TWI559105B - 用於追蹤使用者之組合式光調制裝置 - Google Patents

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TWI559105B
TWI559105B TW100147965A TW100147965A TWI559105B TW I559105 B TWI559105 B TW I559105B TW 100147965 A TW100147965 A TW 100147965A TW 100147965 A TW100147965 A TW 100147965A TW I559105 B TWI559105 B TW I559105B
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諾伯特 萊斯特
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Description

用於追蹤使用者之組合式光調制裝置
本發明係一種用於具有追蹤使用者功能的全像顯示器或自動立體顯示器的組合式光調制裝置。本發明所謂的組合式光調制裝置是指一種透過多階段過程改變真實或虛擬光源發出之光線的特性及/或方向的裝置。
虛擬光源是一種看似位於某一位置的光源，這個光源受到一個真實光源之光線的影響被一個通常是靜態的成像器(例如反射鏡)及/或光線限制器(例如光圈)顯示出來。
本發明所謂的全像顯示器是指一種處理三維圖像數據的顯示器，在這些三維圖像數據中，要顯示之場景的物件數據被寫入作為要重建之場景的繞射圖案。要在很大的可視範圍內重建高品質的三維場景不但需要很複雜的計算，也需要高解析度的光調制裝置。
因此申請人在專利文件DE 103 53 439 B4中提出一種只需為一個很小的可視範圍計算波前的方法，這個可視範圍的直徑僅略大於觀察 者的瞳孔直徑。要重建的物點只需在光調制裝置的一個很小的範圍內被編碼到相應的子全像圖。
為此應以來自至少一個光源的足夠的相干光線照亮一個光調制裝置，並透過一個場透鏡將這個光線成像在至少一個觀察者眼睛上。透過與光調制裝置同步交替接通至少另外一個光源，即可透過將從屬的全像圖或從屬的子全像圖編碼到光調制裝置為第二個觀察者眼睛產生三維場景的重建。透過各單一顏色成分的全像圖資訊的空間或時間錯接(多工)可以產生彩色顯示。為了使觀察者能夠自由的在顯示器前移動，應透過另外接通其他的光源追蹤觀察者眼睛的聚焦範圍。為此可利用一個位置測定系統持續測出一位或多位觀察者的眼睛座標。
透過重新計算繞射圖案可以使場景的重建與觀察者新的位置適配。透過時間錯接可以為多位觀察者呈現重建。
對沿著光程追蹤使用者而言，一種有利的方式是使聚焦單元的焦平面及可視範圍的大小與觀察者的眼睛位置適配。
具有追蹤使用者功能的自動立體顯示器(ASD)並不是將繞射圖案編碼到光調制裝置，而是為每個眼睛直接寫入場景視圖。
例如可以透過直接或間接移動光源，以追蹤使用者。一種常見的間接移動光源的方式是使用偏轉鏡。
還有許多其他已知的追蹤使用者的方法。可以透過改變被用來全像編碼或立體顯示的光調制裝置之前或之後的光程，達到追蹤使用者的目的。除了機械方法外，也可以透過以光學鏡組改變反射、繞射或折射特性的方法，達到追蹤使用者的目的。
另外一種已知的方法是透過組合式追蹤變數追蹤使用者，這些追蹤變數具有一個固定、但是會在光線偏轉器的面上改變的光線偏轉函數。
申請人在其專利登記DE 10 2008 054 438 A1提出一種由可控制液態光電元件構成的矩陣，以用於追蹤使用者，其中液態光電元件另外具有固定、但是會在矩陣的面上改變的光線偏轉器，以實現或支援場透鏡功能。例如，這些光線偏轉器可以具有折射元件，例如棱鏡或透鏡，或是具有繞射元件，例如體光柵或Blazed光柵，也就是對一特定波長最佳化的光柵。
申請人在其專利登記DE 10 2009 028 626 A1建議利用可控制繞射光柵追蹤使用者。
為了達到較大的偏轉角，可以將具有相同偏轉方向的光柵一個接一個串接在一起。如果是要進行二維偏轉，也可以將至少兩個彼此相對轉動一固定角度之可控制偏轉光柵串接在一起。繞射光柵可以透過寫入之光柵週期在偏轉單元的面上的變化，實現區域性的不同的偏轉，以達到或支援場透鏡功能。
為了將光柵週期可改變的可控制偏轉光柵調整一個所需要的繞射角，會根據空間解析度產生一個最小可調整週期，透過該空間解析度可控制偏轉光柵。例如，透過光柵狀的電極結構調整週期，則會因為製造條件的關係對電極的寬度及距離造成限制。另外還會因為偏轉光柵的雜散電場或散射及/或繞射成分，在經過調整的相鄰相位值之間出現串擾。這些現象可能導致降低繞射效率，進而產生干擾性的散射光或較高繞射級的 光線。
由於在光柵狀的繞射結構中，繞射角與繞射結構的週期性成反比，因此對可控制角度範圍及各個繞射裝置的追蹤範圍會受到可產生的電極間距離的限制。
但是為了讓使用者能夠在不同的視角下舒適的觀看三維場景，吾人需要的是在可變的觀察距離下具有很大的追蹤範圍的顯示器。因此本發明的目的是提出一種在偏轉元件之繞射角的限制下，仍然能夠達到大於這個偏轉元件可達到之繞射角的追蹤範圍的解決方案。
採用申請專利範圍第1項之特徵的光調制裝置即可達到上述目的。
本發明之光調制裝置係用於全像顯示器或自動立體顯示器，以顯示三維圖像資訊，此種光調制裝置具有至少一個真實或虛擬光源、至少一個光調制裝置，其作用是為至少一位觀察者的至少一個眼睛將要顯示之圖像資訊編碼、第一及第二光調制器，其作用是改變光源發出之光線的光程、一個眼睛位置辨識系統，其作用是測定及追蹤圖像資訊之至少一位觀察者的至少一個眼睛位置、以及一個系統控制器，其作用是根據眼睛位置辨識系統提供的眼睛位置數據透過第一及第二光調制器追蹤圖像資訊的至少一個可視範圍，其特徵為第一光調制器在觀察者之眼睛的觀察範圍內對可視範圍進行粗略分段追蹤，同時第二光調制器至少在觀察者之眼睛的第一光調制器的一個粗略分段的範圍，透過至少一個可控制繞射光柵對可視範圍進行精細分段或連續追蹤。
系統控制器會選出第一光調制器的一個偏轉方向，這個偏轉 方向是緊跟在被選出之觀察者目前被選出的眼睛位置之後出現，並在第一光調制器內調整這個眼睛位置。系統控制器會在同一時間或非常接近的時間內計算出這個偏轉角及實際被選出之眼睛位置之間的差角，並在第二光調制器內調整這個差角。
在時間多工運轉中，系統控制器可以為一位被選出之觀察者的兩個眼睛服務，其中眼睛位置辨識系統會提供必要的眼睛位置數據。
為了產生三維顯示，系統控制器會將要顯示的圖像內容(也就是立體視圖及/或編碼的全像圖)與右眼或左眼配合。眼睛辨識系統也可以作為辨識視線方向的系統，例如以便在一個具有很大的可能視角的系統內僅重建觀察者注視之場景部分。
多位觀察者也可以在時間多工運轉中被同時服務，但是需配備快速的光調制裝置及快速的光調制器。
為了產生不會閃爍的顯示，時間多工運轉的每一個視圖都必須達到每秒至少60個圖像的圖像重現率。對三原色及每一位觀察者的兩個眼睛的同時時間多工運轉而言，這個數值是指一位觀察者的一個眼睛的彩色通道的視圖。
特別是在投影系統中，每一個觀察者眼睛都可以應用一個自身的偏轉系統，這個偏轉系統能夠經由一個光束組合系統為兩個觀者眼睛同時顯示圖像內容。
利用系統控制器使要顯示的圖像內容與觀察者位置配合，可以使觀察者的頭部移動時，好像在顯示器的可視範圍內繞著要顯示的圖像內容旋轉移動一樣，而且可以用人為方式強化或減弱這個效應。
由於消色差繞射式射束偏轉系統的製造過程非常複雜，因此在一種有利的實施方式中，彩色顯示也是在個別顏色成分的時間多工運轉中進行。
視光調制裝置的設計而定，可以將帶有可控制光線偏轉光柵的第二光調制器設置在負責粗略光線偏轉的第一光調制器之前或之後。負責粗略光線偏轉的光調制器，也就是為執行其功能需要固定的入射角的光調制器，例如使產生繞射式射束偏轉的體光柵，最好是設置在第二光調制器之前。
可以將一或兩個光調制器設置在光調制裝置之前或之後。
這一或兩個光調制器可配置於透射式、發射式、或反射式光調制裝置。
透射式或反射式光調制裝置與一個照明裝置搭配使用，該照明裝置通常會產生將光調制裝置照亮的準直光線。
例如設置在透明基材上、且具有許多排列成行及列的可控制液晶單元的液晶調制裝置，以及以電潤濕單元為基的調制裝置，都是透射式調制裝置的例子。
例如設置在反射基材(例如反射式液晶LCOS)上的液晶調制裝置，以及適於作為快速光調制裝置的數位微型反射鏡元件(DMD)，都是反射式調制裝置的例子。
透射式或反射式光調制裝置可以將第一及/或第二光調制器或第一及/或第二光調制器的零件整合到照明裝置中。
例如，如果光調制裝置是一種將複數全像值編碼到調制裝置 的兩個(雙相編碼)或多個相位像素的相位調制裝置，而且共同相位值接著會在光束組合器內被組合成一個具有特定振幅值及相位值的強度值，則一種有利的方式是將兩個光調制器設置在光調制裝置之後，但前提是光束組合器需要一個特定的透射方向。
例如尚未公開的德國專利DE 10 2009 044 910.8就有揭示這種光束組合器。
如果是具有幾乎不受方向影響之振幅調制裝置的自動立體顯示器，或是具有幾乎不受方向影響之複數值調制裝置的全像顯示器，則一種有利的方式是將一或兩個光調制器部分或全部整合到光調制裝置的照明裝置中。
剩下的受方向影響的強度關聯性可以由系統控制器在編碼圖像資訊時考慮進去，這樣就可以補償這個關聯性。
由於發射式光調制裝置(例如電致發光顯示或電漿顯示器)本身就是作為光源，因此不需要照明裝置。由於發射式光調制裝置的個別像素彼此不相干，因此最好是作為光調制裝置被設置在自動立體顯示器中。
發射式光調制裝置與透射式顯示器之照明裝置的準直光學鏡組的組合可以應用在全像顯示器中作為可切換光源，但前提是像素的尺寸小到足以具有足夠的相干長度。
透過兩個光調制器，系統控制器可以選擇光源的射束方向，以使目半要顯示的觀察者眼睛的資訊位於這個眼睛的可視範圍內。
視設結構計及編碼方式而定，可以僅在水平方向或是在水平及垂直方向改變光程。
對全像顯示器而言，一維編碼的全像圖計算的複雜度遠小於二維編碼。
可以用線性狀的真實或虛擬光源進行一維的觀察者追蹤。例如，這個一維的觀察者追蹤可以是與柱面透鏡陣列構成之準直光學鏡組連接的發射式顯示器的顯示列。自動立體顯示器通常僅實現水平的觀察者追蹤。
透過改變位於準直光學鏡組之前的實或虛擬光源在水平或垂直方向的位置，可以改變準直照明光束在水平或垂直方向上的方向。例如，這可以透過接通或控制高解枅度之光源矩陣的個別光點或光點區，以及連接由準直光學鏡組(例如透鏡陣列)構成的場，獲得實現。
可以利用照明帶搭配一個柱面透鏡陣列實現一維偏轉。
也可以利用機械或掃描方法實現光點或光帶的偏轉。
透過光源在所屬之準直光學鏡組的光學軸方向上的位移，可以調整光斑在觀察者平面上的大小。這也可以透過準直光學鏡組獲得實現，前提是該準直光學鏡組的屈光度是可變且可作相應控制的。
在使用透射式調制器時，具有由可位移之光源構成的光源陣列及準直光學鏡組的光調制器可以同時作為照明裝置的一部分。
透過控制各個光源點的亮度，可以補償光學系統的誤差。
如果可控制光源矩陣的個別光點彼此相隔明顯的距離，則可以粗略分段追蹤可視範圍。位於與物側主平面距離l及與準直光學鏡組之光學軸距離a之位置的光源的平均偏轉角α為：α=arctan(a/l)
例如，一個位於準直光學鏡組之物側主平面之前10mm、且相對於其光學軸側向位移2mm的光源的中心光束相對於光學軸有11.3度的射束傾斜。
如前面所述，光調制器可以是由多個個別的元件構成。光調制裝置的第一/或第二光調制器可以是由多個光調制單元組成，而且每一個光調制單元都可以單獨改變真實或虛擬光源的射束方向及/或位置。
因此可以將多個具有相同偏轉方向的可控制偏轉光柵部分或全部串聯在一起，以擴大可達到的偏轉角，或實現各別的偏轉範圍。可以將一維偏轉的光調制單元連接成一個光調制器，以實現二維偏轉。例如可以將一維偏轉的光調制單元交叉排列。
光調制器的各個光調制單元也可以是各自以不同的物理作用原理為基礎。
系統控制器會將各個元件的偏轉特性考慮進去，其中在一個元件產生的誤差可能會在另外一個或多個元件內被補償。
透過改變光源之光線的位置變化量，及/或改變射束方向隨著光線在光調制器面上的照射位置在第一及/或第二光調制器內的改變量，可以實現一個確定在觀察者平面上的可視範圍的大小的場透鏡功能，或是影響一個獨立的場透鏡的作用。
透過系統控制器控制在一或多個光調制器面上的位置改變及/或射束方向改變，可以改變可視範圍的大小，以便使可視範圍的大小與觀察者對顯示器的距離改變配合，也就是使可視範圍大於瞳孔直徑，但是小於兩眼之間的距離。
為此系統控制器會計算出眼睛追蹤系統提供的位置數據及/或距離數據，並在所屬的光調制器內將計算出的角度改變調整到確定在觀察者平面上的可視範圍的位置的橫向角度。
在用於粗略追蹤可視範圍之光調制器內的射束方向改變可以同時含有繞射式及反射式光調制單元。
根據一種具有固定光源矩陣的實施方式，準直光學鏡組的各個透鏡具有可控制的透鏡作用，因此透鏡頂的焦距及/或橫向位置會改變。例如歐洲專利EP 1579294 B1有描述這種以電潤濕單元為基礎的可控制透鏡。
為了產生粗略分段的射束偏轉，第一光調制器內最好是設置體光柵，且至少將兩個全像圖寫入這些體光柵。透過以適當的工作波長及所要的入射及射出分佈使全像圖曝光，可產生所需的體光柵或進一步複製用的模型。全像圖的曝光也可以在一個光學系統內進行，這個光學系統應基本上相當於所使用的系統或內含用所使用的系統中(現場曝光)，以盡可能完全補償參與像差的光學元件。
體光柵可以被優化為適於彼此差異很小的非常窄的入射角，及/或被優化為適於很窄的波長範圍。這可以達到相位全像圖的繞射效應達到很高的程度(接近100%)。體光柵的作用如同角度過濾器，也就是說，只有角度範圍很窄的光線會被繞射到所要的方向，及/或如同波長過濾器，也就是說，只有被選出之波長範圍的光線會被繞射到所要的方向。其他角度及/或波長的光線則會不受繞射的穿過體光柵。
為了使光線穿過體光柵時只會出現一個繞射級，例如只有第 一、第二、或一個更高的繞射級，必須符合布拉格條件，以及選擇相應的折射率調制。如果折射率調制與最佳折射率調制的差異，則即使是在符合布拉格像件的情況下，也會有一部分的光線未被繞射，也就是說會有一部分的光線是0繞射級。
視體光柵的厚度及可能的最大折射率差而定，可能有必要將體光柵照亮成出現多光束干涉，也就是說，有足夠多的光柵平面被各個光束穿透。這表示所產生的最小繞射角(例如30度)並不會太小。這可以透過傾斜照亮體光柵獲得實現。如果存在幾何關係的必要性，可以透過連接的另外一個體光柵產生必要的預偏轉。
體光柵愈厚，其選擇性作用就愈大。
Kogelink利用耦耦合波的理論描述在體光柵上的繞射過程(H.Kogelink,“Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings,”Bell Syst.Techn.J.48(1969)2909-2947)。如果一個體光柵的Q係數大於10，則該體光柵是一個厚的體光柵，其中Q=2πdλ(n0Λ2)，其中d代表體光柵的厚度，λ代表光線在真空中的工作波長，Λ代表體光柵的光柵常數，n0代表平均折射率。
在對多個入射角及/或多個波長最佳化的體光柵的位置，可以將多個功能範圍較小的體光柵串聯，也就是說，每一個體光柵都將光線偏轉到另外一個方向，或聚焦到另外一個位置。
除了不同的出射角度外，在製造時還可以在體光柵內加入額外的場透鏡功能，以便將可視範圍的直徑限制在觀察者平面上。
透過角度多工可以任意重建不同的波場。這相當於全像重建 的原理。因此也可以重建具有不同焦距的場透鏡。因此一種有利的方式是重建在不同方向傳播的平面波，例如在有一獨立的場透鏡存在的情況下。
由具有不同之入射角的光線分佈產生的場透鏡的Foki並不需要位於和場透鏡相同的平面上。例如也可以由具有不同之垂直入射角的光線分佈產生一系列的場透鏡，這些場透鏡的Foki在水平方向、水平及垂直方向、或是在水平方向、垂直方向及焦平面上均有所不同。
為了產生或支援一個場透鏡功能，一種可能的方式是將立體全像圖拆解成至少兩個相鄰配置的子全像圖，布拉格條件，而且每一個出射角略有不同的子全像圖都滿足布拉格條件，也就是說體光柵被分段。例如德國專利DE 19 700 162 B4及DE 19 704 740 B4都有說明這種立體全像圖的產生方式及作用方式。
為了選擇各個被寫入立體全像圖的方向，可以存在至少一個水平及/或垂直位移單元，該位移單元可影響光源的光線，使光線在立體全像圖上的入射角及/或入射位置是可以改變的。例如，該位移單元可以是透射式光調制裝置的背景照明裝置的一個組成部分，或是反射式光調制裝置的正面照明裝置的一個組成部分。系統控制器會根據所測得的眼睛位置調整必要的位移及/或翻轉。這可以利用機械式、反射式、折射式、或繞射式等已知的方法獲得實現。例如，使用平面照明裝置時，可以在一平面波導體內改變輸入耦合角。
另外一種有利的實施方式是為每一個波長範圍(例如紅光、綠光或藍光頻譜範圍)使用多個窄帶光源，這些窄帶光源的重點波長僅有很小的差異，而且會被系統控制器選出及啟動，以選出或定址在至少一個體 光柵內的各個繞射角。最好是以半體體雷射或窄帶發光二極體作為這種光源。
視選出的窄帶頻譜範圍而定，系統控制器可以對要顯示的資訊進行顏色修正。
可以將這兩種方法結合在一起，以便將用於不同入射角及緊密相鄰之不同波長的繞射光柵寫入該至少一個立體全像圖。
根據另外一種實施方式，為了在第一光調制器內粗略分段改變射束方向，故使用至少一個可透過系統控制器接通、並與至少一個雙折射透鏡連接之偏振器。例如WO 03 015 424 A2提出這種用於自動立體顯示器之2D/3D切換的系統。
將一種雙折射材料(例如混合液晶)置於兩種作為基板用的透明介質的兩個交界面之間。其中至少一個交界面有部分繞射，以實現一透鏡作用，及/或朝另外一個交界面傾斜，以實現一楔形作用。
從可開關之偏振器產生之兩個可能的偏振方向中選出一個偏振方向，即可透過系統控制器從兩個可能的透鏡作用及/或偏轉作用中選出一個透鏡作用及/或偏轉作用。可透過偏轉單元及/或聚焦單元的面積改變透鏡作用及/或偏轉作用的強度。同樣的，也可以將可開關之偏振器分段，以便能夠在局部改變對兩個偏振方向的選擇。
例如，可以用可控制雙折射材料(例如混合液晶)構成的可變延遲板作為可開關之偏振器。其中雙折射材料被置於兩個具有適當之電極結構的基板之間。同樣的，也可以將多個這種光調制單元串聯，以提高在光調制器內的總作用。
在一可開關之揙振器及一固定雙折射光調制單元的位置，也可以設置可開關之雙折射光調制單元。相較於前面提及之解決方案，這種裝置(例如WO 2007/007 285 A2建議的用於在自動立體顯示器內進行2D/3D切換的裝置)所需的基板數量較少。同樣的，也可以將這些光調制單元分段及/或串聯。
透過適當的電極結構，也可以製造出平面光調制單元，透過接通適當的電場分佈，可在平面光調制單元內產生一影響光線方向之可控制的折射率梯度指數變化。
根據另外一種實施方式，為了調制光線使用至少一個偏振光柵。這種光柵僅存在-1、0、及+1繞射級。透過使用入射的循環偏振光可以將接近100%的光線僅偏轉到+1或-1射級(視循環偏振的旋轉方向而定)。
已知的可開關之偏振光柵包括主動式及被動式偏振光柵。使液晶在適當之表面上定向即可製造出偏振光柵。例如透過聚合出線性可光聚合聚合物(LPP)，即可製造出這種作為液晶之結構化定向層(配向層)的表面。例如可以利用循環偏振的紫外光(例如紫外線雷射)產生帶有干涉圖案的配向層。
主動式偏振光柵在電極結構沒有或僅有很低電壓的情況下形成一週期性光柵結構，並能夠視入射之循環偏振光線的旋轉方向將其偏轉到+1或-1繞射級。如果電壓夠高，液晶可以定向成使光柵結構被破壞，因此第0繞射級的入射光可以不受偏轉的穿過這種光調制單元。
例如，可以透過聚合出液晶聚合物(LCP)構成被動式光柵。主動式及被動式偏振光柵都可以與一個可開關的偏振器(例如可開關的延遲 板)合併使用，以選出所要的繞射級。如果是主動式偏振光柵，系統控制器會控制可開關的偏振器及可開關的光柵，以選出所要的繞射級。如果是被動是光柵，系統控制器僅控制可開關的偏振器。也可以將多個由可開關的偏振器及偏振光柵組合成的光調制單元串聯在一起。可以透過光入射面改變偏振光柵的光柵常數，以實現局部不同的偏轉作用。光柵常數的改變可以連續或分段進行。這樣就可以實現或支援一個場透鏡功能。例如也可以實現柱面透鏡或交叉的柱面透鏡。
為了透過系統控制器選出適當的繞射角，同樣也可以將平面可開關的偏振器結構化。
如果將光柵與其他的光線偏轉單元合併使用，例如與一個設置在前方的場透鏡及/或其他的光調制單元合併使用，則光柵必須局部對一相應傾斜的入射光線最佳化。如果是主動式偏振光柵，這可以透過控制電壓的局部配合，以提高有效雙折射而獲得實現。
如果是被動式偏振光柵，則所使用的全像圖必須具有光柵週期的局部變化。
如果是簡單的偏振光柵而言，則偏振角是由波長決定。對各單一顏色是在時間多工運轉中產生的彩色顯示器而言，系統控制器必須在其他的可控制偏轉單元中平衡這個角度差。
WO 2008/130 561 A1提出被動式偏振光柵的多層系統，其偏轉角在一很寬的頻譜範圍內近似保持不變。
另外一種有利的實施方式是使用繞射光柵實現粗略的光偏偏轉，只要改變接通至液晶單元的電壓即可改變此種光柵的光柵週期。例 如，US 6 188 462 B1就有描述這種系統。透過改變接通至光柵表面的電壓，也可以透過系統控制器調整局部不同的偏轉角。
另外一種有利的方式是利用繞射式相位光柵產生粗略的光線偏轉，這如同在第二光調制器內進行的連續偏轉。將鋸齒狀的電壓接通至精細的電極結構，即可調整這種光柵的光柵週期及所產生之偏轉角的大小，也就是說，從電極到電極的控制電壓在所要的或預先設定的光柵週期內會從一個基本值提高到一個最大值。電壓的最大值決定了在液晶層上被調制之光線的最大相位變化。電壓的變化形狀並非一定要是完美的鋸齒狀，而是電壓-相位變化的特徵線要能夠維持一鋸齒狀的相位輪廓。可能的最小光柵周期及可能的最大偏轉角是由電極光柵決定。由於光柵週期小到僅有幾個微米到數百奈米的非常精細的光柵在大面積偏轉光柵中非常不易被控制，因此可以將用於粗略偏轉的偏轉光柵組合成電極，並在電極間距大於相當於用於最大可能偏轉角之光柵週期在用於精細偏轉之偏轉光柵的間距時，對這些電極發出一個共同的信號。例如，用於精細偏轉的偏轉光柵可以具有數個微米的電極週期，其中每一個電極都可以單獨被控制，同時用於粗略偏轉的偏轉光柵是由一個電極間距小於1微米的光柵組成，其中每一個電極都是在比精細光柵之電極光柵之後較大的距離組合而成。
電極的組合可以在偏轉光柵的表面上分段進行。另外一種可能的方式是使電極光柵在光柵表面上改變，以便在光柵邊緣透過一個較精組的電極光柵實現在該處需要的較大的偏轉角。
為了對小斷面的光束進行射束偏轉，也就是將照明裝置中由小尺射之光源直接或是在相應的射束成形後間接發出的光束偏轉，一種有 利的方式是在透射式或反射式操作方式中設置其他的光線偏轉單元。這樣聲光調制器(AOM)就可以進行快速的射束偏轉。可以透過控制頻率的變化，改變偏轉角。繞射效率受控制電壓的大小的影響。也有具備多個可以由相位移動信號控制的聲換能器的AOM。因此AOM內的有效相位光柵可以隨著相位傾斜，因而與改變的出射角配合，以便在相同的入射角下符合布拉格條件，這樣就可以在很大的出射角範圍及很寬的工作波長範圍達到很高的繞射效率。例如US 5 576 880有揭示這樣的調制器。由於AOM只能產生很小的偏轉角，因此為了擴大角度範圍，可以另外連接具有多個編碼出射角的體光柵及或由單一光柵構成的體光柵堆，其中這些單一光柵在入射角僅有很小的差異的情況下各具有不同的出射角。例如US 3 980 389有揭示這樣的配置方式。
光調制器及/或光調制單元所有的光學交界面最好都具有抗反射層，以避免散射光。可以根據應用領域用已知的方式設置光譜及/或角度的窄帶或寬帶抗反射層。
可以在光學光程上設置適當的光圈，以濾除不需要的繞射級及/或散射光。也可以另外使用其他的波前形成媒介，例如變跡掩模。
其他可能的最佳化措施及特殊的方法均屬於本發明的一部分，例如使用查找表以快速計算出偏轉角的調整即參數、在光調制單元的多層結構中使用共同的基板、校準措施、錯誤補償措施、溫度補償措施、老化現象補償措施、形成控制電路及電極結構的措施，由於對熟習本發明之理論的專業工作者而言，這些措施都是已知的，因此不在此多作說明。透過適當的測量裝置，所有可控制元件都可以被設計成可調節的元件。
除了可控制的繞射光柵，也可以使用其他已知的光偏轉單元進行連續的觀察者追蹤。
100‧‧‧由平面光源場構成的光源
101-123‧‧‧單一光源
111、121‧‧‧紅光頻譜
112、122‧‧‧綠光頻譜
113、123‧‧‧藍光頻譜
110‧‧‧毛玻璃屏
130‧‧‧光學元件
150‧‧‧波前
160‧‧‧輸出單元
200‧‧‧準直光學鏡組
201-203‧‧‧透鏡
210‧‧‧準直單元
211、212、221、222‧‧‧被動及/或主動光學元件
220‧‧‧第6圖：準直單元第9圖：準直光學鏡組
230 240‧‧‧透鏡場
250‧‧‧光圈場
260、270‧‧‧光導體
300‧‧‧動態照明裝置
400‧‧‧光調制裝置
410‧‧‧光束組合器
450‧‧‧波前
500‧‧‧光調制器
501‧‧‧光調制單元
502、511、512、521、522‧‧‧體光柵
510、520‧‧‧平面光偏轉單元
513、523‧‧‧平面光波導體
514、524‧‧‧基板
531、533‧‧‧靜態光柵
532‧‧‧可控制體光柵
541、551、552‧‧‧可控制液晶相位光柵
542‧‧‧薄的體光柵
543‧‧‧厚的體光柵
550‧‧‧第一光調制單元
560‧‧‧第二光調制單元
570‧‧‧第一體光柵
591‧‧‧可開關或可控制的偏振器
592‧‧‧立體全像圖
593‧‧‧偏振光柵
594‧‧‧可開關或可控制的偏振改變單元
600‧‧‧第二光調制器
700‧‧‧場透鏡
800‧‧‧眼睛位置辨識系統
900‧‧‧系統控制器
901‧‧‧眼睛位置數據
902‧‧‧3D場景
1000‧‧‧可視範圍
1001-1005‧‧‧聚焦範圍
1100‧‧‧觀察者眼睛
有多種不同的方式可以實現及進一步改良本發明的理論。這可以從源自申請專利範圍第1項的附屬申請專利項目，以及以下關於本發明之有利的實施方式及其圖式中看出。各圖式(均為示意圖)的內容是：第1圖：本發明的第一種變化方式。
第2圖：透過可開關光源進行粗略分段追蹤之光調制器的一個截面。
第3圖：透過具有額外之場透鏡功能的可開關光源進行粗略分段追蹤的光調制器。
第4圖：透過照明裝置內的繞射偏轉光柵進行粗略分段追蹤之具有光源追蹤的光調制器一個截面。
第5圖：具有體光柵及角度多工之照明裝置的一個截面。
第6圖：具有反射式調制器的光調制裝置。
第7圖：透過主動液晶光柵形成第二個場透鏡。
第8圖：具有透射式調制器及液晶相位光柵的光調制裝置，其中液晶相位光柵具有可控制的光柵週期，並與一多工場透鏡連接。
第9圖：平面背光照明裝置，其可以使經準直單元產生的波前在進入第一體光柵之前，先產生一水平位移及一垂直位移。
第10a至10c圖：作為第9圖之垂直光調制單元的兩個可控制體光柵的作用。
第11圖：具有透射式調制器及與可開關偏振器連接之偏振光柵的光調制裝 置。
第1圖以示意方式顯示光調制裝直的一種典型的變化方式。由平面光源場構成的光源100包含多個小型的單一光源101-123，透過系統控制器900可以個別或分組開關這些單一光源，或是控制或調節其亮度。每一個單一光源101-123也都可以是由多個具有不同重點波長的光源組成，而且這些光源同樣也可以被單獨控制。光源101-123經由準直光學鏡組200照亮一個平面光調制裝置400，其中準直光學鏡組200可以是由單一透鏡201-203的場或柱面透鏡帶組成。也可以將透鏡201-203製作成可控制的透鏡，這樣就可以透過系統控制器900調整透鏡201-203在一、二、或三個方向的聚焦位置。光調制裝置可具有一個光圈場250，以避免光源101-123的光線穿過準直光學鏡組200的多個透鏡201-203。如果光調制裝置是供多個觀察者使用，則這個光圈場尤其重要。第1圖的例子是使用一個透射式光調制裝置400，其作用是以平面方式改變光線的振幅及/或相位。可控制的光源場100與準直光學鏡組200共同組成動態照明裝置300。
光調制裝置400從系統控制器900獲得顯示三維圖像資訊的調制值，光調制裝置400是根據3D場景902的輸入數據及眼睛位置辨識系統800提供的圖像資訊的至少一位觀察者的至少一個眼睛位置1100的位置數據，求得這些調制值。其中系統控制器900會將光調制裝置400的特性曲線及其他因光學系統的設計位置數據產生的修正值納入考量。要顯示的圖像資訊(尤其是要顯示的場景片段)也可以是在系統控制器900之外，根據系統控制器900提供給外部計算單元的眼睛位置數據901被處理。屬於先前技術 的眼睛位置辨識系統800可以是由至少一台相機及相機的計算單元組成，其中該計算單元也可以是系統控制器900的一個組成部分。該計算單元能夠從相像拍到的圖像求出瞳孔在每一個圖像中的位置，並據此計算出所有觀察者眼睛1100所屬的位置座標。也可以使用其他的眼睛位置辨識系統800，例如利用超音波工作或是與觀察者連接的使用被動或主動標誌或信號源的辨識系統。
在光源101-123及觀察者眼睛1100之間的光程上，可以設有其他可以由系統控制器900控制的光調制單元501。在本實施例中，動態照明裝置300單獨或是與其他光調制單元501共同構成將光線粗略偏轉的光調制器500。為了透過系統控制器900根據眼睛位置數據901以連續或精細分段的方式將可視範圍1000偏轉到相應的觀察者眼睛，故設置一個形成為可控制之繞射式偏轉光柵的第二光調制器600，同樣的，第二光調制器600也可以是由多個光調制單元共同組成。在第1圖的實施例中，為了將可視範圍1000聚焦在觀察者平面上，故設有一個場透鏡700，其作用是經由系統控制器900使可視範圍1000的大小能夠與觀察者眼睛1100到光調制裝置400的距離配合，其中場透鏡700也可以是一種可控制的自適應透鏡。也可以將場透鏡700的功能整合到動態照明裝置300及/或其他光調制單元501及/或第二光調制器600的光調制單元中。
第2圖以示意方式顯示照明裝置的一個截面，該照明裝置是透過可開關的光源101-103作為對在至少一個觀察者眼睛所在位置的至少一個可視範圍進行粗略分段追蹤的光調制器。
許多個可開關或可控制的光源101，102，103位於準直光學 鏡組200之前，其中準直光學鏡組可具有折射式或繞射式單元。例如打開光源101、102或103，即可選擇所要的偏轉方向。偏轉角是由光源到準直光學鏡組200之段落的光學軸OA的距離及其與這個成像段落之物側主平面的距離決定。在本實施例中，光源101-103位於物側焦平面上，因此離開準直光學鏡組200的是平行光線。這些光線照亮光調制裝置400。
第3圖以示意方式顯示以具有額外場透鏡功能的可開關或可控制的光源101-123進行粗略分段追蹤的一種變化方式。構成平面光源場的光源100的單一光源101-123是以反對稱的方式被設置在準直光學鏡組200的準直透鏡201-203的後面，因此光源101-123在光調制裝置400之邊緣區域的方向穿過光調制裝置400的光線會比在準直光學鏡組200之中央部分的光源光線更大程度的被偏轉到顯示器之觀察者範圍中心部分的方向。如第3圖所示，光源101-123可以被設置在準直透鏡201-203的焦平面之外，因此會被成像在中央觀察者平面上。
單一光源101-123可以是由獨立的可開關或可控制、且具有不同光譜分佈的子光源共同組成。單一子光源很容易被分段設置在深度上，也就是說被分段設置在光學軸的方向上的不同位置，以補償準直光學鏡組的色差，使所有的顏色成分廣泛的被成像在相同的中央觀察者平面上。
為達到這個目的，可以透過系統控制器改變準直透鏡201-203的折射率，以補償色差，並使觀察者平面與觀察者到顯示器的距離配合。
有許多可能的方式可以實現場透鏡功能。例如可以使單一準直透鏡201-203的光學軸一直更大程度的向透鏡場200的邊緣傾斜，因而使所 有的光學軸在中央觀察者平面的觀察者範圍中央相交。也可以將配屬於透鏡201-203的光源101-123以傾斜方向設置。
第4圖顯示利用在照明裝置的一個截面上的繞射光柵進行觀察者追蹤的原理。準直光源101照亮一個將光線偏轉的可開關或可控制的光調制單元501，例如光調制單元501可以含有至少一個繞射偏轉光柵。光調制單元501將準直光源101的光線按照設定的偏轉角偏轉到毛玻璃屏110的另一個位置。可以局部改變散射輪廓，以盡可能完美的照亮後面的準直透鏡201，其中準直透鏡201可以含有繞射及/或折射單元。例如可以用全像方式使毛玻璃110的散射輪廓產生局部改變。視偏轉角而定，被光調制單元501偏轉的光線的入射位置會構成二次光源111-113，該等二次光源經由準直光學鏡組的準直透鏡201如同第2圖或第3圖的方式照亮光調制器的一個區域。同樣的，光源101可以是由獨立且具有不同光譜分佈的可開關的子光源構成。光調制單元500可以是由多個偏轉光柵共同構成，以實現二維偏轉。透過適當的光圈250可以防止在光調制單元501上可能形成的未使用之繞射級的光線、或是二次光源111-113的未入射到準直透鏡201的光線將準直光學鏡組的其他的準直透鏡照亮，或是成為在照射裝置內傳輸的散射光線。
最好是以光柵周期可以調整的可控制繞射光柵作為光調制單元501內的偏轉光柵。
例如可以使用以液晶單元為基礎的相位光柵，此種相位光柵可透過柵狀電極結構調整光柵週期及偏轉角。
也可以使用聲光調制器。
除此之外還有其他可能的變化方式，例如合併使用主動及被 動偏振光柵及可控制的延遲板。
由於光調制單元501及毛玻璃屏110之間的距離可以很大，因此可以在光調制單元501內使用只能產生很小的偏轉角的偏轉光柵。由於對所需的最小光柵週期的要求很低，因此可以大幅降低製造偏轉元件的困難度。
為了阻擋在第0繞射級中出現不利的強度，可以用傾斜方式照亮可控制的光柵。為了使每一個工作波長都能獲得最佳的偏轉範圍，應分別以一不同的角度照亮用於每一個工作波長範圍的光柵。
也可以用其他的偏轉單元取代光調制單元501內的偏轉光柵。例如使狦可控制的電潤濕單元，在這些電潤濕單元中，兩種折射率不同的液體之間的彎月形交界面的位置或彎月形交界面的位置及形狀可以在一或二個方向上變化。
第5圖顯示具有體光柵及光源的角度多工的照明裝置的一個截面。含有至少一個調制光線用的體光柵502的光調制單元501被多個光源101-103從不同的方向經由彼此方向略有不同的準直光學鏡組201-203照亮。不同的重建幾何被固定編碼到光調制單元501的體光柵502內。來自不同方向的照明會產生不同的初始波前。例如可以用步距0.3度的5個角度照亮光調制單元501的體光柵502，例如這樣可以在初始面形成5個角度步距12度的場透鏡波前，其中光調制器501也可以是由多個堆疊在一起的體光柵502構成。
第6圖以示意方式顯示搭配正面照明裝置之用於圖像編碼的反射式光調制裝置400構成的光調制裝置。以準直光線照亮光調制裝置400 的正面照明裝置包含一個由平面光偏轉單元510，520構成的堆疊。透過啟動配屬於光偏轉單元510，520的光源110，120，可以選擇所要的偏轉功能。例如，光源110，120至少是由屬於紅光頻譜111，121、綠光頻譜112，122、以及藍光頻譜113，123的各一個雷射二極體構成。透過配屬於光源110，120的準直單元210，220，雷射二極體發射的光線會分別經由至少一個體光柵511，521被輸入耦合到位於基板514，524上的平面光波導體513，523。在本實施例中，分別有一個紅光、綠光、及藍光頻譜範圍的全像圖被寫入體光柵511，521。為了進行相干光學應用，例如全像顯示器，平面光波導體513，523的厚度應薄到只能傳播一個反射角(單模式光導體)，以保持光線的相干特性。
光線經由配屬於平面光波導體513，523的體光柵512，522被輸出耦合，並在反射式光調制裝置400上被準直偏轉。被反射式光調制裝置400調制過的光線會根據被選出的光源111-113，121-123被體光柵512，522偏轉到所要的方向，及/或如本實施例被聚焦到觀察者平面上所要的位置。在本實施例中，光源110，120的每一個工作波長的全像圖也被寫入體光柵512，522。這些全像圖在光調制裝置400的整個面積上都有一致的照明強度。因為輸出耦合位置與輸入耦合光柵511，521的距離愈遠，體光柵512，522內的繞射效率就必須提升的愈高。
至少另外有一個以連續或精細分段方式工作的光偏轉單元600使光線能夠根據觀察的位置對準眼睛位置，這些眼睛位置並與被寫入體光柵512，522的全像圖的固定的焦點並不重合。光偏轉單元600可以支援或完全承擔場透鏡功能。同樣的，也可以在光偏轉單元600及觀察者之間設置 一個獨立的場透鏡。
配屬於光源110，120的準直單元210，220可以具有以反射、折射及繞射等方式調制光線的射束成形及/或改變射束方向的被動及/或主動光學元件211，212，221，222。光源110，120也可以具有掃描元件，以便用條帶狀方式照亮輸入耦合光柵511，521。
第7圖以示意方式顯示本發明的另外一種變化方式。這種變化方式可以由一個未在第7圖中繪出的系統控制器經由一個可控制體光柵532從兩個被寫在靜態體光柵533的場透鏡中選出一個場透鏡。一個被正面照明裝置300準直照亮的反射式相位調制裝置400產生一個含有要顯示之圖像資訊的調制相位分佈。被相位調制裝置400之相鄰像素調制過的光線在光束組合器410內組合成一個振幅及相位被空間調制的波前450，以重建要在重建空間中顯示的物件。物點可以被真實的重建在觀察者及光調制裝置400之間，以及被虛擬的重建在光調制裝置400之後。調制波前450被靜態光柵531被偏轉一個固定的角度，以便為位於後方的可控制體光柵532形成一個最佳或適當的入射角。正面照明裝置300之光源的各個窄帶波長範圍的出射角可以彼此略有不同。視可控制體光柵532受到的控制而定，光線會不受繞射的穿過體光柵532，或是在體光柵532的光柵結構上被繞射成第一繞射級。例如可控制體光柵532可以是一種聚合物色散的液晶光柵。在製造過程中，是在寫入全像圖的步驟透過局部聚合形成所要的繞射圖案。視電極結構接通的電壓而定，這種光柵可以控制光柵單元間的折射率差異。如果所選擇的電壓使折射率差異不存在，光線會不受繞射的穿過光柵。只要將適當的電壓接通到電極，光柵內的折射率差異就會使目前的重建波長範圍的 幾乎所有光線都被繞射成第一繞射級。
同樣也可以是多工體光柵的靜態體光柵533將所選擇的方向聚焦到聚焦範圍1001或1002。這個過程也可以將各單一波長範圍的不同的入射角納入考量，因此各單一顏色的聚焦範圍會構成一個共同的聚焦範圍。
另外一種可能的配置方式是局部改變光柵531及/或532內的繞射角，其目的是使體光柵533在局部獲得一個適當的入射角，以便將這個光柵內需要的繞射角調整到具有很高的繞射效率。這也可以使用分段的配置方式。這種配置亦適用於振幅調制裝置或複數值調制裝置。同樣的，也可以使用帶有背光照明裝置的透射式調制裝置。例如在自動立體顯示器中，這樣做可使焦點能夠在觀察者的右眼及左眼之間切換。在這個配置的後方通常會設置一個未在第7圖中繪出的光調制器，其作用是連續追蹤在觀察位置的Foki。
第8圖以示意方式顯示光調制裝置的另外一種變化方式，其中該光調制裝置具有至少一個透射式相位調制裝置400，其作用是與搭配可控制液晶相位光柵541對圖像資訊進行編碼。光調制器400被背光照明裝置300發出的足夠的相干光線照亮。被光調制裝置400調制的光線在至少一個光束組合器410內被組合成一個振幅及相位被空間調制的波前450。這個波前會射到至少一個可控制液晶相位光柵541，使波前被分段偏轉。為此液晶相位光柵541具有多個電極，透過可變化的電壓輪廓可以控制個別或成組的電極。將一個周期長度及電壓偏移均可變化的鋸齒狀電壓輪廓接通到電極結構，可以在液晶光柵內形成一個布拉格光柵。由於產生在光柵上的相位輪廓的鋸齒狀變化，這個布拉格光柵對設定的偏轉方向的作用如同一個炫 耀光柵，但前提是其光柵週期及相位差均與目前的工作波長適配。這樣波前的光線就會以很高的繞射效率被偏轉到所要的偏轉方向。
一般而言液晶相位光柵541可以為3個波長產生不連續或連續的可變角度。
位於後方的場透鏡具有一個厚的體光柵543及另外還可以具有一個薄的體光柵542，在此場透鏡內，以液晶相位光柵541選出的偏轉角會選出一個被寫入厚的體光柵543的聚焦範圍1001-1005。薄的體光柵542(如果有的話)會使來自液晶相位光柵541的光線繞射，因而為至少一個厚的體柵543形成一個最佳或適當的入射角，以使光線在液晶相位光柵541能夠以很高的繞射效率被繞射。
具有至少一個結構愳細之可控制繞射式液晶相位光柵的光調制器600是作為受未在第8圖中繪出之系統控制器控制，在被選出之觀察者眼睛的位置對選出的聚焦範圍1001-1005進行連續或精細分段追蹤的光調制器。這樣就會為被選出的觀察者眼睛形成觀察重建用的可視範圍。
第9圖以示意方式顯示一個對光線進行粗略偏轉用的光調制器，而且這個光調制器被整合在平面背光照明裝置中。光源100經由射束擴大光學鏡組210照亮一個準直光學鏡組220。例如光源100對紅光、綠光及藍光頻譜範圍可各具有至少一個單一的可控制雷射二極體。經準直光學鏡組220準直的光線會被透鏡場230對準光圈場120的光圈孔徑。光圈孔徑的作用是作為二次光源及參與構成一個光源場。在光程上還可以設置其他處理光源發出之光線用的光學元件110。例如可以設置至少一個可移動的毛玻璃，以避免干擾性的班點及調制具有隨機相位的相干雷射輻射。可以用一個光 源場取代單一光源100及光圈場120，例如一個包含多個在工作波長範圍之雷射二極體的光源場。光圈場120的單一二次光源經由另一個透鏡場被準直，並照亮將光線偏轉到垂直方向的第一光調制單元550。在光程上還可以設置一個處理二次光源120發出之光線用的光學元件130。這樣至少有一個固定或可移動的毛玻璃將在背光照明裝置之初始面上的空間相干性限制在一個適當的程度，以免要顯示的子全像圖彼此干擾。第二光調制單元560可以將光線調制到水平方向。另外一種可能的方式是，光調制單元550，560將光線調制到水平或垂直方向以外的方向，或是改變光調制單元550，560的設置順序。也可以將光調制單元550，560組合成一個具有二維光調制作用的光調制單元。從光調制單元550發出的光線經由光導體260將第一體光柵570照亮。第一體光柵570經由另外一個光導體270將光線偏轉到第二體光柵580。視光線經可控制光調制單元550，560產生的角度分佈及其被選出的波長分佈而定，一個照亮未在第9圖中繪出的光調制裝置用的角度頻譜會經由寫入體光柵570，580的立體全像圖被選出。角度分佈經過光調制單元550，560的調制後，可以將整個調制裝置表面均勻的照亮。如前面所述，可以局部改變體光柵570，580的繞射效率。
光導體260，270應由折射率與體光柵570，580的折射率差異應盡可能小的材料構成，以避免在交界面發生反射。可以將光導體260，270中的一或二個光導體設計成楔形。光導體也可以是其其他材料構成，例如空氣。如果光導體是由空氣構成，在必要的情況下，交界面必須有減少反射的塗層。
體光柵570，580會使二次光源120產生並被準直到透鏡場240 的繞射波前被光學變形放大。因此可以利用空間尺寸很小的光調制單元550，560選擇寫入體光柵570，580的全像圖函數。這種光柵的製造困難度及製造成本均低於大面積的光柵。而且小面積的可控制偏轉光柵的光柵常數比較小，因此可產生較大的繞射角。
在光源100及光導體260之間的光程上還可以設置其他的光學元件，例如光纖或偏轉鏡，以使整個系統的結構更為緊密。
第10a至10c圖以示意方式顯示第9圖之用於垂直偏轉的光調制單元550的一種可能的構造方式及其作用方式的3個例子。
兩個連接在一起作為垂直位移單元的可控制光調制單元551，552對輸入波前150進行調制，並將其轉換為輸出單元160。
在第10a的例子中，兩個可控制液晶相位光柵551，552使波前150的傳播方向產生垂直位移及角度變化。
第10b圖的例子顯示波前150的重心的擴大及位移。
第10c圖的例子顯示波前150的出射角出現位移及局部改變。
第11圖以示意方式顯示光調制裝置的一種變化方式，這種光調制裝置是透過被動偏振光柵搭配主動改變偏振的光調制單元，以粗略分段的方式在觀察者眼睛的位置進行3D場重建的可視範圍的追蹤。
從背光照明單元300獲得足夠的相干照明的相位調制裝置400透過光束組合器410產生一個振幅及相位被空間調制的波前450，其中要重建的場景被編碼在相位調制裝置400內。透過一個可開關或可控制的偏振器591，例如一個可開關或可控制的延遲板，可以選擇性的將波前450的光線以右循環或左循環的方式偏振到後面的偏振光柵593上。偏振光柵593會 根據具有高繞射效率之入射光線的偏振方向將光線繞射到+1或-1繞射級。可以在可開關偏振器591及偏振光柵593之間設置一個立體全像圖592，其作用是將穿過可開關或可控制的偏振改變單元的光線局部繞射到能夠使偏振光柵593產生適當的入射角的方向。
可以將可開關或可控制的偏振改變單元594設置在偏振光柵593之後，以壓抑未被偏轉到所要的繞射級的光線。
設置在後方的對光線進行連續或精細分段偏轉的光調制器600將經過調制之波前450的光線偏轉到觀察者的眼睛，使觀察者能夠看到重建的3D場景。
光調制裝置還可以具有其他的被動或主動偏振調制單元，以便為後面由偏振決餐的單元設定必要的偏振方向，或是將線性偏振光線轉換成循環偏振光線。
在本實施例中，被動偏振光柵593的光柵週期以局部連續或分段方式改變。因此可以實現一個場透鏡功能。在光調制器600的中性位置，波前450的光線會根據可開關或可控制偏振調制單元591或594的位置被偏轉到可視範圍1001或1002。一或二個可開關或可控制偏振調制單元591，594可以被局部結構化，並可單獨在一或二個方向被制作成具有可開關性或可控制性，以補償穿透光線之穿透角及/或目前的波長範圍的影響。
也可以使用具有一致之光柵常數的偏振光柵593。這種偏振光柵會根據偏振改變單元591的位置將經過調制的波前450的光線偏轉到由+1及-1繞射級確定的兩個方向中的一個方向。可透過其他的被動及/或主動光學元件(例如體光柵)實現場透鏡功能。
在由局部可控制的偏振改變單元591，594及被動偏振光柵593構成的堆疊中，在光程上位於前方的堆疊面的單元591，593，594的偏轉角對各個偏振調制單元591，594內的偏振改變的影響可以受到補償。也可以將前後連接的並分屬於不同的相鄰堆疊面的偏振調制單元594，591組合成一個共同的可控制偏振調制單元。
使用這種堆疊可以產生兩個以上的聚焦範圍或偏轉方向。偏振光柵593在堆疊面上相同的水平及垂直位置最好具有不同的光柵常數及不同的繞射角，以達到盡可能均勻且盡可能精細的分段，以避免出現雙重聚焦範圍。
使用具有可控制光柵週期的偏振光柵593可以使堆疊的層數保持在較少的程度。
可開關的偏振光柵593可以利用第0繞射級。
透過層厚度、光學延遲及液晶分子的旋轉角的適當組合，可以製造出對一很寬的波長範圍的繞射效率接近100%的偏振光柵593。也可以使用可開關偏振光柵593的堆疊，其中構成堆疊的每一個單元都對一個不同的波長範圍最佳化。
這樣在彩色多工運轉時，只需啟動對目前的頻譜範圍最佳化的光柵即可。
也可以使用一個複數值光調制裝置取代相位調制裝置400及光束組合器410。另外一種可能的方式是使用反射式調制器及搭配正面照明。
在以下的實施例後，也可以使用透過掃描裝置產生編碼的全 像圖的光調制裝置，或是使用具有多個光調制器的光調制裝置。同樣的，全像或自動立體顯示器也可以具有多個共同重建3D場景及/或產生立體圖像的獨立的光調制裝置。
在以上所有的實施例中，所有主動元件的控制都可以透過一個系統控制器根據眼睛位置辨識系統測得的觀察者眼睛位置來進行，其中光學元件的像差、溫度影響、因照明裝置300內的亮度差異造成的波前局部差異、以及光調制裝置400內的調制缺失都可以被納入考量及受到補償。如果必要的話，可以透過校準測量或主動在實時進行測量，以找出這些缺失。
最後要特別指出的是，以上提及的實施例僅是用於描述本發明的理論，但是並未對本發明之範圍及內容造成任何限制。
100‧‧‧由平面光源場構成的光源
101-123‧‧‧單一光源
200‧‧‧準直光學鏡組
201-203‧‧‧透鏡
250‧‧‧光圈場
300‧‧‧動態照明裝置
400‧‧‧光調制裝置
500‧‧‧光調制器
501‧‧‧光調制單元
600‧‧‧第二光調制器
700‧‧‧場透鏡
800‧‧‧眼睛位置辨識系統
900‧‧‧系統控制器
901‧‧‧眼睛位置數據
902‧‧‧3D場景
1000‧‧‧可視範圍
1100‧‧‧觀察者眼睛

Claims (20)

  1. 一種光調制裝置，用於全像顯示器或自動立體顯示器以顯示三維圖像資訊的光調制裝置，具有至少一個真實或虛擬光源、至少一個光調制裝置，其作用是為至少一位觀察者的至少一個眼睛將要顯示之圖像資訊編碼、第一及第二光調制器，其作用是改變光源發出之光線的光程、一個眼睛位置辨識系統，其作用是測定及追蹤圖像資訊之至少一位觀察者的至少一個眼睛位置、以及一個系統控制器，其作用是根據眼睛位置辨識系統提供的眼睛位置數據透過該第一及該第二光調制器追蹤圖像資訊的至少一個可視範圍，其特徵為：該第一光調制器在觀察者之眼睛的觀察範圍內對可視範圍進行粗略分段追蹤，同時該第二光調制器至少在觀察者眼睛的該第一光調制器的一個粗略分段的範圍，透過至少一個可控制繞射光柵對可視範圍進行精細分段或連續追蹤。
  2. 如申請專利範圍第1項的光調制裝置，其中在光線傳播方向上，該第二光調制器被設置在該第一光調制器之前或之後，同時該第一及/或該第二光調制器被設置在該光調制裝置之前或之後。
  3. 如申請專利範圍第1項的光調制裝置，其中透過該第一光調制器及/或該第二光調制器可以改變光源的位置及/或光程的射束方向，其中光源的位置可以在一、二或三個方向調整，同時光程的射束方向可以在水平及/或垂直方向調整。
  4. 如前述申請專利範圍第1項的光調制裝置，其中該第一及/或該第二光調制器是由多個光調制組成，而且每一個光調制單元都可以單獨改變 光源的射束方向及/或位置。
  5. 如前述申請專利範圍第1項的光調制裝置，其中光源之光線的位置改變量及/或在該第一及/或該第二光調制器內的射束方向改變量可以隨著光線在光調制器之表面上的入射位置而改變，因此除了追蹤功能外，還可以實現或支援一固定焦距或可變焦距的場透鏡功能。
  6. 如前述申請專利範圍第1項的光調制裝置，其中可以透過至少一個光源的機械移動及/或調制多個光源在不同位置的強度，實現至少一個光源在該第一光調制器內的位置改變。
  7. 如前述申請專利範圍第1項的光調制裝置，其中至少有一個將光線繞射及/或折射的該第一光調制器。
  8. 如前述申請專利範圍第1項的光調制裝置，其中至少有一個該第一光調制器具有一或多個連在一起的可開關的繞射光柵，且該光柵具有一固定或可局部改變的光柵週期。
  9. 如前述申請專利範圍第1項的光調制裝置，其中該第一光調制器具有一個改變光源之位置及/或光源之發射方向的裝置，同時該第一光調制器至少含有一個立體全像圖，且至少有兩個可透過改變光線方向選擇的角度優先的繞射角及/或場透鏡功能被寫入該立體全像圖。
  10. 如申請專利範圍第9項的光調制裝置，其中在至少一個光源及至少一個立體全像圖之間至少有一個水平及/或垂直位移單元及/或傾斜單元，該位移單元及/或傾斜單元能夠影響光的光線，使光線可以改變在立體全像圖上的入射角及/或入射位置。
  11. 如申請專利範圍第1項至第8項中任一項的光調制裝置，其中至少有一 個真實或虛擬光源，該光源能夠以可切換的方式照亮具有至少兩個緊靠在一起的窄帶波長範圍的該第一光調制器，同時該第一光調制器至少含有一個立體全像圖，且至少有兩個可透過改變光線方向選擇的調諧到這個波長範圍的波長優先的繞射角及/或場透鏡功能被寫入該立體全像圖。
  12. 如申請專利範圍第9項的光調制裝置，其中該第一光調制器含有至少一個立體全像圖，且至少有兩個角度優先及至少兩個波長優先的繞射角及/或場透鏡功能被寫入該立體全像圖。
  13. 如申請專利範圍第9項的光調制裝置，其中該第一光調制器的至少一個立體全像圖具有至少兩個前後連在一起的立體全像圖，且這至少兩個立體全像圖調諧到不同的入射角及/或波長範圍，以便將光線偏轉及/或聚焦到不同方向。
  14. 如申請專利範圍第1項至第10項或第12項中任一項的光調制裝置，其中該第一光調制器具有至少一個可開關的延遲板及至少一個雙折射透鏡，以改變光線的發射方向。
  15. 如申請專利範圍第14項的光調制裝置，其中至少有一個雙折射透鏡是液晶透鏡。
  16. 如申請專利範圍第14項的光調制裝置，其中至少有一個雙折射偏振光柵(593)具有一固定或是隨偏振光柵之面積改變的光柵週期，以改變光線的發射方向。
  17. 如申請專利範圍第1項至第10項或第12項中任一項的光調制裝置，其中在該第一光調制器內至少有一個雙折射偏振光柵具有一可開關的 固定或是隨偏振光柵之面積改變的光柵週期，以改變光源的發射方向。
  18. 如申請專利範圍第17項的光調制裝置，其中至少有一個可開關的偏振光柵，且該光柵對對傾斜的入射光最佳化及/或具有消色差特性且對至少兩個波長最佳化。
  19. 如前述申請專利範圍第1項至第10項中任一項的光調制裝置，其中該第二光調制器具有至少一個可改變的繞射光柵，透過均勻或局部改變該繞射光柵的光柵週期可以調整發射方向的改變。
  20. 如申請專利範圍第19項的光調制裝置，其中至少有一個可改變的繞射光柵含有一個液晶層，將電壓接通至電極結構可以改變該繞射光柵的局部固定或可改變的光柵週期。
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