專利名稱：反射光學系統(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)焦點的反射光學系統(tǒng)。本發(fā)明進一步涉及具有這種反射光學系統(tǒng)的跟 蹤系統(tǒng)和全息投射系統(tǒng)以及相應的全息投射方法。
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。自適應鏡的大小決定再現(xiàn)的大小。例如，自適應反射鏡的大 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)。
利用具有光學可控偏轉(zhuǎn)特性的偏轉(zhuǎn)元件和用于光學控制偏轉(zhuǎn)元件的 偏轉(zhuǎn)特性以控制反射光學系統(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 光學系統(tǒng)的位置，也就是基于F1、 F2和反射光學系統(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 系統(tǒng)還包含光學可尋址的空間光調(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。可見區(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)的標準位置產(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荷更低，故該反射光 學系統(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大。該曲率不一定要機械式地產(chǎn) 生。還可以通過光學元件僅產(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，具有能通過光學控 制改變方向的LC分子的LC層，光敏半導體層和第二玻璃板。根據(jù)另一 較佳實施例，該光敏半導體層設(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體層或部分半導體層透明，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 體層受到再現(xiàn)光波影響的一些選擇。在從反射光學系統(tǒng)的焦點方向看，例 如反射元件置于半導體層后方時，需要提供對再現(xiàn)光波透明的半導體層， 以使再現(xiàn)光波不被半導體層吸收。
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)焦點所需的計算負荷和取得反射光學系統(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 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)光波不得在半導體層被吸收，半導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 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，反射光學系統(tǒng)11具有位于反射光學系統(tǒng)11中心并
12垂直于反射光學系統(tǒng)11或反射元件15的光學軸線32。依照反射光學系統(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)元件的光學可控偏 轉(zhuǎn)特性。光敏半導體層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 用于朝反射光學系統(tǒng)11發(fā)出再現(xiàn)光波。圖3b表示與反射光學系統(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的半導體層21上并因而掃描該半導體層的掃 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 光學系統(tǒng)11的入側(cè)焦點28中的瞳孔30朝向反射光學系統(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的與光學軸線32的距離相同。在 也稱為初始位置的該位置，反射光學系統(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)寫入到反射光學系統(tǒng)11的0ASLM13，使反射元件15和LC層19的組 合效果對應于追蹤可見區(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系 統(tǒng)ll的光學軸線32的距離36相同。如上所述，在該排列中，反射光學
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'平行于光學軸線32。反射光 學系統(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'"不再平行于光學軸線32。基于偏心率36"'、半短軸34"'長度及半短軸與光學軸線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 反射光學系統(tǒng)11的距離小于瞳孔30到反射光學系統(tǒng)11的距離的排列同 時具有為觀察者放大場景的光學效果。
上面已說明具有根據(jù)第二實施例的反射光學系統(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系統(tǒng)作為替換?，F(xiàn) 在將在下面說明實施本發(fā)明的其他選擇；但是這不應解釋為將本發(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 全息光學元件(HOE)、靜態(tài)衍射光學元件(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)光波不在半導體層 被吸收，也就是半導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)。從背離反射光學系統(tǒng)的焦點的方向?qū)懭氚雽w層，也就是偏轉(zhuǎn)控制 裝置43被置于背離反射光學系統(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)光波和寫入光應當具有相關(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系統(tǒng)的光學軸線重合， 并且使用光學輔助裝置使瞳孔的位置至少虛擬地適應出側(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所述的反射光學系統(tǒng)，其特征在于，該偏轉(zhuǎn)控制 裝置用于光學控制偏轉(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系統(tǒng)，其特征在 于，該偏轉(zhuǎn)控制裝置用于光學控制偏轉(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系統(tǒng)，其特征在 于，偏轉(zhuǎn)元件(12,13)具有光學可控的衍射和/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系統(tǒng)，其特征在 于，偏轉(zhuǎn)元件(12, 13)被設(shè)計為光學可尋址空間光調(diào)制器的形式。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的反射光學系統(tǒng)，其特征在于，光學可尋址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層包含可通過光學控制改變方向的LC (液晶) 分子，光敏半導體層(20,21)，以及 第二玻璃板(22, 23)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的反射光學系統(tǒng)，其特征在于，光敏半導體 層(20)至少部分透明。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的反射光學系統(tǒng)，其特征在于，光敏 半導體層(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系統(tǒng)，其特征在于，反射光學系統(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系統(tǒng)，其特征在 于，反射光學系統(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)過濾朝反射光學系統(tǒng)(10, ll)傳播的調(diào)制的再現(xiàn)光波，對反射光學系統(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)，以及一種相應的全息投射方法。為了使上述光學反射系統(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)明的光學反射系統(tǒng)包含偏轉(zhuǎn)元件(12，13)，該偏轉(zhuǎn)元件具有光學可控的偏轉(zhuǎn)特性，以及用于光學控制偏轉(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