围内的至少一个低分辨率全息片段生成时，实现图像质量的显著改进。
图8示出了根据图6或7的显示装置的一部分，尽管在这种情况下，用于至少一个低分辨率全息片段的光耦合装置25'和用于至少一个高分辨率全息片图的光耦合装置25在光导装置24中不是如图6和7中那样相继地布置，而是彼此相邻布置。在该示例性实施例中，两个光耦合装置25和25′都包含至少一个光栅元件。在这种情况下，至少一个可切换或可控元件28被配置为可切换反射镜元件。如果至少一个可切换或可控元件28被关断或处于off状态，则光继续传播到光耦合装置25'。如果至少一个可切换或可控元件28被接通或处于on状态，则光借助于另一反射镜元件34相应地偏转到光耦合装置25。在这种情况下，例如，静态透镜元件35和36也在至少一个可切换或可控元件28与相应的光耦合装置25或25'之间使用，以便针对至少一个低分辨率全息片段和至少一个高分辨率全息片段以不同的方式聚焦光。
当然，本发明不旨在限于光耦合装置的特定布置。在其他实施例中，例如，相同的光耦合装置也可以用于两个全息片段，即，用于至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段。
也可以使用用于生成高分辨率全息片段和/或低分辨率全息片段和/或立体片段的显示装置，该显示装置包含至少一个光导装置并且特别是在一种配置中使用用于将全息图编码到至少一个slm中的单视差编码，如图10所示。
通常，单视差编码既可以用于至少一个高分辨率全息片段，也可以用于至少一个低分辨率全息片段。然而，例如，也可能是这样的组合，其中至少一个高分辨率全息片段包含全视差编码，并且至少一个低分辨率全息片段包含单视差编码。
在图9和10中示出了用于低分辨率全息片段或者可选地还用于立体片段的显示装置。本质上，对于低分辨率全息片段，图9对应于图7中所示的显示装置的不同空间视图。
图9示意性地示出了包含光学系统的显示装置，该光学系统包含球形成像元件，以便为至少一个低分辨率全息片段或立体片段生成二维光源图像。以这种方式，对于至少一个低分辨率全息片段或对于立体片段，生成光的水平耦合角谱和竖直耦合角谱。因此，在slm中彼此相邻(即水平彼此相邻)布置的像素p1...pn具有不同的水平光耦合角。在slm中上下彼此(即竖直彼此相邻)布置的像素p1...pm具有不同的竖直光耦合角。
在这种情况下，显示装置还包含具有至少一个光源42的照射装置、slm41和光学系统43。光学系统43包含球形成像元件46、场透镜45和另一成像元件47。光导装置48在光的方向上布置在光学系统43之后。在具有至少一个低分辨率全息片段和至少一个高分辨率全息片段的布置的情况下，例如，球形成像元件46可以被配置为可切换或可控的。因此，在这种情况下，它对应于图6、7和8中的至少一个可控或可切换元件28。对于低分辨率全息片段，此处所示的球形成像元件46以这样的方式被切换或控制，即它对应于在光耦合装置49处生成点状焦点以及因此的二维光源图像的球面透镜元件的功能。例如，该球形透镜功能可以由可控透镜元件生成，或者可供选择地，也可以通过彼此垂直布置的衍射光栅来生成，其中相同焦距的两个柱形透镜功能被写入衍射光栅中。
然而，例如也可以使用相同的显示装置以便仅生成一个立体片段。在这种情况下，球形成像元件46将不需要被配置为可切换的，而是例如也可以被配置为多个传统球形玻璃或塑料透镜元件中的一个或组合。
光导装置48包含光耦合装置49和光解耦装置50。同样在这种情况下，通过照射装置、slm41、光学系统43和光导装置48在观察者平面中生成与虚拟观察窗口51相关的视场的片段。可选地，对slm41实施多重成像以便生成多个片段，这些片段一起形成大视场。这样的片段的生成，无论是全息地生成还是立体地生成，在图9和10中都不是至关重要的，并且可以根据wo2018/146326a2中的公开内容来实施，wo2018/146326a2的公开内容在此处完全并入。相反地，其目的是集中于在光耦合到光导装置中的区域中生成光源图像。
为了生成二维光源图像，由照射装置的光源42发出的光准直地发送到slm41上，然后利用要重构的场景的信息对该光进行调制。然后，调制后的光冲击场透镜45，该场透镜45将来自slm41的所有像素的光聚焦到傅立叶平面52中的第一光源图像中，其中在slm41中编码的全息图的傅立叶变换被形成。在其中形成第一光源图像的傅里叶平面52中，布置另外的成像装置47，其可以被配置为透镜元件并且可以是可选的。傅里叶平面52还可以可选地包含孔，利用该孔可以对形成的衍射级进行过滤。一维和二维全息图(其被编码到以像素为单位的slm上，像素被规则地布置)在傅立叶平面中生成周期性重构。为了抑制或消除周期性，可以使用仅透射期望的周期性间隔或仅透射期望的衍射级的孔。
在傅立叶平面52中的第一光源图像之后，各个像素的光束发散并冲击球形成像元件46。球形成像元件46使入射光束在水平方向上和在竖直方向上聚焦，以使在光耦合的区域中或在光耦合到光导装置48中之前生成光源图像。光导装置48的光耦合装置49布置在显示装置中的光源图像的位置的区域处或区域中。以这种方式，生成二维光源图像。在光耦合到光导装置48中的区域的放大图中更详细地示出了光源图像的生成。
在图10中，具有光学系统的显示装置，其代替球形成像元件现在包含至少一个圆柱形成像元件，以便生成线性光源图像。以这样的方式，根据线性光源图像的取向，对于至少一个低分辨率全息片段或对于立体片段，仅生成光的水平耦合角谱或仅生成竖直耦合角谱。图10示出了竖直线性光源图像。因此，在slm中水平彼此相邻布置的像素p1...pn具有不同的水平光耦合角。在slm中彼此上下竖直布置的像素p1...pm具有相等的竖直光耦合角。
该显示装置还包含具有至少一个光源62的照射装置、slm61和光学系统63。光学系统63包含成对交叉圆柱形成像元件66(图10中被示为一个元件)、场透镜65和另外的成像元件67。光导装置68在光方向上布置在光学系统63之后。光导装置68包含光耦合装置69和光解耦装置70。同样在这种情况下，通过照射装置、slm61、光学系统63和光导装置68在观察者平面中生成与虚拟观察窗口71相关的视场的片段。可选地，对slm61实施多重成像以便生成多个片段，这些片段一起形成大视场。如关于图9已经提到的，现在不是最重要的片段的生成，而是在光耦合到光导装置的区域中的一维或线性光源图像的生成。
为了生成线性光源图像，由照射装置的光源62发出的光准直地发送到slm61上，然后利用要重构的场景的信息对该光进行调制。然后，调制后的光冲击场透镜65，利用场透镜65在根据图9的傅里叶平面72中再次生成第一点状光源图像。在该傅里叶平面72中，形成第一光源图像，布置另外的成像装置67，其可以被配置为透镜元件并且可以是可选的。傅里叶平面72还可以可选地包含孔，利用该孔可以对形成的衍射级进行过滤。
在傅立叶平面72中的第一光源图像之后，slm61的各个像素的光束发散并且冲击成对交叉圆柱形成像元件66。该成对交叉圆柱形成像元件66在水平方向上和在竖直方向上具有不同的焦距，并且因此，仅在水平方向上仅在光耦合到光导装置68中的区域中生成焦点。因此，在光耦合的区域中或在光耦合到光导装置68中之前生成线性光源图像。为了生成至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段，并且可选地至少一个立体片段，该成对交叉圆柱形成像元件66可以被配置为可控的。然后，对于至少一个低分辨率全息片段或对于至少一个立体片段，通过成对交叉圆柱形成像元件66的切换状态或驱动状态来调整不同的焦距，以便仅在水平方向上在光耦合到光导装置68中的区域中生成焦点。对于至少一个高分辨率全息片段，成对交叉圆柱形成像元件66然后可以具有不同的焦距，然而，在通常情况下，焦距在水平方向上和在竖直方向上也可以不同。在通过光解耦装置70将光从光导装置68中解耦出来之后，形成另外的光源图像。光导装置68的光耦合装置69布置在显示装置中的线性光源图像的位置的区域处或区域内。在光耦合到光导装置68中的区域的放大图中更详细地示出了线性光源图像的生成。
可以使用根据图9和10的两个显示装置，以便生成来自光导装置的光的解耦角谱，该解耦角谱与光的耦合角谱相比增加。光的耦合角谱旨在表示这样生成的光谱，在该光谱处，来自slm的各个像素的光束冲击光导装置，并相对于光导装置的表面平均以不同的角度耦合。光的解耦角光谱旨在表示这样生成的光谱，在该光谱处，在光导装置中传播的光束相对于观察者区域平均以不同的角度从光导装置中耦合出来，观察者区域可以被理解为虚拟观察窗口或也可以被理解为在生成立体片段期间的最佳光斑。
特别地，在图9的显示装置中，与光的耦合角谱相比，光的解耦角谱可以在水平方向上和在竖直方向上都被放大。然而，对于观察者而言，形成被配置为不是矩形而是菱形的视场。
另一方面，在图10的显示装置中，与光的耦合角谱相比，光的解耦角谱仅在水平方向上增加。这是因为大的水平视场对观察者特别重要。
该显示装置可以与其他已知的可能性组合以用于生成增加的竖直视场。
例如也可以使用旋转90度的第一光导装置，该第一光导装置包含例如平面的非弯曲的光导。在第一光导装置的耦合处，仅在竖直方向上生成光源图像。利用第一光导装置，与耦合角谱相比，来自第一光导装置的解耦角谱在竖直方向上增加。从第一光导装置耦合出来的光通过另外的成像元件水平地聚焦在第二光导装置的光耦合位置上。利用第二光导装置，在水平方向上生成解耦角谱，该解耦合角谱与耦合角谱相比增加。通过两个光导装置的组合，然后生成整个矩形视场。
此外，实施例、或示例性实施例的组合是可能的。最后，还应非常特别指出的是，上述示例性实施例仅用于描述要求保护的教导，但并不将该教导限于示例性实施例。
1.一种用于表示二维和/或三维物体或场景的显示装置，包含：
-至少一个照射装置，所述照射装置用于充分地发出相干光，
-至少一个空间光调制装置，所述空间光调制装置用于调制入射光，以及
-至少一个光学系统，其中所述至少一个光学系统被提供用于对所述至少一个空间光调制装置进行多重成像，并且用于根据所述至少一个空间光调制装置的图像的数量来生成虚拟观察窗口，其中所述至少一个空间光调制装置的各个图像作为片段彼此组合并且形成视场，其中所述视场包含至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段。
2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个光学系统被提供用于与生成所述至少一个高分辨率全息片段结合而生成至少一个虚拟观察窗口，所述至少一个高分辨率全息片段的所述虚拟观察窗口的尺寸等于或大于观察者观察所述视场中所述物体或所述场景的眼瞳的尺寸。
3.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个高分辨率全息片段的所述至少一个虚拟观察窗口的所述尺寸位于6mm至15mm的范围内。
4.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个光学系统被提供用于与生成所述至少一个低分辨率全息片段结合而生成至少一个虚拟观察窗口，所述至少一个低分辨率全息片段的所述虚拟观察窗口的尺寸小于观察者观察所述视场中所述物体或所述场景的眼瞳的尺寸。
5.如权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个低分辨率全息片段的所述至少一个虚拟观察窗口的所述尺寸位于0.5mm至2mm的范围内。
6.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，多个低分辨率全息片段和/或多个高分辨率全息片段包含不同尺寸的虚拟观察窗口。
7.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，在相同位置处提供在观察者平面中所述至少一个低分辨率全息片段的所述虚拟观察窗口的生成和所述至少一个高分辨率全息片段的所述虚拟观察窗口的生成。
8.如权利要求7所述的显示装置，其特征在于，提供所述至少一个低分辨率全息片段的所述虚拟观察窗口与所述至少一个高分辨率全息片段的所述虚拟观察窗口的至少部分重叠。
9.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，提供至少两个空间光调制装置，一个空间光调制装置被提供用于生成所述至少一个高分辨率全息片段和另一个空间光调制装置被提供用于生成至少一个低分辨率全息片段。
10.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于，用于生成所述至少一个高分辨率全息片段的所述一个空间光调制装置和用于生成所述至少一个低分辨率全息片段的所述另一个空间光调制装置被不同地配置。
11.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述光学系统包含至少一个可切换或可控元件。
12.如权利要求11所述的显示装置，其特征在于，所述光学系统包含两个可切换或可控光学元件，第一可切换或可控光学元件是可切换的或可控的以便生成所述至少一个高分辨率全息片段，并且第二可切换或可控光学元件是可切换的或可控的以便生成所述至少一个低分辨率全息片段。
13.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，将以单视差编码形式的全息图写入所述至少一个空间光调制装置中，以便生成所述至少一个高分辨率全息片段和所述至少一个低分辨率全息片段。
14.如权利要求1至12中任一项所述的显示装置，其特征在于，将以全视差编码形式的全息图写入所述至少一个空间光调制装置中，以便生成所述至少一个高分辨率全息片段，并且将以单视差编码形式的全息图写入所述至少一个空间光调制装置中，以便生成所述至少一个低分辨率全息片段。
15.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，至少一个滤光器装置被提供用于消除在所述观察者平面中存在的较高衍射级。
16.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，提供视线追踪跟装置和至少一个追踪装置。
17.如权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个追踪装置被提供用于追踪所述至少一个高分辨率全息片段的所述虚拟观察窗口和/或用于追踪所述至少一个低分辨率全息片段的所述虚拟观察窗口。
18.如权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个追踪装置被提供用于使所述至少一个空间光调制装置的图像的位置或所述至少一个高分辨率全息片段和/或所述至少一个低分辨率全息片段的位置适应于通过所述视线追踪装置确定的所述观察者的眼睛的焦点位置和视线方向。
19.如权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述视线追踪装置被提供用于检测观察者的眼睛中的瞳孔位置，并且用于追踪所述观察者观察所述物体或所述场景的视线。
20.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述视场包含所述至少一个高分辨率全息片段、所述至少一个低分辨率全息片段和至少一个立体片段。
21.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个高分辨率全息片段、所述至少一个低分辨率全息片段和所述至少一个立体片段被部分或完全重叠地布置在所述视场中。
22.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，提供至少一个光导装置，所述光导装置包含光导、至少一个光耦合装置和至少一个光解耦装置，所述光通过在所述光导的边界表面处的反射在所述光导内传播，并且在所述光在所述光导的所述边界表面处经过限定次数的反射之后通过所述光解耦装置来提供将所述光从所述光导中解耦出来。
23.如权利要求22所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个光学系统和所述至少一个光导装置被提供用于生成至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段，并且在需要时用于生成至少一个立体片段，所述高分辨率全息片段、所述低分辨率全息片段和在需要时的所述立体片段一起形成视场，在所述视场内可表示三维场景或三维物体。
24.如权利要求22或23所述的显示装置，其特征在于，通过所述至少一个光导装置和所述至少一个光学系统来提供所述至少一个空间光调制装置的成像。
25.如权利要求22、23和24中任一项所述的显示装置，其特征在于，在将所述光耦合到所述光导装置中之前在光路中通过所述光学系统提供设置在所述至少一个照射装置中的至少一个光源的光源图像。
26.如权利要求25所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个光耦合装置设置在光源图像的位置的区域处或区域中。
27.如权利要求22至26中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述光学系统包含两个圆柱形光学元件，所述两个圆柱形光学元件相对于彼此交叉布置。
28.如权利要求27所述的显示装置，其特征在于，所述光学系统被提供用于在将所述光耦合到所述光导装置中之前在所述光路中生成线性光源图像。
29.一种用于通过至少一个照射装置、至少一个空间光调制装置和至少一个光学系统来生成大视场的方法，在所述大视场内以不同的分辨率表示场景或物体，其中：
-所述至少一个空间光调制装置用所述场景或所述物体的所需信息调制入射光，
-所述至少一个光学系统对所述至少一个空间光调制装置多重成像，并且根据所述至少一个空间光调制装置的图像的数量来生成虚拟观察窗口，所述至少一个空间光调制装置的各个图像作为片段彼此组合并且形成视场，生成至少一个高分辨率全息片段和至少一个低分辨率全息片段以用于形成所述视场。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述至少一个高分辨率全息片段和所述至少一个低分辨率全息片段的生成通过所述光学系统的可切换或可控元件来实施。
31.如权利要求30所述的方法，在于在所述光学系统中提供两个可切换或可控光学元件，为了生成所述至少一个高分辨率全息片段，第一可切换或可控光学元件被切换或控制并且第二可切换或可控光学元件未被切换或控制，为了生成所述至少一个低分辨率全息片段，所述第二可切换或可控光学元件被切换或控制并且所述第一可切换或可控光学元件未被切换或控制。
技术总结