CN107664838A - 具有观察者跟踪功能的显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显示器，尤其是自由立体或全息显示器，用于呈现优选的三维信息，其中，在运动区域的多个地带中以精细分级的方式，全息编码的对象的立体视图或重建可被跟踪至一个或多个观察者的相关眼睛的运动。在这种情况下，这些地带由可切换的偏振光栅的激活来选择。

Description

具有观察者跟踪功能的显示器

本申请是国际申请日为2013年01月25日，国际申请号为PCT/EP2013/051423，2014年09月26日进入中国国家阶段，中国申请号为201380017237.4，并于2017年05月04日获得中国发明专利授权，名称为“具有观察者跟踪功能的显示器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种显示器，尤其涉及一种用于更好地表现三维信息的自由立体或全息显示器，其中，全息编码的对象的立体影像或重建可被跟踪至一个或多个观察者的相关眼睛的运动。

背景技术

用于显示三维信息的显示器已从多个实施例中获知。除了需要额外的帮助——例如，用于观察空间场景的快门或偏光眼镜——的实施例，自由立体显示器不需要这种帮助。没有额外的测量，然而，在后者的显示器中，3-D场景仅在狭窄的空间区域——所谓的观察者区域——中可被观察到。为了使3-D场景在大的水平角度范围内也可被方便地看到，允许所述观察者区域被跟踪至观察者的眼睛的装置已经研发出来。这种系统已经被，例如，专利文献DE 103 39 076 B4的申请人所描述。该申请人也同样描述了一系列全息显示装置，例如，在专利文献EP 1 563 346 B1或EP 1 792 234 B1中，其中，3-D场景可通过编码在空间光调制器中的全息衍射图在狭窄地划定界限的观察者区域中被感知为强度分布的空间重建。在这里，对观察者区域被跟踪至一个或多个观察者的眼睛的运动是有利的。为此，这种装置具有确定观察者的眼睛的位置和将该数据发送给系统控制器的识别系统。该识别系统通常以基于照相机的方式运行，其中，眼睛的位置通过图像处理算法确定。根据各自的眼睛位置，系统控制器控制机械的或电子的光偏转装置，这样，分配给各自的眼睛位置的观察者区域的中心以最大程度尽可能的对应于各自的眼睛位置。如果需要或有必要，3-D场景的图像内容或重建可与此同时被适应于新的眼睛位置。

在这种显示器中，照明单元产生最大程度平行的光，其具有所需的波长谱，通过该波长谱，立体视图被写入或者全息信息被编码进其中的空间光调制器被照明。在全息显示器的情况下，光必须另外能够至少在用于编码3-D场景的像素所需的区域中干涉，即，所述光必须充分地相干。光偏转装置可位于空间光调制器的上游和/或下游。

照明单元也可以以可控的方式配置，这样，其可以在预设的空间方向上引导光。为此，例如，可替换的照明列可位于直接靠近柱面透镜阵列的焦平面上游的位置。照明列可被可控制地选择，例如，从有效的光源矩阵，其可被实施，例如，作为OLED矩阵。也可使用平面光源，在其前面设置了狭缝光阑的阵列，就其水平位置而言，其以可驱动的方式是可变的。这种光阑阵列，例如，可被配置作为LCD矩阵。在这种情况下，每个柱形成辅助光源，其照明被分配给其的柱面透镜阵列的柱面透镜。照明列相对于分配的柱面透镜的中心线的水平位置确定偏光束的水平角，该水平角由各自的柱面透镜射出，所述偏光束最大程度地平行。在这种情况下，多个照明列也可被同时激活，以便增加射出的角度范围和由此的分配的观察者区域的尺寸。此外，照明列的位置相对于分配的柱面透镜的中心线的水平偏差可在柱面透镜阵列的区域中变化，以便，例如，实现额外的场透镜功能，并由此使分配的观察者区域的水平直径适应于观察者的距离。柱面透镜阵列可具有光阑阵列，其避免分配给柱面透镜的照明列和相邻的柱面透镜之间的串扰。不需要的辅助观察者区域可因此被避免。

分配给柱面透镜的照明列的数量确定可能的水平偏转角的数量。该数量不能任意增加，因为主和/或辅助光源已经在技术上决定了最小尺寸。而且，所需的亮度增加，尺寸变得越小。对于也可以使多个观察者位于其中的大的水平运动区域来说，然而，需要大量的细致地顺次排列的光偏转角用于观察者跟踪。因此，已经提出了一系列额外的测量用于增加所述的运动区域以及由此的可能的偏转角的数量。举例来说，在美国专利文献US 7 791813 B2中，针对射束偏转使用了电控的电润湿单元的阵列。然而，这种阵列的生产很复杂，并且因为单元高度具有限制孔径。同样被提出的机械偏转装置，例如，偏转镜或可旋转的棱镜反应缓慢并且需要大的结构体积。

发明内容

因此，本发明基于具体说明和研发一种上述类型的显示器的目的，该显示器能够克服上述问题。尤其是，本发明旨在对于一个或多个观察者来说，使观察者能够在最好是重叠的多个运动地带中以精细分级的方式跟踪，而不使用机械式光偏转装置。

通过下述技术方案的教导实现本发明的目的：

根据本发明，提供了一种显示器，尤其是一种自由立体或全息显示器，其中，全息编码对象的图像视图或重建可被跟踪至与至少一个观察者的相关眼睛的运动，该显示器具有包含用于产生具有可预设的发射特性、被最大程度准直的光的光源的照明单元；至少一个偏振光栅堆栈，其具有包含至少两个可切换的或可控的偏振光栅的光学组件的堆栈，其中每个偏振光栅包含用于光偏转的可以开启的光栅结构；空间光调制器，其用于调制显示图像信息或重建编码的全息信息的照明单元的光；用于确定与至少一个观察者相关联的眼睛的位置的识别系统；和用于驱动和同步可切换且可控的元件的系统控制器，其中，根据观察者的眼睛的当前位置，照明单元和偏振光栅堆栈可以由系统控制器照明单元的光在观察者的眼睛的方向上可偏转的方式驱动。

在这种情况下，照明单元的发射特性由显示器的类型确定。对于全息显示器，优选使用由具有良好相干性的窄带光源，例如，由激光光源构成。对于自由立体显示器，可以使用，例如，无机或有机的发光二极管，其具有较宽的波长谱。

偏振光栅堆栈的偏振光栅由系统控制器驱动，这样，各个光栅激活并以预定的方向引导光，以便因此产生运动区域的地带。可切换的偏振光栅可配置为，例如，可切换的液晶偏振光栅。为此，液晶取向层具有用于局部地改变确定穿过的光的偏振的液晶取向的周期性重复结构。该周期越短，衍射角和因此的针对光的预定波长的光偏转角越大。通过施加电压给被分配给液晶层的电极，由液晶取向层引起的液晶分子的取向有可能被相互抵消，并且因此使偏振光栅被关闭。光之后在没有偏转的情况下穿过该光栅。

光栅周期可局部地改变，以便，例如，另外允许场透镜功能。

照明单元的光源可在主光源的阵列中被设置为光源矩阵，其单独或成列地可切换或可控。所述光源可以是，例如，LED、OLED或激光二极管。

光源可由系统控制器根据其亮度被分别控制，以便，例如，补偿光束路径中的局部不同的透明度或改进显示图像信息时的对比度。

为了形成彩色显示器，优选使用不同的光源，其在它们的发出的波长谱方面不同，尤其是聚焦波长(focus wavelength)，并且其是可以单独操作的。各种颜色可因此以时分复用的形式产生，即，以时间连续的方式。为此，系统控制器使各个颜色的驱动与将相关的颜色信息写入到空间光调制器中同步。

针对右眼和左眼的不同的图像内容或编码信息可以同样被系统控制器以同步的方式随时间顺序地写入。在这种情况下，用于产生相关的观察者区域的所需的偏转方向针对每只眼被分别设置。也有可能，在多个观察者的情况下，针对每只观察者的眼睛写入专用视图或编码信息项。颜色和视图的变化可被适当地组合，这样，尽可能避免对于观察者可见的干扰，尤其是令人不安的闪烁。

可控的光阑阵列，其被配置为，例如，可控的狭缝光阑的阵列，其可被设置在偏振光栅堆栈的上游。该阵列可被集成在照明单元中。

光阑阵列优选由平面光源照明。

这种光阑阵列可由，例如，单独地可驱动的液晶单元的矩阵组成。所述元件可以成列设置。然而，也可使用可控的元件的二维矩阵布置，其中，正确的列通过驱动系统控制器的相关的单元来选择，并因此形成辅助柱状光源。

通过使用光源矩阵或狭缝光阑的阵列，可以设置光源的控制或狭缝光阑的位置，这样，其补偿了偏振光栅堆栈的可切换的偏振光栅的偏转角的波长依赖性(wavelengthdependence)。在用例如，红、绿和蓝光进行按时间顺序的照明的情况下，狭缝光阑的位置针对每个颜色以这样一种方式设置，即，针对所有的颜色，光被引导至相同的检测到的观察者位置。

为了准直的目的，照明单元可包含柱面透镜阵列。在这种情况下，柱面透镜沿着照明列排列。优选地，照明列，相应地呈现为主或辅助光源，最大程度的位于柱面透镜的焦平面中。柱面透镜也可呈现为梯度折射率透镜。也可使用具有一个接一个设置的多个成像表面的多级结构，其中，也可实现至少一个中间成像。由于通过系统控制器，照明列相对于柱面透镜发生了横向位移，可实现在观察者的眼睛的方向上照明单元的光的细微渐变的跟踪。

在这种情况下，列可被驱动，这样，跟踪角在柱面透镜阵列的区域内变化，以便获得场透镜功能和/或实现被分配给各个眼睛的观察者区域的宽度对于观察者距离的适应，以便从运动区域的所有位置，3-D视图可在没有任何干扰的情况下被尽可能的感知。

柱面透镜阵列可以本身已经包含场透镜功能，例如，其在最佳的观察者位置形成观察者区域。这种最佳的观察者位置位于，例如，在平均运动距离的水平运动区域的中心中。

照明单元可设置光的圆偏振方向，其对于下游的偏振光栅堆栈是必需的。

也可以为了该目的设置单独的装置，其影响偏振光栅堆栈的上游的光的偏振。这种装置可包含，例如，双折射延迟层，其被配置为四分之一波片并将线性光——例如仅仅由照明单元发出——转换为圆偏振光。

额外的固定的或可变的场透镜可包含在照明单元和观察者之间的光路中，以便在各个观察者眼睛的预定位置预先确定分配给各自的眼睛的观察者区域的宽度，或基于所述位置设置场透镜。场透镜也可以是照明单元的一部分，其位于后者和偏振光栅堆栈之间，其设置在偏振光栅堆栈的下游或位于空间光调制器和观察者之间。

偏振光栅堆栈优选设置在照明单元和空间光调制器之间的光路中。然而，也可以将偏振光栅堆栈设置在空间光调制器的光路下游。

从下述技术方案可显而易见本发明的进一步有益的构造和发展：

偏振光栅堆栈可优选包含作为光学组件的至少一个额外的可切换的或可控的双折射延迟层，优选配置为可切换的或可控的半波片。在关闭状态下，圆偏振光辐射穿过所述层保持其旋转方向。在开启状态下，圆偏振光的旋转方向被改变并因此针对输入偏振的相同的旋转方向对应于偏振光栅堆栈的开启的偏振光栅的旋转方向。双折射延迟层所能实现的是在偏振光栅堆栈的输出，针对相同的输入旋转方向，总能实现相同的输出旋转方向，不论光栅是否开启，由于，当偏振光栅关闭时，光在没有偏转和在圆偏振的旋转方向中没有改变的情况下被传播。如果双折射延迟层被以可控的方式配置，例如，作为可控的液晶层，有可能在斜光束通过的情况下补偿有效的光路长度中的色散效应或变化。为此，延迟层将通过系统控制器与其它的有效组件同步。

额外的延迟层可位于偏振光栅堆栈的下游，以便将圆偏振光转换成线偏振光。这是有利的，例如，如果下游总成，例如，空间光调制器，对于其运行需要线偏振光。这种延迟层可被配置为，例如，四分之一波片。对于彩色显示器，所述延迟层可被优选地以消色差的或复消色差的方式配置。对于所述双折射延迟层也可能被以可控的方式配置，例如，配置为可控的液晶层，以便在斜光束通过的情况下补偿有效的光路长度中的色散效应或变化。为此，延迟层将通过系统控制器与其它的有效组件同步。

偏振滤光器可优选地被配置在所述延迟层的光路下游中，所述偏振滤光器抑制偏振光栅堆栈的开启的偏振光栅的零衍射级的线偏振光，即穿过偏振光栅的未衍射的光。该光是线偏振的并且垂直于通过偏振光栅堆栈的开启的偏振光栅偏转之后离开延迟层的光。所述偏振滤光器也可以是下游空间光调制器的一部分，例如，如果后者针对其运行的方式需要线偏振光时。

光源就其方向而言是可控的，并具有高功率的需求，尤其是当它们通过可控的狭缝光阑运行时。因此，它是特别有利的，而不是光源就其方向而言是可控的或以便支承所述光源、在偏振光栅堆栈的上游、下游或在偏振光栅堆栈中设置具有可变的光栅周期的可控的偏转光栅，通过该光栅周期可执行精细分级的额外的光偏转。这种光栅被有利地呈现为具有可变的光栅周期的偏振光栅。这种可控的偏振光栅可被配置为，例如，电可控的液晶单元。在这种情况下，穿过的光的偏振局部受施加给精细尺寸的电极结构的影响，其中，所施加的电压的量级确定液晶分子的排列状态。如偏振光栅堆栈的可切换的偏振光栅一样，这些光栅只衍射一个衍射级的圆偏振光。衍射角可通过电压分布的周期设置。衍射方向由周期内的局部电压分布确定。优选地，电压分布是锯齿形的，其中，脉冲斜坡的方向确定偏转方向。由于可变的偏振光栅需要只有很小的偏转角范围，因此大的角度范围由具有可切换的偏振光栅的地带分割实现，并且由电极结构的精细度组成的需求可保持在可实现的范围。

施加给电极结构的电压分布的周期可在光栅的区域内变化，以便额外获得或支持场透镜功能。特别有利的是，所述场透镜的焦点可仅通过系统控制器的电驱动被改变。

这种可控的可变的光栅也可有利地用于补偿偏振光栅堆栈的可切换的偏振光栅的偏转角的波长依赖性。

照明单元也可被有利地配置，这样，其具有可控地不同的光出射角。这可以是，例如，定向光源的阵列，其具有不同的发射方向，以空间交替的方式或时间切换的方式。

在偏振光栅堆栈中使用的至少一个光学组件可呈现为在一个或两个方向上被分段，其中，单独的段可被分别切换或控制。因此，不同的偏转角可以以基于光穿过偏振光栅堆栈的通路位置的方式实现，以便，例如，形成或支持额外的场透镜功能，以便更好地将光跟踪至观察者，例如，在大规模的显示器(extensive display)的情况下。

分段也可以例如以同心圆或椭圆环的形式被实现。

偏振光栅堆栈中的至少一个偏振光栅的光栅结构也可以以相对于其它偏振光栅旋转的方式设置，以便允许二维偏转。在这种情况下，单独的偏振光栅可以在光栅常数方面不同，以便允许在相对于彼此的旋转方向上的不同的偏转角。在以下情况下特别有利，即如果偏振光栅的光栅结构彼此垂直排列。

就其光栅结构而言相对于彼此旋转的偏振光栅也可被设置在单独的偏振光栅堆栈中，以便，例如，在其之间设置另外的组件，例如，具有可变的光栅周期的可控的偏转光栅和/或光调制器和/或场透镜。就这一点而言，在不同的情况下，具有用于各自的偏转方向的精细分级的偏转的可变的光栅周期的单独可控的偏转光栅可被设置在相关的偏振光栅堆栈的下游。

通过改变可控的偏振光栅上的电压，可以影响衍射有效性，并因此影响基于圆偏振方向使以第+1级或第-1衍射级衍射的光的部分。除了光源的强度和/或光调制器的调制强度的控制之外，因此有可能减少强度起伏，例如，这种情况可发生，例如，作为对于偏振光栅堆栈的单个偏振光栅或对于照明装置的光源的不同的光谱分布的不同的衍射效果或光学系统的进一步的依赖于角度的光学损耗的结果。

传统的偏振光栅具有这样的性能，它们改变穿过的光的偏振方向。举例来说，如果左旋圆偏振光入射到这种偏振光栅上，那么通过所述光栅偏转的光再次以右旋圆偏振的形式出现。通过这种光栅偏转的右旋圆偏振光相应地以左旋圆偏振的形式出现，其中，与第一衍射级相关的符号不同。由于偏转方向，即，针对偏振光栅的堆栈中的下游偏振光栅的与第一衍射级相关的符号，也受入射到所述偏振光栅上的圆偏振方向的影响，如上所述，有必要考虑或设置在堆栈中的偏振光栅的配置中的可能的偏振变化。这有利地通过偏振光栅之间的可切换的或可控的延迟层实现，以便使圆偏振光的旋转方向适应于所需的旋转方向，也就是说，适应于第+1或第-1衍射级。

文献“具有圆偏振状态的偏手性守恒的扭曲向列液晶偏振光栅(Twisted nematicliquid crystal polarization grating with the handedness conservation of acircularly polarized state)”，本间(Honma)和诺斯(Nose)，光学快报(OpticsExpress)，卷20，18449-18458页，2012年，描述了一种特定类型的偏振光栅，在该偏振光栅中，从偏振光栅出来的偏转的光具有与入射光相同的圆偏振状态。这种类型的偏振光栅是基于具有周期性扭转的液晶结构。这种扭转的设置通过液晶层中的液晶分子的周期表面取向实现，该液晶层在两个基片上具有相反的旋转方向。这种类型的偏振光栅的不利方面是需要相对较厚的液晶层，这样，只能困难地实现较小的光栅周期和较短的切换时间。因此，下述多数示例性的实施例涉及传统的偏振光栅。一般来说，本发明也适用于由本间(Honma)和诺斯(Nose)发表的文献中所述的光栅类型。偏振光栅堆栈也可以混合形式包含两种类型的光栅。在这些光栅中，所需的偏转方向也通过进入到单个偏振光栅中的圆偏振光的旋转方向选择。

之后，存在有利地配置和发展本发明和/或将上述实施例——在可能的范围内——彼此结合的教导的各种可能性。在这方面，应该首先参考以上所述的优选的实施例，其次参考结合附图的本发明的优选的示例性的实施例的下述解释说明。通常用于教示的优选的配置和发展也结合本发明的优选示例性实施例的说明中参照附图而被解释。在附图中，在示意图的每种情况中：

附图说明

图1a示出了在附图中使用的用于偏振方向的符号的说明；

图1b示出了在可控的狭缝光阑阵列120中具有可置换的光源列的第一配置变体，其中，偏振光栅堆栈300的第二偏振光栅340开启；

图1c示出了在可控的狭缝光阑阵列120中具有可置换的光源列的第一配置变体，其中，偏振光栅堆栈300的第一偏振光栅310开启；

图1d示出了在可控的狭缝光阑阵列120中具有可置换的光源列的第一配置变体，其中，偏振光栅堆栈300的可切换的半波片320开启；

图1e示出了在可控的狭缝光阑阵列120中具有可置换的光源列的第一配置变体，其中，两个偏振光栅310、340以及偏振光栅堆栈300的可切换的半波片320开启；

图2示出了具有可控可变的偏振光栅200和场透镜600的第二配置变体，其中，偏振光栅堆栈300的第二偏振光栅340开启；

图3a和3b示出了第三配置变体，其中，照明单元100额外具有可控地不同的光出射角；

图4示出了具有额外的场透镜600的第四配置变体；

图5示出了第五配置变体，其中，设置了狭缝光阑阵列120中的光阑，这样，场透镜的功能通过柱面透镜阵列150实现；

图6示出了第六配置变体，其额外包含具有可变的光栅周期的可控的偏转光栅700；

图7示出了类似于图5的第七配置变体，但在偏振光栅堆栈300中具有偏振光栅310、340以及半波片320的空间分割；

图8示出了类似于图5的第八配置变体，其中，偏振光栅堆栈300包含额外的可切换的半波片350和额外的偏振光栅360，以用于二维光偏转；

图9示出了类似于图6的第九配置变体，其包含额外的可切换的或可控的偏振光栅堆栈305和具有可变的光栅周期的额外的可控的偏转光栅705，以用于二维光偏转；以及

图10示出了类似于图6的第十配置变体，其中，偏振光栅堆栈300具有偏振光栅380、390，其基于扭转的结构并且在光偏转的情况下不改变偏振方向。

具体实施方式

图1a示出了针对通过的光的离开各自图示的光学元件的偏振方向的——用在图1-6中的——符号。该符号在附图中位于相应的光学元件的上部。说明了右和左旋圆偏振以及垂直和水平的线偏振。

本发明的第一配置变体在图1b至1e中被示意性地说明。照明单元100被最大程度地准直，并且在发射方向中是可控的，其包含光源矩阵110，可控的狭缝光阑阵列120，其可呈现为可控的液晶矩阵，线性偏振滤光器130，其可被有利地配置为液晶矩阵的输出偏振器，双折射延迟层140，用于从线偏振产生所需的圆偏振，其可被有利地配置为四分之一波片，以及柱面透镜阵列150，用于准直从狭缝光阑发出的光条纹。双折射延迟层140或双折射延迟层140和线性偏振滤光器130也可位于柱面透镜阵列150的光路下游。纯粹以举例的方式，左旋圆偏振的准直的光离开柱面透镜阵列150并照射到偏振光栅堆栈300上，其在此纯粹以举例的方式包含第一可切换的偏振光栅310，可切换的双折射延迟层320，其可被有利地配置为可切换的半波片，以及第二可切换的偏振光栅340。偏振光栅堆栈300在此在双折射延迟层410之后，其可被有利地配置为四分之一波片，用于从离开偏振光栅堆栈的右旋圆偏振光产生线偏振光。在下游线偏振滤光器420中，该光被转换成水平偏振的光。同时，在开启的偏振光栅的零衍射级中出现的垂直偏振的光被阻止。偏振器420在空间光调制器510之后，其在此纯粹以举例的方式在作为检偏镜的偏振滤光器530之后。偏振器420，如图2所述，也可作为空间光调制器的检偏镜。

在图1b中，第二偏振光栅340被开启，即，该衍射光栅是有效的并且引导光进入其观察者的运动区域的地带(未在此说明)。在该光栅上，没有电压破坏存在于电极上的液晶分子的栅格状的排列。因此，右旋圆偏振光离开第二可切换的偏振光栅340。第一可切换的偏振光栅310和可切换的半波片320不影响偏振状态。

在图1c中，第一可切换的偏振光栅310被激活并且产生分配给其的观察者的运动区域的地带。在此，右旋圆偏振光离开该偏振光栅310，并且其偏转方向在下游的未激活的可切换的双折射延迟层320和第二未激活的可切换的偏振光栅340中不被改变。

在图1d中，两个可切换的偏振光栅310和340均不被激活。光在没有被偏转的情况下穿过偏振光栅堆栈300，并形成观察者的运动区域的第三地带。激活的双折射延迟层320在此提供偏振的旋转的方向从左旋到右旋的必要的旋转，以便正确的线偏振方向到达偏振滤光器420。

在图1e中，两个偏振光栅310和340都被激活。两个偏振光栅310和340的光偏转的结合可因此被用于观察者跟踪。在这种情况下，激活的双折射延迟层320也提供偏振的旋转方向的旋转，以便正确的线偏振方向到达偏振滤光器420。

每当偶数的偏振光栅被激活，可控的双折射延迟层320就被激活。当奇数的偏振光栅被激活时，可控的双折射延迟层320就不被激活。其结果是，总能在偏振光栅堆栈300的下游获得完全相同的圆偏振的旋转方向。

图2示出了第二示例性的实施例。在此，照明单元100纯粹以举例的方式产生准直的左旋圆偏振光。后者照明下游可控的偏振光栅200，其光栅周期被用于设置在下游偏振光栅堆栈300的激活地带中的光束方向，其在此也纯粹以举例的方式包含第一可切换的偏振光栅310、可切换的双折射延迟层320和第二可切换的偏振光栅340。双折射延迟层410的下游的偏振滤光器520在此被分配给空间光调制器510，其同样具有作为检偏镜的偏振滤光器530。在光路的下游，场透镜600在此也纯粹以举例的方式被设置，所述场透镜被有利地配置为浅平的菲涅耳透镜(flat Fresnel lens)。

图3a和3b示出了另外的类似于图2的示例性的实施例。与图2相反，其包含具有可控地不同的光出射角的照明单元100。在这种情况下，图3a示意性地示出了，以箭头指示的方式，一个可控地设定光出射角，并且图3b示出了照明单元100的另一个可控地设定光出射角。

在该实例中，两个设定光出射角都位于附图的平面中。通常，照明单元100也可具有额外的可设定的光出射角，例如，垂直于附图的平面。

图4示出了另外的示例性的实施例。与根据图1b至1e的第一示例性的实施例相反，额外的场透镜600被在此提供，如根据图2的第二示例性的实施例一样。在这种情况下，图4示意性地描述光束从狭缝光阑阵列120中发出并由场透镜600聚焦。两个偏振光栅310和340被示出为未激活，如在图1d中示出的，其结果是光在没有偏转的情况下穿过偏振光栅堆栈300。

图5示出了对应于图1b至1e中示出的示例性的实施例的示例性的实施例。在此，然而，在狭缝光阑阵列120中的光阑的位置被设定，这样，与柱面透镜阵列150相结合，从不同的狭缝光阑发出的光被聚焦在共同的位置上。因此，这种情况下，柱面透镜阵列也包含场透镜功能，这样，与根据图2至4的示例性的实施例相反，额外的场透镜可被省略。同样，两个偏振光栅310和340被示出为未激活，如图1d所示出的，这样，光在此也在未偏转的情况下穿过偏振光栅堆栈300。

图6示出了类似于图2的配置变体。除此之外，其包含具有可变的光栅周期700的可控的偏转光栅。在该实例中，光栅被设置在偏振光栅堆栈300、光调制器510和场透镜600的下游。附图示出了偏振光栅堆栈300的第二偏转光栅340类似于图1b被激活。这种可变的偏转光栅700允许在偏振光栅堆栈300中额外的精细分级的光偏转和/或光偏转的波长依赖性的补偿。

也有可能在偏振光栅堆栈300的上游或偏振光栅堆栈300的单个的组件310、320、340之间设置可变的偏转光栅。偏转光栅的功能也可被分配在位于光路中不同的位置的多个组件之间。

图7示出了类似于图5的另外的配置变体。在这种情况下，偏转光栅310和340以及可切换的半波片320被分割为多个单独切换的段。在该实例中示出了，纯粹以举例的方式，每个光学组件(310、320、340)被分割为两个段(311、312、321、322、341、342)。偏转光栅310被示出为在上部段(312)中是激活的；可切换的半波片320被示出为在下部段中是激活的。在偏振光栅堆栈300的下游，发射偏振状态在两个段中是相同的，但是偏转角在上部和下部的段中不同。这种分割可被用于在大规模的显示器的情况下跟踪观察者。这种分段也可以被二维地或，例如，同中心地产生。

图8示出了类似于图5的另外的配置变体。与图5相反，偏振光栅堆栈包含额外的可切换的半波片350和额外的偏振光栅360。这些元件在附图中被示出为激活。在偏振光栅350中，光栅结构被以与偏振光栅310和340相比旋转90度的方式设置。其结果是，偏转方向也被相对于光栅310和340的偏转方向旋转90度。这种偏振光栅堆栈可被用于，例如，与球面透镜155的二维配置和在两个方向中是可控的方形或圆形光阑的阵列125相结合。因此使在水平方向和垂直方向中的观察者跟踪成为可能。

两个偏振光栅310、340的光栅结构无需相对于偏振光栅350的光栅结构而正交地设置，相反，它们可以被设置成使得偏转可以在两个任意选择的方向上有效。

在两个方向中可控的其它的照明单元100也可被使用。

图9示出了类似于图6的配置变体。然而，其额外地具有第二可切换的或可控的偏振光栅堆栈305，其图示的可切换的或可控的偏振光栅315、345的光栅结构被相对于偏振光栅堆栈300中的两个偏振光栅310、340的光栅结构旋转。该配置包含具有可变的光栅周期的两个可控的偏转光栅700和705。在这种情况下，纯粹以举例的方式，具有可变的光栅周期的额外的可控的偏转光栅705被分配给偏振光栅堆栈305，所述偏转光栅的衍射方向被与偏振光栅堆栈305的衍射方向协调一致。具有可变的光栅周期的可控的偏转光栅700被分配给偏振光栅300，并与其偏转方向协调一致。纯粹以举例的方式，其被设置在两个偏振光栅堆栈300、305之间。在这种情况下，偏转光栅700用于，例如，水平光偏转，并且光栅705用于垂直光偏转。可变的偏转光栅700和705允许额外的精细分级的光偏转和/或偏振光栅堆栈300和305中的光偏转的波长依赖性的补偿。

图1-9中的配置变体涉及传统的偏振光栅的使用。这些偏振光栅具有其改变入射光的偏振——例如从左旋至右旋——的性能。

图10示出了本发明的配置变体，其中，偏振光栅堆栈300包含可切换的或可控的偏振光栅370、380，其基于周期性扭转的结构，并且其中，通过的光保持其偏振的旋转方向。配置变体被以类似于图6的方式构造。然而，偏振光栅堆栈300的第一偏振光栅370被示出为激活，也就是说，光以衍射且偏转的方式通过该偏振光栅。当光通过该偏振光栅370时，光保持与当其通过第二偏振光栅380时相同的偏振的旋转方向，其在此示出为未激活，这样没有另外的光偏转在其中发生。

如果本发明意在仅使用一个偏转方向，也就是说，仅有一个固定的输入偏振被选择给每个光栅370、380，有可能省去两个连续切换的或可控的偏振光栅370、380之间的可切换的或可控的延迟层，如在此纯粹以举例的方式在图10中所说明的。由于在此使用的偏振光栅370、380当光通过时不改变偏振的旋转方向，在该配置变体中有利的是，如果具有相同扭转的偏振光栅被用在层堆栈中，则在偏振光栅370、380之间无需偏振旋转层。在该实例中，照明单元100产生右旋圆偏振光。该右旋圆偏振状态在通过两个偏振光栅370、380的过程中被保持。针对空间光调制器510需要线偏振光，如图6所示，双折射延迟层410可被包括在内，并且不期望的零衍射级的杂散光可通过线偏振器520被抑制。

最后，应该特别指出的是，上述示例性的实施例仅仅是为了描述所保护的技术方案，并不是为了将后者限制于示例性的实施例。尤其是，上述示例性的实施例可以——只要有可能——彼此结合。

附图标记

100 照明单元

110 光源矩阵

120 可控的狭缝光阑阵列

125 可控的光阑阵列

130 偏振滤光器

140 双折射延迟层

150 柱面透镜阵列

155 透镜阵列

200 可变的可控的偏振光栅

300 偏振光栅堆栈

305 旋转的偏振光栅堆栈

310 第一可切换的偏振光栅

311 第一可切换的偏振光栅的第一段

312 第一可切换的偏振光栅的第二段

315 在旋转的偏振光栅堆栈中的第一可切换的偏振光栅

320 可切换的双折射延迟层

321 可切换的双折射延迟层的第一段

322 可切换的双折射延迟层的第二段

325 在旋转的偏振光栅堆栈中的可切换的双折射延迟层

335 在旋转的偏振光栅堆栈中的可切换的双折射延迟层

340 第二可切换的偏振光栅

341 第二可切换的偏振光栅的第一段

342 第二可切换的偏振光栅的第二段

345 在旋转的偏振光栅堆栈中的第二可切换的偏振光栅

350 可切换的双折射延迟层

360 旋转的可切换的偏振光栅

370 保持偏振方向的第一可切换的偏振光栅

380 保持偏振方向的第二可切换的偏振光栅

410 双折射延迟层

420 线偏振滤光器

510 空间光调制器

520 线偏振滤光器

530 线偏振滤光器

600 场透镜

700 可控的偏转光栅

705 旋转的可控的偏转光栅

Claims (25)

1.一种显示器，尤其是自由立体或全息显示器，其特征在于，全息编码的对象的图像视图或重建可被跟踪至至少一个观察者的相关眼睛的运动，其包含：

·用于产生光的照明单元，

·至少一个偏振光栅堆栈，其具有包含至少两个可切换的或可控的偏振光栅的光学组件的堆栈，其中所述偏振光栅用于光偏转，

·空间光调制器，其用于调制照明单元的光，以用于显示图像信息或重建编码的全息信息，

·系统控制器，以用于驱动和同步可切换和/或可控的元件，

·至少一个可控的偏转光栅，其具有确保精细分级的额外的光偏转的可变的光栅周期，并且，

·根据观察者的眼睛的当前位置，所述照明单元、所述偏振光栅堆栈和/或所述可控的偏转光栅可以由所述系统控制器以所述照明单元的光在观察者的眼睛的方向上可偏转的方式驱动。

2.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述偏振光栅堆栈额外地包含作为光学组件的至少一个可切换或可控的双折射延迟层。

3.根据权利要求2所述的显示器，其特征在于，提供所述可控的双折射延迟层用于在斜光束通过的情况下补偿光路长度中的色散效应或变化。

4.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，额外的双折射延迟层位于所述偏振光栅堆栈的下游，以便将圆偏振光转换成线偏振光。

5.根据权利要求4所述的显示器，其特征在于，偏振滤光器位于所述额外的双折射延迟层的下游，所述偏振滤光器抑制开启的偏振光栅的零衍射级的线偏振光。

6.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，具有可变的光栅周期的所述可控的偏转光栅被设置在所述偏振光栅堆栈的上游或下游或设置在所述偏振光栅堆栈中。

7.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，可使用所述可控的偏转光栅来补偿所述偏振光栅堆栈的可切换的偏振光栅的偏转角的波长依赖性。

8.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，可通过改变电压分布的周期来使用所述可控的偏转光栅，其中所述电压分布的周期被施加以获得或支持场透镜功能。

9.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，可改变可控的偏振光栅上施加的电压使得衍射有效性可改变为可确定的值。

10.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述照明单元包含可控地不同的光出射角。

11.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述偏振光栅堆栈中的至少一个光学组件表现为在一个或两个方向上被分割，其中各个段是分别可切换的或可控的。

12.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述各个段实现了不同的偏转角以形成或支持额外的场透镜功能。

13.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述偏振光栅堆栈中的至少一个偏振光栅的光栅结构被以相对于彼此旋转的方式设置，或者所述显示器包含第二偏振光栅堆栈，其中，所述光栅结构，相对于所述第一偏振光栅堆栈的光栅结构相对于彼此旋转一个角度。

14.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述偏振光栅堆栈包含至少一个可切换的或可控的偏振光栅，其中，通过穿过所述偏振光栅，光的旋转方向被保持。

15.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述偏振光栅堆栈被设置在所述照明单元和所述空间光调制器之间的光路中或从光的传播方向观察的所述空间光调制器的后面。

16.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，其进一步包含识别系统，以用于确定与至少一个观察者的眼睛相关联的位置。

17.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述照明单元的光源被设置在作为光源矩阵的主光源的阵列中，其单独或成列地可切换或可控。

18.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述光源是LED、OLED或激光光源。

19.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述光源由具有其发射特性的不同的聚焦波长的多个可分别操作的独立光源组成。

20.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述照明单元包含可切换的或可控的狭缝光阑的阵列。

21.根据权利要求20所述的显示器，其特征在于，所述狭缝光阑的阵列表现为LCD光阑阵列。

22.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述照明单元包含为了准直目的的柱面透镜阵列。

23.根据权利要求22所述的显示器，其特征在于，所述柱面透镜阵列额外地包含场透镜功能。

24.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述照明单元的光具有可预设的圆偏振。

25.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，额外地固定的或可变的场透镜被包含在所述照明单元和观察者之间的光路中。