CN103105634B - 薄的平坦式会聚透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄的平坦式会聚透镜。本公开提出的薄的平坦式会聚透镜包括：透明基板；以及膜透镜，其包括附装在该透明基板的一侧上的透明膜和记录在该透明膜上的干涉条纹图案。根据本公开的会聚透镜具有如下优点：即使具有大的对角面积，该会聚透镜仍有薄的厚度和轻的重量，因此容易开发薄的平坦式大面积全息3D显示系统。

Description

薄的平坦式会聚透镜

技术领域

本公开涉及一种薄的平坦式会聚透镜。具体地，本公开涉及在全息3D显示装置中聚焦3D图像的一种薄的平坦式会聚透镜。

背景技术

近来，积极地开发了用于制作和再现3D（三维）图像/视频的多种技术和研究。由于与3D图像/视频相关的媒体是用于虚拟现实的新概念媒体，所以该媒体能更好地改善视觉信息，并且将引领下一代显示面板。传统的2D图像系统仅提供投影到平面图的图像和视频数据，而3D图像系统可向观看者提供完全的实际图像数据。因此，3D图像/视频技术是真实的（True North）图像/视频技术。

典型地，存在再现3D图像/视频的方法：立体法、自动立体法、体积法、全息法和全景成像（integral imaging）法。在这些方法中，全息法使用了激光束，使得能够用裸眼观看3D图像/视频。因为全息法在不给观看者带来任何疲劳的情况下具有出色的视觉立体特性，所以全息法是最理想的方法。

为了在图像中的每个点产生对光波相位的记录，全息术使用与来自场景或物体的光（物体光束）相组合的参考光束。如果这两个光束是相干的，那么参考光束与物体光束之间的光干涉由于光波的叠加产生可记录在标准摄影胶片上的一系列强度条纹。这些条纹在胶片上形成一种衍射光栅，这称为全息图。全息术的中心目标是，当稍后通过替代参考光束照亮所记录的光栅时，原始的物体光束被重构（或再现），从而产生3D图像/视频。

作为以数字方式产生全息干涉图案的方法的计算机产生全息图（或CGH：Computer Generated Hologram）有了新的发展。例如，通过以数字方式计算全息干涉图案并使用合适的相干光源将全息干涉图案印刷在掩模或胶片上以用于随后照亮，可以产生全息图像。通过避开每次必须制造全息干涉图案的“硬拷贝”的需要，全息3D显示器可以使再现全息图像。

计算机产生的全息图具有如下优点：想要显示的物体根本不必具有任何物理实体。如果以光学的方式产生现有的物体的全息数据，但以数字方式记录和处理该数据，并随后将其输入到显示器中，则这也称为CGH。例如，计算机系统产生全息干涉图案，并将该全息干涉图案发送到诸如液晶空间光调制器（LCSML:Liquid CrystalSpatial Light Modulator）的空间光调制器，然后通过向空间光调制器发射基准光束来重建/再现与全息干涉图案相对应的3D图像/视频。图1是示出根据相关技术的使用计算机产生的全息图的数字全息图像/视频显示装置的结构图。

参照图1，计算机10产生要显示的图像/视频的全息干涉图案。产生的全息干涉图案被发送到SLM 20。作为透射式液晶显示装置的SLM 20可呈现全息干涉图案。在SLM 20的一侧，设置有用于产生基准光束的激光源30。为了将基准光束90从激光源30照射在SLM 20的整个表面上，可顺序地设置扩张器（expander）40和透镜系统50。从激光源30输出的基准光束90经过扩张器40和透镜系统50照射到SLM 20的一侧。由于SLM 20是透射式液晶显示装置，所以在SLM 20的另一侧将重构/再现与全息干涉图案相对应的3D图像/视频。

根据图1的全息型3D显示系统包括用于产生基准光90的光源30以及具有相对大的体积的扩张器40和透镜系统50。在构造了这种3D显示系统的情况下，这种3D显示系统可具有大的体积和大的重量。即，用于全息型3D显示系统的常规技术不适合应用于近来需求的薄、轻和便携性的显示系统。因此，需要开发一种可裸眼地呈现真实3D图像的薄的平坦式全息3D显示系统。

即使将作为用于全息3D显示装置的主要元件之一的SLM配置为薄的平坦式，如果应用了传统的会聚光学透镜（或凸透镜），则整个3D显示系统依然不能成为薄的平坦式。此外，由于全息系统的显示区域越来越大，所以透镜也需具有越来越大的尺寸以与大显示区域相对应。对于凸透镜，随着显示区域的增大，透镜的厚度越来越厚并且重量也越来越重，以至于更难将凸透镜应用于薄的平坦式3D显示装置。

发明内容

为了克服以上提到的缺陷，本公开的目的在于提供一种薄的平坦式会聚透镜，该会聚透镜将具有与光的传播方向平行的入射角的平面波的光会聚到光（传播）轴上的某一点。本公开的另一目的在于提供能够应用于薄的平坦式全息3D显示装置（或系统）的薄的平坦式会聚透镜。

为了达到以上目的，本公开提供了一种薄的平坦式会聚透镜，该薄的平坦式会聚透镜包括：透明基板；以及膜透镜，其包括附装在所述透明基板的一侧上的透明膜和记录在所述透明膜上的干涉条纹图案。

所述干涉条纹图案由会聚光与垂直入射到所述透明膜上的平行直射光之间的干涉产生。

所述平行直射光由记录在母膜（master film）上的干涉条纹图案产生，并且被构造为将以一入射角入射到所述母膜上的倾斜的平行光改变成所述平行直射光。

所述倾斜的平行光的所述入射角是在与所述母膜的法线成45°±30°的范围内的一个值。

所述会聚光由光学凸透镜产生，并且聚焦在所述母膜的入射面上并接着发散到所述透明膜。

所述膜透镜包括厚度最多为500微米的感光膜。

所述膜透镜包括透明的感光聚合物和透明的凝胶中的一种。

所述透明基板和所述膜透镜具有相同的折射率。

根据本公开的会聚透镜包括一个膜式会聚透镜，该膜式会聚透镜中具有干涉条纹图案。因此，为了配置3D显示装置，可以使用薄膜型透镜将3D图像的焦点设置在显示器与观看者之间的空间内的一点处，或者设置在观看者的眼睛（瞳孔或视网膜）上。也就是说，能够将全息3D显示系统制造成薄的平坦式显示器。此外，根据本公开的会聚透镜具有的优点在于：即使该会聚透镜具有大的对角面积，其仍然具有薄的厚度和轻的重量，因此容易开发薄的平坦式大面积的全息3D显示系统。

附图说明

附图被包括在本说明书中以提供对本发明的进一步理解，并结合到本说明书中且构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的实施方式，且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1是例示根据相关技术的使用计算机生成的全息图的数字全息图像/视频显示装置的结构图。

图2是例示根据本公开的第一实施方式的使用透射型液晶显示装置的数字全息图像/视频显示装置的结构图。

图3是例示通过向透明的记录介质同时照射平行直射光和会聚光而在其上记录干涉条纹图案的方法的示意图。

图4是例示由根据图3的薄的平坦式会聚透镜会聚的平行直射光的示意图。

图5是例示根据本公开的第二实施方式的薄的平坦式会聚透镜的结构的横截面图。

图6A是例示在大批量生产系统中制造用于产生膜透镜的母膜的方法的示意图。

图6B是例示使用母膜来制造膜透镜的方法的示意图。

图7A是例示代表平行直射光被膜透镜改变为会聚光的光路的横截面图。

图7B是例示代表发散光被膜透镜改变为平行直射光的光路的横截面图。

图8是例示在具有根据本公开的第二实施方式的薄的平坦式会聚透镜的全息3D显示装置中将3D图像聚焦在观看者的眼睛处的示意图。

具体实施方式

参照附图2至图8，将解释本公开的优选实施方式。在整个详细描述中，相同的标号始终表示相同的元件。然而，本发明不受这些实施方式所限制，而是在不改变技术精神的情况下可应用于各种改变或变型，在下面的实施方式中，为了便于说明而选择了元件的名称，元件的名称可能与实际名称不同。

参照图2，将解释根据本公开第一实施方式的使用透射式液晶显示器作为空间光调制器的薄的平坦式全息3D显示装置。图2是示出根据本公开的第一实施方式的使用透射式液晶显示装置的数字全息图像/视频显示装置的结构图。

根据本公开的第一实施方式的全息3D显示装置包括由透射式液晶显示面板制成的SLM 200。SLM 200包括上基板SU和下基板SD以及夹在上基板SU与下基板SD之间的液晶层LC，上基板SU和下基板SD由透明玻璃基板制成并彼此相对。SLM 200可通过从计算机或视频处理器（图中未示出）接收与干涉条纹图案相关的数据来呈现干涉条纹图案。上基板SU和下基板可分别具有薄膜晶体管和滤色器以包含液晶显示面板。

在SLM 200的后侧，可设置包括光源300和光纤OF的背光单元BLU。光源300可以是包括红色激光二极管R、绿色激光二极管G和蓝色激光二极管B的一组激光二极管，或者是包括红色LED、绿色LED和蓝色LED的一组准直LED。另外，光源300除了可包括红色光源、绿色光源和蓝色光源之外，还可包括其它颜色光源。或者，光源300可具有例如白色激光二极管或白色准直LED的一个光源。可存在多种类型的光源300。在这些实施方式中，为了方便起见，将光源300解释为包括红色激光二极管、绿色激光二极管和蓝色激光二极管。

为了将基准光从光源300引导至SLM 200并且为了使基准光分布在SLM 200的后表面的整个区域，优选使用光纤OF。例如，在背光单元BLU的一侧设置红色激光二极管R、绿色激光二极管G和蓝色激光二极管B。使用光纤OF，可以引导从红色激光二极管R、绿色激光二极管G和蓝色激光二极管B发射的激光束，使其达到SLM200的后表面。光纤OF可设置为覆盖作为液晶显示器的SLM 200的整个表面。具体地，通过去除包裹光纤OF的芯的金属保护层的某些部分以便于形成多个光点OUT，可使激光束照射在作为液晶显示面板的SLM 200的整个表面上。此外，为了在SLM200的整个表面上均匀地照射由光纤OF发射并扩张并且是准直光的基准光束，可在SLM 200与光纤OF之间设置多个光学片500。

在本公开中，背光单元BLU是一个示例性的使用光纤OF的示意结构。在包括SLM 200的颜色像素被设置为沿列排列的一种颜色的情况下，与一种颜色相对应的一个光纤OF可设置为与相同颜色列匹配。又例如，背光单元BLU可包括设置在各个颜色像素处的表面发射LED。因为本公开的主要构思不在于背光单元BLU，所以将不涉及背光单元BLU的详细解释。

在SLM 200的前面，在观看者与SLM 200之间的空间中的合适位置处，还可包括用于聚集3D图像的薄的平坦式会聚透镜FL。可按各种方式来设置该平坦式会聚透镜FL的焦点。例如，焦点可设置在SLM 200与观看者之间的最佳位置处。又例如，焦点可直接设置在观看者的眼睛上。在这种情况下，左眼图像和右眼图像被分别发送到左眼和右眼。将详细描述作为本公开的主要特征之一的薄的平坦式会聚透镜FL。

此外，可在平坦式透镜FL的前面包括眼动仪ET（eye-tracker）。当观看者的位置改变时，眼动仪可检测改变后的观看者的位置，针对移动后的观看者计算最佳观看角度，然后根据观看者的新的最佳观看角度偏转3D图像的焦点。例如，眼动仪ET可以是用于根据观看者的位置在水平方向上移动3D图像的焦点的偏转器。尽管图中没有示出，但眼动仪ET还可包括用于检测观看者的位置的位置检测器。因为本公开的主要特征不在于眼动仪ET上，所以将不涉及眼动仪ET的详细解释。

在下文中，我们将详细阐述根据本公开的薄的平坦式会聚透镜。图3是例示通过向透明的记录介质同时照射平行直射光和会聚光而在该透明记录介质上记录干涉条纹图案的方法的示意图。图4是例示由根据图3的薄的平坦式会聚透镜会聚的平行直射光的示意图。参照图3，下面将首先阐述根据本公开的薄的平坦式会聚透镜的基本概念。

为制造薄的平坦式透镜，准备了平膜FI，即，透明的记录介质。从平膜FI的左侧开始，向平膜FI同时照射第一平行直射光B1和会聚光B2。可通过向凸透镜LEN照射第二平行直射光B3来产生会聚光B2。然后，在平膜FI上记录第一平行直射光B1与会聚光B2之间的干涉条纹图案。具有该干涉条纹图案的这一平膜FI将是薄的平坦式会聚透镜FL。

参照图4，将阐述通过根据本公开的第一实施方式的薄的平坦式会聚透镜的光路。从薄的平坦式会聚透镜FL的左侧开始，当向薄的平坦式会聚透镜FL照射平行直射光B1时，在平行直射光B1穿过薄的平坦式会聚透镜FL之后，平行的直射光B1被干涉条纹图案改变为与会聚光B2具有相同的焦点（或聚焦点）f的会聚光B0并被发射。

实际上，根据本公开的第一实施方式的方法难以制造薄的平坦式会聚透镜FL。其原因在于：如图3所示，在第一平行直射光B1的路径中放置了凸透镜LEN，使得第一平行的直射光B1和会聚光B2不能同时照射在平膜FI（即，记录介质）上。

为了解决第一实施方式的问题，第二实施方式提供了实际可行的用于制造薄的平坦式会聚透镜的方法中的一种。图5是例示根据本公开的第二实施方式的薄的平坦式会聚透镜的结构的横截面图。

参照图5，根据本公开的第二实施方式的薄的平坦式会聚透镜FL包括透明基板SUB以及附装在透明基板SUB的一侧上的膜透镜PL。透明基板SUB可以是光学透明的玻璃基板和透明膜中的一个。此外，透明基板SUB可优选地由与膜透镜PL具有相同折射率的透明材料构成。

膜透镜PL是一种光栅膜，该光栅模被构造为将相对于光的传播轴具有0°入射角的平行直射光100转变为到焦点f处的会聚光B0。膜透镜PL可以是具有500μm（微米）厚度的感光膜。详细地说，膜透镜PL可包括诸如感光聚合物或凝胶的感光高分子材料。具体地，膜透镜PL优选地包括与透明基板SUB具有相同折射率的材料。

在下文中，参照图6A和图6B，将阐述根据本公开的第二实施方式的膜透镜PL。图6A是例示在大批量生产系统中制造用于产生膜透镜的母膜的方法的示意图。图6B是例示使用母膜来制造膜透镜的方法的示意图。

为了制造薄的平坦式母膜MP，制备了第一平膜FI1，即，透明的光学记录介质。从第一平膜FI1的左侧开始，向第一平膜FI1同时照射平行直射光100和倾斜的平行光300。平行直射光100以与第一平膜FI1的法线成0°±5°的入射角范围入射到第一平膜FI1的表面。倾斜的平行光300以与第一平膜FI1的法线成θ°±5°的入射角范围入射到第一平膜FI1的表面。然后，在第一平膜FI1上，记录平行直射光100与倾斜的平行光300之间的干涉条纹图案。也就是说，具有该干涉条纹图案的第一平膜FI1将是母膜MP。

这里，按照如下方式来选择倾斜的平行光300的入射角θ，即，在不会与用于产生如图3所示的会聚光B2的光学装置产生任何干涉的情况下，可以将倾斜的平行光300完全照射在第一平膜FI1上。此外，该入射角不应影响干涉条纹图案的衍射效应。根据各种经验，倾斜的平行光300的入射角θ优选地与第一平膜FI1的法线成45°±30°。更为优选地，可以选择39°到41°的范围内的任何一个值作为倾斜的平行光300的入射角θ。根据实验和仿真，可以选择39.2°到40.2°中的任何一个角度值作为倾斜的平行光300的入射角θ。在最优化的情况下，倾斜的平行光300的入射角θ为39.8°。

此后，可使用母膜MP来制造膜透镜PL。参照图6B，将阐述通过向母膜MP同时照射倾斜的平行光300和会聚光450来制造膜透镜PL的方法。

为了制造膜透镜PL，制备了第二平膜FI2，即，透明的光学记录介质。母膜MP被设置在第二平膜FI2的左侧。从与第二平膜FI2相反的母膜MP的左侧开始，向母膜MP同时照射会聚光450和倾斜的平行光300。

倾斜的平行光300以与母膜MP的法线成45°±30°的范围内的入射角θ从母膜MP的左侧照射到母膜MP。然后，倾斜的平行光300在穿过母膜MP时被记录在母膜MP上的干涉条纹图案衍射，倾斜的平行光300改变为平行直射光350，然后该平行直射光发射到第二平膜FI2。

另一方面，可以通过向凸透镜LEN照射第二平行直射光400来产生会聚光450。这里，会聚光450的聚焦点f将设置在位于凸透镜LEN与第二平膜FI2之间的空间中的任何点处。更为优选地，应把会聚光450的焦点f设置在会聚光450聚焦在母膜MP的入射面上的点处。由于母膜MP的干涉条纹图案不具有来自会聚光450的任何分量，所以会聚光450可不受母膜MP的干涉条纹图案的任何衍射地穿过母膜MP。也就是说，会聚光450从聚焦点f发散并照射在第二平膜FI2上。

由此，由会聚光450和平行的直射光350产生的干涉条纹图案记录在第二平膜FI2上。具有该干涉条纹图案的第二平膜FI2将是膜透镜PL。就第二平膜FI2方面来说，即就膜透镜PL方面来说，凸透镜LEN的焦点位于–f点处。当平行直射光从第二平膜FI2的左侧照射到第二平膜FI2时，会聚光从第二平膜FI2发射到焦点f（第二平膜FI2的右侧的f位置）。相反，当平行直射光从第二平膜FI2的右侧照射到第二平膜FI2时，会聚光从第二平膜FI2发射到焦点-f（第二平膜FI2的左侧的f位置）。

参照图7A和图7B，将使用穿过根据本公开的第二实施方式制造的膜透镜PL的光的路径来阐述关于膜透镜的操作。图7A是例示代表平行直射光被膜透镜改变为会聚光的光路的横截面图。图7B是例示代表发散光被膜透镜改变为平行直射光的光路的横截面图。

当平行的直射光100从根据本公开的第二实施方式的膜透镜PL的左侧照射到膜透镜PL时，如图7A所示，平行直射光在穿过记录在膜透镜PL上的干涉条纹图案之后改变为聚焦到焦点f处的会聚光B0。另一方面，当具有焦点f的会聚光455从膜透镜PL的左侧照射到膜透镜PL时，如图7B所示，该会聚光在穿过记录在膜透镜PL上的干涉条纹图案之后改变为与膜透镜PL的表面的法线的平行直射光150。

根据本公开的第二实施方式的薄的平坦式会聚透镜FL可应用于全息3D显示系统。图8是例示在具有根据本公开的第二实施方式的薄的平坦式会聚透镜的全息3D显示装置中将3D图像聚焦在观看者的眼睛处的示意图。参照图8，从背光单元BLU发出的背光BL可通过空间光调制器（SLM）200来表现全息3D图像。全息3D图像可聚焦在薄的平坦式会聚透镜的焦点上。例如，表现全息3D图像的光可会聚在观看者的眼睛上，使得能够提供高质量的全息3D图像。

尽管参照附图详细描述了本发明的实施方式，本领域技术人员应理解的是，在不改变本发明的技术精神或必要特征的情况下，可按其它特定形式来实现本发明。因此，应注意，以上实施方式在所有方面仅为说明性的，不应该被解释为限制本发明。本发明的范围由所附权利要求限定，而不是由本发明的详细描述限定。在权利要求的意思和范围内做出的所有改变或变型或其等同物应被解释为落入本发明的范围内。

本申请要求于2011年11月15日提交的韩国专利申请No.10-2011-0119190的优先权，此处为了所有目的以引证的方式并入该韩国专利申请，就如在此进行了完整阐述一样。

Claims (6)

1.一种薄的平坦式会聚透镜，该薄的平坦式会聚透镜包括：

透明基板；以及

膜透镜，其包括附装在所述透明基板的一侧的透明膜和记录在所述透明膜上的干涉条纹图案，

其中所述干涉条纹图案由会聚光与垂直入射到所述透明膜的平行直射光之间的干涉产生，

其中所述平行直射光由记录在母膜上的干涉条纹图案产生，并且记录在所述母膜上的干涉条纹图案被构造为将以一入射角入射到所述母膜上的倾斜的平行光改变成所述平行直射光，以及

其中，通过向第一平膜同时照射平行直射光和倾斜的平行光之间的干涉得到记录在所述母膜上的所述干涉条纹图案，所述平行直射光以与所述第一平膜的法线成0°±5°的入射角范围入射到所述第一平膜的表面，所述倾斜的平行光以与所述第一平膜的法线成θ°±5°的入射角范围入射到所述第一平膜的表面。

2.根据权利要求1所述的会聚透镜，其中所述倾斜的平行光的入射角是在与所述母膜的法线成45°±30°的范围内的一个值。

3.根据权利要求1所述的会聚透镜，其中所述会聚光由光学凸透镜产生并聚焦在所述母膜的入射面上，并且接着发散到所述透明膜。

4.根据权利要求1所述的会聚透镜，其中所述膜透镜包括最大厚度为500微米的感光膜。

5.根据权利要求1所述的会聚透镜，其中所述膜透镜包括透明的感光聚合物和透明的凝胶中的一种。

6.根据权利要求1所述的会聚透镜，其中所述透明基板和所述膜透镜具有相同的折射率。