CN106461956B - 使用全息光学元件的自动立体3d显示设备 - Google Patents

使用全息光学元件的自动立体3d显示设备 Download PDF

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Abstract

公开了一种自动立体3D显示设备（100）。该设备包括：被配置成交替地生成光（162、164）的第一光源（112）和第二光源（114）；和导光板（120），其被布置成将来自第一光源的光在第一方向上引导为第一光束（172）并且将来自第二光源的光在第二方向上引导为第二光束（174）。在该设备中，多个全息光学元件的堆叠（130）被配置成使来自导光板的第一光束和第二光束会聚。该多个全息光学元件的堆叠可包括至少一个第一全息光学元件（132）和至少一个第二全息光学元件（134）。该导光板包括被配置成将来自第一和第二光源的光反射朝向邻接全息光学元件的堆叠的导光板表面（1010）的棱镜结构。该棱镜结构包括具有第一倾斜角的至少一个第一斜面（1032）和具有第二倾斜角的至少一个第二斜面（1034），其中第一和第二倾斜角小于10°。

Description

使用全息光学元件的自动立体3D显示设备
技术领域
本公开涉及自动立体3D显示设备，并且更具体地涉及使用多个全息光学元件（HOE）的自动立体3D显示设备。
背景技术
近年来，用于观看三维（3D）图像的3D显示器已经变得流行。例如，装配有3D显示器或3D电视的电影院可能允许观看者观看增强视觉体验的3D电影。然而，这样的3D电影常常要求观看者佩戴3D眼镜或视觉辅助设备来感知3D图像。由于设备的重量或不舒服，这样的3D眼镜或视觉辅助设备的使用对某些观看者来说可能是麻烦的。
为了减轻观看者的这种不便，已经开发出允许观看者在没有3D眼镜或视觉辅助设备的情况下感知3D图像的自动立体显示器。常规的自动立体显示器通常使用空间复用方法或时间复用方法来显示3D图像。在空间复用方法中，诸如视差屏障（parallax-barrier）或透镜片之类的光学条纹板可被提供在自动立体显示器中来将左眼和右眼的视场分开以便为观看者形成一对立体图像。然而，这样的光学条纹板的使用可能导致退化或减弱的图像分辨率、低光效率以及窄的视角。
在时间复用方法中，左和右视觉图像被顺序显示以允许观看者的左眼和右眼感知3D图像。在该方法中，各种类型的透镜、反射镜或具有棱镜的3D膜通常被用来为左和右观看图像形成定向背光。然而，透镜或反射镜的使用可能导致3D显示设备尺寸的增加。在具有棱镜的3D膜的情况下，可能难以准确地产生微米尺寸的具有棱镜的3D膜并且将具有棱镜的3D膜准确地对准到导光结构。
发明内容
本公开涉及使用多个全息光学元件的自动立体3D显示设备。
根据本公开的一个实施例，公开了一种自动立体3D显示设备。该设备包括：被配置成交替地生成光的第一光源和第二光源；导光板，其被布置成将来自第一光源的光在第一方向上引导为第一光束并且将来自第二光源的光在第二方向上引导为第二光束；以及多个全息光学元件的堆叠，其被配置成使来自导光板的第一光束和第二光束会聚，其中导光板包括棱镜结构，该棱镜结构被配置成使来自第一和第二光源的光反射朝向邻接多个全息光学元件的堆叠的导光板的表面，其中该棱镜结构包括具有第一倾斜角的至少一个第一斜面以及具有第二倾斜角的至少一个第二斜面，以及其中该第一和第二倾斜角小于10°。自动立体3D显示设备可有利地提供纵向方向上的长的观察范围以及与使用视差屏障或透镜片的常规自动立体3D显示系统相比降低的串扰。
上述实施例的棱镜结构的具体优点是它可将来自第一和第二光源的光重定向为一对类似准直（quasi-collimated）或基本准直的光束。此外，来自第一和第二光源的光可从至少一个第一倾斜表面和/或至少一个第二倾斜表面反射多次以增强导光板内部的光分布并且使导光板内部的光分布均匀。此外，小于10°的倾斜角的特定优势是它们可增强离开导光板朝向多个全息光学元件的堆叠折射的光束的准直。
在一些实施例中，多个全息光学元件的堆叠可包括至少一个第一全息光学元件和至少一个第二全息光学元件，并且该至少一个第一全息光学元件可将第一光束会聚到第一位置，同时该至少一个第二全息光学元件可将第二光束会聚到第二位置。包括多个全息光学元件的堆叠的自动立体3D显示设备可提供高衍射效率以及由此提供图像的高亮度。
在一些实施例中，该至少一个第一全息光学元件可包括一个或多个第一光聚合物膜，其被配置成使第一光束的一个或多个预定波长衍射，并且该至少一个第二全息光学元件可包括一个或多个第二光聚合物膜，其被配置成使第二光束的一个或多个预定波长衍射。具有一个或多个第一和第二光聚合物膜的自动立体3D显示设备可使第一和第二光束的一个或多个预定波长衍射以能够实现全色显示。
在一些实施例中，一个或多个第一和第二光聚合物膜中的每一个可被配置成使红色、绿色或蓝色波长衍射。使红色、绿色或蓝色波长衍射能够实现全色显示。
在一些实施例中，该多个全息光学元件中的每一个可包括平行光束和发散光束的干涉图样。具有干涉图样的全息光学元件在观看者的一对眼睛前面形成一对会聚光场。
在一些实施例中，该多个全息光学元件中的每一个可是体积全息光学元件。体积全息光学元件可降低颜色串扰并改进衍射效率以使得可增强为观看者输出的光的亮度。
在一些实施例中，导光板可被配置成以关于垂直邻接多个全息光学元件的堆叠的导光板表面的方向的大于45°的折射角将从棱镜结构反射的光折射朝向多个全息光学元件的堆叠。与多个全息光学元件结合的以大于45°的折射角折射的光可降低会聚到观看者的一对眼睛的各光场之间的颜色串扰。
在一些实施例中，导光板可被配置成将来自第一和第二光源的光引导为具有基本均匀强度分布的第一和第二光束。这样的均匀强度分布可增强为观看者输出的光的亮度的同质性。
在一些实施例中，折射光的角度带宽（angular bandwidth）可能小于30°。这样的窄角度带宽可增强折射光的准直，改进衍射效率，并且降低会聚到观看者的一对眼睛的各光场之间的串扰。
在一些实施例中，自动立体3D显示设备还可包括：显示面板，其被配置成显示第一组图像和第二组图像；以及控制单元，其被配置成交替地激活第一和第二光源并且控制显示面板交替地显示第一组图像中的一个和第二组图像中的一个。该自动立体3D显示设备可在不降低显示分辨率的情况下对要为观看者投射的第一和第二组图像进行时间复用。
在一些实施例中，该控制单元可被配置成生成一个或多个控制信号来使第一组图像中的一个和第二组图像中的一个的显示与第一和第二光源的激活同步。这样的控制信号的使用可有效地驱动与第一和第二光源同步的显示面板以便显示立体图像。
在一些实施例中，第一组图像中的一个和第二组图像中的一个可与一对立体图像相对应，并且控制单元可被配置成基于为显示每一对立体图像而生成的垂直同步信号或预定数目的水平同步信号来控制第一和第二组图像的显示。根据水平同步信号生成垂直同步信号可允许以较高频率或帧速率显示包括第一和第二组图像的3D立体图像以降低闪烁。
在一些实施例中，多个全息光学元件中的每一个可包括通过基于一个或多个第一入射角将参考束照射在全息光学元件上以及基于一个或多个第二入射角将物体束照射在全息光学元件上而记录的一个或多个干涉图样。通过分开地记录不同全息光学元件上的干涉图样，可增强全息光学元件的衍射效率。这样的全息光学元件的堆叠能够实现全色显示。
在一些实施例中，一个或多个干涉图样可被配置成使一个或多个预定波长衍射。通过干涉图样的一个或多个预定波长的衍射能够实现全色显示。
在一些实施例中，多个全息光学元件的各第一入射角可彼此不同，并且多个全息光学元件的各第二入射角可彼此不同。使用不同入射角将干涉图样记录在全息光学元件中可增强不同颜色的衍射效率。
在一些实施例中，可基于针对红色、绿色或蓝色波长的布拉格角条件来确定包括各第一入射角之一和各第二入射角之一的一对角。通过使用满足布拉格角条件的入射角来记录干涉图样可增强衍射效率并增加为观看者输出的光的亮度。
在一些实施例中，第一和第二光束可以是具有小于30°的角度带宽的类似准直或基本准直的光束。这样的类似准直或基本准直的光束可改进衍射效率并降低会聚到观看者的一对眼睛的各光场之间的串扰。
附图说明
当结合附图阅读本公开的发明方面的实施例时，将参考下面的详细描述来理解它们。
图1图示根据本公开的一个实施例的被配置成投射显示在液晶显示器（LCD）面板上的一对立体图像（其可以被观看者感知为3D图像）的自动立体3D显示设备。
图2图示根据本公开的一个实施例的被配置成控制将立体图像投射在自动立体3D显示设备中的光源和LCD面板的控制单元的框图。
图3图示根据本公开的一个实施例的由LCD驱动单元基于H_SYNC信号和V_SYNC_1信号生成V_SYNC_2信号的时序图。
图4图示根据本公开的一个实施例的通过将参考束和物体束辐照在全息光学元件上的干涉图样的记录。
图5图示根据本公开的一个实施例的分别被指引到全息光学元件的顶面上的参考中心点的物体束射线和参考束射线的入射角。
图6图示根据本公开的一个实施例的被配置成将参考束和物体束之间的干涉图样记录在全息光学元件中的记录系统的框图。
图7图示根据本公开的一个实施例的在记录系统中执行的用于将参考束和物体束之间的干涉图样记录在全息光学元件中的方法的流程图。
图8图示根据本公开的一个实施例的被配置为多个全息光学元件的堆叠的全息光学元件。
图9图示根据本公开的一个实施例的被配置成分别在第一和第二方向上将准直的光束辐照在全息光学元件的堆叠上的导光板。
图10图示根据本公开的一个实施例的被配置成引导在特定方向上从光源辐照的光的导光板在截面图中的一部分。
具体实施方式
现在将详细地参考各种实施例，在附图中图示其示例。在下面的具体实施方式中，阐述许多具体细节以便提供对本公开的发明方面的透彻理解。然而，对本领域普通技术人员来说将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的发明性方面。在其他实例中，没有详细地描述公知方法、程序、系统和部件，以免不必要地模糊各种实施例的各方面。
图1图示根据本公开的一个实施例的被配置成投射显示在LCD面板140上的一对立体图像（其可以被观看者190感知为3D图像）的自动立体3D显示设备100。自动立体3D显示设备100包括：一对光源112和114、导光板120、至少两个全息光学元件（HOE）132和134的堆叠130、LCD面板140和控制单元150。该控制单元150被配置成驱动LCD面板140以便与光源112和114同步地显示该对立体图像。
如所示的，控制单元150被耦合到LCD面板140和光源112和114以便同步地显示该对立体图像。在一个实施例中，该对立体图像可包括右视图图像和左视图图像，观看者190的右眼和左眼可以分别感知到它们。为了投射该对立体图像，控制单元150可驱动LCD面板140来为左眼显示左视图图像并激活光源112。控制单元150然后可驱动LCD面板140来为右眼显示右视图图像并激活光源114。通过与针对左眼和右眼提供给LCD面板140的立体图像同步地交替地激活光源112和114，可为观看者190的左眼和右眼投射3D图像。尽管利用一对立体图像来描述所图示的实施例，但是也可顺序且交替地为观看者190显示和投射多对立体图像。
在控制单元150的控制下，光源112和114分别被配置成交替地生成光162和164。光源112和114可用作交替地照射为左眼和右眼交替地显示在LCD面板140上的各立体图像的背光单元（BLU）。如图1中所示，光源112和114被布置成分别将光162和光164发射到导光板120中或朝向导光板120发射。在一个实施例中，光源112和114可被布置成分别从导管板120的相对侧（例如左侧和右侧）发射光162和164。在一些实施例中，光源112和114可包括一个或多个气体放电灯、激光二极管或发光二极管（LED）（诸如白色LED；红色、蓝色、绿色LED组、补色LED组、单色LED等等）。
导光板120被配置成在第一方向上引导来自光源112的光162并且在第二方向上引导来自光源114的光164。例如，来自光源112的光162可被引导在导光板120内并输出为如图1中利用实线箭头指示的第一准直光束172。另一方面，来自光源114的光164可被引导在导光板120内并输出为如图1中利用虚线箭头指示的第二准直光束174。第一和第二准直光束172和174还可以是基本准直或类似准直的光束。导光板120可由被用来在特定方向上将光引导为类似准直或基本准直光束的任何适当的透明或半透明材料或介质（诸如塑料（例如聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等等）、玻璃等等）形成。例如，类似准直光束或基本准直光束可具有作为半最大值全宽度（FWHM）而测量的小于30°的角带宽。
在第一方向上的光束172和第二方向上的光束174被入射到全息光学元件132和134的堆叠130上。全息光学元件132和134中的每一个都被配置成包括平行光束（例如参考束）和发散光束（例如物体束）的干涉图样。干涉图样可在全息光学元件132和134中被记录为体相位光栅。在这种情况下，平行光束可能是平面波，并且发散光束可能是球面波。
在所图示的全息光学元件132和134的堆叠130中，具有干涉图样的全息光学元件132和134被配置成将来自导光板120的光束172和174分别会聚到一对物体束182和184中。例如，全息光学元件132将来自导光板120的光束172会聚到物体束182中，该物体束182会聚于与观看者190的左眼相对应的位置。另一方面，全息光学元件134将来自导光板120的光束174会聚到物体束184中，该物体束184会聚于同观看者190的右眼相对应的位置。在一些实施例中，会聚光（例如光束）意味着如在折射或反射光学元件（诸如会聚透镜、会聚反射镜或诸如此类的）的情况下通过两个负的曲率半径来局部地表征光的波前。在多个全息光学元件的情况下，对于每个全息光学元件来说负的曲率半径可不同。
分别来自全息光学元件132和134的会聚物体束182和184通过LCD面板140以在分别与左眼和右眼相对应的一对位置处投射显示在LCD面板140上的一对立体图像。当左视图图像被显示在LCD面板140上且光源112被激活时，会聚物体束182通过LCD面板140以便将左视图图像投射到观看者190的左眼。类似地，当右视图图像被显示在LCD面板140上且光源114被激活时，会聚物体束184通过LCD面板140以便将右视图图像投射到观看者190的右眼。通过经由左眼和右眼交替地观看左视图图像和右视图图像，观看者190可感知3D图像。
尽管所图示的自动立体3D显示设备100被描述为使用LCD面板140，但是它可采用会聚物体束182和184可以通过的任何适当的显示面板。此外，至少两个全息光学元件132和134可包括任何适当数目的全息光学元件，并且可以任何适当的顺序堆叠。此外，全息光学元件132和134中的每一个都可以是体积全息光学元件（VHOE）。
图2图示根据本公开的一个实施例的被配置成控制LCD面板140和光源112和114以便投射自动立体3D显示设备100中的立体图像的控制单元150的框图。控制单元150包括处理器210、LCD驱动单元220和光源切换单元230。自动立体3D显示设备100包括存储单元240，其存储包括一组左视图图像和一组右视图图像的多对立体图像。可替代地，存储单元240可在自动立体3D显示设备100的外部。
在一个实施例中，每对立体图像都可与图像帧相对应并且可根据特定帧速率（诸如每秒30帧（例如30Hz））来存储。在这种情况下，与多对立体图像相对应的多个视频图像帧可被顺序存储在要以特定帧速率显示的存储单元240中。例如，每个视频图像帧可被格式化以顺序存储左视图图像和右视图图像，根据自顶向下的方法在右图像结束处具有帧结束指示符。此外，可基于特定分辨率（例如m×n）来对每个视频图像帧格式化。可使用任何适当类型的存储设备来实施用于存储视频图像帧的存储单元240，该存储设备包括但不限于RAM（随机存取存储器）、ROM（只读存储器）、EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）、闪速存储器等等。
处理器210可从存储单元240中的对应左视图图像组和对应右视图图像组顺序访问与一对立体图像相对应的视频图像帧，以便交替地显示左视图图像和右视图图像。随着视频图像帧被访问，处理器210基于视频图像帧和/或LCD面板140的水平分辨率生成水平同步信号H_SYNC、并且基于帧结束指示符生成垂直同步信号V_SYNC_1。处理器210向LCD面板140顺序提供作为显示数据的视频图像帧连同时钟信号CLOCK和H_SYNC信号。此外，处理器210向LCD驱动单元220提供H_SYNC信号和V_SYNC_1信号。
基于H_SYNC信号和V_SYNC_1信号，LCD驱动单元220生成一个或多个控制信号来使LCD面板140的显示和光源112和114的激活同步。如所示的，控制信号包括另一垂直同步信号V_SYNC_2和切换信号222。在一个实施例中，LCD驱动单元220基于对于每个视频图像帧的结束而接收到的V_SYNC_1信号生成V_SYNC_2信号。此外，在视频图像帧中的左视图图像结束处生成V_SYNC_2信号。因此，V_SYNC_2信号被生成用来指示各左视图图像中的每一个的结束以及各视频图像帧中的每一个的结束，由此使V_SYNC_1信号的频率翻倍。例如，假定帧速率是每秒30帧（例如30Hz），则LCD驱动单元220以每秒60帧的帧速率（例如60Hz）生成V_SYNC_2信号。LCD驱动单元220向LCD面板140提供V_SYNC_2信号，该LCD面板140基于V_SYNC_2信号交替地显示从处理器210接收的视频图像帧的左视图图像和右视图图像。
在一个实施例中，LCD驱动单元220与V_SYNC_2信号同步地生成切换信号222，以使光源112和114的激活与左视图图像和右视图图像的显示分别同步。当V_SYNC_2信号与左视图图像的结束相对应时，切换信号222被生成以指示切换到光源112。另一方面，当V_SYNC_2信号与视频图像帧的结束相对应时，切换信号222被生成以指示切换到光源114。
响应于来自LCD驱动单元220的切换信号222，光源切换单元230在光源112和114之间切换。例如，当切换信号222指示切换到光源112时，光源切换单元230可激活光源112。类似地，当切换信号222指示切换到光源114时，光源114可被激活。
尽管视频图像帧被描述为要被格式化成顺序地存储左视图图像和右视图图像（在右图像结束处具有帧结束指示符），但是它可被格式化成顺序地存储右视图图像和左视图图像（在左视图图像结束处具有帧结束指示符）。在这种情况下，处理器210基于对于每个视频图像帧的帧结束指示符生成V_SYNC_1信号。此外，LCD驱动单元220基于V_SYNC_1信号和H_SYNC信号为右视图图像和视频图像帧二者的结束生成V_SYNC_2信号。在从LCD驱动单元220接收到V_SYNC_2信号时，LCD面板与光源114和112的激活同步地交替显示右视图图像和左视图图像。
图3图示根据本公开的一个实施例的由LCD驱动单元220基于H_SYNC信号和V_SYNC_1信号320和322生成V_SYNC_2信号330、332和334的时序图300。如上文参考图2所述的，LCD驱动单元220从处理器210接收包括多个脉冲以及V_SYNC_1信号320和322的H_SYNC信号。根据所接收到的H_SYNC信号以及V_SYNC_1信号320和322，LCD驱动单元220以V_SYNC_1信号320和322的频率的两倍生成V_SYNC_2信号330、332和334，以指示每个视频图像帧中的左视图图像（或右视图图像）的结束以及视频图像帧的结束。
在一个实施例中，处理器210基于存储在存储单元240中的视频图像帧的帧速率生成V_SYNC_1信号320和322。此外，处理器210基于针对每个视频图像帧的帧速率和垂直分辨率V R 生成H_SYNC信号。例如，当帧速率是30Hz且垂直分辨率V R 是1,102像素时，处理器210以30Hz的频率生成V_SYNC_1信号320和322且以33,060Hz的频率（即30Hz × 1,102像素）生成H_SYNC信号。
响应于接收到V_SYNC_1信号320，LCD驱动单元220被配置成生成V_SYNC_2信号330且对从处理器210接收到的H_SYNC信号的数目计数。当所计数的H_SYNC信号的数目是R V /2时，LCD驱动单元220生成V_SYNC_2信号332以指示左视图图像（或右视图图像）的结束。当接收到下一V_SYNC_1信号322时，V_SYNC_2信号334被生成以指示视频图像帧的结束。在生成V_SYNC_2信号332时所计数的H_SYNC信号的数目可在任何适当时间被重置，并且在生成V_SYNC_2信号334时可对随后的H_SYNC信号计数。该过程可被重复以便以所存储的视频图像帧的帧速率的频率的两倍（例如60Hz）来生成V_SYNC_2信号。
图4图示根据本公开的一个实施例的通过将参考束420和物体束430辐照在全息光学元件410上的干涉图样的记录。如所图示的，参考束420可是基本准直或类似准直的以形成平面波。参考束420以关于全息光学元件410的顶面412的预定入射角辐照在全息光学元件410上。
在图4中，全息光学元件410的顶面412上的中心点O用作参考坐标的(0, 0, 0) 参考点。一对点r 1 和r 2 分别与观看者的右眼和左眼的位置相对应。观看长度L指示在全息光学元件410与观看者的右眼或左眼的点r 1 或r 2 之间的预定距离。此外，距离D指示点r 1 与点r 2 之间的两眼间的距离。因此，可分别利用坐标(-D/2, 0, -L)和(D/2, 0, -L)来表示点r 1 与点r 2 。例如，观看距离L可以是300mm并且两眼间的距离D可以是65mm。在一些实施例中，观看距离L可以是大于100mm的任何适当距离，而两眼间的距离D可以是适合于表示各眼睛之间的距离的任何距离并且范围可以从50mm到75mm。
物体束430是辐照在全息光学元件410上的发散光束或大体上的球面光束。如所示的，物体束430从与观看者的右眼的位置相对应的点r 1 发散并且指引到全息光学元件410的顶面412。在一个实施例中，用E R 来表示的准直参考束和用E s 来表示的发散物体束可以通过下面的等式表达：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
等式（1）
Figure 483959DEST_PATH_IMAGE002
等式（2）
其中I R 和I S 分别指示参考束420和物体束430的强度，K R 和K S 分别指示参考束420和物体束430的波矢量，并且r表示从具有坐标 (0, 0, 0)的中心点O到具有坐标(x, y, z)的点r的矢量。
当参考束420和物体束430辐照全息光学元件410时，干涉图样可在全息光学元件410中被记录为体相位光栅。基于上述等式（1）和等式（2），可通过下面的等式来表述满足布拉格条件的干涉图样：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
等式（3）
其中K G 表示光栅的波矢量以及由K G = K S - K R 来表述各波矢量K R 、K S 和K G 之间的布拉格条件。
以类似的方式，另一对参考束和物体束（未示出）可被辐照到全息光学元件410上。在这种情况下，参考束还可以是基本准直或类似准直的以形成平面波。此外，物体束可从与要被指引到全息光学元件410的顶面412的观看者的左眼相对应的点r 2 发散。当一对参考束和物体束辐照全息光学元件时，干涉图样可在全息光学元件410中被记录为体相位光栅。可通过下面的等式来表述满足布拉格条件的干涉图样：
Figure 214149DEST_PATH_IMAGE004
（等式4）
其中I R 和I S 分别指示参考束和物体束的强度，K R 、K S 和K G 分别指示参考束、物体束和光栅的波矢量，以及通过K G = K S - K R 来表述各波矢量K R 、K S 和K G 之间的布拉格条件。
图5图示根据本公开的一个实施例的分别被指引到全息光学元件410的顶面412上的参考中心点O的物体束430的射线510和参考束420射线520的入射角α和β。如所示的，物体束430的射线510从与观看者的右眼相对应的点r 1 辐照到全息光学元件410的顶面412上的中心点O。射线510形成相对于垂直于顶面412的线530的入射角α。另一方面，参考束420的射线520以相对于法线530的入射角β辐照到全息光学元件410的顶面412中的中心点O上。
在所图示的实施例中，入射在顶面412上的射线510以相对于法线530的折射角α'在全息光学元件410中折射。类似地，入射在顶面412上的射线520以相对于法线530的折射角β'在全息光学元件410中折射。基于斯涅尔定律，入射角α和β与折射角α'和β'之间的关系可表述如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
等式（5）
Figure 869253DEST_PATH_IMAGE006
等式（6）
其中n air 指示对于空气的折射率并且n p 指示对于全息光学元件410的折射率。例如对于全息光学元件410的折射率n p 可以是1.485。
当射线510和520照射全息光学元件410时，形成射线510和520之间的干涉图样并且将其在全息光学元件410中记录为体相位光栅，如上文参考图4所述的那样。干涉图样（或体相位光栅）可根据射线510和520的波长（其可对应于红色、绿色或蓝色）而变化。例如，可通过照射绿光的射线510和520来记录干涉图样。
在一个实施例中，当绿光（例如具有532nm的波长）的射线510和520以入射角α g 和β g 入射到全息光学元件410上时，射线510和520在全息光学元件410中形成折射角α g '和β g '。在这种情况下，可通过下面的等式定义针对绿光的入射角α g 和β g 的半角θ g ：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
等式（7）
类似地，可通过下面的等式定义针对绿光的折射角α g '和β g '的半角θ g '：
Figure 326779DEST_PATH_IMAGE008
等式（8），
基于针对绿光的半角θ g '，当在全息光学元件410中记录的针对绿光的体相位光栅的周期Λ g 满足布拉格角条件时，可通过下面的等式来表述针对绿光的周期Λ g ：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
等式（9）
在这里λ g 指示绿光的波长，例如532nm。
假设针对绿光的半角θ g '，分别满足布拉格角条件的针对红光和蓝光的光栅周期Λ r 和Λ b 可通过下面的等式来分别表述：
Figure 954200DEST_PATH_IMAGE010
等式（10）
Figure DEST_PATH_IMAGE011
等式（11）
在这里λ r 指示红光的波长（例如633nm）并且λ b 指示蓝光的波长（例如490nm）。
一旦确定针对红光的光栅周期Λ r ，就可通过下面的等式获得针对红光的入射角α r '和β r '的半角θ r '：
Figure 838980DEST_PATH_IMAGE012
等式（12）
同样地，可通过下面的等式获得针对蓝光的入射角α b '和β b '的半角θ b '：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
等式（13）。
如上文所述，如果针对绿光的入射角α g '和β g '被确定，则可基于上述等式获得针对红光的半角θ r '和针对蓝光的半角θ b '。此外，一旦获得针对红光的半角θ r '，针对红光的入射角α r '和β r '就可被确定成满足上述等式（12）的任何适当值。类似地，一旦获得针对蓝光的半角θ b '，针对蓝光的入射角α b '和β b '就可被确定成满足等式（13）的任何适当值。除了在等式（12）和等式（13）中描述的对于α g '、β g '、α r '、β r '、α b ' 和β b '的选择标准之外，还可满足恒等式α g ' - β g '=α r ' - β r '=α b '-β b '。可以使用等式（5）和等式（6）中的斯涅尔定律来确定空气中各自的角度。
在一个实施例中，当针对全息光学元件410的折射率n p 是1.485时，针对绿光的入射角α g 和β g 可分别被配置成6°和55°。基于针对绿光的这些入射角，针对红光的入射角α r 和β r 可分别被确定成1.4°和48.7°，并且针对蓝光的入射角α b 和β b 可分别被确定成8.5°和58.8°。以这种方式，可获得针对红色、绿色和蓝色的几对入射角α r 和β r 、α g 和β g 以及α b 和β b 。尽管在所图示的实施例中射线510和520被描述为绿光，但它们还可以是光的任何其他适当的颜色或波长以及可从其获得针对其他颜色或波长的射线510和520的入射角。
一旦已经获得针对红色、绿色和蓝色的入射角，就可以以相关联的入射角对α r 和β r 、α g 和β g 、或者α b 和β b 将红色、绿色和蓝色中的一个的射线510和520辐照在全息光学元件410上。结果，与该对入射角（即一对α r 和β r 、一对α g 和β g 或者一对α b 和β b ）相关联的干涉图样被记录在全息光学元件410中。在重构模式中，当参考束被辐照在全息光学元件410上时，所记录的干涉图样被配置成将参考束会聚在与点r 1 相对应的位置处。在一些实施例中，辐照在全息光学元件410上的参考束的波长可在一定程度上偏离布拉格角条件，在这种情况下全息光学元件410中的干涉图样被记录。通过偏离布拉格角条件，颜色可能在某一程度上未对准并且这可能导致更宽色域的显示并且可能降低颜色串扰。
参考源自与右眼相对应的点r 1 的物体束430和射线510以及从左手侧入射的参考束420图示了上面的图4和图5中的实施例。然而，实施例可等同地应用于物体束从与左眼相对应的点r 2 发散且参考束从右手侧入射到全息光学元件410上的情况。在这种情况下，物体束可包括从点r 2 指引到中心点O的射线。
图6图示根据本公开的一个实施例的被配置成将参考束670和物体束680之间的干涉图样记录在全息光学元件690中的记录系统600的框图。该记录系统600包括激光源612、空间滤波器614、束准直器616以及用于生成准直束的束扩展器618。激光源612被配置成发射特定波长的激光束。空间滤波器614从激光源612接收激光束并对其滤波以增强激光束的强度剖面。束准直器616被配置成从经滤波的激光束产生准直束，并且束扩展器618通过增加准直束的直径来扩展来自束准直器616的准直束。
记录系统600还包括反射镜620，其被配置成将准直束从束扩展器618指引到分束器630。分束器630将准直束分成用于产生参考束670和物体束680的一对光束。这对光束中的一个被指引到反射镜640，该反射镜640被安装在活动台642和旋转台644上。通过控制活动台642和旋转台644，反射镜640可以被配置成将光束作为参考束670以特定入射角反射到全息光学元件690。
来自分束器630的其他光束通过会聚透镜650以会聚在反射镜660中的位置上，该反射镜660被安装在活动台662和旋转台664上。通过控制活动台662和旋转台664，反射镜640可以被配置成将光束作为物体束680以特定入射角反射到全息光学元件690。在这种情况下，物体束680从反射镜660中的会聚位置朝向全息光学元件690发散。
全息光学元件690被安装在活动台692（例如轨）和旋转台694上。活动台692和旋转台694还可被控制成针对参考束670和物体束680的期望入射角与反射镜640和660同步地定位全息光学元件690。在一个实施例中，记录系统600还可包括控制单元（未示出）以控制活动台642、662和692以及旋转台644、664和694来以期望的入射角指引参考束670和物体束680。
根据一个实施例，激光源612可被配置成发射与绿色相对应的特定波长（例如532nm）的激光束。在这种情况下，活动台642、662和692以及旋转台644、664和694可被控制成将参考束670和物体束680以针对绿色的预定入射角（例如如上所述55°和6°）指引到全息光学元件690。以这种方式辐照的参考束670和物体束680产生与绿色相关联的干涉图样。全息光学元件690中的干涉图样被记录为体相位光栅。
为了产生针对另一颜色（诸如红色或蓝色）的另一全息光学元件，活动台642、662和692以及旋转台644、664和694可被控制成将参考束670和物体束680以另一对预定入射角指引到全息光学元件。例如，针对红色的一对入射角可以是48.7°和1.4°，并且针对蓝色的一对入射角可以是58.8°和8.5°，如上所述。尽管用与绿色相对应的波长的激光束描述激光源612，但是它还可生成具有任何其他适当波长（诸如红色、蓝色等等）的激光束。在这种情况下，可基于激光束来确定对于参考束670和物体束680的入射角，并且记录系统600可配置要以该入射角辐照在全息光学元件690上的参考束670和物体束680。通过将干涉图样分开记录在个体的全息光学元件上，可在将多个干涉图样同时记录在全息光学元件上的情况下增强衍射效率。
图7图示根据本公开的一个实施例的在记录系统600中执行的用于将参考束670和物体束680之间的干涉图样记录在多个全息光学元件中的方法700的流程图。在710处，基于要从激光源612发射的激光束的波长（例如与绿色相对应的532nm）为一组特定颜色（例如红色、绿色和蓝色）确定参考束670和物体束680的多对入射角。在720处，全息光学元件被定位成以针对特定颜色（例如红色）确定的一对入射角处接收参考束670和物体束680。在一个实施例中，活动台642、662和692以及旋转台644、664和694可被控制成对全息光学元件进行定位。
在730处，根据由激光源612发射的激光束来生成参考束670和物体束680。在一个实施例中，空间滤波器614、束准直器616、束扩展器618和分束器630可被用来生成参考束670和物体束680。在740处，以针对特定颜色确定的入射角来将参考束670和物体束680指引到全息光学元件上。因此，在750处，参考束670和物体束680的干涉图样被记录在全息光学元件中。
一旦在全息光学元件中的记录被完成，就在760处确定是否还剩余下一特定颜色（例如绿色或蓝色）。如果剩余下一特定颜色，则方法700继续到720来定位新的全息光学元件以便以针对下一特定颜色确定的一对入射角接收参考束670和物体束680。否则，如果没有剩余下一特定颜色，则方法700继续到770以堆叠干涉图样已分别被记录在其中的多个全息光学元件。
图8图示根据本公开的一个实施例的被配置为多个全息光学元件810、820和830的堆叠的全息光学元件800。各全息光学元件810、820和830中的每一个可以是体积全息光学元件。该体积全息光学元件可以是记录材料的厚度大于用于记录一个或多个干涉图样的光的波长的全息图。例如，体积全息光学元件可配置有范围在10微米和100微米之间的厚度。然而，适用于记录一个或多个干涉图样的任何其他厚度可被用于全息光学元件中的每一个。在一些实施例中，各全息光学元件810、820和830中的每一个可以是全息图光聚合物膜。
如参考图6所述，准直参考束和发散物体束的干涉图样可基于针对该准直参考束和发散物体束的特定波长（诸如绿色（例如532nm））被记录在各全息光学元件810、820和830中的每一个中。例如，记录在全息光学元件810中的干涉图样被配置成使与红色（例如633nm）相对应的波长的入射光束进行衍射。因此，当红色光束进入全息光学元件810时，全息光学元件810中的干涉图样使光束衍射以会聚在例如与观看者的左眼相对应的位置上。另一方面，另一种颜色的光束可在没有衍射的情况下通过全息光学元件810。以类似的方式，记录在全息光学元件820和830中的干涉图样被配置成在不使其他颜色的光束衍射的情况下使绿色和蓝色光束分别衍射到与左眼相对应的位置。尽管全息光学元件810、820和830被描述为将入射光束会聚到与观看者的左眼相对应的位置上，但是它们还可被配置成将入射光束会聚到与观看者的右眼相对应的位置。
全息光学元件810、820和830形成在其中全息光学元件830、820和810按照从底到顶的顺序堆叠的堆叠。在其他实施例中，全息光学元件810、820和830可以以任何其他适当顺序堆叠。全息光学元件810、820和830的堆叠可被用作图1中的全息光学元件132或全息光学元件134。在全息光学元件134的情况下，全息光学元件810、820和830的堆叠可被旋转180°以用作全息光学元件134。
图9图示根据本公开的一个实施例的被配置成分别在第一和第二方向上将准直光束172和174辐照在全息光学元件800和900的堆叠上的导光板120。准直光束172和174中的每一个可包括多种颜色（诸如红色、绿色和蓝色）的光。如所示的，全息光学元件800被配置为上文参考图8描述的全息光学元件810、820和830的堆叠。类似地，全息光学元件900被配置为全息光学元件910、920和930的堆叠。根据一个实施例，全息光学元件800和900可与图1中的全息光学元件132和134相对应。
在一些实施例中，全息光学元件810、820和830可包括被配置成分别使红色、绿色和蓝色的光束衍射的干涉图样。当来自导光板120的准直光束172在第一方向上辐照在全息光学元件800上时，光束172中的红色、绿色和蓝色的光束分别在全息光学元件810、820和830中衍射以会聚在与观看者的左眼相对应的位置上。类似地，全息光学元件910、920和930也可包括被配置成分别使红色、绿色和蓝色的光束衍射的干涉图样。在这种情况下，全息光学元件910、920和930中的干涉图样使准直光束174中的红色、绿色和蓝色的光束分别衍射以会聚在与观看者的右眼相对应的位置上。
尽管全息光学元件900被描述为堆叠在所图示的实施例中的全息光学元件800上，但是可以以相反的顺序来堆叠全息光学元件800和900。此外，尽管全息光学元件900被描述为形成在其中全息光学元件930、920和910按照从底到顶的顺序堆叠的堆叠，但全息光学元件910、920和930可以以任何适当顺序堆叠。在一些实施例中，全息光学元件800和900中的一个可被配置有任何适当数目的全息光学元件以使任何适当颜色的光衍射。例如，全息光学元件800或900中的一对或多对全息光学元件可被配置成使一对或多对补色（诸如黄色和紫色、蓝色和橙色）的光衍射。
在一些实施例中，全息光学元件可包括对于不同颜色的多个干涉图样。例如，全息光学元件800可包括第一全息光学元件（其包括针对红色和蓝色的干涉图样）和第二全息光学元件（其包括针对绿色的干涉图样）。在这种情况下，红色和蓝色的入射光可在第一全息光学元件中被衍射以会聚到与观看者的左眼相对应的位置上。类似地，绿色的入射光可在第二全息光学元件中被衍射以会聚到与观看者的左眼相对应的位置上。
图10图示根据本公开的一个实施例的被配置成引导在特定方向上从光源辐照的光的导光板1000的截面图中的一部分。如所示的，导光板1000包括邻接多个全息光学元件的堆叠（诸如图1中的全息光学元件132和134的堆叠130）的顶面1010。导光板1000还包括侧面1020，通过该侧面来辐照来自光源的光。此外，导光板1000的底面1030被配置为棱镜结构以朝向邻接多个全息光学元件的堆叠的顶面1010反射来自光源的光。
底面1030上的棱镜结构被配置为多对斜面1032和1034。每对斜面1032和1034都在底面1030上形成一个凹槽。斜面1032和1034（其可是对称或不对称的）关于同顶面1010平行的参考面1040分别形成一对倾斜角θ E 和θ W 。在一些实施例中，倾斜角θ E 和θ W 小于10°并且可彼此相同。导光板1000的侧面1020可以以相对于垂直于参考面1040的线1042的倾斜角γ来倾斜。
在所图示的实施例中，光源和导光板1000可被实施为上文在图1中图示的光源112或114以及导光板120。光源将光1052辐照在导光板1000的侧面1020上，并且由于折射率的差，光1052以折射角θ 1 在侧面1020处折射到导光板1000中。折射光1052以入射角ρ i 入射到斜面1032上并且以折射角ρ r 从斜面1032反射。在这种情况下，可通过下面的等式来表述入射角ρ i 和折射角ρ r ：
Figure 916133DEST_PATH_IMAGE014
等式（14）
从斜面1032反射的光1052以入射角
Figure DEST_PATH_IMAGE015
入射到顶面1010上，可通过下面的等式来表述入射角
Figure 177350DEST_PATH_IMAGE015
：
Figure 846228DEST_PATH_IMAGE016
等式（15）。
然后入射光1052以折射角
Figure DEST_PATH_IMAGE017
在顶面1010处折射以在朝向全息光学元件的堆叠的特定方向上引导光1052。基于斯涅尔定律，可通过下面的等式来获得折射角
Figure 652641DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
等式（16）
在这里，n LGP 表示导光板1000的折射率并且n air 表示空气的折射率。例如，在导光板1000由聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯形成的情况下，n LGP 可以是大约1.5到1.6。
如图10中所示，光源还可将光1054辐照在导光板1000的侧面1020上，在该侧面1020处光1054以折射角θ 2 折射。然后折射光1054以入射角ρ i 从顶面1010反射朝向斜面1034。入射在斜面1034上的光1054以与入射角ρ i 相同的反射角ρ r 从斜面1034反射。然后将反射光1054以入射角
Figure 469288DEST_PATH_IMAGE015
指引到顶面1010，可通过下面的等式表述入射角
Figure 19349DEST_PATH_IMAGE020
：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
等式（17）。
入射在顶面1010处的光1054以折射角
Figure 605051DEST_PATH_IMAGE017
折射以在朝向全息光学元件的堆叠的特定方向上引导光1054。基于斯涅尔定律，可通过下面的等式来获得折射角
Figure 595747DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 899690DEST_PATH_IMAGE022
等式（18）。
尽管所图示的实施例将光1052和光1054描述为分别从斜面1032和1034反射，但是导光板1000可被配置成使光1052和1054从一个或多个斜面1032和/或1034反射任何适当的次数。例如，当来自光源的光以折射角θ在导光板1000的侧面1020处折射时，光可从一个或多个斜面1032反射n次和/或从一个或多个斜面1034反射m次，在这里n和m是大于或等于零的整数。
在光被反射n或m次之后，光可以以入射光通过顶面1010被折射的入射角入射到顶面1010上。例如，当入射角小于针对全内反射的临界角时，入射光可通过顶面1010被折射。对于要通过顶面1010被折射的光，可通过下面的等式来表述入射角
Figure 50179DEST_PATH_IMAGE020
：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
等式（19）
此外，可根据斯涅尔定律通过下面的等式来确定折射角
Figure 506700DEST_PATH_IMAGE017
：
Figure 904183DEST_PATH_IMAGE024
等式（20）。
在一个实施例中，斜面1032和1034的倾斜角θ E 和θ W 可分别被设置成小于10°。如上文那样配置的导光板1000可以以光强分布中的增加的精确度和均匀性在特定方向上引导从光源辐照的光。例如，以小于10°的倾斜角θ E 和θ W 配置的导光板1000可引导来自光源的要在顶面1010处以大于45°的折射角折射的光。此外，导光板1000中的斜面1032和1034可起到朗伯反射面的作用，由此增强通过导光板1000的顶面1010被折射的入射光的均匀分布。
根据一些实施例，来自光源的光可根据顶面1010的位置以变化的角度通过顶面1010被折射。在这种情况下，最大折射角与最小折射角之间的差可被称为折射角的角度带宽，并且可根据FWHM（半最大值全宽度）方法来确定角度带宽。例如，当斜面1032和1034的倾斜角θ E 和θ W 分别被设置成小于10°时，折射角的角度带宽可变窄成小于30°。结果，被导光板1000引导的光束可基本准直或类似准直。为了在期望折射角大于45°的特定方向上引导来自光源的光，可以以小于10°的任何适当角度来配置斜面1032和1034的倾斜角θ E 和θ W 。
尽管已经以针对结构特征和/或方法行为的语言描述了该主题，但是要理解的是在所附权利要求中限定的主题不一定被限于上述具体特征或行为。相反地，将上述具体特征和行为公开为实施权利要求的示例形式。

Claims (17)

1.一种自动立体3D显示设备（100），其包括：
被配置成交替地生成光（162、164）的第一光源（112）和第二光源（114）；
导光板（120），其被布置成将来自第一光源（112）的光（162）在第一方向上引导为第一光束（172）并且将来自第二光源（114）的光（164）在第二方向上引导为第二光束（174）；以及
多个全息光学元件的堆叠（130），其被配置成使来自导光板（120）的第一光束（172）和第二光束（174）会聚，
其中导光板（120）包括棱镜结构，其被配置成使来自第一和第二光源（112、114）的光（162、164）反射朝向邻接多个全息光学元件的堆叠（130）的导光板（120）的表面（1010）；
其中该棱镜结构被配置为多对第一和第二斜面（1032，1034），每个第一斜面（1032）具有第一倾斜角并且每个第二斜面（1034）具有第二倾斜角；以及
其中该第一和第二倾斜角小于10°。
2.根据权利要求1所述的自动立体3D显示设备（100），其中该多个全息光学元件的堆叠（130）包括至少一个第一全息光学元件（132）和至少一个第二全息光学元件（134），以及
其中该至少一个第一全息光学元件（132）将第一光束（172）会聚到第一位置，并且该至少一个第二全息光学元件（134）将第二光束（174）会聚到第二位置。
3.根据权利要求2所述的自动立体3D显示设备（100），其中该至少一个第一全息光学元件（132）包括一个或多个第一光聚合物膜（810、820、830），其被配置成使第一光束（172）的一个或多个预定波长衍射，以及
其中该至少一个第二全息光学元件（134）包括一个或多个第二光聚合物膜（910、920、930），其被配置成使第二光束（174）的一个或多个预定波长衍射。
4.根据权利要求3所述的自动立体3D显示设备（100），其中第一光束（172）和第二光束（174）中的预定波长包括红色、绿色或蓝色波长。
5.根据权利要求1所述的自动立体3D显示设备（100），其中该多个全息光学元件中的每一个包括平行光束和发散光束的干涉图样。
6.根据权利要求1所述的自动立体3D显示设备（100），其中该多个全息光学元件中的每一个是体积全息光学元件。
7.根据权利要求1所述的自动立体3D显示设备（100），其中该导光板（120）被配置成以大于45°的折射角将从棱镜结构反射的光折射朝向多个全息光学元件的堆叠（130）。
8.根据权利要求7所述的自动立体3D显示设备（100），其中该导光板（120）被配置成将来自第一和第二光源（112、114）的光（162、164）引导为具有均匀强度分布的第一和第二光束（172、174）。
9.根据权利要求8所述的自动立体3D显示设备（100），其中折射光的角度带宽小于30°。
10.根据权利要求1所述的自动立体3D显示设备（100），还包括：
显示面板（140），其被配置成显示第一组图像和第二组图像；以及
控制单元（150），其被配置成交替地激活第一和第二光源（112、114）并且控制显示面板（140）交替地显示第一组图像中的一个和第二组图像中的一个。
11.根据权利要求10所述的自动立体3D显示设备（100），其中该控制单元（150）被配置成生成至少一个控制信号来使第一组图像中的一个和第二组图像中的一个的显示与第一和第二光源（112、114）的激活同步。
12.根据权利要求10所述的自动立体3D显示设备（100），其中该第一组图像中的一个和第二组图像中的一个与一对立体图像相对应，以及
其中该控制单元（150）被配置成基于为显示每一对立体图像而生成的垂直同步信号或预定数目的水平同步信号来控制第一和第二组图像的显示。
13.根据权利要求1所述的自动立体3D显示设备（100），其中多个全息光学元件中的每一个都包括通过基于一个或多个第一入射角将参考束（670）照射在全息光学元件上以及基于一个或多个第二入射角将物体束（680）照射在全息光学元件上而记录的一个或多个干涉图样。
14.根据权利要求13所述的自动立体3D显示设备（100），其中该一个或多个干涉图样被配置成使一个或多个预定波长衍射。
15.根据权利要求13所述的自动立体3D显示设备（100），其中该多个全息光学元件的各第一入射角彼此不同，以及
其中该多个全息光学元件的各第二入射角彼此不同。
16.根据权利要求13所述的自动立体3D显示设备（100），其中基于针对红色、绿色或蓝色波长的布拉格角条件来确定包括各第一入射角之一和各第二入射角之一的一对角。
17.根据权利要求1所述的自动立体3D显示设备（100），其中该第一和第二光束（172、174）与小于30°的角度带宽准直。
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