本公開涉及自動立體3D顯示設(shè)備，并且更具體地涉及使用多個全息光學元件（HOE）的自動立體3D顯示設(shè)備。

背景技術(shù)：

近年來，用于觀看三維（3D）圖像的3D顯示器已經(jīng)變得流行。例如，裝配有3D顯示器或3D電視的電影院可能允許觀看者觀看增強視覺體驗的3D電影。然而，這樣的3D電影常常要求觀看者佩戴3D眼鏡或視覺輔助設(shè)備來感知3D圖像。由于設(shè)備的重量或不舒服，這樣的3D眼鏡或視覺輔助設(shè)備的使用對某些觀看者來說可能是麻煩的。

為了減輕觀看者的這種不便，已經(jīng)開發(fā)出允許觀看者在沒有3D眼鏡或視覺輔助設(shè)備的情況下感知3D圖像的自動立體顯示器。常規(guī)的自動立體顯示器通常使用空間復用方法或時間復用方法來顯示3D圖像。在空間復用方法中，諸如視差屏障（parallax-barrier）或透鏡片之類的光學條紋板可被提供在自動立體顯示器中來將左眼和右眼的視場分開以便為觀看者形成一對立體圖像。然而，這樣的光學條紋板的使用可能導致退化或減弱的圖像分辨率、低光效率以及窄的視角。

在時間復用方法中，左和右視覺圖像被順序顯示以允許觀看者的左眼和右眼感知3D圖像。在該方法中，各種類型的透鏡、反射鏡或具有棱鏡的3D膜通常被用來為左和右觀看圖像形成定向背光。然而，透鏡或反射鏡的使用可能導致3D顯示設(shè)備尺寸的增加。在具有棱鏡的3D膜的情況下，可能難以準確地產(chǎn)生微米尺寸的具有棱鏡的3D膜并且將具有棱鏡的3D膜準確地對準到導光結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開涉及使用多個全息光學元件的自動立體3D顯示設(shè)備。

根據(jù)本公開的一個實施例，公開了一種自動立體3D顯示設(shè)備。該設(shè)備包括：被配置成交替地生成光的第一光源和第二光源；導光板，其被布置成將來自第一光源的光在第一方向上引導為第一光束并且將來自第二光源的光在第二方向上引導為第二光束；以及多個全息光學元件的堆疊，其被配置成使來自導光板的第一光束和第二光束會聚，其中導光板包括棱鏡結(jié)構(gòu)，該棱鏡結(jié)構(gòu)被配置成使來自第一和第二光源的光反射朝向鄰接多個全息光學元件的堆疊的導光板的表面，其中該棱鏡結(jié)構(gòu)包括具有第一傾斜角的至少一個第一斜面以及具有第二傾斜角的至少一個第二斜面，以及其中該第一和第二傾斜角小于10°。自動立體3D顯示設(shè)備可有利地提供縱向方向上的長的觀察范圍以及與使用視差屏障或透鏡片的常規(guī)自動立體3D顯示系統(tǒng)相比降低的串擾。

上述實施例的棱鏡結(jié)構(gòu)的具體優(yōu)點是它可將來自第一和第二光源的光重定向為一對類似準直（quasi-collimated）或基本準直的光束。此外，來自第一和第二光源的光可從至少一個第一傾斜表面和/或至少一個第二傾斜表面反射多次以增強導光板內(nèi)部的光分布并且使導光板內(nèi)部的光分布均勻。此外，小于10°的傾斜角的特定優(yōu)勢是它們可增強離開導光板朝向多個全息光學元件的堆疊折射的光束的準直。

在一些實施例中，多個全息光學元件的堆疊可包括至少一個第一全息光學元件和至少一個第二全息光學元件，并且該至少一個第一全息光學元件可將第一光束會聚到第一位置，同時該至少一個第二全息光學元件可將第二光束會聚到第二位置。包括多個全息光學元件的堆疊的自動立體3D顯示設(shè)備可提供高衍射效率以及由此提供圖像的高亮度。

在一些實施例中，該至少一個第一全息光學元件可包括一個或多個第一光聚合物膜，其被配置成使第一光束的一個或多個預定波長衍射，并且該至少一個第二全息光學元件可包括一個或多個第二光聚合物膜，其被配置成使第二光束的一個或多個預定波長衍射。具有一個或多個第一和第二光聚合物膜的自動立體3D顯示設(shè)備可使第一和第二光束的一個或多個預定波長衍射以能夠?qū)崿F(xiàn)全色顯示。

在一些實施例中，一個或多個第一和第二光聚合物膜中的每一個可被配置成使紅色、綠色或藍色波長衍射。使紅色、綠色或藍色波長衍射能夠?qū)崿F(xiàn)全色顯示。

在一些實施例中，該多個全息光學元件中的每一個可包括平行光束和發(fā)散光束的干涉圖樣。具有干涉圖樣的全息光學元件在觀看者的一對眼睛前面形成一對會聚光場。

在一些實施例中，該多個全息光學元件中的每一個可是體積全息光學元件。體積全息光學元件可降低顏色串擾并改進衍射效率以使得可增強為觀看者輸出的光的亮度。

在一些實施例中，導光板可被配置成以關(guān)于垂直鄰接多個全息光學元件的堆疊的導光板表面的方向的大于45°的折射角將從棱鏡結(jié)構(gòu)反射的光折射朝向多個全息光學元件的堆疊。與多個全息光學元件結(jié)合的以大于45°的折射角折射的光可降低會聚到觀看者的一對眼睛的各光場之間的顏色串擾。

在一些實施例中，導光板可被配置成將來自第一和第二光源的光引導為具有基本均勻強度分布的第一和第二光束。這樣的均勻強度分布可增強為觀看者輸出的光的亮度的同質(zhì)性。

在一些實施例中，折射光的角度帶寬（angular bandwidth）可能小于30°。這樣的窄角度帶寬可增強折射光的準直，改進衍射效率，并且降低會聚到觀看者的一對眼睛的各光場之間的串擾。

在一些實施例中，自動立體3D顯示設(shè)備還可包括：顯示面板，其被配置成顯示第一組圖像和第二組圖像；以及控制單元，其被配置成交替地激活第一和第二光源并且控制顯示面板交替地顯示第一組圖像中的一個和第二組圖像中的一個。該自動立體3D顯示設(shè)備可在不降低顯示分辨率的情況下對要為觀看者投射的第一和第二組圖像進行時間復用。

在一些實施例中，該控制單元可被配置成生成一個或多個控制信號來使第一組圖像中的一個和第二組圖像中的一個的顯示與第一和第二光源的激活同步。這樣的控制信號的使用可有效地驅(qū)動與第一和第二光源同步的顯示面板以便顯示立體圖像。

在一些實施例中，第一組圖像中的一個和第二組圖像中的一個可與一對立體圖像相對應，并且控制單元可被配置成基于為顯示每一對立體圖像而生成的垂直同步信號或預定數(shù)目的水平同步信號來控制第一和第二組圖像的顯示。根據(jù)水平同步信號生成垂直同步信號可允許以較高頻率或幀速率顯示包括第一和第二組圖像的3D立體圖像以降低閃爍。

在一些實施例中，多個全息光學元件中的每一個可包括通過基于一個或多個第一入射角將參考束照射在全息光學元件上以及基于一個或多個第二入射角將物體束照射在全息光學元件上而記錄的一個或多個干涉圖樣。通過分開地記錄不同全息光學元件上的干涉圖樣，可增強全息光學元件的衍射效率。這樣的全息光學元件的堆疊能夠?qū)崿F(xiàn)全色顯示。

在一些實施例中，一個或多個干涉圖樣可被配置成使一個或多個預定波長衍射。通過干涉圖樣的一個或多個預定波長的衍射能夠?qū)崿F(xiàn)全色顯示。

在一些實施例中，多個全息光學元件的各第一入射角可彼此不同，并且多個全息光學元件的各第二入射角可彼此不同。使用不同入射角將干涉圖樣記錄在全息光學元件中可增強不同顏色的衍射效率。

在一些實施例中，可基于針對紅色、綠色或藍色波長的布拉格角條件來確定包括各第一入射角之一和各第二入射角之一的一對角。通過使用滿足布拉格角條件的入射角來記錄干涉圖樣可增強衍射效率并增加為觀看者輸出的光的亮度。

在一些實施例中，第一和第二光束可以是具有小于30°的角度帶寬的類似準直或基本準直的光束。這樣的類似準直或基本準直的光束可改進衍射效率并降低會聚到觀看者的一對眼睛的各光場之間的串擾。

附圖說明

當結(jié)合附圖閱讀本公開的發(fā)明方面的實施例時，將參考下面的詳細描述來理解它們。

圖1圖示根據(jù)本公開的一個實施例的被配置成投射顯示在液晶顯示器（LCD）面板上的一對立體圖像（其可以被觀看者感知為3D圖像）的自動立體3D顯示設(shè)備。

圖2圖示根據(jù)本公開的一個實施例的被配置成控制將立體圖像投射在自動立體3D顯示設(shè)備中的光源和LCD面板的控制單元的框圖。

圖3圖示根據(jù)本公開的一個實施例的由LCD驅(qū)動單元基于H_SYNC信號和V_SYNC_1信號生成V_SYNC_2信號的時序圖。

圖4圖示根據(jù)本公開的一個實施例的通過將參考束和物體束輻照在全息光學元件上的干涉圖樣的記錄。

圖5圖示根據(jù)本公開的一個實施例的分別被指引到全息光學元件的頂面上的參考中心點的物體束射線和參考束射線的入射角。

圖6圖示根據(jù)本公開的一個實施例的被配置成將參考束和物體束之間的干涉圖樣記錄在全息光學元件中的記錄系統(tǒng)的框圖。

圖7圖示根據(jù)本公開的一個實施例的在記錄系統(tǒng)中執(zhí)行的用于將參考束和物體束之間的干涉圖樣記錄在全息光學元件中的方法的流程圖。

圖8圖示根據(jù)本公開的一個實施例的被配置為多個全息光學元件的堆疊的全息光學元件。

圖9圖示根據(jù)本公開的一個實施例的被配置成分別在第一和第二方向上將準直的光束輻照在全息光學元件的堆疊上的導光板。

圖10圖示根據(jù)本公開的一個實施例的被配置成引導在特定方向上從光源輻照的光的導光板在截面圖中的一部分。

具體實施方式

現(xiàn)在將詳細地參考各種實施例，在附圖中圖示其示例。在下面的具體實施方式中，闡述許多具體細節(jié)以便提供對本公開的發(fā)明方面的透徹理解。然而，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說將顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實踐本公開的發(fā)明性方面。在其他實例中，沒有詳細地描述公知方法、程序、系統(tǒng)和部件，以免不必要地模糊各種實施例的各方面。

圖1圖示根據(jù)本公開的一個實施例的被配置成投射顯示在LCD面板140上的一對立體圖像（其可以被觀看者190感知為3D圖像）的自動立體3D顯示設(shè)備100。自動立體3D顯示設(shè)備100包括：一對光源112和114、導光板120、至少兩個全息光學元件（HOE）132和134的堆疊130、LCD面板140和控制單元150。該控制單元150被配置成驅(qū)動LCD面板140以便與光源112和114同步地顯示該對立體圖像。

如所示的，控制單元150被耦合到LCD面板140和光源112和114以便同步地顯示該對立體圖像。在一個實施例中，該對立體圖像可包括右視圖圖像和左視圖圖像，觀看者190的右眼和左眼可以分別感知到它們。為了投射該對立體圖像，控制單元150可驅(qū)動LCD面板140來為左眼顯示左視圖圖像并激活光源112。控制單元150然后可驅(qū)動LCD面板140來為右眼顯示右視圖圖像并激活光源114。通過與針對左眼和右眼提供給LCD面板140的立體圖像同步地交替地激活光源112和114，可為觀看者190的左眼和右眼投射3D圖像。盡管利用一對立體圖像來描述所圖示的實施例，但是也可順序且交替地為觀看者190顯示和投射多對立體圖像。

在控制單元150的控制下，光源112和114分別被配置成交替地生成光162和164。光源112和114可用作交替地照射為左眼和右眼交替地顯示在LCD面板140上的各立體圖像的背光單元（BLU）。如圖1中所示，光源112和114被布置成分別將光162和光164發(fā)射到導光板120中或朝向?qū)Ч獍?20發(fā)射。在一個實施例中，光源112和114可被布置成分別從導管板120的相對側(cè)（例如左側(cè)和右側(cè)）發(fā)射光162和164。在一些實施例中，光源112和114可包括一個或多個氣體放電燈、激光二極管或發(fā)光二極管（LED）（諸如白色LED；紅色、藍色、綠色LED組、補色LED組、單色LED等等）。

導光板120被配置成在第一方向上引導來自光源112的光162并且在第二方向上引導來自光源114的光164。例如，來自光源112的光162可被引導在導光板120內(nèi)并輸出為如圖1中利用實線箭頭指示的第一準直光束172。另一方面，來自光源114的光164可被引導在導光板120內(nèi)并輸出為如圖1中利用虛線箭頭指示的第二準直光束174。第一和第二準直光束172和174還可以是基本準直或類似準直的光束。導光板120可由被用來在特定方向上將光引導為類似準直或基本準直光束的任何適當?shù)耐该骰虬胪该鞑牧匣蚪橘|(zhì)（諸如塑料（例如聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等等）、玻璃等等）形成。例如，類似準直光束或基本準直光束可具有作為半最大值全寬度（FWHM）而測量的小于30°的角帶寬。

在第一方向上的光束172和第二方向上的光束174被入射到全息光學元件132和134的堆疊130上。全息光學元件132和134中的每一個都被配置成包括平行光束（例如參考束）和發(fā)散光束（例如物體束）的干涉圖樣。干涉圖樣可在全息光學元件132和134中被記錄為體相位光柵。在這種情況下，平行光束可能是平面波，并且發(fā)散光束可能是球面波。

在所圖示的全息光學元件132和134的堆疊130中，具有干涉圖樣的全息光學元件132和134被配置成將來自導光板120的光束172和174分別會聚到一對物體束182和184中。例如，全息光學元件132將來自導光板120的光束172會聚到物體束182中，該物體束182會聚于與觀看者190的左眼相對應的位置。另一方面，全息光學元件134將來自導光板120的光束174會聚到物體束184中，該物體束184會聚于同觀看者190的右眼相對應的位置。在一些實施例中，會聚光（例如光束）意味著如在折射或反射光學元件（諸如會聚透鏡、會聚反射鏡或諸如此類的）的情況下通過兩個負的曲率半徑來局部地表征光的波前。在多個全息光學元件的情況下，對于每個全息光學元件來說負的曲率半徑可不同。

分別來自全息光學元件132和134的會聚物體束182和184通過LCD面板140以在分別與左眼和右眼相對應的一對位置處投射顯示在LCD面板140上的一對立體圖像。當左視圖圖像被顯示在LCD面板140上且光源112被激活時，會聚物體束182通過LCD面板140以便將左視圖圖像投射到觀看者190的左眼。類似地，當右視圖圖像被顯示在LCD面板140上且光源114被激活時，會聚物體束184通過LCD面板140以便將右視圖圖像投射到觀看者190的右眼。通過經(jīng)由左眼和右眼交替地觀看左視圖圖像和右視圖圖像，觀看者190可感知3D圖像。

盡管所圖示的自動立體3D顯示設(shè)備100被描述為使用LCD面板140，但是它可采用會聚物體束182和184可以通過的任何適當?shù)娘@示面板。此外，至少兩個全息光學元件132和134可包括任何適當數(shù)目的全息光學元件，并且可以任何適當?shù)捻樞蚨询B。此外，全息光學元件132和134中的每一個都可以是體積全息光學元件（VHOE）。

圖2圖示根據(jù)本公開的一個實施例的被配置成控制LCD面板140和光源112和114以便投射自動立體3D顯示設(shè)備100中的立體圖像的控制單元150的框圖。控制單元150包括處理器210、LCD驅(qū)動單元220和光源切換單元230。自動立體3D顯示設(shè)備100包括存儲單元240，其存儲包括一組左視圖圖像和一組右視圖圖像的多對立體圖像?？商娲兀鎯卧?40可在自動立體3D顯示設(shè)備100的外部。

在一個實施例中，每對立體圖像都可與圖像幀相對應并且可根據(jù)特定幀速率（諸如每秒30幀（例如30Hz））來存儲。在這種情況下，與多對立體圖像相對應的多個視頻圖像幀可被順序存儲在要以特定幀速率顯示的存儲單元240中。例如，每個視頻圖像幀可被格式化以順序存儲左視圖圖像和右視圖圖像，根據(jù)自頂向下的方法在右圖像結(jié)束處具有幀結(jié)束指示符。此外，可基于特定分辨率（例如m×n）來對每個視頻圖像幀格式化?？墒褂萌魏芜m當類型的存儲設(shè)備來實施用于存儲視頻圖像幀的存儲單元240，該存儲設(shè)備包括但不限于RAM（隨機存取存儲器）、ROM（只讀存儲器）、EEPROM（電可擦除可編程只讀存儲器）、閃速存儲器等等。

處理器210可從存儲單元240中的對應左視圖圖像組和對應右視圖圖像組順序訪問與一對立體圖像相對應的視頻圖像幀，以便交替地顯示左視圖圖像和右視圖圖像。隨著視頻圖像幀被訪問，處理器210基于視頻圖像幀和/或LCD面板140的水平分辨率生成水平同步信號H_SYNC、并且基于幀結(jié)束指示符生成垂直同步信號V_SYNC_1。處理器210向LCD面板140順序提供作為顯示數(shù)據(jù)的視頻圖像幀連同時鐘信號CLOCK和H_SYNC信號。此外，處理器210向LCD驅(qū)動單元220提供H_SYNC信號和V_SYNC_1信號。

基于H_SYNC信號和V_SYNC_1信號，LCD驅(qū)動單元220生成一個或多個控制信號來使LCD面板140的顯示和光源112和114的激活同步。如所示的，控制信號包括另一垂直同步信號V_SYNC_2和切換信號222。在一個實施例中，LCD驅(qū)動單元220基于對于每個視頻圖像幀的結(jié)束而接收到的V_SYNC_1信號生成V_SYNC_2信號。此外，在視頻圖像幀中的左視圖圖像結(jié)束處生成V_SYNC_2信號。因此，V_SYNC_2信號被生成用來指示各左視圖圖像中的每一個的結(jié)束以及各視頻圖像幀中的每一個的結(jié)束，由此使V_SYNC_1信號的頻率翻倍。例如，假定幀速率是每秒30幀（例如30Hz），則LCD驅(qū)動單元220以每秒60幀的幀速率（例如60Hz）生成V_SYNC_2信號。LCD驅(qū)動單元220向LCD面板140提供V_SYNC_2信號，該LCD面板140基于V_SYNC_2信號交替地顯示從處理器210接收的視頻圖像幀的左視圖圖像和右視圖圖像。

在一個實施例中，LCD驅(qū)動單元220與V_SYNC_2信號同步地生成切換信號222，以使光源112和114的激活與左視圖圖像和右視圖圖像的顯示分別同步。當V_SYNC_2信號與左視圖圖像的結(jié)束相對應時，切換信號222被生成以指示切換到光源112。另一方面，當V_SYNC_2信號與視頻圖像幀的結(jié)束相對應時，切換信號222被生成以指示切換到光源114。

響應于來自LCD驅(qū)動單元220的切換信號222，光源切換單元230在光源112和114之間切換。例如，當切換信號222指示切換到光源112時，光源切換單元230可激活光源112。類似地，當切換信號222指示切換到光源114時，光源114可被激活。

盡管視頻圖像幀被描述為要被格式化成順序地存儲左視圖圖像和右視圖圖像（在右圖像結(jié)束處具有幀結(jié)束指示符），但是它可被格式化成順序地存儲右視圖圖像和左視圖圖像（在左視圖圖像結(jié)束處具有幀結(jié)束指示符）。在這種情況下，處理器210基于對于每個視頻圖像幀的幀結(jié)束指示符生成V_SYNC_1信號。此外，LCD驅(qū)動單元220基于V_SYNC_1信號和H_SYNC信號為右視圖圖像和視頻圖像幀二者的結(jié)束生成V_SYNC_2信號。在從LCD驅(qū)動單元220接收到V_SYNC_2信號時，LCD面板與光源114和112的激活同步地交替顯示右視圖圖像和左視圖圖像。

圖3圖示根據(jù)本公開的一個實施例的由LCD驅(qū)動單元220基于H_SYNC信號和V_SYNC_1信號320和322生成V_SYNC_2信號330、332和334的時序圖300。如上文參考圖2所述的，LCD驅(qū)動單元220從處理器210接收包括多個脈沖以及V_SYNC_1信號320和322的H_SYNC信號。根據(jù)所接收到的H_SYNC信號以及V_SYNC_1信號320和322，LCD驅(qū)動單元220以V_SYNC_1信號320和322的頻率的兩倍生成V_SYNC_2信號330、332和334，以指示每個視頻圖像幀中的左視圖圖像（或右視圖圖像）的結(jié)束以及視頻圖像幀的結(jié)束。

在一個實施例中，處理器210基于存儲在存儲單元240中的視頻圖像幀的幀速率生成V_SYNC_1信號320和322。此外，處理器210基于針對每個視頻圖像幀的幀速率和垂直分辨率V_R生成H_SYNC信號。例如，當幀速率是30Hz且垂直分辨率V_R是1,102像素時，處理器210以30Hz的頻率生成V_SYNC_1信號320和322且以33,060Hz的頻率（即30Hz × 1,102像素）生成H_SYNC信號。

響應于接收到V_SYNC_1信號320，LCD驅(qū)動單元220被配置成生成V_SYNC_2信號330且對從處理器210接收到的H_SYNC信號的數(shù)目計數(shù)。當所計數(shù)的H_SYNC信號的數(shù)目是R_V/2時，LCD驅(qū)動單元220生成V_SYNC_2信號332以指示左視圖圖像（或右視圖圖像）的結(jié)束。當接收到下一V_SYNC_1信號322時，V_SYNC_2信號334被生成以指示視頻圖像幀的結(jié)束。在生成V_SYNC_2信號332時所計數(shù)的H_SYNC信號的數(shù)目可在任何適當時間被重置，并且在生成V_SYNC_2信號334時可對隨后的H_SYNC信號計數(shù)。該過程可被重復以便以所存儲的視頻圖像幀的幀速率的頻率的兩倍（例如60Hz）來生成V_SYNC_2信號。

圖4圖示根據(jù)本公開的一個實施例的通過將參考束420和物體束430輻照在全息光學元件410上的干涉圖樣的記錄。如所圖示的，參考束420可是基本準直或類似準直的以形成平面波。參考束420以關(guān)于全息光學元件410的頂面412的預定入射角輻照在全息光學元件410上。

在圖4中，全息光學元件410的頂面412上的中心點O用作參考坐標的(0, 0, 0) 參考點。一對點r₁和r₂分別與觀看者的右眼和左眼的位置相對應。觀看長度L指示在全息光學元件410與觀看者的右眼或左眼的點r₁或r₂之間的預定距離。此外，距離D指示點r₁與點r₂之間的兩眼間的距離。因此，可分別利用坐標(-D/2, 0, -L)和(D/2, 0, -L)來表示點r₁與點r₂。例如，觀看距離L可以是300mm并且兩眼間的距離D可以是65mm。在一些實施例中，觀看距離L可以是大于100mm的任何適當距離，而兩眼間的距離D可以是適合于表示各眼睛之間的距離的任何距離并且范圍可以從50mm到75mm。

物體束430是輻照在全息光學元件410上的發(fā)散光束或大體上的球面光束。如所示的，物體束430從與觀看者的右眼的位置相對應的點r₁發(fā)散并且指引到全息光學元件410的頂面412。在一個實施例中，用E_R來表示的準直參考束和用E_s來表示的發(fā)散物體束可以通過下面的等式表達：

等式（1）

等式（2）

其中I_R和I_S分別指示參考束420和物體束430的強度，K_R和K_S分別指示參考束420和物體束430的波矢量，并且r表示從具有坐標 (0, 0, 0)的中心點O到具有坐標(x, y, z)的點r的矢量。

當參考束420和物體束430輻照全息光學元件410時，干涉圖樣可在全息光學元件410中被記錄為體相位光柵?；谏鲜龅仁剑?）和等式（2），可通過下面的等式來表述滿足布拉格條件的干涉圖樣：

等式（3）

其中K_G表示光柵的波矢量以及由K_G = K_S- K_R來表述各波矢量K_R、K_S和K_G之間的布拉格條件。

以類似的方式，另一對參考束和物體束（未示出）可被輻照到全息光學元件410上。在這種情況下，參考束還可以是基本準直或類似準直的以形成平面波。此外，物體束可從與要被指引到全息光學元件410的頂面412的觀看者的左眼相對應的點r₂發(fā)散。當一對參考束和物體束輻照全息光學元件時，干涉圖樣可在全息光學元件410中被記錄為體相位光柵?？赏ㄟ^下面的等式來表述滿足布拉格條件的干涉圖樣：

（等式4）

其中I_R和I_S分別指示參考束和物體束的強度，K_R、K_S和K_G分別指示參考束、物體束和光柵的波矢量，以及通過K_G = K_S- K_R來表述各波矢量K_R、K_S和K_G之間的布拉格條件。

圖5圖示根據(jù)本公開的一個實施例的分別被指引到全息光學元件410的頂面412上的參考中心點O的物體束430的射線510和參考束420射線520的入射角α和β。如所示的，物體束430的射線510從與觀看者的右眼相對應的點r₁輻照到全息光學元件410的頂面412上的中心點O。射線510形成相對于垂直于頂面412的線530的入射角α。另一方面，參考束420的射線520以相對于法線530的入射角β輻照到全息光學元件410的頂面412中的中心點O上。

在所圖示的實施例中，入射在頂面412上的射線510以相對于法線530的折射角α'在全息光學元件410中折射。類似地，入射在頂面412上的射線520以相對于法線530的折射角β'在全息光學元件410中折射?；谒鼓鶢柖桑肷浣?i>α和β與折射角α'和β'之間的關(guān)系可表述如下：

等式（5）

等式（6）

其中n_air指示對于空氣的折射率并且n_p指示對于全息光學元件410的折射率。例如對于全息光學元件410的折射率n_p可以是1.485。

當射線510和520照射全息光學元件410時，形成射線510和520之間的干涉圖樣并且將其在全息光學元件410中記錄為體相位光柵，如上文參考圖4所述的那樣。干涉圖樣（或體相位光柵）可根據(jù)射線510和520的波長（其可對應于紅色、綠色或藍色）而變化。例如，可通過照射綠光的射線510和520來記錄干涉圖樣。

在一個實施例中，當綠光（例如具有532nm的波長）的射線510和520以入射角α_g和β_g入射到全息光學元件410上時，射線510和520在全息光學元件410中形成折射角α_g'和β_g'。在這種情況下，可通過下面的等式定義針對綠光的入射角α_g和β_g的半角θ_g：

等式（7）

類似地，可通過下面的等式定義針對綠光的折射角α_g'和β_g'的半角θ_g'：

等式（8），

基于針對綠光的半角θ_g'，當在全息光學元件410中記錄的針對綠光的體相位光柵的周期Λ_g滿足布拉格角條件時，可通過下面的等式來表述針對綠光的周期Λ_g：

等式（9）

在這里λ_g指示綠光的波長，例如532nm。

假設(shè)針對綠光的半角θ_g'，分別滿足布拉格角條件的針對紅光和藍光的光柵周期Λ_r和Λ_b可通過下面的等式來分別表述：

等式（10）

等式（11）

在這里λ_r指示紅光的波長（例如633nm）并且λ_b指示藍光的波長（例如490nm）。

一旦確定針對紅光的光柵周期Λ_r，就可通過下面的等式獲得針對紅光的入射角α_r'和β_r'的半角θ_r'：

等式（12）

同樣地，可通過下面的等式獲得針對藍光的入射角α_b'和β_b'的半角θ_b'：

等式（13）。

如上文所述，如果針對綠光的入射角α_g'和β_g'被確定，則可基于上述等式獲得針對紅光的半角θ_r'和針對藍光的半角θ_b'。此外，一旦獲得針對紅光的半角θ_r'，針對紅光的入射角α_r'和β_r'就可被確定成滿足上述等式（12）的任何適當值。類似地，一旦獲得針對藍光的半角θ_b'，針對藍光的入射角α_b'和β_b'就可被確定成滿足等式（13）的任何適當值。除了在等式（12）和等式（13）中描述的對于α_g'、β_g'、α_r'、β_r'、α_b' 和β_b'的選擇標準之外，還可滿足恒等式α_g' - β_g'=α_r' - β_r'=α_b' - β_b'。可以使用等式（5）和等式（6）中的斯涅爾定律來確定空氣中各自的角度。

在一個實施例中，當針對全息光學元件410的折射率n_p是1.485時，針對綠光的入射角α_g和β_g可分別被配置成6°和55°?；卺槍G光的這些入射角，針對紅光的入射角α_r和β_r可分別被確定成1.4°和48.7°，并且針對藍光的入射角α_b和β_b可分別被確定成8.5°和58.8°。以這種方式，可獲得針對紅色、綠色和藍色的幾對入射角α_r和β_r、α_g和β_g以及α_b和β_b。盡管在所圖示的實施例中射線510和520被描述為綠光，但它們還可以是光的任何其他適當?shù)念伾虿ㄩL以及可從其獲得針對其他顏色或波長的射線510和520的入射角。

一旦已經(jīng)獲得針對紅色、綠色和藍色的入射角，就可以以相關(guān)聯(lián)的入射角對α_r和β_r、α_g和β_g、或者α_b和β_b將紅色、綠色和藍色中的一個的射線510和520輻照在全息光學元件410上。結(jié)果，與該對入射角（即一對α_r和β_r、一對α_g和β_g或者一對α_b和β_b）相關(guān)聯(lián)的干涉圖樣被記錄在全息光學元件410中。在重構(gòu)模式中，當參考束被輻照在全息光學元件410上時，所記錄的干涉圖樣被配置成將參考束會聚在與點r₁相對應的位置處。在一些實施例中，輻照在全息光學元件410上的參考束的波長可在一定程度上偏離布拉格角條件，在這種情況下全息光學元件410中的干涉圖樣被記錄。通過偏離布拉格角條件，顏色可能在某一程度上未對準并且這可能導致更寬色域的顯示并且可能降低顏色串擾。

參考源自與右眼相對應的點r₁的物體束430和射線510以及從左手側(cè)入射的參考束420圖示了上面的圖4和圖5中的實施例。然而，實施例可等同地應用于物體束從與左眼相對應的點r₂發(fā)散且參考束從右手側(cè)入射到全息光學元件410上的情況。在這種情況下，物體束可包括從點r₂指引到中心點O的射線。

圖6圖示根據(jù)本公開的一個實施例的被配置成將參考束670和物體束680之間的干涉圖樣記錄在全息光學元件690中的記錄系統(tǒng)600的框圖。該記錄系統(tǒng)600包括激光源612、空間濾波器614、束準直器616以及用于生成準直束的束擴展器618。激光源612被配置成發(fā)射特定波長的激光束?？臻g濾波器614從激光源612接收激光束并對其濾波以增強激光束的強度剖面。束準直器616被配置成從經(jīng)濾波的激光束產(chǎn)生準直束，并且束擴展器618通過增加準直束的直徑來擴展來自束準直器616的準直束。

記錄系統(tǒng)600還包括反射鏡620，其被配置成將準直束從束擴展器618指引到分束器630。分束器630將準直束分成用于產(chǎn)生參考束670和物體束680的一對光束。這對光束中的一個被指引到反射鏡640，該反射鏡640被安裝在活動臺642和旋轉(zhuǎn)臺644上。通過控制活動臺642和旋轉(zhuǎn)臺644，反射鏡640可以被配置成將光束作為參考束670以特定入射角反射到全息光學元件690。

來自分束器630的其他光束通過會聚透鏡650以會聚在反射鏡660中的位置上，該反射鏡660被安裝在活動臺662和旋轉(zhuǎn)臺664上。通過控制活動臺662和旋轉(zhuǎn)臺664，反射鏡640可以被配置成將光束作為物體束680以特定入射角反射到全息光學元件690。在這種情況下，物體束680從反射鏡660中的會聚位置朝向全息光學元件690發(fā)散。

全息光學元件690被安裝在活動臺692（例如軌）和旋轉(zhuǎn)臺694上?；顒优_692和旋轉(zhuǎn)臺694還可被控制成針對參考束670和物體束680的期望入射角與反射鏡640和660同步地定位全息光學元件690。在一個實施例中，記錄系統(tǒng)600還可包括控制單元（未示出）以控制活動臺642、662和692以及旋轉(zhuǎn)臺644、664和694來以期望的入射角指引參考束670和物體束680。

根據(jù)一個實施例，激光源612可被配置成發(fā)射與綠色相對應的特定波長（例如532nm）的激光束。在這種情況下，活動臺642、662和692以及旋轉(zhuǎn)臺644、664和694可被控制成將參考束670和物體束680以針對綠色的預定入射角（例如如上所述55°和6°）指引到全息光學元件690。以這種方式輻照的參考束670和物體束680產(chǎn)生與綠色相關(guān)聯(lián)的干涉圖樣。全息光學元件690中的干涉圖樣被記錄為體相位光柵。

為了產(chǎn)生針對另一顏色（諸如紅色或藍色）的另一全息光學元件，活動臺642、662和692以及旋轉(zhuǎn)臺644、664和694可被控制成將參考束670和物體束680以另一對預定入射角指引到全息光學元件。例如，針對紅色的一對入射角可以是48.7°和1.4°，并且針對藍色的一對入射角可以是58.8°和8.5°，如上所述。盡管用與綠色相對應的波長的激光束描述激光源612，但是它還可生成具有任何其他適當波長（諸如紅色、藍色等等）的激光束。在這種情況下，可基于激光束來確定對于參考束670和物體束680的入射角，并且記錄系統(tǒng)600可配置要以該入射角輻照在全息光學元件690上的參考束670和物體束680。通過將干涉圖樣分開記錄在個體的全息光學元件上，可在將多個干涉圖樣同時記錄在全息光學元件上的情況下增強衍射效率。

圖7圖示根據(jù)本公開的一個實施例的在記錄系統(tǒng)600中執(zhí)行的用于將參考束670和物體束680之間的干涉圖樣記錄在多個全息光學元件中的方法700的流程圖。在710處，基于要從激光源612發(fā)射的激光束的波長（例如與綠色相對應的532nm）為一組特定顏色（例如紅色、綠色和藍色）確定參考束670和物體束680的多對入射角。在720處，全息光學元件被定位成以針對特定顏色（例如紅色）確定的一對入射角處接收參考束670和物體束680。在一個實施例中，活動臺642、662和692以及旋轉(zhuǎn)臺644、664和694可被控制成對全息光學元件進行定位。

在730處，根據(jù)由激光源612發(fā)射的激光束來生成參考束670和物體束680。在一個實施例中，空間濾波器614、束準直器616、束擴展器618和分束器630可被用來生成參考束670和物體束680。在740處，以針對特定顏色確定的入射角來將參考束670和物體束680指引到全息光學元件上。因此，在750處，參考束670和物體束680的干涉圖樣被記錄在全息光學元件中。

一旦在全息光學元件中的記錄被完成，就在760處確定是否還剩余下一特定顏色（例如綠色或藍色）。如果剩余下一特定顏色，則方法700繼續(xù)到720來定位新的全息光學元件以便以針對下一特定顏色確定的一對入射角接收參考束670和物體束680。否則，如果沒有剩余下一特定顏色，則方法700繼續(xù)到770以堆疊干涉圖樣已分別被記錄在其中的多個全息光學元件。

圖8圖示根據(jù)本公開的一個實施例的被配置為多個全息光學元件810、820和830的堆疊的全息光學元件800。各全息光學元件810、820和830中的每一個可以是體積全息光學元件。該體積全息光學元件可以是記錄材料的厚度大于用于記錄一個或多個干涉圖樣的光的波長的全息圖。例如，體積全息光學元件可配置有范圍在10微米和100微米之間的厚度。然而，適用于記錄一個或多個干涉圖樣的任何其他厚度可被用于全息光學元件中的每一個。在一些實施例中，各全息光學元件810、820和830中的每一個可以是全息圖光聚合物膜。

如參考圖6所述，準直參考束和發(fā)散物體束的干涉圖樣可基于針對該準直參考束和發(fā)散物體束的特定波長（諸如綠色（例如532nm））被記錄在各全息光學元件810、820和830中的每一個中。例如，記錄在全息光學元件810中的干涉圖樣被配置成使與紅色（例如633nm）相對應的波長的入射光束進行衍射。因此，當紅色光束進入全息光學元件810時，全息光學元件810中的干涉圖樣使光束衍射以會聚在例如與觀看者的左眼相對應的位置上。另一方面，另一種顏色的光束可在沒有衍射的情況下通過全息光學元件810。以類似的方式，記錄在全息光學元件820和830中的干涉圖樣被配置成在不使其他顏色的光束衍射的情況下使綠色和藍色光束分別衍射到與左眼相對應的位置。盡管全息光學元件810、820和830被描述為將入射光束會聚到與觀看者的左眼相對應的位置上，但是它們還可被配置成將入射光束會聚到與觀看者的右眼相對應的位置。

全息光學元件810、820和830形成在其中全息光學元件830、820和810按照從底到頂?shù)捻樞蚨询B的堆疊。在其他實施例中，全息光學元件810、820和830可以以任何其他適當順序堆疊。全息光學元件810、820和830的堆疊可被用作圖1中的全息光學元件132或全息光學元件134。在全息光學元件134的情況下，全息光學元件810、820和830的堆疊可被旋轉(zhuǎn)180°以用作全息光學元件134。

圖9圖示根據(jù)本公開的一個實施例的被配置成分別在第一和第二方向上將準直光束172和174輻照在全息光學元件800和900的堆疊上的導光板120。準直光束172和174中的每一個可包括多種顏色（諸如紅色、綠色和藍色）的光。如所示的，全息光學元件800被配置為上文參考圖8描述的全息光學元件810、820和830的堆疊。類似地，全息光學元件900被配置為全息光學元件910、920和930的堆疊。根據(jù)一個實施例，全息光學元件800和900可與圖1中的全息光學元件132和134相對應。

在一些實施例中，全息光學元件810、820和830可包括被配置成分別使紅色、綠色和藍色的光束衍射的干涉圖樣。當來自導光板120的準直光束172在第一方向上輻照在全息光學元件800上時，光束172中的紅色、綠色和藍色的光束分別在全息光學元件810、820和830中衍射以會聚在與觀看者的左眼相對應的位置上。類似地，全息光學元件910、920和930也可包括被配置成分別使紅色、綠色和藍色的光束衍射的干涉圖樣。在這種情況下，全息光學元件910、920和930中的干涉圖樣使準直光束174中的紅色、綠色和藍色的光束分別衍射以會聚在與觀看者的右眼相對應的位置上。

盡管全息光學元件900被描述為堆疊在所圖示的實施例中的全息光學元件800上，但是可以以相反的順序來堆疊全息光學元件800和900。此外，盡管全息光學元件900被描述為形成在其中全息光學元件930、920和910按照從底到頂?shù)捻樞蚨询B的堆疊，但全息光學元件910、920和930可以以任何適當順序堆疊。在一些實施例中，全息光學元件800和900中的一個可被配置有任何適當數(shù)目的全息光學元件以使任何適當顏色的光衍射。例如，全息光學元件800或900中的一對或多對全息光學元件可被配置成使一對或多對補色（諸如黃色和紫色、藍色和橙色）的光衍射。

在一些實施例中，全息光學元件可包括對于不同顏色的多個干涉圖樣。例如，全息光學元件800可包括第一全息光學元件（其包括針對紅色和藍色的干涉圖樣）和第二全息光學元件（其包括針對綠色的干涉圖樣）。在這種情況下，紅色和藍色的入射光可在第一全息光學元件中被衍射以會聚到與觀看者的左眼相對應的位置上。類似地，綠色的入射光可在第二全息光學元件中被衍射以會聚到與觀看者的左眼相對應的位置上。

圖10圖示根據(jù)本公開的一個實施例的被配置成引導在特定方向上從光源輻照的光的導光板1000的截面圖中的一部分。如所示的，導光板1000包括鄰接多個全息光學元件的堆疊（諸如圖1中的全息光學元件132和134的堆疊130）的頂面1010。導光板1000還包括側(cè)面1020，通過該側(cè)面來輻照來自光源的光。此外，導光板1000的底面1030被配置為棱鏡結(jié)構(gòu)以朝向鄰接多個全息光學元件的堆疊的頂面1010反射來自光源的光。

底面1030上的棱鏡結(jié)構(gòu)被配置為多對斜面1032和1034。每對斜面1032和1034都在底面1030上形成一個凹槽。斜面1032和1034（其可是對稱或不對稱的）關(guān)于同頂面1010平行的參考面1040分別形成一對傾斜角θ_E和θ_W。在一些實施例中，傾斜角θ_E和θ_W小于10°并且可彼此相同。導光板1000的側(cè)面1020可以以相對于垂直于參考面1040的線1042的傾斜角γ來傾斜。

在所圖示的實施例中，光源和導光板1000可被實施為上文在圖1中圖示的光源112或114以及導光板120。光源將光1052輻照在導光板1000的側(cè)面1020上，并且由于折射率的差，光1052以折射角θ₁在側(cè)面1020處折射到導光板1000中。折射光1052以入射角ρ_i入射到斜面1032上并且以折射角ρ_r從斜面1032反射。在這種情況下，可通過下面的等式來表述入射角ρ_i和折射角ρ_r：

等式（14）

從斜面1032反射的光1052以入射角入射到頂面1010上，可通過下面的等式來表述入射角：

等式（15）。

然后入射光1052以折射角在頂面1010處折射以在朝向全息光學元件的堆疊的特定方向上引導光1052?；谒鼓鶢柖?，可通過下面的等式來獲得折射角：

等式（16）

在這里，n_LGP表示導光板1000的折射率并且n_air表示空氣的折射率。例如，在導光板1000由聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯形成的情況下，n_LGP可以是大約1.5到1.6。

如圖10中所示，光源還可將光1054輻照在導光板1000的側(cè)面1020上，在該側(cè)面1020處光1054以折射角θ₂折射。然后折射光1054以入射角ρ_i從頂面1010反射朝向斜面1034。入射在斜面1034上的光1054以與入射角ρ_i相同的反射角ρ_r從斜面1034反射。然后將反射光1054以入射角指引到頂面1010，可通過下面的等式表述入射角：

等式（17）。

入射在頂面1010處的光1054以折射角折射以在朝向全息光學元件的堆疊的特定方向上引導光1054?；谒鼓鶢柖桑赏ㄟ^下面的等式來獲得折射角：

等式（18）。

盡管所圖示的實施例將光1052和光1054描述為分別從斜面1032和1034反射，但是導光板1000可被配置成使光1052和1054從一個或多個斜面1032和/或1034反射任何適當?shù)拇螖?shù)。例如，當來自光源的光以折射角θ在導光板1000的側(cè)面1020處折射時，光可從一個或多個斜面1032反射n次和/或從一個或多個斜面1034反射m次，在這里n和m是大于或等于零的整數(shù)。

在光被反射n或m次之后，光可以以入射光通過頂面1010被折射的入射角入射到頂面1010上。例如，當入射角小于針對全內(nèi)反射的臨界角時，入射光可通過頂面1010被折射。對于要通過頂面1010被折射的光，可通過下面的等式來表述入射角：

等式（19）

此外，可根據(jù)斯涅爾定律通過下面的等式來確定折射角：

等式（20）。

在一個實施例中，斜面1032和1034的傾斜角θ_E和θ_W可分別被設(shè)置成小于10°。如上文那樣配置的導光板1000可以以光強分布中的增加的精確度和均勻性在特定方向上引導從光源輻照的光。例如，以小于10°的傾斜角θ_E和θ_W配置的導光板1000可引導來自光源的要在頂面1010處以大于45°的折射角折射的光。此外，導光板1000中的斜面1032和1034可起到朗伯反射面的作用，由此增強通過導光板1000的頂面1010被折射的入射光的均勻分布。

根據(jù)一些實施例，來自光源的光可根據(jù)頂面1010的位置以變化的角度通過頂面1010被折射。在這種情況下，最大折射角與最小折射角之間的差可被稱為折射角的角度帶寬，并且可根據(jù)FWHM（半最大值全寬度）方法來確定角度帶寬。例如，當斜面1032和1034的傾斜角θ_E和θ_W分別被設(shè)置成小于10°時，折射角的角度帶寬可變窄成小于30°。結(jié)果，被導光板1000引導的光束可基本準直或類似準直。為了在期望折射角大于45°的特定方向上引導來自光源的光，可以以小于10°的任何適當角度來配置斜面1032和1034的傾斜角θ_E和θ_W。

盡管已經(jīng)以針對結(jié)構(gòu)特征和/或方法行為的語言描述了該主題，但是要理解的是在所附權(quán)利要求中限定的主題不一定被限于上述具體特征或行為。相反地，將上述具體特征和行為公開為實施權(quán)利要求的示例形式。