專利名稱：反射光學(xué)系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)和全息投射系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有用于反射再現(xiàn)光波的反射元件、再現(xiàn)光波撞擊反 射元件時從中出來的入側(cè)焦點和被反射元件反射的再現(xiàn)光波傳播去往的 出側(cè)焦點的反射光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明進一步涉及具有這種反射光學(xué)系統(tǒng)的跟 蹤系統(tǒng)和全息投射系統(tǒng)以及相應(yīng)的全息投射方法。
背景技術(shù)：
全息投射裝置通過空間光調(diào)制裝置調(diào)制充分相干光。由于光的干涉， 在光調(diào)制器表面的前面、之上和后面的空間內(nèi)產(chǎn)生再現(xiàn)場景的光學(xué)外觀的 物體光點。所有的物體光點的光全部以光波陣面的形式傳播，使得一個或 多個觀察者觀察這些三維場景形式的像光點。這意味著與立體視覺表現(xiàn)相 反，全息再現(xiàn)實現(xiàn)了物體替代，不會發(fā)生公知的例如疲勞或眼疼、頭疼等 與立體視覺聯(lián)系在一起的問題，這是因為，觀察實際場景原則上與觀察全 息再現(xiàn)場景沒有差別。
從申請人已申請的第DE 10 2005 023 743號專利申請中可以得知一種 全息投射系統(tǒng)，其中瞳孔位于空間光調(diào)制器(spatial light modulator,簡稱 SLM)的傅立葉平面內(nèi)并用作空間濾波器，用于SLM提供的全息圖的傅 立葉變換的衍射級。該瞳孔由偏轉(zhuǎn)元件或自適應(yīng)鏡投射到觀察者平面的可 見區(qū)；觀察者可以從該可見區(qū)觀察實際存在的物體或場景的放大的全息再 現(xiàn)。換言之，可見區(qū)是例如使用觀察者平面內(nèi)的全息圖的傅立葉變換(也 可以是菲涅耳變換等)的衍射級像，觀察者平面也就是觀察者的眼睛位置 所在的平面。自適應(yīng)鏡的大小決定再現(xiàn)的大小。例如，自適應(yīng)反射鏡的大 小為約20英寸(對角線)。
同時，必須注意可見區(qū)越大，使用的SLM的分辨率必須越高。為了取得較大的可見區(qū)，SLM必須具有帶來大衍射角的小像素孔，也就是像 素間距必須很小，因此像素數(shù)目必須很多。
為了減小SLM的必要分辨率，可以將可見區(qū)的大小減小到例如眼睛
的瞳孔的大小。因而如果觀察者移動，則可見區(qū)必須被跟蹤到觀察者的眼 睛。自適應(yīng)鏡必須將瞳孔投射到可見區(qū)。
從現(xiàn)有技術(shù)中可知所謂的自適應(yīng)MEMS (微電動機械系統(tǒng))鏡。上述 鏡包括微鏡陣列，該微鏡能夠進行傾斜或升高移動。這能夠產(chǎn)生具有給定 的調(diào)整范圍內(nèi)的任意曲率的表面。但是到目前為止，可用的該微鏡陣列大 小僅為1英寸左右(對角線)。難以制造全息投射系統(tǒng)中所需的大小例如 為約20英寸(對角線)的自適應(yīng)鏡，這將需要大量可移動的面鏡。
由于尺寸很大并且需要的衍射角很大，所以作為可控衍射光學(xué)元件 (DOE)的電可尋址空間光調(diào)制器(EASLM)具有大量的小像素，因此技術(shù)上 無法實現(xiàn)上述元件。假設(shè)像素間距例如為5Pm，對角線為20英寸的SLM 包含5X 109 (50億)像素。這大概比目前的商用EASLM多十的三次方倍(一 千倍)像素。
發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的目的在于提供一種全息投射系統(tǒng)中的反射光學(xué)系統(tǒng)， 其可以實現(xiàn)比使用現(xiàn)有裝置實現(xiàn)的再現(xiàn)更大的再現(xiàn)，并可進一步地校正像 差和追蹤可見區(qū)。
利用具有光學(xué)可控偏轉(zhuǎn)特性的偏轉(zhuǎn)元件和用于光學(xué)控制偏轉(zhuǎn)元件的 偏轉(zhuǎn)特性以控制反射光學(xué)系統(tǒng)的至少出側(cè)焦點的位置的偏轉(zhuǎn)控制裝置，達 到上述目的。
此外，利用根據(jù)權(quán)利要求20的追蹤系統(tǒng)、根據(jù)權(quán)利要求22的全息投 射系統(tǒng)和根據(jù)權(quán)利要求23的全息投射方法達到上述目的。
本發(fā)明基于這樣一個構(gòu)想，即若反射光學(xué)系統(tǒng)為橢圓形，也就是反射 表面被伸展得超出橢圓的圓周的一部分(如圖2所示)，則在波陣面投射 到可見區(qū)時可以避免像差。橢圓具有兩個焦點F1和F2，此處也分別稱為
7入側(cè)焦點和出側(cè)焦點，其特征在于來自Fl并被橢圓反射的所有光線都穿
過F2，反之亦然。這意味著，即使反射光學(xué)系統(tǒng)具有很大的孔，F(xiàn)l仍被 幾乎無任何像差地投射到F2上。如果瞳孔位于F1上，瞳孔將被投射到位 于F2的可見區(qū)。如果瞳孔的尺寸和可見區(qū)的尺寸與橢圓的半軸相比較小， 則該像幾乎沒有像差。由于瞳孔和可見區(qū)與觀察者和反射光學(xué)系統(tǒng)之間的 距離相比都較小，所以它們可以被看作點?？梢曰谕?、可見區(qū)和反射 光學(xué)系統(tǒng)的位置，也就是基于F1、 F2和反射光學(xué)系統(tǒng)確定橢圓的半軸的 長度和方向。如果瞳孔和可見區(qū)被設(shè)置在固定位置，則瞳孔可以幾乎無像 差地投射到可見區(qū)。但如果觀察者移動，則必須改變橢圓的半軸的長度和 方向。這對靜態(tài)的面鏡來說是不可能的。
本發(fā)明進一步基于這樣一個構(gòu)想，即除彎曲的基本鏡之外，反射光學(xué) 系統(tǒng)還包含光學(xué)可尋址的空間光調(diào)制器(optically addressable spatial light modulator,簡稱OASLM)。 OASLM典型地包含LC (液晶，liquid crystal) 層，其中LC分子的方向和光的調(diào)制被光學(xué)控制。該OASLM上產(chǎn)生可控 衍射結(jié)構(gòu)，基本鏡的反射與可控衍射結(jié)構(gòu)的光衍射的組合對應(yīng)于所需的表 面形狀。作為替換，OASLM上產(chǎn)生可控的折射率變化，基本鏡的反射與 OASLM上以可控的折射率變化的光的折射對應(yīng)于所需的表面形狀。 OASLM的折射率的變化會對相位和/或振幅的調(diào)制有影響。因為衍射效率 高，調(diào)制相位是首選。
與靜態(tài)的橢圓鏡相比，這種自適應(yīng)鏡一個主要優(yōu)點是其可控。如果觀 察者移動，則寫入到OASLM的結(jié)構(gòu)將改變使得瞳孔保持在焦點Fl中， 具有焦點F2的可見區(qū)保持在觀察者眼睛的位置?？梢妳^(qū)的位置由焦點F2 確定，并且從反射光的方向看，還可以在焦點F2前面或后面延伸?？梢?區(qū)的橫向延伸可以例如減小到眼睛瞳孔的大小。
基本鏡為OASLM的效果提供支持。彎曲的基本鏡和具有衍射結(jié)構(gòu)的 OASLM與折射率值增加的兩個串聯(lián)的透鏡的效果相同。如果基本鏡是彎 曲成其為可見區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)位置產(chǎn)生可見區(qū)內(nèi)的瞳孔的像，則OASLM具有可 控校正透鏡的功能。該校正透鏡一方面能夠根據(jù)觀察者的移動追蹤可見 區(qū)。另一方面，其還可以校正彎曲面鏡的像，以便獲得可見區(qū)內(nèi)的瞳孔的無像差的像。
可以例如利用該光學(xué)可控的折射率變化產(chǎn)生OASLM上的可控衍射結(jié) 構(gòu)。該衍射結(jié)構(gòu)例如被設(shè)計為使得瞳孔發(fā)出的光被OASLM衍射，并且使 可見區(qū)處于所需位置。
與EASLM相比，OASLM的優(yōu)點在于OASLM沒有像素結(jié)構(gòu)。這就 是為什么無法分開掃描的連續(xù)的衍射結(jié)構(gòu)可以顯示在OASLM上。結(jié)果是 可以避免衍射圖案的周期性延續(xù)。但是，這僅在寫入OASLM的結(jié)構(gòu)中沒 有像素結(jié)構(gòu)時才有可能實現(xiàn)。如果例如EASLM用于寫入OASLM上，并 且如果在EASLM的像素之間的過渡區(qū)不照射OASLM，則OASLM上的 結(jié)構(gòu)具有一些周期性并因而衍射圖樣具有周期性延續(xù)。為了防止上述周期 性延續(xù)，寫入OASLM的結(jié)構(gòu)需要被連續(xù)地、不分開地掃描。這例如由 EASLM投射到OASLM上的有限分辨率或由OASLM自身的有限分辨率 支持。
此外，本發(fā)明的主要優(yōu)點為其實現(xiàn)的再現(xiàn)比現(xiàn)有技術(shù)的再現(xiàn)大，因為 也可以制造所需大小的投射顯示裝置。此外，如果使用本發(fā)明，則由于與 現(xiàn)有技術(shù)相比產(chǎn)生所需的折射率變化所要求的計算負(fù)荷更低，故該反射光 學(xué)系統(tǒng)的動態(tài)強度比沒有任何靜態(tài)組件的僅動態(tài)反射光學(xué)系統(tǒng)的動態(tài)強 度低，借此同時提高靈活性。最后，降低了整個系統(tǒng)的復(fù)雜度。
在本發(fā)明的較佳實施例中，還提供偏轉(zhuǎn)控制裝置，以便光學(xué)控制用于 控制入側(cè)焦點的位置和/或校正像差的偏轉(zhuǎn)元件的偏轉(zhuǎn)特性。用該方法，可 見區(qū)的追蹤范圍擴大，同時偏轉(zhuǎn)元件需要的控制和計算強度較小，并且還 可以校正光學(xué)路徑中可能的像差。
最好是至少反射元件具有實質(zhì)上為橢圓形彎曲的反射表面的效果。換 言之，反射表面延伸超出橢圓的圓周的一部分。如上所述，其優(yōu)點在于來 自入側(cè)焦點的入射光被反射光學(xué)系統(tǒng)幾乎沒有任何像差地反射到出側(cè)焦 點。橢圓曲率有兩種特殊情況，圓形曲率和半徑無限大的曲率；這情況之 間的任何曲率都是可能的。通過選擇曲率半徑，可以預(yù)先選擇焦點的位置。 例如，如果在追蹤系統(tǒng)中，用于空間過濾朝反射光學(xué)系統(tǒng)的反射元件傳播
9的光波的瞳孔與觀察者眼睛之間的距離在基本設(shè)置中很大，則可提供的橢 圓形彎曲反射表面的曲率的半徑也相當(dāng)大。該曲率不一定要機械式地產(chǎn) 生。還可以通過光學(xué)元件僅產(chǎn)生實質(zhì)上橢圓形彎曲的反射表面的效果。反 射光學(xué)系統(tǒng)的總體效果都由靜態(tài)彎曲的反射元件的偏轉(zhuǎn)特性和偏轉(zhuǎn)元件 的可控偏轉(zhuǎn)特性的組合確定。
根據(jù)本發(fā)明的另一較佳實施例，反射元件至少部分設(shè)計為透明的。一 方面，這包含僅反射元件的子區(qū)域或反射元件整體為透明的。另一方面， 還包含反射元件例如僅在一個方向是透明的，或用于特定類型-也就是特 定波長、偏振等的光時才是透明的。甚至這些選擇中的多種組合起來也是 可以的。
反射元件最好被并入偏轉(zhuǎn)元件中。由此降低反射光學(xué)系統(tǒng)的空間大 小。此外，因為制成后反射元件不需要與偏轉(zhuǎn)元件并排，所以易于在裝配 過程中調(diào)整。
此外，偏轉(zhuǎn)元件最好具有光學(xué)可控的衍射和/或折射結(jié)構(gòu)。這使得改變 偏轉(zhuǎn)元件的衍射特性和折射特性以實現(xiàn)光波陣面所需形狀成為可能。該偏 轉(zhuǎn)元件最好是設(shè)計為光學(xué)可尋址的空間光調(diào)制器的形式。根據(jù)較佳實施 例，該空間光調(diào)制器包含具有透明電極的第一玻璃板，具有能通過光學(xué)控 制改變方向的LC分子的LC層，光敏半導(dǎo)體層和第二玻璃板。根據(jù)另一 較佳實施例，該光敏半導(dǎo)體層設(shè)計成至少部分透明。如上所述，對于反射 元件，該部分透明可以對半導(dǎo)體層或部分半導(dǎo)體層透明，也可以包含對在 某個方向上、對某些波長、偏振等的光透明。半導(dǎo)體層最好具有可受偏轉(zhuǎn) 控制裝置影響而不受再現(xiàn)光波影響的帶狀結(jié)構(gòu)。這些實施例代表防止半導(dǎo) 體層受到再現(xiàn)光波影響的一些選擇。在從反射光學(xué)系統(tǒng)的焦點方向看，例 如反射元件置于半導(dǎo)體層后方時，需要提供對再現(xiàn)光波透明的半導(dǎo)體層， 以使再現(xiàn)光波不被半導(dǎo)體層吸收。
根據(jù)較佳實施例，來自入側(cè)焦點的再現(xiàn)光波撞擊反射元件并被其反 射，從而在出側(cè)焦點前全息再現(xiàn)場景。
進一步地，偏轉(zhuǎn)控制裝置最好被設(shè)計為將偏轉(zhuǎn)元件的偏轉(zhuǎn)特性控制成 從離開入側(cè)焦點和出側(cè)焦點的方向偏離。偏轉(zhuǎn)控制裝置還可以被設(shè)計為電可尋址空間光調(diào)制器，用于投射寫入光到偏轉(zhuǎn)元件上，或者被設(shè)計為強度 可控制的掃描激光束，用于掃描偏轉(zhuǎn)元件。根據(jù)再一實施例，偏轉(zhuǎn)控制裝 置可以包含兩個干涉的相干光源，其分別位于入側(cè)焦點和出側(cè)焦點并且其 干涉圖樣適合于控制偏轉(zhuǎn)元件的偏轉(zhuǎn)特性。
反射光學(xué)系統(tǒng)也可以還包含分色層或反射元件具有分色特性，再現(xiàn)光 波和偏轉(zhuǎn)控制裝置提供的寫入光波長不同。此外，反射光學(xué)系統(tǒng)可以包含 反射偏振過濾器，或者反射元件可以具有偏振過濾器的特性，再現(xiàn)光波和 偏轉(zhuǎn)控制裝置提供的寫入光偏振不同。這些實施例使得寫入光或再現(xiàn)光波 被過濾以防止半導(dǎo)體層和可見區(qū)有不良的相互影響。
但是，用于控制偏轉(zhuǎn)元件的偏轉(zhuǎn)特性的偏轉(zhuǎn)控制裝置最好提供在人眼 可見的波長范圍內(nèi)的寫入光。這使其不一定要過濾掉可見區(qū)的寫入光。
根據(jù)本發(fā)明的追蹤系統(tǒng)最好包含位置控制裝置，用于控制瞳孔位置或 在反射光學(xué)系統(tǒng)的入側(cè)焦點與瞳孔相同的像的位置。例如使用面鏡等僅視 覺上改變瞳孔位置也是可以的。改變瞳孔位置或瞳孔的像位置時，可以減 小用于追蹤出側(cè)焦點所需的計算負(fù)荷和取得反射光學(xué)系統(tǒng)的動態(tài)特性的 要求。因而，根據(jù)本發(fā)明的全息投射方法包含將瞳孔定位到反射光學(xué)系統(tǒng) 的入側(cè)焦點中。
下面，基于實施例并參照附圖詳細說明本發(fā)明。
圖la、 lb是表示根據(jù)本發(fā)明第一和第二實施例的反射光學(xué)系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn) 元件和反射元件的設(shè)計的俯視圖。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的反射光學(xué)系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)元件和反射 元件的俯視圖，由此顯示出幾何關(guān)系。
圖3a、 3b是表示根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的帶反射光學(xué)系統(tǒng)的追蹤系 統(tǒng)的俯視圖，其中偏轉(zhuǎn)控制裝置的排列不同。
圖4a-4d是表示根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的帶反射光學(xué)系統(tǒng)的追蹤系 統(tǒng)的簡圖的俯視圖，其中眼睛位置不同。
ii
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的反射光學(xué)系統(tǒng)10、 11包含偏轉(zhuǎn)元件12、 13和反射元件 14、 15。撞擊反射元件14、 15的光波被反射，它們的光學(xué)路徑進一步地 被偏轉(zhuǎn)元件12、 13改變。該偏轉(zhuǎn)可以包括像差校正和光波傳播方向的變 化。
圖la是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的反射光學(xué)系統(tǒng)10的偏轉(zhuǎn)元件12 和反射元件14的設(shè)計的俯視圖，具有包括作為偏轉(zhuǎn)元件12的衍射結(jié)構(gòu)的 光學(xué)可尋址空間光調(diào)制器(OASLM)和作為反射元件14的靜態(tài)基本鏡。基 本鏡14可以例如是具有反射面的金屬鏡。
從焦點看置于基本鏡14前面的OASLM 12包含帶透明電極的第一玻 璃板16、形成OASLM12的衍射結(jié)構(gòu)并具有LC分子的LC層18、透明的 光敏半導(dǎo)體層20和作為基底的第二玻璃板22。根據(jù)本實施例，光敏半導(dǎo) 體層20是透明的，再現(xiàn)光波可以通過它到達置于后面的反射元件14。 一 般來說，再現(xiàn)光波不得在半導(dǎo)體層被吸收，半導(dǎo)體層也不得受到再現(xiàn)光波 的影響。此外，偏轉(zhuǎn)控制裝置提供的寫入光對于可見區(qū)的觀察者必須是不 可見的。
圖lb是表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例反射光學(xué)系統(tǒng)11的偏轉(zhuǎn)元件13 和反射元件15的設(shè)計的俯視圖，具有包括作為偏轉(zhuǎn)元件13的衍射結(jié)構(gòu)的 光學(xué)可尋址空間光調(diào)制器(OASLM)，其中反射元件15以反射層的形式并 入到上述OASLM中。
在第二實施例中，OASLM 13包含帶透明電極的玻璃板17、形成 0ASLM13的衍射結(jié)構(gòu)并具有LC分子的LC層19、感光性半導(dǎo)體層21和 作為基底的玻璃板23。第二實施例中，反射元件15并入LC層19和半導(dǎo) 體層21之間。
現(xiàn)參照圖2說明根據(jù)本發(fā)明的反射光學(xué)系統(tǒng)中的幾何關(guān)系，用于圖lb 所示的排列(也可以用于圖la所示的排列和其他任意作為替換的排列)。
反射元件15具有帶兩個焦點-入側(cè)焦點28和出側(cè)焦點26的橢圓形彎 曲的反射表面。此外，反射光學(xué)系統(tǒng)11具有位于反射光學(xué)系統(tǒng)11中心并
12垂直于反射光學(xué)系統(tǒng)11或反射元件15的光學(xué)軸線32。依照反射光學(xué)系統(tǒng) 11的形式和效果，從連接入側(cè)焦點28和出側(cè)焦點26的線段中點到反射元 件15的反射面的距離形成橢圓的半短軸34。從入側(cè)焦點28到半短軸34 和從出側(cè)焦點26到該半短軸的距離36是橢圓的偏心率。
利用偏轉(zhuǎn)控制裝置42、 43 (圖3a、 3b)控制偏轉(zhuǎn)元件的光學(xué)可控偏 轉(zhuǎn)特性。光敏半導(dǎo)體層20、 21與具有透明電極的第一玻璃板16、 17之間 有電場。如果利用偏轉(zhuǎn)控制裝置提供的寫入光照射光敏半導(dǎo)體層20、 21 的一個區(qū)域，則電場局部改變。這又改變了LC層18、 19中的LC分子的 方向，因而也改變了局部的折射率。OASLM12、 13的折射率的變化可以 影響相位或振幅的調(diào)制。由于衍射效率高，相位調(diào)制是首選。
一般來說，該改變可以是單穩(wěn)態(tài)的或是雙穩(wěn)態(tài)的。在單穩(wěn)態(tài)的情況下， 只有照射半導(dǎo)體層，折射率的變化才有所表現(xiàn)。在雙穩(wěn)態(tài)的情況下，不再 照射層后，折射率也將繼續(xù)變化，直到施加到OASLM的電壓將裝置重置 到其初始狀態(tài)。
根據(jù)第一或第二實施例的反射光學(xué)系統(tǒng)10、 11可以在追蹤系統(tǒng)中使 用，用于追蹤出側(cè)焦點的位置和/或用于校正系統(tǒng)中發(fā)生的像差，或者可以 在相應(yīng)的全息投射系統(tǒng)中使用。
圖3a表示根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的帶反射光學(xué)系統(tǒng)11的典型追蹤 系統(tǒng)，空間光調(diào)制器(SLM)形式的偏轉(zhuǎn)控制裝置42和全息再現(xiàn)裝置38 用于朝反射光學(xué)系統(tǒng)11發(fā)出再現(xiàn)光波。圖3b表示與反射光學(xué)系統(tǒng)11有 關(guān)的偏轉(zhuǎn)控制裝置43的另一排列。圖3a和3b還表示置于傅立葉平面內(nèi) 和再現(xiàn)裝置38的衍射級內(nèi)并置于反射光學(xué)系統(tǒng)11的入側(cè)焦點28內(nèi)的瞳 孔30，以及可見區(qū)24內(nèi)的出側(cè)焦點26。
圖3a所示的追蹤系統(tǒng)中，此處提供掃描激光束形式的寫入光的偏轉(zhuǎn) 控制裝置42被置于反射光學(xué)系統(tǒng)11的與焦點26、 28相同的一側(cè)。由于 使用的是聚焦到OASLM13的半導(dǎo)體層21上并因而掃描該半導(dǎo)體層的掃 描激光束，所以LC層19中的折射率變化在該實施例中是雙穩(wěn)態(tài)的。激光 束的強度隨移動被同步調(diào)制，使得半導(dǎo)體層21在所需的強度分布下暴露。
13作為一個整體存在時本方法才是可能
的。偏轉(zhuǎn)控制裝置42提供的寫入光是波長范圍為人眼不可見的光，使寫 入光不會被可見區(qū)24中的觀察者看到。
根據(jù)圖3a的追蹤系統(tǒng)中，來自再現(xiàn)裝置38的調(diào)制光波通過置于反射 光學(xué)系統(tǒng)11的入側(cè)焦點28中的瞳孔30朝向反射光學(xué)系統(tǒng)11傳播。由于 瞳孔30位于再現(xiàn)裝置38的衍射級中，所以僅允許該衍射級的光通過。來 自瞳孔30的光全息再現(xiàn)三維場景。反射光學(xué)系統(tǒng)11從入側(cè)焦點28或瞳 孔30將入射光反射到位于由眼睛位置探測裝置(圖中未示)探測的觀察 者的眼睛位置上的出側(cè)焦點26或可見區(qū)24中。這樣的話，觀察者就可以 觀看全息再現(xiàn)場景。
如果反射光學(xué)系統(tǒng)11具有橢圓鏡的效果，如果橢圓的入側(cè)焦點28位 于瞳孔30的中心并且如果橢圓的出側(cè)焦點26位于眼睛位置，則幾乎無像 差的投射是有可能的。為了將對反射光學(xué)系統(tǒng)11的OASLM13的動態(tài)要 求保持得盡可能低，形成反射元件15并配置再現(xiàn)裝置38，使得于對于典 型的觀察者位置，瞳孔30和可見區(qū)24的與光學(xué)軸線32的距離相同。在 也稱為初始位置的該位置，反射光學(xué)系統(tǒng)11僅對反射元件15偏離理想橢 圓形起校正作用和對由其他影響因素引起的像差起校正作用。
為了追蹤可見區(qū)24到觀察者眼睛的位置，偏轉(zhuǎn)控制裝置42將衍射結(jié) 構(gòu)寫入到反射光學(xué)系統(tǒng)11的0ASLM13，使反射元件15和LC層19的組 合效果對應(yīng)于追蹤可見區(qū)24所需的橢圓曲率。由瞳孔30中央位于橢圓的 入側(cè)焦點28且可見區(qū)24位于觀察者眼睛位置上的條件得到所需的橢圓曲 率。
圖4a-4d表示不同眼睛位置上根據(jù)本發(fā)明第二實施例具有反射光學(xué)系 統(tǒng)11的追蹤系統(tǒng)的簡圖。為了簡化上述簡圖，僅表示對于理解追蹤方法 而言必要的組件。但是，總體的設(shè)計與圖3a所示的相同，其表示如圖la 所示的反射光學(xué)系統(tǒng)10的設(shè)計。
圖4a是圖3a所示的情形的簡化圖，具有入側(cè)焦點28、出側(cè)焦點26、 反射光學(xué)系統(tǒng)11。位于瞳孔30中央的入側(cè)焦點28和出側(cè)焦點26都在初
14始位置，也就是它們的位置不受偏轉(zhuǎn)元件的影響，并且它們距反射光學(xué)系 統(tǒng)ll的光學(xué)軸線32的距離36相同。如上所述，在該排列中，反射光學(xué)
系統(tǒng)11僅對校正反射元件15偏離理想橢圓形和校正像差起作用。
圖4b是觀察者以垂直于光學(xué)軸線32的方向移動的情形的簡圖，如虛 線的箭頭所指。觀察者的眼睛位置與光學(xué)軸線32的距離比其與中心在入 側(cè)焦點28上的瞳孔30的距離遠。半短軸34'平行于光學(xué)軸線32。反射光 學(xué)系統(tǒng)11必須補償該運動并將出側(cè)焦點26'調(diào)整到觀察者的眼睛位置。這 意味著必須通過偏轉(zhuǎn)控制裝置控制0ASLM13以便可見區(qū)24中心的出側(cè) 焦點26'又位于變換后的觀察者眼睛的位置。這是由改變上述LC層中的 LC分子的方向引起的。 一般說來，光的偏轉(zhuǎn)角度取決于LC分子的方向 或LC層的折射率。反射光學(xué)系統(tǒng)11的總體效果必須與以偏心率36'和半 短軸34'為特征的改變的橢圓曲率一致。因為在這種情況下，半短軸34'不 再位于光學(xué)軸線32上，需要OASLM13的分辨率更高以便至少部分抵消 反射元件15的曲率或者限制追蹤范圍。
圖4c也表示觀察者以垂直于光學(xué)軸線32的方向移動的情形。但是， 在該情況下，入側(cè)焦點28"被移動到與出側(cè)焦點26"到光學(xué)軸線32的距離 相同，如虛線箭頭所示，其再次處于觀察者眼睛位置，所以半短軸34"與 光學(xué)軸線32重合。此外，利用位置控制裝置(圖中未示)使瞳孔30中央 位于變換后的入側(cè)焦點28"。瞳孔30不一定要實際移動，但是必須達到移 動的效果。例如，位置控制裝置可以是旋轉(zhuǎn)鏡和靜態(tài)橢圓鏡的組合。反射 光學(xué)系統(tǒng)11的整體效果必須與以偏心率36"和半短軸34"為特征的改變的 橢圓曲率一致。入側(cè)焦點28"和出側(cè)焦點26"相對于光學(xué)軸線32的這種對 稱性排列，需要0ASLM13的分辨率比圖4b所示的不對稱排列低，因為 僅需增大或減小反射元件15的橢圓曲率。
圖4d表示觀察者垂直于反射光學(xué)系統(tǒng)11移動，并且瞳孔30處于固 定的位置的情形。因而，必須控制OASLM13使得入側(cè)焦點28"'的位置保 持在瞳孔30中央，而出側(cè)焦點26"'的位置適應(yīng)新的觀察者位置，也就是 出側(cè)焦點26"'移動到觀察者眼睛的位置。在該情況下垂直于橢圓反射表面 的假想延長線的半短軸34'"不再平行于光學(xué)軸線32。基于偏心率36"'、半短軸34"'長度及半短軸與光學(xué)軸線32的角度40確定用于追蹤出側(cè)焦點 26"'到觀察者眼睛位置的OASLM13上的所需衍射結(jié)構(gòu)。這種使觀察者與 反射光學(xué)系統(tǒng)11的距離小于瞳孔30到反射光學(xué)系統(tǒng)11的距離的排列同 時具有為觀察者放大場景的光學(xué)效果。
上面已說明具有根據(jù)第二實施例的反射光學(xué)系統(tǒng)的追蹤系統(tǒng)與方法。 但是可以使用根據(jù)第一實施例或其他實施例的反射光學(xué)系統(tǒng)作為替換。現(xiàn) 在將在下面說明實施本發(fā)明的其他選擇；但是這不應(yīng)解釋為將本發(fā)明限制 為這些示例。對于所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯而易見的是也可以將 幾個實施例相結(jié)合。
與在OASLM上使用衍射結(jié)構(gòu)的衍射光調(diào)制相似，通過上述實施例的 說明，其他實施例中還可以例如使偏轉(zhuǎn)元件具有折射結(jié)構(gòu)或衍射與折射結(jié) 構(gòu)的組合，而后可以通過折射率變換使折射光學(xué)調(diào)制用于OASLM。
雖然上述實施例中反射元件具有帶兩個焦點的橢圓形的彎曲的反射 表面，但是反射元件也可以例如包含多個部分，特別是例如菲涅耳透鏡， 其中許多焦點相互接近，表現(xiàn)為一個焦點。
如以上實施例所述，沒有反射元件的機械曲率，還可以例如通過平的 全息光學(xué)元件(HOE)、靜態(tài)衍射光學(xué)元件(DOE)或折射率變換，僅產(chǎn)生彎 曲的反射元件的效果。反射元件和HOE、 DOE和折射率變換的機械曲率 的組合也是可以的。
在另一實施例中，從焦點看，反射元件還可以整合到半導(dǎo)體層和基板 之間或位于基板后面。如另一實施例，還必須確保再現(xiàn)光波不在半導(dǎo)體層 被吸收，也就是半導(dǎo)體層必須不能僅被偏轉(zhuǎn)控制裝置的寫入光影響，寫入 光無法被可見區(qū)的觀察者察覺。為了達到這些目的，反射元件可以例如在 一些方面，例如僅在部分區(qū)域、僅在一個方向、僅對選擇的波長、僅對某 些偏振或其以上的組合，至少部分透明。反射元件還可以在兩個方向反射 或至少部分反射。作為替換，這些功能可以通過一個或多個附加層或元件 實現(xiàn)。從背離反射光學(xué)系統(tǒng)的焦點的方向?qū)懭氚雽?dǎo)體層，也就是偏轉(zhuǎn)控制 裝置43被置于背離反射光學(xué)系統(tǒng)的焦點的側(cè)面(圖3b)也是可能的。根
16據(jù)特定實施例，再現(xiàn)光波和寫入光應(yīng)當(dāng)具有相關(guān)的特性，例如偏振或波長 不同。還可以通過選擇寫入光的某個入射角防止寫入光被可見區(qū)中的觀察 者觀測到。
半導(dǎo)體層還可以具有帶狀結(jié)構(gòu)，其可以僅被寫入光影響，而不被再現(xiàn) 光波影響，也就是說再現(xiàn)光波和寫入光具有不同的能量級，并且僅寫入光 的能量級能夠影響半導(dǎo)體層。
作為利用單個掃描激光束的替換，可以使用多個掃描激光束，其中每 一個都僅寫入OASLM的一小部分。如果僅一個掃描激光束用于寫入，則 其必須滿足更高的要求，因為它必須同時具有十分小的焦點和十分大的掃 描范圍。
此外，用于將衍射結(jié)構(gòu)寫入偏轉(zhuǎn)元件的偏轉(zhuǎn)控制裝置可以具有電子可
尋址空間光調(diào)制器(EASLM)的形式。
此外，也可以通過暴露在兩個相干光源干涉產(chǎn)生的千涉圖樣中以控制 OASLM，相干光源例如可以使用光纜或分光器連接并且置于入側(cè)焦點和 出側(cè)焦點。半導(dǎo)體層上的該干涉圖樣產(chǎn)生OASLM中的折射率變換。這種 方法的工作原理與光敏膜的全息暴露相似。在隨后用光源掃描的過程中， OASLM中暴露的全息圖在入側(cè)焦點再現(xiàn)，光源在出側(cè)焦點再現(xiàn)。
作為替換或除了瞳孔的(可能是虛擬的)位置變換，反射光學(xué)系統(tǒng)或 其一部分可以進行移動，例如傾斜或轉(zhuǎn)動，以便到達出側(cè)焦點的位置、到 達觀察者眼睛的位置和到達瞳孔上的入側(cè)焦點的位置。該移動還可以僅虛 擬地產(chǎn)生，也就是通過其他可控反射元件產(chǎn)生。
即使在觀察者垂直地朝向或遠離反射光學(xué)系統(tǒng)移動的情況下，入側(cè)焦 點的位置也可以是受控的，使得半短軸與反射光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)軸線重合， 并且使用光學(xué)輔助裝置使瞳孔的位置至少虛擬地適應(yīng)出側(cè)焦點的位置。此 外，可以控制入側(cè)焦點的位置垂直于反射光學(xué)系統(tǒng)以便為觀察者放大或縮 小全息再現(xiàn)場景。
根據(jù)其他實施例，再現(xiàn)裝置可以例如包含光學(xué)元件的系統(tǒng)。
此外，還可以使所需的衍射結(jié)構(gòu)隨后被寫入OASLM，以便隨后分別為一個或多個觀察者的眼睛產(chǎn)生可見區(qū)。為了顯示彩色的全息再現(xiàn)，連續(xù) 產(chǎn)生表示單原色的部分再現(xiàn)，對應(yīng)于特定波長的衍射結(jié)構(gòu)被連續(xù)寫入
OASLM。
概括說來，本發(fā)明提供了一種反射光學(xué)系統(tǒng)，其一方面能夠校正系統(tǒng) 中產(chǎn)生的像差，另一方面能夠?qū)⒖梢妳^(qū)跟蹤到他/他們的實際眼睛位置的同 時，允許全息再現(xiàn)場景的觀察者在特定范圍移動。此外，本發(fā)明可以完成 比現(xiàn)有技術(shù)的解決方案更大的全息場景再現(xiàn)，而減小對系統(tǒng)的光學(xué)組件的 要求。
商業(yè)上可以以多種方式使用根據(jù)本發(fā)明的解決方案。他們可以用于私 人和工業(yè)上的應(yīng)用，例如在娛樂業(yè)、汽車工業(yè)、醫(yī)療行業(yè)中顯示三維場景。
權(quán)利要求
1、反射光學(xué)系統(tǒng)(10，11)，具有反射元件(14，15)，該反射元件用于反射再現(xiàn)光波，入側(cè)焦點(28)，撞擊反射元件(14，15)的再現(xiàn)光波來自該入側(cè)焦點，出側(cè)焦點(26)，反射元件(14，15)反射的再現(xiàn)光波傳播到該出側(cè)焦點，偏轉(zhuǎn)元件(12，13)，該偏轉(zhuǎn)元件具有光學(xué)可控的偏轉(zhuǎn)特性，以及偏轉(zhuǎn)控制裝置，該偏轉(zhuǎn)控制裝置用于光學(xué)控制偏轉(zhuǎn)元件(12，13)的偏轉(zhuǎn)特性以控制至少出側(cè)焦點(26)的位置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，該偏轉(zhuǎn)控制 裝置用于光學(xué)控制偏轉(zhuǎn)元件(12, 13)的偏轉(zhuǎn)特性以控制入側(cè)焦點(28)的位置。
3、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于，該偏轉(zhuǎn)控制裝置用于光學(xué)控制偏轉(zhuǎn)元件(12, 13)的偏轉(zhuǎn)特性以校正像 差。
4、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于，至少反射元件(14，15)具有實質(zhì)上橢圓形彎曲的反射表面的效果。
5、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于，反射元件(14,15)至少部分透明。
6、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于，反射元件(15)被并入偏轉(zhuǎn)元件(13)中。
7、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于，偏轉(zhuǎn)元件(12,13)具有光學(xué)可控的衍射和/或折射結(jié)構(gòu)。
8、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于，偏轉(zhuǎn)元件(12, 13)被設(shè)計為光學(xué)可尋址空間光調(diào)制器的形式。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，光學(xué)可尋址2空間光調(diào)制器(12， 13)包含第一玻璃板(16,17)，該第一玻璃板具有透明電極，LC層(18, 19)，該LC層包含可通過光學(xué)控制改變方向的LC (液晶) 分子，光敏半導(dǎo)體層(20,21)，以及 第二玻璃板(22, 23)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，光敏半導(dǎo)體 層(20)至少部分透明。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，光敏 半導(dǎo)體層(20, 21)具有可受偏轉(zhuǎn)控制裝置影響的帶狀結(jié)構(gòu)。
12、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于，來自入側(cè)焦點(28)的再現(xiàn)光波撞擊反射元件(14， 15)并從該反射元件 反射，在出側(cè)焦點(26)前面全息再現(xiàn)場景。
13、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于，用于控制偏轉(zhuǎn)元件(12, 13)的偏轉(zhuǎn)特性的偏轉(zhuǎn)控制裝置置于離開入側(cè)焦 點(28)和出側(cè)焦點(26)的方向上。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1-12中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征 在于，偏轉(zhuǎn)控制裝置包含兩個干涉的相干光源，該光源分別置于入側(cè)焦點 (28)和出側(cè)焦點(26)，并且光源的干涉圖樣適合于控制偏轉(zhuǎn)元件(12， 13) 的偏轉(zhuǎn)特性。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1-13中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征 在于，偏轉(zhuǎn)控制裝置被設(shè)計為電子可尋址空間光調(diào)制器的形式，用于將寫 入光投射到偏轉(zhuǎn)元件(12, 13)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1-13中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征 在于，偏轉(zhuǎn)控制裝置被設(shè)計為強度可控的掃描激光束的形式，用于掃描偏 轉(zhuǎn)元件(12, 13)。
17、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，反射光學(xué)系統(tǒng)(IO， 11)包含分色層且/或反射元件(14， 15)具有分色特 性，其中偏轉(zhuǎn)控制裝置提供的再現(xiàn)光波和寫入光波長不同。
18、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于，反射光學(xué)系統(tǒng)(10， 11)包含反射偏振過濾器且/或反射元件(14, 15)具 有偏振過濾器的特性，其中偏轉(zhuǎn)控制裝置提供的再現(xiàn)光波和寫入光偏振不 同。
19、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于，用于控制偏轉(zhuǎn)元件(12， 13)的偏轉(zhuǎn)特性的偏轉(zhuǎn)控制裝置提供在人眼不可 見的波長范圍內(nèi)的寫入光。
20、 具有根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一個所述的反射光學(xué)系統(tǒng)(10， ll)的追蹤系統(tǒng)，具有瞳孔(30)，該瞳孔用于過濾向反射光學(xué)系統(tǒng)(10， 11)的反射元件(14, 15) 傳播的再現(xiàn)光波，以及眼睛位置探測裝置，該眼睛位置探測裝置用于探測觀察者眼睛，其中偏轉(zhuǎn)控制裝置控制偏轉(zhuǎn)元件(12, 13)的偏轉(zhuǎn)特性，以便將出側(cè)焦 點(26)的位置控制在由眼睛位置探測裝置探測的觀察者眼睛的位置上。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的追蹤系統(tǒng)，其特征在于，包含位置控制 裝置，該位置控制裝置用于將瞳孔(30)或瞳孔(30)的正像的位置控制在 反射光學(xué)系統(tǒng)(10,11)的入側(cè)焦點(28)上。
22、 具有根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的追蹤系統(tǒng)的用于投射全息場景 的全息投射系統(tǒng)，具有再現(xiàn)光源裝置，該再現(xiàn)光源裝置用于產(chǎn)生再現(xiàn)光波，以及至少一個空間光調(diào)制器(38)，該至少一個空間光調(diào)制器用于調(diào)制由再 現(xiàn)光源裝置產(chǎn)生的再現(xiàn)光波、并用于向置于空間光調(diào)制器(38)的傅立葉平 面內(nèi)的瞳孔(30)發(fā)出調(diào)制的再現(xiàn)光波。
23、 用于投射全息再現(xiàn)場景的全息投射方法，包含 產(chǎn)生調(diào)制的再現(xiàn)光波，通過瞳孔(30)過濾朝反射光學(xué)系統(tǒng)(10, ll)傳播的調(diào)制的再現(xiàn)光波，對反射光學(xué)系統(tǒng)(10， ll)上的過濾、調(diào)制的再現(xiàn)光波進行反射，并在 反射光學(xué)系統(tǒng)(10， 11)的出側(cè)焦點(26)前面產(chǎn)生場景的全息再現(xiàn)，探測觀察者眼睛的位置，以及控制反射光學(xué)系統(tǒng)(IO, 11)的偏轉(zhuǎn)元件(12, 13)的偏轉(zhuǎn)特性以控制反射 光學(xué)系統(tǒng)(IO, 11)的出側(cè)焦點(26)位于由眼睛位置探測裝置探測的觀察者 眼睛位置。
24、根據(jù)權(quán)利要求23所述的全息投射方法，其特征在于，包含將瞳 孔(30)定位在反射光學(xué)系統(tǒng)(10, 11)的入側(cè)焦點(28)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)反射系統(tǒng)(10，11)，具有用于反射再現(xiàn)光波的反射元件(14，15)，入側(cè)焦點(28)，撞擊反射元件(14，15)的再現(xiàn)光波來自該入側(cè)焦點，出側(cè)焦點(26)，反射元件(14，15)反射的再現(xiàn)光波傳播到該出側(cè)焦點。本發(fā)明還涉及一種具有上述光學(xué)反射系統(tǒng)的追蹤系統(tǒng)和全息投射系統(tǒng)，以及一種相應(yīng)的全息投射方法。為了使上述光學(xué)反射系統(tǒng)(10，11)完成像差校正、追蹤可見區(qū)和比現(xiàn)有技術(shù)大的再現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)反射系統(tǒng)包含偏轉(zhuǎn)元件(12，13)，該偏轉(zhuǎn)元件具有光學(xué)可控的偏轉(zhuǎn)特性，以及用于光學(xué)控制偏轉(zhuǎn)元件(12，13)的偏轉(zhuǎn)特性的偏轉(zhuǎn)控制裝置(42，43)，該偏轉(zhuǎn)元件控制光學(xué)反射系統(tǒng)(10，11)的至少出側(cè)焦點(26)的位置。
文檔編號G02B27/22GK101490598SQ200780025917
公開日2009年7月22日 申請日期2007年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者阿明·史威特納 申請人:視瑞爾技術(shù)公司