TWI596380B - Monitors with observer tracking - Google Patents

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TWI596380B
TWI596380B TW102103160A TW102103160A TWI596380B TW I596380 B TWI596380 B TW I596380B TW 102103160 A TW102103160 A TW 102103160A TW 102103160 A TW102103160 A TW 102103160A TW I596380 B TWI596380 B TW I596380B
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TW
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light
polarization grating
stack
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Norbert Leister
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Seereal Tech S A
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Description

具觀察者跟蹤功能的顯示器
本發明涉及一種顯示器，尤其是一種自動立體顯示器或全像顯示器，其作用是顯示三維訊息，其中全像編碼物件的立體視圖及/或重建能夠跟蹤一或多位觀察者之眼睛的移動。
目前已有多種不同實施方式的顯示三維訊息的顯示器。有些顯示器需使用輔助器材(例如快門眼鏡或偏振光眼鏡)才能觀察3D場景，而自動立體顯示器則不需使用這一類的輔助器材。但是這種不使用輔助器材的顯示器僅能在一個很窄的空間範圍(也就是所謂的觀察者範圍)內觀察3D場景。為了能夠在很大的水平角度範圍內也能夠舒適的觀察3D場景，目前已開發出能夠使觀察者範圍跟蹤觀察者之眼睛的器具。例如本案之申請人在DE 103 39 076 B4中描述的系統。本案之申請人也有提出一系列的全像顯示器，例如EP 1 563 346 B1及EP 1 792 234 B1提出的全像顯示器能夠在一個空間光調制器中將全像繞射圖案編碼，以便將在一個很窄的觀察者範圍內的3D場景看成強度分佈的空間重建。這種全像顯示器也是使觀察者範圍跟蹤一或多位觀察者的眼睛。因此這種器具具有一個辨識系統，其作用是測定觀察者的眼睛位置，並將該訊息傳送至系統控制器。辨識系統通常是以照相機的方式工作，也就是經由圖像處理算法測定眼睛位置。系統控制器會 根據測得的眼睛位置控制機械式或電子式光線偏轉器，以使屬於各眼睛位置之觀察者範圍的中心與各眼睛位置盡可能重合。如果希望這麼做或是有必要的話，還可以使圖像內容及/或3D場景的重建適應新的眼睛位置。
在這種顯示器中，照明單元會產生具有所需之波長譜且非常準直的光線，以便將空間光調制器照亮，其中立體視圖被寫入空間光調制器及/或全像訊息被編碼到空間光調制器。如果是全像顯示器，光線還必須至少在一個將3D場景之像點編碼所需的區域內具有干涉性，也就是說，光線必須具有夠的相干性。可以將光線偏轉器設置在空間光調制器之前及/或之後。
也可以將照明單元設計成能夠將光線偏轉到可事先給定的空間方向。例如，可以將可移動的照明縫隙設置在柱面透鏡場之前非常靠近焦平面的位置。例如，可以選擇一個主動光源陣列(例如由OLED陣列)作為照明縫隙。也可以使用一個平面光源，並將可控制之可變化縫隙光圈的光圈場設置在該水平光源的水平位置之前。例如，這種光圈場可以是一個LCD陣列。每一個縫隙都構成一個二次光源，其作用是將柱面透鏡場的柱面透鏡照亮。照明縫隙到柱面透鏡的中心線的水平位置決定了從柱面透鏡發射之準直分光束的水平角。也可以同時啟動多個照明縫隙，以提高發射之角度範圍，進而使觀察者範圍的尺寸變大。此外，可以經由柱面透鏡場的面積改變照明縫隙到柱面透鏡的中心線的位置的水平偏移，以實現另外一種場透鏡功能，進而使觀察者範圍的水平直徑與觀察者距離相匹配。柱面透鏡場可以具有一個光圈場，透過這個光圈場可以避免配屬於柱面透鏡之照明縫隙對相鄰之柱面透鏡造成串擾。這樣就可以避免出現不利的二次 觀察者範圍。
配屬於一個柱面透鏡的照明縫隙的數量決定了可能的水平偏轉角的數量。由於技術上的限制，一次及/或二次光源會具有一最小尺寸，因此這個數量不能任意提高。而且一次及/或二次光源的尺寸愈小，所需的光密度就愈高。但是能夠容納多位觀察者的大的水平移動範圍卻需要多個級距分得很細的光線偏轉角，以進行觀察者跟蹤。因此有一系列的輔助措施被提出，以擴大這個移動範圍及提高可能的偏轉角的數量。例如美國專利US 7 791 813 B2建議利用可控制電潤濕光電管的場偏轉光束。但是這種場的形成過程很複雜，而且因為光電管高度的關係，使其孔徑受到限制。該專利亦建議使用機械式偏轉器具，例如偏轉鏡或可轉動的棱鏡，但此類器具具有反應緩摱及體積較大的缺點。
本發明的目的是提出及進一步改良如本文開頭描述的顯示器，以克服前面提及的問題。尤其是本發明的顯示器要能夠在不使用機械式偏轉器具的情況下，可以在多個級距分得很細且較佳是彼此有重疊的移動區內對一或多位觀察者進行觀察者跟蹤。
採用申請專利範圍第1項的理論即可達到上述目的。附屬申請專利項目的內容為本發明的各種有利的實施方式及改良方式。
根據本發明，全像編碼物件的立體視圖及/或重建能夠跟蹤至少一位觀察者之眼睛的移動的顯示器(尤其是自動立體顯示器或全像顯示器)具有一個照明單元、至少一個偏振光柵堆、一個空間光調制器、一個辨識系統、以及一個系統控制器，其中該照明單元的光源能夠產生具有預先 給定之發射特性且非常準直的光線，該至少一個偏振光柵堆具有一個由具有至少兩個可接通或可控制之偏振光柵的光學元件構成的堆疊，其中偏振光柵具有可偏轉光線的可接通光柵結構，該空間光調制器的作用是調制照明單元的光線，以顯示圖像訊息及/或重建編碼過的全像訊息，該辨識系統的作用是測定至少一位觀察者的眼睛位置，該系統控制器的作用是控制及同步化可接通及可控制元件，其中系統控制器能夠根據觀察者的眼睛位置控制照明單元及偏振光柵堆，使照明單元的光線能夠偏轉到觀察者的眼睛的方向。
照明單元的發射特性是由顯示器決定。對全像顯示器而言，較佳是使用具有良好的相干特性的窄帶光源，例如雷射光源。對自動立體顯示器而言，較佳是使用波長譜較寬的有機或無機發光二極體。
系統控制器控制偏振光柵堆的偏振光柵，使光柵被活化，並將光線偏轉到預先給定的方向，以產生移動範圍的一個區域。例如，可以由可接通的液晶偏振光柵構成可接通的偏振光柵。為此液晶對準層(配向層)具有一個週期性重複的結構，其能夠局部改變決定穿透光線之偏振的液晶取向。這個週期愈短，繞射角及預先給定波長之光線的光線偏轉角就愈大。將電壓接通至配屬於液晶層的電極，可以解除液晶對準層造成的液晶分子的對準，因而切斷偏振光柵。這樣光線就可以不被偏轉的穿過光柵。
可以局部改變光柵週期，以實現另外的場透鏡功能。
照明單元的光源可以在一次光源場中構成光源陣列，而且可以用個別或成行的方式切換或控制這個光源陣列。例如這些光源可以是LED、OLED或雷射二極體。
系統控制器可以個別調整每一個光源的亮度，例如這樣做可以平衡出現在光程上的透明性的局部差異，或是改善顯示圖像訊息時的對比度。
為了形成彩色顯示，較佳是使用可以獨立運作的不同的光源，這些光源的區別在於其發射的波長譜，尤其是重心波長。這樣就可以在時間多工中(也就是按照時間順序)形成各別的顏色。為此系統控制器會將各個顏色的控制與將所屬之色度信號寫入空間光調制器的動作同步化。
同樣的，系統控制器也可以控制右眼及左眼看到的不同的圖像內容及/或編碼訊息，使其同步被寫入。為此系統控制器會為每一個眼睛調整其產生所屬之觀察者範圍所需的偏轉方向。如果有多位觀察者，也可以為觀察者的每一個眼睛寫入一個專屬的視圖及/或編碼訊息。可以適當的將顏色及視圖的更換組合在一起，以盡可能讓觀察者不會看到干擾，尤其是干擾性的閃爍。
可以在偏振光柵堆之前設置一個可控制的光圈場，例如一個可控制的縫隙光圈場。可以將這個光圈場整合到照明單元中。
光圈場較佳是被一個平面光源照亮。
例如可以由單一的可控制液晶光電管的陣列構成這種光圈場。這些液晶光電管可以排列成行狀。也可以使用由可控制光電管構成的二維陣列，其中系統控制器可以控制光電管，以選出正確的行，進行形成二次行狀光源。
在使用光源陣列或縫隙光圈場時，可以調整光源的控制或縫隙光圈的位置，以平衡偏振光柵堆之可接通偏振光柵的偏轉角的波長相關 性。例如，以紅光、綠光及藍光進行的時間連續照明時，可以調整縫隙光圈對每一種顏色的位置，以便將所有的色光都偏轉到相同的偵測到的觀察者位置。
照明單元可以包括一個柱面透鏡場，以具具準直光線的能力。柱面透鏡是沿著照明縫隙配置。構成第一或第二光源的照明縫隙較佳是位於柱面透鏡的焦平面上。柱面透鏡也可以是由梯度指數透鏡構成。也可以使用具有多個連續排列的成像區的多段式構造，其中可以產生至少一個中間像。透過系統控制器將照明縫隙垂直於柱面透鏡移動，可以在觀察者眼睛的方向以級距分得很細的方式跟蹤照明單元的光線。
可以控制縫隙，使跟蹤角度在柱面透鏡場的面上變化，以產生場透鏡功能及/或使配屬於各個眼睛的觀察者範圍的寬度與觀察者距離匹配，以便在觀察者範圍的所有位置都可以看到盡可能不受干擾的3D視圖。
柱面透鏡場本身就可以具有一種場透鏡功能，例如在最佳的觀察者位置構成一個觀察者範圍。例如，這個最佳的觀察者位置位於平均移動距離之水平移動範圍的中心。
照明單元可以調整位於後面之偏振光柵堆所需之光線的循環偏振方向。
另一種可能性是在偏振光柵堆之前設置一個能夠影響光線的偏振的獨立的器具。例如，這種器具可以包含一個雙折射延遲層，這個雙折射延遲層構成一個1/4波長板，其作用是將線性光線(例如照明單元發出的光線)轉換成循環偏振光線。
在照明單元及觀察者之間的光程上還可以設置一個固定或 可變的場透鏡，以便給定在規定之位置配屬於觀察者眼睛之觀察者範圍的寬度，或是根據這個位置調整配屬於觀察者眼睛之觀察者範圍的寬度。場透鏡也可以是照明單元的一個組成部分，其中場透鏡可以是位於照明單元及偏振光柵堆之間、位於偏振光柵堆之後、或是位於空間光調制器及觀察者之間。
較佳是將偏振光柵堆設置在照明單元及空間光調制器之間的光程上。另一種可能性是將偏振光柵堆設置在空間光制器之後的光程上。
偏振光柵堆可以另外含有一個作為光學元件用的可接通或可控制的雙折射延遲層，而且這個雙折射延遲層較佳是由一個可接通或可控制的半波長板構成。在關閉狀態下，穿過雙折射延遲層的循環偏振光的旋轉方向保持不變。在接通狀態下，循環偏振光的旋轉方向會改變，且改變後的旋轉方向相當於在輸入偏振的旋轉方向相同時，偏振光柵堆的一個接通的偏振光柵的旋轉方向。在相同的輸入旋轉方向下，不論光柵是被關閉或接通，利用這個雙折射延遲層可以使偏振光柵堆的輸出端始終達到相同的輸出旋轉方向，因為當偏振光柵關閉時，光線會不受偏轉(循環偏振的旋轉方向不改變)的穿過。如果雙折射延遲層是一個可控制關閉的層，例如可控制的液晶層，則可以平衡傾斜穿過時出現的分散效應或有效光程長度改變。此外可經由系統控制器使延遲層其他作用元件同步。
可以在偏振光柵堆之後設置另一個延遲層，以便將循環偏振光轉換成線性光線。例如當位於偏振光柵堆之後的元件(例如空間光調制器)的轉需要用到線性偏振光時，這樣做是有利的。例如這種延遲層可以是一個1/4波長板。為了彩色顯示，這個延遲層較佳是一個消色差或複差色差的 層。另一種可能性是將這個雙折射延遲層是一個可控制關閉的層，例如可控制的液晶層，以便平衡傾斜穿過時出現的分散效應或有效光程長度改變。此外可經由系統控制器使延遲層其他作用元件同步。
一種有利的方式是，在這個延遲層之後的光程上設置一個偏振濾光鏡，其作用是抑制偏振光柵堆之接通的偏振光柵的第0繞射級的線性偏振光，也就是抑制以不被繞射的方式穿過偏振光柵的光線。這個光線是一種線性偏振光，並垂直於被偏轉後穿過偏振光柵之接通的偏振光柵的光線。如果設置於後面的空間光調制器的工作方式需要用到線性偏振光，則這個偏振濾光鏡也可以是該空間光調制器的一個組成部分。
可控制方向的光源的功率需求很高，尤其是以可控制縫隙光圈工作的光源。因此一種特別有利的方式是在偏振光柵堆之前、之後或之內設置一個光柵週期可變化的可控制偏轉光柵，以取代或輔助可控制方向的光源，這樣就可以執行一個額外的級距分得很細的光線偏轉。這個光柵是一種光柵期可改變的偏振光柵。例如可以由可控制的液晶光電管構成這種可控制的偏振光柵。將電壓接通至一個構造細密的電極結構，以便局部影響穿過這種光柵的光線的偏振，其中接通電壓的大小是由液晶分子的取向狀態決定。和偏振光柵堆的可接通的偏振光柵一樣，這些光柵只會將循環偏振光繞射到一個繞射級。可以透過電壓輪廓的週期調整繞射角。偏轉方向是由一個週期內的局部電壓輪廓決定。電壓輪廓較佳是鋸齒狀的，其中脈衝斜面的方向決定了偏轉方向。由於可改變的偏振光柵僅需具有一個很小的偏轉角範圍，因此透過可接通之偏振光柵的區域劃分可以達到一個大的偏轉角範圍，這樣就可以在一個可實現的範圍內滿足對電極結構的細 密性的要求。
應接通至電極結構之電壓的電週期可以在光柵面上變化，以獲得及/或輔助一個場透鏡功能。一種特別有利的方式是可以單獨透過系統控制器的控制改變這個場透鏡的焦點。
一種有利的方式是使用這種可控制的可變化光柵，以平衡偏振光柵堆之可接通偏振光柵的偏轉角的波長相關性。
一種有利的方式是使照明單元具有可控制的不同的光射出角。例如這可以是定向光源的一個場，其中定向光源具有空間交變或可隨時間切換的不同的輻射方向。
在所使用的一個偏振光柵堆內至少有一個光學元件可以在一個或兩個方向上被分段，而且每一段都可以被單獨接通及/或控制。這樣就可以根據光線的穿過偏振光柵堆的位置實現不同的偏轉角，以形成或支援另外一種場透鏡功能，例如這可以在擴張的顯示光的情況下，更好的跟蹤觀察者。
也可以將光學元件分段成同心的圓環或橢圓形環。
也可以將偏振光柵堆內的至少一個偏振光柵的光柵結構朝其他偏振光柵轉動，以實現一個二維偏轉。各偏振光柵可以具有不同的光柵常數，以便能夠使不同的偏轉角朝向相互轉動的方向。一種特別有利的情況是各偏振光柵的光柵結構彼此垂直。
也可以將光柵結構相互轉動的偏振光柵設置在獨立的偏振光柵堆中，例如這樣做可以在偏振光柵之間設置其他的元件(例如光柵週期可變化的可控制偏轉光柵及/或光調制器及/或場透鏡)。例如可以將一個光柵 週期可變化的獨立的可控制偏轉光柵設置在所屬的偏振光柵堆之後，以便在各偏轉方向實現級距分得很細的偏轉。
透過改變接通至可控制偏振光柵的電壓，可以影響繞射效率，進而影響按照循環偏振方向被偏轉到第+1或第-1繞射級的光線所佔的比例。除了控制光源的強度及/或光調制器的調制強度外，還可以透過以下的方式縮小強度變化的程度，例如使偏振光柵堆的各個偏振光柵具有不同的繞射效率、使照明裝置之光源具有不同的頻譜分佈、或是使光學系統出現其他與角度相關的光學損失。
一般的偏振光柵具有改變穿過之光線的偏振方向的特性。例如，如果左循環偏振光入射到這種偏振光柵，則被這種光柵偏轉的光線會以右循環偏振光的方式從這種光柵射出。被這種光柵偏轉的右循環偏振光則會以左循環偏振光的方式從這種光柵射出，其中二者所屬之第一繞射級的正負號是不同的。因為入射到這個偏振光柵的循環偏振方向也會影響偏振光柵堆內下一個偏振光柵的偏轉方向(也就是所屬之第一繞射級的正負號)，因此如前面所述，在配置偏振光柵堆內的偏振光柵時，必須考慮及/或調整可能的偏振變化。一種有利的方式是在偏振光柵之間設置可接通及/或可控制的延遲層，以使循環偏振光的旋轉方向與所希望的偏轉方向(也就是第+1及/或第-1繞射級)匹配。
Honma及Nose在其發表的文章“Twisted nematic liquid crystal polarization gratjng with the handedness conservation of a circularly polarized state”(Optics Express Vol 20，第18449-18458頁，2012年)中描述一種特殊的偏振光柵，其特性是從這種偏振光柵射出的被偏轉的光線具有與 入射光相同的循環偏振狀態。這種類型的偏振光柵是以具有週期性扭轉之液晶結構為基礎。可以透過液晶層內液晶分子的表面定向調整這種扭轉，其中液晶層在兩個基板上具有彼此相反的旋轉方向。這種類型的偏振光柵的缺點是需要相當厚的液晶層，因此很難實現小的光柵週期及短的接通時間。因此以下說明的多個實施例都是涉及一般的偏振光柵。本發明亦可應用於Honma及Nose在其發表的文章中描述的光柵類型。同一個偏振光柵堆也可以包含兩種類型的光柵。同樣的，在這些光柵中也可以透過入射到各偏轉光柵的循環偏振光的旋轉方向，挑選出所希望的偏轉方向。
100‧‧‧照明單元
110‧‧‧光源陣列
120‧‧‧可控制的縫隙光圈場
125‧‧‧可控制的光圈場
130‧‧‧偏振濾光鏡
140、410‧‧‧雙折射延遲層
150‧‧‧柱面透鏡場
155‧‧‧透鏡場
200‧‧‧可變化的可控制偏振光柵
300‧‧‧偏振光柵堆
305‧‧‧轉動的偏振光柵堆
310‧‧‧可控制的偏振光柵
311‧‧‧第1個可控制的偏振光柵的第1段
312‧‧‧第1個可控制的偏振光柵的第2段
315‧‧‧在轉動的偏振光柵堆內的第1個可控制的偏振光柵
320、350‧‧‧可接通的雙折射延遲層
321‧‧‧可接通的雙折射延遲層的第1段
322‧‧‧可接通的雙折射延遲層的第2段
325、335‧‧‧在轉動的偏振光柵堆內的可接通的雙折射延遲層
340‧‧‧第2個可控制的偏振光柵
341‧‧‧第2個可控制的偏振光柵的第1段
342‧‧‧第2個可控制的偏振光柵的第2段
345‧‧‧在轉動的偏振光柵堆內的第2個可控制的偏振光柵
360‧‧‧轉動的可接通的偏振光柵
370‧‧‧第1個保持偏振方向的可接通的偏振光柵
380‧‧‧第2個保持偏振方向的可接通的偏振光柵
420、530‧‧‧線性偏振濾光鏡
510‧‧‧空間光調制器
600‧‧‧場透鏡
700‧‧‧可控制的偏轉光柵
705‧‧‧轉動的可控制的偏轉光柵
有不同的可能性能夠以有利的方式實現及改良本發明的理論，及/或將以上描述的實施方式加以組合。這些可能性均記載於以申請專利範圍第1項之內容為基礎的附屬申請專利項目及以下配合圖示之關於本發明之有利的實施例的說明中。在配合圖示之關於本發明之有利的實施例的說明中也有關於本發明之有利的實施方式及改良本發明的理論的說明。以下的圖示均為示意圖：第1a圖：關於圖示中使用之偏振方向的符號的說明。
第1b圖：第一個實施例，在可控制的縫隙光圈場120內具有可移動之光源縫隙，其中偏振光柵堆300的第二偏振光柵340被接通。
第1c圖：第一個實施例，在可控制的縫隙光圈場120內具有可移動之光源縫隙，其中偏振光柵堆300的第一偏振光柵310被接通。
第1d圖：第一個實施例，在可控制的縫隙光圈場120內具有可移動之光 源縫隙，其中偏振光柵堆300的一個可接通的半波長板320被接通。
第1e圖：第一個實施例，在可控制的縫隙光圈場120內具有可移動之光源縫隙，其中偏振光柵堆300的兩個偏振光柵310，340及一個可接通的半波長板320被接通。
第2圖：第二個實施例，具有一個可控制的可變化偏振光柵200及一個場透鏡600，其中偏振光柵堆300的第二偏振光柵340被接通。
第3a圖及第3b圖：第三個實施例，其中照明單元100另外具有可控制的不同的光射出角。
第4圖：第四個實施例，具有另外一個場透鏡600。
第5圖：第五個實施例，其中縫隙光圈場120內的光圈經過調整，以透過柱面透鏡場150實現一種場透鏡功能。
第6圖：第六個實施例，另外還包含一個光柵週期可變化的可控制偏轉光柵700。
第7圖：第七個實施例，與第5圖的配置方式類似，但是偏振光柵堆300內的偏振光柵310，340及半波長板320有分段。
第8圖：第八個實施例，與第5圖的配置方式類似，其中偏振光柵堆300包含用於二維光線偏轉的另外一個可接通的半波長板350及另外一個偏振光柵360。
第9圖：第九個實施例，與第6圖的配置方式類似，具有另外一個可接通及/或可控制的偏振光柵堆305，以及另外一個用於二維光線偏轉的光柵週期可變化的可控制偏轉光柵705。
第10圖：第十個實施例，與第6圖的配置方式類似，其中偏振光柵堆300 具有偏振光柵380，390，偏振光柵380，390是以扭轉結構為基礎，而且在光線偏轉時不會偏振方向不會改變。
第1a圖在第1圖至第6圖中顯示代表穿過並離開光學元件之光線的偏振方向的符號。這些符號顯被標示在圖式中的相關光學元件上方。第1a圖顯示的符號包括代表右循環及左循環偏振及垂直與水平偏振的符號。
第1b圖至第1e圖是以示意方式顯示本發明的第一個實施例。可控制輻射方向的準直照明單元100具有一個光源陣列110、一個可控制的縫隙光圈場120、一個線性偏振濾光鏡130、一個雙折射延遲層140、以及一個柱面透鏡場150，其中可控制的縫隙光圈場120可以是由可控制的液晶陣列構成，線性偏振濾光鏡130可以是由液晶陣列的輸出偏振器構成，雙折射延遲層140可以是由1/4波長板構成，柱面透鏡場150的作用是將縫隙光圈發出的光束準直。在光程上也可以將雙折射延遲層140或雙折射延遲層140及線性偏振濾光鏡130設置於柱面透鏡場150之後。例如，左循環偏振準直光線離開柱面透鏡場150並入射到偏振光柵堆300，其中偏振光柵堆300具有第一個可接通的偏振光柵、一個可接通的雙折射延遲層320(較佳是由可接通的半波長板構成)、以及第二個可接通的偏振光柵340。在偏振光柵堆300之後設有一個雙折射延遲層410(較佳是由1/4波長板構成)，其作用是從離開偏振光柵堆的右循環偏振光產生線性偏振光。這個線性偏振光會在接下來的一個線性偏振濾光鏡420內被轉換成水平偏振光。同時在一個接通的偏振光柵的第0繞射級形成的垂直偏振光會被封鎖住。在偏振器420之後設有一 個空間光調制器510，在空間光調制器510之後設有一個偏振濾光鏡，例如其作用為作為空間光調制器的分析器。如第2圖所示，偏振器420也可以作為空間光調制器的分析器。
在第1b圖的情況中，第二偏振光柵340被接通，也就是說這個繞射光柵是啟動的，並且會將光線偏轉到未在第1b圖中顯示的觀察者之移動範圍的分區。在這個光柵上未接通任何電壓至破壞液晶分子之柵狀取向的電極。右循環偏振光離開可接通的第二偏振光柵340。可接通的第一偏振光柵310及可接通的半波長板320不會影響偏振狀態。
在第1c圖中，第一個可接通的偏振光柵310被啟動，並產生屬於偏振光柵310之觀察者的移動範圍的分區。右循環光線離開偏振光柵310，而且這個光線的偏振方向不會在之後的未啟動的可接通的雙折射延遲層320及未啟動的第二個可接通的偏振光柵340內發生改變。
第1d圖中的兩個偏振光柵310，340均未被啟動。光線以不受偏轉的方式穿過偏振光柵堆300，並形成觀察者之移動範圍的第三個分區。被啟動的雙折射延遲層320使偏振的旋轉方向產生必要的轉動，也就是從左循環變成右循環，以便在偏振濾光鏡420上形成正確的線性偏振方向。
第1e圖中的兩個偏振光柵310，340都被啟動。為了跟蹤觀察者，可以使用這種由兩個偏振光柵310，340的光線偏轉構成的組合。在這種情況下也是由被啟動的雙折射延遲層320使偏振的旋轉方向產生的轉動，以便在偏振濾光鏡420上形成正確的線性偏振方向。
如果有偶數個偏振光柵被改動，可控制的雙折射延遲層320就也會被啟動。如果有奇數個偏振光柵被改動，可控制的雙折射延遲層320 就不會被啟動。這樣在偏振光柵堆300之後的偏振就始終會有相同的旋轉方向。
第2圖顯示第二個實施例。在這個實施例中，照明單元100準直的左循環偏振光。這表示接下來的可控制的偏振光柵200可透過其光柵週期調整在接下來的偏振光柵堆300之啟動的分區內的輻射方向，例如其中偏振光柵堆300包含第一個可接通的偏振光柵310、一個可接通的雙折射延遲層320，以及第二個可接通的偏振光柵340。位於雙折射延遲層410之後的偏振濾光鏡520屬於空間光調制器510，而且空間光調制器510也具有一個作為分析器用的偏振濾光鏡530。在接下來的光程上還有一個場透鏡600，而且較佳是一個扁平的場透鏡。
第3a圖及第3b圖顯示另外一個類似於第2圖的實施例。與第2圖不同的地方是，照明單元100具有一個可控制的不同的光射出角。第3a圖中的箭頭代表照明單元100的一個可控制的調整過的光射出角，第3b圖中的箭頭代表照明單元100的另一個可控制的調整過的光射出角。
在本實施例中，這兩個調整過的光射出角都位於圖面上，一般而言，照明單元100也可以具有其他的可調整的光射出角，例如垂直於圖面的光射出角。
第4圖顯示另外一個實施例。與第1b圖至第1e圖的第一個實施例的差別是，這個實施例和第2圖的第二個實施例一樣都具有另外一個場透鏡600。從第4圖可以看出，從縫隙光圈場120發出的光束被場透鏡600聚焦。兩個偏振光柵310，340都未被啟動(和第1d圖的情況一樣)，因此光線會不受偏轉的穿過偏振光柵堆300。
第5圖顯示的實施例相當於第1b圖至第1e圖的第一個實施例。但是光圈在縫隙光圈場120內的位置被調整為結合柱面透鏡場150能夠將從不同的縫隙光圈發出的光線聚焦到一個共同的位置。由於柱面透鏡場也具有場透鏡功能，因此不同於第2圖至第4圖的實施例，可以不必設置另外一個場透鏡。同樣的，兩個偏振光柵310，340都未被啟動(和第1d圖的情況一樣)，因此光線會不受偏轉的穿過偏振光柵堆300。
第6圖顯示一個與第2圖類似的實施例。不同之處在於第6圖的實施例還具有一個光柵週期可變化的可控制偏轉光柵700。在這個實施例中，光柵被設置在偏振光柵堆300、光調制器510及場透鏡600之後。從第6圖可以看出，偏振光柵堆300的第二個偏振光柵340被啟動(和第1b圖一樣)。這種可變化的偏轉光柵700能夠實現級距分得很細的光線偏轉及/或平衡偏振光柵堆300內光線偏轉的波長相關性。
另一種可能性是將可變化的偏轉光柵設置在偏振光柵堆300之前，或是設置在偏振光柵堆300的兩個單一個元件310，320，340之間。也可以將偏轉光柵的功能分配到多個元件，而且這些元件可以位於光程上不同的位置。
第7圖顯示一個與第5圖類似的實施例。在這個實施例中，偏振光柵310，340及可接通的半波長板320被分成多個可單獨接通的段。在這個實施例中，每一個光學元件(310，320，340)都被分成兩段(311，312，321，322，341，342)。偏振光柵310的位於上方的段(312)被啟動，可接通的半波長板320的位於下方的段被啟動。在偏振光柵堆300之後，兩個段具有相同的偏振狀態，但是上方段及下方段分別有不同的偏轉角。在擴張的顯示光 的情況下，可以利用這種劃分方式跟蹤觀察者。也可以用二維或同心的方式進行分段。
第8圖顯示一個與第5圖類似的實施例。與第5圖的區別在於，在第8圖的實施例中，偏振光柵堆含有另外一個接通的半波長板350，以及另外一個偏振光柵360。從第8圖可以看出，這些元件都被啟動。偏振光柵350內的光柵結構相對於偏振光柵310，340內的光柵結構轉動了90度。因此其偏轉方向也是相對於偏振光柵310，340的偏轉方向轉動了90度。例如，這種偏振光柵堆可以與一個由球面透鏡155及正方形或圓形光圈的場125構成的二維配置組合在一起使用，其中正方形或圓形光圈可在兩個方向上被控制。這樣就可以在水平及垂直方向上進行觀察者跟蹤。
兩個偏振光柵310，340的光柵結構不必與偏振光柵350的光柵結構正交，而是可以在兩個任意挑選的方向上進行偏轉。
也可以使用其他能夠在兩個方向上受控制的照明裝置100。
第9圖顯示一個與第6圖類似的實施例。但是第9圖的實施例具有另外一個第二個可接通及/或可控制的偏振光柵堆305，且其可接通及/或可控制之偏振光柵315，345的光柵結構相對於偏振光柵堆300的兩個偏振光柵310，340的光柵結構有一個轉動。這個實施例具有兩個光柵週期可變化的可控制偏轉光柵700，705。例如，光柵週期可變化的可控制偏轉光柵705配屬於偏振光柵堆305，且其繞射方向被調整到偏振光柵堆305的繞射方向。光柵週期可變化的可控制偏轉光柵700配屬於偏振光柵堆300，且其繞射方向被調整到偏振光柵堆300的繞射方向。例如，可以將偏轉光柵700設置在兩個偏振光柵堆300，305之間。例如偏轉光柵700的作用是水平光線偏 轉，偏轉光柵705的作用是垂直光線偏轉。可變化的偏轉光柵700，705能夠實現級距分得很細的光線偏轉及/或平衡偏振光柵堆300，305內光線偏轉的波長相關性。
第1圖至第9圖的實施例都是使用一般的偏振光柵。這些偏振光柵具有改變入射光之偏振的特性，例如將左循環偏振變變為右循環偏振。
第10圖顯示本發明的一個實施例。在這個實施例中，偏振光柵堆300含有可接通及/或可控制的偏振光柵370，380，其中偏振光柵370，380是以具有週期性扭轉之結構為基礎，且穿過偏振光柵370，380的光線的偏振旋轉方向不會改變。第10圖的實施例與第6圖類似。不同之處在於偏振光柵堆300的第一個偏振光柵370被啟動，也就是說，光線在穿過這個偏振光柵時會被繞射及偏轉。和穿過未被啟動的第二個偏振光柵380一樣(因此在第二個偏振光柵380內不會出現光線偏轉)，光線穿過偏振光柵370時，光線的偏振旋轉方向保持不變。
如第10圖所示，如果只要利用一個偏轉方向，也就是說，只需為每一個偏振光柵370，380選擇一個輸入固定的輸入偏振，則可以不必在兩個相鄰的可接通及/或可控制的偏振光柵370，380之間設置可接通及/或可控制的延遲層。由於此處使用的偏振光柵370，380在光線穿過時不會改變光線的偏振旋轉方向，因此這個實施例的一個優點是無需在偏振光柵370，380之間設置偏振轉動層，但前提是使用在層堆內具有相同扭轉的偏振光柵。在這個實施例中，照明單元100產生右循環偏振光。在穿過兩個偏振光柵370，380時，這種右循環偏振狀態保持不變。對需要線性偏振光的空間光調制器510而言，可以和第6圖一樣設置一個雙折射延遲層410，以及 利用線性偏振器520抑制第0繞射級的散射光。
最後要特別指出的是，以上提及的實施例只是用於描述本發明主張之專利權的理論，因此並不會對本發明的內容或專利權主張造成任何限制。尤其是在可能的情況下可以將以上提及的實施例彼此組合在一起。
100‧‧‧照明單元
110‧‧‧光源陣列
120‧‧‧可控制的縫隙光圈場
130‧‧‧偏振濾光鏡
140、410‧‧‧雙折射延遲層
150‧‧‧柱面透鏡場
300‧‧‧偏振光柵堆
310‧‧‧可控制的偏振光柵
320‧‧‧可接通的雙折射延遲層
340‧‧‧第2個可控制的偏振光柵
420、530‧‧‧線性偏振濾光鏡
510‧‧‧空間光調制器

Claims (20)

  1. 一種顯示器，其中全像編碼物件的立體視圖及/或重建至少能夠跟蹤一位觀察者之眼睛的移動，--具有一個照明單元，其能夠產生具有預先給定之發射特性且非常準直的光線，--具有至少一個偏振光柵堆，其具有一個由具有至少兩個可接通或可控制之偏振光柵的光學元件構成的堆疊，其中偏振光柵具有可偏轉光線的可接通光柵結構，--具有一個空間光調制器，其作用是調制照明單元的光線，以顯示圖像訊息及/或重建編碼過的全像訊息，--具有一個辨識系統，其作用是測定至少一位觀察者的眼睛位置，--具有一個系統控制器，其作用是控制及同步化可接通及可控制元件，--其中系統控制器能夠根據觀察者的眼睛位置控制照明單元及偏振光柵堆，使照明單元的光線能夠偏轉到觀察者的眼睛的方向。
  2. 如申請專利範圍第1項的顯示器，其中偏振光柵堆另外具有至少一個作為光學元件用的可接通或可控制的雙折射延遲層。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中在偏振光柵堆之後另有一個雙折射延遲層，其作用是將循環偏振光轉換成線性偏振光。
  4. 如申請專利範圍第3項的顯示器，其中在雙折射延遲層之後設有一個偏振濾光鏡，其作用是抑制一個接通之偏振光柵的第0繞射級性偏振光。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中在偏振光柵堆之前、之後或之內設有一個光柵週期可變化的可控制偏轉光柵。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中照明單元具有可控制的不同的光射出角。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中在偏振光柵堆內至少有一個光學元件在一個或兩個方向上被分段，而且每一段都可以被單獨接通及/或控制。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中偏振光柵內至少有一個偏振光柵的光柵結構相互轉動，或是顯示器具有第二個偏振光柵堆，且其光 柵結構與第一個偏振光柵堆的光柵結構相互轉動一個角度。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中在偏振光柵堆內至少有一個可接通或可控制的偏振光柵，其中穿過這種偏振光柵的光線的旋轉方向保持不變。
  10. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中在光程上，偏振光柵堆位於照明裝置及空間光調制器之間。
  11. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中照明單元的光源在一次光源場中形成光源陣列，其中光源能夠以個別或成行的方式被接通或控制。
  12. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中以LED或OLED作為光源。
  13. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中光源是由多個可獨立運轉的單一光源構成，且這些單一光源的一個發射特性是具有不同的重心波長。
  14. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中照明單元包含一個可接通或可控制的縫隙光圈的場。
  15. 如申請專利範圍第14項的顯示器，其中縫隙光圈的場是由LCD光圈場構成。
  16. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中照明單元包含一個準直用的柱面透鏡場。
  17. 如申請專利範圍第16項的顯示器，其中柱面透鏡場另外具有一個場透鏡功能。
  18. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中照明單元具有一個可預先給定的循環偏振。
  19. 如申請專利範圍第1項或第2項的顯示器，其中在照明單元及觀察者之間的光程上設有另外一個固定或可變化的場透鏡。
  20. 如申請專利範圍第1項的顯示器，其中所述顯示器被配置為自動立體顯示器或全像顯示器。
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