可控偏转装置的制作方法

专利名称：可控偏转装置的制作方法
可控偏转装置本发明涉及一种可控偏转装置，其包括可控棱镜单元，用于偏转由可控调制器单 元向观察者平面可视区域中的观察者眼睛发射的光束。在基于电湿润单元运作的所述棱镜 单元之内，对两种不相溶材料之间的界面进行调控，使得所述界面的可变弯曲产生至少一 个楔角，以便借助由控制工具控制的电极布置，偏转所述棱镜单元中的光束。照射在所述调 制器单元上的光束具有确定的强度分布(defined intensity distribution)。所述可控偏转装置可被应用于含有光调制器的光调制器装置中，其中所述光调制 器包含规则排列的调制器单元，用于调制光束。每个调制器单元分配有一个可控偏转装置。 本发明中配备的光调制器装置例如可被用于具有以下功能的全息显示器其为至少一位观 察者全息重建三维(3D)场景，并且所述观察者从其可视区域观看全息重建的三维场景。利 用软件工具将偏转装置经由控制工具与位置检测系统相连接，以便确定观察者眼睛的位置 信息，并进而确定光束从显示装置的光轴射向观察者眼睛的偏转角。在申请人提交的其他申请文件中，可视区域又被称为“观察者视窗”，这在显示器 前方的观察者平面中由光束重叠而产生。所述可视区域的大小至少相当于观察者眼睛瞳孔 的大小。这意味着，要分别为左、右观察者眼睛接连地生成场景的全息重建的左、右透视图 (perspective)，以便对应可视区域中的观察者眼睛位置，向观察者提供具有恰当透视图的 完整重建。在观察者平面中会发生衍射光的多级衍射(several diffraction orders)。根 据本发明，所述多个衍射级是由各个调制器单元(individual modulatorcells)和相对应 的棱镜单元(corresponding prism cells)使光衍射而产生的。为了跟踪，优选地，要使观 察者眼睛的可视区域始终处于两个衍射级之间的区域中。在本申请中，零阶衍射基本与本 发明所配备的显示装置的光轴相一致。如果观察者眼睛处于远离零阶衍射的衍射级时，相 应地较弱的强度会到达邻近的眼睛或进入该眼睛的可视区域中。这意味着，会发生双眼信 息的相互串扰(mutual cross-talking)。如果这些衍射级的强度超过某一程度，例如超过 所产生的可视区域中强度的5%，那么当观看全息重建时，对邻近观察者眼睛的串扰会作为 干扰被感觉到。整个光调制器的衍射图由各个调制器单元的衍射图重叠而成。串扰，即对邻近可视区域中衍射级的感知(perception)，例如可借助像素切趾 (pixel apodisation)全部抑制或部分抑制。所谓的“像素”在此可被理解为调制器单元。 像素切趾可利用许多借助于切趾包络(apodisationprofilehSLM pixel (x, y)的方法实 现。如果单个调制器单元(single modulatorcell)的填充系数(FF)例如大于0. 5 ( S卩，FF >0. 5)，并且如果该调制器单元的区域不是很小，那么选择所述单独的调制器单元的特定 透射曲线，用于实现使多级衍射的强度不会干扰邻近眼睛。在某些应用中，仅仅靠这些措施是不够的。此外，当在显示器中使用用于实现跟 踪功能和在广视角范围(large angular range)使光束跟踪到移动的观察者眼睛的光学 元件时，会产生更多问题。优选根据电可变表面张力(electrically variable surface tension)的工作原理运行的偏转装置(即，电湿润单元)，作为这种适于跟踪的元件的一个 例子。规则排列于单元阵列中的多个此类偏转装置，可被用在光调制器装置中，以偏转光 束o
众所周知，电湿润单元包括容器(container)，所述容器具有例如至少两种不同 的材料或液体，例如油和水，其界面在电极被施加的电压控制时可以实现透镜和/或棱镜 功能。所施加的电压可使单元内部的界面(interface)形成一平并可使该界面围绕至少 一个轴可变地倾斜，使得所述材料可形成两个可控的微棱镜，并且每个微棱镜都具有一定 的棱镜楔角(prism wedge) 0下文将这种类型的单元称为棱镜单元。当入射光束通过所 述微棱镜之间的倾斜界面时，会发生某一角度的偏转，因此可用于生成全息显示器的观察 者平面中的被跟踪的可视区域。当观察者在显示器前面移动时，通过改变所述界面的倾斜 (inclination)便可跟踪到所述可视区域，并进而跟踪到光束的偏转角度。这样做的不利之 处在于，当光束在界面处发生偏转时，该光束的横截面会被压缩(compressed)。在例如偏转 角为25°时，轴向对称光束在偏转方向约被压缩至其原尺寸的1/2。在被压缩后，该光束强 度的集中区域将会变小。同时，这还降低了与棱镜单元一起形成功能元件的调制器单元的 有效填充系数(FF)。

图1示意性示出在光束通过两种材料之间的可控界面后对其某一偏转角度的压 缩。具有二维范围(two-dimensional extent)a、b的入射光束具有近乎呈正方形的截面区 域c。为了清楚地说明，在附图中仅用虚线标示选择的光线的轮廓线。用箭头指示通过微透 镜5、6的光程(optical path)。微透镜5、6通过两种不同种类并且不相溶的液体之间可控 界面的倾斜而形成，且所述微透镜分别具有楔角55、66，此处所述楔角55、66例如为31°。 当入射光束被倾斜界面偏转时，其在偏转方向上也被压缩。在发生偏转期间，光束的横截面 的面积c’被压缩为仅是原面积c的1/3，并且当所述光束离开微棱镜5时，其具有矩形范围 a’、b’。在附图中，由粗线示出了该区域c’的轮廓。所述偏转造成分配有(assign with) 具有微透镜5、6的棱镜单元的调制器单元的填充系数(FF)从等于0. 8( S卩，FF = 0. 8)下 降至等于0. 24 (由0. 8X0. 3 = 0. 24计算出)。在调制器单元缩小后的有效区域内，邻近的 衍射级中的强度(即，对邻近的眼睛造成冲击的强度)无法仅通过切趾包络而降低。界面越倾斜，光束压缩程度越大。这造成更多的光束能量被分布到可视区域以 外的邻近的衍射级中。这部分能量大到会将其感觉成对串扰(cross-talking)产生干扰 (disturbing)影响。光束压缩及与之伴随的串扰将跟踪显示器前方空间中的可视区域 的特性限制在较窄的视角范围。这可以例如利用具有更大的调制器单元的光调制器来预 防，其中所述调制器单元可以用于在衍射级彼此接近处形成衍射图并且用于将边峰(side peaks)的强度集中至较小的区域内。然而，在全息显示器中使用更大的调制器单元，使得可 视区域变得太小，以至于无法可靠地跟踪例如、= 450nm的波长。当每个棱镜单元中只有两个微透镜时，会产生另外一个问题，那就是单个可变界 面。从该界面被反射并因此未到达观察者眼睛的光束，其强度的比例随着两个微透镜之间 的界面的倾斜度的增加而增加。因此，若要从一开始就使强度损失最小化，就要在一个棱镜 单元中形成至少三个微棱镜以实现偏转。总之，必须注意的是，入射光束压缩程度越大，在利用具有微棱镜的电湿润单元偏 转光束时产生的偏转角度就越大。尽管单个调制器单元(amodulator cell)的有效区域没 有因此而发生变化，但是分配给具有微棱镜的棱镜单元的调制器单元(modulator cells) 的填充系数(FF)却显然降低了。其缺陷在于，调制器单元的衍射图的强度随着偏转角的增 加而分布在较大的区域上，使得邻近的衍射级的边峰的强度部分也随之增加，从而被感知
5为对邻近的眼睛中的串扰产生干扰。只有引入附加措施(additionalmeasures)才能在维 持较大偏转角以提供较大跟踪范围的同时减少串扰。当以通过电湿润单元偏转光束为基础来跟踪可视区域时，还存在另外一些缺陷； 并且在全息显示装置中结合使用前述特性的话，这些缺陷就更为明显；这些缺陷将在以下 结合附图的说明中加以描述。本发明的目的之一在于提供一种在光调制器装置中以较大视角范围跟踪观察者 平面中的可视区域的装置，所述可视区域是由光束产生的，其中借助可控微棱镜通过偏转 光束实现上述跟踪。上述由微棱镜进行偏转所存在的缺陷将尽可能地被最小化。具体而言， 由压缩造成的、在偏转后光束横截面区域缩小的影响将几乎被完全补偿。本发明目的可通过一种可控偏转装置实现，所述可控偏转装置包括可控棱镜单 元和可控电极布置，其中所述棱镜单元含有多种不相溶材料并且其分配给可控调制器单 元，从光线传播方向来看所述可控调制器单元设置在棱镜单元前面并且由具有确定的强度 分布的光束照射，其中所述电极布置控制在所述棱镜单元内部的两种不相溶材料之间形成 的界面，以将光束偏转向可视区域中的检测到的观察者眼睛，以及其中与确定的强度分布 相比，偏转光束在可视区域中具有不同的或变化的所述调制器单元的衍射图的强度分布。本发明的目的通过在可控偏转装置的光程中设置几何光学元件来实现，所述几何 光学元件包括调制器单元的有效区域和/或所述棱镜单元中的材料。根据本发明，可视区 域中发生变化的强度分布通过降低较高衍射级的边峰的强度而在光程中获得补偿，这是因 为调制器单元的有效区域的形状适合于所述变化的强度分布，和/或因为棱镜单元中所用 的材料在其界面处产生均勻的折射能力分布。这样确保强度分布主要处于检测到的眼睛的 可视区域中，并且覆盖观察者其他眼睛的可视区域中的衍射级仅接收很少的能量，使得没 有串扰会被感知到。在本发明的一实施例中，可控偏转装置经由所述控制工具与位置检测系统相连 接，用于检测观察者平面中的至少一只观察者眼睛的位置，以根据检测到的观察者眼睛的 位置产生至少一楔角。进一步地，根据本发明，向偏转装置分配一个跟踪范围，在所述跟踪范围中，使产 生可视区域的光束根据观察者眼睛位置的变化进行偏转。作为第一简单的措施，调整调制器单元的形状，使光束的压缩被最小化。所提供的 调制器单元在相对应的棱镜单元产生最大光束偏转的方向上，其有效区域具有最大范围。 由于这种设计，调制器单元在偏转方向上的范围被扩大了，因此补偿了由该方向上的光束 压缩所造成的强度分布的变化。这样使光束横截面受压缩的影响被最小化。作为使压缩最小化的第二措施，棱镜单元具有至少四个界面，其中在三种材料 之间的至少两个界面随所施加的电压可变化地倾斜，使得折射能力尽可能均勻地穿过 (across)所述材料分布。此处折射能力是对棱镜单元偏转度的一种测量。这是为了保证 光束的偏转在每个界面处尽可能均勻地转换进入该棱镜单元之后的材料中。通过在棱镜单 元中不同地形成微棱镜可以在由三部分构成的棱镜单元中实现均勻的折射能力分布。一方 面，棱镜单元中的至少两种材料具有相同的界面楔角，从而形成相同的微棱镜，从与光程垂 直角度看所述微棱镜相互排列成彼此镜像对称。这用于实现光束的最小压缩。该技术方案 的优势在于，所形成的每个微棱镜仅需要少量的控制电压线用于设置偏转方向上的倾斜角
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在本发明的另一实施例中，至少一偏振工具设置在所述光程中，以在跟踪所述可 视区域的同时，防止在所述跟踪范围中发生相位跃变。所述偏振工具给要偏转的光束提供 输入偏振瓦，所述输入偏振巧垂直于可视区域跟踪到观察者眼睛所沿的平面。跟踪范围由 光束的最大可实现偏转角所确定。在本发明的另一实施例中，一旦由所述偏转和由反射造成所述光束的能量损失超 过可视区域中的一给定值时，就通过所述控制工具将用作校正值的附加强度值赋予每个调 制器单元。所述校正值优选地存储在校正值表中，并且能够从该表中被取回，所述校正值至 少用于具有连续值图案的一维偏转。为了通过局部限定方式扩大在检测到的观察者眼睛所处位置处的可视区域，通过 所述控制工具生成附加控制信号，用于对所述眼睛处形成的可视区域执行快速周期横向偏 移。附加控制值优选地被作为相位信号和/或振幅信号加到在光调制器上编码的数值中和 /或加到用于棱镜单元的控制值中，以实现局部限定的偏移。这些附加信号或值根据观察者 眼睛检测到的偏转角度来设置。在本发明的另一实施例中，将多个水平和/或垂直排列的棱镜单元组合成一个棱 镜单元组，所述棱镜单元像一个单位一样可控，其中要在两个邻近的所述棱镜单元之间产 生的、与所述观察者眼睛相关的所述光束的角度差低于一阈值。这有利于棱镜单元阵列的 设计。在本发明的优选实施例中，将至少一个可控偏转装置分配给一个光调制器，其中 在调制器单元上对将显示的全息重建的全息图的复合值进行编码，并且其中具有确定的强 度分布的相干光束穿过所述光调制器，在被所述调制器单元和相对应的下游偏转棱镜单元 衍射之后，所述相干光束在观察者平面的可视区域中被重叠成衍射图的强度分布。将调制 器单元的衍射图分配给相对应的下游偏转棱镜单元。在通过所述棱镜单元进行偏转之后， 光束呈现不同的强度分布。设置在光程中的几何光学元件补偿所述变化，以降低在其他眼 睛的可视区域中检测到的眼睛的可视区域的衍射图的边峰的强度。这之所以能实现，是因 为调制器单元的有效区域的形状适合于所述变化的强度分布，和/或因为棱镜单元中使用 的材料在其界面处产生均勻的折射能力分布。在本发明的另一实施例中，将配备有多个可控偏转装置的光调制器集成进光调制 器装置中。可控调制器单元以规则模式排列在光调制器中，并且每个调制器单元被分配给 根据权利要求1至10中至少一个权利要求所述的可控偏转装置。光调制器装置可以例如应用在用于呈现全息重建的全息显示装置中。下面将通过实施例结合随附附图对本发明进行详细说明，其中图1是一透视图，示出通过两种不相溶材料之间的可控倾斜界面对光束进行的偏 转和压缩；图2a和2b示出调制器单元的有效区域的例子；图3是一俯视图，示出光束的光程，该光束由调制器单元发射并且由具有相同设 置的(identically set)楔角的可控棱镜单元将其向观察者眼睛偏转；图4是一俯视图，示出通过具有不同倾斜界面的可控棱镜单元的光束；以及图5a、5b示出可视区域的跟踪范围，其中在图5a中示出偏振装置的电场方向，并且在图5b中示出一个由两部分组成的、具有所述偏振装置的棱镜单元。根据本发明的可控偏转装置包括的主要部件是具有至少三种材料的棱镜单元4， 所述棱镜单元4与电极布置U a ijl. .. U a ijn相连接，用于使在材料之间形成的界面发生 倾斜。进一步地，将控制工具CM提供给每个棱镜单元4以控制所述电极布置。下标ij与 分配给棱镜单元的可控调制器单元2相关，并定义了所述调制器单元2在光调制器(未示 出)中所处位置。电极布置Umij用于控制对应的调制器单元2。控制工具CM还与位置检 测系统PF相连接。光束总是以垂直的角度进入棱镜单元的第一界面。各个元件仅仅是示 例性示出，并且省略了对其过多的详细说明，以便于更好地理解本发明的原理。图1已经在上文的背景技术中进行了说明；其用于概括地描述当通过电湿润单元 偏转光束时所发生的压缩。该图省略了其他元件的标示。图2a、2b示出调制器单元2的有效区域3，其中图2a中的有效区域是正方形，图 2b中的有效区域是适合于压缩的矩形。参见图2b，考虑到在偏转方向发生的压缩，因此使调制器单元2的范围沿该偏转 方向增大。而图2b中的整个有效区域3却保持与图2a中的有效区域同样大小。在本实施 例中，在有效区域3的上、下方具有更多用于设置电控制线的空间，其中所述电控制线对于 规则地排列在光调制器中的控制调制器单元2来说是必须的。有效区域3在此应被理解为 光束1穿过或光束1被反射、因此分别形成透射或反射调制器单元2的表面面积。图3用点划线(chain line)示出了射向观察者眼睛9的光束1的光程。光束1穿 过调制器单元2和所分配的具有确定的强度分布的棱镜单元4。在第一实施例中，可控偏转 装置包括棱镜单元4，所述棱镜单元4由两个微棱镜5和一个微棱镜6分别顺次连接形成， 其中微棱镜5和微棱镜6由两种不同的材料制作而成。对所形成的两个相同微棱镜5施加 控制电压，使两个界面发生倾斜，从而在两种不同材料的界面处形成两个相同的楔角。两个 微棱镜5由相同的材料制作而成，并且与夹在它们中间的材料对应排列，使得从与光程垂 直角度看，这两个微棱镜5彼此相对并呈镜像对称地(mirror-symmetrically)设置。这样 确保折射能力普遍地均勻分布在每个界面之后的材料上，因而使光束1的压缩最小化。由 于光束1以垂直角度照射在棱镜单元4的第一界面上，使得从一种材料至另一种材料的转 移不影响折射能力的分布。对于控制微棱镜5、6所必须的电极而言，通过微棱镜的这种排列方式，每一偏转 方向上的电极数量可被优选地减少到只有两个电极Ua ijl和Ua ij2。Umij表示每个调制 器单元2的数据线，U0表示地线。将恒定电压Uc连续地施加给每个棱镜单元4中的极性 液体(通常是水)。棱镜单元4的电极布置经由控制工具CM与位置检测系统PF电连接，以 检测位于观察者平面10中的观察者眼睛9的位置。当棱镜单元4中的界面具有不同的倾斜度时，也可以使光束1横截面的压缩最小 化。图4示出一棱镜单元，其三种材料之间的两个界面倾斜不同角度。这种排列方式形成 微棱镜5、7和8，所述微棱镜5、7和8具有不同的楔角并且顺次排列。这类棱镜单元4可以 使用两种或三种不同的材料。再次，将恒定电压Uc施加给极性材料(例如，水)。然而，由 于两个界面具有不同的倾斜，使得每个偏转方向上必须相互独立地控制的电极数量增加到 四个电极U1至U4。这样才能控制两个微棱镜5和8各自的楔角。由于该棱镜的进、出表面 是共面的(coplanar)，因此第三个楔角自动形成。因此，如果要使可视区域跟踪到两个方向上的观察者眼睛，那么每个棱镜单元需要八个电极。然而，在通过使用三种不同材料使两个 界面发生不同倾斜时，仍然能够减少电极数量。所述不同材料在该实施例中是水和油。两 滴水夹着油，并且这两滴水的含盐浓度不同。图5a、5b示意性示出了偏振装置12对光束1的偏转产生的影响，并且举例说明了 通过例如一个由两部分组成的棱镜单元跟踪可视区域。参见图5a，在一坐标系统中，示出了在X-Z平面内的跟踪范围11和垂直于该平面 振荡的电场I。如果观察者移动，则光束和可视区域将会沿着该平面跟踪到观察者眼睛。在 图5a中用两个示例性箭头指示跟踪范围11。该跟踪范围11应尽可能地大，以能够同时用 于多个观察者。而无法用于位于该跟踪范围11之外的观察者眼睛。图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绘制平面 的偏振，所述偏振分量巧是平行于绘制平面的偏振，并且所述光束1射在置于光程中的偏 振装置12 (例如，偏振片)上。只有垂直于绘制平面的光束分量能够通过偏振片12并进入 设置在下游的微棱镜5、6中。通过的部分经由界面被偏转射向观察者眼睛9。如果棱镜单元实现了较大的偏转角，则光束中仍然有效的电场巧防止相位跃变的 发生。在较大偏转角处的电场的巧部分中发生的相位跃变由菲涅耳方程描述。在跟踪期间， 大概每20°就有相位跃变Ji，这会感知为干扰(disturbance)。干扰的发生取决于楔角和 邻近的微棱镜5、6的实际折射率。下面将以全息直视显示器(holographic directview display)的例子详细说明 根据本发明的可控偏转装置的功能性原理。相比确定的强度分布(the defined intensity distribution)，在本发明的上下文中仅考虑可视区域中的调制器单元的衍射图的强度分 布，该衍射图的强度分布由棱镜单元中的偏转和相应的光束压缩所改变。本发明既不考虑 也不涵盖对调制器单元中的光束进行调制所造成的强度的任何其他可能的变化。显示器包括光调制器，偏转装置阵列连接至该光调制器，所述光调制器例如是如 图3所示的设计。描绘将要产生的全息重建的全息图的复合值(complex values)在可控 调制器单元2中被编码。然而，还能够直接对将要产生的重建的波阵面进行编码。相干光 束1照射调制器单元2，并穿过该调制器单元2，进而用编码值对其进行调制，随后照射在位 于下游的各自分配的棱镜单元4上。位置检测系统PF在观察者平面10中检测光束1将会 偏转到的观察者眼睛9。从而检测到观察者眼睛9的三维坐标。该位置信息作为控制工具 CM确定观察者眼睛9相对于光调制器或显示装置的光轴的偏转角度的依据。通过相应处理 的电极Ua ijl和Ua ij2，根据所确定的偏转角度，使邻近的材料之间的界面发生倾斜。因 此，根据界面的倾斜，形成了具有实现所需偏转的楔角的微棱镜5、6。在棱镜单元阵列中，每个棱镜单元与其他棱镜单元被相对独立地处理和控制。这 使得能够为由棱镜单元射出的每一光束设定单一的传播方向，并且能够获得至少一个全息 图的复合值。然而，还能够通过软件工具水平地和/或垂直地组合棱镜单元阵列中的多个 棱镜单元，以形成多个小的棱镜单元组。特别是在这种情况下可以进行，即从观察者眼睛看 去，邻近的棱镜单元之间要实现的光束最大角度差低于某一阈值时。这些棱镜单元将会接 收相同的控制信号。于是，可以用公共控制信号控制这种棱镜单元组。可以减少控制信号 的数量或合并控制信号，并且可以简化由控制工具执行的控制过程。因此，减少了例如在全息显示器中所需的数据量。经调制的相干光束1以调制器单元2的衍射图分布的形式离开棱镜单元4时，并 在观察者眼睛9的位置处被重叠，以形成可视区域。所形成的可视区提供给检测到的观察 者的每一只眼睛。同时，由于光束1被偏转时发生压缩，因此衍射图强度的确定分布发生了 改变。能量(强度)被分布在观察者平面10的较大区域上。这种分布使较高衍射级的边 峰的强度增加，从而感知到对邻近眼睛以及因而对邻近的可视区域的串扰。光程中设置的几何光学装置能够抵消光束的压缩，因而能够将邻近的观察者眼睛 之间的串扰降低到这样一种程度，即观察者不再感到该串扰是干扰。这可以通过使用两个 措施(measure)中的一个或两者结合来实现。第一简单措施是调整光调制器的调制器单元的有效区域，并因此重新设计调制器 单元。为了使光束压缩的影响最小化，优选地使调制器单元在水平方向上(即，在光束的偏 转方向上)具有较大的范围(extent)。如此增加光束的有效区域并且形成这样一种强度分 布，即边峰的强度仅能被非常微弱地感知或根本感知不到。第二措施使光束的压缩被最小化，这是因为穿过以特定方式排列的材料的折射能 力被尽可能地均勻分布，所述特定方式排列是指在三种邻近的材料之间至少具有两个可控 界面，并且所述两个可控界面由至少三个微棱镜形成。如上所述，所述三个微棱镜可被制造 成将折射能力分配给以对称或非对称方式排列的不同尺寸的棱镜楔角。考虑到所述控制，优选采用如图3所示的对称排列方式。在这种排列方式中，通过 相应地控制界面的倾斜，以形成至少两个相同的微棱镜5，其按照相对于第三个微棱镜6呈 彼此镜像对称的方式相对设置。仅需要例如油和水作为液体。棱镜单元4中的材料次序是 水-油-水。因此，通过两个微棱镜的相同楔角使光束1的横截面的压缩最小化。如果可 控界面的倾斜度根据观察者眼睛9的位置变化，那么将保留以对称方式形成微透镜5。理论上讲，棱镜单元4中的材料次序还可以被颠倒；然而，模拟实验表明这样会使 透射率变差，并且在具有同样的偏转角度时，光束仍被较多地压缩。随着偏转角度不断增加，观察者眼睛感知的发光强度不断降低。所发生的降低从 根本上来说具有两方面的不同原因。一方面，楔角越大，从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给出所需偏转方向的光。这部分强度损失必须由校正值来 补偿。另一方面，楔角越大，光束的压缩程度就越大。光束的压缩造成观察者平面内的能量 被更多地分配到位于可视区域以外的区域内。这些能量并未到达检测到的观察者眼睛，使 得所产生的重建显得很暗。这部分强度损失也必须由校正值来补偿。因此，至少对于一维偏转来说，每个调制器单元的强度必须通过控制工具引 入校正值来增加，所引入的校正值是上述两个校正值之和。基于偏转角的累积校正值 (deflectionangle-dependent cumulative correction value)存储在每个调制器单兀的 校正值表中，并且能够从该表中取回。可选地，强度校正还可以直接通过相应地控制相干光 发射光源进行。由于在较大偏转角处会发生扰乱相位跃变(phase jumps)，在实现较大偏转角时 的另一重要措施就是，如图5b所示，将至少一个偏振工具12设置在光程中。偏振工具12 设置在光程中，以给光束1提供输入偏振巧，所述输入偏振g垂直于将可视区域跟踪到观 察者眼睛9所沿的平面。在图5a中，所述平面是X-Z平面。光束1的跟踪范围由棱镜单元5、6的最大可实现(realisable)偏转角确定。上述措施旨在抵消由界面的偏转所造成的光束压缩并且使该光束压缩最小化。 在所描述的实施例中，这是通过一维方式完成的。在不相干的方向中，所有偏转装置的 衍射图在可视区域中以不相干的方式(incoherently)重叠(superposed)，也就是所有 衍射图的强度在观察者眼睛所处区域中被叠加(added)。强度分布的不相干重叠相当于 (correspondswith)立体显示装置中可视区域的形成。这就意味着，当为每只眼睛形成可视 区域时，光束的压缩及其相应影响的问题也会发生在具有EW单元的自动立体显示器的光 程中。分给可视区域的能量再次分散，并且水平方向的能量分散越多，光束的压缩就越多， 也就是说，在光束经偏转后，在每个偏转装置下游的光束横截面就越小。因此，由检测到的 眼睛瞳孔所能感知的能量总量随偏转角度而下降，并因此光束的压缩程度就变得更大。进 入其他眼睛瞳孔中的能量总量也同时增加。光束的压缩在自动立体显示器中也会造成对未 检测到的眼睛的强度的串扰。本发明还涵盖了解决上述问题的二维方式。这样做时，需要注意的是，光束被压缩 的横截面取决于观察者眼睛的位置和每个棱镜单元中所连续形成的微棱镜的数量。当观察者眼睛仅在边上移动时，为了不立即启动通过控制工具跟踪可视区域，在 检测到的观察者眼睛所处位置处以局部限定方式(locallyconfined manner)扩大可视 区域。这之所以能实现，是因为所述眼睛位置处形成的可视区域还执行快速周期横向偏移 (fast periodic lateralexcursion)。为此，控制工具产生附加控制值，该附加控制值被作 为相位信号和/或振幅信号加到在光调制器中编码的数值中和/或加到对棱镜单元的控制 值中。所述附加控制信号根据观察者眼睛的实际偏转角度和与局部限定偏移一致的角度来 确定。以更特定的专业术语来说，例如，在棱镜的控制信号上调制正弦曲线电压信号。为了能够连续地跟踪全息显示器中的可视区域，除了具有可变地可控棱镜功能以 外，还需要相移功能。相移值是基于方向的数值。其将是从左到右的跟踪可视区域还是右 到左的跟踪可视区域纳入考虑范围。除了所述的复合编码值之外，相移值也优选地由调制 器单元的控制工具提供。一种具有光调制器装置的全息直视显示器，包括根据本发明的基于电湿润单元的 具有棱镜功能的可控偏转装置，所述全息直视显示器可以通过至少一个上述措施能够可感 知地降低串扰，并因此实现为多个观察者跟踪各自所分配的可视区域的功能。因此提高了 所产生的重建质量。附图标记1 光束2调制器单元3调制器单元的有效区域4棱镜单元5至8微棱镜55、66 楔角9观察者眼睛10观察者平面11跟踪范围
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a、b入射光束的范围a’、b’经压缩的射出光束的范围c、c’压缩前、后的光束的横截面区域CM控制工具PF位置检测系统Ua ijl. . .Ua ijn棱镜单元的电极Umij调制器单元的电极
1权利要求
一种可控偏转装置，包括可控棱镜单元和可控电极布置， 其中所述棱镜单元含有多种不相溶材料并且分配给可控调制器单元，所述可控调制器单元设置在光程下游并且由具有确定的强度分布的光束照射，以及 其中所述电极布置控制在所述棱镜单元中的两种不相溶材料之间形成的界面，以将所述光束偏转向可视区域中的检测到的观察者眼睛，其中所述偏转光束在所述可视区域中呈现与所述确定的强度分布相比发生变化的调制器单元衍射图的强度分布，其特征在于所述可视区域中的变化的强度分布通过降低较高衍射级的边峰的强度在所述光束(1)的光程中获得补偿，所述调制器单元(2)的有效区域(3)的形状适应于所述变化的强度分布，和/或所述棱镜单元(4)中使用的所述材料在所述界面处形成均匀的折射能力分布。
2.根据权利要求1所述的可控偏转装置，其特征在于，其提供一跟踪范围(11)，在该跟 踪范围内，根据所述跟踪范围(11)中的观察者眼睛的位置变化，偏转形成所述可视区域的 所述相干光束(1)。
3.根据权利要求1所述的可控偏转装置，其特征在于，所述调制器单元(2)的有效区域 (3)在相对应的所述棱镜单元(4)形成所述光束(1)的最大偏转的方向 >上具有最大范围。
4.根据权利要求1所述的可控偏转装置，其特征在于，所述棱镜单元(4)具有至少四个 界面，其中三种材料之间的至少两个界面随所施加的电压可变地倾斜，使得所述折射能力 被尽可能均勻地穿过所述材料分布。
5.根据权利要求2所述的可控偏转装置，其特征在于，至少一个偏振工具(12)设置在 所述光程中，以在跟踪所述可视区域的同时，防止在所述跟踪范围中发生相位跃变，其中所 述偏振工具(12)给将要偏转的所述光束(1)提供输入偏振ξ，所述输入偏振ξ垂直于执行 跟踪所沿的平面。
6.根据权利要求2所述的可控偏转装置，其特征在于，一旦由所述偏转和由反射造成 所述相干光束(1)的能量损失超过一给定值时，就通过所述控制工具(CM)将用作校正值的 附加强度值赋予每个调制器单元(2)。
7.根据权利要求6所述的可控偏转装置，其特征在于，所述校正值存储在校正值表中， 并且能够从该表中被取回，所述校正值至少用于具有连续值图案的一维偏转。
8.根据权利要求2所述的可控偏转装置，其特征在于，所述控制工具(CM)另外生成控 制信号，用于对检测到的观察者眼睛(9)所处位置处形成的可视区域执行快速周期横向偏 移，用以以局部限定方式扩大所述观察者眼睛(9)的可视区域。
9.根据权利要求8所述的可控偏转装置，其特征在于，所述另外生成的控制值被作为 相位信号和/或振幅信号加到所述棱镜单元(4)的控制值中和/或加到在所述光调制器 (2)中编码的数值中。
10.根据权利要求2所述的可控偏转装置，其特征在于，将多个水平和/或垂直排列的 棱镜单元(4)组合成一个棱镜单元组，所述棱镜单元组像一个单位一样处理，其中所述光 束(1)要在两个邻近的所述棱镜单元(4)之间实现的相对于所述观察者眼睛(9)的角度差 低于一阈值。
11.一种光调制器，其特征在于，包括至少一个根据权利要求1-10中至少一个权利要求所述的可控偏转装置，其中在调制器单元(2)中对将要形成的全息重建的全息图的复合 值进行编码，具有确定的强度分布的相干光束穿过所述调制器单元(2)，在被所述调制器单 元(2)和相对应的下游偏转棱镜单元(4)衍射之后，所述相干光束在所述可视区域中被重 叠成所述调制器单元(2)的衍射图的强度分布，其中所述衍射图符合所述单个调制器单元 (2)和所述相对应的下游偏转棱镜单元(4)，并且在所述偏转之后，所述衍射图在所述可视 区域中呈现一变化的强度分布，其通过降低较高衍射级的边峰的强度而获得补偿，使得所 述调制器单元(2)的有效区域(3)的形状适合于所述变化的强度分布，和/或使得所述棱 镜单元(4)中使用的材料在其界面处产生均勻的折射能力分布。
12.—种光调制器装置，其特征在于，包括根据权利要求11所述的光调制器，所述光 调制器装置包括多个规则排列的调制器单元(2)，其中所述调制器单元(2)分配有根据权 利要求1至10中至少一个权利要求所述的可控偏转装置。
13.—种全息显示装置，其特征在于，包括根据权利要求12所述的光调制器装置。
全文摘要
根据本发明，通过具有棱镜功能的可控电湿润单元，在光调制器前方的较大角度范围内，跟踪由重叠的光束形成的可视区域，其中通过偏转棱镜单元中的光束，使光束横截面弯曲的负面影响最小化。光束(1)经可控光调制器调节，具有确定的强度分布的所述光束冲击调制器单元(2)，并穿过可控偏转装置，所述可控偏转装置包括棱镜单元(4)和可控电极布置，以调节多个不相溶材料之间的边界面。根据本发明，通过降低次级衍射级最大值(secondary diffraction order maxima)的强度在可视区域的光束(1)的光程中补偿变化的强度分布，使得调制器单元(2)的有效面积(3)的形状被调整为符合变化的强度分布，和/或使得在所述棱镜单元(4)中使用的材料在边界面处形成均匀的折射能力分布。应用领域包括用于执行各种类型的调制的光调制设备，例如，全息显示器。
文档编号G02B26/08GK101960395SQ200980107005
公开日2011年1月26日 申请日期2009年2月12日 优先权日2008年2月28日
发明者杰拉尔德·福特尔 申请人:视瑞尔技术公司