CN103969835B - 复合空间光调制器和包括其的3d图像显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合空间光调制器和包括该复合空间光调制器的三维（3D）图像显示设备。该复合空间光调制器包括：空间光调制器，调制光的相位；棱镜阵列，包括多个棱镜单元，多个棱镜单元中的每个包括第一棱镜面和第二棱镜面，其中来自空间光调制器的光入射在棱镜阵列上；以及偏振无关的衍射元件，衍射已经经过棱镜阵列的光。

Description

复合空间光调制器和包括其的3D图像显示设备

本申请要求2013年1月30日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2013-0010572的优先权，其公开通过全文引用而结合于此。

技术领域

与示例性实施方式一致的装置涉及复合空间光调制器和包括该复合空间光调制器的三维（3D）图像显示设备。

背景技术

近来，三维（3D）电影的发行日益增加，从而与3D图像显示设备相关的技术研究日益增加。3D图像显示设备基于双眼视差来显示3D图像，因此当前商品化的3D图像显示设备采用双眼视差的原理，从而通过分别提供视点不同的左视图像和右视图像至左眼和右眼来使得观众感觉到立体视觉。3D图像显示设备的示例包括需要特定眼镜的眼镜型3D图像显示设备和不需要眼镜的无眼镜型3D图像显示设备。

然而，当观看根据双眼视差方法显示的3D图像时，眼睛疲劳加剧，并且仅提供两个视点（即，左视图像和右视图像）的3D图像显示设备不能够根据观众的移动而反映视点的变化，因此在其提供自然立体视觉的能力上受到限制。

为了显示更自然的立体图像，全息3D图像显示设备当前正被研究。然而，为了实现全息3D图像显示设备，不仅能够控制光的幅度而且能够控制光的相位的装置是必需的。当通过使用仅能够控制光的亮度（幅度）和光的相位的其中之一的装置来显示图像时，图像质量会由于例如零阶衍射光、双图像或斑点而劣化。

全息3D图像显示设备可以包括全息光学元件从而控制光的振幅。然而，这样的器件，例如，布拉格光栅由双折射材料组成，并因此是偏振相关的（polarization-dependent）。因而，这样的全息光学元件的使用还需要使用偏振器和半波片，或者其它偏振光学元件以便使入射在全息光学元件上的光的振幅受到控制。这样的额外元件增加了器件的复杂度和成本。此外，当前全息光学元件的“辐射效应”问题是已知的。当前的全息光学元件的光聚合物功能随时间退化，导致图像显示设备的光学性能随时间衰退。这样的偏振相关光学元件还是昂贵的且难以制造以及在尺寸上受到限制。

发明内容

一个或多个示范性实施方式可以提供能够控制光的幅度和相位二者的复合空间光调制器。

一个或多个示范性实施方式可以提供包括能够控制光的幅度和相位二者的复合空间光调制器并显示立体图像的全息三维（3D）图像显示设备。

附加的方面和/或优点将在以下的描述中部分地阐述，并且部分将从该描述明显或者可以通过所提供的实施方式的实践而知晓。

根据示范性实施方式的方面，一种复合空间光调制器包括：空间光调制器，调制光的相位；棱镜阵列，设置为相邻于空间光调制器，其中具有第一棱镜面和第二棱镜面的棱镜单元布置为棱镜阵列；以及偏振无关的（polarization-independent）衍射元件，衍射已经经过棱镜阵列的光。

第一棱镜面和第二棱镜面可以关于彼此对称地布置。

第一棱镜面和第二棱镜面可以设置为面对空间光调制器的两行像素。

在第一棱镜面处折射的第一光和在第二棱镜面处折射的第二光可以通过使用衍射元件而沿着一个光轴组合。

第一棱镜面和第二棱镜面可以设置为彼此面对，第一棱镜面和第二棱镜面可以关于第一棱镜面和第二棱镜面的中心线而具有相同的梯度。

通过使用衍射元件衍射在第一棱镜面处折射的第一光而形成的+1阶光和通过使用衍射元件衍射在第二棱镜面处折射的第二光而形成的-1阶光可以被组合。

空间光调制器可以包括液晶层。

棱镜阵列和衍射元件之间的间隔可以满足以下方程：

h=T/tanθ，

其中h表示棱镜阵列和衍射元件之间的间隔，T表示空间光调制器的像素的节距，θ表示入射在衍射元件上的光的入射角度。

衍射元件可以是包括突起和槽的阵列的半导体衍射元件。

根据另一示范性实施方式的方面，一种三维（3D）图像显示设备包括：光源单元，发射光；空间光调制器，调制从光源单元发射的光的相位；图像信号电路单元，将图像信号输入到空间光调制器；以及光束组合器，调制从空间光调制器发射的光的相位和幅度，其中光束组合器包括：棱镜阵列，设置为相邻于空间光调制器，其中具有第一棱镜面和第二棱镜面的棱镜单元布置为棱镜阵列；以及偏振无关的（polarization-independent）衍射元件，衍射已经经过棱镜阵列的光。

根据另一示范性实施方式的方面，一种复合空间光调制器包括：空间光调制器，调制透过其的光的相位；棱镜阵列，包括多个棱镜单元的阵列，其中来自空间光调制器的光入射在棱镜阵列上；以及半导体衍射元件，包括突起和槽的阵列，其中对于所述多个棱镜单元中的每个，衍射元件组合透过第一棱镜面的光和透过第二棱镜面的光以在单个光轴上传播。

根据另一示范性实施方式的方面，一种三维（3D）图像显示设备包括：光源单元，发射光；空间光调制器，调制透过其的光的相位；棱镜阵列，包括多个棱镜单元的阵列，其中来自空间光调制器的光入射在棱镜阵列上；以及半导体衍射元件，包括突起和槽的阵列，其中对于所述多个棱镜单元中的每个，衍射元件组合透过第一棱镜面的光和第二棱镜面的光以在单个光轴上传播。

附图说明

这些和/或其它方面和优点将从以下结合附图对示范性实施方式的说明而变得明显并且更易于理解，在附图中：

图1是根据示范性实施方式的复合空间光调制器的透视图；

图2A是根据示范性实施方式的复合空间光调制器的前侧视图；

图2B是根据示范性实施方式的复合空间光调制器的透视图；

图3是用于解释根据示范性实施方式的图1所示的复合空间光调制器的操作的视图；

图4是通过使用根据示范性实施方式的复合空间光调制器组合的光的拍摄图像；

图5是用于解释正在根据示范性实施方式的复合空间光调制器中组合的光的视图；

图6是根据示范性实施方式的三维（3D）图像显示设备的示意图；以及

图7是根据示范性实施方式的半导体衍射元件的截面图。

具体实施方式

现在将详细参照示范性实施方式，在附图中示出示范性实施方式，其中在附图中，为了便于表述而会夸大元件的尺寸或厚度，并且相同的附图标记始终表示相同的元件。在这一点上，本实施方式可具有不同的形式，并且不应被解释为限于在此阐述的描述。从而，以下仅仅参照附图描述了示范性实施方式以解释本说明的方面。

图1是根据示范性实施方式的复合空间光调制器1的透视图。复合空间光调制器1可以包括调制光束的相位的空间光调制器10和组合从空间光调制器10发射的光束的光束组合器BC。光束组合器BC可以包括棱镜阵列20和衍射元件30。

空间光调制器10可以包括能够基于电信号改变折射率的光电器件。空间光调制器10可以包括诸如液晶层的光电材料。空间光调制器10可以在对其施加电压时改变光电材料的折射率，从而控制光的相位。例如，空间光调制器10可以包括聚合物分散的液晶层。透过空间光调制器的光的光学路径的长度可以根据施加到聚合物分散的液晶层的电压而改变，透过的光的相位可以被相应地调制。相位延迟可根据用以改变偏振方向的光电材料层的特性而产生。虽然图1中没有示出，但是为了校正改变的偏振方向，相邻于空间光调制器10，可以进一步包括相位板和偏振板。

图2A是复合空间光调制器1的侧视图。图2B是复合空间光调制器1的透视图。如图2A和图2B所示，空间光调制器10可以包括多个像素11和12。多个像素11和12可以被布置成例如二维（2D）矩阵。棱镜阵列20可以包括第一棱镜面21和第二棱镜面22。第一棱镜面21和第二棱镜面22可以关于中心线对称地布置。第一棱镜面21和第二棱镜面22可以设置为彼此成角度地面对，例如，第一棱镜面21和第二棱镜面22可以关于中心线CL具有相同的梯度。棱镜单元可以被包括为与沿着两行所包括的多个像素相应。第一棱镜面21可以相应于沿着第一行11-L所包括的空间光调制器10的像素，第二棱镜面22可以相应于沿着第二行12-L所包括的空间光调制器的像素。

已经经过棱镜阵列20的光束入射在衍射元件30上。衍射元件30可以是例如光栅。棱镜阵列20可以具有其中在第一方向上折射光的第一棱镜面21和在第二方向上折射光的第二棱镜面22交替地布置的布置。棱镜阵列20的第一棱镜面21和第二棱镜面22可以形成一组，空间光调制器10的与第一棱镜面21和第二棱镜面22相应的两行像素可以形成一组。

图3是用于解释根据示范性实施方式的图1所示的复合空间光调制器1的操作的视图。在空间光调制器10中，第一像素11和第二像素12可以成为一对，已经经过第一像素11的第一光L1和已经经过第二像素12的第二光L2可以通过使用光束组合器BC而组合，以调制光的相位和幅度。

第一光L1可以入射在棱镜阵列20的第一棱镜面21上而以预定角度折射，第二光L2可以经过棱镜阵列20的第二折射面22。第一光L1和第二光L2入射在衍射元件30上并且通过使用衍射元件30而被衍射。

衍射元件30可以包括例如使用半导体制造工艺制造的半导体衍射元件从而具有以预定节距布置的多个突起30a和多个槽30b，于是在衍射元件30的表面上形成浮雕（relief）形状，如图7所示。衍射光的衍射角度可以根据衍射元件30的节距的间隔来调节。此外，衍射效率可以通过调节多个槽的深度来调节。同时，衍射元件30的衍射效率可以根据入射光的入射角度和波长的变化而改变。衍射元件30可以被设计为关于经由棱镜阵列20入射在衍射元件30上的光的入射角度和所使用的光的波长而具有最大衍射效率。从而，衍射效率可以关于具有与衍射元件30的设计条件不相应的入射角度和波长的光而减小。从而，衍射元件30可以被设计为关于已经经过棱镜阵列20的第一光L1和第二光L2而具有高衍射效率。

如上所述并且如图7所示的衍射元件不限于尺寸，而是可以被制造为非常大。另外，因为衍射元件是半导体衍射光栅，所以其不是偏振相关的并且其提供多级衍射，如以下讨论的。

例如，通过使用衍射元件30，第一光L1可以被衍射为零阶光和±1阶光，第二光L2可以被衍射为零阶光和±1阶光。第一光L1的+1阶光L1a和第二光L2的-1阶光L2b穿过衍射元件30行进。第一光L1的+1阶光L1a和第二光L2的-1阶光L2b可以组合。由于分别在第一棱镜面21和第二棱镜面22处折射的光束通过使用衍射元件30而在关于光轴水平的方向上被衍射，因此光束可以沿着单个光轴而组合，以形成为相干的复合调制光波。从而，可以同时调制光的相位和幅度。

例如，当第一光L1通过使用空间光调制器10而具有第一相位第二光L2通过使用空间光调制器10而具有第二相位并且第一光L1和第二光L2组合时，它们满足以下的方程：

<方程1>

在方程1中，在右手侧的术语cos与幅度相关，术语exp与相位相关，被示出的是，当具有第一相位的第一光L1和具有第二相位的第二光L2组成为具有一个光轴的光束时，相位和幅度被一起调制。在图1所示的复合空间光调制器中，通过使用棱镜阵列20和衍射元件30可以将光组合为具有一个光轴的光束。

参照图3，棱镜阵列20和衍射元件30之间的间隔h可以满足以下的方程2：

h=T/tanθ <方程2>，

其中，h表示棱镜阵列20和衍射元件30之间的间隔，T表示空间光调制器10的像素的节距，θ表示入射至衍射元件30的光的入射角度。

当衍射元件30的栅周期（lattice period）为Λ时，栅周期Λ可以在以下的方程3中计算：

Λ=λ/sinθ <方程3>，

其中λ表示第一光L1和第二光L2的波长。

此外，当棱镜阵列20的棱镜角度为Ψ（见图3）时，Ψ可以满足以下的方程4：

<方程4>，

这里，n表示棱镜阵列的折射率。

衍射元件30的衍射效率可以根据入射光的入射角度和波长而改变。衍射元件30可以被设计为关于经由棱镜阵列20入射的光的入射角度和所使用的光的波长而具有最大衍射效率。例如，衍射元件30可以被设计为使得第一光L1的+1阶光L1a和第二光L2的-1阶光L2b具有比经过棱镜阵列20的第一光L1和第二光L2高的衍射效率。

图4示出通过使用根据本发明构思的实施方式的复合空间光调制器组合的光的拍摄图像。这将被参照图5详细描述，图5是用于解释正在根据本发明构思的实施方式的复合空间光调制器中组合的光的视图。

如图5所示，具有相位的（n-4）阶光、具有相位的（n-3）阶光、具有相位的（n-2）阶光、具有相位的（n-1）阶光、具有相位的（n）阶光、具有相位的（n+1）阶光、具有相位的（n+2）阶光、具有相位的（n+3）阶光、具有相位的（n+4）阶光、以及具有相位的(n+5）阶光可以入射在棱镜阵列20上。已经经过棱镜阵列20的光可以被叠加，并且可以基于经过衍射元件30而干涉，其如下调制了光的相位和幅度：

如上所述，根据示范性实施方式，光的相位可以通过空间光调制而被调制，而光的相位和幅度二者可以通过使用光束组合器而被调制。由于光的相位和幅度可以如在上述示范性实施方式中那样被一起调制，所以可以防止由于双图像或斑点引起的图像质量的劣化。此外，由于空间光调制器和光束组合器被彼此平行地布置，所以其光学对准是容易的。另外，具有纤小尺寸的空间光调制器和光束组合器可以被制造和布置，因此纤小的复合空间光调制器可以被制造。因此，复合空间光调制器可以被应用于例如平板显示器（FPD）。

根据示范性实施方式的复合空间光调制器可以被应用于全息3D图像显示设备以显示逼真的3D图像。

图6是根据示范性实施方式的三维（3D）图像显示设备100的示意图。

3D图像显示设备100可以包括发射光的光源单元101和通过使用从光源单元101发射的光来显示3D图像的复合空间光调制器140。复合空间光调制器140可以包括调制光的相位的空间光调制器110和组合从空间光调制器110发射的光束并且调制光的相位和幅度的光束组合器120。此外，输入全息图像信号的图像信号电路单元115可以被包括在空间光调制器140中。作为复合空间光调制器140，可以使用参照图1和图2描述的复合空间光调制器。复合空间光调制器140可以被制造为纤小的，并且可以被用于平板全息3D图像显示设备中以提供具有高图像质量的3D图像。

在根据示范性实施方式的复合空间光调制器中使用的棱镜阵列可以被容易地制造，从而提高生产效率。

应该理解，在此描述的示范性实施方式应该仅以描述性的意义被考虑，而非限制的目的。每个实施方式中对特征或方面的描述应该通常被认为可适用于其它实施方式中的其它类似特征或方面。

Claims (20)

1.一种复合空间光调制器，包括：

空间光调制器，调制透过其的光的相位；

棱镜阵列，包括多个棱镜单元，所述多个棱镜单元中的每个包括第一棱镜面和第二棱镜面，其中透过所述空间光调制器的光入射在所述棱镜阵列上；以及

偏振无关的衍射元件，衍射已经经过所述棱镜阵列的光。

2.根据权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述第一棱镜面和所述第二棱镜面关于彼此对称地布置。

3.根据权利要求1所述的复合空间光调制器，其中多个所述第一棱镜面设置为面对所述空间光调制器的第一行的多个像素，多个所述第二棱镜面设置为面对所述空间光调制器的第二行的多个像素。

4.根据权利要求1所述的复合空间光调制器，其中由所述第一棱镜面折射的第一光和由所述第二棱镜面折射的第二光在透过所述衍射元件时沿着单个光轴组合。

5.根据权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述第一棱镜面和所述第二棱镜面设置为彼此面对，所述第一棱镜面和所述第二棱镜面关于所述第一棱镜面和所述第二棱镜面之间的中心线具有相同的梯度。

6.根据权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述衍射元件组合已经透过所述空间光调制器并且由所述第一棱镜面折射的+1阶光和已经透过所述空间光调制器并且由所述第二棱镜面折射的-1阶光。

7.根据权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述空间光调制器包括液晶层。

8.根据权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述棱镜阵列和所述衍射元件之间的间隔满足以下方程：

h=T/tanθ，

其中h是所述棱镜阵列和所述衍射元件之间的间隔，T是所述空间光调制器的像素的节距，θ是入射在所述衍射元件上的光的入射角度。

9.根据权利要求1所述的复合空间光调制器，其中所述衍射元件是包括突起和槽的阵列的半导体衍射元件。

10.一种三维图像显示设备，包括：

光源单元，发射光；

图像信号电路单元，输入图像信号至空间光调制器；

所述空间光调制器，基于所述图像信号来调制从所述光源单元发射的所述光的相位；以及

光束组合器，调制从所述空间光调制器发射的光的幅度和相位，

其中所述光束组合器包括：

棱镜阵列，包括多个棱镜单元，所述多个棱镜单元中的每个包括第一棱镜面和第二棱镜面，其中从所述空间光调制器发射的光入射在所述棱镜阵列上；以及

偏振无关的衍射元件，衍射已经透过所述棱镜阵列的光。

11.根据权利要求10所述的三维图像显示设备，其中所述第一棱镜面和所述第二棱镜面关于彼此对称地布置。

12.根据权利要求10所述的三维图像显示设备，其中多个所述第一棱镜面设置为面对所述空间光调制器的第一行的多个像素，多个所述第二棱镜面设置为面对所述空间光调制器的第二行的多个像素。

13.根据权利要求10所述的三维图像显示设备，其中由所述第一棱镜面折射的第一光和由所述第二棱镜面折射的第二光在透过所述衍射元件时沿着单个光轴组合。

14.根据权利要求10所述的三维图像显示设备，其中所述第一棱镜面和所述第二棱镜面设置为彼此面对，所述第一棱镜面和所述第二棱镜面关于所述第一棱镜面和所述第二棱镜面之间的中心线具有相同的梯度。

15.根据权利要求10所述的三维图像显示设备，其中所述衍射元件组合已经透过所述空间光调制器并且由所述第一棱镜面折射的+1阶光和已经透过所述空间光调制器并且由所述第二棱镜面折射的-1阶光。

16.根据权利要求10所述的三维图像显示设备，其中所述空间光调制器包括液晶层。

17.根据权利要求10所述的三维图像显示设备，其中所述棱镜阵列和所述衍射元件之间的间隔满足以下方程：

h=T/tanθ，

其中h是所述棱镜阵列和所述衍射元件之间的间隔，T是所述空间光调制器的像素的节距，θ是入射在所述衍射元件上的光的入射角度。

18.根据权利要求10所述的三维图像显示设备，其中所述衍射元件是包括突起和槽的阵列的半导体衍射元件。

19.一种复合空间光调制器，包括：

空间光调制器，调制透过其的光的相位；

棱镜阵列，包括多个棱镜单元的阵列，其中来自所述空间光调制器的光入射在所述棱镜阵列上；以及

半导体衍射元件，包括突起和槽的阵列，其中对于所述多个棱镜单元中的每个，所述衍射元件组合透过第一棱镜面的光和透过第二棱镜面的光以在单个光轴上传播。

20.一种三维图像显示设备，包括：

光源单元，发射光；

空间光调制器，调制透过其的光的相位；

棱镜阵列，包括多个棱镜单元的阵列，其中来自所述空间光调制器的光入射在所述棱镜阵列上；以及

半导体衍射元件，包括突起和槽的阵列，其中对于所述多个棱镜单元中的每个，所述衍射元件组合透过第一棱镜面的光和第二棱镜面的光以在单个光轴上传播。