CN101432789B - 显示器、仪表盘、光学系统和光学仪器 - Google Patents

显示器、仪表盘、光学系统和光学仪器 Download PDF

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Abstract

一种用于显示位于不同景深的图像的多景深显示器，包括用于显示全部图像的单一显示设备(61)。在所述显示设备(61)前，设置光学系统(62、63、64)。所述光学系统包括：隔开一定距离的第一和第二部分反射器(62、63)；以及偏振光学器件(64)，用于为所述显示设备(61)所显示的第一和第二图像或图像序列提供第一和第二光路。所述第一光路(65)包括：至少部分透过第一反射器(62)，至少部分被第二反射器(63)反射，至少部分被第一反射器(62)反射，以及至少部分透过第二反射器(65)到达视区。

Description

显示器、仪表盘、光学系统和光学仪器
技术领域
本发明涉及一种显示器。例如，这种显示器可用于提供景深印象或变景深印象。例如，这种显示器可用于包括计算机辅助设计、游戏和电视在内的信息显示应用，以及需要警告或其他消息突出于背景的应用。本发明还涉及一种包含这种显示器的仪表盘。本发明还涉及一种光学系统，以及包含这种光学系统的光学仪器。
背景技术
众所周知，诸如机动车和飞机等交通工具可以包含电子显示器，以提供比如用于替代分立机械或电子表盘的仪表组图像。然而，由于这种显示器无法产生位于相对于显示装置的不同景深位置的图像，因而通常它们提供的真实感十分有限。这种显示器除了真实感有限，其无法产生位于不同景深的图像的缺陷还降低了图像的可见性或可理解性。虽然立体和自动立体显示器已为人们所知，并且能够使人产生三维图像的印象，然而这种显示器无法产生真实景深的印象，无法正确再现聚焦信息。此外，这种显示器的观察位置的自由度可能十分有限，因而可能导致用户感到困惑甚至眼睛疲劳和头疼。
附图中的图1示出了在US4,736,214中公开的一种显示器，用于显示具有不同景深的背景和前景图像。该显示器包括投影机1，用于投影投影胶片2(由被分为若干帧，每一帧均提供背景图像3以及前景图像4)所承载的图像。投影机1将每一帧的图像同时投射在光学系统上，所述光学系统包括：背投屏幕5、镜6和7、以及部分透射镜8。背景和前景图像通过不同长度的光路进行投影，以便产生具有两个深度面的运动图像。虽然这种装置能够向观众9显示具有不同景深的图像，但由于其尺寸相对较大并且使用了相对比较昂贵的器材，因此应用范围十分有限。
附图中的图2示出了在WO9942889、WO03040820、WO04001488、WO04002143和WO0400822中公开的显示器。这种类型的显示器具有双屏结构，包括由空间光调制器11和12所覆盖的背光10。空间光调制器11和12用一对图像或图像序列对来自背光10的光进行调制，从而显示位于不同景深的图像或序列。然而，这种配置具有若干缺陷。例如，空间光调制器11和12可能具有同一规则图案的黑色覆盖物，这将导致莫尔条纹(Moiré fringe)的出现，需要额外的光学元件13以减少这种条纹的出现。此外，使用两个(或两个以上)的空间光调制器会导致较低的透光性，因此为了达到观看所需或所期望的图像亮度需要亮度极高的背光10。
这种配置是“削光性”的，因此比如为了使观察者能够看到第二调制器12中的视线范围内的像素，第一调制器11中的像素必须是“有光的”或透光的。因此，无法显示出黑暗背景下的浅色物体。此外，由于光线必须穿过两个有间隔的调制器11和12，在图像的边界处可能产生视差效应。
同使用单个空间光调制器的传统显示器相比，使用多个空间光调制器大大提高了这种显示器的成本。为了增加景深面的数量，必须增加空间光调制器的数量，这导致成本随景深面数量的增加而线性增加，感觉到的亮度随景深面数量的增加而降低。此外，这种配置需要对多个空间光调制器进行同步控制。
US 2,402,9626也公开了一种旨在用于赌博游戏装置的类似种类的多面板显示器。
EP 01059626和EP 0454423公开了一种多层显示器，这种多层显示器具有用于诸如手表或掌上游戏机等特定应用的固定电极图案。EP1265097公开了一种用于机动车仪表组的显示器，包括以带有图案的、用于显示特定交通工具功能的显示器覆盖的矩阵可寻址显示器。这种显示器具有同上述多面板显示器一样的缺陷，此外，仅能显示取决于电极图案的有限图像。
EP 1093008、JP 0226211、WO 0911255、JP 62235929和US 22105516公开了基于多层散射和无偏振片显示面板的立体显示器。这种显示器旨在相对于吸光面板提高显示图像的亮度。然而，这种显示器具有多种缺陷。例如，非散射状态可以产生暗态，使光线被传入外部环境。这种情况在诸如机动车显示器等许多应用中都是不希望看到的，在夜间驾驶时尤其如此。此外，这种多显示器相对比较昂贵。此外，这类显示器通常具有相对较慢的开关时间，不适用于较大的温度范围，例如可能存在于机动车环境下的温度范围。
附图中的图3示出了一种如同US 4333715、US 22163482和US4670744所公开的，已知类型的时序投影立体显示器。不同面板的图像由投影机15顺序显示，并被投射至多个投影屏16。投影屏16是有源的，并且与图像投影机15的投影同步每次启用一个投影屏，所述图像是要在投影屏位置上看到的图像。投影屏16在打开的情况下是反射或散射型的，在关闭时基本是透明的。然而由于这种显示器需要较大的体积，因此这种显示器用途有限。此外，由于这种显示器需要使投影屏的激活与由投影器投影的图像保持同步，因此十分不便。
2003东京汽车展上亮相的戴姆勒-克莱斯勒F500概念车实验模型公开了一种仪表组，该仪表组利用半镀银镜覆盖标准仪表组和液晶显示器(LCD)面板。然而，这种配置需要相当大的空间，以便容纳两个彼此必须成一定角度放置的显示器。此外，如上文所述，使用多显示器使这种系统相对比较昂贵。
附图中的图4至6示出了WO 09810584所公开的显示器。图4所示的显示器包括外壳20，外壳20中包含光束合成元件，后者采用了部分反射光学元件21的形式。外壳20具有：取景孔22以及显示设备23和24所位于的开孔，所述显示设备23和24分别用于显示前景和背景图像。从观察者到显示设备23和24的光路是不同的，因此显示设备23看似位于在其实际位置，而显示设备24看似位于显示设备23之后，从而提供了虚背景图像25。
附图中的图5所示的显示器包括单个显示设备30，该显示设备30被分为用于显示如31和32所示的交错的前景和背景图像的相对较大的区域。来自各前景元件31的光线穿过部分反射镜33和光学扩展元件34直接到达视区，而来自各背景元件32的光线被镜35和部分反射镜33反射，因而需要经过更长的光路才能到达视区。
附图中的图6示出了另一显示器，该显示器包括：投影机40以及转杆41，转杆41上安装着第一和第二投影屏42和43。投影机以与分别位于投影机前的投影屏42和43同步的方式投影第一和第二图像或图像序列。
图4所示的显示器的缺陷在于，由于使用了多个显示设备，因此占用相对较大的空间并且相对比较昂贵。图5所示的显示器的缺陷在于，显示设备30的交错部分相对较大，因此需要附加的扩展元件34以使图像填满整个显示区。由于元件34的光圈值(f-number)的缘故，这种元件的存在导致观察者的运动自由度有所下降。元件34需要精确地对准显示设备30的区域，这在制造过程中是十分不便的，并且增加了开销。显示设备的每个背景部分需要两个镜元件，这增加了尺寸和制造成本。元件34的任何像差都将导致当观察者相对于显示器移动时发生图像失真，即使对轴向观测进行了完美的补偿也无济于事。
附图中的图6所示的显示器占据了相对较大的体积，并且需要机械系统以提供不同的图像景深。此外，该显示器的不便之处在于，需要用于在机械组件的旋转位置和投影图像间提供同步的装置。
US 2005/0156813公开了一种如附图中的图7所示的显示器。该显示器包括LCD面板45，所述LCD面板45具有用于显示前景图像的部分46以及用于显示背景图像的部分47。面板45提供用两组图像调制的光线，所述两组图像具有附图中图7平面中的偏振方向。来自部分46的光线穿过反射偏振片48到达显示器的视区。
来自部分47的光线穿过延迟器49，延迟器使光的偏振方向改变90°，使其垂直于附图中图7的平面。结果光线由镜50反射至反射偏振片48，以便反射光能够再次被偏振片48反射至视区。
虽然这种显示器能够由单个LCD面板提供不同的图像景深，但为了形成两幅图像需要面板的各单独部分，因此，为了创建给定尺寸的多景深图像，需要大得多的显示面板。此外，镜50的存在极大地限制了显示器的视角。此外这还限制了像平面的方向，使像平面无法垂直于观察方向。
发明内容
根据本发明的第一方案，提供了一种光学系统，用于提供光路长度大于所述光学系统的物理长度的第一光路，所述光学系统包括隔开一定距离的第一和第二部分反射器，并为入射于第一反射器上的第一光线提供第一光路，所述第一光路包括：至少部分透过第一反射器到达第二反射器，至少部分被第二反射器反射到达第一反射器，至少部分被第一反射器反射到达第二反射器，以及至少部分透过第二反射器，所述光学系统被配置为，基本能够防止在被第一和第二反射器反射的过程中未被反射的第一光线从第二反射器出射，其中，第一次入射于第二部分反射器上的光线不离开所述光学系统。
这样做可以提供相对比较简单、制造成本相对较低的光学系统。该光学系统能够提供比光学系统物理长度更长的光路。这样的配置存在多种应用，包括在距离图像显示设备更远的显示器中提供图像，以及缩短光学仪器的长度。
所述光学系统可以被配置用于，在第一光线沿第一路径传播的过程中改变第一光线的偏振。所述光学系统可以被配置用于，在第一光线沿第一路径的从入射至第二反射器到被第一反射器反射间的部分传播的过程中改变第一光线的偏振。
所述光学系统可以被配置用于提供光路长度不同于第一光路的光路长度的第二光路。所述第二光路可以包括：至少部分透过第一反射器到达第二反射器，以及至少部分透过第二反射器。所述光学系统可以被配置为，基本能够防止未透过第二反射器的第二光线从第二反射器出射。所述光学系统可以在第一模式和第二模式间切换，在所述第一模式下第一光线沿第一光路传播，在所述第二模式下光线沿第二光路传播。
还可以提供一种光学系统，所述光学系统具有不同光路长度的两条光路，两条光路的不同光路长度中的至少一个不同于所述光学系统的物理长度。所述系统仍然相对比较紧凑，制造成本相对较低。当同直视显示设备一起使用时，可以提供一种直视显示器，该直视显示器含有多幅距观察者距离不同的图像，其中至少一幅图像从显示设备的物理位置开始沿深度方向发生位移。
所述第一和第二反射器可以基本是平面的。
所述第一和第二反射器可以是基本平行的。
所述第一和第二反射器可以分别包括：反射线偏振片和部分透射镜，并且所述光学系统可以包括：圆偏振片、设置于第一和第二反射器间的四分之一波片、以及设置于第一反射器和圆偏振片间的可切换二分之一波片，并且所述第二反射器设置在所述第一反射器和所述圆偏振片之间。
所述第一和第二反射器可以分别包括：部分透射镜、和至少一个反射圆偏振片。所述光学系统可以包括四分之一波片。所述光学系统可以包括可切换二分之一波片。所述第一和第二反射器可以包括反射偏振片，所述光学系统可以包括可切换方向性二分之一波片。
所述第一和第二反射器可以包括反射线偏振片，且所述光学系统可以包括：法拉第旋转器和可切换二分之一波片。
根据本发明第二方案，提供了一种包括根据本发明第一方案的系统的光学仪器。
所述仪器可以包括：具有光学倍率的至少一个折射、反射或衍射元件。举例而言，所述仪器可以包括：望远镜、单筒望远镜、双筒望远镜或摄像机。
根据本发明的第三方案，提供能够了一种显示器，包括：显示设备，用于以第一图像或图像序列调制第一光线；以及光学系统，被配置用于增加第一图像或序列位置的感知景深，所述光学系统包括隔开一定距离的第一和第二部分反射器，并为第一光线提供从所述显示设备到视区的第一光路，所述第一光路包括：至少部分透过第一反射器到达第二反射器、至少部分被第二反射器反射到达第一反射器，至少部分被第一反射器反射到达第二反射器，以及至少部分透过第二反射器到达视区。
所述光学系统可以被配置为，基本能够防止在被第一和第二反射器反射的过程中未被反射的第一光线传入视区。
所述光学系统可以被配置用于，在第一光线沿第一路径传播的过程中改变第一光线的偏振。所述光学系统可以被配置用于，在第一光线沿第一路径的从入射至第二反射器到被第一反射器反射间的部分传播的过程中改变第一光线的偏振。
所述显示设备可以被配置用于用第二图像或图像序列调制第二光线，并且所述光学系统可以被配置用于，提供从所述显示设备到视区的、光路长度不同于第一光路的光路长度的第二光路，从而提供与第一图像或序列位置的感知景深不同的第二图像或序列位置的感知景深。所述第二光路可以包括：至少部分透过第一反射器到达第二反射器，以及至少部分透过第二反射器到达视区。所述光学系统可以被配置为，基本能够防止未透过第二反射器的第二光线传入视区。
所述显示器可以在第一模式和第二模式间切换，以改变图像位置的感知景深，所述第一模式显示第一图像或序列，所述第二模式显示第二图像或序列。
所述显示器可以被配置用于同时或按时间顺序显示第一和第二图像或序列，使得看上去第一和第二图像或序列之一覆盖在第一和第二图像或序列中的另一图像或序列之上。所述显示器可以包括图像发生器，用于为所述另一图像或序列产生表示刻度的图像数据，并为所述图像或序列之一产生表示指针的图像数据。所述图像或序列之一的图像数据可以表示可见警告。
所述第一和第二反射器可以基本是平面的。
所述第一和第二反射器可以是基本平行的。所述第一和第二反射器可以基本平行于所述显示设备的显示表面。
所述显示设备可以是发光设备。
所述显示设备可以包括透射空间光调制器。所述调制器可以包括液晶设备。
所述第一和第二反射器可以基本覆盖所述显示设备的整个图像显示区。
所述第一和第二反射器分别包括：设置于所述显示设备和圆偏振片间的反射线偏振片和部分透射镜，并且所述光学系统包括：设置于第一和第二反射器间的四分之一波片、以及设置于第一反射器和圆偏振片间的可切换二分之一波片。
所述第一和第二反射器可以包括反射偏振片，所述光学系统可以包括可切换方向性二分之一波片。
所述第一和第二反射器可以包括反射线偏振片，所述光学系统可以包括：法拉第旋转器和可切换二分之一波片。
所述第一和第二反射器可以分别包括：部分透射镜和反射线偏振片，并且所述光学系统可以包括：设置于第一和第二反射器之间的四分之一波片、以及设置于第一反射器和所述显示设备间的带有图案的延迟器或偏振旋转器。
所述显示器可以包括用于所述显示设备的出射线偏振片或所述显示设备的出射线偏振片。
所述显示器可以包括准直背光，以及所述光学系统可以包括漫射器。所述部分透射镜包括带有孔阵列的镜，并且所述漫射器包括与孔对齐的透镜阵列。所述透镜可以是会聚透镜。
所述带有图案的延迟器或旋转器可切换至均匀的不带图案的状态。
所述带有图案的延迟器或旋转器可以包括带有图案的四分之一波片。
所述带有图案的延迟器或旋转器可以包括：均匀的四分之一波片、和带有图案的二分之一波片或带有图案的90°偏振旋转器。
所述带有图案的延迟器或旋转器包括液晶单元。所述液晶单元可以包括带有图案的电极配置结构。
所述显示设备可以进行扫描刷新，且所述光学系统可以包括：分段可切换偏振影响元件，该元件的分段被配置用于，在由所述设备所显示的图像的相关部分已被刷新时发生切换。
所述调制器可以进行扫描刷新，且所述显示设备可以包括：被配置用于在连续的成对帧刷新间发光的背光。
根据本发明的第四方案，提供了一种用于交通工具的仪表盘，包括根据本发明第三方案所述的显示器。
因此，可以提供相对比较便宜的显示器。使用多显示器面板通常是没有必要的，并且这样做可以降低成本。这还可以避免发生已知多显示设备配置存在的光通量相对较低的问题。可以通过产生一个或多个虚像的方式避免与用于产生景深立体错觉的3D显示器相关的视觉疲劳。此外，在整个相对较宽的视区内均可以观察到所述显示器，这为观察者提供了相当大的观测自由度。
当用于实现多图像或多序列显示器的目的时，这种配置是“加性的”，以致明亮物体可以看似位于黑色背景之前。此外，同各种已知多显示器面板配置相比，莫尔效应通常有所减小。未用于显示图像或图像序列的光线可以在显示器内部被吸收，而不会传入外界环境。
这种配置无需活动部件，并且在许多实施例中，无需在制造过程中对齐光学元件。这种配置可以同发射或透射显示设备一起使用。
还可以提供光路长度大于系统物理长度的光学系统。这样的系统可用于比如光学仪器，从而是该光学仪器体积更小。除了缩短所述仪器的长度之外，所述系统不必具有更宽的宽度。不必将光路向侧向偏转，而可以有效地“将光路折叠”，从而可以缩短长度而不会增加宽度，也不需要两个以上、沿侧向分开的光路部分。
附图说明
图1是一幅剖面示意图，示出了传统多图像景深显示器的示例；
图2是一幅剖面示意图，示出了传统多图像景深显示器的示例；
图3是一幅剖面示意图，示出了传统多图像景深显示器的示例；
图4是一幅剖面示意图，示出了传统多图像景深显示器的示例；
图5是一幅剖面示意图，示出了传统多图像景深显示器的示例；
图6是一幅剖面示意图，示出了传统多图像景深显示器的示例；
图7是一幅剖面示意图，示出了传统多图像景深显示器的示例；
图8(a)和8(b)示出了构成本发明的一般化实施例的显示器，并分别示出了景深增加模式和“无景深”模式；
图9(a)至图9(c)示出了构成本发明第一实施例的显示器；
图10(a)至10(d)示出了本发明第一实施例的工作方式；
图11示出了构成本发明的经修改的第一实施例的显示器；
图12(a)和12(b)构成本发明第二实施例的显示器的结构以及工作方式；
图13(a)至13(c)示出了构成本发明第三实施例的显示器(图13(a)和13(b))以及经修改的显示器(图13(c))；
图14(a)和14(b)示出了构成本发明第四实施例的显示器的结构以及工作方式；
图15(a)和15(b)分别示出了滤色器性能以及构成第四实施例的另一示例的经修改的显示器；
图16示出了构成本发明第五实施例的显示器；
图17(a)和17(b)示出了构成本发明第六实施例的显示器；
图18(a)和18(b)示出了第一景深模式下图17(a)和17(b)的显示器的工作方式；
图19(a)和19(b)示出了第二景深模式下图17(a)和17(b)的显示器的工作方式；
图20(a)和20(b)示出了构成本发明第七实施例的显示器；
图21(a)和21(b)示出了对图20(a)和20(b)所示的显示器的一种修改形式；
图22示出了对图20(a)和20(b)的显示器的另一修改形式；
图23(a)至23(e)示出了用于本发明的隔行扫描图像实施例的光学元件的示例；
图24(a)和24(b)示出了构成本发明第八实施例的显示器；
图25(a)和25(b)示出了构成本发明第九实施例的显示器；
图26示出了构成本发明第九实施例的显示器；
图27(a)和27(b)示出了图25(a)、25(b)和26所示的显示器的一种修改形式；
图28示出了图25(a)、25(b)和26所示的显示器的其他修改形式；
图29示出了图25(a)、25(b)和26所示的显示器的其他修改形式；
图30示出了图25(a)、25(b)和26所示的显示器的其他修改形式；
图31示出了图25(a)、25(b)和26所示的显示器的其他修改形式；
图32示出了图25(a)、25(b)和26所示的显示器的其他修改形式；
图33示出了图25(a)、25(b)和26所示的显示器的其他修改形式；
图34示出了图25(a)、25(b)和26所示的显示器的其他修改形式；
图35是一幅显示亮度相对于灰度或值关系的曲线图，示出了修正的伽马函数；
图36示出了适用于显示器的LCD像素配置；
图37示出了适用于显示器的LCD像素配置；
图38示出了构成本发明实施例的显示器的应用；
图39和40示出了构成本发明实施例的显示器的工作方式；
图41(a)和41(b)示出了可应用于本发明的某些实施例的修改方案；
图42(a)至42(d)示出了可应用于本发明的某些实施例的串扰校正；
图43(a)和43(b)示出了用于仿真控制按钮的显示器的应用；
图44示出了一种已知类型的天文望远镜；
图45示出了构成本发明第十实施例的天文望远镜；
图46示出了构成本发明第十一实施例的地上望远镜；
图47示出了一种已知类型的数码相机；以及
图48示出了构成本发明第十二实施例的数码相机。
具体实施方式
图8(a)和8(b)示出了一种显示器的结构以及该显示器的两种工作模式。该显示器包括设置于空间光调制器(SLM)之后的背光60，所述空间光调制器(SLM)具有液晶设备(LCD)61的形式。第一和第二部分反射器62和63设置于LCD61之前(在观察者侧)，偏振修正光学器件64设置于反射器62和63之间。反射器62和63彼此隔开适当的距离以产生景深移位图像，并且反射器62和63彼此平行还和LCD61的像面平行。例如，部分反射器62和63可以被配置用于反射光的一种偏振态，而透射其正交偏振态，还可以是其他类型的部分反射镜(或反射元件的组合)。偏振光学器件64被配置用于改变沿两方向中任一方向或沿两方向通过光学器件64的光的至少一种偏振态。
元件61至64被配置为，使来自LCD61所显示的第一和第二图像或图像序列的光沿不同光路到达一个或多个观察者可能位于的扩展视区。65和66分别示出了第一和第二图像或序列的不同光路的示例。对于第一图像或序列，光线至少部分透过第一反射器62到达第二反射器63。第二反射器63至少将上述光线的一部分反射至第一反射器62，第一反射器62将入射光的至少一部分反射回第二反射器63。第二反射器63将反射光的至少一部分传入视区，因此以第一图像或序列进行编码的光线在到达观察者所在位置前沿Z字形路径传播。显示器被配置为，使以第一图像或序列进行编码的光线不会直接通过反射器62和63到达观察者所在位置。
如光路66所示，以第二图像或序列进行编码的光线至少部分透过反射器62和63，从而沿基本笔直的路径进入视区。由于不同路径65和66的缘故，特别是由于它们的不同长度，第二图像或序列看似基本上位于LCD61的位置，而第一图像或序列在深度上发生移位，以至看似位于位置67。因此，显示器作为双景深显示器使观察者能够看到位于不同景深面的图像。
可以按照多种不同方式决定光线是沿路径65还是路径66传播。这些方式的示例包括：在不同时间或由不同颜色或由LCD61不同部分发出的光线使用路径65和66。
这种显示器可以不同于双景深显示器的方式工作(在双景深显示器中观察者可有效地同时看到不同景深面内的图像)。例如，可以操作显示器，使光线沿路径65而不是沿路径66传播。在这种情况下，显示器作为景深移位显示器使图像看似来自于比LCD61到观察者的距离更远的面。这种配置使显示器能够显示看上去距离更远以及位于不可能或不便安装显示器的位置处的图像。
还可以操作显示器，使其在不同景深的像平面间切换。例如，游戏机可以在正常工作期间显示看似位于像平面67的图像。而当玩家赢得奖励时，可以切换景深面，使图像看似跳到前面。
如果像操作双景深显示器那样操作该显示器，则可以按时间顺序显示不同景深面的图像。如此一来，LCD61交替显示第一和第二图像，并且，在必要时同步切换偏振光学器件64，以便来自第一图像的光线沿光路65传播，而来自第二图像的光线沿光路66传播。假设图像间切换的执行足够迅速以至于人眼感知不到闪烁，那么观察者可以看到位于所期望的不同景深面的图像。
这种工作方式的优点在于，所有图像都是以LCD61的全彩色和全分辨率显示的。然而，这种工作方式需要LCD61能够以足够高的帧速率(比如约100Hz以上的帧速率)工作，以防止出现闪烁。工作于这种帧速率下的LCD是不存在的。然而，该显示器不局限于使用LCD SLM，还可以使用其他适宜的设备，包括发光设备以及带有背光的光衰减设备。例如，可以使用的其他类型的显示设备包括：阴极射线管、等离子显示设备、投影显示系统以及有机发光二极管(OLED)显示设备。
作为一候选方案，双景深显示器可以基于偏振光学器件以及对不同波长的光具有不同效果的反射器。例如，反射器62和63以及光学器件64可以被配置为，使某些波长的光，例如红光，沿路径66传播，而其他波长的光，如蓝光和绿光，沿路径65传播。此时，观察者将可以看到不同颜色看似位于不同景深面内的图像。
这种工作方式无需时序显示器的较高的帧速率。此外，图像可以用诸如LCD61等显示设备的全空间分辨率予以显示。然而，无法在不同的景深面内显示全彩色图像，除非为每种原色(红、绿、蓝)选择足够窄的波段，以至其能够被分为两个波段，其中一个沿光路65传播，另一个沿光路66传播。
在另一适用于双景深显示器的工作模式下，第一和第二图像在空间上交错地显示在LCD61。此时，反射器62和63以及光学器件64被配置为，使显示第一图像的像素沿路径65传播，显示第二图像的像素沿路径66传播。图像可以是按行或列交错地显示在LCD61上的。这种配置无需较高的帧速率，并且可以全彩色显示图像。然而，图像的分辨率小于LCD61的基本空间分辨率；对于双景深显示器，显示各图像所采用的分辨率是LCD61的基本分辨率的一半。
图9(a)和9(b)示出了图8(a)和8(b)所示类型的显示器。在该实施例中，第一部分反射器62包括反射偏振片，后者可以透过光线的一种线偏振态，并反射其正交偏振态。这种偏振片可以比如包括由Moxtek公司制造的类型的线栅偏振片，或由3M制造的DBEF(方向性增亮膜)。如果LCD61需要出射偏振片，可以将反射偏振片62用作出射偏振片，或者也可以额外提供出射偏振片。
固定的四分之一波片68设置于反射偏振片62上方，并进行定向以实现线偏振光和圆偏振光间的切换。虽然四分之一波片68可以仅包括具有适当厚度的由双折射材料形成的薄膜，然而这种薄膜只精确地对唯一一种波长实现四分之一波长的功能。四分之一波片68可以由多个双折射层形成，以提供一种元件作为对于整个可见光谱波长范围的理想四分之一波片。这种薄膜可以从日本宝来技术株式会社(PolatechnoLimited)或日本住友化学工业株式会社购得。
可切换二分之一波片69设置于四分之一波片68上方。这种可切换二分之一波片可以包括能够以电方式接通和关闭的液晶单元。适用于该应用的此类单元的示例包括垂直取向向列(VAN)单元、Freedericksz单元以及π单元或光学补偿双折射(OCB)单元。此类单元已为人们所熟知，且公开于有关液晶显示器的标准参考出版物，如Ernst Lueder的“Liquid Crystal Displays：Addressing Schemes and Electro-OpticEffects”，Wiley-SID Series in Display Technology2001中。由于π单元能够在开关状态间迅速切换，因此非常适于该应用。
在可切换二分之一波片69上设置隔板，隔板的形式为一层玻璃70或对穿透隔板的光的偏振态基本不产生影响的其他透明材料。隔板70是可选的，可配备用以实现期望的明显景深增加。
第二部分反射器63包括部分反射部分透射镜。镜63被标识为“50％”镜，反射约一半的入射光，并透射约一半的入射光。然而，可以选择透射或反射光的比例，从而实现以不同景深显示的图像的期望相对亮度。
可以通过在透明基片上镀上铝等金属的薄层的方式制造上述镜，或者上述镜可以包括透明介质层(介质镜)。部分反射可以通过使反射层均匀地部分透明，或利用带有透明缝隙或孔的全反射镜予以实现。如果这些孔或缝隙小于人眼可见的孔或缝隙，就不会看到孔或缝隙的图案，并且这种镜看上去将是部分反射部分透明的。
对于由金属层构造的镜，同均匀的部分反射器相比，优选使用孔或缝隙，这主要是由于以下两个原因：精确控制层的厚度以在均匀的层中实现可再现的并且均匀的反射率可能是十分困难的；在带孔的镜中反射率对偏振态的依赖性小于在均匀的部分反射镜中反射率对偏振态的依赖性。
圆偏振片71设置于镜63的上方。圆偏振片透射左旋圆偏振光并吸收旋圆偏振光。可以在不改变显示器工作方式的前提下调整光学元件的顺序。例如，玻璃层70可以设置于反射偏振片62和部分反射镜63间的任何位置。此外，四分之一波片68和可切换二分之一波片69的位置可以交换。
图10(a)和10(b)示出了景深移位模式下显示器的工作方式。偏振片62具有透光轴73，其取向位于附图平面内，四分之一波片68具有快光轴74，其取向同透光轴73成45°角。来自LCD61的光是偏振光，其电场矢量在附图平面(
Figure G2007800153823D00151
)内，从而来自LCD61的光穿过反射偏振片62。四分之一波片68将线性偏振光转换为右旋圆偏振光R，后者由镜63部分反射部分透射。在该模式下，二分之一波片69关闭，因此在图(10)的(a)中省去了二分之一波片69。
透射光被圆偏振片71吸收，因而被阻挡，而反射光被转换为左旋圆偏振光L。四分之一波片68将光转换为垂直于附图平面的方向(
Figure G2007800153823D0015103540QIETU
)的线偏振态。该光线由反射偏振片62反射，并由四分之一波片68转换为左旋圆偏振光。透过镜64的上述部分光线还透过圆偏振片71，传播至显示器的视区。经镜63反射的部分光线被转换为右旋圆偏振光，后者由四分之一波片68转换为平行于附图平面方向的线偏振光。该线偏振光线透过偏振片62返回LCD61。
在该工作模式下，传入视区的光线仅为由部分反射器62和63反射的光线。因此，如前所述，如图9(a)所示，观察者看到位于位置67的LCD61的图像。该图像实际上以其实际位置为基础发生了向下的位移，移动距离大约是部分反射器62和63间隔距离的两倍，实际位移还取决于显示器各元件的折射率。
图10(c)和10(d)示出了二分之一波片69开启时显示器的工作方式。如图10(d)所示，二分之一波片69的快光轴可以是任意方向。然而，实际上，比如说，由于用于显示器的光学元件中的不理想因素，或者由于光学元件属性对于视角的依赖，可能存在优选方向。在此应用中，二分之一波片实现右旋圆偏振光R和左旋圆偏振光L间的转换。
如图10(c)所示，偏振方向位于附图平面内的线偏振光透过反射偏振片62，并被四分之一波片68转换为右旋圆偏振光。二分之一波片69将上述光线转换为左旋圆偏振光，镜63对后者进行部分透射部分反射。透射光穿过圆偏振片71到达显示器的视区。反射光被转换为右旋圆偏振光，后者再由二分之一波片69转换为左旋圆偏振光。四分之一波片68将该光线转换为垂直于附图平面方向的线偏振光。该线偏振光经反射偏振片62反射，并被四分之一波片68转换为左旋圆偏振光。
二分之一波片69将该光线转换为右旋圆偏振光，镜63透射一部分右旋圆偏振光，反射一部分右旋圆偏振光。透射光被圆偏振片71吸收，因而被圆偏振片71阻挡并被阻止传入视区。反射光被转换为左旋圆偏振光，后者由二分之一波片69转换为右旋圆偏振光。四分之一波片68将上述光线转换为平行于附图平面方向的线偏振光，上述线偏振光透过反射偏振片62返回LCD61。
为了在双景深模式下操作图9(a)、9(b)和10(a)至10(d)所示的显示器，依时序操作显示器。因此，LCD61交替显示需要景深移位和不需要景深移位的图像。当显示需要进行景深移位的图像时，关闭二分之一波片，显示器按图10(a)所示的方式工作。当显示下一个非景深移位图像时，打开二分之一波片，显示器按图10(c)所示的方式工作。为了使观察者感觉到极小的或感觉不到闪烁，二分之一波片69和LCD61需要以足够高的开关或帧速率工作。可以使用80至120Hz间的帧速率，实际速率取决于图像的亮度以及环境因素。
如果镜63反射约50％的入射光并透射约50％的入射光，且第一和第二图像的显示时间基本等同，那么在观察者看来景深移位图像的亮度约为LCD61所显示的图像的原始亮度的四分之一，而非移位图像的亮度大约为LCD61所显示的原始亮度的一半。因此，显示器的总时间平均亮度约为LCD61所显示的亮度的3/8。然而，可以改变图像的显示时段以及镜64的反射率/透射率，从而选择图像的相对亮度以及显示器的总时间平均亮度。比如，如果景深移位的显示时间是非移位图像持续时间的两倍，那么图像的表观亮度(视亮度)基本相等，而实现平均亮度变为LCD亮度的1/3。此外，如果镜63的透射增至50％以上，那么非移位图像亮度的增加大于景深移位图像亮度的减小，因此总显示器亮度增加。
如前所述，可以在不改变显示器工作方式的前提下调整光学元件的顺序。然而，由于元件实际性能同理想性能的偏差或波长相关，在任意特定示例中可能存在“最佳”的元件顺序。光学元件顺序的交换还有可能导致工作方式略微不同。比如，如图9(c)所示，可以将可切换二分之一波片69设置于镜63和圆偏振片71之间。在这种配置下，光线仅穿过可切换二分之一波片69一次，从而减小了可切换二分之一波片工作时任意非理想特性的影响。
如前所述，在这种显示器中可以使用任何类型的透射或发光显示设备。举例而言，图9(c)示出了使用阴极射线管(CRT)72代替背光60和LCD61。
如果将液晶单元用作可切换二分之一波片69，可以通过添加一个或多个补偿膜来改进性能。比如，当将电压施加于液晶单元的液晶层两端，名义上关闭液晶单元时，液晶单元的关闭可能存在一定的残余延迟。举例而言，如果液晶单元的开关延迟被设计为在零延迟和275nm的延迟之间，当开关液晶单元以提供名义上的零延迟时，可以存在50nm的残余延迟。这种残余延迟可能导致图像景深面间的串扰比较明显。这基本可以通过配置液晶单元以使其在“开启”状态下具有325nm的延迟，并配备同液晶单元串联的、其快光轴垂直于液晶单元的快光轴的、延迟为50nm的固定延迟器来去除。此时，“开启”状态下的总延迟达到了期望的275nm，并且在“关闭”状态下消除了残余延迟，以提供零延迟。此外，可以通过改变施加电压的方式调节两种状态下的实际延迟，以实现期望或最佳性能。
某些元件同垂直于显示平面方向的轴的相对方向可能不同于图10(b)和10(d)给出的示例。比如，可以将四分之一波片68旋转90°，使穿过四分之一波片68的光的偏振态垂直于图10(a)和10(c)所示的状态。这导致当二分之一波片69开启时景深移位图像可见，当二分之一波片69关闭时非移位图像可见。此外，圆偏振片71可以是透射右旋圆偏振而反射或吸收左旋圆偏振的圆偏振片。理论上可以旋转二分之一波片69而不会对性能造成影响，然而，由于实际性能同理想性能的偏差或波长相关性，实际上可能存在优选方向。
如前所述，虽然LCD具有发出偏振光从而使得当光线穿过反射偏振片62时能量损失相对较少的优势，但显示设备并非必须是LCD。然而，为了提供无闪烁的时序显示器而高速驱动LCD往往更加困难，因此可以使用更加快速的显示设备，如背投显示器、阴极射线管、等离子显示器以及有机LED显示器等。
虽然图中所示的反射器62和63彼此平行，且平行于LCD61的像面，但这并不是必须的。比如，可能存在需要景深移位和非移位图像看似彼此不相平行的应用，在这种情况下，反射器可以适当取向以实现这一目的。
显示器的某些元件可以由两个以上的部分构成，所述部分可以设置于与图9(a)至9(c)中的所示位置不同的位置。比如，圆偏振片71包括四分之一波片和线偏振片，且这两个元件可以彼此分离。比如，线偏振片可以位于所示的圆偏振片的位置，四分之一波片可以位于线偏振片下方，并由玻璃层70或可切换二分之一波片69同线偏振片隔开。
虽然图9(a)至9(c)和10(a)至10(d)的显示器被描述为提供用于同时观察的位于不同景深面的图像，然而，正如此处所述的所有其他显示器一样，还可以按照前述任意一种方式操作显示器。比如，图像可以被配置为从一平面切换至另一平面以便看上去发生了向前或向后的移动。在前述的游戏机的示例中，当玩家可以赢得奖励时可以控制图像使其跳到前面，以吸引玩家的注意。此外，可以将显示区分割为两个以上的、可以独立控制的部分，从而比如可以按照各部分彼此独立的方式为各部分选择表观景深(视景深)。
图9(a)至9(c)和10(a)至10(d)所示的实施例能够显示不同景深的两个像平面内的图像。然而，还可以采用同样的技术创建两个以上、相对于显示器景深不同的像平面，图11示出了这种情况的示例。
图11所示的显示器包括属于同一类型、并且具有与图9a和9b所示的相对位置相同的相对位置的元件60至63和68至71。在附图中元件62、63以及68至71被称为“堆1”，设置于LCD61上方。在图11中另一组元件被称为“堆2”，设置于堆1上方，包括：反射偏振片62’、固定四分之一波片68’、可切换二分之一波片69’、玻璃隔板70’、“50％”镜63’、以及圆偏振片71’。堆2中的元件同堆1的元件种类一样，并且除了玻璃隔板70’的厚度与玻璃隔板70的厚度有所不同，两组元件基本相同。因此，该种配置能够显示位于相对于显示器的四个不同景深的像平面的图像。
当同时开启二分之一波片69和69’时，光线沿“路径1”直接穿过各层到达视区，因而在感觉上所显示的图像基本是从LCD61的图像产生平面的实际位置发出的。当二分之一波片69’开启，二分之一波片69关闭时，光线沿“路径2”传播，在镜63和反射偏振片62的位置发生反射。所显示的图像看似位于像平面67b。当二分之一波片69’关闭，二分之一波片69开启时，光线沿“路径3”传播，在镜63’和反射偏振片62’的位置发生反射。所显示的图像看似位于像平面67a。当二分之一波片69和69’同时关闭时，光线沿“路径4”传播，在镜63、反射偏振片62以及镜63’和反射偏振片62’的位置发生反射。因此，所显示的图像看似位于像平面67c。
为了实现期望的效果，可以按前述任意一种方式操作图11的显示器。比如，通过依时序显示四幅图像或四个序列，并以同步方式控制可切换二分之一波片69和69’的方式，观察者可有效地同时观察到位于四个不景深的像平面的图像。可选地，可以切换像平面，从而使观察者感觉发生了逼近或远离观察者的运动。
图12(a)和12(b)所示的显示器包括：背光(未示出)、作为显示设备的LCD61，然而正如此处说明的所有实施例的情况一样，还可以使用适合的显示设备。在本实施例中，第一部分反射器62包括部分反射镜，在本例中，部分反射镜被配置为用于透射约50％的入射光并反射约50％的入射光(忽略光损耗)。此外，第二部分反射器63包括透射一种圆偏振态(在本例中为右旋R)而反射其正交圆偏振态(在本例中为左旋L)的胆甾型反射器。胆甾型反射器63包括具有天然螺旋结构的液晶层。这种反射器已为人们所熟知，且公开于比如前述Lueder等人所作的参考文献中。这种反射器可以被配置为通过施加电场的方式予以关闭，或者可以是固定且不可切换的，在这种情况下，可通过聚合来固定液晶层。
在图12(a)和12(b)所示的显示器中，固定的四分之一波片68设置于LCD61和镜62之间。LCD61具有带有透光轴73的出射偏振片，且选择四分之一波片68的方向，使其快光轴74同透光轴73成45°。同前一实施例一样，显示器包括：位于反射器62和63间的可切换二分之一波片69，其快光轴可以指向任何期望方向。
图12(a)和12(b)示出了图像显示器的景深移位模式下的工作方式。四分之一波片68将电场矢量方向平行于附图平面的线偏振光转换为右旋圆偏振光R。上述光线约有一半透过镜62，另外约有一半经反射，被四分之一波片68转换为电场矢量垂直于附图平面的线偏振光，并被LCD61的出射偏振片吸收。二分之一波片69启用，将透射光转换为左旋圆偏振光L。该偏振态经胆甾型反射器63的反射，转换为右旋圆偏振光R。上述光线约有一半透过镜62，被四分之一波片68转换为电场矢量垂直于附图平面的线偏振光，并被LCD61的出射偏振片吸收。在镜62上一半入射光被反射并被转换为左旋圆偏振光L。左旋圆偏振光L被二分之一波片69转换为右旋圆偏振态R，并通过胆甾型反射器63传入视区。
在非景深移位工作模式下(附图中未示出)，二分之一波片69关闭，因而基本不会对通过它的光的偏振态产生影响。如前所述，LCD61发出的光被转换为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光透过关闭的二分之一波片69，其偏振不会发生任何实质变化，并经胆甾型反射器63透射到达视区。
为了在图像的感知景深方面提供期望的移位，将反射器62和63分开适当的距离，并且可以借助于透明隔板(比如由玻璃制成)(未示出)对该距离加以调整。此外，元件的顺序可以与图12(a)和12(b)所示的顺序有所不同。比如，二分之一波片69可以设置于四分之一波片68和镜62之间，或者镜62和胆甾型反射器63的位置可以互换。还可以用包括四分之一波片和反射偏振片在内的组合代替胆甾型反射器63。
图13(a)和13(b)所示的显示器与图12(a)和12(b)所示的显示器的不同之处在于，省去了可切换二分之一波片69，且胆甾型反射器63是可切换型的，当胆甾型反射器关闭时，无论光线的偏振态如何都透射光线，当胆甾型反射器开启时，透射左旋圆偏振光L并反射右旋圆偏振光R。图13(a)示出了总体配置以及景深移位模式下的工作方式，图13(b)示出了四分之一波片以及LCD61的出射偏振片的取向。
在景深移位模式下，胆甾型反射器63开启。LCD61发出电场矢量方向位于附图平面内的线偏振光。四分之一波片68将该线偏振光转换为右旋圆偏振光R，大约一半的右旋圆偏振光R透过镜62，偏振态不发生任何实质变化，右旋圆偏振光R的另外大约一半被反射至四分之一波片68。四分之一波片68将反射光转换为电场矢量垂直于附图平面的线偏振光，该线偏振光被LCD61的出射偏振片吸收。
透过镜62的光线被胆甾型反射器63反射。反射光线的一半透过镜68，同前述一样被出射偏振片吸收。光线的反射部分被转换为左旋圆偏振态，透过反射器63到达视区。
在非移位模式下，胆甾型反射器63关闭。因此，由LCD61发出并透过镜62的部分光线透过反射器63到达视区。
可切换胆甾型反射器可以被制成工作于相对较窄、典型值约为100nm的波段内。因此，有必要将可切换胆甾型反射器63实现为此类可切换反射器堆。比如，为了选择性地反射三原色(红、绿和蓝)，可以配备三个这样的反射器。M.Okada等人的“Reflective multicolourdisplaying using cholesteric liquid crystals”，SID1997Digest以及D.Davies等人的“Multiple color high resolution reflectivecholesteric crystal displays”，SID 1997 Digest中公开了此类反射器。在这样的配置中，三种颜色可以彼此独立地切换，因此不同颜色可以工作于不同的模式。通过使颜色在不同时刻进行模式间切换，可以降低闪烁的可见性。
可以对此类显示器加以改进，以显示两个以上的景深面。比如，图13(c)示出了一种能够显示三个不同景深面的此类显示器。该显示器与图13(a)所示的显示器的差异在于，可切换胆甾型反射器63被两个彼此分开的胆甾型反射器63a和63b所替代。当反射器63a和63b均关闭时，光线沿“直接”路径66传播，因此所显示的图像基本不发生景深移位。当反射器63a开启，反射器63b关闭时，显示器按照图13(a)所示的方式工作，光线沿较长的路径65a传播，从而提供显示图像的相对较大的景深移位。当反射器63b开启，反射器63a关闭时，光线沿路径65b传播，从而提供另一景深移位后的像平面。
图14(a)和14(b)示出了一种同图13(a)至13(c)所示的显示器相类似的显示器，其间的区别仅在于可切换胆甾型反射器或反射器被一对固定的“单色”胆甾型反射器63c和63d所替代。反射器63c和63d被设置为彼此紧邻，两者之间只存在极小的间隔。反射器63c反射红色右旋圆偏振光并透射所有其他光线，相反反射器63d反射蓝色右旋圆偏振光并透射所有其他光线。
四分之一波片68将LCD61发出的绿光转换为右旋圆偏振光R，约一半的右旋圆偏振光R透过镜62，约一半的右旋圆偏振光R被镜62反射。反射光返回并穿过四分之一波片68，并像如前所述的那样在LCD61中被吸收。透射光沿直线光路66穿过反射器63c和63d到达视区。
类似地，四分之一波片68将LCD61发出的红光和蓝光转换为右旋圆偏振光R，右旋圆偏振光R的一部分透过镜62。反射器63c将红光反射回镜62，反射器63d将蓝光反射回镜62，在镜62的位置光线的一部分被透射吸收，另一部分被反射回来。经上述反射，反射回来的红光和蓝光的偏振态变化为左旋圆偏振态L，并沿光路65透过反射器63c和63d。
因此，对于不同的颜色而言，光路65和66具有不同的长度。因此，观察者看到具有两个景深面的图像，景深较深的图像包含红光和蓝光，景深较浅的图像包含绿光。
使用红色和蓝色的胆甾型反射器仅仅是示例性的，还可以使用其他颜色组合的反射器。此外，比如，反射器可以相互分开，位于不同的平面中，从而在不同的像平面中显示三原色。当使用这种反射器时，还可以在不同的时间切换不同的颜色。比如，双景深显示器可以迅速地在状态A和状态B间切换。在状态A下，显示“前”景深面的红色和蓝色分量以及“后”景深面的绿色分量。在状态B下，显示后景深面的红色和蓝色分量以及前景深面的绿色分量。
图15(b)示出了与图14(a)所示的显示器属于同一大类的显示器，然而图15(b)所示的显示器在两个不同景深提供“全彩色”图像。显示器包括胆甾型反射器堆63，后者被配置用于在相对较窄的红光波段R1，相对较窄的绿光波段G2和相对较窄的蓝光波段B1反射右旋圆偏振光。LCD61的像素具有滤色器，用于像如图15(a)所示的那样透射波段R1、R2、G1、G2、B1和B2中的光线。比如，LCD61可以包括具有重复图案的滤色器排列(例如行或列排列)用于透射诸如R1、G1、B1、R2、G2、B2等重复图案。胆甾型反射器堆63可以包括三个反射器，每个反射器反射相应颜色的一个波段。然而，还可以配备两个具有如图15(a)中的C1和C2所示的反射谱的胆甾型反射器，使得一个反射器反射波段B1，另一个反射器反射波段G2和R1。
LCD61将两幅图像显示为空间复用或交错的条带，一幅图像用R1、G2和B1波段内的光进行编码，另一幅图像用R2、G1和B2波段内的光进行编码。对上述第一图像进行编码的光沿光路65传播，对上述第二图像进行编码的光沿光路66传播。如此一来，就可以按照不同的感知景深来显示两幅全彩色或接近于全彩色的图像或序列。
可以对这种显示器加以改进，将其与背光一起使用，所述背光可控制用于依次以各波段内的光照亮LCD61。在这种配置中，LCD61无需任何滤色器，并且可以被操作用于按时间顺序并以与由背光照亮的颜色同步的方式，显示两幅图像的红、绿和蓝色部分。可选地，可以将图15(a)和15(b)所示的滤色器排列结构同背光一起使用，所示背光在交替的图像帧中提供不同的红色、绿色和蓝色波段的光，以便按时间顺序并以与背光的工作状况相同步的方式，显示两个图像或序列。
图16所示的显示器与前述实施例的不同之处在于，设置于LCD61之前的光学配置结构包括：用作部分反射器的反射偏振片62和63、以及可切换方向性二分之一波长延迟器69。反射偏振片被配置用于透射电场矢量方向位于附图平面内的光线，并反射其正交偏振态。可切换方向性延迟器69可以在“关闭”状态和“开启”状态间切换，在“关闭”状态下，基本不对通过它的光的偏振态产生任何影响。在“开启”状态下，延迟器69对以与显示平面的法线成+30°角的方向传播的光线起二分之一波片的作用，并且基本不对以与显示平面的法线成-30°角的方向传播的光线的偏振态产生任何影响。例如，延迟器69可以包括GB2405516中公开的液晶单元。
图16示出了在延迟器69开启的景深移位模式下显示器的工作方式。观察条件是观察者以接近于+30°角的方向观察显示器。
从LCD61发出的光是线偏振的，其电场矢量位于附图平面内。延迟器69将以+30°角透过自身的光线的偏振方向加以旋转，使电场矢量垂直于附图平面。该光线经反射偏振片63反射，并以-30°角穿过延迟器69，因此其偏振态不受影响。然后，光线被反射偏振片62反射，并以+30°角穿过延迟器69，因此其偏振方向被旋转90°。结果光线透过反射偏振片63到达视区。
当延迟器69关闭时，对不会对穿过自身的光的偏振态产生影响。因此，由于反射偏振片62和63的透光轴相互平行，由LCD61发出并穿过偏振片62的光线也将穿过偏振片63。
这种配置的优势在于，在两种工作模式下都提供几乎全亮度的图像。实际上，当光线穿过或被各光学元件反射时将发生一些损耗。然而，由于光学元件按预期方式工作，不会产生衰减。
图17(a)和17(b)所示的显示器与前述显示器的不同之处在于，LCD61之前的光学配置结构包括：反射偏振片62和63，在反射偏振片62和63之间设置了固定的法拉第旋转器75和可切换二分之一波片69。偏振片62的透光轴73的取向位于附图平面内，反射偏振片63的透光轴76的取向与透光轴73成45°角。当二分之一波片69开启时，二分之一波片69的快光轴77垂直于透光轴73。当光线沿任意方向穿过旋转器75时，法拉第旋转器将线偏振光的偏振方向旋转+45°。
法拉第旋转器包括若干材料层，所述材料层将穿过自身的光线的偏振方向旋转一角度，这个角度同对材料层施加的磁场成正比。这种设备是已知的，例如，在“Optics”，E.Hecht et al，fourth edition，Addison Wesley(2003)等标准参考文本中有所说明。
图18(a)和18(b)示出了景深移位模式下图17(a)和17(b)的显示器的工作方式，其中二分之一波片69关闭，对穿过它的光线的偏振态基本不产生影响。来自LCD61的线偏振光透过反射偏振片62，其电场矢量的方向位于附图平面内。旋转器对电场矢量加以旋转，使其方向成+45°，反射偏振片63将光线反射回来。光线再次穿过旋转器75，且其电场矢量方向垂直于附图平面。光线由偏振片62反射并穿过旋转器75，旋转器旋转偏振面，使电场矢量的方向变为-45°。光线透过反射偏振片63到达视区。
图19(a)和19(b)示出了非移位模式下的工作方式。在该模式下，二分之一波片69开启。电场矢量方向位于附图平面内光线穿过旋转器75，旋转器将其偏振面加以旋转，使其电场矢量方向变为+45°。二分之一波片69进一步旋转该光线的偏振面，使穿过它的光线的电场矢量方向变为-45°。该光线穿过反射器偏振片63到达视区。
正如在前一实施例中那样，由于各光学元件的工作方式的缘故，光能并未损耗。因此，所显示的图像在景深移位模式和非移位模式下都相对比较明亮。
图20(a)和20(b)示出了一种显示器，其中LCD61通过空间复用方式同时显示将要以不同的有效景深显示的成对图像。用按行列排列的像素对LCD61进行像素化。图像被显示为交错的行或列，比如，用“D像素”显示景深移位图像的垂直条带，用“T像素”显示非移位图像的垂直条带。可选地，可以使用棋盘图案。LCD具有入射和出射偏振片80和81，出射偏振片81的透光轴83的方向位于附图平面以内。
带有图案的四分之一波长延迟器82设置于出射偏振片81上方，并包括快光轴彼此交替的四分之一波长延迟器区。因此，D像素上方的诸如84等延迟器部分令其快光轴取向能够将D像素发出的光线转换为右旋圆偏振光R。设置于T像素上方的诸如85等延迟器部分令其快光轴取向能够将T像素发出的光线转换为左旋圆偏振光L。
“50％”镜62设置于带有图案的四分之一波长延迟器82的上方。四分之一波片68设置于镜62上方，其快光轴74方向与出射偏振片81的透光轴83成45°角。反射偏振片63设置于四分之一波片68的上方，其透光轴76平行于透光轴83。
来自D和T像素的光线穿过出射偏振片81和四分之一波片82，从而被分别转换为右旋和左旋圆偏振光。约一半的光线经镜62反射，有效地损耗在系统之中。约一半的入射光透过镜62到达四分之一波片68。来自D像素的光线被转换为线偏振光，后者的电场矢量方向垂直于附图平面。该光线被反射偏振片63反射回来穿过四分之一波片68，在四分之一波片中偏振被转换为右旋圆偏振态R。来自四分之一波片的光线的一部分透过镜62有效地损耗在系统之中。入射镜62的光线的一部分经反射，并被转换为左旋圆偏振态L。四分之一波片68将此光线转换为电场矢量平行于附图平面的线偏振态，该光线透过偏振片63到达视区。
四分之一波片68将来自T像素透过镜62的光线转换为电场矢量平行于附图平面的线偏振光。因此，该光线透过反射偏振片63到达视区。
显示图像的LCD61内的平面与带有图案的延迟器82间的任何实质间隔都将导致视差效应，从而限制了显示器的正常观测视区，进而限制了观察者的运动自由。比如，如果图像被显示为交错的若干列，区域84和85沿列方向延伸，那么观察者可以在向上和向下运动时正确感知所显示的图像。然而，观察者左右运动将导致交错图像间的串扰，从而破坏多景深的效果。类似地，如果图像被显示为交错的若干行，那么观察者在左右运动时仍然可以正确感知所显示的图像，然而上下运动将再次导致串扰。
图21(a)示出了一种改进型显示器，前者与图20所示的显示器的差异在于，背光60是准直型背光，漫射器90设置于带有图案的延迟器82和镜62之间。准直背光使光以基本垂直于像平面的方式通过LCD61。准直背光是众所周知的，在如“Proceedings of the InternationalDisplay Workshops”，Fukuoka，Japan，December2004，paper FMC10-4中有所公开。适当的背光可以从比如欧姆龙(Omron)公司购得。
为了使得能够在相对较宽的观察范围内观察到显示图像，需要采用漫射器90。漫射器90的类型应使得漫射器不会对穿过它的光的偏振产生影响。这种漫射器的一示例被称为“GRIN薄膜”，可以从比如英国Microsharp公司购得。
还可以通过减小带有图案的延迟器82和LCD61的像平面间的间隔的方式减小视差的不良影响。比如，可以将带有图案的延迟器82和出射偏振片8设置于LCD基片间的LCD61内。可选地，与偏振片81和延迟器82相邻的LCD基片可以被制造得相对较薄，偏振片81可以形成在基片或相对较薄的基片上。
图21(b)示出了另一改进型显示器，前者与图21(a)所示的显示器的差异在于，省去了出射偏振片81、带有图案的延迟器82以及漫射器90且四分之一波片91设置于LCD61和镜62之间。由于没有出射偏振片，LCD61的独立像素控制着调制光的偏振态，因此LCD61控制着像素所在的景深面。当像素开启时，对偏振态加以旋转，使得穿过像素的光线直接通过显示器，使用该光线的图像或图像序列的图像景深基本位于LCD61的显示表面。相反，对于关闭的像素，经过调制的光线沿较长的光路65传播，因此相应的图像看似位于移位后的像平面。在这种配置下，LCD61决定像素图像景深，而不利用图像对光进行调制。因此，显示器看上去具有两个像平面，在一个像平面上显示的图像是在另一像平面上显示的图像的“负像”。这种显示器的显示效果十分令人震惊，可应用于广告和信息显示。比如，可以在“前”像平面内在黑色背景上显示明亮的细节，使这些细节看上去投影在“后”像平面上。
为了显示全控图像，可以在入射偏振片80和准直背光60间设置另一个诸如LCD等的空间光调制器。该另一LCD(未示出)具有入射和出射偏振片以及同LCD61一样的像素对齐了的像素配置。该另一LCD的出射偏振片可以由图21(a)和21(b)所示的入射偏振片80予以提供。
图22示出了对21(a)和21(b)的剩余部分所示显示器的改进方案。根据该改进方案，用在基片101上形成的组合元件代替50％镜62和漫射器90。该元件包括嵌入于基片101内的透镜阵列102，透镜102的焦平面与基片101的上表面重合。在基片101的上表面镀上反射率极高的镜层，以形成反射元件62。在球面会聚透镜的情况下，在镜层中透镜102的焦点位置形成缝隙103。可选地，透镜102可以包括圆柱型会聚透镜，此时缝隙103形成于透镜的焦线位置。这样一来，缝隙就只占据基片101的上表面区域的相对较小的一部分。
如104所示，当经过LCD的来自准直背光的准直光入射于组合元件时，被透镜102会聚，通过缝隙103，从而像105所示的那样去除平行并继续传播。相反，如106所示，当来自反射偏振片63的反射光线入射于镜层62时，多数入射光被反射回去。
这种组合元件的使用极大的改进了光的利用效率，因此极大的极高了显示器的亮度。图21(a)所示的显示器使用了50％镜62，不考虑发生在实际实施例中的损耗，非移位图像的亮度降低至LCD61所提供的图像亮度的大约50％，反之，景深移位图像的亮度降低至所显示的图像亮度的大约25％。通过使用图22所示的组合元件，准直光104的透射效率相对较高，比如可以达到大约90％。类似地，被镜层62的反射光106的反射效率也相对较高，仍可以达到大约90％。因此，非移位图像的亮度可以达到LCD61所显示的图像亮度的大约90％，而景深移位图像的亮度可以达到LCD61所显示的图像亮度的大约81％。
可以用各种方式制造带有图案的延迟器，如图20所示的延迟器82以及下文将予以说明的实施例所示的各种延迟器，图23(a)至23(e)示出了此类延迟器的若干示例。比如，如图23(a)所示，可以在无需提供延迟器功能的区域中破坏延迟器功能。虽然图23(a)至23(e)只涉及二分之一波长延迟器，但是可以将同样的原理用于四分之一波长或其他延迟器。这样一来，诸如107等区域保留其延迟器功能，而诸如108等区域通过比如暴露于紫外(UV)辐射的方式破坏其延迟器功能。因此，首先在透明基片109上形成均匀的延迟层，然后利用适当的覆盖物覆盖均匀的延迟层并将其暴露于紫外辐射中，。从而提供带有图案的延迟器。作为一种可选方案，如图23(b)所示，可以去除无需延迟器功能的区域。去除延迟器材料的方法的示例包括蚀刻以及激光加工。
还可以用液晶材料形成带有图案的延迟器，图23(c)示出了第一示例。带有图案的延迟器形成于玻璃基片110之间，包括与透明的树脂或光阻材料条带112交错或交替的液晶材料条带111。为了使双折射轴对准期望方向，为玻璃基片110的接触面提供适当的取向层。这种取向层(未示出)可以属于任意适当类型，取向方向可由已知的取向层摩制工艺或其他适当技术予以提供。
如果需要用带有图案的延迟器来旋转光的线偏振电场矢量，可以用线偏振旋转配置代替延迟器。比如，可以将液晶材料111以及相邻的取向层配置用于提供扭转向列单元，以便提供90°角或其他期望旋转角度的偏振旋转。
可能需要这个带有图案的层能够在带有图案的和不带图案的配置间切换，图23(d)示出了可以实现此需求的一个示例。在这种情况下，为下基片配备比如由铟锡氧化物(ITO)制成的均匀透明电极113，而上基片具有由同一材料形成的带有图案的电极112。在形成于电极上的取向层间配备液晶层111。该设备所采用的液晶模式为，当没有在均匀电极113和带有图案的电极112间施加电压时，液晶单元起均匀的二分之一波长或其他波长延迟器的作用。当在电极间施加电压时，与带有图案的电极相邻的液晶分子基本垂直于液晶层平面，因此这些区域基本不存在延迟，反之临近带有图案的电极的缝隙的液晶层的部分基本不受影响，并继续提供期望的延迟。
图23(d)所示的配置还可用于提供可切换式的带有图案的偏振旋转器。比如，当未在电极间施加电压时，液晶可以被调整为扭转向列模式，从而起偏振旋转器的作用。当在电极间施加电压时，在带有图案的电极的区域112内不再具有扭转向列结构，从而形成带有图案的偏振旋转器。
在整个元件区域内都需要带有图案的延迟器或偏振旋转器的实施例中，可以像图23(e)所示的那样使光轴带有图案。为了实现这个目的，可以使任一取向层或两个取向层都带有图案。在这种情况下，为带有图案的上下取向层114和115提供相同的取向方向图案，从而使液晶区域A沿同一方向对齐，液晶区域B沿另一方向对齐。制造这种带有图案的取向层的方法是已知的，在比如EP0887667中公开了制造方法若干示例。
这种带有图案的延迟器可以用于比如图21(a)所示的显示器中，其中需要带有图案的延迟器在整个区域范围内提供不同的延迟或偏振旋转。然而，图23(e)所示类型的延迟器还可以用于某些只需为部分区域提供延迟的实施例中。比如，如果带有图案的延迟器是二分之一波片，那么无需提供延迟的区域可以取向为，使其光轴平行或垂直于线偏振光的电场矢量，反之使需要提供延迟的区域的光轴取向为另一个、适合于特定应用的角度。
如果带有图案的延迟器使用液晶材料作为“有源”延迟元件，那么可以利用液晶材料的电控可切换光学效应关闭双重(或多重)效果。比如，在图23c所示的示例中，可以为两基片110配备均匀的透明电极。对整个液晶材料111施加电场将使液晶分子的取向基本垂直于元件平面，使液晶材料基本不影响垂直入射光的偏振态。此时，元件的整个区域基本不对偏振产生影响，因此所有像素显示同一平面内的图像。由于在多数实施例中该平面可以提供更加明亮的图像，因此可以作为非移位像平面。由于当不施加任何电场时，整个液晶层111处于同一状态，因此图23(d)所示的示例具有单面图像显示器的功能。还可以通过在两基片110上配备均匀电极，以便使全部液晶分子基本垂直于层面从而提供均匀层的方式，使图23(e)所示的示例具备这种功能。
在使用液晶材料提供带有图案的延迟器(或偏振旋转器)而无需切换为单景深显示器的功能的实施例中，可以在制造过程中安装液晶材料，从而免去对整个液晶材料施加电场的需要。比如，液晶材料可以包括诸如由Merck制造的反应型液晶基元等可聚合液晶材料。可以在制造过程中聚合这些材料，以减少液晶单元对湿度、温度以及机械损伤的敏感性。
在图20(a)、20(b)、21(a)和21(b)所示类型的显示器中，在双景深显示器的情况下，以LCD61的实际空间分辨率的一半显示各图像。这可能会使观察者感知到所显示的图像中的条带。可以通过独立交错图像的不同颜色分量的方式减轻所述条带的可见性。比如，可以用显示器的偶数行显示非移位图像的红色和绿色分量，而用显示器的奇数行显示景深移位图像的红色和绿色分量以及非移位图像的蓝色分量。这可以通过比如向显示器元件插入波长相关延迟器的方式予以实现，其中波长相关延迟器对红光和绿光起二分之一波长延迟器的作用，对蓝光基本不产生影响。US6,273,571中公开了这种波长相关延迟器的示例。
图24(a)和24(b)所示的显示器与同20(a)和20(b)所示的显示器的区别在于，带有图案的四分之一波长延迟器82被均匀的四分之一波片120和带有图案的二分之一波长延迟器121所代替。快光轴123垂直于四分之一波片68的快光轴74。带有图案的延迟器121包括：诸如124等区域以及诸如125的区域，前者基本不对光的偏振态产生影响，后者起二分之一波长延迟器的作用，其快光轴126基本同四分之一波片120的快光轴123相平行。
图24(a)和24(b)中的四分之一波片120和带有图案的二分之一波长延迟器121的组合对光偏振态的影响基本上等同于图20(a)和20(b)中的带有图案的四分之一波长延迟器82对光偏振态的影响。因此，穿过诸如延迟器121的125等区域的光线沿光路65传播，穿过诸如124等区域的光线沿光路66传播。如图23所示，带有图案的延迟器121可以包括前述元件中的任意一种。
图25(a)、25(b)和26示出了同图24(a)和24(b)所示的显示器类型相似的显示器。在该实施例中，带有图案的二分之一波片121是用图23(d)中所示类型的液晶设备予以实现的。在带有图案的延迟器121和LCD61上配备了黑色覆盖区128，使观察者无法看到无用的伪像。具体而言，这种伪像可能出现在带有图案的电极112的边缘，因此黑色覆盖部分将这些边缘隐藏起来，使观察者无法看到这些边缘。将补偿膜129设置于带有图案的延迟器121的上方，以改进显示器的视角特性。这种补偿膜是液晶技术领域中的现有技术，前述Lueder的参考文献中说明了这种补偿膜的若干示例。
该显示器同图24(a)和24(b)的区别还在于，50％镜62被70％镜所替代，反射偏振片63的透光轴76方向被旋转了90°，并在反射偏振片63上方设置了另一个透光轴同轴76平行的吸收偏振片130。吸收偏振片130减少了来自显示器表面的环境光的反射。当不存在这样的偏振片时，偏振态同反射偏振片63的透光轴相正交的入射光被反射回去，比如反射回给观察者。吸收偏振片103的存在阻挡或极大地衰减了这样的反射光。
镜62被配置用于透射约70％的入射光并反射约30％的入射光。这样的镜提高了由显示器提供的图像的整体亮度。具体而言，使用50％镜，非移位图像的亮度理论上(忽略损耗)等于LCD61处的图像亮度的50％，而景深移位图像的亮度理论上降低至25％。使用70％镜使非移位图像的亮度增至70％，景深移位图像的亮度降低至21％(只降低了相对较小的量)。
图25(a)和25(b)示出了双景深模式下的显示器，其中在延迟器121的均匀电极113和带有图案的电极112之间施加一个电压。在与带有图案的电极112相邻的液晶区域中，液晶分子的方向受施加电场的影响基本垂直于液晶层平面，因而基本不对穿过该区域的光的偏振态产生影响。与带有图案的电极112间的缝隙相邻的液晶区域不受施加电场的作用，因而其方向仍由取向层决定。因此，液晶材料的这些区域起二分之一波片的作用，其快光轴方向平行于四分之一波片120的快光轴123。如此一来，来自D像素并穿过这些区域的光线就直接传入视区，而来自T像素的光线穿过“切换”液晶区域，沿较长的路径65到达视区。
如前所述，液晶单元配置结构可以为，当不存在施加电场时，使液晶材料处于扭转向列模式，起偏振旋转器的作用，用于将线偏振光的电场矢量旋转90°角。因此，由于扭转向列结构被与带有图案的电极112相邻的液晶区域内的施加电场所破坏，显示器将按上述方式工作。
图26示出了可选的单景深工作模式下图25(a)和25(b)的显示器。在该工作模式下，电极112和113之间未施加电场，因此液晶模式取决于取向层和液晶材料。在这种情况下，元件121起均匀二分之一波片或偏振旋转器的作用，因此所有经图像或图像序列调制的光都沿直接路径66传播至视区，图像作为非移位图像显示。
在25(a)和25(b)所示的设备的变形中，使用了图23(e)所示的具有带有图案的排列的液晶单元。图23(e)中的液晶区域A-B-A-B起取向交替的四分之一波片的作用，因此四分之一波片120不是必不可少的。如果连补偿膜129都不使用，那么可以通过用诸如铝或银等反射材料制造黑色覆盖物128的方式，合并镜62和黑色覆盖物128的功能。
图27(a)和27(b)示出了图25(a)、25(b)和26所示的显示器的修改形式。具体而言，省去了黑色覆盖物128和补偿膜129。图27(a)和27(b)的显示器的工作方式和图25(a)、25(b)和26的显示器的工作方式基本相同，因此不再对其予以说明。
图28示出了被配置用于提高图像亮度的显示器。该显示器与图25(a)所示的显示器在许多方面都不相同。在液晶单元111和出射偏振片81间设置四分之一波片120。液晶单元111上的黑色覆盖物128的一部分执行部分镜62的功能，并包括带有图案的金属反射器，带有图案的金属反射器可以具有比如铝(Al)或银的薄层的形式。由于镜62的非透射部分使几乎没有光线穿过的区域变暗，因而配置部分镜的反射部分使其与LCD61中非透射黑色覆盖区128相对应，可以实现整体亮度的增加。在该配置中，需要液晶单元111起二分之一波片的作用，而非处于导波模式，并且液晶单元111可以用Freedericksz单元予以实现。
图29示出了一种显示器，该显示器同图28所示的显示器的区别在于用反射密度随空间变化的金属镜作为镜62。在该示例中，存在具有不同反射/透射密度的反射区62a和62b。可以通过比如使反射层变薄或小规模地形成空间图案的方式改变密度。这种配置对于减少由规则图案与其他显示器内变化结构相互作用所引起的莫尔条纹。
图30示出了与图28所示的显示器类型相似的显示器，只是在该显示器中将四分之一波片68的功能并入液晶单元中。用透明的聚合物台阶111a为液晶单元形成空间图案。例如，台阶111d沿液晶单元厚度方向贯穿整个液晶单元，而台阶111e从下表面向上(按图30所示的方向)扩展，并在其上表面形成反射器62的反射区。台阶111e上方的液晶单元的区域和反射区的厚度使液晶材料起四分之一波片111c的作用。区域111e及其顶端反射区的厚度或深度限定了能够提供二分之一波片111b的液晶单元。
这种配置所需要的独立组件的数量有所减少，这对至少某些应用而言可能是有优势的。此外，来自“上”方或前方像素的光路无须穿过任何波片，因此经历的损耗以及由偏振误差引起的串扰有所减小。然而，在一可选实施例中，可以用液晶材料以及用于对整个液晶材料施加适当电压的电极替代透明聚合物区。
图31示出了一种显示器，该显示器同图28所示的显示器的区别在于，四分之一波片68包括设置于带有图案的铝制区域上方的区域。四因此，四分之一波片区域68能透过沿路径65传播的光，从而可以减少由偏振误差导致的损耗和串扰。
在前述实施例中，前和后(或上和下)图像是以基本相同的空间分辨率来显示的，举例而言，交替图像的条带是通过LCD61交替的像素行予以显示的。然而，这并不是必须的，可以不同的空间分辨率显示器上下图像。图32针对图27(a)中所示类型的显示器示出了上述情况。在这种情况下，为下部图像分配的行数是为上部图像分配的行数的两倍，为下部图像每行分配的像素数是为上部图像每行分配的像素数的两倍。这样的配置为下部图像提供了更高的分辨率和更强的亮度。然而，还可以根据需要针对任何特定应用来分配像素数和行数。
图33示出了一显示器，该显示器同图27(a)所示的区别在于，二分之一波片121设置于四分之一波片120和液晶单元111之间。四分之一波片120和二分之一波片121的组合所执行的功能基本上和图27(a)的显示器中的四分之一波片120本身所执行的功能相同。然而，波片组合可以提供更强的消色差响应，这对于减轻串扰和彩色伪像而言可能十分有用。
在显示器中可以会出现各种有害伪像，这些伪像可能会导致性能下降。比如，在显示器组件间的分界面上可能存在菲涅耳反射。这种反射可能出现在如图32所示的显示器中的四分之一波片68和部分镜62间，部分镜62和四分之一波片120之间，以及四分之一波片120和液晶单元111之间。这种反射可能引入损耗并增加串扰。可以通过比如匹配组件间折射率或在一个以上的组件表面上应用防反射膜的方式减小上述反射。
典型的显示器背光通常被设计用于在相对较宽的角度范围内提供均匀照明，以提供较大的视区。然而，由于液晶单元以及显示器的其他组件间的视差的缘故，此处公开的显示器通常具有更有限的视角范围。因此，可以利用部分准直背光提供一个比较窄的显示器照明角范围。对于给定的输入功率，这种配置可以提供更强的图像亮度。
在此处公开的至少某些显示器中，可以采用一种可选的液晶模式。具体而言，除了传统的扭转向列配置以外，还可以使用较厚的液晶层，使之工作于已知的Mauguin区。这种配置可以在轴向以及较大的角度上提供更低的偏振误差，因而可以降低串扰。
为了在可以使用“单图像模式”的情况下提高该模式下的亮度，可以将部分镜62切换为透明无反射模式。US6961105中公开了适当类型的电控可切换镜。
图34示出了如何将此处公开的类型的显示器安装在箱体131形式的外壳中。在图34所示的配置中，组件80、61、81、111、112、120、62和68被安装在箱体131中。反射偏振片63和吸收偏振片130安装在箱体外透明窗的上方，因此箱体是一个用于将反射偏振片53和部分镜62分开，从而提供更强的景深效果的十分方便的装置。
图35示出了可以同此处公开的显示器一起使用从而提高显示器表观亮度(视亮度)的图像处理技术。这对于在“下平面”内形成的图像而言可能特别有用。该技术依赖于调节图像内的伽马值。伽马值指图像内的灰度级数据同对LCD施加的实际电压(也就是最终显示亮度)间的对应关系。图35示出了显示亮度与灰度值间的关系，还示出了一个线性关系。图35还示出了中等灰度级的显示亮度有所提高而全黑和全白级别的显示亮度保持不变的“增强伽马”函数。这样做可以使图像表观亮度(视亮度)增加。
图36在140的位置示出了已知LCD面板的典型像素布局。黑色区域是无法透射的，覆盖以黑色材料从而形成覆盖层，如晶体管、电容器、以及面板的控制线。在该配置中所有像素都具有相同的孔径比。这种像素配置可用于此处公开的显示器中。然而，还可以改变布局，如141所示，使用于显示下平面图像的像素L比用于显示上平面图像的像素U具有更大的孔径比。这样的配置能够使下平面图像的亮度增加。
图37在142的位置示出了另一像素配置，同时依然将传统配置示于140的位置。在配置142中，像素的行间非透射区域增加，像素的列间区域减小，因而总孔径率保持不变。这样的配置可用于增加显示器的观察自由度。
图38示出了前述类型的显示器的另一种可能应用。在该应用中，显示器可以在窄视角或“个人”模式以及宽视角或“公共”观看模式间切换。在个人观看模式下，显示器提供受限的视角范围，因此位于中央的观察者132能够看到显示图像，反之对于偏离轴向的观察者133而言显示图像是不可见的。在个人模式下，可以操作显示器使图像看上去位于LCD“后”的景深移位位置67。该模式可用于比如显示金融或其他不希望被公众看到的敏感信息。当显示希望能够被公众看到的信息时，可以使显示器工作于非移位模式，使得图像看似基本位于LCD61的显示表面。为了在公共模式下提供足够宽的视角范围，可以将偏振光学器件62～64制造得比LCD61的显示表面宽。
每次从上至下更新或刷新LCD的一行从而更新一个完整的帧对于前述LCD61而言是十分有用的。就依时序工作的显示器而言，LCD61交替显示第一和第二图像或序列，逐行发生图像间切换。图39示出了所得到的显示图像的一个示例。在这种情况下，图像每16毫秒(LCD的帧速率)改变一次。
这可能会给显示器带来这样的问题，即LCD前的光学配置结构中的一个或多个元件的开关必须与图像序列同步。比如，对于图像或序列中的一幅图像而言需要打开图9(a)的实施例中的二分之一波片，而对于图像或序列中的另一幅图像而言需要关闭所述二分之一波片。
为了减小LCD的逐行刷新的影响，举例而言可以将相关的可切换光学元件划分为多个独立的可切换段，以便使各段覆盖LCD的多个像素行。然后顺次地、以与LCD的全部下方像素行的切换同步的方式切换所述独立段，从而使任意像素的更新和所述像素上方的独立段的切换间的时间差相对较小。图40示出了这种情况，其中将切换至光学元件多种状态之一的光学元件的各段以阴影表示，所述光学元件具有四个这样的段。
图41(a)和41(b)示出了这样的分段可切换光学元件，后者所采用的形式为具有三个独立可切换平行段93、94和95的液晶单元。光学元件包括玻璃基片96和97，两者间限定了含有一层液晶材料98的液晶单元。下基片97带有一个单独的覆盖整个光学元件的电极，上基片96带有三个电极99，这三个电极限定了光学元件的三个部分。独立电极99可以独立寻址，从而使得光学元件的各段能够独立切换。电极98和99带有适合光学元件液晶模式的取向层100。
另一种用于减小LCD的逐行刷新的影响的技术在于，提高连续帧刷新间的时间间隔。这使得可以减小用于执行刷新的帧刷新时间段的比例，从而降低由逐行刷新引起的同步误差。
还可以利用背光60减小逐行刷新的影响，所述背光在行刷新时关闭，在连续帧刷新时间段之间打开。某些类型的背光，如冷阴极荧光灯，不立即开启和关闭。然而，将照明时间减少至帧周期的一部分会减小同步误差从而减小观察者感知到的图像间的串扰。举例而言，可以仅仅在连续帧刷新间的“等待期”内以及各帧刷新时间段开始和结束时的几毫秒内开启这样的背光。所述或各可切换光学元件在背光关闭时切换状态。虽然这将对接近屏幕顶部和顶部的像素造成较小的同步误差，但对LCD61的大多数像素基本不会产生影响，因而改进了串扰性能。
在所有前述实施例中，有可能不同景深像平面间的图像分离并不理想。预期位于景深移位平面D的图像的一部分可能会泄露到真实景深面T中，而T图像的一部分可能会泄露到平面D中。这种泄露可以导致串扰，而串扰应被减小使观察者基本觉察不到它的存在。比如，如果T图像是黑暗背景上的明亮数字，并且D图像主要是黑色的，那么观察者可能看到叠加在D图像的明亮数字的微弱的轨迹。
由于多种原因，这样的串扰可能是从D图像串扰至T图像的也可能是从T图像串扰至D图像的。偏振控制光学元件通常不是理想的。比如，实际偏振片通常允许透过一部分“不正确的偏振”光，延迟器的行为依赖于方向、波长和加工条件，并且(在时序显示器中)液晶元件切换时间有限，这都将导致产生光线看似同时来自于平面T和D的时段。
多数串扰机制导致T和D图像亮度同原始图像数据间近似线性相关。这是由于在特定时间使显示设备中特定像素的亮度加倍将导致，来自于预期景深面中的像素的光线和与此同时来自于所述像素的泄露到非预期景深面中的泄露部分加倍。
因此可以用矩阵公式来描述串扰问题。在下文将对时序型显示器说明这种技术，然而类似的技术还可用于依赖于交错图像以及波长复用的显示器。假定发送至显示设备的数据值正比于显示设备的像素所显示亮度。然而，如果实际情况不是这样，就必须考虑实际“传输函数”。比如，阴极射线管设备通常具有幂律响应，其中显示亮度正比于信号输入端电压的幂。
令d表示一个向量，该向量具有两个分量，这两个分量是在显示器分别处于模式D和T的情况下在时序成像周期内发送至显示设备(CRT、LCD或其他设备)的特性像素的数据。假设数据值的取值范围在0、1之间。向量b包含所述特定像素的两个景深面内可以被观察者看到的图像亮度。由于上述线性关系的缘故，可以用一个2×2矩阵M关联这两个向量。
B＝Md.
当使用该显示器时，有必要指定亮度b’并计算需要被发送至显示器以显示指定亮度的数据d’。因此，有必要对矩阵求逆并根据下式计算d’。
d’＝M-1b’。
理论上，这种运算可以调节串扰，进而可以显示非失真图像。不幸的是，这种运算还可能导致d’分量的值超出允许范围[0，1]。有必要使用可以避免超出可用范围的亮度b’的范围。
矩阵的分量都是正数
     M＝[a  β]
        [γ  d]。
如果景深面1的亮度主要受数据分量d1控制，景深面2的亮度主要受分量d2控制，则α>β和δ>γ。如图30(a)所示，图像数据的所有可能值都位于单位正方形以内。图30(b)示出了b的可能值的结果范围(以实线围成的四边形)。
如果β<b1<α并且γ<b2<δ，那么两组亮度可以独立变化而不会导致d’的值超出允许范围。这将b’的取值范围限制为矩形B。由于亮度的最小值不等于0，因此存在对比度的损失。
实际上，利用以下缩放运算将原始数据d映射为亮度范围B：
b’1＝β+(α-β)d1
b’2＝g+(d-γ)d2
然后对将逆矩阵M-1作用于b’，算得校正数据d’。
图42(a)和42(d)示出了该过程的示例。图42(c)中的下方的图形示出了发送至双景深显示器的未经串扰校正的一行图像数据。坐标x用于度量至屏幕表面的距离。在该示例中，M的分量为：
     M＝[0.9  0.2]
        [0.1  0.6]。
图42(c)中上方的图像示出了位于两个景深面内的图像的亮度。在x＝12的位置在分量b1中存在一个边沿，而在数据d1中不存在边沿。这是由串扰引起的。
图42(d)示出了串扰校正过程。亮度b’是根据数据d通过将分量映射至允许亮度范围的方式计算得到的。然后，通过将逆矩阵M-1作用于b’的方式计算校正数据d’。虽然去除了由串扰引起的图像中的非期望特征，但是由于零亮度不再可用，因而对比度有所损失。
矩阵M可能取决于光的颜色(红、绿或蓝)还可能取决于像素在显示器上的位置。可以利用取决于颜色和/或位置的系数值来进行串扰校正。
M还可能取决于环境因素。具体而言，温度可以影响液晶单元的切换时间，进而影响串扰。因此，显示器可以包括环境传感器，后者将信息馈送给串扰校正方法，串扰校正方法对环境的变化予以响应从而改变系数。
可以使用反馈方法控制串扰校正所用的系数。比如，可以用光电二极管来监控显示器的一角内的像素(可能隐藏在覆盖层的后面)，光电二极管所成的角度使得它们可以独立检测来自两个景深面的光线。然后，将这些光电二极管测得的亮度用于校正串扰校正系数。
在某些情况下，串扰可能不服从以上给出的线性模型，比如，图像D的图像强度加倍不会使得串扰至图像T的强度加倍，或者串扰至图像T的强度取决于图像T的亮度。在这种情况下，仍然可以应用串扰校正，但是，为了使所采用的校正对两平面内的所有亮度值均能产生良好效果，必须对平面D和平面T内的大量图像亮度值进行串扰测量
图43(a)和43(b)示出了用于表示控制按钮及其操作的上下像平面内的图像。举例而言，可以在显示器前配置一触摸面板，使用户按压的显示器上位置可以被触摸面板检测到。图43(a)表示已被按下的控制按钮。按钮的“顶端”显示于上方像平面内155的位置，而按钮的边缘或外缘显示于下方像平面内156的位置。图43(b)示出了按下按钮时的图像。在这种情况下，控制按钮的顶端155以及边缘156都显示于下方像平面内。这种配置可以使人感觉到按钮更像是真正的可以在按压时做出反应的物理控制按钮。这种配置的应用的一个示例在于，用于控制车内娱乐系统或卫星导航系统的机动车中央控制台。
在前述实施例中，为了提供能够改变像平面景深或显示位于两个以上不同景深面的图像，已将光学系统和显示设备一同使用。然而，所述光学系统还可用于其他目的。比如可以使用所述光学系统，通过提供比光学系统物理长度更长的光学路径或光路的方式，缩短光学仪器的长度。
比如，可以将这样的光学系统用于望远镜或其他类似的仪器。附图中的图44示出了一种已知类型的天文或开普勒望远镜。这种望远镜包括：焦距为fob的物镜140以及焦距为foc的目镜141。透镜140和141具有重合的焦平面142，且角放大率为fob/foc。
为了提供较高的放大率，应将物镜140的焦距fob制作得相对较大和/或将目镜141的焦距foc制作得相对较小。由目镜141产生的光学像差将最小焦距foc限定为几个透镜直径的长度。相应地，为了获得相对较高的放大率，需要物镜140具有较长的焦距fob。透镜间望远镜的总长度等于焦距之和，因此，较高的放大率需要较长的望远镜的物理长度。
图45示出了天文望远镜，该天文望远镜包括图9(a)中所示类型的光学系统，并且包括：反射偏振片62、四分之一波片68、50％镜63以及圆偏振片71。该光学系统被设置于透镜140和141之间，工作于单一模式下，因此光学系统提供延长了的光路65。通过设置同物镜140相邻的反射偏振片62以及同目镜141相邻的镜63，对于同样的放大系数，可以将望远镜的物理长度缩短至近似于图44所示的已知望远镜物理长度的三分之一。因此，可以提供具有同样放大性能但却紧凑得多的仪器。
可以在透镜140和141间使用用于产生光路65的前述任一光学系统。此外，还可以将图45所示的光学系统以及任一其他实施例中的光学系统用于其他应用，以在保持光路长度不变的同时缩短仪器长度。比如，为了提供陆地望远镜或类似的仪器，必须将由图44和45中所示类型的天文望远镜产生的倒像反转过来，这通常是通过镜、附加镜或棱镜予以实现的。在图46所示的陆地望远镜中，用镜143来实现像反转。在图45中所示类型的望远镜系统中插入镜143，并将其设置于四分之一波片68和反射偏振片62之间。这使得可以将给定放大系数的陆地望远镜制作得紧凑得多。
图47示出了一种已知类型的数码相机。该摄像机包括复合透镜145，用于在图像传感器147的传感面形成物体146的像。复合透镜145可以沿摄像机的纵轴148运动，从而可以对由距摄像机距离不同的物体所形成的像进行正确对焦。从复合透镜145到图像传感器147的距离至少部分取决于透镜145的焦距。
如图48所示，可以通过在图像传感器和复合透镜间设置任一前述类型光学系统的方式缩短摄像机的物理长度。举例而言，图48示出了图45中所示类型的光学系统。在临近复合透镜145内端的位置设置反射偏振片62。将镜63和圆偏振片71附在图像传感器147的正面。这样就可以针对给定的复合透镜145焦距制造出“小”得多的摄像机。因此，可以将这种配置应用于需要小尺寸摄像机的情况，如含有摄像机特征的移动或“蜂窝”电话中。

Claims (37)

1.一种用在显示器中的光学系统，所述显示器用于以不同的景深显示第一图像或图像序列和第二图像或图像序列，
所述光学系统包括隔开一定距离的第一部分反射器和第二部分反射器，并提供：
第一光路，(i)所述第一光路的光路长度大于所述光学系统的物理长度，以及(ii)以所述第一图像或图像序列调制的第一光线沿所述第一光路传播；和
第二光路，(i)所述第二光路的光路长度与所述第一光路的光路长度不同，以及(ii)以所述第二图像或图像序列调制的第二光线沿所述第二光路传播，
所述第一光路如下形成：(i)第一部分反射器将第一光线部分透射至第二部分反射器，(ii)第二部分反射器将已部分透射通过第一部分反射器的第一光线部分反射至第一部分反射器，(ii i)第一部分反射器将已被第二部分反射器部分反射的第一光线部分反射至第二部分反射器，以及(iv)第二部分反射器部分透射已被第一部分反射器部分反射的第一光线，
所述第二光路如下形成：(i)第一部分反射器将第二光线部分透射至第二部分反射器，以及(ii)第二部分反射器部分透射已部分透射通过第一部分反射器的第二光线，以及
所述光学系统被配置为，基本能够防止在被第一部分反射器和第二部分反射器反射的过程中未被反射的第一光线从第二部分反射器出射，
其中，第一次入射于第二部分反射器上的光线不离开所述光学系统。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学系统被配置用于，在第一光线沿第一光路传播的过程中改变第一光线的偏振。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光学系统被配置用于，在第一光线沿第一光路的从入射至第二部分反射器到被第一部分反射器反射间的部分传播的过程中改变第一光线的偏振。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学系统被配置为，基本能够防止未透过第二部分反射器的第二光线从第二部分反射器出射。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学系统可在第一模式和第二模式间切换，在所述第一模式下第一光线沿第一光路传播，在所述第二模式下光线沿第二光路传播。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一部分反射器和第二部分反射器基本是平面的。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一部分反射器和第二部分反射器基本是平行的。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一部分反射器和第二部分反射器分别包括：反射线偏振片和部分透射镜，并且所述光学系统包括：圆偏振片、设置于第一部分反射器和第二部分反射器间的四分之一波片、以及设置于第一部分反射器和圆偏振片间的可切换二分之一波片，并且所述第二部分反射器设置在所述第一部分反射器和所述圆偏振片之间。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一部分反射器和第二部分反射器分别包括：部分透射镜、和至少一个反射圆偏振片。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述光学系统包括四分之一波片。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光学系统包括可切换二分之一波片。
12.一种光学仪器，包括根据前述权利要求中任一项所述的系统。
13.根据权利要求12所述的仪器，包括望远镜或摄像机。
14.根据权利要求13所述的仪器，其中，所述望远镜是单筒望远镜或双筒望远镜。
15.一种显示器，包括：(i)显示设备，用于以第一图像或图像序列调制第一光线，以及以第二图像或图像序列调制第二光线；以及(ii)光学系统，被配置用于增加第一图像或序列位置的感知景深，
所述光学系统包括隔开一定距离的第一部分反射器和第二部分反射器，并提供：
针对第一光线的、从所述显示设备到视区的第一光路；和
从所述显示设备到视区的、光路长度不同于第一光路的光路长度的第二光路，从而提供与第一图像或图像序列的位置的感知景深不同的第二图像或图像序列的位置的感知景深，
所述第一光路如下形成：(i)第一部分反射器将第一光线部分透射至第二部分反射器，(ii)第二部分反射器将已部分透射通过第一部分反射器的第一光线部分反射至第一部分反射器，(ii i)第一部分反射器将已被第二部分反射器部分反射的第一光线部分反射至第二部分反射器，以及(iv)第二部分反射器将已被第一部分反射器部分反射的第一光线部分透射至视区，以及
所述第二光路如下形成：(i)第一部分反射器将第二光线部分透射至第二部分反射器，以及(ii)第二部分反射器将已部分透射通过第一部分反射器的第二光线部分透射至视区，
其中，所述光学系统被配置为，基本能够防止在被第一部分反射器和第二部分反射器反射的过程中未被反射的第一光线传入视区。
16.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述光学系统被配置用于，在第一光线沿第一光路传播的过程中改变第一光线的偏振。
17.根据权利要求16所述的显示器，其中，所述光学系统被配置用于，在第一光线沿第一光路的从入射至第二部分反射器到被第一部分反射器反射间的部分传播的过程中改变第一光线的偏振。
18.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述光学系统被配置为，基本能够防止未透过第二部分反射器的第二光线传入视区。
19.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述显示器可在第一模式和第二模式间切换，以改变图像位置的感知景深，所述第一模式显示第一图像或序列，所述第二模式显示第二图像或序列。
20.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述显示器被配置用于同时或按时间顺序显示第一部分反射器和第二图像或序列，使得看上去第一图像或序列和第二图像或序列之一覆盖在第一图像或序列和第二图像或序列中的另一图像或序列之上。
21.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述第一部分反射器和第二部分反射器基本是平面的。
22.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述第一部分反射器和第二部分反射器基本是平行的。
23.根据权利要求22所述的显示器，其中，所述第一部分反射器和第二部分反射器基本平行于所述显示设备的显示表面。
24.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述显示设备包括液晶设备。
25.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述第一部分反射器和第二部分反射器基本覆盖所述显示设备的整个图像显示区。
26.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述第一部分反射器和第二部分反射器分别包括：设置于所述显示设备和圆偏振片间的反射线偏振片和部分透射镜，并且所述光学系统包括：设置于第一部分反射器和第二部分反射器间的四分之一波片、以及设置于第一部分反射器和圆偏振片间的可切换二分之一波片。
27.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述第一部分反射器和第二部分反射器分别包括：部分透射镜、和至少一个反射圆偏振片。
28.根据权利要求27所述的显示器，其中，所述光学系统包括四分之一波片。
29.根据权利要求28所述的显示器，其中，所述光学系统包括可切换二分之一波片。
30.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述第一部分反射器和第二部分反射器分别包括：部分透射镜和反射线偏振片，并且所述光学系统包括：设置于第一部分反射器和第二部分反射器之间的四分之一波片、以及设置于第一部分反射器和所述显示设备间的带有图案的延迟器或偏振旋转器。
31.根据权利要求30所述的显示器，包括准直背光，并且所述光学系统包括漫射器。
32.根据权利要求31所述的显示器，其中，所述部分透射镜包括带有孔阵列的镜，并且所述漫射器包括与孔对齐的透镜阵列。
33.根据权利要求30所述的显示器，其中，所述带有图案的延迟器或偏振旋转器可切换至均匀的不带图案的状态。
34.根据权利要求30所述的显示器，其中，所述带有图案的延迟器或偏振旋转器包括带有图案的四分之一波片。
35.根据权利要求30所述的显示器，其中，所述带有图案的延迟器或偏振旋转器包括：均匀的四分之一波片、和带有图案的二分之一波片或带有图案的90°偏振旋转器。
36.根据权利要求30所述的显示器，其中，所述带有图案的延迟器或偏振旋转器包括液晶单元。
37.根据权利要求36所述的显示器，其中，所述液晶单元包括带有图案的电极配置结构。
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