TW201940907A - 顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種顯示三維場景用的顯示裝置。本發明的顯示裝置具有至少一個照明裝置、至少一個空間光調制裝置、以及至少一個布拉格偏振光柵。布拉格偏振光柵具有至少一個雙重折射層，並能夠將入射光偏轉，其偏轉角至少是20度。

Description

顯示裝置
本發明涉及一顯示三維場景用的顯示裝置。這種顯示裝置具有至少一個偏振光柵元件，尤其是一個具有布拉格光柵特性的偏振光柵元件。
大家都知道偏振光柵是一種繞射光學元件，這種光學元件也可以設置在液晶上，因此可具有雙重折射性或產生各向異性的作用。因此這種偏振光柵是以液晶分子的定向的空間週期變化為基礎，這會導致雙重折射的局部變化。偏振光柵可以局部調制入射的偏振光。製作成薄膜狀的偏振光柵可以在一個繞射級內具有很高的繞射效率，其中繞射效率值是取決於光的偏振。偏振光柵可以改變光的偏振狀態，例如可以將線性偏振光轉換成左偏振光或右偏振光。
由於偏振光柵具有上述特性，因此特別適用於顯示裝置或顯示器。例如，可以將偏振光柵設置在顯示裝置或顯示器內作為偏振射束分配器或射束控制元件。
一種已知的偏振光柵的產生方式是使垂直於光柵平面的定向軸持續轉動，其中定向軸在一個週期內的轉動角度為180度。這種偏振光柵被稱為循環偏振光柵，是一種廣泛應用在顯示器領域的偏振光柵。這種偏振光柵通常是由一螺旋狀上升的分子定向構成，這個定向會產生一個在光柵上方的局部線性雙重折射的旋轉，以及在z方向上的均勻性。一種產生這種光柵的常用方法是偏振全息術，這種方法是使兩道相干且彼此正交的偏振光束共同產生一干涉圖案。可以利用以下的方程式計算一循環偏振光柵對垂直入射之光線的繞射效率η：


其中λ 代表波長，ηm 代表第m繞射級的繞射效率，Δnl 代表線性雙重折射率，d代表光柵厚度，S‘3 = S3 /S0 代表入射光的標準化斯托克斯參數(stockes parameter)。此處假定所有傳播的光波都在靠近z軸的方向近軸逼近。因此其描述的是繞射角很小且顯示一特殊行為的光柵 。利用循環偏振光柵可以有效的將循環偏振光繞射或轉向。此處僅存在3個繞射級，也就是第0繞射級及第+/-1繞射級。在雙重折射的值正確的情況下，每一個繞射級的繞射效率η可以是0%到接近100%。特別是在sin2 (π Δn d / λ) = 1的情況下，也就是Δn d = λ /2，第+/-1繞射級可以具有接近100%的繞射效率。光線的偏轉方向進入第+1繞射級或第-1繞射級的繞射方向及/或繞射效率η±1 是由入射光的循環偏振決定，也就是說取決於照射到光柵的是斯托克斯參數S‘3 = -1的左循環偏振光或斯托克斯參數S‘3 = +1的右循環偏振光。第0繞射級的繞射效率η0 與入射光的偏振方向無關。反之，如果照射到循環偏振光柵的是斯托克斯參數S‘3 = 0的線性偏振光，則相同的強度的光線會以相同的繞射效率被繞射或偏轉到第+1繞射級及第-1繞射級。如果照射到循環偏振光柵的是循環偏振光，則這個循環偏振光會被轉換成反方向的循環偏振光。特別是具有較大週期的光柵(也就是週期Λ ＞ 2 µm的光柵)具有循環偏振光柵的這種繞射特性。
雖然已知的循環偏振光柵具有良好的繞射特性，但是要將這種偏振循環光柵應用於顯示裝置或顯示器，仍需搭配相應的光學元件，這些光學元件除了需具有很高的繞射效率外，還要能夠使光線產生很大的偏轉角。此處要求的繞射角或偏轉角遠大於目前已知的偏振光柵(光柵周期約2µm)能夠達到的角度(波長532nm，能夠達到約15度的繞射角或偏轉角)。模擬試驗的結果顯示，當所使用的波長的光柵周期彼此趨近時，第1繞射級的最大繞射效率會大幅降低。為了使薄型循環偏振光柵同時達到很高的繞射效率及很大的繞射角，理論上可以使用具有很高的線性雙重折射率的材料。但是在技術上很難實現這種偏振光柵。
以偏振全息技術製造循環偏振光柵最常見的材料是液晶材料，也就是設置在一定向層上的所謂的反應型Mesogene。這種循環偏振光柵是由兩個層組成，也就是由帶有反應型Mesogene的層及定向層經兩個步驟組成。第一個步驟是以偏振全息技術使很薄的定向層的定向方向產生一週期性的轉動。第二個步驟是將一種反應型Mesogene混合物設置在定向層上，並使其對齊定向層的表面圖案，然後照射紫外光將其固定住。
文獻“具有高效能及大繞射角的偏振體光柵”(Polarization volume grating with high efficiency and large diffraction angle), Yi. Weng, D. Xu, Yu. Zhang, X. Lim, Sh. Wu: Opt. Express 24 17746 (2016)描述一種新型的光柵，也就是所謂的偏振體光柵，理論上利用這種光柵可以實現很小的光柵週期及在反應型Mesogene定向層內達到很高的繞射效率。該文獻建議利用一種膽固醇液晶及一在兩個空間維度被調制過的定向層實現一周期性結構。這兩個空間調制的重疊可以產生適當的繞射平面。模擬試驗的結果顯示，這樣做可以達到最高100%的繞射效率。
另一種已知的光柵是以布拉格繞射為基礎的光柵，這種光柵是以另一種製造方法製成，而且也可以實現很高的繞射效率及很大的偏轉角。這種布拉格偏振光柵也是以偏振全息技術製成。但是布拉格偏振光柵的製造是以一種光化橫向交聯的液晶聚合物的特殊的特性及一種二步驟光化學/熱學製造法(也就是所謂的批量液晶光配向法)為基礎。
本發明的目的是提出一種不同於已知之顯示裝置的用於顯示三維場景的顯示裝置，此種顯示裝置的偏振光柵具有至少一種繞射特性。此外，本發明的顯示裝置要能夠應用於擴增實境及/或虛擬實境的領域。
採用具有申請專利範圍第1項之特徵的顯示裝置，即可達到上述目的。
根據本發明，本發明之顯示三維場景用的顯示裝置具有至少一個照明裝置、至少一個空間光調制裝置、以及至少一個布拉格偏振光柵。布拉格偏振光柵具有至少一個雙重折射層，並能夠將入射光偏轉，其偏轉角或繞射角至少是20度。
將布拉格偏振光柵應用於顯示裝置或顯示器，特別是全息及立體顯示裝置或顯示器，目的是以更簡單且更有效率的方式達到對顯示裝置--尤其是全息顯示裝置--的要求。例如，此處提及之顯裝置可以是直視顯示器、平視顯示器、或頭戴顯示器。
布拉格偏振光柵是一種新型的光柵，這種光柵同時具有體光柵及偏振光柵的典型特性。被應用於顯示三維場景用的顯示裝置的布拉格偏振光柵具有很高的繞射效率(最高100%)、很大的偏轉角(至少20度，較佳是＞50度)、很高的偏振敏感度、很寬的角度接受性、很寬的顏色接受性、以及依據偏振狀態在第0繞射級及第+/-1繞射級之間作一選擇的能力。
如吾人所知，在入射光以垂直方式入射時，循環偏振光柵的繞射效率會大幅下降，同時光柵週期也會變小。在光柵週期小的情況下，至少必須檢視兩種模型的繞射光柵，也就是喇曼納特模型(Raman-Nath-Modell)及布拉格模型(Bragg-Modell)。辨識繞射光柵用的已知的參數是Q(Cook-Klein標準)及ρ：

其中λ 代表波長，d代表光柵厚度，Λ代表光柵週期，n代表平均折射率，Δn代表雙重折射率。如果光柵的Q＜1且ρ＜1，則可以將這是光柵視為“薄”光柵。如果光柵的Q＞1或ρ＞1，則可以將這個光柵視為“厚”光柵，也就是屬於布拉格模型。例如，試驗結果顯示，光柵週期Λ＜1及光柵厚度約1μm的光柵在折射率n=1.5至1.7及雙折射率Δn=0.2的情況下具有布拉格特性。光柵具有布拉格特性表示入射光若以一特定的入射角照射在光柵上，可以達到最大繞射效率。這個特定的角度稱為布拉格角度。因此對顯示裝置而言，一件很重要的事是光線應盡可能以垂直方式照射在光柵上。但為了在光線以垂直方式入射時，能夠達到光柵的最大繞射效率，光柵平面必須朝基板翻轉。
此外，模擬試驗的結果顯示，光柵週期1.4μm及0.7μm的光柵都不能被稱為“薄”光柵，因為當光柵週期=0.7μm時，ρ大約=5，即使其物理厚度很小(例如大約1.5μm)。相較而言，如果一般已知的循環偏振光柵具有大的光柵週期(Λ＞2μm)，且物理厚度同樣是1.5μm，則可以被視為薄光柵。例如，ρ大約=5。也就是說ρ＜1，Λ=2μm，d=1.5μm，n=1.5，Δn=0.2，λ=532nm。
此外，試驗結果也顯示，具有大的光柵週期(Λ＞2μm)的一般已知的循環偏振光柵會在+1繞射級及第-1繞射級之間作偏振轉換，這個偏振轉換是由入射光是右循環偏振或左循環偏振決定。但是應用於本發明之顯示裝置且光柵週期較小並具有布拉格特性的循環偏振光柵(以下稱為布拉格偏振光柵)，是在第+/-1繞射級及第0繞射級之間作偏振轉換。
另一個同樣使用“薄光柵”及“厚光柵”一詞，但是含意不同的情況(例如T. K. Gaylord and M. G. Moharam: “Thin and thick gratings: terminology clarification”(薄光柵及厚光柵：術語澄清), Applied Optics, Vol. 20, p.3271, 1981)是涉及角度選擇性及波長選擇性。此處著重的是光柵的物理厚度d及光柵周長Λ的比例關係。此處將d/Λ＜10的光柵稱為薄光柵，也就是角度選擇性及波長選擇性都很大的光柵，d/Λ＞10的光柵稱為厚光柵，也就是角度選擇性及波長選擇性都很小的光柵。
本發明使用的是喇曼納特模型(Raman-Nath-Modell)及布拉格模型(Bragg-Modell)的布拉格偏振光柵，此種光柵具有布拉格特徵，因此可以將其視為厚光柵。從波長選擇性的角度來看，這種布拉格光柵可應用於可視光頻譜內具有類似之繞射效率的不同波長的光，例如藍光、光及紅光，因此具有相當大的波長選擇性(+/-150nm)。根據其布拉格特性，只有在正確的光入射角度下，這種布拉格偏振光柵才具有很高的繞射效率，但是其角度選擇性可以是在+/-10度(或更大，例如+/-17.5lru )的範圍，因此其角度選擇性是相當大的。本發明之顯示裝置的至少一個布拉格偏振光柵繞射效率η ＞ 80%，或較佳是η ＞ 90%。
因此從角度及波長選擇性來看，這種布拉格偏振光柵與光化聚合物製成的布拉格光柵的差異在於，布拉格光柵通常僅對一很窄的波長範圍(光、綠光或紅光的波長範圍)具有很高的繞射效率，同時其角度選擇性在+/-1度的範圍(透光型光柵)及+/-5度的範圍(反射型光柵)。因此布拉格偏振光柵的角度及波長選擇性不同於此處所稱 光柵。例如，布拉格偏振光柵的厚度可以是大約在0.7μm至2μm之間，光柵週期Λ小於1μm。這種布拉格偏振光柵具有重要的布拉格特徵：只有在正確的入射光角度及第0繞射級及第+1繞射級或第-1繞射級的情況下，才會有很高的繞射效率。此外，應以批量液晶光配向法製造此處使用的布拉格偏振光柵，因為這樣才能確保定向層表面的分子定向的獨立性。此外，形成翻轉的光柵平面的方式是非常自然的。液晶的取向(也就是定向方向)在光柵平面上垂直於光柵線。局部雙重折射與光柵平面傾斜度無關。這對於光柵內的光化交聯的液晶聚合物是一個很大的優點，本發明應充分利用這個優點，以便能夠有效的將這種布拉格偏振光柵應用於本發明的顯示裝置。
由於布拉格偏振光柵具有這些特殊的優點，使其非常適於用來使光線產生偏轉。特別是在顯示裝置內設置至少一個這種布拉格偏振光柵，可以製造出顯示裝置，因為高效率的使光束偏轉，能夠更容易的產生高品質的場景或資訊，尤其是以全息方式產生場景或資訊。
本發明之附屬申請專利範圍的內容為其他有利的實施方式及改良方式。
根據一種有利的方式，布拉格偏振光柵的光柵週期Λ＜1μm。
一種有利的方式是設置至少一個偏振轉換器，其作用是改變入射光的偏振狀態。
例如，該至少一個偏振轉換器可以是一種目前已知或市面上可取得的以液晶為主要成分的偏振轉換器。透過設置在本發明的顯示裝置內的至少一個偏振轉換器可以根據要求的光線偏振狀態改變該至少一個照明裝置發出的光線的偏振狀態。例如，如果該至少一個布拉格偏振光柵要求的是右循環偏偏振光，以使入射光被偏轉到第-1繞射級，則可以利用該至少一個偏振轉換器將入射光調整成右循環偏振狀態。
為此可以將該至少一個布拉格偏振光柵及該至少一個偏振轉換器結合在一起，也就是將這兩種元件結合成一可控制的布拉格偏振光柵，其中只要改變可控制的布拉格偏振光柵的切換狀態，即可將入射光偏轉，或是不受偏轉的穿過光柵。
透過這種方式可以在第0繞射級及第+/-1繞射級之間切換，這樣就可以使照射到可控制的布拉格偏振光柵的入射光被以大的偏轉角(較佳是＞50度)被偏轉或繞射，並進入所要求的繞射級。
利用布拉格偏振光柵能夠以有效的方式將入射光偏轉到第0繞射級或第1繞射級或兩個繞射級中的一個繞射級，其中被偏轉到第1繞射級的光線的偏振狀態不同於照射到布拉格偏振光柵的光線的偏振狀態。入射光的偏振狀態在穿過光柵及被偏轉到第+/-1繞射級後會發生改變，例如，右循環偏振光被轉換成左循環偏振光。左循環偏振光在穿過光柵時則不會被偏轉。
照明裝置發出的光線的波長較佳是位於可視光的範圍，較佳是在400nm至700nm之間。這表示該至少一個布拉格偏振光柵在可視光的波長範圍具有很高的繞射效率，並能夠產生很大的偏轉角或繞射角。但是布拉格偏振光柵的偏轉角通常是跟著波長改變，也就是說會發生色散。某些應用需要將多種波長的光線偏轉相同的角度，因此需要補償色散。根據本發明的一種有利的實施方式，在以彩色顯示場景時，為了補償光線的色散，顯示裝置具有至少一個補償光柵元件。例如，布拉格偏振光柵可能將綠光偏轉到一個正確的角度，但由於色散的關係，會 將紅光及藍光偏轉一個錯誤的角度。在這種情況下，可以為紅光設置至少一個補償光柵元件，以及為藍光設置至少一個補償光柵元件。以這種方式，可以對顯示的各個RGB(紅-綠-藍)場景或部分場景作一顏色修正，這樣就可以將場景的每一個彩色圖像產生在場景觀察者之前的視場內的同一個位置。在這個過程中，補償光柵元件會修正各個光束的三原色中的兩個顏色的色散，其中補償光柵元件會將光線偏轉到正確的方向，使所有顏色的光束再度以近乎彼此平行的方向行進，並在相同的位置產生各個彩色圖像，因此可以修正彩色場景。
可以利用波長選擇性很小的體光柵作為補償光柵元件，例如以光化聚合物為主要成分的體光柵，這種體光柵只能有效的偏轉一種色光，例如只能偏轉紅光或藍光。但是本發明並不限於只能使用這種補償光柵元件。
根據本發明的另一種有利的實施方式，為了產生反射式空間光調制裝置的前光照明，顯示裝置具有一個光導體及至少兩個布拉格偏振光柵，其中光導體及布拉格偏振光柵彼此耦合的方式使空間光調制裝置能夠被均勻照亮。
在顯示裝置內，布拉格偏振光柵亦可用於均勻照亮至少一個空間光調制裝置。如果顯示裝置內應設置一前光照明及一反射式空間光調制裝置，則這樣做具有特別的優點。光導體及至少兩個布拉格偏振光柵設置於顯示裝置內的方式使反射式空間光調制裝置能夠被均勻的照亮。第一個布拉格偏振光柵可用於將光線輸入耦合到光導體。以這種方式及大的偏轉角被輸入耦合到光導體的光線會在光導體內經由反射(最好是全反射)傳播。也可以將一個偏振轉換器及布拉格偏振光柵組合在一起，將光線輸入耦合到光導體。
根據本發明，為了使光線以適當及均勻的方式從光導體輸出耦合，顯示裝置可以設置第二個布拉格偏振光柵。這個布拉格偏振光柵使在光導體內經由反射(最好是全反射)傳播的光線能夠從布拉格偏振光柵的整個表面輸出偶合，這樣就可以使空間光調制裝置以平面且均勻的方式被照亮。
一種有利的方式是在光導體及空間光調制裝置之間的光線方向上設置一個偏振轉換器或波片，其作用是使從光導體輸出耦合的光線在空間光調制裝置上反射後改變偏振狀態，因此再度入射到光導體的光線可以不受阻礙的穿過光導體。布拉格偏振光柵不會對離開偏振轉換器的光線(此時其偏振方向已被轉向)造成敏感的影響。
根據本發明的另一種有利的實施方式，為了照亮透射式空間光調制裝置，顯示裝置具有一個光導體及至少兩個布拉格偏振光柵，其中光導體及布拉格偏振光柵彼此耦合的方式使空間光調制裝置能夠被均勻照亮。
為了照亮透射式空間光調制裝置，可以將光導體及至少兩個布拉格偏振光柵結合在一起。也就是說這個光導體可以與該至少兩個布拉格偏振光柵耦合。該至少兩個布拉格偏振光柵中的一個布拉格偏振光柵可用於將光線輸入耦合，該至少兩個布拉格偏振光柵中其餘的布拉格偏振光柵可以用於將光線從光導體輸出合。為了將光線輸入耦合到光導體，可以設置一個與布拉格偏振光柵結合的偏振轉換器。
該至少兩個布拉格偏振光柵具有相同的光學特性，例如相同的光柵周期及/或相同的光柵厚度及/或相同的偏轉角及/或光柵平面具有相同的傾斜度。這有利於在同一時間以布拉格偏振光柵補償空間光調制裝置被三原色光(紅，綠，藍)照亮時可能出現的色差，這樣就可以不必另外設置補償元件。這種方式對於照亮透射式及反射式空間光調制裝置均適用。
此外，另一種有利的方式是設置至少一個光學系統，其中該至少一個光學系統的作用是產生一虛擬觀察者區域，讓觀察者可以透過該虛擬觀察者區域觀察顯示的場景。
能夠產生觀察者區域的全息直視顯示器具有一個照明光程。顯示裝置或顯示器具有一個照明裝置，該照明裝置包括至少一個光源。例如，該照明裝置可以是一種背光照明，其作用是產生一準直的平面波前，以照亮空間光調制裝置。準直的波前相當於一個從無限遠處將空間光調制裝置照亮的虛擬光源。但是也可以利用一個發散或收斂的波前將空間光調制裝置照亮，其中該發散或收斂的波前相當於一個設置在空間光調制裝置之前或之後的有限遠處的真實或虛擬光源。光學系統將來自空間光調制裝置的光線聚焦到一虛擬觀察者區域的位置。如果空間光調制裝置內沒有寫入全息圖，則會在一觀察者平面上產生光源的一個圖像，並且週期性重複這個圖像作為較高的繞射級。但如果空間光調制裝置內有寫入全一個適當的全息圖，則會在第0繞射級附近產生一個虛擬觀察者區域，也可以將這個虛擬觀察者區域稱為虛擬觀察者視窗。在以下 明中，如果虛擬觀察者區域位於光源像的一個平面上，則將該虛擬觀察者區域稱為虛擬觀察者視窗。如果是全息直視顯示器，光學系統所含的一個產生光源圖像的場透鏡通常位於空間光調制裝置附近。觀察者可以從真實的距離看到空間光調制裝置，而且不必有空間光調制裝置的成像，同時可以透過虛擬觀察者區域觀察顯示的三維場景，但前提是觀察者至少有一個眼睛位於虛擬觀察者區域所在的位置。
如果是其他的全息顯示裝置，例如頭戴顯示器(HMD)、平視顯示器(HUD)、或其他的投影顯示器，則可能另外會有一個成像光程。在這些顯示裝置內產生空間光調制裝置的一個實像或虛像，觀察者可以看到這個實像或虛像，在這種情況下，照明光程對於虛擬觀察者區域的產生仍然是重要的。因此兩種光程(照明光程及成像光程)都是重要的。
如果是其他種類的顯示裝置，例如立體顯示裝置，則一種可能發生的情況是有一個成像光程及一個照明光程。例如，一個用於產生甜密點的立體顯示裝置可以具有一類似於前面提及之全息顯示器的光學裝置，也就是空間光調制裝置的一個準直照明及一個光學系統，但也可以另外具有其他的組件，例如一個具有特定控制角度的控制元件。如果將控制元件從顯示裝置取出，則光學系統會在甜點的平面上產生一個光源像。如果有使用控制元件，光線會分佈在一個擴大的甜密點上，其中該甜密點窄於觀察者雙眼的距離。但是要能夠看到整個立體像，而且沒有漸暈效應，照明光程是很重要的。三維立體顯示裝置同樣可以具有一個成像光程，透過這個成像光程可以將空間光調制裝置成像在一個與觀察者相距一特定距離的位置。
在一般情況下，顯示裝置的光學系統可以具有透鏡或其他成像元件，其中透鏡或其他成像元件可以顯示兩種光程，也就是照明光程及成像光程。例如，可以在空間光調制裝置及觀察者之間設置一個單一的成像元件，以使這個成像元件在觀察者平面產生空間光調制裝置的圖像及光源的成像。
例如，為了能夠利用以至少一個虛擬觀察者區域工作的顯示裝置產生一個大視場，一種有利的方式是設置至少一個光學系統，且該至少一個光學系統能夠產生空間光調制裝置由段落組成的多重成像，其中該多重成像決定一個視場，在這個視場內可以重建在空間光調制裝置內編碼的場景資訊，以供觀察者透過一虛擬觀察者區域觀看。
為了使空間光調制裝置的多重成像能夠產生一個大視場(FOV)，可以將顯示裝置的至少一個布拉格偏振光柵與至少一個偏振轉換器結合在一起，以組成至少一個可控制的布拉格偏振光柵，其中在該至少一個可控制的布拉格偏振光柵的一種切換狀態下，可以產生空間光調制裝置由段落組成的多重成像的一個段落，同時在該至少一個可控制的布拉格偏振光柵的另一種切換狀態下，可以產生空間光調制裝置由段落組成的多重成像的另一個段落。
根據本發明的另一種實施方式，為了產生一個大視場，顯示裝置設有一個光導體，透過這個光導體及至少一個光學系統可以產生空間光調制裝置由段落組成的多重成像。此處的光導體的形狀可以是平坦或彎曲的。另一種可能性是，光導體僅有一部分是彎曲的。
根據一種有利的方式，輸入耦合到光導體的光線在光導體內經由反射(最好是全反射)傳播，而且可以經由至少一個可控制的布拉格偏振光柵從光導體輸出耦合。另一種可能的方式是光線不經由全反射，而是透過光導體內的一個介電層堆傳播，其中這個介電層堆的作用如同一個角度選擇的反射體。可以將這個介電層堆設置在光導體的交面面，以使光面在介電層堆以所要求的角度被偏轉或反射，這樣光模就可以按照要求的方式在光導體內傳播，並透過至少一個可控制的布拉格偏振光柵從光導體輸出耦合。
該至少一個可控制的布拉格偏振光柵可以是由布拉格偏振光柵及偏振轉換器組成。偏振轉換器較佳是一種結構化偏振轉換器。透過結構化偏振轉換器可以局部改變在光導體內傳播的光線的偏振方向，這樣就可以定義光線必須到何處或那一個位置從光導體輸出耦合，以產生大視場。透過這種方式可以使用於將空間光調制裝置成像的光線在正確的位置從光導體輸出耦合，並產生將空間光調制裝置的複數個成像。透過空間光調制裝置的複數個成像的排列，可以產生一個大視場。
根據本發明的另一種有利的實施方式，顯示裝置具有至少一個可控制的布拉格偏振光柵，其作用將光線輸入耦合到光導體，其中該至少一個可控制的布拉格偏振光柵是由布拉格偏振光柵及偏振轉換器組成，其中透過可控制的布拉格偏振光柵可以將入射光以一入射角繞射到第1個繞射級。這個入射角可以是大於全反射的臨界角，或是與一個介電層堆的反射角配合的角度。
可控制的布拉格偏振光柵亦可用於將光線輸入耦合到光導體。照射到布拉格偏振光柵的光線會根據繞射結構或布拉格偏振光柵之光柵結構的光柵平面在光線上的定義，被繞射到第1繞射級。以這種方式可以產生光線的一個入射角，光線在光導體內經由全反射以這個入射角傳播。
可控制的布拉格偏光柵可以在兩個狀態之間切換，以決定是否要將光線輸入耦合到光導體外；如果光線應始終以相同的角度輸入耦合到光導體，則可以使用被動式(不可控制的)布拉格偏振光柵。
此外，一種有利的方式是設置一至少兩個布拉格偏振光柵組成的堆疊，其中該至少兩個布拉格偏振光柵分別與一個偏振轉換耦合，因此可以在光導體內產生不同的光線入射角，同時光線在光導體內經由反射(最好是全反射)傳播。
透過至少兩個布拉格偏振光柵組成的堆疊及結合至少兩個偏振轉換器，可以將光線以可搶制的方式輸入耦合到光導體。這樣做可以產生不同的光線入射角，以便讓光線在光導體內以不同的角度傳播。例如，該至少兩個布拉格偏振光柵可以有不同的光柵週期，同時光柵平面與光柵週期配合的傾斜角也不同。
該至少兩個布拉格偏振光柵的設置方式使其光柵結構的光柵平面彼此夾一特定的角度。這表示兩個布拉格偏振光柵的光柵平面是彼此平行、彼此鏡反向、或彼此轉動90度角，當然除此之外也可能是其他的角度。可以控制偏振轉換器，使偏振轉換器在必要時可以按照要求的偏振改變入射光的偏振狀態，這樣光線就會被至少一個布拉格偏振光柵或多個布拉格偏振光柵的組合偏轉一要求的角度，並入射到光導體。光柵週期決定光線以什麼角度在光導體內傳播。之後光線在光導體內以這個角度傳播，直到應輸出耦合為止。由於設置不同光柵週期的布拉格偏振光柵，因此光線能夠以不同的角度輸入耦合到光導體，進而能夠以不同的角度在光導體內傳播。光線在光導體內傳播的方向是由各個布拉格偏振光柵之光柵平面彼此之間的定向決定。例如，透過兩個彼此鏡面對稱的布拉格偏振光柵，可以使光線從輸入耦合的位置出發以相反的方向在光導體內傳播。例如，在頭載顯示器內，這種設置方式可以使光線在觀察者的鼻子高度處輸入耦合，然後在光導體內被偏轉到觀察者的左眼或右眼。例如，同樣可以經由一個布拉格偏振光柵使光線從光導體輸出耦合，或是經由體光柵使光線從光導體輸出耦合，其中這種光柵的配置都必須配合所要求的光線傳播角度。
根據本發明的另一種有利的實施方式，至少一個布拉格偏振光柵與至少一個偏振轉換器耦合。
例如，可以形成要產生的場景的組成片段或空間光調制裝置之多重成像的段落，以便在一個大視場內產生要顯示的三維場景。
透過偏振轉換器調整偏振，布拉格偏振光柵將光線偏轉到第0繞射級或第1繞射級。例如，透過這種方式，可以利用一個布拉格偏振光柵及一個偏振轉換器可以在垂直方向或水平方向分別產生場景的兩個片段或空間光調制裝置之多重成像的兩個段落。
根據本發明的一種有利的實施方式，顯示裝置具有至少兩個布拉格偏振光柵，且每一個布拉格偏振光柵都具有一帶有光柵平面的光柵結構，其中兩個布拉格偏振光柵的設置方式使其光柵平面彼此夾一特定的角度。此外，該至少兩個布拉格偏振光柵的光柵週期可以是不一樣的。換句話說，該至少兩個布拉格偏振光柵可以具有不同的光柵週期。
這表示每一個布拉格偏振光柵都對一個偏振轉換器耦合。布拉格偏振光柵之光柵結構的光柵平面彼此夾一個角度，也就是說，這些光柵平面是彼此平行、彼此鏡反向、或彼此轉動90度角，當然除此之外也可能是其他的角度。例如，透過兩個彼此夾90度角的布拉格偏振光柵的組合，可以在垂直方向或水平方向分別產生場景的兩個片段或空間光調制裝置之多重成像的兩個段落，這樣總共可以產生4個片段或段落，因為光線可以選擇性的被兩個布拉格偏振光柵的每一個布拉格偏振光柵偏轉到第0繞射級及第1繞射級。因此共有4種可能的組合(0 水平/ 0垂直，0 水平/ 1垂直，1 水平/ 0 垂直，1 水平/ 1 垂直)。可以順序產生場景的片段或空間光調制裝置之多重成像的段落。例如，兩個彼此鏡反向設置的布拉格偏振光柵，可以在水平方向或垂直方向產生場景的3個片段或空間光調制裝置之多重成像的3個段落。透過具有不同光柵週期的布拉格偏振光柵，也可以在相同的方向產生不同的偏轉角，因而增加在水平方向或垂直方向產生的片段或段落的數量。
空間光調制裝置之多重成像的段落可以基本上是無間隙的連接在一起。空間光調制裝置之多重成像的段落較佳是彼此部分重疊。在將要產生的場景的資訊編碼到空間光調制裝置時，可以將重疊的部分考慮進去。
該至少一個布拉格偏振光柵與至少一個偏振轉換器結合及至少一個光學系統的組合可用於產生空間光調制裝置由段落組成的多重成像。
此外，該至少一個布拉格偏振光柵及該至少一個光學系統可以結合在 一起，以便在x方向、y方向(橫向方向)及/或z方向(顯示裝置的軸向方向)對虛擬觀察者區域進行粗追蹤。
將布拉格偏振光柵應用於對虛擬觀察者區域進行粗追蹤亦可與產生空間光調制裝置由段落組成的多重成像的應用無關，例如應用於僅產生單一成像或根本不需產生空間光調制裝置之成像的顯示裝置，也就是所謂的直視顯示器。
特別是可以設置布拉格偏振光柵，以便對虛擬觀察者區域進行粗追蹤。不只可以在橫向方向進行粗追蹤，而是也可以在離開或朝向觀察者的z方向或軸向方向進行粗追蹤。可以利用液晶光柵(LCG)對虛擬觀察者區域進行細追蹤，這是一種已知的方法。可以將液晶光柵及布拉格偏振光柵結合在一起，以擴大液晶光柵原本較小的偏轉角。透過這種方式可以將利用液晶光柵及布拉格偏振光柵的組合追蹤虛擬觀察者區域所需的角度大幅放大，例如放大將近兩倍。
根據一種有利的實施方式，該至少一個光學系統具有至少兩個一般的體光柵，例如以光化聚合物為主要成分的體光柵，這些體光柵具有各自不同、但都很小的選度選擇性，同時這些體光柵都是場透鏡，且各自具有不同的橫向焦點或不同的焦距。光線的偏振經過至少一個偏振轉換器調整後，該至少一個布拉格偏振光線將光線偏轉到第0繞射級或第1繞射級。體光柵的入射角經過調整後，第一個體光柵能夠以很高的繞射效率將來自至少一個布拉格偏振光柵的第0繞射級的光線聚焦，同時第二個體光柵或其他的體光柵能夠以很高的繞射效率將來自其他布拉格偏振光柵的第1繞射級的光線聚焦。
此外，根據本發明的另一種有利的實施方式，顯示裝置具有至少一個透鏡元件，其中該透鏡元件是作為布拉格偏振光柵，並與一個偏振轉換器結合在一起。
例如，作為布拉格偏振光柵的至少一個透鏡元件的光柵結構可以具有不同的局部光柵週期。
因此一個設置在顯示裝置內的布拉格偏振光柵也可以本身就是一個透鏡元件或聚焦元件。因此布拉格偏振光柵具有一個局部光柵週期，這個局部光柵是由在布拉格偏振光柵上的位置決定，並相當於一個透鏡功能。由於布拉格偏振光柵是將光線偏轉到第0繞射級或第1繞射級，例如，如果是第0繞射級，則此時布拉格偏振光柵的透鏡功能被關閉，如果是第1繞射級，則此時布拉格偏振光柵的透鏡功能被接通。
該至少一個透鏡元件較佳是一種場透鏡，其作用是在z方向追蹤虛擬觀察者區域。
在顯示裝置內，至少一個可控制的布拉格偏振光柵也可以是一種可開關或可控制的元件，並與對虛擬觀察者區域進行粗追蹤的元件結合在一起，其中進行粗追蹤的元件也可以具有透鏡功能。例如，進行粗追蹤的元件可以是至少兩個體光柵，例如以光化聚合物為主要成分的體光柵，此種體光柵具有較小的角度選擇性，而且是作為具有不同的橫向焦點或不同焦距的場透鏡。
透過至少一個偏振轉換器可以調整光線的偏振，使該至少一個布拉格偏振光柵將光線偏轉到第0繞射級或第1繞射級。在這種情況下，該至少一個布拉格偏振光柵本身的作用就如同一個棱鏡，也就是根據與其耦合的偏振轉換器的開關狀態，將入射光偏轉兩個不同的角度，其中這兩個角度均與在光程上至少兩個前後排列的體光柵的角度接受性適配，因此不是這個體光柵被定址，就是另一個體光柵被定址。如果是使用至少兩個布拉格偏振光柵，則其設置方式使其光柵平面彼此夾一特定的角度，及/或這些布拉格偏振光柵可以具有不同的光柵週期。例如，一個布拉格偏振光柵可以在與水平夾+45度的方向將光線偏轉30度，另一個布拉格偏振光柵可以在與水平夾-45度的方向將光線偏轉30度，其中兩個體光柵-場透鏡中的一個體光柵-場透鏡可以將從+45度的方向以30度入射的光線以很高的繞射效率聚焦，另一個體光柵-場透鏡可以將從-45度的方向以30度入射的光線以很高的繞射效率聚焦。
如果要以彩色顯示場景，一種有利的方式是利用一個布拉格偏振光柵，以很高的繞射效率將可視光範圍內不同波長的光偏轉不同的角度。與此相對的，以光化聚合物為主要成分的體光柵-場透鏡具有比較小的角度選擇性及波長選擇性。因此3個一組且具有相同的焦點的RGB(紅綠藍)體光柵-場透鏡可以使透鏡以很高的繞射效率偏轉的光線入射角與布拉格偏振光柵的色散適配。例如，一個布拉格偏振光柵在第1繞射角將藍光偏轉35度、將綠光偏轉40.5度、以及將紅光偏轉48.7度。也就是說，這3個具有相同焦點的體光柵-場透鏡的作用方式是，藍光體光柵-場透鏡以很高的繞射效率將傾斜入射的光線偏轉35度，綠光體光柵-場透鏡以很高的繞射效率將傾斜入射的光線偏轉40.5度，紅光體光柵-場透鏡以很高的繞射效率將傾斜入射的光線偏轉48.7度。
例如，也可以使用至少兩個布拉格偏振光柵。這至少兩個布拉格偏振光柵的配置方式使其光柵平面彼此夾一特定角度，及/或這些布拉格偏振光柵可以具有不同的光柵週期。每一個布拉格偏振光柵都可以配備3個一組的RGB(紅綠藍)體光柵-場透鏡，其中不同的3個一組RGB(紅綠藍)體光柵-場透鏡具有不同的橫向焦點或不同的焦距。
反之，如果布拉格偏振光柵本身就構成場透鏡，則為了修正色差，可以設置補償光柵元件。另一種可行的方式是為紅光、綠光及藍光分別設置一個獨立的布拉格偏振光柵，例如在使用藍光時，為藍光設置的布拉格偏振光柵會在第1繞射級內被運轉，同時為紅光及綠光設置的布拉格偏振光柵會在第0繞射級內被運轉。
因此可以在本發明的顯示裝置設置一個場透鏡，或設置一個場透鏡堆，以顯示彩色(RGB-3個場透鏡)三維場景，這個場透鏡或場透鏡堆是用於在z方向，也就是顯示裝置的軸向方向，對虛擬觀察者區域進行粗追蹤及/或追蹤，這個場透鏡或場透鏡堆本身也可以是一個可控制的布拉格偏振光柵或是由至少兩個布拉格偏振光柵組成的堆疊，其中每一個布拉格偏振光柵都可以選擇性的在第1繞射級或第0繞射級內被運轉。經由與布拉格偏振光柵耦合的光柵轉換器將光線轉換到要求的偏振。
當然，可控制的布拉格偏振光柵亦可用於對虛擬觀察者區域在橫向方向進行粗追蹤，也就是說在x方向及/或y方向(或是說水平方向及/或垂直方向)進行粗追蹤。此外，例如可以利用液晶光柵(LCG)對虛擬觀察者區域進行細追蹤。液晶光柵的光線偏轉角比較小，透過與可控制的布拉格偏振光柵的組合，可以擴大液晶光柵的光線偏轉角。
以下將說明以可控制的布拉格偏振光柵作為偏轉元件在與角度選擇元件的組合中的應用方式，或是作為粗追蹤虛擬觀察者區域用的透鏡元件的應用方式。
例如，可以將可控制的布拉格偏振光柵應用於平視顯示器，其中平視顯示器允許在一或多個固定景深平面之間切換。在一個移動工具(例如汽車)中，有時需要顯示與移動工具的駕駛人或操作者相距很遠的物件，例如路上的交通號誌及景告標誌，同時又要顯示與駕駛人距離很近的物件，例如移動工具有操作裝置。
例如，平視顯示器(HUD)可以具有一個作為光學元件的體光柵，這個體光柵構成一個固定焦距的透鏡元件，並顯示一個在固定距離處的圖像。但是平視顯示器也可以具有由多個體光柵構成的堆疊，例如可以具有兩個體光柵，而且這兩個體光柵各有不同的焦距。如果在平視顯示器內設置至少一個可控制的布拉格偏振光柵，由於體光柵具有角度選擇性，因此可以根據所使用的是該至少一個可控制的布拉格偏振光柵的第0繞射級或第1繞射級選擇一個體光柵，並使光線對準這個選出的體光柵。例如，可以在一個與駕駛人相距70公分的空間光調制裝置的圖像及一個相距5公尺的圖像之間進行切換。這種在與駕駛人不同距離的圖像之間進行的切換可以應用於立體平視顯示器。同樣的，對於具有虛擬觀察者視窗並能夠以全息方式產生三維場景的全息平視顯示器而言，這種在與駕駛人不同距離的圖像之間進行切換的功能也是很有利的，因為空間光調制裝置的圖像的景深平面會影響重建場景所使用的子全息圖的尺寸，因此也會影響將全息圖編碼到空間光調制裝置的計算工作。這樣就可以用很簡單的方式以空間光調制裝置的一個距離很遠的圖像計算出一個距離很遠的三維場景，以及以空間光調制裝置的一個距離很近的圖像計算出一個與駕駛人距離很近的三維場景。
和使用體光柵-場透鏡對一個虛擬觀察者區域進行粗追蹤一樣，可以用一個布拉格偏振光柵將3個一組的RGB(紅綠藍)體光柵-透鏡定址，但前提是體光柵-透鏡的光線入射角與布拉格偏振光柵的色散適配。例如，一個3個一組的RGB(紅綠藍)體光柵-透鏡能夠產生一個與駕駛人或觀察者相距70公分的空間光調制裝置的圖像，另一個一個3個一組的RGB(紅綠藍)體光柵-透鏡能夠產生一個與駕駛人或觀察者相距5公尺的空間光調制裝置的圖像，其中可以透過至少一個可控制的布拉格偏振光柵在兩個3個一組的RGB(紅綠藍)體光柵-透鏡之間進行切換。
除了使用至少一個可控制的布拉格偏振光柵與至少一個角度選擇的光柵元件的組合外，另一種可能的方式是至少一個可控制的布拉格偏振光柵本身就具有一個具有不同焦距的透鏡功能。同樣的，此處亦可設置修正布拉格偏振光柵之色散用的補償光柵元件，或是為每一個波長設置獨立的可控制的布拉格偏振光柵。
此外，也可以將可控制的布拉格偏振光柵設置在立體頭戴顯示器(HMD)內，以便在物件的至少兩個景深平面之間進行切換。也可以在立體頭戴顯示器內設置可切換的光學元件，以移動所顯示之物件的景深平面。
這種多焦點頭戴顯示器可以具有一個視線追蹤裝置。這樣就可以偵測出觀察者是有意識的觀察所顯示的三維場景的那一個物件，或當下的聚焦位置。例如，如果可以從場景的一個三維模式測出這個聚焦物件的景深位置，就可以從多個可能的景深位置選出空間光調制裝置的一個圖像的景深位置，也就是使選出的景深位置盡可能接近物件的景深位置。可以利用至少一個可控制的布拉格偏振光柵從多個可能的景深位置選出一個景深位置。然後該至少一個可控制的布拉格偏振光柵會對設置在頭載顯示器內且具有不同的透鏡功能及選度選擇性的體光柵進行定址。
同樣的，一個3個一組的RGB(紅綠藍)體光柵可以分別與布拉格偏振光柵的色散適配。
另一種可能性是以利用至少兩個具有不同透鏡功能的可控制的布拉格光柵完成這個工作。
同樣的，可以利用補償光柵元件修正色散，或是分別以一個獨立的可控制的布拉格偏振光柵修正一個顏色。
例如，為了調整景深平面，在一個變焦頭戴顯示器內，可以利用一個布拉格偏振光柵進行景深位置的粗調整，並搭配另一種可變聚焦元件，例如至少一個液晶光柵(LCG)，進行景深位置的細調整。
例如，這種立體頭載顯示器可以具有一個光導體。在光線輸入耦合到光導體之前，一個空間光調制裝置會被成像在無限遠處。在光導體的光輸出耦合區設有多個體光柵，這些體光柵具有不同焦距的透鏡功能。透過設置一個可控制的布拉格偏振光柵，例如也是設置在光導體的光輸出耦合區，可以將其中一個體光柵定址。另一種可能的方式是，在光導體的光輸出耦合區設置多個具有不同透鏡功能的可控制的布拉格偏振光柵。定址或使用有不同透鏡功能的光柵導致空間光調制裝置成像於距離觀察者無限遠處，或是也成像於不同的橫向位置，以便在光線從光導體輸出耦合後，透過空間光調制裝置的多重成像擴大視場。
如關於本發明之其他實施方式的說明，此處亦可採取修正色散的措施。
但是可控制的布拉格偏振光柵的使用不應僅限於具有光導體的平視顯示器，而是亦可將控制的布拉格偏振光柵應用於其他的顯示裝置。
此外，控制的布拉格偏振光柵不僅可以應用於立體平視顯示器，也可以應用於其他的三維顯示器，例如全息平視顯示器或全息顯示裝置。
在平視顯示器、頭戴顯示器、或其他三維顯示裝置內，在兩個或多個景深平面之間進行切換，這對於以單視差被編碼到空間光調制裝置的全息圖也非常有利。但由於全息圖採單視差編碼，能夠顯示高解析度之三維場景的景深範圍會受到限制。透過在三維圖像的不同景深平面之間的切換，可以擴大這個景深範圍。
本發明的顯示裝置可以構成全息顯示裝置或立體顯示裝置。
本發明的顯示裝置可以構成直視顯示器、頭載顯示、或平視顯示器。兩個本發明的顯示裝置可以構成一個平視顯示器，也就是說其中一個顯示裝置用於觀察者的左眼，另一個顯示裝置用於觀察者的右眼。
有不同的可能性可以將本發明的學理以有利的方式實現，及/或將本說明書描述的實施例或實施方式彼此組合。這些可能性記載於本發明之附屬申請專利項目，以及以下配合圖式說明的本發明的各種有利的實施方式，其中亦有說明如何以有利的方式實現本發明的學理。以下的實施例或實施方式都是用於精確說明本發明的內容，但是本發明並不受限於這些實施例或實施方式。
在許多光學應用中，尤其是顯示三維物件或場景的顯示裝置或顯示器，需要以垂直入射光照射在光學元件上。此外，繞射光柵需具有很高的繞射效率及能夠有效的將入射光線偏轉。如前面所述，布拉格偏振光柵對垂直入射光具有很高的繞射效率。先前技術已有多種不同的方法可以製造出布拉格偏振光柵。例如，一種製造光柵的方法是以與光致結構化定向層(PAL)結合的反應型Mesogene層為基礎，其中光柵環或光柵平面的方向垂直於光柵的基板。液晶-定向偶極子的定向始終保持在平行於基板的平面上。在傾斜角度αB 很大的情況下，這會導致光柵的局部雙重折射變小。
但是本發明使用的布拉格偏振光柵是以另一種方法製成。本發明使用的布拉格偏振光柵是以批量液晶光配向法製成。這種製造方法可以確保定向層的結構化平面的分子定向的獨立性。此外，這種方法可以用簡單且自然的方式製造出傾斜的光柵環或光柵平面，如第1圖所示。傾斜的入射光將光柵照亮，因此可以感應生成液晶聚合物完整的三維定向。符號ΛB 代表以這種方法製造 拉格偏振光柵的光柵週期。在全息照明之前，製造布拉格偏振光柵的材料被轉動到一特定的角度φ，因此會被照射出一個傾斜的干涉圖案。如第1圖所示，此處液晶-定向偶極子所在的平面垂直於光柵環或光柵平面。因此局部雙重折射與光柵環的傾斜度無關。這個優點可以應用在不同的顯示裝置或顯示器。
以這種方式可以製造出繞射效率約98%(非常接近100%)的布拉格偏振光柵，也就是說可以對照射到布拉格偏振光柵的垂直入射光達到很高的繞射效率。
第2圖是以示意方式顯示在不同的偏振狀態下及垂直入射光的情況下，這種布拉格偏振光柵的特性。第2 圖的a)顯示一個被右循環偏振光CR照亮的布拉格偏振光柵BP。布拉格偏振光柵BP將入射光繞射到第1繞射級(-1. BO)。右循環偏振光被布拉格偏振光柵BP繞射，轉換成左循環偏振光CL。在第-1繞射級達到約98%的繞射效率，也就是說接近100%的光線被偏轉到這個繞射級，因此幾乎沒有光損。這表示沒有或幾乎沒有光線被偏轉或繞射到第0繞射級或第+1繞射級。
第2圖的b)顯示的情況是左循環偏振光CL垂直入射到布拉格偏振光柵BP。這個偏振光直接穿過到布拉格偏振光柵BP，沒有被繞射，因此是進入第0繞射級(0. BO)。也就是說，光線的偏振狀態並未因為穿過布拉格偏振光柵BP而改變。這表示在穿過布拉格偏振光柵BP之後，仍然是左循環偏振光。
第2圖的c)顯示線性偏振光LP入射到布拉格偏振光柵BP。在這種情況下，大約一半的光線被繞射到-1繞射級(-1. BO)，大約另一半的光線被繞射到-0繞射級(-0. BO)。也就是說繞射效率大約平分到這兩個繞射級。
一般而言，布拉格偏振光柵的特性是將處於一種循環偏振狀態的光線偏轉到第1繞射級，以及將處於另一種循環偏振狀態的光線偏轉到第0繞射級。這表示，被偏轉到第1繞射級的光線並非一定必須是右循環偏振光，被偏轉到第0繞射級的光線也並非一定必須是左循環偏振光，如第2圖所示。而是視布拉格偏振光柵配置而定，也可以是反過來的。
由於此處使用的布拉格偏振光柵的厚度很小(大約0.7μm至2μm，較佳是1.2μm至1.8μm，最好是大約1.5μm)，因此具有很寬的頻譜接受性及很大的角度接受性。因此布拉格偏振光柵在綠光、紅光及藍光波長範圍都有很高的繞射效率，也就是大約都超過90%。因此布拉格偏振光柵可以應用可視光的整個頻譜範圍，也就是波長λ從400nm到700nm的範圍。
布拉格偏振光柵的角度接受性(FWHM：半峰全寬)通常在35度(也就是+/-17.5度)。這個角度接受性遠高於以光化聚合物為主要成分的體光柵的角度接受性(≦+/-5度)。
如以下第3圖至第5圖所示，這種布拉格偏振光柵能夠有效的將光線偏轉，也就是能達到50度以上的偏轉角度。第3圖至第5圖顯示布拉格偏振光柵的基本應用，第6圖至第16圖顯示使用布拉格偏振光柵的特殊的實施例。
第3圖顯示本發明之偏轉光線用的光學結構原理圖。這個光學結構具有一個第一布拉格偏振光柵BP1及一個第二布拉格偏振光柵BP2。此外，這個光學結構還具有一個配屬於第一布拉格偏振光柵BP1的第一偏振轉換器PS1，以及一個配屬於第二布拉格偏振光柵BP2的第二偏振轉換器PS2。一個布拉格偏振光柵及一個偏振轉換器共同構成一個可控制的布拉格偏振光柵。第一布拉格偏振光柵BP1具有一個包含光柵平面3的光柵結構，其中光柵平面3是傾斜設置於光柵內，或是朝一特定方向翻轉。在第3圖中，光柵平面3向左翻轉。第二布拉格偏振光柵BP2具有一個包含光柵平面4的光柵結構，其中光柵平面4是傾斜設置於光柵內，或是朝一特定方向翻轉。不過光柵平面4是以與第一布拉格偏振光柵BP1的光柵平面3鏡反像或夾一角度的方式配置。光柵平面傾斜的方向及光柵的旋轉方向(在一個光柵週期內，光柵內的液晶分子是否順時針或送時針轉動)決定布拉格偏振光柵在第1繞射級的情況下偏轉的方向，以及布拉格偏振光柵以那一種偏振狀態偏轉到第1繞射級。如果偏振光照射到由具有偏振轉換器PS1、PS2之布拉格偏振光柵BP1、BP2構成的光柵堆，這個偏振光會按照給定的偏振被布拉格偏振光柵繞射或偏轉到第0繞射級或第1繞射級。如果線性偏振光照射到第一偏振轉換器PS1，且此時第一偏振轉換器PS1的接通狀態是將光線轉換右循環偏振光，則這個線性偏振光會被第一布拉格偏振光柵BP1轉換成左循環偏振光，並被繞射到第1繞射級。接著這個光線穿過處於切斷狀態的第二偏振轉換器PS2及第二布拉格偏振光柵BP2，且沒有被偏轉。也可以將已經是右循環偏振的光線照射到處於切斷狀態的第一偏振轉換器PS1，這樣偏振狀態就不會改變。如果不需要偏轉光線，則兩個偏振轉換器PS1、PS2都可以處於切斷狀態，其中左循環偏振光應照射到第一偏振轉換器PS1，這樣光線就會以沒有偏轉的方式穿過光柵堆，並進入第0繞射級。但若是要將光線偏轉到第1繞射級，則第一偏振轉換器PS1可以處於切斷狀態，同時應使左循環偏振光照射到第一偏振轉換器PS1，因此這個左循環偏振光能夠以沒有偏轉的方式穿過第一布拉格偏振光柵BP1。此時第二偏振轉換器PS2處於接通狀態，因此照射在其上的左循環偏振光會被轉換成右循環偏振光，並被第二布拉格偏振光柵BP2以幾乎沒有光損的方式繞射到第+1繞射級。以這種方式能夠使光線射向3個不同的方向。也就是說，只要透過一個可控制的布拉格偏振光柵堆即可在不同的偏轉方向之間切換。
第4圖顯示一個由光導體LG及布拉格偏振光柵BP構成的光學結構的一部分。在這個光學結構中，布拉格偏振光柵BP的作用是將在光導體LG內傳播的光線輸出耦合。目前已知的是，可以利用體光柵使光線從光導體輸出耦合，其中體光柵能夠使光線以一特定的輸出角度輸出耦合。也可以利用布拉格偏振光柵使光線輸出耦合，因為布拉格偏振光柵雖然要求光線有某種程度的偏振，但卻具有很大的角度接受性。因此此處是將布拉格偏振光柵BP與一個偏振轉換器PS結合在 一起，其中偏振轉換器PS的作用是改變光線的偏振。
在第4圖的上方，具有一特定偏振的光線傳光導體LG內傳播，其中在布拉格偏振光柵BP所在的位置，光線不應從光導體LG輸出耦合，因此偏振轉換器PS處於切斷狀態，也就是說，照射到其上的光線(例如左循環偏振光)的偏振不會被改變。因此光線會以沒有偏轉 的方式穿過布拉格偏振光柵BP，然後以傾斜角度照射到光導體表面，並經過全反射或反射在光導體LG內繼續傳播到一個設置在光導體LG的交界面上的介電層堆。第4圖下方以簡化的方式顯示在光導體LG的一個位置將光導體內傳播的光線輸出耦合。此時偏振轉換器PS處於接通狀態，因此會改變入射光線的偏振。如果光線在光導體LG內是以右循環偏振傳播，偏振轉換器PS會將照射到其上的光線轉換成左循環光，因此這個光線在穿過布拉格光柵時會被繞射或偏轉。由於繞射或偏轉，光線會以接近垂直或很小的角度照射到光導體LG的表面，因此在這個表面不會發生全反射，或是在介電層堆上不會發生反射。因此光線會從光導體LG輸出耦合。
光柵也可以具有反射性，同以將光線向光導體的對面輸出耦合。
也可以利用至少一個布拉格偏振光柵產生顯示彩色資訊，例如應用於顯示裝置，以產生彩色物件或場景。第5圖顯示產生彩色資訊用的一個光學結構原理圖。這個光學結構具有由補償光柵元件構成的堆疊5，其作用是修正光線的色散。堆疊5具有兩個體光柵5B 、5R 。補償光柵元件或體光柵5B 是用於修正從藍光B到綠光G的不同的繞射。此處應假設綠光G在穿過第5圖的光學結構後被繞射到正確的方向，因此只需以補償光柵元件5B 、5R 修正紅光及藍光的方向。補償光柵元件5B 、5R 是一種被動式補償光柵元件，而且是為紅光或藍光的一個特定出射角所設計。
第5圖的光學結構的光導體與第4圖的光導體類似。RGB(紅綠藍)三原色的光線都應在光導體內以相同的角度傳播，並選擇性的從光導體輸出耦合，但是在輸出耦合後，RGB仍然是以相同的角度傳播。因此布拉格偏振光柵及補償光柵元件組成的堆疊應將紅光、綠光及藍光以相同的角度偏轉。也可以將布拉格偏振光柵及補償光柵元件組成的堆疊以相應的方式設置在其他的裝置中作為光導體，其作用是將紅光、綠光及藍光以相同的角度偏轉將紅光。
從第5圖可以看出，將紅光R、綠光G、及藍光B分別照射到一個偏振轉換器PS，這個偏振轉換器PS可能處於切斷狀態或接通狀態。在本實施例中，照射到偏振轉換器PS的光線是右循環偏振光CR。如果偏振轉換器PS處於切斷狀態，則右循環偏振光會穿過偏振轉換器PS，而且其偏振不會改變，然後穿過一個布拉格偏振光柵BP，並以一傾斜角照射到光導體6的表面。光線(不是何種波長)在光導體6的表面被全反射或反射到一個介電層堆，並繼續在光導體6內傳播。如果偏振轉換器PS處於切斷狀態，則右循環偏振光會穿過偏振轉換器PS，而且其偏振不會改變，然後穿過一個布拉格偏振光柵BP，並以一傾斜角照射到光導體6的表面。光線(不論何種波長)在光導體6的表面被全反射或反射到一個介電層堆，並繼續在光導體6內傳播。如果偏振轉換器PS處於接通狀態，則右循環偏振光會被轉換成左循環偏振光CL。這個相應於RGB的左循環偏振光照射到布拉格偏振光柵BP，並被布拉格偏振光柵BP繞射或偏轉。接著被偏轉的光線以垂直或一個角度照射到光導體6的表面。由於光線在布拉格偏振光柵內被偏轉，改變了光線在光導體6表面的入射角，因此光線不會被全反射或反射到一個介電層堆，同時三原色光都會從光導體6輸出耦合。從第5圖可以看出，由於色散的關關，紅光R、綠光G、及藍光B會被偏轉到不同的方向。例如，綠光G是以垂直於光導體6的表面的方向從光導體6輸出耦合。藍光B及紅光R則分別傾斜一個小角度從光導體6輸出耦合。但由於不同顏色的光線被偏轉到相同的方向，因此在光線從光導體6輸出耦合後，在光線傳播方向上設有兩個補償光柵元件5B 、5R 。補償光柵元件5B 、5R 或補償光柵元件堆5將光及紅光的方向偏轉成與綠光平行，也就是說，紅色 波長的光線及藍色波長的光線會被為相應顏色及角度設計的補償光柵元件5B 、5R 偏轉到要求的方向。以這種方式也可以達到正確且有高效率顯示彩色資訊的效果。
第6圖顯示設置一個可控制的布拉格偏振光柵，以照亮顯示裝置內的空間光調制裝置SLM的實施例。在這個實施例中，空間光調制裝置SLM(以下簡稱為SLM)是一種反射式元件。為了照亮SLM，光導體LG具有彼此耦合的兩個布拉格偏振光柵BP1、BP2，以及兩個偏振轉換器PS1、PS2，以均勻照亮SLM。布拉格偏振光柵BP1是用於將光線輸入耦合到光導體LG。布拉格偏振光柵BP1與偏振轉換器PS1光耦合，因此必要時能夠改變光線的偏振，也就是說透過布拉格偏振光柵BP1能夠根據特定的要求將光線輸入耦合到光導體LG。從第6圖可以看出，右循環偏振光被偏振轉換器PS1轉換成左循環偏振光，然後被布拉格偏振光柵BP1輸入耦合到光導體LG，接著經過反射(最好是全反射)在光導體LG內繼續傳播。為了以光線均勻照亮SLM，在光導體LG內傳播的光線是經由布拉格偏振光柵BP2的整個面輸出耦合。這表示在光導體LG內傳播的光線僅有一部分在若干特定的位置被布拉格偏振光柵BP2輸出耦合，以均勻照亮SLM。可以有意的選擇較低的布拉格偏振光柵的繞射效率，以便在每一個位置只有一小部分的光線從光導體^輸出耦合。接著仍然是左循環偏振的光線按照第6圖中以實線繪出的箭頭照射到偏振轉換器PS2，然後穿過此時處於接通狀態的偏振轉換器PS2，然後均勻的照射在SLM上。在第一次穿過時，偏振轉換器PS2將光線轉換成線性偏振光。SLM能夠調制照射到其上的線性偏振光，例如根據要顯示的資訊調制線性偏振光。由於SLM具有反射性，因此光線會被SLM光導體LG的方向反射回去。反射的光線會再次穿過仍然處於接通狀態的偏振轉換器PS2，因此線性偏振光會被轉換成右循環偏振光。這個轉換是很重要的，目的是使光線能夠不受阻礙的穿過布拉格偏振光柵BP2及光導體LG，也就是使這兩個元件不會對光線造成光學影響。
第6圖顯示的SLM的照亮僅涉及以一種波長的光線照亮SLM，也就是單色照亮SLM。如果要以彩色(RGB)照亮SLM，在某些情況下會需要設置補償光柵元件，以修正色散。用於輸入耦合及輸出耦合光線的布拉格偏振光柵BP1、BP2較佳是具有相同的光學特性，例如相同的光柵週期及/或相同的光柵平面的角度及/或相同的光柵厚度。只要配置得當，布拉格偏振光柵BP1、BP2至少可以補償部分彩色效應。
如第6圖顯示的設置布拉格偏振光柵的方式特別適於用來照亮前光裝置內的微SLM。
將光線輸入耦合到光導體不必以可切換的方式進行。這表示只需置至少一個布拉格偏振光柵即可使光線輸入耦合到光導體，無需搭配偏振轉換器。此外，也可以將主動式或可控制的偏振轉換器PS2改為被動式偏振轉換器，例如延遲板。
當然另一種可能性是使用一種類似的結構，並搭配透射式SLM。在這種情況下，僅需一個偏振轉換器PS，這個偏振轉換器PS與布拉格偏振光柵BP1共同用於將光線輸入耦合到光導體。
第7圖顯示另一個在顯示裝置內設置一個布拉格偏振光柵的實施例。第7圖的光學結構要能夠對觀察者平面上的虛擬觀察者區域進行粗追蹤。因此第7圖的光學結構是一種追蹤裝置。發明人知道全息顯示裝置可用於追蹤虛擬觀察者區域，例如WO 2010/149587 A1揭示的顯示裝置或空間光調制裝置已提及搭配全息顯示裝置對虛擬觀察者區域進行追蹤的解決方案。從這個已知專利可知，觀察者至少要將一個眼睛定位在一個虛擬觀察者區域，才能透過這個虛擬觀察者區域觀察全息重建場景。但是這位觀察者必須保持在一個固定位置。如果他移動自已的位置，則這個虛擬觀察者區域必須追蹤觀察者的眼睛的新位置，這就是“追蹤”這個用語的意思。此處是利用一個位置偵測系統找出觀察者的眼睛位置，以及利用一個追蹤裝置追蹤虛擬觀察者區域。
例如，可以利用第7圖的方式追蹤虛擬觀察者區域，其中第7圖僅顯示追蹤裝置，並未繪出SLM及虛擬觀察者區域。追蹤裝置具有一個布拉格偏振光柵BP及一個偏振轉換器PS，因此可以透過調整光線在偏振轉換器PS內的偏振，在將光線偏轉及不將光線偏轉之間進行切換。以這種方式可以使虛擬觀察者區域移動到一個新位置。如第7圖所示，如果經過調制的彩色光(RGB)從未繪出的SLM射到一個由布拉格偏振光柵BP及偏振轉換器PS構成的可控制的布拉格偏振光柵，則在觀察者的眼睛及虛擬觀察者區域位於一特定的位置的情況下，這個彩色光會以沒有偏轉的方式穿過布拉格偏振光柵BP，但前提是偏振轉換器PS處於切斷狀態。因此這個光線是用於在一事先給定的觀察者位置產生一個虛擬觀察者區域。如果觀察者改變自己相對於SLM或SLM之圖像的位置，則可以接通偏振轉換器PS，以使光線偏轉到另一個方向。如第7圖的箭頭所示，這表示如果光線以一事先定義的偏振照射到偏振轉換器PS，則偏振轉換器PS會將光線的偏振轉換成布拉格偏振光柵BP敏感的偏振。然後這個偏振光照射到布拉格偏振光柵BP，並被布拉格偏振光柵BP偏轉到第1繞射級，並具有相反的偏振。由於使用彩色光的關係，布拉格偏振光柵BP的光顯色的偏轉角各不相同，因此在位於後方的堆疊7設有光學元件，例如補償光柵元件(例如體光柵)，其作用是修正光線的色散。堆疊7的補償光柵元件最好是具有選度選擇性及波長選擇性，每一個補償光柵元件的角度選擇性及波長選擇性都是為從布拉格偏振光柵BP入射到補償光柵元件的光線的一種顏色及一個入射角度量身打造的。例如，由於波長選擇性的關係，堆疊7的第一補償光柵元件僅將紅光偏轉，第二補償光柵元件僅將藍光偏轉，第三補償光柵元件僅將綠光偏轉。穿過堆疊7的補償光柵元件之後，三種波長的光線全部以相同的角度繼續傳播。
為了能夠使光線射向另一個方向，可以另外設置一個布拉格偏振光柵，並搭配另一個偏振轉換器及其他的補償光柵元件。在這種情況下，另一個布拉格偏振光柵的光柵結構的光柵平面應與原有的布拉格偏振光柵的光柵結構的光柵平面夾一個角度，也就是說兩個布拉格偏振光柵的光柵平面應形成一個角度。另一種可能的方式是，另一個布拉格偏振光柵具有另一個光柵週期，同時其他的補償光柵元件具有也具有不同的光柵週期。
例如，第7圖顯示的整個配置可以是由偏振轉換器、布拉格偏振光柵、以及補償光柵元件所構成，其作用是將光線偏轉到相反方向。
例如，可以將第7圖的整個配置轉動90度，以便以一個偏振轉換器、一個布拉格偏振光柵及補償光柵元件實現水平偏轉，以及以另一個偏振轉換器、布拉格偏振光柵及補償光柵元件實現垂直偏轉。
這個原理適用於追蹤，特別是在平視顯示器(HUD)內對虛擬觀察者視窗進行粗追蹤。但是這個原理不僅適用於追蹤，而是也可以用於密鋪要顯示的資訊，特別是在頭戴顯示器(HMD)內進行密鋪，另外也適用於平視顯示器(HUD)。以下將進一步說明這種應用。
在顯示裝置內，特別是以虛擬觀察者區域工作的全息顯示裝置，除了用於產生虛擬觀察者區域的光學結系統外，還具有至少一個場透鏡，其作用是與光學系統一起將經SLM調制的光線聚焦，並射向觀察者的一個眼睛，以便在該處產生一個虛擬觀察者區域。如果要以彩色顯示所產生的場景，且該至少一個場透鏡是一種繞射式場透鏡，則由於繞射式場透鏡會造成色散，因此必須為三原色(RGB)中的每一個顏色設置一個場透鏡，也就是說需要在顯示裝置內設置3個場透鏡。例如，如果場透鏡是由一種波長選擇性很窄的體光柵構成，則3個繞射效率很高的場透鏡中只有一個場透鏡會對一個原色產生如同透鏡的作用。由於全息顯示裝置主要是以發出相干光線的雷射或LED作為光源，因此會按時間順序產生各個彩色的子場景(副幀)或單色子圖，也就是按時間順序產生一個綠色場景、一個藍色場景、以及一個紅色場景。每一個子場景都含有所顯示的顏色的整個重建或只含有場景的一部分。為了以彩色(RGB)正確的顯示整個場景，必須將各個子場景組合在一起，並正確的重疊。這個工作主要是由3個場透鏡來完成，由於波長選擇性 係，每一個場透鏡都只對一種顏色具有很高的繞射效率，同時這3個場透鏡還搭配3個將光線預偏轉的光柵元件，其中每一個光柵元件均與其搭配的場透鏡適配，而且通常是由波長選擇性很窄的體光柵構成，因此每一個光柵元件都只對一種顏色具有很高的繞射效率。
本發明的這個實施例是以3個光柵元件取代一個布拉格偏振光柵，對光線進行預偏轉，也就是每一個光柵元件負責一種色光的偏轉，也就是取代原本以一個布拉格偏振光柵對3種色光的偏轉作用。由於布拉格偏振光柵具有很大的波長選擇性及角度選擇性，因此最適合用於這個工作。但是以一個場透鏡應對一種色光的作法必須注意場透鏡的接受角度或可能的光線入射角度要能夠與布拉格偏振光柵的自然色散匹配。因此不再是使用3個光柵，而是只使用一個光柵元件，才能避免將光線預偏轉的各個光柵元件之間的串擾。
第7圖的光學結構不僅可以用於追蹤虛擬觀察者視窗，還可以用於擴大視場，也就是顯示全息裝置產生之重建場景的視場。這是利用設置在顯示裝置內的光學系統為SLM產生一個由段落組成的多重成像，然後這個多重成像確定一個視場，在這個視場內可以重建在空間光調制裝置內編碼的場景資訊或物件資訊，以供觀察者透過一虛擬觀察者區域觀看。用於擴大視場的裝置可以具有至少一個可控制的布拉格偏振光柵，與第7圖類似，此種布拉格偏振光柵是由一個布拉格偏振光柵及一個偏振轉換器構成。例如，可以將這種裝置設置於平視顯示器(HUD)，以便在該處產生SLM之多重成像的至少兩個段落，以擴大觀察者的視場，如第8圖所示。例如，可以將平視顯示器(HUD)應用於一種移動工具(例如汽車或飛機)，以便將資訊(例如速度、溫度、號誌、警告、更換車道)、輔助功能、導航功能、或無線電功能顯示到移動工具的操作者或資訊觀察者的視場。平視顯示器(HUD)通常具有一個投影系統，這個投影系統具有一個照明裝置8(在本實施例中是一個雷射光源)、一個SLM、以及一個具有成像元件(例如透鏡)的光學系統9。投影系統發出的光線(如粗箭頭所示)經由一個鏡組單元10(可能包含透鏡元件、反射鏡元件及/或修正元件)，在擋風玻璃11上被朝虛擬觀察者區域12的方向反射。虛擬觀察者區域12被定位在觀察者的至少一個眼睛的範圍。可以透過平視顯示器(HUD)內的一個相應的裝置，正確的定位虛擬觀察者區域12相對於觀察者的位置。虛擬資訊被顯示在一個空間範圍，這個空間範圍是由虛擬觀察者區域12到移動工具的擋風玻璃11(或擴及其外的區域)所張拉出來。擋風玻璃11是可以透光的，因此觀察者能夠觀察到所顯示的資訊或圖像。
為了擴大虛擬觀察者區域12及擋風玻璃11(或擴及其外之區域)之間的視場，平視顯示器(HUD)內設有一個可控制的布拉格偏振光柵，這個可控制的布拉格偏振光柵是由一個布拉格偏振光柵及一個偏振轉換器組成。為了產生SLM之多重成像的至少兩個段落，照明裝置8發出的光線將SLM照亮，而且這個光線的振幅及/或相位會在該處根據顯示場景所需的資訊被調制。這個SLM可以是反射式或透射式的SLM。經過調制的光線被光學系統聚焦，並射向偏振轉換器PS，為了產生SLM之多重成像的第一段落，此時偏振轉換器PS處於切斷狀態，因此不會改變入射光的偏振狀態。照射到布拉格偏振光柵BP的光線被偏轉到第0繞射級，並產生第一段落S1，其中第一段落S1經由鏡組單元10及擋風玻璃11對準一個觀察者的方向。為了產生SLM之多重成像的第二段落，經過SLM調制的光線再次經由光學系統9射到偏振轉換器PS，此時偏振轉換器PS處於接通狀態，因此會改變入射光的偏振狀態，以便被位於後面的布拉格偏振光柵BP繞射。布拉格偏振光柵BP將入射光繞射到第1繞射級，因此產生第二段落S2。第二段落S2也是經由鏡組單元10及擋風玻璃11對準一個觀察者的方向。SLM之多重成像的兩個段落S1、S2構成一個視場，相較於未設置可控制的布拉格偏振光柵的平視顯示器(HUD)，這個視場擴大了許多，或將近是兩倍大。
透過設置另外一個同樣是由一個布拉格偏振光柵及一個偏振轉換器構成的可控制的布拉格偏振光柵，而且是直接設置在第8圖顯示之可控制的布拉格偏振光柵所在的區域，可以產生另一個段落，以進一步擴大視場。如果要使用RGB(紅綠藍)光源以彩色顯示視場內的資訊，則應設置適當的場透鏡，以聚焦各個彩色段落。這些場透鏡可以是不同的體光柵，以分別適用於紅光、綠光或藍光。但是平視顯示器(HUD)也可以具有繞射式場透鏡，例如消色差透鏡，這種透鏡的焦距與波長無關，或是具有反射鏡元件，這種元件的焦距也與波長無關。除了布拉格偏振光柵外，還可以使用補償光柵元件，例如體光柵，其作用是使紅光、綠光及藍光以相同的角度被偏轉，這樣就可以在相同的位置產生不同波長的段落S2。
第9圖顯示的平視顯示器(HUD)的實施方式具有與第8圖之實施方式類似的結構。第9圖的平視顯示器同樣具有一個投影系統，這個投影系統具有一個照明裝置(同樣是一個雷射光源)、一個SLM、以及一個具有成像元件(例如透鏡)的光學系統9。投影系統發出的光線(如箭頭所示)經由鏡組單元10(可能包含透鏡元件、反射鏡元件及/或修正元件)，在擋風玻璃11上被朝虛擬觀察者區域12的方向反射。虛擬觀察者區域12被定位在觀察者的至少一個眼睛的範圍。可以透過平視顯示器(HUD)內的一個相應的裝置，正確的定位虛擬觀察者區域12相對於觀察者的位置。虛擬資訊被顯示在一個空間範圍，這個空間範圍是由虛擬觀察者區域12到移動工具的擋風玻璃11(或擴及其外的區域)所張拉出來。擋風玻璃11是可以透光的，因此觀察者能夠觀察到所顯示的資訊或圖像。相較於第9圖，本實施例在擋風玻璃11內有一個光導體LG，當然也可以將光導體設置在擋風玻璃上或旁邊，或擋風玻璃9本身的作用就如同一個光導體。也可以將擋風玻璃設置在遠離光導體 置。光導體LG的形狀與擋風玻璃匹配，也就是說，光導體可以是平坦的，或至少有一部分是彎曲的。為了將光線輸入耦合到光導體LG，故設置一個由一個布拉格偏振光柵BP及一個偏振轉換器PS構成的可控制的布拉格偏振光柵。以這個裝置可以產生至少兩個段落，其中為了產生第一段落S1，可以將偏振轉換器PS切換到切斷狀態，因此不會改變照射在其上的光線的偏振狀態，接著光線照射到位於後面且對光線的偏振不敏感的布拉格偏振光柵BP。因此光線穿過布拉格偏振光柵BP，而且不會被偏轉，因此光線會射向第0繞射級，必要時還會穿過另一個被動式光柵，例如一個體光柵VG1，然後輸入耦合到光導體LG。經過在光導體LG的交界面上反射一次或多次後，光線會在預定的位置從光導體LG輸出耦合。例如，光線同樣可以經由一個被動式光柵(例如體光柵VG2)從光導體輸出耦合。為了產生第二段落S2，可以將偏振轉換器PS切換到接通狀態，因此會改變經過SLM調制並照射在其上的光線的偏振狀態，接著光線照射到位於後面且對光線的偏振敏感的布拉格偏振光柵BP。照射到布拉格偏振光柵BP的光線被偏轉到第1繞射級，必要時還會穿過一個被動式體光柵VG1，以改變過的角度輸入耦合到光導體LG。這個光線在光導體LG內繼續傳播，並在一特定位置從光導體LG輸出耦合，必要時可透過另一個體光柵VG2的幫助，使光線從光導體輸出耦合。以這種方式可以產生第二段落S2，其中激二段落是對準觀察者的方向，並與第一段落S1構成擴大的視場。
為了產生更多的段落，以進一步擴大視場，可以在光導體LG的光輸入耦合區加設至少一個可控制的布拉格偏振光柵。
這種類似於第8圖及第9圖的用於擴大視場的裝置也可以應用於頭戴體示器(HMD)，其中這種裝置是產生SLM的一個由段落構成的多重成像，並由這個多重成像決定一個視場。第10圖顯示具有這種用於擴大視場的裝置的頭戴顯示器(HMD)的一種實施方式。其作用方式是利用顯示裝置或頭戴顯示器內的光學系統產生SLM的一個由段落構成的多重成像，其中該多重成像決定一個視場，在這個視場內可以重建在SLM內編碼的場景資訊或物件資訊，以供觀察者透過一虛擬觀察者區域觀看。用於擴大視場的裝置可以具有至少一個可控制的布拉格偏振光柵，與第7圖類似，此種布拉格偏振光柵是由一個布拉格偏振光柵及一個偏振轉換器構成。頭戴顯示器(HMD)具有一個包含一個照明裝置15(在本實施例中是一個雷射光源)、一個SLM、以及一個具有成像元件(例如透鏡)的光學系統16。SLM發出的光線(如粗箭頭所示)經由一個鏡組單元17(可能包含透鏡元件、反射鏡元件及/或修正元件)，被偏轉到光學元件18的方向，其中光學元件18係直接設置在頭戴顯示器的使用者的一個眼睛前面。入射光在光學元件18(例如眼鏡片)上被偏轉射向虛擬觀察者區域19的方向。虛擬觀察者區域19被定位在頭戴顯示器的使用者的至少一個眼睛的範圍。這樣使用者的眼睛就可以看到在SLM內編碼的資訊的重建，或全自圖的重建。
為了擴大頭戴顯示器(HMD)為使用者產生的視場，在頭戴顯示器內亦設有一個由一個布拉格偏振光柵BP及一個偏振轉換器SP構成的可控制的布拉格偏振光柵。為了產生SLM的一個由至少兩個段落構成的多重成像，照明裝置15發出的光線將SLM照亮，而且這個光線的振幅及相位會在該處根據顯示場景所需的資訊被調制。經過調制的光線被光學系統16聚焦，並射向偏振轉換器PS，為了產生SLM之多重成像的第一段落，此時偏振轉換器PS處於切斷狀態，因此不會改變入射光的偏振狀態。照射到布拉格偏振光柵BP的光線不會被偏轉，並射向第0繞射級，因而產生第一段落S1，其中第一段落S1經由鏡組單元17及光學元件18對準一個觀察者的方向。與此同時會產生一個虛擬觀察者區域19，觀察者的眼睛可以透過虛擬觀察者區域19觀察顯示的場景。為了產生SLM之多重成像的第二段落，經過SLM調制的光線再次經由光學系統16射到偏振轉換器PS，此時偏振轉換器PS處於接通狀態。入射到偏振轉換器PS的光線的偏振會被改變，使位於後面的布拉格偏振光柵BP將光線繞射到第1繞射級，因而產生第二段落S2。第二段落S2也是經由鏡組單元17及光學元件18對準一個觀察者的方向，此時會產生第二個虛擬觀察者區域，其中第二個虛擬觀察者區域必須和第一個虛擬觀察者區域一樣產生於觀察者平面上的同一個位置。SLM之多重成像的兩個段落S1，S2構成頭戴顯示器的一個擴大的視場。SLM的合成的虛擬圖像會按時間順序產生要顯示的資訊或場景。
這個實施例同樣可以透過至少加設一個可控制的布拉格偏振光柵，因而另外多產生至少一個段落，以進一步擴大視場。如果照明裝置15要使用RGB(紅綠藍)光源以彩色顯示視場內的資訊，則頭戴顯示器(HMD)內應設置適當的場透鏡，以聚焦各個彩色段落。這些場透鏡可以選擇與其匹配的彩色段落，並將該段落聚焦到正確的方向。
第11圖顯示的是一個不同於第10圖的頭戴顯示器(HMD)。第10圖以俯視方式顯示為一位使用者或觀察者的左眼22及右眼23產生SLM的一個高解析度的虛擬組合圖像。在這種實施方式的頭戴顯示器中，在每一個光程上都有設置一個供眼睛22、23使用的光導體LG，其中光導體LG是直接設置在眼睛22、23前面的區域。光導體LG不必是完全平坦的，而是可以至少一部分是彎曲的。
從第11圖可以看出，供左眼22及右眼23使用的各個光學元件是完全一樣或鏡像對稱 因此以下僅說明左眼22或右眼23使用的通道。在本實施例中，反射式SLM(當然也可以使用透射式SLM)經由前光照明24被照亮。此外，為了實現全息頭戴顯示器，照明裝置25發出的相干光線被輸入耦合到前光照明24。在光程上沿著光線方向有一個設置在SLM之後的光學系統26，經過SLM調制的光線穿過光學系統16入射到光導體LG。為了將光線輸入耦合到光導體LG，此處設有至少一個可控制的布拉格偏振光柵。這個可控制的布拉格偏振光柵也是由一個布拉格偏振光柵BP及一個偏振轉換器PS構成。如果偏振轉換器PS處於切斷狀態，布拉格偏振光柵BP就不會將光線偏轉，此時光線射入第0繞射級，並被輸入耦合到光導體LG，然後在光導體LG內繼續傳播，而且較佳是經由在光導體LG的兩個交界面上的全反射在光導體LG內傳播，最後經由至少一個輸出光柵27(例如一個反射式體光柵)從光導體LG輸出耦合，並朝眼睛22、23的方向前進。以這種方式可以產生大視場的第一段落。如果偏振轉換器PS處於接通狀態，則可以產生第二段落。此時偏振轉換器PS會改變入射光線的偏振，接著位於後方對改變過的偏振敏感的布拉格偏振光柵BP會將光線繞射，使光線射入第1繞射級，並以這個入射角輸入耦合到光導體LG。同樣的，這個光線較佳是經由全反射在光導體LG內繼續傳播，最後經由至少一個輸出光柵27從光導體LG輸出耦合，並朝眼睛22、23的方向前進。該至少一個輸出光柵27的作用是在光導體LG上的一個特定位置將一特定的光線入射角轉換成一特定的光線輸出角，然後再轉換成一特定的光線輸出耦合角。當然該至少一個輸出光柵27也可以是透射式的光柵，而且可以設置在光導體LG面對眼睛22、23的那一面上。如第8圖及第9圖所述，在眼睛22、23的位置會產生一個虛擬觀察者區域，使用者的眼睛可以透過這個虛擬觀察者區域觀察顯示的資訊或場景。為了使光線從光導體LG輸出耦合，也可以設置多個輸出光柵，其中每 酪輸出光柵都對應一個不同的角度範圍。SLM的合成的虛擬圖像會按時間順序產生要顯示的資訊或場景。第10圖關於以彩色顯示場景及另外多產生一個段落的說明亦適用於本實施例。
第12圖顯示在按照第9圖至第11圖的方式產生至少兩個段落時，使光線從光導體輸出耦合的一種可能的方式。這個光輸出耦合原理可以應用於平視顯示器(HUD)及頭戴顯示器(HMD)。
光導體LG與一個可控制的布拉格偏振光柵耦合，這個可控制的布拉格偏振光柵是由一個布拉格偏振光柵BP及一個偏振轉換器PS構成。布拉格偏振光柵BP的光柵結構具有傾斜於光柵表面的光柵平面。偏振轉換器PS是一種結構化偏振轉換器，而且較佳是一種具有高解析度的一維結構化偏振轉換器，以便能夠在光導體LG上的特定位置將一個段落的光線輸出耦合。這表示結構化偏振轉換器PS被劃分為多個可個別接通或控制的單一區域30。例如，為了產生在光導體LG內較佳是經由全反射傳播的第一段落S1的光線，並使這個光線從光導體LG輸出耦合，應使偏振轉換器PS處於切斷狀態，例如的光線是右循環偏振光Rpol (= CR)。穿過結構化偏振轉換器PS及布拉格偏振光柵BP的光線不會被偏轉，而且會射向第0繞射級。然後這個光線照射到光導體LG的交界面，並被這個交界面反射，然後以這個角度在光導體LG內繼續傳播，直到抵達光導體LG內的一個位置，也就是這個光線應被輸出耦合的位置。為此應控制結構化偏振轉換器PS在光導體內的這個特定位置的區域30，使其僅有一個區域處於接通狀態。入射到結構化偏振轉換器PS的這個區域30的光線的偏振被改變，以使位於結構化偏振轉換器PS之後的布拉格偏振光柵BP對這個改變過的偏振敏感。在本實施例中，這表示右循環偏振光被結構化偏振轉換器PS的區域30轉換成左循環偏振光，然後入射到布拉格偏振光柵BP，並被布拉格偏振光柵BP繞射到第1繞射級，因而從光導體LG輸出耦合。如第12圖的a)所示，以這種方式可以產生SLM之多重成像的第一段落S1。
從第12圖的b)可以看出是以何種方式產生SLM之多重成像的第二段落S2。第二段落S2是在光導體LG的另一個位置從光導體LG輸出耦合。在這個實施例中，結構化偏振轉是器PS的另一個區域30被切換到接通狀態，因此在這個位置光線的偏振被改變，因此光線在該處能夠被輸出耦合。以這種方式可以控制結構化偏振轉換器PS的不同的區域30，以使光線在光導體LG的特定位置輸出耦合，以及產生多個段落Sn如第12圖的c)及d)所示，這些段落共同構成或產生一個用於顯示重建場景的大視場。c)顯示僅在一個方向產生段落，也就是僅在垂直方向產生段落。d)顯示則是在兩個方向產生段落，也就是說在垂直及水平方向均產生段落，以產生一個二維視場。
光線在光導體LG內較佳是經由全反射傳播。但是有些光入射角肯定無法實現光線在光導體LG內經由全反射傳播，也就是光入射角不大於全反射的臨界角的情況。但如果仍然要經由反射使光線在光導體內傳播，則可以在光導體的交界面設置介電層堆，其作用是根據角度選擇性反射入射光。
結構化偏振轉換器PS的區域30的尺寸是由所使用的材料的幾何形狀、厚度及折射率決定，在某些情況下所使用的光導體的彎曲度也是一個決定因素，也就是說區域30應與光導體的彎曲度適配。
為了使視場內沒有間隙，以避免重建場景出現間隙，所產生的SLM的多重成像的段落需以沒有間隙的方式接合或重疊。較佳是將區域30設計成可以使相鄰段落的邊緣部分，而且重疊部分所佔的面積不超過5%。從第13圖可以看出，結構化偏振轉換器PS的區域30以不連續的步寬娪配，以使相鄰段落的邊緣部分重疊。第13圖上方及第12圖分別顯示一個結構化偏振轉換器PS，其可個別控制的區域30的寬度與要輸出耦合的段落是相同的。每次將結構化偏振轉換器PS的一個區域30接通，就可以將段落1或段落2輸出耦合。但是這樣做無法實現段落的重疊。與此相較，第13圖顯示的情況是在中心區產生一個更細致的結構化偏振轉換器PS。每次將結構化偏振轉換器PS的4個區域300接通，就可以將一個段落輸出耦合。如第13圖下方所示，可以移動第二段落S2，使其與第一段落重疊結構化偏振轉換器PS的一個區域300(在本實施例為重疊25%)。透過將結構化偏振轉換器PS更精細的劃分(例如20個區域300)，可以更精細的調整段落S1與段落S2的重疊(例如5%)。
第14圖顯示一種將一般光線或經過SLM調制的光線輸入耦合到光導體的可能性。這個原理可普遍應用於將光線輸入耦合到光導體，而且特別適於應用在具有至少一個光導體的顯示裝置，例如平視顯示器或頭戴顯示器。為了將光線輸入耦合到光導體，可以設置至少一個由一個布拉格偏振光柵BP及一個偏振轉換器PS構成的可控制的布拉格偏振光柵。如果光線對布拉格偏振光柵BP具有正確的偏振，則光線能夠以這種方式在光導體內透過光線的繞射被輸入耦合到第1繞射級。為了將在光導體LG內經由反射傳播的光線輸出耦合，可以設置至少一個輸出耦合光柵32，例如第12圖及第13圖所示，該至少一個輸出耦合光柵32可以是可控制的布拉格偏振光柵或體光柵，此種光柵的角度選擇性必須與光入射角適配，以便能夠狀光線輸出耦合。
第14圖顯示一種將光線輸入耦合的方式，這種方式特別適用於透過產生SLM之多重成像的多個段落，以產生一個大視場。這種方式是在光導體LG上設置一個由至少兩個可控制的布拉格偏振光柵構成的堆疊，這個堆疊是作為輸入耦合介質。每一個可控制的布拉格偏振光柵都具有一個布拉格偏振光柵BP1(BP2)及一個偏振轉換器PS1(PS2)。透過這個包含兩個可控制的布拉格偏振光柵的堆疊，光線能夠以兩個不同的光入射角輸入耦合到光導體LG。兩個布拉格偏振光柵BP1、BP2具有不同的光柵週期，如第14圖所示，這是因為二者的光柵平面具有不同的傾斜度。因此光線能夠以兩個不同的光入射角輸入耦合到光導體LG，以產生SLM之多重成像的兩個段落。第14圖的上方顯示，為了產生第一光入射角，偏振轉換器PS1處於接通狀態，偏振轉換器PS2則處於切斷狀態。透過這種方式可以選出相應的布拉格偏振光柵BP1，使其將具有正確偏振的入射光繞射到第1繞射級，並使光線以第一特定光入射角輸入耦合到光導體LG。如第14圖上方以實線繪出的箭頭所示。
反之，如第14圖下方所示，如果偏振轉換器PS2處於接通狀態，偏振轉換器PS1處於切斷狀態，則可以達到不同於第14圖上方的光入射角。入射到第一可控制的布拉格偏振光柵的光線以沒有偏轉或繞射的方式穿過布拉格偏振光柵BP1，因此光線僅被布拉格偏振光柵BP2繞射到第1繞射級，並以另一個特定的光入射角輸入耦合到光導體LG。如第14圖下方以實線繪出的箭頭所示。如前面所述，這兩個光段落可以經由至少一個輸出耦合光柵32被輸出耦合。
為了產生SLM之多重成像的更多段落，可以增加設置將光線輸入耦合到光導體LG的可控制的布拉格偏振光柵的數量。也可以使巾反射式布拉格偏振光柵，並將光線向光導體的對面輸出耦合。
第15圖的a)及b)顯示一個平視顯示器(HUD)，這個平視顯示器可以在一個物件的至少兩個景深平面之切進行切換。
這個平視顯示器具有照明裝置35、一個SLM、一個未繪出的光學系統、以及至少兩個可控制的布拉格偏振光柵，其中可控制的布拉格偏振光柵可以在本實施例中物件的兩個不同的景深平面之間進行切換。兩個可控制的布拉格偏振光柵各自具有一個布拉格偏振光柵BP及一個偏振轉換器PS，其中偏振轉換器PS與其匹配的布拉格偏振光柵BP光學耦合。照明裝置35將SLM照亮，其中SLM按照要顯示的資訊對入射光進行調制。在光程上，構成透鏡元件的兩個偏振轉換器PS1及PS2及兩個布拉格偏振光柵BP1及BP2沿著光線方向設置在SLM之後。這兩個透鏡元件具有不同的焦距。
第15圖的a)顯示平視顯示器(hud)的一種情況，這種情況是控制偏振轉換器PS1、PS2，使位於光線傳播方向上的第一布拉格偏振光柵BP1將入射光偏轉到第1繞射級，以及使在光線傳播方向上位於第一布拉格偏振光柵BP1之後的第二布拉格偏振光柵BP2將入射光偏轉到第0繞射級。也就是說，第一布拉格偏振光柵BP1內的透鏡被“接通”，第二布拉格偏振光柵BP2內的透鏡被“切斷”。在這種情況下，在距離一位觀察者36(此處以一個眼睛表示)較遠的位置會產生SLM的一個虛像38。觀察者36可以透過移動工具的擋風玻璃37觀察SLM的虛像38，其中平視顯示器被整合在擋風玻璃37內。
第15圖的b)顯示另一種情況，這種情況是控制偏振轉換器PS1、PS2，使第一布拉格偏振光柵BP1將入射光偏轉到第0繞射級，以及使第二布拉格偏振光柵BP2將入射光偏轉到第1繞射級。第二布拉格偏振光柵BP2會產生SL的一個實像39，待在移動工具內的觀察者36可以在擋風玻璃對前看到及觀察這個實像39。
此外，可以為兩個布拉格偏振光柵BP1及BP2可以配備用於修正色散的補償光柵元件。
當然，本發明並不限於僅產生SLM的一個實像及一個虛像的範圍，而是也可以在與觀察者不同距離的位置產生SLM的多個虛像或多個實像。
此外，本發明也不限於使用兩個透射式布拉格偏振光柵。也就是說，其中一或兩個布拉格偏振光柵也可以是反射式的。
此外，本也不限於在光程上將布拉格偏振光柵設置在SLM及擋風玻璃之間。特別是可以將一或多個反射式布拉格偏振光柵設置在擋風玻璃上。
第16圖顯示一個頭戴顯示器(HMD)，這種頭載顯示器可以物件顯示在兩個不同的景深平面。
這種頭戴顯示器具有一個照明裝置40、一個SLM、一個光學系統41、一個光導體42、一個光輸入耦合裝置43、以及一個光輸出耦合裝置44。SLM被照明裝置40照亮，其中SLM按照要顯示的資訊或場景對光線進行調制。接著光學系統41(此處為透鏡元件)將SLM成像在無限遠處。這表示從SLM的一個像素發出的光束彼此平行。接著這些光束被光輸入耦合裝置43輸入耦合到光導體42，並經由反射在光導體42內傳播，最後被光輸出耦合裝置44從光導體42輸出耦合。從第16圖可以看出，在光輸出耦合裝置44及一位觀察者45(此處以觀察者的眼睛表示)之間設有兩個可控制的布拉格偏振光柵。在這個實施例中，從觀察者45的方向看過去，兩個可控制的布拉格偏振光柵是設置在光導體42的內表面或交界面上。兩個可控制的布拉格偏振光柵各自具有一個偏振轉換器PS1、PS2及一個布拉格偏振光柵BP1、BP2，其中布拉格偏振光柵BP1、BP2是一種透鏡元件，或具有透鏡功能。
在第16圖的a)的情況中，控制偏振轉換器PS1、PS2的狀態，使在光程上位於光輸出耦合裝置44之後的第一布拉格偏振光柵BP1將入射光偏轉到第1繞射級，同時位於其後方的第二布拉格偏振光柵BP2將入射光偏轉到第0繞射級。以這種方式在與觀察者45相距第一距離的位置產生SLM的一個成像46。
在第16圖的b)的情況中，以另一種方式控制偏振轉換器PS1、PS2的狀態，使第一布拉格偏振光柵BP1將入射光偏轉到第0 繞射級，同時第二布拉格偏振光柵BP2將入射光偏轉到第1繞射級。以這種方式在與觀察者45相距第二距離的位置產生SLM的一個成像48。
在第16圖中，SLM之成像與光導體的距離，以及SLM之成像的尺寸都繪製的比實際的比例尺小。光導體本身的厚度通常只有數毫米。觀察者的眼睛到光導體的距離大約是25mm-30mm。但是SLM通常是在距離光導體20cm至數公尺之間的距離成像，因此其成像的尺寸通常大於SLM本身的尺寸。
此外，可以為兩個布拉格偏振光柵BP1及BP2可以配備用於修正色散的補償光柵元件。
一種有利的方式是使第16圖的裝置搭配一個視線追蹤裝置，使其可以追蹤觀察者的視線。例如可以偵測出觀察者正注視或聚焦在一個特定物件，其中這個物件與SLM的第一個成像的距離小於與SLM的第二個成像的距離，因此利用頭載顯示器產生SLM的第一個成像46。反之如果該物件與SLM的第二個成像的距離較近，則是利用頭載顯示器產生SLM的第二個成像48。
以上描述的原理或作法亦可擴大到兩個以上的可控制的布拉格偏振光柵及兩個以上的像平面或景深平面。這個原理也可以結合額外的被動式透鏡元件。另一種可能的方式是兩個可控制的布拉格偏振光柵的兩個布拉格偏振光柵都將光線偏轉到第1繞射級，以便透過兩個布拉格偏振光柵的兩個透鏡功能的組合，在一個與觀察者相距很遠的景深平面產生SLM的成像。
這種在z方向或頭戴顯示器的軸向的追蹤方式當然也可以結合一個細追蹤裝置。以上描述的原理當然也適用於第15圖的平視顯示器(HUD)。
第17圖顯示如何利用至少一個可控制的布拉格偏振光柵移動顯示裝置產生的虛擬觀察者區域，也就是說，當觀察所顯示之場景的一位觀察者移動到新的位置，要如何將虛擬觀察者區域移動到一個新的位置。顯示裝置具有一個用於產生全息場景用的照明裝置、至少一個SLM、以及一個光學系統，為了簡化圖面起見，第17圖並未繪出這些組成構件，而是僅顯示如何追蹤虛擬觀察者區域。
顯示裝置在觀察者50的一個眼睛範圍產生一個虛擬觀察者區域，因此觀察者50能夠透過這個虛擬觀察者區域觀察顯示裝置顯示的場景。第17圖上方區域的觀察者50的頭是用於說明如何在一個橫向方向(處是x方向)對虛擬觀察者區域進行粗追蹤，第17圖下方區域的觀察者50的頭是用於說明如何在一個軸向方向(處是z方向)對虛擬觀察者區域進行粗追蹤。
當觀察者50移動位置時，為了追蹤盤虛擬觀察者區域，顯示裝置具有至少一個由一個布拉格偏振光柵BP及一個偏振轉換器PS構成的可控制的布拉格偏振光柵、至少兩個光柵元件(此處為體光柵VG1及VG2)、以及液晶光柵LCG。可控制的布拉格偏振光柵及體光柵VG1及VG2是用於在xyz方向對虛擬觀察者區域進行粗追蹤，液晶光柵LCG是用於對虛擬觀察者區域進行細追蹤。
當偏振照射到偏振轉換器PS及布拉格偏振光柵BP，這個光線會根據其偏振被布拉格偏振光柵繞射或偏轉到第0繞射級或第1繞射級。
為了對虛擬觀察者區域進行粗追蹤，兩個具有不同但都很窄的選角度選擇性的體光柵VG1及VG2的作用如同的場透鏡，而且這兩個場透鏡具有不同的極銄焦點或不同的焦距，因此可以在z方向將光線作不同的聚焦。利用偏振轉換器PS可以調整從照明裝置發出的光線並被SLM調制過的入射光的偏振，以使布拉格偏振光柵BP將這個光線偏轉到第0繞射級或第1繞射級。調整或設定體光柵VG1及VG2的入射角，使其中一個體光柵(例如體光柵VG1)以很高的繞射效率將光線從布拉格偏振光柵BP的第0繞射級聚焦到第一個z平面，例如第17圖上方觀察者所在的z平面。另一個體光柵(例如體光柵VG2)以很高的繞射效率將光線從布拉格偏振光柵BP的第1繞射級聚焦到另一個z平面，例如第17圖下方觀察者所在的z平面。這樣就可以利用至少一個可控制的布拉格偏振光柵控制具有透鏡功能的光柵元件，使其將光線聚焦到所要求的z平面。
為了對虛擬觀察者區域進行粗追蹤，例如此處顯示的在x方向的粗追蹤，可以利用偏振轉換器PS調整光線的偏振，以使布拉格偏振光柵BP將入射光偏轉到第0繞射級或第1繞射級。接著入射光會根據與布拉格偏振光柵BP耦合的偏振轉換器PS的切換狀態，偏轉到兩個不同的方向。這兩個偏轉角均與在光程上位於後方的不同的體光柵VG1、VG2的角度接受性適配，因此體光柵VG1或體光柵VG2會被定址，並將光線偏轉。以這種方式可以按要求將光線在橫向方向(x-y方向)偏轉，以及根據觀察者50的新位置移動虛擬觀察者區域，如圖式中觀察者50的兩個頭部位置所示。
可以將兩種可能的粗追蹤方式組合在一起，也就是在橫向方向及軸向方向進行粗追蹤。此外，也可以將粗追蹤與利用液晶光柵LCG對虛擬觀察者區域進行的細追蹤組合在一起。
本發明的範圍不受以上提及的實施例的限制。此外，上述的實施方式或實施例彼此也可以有其他的組合方式。最後在此要特別指出的是，以上描述的實施例僅是用於說明本發明的學理，但是本發明的學理並不受這些實施例的限制。
B‧‧‧藍光
BO‧‧‧繞射級
BP、BP1、BP2‧‧‧布拉格偏振光柵
CL‧‧‧左循環偏振光
CR‧‧‧右循環偏振光
G‧‧‧綠光
LCG‧‧‧液晶光柵
LG、42‧‧‧光導體
PS、PS1、PS2‧‧‧偏振轉換器
R‧‧‧紅光
RGB‧‧‧紅綠藍
S1‧‧‧第一段落
S2‧‧‧第二段落
SLM‧‧‧空間光調制裝置
VG1、VG2、5B、5R‧‧‧體光柵
5‧‧‧堆疊
8、15、25、35、40‧‧‧照明裝置
9、16、26、41‧‧‧光學系統
10、17‧‧‧鏡組單元
11、37‧‧‧擋風玻璃
12、19‧‧‧虛擬觀察者區域
18‧‧‧光學元件
22‧‧‧左眼
23‧‧‧右眼
24‧‧‧前光照明
27‧‧‧光柵
30、300‧‧‧區域
32‧‧‧耦合光柵
36、45、50‧‧‧觀察者
38‧‧‧虛像
43‧‧‧光輸入耦合裝置
44‧‧‧光輸出耦合裝置
46、48‧‧‧成像
第1圖：一個布拉格偏振光柵的分子結構示意圖。
第2圖：布拉格偏振光柵在不同偏振態下的特性示意圖。
第3圖：本發明之偏轉光線用的光學結構原理圖。
第4圖：將光線輸出耦合之光導體及布拉格偏振光柵的原理圖。
第5圖：本發明之產生彩色資訊顯示及修正色散用的光學結構原理圖。
第6圖：本發明對空間光調制裝置進行照明的示意圖。
第7圖：本發明對一虛擬觀察者區域進行粗追蹤的可能性示意圖。
第8圖：本發明的一種平視顯示器的側視圖，此平視顯示器具有一個可控制的布拉格偏振光柵。
第9圖：本發明的另一種平視顯示器的側視圖，此平視顯示器具有一個可控制的布拉格偏振光柵。
第10圖：本發明的一種頭戴顯示器的側視圖，此頭戴顯示器具有一個可控制的布拉格偏振光柵。
第11圖：本發明的另一種頭戴顯示器的俯視圖。
第12圖：光線從光導體輸出耦合的原理圖，其中會產生SLM(空間光調制裝置)之多重成像的多個段落。
第13圖：如第12圖的各個單一段落的重疊。
第14圖：本發明光線輸入耦合到光導體的一種可能性。
第15圖：a)及b)顯示一種可以在所顯示之物件的多個景深平面之間切換的平視顯示器。
第16圖：a)及b)顯示一種可以在所顯示之物件的多個景深平面之間切換的頭戴顯示器。
第17圖：對虛擬觀察者區域進行粗追蹤及細追蹤的裝置的俯視圖。
此處要簡短說明的是，在以上圖式中，相同的元件/構件/組件均使用相同的元件符號。

Claims (37)

  1. 顯示三維場景用的顯示裝置，具有至少一個照明裝置、至少一個空間光調制裝置、以及至少一個布拉格偏振光柵，其中布拉格偏振光柵具有至少一個雙重折射層，並能夠將入射光偏轉，其偏轉角至少是20度。
  2. 如申請專利範圍第1項的顯示裝置，其特徵為：該至少一個布拉格偏振光柵具有很高的繞射效率η ＞ 80%，很大的角度選擇性≧10度，以及很大的波長選擇性+/-150nm。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示裝置，其特徵為：該至少一個布拉格偏振光柵是以批量液晶光配向法製成。
  4. 如前述申請專利範圍中任一項的顯示裝置，其特徵為：該至少一個布拉格偏振光柵的厚度在0.7μm至2μm的範圍。
  5. 如前述申請專利範圍中任一項的顯示裝置，其特徵為：該布拉格偏振光柵的光柵週期Λ＜1μm。
  6. 如前述申請專利範圍中任一項的顯示裝置，其特徵為：照明裝置發出的光線的波長位於可視光範圍 ，且較佳是在400nm至700nm之間。
  7. 如前述申請專利範圍中任一項的顯示裝置，其特徵為：具有至少一個偏振轉換器，其作用是改變入射光的偏振狀態。
  8. 如申請專利範圍第5項的顯示裝置，其特徵為：該至少一個布拉格偏振光柵及該至少一個偏振轉換器結合在一起，成為一可控制的布拉格偏振光柵，其中只要改變可控制的布拉格偏振光柵的切換狀態，即可將入射光偏轉，或是不受偏轉的穿過光柵。
  9. 如前述申請專利範圍中任一項的顯示裝置，其特徵為：利用布拉格偏振光柵能夠將入射光偏轉到第0繞射級或第1繞射級，其中被偏轉到第1繞射級的光線的偏振狀態不同於照射到布拉格偏振光柵的光線的偏振狀態。
  10. 如前述申請專利範圍中任一項的顯示裝置，其特徵為：具有至少一個補償光柵元件，其作用是在以彩色顯示場景時，補償光線的色散。
  11. 如前述申請專利範圍中任一項的顯示裝置，其特徵為：具有一個光導體及至少兩個布拉格偏振光柵，其作用是產生反射式空間光調制裝置的前光照明，其中顯示裝置其中光導體及布拉格偏振光柵彼此耦合的方式使空間光調制裝置能夠被均勻照亮。
  12. 如申請專利範圍第11項的顯示裝置，其特徵為：第一個布拉格偏振光柵將光線輸入耦合到光導體，其中光線經由反射在光導體內傳播。
  13. 如申請專利範圍第12項的顯示裝置，其特徵為：光線經由全反射在光導體內傳播。
  14. 如申請專利範圍第11項、第12項、或第13項的顯示裝置，其特徵為：設有第二個布拉格偏振光柵，其作用是將在光導體內經由反射傳播的光線輸出耦合。
  15. 如申請專利範圍第11項至第14項中任一項的顯示裝置，其特徵為：在光導體及空間光調制裝置之間的光線方向上設有一個偏振轉換器或波片，其作用是改變從光導體輸出耦合的光線的偏振狀態。
  16. 如申請專利範圍第1項至第10項中任一項的顯示裝置，其特徵為：具有一個光導體及至少兩個布拉格偏振光柵，其作用是照亮透射式空間光調制裝置，其中光導體及布拉格偏振光柵彼此耦合的方式使空間光調制裝置能夠被均勻照亮。
  17. 如申請專利範圍第1項至第16項中任一項的顯示裝置，其特徵為：將光線輸入耦合到光導體的布拉格偏振光柵與將光線從光導體輸出耦合的布拉格偏振光柵具有相同的光學特性。
  18. 如申請專利範圍第17項的顯示裝置，其特徵為：將光線輸入耦合到光導體的布拉格偏振光柵與將光線從光導體輸出耦合的布拉格偏振光柵具有相同的光柵週期及/或相同的光柵厚度及/或光柵平面具有相同的傾斜度。
  19. 如申請專利範圍第1項至第10項中任一項的顯示裝置，其特徵為：具有至少一個光學系統，其中該至少一個光學系統的作用是產生一個虛擬觀察者區域，觀察者可以透過該虛擬觀察者區域觀察顯示 景。
  20. 如申請專利範圍第1項至第10項及第19項中任一項的顯示裝置，其特徵為：設有至少一個光學系統，且該至少一個光學系統能夠產生空間光調制裝置由段落組成的多重成像，其中該多重成像決定一個視場，在這個視場內可以重建在空間光調制裝置內編碼的場景資訊，以供觀察者透過一虛擬觀察者區域觀看。
  21. 如申請專利範圍第20項的顯示裝置，其特徵為：該至少一個布拉格偏振光柵與至少一個偏振轉換器結合在一起，組成至少一個可控制的布拉格偏振光柵，其中在該至少一個可控制的布拉格偏振光柵的一種切換狀態下，可以產生空間光調制裝置由段落組成的多重成像的一個段落，同時在該至少一個可控制的布拉格偏振光柵的另一種切換狀態下，可以產生空間光調制裝置由段落組成的多重成像的另一個段落。
  22. 如申請專利範圍第21項的顯示裝置，其特徵為：設有一個光導體，透過這個光導體及至少一個光學系統可以產生空間光調制裝置由段落組成的多重成像。
  23. 如申請專利範圍第22項的顯示裝置，其特徵為：輸入耦合到光導體的光線在光導體內經由反射傳播，而且可以經由至少一個可控制的布拉格偏振光柵從光導體輸出耦合。
  24. 如申請專利範圍第23項的顯示裝置，其特徵為：該至少一個可控制的布拉格偏振光柵是一種結構化偏振轉換器。
  25. 如申請專利範圍第22項的顯示裝置，其特徵為：具有至少一個可控制的布拉格偏振光柵，其作用將光線輸入耦合到光導體，其中該至少一個可控制的布拉格偏振光柵是由布拉格偏振光柵及偏振轉換器組成，其中透過可控制的布拉格偏振光柵可以將入射光以一入射角繞射到第1個繞射級。
  26. 如申請專利範圍第25項的顯示裝置，其特徵為：該入射角大於全反射的臨界角。
  27. 如申請專利範圍第25項的顯示裝置，其特徵為：設有一至少兩個布拉格偏振光柵組成的堆疊，其中該至少兩個布拉格偏振光柵分別與一個偏振轉換耦合，因此可以在光導體內產生不同的光線入射角，同時光線在光導體內經由反射傳播。
  28. 如申請專利範圍第19項、第20項、或第27項的顯示裝置，其特徵為：設有至少兩個布拉格偏振光柵，且每一個布拉格偏振光柵都具有一帶有光柵平面的光柵結構，其中兩個布拉格偏振光柵的設置方式使其光柵平面彼此夾一特定的角度。
  29. 如申請專利範圍第28項的顯示裝置，其特徵為：該至少兩個布拉格偏振光柵具有不同的光柵週期。
  30. 如申請專利範圍第28項或第29項的顯示裝置，其特徵為：該至少兩個拉格偏振光柵與至少兩個偏振轉換器耦合。
  31. 如申請專利範圍第20項至第30項中任一項的顯示裝置，其特徵為：空間光調制裝置之多重成像的段落基本上是無間隙的連接在一起，或是彼此部分重疊，其中在將要產生的場景的資訊編碼到空間光調制裝置時，可以將重疊的部分考慮進去。
  32. 如申請專利範圍第19項的顯示裝置，其特徵為：該至少一個空間光調制裝置及該至少一個光學系統結合在一起，其作用是在x方向、y方向及/或z方向對虛擬觀察者區域進行粗追蹤。
  33. 如前述申請專利範圍中任一項的顯示裝置，其特徵為：具有至少一個透鏡元件，其中該透鏡元件是作為布拉格偏振光柵，並與一個偏振轉換器結合在一起。
  34. 如申請專利範圍第33項的顯示裝置，其特徵為：作為拉格偏振光柵用的至少一個透鏡元件的光柵結構具有不同的局部光柵週期。
  35. 如申請專利範圍第33項或第34項的顯示裝置，其特徵為：該至少一個透鏡元件是一種場透鏡，其作用是在z方向追蹤虛擬觀察者區域。
  36. 如前述申請專利範圍中任一項的顯示裝置，其特徵為：顯示裝置是一種全息顯示裝置或立體顯示裝置。
  37. 如前述申請專利範圍中任一項的顯示裝置，其特徵為：將顯示裝置是製作成一種直視顯示器、平視顯示器、頭戴顯示器，其中兩個這種顯示裝置構成一個頭戴顯示器，其中一個顯示裝置配屬於觀察者的左眼，另一個顯示裝置配屬於觀察者的右眼。
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