CN106200340B - 空间光调制器和包括其的全息显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提供扩大的观看窗的空间光调制器以及包括该空间光调制器的全息显示装置。该空间光调制器包括具有周期图案的掩模构件，该掩模构件布置为将多个像素中的每个像素的区域划分成至少两个部分使得由空间光调制器的周期结构形成的点阵斑点之间的间隔增大。

Description

空间光调制器和包括其的全息显示装置
技术领域
根据示范实施方式的装置和方法涉及一种空间光调制器和包括该空间光调制器的全息显示装置，更具体地，涉及提供改善的图像质量的空间光调制器和包括该空间光调制器的全息显示装置。
背景技术
需要眼镜的三维(3D)技术和无眼镜的3D技术被广泛使用来呈现3D图像。需要眼镜的三维(3D)技术的示例包括偏振眼镜型方法和快门眼镜型方法。无眼镜的3D技术的示例包括双凸透镜法和视差屏障法。这些方法利用双眼视差，但增加视点的数目受到限制。另外，这些方法会由于大脑感知的深度与眼睛的焦点之间的差异而使得观看者感到疲劳。
近来，全息显示方法已经被提出以使得大脑感觉感知的深度和眼睛的焦点一致。根据全息显示技术，当参考光发射到全息图案上时，其中在该全息图案上已经记录了通过从原始物体反射的物体光和该参考光之间的干涉所获得的干涉图案，该参考光被衍射并且原始物体的图像被再现。当使用当前的商品化全息显示技术时，计算机产生的全息图(CGH)，而不是通过将原始物体直接暴露于光所获得的全息图案，被作为电信号提供到空间光调制器。然后，根据输入的CGH信号，空间光调制器形成全息图案并且使参考光衍射，由此产生3D图像。
发明内容
示范实施方式至少解决上述问题和/或缺点及以上未描述的其它缺点。此外，示范实施方式不需要克服以上所述的缺点，而是可以未克服任何上述问题。
根据示范实施方式的方面，提供了一种空间光调制器，该空间光调制器包括：多个像素的二维(2D)阵列；和掩模构件，具有布置为将所述多个像素中的每个像素的区域划分成至少两个部分的周期图案。
掩模构件的图案的图案节距可以与所述多个像素的像素节距相同。
掩模构件的图案的图案节距可以基本上等于所述多个像素的像素节距的1/N，N是整数值。
掩模构件的图案可具有在第一方向上的第一图案节距和在垂直于第一方向的第二方向上的第二图案节距。
掩模构件的图案的第一图案节距与所述多个像素在第一方向上的像素节距之间的比率可以基本上等于掩模构件的图案的第二图案节距与所述多个像素在第二方向上的像素节距之间的比率。
掩模构件的图案的第一图案节距与所述多个像素在第一方向上的像素节距之间的比率可以不同于掩模构件的图案的第二图案节距与所述多个像素在第二方向上的像素节距之间的比率。
掩模构件的图案的第一图案节距可以基本上等于所述多个像素在第一方向上的像素节距的1/M，M是整数值，掩模构件的图案的第二图案节距可以基本上等于所述多个像素在第二方向上的像素节距的1/N，N是整数值。
空间光调制器可以还包括：布置在所述多个像素之间的黑矩阵。掩模构件的图案宽度可以基本上等于黑矩阵的图案宽度。
空间光调制器可以还包括：布置在所述多个像素之间的黑矩阵。掩模构件的周期图案可具有第一图案和第二图案。第一图案的宽度等于黑矩阵的图案宽度，第二图案的宽度不同于黑矩阵的图案宽度。
空间光调制器可以还包括：布置在所述多个像素之间的黑矩阵。掩模构件的周期图案可以布置在黑矩阵的图案之间并且在平行于黑矩阵的图案的方向上延伸。
掩模构件的周期图案可以包括阻挡光的透射的不透明黑色掩模。
掩模构件可以在所述多个像素的每个像素中。
空间光调制器可以还包括：布置在所述多个像素之间的黑矩阵。掩模构件可以设置于在其上设置黑矩阵的层上。
掩模构件可以设置在空间光调制器的外表面上。
掩模构件可以包括周期图案被印刷在其上的透明膜。
掩模构件的周期图案可以包括具有使透射光的相位延迟的相位延迟图案的相位掩模。
掩模构件可以包括具有第一厚度的第一区域和具有不同于第一厚度的第二厚度的第二区域。
掩模构件可以包括具有第一折射率的第一区域和具有不同于第一折射率的第二折射率的第二区域。
掩模构件可以包括具有阻挡光的透射的周期性不透明图案的第一掩模构件和具有延迟透射光的相位的周期性相位延迟图案的第二区域。
第一掩模构件的周期性不透明图案可具有不同于第二掩模构件的周期性相位延迟图案的形状的形状。
第一掩模构件的周期性不透明图案的形状和第二掩模构件的周期性相位延迟图案的形状可以是相同的形状。第一掩模构件的周期性不透明图案和第二掩模构件的周期性相位延迟图案可以相对于所述多个像素的每个像素设置在不同位置处。
根据另一示范实施方式的方面，提供了一种全息显示装置，该全息显示装置包括：配置为发射光的光源；空间光调制器，包括多个像素的阵列并配置为使入射在空间光调制器上的光衍射以再现全息图像；和掩模构件，具有布置为将所述多个像素中的每个像素的区域划分成至少两个部分的周期图案。
空间光调制器和掩模构件可以被配置为使得观看窗的尺寸是由全息显示装置再现的全息图像的图像窗的尺寸的至少2倍，该观看窗被限定为在由空间光调制器的周期结构和掩模构件形成的多个点阵斑点之间的空间。
附图说明
通过参考附图描述某些示范实施方式，以上和/或其它方面将更加明显，附图中：
图1是示意地示出根据示范实施方式的全息显示装置的结构的图示；
图2是示意地示出根据示范实施方式的空间光调制器的像素的结构的截面图；
图3是示意地示出根据示范实施方式的空间光调制器的黑矩阵和掩模构件之间的相对位置关系的平面图；
图4示意地示出根据示范实施方式的通过图3的掩模构件形成的观察窗和图像窗之间的关系；
图5是示意地示出根据另一示范实施方式的空间光调制器的黑矩阵和掩模构件之间的相对位置关系的平面图；
图6示意地示出根据示范实施方式的通过图5的掩模构件形成的观察窗和图像窗之间的关系；
图7是示意地示出根据另一示范实施方式的空间光调制器的黑矩阵和掩模构件之间的相对位置关系的平面图；
图8示意地示出根据示范实施方式的通过图7的掩模构件形成的观察窗和图像窗之间的关系；
图9示范地示出当不使用会聚光的全息显示装置利用不包括掩模构件的空间光调制器再现全息图像时，在全息图像之间发生的串扰；
图10是示例图示，用于描述不使用会聚光的全息显示装置利用包括掩模构件的空间光调制器防止串扰的情况；
图11是示意地示出根据另一示范实施方式的空间光调制器的像素的结构的截面图；
图12是示意地示出根据示范实施方式的空间光调制器的掩模构件的结构的截面图；
图13是示意地示出根据另一示范实施方式的空间光调制器的掩模构件的结构的截面图；
图14是示意地示出根据另一示范实施方式的空间光调制器的像素的结构的截面图；
图15是示出由根据不包括掩模构件的比较例的空间光调制器形成的点阵斑点的模拟结果的曲线图；
图16和17是示出由图2的空间光调制器形成的点阵斑点的模拟结果的曲线图；
图18和19是示出由图11的空间光调制器形成的点阵斑点的模拟结果的曲线图；
图20是示意地示出根据另一示范实施方式的黑矩阵和掩模构件之间的相对位置关系的截面图；
图21是示出由图20的黑矩阵和掩模构件形成的点阵斑点的模拟结果的曲线图；
图22是示意地示出根据另一示范实施方式的黑矩阵和掩模构件之间的相对位置关系的截面图；和
图23是示出由图22的黑矩阵和掩模构件形成的点阵斑点的模拟结果的曲线图。
具体实施方式
下文参考附图更详细地描述示范实施方式。
在下面的描述中，相同的附图标记用于相同的元件，即使在不同的附图中。在说明书中限定的事物，诸如，具体的构造和元件，被提供以帮助全面理解示范实施方式。然而，显然的是，示范实施方式可以在没有那些具体限定的事物的情况下被实践。此外，众所周知的功能或构造没有被详细描述，因为它们将以不必要的细节使得描述模糊。
在如下所述的层结构中，表述“上方”或“上”可以不仅包括“以接触的方式直接在……上”而且包括“以非接触的方式在……上”。
图1是示意地示出根据示范实施方式的全息显示装置100的结构的图示。
参考图1，根据示范实施方式的全息显示装置100可以包括提供光的光源110和形成全息图案以调制入射光的空间光调制器120。全息显示装置100可以还包括允许通过空间光调制器120调制的光被聚焦在预定空间中的傅里叶(Fourier)透镜115。已调制的光可以被傅里叶透镜115聚焦在预定空间上，因此全息图像可以在空间中再现。光可以通过傅里叶透镜115被会聚，因此再现的全息图像的视角可以增大。然而，如果光源110提供准直的会聚光，则傅里叶透镜115可以被省略。
光源110可以是提供具有高空间相干性的光到空间光调制器120的激光源。然而，如果通过光源110提供的光具有某种程度的空间相干性，由于光可以通过空间光调制器120被充分地衍射和调制，所以发光二极管(LED)可以被用作光源110。例如，光源110可以包括多个激光器或LED的阵列。除激光源或LED之外，任何其它光源可以用作光源110，只要发射具有空间相干性的光。
同时，如果全息显示装置100使用双目全息图法(binocular hologram method)，该双目全息图法提供分别具有与观察者的双眼对应的视点(即，右眼视点和左眼视点)的右眼全息图像和左眼全息图像，则光源110可以包括右眼光源110a和左眼光源110b。例如，右眼光源110a可以为观察者的右眼视区提供光，左眼光源110b可以为观察者的左眼视区提供光。因此，如果右眼光源110a发射的光被空间光调制器120调制，则右眼全息图像可以形成在观察者的右眼视区中。如果左眼光源110b发射的光被空间光调制器120调制，则左眼全息图像可以形成在观察者的左眼视区中。右眼光源110a和左眼光源110b的每个可以包括多个激光器或LED的阵列。虽然为了描述方便，右眼光源110a和左眼光源110b在图1中分开地示出，但是包括LED阵列的一个背光板可以用于为右眼视区和左眼视区提供光。
空间光调制器120可以根据由处理器提供的全息数据信号形成用于衍射和调制入射光的全息图案。空间光调制器120可以使用执行相位调制的相位调制器或者执行振幅调制的振幅调制器。虽然图1的空间光调制器120是透射型空间光调制器，但是反射型空间光调制器也可以被使用。例如，透射型空间光调制器可以使用利用液晶装置(LCD)的光调制器、或者基于化合物半导体诸如GaAs的半导体光调制器。例如，反射型空间光调制器可以使用数字微镜器件(DMD)、硅上液晶(LCoS)或半导体光调制器。
根据本示范实施方式的空间光调制器120可以提供与减小像素节距而不增大分辩率相同的作用。例如，图2是示意地示出根据示范实施方式的空间光调制器120的像素的结构的截面图。在下文，虽然空间光调制器120的像素的结构被描述用于当根据示范实施方式的空间光调制器120包括LCD时的情形，但是相同的原理可以在空间光调制器120包括其它光调制器件时适用。
参考图2，空间光调制器120例如可以包括设置为彼此面对的第一透明基板121和第二透明基板122、设置在第一透明基板121和第二透明基板122之间的液晶单元126、设置在第一透明基板121上并驱动液晶单元126的驱动电路125、设置在第二透明基板122上并阻挡光使得驱动电路125可以不被看到的不透明黑矩阵127、以及设置在第二透明基板122上并划分液晶单元126的掩模构件128。空间光调制器120可以还包括设置在第一透明基板121的外表面上的第一偏振片123和设置在第二透明基板122的外表面上的第二偏振片124。
虽然为了描述方便，图2中仅示出空间光调制器120的一个像素，但是空间光调制器120可以包括多个像素的二维(2D)阵列。黑矩阵127可以设置在空间光调制器120的多个像素之间。掩模构件128可以设置在第二透明基板122上在与黑矩阵127相同的层上。透光层129可以放置在第二透明基板122上的面对液晶单元126的区域中，使得通过液晶单元126调制的光可以穿过透光层129。透光层129可以用选择性地透射不同波长的光的滤色器替换。掩模构件128可以设置在面对液晶单元126的区域中并且可以划分透光层129。
如图2所示，掩模构件128设置在与黑矩阵127相同的层上，因此在制造空间光调制器120时，掩模构件128和黑矩阵127可以在相同的工艺期间同时形成。然而，掩模构件128和黑矩阵127可以不必设置在相同的层上。例如，掩模构件128可以设置在液晶单元126中或可以设置在第一透明基板121上在与驱动电路125相同的层上。即，掩模构件128可以设置在空间光调制器120内的任何层上。
如后文将描述的，黑矩阵127可以起衍射入射光并形成不必要的点阵斑点(lattice spot)的像素点阵的作用。由黑矩阵127形成的点阵斑点可以起噪声的作用并使全息图像的质量劣化。根据示范实施方式，点阵斑点之间的间隔可以增大，以便减小点阵斑点对再现的全息图像的影响。空间光调制器120的分辨率越高，像素的节距越小。黑矩阵127之间的间隔越小，点阵斑点之间的间隔越大。然而，对增大空间光调制器120的分辨率存在技术限制。掩模构件128与黑矩阵127一起可以起像素点阵作用，从而增大点阵斑点之间的间隔而不减小像素的像素节距(即，同时不增大空间光调制器120的分辨率)。
图3是示意地示出根据示范实施方式的空间光调制器120的黑矩阵127和掩模构件128之间的相对位置关系的平面图。空间光调制器120可以包括多个像素的二维(2D)阵列。像素间隙存在于所述多个像素之间。黑矩阵127围绕所述多个像素中每个像素的边界以填充在像素间隙中。掩模构件128可以将所述多个像素中的每个像素的区域划分成例如四个子区域。结果，可以具有与将所述多个像素的像素节距减小一半相同的作用，而实际上没有减小所述多个像素的像素节距。像素节距可以指所述多个像素当中的两个相邻像素之间的中心到中心的间距。像素间隙可以指所述多个像素当中的两个相邻像素之间的边缘到边缘的间距。
参考图3，黑矩阵127可具有周期栅格型图案。掩模构件128也可以具有周期栅格型图案，类似于黑矩阵127，并且可以设置为相对于黑矩阵127偏移从而划分每个像素。因此，掩模构件128的周期图案可以设置在黑矩阵127的图案之间并且可以在平行于黑矩阵127的图案的方向上延伸。
图3示出掩模构件128的周期图案可以与黑矩阵127的图案相同，但是示范实施方式不限于此。掩模构件128的周期图案的节距可以与黑矩阵127的图案的节距相同或不同。例如，虽然图3示出每个像素被掩模构件128的周期图案划分成四个部分，但是掩模构件128的周期图案可以将每个像素划分成两个部分或多于六个部分。在这点上，划分可以不被理解为像素的物理划分而理解为通过掩模构件128将像素的图像显示区虚拟划分成几个部分。如图3所示，虽然掩模构件128和黑矩阵127的节距是P2，但是由于掩模构件128和黑矩阵127共同用作像素点阵，所以实现了与将像素点阵的节距减小到P1的相同作用，因此可以增大点阵斑点之间的间隔。
现在将在下文描述上述全息显示装置100的操作。处理器可以产生和提供全息图数据信号到空间光调制器120。全息图数据信号可以是被计算以在空间上再现目标全息图像的计算机产生的全息图(CGH)信号。处理器可以根据即将被再现的全息图像产生全息图数据信号。空间光调制器120可以根据从处理器提供的全息图数据信号在空间光调制器120的表面上形成全息图案。空间光调制器120形成全息图案的原理可以与例如显示面板显示图像的原理相同。例如，全息图案可以在空间光调制器120上被显示为包括有关即将被再现的全息图像的信息的干涉图案。
同时，光源110可以提供光到空间光调制器120。入射光可以通过由空间光调制器120形成的全息图案被衍射和干涉，因此三维全息图像可以在空间光调制器120前面的预定空间上再现。被再现的全息图像位于其中的空间与空间光调制器120之间的距离可以被称为深度。通常，被再现的全息图像的形状和深度可以根据由空间光调制器120形成的全息图案而确定。当全息图像被再现时，观察者可以察觉离开空间光调制器120一距离d定位的全息图像。在这点上，在全息图像可以被察觉的观看位置处的包括观察者的瞳孔的虚拟平面可以被称为光瞳面。
然而，空间光调制器120被配置为多个像素的阵列，因此所述多个像素的阵列用作点阵(lattice)。因此，入射光可以通过由空间光调制器120形成的全息图案被衍射和干涉，并且还通过配置为空间光调制器120的像素的阵列的像素点阵被衍射和干涉。此外，一部分入射光可以穿过空间光调制器120而没有被全息图案衍射。结果，多个点阵斑点可以作为斑点(spot)出现在全息图像被聚集在其上的光瞳面上。所述多个点阵斑点可以起到使全息图像的质量劣化的图像噪声的作用，并且会使得不便于察觉全息图像。
所述多个点阵斑点会由于空间光调制器120的内部结构而产生，而与全息图案无关，因此所述多个点阵斑点位于固定位置处。然而，在光瞳面上的全息图像的位置可以根据全息图案改变，因此全息图案可以形成为使得全息图像可以被再现在所述多个点阵斑点不存在的位置处。据此原理，为了防止所述多个点阵斑点被观察者在观看位置处看到，全息图像可以被再现以防止在该处全息图像被聚焦在光瞳面上的区域(以下被称为图像窗)与所述多个点阵斑点交叠。这样的再现技术通常被称为离轴技术。
然而，当全息图像经由离轴技术被再现时，如果使用一般的空间光调制器，因为由于一般空间光调制器的有限分辨率，被所述多个点阵斑点围绕的不包括点阵斑点的区域(以下被称为观看窗)小，所以难以完全避免点阵斑点的影响。例如，观看窗的宽度w可以与一般空间光调制器和观看位置之间的距离d以及光的波长λ成正比，并且可以与一般空间光调制器的像素节距p成反比。即，可以建立关系w＝λ·d/p。因此，虽然可以考虑通过充分地减小一般空间光调制器的像素节距p来增大观看窗的尺寸，但是一般空间光调制器的像素节距p的减小在技术上受限制。此外，当点阵斑点由于傅里叶透镜115的像差而被散开时，即使图像窗被定位使得避免点阵斑点，也会由于从点阵斑点扩散的光而导致噪声在全息图像中出现。
根据本示范实施方式的空间光调制器120可以利用掩模构件128提供与减小像素节距p相同的作用而没有增大分辨率，如上所述，由此提供具有充分扩大尺寸的观看窗。例如，图4示意地示出根据示范实施方式的通过图3的掩模构件128形成的观看窗VW和图像窗IW之间的关系。参考图4，多个点阵斑点LS可以通过由掩模构件128和黑矩阵127引起的入射光的衍射和干涉以彼此间均匀的间隔产生。如用图4的虚线框表示，由所述多个点阵斑点LS围绕的区域是观看窗VW。图像窗IW，其是全息图像聚焦于光瞳面上的一区域，可以位于观看窗VW中。当观察者的瞳孔位置与图像窗IW的位置相同时，观察者会察觉完美的全息图像。
掩模构件128可以提供与减小像素点阵的节距相同的作用，因此观看窗VW的宽度W大于图像窗IW的宽度。由于空间光调制器120的像素没有减小，所以图像窗IW的尺寸没有改变。例如，当掩模构件128将每个像素划分成四个部分时，观看窗VW的尺寸可以是图像窗IW的尺寸的大约四倍。虽然图4示出图像窗IW位于观看窗VW的一个角处，但是图像窗IW的位置可以根据由空间光调制器120形成的全息图案而调节。如上所述，全息显示装置100可以在扩大的观看窗VW内再现全息图像，由此防止全息图像的质量由于点阵斑点LS而劣化。因此，全息显示装置100可以提供具有改善的质量的全息图像。
图4示出相对于掩模构件128的周期图案具有与黑矩阵127的周期图案相同的形状的情况的观看窗VW。然而，如上所述，掩模构件128的周期图案的形状可以以各种方式选择。例如，掩模构件128的周期图案的形状可以根据观看窗VW的期望尺寸选择。
例如，图5是示意地示出根据另一示范实施方式的空间光调制器120的黑矩阵127和掩模构件128之间的相对位置关系的平面图。参考图5，掩模构件128的周期图案可以形成使得每个像素在垂直方向上被划分成两个部分。即，掩模构件128可以包括在水平方向上延伸的多个周期图案。图6示意地示出根据示范实施方式的通过图5的掩模构件128形成的观看窗VW和图像窗IW之间的关系。如图6所示，由黑矩阵127和掩模构件128共同形成的像素点阵的节距在垂直方向上被减小为1/2，因此观看窗VW的尺寸可以仅在垂直方向上增大两倍。
图7是示意地示出根据另一示范实施方式的空间光调制器120的黑矩阵127和掩模构件128之间的相对位置关系的平面图。参考图7，掩模构件128的周期图案可以形成使得每个像素在水平方向上被划分成两个部分。即，掩模构件128可以包括在垂直方向上延伸的多个周期图案。图8示意地示出根据示范实施方式的通过图7的掩模构件128形成的观看窗VW和图像窗IW之间的关系。如图8所示，由黑矩阵127和掩模构件128共同形成的像素点阵的节距在水平方向上被减小为1/2，因此观看窗VW的尺寸可以仅在水平方向上增大两倍。
如上所述，掩模构件128的周期图案的图案节距可以被选择为与空间光调制器120的像素的像素节距相同或不同。为了使掩模构件128将每个像素平均地划分成两个或更多部分，掩模构件128的周期图案的图案节距可以与空间光调制器120的像素的像素节距的1/n相同，其中n是整数。更详细地，掩模构件128的图案可具有在水平方向上的第一图案节距和在垂直方向上的第二图案节距，第一图案节距与像素在水平方向上的像素节距的比率可以不同于或可以相同于第二图案节距与像素在垂直方向上的像素节距的比率。例如，第一图案节距可以与像素在水平方向上的像素节距的1/m相同，其中m是整数，第二图案节距可以与像素在垂直方向上的像素节距的1/p相同，其中p是整数。掩模构件128的图案可具有任意的图案节距，而与像素的像素节距无关。
以上描述了全息图像由会聚光形成的情况。然而，如果空间光调制器120自身提供足够的视角，可以不必使用会聚光。即，可以省略傅里叶透镜115，光源110可以不必提供会聚光。例如，仅仅平行光或发散光可以被用于再现全息图像。当使用平行光或发散光而不是会聚光时，由于上述点阵斑点导致的图像质量的劣化问题可以减少。然而，如果全息图像使用不包括掩模构件128的空间光调制器再现，则串扰会发生在多个全息图像之间。
例如，图9示范地示出当不使用会聚光的全息显示装置利用不包括掩模构件128的空间光调制器120'再现全息图像I1、I2和I3时，在全息图像I1、I2和I3之间发生的串扰。全息图像I1、I2和I3可以分别被称为第0级全息图像、第+1级全息图像和第-1级全息图像。如图9所示，当平行光入射到空间光调制器120'中时，第0级全息图像I1可以形成在光瞳面上在空间光调制器120'的光轴OX上。第±1级全息图像I2和I3可以另外地在垂直于光轴OX的方向上形成在光瞳面上。虽然图9示出了第±1级全息图像I2和I3在上下方向上形成，但是第1级全息图像可以进一步形成在横向方向上。然而，如果空间光调制器120'不调制入射光以使其具有充分大的衍射角，则在第0级全息图像I1和第±1级全息图像I2及I3之间的串扰会发生在光瞳面上。结果，第0级全息图像I1和第±1级全息图像I2及I3的质量会劣化。
图10是用于描述不使用会聚光的全息显示装置利用根据本示范实施方式的包括掩模构件128的空间光调制器120防止串扰的情况的示范性图示。参考图10，由于因包括掩模构件128的空间光调制器120，衍射角变大，所以第±1级全息图像I2和I3可以在垂直于光轴OX的方向上移动足够的距离。因此，可以防止第0级全息图像I1与第±1级全息图像I2和I3之间的串扰。
同时，掩模构件128设置在图2的空间光调制器120内部，但是掩模构件128的位置不必限于此。例如，图11是示意地示出根据另一示范实施方式的空间光调制器120的像素的结构的截面图。参考图11，掩模构件128未设置在空间光调制器120的内部。替代地，掩模构件128可以设置在空间光调制器120的外表面上。虽然图11示出了掩模构件128邻近于第二透明基板122设置，但是掩模构件128可以邻近于第一透明基板121设置。例如，掩模构件128可以设置在第一偏振片123的外表面上或在第一透明基板121内侧。
掩模构件128的周期图案可以被直接印刷在空间光调制器120的外表面上。替代地，掩模构件128可以与空间光调制器120分开提供，使得掩模构件128可以附接到空间光调制器120的外表面上。例如，掩模构件128可以是在透明膜131中的形式，周期图案印刷在该透明膜131上。当掩模构件128被制造为在透明膜131中的形式时，掩模构件128可以附接到已经制造的现有空间光调制器。
以上已经描述了掩模构件128是不透明的黑色掩模的情况，其中该黑色掩模的周期图案不允许光的透射。然而，代替完全地阻挡光的黑色掩模，可以使用延迟透射光的相位的相位掩模。例如，图12是示意地示出根据示范实施方式的空间光调制器120的掩模构件132的结构的截面图。参考图12，根据本示范实施方式的掩模构件132可以包括具有与透明膜131的折射率不同的折射率的周期图案。例如，透明膜131的区域可具有第一折射率，形成掩模构件132的周期图案的区域可具有不同于第一折射率的第二折射率。
透射光的相位可以通过调节厚度而不是折射率被延迟。例如，图13是示意地示出根据另一示范实施方式的空间光调制器120的掩模构件133的结构的截面图。参考图13，掩模构件133可以包括具有与透明膜131的厚度不同的厚度的周期图案。换句话说，掩模构件133包括突起。例如，透明膜131的区域可具有第一厚度，形成掩模构件133的周期图案的区域可具有不同于第一厚度的第二厚度。图13示出掩模构件133的第二厚度大于透明膜131的第一厚度，但是这仅是示例，第一厚度可以大于第二厚度。
虽然包括相位掩模的掩模构件132和133在图12和13中在透明膜131中的形式或者以透明膜131的形式提供，但是掩模构件132和133可以设置在空间光调制器120内部，类似于包括黑色掩模的掩模构件128。例如，掩模构件132和133可以设置在与空间光调制器120内部的与黑矩阵127相同的层上。在此情况下，掩模构件132的周期图案可具有与透光层129的折射率不同的折射率。替换地，掩模构件133的周期图案可具有与透光层129的厚度不同的厚度。
包括黑色掩模的掩模构件128和包括相位掩模的掩模构件132及133的组合是可能的。例如，图14是示意地示出根据另一示范实施方式的空间光调制器120的像素的结构的截面图。如图14所示，包括黑色掩模的掩模构件128可以设置在与黑矩阵127相同的层上，包括相位掩模的掩模构件132可以设置在空间光调制器120的外表面上。然而，这仅是掩模构件128、132和133的各种组合的一示例。例如，包括相位掩模的掩模构件132可以设置在与黑矩阵127相同的层上，包括黑色掩模的掩模构件128可以设置在空间光调制器120的外表面上。备选地，非均匀厚度结构的掩模构件133可以被设置，代替非均匀折射率结构的掩模构件132。备选地，非均匀厚度结构的掩模构件133可以被设置，代替包括黑色掩模的掩模构件128。
图14示出两个掩模构件128和132可具有相同的栅格结构。即，掩模构件128的黑色掩模的周期性不透明图案和掩模构件132的相位掩模的周期性相位延迟图案可具有相同的形状。然而，本示范实施方式不限于此。掩模构件128的黑色掩模的周期性不透明图案和掩模构件132的相位掩模的周期性相位延迟图案可具有不同的图案节距或形状。备选地，掩模构件128的黑色掩模的周期性不透明图案和掩模构件132的相位掩模的周期性相位延迟图案可以彼此偏移同时具有相同的形状。在此情况下，掩模构件128的黑色掩模的周期性不透明图案和掩模构件132的相位掩模的周期性相位延迟图案可以设置在相对于空间光调制器120的每个像素的不同位置处。
为了确定通过上述掩模构件128、132和133引起的观看窗的扩大效果，可以进行各种模拟。
首先，图15是示出由根据不包括掩模构件的比较例的空间光调制器形成的点阵斑点的模拟结果的曲线图。在这点上，假定黑矩阵127的图案宽度是10μm，在黑矩阵127之间的像素宽度是70μm。在图15的曲线图中，由第0级衍射引起的点阵斑点的光强度被标准化为1.0。参考图15，由第0级衍射引起的点阵斑点在0度，即，在中心部分处出现，并且由于比第±1级更高级的衍射而出现的点阵斑点在以约0.4度的间隔出现。
图16和17是示出由图2的空间光调制器120形成的点阵斑点的模拟结果的曲线图。即，基于包括黑色掩模的掩模构件128设置在与黑矩阵127相同的层上的假设，进行模拟。在图16中，假定掩模构件128的周期图案的宽度是10μm，其与黑矩阵127的图案宽度相同，在掩模构件128和黑矩阵127之间的间隔是30μm。在图17中，假定掩模构件128的周期图案的宽度是20μm，其不同于黑矩阵127的图案宽度，并且在掩模构件128和黑矩阵127之间的间隔是25μm。
参考图16的曲线图，由第0级衍射引起的点阵斑点的光强度被减小为0.8，由比第±1级更高级的衍射引起的点阵斑点以大约0.6度的间隔出现。因此，观看窗的宽度可以扩大2倍。参考图17的曲线图，由第0级衍射引起的点阵斑点的光强度减小为0.55，由比第±1级更高级的衍射引起的点阵斑点以大约0.8度的间隔出现。因此，观看窗的宽度可以扩大2倍。然而，具有非常弱的光强度的两个衍射图案可以保留在图17的观看窗中。
图18和19是示出由图11的空间光调制器120形成的点阵斑点的模拟结果的曲线图。即，基于包括黑色掩模的掩模构件128设置在空间光调制器120的外表面上的假设，进行模拟。在图18中，假定掩模构件128的周期图案的宽度是10μm，其与黑矩阵127的图案宽度相同，在掩模构件128和黑矩阵127之间的间隔是30μm，并且考虑到基板的厚度，在掩模构件128和黑矩阵127之间的在垂直方向上的间隔是0.7μm，该垂直方向是空间光调制器120的厚度方向。在图19中，假定掩模构件128的周期图案的宽度是20μm，其不同于黑矩阵127的图案宽度，在掩模构件128和黑矩阵127之间的间隔是25μm，并且在掩模构件128和黑矩阵127之间的在垂直方向上的间隔是0.7μm。
参考图18的曲线图，像在图16中一样，由第0级衍射引起的点阵斑点的光强度减小为大约0.8，由比第±1级更高级的衍射引起的点阵斑点以大约±0.8度的间隔出现。因此，观看窗的宽度可以扩大2倍。参考图19的曲线图，由第0级衍射引起的点阵斑点的光强度被进一步减小为大约0.54，由比第±1级更高级的衍射引起的点阵斑点以大约±0.8度的间隔出现。因此，观看窗的宽度可以扩大2倍。然而，具有非常弱的光强度的一个衍射图案可以保留在图19的观看窗中。
图20是示意地示出根据另一示范实施方式的黑矩阵127和掩模构件128之间的相对位置关系的截面图。掩模构件128可以设置在如图11所示的空间光调制器120的外表面上。图20的掩模构件128可以包括具有与黑矩阵127的图案宽度相同的图案宽度的第一图案128a以及具有与黑矩阵127的图案宽度不同的图案宽度的第二图案128b。第一图案128a可以与黑矩阵127的图案在纵向方向上对准。当从顶部看时，第二图案128b可以表现为在纵向方向上形成在第一图案128a之间。
图21是示出由图20的黑矩阵127和掩模构件128形成的点阵斑点的模拟结果的曲线图。在图21中，假定黑矩阵(BM)127和第一图案128a的图案宽度是10μm，第二图案128b的图案宽度是20μm。还假定在黑矩阵127和掩模构件128之间的在垂直方向上的间隔是0.7mm。参考图21的曲线图，由第0级衍射引起的点阵斑点的光强度减小为大约0.42，由第±1级衍射引起的点阵斑点出现在大约±0.8度处。因此，在此情况下，观看窗的宽度也可以被扩大2倍。没有衍射图案可以出现于观看窗中。
图22是示意地示出在根据另一示范实施方式的黑矩阵127、包括黑色掩模的掩模构件128、和包括相位掩模的掩模构件132之间的相对位置关系的截面图。包括黑色掩模的掩模构件128可以设置在空间光调制器120内部与黑矩阵127相同的层上。包括相位掩模的掩模构件132可以设置在空间光调制器120的外表面上。掩模构件128的图案宽度可以与黑矩阵127的图案宽度相同。掩模构件132可以包括具有0相位延迟的第一折射率区域132a和具有π相位延迟的第二折射率区域132b。第一折射率区域132a的宽度可以与黑矩阵127的图案宽度相同。当从垂直方向看时，第一折射率区域132a可以表现为形成在与黑矩阵127和掩模构件128的周期图案的位置相同的位置处。
图23是示出由图22的黑矩阵127和掩模构件128及132形成的点阵斑点的模拟结果的曲线图。假定黑矩阵127的图案宽度、掩模构件128的图案宽度、以及掩模构件132的第一折射率区域132a的宽度是10μm，并且在黑矩阵127和掩模构件132之间的在垂直方向上的间隔是0.7mm。参考图23的曲线图，没有出现第0级衍射光，并且由第±1级衍射引起的点阵斑点出现在大约±0.4度处。因此，在此情况下，观看窗的宽度也可以被扩大2倍。没有衍射图案会出现在观看窗中。
为了促进本公开的理解，提供扩大的观看窗的空间光调制器和包括该空间光调制器的全息显示装置的示范实施方式已经被描述和显示在附图中。然而，上述示范实施方式仅是示范性的并且将不被理解为限制。本教导能够容易地应用于其它类型的装置。此外，示范实施方式的描述旨在是说明性的，而不限制权利要求的范围，许多替换、变型和变化对本领域技术人员是显而易见的。
本申请要求于2015年6月1日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2014-0077488的优先权，其公开通过引用整体结合在此。

Claims (16)

1.一种空间光调制器，配置为使入射在所述空间光调制器上的光衍射以再现全息图像，包括：
多个像素的二维阵列；
黑矩阵，布置在所述多个像素之间；和
掩模构件，具有布置为将所述多个像素中的每个像素的区域划分成至少两个部分的周期图案，
其中所述掩模构件的图案宽度基本上等于所述黑矩阵的图案宽度，并且所述黑矩阵和与其相邻且隔开的所述掩模构件之间的距离小于所述多个像素的像素节距，
其中所述掩模构件的所述周期图案具有在第一方向上的第一图案节距和在垂直于所述第一方向上的第二方向上的第二图案节距，
其中所述掩模构件包括具有阻挡光的透射的周期性不透明图案的第一掩模构件和具有延迟透射光的相位的周期性相位延迟图案的第二掩模构件，
其中所述第一掩模构件设置于在其上设置所述黑矩阵的层上，以及
其中所述第二掩模构件设置于所述空间光调制器的外表面上。
2.如权利要求1所述的空间光调制器，其中所述第一和第二掩模构件中的每个的所述周期图案的图案节距与所述多个像素的所述像素节距相同。
3.如权利要求1所述的空间光调制器，其中所述第一和第二掩模构件中的每个的所述周期图案的图案节距基本上等于所述多个像素的所述像素节距的1/N，N是整数值。
4.如权利要求1所述的空间光调制器，其中所述第一和第二掩模构件中的每个的所述周期图案的所述第一图案节距与所述多个像素在所述第一方向上的所述像素节距之间的比率基本上等于所述第一和第二掩模构件中的每个的所述周期图案的所述第二图案节距与所述多个像素在所述第二方向上的所述像素节距之间的比率。
5.如权利要求1所述的空间光调制器，其中所述第一和第二掩模构件中的每个的所述周期图案的所述第一图案节距与所述多个像素在所述第一方向上的所述像素节距之间的比率不同于所述第一和第二掩模构件中的每个的所述周期图案的所述第二图案节距与所述多个像素在所述第二方向上的所述像素节距之间的比率。
6.如权利要求1所述的空间光调制器，其中所述第一和第二掩模构件中的每个的所述周期图案的所述第一图案节距基本上等于所述多个像素在所述第一方向上的所述像素节距的1/M，M是整数值，所述第一和第二掩模构件中的每个的所述周期图案的所述第二图案节距基本上等于所述多个像素在所述第二方向上的所述像素节距的1/N，N是整数值。
7.如权利要求1所述的空间光调制器，
其中所述第一和第二掩模构件中的每个的所述周期图案具有第一图案和第二图案，
其中所述第一图案的宽度等于所述黑矩阵的图案宽度，和
其中所述第二图案的宽度不同于所述黑矩阵的所述图案宽度。
8.如权利要求1所述的空间光调制器，
其中所述第一和第二掩模构件中的每个的所述周期图案布置在所述黑矩阵的图案之间并且在平行于所述黑矩阵的图案的方向上延伸。
9.如权利要求1所述的空间光调制器，其中所述第二掩模构件包括具有第一厚度的第一区域和具有不同于所述第一厚度的第二厚度的第二区域。
10.如权利要求1所述的空间光调制器，其中所述第二掩模构件包括具有第一折射率的第一区域和具有不同于所述第一折射率的第二折射率的第二区域。
11.如权利要求1所述的空间光调制器，其中所述第一掩模构件的所述周期性不透明图案具有与所述第二掩模构件的所述周期性相位延迟图案的形状不同的形状。
12.如权利要求1所述的空间光调制器，其中所述第一掩模构件的所述周期性不透明图案的形状和所述第二掩模构件的所述周期性相位延迟图案的形状是相同的形状，和
其中所述第一掩模构件的所述周期性不透明图案和所述第二掩模构件的所述周期性相位延迟图案设置在相对于所述多个像素中的每个像素的不同位置处。
13.一种全息显示装置，包括：
配置为发射光的光源；
空间光调制器，包括多个像素的阵列并配置为使入射在所述空间光调制器上的所述光衍射以再现全息图像；
黑矩阵，布置在所述多个像素之间；和
掩模构件，具有布置为将所述多个像素中的每个像素的区域划分成至少两个部分的周期图案，
其中所述掩模构件的图案宽度基本上等于所述黑矩阵的图案宽度，并且所述黑矩阵和与其相邻且隔开的所述掩模构件之间的距离小于所述多个像素的像素节距，
其中所述掩模构件的所述周期图案具有在第一方向上的第一图案节距和在垂直于所述第一方向上的第二方向上的第二图案节距，
其中所述掩模构件包括具有阻挡光的透射的周期性不透明图案的第一掩模构件和具有延迟透射光的相位的周期性相位延迟图案的第二掩模构件，
其中所述第一掩模构件设置于在其上设置所述黑矩阵的层上，以及
其中所述第二掩模构件设置于所述空间光调制器的外表面上。
14.如权利要求13所述的全息显示装置，其中所述第一和第二掩模构件中的每个的所述周期图案的图案节距基本上等于所述多个像素的所述像素节距或者所述多个像素的所述像素节距的1/N，N是整数值。
15.如权利要求13所述的全息显示装置，其中所述第一和第二掩模构件中的每个的所述周期图案布置在所述黑矩阵的图案之间并且在平行于所述黑矩阵的图案的方向上延伸。
16.如权利要求13所述的全息显示装置，其中所述空间光调制器和所述掩模构件被配置使得观看窗的尺寸是由所述全息显示装置再现的全息图像的图像窗的尺寸的至少2倍，该观看窗被限定为在由所述空间光调制器的周期结构和所述掩模构件形成的多个点阵斑点之间的间隔。
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