CN106662699A - 用于光学照明的体全息 - Google Patents

Abstract

一种光学系统(34)包括照明源(38)，体全息(36)和在空间上调制的成像光学器件(12)。照明源被配置成发射相干光(14)，并且体全息(36)被配置成接收并衍射该相干光。成像光学器件(12)被布置在体全息(36)的下游并且被配置成接收通过体全息衍射的相干光并且在空间上调制该相干光以便形成图像。可选地，成像单元是用全息寻址的相位调制LCOS‑SLM。

Description

用于光学照明的体全息

背景

光学系统可包括由照明源照明以产生可视图像的成像光学器件。成像光学器件可以是透射性的，使得通过调制穿过成像光学器件的光来形成图像，或成像光学器件可以是反射性的，使得通过调制从成像光学器件反射的光来形成图像。

概述

公开了涉及全息投影系统中体全息的使用的示例。例如，一个公开的实施例提供了一种包括照明源、体全息、以及成像光学器件的光学系统。照明源被配置成发射相干光，并且体全息被配置成接收相干光并朝着成像光学器件衍射相干光。成像光学器件被配置成接收通过体全息衍射的相干光并且在空间上调制相干光以形成图像。

提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在限制所要求保护主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中所提及的任何或所有缺点的实现。

附图简述

图1和图2示出了用于成像光学器件的照明的示例光学系统的各方面。

图3示出了利用体全息来照明成像光学器件的示例光学系统的各方面。

图4示出了用于成像光学器件的照明的示例体全息的各方面。

图5、6和7示出了其中成像光学器件被照明的附加示例光学系统的各方面。

图8示出了使用体全息的出射光瞳扩展。

图9示出了例示出用于扩展出射光瞳的示例方法的流程图。

图10示出了使用反射式和透射式体全息的反射成像光学器件的照明。

图11示出了使用反射式和透射式体全息的透射成像光学器件的照明。

详细描述

现代光学工程的持续目标是创建缩减设备应用的大小和维度的光学系统。各示例包括更薄的平板屏幕显示面板和用于近眼显示器的微型化投影光学器件。如上所述，光学系统可包括被照明源照明的成像光学器件。这样的系统可被设计成间隔开的组件，以防止照明源遮挡成像光学器件的出射光瞳。然而，这可导致不期望的大配置。此外，如果成像光学器件是全息式的或基于光栅的，则不希望的零级或其他衍射分量可出现在出射光瞳中。

因此，本文公开了可提供在避免零级或其他不希望的衍射分量出现的同时利用全息图像分量的紧凑型光学系统的示例。简言之，用穿过一个或多个体全息(例如，体布拉格光栅)的相干光照明成像光学器件。如本文进一步详细描述的，体全息可位于成像光学器件的出射光瞳内而不遮挡所形成的图像。这种配置允许以近法向入射来照明反射成像光学器件，以获得清晰图像分辨率和其他优点。此外，体全息可被设计用于从相干照明的全息或基于光栅的光学器件(透射式或反射式的)移除不希望的零级或更高级分量。

图1示出了具有被照明的成像光学器件12的示例光学系统10的各方面。在此示例中，成像光学器件是反射光学器件；它可表示衍射光栅、成像全息、或接收入射光14，反射入射光14并在空间上调制至少一部分的入射光以形成图像16的几乎任何类型的光学器件。在一些实施例中，成像光学器件的反射属性是静态的——即永久地、实质性地被设计到光学器件中。在其他实施例中，成像光学器件的反射属性是动态的——即可重配置的和/或可控的。例如，成像光学器件可包括一个或多个电机元件，诸如响应于改变电输入而改变反射光的方向的压电陶瓷反射镜18。在其他示例中，成像光学器件可包括一个或多个电光元件或电光层——例如液晶(LC)层20——该液晶(LC)层20可控制地影响反射光的偏振状态以使其强度可通过偏振过滤进行调制，或可控制地影响入射光束的相位以使其强度可通过设备像素的波干涉(衍射)进行调制。

在一些示例中，至少一些图像内容可被编码到照明成像光学器件12的入射光14中。在此，成像光学器件的作用可以是改变编码图像的一些属性——其位置、焦平面、取向、亮度、偏振状态、或光学像差的校正等。在其他示例中，入射光可提供成像光学器件的中性(即，非图像携带)照明，其作用是通过释放被设计的或被控制的反射来形成所期望的图像。

在一些示例中，成像光学器件12可被配置成像素阵列22的形式，其中每个像素是可单独寻址的电机元件或电光元件。这样的配置可被合并入具有操作上耦合到像素阵列的电子控制器23的数字显示系统中。在这些示例中，电子控制器通过向阵列的每个像素发送适当的控制信号来指导显示图像的形成，该控制信号控制来自此像素的反射光的光调制。因此，在一个示例中，成像光学器件可以是数字微反射镜设备(DMD)。在其他示例中，成像光学器件可以是反射硅上液晶(LCOS)阵列，或几乎任何其他类型的通过入射在其上的照明的任何部分的反射来形成图像的像素阵列。

具有反射成像光学器件的LC显示系统可比那些具有透射成像光学器件的LC显示系统展现出更高的速度(例如，刷新率)和效率。这是因为由于通过LC层的光路的几何倍增，使该LC层可被做得更薄。这还可有助于增加速度，因为更薄的LC层可花费更少的时间返回到同质状态。分辨率也可被改善，因为各像素之间的边缘场较不显着。LCOS显示器中的进一步效率增益是由于像素寻址电极被布置在LC层之后并在光路之外。这不仅可减少不希望的吸收，而且可使像素几乎能接触彼此。相对于透射阵列而言，更大的填充因子导致更好的显示对比度。

如果光强度建设性地和破坏性地干扰而不在成像光学器件的每个像素处被吸收以便形成显示图像，那么LCOS显示器的效率可被进一步提高。一种被称为LCOS空间光调制器(LCOS-SLM)的成像光学器件实现了此效果。LCOS-SLM是基于电光像素元件的阵列的动态可重新配置的全息的示例。通过控制LC分子的取向，LCOS-SLM对每个阵列像素反射的光赋予了单独可控的相位延迟。在示例应用中，至少在时间片期间阵列上的入射照明是单色的，并且与基本平坦的波阵面相干。

如本文所述的成像光学器件12可被合并入各种显示系统：例如，用于电视和家庭影院系统的大尺寸显示器、用于膝上型计算机的更小的平板显示器、以及用于平板电脑，智能电话和手持式游戏系统的节能显示器。此外，成像光学器件和相关联的部件可被小型化以便用于诸如头戴式显示器(例如，以作为非限制性示例的护目镜、眼镜、头盔、遮罩等的形式)之类的近眼显示技术。

现在返回图1，成像光学器件12被示为具有入射光瞳24和出射光瞳26。入射光瞳和出射光瞳的大小和取向通过示例的方式被示出；不同的大小和取向也可被使用。在图1中，以与法向入射成大约15度的角度照明成像光学器件(在本文中相对于表面法线表示入射角和观测角)。以相对低的入射角来照明可呈现优点和缺点。对某些类型的成像光学器件(例如，具有前板的LCOS)，可以更低入射角来减小不希望的镜面反射。此外，低角度照明产生低角度反射是被成像光学器件所期望的，因为各像素之间的模糊可随着观测角的增加而增加。另一方面，低角度照明可需要照明源遮蔽出射光瞳26——即，照明源位于成像光学器件与观测者之间——这是不期望的。同样，如图1所示，将照明源正好放置在出射光瞳的外侧可增加光学系统的深度D和围绕成像光学器件的非成像边界B的大小，其中入射角越低深度越大。

图2示出了另一示例光学系统28的各方面，其中以相对于图像产生元件表面的法线更低的入射角照明反射成像光学器件12。在所示的配置中，光束分裂器30(例如，半镀银反光镜)被布置成以45度角跨出射光瞳26。此方式节省了成像光学器件周边的周围的空间，但是将光学系统的深度增加到了该光学器件的整个宽度。此外，它可浪费约75％的入射光强度，因为每次遇到光束分裂器时损失一半的强度。为了更高的效率，可与位于32处的四分之一波片相组合地使用圆形偏振光束分裂器。然而，这样的布置可能利用尽可能多的深度，并且还可能与对偏振状态敏感的成像设备(如被配置成相位调制的LCOS设备、和静态光栅以及其中特征大小足够小使得偏振效应变得显着的衍射光学器件(DOE)阵列)不兼容。

因此，图3示出了可有助于解决上述几何和出射光瞳遮蔽问题并提供其他优点的另一示例光学系统34的各方面。具体而言，图3示出了体全息36和相干照明源38。相干照明源将相干入射光14的光束引导到体全息上。在所描绘的示例中，体全息36被布置成与成像光学器件12相对，并且被配置为接收相干光并以近法向入射角来将相干光反射到成像光学器件上。在一个示例中，可以大约80度的法向角照射体全息，但也构想了更高和更低的入射角。在此配置中，成像光学器件接收来自体全息的相干光并将该相干光往回投影穿过体全息以在出射光瞳26中形成图像。

在图3的示例中，相干照明源38包括红光激光器40R、绿光激光器40G、以及蓝光激光器40B。更一般地，相干光可从包括单模激光器、多模激光器、超发光二极管(SLD)、以及甚至某些LED的多个源发射。完全相干光不是绝对要求，但空间和时间相干性应当是绝对要求，使得此光可被衍射并形成图像。来自每个激光器的光束在光束调节光学器件42中被组合，该光束调节光学器件42使光束沿着同一光轴对准并且将所对准的光束的出射光瞳调整到期望的几何形状。在一个实现中，光束可以是相对长和窄的——例如，横截面为20×2毫米(mm)——其中长边平行于体全息的被照明的面并平行于成像光学器件的被照明的面。在一个实现中，光束的短边可垂直于成像光学器件的被照明的面，但也构想了其他几何形状。在相干照明源中红光、绿光、以及蓝光激光器的组合使用使得彩色图像可被形成于成像光学器件12处。然而，此特征并非是必需的。在其他实现中，可能期望单色图像，并在此，相干照明源可仅包括一个激光器。通常，相干照明源可包括任何可见或不可见的波长(红外、近红外、紫外)的激光器，并为每个波长提供基本平坦的波阵面。

图4示出了体全息36的一个示例的各方面。所示的体全息包括以平行层布置的三个不同的布拉格光栅44——用于衍射红光的第一布拉格光栅44R、用于衍射绿光的第二布拉格光栅44G、以及用于衍射蓝光的第三布拉格光栅44B。每个布拉格光栅包括具有第一折射率的一系列基本平坦的区域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。当以窄范围的入射角接收到窄范围的波长的光时，每个布拉格光栅可有效地反射这样的光。在窄波长和入射角范围之外接收的光以高效率被透射。此外，波长和入射角范围是可选择的，由在记录体全息期间被“烧录”的平坦区域46的取向和间距确定。具体而言，衍射光线的释放角度由布拉格光栅的周期确定，而将激励光栅的光线的角度由光栅矢量的方向确定。此外，角度选择性随着布拉格光栅的厚度而增加；25-100微米的厚度可提供一度的角度选择性。

每个布拉格光栅对其选择的波长范围之外的光可以是透明的的事实使得可能在堆叠配置中组合两个、三个、以及更多个布拉格光栅，如图4所示。实际上，可为所有三个布拉格光栅选择相当的入射角和反射角，使得布拉格光栅的堆叠可接收同一光束中的红光、绿光、以及蓝光，并以相同方向反射所有三种颜色，用于以相同的近法向入射来照明成像光学器件。在其他实现中，不同的布拉格光栅可被配置为以不同的入射角接收光并以相同或不同的入射角来照明成像光学器件。

如上所述，每个布拉格光栅44根据由它的光栅周期确定的角度来重定向入射光束。因此，如常规光束分裂器那样，即使体全息未被定向成与出射光瞳26成45度，光线也可以法向入射或近法向入射入射于成像光学器件上。相对于光学系统10或28而言，此特征可有助于减小光学系统34的深度(可能达几个数量级)。

虽然图4的堆叠式布拉格光栅配置可在一些实现中被使用，但是在光聚合物的并发或顺序曝光中使用不同波长的光来记录被叠加在同一体积中的两个、三个以及更多个布拉格光栅也是可能的。在这样的全息中，三个叠加的布拉格光栅仍然独立地运作。自然地，如果期望单色图像，则体全息36可包括针对此颜色的单个布拉格光栅。此外，除了布拉格光栅之外的其他类型的体全息结构可被用于实现类似的结果。各示例包括其中体全息合并全息透镜以聚焦或散焦入射或反射光束的配置。

图3的光学系统可解决上述几何和出射光瞳遮蔽问题。例如，体全息36可被制造为成像光学器件12上的薄覆盖。在这样的配置中，成像设备的前玻璃或塑料罩可纳入体布拉格光栅。前罩可以按照与成像光学器件的平面相比成小角度倾斜。对于小的设备和倾斜角度，由于体全息而引起的厚度增加是最小的(处于100μm的数量级)，并且由于前罩的倾斜而引起的深度增加将很小。第二，围绕成像光学器件的非成像边界可恰好足够宽以适应相干照明源38。第三，应当注意，布拉格光栅44在入射光被衍射的窄范围的角度之外是透明的。对于从成像光学器件12反射的光，此窄范围以轴50为中心，其中入射角和观测角相等。因此，成像光学器件的出射光瞳26除了在轴50附近和平行观测轴之外对观测者而言将是看上去未被遮挡的，在轴50附近和平行观测轴处体全息将反射图像光往回转向相干照明源38的方向。实际上，图像光线可在相对于入射角的小范围角度上(水平和垂直两个方向上)或大范围的角度上被拒绝。

反射图像光的转移提供了有效且高选择性的机制来分离由全息图像源形成的图像的零级衍射分量，但也可能在图像中间创建小暗点。零级分量是以下事实的结果：没有光栅或全息在其对入射光的利用方面是100％有效的。对于反射成像光学器件，零级分量可表现为与形成的图像一起被反射的入射光的一部分的单向反射。对于透射成像光学器件，零级分量仅仅是非衍射透射。在这两种情况下，零级分量可以采取在形成的图像中心处的亮点的形式。

然而，在其中成像光学器件12是全息式的或基于光栅的实施例中，入射照明14的零级分量沿轴50反射，在轴50处观测角和入射角相等。如上所述，这是与体全息36被设计成从形成的图像中移除的角度相同的角度——即，沿着其到相干照明源38的初始路径反射回来，其中光可被吸收和/或循环。此效果可能不仅抹掉(blot out)不希望的零级分量，而且也抹掉以平行或几乎平行于50来投影的任何图像内容。为了补救这样的问题，如果成像光学器件12是全息式的(例如LCOS-SLM)，则其可被配置成编码菲涅耳透镜或其他像差。在一些示例中，像差的效果是使形成的图像的焦平面移位。尽管这样的光学器件将释放平行于零级分量的全部被体全息36拒绝的多个光线，但是被拒绝的光线现在将源自图像的所有部分而不是图像中间的一个群集。因此，图像内容的保护是以稍微降低亮度为代价的。根据定义，零级分量不经历由成像光学器件引起的相位调制，并因此不被全息菲涅耳透镜或其他像差所转向。因此，不希望的零级照明反射的移除保持有效。

这样的减轻图像中心的黑点的存在的方法也改变了形成的图像的聚散度。在一些实现中，此效果可以是可接受的，或甚至是期望的。然而，在一些实现中，可能期望还原原始聚散度，或以其他方式进一步调整聚散度。图5示出了相关光学系统51的各方面，其中原始图像聚散度可被还原或进一步被调整。在此，物理透镜52(例如，折射或衍射透镜)位于体全息36的前面。取决于物理透镜的焦距和其他性质，该物理透镜可被配置成将形成的图像的焦平面往回向其原始位置移位，或者使其在与编码的菲涅尔透镜的相同的方向上进一步移位。图5还示出了可被夹在一对薄层棱镜54之间的体全息。棱镜可以是与光栅材料折射率匹配的，以避免来自体全息的基板材料48的菲涅尔反射。作为替换，体全息可包括抗反射涂层——例如，干涉滤波器。在一些方面，物理透镜52、被夹的体全息36、以及成像光学器件12可被集成到同一光学组件中。

图6示出了可被用于照明较大的成像光学器件12’的相关光学系统56的各方面。在图6中，体全息36’被分成端对端地布置以跨越成像光学器件的多个部分58。每个体全息部分包括将入射光转向成像光学器件的对应部分上的一个或多个布拉格光栅。在此实施例中，仅端部58N的布拉格光栅具有单位衍射效率。其他的布拉格光栅具有更低的衍射效率和功能，因此，作为光束分裂器。换言之，除了终端体全息部分58N之外的所有体全息部分凭借非常倾斜的入射或多次反射来将一些入射光透射到相邻的部分。尽管图6示出了三个体全息部分，但是其他光学系统可包括更多或更少的部分。对于显示器应用，针对每个部分的衍射效率可被导入设计(design-in)，以便实现成像光学器件的所有相应部分的基本均匀的照明。该方法可按照等于体全息部分的数量的因子来减小体全息组装件的总厚度。应当注意，如果成像光学器件是全息式的和动态可重新配置的(例如，LCOS-SLM)，则可在成像光学器件处校正体全息中的角度位置的任何不准确性。

图6的实现可能不提供零级衍射分量的完全移除，因为一些体全息部分的衍射的效率低于100％。然而，图7示出了相关光学系统60的各方面，其可为更大的全息式和基于光栅的成像光学器件12”提供零级移除。在此配置中，每个体全息部分58以不同的入射角被激励，但在相同的方向上进行衍射。在此，在一定角度范围内提供入射光。理想地，给定的入射光线将激励一个布拉格光栅并忽略其他的布拉格光栅。在一些版本中，耦合于光束调节光学器件42的弱衍射光栅可被用于创建所需的入射角分布。

如上所述，当以非常大的入射角照明时，前述光学系统利用了体全息36的出射光瞳扩展特征。因此，相对长且窄的入射光束(例如2×20毫米)可提供对成像光学器件12的基本均匀的照明。在一些配置中(诸如图8中所示的配置)，出射光瞳扩展特征可在两个或更多个方向上被应用。在该示例中，光束调节光学器件42包括被配置成接收圆柱形的第一相干光光束(在一些情况下是来自于激光器40(图5中)的组合光束)的第一体全息36’。第一体全息在一个维度上扩展光束，以释放撞击在第二体全息36上的长且窄的第二光束。第二体全息被配置为接收第二相干光光束，并释放在第二正交方向上扩展的第三相干光光束。成像光学器件(未在图8中示出)可被布置为与第二体全息相对，并且被配置为接收第三相干光光束并将往回投影该光通过体全息以形成期望的图像。在图8的平面图中，封闭圆指示衍射光线垂直于页面出射。在侧视图中，开口圆指示入射光线垂直于页面进入。

图9示出了例示出一种用于在正交方向上扩展相干光束并使用所扩展的光束来照明成像光学器件的方法的示例的流程图。在901，第一相干光光束被例如一个或多个激光器发射。在902，第一相干光光束被第一体全息接收并衍射，这产生了在一个方向上扩展的第二相干光光束。在903，第二相干光光束被第二体全息接收并衍射，这产生了在第二方向上进一步扩展的第三光束。在904，第三相干光光束在成像光学器件处被接收并且在空间上被调制以形成所期望的图像。

前述光学系统包括主反射成像光学器件12和体全息36。在其他示例中，成像光学器件可被配置成通过在空间上透射地调制相干照明来形成图像。例如，透视显示系统可纳入光学系统，其中透射性成像光学器件经由体全息被从背后照亮。在其他实现中，体全息本身可以是透射式的。图10示出了用于不同地配置的体全息的各种各样的照明布置。附图的上一行中的体全息36将相干光反射到相关联的成像光学器件上；下一行中的体全息36’将相干光透射到相关联的成像光学器件上。每个配置完全处于本公开的精神和范围内。

前述描述强调了显示应用。然而，此方法不限于显示技术，而也可被扩展到其他领域。例如，图10的配置中的任何一个可被用于结构化光投影仪中，该结构化光投影仪经由成像光学器件12以静态全息滤波器或DOE阵列(反射式或透射式)的形式投影相干红外照明。这样的配置可被用于利用照明特征的重复图案来覆盖场景(位于出射光线的方向上)。解析这样的特征的图像可被用于三维地映射场景。然而，成像光学器件还可反射或透射零级分量，这对用户可能是危险的，或者可能破坏映射的准确性。通过经由体全息36照明全息滤波器，零级分量被衰减。

此外，尽管上述的一些实现涉及反射性成像光学器件的照明，但是此办法的各方面也可应用于透射性成像光学器件的照明。图11示出了非限制性示例照明几何形状，分别涉及透射成像光学器件12’以及反射或透射体全息36或36’。将要强调的是，附图中所示的入射角和照明角主要是出于说明的目的而被选择。包括法向入射的其他角度和角度范围可被替代使用。

将会理解，此处描述的配置和/或方法本质是示例性的，这些具体实现或示例不应被视为限制性的，因为许多变体是可能的。此外，本公开的主题包括本文公开的各种系统、配置以及属性、以及它们的任一和全部等价物的每个可行的组合和子组合。例如，参考任何一个附图描述的系统、组件或属性可被合并入任何其他附图所示的系统或组件中，所修改的系统保持在本公开的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种光学系统，包括：

照明源，所述照明源被配置为发射相干光；

体全息，所述体全息被定位成接收和衍射所述相干光；以及

成像光学器件，所述成像光学器件被布置在所述体全息对面并且被配置成接收通过所述体全息衍射的所述相干光并且在空间上调制所述相干光以形成图像。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述成像光学器件被配置为通过所述相干光穿回所述体全息的反射来形成图像。

3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述成像光学器件包括将零级分量与所形成的图像一起反射的成像全息或光栅，并且其中所述体全息将所述零级分量与所形成的图像分离。

4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述成像光学器件包括成像全息，所述成像全息包括被编码的菲涅耳透镜，所述被编码的菲涅耳透镜被配置成使所形成的图像的焦平面移位。

5.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，进一步包括布置在所述体全息之前并被配置成使所形成的图像的所述焦平面进一步移位的物理透镜。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述成像光学器件包括衍射光学元件的静态阵列。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述体全息被配置成将所述相干光反射到所述成像光学器件上。

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述体全息被配置成将所述相干光透射到所述成像光学器件上。

9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述体全息包括一个或多个布拉格光栅。

10.一种形成图像的方法，包括：

发射第一相干光光束；

在第一体全息处接收所述第一相干光光束，并将所述第一相干光光束衍射为在一个维度上扩展的第二光束；

在第二体全息处接收所述第二相干光光束，并将所述第二相干光光束衍射为在第二个不同方向上扩展的第三光束；以及

在与所述第二体全息相对布置的成像光学器件处接收所述第三相干光光束，并在空间上调制这样的光以形成图像。