用于表现复值数据的光调制器 |
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| 申请号 | CN200880021722.8 | 申请日 | 2008-04-29 | 公开(公告)号 | CN101720447B | 公开(公告)日 | 2013-01-09 |
| 申请人 | 视瑞尔技术公司; | 发明人 | 波·克罗尔; 阿明·史威特纳; 诺贝特·莱斯特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及有一种用于表现复值数据的光 调制器 ，包括具有 像素 排列的编码区域，其 相位 是可控的。本发明的目的在于当复值在编码区域的多个相邻像素中编码时，极大地阻止相邻像素或像素组之间的烦扰的光程长度差，所述光程长度差根据 角 度变化。所述目的是通过将特定的结构化延迟层与至少一个预定义的编码区域(2)的相邻像素的像素组的像素结合所实现，该结构化延迟层使线偏振入射光束的光程长度根据角度发生变化。所述延迟层的厚度(d)设计为使延迟层引起的光路长度的变化与像素组的各像素之间的光路长度差的相关于角的变化相反，并至少部分或完全补偿光程长度差的相关于角的变化。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于表现复值信息的光调制器，包含具有像素(131，132，141，142；13，14)排列的编码面(2)，其透射或折射相移是可控的，为了编码复数的各部分，向编码面(2)的相邻像素的像素组(151，152；15)的至少一个给定像素(131，132；141，142；13，14)分配特定的由双折射材料制成的结构化延迟层(101，102，121，122；9，10，11，12)，该结构化延迟层使具有线偏振的光线的入射光束的光程长度发生特定角变化，其特征在于，延迟层(101， |
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| 说明书全文 | 用于表现复值数据的光调制器[0002] 计算机生成的全息图的计算和用于在像素化光调制器上编码的类似衍射结构的计算通常提供具有实部和虚部的复值信息，即数字，所述信息以振幅或相位信息的形式写入具有离散像素结构的光调制器，并且借助于充分相干照射重建。 [0003] 光调制器典型地仅允许将振幅或相位信息写入像素，而不允许同时写入整个复数，即任何振幅和相位信息的组合。 [0004] 已知的解决该问题的方法如专利文件US5416619中所述，使用多个光调制器的组合，例如调幅光调制器和调相光调制器的组合，或使用两个调幅或调相光调制器以能够在每个像素表现复数。然而，其缺点在于，因为两个光调制器的像素结构必须一致，因此需要困难的调整。 [0005] 如果复数通过同一光调制器上的一组多个像素来表现，那么该缺点无关紧要。然而，这涉及到与复值编码的迭代计算有关的复杂的编码方法。 [0006] 应用这些编码方法的一种可能性就是使用多个相位值，具体说是使用双相位编码方法。这里，复数通过两个具有相同绝对值和不同相位值的数字之和表现，并且写入同一光调制器的两个相邻像素。 [0007] 穿过两个像素的相干光的干涉与穿过单个复值像素的光显示相同的效果。然而，这仅适用于在两个像素之间除了光束中计算的一个外没有另外的光延迟的情况。 [0008] 然而，一方面，如果光在一个像素组的相邻像素衍射，就会出现特定角度的光延迟，这会导致全息重建中的错误。 [0009] 另一方面，表现复数的像素组相对于表现另一复数的相邻像素组之间的特定角度的光延迟对于全息重建是必要的，因为这表现了衍射原理，这是全息重建的基础。 [0010] 专利文件DE102006003741.3描述了用于双相位编码方法的借助于迭代方法的全息计算的修正，借此实现了重建的改进。然而，这导致了增加的计算负荷，这例如会扰乱全息图的实时计算。 [0011] 由于传统光调制器的像素尺寸，显示全息图的另一个问题是可用的衍射角非常小，这极大地限制了全息重建的场景的范围或可视区域。这样，如果多个相邻像素用于编码复全息值，衍射角将会进一步减小。这个缺点不能通过避免编码垂直视差(即，如果仅全息编码水平视差)弥补。 [0012] 例如，专利文件US3,633,989描述了一种显示包含一维编码全息图的全息术的方法，例如，全息图仅水平编码(仅有水平视差的全息图，HPO)。全息图的值各自独立计算并且通常写入光调制器的各行。 [0013] 使用具有一维像素排列的光调制器时，形成了一种重建一维全息图的特殊装置。立体场景就可以例如在全息图的各行中重建，各行在光调制器上顺序显示，并且配合扫描单元在垂直方向串在一起。 [0014] 如果使用HPO编码方法和具有二维像素排列的光调制器，并且如果不存在写入光调制器的每一行的相互独立的值，而总是多行的组，就可能以损失垂直分辨率为代价来增大可用的水平衍射角。特别的可能是多个全息行的相干组合。使用双相位编码方法，两个相位值例如可以写入光调制器的两个相邻行。然而，各组行的相干照射对于重建也将是必要的。 [0015] 在HPO全息图中，不希望全息图重建依赖于垂直衍射角。然而，如果光调制器的一组行被相干照射，这将导致垂直方向上不期望的、各行间的特定角度延迟，但水平方向相邻列之间的延迟对于重建是必要的，因为在相位编码方法中，它包含了要重建的物体的信息。 [0016] 在任一情况中，对于具有多个用于表现复数的像素的相位编码方法，以及对于多个HPO编码的光调制器行的相干组合，出现相同的问题：一方面，在少数相邻像素的组之间出现了烦扰的、特定角度的光延迟，另一方面，其他像素或像素组同样也会产生光延迟，这对于全息重建来说要么无关紧要，要么就是所需的。 [0017] 因此，本发明的目的是提供用于表现复值信息的光调制器，其被设计为广泛阻止相邻像素或像素组之间烦扰的、特定角度的光延迟。 [0019] 用于表现复值信息的光调制器包含具有像素排列的编码面，其相位可以控制，根据权利要求1的特征部分，向编码面的相邻像素的每个像素组的至少一个给定的像素分配一个特定的结构化延迟层，该结构化延迟层使射出光束的光程发生特定角变化，延迟层的层厚度设计为使穿过延迟层的光程的变化抵消一个像素组的各像素间延迟的特定角变化，并且至少部分或甚至完全补偿延迟中的特定角变化。 [0020] 特定的结构化延迟层置于编码面附近，延迟层可以置于编码面的前面或后面，更佳地是与像素密切接触。 [0021] 其中，像素可以相对于编码面一维设置，即条状方式，或二维设置。 [0022] 编码面可以设计为挠性层或非弹性层。 [0023] 包含像素排列的编码面可以与至少一个置于编码面任一侧上的定向层接触。 [0024] 编码面可以是平坦的液晶层。 [0025] 可以将包含像素排列的编码面分配到至少一个置于编码面的任一侧的用于控制像素的转换元件层。 [0027] 包含像素排列的编码面可以与至少一个载体层接触。 [0029] 载体层可以设计为特别是由塑料制成的挠性层，或非弹性塑料层或玻璃板。 [0030] 延迟层可以在电极和载体层之间、载体层的内表面上或载体层的外表面上使用。 [0031] 光调制器可以包含： [0032] -包含像素排列的编码面， [0033] -可选的定向层，其置于编码面的两侧中的至少一个上， [0034] -至少一个用于控制像素的电极层，其置于两个自由侧上，以及 [0035] -至少一个载体层，其置于两个自由侧中的至少一个上。 [0036] 从而在编码层上提供像素的一维或二维排列，其中像素可借助于供给电极层的电位控制，并且结构化延迟层置于电极层中的至少一个与相邻于电极层的载体层之间。 [0037] 在本光调制器中，结构化延迟层可以可选地置于电极层和载体层之间的平坦编码面的一侧或任意一侧上。 [0038] 为了控制编码面，例如液晶层或液滴像素层，用于控制和定向像素的电极和定向层可以置于延迟层面对液晶层或液滴像素层的一侧上。 [0039] 可以在电极和延迟层之间、在光束穿过像素后所发射穿过的一侧设置掩膜，所述掩膜具有这样的结构：如果光以斜角入射，阻止具有线偏振的入射光束穿过两个具有不同特性并相对设置在编码面的任一侧上的延迟层。在编码面的前面和/或后面，具有线偏振的入射光束可以穿过具有相同设计的延迟层的位置，提供相应的掩膜孔隙。 [0040] 结构化延迟层的结构尺寸可以与包含多个像素的像素组的范围普遍对应。像素组的像素频繁地被设置以至于延迟层必须仅以一个尺寸结构化。 [0041] 现借助于包含两个像素的像素组的例子对结构化延迟层进行详细说明。总体上，结构也可以对应于包含多于两个像素的像素组。 [0042] 采用双相位编码方法时，使用两个相邻像素列以在每行的两个像素中编码一个复数，结构化延迟层例如可以展现出具有光调制器高度和大致与像素尺寸对应的宽度的列排列。 [0043] 每个结构化延迟层可以表现为单种材料或结合多种双折射材料的结构化层，因为使用具有线偏振的光束，所以只有非常光束穿过延迟层，并且双折射材料的折射率具有特定的角度变化，并因此使用于以不同角度传播的光的光程长度发生变化。 [0044] 因此，更佳的是，在光调制器的入射侧结合线性偏光器。 [0045] 置于像素后面的延迟层使具有倾斜入射角的光束覆盖穿过被一个像素分开的像素的对于角α不同的光程长度OW，以部分甚或完全补偿相邻像素的延迟。 [0047] 对于角α的光程长度OW的变化与给定的参考角α0相关，其中参考角α0的光程长度差通过向一组像素写入修正的相位值来补偿。 [0048] 各延迟层可以置于像素组的两个相邻像素前面，由于延迟层的不同性质，像素组的一个像素的光具有相对于参考角α0较长的光程长度，另一个像素的光具有相对于参考角α0较短的光程长度。 [0049] 相邻延迟层可以使用同样的但具有不同光轴方向的双折射材料，以使一方面，一个延迟层中的光程长度OW随着角αn增大，另一方面，在相邻延迟层中的光程长度OW随着角αn减小，反之亦然。 [0050] 延迟层可以可选地由不同的双折射材料制成。 [0051] 为了减小层厚度d，延迟层可以分为置于不同位置的多个部分，例如，分为置于编码面的两个平坦侧的两半。 [0052] 延迟层也可以由多个相叠的子层组成。这些子层可以与界面层连接，例如粘结层。这种层叠例如可以用于简化制造工艺。 [0053] 在它们作为延迟层的功能中，一个置于另一个上的每个子层都具有单个延迟层的作用。以下，总术语“延迟层”将用于这些情况中的任意一种。 [0054] 在液晶调制器的示例中，延迟层可以置于玻璃板之间的液晶层附近。然而，结构化延迟层可以普遍用于各种类型的光调制器中，更适宜用于调相光调制器中。 [0055] 例如，光调制器可以设计为当使用呈现像素排列的微镜阵列、特别是用于相位调制的倾斜镜阵列时，提供有结构化延迟层，结构化延迟层交替地应用于微镜阵列的相邻微镜或微镜列上。 [0057] 图1示意性地示出了根据本发明的光调制器的纵向剖视图； [0058] 图2在垂直方向上示意性地示出了具有由相邻像素或像素组射出的光束的延迟的传统光调制器的4个相邻像素； [0059] 图3在垂直方向上示意性地示出了在两个像素处具有延迟层的光调制器的4个相邻像素，其用于补偿由像素射出的光束发生的延迟，其中，延迟层具有相同的光学特性； [0060] 图4在垂直方向上示意性地示出了在四个像素处具有延迟层的光调制器的4个相邻像素，其用于补偿由像素射出的光束发生的延迟，其中，相邻的延迟层具有不同的光学特性； [0061] 图5借助于折射率椭圆，示意性地示出了双折射材料的折射率的角度依赖关系； [0062] 图6示出了双折射材料的折射率角图，其中： [0063] 图6a示出了折射率n与相对于光轴的角θ的依赖关系，以及 [0064] 图6b示出了小的角变化Δθ的折射率变化Δn与相对于光轴的角θ的依赖关系； [0065] 图7示出了相对于空气中的角度变化的双折射材料中的角度变化； [0066] 图8示出了由具有不同光轴方向的双折射材料制成的结构化延迟层；以及[0067] 图9示意性地示出了延迟层分为两个位于具有插入掩膜的液晶层形式的编码面两侧的子层。 [0068] 图1示意性地示出了根据本发明的光调制器1，包含： [0069] -液晶层2； [0070] -置于液晶层2两侧的定向层3、4； [0071] -置于两自由侧的电极层5、6；以及 [0072] -置于两自由侧的玻璃板7、8； [0073] 从而提供了其透射振幅或相位可由供给电极层5、6的电位控制的像素13、14的二维排列。 [0074] 根据本发明，结构化延迟层9、10、11、12至少置于电极层5、6中的一个与位于电极层5、6对面的玻璃板7、8中的一个之间，所述结构化延迟层使具有线偏振的入射光束的光程长度发生特定角度变化，延迟层9、10、11、12具有使穿过延迟层9、10、11、12的光程长度的变化抵消像素组15的各像素13、14之间的延迟的特定角度变化、并且至少部分甚或完全补偿延迟20、21中的特定角度变化的厚度。 [0075] 结构化延迟层9、11和10、12可以置于液晶层2的任一侧、电极层5、6与玻璃板7、8之间。 [0076] 如图1所示，为了控制液晶层2，电极5、6和用于控制并且确定液晶像素13、14方向的定向层3、4置于延迟层9、11和10、12面向液晶层2的一侧上，并且不直接位于玻璃板7、8上。 [0077] 进一步地，掩膜19可以置于电极6与延迟层10、12之间，所述掩膜具有这样的结构：如果光线以斜角入射，则阻止光束穿过延迟层，例如12、10之间的边界。 [0078] 结构化延迟层9、10、11、12的结构宽度可以与像素组15的范围近似对应。 [0079] 采用双相位编码方法时，使用两个相邻像素列以在每行中编码复数，结构化延迟层9、10、11、12例如可以呈现出大体与像素13、14的尺寸对应的列排列。 [0080] 延迟层9、10、11、12可以由单一的双折射材料或多种双折射材料的组合制成，双折射材料的折射率具有特定角度变化，并因此具有以不同角度传输的光的光程长度的变化。 [0081] 根据本发明的光调制器1的工作原理将借助于图2至图9详细地说明： [0082] 图2示意性地示出了传统光调制器的4个像素131、132、141、142，所述像素被安排在两个像素组151，152中，像素组151和像素组152分别由两个像素131、132及141、142组成。例如，像素131、132和141、142中的每个都表现双相位编码的复数。入射光束以角α穿过像素131、132、141、142。 [0083] 光束通过后，在像素131和132之间以及像素141和142之间出现了不希望有的延迟20、21，而像素组151相对于像素组152之间的延迟22是期望得到的。 [0084] 根据本发明，图3示出了分别应用于像素131和141的延迟层101、102，其使穿过像素131和141的光束对于角α覆盖较长的光程长度OW，以分别部分甚或完全补偿像素132或142的延迟20、21。唯一重要的是相对于给出的参考角α0(未示出)改变对于角α的光程长度OW。在这样情况下，对于参考角α0，光程长度差可以通过向一组像素的两个像素中的一个写入修正的相位值来补偿。 [0085] 图3示出的像素排列的实际缺点在于具有不同层厚度d的延迟层位于各像素前。 [0086] 参考图4，与此相反的更好的排列是在组151的两个像素131、132和组152的两个像素141、142前使用两个具有相同层厚度的不同的延迟层102、121以及102、122，像素131的光与像素132的光相比像素132的光相对于参考角α0覆盖了较长的光程长度OW，像素132的光相对于参考角α0覆盖了较短的光程OW，这是因为延迟层101、102表现了不同于延迟层121、122的有效折射率。 [0087] 图5示意性地示出了光轴16与非常折射率n2平行时，双折射材料的折射率与透射光的角度的依赖关系。 [0088] 折射率的角度依赖关系使用以下公式进行描述： [0089] n(θ)＝n1*n2/sqrt(n12cos2θ+n22sin2θ) (I)， [0090] 其中，n1是普通折射率，n2是非常折射率，它们互成直角，θ表示光束相对于双折射材料的光轴16的角。两个折射率n1和n2表示了折射率椭圆17。 [0091] 图6a和图6b示出了双折射材料的折射率角图，其中图6a示出了折射率n与相对于光轴的角θ的依赖关系，图6b示出了小角度变化Δθ的折射率变化Δn与相对于光轴的角θ的依赖关系。图6a表示例如折射率在n1＝1.5和n2＝1.75之间的材料的折射率n随角变化的变化。最大的变化Δn发生在与光轴16倾斜特定角θ处，特定角θ的情况下，变化Δn大致与角θ成线性。 [0092] 优选的是，使用接近最大变化的角度范围θ，如图7所示，因为这时用来补偿特定的延迟20、21所需的延迟层101、102的层厚度d减小了。使用折射率近似线性变化的区域的角θ也是优选的，因为要补偿的延迟20、21随着角θ的正弦而变化，并且正弦对于小角度也是大约线性的。由于相同的角特性，延迟20、21因此可以很大程度上被补偿。 [0093] 参考图7，当计算补偿所需的延迟层101的层厚度d时，要考虑到在用于补偿的延迟层101与光调制器1的观察者之间存在来自具有相对于空气折射率n＞1的光学材料的光束18的转换，以使延迟层101中的角变化αn与外部角变化α相关，延迟根据折射定律基于此进行计算。 [0094] 参考图8，如果使用相同的双折射材料，但光轴16有不同方向161、162，一方面，延迟层101的光程长度OW随着角αn增大，而另一方面，延迟层121中的光程长度OW随着角αn减小。 [0095] 参考图8，给出穿过延迟层101的光程长度OW的下列公式： [0096] -对于光束180，光程长度OW180＝d*n(θ)以及 [0097] -对于光束181，光程长度OW181＝d*n(θ+αn)/cosαn。 [0098] 穿过延迟层121的光程长度OW： [0099] -对于光束180是OW180＝d*n(θ+αn)/cosαn [0100] -对于光束181是OW181＝d*n(θ-αn)/cosαn。 [0101] 这是已在图4中示出了原理的、用于使用具有不同光轴方向的相同的双折射材料的具体实施例。然而，通常也可能提供不同的双折射材料用于延迟层101、102；121、122；9、10、11、12。 [0102] 参考图9，为了进一步减少延迟层101、102；121、122的层厚度d，在使用透射式调制器的情况下，延迟层101、102可以分别被分成两个部分9、10和11、12，置于液晶层2的两个平面侧。 [0103] 附加的改进可以通过置于延迟层10、12上的吸收掩膜19来实现，如果光以斜角入射，所述掩膜防止具有线偏振的光束182穿过两个具有不同特性并且相对设置在编码面2的两侧的延迟层11、10。在具有线偏振的入射光束181可以穿过编码面2的前面和/或后面的具有相同设计的延迟层9、10和11、12的位置提供相应的掩膜孔隙23、24。这在图9中示出。掩膜19可以置于延迟层10、12和像素13、14之间。图9中以斜线画出的光束182被掩膜19吸收。 [0104] 这里，延迟层9、10、11、12置于编码面旁的右侧，液晶层2在传统的显示器中的玻璃板7、8内。因此图7所示的转变不在延迟层101和空气之间直接发生，而是在玻璃板7或8和空气之间的另一个位置。 [0105] 基于透射型液晶调制器示例的描述相应地也适用于其他的、最初提及的调制器类型，必须考虑的是在反射型调制器中，所有层以不同角度被穿过两次。 [0106] 附图标记列表 [0107] 1. 光调制器 [0108] 2. 编码面 [0109] 3. 第一定向层 [0110] 4. 第二定向层 [0111] 5. 第一电极 [0112] 6. 第二电极 [0113] 7. 第一载体层 [0114] 8. 第二载体层 [0115] 9. 第一延迟层 [0116] 10. 第二延迟层 [0117] 101. 延迟层 [0118] 102. 延迟层 [0119] 11. 第三延迟层 [0120] 12. 第四延迟层 [0121] 13. 第一像素 [0122] 131. 像素 [0123] 132. 像素 [0124] 14. 第二像素 [0125] 141. 像素 [0126] 142. 像素 [0127] 15. 像素组 [0128] 151. 像素组 [0129] 152. 像素组 [0130] 16. 光轴 [0131] 161. 光轴的第一方向 [0132] 162. 光轴的第二方向 [0133] 17. 折射率椭圆 [0134] 18. 光束 [0135] 180. 光束 [0136] 181. 光束 [0137] 182. 被吸收光束 [0138] 19. 掩膜 [0139] 20. 第一延迟 [0140] 21. 第二延迟 [0141] 22. 延迟 [0142] 23. 掩膜孔隙 [0143] 24. 掩膜孔隙 [0144] θ 光束相对于光轴的角 [0145] n 折射率 [0146] n1 普通折射率 [0147] n2 非常折射率 [0148] α 角 [0149] α0 参考角 [0150] αn 角 [0151] d 延迟层的层厚度 |
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