CN110865497A - 焦距调制光学***和具有其的全息显示装置 - Google Patents

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Abstract

公开了焦距调制光学***和具有该焦距调制光学***的全息显示装置。该全息显示装置包括：光源，配置为发射多种颜色光；焦距调制光学***，包括至少一个可变焦距透镜，所述至少一个可变焦距透镜被配置为基于入射在可变焦距透镜上的光的颜色通过对所述至少一个可变焦距透镜的电控制而改变入射光的聚焦位置；以及空间光调制器，配置为通过衍射从焦距调制光学***输出的光而形成全息图像。

Description

焦距调制光学***和具有其的全息显示装置
技术领域
本公开的示例实施方式涉及焦距调制光学***和包括其的全息显示装置。
背景技术
全息显示装置将一般图像信号转换成全息图像信号，并通过使用光学***将转换后的图像传输到左眼和右眼，从而显示三维(3D)图像。全息显示装置被认为是理想的3D显示器，其在显示具有更清晰深度的3D图像的同时不会引起眼睛疲劳。然而，为了实现上述特征，需要具有波长尺寸的像素的高分辨率空间光调制器(SLM)、具有相干性的面光源、以及用于计算机生成的全息图(CGH)的相对大量的计算。
近来，为了减少数据处理量和分辨率的条件，已经提出了双目全息图方法，其仅向与观看者的每只眼睛对应的视场提供全息图像。例如，仅具有与观看者的左眼视场对应的视点的全息图像及具有与右眼视场对应的视点的全息图像被生成并被提供给观看者的左眼和右眼。在这种情况下，因为不需要生成用于其它视点的全息图像，所以可以显著减少数据处理量，因而当前商业化的显示装置可以满足空间光调制器的分辨率条件。
在全息显示装置中，当使用彩色光时发生色差，并且色差会使图像质量劣化。
发明内容
一个或更多个示例实施方式提供了用于可减少色差的焦距调制光学***的方法和装置。
另外的一个或更多个示例实施方式提供了用于全息显示装置的方法和装置，该全息显示装置包括可减少色差的焦距调制光学***。
额外的方面将在以下描述中被部分地阐述且将部分自该描述明显，或者可以通过对示例实施方式的实践而被了解。
根据一示例实施方式的一方面，提供了一种焦距调制光学***，其包括：至少一个可变焦距透镜，配置为根据颜色通过电控制而改变入射光的聚焦位置，其中所述至少一个可变焦距透镜是可变的使得每种颜色光在相同的位置处形成焦点。
所述至少一个可变焦距透镜可以包括第一基板、设置在第一基板上的第一电极层、与第一基板相对设置的第二基板、设置在第二基板上的第二电极层、以及设置在第一基板与第二基板之间的液晶层，所述液晶层包括多个有源透镜，所述多个有源透镜被配置为基于施加在第一电极层与第二电极层之间的电压而改变。
第一电极层和第二电极层中的至少一个可以包括彼此分开设置的条形电极。
所述多个有源透镜的阵列节距、形状和曲率中的至少一者可以基于施加到条形电极的电压来调节。
焦距调制光学***还可以包括固定焦距透镜，其被配置为聚焦入射在可变焦距透镜上的光。
所述颜色光可以包括第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光，其中所述至少一个可变焦距透镜包括：第一可变焦距透镜，配置为将第一颜色光聚焦在第一位置；第二可变焦距透镜，配置为将第二颜色光聚焦在第一位置；以及第三可变焦距透镜，配置为将第三颜色光聚焦在第一位置，其中第一可变焦距透镜、第二可变焦距透镜和第三可变焦距透镜可以被顺序地设置。
焦距调制光学***还可以包括：第一波长选择延迟器，提供在第一可变焦距透镜前面；第二波长选择延迟器，提供在第一可变焦距透镜与第二可变焦距透镜之间；以及第三波长选择延迟器，提供在第二可变焦距透镜与第三可变焦距透镜之间。
第一波长选择延迟器可以被配置为将第一颜色光从第二偏振转换至第一偏振，并且透过第二偏振的第二颜色光和第二偏振的第三颜色光，第二波长选择延迟器可以被配置为将第一颜色光从第一偏振转换至第二偏振，将第二颜色光从第二偏振转换至第一偏振，并且透过第二偏振的第三颜色光，第三波长选择延迟器可以被配置为将第三颜色光从第二偏振转换至第一偏振，将第二颜色光从第一偏振转换至第二偏振，并且透过第二偏振的第一颜色光。
焦距调制光学***还可以包括提供在所述至少一个可变焦距透镜前面的波长选择延迟器，该波长选择延迟器被配置为基于入射光的颜色而选择性地延迟相位。
根据另一示例实施方式的一方面，提供了一种全息显示装置，其包括：光源，配置为发射多种颜色光；焦距调制光学***，包括至少一个可变焦距透镜，所述至少一个可变焦距透镜被配置为基于入射在所述至少一个可变焦距透镜上的光的颜色通过对所述至少一个可变焦距透镜的电控制而改变入射光的聚集位置；以及空间光调制器，配置为通过衍射从焦距调制光学***输出的光而形成全息图像。
所述至少一个可变焦距透镜可以包括第一基板、设置在第一基板上的第一电极层、与第一基板相对设置的第二基板、设置在第二基板上的第二电极层、以及设置在第一基板与第二基板之间的液晶层，液晶层包括多个有源透镜，所述多个有源透镜被配置为基于施加在第一电极层与第二电极层之间的电压而改变。
第一电极层和第二电极层中的至少一个可以包括彼此分开设置的条形电极。
所述多个有源透镜的阵列节距、形状和曲率中的至少一者可以被配置为基于施加到条形电极的电压而改变。
全息显示装置还可以包括波长选择延迟器，该波长选择延迟器提供在所述至少一个可变焦距透镜前面，并且被配置为基于入射光的颜色而选择性地延迟相位。
全息显示装置还可以包括固定焦距透镜，该固定焦距透镜被配置为聚焦将要发射在波长选择延迟器上的光。
全息显示装置还可以包括固定焦距透镜，该固定焦距透镜被配置为聚焦将要发射在所述至少一个可变焦距透镜上的光。
所述至少一个可变焦距透镜可以包括：第一可变焦距透镜，配置为将第一颜色光聚焦在第一位置；第二可变焦距透镜，配置为将第二颜色光聚焦在第一位置；以及第三可变焦距透镜，配置为将第三颜色光聚焦在第一位置，第一可变焦距透镜、第二可变焦距透镜和第三可变焦距透镜可以被顺序地设置。
全息显示装置还可以包括：第一波长选择延迟器，提供在第一可变焦距透镜前面；第二波长选择延迟器，提供在第一可变焦距透镜与第二可变焦距透镜之间；以及第三波长选择延迟器，提供在第二可变焦距透镜与第三可变焦距透镜之间。
全息显示装置还可以包括控制器，该控制器被配置为控制光源同时发射第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光，并控制第一可变焦距透镜、第二可变焦距透镜和第三可变焦距透镜调节分别与第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光的每种对应的聚焦位置。
全息显示装置还可以包括光束偏转器，该光束偏转器被配置为使从光源发射的所述多种颜色光偏转。
全息显示装置还可以包括位置检测传感器，该位置检测传感器被配置为检测观看全息图像的观看者的位置。
全息显示装置还可以包括控制器，该控制器被配置为控制光源按时间顺序地发射多种颜色光，其中可变焦距透镜可以被配置为按时间顺序地调节与所述多种颜色光对应的聚焦位置。
根据另一示例实施方式的一方面，提供了一种全息显示装置，其包括：光源，配置为发射多种颜色光；光束偏转器，配置为使从光源发射的所述多种颜色光偏转；导光板，配置为引导从光束偏转器偏转的所述多种颜色光；焦距调制光学***，包括固定焦距透镜和多个可变焦距透镜，所述多个可变焦距透镜被配置为基于入射的所述多种颜色光的颜色通过对所述多个可变焦距透镜的电控制而改变从导光板输出的所述多种颜色光的聚焦位置；以及空间光调制器，配置为通过衍射从焦距调制光学***输出的所述多种颜色光而形成全息图像。
所述多个可变焦距透镜可以包括：第一可变焦距透镜，配置为将第一颜色光聚焦在第一位置；第二可变焦距透镜，配置为将第二颜色光聚焦在第一位置；以及第三可变焦距透镜，配置为将第三颜色光聚焦在第一位置。
附图说明
以上和/或另外的方面将由以下结合附图对示例实施方式的描述变得明显并且更容易理解，附图中：
图1示意性地示出根据一示例实施方式的全息显示装置；
图2示出当多波长的光入射在固定焦距衍射透镜上时发生的色差；
图3示出根据一示例实施方式的焦距调制光学***；
图4示出根据一示例实施方式的焦距调制光学***的可变焦距透镜的一示例；
图5示出图4的可变焦距透镜的操作；
图6示出根据一示例实施方式的焦距调制光学***的操作；
图7示出去除根据一示例实施方式的焦距调制光学***中的色差的过程；
图8示出图3所示的焦距调制光学***中的红光、绿光和蓝光的同时操作机制(simultaneous operating mechanism)；
图9示出在根据一示例实施方式的焦距调制光学***中进一步提供固定焦距透镜的一示例；
图10示出根据一示例实施方式的焦距调制光学***；以及
图11示出图10所示的焦距调制光学***中的红光、绿光和蓝光的按时间顺序的操作机制(time sequential operating mechanism)。
具体实施方式
现在将详细参照根据示例实施方式的焦距调制光学***和具有该焦距调制光学***的全息显示装置，其示例在附图中示出，其中，相同的附图标记始终指代相同的元件。为了清楚以及便于说明，附图中示出的每个元件的尺寸可以被夸大。虽然诸如“第一”、“第二”等的术语可以用于描述各种部件，但是这些部件不应限于上述术语。上述术语仅用于将一个部件与另一个部件区分开。
还将理解，这里使用的术语“包括”和/或“包含”指明所陈述的特征或部件的存在，但不排除一个或更多个其它特征或部件的存在或添加。此外，当一材料层被描述为存在于另一层上时，该材料层可以直接存在于所述另一层上，或者第三层可以插置在它们之间。因为在以下实施方式中形成每层的材料是示例性的，所以可以使用其它材料。在描述本公开的上下文中使用术语“一”和“该”及类似指示物应被解释为涵盖单数和复数两者。
当诸如“……中的至少一个”的表述在一列元素之后时，修饰整列元素而不修饰该列中的单独元素。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应被理解为包括：仅a，仅b，仅c，a和b两者，a和c两者，b和c两者，或a、b和c全部。
图1示意性地示出根据一示例实施方式的全息显示装置100。
全息显示装置100可以包括提供光束的光源110、使来自光源110的光束偏转的光束偏转器120、根据入射光束的波长调节焦距的焦距调制光学***150、以及通过衍射入射光束形成全息图像的空间光调制器160。此外，全息显示装置100还可以包括引导由光束偏转器120偏转的光束朝空间光调制器160行进的导光板130、以及控制焦距长度(focallength)根据焦距调制光学***150中的入射光束的波长变化的控制器170。此外，控制器170可以控制光束偏转器120的偏转方向。此外，全息显示装置100还可以包括跟踪观看者位置的位置检测传感器180。
光源110可以是发射包括多个波长带的相干光的相干光源。为了提供具有高相干性的光，可以使用例如激光二极管(LD)作为光源110。然而，当光具有一定程度的空间相干性时，光可以被空间光调制器160衍射并调制，因而可以使用例如发光二极管(LED)作为光源110。除了LED之外，可以使用能够发射具有空间相干性的光的任何光源作为光源110。此外，在图1中，光源110仅被显示为一个块，但是光源110可以包括多个点光源阵列。例如，光源110可以包括多个红色发射激光器、多个绿色发射激光器和多个蓝色发射激光器。
光束偏转器120可以使来自光源110的光束偏转。例如，光束L1和L2可以分别朝左眼和右眼行进。入射光束可以通过控制器170在两个方向上按时间顺序被偏转，或者在两个方向上同时被偏转。光束偏转器120可以包括通过使用电信号改变光的行进方向的光束偏转面板。光束偏转器的示例可以包括微机电***(MEMS)扫描仪、电流镜(galvano mirror)、线性空间光调制器(SLM)和液晶光束偏转器。
导光板130可以由透明玻璃或透明塑料形成。例如，可以使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为导光板130的材料。导光板130可以具有例如长方体形状，以用作引导光束的光波导。入射在导光板130一侧的端部上的光束可以通过在其中全内反射而传输到其相反侧的端部。
通过根据入射光束的波长来调制入射光束的焦距长度，焦距调制光学***150可以校正色差。焦距调制光学***150可以包括例如可变焦距透镜。
图2示出当具有不同波长的光束入射在固定焦距透镜10上时发生色差。焦距长度与光的波长λ成反比。例如，当红光LR、绿光LG和蓝光LB入射在固定焦距透镜10上时，红光LR聚焦在最短的距离处，绿光LG聚焦在第二短的距离处，蓝光LB聚焦在最长的距离处，因而发生色差。
在一示例实施方式中，通过根据入射光束的波长调制焦距长度，焦距调制光学***150可以减少或消除色差。
空间光调制器160可以根据由图像信号处理器190提供的全息图信号而形成全息图案以衍射并调制入射光束。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组合调制器中的任何一种作为空间光调制器160。虽然图1示出了空间光调制器160是透射式空间光调制器，但是可以采用反射式空间光调制器。对于透射型，空间光调制器160可以使用例如基于诸如镓砷化物(GaAs)的化合物半导体的半导体调制器、或者液晶器件(LCD)。对于反射型，空间光调制器160可以使用例如数字微镜器件(DMD)或硅上液晶(LCoS)。
从光源110发射的光束可以被光束偏转器120偏转，被导光板130引导，被焦距调制光学***150放大至与空间光调制器160的尺寸对应的尺寸，然后入射在空间光调制器160上。导光板130可以包括：输入耦合器131，接收由光束偏转器120偏转并入射在导光板130上的光束；以及输出耦合器132，输出通过由导光板130引导而行进的光束。输入耦合器131可以包括例如准直透镜。准直透镜可以使入射光束成为平行光束以入射在导光板130上。因此，可以增加相对于导光板130的光耦合效率。输出耦合器132可以包括光栅。光栅可以通过利用输出光的衍射效率而提高光输出效率。
从导光板130输出的定向光束可以经过焦距调制光学***150入射在空间光调制器160上。空间光调制器160可以形成具有干涉图案以调制入射光束的全息图案。随着入射光束被空间光调制器160所形成的全息图案衍射并调制，可以在特定空间中的位置处再现全息图像。例如，可以在左眼位置处再现左眼全息图像，并且可以在右眼位置处再现右眼全息图像。
位置检测传感器180可以追踪观看者的位置并将观看者的位置发送到控制器170。控制器170可以根据观看者的位置控制光束偏转器120，使得光束可以指向观看者的眼睛。光束偏转器120可以通过电控制使光束偏转，以调节光束的行进方向。
图3示出根据一实施方式的焦距调制光学***200。焦距调制光学***200可以包括多个波长选择延迟器以及与所述多个波长选择延迟器的每个对应的可变焦距透镜。波长选择延迟器可以根据入射光的波长和颜色而选择性地延迟入射光的相位。例如，焦距调制光学***200可以包括第一波长选择延迟器205、第一可变焦距透镜210、第二波长选择延迟器215、第二可变焦距透镜220、第三波长选择延迟器225和第三可变焦距透镜230。
图4示出可变焦距透镜300的一示例。可变焦距透镜300可以是通过电改变液晶的排列而控制焦距长度的液晶透镜。可变焦距透镜300可以包括第一基板310、包含在第一基板310上彼此间隔开布置的多个第一电极321的第一电极层320、与第一基板310相对设置的第二基板350、提供在第二基板350上并具有第二电极341的第二电极层340、以及提供在第一基板310与第二基板350之间的液晶层330。
第一基板310和第二基板350可以包括绝缘基板，并且可以由例如玻璃或透明塑料形成。
多个第一电极321的每个可以被独立地驱动。参照图5，液晶层330可以包括多个有源透镜331，该多个有源透镜331随着液晶分子的阵列根据形成在第一电极层320与第二电极层340之间的电场改变而形成。可以改变有源透镜331的根据施加在第一电极321与第二电极341之间的电压而变化的阵列节距P、形状和曲率中的至少一者。入射光束的焦距长度可以根据有源透镜331的阵列节距P、形状和曲率来控制。
第一电极321可以具有例如条形形状，并且可以彼此平行布置。作为公共电极的第二电极341可以具有单面板形状。然而，示例实施方式不限于此，第二电极341可以是具有条形形状且彼此间隔开布置的多个电极。第一电极321和第二电极341可以包括透明导电材料，例如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)和铟锡锌氧化物(ITZO)。
液晶层330可以包括液晶(LC)分子。LC分子可以最初被配向，使得其长轴方向平行于一个方向，例如方向x。可以在第一基板310和第二基板350中的至少一个上进一步提供用于LC分子的配向的配向层。
参照图5，有源透镜331可以随着LC分子的阵列通过施加在第一电极321与第二电极341之间的电压改变而形成。有源透镜331的形状可以根据施加在第一电极321与第二电极341之间的电压而变化。因为LC分子在长轴方向上的折射率和其在短轴方向上的折射率彼此不同，所以有源透镜331被形成。换言之，相对于入射在LC分子上的光，LC分子对平行于长轴方向偏振的光和平行于与长轴方向垂直的方向偏振的光具有不同的折射率。液晶层330仅对一个方向的偏振光进行折射，并且透过其它方向的偏振光而没有折射。
如图4所示，在第一电极321与第二电极341之间没有施加电压的初始配向状态下，LC分子全部在彼此平行的方向上配向，因而一定偏振的光在任何位置可以具有相同的折射率。如图5所示，当一定的电分布根据施加在第一电极321与第二电极341之间的电压而形成在液晶层330中时，LC分子取决于电场方向排列。例如，LC分子的长轴方向可以在介电各向异性为正时沿电场方向排列，并且在介电各向异性为负时沿垂直于电场方向的方向排列。可以向第一电极321施加不同的电压，因此，每个LC分子的排列形式在每个位置处不同。因为每个LC分子的折射率在长轴方向和短轴方向上不同，所以可以根据LC分子在长轴方向上的分布而获得折射率梯度。有源透镜可以根据液晶层330中的折射率梯度而形成。通过根据液晶层330的电场分布来控制LC分子在长轴方向上的分布，可以调节有源透镜的阵列节距、形状和曲率。
因为LC分子的长轴方向在液晶层330中的每个位置处不同，所以通过LC分子在长轴方向上的排列形成了有源透镜331。因此，有源透镜331可以仅对在与初始配向状态下的LC分子的长轴方向平行的方向上，例如在与方向x平行的方向上偏振的光起作用。在以下描述中，平行于方向x的偏振被称为第一偏振并由符号
Figure BDA0002049750900000091
表示。
当LC分子如图5所示地排列时，每个位置处的LC分子的长轴方向不同，但其短轴方向相同地在方向y上。因此，当入射在液晶层330上的光在方向y上偏振时，不发生折射。在以下描述中，平行于方向y的偏振被称为第二偏振并由符号“⊙”表示。
换言之，当入射在液晶层330上的光具有平行于方向x偏振的第一偏振
Figure BDA0002049750900000092
时，光的焦距长度被有源透镜331改变，当在平行于方向y的方向上偏振的第二偏振(⊙)的光入射时，光透过液晶层330而没有改变。
例如，当依次增大的电压被施加到n个第一电极321时，其中n为自然数，并且当依次增大的电压被施加到多于n个的第一电极321时，有源透镜331被改变，因而可以改变光的焦距长度。控制器370可以控制施加到第一电极321的电压。根据一示例实施方式，通过向两个相邻的第一电极321施加第一电压然后不向接着的两个第一电极321施加电压或者向其施加与第二电极341相同的电压，有源透镜的形状可以被形成。
图6示出根据一示例实施方式的波长选择延迟器304以及与其对应的可变焦距透镜300的操作。
例如，当第二偏振(⊙)的第一波长光LR、第二偏振(⊙)的第二波长光LG和第二偏振(⊙)的第三波长光LB入射在焦距调制光学***上时，波长选择延迟器304将第一波长光LR转换至第一偏振
Figure BDA0002049750900000101
并以第二偏振(⊙)状态输出第二波长光LG和第三波长光LB。输出光入射在可变焦距透镜300上。
可变焦距透镜300可以例如仅对第一偏振
Figure BDA0002049750900000102
的光执行折射。因此，第一偏振
Figure BDA0002049750900000103
的第一波长光LR被折射并以第一焦距长度输出，并且第二偏振(⊙)的第二波长光LG和第三波长光LB被输出而无焦距长度上的改变。
图7示出详细实施图3的焦距调制光学***200的一示例。
参照图7，焦距调制光学***400可以包括以下结构，其中第一波长选择延迟器305、第一可变焦距透镜301、第二波长选择延迟器306、第二可变焦距透镜302、第三波长选择延迟器307和第三可变焦距透镜303被顺序堆叠。第一可变焦距透镜301、第二可变焦距透镜302和第三可变焦距透镜303可以每个具有与关于图6描述的可变焦距透镜300的结构基本相同的结构。
例如，当第二偏振(⊙)的第一波长光LR、第二偏振(⊙)的第二波长光LG和第二偏振(⊙)的第三波长光LB入射在焦距调制光学***400上时，第一波长选择延迟器305可以将第一波长光LR的偏振转换至第一偏振
Figure BDA0002049750900000104
并且可以以第二偏振(⊙)状态输出第二波长光LG和第三波长光LB，第一可变焦距透镜301可以改变从第一波长选择延迟器305输出的第一波长光LR的焦距长度，并输出第二偏振(⊙)的第二波长光LG和第三波长光LB而无焦距长度上的改变。
布置在穿过第一可变焦距透镜301的光的光路上的第二波长选择延迟器306可以将第二波长光LG的偏振转换至第一偏振
Figure BDA0002049750900000105
将第一波长光LR转换至第二偏振(⊙)状态，并以第二偏振(⊙)状态输出第三波长光LB而无改变，第二可变焦距透镜302可以改变从第二波长选择延迟器306输出的第二波长光LG的焦距长度，并且可以输出第二偏振(⊙)的第一波长光LR和第三波长光LB而无焦距长度上的改变。
布置在穿过第二可变焦距透镜302的光的光路上的第三波长选择延迟器307可以将第三波长光LB的偏振转换至第一偏振
Figure BDA0002049750900000111
将第二波长光LG转换至第二偏振(⊙)，并以第二偏振(⊙)状态输出第一波长光LR而无改变，第三可变焦距透镜303可以改变从第三波长选择延迟器307输出的第三波长光LB的焦距长度，并且可以输出第二偏振(⊙)的第一波长光LR和第二波长光LG而无焦距长度上的改变。控制器370可以控制第一至第三可变焦距透镜301、302和303。
控制器370可以控制施加到第一至第三可变焦距透镜301、302和303的电压，使得相应颜色光的焦点可以形成在相同的位置处而无论入射光的波长如何。
下面描述焦距调制光学***400控制焦距长度的操作。
白光或各种波长带的光可以入射在焦距调制光学***400上。入射光可以被第一波长选择延迟器305分成第一偏振
Figure BDA0002049750900000112
的第一颜色光LR、第二偏振(⊙)的第二颜色光LG和第二偏振(⊙)的第三颜色光LB。
第一偏振
Figure BDA0002049750900000113
的第一颜色光LR、第二偏振(⊙)的第二颜色光LG和第二偏振(⊙)的第三颜色光LB入射在第一可变焦距透镜301上。第一可变焦距透镜301可以包括通过电控制的第一有源透镜331R，并且可以允许第一偏振
Figure BDA0002049750900000114
的第一颜色光LR的聚焦位置为第一位置。因为第一可变焦距透镜301仅对第一偏振
Figure BDA0002049750900000115
的光进行折射，所以可以仅调节第一偏振
Figure BDA0002049750900000116
的第一颜色光LR的焦距，并且第二偏振(⊙)的第二颜色光LG和第二偏振(⊙)的第三颜色光LB可以由第一可变焦距透镜301输出而无改变。
接着，第一偏振
Figure BDA0002049750900000117
的第一颜色光LR、第二偏振(⊙)的第二颜色光LG和第二偏振(⊙)的第三颜色光LB入射在第二波长选择延迟器306上。第二波长选择延迟器306将第二颜色光LG的偏振改变至第一偏振
Figure BDA0002049750900000118
此外，第二波长选择延迟器306将第一偏振
Figure BDA0002049750900000119
的第一颜色光LR改变至第二偏振(⊙)，但不影响第二偏振(⊙)的第三颜色光LB。第二偏振(⊙)的第一颜色光LR、第一偏振
Figure BDA00020497509000001110
的第二颜色光LG和第二偏振(⊙)的第三颜色光LB通过第二波长选择延迟器306入射在第二可变焦距透镜302上。
第二可变焦距透镜302可以包括通过电控制的第二有源透镜331G，并且可以允许第二颜色光LG的焦点形成在第一位置。因为第二可变焦距透镜302仅对第一偏振
Figure BDA0002049750900000121
的光起作用，所以作为入射光的第二偏振(⊙)的第一颜色光LR和第二偏振(⊙)的第三颜色光LB不受影响。
接着，第二偏振(⊙)的第一颜色光LR、第一偏振
Figure BDA0002049750900000122
的第二颜色光LG和第二偏振(⊙)的第三颜色光LB入射在第三波长选择延迟器307上。第三波长选择延迟器307将第三颜色光LB的第二偏振(⊙)改变至第一偏振
Figure BDA0002049750900000124
此外，第三波长选择延迟器307将第一偏振
Figure BDA0002049750900000123
的第二颜色光LG改变至第二偏振(⊙)，并且不影响第二偏振(⊙)的第一颜色光LR。可以使用相对于第二颜色光LG和第三颜色光LB具有波长选择性的光学各向异性材料作为第三波长选择延迟器307的材料。第三波长选择延迟器307可以改变第二颜色光LG和第三颜色光LB的偏振方向。第二偏振(⊙)的第一颜色光LR、第二偏振(⊙)的第二颜色光LG和第一偏振
Figure BDA0002049750900000125
的第三颜色光LB通过第三波长选择延迟器307入射在第三可变焦距透镜303上。
第三可变焦距透镜303可以包括通过电控制的第三有源透镜331B，并且可以允许第三颜色光LB的焦点形成在第一位置。此外，因为第三可变焦距透镜303仅对第一偏振
Figure BDA0002049750900000126
的光起作用，所以在第二偏振(⊙)的第一颜色光LR、第二偏振(⊙)的第二颜色光LG和第一偏振
Figure BDA0002049750900000127
的第三颜色光LB当中，仅第一偏振
Figure BDA0002049750900000128
的第三颜色光LB可以被第三可变焦距透镜303聚焦在第一位置。通过上述过程，第一颜色光LR、第二颜色光LG和第三颜色光LB可以聚焦在相同的第一位置处。
图8示出图3所示的焦距调制光学***200中的红光、绿光和蓝光的同时操作机制。
在一示例实施方式的全息显示装置中，当显示多帧图像时，在每帧处，红光LR、绿光LG和蓝光LB可以同时入射在焦距调制光学***上。例如，在第一帧处，来自光源的红光LR、绿光LG和蓝光LB可以同时入射在可变焦距透镜上。用于调节红光LR的焦距的电压V(R)、用于调节绿光LG的焦距的电压V(G)和用于调节蓝光LB的焦距的电压V(B)可以施加到可变焦距透镜。焦距可以以相同的方式在第二帧处调节。在同时操作机制中，由于焦距调制光学***相对于多个颜色光同时操作，帧速率可以相对较高。
图9示出根据一示例实施方式的焦距调制光学***200A。除了图3所示的焦距调制光学***200的元件之外，焦距调制光学***200A还可以包括固定焦距透镜240。固定焦距透镜240可以设置在第一波长选择延迟器205前面。固定焦距透镜240可以是配置为聚焦波长光中的任何一个的透镜。例如，固定焦距透镜240可以是配置为聚焦绿光的透镜。然而，示例实施方式不限于此，固定焦距透镜240可以聚焦除绿光以外的适当颜色光。例如，固定焦距透镜240可以被设计为主要减少关于每种颜色光的色差。固定焦距透镜240可能难以制造并且为了更精确地校正色差可能引发相当高的制造成本。然而，固定焦距透镜240可以以低成本制造以初步减少色差。
接着，通过第一波长选择延迟器205、第二波长选择延迟器215和第三波长选择延迟器225以及第一可变焦距透镜210、第二可变焦距透镜220和第三可变焦距透镜230，可以调节相对于每种颜色光的焦距，因而可以更精确地进一步校正色差。
换言之，在通过使用固定焦距透镜240初步校正色差之后，可以通过波长选择延迟器和可变焦距透镜更精确地校正色差。
图10示出根据一示例实施方式的焦距调制光学***400'。
焦距调制光学***400'可以包括固定焦距透镜410和可变焦距透镜420。
可变焦距透镜420可以具有参照图4和图5描述的结构。参照图4和图5，通过根据入射光的波长来调节施加在第一电极321与第二电极341之间的电压，可变焦距透镜420可以控制有源透镜331。因此，可以通过调节每种颜色光的焦距长度来减少或消除色差。
在图10所示的焦距调制光学***400'中，每种颜色光可以按时间顺序输入。图11示出红光LR、绿光LG和蓝光LB的按时间顺序的操作机制。
在一示例实施方式的全息显示装置中，当显示具有多个帧的图像时，在每帧处，红光LR、绿光LG和蓝光LB按时间顺序地输入到焦距调制光学***400'。例如，在第一帧处，来自光源的红光LR可以入射在焦距调制光学***400'上，并且用于调节红光LR的焦距的电压V(R)可以施加到可变焦距透镜420。例如，红光LR可以聚焦在第一位置处。接着，绿光LG可以入射在可变焦距透镜420上，并且用于调节绿光LG的焦距的电压V(G)可以被施加到焦距可变焦距透镜420。绿光LG可以被聚焦在第一位置处。接着，蓝光LB可以入射在可变焦距透镜420上，并且用于调节蓝光LB的焦距的电压V(B)可以被施加到可变焦距透镜420。蓝光LB可以被聚焦在第一位置处。焦距可以以相同的方式在第二帧处被调节。在按时间顺序的操作机制中，由于焦距调制光学***相对于多种颜色光按时间顺序操作，帧速率可以相对低于同时操作机制的帧速率。相反，焦距调制光学***可以被制造得比同时操作的焦距调制光学***更薄。当可变焦距透镜的操作速度足够快时，可以确保必要的帧速率并且焦距调制光学***可以被缩小或小型化。此外，虽然在图10中提供了固定焦距透镜410，但是通过经由仅使用可变焦距透镜420而不使用固定焦距透镜410来调节焦距，可以减少色差。
应理解，这里描述的示例实施方式应仅在描述性的意义上被考虑，而不是为了限制的目的。对每个示例实施方式内的特征或方面的描述通常应被认为可用于其它示例实施方式中的其它相似特征或方面。
虽然已经参照附图描述了示例实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行在形式和细节上的各种改变而不背离如由所附权利要求限定的精神和范围。
本申请要求享有2018年8月10日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0093992号以及2018年10月4日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0118499号的优先权，其公开通过引用全文在此合并。

Claims (24)

1.一种焦距调制光学***，包括：
至少一个可变焦距透镜，配置为根据颜色通过电控制而改变入射光的聚焦位置，
其中所述至少一个可变焦距透镜是可变的使得每种颜色光在相同的位置处形成焦点。
2.根据权利要求1所述的焦距调制光学***，其中所述至少一个可变焦距透镜包括：
第一基板；
提供在所述第一基板上的第一电极层；
与所述第一基板相对设置的第二基板；
提供在所述第二基板上的第二电极层；以及
提供在所述第一基板与所述第二基板之间的液晶层，所述液晶层包括多个有源透镜，所述多个有源透镜被配置为基于施加在所述第一电极层与所述第二电极层之间的电压而改变。
3.根据权利要求2所述的焦距调制光学***，其中所述第一电极层和所述第二电极层中的至少一个包括彼此分开设置的条形电极。
4.根据权利要求3所述的焦距调制光学***，其中所述多个有源透镜的阵列节距、形状和曲率中的至少一者基于施加到所述条形电极的电压来调节。
5.根据权利要求1所述的焦距调制光学***，还包括配置为聚焦入射在所述可变焦距透镜上的光的固定焦距透镜。
6.根据权利要求1所述的焦距调制光学***，其中所述颜色光包括第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光，
其中所述至少一个可变焦距透镜包括：
第一可变焦距透镜，配置为将所述第一颜色光聚焦在第一位置；
第二可变焦距透镜，配置为将所述第二颜色光聚焦在所述第一位置；和
第三可变焦距透镜，配置为将所述第三颜色光聚焦在所述第一位置，以及
其中所述第一可变焦距透镜、所述第二可变焦距透镜和所述第三可变焦距透镜顺序地设置。
7.根据权利要求6所述的焦距调制光学***，还包括：
第一波长选择延迟器，提供在所述第一可变焦距透镜前面；
第二波长选择延迟器，提供在所述第一可变焦距透镜与所述第二可变焦距透镜之间；以及
第三波长选择延迟器，提供在所述第二可变焦距透镜与所述第三可变焦距透镜之间。
8.根据权利要求7所述的焦距调制光学***，其中所述第一波长选择延迟器被配置为将所述第一颜色光从第二偏振转换至第一偏振，并且透过所述第二偏振的所述第二颜色光和所述第二偏振的所述第三颜色光，
其中所述第二波长选择延迟器被配置为将所述第一颜色光从所述第一偏振转换至所述第二偏振，将所述第二颜色光从所述第二偏振转换至所述第一偏振，并且透过所述第二偏振的所述第三颜色光，以及
其中所述第三波长选择延迟器被配置为将所述第三颜色光从所述第二偏振转换至所述第一偏振，将所述第二颜色光从所述第一偏振转换至所述第二偏振，并且透过所述第二偏振的所述第一颜色光。
9.根据权利要求1所述的焦距调制光学***，还包括提供在所述至少一个可变焦距透镜前面的波长选择延迟器，所述波长选择延迟器被配置为基于入射光的颜色选择性地延迟相位。
10.一种全息显示装置，包括：
光源，配置为发射多种颜色光；
焦距调制光学***，包括至少一个可变焦距透镜，所述可变焦距透镜被配置为基于入射在所述至少一个可变焦距透镜上的光的颜色通过对所述至少一个可变焦距透镜的电控制而改变入射光的聚焦位置；以及
空间光调制器，配置为通过衍射从所述焦距调制光学***输出的光而形成全息图像。
11.根据权利要求10所述的全息显示装置，其中所述至少一个可变焦距透镜包括：
第一基板；
设置在所述第一基板上的第一电极层；
与所述第一基板相对设置的第二基板；
设置在所述第二基板上的第二电极层；以及
设置在所述第一基板与所述第二基板之间的液晶层，所述液晶层包括多个有源透镜，所述多个有源透镜被配置为基于施加在所述第一电极层与所述第二电极层之间的电压而改变。
12.根据权利要求11所述的全息显示装置，其中所述第一电极层和所述第二电极层中的至少一个包括彼此分开设置的条形电极。
13.根据权利要求12所述的全息显示装置，其中所述多个有源透镜的阵列节距、形状和曲率中的至少一者被配置为基于施加到所述条形电极的电压而改变。
14.根据权利要求10所述的全息显示装置，还包括波长选择延迟器，所述波长选择延迟器提供在所述至少一个可变焦距透镜前面，并且被配置为基于入射光的颜色而选择性地延迟相位。
15.根据权利要求14所述的全息显示装置，还包括固定焦距透镜，所述固定焦距透镜被配置为聚焦将要发射在所述波长选择延迟器上的光。
16.根据权利要求12所述的全息显示装置，还包括固定焦距透镜，所述固定焦距透镜被配置为聚焦将要发射在所述至少一个可变焦距透镜上的光。
17.根据权利要求10所述的全息显示装置，其中所述至少一个可变焦距透镜包括：
第一可变焦距透镜，配置为将第一颜色光聚焦在第一位置；
第二可变焦距透镜，配置为将第二颜色光聚焦在所述第一位置；和
第三可变焦距透镜，配置为将第三颜色光聚焦在所述第一位置，以及
所述第一可变焦距透镜、所述第二可变焦距透镜和所述第三可变焦距透镜顺序地设置。
18.根据权利要求17所述的全息显示装置，还包括：
第一波长选择延迟器，提供在所述第一可变焦距透镜前面；
第二波长选择延迟器，提供在所述第一可变焦距透镜与所述第二可变焦距透镜之间；以及
第三波长选择延迟器，提供在所述第二可变焦距透镜与所述第三可变焦距透镜之间。
19.根据权利要求17所述的全息显示装置，还包括控制器，所述控制器被配置为控制所述光源同时发射第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光，并且控制所述第一可变焦距透镜、所述第二可变焦距透镜和所述第三可变焦距透镜以调节分别与所述第一颜色光、所述第二颜色光和所述第三颜色光的每个对应的聚焦位置。
20.根据权利要求10所述的全息显示装置，还包括光束偏转器，所述光束偏转器被配置为使从所述光源发射的所述多种颜色光偏转。
21.根据权利要求10所述的全息显示装置，还包括位置检测传感器，所述位置检测传感器被配置为检测观看所述全息图像的观看者的位置。
22.根据权利要求10所述的全息显示装置，还包括控制器，所述控制器被配置为控制所述光源按时间顺序发射多种颜色光，
其中所述可变焦距透镜被配置为按时间顺序调节与所述多种颜色光对应的聚焦位置。
23.一种全息显示装置，包括：
光源，配置为发射多种颜色光；
光束偏转器，配置为使从所述光源发射的所述多种颜色光偏转；
导光板，配置为引导从所述光束偏转器偏转的所述多种颜色光；
焦距调制光学***，包括固定焦距透镜和多个可变焦距透镜，所述多个可变焦距透镜被配置为基于入射的所述多种颜色光的颜色通过对所述多个可变焦距透镜的电控制而改变从所述导光板输出的所述多种颜色光的聚焦位置；以及
空间光调制器，配置为通过衍射从所述焦距调制光学***输出的所述多种颜色光而形成全息图像。
24.根据权利要求23所述的全息显示装置，其中所述多个可变焦距透镜包括：
第一可变焦距透镜，配置为将第一颜色光聚焦在第一位置；
第二可变焦距透镜，配置为将第二颜色光聚焦在所述第一位置；和
第三可变焦距透镜，配置为将第三颜色光聚焦在所述第一位置。
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