具有切趾裝置的全息直視顯示器的制造方法
【專利說明】具有切趾裝置的全息直視顯示器
[0001] 本申請是申請人為視瑞爾技術公司，發(fā)明名稱為"具有切趾裝置的全息直視顯示 器"，國際申請?zhí)枮镻CT/EP2009/050476,國際申請日為2009年1月16日，國家申請?zhí)枮?200980124718. 9,進入中國國家階段日期為2010年12月27日的發(fā)明專利申請的分案申 請。
[0002] 本發(fā)明涉及一種全息直視顯示器，該顯示器包含至少一個具有用于衍射光的調制 器單元矩陣以及切趾掩模陣列的可控空間光調制器。此外，本發(fā)明涉及一種求得切趾掩模 的切趾函數(shù)的迭代過程。本發(fā)明的應用領域包括會具有大的顯示區(qū)域和/或小的結構深 度的光電顯示裝置，例如用于PC、TV、移動電話或其它具有顯示信息功能的電器的直視顯示 器。
[0003] 可控空間光調制器（SLM)的調制器單元矩陣包含起可主動切換的調制器區(qū)域和 在中間（劃分條、單元邊界）的非主動區(qū)域。這兩個區(qū)域的面積比被稱為填充因子。非主 動區(qū)域形成固定的光柵結構，在該位置，光發(fā)生衍射。如果用相干或者部分相干光照明空間 光調制器，則衍射光將顯示出特有的多束干涉效應?？臻g光調制器的衍射遠場與空間光調 制器的復振幅透射或復振幅反射的傅里葉變換一致。非主動區(qū)域是預先確定的并且對每一 類SLM具有特有的特點。在這些區(qū)域，衍射導致較高衍射級的發(fā)生，其會導致光學系統(tǒng)的功 能性和質量的損害。
[0004] 如果它們在全息重建的實際圖像上重疊，那么較高衍射級可以以噪聲增加、孿生 像的形式或者例如通過在產生于遠場的SLM的圖像點周圍的亮點例如對光學系統(tǒng)的功能 性產生不利的影響?，F(xiàn)有技術領域公知的用于消除由SLM矩陣的調制器單元產生的較高衍 射級的有效裝置是空間過濾器，其放置在接著SLM的光學系統(tǒng)的中間焦點位置。空間過濾 器僅透射需要的衍射級，而所有其它的衍射級由設計為孔眼掩模的空間過濾器阻隔。這樣 的過濾器布置的缺點是中間圖像或者中間焦點必須在光路上接著SLM而產生。首先，這樣 大大增加了光學系統(tǒng)的結構深度。其次，隨后的光學系統(tǒng)（透鏡或者反射鏡）的孔徑（有 效開度）必須和SLM的孔徑差不多一樣大。這限制了這樣的空間過濾器對相對小的SLM的 適用性并且因此限制了其對投射式顯示器的適用性。
[0005] 切趾是一種用于在愛里圓斑（Airy disc)的外環(huán)的重疊處進行光學過濾方法，其 中愛里圓斑的外環(huán)表示較高衍射級。采用該方法的優(yōu)點例如是成像系統(tǒng)中在損失成像系 統(tǒng)的分辨率的情況下改進圖像對比度，因為例如在光路的出口孔徑處放置特殊的梯度過濾 器。
[0006] 借助于切趾函數(shù)tsuH4# (X，y)可以實現(xiàn)調制器單元的切趾。切趾函數(shù)總體上是根 據(jù)它們的實際使用而計算的，并且例如在掩模或者過濾器中實現(xiàn)。此外，可以分析地說明的 多個公知的切趾函數(shù)在文獻中進行了討論。除了余弦或者三角函數(shù)以外，還存在例如名為 布萊克曼（Blackman)、海明（Hamming)或者韋爾奇（Welch)函數(shù)的公知切趾函數(shù)。這些切 趾函數(shù)為一般的切趾任務提供了解決方案。
[0007] 由本申請人遞交的DE 10 2006 030 535 Al號專利文件描述了在投射顯示器中在 具有像素矩陣的空間光調制器中對切趾函數(shù)的使用。像素矩陣的切趾在這里只能通過照明 空間光調制器的光的各自調制實現(xiàn)。為此，用適當?shù)暮瘮?shù)調制平面相干照明波，該函數(shù)的周 期與調制器的像素結構相匹配。
[0008] 在用于生成全息重建的全息直視顯示器中，用充分相干光照明可控光調制器并且 可控光調制器在遠場中為每一只眼睛生成單獨的可見區(qū)（也稱為觀察者窗口）。較高衍射 級的強度可以發(fā)散到鄰近的可見區(qū)并且因此在觀看重建時妨礙觀察者。迄今為止，還沒有 用于在這些可見區(qū)中降低較高衍射級串擾的基于切趾的公知解決方案。
[0009] 眾所周知，要想變得有效，切趾必須滿足由實際所使用的調制器裝置所給出的邊 界條件。
[0010] 綜上所述，現(xiàn)有技術存在以下不足：
[0011] 對于真實的全息重建的生成，也就是亮度值描述的盡可能真實的話，就需要較高 衍射級在至少一個特定的區(qū)域內明確地降低。這些區(qū)域位于觀察者平面內的確定的位置。 具體說，應該有可能尤其大大地降低落入其它眼睛中的那些衍射級。
[0012] 傳統(tǒng)的切趾函數(shù)沒有實現(xiàn)的另一個應用是，在除了零級衍射以外的至少一個衍射 級中相對發(fā)光強度相對于所有其它衍射級增加。
[0013] 本發(fā)明的目的是通過切趾降低由包含可控調制器單元矩陣的全息直視顯示器的 可控空間光調制器的遠場中的調制器單元引起的較高衍射級，其中光調制器是不允許空間 過濾器過濾的光學系統(tǒng)的組件。
[0014] 這些問題將借助于切趾掩模陣列消除。光調制器還將允許在衍射的相干光的不同 衍射級中單獨規(guī)定強度分布。
[0015] 同時，還將盡可能消除由調制器單元的設計引起的其它干擾效應，從而改進光學 系統(tǒng)的成像質量。
[0016] 此外，在切趾掩模中，在整個調制器單元中為連續(xù)的輪廓提供切趾函數(shù)或者是用 各個步驟的離散值實現(xiàn)切趾函數(shù)將是可能的。
[0017] 此外，總體上將修改公知的切趾函數(shù)使得這些修改對不同的應用都是有效的并且 是技術上可行的。
[0018] 由此僅將全息直視顯示器的透射率降低到很小的程度。
[0019] 通過根據(jù)本發(fā)明的全息直視顯示器解決該目的，其中，該全息直視顯示器包含 [0020]-至少一個具有調制器單元矩陣的用于衍射光的可控空間光調制器，所述空間光 調制器在光調制器的遠場中實現(xiàn)單獨地預先確定的強度輪廓，
[0021] -切趾掩模陣列，其中將用于調制充分相干光的相位和/或振幅的每一個調制器 單元分配到切趾掩模，
[0022] -至少一組確定的調制器單元，其被分配到具有相同的切趾函數(shù)的切趾掩模，以 及
[0023] -將要為至少一組調制器單元設定的復振幅透明度（complex amplitude transparency)，并且該復振幅透明度根據(jù)將要實現(xiàn)的預先確定的強度輪廓為該組調制器 單元設定切趾函數(shù)，其中預先確定的強度輪廓包括在至少一個較高衍射級中發(fā)光強度的降 低和/或由光調制器發(fā)出的雜散光的降低。
[0024] 在本發(fā)明中將復振幅透明度理解為復值過濾函數(shù)T，該函數(shù)具有以
[0025] T (x,y)= A (x,y) · exp [itp (x,y)]為形式的振幅A和相位φ。其描述了穿過切趾 掩模的電磁波的振幅和相位的改變。
[0026] 在本發(fā)明一實施例中，切趾掩模的切趾函數(shù)至少在一維中顯示出絕對值的非恒定 輪廓和/或復振幅透明度的相位。例如，切趾函數(shù)可以至少在一維中具有在調制器單元的 中心處的最大值，以及朝向調制器單元邊緣逐漸下降的復振幅透明度。
[0027] 為了能夠計算切趾函數(shù)，必須知曉將要被切趾的調制器單元的特定的形狀、尺寸 和幾何結構，以及調制器單元已經固有的復振幅透明度。具體說，知曉像素孔徑的像素間 距、填充因子以及形狀和位置這些參數(shù)是必要的。如果單個調制器單元的填充因子FF是例 如FF>0. 5,并且如果調制器單元的面積不是太小，那么單個調制器單元的透射率輪廓的具 體選擇用于實現(xiàn)觀察者窗口的較高衍射級的強度不以干擾的方式對鄰近的眼睛的觀察者 窗口產生串擾。
[0028] 在離散掃描點處通過描述那些掃描點處復振幅透明度的數(shù)值確定切趾函數(shù)，其中 掃描點顯示出可以通過切趾掩模部分地解決的相互距離。
[0029] 在全息直視顯示器的一個實施例中，至少兩個可控光調制器是疊在一起的，其中 要么每一個光調制器具有專用的切趾掩模，要么至少兩個光調制器具有共同的切趾掩模。
[0030] 此外，將全息直視顯示器的至少兩個可控光調制器中的一個光調制器設計為形成 包含電潤濕單元的棱鏡陣列。規(guī)定切趾掩模分配到電潤濕單元的棱鏡陣列或者與后者結 合。切趾掩模陣列在全息直視顯示器中的位置不是固定地確定的。
[0031] 特定的調制器單元組的切趾掩模最好可以在衍射光的遠場的特定部分中用預先 確定的強度值設定強度輪廓。遠場的特定部分可以至少在一維中僅包括負的或僅包括正的 衍射級。
[0032] 對于一個應用，所有調制器單元具有相同的切趾函數(shù)也是可能的。
[0033] 在本發(fā)明的另一實施例中，設計用于3D呈現(xiàn)的全息