專利名稱：全息光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全息光學(xué)元件以及構(gòu)成全息光學(xué)元件的一種方法。本發(fā)明還擴(kuò)充到加入這種全息光學(xué)元件的顯示器件。
在我們的早期申請(qǐng)WO93/02372中，我們描述了一種加有全息光學(xué)元件的顯示器件。入射到全息光學(xué)元件上的光被引向單個(gè)觀察區(qū)。通過移動(dòng)光源，可以移動(dòng)觀察區(qū)的位置。從交替的位置在屏幕上投影短時(shí)間交替的左、右圖象，借此使圖象成為一個(gè)接一個(gè)地在相應(yīng)的左側(cè)和右側(cè)觀察區(qū)中可觀察到的。
按照本發(fā)明，我們提供一種全息光學(xué)元件，它至少包括兩組區(qū)，每一組區(qū)(一個(gè)或多個(gè))都與另一組(一組或多組)區(qū)(一個(gè)或多個(gè))不同，并且與另外的組(一組或多組)的相鄰區(qū)(一個(gè)或多個(gè))交織或重疊，并且它的結(jié)構(gòu)使入射在每一組區(qū)上的被引導(dǎo)到多個(gè)觀察區(qū)中的相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)區(qū)上。
每個(gè)組可以包括單個(gè)區(qū)，該區(qū)延伸延過大部分全息光學(xué)元件。但典型的情況是，每個(gè)組區(qū)包括區(qū)的一個(gè)陣列。
典型的情況是，構(gòu)成一個(gè)陣列的區(qū)橫向彼此偏斜(如，垂直和/或水平)。
在一個(gè)陣列中的每個(gè)區(qū)一般來說與陣列中的相鄰區(qū)分隔開，不重疊，當(dāng)然在同一陣列中的相鄰區(qū)也可能重疊。
還有，每個(gè)組區(qū)一般來說與另外的組區(qū)(一個(gè)或多個(gè))可以橫向偏斜。陣列內(nèi)部的區(qū)可能與其它陣列的區(qū)重疊。但一般而言，每一陣列的區(qū)與其它一些陣列的區(qū)不重疊。
至少兩個(gè)組區(qū)可以構(gòu)成垂直或水平長(zhǎng)條的一個(gè)橫向陣列，或者一個(gè)兩維的陣列，例如蜂窩式陣列。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，全息光學(xué)元件包括兩個(gè)交織的組區(qū)。
一般來說，對(duì)全息光學(xué)元件進(jìn)行制作，使每個(gè)組區(qū)全息記錄一個(gè)或多個(gè)漫射光源。
通過記錄同一個(gè)光源，或者通過記錄在相對(duì)于全息光學(xué)元件的多個(gè)不同位置的多個(gè)不同的光源，可把入射在全息光學(xué)元件上的光引向?qū)?yīng)于漫射光源(一個(gè)或多個(gè))的位置(一個(gè)或多個(gè))的一個(gè)位置。按另一種方式，當(dāng)用光照射每個(gè)組區(qū)時(shí)，衍射光形成一個(gè)或多個(gè)漫射光源的一個(gè)圖象。一般來說，該圖像是一實(shí)象，但也可以是一虛象。
在每個(gè)組區(qū)只記錄一個(gè)漫射光源的情況下，可把入射在該組區(qū)的光引導(dǎo)到單個(gè)觀察區(qū)。在每個(gè)組區(qū)記錄多個(gè)漫射光源的情況下，可把入射在該組區(qū)上的光引導(dǎo)到多個(gè)觀察區(qū)。
全息光學(xué)元件一般來說是透射型元件，但它也可以是反射型的。
可以用任何適宜的方式形成全息光學(xué)元件，例如，通過模壓或浮雕工藝制成的表面浮雕全息圖；或者例如在光聚合物、重鉻酸鹽化明膠、或鹵化銀中制作的體積全息圖。
一般來說，全息光學(xué)元件是作為顯示器件(如，立體顯示器件)的一部分提供的。這就可提供一個(gè)特別緊湊的、易于制造的、空間多路轉(zhuǎn)換的兩維或三維顯示器件，它具有按全息方式產(chǎn)生的觀察孔徑并能實(shí)時(shí)顯示圖象。
一般來說，顯示器件設(shè)有圖象產(chǎn)生裝置，它確定了多個(gè)圖象，每個(gè)圖象對(duì)應(yīng)于圖象元的一個(gè)相應(yīng)的陣列(例如，LCD象素的陣列)。一般來說，還利用孔徑陣列的全息記錄來記錄全息光學(xué)元件。在把元件裝入顯示器件的情況下，對(duì)孔徑陣列進(jìn)行安排，使其與顯示器中交替的圖象元陣列重合。通過按此方式安排全息光學(xué)元件和圖象元陣列，使穿過圖像元的光被全息光學(xué)元件中的多個(gè)組的區(qū)域之一衍射到相應(yīng)的觀察區(qū)。
在第一例中，使全息元件靠近LCD并在LCD的前方(即，觀察者一側(cè))。
LCD可由單個(gè)光源背照明。另外，LCD也可由一系列光源背照的，對(duì)這些光源進(jìn)行組合它們?cè)诠δ苌舷喈?dāng)于單個(gè)光源。
光源(一個(gè)或多個(gè))可以依次移動(dòng)以便移動(dòng)觀察區(qū)的位置。另一方面，光源可以是靜止的，而它的圖象移動(dòng)(例如通過使用移動(dòng)的反光鏡和各種其它裝置)。在下一個(gè)可替換例中，可以提供帶有可控掩模元件的靜止源陣列或者單個(gè)細(xì)長(zhǎng)的光源，從而通過接通/斷開光、或者分別移動(dòng)掩模元件來移動(dòng)源的有效位置。
一般來說，LCD顯示器攜帶多個(gè)交織的圖象(例如，一組橫向條形式，或一個(gè)蜂窩式陣列)。
如果需要兩維顯示，則多個(gè)圖象可以包括兩維圖象的同一個(gè)視圖。在這種情況下，光源最好是多個(gè)橫向位移的光源，或者是一個(gè)直線形光源，從而可使左、右觀察區(qū)重疊，向兩只眼提供一個(gè)全分辨率二維圖象。
然而，多個(gè)圖象通常包括左側(cè)和右側(cè)立體圖象。全息光學(xué)元件的各個(gè)區(qū)一般對(duì)應(yīng)于LCD圖象元的陣列。對(duì)應(yīng)于左側(cè)圖象元的全息圖區(qū)把光衍射到左側(cè)觀察區(qū)(并且因此使該圖象成為從左側(cè)觀察區(qū)可見的圖象)，面對(duì)于右側(cè)的圖象反之亦然。
另一方面，可把全息光學(xué)元件放在LCD之后。在這種情況下，可使全息光學(xué)元件靠近LCD，在這種情況下可使各個(gè)組區(qū)與LCD陣列重合。然而，如果全息光學(xué)元件同LCD分開，則每個(gè)組區(qū)一般就要與其它組的區(qū)(域)重疊，或者甚至于與其自己的組的區(qū)(域)重疊。在有限的情況下，每個(gè)組區(qū)都可包括橫跨全息光學(xué)元件的單個(gè)區(qū)(域)。然而，還是要對(duì)全息光學(xué)元件進(jìn)行記錄和配置，以使穿過例如左側(cè)LCD圖象元的光只被引導(dǎo)到左側(cè)觀察區(qū)，反之亦然。
有許多方法可以構(gòu)成全息光學(xué)元件，在以下的說明書中對(duì)此將作更加全面的描述。但，記錄方法的共同特點(diǎn)是，在記錄的某個(gè)階段，用相對(duì)于全息板處在多個(gè)位置的光源記錄漫射光源的圖象，每一個(gè)位置都和一個(gè)相應(yīng)的觀察區(qū)有關(guān)。
可用“單步”法記錄全息光學(xué)元件，其中分兩次曝光，在多個(gè)位置記錄漫射光源。
然而，在一般情況下，全息光學(xué)元件是作為一個(gè)轉(zhuǎn)移全息圖從一個(gè)或多個(gè)主全息圖板記錄的。
全息記錄方法另一個(gè)共同特點(diǎn)是，在該方法的某個(gè)階段，在記錄過程中使用一個(gè)掩模(對(duì)應(yīng)于顯示器件中LCD圖象元陣列)。在記錄主全息圖或記錄轉(zhuǎn)移全息圖過程中，可使掩?？拷濉Ａ硗?，掩模也可距全息板有一定距離，在這種情況下可以認(rèn)為，正在進(jìn)行的是通過掩模產(chǎn)生的觀察孔徑的全息記錄。
可以把全息光學(xué)元件制成一種基片導(dǎo)引波式器件。
此外，顯示器件可以還包括一個(gè)聚焦光學(xué)元件，它產(chǎn)生圖像陣列和全息光學(xué)元件的一個(gè)虛象，并且形成觀察區(qū)的實(shí)象。在這種情況下，最好形成由全息光學(xué)元件產(chǎn)生的漫射光源的圖象，使其成為第一實(shí)例的一個(gè)虛象。
下面參照附圖描述本發(fā)明的一系列實(shí)施例，所有的附圖全都不是按比例制圖，其中

圖1表示按本發(fā)明的全息光學(xué)元件；圖2是按本發(fā)明的全息光學(xué)元件的透視圖，該光學(xué)元件構(gòu)成了左側(cè)和右側(cè)觀察區(qū)；圖3是第一顯示器件的示意圖，其中把全息光學(xué)元件放在LCD的前方；圖4是第二顯示器件的示意圖，其中的全息光學(xué)元件放在LCD的后方，并且包括重疊區(qū)域的一個(gè)陣列；圖4A是顯示器件的示意圖，表示改變?nèi)D和LCD之間的分開的距離的效果；圖5表示用于本發(fā)明的全息光學(xué)元件的主全息板的記錄；圖6表示在主全息板上左側(cè)觀察區(qū)的記錄；圖7表示在主全息板上右側(cè)觀察區(qū)的記錄；圖7a表示用于在主全息板上記錄一個(gè)觀察區(qū)的一個(gè)可替換的漫射體的安排；圖8表示從圖6和7中記錄的主全息圖向一個(gè)轉(zhuǎn)移全息圖的記錄；圖9表示來自圖6和7記錄的主全息圖的一個(gè)基片導(dǎo)引波式全息圖的構(gòu)成；圖10表示基片導(dǎo)引波轉(zhuǎn)移全息圖的第二例；圖11表示加入圖9或10所示的基片導(dǎo)引波式全息元件中的顯示器件；圖12是作為基片導(dǎo)引波式全息圖構(gòu)成的全息光學(xué)元件的另一個(gè)實(shí)例；
圖13表示制作全息光學(xué)元件的單步法；圖14表示加入附加聚焦光學(xué)元件中的部分顯示器件；以及圖15表示同時(shí)形成一系列立體觀察區(qū)。
下述的實(shí)施例允許顯示兩維或三維的圖象。這種顯示是已知立體的，并可顯示全色，實(shí)時(shí)移動(dòng)三維圖像。顯示的基礎(chǔ)是兩維圖像支承介質(zhì)(如，照相透明膠片)或電子顯示器(如，和新式的全息器件和照明系統(tǒng)一起使用的液晶顯示器(LCD)。在以下的描述中，我們假定圖象支承板是LCD。
參照?qǐng)D1光源1發(fā)射光2，光2照明一個(gè)全息圖(即，全息光學(xué)元件)3，全息圖3對(duì)光進(jìn)行衍射，以重建波前4，波前4形成一個(gè)均勻的漫射照明的實(shí)象5。
可以認(rèn)為由實(shí)象5確定的區(qū)域是距全息圖3一定距離的一個(gè)漫射照明板。從原理上看(并且忽略了直通過全息圖的零級(jí)波)，在區(qū)域5的外部沒有任何一點(diǎn)光2。
當(dāng)用眼睛6觀察全息圖3上的一點(diǎn)時(shí)，如果通過一點(diǎn)和眼睛6畫的一條直線穿過區(qū)域5，則這一點(diǎn)是明亮的。相反，如果通過這一點(diǎn)和眼睛6畫的直線不穿過區(qū)域5，則這一點(diǎn)是黑暗的。
第一種情況由眼睛6a表示，眼睛6a感覺到全息圖3上的所有點(diǎn)都是明亮的；第二種情況由眼睛6b表示，對(duì)于眼睛6b來說整個(gè)表面全是暗的。
這一原理可應(yīng)用的下兩種情況，一種情況是區(qū)域5是一實(shí)像，另一種情況是區(qū)域5是一虛像(即，通過眼睛6觀察時(shí)，要在全息圖3的遠(yuǎn)端形成的圖像)。
下邊將要描述的全息技術(shù)可以重建圖像5，使得光在整個(gè)區(qū)域的分布都是均勻的，并且可準(zhǔn)確確定它的邊界。這在自動(dòng)立體應(yīng)用中是有益的，因?yàn)樗兄跍p小左、右圖之間的交叉干擾，不存在產(chǎn)生左、右觀察區(qū)分開的暗區(qū)或空白區(qū)的轉(zhuǎn)換問題。
現(xiàn)在考慮圖2(不是同一比例制圖)光線2照射在空間上分開的全息圖3，全息圖3包括一組多個(gè)部分3l構(gòu)成，所有的這些部分全都能重構(gòu)成實(shí)像5l；并且，還包括一組多個(gè)部分3r，所有這些部分全都能重構(gòu)成實(shí)像5r。應(yīng)注意，實(shí)像5在空間準(zhǔn)確定位，并且可以使它們彼此對(duì)接，在它們之間既無間隙又無重疊。
想像，全息圖3的整個(gè)表面由光線2均勻照明，并且考慮兩條典型的光線2l和2r(可以認(rèn)為它們兩者來源于同一個(gè)光源1)。光線2l是擊中全息圖3的區(qū)域3l的這組光線中的一條典型光線。光線2l中的某一些未經(jīng)衍射并且沿零級(jí)光7繼續(xù)前進(jìn)(這里，對(duì)此沒有興趣)。衍射的光(由典型光線4l表示)重構(gòu)了漫射實(shí)像5l。類似地，光線2r由全息圖部分3r衍射，重構(gòu)了實(shí)像5r。
確定眼61的位置，使得通過眼睛61到全息圖3上任一點(diǎn)畫的所有直線全都穿過區(qū)域5l；眼睛61因此可以看見照亮的全息圖3的所有部分3l，同時(shí)所有的部分3r對(duì)于眼睛61來說依然是黑暗的，這是因?yàn)橥粋€(gè)圖像線沒有穿過由全息圖3的區(qū)域3r重建的區(qū)域5r的緣故。在眼睛6r看見照亮的區(qū)域3r并且區(qū)域3l是黑暗的情況下要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
如果眼6l是觀察者的左眼，眼6r是同一觀察者的右眼，則每一只眼看見的是全息圖3被照亮的不同部分。具體來說，眼6l感受到被照亮的部分3l組中的每一成員以及黑暗的組3r中的每個(gè)成員。
迄今為止我們一直假定，光源1對(duì)全息圖3的照明是均勻的，并且感覺到的向圖像5漫射的光強(qiáng)沒有變化。但可以使擊中全息圖3的光穿過一個(gè)LCD(液晶顯示器)。如果適當(dāng)制作該顯示器，則LCD將有些部分位于穿過光源1的發(fā)光位置和全息圖3的部分3l畫的直線上，LCD的另外一些部分則在從光源1和部分3r的直線上。
如果對(duì)應(yīng)于全息圖3的部分3l的LCD的這些部分顯示某種圖像L，而對(duì)應(yīng)于部分3r的LCD的那些部分顯示第二圖像R，則顯然，眼6l將看見圖像L，而眼6r將看見圖像R。如果兩個(gè)圖像L和R是立體圖像對(duì)的分量，則可看見立體的三維畫面。
類似地，通過在全息圖的另一側(cè)加上LCD可以調(diào)制該光。在這種情況下，光2首先由全息圖衍射，然后穿過LCD。在此情況下可以認(rèn)為全息圖和光的組合是一種背光，形成圖像6l的光4l穿過用于顯示圖像L的LCD的某些部分，光4r穿過顯示圖像R的LCD的另外一些部分，兩個(gè)眼6l、6r按此方式再次看見了分開的畫面，它們通過立體視覺可以組合在一起以顯示一個(gè)三維圖像。
還有一些需要圖像5l、5r的應(yīng)用，它們首先要作為虛像形成，特別是可應(yīng)用于與另外一個(gè)光學(xué)元件一起使用這種顯示器的場(chǎng)合，這個(gè)另外的光學(xué)元件將產(chǎn)生LCD和全息圖3的組合的一個(gè)虛像并使圖像5r、5l作為實(shí)像在該光學(xué)元件的前方。下面將更加詳細(xì)地介紹這種安排。
現(xiàn)在我們可以更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的一系列實(shí)施例的特性了。(我們將描述只有一對(duì)圖像要顯示的情況，通過適當(dāng)?shù)淖兓瘎t可顯示更多的圖像。類似地，我們只考慮一種光源，當(dāng)然我們還可以使用幾種光源。我們只考慮一個(gè)立體觀察位置，當(dāng)然大家都知道，可以提供更多的觀察位置，并且我們只考慮主要的元件，忽略了以下事實(shí)為了有助于實(shí)際的結(jié)構(gòu)和顯示器的操作)，其中還可以包括其它光學(xué)元件反光鏡、透鏡、全息光學(xué)元件。)為了進(jìn)行這種討論，可以認(rèn)為合成的全息圖3由多個(gè)“孔徑”組HL和HR組成，射在組HL中的任何一個(gè)孔徑的光(以適當(dāng)?shù)娜肷浣?重建一個(gè)圖像，并且射在另一組HR的任何一個(gè)孔徑的光重建另一個(gè)不同的圖像。形成的這些圖像距全息圖3的平面有一定距離，并且可以是虛像或?qū)嵪?。這兩組孔徑HL和HR按照準(zhǔn)確的幾何關(guān)系可以重疊，或者不重疊。
光的衍射區(qū)均勻照亮了分別由兩組光圈HL和HR形成的兩個(gè)圖像5l、5r，并可以認(rèn)為這兩個(gè)圖像5l、5r本身就是孔徑IL和IR，其中IL由組HL重建，IR由組HR重建。
將一個(gè)LCD板與全息圖組合起來，可顯示兩個(gè)畫面A&B。還可以認(rèn)為該LCD的象素是這些孔徑并將它們分成兩組PL和PR；其中組PL顯示畫面A，組PR顯示畫面B。
此外，一對(duì)孔徑代表觀察者的雙眼。觀察者的左眼是孔徑EL，右眼是孔徑ER?？讖?或者它們的圖像)IL和IR在距全息圖3一定距離處形成并且和眼EL及ER在同一大區(qū)?？梢园扬@示器的最佳操作定義為如下情況光線可以從EL返回到光源1，以使光源可以穿過孔徑IL、孔徑組PL中的所有成員、孔徑組HL的所有成員，但不必按這個(gè)順序。與此同時(shí)，光線不應(yīng)從EL穿過IR、PR、和HR到達(dá)光源1。類似地，從ER回來的光線必須穿過IR、PR、和HR，而不得穿過IL、PL、和HL。
圖3和4表示兩個(gè)重要的配置，它們是穿過全息圖3和LCD8的一個(gè)部分的放大的細(xì)節(jié)(這兩個(gè)圖不是按比例制圖的)。
圖3表示的情況是全息圖3位于LCD8的觀察者一側(cè)。由圖3可見，光線21首先穿過象素組9l之一的一個(gè)象素，隨后擊中全息圖3，擊中的位置是全息圖3的部分3l組之一，然后被衍射。零級(jí)光7筆直通過，1級(jí)波前表示成為光線41并且重建區(qū)域5l的圖像。對(duì)光線2r、象素組9r、全息圖部分組3r、衍射光線4r、和圖像5r作必要的修改后也有同樣的應(yīng)用。全息圖3和LCD9的安裝位置應(yīng)彼此靠近，使穿過象素組9l的所有光線只重建圖像5r，類似地，穿過象素組9r的光線應(yīng)該只形成圖像5r。在全息圖3的組3l的成員和組3r的成員之間引入空白區(qū)有助于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4，在這種情況下，也是從觀察者的位置算起，把全息圖3裝在LCD9的后面。首先應(yīng)該注意到，相對(duì)于圖3描述的全息圖在這種情況下也是可以工作的，條件是全息圖表面和LCD的象素之間的光路長(zhǎng)度要保持很小(實(shí)踐中通常不大于象素間距的4倍左右)。但圖4的確是一種改進(jìn)，它允許全息圖3和LCD9的象素分開得更大些。
光2擊中全息圖3。在光2擊中的全息圖部分是組3l的一個(gè)成員的情況下，光2被衍射，使其首先穿過象素9l組的一個(gè)成員，并且然后繼續(xù)前進(jìn)以重建圖像5l。對(duì)于擊中的全息圖區(qū)域包含組3r的一個(gè)成員的光，在作出必要的修改后也有同樣的應(yīng)用。在這種情況下應(yīng)該注意，組3l的成員與組3r的成員可能有空間的重疊。甚至可以想像得出，它們還可能與它們自己組內(nèi)的成員重疊。還應(yīng)注意，可以對(duì)顯示器進(jìn)行配置，使象素9l組的每個(gè)成員只接收來自組3l的全息圖元件成員的，類似地，象素9r組的每個(gè)成員只接收來自組3r的全息圖元件成員的光。
在圖4A中說明了同一組內(nèi)的成員的重疊。圖4A表示穿過全息圖和LCD的某些光線4l。如果分開相當(dāng)小(全息圖位置1)，則同一組3l中的不同成員彼此不重疊(雖然在所示的情況下，它們可能與另一個(gè)組3r的成員重疊，但將這種情況省略了)。如果增加間隔(全息圖位置2)，則可以發(fā)現(xiàn)，它們彼此重疊，因?yàn)樵摻M的每個(gè)成員所占區(qū)域展寬了。
現(xiàn)在描述按本發(fā)明方法制造的顯示器的某些實(shí)際的特征。
我們?cè)谇斑吥程?PCT/GB/93/01709)已經(jīng)描述了如何通過移動(dòng)光源的有效位置移動(dòng)全息自動(dòng)立體顯示器的觀察區(qū)位置。這里，可按以下基本方式應(yīng)用該原理通過移動(dòng)光源位置移動(dòng)觀察區(qū)，從而可以控制顯示器，使觀察者可以移動(dòng)但不損失立體效果。如果適當(dāng)改變所顯示的圖像的立體觀察點(diǎn)，則可提供視差效果，使觀察者可以向四周看、上看、下看、近看、和遠(yuǎn)看，其中只適當(dāng)改變了圖象的視差。
可以提供公開的光源，以產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)分開的立體觀察區(qū)，使不止一個(gè)人可同時(shí)享受立體效果。在這種情況下，每個(gè)分開的光源的有效位置也可以移動(dòng)，使每個(gè)觀察者都有靈活性。
如以上所述，可以改變光源(一個(gè)或多個(gè))的有效位置，以補(bǔ)償觀察者(一個(gè)或多個(gè))左右、上下的位置變化和距離變化。
可以提供分開的光源或者擴(kuò)大的光源以使區(qū)域5l和5r相互重疊，從而使兩只眼都能看見LCD的所有象素。這種方法因?yàn)閷?duì)兩只眼顯示的都是一個(gè)全分辨率兩維圖像，所以很有益，因而可以使用和欣賞常規(guī)的兩維畫面而不危及它們的質(zhì)量，這對(duì)于這樣一種顯示器的所有常規(guī)兩維應(yīng)用尤其有益。顯然，利用這種照明作用可臨時(shí)禁止自動(dòng)立體功能?；蛘咄ㄟ^自動(dòng)或者通過手動(dòng)可很容易接通和斷開這種功能。
可以提供一個(gè)附加的常規(guī)漫射背光，將它定位在全息圖3之后和LCD之后(自觀察者位置看)。這樣一種布局將提供實(shí)現(xiàn)兩維操作的另一種方法。如果把全息圖3制成基片導(dǎo)向波(SGW)全息圖，實(shí)現(xiàn)上述布局則是最為方便的。
我們現(xiàn)在描述制作全息圖3的一種方法并且表示有關(guān)這種技術(shù)的許多變化中的某一些變化。我們將集中討論本質(zhì)問題，略去許多和可能使用的并且全息圖工作人員熟悉的光幾何學(xué)有關(guān)的部分。
我們首先描述第一代全息圖或H1的制造過程。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5(它是一個(gè)示意圖，沒按比例制圖)，全息板10同時(shí)暴露于參考光束11(最好是經(jīng)過準(zhǔn)直的)和目標(biāo)光19l。所需的目標(biāo)光19l是用光束14照射漫射體12(如，毛玻璃屏)產(chǎn)生的；通過掩模13l來限制漫射區(qū)對(duì)于板10的可見程度。通過漫射體12向掩膜16散射該光14；散射光15的某些光線18l擊中掩膜16的不透光區(qū)16r并被阻斷；另一些光線19l穿過掩膜16的間隙區(qū)16l不受阻礙，然后擊中在全息板10上，在這里它們與參考光束11發(fā)生干涉，并且按常用的方式記錄由此產(chǎn)生的干擾條紋。這就構(gòu)成了主全息圖10的第一次曝光。
然后，進(jìn)行第二次曝光，其中用掩模13r代替掩模13l(掩模13r可能是平移3例如它自己的寬度的掩模13l)，并且用掩模17代替掩模16(掩模17(掩模17可以是平移了例如對(duì)應(yīng)于LCD8的象素間距的距離的掩模16)。
應(yīng)該理解，掩模16是具體針對(duì)在最終作好的自動(dòng)立體顯示器中使用的LCD制成的。不透明的掩碼區(qū)16r組的位置和間距對(duì)應(yīng)于象素組9r；間隙區(qū)16l組對(duì)應(yīng)于象素組9l。掩模17具有幾乎相等的結(jié)構(gòu)，其中的不透明區(qū)17l的位置和間距對(duì)應(yīng)于象素9l；間隙掩模區(qū)17r組對(duì)應(yīng)于象素組9r。使用掩模13l和13r來分別確定相應(yīng)的觀察孔徑5l和5r。
圖6和7表示兩次曝光的配置，圖6和7是示意的透視圖，沒有按比例繪制。圖6和7表示出各種元件，它們最有可能出現(xiàn)在一個(gè)光學(xué)臺(tái)上，即每一個(gè)元件都接在它的側(cè)面，使得在實(shí)際應(yīng)用中包含(水平的)光軸的平面與包含(垂直的)光軸的平面相同。
圖6和7應(yīng)有明顯的差異。在如圖6所示第一次曝光后，用掩模13r代替掩模13l(或者等效地，向下平移掩模13l它自己的寬度)。類似地，用掩模17代替掩模16(或者可能等效地，沿水平方向移動(dòng)掩模13l，使得間隙區(qū)17r的位置與不透明區(qū)16r先前占據(jù)的區(qū)的位置相同)。然后進(jìn)行第二次曝光(下面我們將繼續(xù)假定，在同一個(gè)全息板上或者在一個(gè)第二板上，只使用一個(gè)兩次曝光的H1全息圖)。然后，按常規(guī)方式處理全息圖以得到最佳的信號(hào)/噪聲比。
然后，使用H1全息圖制作如圖8所示的一個(gè)在圖像平面的H2全息圖3使用光束20重放H1全息圖10，光束20是記錄過程中使用的參考光束的共軛光束。它重建一個(gè)實(shí)像，包括實(shí)像24，它是由掩模13l掩蔽的漫射體12和圖像；實(shí)像25，它是由掩模13r掩蔽的漫射體12的圖像；實(shí)像22，它是掩模16的圖像；實(shí)像23，它是掩模17的圖像。
顯然，圖像22、23是不透明的(因此是黑色的)目標(biāo)的圖像。這些圖像22、23的效果是限制位置，因此可以看見圖像24、25，如從考慮上述記錄幾何條件顯然可見的那樣。
此外，還要提供全息部件(比如，板)3，全息部件3包括基片27和適當(dāng)?shù)母泄饷舾袑?1對(duì)于板3來說，還有一個(gè)參考光束26，光束26在所示的情況下是發(fā)散的，但也不必非這樣不可。在正常情況下，可將光敏層21加到基片27的表面，距實(shí)像22、23的位置最近。在全息層21和圖像22、23之間的光程在最終的應(yīng)用中應(yīng)該和在層21和LCD8的象素9的平面之間的光程相同。
(要注意象素問題按這種配置，準(zhǔn)確的重建是很重要的。應(yīng)該采納所有的常提到的注意事項(xiàng)，例如重建光束20應(yīng)該是參考光束11的準(zhǔn)確共軛光束，H1全息圖10應(yīng)該是平直的，對(duì)全息圖10的處理不應(yīng)引入光敏層的尺寸變化。此外，由基片27的厚度引起的對(duì)H2全息板3的象差可能必須通過引入一個(gè)板來預(yù)先校正，這個(gè)板的光學(xué)性質(zhì)要類似于H2全息圖3的光學(xué)性質(zhì)，并且相對(duì)于記錄H1全息圖10過程中的H1全息圖10有相同的相對(duì)位置?？赡苄枰愃频念A(yù)校正技術(shù)來補(bǔ)償LCD中的折射。)使全息板3曝光，并進(jìn)行處理以便得到良好的衍射效率和最小的噪聲。然后，可在自動(dòng)立體顯示中使用全息板3。當(dāng)用光源1重放時(shí)(其中，在所述情況下，入射光2以大約和入射光束26的入射角相同的入射角照明該全息板3)，將要重建圖像5l、5r，圖像5l、5r本身是圖像24、25的圖像，而圖像24、25又是通過孔徑13l、13r看見的漫射體12的圖像。在這種情況下，LCD8靠近全息圖3設(shè)置，使圖象22、23(它們是掩模16、17的圖像)分別在象素組9l、9r內(nèi)部或極靠近象素組9l、9r處形成，并且既沒有任何形成圖像5l的光穿過象素組9r的任何成員，也沒有任何形成圖像5r的光穿過象素組9l的任何成員。
在所有上述的情況下都要對(duì)可以使用的全息材料進(jìn)行選擇，例如鹵化銀、重鉻酸鹽化明膠、光聚合物、光抗蝕劑、熱塑料，對(duì)所有的適宜材料(其中包括估計(jì)可能變?yōu)榭梢岳玫哪切┎牧?的光學(xué)布局基本上全都相同。
可以使用H2全息圖3作為復(fù)制在功能上相同的全息圖的工具?？梢允褂霉鈱W(xué)方法，尤其是接觸式復(fù)制；另外還可以使用機(jī)械方法，例如凸雕和模壓。對(duì)于機(jī)械方法，可以制作H2全息圖3，以便能以表面浮雕的形式記錄干涉圖案，這種浮雕結(jié)構(gòu)在一系列公知的中間階段后變?yōu)橐环N模具或壓印工具。如果要把另外的光學(xué)元件裝入一個(gè)模壓的單元，例如要把H2全息圖3制成基片導(dǎo)引波(SGW)全息圖的情況下，模壓方法極具魅力。
如以上所述，上述記錄全息圖3的方法只是能實(shí)現(xiàn)期望效果的許多可能的方法之一。還存在一步法(借此可直接制出全息圖3，不需要涉及H1全息圖10的步驟)。當(dāng)把全息圖3設(shè)置在LCD8和觀察者之間時(shí)(圖3所示的配置)還存在另外一些變化，在這種情況下的一種明顯的變化是把全息板3設(shè)置在圖像22、23的另一側(cè)，但光敏層距圖像22、23還是最近的。一旦對(duì)基本原理有所理解，有能力的全息工作者就能相當(dāng)容易地設(shè)計(jì)出許多有變化的方法來，盡管以上有所有敘述，但我們現(xiàn)在仍要對(duì)某些變化和某些重要的設(shè)計(jì)考慮進(jìn)行總結(jié)用漫射體沿和左觀察區(qū)有關(guān)的第一位置制作第一主全息圖，并且用漫射體沿和右觀察區(qū)有關(guān)的第二位置在一個(gè)不同的全息板上制作第二主全息圖，從而可產(chǎn)生全息圖3。然后，作為從這兩個(gè)主全息圖的轉(zhuǎn)移全息圖記錄全息圖3。第一主全息圖是作為一個(gè)轉(zhuǎn)移全息圖記錄的，其中由交替的黑色的/不透明的線組成的掩模掩蓋了轉(zhuǎn)移全息板。然后，移動(dòng)掩模以露出轉(zhuǎn)移全息板上的不同的一組線，并且向該轉(zhuǎn)移全息圖板上記錄第二主全息圖。
全息圖通過衍射操作，并且能產(chǎn)生明顯的色散。重要的是要控制這一效果，否則將極其嚴(yán)重地危及顯示器的性能和/或可用性。使用上述作為漫射圖象形成的觀察區(qū)就可使用某些簡(jiǎn)單的方法來抵消色散的不利效果。例如圖8中，應(yīng)注意到，漫射體孔徑圖象24、25的平面相對(duì)于全息圖3來說是傾斜的。最好使用對(duì)于全息工作人員熟知的傾斜角作為消色散角，使色散圖像點(diǎn)的光譜彼此重疊，形成深度方向和左右方向都很清晰尖銳的大的消色差圖像。
對(duì)這種處理方法存在一個(gè)變型(見圖7a)，其中不使用均勻傾斜的漫化體12，而是使用多個(gè)漫化光線12a、12b、12c等，來產(chǎn)生類似的效果。對(duì)這些線進(jìn)行布置，使每一根線都定位在以消色差角傾斜的平面內(nèi)，這些線的長(zhǎng)度等于按其它方式使用的平面型漫射體(一個(gè)或多個(gè))的寬度。這些線最好平行于全息圖平面并且垂直于照明光的入射平面。當(dāng)用白光照射這樣一種布局時(shí)，每根線都色散成傾斜了消色差角的光譜，每一根漫射線的相應(yīng)光譜疊加起來產(chǎn)生一個(gè)區(qū)域，在這里由此產(chǎn)生的顏色混合使漫射的白色區(qū)(消色差區(qū))在功能上等同于(在白光照射下)由均勻的漫射體產(chǎn)生的區(qū)域。
線12a、……12n必須是漫射的，所以可以把這些線看作是漫射區(qū)。
最重要的基本點(diǎn)是，在距全息圖一定距離處必須重建具有可觀寬度和高度的漫射區(qū)的圖象。這些區(qū)域應(yīng)準(zhǔn)確定位在距全息圖的一定距離處(即，沿Z軸的有最小的模糊程度)。應(yīng)對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行均勻的照射(即，在它們的整個(gè)功能寬度有基本上相同的亮度)，并且沿水平方向(即，垂直于照射光的入射平面的方向)無明顯的模糊。這里描述的器件能夠?qū)崿F(xiàn)所有這些重要的性能標(biāo)準(zhǔn)。如果沒能實(shí)現(xiàn)這些性能標(biāo)準(zhǔn)中的任何一項(xiàng)，就要對(duì)該可利用的立體觀察區(qū)加以限制，并且要出現(xiàn)非常不希望出現(xiàn)的現(xiàn)象，例如彩色條紋和左、右通道之間的串?dāng)_。通常需要上、下相當(dāng)大的消色差響應(yīng)區(qū)，但應(yīng)理解，在觀察區(qū)的垂直極限端出現(xiàn)彩色畸變不是一個(gè)突出的實(shí)際問題。
利用消色差角是處理色散效應(yīng)所用的幾種方法中的一種。
如果H1全息圖10和H2全息圖3是由漫射體孔徑13制作的，并且孔徑13的角度不接近消色差角，則必須使用處理色散的其它措施(這就是說，除非該顯示器用來顯示單色圖像、并且光源1具有很窄的光譜帶寬)。另外的一些方法包括*使用厚的全息記錄介質(zhì)的全彩色攝象，其中的全息圖3的布喇格角的條件有效地抑制了除期望范圍波長(zhǎng)外的所有波長(zhǎng)。
*用多個(gè)窄光譜帶寬光源1r、1g、1b重建全息圖3，其中可對(duì)這些光源進(jìn)行安排(也可以不這樣安排)，以使多個(gè)光源都有不同的入射角，而這些入射角可使重建的圖像5r、5g、5b在空間上能以足夠大的精度重疊。
*在全息圖3的重放中使用了擴(kuò)散補(bǔ)償技術(shù)，這涉及使用至少一個(gè)另外的衍射光學(xué)元件(典型的這種元件是使用全息攝象技術(shù)制成的)，并對(duì)該衍射光學(xué)元件進(jìn)行設(shè)計(jì)和安排，以引入相當(dāng)?shù)暮拖喾吹纳?。這種安排通常要求(a)全息圖3和附加的光學(xué)元件的總計(jì)光功率很低，以及(b)使用具有正的光功率的附加光學(xué)元件(如，透鏡或反光鏡)，此外在全息圖3和附加的衍射光學(xué)元件之間可能還需要一個(gè)帶有散熱窗的屏幕，以便抑制觀察者否則可看見的零級(jí)光。
*使用可提供幾個(gè)光束2r、2g、2b的一個(gè)附加的全息/衍射光學(xué)元件，對(duì)這幾個(gè)光束進(jìn)行不同的聚焦，以使觀察孔徑5的相應(yīng)的紅、綠、和藍(lán)圖像能以足夠大的精度重疊。
對(duì)于以前的配置的一個(gè)有趣的變化是按以下所述把記錄過程復(fù)雜化使用3個(gè)漫射線(對(duì)應(yīng)于圖7a中的12a、12b、12c)，并對(duì)它們進(jìn)行設(shè)置，以使從一個(gè)指定的觀察位置觀察時(shí)它們的相應(yīng)的擴(kuò)散圖像為紅、綠、藍(lán)-合成是白色。像在象素組9l、9r之間進(jìn)行分割一樣，也將它們?cè)谙笏刈咏M9l紅、9l綠、9l藍(lán)、和9r紅、9r綠、9r藍(lán)之間進(jìn)行分割，以便分割LCD8的象素，向左眼提供紅、綠、或藍(lán)圖像，并且類似地向右眼提供紅、綠、或藍(lán)圖像。當(dāng)與一個(gè)灰度尋址LCD(很像一個(gè)彩色LCD)結(jié)合使用時(shí)，顯示的圖像也是全彩色。這種彩色復(fù)制極其類似于由“全彩色”“彩虹”全息圖(如，流行的、當(dāng)前使用中的浮雕式全息圖)顯示的復(fù)制結(jié)構(gòu)。如果使用反射式全息圖，則彩色復(fù)制在垂直方向更加穩(wěn)定。由于需要6個(gè)掩模(16紅、16綠、16藍(lán)、和17紅、17綠、17藍(lán))，這種方法肯定復(fù)雜，但更完美實(shí)用。
在以前的描述中假定，當(dāng)用單個(gè)光源照明全息圖3時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)立體觀察區(qū)。還有可能制作一個(gè)全息圖3，使其不依靠多個(gè)光源就能提供多個(gè)這樣的位置。這就要求對(duì)每個(gè)左、右觀察記錄多個(gè)漫射區(qū)。在所有其它方面，這些全息攝象方法全都相同。圖15表示最后的結(jié)果，其中光源1照明了LCD和全息圖組合3、8。在這種情況下，在左觀察區(qū)的三個(gè)位置以及右觀察區(qū)的相應(yīng)3個(gè)位置用漫射體制作全息圖3。使用中，這些漫射體的圖像重建以形成3個(gè)分開的立體觀察區(qū)，其中左和右對(duì)5la及5ra在一個(gè)位置形成，從而提供一個(gè)立體觀察位置，而另兩個(gè)對(duì)5lb、5rb及5lc、5rc同時(shí)形成另兩個(gè)立體觀察位置。顯然，每個(gè)立體觀察位置距全息圖3的距離和高度不必相同，并且可提供任何數(shù)目的這種立體觀察位置。
有一系列值得在這里討論的制作H2全息圖3的方法。
以上描述的以及圖8所示的情況使用了眾所周知的離軸透射型全息圖技術(shù)，其中的參考光束26和重建光束2是通過自由空間照射全息圖3的(當(dāng)然，還引入了反光鏡或透鏡以利于光學(xué)性能和/或顯示器的實(shí)際結(jié)構(gòu))。另一種情況是使用基片導(dǎo)引波(SGW)技術(shù)，其中的光束是由全息圖基片27導(dǎo)引的，其中經(jīng)常利用的現(xiàn)象是總體內(nèi)部反射。
圖9和10表示出兩種基本的布局(圖9和10沒有按比例制圖)。通過比較這兩個(gè)圖和圖8可以看出，參考光束(這里，只用一根光線26代表)借助于一個(gè)傾斜的邊緣進(jìn)入全息圖3的基片27。(應(yīng)該理解，把光束26耦合到基片內(nèi)還有許多其它方法，包括棱鏡和衍射光柵)。該光束然后經(jīng)受內(nèi)部反射并擊中光敏層21，在這里它與目標(biāo)光發(fā)生干涉，以產(chǎn)生透射型全息圖。圖10表示的是相同的配置，只是敏感層21定位在基片27的另一側(cè)，這樣一種布局安排產(chǎn)生一種反射型全息圖，這種全息圖對(duì)于全彩色應(yīng)用來說應(yīng)在三個(gè)適當(dāng)選擇的波長(zhǎng)處操作。
和產(chǎn)生更加緊湊的顯示器一樣，可使用SGW方式引入其它光學(xué)元件，如果用機(jī)械式復(fù)制的全息攝象表面為表面浮雕形式，那么這些其它的光學(xué)元件的制造將是極其經(jīng)濟(jì)的，并且這些元件可具有復(fù)雜的光學(xué)性能。我們將著重描述幾種可能性。
圖11是SGW透射型全息圖3的透視圖(但經(jīng)適當(dāng)改變可以變?yōu)榉瓷湫?。光源1安裝在全息圖3內(nèi)并且靠近該全息圖3，全息圖3包括全息攝象表面21和具有不同光學(xué)性質(zhì)的基片27。由光源1發(fā)出的光2向下穿過基片27，直到它擊中彎曲的下表面28時(shí)為止，下表面28還配有一個(gè)反射涂層。光束2然后被反射，聚焦、并引向全息攝象表面21，在這里光被衍射形成波前4，如以前所述由波前4形成圖像5l和5r。可以理解，為了使說明簡(jiǎn)潔清晰，我們只畫出了某些光線。圖11所示的配置有一系列實(shí)際的優(yōu)點(diǎn)。通過模壓技術(shù)可以把它作成一個(gè)單元，其中的全息攝象表面21可以在模壓過程作為一個(gè)浮雕結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。使用模壓的結(jié)構(gòu)可以聚焦光束2，為此要通過反光鏡表面28和(圖中沒有表示出來的)插入基片27的點(diǎn)這兩者?？梢允褂枚鄠€(gè)光源，以便能夠移動(dòng)觀察區(qū)5，提供跟蹤移動(dòng)的觀察者的能力，并且可以完成全分辨二維操作。
作為對(duì)于使用多個(gè)光源的二維可兼容性的一種替換，可以在全息圖3的后邊提供一個(gè)常規(guī)的漫射體背照明，通過全息攝象表面21和基片27可清晰地觀察到全息圖3。這樣一種系統(tǒng)制造成本低廉，而且結(jié)構(gòu)耐用、緊湊。
圖12表示另一種變化，按照通常的作法(當(dāng)然不是必須這樣)可將它制成一個(gè)SGW全息圖。由光源1發(fā)射的光2m首先穿過聚焦光學(xué)元件(如，透鏡)，進(jìn)入基片27并擊中光學(xué)元件29，光學(xué)元件29位于基片27的遠(yuǎn)端表面上。光學(xué)元件29至少完成引導(dǎo)光2m的功能，使重新被引導(dǎo)的光2p以正確的角度擊中全息攝象表面21。除了這個(gè)基本功能外，還可把光學(xué)元件29作為全息光學(xué)元件(HOE)制成；當(dāng)將其和全息圖21組合時(shí)-可實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。在圖中所示的情況下，光學(xué)元件29可以是一個(gè)表面浮雕透射型全息光學(xué)元件，在它的外表面上有一反射涂層?？梢允褂霉鈱W(xué)元件28在與HOE29組合的全息圖21無光功率的條件下通過提供光功率協(xié)助進(jìn)行色散補(bǔ)償。(此外，元件29可以是一個(gè)反射型HOE，或者的確是一反射型光學(xué)元件，用于重新引導(dǎo)并有選擇地聚焦光2n。)對(duì)于使用全息圖3的基片導(dǎo)引的照射，還有許多其它的變化。
還存在著下述情況通過計(jì)算全息圖3的條紋結(jié)構(gòu)并且使用非光學(xué)過程(如，電子束)來制造它，也可以實(shí)現(xiàn)等價(jià)的光學(xué)性能。
如早些時(shí)候曾經(jīng)提到過的，可以使用一種“單個(gè)步驟”技術(shù)來制造全息光學(xué)元件3。實(shí)施單步法的方式有許多。在圖13中表示出其中的一個(gè)簡(jiǎn)單的方式。不是首先制作一個(gè)主(H1)全息圖并從該全息圖制作圖像平面的H2復(fù)制品(即，在由H1重建的圖像內(nèi)定位復(fù)制品)，而是制作一個(gè)其本身就可與LCD一道使用的全息圖。在所示的情況下，用掩模16和17掩蔽全息圖，分兩次曝光，其中的掩模與敏感層接觸得非常緊密，并且其中的漫射體13的位置如以上所述在兩次曝光之間移動(dòng)。
還有另一類一步法的全息圖，它利用大的聚焦光學(xué)元(例如，大孔徑低f/號(hào)的透鏡)聚焦要記錄的物體的實(shí)象，然后使全息板進(jìn)入實(shí)像“內(nèi)部”。
任何三維圖像都提供有關(guān)所代表的物體的大小的目標(biāo)信息。在自動(dòng)主體顯示器中，圖像的大小受到顯示器的可見尺寸的限制，因此最好的作法是，在保持自動(dòng)立體功能的同時(shí)加大顯示器的表觀尺寸。下面描述用本發(fā)明的基本顯示器來實(shí)現(xiàn)這種作法的一種方法，可把顯示器設(shè)想成一個(gè)窗口，該窗口可露出一個(gè)三維的比它大的景物，就像通過一個(gè)微小的窗口可以看見一個(gè)大的物體的情況一樣，所以通過下面將要描述的相當(dāng)小的自動(dòng)立體“窗口”可以看見物體的三維圖像的整個(gè)尺寸。
參照?qǐng)D14，標(biāo)號(hào)30是已經(jīng)描述過的自動(dòng)立體顯示器，其中包括光源1、LCD8、和全息圖3。圖中表示出LCD8和全息圖3的平面。可使全息圖提供區(qū)域5l和5r的一個(gè)實(shí)象，或者像圖13中所示的情況，它們可以是虛象3l。提供具有正的光功率的光學(xué)元件32，并且確定元件32的位置，以使顯示器30的屏3、8位于光學(xué)元件32和它的焦點(diǎn)平面之間。由虛線表示的簡(jiǎn)單的光線軌跡表明，形成了屏幕3、8的一個(gè)放大的虛像33。最好確定虛象33的位置，使虛像33距觀察者的距離和由所用的立體成象原理產(chǎn)生的三維圖像距觀察者的距離近似一樣(因而將立體視覺和眼的調(diào)節(jié)能力之間的任何差別降至最小)。通過光學(xué)元件32聚焦虛象31，從而形成實(shí)象34，實(shí)像34通常定位在期望的觀察位置。按照所用的精確幾何條件，可對(duì)虛象31的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且在某些情況下發(fā)現(xiàn)，最好首先形成實(shí)象，當(dāng)由光學(xué)元件32重新聚焦時(shí)它們?nèi)耘f是虛象。也可將圖像31定位在無限遠(yuǎn)。
可以把這樣一種顯示器的功能理解為和以前所述相同，其中每只眼將看見不同的畫面，并且，如果畫面是一個(gè)立體對(duì)，則觀察者將看見一個(gè)三維的超過光學(xué)元件32的圖像，似乎是超越了窗口。光學(xué)元件32可以是折射型的、反射型的、或衍射型的(在每種情況下，必須對(duì)附圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膭?dòng)，當(dāng)然圖象還是以相同的功能方式形成的。)對(duì)元件的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)以使LCD的象素位移，這是有益的。為此，要引入最小象差，例如使用菲涅耳透鏡極易發(fā)生的那些象差。對(duì)于衍射型元件，為了實(shí)現(xiàn)這一要求，要進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便產(chǎn)生略有模糊的圖象，或者通過使用由色散產(chǎn)生的模糊。
使用衍射型光學(xué)元件(在此情況下，假定是全息光學(xué)元件)(HOE)有某些好處HOE可以是透明的，因而加深了窗口的視覺印象并且可以把圖像重疊在窗口上方觀察到的一個(gè)實(shí)的景物上。還可以使HOE具有多個(gè)獨(dú)立的焦點(diǎn)，用于產(chǎn)生其它的方式，使多于1個(gè)的觀察者可以同時(shí)欣賞該景物。HOE通常是離軸操作的，這就允許作成方便而精巧的結(jié)構(gòu)。它們還允許以可控的方式使圖象去象素化(de-pixecating)(通過加大用于制作HOE的一個(gè)或多個(gè)光束的源。)如果使用HOE，則有一系列需要解決的問題。具體來說，假定要求顯示器產(chǎn)生全彩色圖像，則必須解決色散問題。一種解決方案是使用調(diào)諧到3個(gè)適當(dāng)波長(zhǎng)的HOE。另一種解決方案是使用3個(gè)波長(zhǎng)的單色光，這3個(gè)波長(zhǎng)的光是通過適當(dāng)選擇光源、或者通過濾波提供的。按照制造HOE的方式，這可能意味著，必須使用3個(gè)灰度的自動(dòng)立體顯示器30；并且還可能意味著，它們需要按光學(xué)需要定位在不同的位置(還可以按機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)，而在光學(xué)上使用波長(zhǎng)選擇的反光鏡；或者在光學(xué)上使用附加的衍射型元件)。
顯示器件還可包括一個(gè)系統(tǒng)，用于一個(gè)或多個(gè)觀察者的獨(dú)立的眼跟蹤(如在我們的申請(qǐng)PCT/GB93/01709中比較全面介紹過的)。當(dāng)觀察者(一個(gè)或多個(gè))的頭部移動(dòng)時(shí)，就(有效地)移動(dòng)了光源，從而可正確地定位觀察區(qū)。
權(quán)利要求
1.一種全息光學(xué)元件，包括至少兩組區(qū)，每一組區(qū)(一個(gè)或多個(gè))都與另一組(一組或多組)區(qū)(一個(gè)或多個(gè))不同，并且與另一組(一組或多組)的相鄰區(qū)(一個(gè)或多個(gè))交織或重疊，并且它的結(jié)構(gòu)使入射在每一組區(qū)上的光被引導(dǎo)到多個(gè)觀察區(qū)中的相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)區(qū)上。
2.如權(quán)利要求1的全息光學(xué)元件，其中每一組區(qū)都包括一個(gè)區(qū)陣列。
3.如權(quán)利要求2的全息光學(xué)元件，其中，陣列內(nèi)的每一區(qū)都與陣列內(nèi)的相鄰區(qū)分隔開，不重疊。
4.如前述權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的全息光學(xué)元件，其中每一組區(qū)都在多個(gè)相對(duì)于全息光學(xué)元件的不同位置包括一個(gè)或多個(gè)漫射光源的全息記錄。
5.如前述權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的全息光學(xué)元件，其中每一組區(qū)都包括通過一個(gè)孔徑陣列掩蔽的全息記錄。
6.如前述權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的全息光學(xué)元件，其中的每一組區(qū)都適于衍射入射到全息光學(xué)元件上的光以形成一個(gè)或多個(gè)漫射光源的圖像，每個(gè)圖像都包括一個(gè)相應(yīng)觀察區(qū)的孔徑。
7.前述權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的全息光學(xué)元件，其中每一組區(qū)都適于衍射入射到全息光學(xué)元件上的光以形成一個(gè)孔徑陣列的圖象。
8.如權(quán)利要求6或7的全息光學(xué)元件，其中的圖象是一實(shí)象。
9.如前述權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的全息光學(xué)元件，其中的全息光學(xué)元件是通過例如模壓或浮雕法制作的表面浮雕全息圖，或者是在例如光聚合物、重鉻酸鹽化明膠、或鹵化銀中制作的體積全息圖。
10.一種顯示器件，包括如上述權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的全息光學(xué)元件；以及確定多個(gè)圖像的圖像產(chǎn)生裝置，每個(gè)圖像對(duì)應(yīng)于圖像元的一個(gè)對(duì)應(yīng)的陣列，其中全息元件的每一個(gè)組區(qū)都把只對(duì)應(yīng)于圖像元的陣列之一的光引導(dǎo)到它的對(duì)應(yīng)的觀察區(qū)(一個(gè)或多個(gè))。
11.如權(quán)利要求10和權(quán)利要求5或7之一的顯示器件，其中的孔徑陣列與圖象元陣列重合。
12.如權(quán)利要求10或11的顯示器件，其中的圖象產(chǎn)生裝置包括一個(gè)液晶陣列和照明該液晶顯示陣列的裝置，并且，該圖象元包括液晶陣列的一個(gè)或多個(gè)陣列。
13.如權(quán)利要求10-12中任何一個(gè)所述的顯示器件，其中的全息光學(xué)元件位于圖象元陣列的距觀察區(qū)較遠(yuǎn)的一側(cè)。
14.如權(quán)利要求13的顯示器件，其中的全息元件與圖象元陣列分隔開。
15.如權(quán)利要求10-12中任何一個(gè)所述的顯示器件，其中全息光學(xué)元件的位置靠近圖象元陣列，并且和觀察區(qū)在同一側(cè)。
16.至少如權(quán)利要求12所述的顯示器件，進(jìn)一步包括改變液晶陣列的照明以便移動(dòng)觀察區(qū)的裝置。
17.如權(quán)利要求16的顯示器件，其中改變照明的裝置包括改變照明光源位置的裝置。
18.如權(quán)利要求10-17中任何一個(gè)所述的顯示器件，其中的多個(gè)圖象包括一個(gè)左側(cè)和一個(gè)右側(cè)立體圖象，把其中的每個(gè)圖象都引導(dǎo)到一個(gè)對(duì)應(yīng)的觀察區(qū)，其中的顯示器在使用中提供一個(gè)立體圖象。
19.如權(quán)利要求18的顯示器件，其中的左側(cè)和右側(cè)圖象中的每一個(gè)都被引向多個(gè)觀察區(qū)，借此該顯示器在使用中可從多個(gè)觀察位置同時(shí)提供立體圖象。
20.一種構(gòu)成如權(quán)利要求1-9中任何一個(gè)所述的或者加入到如權(quán)利要求10-19中任何一個(gè)所述的顯示器件中的全息光學(xué)元件的方法，包括在一個(gè)或多個(gè)漫射光源的全息板上的多個(gè)位置進(jìn)行全息記錄，其中的每個(gè)位置都和一個(gè)相應(yīng)的觀察區(qū)相關(guān)。
21.如權(quán)利要求20的方法，包括在第一位置進(jìn)行光源的第一主全息記錄，并且在第二位置，在該光源的相同或不同的全息板上進(jìn)行第二主全息記錄。
22.如權(quán)利要求20或21的方法，進(jìn)一步包括記錄全息光學(xué)元件，以此作為由主全息記錄導(dǎo)出的轉(zhuǎn)移全息圖。
23.如權(quán)利要求20-22中任何一個(gè)所述的方法，用于構(gòu)成如權(quán)利要求5或7之一的光學(xué)元件，其中的全息記錄、主全息記錄、或者轉(zhuǎn)移全息圖都是利用確定孔徑陣列的一個(gè)掩模記錄的。
24.如權(quán)利要求20-23中任何一個(gè)所述的方法，其中的漫射光源(一個(gè)或多個(gè))相對(duì)于全息板來說是傾斜的，傾斜的角度為消色差角。
25.如權(quán)利要求1-9中任何一個(gè)所述的或者加入權(quán)利要求10-19中任何一個(gè)所述的顯示器件中的全息元件，其中將該元件構(gòu)成為基片導(dǎo)引波式器件。
26.如權(quán)利要求10-19中任何一個(gè)所述的顯示器件，進(jìn)一步包括一個(gè)聚焦光學(xué)元件，用于產(chǎn)生圖象光陣列和全息光學(xué)元件的一個(gè)虛象并且形成觀察區(qū)的實(shí)象。
27.如權(quán)利要求10-17、19、或26中任何一個(gè)所述的顯示器件，其中的多個(gè)圖象在一起構(gòu)成了一個(gè)二維圖像。
28.如權(quán)利要求27的顯示器件，其中的器件包括一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的光源或者多個(gè)光源，從而使左、右觀察區(qū)重疊，致使一個(gè)觀察者的雙眼可觀察兩個(gè)圖象，借此提供一個(gè)全分辨率兩維顯示器。
29.如權(quán)利要求25的顯示器件，其中的顯示器件包括漫射背照明。
30.如權(quán)利要求10-19、或26-29中任何一個(gè)所述的顯示器件，它包括多個(gè)光源，它們同時(shí)照明該全息光學(xué)元件，從而可提供多個(gè)觀察位置。
31.如權(quán)利要求6或7的全息光學(xué)元件，其中的圖象是虛象。
32.如權(quán)利要求10-19、或26-31中任何一個(gè)所述的顯示器件，其中的圖象產(chǎn)生裝置包括一個(gè)單色(灰度)LCD，從而在LCD上以多種分色形式顯示彩色圖象，其中通過一組象素顯示每一種分色，并且其中顯示一種分色的一組象素不顯示任何另一種分色圖象的任何部分。
33.如權(quán)利要求32的顯示器件，其中將LCD與HOE組合起來，對(duì)它們進(jìn)行安排，以使HOE的某些區(qū)只與顯示一種分色的象素相關(guān)，并且HOE的另一些區(qū)與顯示另一些分色的象素相關(guān)，借此使每一組區(qū)向觀察者衍射的光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于與其相關(guān)的象素組顯示的分色的顏色，對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行安排以顯示全彩色的兩維或三維的圖象。
全文摘要
一種全息光學(xué)元件，至少包括兩組區(qū)，每一組區(qū)都與另外一些組區(qū)不同，并且與另外一些組區(qū)交織或重疊，并且對(duì)每一組區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使入射在每組區(qū)上的光都被引導(dǎo)到多個(gè)觀察區(qū)中的一個(gè)相應(yīng)的區(qū)上。全息光學(xué)元件通常包含在一個(gè)顯示器件內(nèi)，例如主體顯示器件。
文檔編號(hào)G02B27/22GK1151214SQ9519367
公開日1997年6月4日 申請(qǐng)日期1995年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月7日
發(fā)明者愛德威那·瑪格利特·奧拉, 戴維德·約翰·特雷納 申請(qǐng)人:理奇蒙德全息研究與發(fā)展有限公司