CN101589337B - 全息成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种全息成像系统，包括可电寻址的空间光调制器(EASLM 4)以及可光寻址的空间光调制器(OASLM6)。一读取光(10，12)被配置为照射OASLM，以及一控制器被配置为利用被光学传送至OASLM的正和负子图像，寻址EASLM。该控制器被进一步配置为，利用操作电压(25)寻址OASLM，其中读取光(12)生成了全息图像(27)，该全息图像由来自正和负子图像的衍射图组成。

Description

全息成像系统
应用领域
全息成像系统，其包括了空间光调制器，该空间光调制器被配置为产生一帧或许多帧的计算机生成衍射图或全息图。
背景技术
一种基于液晶以及其他类型器件的可重新配置的空间光调制器(SLM)被广泛应用于控制和操纵光束。在衍射模式下，它们可用于三维(3D)成像。3D成像在第6,437,919号美国专利中被进一步说明，该专利的详细内容通过引用纳入本说明书。
SLM调制输入波阵面的复振幅(即改变其相位和/或振幅)，这使其以期望的方式传播。SLM一般包括一个包含了许多被单独寻址的像素的液晶板，衍射图或由计算机生成的全息图(CGH)被写入其上。
CGH 3D显示系统可以使用计算机来产生和/或存储全息图的电子拷贝。该全息图然后在被转换的SLM上重现，该SLM被转换以调制(在透射或反射中)来自光源的光，该光然后穿过适当的重现光学器件，从而向观测者提供可视三维图像。
单个EASLM可被寻址，以产生连续的不同图像，这些不同图像被顺序地成像到以段矩阵布置的OASLM上，由此形成完整的显示。一旦所有的分量图像被写入OASLM，一个完整的图像或图案可以被呈现给观测者，例如，通过用激光照射整个OASLM矩阵。该系统可以被称为“有源拼贴(Active Tiling)TM”，并且第6,437,919和第6,654,156号美国专利中对其有进一步说明，这些美国专利的详细内容以引用的方式纳入本说明书。
SLM系统可以包括排列在两个电极支承壁之间的液晶材料层，以形成液晶单元。通过在电极上应用电波形来转换液晶材料。液晶材料的一个特性在于其在长期的直流电压的影响下将退化。SLM系统被设计为使液晶材料被维持在净的零直流电压下，以及使得用于寻址(address)SLM系统的驱动方案能导致直流平衡。净的零电压可以维持在一个若干秒的合理时段内。
EASLM可以包括一液晶单元，该液晶单元由两壁封住一个近晶相液晶材料层而构成。透明的电极结构被成形为在一个壁上的行电极带，以及在另一壁上的列电极带。电极交叉处限定了像素，在该像素处，液晶材料的光学状态通过施加电压至合适的行和列电极而实现转换。电极从由显示控制器控制的驱动电路中接收电信号。EASLM可以使用集成电路底板。直流平衡是以下述方式实现的：寻址SLM系统，使形成一个正图像，然后寻址SLM系统，形成一个逆或负图像。
OASLM与EASLM基本相同，但可包括一层位于壁上电极与铁电液晶材料之间的光敏材料层。电极可被分段，以在每个段上进行分别的电接触。一个图像可以被应用至一个以上的段(在一些情况下，应用到所有的段)，而电压仅应用于一个段，以仅仅在该一个段内实现图像的锁存(latch)。OASLM以下述方式被寻址：在电极上施加电压，以及同时将光施加到光敏材料的选定部分上。所施加的电和所施加的光的组合使得液晶材料在被照射部分实现转换，而非照射部分仍保持未转换状态。由SLM系统生成的显示图象可以从远离光敏层的OASLM的一侧观测到。
可以用来提供直流平衡的驱动方案进一步说明于“Optimisation offerroelectric liquid crystal optically addressed spatial lightmodulator performance”，F.Perennes & W.A.Crossland，Opt.Eng.36(8)2294-2301(1997年8月)；Applied Optics Vol.31，No.32，pp.6859-6868，1992年11月10日。空间光调制器的工作原理进一步说明于“Spatial Light Modulator Technology，Materials，Devices  andApplications”，U.Efron编辑，Marcel Dekker Inc.1995出版。
在上述SLM系统中，光图案可以透射穿过EASLM或从EASLM反射，进而到达OASLM的每个段上。替代地，多幅图像可以被应用至OASLM的所有段中。在图像被加载入EASLM、播放至OASLM和锁存入OASLM的每一时段，都跟随一个如下的相等的时段：在该相等的时段中逆图像被加载在EASLM中并被保持，以维持EASLM的直流平衡。从OASLM装置看来，这一时段是被浪费掉了。它并未贡献于对OASLM的图像的改善。
附图说明
现在将仅以实施例的方式，参照以下附图来说明各种实施方案，在附图中：
图1示出了计算机生成全息图像(CGH)的成像基本原理；
图2示出了一种观测CGH图像的装置，其使用了电寻址空间光调制器(EASLM)和光寻址空间光调制器(OASLM)；
图3示意性示出了一个系统，该系统将单个EASLM成像至大的OASLM，形成有源拼贴(Active Tilling)TM显示系统；
图4示意性示出了图3的系统中的OASLM的横截面；
图5示出了构成图3的系统一部分的复制光学器件(replication optics)的放大图。
图6至图9是包括了EASLM、OASLM以及写入和读取光的不同的实施方案的时序图；以及
图10示出了寻址全息成像系统的一个示例性方法。
具体实施方式
图1示出了利用空间光调制器(SLM)来全息成像的原理。二维输入波阵面2的平面形式在其相位和振幅上被空间光调制器50修改，以产生一个输出波阵面(衍射图)28，该输出波阵面(衍射图)作为3维或全息图像27被显示或被观测者11看到。SLM 50被计算机或控制器13所控制，该计算机或控制器生成，或者输出一预存储的计算机生成全息图(CGH)。SLM 50可以包含可光寻址的空间光调制器(OASLM)和可电寻址的空间光调制器(EASLM)。
图2示出了使用空间光调制器的全息成像系统的程式化透视图，该空间光调制器诸如是图1所示的空间光调制器。光2从EASLM 4通过复制光学器件5被导向OASLM 6，而后经由傅立叶和放大光学器件7成像，以在观测者11前面显示或呈现为全息图像27。
图3示意性图示了一个将单个EASLM成像至OASLM的系统。该系统可以被称为有源拼贴(Active Tiling)TM，并且被更详细地描述在第6,437,919号美国专利中，该专利的详细内容通过引用纳入本说明书。该SLM系统可以用于大范围二维显示，或用于三维全息图像显示。全息显示也可以指示计算机生成全息图(CGH)。
图3示出的SLM系统可以用于生成可重新配置的全息显示。该SLM系统包括光源1，该光源的输出2可以通过透镜3被导向至EASLM 4。EASLM 4可以是液晶调制器，在该液晶调制器中，近晶相液晶材料层被置于两个玻璃壁之间。在一个壁上的列电极和另一壁上的行或排电极在电极交叉处形成可寻址元件或像素的矩阵。当向像素施加一个电压时，液晶材料在所施加的电场作用下旋转，以调制光的透射。该EALSM可以使用有源矩阵寻址以获取高转换速率。该EALSM可以包括近晶相、向列相、胆甾型液晶材料，以及硅有源底板装置或微镜装置。
在EASLM 4之前是复制光学装置5、OASLM6以及傅立叶透镜7。
图4示意性图示出图3中的系统中OASLM 6的横截面，图示了OASLM 6的结构。OASLM 6包括第一玻璃层15、形成第一透明电极的铟锡氧化物层16、硅光敏元件层17、阻光层18、镜19以及可以由涂刷聚酰亚胺层形成的第一校准层20。OASLM 6可以进一步包括液晶(LC)层21、第二校准层22、可接地的第二铟锡氧化物电极层23，以及第二玻璃层24。电压源25连接到两个电极16和23，以控制OASLM 6的转换。
液晶材料可以包括形成双稳态器件的铁电液晶材料。一旦接收到具有合适的振幅和时间的单极脉冲，该器件在两个稳态之间转换，该两个稳态可以被称为OFF态和ON态。正电压脉冲可引起转换至所述OFF态，而负脉冲可引起转换至ON态(或反之)。
硅17和电极层16之间的结起到了一个二极管26的作用。当第一个正极性电压施加在电极之间时，该二极管26正偏置，大部分电压将降于LC层21上。而当第二电压——负极性电压施加于电极之间时，大部分电压将降于硅层17上，除非写入光9被施加，在施加写入光的情况下电压将降于LC层21上。第二极性上的偏置可以被称为“光敏方向”。由此OASLM 6可以被一个合适的大型消隐脉冲(blanking pulse)转换至OFF，以及被寻址电压脉冲和来自EASLM4的光的组合选择性地转换至ON。
OASLM 6包括了多个分离的段8，这些段中的每一个段都是可独立寻址的。虽然OASLM 6被图示为包括了排列为5x5矩阵的25个段，但也可以形成具有不同数量的可独立寻址的分离段的其他尺寸矩阵。
图5示出了复制光学器件装置5，其包括光束分离器30、前端准直光学器件装置31，以及透镜阵列32。复制光学器件5可以被配置为：从EASLM 4中获取单幅图像，将其扩大至形成相同图像的矩阵33，以5x5的排列显示于OASLM 6上。光闸(shutter)阵列34可在一些实施方案中被加以采用，以允许单幅图像(出自图像矩阵)一次一段地照射OASLM 6的单个段8。
如上所述，OASLM 6可以被配置为带有可寻址段电极16、23的5x5阵列。仅当写入电压施加至电极16、23时，光线将引起OASLM的液晶21内的转换。在一个实施方案中，来自复制光学器件5的总输出可以被成像到OASLM6的所有段1-25上，但只有接受到写入电压的段8将转换。
来自EASLM 4的光9调制液晶层21，从而在被读取光源10照射时更改其反射(或透射)性能。相应地，包含了许多分离的子图像(sub-images)的大型显示可被形成在OASLM 6上。图像可以通过OASLM 6上的光12的反射而被观察到或者通过光透射穿过OASLM 6而被看到。由此，来自EASLM 4的光图案可以被显示在OASLM 6上，或从OASLM 6透射至观测者11。
在一个实施方案中，OASLM 6可以由每一单元壁上的单个连续的片状电极形成。可以提供一个光闸，以确保来自EASLM 4的光在任何给定时间仅被OASLM6的一个段区域接收。在另一个实施方案中，OASLM 6由放置在一起的多个分离的可光寻址的空间光调制器组成，以形成一个大型显示。
计算机或控制器13控制了施加至EASLM 4和OASLM 6的信号。控制器13可包含待显示图像的电子拷贝。在第1064651号欧洲专利申请中提供了用于全息显示的EASLM和OASLM的进一步说明。
在一个实施方案中，在一个具有DI-32摩面聚合物(rubbed polymer)(可从ARCH SEMICONDUCTOR CHEMICALS NV Belgium获取的DURIMIDE32)对准的单元中，OASLM由1.7μm厚的铁电近晶相液晶材料层构成，该铁电近晶相液晶材料层由手性SCEB及其外消旋等价物(racemic equivalent)SCE8R(可从CLARIANT，GmbH获得)以50∶50混合组成，同时该OASLM还具有～1.5μm厚的MVS(MV系统Inc，Golden，Denver，Colorado)硅光敏层。
操作
对于每一段8，一个消隐脉冲可以被施加到电极16和23，使得液晶材料21的所有区域转换到或保持在两个双稳状态的其中一个上，例如，OFF状态。
正子图像可以在EASLM 4上形成，以及投射至OASLM 6。OASLM 6输入面上的光图案和施加至一个段电极上的电压的组合，将使得在接收到光处的液晶分子21转换至ON状态，而在其它地方分子仍保持在OFF状态。ON区域和OFF区域的图案形成了衍射图，该衍射图穿过傅立叶透镜7，作为一全息图像27被显示或被观测者11看到。
上述操作可以使用在EASLM 4上生成的负子图像上来重复。段上的所有区域可以以熄灭的OFF状态启动，其中接收到光的区域转换至ON状态，而未被照射的区域继续保持在OFF状态。这样形成了一个衍射图案，该衍射图案可以作为与之前的正图像被被投射至OASLM6时所接收到的全息图像27相同的全息图像而被呈现或被观测者11看到。正图像和负图像都可以提供相同的衍射图案，以供作为一个全息图像27的方式被观察到。
液晶材料21可接收两种消隐脉冲：代表来自一些区域的正图像的光的电脉冲，和代表了来自其余区域的负图像的光的电脉冲。每一消隐脉冲的电压时间积(v.t)可以被设置为等于光感应值的电压时间积的一半，因此材料接收到零v.t积，实现直流平衡。
图6到9是包括了EASLM 4、OASLM 6以及写入和读取光的不同实施方案的时序图。该时序图示出了所发生的不同动作，包括了EASLM动作、将EASLM显示光投射至OASLM的输入、施加至OASLM段电极的电压，以及施加至OASLM输出上的读取光。
绘制了EASLM 4、OASLM 6和读取光的相关动作随时间的变化关系，相应地有第一段S1、第二段S2，和第n段S25。段的数量(n)对应于OASLM矩阵中的段的数量，该OASLM矩阵在一个实施例中被示为包括25段的五乘五的矩阵。每一段可以被理解为包括了一个或多个动作时段T，在所述时段内可以施加消隐脉冲、读取光或写入光。
参照图6，在第一时段T1中，负子图像被从控制器13加载入EASLM 4。在该时段内，消隐脉冲(BLANK)被施加至段1的电极16、23，这使得段1中所有区域上的液晶材料21发生转换以及锁存为OFF状态。与此同时，读取光10被转换至ON，并在整个寻址周期内保持在ON上。
在下一个时段T2，子-负图像保持在EASLM 4中，并通过写入激光1脉冲(WRITE)的操作投射至OASLM 6。与此同时，读取10电压脉冲被施加至段S1电极，使得在OASLM 6中，段S1存储了被保持在EASLM 4中的子负图像的拷贝。
在接下来的时间段T3中，正图像从计算机13被加载入EASLM 4。在这段时间里，消隐脉冲被施加至段S1的电极，这使得段S1的所有区域上的液晶材料被转换和锁存为OFF状态。
在下一时段T4，正子图像被保持在EASLM 4中，并通过写入激光脉冲的操作投射至OASLM 6。与此同时，读取电压脉冲被施加至段S1电极，使得OASLM段S1存储了被保持在EASLM 4中的正子图像的拷贝。
这完成了段S1寻址过程。上述步骤可以在段S2到S25上重复。贯穿于段S1到25的整个寻址过程，读取光10保持开启，观测者11可以看到全息图像27。
图7是图6所示方法的变型。如前所述，负子图像被加载至EASLM 4并保持，同时所述子图像利用写入脉冲(WRITE)被投射至OASLM 6。正子图像被加载至EASLM，以及用写入脉冲投射至OASLM。图7的不同之处在于利用了被施加至OASLM段的单个大型消隐脉冲(BLANK)，同时正子图像被加载至EASLM(例如，在时段T3中)。
由于所述的单个消隐脉冲，在消隐脉冲之前(例如，在时段T2中)被写入OASLM段的子图像是一个之前写入的正子图像和新的负子图像的混合。这一合成子图像可产生噪声和读取激光的危险衍射。因此，读取光(READ)在每一段的第一数据加载过程中可以被关闭一段时间(例如，在时段T2处)。在消隐脉冲之后，OASLM段接收正EASLM图像的准确的拷贝。该操作可以在所有的N段中被重复。图7所示的方法可以用于显示其中连续的全息图像在空间中移动的移动图像。
图8示出了一个实施方案，其中OASLM 6的所有段8被清空(blank)至OFF(例如，在时段K0)。连续的正子图像被加载至EASLM 4(例如，在时段K1)，并写入OASLM的每一段中(例如，在时段K2)。在所有的n幅正子图像在第一时域(域1)被写入OASLM之后，施加读取光10，从而观察到衍射图27。在此之后，OASLM的所有段被清空至OFF，连续的负子图像被类似地加载至EASLM和OASLM段，随后施加读取光10。
图9是图8所示实施方案的变型，其中，OASLM的每一段被单独地清空，而正子图像加载至EASLM(例如，在时段K1)。在下一时段(例如，在时段K2)，EASLM子图像被投射至OASLM段，该段电极接收寻址脉冲。该过程被重复，以使正子图像进而被读入每一段，直到域1中的所有n(例如，25)段都被用正子图像寻址。
上述操作也可以对负子图像重复，直到域2中的所有n(例如，25)段都被用负子图像寻址。在一个实施方案中，读取光在整个正和负寻址时间内(域1和域2)保持ON。
在图6到9中，消隐脉冲(无论整体的还是分段的)被示为单个单极脉冲。该消隐脉冲也可以是双极的，并具有适合的振幅水平，以确保直流平衡。同样，示为单极脉冲的OASLM写入脉冲可以被双极脉冲所替代。
图10示出了寻址全息成像系统的一个示例性方法。
在操作110中，EASLM被寻址以形成连续的正和负子图像
在操作120中，写入光被导向EASLM，然后被导向OASLM。在操作130中，子图像被连续地写入OASLM的不同区域。
在操作140中，多个子图像被存储至OASLM，以从多个正子图像形成完整衍射图，和从多个负子图像形成完整衍射图。
在操作150中，完整的图像被照射至OASLM。
在操作160中，光被引导穿过光学器件，以显示完整图像。光学器件可包括一个傅立叶透镜，该傅立叶透镜被配置为使得该图像能够被观测者看到。
在一个实施方案中，衍射图全息图像被显示或呈现给观测者，其中保持了直流平衡。正和负子图像可以以下列方式被读入OASLM中：以交替的正和负子图像，或者所有的正子图像之后跟以所有的负子图像，或以它们的任何组合。
EASLM可以用正和负图像或图案来寻址(以获得直流平衡)，该图像或图案随后被成像到一个或多个OASLM的输入面。相应于正和负的图像输入，可以从OASLM输出读取衍射图。该衍射图形成了全息图像。
在一个实施方案中，全息成像系统包括了EASLM、OASLM，以及写入光，该写入光被布置为照射EASLM以及将光经由光复制光学器件传送至OASLM。该系统可以进一步包括用于照射OASLM的读取光、用正和负图像寻址EASLM的控制器、以及用于在被读取光照射时使全息图像被显示在OASLM上或从OASLM被观测到的光学器件。上述控制器可以被配置为控制OASLM上的电压，以及控制写入和读取光。上述光学器件可以包括傅立叶透镜。
在一个实施方案中，全息成像系统包括控制EASLM以分别显示正图像和负图像的装置，以及利用电压以及正和负图像寻址OASLM的装置，其中来自正和负图像的衍射图可以在OASLM处基本直流平衡的情况下，被显示或投射给观测者。OASLM可以是带有分段电极的单个大型单元，由此，电压可以独立地施加到在相对的段电极之间的液晶材料的任一区域，使得每一段就能够被分别寻址。
光复制光学器件可以包括光束分离器，以及用于从EASLM上的单幅图像形成相同图像的矩阵并将该矩阵成像到整个OASLM上的光学器件。在一个实施方案中，光复制光学器件包括仅允许这些相同图像中的一幅被成像到OASLM的一部分上的光闸。在另一个实施方案中，光复制光学器件包括光闸和透镜，以从EASLM至OASLM的每一段依次扫描子图像。
该系统可以进而将交替的正和负图像写入每一段，直到所有的OASLM被寻址，随后可以施加读取光。在一个实施方案中，所有的正子图像可以成像到OASLM的所有段，以形成一个完整图像，并且在所有的负子图像由EASLM生成并被施加至OASLM的同时，读取光被连续地施加。读取光可以在整个OASLM被寻址之后施加，或者在每一个段被寻址之后施加，所述寻址通过施加正和/或负子图像或其组合来进行。
上述系统可以采用能实现一些或所有操作的专用处理系统、微控制器，可编程逻辑器件或者微处理器。上述的一些操作可以在软件中实现，而另一些操作可以在硬件中实现。
为了方便，这些操作被描述为各种互相连接的功能模块，或相异的软件模数。然而这不是必需的，而且可能有这样的例子，这些功能模块或模数可以等同的合成到一个单一的逻辑器件、程序或操作，其界限是不清晰的。无论如何，功能模块和软件模数或灵活的接口的特征可以以其自身实现，或以硬件或软件的方式与其他操作组合来实现。
在本发明的一优选实施方案中说明和图解了原理之后，显而易见的是，实施方案可以在不脱离该原理的情况下进行布置上和细节上的修改。我们要求保护在权利要求书的精神和范围之内的所有的修改和变更。

Claims (19)

1.一种全息成像系统，包括：
可电寻址的空间光调制器EASLM；
被配置为照射EASLM的写入光；
可光寻址的空间光调制器OASLM；
被配置为照射OASLM的读取光；以及
控制器，其被配置为：
利用写入光寻址EASLM，向OASLM发送正和负子图像；
在发送正和负子图像之间向OASLM施加消隐脉冲；以及
利用操作电压寻址OASLM，其中所述操作电压施加到OASLM中接收正和负子图像的不同段，并且当施加消隐脉冲时利用读取光照射OASLM，以产生包括正和负子图像的全息图像。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述不同段被排列为使得操作电压被独立施加至所述不同段中的任意一个，其中所述不同段是可单独寻址的。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器被进一步配置为：
依次从所述EASLM至所述OASLM的不同段扫描所述正和负子图像；以及
建立一个包括所述正和负子图像中一个或更多个的单幅全息图像。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述正子图像正被加载至所述EASLM时，向OASLM施加一个消隐脉冲。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，在所述负子图像正被加载至EASLM时，所述读取光照射OASLM。
6.一种寻址全息成像系统的方法，包括：
寻址可电寻址的空间光调制器EASLM以形成连续的正和负子图像；
将所述正和负子图像发送至可光寻址的空间光调制器OASLM；
在所述OASLM上写入所述正和负子图像，以形成包括所述正子图像的第一衍射图和包括所述负子图像的第二衍射图；
在向OASLM写入所述正和负子图像之间向OASLM施加消隐脉冲；以及
当所述正和负子图像被写入OASLM时，用读取光照射OASLM，以生成包括所述第一和第二衍射图的全息图像。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述正和负子图像以一系列交替的正和负子图像的方式被写入所述OASLM。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，第一衍射图先于第二衍射图而形成，并且在形成第一和第二衍射图之间向OASLM施加一个消隐脉冲。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述OASLM包括多个被布置成阵列的段，并且一次一段地向所述多个段施加消隐脉冲。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述正和负子图像正被发送至所述OASLM时，所述OASLM被所述读取光持续照射。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述正和负子图像作为图像对被写入OASLM的单独的段，该方法进一步包括：
对写入所述OASLM的单独的段的每一图像对，施加单个消隐脉冲。
12.一种成像设备，包括：
用于寻址可电寻址的空间光调制器EASLM以形成一连续的正和负子图像的装置，其中正和负子图像提供了EASLM的直流平衡；
用于将正和负子图像发送至可光寻址的空间光调制器OASLM的装置；
用于将正和负子图像写入到OASLM的多个段上的装置；
用于在写入正和负子图像之间向所述多个段提供单独的消隐脉冲的装置；以及
用于生成包括正和负子图像的全息图像的装置。
13.根据权利要求12所述的成像设备，其中一系列所述正子图像独立于一系列所述负子图像被写入OASLM。
14.根据权利要求13所述的成像设备，其中，针对所述的一系列正和负子图像，向OASLM施加消隐脉冲。
15.根据权利要求14所述的成像没备，其中在将所述的一系列正和负子图像写入OASIM之前施加所述消隐脉冲。
16.根据权利要求14所述的成像设备，其中，多个段被布置成阵列，并且所述消隐脉冲在同一时间被施加至所述多个段。
17.根据权利要求16所述的成像设备，进一步包括：
在写入所述的一系列正和负子图像之后，用读取光照射OASLM；以及
在所述的一系列正和负子图像正被写入时，停用所述读取光。
18.根据权利要求17所述的成像设备，其中所述OASLM被读取光二次照射，以生成所述全息图像。
19.根据权利要求12所述的成像设备，还包括：
在所述正和负子图像被发送至所述OASLM时利用所述读取光持续照射所述OASLM的装置。
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