用于全息或立体显示器的光束发散和多种准直器.pdf

本发明涉及一种具有照明装置、放大单元（VE）和光调制器（SLM）的全息显示器，其中，照明装置包括至少一个光源和光准直单元（LCU），光准直单元（LCU）设计成使其准直至少一个光源的光，并产生由光源发射的具有平面波可指定角度谱的光的光波场，从光的传播方向看去，放大单元（VE）设置在光准直单元（LCU）的下游，其中，放大单元（VE）包括透射体积全息图（VH），设计并设置该透射放大体积全息图，使得由于光波场与体积全息图（VH）的透射相互作用，实现光波场的失真扩展，从光传播方向上看，光调制器（SLM）设置在失真放大单元（VE）的上游或下游。

权利要求书具有照明装置、放大单元（VE）和光调制器（SLM）的全息显示器，其特征在于，照明装置包括至少一个光源和光准直单元（LCU），光准直单元（LCU）设计成使其准直至少一个光源的光，并产生由光源发射的具有平面波可指定角度谱的光的光波场，从光的传播方向看去，放大单元（VE）设置在光准直单元（LCU）的下游，其中，放大单元（VE）包括透射体积全息图（VH），设计并设置该透射放大体积全息图，使得由于光波场与体积全息图（VH）的透射相互作用，实现光波场的失真扩展，从光传播方向上看，光调制器（SLM）设置在失真放大单元（VE）的上游或下游。
根据权利要求1所述的全息显示器，其特征在于，来自光准直单元（LCU）的光波场以可指定的入射角到达体积全息图（VH），该入射角不小于70°。
根据权利要求1或2所述的全息显示器，其特征在于，选择体积全息图的厚度，使光波场包括波矢量的角度分布，并在至少一个方向上，光波场的波矢量的角度分布的最大偏离不过超过1/20°的值。
根据权利要求1至3中的一项所述的全息显示器，其特征在于，在光调制器的两个限定点之间的放大的光波场（sWF）的光束的光路径长度z（x,y）的差值不超过以给定的光的相干长度光调制器（SLM）的编码表面上的给定值。
根据权利要求1所述的全息显示器，其特征在于，放大单元（VE）包括另一个体积全息图（VH2），从光传播方向上看，其位于体积全息图（VH1）的下游，设计并设置放大单元（VE）的体积全息图（VH1,VH2），使光向两个不同的方向偏转，其中，从光传播方向上看，光调制器（SLM）设置在该另一体积全息图（VH2）的上游或下游。
根据权利要求5所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）在光传播方向上接着两个体积全息图（VH1,VH2），使得其在两个实质上垂直的方向上将具有平面波的限定角度谱的光波场失真扩展。
根据权利要求5或6所述的全息显示器，其特征在于，体积全息图（VH）为离轴体积全息图。
根据权利要求1所述的全息显示器，其特征在于，光源包括激光器、激光器二极管、LED或OLED。
根据权利要求1至8中的一项所述的全息显示器，其特征在于，提供光束组合器用于将至少一个光源的光组合到普通光纤（OF）中。
根据权利要求1至9中的一项所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）包括主准直透镜（pCL）。
根据权利要求1至10中的一项所述的全息显示器，其特征在于，主准直透镜（pCL）在光传播方向上跟随有体积全息图（VH）形式的角度过滤器，选择其厚度使得光波场包括波矢量的角度分布，并且在至少一个方向上，光波场的波矢量的角度分布的最大偏离不超过1/20°的值。
根据权利要求10所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）包括由准直的光波场照射的第一微透镜阵列（fMLA）。
根据权利要求12所述的全息显示器，其特征在于，散射装置（sPS）设置在第一微透镜阵列（fMLA）的焦平面上，光从该处传播至紧处在其下游的第一孔径光阑（AS）。
根据权利要求13所述的全息显示器，其特征在于，第一孔径光阑（AS）的孔具有不对称的横向范围，用于产生与各自横向范围相关的具有可指定相干性质的光波场的平面波的角度谱。
根据权利要求14所述的全息显示器，其特征在于，设置光准直单元（LCU）的第一孔径光阑（AS）的孔尺寸，使得光波场的相干性质在两个不同的方向上不同，在一个方向上辐射是不相干的，而在另一方向上是充分相干的。
根据权利要求13所述的全息显示器，其特征在于，第二微透镜阵列（cMLA）设置在光传播方向上第一孔径光阑（AS）的下游，使得第一孔径光阑的孔与第二微透镜阵列（cMLA）的相应微透镜的后焦点重合。
根据权利要求16所述的全息显示器，其特征在于，另外两个孔径光阑（AS1,AS2）设置在第一空间光阑（AS）和第二微透镜阵列（cMLA）之间。
根据权利要求16所述的全息显示器，其特征在于，第二微透镜阵列（cMLA）产生具有平面波的角度谱的分割的光波场，通过该分割的光波场，直接或在光波场横向放大之后照射承载全息编码的随后的光调制器（SLM）。
根据权利要求1至18中的一项所述的全息显示器，其特征在于，光调制器（SLM）为透射、反射或半透射型，和/或设计照明装置尺寸，使得其实质上均匀地照射光调制器（SLM）的有效区域。
根据权利要求1至19中的一项所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）的至少一个参数是可变的，用于在至少一个体积全息图（VH）下游产生光波场的平面波的可指定角度谱。
根据权利要求1至20中的一项所述的全息显示器，其特征在于，为了观察显示器的观察者设计至少一个体积全息图（VH）使其压缩辐射或衍射级的干扰部分。
根据权利要求5所述的全息显示器，其特征在于，将体积全息图（VH1,VH2）的其中一个设计为除了作为放大元件的发挥作用外，还具有物镜的功能。
根据权利要求1所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）具有线性结构，其中，线具有至少两个可以相互独立开关的光源（LS），并且在出射处具有至少两个准直折射透镜（CL），并且这些线沿随后设置的二维放大单元（VE）的边缘并排设置，使得它们照射后者的整个表面。
根据权利要求23所述的全息显示器，其特征在于，提供楔形光波导装置（LE）用于照射包括体积光栅（VG）的二维放大单元（VE），其中，体积光栅（VG）附接至实质上垂直于其光入射表面的楔形光波导装置（LE）的侧面，并且用于放大由光准直单元（LCU）发射的分割的平面波场，并且将其引导至设置在更下游的光调制器（SLM）的表面。
根据权利要求23所述的全息显示器，其特征在于，根据在光准直单元（LCU）中并排设置的线的数量和每个线条中可以互相独立开关的光源（LS）的数量，由此形成的照明装置具有可独立开关的照明片段的矩阵。
根据权利要求12所述的全息显示器，其特征在于，从光传播方向上看，在光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）的上游设置光闸（saS），其中，在垂直或水平方向上延伸的多个条形片段的透明度是可控的。
根据权利要求26所述的全息显示器，其特征在于，分别打开照射光的两个条形片段，其在光调制器（SLM）的平面内垂直延伸，并且在光调制器的边缘及其中心之间在水平或垂直方向上可时序移动。
根据权利要求12所述的全息显示器，其特征在于，设置在光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）上游的主准直透镜阵列（CLA）的所选透镜由级联光纤光源照射，所述光纤光源可通过光纤开关（foS）开关。
根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，在光学多模式光纤的末端提供被动光出射，用于照射主准直透镜阵列（CLA）的可选透镜，所述主准直透镜阵列（CLA）设置在光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）的上游。
根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）的所选片段可由两个可开关的基于LC的衍射光栅（G1,G2）的组合照射，所述两个可开关的基于LC的衍射光栅（G1,G2）设置在位于光源下游的主准直透镜（CL）与第一微透镜阵列（fMLA）之间，其中，条形片段的强度可以是局部可变的。
根据权利要求30所述的全息显示器，其特征在于，两个可开关的基于LC的衍射光栅（G1,G2）的组合设置在位于光源下游的主准直透镜（CL）与失真放大单元（VE）的入射表面之间，并且产生被放大单元（VE）直接放大的两个扫描条形照明区域。
根据权利要求30所述的全息显示器，其特征在于，可开关的衍射光栅（G1,G2）为PDLC体积光栅或与可开关的延迟板组合的偏振光栅。
根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）的所选片段由两个衍射光栅（G1,G2）的组合进行照射，其中第一衍射光栅（G1）为可开关的类型，并且第二衍射光栅（G2）设置在第一微透镜阵列（fMLA）的上游，并且设计为角度选择体积光栅的形式，该角度选择体积光栅用于借助于固定内接的衍射机构实现至少一个光波长的所需的偏转角。
根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）的所选片段由两个衍射光栅（G1,G2）的组合进行照射，其中第一衍射光栅（G1）为可开关的类型，并且第二衍射光栅（G2）设置在第一微透镜阵列（fMLA）的上游，并且设计为体积光栅的形式，体积光栅包括多个条形片段，将其设计为使得以随着与布置的光轴的距离变大而增加的角度到达条形片段的光衍射至平行于光轴的方向。
根据权利要求30所述的全息显示器，其特征在于，将设置在光源的主准直透镜（CL）和光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）之间的衍射光栅（G1,G2）设计为还可实现离轴光学路径，用于从使用的光学路径中消除光栅（G1,G2）的第0衍射级。
根据权利要求30所述的全息显示器，其特征在于，将设置在光源的主准直透镜（CL）和光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）之间的衍射光栅（G1,G2）设计为在水平和垂直方向上可实现光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）的多个表面区域的照射。
根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，设置在光准直单元（LCU）的第一微透镜阵列（fMLA）上游的主准直透镜阵列（pCLA）的透镜由分割的平面波照射，其角度谱包括在一个方向上约1/20°以及在垂直方向上约1°的角偏差。
根据权利要求36所述的全息显示器，其特征在于，为了阻止通过在主准直透镜阵列（pCLA）的透镜边缘处的衍射平面波的角度谱的扩展，在光传播方向跟随用于角度过滤的两个体积光栅（VG1,VG2）的组合。
根据权利要求36所述的全息显示器，其特征在于，用于平面波的角度谱的角度过滤的体积光栅（VG1,VG2）的组合包括具有宽角度选择性和偏离光轴的大的衍射角的第一薄体积光栅（VG1），以及具有窄角度选择性的第二厚体积光栅（VG2），该第二厚体积光栅设计成使得射入平面波的给定角度谱的区域的光束沿布置的光轴衍射，并且使得在平面波的角度谱外传播的光束不发生衍射地透射。
根据权利要求36所述的全息显示器，其特征在于，体积光栅的第二组合相对于体积光栅（VG1,VG2）的第一组合旋转90°，所述体积光栅的第二组合设置在体积光栅（VG1,VG2）的第一组合的下游，能够在两个垂直方向上实现平面波的角度谱的角度过滤。
根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，光调制器（SLM）为反射或半透射型，和/或设计照明装置（FLU），并由改变光偏振的光学组件补充照明装置（FLU），使得照明装置（FLU）使用可指定偏振的光照射反射或半透射光调制器（SLM）的有效区域。
根据权利要求28所述的全息显示器，其特征在于，光调制器（SLM）为反射或半透射型，和/或设计照明装置（FLU），并由与角度选择性偏转元件组合的平面波导（pWG）补充照明装置（FLU），使得只有在光耦合到光波导中时，以及在光射出以照射光调制器（SLM），但不是在由光调制器（SLM）调制并反射的光返回时，偏转元件的光衍射功能将是有效的。
根据权利要求41所述的全息显示器，其特征在于，光调制器（SLM）为反射或半透射型，和/或设计照明装置（FLU），并由线形光准直单元（LCU）补充照明装置（FLU），该线形光准直单元校准由可控次级光源的线形布置发射的光并将其直接或通过角度选择性的偏转元件耦合到平面波导（pWG）中。

说明书用于全息或立体显示器的光束发散和多种准直器
本发明涉及具有照明装置、放大单元和光调制器的全息显示器。该全息显示器用于显示二维和/或三维图像信息。
在实现具有大屏幕尺寸的全息显示器时，存在两个主要问题：
–如果大面积光调制器，例如具有24”对角线尺寸的光调制器，用于编码全息图，则必须使用足够的相干光均匀照射该光调制器的大面积。
–相反地，如果小的光调制器与投射布置进行组合，若其具有相同的24”屏幕尺寸，并且如果使用常规光学装置，例如透镜和反射镜，则该装置将深于1m。
可以使用尽可能平坦的大的照明装置解决第一个问题。只有使用不同于常规光学装置以外的其他装置放大照明装置和/或光调制器，才可以解决第二个问题。
例如，在WO2006/119760A2号专利文献中公开了一种全息投射显示器。在该文献中，具有小表面和高分辨率的光调制器借助于透镜和反射镜的布置以放大方式成像到作为屏幕的透镜或凹透镜上，并且在屏幕和位于屏幕的傅里叶平面内的视窗之间延伸的空间内重建，其中全息图在该光调制器上编码。鉴于全息图在屏幕上的放大成像，该布置具有重建空间也得到放大的优势，因而与常规全息布置相比，可以重建更大的物体。然而，随之而来的缺陷是，该光学布置体积大，在轴向方向上特别长，因此，由于其深度大，很难用于全息桌面显示。
在US2007/252956A号专利文献公开的一种投射显示器中，通过相对较小的照明装置照射小的光调制器，并且借助轴外设置的全息反射镜元件将其以放大方式投射至屏幕上。该布置的优势在于，由于倾斜的光学路径，整个系统的轴向尺寸得以缩短。然而，该布置仍然体积过大，不能作为全息桌面显示使用。
WO2002/082168A号专利文献公开了一种结合一维和二维光栅用于光偏转的平面投射显示器。通过杆状光栅在一个方向上导向视频投射仪的虚像，之后通过板状光栅在垂直于第一方向的第二方向上导向。在一个实施例中，光栅由玻片制成，玻片与显示器表面呈45°成层状连接，每个玻片在与入射方向呈直角的方向上对光进行偏转。然而，光调制器的图像因此增加而非放大，在法向方向上观察板状光栅表面的观察者看到一个二维布置及相同的调制器图像。即使利用该设置，也不能实现实际放大光调制器的编码表面的全息投射显示。
在WO2002/31405A号专利文献中，例如由光调制器发射的具有矩形横截面的准直光束在两个垂直方向上扩展，由于其以小角度落在不像反射镜一样反射的一维表面上并且落在不同于反射镜依次反射的二维表面上。通过平坦“掠过（grazing）”的入射实现二维扩展，并且表面具有这样的质地，即，它们将光束反射至所需的方向，在这种情况下是垂直于入射的方向。这借助二维衍射光栅或全息表面光栅实现。在该布置中，的确放大了入射光波场的横截面积，但并没有提到光束被衍射光栅反射时的限定的振幅和相位调制，然而，所述这在三维场景的全息重建中是必需的。
因此，本发明的目的在于提供一种具有照明装置的全息显示器，其具有尽可能大的面积同时具有尽可能小的深度，并且仅包含最低限度数量的主光源。本发明的另一目的在于，将尽可能小的全息编码光调制器放大到足够大的尺寸，而不显著增加布置的深度。在任一情况下，由照明装置发射的平面波的角度谱及其相干性将满足物体的全息或混合全息及立体呈现的要求。
根据本发明通过权利要求1所述的特征实现这些目的。其他优选实施例和本发明的外延在从属权利要求中限定。
根据本发明的全息显示器包括照明装置、放大单元和光调制器。该照明装置包括至少一个光源和光准直单元。该光准直单元设计成使其校准由至少一个光源发射的光并产生由光源发射的具有平面波可指定角度谱的光的光波场。从光的传播方向上看去，放大单元设置在光准直单元的下游。放大单元包括透射体积全息图，设计并设置该透射体积全息图，使得由于光波场与体积全息图（VH）的透射相互作用，可以实现光波场的失真扩展。这里，优选可以在全息或立体或自动立体显示器中为其自身使用各个光准直单元和放大单元。根据本发明，光准直单元和放大单元可以提供扩展的校准光波场用于这样的显示器，之后作为准直和放大模块。在本发明范围内，失真扩展具体地意味着在不提供中间光学图像的情况下光束扩展或入射光束或光波场的放大。
从光传播方向上看去，用于编码全息信息的光调制器可以设置在失真放大单元的上游或下游。
来自光准直单元的光波场可以可指定的入射角到达体积全息图，该入射角不应小于70°。此处，入射角涉及体积全息图的表面法线，并且将体积全息图前后的光学媒介的折射率差异考虑其中。
选择体积全息图的厚度，使得光波场示出波矢量的角度分布，并且在至少一个方向上，光波场的波矢量的角度分布的最大偏离不超过1/20°。波矢量描述光波场的波传播方向。
在光调制器上两个限定点之间的放大光波场的光束的光学路径长度的差值将不超过以给定的光的相干长度在光调制器的编码表面上的给定值。这意味着穿过光调制器给定子区域的两个任意光束之间的光学路径长度的差值将足够小，使这些光束仍然能够产生干涉，光调制器的给定子区域例如可以对应于子全息图。在WO2006/066919A1号专利文献中给出子全息图的定义。在此情况下，确保使用由此限定的所使用的光的干涉长度，在基于专利文献WO2006/066919A1的显示中仍然可能存在建设性或破坏性的干涉，由此，可以使用显示器向观察者全息地呈现三维场景。
放大单元可以包括设置在光传播方向上更下游的另一体积全息图，放大单元的体积全息图设计并设置得使光可以向两个不同方向偏转，从光传播的方向上看，光调制器设置在另一体积全息图的上游或下游。根据该实施例，第一体积全息图用于在第一方向上扩展或放大由光准直单元校准的光波场。设置在第一体积全息图下游的另一（或第二）体积全息图，用于在第二方向上扩展或放大已经通过第一体积全息图在第一方向上放大的光波场。从而，例如，优选地，可以仅有一个主光源实质上均匀地照射大的面积或区域，其中放大单元优选地占用非常小的空间。
可以将两个体积全息图设置为，在两个实质上垂直的方向上，即，在每个方向上有不同的放大因数，使用限定的平面波的角度谱失真地扩展光波场。
使用的体积全息图优选为离轴体积全息图，其中，物体光束和参考光束不在同一轴上。
激光、激光二极管、LED或OLED可以作为光源。
可以通过光束组合器将多光源的辐射或光组合并且注入普通光纤。如果仅使用单个光源，则可以将其光线通过光纤导入光准直单元。
用于产生准直光波场的主准直透镜可以设置在光离开光纤的出射点的下游。例如，该准直光波场可以用于照射立体显示器。
另外，主准直透镜可以在光传播方向上跟随有体积全息图形式的角度过滤器，选择其厚度，使光波场示出波矢量的角度分布，并且在至少一个方向上光波场的波矢量的角度分布的最大偏离不超过例如1/20°的可指定值。这使得以下情形成为可能，即，将在至少一个方向上的平面波的角度谱限制为已经在光准直单元内的可指定角度范围，并且在仅考虑所需的光束扩展或光束偏离效果的情况下，限定设置在光准直单元下游的体积全息图的厚度。
准直光波场可以照射光准直单元的第一微透镜阵列。
散射装置可以设置在第一微透镜阵列的焦平面上，光从该装置传播至紧处于散射装置下游的第一孔径光阑，其中第一孔径光阑的孔可以具有不对称的横向范围，以产生与各自横向范围相关的具有可指定相干性质的光波场的平面波的角度谱。这在显示器的混合全息和立体编码的情况下是特别重要的，其中，光波场在全息编码的方向上必须显示充分的相干性，但在立体编码的方向上显示充分的非相干性。
将光准直单元的第一孔径光阑的孔尺寸设计为，使得光波场的相干性质在两个方向上不同，由此，在一个方向上辐射实质上是不相干的，而在另一方向上是充分相干的。总体而言，辐射的相干性的程度越大，在各自方向上的孔径越小。
第二微透镜阵列优选设置在光传播方向上第一孔径光阑的下游，使得第一孔径光阑的孔与相应微透镜的后焦点重合。因此，第二微透镜阵列产生具有平面波的角度谱的分割的光波场，利用该部分光波场，直接或在光波场横向放大之后，照射之后携带全息编码的光调制器。
另外两个孔径光阑优选设置在第一孔径光阑和第二微透镜阵列之间，所述另外的孔径光阑用于防止第一孔径光阑的第二光源的光向不同的微透镜传播而不向指定的微透镜传播（照明串扰）。
光调制器可以是透射、反射或半透类型的。
照明装置尺寸设计为，其实质上均匀地照射光调制器的有效区域。
然而，当光波被体积全息图衍射时，改变光波场的角度谱，使得例如当选择光准直单元的参数时，必须考虑在被体积全息图衍射时光准直单元的平面波的角度谱的改变。例如，失真扩展因数10将引起平面波的角度谱在该方向上平均值减小相同因数。因此，光调制器的至少一个参数可以改变，以便在至少一个体积全息图下游产生光波场的平面波的可指定的角度谱，这是有必要的。例如，这可以通过光准直单元的各个光组件的受控或手动调节或者通过用于特定应用的光准直单元的适当设计实现。
然而，同时还有可能为了观察显示器的观察者而将至少一个体积全息图的角度过滤效应用于抑制辐射或衍射级的干扰部分。如专利文献WO2006/066919A1中描述的，这在全息显示中特别有用，因为必须抑制更高或不想要的衍射级或使其消失。
另外，存在这样一种可能，其中一个体积全息图设计为除了具有扩展元件的功能外，其还具有物镜的功能。鉴于这样的物镜功能，如专利文献WO2006/066919A1中描述的，真实或虚拟的光源可以在全息显示器中的光源的图像平面上成像。
特别优选地，本发明应用于如WO2006/066919A1或WO2004/044659A2号专利文献所述的全息显示器中。其允许给予全息显示器平面且节省空间的设计。
使用非常高的帧频，例如≥240fps(帧每秒)，这样的照明装置如下设计是有利的，即，可以打开各个区域片段，并在时间上相互独立调制，由此，例如，仅照射在光调制器上的那些已经到达所需调整值或设置点值（例如，在液晶相位调制器的开关操作期间的相位平稳时期）的区域。该操作模式也被称为扫描。
为了达到该目的，需要改变全息显示的照明装置，使得光闸设置在光准直单元的第一微透镜阵列的上游（在光传播方向上），其中，在水平或垂直方向上延伸的多个条形片段可以在该光闸中激活，即，可以可选择地照射随后设置的光调制器上的条形区域。
例如，光调制器的扫描照明的一个实现选择是，一直打开照射光的两个条形片段，该条形片段在光调制器的平面上垂直延伸，并且可以在光调制器边缘及其中心之间在水平或垂直方向上依次移动。
然而，用于光线控制的光闸的使用具有如下缺陷，由于仅有少部分的光闸元件开启，即，在任一时间是透明的，因此其伴随着光输出的损失。
实现大面积扫描照明装置的另一种可能是，通过在两个垂直的方向上的两个体积光栅的组合不放大由小型平面光准直单元发射的分割的平面波场，而不是仅使用具有二维放大效应的第二体积光栅，并通过具有线性结构的光准直单元照射它，其中，线具有至少两个可以相互独立开关的光源，并且在出射处具有至少两个准直折射透镜，并且沿依次设置的二维放大单元的边缘并排设置这些线，使得其照射所述二维放大单元的整个表面。体积光栅衍射以平角射入的光束，使其实质上垂直其表面离开体积光栅。
由线形光准直单元的出射形成的照射表面还可以照射由例如玻璃的折射材料制成的楔形光波导装置的全部表面，二维体积光栅附接在其出射表面，该出射表面实质上垂直于其整个表面。
还有可能，不同于由折射材料制成的楔形光波导装置，不提供光学媒介或空气，并且将由线形光准直单元发射的照射光直接照射在二维体积光栅或携带二维体积光栅的材料上。
这种布置放大由光准直单元发射的分割的平面波场并且将其导至之后的光调制器表面上。
根据在光准直单元中并排设置的线的数量和在每条线上可以独立开关的光源的数量，由此形成的照明装置具有可独立开关的照明片段的矩阵。
然而，例如专利文献WO2004/109380中所描述的，如果由专用的光源照射并开关如此形成的照明装置的每一片段，该解决方案效率过低。
为了提高可用光能的利用，另外也为了尽可能少地使用主光源，例如通过级联光波导或开关的系统控制并分配很少的光源的光是有意义的。
例如，当施加电压时，有效光开关可以将光从一个光纤重新导向另一光纤。如果线性连接多个这样的分支，例如以树形结构连接，则单一主光源可以产生2的N次方个可开关次级光源，其中，N为级联数。
因此，在这方面，一种实现选择是，通过这种级联的可开关光纤光波导，照射设置在光准直单元的第一微透镜阵列上游的主准直透镜阵列的所选透镜。
照射位于光准直单元的第一微透镜阵列上游的主准直透镜的所选透镜的另一可能是在光学多模式光纤的末端提供无源光出射点，根据其实际设置，所述光学多模式光纤照射一个或多个主准直透镜。
然而，该选择意味着，一个主光源的光分配至多个次级光源，而没有有效地控制单个次级光源的可能。
除了光纤光波导和开关，还可以使用光偏转元件，例如液晶光栅，以用于使用设置在主准直透镜和光准直单元的第一微透镜的之间的两个可开关的基于LC衍射光栅的组合照射光准直单元的第一微透镜阵列的所选片段，所述主准直透镜设置在光源下游，其中，例如，还可以局部地改变条形片段的强度。
通过可开关衍射光栅的组合产生的照明区域还可以基于体积光栅直接照射放大单元的整个表面，并且通过它们进行放大。主要优势在于，不需要光吸收光闸。
例如，该光栅的组合可以包括第一衍射光栅和第二可控衍射光栅，其中所述第一衍射光栅的偏转角可以通过光栅常数控制，从而以直角到达表面的光束以特定角度离开衍射光栅，第二可控衍射光栅偏转并且导向该光束，使其以实质上的直角再次离开光栅表面。因此，通过偏转角和两个衍射光栅之间的距离限定光束的横向偏移量。
由于扫描步骤通常是不连续的，可选地可以将PDLC体积光栅或偏振光栅用于LC光栅，作为用于光偏转的可控衍射光栅，并且与可开关延迟板组合。可开关延迟板的作用是有效地开关光束的偏振。因此，还可以使用一组偏振开关偏振光栅，其中光栅在正负第一衍射级显示相同的强度。
对于可指定的系列固定扫描步骤，还可以结合角度敏感的体积光栅使用角分复用，其中第一衍射光栅为可开关类型，第二衍射光栅设在光准直单元的第一微透镜阵列的上游，并且设计为角度敏感的体积光栅，由于固定内接的衍射结构，通过该光栅实现用于至少一个光波长的可指定的偏转角。例如，两个光栅的第一个还可以是可开关PDLC光栅堆栈。
现在，虽然第一光栅或光栅堆栈实现由主准直透镜校准的入射光束的有效角度偏转，但光束横向偏移，并且由被动角度敏感的体积光栅根据其入射角导向与光轴平行。
还可以通过空分复用的方式专门偏转光，其中第一衍射光栅为可开关类型，第二衍射光栅设置在光准直单元的第一微透镜阵列上游，并且设计为包括多个条形片段的体积光栅形式，其中，所述条形片段制成使到达它们的角度随着与光轴的距离增大而增大的光衍射至与光轴平行的方向。这意味着，使用该选择，第二光栅的各个条形片段实现固定内接的偏转角，以便使与光轴成角度入射的光束变为与光轴再次平行。例如，该光栅还可以具有在其中心的区域完全不内接任何体积光栅，由此，入射光束的传播方向不受影响。
除了平行于装置的光轴延伸的光学路径，还可以实现成角度或不对称地延伸的光学路径。这需要设计设置在光源的主准直透镜和光准直单元的第一微透镜阵列之间的衍射光栅，使得也可以实现离轴光学路径，例如，用于沿光学路径进一步仅使用第一或更高衍射级时消除光栅的0衍射级。
还可以将设置在光源的主准直透镜和光准直单元的第一微透镜阵列之间的衍射光栅设计为，可以以可开关方式在水平和/或垂直方向上照射光准直单元的第一微透镜阵列的特定区域。因此以这种方式可以实现随后的光调制器的朝向两个不同方向的照射，即，二维扫描照射。
如果通过与大面积准直透镜组合的单一光源，而不是通过与准直透镜阵列组合的多个光源，照射光准直单元的第一微透镜阵列，将存在特殊问题。这里的问题在于，由透镜边缘的衍射造成照射的平面波的扩展的角度谱，并且需要其他方法补偿。
例如，由分割的平面波照射光准直单元的第一微透镜阵列的透镜，所述分割的平面波的角度谱在一个方向上显示出约1/20°的角度偏离并且在垂直方向上显示出约1°的角度偏离。例如在利用一维水平或垂直全息编码方法的全息显示器中，平面波的角度谱的这种限制是必要的。
因此，例如一个解决方案是实现波场的其他角度过滤，其中，为了阻止通过准直透镜阵列的透镜边缘的衍射造成平面波的角度谱的扩展，在光传播的方向跟随用于角度过滤的两个体积光栅的组合。
用于平面波的角度谱的角度过滤的体积光栅的组合包括第一薄体积光栅和第二厚体积光栅，其中，所述第一薄体积光栅具有宽角度选择性和偏离光栅表面法线的大的衍射角，所述第二体积厚光栅具有窄角度选择性，并将其设计成使得射入平面波的给定角度谱区域的光束实质上沿光栅表面法线衍射，并且使得在平面波的角度谱外传播的光束不发生衍射地透射。
可以以这种方式创建用于直视显示器的照明装置，该照明装置至少在一个方向上具有限于1/20°的平面波的角度谱，并且包括多个光源和准直透镜阵列。
为了能够实现在两个垂直方向上的平面波的角度谱的角度过滤，可以将第二体积光栅组合设置在第一体积光栅组合的下游，所述第二光栅组合相对于第一体积光栅组合旋转90°。
用于透射光调制器的照明装置（背后照明单元BLU）总体上还可以更改为照射反射光调制器（前面照明单元FLU）。
例如，可以通过延迟板，特别是λ/4板，使用大面积体积光栅作为放大单元，补充照明装置，所述延迟板设置在光传播方向上二维体积光栅的下游。例如，如果水平线性偏振光落在该λ/4板上，则其将具有圆形偏振离开板。设置在光学路径下游的反射光调制器朝向λ/4板反射回调制的圆形偏振的光；在再次穿过该板后，其显示为垂直偏振。现在垂直偏振的光可以无阻碍地穿过体积光栅，而不妨碍原始的水平偏振光，并且它可以被位于体积光栅前方的观察者观察到。
除了在一方面对照射光的偏振型分离和另一方面对反射及调制的光的偏振型分离，还存在另一种分离它们的方式，即，利用光偏转元件的角度选择性，例如，体积衍射光栅，所述光偏转元件将由合适的光源发射的光注入平面波导，所述平面波导覆盖光调制器的整个表面并且射出光，以便照射光调制器。
例如，如果使用足够厚的透射体积光栅，并且如果以足够倾斜的角度照射光调制器，例如5°，则存在来自反射光调制器的调制后光返回路径上的体积光栅“偏离‑布拉格（off‑Bragg）”照射，并且因此，用于照射光调制器的该体积光栅不具有衍射功能。因此，通过光调制器反射并调制的光可以传播至观察者而不受妨碍。
现在，存在多个用于实施并继续教导本发明的可能。为了达到该目的，一方面参考权利要求1的从属权利要求，另一方面，参考下文包括附图的对本发明的优选实施例的描述。总体上，教导的优选的物理形式和延伸将结合对本发明优选实施例和附图的描述进行解释。附图为示意性的视图，其中：
图1示出了包括在两个透射体积光栅前的光准直单元的照明装置，其在两个方向上依次扩展波场，
图2是图1的光准直单元的侧视图，
图3示出了借助两个透射体积光栅在照明装置中两个垂直方向上双重扩展波束的原理，
图4示出了图3所示的实施例实现的每个扩展因数10的双重波束，
图5示出了在全息离轴透镜平面的水平方向上光调制器（SLM，左）失真放大因数10，
图6为示出具有反射光调制器装置（SLM，底部，设置在底板上）的俯视图，其借助设计为透射体积光栅形式的离轴物镜在一个方向上失真放大因数10。
图7示出了光调制器的编码表面的放大，其中，用灰色的不同色调表示在穿过布置后编码表面上不同点处的光束的光学路径长度的差异，
图8示出了线形光准直单元的单个单元的设计，
图9示出了具有光准直单元的平面照明装置的另一实施例，其包括两排准直折射透镜（左：侧视图，右：仅示出三对透镜的立体图），
图10示出了具有光准直单元的平面照明装置的另一实施例，其包括两排准直折射透镜（左：侧视图，右：仅示出两路光准直单元的前视图），
图11示出了具有分割为条状的光闸的扫描照明装置的另一实施例，所述装置实现发生在光准直单元下游的波场的失真放大。
图12示出了用于在两个光纤之间开关由主光源发出的光的有效光开关，
图13示出了光准直单元的实施例，其使得借助级联的光纤开关照射准直透镜阵列的所选透镜成为可能，
图14示出了在多状态光纤末端的无源光出射点，
图15示出了光准直单元的另一实施例，其使得借助两个LC光栅照射准直透镜阵列的所选区域成为可能，
图16示出了具有光准直单元的扫描照明装置的实施例，其使得借助根据图15所示的两个LC光栅直接照射根据图11所示的具有条状照明区域的随后设置的放大单元的全部表面成为可能，
图17示出了两个体积光栅VG1和VG2的组合的角度过滤效应，
图18a示出了光准直单元的另一实施例，其使得借助光纤开关照射用于反射光调制器的照明装置的准直抛面镜阵列的所选抛面镜成为可能，
图18b示出了根据图18a用于通过体积光栅将光注入平面波导的线形光准直单元的实施例。
在所有附图中，同一或同类部件使用相同的附图标记。
图1示出了全息显示器的照明装置的实施例，所述照明装置包括在两个透射体积光栅前方的光准直单元，所述两个透射体积光栅在两个不同方向上依次扩展光波场。此处，包括两个微透镜阵列的光准直单元优选地具有小尺寸。
光波场失真扩展，即，在两个不同方向上放大因数不同。
由功率（P）和波长（λ）稳定的激光二极管sLD发射的光通过梯度折射率透镜（gradient‑index len）耦合至光纤OF。
由光纤末端发射的发散光被光准直单元校准，即，形成平面波，这意味着光线通过该校准使得方向平行。光准直单元包括主准直透镜pCL。
光准至单元LCU的第一微透镜阵列fML在单独微透镜的焦平面内聚焦到达该微透镜阵列fML的光，并且因此产生次级光源sLS的阵列。
设置在第一微透镜阵列fML的微透镜的焦平面上的散射板sPS允许光的相位在空间中统计学意义上散射。例如，该散射板sPS（见图1）可以是（例如通过一个或多个压电晶体）机械移动的散射板sPS。
如果全息图被一维编码，则在次级光源平面中统计学意义上的时间上可变的空间相位调制是有必要的，以便能够在光调制器上在不相干方向上产生照射区域（称为最佳点，sweet spot）。
孔径光阑AS（sLS）设置在散射板sPS平面的下游，并且用于限制次级光源sLS的空间范围。如果使用一维编码方法，必须在一个方向上保证充分的空间相干性。这通过控制统计学意义上相位波动的光源的尺寸实现。第二相干方向由次级光源的小空间范围限定特征。因此，孔径光阑AS（sLS）的孔极不对称，例如，在非相干方向上为15μm，在相干方向上为0.5μm，以便在第二准直微透镜阵列cML下游创建角度范围为0.5°和1/60的平面波的角度谱。
两个孔径光阑aAS1和aAS2设置在孔径光阑AS（sLS）和微透镜阵列cML之间，其中，孔径光阑用作次级光源阵列，微透镜阵列cML校准次级光源sLS并且用于防止照明串扰，即，防止次级光源的光到达邻近的微透镜，即，非指定的其他微透镜。
图2示出了从左侧看到的图1的光准直单元LCU。此处，主光源具有代表颜色RGB的三个激光二极管R、G、B，其红色、绿色和蓝色辐射在光纤OF中结合。
在图2中，附图标记表示如下元件：R:红色激光二极管；G:绿色激光二极管；B:蓝色激光二极管；pLS:主光源；YJ1和YJ2:Y连接点1和2；OF：光纤；cpLS(RGB):组合主光源(红色，绿色，蓝色);pCL:主准直透镜;cWF:准直波前;fMLA:聚焦微透镜阵列;sPS+PZT:统计学相位散射和压力转换元件;AS(sLS):孔径光阑(限定次级光源的有效区域);AS(ict)1+2:孔径光阑1和2，以避免照明串扰；cMLA:准直微透镜阵列;scWF:分割的准直波前。
图3描述了借助体积光栅形式的两个透射光栅在两个不同（这里是垂直）方向上在照明装置中双重波束展宽的原理。通过第一透射体积全息图VH1将来自LCU的光波场偏转并展宽。这之后，该光波场通过第二透射体积全息图VH2再次偏转和展宽。
在图1所示的实施例中，光准直单元在光学路径SG中设置在这两个光栅的下游。
例如，可以优选地通过具有合适厚度的相应敏感的感光材料在原位置曝光的方式制造放大单元的体积全息图。这样，存在于照明装置中的真正畸变可以通过这些体积全息图进行补偿。
图4描述如何借助两个透射体积光栅VH1和VH2依次在两个不同方向上以因数10扩展分割的准直波前的波场，其中，如图3所示，所述两个透射体积光栅VH1和VH2设置在光准直单元的下游。
通过在两个体积全息图或光栅中的衍射，改变位于光准直单元LCU下游的分割的准直波前scWF的平面波的角度谱。光栅下游的信号波的独立衍射级的角度θS如下计算：
θS=arcsin(mΛ/(nΛx)+sin(θR))    (等式1)
其中，Λ为波长，n为折射率，ΛX为在体积光栅的表面上的周期，以及θR为重建光束的角度，即，照射光束到达体积光栅的角度，以拉德（rad）为单位。对于象限1、2、3和4，角度的符号规约为+,+,‑和‑。
对arcsin(x)求导如下：