CN103080852A

CN103080852A - 用于全息或立体显示器的光束发散和多种准直器

Info

Publication number: CN103080852A
Application number: CN2011800427410A
Authority: CN
Inventors: 杰拉尔德·菲特雷尔
Original assignee: SeeReal Technologies GmbH
Current assignee: SeeReal Technologies GmbH; SeeReal Technologies SA
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2031-04-11
Also published as: KR20180000345A; CN103080852B; US9395690B2; US20160313695A1; TWI622809B; TW201719234A; KR101812299B1; KR20130123368A; JP2013536451A; US20130170004A1; US10295959B2; TW201232035A; TWI572900B; KR102251546B1; KR20200035324A; US11385594B2; WO2012004016A1; KR102094528B1; US20190271942A1; JP5918758B2

Abstract

本发明涉及一种具有照明装置、放大单元（VE）和光调制器（SLM）的全息显示器，其中，照明装置包括至少一个光源和光准直单元（LCU），光准直单元（LCU）设计成使其准直至少一个光源的光，并产生由光源发射的具有平面波可指定角度谱的光的光波场，从光的传播方向看去，放大单元（VE）设置在光准直单元（LCU）的下游，其中，放大单元（VE）包括透射体积全息图（VH），设计并设置该透射放大体积全息图，使得由于光波场与体积全息图（VH）的透射相互作用，实现光波场的失真扩展，从光传播方向上看，光调制器（SLM）设置在失真放大单元（VE）的上游或下游。

Description

用于全息或立体显示器的光束发散和多种准直器

本发明涉及具有照明装置、放大单元和光调制器的全息显示器。该全息显示器用于显示二维和/或三维图像信息。

在实现具有大屏幕尺寸的全息显示器时，存在两个主要问题：

–如果大面积光调制器，例如具有24”对角线尺寸的光调制器，用于编码全息图，则必须使用足够的相干光均匀照射该光调制器的大面积。

–相反地，如果小的光调制器与投射布置进行组合，若其具有相同的24”屏幕尺寸，并且如果使用常规光学装置，例如透镜和反射镜，则该装置将深于1m。

可以使用尽可能平坦的大的照明装置解决第一个问题。只有使用不同于常规光学装置以外的其他装置放大照明装置和/或光调制器，才可以解决第二个问题。

例如，在WO2006/119760A2号专利文献中公开了一种全息投射显示器。在该文献中，具有小表面和高分辨率的光调制器借助于透镜和反射镜的布置以放大方式成像到作为屏幕的透镜或凹透镜上，并且在屏幕和位于屏幕的傅里叶平面内的视窗之间延伸的空间内重建，其中全息图在该光调制器上编码。鉴于全息图在屏幕上的放大成像，该布置具有重建空间也得到放大的优势，因而与常规全息布置相比，可以重建更大的物体。然而，随之而来的缺陷是，该光学布置体积大，在轴向方向上特别长，因此，由于其深度大，很难用于全息桌面显示。

在US2007/252956A号专利文献公开的一种投射显示器中，通过相对较小的照明装置照射小的光调制器，并且借助轴外设置的全息反射镜元件将其以放大方式投射至屏幕上。该布置的优势在于，由于倾斜的光学路径，整个系统的轴向尺寸得以缩短。然而，该布置仍然体积过大，不能作为全息桌面显示使用。

WO2002/082168A号专利文献公开了一种结合一维和二维光栅用于光偏转的平面投射显示器。通过杆状光栅在一个方向上导向视频投射仪的虚像，之后通过板状光栅在垂直于第一方向的第二方向上导向。在一个实施例中，光栅由玻片制成，玻片与显示器表面呈45°成层状连接，每个玻片在与入射方向呈直角的方向上对光进行偏转。然而，光调制器的图像因此增加而非放大，在法向方向上观察板状光栅表面的观察者看到一个二维布置及相同的调制器图像。即使利用该设置，也不能实现实际放大光调制器的编码表面的全息投射显示。

在WO2002/31405A号专利文献中，例如由光调制器发射的具有矩形横截面的准直光束在两个垂直方向上扩展，由于其以小角度落在不像反射镜一样反射的一维表面上并且落在不同于反射镜依次反射的二维表面上。通过平坦“掠过（grazing）”的入射实现二维扩展，并且表面具有这样的质地，即，它们将光束反射至所需的方向，在这种情况下是垂直于入射的方向。这借助二维衍射光栅或全息表面光栅实现。在该布置中，的确放大了入射光波场的横截面积，但并没有提到光束被衍射光栅反射时的限定的振幅和相位调制，然而，所述这在三维场景的全息重建中是必需的。

因此，本发明的目的在于提供一种具有照明装置的全息显示器，其具有尽可能大的面积同时具有尽可能小的深度，并且仅包含最低限度数量的主光源。本发明的另一目的在于，将尽可能小的全息编码光调制器放大到足够大的尺寸，而不显著增加布置的深度。在任一情况下，由照明装置发射的平面波的角度谱及其相干性将满足物体的全息或混合全息及立体呈现的要求。

根据本发明通过权利要求1所述的特征实现这些目的。其他优选实施例和本发明的外延在从属权利要求中限定。

根据本发明的全息显示器包括照明装置、放大单元和光调制器。该照明装置包括至少一个光源和光准直单元。该光准直单元设计成使其校准由至少一个光源发射的光并产生由光源发射的具有平面波可指定角度谱的光的光波场。从光的传播方向上看去，放大单元设置在光准直单元的下游。放大单元包括透射体积全息图，设计并设置该透射体积全息图，使得由于光波场与体积全息图（VH）的透射相互作用，可以实现光波场的失真扩展。这里，优选可以在全息或立体或自动立体显示器中为其自身使用各个光准直单元和放大单元。根据本发明，光准直单元和放大单元可以提供扩展的校准光波场用于这样的显示器，之后作为准直和放大模块。在本发明范围内，失真扩展具体地意味着在不提供中间光学图像的情况下光束扩展或入射光束或光波场的放大。

从光传播方向上看去，用于编码全息信息的光调制器可以设置在失真放大单元的上游或下游。

来自光准直单元的光波场可以可指定的入射角到达体积全息图，该入射角不应小于70°。此处，入射角涉及体积全息图的表面法线，并且将体积全息图前后的光学媒介的折射率差异考虑其中。

选择体积全息图的厚度，使得光波场示出波矢量的角度分布，并且在至少一个方向上，光波场的波矢量的角度分布的最大偏离不超过1/20°。波矢量描述光波场的波传播方向。

在光调制器上两个限定点之间的放大光波场的光束的光学路径长度的差值将不超过以给定的光的相干长度在光调制器的编码表面上的给定值。这意味着穿过光调制器给定子区域的两个任意光束之间的光学路径长度的差值将足够小，使这些光束仍然能够产生干涉，光调制器的给定子区域例如可以对应于子全息图。在WO2006/066919A1号专利文献中给出子全息图的定义。在此情况下，确保使用由此限定的所使用的光的干涉长度，在基于专利文献WO2006/066919A1的显示中仍然可能存在建设性或破坏性的干涉，由此，可以使用显示器向观察者全息地呈现三维场景。

放大单元可以包括设置在光传播方向上更下游的另一体积全息图，放大单元的体积全息图设计并设置得使光可以向两个不同方向偏转，从光传播的方向上看，光调制器设置在另一体积全息图的上游或下游。根据该实施例，第一体积全息图用于在第一方向上扩展或放大由光准直单元校准的光波场。设置在第一体积全息图下游的另一（或第二）体积全息图，用于在第二方向上扩展或放大已经通过第一体积全息图在第一方向上放大的光波场。从而，例如，优选地，可以仅有一个主光源实质上均匀地照射大的面积或区域，其中放大单元优选地占用非常小的空间。

可以将两个体积全息图设置为，在两个实质上垂直的方向上，即，在每个方向上有不同的放大因数，使用限定的平面波的角度谱失真地扩展光波场。

使用的体积全息图优选为离轴体积全息图，其中，物体光束和参考光束不在同一轴上。

激光、激光二极管、LED或OLED可以作为光源。

可以通过光束组合器将多光源的辐射或光组合并且注入普通光纤。如果仅使用单个光源，则可以将其光线通过光纤导入光准直单元。

用于产生准直光波场的主准直透镜可以设置在光离开光纤的出射点的下游。例如，该准直光波场可以用于照射立体显示器。

另外，主准直透镜可以在光传播方向上跟随有体积全息图形式的角度过滤器，选择其厚度，使光波场示出波矢量的角度分布，并且在至少一个方向上光波场的波矢量的角度分布的最大偏离不超过例如1/20°的可指定值。这使得以下情形成为可能，即，将在至少一个方向上的平面波的角度谱限制为已经在光准直单元内的可指定角度范围，并且在仅考虑所需的光束扩展或光束偏离效果的情况下，限定设置在光准直单元下游的体积全息图的厚度。

准直光波场可以照射光准直单元的第一微透镜阵列。

散射装置可以设置在第一微透镜阵列的焦平面上，光从该装置传播至紧处于散射装置下游的第一孔径光阑，其中第一孔径光阑的孔可以具有不对称的横向范围，以产生与各自横向范围相关的具有可指定相干性质的光波场的平面波的角度谱。这在显示器的混合全息和立体编码的情况下是特别重要的，其中，光波场在全息编码的方向上必须显示充分的相干性，但在立体编码的方向上显示充分的非相干性。

将光准直单元的第一孔径光阑的孔尺寸设计为，使得光波场的相干性质在两个方向上不同，由此，在一个方向上辐射实质上是不相干的，而在另一方向上是充分相干的。总体而言，辐射的相干性的程度越大，在各自方向上的孔径越小。

第二微透镜阵列优选设置在光传播方向上第一孔径光阑的下游，使得第一孔径光阑的孔与相应微透镜的后焦点重合。因此，第二微透镜阵列产生具有平面波的角度谱的分割的光波场，利用该部分光波场，直接或在光波场横向放大之后，照射之后携带全息编码的光调制器。

另外两个孔径光阑优选设置在第一孔径光阑和第二微透镜阵列之间，所述另外的孔径光阑用于防止第一孔径光阑的第二光源的光向不同的微透镜传播而不向指定的微透镜传播（照明串扰）。

光调制器可以是透射、反射或半透类型的。

照明装置尺寸设计为，其实质上均匀地照射光调制器的有效区域。

然而，当光波被体积全息图衍射时，改变光波场的角度谱，使得例如当选择光准直单元的参数时，必须考虑在被体积全息图衍射时光准直单元的平面波的角度谱的改变。例如，失真扩展因数10将引起平面波的角度谱在该方向上平均值减小相同因数。因此，光调制器的至少一个参数可以改变，以便在至少一个体积全息图下游产生光波场的平面波的可指定的角度谱，这是有必要的。例如，这可以通过光准直单元的各个光组件的受控或手动调节或者通过用于特定应用的光准直单元的适当设计实现。

然而，同时还有可能为了观察显示器的观察者而将至少一个体积全息图的角度过滤效应用于抑制辐射或衍射级的干扰部分。如专利文献WO2006/066919A1中描述的，这在全息显示中特别有用，因为必须抑制更高或不想要的衍射级或使其消失。

另外，存在这样一种可能，其中一个体积全息图设计为除了具有扩展元件的功能外，其还具有物镜的功能。鉴于这样的物镜功能，如专利文献WO2006/066919A1中描述的，真实或虚拟的光源可以在全息显示器中的光源的图像平面上成像。

特别优选地，本发明应用于如WO2006/066919A1或WO2004/044659A2号专利文献所述的全息显示器中。其允许给予全息显示器平面且节省空间的设计。

使用非常高的帧频，例如≥240fps(帧每秒)，这样的照明装置如下设计是有利的，即，可以打开各个区域片段，并在时间上相互独立调制，由此，例如，仅照射在光调制器上的那些已经到达所需调整值或设置点值（例如，在液晶相位调制器的开关操作期间的相位平稳时期）的区域。该操作模式也被称为扫描。

为了达到该目的，需要改变全息显示的照明装置，使得光闸设置在光准直单元的第一微透镜阵列的上游（在光传播方向上），其中，在水平或垂直方向上延伸的多个条形片段可以在该光闸中激活，即，可以可选择地照射随后设置的光调制器上的条形区域。

例如，光调制器的扫描照明的一个实现选择是，一直打开照射光的两个条形片段，该条形片段在光调制器的平面上垂直延伸，并且可以在光调制器边缘及其中心之间在水平或垂直方向上依次移动。

然而，用于光线控制的光闸的使用具有如下缺陷，由于仅有少部分的光闸元件开启，即，在任一时间是透明的，因此其伴随着光输出的损失。

实现大面积扫描照明装置的另一种可能是，通过在两个垂直的方向上的两个体积光栅的组合不放大由小型平面光准直单元发射的分割的平面波场，而不是仅使用具有二维放大效应的第二体积光栅，并通过具有线性结构的光准直单元照射它，其中，线具有至少两个可以相互独立开关的光源，并且在出射处具有至少两个准直折射透镜，并且沿依次设置的二维放大单元的边缘并排设置这些线，使得其照射所述二维放大单元的整个表面。体积光栅衍射以平角射入的光束，使其实质上垂直其表面离开体积光栅。

由线形光准直单元的出射形成的照射表面还可以照射由例如玻璃的折射材料制成的楔形光波导装置的全部表面，二维体积光栅附接在其出射表面，该出射表面实质上垂直于其整个表面。

还有可能，不同于由折射材料制成的楔形光波导装置，不提供光学媒介或空气，并且将由线形光准直单元发射的照射光直接照射在二维体积光栅或携带二维体积光栅的材料上。

这种布置放大由光准直单元发射的分割的平面波场并且将其导至之后的光调制器表面上。

根据在光准直单元中并排设置的线的数量和在每条线上可以独立开关的光源的数量，由此形成的照明装置具有可独立开关的照明片段的矩阵。

然而，例如专利文献WO2004/109380中所描述的，如果由专用的光源照射并开关如此形成的照明装置的每一片段，该解决方案效率过低。

为了提高可用光能的利用，另外也为了尽可能少地使用主光源，例如通过级联光波导或开关的系统控制并分配很少的光源的光是有意义的。

例如，当施加电压时，有效光开关可以将光从一个光纤重新导向另一光纤。如果线性连接多个这样的分支，例如以树形结构连接，则单一主光源可以产生2的N次方个可开关次级光源，其中，N为级联数。

因此，在这方面，一种实现选择是，通过这种级联的可开关光纤光波导，照射设置在光准直单元的第一微透镜阵列上游的主准直透镜阵列的所选透镜。

照射位于光准直单元的第一微透镜阵列上游的主准直透镜的所选透镜的另一可能是在光学多模式光纤的末端提供无源光出射点，根据其实际设置，所述光学多模式光纤照射一个或多个主准直透镜。

然而，该选择意味着，一个主光源的光分配至多个次级光源，而没有有效地控制单个次级光源的可能。

除了光纤光波导和开关，还可以使用光偏转元件，例如液晶光栅，以用于使用设置在主准直透镜和光准直单元的第一微透镜的之间的两个可开关的基于LC衍射光栅的组合照射光准直单元的第一微透镜阵列的所选片段，所述主准直透镜设置在光源下游，其中，例如，还可以局部地改变条形片段的强度。

通过可开关衍射光栅的组合产生的照明区域还可以基于体积光栅直接照射放大单元的整个表面，并且通过它们进行放大。主要优势在于，不需要光吸收光闸。

例如，该光栅的组合可以包括第一衍射光栅和第二可控衍射光栅，其中所述第一衍射光栅的偏转角可以通过光栅常数控制，从而以直角到达表面的光束以特定角度离开衍射光栅，第二可控衍射光栅偏转并且导向该光束，使其以实质上的直角再次离开光栅表面。因此，通过偏转角和两个衍射光栅之间的距离限定光束的横向偏移量。

由于扫描步骤通常是不连续的，可选地可以将PDLC体积光栅或偏振光栅用于LC光栅，作为用于光偏转的可控衍射光栅，并且与可开关延迟板组合。可开关延迟板的作用是有效地开关光束的偏振。因此，还可以使用一组偏振开关偏振光栅，其中光栅在正负第一衍射级显示相同的强度。

对于可指定的系列固定扫描步骤，还可以结合角度敏感的体积光栅使用角分复用，其中第一衍射光栅为可开关类型，第二衍射光栅设在光准直单元的第一微透镜阵列的上游，并且设计为角度敏感的体积光栅，由于固定内接的衍射结构，通过该光栅实现用于至少一个光波长的可指定的偏转角。例如，两个光栅的第一个还可以是可开关PDLC光栅堆栈。

现在，虽然第一光栅或光栅堆栈实现由主准直透镜校准的入射光束的有效角度偏转，但光束横向偏移，并且由被动角度敏感的体积光栅根据其入射角导向与光轴平行。

还可以通过空分复用的方式专门偏转光，其中第一衍射光栅为可开关类型，第二衍射光栅设置在光准直单元的第一微透镜阵列上游，并且设计为包括多个条形片段的体积光栅形式，其中，所述条形片段制成使到达它们的角度随着与光轴的距离增大而增大的光衍射至与光轴平行的方向。这意味着，使用该选择，第二光栅的各个条形片段实现固定内接的偏转角，以便使与光轴成角度入射的光束变为与光轴再次平行。例如，该光栅还可以具有在其中心的区域完全不内接任何体积光栅，由此，入射光束的传播方向不受影响。

除了平行于装置的光轴延伸的光学路径，还可以实现成角度或不对称地延伸的光学路径。这需要设计设置在光源的主准直透镜和光准直单元的第一微透镜阵列之间的衍射光栅，使得也可以实现离轴光学路径，例如，用于沿光学路径进一步仅使用第一或更高衍射级时消除光栅的0衍射级。

还可以将设置在光源的主准直透镜和光准直单元的第一微透镜阵列之间的衍射光栅设计为，可以以可开关方式在水平和/或垂直方向上照射光准直单元的第一微透镜阵列的特定区域。因此以这种方式可以实现随后的光调制器的朝向两个不同方向的照射，即，二维扫描照射。

如果通过与大面积准直透镜组合的单一光源，而不是通过与准直透镜阵列组合的多个光源，照射光准直单元的第一微透镜阵列，将存在特殊问题。这里的问题在于，由透镜边缘的衍射造成照射的平面波的扩展的角度谱，并且需要其他方法补偿。

例如，由分割的平面波照射光准直单元的第一微透镜阵列的透镜，所述分割的平面波的角度谱在一个方向上显示出约1/20°的角度偏离并且在垂直方向上显示出约1°的角度偏离。例如在利用一维水平或垂直全息编码方法的全息显示器中，平面波的角度谱的这种限制是必要的。

因此，例如一个解决方案是实现波场的其他角度过滤，其中，为了阻止通过准直透镜阵列的透镜边缘的衍射造成平面波的角度谱的扩展，在光传播的方向跟随用于角度过滤的两个体积光栅的组合。

用于平面波的角度谱的角度过滤的体积光栅的组合包括第一薄体积光栅和第二厚体积光栅，其中，所述第一薄体积光栅具有宽角度选择性和偏离光栅表面法线的大的衍射角，所述第二体积厚光栅具有窄角度选择性，并将其设计成使得射入平面波的给定角度谱区域的光束实质上沿光栅表面法线衍射，并且使得在平面波的角度谱外传播的光束不发生衍射地透射。

可以以这种方式创建用于直视显示器的照明装置，该照明装置至少在一个方向上具有限于1/20°的平面波的角度谱，并且包括多个光源和准直透镜阵列。

为了能够实现在两个垂直方向上的平面波的角度谱的角度过滤，可以将第二体积光栅组合设置在第一体积光栅组合的下游，所述第二光栅组合相对于第一体积光栅组合旋转90°。

用于透射光调制器的照明装置（背后照明单元BLU）总体上还可以更改为照射反射光调制器（前面照明单元FLU）。

例如，可以通过延迟板，特别是λ/4板，使用大面积体积光栅作为放大单元，补充照明装置，所述延迟板设置在光传播方向上二维体积光栅的下游。例如，如果水平线性偏振光落在该λ/4板上，则其将具有圆形偏振离开板。设置在光学路径下游的反射光调制器朝向λ/4板反射回调制的圆形偏振的光；在再次穿过该板后，其显示为垂直偏振。现在垂直偏振的光可以无阻碍地穿过体积光栅，而不妨碍原始的水平偏振光，并且它可以被位于体积光栅前方的观察者观察到。

除了在一方面对照射光的偏振型分离和另一方面对反射及调制的光的偏振型分离，还存在另一种分离它们的方式，即，利用光偏转元件的角度选择性，例如，体积衍射光栅，所述光偏转元件将由合适的光源发射的光注入平面波导，所述平面波导覆盖光调制器的整个表面并且射出光，以便照射光调制器。

例如，如果使用足够厚的透射体积光栅，并且如果以足够倾斜的角度照射光调制器，例如5°，则存在来自反射光调制器的调制后光返回路径上的体积光栅“偏离-布拉格（off-Bragg）”照射，并且因此，用于照射光调制器的该体积光栅不具有衍射功能。因此，通过光调制器反射并调制的光可以传播至观察者而不受妨碍。

现在，存在多个用于实施并继续教导本发明的可能。为了达到该目的，一方面参考权利要求1的从属权利要求，另一方面，参考下文包括附图的对本发明的优选实施例的描述。总体上，教导的优选的物理形式和延伸将结合对本发明优选实施例和附图的描述进行解释。附图为示意性的视图，其中：

图1示出了包括在两个透射体积光栅前的光准直单元的照明装置，其在两个方向上依次扩展波场，

图2是图1的光准直单元的侧视图，

图3示出了借助两个透射体积光栅在照明装置中两个垂直方向上双重扩展波束的原理，

图4示出了图3所示的实施例实现的每个扩展因数10的双重波束，

图5示出了在全息离轴透镜平面的水平方向上光调制器（SLM，左）失真放大因数10，

图6为示出具有反射光调制器装置（SLM，底部，设置在底板上）的俯视图，其借助设计为透射体积光栅形式的离轴物镜在一个方向上失真放大因数10。

图7示出了光调制器的编码表面的放大，其中，用灰色的不同色调表示在穿过布置后编码表面上不同点处的光束的光学路径长度的差异，

图8示出了线形光准直单元的单个单元的设计，

图9示出了具有光准直单元的平面照明装置的另一实施例，其包括两排准直折射透镜（左：侧视图，右：仅示出三对透镜的立体图），

图10示出了具有光准直单元的平面照明装置的另一实施例，其包括两排准直折射透镜（左：侧视图，右：仅示出两路光准直单元的前视图），

图11示出了具有分割为条状的光闸的扫描照明装置的另一实施例，所述装置实现发生在光准直单元下游的波场的失真放大。

图12示出了用于在两个光纤之间开关由主光源发出的光的有效光开关，

图13示出了光准直单元的实施例，其使得借助级联的光纤开关照射准直透镜阵列的所选透镜成为可能，

图14示出了在多状态光纤末端的无源光出射点，

图15示出了光准直单元的另一实施例，其使得借助两个LC光栅照射准直透镜阵列的所选区域成为可能，

图16示出了具有光准直单元的扫描照明装置的实施例，其使得借助根据图15所示的两个LC光栅直接照射根据图11所示的具有条状照明区域的随后设置的放大单元的全部表面成为可能，

图17示出了两个体积光栅VG1和VG2的组合的角度过滤效应，

图18a示出了光准直单元的另一实施例，其使得借助光纤开关照射用于反射光调制器的照明装置的准直抛面镜阵列的所选抛面镜成为可能，

图18b示出了根据图18a用于通过体积光栅将光注入平面波导的线形光准直单元的实施例。

在所有附图中，同一或同类部件使用相同的附图标记。

图1示出了全息显示器的照明装置的实施例，所述照明装置包括在两个透射体积光栅前方的光准直单元，所述两个透射体积光栅在两个不同方向上依次扩展光波场。此处，包括两个微透镜阵列的光准直单元优选地具有小尺寸。

光波场失真扩展，即，在两个不同方向上放大因数不同。

由功率（P）和波长（λ）稳定的激光二极管sLD发射的光通过梯度折射率透镜（gradient-index len）耦合至光纤OF。

由光纤末端发射的发散光被光准直单元校准，即，形成平面波，这意味着光线通过该校准使得方向平行。光准直单元包括主准直透镜pCL。

光准至单元LCU的第一微透镜阵列fML在单独微透镜的焦平面内聚焦到达该微透镜阵列fML的光，并且因此产生次级光源sLS的阵列。

设置在第一微透镜阵列fML的微透镜的焦平面上的散射板sPS允许光的相位在空间中统计学意义上散射。例如，该散射板sPS（见图1）可以是（例如通过一个或多个压电晶体）机械移动的散射板sPS。

如果全息图被一维编码，则在次级光源平面中统计学意义上的时间上可变的空间相位调制是有必要的，以便能够在光调制器上在不相干方向上产生照射区域（称为最佳点，sweet spot）。

孔径光阑AS（sLS）设置在散射板sPS平面的下游，并且用于限制次级光源sLS的空间范围。如果使用一维编码方法，必须在一个方向上保证充分的空间相干性。这通过控制统计学意义上相位波动的光源的尺寸实现。第二相干方向由次级光源的小空间范围限定特征。因此，孔径光阑AS（sLS）的孔极不对称，例如，在非相干方向上为15μm，在相干方向上为0.5μm，以便在第二准直微透镜阵列cML下游创建角度范围为0.5°和1/60的平面波的角度谱。

两个孔径光阑aAS1和aAS2设置在孔径光阑AS（sLS）和微透镜阵列cML之间，其中，孔径光阑用作次级光源阵列，微透镜阵列cML校准次级光源sLS并且用于防止照明串扰，即，防止次级光源的光到达邻近的微透镜，即，非指定的其他微透镜。

图2示出了从左侧看到的图1的光准直单元LCU。此处，主光源具有代表颜色RGB的三个激光二极管R、G、B，其红色、绿色和蓝色辐射在光纤OF中结合。

在图2中，附图标记表示如下元件：R:红色激光二极管；G:绿色激光二极管；B:蓝色激光二极管；pLS:主光源；YJ1和YJ2:Y连接点1和2；OF：光纤；cpLS(RGB):组合主光源(红色，绿色，蓝色);pCL:主准直透镜;cWF:准直波前;fMLA:聚焦微透镜阵列;sPS+PZT:统计学相位散射和压力转换元件;AS(sLS):孔径光阑(限定次级光源的有效区域);AS(ict)1+2:孔径光阑1和2，以避免照明串扰；cMLA:准直微透镜阵列;scWF:分割的准直波前。

图3描述了借助体积光栅形式的两个透射光栅在两个不同（这里是垂直）方向上在照明装置中双重波束展宽的原理。通过第一透射体积全息图VH1将来自LCU的光波场偏转并展宽。这之后，该光波场通过第二透射体积全息图VH2再次偏转和展宽。

在图1所示的实施例中，光准直单元在光学路径SG中设置在这两个光栅的下游。

例如，可以优选地通过具有合适厚度的相应敏感的感光材料在原位置曝光的方式制造放大单元的体积全息图。这样，存在于照明装置中的真正畸变可以通过这些体积全息图进行补偿。

图4描述如何借助两个透射体积光栅VH1和VH2依次在两个不同方向上以因数10扩展分割的准直波前的波场，其中，如图3所示，所述两个透射体积光栅VH1和VH2设置在光准直单元的下游。

通过在两个体积全息图或光栅中的衍射，改变位于光准直单元LCU下游的分割的准直波前scWF的平面波的角度谱。光栅下游的信号波的独立衍射级的角度θS如下计算：

θ_S=arcsin(mΛ/(nΛ_x)+sin(θ_R)) (等式1)

其中，Λ为波长，n为折射率，ΛX为在体积光栅的表面上的周期，以及θR为重建光束的角度，即，照射光束到达体积光栅的角度，以拉德（rad）为单位。对于象限1、2、3和4，角度的符号规约为+,+,-和-。

对arcsin(x)求导如下：

\frac{d}{dx} \arcsin (x) = \frac{1}{\sqrt{(1 - x^{2})}}

(等式2)

则，dθS/dθR为:

\frac{d θ_{S}}{d θ_{R}} = \frac{\cos (θ_{R})}{\sqrt{(1 - {(mΛ / ({nΛ}_{x}) + \sin (θ_{R}))}^{2})}}

(等式3)

平面波PWS的角度谱的目标角度范围在相干方向上为1/60°，在非相干方向上为0.5°。假设tan(0.5°)*1000mm=8.73mm，可以得出，平面波的±0.25°角度谱足以在距离显示器1m处创建9-mm宽的最佳点。不应当选择过宽的照射的平面波的角度谱，因为其仍可以由设置在显示器下游的用于观察者跟踪的偏转单元进一步扩展（例如，见专利文献WO2006/066919A1）。例如，在专利文献WO 2010/066700或PCT/EP2010/058625中描述了这种偏转单元。

如果用于观察者跟踪的偏转角为30°及30°以上，则例如处于偏转单元上游的平面波的角度谱可以选择在相干方向上也小于1/60°，例如仅1/100°，以确保即使在大的偏转角，也不超过人眼的角度分辨能力限度（约1/60°）。

然而，根据等式（3），如图3和图1所示的体积光栅中的角度减少0.1因子。这意味着，如果存在θR0=84.26°并且θS0=0°的±0.25°的平面波的角度谱，即，设计几何形状，则其在光栅下游将转变为±0.025°的平面波的角度谱。如果几何形状相反，则因数将为10。

因此，对于光调制器的一维编码，光准直单元的平面波的角度谱为±1/12°以及±2.5°。使用这类编码，在一个方向上全息地并在垂直方向上立体地编码或生成三维场景。根据全息编码的方向，它被称为仅水平视差（HPO）或仅垂直视差（VPO）型编码。

在专用立体编码的情况下，其中照明的相干性没有发挥作用，平面波的角度谱的限制与远小于1°的特定角度范围不相关，由此，在水平和/或垂直方向上，可明确允许不超过3°的角度范围。

如其他实施例所示，还可以应用上述解释实现显示器、特别是全息显示器中的光调制器的编码表面的放大。此处，优选地可以将用于全息显示器的光学组件的数量降至最少。另外，还优选在至少一个方向上将光调制器的尺寸降至最小（见图5）。

为了达到该目的，例如可以使用设计为离轴物镜形式的体积光栅，以便实现例如一维编码全息显示器的光调制器优选在非相干方向上的失真放大。

在一个方向上的失真放大具有以下优势，即，可以使用与显示器等高而仅有显示器1/10宽度的反射型光调制器。这在图6中示出。

借助以透射体积光栅形式实现的离轴透镜获得放大，这一事实减少显示器中的组件的数量。透镜可以在一个方向上具有角度过滤的效果。这意味着，光调制器可以附接在显示器的底部边缘，其中，体积光栅可以在相干方向上剪切照射光栅的波前之外的虚拟观察窗口（例如，在专利文献WO2006/066919A1中的观察窗口VW）的角度，并且在其物镜作用中仅将该角度向观察者衍射。这意味着图6所示的视图也可以是全息显示器的侧视图。

图6中以简单方式示出光准直单元。例如，其除了所示主光源pLS和主准直透镜pCL外还可以包括两个微透镜阵列，以便产生分割的平面波场，该平面波场需要借助孔和散射板（例如参见图2）照射光调制器SLM。

用于跟踪射向移动的观察者眼睛的波前（观察者跟踪）的偏转单元（未示出）可以设置在物镜VH2的下游，它是确保紧凑和扁平设计的关键组件。例如，这例如可以是实现局部差异偏转角的两个交叉变化可控衍射光栅，例如在专利文献PCT/EP2010/058625中描述的。

在图1中示出全息显示器HD的照明装置的紧凑设计。因此，光准直单元LCU的尺寸非常小，其包括两个微透镜阵列fMLA和cMLA。图1所示的实施例最初用于照射光调制器（未示出），该光调制器实质上具有与显示器相同的大小或外部尺寸并且设置在放大单元VE的下游。然而，根据其他实施例，其还可以用于失真地放大光调制器。这与电镜的设计类似，例如，以因数10实现光束扩展。因此，可以很大程度上减少电镜的体积设计。这可以通过使用光栅随后进行光束扩展程序实现，此处，光栅专门设计为透射体积全息图VH1和VH2形式，然而，这不解释为限制发明的适用性。原理在图3中示出。

光调制器可以设置在图3的放大单元VE上游，并且是反射或透射型。然而，优选为反射布置。例如，这种光调制器可以设计为液晶硅（LCoS）元件或微机电系统（MEMS）的形式，例如，数字微反射镜装置（DMD）。可以为每个不同的颜色或光波长提供光准直单元LCU和光调制器，其可以与合适的光束组合元件（例如，X线管，类似于彩色CCD摄像机中的分光板，但在另一方向上延伸）结合并且连接至图3所示的装置中。

为了达到该目的，根据本发明，在这样的实施例中，不仅光准直单元LCU设置在作为光学路径SG中的放大单元VE的两个体积光栅VH1和VH2上游，而且光调制器也设置在两个体积光栅VH1和VH2上游。因此，光调制器设置在图2的光准直单元LCU下游，并且设置在图3的两个体积光栅VH1和VH2的上游。

具有纵横比为16（水平）:9（垂直）的24”显示器的光调制器具有53mm×30mm的尺寸，而不是530mm×300mm。小的光调制器可以以反射模式运行。由于反应时间τ～d²（其中，d为SLM的厚度），反射模式的操作造成帧频以因数4增加。另外，电子控制元件（底板）不必须制成透射的。

图4描述了如何借助两个透射体积光栅VH1和VH2，依次在两个不同方向上扩展或放大分割的准直波前的波场，如图1所示，所述两个透射体积光栅VH1和VH2设置在光准直单元LCU下游。不仅可以利用该双重光束扩展原理，以便能够在显示器中使用高度紧凑的光准直单元LCU，而且可以利用尺寸非常小的光调制器SLM，其中后者也可以是反射类型。具有小的有效表面的光调制器远比具有大的有效表面的调制器花费少。

可以使用设置在在光传播方向上的光调制器下游的两个体积光栅VH1和VH2用于角度过滤，类似于照明装置（背光单元）BLU。这意味着，选择体积光栅VH1和VH2的厚度，使得平面波的角度谱限制为在相干方向上最大±1/20°，在非相干方向上最大±1/2°。例如，根据体积光栅VH1、VH2的实际设计，例如，光调制器SLM的放大光波场sWF可以与第二二维体积光栅VH2成斜角设置在空隙中。然而，在例如专利文献WO2006/066919A1描述的全息显示器中，可以在不同深度区域中通过全息编码产生用于显示的三维场景的各个点。在此情况下，当显示三维场景时，可以通过在与第二体积光栅VH2相应不同的距离创建场景的各个点，考虑由两个体积光栅VH1、VH2放大的光波场的可能的倾斜。

通过两个体积光栅VH1、VH2放大的光波场sWF的倾斜SLWF是光束在穿过体积光栅VH1、VH2时光学路径长度不同的结果。在图7中示出在两个方向上放大的光调制器SLM。光调制器SLM的放大的编码表面显示穿过各个点的光束的光学路径长度，其在正视图中通过不同的灰度色调标记（图7右侧）。此差异在两个对角之间、即左下角与右上角之间是最大的，具有最大亮度差。在编码要通过显示器重建的三维场景的深度时，这必须加以考虑。

由路径长度的差异造成的另一要求涉及由照明装置发射的光束的相干长度。由于在光调制器的放大的编码表面上的两个单个点的光学路径长度的差异，例如其可以显示子全息图的点（见专利文献WO2006/066919A1），光的相干长度必须大于这些点之间的可能的最大光学路径长度，由此，这些光束仍能产生干涉。如果编码表面分为子区域（在图7中标记为方形），例如，其可以对应于子全息图，相干长度必须大于具有最大光学路径长度差的两个对角点之间的光学路径长度差，由此，干涉仍然可以在穿过子全息图的整个区域中发生。如上述解释的，还必须考虑，可以通过随后设置的光学组件，例如用于观察者跟踪的光学组件，进一步放大光学路径的差异。

如果光调制器和光束组合装置设置在放大单元VE的上游，光束组合装置的表面区域还可以优选地是非常小的，如专利文献PCT/EP2010/058626中所描述的，例如，它指的是“光波复用装置”。可选地，可以使用相对小尺寸的双折射方解石板，提供相似的效果。

由于体积光栅VH1和VH2的角度过滤功能，可以防止例如由孔处衍射或光准直单元中的串扰造成的干扰发射角朝向观察者眼睛传播。因此，应选择体积光栅VH2的角度选择性，以适合实际应用。

虚拟观察窗口VW的角度范围可以具体由编码的波场切去。这对应于编码的波函数的平滑并且可以优化，使得压缩或避免在虚拟观察窗口VW外产生的衍射级。然后应使用在相干方向上不超过1/60°的角度范围的光的平面波的角度谱照射光调制器SLM。然而，角度范围可以在光调制器SLM下游大±3°。

例如，根据图1和图6所示实施例的照明装置还可以设计为所谓前光形式并且作为前光用，其用于照射反射光调制器。例如，由照明装置发射并到达光调制器上的光的偏振可以例如借助延迟板进行改变，由此，由光调制器反射的光可以在实质上不发生偏转的情况下穿过照明装置，并且朝向观察者传播，并且不会再次进入照明装置。应当以适当方式设计该延迟板，并且该延迟板应当设置在照明装置和光调制器之间。作为使用延迟板的另一选择，可以避免照射光在被光调制器反射后再次进入照明装置，因为，照射光离开照明装置，由此，例如如果光以相对光调制器的表面法线5°的角度离开照明装置，在被光调制器反射时不会完全反射。因此照明装置的体积光栅必须为此设计。在这种情况下，由于体积光栅或体积全息图的可指定的角度选择性，由光调制器反射的光不会“看到”照明装置的体积光栅，因此，在实质上不发生偏转的情况下穿过照明装置。

使用非常高的帧频，例如≥240fps(帧每秒)，设计照明装置使得可以相互独立地打开各个区域片段并且进行时间调制，这是有优势的，因此，例如只有光调制器上的那些已经到达期望调制值或设定点值（例如，在LC开关操作期间的相位平稳时期）顺序设置的区域得到照射。

实现大面积扫描照明装置的一种可能，是不通过组合在两个垂直方向上的两个体积光栅放大由小型光准直单元发射的分割的平面波场，而是仅使用第二二维放大体积光栅，并沿其中一个边缘，即，光到达光栅时所在的边缘，设置很多包括至少两个光源的线形光准直单元，并且在出射处设置至少两个准直折射透镜，其中，所述至少两个光源可以相互独立地进行开关，所述至少两个准直折射透镜穿过边缘的整个宽度照射体积光栅的整个表面。在通过二维体积光栅放大后，建立可独立开关的照明片段的阵列，其总数是准直线数量和每条线可开关光源数量的乘积。

图8示出了这样的光准直单元的单独的线，其中，附图标记具有如下含义：LS:光源；sPS:统计学相位散射元件；FL:聚焦透镜；AS(sLS):孔径光阑(次级光源);B:底板;aAS1:变迹孔径光阑1；aAS2:变迹孔径光阑2,CL:准直透镜。

由线形光准直单元的出射形成的照射表面还可以照射由诸如玻璃的折射材料制成的楔形光波导装置的入射表面，二维体积光栅附接在实质上垂直于其入射表面的出射表面。根据图9的实施例描述了该光波导装置，并且由附图标记LE示出。

还有可能，取代由折射材料制成的楔形光波导装置LE，不提供光学介质或空气，并且由线形光准直单元发射的照射光直接到达平面体积光栅或承载二维体积光栅的材料上。

如图9所示的实施例中，平面照明装置包括两排准直折射透镜，这基于控制单一光源或光波导的输出耦合点作为次级光源的特征。例如，可以在水平方向上相互独立地照射5mm宽的条纹。例如，在光准直单元出射处的每个透镜可以配备激光二极管LD作为光源。如果打开通过两个透镜校准的两个激光二极管，则将几乎均匀地照射具有透镜宽度的垂直条纹，例如图10中的区域11和12。然而，这些区域也可以分别打开和关闭。

在图10中用数字标出可以互相独立控制、即照射的照明装置上的各个区域。照明装置在垂直方向上分为两个区域，并且在水平方向上分为多个（例如，在图10中为40个）区域。如图10所示的布置还可以视为平铺的照明装置的多个子区域中的一个。例如，如果两个这样的子区域以其长边相接，在垂直方向上将存在四个片段。此处，如果显示器平面或显示器平面附近的平面，即，例如具有距离在+10mm至-20mm的显示平面深度的平面作为明亮表面示出，则非照射区域的缝隙宽度≤100μm，因此，观察者不能察觉到非照射区域的缝隙。

根据扫描照明装置的另一实施例，以条状分割的光闸设置在照明装置的小型光准直单元的第一微透镜阵列的上游（见图11），其根据光准直单元下游的波场的失真放大原理工作，其中，可以控制在垂直或水平方向上延伸的多个条形片段的透明度。这种布置的优势在于条形光闸的干扰衍射部分通过孔径光阑（次级光源）AS(sLS)在空间上过滤，即，消失。

使用具有例如5mm×5mm的孔径的微透镜，Dx,Dy=0.1mm的条形光闸的片段的调整公差并不严格。

根据扫描方向，可以水平设置条形光闸的透镜片段以生成垂直条纹，或垂直地设置条形光闸的透镜片段以生成水平条纹。

优选实施例具有两个在显示平面上，即，在光调制器的平面上照射的垂直或水平地延伸的条纹，其中，所述条纹可以在光调制器的边缘与其中心（见图11）之间在水平或垂直方向上依次移动。例如，3%的时间中光源是打开的。

然而，伴随光闸的使用是激光能量的损失。在图11所示的实施例中，仅有20%的光闸表面是透明的。另外，如果不使用线栅偏振器（wire gridpolarisers，WGP），则透明度将小于70%。这意味着超过85%的光被光闸平面吸收。

通过与光纤开关结合使用光波导，可以将吸收损失降到最低。一个可能是通过级联的可开关的光纤光源照射设置在光准直单元的第一微透镜阵列上游的主准直透镜的所选透镜。例如，可能如图12所示的光纤开关可以在两个出射之间根据颜色变化改变500mW。

图13示出了光准直单元中的级联光纤开关foS，其允许准直透镜阵列CLA的所选透镜被照射。准直透镜阵列CLA可以包括柱面镜或具有方形孔径的透镜。如果使用柱面镜，则光源图像必须相应地在CLA下游的一个方向上扩展，以便完全照射柱面镜。为了达到该目的，可以使用无源光纤分光器，例如以1比16的比率。附图所示的布置还可以应用于将主光源pLS发射的光可变地分光至两个平面。

图14示出了在光学多模式光纤的末端的无源光出射点，用于照射主准直透镜阵列的可指定透镜，所述主准直透镜阵列设置在光准直单元的第一微透镜阵列的上游。例如，透镜L位于图13的第一微透镜阵列fMLA的上游。使用该布置，可以实质上减少如图13所示的光准直单元的长度。

主光源的数量应当保持尽可能少，因为要使多个激光具有共同波长的稳定性相当困难。产生共同波长的一种可能是使用耦合的谐振器。然而，每个颜色一个主光源是优选实施例。

除了使用光纤开关，还可以使用光衍射偏转单元，例如液晶光栅，用于照射照明装置的所选条纹，以便将扫描照明装置中的光闸造成的吸收损失降至最低。这在图15中描述，其中，光准直单元的第一微透镜阵列的所选部分可以通过两个可开关的基于LC的衍射光栅的组合进行照射，所述两个可开关的基于LC的衍射光栅设置在位于光源下游的主准直透镜和第一微透镜阵列之间。

LC光栅还允许同时照射准直透镜阵列的多个条纹，即，超过两个片段。另外，可以在条纹内局部地改变强度。

由于扫描步骤是分立的，还可以使用可开关PDLC体积光栅照射照明装置的所选片段，以便将扫描照明装置中的吸收损失降至最低。

另外，还可以使用与可开关延迟板结合的偏振光栅，所述可开关延迟板旋转偏振板。此外，例如可以使用一组偏振开关偏振光栅，其中，光栅在正、负极第一衍射级显示相同强度。

另外，可以通过使用角分复用体积光栅实现吸收损失的最小化。由于扫描步骤是分立且可指定的，可以将角分复用与角度选择性体积光栅结合使用，以实现扫描照明装置。

图15的第一衍射光栅是可开关类型，设置在光准直单元的第一微透镜阵列上游的第二衍射光栅例如可以角度选择性体积光栅的形式提供，其中，该角度选择性体积光栅用于借助固定内接衍射机构实现用于至少一个光波长的所需的偏转角。

还可以将图15中的第一衍射光栅设计为可开关PDLC光栅堆栈（gratingstack），其中，图15中的第二光栅设置在光准直单元的第一微透镜阵列上游，设计为显示必要的偏转的几何形状的体积光栅的形式，这种设计使得以随着布置与光轴的距离变大而增加的角度到达光栅的光再次衍射至与光轴平行的方向。

衍射的几何形状可以完全空分复用。这意味着图15的第二光栅可以简单地是体积光栅，其例如具有十个空间分离的条形片段，而衍射光栅具有不同的光学特性，所述衍射光栅根据RGB波长将投射在其上的光以随着与光轴距离增大而增加的斜角衍射至与光轴平行。例如，该光栅还可以在其中心具有条纹，其中不内接任何体积光栅，因而入射光在不发生衍射的情况下透射。

除了如图15所示的示例的情况的与光轴对称延伸的光准直单元中的光学路径外，还可以使用与光准直单元的光轴呈斜角的对称轴实现倾斜的光学路径。在这种离轴布置中，在该设置中使用的光栅的0衍射级的强度并不严格，因为其导向偏离平行于光轴延伸的光学路径。

例如在图15中描述的工作原理可以延伸至2D扫描，其中，具有相同设计但相对于光栅的第一布置旋转90°的光栅的第二布置设置在第一布置的下游。另外，特别地，使用基于LC的光栅或延伸至2D扫描的光准直单元，可能存在局部变暗。由于光纤开关比LC光栅操作更快，在扫描和局部变暗相结合的应用中，使用光纤开关的布置具有更大的反应时间余量。

根据优选实施例，还可以使用如图15所示的布置，而不是具有随后在光准直单元的出射出现的波场的失真放大的扫描照明装置如图11所示的布置的光准直单元，其中，如图15所示的布置允许借助两个衍射光栅G1和G2照射设置在下游的光准直单元的准直透镜阵列的所选区域。这在图16中示出。

由于不需要吸光光闸产生条形照射区域，因此，扫描照明装置的该实施例的主要优势在于其更大的光效能。参考图16，由两个可控衍射光栅G1和G2产生的条形照射区域通过放大单元直接放大，所述放大单元设置在下游并且包括衍射光栅VG1和VG2。用于指示各个组件的附图标记基本上与图11和图15中相同。附图标记m1和m-1是指从光传播方向上看第一可控衍射光栅G1的第一衍射级和对称的负第一衍射级，如图11所示，该衍射级发生在第二衍射光栅G2下游用于三原色RGB的条形照射区域t(x,y,RGB)，并且在这之后进行放大。

在此示出的用于照明装置的扫描和变暗方案仅仅是更广范围内的可能方案的示例，所述方案允许有效使用由主激光光源发射的能量。

除了例如在需要兼容平面波角度谱的特定角度公差的自动立体和全息3D显示器中必要的偏转光以外，还可以优选地使用光衍射体积光栅过滤照射的平面波的角度谱。

此处，起始点是具有显示器尺寸的照射区域，例如，扫描照明装置的出射表面。

例如，光源可以是具有用于次级光源的输出耦合点的光纤矩阵。可以设计光纤矩阵和/或输出耦合点，使得光的出射可控，从而形成可以分别打开和关闭的至少两个区域。还可以将区域之间的过渡设计为时间平滑的强度过渡的形式，用于避免对观察者产生闪烁的感觉。

离开光纤矩阵的光束通过主透镜阵列校准。光纤矩阵的输出耦合点的横向范围适于透镜阵列的准直透镜的尺寸，从而在穿过透镜透射之后，在一个方向上存在例如1/20°的平面波的角度谱，同时在垂直方向上测量值约为1°。这意味着在所考虑的方向上使用透镜的相同数值孔径，单个次级光源的宽为高的20倍。因此，光纤矩阵的次级光源为杆状。

图17示出了该照明装置的入射部分，其作为扫描照明装置。由主光源PLQ发射的光分布至多个可开关路径，使得至少可以成组开关次级光源SLQ。通过透镜阵列L发射准直光的片段，其中，次级光源的尺寸确定这些片段的平面波的角度谱。平面波的期望的目标角度谱通过在设置在下游的准直透镜阵列的透镜边缘衍射的方式进行扩展。如果透镜阵列的单个准直透镜具有3mm×3mm至5mm×5mm的尺寸，则除了平面波的期望的目标角度谱的不期望的衍射扩展之外，还可能会察觉到使用该照明装置照射的显示器的强度调制。

例如，该问题可以通过存在于透镜阵列下游的波场的角度过滤解决，所述透镜阵列校准次级光源的光。如图17所示，这可以通过以下方案实现，即为了避免通过在主准直透镜阵列的透镜的边缘衍射扩展平面波的角度谱，沿光传播方向在主准直透镜阵列之后跟随用于角度过滤的两个体积光栅的组合。第一体积光栅VG1相对较薄（例如，厚度d10μm），因此显示宽的角度和长度选择性。此处，“宽”意味着体积光栅在更大角度范围内衍射平面波。例如，如果由塑料材料或玻璃制成的第一体积光栅VG1的重建几何尺寸为0°/-45°，则例如±4°的平面波的角度谱被衍射对应于全内反射角度的角度。

第二体积光栅VG2相对较厚，即，其厚度约为200μm。它由塑料材料或玻璃制成，并且具有例如-45°/0°的重建几何尺寸。光栅的厚度导致窄的角度选择性，这自然使得只有位于平面波的给定角度谱范围内的那些入射光束朝向布置的光轴衍射，同时在不发生衍射的情况下使在平面波的角度谱外传播的光束透射。因此，通过在透镜边缘衍射而扩展的平面波的角度谱的主要部分导出有用的光学路径。因此，平面波的角度谱在第二体积光栅VG2下游具有所需的形式。

通过使用准直透镜，而不是单个大面积准直透镜，可以创建用于直视显示器的照明装置，其具有在至少一个方向上限于1/20°的平面波的角度谱。

在此描述的直视照明装置例如可以用于全息3D显示器，所述全息3D显示器利用一维全息编码方法。

如果使用二维全息编码方法，则可以二次执行根据以上描述的程序的角度过滤的处理，其中为了实现在两个垂直方向上的平面波的角度谱的角度过滤，将相对于第一体积光栅旋转90°的第二体积光栅的组合设置在第一体积光栅下游，以便实现在两个方向上所需的平面波的角度谱，例如1/20°。

总体上，还可以改变以上描述的用于透射光调制器（背光单元BLU）的照明装置，使其照射反射光调制器（前光单元FLU）。当如此实施时，一个问题在于使照射反射光调制器的光和由其反射的调制后的光保持分离。

第一种选择是将照射反射光调制器的光和通过偏振反射的调制后的光分离。例如，如图11所示的照明装置可以由在光传播方向上（未示出）设置在二维体积光栅下游的延迟板、特别是λ/4板补充。例如，如果水平线性偏振光落在λ/4板上，则它离开板时具有圆形偏振。设置在光学路径下游的反射光调制器（未示出）向λ/4板反射回调制后的圆形偏振光；在再次穿过该板后，其显示为垂直偏振。该垂直偏振光现在可以无障碍地穿过体积光栅，并且可以被位于体积光栅前方的观察者（未示出）观察到。

将来自被调制的和反射的光的照射光分离的另一种可能是利用光偏转元件的角度选择性，例如，体积衍射光栅。相应布置如图18a所示。它示出了用于反射光调制器的前光单元FLU形式的照明单元，其中，级联光纤开关照射准直抛面镜阵列（CPMA）的可选的抛面镜。由抛面镜校准的光通过耦合体积光栅cVG耦合到平面光波导pWG中并且分布在其整个入射表面。

例如，如果使用足够厚度的透射体积光栅并且以足够倾斜的角度照射光调制器，例如5°，则在从反射光调制器返回的过程中存在体积光栅的“离轴-布拉格（off-Bragg）”照射，并且用于照射光调制器的该体积光栅因此不具有衍射功能。这样，可以保持朝向光调制器和从其返回的光学路径分离。该方法允许在如图18a所示的不具有λ/4板的情况下实施，例如，其可以是高度消色类型。只有通过使用不同偏振实现照射光与被光调制器调制和反射的光分离，后者才是必要的。

图18b示出了根据图18a用于按规定比例将光通过体积光栅射入平面光波导的线形光准直单元的其他实施例。在各个选项中使用的附图标记具有以下含义：

-FLU:前光单元

-LCU:光准直单元

-Option B:L:透镜，标准准直(如以上描述的)

-Option C:PM:抛面镜(具有最小长度的选项)

-Option D:oaPM:离轴抛面镜

-Option E:oaPMP:离轴抛面镜棱镜

用于将入射平面波射入波导核心的输入耦合体积光栅始终容纳在用于反射光调制器的照明装置的平面波导的下端。给定足够厚度，穿过该体积光栅的球面光波的角度选择性窄到足以几乎不发生衍射地被透射。这可以被充分利用，以便将光准直单元的尺寸降到最小。在图18a的左侧视图中做出描述，其中，在输入耦合光栅的下游设置一排准直抛面镜，用于校准离开次级光源的一排光纤末端的球面波。设计输入耦合体积光栅的尺寸，使得由抛面镜反射的平面波耦合到平面波导中。这也在图18a所示的实施例C中做出描述。该实施例是所有实施例中最短的。

其他实施例在一定程度上需要更多的空间，并且涉及使用透镜（选项B）的标准准直和使用离轴设置的抛面镜（选项D）或使用抛面镜和棱镜组合（选项E）的准直。

在选项E中所示的离轴抛面镜棱镜同时用作准直器和入射棱镜，由此，不需要体积光栅将光射入平面波导。

本发明不限于在此描述的实施例，并可以在最大范围内实施本发明，以实现具有浅深度的大面积显示器，无论其使用全息或立体或混合方式用于图像生成。

最后，必须说明，以上描述的实施例应仅仅理解为说明权利要求主张的教导，而该权利要求主张的教导不限于这些实施例。

Claims

1.具有照明装置、放大单元（VE）和光调制器（SLM）的全息显示器，其特征在于，照明装置包括至少一个光源和光准直单元（LCU），光准直单元（LCU）设计成使其准直至少一个光源的光，并产生由光源发射的具有平面波可指定角度谱的光的光波场，从光的传播方向看去，放大单元（VE）设置在光准直单元（LCU）的下游，其中，放大单元（VE）包括透射体积全息图（VH），设计并设置该透射放大体积全息图，使得由于光波场与体积全息图（VH）的透射相互作用，实现光波场的失真扩展，从光传播方向上看，光调制器（SLM）设置在失真放大单元（VE）的上游或下游。

2.根据权利要求1所述的全息显示器，其特征在于，来自光准直单元（LCU）的光波场以可指定的入射角到达体积全息图（VH），该入射角不小于70°。

3.根据权利要求1或2所述的全息显示器，其特征在于，选择体积全息图的厚度，使光波场包括波矢量的角度分布，并在至少一个方向上，光波场的波矢量的角度分布的最大偏离不过超过1/20°的值。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的全息显示器，其特征在于，在光调制器的两个限定点之间的放大的光波场（sWF）的光束的光路径长度z（x,y）的差值不超过以给定的光的相干长度光调制器（SLM）的编码表面上的给定值。

5.根据权利要求1所述的全息显示器，其特征在于，放大单元（VE）包括另一个体积全息图（VH2），从光传播方向上看，其位于体积全息图（VH1）的下游，设计并设置放大单元（VE）的体积全息图（VH1,VH2），使光向两个不同的方向偏转，其中，从光传播方向上看，光调制器（SLM）设置在该另一体积全息图（VH2）的上游或下游。

6.根据权利要求5所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）在光传播方向上接着两个体积全息图（VH1,VH2），使得其在两个实质上垂直的方向上将具有平面波的限定角度谱的光波场失真扩展。

7.根据权利要求5或6所述的全息显示器，其特征在于，体积全息图（VH）为离轴体积全息图。

8.根据权利要求1所述的全息显示器，其特征在于，光源包括激光器、激光器二极管、LED或OLED。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的全息显示器，其特征在于，提供光束组合器用于将至少一个光源的光组合到普通光纤（OF）中。

10.根据权利要求1至9中的一项所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）包括主准直透镜（pCL）。

11.根据权利要求1至10中的一项所述的全息显示器，其特征在于，主准直透镜（pCL）在光传播方向上跟随有体积全息图（VH）形式的角度过滤器，选择其厚度使得光波场包括波矢量的角度分布，并且在至少一个方向上，光波场的波矢量的角度分布的最大偏离不超过1/20°的值。

12.根据权利要求10所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）包括由准直的光波场照射的第一微透镜阵列（fMLA）。

13.根据权利要求12所述的全息显示器，其特征在于，散射装置（sPS）设置在第一微透镜阵列（fMLA）的焦平面上，光从该处传播至紧处在其下游的第一孔径光阑（AS）。

14.根据权利要求13所述的全息显示器，其特征在于，第一孔径光阑（AS）的孔具有不对称的横向范围，用于产生与各自横向范围相关的具有可指定相干性质的光波场的平面波的角度谱。

15.根据权利要求14所述的全息显示器，其特征在于，设置光准直单元（LCU）的第一孔径光阑（AS）的孔尺寸，使得光波场的相干性质在两个不同的方向上不同，在一个方向上辐射是不相干的，而在另一方向上是充分相干的。

16.根据权利要求13所述的全息显示器，其特征在于，第二微透镜阵列（cMLA）设置在光传播方向上第一孔径光阑（AS）的下游，使得第一孔径光阑的孔与第二微透镜阵列（cMLA）的相应微透镜的后焦点重合。

17.根据权利要求16所述的全息显示器，其特征在于，另外两个孔径光阑（AS1,AS2）设置在第一空间光阑（AS）和第二微透镜阵列（cMLA）之间。

18.根据权利要求16所述的全息显示器，其特征在于，第二微透镜阵列（cMLA）产生具有平面波的角度谱的分割的光波场，通过该分割的光波场，直接或在光波场横向放大之后照射承载全息编码的随后的光调制器（SLM）。

19.根据权利要求1至18中的一项所述的全息显示器，其特征在于，光调制器（SLM）为透射、反射或半透射型，和/或设计照明装置尺寸，使得其实质上均匀地照射光调制器（SLM）的有效区域。

20.根据权利要求1至19中的一项所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）的至少一个参数是可变的，用于在至少一个体积全息图（VH）下游产生光波场的平面波的可指定角度谱。

21.根据权利要求1至20中的一项所述的全息显示器，其特征在于，为了观察显示器的观察者设计至少一个体积全息图（VH）使其压缩辐射或衍射级的干扰部分。

22.根据权利要求5所述的全息显示器，其特征在于，将体积全息图（VH1,VH2）的其中一个设计为除了作为放大元件的发挥作用外，还具有物镜的功能。

23.根据权利要求1所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）具有线性结构，其中，线具有至少两个可以相互独立开关的光源（LS），并且在出射处具有至少两个准直折射透镜（CL），并且这些线沿随后设置的二维放大单元（VE）的边缘并排设置，使得它们照射后者的整个表面。

24.根据权利要求23所述的全息显示器，其特征在于，提供楔形光波导装置（LE）用于照射包括体积光栅（VG）的二维放大单元（VE），其中，体积光栅（VG）附接至实质上垂直于其光入射表面的楔形光波导装置（LE）的侧面，并且用于放大由光准直单元（LCU）发射的分割的平面波场，并且将其引导至设置在更下游的光调制器（SLM）的表面。

25.根据权利要求23所述的全息显示器，其特征在于，根据在光准直单元（LCU）中并排设置的线的数量和每个线条中可以互相独立开关的光源（LS）的数量，由此形成的照明装置具有可独立开关的照明片段的矩阵。

26.根据权利要求12所述的全息显示器，其特征在于，从光传播方向上看，在光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）的上游设置光闸（saS），其中，在垂直或水平方向上延伸的多个条形片段的透明度是可控的。

27.根据权利要求26所述的全息显示器，其特征在于，分别打开照射光的两个条形片段，其在光调制器（SLM）的平面内垂直延伸，并且在光调制器的边缘及其中心之间在水平或垂直方向上可时序移动。

28.根据权利要求12所述的全息显示器，其特征在于，设置在光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）上游的主准直透镜阵列（CLA）的所选透镜由级联光纤光源照射，所述光纤光源可通过光纤开关（foS）开关。

29.根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，在光学多模式光纤的末端提供被动光出射，用于照射主准直透镜阵列（CLA）的可选透镜，所述主准直透镜阵列（CLA）设置在光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）的上游。

30.根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）的所选片段可由两个可开关的基于LC的衍射光栅（G1,G2）的组合照射，所述两个可开关的基于LC的衍射光栅（G1,G2）设置在位于光源下游的主准直透镜（CL）与第一微透镜阵列（fMLA）之间，其中，条形片段的强度可以是局部可变的。

31.根据权利要求30所述的全息显示器，其特征在于，两个可开关的基于LC的衍射光栅（G1,G2）的组合设置在位于光源下游的主准直透镜（CL）与失真放大单元（VE）的入射表面之间，并且产生被放大单元（VE）直接放大的两个扫描条形照明区域。

32.根据权利要求30所述的全息显示器，其特征在于，可开关的衍射光栅（G1,G2）为PDLC体积光栅或与可开关的延迟板组合的偏振光栅。

33.根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）的所选片段由两个衍射光栅（G1,G2）的组合进行照射，其中第一衍射光栅（G1）为可开关的类型，并且第二衍射光栅（G2）设置在第一微透镜阵列（fMLA）的上游，并且设计为角度选择体积光栅的形式，该角度选择体积光栅用于借助于固定内接的衍射机构实现至少一个光波长的所需的偏转角。

34.根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）的所选片段由两个衍射光栅（G1,G2）的组合进行照射，其中第一衍射光栅（G1）为可开关的类型，并且第二衍射光栅（G2）设置在第一微透镜阵列（fMLA）的上游，并且设计为体积光栅的形式，体积光栅包括多个条形片段，将其设计为使得以随着与布置的光轴的距离变大而增加的角度到达条形片段的光衍射至平行于光轴的方向。

35.根据权利要求30所述的全息显示器，其特征在于，将设置在光源的主准直透镜（CL）和光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）之间的衍射光栅（G1,G2）设计为还可实现离轴光学路径，用于从使用的光学路径中消除光栅（G1,G2）的第0衍射级。

36.根据权利要求30所述的全息显示器，其特征在于，将设置在光源的主准直透镜（CL）和光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）之间的衍射光栅（G1,G2）设计为在水平和垂直方向上可实现光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）的多个表面区域的照射。

37.根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，设置在光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）上游的主准直透镜阵列（pCLA）的透镜由分割的平面波照射，其角度谱包括在一个方向上约1/20°以及在垂直方向上约1°的角偏差。

38.根据权利要求36所述的全息显示器，其特征在于，为了阻止通过在主准直透镜阵列（pCLA）的透镜边缘处的衍射平面波的角度谱的扩展，在光传播方向跟随用于角度过滤的两个体积光栅（VG1,VG2）的组合。

39.根据权利要求36所述的全息显示器，其特征在于，用于平面波的角度谱的角度过滤的体积光栅（VG1,VG2）的组合包括具有宽角度选择性和偏离光轴的大的衍射角的第一薄体积光栅（VG1），以及具有窄角度选择性的第二厚体积光栅（VG2），该第二厚体积光栅设计成使得射入平面波的给定角度谱的区域的光束沿布置的光轴衍射，并且使得在平面波的角度谱外传播的光束不发生衍射地透射。

40.根据权利要求36所述的全息显示器，其特征在于，体积光栅的第二组合相对于体积光栅（VG1,VG2）的第一组合旋转90°，所述体积光栅的第二组合设置在体积光栅（VG1,VG2）的第一组合的下游，能够在两个垂直方向上实现平面波的角度谱的角度过滤。

41.根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，光调制器（SLM）为反射或半透射型，和/或设计照明装置（FLU），并由改变光偏振的光学组件补充照明装置（FLU），使得照明装置（FLU）使用可指定偏振的光照射反射或半透射光调制器（SLM）的有效区域。

42.根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，光调制器（SLM）为反射或半透射型，和/或设计照明装置（FLU），并由与角度选择性偏转元件组合的平面波导（pWG）补充照明装置（FLU），使得只有在光耦合到光波导中时，以及在光射出以照射光调制器（SLM），但不是在由光调制器（SLM）调制并反射的光返回时，偏转元件的光衍射功能将是有效的。

43.根据权利要求41所述的全息显示器，其特征在于，光调制器（SLM）为反射或半透射型，和/或设计照明装置（FLU），并由线形光准直单元（LCU）补充照明装置（FLU），该线形光准直单元校准由可控次级光源的线形布置发射的光并将其直接或通过角度选择性的偏转元件耦合到平面波导（pWG）中。