技术领域

根据本发明权利要求1的总构思，本发明涉及显示实的或虚的、二 维的或三维的、彩色或单色图象的彩色图象产生系统及其应用，尤其是 在电视或视频中的应用以及在印刷技术中的应用。

本彩色图象产生系统利用人眼生理学功能，一方面能把多种颜色看 成混合色(加色混合)而另一方面能把单个的、在空间位置邻近的和时 间上快速相互排列的光点看成图象。在本文献资料中，光的含义是指可 见光电磁辐射，特别是400nm至760nm波长范围的可见光电磁辐射的 波长(λ)或波长范围(Δλ)。尤其是选择对应于红色、绿色和蓝色光 (原色)的波长或波长范围。此处光的含义还指非可见光电磁辐射，如 果这种光借助屏幕上的荧光材料或者借助一个非线性光学器件可转换 成可见光。

技术背景

一种先进的颜色混合和产生电视或视频图象的方法曾借助建立在 多种物理效应基础上的光阀技术得以实现。(R.Gerhard-Multha upt und H.R_der，“光阀—大屏幕投影：综述”，Fernseh-und kino-Technik， 45(9)，448-452页(1991))。

在专利申请DE 31 52 020 A1中叙述了一种用于形成任意大小彩色 图象的图象产生装置，在该装置中，三个激光二极管的光被偏转导入各 一个光导管，这些光导管被组合成一光导纤维—管束，并且在光导纤维 —管束的末端装上一磁性包皮。该磁性包皮在一变化的磁场中可以被水 平和垂直偏转。其后有一投影光学系统和至少一个平面转向镜，用该镜 可把光束偏转到一无荧光材料或涂有发原色光的荧光材料的毛玻璃板 上。这种图象产生装置实际上应用了已知的彩色图象产生部件，这类 部件不能或只能很困难地以微光学的和/或微机械的结构加以实现。此 后在光导纤维中不进行光成分的空间聚集。传输各单一颜色成分的光 导纤维被聚集成一束，并且纤维末端空间上相互紧密的排列在一起 (见图26)。

在专利申请DE 43 24 848 C1中叙述了一种由两个部件构成的彩色 图象投影系统。光产生和光调制的部件含有三个激光光源。这三个光成 分利用体积光学幅度调制器、例如普克尔盒、选择性地进行强度或幅度 调制并随后用反光镜聚合在一起。该彩色和强度调制的光被传输到按行 和列偏转的投影部件中并与调制同步向空间扫描。

此外，还叙述了多个分立的光导纤维可以这样在空间集合在一起， 即使其形成统一的光纤支路。由此形成光导纤维耦合器，该耦合器能有 效地传输宽光谱范围的可见光。光导纤维只用作光传输装置，该装置在 两个空间隔离的部件之间，即光产生和光调制部件和按行和列偏转的投 影部件之间建立联系。

本发明的任务

本发明应解决的问题是提供比较少的、结构比较简单的和通用的 彩色图象产生系统，用于产生实的或虚的图象，这些图象有更好的特 性，例如更高的图象分辨率和更丰富的色谱，从而在实际上已知的那 些系统中能够提供新的应用。用此装置应能产生强度或幅度调制的和 彩色调制的彩色信号并且能向空间扫描，尤其是产生二维的或三维的 电视及视频图象或印刷图象。本发明的目标是，在本发明最极限的实 施结构中将彩色图象产生系统所有电子学的或光学的部件都集成在 一个载体上，并且该系统作为具有若干电学接线端和一个光输出端的 模块提供使用。

本发明实质

上述任务是在一彩色图象产生系统中依据权利要求1的特征部分给 出的特点的总构思加以解决的。从属权利要求2至56是权利要求1良 好的具体实施结构。权利要求57至60描述了本发明彩色图象产生系统 的良好应用。上述任务的解决，根据权利要求1，是通过应用在一个载 体上安置的集成光学部件(光波导和光波导元件)用于分光、聚光、光 调制和/或波长滤波实现的。

在第一种情况中，根据权利要求3基本思想是，一种波导结构，这 里称为“空产光束聚合单元”，用于空间聚集几种不同分立波长或几种 不同分立波长范围(原色)的光成分。这种空间聚合在一起的光受到如 此偏转、即通过为偏转聚合光而进行光成分的同步调制在观察空间形成 一虚象或者在一投影屏幕上形成一实象，从而使观看者可以用眼睛看 到。

彩色的产生是通过几种不同波长的光成分加色混合形成的，这种加 色混合发生在波导的相会点，下面称为耦合点，在空间光束结合单元 中，其中，这些光成分或者在单元之前或者在单元内部为了空间光束结 合相互独立地进行强度或幅度调制。

在第二种情况中，根据权利要求4本发明的出发点是，在宽带波 导中所传输的一很宽波长范围的光的光谱成分，尤其是相当于白光的 波长范围是可以滤色的。彩色的产生通过减色混合实现。在使用白光 的情况下，耦合出的光的颜色相当于被滤出波长范围的互补色。为产 生完美的彩色图象需要按上述方法产生三种不同颜色的光成分(原 色)。

在第一方案中，三种光成分可以借助三个不同的滤色元件产生。 在此，耦合进入波导结构的宽波长范围的光在一宽带分支结构中被分 到各滤色元件上。所产生的三种光成分在强度或幅度调制之后被聚合 到一“空间光束聚合单元”中并且可以耦合进入光束成形和光束偏转 单元中。

在第二方案中，使用了可控滤色元件，该元件由波导中传输的光滤 掉某一可选择的波长范围。在使用白光的情况下，耦合出的光的颜色相 当于被滤掉波长范围的互补色。

借助在唯一一个光波导中安装的可控滤色元件使三种不同的光成 分(原色)可以以时分复用的方式产生、可以强度或幅度调制并且可以 输出耦合。在足够高的颜色产生的重复频率下可以产生彩色图象的印 象。在放弃时分复用工作方式的情况下，在使用可控滤色元件时可供使 用的颜色范围是受到限制的，然而对于许多应用是足够的。例如由单模 集成光学宽带带状波导(EOBSW或白光波导)制成的集成电光马赫— 叁得干涉仪—调制器构成了一种可控滤色元件。该干涉仪基于其半波电 压的波长依赖关系能够通过施加不同电压由干涉仪前的波导中传输的 光滤掉各种波长范围的光。

在使用适当的滤色元件时能够成功的调整在可见光光谱中所选择 的色值。通过与光的色值调整和强度或幅度调制同步进行的向观察空间 内的偏转，经加色混合产生彩色图象，该图象可含有全部色值。

下面除对“空间光束结合单元”和对“光的空间聚合”叙述外，按 意义适用于上面所述两种情况。

关于上述加色混合的第一种情况，按照权利要求3在本说明中把“空 间光束结合单元”理解为波导的组合，这些光波导能够有效地传输和空 间聚合宽带或所选出的光谱范围的光。

波导是指集成光学带状波导、光导纤维或准波导。

准波导是带状折射率装置，其作用原理不是以全反射原理为基础 而是以其它反射原理为基础，例如谐振和反谐振法布里—珀罗反射 (ARROW)或者建立在光导范围内高折射降低处强反射的基础上。 至少在耦合点之后—从光的方向看—公用波导必须是宽带的。这里宽 带的意思是指整个可见波长范围的光、但至少是所有使用波长的光、 在波导中是可传输的或者波导具有以下的特性，即各种不同分立波 长、尤其是由可见光光谱的光能有效地在唯一的一个波导中传输。多 个波导适当地聚合可以以简单的方式把光在空间上聚合在一个公用 的宽带波导内。

原则上，在波导外部当光成分调制时对于在波导中传输模式的数量 没有限制。然而，单膜光波导是需要的，如果在波导中所应用的调制原 理要求光的单模性，例如如果所应用的强度或幅度调制是建立在集成光 学干涉仪结构的基础上。例如在截止调制、电吸收调制和与一偏振器或 一偏振波导结合的偏振调制情况下单模性不是绝对必要的。在彩色图象 产生系统中的下列各点，光成分是可以进行强度或幅度调制的和/或可以 切换的：或者在其产生处借助光源控制和/或在光源与空间光束结合单元 之间用若干外部调制器和/或在空间光束结合单元内在至少一个波导中 和/或在波导的耦合点和/或在耦合点之后，这里当然只是在光源的时分 复用运行状态下。

为了调整一个色值，至少要调制两个不同光成分的强度或幅度并且 在至少一个耦合点空间聚合在一起。对于无闪烁的图象显示，在很高的 可能的调制频率调制光分量的基础上单个光成分的时分复用传输是可 能的。

因此，至少两个不同光成分的空间聚合和成象在第一种情况下应该 在时间上同时完成，或者在第二种情况下应该在时间上依次(时分复 用)完成。成象或投影借助光束成形和光束偏转单元进行，其中，一个 象点或一个象行或整个图象的成象用产生彩色所适宜的原色，例如红、 绿和蓝、以很快的、连续不断地顺序进行。人眼把各单色象点或象行或 图象“相加”成彩色图象。

在第一方案中，至少两个分立的光导纤维在空间结合在一起，使光 可以在结合在一起的光导纤维中继续传输。这样就形成了一个光导纤维 耦合器，该耦合器能有效地传输宽光谱范围的可见光。在此，这些光纤 不仅在光源和光束偏转系统之间建立起空间联系。它们也在载体上构成 了一个可以进行空间光束结合的单元，该单元与至少两个光源和光束成 形和光束偏转的单元进行联系。

在第二方案中，至少采用一个集成光学带状波导耦合器。进行光传 输和光成分的空间聚合。这些元件例如能够以高效率传输和聚合可见光 的波长谱。

至少有两个带状波导被结合在一起，并且组成一个公共的第三带状 波导用于继续传输空间聚合在一起的光成分。

在对波导中传输的光成分进行强度或幅度调制的情况下，如果需 要，带状波导耦合器至少部分地由宽带—带状波导构成，这种波导在总 的要传输的或要调制的光谱范围内以单模形式传输光。这些波导被称为 单模集成光学宽带—带状波导(EOBSW)。

只有在下面的一些波导区域内单模性是绝对必要的，即在这些区域 中安装了这样的集成光学强度或幅度调制器，这种调制器根据其功能要 求单模性。在其余的波导区域内，例如在组合的光成分的波导区域内(例 如见图10：公共宽带—带状波导9)单模性不是必需的。

如果要求单波导必须是单模的，但是与这些单波导联系在一起的光 源各发射某带宽的光，这些光源不要求使用宽带波导(例如激光光源)， 那么也可以把单模窄带波导作为单一波导使用。只是公共波导必须是宽 带的。适当设计的多模波导在光学上总是宽带的。

单模集成光学宽带带状波导和单模白光波导是于同一天相继递交 的“带状波导与应用”专利申请项目的内容。

单模集成光学宽带—带状波导耦合器和单模白光带状波导耦合器 是在同一天相继递交的“带状波导组成的连接分离器及应用”专利申请 项目的内容。

在第三方案中，宽带准波导耦合器(例如ARROW耦合器)被用 于光传输和光成分的空间聚合。可以证明，可以这样设计准波导，使 其能够从技术角度有效地传输可见光光谱中的几个分立的波长范 围。

用上述三种波导方案，原则上耦合点可作为Y-分路器、定向耦合 器、平行带状耦合器、BOA或X-耦合器或者在使用反射器的条件下 来实现。然而一种具体结构的真正实现与当前技术的可能性及要求达到 的技术参数相关。

Y-分路器(Y-分离器)通常是一个无源元件，仅限制在很窄的 范围内使用。在与Y-分路器连接在一起的波导具有单模性的情况下或 者具有极多模性(大约多于50个模式)的情况下，Y-分路器在分离 器运行状态具有良好的和稳定的分光比(1∶1)。在连接器运行状态， 在与Y-分路器连接的波导具有单模性的情况下，只有在一个输入波导 有光输入耦合时，Y-分离器具有3dB的损耗。

定向耦合器和平行带状耦合器有一优良的、可利用的，例如电光可 实现的开关特性。耦合特性与波长具有很强的依赖关系，这种关系可以 很好地用于光的空间聚合和光的调制以达到混色的目的。使用的衬底材 料如磷酸氧钛钾(KT iOPO4，KTP)或铌酸锂(LiNbO3)，当有效 电极长度L在毫米范围并且电极间距d在微米范围时开关电压在5至20 伏之间。

BOA是一组集成光学元件的法语名称(bifurcation optique active)(见M.Papuchon，A.Roy，D.B.Ostrowsky，“电激活光学 分路器，”Appl.Phys.Lett，Vol 31(1977)pp，266-267)。 BOA同样显示出一种良好的、可利用的，例如可电光实现的开关特 性。

简单的电极结构是可能的。BOA的耦合特性与波长有很强的依赖 关系，这种关系可以很好的用于混色。在KTP或LiNbO3上开关电压在 10至20伏之间。

X-耦合器具有如BOA的特性，但由于其短的相互作用长度需要 很高的开关电压(典型值为50伏)。

集成光学或微光学反射器以棱镜、反射镜或光栅的形式在衬底材料 内或其表面制成，并把两个带状波导耦合在一起。

用CW-激光器(CW＝连续波)或脉冲激光器或激光二极管或光 纤激光器或发光二极管或光谱灯作为光源，这些光源主要是均能够发射 红、绿和蓝光的波长范围的光。

由于受当前技术水平的限制不能提供小型化发绿色和蓝色光的窄 带光源，因此可以用产生二次谐波原理把红外光辐射转换到所需光谱范 围。

功率足够大的聚光基于非线性光学效应能够在以适当材料为基础 的装置中产生半波长的光，例如波长为830nm的红外激光二极管的光转 换成波长为415nm的光(产生二次谐波)。此外，可产生光的更高次谐 波、光的和频与差频。

彩色图象产生系统含有至少两个独立的可控调制装置，用于将一个 适当的、通常为电的输入信号转换成一个光的强度或幅度调制的和彩色 调制的输出信号。为产生单色图象只需要一个调制装置。这些调制装置 使一个或多个光源的光分别的、有效的控制直至很高的控制频率成为可 能(根据当前技术水平达到GHz范围)。为产生彩色图象至少一个光 源的光强度和幅度调制与光束的偏转同步。

在第一方案中，光的强度或幅度调制经调制光源的辐射功率来实 现。 

在第二方案中，光的强度或幅度调制，在光源和光波导之间的一个 外部强度或幅度调制器中进行。

在第三方案中，光的强度或幅度调制在光成分空间聚合之前在至少 一个光波导中进行。根据强度或幅度调制原理的要求，波导必须是单模 的。是否必须使用一单模集成光学宽带带状波导取决于光源的带宽。与 这些波导连接的耦合点及公共波导必须具有允许传输全部所应用的波 长或波长范围的带宽。

在第四方案中，光的强度或幅度调制在波导的一个可控耦合点进 行。根据耦合点强度或幅度调制原理的要求，组成耦合点的波导必须是 单模的或具有与工作原理相符的一定数量的模式(例如双模相干原 理)。

是否必须使用单模集成光学宽带带状波导(EOBSW)取决于光源 的带宽。与耦合点连接的公共波导必须具有允许所有使用波长或波长范 围传输的带宽，然而并不一定是单模的。

在第五方案中，紧接耦合点后按时间依次出现的光成分(例如时分 复用运行的光源)的强度或幅度调制以时分复用方式在公共波导中进 行，在这种波导中光成分空间集合在一起。这种波导必须具有允许传输 全部所应用的波长或波长范围的带宽。根据强度或幅度调制原理的要 求，公共波导必须是单模的，也就是说必要时必须是一单模集成光学宽 带带状波导(EOBSW)。

在第六方案中，紧接公共波导之后按时间依次出现的光成分(例如 时分复用运行的光源)的强度或幅度调制以时分复用方式，在集成光学 结构之后适当位置的强度或幅度调制器中进行，例如在公共波导的输出 端与光束成形和光束偏转单元之间。

光的强度和幅度调制按下列原理之一进行：

—电光的、声光的、热光的、磁光的、光—光的、光热的调制，

—在半导体材料中通过自由载流子的注入或耗尽引起有效折射系 数的改变，

—在利用法布里—珀罗效应的条件下电光的、声光的、热光的、磁 光的、光—光的或光热的调制，

—在使用法布里—珀罗效应的条件下通过在半导体材料中自由载 流子的注入或耗尽引起的有效折射系数的改变进行调制，

—电光的、声光的、热光的、磁光的、光—光的或光热的截止—调 制，

—以通过在半导体材料中自由载流子的注入或耗尽引起的有效折 射系数改变为基础的截止—调制，

—可控波导放大，

—与一个偏振器相结合的可控偏振旋转，

—波导模式转变，

—电吸收调制，

—借助一个集成光学开关或分配器元件的调制，如X-耦合器、平 行带状线耦合器、定向耦合器或BOA，

—光源自调制，

—利用光源—波导耦合效率改变的调制，或

—利用光衰减器的调制，如安装在光源后面的可控光阑或光吸收 器。

为了在波导内或波导外进行强度或幅度调制，总是可以选出适用的 几个原理。必要时，强度或幅度调制可以在集成—光学干涉仪结构的基 础上适当地利用上述调制方法进行。

本发明还涉及空间光束结合单元的集成光学实施方案，在这些方案 中两个宽带波导的耦合点可以被有效地施加影响，即是可以控制的。根 据需要把可控耦合点设计成用于可控空间光束结合和/或用于可控光束 偏转。    

在双模相干的基础上可控耦合点可以作为X-耦合器、定向耦合 器、平行带状线耦合器或BOA使用。

本发明还涉及一种交叉波导装置，尤其是单模集成光学带状波导的 装置，在这种装置中，交叉点构成一个矩阵。这些交叉点是：

a)完全无源(无源波导交叉)或

b)用于光成分空间聚合的无源耦合点，或

c)用于调制和空间光束结合和/或光束偏转的可控耦合点。原则上 光成分可以耦合进入每一个波导。

在第一方案中为三种不同波长的光成分设置了三根平行波导，这些 波导与另一波导交叉，其中交叉点是空间光束结合的无源耦合点。强度 或幅度调制可通过光源来实现，或者强度或幅度调制在三根单模波导的 每一根上进行。为了在各单模波导上进行强度或幅度调制，在每一个单 换波导上设置了一个强度调制器或幅度调制器。在可控耦合点的情况下 强度或幅度调制在单模波导的交叉点内进行。在任何情况下，在公共波 导的输出端，强度或幅度调制和彩色调制的空间聚合的光是可以耦合出 来的。

在第二方案中为两个光成分设置了两根平行排列的波导，它们与另 一个波导交叉。在公共波导的一个输入端可以耦合进第三种波长的光。 其中交叉点用于空间光束结合，并且

a)光源是可以强度和幅度调制的并且耦合点是无源的，或

b)在三个单模波导的每一根波导上安装一个强度或幅度调制器并 且耦合点是无源的，或

c)单模波导交叉点是用于空间光束结合和/或光束偏转的可控耦合 点。

在任何情况下，在公共波导输出端，强度或幅度调制和彩色调制的 空间聚合光是可以耦合出来的。

在第三方案中三种光成分是可以耦合入三根平行敷设的波导。这三 个波导与另外三个波导和一根第四公共波导交叉，其中，波导的交叉点 根据结构设计参数可以是可控耦合点或无源耦合点或全无源波导交叉 点。另外的三个被交叉的波导有无功输出端，在这些输出端可以耦合出 来未曾利用的光成分。在公共第四波导的输出端可以耦合出来强度或幅 度调制和彩色调制的空间聚合光。

通过组合和稍加改变这里介绍的原理也可以实现高质量的矩阵装 置。

此处所述空间光束结合单元的各种实施形式在其输出端把强度或 幅度调制和彩色调制的空间聚合光耦合进入光束成形和光束偏转单 元。    

该单元由一个单独的光束成形装置和一个单独的偏转装置或一个 能够实现两种功能的功能集成组件组成。

光束成形和光束偏转功能可通过控制单元单独或一起控制。通过光 束成形单元由空间光束结合单元耦合出来的光一般以平行光的形式对 准投影平面或观察空间。通过光束偏转单元耦合出来的和成形的光束与 强度或幅度调制和彩色调制同步在投影平面上或向观察空间扫描，以便 产生一空间展开的、观察者眼睛可见的图象。

如果在空间扫描的是直径足够小的平行光束，那么对于任意投影距 离和任意形状的投影面总能保证所产生实象的清晰度，同时象点的大小 等于平行光束的直径。

实现结合在一起的光束成形功能的装置可以用下述技术措施之一 来完成。这些措施如果需要则是可以控制的：

—借助一个可调常规光学系统；

—借助一个微光学系统；

—借助一个光束成形光栅；

—借助一个光束成形反射器；

—借助光束成形元件内部折射系数的变化实现光束成形；

—通过光束成形元件几何形状的变化(厚度、曲率)实现光束成形。

结合在一起的光束实现光束偏转功能的装置可以用下述技术措施 之一来完成，这些措施是可以控制的，以便与强度或幅度调制和彩色调 制同步：

—借助一个可调整的常规光学系统；

—借助一个具有光学有效平面的移动的反射器；

—借助一个移动的光栅或一个可变的光栅；

—借助一个电光的、声光的、热光的、磁光的、光光的、光热的和 /或非线性光学的光栅；

—借助体材料(bulk)中的一电光的、声光的、热光的、磁光的、 光光的、光热的和/或非线性光学的偏转器；

—借助微光学或集成光学结构的一个电光的、声光的、热光的、磁 光的、光光的、光热的和/或非线性光学的偏转器；

—借助一个集成光学的多通道—分路器；

—借助一个微机械偏转系统，或    

—借助一个微光学偏转系统。    

此外，光束成形和光束偏转单元也可以由一光束成形和光束偏转的 功能集成元件构成，尤其是

—作为具有一个光学有效平面的移动反射镜，

—作为电光光栅或

—通过在体材料(bulk)中的折射系数非均匀性的产生，或

—作为微光学的和微机械的元件的组合。

上述本发明装置也可以仅用单一波长或单一波长范围运行，此时可 产生单色实象或单色虚象。

另一个方案采用可见或不可见(红外和紫外)电磁辐射光谱范围的 某一波长或某一波长范围的光束，该光束被偏转到一个整个表面涂敷发 光材料的投影面上。通过荧光产生一个可见单色图象。

在另一方案中投影面按网栅结构涂敷不同的发光材料，这些材料例 如在受激发时发出蓝、绿和红三原色光。单个发光材料点例如构成三重 合点。其中每个三重合点产生一象点。单个发光材料点一方面可以用同 一波长或同一波长范围的电磁辐射(激发光)分别的、在时间上依次进 行激发(时分复用方式)。另一方面可以用三种不同波长或波长范围的 光作为激发光，它们可以有选择地激发不同发光材料点，使其发出各原 色光。当适当的强度或幅度调制和偏转激发光到投影面上的不同类型的 象素时，可产生一个彩色图象的印象。

根据对本发明模块所要求的复杂性，可以在一载体上给至少一根波 导额外的配置下面列举的全部或部分组件：

—至少一个光源，

—至少一个光调制器，

—光束成形和光束偏转单元，和

—用于光调制、光束成形和光束偏转的控制电路。

在最极端情况下可制成一种模块，该模块含有一彩色图象产生系统 的全部功能并且仅需安装馈电、控制和调整所需的电学接线以便得到一 个可使用的彩色图象产生系统。抛弃可动的经典机械部件、如摆动镜或 反射镜扫描器的实施方案是可能的。

借助本发明原则上能用一种模块成功地实现所有可想象的用于显 示实象或虚象的应用。在一定情况下不把光源集成在模块内是适宜的， 以便扩大模块的使用范围，该模块可作为合用的元件销售。

通过电光调制的可能性，根据当前技术水平已达到GHz范围，从 而创造了一种产生极高速变化光强的装置。

借助快速偏转机构可以在一个屏幕上(实象)或在空间(虚象)产 生优质的彩色图象和电视或视频信号，这些也为医学上、特别是眼科医 学上的应用提供了可能。

在附图说明和从属权利要求中阐述了本发明的其它特征，其中，所 有单项特征和所有单项特征的组合都是本发明的基本内容。

本发明装置的优点在于提高电视或视频图象的分辨率，提高图象频 率的可能性，提高图象的亮度和反差以及可制成模块状的、紧凑的和可 以集成的装置。光成分的电光调制所需电压在几伏范围。

借助光束成形和光束偏转单元可用较少的技术措施放大或缩小所 产生的图象(连续变焦镜头的效应)。借助控制单元的适当控制可以调 整图象的局部放大和分辨率。

通过适当调整在光束成形和光束偏转单元中的光束投影可补偿观 察者的视差。借助调整光束的投影可以确定观察者的视差。

尤其是本发明有可能应用已知集成光学和微电子学工艺技术把一 个彩色图象产生系统的所有部件集成在一个模块中。

该彩色图象产生系统模块由具有若干组件的载体和适当的外壳组 成。该外壳有一出射光的窗口和连接电源与信号输入的接线端以及连接 调整彩色图象参数的接线端。

本发明的任务依照主权利要求57是通过应用本发明的彩色图象产 生系统加以解决的。从属权利要求58至60是主权利要求57的优异的 实施方案。

本发明的彩色图象产生系统适用于所有可想象到的应用，在这些 应用中通过任意一个信号特别的是一个电视信号、一个视频信号、一 个音频信号、一个计算机产生的信号或一个测量装置的信号控制光强 度或幅度调制和/或彩色调制的调制装置产生一强度或幅度调制的和 彩色调制的混色信号，该信号被投影到观察空间并在那里可提供其它 应用。

该彩色图象产生系统可作为虚象或实象的图象投影系统使用，特别 是

—作为图象投影、特别是激光电视的组件，

—作为图象显示、特别是观察显示的组件，

—作为图象电话的组件，

—作为在视频眼镜中的组件，

—作为显示所谓“虚拟现象”(Virtual reality，Cyberspace)装置 中的组件，

—作为产生全息照相图象装置中的组件，

—作为反映运行参数或交通导行提示装置中的组件安装在反射夹 层中、特别是安装在车辆的挡风板或仪表盘中以及安装在生产设备操作 台的透明隔板内。

—作为武器系统中的组件，特别是用于目标搜寻系统和目标跟踪系 统，

—作为医学和保健应用领域中的组件，特别是在眼科医学中用于检 查和校正视觉缺陷如色盲、视力缺陷(视敏度)，立体视力缺陷(立体 观察的能力)和斜视。

—作为用于文化目的的光动画系统，例如光风琴，

—作为用于广告中的光动画系统。

这里，本发明彩色图象产生系统的应用不限于某一种特定的实象投 影形式。

本彩色图象产生系统可用于投影

—在光反射投影屏幕上，或者

—在毛玻璃板上。

其中，投影屏幕或毛玻璃板可以或者

—表现为无源的(正常反射或正常背散射)，或者

—是有源的，在照射时改变其反射或散射特性，或者

—上面敷盖发光材料象素组(例如三重象素)，这些发光材料对由 彩色图象产生系统发送的光波长或是有波长选择的或是无特殊波长选 择的作出响应。

此外，本彩色图象产生系统还可以作为

—彩色版画艺术系统或彩色印刷系统中的组件或者作为

—胶片曝光系统中的组件使用。

附图简要说明

本发明借助下列附图予以说明。

图1.具有一个带状波导耦合器的彩色图象产生模块的原理

图2.光成分为红、绿、蓝原色的空间聚合的图象产生系统原理

图3.具有光导纤维耦合器和光源调制的彩色图象产生系统

图4.具有一个准波导耦合器的彩色图象产生系统

图5.准波导耦合器原理

图6.准波导传输特性

图7.具有光导纤维调制器的空间光束聚合单元

图8.借助控制光源的调制以及借助在时分复用运行方式下的光纤 调制器的强度或幅度调制

图9.作为模块的完整的彩色图象产生系统

图10.用于产生实象的彩色图象产生系统

图11.用于产生虚象的彩色图象产生系统

图12.具有可控耦合点的空间光束结合单元

图13.具有以X-耦合器件作为2×1矩阵排列中可控耦合点的彩 色图象产生系统

图14.使用具有相互交叉带状波导结构的、在3×1矩阵排列中具 有可控耦合点的彩色图象产生系统

图15.使用具有相互交叉带状波导结构的、在3×1矩阵装置中具 有强度或幅度调制器带状波导和具有无源耦合点的彩色图象产生系 统

图16.采用以3×4矩阵排列的相互交叉带状波导结构的彩色图象 产生系统

图17.具有以带状波导调制器和定向耦合器作为可控耦合点的调制 器的彩色图象产生系统

图18.立体彩色图象产生系统

图19.具有在不同元件中实现光束成形和光束偏转功能的光束成形 和光束偏转单元

图20.光束成形和光束偏转功能集成于一个元件中的光束成形和光 束偏转单元

图21.采用三个光源、变频器和带状波导耦合器的彩色图象产生系 统

图22.采用一个光源和若干变频器的彩色图象产生系统

图23.采用白光的、具有滤色器和与波长无关的调制器的彩色图象 产生系统

图24.彩用白光的、具有与波长有关的调制器的彩色图象产生系统

图25.具有白光带状波导和滤色器的彩色图象产生系统

图26.具有聚合在一起的玻璃纤维束的彩色图象产生系统，该系统 代表了当前技术水平

图27.用虚象作视觉缺陷矫正

图28.用实象作视觉缺陷矫正

图29.彩色印刷系统

图1至18和图21至24示出了根据本发明权利要求3的彩色图象 产生系统的实施结构是建立在采用选择性强度或幅度调制和借助各个 光成分空间聚合进行加色混合的彩色产生原理基础上的。

图25a至25c示出了根据权利要求4的彩色图象产生系统的实施结 构是建立在采用减色混合彩色产生原理基础上的。

图26示出了根据专利申请DE 31 52 020 A1的当前技术水平的结 构。

图19和图20中描述了光束成形和光束偏转单元的技术解决方案。

图27至29示出了根据本发明彩色图象产生系统的应用实例。

本发明实施途径

图1示出，作为模块的彩色图象产生系统原理结构，在该模块中无 闪烁彩色图象的印象是由两种颜色的光经人眼色彩混合生理效应产生 的。所有组件均安装在载体11上。该模块用于产生一彩色混合信号， 在此混合信号中的强度比是可调整的，并且该模块产生能够向观察空间 的所需方向进行扫描的象点或光束。该模块是采用已知集成光学和微电 子学技术制造的。彩色图象产生系统的所有组件：

—两个光源7′、7″，

—一个空间光束结合单元14，

—一个光束成形和光束偏转单元10，和

—一个用于光束调制、光束成形和光束偏转的电子控制单元15， 均混合集成在载体11上。安装有组件的载体11的表面由一个合适的外 壳20作为护罩。外壳20有一出射光窗口21、电源接线端22、电信号 输入端23、用于调整图象显示参数的电接线端24。

在模块中两个可调制的光源7′和7″与空间光束结合单元14耦 合。空间光束结合单元14与用于产生实的或虚的图象的光束成形和光 束偏转单元10相耦合。每一光源7′和7″以及光束成形和光束偏转 单元10均与控制单元15相连，该控制单元使光源7′和7″的调制与 通过光束成形和光束偏转单元10的光束投影同步。空间光束结合单元 14在这里是无源结构。

光源7′和7″是发射波长为红光和绿光的激光二极管。

空间光束结合单元14由两个集成光学带状波导2′和2″组成， 它们在无源耦合点6聚合到公共宽带带状波导9上。带状波导2′和 2″不一定必须是宽带带状波导，但同样也制成宽带带状波导结构是有 益的。这三个宽带带状波导构成一个集成光学宽带带状波导耦合器。由 于在带状波导中并不进行调制，所以在示例中带状波导不一定必须是单 模。

带状波导2′与发射波长为λ1的光源7′相耦合。带状波导2″与 发射波长为λ2的光源7″相耦合。控制单元15通过导线与光源7′和7″、 并且与光束成形和光束偏转单元10相连。信号S1和S2用于光源7′和 7″的强度和幅度调制。信号S5用于调整强度或幅度调制和彩色调制的 空间聚合的光束的聚焦，并且信号S6用于光束偏转，例如，偏转以行和 列的形式进行。

在公共宽带带状波导9的输出端可提供由光源7′和7″的光成分 组成的、强度或幅度调制和彩色调制的空间聚合的光LMV。

公共宽带带状波导9的输出端与光束成形和光束偏转单元10相耦 合。在示例中光束成形和光束偏转单元10由一光束成形元件3和光束 偏转装置4组成，元件3在示例中为光学透镜，该透镜可通过控制信号 S5在x方向调整实现光束成形，装置4在示例中为三面棱锥体，可通过 控制信号S6将棱锥体围绕y轴(水平偏转)和x轴(垂直偏转)翻转。 光束成型和光束偏转单元10可将光束向周围空间(观察空间)扫描， 在那里形成彩色图象效果，该图象可在屏幕上产生实象或在人眼12中 产生虚象。聚合光的偏转与波长为λ1和λ2的光成分的调制同步实现，以 便在人眼中产生彩色图象效果。

但是，通过使用两种波长(就今天的概念而言)不可能产生具有全 部色彩的完美的彩色图象。

图2示出采用加色混合原理借助宽带带状波导由红、绿、蓝三原色 产生彩色图象的彩色图象产生系统的基本结构。它由可调制的且与空间 光束结合单元14相耦合的三个光源7′、7″和7_组成。

宽带带状波导2′与发射波长为λ1的光的光源7′相耦合。宽带带 状波导2″与发射波长为λ2的光的光源7″相耦合。宽带带状波导2_与 发射波长为λ3的光的光源7_相耦合。宽带带状波导2″和2_聚合至 公共宽带带状波导8。宽带带状波导2′和8聚合至公共宽带带状波导 9。耦合点6为无源耦合点。在公共宽带带状波导9的输出端可提供由 光源7′、7″和7_的光成分组成的强度或幅度调制和彩色调制的空 间聚合的光LMV。公共宽带带状9的输出端与光束成形和光束偏转单元 10相耦合。

各光源7′、7″和7_与光束成形和光束偏转单元10均与一个 控制单元15相连接，该控制单元使光源7′、7″和7_的调制与光 束成形和光束偏转单元10同步。光源7′、7″和7_是发射光波长 为红、绿、蓝光的激光二极管。

空间光束结合单元14由五个宽带带状波导2′、2″、2_、8 和9、三个光输入端、两个耦合点6和一个光输出端组成。耦合点6各 由三个宽带带状波导组成，因此耦合点6是一个集成光学宽带带状波导 耦合器。

由于不进行调制，所以宽带带状波导必须不是单模。

由于使用三原色，可以产生一个完美的彩色图象。

图3示出与图2所示系统相一致的彩色图象产生系统。但在图3的 系统中空间光束结合单元14由作为波导2′、2″和2_的光导纤维F 组成。光束如图2中所描述的方式方法聚合。

在耦合点6光纤(波导2″、2_或2′、8)的连接可通过与两 个光纤的外直径平面对平面的熔合在几个毫米范围内来完成。

光传输在公共纤维9中得以继续，公共纤维9用于被调制的及空间 组合的光LMV的继续传输。多个波导和耦合点组成一个空间光束结合单 元14。光纤被牢固地固定在载体11上，光纤的终端与位于载体上的光 源7及光束成形和光束偏转单元10相耦合。

图4示出了一个彩色图象产生系统，其中，空间光束结合单元14 由准波导(ARROW)和准波导耦合器(ARROW耦合器)组成。图 中示出了三个相邻ARROW结构的基本构造。

用一个ARROW(波导2′)传输波长为λ1的光。用另一个ARROW (波导2″)传输波长为λ2的光。再用另一个ARROW(波导2_)传 输波长为λ3的光。图中示出由光束入射点起始至耦合点6的被吸收器25 彼此相互隔离三个相邻的ARROW2。光成分在三个准波导的耦合点6 的范围内被空间结合，其中，继续传输的ARROW(这里表示为宽带波 导9)载有全部三个波长λ1、λ2和λ3的光成分。

图2所示的彩色图象产生系统与图4所述系统的图示和功能相对 应，所不同的是图4中空间光束结合单元14由作为波导2′、2″和 2_的准波导(ARROW)组成。ARROW结构对相同波长的超临界 耦合特性是众所周知的。对于不同的波长光束的空间结合理论上是可行 的。

借助适当的设计有可能建立一个ARROW结构，该结构能以足够 的效率把多个不同波长导入一个ARROW，并在一个ARROW耦合器 中空间聚合。

图5示出由光的耦合输入点(输入端E)开始至耦合点6的起始端 被吸收器25彼此隔离开的三个相邻ARROW。三个波长为λ1、λ2和λ3 的光成分在耦合点6实现空间结合。空间聚合的光成分在作为公共宽带 波导9被延伸的波导2″中传输至输出端A。

图6示出可能的传输特性。图6a示出一个ARROW的传输特性， 其几何尺寸是这样确定的，即对于三种不同波长例如红、绿、蓝色从技 术上看各满足一个具有足够高效率的谐振条件。

图6b示出一个ARROW的宽带传输特性，从技术上看它以足够高 的效率传输红、绿和蓝色波长的光。

图7示出一个图象产生装置，其中调制装置17′、17″和17_ 与单模宽带光导纤维F相连接。单模宽带光导纤维相互耦合在一起，以 便在公共载体11上形成空间光束结合单元14(见图3)。

调制器采用光纤调制器的结构，并以机械(压电)、磁光、电光、 热光、光光或光热调制原理为基础或具有可控光纤放大器的功能。

图8示出红、绿、蓝光成分以时分复用运行方式传输的图象产生装 置。光源7′、7″和7_在控制单元(控制信号S1、S2和S3)控制 下按时间依次发射光脉冲。这些光脉冲在由单膜宽带光导纤维组成的空 间光束结合单元14中按时间顺序空间聚合(LV)，然后借助安装在公 共单膜宽带光导纤维9上的调制装置17通过控制信号S4按时间顺序依 次被强度调制。产生一彩色图象点BPi(i＝1，2，3…)所必须的、 被空间聚合、强度或幅度调制的红、绿、蓝色光成分LVM通过光束成形 和/或光束偏转单元10按时间顺序(时分复用)投影。图象点的彩色成 分以很高的速度依次投射，例如首先是红色、之后是绿色、再后是蓝色 (见图8曲线)。人眼将各个的单色图象点成分“加合”为一个彩色的 图象点BPi。依次紧密排列的彩色图象点的快速空间偏转产生了一个彩 色图象效果。在本例中示出了单模宽带光导纤维耦合器。其功能与单模 集成光学宽带带状波导耦合器及单模准波导耦合器类似。

图9示出了具有一个空间光束结合单元14的彩色图象产生系统 模块，该模块由在磷酸氧钛钾(KTiOPO4，KTP)衬底1上的单膜 集成光学宽带带状波导(EOBSW)2、8、9以及在单模集成光学 宽带带状波导2′、2″和2_中的作为强度或幅度调制器17′、 17″和17_的马赫—叁得干涉仪结构MZI组成。此图示出了一个公 共载体11上包含所有部件的一个混合集成的、集成光学彩色图象投 影系统。

发射红、绿和蓝色光的三个激光二极管7′、7″和7_、空间光 束结合单元14、光束成形和光束偏转单元10、和控制装置15均安装 在公共载体11上。

激光二极管7安装在位于载体11和激光二极管7之间的恒温器18 上。激光二极管的通常为发散的光到空间光束结合单元14的单模集成 光学宽带带状波导2′、2″、2_的耦合通过光束耦合组件19、例 如由安装在载体材料上彼此间有一定距离的三个夫累内尔透镜组成的 一个微光学组件进行的。

在这种情况下，空间光束结合单元14是用无源耦合点6实现的。 幅度调制用电光可控马赫—叁得干涉仪调制器MZI1、MZI2、MZI3 实现，这些调制器作为光传导和光控制结构安装在单模集成光学宽带带 状波导2′、2″、2_中。

经电光活性材料中的电光效应通过把控制电压(信号S4′、S4″、 S4_)加在电极上改变马赫—叁得干涉仪结构具有不同符号的两个分支 上传输光的传播常数或相位。在马赫—叁得干涉仪调制器中两个分支光 的聚合点根据相位会出现相长或相消干涉。就是说通过调制电压可以控 制单模集成光学宽带带状波导2′、2″和2_中的幅度。

然后，单模集成光学宽带带状波导2′、2″或2_、8聚合在 无源耦合点6。

强度或幅度调制和彩色调制及空间聚合的光LMV经微光学透镜16 耦合出来，该透镜可借助压电元件在垂直于传播方向的二维空间内移 动。它在同一元件中实现了光束成形和光束偏转单元10的功能。

用微光学透镜16把公共带状波导9输出端的分散光聚焦在投影 平面(屏幕5)上，或把准直平行的光束向观察空间扫描。通过微光 学透镜16在x和y方向的移动对图象场扫描。在微光学透镜下安装了 一个压电元件用作垂直于光传播方向机械调整透镜位置的光束偏转 装置4。

在载体11上安装着产生彩色图象所需的所有组件，例如激光光源 及其温度补偿(恒温装置18)的控制装置15，用于耦合光束的微光学 组件19，具有三个马赫一叁得干涉仪调制器MZI、空间光束结合单元 14的基片1和光束成形及光束偏转单元10。在载体11上装配着具有出 光窗口21的、把所有组件保护在内的外壳20。

图10示出若干部件的集成，也就是光源7′、7″、7_，空间 光束结合单元14中的带状波导2、8、9，带状波导2′、2″、 2_上的强度或幅度调制器17′、17″、17_，控制单元15，以及 光束成形和光束偏转单元10集成在载体11上用于产生实象。信号 S1、S2、S3控制光源7′、7″、7_。

信号S4′、S4″、S4_各控制一个带状波导2′、2″和2_中 的强度或幅度调制器17′、17″、17_。光束成形和光束偏转单元 10在包括有一个屏幕5或一个投影屏幕的投影平面上产生实象图象。在 公共宽带带状波导9输出端的分散光束通过光束成形光学系统在投影平 面上投影成光点。该光点通过光束成形和光束偏转单元10偏转并依次 按顺序投射在投影平面。

图11示出若干部件的集成，也就是光源7′、7″、7_，空间 光束结合单元14中的带状波导2、8、9，带状波导2′、2″、2_ 中的强度或幅度调制器17′、17″、17_，控制单元15，以及光束 成形和光束偏转单元10集成在载体11上，用于产生可以被人眼12直 接看到的虚象。

前题条件是人眼12位于由公共宽带带状波导9及光束成形和光束 偏转单元10组成的系统光轴上。这可以通过在眼前使用一个适宜的支 撑物(助视器)，在玻璃(车辆上的挡风玻璃)上投影图象，或者通过 一个小孔观察图象(监视显示)的方法加以实现。视觉缺陷“视力缺陷” 可以通过在光束成形和光束偏转单元10中图象点投影的适当调整来测 量和补偿。彩色图象产生系统可以通过图10所示的相类似的方式加以 控制。

图12至17示出空间光束结合单元14的其它集成光学实施方案， 其中，两个带状波导的耦合点6如果必要可以主动的施加影响，就是说 可以控制。图中各示出了一个单模集成光学宽带带状波导(EOBSW)。 可控耦合点13的构成是用于可控的空间光束结合和/或可控的光束偏 转。可控耦合点13以双模干涉为基础作为x-耦合器、定向耦合器、 平行带状耦合器或BOA工作。

图13至16示出单模集成光学宽带带状波导的交叉，其中，交叉点 为无源耦合点6、或可控耦合点13、或完全无源带状波导的交叉点。

图12示出了一个彩色图象产生系统，其中，由具有可控耦合点13 的单模集成光学宽带带状波导构成的光束结合单元14可由一个控制信 号主动加以影响。三个波长λ1、λ2和λ3的光各耦合入一个单模宽带带状 波导2′、2″、2_中。单模宽带带状波导2″、2_中的光成分在 有源耦合点13′处空间聚合，其强度可通过在该处的外加控制信号S7′ 控制，并在单模宽带带状波导8中继续传输。单模宽带带状波导8中的 光成分和单模宽带带状波导2′中的光成分借助控制信号S7″在有源耦 合点13″处完成相同的过程。强度或幅度调制各依据技术实现的可能 性，可以通过光源7和/或可控耦合点13完成。空间结合的、强度或幅 度调制和彩色调制的光LVM可由单模宽带带状波导9耦合入光束成形或 光束偏转装置10。

图13示出两个单模宽带带状波导2′和2″与另一单模宽带带状 波导9以2×1矩阵形式的交叉。两个交叉点形成可控耦合点13。光 可耦合入E1、E2和/或E3的输入端。控制可控耦合点13′和13″以便 将空间聚合的强度或幅度调制和彩色调制的光LVM可以由单模宽带带状 波导9中耦合出来。该装置最好以时分复用方式工作(见图8)以避免 由不同光成分的调制相互影响而可能产生的问题。

图14示出三个单模宽带带状波导2′、2″、2_与另一个单模 宽带带状波导9的交叉(3×1矩阵)。可控耦合点13控制空间光束 结合和光束偏转。三种波长为λ1、λ2和λ3的光各耦合入单模宽带带状波 导2′、2″和2_其中之一中。可控耦合点13起着光门的作用，它 可以允许单模宽带带状波导9中的光沿光出射方向完全不受影响地通 过，然而在单模宽带带状波导2′、2″、2_中波长为λ1、λ2、λ3的 光成分随所加控制信号S7′、S7″、S7_的作用以不同的电光效率偏 转到公共单模宽带带状波导9的方向并空间结合。在单模宽带带状波导 2′、2″、2_中未被偏转的部分继续传输至盲输出端B。可控耦合 点13′、13″和13_是如此设计的，即它们对各所选定的波长λ1、λ2 或λ3同时起着特定波长调制器、光成分空间结合器和特定波长偏转器的 作用。

耦合点13′调制波长为λ1的光。波长为λ2和λ3的光可不受干扰地 通过该耦合点。耦合点13″调制波长为λ2的光。波长为λ1和λ3的光可 不受干扰地通过该耦合点。耦合点13_调制波长为λ3的光。波长为λ1 和λ2的光可不受干扰地通过该耦合点。

经空间聚合、强度或幅度调制和彩色调制的光LVM可在公共单模宽 带带状波导9的输出端提供投影使用。未被利用的光成分到达盲输出端 B。

光成分λ1、λ2和λ3在可控耦合点13′、13″和13_可能出现的 相互影响可以通过控制信号S1、S2、S3、S7′、S7″和S7_的相应 的电子调整方法来纠正。但是，如果三个光成分由光源以时间顺序发 射(时分复用运行方式)和分别加以调制，则该装置可以特别容易实 现。

在这种情况下，各可控耦合点13的功能限制在相应时间范围内所 要处理的光成分的强度调制和偏转。其它耦合点是无源的并且在宽带波 导9的方向是导通的。

图15示出具有耦合点6的空间光束结合单元14的另一个集成光学 实施方案，耦合点6是由波导交叉构成的。单模宽带带状波导2′、2″ 和2_与另一个单模宽带带状波导9相交。耦合点6是一个用于空间光 束结合和光束偏转的无源单元。为了进行光成分强度或幅度的调制，调 制装置17′、17″和17_各安装在单模宽带带状波导2′、2″和 2_其中之一上，这些波导允许波长为λ1、λ2和λ3的光依赖于所加控制 信号S4′、S4″和S4_的电光控制以不同的强度通过。无源耦合点6 用作光偏转器，在耦合点中各光成分被空间聚合并导入单模宽带带状波 导9和传输至光束成形和光束偏转单元10。

图16示出空间光束结合单元14的另一个集成光学实施方案，该单 元由空间光束结合和/或光束偏转的可控耦合点13构成。三个波长为 λ1、λ2和λ3的光被各耦合入单模宽带带状波导2′、2″和2_其中之 一中。单模宽带带状波导2′、2″和2_与另外四个单模宽带带状波 导8′、8″、8_和9相交。为阐明其功能，波导交叉点以矩阵形式 示出。在由行和列2′-8′、2″-8″和2_-8_确定的交叉点 上，交叉点构成调制装置17′、17″和17_。这些单元用于三束光 成分的强度或幅度调制。

可控耦合点13′、13″和13_排列于行和列2′-9、2″-9 和2_-9的交叉点上。这些单元用于光成分的空间聚合。它们被控制， 以便实现强度或幅度调制的光成分LM的聚合，然后将单模宽带带状波 导9输出端的被强度或幅度调制和彩色调制以及空间聚合的光LMV发射 至光束成形和光束偏转单元10。不需要的光成分被传输至盲输出端B。 但是行和列2′-9、2″-9和2_-9的交叉点也可能是无源耦合 点6′、6″和6_(从原理上讲，这些可控耦合点13没有控制)， 以便将光成分空间聚合。然后，借助光源7或在单模宽带带状波导2中 进行调制。

图17示出了具有可调制的单模宽带带状波导2和作为可控耦合点 13的定向耦合器的一个彩色图象产生系统。为了对光成分进行强度或幅 度调制，调制装置17′、17″和17_各装配于单模宽带带状波导2′、 2″和2_其中之一上，调制三束波长为λ1、λ2和λ3的光。

单模宽带带状波导2′和8以及单模宽带带状波导2″和2_在空 间相互平行并组成一个集成光学的定向耦合器(可控耦合点13)。

依据实际上实现定向耦合器的可能性，如果能成功的将具有足够效 率(从技术上看)的光成分耦合到公共单模宽带带状波导8和9，则可 控耦合点13的控制就不是必须的了。如果在没有控制的情况下不能得 到高效耦合。则要控制定向耦合器以便将光成分切换或偏转进入公共单 模宽带带状波导8和9中。在这种情况下只有光源的时分复用运行方式 是可能的。

图18示出了一个用于产生立体彩色图象的彩色图象产生系统。该 装置可按上述示例其中之一构成。在本例中此装置与图2所述装置的原 理相仿。所不同的在于三个波导2′、2″和2_被聚合在一个无源耦 合点6。

一个偏转旋转器PD附加安装在空间光束结合单元14的光输出端， 该偏振旋转器PD由来自控制单元15的控制信号S8切换。观察者的眼 睛12通过置于眼前的偏振镜P，例如，通过一副特殊的眼镜观看投影 到屏幕5上的图象。

偏振旋转器PD快速地依次在第一方位把图象传送给左眼，在第二 方位把图象传给右眼。偏振调制的波长选择能力要求系统以时分复用方 式运行。

光成分的强度或幅度调制和彩色调制和空间聚合的光的偏转控制 的可能的高频率保证该立体图象产生方法以高的质量加以实现。

每一个偏振旋转器PD可以(如图18所示代替公共宽带带状波 导9)一一对应的安装在每一个带状波导2′、2″、2_上(未 示出)。

另一方面该系统亦可用于虚的立体彩色图象的产生(未示出)

图19示出光束成形和光束偏转单元的一些实例，其功能被分配给 一个光束成形装置3和一个光束偏转装置4：    

—a)借助透镜3或透镜系统实现光束成形和借助一可移动的反光 镜(扫描器)实现光束偏转4，

—b)借助透镜3实现光束成形和借助一可微机械运动的反光镜实 现光束偏转4，

—c)借助透镜3实现光束成形，借助可移动的棱镜实现光束偏转 4，

—d)借助透镜3实现光束成形，借助折射率可变的棱镜实现光束 偏转4，例如，借助通过外部电场E产生的电光效应，

—e)借助透镜3实现光束成形，借助可移动的光栅实现光束偏转 4。这里应注意不同波长衍射角不同，因此当波长改变时必须调整光栅 角，就是说光栅要高频运动。在这种情况下只有时分复用运行方式是可 能的。

—f)借助透镜3实现光束成形和借助折射率的梯度垂直于光的传 播方向的介质，例如该梯度可通过非均匀外部电场E产生的电光效应而 实现光束偏转。

—g)借助透镜3实现光束成形和借助在薄层波导内由声光效应产 生的光栅实现光束偏转4。公共宽带波导终止于一小薄片并变为一薄层 波导。

根据需要，可使用一个集成光学透镜27把由宽带波导输出的光调 整平行。

所产生的一束声表面驻波或行波垂直于光的传播方向；该声波在薄 层波导中将光衍射。声波长必须是可变化的以便对每一个波长的光产生 相同的偏转角，就是说，产生声波的叉指状转换器(未示出)只允许有 一对或几对电极，或必须是起所谓线性调频功能的电极结构，以便增大 带宽。在这种情况下只有时分复用运行方式是可能的。

—h)借助透镜3实现光束成形和通过在体材料中一个声光产生 的光栅实现光束偏转4。垂直于光的传播方向产生一声表面驻波或行 波，该声波使光衍射。为使每一个波长的光产生相同的偏转角，必须 相应地调整声波波长。在这种情况下，只有时分复用运行方式是可能 的。

图20示出光束成形和光束偏转单元的几个实例，其光束成形和光 束偏转的功能被集成在一个组件中：

a)借助一个移动的和聚焦的反光镜(扫描器)；

b)借助一个微机械运动的和聚焦的反光镜；

c)借助一个运动的和聚焦的光栅；

这里需要注意，不同的波长具有不同的衍射角，因此在改变波长时 需要调整光栅角；就是说；光栅以行或以图象方式运动依次各用三个波 长λ1、λ2和λ3其中之一扫描。在这种情况下，只有时分复用运行方式是 可能的；

d)借助一个垂直于光传播方向、例如压电的、运动的微透镜；

e)借助于一个垂直于光传播方向、例如压电的、运动的透镜；

f)借助一个可调制的、可聚焦的输出耦合光栅；

在此情况下，只有时分复用运行方式是可能的；

g)借助一个机械的、例如压电的、可翻转的与一输出耦合光学系 统(透镜)相连接的光导纤维。

图21示出一彩色图象产生系统，其中，在带状波导2″和2_上 安装频率变换器Fu，例如准相位匹配元件。

如果一个彩色图象产生系统使用激光二极管作光源7，根据当前技 术水平，提供适用的蓝和绿色光往往是很困难的。然而，如果衬底1使 用非线性光学有源材料(例如KTiOPO4)则可以应用二次谐波产生原 理。在KTiOPO4中，可以应用准相位匹配原理，由红外泵光产生二次 谐波光，即产生绿光或蓝光。

此处，在泵光波与二次谐波之间必须实现相位匹配。为此把一截带 状波导以适当方式分成小段，以便实现尽可能高效的铁电畴的反转。于 是足够大功率的泵光就能产生半波长的光。

波长为λ2的光转换成波长为λ4的光；波长为λ3的光转换成λ5的光。

例如光源7′发射波长为λ1＝647nm的红光。而光源7″发射例如 波长为λ2＝1064nm的光，此光经准相位匹配元件Fu″转换成波长为λ4 ＝532nm的绿光。

光源7_发射例如波长为λ3＝830nm的光，该光经准相位匹配元件 Fu_转换成波长为λ5＝415nm的蓝光。在光成分空间结合之后，在公 共宽带波导9的输出端借助光源可为光束成形和光束偏转提供强度或幅 度调制和彩色调制的，空间聚合的光LMV。

图22示出了一个彩色图象产生系统，在该系统中，波长为λ0的光 耦合入带状波导9′。在耦合点6′把光分成具有相同波长λ0的三个光 分量。这些光分量分别导入各一条带状波导2′、2″和2_中。在带 状波导2的每一个波导中安装一个频率变换元件并且其后安装一个调制 装置17。各频率变换元件是这样设计的，即由波长λ0的光产生相应的 另外一种波长的光，例如红、绿和蓝色的光，这些光在各所属调制装置 17中分别进行强度或幅度调制。波长为λ1、λ2和λ3的调制光成分在无源 耦合点6空间聚合并在公共单模宽带带状波导9的输出端作为强度或幅 度调制和彩色调制的、空间聚合的光LMV耦合出来。频率变换器Fu按 产生高次谐波，和频和/或差频的原理工作(见M.L.Sundneimer， A.Villeneuve，G.l.stegemann and J.D.Bierlein的文章“利用一个单一光 源在一分段的KTP波导中同时产生红、绿和蓝光”，Electronics Letters， Vol.30(1994)，No.12，PP975-976)。

图23示出了一个彩色图象产生系统，其可调制的光成分是用集成 滤色器Fi由一波长范围ΔλE滤色，尤其由白光滤色而产生的。

光源7向宽带带状波导9′的输入端发射白光。宽带带状波导9′ 经耦合点6′分成三个宽带带状波导2′、2″和2_。在这些宽带带 状波导的每一个波导中各安装一滤色器Fi′、Fi″和Fi_，这些滤色 器允许波长为λ1、λ2和λ3的光或窄带波长范围，例如带宽为10nm的光 通过，它们对应于红、绿和蓝色。

在需要时，滤色器Fi可借助控制信号S9调整或控制。

在滤色器后面，在宽带带状波导2的每一波导中，只有一种波长或 一窄带波长范围的光成分，如上已述，这些光成分将被调制和空间聚 合。然后，强度或幅度调制和彩色调制的，空间聚合的光LMV到达光束 成形和光束偏转单元10，该单元把光投到屏幕5上。象点的光成分经 加色混合产生所希望的彩色印象。

在使用光谱灯(例如汞高压蒸汽灯)作为光源7的情况下，在各个 波导2中的滤色器Fi其窄带特性只需达到这样的程度，即它们只允许所 需要的谱线通过。

图24示出了一个彩色图象产生系统，该系统利用了从宽的波长 谱，尤其是从白光中滤除某特定波长范围ΔλE的光成分的效应(减色 混合)。

彩色图象产生系统利用一个发射白光的光源7，该光耦合入宽带带 状波导9′。在耦合点6′白光被分配到宽带带状波导2′、2″和 2_中。

在宽带带状波导2′、2″和2_中，安装了选择波长的强度或幅 度调制器17，这些调制器以电光的或另一调制方式对波长依赖关系为 基础，随所加控制信号S9只滤除光谱的一部分。因此剩余部分显示的是 其互补色。在宽带波导2′、2″和2_中所传输的，经滤色的和强度 或幅度调制的光成分在耦合点6被空间聚合并耦合入光束成形和光束偏 转单元10。

在适当设计选择波长的强度或幅度调制器17(例如以电光马赫— 叁得干涉仪调制器的形式)的情况下，该装置的结构非常简单。

载体11用于支撑白光光源7，空间光束结合单元14′(此处，该 单元由宽带波导9′、8′、2′、2″和2_还有耦合点6′组成并 实现光束分配功能)、与宽带带状波导2′、2″和2_和另外空间光 束结合单元14连接的选择波长的强度或幅度调制器17′、17″和17_ (单元14由宽带带状波导2′、2″、2_、8、9和无源耦合点6 组成)和支撑光束成形和光束偏转单元10。

图25示出了几个彩色图象产生系统，在这些系统中从一宽波长 范围的光中滤除特定的波长范围ΔλE并投影产生彩色图象的彩色光 点。

因为当前尚不知具有可调优质彩色图象所需色值的一种彩色滤色 器，所以这种解决方案只能用于要求彩色显示质量放在次要地位的彩色 图象。

如果该装置以时分复用方式运行并且三种光成分相互重叠实现加 色混合，则可实现满足所有要求的高彩色显示质量。

根据图25a，波长谱ΔλE的光，例如白光，耦合入宽带带状波导9。 在宽带带状波导9上安装滤色元件Fi。借助滤色元件Fi并依据所加控 制信号S9由波长谱ΔλE中滤除若干特定的波长或波长范围。幅度或强度 调制在光源7中进行或借助光源7和滤色器Fi之间的另一调制装置进行 (未示出)。

根据图25b，波长谱ΔλE的光，例如白光，耦合入宽带带状波导9。 在宽带带状波导9上安装滤色元件Fi和强度或幅度调制装置17。借助 滤色元件Fi并根据所加控制信号S9从波长谱ΔλE中滤除若干特定波长 或波长范围。

这里，强度或幅度调制装置17不一定必须是波长选择的。

在宽带带状波导9的输出端有一波长谱ΔλA的调制光LM提供给光 束成形和光束偏转单元10作进一步处理。

图25c示出了图25b所示彩色图象产生系统的一个具体实施结构。 其中EOBSW用作宽带带状波导。电光可控集成光学马赫—叁得干涉仪 结构MZI用作滤色器Fi，该结构以其波长选择特性为基础滤除可用控 制信号S9(控制电压)调整的波长范围。如果光源7发射白光，那么透 射的光就是滤除光成分的互补色。用控制信号S4(控制电压)进行电光 控制的截止调制器用作强度或幅度调制器17。在单模宽带带状波导9 的输出端有一波长谱ΔλA的强度或幅度调制和彩色调制的光LM提供进 一步处理。

在图25的各实例中，光由光束成形和光束偏转单元10作为彩色组 成的象点投影到屏幕5上并由人眼12看到。

实现此目标的先决条件是，滤色元件必须能用其滤色特性调出各种 所希望的色值。用一个单一的滤色元件不可能提供含有全部色彩细微差 别的彩色图象所必须的所有色值。为了提供有限的，但是对许多应用(例 如反射到玻璃板上)足够的色值范围，在图25a、25b和25c中所述的 方案是完全够用的。

然而，为了能够获得高质量彩色图象所需的全部色值，加色混合需 要至少三种彩色成分。

因此，对至少三个应组成一个色值的光脉冲按时分复用彩色点产 生原理作进一步处理(见图8所示)。借助光束成形和光束偏转单元 10，一个第一彩色组合的光在第一时间段内投影成一个点。至少一个 第二和一个第三彩色组合的光在随后的时间段内被投影到同一象 点。在眼睛中完成在这个点上投影的至少三个彩色成分的生理的彩色 混合。

图26示出了一个根据专利申请DE 31 52 020 A1已知的彩色图象产 生系统，该系统构成一种类别。该系统利用光导管F传导光束。每一个 光导管F以其起始端与光源7耦合。各管的另外一端导向光束成形和光 束偏转单元10，使各管的出射面相互靠的很近的位于一个平面区域内。

图27示出了了一个产生虚象的彩色图象产生系统，该系统提供测 定和校正视觉缺陷斜视的可能方法。立体图象的产生根据图18所介绍 的原理通过产生两个不同偏振方向的图象来实现，用偏振眼镜观察时得 到立体图象。借助一个起偏振棱镜PP把两束偏振光在空间分开。为校 正视觉缺陷所需的两偏振光轴的倾斜是用控制信号S10控制光束偏转器 SA(棱镜)的倾斜度实现的。两光轴间距的调整可借助控制信号S10线 性移动光束偏转器SA来实现。起偏振棱镜PP和光束偏转器SA安装在 光束成形和光束偏转单元与起偏振器P之间。用此装置开辟了新的医学 和医疗学应用领域。

图28示出了一个产生实象的彩色图象产生系统，该系统提供测定 和校正视觉缺陷斜视的可能方法。立体图象的产生根据图18所介绍的 原理通过产生两个不同偏振方向的图象来实现，用偏振眼镜观察这些图 象时得到立体图象。借助一个起偏振棱镜PP把两束偏振光在空间分 开。为校正视觉缺陷所需两偏振光轴的斜倾，用控制信号S10控制光束 偏转器SA(棱镜)的倾斜度来实现。两光轴间距的调整可借助控制信 号S10线性移动光束偏转器SA来实现。起偏振棱镜PP和光束偏转器SA 安装在屏幕5和起偏振器P之间。用此装置开辟了新的医学和医疗学应 用领域。

图29示出了一个用于彩色印刷的混色系统。与图9相似，强度或 幅度调制和彩色调制的光用一个光束成形装置3从波导9输出耦合出 来，并对准光束偏转装置4，在此图中为一个多棱镜，通过该装置与彩 色和强度调制进行同步运动在光敏面26上扫描一图象行，从而产生一 彩色印刷行。图象的形成通过光敏面26(纸)运动来实现或通过在运 动的光敏面26上所写出的行转换到可印刷的介质(与激光打印机中的 印刷轴相似)上来实现。另一可选择的方案是同二维偏转印刷在不移动 的光敏面上。

       参考符号 1    衬底，衬底材料 2    波导 3    光束成形装置(光学系统) 4    光束偏转装置(偏转镜) 5    屏幕 6    无源耦合点 7    光源 8    波导 9    波导，公共波导 10   光束成形和光束偏转单元 11   载体 12   人眼 13   可控耦合点 14   光束空间结合单元 15   控制单元 16   微光学透镜 17   调制装置(强度或幅度调制器) 18   恒温装置 19   光束耦合组件(微光学系统组件) 20   外壳 21   出射光窗口 22   电源 23   控制信号输入端 24   彩色图象参数操作信号输入端 25   吸收器 26   光敏面 27   薄膜波导中的透镜 A    输出端 B    盲输出端 xyz  座标系统 λ、λ0、λ1、λ2、λ3、λ4、λ5    波长 ΔλE、ΔλE，1、ΔλE，2、ΔλE，3       耦合λ的波长范围 ΔλA                                    耦合出的波长范围 E1、E2、E3                             输入端 A1、A2、A3                             输出端 S1、S2、S3                             光源控制信号 S4                                        强度或幅度调制装置的控制信号 S5                                        光束成形控制信号 S6                                        光束偏转控制信号 S7                                        可控耦合点的控制信号 S8                                        偏振旋转器控制信号 S9                                        滤色器控制信号 S10                                       可翻转光束偏转器(棱镜)控制信号 F                                          光导纤维 PD                                         偏振旋转器 P                                          起偏振器 AM                                         强度或幅度调制器 MZI                                        马赫—叁得干涉仪-结构 LV                                        空间聚合的光 LM                                        强度或幅度调制和彩色调制的光     LVM                                       空间聚合的、强度或幅度调制和彩色调

                                       制的光 LMV                                       强度或幅度调制和彩色调制的空间聚

                                       合的光 Fi                                         滤色器 Fu                                         频率变换器(准相位匹配元件) BPi                                        象点 PP                                         起偏振棱镜 SA                                         光束偏转器