具有减小的色差的光学装置和包括该光学装置的显示装置的制作方法

1.本公开的示例实施方式涉及具有减小的色差的光学装置以及包括该光学装置的显示装置。


背景技术：

2.近来，全息三维(3d)图像显示方法已被逐渐投入实际使用，该全息3d图像显示方法提供全视差并能够使大脑感知的深度与眼睛的焦距一致。
3.根据这样的全息显示技术，当将光照射到其上记录有通过参考光和从原始物体反射的物体光之间的干涉而获得的干涉图案的全息图图案时，该光被衍射并且原始物体的图像被再现。当使用当前商业化的全息显示技术时，将计算机生成的全息图(cgh)而不是通过将原始物体直接暴露于光获得的全息图图案被作为电信号提供给空间光调制器。空间光调制器形成全息图图案，并根据输入的cgh信号衍射来自光源的参考光，从而生成3d图像。
4.在这样的全息显示方法中，诸如场透镜或光束偏转器的光学元件可以被使用以在预定位置显示由空间光调制器形成的全息图像。这样的光学元件可以基于衍射被实现。因为衍射元件可以产生各种光学效果，所以衍射元件近来已经在许多领域中被使用，而薄的光学系统可能无法通过使用现有技术的衍射元件来实现。另外，由于这样的光学元件根据光的波长表现出不同的折射率，因此光学元件伴随色差，特别地，当基于衍射的元件被减小体积时，根据波长的性能差异进一步增大。因此，需要一种防止或减少色差的方法。


技术实现要素：

5.一个或更多个示例实施方式提供了具有减小的色差的光学装置以及包括该光学装置的显示装置。
6.另外的方面将在下面的描述中被部分地阐述，并且部分地从该描述将是明显的，或者可以通过本公开的示例实施方式的实践而获知。
7.根据示例实施方式的一方面，提供了一种光学装置，该光学装置包括：第一背光，配置为通过第一输出耦合器输出第一波长的第一光；第一透镜，设置为面对第一输出耦合器，并且关于第一波长的第一光具有预定的焦距；第二背光，包括与第一输出耦合器平行设置的第二输出耦合器，第二背光被配置为通过第二输出耦合器输出第二波长的第二光；第二透镜，设置为面对第二输出耦合器，并且关于第一波长的第一光和第二波长的第二光具有不同的焦距；第三背光，包括与第二输出耦合器平行设置的第三输出耦合器，第三背光被配置为通过第三输出耦合器输出第三波长的第三光；以及第三透镜，设置为面对第三输出耦合器，并且关于第一波长的第一光、第二波长的第二光和第三波长的第三光具有不同的焦距。
8.第一透镜、第二透镜和第三透镜可以是几何相位透镜。
9.当第一透镜关于第一波长的第一光的焦距是f1_1，第二透镜关于第一波长的第一光和第二波长的第二光的焦距分别是f2_1和f2_2，并且第三透镜关于第一波长的第一光、
第二波长的第二光和第三波长的第三光的焦距分别是f3_1、f3_2和f3_3时，作为f1_1、f2_1和f3_1的组合焦距的efl(f1_1,f2_1,f3_1)可以满足以下条件：|f3_3
–
efl(f1_1,f2_1,f3_1)|/f3_3<0.0005。
10.作为f2_2和f3_2的组合焦距的efl(f2_2,f3_2)可以满足以下条件：|f3_3
–
efl(f2_2,f3_2)|/f3_3<0.0005。
11.第一透镜、第二透镜和第三透镜可以关于预定偏振的光操作，并且光学装置可以进一步包括至少一个相位延迟器，该至少一个相位延迟器被配置为使预定偏振的光入射在第一透镜、第二透镜和第三透镜上。
12.根据示例实施方式的另一方面，提供了一种光学装置，该光学装置包括：第一背光，配置为通过第一输出耦合器输出第一波长的第一光；第一光束偏转器，设置为面对第一输出耦合器，并且配置为使第一波长的第一光以预定角度偏转；第二背光，包括与第一输出耦合器平行设置的第二输出耦合器，第二背光被配置为通过第二输出耦合器输出第二波长的第二光；第二光束偏转器，设置为面对第二输出耦合器，并且配置为使第一波长的第一光和第二波长的第二光以不同角度偏转；第三背光，包括与第二输出耦合器平行设置的第三输出耦合器，第三背光被配置为通过第三输出耦合器输出第三波长的第三光；以及第三光束偏转器，设置为面对第三输出耦合器并被配置为使第一波长的第一光、第二波长的第二光和第三波长的第三光以不同角度偏转。
13.第一光束偏转器、第二光束偏转器和第三光束偏转器可以是基于衍射的偏转器。
14.当第一光束偏转器使第一波长的第一光偏转的角度是a1_1，第二光束偏转器使第一波长的第一光和第二波长的第二光偏转的角度分别是a2_1和a2_2，并且第三光束偏转器使第一波长的第一光、第二波长的第二光和第三波长的第三光偏转的角度分别是a3_1、a3_2和a3_3时，作为a1_1、a2_1和a3_1的组合偏转角的e3(a1_1,a2_1,a3_1)可以满足以下条件：|a3_3
–
eda(a1_1,a2_1,a3_1)|/a3_3<0.0005。
15.作为a2_2和a3_2的组合偏转角的eda(a2_2,a3_2)可以满足以下条件：|a3_3
–
eda(a2_2,a3_2)|/a3_3<0.0005。
16.一种显示装置可以包括所述光学装置和空间光调制器，该空间光调制器被配置为通过调制从第一背光输出的第一光、从第二背光输出的第二光以及从第三背光输出的第三光来生成全息图图像。
17.第一背光可以包括：第一光源，配置为发射第一波长的第一光；以及第一导光板，包括第一输入耦合器和第一输出耦合器，来自第一光源的第一光入射在第一输入耦合器上，第二背光可以包括：第二光源，配置为发射第二波长的第二光；以及第二导光板，包括第二输入耦合器和第二输出耦合器，来自第二光源的第二光入射在第二输入耦合器上，第三背光可以包括：第三光源，配置为发射第三波长的第三光；以及第三导光板，包括第三输入耦合器和第三输出耦合器，来自第三光源的第三光入射在第三输入耦合器上。
18.第一透镜、第二透镜和第三透镜可以是几何相位透镜。
19.当第一透镜关于第一波长的第一光的焦距是f1_1，第二透镜关于第一波长的第一光和第二波长的第二光的焦距分别是f2_1和f2_2，并且第三透镜关于第一波长的第一光、第二波长的第二光和第三波长的第三光的焦距分别是f3_1、f3_2和f3_3时，作为f1_1、f2_1和f3_1的组合焦距的efl(f1_1,f2_1,f3_1)可以满足以下条件：|f3_3
–
efl(f1_1,f2_1,f3_
1)|/f3_3<0.0005。
20.作为f2_2和f3_2的组合焦距的efl(f2_2,f3_2)可以满足以下条件：|f3_3
–
efl(f2_2,f3_2)|/f3_3<0.0005。
21.显示装置可以进一步包括光束偏转器，该光束偏转器被配置为调节由空间光调制器生成的全息图图像的位置。
22.显示装置可以进一步包括：第一光束偏转器，设置在第一输出耦合器和第二输出耦合器之间，并且被配置为使第一波长的第一光以预定角度偏转；第二光束偏转器，设置在第二输出耦合器和第三输出耦合器之间，并且被配置为使第一波长的第一光和第二波长的第二光以不同的角度偏转；以及第三光束偏转器，设置为使得从第三输出耦合器输出的第一光、第二光和第三光入射在第三光束偏转器上，第三光束偏转器被配置为使第一波长的第一光、第二波长的第二光和第三波长的第三光以不同的角度偏转。
23.第一光束偏转器、第二光束偏转器和第三光束偏转器可以是基于衍射的偏转器。
24.当第一光束偏转器使第一波长的第一光偏转的角度是a1_1，第二光束偏转器使第一波长的第一光和第二波长的第二光偏转的角度分别是a2_1和a2_2，并且第三光束偏转器使第一波长的第一光、第二波长的第二光和第三波长的第三光偏转的角度分别是a3_1、a3_2和a3_3时，作为a1_1、a2_1和a3_1的组合偏转角的eda(a1_1,a2_1,a3_1)可以满足以下条件：|a3_3
–
eda(a1_1,a2_1,a3_1)|/a3_3<0.0005。
25.作为a2_2和a3_2的组合偏转角的eda(a2_2,a3_2)可以满足以下条件：|a3_3
–
eda(a2_2,a3_2)|/a3_3<0.0005。
26.第一光束偏转器、第二光束偏转器和第三光束偏转器可以被电控制以调节入射光偏转的方向。
27.显示装置可以进一步包括眼睛跟踪传感器，其中第一光束偏转器、第二光束偏转器和第三光束偏转器可以基于由眼睛跟踪传感器感测到的信号被控制。
28.一种显示装置可以包括所述光学装置以及空间光调制器和场透镜，该空间光调制器被配置为通过调制从第一背光输出的第一波长的第一光、从第二背光输出的第二波长的第二光以及从第三背光输出的第三波长的第三光来生成全息图图像，场透镜被配置为在预定位置聚焦由空间光调制器生成的全息图图像。
29.第一光束偏转器、第二光束偏转器和第三光束偏转器可以被电控制以调节入射光偏转的方向。
30.显示装置可以进一步包括眼睛跟踪传感器，其中第一光束偏转器、第二光束偏转器和第三光束偏转器可以基于由眼睛跟踪传感器感测到的信号被控制。
31.根据示例实施方式的又一方面，提供了一种光学装置，该光学装置包括：第一背光，包括第一光源和第一导光板，第一光源被配置为发射第一波长的第一光，第一导光板包括第一输入耦合器和第一输出耦合器，第一输入耦合器面对第一光源，第一背光被配置为通过第一输出耦合器输出第一波长的第一光；第一透镜，设置为面对第一输出耦合器并且关于第一波长的第一光具有预定的焦距；第二背光，包括第二光源和第二导光板，第二光源被配置为发射第二波长的第二光，第二导光板包括第二输入耦合器和第二输出耦合器，第二输入耦合器面对第二光源，第二背光被配置为通过第二输出耦合器输出第二波长的第二光；第二透镜，设置为面对第二输出耦合器，并且关于第一波长的第一光和第二波长的第二
光具有不同的焦距；第三背光，包括第三光源和第三导光板，第三光源被配置为发射第三波长的第三光，第三导光板包括第三输入耦合器和第三输出耦合器，第三输入耦合器面对第三光源，第三背光被配置为通过第三输出耦合器输出第三波长的第三光；以及第三透镜，设置为面对第三输出耦合器并且关于第一波长的第一光、第二波长的第二光和第三波长的第三光具有不同的焦距。
附图说明
32.从结合附图进行的以下描述，本公开的某些示例实施方式的以上和/或其它方面、特征和优点将变得更加明显，其中：
33.图1示出了根据一示例实施方式的光学装置的示意性配置和光学布置；
34.图2示出了可以在图1的光学装置中采用的几何相位透镜的概念性聚焦操作；
35.图3示出了根据另一示例实施方式的光学装置的示意性配置和光学布置；
36.图4示出了根据另一示例实施方式的光学装置的示意性配置和光学布置；
37.图5示出了根据另一示例实施方式的光学装置的示意性配置和光学布置；
38.图6示出了可以在图5的光学装置中采用的基于衍射的光束偏转器的光学操作；
39.图7示出了根据一示例实施方式的显示装置的示意性配置和光学布置；
40.图8示出了根据另一示例实施方式的显示装置的示意性配置和光学布置；
41.图9示出了根据另一示例实施方式的显示装置的示意性配置和光学布置；
42.图10示出了根据另一示例实施方式的显示装置的示意性配置和光学布置；
43.图11示出了根据另一示例实施方式的显示装置的示意性配置和光学布置；以及
44.图12示出了根据另一示例实施方式的显示装置的示意性配置和光学布置。
具体实施方式
45.现在将详细参考在附图中示出的示例实施方式，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。就这一点而言，示例实施方式可以具有不同的形式，并且不应被解释为限于在这里阐述的描述。因此，示例实施方式仅通过参考附图在下面被描述以说明各方面。
46.如在这里使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关联的所列项目的任何和所有组合。当诸如“至少一个”的表述在一列元件之前时，修饰整列元件而不修饰该列的个别元件。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应被理解为仅包括a，仅包括b，仅包括c，包括a和b两者，包括a和c两者，包括b和c两者，或者包括全部a、b和c。
47.在下文，参考附图，示例实施方式将被详细描述。以下描述的实施方式仅是示例，并且各种修改从实施方式可以是可能的。相同的附图标记始终指代相同的元件，在附图中，为了说明的清楚和方便，元件的尺寸可能被放大。
48.在下文，表述“在
……
上方”或“在
……
上”不仅可以包括以接触方式直接在其上，而且可以包括以非接触方式在其上。
49.诸如第一和第二的术语可以用于描述各种元件，但是仅用于将一个元件与其它元件区分开的目的。这些术语不限制元件的材料或结构上的差异。
50.除非上下文中另外明确指出，否则本公开中的单数表述包括复数表述。而且，诸如“包括”和/或“包括
……
的”的术语可以被解释为表示一元件的存在，但是可以不被解释为
排除其它元件的存在或添加的可能性。
51.在实施方式中使用的术语诸如“单元”或“模块”表示用于处理至少一个功能或操作的单元，并且可以以硬件、软件或硬件和软件的组合被实现。
52.在描述本公开内容的上下文中，术语“一”和“该”以及类似指示物的使用将被解释为涵盖单数和多数两者。
53.此外，在这里描述的所有方法的操作可以以任何合适的顺序执行，除非在这里另外指出或与上下文明显矛盾。除非另外要求，否则在这里提供的任何和所有示例或语言(例如“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本公开，而不构成对本公开范围的限制。
54.图1示出了根据一示例实施方式的光学装置100的示意性配置和光学布置，图2示出了可以在图1的光学装置100中采用的几何相位透镜gpl的概念性聚焦操作。
55.根据示例实施方式的光学装置100具有减小的色差并且聚焦不同波长的光。
56.光学装置100包括输出第一波长的光l1的第一背光110、关于从第一背光110发出的第一波长的光l1具有预定焦距的第一透镜150、输出第二波长的光l2的第二背光120、关于第一波长的光l1和第二波长的光l2表现出不同焦距的第二透镜160、输出第三波长的光l3的第三背光130，以及关于第一波长的光l1、第二波长的光l2和第三波长的光l3表现出不同焦距的第三透镜170。
57.第一波长的光l1、第二波长的光l2和第三波长的光l3是可见光的波长范围内的光，并且可以分别是蓝光、绿光和红光，但不限于此。
58.第一背光110、第二背光120和第三背光130分别提供有朝向第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170发射光的第一发射表面110a、第二发射表面120a和第三发射表面130a。第一背光110、第二背光120和第三背光130被配置为使得第一发射表面110a、第一透镜150、第二发射表面120a、第二透镜160、第三发射表面130a和第三透镜170被设置为彼此平行。用于光发射的输出耦合器可以形成在第一发射表面110a、第二发射表面120a和第三发射表面130a中的每个上。
59.如图2所示，第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170可以是几何相位透镜gpl。几何相位透镜gpl可以例如在液晶装置或超颖(meta)装置中实现，并且可以包括微图案结构。几何相位透镜gpl被设计成通过根据位置来不同地调制入射光的相位而具有预定的屈光力。例如，当左旋圆偏振lcp的光入射时，光可以通过相位调制被聚焦为右旋圆偏振rcp的光。然而，实施方式不限于此。例如，当入射光被聚焦时，右旋圆偏振rcp的光可以被调制为左旋圆偏振lcp的光，或者入射光可以基于线偏振被调制。另外，尽管示出了正屈光力，但是几何相位透镜gpl可以被设计为表现出负屈光力，诸如凹透镜。几何相位透镜gpl可以具有平板形状并且以相对小的厚度实现期望的屈光力。
60.然而，因为几何相位透镜gpl通过相位调制来调节光行进的方向，所以如图2所示，几何相位透镜gpl可以根据入射光的波长而表现不同的焦距。例如，被设计成关于第一波长的光l1具有第一焦距f1的几何相位透镜gpl关于第二波长的光l2表现出与第一焦距f1不同的第二焦距f2，并且关于第三波长的光l3表现出与第一焦距f1和第二焦距f2不同的第三焦距f3。焦距可以与入射光的波长成反比。例如，当具有比所设计的波长长的波长的光入射时，几何相位透镜gpl表现出比所设计的焦距短的焦距，当具有比所设计的波长短的波长的光入射时，几何相位透镜gpl表现出比所设计的焦距长的焦距。几何相位透镜gpl的特性可
以由色差表示。
61.在根据示例实施方式的光学装置100中，第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170的细节和布置位置被设置成使得不同波长的光l1、l2和l3可以被聚焦在相同的位置上。
62.第一波长的光l1通过第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170聚焦，第二波长的光l2通过第二透镜160和第三透镜170聚焦，第三波长的光l3通过第三透镜170聚焦。根据这样的光路，不同波长的光l1、l2和l3可以被聚焦在基本上相同的位置上，并且色差可以被减少或被防止。
63.第一透镜150关于第一波长的光l1的焦距可以是f1_1，第二透镜160关于第一波长的光l1和第二波长的光l2的焦距可以分别是f2_1和f2_2，第三透镜170关于第一波长的光l1、第二波长的光l2和第三波长的光l3的焦距可以分别是f3_1、f3_2和f3_3。例如，f2_1和f2_2可以是不同的数值，f3_1、f3_2和f3_3也可以是不同的数值。
64.在示例实施方式的光学装置100中，第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170可以被设置为使得作为f1_1、f2_1和f3_1的组合焦距的有效焦距efl(f1_1,f2_1,f3_1)以及作为f2_2和f3_2的组合焦距的efl(f2_2,f3_2)与第三透镜170的关于第三波长的光l3的焦距f3_3基本相同。
65.如等式1所示，可以获得具有焦距f1和f2以及中心之间距离为d的两个透镜的组合焦距efl。
[0066][0067]
如等式2所示，可以获得具有焦距f1、f2和f3以及相邻透镜的中心之间的距离为d
12
和d
23
的三个透镜的组合焦距efl。
[0068][0069]
考虑到稍后将被描述的以上等式和要求，可以设定第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170的细节，即，关于不同波长的光的焦距及其布置空间。
[0070]
第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170可以满足等式3中的以下条件。
[0071]
efl(f1_1,f2_1,f3_1)＝efl(f2_2,f3_2)＝f3_3
ꢀꢀ
[等式3]
[0072]
然而，实施方式不限于此，并且值之间的差可以被设定在预定范围内，以使得光学装置100具有很小的色差或在期望范围内的小的值。
[0073]
例如，第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170可以满足等式4和等式5中的以下条件。
[0074]
|f3_3
–
efl(f1_1,f2_1,f3_1)|/f3_3<0.0005
ꢀꢀ
[等式4]
[0075]
|f3_3
–
efl(f2_2,f3_2)|/f3_3<0.0005
ꢀꢀ
[等式5]
[0076]
图3示出了根据另一示例实施方式的光学装置101的示意性配置和光学布置。
[0077]
光学装置101包括第一背光111、第一透镜150、第二背光121、第二透镜160、第三背
光131和第三透镜170。
[0078]
示例实施方式的光学装置101与图1的光学装置100的不同之处在于第一背光111、第二背光121和第三背光131的详细配置，而第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170的配置与图1的光学装置100的配置基本相同。
[0079]
第一背光111包括提供第一波长的光l1的第一光源ls1和在朝向第一透镜150的方向上引导并发射第一光源ls1的光l1的第一导光板wg1。第一导光板wg1包括：第一输入耦合器ic1，使第一光源ls1的光l1入射；以及第一输出耦合器oc1，朝向第一透镜150发射通过第一输入耦合器ic1输入的光l1。在第一光源ls1和第一导光板wg1之间，进一步设置有准直透镜10，该准直透镜10对来自第一光源ls1的光进行准直，使得光平行于第一输入耦合器ic1入射。
[0080]
第一光源ls1可以是发射相干光的相干光源，并且可以是例如激光二极管(ld)或发光二极管(led)。
[0081]
第一导光板wg1用作传输光的光波导，并且可以包括对可见光透明的材料，例如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或聚二甲基硅氧烷(pdms)。第一导光板wg1包括彼此面对的两个表面1a和1b，并且包括第一输入耦合器ic1以及第一输出耦合器oc1，第一输入耦合器ic1用于将从第一光源ls1入射的光引入第一导光板wg1，第一输出耦合器oc1用于输出从第一导光板wg1内部的两个表面1a和1b全反射并行进到第一导光板wg1外部的光。例如，第一输入耦合器ic1可以设置在第一导光板wg1的表面1a的一个边缘上，第一输出耦合器oc1可以设置在第一导光板wg1的表面1a的另一边缘上。
[0082]
第一输入耦合器ic1被配置为在大致垂直于第一导光板wg1的表面1a的方向上引导在倾斜方向上入射在第一输入耦合器ic1上的光。例如，第一输入耦合器ic1可以被配置为将在相对于垂直于其表面的方向的预定入射角内入射在第一输入耦合器ic1上的光引导到第一导光板wg1的内部。被引导到第一导光板wg1的内部的光在第一导光板wg1的彼此面对的两个表面1a和1b上被重复地全反射并沿着第一导光板wg1的内部行进。第一输出耦合器oc1被配置为在大致垂直于第一导光板wg1的表面1a的方向上输出倾斜地入射在第一输出耦合器oc1上的光。第一输出耦合器oc1可以被配置为仅引导在预定入射角范围内入射的光，而不引导以其它角度范围入射的光。例如，对于以与设定条件不同的角度入射的光，第一输出耦合器oc1可以仅仅用作透明板。
[0083]
第一输入耦合器ic1和第一输出耦合器oc1可以以衍射光学元件(doe)或全息光学元件(hoe)形成。doe可以包括多个周期性的精细光栅图案。doe的所述多个光栅图案用作衍射光栅以衍射入射光。特别地，根据光栅图案的大小、高度、周期等，光的行进方向可以通过衍射在特定角度范围内入射的光并产生相消干涉和相长干涉而改变。另外，hoe可以包括具有不同折射率的材料的周期性精细图案而不是光栅图案。hoe仅在配置上不同于doe，并且可以具有与doe的操作原理相同的操作原理。
[0084]
在第一导光板wg1的配置中，入射在输入耦合器ic1上的光通过输出耦合器oc1输出到第一导光板wg1的外部。另外，入射在输入耦合器ic1上并通过输出耦合器oc1输出的光的方向性和相干性可以保持在由输入耦合器ic1耦合的角度范围内。
[0085]
类似地，第二背光121包括提供第二波长的光l2的第二光源ls2以及在朝向第二透镜160的方向上引导并发射第二光源ls2的光l2且包括第二输入耦合器ic2和第二输出耦合
器oc2的第二导光板wg2。另外，准直透镜20可以设置在第二光源ls2和第二导光板wg2之间。第二输出耦合器oc2可以关于第一波长的光l1用作透明板，并且在垂直于第二导光板wg2的表面的方向上发射第二波长的光l2。
[0086]
另外，第三背光131包括提供第三波长的光l3的第三光源ls3以及在朝向第三透镜170的方向上引导并发射第三光源ls3的光l3且包括第三输入耦合器ic3和第三输出耦合器oc3的第三导光板wg3。而且，准直透镜30可以设置在第三光源ls3和第三导光板wg3之间。第三输出耦合器oc3可以关于第一波长的光l1和第二波长的光l2用作透明板，并且在垂直于第三导光板wg3的表面的方向上发射第三波长的光l3。
[0087]
如上所述，第一波长的光l1按照第一输出耦合器oc1、第一透镜150、第二输出耦合器oc2、第二透镜160、第三输出耦合器oc3和第三透镜170的顺序形成光路。第二波长的光l2按照第二输出耦合器oc2、第二透镜160、第三输出耦合器oc3和第三透镜170的顺序形成光路。第三波长的光l3按照第三输出耦合器oc3和第三透镜170的顺序形成光路。根据通过第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170针对每个波长的光设计的焦距要求，第一波长的光l1、第二波长的光l2和第三波长的光l3可以被聚焦在相同位置上而几乎没有色差或没有色差。
[0088]
图4示出了根据另一示例实施方式的光学装置102的示意性配置和光学布置。
[0089]
示例实施方式的光学装置102与图3的光学装置101的不同之处在于，光学装置102进一步包括附加的光学元件，以控制入射在第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170上的光的偏振。
[0090]
如上所述，作为几何相位透镜的第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170可以关于预定偏振的光起作用，因此，示例实施方式的光学装置102进一步包括一个或更多个相位延迟器，该相位延迟器使预定偏振的光入射在第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170上。
[0091]
第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170可以聚焦右旋圆偏振rcp的光，并且可以将右旋圆偏振rcp改变为左旋圆偏振lcp。为了这个操作，1/4波片40可以被设置在第一背光111和第一透镜150之间，此外，1/4波片50可以被设置在第一透镜150与第二背光121之间。另外，1/4波片60、70和80可以分别被设置在第二背光121和第二透镜160之间、第二透镜160和第三背光131之间以及第三背光131和第三透镜170之间。
[0092]
第一背光111可以被配置为发射线偏振光，并且从第一背光111发射的第一波长的光l1穿过1/4波片40并且偏振状态改变为右旋圆偏振rcp以入射到第一透镜150上。在第一透镜150中改变为左旋圆偏振lcp并且根据预定屈光力折射的第一波长的光l1再次穿过1/4波片50并且偏振状态改变为线偏振。
[0093]
从第二背光121发射的处于线偏振状态的第一波长的光l1和处于线偏振状态的第二波长的光l2穿过1/4波片60并改变为右旋圆偏振rcp的状态以入射在第二透镜160上。接着，第一波长的光l1和第二波长的光l2穿过第二透镜160，根据预定的特定屈光力折射，并改变为左旋圆偏振lcp的状态。处于左旋圆偏振lcp的第一波长的光l1和处于左旋圆偏振lcp的状态的第二波长的光l2再次穿过1/4波片70，并且偏振状态改变为线偏振。
[0094]
从第三背光131发射的处于线偏振状态的第一波长的光l1和第二波长的光l2以及处于线偏振状态的第三波长的光l3穿过1/4波片80并改变为右旋圆偏振rcp的状态，以入射
到第三透镜170上。接着，第一波长的光l1、第二波长的光l2和第三波长的光l3穿过第三透镜170，并根据预定的特定屈光力折射。
[0095]
在以上描述中，第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170作用于圆偏振，并且另外的相位延迟器是1/4波片，但是实施方式不限于此。取决于第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170的偏振要求，可以使用其它组件或可以添加附加组件。
[0096]
图5示出了根据另一示例实施方式的光学装置200的示意性配置和光学布置，图6示出了可以在图5的光学装置200中采用的基于衍射的光束偏转器bd的概念性光学操作。
[0097]
示例实施方式的光学装置200是光束偏转装置，其表现出减小的色差并使不同波长的光偏转。
[0098]
光学装置200包括：输出第一波长的光l1的第一背光111；将第一波长的光l1以预定角度偏转的第一光束偏转器250；输出第二波长的光l2的第二背光121；将第一波长的光l1和第二波长的光l2以不同角度偏转的第二光束偏转器260；输出第三波长的光l3的第三背光131；以及将第一波长的光l1、第二波长的光l2和第三波长的光l3以不同角度偏转的第三光束偏转器270。
[0099]
第一背光111、第二背光121和第三背光131具有在上述示例实施方式中描述的配置，并且第一输出耦合器oc1、第一光束偏转器250、第二输出耦合器oc2、第二光束偏转器260、第三输出耦合器oc3和第三光束偏转器270彼此平行地按顺序布置。
[0100]
第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270是如图6所示的基于衍射的光束偏转器bd。光束偏转器bd可以是包括液晶的衍射元件或可电地改变相位的光学元件。光束偏转器bd可以以几何相位的方式实现，或者可以被实现为包括微图案化结构的超颖元件。光束偏转器bd被设计为根据位置而不同地调制入射光的相位，从而使入射光的方向以预定角度偏转。因为这样的方法通过相位调制来调节光行进的方向，所以如图6所示，光可以根据入射光的波长以不同的角度被偏转。例如，被设计成关于第一波长的光l1具有第一偏转角的第一光束偏转器250可以关于第二波长的光l2表现出与第一偏转角不同的第二偏转角，另外，关于第三波长的光l3显示出与第一偏转角和第二偏转角不同的第三偏转角。当具有与所设计的波长不同的波长的光入射在基于衍射的光束偏转器bd上时，光可以以与所设计的偏转角不同的角度被偏转，该所设计的偏转角可以由色差表示。
[0101]
在根据示例实施方式的光学装置200中，第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270的细节和布置位置被设置成使得不同波长的光l1、l2和l3可以通过光学装置200在相同方向上偏转。
[0102]
第一波长的光l1通过第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270中的每个以预定角度偏转，第二波长的光l2通过第二光束偏转器260和第三光束偏转器270偏转，第三波长的光l3通过第三光束偏转器270偏转。根据这样的光路，不同波长的光l1、l2和l3可以在基本上相同的方向上偏转，并且几乎不出现色差。
[0103]
第一光束偏转器250使第一波长的光l1偏转的角度可以是a1_1，第二光束偏转器260使第一波长的光l1和第二波长的光l2偏转的角度可以分别是a2_1和a2_2，第三光束偏转器270使第一波长的光l1、第二波长的光l2和第三波长的光l3偏转的角度可以分别是a3_1、a3_2和a3_3。例如，a2_1和a2_2可以是不同的数值，a3_1、a3_2和a3_3也可以是不同的数值。
[0104]
第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270也可以被电控制并且可以在细节上调节光被偏转的方向。例如，以上数值可以在预定范围内被调节。
[0105]
在示例实施方式的光学装置200中，第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270可以被设置为使得a1_1、a2_1和a3_1的组合偏转角eda(a1_1,a2_1,a3_1)和a2_2和a3_2的组合偏转角eda(a2_2,a3_2)与第三光束偏转器270的关于第三波长的光l3的偏转角a3_3基本相同。
[0106]
第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270可以满足等式6中的以下条件。
[0107]
eda(a1_1,a2_1,a3_1)＝eda(a2_2,a3_2)＝a3_3[等式6]
[0108]
然而，实施方式不限于此，并且值之间的差可以被设定在预定范围内，使得光学装置200根据波长具有很小的方向偏差，或者具有在期望范围内的小的值。
[0109]
例如，第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270可以满足等式7和等式8中的以下条件。
[0110]
|a3_3
–
eda(a1_1,a2_1,a3_1)|/a3_3<0.0005
ꢀꢀ
[等式7]
[0111]
|a3_3
–
eda(a2_2,a3_2)|/a3_3<0.0005
ꢀꢀ
[等式8]
[0112]
上述偏转角在xz平面上与z轴形成，但不限于此。第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270可以被设置为使得偏转角可以被设定为被限定为在yz平面中与z轴形成的角度，或者可以被限定在其它平面上。
[0113]
图7示出了根据一示例实施方式的显示装置1000的示意性配置和光学布置。
[0114]
显示装置1000包括光学装置1100和空间光调制器1800。
[0115]
光学装置1100可以具有低色差，并且例如将被聚焦在预定位置上的光提供给空间光调制器1800，并且可以具有与图3所示的光学装置101基本上相同的配置或从图3所示的光学装置101修改的配置。
[0116]
空间光调制器1800调制来自光学装置1100的第一背光111、第二背光121和第三背光131的光，以生成全息图图像。
[0117]
空间光调制器1800可以根据从控制器提供的全息图数据信号(例如计算机生成的全息图(cgh)信号)形成全息图图案。在来自第一背光111、第二背光121和第三背光131的光入射在空间光调制器1800上并且被形成在空间光调制器1800上的全息图图案衍射之后，具有立体效果的全息图像可以通过相消干涉和相长干涉被再现。空间光调制器1800可以使用能够仅执行相位调制的相位调制器、能够仅执行幅度调制的幅度调制器、以及能够执行相位调制和幅度调制两者的复合调制器中的任何一个。作为空间光调制器1800，可以使用硅上液晶(lcos)、数字微镜器件(dmd)或半导体调制器。
[0118]
在图7中，穿过第一透镜150、第二透镜160和第三透镜170的光入射在空间光调制器1800上，但是实施方式不限于此。例如，第三透镜170和空间光调制器1800的位置可以交换。
[0119]
在显示装置1000中，在没有色差的情况下通过光学装置1100聚焦在预定位置上的光被提供给空间光调制器1800，从而为观察者提供高质量全息图像。
[0120]
图8示出了根据另一示例实施方式的显示装置1001的示意性配置和光学布置。
[0121]
示例实施方式的显示装置1001与图7的显示装置1000的不同之处在于，显示装置
1001进一步包括调节全息图图像的位置的光束偏转器1500。
[0122]
显示装置1001在观看者的视野中的预定位置上形成全息图图像，因此当观看者的眼睛的位置从预定位置改变时，可能无法识别该图像。光束偏转器1500可以改变光学装置1100将光聚焦在焦平面fp上的位置。该位置可以在焦平面fp上沿x方向是可变的，但不限于此。例如，该位置可以沿着y方向是可变的，并且光束偏转器1500可以被配置为使得该位置在二维方向上改变。
[0123]
光束偏转器1500可以是使入射光衍射以改变入射光的行进方向的液晶偏转器。光束偏转器1500可以被电控制以调节光被偏转的方向。
[0124]
显示装置1001可以进一步包括眼睛跟踪传感器，以便获得改变聚焦位置所需的信息。光束偏转器1500可以被控制以使得观察者眼睛的位置由眼睛跟踪传感器确定并且光被聚焦在焦平面fp上的另一位置上。
[0125]
在图8中，第三透镜170、光束偏转器1500和空间光调制器1800顺序地排列，但是实施方式不限于此，这三个组件的顺序可以改变。例如，第三透镜170和光束偏转器1500的位置可以交换，并且第三透镜170和空间光调制器1800的位置可以交换。
[0126]
尽管图7和图8的显示装置1000和1001示出了关于一只眼睛的光学系统，但是这些光学系统可以被提供用于两只眼睛。在图8的显示装置1001中提供的光束偏转器1500可以被配置为将光转向两只眼睛。
[0127]
图9示出了根据另一示例实施方式的显示装置1002的示意性配置和光学布置。
[0128]
示例实施方式的显示装置1002与图8的显示装置1001的不同之处在于，光束偏转器1502具有其中光朝着两只眼睛转向的配置，其余配置基本上相同。
[0129]
显示装置1002包括提供具有很小色差或没有色差的聚焦光的光学装置1100、光束偏转器1502和空间光调制器1800。显示装置1002可以进一步包括感测观察者的两只眼睛的位置的眼睛跟踪传感器es以及使用由眼睛跟踪传感器es感测到的信息来控制光束偏转器1502的控制器1900。
[0130]
光束偏转器1502可以是液晶偏转器，其使入射光衍射以产生以不同角度行进的两个光束。光束偏转器1502可以同时在空间上将光朝向左眼和右眼转向。光束偏转器1502可以将光顺序地朝向左眼和右眼转向。光束偏转器1502也可以被电控制并且可以在细节上调节光沿其转向的两个方向。左眼和右眼的详细位置变化可以由眼睛跟踪传感器es感测，并且光束偏转器1502通过利用眼睛跟踪传感器es感测到的信息使光分叉(diverge)的位置可以在与xy平面平行的平行焦平面fp上二维地变化。
[0131]
图10示出了根据另一示例实施方式的显示装置1003的示意性配置和光学布置。
[0132]
示例实施方式的显示装置1003包括其中图3和图5所示的光学装置101和200与空间光调制器1800组合的配置。
[0133]
例如，除了图7所示的显示装置1000之外，显示装置1003进一步包括第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270。
[0134]
第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270可以分别调节来自第一背光111、第二背光121和第三背光131的光在聚平面fp上聚焦的位置以减小色差。第一光束偏转器250设置在第一输出耦合器oc1和第二输出耦合器oc2之间，第二光束偏转器260设置在第二输出耦合器oc2和第三输出耦合器oc3之间，第三光束偏转器270设置在来自
第三输出耦合器oc3的光的行进路径上。
[0135]
在图10中，尽管第一光束偏转器250和第一透镜150顺序地设置在第一输出耦合器oc1和第二输出耦合器oc2之间，第一透镜150和第一光束偏转器250也可以顺序地布置在第一输出耦合器oc1和第二输出耦合器oc2之间。类似地，第二光束偏转器260和第二透镜160的位置可以交换，第三光束偏转器270和第三透镜170的位置可以交换。另外，空间光调制器1800的位置也可以改变为在第三光束偏转器270和第三透镜170之间。
[0136]
第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270可以如在图5中所描述的那样配置，使得第一波长的光l1被第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270顺序地偏转，第二波长的光l2被第二光束偏转器260和第三光束偏转器270顺序地偏转，第三波长的光l3被第三光束偏转器270偏转，因此，穿过第三光束偏转器270的第一波长的光l1、第二波长的光l2和第三波长的光l3的偏转方向基本相同。
[0137]
第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270也可以被电控制并且可以在细节上调节光被偏转的方向。
[0138]
显示装置1003可以进一步包括眼睛跟踪传感器es，并且第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270可以基于由眼睛跟踪传感器es感测到的信号被控制。根据第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270的操作，光聚焦的位置可以在焦平面fp上被二维地调节。
[0139]
图11示出了根据另一示例实施方式的显示装置1004的示意性配置和光学布置。
[0140]
显示装置1004包括光学装置1200、场透镜1700和空间光调制器1800。
[0141]
光学装置1200可以提供具有很小色差或没有色差的定向光，并且可以具有与参考图5描述的光学装置200基本上相同或从其修改的配置。
[0142]
空间光调制器1800调制来自光学装置200的光以生成全息图图像，并且场透镜1700将所生成的全息图图像聚焦在预定位置上。场透镜1700和空间光调制器1800的位置可以交换。
[0143]
尽管显示装置1004被示出为针对一只眼睛的光学系统，但是这样的光学系统可以被提供用于两只眼睛。在光学装置1200中提供的第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270可以被配置为将光朝向两只眼睛转向。
[0144]
图12示出了根据另一示例实施方式的显示装置1005的示意性配置和光学布置。
[0145]
显示装置1005包括：可提供具有很小色差或没有色差的定向光的光学装置1205；场透镜1700；和空间光调制器1800。显示装置1004可以进一步包括感测观察者的两只眼睛的位置的眼睛跟踪传感器es和通过使用由眼睛跟踪传感器es感测到的信息来控制来自光学装置1205的光的方向性的控制器1900。
[0146]
根据示例实施方式的显示装置1005与图11的显示装置1004的不同之处在于，图12的显示装置1005中提供的光学装置1205的第一光束偏转器250、第二光束偏转器260和第三光束偏转器270包括配置为将光朝向两只眼睛转向的光学装置1205。
[0147]
来自光学装置1205的光可以朝向两只眼睛转向，分叉方向可以根据两只眼睛的详细位置被调节，并且根据波长具有很小的偏差的方向调节是可能的。
[0148]
尽管描述了上述光学装置100、101、102和200被应用于显示装置，但是实施方式不限于此。例如，上述光学装置100、101、102和200可以被用于各种电子装置，在其中可以利用
根据波长而具有很小的偏差的聚焦光或定向光。
[0149]
上述显示装置1000、1001、1002、1003、1004和1005可以应用于各种类型的可穿戴装置显示器，诸如头戴式显示器(hmd)、眼镜型显示器和护目镜型显示器等。
[0150]
上述显示装置1000、1001、1002、1003、1004和1005还可以与其它电子设备(诸如智能电话)结合或连接到其它电子设备(诸如智能电话)进行操作。例如，驱动显示装置1000、1001、1002、1003、1004和1005的控制器或处理器可以被提供在智能电话中，并且上述显示装置1000、1001、1002、1003、1004和1005可以被提供在智能手机中。
[0151]
上述光学装置可以在控制不同波长的光的方向时最小化根据波长的偏差。
[0152]
上述光学装置可以应用于具有很小色差的透镜、光束偏转器等，并且可以应用于改善图像质量的显示装置。
[0153]
尽管已经参考附图中示出的示例实施方式示出和描述了光学装置和包括该光学装置的显示装置，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由如权利要求书限定的精神和范围的情况下可以在其中进行形式和细节上的各种改变。应理解，在这里描述的示例实施方式应仅在描述性意义上被考虑，而不是出于限制目的。每个示例实施方式中的特征或方面的描述通常应被认为可用于其它实施方式中的其它类似特征或方面。
[0154]
本技术要求于2020年4月14日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2020-0045237号的优先权，其公开通过引用整体合并于此。