CN108227219B - 光束扩展器、背光单元和包括该背光单元的全息显示装置 - Google Patents

光束扩展器、背光单元和包括该背光单元的全息显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了光束扩展器、具有高光学效率的背光单元以及包括该背光单元的全息显示装置。背光单元包括：配置为提供光束的光源单元；第一光束扩展器，配置为混合从光源单元提供的光束，在第一方向上扩展该光束，并将被混合且扩展的光束输出为白光；以及第二光束扩展器，配置为在与第一方向垂直的第二方向上扩展从第一光束扩展器输出的白光，并将被扩展的白光输出为表面光。

Description

光束扩展器、背光单元和包括该背光单元的全息显示装置
技术领域
本公开涉及背光单元以及包括该背光单元的全息显示装置。
背景技术
在相关技术的三维(3D)系统中，使用眼镜的技术和不用眼镜的技术被广泛用于实现3D图像。使用眼镜的技术包括偏光眼镜技术和快门眼镜技术，不用眼镜的技术包括透镜技术和视差屏障技术。这些技术使用两眼之间的双眼视差，在视点数量的增加方面存在限制，并且由于大脑中感知的深度感和眼睛的焦点之间的差异导致观看者疲劳。
近来，具有全息显示技术的3D系统已经被商业化为3D图像显示技术，其中提供了全视差并且在大脑中感知的深度感和眼睛的焦点彼此匹配。全息显示技术使用以下原理：如果参考光被照射用于衍射到通过从原始物体反射的光与参考光之间的干涉而获得的全息图案，则原始物体的图像被再现。当前商业化的全息显示技术将计算机生成的全息图(CGH)作为电信号提供给空间光调制器，而不是将原始物体直接暴露到光。当空间光调制器根据输入的CGH信号形成全息图案并衍射参考光时，可以产生3D图像。
然而，为了实现完整的全息显示技术，需要高分辨率空间光调制器和大量的数据吞吐量。近来，为了减轻数据吞吐量和分辨率条件，已经提出了双目全息技术，其仅在与观看者的每个眼睛对应的观看区域中提供全息图像。例如，具有与观看者的左眼观看区域对应的视点的全息图像和具有与观看者的右眼观看区域对应的视点的全息图像可以被生成并被分别提供到观看者的左眼和右眼。在这种情况下，不需要生成具有其它视点的全息图像，因此，即使在当前商品化的显示装置中，也可以大幅地降低数据吞吐量并可以满足空间光调制器的分辨率条件。
发明内容
本公开提供了一种用于双目全息显示装置的背光单元以及包括该背光单元的双目全息显示装置。
额外的方面将在下面的描述中被部分地阐述，并将部分地从该描述明显或者可以通过所给出的实施方式的实践而掌握。
根据实施方式的一方面，提供一种背光单元，该背光单元包括：配置为提供光束的光源；第一光束扩展器，配置为：混合从光源提供的光束，在第一方向上扩展光束，以及将被混合且扩展的光束输出为白光；以及第二光束扩展器，配置为：在与第一方向垂直的第二方向上扩展从第一光束扩展器输出的白光，以及将被扩展的白光输出为表面光。
第一光束扩展器可以包括光栅元件，该光栅元件包括沿着相对于第一方向倾斜的第三方向布置的多个凹槽，所述多个凹槽的每个具有楔形形状。
所述多个凹槽的每个可以是具有在第二方向上的高度的棱柱形状。
所述多个凹槽当中的第一凹槽与第二凹槽之间的间隔和第一凹槽或第二凹槽的楔形形状的角度的至少之一可以被设定为使得在相邻的凹槽中朝向与第一方向和第二方向两者垂直的第四方向衍射的光相长地干涉。
背光单元还可以包括位于光源和光栅元件之间的光路改变构件。
光源可以包括配置为发射具有第一波长的光的第一光源、配置为发射具有不同于第一波长的第二波长的光的第二光源、以及配置为发射具有不同于第一波长和第二波长的第三波长的光的第三光源。
第一光源、第二光源和第三光源可以布置为使得分别从第一光源、第二光源和第三光源输出的光相对于光栅元件的入射角彼此不同。
光路改变构件可以包括为弯曲表面的反射表面，并且第一光源、第二光源和第三光源在与光路改变构件平行的方向上照射所述光束。
光源可以配置为提供单色光。
背光单元还可以包括配置为转换从光栅元件输出的光的波长的波长转换层。
波长转换层可以包括量子点。
第一光束扩展器可以包括在其上记录平行光的全息器件。
全息器件可以配置为使得多种类型的单色光的平行光被记录在全息介质上。
全息器件可以配置为使得在其上记录不同类型的单色光的平行光的多个全息介质被堆叠。
一种单色光的平行光可以被记录在全息器件上，并且全息器件还包括波长转换从全息器件再现的光的波长转换层。
根据一示例性实施方式的一方面，提供一种全息显示装置，该全息显示装置包括：光源，配置为提供光束；第一光束扩展器，配置为：混合从光源提供的光束，在第一方向上扩展该光束，以及将被混合且扩展的光束输出为白光；第二光束扩展器，配置为：在与第一方向垂直的第二方向上扩展从第一光束扩展器输出的白光，以及将被扩展的白光输出为表面光；空间光调制器，配置为衍射入射光以再现全息图像；以及场透镜，配置为将由空间光调制器再现的全息图像聚焦到空间。
全息显示装置还可以包括配置为二维地控制全息图像通过场透镜被聚焦到的位置的光束偏转器。
第一光束扩展器可以包括光栅元件，该光栅元件包括沿着相对于第一方向倾斜的第三方向布置的多个凹槽，所述多个凹槽的每个具有楔形形状。
所述多个凹槽当中的第一凹槽与第二凹槽之间的间隔和第一凹槽或第二凹槽的楔形形状的角度的至少之一可以被设定为使得在相邻的凹槽中朝向与第一方向和第二方向两者垂直的第四方向衍射的光相长地干涉。
第一光束扩展器可以包括在其上记录平行光的全息器件。
全息显示装置还可以包括配置为感测观看者的位置的眼睛跟踪传感器。
根据一示例性实施方式的一方面，提供一种光束扩展器，该光束扩展器包括：配置为输出第一光、第二光和第三光的光源，第一光、第二光和第三光是不同的；第一光束扩展器，配置为：混合由光源输出的第一光、第二光和第三光，在第一方向上扩展由光源输出的第一光、第二光和第三光，将被混合且扩展的光束输出为白光；以及第二光束扩展器，配置为：在与第一方向垂直的第二方向上扩展从第一光束扩展器输出的白光，并将被扩展的白光输出为表面光。
第一光可以是红光，第二光可以是绿光，第三光可以是蓝光。
第一光束扩展器可以包括：包括下表面和倾斜的上表面的光栅元件；其中多个凹槽沿倾斜的上表面布置，以及其中所述多个凹槽的每个具有楔形形状。
根据一示例性实施方式的一方面，提供一种光束扩展器，该光束扩展器包括：光栅元件，包括下表面和倾斜的上表面；其中多个凹槽沿倾斜的上表面布置，其中所述多个凹槽的每个具有楔形形状，以及其中光栅元件配置为通过混合从光源提供的光束并在第一方向上扩展所述光束而输出白光。
光束扩展器还可以包括：光路改变构件，其被提供在光栅元件的面对倾斜的上表面的一侧，且被配置为朝向光栅元件的所述多个凹槽再引导来自光源的光束。
光束扩展器还可以包括：波长转换层，配置为转换从光栅元件输出的光的波长。
附图说明
从以下结合附图对示例性实施方式的描述，这些和/或其它方面将变得明显并更容易理解，附图中：
图1是示出根据本公开的一示例性实施方式的全息显示装置的示意性结构的透视图；
图2是示出根据一示例性实施方式的在图1中示出的全息显示装置中提供的第一光束扩展器的一示例结构的截面图；
图3是根据一示例性实施方式的在图2中示出的第一光束扩展器的一部分的放大图；
图4是根据一示例性实施方式的图2的一部分的放大图，用于概念性地示出在凹槽表面上衍射的光形成白光；
图5是示出根据一示例性实施方式的在图1所示的全息显示装置中提供的第一光束扩展器的另一示例结构的截面图；
图6是示出根据一示例性实施方式的在图1所示的全息显示装置中提供的第一光束扩展器的另一示例结构的截面图；
图7是示出根据一示例性实施方式的在图1所示的全息显示装置中提供的第一光束扩展器的另一示例结构的截面图；
图8是示出根据一示例性实施方式的在图1所示的全息显示装置中提供的第一光束扩展器的另一示例结构的截面图；
图9是示出根据一示例性实施方式的在图1所示的全息显示装置中提供的第一光束扩展器的另一示例结构的截面图；
图10是示出根据一示例性实施方式的在图9所示的第一光束扩展器中提供的波长转换层的一示例结构的截面图；
图11是示出根据一示例性实施方式的在图1所示的全息显示装置中提供的第一光束扩展器的另一示例结构的截面图；
图12是示出在图1所示的全息显示装置中提供的第一光束扩展器的另一示例结构的截面图；以及
图13是示出根据一示例性实施方式的在图1所示的全息显示装置中提供的第一光束扩展器的另一示例结构的截面图。
具体实施方式
现在将详细参照示例性实施方式，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记始终指代相同的元件。在这点上，示例性实施方式可以具有不同的形式，而不应当被解释为限于这里阐述的描述。因此，以下通过参照附图仅描述了实施方式以说明各方面。诸如“……中的至少一个”的表述，当在一列元件之后时，修饰整列元件，而不修饰该列中的个别元件。
尽管在本公开中使用的术语考虑到本公开中的功能而关于当前通常使用的一般术语被选择，但是该术语会根据本领域普通技术人员的意图、司法判例或新技术的引进而改变。此外，在特定情况下，申请人可以自愿地选择术语，并且在这种情况下，该术语的含义在本公开的对应描述部分中被公开。因此，在本公开中使用的术语不应被术语的简单名称限定，而是由术语的含义和在整个本公开中的内容来限定。
在下文，将参照附图描述示例性实施方式。在全部附图中，同样的附图标记指代同样地元件，并且为了描述的清楚和方便，每个元件可以在尺寸上被夸大。另外，以下的实施方式仅是说明性的，并且从示例性实施方式可以有各种修改。
表达诸如“在……之上”或“在……上”可以不仅包括“以接触的方式直接在……上”的含义，而且包括“以非接触的方式在……上”的含义。
术语诸如第一、第二等可以用于描述各种元件，但是所述元件不应当限于那些术语。这些术语可以用于将一个元件与另一个元件区别开。
单数形式旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。如果假定某个部分包括某个部件，则术语“包括”意指对应部件还可以包括其它部件，除非与对应部件相反的特定含义被写入。
在示例性实施方式中使用的术语“单元”或“模块”表示用于处理至少一个功能或操作的单元，并可以实现为硬件、软件、或硬件和软件的结合。
图1是根据一示例性实施方式的全息显示装置1000的示意性结构的透视图。
全息显示装置1000可以包括提供光的背光单元BLU以及衍射从背光单元BLU提供的光以再现全息图像的空间光调制器600。场透镜500可以进一步提供在背光单元BLU和空间光调制器600之间以将由空间光调制器600再现的全息图像聚焦到预定空间。光束偏转器400可以被进一步提供以二维地控制来自背光单元BLU的光束的行进方向。尽管场透镜500被示出为位于图1中的光束偏转器400和空间光调制器600之间，但是本公开不限于此。场透镜500可以例如位于空间光调制器600前面，使得场透镜500位于空间光调制器600和观看者之间。
全息显示装置1000还可以包括感测观看者的位置的眼睛跟踪传感器800以及根据由眼睛跟踪传感器800感测的位置来控制光束偏转器400的控制器700。另外，控制器700可以控制光源单元100的驱动。例如，控制器700可以按时间顺序地控制光束的照射方向以在观看者的左眼LE和右眼RE的每个中按时间顺序地形成全息图像。
根据当前示例性实施方式的全息显示装置1000以双眼全息技术向观看者的左眼LE和右眼RE提供具有不同视点的全息图像。例如，全息显示装置1000在观看者的左眼LE观看区域中提供左眼全息图像，并在观看者的右眼RE观看区域中提供右眼RE全息图像，右眼RE全息图像具有不同于左眼LE全息图像的视点。与立体视觉技术的左眼图像和右眼图像不同，提供在全息显示装置1000中的左眼全息图像和右眼全息图像可以仅对观看者提供立体效果，并具有不同的观点。当具有不同视点的左眼2D图像和右眼2D图像分别在观看者的左眼和右眼中被感知到时，立体视觉技术使用双目视差提供立体效果。因此，在立体视觉技术中，通过左眼图像和右眼图像中的仅一个不产生立体效果，且在大脑中感知到的深度感和眼睛的焦点不匹配，导致观看者疲劳。另一方面，全息显示装置1000在预定空间的位置(即，在左眼LE观看区域和右眼RE观看区域中)分别形成左眼全息图像和右眼全息图像，使得在大脑中感知的深度感和眼睛的焦点匹配，并提供完整的视差。由于根据当前实施方式的全息显示装置1000仅提供双目视点并且观看者可以用左眼LE和右眼RE仅感知两个视点，所以通过除去除了由观看者感知的视点信息之外的其它视点信息，可以减少数据吞吐量。
将描述全息显示装置1000的详细结构。
背光单元BLU可以包括：提供光束的光源单元100；第一光束扩展器200，其混合从光源单元100提供的光束并在第一方向A1上扩展光束；以及第二光束扩展器300，其在第二方向A2上扩展从第一光束扩展器200发射(例如，输出)的光，并将该光作为表面光发射(例如，输出)。
光源单元100可以提供具有相干性的光束。光源单元100可以包括产生具有高相干性的光的激光二极管。然而，由于具有一定程度的空间相干性的光可以被空间光调制器600充分地衍射和调制，所以可以使用发光二极管(LED)。除了LED之外，可以使用发射具有一定程度的空间相干性的光的任何光源。
光源单元100可以包括发射不同波长的光的多个光源。例如，光源单元100可以包括发射具有第一波长的光的第一光源、发射具有不同于第一波长的第二波长的光的第二光源、以及发射具有不同于第一波长和第二波长的第三波长的光的第三光源。具有第一波长的光、具有第二波长的光和具有第三波长的光可以分别是红色、绿色和蓝色。
光源单元100还可以包括将从光源照射的光成形为具有预定宽度的光束的光学构件。根据一示例性实施方式，除了所述多个光源中的一个或更多个之外，光源单元100还可以包括光学构件。光学构件可以是例如针孔构件、准直透镜等。
第一光束扩展器200在第一方向A1上扩展从光源单元100提供的光束。第一方向A1可以是图1所示的方向-Y。
第一光束扩展器200混合从光源单元100提供的光束，在第一方向A1上扩展混合后的光束并发射(例如，输出)白光。为此，第一光束扩展器200可以包括在其上记录平行光的光栅元件或全息器件。将参照图2至图13更详细地描述第一光束扩展器200的详细示例结构。
第二光束扩展器300扩展通过第一光束扩展器200在第一方向A1上扩展的光束。第二光束扩展器300在垂直于第一方向A1的第二方向A2(例如，附图所示的方向X)上扩展光束，以形成表面光。第二光束扩展器300可以包括由透明材料形成并允许光通过全反射在第二方向(X方向)上行进的导光板310、以及向导光板310的外部发射(例如，输出)光的输出耦合器320。输出耦合器320可以是衍射并透射一部分光的衍射光学元件。
光束偏转器400可以二维地控制从背光单元BLU发射(例如，输出)的光束的行进方向。根据一示例性实施方式，光束偏转器400可以包括第一光束偏转器440和第二光束偏转器430。第一光束偏转器440和第二光束偏转器430中的一个可以控制在水平方向(例如Y方向)上的光束，并且另一个控制在垂直方向(例如方向Z)上的光束。全息图像聚焦在其上的位置可以通过光束偏转器400调整。换句话说，左眼全息图像聚焦到的左眼位置和右眼全息图像聚焦到的右眼位置可以通过光束偏转器400调整。左眼和右眼之间的间隔(其对于个体观看者是独特的)可以被眼睛跟踪传感器800感测到。此外，由于观看者的移动而引起的左眼位置和右眼位置的变化可以被跟踪传感器800感测到。根据由跟踪传感器800以这种方式感测到的信息，光束偏转器400可以控制光束的行进方向。
根据一示例性实施方式，第一光束偏转器440和第二光束偏转器430中的一个可以是衍射入射光从而产生以不同角度行进的两个光束的液晶偏转器。根据一示例性实施方式，当光束偏转器400在空间上分离光以将光同时引导到左眼和右眼时，不需要光源单元100的时序驱动。
场透镜500将由光束偏转器400方向控制的光聚焦到预定空间。场透镜500可以包括菲涅尔透镜或液晶透镜。
从背光单元BLU发射并由光束偏转器400方向控制的光通过场透镜500入射到空间光调制器600。空间光调制器600形成具有用于调制入射光的干涉图案的全息图案。入射光被由空间光调制器600形成的全息图案衍射并调制，从而在预定空间中的位置再现全息图像。
图2是示出在图1所示的全息显示装置1000中提供的第一光束扩展器201的一示例结构的截面图。
第一光束扩展器201可以是光栅元件250，该光栅元件250包括沿着一方向布置的楔形形式的多个凹槽GR。所述方向可以是相对于第一方向A1倾斜的第三方向A3。第一方向A1和第三方向A3之间的角度可以是锐角，即，大于0度且小于90°。所述多个凹槽GR的每个可以具有垂直于第二方向A2(方向X)并具有预定形状的横截面。也就是，凹槽GR可以具有棱柱形状，该棱柱形状具有沿着方向X的高度。
通过沿相对于第一方向A1以预定角度倾斜的第三方向A3布置凹槽GR，平行于第一方向A1入射的光束在第一方向A1上扩展并沿第四方向A4发射。第四方向A4(即，附图中的方向Z)可以垂直于第一方向A1和第二方向A2两者。由光源单元提供的光可以是具有预定光束宽度的红光R、绿光G和蓝光B。入射的红光R、绿光G和蓝光B在光栅元件250的凹槽GR之一中被衍射，并且衍射光在第四方向A4上被引导。红光R、绿光G和蓝光B的混合可以在凹槽GR的每个位置处发生，并且被衍射和发射的光可以是白光W。光栅元件250的衍射特性与凹槽GR的具体形状和入射光的波长相关。即使红光R、绿光G和蓝光B分别入射到凹槽GR的角度相等，红光R、绿光G和蓝光B的每个也具有不同的波长，使得衍射光的方向可以不同。因此，通过使红光R、绿光G和蓝光B的每个入射到凹槽GR的角度彼此不同，衍射光的方向可以彼此一致。当衍射光的方向彼此一致时，红光R、绿光G和蓝光B可以混合以形成白光W。这样的混合可以发生在每个凹槽GR中，使得光通过光栅元件250在第一方向A1上扩展并混合成白光，从而在第四方向A4上发射。
图3是图2的一部分的放大图。
凹槽GR可以每个具有楔形形状。凹槽GR之一的横截面形状可以是，但不限于，三角形形状。每个凹槽GR的横截面形状的三角形可以是在凹槽表面GRa和第三方向A3之间形成角度θB并在每个凹槽GR中具有90°的中心角度的三角形。该三角形的形成直角的两条边可以具有彼此不同的长度。然而，这仅是一示例，本公开不限于这个示例。凹槽GR之间的间隔d由凹槽GR的布置周期(即，凹槽GR的中心之间的距离)表示。通过调整角度θB和凹槽GR之间的距离d，可以提高特定方向上的衍射光的效率。角度θB和距离d可以设定为使得由相邻的凹槽GR在第四方向A4上引导的衍射光L1和L2彼此相长地干涉，从而可以使第四方向A4上的衍射光最大化。例如，为了使关于在第一方向A1入射的可见波长带的光在第四方向A4上引导的衍射光的效率最大化，角度θB可以在从约1°至约46°的范围内，距离d可以在从约0.4μm至约10μm的范围内。
图4是图2的一部分的放大图，概念性地示出在凹槽表面GRa上衍射的光形成白光。
如图4所示，通过使入射到凹槽表面GRa上的红光R、绿光G和蓝光B的入射角彼此不同，第四方向A4上的衍射光的方向可以彼此一致，因此白光W可以沿第四方向A4发射。
图2所示的光栅元件250的形状被确定为使得凹槽沿相对于第一方向A1(第一光束扩展器201在该方向上扩展光束)倾斜的第三方向A3布置，并且使得衍射光在垂直于第一方向A1和第二方向A2的第四方向A4上发射。因此，包括在光栅元件250中的凹槽GR不限于所示的形状，并可以具有满足上述要求的各种形状。例如，凹槽表面GRa被示出为平的表面，但是它可以是弯曲表面，而不限于此图示。
根据一示例性实施方式，第一光束扩展器201可以包括具有下表面(L)和倾斜的上表面(U)的光栅元件250。光栅元件包括沿倾斜的上表面布置的多个凹槽。此外，所述多个凹槽的每个可以具有楔形形状。
图5是示出图1所示的全息显示装置1000中提供的第一光束扩展器202的另一示例结构的截面图。
根据当前实施方式的第一光束扩展器202与图2的第一光束扩展器201的不同之处在于：光路改变部件240设置在光源单元和光栅元件250之间。第一光束扩展器202的结构的其余部分与图2的第一光束扩展器201基本上相同。
光路改变构件240可以是棱镜。棱镜可以包括为平表面的反射表面。光源单元100以不同的角度朝向光路改变构件240照射红光R、绿光G和蓝光B，红光R、绿光G和蓝光B可以然后从具有特定倾斜度的反射表面反射，从而以不同的角度入射到凹槽GR。由于凹槽GR被设计为使得不同波长的光在不同方向上衍射，所以以不同角度入射的红光R、绿光G和蓝光B在相同的方向上被衍射和混合，因此被发射作为白光W。
根据另一示例性实施方式，第一光束扩展器可以包括提供在光栅元件的面对图2所示的倾斜的上表面(U)的一侧的光路改变构件240，该光路改变构件240朝向光栅元件的所述多个凹槽再引导来自光源的光束。
图6是示出在图1所示的全息显示装置1000中提供的第一光束扩展器203的另一示例结构的截面图。
根据图6所述的示例性实施方式的第一光束扩展器203在设置于光源单元和光栅元件250之间的光路改变构件241的形状方面不同于图5的第一光束扩展器202。第一光束扩展器203的结构的其余部分与图5的第一光束扩展器203基本上相同。
光路改变构件241可以是具有两个反射表面的棱镜。根据光路改变构件241的这种形状，光源单元可以在与光栅元件250的纵向方向几乎平行的方向上朝向光路改变构件241照射红光R、绿光G和蓝光B。也就是，光源单元的元件可以平行于光栅元件250的纵向方向设置，因而减小Z方向上的厚度。因此，可以从图1看出，背光单元BLU可以配置为具有薄的厚度。在图6中，入射到光路改变构件241的红光R、绿光G和蓝光B的方向被示出为平行的，但是此图示是为了方便而提供，可以使红光R、绿光G和蓝光B入射到光路改变构件241的角度不同，以使得它们以不同的角度入射到光栅元件250。
图7是示出在图1所示的全息显示装置1000中提供的第一光束扩展器204的另一示例结构的截面图。
根据图7所示的示例性实施方式的第一光束扩展器204在光路改变构件242的形状方面不同于图5的第一光束扩展器202。光路改变构件242可以具有弯曲的反射表面。尽管弯曲表面被示出为球形表面，但是它可以具有非球形形状。利用光路改变构件242的这种形状，即使红光R、绿光G和蓝光B在相同的方向上入射到光路改变构件242，具有弯曲表面的反射表面也根据其位置而具有不同的倾斜度，使得红光R、绿光G和蓝光B以不同的角度入射到光栅元件250的凹槽GR。由于凹槽GR被设计为使得衍射光的方向对于不同波长的光是不同的，所以以不同角度入射的红光R、绿光G和蓝光B在相同的方向上衍射并被混合，因此被发射为白光W。
图8是示出在图1所示的全息显示装置1000中提供的第一光束扩展器205的另一示例结构的截面图。
根据图8所示的示例性实施方式的第一光束扩展器205在设置于光源单元和光栅元件250之间的光路改变构件243的形状方面不同于图7的第一光束扩展器204。第一光束扩展器205的结构的其余部分与图7的第一光束扩展器204基本上相同。
光路改变构件243可以是具有反射表面的棱镜，该反射表面的横截面具有半圆形形状。光源单元可以在与光栅元件250的纵向方向几乎平行的方向上朝向光路改变构件243照射红光R、绿光G和蓝光B。也就是，光源单元的元件可以平行于光栅元件250的纵向方向设置，从而减小Z方向上的厚度。因此，从图1可以看出，背光单元BLU可以配置为具有比图7的第一光束扩展器204薄的厚度。红光R、绿光G和蓝光B入射到光路改变部件243的角度可以彼此相同。类似于参照图7描述的实施方式，即使当红光R、绿光G和蓝光B平行地入射到光路改变部件243时，其倾斜度根据弯曲表面的位置也不同，因此红光R、绿光G和蓝光B以不同的角度与光栅元件250相遇。由于凹槽GR被设计为使得衍射光的方向对于不同波长的光是不同的，所以以不同角度入射的红光R、绿光G和蓝光B在相同的方向上衍射并被混合，因此发射为白光W。
图9是示出图1所示的全息显示装置1000中提供的第一光束扩展器206的另一示例结构的截面图，图10是示出图9所示的第一光束扩展器206中提供的波长转换层260的示例结构的截面图。
根据图9所示的示例性实施方式的第一光束扩展器206与图5的第一光束扩展器202的不同之处在于：单色光被照射到光栅元件250，并且波长转换层260还被提供在来自光栅元件250的衍射光沿其行进的光路中。
光源单元可以配置为提供单色光，例如蓝光B。蓝光B被光路改变构件240改变路径，被引导到光栅元件250，并被凹槽GR衍射，因此在第四方向A4上被引导。
波长转换层260将入射光的波长转换成另一波长。波长转换层260可以包括例如量子点。根据其材料和尺寸，量子点可以发射比吸收的光更长的波长的光。
参照图10，波长转换层260可以构造为使得第一量子点层260a、第二量子点层260b和透明层260c被重复地排布。量子点的尺寸和材料可以被选择为使得第一量子点层260a发射红光。量子点的尺寸和材料可以被选择为使得第二量子点层260b发射绿光。透明层260c由使入射光从其穿过的透明材料形成。通过重复这样的布置，入射到波长转换层260的光根据其位置被发射为红光、绿光和蓝光。与由于量子点的散射引起的入射方向相比，从第一量子点层260a和第二量子点层260b发射的光的方向可以改变得更多。因此，第一量子点层260a、第二量子点层260b和透明层260c的宽度被设定为窄到使从第一量子点层260a、第二量子层层260b和透明层260c发射的光被混合的程度，使得经过波长转换层260的光可以变成白光W。
波长转换层260的形式不限于图10的形式。例如，波长转换层260可以形成为其中发射红光的量子点和发射绿光的量子点混合的单层。或者，包括发射红光的量子点的层和包括发射绿光的量子点的层可以被堆叠。入射到波长转换层260的光的一部分可以被转换为红光，另一部分可以被转换为绿光，又一部分可以以波长没有被转换的形式发射，使得它们可以被混合为白光。
图11是示出在图1所示的全息显示装置1000中提供的第一光束扩展器207的另一示例结构的截面图。
根据图11所示的示例性实施方式的第一光束扩展器207在光路改变构件242的形状方面不同于图9的第一光束扩展器206。光路改变构件242可以具有弯曲的反射表面。该反射表面可以具有半圆形的横截面。光源单元在与光栅元件250的纵向方向平行的方向上向光路改变构件242提供蓝光B。蓝光B被光路改变构件242改变路径，并在与光栅元件250相遇之后被衍射。接着，一部分光在波长转换层260中被波长转换为红光，并且另一部分光在波长转换层260中被波长转换为绿光，因而发射全部的白光W。
图9的第一光束扩展器206和图11的第一光束扩展器207中的波长转换层260可以另外地分别包括在图5的第一光束扩展器202和图8的第一光束扩展器205中，但是本公开不限于这个示例。例如，波长转换层260可以被添加到图6的第一光束扩展器203和图7的第一光束扩展器204。
以上描述的第一光束扩展器201、202、203、204、205、206和207具有反射型光栅元件250，但是本公开不限于这个示例。光栅元件250可以形成为透射型，因此，可以改变光源单元的布置。
第一光束扩展器202、203、204、205、206和207的光路改变构件240、241、242和243被示出为具有平表面或弯曲表面的棱镜形式，但是本公开不限于这个示例。例如，可以使用具有为平表面或弯曲表面的反射表面的反射镜。
在光栅元件250中，可以调节具有楔形形状的凹槽的图案的细节，以提高衍射光在特定方向上的效率。该效率可以接近约100％。
以上描述的第一光束扩展器201、202、203、204、205、206和207可以包括光栅元件250，但是不限于此，并且在其上记录平行光的全息器件可以用于第一光束扩展器。
图12是示出图1所示的全息显示装置1000中提供的第一光束扩展器208的另一示例结构的截面图。
第一光束扩展器208可以包括其上记录平行光的全息器件。第一光束扩展器208可以包括透明衬底SU和形成在透明衬底SU上的全息层270。全息层270可以具有其中多种类型的单色光的平行光被记录在全息介质上的全息图案。因此，如果用于记录的相同的单色光(例如红光R、绿光G和蓝光B)被照射到全息层270上，则多种类型的单色光的平行光从全息层270再现并被混合以形成白光W。
全息层270被示出为单层，但是本公开不限于此。例如，全息层270可以具有其中记录不同类型的单色光的平行光的多个全息介质堆叠的形式。当与对应于多种类型的单色光的平行光对应的全息图案都被包括在单一层中的情况相比，当使用堆叠结构时，可以进一步提高光学效率。在这种情况下，光学效率可以为约70％或更大。
图13是示出图1所示的全息显示装置1000中提供的第一光束扩展器209的另一示例结构的截面图。
第一光束扩展器209可以包括透明衬底SU、形成在透明衬底SU上的全息层271以及转换入射光的波长的波长转换层260。全息层271包括对应于单色光的平行光的记录的全息图案。因此，如果用于记录的单色光(例如蓝光B)照射到全息层271上，则平行光从蓝光B再现。入射到波长转换层260的蓝光B的一部分被转换为红光，另一部分被转换为绿光，使得白光W被发射。
图12的第一光束扩展器208和图13的第一光束扩展器209是透射型全息器件，但是本公开不限于此。全息器件可以被实现为反射型，并且光源单元的位置可以相应地改变。
上述背光单元以表面光的形式提供具有相干性的光束，并以高的光学效率将光束转变成表面光。
当形成三维(3D)图像时，使用该背光单元的全息显示装置消耗低的功率。
尽管已经结合示例性实施方式示出并描述了背光单元以及包括该背光单元的全息显示装置，但是对于本领域普通技术人员来说将明显的是，可以进行修改和变化，而没有脱离如由权利要求限定的实施方式的精神和范围。因此，本公开的示例性实施方式应当以说明性的含义而不是限制性的含义被考虑。示例性实施方式的范围将在权利要求书中，并且其等同范围中的所有差异应当被理解为包括在示例性实施方式中。
应当理解，这里描述的示例性实施方式应当仅以描述性的含义被考虑，而不是为了限制的目的。每个示例性实施方式内的特征或方面的描述通常应当被认为可用于其它实施方式中的其它类似特征或方面。
尽管已经参照附图描述了一个或更多个示例性实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种变化，而没有脱离如由权利要求书所限定的精神和范围。
本申请要求于2016年12月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0175836号的优先权，其公开内容通过引用整体地结合于此。

Claims (10)

1.一种背光单元，包括：
光源，配置为提供光束；
第一光束扩展器，配置为：
混合从所述光源提供的光束，
在第一方向上扩展所述光束，以及
将被混合且扩展的光束输出为白光；以及
第二光束扩展器，配置为：
在与所述第一方向垂直的第二方向上扩展从所述第一光束扩展器输出的白光，以及
将被扩展的白光输出为表面光，
其中所述第一光束扩展器包括光栅元件，所述光栅元件包括沿着相对于所述第一方向倾斜的第三方向布置的多个凹槽，所述多个凹槽的每个具有楔形形状，
其中所述光源包括配置为发射具有第一波长的光的第一光源、配置为发射具有不同于所述第一波长的第二波长的光的第二光源、以及配置为发射具有不同于所述第一波长和所述第二波长的第三波长的光的第三光源，
其中所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源布置为使得分别从所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源输出的光相对于所述光栅元件的入射角彼此不同，
其中所述多个凹槽配置为使得以不同角度入射的不同波长的光被混合以形成白光并且沿相同方向被衍射，
其中所述多个凹槽当中的第一凹槽与第二凹槽之间的间隔和所述第一凹槽或所述第二凹槽的所述楔形形状的角度的至少之一被设定为使得在相邻的凹槽中朝向与所述第一方向和所述第二方向两者垂直的第四方向衍射的光相长地干涉。
2.根据权利要求1所述的背光单元，其中所述多个凹槽的每个具有有在所述第二方向上的高度的棱柱形状。
3.根据权利要求1所述的背光单元，还包括位于所述光源和所述光栅元件之间的光路改变构件。
4.根据权利要求3所述的背光单元，其中所述光路改变构件包括为弯曲表面的反射表面，并且所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源在与所述光路改变构件平行的方向上照射所述光束。
5.一种全息显示装置，包括：
根据权利要求1至4中任一所述的背光单元；空间光调制器，配置为衍射入射光以再现全息图像；以及
场透镜，配置为将由所述空间光调制器再现的所述全息图像聚焦到空间。
6.根据权利要求5所述的全息显示装置，还包括配置为二维地控制所述全息图像通过所述场透镜被聚焦到的位置的光束偏转器。
7.根据权利要求6所述的全息显示装置，还包括配置为感测观看者的位置的眼睛跟踪传感器。
8.一种光束扩展器，包括：
光栅元件，包括倾斜的上表面和下表面；
其中多个凹槽沿所述倾斜的上表面布置，
其中所述多个凹槽的每个具有楔形形状，以及
其中所述光栅元件配置为通过混合从光源提供的光束并在第一方向上扩展所述光束而输出白光，
其中所述多个凹槽配置为：当从光源提供的具有不同波长的光束以相对于所述光栅元件不同的角度入射时，使得以不同角度入射的具有不同波长的光被混合以形成白光并且沿相同方向被衍射，
其中所述多个凹槽当中的第一凹槽与第二凹槽之间的间隔和所述第一凹槽或所述第二凹槽的所述楔形形状的角度的至少之一被设定为使得在相邻的凹槽中朝向与所述第一方向和第二方向两者垂直的方向衍射的光相长地干涉，所述第二方向垂直于所述第一方向。
9.根据权利要求8所述的光束扩展器，还包括：
光路改变构件，其被提供在所述光栅元件的面对所述倾斜的上表面的一侧，且被配置为朝向所述光栅元件的所述多个凹槽再引导来自光源的光束。
10.根据权利要求8所述的光束扩展器，其中所述多个凹槽的每个具有有在所述第二方向上的高度的棱柱形状。
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