CN111656289A - 显示装置及用于追踪虚拟可见区域的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于表示二维和/或三维场景的显示装置。该显示装置包含用于发出足够相干的光的至少一个照射装置、至少一个空间光调制装置、至少一个光学系统和追踪装置。全息图通过单视差编码被编码到至少一个空间光调制装置中。至少一个光学系统设置为在观察者的眼睛的位置处生成至少一个虚拟可见区域。在空间光调制装置上的全息图的编码方向可通过追踪装置来修改。

Description

显示装置及用于追踪虚拟可见区域的方法

本发明涉及一种用于表示二维和/或三维场景的显示装置。本发明特别地旨在涉及一种全息显示装置，特别是一种靠近观察者的眼睛提供的显示装置，例如头戴式显示器。本发明还涉及一种方法，通过该方法可以实现虚拟可见区域(特别是在较小区域中)的追踪。

与自动立体显示器或显示装置相比，全息显示器或显示装置在存在于全息显示装置中且用于全息图的编码的空间光调制装置的分辨率方面以及在全息图的计算工作量方面大体上提出了更大的挑战。

WO 2006/066919 A1例如描述了如何减少这些要求。例如，在那里描述虚拟观察者窗口的生成，所述窗口设置在空间光调制装置中编码的全息图的傅立叶光谱的衍射级内，并且观察者可以通过该窗口观察可以在空间光调制装置的前面和/或后面延伸的重建空间中的重建场景(优选是三维场景)。

就单个物点的重建而言，这意味着对于场景的任何给定物点，子全息图被编码到空间光调制装置中。在一个实施例中，可以例如通过虚拟观察者窗口或物点上的可见区域到空间光调制装置上的投影来限定子全息图在空间光调制装置上的扩展和位置。具有多个物点的优选三维场景的整体全息图被表示为三维场景的所有物点的子全息图的重叠。各个子全息图并不完全彼此重叠，而是相反地根据它们将被重建的物点相对于彼此移动，以使只有它们的表面的一部分被一个或多个子全息图重叠。

换句话说，可以通过在子全息图中编码物点来在全息显示装置中生成空间图像点。可以在外部通用计算机系统中或在全息显示器中安装的控制单元中实施编码。已经已知的是，空间光调制装置中的任何子全息图的扩展可以是固定的(例如仅取决于物点相对于空间光调制装置的深度位置)，或者可以是根据要求可变的。进一步已知的是，子全息图在空间光调制装置上的几何位置及其扩展可以根据技术要求来改变，例如，重建场景的观察者的眼睛相对于光调制装置的位置或场景内要被表示的体素或像素的位置。显示点的编码值的计算通常由许多物点的编码值组成。编码值的计算通常在具有比实际面板位深度更高的分辨率的计算单元中执行。仅在计算编码值之后执行标准化和映射到像素值上，其中例如可以考虑伽玛曲线的非线性或其他依赖于像素的校准值。

空间光调制装置的多个不同或相似的像素或子像素可以进一步组合为宏像素。然而，也可以存在并非如此的空间光调制装置。根据本发明，可以类似地使用这种类型的空间光调制装置。

图1示出了一种装置，其中针对相对于空间光调制装置SLM具有不同深度的多个物点，子全息图SH被生成作为在各个物点上的虚拟可见区域VW到空间光调制装置SLM上的投影。显而易见的是，子全息图在空间光调制装置SLM上的位置取决于物点相对于可见区域VW的位置。子全息图的尺寸、扩展或大小还取决于编码的物点的z-位置，其中z是物点和空间光调制装置SLM之间的距离。在大多数情况下，子全息图的重叠会发生。

对于场景(优选是三维场景)的全息重建，子全息图与虚拟可见区域(也被称为观察者区域或观察者窗口)结合使用，观察者可以通过该虚拟可见区域观察重建场景。

就具有空间光调制装置(也缩写为SLM)的真实或虚拟图像的头戴式显示器(HMD)、平视显示器(HUD)或投影显示器而言，此处使用的术语“SLM”旨在指的是从虚拟可见区域可见的SLM的图像。

将复值全息图写入空间光调制装置通常需要通过全息图生成三维场景。在此，空间光调制装置的多个像素可以通过编码来组合以形成宏像素，或者可以与光束组合器组合以形成宏像素。

全息显示装置尤其是基于在空间光调制装置的像素的孔径处的衍射效应和由光源发射的相干光的干涉。然而，对于生成虚拟可见区域的全息显示装置的一些重要条件可以用几何光学来制定和限定，并且在此将简要提及。

一方面，显示装置中的照射光束路径在此很重要。这尤其用于生成虚拟可见区域。空间光调制装置通过照射装置来照射，该照射装置包含至少一个真实或虚拟光源。然后，从空间光调制装置的不同像素发出的光必须在每种情况下被引导到虚拟可见区域中。为此，通常将照射装置的照射空间光调制装置的至少一个光源成像到具有虚拟可见区域的观察者平面中。光源的这种成像例如被执行到虚拟可见区域的中心中。如果用对应于无限远处的光源的平面波照射空间光调制装置，则来自空间光调制装置的不同像素的光(例如，垂直于这些像素出射的所述光)会被聚焦到虚拟可见区域的中心中。没有垂直地发射而是相反地在每种情况下从空间光调制装置的不同像素以相同的衍射角发射的光然后在每种情况下类似地被聚焦在虚拟可见区域中的相同位置处。然而，虚拟可见区域通常也可以相对于至少一个光源的图像横向地移动，例如，至少一个光源的图像的位置可以与可见区域的右边缘或左边缘重合。

另一方面，除了在直视显示器中之外，成像光束路径在全息显示装置中很重要。通常在头戴式显示器(HMD)中生成例如其扩展较小的空间光调制装置的放大成像。这通常是观察者以比空间光调制装置本身所在的距离更大的距离看见的虚拟图像。空间光调制装置的各个像素通常以放大形式成像。

根据本发明的说明主要旨在是指在光源图像的平面中存在包含虚拟观察者窗口和最佳光斑的虚拟可见区域的情况。然而，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变换，所做出的陈述也相应地适用于全息显示装置或具有空间光调制装置到虚拟可见区域中的成像的显示器的实施例。因此，本发明不旨在限于在光源图像的平面中具有虚拟可见区域(即虚拟观察者窗口或最佳光斑)的情况。

原则上已知使用全视差编码或单视差编码来计算全息图或子全息图的可能性。

在生成虚拟可见区域的全息显示装置或显示器的情况下，全视差编码意味着虚拟可见区域具有水平扩展和竖直扩展，其中这两个扩展在各自维度上小于或等于生成的衍射级。衍射级的尺寸通过所使用的空间光调制装置的各个水平像素间距或竖直像素间距、所使用的光的波长以及通过空间光调制装置与虚拟可见区域之间的距离来确定。虚拟可见区域由二维虚拟观察者窗口形成。三维(3D)场景的物点的子全息图还具有通常在空间光调制装置上包含多个像素的水平扩展和竖直扩展。子全息图将光聚焦在水平方向和竖直方向上以使物点被重建。虚拟可见区域和子全息图都可以具有例如矩形形状，但是在通常情况下也可以具有其他形状，例如圆形或六边形形状。

通过比较，在将全息图或子全息图单视差编码到空间光调制装置中的情况下，生成的虚拟观察者窗口的扩展仅在一个维度或方向(其在下文中被称为全息图或子全息图的编码方向)上受衍射级的扩展的限制。子全息图在水平单视差编码的情况下通常占据单个像素行的一部分或者在空间光调制装置上的竖直单视差编码的情况下通常占据单个像素列的一部分，因此仅在一个维度或方向上具有通常包含多于一个的像素。在这种情况下，子全息图本质上对应于将光聚焦在一个方向上的柱面透镜。

换句话说，可以以这样的方式解释这种情况，即在单视差编码的情况下，虚拟观察者窗口仅在一个维度或方向(即全息图的编码方向)上存在，并且最佳观察范围(其也被称为最佳光斑，类似于立体显示器)在另一个维度或方向(即垂直于编码方向)上存在。因此，如果未参照全息图的编码方向，则在本文献中也使用术语“最佳光斑方向”。然后，虚拟观察者窗口和最佳光斑一起在观察者平面中形成虚拟可见区域，观察者位于观察者平面中以观察生成的场景。此外，虚拟可见区域的这种名称和含义在根据本发明的以下公开内容中使用。

全息图或子全息图的全视差编码在所有方向或空间方向上均等地需要足够的相干光，所述光必须由光源发射。相比之下，单视差编码只有至少在全息图的编码方向上需要足够的相干光。在最佳光斑方向上，即全息图的非编码方向上，光的相干性可以小于在全息图的编码方向上的光的相干性。

光的相干性例如可以通过空间光调制装置的照射的角谱来设定。可以例如通过使用狭缝形光源来设置在全息图的编码方向上和在最佳光斑方向上的光的不同相干性。与狭缝形光源的长边方向相比，在狭缝形光源的窄边方向上产生不同的角谱和光的不同相干性。

例如，也可以通过扩散器来设置在编码方向上和在最佳光斑方向上的光的不同相干性，该扩散器例如设置在光源和虚拟可见区域之间，或者在光传播方向上在空间光调制装置的上游或下游，并且其在全息图的编码方向上和在最佳光斑方向上具有不同的散射特性，特别是在编码方向上具有非常窄的散射角且在最佳光斑方向上具有宽的散射角。这种类型的扩散器也被称为一维(1D)扩散器。扩散器例如作为一种产品而存在，该产品在一个方向上具有40°的散射角且在垂直于该方向的方向上具有1°的散射角。

然而，在单视差编码的情况下，也可以可选地使用在全息图的编码方向上和在最佳光斑方向上均等相干的照射，其中虚拟观察者窗口的扩展是在编码方向上的一个衍射级的最大值，并且最佳光斑的扩展可以是在最佳光斑方向上的多个衍射级。

水平单视差编码或竖直单视差编码通常是已知的。单视差编码通常可以与空间光调制装置的矩形像素结合使用，和/或可以与空间光调制装置上左眼/右眼的具有以条带形式设置的滤色器的空间色彩复用和/或空间复用结合使用。虚拟观察者窗口的尺寸与像素间距的倒数成比例。因此，在没有滤色器但具有矩形像素的显示器的情况下，在像素的长边方向上(即，在较大的间距方向上)会比在像素的短边方向上(即，在较小间距的方向上)不利地产生更小的虚拟观察者窗口。因此，在不具有滤色器的显示器中，在具有矩形像素的单视差编码的情况下，通常将较小像素间距的方向用作全息图的编码方向。

在具有空间色彩复用的显示器中，全息图可以针对不同的色彩(通常是红色、绿色、蓝色)以交错的形式被写入。在用具有一个色彩的光源(例如用红色激光)照射的情况下，其他色彩(例如绿色和蓝色)的滤色器阻挡光。对于此光源，其他滤色器以与阻挡光的黑色区域相似的方式起作用。因此，对于一种色彩的光，色彩像素以与在垂直于滤色器条带的方向上具有较小孔径的像素相同的方式起作用。对于虚拟观察者窗口不利地是，在该方向上的较小孔径将导致在更高衍射级上的更多光。在这种情况下，确定虚拟观察者窗口尺寸的垂直于滤色器条带的间距是到具有相同滤色器的最近像素的间距。

例如，平行于滤色器条带的方向将被用作全息图的编码方向，因为通常在该方向上存在较大的像素孔径，并且在所需的衍射级中存在更多的光。相反地，垂直于滤色器条带的方向可以有利地使用，因为较小的像素孔径导致在较高衍射级中的更多光，因为多个衍射级也可以用于最佳光斑。用于生成最佳光斑的附加散射元件可以可能地被省去。

这同样适用于观察者的左眼和右眼的空间复用。在此，垂直于观察者的两只眼睛的复用条带，对于同一只眼睛以及可能对于相同色彩，到最近像素的像素间距将确定虚拟观察者窗口的尺寸。复用条带在垂直于条带的方向上再次有效地充当较小的孔径。通常将选择与复用条带平行的编码方向。

这些示例表明了单视差编码通常是与空间光调制器或色彩或空间复用布置的特定参数结合的固定选择。

在观察者的眼睛位置改变或移动的情况下，使用虚拟可见区域的全息显示装置或显示器通常需要追踪虚拟可见区域。

通常使用检测系统(眼定位器)检测眼睛位置。如例如在WO 2010/149587 A2中所公开的，光学元件(例如用于光偏转的衍射元件)还可以用于将虚拟可见区域移动或追踪到新检测到的眼睛位置。

在现有技术中已经公开了用于结合虚拟可见区域到跟随眼睛运动的观察者眼睛的新位置的粗追踪和精追踪的解决方案。使用不同光学元件的结合，其中一个光学元件以粗略或大步长在宽角度范围内将虚拟可见区域追踪到新检测到的眼睛位置，这被称为粗追踪。然而，第二光学元件以精确或小步长在窄角度范围内将虚拟可见区域追踪到新检测到的眼睛位置，这被称为精追踪。然而，在某种程度上，使用两个不同的常规光学元件来将虚拟可见区域追踪到观察者平面中的不同位置可能是麻烦的。

特定类型的全息显示装置或显示器(例如全息头戴式显示器(HMD))仅需要较小眼-追踪区域。例如，HMD可以类似于眼镜或护目镜固定地附接到观察者的头部，以使整个装置随头部移动而移动。在这种情况下，不需要单独追踪，或者特别是不需要粗追踪。仅当观察者眼睛的瞳孔的位置在眼睛内大体上改变或移动或者以其他方式移出虚拟可见区域时，才需要追踪虚拟可见区域。在此，使用常规光学元件来追踪虚拟可见区域也将相当麻烦，因为这尤其会增加HMD的总体积和重量，这在附接到观察者的头部的装置的情况下尤其不利。此外，这可能不利地影响光效率和能量消耗，这在移动(通常是电池操作的)装置的情况下尤其不利。

例如，WO 2018/037077 A2描述了凭借通过棱镜功能进行编码以进行精追踪而在较小区域上移动虚拟观察者窗口的可能性。然而，由于通常朝向较高衍射级减小的重建强度，因此这只能在少数量的衍射级上完成。衍射级越小，特别是通过棱镜功能的编码的可能移动的面积也越小。

原则上也可以以这样的方式选择虚拟可见区域，即其扩展小于观察者眼睛的瞳孔的扩展。例如，这可以通过生成小于观察者眼睛的瞳孔扩展的衍射级、通过选择空间光调制装置的像素间距，观察者距离和光的波长、以及通过使用滤除其他衍射级以使仅有单个衍射级可以到达观察者的瞳孔的滤光器装置来完成。

如果虚拟可见区域的大小例如是大约1mm，因为衍射级仅约为1mm的尺寸，则少数量衍射级内移动的可能区域通过编码例如棱镜功能被限制为略小于约例如±1mm至2mm。例如在头戴式显示器中，这不足以覆盖眼睛内可能的瞳孔运动的范围。

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方式在较小区域中实施虚拟可见区域的精追踪或追踪。

特别地，一种解决方案旨在被提供用于近眼全息显示装置，例如全息头戴式显示器，其生成较小的虚拟可见区域，特别是小于观察者眼睛的瞳孔的虚拟可见区域，以便实现在眼瞳在眼睛内的运动的情况下对虚拟可见区域的追踪。

此外，本发明的目的是提供一种用于精追踪虚拟可见区域的相应方法。

根据本发明，该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于用作近眼显示器，并且在此特别适合于用作头戴式显示器，但是该使用并不旨在限制于这些显示器或显示装置。该显示装置还可以例如用作未来的平视显示器，其具有比迄今常规可用的平视显示器更大的视场，或者用作直视显示器，在其中可以执行虚拟可见区域的粗追踪以及精追踪。

然而，本发明旨在仅涉及虚拟可见区域的精追踪，并且在这方面提供解决方案。根据本发明，虚拟可见区域的精追踪旨在被理解为是指在每种情况下在水平和/或竖直方向上的在几毫米的小范围(例如，达到约25mm的范围)内扩展的追踪。

根据本发明的用于表示二维和/或三维物体或场景的这种类型的显示装置(其特别是被设计为全息显示装置)包含发出足够相干的光的至少一个照射装置、用于调制入射光的至少一个空间光调制装置、至少一个光学系统和追踪装置。全息图通过单视差编码被编码到至少一个空间光调制装置中。提供至少一个光学系统以在观察者的眼睛的位置处生成至少一个虚拟可见区域。要表示的场景的物点的全息图的编码方向通过追踪装置可在空间光调制装置上改变。追踪装置可以特别地被提供用于将至少一个虚拟可见区域精追踪到观察者眼睛的改变位置。

全息图表示所有子全息图的总和，其中子全息图被分配给要表示的场景的每个物点。在全息图的编码方向上的变化意味着对于各个子全息图而言编码方向也改变。

由于在至少一个空间光调制装置上全息图的编码方向上的改变，因此至少一个虚拟可见区域可以根据观察者眼睛的瞳孔的新位置特别有利地移动到不同位置。全息图通过单视差编码被编码到至少一个空间光调制装置中，即，它然后由一维子全息图加在一起。因此，可以通过在从至少一个空间光调制装置上的原始中心点开始的不同方向上旋转一维子全息图来实现全息图的不同编码方向。这意味着对于精追踪而言改变全息图的编码方向，并且由于全息图的旋转，因此至少一个虚拟可见区域也可以被移动，即旋转，使得至少一个虚拟可见区域在眼瞳移动时相应地对其进行追踪或始终与之重叠，以使场景的观察者可以始终以相应的高分辨率观察所述场景。

因此，在空间光调制装置上全息图的编码方向上的变化意味着调整全息图计算，以使子全息图可以在像素行的一部分或像素列的一部分或沿空间光调制装置的对角线设置的像素编码并且然后可以加在一起以形成全息图。根据所选择的全息图的编码方向，对于相同表示的场景(优选是三维场景)，全息图计算因此会改变。

根据本发明的这种追踪设备特别适合于至少一个虚拟可见区域的精追踪，即仅直接适用于眼瞳或眼睛的小运动，例如，在使用头戴式显示器的情况下可能发生的运动。对于观察者自身也移动到不同位置的运动(例如，与直视显示装置结合)，至少一个虚拟可见区域的这种大追踪仅仅通过粗追踪来实现，其中根据本发明，此后精追踪可以用于相对于眼睛区域准确定位至少一个虚拟可见区域。

粗追踪将例如以大约水平和竖直25mm的步长改变虚拟可见区域的位置。然而，精追踪将在大约水平25mm×竖直25mm的区域内使用。然而，本发明不旨在限于该数值示例。

以这种方式，可以提供不比例如根据WO 2010/149587 A2的衍射装置复杂的追踪装置。因此，头戴式显示器可以被设计为在结构上更紧凑并且更便宜。

本发明的其他有利实施例和改进可以在其他从属权利要求中找到。

至少一个虚拟可见区域可以有利地由虚拟观察者窗口和最佳光斑形成，其中虚拟观察者窗口在全息图的编码方向上提供，并且最佳光斑在全息图的非编码方向上提供。

在单视差编码的情况下，至少一个虚拟可见区域由在全息图的编码方向上生成的虚拟观察者窗口和在非编码方向上(即在最佳光斑方向上)生成的最佳光斑形成。在最佳光斑方向上，光被分布在比观察者的眼睛距离更窄的扩展的最佳光斑上。此外，最佳光斑的扩展大于虚拟观察者窗口在编码方向上的扩展。

在本发明的一个特别有利的实施例中，可以提供的是，全息图的编码方向可在至少两个方向之间变化。

四个可能的编码方向可以优选地使用，例如，相对于全息图被编码到其中的空间光调制装置的像素行或像素列看，水平、竖直、对角线+45度或对角线135度，以便将至少一个虚拟可见区域调整或追踪到眼睛或眼瞳的新位置。然而，本发明不旨在限于全息图的这四个提及的编码方向。此外，除了这四个编码方向之外，不同的编码方向(例如对角线30度)显然也是可能的。此外，本发明也不旨在限于至少一个空间光调制装置的矩形像素，所述像素能够以行和列的形式设置。例如，像素也可以是六边形的，并且六个不同的编码方向可以平行于六边形的侧边形成。

在本发明的另外有利的实施例中，可以提供的是，提供至少一个位置检测系统，场景的观察者的眼睛(特别是眼瞳)的位置可利用该位置检测系统确定。此外，眼瞳的尺寸可以可选地检测。

为了确定在至少一个空间光调制装置上的全息图的合适的编码方向，利用位置检测系统来检测观察者的眼睛位置。可以基于检测到的眼睛位置来确定要被编码的全息图的编码方向，以使所生成的至少一个虚拟可见区域也与观察者的眼睛重合。为此目的，可以从不同的编码方向(例如，水平、竖直、对角线，其中另外的方向不旨在排除在外)为观察者的各自眼睛位置选择其中至少一个虚拟可见区域最佳或最合适地与眼睛或眼瞳重叠的编码方向。

在一个优选的实施例中，可以使用空间光调制装置，其在水平方向上和在竖直方向上具有相似或相同的像素间距。在一个优选的实施例中，如果使用由空间光调制装置的多个像素组成的宏像素来表示场景的物点的复数值，则空间光调制装置在水平方向上和在竖直方向上可以具有相同的宏像素间距。

虚拟观察者窗口的尺寸或扩展以及观察者所在的观察者平面中的最佳光斑的尺寸或扩展都可以随空间光调制装置上全息图的设置编码方向而可选地改变。在上述空间光调制装置的实施例中，其中在水平方向上的像素间距和在竖直方向上的像素间距相同或至少相似，例如使用二次像素的全息图的对角线编码方向产生这样的结果：对角线方向上的像素间距比在水平方向上或在竖直方向上的像素间距大√2倍(2的平方根)，并且因此在观察者平面中生成的衍射级的扩展在对角线方向上类似地不用于在水平方向上或在竖直方向上的衍射级。然后可能合适的是，选择与水平或竖直生成的虚拟观察者窗口相比也不同的对角线生成的虚拟观察者窗口。例如由于追踪区域的扩展，因此在观察者平面中的最佳光斑的情况下，应用不同的尺寸要求。例如，如果用于精追踪的水平追踪区域(或在头戴式显示器的情况下整体上看)要旨在大于竖直追踪区域，则水平最佳光斑的扩展也可以适当地选择为大于竖直最佳光斑的扩展。例如，可以通过使用的衍射级或通过散射元件的散射角来设置最佳光斑的尺寸。

在本发明的一个特别优选的实施例中，可以提供的是，追踪装置包含至少一个可控光学元件，该可控光学元件设置在至少一个照射装置与场景的观察者所处的观察者平面之间。

对于全息图的编码方向的变化，追踪装置可以包含在可以包含至少一个光源的至少一个照射装置与观察者平面之间的光束路径中的至少一个可控或可切换光学元件，以便在变化的方向上生成最佳光斑或虚拟观察者窗口。至少一个可控光学元件可以在光传播方向上设置在空间光调制装置的上游或下游。至少一个可控光学元件可以被设计为仅在一个方向上散射入射光的散射元件。以这种方式，可以在该限定的方向或散射方向上生成最佳光斑。

在本发明的不同的有利实施例中，追踪装置的至少一个可控光学元件可以被设计为偏振开关，其中追踪装置包含至少一个无源偏转光栅元件(优选是偏振光栅元件)以及仅在一个方向上散射入射光的至少两个无源散射元件，其中无源偏转光栅元件和至少两个无源散射元件与偏振开关结合操作。

至少一个可控光学元件可以被设计为偏振开关，例如非像素化的液晶单元或液晶层，其与至少两个无源散射元件结合工作、起作用或操作。借助于其偏转角可以偏振选择的方式控制的偏转光栅元件(例如偏振光栅元件)以及通过电场可控制并根据切换状态生成光的偏振态并因此在偏转光栅元件中选择偏转角的偏振开关，可以选择其中一个散射元件以便相应地散射入射光。偏振开关可以设置在显示装置中在光传播方向上在该偏转光栅元件的上游。然后在每种情况下，散射元件在观察者平面中在散射方向上生成最佳光斑。为此目的，还提供一维设计的散射元件。

至少两个无源散射元件可以被设计为体光栅，其中至少两个无源散射元件具有不同的角度选择性。

至少两个无源散射元件可以例如以体光栅的方式设计，该体光栅具有特定角度选择性并且因此有效地仅散射在特定角度范围内入射的光。因此，例如可以为各个散射元件设置不同的角度选择性。对于每个无源散射元件，其有效散射的入射光的方向与其他无源散射元件的方向不同。例如，可以精确地提供两个无源散射元件，其中其一个散射元件有效地散射以+30度入射的光，而另一个散射元件有效地散射以-30度入射的光。

在前述实施例中，至少两个无源散射元件可以可选地还具有不同的散射特性，例如可以生成不同的散射角。因此，然后还可以针对全息图的各个编码方向不同地设置最佳光斑的尺寸。

在一种替代的实施例中，追踪装置可以包含至少一个可控光学元件，该可控光学元件被设计为偏振开关，其中追踪装置可以包含至少一个重定向元件(优选是偏振分束器元件)和在每个情况下仅在一个方向上散射入射光的至少两个无源散射元件，其中至少两个不同光路中的一个可通过可控光学元件和重定向元件选择，并且在每种情况下在每个不同的光路中提供散射元件。换句话说，至少两个无源散射元件设置在光束路径中的不同路径中和这些光路中的一个中，并且因此可以通过重定向元件结合偏振开关来选择散射元件中的一个。

例如，通过偏振开关设定入射在偏振分束器元件上的光的偏振。根据偏振态，光从偏振分束器元件笔直发射或以90度偏转。竖直散射的散射元件例如被设置为靠近偏振分束器元件的一个输出，而水平散射的散射元件被设置为靠近偏振分束器元件的不同输出。根据通过偏振开关设置的偏振，光到达一个散射元件或另一个散射元件。在进一步的过程中，光路可以借助于组合器(例如，分离器立方体)进行组合，以使来自两个散射元件的光被进一步指引朝向观察者平面。

然后在每种情况下，散射元件在观察者平面中在散射方向上生成最佳光斑。在此也提供一维设计的散射元件。在此也可以可选地使用具有不同散射角的散射元件，以便例如针对光的不同散射方向生成不同大小的最佳光斑。

在本发明的另外的实施例中，可以有利地提供的是，追踪装置包含被设计为旋转的无源散射元件。

追踪装置也可以仅包含单个无源散射元件，该单个无源散射元件被设计为一维的并且机械地旋转以便改变入射光的散射方向。这意味着该无源散射元件将从开始位置旋转到最终位置，以用于从全息图的一个编码方向到全息图的不同编码方向的改变或切换过程。当到达该最终位置时，在SLM上显示全息图期间，无源散射元件将保持在其最终位置。

可以有利地利用单个无源散射元件设置多个编码方向，例如对应于无源散射元件的不同旋转角度(例如四个不同旋转角度)的四个不同编码方向。

然而，在该实施例中，对于所有编码方向，散射角以及因此的最佳光斑的尺寸是相同的。

此外，可以有利地提供的是，追踪装置包含至少两个可控光学元件。

至少两个可控光学元件也可以用于改变全息图的编码方向。这些至少两个可控光学元件可以被设计为散射元件，其在每种情况下仅在一个方向上，实际上在每种情况下在不同方向上散射入射光。第一散射元件可以例如在大约竖直20°×水平1°的方向上散射。然后，第二散射元件可以例如在大约竖直1°×水平20°的方向上散射。通过在一个散射元件和另一个散射元件之间的控制或切换，全息图的编码方向因此可以在空间光调制装置上旋转90°，其中相应大小的最佳光斑可以垂直于全息图的编码方向生成。

换句话说，第一可控光学元件可以有利地在预定的第一方向上散射入射光，其中第二可控光学元件可以在预定的第二方向上散射光，其中第一方向和第二方向是不同的。全息图或子全息图的编码方向因此可以有利地可通过对第一可控光学元件和第二可控光学元件的相应控制来限定。因此，在至少两个可控光学元件中，将在每种情况下激活或控制一个以在期望的方向上散射光，其中另一个可控光学元件将被停用或不被控制，以使它们不散射光。可控光学元件可以相应地被设计为使得它们可选地还生成不同大小的散射角，以便例如根据全息图的编码方向不同地限定最佳光斑的尺寸。

此外，可以提供的是，至少一个可控光学元件包含两个基板，在两个基板之间嵌入液晶层。至少一个可控光学元件的这两个基板中的至少一个可以优选地具有表面结构。

两个基板被接合在一起以产生可控光学元件，其中两个基板之间的空间填充有液晶层。可控光学元件的仅一个基板优选地具有表面结构，其中另一个基板可以被设计为平坦的。至少一个基板的表面结构可以特别是一维统计表面结构，其可以被压入形成基板的一部分的聚合物层中。在这种情况下，“统计表面结构”是指表面轮廓没有规则的重复图案，但是在预定的限制内具有随机波动，如下面详细描述的。可以通过选择表面结构(即其宽度、高度和统计分布)来预定可控光学元件的散射特性。可以例如类似于表面浮雕光栅或闪耀光栅来设计表面结构，然而，与常规光栅元件相比，光栅周期和/或闪耀角度可以随基板上的位置随意地变化，以使不会产生规则的衍射级，而是相反地在预定的角度范围内散射光。换句话说，表面结构可以具有随基板上的位置随意地变化的光栅周期。

然后可以例如通过预定最小和最大光栅周期，并且类似地通过预定不同光栅周期的频率和/或闪耀角度的范围和分布来设置光散射角。可以计算出表面轮廓，并且然后可以针对具有这些预定的表面结构，例如通过计算机使用随机数发生器，以光刻方式生成母版。然后可以从该母版创建印象。该表面结构通常也可以是不规则的高度轮廓，其宽度和高度随可控光学元件的至少一个基板上的位置而随意地变化。

在本发明的另外的有利的实施例中，可以提供的是，至少一个可控光学元件的基板在每种情况下包含电极系，其中各个电极系包含至少一个电极。至少一个电极可以被设计为例如平面的，即未被像素化的。

可以有利地提供与具有表面结构的基板相对的基板，以用于使液晶在液晶层中对准。至少一个可控光学元件的该基板可以被设计为平坦的或平面的，并且可以用于使液晶在液晶层中对准。这可以例如通过摩擦或光控取向来完成。

液晶层的液晶材料可以进一步具有第一折射率和第二折射率，其中第一折射率本质上对应于表面结构的折射率，其中第二折射率本质上不同于表面结构的折射率。

液晶层的双折射液晶材料可以具有第一折射率，例如普通折射率，该第一折射率本质上与表面结构的折射率相同。液晶材料的普通折射率或第一折射率以及至少一个可控光学元件的表面结构的折射率例如均为n＝1.5。双折射液晶材料可以进一步具有第二折射率，例如非常折射率，该第二折射率不同于至少一个可控光学元件的表面结构的折射率。液晶材料的非常折射率或第二折射率例如为n＝1.7，其中表面结构的折射率为n＝1.5。

如果存在多个可控光学元件，其中至少一个基板具有一维表面结构，则可以有利地提供的是，这些可控光学元件以这样的方式设置在光路中，即设置在至少一个基板上的各个可控光学元件的一维表面结构在每种情况下相对于彼此具有不同的取向。

如果在光路中使用多个可控光学元件，即至少两个可控光学元件，则这些可控光学元件可以相对于彼此以这样的方式设置，即在各个可控光学元件的相应基板上的表面结构(优选统计表面结构)在每种情况下相对于彼此具有不同的取向。

两个可控光学元件的表面结构可以优选地相对于彼此以大约90°的角度设置。以此方式，各个可控光学元件的表面结构类似地优选地相对于彼此以90°设置。然而，当然也可能的是，特别是在多于两个可控光学元件的情况下，将各个可控光学元件相对于彼此以不同的角度(例如60°或45°)设置。例如，如果一个可控光学元件将被控制或者电压将被应用于它并且另一个可控光学元件将不被控制或者没有电压将被应用于它，则入射光将在第一方向上散射。相反地，如果一个可控光学元件将不被控制或没有电压将被应用于它，而另一个可控光学元件将被控制或电压将被应用于它，则入射光将在第二方向上散射。

各个可控光学元件的散射角相应地可以可选地设计为不同的，从而与最佳光斑的方向一起也可以不同地限定最佳光斑的尺寸。

可以在光传播方向上在至少一个可控光学元件的上游进一步提供至少一个偏振元件。

至少一个偏振元件可以被设计为偏振光栅元件，并且例如可以将入射的左旋圆偏振光偏转到正第一(+1st)衍射级并且将右旋圆偏振光偏转到负第一(-1st)衍射级。然而，这仅旨在表示不同的偏振光可以借助于至少一个偏振元件在不同的方向上偏转。

在本发明的一个特别的实施例中，可以提供的是，追踪装置被设计为滤波器装置，该滤波器装置设置为消除衍射级。

如已经说明的，本发明总体上不旨在限于使用散射元件或可控光学元件以用于改变全息图或子全息图的编码方向。相反地，也可以将追踪装置设计为滤波器装置，利用该滤波器装置可在至少一个空间光调制装置上改变全息图或子全息图的编码方向。为此目的，相干光可以在所有方向上(即在全息图或子全息图的编码方向和非编码方向上)均等地使用。在至少一个空间光调制装置和观察者平面之间的滤波器平面中，特别是在空间光调制装置的傅立叶平面中，为此目的可以滤除不想要的衍射级。在全息图或子全息图的编码方向上，只有单个衍射级的光应该到达观察者的眼睛，因为观察者将以其他方式看到重建场景的不想要的多重图像。优选三维场景的每个物点将针对各个衍射级在不同的位置处每个衍射级重建一次。然而，垂直于全息图或子全息图的编码方向，即在最佳光斑方向，不同的衍射级不会导致观察者的眼睛的干扰。在每种情况下，观察者将在各个衍射级中看到相同的重建场景。场景的物点将在此最佳光斑方向上在每个衍射级中在相同位置处生成。

一方面，使用多个衍射级有助于增加光到达观察者的眼瞳的区域。因此，也可以通过观察者平面中多个衍射级的光生成最佳光斑。

然后，例如，可以通过凭借在SLM的傅立叶平面中在与全息图或子全息图的编码方向相对应的一个方向上进行过滤来仅允许通过一个衍射级并且通过滤除其他生成的衍射级来生成最佳光斑和虚拟观察者窗口，其中多个衍射级在与最佳光斑方向相对应的垂直于其的方向上允许通过。如果该滤波器装置被设计为可控的，作为用于过滤衍射级的追踪装置，则例如可以从在水平方向上具有单个衍射级并且在竖直方向上具有多个衍射级的一个切换状态切换到在竖直方向上具有单个衍射级并且在水平方向上具有多个衍射级的另一切换状态。因此，如果滤波器装置被设计为可控的，则可以是有利的。在滤波器装置的其他切换状态中，例如也可以使用对角线衍射级，例如在+45°方向上的衍射级和在-45°方向上的多个衍射级，反之亦然。

滤波器装置的这种切换状态的改变或切换可以通过在滤波器平面中的孔径的机械旋转，或者在不同的实施例中，通过电可切换滤波器孔径来实现，该电可切换滤波器孔径可以在滤波器孔径的不同取向之间来回切换。

旋转滤波器孔径的设计仅允许在全息图的不同编码方向上设置大小相同的最佳光斑。

然而，利用电可控滤波器孔径，可以根据孔径设置在最佳光斑方向上对不同数量的衍射级进行过滤，以便因此根据全息图的编码方向来生成不同大小的最佳光斑。例如，在水平方向上的五个衍射级，但在竖直方向上的七个衍射级可以通过为水平最佳光斑和竖直最佳光斑选择滤波器平面中不同大小的孔径或开口来用于最佳光斑。

在本发明的不同的有利实施例中，可以提供的是，至少一个照射装置的至少一个光源被设计为追踪装置，其中至少一个光源被设计为可控的以便改变要发射的光的相干性特性。

在不同的实施例中，例如，光的相干性特性已经可以以这样的方式通过控制或切换至少一个照射装置的光源来改变，即在每种情况下高相干性用于生成虚拟观察者窗口或低相干性用于生成在不同的方向上存在的最佳光斑。在编码方向上的高相干性在此被理解为是指足够的以使从SLM上的子全息图内的不同像素发出的光相互干扰的相干性。在最佳光斑方向上的低相干性是指在最佳光斑方向上来自SLM相邻像素的光不必相互干扰。例如，在狭槽的长边方向和短边方向上具有不同相干性的狭槽形光源可以用于SLM的照射。由扩展的准单色光源生成的辐射场的复杂程度的相干性可以根据冯西泰-塞尼克(vanCittert-Zernike)定理以已知的方式计算。在SLM的照射中，这种狭槽形光源特别是可以在狭槽的短边方向和长边方向上生成不同的角谱。

SLM优选地以1/60°度(即，一弧分)或更小的角谱在全息图的编码方向上照射，因为这允许全息图重建，其分辨率匹配或超过人眼的分辨率。然而，在最佳光斑方向上，SLM可以用明显更大的角谱(例如1-2度的角谱)照射。狭槽形光源的长度和宽度及其距SLM的距离可以以这样的方式限定，即在SLM上生成这些角谱。例如，如果成像元件(例如透镜)位于光源和SLM之间，并且光源位于物体侧的成像元件的焦距内，则该光源被成像元件成像到无穷远。来自光源的一个点的光然后平行入射到SLM上。来自光源另一个点的光也平行入射(但以与第一点相比不同的角度)到SLM上。然后角谱通过光源的扩展和成像元件的焦距来确定。Tanα＝x/f，其中x是狭缝或狭槽的扩展，以及f是焦距。在焦距为100mm的成像元件的情况下，例如，光源的狭槽的短边方向将是29μm宽以便生成1/60度的角谱。狭槽的长边方向在长度上可以是3.5mm以便生成2度的角谱。

还必须考虑的是，在用于物体或场景的全息重建的显示装置中，其中生成从虚拟可见区域可见的SLM的放大图像，有效角谱随放大而减小。狭槽形光源的数值示例在此涉及从观察者的角度直接可见的未放大的SLM。对于以放大形式成像的SLM，光源可以与放大因子成比例地更大。例如，如果将SLM成像放大了10倍，则可以用1/6度×20度的角谱照射SLM，以使1/60度×2度的角谱被入射到生成的SLM的图像上。狭槽形光源也可以增大10倍。

在任何情况下，本发明都不旨在限于精确地具有该尺寸的狭槽形光源。数值标记仅表示示例并且用作说明。

如果旨在改变全息图或子全息图的编码方向，则单个狭槽形光源例如可以被控制并从狭槽的短边或长边方向的一个取向旋转到另一个取向。在不同的实施例中，也可以使用具有狭槽的长边方向上的不同取向的多个狭槽形光源，如果旨在要改变全息图的编码方向，则打开一个光源并且关闭另一个光源。

然而，也可以借助于可控光学元件来调整至少一个空间光调制装置的照射的相干性，以使在每种情况下在全息图的编码方向上存在高相干性并且在最佳光斑的方向上存在降低或低相干性。例如，一维设计的散射元件将减小散射方向上的相干性。

根据本发明的显示装置可以优选地被设计为全息显示装置。该显示装置特别是可以被设计为头戴式显示器，其中该头戴式显示器具有分别用于观察者的左眼和用于观察者的右眼的根据本发明的显示装置。

根据本发明的目的进一步通过一种如权利要求28所述的用于表示二维和/或三维场景的方法来实现。

根据本发明的用于表示二维和/或三维场景的方法包含用于发出足够相干的光的至少一个照射装置、至少一个空间光调制装置、至少一个光学系统、追踪装置和位置检测系统。该位置检测系统确定观察者的眼睛的位置。利用至少一个光学系统和追踪装置确定对于至少一个空间光调制装置上的场景的物点的全息图的合适的编码方向。全息图表示所有子全息图的总和，其中将全息图被分配给要表示的场景的每个物点。在全息图的编码方向上的变化意味着对于各个子全息图而言编码方向也变化。

全息图通过单视差编码在确定的编码方向上被编码到至少一个空间光调制装置中。至少一个空间光调制装置被至少一个照射装置照射，并且全息图通过至少一个光学系统重建。在观察者的眼睛的位置处生成至少一个虚拟可见区域。

以此方式，通过改变将被编码到至少一个空间光调制装置中的全息图的编码方向，生成的虚拟可见区域可以以合适的方式、以简单的方式并且以低成本追踪观察者的眼睛。

对于要编码的全息图，可以有利地选择虚拟可见区域具有与观察者的眼瞳重叠的最大比例区域的编码方向。

在每种情况下，选择在观察者的眼瞳内提供虚拟可见区域的最大比例区域的编码方向。如果对于具有与眼瞳重叠的相等大的比例的区域的合适的编码方向出现多种可能性，则可以选择这些编码方向中的一个。

可以提供的是，观察者的眼睛位置和特别是眼瞳的位置及可能的大小以及在观察者的眼睛位置改变的情况下的新眼睛位置可以通过位置检测系统来确定，虚拟可见区域围绕其固定中心点旋转，以便为要编码的全息图选择合适的编码方向，并且虚拟可见区域具有与观察者的眼睛的瞳孔区域重叠的最大比例区域的方向被确定。

虚拟可见区域的中心点不改变以便限定全息图的合适的编码方向，但是始终保持在一个相同的位置。这意味着虚拟可见区域不会移动到不同位置以便将虚拟可见区域追踪到眼睛(特别是眼瞳)的新位置，但是始终与其中心点保持在相同位置并且仅绕其中心点旋转。此外，这意味着至少一个空间光调制装置上的全息图也围绕其中心点旋转，并从中选择合适的编码方向，因为全息图是通过单视差编码来编码。这是基于以下事实，即通过虚拟观察者窗口从虚拟可见区域通过要重构的场景的物点到至少一个空间光调制装置上的投影来确定要为要生成的物点编码的子全息图或全息图，如图1所示。

现在对于以有利的方式设计本发明的教导和/或对于将所描述的示例实施例或配置彼此组合存在各种可能性。为此目的，一方面，可以参照从属于独立专利权利要求的专利权利要求，并且另一方面，可以参照以下参照附图对本发明的优选示例实施例的说明，其中教导的实施例通常也被说明。本发明基于所描述的示例实施例概要地进行说明，但是并不旨在限于此。

在附图中示出了：

图1：以透视图的根据本发明的全息显示装置的示意图；

图2：根据现有技术的相对于观察者的眼睛区域的虚拟可见区域的示意图；

图3：根据本发明的用于追踪虚拟可见区域的实施例的示意图；

图4：用于确定全息图的合适编码方向的示意图；

图5：根据本发明的显示装置的示意图，其中全息图的编码方向可通过该显示装置改变；

图6：具有图5的替代追踪装置的根据本发明的全息显示装置的示意图；

图7：具有图5和6的另外替代追踪装置的根据本发明的全息显示装置的示意图；

图8：在图示a)至e)中在空间光调制装置上具有不同编码方向的子全息图的示意图；

图9：在图示a)至d)中在空间光调制装置上具有进一步不同编码方向的子全息图的示意图；以及

图10：根据本发明的追踪装置的可控光学元件的设计的示意图。

应当简要提及的是，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以透视图示出了全息显示装置，并且简化了全息显示装置，没有表示照射装置和光学系统。这样的显示装置旨在用来说明和解释本发明，并且因此将再次简要描述。在该显示装置中，相对于空间光调制装置，针对不同深度的场景的多个物点而言，子全息图被生成作为虚拟观察者窗口VW在观察者平面中通过各个物点到空间光调制装置SLM上的投影，观察者位于观察者平面中并且该观察者平面在此旨在通过具有瞳孔P的眼睛的表示来表示，该空间光调制装置SLM将在下文中简称为SLM。可以看出，子全息图在SLM上的位置取决于物点相对于虚拟观察器窗口VW的位置。子全息图的尺寸、扩展或大小还取决于编码物点的z-位置，其中z是物点与SLM之间的距离。在大多数情况下，子全息图的重叠会发生。

位于远离观察者的眼睛的入瞳的距离处(即例如位于靠近SLM平面，或者在头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)的情况下靠近SLM的虚拟平面)的物点具有在尺寸或扩展方面小的子全息图。例如，在全息图的一维(1D)编码(也被称为单视差编码)的情况下，小的子全息图可以具有10个像素的横向扩展，在全息图的二维(2D)编码(也被称为全视差编码)的情况下，具有10×10个像素的横向扩展。

对于场景(优选是三维场景)的全息重建，子全息图与虚拟可见区域结合使用，在全息图的单视差编码的情况下，该虚拟可见区域由在全息图的编码方向上的虚拟观察者窗口和在全息图的非编码方向上的最佳光斑形成，或者在全息图的全视差编码的情况下，由观察者可以通过其观察重建场景的二维虚拟观察者窗口形成。

例如，根据图1的投影方法可以用于计算和生成全息图。

在投影方法中，观察者平面中的虚拟可见区域的轮廓通过物点投影到SLM上，并且在SLM上生成子全息图。换句话说，子全息图的轮廓通过虚拟可见区域的轮廓的投影在SLM上形成或生成。旨在重建物点的相位函数然后被编码在子全息图中。在最简单的设计中，子全息图中的幅度函数(或简称为幅度)对于子全息图的所有像素设置为相同的值，并且以这样的方式被选择，即子全息图以预定强度重建物点。观察者平面中的虚拟可见区域的尺寸被限制为所得到的衍射图像的一个衍射级。由于虚拟可见区域被限制为一个衍射级，因此其他衍射级在虚拟可见区域中对于观察者是不可见的。

因此，生成重建从虚拟可见区域可见的二维和/或三维场景的全息图。

对于具有SLM真实或虚拟图像的头戴式显示器(HMD)、平视显示器(HUD)或投影显示器而言，此处使用的术语“SLM”旨在表示从虚拟可见区域可见的SLM的图像。

在投影方法中，在最简单的设计中，子全息图的幅度在子全息图的扩展内是恒定的。然而，也可以提供这样的设计，其中该幅度可在子全息图的扩展内改变。这可以例如通过乘以像素透射的傅立叶变换的倒数来实现，以便在虚拟可见区域中获得更均匀的亮度分布。

可以借助于根据图1的显示装置生成的在观察者平面中的虚拟观察者窗口可以具有小于观察者的眼瞳或者可选地大于或等于眼瞳的扩展。然而，虚拟观察者窗口通常不应大于约10mm或最多大约15mm，否则必须对SLM的像素间距和像素数施加严格要求。

然而，在生成虚拟观察者窗口的相同SLM的情况下，即在SLM的特定或限定的像素间距和特定的像素数的情况下，可以在观察者平面中生成最佳光斑，该最佳光斑的在扩展方面可以比虚拟观察者窗口明显更大。例如，最佳光斑也可以具有大约20mm或更多的扩展。观察者的眼睛距离构成最佳光斑在直视显示中的扩展的限制。因此，用于一只眼睛的最佳光斑的光应当阻止冲击观察者的相邻眼睛。因为观察者的两只眼睛水平地彼此相邻，因此这本质上仅与最佳光斑的水平扩展有关。因此，竖直生成的最佳光斑也可以被选择例如为具有大于眼睛距离的扩展。对于头戴式显示器，有利地选择最佳光斑的扩展的尺寸，以使最佳光斑的区域可以覆盖瞳孔在眼睛内的运动的典型范围。

本发明现在将基于作为根据本发明的显示装置的全息头戴式显示器(HMD)的示例在示例实施例中参照图3至10来进行说明。由申请人先前实施的虚拟可见区域的追踪将参照图2进行说明以提供对本发明的更清楚的理解。

在申请人的头戴式显示器中，其中各个全息图或子全息图通过单视差编码被编码到用于场景的各个物点的SLM中，只有大约1mm的非常小的虚拟观察者窗口和大约10mm的最佳光斑被主要地使用，一起在观察者平面中形成虚拟可见区域。总体上，这然后产生具有在两个方向上大体上不同的边缘长度或扩展的矩形虚拟可见区域，其中二维或三维场景的重建对观察者的眼瞳是可见的。

图2示出了根据现有技术的由虚拟观察者窗口VW和最佳光斑SS形成的虚拟可见区域。这种虚拟可见区域在全息图到SLM中的单视差编码中生成，其中编码的全息图或子全息图具有固定的编码方向，在此在这种情况下是竖直编码方向。扩展小的虚拟观察者窗口VW由此在竖直方向上产生。在图2中，虚拟观察者窗口VW的扩展小于观察者的眼睛的瞳孔P的尺寸。可以看出，具有明显大于虚拟观察者窗口VW的扩展的扩展的最佳光斑SS在此在水平方向上生成。

在图2的图示a)中，在虚拟可见区域的中心区域中示出了观察者的眼睛的瞳孔P的位置。这意味着，眼睛的瞳孔P在每种情况下位于虚拟观察者窗口VW的中心区域中以及最佳光斑SS的中心区域中。在瞳孔P相对于虚拟可见区域的该位置中，观察者的眼睛可以感知并且观察重建场景，优选是三维场景。

图2中的图示b)示出了观察者的眼睛的瞳孔P相对于虚拟可见区域的中心(特别是相对于此处在水平方向上存在的最佳光斑SS的中心)水平移动的情况。然而，眼睛的瞳孔P仍然位于虚拟可见区域的最佳光斑SS内。同样在这种情况下，优选的三维场景的重建可被观察者的眼睛可见并且观察。

在图2的图示c)中，与图示b)相比，示出了这样的情况，除了水平运动之外，观察者的眼睛的瞳孔P也相对于虚拟可见区域的中心在竖直方向上运动。可以看出，眼睛的瞳孔P现在位于虚拟可见区域之外，即虚拟可见区域和眼睛的瞳孔P不再彼此覆盖或重叠。观察者现在不再能观察重建场景。在根据现有技术的常规显示装置中，虚拟可见区域现在必须通过合适的光学装置(例如，衍射装置)移动，并且必须被追踪到眼睛的瞳孔P的新位置。以这种方式移动到眼睛的瞳孔P的新位置的虚拟可见区域由图示c)中的虚线表示。

与图2相比，图3示出了在观察者的眼睛所处的观察者平面中生成的虚拟可见区域，其中虚拟观察者窗口的方向和最佳光斑的方向可以根据本发明来改变。在此同样地，全息图或子全息图再次通过单视差编码被编码到SLM中。因此，结果是，可以改变SLM上全息图或子全息图的编码方向。如结合图2所述，这样的虚拟可见区域通过将全息图单视差编码到SLM中来生成，其中编码的全息图或子全息图具有固定的编码方向，在此，在这种情况下是竖直编码方向。结果是，在竖直方向上生成其扩展小的虚拟观察者窗口VW。在此同样地，在图3中，为了简单起见并且为了保留图2的示例，虚拟观察者窗口VW的扩展小于观察者的眼睛的瞳孔P的尺寸。可以看出，在扩展上明显大于虚拟观察者窗口VW的扩展的最佳光斑在此在水平方向上生成。

在图3的图示a)中，示出了使用全息图或子全息图的竖直编码方向的观察者的眼睛的瞳孔P的位置。借助于位置检测系统确定观察者的眼睛以及特别是眼瞳相对于SLM的位置，以便确定要被编码到SLM中的全息图的合适的编码方向。然后借助于例如在图5中更详细地示出的显示装置的光学系统和追踪装置来确定全息图的合适的编码方向，由此全息图通过使用模拟的单视差编码被编码到SLM中，并且虚拟可见区域以模拟形式生成。然后确定虚拟可见区域是否覆盖观察者的眼瞳。如果是，则还可以验证模拟的虚拟可见区域在全息图的该编码方向上是否具有与观察者的眼睛的瞳孔重叠的最大比例区域。类似地，如果是，则现在可以在该确定的编码方向上将全息图编码到SLM中，并且可以通过使用照射装置和光学系统对SLM进行照射来重建物点，以使观察者可以通过真正生成的虚拟可见区域观察所述物点。

如果在观察物点或场景时眼睛或眼睛的瞳孔移动，则虚拟可见区域必须追踪瞳孔，以使观察者可以继续观察所表示的物点或所表示的场景。在图3的图示b)中示出了虚拟可见区域的追踪。与图示a)相比，眼睛的瞳孔P的改变位置在此处示出。眼睛或瞳孔P已竖直地移动，以使来自图示a)中的虚拟可见区域不再覆盖瞳孔P。现在通过虚拟可见区域围绕其中心点M旋转来将虚拟可见区域追踪到眼睛的瞳孔的新位置。因此，类似地改变SLM上的全息图的编码方向。

全息图的编码方向因此再次通过模拟(即通过以模拟形式生成的虚拟可见区域围绕其中心点M旋转)来确定。适当地选择其中虚拟可见区域的最大比例区域与眼睛的瞳孔覆盖或重叠的全息图的编码方向。如果合适地选择全息图的编码方向，则可以利用该选择和确定的编码方向将全息图编码到SLM中。以此方式，现在在观察者平面中生成虚拟可见区域，该虚拟可见区域覆盖眼睛的瞳孔的新位置。通过虚拟可见区域的旋转并因此通过编码方向的旋转，虚拟观察者窗口和最佳光斑再次部分地位于瞳孔内，以使观察者可以无干扰地观察重建场景。

与图2相比，在根据图3的虚拟可见区域的追踪期间，甚至在将虚拟可见区域追踪到眼睛或眼睛的瞳孔的新位置之后，由虚拟观察者窗口和最佳光斑形成的虚拟可见区域的矩形区域的中心点M保持在相同的位置。因此，虚拟可见区域的中心点M在追踪过程中不会移动。

取决于所需的瞳孔位置的范围，不必以任何给定的小步长选择虚拟可见区域的旋转角度，并且因此也不必选择编码方向的旋转角度，因为在所述观察者移动到不同位置的情况下在观察者移动期间，例如如果将显示装置用作头戴式显示器，则瞳孔不能在较大区域内移动，例如对于直视显示器，情况就是如此。还没有为观察者的大移动提供用于追踪虚拟可见区域在全息图的编码方向上的变化，而是相反地特别有利地适合于虚拟可见区域的精追踪，如例如在头戴式显示器的情况下可以使用的。因为眼睛的瞳孔只能在有限的区域内移动，因此少量的旋转角度设置将是足够的，例如四个旋转角度，例如，水平(0°)、竖直(90°)和两个对角线旋转角度设置(+45°和-45°)。

图4示意性地呈现了一种布置，其示出了在不同的旋转角度设置下的虚拟可见区域，该虚拟可见区域具有大约1mm的扩展的虚拟观察者窗口和大约10mm的扩展的最佳光斑。在此以四个可能的旋转角度设置示出了虚拟可见区域，即，其中全息图的编码方向位于水平方向(B)上、竖直方向(D)上和两个对角线方向(A和C)上。选择具有虚拟观察者窗口VW和最佳光斑SS与眼睛的瞳孔P的重叠的最大比例区域的旋转角度，以便为要被编码到SLM中的全息图选择和确定合适的编码方向。如果在确定用于全息图的合适的编码方向期间出现具有虚拟可见区域与眼睛的瞳孔P的重叠的相等的大区域的多个可能的编码方向，则可以选择并使用这些编码方向中的一个。

在图4中，眼睛的瞳孔P的中心或中心点相对于水平线L或虚拟可见区域的中心点M以大约22.5°的角度设置。可以看出，竖直编码方向(D)和对角线编码方向(-45°；C)具有与眼睛的瞳孔P重叠的相同区域，以使在利用这两个编码方向将全息图或子全息图编码到在重建物点或场景的表示中的SLM中的情况下，相同数量的光通过瞳孔P进入观察者的眼睛。因此，可以为要被编码到SLM中的全息图或子全息图选择这两个编码方向中的一个。

原则上，通过一维全息图的旋转的在全息图的编码方向上的变化还可以与通过全息图或子全息图中的棱镜项的编码的虚拟观察者窗口在编码方向上的移动相结合，如WO2018/037077A2所公开的，其公开内容旨在在此以其整体并入。如果将线性相位函数(即棱镜功能)添加到全息图的相位，则虚拟观察者窗口通过衍射级的片段来移动。相邻像素之间具有π的差的线性相位函数会例如导致虚拟观察者窗口移动一半(1/2)衍射级，或者总体上2π/x的差会导致1/x位移的衍射级。然而，由于全息图中的相位函数，各个衍射级的亮度分布不会被虚拟观察者窗的这种移动改变。观察者通常看到优选是三维场景的正确重建，但是如果观察者从中心衍射级移到更高的衍射级，则所述场景的亮度降低。由于该亮度限制，通过棱镜项的编码的虚拟观察者窗口的移动通常仅适用于几个衍射级的小区域。

如果虚拟观察者窗口的大小小于眼瞳，还应通过在光学系统中过滤具有虚拟观察者窗口的中间图像的衍射级来确保只有来自一个衍射级扩展的光到达眼睛。例如，如果虚拟观察者窗口未移动，则过滤将仅允许来自零级衍射级的光通过眼睛。例如，如果虚拟观察者窗口通过棱镜功能移动一半衍射级，则过滤应该允许通过零级衍射级的一半和第一级衍射级的一半，以便该光可以到达眼睛。这意味着滤波器孔径应该根据例如机械使用或通过电子控制使用的棱镜功设计为可移动的。结合本发明的所有实施例，滤波器孔径的这种使用是可能的。在实施例中，如果在傅立叶平面中在任何情况下都使用可旋转的滤波器孔径来设置或修改全息图的编码方向，则可以通过将相同的滤波器孔径设计为可旋转和可移动来以最简单的方式进行组合。

然而，如果虚拟观察者窗口的尺寸大于观察者的眼睛的瞳孔，则过滤不是绝对必要的，因为这样即使没有过滤，也可以保证只有来自一个衍射级的扩展的光到达眼睛。然而，图4中所示的示例实施例涉及虚拟观察者窗口，该虚拟观察者窗口的尺寸小于眼瞳。大约1mm大的虚拟观察器窗口与大约10mm大的最佳光斑可以在全息图的编码方向上仍然移动±1st衍射级，即±1nm，以便覆盖大约3mm×10mm的可能区域。

因此，除了全息图或子全息图的编码方向的旋转之外，虚拟可见区域还会发生小范围的小移动，例如正/负一衍射级，以便更好地冲击或覆盖或重叠眼睛的瞳孔。因此，在选择提供与眼睛的瞳孔P的最佳重叠的全息图的编码方向时，也可以考虑编码方向的旋转和小移动的组合。

在此，如在前面所述的也仅与编码方向的旋转有关的情况中，各个眼睛位置的编码方向的分配可以在每种情况下重新计算或者可以针对所有相关的眼睛位置提前预先计算一次并且可以例如以查找表的形式存储。在后者情况下，根据位置检测系统检测到的眼瞳的位置，因此将选择针对该位置存储在查找表中的全息图的编码方向。如有必要，可以附加地通过类似存储在查找表中的棱镜项来实施虚拟观察者窗口的移动。

图5示出了显示装置，特别是全息显示装置。该显示装置包含追踪装置4，通过该追踪装置4可以修改全息图的编码方向。

如果该散射元件设置为靠近SLM或在SLM的中间图像平面中，则可以通过散射元件在观察者平面中生成最佳光斑。

应该考虑的是，在生成从虚拟可见区域可见的SLM的放大图像的用于全息重建物体或场景的显示装置中，散射元件类似地以放大形式成像并且有效散射角度随着放大而减小。在对SLM进行成像放大20倍的情况下，具有大约20°×1°的散射角的散射元件生成例如大约1°×1/20°的有效散射角。如果在距虚拟可见区域1m的距离处生成SLM的图像，则会例如在观察者平面中以大约17mm的扩展生成最佳光斑，其中根据公式tan 1°*1000mm，有效散射角为1°。

在该示例中，由于在编码方向上的1/20°的角度，优选是三维场景的分辨率类似地在编码方向上被限制为20像素/度，并且因此次于眼睛的最大可见分辨率。然而，数值再次仅表示示例。也可以使用具有20度×0.3度的散射角的散射元件。

为了根据图3和4提供虚拟可见区域到眼睛的瞳孔的新位置的追踪，例如，被设计为散射元件的多个可控光学元件可以用于修改全息图或子全息图的编码方向，并且因此也可以修改最佳光斑方向。第一可控光学元件散射光，例如，大约竖直20°×水平1°，其中第二可控光学元件散射光大约竖直1°×水平20°。通过控制一个可控光学元件并且然后控制另一个可控光学元件，全息图或子全息图的编码方向可以旋转90°，并且在每种情况下可以垂直于编码方向生成相应的大的最佳光斑。

该布置可以可选地扩展如下：第三可控光学元件将散射光，例如，在对角地+45度方向上大约1°和在对角地-45°方向上大约20°。第四可控光学元件将散射光，例如，在对角地-45度方向上大约1°和在对角地+45°方向上大约20°。在这种情况下，在可控光学元件中的一个的情况下，可以通过控制从四个编码方向中进行选择。

然而，还可以在追踪装置中提供至少两个无源散射元件以用于将虚拟可见区域追踪到观察者的眼睛的瞳孔的新位置。可以借助于追踪装置的至少一个可控光学元件来为光散射选择这至少两个无源散射元件。

至少两个无源散射元件可以例如设计为体光栅，并且为此目的可以具有特定的角度选择性。在这种情况下，可以为被设计为体光栅的各个散射元件设置不同的角度选择性。

可以提供偏转光栅元件和可控光学元件以便为光散射选择或提供至少两个无源散射元件中的一个。偏转光栅元件具有例如为了偏振选择目的可控或可切换偏转角。偏转光栅元件可以是例如偏振光栅元件，其对于左圆或右圆偏振入射光，使该光偏转到+1st或-1st衍射级，其中每个衍射级对应于不同的偏转角。可控光学元件可以被设计为偏振开关，例如可以通过电场来控制的LC(液晶)层。以偏振开关形式的可控光学元件根据偏振开关的切换状态生成光的限定的偏振态，例如在一种切换状态为左旋圆偏振光和在另一种切换状态为右旋圆偏振光。以此方式，因此可以在偏转光栅元件中选择偏转角，并且可以基于散射元件的角度选择性来选择追踪装置的无源散射元件中的一个。

图5中示出了具有这种追踪装置的显示装置。该显示装置包含具有至少一个光源的照射装置1、SLM 2、光学系统3和追踪装置4，其中在显示装置中的其他光学元件或装置是可能的，但是对于解释本发明而言是不必要的。全息图或子全息图旨在通过单视差编码在SLM中编码，以便为观察者重建或表示场景。SLM由照射装置1用足够的相干光照射。包含例如至少一个成像元件(例如透镜元件)的光学系统3设置在SLM 2和观察者平面5之间。光学系统3在光束路径中的布置以这样的方式提供，即在没有追踪装置4的情况下，它将在非编码方向(即最佳光斑方向)上将照射装置1的光成像到观察者平面5中。光学系统3另外生成从观察者平面5可见的SLM 2的放大虚拟图像(此处未显示)。

追踪装置4包含在光传播方向上设置在SLM 2的下游的两个无源一维散射元件6和7。第一散射元件6在竖直方向上生成20°的散射角，并且在水平方向上生成1°的散射角。第二散射元件7在此在竖直方向上生成1°的散射角并且水平方向上生成20°的散射角。两个无源一维散射元件可以在此被设计为体光栅，并具有体光栅的典型的受限角度接受度。两个无源一维散射元件的角度接受范围彼此不同，以使可以根据限定的光入射角选择无源一维散射元件6或7，入射光然后相应地通过散射元件被散射。

追踪装置4还包含在此以偏振光栅元件的形式的偏转光栅元件8，其设置在无源一维散射元件6和SLM 2之间。偏转光栅元件8使以限定的方式偏振的光相应地偏转。偏转光栅元件8将例如使入射的左旋圆偏振光偏转到+1st衍射级，并且使入射的右旋圆偏振光偏转到-1st衍射级。由此特定的一维散射元件6或7可以被选择，并且光可以被引导到其上，所述光然后被相应地散射。

追踪装置4还包含可控光学元件9，该可控光学元件在此被设计为偏振开关。可控光学元件9在显示装置的光路中设置在偏转光栅元件8和SLM 2之间。可以控制以偏振开关的形式的可控光学元件9，以便生成光的限定的偏振态。可控光学元件9根据其切换状态来生成例如左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。因此，借助于可控光学元件9进行选择以确定偏转光栅元件8是将光偏转到+1st衍射级还是-1st衍射级。无源一维散射元件6和7以这样的方式被设计为体光栅，即偏转光栅元件8的+1st衍射级的偏转角落在无源一维散射元件6或7中的一个的角度接受范围内。偏转光栅元件8的-1st偏转级的偏转角落在另一个无源一维散射元件6或7的角度接受范围内。

借助于可控光学元件9或偏振开关的切换状态以及借助于偏转光栅元件8，因此选择在每种情况下散射入射光的两个无源一维散射元件6或7中的一个，而另一个无源一维未选择散射元件6或7具有以超出其接受范围的角度通过它的光，因此该光不会被散射。

图5在图示a)中示出了在可控光学元件9的第一控制状态或切换状态下对无源一维散射元件6的控制或选择，其中在图示b)中示出了在可控光学元件9的第二控制状态或切换状态下对无源一维散射元件6的控制或选择。为了通过单视差编码以合适的编码方向将全息图或子全息图编码到SLM 2中，需要提前对虚拟可见区域的生成进行模拟以便确定将被编码的全息图的合适的编码方向。然后在此执行如图示a)和b)中所示的过程，并且虚拟可见区域具有与观察者的眼睛或眼睛的瞳孔重叠的最大区域的方向通过根据图3和4的虚拟可见区域围绕其中心点借助于追踪装置4来确定。由此确定全息图或子全息图随后被编码到SLM 2中的编码方向，以便即使眼睛或眼睛的瞳孔移动到其他位置，观察者也可以无干扰地观察所表示的物点或场景。

在图5中的图示a)中，可控光学元件9被设置为第一控制状态，以便模拟虚拟可见区域并且因此确定合适的编码方向，结果是首先在光方向上的无源一维散射元件6被选择用于光散射。在这种情况下，在观察者平面5中生成虚拟可见区域，其中在所表示的图5的绘图平面中产生所生成的虚拟观察者窗口VW，并且垂直于绘图平面产生最佳光斑SS。

在图5的图示b)中，可控光学元件9被设置为第二控制状态，结果是跟随第一无源二维散射元件7的第二无源一维散射元件7被选择用于光散射。在这种情况下，在观察者平面5中生成虚拟可见区域，其中现在垂直于图5的绘图平面生成所生成的虚拟观察者窗口VW，并且现在在绘图平面中生成最佳光斑SS。以这种方式，虚拟观察者窗口VW和观察者平面5中的最佳光斑SS的方向因此可以通过围绕它们的中心点的旋转而修改，从而全息图的编码方向因此也由于虚拟观察者窗口到SLM 2上的投影而改变，以便确定全息图或子全息图的尺寸或扩展。

通过在追踪装置4中使用另一可控光学元件、另一偏转光栅元件和另外两个无源一维散射元件，可以将该布置扩展到全息图或子全息图的编码方向的四个角度设置方向，即水平、竖直和两个对角线角度设置。然后，根据第一可控光学元件9的控制状态，第一可控光学元件9和第一偏转光栅元件8生成两个可能的偏转角。然后，第二可控光学元件可以例如以这样的方式设置光的偏振，即其光栅周期不同于第一偏转光栅元件8的光栅周期的第二偏转光栅元件相应地偏转到+1st衍射级或-1st衍射级。这产生总共四个可能的偏转角，第一偏转光栅元件的+1st衍射级或-1st衍射级与第二偏转光栅元件的+1st衍射级或-1st衍射级的组合。四个无源一维散射元件可以在每种情况下被设计为体光栅，其具有四个不同的角度接受范围，这些角度接受范围在每种情况下对应于可控光学元件和偏转光栅元件的布置的四个偏转角中的一个。

如果要被编码的全息图需要编码方向的其他角度方向，则可以在追踪装置中提供这种类型的其他光学元件。

追踪装置还可以具有至少一个重定向元件而不是偏转光栅元件，例如偏振分束器元件，以便通过改变光的偏振来选择光路中的不同路径，其中路径在每种情况下都具有一维无源散射元件。为此目的，各个路径中的散射元件应该不同地对准。例如，一个无源散射元件可以在偏振光束分束器元件的一个输出处在第一路径中在水平方向上散射光，其中另一个无源散射元件在偏振分束器元件的另一输出处在第二路径中在竖直方向上散射光。在这种情况下，散射元件不必被设计为角度选择性的。路径和无源散射元件的数量在此也可以借助于第二可控光学元件和第二偏振分束器元件扩展到四个。

代替偏转光栅元件、可控光学元件和两个无源散射元件，根据图5的显示装置的追踪装置4还可以例如仅包括单个无源散射元件，其被设计为机械地旋转以便修改入射光的散射方向。无源散射元件在此被设计为一维的。单个无源散射元件例如在20°的一个方向上和在1°的垂直于其的方向上散射，其中可以通过将无源散射元件例如从水平方向旋转到竖直方向或+45°或-45°的对角线方向来修改20°的方向。在该设计中有利地减少了所需的光学部件的数量，因为不需要偏转光栅元件并且也不需要可控光学元件。然而，相反地，需要用于散射元件的机械旋转的装置。

然而，原则上，本发明不限于使用特定类型的散射元件来改变散射方向。也可以考虑使用在其散射方向上可修改的单个可电子控制的一维散射元件。

在图6中示出了用于将虚拟可见区域追踪到观察者的眼睛或眼睛的瞳孔的新位置的另一示例实施例。在此示出的显示装置包括具有至少一个光源的照射装置10、SLM 20和光学系统30。照射装置10的光源在此被设计为狭缝形或狭槽形，并且以足够的相干光照射SLM 20。光学系统30包含成像元件，在此是两个成像元件31和32，其中未提供成像元件的特殊布置。例如，也可以仅提供一个单个成像元件，该单个成像元件在光传播方向上设置在SLM 20的上游或下游。供选择地，也可以提供多于两个的成像元件。

在此，SLM 20通过设置在照射装置10和SLM 20之间的成像元件31用光来照射。光被聚焦在观察者平面50中的虚拟可见区域上，其中光学系统30的另一成像元件32在光方向上被设置在SLM 20的下游。

图6中的图示a)示出了在绘图平面中的观察者平面50中虚拟观察者窗口VW的生成。照射装置10的光源在此以这样的方式移动或旋转，即狭缝形或狭槽形光源的窄边或短边照射SLM 20。为了说明的目的，在此以透视图示出了光源，以便其清楚地具有狭槽形形式。严格地说，光源的狭槽的长边将垂直于绘图平面，并且在侧视图中将不可见。由于光源在该光传播方向上的小扩展，在随后的成像元件31的下游生成非常小的角谱。用本质上平行的光照射SLM 20。除了由SLM 20的像素引起的衍射(然而未在此处显示并生成虚拟观察者窗口VW)之外，由在与被编码到SLM 20中的全息图的编码方向相对应的方向上在观察者平面50中的光源发射的光被再次聚焦在或多或少的点形区域上。

如图6的图示b)所示，照射装置10的光源被移动或旋转，以便将虚拟可见区域追踪到观察者的眼睛或眼睛的瞳孔的新的或不同的位置。光源以这样的方式移动或旋转，即狭缝形或狭槽形光源的长边现在照射SLM 20。现在从不同位置从光源发出的并且被示为连续的点划线或虚线的光以不同的角度冲击SLM 20，并且由此还通过成像元件32在观察者平面50中的不同位置处成像。因此，光在该方向上被散射。因此，由于使用照射装置10的狭缝形或狭槽形光源的长边来照射SLM 20，因此在观察者平面50中生成最佳光斑SS。

以这种方式，不管在SLM 20的像素上的衍射如何，在观察者平面50中在形成虚拟观察者窗口VW的短边方向上和在成最佳光斑SS的长边方向上生成狭缝形或狭槽形光源的狭缝形或狭槽形图像。

旋转照射装置10的狭缝形或狭槽形光源以便确定SLM 20上的全息图的合适的编码方向。然后可以将光源的狭缝或狭槽例如以这样的方式设置，即光源的长边相对于根据图4的水平线L在水平或竖直方向上，或以+45度或-45度的角度存在，并且光源的短边或窄边在每种情况下均垂直于该方向被提供。

在图7中示出了用于将虚拟可见区域追踪到观察者的眼睛或眼睛的瞳孔的新位置的另一示例实施例。显示装置的追踪装置在此被设计为滤波器装置。为此目的，显示装置包含具有至少一个光源的照射装置100、SLM 200、光学系统300和被设计为滤波器装置的追踪装置400。光学系统300包含至少一个成像元件，在此是三个成像元件301、302和303。SLM200通过照射装置100的光源和通过光学系统300的成像元件301来照射，以便在观察者平面500中生成虚拟可见区域。在光传播方向上SLM 200的下游的另一成像元件302将光聚焦到滤波器平面440中，其中光源的中间图像或SLM 200的傅立叶变换被生成。因此，该滤波器平面440也可以被称为光源图像的中间图像平面或SLM 200的傅立叶平面。在光方向上设置在滤波器平面440的下游的成像元件303然后将该中间图像平面或傅立叶平面440成像到观察者平面500中，由此生成由虚拟观察者窗口VW和最佳光斑SS形成的虚拟可见区域。在滤波器平面440中示意性地绘制了由于SLM 200的像素结构而产生并且由虚线示出的衍射级。追踪装置400包含相应地滤出入射光的孔径或光阑401。这意味着允许特定的所需衍射级通过，并且其他衍射级通过滤波器平面440中的孔径401滤出。

为了说明的目的，在该图中以透视图示出了衍射级的位置和滤波器孔径401的取向。严格地说，水平衍射级以及滤波器孔径401的长边方向位于垂直于在图7的图示a)中绘图的横截面平面。

在图7的图示a)中，追踪装置400的孔径401以这样的方式设置在显示装置中，即其在竖直方向上仅允许通过一个衍射级，但是在水平方向上允许多个衍射级通过。以这种方式在竖直方向上生成虚拟观察者窗口VW。以这种方式设置的孔径401可以用于要被编码到SLM 200中的全息图或子全息图的竖直编码方向。

在图7的图示b)中，滤波器平面440中的孔径401现在以这样的方式设置在显示装置中，即孔径401现在在水平方向上仅允许通过一个衍射级，并且在竖直方向上允许通过多个衍射级。因此在竖直方向上生成最佳光斑SS。以这种方式设置的孔径可以用于SLM 200上的全息图或子全息图的水平编码方向。

通常不必在最佳光斑方向上使用全部数量的衍射级，而是相反地孔径401的大小也可以包含衍射级的片段。孔径401可以例如具有4.4个衍射级的大小。孔径401在全息图或子全息图的编码方向上应该具有一个衍射级的最大尺寸。然而，孔径401的大小也可以小于一个衍射级。此外，孔径401的中心不必与衍射级的中心一致，而是也可以相对于其偏移。孔径401也可以被构造成使得它另外滤出伪影，例如零级光斑。在最简单的情况下，追踪装置400的孔径401可以是可机械旋转的孔径光阑。孔径401例如也可以被设计为电可控的孔径，其例如基于液晶(LCD)并且根据切换状态吸收或透射光。

如已经描述的，通过在全息图中对棱镜功能或棱镜项进行编码，在本发明的特定实施例中，也可以将全息图的编码方向的旋转与虚拟观察者窗口的小移动相结合。如果使用孔径，则可以有利地通过将孔径不仅设计为可旋转，而且还设计为在小区域上可移动(例如在编码方向上移动正/负一个衍射级)来实现。因此，在图7的图示a)中，孔径401将另外在竖直方向上移动。在图7的图示b)中，孔径401在每种情况下将在水平方向上另外移动以改进虚拟可见区域(即虚拟观察者窗口和最佳光斑)与眼睛的瞳孔的重叠。

在图8中示出了SLM的像素矩阵。如可以看出，在这种情况下，SLM具有正方形像素。在图8的图示a)中，仅示出了这种类型的一个SLM，其中图示b)至e)示出了具有不同编码方向的子全息图，该子全息图根据本发明可以提供以便将虚拟可见区域追踪到眼睛或眼睛的瞳孔新位置。图示b)示出了具有竖直编码方向的子全息图，其中该子全息图由灰色阴影像素表示。图示c)显示了具有水平编码方向的子全息图。图示d)示出了具有对角线编码方向(在此在-45度方向上)的子全息图。图示e)类似地显示了具有对角线编码方向的子全息图，但此处的子全息图的编码方向为+45度。在每种情况下，优选是三维场景的全息图将通过加总各个物点的子全息图来计算，其中所有子全息图具有相同的编码方向。

图9示出了可以在显示装置中提供的用于追踪虚拟可见区域的SLM的替代设计。在此，SLM现在具有带有矩形像素的像素矩阵。图9中的图示a)仅示出了具有矩形像素的这种类型的SLM，其中图示b)至d)示出了具有不同编码方向的子全息图，该子全息图可以根据本发明提供以便将虚拟可见区域追踪到眼睛或眼睛的瞳孔的新位置。图示b)示出了子全息图的编码方向，其中像素在每种情况下相对于彼此对角地偏移。因此，矩形像素的纵横比产生与SLM的水平侧大约25度的角度。这表明本发明不旨在限于图8所示的编码方向的角度，即水平角度(0°)、竖直角度(90°)和对角线角度(+45°；-45°)，但在这种情况下也可以使用例如25°的编码方向。

图9中的图示c)和d)示出了也可以根据SLM的像素矩阵来内插全息图的编码方向。图示c)示出了50度编码方向的子全息图。这可以通过始终在SLM的像素矩阵中向上编码两个像素并且向右编码一个像素来实现。图示d)示出了大约12.5°的编码方向的子全息图。这通过始终在SLM上向右编码两个像素并且向上编码一个像素来实现。

在这种类型的布置中，多于四个的编码方向也可以用于SLM上的全息图，例如0°、90°、±12.5°、±25°和±50°的编码方向，因此，在这种情况下，八个编码方向，其中这些数值再次仅表示示例。在此，不同的可能的编码方向可以通过根据图5、6或7的追踪装置来实现，该追踪装置允许进行相应的角度设置。这意味着，在以散射元件的形式的至少一个光学元件的情况下或者在至少一个无源散射元件的情况下或者在滤波器装置作为追踪装置的情况下或者在至少一个光源作为追踪装置的情况下，例如根据图9中的图示b)是25°的编码方向的角度应该可设置，以使可以使用根据图5、6或7的特定追踪装置。前述角度旨在仅仅作为示例并且用于解释。

在使用散射元件的情况下的光的散射方向或者在使用狭槽形光源的情况下的狭槽形光源的长边或者在使用孔径的情况下的孔径的长边在显示装置的滤波平面中在每种情况下对应于最佳光斑方向。滤波器平面中的狭槽形光源的非散射方向或短边或孔径的短边对应于编码方向。

相反地，子全息图在编码方向上具有多个像素的扩展，但是通常仅具有垂直于编码方向的一个像素的扩展。因此，子全息图的长边指向编码方向，并且子全息图的短边指向垂直于编码方向。

换句话说，光的散射方向、光源的长边或滤波器孔径的长边在每种情况下位于垂直于子全息图的长边。

根据图10，现在描述追踪装置的可控光学元件的设计，其例如可以包含根据图5的显示装置。然而，本发明并不旨在限于以这种方式设计的可控光学元件。追踪装置的可控光学元件因此也可以具有保证可控性或可切换性的不同设计。

可控光学元件70包含两个基板71和72。两个基板71和72接合在一起，其中在两个基板71和72之间存在空间，该空间填充有具有液晶LC的液晶层73，或者液晶层73被嵌入在该空间中。至少一个基板(在此是基板71)还具有表面结构74。液晶材料是双折射的并且具有第一折射率，例如普通折射率，该第一折射率与表面结构74的折射率本质上相同。液晶LC和表面结构74两者都具有n＝1.5的折射率。双折射液晶LC还具有第二折射率，例如非常折射率，其不同于表面结构74的折射率。液晶LC例如具有n＝1.7的非常折射率，而表面结构74的折射率为n＝1.5。

表面结构74在此特别是是一维统计表面结构，其例如被压印到应用到基板71上的聚合物层中。优选仅一个基板具有表面结构74，其中另一个基板被设计为平坦的。在此，这意味着基板71具有表面结构74并且基板72被设计为平坦的或平面的。由于其平坦的设计，基板72用于液晶LC在液晶层73中的对准。这意味着液晶LC在该基板72上定向。例如，液晶LC相应地通过摩擦或光控取向来对准。

可控光学元件70的光散射特性通过表面结构74的选择来预定，即表面结构74的宽度、高度、统计分布。例如，可以将表面结构74设计成类似于表面浮雕光栅或闪耀光栅，然而，与常规光栅元件相比，光栅周期和/或闪耀角度可以随基板71上的位置随意地变化，因此不会产生规则的衍射级，但是相反地光在预定的角度范围内被散射。然后可以例如在一定范围内(即在最小和最大光栅周期内，以及在不同光栅周期的频率内和/或在闪耀角度的范围和分布内)设置散射角。表面结构74也可以是不规则的高度轮廓，其宽度和高度随基板71上的位置随意地变化。

此外，两个基板71和72各自包括含电极系75和76。基板71具有电极系75，该电极系75具有至少一个电极。基板72具有电极系76，该电极系76类似地具有至少一个电极。电极系75和76的电极可以被设计为平面的，即非像素化的。在这种情况下，电极系75的至少一个电极设置在统计表面结构74的后侧(即，在表面结构74和基板71之间)，以便生成均匀的场分布。

通过在光传播方向上在可控光学元件70的上游的显示装置中使用偏振元件，或者借助于例如在光路中已经预先偏振的光，例如使用辐射偏振光的光源，在输入侧上偏振的光冲击可控光学元件70。液晶层73的液晶LC借助于基板70例如通过摩擦或光控取向以这样的方式定向，即，在可控光学元件70的控制状态下或在切换状态下当没有电场施加到电极系75和76时，不同于表面结构74的折射率的液晶LC的折射率对于入射光是有效的。在这种状态下，统计表面结构74是光学可见的。然后，表面结构74引起光的散射效应。这在图10中的图示a)中示出。

在可控光学元件70的不同控制状态或切换状态下，当将足够强的电场施加到电极系75和76时，对应于表面结构74的折射率的液晶LC的折射率起作用。这在图10中的图示b)中示出。由于表面结构74和液晶LC的折射率相同，因此在可控光学元件70的该控制状态下统计表面结构74在光学上是不可见的。表面结构74和液晶LC用作平面平行板。因此，在可控光学元件70的下游没有光被散射。

液晶LC的对准可以对应于例如ECB(电控双折射)模式。在施加电压在电极系75、76上被关断的情况下(即没有电场的情况下)，液晶分子在基板72的平面中定向，如图示a)所示。在施加电压被接通的情况下(即在电极系75、76的电极之间存在电场的情况下)，液晶分子垂直于基板72的平面被定向，如图示b)所示。然而，本发明并不旨在限于液晶分子的这种布置。液晶分子的其他定向也可以存在，例如VA(竖直对准)模式，其中，在没有施加电压的情况下，液晶分子垂直于基板72的平面定向，并且在施加电压的情况下(即在电极系75、76的电极之间存在电场的情况下)，液晶分子平行于基板72的平面定向。

如果在显示装置中的追踪装置中存在多个可控光学元件，则它们可以以这样的方式设置，即它们的统计表面结构在每种情况下具有不同的取向。例如，相同设计的可控光学元件可以相对于彼此旋转90度。例如，如果在光传播方向上电压然后被施加到SLM下游的第一可控光学元件并且没有电压被施加到跟随的第二可控光学元件，则入射光会在第一方向上散射。相反地，如果没有电压施加到第一可控光学元件，而是电压施加到第二可控光学元件，则入射光在不同于第一方向的第二方向上散射。

通常还可以通过多个可控光学元件(即至少两个可控光学元件)的组合，以在一维散射和二维散射之间切换或者在散射和非散射状态之间进行选择。

本发明不限于在此提出的示例实施例。最后，还应该非常明确地提及的是，上述示例实施例仅用于描述要求保护的教导，但是所述教导并不旨在限于示例实施例。

Claims (30)

1.一种用于表示二维和/或三维场景的显示装置，包含：

-至少一个照射装置，所述照射装置用于发出足够相干的光，

-至少一个空间光调制装置，全息图通过单视差编码被编码到所述空间光调制装置中，

-至少一个光学系统，其中所述至少一个光学系统设置为在观察者的眼睛位置处生成至少一个虚拟可见区域，以及

-追踪装置，其中在所述空间光调制装置上的所述全息图的编码方向可通过所述追踪装置来修改。

2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个虚拟可见区域由虚拟观察者窗口和最佳光斑形成，其中在所述全息图的所述编码方向上提供所述虚拟观察者窗口，并且在所述全息图的非编码方向上提供所述最佳光斑。

3.如权利要求1或2所述的显示装置，其特征在于，所述全息图的所述编码方向可在至少两个方向之间改变。

4.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，提供至少一个位置检测系统，场景的观察者的特别是眼瞳的眼睛的位置可通过所述位置检测系统来确定。

5.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述追踪装置包含至少一个可控光学元件，所述可控光学元件设置在所述至少一个照射装置与所述场景的观察者所处的观察者平面之间。

6.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个可控光学元件被设计为偏振开关，其中所述追踪装置包含优选地是偏振光栅元件的至少一个无源偏转光栅元件和仅在一个方向上散射入射光的至少两个无源散射元件，其中所述无源偏转光栅元件和所述至少两个无源散射元件与所述偏振开关结合操作。

7.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述至少两个无源散射元件被设计为体光栅，其中所述至少两个无源散射元件具有不同的角度选择性。

8.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个可控光学元件被设计为偏振开关，其中所述追踪装置包含优选地是偏振分束器元件的至少一个重定向元件和在每种情况下仅在一个方向上散射入射光的至少两个无源散射元件，其中至少两个不同的光路中的一个可通过所述可控光学元件和所述重定向元件来选择，并且散射元件在每种情况下在每个所述不同的光路中被提供。

9.如权利要求1至5中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述追踪装置包含被设计为旋转的无源散射元件。

10.如权利要求1至5中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述追踪装置包含至少两个可控光学元件。

11.如权利要求5或10所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个可控光学元件或所述至少两个可控光学元件被设计为散射元件，其中所述至少一个可控光学元件仅在一个方向上散射入射光，其中所述至少两个可控光学元件在每种情况下在不同的方向上散射入射光。

12.如权利要求10或11所述的显示装置，其特征在于，第一可控光学元件在预定的第一方向上散射入射光，其中第二可控光学元件在预定的第二方向上散射光，其中所述第一方向与所述第二方向不同。

13.如权利要求12所述的显示装置，其特征在于，所述全息图的所述编码方向可通过相应地控制所述第一可控光学元件和所述第二可控光学元件来确定。

14.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个可控光学元件包含两个基板，液晶层被嵌入在所述两个基板之间。

15.如权利要求14所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个可控光学元件的至少一个基板具有一维表面结构。

16.如权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述表面结构具有随着所述基板上的位置随意地变化的光栅周期。

17.如权利要求14至16中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个可控光学元件的所述基板在每种情况下包含电极系，其中各个所述电极系包含至少一个电极。

18.如权利要求15至17中任一项所述的显示装置，其特征在于，位于与具有所述表面结构的所述基板相对的所述基板被提供用于液晶在所述液晶层中的对准。

19.如权利要求15至18中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述液晶层的液晶材料具有第一折射率和第二折射率，其中所述第一折射率实质上对应于所述表面结构的折射率，其中所述第二折射率实质上不同于所述表面结构的所述折射率。

20.如权利要求15至19中任一项所述的显示装置，其特征在于，在存在其中至少一个基板具有一维表面结构的多个可控光学元件的情况下，这些可控光学元件以这样的方式设置在光束路径中，即设置在至少一个基板上的各个所述可控光学元件的所述一维表面结构在每种情况下相对于彼此具有不同的取向。

21.如权利要求20所述的显示装置，其特征在于，所述可控光学元件的所述表面结构以大约90°的角度相对于彼此设置。

22.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，在光传播方向上在所述至少一个可控光学元件的上游提供至少一个偏振元件。

23.如前述权利要求1至4中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述追踪装置被设计为滤波器装置，所述滤波器装置设置用于消除衍射级。

24.如权利要求23所述的显示装置，其特征在于，所述滤波器装置被设计为可控的。

25.如前述权利要求1至4中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述至少一个照射装置的至少一个光源被设计为追踪装置，其中所述至少一个光源被设计为可控的以便修改要被发射的光的相干性。

26.如前述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置被设计为全息显示装置。

27.一种头戴式显示器，包含分别用于观察者的左眼和用于观察者的右眼的如权利要求1至26中任一项所述的显示装置。

28.一种用于通过发出足够相干的光的至少一个照射装置、至少一个空间光调制装置、至少一个光学系统、追踪装置和位置检测系统来表示二维和/或三维场景的方法，包含：

-位置检测系统确定观察者眼睛的位置，

-在所述至少一个空间光调制装置上的全息图的合适编码方向可通过所述至少一个光学系统和所述追踪装置来确定。

-全息图通过单视差编码在确定的编码方向上被编码到所述至少一个空间光调制装置中，以及

-所述至少一个空间光调制装置通过所述至少一个照射装置来照射，并且所述全息图通过所述至少一个光学系统来重建，并且在所述观察者眼睛的所述位置处生成至少一个虚拟可见区域。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，为要被编码的所述全息图选择所述虚拟可见区域具有与所述观察者的眼瞳重叠的最大比例区域所在的所述编码方向。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，在所述观察者的眼睛位置改变的情况下，新的眼睛位置通过所述位置检测系统来确定，所述虚拟可见区域围绕其固定的中心点旋转以便为要被编码的所述全息图选择合适编码方向，并且确定所述虚拟可见区域具有与所述观察者的所述眼瞳的区域重叠的最大比例区域所在的方向。

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