專利名稱：可控偏轉(zhuǎn)裝置的制作方法
可控偏轉(zhuǎn)裝置本發(fā)明涉及一種可控偏轉(zhuǎn)裝置，其包括可控棱鏡單元，用于偏轉(zhuǎn)由可控調(diào)制器單 元向觀察者平面可視區(qū)域中的觀察者眼睛發(fā)射的光束。在基于電濕潤單元運(yùn)作的所述棱鏡 單元之內(nèi)，對(duì)兩種不相溶材料之間的界面進(jìn)行調(diào)控，使得所述界面的可變彎曲產(chǎn)生至少一 個(gè)楔角，以便借助由控制工具控制的電極布置，偏轉(zhuǎn)所述棱鏡單元中的光束。照射在所述調(diào) 制器單元上的光束具有確定的強(qiáng)度分布(defined intensity distribution)。所述可控偏轉(zhuǎn)裝置可被應(yīng)用于含有光調(diào)制器的光調(diào)制器裝置中，其中所述光調(diào)制 器包含規(guī)則排列的調(diào)制器單元，用于調(diào)制光束。每個(gè)調(diào)制器單元分配有一個(gè)可控偏轉(zhuǎn)裝置。 本發(fā)明中配備的光調(diào)制器裝置例如可被用于具有以下功能的全息顯示器其為至少一位觀 察者全息重建三維(3D)場景，并且所述觀察者從其可視區(qū)域觀看全息重建的三維場景。利 用軟件工具將偏轉(zhuǎn)裝置經(jīng)由控制工具與位置檢測(cè)系統(tǒng)相連接，以便確定觀察者眼睛的位置 信息，并進(jìn)而確定光束從顯示裝置的光軸射向觀察者眼睛的偏轉(zhuǎn)角。在申請(qǐng)人提交的其他申請(qǐng)文件中，可視區(qū)域又被稱為“觀察者視窗”，這在顯示器 前方的觀察者平面中由光束重疊而產(chǎn)生。所述可視區(qū)域的大小至少相當(dāng)于觀察者眼睛瞳孔 的大小。這意味著，要分別為左、右觀察者眼睛接連地生成場景的全息重建的左、右透視圖 (perspective)，以便對(duì)應(yīng)可視區(qū)域中的觀察者眼睛位置，向觀察者提供具有恰當(dāng)透視圖的 完整重建。在觀察者平面中會(huì)發(fā)生衍射光的多級(jí)衍射(several diffraction orders)。根 據(jù)本發(fā)明，所述多個(gè)衍射級(jí)是由各個(gè)調(diào)制器單元(individual modulatorcells)和相對(duì)應(yīng) 的棱鏡單元(corresponding prism cells)使光衍射而產(chǎn)生的。為了跟蹤，優(yōu)選地，要使觀 察者眼睛的可視區(qū)域始終處于兩個(gè)衍射級(jí)之間的區(qū)域中。在本申請(qǐng)中，零階衍射基本與本 發(fā)明所配備的顯示裝置的光軸相一致。如果觀察者眼睛處于遠(yuǎn)離零階衍射的衍射級(jí)時(shí)，相 應(yīng)地較弱的強(qiáng)度會(huì)到達(dá)鄰近的眼睛或進(jìn)入該眼睛的可視區(qū)域中。這意味著，會(huì)發(fā)生雙眼信 息的相互串?dāng)_(mutual cross-talking)。如果這些衍射級(jí)的強(qiáng)度超過某一程度，例如超過 所產(chǎn)生的可視區(qū)域中強(qiáng)度的5%，那么當(dāng)觀看全息重建時(shí)，對(duì)鄰近觀察者眼睛的串?dāng)_會(huì)作為 干擾被感覺到。整個(gè)光調(diào)制器的衍射圖由各個(gè)調(diào)制器單元的衍射圖重疊而成。串?dāng)_，即對(duì)鄰近可視區(qū)域中衍射級(jí)的感知(perception)，例如可借助像素切趾 (pixel apodisation)全部抑制或部分抑制。所謂的“像素”在此可被理解為調(diào)制器單元。 像素切趾可利用許多借助于切趾包絡(luò)(apodisationprofilehSLM pixel (x, y)的方法實(shí) 現(xiàn)。如果單個(gè)調(diào)制器單元(single modulatorcell)的填充系數(shù)(FF)例如大于0. 5 ( S卩，F(xiàn)F >0. 5)，并且如果該調(diào)制器單元的區(qū)域不是很小，那么選擇所述單獨(dú)的調(diào)制器單元的特定 透射曲線，用于實(shí)現(xiàn)使多級(jí)衍射的強(qiáng)度不會(huì)干擾鄰近眼睛。在某些應(yīng)用中，僅僅靠這些措施是不夠的。此外，當(dāng)在顯示器中使用用于實(shí)現(xiàn)跟 蹤功能和在廣視角范圍(large angular range)使光束跟蹤到移動(dòng)的觀察者眼睛的光學(xué) 元件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多問題。優(yōu)選根據(jù)電可變表面張力(electrically variable surface tension)的工作原理運(yùn)行的偏轉(zhuǎn)裝置(即，電濕潤單元)，作為這種適于跟蹤的元件的一個(gè) 例子。規(guī)則排列于單元陣列中的多個(gè)此類偏轉(zhuǎn)裝置，可被用在光調(diào)制器裝置中，以偏轉(zhuǎn)光 束o
眾所周知，電濕潤單元包括容器(container)，所述容器具有例如至少兩種不同 的材料或液體，例如油和水，其界面在電極被施加的電壓控制時(shí)可以實(shí)現(xiàn)透鏡和/或棱鏡 功能。所施加的電壓可使單元內(nèi)部的界面(interface)形成一平并可使該界面圍繞至少 一個(gè)軸可變地傾斜，使得所述材料可形成兩個(gè)可控的微棱鏡，并且每個(gè)微棱鏡都具有一定 的棱鏡楔角(prism wedge) 0下文將這種類型的單元稱為棱鏡單元。當(dāng)入射光束通過所 述微棱鏡之間的傾斜界面時(shí)，會(huì)發(fā)生某一角度的偏轉(zhuǎn)，因此可用于生成全息顯示器的觀察 者平面中的被跟蹤的可視區(qū)域。當(dāng)觀察者在顯示器前面移動(dòng)時(shí)，通過改變所述界面的傾斜 (inclination)便可跟蹤到所述可視區(qū)域，并進(jìn)而跟蹤到光束的偏轉(zhuǎn)角度。這樣做的不利之 處在于，當(dāng)光束在界面處發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，該光束的橫截面會(huì)被壓縮(compressed)。在例如偏轉(zhuǎn) 角為25°時(shí)，軸向?qū)ΨQ光束在偏轉(zhuǎn)方向約被壓縮至其原尺寸的1/2。在被壓縮后，該光束強(qiáng) 度的集中區(qū)域?qū)?huì)變小。同時(shí)，這還降低了與棱鏡單元一起形成功能元件的調(diào)制器單元的 有效填充系數(shù)(FF)。

圖1示意性示出在光束通過兩種材料之間的可控界面后對(duì)其某一偏轉(zhuǎn)角度的壓 縮。具有二維范圍(two-dimensional extent)a、b的入射光束具有近乎呈正方形的截面區(qū) 域c。為了清楚地說明，在附圖中僅用虛線標(biāo)示選擇的光線的輪廓線。用箭頭指示通過微透 鏡5、6的光程(optical path)。微透鏡5、6通過兩種不同種類并且不相溶的液體之間可控 界面的傾斜而形成，且所述微透鏡分別具有楔角55、66，此處所述楔角55、66例如為31°。 當(dāng)入射光束被傾斜界面偏轉(zhuǎn)時(shí)，其在偏轉(zhuǎn)方向上也被壓縮。在發(fā)生偏轉(zhuǎn)期間，光束的橫截面 的面積c’被壓縮為僅是原面積c的1/3，并且當(dāng)所述光束離開微棱鏡5時(shí)，其具有矩形范圍 a’、b’。在附圖中，由粗線示出了該區(qū)域c’的輪廓。所述偏轉(zhuǎn)造成分配有(assign with) 具有微透鏡5、6的棱鏡單元的調(diào)制器單元的填充系數(shù)(FF)從等于0. 8( S卩，F(xiàn)F = 0. 8)下 降至等于0. 24 (由0. 8X0. 3 = 0. 24計(jì)算出)。在調(diào)制器單元縮小后的有效區(qū)域內(nèi)，鄰近的 衍射級(jí)中的強(qiáng)度(即，對(duì)鄰近的眼睛造成沖擊的強(qiáng)度)無法僅通過切趾包絡(luò)而降低。界面越傾斜，光束壓縮程度越大。這造成更多的光束能量被分布到可視區(qū)域以 外的鄰近的衍射級(jí)中。這部分能量大到會(huì)將其感覺成對(duì)串?dāng)_(cross-talking)產(chǎn)生干擾 (disturbing)影響。光束壓縮及與之伴隨的串?dāng)_將跟蹤顯示器前方空間中的可視區(qū)域 的特性限制在較窄的視角范圍。這可以例如利用具有更大的調(diào)制器單元的光調(diào)制器來預(yù) 防，其中所述調(diào)制器單元可以用于在衍射級(jí)彼此接近處形成衍射圖并且用于將邊峰(side peaks)的強(qiáng)度集中至較小的區(qū)域內(nèi)。然而，在全息顯示器中使用更大的調(diào)制器單元，使得可 視區(qū)域變得太小，以至于無法可靠地跟蹤例如、= 450nm的波長。當(dāng)每個(gè)棱鏡單元中只有兩個(gè)微透鏡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)問題，那就是單個(gè)可變界 面。從該界面被反射并因此未到達(dá)觀察者眼睛的光束，其強(qiáng)度的比例隨著兩個(gè)微透鏡之間 的界面的傾斜度的增加而增加。因此，若要從一開始就使強(qiáng)度損失最小化，就要在一個(gè)棱鏡 單元中形成至少三個(gè)微棱鏡以實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。總之，必須注意的是，入射光束壓縮程度越大，在利用具有微棱鏡的電濕潤單元偏 轉(zhuǎn)光束時(shí)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角度就越大。盡管單個(gè)調(diào)制器單元(amodulator cell)的有效區(qū)域沒 有因此而發(fā)生變化，但是分配給具有微棱鏡的棱鏡單元的調(diào)制器單元(modulator cells) 的填充系數(shù)(FF)卻顯然降低了。其缺陷在于，調(diào)制器單元的衍射圖的強(qiáng)度隨著偏轉(zhuǎn)角的增 加而分布在較大的區(qū)域上，使得鄰近的衍射級(jí)的邊峰的強(qiáng)度部分也隨之增加，從而被感知
5為對(duì)鄰近的眼睛中的串?dāng)_產(chǎn)生干擾。只有引入附加措施(additionalmeasures)才能在維 持較大偏轉(zhuǎn)角以提供較大跟蹤范圍的同時(shí)減少串?dāng)_。當(dāng)以通過電濕潤單元偏轉(zhuǎn)光束為基礎(chǔ)來跟蹤可視區(qū)域時(shí)，還存在另外一些缺陷； 并且在全息顯示裝置中結(jié)合使用前述特性的話，這些缺陷就更為明顯；這些缺陷將在以下 結(jié)合附圖的說明中加以描述。本發(fā)明的目的之一在于提供一種在光調(diào)制器裝置中以較大視角范圍跟蹤觀察者 平面中的可視區(qū)域的裝置，所述可視區(qū)域是由光束產(chǎn)生的，其中借助可控微棱鏡通過偏轉(zhuǎn) 光束實(shí)現(xiàn)上述跟蹤。上述由微棱鏡進(jìn)行偏轉(zhuǎn)所存在的缺陷將盡可能地被最小化。具體而言， 由壓縮造成的、在偏轉(zhuǎn)后光束橫截面區(qū)域縮小的影響將幾乎被完全補(bǔ)償。本發(fā)明目的可通過一種可控偏轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)，所述可控偏轉(zhuǎn)裝置包括可控棱鏡單 元和可控電極布置，其中所述棱鏡單元含有多種不相溶材料并且其分配給可控調(diào)制器單 元，從光線傳播方向來看所述可控調(diào)制器單元設(shè)置在棱鏡單元前面并且由具有確定的強(qiáng)度 分布的光束照射，其中所述電極布置控制在所述棱鏡單元內(nèi)部的兩種不相溶材料之間形成 的界面，以將光束偏轉(zhuǎn)向可視區(qū)域中的檢測(cè)到的觀察者眼睛，以及其中與確定的強(qiáng)度分布 相比，偏轉(zhuǎn)光束在可視區(qū)域中具有不同的或變化的所述調(diào)制器單元的衍射圖的強(qiáng)度分布。本發(fā)明的目的通過在可控偏轉(zhuǎn)裝置的光程中設(shè)置幾何光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)，所述幾何 光學(xué)元件包括調(diào)制器單元的有效區(qū)域和/或所述棱鏡單元中的材料。根據(jù)本發(fā)明，可視區(qū) 域中發(fā)生變化的強(qiáng)度分布通過降低較高衍射級(jí)的邊峰的強(qiáng)度而在光程中獲得補(bǔ)償，這是因 為調(diào)制器單元的有效區(qū)域的形狀適合于所述變化的強(qiáng)度分布，和/或因?yàn)槔忡R單元中所用 的材料在其界面處產(chǎn)生均勻的折射能力分布。這樣確保強(qiáng)度分布主要處于檢測(cè)到的眼睛的 可視區(qū)域中，并且覆蓋觀察者其他眼睛的可視區(qū)域中的衍射級(jí)僅接收很少的能量，使得沒 有串?dāng)_會(huì)被感知到。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，可控偏轉(zhuǎn)裝置經(jīng)由所述控制工具與位置檢測(cè)系統(tǒng)相連 接，用于檢測(cè)觀察者平面中的至少一只觀察者眼睛的位置，以根據(jù)檢測(cè)到的觀察者眼睛的 位置產(chǎn)生至少一楔角。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明，向偏轉(zhuǎn)裝置分配一個(gè)跟蹤范圍，在所述跟蹤范圍中，使產(chǎn) 生可視區(qū)域的光束根據(jù)觀察者眼睛位置的變化進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。作為第一簡單的措施，調(diào)整調(diào)制器單元的形狀，使光束的壓縮被最小化。所提供的 調(diào)制器單元在相對(duì)應(yīng)的棱鏡單元產(chǎn)生最大光束偏轉(zhuǎn)的方向上，其有效區(qū)域具有最大范圍。 由于這種設(shè)計(jì)，調(diào)制器單元在偏轉(zhuǎn)方向上的范圍被擴(kuò)大了，因此補(bǔ)償了由該方向上的光束 壓縮所造成的強(qiáng)度分布的變化。這樣使光束橫截面受壓縮的影響被最小化。作為使壓縮最小化的第二措施，棱鏡單元具有至少四個(gè)界面，其中在三種材料 之間的至少兩個(gè)界面隨所施加的電壓可變化地傾斜，使得折射能力盡可能均勻地穿過 (across)所述材料分布。此處折射能力是對(duì)棱鏡單元偏轉(zhuǎn)度的一種測(cè)量。這是為了保證 光束的偏轉(zhuǎn)在每個(gè)界面處盡可能均勻地轉(zhuǎn)換進(jìn)入該棱鏡單元之后的材料中。通過在棱鏡單 元中不同地形成微棱鏡可以在由三部分構(gòu)成的棱鏡單元中實(shí)現(xiàn)均勻的折射能力分布。一方 面，棱鏡單元中的至少兩種材料具有相同的界面楔角，從而形成相同的微棱鏡，從與光程垂 直角度看所述微棱鏡相互排列成彼此鏡像對(duì)稱。這用于實(shí)現(xiàn)光束的最小壓縮。該技術(shù)方案 的優(yōu)勢(shì)在于，所形成的每個(gè)微棱鏡僅需要少量的控制電壓線用于設(shè)置偏轉(zhuǎn)方向上的傾斜角
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在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，至少一偏振工具設(shè)置在所述光程中，以在跟蹤所述可 視區(qū)域的同時(shí)，防止在所述跟蹤范圍中發(fā)生相位躍變。所述偏振工具給要偏轉(zhuǎn)的光束提供 輸入偏振瓦，所述輸入偏振巧垂直于可視區(qū)域跟蹤到觀察者眼睛所沿的平面。跟蹤范圍由 光束的最大可實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角所確定。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，一旦由所述偏轉(zhuǎn)和由反射造成所述光束的能量損失超 過可視區(qū)域中的一給定值時(shí)，就通過所述控制工具將用作校正值的附加強(qiáng)度值賦予每個(gè)調(diào) 制器單元。所述校正值優(yōu)選地存儲(chǔ)在校正值表中，并且能夠從該表中被取回，所述校正值至 少用于具有連續(xù)值圖案的一維偏轉(zhuǎn)。為了通過局部限定方式擴(kuò)大在檢測(cè)到的觀察者眼睛所處位置處的可視區(qū)域，通過 所述控制工具生成附加控制信號(hào)，用于對(duì)所述眼睛處形成的可視區(qū)域執(zhí)行快速周期橫向偏 移。附加控制值優(yōu)選地被作為相位信號(hào)和/或振幅信號(hào)加到在光調(diào)制器上編碼的數(shù)值中和 /或加到用于棱鏡單元的控制值中，以實(shí)現(xiàn)局部限定的偏移。這些附加信號(hào)或值根據(jù)觀察者 眼睛檢測(cè)到的偏轉(zhuǎn)角度來設(shè)置。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，將多個(gè)水平和/或垂直排列的棱鏡單元組合成一個(gè)棱 鏡單元組，所述棱鏡單元像一個(gè)單位一樣可控，其中要在兩個(gè)鄰近的所述棱鏡單元之間產(chǎn) 生的、與所述觀察者眼睛相關(guān)的所述光束的角度差低于一閾值。這有利于棱鏡單元陣列的 設(shè)計(jì)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，將至少一個(gè)可控偏轉(zhuǎn)裝置分配給一個(gè)光調(diào)制器，其中 在調(diào)制器單元上對(duì)將顯示的全息重建的全息圖的復(fù)合值進(jìn)行編碼，并且其中具有確定的強(qiáng) 度分布的相干光束穿過所述光調(diào)制器，在被所述調(diào)制器單元和相對(duì)應(yīng)的下游偏轉(zhuǎn)棱鏡單元 衍射之后，所述相干光束在觀察者平面的可視區(qū)域中被重疊成衍射圖的強(qiáng)度分布。將調(diào)制 器單元的衍射圖分配給相對(duì)應(yīng)的下游偏轉(zhuǎn)棱鏡單元。在通過所述棱鏡單元進(jìn)行偏轉(zhuǎn)之后， 光束呈現(xiàn)不同的強(qiáng)度分布。設(shè)置在光程中的幾何光學(xué)元件補(bǔ)償所述變化，以降低在其他眼 睛的可視區(qū)域中檢測(cè)到的眼睛的可視區(qū)域的衍射圖的邊峰的強(qiáng)度。這之所以能實(shí)現(xiàn)，是因 為調(diào)制器單元的有效區(qū)域的形狀適合于所述變化的強(qiáng)度分布，和/或因?yàn)槔忡R單元中使用 的材料在其界面處產(chǎn)生均勻的折射能力分布。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，將配備有多個(gè)可控偏轉(zhuǎn)裝置的光調(diào)制器集成進(jìn)光調(diào)制 器裝置中?？煽卣{(diào)制器單元以規(guī)則模式排列在光調(diào)制器中，并且每個(gè)調(diào)制器單元被分配給 根據(jù)權(quán)利要求1至10中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的可控偏轉(zhuǎn)裝置。光調(diào)制器裝置可以例如應(yīng)用在用于呈現(xiàn)全息重建的全息顯示裝置中。下面將通過實(shí)施例結(jié)合隨附附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，其中圖1是一透視圖，示出通過兩種不相溶材料之間的可控傾斜界面對(duì)光束進(jìn)行的偏 轉(zhuǎn)和壓縮；圖2a和2b示出調(diào)制器單元的有效區(qū)域的例子；圖3是一俯視圖，示出光束的光程，該光束由調(diào)制器單元發(fā)射并且由具有相同設(shè) 置的(identically set)楔角的可控棱鏡單元將其向觀察者眼睛偏轉(zhuǎn)；圖4是一俯視圖，示出通過具有不同傾斜界面的可控棱鏡單元的光束；以及圖5a、5b示出可視區(qū)域的跟蹤范圍，其中在圖5a中示出偏振裝置的電場方向，并且在圖5b中示出一個(gè)由兩部分組成的、具有所述偏振裝置的棱鏡單元。根據(jù)本發(fā)明的可控偏轉(zhuǎn)裝置包括的主要部件是具有至少三種材料的棱鏡單元4， 所述棱鏡單元4與電極布置U a ijl. .. U a ijn相連接，用于使在材料之間形成的界面發(fā)生 傾斜。進(jìn)一步地，將控制工具CM提供給每個(gè)棱鏡單元4以控制所述電極布置。下標(biāo)ij與 分配給棱鏡單元的可控調(diào)制器單元2相關(guān)，并定義了所述調(diào)制器單元2在光調(diào)制器(未示 出)中所處位置。電極布置Umij用于控制對(duì)應(yīng)的調(diào)制器單元2。控制工具CM還與位置檢 測(cè)系統(tǒng)PF相連接。光束總是以垂直的角度進(jìn)入棱鏡單元的第一界面。各個(gè)元件僅僅是示 例性示出，并且省略了對(duì)其過多的詳細(xì)說明，以便于更好地理解本發(fā)明的原理。圖1已經(jīng)在上文的背景技術(shù)中進(jìn)行了說明；其用于概括地描述當(dāng)通過電濕潤單元 偏轉(zhuǎn)光束時(shí)所發(fā)生的壓縮。該圖省略了其他元件的標(biāo)示。圖2a、2b示出調(diào)制器單元2的有效區(qū)域3，其中圖2a中的有效區(qū)域是正方形，圖 2b中的有效區(qū)域是適合于壓縮的矩形。參見圖2b，考慮到在偏轉(zhuǎn)方向發(fā)生的壓縮，因此使調(diào)制器單元2的范圍沿該偏轉(zhuǎn) 方向增大。而圖2b中的整個(gè)有效區(qū)域3卻保持與圖2a中的有效區(qū)域同樣大小。在本實(shí)施 例中，在有效區(qū)域3的上、下方具有更多用于設(shè)置電控制線的空間，其中所述電控制線對(duì)于 規(guī)則地排列在光調(diào)制器中的控制調(diào)制器單元2來說是必須的。有效區(qū)域3在此應(yīng)被理解為 光束1穿過或光束1被反射、因此分別形成透射或反射調(diào)制器單元2的表面面積。圖3用點(diǎn)劃線(chain line)示出了射向觀察者眼睛9的光束1的光程。光束1穿 過調(diào)制器單元2和所分配的具有確定的強(qiáng)度分布的棱鏡單元4。在第一實(shí)施例中，可控偏轉(zhuǎn) 裝置包括棱鏡單元4，所述棱鏡單元4由兩個(gè)微棱鏡5和一個(gè)微棱鏡6分別順次連接形成， 其中微棱鏡5和微棱鏡6由兩種不同的材料制作而成。對(duì)所形成的兩個(gè)相同微棱鏡5施加 控制電壓，使兩個(gè)界面發(fā)生傾斜，從而在兩種不同材料的界面處形成兩個(gè)相同的楔角。兩個(gè) 微棱鏡5由相同的材料制作而成，并且與夾在它們中間的材料對(duì)應(yīng)排列，使得從與光程垂 直角度看，這兩個(gè)微棱鏡5彼此相對(duì)并呈鏡像對(duì)稱地(mirror-symmetrically)設(shè)置。這樣 確保折射能力普遍地均勻分布在每個(gè)界面之后的材料上，因而使光束1的壓縮最小化。由 于光束1以垂直角度照射在棱鏡單元4的第一界面上，使得從一種材料至另一種材料的轉(zhuǎn) 移不影響折射能力的分布。對(duì)于控制微棱鏡5、6所必須的電極而言，通過微棱鏡的這種排列方式，每一偏轉(zhuǎn) 方向上的電極數(shù)量可被優(yōu)選地減少到只有兩個(gè)電極Ua ijl和Ua ij2。Umij表示每個(gè)調(diào)制 器單元2的數(shù)據(jù)線，U0表示地線。將恒定電壓Uc連續(xù)地施加給每個(gè)棱鏡單元4中的極性 液體(通常是水)。棱鏡單元4的電極布置經(jīng)由控制工具CM與位置檢測(cè)系統(tǒng)PF電連接，以 檢測(cè)位于觀察者平面10中的觀察者眼睛9的位置。當(dāng)棱鏡單元4中的界面具有不同的傾斜度時(shí)，也可以使光束1橫截面的壓縮最小 化。圖4示出一棱鏡單元，其三種材料之間的兩個(gè)界面傾斜不同角度。這種排列方式形成 微棱鏡5、7和8，所述微棱鏡5、7和8具有不同的楔角并且順次排列。這類棱鏡單元4可以 使用兩種或三種不同的材料。再次，將恒定電壓Uc施加給極性材料(例如，水)。然而，由 于兩個(gè)界面具有不同的傾斜，使得每個(gè)偏轉(zhuǎn)方向上必須相互獨(dú)立地控制的電極數(shù)量增加到 四個(gè)電極U1至U4。這樣才能控制兩個(gè)微棱鏡5和8各自的楔角。由于該棱鏡的進(jìn)、出表面 是共面的(coplanar)，因此第三個(gè)楔角自動(dòng)形成。因此，如果要使可視區(qū)域跟蹤到兩個(gè)方向上的觀察者眼睛，那么每個(gè)棱鏡單元需要八個(gè)電極。然而，在通過使用三種不同材料使兩個(gè) 界面發(fā)生不同傾斜時(shí)，仍然能夠減少電極數(shù)量。所述不同材料在該實(shí)施例中是水和油。兩 滴水夾著油，并且這兩滴水的含鹽濃度不同。圖5a、5b示意性示出了偏振裝置12對(duì)光束1的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響，并且舉例說明了 通過例如一個(gè)由兩部分組成的棱鏡單元跟蹤可視區(qū)域。參見圖5a，在一坐標(biāo)系統(tǒng)中，示出了在X-Z平面內(nèi)的跟蹤范圍11和垂直于該平面 振蕩的電場I。如果觀察者移動(dòng)，則光束和可視區(qū)域?qū)?huì)沿著該平面跟蹤到觀察者眼睛。在 圖5a中用兩個(gè)示例性箭頭指示跟蹤范圍11。該跟蹤范圍11應(yīng)盡可能地大，以能夠同時(shí)用 于多個(gè)觀察者。而無法用于位于該跟蹤范圍11之外的觀察者眼睛。圖5b示出具有偏振分量巧和巧的光束1，其中所述偏振分量是垂直于繪制平面 的偏振，所述偏振分量巧是平行于繪制平面的偏振，并且所述光束1射在置于光程中的偏 振裝置12 (例如，偏振片)上。只有垂直于繪制平面的光束分量能夠通過偏振片12并進(jìn)入 設(shè)置在下游的微棱鏡5、6中。通過的部分經(jīng)由界面被偏轉(zhuǎn)射向觀察者眼睛9。如果棱鏡單元實(shí)現(xiàn)了較大的偏轉(zhuǎn)角，則光束中仍然有效的電場巧防止相位躍變的 發(fā)生。在較大偏轉(zhuǎn)角處的電場的巧部分中發(fā)生的相位躍變由菲涅耳方程描述。在跟蹤期間， 大概每20°就有相位躍變Ji，這會(huì)感知為干擾(disturbance)。干擾的發(fā)生取決于楔角和 鄰近的微棱鏡5、6的實(shí)際折射率。下面將以全息直視顯示器(holographic directview display)的例子詳細(xì)說明 根據(jù)本發(fā)明的可控偏轉(zhuǎn)裝置的功能性原理。相比確定的強(qiáng)度分布(the defined intensity distribution)，在本發(fā)明的上下文中僅考慮可視區(qū)域中的調(diào)制器單元的衍射圖的強(qiáng)度分 布，該衍射圖的強(qiáng)度分布由棱鏡單元中的偏轉(zhuǎn)和相應(yīng)的光束壓縮所改變。本發(fā)明既不考慮 也不涵蓋對(duì)調(diào)制器單元中的光束進(jìn)行調(diào)制所造成的強(qiáng)度的任何其他可能的變化。顯示器包括光調(diào)制器，偏轉(zhuǎn)裝置陣列連接至該光調(diào)制器，所述光調(diào)制器例如是如 圖3所示的設(shè)計(jì)。描繪將要產(chǎn)生的全息重建的全息圖的復(fù)合值(complex values)在可控 調(diào)制器單元2中被編碼。然而，還能夠直接對(duì)將要產(chǎn)生的重建的波陣面進(jìn)行編碼。相干光 束1照射調(diào)制器單元2，并穿過該調(diào)制器單元2，進(jìn)而用編碼值對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，隨后照射在位 于下游的各自分配的棱鏡單元4上。位置檢測(cè)系統(tǒng)PF在觀察者平面10中檢測(cè)光束1將會(huì) 偏轉(zhuǎn)到的觀察者眼睛9。從而檢測(cè)到觀察者眼睛9的三維坐標(biāo)。該位置信息作為控制工具 CM確定觀察者眼睛9相對(duì)于光調(diào)制器或顯示裝置的光軸的偏轉(zhuǎn)角度的依據(jù)。通過相應(yīng)處理 的電極Ua ijl和Ua ij2，根據(jù)所確定的偏轉(zhuǎn)角度，使鄰近的材料之間的界面發(fā)生傾斜。因 此，根據(jù)界面的傾斜，形成了具有實(shí)現(xiàn)所需偏轉(zhuǎn)的楔角的微棱鏡5、6。在棱鏡單元陣列中，每個(gè)棱鏡單元與其他棱鏡單元被相對(duì)獨(dú)立地處理和控制。這 使得能夠?yàn)橛衫忡R單元射出的每一光束設(shè)定單一的傳播方向，并且能夠獲得至少一個(gè)全息 圖的復(fù)合值。然而，還能夠通過軟件工具水平地和/或垂直地組合棱鏡單元陣列中的多個(gè) 棱鏡單元，以形成多個(gè)小的棱鏡單元組。特別是在這種情況下可以進(jìn)行，即從觀察者眼睛看 去，鄰近的棱鏡單元之間要實(shí)現(xiàn)的光束最大角度差低于某一閾值時(shí)。這些棱鏡單元將會(huì)接 收相同的控制信號(hào)。于是，可以用公共控制信號(hào)控制這種棱鏡單元組。可以減少控制信號(hào) 的數(shù)量或合并控制信號(hào)，并且可以簡化由控制工具執(zhí)行的控制過程。因此，減少了例如在全息顯示器中所需的數(shù)據(jù)量。經(jīng)調(diào)制的相干光束1以調(diào)制器單元2的衍射圖分布的形式離開棱鏡單元4時(shí)，并 在觀察者眼睛9的位置處被重疊，以形成可視區(qū)域。所形成的可視區(qū)提供給檢測(cè)到的觀察 者的每一只眼睛。同時(shí)，由于光束1被偏轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生壓縮，因此衍射圖強(qiáng)度的確定分布發(fā)生了 改變。能量(強(qiáng)度)被分布在觀察者平面10的較大區(qū)域上。這種分布使較高衍射級(jí)的邊 峰的強(qiáng)度增加，從而感知到對(duì)鄰近眼睛以及因而對(duì)鄰近的可視區(qū)域的串?dāng)_。光程中設(shè)置的幾何光學(xué)裝置能夠抵消光束的壓縮，因而能夠?qū)⑧徑挠^察者眼睛 之間的串?dāng)_降低到這樣一種程度，即觀察者不再感到該串?dāng)_是干擾。這可以通過使用兩個(gè) 措施(measure)中的一個(gè)或兩者結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。第一簡單措施是調(diào)整光調(diào)制器的調(diào)制器單元的有效區(qū)域，并因此重新設(shè)計(jì)調(diào)制器 單元。為了使光束壓縮的影響最小化，優(yōu)選地使調(diào)制器單元在水平方向上(即，在光束的偏 轉(zhuǎn)方向上)具有較大的范圍(extent)。如此增加光束的有效區(qū)域并且形成這樣一種強(qiáng)度分 布，即邊峰的強(qiáng)度僅能被非常微弱地感知或根本感知不到。第二措施使光束的壓縮被最小化，這是因?yàn)榇┻^以特定方式排列的材料的折射能 力被盡可能地均勻分布，所述特定方式排列是指在三種鄰近的材料之間至少具有兩個(gè)可控 界面，并且所述兩個(gè)可控界面由至少三個(gè)微棱鏡形成。如上所述，所述三個(gè)微棱鏡可被制造 成將折射能力分配給以對(duì)稱或非對(duì)稱方式排列的不同尺寸的棱鏡楔角?？紤]到所述控制，優(yōu)選采用如圖3所示的對(duì)稱排列方式。在這種排列方式中，通過 相應(yīng)地控制界面的傾斜，以形成至少兩個(gè)相同的微棱鏡5，其按照相對(duì)于第三個(gè)微棱鏡6呈 彼此鏡像對(duì)稱的方式相對(duì)設(shè)置。僅需要例如油和水作為液體。棱鏡單元4中的材料次序是 水-油-水。因此，通過兩個(gè)微棱鏡的相同楔角使光束1的橫截面的壓縮最小化。如果可 控界面的傾斜度根據(jù)觀察者眼睛9的位置變化，那么將保留以對(duì)稱方式形成微透鏡5。理論上講，棱鏡單元4中的材料次序還可以被顛倒；然而，模擬實(shí)驗(yàn)表明這樣會(huì)使 透射率變差，并且在具有同樣的偏轉(zhuǎn)角度時(shí)，光束仍被較多地壓縮。隨著偏轉(zhuǎn)角度不斷增加，觀察者眼睛感知的發(fā)光強(qiáng)度不斷降低。所發(fā)生的降低從 根本上來說具有兩方面的不同原因。一方面，楔角越大，從界面反射的光的部分就越多，所 述部分是指未被衍射的并因此未給出所需偏轉(zhuǎn)方向的光。這部分強(qiáng)度損失必須由校正值來 補(bǔ)償。另一方面，楔角越大，光束的壓縮程度就越大。光束的壓縮造成觀察者平面內(nèi)的能量 被更多地分配到位于可視區(qū)域以外的區(qū)域內(nèi)。這些能量并未到達(dá)檢測(cè)到的觀察者眼睛，使 得所產(chǎn)生的重建顯得很暗。這部分強(qiáng)度損失也必須由校正值來補(bǔ)償。因此，至少對(duì)于一維偏轉(zhuǎn)來說，每個(gè)調(diào)制器單元的強(qiáng)度必須通過控制工具引 入校正值來增加，所引入的校正值是上述兩個(gè)校正值之和?；谄D(zhuǎn)角的累積校正值 (deflectionangle-dependent cumulative correction value)存儲(chǔ)在每個(gè)調(diào)制器單兀的 校正值表中，并且能夠從該表中取回?？蛇x地，強(qiáng)度校正還可以直接通過相應(yīng)地控制相干光 發(fā)射光源進(jìn)行。由于在較大偏轉(zhuǎn)角處會(huì)發(fā)生擾亂相位躍變(phase jumps)，在實(shí)現(xiàn)較大偏轉(zhuǎn)角時(shí) 的另一重要措施就是，如圖5b所示，將至少一個(gè)偏振工具12設(shè)置在光程中。偏振工具12 設(shè)置在光程中，以給光束1提供輸入偏振巧，所述輸入偏振g垂直于將可視區(qū)域跟蹤到觀 察者眼睛9所沿的平面。在圖5a中，所述平面是X-Z平面。光束1的跟蹤范圍由棱鏡單元5、6的最大可實(shí)現(xiàn)(realisable)偏轉(zhuǎn)角確定。上述措施旨在抵消由界面的偏轉(zhuǎn)所造成的光束壓縮并且使該光束壓縮最小化。 在所描述的實(shí)施例中，這是通過一維方式完成的。在不相干的方向中，所有偏轉(zhuǎn)裝置的 衍射圖在可視區(qū)域中以不相干的方式(incoherently)重疊(superposed)，也就是所有 衍射圖的強(qiáng)度在觀察者眼睛所處區(qū)域中被疊加(added)。強(qiáng)度分布的不相干重疊相當(dāng)于 (correspondswith)立體顯示裝置中可視區(qū)域的形成。這就意味著，當(dāng)為每只眼睛形成可視 區(qū)域時(shí)，光束的壓縮及其相應(yīng)影響的問題也會(huì)發(fā)生在具有EW單元的自動(dòng)立體顯示器的光 程中。分給可視區(qū)域的能量再次分散，并且水平方向的能量分散越多，光束的壓縮就越多， 也就是說，在光束經(jīng)偏轉(zhuǎn)后，在每個(gè)偏轉(zhuǎn)裝置下游的光束橫截面就越小。因此，由檢測(cè)到的 眼睛瞳孔所能感知的能量總量隨偏轉(zhuǎn)角度而下降，并因此光束的壓縮程度就變得更大。進(jìn) 入其他眼睛瞳孔中的能量總量也同時(shí)增加。光束的壓縮在自動(dòng)立體顯示器中也會(huì)造成對(duì)未 檢測(cè)到的眼睛的強(qiáng)度的串?dāng)_。本發(fā)明還涵蓋了解決上述問題的二維方式。這樣做時(shí)，需要注意的是，光束被壓縮 的橫截面取決于觀察者眼睛的位置和每個(gè)棱鏡單元中所連續(xù)形成的微棱鏡的數(shù)量。當(dāng)觀察者眼睛僅在邊上移動(dòng)時(shí)，為了不立即啟動(dòng)通過控制工具跟蹤可視區(qū)域，在 檢測(cè)到的觀察者眼睛所處位置處以局部限定方式(locallyconfined manner)擴(kuò)大可視 區(qū)域。這之所以能實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)樗鲅劬ξ恢锰幮纬傻目梢晠^(qū)域還執(zhí)行快速周期橫向偏移 (fast periodic lateralexcursion)。為此，控制工具產(chǎn)生附加控制值，該附加控制值被作 為相位信號(hào)和/或振幅信號(hào)加到在光調(diào)制器中編碼的數(shù)值中和/或加到對(duì)棱鏡單元的控制 值中。所述附加控制信號(hào)根據(jù)觀察者眼睛的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度和與局部限定偏移一致的角度來 確定。以更特定的專業(yè)術(shù)語來說，例如，在棱鏡的控制信號(hào)上調(diào)制正弦曲線電壓信號(hào)。為了能夠連續(xù)地跟蹤全息顯示器中的可視區(qū)域，除了具有可變地可控棱鏡功能以 外，還需要相移功能。相移值是基于方向的數(shù)值。其將是從左到右的跟蹤可視區(qū)域還是右 到左的跟蹤可視區(qū)域納入考慮范圍。除了所述的復(fù)合編碼值之外，相移值也優(yōu)選地由調(diào)制 器單元的控制工具提供。一種具有光調(diào)制器裝置的全息直視顯示器，包括根據(jù)本發(fā)明的基于電濕潤單元的 具有棱鏡功能的可控偏轉(zhuǎn)裝置，所述全息直視顯示器可以通過至少一個(gè)上述措施能夠可感 知地降低串?dāng)_，并因此實(shí)現(xiàn)為多個(gè)觀察者跟蹤各自所分配的可視區(qū)域的功能。因此提高了 所產(chǎn)生的重建質(zhì)量。附圖標(biāo)記1 光束2調(diào)制器單元3調(diào)制器單元的有效區(qū)域4棱鏡單元5至8微棱鏡55、66 楔角9觀察者眼睛10觀察者平面11跟蹤范圍
11
a、b入射光束的范圍a’、b’經(jīng)壓縮的射出光束的范圍c、c’壓縮前、后的光束的橫截面區(qū)域CM控制工具PF位置檢測(cè)系統(tǒng)Ua ijl. . .Ua ijn棱鏡單元的電極Umij調(diào)制器單元的電極
1權(quán)利要求
一種可控偏轉(zhuǎn)裝置，包括可控棱鏡單元和可控電極布置， 其中所述棱鏡單元含有多種不相溶材料并且分配給可控調(diào)制器單元，所述可控調(diào)制器單元設(shè)置在光程下游并且由具有確定的強(qiáng)度分布的光束照射，以及 其中所述電極布置控制在所述棱鏡單元中的兩種不相溶材料之間形成的界面，以將所述光束偏轉(zhuǎn)向可視區(qū)域中的檢測(cè)到的觀察者眼睛，其中所述偏轉(zhuǎn)光束在所述可視區(qū)域中呈現(xiàn)與所述確定的強(qiáng)度分布相比發(fā)生變化的調(diào)制器單元衍射圖的強(qiáng)度分布，其特征在于所述可視區(qū)域中的變化的強(qiáng)度分布通過降低較高衍射級(jí)的邊峰的強(qiáng)度在所述光束(1)的光程中獲得補(bǔ)償，所述調(diào)制器單元(2)的有效區(qū)域(3)的形狀適應(yīng)于所述變化的強(qiáng)度分布，和/或所述棱鏡單元(4)中使用的所述材料在所述界面處形成均勻的折射能力分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于，其提供一跟蹤范圍(11)，在該跟 蹤范圍內(nèi)，根據(jù)所述跟蹤范圍(11)中的觀察者眼睛的位置變化，偏轉(zhuǎn)形成所述可視區(qū)域的 所述相干光束(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于，所述調(diào)制器單元(2)的有效區(qū)域 (3)在相對(duì)應(yīng)的所述棱鏡單元(4)形成所述光束(1)的最大偏轉(zhuǎn)的方向 >上具有最大范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于，所述棱鏡單元(4)具有至少四個(gè) 界面，其中三種材料之間的至少兩個(gè)界面隨所施加的電壓可變地傾斜，使得所述折射能力 被盡可能均勻地穿過所述材料分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可控偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于，至少一個(gè)偏振工具(12)設(shè)置在 所述光程中，以在跟蹤所述可視區(qū)域的同時(shí)，防止在所述跟蹤范圍中發(fā)生相位躍變，其中所 述偏振工具(12)給將要偏轉(zhuǎn)的所述光束(1)提供輸入偏振ξ，所述輸入偏振ξ垂直于執(zhí)行 跟蹤所沿的平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可控偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于，一旦由所述偏轉(zhuǎn)和由反射造成 所述相干光束(1)的能量損失超過一給定值時(shí)，就通過所述控制工具(CM)將用作校正值的 附加強(qiáng)度值賦予每個(gè)調(diào)制器單元(2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可控偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于，所述校正值存儲(chǔ)在校正值表中， 并且能夠從該表中被取回，所述校正值至少用于具有連續(xù)值圖案的一維偏轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可控偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于，所述控制工具(CM)另外生成控 制信號(hào)，用于對(duì)檢測(cè)到的觀察者眼睛(9)所處位置處形成的可視區(qū)域執(zhí)行快速周期橫向偏 移，用以以局部限定方式擴(kuò)大所述觀察者眼睛(9)的可視區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的可控偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于，所述另外生成的控制值被作為 相位信號(hào)和/或振幅信號(hào)加到所述棱鏡單元(4)的控制值中和/或加到在所述光調(diào)制器 (2)中編碼的數(shù)值中。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可控偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于，將多個(gè)水平和/或垂直排列的 棱鏡單元(4)組合成一個(gè)棱鏡單元組，所述棱鏡單元組像一個(gè)單位一樣處理，其中所述光 束(1)要在兩個(gè)鄰近的所述棱鏡單元(4)之間實(shí)現(xiàn)的相對(duì)于所述觀察者眼睛(9)的角度差 低于一閾值。
11.一種光調(diào)制器，其特征在于，包括至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1-10中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的可控偏轉(zhuǎn)裝置，其中在調(diào)制器單元(2)中對(duì)將要形成的全息重建的全息圖的復(fù)合 值進(jìn)行編碼，具有確定的強(qiáng)度分布的相干光束穿過所述調(diào)制器單元(2)，在被所述調(diào)制器單 元(2)和相對(duì)應(yīng)的下游偏轉(zhuǎn)棱鏡單元(4)衍射之后，所述相干光束在所述可視區(qū)域中被重 疊成所述調(diào)制器單元(2)的衍射圖的強(qiáng)度分布，其中所述衍射圖符合所述單個(gè)調(diào)制器單元 (2)和所述相對(duì)應(yīng)的下游偏轉(zhuǎn)棱鏡單元(4)，并且在所述偏轉(zhuǎn)之后，所述衍射圖在所述可視 區(qū)域中呈現(xiàn)一變化的強(qiáng)度分布，其通過降低較高衍射級(jí)的邊峰的強(qiáng)度而獲得補(bǔ)償，使得所 述調(diào)制器單元(2)的有效區(qū)域(3)的形狀適合于所述變化的強(qiáng)度分布，和/或使得所述棱 鏡單元(4)中使用的材料在其界面處產(chǎn)生均勻的折射能力分布。
12.—種光調(diào)制器裝置，其特征在于，包括根據(jù)權(quán)利要求11所述的光調(diào)制器，所述光 調(diào)制器裝置包括多個(gè)規(guī)則排列的調(diào)制器單元(2)，其中所述調(diào)制器單元(2)分配有根據(jù)權(quán) 利要求1至10中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的可控偏轉(zhuǎn)裝置。
13.—種全息顯示裝置，其特征在于，包括根據(jù)權(quán)利要求12所述的光調(diào)制器裝置。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，通過具有棱鏡功能的可控電濕潤單元，在光調(diào)制器前方的較大角度范圍內(nèi)，跟蹤由重疊的光束形成的可視區(qū)域，其中通過偏轉(zhuǎn)棱鏡單元中的光束，使光束橫截面彎曲的負(fù)面影響最小化。光束(1)經(jīng)可控光調(diào)制器調(diào)節(jié)，具有確定的強(qiáng)度分布的所述光束沖擊調(diào)制器單元(2)，并穿過可控偏轉(zhuǎn)裝置，所述可控偏轉(zhuǎn)裝置包括棱鏡單元(4)和可控電極布置，以調(diào)節(jié)多個(gè)不相溶材料之間的邊界面。根據(jù)本發(fā)明，通過降低次級(jí)衍射級(jí)最大值(secondary diffraction order maxima)的強(qiáng)度在可視區(qū)域的光束(1)的光程中補(bǔ)償變化的強(qiáng)度分布，使得調(diào)制器單元(2)的有效面積(3)的形狀被調(diào)整為符合變化的強(qiáng)度分布，和/或使得在所述棱鏡單元(4)中使用的材料在邊界面處形成均勻的折射能力分布。應(yīng)用領(lǐng)域包括用于執(zhí)行各種類型的調(diào)制的光調(diào)制設(shè)備，例如，全息顯示器。
文檔編號(hào)G02B26/08GK101960395SQ200980107005
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2009年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月28日
發(fā)明者杰拉爾德·福特爾 申請(qǐng)人:視瑞爾技術(shù)公司