[发明专利]包括光导的显示装置

说明书

本发明涉及一种显示装置，尤其是靠近用户眼睛设置的显示装置。该显示装置包括至少一个照明装置、至少一个空间光调制装置、至少一个成像元件、至少一个光导以及至少两个部分反射解耦元件。至少一个照明装置用于发射足够相干的光。至少一个成像元件设置用于使源于至少一个光调制装置的光成像。至少两个部分反射解耦元件用于使光与光导解耦，部分反射解耦元件设置在至少一个光导中。

本发明涉及一种用于优选表示三维物体或场景的显示装置。具体地，本发明涉及一种近眼显示装置，例如，头戴式显示器，其中也包括平视显示器。

对于用户的头戴式显示器(HMD)或类似的近眼显示器或显示装置，提供并确保紧凑和轻的光学装置是可取和有利的，因为这些类型的显示器戴在用户的头上，并给用户一种愉快的穿戴感。

在AR(增强现实)头戴式显示器的情况下，一方面更期望用户最好能够尽可能多地感知他的自然环境，而不受由头戴式显示器带来的干扰，另一方面期望能够很好地感知显示在头戴式显示器上的内容而没有问题。

如果使用空间光调制装置和用于空间光调制装置成像的光学装置，则在这种情况下，会将光学装置设想为使来自空间光调制装置的光和来自用户或观察者的自然环境的光都能够被引导到或能够到达一个或多个眼睛。

对于头戴式显示器用户的舒适性而言，视场(FoV)也具有重要意义。因此，尽可能大的视场是有利的。

AR显示器或AR显示装置也是已知的，它们使用光导或波导将光从空间光调制装置投向或引导到眼睛。然后，用户通过光导或波导看到他周围的环境。

在美国专利US 6,829,095 B2中描述了这种光导，其包括用于使光解耦的部分反射的镜，以在较薄的光导中实现较大的视场。以特定的角度耦合到光导中并以曲折形式或通过全反射在光导中传播的光在解耦区域入射到部分反射的镜上。通过部分反射的镜，光以与耦合到光导中时的角度相同的角度再次从光导解耦。在这种情况下，位于无限远的场景图像的光耦合到光导中。如果如美国专利US 6,829,095 B2所公开的这种光导与空间光调制器(SLM)(例如LCOS(硅上的液晶)SLM或在无限远处成像的自发射OLED(有机发光装置)SLM)一起使用，那么光就会从空间光调制器的单个像素基本上彼此平行地传播。然而，根据像素在空间光调制器上的位置的不同，来自空间光调制装置的不同像素的光的传播角度会不同。因此，如果来自空间光调制器的一个像素并且具有固定传播角度的光耦合到光导中，并且以相同的角度在另一位置又与光导解耦，则光也以同一角度入射到光导的观察者的眼睛上。

在这种情况下，如果空间光调制器在无限远处成像，并且在没有光导的情况下观察者将看到空间光调制器无限远处的图像，则通过光导传播的光将有利于保持空间光调制器图像的深度位置不变。在这种情况下，解耦位置和光通过光导覆盖的光路对空间光调制器图像的深度位置没有影响。因此，观察者仍然感知到在无限远处的空间光调制器的图像。空间光调制器图像上像素的位置决定光从该像素与光导解耦的角度。然后，观察者的眼睛通过光导看到空间光调制器的图像，就像眼睛直接看到空间光调制器的图像而没有光导的情况一样。

然而，这种设置只对无限远的空间光调制器的图像起作用。这可以解释如下：耦合到光导中并通过不同的部分反射镜解耦的来自空间光调制器的同一像素的光覆盖光导中不同长度的光路。然而，只要像素的图像离观察者的眼睛无限远，那么这就不重要，因为光从像素的图像通过光导到眼睛的路径都是无限长的。然而，如果在距离眼睛有限距离处的空间光调制器的图像是在耦合到光导之前由光路中的图像产生的，那么从像素到观察者眼睛的不同光路将产生重要影响。耦合到光导中并且由不同的部分反射镜解耦的空间光调制器的相同像素的不同光路会产生下列影响，即观察者可见图像的深度位置受到不同的部分反射镜的不同方式的影响。然后，观察者会通过第一个部分反射镜而不是通过相邻的第二部分反射镜看到处于不同距离的像素图像。