TW201719234A - 全像顯示器 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種全像顯示器，具有照明裝置、放大單元(VE)、以及光調變器(SLM)，其中照明裝置具有至少一光源及光準直單元(LCU)，其中光準直單元(LCU)的作用是將該至少一光源發出的光準直，並產生光源光線的光波場，其中該光波場具有可預先給定之平面波光譜，其中放大單元(VE)在光傳播方向上位於光準直單元之後，其中放大單元(VE)具有透射型體積全像圖(VH)，該透射型體積全像圖的設置及構成方式使得光波場與體積全像圖(VH)的透射交互作用能夠實現光學變形光波場的擴展，其中光調變器(SLM)在光傳播方向上係設置在光學變形放大單元(VE)的前面或後面。

Description

全像顯示器
本發明係一種全像顯示器，此全像顯示器具有照明裝置、放大單元、以及光調變器。這種全像顯示器可以顯示二維及/或三維的圖像資訊。
要實現大尺寸圖像對角線的全像顯示會碰到兩個問題：--如果使用大面積的光調變器(例如對角線24寸的光調變器)進行全像圖的編碼，則必須提供光調變器大面積且足夠的相干照明；--反之，如果在投影裝置內使用較小的光調變器，而且是使用傳統的光學器具(例如透鏡或反射鏡)，則同樣是24寸的圖像對角線會產生超過1m的結構深度。
要解決第一個問題，可以使用大面積且盡可能平坦的照明裝置。要解決第二個問題，則只能使用非傳統的光學器材來放大照明裝置及/或光調變器。
例如在WO 2006/119760 A2已有提及全像投影顯示器。這種全像投影顯示器是利用表面積相當小的高解析度光調變器(視訊全像圖在其內編碼)，以及在由透鏡及反射鏡組成的裝置的協助下，在作為螢幕的透鏡及/或凹面鏡上放大成像，並在空間重建，其中該空間是被螢幕及位於螢幕之傅立葉平面上的觀察視窗撐開。其優點是，透過全像圖在螢幕上的放大成像，重建空間也會被放大，因此可以重建的物件遠大於傳統全像裝置所能重建的物件。但缺點是其光學裝置的體積很大，尤其是在軸向方向上的長度很長，因此由於結構深度的關係，實務上很難將這種全像投影顯示 器作為桌面顯示器使用。
US 2007/252956 A提出的投影顯示器是使用一種小型的光調變器，該光調變器被相當小的照明系統照亮，並在位於軸外的全像反射鏡元件的協助下放大投影在螢幕上。這種投影顯示器的優點是，透過傾斜的光程可以縮短整個系統的軸向長度。但是對作為桌面顯示器而言，這種裝置的體積仍是過大。
WO 2002/082168 A提出一種由線性及平面偏光柵組成的平面投影顯示器。視訊投影機的虛像會被棒狀光柵體引導到第一方向，然後被片狀光柵體引導到第二方向，其中第二方向係垂直於第一方向。根據一種實施方式，光柵是由組合成層狀的玻璃條構成，該等玻璃條與顯示器表面夾45度角，並將光線偏斜，使光線垂直於入射方向。只是這樣會將光調變器的圖像增多，而不是放大，同時朝片狀光柵體表面的法線方向看過去的觀察者看到的是同一個光調變器圖像的二維裝置。利用這種裝置無法實現光調變器的編碼面積會變大的全像投影顯示器。
WO 2002/31405 A揭示將一道具有矩形斷面的準直光束(例如光調變器發出的光束)擴展成兩道正交光束，其作法是使該準直光束以扁平的角度依序入射到一維及二維非反射鏡式反射的表面上。二維擴展是透過扁平的“條紋式”光線入射完成，同時表面會將光束反射到所需要的方向，也就是反射到與入射方向垂直的方向。這是透過平面繞射光柵或全像表面光柵完成。在這種設備中，雖然入射光波場的斷面真的會被放大，但是並無法得知光束在繞射光柵上被反射造成的振幅及相位變化，而該等變化卻是三維畫面的全像重建所需的資料。
因此本發明的目的是提出一種全像顯示器，此種顯示器需具有盡可能大面積的照明裝置，而且結構深度要很小，因此應使用最少數量的一次光源。本發明的另外一個目的是，將具有全像編碼的盡可能小的光 調變器放大到足夠的程度，而且不會使設備的結構深度顯著變大。為了達到這兩個目的，照明裝置的平面波光譜及其相干特性必須滿足全像及/或混合全像及立體物件顯示的要求。
採用申請專利範圍第1項的全像顯示器即可達到上述目的。附屬申請專利範圍的內容均為本發明的各種有利的實施方式及改良方式。
本發明的全像顯示器具有照明裝置、放大單元、以及光調變器。照明裝置具有至少一光源及光準直單元。光準直單元的作用是將該至少一光源發出的光準直，並產生光源光線的光波場，其中該光波場具有可預先給定之平面波光譜。放大單元在光傳播方向上位於光準直單元之後。放大單元具有透射型體積全像圖，此透射型體積全像圖的設置及構成方式使得光波場與體積全像圖(VH)的透射交互作用能夠實現光學變形光波場的擴展。一種有利的方式是將光準直單元及放大單元應用於全像顯示器、立體顯示器、或自動立體顯示器。因此按照本發明的方式，光準直單元及放大單元(在某種程度上可說是準直模組及放大模組)可以為這種顯示提供擴展的準直光波場。在本發明中，所謂光學變形擴展是指光束擴展、及/或入射光束或光波場放大，而且無需光學中間成像。
可以將全像圖數據編碼的光調變器在光傳播方向上設置在光學變形放大單元的前面或後面。
光波場可以從光準直單元以可預先給定的入射角出現在體積全像圖上，其中該入射角不應小於70度。入射角是以體積全像圖表面的鉛垂線為準，同時還要考量在體積全像圖之前及之後的光學介質可能的折射率差異。
所選擇的體積全像圖的厚度應使光波場具有波矢量的角向分布，同時光波場之波矢量的角向分布出現的最大偏差在至少一方向上不超過1/20度。波矢量指出光波場的波傳播方向。
在光調變器上的兩個預先給定的點之間，在預先給定的光的 相干長度下，放大之光波場(sWF)之光束在光調變器(SLM)之編碼面上的光程差z(x，y)不應超過預先給定的值。也就是在，在光調變器的預先給定的子區域內，例如子全像圖，通過這個子區域的任意兩道光束之間的光程差不能大到使光束失去干涉能力。子全像圖的定義請參見WO 2006/066919 A1。這樣就可以確定，所使用之光線的這個預先給定的相干長度仍然能夠在WO 2006/066919 A1為基礎的顯示器上產生結構建立及/或結構破壞的干涉，因此可以利用顯示器以全像方式將三維畫面顯現給觀察者。
放大單元在光傳播方向上還可以具有設置於後方的體積全像圖，其中放大單元的體積全像圖的設置及構成方式使光線能夠偏斜到兩個不同的方向，其中光調變器在光傳播方向上位於另外一體積全像圖的前面或後面。因此這種實施方式是以第一個體積全像圖將經過光準直單元準直的光波場在第一個方向上擴展及/或放大，然後以位於第一個體積全像圖後方的另外一(第二個)體積全像圖，將被第一個體積全像圖在第一個方向上放大的光波場在第二個方向上擴展及/或放大。這樣做的好處是，只需一次光源就可以將很大的面積及/或區域均勻的照亮，其中放大單元僅佔據相當小的構造空間。
兩個體積全像圖的設置方式使其能夠將具有預先給定之平面波光譜的光波場在兩個正交方向上光學變形擴展，也就是說在兩個方向分別以不同的放大比例擴展。
體積全像圖最好是離軸體積全像圖，此種全像圖的物方射線及參考射線不是在相同的軸上。
可以用雷射、雷射二極體、LED、或OLED作為光源。
複數個光源的射線及/或光線可以被射束匯聚單元結合到一條共同的光纖內。如果僅設置單一光源，可以透過光纖將該光源的光線輸入光準直單元。
可以將第一準直透鏡設置在光纖的光輸出端之後，該第一準 直透鏡可產生準直的光波場。準直的光波場可用於立體顯示器的照明。
此外，可以將作為角度過濾器的體積全像圖在光傳播方向上設置在第一準直透鏡之後，角度過濾器的厚度要能夠使光波場具有波矢量的角度分布，以及使光波場之波矢量的角度分布出現的最大偏差至少在一方向上不會超過可預先給定的值，例如1/20度。這樣在光準直單元內就已經可以將平面波光譜在至少一方向上限制在可預先給定的角度範圍內，以及完全以射束擴展及/或射束偏斜的觀點決定設置在光準直單元之後的體積全像圖的厚度。
準直的光波場可以照亮光準直單元的第一微透鏡陣列。
可以在第一微透鏡陣列的焦平面設置散射裝置，光線從散射裝置射達設置在正後方的第一孔徑光闌，其中第一孔徑光闌的光闌孔徑在其橫向延伸上可以是反對稱的，以便能夠對每一個橫向延伸產生光波場的具有可預先給定之相干特性的平面波光譜。這對於顯示器的全像及立體合混編碼特別重要，根據這種編碼方式，光波場在全像編碼的方向必須具有足夠的相干性，反之在立體編碼的方向必須具有足夠的不相干性。
光準直單元(LCU)之第一孔徑光闌(AS)的光闌孔徑的尺寸設計使光波場在兩個不同方向具有不同的相干特性，因此射束在其中一個方向是不相干的，在另一個方向則是足夠相干的。也就是說，光闌孔徑在這個方向愈小，射線的相干度就愈大。
在光傳播方向上，最好是在第一孔徑光闌的後面設置第二微透鏡陣列，而且其設置方式應使第一孔徑光闌的光闌孔徑位於營屬之微透鏡的後焦點。第二微透鏡陣列會產生具有平面波光譜的分段式光波場，該分段式光波場可以直接或經過光波場的橫向放大後照亮後續具有全像編碼的光調變器。
在第一孔徑光闌及第二微透鏡陣列之間最好還有另外設置兩個孔徑光闌，其作用是阻止第二光源的光線從第一孔徑光闌射達其所屬 之微透鏡以外的微透鏡(照度線路間干擾)。
光調變器可以是透射型、反射型、或半透射型光調變器。
照明裝置的構造及尺寸需使其能夠將光調變器的有效面積均勻照亮。
光波在體積全像圖上散射時，光波場的光譜會發生改變，例如在選擇光準直單元的參數時，必須將光準直單元之平面波光譜因光波在體積全像圖上散射造成的改變考慮進去。例如光學變形擴展在中間的係數改變10，則平面波光譜在這個方向的係數也會降低10。因此為了在至少一體積全像圖之後產生光波場的可預先給定的平面波光譜，光準直單元的參數至少要有一個是可以修改的。這可以透過以調節、控制或手動等方式調整光準直單元之相應的光學元件，或是透過為特定用途而對光準直單元進行適當的設計，來滿足這個要求。
另外一個可能性，利用至少一體積全像圖的角度過濾作用減少對顯示器之觀察者造成干擾的射線部分及/或散射級。這對於全像顯示器的幫助尤其大，例如WO 2006/066919 A1揭示的全像顯示器，因為全像顯示器的較高及/或不利的散射級必須被降低及/或阻擋。
還有另外一種可能性是，使體積全像圖除了放大功能外，還具有場透鏡的功能。這種場透鏡功能可以實現WO 2006/066919 A1揭示之全像顯示器的實體或虛擬光源在光源之像面上的成像。
一種特別有利的方式是將本發明應用於WO 2006/066919 A1或WO 2004/044650 A2揭示的全像顯示器。因為這樣做可以設計出平面構造形式或節省空間之構造形式的顯示器。
在幀率很高的情況下，例如幀率≧240fps，一種有利的方式，使照明裝置的各個區域段能夠個別被接通，並隨時間變化被調變，這樣就可以只將光調變器達到預設之調整值/額定值的區域(例如在液晶相位調變器之開關操作過程中相位的平頂段)照亮。這種操作方式也稱為掃描。
因此一種合理的作法是修改全像顯示器的照明裝置，也就是在光傳播方向上將快門安裝在光準直單元之第一微透鏡陣列的前面，以使複數個在垂直或水平方向延伸的條紋狀段落在快門內能夠被啟動，也就是說可以在設置於後面的光調變器上選擇性的照亮條紋狀的區域。
另外一種實現光調變器之掃描照明的方式是，接通照明光的兩個垂直於光調變器所在平面延伸的條紋段，其中這兩個條紋段能夠隨著時間順序在光調變器邊緣及中間沿著水平或垂直方向移動。
利用快門進行光調變的缺點是會造成光功率的損失，因為在任何特定的時間點都只有一小部分的快門元件被打開(也就是說讓光線通過)。
另外一種實現大面積掃描照明裝置的方式是，從微型平面光準直單元射出的分段式平面光波場不會被兩個體積光柵在兩個彼此垂直的方向上放大，而是只使用平面放大的第二個體積光柵，以及利用具有行狀結構的光準直單元照明，其中每行具有至少兩個可獨立接通的光源，且在輸出端具有至少兩個準直折射透鏡，而且這些行沿著置於後方的平面放大單元的邊緣依序排列，因此能夠將整個面照亮。體積光柵將以扁平角度入射的光束散射，使其以垂直於體積光柵表面的方式離開體積光柵。
但是由行狀光準直單元之輸出端形成的照明面也能夠將光折射材料(例如玻璃)製成之楔形波導裝置的輸入面照亮，其中平面二維體積光柵在此波導裝置的與基本上垂直於輸入面的輸出面連接。
另外一種可行的方式是，無需設置以光折射材料製成的楔形波導裝置或其他的光學介質或空氣，而是使行狀光準直單元發出的照明光直接照射在平面體積光柵及/或含有平面體積光材的材料上。
這個裝置會將光準直單元發出的分段式平面光波場放大，並射向位於後方的光調變器的面上。
依據光準直單元之依序排列的行的數量及在每行內可個別 接通的光源的數量，所構成之照明裝置具有相應的由可個別接通之照明段落構成的矩陣。
但是這個解決方案非常不經濟，因為照明裝置的每個段落都是被自身的光源照亮及接通，例如WO 2004/109380所描述的解決方案。
為了更好的利用可供使用的光功率，以及使用最少數量的一次光源，合理的作法是，經由分支波導及/或光學開關的級聯分配及控制若干光源的光線。
主動式光學開關可以透過接通電壓將光從一條光纖轉換到另一條光纖。如果在樹狀結構中接通複數個這種支路，則在N個級聯時，只需一次光源就可以產生2的N次方個可切換的二次光源。
因此一種與此有關的可行方案是，以這種級聯可切換的纖維光學波導照亮設置在光準直單元之第一微透鏡陣列之前的一次準直透鏡陣列的若干被選出的透鏡。
另外一種照亮設置在光準直單元之第一微透鏡陣列之前的一次準直透鏡陣列的若干被選出的透鏡的方案是，在多模式光纖的尾端設置被動光輸出處，並根據其配置方式，將一或複數個一次準直透鏡照亮。
這種方案是將一次光源的光分配給複數個二次光源，但無法對個別的二次光源進行主動控制。
除了纖維光學波導及快門外，也可以使用光偏斜元件，例如液晶光柵，以便透過兩個可切換之液晶散射光柵的組合將光準直單元的第一微透鏡陣列的被選出的段落照亮，其中該兩個散射光柵係位於設置在光源之後的一次準直透鏡及光準直單元的第一微透鏡陣列之間，其中條紋形段落的強度是可局部改變的。
但是透過可切換之散射光柵的組合產生的條紋狀照明區域也可以直接照亮體光柵構成之放大單元的輸入端，並被放大單元放大。這樣做的優點是不需光吸收快門。
例如這種光柵組合可以是由第一散射光柵及可控制的第二散射光柵構成，其中透過光柵常數可控制第一散射光柵的偏轉角，因此垂直於表面的光束以一角度離開第一散射光柵，其中第二光柵又將這道光束偏斜成垂直於光柵表面，並對準光柵表面。光束的橫向位移量是由偏轉角及兩個散射光柵的距離決定。
由於掃描步驟通常是不連續的，因此除了用於可切換散射光柵的液晶光柵外，也可以將PDLC體積光柵或偏振光柵與可切換延遲板組合在一起，以作為光偏斜之用。可切換延遲板的作用是主動切換光束的偏振狀態。例如可以使用一組可透過偏振切換的偏振光柵，其中+1及-1散射級的光柵具有相同的強度。
也可以將角度多工操作及角度選擇體積光柵應用於穩定掃描步驟之可預先給定的順序，其中第一散射光柵是可切換的，同時第二光柵係設置在光準直單元的第一微透鏡陣列的前面，而且是一種角度選擇體積光柵，透過體積光柵可經由固定寫入之散射結構實現至少一光波長的可預先給定的偏轉角。兩個光柵中的第一光柵也可以是一種可切換的PDLC光柵堆。
當第一光柵(或光柵堆)主動將經過第一準直透鏡準直之入射光作一角度偏斜時，被動角度選擇體積光柵會根據入射角將這些光束橫向位移，並對準平行於光學軸的方向。
光偏斜也可以僅用空間多工操作進行，其中第一光柵是可切換的，同時第二光柵係設置在光準直單元的第一微透鏡陣列的前面，而且是一種角度選擇體積光柵，第二光柵具有複數個條紋段，其中條紋段會將與光學軸的距離逐漸變大及以逐漸變大的角度入射的光線朝平行於光學軸的方向散射。也就是說，在這種實施方式中，第二光柵的條紋段實現固定寫入的偏轉角，以便使以一角度入射到光學軸的光再度對準平行於光學軸的方向。這個光柵可以在中心部位具有體積光柵不會被曝光的區域，這樣 入射光束的方向就不會被改變。
除了對稱於設備之光學軸的光程外，也可以實現傾斜或反對稱的光程。但前提是位於光源之一次準直透鏡及光準直單元之第一微透鏡陣列之間的散射光柵要能夠實現離軸光程，以便消除光柵的第0散射級，例如在接下來的光程只應使用第1或更高的散射級。
也可以將位於光源之一次準直透鏡及光準直單元之第一微透鏡陣列之間的散射光柵設計成可以在光準直單元之第一微透鏡陣列的特定區域實現水平及/或垂直方向的可切換照明。以這種方式也可以實現對位於後方的光調變器的兩個不同方向及/或二維的掃描照明。
如果光準直單元的第一微透鏡陣列不是被光源及大面積準直透鏡的組合照亮，而是被複數個光源及準直透鏡陣列的組合照亮，則會產生特別的問題。這個問題是因透鏡邊緣上的散射造成照明之平面波光譜擴大，因此需要採取額外的措施排除這個問題。
例如可以用分段的平面波照亮光準直單元之第一微透鏡陣列的透鏡，其中該平面波的平面波光譜在某一方向上的角偏差約為1/20度，在與該方向垂之方向上的角偏差約為1度。對某些全像顯示器而言，這個對平面波光譜的限制是必要的，例如以一維水平或垂直全像編碼工作的全像顯示器。
一種可能的解決方法是對光波場進行額外的角度過濾，其中為避免平面波光譜因在準直透鏡陣列之透鏡邊緣上的散射而擴大，應將角度過濾用的兩個體積光柵的組合在光線方向上設置於準直透鏡陣列之後。
對平面波光譜進行角度過濾的體積光柵的組合包括較薄的第一體積光柵及較厚的第二光柵，其中第一體積光柵的角度選擇性很大且具有偏離光柵表面之垂直線且相當大的散射角，第二體積光柵的角度選擇性很窄，其中在預先給定之平面波光譜的範圍出現的光束在垂直於光柵表面的方向被散射，而在平面波光譜之外傳播的光束則不會被散射。
以這種方式就可以由複數個光源及準直透鏡陣列構成用於直接視野顯示的照明裝置，其中照明裝置至少在一方向具有≦120度的平面波光譜。
為了實現平面波光譜在兩個正交方向上的角度過濾，可以在第一體積光柵組合的後面設置相對於第一體積光柵組合旋轉90度的第二體積光柵組合。
一般而言，透射型光調變器(BLU：背光模組)的照明裝置經過修改後也可以用於反射型光調變器(FLU：前光模組)的照明。
例如，可以為具有作為放大單元用的大面積平面體積光柵的照明裝置加裝延遲板(尤其是λ/4板)，在光線方向上，該λ/4板係設置於平面體積光柵之後。當線性偏振光從水平方向射在λ/4板上，該線性偏振光就會以圓偏振的方式離開λ/4板。設置在後方的反射型光調變器會將經過調變的圓偏振光朝λ/4板的方向反射回去，該圓偏振光在通過λ/4板後被垂直極化。
垂直偏振光可以不受阻礙的通過體積光柵，也就是不會與原來的水平極化光產生干涉，並且能夠被在光線方向上位於體積光柵之前的觀察者看到。
在利用光偏斜元件(例如體積散射光柵)之角度選擇性時，除了能夠偏振方式將照明光與經反射及調變的光分開外，另外一種可行的方法是將從傾斜的光源發出的光線輸入到平面波導管，其中該平面波導管延伸到光調變器的整個面，同時光線會再度從平面波導管輸出，以照亮光調變器。
例如，如果使用具有足夠厚度的透射體積光柵且光調變器的照明具有足夠的傾斜度(例如5度)的，則在經調變的光線從反射型光調變器的回程上，會存在體積光柵的布拉格失配照明，因此用於光調變器之照明的體積光柵不會有散射功能。因此被光調變器反射及調變的光可以不受 阻礙的被觀察者看見。
aAS1、aAS2、AS(sLS)‧‧‧孔徑光闌
AS(ict)1+2‧‧‧防止照度串擾的孔徑光闌1及2
aAS1、AaS2‧‧‧變跡光闌
B‧‧‧藍光雷射二極體
B(第8圖)‧‧‧基板
BLU‧‧‧背光模組
cpLS(RGB)‧‧‧組合的一次光源(紅，綠，藍)
cWF‧‧‧準直波前
cMLA‧‧‧準直微透鏡陣列
cVG‧‧‧體積光柵
CLA‧‧‧準直透鏡陣列
cML‧‧‧第二準直微透鏡陣列
CL‧‧‧準直透鏡
cpLS(RGB)‧‧‧組合的一次光源(紅，綠，藍)
FLU‧‧‧前光模組
foS‧‧‧光纖開關
fMLA‧‧‧聚焦的微透鏡陣列
fML‧‧‧第一微透鏡陣列
FL‧‧‧透鏡
GRINCL‧‧‧梯度折射率透鏡
G‧‧‧綠光雷射二極體
G2‧‧‧第二光柵
G1‧‧‧可控制散射光柵
LCU‧‧‧光準直單元
LE‧‧‧波導裝置
LS‧‧‧光源
L‧‧‧典型準直透鏡
m1、m-1‧‧‧可控制散射光柵(G1)之光線方向的第1及與其對稱形成之負第1散射級
OF‧‧‧光纖
oaPM‧‧‧離軸拋物面鏡
oaPMP‧‧‧離軸拋物面鏡及三稜鏡
pCL‧‧‧一次準直透鏡
PM‧‧‧拋物面鏡(長度較短的變化方式)
pWG‧‧‧平面波導
pLS‧‧‧一次光源
R‧‧‧紅光雷射二極體
RGB‧‧‧波長
sPS+PZT‧‧‧靜態相位散射器及壓電移相器
sPS‧‧‧散射透鏡片
sLD‧‧‧雷射二極體
sPS+PZT‧‧‧靜態相位散射器及壓電移相器
scWF‧‧‧分段的準直波前
SLM‧‧‧光調變器
SLWF‧‧‧傾斜位置
sWF‧‧‧光波場
sPS‧‧‧靜態相位散射器
t(x,y,RGB)‧‧‧條紋狀照明區域
VE‧‧‧放大單元
VG‧‧‧體積光柵
VH1、VH2‧‧‧透射型體積全像圖
YJ1及YJ2‧‧‧y連接1及2
有許多不同的有利的實施及改良方式可以實現本發明的理論。以下配合申請專利範圍第1項主張之專利內容及以下說明之本發明的有利的實施方式及其圖式，對本發明做進一步的說明。除了配合圖式說明本發明之有利的實施方式外，以下也將說明本發明之理論的進一步改良方式。以下之圖式均為示意圖：第1圖：照明裝置，具有位於兩個透射體積光柵之前的光準直單元，其中該兩個透射光柵會在兩個方向將光波場依序擴展。
第2圖：第1圖之光準直單元的側視圖。
第3圖：在照明裝置內經由兩個透射體積光柵在兩個正交方向進行兩次射束擴展的原理。
第4圖：根據第3圖的實施例轉進行兩次射束擴展(兩次的放大係數都是10)。
第5圖：光調變器(SLM，位於左邊)在全像離軸透鏡的平面上沿水平方向的光學變形放大(放大係數10)。
第6圖：反射型光調變器(SLM，位於底下的基板上)之配置的俯視圖，其中光調變器在一方向透過透射體積光柵構成之離軸透透鏡被放大(放大係數10)。
第7圖：光調變器之放大的編碼面的正視圖，其中光束在通過設備後在編碼面上不同的點的光程差係以不同的灰階表示。
第8圖：行狀光準直單元的行的構造。
第9圖：平面照明裝置的另一實施例的側視圖。右邊：立體透視顯示，僅顯示3個雙透鏡。
第10圖：平面照明裝置的另一實施例，此平面照明裝置的光準直單元具有兩列準直折射透鏡。左邊：側視圖。右邊：正視圖，僅顯示 光準直單元的兩行。
第11圖：掃描照明裝置的另一實施例，具有條紋狀的分段式快門，此照明裝置是以位於光準直單元之後的光波場的光學變形放大工作。
第12圖：主動式光學開關，負責切換位於兩條光纖之間的一次光源的光線。
第13圖：光準直單元的實施例，此光準直單元能夠透過纖維光學開關的級聯照亮準直透鏡陣列的被選出的透鏡。
第14圖：位於多模式纖維之尾端的被動式光輸出處。
第15圖：光準直單元的另一實施例，此光準直單元能夠透過兩個液晶光柵照亮準直透鏡陣列的被選出的區域。
第16圖：掃描照明裝置的另一實施例，具有光準直單元，此光準直單元能夠透過兩個如第15圖的液晶光柵直接照亮位於後面如第11圖的放大單元輸入端，其中此放大單元具有條紋狀的照明區域。
第17圖：兩個體積光柵(VG1，VG2)之組合的角度過濾作用。
第18a圖：光準直單元的另一實施例，此光準直單元能夠透過光纖開關照亮反射型光調變器之照明裝置之準直-拋物面鏡陣列的被選出的拋物面鏡。
第18b圖：使光線經由體積光柵輸入如第18a圖之平面波導的行狀光準直單元的實施例。
在以上的圖式中，相同或類似的元件均使用相同的元件符號。
第1圖顯示全像顯示器之照明裝置的實施例，其中照明裝置具有位於兩個透射體積光柵之前的光準直單元，其中該兩個透射光柵會在兩個方向將光波場依序擴展。具有兩個微透鏡陣列的光準直單元最好具有 較小的尺寸。
光波場是以光學變形的方式擴展，也就是說，在兩個不同方向上的放大是不同的。
例如透過梯度折射率透鏡(GRINCL)將功率P、波長λ之雷射二極體(sLD)發出的光線輸入到光纖(OF)。
從光纖(OF)之纖維尾端發出的分散光線被光準直單元準直，也就是說被準直成平面波，這表示光束經過準直後是以平行方式射出。光準直單元具有一次準直透鏡(pLC)。
光準直單元(LCU)的第一微透鏡陣列(fML)將入射到第一微透鏡陣列(fML)的準直光線聚焦到各個微透鏡的焦平面，並產生二次光源(sLS)的場。
在第一微透鏡陣列(fML)之微透鏡的焦平面上有散射透鏡片(sPS)，其作用是將光線的空間靜態相位發散。例如，這個散射面(sPS，第1圖)可以是機械式(例如由一或數個壓電晶體)移動的散射透鏡片(sPS)。
二次光源平的靜態空間相位隨著時間改變是必要的，以便使全像圖的一維編碼在光調變器上能夠在不相干方向產生最有效位置(也就是照明區)。
在散射透鏡片(sPS)的後面有光孔徑光闌AS(sLS)，其作用是決定二次光源的空間延伸(AS：孔徑光闌，sLS：二次光源)。一維編碼需在一方向產生足夠的空間不相干性。這可以透過靜態相位變化之光源的延伸來實現。第二相干方向具有較小延伸的二次光源。因此孔徑光闌AS(sLS)的光闌孔徑非常不對稱，例如在不相干方向為15μm，在相干方向為5μm，以便在第二準直微透鏡陣列(cML)的後面實現角度範圍0.5度及/或1/60度的平面波光譜。
在代表二次光源場的孔徑光闌AS(sLS)及將二次光源(sLS) 準直的微透鏡陣列之間有兩個孔徑光闌(aAS1，aAS2)，其作用防止照明時出現照度串擾(illumination cross talk)的現象，例如防止二次光源的光線到達相鄰的透鏡(也就是照其所屬的透鏡)。
第2圖顯示如第1圖之光準直單元(LCU)從左邊看過去的正面圖。一次光源具有3個雷射二極體(R，G，B)，也就是緣黃藍三個顏色，其發出的紅、綠、藍光束被聚集在光纖(OF)內。
第2圖之元件等號說明如下：R：紅光雷射二極體；G：緣光雷射二極體；B：藍光雷射二極體；pLS：一次光源；YJ1及YJ2：y連接1及2；OF：光纖；cpLS(RGB)：組合的一次光源(紅，綠，藍)；pCL：一次準直透鏡；cWF：準直波前；fMLA：聚焦的微透鏡陣列；sPS+PZT：靜態相位散射器及壓電移相器)；AS(sLS)：孔徑光闌(定義二次光源的有效面積)；AS(ict)1+2：防止照度串擾的孔徑光闌1及2；cMLA：準直微透鏡陣列；scWF：分段的準直波前。
第3圖顯示在照明裝置內經由兩個透射體積光柵(體積全像圖)在兩個不同方向(正交方向)進行兩次射束擴展的原理。從自LCU的光波場被第一透射體積全像圖(VH1)偏斜並擴展。接著這個光波場第二透射體積全像圖(VH2)再次偏斜及擴展。
在第1圖的實施例中，光準直單元在光程(SG)上被設置在兩個光柵之前。
例如可以對易感光且具有適當厚度的材料進行現場曝光，以產生放大單元的體積全像圖。以這方式可以透過體積全像圖補償照明裝置內真實存在的像差。
第4圖是說明如何透過如第3圖中位於光準直單元之後的兩個透射體積光柵(VH1，VH2)將分段式準直波前的光波場在兩個方向依序各擴展10倍。
位於光準直單元(LCU)之後的分段式準直波前(scWF) 的平面波光譜會因為在兩個體積全像圖上的及/或光柵上的散射而被改變。可以利用下式計算在光柵之後訊號波m級內的角度θs：θ S =arcsin(mΛ/(nΛ x )+sin(θ R )) (方程式1)
其中Λ代表波長，n代表折射率，Λx代表體積光柵表面上的週期，θR代表垂建光束的角度，也就是照明光射在體光柵上的入射角度。象限角度的符號慣例是1,2,3及4+,+,-及-。
可以利用下式計算出arcsin(x)：
因此可以計算出dθs/dθR
平面波光譜(PWS)之角度範圍的目標值在相干方向是1/60度，在不相干方向是0.5度。tan(0.5°)*1000m=8.73mm。也就是說，+/-0.25度平面波光譜已足以在距離1m的顯示器產生寬度約9mm的最有效位置。不應選擇太寬的照明用平面波光譜，原因是平面波光譜可能會被設置在顯示器之後的偏斜單元進一步變寬，以追蹤觀察者(參見WO 2006/066919 A1)。例如WO 2010/066700及PCT/EP2010/058625均有描述這種偏斜單元。
如果追蹤觀察者的偏轉角大於或等於30度，可以選擇平面波光譜(例如位於偏斜單元之前的平面波光譜)在相干方向的角度範圍小於1/60度，例如1/100度，以確保即使在偏轉角很大的情況下，也不會超過眼睛的角度分辨能力(1/60度)。
但是按照方程式3，第3圖及第1圖中的體積光柵會出現0.1倍 的角度縮小。也就是說，如果θR0=84.26°及θS0=0°，也就是平面波光譜在照明中的設計幾何是+/-0.25度，因此在光柵之後的平面波光譜會被轉換成約+/-0.025度。如果是相反的設計幾何則會放大10倍。
光準直單元對光調變器之一維全像編碼的平面波光譜為+/-1/12度及+/-2.5度。在這種編碼方式之下，三維畫面在一方向會被全像編碼及/或生成，在正交方向則是被立體編碼及/或生成。視全像編碼方向而定，可能是HPO(只有左右視差)編碼或VPO(只有垂直視差)編碼。
在純粹是立體編碼的情況下，此時照明的相干特性沒有任何影響力，平面波光譜的角度範圍被限制在遠小於1度的範圍，因此水平及/或垂直方向的角度範圍不能超過3度。
根據另一實施例，以上提及的實施方式亦可用來放大顯示器(尤其是全像顯示器)之光調變器的編碼面積。一種有利的作法是減少全像顯示器使用的光學元件的數量。另一種有利的作法是縮小光調變器在至少一方向上的尺寸。
例如可以使用作為離軸場透鏡的體積光柵，以實現一維編碼全像顯示器的光學變形放大(最好是在光調變器的不相干方向)。
在一方向光學變形放大的優點是可以將高度和顯示器一樣、但寬度只有1/10的光調變器以反射模式操作。第6圖顯示的就是這種情況。
由於是透過透射體積光柵之離軸透鏡達到放大的目的，因此可以減少顯示器使用的元件數量。透鏡可以在一方向產生角度過濾器的作用。也就是說，可以將光調變器設置於顯示器的底面，其中體積光柵在相干方向可以將虛擬觀察視窗(VW，例如參見WO 2006/066919 A1)的角度從入射到光柵的波前切下，並在作為場透鏡時僅將這個角度散射到觀察者的方向。也就是說，第6圖顯示的正視圖亦可被視為全像顯示器的側視圖。
第6圖以簡化方式顯示光準直單元。除了圖中的一次光源 (pLS)及一次準透鏡(pCL)外，光準直單元還可以具有兩個微透鏡陣列，以透過光闌及散射透鏡片產生照亮光調變器(SLM)所需的分段式平面波場(參見第2圖)。
可以將偏斜單元(未繪出)設置在場透鏡(VH2)的後面，以便波前能夠追蹤觀察者移動中的眼睛(追蹤觀察者)。例如該偏斜單元可以是兩個交叉的且可調整的散射光柵，例如PCT/EP2010/058625關於此種能夠實現局部可變偏轉角的散射光柵的描述。
第1圖顯示全像顯示器(HD)之照明裝置的一種緊密的構造方式。採用這種構造方式的效果是具有兩個微透鏡陣列(fMLA，cMLA)的光準直單元(LCU)的尺寸會很小。第1圖之實施例的原始構想是要照亮基本上和顯示器的尺寸一樣大且是設置在放大單元之後的光調變器(未繪出)。但是根據另一實施例，第1圖的實施例也可以用來將光調變器光學變形放大。這可以透過具有望遠鏡(例如將射束擴展10倍的望遠鏡)的構造來實現。這樣就可以使應用望遠鏡的大容積構造大幅縮小。這可以利用作為透射型體積全像圖(VH1，VH2)的光柵對射束擴展進行連續追蹤獲得實現。第3圖顯示這種構造方式的原理。
可以將光調變器設置在第3圖的放大單元(VE)之前，而且是以透射及反射模式操作。其中尤以反射配置較佳。例如這種光調變器可以是LCOS(矽基液晶)或MEMS(微機電系統)，例如DMD(數位微型反射鏡元件)。可分別為不同的顏色及/或波長配置光準直單元(LCU)及光調變器，這些顏色與相應的射束復合器元件(例如X射線透視檢測系統，類似於彩色CCD照相機的射束分配板，但僅在反方向上操作)會合，並被輸入第3圖的實施例中。
根據本發明，這種實施例不只是在光程(SG)上將光準直單元(LCU)置於構成放大單元(VE)的兩個體積光柵(VH1，VH2)之前，而是也將光調變器置於兩個體積光柵(VH1，VH2)之前。與此相應的， 光調變器在第2圖中是位於光準直單元(LCU)之後，但是在第3圖中是位於兩個體積光柵(VH1，VH2)之前。例如，如此一來縱橫比16(水平)：9(垂直)的24寸顯示器的光調變器的尺寸就是53mm x 30mm，而不是530mm x 300mm。小型光調變器可以用反射模式操作。開關時間τ~d2(d=SLM的厚度)，這表示以反射模式操作能夠將幀率提高4倍。而且不必使用發射式控制電子裝置(背光板)。
第4圖顯示如何以第1圖中的兩個設置於光準直單元(LCU)之後的透射體積光柵(VH1，VH2)將分段式準直波前的光波場依序擴展及/或放大到兩個方向。這個兩次射束擴展的原理除了可以應用在顯示器中結構非常緊密的光準直單元(LCU)，也可以應用在很小面積的光調變器(SLM)，而且此光調變器也能夠用反射模式操作。有效面積很小的光調變器的成本遠低於有效面積較大的光調變器。
在光傳播方向上位於光調變器之後的兩個體積光柵(VH1，VH2)可以和作為照明裝置BLU(背光模組)的方式一樣，作為角度過濾之用。也就是說，體積光柵(VH1，VH2)的厚度應使其在平面波光譜內在相干方向最大是+/-1/20度，在不相干方向最大是+/-1/2度。可根據體積光柵(VH1，VH2)的具體設計決定光調變器(SML)的放大的光波場(sWF)在空間中的配置方式，例如傾斜於第二平面體積光柵(VH2)。但如果是全像顯示器，例如WO 2006/066919 A1揭示的全像顯示器，則可以透過全像編碼在不同的景深範圍產生要顯示之三維畫面的單一的點。因此在顯示三維畫面時，可以透過在距第二體積光柵(VH2)不同距離之處相應產生單一的畫面點，以便將被兩個體積光柵(VH1，VH2)放大的光波場可能的傾斜位置考慮進去。
被兩個體積光柵(VH1，VH2)放大的光波場(sWF)的傾斜位置(SLWF)是因為光束在通過體積光柵(VH1，VH2)時的光程差而產生。這可以從第7圖顯示的在二維被放大的光調變器(SLM)看出。通過 光調變器(SLM)的被放大的編碼面的光束在各單一點有光程差，這個光程差在第7圖右邊以不同的灰階表示。最大光程差出現在具有最大亮度差的頂點之間，也就是從左下角到右上角。這在顯示器要重建的三維畫面的景深編碼要考慮進去。
另一個因為光程差而產生的要求與照明裝置發出的光束的相干長度有關。由於光調變器的被放大的編碼面的兩個不同的點之間存在光程差，例如子全像圖(參見WO 2006/066919 A1)上的點，因此所選擇的光線的相干長度必須大於這些點之間可能出現的最大光程差，以使這些光束仍具有干涉能力。如果將編碼面細分成子區域(如第7圖中的矩形區域)，例如相當於子全像圖，相干長度必須大於對角線的兩個頂點之間的最大光程差，以便在子全像圖的整個區域內仍能夠出現干涉現象。如前面所述，還有必須考慮進去的情況下，在這之後的光學配置，例如追蹤觀察者的配置，也可能將光程差放大。
如果光調變器及光束組合器(又稱為光波多工器，參見PCT/EP 2010/058626)都位於放大單元(VE)的前面，則一種有利的作法是選擇較小的光束組合器面積。另外一種可行方式是加入尺寸相當小的雙折射方解石板，這樣做也可以達到相同的效應。
可以透過體積光柵(VH1，VH2)的角度過濾功能阻止因發生在光闌上的散射或光準直單元的照度串擾(illumination cross talk)造成的干擾反射角到達觀察者的眼睛。與此相應的，體積光柵(VH2)的角度選擇可配合不同的應用而變化。
可以視需要從編碼光波場切割出虛擬觀察視窗(VW)的角度範圍。這相當於將編碼波函數展平，而且可以壓制及/或避免出現在虛擬視窗(VW)旁邊的散射級。但是光調變器(SLM)應在相干光線方向被光線的角度範圍不超過1/60度的平面波光譜照亮。但是在光調變器(SLM)之後可以將角度範圍提高到+/-3度。
例如，第1圖及第6圖的實施例的照明裝置也可以作為所謂的前光之用，以便將反射型光調變器照亮。可以利用延遲板改變照明裝置發出並照射到光調變器上的光線的偏振方向，這樣光調變器反射的光線就可以不受偏斜的通過照明裝置，並朝觀察者的方向傳播。可以將這種延遲板置於照明裝置及光調變器之間。除了使用延遲板外，另外一種可行的方式是，為了阻止照明光在光調變器上反射後再度進入照明裝置，照明光從照明裝置發出的方式應使其在光調變器上不會向自身反射回去，例如使照明光以與光調變器表面之法線夾5度角的方式從照明裝置發出，即可達到這個目的。在這種情況下，由於體積光柵及/或體積全像圖的可預先給定的角度選擇性的關係，在光調變器上反射的光線不會“看見”照明裝置的體積光柵，因此會不受偏斜的通過照明裝置。
在幀率很高的情況下，例如幀率≧240fps，一種有利的方式是，使照明裝置的各個表面段能夠個別被接通，並隨時間變化被調變，這樣就可以只照亮位於後方之光調變器的達到預設之調整值/額定值的區域(例如液晶開關操作過程中相位的平頂段)。
一種實現大面積掃描照明裝置的方法是，從微型光準直單元發出的分段式平面波場不是被兩個體積光柵的組合在兩個正交方向上放大，而是只使用負責平面放大的第二體積光柵，並在平面波場的邊(也就是光線從平面波場向光柵射出的那個邊)依序設置許多個行狀光準直單元，此等光準直單元具有至少兩個可個別接通的光源及在輸出端設有至少兩個準直反射透鏡，且其排列使體積光柵的面經由這個邊的整個寬度被照亮。經過平面體積光柵的放大後，可個別被接通的照明段會形成場，這些照明段的數量相當於準直行的數量及每一行上可切換之光源的數量的乘積。
第8圖顯示這種光準直單元的行，其中各元件符號代表的意義如下： LS：光源；sPS：靜態相位散射器；FL：透鏡；AS(sLS)：孔徑光闌；B：基板；aAS1：變跡光闌1；Aas2：變跡光闌2；CL：準直透鏡。
但是由行狀光準直單元之輸出端形成的照明面也能夠將光折射材料(例如玻璃)製成之楔形波導裝置的輸入面照亮，其中平面體積光柵在此波導裝置的與基本上垂直於輸入面的輸出面連接。第9圖之實施例顯示這種波導裝置(LE)。
另一可行的方式是，無需設置以光折射材料製成的楔形波導裝置(LE)或其他的光學介質或空氣，而是使行狀光準直單元發出的照明光直接照射在平面體積光柵及/或含有平面體積光材的材料上。
根據第9圖的實施例，平面照明裝置具有兩行準直折射透鏡。這個實施例是控制單一光源或作為二次光源之波導的輸出耦合位置。例如可以在水平方向將寬度5mm的條紋個別照亮。例如，可以為光準直單元之出口端的每個透鏡配置雷射二極體(LD)作為光源。如果接通被雙透鏡準直的兩個雷射二極體，寬度與透鏡相同的垂直條紋就會被照亮，例如第10圖中的區域11及12。但是這些區域也可以個別被照亮或或切斷照明。
第10圖將照明裝置的可個別被控制(也就是照亮)的區域加以編號。如第10圖所示，垂直方向分成兩區，水平方向分成許多區(例如40區)。也可以將第10圖的裝置視為由多個瓷磚形子區域組成的照明裝置。例如，如果兩個子區域的端面併在一起，則垂直方向就分成4段。如果要照亮顯示面或很接近顯示面的面(例如與顯示面之深度偏差在+10mm至-20mm之間的面)，未照亮區域的間隙寬度應≦100μm，以使觀察者不會感覺到間隙的存在。
掃描照明裝置的另一實施例是將條紋狀的分段式快門設置在照明裝置之微型光準直單元的第一微透鏡陣列的前面(參見第11圖)，此照明裝置是以位於光準直單元之後的光波場的光學變形放大工作，其中在垂直或水平方向延伸的條紋狀段落的透明度是可以控制的。這種裝置的優 點是，條紋狀快門的干擾性散射成分會在孔徑光闌AS(sLS)被過濾掉，也就是被選除。
對微透鏡(例如具有5mm x 5mm光闌的透鏡)而言，條紋狀快門的段落的調整公差Dx,Dy=0.1mm是不會造成任何問題的。
視掃描方向而定，可以將條紋狀快門的透鏡段水平放置，以產生垂直條紋，或是垂直放置，以產生水平條紋。
根據一種特別有利的實施方式，兩個在顯示面(也就是光調變器所在的面)垂直或水平延伸並被照亮的條紋可以按照時間順序在光調變器邊緣及中間之間水平或垂直移動(參見第11圖)。例如光源有3%的時間是被接通的。
使用快門的缺點是會造成雷射功率的損失。以第11圖為例，只有20%的快門面積具有透射性。而且如果未使用線柵起偏器(WGP)，透射率會小於70%。因此85%以上的雷射會在快門平面被吸收。
使用波導及主動式纖維光學開關可以減少吸收損失。可能的方式是，利用可切換光纖光源的級聯將設置在光準直單元之第一微透鏡陣列之前的一次準直透鏡陣列的選出的透鏡照亮。例如，如第12圖所示，可以將光纖開關(每種顏色500Mw)設置在兩個輸出端之間。
第13圖顯示光準直單元內光纖開關的級聯，此光準直單元能夠透過光纖開關的級聯照亮準直透鏡陣列的被選出的透鏡(fOS：光纖開關；CLA：準直透鏡陣列)。準直透鏡陣列(CLA)可以是由柱面透鏡或具有正方形光闌的透鏡構成。如果是使用柱面透鏡，光源像應在準直透鏡陣列(CLA)在一方向被相應擴展，以便將柱面透鏡照亮。為達到這個目的，也可以使用被動式纖維光分配器(例如比例1：16)。也可以將此分配器擴大，使其能夠將一次光源(pLS)的光線分配到兩個平面。
第14圖顯示位於波導多模式纖維之尾端的被動式光輸出處，其作用是照亮位於光準直單元之第一微透鏡陣列之前的第一準直透鏡 陣列的可預先給定的透鏡。例如透鏡(L)位於第13圖顯示之第一微透鏡陣列(fMLA)的前面。使用這種配置方式可以大幅縮短第13圖顯示之光準直單元的長度。
由於將多個透鏡穩定在共同的波長上是很困難的事，因此一次光源的數量應盡可能的少。雖然可以利用耦合的諧振器產生共同的波長，但是每種顏色搭配一次光源仍是最佳的實施方式。
為了減少掃描照明裝置因快門造成的吸收損失，除了光纖開關外，也可以使用散射偏斜單元，例如液晶光柵，以照亮照明裝置的被選出的條紋。如第15圖所示，光準直單元之第一微透鏡陣列的被選出的段落可以被兩個可切換之液晶散射光柵的組合照亮，其中該兩個散射光柵係位於設置在光源之後的一次準直透鏡及第一微透鏡陣列之間。
透過液晶光柵也可以同時照亮多個條紋，也就是說，可以同時照亮光準直單元的兩個以上的段落，而且條紋內的強度是可局部改變的。
由於掃描步驟是不連續的，因此為了減少掃描照明裝置的吸收損失，可以使用PDLC體積光柵，以照亮照明裝置的被選出的段落。
此外，也可以使用偏振光柵及可切換延遲板的組合，其中延遲板可將偏振板轉動。也可以使用一組可透過偏振切換的偏振光柵，其中散射級為+1級與-1級的光柵具有相同的強度。
也可以使用角度多工操作體積光柵，以減少吸收損失。由於掃描步驟是不連續且可預先給定的，因此也可以使用角度多工操作及角度選擇體積光柵，以實現掃描照明裝置。
第15圖中的第一散射光柵是可切換的，位於光準直單元之第一微透鏡陣列之前的第二散射光柵是一種角度選擇體積光柵，其中透過角度選擇體積光柵可經由固定寫入之散射結構實現至少一光波長所需的偏轉角。
第15圖中的第一光柵也可以是一種可切換的PDLC光柵 堆，其中第15圖中位於光準直單元之第一微透鏡陣列之前的第二光柵是一種體積光柵，其作用是將與設備之光學軸的距離逐漸變大及以逐漸變大的角度入射到光柵的光線朝平行於光學軸的方向散射。
散射幾何也可以完全是空間多工操作的。也就是說，第15圖中的第二光柵可以是一種體積光柵，例如一種具有10條分開的空間條紋段的體積光柵，而且每個條紋段都具有光學特性不同的散射光柵，其中條紋段會將與設備之光學軸的距離逐漸變大及以逐漸變大之傾斜角入射到條紋段的光線根據波長(RGB)朝平行於光學軸的方向散射。例如，這種光柵的中間部分也可以具有條紋，在此條紋內沒有任何體積光柵會受到曝光，因此這個條紋會讓入射光線以未被散射的方式通過。
這個光柵可以在中心部位具有體積光柵不會被曝光的區域，這樣入射光束的方向就不會被改變。
除了第15圖顯示之對稱於光準直單元之光學軸的光程外，也可以實現傾斜的光程，也就是光程之對稱軸與光準直單元之光學軸夾一角度的光程。在這種離軸構造中，構造使用之光柵的第0散射級的強度並不會造成問題，因為這個強度會從平行於光學軸的光程被引出。
第15圖顯示的原理可以擴展到二維掃描，其作法是將與第一光柵相同型式、但相對於第一光柵旋轉90度的第二光柵設置於第一光柵之後。此外，透過液晶光柵或第13圖之擴展至二維的光準直單元也可以產生局部調光的效果。由於光纖開關的切換速度比液晶光柵快很多，因此使用光纖開關之具有掃描及局部調光功能的設備的開關時間有較大的餘裕。
第15圖的實施例可以透過兩個散射光柵(G1，G2)將位於後方之光準直單元的準直透鏡陣列的被選出的區域照亮，根據一種特別有利的實施方式，可以用掃描照明裝置取代第11圖之實施例的光準直單元，其中此掃描照明裝置具有位於後面的在光準直單元之輸出端的光波場的光學變形放大。第16圖顯示的就是這種實施方式。
這個實施例的掃描照明裝置的優點是具有大的光輸出，原因是為了產生條紋狀照明區域，因此沒有使用會吸收光線的快門。如第16圖所示，兩個可控制的散射光柵(G1，G2)產生的條紋狀散射區域被位於後方由散射光柵(VG1，VG2)構成的放大單元直接放大。第16圖中各元件使用的元件符號與第11圖及第15圖使用的元件符號相同。m1及m-1代表可控制散射光柵(G1)之光線方向的第1及與其對稱形成之負第1散射級，這些散射級在第二光柵(G2)之後如同第11圖之三種顏色(紅黃藍)的條紋狀照明區域t(x,y,RGB)顯現，然後被放大。
此處描述之能夠很有效率的利用第一雷射光源之能量的照明裝置的掃描及調光解決方案，只是許多可能性中的幾個例子而已。
除了使光線偏斜外，散射體積光柵也可以用來過濾照明之平面波光譜，例如自動立體三維顯示器及全像三維顯示器就需要散射體積光柵的這種功能，以使平面波光譜能夠保持特定的角度公差。
此處的出發點是大小與顯示器相同的照亮面，例如掃描照明裝置的出射面。
例如光源可以是由具有二次光源之輸出耦合位置的纖維基材構成。纖維基材及/或輸出耦合位置使光的出射是可控制的，因此至少存在兩個可以接通及切斷的區域。這兩個區域之間的過渡區可作為隨時間變化流動的強度過渡區，以避免使用者感覺到閃光。
從纖維基材發出的光束會被一次透鏡陣列準直。纖維基材的輸出耦合位置的橫向長度會與透鏡陣列的準直透鏡配合，例如使光束通過透鏡後，在一方向有1/20度的平面波光譜，以及在正交方向有約1度的平面波光譜。這表示在透鏡的數值孔徑相同的情況下，在觀察方向上二次光源的寬度是高度的20倍。因此纖維基材的二次光源是棒狀的。
第17圖顯示這種照明裝置的輸入部分，其中這種照明裝置是作為掃描照明裝置之用。一次光源(LLQ)的光線為分割成不同的可切換 的路徑，因此二次光源(SLQ)至少是可以成組的切換。準直光線的段落是從透鏡陣列(L)之後發出，其中這些段落的平面光波譜是由二次光源的尺寸決定。希望獲得的目標平面光波譜會因為在位於後方之準直透鏡陣列之透鏡邊緣上的散射而變寬。如果透鏡陣列之單一透鏡的尺寸在3mm x 3mm至5mm x 5mm之間，則在某些情況下，除了目標平面波光譜會出現不希望發生的散射變寬的現象外，在以這個照明裝置照亮的顯示器上還會出現強度調變的現象。
這個問題的一種解決方案是對位於將二次光源之光線準直的透鏡陣列之後的光波場進行角度過濾。如第17圖所示，這種解決方案是，為了避免平面波光譜因為在一次準直透鏡陣列之透鏡邊緣上的散射而變寬，在光線方向上可以在一次準直透鏡陣列的後面設置由兩個角度過濾用的體積光柵構成的組合。其中第一體積光柵(VG1)是很薄的(例如厚度d≦10μm)，因此具有很寬的角度及波長選擇性。所謂“很寬”是指體積光柵將平面波散射到很大的角度範圍。例如，如果第一體積光柵(VG1)在塑膠或玻璃內的重建幾何為0度/-45度，則角度範圍在+/-4度的平面波會被散射到相當於全反射的角度。
第二體積光柵(VG2)的厚度較大，也就是說厚度d≧200μm。第二體積光柵(VG2)在塑膠或玻璃內的重建幾何為-45度/0度。第二光柵的厚度使其具有很窄的角度選擇性，因此只有出現在預先給定之平面波光譜範圍內的光束會被散射至設備之光學軸方向，而在平面波光譜範圍之外傳播的光束在通過設備時不會被散射。因此由於在透鏡邊緣上的散射而變寬的平面波光譜大部分會被引出有效光程。因此在通過第二體積光柵(VG2)之後，平面波光譜就會成為預先給定的形式。
以這種方式也可以用準直透鏡陣列取代單一的大面積準直透鏡，以產生直視照明裝置，其中此直視照明裝置至少在一方向的平面波光譜被限制在≦1/20度。
例如，此處顯示的直視照明裝置可以應用在以一維全像編碼工作的三維顯示器。
如果是二維全像編碼，可以將角度過濾的過程按照前面說明的方式重複一次，其中為了實現平面波光譜在兩個正交方向的角度過濾，應在第一體積光柵組合的後面設置相對於第一體積光柵組合旋轉90度的第二體積光柵組合，以便在兩個方向實現所希望的平面波光譜，例如≦1/20度。
用於傳輸型光調變器之照明的照明裝置(BLU：背光模組)經過修改後亦可作為反射型光調變器的照明裝置(FLU：前光模組)。其中一個問題是如何將照亮反射型光調變器的光線與被光調變器反射及調變的光線分開。
將照亮反射型光調變器之光線與被光調變器反射及調變的光線分開的第一種方法是以偏振分離。例如可以在第11圖顯示的照明裝置中加裝一片延遲板(尤其是λ/4板)，在光線方向上，該λ/4板係設置於平面體積光柵(未繪出)之後。當線性偏振光從水平方向射在λ/4板上，該線性偏振光就會以圓偏振的方式離開λ/4板。設置在後方的反射型光調變器(未繪出)會將經過調變的圓偏振光朝λ/4板的方向反射回去，該圓偏振光在通過λ/4板後被垂直偏振。此垂直偏振光可以不受阻礙的通過體積光柵，而且能夠被在光線方向上位於體積光柵之前的觀察者(未繪出)看到。
另外一個將照明光與被反射及調變的光線分開的方法是利用光偏斜元件(例如體積散射光柵)的角度選擇性。第18a圖顯示這樣的裝置。第18a圖顯示用於反射型光調變器的照明裝置(FLU：前光模組)，其中光纖開關的級聯將拋物面鏡陣列(CPNA)的被選出的拋物面鏡照亮。被拋物面鏡準直的光線透過體積光柵(cVG)被輸入耦合到平面波導(pWG)，並被分配到個整面上。
如果使用具有足夠厚度的透射體積光柵且光調變器的照明 具有足夠的傾斜度(例如5度)的，則在經調變的光線從反射型光調變器的回程上，會存在體積光柵的布拉格失配照明，因此用於光調變器之照明的體積光柵不會有散射功能。以這種方式可以將通往及離開光調變器的光程分開。這種處理方式沒有第18a圖顯示的λ/4板(例如消多色差的板子)亦可進行。只有在透過不同偏振將照明光與被光調變器反射及調變的光線分開時，才會需要λ/4板。
第18b圖顯示使光線經由體積光柵輸入如第18a圖之平面波導的行狀光準直單元的實施例。第18b圖中的縮寫代表的意義如下：
--FLU：前光模組
--LCU：光準直單元
--變化方式B：L：典型準直透鏡(如前面所述)
--變化方式C：PM：拋物面鏡(長度較短的變化方式)
--變化方式D：oaPM：離軸拋物面鏡
--變化方式E：oaPMP：離軸拋物面鏡及三稜鏡
在反射型光調變器之照明裝置的平面波導的底端有輸入耦合體積光柵，其作用是將出現的平面波輸入耦合。如果厚度足夠，角度選擇性就會夠窄，因此透視這個體積光柵的球面光波是以幾乎沒有散射的方式傳輸。這可以用來縮小光準直單元的尺寸。第18a圖左側正面圖顯示的是這種情況，其中在輸入耦合光柵的後面有拋物面鏡陣列，其作用是將從作為二次光源的纖維端的陣列射出的球面波準直。輸入耦合光柵的作用是將被拋物面鏡反射回來的平面波輸入仍到平面波導。第18b圖的實施例C顯示的就是這種情況。這個實施例所需的結構長度最短。
其他的實施例都需要較大的空間，包括利用透鏡(變化方式B)的典型準直，以及利用軸外設置的拋物面面(變化方式D)及/或與拋物面鏡耦合的三稜鏡(變化方式E)的準直。
變化方式E的離軸拋物面鏡及三稜鏡同時作為準直器及輸 入耦合三稜鏡，因此不需要將光線輸入到平面波導的體積光柵。
本發明的範圍並非僅限於以上所舉的實施例，從最廣義的角度來看，凡是以較小的結構深度實現大面積顯示器(不論是使用全像或立體及/或混合方式產生圖像)的作法均屬於本發明的範圍。
最後要特別指出的是，以上說明的實施例只是用來描述本發明主張之專利內容，但是本發明的範圍及內容並不限於這些實施例。
VH1、VH2‧‧‧透射型體積全像圖
VE‧‧‧放大單元

Claims (45)

  1. 一種全像顯示器，包括一照明裝置、一放大單元以及一光調變器，其中：該照明裝置包括至少一光源以及一光準直單元，該光準直單元準直該至少一光源的光以及產生由該光源以一可指定平面波角譜發射的該光的一光波場；該放大單元以一光傳播方向觀察被設置於該光準直單元的下游，該放大單元包括一體積全像圖，該放大單元由於該光波場與該體積全像圖的一交互作用而實現該光波場的一擴展；以及該光調變器以該光傳播方向觀察被設置於該放大單元的上游或下游。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中該體積全像圖被設計為一透射型體積全像圖。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中該光波場的一變形擴展是由該放大單元實現。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中來自該光準直單元的該光波場以不小於70°的一可指定入射角到達該體積全像圖。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中該體積全像圖的一厚度被選擇，使得該光波場包括一波矢量的角度分布，以及該光波場的該波矢量的角度分布的一最大偏差在至少一方向不超過1/20°的一值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中在該光調變器上的二個定義點之間在一被放大的光波場的多個光束的光學路徑長度z(x,y)的一差值不超過在該光的一給定光相干長度下該光調變器的一編碼面上的一預定值，使得在一光路徑長度的該差值足夠小，使得該被放大的光波場的該光束仍可產生干涉。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中該放大單元包括一另一體積全像圖，該另一體積全像圖以該光傳播方向觀察被設置於該體積全像圖的下游，且其中該放大單元的該體積全像圖被設計及設置，使得該 光被偏斜至二個不同方向，其中該光調變器以該光傳播方向觀察被設置於該另一體積全像圖的上游或下游。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的全像顯示器，其中該光準直單元在該光傳播方向接著二個體積全像圖，使得該二個體積全像圖在二個實質垂直方向中以經定義的平面波角譜來變形擴展該光波場。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的全像顯示器，其中該體積全像圖是一離軸體積全像圖。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中該光源包括一雷射、一雷射二極體、一發光二極體或一有機發光二極體。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中一光束組合器被提供用於將該至少一光源的該光合併至一公共光纖。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中該光準直單元包括一主要準直透鏡。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中該主要準直透鏡在該光該傳播方向接著一體積全像圖的形式的一角度過濾器，該體積全像圖的一厚度被選擇，使得該光波場包括一波矢量的角度分布，並且該光波場的該波矢量的角度分布的一最大偏差在至少一方向不超過1/20°的一值。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的全像顯示器，其中該光準直單元包括由一準直光波場照射的一第一微透鏡陣列。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的全像顯示器，其中一散射裝置被設置於該第一微透鏡陣列的一焦平面，該光從該散射裝置傳播至位於緊接在該散射裝置下游的一第一孔徑光闌。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的全像顯示器，其中該第一孔徑光闌的孔徑具有非對稱橫向範圍，以產生具有與各自橫向範圍相關的一可指定相干性質之該光波場的一平面波角譜。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的全像顯示器，其中該光準直單元的該第一 孔徑光闌的該孔徑被定尺寸，使得該光波場的該相干性質在二個不同方向中不同，使得在一方向中的放射是不相干的，而其在另一方向中的放射是充分相干的。
  18. 如申請專利範圍第15項所述的全像顯示器，其中一第二微透鏡陣列被設置於在該光傳播方向的該第一孔徑光闌的下游，使得該第一光闌孔徑的孔徑與該第二微透鏡陣列的相對應微透鏡的後焦點重合。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的全像顯示器，其中二個其他孔徑光闌被設置於該第一孔徑光闌與該第二微透鏡陣列之間。
  20. 如申請專利範圍第18項所述的全像顯示器，其中該第二微透鏡陣列產生具有一平面波角譜的一分段式光波場，直接或者在該光波場橫向放大之後，以該分段式光波場照射攜帶一全像編碼的一後續光調變器。
  21. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中該光調變器為一透射型、一反射型或一半透射型，及/或其中該照明裝置被設計及定尺寸，使得該照明裝置實質上均勻地照射該光調變器的一有效區域。
  22. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中該光準直單元的至少一參數是可修改的，以在至少一體積全像圖的下游產生該光波場的一可指定平面波角譜。
  23. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中至少一體積全像圖被設計，使得對於觀看該顯示器的一使用者而言，該至少一體積全像圖壓縮一放射級或一散射級的一干擾部分。
  24. 如申請專利範圍第7項所述的全像顯示器，其中體積全像圖其中之一被設計，使得除了該體積全像圖作為一放大元件的一功能之外，還具有一場透鏡的一功能。
  25. 如申請專利範圍第1項所述的全像顯示器，其中該光準直單元具有一行狀結構以及在一出口的至少二準直折射透鏡，其中一行具有彼此可獨立開關的至少二光源，以及其中這些行沿著一隨後設置的二維放大單元的 一邊緣並排設置，使得該至少二光源照射該至少二準直折射透鏡的整個表面。
  26. 如申請專利範圍第25項所述的全像顯示器，其中一楔形光波導裝置被提供用於照射包括一體積光柵的一二維放大單元，其中該體積光柵被附接至該楔形光波導裝置的一側面，該楔形光波導裝置被設置為實質上與該二維放大單元的光入射面垂直且用以放大由該光準直單元發射的一分段式光波場以及將該分段式光波場引導到被設置於更下游的一光調變器的一表面。
  27. 如申請專利範圍第25項所述的全像顯示器，其中依據該光準直單元中並排設置的該行的一數量以及在每行中彼此可獨立開關的光源的一數量，因此形成的照明裝置具有可獨立開關的照明段的一矩陣。
  28. 如申請專利範圍第14項所述的全像顯示器，其中一快門以該光傳播方向觀察被設置於該光準直單元的該第一微透鏡陣列的上游，其中在垂直或水平方向延伸的多個條形片段的一透明度是可控制的。
  29. 如申請專利範圍第28項所述的全像顯示器，其中一照射光的二個條形片段被開啟，分別在該光調變器的一平面垂直地延伸、以及在該光調變器的一邊緣與該光調變器的一中心之間的一水平或一垂直方向可時序地移動。
  30. 如申請專利範圍第14項所述的全像顯示器，其中設置於該光準直單元的該第一微透鏡陣列的上游的一主要準直透鏡陣列中所選擇的透鏡由多個光纖開關可開關的一級聯光纖光源照射。
  31. 如申請專利範圍第30項所述的全像顯示器，其中在一光學多模式光纖的一末端提供一被動光出口，用以照射設置於該光準直單元的該第一微透鏡陣列的上游的一主要準直透鏡陣列中所選擇的透鏡。
  32. 如申請專利範圍第30項所述的全像顯示器，其中該光準直單元的該第一微透鏡陣列中所選擇的片段被二可開關的基於LC散射光柵的一組合照 射，該二可開關的基於LC散射光柵被設置於位於該光源的下游的一主要準直透鏡與該第一微透鏡陣列之間，其中一條形片段的一強度可為局部可變的。
  33. 如申請專利範圍第32項所述的全像顯示器，其中該二可開關的基於LC散射光柵的該組合被設置於位於該光源的下游的一主要準直透鏡與一變形放大單元的一入射面之間，且產生由該放大單元直接放大的二掃描條形照明區域。
  34. 如申請專利範圍第32項所述的全像顯示器，其中該可開關散射光柵是一PDLC體積光柵或是與一可開關延遲板組合的一偏振光柵。
  35. 如申請專利範圍第30項所述的全像顯示器，其中該光準直單元的該第一微透鏡陣列中所選擇的片段被二散射光柵的一組合照射，其中一第一散射光柵為一可開關形式，且其中一第二散射光柵被設置於該第一微透鏡陣列的上游且被設計為一角度選擇體積光柵的形式，其中該角度選擇體積光柵以一固定寫入的散射結構的幫助而作為實現用於至少一光波長的所需偏轉角。
  36. 如申請專利範圍第30項所述的全像顯示器，其中該光準直單元的該第一微透鏡陣列中所選擇的片段被二散射光柵的一組合照射，其中一第一散射光柵為一可開關形式，且其中一第二散射光柵被設置於該第一微透鏡陣列的上游且被設計為一體積光柵的形式，其中該體積光柵包括多個條形片段，該多個條形片段被設計使得以一角度到達該條形片段的光被散射至與該光軸平行的一方向，該角度隨著與一裝置的一光軸的一距離增加而變更大。
  37. 如申請專利範圍第32項所述的全像顯示器，其中設置於該光源的該主要準直透鏡與該光準直單元的該第一微透鏡陣列之間的該散射光柵設計為使得亦可實現一離軸光學路徑，以從所使用的光學路徑消除該光柵的一第0散射級。
  38. 如申請專利範圍第32項所述的全像顯示器，其中設置於該光源的該主要準直透鏡與該光準直單元的該第一微透鏡陣列之間的該散射光柵被設計，使得該光準直單元的該第一微透鏡陣列的多個表面區域的一照明在一水平及一垂直方向是可實現的。
  39. 如申請專利範圍第30項所述的全像顯示器，其中設置於該光準直單元的該第一微透鏡陣列的上游的該主要準直透鏡陣列的該透鏡被一分段式平面波照射，該分段式平面波的一角譜包括的一角偏差在一方向中約1/20°以及在一垂直方向中約1°。
  40. 如申請專利範圍第38項所述的全像顯示器，其中為了避免透過在該主要準直透鏡陣列的該透鏡的一邊緣的散射的該平面波角譜的擴展，該主要準直透鏡陣列在該光傳播方向中跟隨著用於角度過濾的二體積光柵的一組合。
  41. 如申請專利範圍第38項所述的全像顯示器，其中用於該平面波角譜的角度過濾的體積光柵的組合包括一第一薄型體積光柵以及一第二厚型體積光柵，該第一薄型體積光柵具有一寬角度選擇性及偏離一光學軸的一大散射角，該第二厚型體積光柵具有一窄角度選擇性，該窄角度選擇性被設計為使得入射至給定平面波角譜的一區域的一光束沿著該裝置的該光學軸散射，以及在該平面波角譜外傳播的光束被傳送而沒有散射。
  42. 如申請專利範圍第38項所述的全像顯示器，其中相對於一第一體積光柵組合旋轉90°的一第二體積光柵組合被設置於該第一體積光柵組合的下游，而可實現在二垂直方向的該平面波角譜的一角度過濾。
  43. 如申請專利範圍第30項所述的全像顯示器，其中該光調變器為一反射型或一半透射型，及/或其中該照明裝置被設計且加裝一光學組件，該光學組件修改該光的一偏振，使得該照明裝置以一可指定偏振的光來照射該反射型或該半透射型光調變器的一有效區域。
  44. 如申請專利範圍第30項所述的全像顯示器，其中該光調變器為一反射型 或一半透射型及/或其中該照明裝置被設計及加裝與一角度選擇偏斜元件組合的一平面波導，使得該偏斜元件的一光散射功能將只在該光耦合入該波導時以及在該光耦合出以照射該光調變器時有效，但是在被該光調變器調變及反射的光是在其路徑返回時無效。
  45. 如申請專利範圍第43項所述的全像顯示器，其中該光調變器為一反射型或一半透射型，及/或其中該照明裝置被設計及加裝一行狀光調變單元，該行狀調變單元準直由可開關二次光源的一行狀裝置發射的光並將該光直接或透過一角度選擇偏斜元件而耦合至一平面波導。
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