薄的平坦式會聚透鏡的製作方法

2023-09-23 00:55:15

專利名稱：薄的平坦式會聚透鏡的製作方法
技術領域：
本公開涉及一種薄的平坦式會聚透鏡。具體地，本公開涉及在全息3D顯示裝置中聚焦3D圖像的一種薄的平坦式會聚透鏡。
背景技術：
近來，積極地開發了用於製作和再現3D (三維)圖像/視頻的多種技術和研究。由於與3D圖像/視頻相關的媒體是用於虛擬實境的新概念媒體，所以該媒體能更好地改善視覺信息，並且將引領下一代顯示面板。傳統的2D圖像系統僅提供投影到平面圖的圖像和視頻數據，而3D圖像系統可向觀看者提供完全的實際圖像數據。因此，3D圖像/視頻技術是真實的(True North)圖像/視頻技術。典型地，存在再現3D圖像/視頻的方法:立體法、自動立體法、體積法、全息法和全景成像(integral imaging)法。在這些方法中，全息法使用了雷射束,使得能夠用裸眼觀看3D圖像/視頻。因為全息法在不給觀看者帶來任何疲勞的情況下具有出色的視覺立體特性，所以全息法是最理想的方法。為了在圖像中的每個點產生對光波相位的記錄，全息術使用與來自場景或物體的光(物體光束)相組合的參考光束。如果這兩個光束是相干的，那麼參考光束與物體光束之間的光幹涉由於光波的疊加產生可記錄在標準攝影膠片上的一系列強度條紋。這些條紋在膠片上形成一種衍射光柵，這稱為全息圖。全息術的中心目標是，當稍後通過替代參考光束照亮所記錄的光柵時，原始的物體光束被重構(或再現)，從而產生3D圖像/視頻。作為以數字方式產生全息幹涉圖案的方法的計算機產生全息圖(或CGH:ComputerGenerated Hologram)有了新的發展。例如,通過以數字方式計算全息幹涉圖案並使用合適的相干光源將全息幹涉圖案印刷在掩模或膠片上以用於隨後照亮，可以產生全息圖像。通過避開每次必須製造全息幹涉圖案的「硬拷貝」的需要，全息3D顯示器可以使再現全息圖像。計算機產生的全息圖具有如下優點:想要顯示的物體根本不必具有任何物理實體。如果以光學的方式產生現有的物體的全息數據，但以數字方式記錄和處理該數據，並隨後將其輸入到顯示器中，則這也稱為CGH。例如，計算機系統產生全息幹涉圖案，並將該全息幹涉圖案發送到諸如液晶空間光調製器(LCSML:Liquid Crystal Spatial LightModulator)的空間光調製器，然後通過向空間光調製器發射基準光束來重建/再現與全息幹涉圖案相對應的3D圖像/視頻。圖1是示出根據相關技術的使用計算機產生的全息圖的數字全息圖像/視頻顯示裝置的結構圖。參照圖1，計算機10產生要顯示的圖像/視頻的全息幹涉圖案。產生的全息幹涉圖案被發送到SLM 20。作為透射式液晶顯示裝置的SLM 20可呈現全息幹涉圖案。在SLM20的一側，設置有用於產生基準光束的雷射源30。為了將基準光束90從雷射源30照射在SLM 20的整個表面上，可順序地設置擴張器(expander)40和透鏡系統50。從雷射源30輸出的基準光束90經過擴張器40和透鏡系統50照射到SLM 20的一側。由於SLM 20是透射式液晶顯示裝置，所以在SLM 20的另一側將重構/再現與全息幹涉圖案相對應的3D圖
像/視頻。根據圖1的全息型3D顯示系統包括用於產生基準光90的光源30以及具有相對大的體積的擴張器40和透鏡系統50。在構造了這種3D顯示系統的情況下，這種3D顯示系統可具有大的體積和大的重量。即，用於全息型3D顯示系統的常規技術不適合應用於近來需求的薄、輕和便攜性的顯示系統。因此，需要開發一種可裸眼地呈現真實3D圖像的薄的平坦式全息3D顯示系統。即使將作為用於全息3D顯示裝置的主要元件之一的SLM配置為薄的平坦式，如果應用了傳統的會聚光學透鏡(或凸透鏡)，則整個3D顯示系統依然不能成為薄的平坦式。此夕卜，由於全息系統的顯示區域越來越大，所以透鏡也需具有越來越大的尺寸以與大顯示區域相對應。對於凸透鏡，隨著顯示區域的增大，透鏡的厚度越來越厚並且重量也越來越重，以至於更難將凸透鏡應用於薄的平坦式3D顯示裝置。

發明內容
為了克服以上提到的缺陷，本公開的目的在於提供一種薄的平坦式會聚透鏡，該會聚透鏡將具有與光的傳播方向平行的入射角的平面波的光會聚到光(傳播)軸上的某一點。本公開的另一目的在於提供能夠應用於薄的平坦式全息3D顯示裝置(或系統)的薄的平坦式會聚透鏡。為了達到以上目的，本公開提供了一種薄的平坦式會聚透鏡，該薄的平坦式會聚透鏡包括:透明基板；以及膜透鏡，其包括附裝在所述透明基板的一側上的透明膜和記錄在所述透明膜上的幹涉條紋圖案。所述幹涉條紋圖案由會聚光與垂直入射到所述透明膜上的平行直射光之間的幹涉產生。所述平行直射光由記錄在母膜(master film)上的幹涉條紋圖案產生，並且被構造為將以一入射角入射到所述母膜上的傾斜的平行光改變成所述平行直射光。所述傾斜的平行光的所述入射角是在與所述母膜的法線成45° ±30°的範圍內的一個值。所述會聚光由光學凸透鏡產生，並且聚焦在所述母膜的入射面上並接著發散到所述透明膜。所述膜透鏡包括厚度最多為500微米的感光膜。所述膜透鏡包括透明的感光聚合物和透明的凝膠中的一種。所述透明基板和所述膜透鏡具有相同的折射率。根據本公開的會聚透鏡包括一個膜式會聚透鏡，該膜式會聚透鏡中具有幹涉條紋圖案。因此，為了配置3D顯示裝置，可以使用薄膜型透鏡將3D圖像的焦點設置在顯示器與觀看者之間的空間內的一點處，或者設置在觀看者的眼睛(瞳孔或視網膜)上。也就是說，能夠將全息3D顯示系統製造成薄的平坦式顯示器。此外，根據本公開的會聚透鏡具有的優點在於:即使該會聚透鏡具有大的對角面積，其仍然具有薄的厚度和輕的重量，因此容易開發薄的平坦式大面積的全息3D顯示系統。


附圖被包括在本說明書中以提供對本發明的進一步理解，並結合到本說明書中且構成本說明書的一部分，附圖示出了本發明的實施方式，且與說明書一起用於解釋本發明的原理。在附圖中:圖1是例示根據相關技術的使用計算機生成的全息圖的數字全息圖像/視頻顯示裝置的結構圖。圖2是例示根據本公開的第一實施方式的使用透射型液晶顯示裝置的數字全息圖像/視頻顯示裝置的結構圖。圖3是例示通過向透明的記錄介質同時照射平行直射光和會聚光而在其上記錄幹涉條紋圖案的方法的示意圖。圖4是例示由根據圖3的薄的平坦式會聚透鏡會聚的平行直射光的示意圖。圖5是例示根據本公開的第二實施方式的薄的平坦式會聚透鏡的結構的橫截面圖。圖6A是例示在大批量生產系統中製造用於產生膜透鏡的母膜的方法的示意圖。圖6B是例示使用母膜來製造膜透鏡的方法的示意圖。圖7A是例示代表平行直射光被膜透鏡改變為會聚光的光路的橫截面圖。圖7B是例示代表發散光被膜透鏡改變為平行直射光的光路的橫截面圖。圖8是例示在具有根據本公開的第二實施方式的薄的平坦式會聚透鏡的全息3D顯示裝置中將3D圖像聚焦在觀看者的眼睛處的示意圖。
具體實施例方式參照附圖2至圖8，將解釋本公開的優選實施方式。在整個詳細描述中，相同的標號始終表示相同的元件。然而，本發明不受這些實施方式所限制，而是在不改變技術精神的情況下可應用於各種改變或變型，在下面的實施方式中，為了便於說明而選擇了元件的名稱，元件的名稱可能與實際名稱不同。參照圖2，將解釋根據本公開第一實施方式的使用透射式液晶顯示器作為空間光調製器的薄的平坦式全息3D顯示裝置。圖2是示出根據本公開的第一實施方式的使用透射式液晶顯示裝置的數字全息圖像/視頻顯示裝置的結構圖。根據本公開的第一實施方式的全息3D顯示裝置包括由透射式液晶顯示面板製成的SLM 200。SLM 200包括上基板SU和下基板SD以及夾在上基板SU與下基板SD之間的液晶層LC，上基板SU和下基板SD由透明玻璃基板製成並彼此相對。SLM 200可通過從計算機或視頻處理器(圖中未示出)接收與幹涉條紋圖案相關的數據來呈現幹涉條紋圖案。上基板SU和下基板可分別具有薄膜電晶體和濾色器以包含液晶顯示面板。在SLM 200的後側，可設置包括光源300和光纖OF的背光單元BLU。光源300可以是包括紅色雷射二極體R、綠色雷射二極體G和藍色雷射二極體B的一組雷射二極體，或者是包括紅色LED、綠色LED和藍色LED的一組準直LED。另外，光源300除了可包括紅色光源、綠色光源和藍色光源之外，還可包括其它顏色光源。或者，光源300可具有例如白色雷射二極體或白色準直LED的一個光源。可存在多種類型的光源300。在這些實施方式中，為了方便起見，將光源300解釋為包括紅色雷射二極體、綠色雷射二極體和藍色雷射二極體。
為了將基準光從光源300弓丨導至SLM 200並且為了使基準光分布在SLM 200的後表面的整個區域，優選使用光纖0F。例如，在背光單元BLU的一側設置紅色雷射二極體R、綠色雷射二極體G和藍色雷射二極體B。使用光纖0F，可以引導從紅色雷射二極體R、綠色雷射二極體G和藍色雷射二極體B發射的雷射束，使其達到SLM200的後表面。光纖OF可設置為覆蓋作為液晶顯示器的SLM 200的整個表面。具體地，通過去除包裹光纖OF的芯的金屬保護層的某些部分以便於形成多個光點0UT，可使雷射束照射在作為液晶顯示面板的SLM 200的整個表面上。此外，為了在SLM200的整個表面上均勻地照射由光纖OF發射並擴張並且是準直光的基準光束，可在SLM 200與光纖OF之間設置多個光學片500。在本公開中，背光單元BLU是一個示例性的使用光纖OF的示意結構。在包括SLM200的顏色像素被設置為沿列排列的一種顏色的情況下，與一種顏色相對應的一個光纖OF可設置為與相同顏色列匹配。又例如，背光單元BLU可包括設置在各個顏色像素處的表面發射LED。因為本公開的主要構思不在於背光單元BLU，所以將不涉及背光單元BLU的詳細解釋。在SLM 200的前面，在觀看者與SLM 200之間的空間中的合適位置處，還可包括用於聚集3D圖像的薄的平坦式會聚透鏡FL。可按各種方式來設置該平坦式會聚透鏡FL的焦點。例如，焦點可設置在SLM 200與觀看者之間的最佳位置處。又例如，焦點可直接設置在觀看者的眼睛上。在這種情況下，左眼圖像和右眼圖像被分別發送到左眼和右眼。將詳細描述作為本公開的主要特徵之一的薄的平坦式會聚透鏡FL。此外，可在平坦式透鏡FL的前面包括眼動儀ET (eye-tracker)。當觀看者的位置改變時，眼動儀可檢測改變後的觀看者的位置，針對移動後的觀看者計算最佳觀看角度，然後根據觀看者的新的最佳觀看角度偏轉3D圖像的焦點。例如，眼動儀ET可以是用於根據觀看者的位置在水平方向上移動3D圖像的焦點的偏轉器。儘管圖中沒有示出，但眼動儀ET還可包括用於檢測觀看者的位置的位置檢測器。因為本公開的主要特徵不在於眼動儀ET上，所以將不涉及眼動儀ET的詳細解釋。在下文中，我們將詳細闡述根據本公開的薄的平坦式會聚透鏡。圖3是例示通過向透明的記錄介質同時照射平行直射光和會聚光而在該透明記錄介質上記錄幹涉條紋圖案的方法的示意圖。圖4是例示由根據圖3的薄的平坦式會聚透鏡會聚的平行直射光的示意圖。參照圖3，下面將首先闡述根據本公開的薄的平坦式會聚透鏡的基本概念。為製造薄的平坦式透鏡，準備了平膜FI，S卩，透明的記錄介質。從平膜FI的左側開始，向平膜FI同時照射第一平行直射光BI和會聚光B2。可通過向凸透鏡LEN照射第二平行直射光B3來產生會聚光B2。然後，在平膜FI上記錄第一平行直射光BI與會聚光B2之間的幹涉條紋圖案。具有該幹涉條紋圖案的這一平膜FI將是薄的平坦式會聚透鏡FL。參照圖4，將闡述通過根據本公開的第一實施方式的薄的平坦式會聚透鏡的光路。從薄的平坦式會聚透鏡FL的左側開始，當向薄的平坦式會聚透鏡FL照射平行直射光BI時，在平行直射光BI穿過薄的平坦式會聚透鏡FL之後，平行的直射光BI被幹涉條紋圖案改變為與會聚光B2具有相同的焦點(或聚焦點)f的會聚光BO並被發射。實際上，根據本公開的第一實施方式的方法難以製造薄的平坦式會聚透鏡FL。其原因在於:如圖3所示，在第一平行直射光BI的路徑中放置了凸透鏡LEN，使得第一平行的直射光BI和會聚光B2不能同時照射在平膜FI (B卩，記錄介質)上。
為了解決第一實施方式的問題，第二實施方式提供了實際可行的用於製造薄的平坦式會聚透鏡的方法中的一種。圖5是例示根據本公開的第二實施方式的薄的平坦式會聚透鏡的結構的橫截面圖。參照圖5，根據本公開的第二實施方式的薄的平坦式會聚透鏡FL包括透明基板SUB以及附裝在透明基板SUB的一側上的膜透鏡PL。透明基板SUB可以是光學透明的玻璃基板和透明膜中的一個。此外，透明基板SUB可優選地由與膜透鏡PL具有相同折射率的透明材料構成。膜透鏡PL是一種光柵膜,該光柵模被構造為將相對於光的傳播軸具有0°入射角的平行直射光100轉變為到焦點f處的會聚光B0。膜透鏡PL可以是具有500 μ m (微米)厚度的感光膜。詳細地說，膜透鏡PL可包括諸如感光聚合物或凝膠的感光高分子材料。具體地，膜透鏡PL優選地包括與透明基板SUB具有相同折射率的材料。在下文中，參照圖6A和圖6B，將闡述根據本公開的第二實施方式的膜透鏡PL。圖6A是例示在大批量生產系統中製造用於產生膜透鏡的母膜的方法的示意圖。圖6B是例示使用母膜來製造膜透鏡的方法的示意圖。為了製造薄的平坦式母膜MP，製備了第一平膜FI1，S卩，透明的光學記錄介質。從第一平膜FIl的左側開始，向第一平膜FIl同時照射平行直射光100和傾斜的平行光300。平行直射光100以與第一平膜FIl的法線成0° ±5°的入射角範圍入射到第一平膜FIl的表面。傾斜的平行光300以與第一平膜FIl的法線成θ° ±5°的入射角範圍入射到第一平膜FIl的表面。然後，在第一平膜FIl上，記錄平行直射光100與傾斜的平行光300之間的幹涉條紋圖案。也就是說，具有該幹涉條紋圖案的第一平膜FIl將是母膜ΜΡ。這裡，按照如下方式來選擇傾斜的平行光300的入射角Θ，即，在不會與用於產生如圖3所示的會聚光Β2的光學裝置產生任何幹涉的情況下，可以將傾斜的平行光300完全照射在第一平膜FIl上。此外，該入射角不應影響幹涉條紋圖案的衍射效應。根據各種經驗，傾斜的平行光300的入射角Θ優選地與第一平膜FIl的法線成45° ±30°。更為優選地，可以選擇39°到41°的範圍內的任何一個值作為傾斜的平行光300的入射角Θ。根據實驗和仿真，可以選擇39.2°到40.2°中的任何一個角度值作為傾斜的平行光300的入射角Θ。在最優化的情況下，傾斜的平行光300的入射角Θ為39.8°。此後，可使用母膜MP來製造膜透鏡PL。參照圖6Β，將闡述通過向母膜MP同時照射傾斜的平行光300和會聚光450來製造膜透鏡PL的方法。為了製造膜透鏡PL，製備了第二平膜FI2，即，透明的光學記錄介質。母膜MP被設置在第二平膜FI2的左側。從與第二平膜FI2相反的母膜MP的左側開始，向母膜MP同時照射會聚光450和傾斜的平行光300。傾斜的平行光300以與母膜MP的法線成45° ±30°的範圍內的入射角Θ從母膜MP的左側照射到母膜ΜΡ。然後，傾斜的平行光300在穿過母膜MP時被記錄在母膜MP上的幹涉條紋圖案衍射，傾斜的平行光300改變為平行直射光350，然後該平行直射光發射到第二平膜FI2。另一方面，可以通過向凸透鏡LEN照射第二平行直射光400來產生會聚光450。這裡，會聚光450的聚焦點f將設置在位於凸透鏡LEN與第二平膜FI2之間的空間中的任何點處。更為優選地，應把會聚光450的焦點f設置在會聚光450聚焦在母膜MP的入射面上的點處。由於母膜MP的幹涉條紋圖案不具有來自會聚光450的任何分量，所以會聚光450可不受母膜MP的幹涉條紋圖案的任何衍射地穿過母膜MP。也就是說，會聚光450從聚焦點f發散並照射在第二平膜FI2上。由此，由會聚光450和平行的直射光350產生的幹涉條紋圖案記錄在第二平膜FI2上。具有該幹涉條紋圖案的第二平膜FI2將是膜透鏡PL。就第二平膜FI2方面來說，即就膜透鏡PL方面來說，凸透鏡LEN的焦點位於-f點處。當平行直射光從第二平膜FI2的左側照射到第二平膜FI2時，會聚光從第二平膜FI2發射到焦點f (第二平膜FI2的右側的f位置)。相反，當平行直射光從第二平膜FI2的右側照射到第二平膜FI2時，會聚光從第二平膜FI2發射到焦點-f (第二平膜FI2的左側的f位置)。參照圖7A和圖7B，將使用穿過根據本公開的第二實施方式製造的膜透鏡PL的光的路徑來闡述關於膜透鏡的操作。圖7A是例示代表平行直射光被膜透鏡改變為會聚光的光路的橫截面圖。圖7B是例示代表發散光被膜透鏡改變為平行直射光的光路的橫截面圖。當平行的直射光100從根據本公開的第二實施方式的膜透鏡PL的左側照射到膜透鏡PL時，如圖7A所示，平行直射光在穿過記錄在膜透鏡PL上的幹涉條紋圖案之後改變為聚焦到焦點f處的會聚光B0。另一方面，當具有焦點f的會聚光455從膜透鏡PL的左側照射到膜透鏡PL時，如圖7B所示，該會聚光在穿過記錄在膜透鏡PL上的幹涉條紋圖案之後改變為與膜透鏡PL的表面的法線的平行直射光150。根據本公開的第二實施方式的薄的平坦式會聚透鏡FL可應用於全息3D顯示系統。圖8是例示在具有根據本公開的第二實施方式的薄的平坦式會聚透鏡的全息3D顯示裝置中將3D圖像聚焦在觀看者的眼睛處的示意圖。參照圖8，從背光單元BLU發出的背光BL可通過空間光調製器(SLM)200來表現全息3D圖像。全息3D圖像可聚焦在薄的平坦式會聚透鏡的焦點上。例如，表現全息3D圖像的光可會聚在觀看者的眼睛上，使得能夠提供高質量的全息3D圖像。儘管參照附圖詳細描述了本發明的實施方式，本領域技術人員應理解的是，在不改變本發明的技術精神或必要特徵的情況下，可按其它特定形式來實現本發明。因此，應注意，以上實施方式在所有方面僅為說明性的，不應該被解釋為限制本發明。本發明的範圍由所附權利要求限定，而不是由本發明的詳細描述限定。在權利要求的意思和範圍內做出的所有改變或變型或其等同物應被解釋為落入本發明的範圍內。本申請要求於2011年11月15日提交的韓國專利申請N0.10-2011-0119190的優先權，此處為了所有目的以引證的方式併入該韓國專利申請，就如在此進行了完整闡述一樣。
權利要求
1.一種薄的平坦式會聚透鏡，該薄的平坦式會聚透鏡包括: 透明基板；以及 膜透鏡，其包括附裝在所述透明基板的一側的透明膜和記錄在所述透明膜上的幹涉條紋圖案。
2.根據權利要求1所述的會聚透鏡，其中所述幹涉條紋圖案由會聚光與垂直入射到所述透明膜的平行直射光之間的幹涉產生。
3.根據權利要求2所述的會聚透鏡，其中所述平行直射光由記錄在母膜上的幹涉條紋圖案產生，並且所述幹涉條紋圖案被構造為將以一入射角入射到所述母膜上的傾斜的平行光改變成所述平行直射光。
4.根據權利要求3所述的會聚透鏡，其中所述傾斜的平行光的入射角是在與所述母膜的法線成45° ±30°的範圍內的一個值。
5.根據權利要求3所述的會聚透鏡，其中所述會聚光由光學凸透鏡產生並聚焦在所述母膜的入射面上，並且接著發散到所述透明膜。
6.根據權利要求1所述的會聚透鏡，其中所述膜透鏡包括最大厚度為500微米的感光膜。
7.根據權利要求1所述的會聚透鏡，其中所述膜透鏡包括透明的感光聚合物和透明的凝膠中的一種。
8.根據權利要求1所述的會聚透鏡，其中所述透明基板和所述膜透鏡具有相同的折射率。
全文摘要
本公開涉及一種薄的平坦式會聚透鏡。本公開提出的薄的平坦式會聚透鏡包括透明基板；以及膜透鏡，其包括附裝在該透明基板的一側上的透明膜和記錄在該透明膜上的幹涉條紋圖案。根據本公開的會聚透鏡具有如下優點即使具有大的對角面積，該會聚透鏡仍有薄的厚度和輕的重量，因此容易開發薄的平坦式大面積全息3D顯示系統。
文檔編號G02B27/22GK103105634SQ20121046013
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者尹珉郕, 金善宇, 辛旻泳 申請人:樂金顯示有限公司