光學系統(tǒng)可包括由照明源照明以產(chǎn)生可視圖像的成像光學器件。成像光學器件可以是透射性的，使得通過調(diào)制穿過成像光學器件的光來形成圖像，或成像光學器件可以是反射性的，使得通過調(diào)制從成像光學器件反射的光來形成圖像。

概述

公開了涉及全息投影系統(tǒng)中體全息的使用的示例。例如，一個公開的實施例提供了一種包括照明源、體全息、以及成像光學器件的光學系統(tǒng)。照明源被配置成發(fā)射相干光，并且體全息被配置成接收相干光并朝著成像光學器件衍射相干光。成像光學器件被配置成接收通過體全息衍射的相干光并且在空間上調(diào)制相干光以形成圖像。

提供本概述是為了以簡化的形式介紹將在以下詳細描述中進一步描述的一些概念。本概述并不旨在標識所要求保護主題的關鍵特征或必要特征，也不旨在限制所要求保護主題的范圍。此外，所要求保護的主題不限于解決在本公開的任一部分中所提及的任何或所有缺點的實現(xiàn)。

附圖簡述

圖1和圖2示出了用于成像光學器件的照明的示例光學系統(tǒng)的各方面。

圖3示出了利用體全息來照明成像光學器件的示例光學系統(tǒng)的各方面。

圖4示出了用于成像光學器件的照明的示例體全息的各方面。

圖5、6和7示出了其中成像光學器件被照明的附加示例光學系統(tǒng)的各方面。

圖8示出了使用體全息的出射光瞳擴展。

圖9示出了例示出用于擴展出射光瞳的示例方法的流程圖。

圖10示出了使用反射式和透射式體全息的反射成像光學器件的照明。

圖11示出了使用反射式和透射式體全息的透射成像光學器件的照明。

詳細描述

現(xiàn)代光學工程的持續(xù)目標是創(chuàng)建縮減設備應用的大小和維度的光學系統(tǒng)。各示例包括更薄的平板屏幕顯示面板和用于近眼顯示器的微型化投影光學器件。如上所述，光學系統(tǒng)可包括被照明源照明的成像光學器件。這樣的系統(tǒng)可被設計成間隔開的組件，以防止照明源遮擋成像光學器件的出射光瞳。然而，這可導致不期望的大配置。此外，如果成像光學器件是全息式的或基于光柵的，則不希望的零級或其他衍射分量可出現(xiàn)在出射光瞳中。

因此，本文公開了可提供在避免零級或其他不希望的衍射分量出現(xiàn)的同時利用全息圖像分量的緊湊型光學系統(tǒng)的示例。簡言之，用穿過一個或多個體全息(例如，體布拉格光柵)的相干光照明成像光學器件。如本文進一步詳細描述的，體全息可位于成像光學器件的出射光瞳內(nèi)而不遮擋所形成的圖像。這種配置允許以近法向入射來照明反射成像光學器件，以獲得清晰圖像分辨率和其他優(yōu)點。此外，體全息可被設計用于從相干照明的全息或基于光柵的光學器件(透射式或反射式的)移除不希望的零級或更高級分量。

圖1示出了具有被照明的成像光學器件12的示例光學系統(tǒng)10的各方面。在此示例中，成像光學器件是反射光學器件；它可表示衍射光柵、成像全息、或接收入射光14，反射入射光14并在空間上調(diào)制至少一部分的入射光以形成圖像16的幾乎任何類型的光學器件。在一些實施例中，成像光學器件的反射屬性是靜態(tài)的——即永久地、實質(zhì)性地被設計到光學器件中。在其他實施例中，成像光學器件的反射屬性是動態(tài)的——即可重配置的和/或可控的。例如，成像光學器件可包括一個或多個電機元件，諸如響應于改變電輸入而改變反射光的方向的壓電陶瓷反射鏡18。在其他示例中，成像光學器件可包括一個或多個電光元件或電光層——例如液晶(LC)層20——該液晶(LC)層20可控制地影響反射光的偏振狀態(tài)以使其強度可通過偏振過濾進行調(diào)制，或可控制地影響入射光束的相位以使其強度可通過設備像素的波干涉(衍射)進行調(diào)制。

在一些示例中，至少一些圖像內(nèi)容可被編碼到照明成像光學器件12的入射光14中。在此，成像光學器件的作用可以是改變編碼圖像的一些屬性——其位置、焦平面、取向、亮度、偏振狀態(tài)、或光學像差的校正等。在其他示例中，入射光可提供成像光學器件的中性(即，非圖像攜帶)照明，其作用是通過釋放被設計的或被控制的反射來形成所期望的圖像。

在一些示例中，成像光學器件12可被配置成像素陣列22的形式，其中每個像素是可單獨尋址的電機元件或電光元件。這樣的配置可被合并入具有操作上耦合到像素陣列的電子控制器23的數(shù)字顯示系統(tǒng)中。在這些示例中，電子控制器通過向陣列的每個像素發(fā)送適當?shù)目刂菩盘杹碇笇э@示圖像的形成，該控制信號控制來自此像素的反射光的光調(diào)制。因此，在一個示例中，成像光學器件可以是數(shù)字微反射鏡設備(DMD)。在其他示例中，成像光學器件可以是反射硅上液晶(LCOS)陣列，或幾乎任何其他類型的通過入射在其上的照明的任何部分的反射來形成圖像的像素陣列。

具有反射成像光學器件的LC顯示系統(tǒng)可比那些具有透射成像光學器件的LC顯示系統(tǒng)展現(xiàn)出更高的速度(例如，刷新率)和效率。這是因為由于通過LC層的光路的幾何倍增，使該LC層可被做得更薄。這還可有助于增加速度，因為更薄的LC層可花費更少的時間返回到同質(zhì)狀態(tài)。分辨率也可被改善，因為各像素之間的邊緣場較不顯著。LCOS顯示器中的進一步效率增益是由于像素尋址電極被布置在LC層之后并在光路之外。這不僅可減少不希望的吸收，而且可使像素幾乎能接觸彼此。相對于透射陣列而言，更大的填充因子導致更好的顯示對比度。

如果光強度建設性地和破壞性地干擾而不在成像光學器件的每個像素處被吸收以便形成顯示圖像，那么LCOS顯示器的效率可被進一步提高。一種被稱為LCOS空間光調(diào)制器(LCOS-SLM)的成像光學器件實現(xiàn)了此效果。LCOS-SLM是基于電光像素元件的陣列的動態(tài)可重新配置的全息的示例。通過控制LC分子的取向，LCOS-SLM對每個陣列像素反射的光賦予了單獨可控的相位延遲。在示例應用中，至少在時間片期間陣列上的入射照明是單色的，并且與基本平坦的波陣面相干。

如本文所述的成像光學器件12可被合并入各種顯示系統(tǒng)：例如，用于電視和家庭影院系統(tǒng)的大尺寸顯示器、用于膝上型計算機的更小的平板顯示器、以及用于平板電腦，智能電話和手持式游戲系統(tǒng)的節(jié)能顯示器。此外，成像光學器件和相關聯(lián)的部件可被小型化以便用于諸如頭戴式顯示器(例如，以作為非限制性示例的護目鏡、眼鏡、頭盔、遮罩等的形式)之類的近眼顯示技術。

現(xiàn)在返回圖1，成像光學器件12被示為具有入射光瞳24和出射光瞳26。入射光瞳和出射光瞳的大小和取向通過示例的方式被示出；不同的大小和取向也可被使用。在圖1中，以與法向入射成大約15度的角度照明成像光學器件(在本文中相對于表面法線表示入射角和觀測角)。以相對低的入射角來照明可呈現(xiàn)優(yōu)點和缺點。對某些類型的成像光學器件(例如，具有前板的LCOS)，可以更低入射角來減小不希望的鏡面反射。此外，低角度照明產(chǎn)生低角度反射是被成像光學器件所期望的，因為各像素之間的模糊可隨著觀測角的增加而增加。另一方面，低角度照明可需要照明源遮蔽出射光瞳26——即，照明源位于成像光學器件與觀測者之間——這是不期望的。同樣，如圖1所示，將照明源正好放置在出射光瞳的外側(cè)可增加光學系統(tǒng)的深度D和圍繞成像光學器件的非成像邊界B的大小，其中入射角越低深度越大。

圖2示出了另一示例光學系統(tǒng)28的各方面，其中以相對于圖像產(chǎn)生元件表面的法線更低的入射角照明反射成像光學器件12。在所示的配置中，光束分裂器30(例如，半鍍銀反光鏡)被布置成以45度角跨出射光瞳26。此方式節(jié)省了成像光學器件周邊的周圍的空間，但是將光學系統(tǒng)的深度增加到了該光學器件的整個寬度。此外，它可浪費約75％的入射光強度，因為每次遇到光束分裂器時損失一半的強度。為了更高的效率，可與位于32處的四分之一波片相組合地使用圓形偏振光束分裂器。然而，這樣的布置可能利用盡可能多的深度，并且還可能與對偏振狀態(tài)敏感的成像設備(如被配置成相位調(diào)制的LCOS設備、和靜態(tài)光柵以及其中特征大小足夠小使得偏振效應變得顯著的衍射光學器件(DOE)陣列)不兼容。

因此，圖3示出了可有助于解決上述幾何和出射光瞳遮蔽問題并提供其他優(yōu)點的另一示例光學系統(tǒng)34的各方面。具體而言，圖3示出了體全息36和相干照明源38。相干照明源將相干入射光14的光束引導到體全息上。在所描繪的示例中，體全息36被布置成與成像光學器件12相對，并且被配置為接收相干光并以近法向入射角來將相干光反射到成像光學器件上。在一個示例中，可以大約80度的法向角照射體全息，但也構(gòu)想了更高和更低的入射角。在此配置中，成像光學器件接收來自體全息的相干光并將該相干光往回投影穿過體全息以在出射光瞳26中形成圖像。

在圖3的示例中，相干照明源38包括紅光激光器40R、綠光激光器40G、以及藍光激光器40B。更一般地，相干光可從包括單模激光器、多模激光器、超發(fā)光二極管(SLD)、以及甚至某些LED的多個源發(fā)射。完全相干光不是絕對要求，但空間和時間相干性應當是絕對要求，使得此光可被衍射并形成圖像。來自每個激光器的光束在光束調(diào)節(jié)光學器件42中被組合，該光束調(diào)節(jié)光學器件42使光束沿著同一光軸對準并且將所對準的光束的出射光瞳調(diào)整到期望的幾何形狀。在一個實現(xiàn)中，光束可以是相對長和窄的——例如，橫截面為20×2毫米(mm)——其中長邊平行于體全息的被照明的面并平行于成像光學器件的被照明的面。在一個實現(xiàn)中，光束的短邊可垂直于成像光學器件的被照明的面，但也構(gòu)想了其他幾何形狀。在相干照明源中紅光、綠光、以及藍光激光器的組合使用使得彩色圖像可被形成于成像光學器件12處。然而，此特征并非是必需的。在其他實現(xiàn)中，可能期望單色圖像，并在此，相干照明源可僅包括一個激光器。通常，相干照明源可包括任何可見或不可見的波長(紅外、近紅外、紫外)的激光器，并為每個波長提供基本平坦的波陣面。

圖4示出了體全息36的一個示例的各方面。所示的體全息包括以平行層布置的三個不同的布拉格光柵44——用于衍射紅光的第一布拉格光柵44R、用于衍射綠光的第二布拉格光柵44G、以及用于衍射藍光的第三布拉格光柵44B。每個布拉格光柵包括具有第一折射率的一系列基本平坦的區(qū)域46，其被平行布置于具有比第一折射率更高或更低的第二折射率的基板材料48中。當以窄范圍的入射角接收到窄范圍的波長的光時，每個布拉格光柵可有效地反射這樣的光。在窄波長和入射角范圍之外接收的光以高效率被透射。此外，波長和入射角范圍是可選擇的，由在記錄體全息期間被“燒錄”的平坦區(qū)域46的取向和間距確定。具體而言，衍射光線的釋放角度由布拉格光柵的周期確定，而將激勵光柵的光線的角度由光柵矢量的方向確定。此外，角度選擇性隨著布拉格光柵的厚度而增加；25-100微米的厚度可提供一度的角度選擇性。

每個布拉格光柵對其選擇的波長范圍之外的光可以是透明的的事實使得可能在堆疊配置中組合兩個、三個、以及更多個布拉格光柵，如圖4所示。實際上，可為所有三個布拉格光柵選擇相當?shù)娜肷浣呛头瓷浣?，使得布拉格光柵的堆疊可接收同一光束中的紅光、綠光、以及藍光，并以相同方向反射所有三種顏色，用于以相同的近法向入射來照明成像光學器件。在其他實現(xiàn)中，不同的布拉格光柵可被配置為以不同的入射角接收光并以相同或不同的入射角來照明成像光學器件。

如上所述，每個布拉格光柵44根據(jù)由它的光柵周期確定的角度來重定向入射光束。因此，如常規(guī)光束分裂器那樣，即使體全息未被定向成與出射光瞳26成45度，光線也可以法向入射或近法向入射入射于成像光學器件上。相對于光學系統(tǒng)10或28而言，此特征可有助于減小光學系統(tǒng)34的深度(可能達幾個數(shù)量級)。

雖然圖4的堆疊式布拉格光柵配置可在一些實現(xiàn)中被使用，但是在光聚合物的并發(fā)或順序曝光中使用不同波長的光來記錄被疊加在同一體積中的兩個、三個以及更多個布拉格光柵也是可能的。在這樣的全息中，三個疊加的布拉格光柵仍然獨立地運作。自然地，如果期望單色圖像，則體全息36可包括針對此顏色的單個布拉格光柵。此外，除了布拉格光柵之外的其他類型的體全息結(jié)構(gòu)可被用于實現(xiàn)類似的結(jié)果。各示例包括其中體全息合并全息透鏡以聚焦或散焦入射或反射光束的配置。

圖3的光學系統(tǒng)可解決上述幾何和出射光瞳遮蔽問題。例如，體全息36可被制造為成像光學器件12上的薄覆蓋。在這樣的配置中，成像設備的前玻璃或塑料罩可納入體布拉格光柵。前罩可以按照與成像光學器件的平面相比成小角度傾斜。對于小的設備和傾斜角度，由于體全息而引起的厚度增加是最小的(處于100μm的數(shù)量級)，并且由于前罩的傾斜而引起的深度增加將很小。第二，圍繞成像光學器件的非成像邊界可恰好足夠?qū)捯赃m應相干照明源38。第三，應當注意，布拉格光柵44在入射光被衍射的窄范圍的角度之外是透明的。對于從成像光學器件12反射的光，此窄范圍以軸50為中心，其中入射角和觀測角相等。因此，成像光學器件的出射光瞳26除了在軸50附近和平行觀測軸之外對觀測者而言將是看上去未被遮擋的，在軸50附近和平行觀測軸處體全息將反射圖像光往回轉(zhuǎn)向相干照明源38的方向。實際上，圖像光線可在相對于入射角的小范圍角度上(水平和垂直兩個方向上)或大范圍的角度上被拒絕。

反射圖像光的轉(zhuǎn)移提供了有效且高選擇性的機制來分離由全息圖像源形成的圖像的零級衍射分量，但也可能在圖像中間創(chuàng)建小暗點。零級分量是以下事實的結(jié)果：沒有光柵或全息在其對入射光的利用方面是100％有效的。對于反射成像光學器件，零級分量可表現(xiàn)為與形成的圖像一起被反射的入射光的一部分的單向反射。對于透射成像光學器件，零級分量僅僅是非衍射透射。在這兩種情況下，零級分量可以采取在形成的圖像中心處的亮點的形式。

然而，在其中成像光學器件12是全息式的或基于光柵的實施例中，入射照明14的零級分量沿軸50反射，在軸50處觀測角和入射角相等。如上所述，這是與體全息36被設計成從形成的圖像中移除的角度相同的角度——即，沿著其到相干照明源38的初始路徑反射回來，其中光可被吸收和/或循環(huán)。此效果可能不僅抹掉(blot out)不希望的零級分量，而且也抹掉以平行或幾乎平行于50來投影的任何圖像內(nèi)容。為了補救這樣的問題，如果成像光學器件12是全息式的(例如LCOS-SLM)，則其可被配置成編碼菲涅耳透鏡或其他像差。在一些示例中，像差的效果是使形成的圖像的焦平面移位。盡管這樣的光學器件將釋放平行于零級分量的全部被體全息36拒絕的多個光線，但是被拒絕的光線現(xiàn)在將源自圖像的所有部分而不是圖像中間的一個群集。因此，圖像內(nèi)容的保護是以稍微降低亮度為代價的。根據(jù)定義，零級分量不經(jīng)歷由成像光學器件引起的相位調(diào)制，并因此不被全息菲涅耳透鏡或其他像差所轉(zhuǎn)向。因此，不希望的零級照明反射的移除保持有效。

這樣的減輕圖像中心的黑點的存在的方法也改變了形成的圖像的聚散度。在一些實現(xiàn)中，此效果可以是可接受的，或甚至是期望的。然而，在一些實現(xiàn)中，可能期望還原原始聚散度，或以其他方式進一步調(diào)整聚散度。圖5示出了相關光學系統(tǒng)51的各方面，其中原始圖像聚散度可被還原或進一步被調(diào)整。在此，物理透鏡52(例如，折射或衍射透鏡)位于體全息36的前面。取決于物理透鏡的焦距和其他性質(zhì)，該物理透鏡可被配置成將形成的圖像的焦平面往回向其原始位置移位，或者使其在與編碼的菲涅爾透鏡的相同的方向上進一步移位。圖5還示出了可被夾在一對薄層棱鏡54之間的體全息。棱鏡可以是與光柵材料折射率匹配的，以避免來自體全息的基板材料48的菲涅爾反射。作為替換，體全息可包括抗反射涂層——例如，干涉濾波器。在一些方面，物理透鏡52、被夾的體全息36、以及成像光學器件12可被集成到同一光學組件中。

圖6示出了可被用于照明較大的成像光學器件12’的相關光學系統(tǒng)56的各方面。在圖6中，體全息36’被分成端對端地布置以跨越成像光學器件的多個部分58。每個體全息部分包括將入射光轉(zhuǎn)向成像光學器件的對應部分上的一個或多個布拉格光柵。在此實施例中，僅端部58N的布拉格光柵具有單位衍射效率。其他的布拉格光柵具有更低的衍射效率和功能，因此，作為光束分裂器。換言之，除了終端體全息部分58N之外的所有體全息部分憑借非常傾斜的入射或多次反射來將一些入射光透射到相鄰的部分。盡管圖6示出了三個體全息部分，但是其他光學系統(tǒng)可包括更多或更少的部分。對于顯示器應用，針對每個部分的衍射效率可被導入設計(design-in)，以便實現(xiàn)成像光學器件的所有相應部分的基本均勻的照明。該方法可按照等于體全息部分的數(shù)量的因子來減小體全息組裝件的總厚度。應當注意，如果成像光學器件是全息式的和動態(tài)可重新配置的(例如，LCOS-SLM)，則可在成像光學器件處校正體全息中的角度位置的任何不準確性。

圖6的實現(xiàn)可能不提供零級衍射分量的完全移除，因為一些體全息部分的衍射的效率低于100％。然而，圖7示出了相關光學系統(tǒng)60的各方面，其可為更大的全息式和基于光柵的成像光學器件12”提供零級移除。在此配置中，每個體全息部分58以不同的入射角被激勵，但在相同的方向上進行衍射。在此，在一定角度范圍內(nèi)提供入射光。理想地，給定的入射光線將激勵一個布拉格光柵并忽略其他的布拉格光柵。在一些版本中，耦合于光束調(diào)節(jié)光學器件42的弱衍射光柵可被用于創(chuàng)建所需的入射角分布。

如上所述，當以非常大的入射角照明時，前述光學系統(tǒng)利用了體全息36的出射光瞳擴展特征。因此，相對長且窄的入射光束(例如2×20毫米)可提供對成像光學器件12的基本均勻的照明。在一些配置中(諸如圖8中所示的配置)，出射光瞳擴展特征可在兩個或更多個方向上被應用。在該示例中，光束調(diào)節(jié)光學器件42包括被配置成接收圓柱形的第一相干光光束(在一些情況下是來自于激光器40(圖5中)的組合光束)的第一體全息36’。第一體全息在一個維度上擴展光束，以釋放撞擊在第二體全息36上的長且窄的第二光束。第二體全息被配置為接收第二相干光光束，并釋放在第二正交方向上擴展的第三相干光光束。成像光學器件(未在圖8中示出)可被布置為與第二體全息相對，并且被配置為接收第三相干光光束并將往回投影該光通過體全息以形成期望的圖像。在圖8的平面圖中，封閉圓指示衍射光線垂直于頁面出射。在側(cè)視圖中，開口圓指示入射光線垂直于頁面進入。

圖9示出了例示出一種用于在正交方向上擴展相干光束并使用所擴展的光束來照明成像光學器件的方法的示例的流程圖。在901，第一相干光光束被例如一個或多個激光器發(fā)射。在902，第一相干光光束被第一體全息接收并衍射，這產(chǎn)生了在一個方向上擴展的第二相干光光束。在903，第二相干光光束被第二體全息接收并衍射，這產(chǎn)生了在第二方向上進一步擴展的第三光束。在904，第三相干光光束在成像光學器件處被接收并且在空間上被調(diào)制以形成所期望的圖像。

前述光學系統(tǒng)包括主反射成像光學器件12和體全息36。在其他示例中，成像光學器件可被配置成通過在空間上透射地調(diào)制相干照明來形成圖像。例如，透視顯示系統(tǒng)可納入光學系統(tǒng)，其中透射性成像光學器件經(jīng)由體全息被從背后照亮。在其他實現(xiàn)中，體全息本身可以是透射式的。圖10示出了用于不同地配置的體全息的各種各樣的照明布置。附圖的上一行中的體全息36將相干光反射到相關聯(lián)的成像光學器件上；下一行中的體全息36’將相干光透射到相關聯(lián)的成像光學器件上。每個配置完全處于本公開的精神和范圍內(nèi)。

前述描述強調(diào)了顯示應用。然而，此方法不限于顯示技術，而也可被擴展到其他領域。例如，圖10的配置中的任何一個可被用于結(jié)構(gòu)化光投影儀中，該結(jié)構(gòu)化光投影儀經(jīng)由成像光學器件12以靜態(tài)全息濾波器或DOE陣列(反射式或透射式)的形式投影相干紅外照明。這樣的配置可被用于利用照明特征的重復圖案來覆蓋場景(位于出射光線的方向上)。解析這樣的特征的圖像可被用于三維地映射場景。然而，成像光學器件還可反射或透射零級分量，這對用戶可能是危險的，或者可能破壞映射的準確性。通過經(jīng)由體全息36照明全息濾波器，零級分量被衰減。

此外，盡管上述的一些實現(xiàn)涉及反射性成像光學器件的照明，但是此辦法的各方面也可應用于透射性成像光學器件的照明。圖11示出了非限制性示例照明幾何形狀，分別涉及透射成像光學器件12’以及反射或透射體全息36或36’。將要強調(diào)的是，附圖中所示的入射角和照明角主要是出于說明的目的而被選擇。包括法向入射的其他角度和角度范圍可被替代使用。

將會理解，此處描述的配置和/或方法本質(zhì)是示例性的，這些具體實現(xiàn)或示例不應被視為限制性的，因為許多變體是可能的。此外，本公開的主題包括本文公開的各種系統(tǒng)、配置以及屬性、以及它們的任一和全部等價物的每個可行的組合和子組合。例如，參考任何一個附圖描述的系統(tǒng)、組件或?qū)傩钥杀缓喜⑷肴魏纹渌綀D所示的系統(tǒng)或組件中，所修改的系統(tǒng)保持在本公開的精神和范圍內(nèi)。