CN101467108A - 用于具有零阶衍射抑制的电子全息显示的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
电子全息显示系统(300，700)包括：相干光源(330，730)；调制相干准直光束的空间光调制器(SLM)(320，720)；处理器和驱动器单元(310，710)，其产生全息数据并给SLM的像素施加适当的电压以便利用全息数据调制相干准直光束，并且抑制在图像平面上再现全息图像的位置处的被调制光束的零阶分量。处理器和驱动器单元抑制被调制光束的零阶分量，这是通过选择施加到所述SLM的像素的电压以使第一组像素相对于由第二组像素调制的准直光束部分向准直光束的第一部分提供180度的相移来实现的。
Description
技术领域
本发明涉及电子全息显示系统，更特别地涉及具有零阶衍射抑制的电子全息显示的方法和系统。
背景技术
全息术是记录和再现三维(3-D)图像的方法。与通常是对构成图像的光线强度(振幅)的点对点记录和再现的照相术相比，在全息术中，光的振幅和相位(通常在一个特定波长)都被记录。当再现时，产生的光场和原始物体或场景发出的相同，可生成完美的三维图像。
图1示出了记录物体25的3-D图像的系统100和方法。系统100包括光源110、分束器120、反射镜130和图像记录设备140。有益地，光源110是激光器或其它相干光发生器。图像记录设备140可以是照相底片。
操作时，光源100提供相干光束给分束器120。相干光束的第一部分穿过分束器120，并作为照明光束引导至物体25之上，相干光束的第二部分被分束器120反射后作为参考光束。反射镜130引导参考光束到图像记录设备140。通过照明光束照射，物体25产生物体光束，物体光束与参考光束在图像记录设备140处结合。由于光波叠加，参考光束和物体光束之间形成光学干涉，产生了一系列强度条纹。这些条纹形成某种类型的衍射光栅并被记录在图像记录设备140上。
当被记录的图像再现时，来自条纹图案的衍射在强度和相位上重构原始物体光束。因为相位和强度都被再现，图像看起来是三维的；观看者可以移动其视点并看到图像准确地像原始物体那样旋转。
近来，已开发了电子全息显示系统，以产生全三维(“3-D”)图像重构。在开发运动三维图像再现的电子全息显示系统(例如3-D电视)方面存在强烈的兴趣。然而，仍然存在一些问题。
如上所解释的，全息图根据参考光束生成多阶(零阶、一阶、二阶、三阶等)衍射光束。零阶光束几乎没有衍射并且不生成图像。然而，总的来说，零阶光束携带了参考光束的最多的能量，这些能量因此被浪费掉。
现有使用零阶光束进行二维显示的方法，例如像美国专利6,639,642中公开的那样。然而，这些方法不能应用在3-D全息显示上。
同时，美国专利4,184,746公开了通过使用透射相位光栅来抑制零阶衍射光束以便改进二维阴极射线管(CRT)显示的图像质量的方法。在该方法中，光穿过栅格屏后相位改变。为使屏幕上不同的部位有不同的厚度，屏幕被栅格化。穿过较厚部分的光能得到比穿过较薄部分的光更多的相位变化。
图2示出了三个具有相同频率不同相位的波形210、220和230。这些基本上都是在时间上移动的相同的波形(沿着箭头指示方向)。尽管波形210和220除了沿着时间轴的移动之外是相同形状的波形，但是该时间移动——在波形的特定频率下——使波形220相对于波形210具有180度的脱相。因此，波形220和波形210叠加的结果是相互抵消的。这就是在美国专利4,184,746中用来抑制零阶衍射光束的基本原理。
然而，在美国专利4,184,746所述的方法中，因为栅格化屏幕的厚度是固定的，所以相位光栅不能被动态地改变。这使得该布置方式不适合用于生成运动图像的电子全息摄影。
发明内容
因此，期望提供具有零阶衍射抑制的电子全息显示系统。还期望提供在电子全息显示系统中抑制零阶衍射的方法。
在本发明的一个方面中，电子全息显示系统包括：用来产生相干准直光束的相干光源；用来接收和调制相干准直光束以从中产生调制光束的空间光调制器(SLM)；和处理器和驱动器单元，其用来产生代表全息图像的全息数据，并给SLM的像素施加适当的电压以使SLM利用全息数据调制相干准直光束，并在图像平面上再现全息图像的位置处抑制被调制光束的零阶分量。SLM包括多个像素，其适于有选择地使准直光束由被选中的像素所调制的部分产生180度的相移。处理器和驱动器单元抑制被调制光束的零阶分量，这是通过选择施加到SLM的像素上的电压，以使第一组像素相对于由第二组像素调制的准直光束部分向准直光束的第一部分提供180度的相移来实现的。
在本发明的另一方面中，显示全息图像的方法包括：给包括多个像素的空间光调制器(SLM)提供相干准直光束；给SLM的像素施加适当的电压以使SLM利用全息数据调制相干准直光束，由此生成被调制光束，并在图像平面上显示全息图像的位置处抑制被调制光束的零阶分量。在图像平面上显示全息图像的位置处抑制被调制光束的零阶分量，包括选择施加到SLM的像素的电压来使第一组像素相对于由第二组像素调制的准直光束部分向准直光束的第一部分提供180度的相移。
附图说明
图1示出了记录物体3-D图像的系统和方法；
图2示出了三个具有不同相位的波形；
图3示出了带有零阶抑制的电子全息显示系统；
图4A-4B示出了反射式液晶显示器(LCD)设备的工作原理；
图5示出了第一波形和第二波形叠加后的抵消现象；
图6A-6B示出了LCD设备的工作原理，其可在图3所示的电子全息显示系统中用作空间光调制器；
图7示出了带零阶抑制的电子全息显示系统的第二实施例；
图8A-8B示出了LCD设备的工作原理，其可在如图7所示的电子全息显示系统中用作空间光调制器。
具体实施方式
图3示出了具有零阶抑制的电子全息显示系统300的一个实施例。
电子全息显示系统300包括处理器和驱动器单元310、空间光调制器(SLM)320、相干光源330和分束器340。处理器和驱动器单元310可包括处理器和驱动器的单独的电路或部件，并可包括存储器，比如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)等。有益地，执行多种算法的软件存储在处理器和驱动器单元310上的存储器中。有益地，SLM320是反射式液晶显示器(LCD)，例如反射式硅上液晶(LCOS)设备。在一个实施例中，相干光源330包括激光发射二极管(LED)332和准直光学装置334。可替换地，另一激光发生设备或其它相干光发生器可被使用。在一些实施例中，如果另外的装置或光学构造被提供用于将来自相干光源330的光引导到SLM 320上，并把来自SLM 320的被调制光导向期望的图像平面380上，那么分束器340可被省略。
操作时，LED 332提供光束给准直光学装置334，准直光学装置334适当地准直光束并且调节光束的尺寸以用于SLM 320。换言之，有利的是，调节光束的尺寸和形状以便其基本上完全地同时照射SLM 320的所有像素(与所谓的扫描彩色系统形成对比)。来自光源330的相干准直光束投向分束器340，其引导相干准直光束投向SLM 320。同时，处理器和驱动器单元310产生全息数据并用该数据去驱动SLM 320的像素。响应于驱动SLM 320的每个像素的所述数据，相干准直光束在空间上被调制以产生空间调制光束，该光束被反射回分束器340。空间调制光束穿过分束器340引导至图像平面380上。在图像平面380上，来自SLM320的每个像素的衍射光叠加到一起以产生期望的全息图像。
图4A-4B示出了反射式液晶显示器(LCD)设备400的工作原理。如图4A-4B所示，反射式LCD 400包括安置在第一和第二衬底420、430之间的液晶(LC)材料层410。第一衬底420是透明的。设置在(尽管不一定直接地设置在)第二衬底430之上的是反射材料440，例如铝层。有益地，反射材料440形成反射像素电极，其被施加打开或关闭LCD设备400的关联像素的电压。在图4A-4B中，提供偏振分束器50以把光引导到LCD设备400上并将来自LCD设备400的光引出。在图4A-4B的示例中，LC材料层410的液晶通常在没有施加电压时是螺旋状扭曲的(图4A)，当施加电场时，沿第一线性方向对准(图4B)。
图4A示出了LC材料层410两端没有施加电压时的情况。操作时，偏振分束器50用来反射具有第一(p)偏振的光到LCD设备400。在那种情况下，射到LCD设备400上的光经过透明的第一衬底420和LC材料层410到达反射像素电极。在穿过LC材料层410时，因为施加的电压为零，所述光的偏振旋转了45度。接着，所述的光被反射像素电极反射回去，并穿过LC材料层410从透明的第一衬底420出来。在返回经过LC材料层410时，光的偏振附加了45度的旋转，总共产生了90度的偏振旋转。因此，从LCD设备400出来的光相对于进入LCD设备400的光旋转了90度(正交偏振)，并且具有第二(s)偏振。偏振分束器50被配置成使得具有第二(s)偏振的光穿过，例如到达显示屏75。
同时，图4B示出了LC材料层410两端施加的电压足够使液晶沿着平行于第一偏振(p)方向的第一方向对准的情况。在那种情况下，光透过LC材料层410，从反射像素电极反射回来，反射回来的光通过LC材料层410后，在偏振上基本没有任何改变。因此，从LCD设备400出来的光和进入LCD设备400的光具有同样的第一偏振(p)。偏振分束器50被配置为使得具有第一(p)偏振的光经反射后离开显示屏75。
因此，LCD设备400能作为空间光调制器，其依据选择性地施加到每个像素上的电压有选择地调制光，以便再现期望的图像。为了通过LCD设备400获得所需的90度往返相移，如上所解释的，有利的是，LC材料层410包括扭曲向列45(TN-45)材料。
同时，LCD设备400的像素可视为单独可控的衍射光源。就是说，所述的像素不仅直接地反射光，而且也在它们的边缘处衍射光。在使用LCD设备400的典型2-D投影显示系统中，衍射光是不希望的，并且通常通过在LCD设备400和显示屏之间的光路上安置的光学系统来滤除衍射光。
然而，如果LCD设备400被用在电子全息显示系统中，那么大量的零阶光将与期望的产生全息图像的衍射光一起被反射到图像平面上。如上所解释的，这是极不期望的。
因此，为了抑制零阶衍射光束，电子全息显示系统300通过使用SLM 320来为选中的像素产生180的相移。该原理现在参照图5来解释。图5示出了第一波形510和第二波形520叠加后的抵消现象。如图5所示，第一波形510绕时间轴旋转生成第二波形520。可以理解的是，图5中所示的抵消效应明显不同于图2中所示的。例如，在图2的布置中，如果波形210和220的频率发生改变，那么就必须调整波形210和220之间的时间延迟，以便维持这些波形间的180度相位关系和抵消效应。相比之下，在图5的布置中，由于波形520通过直接的180度相位旋转而非时间延迟来获得，因而即使第一波形510的频率发生改变，第二波形520相比波形510，仍然保持180度的脱相，如果和波形510叠加依然能产生抵消现象。
因此，为了抑制电子全息显示系统300中的零阶光束，SLM 320被使用，其可以有选择地使得来自某些像素的光相对于来自其它像素的光产生180度的相移。在如此布置下，处理器和驱动器单元310能为提供一组一阶衍射图案的像素选定一组电压，所述衍射图案在图像平面380处叠加，以便生成期望的全息图像，同时通过抵消抑制不希望的零阶能量。
图6A-6B示出了反射式液晶显示器(LCD)设备600的工作原理，该设备能用作电子全息显示系统300中的SLM 320的一个实施例，用来在逐像素的基础上有选择地为光产生180度的相移。
如图6A-6B所示，反射式LCD 600包括布置于第一和第二衬底620、630之间的液晶(LC)材料层610。第一衬底620是透明的。布置在(尽管不一定直接在)第二衬底630之上的是反射材料640，例如金属层。有益地，反射材料640形成反射像素电极，该电极被施加打开或关闭LCD设备600的关联像素的电压。在图6A-6B中提供的分束器55把光引导到LCD设备600上，以及将来自LCD设备的光导出。在图6A-6B的示例中，LC材料层610的液晶通常在没有施加电压时是螺旋状扭曲的(图6A)，当施加电场时，沿第一线性方向对准(图6B)。
图6A示出了LC材料层110两端没有施加电压时的情况。操作时，分束器55用于把来自光源(未显示)的光反射到LCD设备600上。在那种情况下，射向LCD设备600的光经过透明的第一衬底620和LC材料层610到达反射像素电极。在经过LC材料层610时，因为施加的电压为零，所述的光的偏振旋转了90度。接着，所述的光被反射像素电极反射回去，并穿过LC材料层610从透明的第一衬底620出来。在返回经过LC材料层610时，光的偏振附加了90度的旋转，总共产生180度的相位旋转。因此，从LCD设备600出来的光相对于进入LCD设备600的光旋转了180度(反相)。分束器55被配置成使得来自LCD设备600的光穿过，例如到达图像平面680。
同时，图6B示出了当LC材料层610两端施加的电压足够使液晶沿着平行于第一偏振(p)方向的第一方向对准的情况。在那种情况下，光透过LC材料层610，从反射像素电极处反射回来，反射回来的光通过LC材料层610后，在偏振上基本没有任何改变。因此，从LCD设备600出来的光和进入LCD设备600的光具有相同的偏振。分束器55被配置成使得来自LCD设备600的光穿过它，例如到达图像平面680。
因此，LCD设备600能用作空间光调制器，其依照选择性地施加到每个像素上的电压有选择地调制光，以便再现期望的图像。为了获得所需要的180度往返相移差，LC材料层610包括扭曲向列90(TN-90)材料。
利用LCD设备600，处理器和驱动器单元310能为提供一组一阶衍射图案的像素选定一组电压，所述衍射图案在图像平面380处叠加，以生成期望的全息图像，同时，不希望的零阶能量通过相对于第二组像素为来自第一组像素的光提供180度相移引起的抵消来抑制。例如，在某些情况下，上面论述的类似于美国专利4,184,746的图案的“棋盘形图案”可被使用。
图7示出了具有零阶抑制的电子全息显示系统700的第二实施例。
电子全息显示系统700包括处理器和驱动器单元710、空间光调制器(SLM)720和相干光源730。处理器和驱动器单元710可包括处理器和驱动器的单独的电路或部件，并可包括存储器，比如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)等。有益地，执行多种算法的软件存储在处理器和驱动器单元710上的存储器中。有益地，SLM 720是透射式液晶显示器(LCD)设备。在一个实施例中，相干光源730包括发光二极管(LED)732和准直光学装置734。可替换地，激光器或其它相干光发生器可被使用。
操作时，LED 732提供光束给准直光学装置734，准直光学装置734适当地准直光束并且调节光束的尺寸以用于SLM 720。换言之，有利的是，调节光束的尺寸和形状以便其基本上完全地同时照射SLM 720的所有像素(与所谓的扫描彩色系统形成对比)。来自光源730的相干准直光束投向SLM 720的后衬底。同时，处理器和驱动器单元710产生全息数据并使用该数据去驱动SLM 720的像素。响应于驱动SLM 720每个像素的数据，相干准直光束在空间上被调制以产生空间调制光束，该光束从SLM 720的前衬底穿出到达图像平面780。在图像平面780处，来自SLM 720每个像素的衍射光互相叠加来产生期望的全息图像。
如上面所解释的，SLM 720的像素能被视为单独可控的衍射光源。就是说，所述的像素不仅直接地通过光，而且也在它们的边缘处衍射光。在使用SLM 720的典型2-D投影显示系统中，衍射光是不希望的并且一般要滤除掉。然而，在电子全息显示系统中，衍射光是期望得到的，其有益于抑制零阶光束。
因此，为了抑制零阶衍射光束，电子全息显示系统700通过使用SLM 720为选中的像素产生180度的相移。
因此，为了抑制在电子全息显示系统700中的零阶光束，采用SLM720，其可以有选择地对来自某些像素的光相对于来自其它的像素的光产生180度的相移。在这样的布置下，处理器和驱动器单元710能为提供一组一阶衍射图案的像素选择一组电压，所述衍射图案将在图像平面780处叠加以生成期望的全息图像，在叠加的同时，通过抵消抑制不希望的零阶能量。
图8A-8B示出了反射式液晶显示器(LCD)设备800的工作原理，其能作为电子全息显示系统300中的SLM 720的一个实施例，以逐个像素为基础有选择地为光生成180度的相移。
如图8A-8B所示，反射式LCD 800包括布置在第一和第二衬底820、830之间的液晶(LC)材料层810。第一和第二衬底820、830全都是透明的。布置在第一和/或第二衬底820、830之上的是像素电极，其被施加打开或关闭LCD设备800的关联像素的电压。在图8A-8B的示例中，LC材料层810的液晶通常在没有施加电压时是螺旋状扭曲的(图8A)，当施加电场时，沿第一线性方向对准(图8B)。
图8A示出了LC材料层810两端没有被施加电压时的情况。在这种情况下，射向LCD设备800的光经过透明的第二衬底830和LC材料层810到达透明的第一衬底820。在经过LC材料层810时，因为施加的电压为零，所述光的偏振旋转了180度。因此，从LCD设备800出来的光相对于进入LCD设备800的光旋转了180度(反相)。来自LCD设备800的光穿过它，到达比如图像平面880。
同时，图8B示出了当LC材料层810两端施加的电压足够使液晶沿着平行于第一偏振(p)方向的第一方向对准的情况。在那种情况下，所述的光穿过LC材料层810后在偏振上基本没有任何改变。因此，从LCD设备800出来的光和进入LCD设备800的光具有相同的偏振。来自LCD设备800的光穿过它，到达比如图像平面880。
因此，LCD设备800能作为空间光调制器，其依照有选择地施加到每个像素的电压有选择地调制光，以便再现期望的图像。为了实现所需的180度往返相移差，LC材料层810包括扭曲向列180(TN-180)材料。
虽然此处公开了优选的实施例，但是仍然处于本发明的构思和范围之内的很多变化也是可能的。在查阅了本说明书、附图和权利要求后，这样的变化对于本领域技术人员而言变得清楚。因此，本发明只限制在所附的权利要求的精神和范围内。
Claims (13)
1.电子全息显示系统(300，700)，包括：
用于产生相干准直光束的相干光源(330，730)；
用于接收和调制相干准直光束以从中产生被调制光束的空间光调制器(SLM)(320，720)，所述的SLM(320，720)包括多个像素；以及
处理器和驱动器单元(310，710)，其用于生成代表全息图像的全息数据，并施加适当的电压给SLM(320，720)的像素，以使SLM(320，720)利用全息数据调制所述相干准直光束，并且抑制在图像平面上再现全息图像的位置处的被调制光束的零阶分量，
其中所述SLM(320，720)用来有选择地向由选中的像素调制的准直光束部分提供180度相移，并且
其中处理器和驱动器单元(310，710)抑制被调制光束的零阶分量，这是通过选择施加到SLM(320，720)的像素的电压，以使第一组像素相对于由第二组像素调制的准直光束部分向所述准直光束的第一部分提供180度的相移来实现的。
2.根据权利要求1所述的系统(300)，其中所述SLM(320)是反射式液晶显示器(LCD)设备(600)，其包括扭曲向列90(TN-90)液晶材料。
3.根据权利要求2所述的系统(300)，进一步包括分束器(340，50)，其用来将来自所述相干光源的相干准直光束引导至反射式LCD设备(600)，并且将来自反射式LCD设备(600)的被调制光束引导至图像平面(380，75)。
4.根据权利要求1所述的系统(300)，其中所述SLM是反射式硅上液晶(LCOS)设备(600)，其包括扭曲向列90(TN-90)液晶材料。
5.根据权利要求4所述的系统(300)，进一步包括分束器(340，50)，其用来将来自所述相干光源(330)的相干准直光束引导至反射式LCOS设备(600)，并且将来自反射式LCOS设备(600)的被调制光束引导至图像平面(380，75)。
6.根据权利要求1所述的系统(700)，其中所述SLM(720)是透射式液晶显示器(LCD)设备(800)，其包括扭曲向列180(TN-180)液晶材料。
7.根据权利要求1所述的系统(300，700)，其中所述相干光源包括激光发生设备(332，732)。
8.显示全息图像的方法，包括：
给包括多个像素的空间光调制器(SLM)(320，720)提供相干准直光束；和
给SLM(320，720)的像素施加适当的电压以使该SLM(320，720)利用全息数据调制所述相干准直光束，由此生成被调制光束，并抑制在图像平面上显示全息图像的位置处的被调制光束的零阶分量，
其中抑制在图像平面上显示全息图像的位置处的被调制光束的零阶分量包括选择施加到SLM(320，720)的像素的电压以使第一组像素相对于由第二组像素调制的准直光束部分向所述准直光束的第一部分提供180度的相移。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述SLM(320)是反射式液晶显示器(LCD)设备(600)，其包括扭曲向列90(TN-90)液晶材料。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述SLM(320)是反射式硅上液晶(LCOS)设备(600)，其包括扭曲向列90(TN-90)液晶材料。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述SLM(720)是透射式液晶显示器(LCD)设备(800)，其包括扭曲向列180(TN-180)液晶材料。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述相干光源(330，730)包括激光发生设备(332，732)。
13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括最大化在图像平面(380，780)上显示所述全息图像的位置处的被调制光束的一阶衍射分量。
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