CN109154737A - 动态全三维显示 - Google Patents

Abstract

提供了一种光学显示系统，包括光源、控制单元和至少两个并置的双光栅元件（DGE1，DGE2）的阵列，该元件中的每一个包括彼此隔开恒定距离的第一光栅（G1）和第二光栅（G2），该两个光栅中的每一个具有至少两个边缘并且包括至少一个多条线的序列，其中线之间的间隔从光栅的一个边缘到另一个边缘逐渐改变，并且其中第一光栅将来自光源的光波（W1，W2）朝向第二光栅衍射，并且该光波被第二光栅进一步衍射作为给定方向上的输出光波。

Description

动态全三维显示

技术领域

本发明涉及新颖的动态显示源，并且特别地涉及实行不能通过目前可用的技术来实行的操作的显示器。

可以实现本发明以在大量成像应用以及非成像应用中获利，该成像应用诸如动态全三维显示器、紧凑且高效的微显示器、傅里叶变换无透镜显示器，该非成像应用诸如用于彩色连续显示器的背光照射。

背景技术

在快速扩张的消费者电子设备市场中最期望和寻求的设备之一是动态真实三维显示器，亦即，所需设备应为能够将具有全彩色、高分辨率和超常性能的动态三维显示投影到观看者的眼睛中的显示器。目前存在着众多实现立体显示的技术，它们同时向观看者的左眼和右眼提供不同的图像。其结果是，观看者具有在看着立体物体的错觉。这些技术包括头戴式显示器（HMD）、立体影片、基于偏振的显示器、日蚀方法、干涉滤光片技术以及其他技术。该族显示器的主要缺点在于仅将来自物体的两个视点投影到观看者的眼睛中，而且图像对头部或观看者眼睛的移动不敏感。此外，通常需要诸如一副特别专用的眼镜之类的另一外部附件来完全实现立体显示。

针对具有向观看者的眼睛投影完整以及动态三维图像的能力的显示器的奋斗已经得到若干不同的复杂光学解决方案，包括：体积的（volumetric）、全息且整体的显示器，其全部要么不是真正地动态的，要么替换地不能投影全三维显示。另外，这些技术通常仅针对比较小或中等的设备可以实现。其结果是，目前不存在能够在具有令人满意的性能的宽屏幕上提供真实动态以及全三维显示的现有技术。

皆以本申请人的名义的美国专利号7,460,302和8,811,823中所包括的教导通过引用并入本文中。

发明内容

本发明促进了除其他应用之外的用于动态全三维显示的新的显示器族的设计和制造。本发明即使针对大屏幕显示器也允许高性能和全彩色。由本发明提供的光学系统由于以下原因而特别地有利：其可以提供具有不能在现有技术实现方式中找到的独特特性的显示，但是其甚至可以容易地并入到利用可获得的制造技术的具有专门配置的光学系统中。

本发明的另一目标是要提供一种紧凑、高效且背照式的微显示器。在当今的微显示器市场中，设备是数字光处理（DLP）（其使任一前照式复杂化，诸如系统的硅基液晶（LCoS）和数字光光学设计），或者具有非常低的效率，诸如液晶显示器（LCD）。其他微显示源固有地受到较低可实现的最大亮度的影响。本发明使得能够实现一种具有简单的背照方法的微显示系统，其具有针对高效率以及实际地不受限的最大亮度的潜能。

本发明的另一目标是要提供相对便宜且简单的傅里叶变换显示器，亦即，一种其中在所投影的显示中的每个点由照准光波而不是来自单一像素的发散光波（如常规显示器中的情况那样）进行呈现的显示器。这种显示器对于其中要求照准图像的诸如HMD之类的光学系统而言特别有利。利用傅里叶变换显示器而不是常规显示器将避免对复杂且笨重的照准模块的需要。

本发明的仍另一目标是要提供一种用于彩色连续显示的新颖的照射方法，其中背光有效地照射红色、绿色和蓝色（RGB）子像素，而无需在该子像素的前面使用滤色片将系统的亮度减少至三分之一。

因此，本发明的广义目标是要缓解现有技术的紧凑光学显示设备的缺点并且根据具体需要提供具有经改进的性能的其他光学部件和系统。

因此，根据本发明提供了一种光学显示系统，其包括光源、控制单元和至少两个并置的双光栅元件的阵列，该元件中的每一个都包括彼此隔开恒定距离的第一光栅和第二光栅，该两个光栅中的每一个都具有至少两个边缘并且包括至少一个多条线的序列，其中该线之间的间隔从光栅的一个边缘到另一个边缘逐渐改变，并且其中第一光栅将来自该光源的光波朝向第二光栅衍射，并且该光波进一步被第二光栅衍射作为给定方向上的输出光波。

附图说明

参考以下说明性附图结合某些优选实施例来描述本发明，以使得可以更全面地理解本发明。

在详细地对附图做出具体参考的情况下，要强调的是，所示出的详情借助于示例，并且仅出于说明性地讨论本发明的优选实施例的目的，并且呈现该详情是为了提供被确信为是本发明的原理和概念方面最有用且容易理解的描述的内容。就这点而言，没有尝试以比基本理解本发明所必需的更详细的方式示出本发明的结构细节。结合附图考虑的描述要用作对本领域技术人员关于可以在实践中如何体现本发明的若干形式的指导。

在附图中：

图1A、1B和1C是图示了双光栅元件的布置的示图，其中这些光栅之一可以横向平移；

图2A、2B和2C是图示了双光栅元件的另一布置的示图，其中可以动态地外部地控制这些光栅之间的基板的折射率；

图3A和3B是根据本发明的图示了双光栅元件的又另一布置的示图，其中紧挨着这些光栅之一定位第三可旋转光栅；

图4是根据本发明的图示了双光栅元件的阵列的示图；

图5A和5B是根据本发明的图示了能够实行输出射束的二维扫描的双光栅元件的阵列的示图；

图6A和6B是根据本发明的图示了能够实行输出射束的二维扫描的具有旋转对称性的双光栅元件的又一布置的示图；

图7是根据本发明的示意性地图示了具有旋转对称性的双光栅元件的侧视图的示图；

图8A、8B和8C是根据本发明的图示了双光栅元件的布置的示图，该双光栅元件布置用于将输入光波分成具有三种不同颜色的三个横向位移的输出光波；

图9A和9B是根据本发明的图示了双光栅元件的示图，该双光栅元件照射（a）液晶显示器的像素和（b）硅基液晶的像素；

图10A、10B和10C是根据本发明的图示了照射硅基液晶的像素的双光栅元件的示图；

图11A和11B是根据本发明的图示了形成双态动态显示的双光栅元件的阵列的示图；

图12是示意性地图示了常规显示源的示图；

图13是根据本发明的示意性地图示了形成立体显示的双光栅元件的阵列的示图；

图14和15是根据本发明的图示了形成三维动态显示的双光栅元件的阵列的示图；

图16A和16B是图示了全息显示的（a）记录和（b）重建过程的现有技术示图；

图17是根据本发明的示意性地图示了形成全三维显示的双光栅元件的阵列的示图；

图18A和18B是根据本发明的示意性地图示了眼球跟踪单元的顶视图（18A）和正视图（18B）的示图，该眼球跟踪单元包括安装在显示模块的框架的中央顶部方位处的发射器和检测器；

图19是根据本发明的图示了形成多态动态显示的双光栅元件的阵列的示图，其中使所发射的光波偏移到观看者的眼睛中；

图20是根据本发明的图示了形成三维动态显示的双光栅元件的阵列的示图，其同时向不同观看者投影不同图像；以及

图21A和21B是根据本发明的示意性地图示了形成全三维显示的双光栅元件的阵列的示图，其中眼球跟踪单元位于显示器的框架上并且测量观看者眼睛的方位和注视方向。

具体实施方式

在消费者市场中以及在专业和军用市场中存在着目前正在利用中的许多类型的显示系统。通常，全部这些显示系统都由像素的二维阵列组成，其中每个像素发射一系列发散光波，其中通过被馈送到显示器的控制模块中的电子视频信号来确定每个发散光波的幅度和颜色。本发明的目标是要构思新的显示系统的族，其中来自每个像素的输出不是如在常规显示器中那样的发散波而是定向光波，其中视频信号不仅控制颜色和幅度，而且还控制输出光波的方向。也就是说，被馈送到显示器中的视频信号不仅包含有关每个像素在每个时间帧应当发射的颜色和幅度的信息，还包含从每个像素发射的光波的方向。因此，本文中图示了一种特殊机制，其还控制来自显示器中的每个像素的输出射束的方向。

本发明中的像素的主要构建块是双光栅元件（DGE），其包括位于距彼此恒定距离处的一对两个不同的光栅。这些光栅分别具有两种不同的预定义的线性调频脉冲光栅函数，亦即，存在光栅周期上的横向变化，以使得可以通过各种替换方法以电子方式控制被衍射到第二光栅中并且然后被衍射出DGE的照射第一光栅的光波的方向。在图1A中示出的一种方式基于分别具有光栅函数和的两个平行光栅G₁(x)和G₂ （在下文中，DGE的两个光栅G₁和G₂的横坐标将分别是和）。光栅之间的距离D是常数，并且撞击在第一光栅上的输入光波G₁(x)与光栅平面垂直。如在图1B中示出的，在一个光栅不平移的情况下，输出光波以与光栅平面垂直的方向从第二光栅G₂ 出现。然而，如在图1C中图示的，当G₁(x)以向右的方向平移δx时，来自G₁(x)的与第二光栅G₂ 相交的光线撞击在光栅函数比它们在平移之前撞击于其上的点更高的点上。其结果是，输出光波偏移角度，其中偏移比k=D(sin)/δx是常数。因此，G₁(x)的连续线性平移诱发了输出光波的连续的角度转向。满足下述要求的所需光栅函数和的详细计算可以在上文所引述的参考文献中找到，该要求为针对给定平移δx的偏移角将在整个DGE表面上都是常数。该方式的主要优点之一在于可以利用该DGE获得非常大的偏移系数，使得例如在几十微米的微小线性平移的情况下，可能显著地改变输出射束的方向。其结果是，可以利用小压电晶体来实现光栅的平移，并且不需要复杂的平移或旋转机制。

在图2A、2B和2C中图示了用于控制输出光波的方向的替换方法。如在图2A中示出的，分别在透光基板4的两个平行表面6和8上的透光基板上形成两个光栅G₁(x)和G₂ 。单色平面波W _i 通过第一光栅G₁(x)在基板内部耦合并且此后，通过第二光栅G₂ 耦出。可以通过外部手段动态地控制基板的折射率，该外部手段包括但不限于，向基板施加电场，或者通过利用强的短波长光源进行照射。如在图2B和2C中图示的，基板的折射率上的改变得出了输出光波的角度偏移，亦即，当折射率为ν₁时，输出光波W _o以相对于基板平面的角度 ₁ 从第二光栅G₂ 出现（图2B）。然而，当折射率变为ν₂（其中，ν₂<ν₁）时，由于基板的折射率上的减小，射线以更高的衍射角从第一光栅G₁(x)衍射到第二光栅G₂ 中（图2C）。其结果是，来自G₁(x)的与第二光栅G₂ 相交的光线现在撞击在光栅函数比它们在修改折射率之前撞击于其上的点更低的点上。结果，输出光波W _o偏移了角度△，亦即，输出光波以对基板平面的不同角度 ₂ = ₁ - △ 从光栅G₂ 出现（图2C），其中△ 是偏移角。因此，折射率上的连续改变诱发了输出光波的连续的角度转向。满足下述要求的所需光栅函数和的详细计算可以在上文引述的参考文献中找到，该要求为针对给定的折射率修改△ν的偏移角△ 将在整个DGE表面上都是常数。

图3中图示了一种用于使用DGE来实现输出射束的所需角度转向的替换方法，该方法没有在现有技术中进行描述。具有至少一个主轴的光栅G₀定位在第一光栅G₁(x)前面，其中如在图3A中图示的，在默认方位处，两个光栅彼此平行并且输入光波Wi以入射角-θ撞击在G₀上（在下文中，逆时针和顺时针的旋转角度将分别被指定为正角和负角）。从G₀衍射的图像光波的方向为：

， (1)

其中，是的x分量，光栅G₀的倒易光栅函数，上标0表示图像角与光栅G₀相关，并且λ是光波的波长。假设G₀的光栅函数为：

， (2)

亦即，G₀是具有沿x轴的恒定线周期的线性光栅。将公式(2)插入公式(1)中得出

。 (3)

即，图像光波与光栅平面垂直。现在假设光栅G₀绕着y轴逆时针旋转角度δ，传入光波相比于经旋转的光栅的重建角度为：

。 (4)

图像波的输出角度为：

。 (5)

对于小旋转角度δ而言，输出角度为

。 (6)

与光栅G₀的原始平面相比，输出角度为：

。 (7)

如在图3B中图示的，G₀的图像光波是对光栅G₁(x)的输入光波，即：

。 (8)

假设两个光栅G₁(x)和G₂ 还具有仅沿x轴的非零分量，那么

。 (9)

在下文中，光栅G₁和G₂的坐标分别被表示为(x,y,z)和(ξ,η,ζ)。如在图3B中图示的，作为将G₀旋转角度δ的结果，来自G₁(x)的图像射线沿G₂ 的x轴向左（即，在负方向上）“移动”距离

， (10)

其中，D是G₁(x)和G₂ 之间的垂直距离。因此，针对具有方向的零旋转的从光栅G₁(x)上的点x出现的射线在点ξ处撞击在光栅G₂ 上，而针对δ的旋转，射线具有方向从同一点x出现并且在点ξ-△ξ处撞击在光栅G₂上。对于小旋转角度δ而言，

。 (11)

并且

， (12)

其中。因此，

。 (13)

将公式(9)和(13)插入到公式(10)中得出

。 (14)

假设在将G₀旋转角度δ之后从光栅G₂ 衍射出的光波应当与光栅平面的法线偏移的角度，那么：

， (15)

其结果是，点ξ-△ξ处的光栅函数为：

， (16)

其中，-1阶是从光栅G₂衍射的。将公式(9)插入到公式(16)中得出

(17)

其中被定义为DGE的“角放大因数”。σ不取决于x或ξ，并且因此，σ在光栅的整个表面上都是常数。对于δ=0而言，对G₁(x)的输入光波和来自G₂ 的输出光波是与光栅平面垂直的平面波。如在图3A中图示的，对于δ=0而言，从G₁(x)上的点x到G₂ 上的点ξ追踪光线。因此，

。 (18)

将公式(17)和(18)进行组合得出：

。 (19)

将公式(19)除以公式(14)得出：

， (20)

其中，为常数。对于小δ而言，可以写出以下近似：

， (21)

将公式(18)插入到公式(20)中得出：

， (22)

该公式的解为：

， (23)

或者

。 (24)

其中使用针对的边界条件，该公式的解为：

。 (25)

如在图3A中图示的，对于δ = 0而言

。 (26)

将公式(23)插入到公式(26)中得出

。 (27)

该公式的解为

， (28)

其中常数c被定义为。

由于DGE的角放大因数σ在光栅的整个表面上为常数，因此对于光栅G₀的给定旋转δ而言，偏移角将针对整个DGE为常数。因此，光栅G₀的旋转角度上的连续改变诱发了来自光栅G₂ 的输出光波的连续的角度转向，其相对于来自光栅G₀的输出波的角度旋转而言被DGE显著放大。

重要的是要指出，在公式(25)和(28)中给出的解不是最准确的解析解，而是近似解，从而图示了用于图3A和3B中图示的实施例的找到简单且快速的解析解的能力。然而，对于大多数情况而言，该解是足够准确的并且使得能够简单实现一种显示系统，在该显示系统中针对每个像素，可以通过DGE来显著放大光栅G₀的小旋转。此外，图3A和3B的实施例不仅可以被用于像素化的显示源，而且还可以被用于其中可以使用旋转光栅和放大DGE来使单个光束转向的其他系统。

在该上下文中，在图1-3中图示了用于使用单个DGE来实现输出射束的所需角度转向的几个替换方式。然而清楚的是，需要多于单个元件以便实现一种显示器，该显示器的操作基于利用DGE来操纵光波的原理。

图4图示了两个不同DGE的阵列，这两个不同DGE邻近彼此坐落并且可以单独地进行控制。自然地，需要比两个多得多的像素来促成显示器，并且通常需要像素的二维阵列。图4（以及其后的各图）仅是关于可以如何利用两个不同DGE来形成作为整个显示器的部分能够发射两种不同光波的两个像素的图示。如示出的，并置两个不同DGE——DGE¹和DGE²。（在下文中，对于具有多个DGE的系统而言，上标将表示具体像素的序号）。两个DGE的结构完全相同，即，可以通过在像素的基板上施加两个不同电流来单独地控制分别位于两个DGE之间的两个基板的折射率。如在图4中看到的，针对这两个DGE设定两个不同的折射率 ，并且因此，从该DGE出现的两个图像光波被衍射到两个不同方向中， 。对于动态显示而言，可以连续地修改控制电流，并且因此可以相应地控制从像素出现的光波的输出方向。在该实施例中，图示了使用电子上可控制的折射率的方式，然而，可以利用诸如在图1和图3中图示的那些之类的其他方式或者使用DGE的任何其他方法。

在图1-4中图示的射束转向仅在x轴中实行。然而，可以通过针对每个像素来组合两个不同的平行DGE来容易地实现针对每个像素的二维偏移，由此每个DGE的扫描方向与另一DGE的扫描方向垂直。图5A和5B图示了其中两个像素邻近彼此进行定位的系统。每个像素由彼此垂直定向的两个DGE组成。对于每个像素而言，除了具有其中光栅函数仅取决于x轴的光栅的DGE 之外，具有其中光栅函数仅取决于y轴（y轴与x轴正交）的光栅的第二DGE 定位在DGE 的顶部。如在图5A中图示的，光波首先传过并且相应地绕着y轴旋转角度，该角度通过控制第一DGE 的折射率来设定。光波然后传过第二DGE ，其中绕着y轴的旋转不受该DGE影响。如在图5B中图示的，当光波传过第一DGE 时，绕着x轴的旋转不受影响。光波然后传过第二DGE 并且相应地绕着x轴旋转角度，该角度通过控制第二DGE 的折射率来设定。由于可以单独地控制属于同一像素的两个正交DGE的折射率，因此可以由控制系统来设定输出角度的精确二维偏移。

在图5A和5B中图示的系统中，单独地制造每个像素中的两个垂直邻近的光栅和。然而，存在着其中更简单地将这两个光栅组合在一起以形成具有光栅函数的统一光栅的系统，该统一光栅是这两个光栅的组合，该光栅函数亦即：

。 (29)

针对可以以其制造两个DGE像素的结构的方式，存在着一些相反的考虑。一方面，从简单的组装过程的视角来说，优选的是如上文所描述的那样统一该两个邻近光栅。另一方面，单独地制造诸如或之类的一维光栅比制造有时可能具有复杂的光栅函数的二维光栅 通常要简单得多。因此，可以根据每个系统的详细参数来确定针对每个系统的具体制造方法。

用于实现所需二维扫描的与在图5A和5B中所描述的不同的另一方式是要利用单个DGE而不是两个邻近的正交DGE，其中每个光栅具有取决于x坐标以及y坐标的二维光栅函数。该系统应当包含动态控制单元，其将能够设定绕着该两个轴线的偏移角。一种可能性是通过使用具有动态双折射材料的基板来修改在图2中图示的光学系统，在该基板中可以沿着两个正交轴线单独地控制折射率。另一方法是通过使用可以绕着x轴以及y轴旋转的光栅G₀来修改在图3中图示的系统。

在图6A和6B中图示了基于在图1中示出的光学系统的不同方法。第二光栅G₂(ξ,η,ζ)的倒易光栅函数被定义为：

， (30)

其中，(dξ ,dη ,dζ)分别是在沿着轴线的给定点(ξ,η,ζ)处的两个邻近光栅线之间的距离。由于光栅平面与轴垂直，因此该光栅函数可以被写作：

(31)

假设光栅G₂的光栅函数具有径向对称性，则其可以被写成G₂(ξ,η) = G₂(ρ)，其中是在给定点(ξ,η)与光栅的中心之间的径向距离，并且其中通过公式给出在给定点(ξ,η)处的两个邻近光栅线之间的径向距离。

选取具有下述形式的光栅函数的光栅G₂：

(32)

其中,是常数，减号表示利用了光栅G₂的-1阶，并且是径向单位向量。该光栅函数作为半径ρ的函数是线性单调增加的。在该情况下，光栅G₂的各种分量为：

(33)

通过下式给出根据光栅的衍射公式：

(34)

其中，和分别是图像光波和重建光波的向量。这些向量的分量可以被写作：

(35)

其中，λ是衍射光波的波长，k、l和m分别是光波向量沿ρ、ξ和η轴的分量（或方向余弦）。

如在图6A中图示的，在不失一般性的情况下，假设从光栅G₂衍射的图像光波是与光栅的平面垂直的平面波，也就是说：

(36)

其结果是，重建波的方向余弦应为：

(37)

如在图6B中图示的，光栅现在平移，其中。因此，与第一光栅G₁相比，第二光栅G₂的表面处的点(ξ,η)现在定位于点(ξ+△ξ，η+△η)在该平移之前被定位的相同位置处。其结果是，在平移之后，在第二光栅G₂的表面处的点(ξ,η)被具有下述方向余弦的读出射线照射：

(38)

将公式(33)和(38)插入到公式(34)中得出：

(39)

图像射线的方向对处于第二光栅G₂的表面处的点(ξ,η)是不变的，这意味着撞击在第二光栅的表面上的整个光波被衍射到同一方向，并且因此图像波是具有公式(39)的方向余弦的纯平面波。

为了计算第一光栅的所需光栅函数，可以追踪从第二光栅上的给定点ρ到第一光栅上的相应点r(ρ)的射线，其中两个光栅定位在默认的零方位处，即，其中△ρ=0。

如在图7中图示的，在ρ和r(ρ)之间沿径向轴线的横向距离由下式给出：

， (40)

其中，D是两个光栅之间的距离，并且被从r(ρ)追踪到ρ的射线的方向余弦为：

(41)

将公式(37)插入到公式(41)中得出

(42)

将公式(42)插入到公式(40)中得出

。 (43)

假设在不失一般性的情况下，照射第一光栅G₁的读出光波是与光栅的平面垂直的平面波，亦即，。

其结果是，第一光栅的光栅函数为：

， (44)

其中 是径向单位向量。因此，光栅的绝对值为：

， (45)

或者

， (46)

将公式(46)插入到公式(43)中得出

(47)

这是简单的单调增函数，并且因此，可以容易地找到反函数。该方向余弦必须满足下述条件：

。 (48)

因此，距光栅G₂的中心的最大径向距离为：

。 (49)

利用公式(39)得出：

(50)

其结果是，可以从在图6A、6B和图7中图示的双光栅组件获得的最大角偏移为

。 (51)

在图1-6中图示的全部系统中，假设显示器由具有单个波长λ的单色光波照射。然而，在几乎全部图示的显示系统中，显示器应具有投影全彩色图像的能力。一种用于实现彩色显示——尤其是针对其中图片元素尺寸比较大的应用——的方式是利用菲涅耳元件代替衍射光栅作为用于图片元素的基本元件，该菲涅耳元件针对图1-5的实施例是圆柱形的，并且针对图6A和6B的实施例是圆形元件。在该情况下，可能将菲涅耳元件设计成使得它们将遵守公式(1)-(51)，并且此外，它们对重建波长的敏感性将低得多，并且可以使用白光来照射它们。然而，对于衍射光栅而言，对重建波长的敏感性非常高，并且必须利用单色光来重建每个图片元素。因此，分别具有三种不同颜色的至少三个不同图像应当一起复用来创建所需彩色图像。存在两种主要方法来促成所需彩色复用。一种方法是时序彩色成像，其中彩色图像通过依序在单个图像帧中铺设红、绿和蓝（RGB）光的三种基本颜色来生成，其通常持续1/f秒，其中f为系统的频率，通常为50或60赫兹。这意味着周期时间帧被划分成三个相等的子周期，其中在每个子周期中，仅一种颜色正照射显示器。可能通过将DGE中的光栅中的每一个光栅制造为复用光栅来针对本发明利用该方法，该复用光栅由三个重叠光栅组成，每一个重叠光栅对三种基本颜色之一敏感而对其他两种颜色不敏感。使用该方式来照射DGE的主要问题在于通常难以实现针对多个光栅的高衍射效率。作为其结果，存在着在三个重叠光栅之间的光波发生“串扰”的风险（即，光波将被“错误的”光栅衍射），从而导致图像的彩色质量和对比度降级。

一种用于实现彩色显示的替换方法是利用滤色方式。显示器中的每个像素被划分成三个子像素，其中滤色过程将三种基本RGB颜色染料或颜料添加到每个子像素，以使得通过混合该三种基本颜色可以生成几乎任何颜色。该方法的主要缺陷在于显示器被白色光波、或者被分别具有不同的RGB颜色的三种不同光波的混合所照射。其结果是，全部子像素都被该三种不同光波照射，其中它们中仅具有恰当颜色的一个传过滤色片，而具有“错误”颜色的其他两个光波被吸收。因此，滤色显示器的透射效率被减少至至多三分之一。

图8A-8C图示了一种用于使用DGE的阵列来照射显示源以实现高效系统的替换方法。如在图8A中图示的，输入光波撞击在与光栅的平面垂直的DGE D _rgb 上，该输入光波是分别具有彩色RGB的三个平面光波、和的混合物。具有横向尺寸a _x 的第一光栅C _rgb1 (x)是三个不同光栅C _r1 (x)、C _g1 (x)和C _b1 (x)的复用光栅，它们中的每一个都分别对RGB颜色敏感而对其他两种颜色不敏感。第二光栅由三个邻近的分离光栅C _r2 (ξ)、C _g2 (ξ)和C _b2 (ξ)组成，每个光栅都具有a _x /3的横向尺寸，其分别对RGB颜色敏感。RGB光波（分别为点线、虚线和实线）被从第一光栅衍射到第二光栅，并且从第二光栅出现的输出光波也是与光栅的平面垂直的平面波，因此

，c=r,g,b (52)

其中，从G₁上的点x到G₂上的点ξ追踪每个光线。因此，

。 (53)

第二光栅C _rgb2 (ξ)的三个子光栅中的每一个可以对其相应的颜色是非常高效的。实际上，由于第一光栅C _rgb1 (x)是三个不同光栅的复用，因此其不可能是100%高效的。然而，可以通过分别在三个光栅C _r2 (ξ)、C _g2 (ξ)和C _b2 (ξ)的前面放置具有子滤光片F ^r 、F ^g 和F ^b 的滤色片来避免三个光栅之间的“串扰”。由于子光栅中的每一个现在被大多具有“正确”颜色的光波照射，并且仅有其很小的百分比来自“错误的”颜色，因此由于滤光片所导致的能量损失将是最小限度的，而将在实际上阻止了“串扰”。

如在图8B中图示的，可以利用来自D _rgb 的三色分离输出光波来照射三个子像素，每个子像素具有其相应的DGE D ^c （上标c=r,g,b表示相应DGE的颜色）。通过控制分别位于三个DGE内部的基板的折射率ν ^c 来设定来自子像素的三个输出光波的方向。如在上文关于图5A和5B所讨论的，此处也是，可以单独地制造每个子像素中的垂直地邻近的光栅C _c2 (ξ)和。然而，存在下述系统，在该系统中将这两个光栅一起组合到具有光栅函数的统一光栅中是更容易的，该统一光栅是这两个光栅的组合。如先前所陈述的，可以根据每个系统的详细参数来确定针对每个系统的具体制造方法。

如在图8A和8B中示出的，在D _rgb 的两个光栅之间存在移位，其中D是光栅之间的垂直距离，并且是连接了点x=0与ξ=0的蓝色射线的方向。然而，两个光栅的总体横向孔径等于a _x 。

图8C图示了利用两个分别邻接的DGE来照射的两个邻近的滤色像素。如先前那样，通过控制每个子像素的DGE内部的相应折射率来设定来自六个子像素的输出光波（i=1, 2；c=r,g,b）。对于大数量n个像素而言，显示器的总体孔径将是，并且第一光栅的平面与第二光栅的平面之间的移位将是可忽略的。其结果是，显示器的占空因数基本上是1。

在图8B和8C中图示的系统中，利用基于DGE的RGB照射模块来背向照射显示器，其中根据在图2中图示的方法来设计像素。最终，该照射方法还可以被用于其中分别根据图1、3和图6中所图示的替换方法来设计像素的显示器。此外，该照射方法还可以不仅被用于其中像素由DGE组成的显示器，而且还可以用于其他常规显示器。

图9A图示了一种方法，其中利用基于DGE的模块来背向照射液晶显示器（LCD），其中通常背光模块应被添加到显示器的背侧。如示出的，照射元件D _rgb 位于单个像素20的背面处，该单个像素20分别被划分成三个子像素22、24和26，并且分别被指定用于蓝色、绿色和红色。以与关于图8A所描述的类似的方式来实行根据输入光波拆分成三种基本颜色、和。由通常为LCD的一部分的漫射器28将输出光波、和从子像素发散。通常，不会如在图8A中利用的那样由三个单色光波的组合来照射LCD，而是由具有三个色带的组合的光或者甚至通过白色光波来照射LCD。其结果是，D _rgb 光栅的效率将不是最优的，并且总输出效率将降级，即使可以由基于DGE的照射模块实现的效率可以显著高于可以利用现有照射模块实现的33%的最大值。

图9B图示了一种其中利用基于DGE的模块来前向照射硅基液晶（LCOS）显示器的方法。类似于LCD面板，LCOS面板包含利用响应于不同电压进行扭曲和对齐的液晶来填充的单元的二维阵列。在LCOS的情况下，液晶元件直接移植到反射硅芯片上。根据遵循下面的镜面化表面的反射进行扭曲的液晶，光的偏振改变或不改变，从而分别产生亮或暗的像素。如所图示的，被划分成三个子像素32、34和36的像素30的前表面被输入光波以与如在图9A中示出的LCD的背面的照射方案类似的方式照射。主要区别在于，在该情况下，输出光波、和不传过像素，而是从像素的前表面在与它们的原始方向相反的方向上往回反射。

在设计利用DGE的LCOS的前向照射时应当虑及的一个问题是第二光栅C _c2 (ξ)的衍射效率。虽然被DGE的光栅衍射到LCD的照射模块中的光波的偏振保持相同，但是从LCOS的“亮”像素反射的光波的偏振旋转了90°。其结果是，应当虑及传过该光栅的两个正交偏振的效率。存在针对有效地使用图9B中图示的方案的两种可能的替换方案，亦即，光栅应当要么非常高效，要么替换地对正交偏振完全低效率。

图10A图示了其中光栅对于两个正交偏振而言非常高效的系统。如示出的，来自两个邻近像素40和42的反射波被往回衍射，并且返回到它们进入系统的原始位置，基本上与光栅平面垂直，其中来自两个像素40和42的两个输出光波和彼此分离。

图10B图示了不同场景，在该场景中光栅仅针对传入偏振高度地高效，而针对正交反射偏振的效率是可忽略的。在此情况下，来自两个像素40和42的反射输出光波和在没有任何显著衍射的情况下传过各种光栅。输出光波的定位现在相对于原始进入位置发生移位，但是两个光波保持横向分离。应指出的是，在该构造中，从“暗”像素反射的光波保留其原始偏振，并且因此将再次被光栅衍射，如在图10B中示出的。然而，这些具有“不期望”偏振的光波将最终被照射模块的出口表面处的偏振片阻挡，并且因此它们的精确位置并不重要。

然而，对于其中光栅对反射光波的偏振是部分地敏感的系统而言，情况变得不合期望。如在图10C中图示的，从像素42反射的光波的一部分再次被光栅衍射，其中从像素40反射的另一输出光波的一部分传过光栅。两个反射输出光波现在至少部分地重叠，并且其结果是图像的对比度将严重恶化。

在图1-9中图示的用于提供显示系统的方法可用来使得能够实现可以通过利用现有技术来促成的众多类型的显示器，在该显示系统中不仅可以控制来自每个像素的发射光波的强度，而且还可以控制射束的方向。

图11A图示了基于DGE的显示器的最简单的实施方式。代替输出光波光的连续扫描，每个像素仅具有两个状态。如在附图中示出的，像素P ₁ 处于“关断”状态，其中被控制的折射率被设定成ν _d ，并且使输出光波偏移角度P ₂ 。偏移光波然后被挡板44挡住，并且因此防止其传播到系统的出射光瞳。像素P ₂ 被设定成“接通”状态，其中折射率ν _b 使得输出光波垂直于像素平面发射，并且因此使挡板44失灵（abort）以及在没有中断的情况下继续进行到系统的出射光瞳45。可以分别针对每个帧和像素通过控制接通时间-关断时间比来确定像素的灰度。在图11A中图示的挡板仅仅是在关断时间期间如何阻挡偏移光的示例。其他方法是可能的，包括将光学系统设计成使得偏移光波将错过系统的输出孔径，或者替换地，将挡板放置在另一位置中。不期望的光波被转移到的位置通常叫做热沉或光转储器（lightdump）。

在图11A中图示的输出光波是平面波。然而，在大多数显示器中，要求所发射的光波填满输出孔径（或者针对平面屏幕的所需观看角度），并且因此，如在图11B中图示的，输出光波应发散到预定义的立体角△θ中。光波的发散通过系统的基本光学参数中的一些参数来部分地实现，该参数诸如输入光波的预散度、准单色光源的色带宽以及来自像素的有限大小的衍射。光束的精确所需散度可以通过在像素的出口表面处或者替换地在输入表面处添加角度选择性漫射器46来获得。在任何情况下，在显示器的光学设计期间都应注意的是，处于“关断”状态的整个发散光波将去往热沉，并且不经过系统的输出孔径。

在图11A和11B中图示的显示器的双态操作原理类似于数字光处理（DLP）的原理，在DLP中，每个像素由可以被快速重新定位以将光反射通过系统的输出孔径或者反射到热沉上的极小反射镜组成。本发明优于DLP的主要优点在于该主要原理基于光穿过显示器的透射，如与其中光从显示器反射的DLP相反的。其结果是，此处的光学设计将会简单得多，并且总体的体积可以比DLP的小得多。

为了理解新显示技术的潜能，在该新显示技术中针对每个像素不仅控制所发射的光波的强度而且还控制所发射波的方向，重要的是理解显示器的原理。图12图示了现有技术的常规平面显示器50，其中针对任何给定的帧时间，每个像素发射具有 _FOV 的扩展角的发散光波。该角度通常表示显示器的实际视场（FOV），并且对于高质量平面屏幕而言，其可以高达2π球面立体角。操作原理的主要成果在于针对任何给定的时间帧，每个像素向全部方向发射相同信息。其结果是，来自像素52的相同光撞击在观看者的双眼54上（忽略小的强度变化）。因此，观看者从任何相关观察点都能看到相同的图像，并且该图像被认为是二维的。

在图13中图示了其中可以利用基于DGE的像素来控制从每个像素发射的光的方向的完全不同的显示原理。如示出的，在同一时间帧中的两个不同的时间t ₁ 和t ₂ 期间，亦即，针对满足条件的t ₁ 和t ₂ ，其中T _f 是显示器的帧时间的持续时间，从显示器56发射两个不同的输出光波和。实际上，在两个不同时机发射该两个光波，然而，由于它们被包括在同一帧时间内，因此它们将实际上同时显现于观看者的眼睛。针对这点的原因是视觉暂留，其中多个离散的图像在人脑中融合到单个图像中。其结果是，源自两个图像和的两个不同射线59a和59b在同一帧时间期间从像素58发射并且分别撞击在观看者的眼睛60a和60b上。因此，观看者可以看到来自两个观察点的两个不同图像，并且可以将该图像设想为立体图像。

具有远多于两个不同观察点的三维图像实际上可以通过DGE扫描技术获得。在第一阶段处，考虑仅在水平轴x上具有三维效果的显示系统。假设对于来自显示器的任何发射图像而言，必要的是在任何给定的时间帧处都应包括在沿着x轴的n个观察点v _j （j=1..n）中的n个不同子图像。为了实现这点，应在时间帧期间沿着x轴扫描来自每个像素的发射图像波以覆盖整个FOV的立体角，亦即，对每个所需观察点v _j （假设它们均匀地位于FOV上）,指定观看角度 _j ，由此经扫描的波在时间t _j 处偏移。

图14图示了其中两个光栅之间的折射率ν(t)作为时间的函数进行修改的像素。如示出的，在同一时间帧中的两个不同时间t ₁ 和t ₂ 处，图像波分别偏移至两个不同角度 ₁ 和 ₂ 。对于每个观察点而言，△τ=T _f /n的最大时隙v _j 是专用的，由此输出光波偏移至该具体观察点。一种用于控制每个观察点处的输出光波的强度的可能方法是通过在外部光栅G₂(ξ)的前面放置常规LCD。然而，在现有LCD技术中可实现的最低响应率的情况下，仅可以实现非常小数量的不同观察点。因此，优选的是使用通过控制输出光波的角扫描速度的替换方法，亦即，对于在任何给定时间帧处的每个观察点v _j 和每个像素而言，实际的时间槽△τ _j 是专用的，其中。通过时间△τ _j 来确定光波的灰度，其中对于全黑像素而言，并且对于全亮像素而言。仅对于在整个FOV上的亮像素而言是条件满足的。对于大多数情况，并且因此对于满足的任何时间t而言，输出光波偏移到热沉中。

如在示出了两个连贯的输出光波（实线）和（虚线）的图15中图示的，为了经扫描的波在图像中没有间隙的情况下覆盖整个FOV，波的角散度应为△ = _FOV /n。在实践中，通过连续扫描而不是通过离散数量的偏移来偏移输出光波将简单得多，并且因此，输出光波的灰度将由角扫描速度来确定。具体像素将向给定方向 _j 发射输出光波的时间t _j 取决于在该时间之前的角扫描的实际速度和先前角度的亮度。更确切地说，

。 (54)

其结果是，由于扫描角速度取决于具体像素 的总体亮度，因此其针对每个像素是不同的，并且因而，来自各种像素的光波将在不同时间下到达观察点v _j 中。然而，全部这些时间都被包含在同一时间帧中，亦即，对于显示器中的全部像素而言。因此，由于视觉暂留，来自全部像素的光波将整合到观看者的眼睛中，从而产生单个图像。

一个要虑及的重要问题是被投影图像的照度L _v （即，每单位投影源面积每单位立体角每单位时间的发射能量）。表面上来看，由于发射来自亮点的输出光波仅持续时间，该时间是常规显示器的发射时间的n分之一，并且这两个时间都小于眼睛的整合时间，因此对观看者眼睛的亮度将相应地为相同的n分之一。该亮度降低可以通过所发射光波的更低角散度来补偿。如上文所解释的，在图14和15中图示的显示器中的输出光波的角色散是△ = _FOV /n，而对于常规显示器而言其是 _FOV ，亦即，

， (55)

其中，上标dge和con分别表示基于DGE的显示器和常规显示器的参数。假设对于该两种显示器而言光波的发光度M _v （即，每单位投影源面积每单位时间的发射能量）相同，因此

。 (56)

组合公式(55)和(56)得出：

。 (57)

这意味着，基于DGE的显示器的瞬时照度是补偿了前种显示器的较短时间照射的常规显示器的瞬时照度的n倍。如上文所描述的，通过系统的基本光学参数来实现输出光波 _p 的所需散度的部分。如先前所陈述的，可以通过在像素的出口表面处或者替换地在输入表面处添加角度选择性漫射器62（图15）来获得光束的精确所需散度，此处的主要差异在于沿着x轴和y轴需要不同散度。虽然x轴上的所需散度为△ ，但是对于y轴而言，射束应覆盖整个FOV，并且所需发散角为 _FOV 。为了实现该要求，可以使用非对称角度选择性漫射器，其中沿着x轴的扩散角比沿着y轴的扩散角窄得多。假设沿着x轴的FOV_x与沿着y轴的FOV_y不同，则得出以下所需漫射器的角度：

。 (58)

至今为止，已经假设仅沿着x轴需要三维效果，但是在实际中时，取决于系统的扫描能力，可能也沿着y轴实现该效果。假设代替观看角 _j 上的单个观察点v _j ，要求一竖排的m个不同观察点，亦即，图像由总共n*m数量的不同观察点v _ji 组成，每个观察点具有两个正交的观看角( _xj ， _yi )。可以使用上文关于图5和图6所描述的方法来实行二维扫描。系统的各参数现在将为：

。 (59)

针对在任何帧时间处的每个像素和每个观看角v _ji ，实际时隙△τ _ji 根据所需亮度是专用的。假设通过逐一覆盖水平行来实行扫描，则针对每个观察点v _ji 的发射时间t _ji 为：

， (60)

并且角扫描速度为。在图13-15中图示的在实施例中产生的图像是利用单色光波产生的单色图像，然而，可以利用如在上文中关于图8-10所描述的彩色顺序或替换地滤色片像素来容易地实现全彩色图像。

图13-15图示了其中显示器针对任何给定的帧都将离散数量的n个不同图像发射到以一维或二维阵列布置的n个不同观察点中的系统。然而，将有利的是利用在本发明中所描述的基于DGE的显示器的技术来获得全连续三维显示，如在全息显示器中的情况那样。现有技术的图16A和16B中分别图示了全息显示的记录和读出原理。如在图16A中示出的，在全息板63上产生两个相干光波——物波和参考波——的干涉图案。通常，物波是从扩散物体散射的，而参考波是可以容易地重建的简单平面波，其中该两个干涉的波必须在同一相干源（通常是激光束）处发源。如图示的，参考射线64在全息板63上的点65处分别与从物体75上的三个点70、72和74发射的三个不同射线66、67和68进行干涉，亦即，在点65上产生多个干涉图案。事实上，干涉图案包含远多于三个不同图案，这是由于物体本质上发射射线的连续光谱；此处为了简单性仅绘制三个射线。在点78上产生类似的多个干涉图案，其中参考射线76分别与从相同的三个点70、72和74发射的三个不同射线80、82和84进行干涉。作为在物体的各种射线与参考波之间的干涉的结果，产生了类似的干涉图案。干涉图案通常被记录在非常高分辨率的感光乳胶上，其在显影过程之后被转换成复杂的衍射光栅。

在图16B中图示了全息显示的重建过程。类似于参考波的重建波照射已显影的全息板63。从点65处的干涉图案衍射源自与图16A的参考射线64相同方向的重建射线86，以产生三个图像射线66’’、67’’和68’’，该三个图像射线66’’、67’’和68’’以射线66、67和68（图16A）在记录过程期间撞击在该板上的相同方向从该板发射。其结果是，作为从物体75上的点70、72和74发射的射线66’、67’和68’，观看者的眼睛90看到这些射线。类似地，从在点78处的干涉图案衍射源自与参考射线76（图16A）相同方向的重建射线89，以产生三个图像射线80’’、82’’和86’’，并且作为从点70、72和74发射的射线80’、82’和86’，观看者的眼睛91看到这些射线。射线66’、67’和68’以及射线80’、82’和86’不是真实的，而是虚拟射线，并且因此，在原始物体75的位置处产生了虚拟图像75’。在全息板63的全部其他点处发生重建光波的类似衍射，并且观看者看到虚拟三维图像，如同其从位于全息板的方位处的“窗口”显现的那样。

以感光方式记录的全息显示的主要缺点在于其仅可以投影静态图像。为了促成动态全息显示，需要动态空间光调制器（SLM），该SLM可以实时地产生所需的复杂衍射图案，该复杂的衍射图案将能够将简单的重建光波衍射成期望的动态三维图像。然而，即使利用最先进的当前现有投影技术，最高可实现的分辨率仍然比针对动态显示所需的分辨率低一个数量级，该针对动态显示所需的分辨率应当是亚波长，即每毫米几千线对。

在图17中图示了一种用于通过利用根据本发明的基于DGE的像素来实现动态三维显示的替换方式。代替使用动态光栅，利用产生了基于DGE的显示93的固定光栅的阵列，其中通过以下述方式在每个像素处扫描输出光波来产生动态图像，该方式为模仿来自动态光栅的重建光波的衍射。如图示的，通过与在上文中关于图14-15所描述的方法类似的方法在各种方向上在给定的时间帧处扫描照射像素97的输入射线95。主要区别在于现在连续地扫描输出光波以产生所需虚拟图像的图案，如在像素97的位置处看到的那样。如进一步示出的，从像素97发射三个不同输出射线100、101和102，并且观看者的眼睛90作为从虚拟图像75’上的点70、72和74发射的射线100’、101’和102’看到这些射线。类似地，在像素98处扫描输入射线96，以产生三个图像射线105’’、106’’和107’’，并且观看者的眼睛91作为从点70、72和74发射的射线80’、82’和86’看到这些射线。应指出的是，此处产生虚拟图像75’的射线不像在全息显示中的情况那样同时发射，而是依序发射。其结果是，要求非常快速的扫描来产生详细图像。自然地，通过系统的可实现的扫描速度来确定所投影的虚拟图像的分辨率。上文的描述仅应用于单个时间帧，其中形成单个三维虚拟图像。显然，可以在任何时间帧上产生不同图像，并且因此，显示器可以形成将被投影到观看者的眼睛中的动态虚拟图像。可以如在上文中关于图8-10所描述的那样利用彩色顺序或替换地滤色片像素来容易地构建全彩色图像。

可以使用本文中所描述的技术来提供的另一吸引人的应用是傅里叶变换显示器的应用。在几乎全部现有显示源中，像平面与显示平面相一致，亦即，从显示器发射的光波产生了位于显示平面上的图像，并且该图像的每个点由位于显示器上的具体位置处的单个像素表示。然而，存在诸如双目镜、抬头显示器（HUD）和HMD之类的许多应用，其中所需图像应被照准至无限远。在这些系统中，图像的每个点由从具体观看角撞击在观看者的眼睛上的单个平面波表示。通常，为了实现所需照准图像，利用光学模块将来自常规显示源的图像照准至无限远。换言之，照准光学模块实行显示的实像的傅里叶变换，并且将来自单个像素的每个发散光波变换成从具体方向到达的平面波。对于大多数应用而言，尤其是对于其中要求宽FOV或高性能的那些应用而言，照准光学模块变得较大、较重、笨重且昂贵，使所需系统的制造显著地复杂化。该缺点对于诸如HMD之类的其中紧凑度和轻重量是决定性参数的光学系统而言特别严重。这些系统的另一缺点在于即使是对于高端应用而言，照准模块也通常将不期望的相差强加到照准波中，这使图像的光学质量降级。

为了克服这些缺点，将优选的是具有一种显示源，其发射平面波的集合而不是从目前显示器发射的发散光波。一种用于实现该目标的方式是利用高分辨率SLM，其中根据所需图像的傅里叶变换对从显示平面发射的光波进行调制。如果SLM自身的透明度将作为实际图像的傅里叶变换进行调制，并且通过利用简单平面波来照射SLM平面以使得将相应地调制输出光波的话，则可以实现这一点。关于该方式的主要问题在于实现所需调制，由其是针对具有宽FOV的图像而言，需要每毫米几千线对量级的非常高的分辨率。如上文关于全息显示器所解释的，此类高分辨率SLM目前并不存在，并且可能在可预见的未来也将不存在。

一种用于实现所需傅里叶变换显示器的可能方法是使用在上文中关于实现动态类全息三维显示所描述的相同方法。SLM平面的所需调制可以被描述为在照射平面波与被照准至无限远的所需图像的简单参考之间的干涉图案。当根据该干涉图案调制的SLM被与参考波类似的读出波照射时，衍射的输出光波将是所需照准图像。因此，关于图17图示的相同技术在此被用来“模仿”所需空间调制的显示，亦即，显示器中的每个像素将在任何给定的帧速率期间发射光波的集合，类似于当被适当的读出波照射时应当从SLM平面衍射的那些。最终，成果将是相同的，并且输出光波将是实际图像的所需傅里叶变换。

在图11-17中图示的全部实施例中，假设观看者的位置是未知的，并且从显示器发射的图像应覆盖整个指定的FOV，其中观看者的眼睛可以定位于该FOV内部的任何位置。然而，可能通过将眼球跟踪单元添加到光学系统来进一步改善所投影的图像的性能和亮度以及显著地简化显示器的操作。眼球跟踪是测量眼睛相对于显示器的运动、注视点或位置的过程，亦即，眼球跟踪器是用于测量眼睛方位和眼睛移动的设备。用于操作该设备的最流行方法是通过利用用于测量眼睛运动的光学方法。来自发射器的光（通常是红外线）从眼睛反射并且被摄影机或一些其他特殊设计的光学传感器感测。然后分析该信息以根据反射上的改变来提取眼睛的旋转和平移。基于视频的眼睛跟踪器通常将角膜反射和光瞳的中心用作用以随时间进行跟踪的特征。

根据本发明，将有利的是，物理地组合两个光学单元，亦即，动态控制的立体显示器和眼球跟踪单元。通过识别观看者的眼睛的方位和注视点，可以在每个时间帧处针对每个像素设定控制单元，以使得可以根据由眼球跟踪单元所接收到的数据来调节像素应发射光波的优选方向及图像的情境。显示器可以针对观看者的双眼投影不同图像，以利用动态控制的像素促成立体图像。此外，显示器可以同时向不同用户投影完全不同的图像。

通常，根据对称性考虑，将优选的是将眼球跟踪单元安装在显示模块的中央顶部方位处。图18A-18B图示了安装在显示模块111的框架的中央顶部方位处的包括发射器109和检测器110的眼球跟踪单元108的顶视图（图18A）和正视图（图18B）。如示出的，光线112a和112b从发射器109出现以分别照射观看者的眼睛114a和114b。分别从观看者的眼睛反射的光线116a和116b聚焦到检测器110中。将在检测器110中收集的数据传输到处理单元118，其动态地计算眼睛的方位以及注视点，并且相应地确定每个像素应发射光波的方向以及图像的情境。将经处理的数据传递到控制单元120中，该控制单元120向显示器馈送经处理的视频信号。该附加能力可以增强在图11-17中图示的实施例的性能。

图19图示了上文在图11A-11B中图示的系统的升级版本。如关于之后的各图图示的，基于DGE的像素的扫描能力在那里退化成仅双态操作模式。然而，在图19中图示的修改系统中，完整的扫描能力已经再生。除了其中被控制的折射率被设定成ν _d 的“关断”状态之外，每个像素现在还可以在其中折射率ν _b 使输出光波偏移角度 _b 的状态的连续区中使输出光波偏移角度 _d ，并且将光波引导至热沉。由控制单元根据观看者的眼睛的方位来设定每个像素的偏移角。由漫射器46设定的每个像素的发散角△θ’现在可以显著小于在图11B中图示的系统的发散角，在该系统中光波应覆盖整个FOV。其结果是，可以实现高得多的亮度或者替换地低得多的功率消耗。存在一些其中可以实现图19的修改实施例的替换方案。在一个选项中，每个像素被引导至观看者的头部并且应覆盖双眼。其结果是，常规的二维图像投影到观看者的眼睛中，但是操作模式非常简单并且在可实现的亮度方面的改进保持显著。在该选项中，几个不同的常规二维图像可以同时投影至不同用户的眼睛。在不同的选项中，在每个时间帧中，像素将光波依序投影到观看者的双眼中。每个时间帧针对每个像素被划分成三个时隙：两个用于眼睛并且第三个用于热沉，其中根据被投影光波的亮度来确定每个时隙的持续时间。该版本中的投影图像可以是立体的，并且由于甚至更加降低了所需光波散度，因此可以相应地进一步改善可实现的亮度。在修改版本中，像素阵列被分为成对的像素，其中在每个对中，两个像素分别将光波投影到双眼中，亦即，每个单个像素朝向单个眼睛发射光波。如在图19中示出的，DGE、DEG₁和DEG₂的被控制的折射率被设定成ν _d1 和ν _d2 ，其分别使输出光波朝向观看者的左眼和右眼偏移 _d1 和 _d2 。尽管针对每个眼睛的分辨率与先前选项相比降低至一半，但是此处控制图像要简单得多。

图20图示了在图14和15中图示的实施例的修改版本，其中系统被指定用于多观看者操作。假设k个不同观看者正同时观看显示器，那么代替针对每个帧时间在n*m个时隙中投影n*m个不同图像以覆盖整个FOV，每个像素向2k个方向发射2k个不同图像以便于覆盖k个观看者的2k个不同EMB。由于即使是对于大数量的k个观看者而言，全部EMB的总面积也仅为整个FOV的一小部分，因此发散角△’可以显著小于针对图15的系统所需的发散角，并且可以相应地改善亮度以及功率消耗。最重要的是，由于每个像素可以连续地跟随眼睛的移动，因此图像现在可以在具有更高分辨率以及更简单的控制机制的情况下是更连续的。

图21A和21B图示了在图17中图示的全息显示的修改版本。如在图21A中示出的，眼球跟踪单元108位于显示器93的框架上，并且测量眼睛114a和114b的方位以及注视方向。相应地，如在图21B中图示的，每个像素应连续地扫描输出光波以产生到覆盖了观看者的眼睛的立体角中的所需虚拟图像的图案，该立体角比在图17的实施例中所需的立体角小几个数量级。其结果是，此处的扫描系统的可行性要现实得多，并且现在其可以容易地实现。此外，由于每只眼睛的注视方向是已知的，因此仅眼睛看着的像素应发射高分辨率图像，其中位于更远离注视点的像素可以发射具有更低分辨率的图像，这甚至进一步简化了扫描系统。

在图18-21中图示的实施例与在图11-17中图示的那些实施例相比具有一些突出优点。除了显著更高的可实现亮度（或者相反地，更低功率消耗）、简单得多的控制机制和更好的可行性之外，当将动态控制的显示器与眼球跟踪单元组合时还存在许多可以实现的应用。考虑单个观看者模式，场景的不同方面可以根据观看者的眼睛的位置以及注视点投影到观看者的眼睛。此外，可以相应地投影完全不同的场景或不同情境。另外，观看者可以通过眨眼睛或仅移动来操作显示器。此外，系统可以被编程成根据观看者的眼睛的情况来改变操作模式，例如，当观看者转动他的头部或者开始小睡持续多于预设时间段时暂停图像投影，并且在他把他的注视转回来时重新开始投影。至于多观看者模式，可以根据用户的具体方位或偏好为不同用户同时投影同一场景的不同方面（例如，同一体育赛事或同一表演的不同方面）。此外，系统可以在上文提到的条件之一中为一个用户暂停投影，而继续向其他用户投影图像。此外，可以同时投影针对不同的用户完全不同的场景，例如，几个观看者可以坐在一起而每一个人观看他自己偏好的电影或TV节目，或者几个玩家可以玩同一视频游戏，而系统为每个玩家投影其相应的情境。自然地，针对最后提到的应用，每个观看者应当使用他自己的耳机，以便听到适当的音频信号。

除了上文所描述的娱乐应用之外，图18-21的实施例还可以被用于其中要求向观看者的眼睛连续地投影更新数据的专业应用。例如，在外科室中，有将向医务人员投影重要数据的大屏幕。然而，医务人员中的不同成员（即外科医生、护士和麻醉医师）通常需要不同种类的数据。通过利用上文的实施例，可能的是，根据外科室中的各种人的不同需要从同一屏幕向他们同时投影不同数据。另一示例是控制室，其中巨大的屏幕不断地投影经更新的情况报告。然而，不同参与者可能需要在任何给定时间下看到不同场景或者给定场景的不同方面。此处再次地，可以根据相应参与者的需要向他们同时投影不同场景。

对本领域技术人员将显而易见的是，本发明不限于前文图示的实施例的细节，并且在不脱离其精神或必要属性的情况下，可以以其他具体形式体现本发明。因此，本实施例应在全部方面被视为是说明性的而不是约束性的，本发明的范围由所附权利要求而不是由前文的描述来指示，并且因此，落入权利要求的等价方式的意义和范围内的全部改变都意图被涵盖其中。

Claims (66)

1.一种光学显示系统，包括：

光源；

控制单元，以及

至少两个并置的双光栅元件的阵列，所述元件中的每一个都包括彼此隔开恒定距离的第一光栅和第二光栅，两个光栅中的每一个都具有至少两个边缘并且包括至少一个多条线的序列，其中所述线之间的间隔从光栅的一个边缘到另一个边缘逐渐改变，并且其中第一光栅将来自所述光源的光波朝向第二光栅衍射，并且所述光波进一步被第二光栅衍射作为给定方向上的输出光波。

2.根据权利要求1所述的光学显示系统，其中，针对所述元件中的每一个，通过所述控制单元单独地、动态地且外部地控制来自所述第二光栅的输出光波的方向。

3.根据权利要求2所述的光学显示系统，其中所述元件进一步包括光透射基板，其具有位于第一和第二光栅之间的至少两个主表面。

4.根据权利要求3所述的光学显示系统，其中所述第一和第二光栅位于所述基板表面中的至少一个上。

5.根据权利要求3所述的光学显示系统，其中外部地控制所述光透射基板的折射率。

6.根据权利要求5所述的光学显示系统，其中通过改变所述基板的折射率来控制来自所述第二光栅的输出光波的方向。

7.根据权利要求2所述的光学显示系统，其中针对每个元件，所述两个光栅中的至少一个是横向可位移的。

8.根据权利要求7所述的光学显示系统，其中通过相对于所述光栅之一关于另一个的横向位移来控制来自所述第二光栅的输出光波的方向。

9.根据权利要求2所述的光学显示系统，其中所述元件进一步包括具有至少一个主轴的第三光栅。

10.根据权利要求9所述的光学显示系统，其中所述第三光栅被定位在所述第一光栅的前面。

11.根据权利要求9所述的光学显示系统，其中所述第三光栅绕着主轴是可旋转的。

12.根据权利要求11所述的光学显示系统，其中通过所述第三光栅的旋转来控制来自所述第二光栅的输出射束的方向。

13.根据权利要求2所述的光学显示系统，其中沿着第一轴线偏移所述输出光波的方向。

14.根据权利要求2所述的光学显示系统，其中，所述元件中的每一个进一步包括附加的第三和第四光栅，其各自具有位于距彼此恒定距离处的至少两个边缘，两个附加光栅中的每一个都包括至少一个多条线的序列，其中所述线之间的间隔从光栅的一个边缘到另一个边缘逐渐改变，并且其中第三光栅将来自所述第二光栅的输出光波衍射到第四光栅中，并且所述光波被所述第四光栅衍射作为给定方向上的来自所述元件的输出光波。

15.根据权利要求14所述的光学显示系统，其中针对每个元件，通过所述控制单元单独地、动态地且外部地控制来自所述第四光栅的输出光波的方向。

16.根据权利要求15所述的光学显示系统，其中沿着第二轴线偏移来自所述第四光栅的输出光波的方向。

17.根据权利要求16所述的光学显示系统，其中所述第二轴线与所述第一轴线不同。

18.根据权利要求16所述的光学显示系统，其中，所述第二轴线与所述第一轴线正交。

19.根据权利要求2所述的光学显示系统，其中所述光栅中的至少一个的所述多条线的序列具有径向对称性。

20.根据权利要求19所述的光学显示系统，其中针对每个元件，所述两个光栅中的至少一个是横向可位移的。

21.根据权利要求20所述的光学显示系统，其中通过所述光栅之一关于另一个的横向位移来控制来自所述第二光栅的输出光波的方向。

22.根据权利要求19所述的光学显示系统，其中所述光栅之一沿着两个不同轴线是可位移的。

23.根据权利要求22所述的光学显示系统，其中可以沿着两个不同轴线偏移来自所述第二光栅的输出光波的方向。

24.根据权利要求22所述的光学显示系统，其中可以沿着两个正交轴线偏移来自所述第二光栅的输出光波的方向。

25.根据权利要求1所述的光学显示系统，其中所述光栅中的至少一个是至少两个不同光栅的复用。

26.根据权利要求25所述的光学显示系统，其中所述光栅中的至少一个是分别对三种不同颜色敏感的三个不同光栅的复用。

27.根据权利要求25所述的光学显示系统，其中所述三种不同颜色在红色、绿色和蓝色光谱范围中。

28.根据权利要求26所述的光学显示系统，其中所述光栅中的每一个对其他两种颜色不敏感。

29.根据权利要求25所述的光学显示系统，其中所述第一光栅是分别对三种不同颜色敏感的三个不同光栅的复用，并且所述第二光栅包括分别对相同的三种不同颜色敏感的三个不同的横向位移光栅。

30.根据权利要求25所述的光学显示系统，其中来自所述元件的输出光波照射液晶显示器。

31.根据权利要求25所述的光学显示系统，其中来自所述元件的输出光波照射硅基液晶显示器。

32.根据权利要求29所述的光学显示系统，其中所述三个不同的横向位移光栅中的每一个基本上对一个偏振敏感并且基本上对正交偏振不敏感。

33.根据权利要求29所述的光学显示系统，其中所述三个不同的横向位移光栅中的每一个基本上对两个正交偏振敏感。

34.根据权利要求29所述的光学显示系统，其中所述元件进一步包括三个不同颜色的滤光片，所述滤光片中的每一个对所述三个不同颜色之一透明而对其他两种颜色基本上不透明。

35.根据权利要求2所述的光学显示系统，进一步包括出射光瞳，其中可以通过所述控制系统使来自所述元件的输出光波偏移到所述出射光瞳中或所述出射光瞳之外。

36.根据权利要求2所述的光学显示系统，进一步包括热沉，其中被偏移在所述出射光瞳外面的光波被偏移到所述热沉中。

37.根据权利要求2所述的光学显示系统，其中所述光学显示系统将立体动态图像投影到观看者的眼睛中。

38.根据权利要求2所述的光学显示系统，其中所述光学显示系统将至少两个不同图像投影到不同观看角度中。

39.根据权利要求38所述的光学显示系统，其中所述观看角度邻近彼此。

40.根据权利要求38所述的光学显示系统，其中所述观看角度沿单个轴线布置。

41.根据权利要求38所述的光学显示系统，其中所述观看角度沿两个不同轴线布置。

42.根据权利要求2所述的光学显示系统，其中所述光学显示系统将三维动态图像投影到观看者的眼睛中。

43.根据权利要求2所述的光学显示系统，其中所述光学显示系统投影图像的傅里叶变换。

44.根据权利要求2所述的光学显示系统，进一步包括眼球跟踪单元，其用于检测观看者的眼睛的注视点或方位。

45.根据权利要求44所述的光学显示系统，其中，所述眼球跟踪单元包括光发射器和检测器。

46.根据权利要求44所述的光学显示系统，进一步包括处理单元，其用于处理由所述眼球跟踪单元所收集的数据并将其传递到所述控制单元。

47.根据权利要求44所述的光学显示系统，其中，由所述观看者的眼睛的方位来设定来自所述元件的输出光波的方向。

48.根据权利要求44所述的光学显示系统，其中由所述观看者的眼睛的注视点来设定来自所述元件的输出光波的方向。

49.根据权利要求47所述的光学显示系统，其中来自所述元件的输出光波被引导到所述观看者的眼睛的位置中。

50.根据权利要求49所述的光学显示系统，其中不同图像被投影到所述观看者的双眼中。

51.根据权利要求49所述的光学显示系统，其中同一场景的不同方面被投影到所述观看者的眼睛中。

52.根据权利要求49所述的光学显示系统，其中立体图像被投影到所述观看者的眼睛中。

53.根据权利要求52所述的光学显示系统，其中设定所述输出光波的散度以覆盖所述观看者的眼动框。

54.根据权利要求44所述的光学显示系统，其中通过所述观看者的眼睛的移动来控制所述控制单元。

55.根据权利要求44所述的光学显示系统，其中通过所述观看者的眼睛的方位来设定所投影的场景的情境。

56.根据权利要求44所述的光学显示系统，其中通过所述观看者的眼睛的注视点来设定所述所投影的场景的情境。

57.根据权利要求44所述的光学显示系统，其中当所述观看者的注视点没有指向所述显示器时，所述系统停止投影图像。

58.根据权利要求44所述的光学显示系统，其中所述眼球跟踪单元跟踪多于一个观看者的注视点或方位。

59.根据权利要求58所述的光学显示系统，其中所述系统为全部被跟踪的观看者投影同一场景。

60.根据权利要求58所述的光学显示系统，其中向不同观看者同时投影不同场景。

61.根据权利要求58所述的光学显示系统，其中向不同观看者同时投影不同数据。

62.根据权利要求1所述的光学显示系统，其中所述元件包括菲涅耳元件。

63.根据权利要求62所述的光学显示系统，其中所述光源是白色光源。

64.根据权利要求1所述的光学显示系统，其中所述光源是单色光源。

65.根据权利要求1所述的光学显示系统，其中所述光源是三个不同单色光源的复用。

66.根据权利要求1所述的光学显示系统，其中所述三个不同的单色光源在红色、绿色和蓝色光谱范围中。