專利名稱：用于全息或立體顯示器的光束發散和多種準直器的制作方法
用于全息或立體顯示器的光束發散和多種準直器本發明涉及具有照明裝置、放大單元和光調制器的全息顯示器。該全息顯示器用于顯示二維和/或三維圖像信息。在實現具有大屏幕尺寸的全息顯示器時，存在兩個主要問題-如果大面積光調制器，例如具有24”對角線尺寸的光調制器，用于編碼全息圖，則必須使用足夠的相干光均勻照射該光調制器的大面積。-相反地，如果小的光調制器與投射布置進行組合，若其具有相同的24”屏幕尺寸，并且如果使用常規光學裝置，例如透鏡和反射鏡，則該裝置將深于lm。可以使用盡可能平坦的大的照明裝置解決第一個問題。只有使用不同于常規光學裝置以外的其他裝置放大照明裝置和/或光調制器，才可以解決第二個問題。例如，在W02006/119760A2號專利文獻中公開了一種全息投射顯示器。在該文獻中，具有小表面和高分辨率的光調制器借助于透鏡和反射鏡的布置以放大方式成像到作為屏幕的透鏡或凹透鏡上，并且在屏幕和位于屏幕的傅里葉平面內的視窗之間延伸的空間內重建，其中全息圖在該光調制器上編碼。鑒于全息圖在屏幕上的放大成像，該布置具有重建空間也得到放大的優勢，因而與常規全息布置相比，可以重建更大的物體。然而，隨之而來的缺陷是，該光學布置體積大，在軸向方向上特別長，因此，由于其深度大，很難用于全息桌面顯示。在US2007/252956A號專利文獻公開的一種投射顯示器中，通過相對較小的照明裝置照射小的光調制器，并且借助軸外設置的全息反射鏡元件將其以放大方式投射至屏幕上。該布置的優勢在于，由于傾斜的光學路徑，整個系統的軸向尺寸得以縮短。然而，該布置仍然體積過大，不能作為全息桌面顯示使用。W02002/082168A號專利文獻公開了一種結合一維和二維光柵用于光偏轉的平面投射顯示器。通過桿狀光柵在一個方向上導向視頻投射儀的虛像，之后通過板狀光柵在垂直于第一方向的第二方向上導向。在一個實施例中，光柵由玻片制成，玻片與顯不器表面呈45°成層狀連接，每個玻片在與入射方向呈直角的方向上對光進行偏轉。然而，光調制器的圖像因此增加而非放大，在法向方向上觀察板狀光柵表面的觀察者看到一個二維布置及相同的調制器圖像。即使利用該設置，也不能實現實際放大光調制器的編碼表面的全息投射顯不O在W02002/31405A號專利文獻中，例如由光調制器發射的具有矩形橫截面的準直光束在兩個垂直方向上擴展，由于其以小角度落在不像反射鏡一樣反射的一維表面上并且落在不同于反射鏡依次反射的二維表面上。通過平坦“掠過(grazing)”的入射實現二維擴展，并且表面具有這樣的質地，即，它們將光束反射至所需的方向，在這種情況下是垂直于入射的方向。這借助二維衍射光柵或全息表面光柵實現。在該布置中，的確放大了入射光波場的橫截面積，但并沒有提到光束被衍射光柵反射時的限定的振幅和相位調制，然而，所述這在三維場景的全息重建中是必需的。因此，本發明的目的在于提供一種具有照明裝置的全息顯示器，其具有盡可能大的面積同時具有盡可能小的深度，并且僅包含最低限度數量的主光源。本發明的另一目的在于，將盡可能小的全息編碼光調制器放大到足夠大的尺寸，而不顯著增加布置的深度。在任一情況下，由照明裝置發射的平面波的角度譜及其相干性將滿足物體的全息或混合全息及立體呈現的要求。根據本發明通過權利要求1所述的特征實現這些目的。其他優選實施例和本發明的外延在從屬權利要求中限定。根據本發明的全息顯示器包括照明裝置、放大單元和光調制器。該照明裝置包括至少一個光源和光準直單元。該光準直單元設計成使其校準由至少一個光源發射的光并產生由光源發射的具有平面波可指定角度譜的光的光波場。從光的傳播方向上看去，放大單元設置在光準直單元的下游。放大單元包括透射體積全息圖，設計并設置該透射體積全息圖，使得由于光波場與體積全息圖(VH)的透射相互作用，可以實現光波場的失真擴展。這里，優選可以在全息或立體或自動立體顯示器中為其自身使用各個光準直單元和放大單元。根據本發明，光準直單元和放大單元可以提供擴展的校準光波場用于這樣的顯示器，之后作為準直和放大模塊。在本發明范圍內，失真擴展具體地意味著在不提供中間光學圖像的情況下光束擴展或入射光束或光波場的放大。從光傳播方向上看去，用于編碼全息信息的光調制器可以設置在失真放大單元的上游或下游。來自光準直單元的光波場可以可指定的入射角到達體積全息圖，該入射角不應小于70°。此處，入射角涉及體積全息圖的表面法線，并且將體積全息圖前后的光學媒介的折射率差異考慮其中。選擇體積全息圖的厚度，使得光波場示出波矢量的角度分布，并且在至少一個方向上，光波場的波矢量的角度分布的最大偏離不超過1/20°。波矢量描述光波場的波傳播方向。在光調制器上兩個限定點之間的放大光波場的光束的光學路徑長度的差值將不超過以給定的光的相干長度在光調制器的編碼表面上的給定值。這意味著穿過光調制器給定子區域的兩個任意光束之間的光學路徑長度的差值將足夠小，使這些光束仍然能夠產生干涉，光調制器的給定子區域例如可以對應于子全息圖。在W02006/066919A1號專利文獻中給出子全息圖的定義。在此情況下，確保使用由此限定的所使用的光的干涉長度，在基于專利文獻W02006/066919A1的顯示中仍然可能存在建設性或破壞性的干涉，由此，可以使用顯示器向觀察者全息地呈現三維場景。放大單元可以包括設置在光傳播方向上更下游的另一體積全息圖，放大單元的體積全息圖設計并設置得使光可以向兩個不同方向偏轉，從光傳播的方向上看，光調制器設置在另一體積全息圖的上游或下游。根據該實施例，第一體積全息圖用于在第一方向上擴展或放大由光準直單元校準的光波場。設置在第一體積全息圖下游的另一(或第二)體積全息圖，用于在第二方向上擴展或放大已經通過第一體積全息圖在第一方向上放大的光波場。從而，例如，優選地，可以僅有一個主光源實質上均勻地照射大的面積或區域，其中放大單元優選地占用非常小的空間。可以將兩個體積全息圖設置為，在兩個實質上垂直的方向上，S卩，在每個方向上有不同的放大因數，使用限定的平面波的角度譜失真地擴展光波場。使用的體積全息圖優選為離軸體積全息圖，其中，物體光束和參考光束不在同一軸上。激光、激光二極管、LED或OLED可以作為光源。可以通過光束組合器將多光源的輻射或光組合并且注入普通光纖。如果僅使用單個光源，則可以將其光線通過光纖導入光準直單元。用于產生準直光波場的主準直透鏡可以設置在光離開光纖的出射點的下游。例如，該準直光波場可以用于照射立體顯示器。另外，主準直透鏡可以在光傳播方向上跟隨有體積全息圖形式的角度過濾器，選擇其厚度，使光波場示出波矢量的角度分布，并且在至少一個方向上光波場的波矢量的角度分布的最大偏離不超過例如1/20°的可指定值。這使得以下情形成為可能，即，將在至少一個方向上的平面波的角度譜限制為已經在光準直單元內的可指定角度范圍，并且在僅考慮所需的光束擴展或光束偏離效果的情況下，限定設置在光準直單元下游的體積全息圖的厚度。準直光波場可以照射光準直單元的第一微透鏡陣列。散射裝置可以設置在第一微透鏡陣列的焦平面上，光從該裝置傳播至緊處于散射裝置下游的第一孔徑光闌，其中第一孔徑光闌的孔可以具有不對稱的橫向范圍，以產生與各自橫向范圍相關的具有可指定相干性質的光波場的平面波的角度譜。這在顯示器的混合全息和立體編碼的情況下是特別重要的，其中，光波場在全息編碼的方向上必須顯示充分的相干性，但在立體編碼的方向上顯示充分的非相干性。將光準直單元的第一孔徑光闌的孔尺寸設計為，使得光波場的相干性質在兩個方向上不同，由此，在一個方向上福射實質上是不相干的，而在另一方向上是充分相干的。總體而言，輻射的相干性的程度越大，在各自方向上的孔徑越小。第二微透鏡陣列優選設置在光傳播方向上第一孔徑光闌的下游，使得第一孔徑光闌的孔與相應微透鏡的后焦點重合。因此，第二微透鏡陣列產生具有平面波的角度譜的分割的光波場，利用該部分光波場，直接或在光波場橫向放大之后，照射之后攜帶全息編碼的光調制器。另外兩個孔徑光闌優選設置在第一孔徑光闌和第二微透鏡陣列之間，所述另外的孔徑光闌用于防止第一孔徑光闌的第二光源的光向不同的微透鏡傳播而不向指定的微透鏡傳播(照明串擾)。光調制器可以是透射、反射或半透類型的。照明裝置尺寸設計為，其實質上均勻地照射光調制器的有效區域。然而，當光波被體積全息圖衍射時，改變光波場的角度譜，使得例如當選擇光準直單元的參數時，必須考慮在被體積全息圖衍射時光準直單元的平面波的角度譜的改變。例如，失真擴展因數10將引起平面波的角度譜在該方向上平均值減小相同因數。因此，光調制器的至少一個參數可以改變，以便在至少一個體積全息圖下游產生光波場的平面波的可指定的角度譜，這是有必要的。例如，這可以通過光準直單元的各個光組件的受控或手動調節或者通過用于特定應用的光準直單元的適當設計實現。然而，同時還有可能為了觀察顯示器的觀察者而將至少一個體積全息圖的角度過濾效應用于抑制輻射或衍射級的干擾部分。如專利文獻W02006/066919A1中描述的，這在全息顯示中特別有用，因為必須抑制更高或不想要的衍射級或使其消失。
另外，存在這樣一種可能，其中一個體積全息圖設計為除了具有擴展元件的功能外，其還具有物鏡的功能。鑒于這樣的物鏡功能，如專利文獻W02006/066919A1中描述的，真實或虛擬的光源可以在全息顯示器中的光源的圖像平面上成像。特別優選地，本發明應用于如W02006/066919A1或W02004/044659A2號專利文獻所述的全息顯示器中。其允許給予全息顯示器平面且節省空間的設計。使用非常高的幀頻，例如彡240fps(幀每秒)，這樣的照明裝置如下設計是有利的，即，可以打開各個區域片段，并在時間上相互獨立調制，由此，例如，僅照射在光調制器上的那些已經到達所需調整值或設置點值(例如，在液晶相位調制器的開關操作期間的相位平穩時期)的區域。該操作模式也被稱為掃描。為了達到該目的，需要改變全息顯示的照明裝置，使得光閘設置在光準直單元的第一微透鏡陣列的上游(在光傳播方向上)，其中，在水平或垂直方向上延伸的多個條形片段可以在該光閘中激活，即，可以可選擇地照射隨后設置的光調制器上的條形區域。例如，光調制器的掃描照明的一個實現選擇是，一直打開照射光的兩個條形片段，該條形片段在光調制器的平面上垂直延伸，并且可以在光調制器邊緣及其中心之間在水平或垂直方向上依次移動。然而，用于光線控制的光閘的使用具有如下缺陷，由于僅有少部分的光閘元件開啟，即，在任一時間是透明的，因此其伴隨著光輸出的損失。實現大面積掃描照明裝置的另一種可能是，通過在兩個垂直的方向上的兩個體積光柵的組合不放大由小型平面光準直單元發射的分割的平面波場，而不是僅使用具有二維放大效應的第二體積光柵，并通過具有線性結構的光準直單元照射它，其中，線具有至少兩個可以相互獨立開關的光源，并且在出射處具有至少兩個準直折射透鏡，并且沿依次設置的二維放大單元的邊緣并排設置這些線，使得其照射所述二維放大單元的整個表面。體積光柵衍射以平角射入的光束，使其實質上垂直其表面離開體積光柵。由線形光準直單元的出射形成的照射表面還可以照射由例如玻璃的折射材料制成的楔形光波導裝置的全部表面，二維體積光柵附接在其出射表面，該出射表面實質上垂直于其整個表面。還有可能，不同于由折射材料制成的楔形光波導裝置，不提供光學媒介或空氣，并且將由線形光準直單元發射的照射光直接照射在二維體積光柵或攜帶二維體積光柵的材料上。這種布置放大由光準直單元發射的分割的平面波場并且將其導至之后的光調制器表面上。根據在光準直單元中并排設置的線的數量和在每條線上可以獨立開關的光源的數量，由此形成的照明裝置具有可獨立開關的照明片段的矩陣。然而，例如專利文獻W02004/109380中所描述的，如果由專用的光源照射并開關如此形成的照明裝置的每一片段，該解決方案效率過低。為了提高可用光能的利用，另外也為了盡可能少地使用主光源，例如通過級聯光波導或開關的系統控制并分配很少的光源的光是有意義的。例如，當施加電壓時，有效光開關可以將光從一個光纖重新導向另一光纖。如果線性連接多個這樣的分支，例如以樹形結構連接，則單一主光源可以產生2的N次方個可開關次級光源，其中，N為級聯數。因此，在這方面，一種實現選擇是，通過這種級聯的可開關光纖光波導，照射設置在光準直單元的第一微透鏡陣列上游的主準直透鏡陣列的所選透鏡。照射位于光準直單元的第一微透鏡陣列上游的主準直透鏡的所選透鏡的另一可能是在光學多模式光纖的末端提供無源光出射點，根據其實際設置，所述光學多模式光纖照射一個或多個主準直透鏡。然而，該選擇意味著，一個主光源的光分配至多個次級光源，而沒有有效地控制單個次級光源的可能。除了光纖光波導和開關，還可以使用光偏轉元件，例如液晶光柵，以用于使用設置在主準直透鏡和光準直單元的第一微透鏡的之間的兩個可開關的基于LC衍射光柵的組合照射光準直單元的第一微透鏡陣列的所選片段，所述主準直透鏡設置在光源下游，其中，例如，還可以局部地改變條形片段的強度。通過可開關衍射光柵的組合產生的照明區域還可以基于體積光柵直接照射放大單元的整個表面，并且通過它們進行放大。主要優勢在于，不需要光吸收光閘。例如，該光柵的組合可以包括第一衍射光柵和第二可控衍射光柵，其中所述第一衍射光柵的偏轉角可以通過光柵常數控制，從而以直角到達表面的光束以特定角度離開衍射光柵，第二可控衍射光柵偏轉并且導向該光束，使其以實質上的直角再次離開光柵表面。因此，通過偏轉角和兩個衍射光柵之間的距離限定光束的橫向偏移量。由于掃描步驟通常是不連續的，可選地可以將TOLC體積光柵或偏振光柵用于LC光柵，作為用于光偏轉的可控衍射光柵，并且與可開關延遲板組合。可開關延遲板的作用是有效地開關光束的偏振。因此，還可以使用一組偏振開關偏振光柵，其中光柵在正負第一衍射級顯示相同的強度。對于可指定的系列固定掃描步驟，還可以結合角度敏感的體積光柵使用角分復用，其中第一衍射光柵為可開關類型，第二衍射光柵設在光準直單元的第一微透鏡陣列的上游，并且設計為角度敏感的體積光柵，由于固定內接的衍射結構，通過該光柵實現用于至少一個光波長的可指定的偏轉角。例如，兩個光柵的第一個還可以是可開關TOLC光柵堆棧。現在，雖然第一光柵或光柵堆棧實現由主準直透鏡校準的入射光束的有效角度偏轉，但光束橫向偏移，并且由被動角度敏感的體積光柵根據其入射角導向與光軸平行。還可以通過空分復用的方式專門偏轉光，其中第一衍射光柵為可開關類型，第二衍射光柵設置在光準直單元的第一微透鏡陣列上游，并且設計為包括多個條形片段的體積光柵形式，其中，所述條形片段制成使到達它們的角度隨著與光軸的距離增大而增大的光衍射至與光軸平行的方向。這意味著，使用該選擇，第二光柵的各個條形片段實現固定內接的偏轉角，以便使與光軸成角度入射的光束變為與光軸再次平行。例如，該光柵還可以具有在其中心的區域完全不內接任何體積光柵，由此，入射光束的傳播方向不受影響。除了平行于裝置的光軸延伸的光學路徑，還可以實現成角度或不對稱地延伸的光學路徑。這需要設計設置在光源的主準直透鏡和光準直單元的第一微透鏡陣列之間的衍射光柵，使得也可以實現離軸光學路徑，例如，用于沿光學路徑進一步僅使用第一或更高衍射級時消除光柵的O衍射級。
還可以將設置在光源的主準直透鏡和光準直單元的第一微透鏡陣列之間的衍射光柵設計為，可以以可開關方式在水平和/或垂直方向上照射光準直單元的第一微透鏡陣列的特定區域。因此以這種方式可以實現隨后的光調制器的朝向兩個不同方向的照射，即，二維掃描照射。如果通過與大面積準直透鏡組合的單一光源，而不是通過與準直透鏡陣列組合的多個光源，照射光準直單元的第一微透鏡陣列，將存在特殊問題。這里的問題在于，由透鏡邊緣的衍射造成照射的平面波的擴展的角度譜，并且需要其他方法補償。例如，由分割的平面波照射光準直單元的第一微透鏡陣列的透鏡，所述分割的平面波的角度譜在一個方向上顯示出約1/20°的角度偏離并且在垂直方向上顯示出約1°的角度偏離。例如在利用一維水平或垂直全息編碼方法的全息顯示器中，平面波的角度譜的這種限制是必要的。 因此，例如一個解決方案是實現波場的其他角度過濾，其中，為了阻止通過準直透鏡陣列的透鏡邊緣的衍射造成平面波的角度譜的擴展，在光傳播的方向跟隨用于角度過濾的兩個體積光柵的組合。用于平面波的角度譜的角度過濾的體積光柵的組合包括第一薄體積光柵和第二厚體積光柵，其中，所述第一薄體積光柵具有寬角度選擇性和偏離光柵表面法線的大的衍射角，所述第二體積厚光柵具有窄角度選擇性，并將其設計成使得射入平面波的給定角度譜區域的光束實質上沿光柵表面法線衍射，并且使得在平面波的角度譜外傳播的光束不發生衍射地透射。可以以這種方式創建用于直視顯示器的照明裝置，該照明裝置至少在一個方向上具有限于1/20°的平面波的角度譜，并且包括多個光源和準直透鏡陣列。為了能夠實現在兩個垂直方向上的平面波的角度譜的角度過濾，可以將第二體積光柵組合設置在第一體積光柵組合的下游，所述第二光柵組合相對于第一體積光柵組合旋轉 90。。用于透射光調制器的照明裝置(背后照明單元BLU)總體上還可以更改為照射反射光調制器(前面照明單元FLU)。例如，可以通過延遲板，特別是λ/4板，使用大面積體積光柵作為放大單元，補充照明裝置，所述延遲板設置在光傳播方向上二維體積光柵的下游。例如，如果水平線性偏振光落在該λ/4板上，則其將具有圓形偏振離開板。設置在光學路徑下游的反射光調制器朝向λ/4板反射回調制的圓形偏振的光；在再次穿過該板后，其顯示為垂直偏振。現在垂直偏振的光可以無阻礙地穿過體積光柵，而不妨礙原始的水平偏振光，并且它可以被位于體積光柵前方的觀察者觀察到。除了在一方面對照射光的偏振型分離和另一方面對反射及調制的光的偏振型分離，還存在另一種分離它們的方式，即，利用光偏轉元件的角度選擇性，例如，體積衍射光柵，所述光偏轉元件將由合適的光源發射的光注入平面波導，所述平面波導覆蓋光調制器的整個表面并且射出光，以便照射光調制器。例如，如果使用足夠厚的透射體積光柵，并且如果以足夠傾斜的角度照射光調制器，例如5°，則存在來自反射光調制器的調制后光返回路徑上的體積光柵“偏離-布拉格(off-Bragg)”照射，并且因此，用于照射光調制器的該體積光柵不具有衍射功能。因此，通過光調制器反射并調制的光可以傳播至觀察者而不受妨礙。現在，存在多個用于實施并繼續教導本發明的可能。為了達到該目的，一方面參考權利要求1的從屬權利要求，另一方面，參考下文包括附圖的對本發明的優選實施例的描述。總體上，教導的優選的物理形式和延伸將結合對本發明優選實施例和附圖的描述進行解釋。附圖為示意性的視圖，其中
圖1示出了包括在兩個透射體積光柵前的光準直單元的照明裝置，其在兩個方向上依次擴展波場，圖2是圖1的光準直單元的側視圖，圖3示出了借助兩個透射體積光柵在照明裝置中兩個垂直方向上雙重擴展波束的原理，圖4示出了圖3所示的實施例實現的每個擴展因數10的雙重波束，圖5示出了在全息離軸透鏡平面的水平方向上光調制器(SLM，左)失真放大因數10，圖6為示出具有反射光調制器裝置(SLM，底部，設置在底板上)的俯視圖，其借助設計為透射體積光柵形式的離軸物鏡在一個方向上失真放大因數10。圖7示出了光調制器的編碼表面的放大，其中，用灰色的不同色調表示在穿過布置后編碼表面上不同點處的光束的光學路徑長度的差異，圖8示出了線形光準直單元的單個單元的設計，圖9示出了具有光準直單元的平面照明裝置的另一實施例，其包括兩排準直折射透鏡(左側視圖，右僅示出三對透鏡的立體圖)，圖10示出了具有光準直單元的平面照明裝置的另一實施例，其包括兩排準直折射透鏡(左側視圖，右僅示出兩路光準直單元的前視圖)，圖11示出了具有分割為條狀的光閘的掃描照明裝置的另一實施例，所述裝置實現發生在光準直單元下游的波場的失真放大。圖12示出了用于在兩個光纖之間開關由主光源發出的光的有效光開關，圖13示出了光準直單元的實施例，其使得借助級聯的光纖開關照射準直透鏡陣列的所選透鏡成為可能，圖14示出了在多狀態光纖末端的無源光出射點，圖15示出了光準直單元的另一實施例，其使得借助兩個LC光柵照射準直透鏡陣列的所選區域成為可能，圖16示出了具有光準直單元的掃描照明裝置的實施例，其使得借助根據圖15所示的兩個LC光柵直接照射根據圖11所示的具有條狀照明區域的隨后設置的放大單元的全部表面成為可能，圖17示出了兩個體積光柵VGl和VG2的組合的角度過濾效應，圖18a示出了光準直單元的另一實施例，其使得借助光纖開關照射用于反射光調制器的照明裝置的準直拋面鏡陣列的所選拋面鏡成為可能，圖18b示出了根據圖18a用于通過體積光柵將光注入平面波導的線形光準直單元的實施例。在所有附圖中，同一或同類部件使用相同的附圖標記。
圖1示出了全息顯示器的照明裝置的實施例，所述照明裝置包括在兩個透射體積光柵前方的光準直單元，所述兩個透射體積光柵在兩個不同方向上依次擴展光波場。此處，包括兩個微透鏡陣列的光準直單元優選地具有小尺寸。光波場失真擴展，S卩，在兩個不同方向上放大因數不同。由功率(P)和波長(λ )穩定的激光二極管sLD發射的光通過梯度折射率透鏡(gradient-1ndex len)稱合至光纖 OF。由光纖末端發射的發散光被光準直單元校準，S卩，形成平面波，這意味著光線通過該校準使得方向平行。光準直單元包括主準直透鏡pCL。光準至單元IXU的第一微透鏡陣列fML在單獨微透鏡的焦平面內聚焦到達該微透鏡陣列fML的光，并且因此產生次級光源sLS的陣列。設置在第一微透鏡陣列fML的微透鏡的焦平面上的散射板sPS允許光的相位在空間中統計學意義上散射。例如，該散射板sPS (見圖1)可以是(例如通過一個或多個壓電晶體)機械移動的散射板sPS。如果全息圖被一維編碼，則在次級光源平面中統計學意義上的時間上可變的空間相位調制是有必要的，以便能夠在光調制器上在不相干方向上產生照射區域(稱為最佳點，sweet spot)。孔徑光闌AS (sLS)設置在散射板sPS平面的下游，并且用于限制次級光源sLS的空間范圍。如果使用一維編碼方法，必須在一個方向上保證充分的空間相干性。這通過控制統計學意義上相位波動的光源的尺寸實現。第二相干方向由次級光源的小空間范圍限定特征。因此，孔徑光闌AS (sLS)的孔極不對稱，例如，在非相干方向上為15μπι，在相干方向上為0.5 μ m,以便在第二準直微透鏡陣列cML下游創建角度范圍為0.5°和1/60的平面波的角度譜。兩個孔徑光闌aASl和aAS2設置在孔徑光闌AS (sLS)和微透鏡陣列cML之間，其中，孔徑光闌用作次級光源陣列，微透鏡陣列cML校準次級光源sLS并且用于防止照明串擾，即，防止次級光源的光到達鄰近的微透鏡，即，非指定的其他微透鏡。圖2示出了從左側看到的圖1的光準直單元IXU。此處，主光源具有代表顏色RGB的三個激光二極管R、G、B，其紅色、綠色和藍色輻射在光纖OF中結合。在圖2中，附圖標記表示如下元件:R:紅色激光二極管；G:綠色激光二極管；B:藍色激光二極管；pLS:主光源；YJl和YJ2:Y連接點I和2;0F:光纖；cpLS(RGB):組合主光源(紅色，綠色，藍色)；pCL:主準直透鏡；cWF:準直波前；fMLA:聚焦微透鏡陣列；sPS+PZT:統計學相位散射和壓力轉換元件；AS(sLS):孔徑光闌(限定次級光源的有效區域)；AS(ict) 1+2:孔徑光闌I和2，以避免照明串擾；cMLA:準直微透鏡陣列；scWF:分割的準直波前。圖3描述了借助體積光柵形式的兩個透射光柵在兩個不同(這里是垂直)方向上在照明裝置中雙重波束展寬的原理。通過第一透射體積全息圖VHl將來自LCU的光波場偏轉并展寬。這之后，該光波場通過第二透射體積全息圖VH2再次偏轉和展寬。在圖1所示的實施例中，光準直單元在光學路徑SG中設置在這兩個光柵的下游。例如，可以優選地通過具有合適厚度的相應敏感的感光材料在原位置曝光的方式制造放大單元的體積全息圖。這樣，存在于照明裝置中的真正畸變可以通過這些體積全息圖進行補償。圖4描述如何借助兩個透射體積光柵VHl和VH2依次在兩個不同方向上以因數10擴展分割的準直波前的波場，其中，如圖3所示，所述兩個透射體積光柵VHl和VH2設置在光準直單元的下游。通過在兩個體積全息圖或光柵中的衍射，改變位于光準直單元LCU下游的分割的準直波前scWF的平面波的角度譜。光柵下游的信號波的獨立衍射級的角度Θ S如下計算:Θ S=arcsin (m A / (n A x) +sin ( θ R)) (等式 I)其中，A為波長，η為折射率，Λ X為在體積光柵的表面上的周期，以及Θ R為重建光束的角度，即，照射光束到達體積光柵的角度，以拉德(rad)為單位。對于象限1、2、3和4，角度的符號規約為+，+,-和-。對arcsin(x)求導如下:
I
權利要求
1.具有照明裝置、放大單元(VE)和光調制器(SLM)的全息顯示器，其特征在于，照明裝置包括至少一個光源和光準直單元(IXU)，光準直單元(IXU)設計成使其準直至少一個光源的光，并產生由光源發射的具有平面波可指定角度譜的光的光波場，從光的傳播方向看去，放大單元(VE)設置在光準直單元(IXU)的下游，其中，放大單元(VE)包括透射體積全息圖(VH)，設計并設置該透射放大體積全息圖，使得由于光波場與體積全息圖(VH)的透射相互作用，實現光波場的失真擴展，從光傳播方向上看，光調制器(SLM)設置在失真放大單元(VE)的上游或下游。
2.根據權利要求1所述的全息顯示器，其特征在于，來自光準直單元(LCU)的光波場以可指定的入射角到達體積全息圖(VH)，該入射角不小于70°。
3.根據權利要求1或2所述的全息顯示器，其特征在于，選擇體積全息圖的厚度，使光波場包括波矢量的角度分布，并在至少一個方向上，光波場的波矢量的角度分布的最大偏離不過超過1/20°的值。
4.根據權利要求1至3中的一項所述的全息顯示器，其特征在于，在光調制器的兩個限定點之間的放大的光波場(sWF)的光束的光路徑長度z U，y)的差值不超過以給定的光的相干長度光調制器(SLM)的編碼表面上的給定值。
5.根據權利要求1所述的全息顯示器，其特征在于，放大單元(VE)包括另一個體積全息圖(VH2)，從光傳播方向上看，其位于體積全息圖(VHl)的下游，設計并設置放大單元(VE)的體積全息圖(VH1，VH2 )，使光向兩個不同的方向偏轉，其中，從光傳播方向上看，光調制器(SLM)設置在該另一體積全息圖(VH2)的上游或下游。
6.根據權利要求5所述的全息顯不器,其特征在于,光準直單兀(LCU)在光傳播方向上接著兩個體積全息圖(VH1， VH2)，使得其在兩個實質上垂直的方向上將具有平面波的限定角度譜的光波場失真擴展。
7.根據權利要求5或6所述的全息顯示器，其特征在于，體積全息圖(VH)為離軸體積全息圖。
8.根據權利要求1所述的全息顯示器，其特征在于，光源包括激光器、激光器二極管、LED 或 OLED。
9.根據權利要求1至8中的一項所述的全息顯示器，其特征在于，提供光束組合器用于將至少一個光源的光組合到普通光纖(OF)中。
10.根據權利要求1至9中的一項所述的全息顯示器，其特征在于，光準直單元(IXU)包括主準直透鏡(PCL)。
11.根據權利要求1至10中的一項所述的全息顯示器，其特征在于，主準直透鏡(pCL)在光傳播方向上跟隨有體積全息圖(VH)形式的角度過濾器，選擇其厚度使得光波場包括波矢量的角度分布，并且在至少一個方向上，光波場的波矢量的角度分布的最大偏離不超過1/20。的值。
12.根據權利要求10所述的全息顯示器，其特征在于，光準直單元(LCU)包括由準直的光波場照射的第一微透鏡陣列(fMLA)。
13.根據權利要求12所述的全息顯示器，其特征在于，散射裝置(sPS)設置在第一微透鏡陣列(fMLA)的焦平面上，光從該處傳播至緊處在其下游的第一孔徑光闌(AS)。
14.根據權利要求13所述的全息顯示器，其特征在于，第一孔徑光闌(AS)的孔具有不對稱的橫向范圍，用于產生與各自橫向范圍相關的具有可指定相干性質的光波場的平面波的角度譜。
15.根據權利要求14所述的全息顯示器，其特征在于，設置光準直單元(IXU)的第一孔徑光闌(AS)的孔尺寸，使得光波場的相干性質在兩個不同的方向上不同，在一個方向上輻射是不相干的，而在另一方向上是充分相干的。
16.根據權利要求13所述的全息顯示器，其特征在于，第二微透鏡陣列(cMLA)設置在光傳播方向上第一孔徑光闌(AS)的下游，使得第一孔徑光闌的孔與第二微透鏡陣列(cMLA)的相應微透鏡的后焦點重合。
17.根據權利要求16所述的全息顯示器，其特征在于，另外兩個孔徑光闌(AS1，AS2)設置在第一空間光闌(AS)和第二微透鏡陣列(cMLA)之間。
18.根據權利要求16所述的全息顯示器，其特征在于，第二微透鏡陣列(cMLA)產生具有平面波的角度譜的分割的光波場，通過該分割的光波場，直接或在光波場橫向放大之后照射承載全息編碼的隨后的光調制器(SLM)。
19.根據權利要求1至18中的一項所述的全息顯示器，其特征在于，光調制器(SLM)為透射、反射或半透射型，和/或設計照明裝置尺寸，使得其實質上均勻地照射光調制器(SLM)的有效區域。
20.根據權利要求1至 19中的一項所述的全息顯示器，其特征在于，光準直單元(IXU)的至少一個參數是可變的，用于在至少一個體積全息圖(VH)下游產生光波場的平面波的可指定角度譜。
21.根據權利要求1至20中的一項所述的全息顯示器，其特征在于，為了觀察顯示器的觀察者設計至少一個體積全息圖(VH)使其壓縮輻射或衍射級的干擾部分。
22.根據權利要求5所述的全息顯示器，其特征在于，將體積全息圖(VH1，VH2)的其中一個設計為除了作為放大元件的發揮作用外，還具有物鏡的功能。
23.根據權利要求1所述的全息顯示器，其特征在于，光準直單元(IXU)具有線性結構，其中，線具有至少兩個可以相互獨立開關的光源(LS)，并且在出射處具有至少兩個準直折射透鏡(CL)，并且這些線沿隨后設置的二維放大單元(VE)的邊緣并排設置，使得它們照射后者的整個表面。
24.根據權利要求23所述的全息顯示器，其特征在于，提供楔形光波導裝置(LE)用于照射包括體積光柵(VG)的二維放大單元(VE)，其中，體積光柵(VG)附接至實質上垂直于其光入射表面的楔形光波導裝置(LE)的側面，并且用于放大由光準直單元(LCU)發射的分割的平面波場，并且將其引導至設置在更下游的光調制器(SLM)的表面。
25.根據權利要求23所述的全息顯示器，其特征在于，根據在光準直單元(LCU)中并排設置的線的數量和每個線條中可以互相獨立開關的光源(LS)的數量，由此形成的照明裝置具有可獨立開關的照明片段的矩陣。
26.根據權利要求12所述的全息顯示器，其特征在于，從光傳播方向上看，在光準直單元(IXU)的第一微透鏡陣列(fMLA)的上游設置光閘(saS)，其中，在垂直或水平方向上延伸的多個條形片段的透明度是可控的。
27.根據權利要求26所述的全息顯示器，其特征在于，分別打開照射光的兩個條形片段，其在光調制器(SLM)的平面內垂直延伸，并且在光調制器的邊緣及其中心之間在水平或垂直方向上可時序移動。
28.根據權利要求12所述的全息顯示器，其特征在于，設置在光準直單元(IXU)的第一微透鏡陣列(fMLA)上游的主準直透鏡陣列(CLA)的所選透鏡由級聯光纖光源照射，所述光纖光源可通過光纖開關(foS)開關。
29.根據權利要求28所述的全息顯不器,其特征在于，在光學多模式光纖的末端提供被動光出射，用于照射主準直透鏡陣列(CLA)的可選透鏡，所述主準直透鏡陣列(CLA)設置在光準直單元(IXU)的第一微透鏡陣列(fMLA)的上游。
30.根據權利要求28所述的全息顯示器，其特征在于，光準直單元(IXU)的第一微透鏡陣列(fMLA)的所選片段可由兩個可開關的基于LC的衍射光柵(Gl，G2)的組合照射，所述兩個可開關的基于LC的衍射光柵(Gl, G2)設置在位于光源下游的主準直透鏡(CL)與第一微透鏡陣列(fMLA)之間，其中，條形片段的強度可以是局部可變的。
31.根據權利要求30所述的全息顯示器，其特征在于，兩個可開關的基于LC的衍射光柵(G1，G2)的組合設置在位于光源下游的主準直透鏡(CL)與失真放大單元(VE)的入射表面之間，并且產生被放大單元(VE)直接放大的兩個掃描條形照明區域。
32.根據權利要求30所述的全息顯示器，其特征在于，可開關的衍射光柵(G1，G2)為PDLC體積光柵或與可開關的延遲板組合的偏振光柵。
33.根據權利要求28所述的全息顯示器，其特征在于，光準直單元(IXU)的第一微透鏡陣列(fMLA)的所選片段由兩個衍射光柵(G1，G2)的組合進行照射，其中第一衍射光柵(Gl)為可開關的類型，并且第二衍射光柵(G2)設置在第一微透鏡陣列(fMLA)的上游，并且設計為角度選擇體積光柵的形式，該角度選擇體積光柵用于借助于固定內接的衍射機構實現至少一個光波長的所需的偏轉角。
34.根據權利要求28所述的全息顯示器，其特征在于，光準直單元(IXU)的第一微透鏡陣列(fMLA)的所選片段由兩個衍射光柵(G1，G2)的組合進行照射，其中第一衍射光柵(Gl)為可開關的類型，并且第二衍射光柵(G2)設置在第一微透鏡陣列(fMLA)的上游，并且設計為體積光柵的形式，體積光柵包括多個條形片段，將其設計為使得以隨著與布置的光軸的距離變大而增加的角度到達條形片段的光衍射至平行于光軸的方向。
35.根據權利要求30所述的全息顯示器，其特征在于，將設置在光源的主準直透鏡(CL)和光準直單元(IXU)的第一微透鏡陣列(fMLA)之間的衍射光柵(Gl，G2)設計為還可實現離軸光學路徑，用于從使用的光學路徑中消除光柵(G1，G2)的第O衍射級。
36.根據權利要求30所述的全息顯示器，其特征在于，將設置在光源的主準直透鏡(CL)和光準直單元(IXU)的第一微透鏡陣列(fMLA)之間的衍射光柵(Gl，G2)設計為在水平和垂直方向上可實現光準直單元(IXU)的第一微透鏡陣列(fMLA)的多個表面區域的照射。
37.根據權利要求28所述的全息顯示器，其特征在于，設置在光準直單元(IXU)的第一微透鏡陣列(fMLA)上游的主準直透鏡陣列(pCLA)的透鏡由分割的平面波照射，其角度譜包括在一個方向上約1/20°以及在垂直方向上約1°的角偏差。
38.根據權利要求36所述的全息顯示器，其特征在于，為了阻止通過在主準直透鏡陣列(pCLA)的透鏡邊緣處的衍射平面波的角度譜的擴展，在光傳播方向跟隨用于角度過濾的兩個體積光柵(VG1，VG2)的組合。
39.根據權利要求36所述的全息顯示器，其特征在于，用于平面波的角度譜的角度過濾的體積光柵(VG1，VG2)的組合包括具有寬角度選擇性和偏離光軸的大的衍射角的第一薄體積光柵(VG1)，以及具有窄角度選擇性的第二厚體積光柵(VG2)，該第二厚體積光柵設計成使得射入平面波的給定角度譜的區域的光束沿布置的光軸衍射，并且使得在平面波的角度譜外傳播的光束不發生衍射地透射。
40.根據權利要求36所述的全息顯示器，其特征在于，體積光柵的第二組合相對于體積光柵(VG1，VG2)的第一組合旋轉90°，所述體積光柵的第二組合設置在體積光柵(VG1，VG2)的第一組合的下游，能夠在兩個垂直方向上實現平面波的角度譜的角度過濾。
41.根據權利要求28所述的全息顯示器，其特征在于，光調制器(SLM)為反射或半透射型，和/或設計照明裝置(FLU)，并由改變光偏振的光學組件補充照明裝置(FLU)，使得照明裝置(FLU)使用可指定偏振的光照射反射或半透射光調制器(SLM)的有效區域。
42.根據權利要求28所述的全息顯示器，其特征在于，光調制器(SLM)為反射或半透射型，和/或設計照明裝置(FLU)，并由與角度選擇性偏轉元件組合的平面波導(pWG)補充照明裝置(FLU)，使得只有在光耦合到光波導中時，以及在光射出以照射光調制器(SLM)JM不是在由光調制器(SLM)調制并反射的光返回時，偏轉元件的光衍射功能將是有效的。
43.根據權利要求41所述的全息顯示器，其特征在于，光調制器(SLM)為反射或半透射型，和/或設計照明裝置(FLU)，并由線形光準直單元(IXU)補充照明裝置(FLU)，該線形光準直單元校準由可控次級光源的線形布置發射的光并將其直接或通過角度選擇性的偏轉元件耦合到平面波導( PWG)中。
全文摘要
本發明涉及一種具有照明裝置、放大單元(VE)和光調制器(SLM)的全息顯示器，其中，照明裝置包括至少一個光源和光準直單元(LCU)，光準直單元(LCU)設計成使其準直至少一個光源的光，并產生由光源發射的具有平面波可指定角度譜的光的光波場，從光的傳播方向看去，放大單元(VE)設置在光準直單元(LCU)的下游，其中，放大單元(VE)包括透射體積全息圖(VH)，設計并設置該透射放大體積全息圖，使得由于光波場與體積全息圖(VH)的透射相互作用，實現光波場的失真擴展，從光傳播方向上看，光調制器(SLM)設置在失真放大單元(VE)的上游或下游。
文檔編號G02B27/09GK103080852SQ201180042741
公開日2013年5月1日 申請日期2011年4月11日 優先權日2010年7月6日
發明者杰拉爾德·菲特雷爾 申請人:視瑞爾技術公司