CN109581697A - 光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学装置，包括光源、第一空间光调制器、第二空间光调制器，所述光源向所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器发射入射光线；所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器调制所述入射光线并将调制后的所述入射光线作为输出光线输出，输出自所述第一空间光调制器和第二空间光调制器的输出光线相互叠加形成目标光场。本发明提的光学装置由于使用了两个空间光调制器来形成目标光场，所以能够同时高质量的还原光场的振幅和相位，可以在不同成像距离上进行高质量成像。

Description

光学系统
技术领域
本发明涉及一种光学系统，特别涉及一种可在不同成像距离进行高质量成像的光学系统。
背景技术
随着技术的进步，人们开始体验各种具有优秀显示效果的光学产品。特别是，随着空间光调制器的出现，使得人们在成像方面能够进行许多新的尝试。空间光调制器英文名称是Spatial Light Modulator，在文献上常缩写成SLM。顾名思义，它是一种对光波进行调制的器件，一般地说，电子空间光调制器是指在信号源信号(控制信号)的控制下，能对光波的某种或某些特性(如相位、振幅或强度、频率、偏振态等)的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制，从而将信源信号所荷载的信息写进入射光波之中的器件。控制信号可能是光学信号，又可能是电学信号。空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间上排列成一维或二维阵列。每个单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控制，利用各种物理效应(泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等)改变自身的光学特性，从而对照明在其上的光波进行调制。然而由于单独一个空间光调制器只能调制光的振幅或者频率之一，无法同时调制这两种物理量，所以空间光调制器易造成信号损失或编码错误。所以用空间光调制器实现高质量成像十分困难。因此有必要提供一种可高质量同时还原光场的振幅和相位的光学系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种可高质量还原光场的振幅和相位的光学系统，以便在不同成像距离上进行高质量的成像。
为了解决本发明的至少一部分技术问题，本发明提供一种光学装置，包括光源、第一空间光调制器、第二空间光调制器，该光源向该第一空间光调制器和该第二空间光调制器发射入射光线；
该第一空间光调制器和该第二空间光调制器调制该入射光线并将调制后的该入射光线作为输出光线输出，输出自该第一空间光调制器和第二空间光调制器的输出光线相互叠加形成目标光场。
根据本发明的至少一个实施例，本发明提供的光学装置还包括分/合路器，该光源适于向该分/合路器发出该入射光线；
该分/合路器适于将来自该光源的该入射光线传输至该第一空间光调制器和第二空间光调制器，该分/合路器适于将来自该第一空间光调制器和第二空间光调制器的输出光线相互叠加，并将相互叠加的该输出光线输出。
根据本发明的至少一个实施例，本发明提供的光学装置还包括第一透镜系统，该第一透镜系统设置在该光源和该分/合路器之间，该第一透镜系统适于调制来自该光源的该入射光线，并将调制后该入射光线输入该分/合路器。
根据本发明的至少一个实施例，本发明提供的光学装置还包括波导器件，该波导器件具有第一端和第二端，该第一端设置在该分/合路器的输出位置并适于接收来自该分/合路器的输出光线；
该波导器件传输该输出光线，并在该第二端输出该输出光线形成目标光场。
根据本发明的至少一个实施例，该波导器件对该目标光场进行放大视场和/或扩展出瞳。
根据本发明的至少一个实施例，本发明提供的光学装置还包括光栅器件，对该目标光场进行放大视场和/或扩展出瞳。
根据本发明的至少一个实施例，本发明提供的光学装置还包括滤波器件，该滤波器对输出自该第一空间光调制器和第二空间光调制器的该输出光线进行滤波；
该滤波器使该输出光线中的至少一部分具有预设角度的光线无法透过该滤波器。
根据本发明的至少一个实施例，本发明提供的光学装置还包括一遮光器件，该光学装置在其内部形成一个中间像面，该遮光器件设置在该中间像面的位置；
该遮光器遮挡中间像面特定位置的像素点。
根据本发明的至少一个实施例，本发明提供的光学装置还包括控制器，该控制器与该光源连接并适于控制该光源的发光强度。
根据本发明的至少一个实施例，本发明提供的光学装置还包括控制器，该控制器生成第一控制相位和第二控制相位并根据该第一控制相位和第二控制相位控制该第一空间光调制器和该第二空间光调制器的相位分布。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器具有接口，且适于通过该接口接收输入信号，该输入信号包括一个或多个帧，该输入信号的每个该帧包括强度信息，该强度信息是振幅分布信息Axy或光能分布信息Axy 2，该控制器将该输入信号转化为输入光场分布信息其中是代表该输入信号的目标相位信息；
该控制器中获得该光源发射到该第一空间光调制器上的第一调制器光强和第一调制器相位该控制器获得该光源发射到该第二空间光调制器上的第二调制器光强和第二调制器相位
该控制器以公式计算出第一控制相位和第二控制相位
该控制器根据该第一控制相位和该第二控制相位控制该第一空间光调制器和该第二空间光调制器的相位分布。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器具有接口，该控制器通过该接口接收输入信号，该输入信号包括强度信息，该强度信息是振幅分布信息Axy或光能分布信息Axy 2；
该控制器根据公式计算该第一空间光调制器的第一控制相位和该第二空间光调制器第二控制相位
该控制器根据该第一控制相位和该第二控制相位控制该第一空间光调制器和该第二空间光调制器的相位分布。
根据本发明的至少一个实施例，对于输入光场分布信息做光学变换，并将变换后的结果作为新的光场分布信息
根据本发明的至少一个实施例，该输入信号还包括该目标相位信息该控制器读取该强度信息和该目标相位信息获得该输入光场分布信息
根据本发明的至少一个实施例，该输入信号包括输入信号主体和特征信息B，该信号主体包括该强度信息，该控制器根据该强度信息获得该振幅分布信息Axy；
该控制器根据该振幅分布信息Axy和/或特征信息B生成该目标相位信息
根据本发明的至少一个实施例，该控制器使用Zernike多项式或Seidel多项式，根据该特征信息B生成该目标相位信息
根据本发明的至少一个实施例，该控制器中预存有至少一个预存特征信息B0，该控制器根据该预存特征信息B0生成该目标相位信息的至少一部分。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器根据该输入光场分布信息入射到该第一调制器上的光在第一调制器表面上的光强即第一调制器光强入射到该第二调制器上的光在第二调制器表面上的光强即第二调制器光强该第一调制器表面光波的相位即第一调制器相位和该第二调制器表面光波的相位即第二调制器相位
以公式计算出该第一控制相位以公式计算出该第二控制相位
该控制器将该第一控制相位和该第二控制相位离散化，根据离散化后的φ1 xy和φ2 xy控制该第一空间光调制器和该第二空间光调制器的相位分布。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器根据该输入信号，获得该振幅分布信息Axy的最大值Amax；
该控制器将输入光场分布以该最大值Amax归一化，获得归一化振幅信息
该控制器根据公式计算出第一控制相位和第二控制相位
根据本发明的至少一个实施例，该控制器根据该归一化振幅信息该第一调制器相位该第二调制器相位以公式计算出第一控制相位以公式计算出第二控制相位
该控制器将该第一控制相位和该第二控制相位离散化/量化，根据离散化/量化后的φ1 xy和φ2 xy控制该第一空间光调制器和该第二空间光调制器的相位分布。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器获得该光学装置中的误差；
该控制器调整该第一控制相位和该第二控制相位补偿该光学装置的误差；
该控制器根据补偿后的该第一控制相位和该第二控制相位控制该第一空间光调制器和该第二空间光调制器的相位分布。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器对该第一控制相位和该第二控制相位进行平移运算；
该控制器根据平移运算后的该第一控制相位和该第二控制相位控制该第一空间光调制器和该第二空间光调制器的相位分布。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器对该第一控制相位和该第二控制相位进行光程补偿；
或该控制器对获取的该第一调制器光强该第一调制器相位该第二调制器光强和该第二调制器相位进行光程补偿，生成该第一控制相位和该第二控制相位
该控制器根据光程补偿后的该第一控制相位和该第二控制相位控制该第一空间光调制器和该第二空间光调制器的相位分布。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器对该第一控制相位和该第二控制相位进行倾斜补偿；
该控制器根据倾斜补偿后的该第一控制相位和该第二控制相位控制该第一空间光调制器和该第二空间光调制器的相位分布。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器对该相位分布进行针对空间光调制器的形变进行形变补偿；
该控制器根据形变补偿后的该第一控制相位和该第二控制相位控制该第一空间光调制器和该第二空间光调制器的相位分布。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器根据高斯分布和至少一个测量结果获得该光源发射到该第一空间光调制器和该第二空间光调制器上的该第一调制器光强该第一调制器相位该第二调制器光强和该第二调制器相位中的至少一个。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器根据该第一空间光调制器和该第二空间光调制器的物理参数(例如、分辨率、像素尺寸、位深度、调制范围、开口率等)和特征信息使用Zernike多项式或Seidel多项式生成该第一调制器相位和该第二调制器相位
根据本发明的至少一个实施例，该控制器获得用户视力信息，并将该用户视力信息作为特征信息的至少一部分生成该目标相位信息。
根据本发明的至少一个实施例，该光源分时发出不同频段的入射光线，该控制器将每个帧根据光源的频率分为多个子帧，并针对每个子帧生成子光场分布信息
至少有一个该子光场分布信息的分辨率与其他子光场分布信息的分辨率不同。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器在时域上累加该多个子光场分布信息并根据该子光场分布信息同步控制该第一空间光调制器和该第二空间光调制器的相位分布。
根据本发明的至少一个实施例，该输入信号包括信号主体和一个特征信息Bn，该输入信号的每个该帧的振幅信息和/或相位信息对应该特征信息Bn；
或该输入信号包括信号主体和多个特征信息Bn，该输入信号的每个该帧的振幅信息和/或相位信息对应该多个特征信息Bn中的一个或者多个。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器与该光源连接并适于控制该光源的发光强度；
该控制器提取该输入信号的振幅分布信息Axy或光能分布信息Axy 2，将每个该帧的振幅分布信息或光能分布信息求和，并根据该求和的结果控制所光源的输出。
根据本发明的至少一个实施例，该特征信息B包括代表用户和目标光场中所包含各图像的各个空间位置之间的空间距离信息，代表用户的观看角度的角度信息、光学系统像差信息、观看者视力信息中的至少一个。
根据本发明的至少一个实施例，当目标相位信息包含等效透镜或透镜阵列的相位分布时，该等效透镜的光学中心与空间光调制器中心偏离；或该透镜阵列中每个子透镜的光学中心与该空间光调制器上对应相位区域的中心偏离。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器，是GPU芯片、FPGA芯片或ASIC芯片，该控制器将每一该帧转换为一振幅分布信号及相位分布信号。
根据本发明的至少一个实施例，该输入信号通过DISPLAY PORT、MIPI、LVDS、RGB或HDMI的视频数据接口中的至少一个传输。
根据本发明的至少一个实施例，特征信息B和/或目标相位信息通过至少一根特定数据线传输，该输入信号主体以该特定数据线以外的方式传输。
根据本发明的至少一个实施例，该控制器在启动后，同步该第一空间光调制器、该第二空间光调制器和该光源。
为了解决本发明的至少一部分技术问题，本发明还提供一种光学系统，包括多套上述光学装置和一总控制器，该总控制器控制该多套光学装置协同工作。
根据本发明的至少一个实施例，其中该空间光调制器使用相位调制器件。
根据本发明的至少一个实施例，其中该空间光调制器使用相位调制的硅基液晶器件。
根据本发明的至少一个实施例，本发明提供的光学装置还包括二次合光系统，将合光后未导入输出光路的光线与已进入输出光路的光线再次合路并共同输出。
本发明提的光学装置由于使用了两个空间光调制器来形成目标光场，所以能够同时高质量的还原光场的振幅和相位，可以在不同成像距离上进行高质量成像。
应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，而非限制性的。这些详细描述旨在为如权利要求该的本发明提供进一步的解释。
附图说明
包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：
图1示出了本发明的光学装置的第一个非限制性例子的结构示意图；
图2示出了本发明的光学装置的第二个非限制性例子的结构示意图；
图3示出了本发明的光学装置的第三个非限制性例子的结构示意图；
图4示出了本发明的光学装置的第四个非限制性例子的结构示意图；
图5示出了本发明的光学装置的第五个非限制性例子的结构示意图；
图6示出了本发明的光学装置的第六个非限制性例子的结构示意图。
具体实施方式
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
首先参考图1来说明本发明的第一个实施例的结构。如图1所示，根据一个非限制性的例子，本发明的光学装置，包括第一空间光调制器1、第二空间光调制器2和光源3。其中光源3向第一空间光调制器1和第二空间光调制器2发射入射光线。
第一空间光调制器1和第二空间光调制器2调制入射光线并将调制后的入射光线作为输出光线输出，输出自第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的输出光线相互叠加形成目标光场100。具体的叠加方式可以如图1所示的，第一空间光调制器1和第二空间光调制器2都是透射式空间光调制器，光源3发出的光线依次穿过第一空间光调制器1和第二空间光调制器2，并形成目标光场100。该目标光场100可以显示在一个如图1中所示的屏幕10上，也可以是其他形式的。例如，可以是没有屏幕而分布在空间中的。
值得注意的是，以上的例子只是对本发明所提出的光学装置的一个可选的例子的说明。本发明所提出的光学装置的许多部分都可以具有多种多样的设置方式。下面以一些非限制性的例子对本发明的至少一部分变化进行进一步的说明。
参考图2，根据一个非限制性的例子，本发明所提出的光学装置除了包含第一空间光调制器1、第二空间光调制器2和光源3外还包含分/合路器4，光源3适于向分/合路器发出入射光线31。分/合路器4能够将来自光源3的入射光线31分路，并传输至第一空间光调制器1和第二空间光调制器2。分/合路器4能够将来自第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的输出光线互叠加，并将相互叠加的输出光线输出。相互叠加的输出光线形成目标光场。
参考图3，根据一个非限制性的例子，本发明所提出的光学装置除了前一个非限制性例子中的部件外，还具有第一透镜系统5，第一透镜系统5设置在光源3和分/合路器4之间。第一透镜系统5的作用是，调制来自光源3的入射光线，并将调制后入射光线输入分/合路器4。第一透镜系统5既可以是如图3中所示的，包括一个透镜，也可以是一个包括多个透镜的透镜组。调制来自光源3的入射光线的具体方式可以是多样的，例如，可以将来自光源3的入射光线调制为平行光。
值得注意的是，虽然上述例子中记载了具有第一透镜系统5的光学装置，但事实上，该光学装置还可以具有除了第一透镜系统5以外的透镜系统。例如，参考图4，根据一个非限制性的例子，本发明提供的光学装置除了第一透镜系统5以外，还有一第二透镜系统8以便对输出光线进行处理，以改变目标光场的参数。
参考图5，根据一个非限制性的例子，本发明所提出的光学装置除了前一个非限制性例子中的部件外，还具有波导器件6。该波导器件6具有第一端61和第二端62。该波导器件6的第一端61设置在分/合路器4的输出位置，以便接收来自分/合路器4的输出光线。波导器件6将所接收到的输出光线传输至第二端62，并将这些光线在第二端62处输出，从而形成目标光场。可选的，该波导器件6能够对目标光场进行放大视场或扩展出瞳(当然也可以同时进行放大视场和扩展出瞳)。
值得注意的是，上述例子只是用于说明波导器件6能够实现的功能，并不代表对目标光场进行放大视场、扩展出瞳等处理仅能以波导器件6实现。例如，还可以使用光栅器件或者光栅波导或者透镜阵列对目标光场进行放大视场和/或扩展出瞳。这样的变化显然也应当属于本案的保护范围。
参考图6，根据一个非限制性的例子，本发明所提出的光学装置还包括二次合路系统9，用以将经过合路器后未被耦合入输出光路的光再次耦合进入系统。该二次合路系统9包括偏振棱镜91、旋光器件92、反射面93
在当前的光学装置中，光源3出射的光经第一透镜系统5调制后首先经过偏振棱镜91，光源3出射的光的偏振方向使光线全部透过偏振棱镜91并传播至旋光器件92，旋光器件92使光线偏振方向旋转45°，再传播至作为分/合路器4的分光/合光棱镜4。分光/合光棱镜4将光束分为相等的两部分分别入射至第一空间光调制器1和第二空间光调制器2。这些光束被第一空间光调制器1和第二空间光调制器2调制后，返回至分光/合光棱镜4。返回的光束一半被传输至反射面93的方向，另一半则传输至旋光器件92的方向。被传输至反射面93方向的光线被反射并导入至偏振合光面或偏振棱镜94。自分光/合光棱镜4射出至旋光器件92的光线其偏振方向再次被旋转45°，然后出射至偏振棱镜91。由于相比初始入射光，此时，这些光束的偏振方向已累计旋转90°。这些光将被偏振棱镜91反射并导入偏振合光面94，与被反射面93反射的光线合路。
上述偏振棱镜91，旋光器件92，反射面93及偏振合光面94(或偏振棱镜)共同组成了一种非限定的二次合路系统9。当然，在其他的非限制性例子中，也可以使用其它的方式来构成二次合路系统。引入二次合路器件的好处在于可以提高光源利用率，提高亮度。此外，在偏振合光面94与偏振棱镜91之间还可以再加入一个旋光器件，将光线的偏振方向旋转45°。这样偏振棱镜91和反射面93分别输出到偏振合光面94上的光线的偏振方向将会相差90°，能够提高合光效率，同时不会相互干扰，避免出现由于精度问题产生的干涉条纹或造成散斑。
此外上述几个例子中光学装置的结构也仅是对本发明提供的光学装置的结构的示例性说明。事实上，本发明提供的光学装置还可以具有其他的结构，以实现更多的功能。例如本发明提供的光学装置还可以具有滤波器件。滤波器可以设置在第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的输出光线的路径上，以便对第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的输出光线进行滤波。通过滤波，能够使得输出光线中的至少一部分具有某些用户不想要的特定的角度的光线无法透过滤波器，例如过滤掉与光轴平行的0级光线。
又例如，本发明提供的光学装置还可以具有遮光器件。光学装置在其内部形成一个中间像面，这一中间像面可以是单纯通过调制第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相位形成的，也可以是由第一空间光调制器1和第二空间光调制器2与透镜、光阑等其他结构共同形成的。遮光器件可以设置在该中间像面的位置上，以遮挡用于形成目标光场的一部分像素的光线，使得在目标光场上，有一部分像素的位置没有被光线照射。例如在中间像面位置设置一透明材料，材料的中心位置为一不透光的黑点用于遮挡0级亮斑，正负1级之外的位置被光阑遮挡，这样可以保证图像中除1级之外多余的衍射级都被遮挡。
回到图3，根据一个非限制性的例子，本发明所提出的光学装置还具有控制器7。该控制器7与光源3连接并能够控制光源3的发光强度。其具体的控制方法可以是多样的。其中一种可选的方法是，控制器7首先提取输入信号的振幅分布信息Axy或光能分布信息Axy 2。然后，控制器7将每个帧的振幅分布信息或光能分布信息求和，再按照该和的结果控制所光源3的输出。
可选的，在当前的非限制性例子中，控制器7还与第一空间光调制器1和第二空间光调制器2连接。因此还能够控制该第一空间光调制器1和第二空间光调制器2。具体的控制方法可以是，控制器7能够生成第一控制相位和第二控制相位并根据生成的第一控制相位和第二控制相位来控制第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相位分布。
值得注意的是，当前的例子只是对本发明所提出的光学装置的一个可选的例子的说明。当前例子中的光学装置的许多部分都可以具有多种多样的设置方式。例如，控制器7在启动后，还可以先同步第一空间光调制器1、第二空间光调制器2和光源3。
继续参考图3，根据一个非限制性的例子，本发明所提出的光学装置的控制器7具有接口71。控制器7能够通过接口71接收来自外部的输入信号。输入信号可以是例如视频文件、流媒体文件等。该输入信号包括一个或多个帧，并且该输入信号的每个帧都包括强度信息。强度信息可以是振幅分布信息Axy，也可以是光能分布信息Axy 2。控制器7将输入信号转化为目标光场分布信息其中是代表输入信号的目标相位信息。此外，控制器7中存有光源3发射到第一空间光调制器1上的光线的情况。具体的，控制器7获得有光源3发射到第一空间光调制器1上光强，即第一调制器光强和光源3发射到第一空间光调制器1上的光线的相位信息，即第一调制器相位此处的“获得”应作为广义理解。例如，控制器7可以从接口71接收第一调制器光强第一调制器相位也可以是控制器7读取存储器中已经存有的第一调制器光强第一调制器相位
相应的，控制器7还获得光源3发射到第二空间光调制器2上的光的第二调制器光强和第二调制器相位根据以上的信息，控制器7就能够通过运用以下的公式(1)计算出第一控制相位和第二控制相位
计算出第一控制相位和第二控制相位后，控制器7根据第一控制相位和第二控制相位控制第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相位分布。
值得注意的是，上述例子只是控制器7控制第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相位分布的一个可选的方式。控制器7还可以以其他方式控制第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相位分布。例如，根据另一个非限制性的例子，控制器7通过接口接收输入信号，输入信号包括强度信息，强度信息是振幅分布信息Axy或光能分布信息Axy 2。在此基础上，控制器7默认输入到空间光调制1和2上的光的光强都是均匀分布且为1，相位分布也都相同，例如全为ei×0，则可以用下的公式(2)计算第一空间光调制器1的第一控制相位和第二空间光调制器2第二控制相位
此外，上述例子还可以在多个方面具有多种变化。一方面，根据一个非限制性的例子，控制器7还能够先对输入光场分布信息做光学变换，并将变换后的结果作为新的光场分布信息进行后续运算。其中光学变换可以是傅立叶正/逆变换或菲涅尔正逆变换或以角频谱的模型传播一定距离的光场等。
另一方面，控制器7将输入信号转化为输入光场分布信息的方法可以是多样的。根据一个非限制性的例子，输入信号中即包含了目标相位信息φxy。此时，控制器7可以直接读取强度信息和目标相位信息φxy，获得输入光场分布信息根据另一个非限制性的例子，输入信号包括输入信号主体和特征信息B，信号主体包括强度信息。控制器7根据强度信息获得振幅分布信息Axy，并根据振幅分布信息Axy和/或特征信息B生成目标相位信息控制器在生成目标相位信息时采用的具体方法可以是多样的。例如，可以使用Zernike多项式或Seidel多项式生成目标相位信息
值得注意的是，输入信号除了包括信号主体外，包含的特征信息B的数量可以是一个或者多个。当输入信号包括信号主体和一个特征信息Bn时，输入信号的每个所述帧的振幅信息和/或相位信息都对应这一特征信息Bn。当输入信号包括信号主体和多个特征信息Bn时，输入信号的每个所述帧的振幅信息和/或相位信息则既可以对应多个特征信息Bn中的一个，也可以对应多个特征信息Bn中的多个。多个特征信息Bn可以表示为一系列数和/或数组的组合。例如，其中B1代表成像距离，B2代表成像角度等，输入信号的每个帧的信息(例如振幅信息和/或相位信息)都可以被设置为对应多个特征信息Bn中的一个或者多个，即各帧的信息可以对应不同的特征信息Bn。此外，特征信息Bn可以是包括各种内容的。例如，特征信息Bn可以是包括代表用户和目标光场中所包含的一个或多个图像的一个或多个空间位置之间的距离的空间距离信息，代表用户的观看角度的角度信息、光学系统像差信息、观看者视力信息等。
特征信息B和/或目标相位信息的传输可以是与输入信号主体一起通过同一数据线传输的。或者，设置有一根或多根特定数据线以传输该特征信息B和/或目标相位信息同时，输入信号主体则通过特定数据线以外的其他传输方式传输。
当然，输入信号中也可以不包括特征信息B，在控制器7中预存有至少一个预存特征信息B0。控制器7根据预存特征信息B0生成所述目标相位信息其中预存特征信息B0可以是一个数值，也可以是二维数组，例如相位信息当预存特征信息B0是一个数值时，控制器7使用该预存特征信息B0生成所述目标相位信息当预存特征信息B0是二维数组，例如相位信息时，则控制器7可以直接将相位信息作为所述目标相位信息
又或者控制器7可以预存有至少一个特征信息B0，同时其它特征信息Bn从外部输入，在这种设置下，控制器7根据预存特征信息B0及外部输入特征信息Bn计算后生成目标相位信息
控制器7根据各种信息，计算出第一控制相位和第二控制相位的具体方法可以是多样的。根据一个非限制性的例子，控制器7根据输入光场分布信息第一调制器光强第二调制器光强第一调制器相位和第二调制器相位以下列的公式(3)计算出第一控制相位
相应的，控制器7根据上述信息，下列的公式(4)计算出二控制相位
根据一个非限制性的例子，控制器7根据输入信号，获得振幅分布信息Axy的最大值Amax。在此基础上，控制器7将输入光场分布以最大值Amax归一化，获得归一化振幅信息
在获得归一化振幅信息后，控制器7根据以下公式(5)计算出第一控制相位和第二控制相位
根据一个非限制性的例子，控制器7在根据归一化振幅信息第一调制器相位第二调制器相位以公式(3)和公式(4)分别计算出第一控制相位和第二控制相位后，可以先将第一控制相位和第二控制相位离散化/量化。控制器7根据离散化后的φ1 xy和φ2 xy控制第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相位分布。
根据一个非限制性的例子，控制器7获得光源3发射到第一空间光调制器1的第一调制器光强和/或第一调制器相位类似地，控制器7获得光源3发射到第二空间光调制器2上的第二调制器光强和/或第二调制器相位同时，控制器7还获得光学装置中的误差。在此基础上，控制器7可以通过调整第一控制相位和第二控制相位来补偿光学装置的误差。补偿光学装置的误差后，控制器7根据补偿后的第一控制相位和第二控制相位控制第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相位分布。
上述非限制性例子中的补偿的具体方式可以是多样的。在一些例子中，原始设计时经过分路器后入射到空间光调制器1和2的第一调制器光强及相位和第二调制器光强及相位应该是一样的，即但在实际情况中，由于器件的误差及安装的误差，往往第一调制器光强及相位和第二调制器光强及相位并不完全相同，则此时可以通过对控制相位进行补偿来提高最终输出光场的质量。例如，由于器件的结构精度或安装精度，经过分路器后的光束1、2照射到空间光调制器1、2上的相对位置并不完全相同，则控制器7可以对第一控制相位和第二控制相位进行平移运算，并根据平移运算后的第一控制相位和第二控制相位控制第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相位分布。
又例如，由于原始设计或误差的原因，在分路后光线入射到空间光调制器1和2所经历的光程并不完全相同，则控制器7可以进行光程补偿。补偿的具体方法既可以是直接对第一控制相位和第二控制相位进行光程补偿。也可以是对接收到的第一调制器光强第一调制器相位第二调制器光强和第二调制器相位进行补偿。控制器7用补偿后的上述信息生成第一控制相位和第二控制相位然后控制器7根据光程补偿后的第一控制相位和第二控制相位控制第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相位分布。
又例如，空间光调制器1和2在安装过程中由于误差导致两个表面之间的角度与原设计有误差，则控制器7可以对第一控制相位和第二控制相位进行倾斜补偿，并根据倾斜补偿后的第一控制相位和第二控制相位控制第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相位分布。还例如，空间光调制器在生产制造或安装过程中可能产生形变，即表面并非一个完美的平面，从而造成最终输出光场中的误差，此时控制器7可以对第一控制相位和第二控制相位进行形变补偿，并根据形变补偿后的第一控制相位和第二控制相位控制第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相位分布。
值得注意的是，控制器7获得光源3发射到第一空间光调制器1和第二空间光调制器2上的第一调制器光强第一调制器相位第二调制器光强和第二调制器相位等信息的具体方式可以是多样的。例如，根据一个非限制性的例子，控制器7根据至少一个测量结果，结合高斯分布的数学模型，获得光源3输入到第一空间光调制器1和第二空间光调制器2上的第一调制器光强第一调制器相位第二调制器光强和第二调制器相位中的至少一个。由于光源3发出的光线一般符合高斯分布，这样的设置能够提升上述数据的精度。
值得注意的是，控制器7在上述实施例中生成第一调制器相位和第二调制器相位时，还可以结合第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相关信息。例如，控制器7根据第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的像素尺寸、分辨率等物理参数结和特征信息使用Zernike多项式或Seidel多项式生成第一调制器相位和第二调制器相位这样的设置使得生成的第一调制器相位分布和第二调制器相位分布输出到第一空间光调制器1和第二空间光调制器2后，可以达到预期的效果。
此外，控制器7还可以利用其它信息来进一步提升输出效果，例如根据一个非限制性的例子，控制器7可以获得例如用户近视情况之类的用户视力信息，并将这些用户视力信息作为特征信息的至少一部分，来生成目标相位信息。
根据一个非限制性的例子，光源3还可以被设置为，在不同的时间段内分时发出不同频段的入射光线(例如，分时发出RGB颜色的光线)，控制器7把每个帧根据光源3的频率分为多个子帧。然后，针对每个子帧生成子光场分布信息在此基础上，控制器7就能为不同频段的入射光线配置不同的子光场分布信息的分辨率，或者根据入射光线频率来调整目标相位信息和/或调整第一控制相位和第二控制相位以校正色差。可选的，在当前的非限制性例子中，控制器7还能够在时域上累加多个子光场分布信息并根据子光场分布信息同步控制第一空间光调制器1和第二空间光调制器2的相位分布。
根据一个非限制性的例子，当目相位信息包含等效透镜或透镜阵列的相位分布时，等效透镜的光学中心可以是与空间光调制器的中心对齐的，也可以是偏离的。或者，透镜阵列中每个子透镜的光学中心与空间光调制器上对应相位区域的中心是偏离的。这样做的好处是可把有效的光场输出与空间光调制器产生的无效的0级衍射分离开来，便于后续对零级做遮蔽或者通过角度滤波的方式去除0级。
在上述非限制性例子中，许多部件都能够以不同的硬件实现。例如，控制器7，是GPU芯片、FPGA芯片或订制的ASIC芯片构成的系统。使用这些芯片制成的控制器7由于具有较强的数据处理能力，可以将每一帧转换为一振幅分布信号及相位分布信号。又例如，输入信号可以通过DISPLAY PORT、MIPI、LVDS、RGB、HDMI或自定义的视频数据接口中的至少一个传输。
值得注意的是，虽然上述例子中，仅对于本发明提出的光学装置内部的结构和其本身运作方式进行了说明。但事实上，本发明提出的光学装置还可以以集成的方式运作。即，可以使多个本发明的光学装置进行协同工作，组成一个光学系统，并设置一个总控制器，来对该系统内的多套光学装置进行控制。例如使用两套本发明所述的光学装置，作为一副AR眼镜，每套光学装置输出的光场分别投入佩戴者的左眼或右眼，两套光学装置输出的光场可以不同，同时又通过控制器同步这两套光学装置输出的光场，这样能够产生更好的观看效果。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换。因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (42)

1.一种光学装置，包括光源、第一空间光调制器、第二空间光调制器，所述光源向所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器发射入射光线；
所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器调制所述入射光线并将调制后的所述入射光线作为输出光线输出，输出自所述第一空间光调制器和第二空间光调制器的输出光线相互叠加形成目标光场。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于：还包括分/合路器，所述光源适于向所述分/合路器发出所述入射光线；
所述分/合路器适于将来自所述光源的所述入射光线传输至所述第一空间光调制器和第二空间光调制器，所述分/合路器适于将来自所述第一空间光调制器和第二空间光调制器的输出光线互叠加，并将相互叠加的所述输出光线输出。
3.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于：还包括第一透镜系统，所述第一透镜系统设置在所述光源和所述分/合路器之间，所述第一透镜系统适于调制来自所述光源的所述入射光线，并将调制后所述入射光线输入所述分/合路器。
4.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于：还包括波导器件，所述波导器件具有第一端和第二端，所述第一端设置在所述分/合路器的输出位置并适于接收来自所述分/合路器的输出光线；
所述波导器件传输所述输出光线，并在所述第二端输出所述输出光线形成目标光场。
5.根据权利要求4所述的光学装置，其特征在于：所述波导器件对所述目标光场进行放大视场和/或扩展出瞳。
6.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于：还包括光栅器件，对所述目标光场进行放大视场和/或扩展出瞳。
7.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于：还包括滤波器件，所述滤波器对输出自所述第一空间光调制器和第二空间光调制器的所述输出光线进行滤波；
所述滤波器使所述输出光线中的至少一部分具有预设角度的光线无法透过所述滤波器。
8.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于：还包括一遮光器件，所述光学装置在其内部形成一个中间像面，所述遮光器件设置在所述中间像面的位置；
所述遮光器遮挡用于形成所述目标光场的一部分像素的光线。
9.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于：还包括控制器，所述控制器与所述光源连接并适于控制所述光源的发光强度。
10.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于：还包括控制器，所述控制器生成第一控制相位和第二控制相位并根据所述第一控制相位和第二控制相位控制所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的相位分布。
11.根据权利要求10所述的光学装置，其特征在于：所述控制器具有接口，且适于通过所述接口接收输入信号，所述输入信号包括一个或多个帧，所述输入信号的每个所述帧包括强度信息，所述强度信息是振幅分布信息Axy或光能分布信息Axy 2，所述控制器将所述输入信号转化为输入光场分布信息其中是代表所述输入信号的目标相位信息；
所述控制器中获得所述光源发射到所述第一空间光调制器上的光的第一调制器光强和第一调制器相位所述控制器获得所述光源发射到所述第二空间光调制器上的光的第二调制器光强和第二调制器相位
所述控制器以公式计算出第一控制相位和第二控制相位
所述控制器根据所述第一控制相位和所述第二控制相位控制所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的相位分布。
12.根据权利要求10所述的光学装置，其特征在于：所述控制器具有接口，所述控制器通过所述接口接收输入信号，所述输入信号包括强度信息，所述强度信息是振幅分布信息Axy或光能分布信息Axy 2；
所述控制器根据公式计算所述第一空间光调制器的第一控制相位和所述第二空间光调制器第二控制相位
所述控制器根据所述第一控制相位和所述第二控制相位控制所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的相位分布。
13.根据权利要求11或12所述的光学装置，其特征在于：对于输入光场分布信息做光学变换，并将变换后的结果作为新的光场分布信息
14.根据权利要求11或12所述的光学装置，其特征在于：所述输入信号还包括所述目标相位信息φxy，所述控制器读取所述强度信息和所述目标相位信息φxy，获得所述输入光场分布信息
15.根据权利要求11或12所述的光学装置，其特征在于：所述输入信号包括输入信号主体和特征信息B，所述信号主体包括所述强度信息，所述控制器根据所述强度信息获得所述振幅分布信息Axy；
所述控制器根据所述振幅分布信息Axy和/或特征信息B生成所述目标相位信息
16.根据权利要求15中任一项所述的光学装置，其特征在于：所述控制器使用Zernike多项式或Seidel多项式，根据所述特征信息B生成所述目标相位信息
17.根据权利要求11所述的光学装置，其特征在于：所述控制器中预存有至少一个预存特征信息B0，所述控制器根据所述预存特征信息B0生成所述目标相位信息
18.根据权利要求11所述的光学装置，其特征在于：所述控制器根据所述输入光场分布信息所述第一调制器光强所述第二调制器光强所述第一调制器相位和所述第二调制器相位
以公式计算出所述第一控制相位以公式计算出所述第二控制相位
所述控制器将所述第一控制相位和所述第二控制相位离散化，根据离散化后的φ1 xy和φ2 xy控制所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的相位分布。
19.根据权利要求11所述的光学装置，其特征在于：所述控制器根据所述输入信号，获得所述振幅分布信息Axy的最大值Amax；
所述控制器将输入光场分布以所述最大值Amax归一化，获得归一化振幅信息
所述控制器根据公式计算出第一控制相位和第二控制相位
20.根据权利要求19所述的光学装置，其特征在于：所述控制器根据所述归一化振幅信息所述第一调制器相位所述第二调制器相位以公式
计算出第一控制相位以公式计算出第二控制相位
所述控制器将所述第一控制相位和所述第二控制相位离散化，根据离散化后的φ1 xy和φ2 xy控制所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的相位分布。
21.根据权利要求11所述的光学装置，其特征在于：所述控制器获得所述光学装置中的误差；
所述控制器调整所述第一控制相位和所述第二控制相位补偿所述光学装置的误差；
所述控制器根据补偿后的所述第一控制相位和所述第二控制相位控制所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的相位分布。
22.根据权利要求21所述的光学装置，其特征在于：所述控制器对所述第一控制相位和所述第二控制相位进行平移运算；
所述控制器根据平移运算后的所述第一控制相位和所述第二控制相位控制所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的相位分布。
23.根据权利要求21所述的光学装置，其特征在于：所述控制器对所述第一控制相位和所述第二控制相位进行光程补偿；
或所述控制器对获取的所述第一调制器光强所述第一调制器相位所述第二调制器光强和所述第二调制器相位进行光程补偿，生成所述第一控制相位和所述第二控制相位所述控制器根据光程补偿后的所述第一控制相位和所述第二控制相位控制所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的相位分布。
24.根据权利要求21所述的光学装置，其特征在于：所述控制器对所述第一控制相位和所述第二控制相位进行倾斜补偿；
所述控制器根据倾斜补偿后的所述第一控制相位和所述第二控制相位控制所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的相位分布。
25.根据权利要求21所述的光学装置，其特征在于：所述控制器对所述相位分布进行针对空间光调制器的形变进行形变补偿；
所述控制器根据形变补偿后的所述第一控制相位和所述第二控制相位控制所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的相位分布。
26.根据权利要求21所述的光学装置，其特征在于：所述控制器根据高斯分布和至少一个测量结果获得所述光源发射到所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器上的所述第一调制器光强所述第一调制器相位所述第二调制器光强和所述第二调制器相位中的至少一个。
27.根据权利要求21-26中任一项所述的光学装置，其特征在于：所述控制器根据所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的物理参数和特征信息使用Zernike多项式或Seidel多项式生成所述第一调制器相位和所述第二调制器相位
28.根据权利要求11所述的光学装置，其特征在于：所述控制器获得用户视力信息，并将所述用户视力信息作为特征信息的至少一部分生成所述目标相位信息。
29.根据权利要求11所述的光学装置，其特征在于：所述光源分时发出不同频段的入射光线，所述控制器将每个所述帧根据光源的频率分为多个子帧，并针对每个所述子帧生成子光场分布信息
至少有一个所述子光场分布信息的分辨率与其他子光场分布信息的分辨率不同。
30.根据权利要求29所述的光学装置，其特征在于：所述控制器在时域上累加所述多个子光场分布信息并根据所述子光场分布信息同步控制所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的相位分布。
31.根据权利要求15所述的光学装置，其特征在于：所述输入信号包括信号主体和一个特征信息Bn，所述输入信号的每个所述帧的振幅信息和/或相位信息对应所述特征信息Bn；
或所述输入信号包括信号主体和多个特征信息Bn，所述输入信号的每个所述帧的振幅信息和/或相位信息对应所述多个特征信息Bn中的一个或者多个。
32.根据权利要求11所述的光学装置，其特征在于：所述控制器与所述光源连接并适于控制所述光源的发光强度；
所述控制器提取所述输入信号的振幅分布信息Axy或光能分布信息Axy 2，将每个所述帧的振幅分布信息或光能分布信息求和，并根据所述求和的结果控制所光源的输出。
33.根据权利要求31所述的光学装置，其特征在于：所述特征信息B包括代表用户和所述目标光场中所包含的图像的空间位置之间的距离的空间距离信息，代表用户的观看角度的角度信息、光学系统像差信息、观看者视力信息中的至少一个。
34.根据权利要求11所述的光学装置，其特征在于：当目标相位信息包含等效透镜或透镜阵列的相位分布时，所述等效透镜的光学中心与空间光调制器中心偏离；或所述透镜阵列中每个子透镜的光学中心与所述空间光调制器上对应相位区域的中心偏离。
35.根据权利要求9-11中任意一项所述的光学装置，其特征在于：所述控制器，是GPU芯片、FPGA芯片或ASIC芯片，所述控制器将每一所述帧转换为一振幅分布信号及相位分布信号。
36.根据权利要求11或12所述的光学装置，其特征在于：所述输入信号通过DISPLAYPORT、MIPI、LVDS、RGB或HDMI的视频数据接口中的至少一个传输。
37.根据权利要求31所述的光学装置，其特征在于：特征信息B和/或目标相位信息通过至少一根特定数据线传输，所述输入信号主体以所述特定数据线以外的方式传输。
38.根据权利要求9、10或11所述的光学装置，其特征在于：所述控制器在启动后，同步所述第一空间光调制器、所述第二空间光调制器和所述光源。
39.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述空间光调制器使用相位调制器件。
40.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述空间光调制器使用相位调制的硅基液晶器件。
41.根据权利要求2所述的光学装置，还包括二次合光系统，将合光后未导入输出光路的光线与已进入输出光路的光线再次合路并共同输出。
42.一种光学系统，包括多套如权利要求1-26、28-34、37和39-41中任意一项的光学装置和一总控制器，所述总控制器控制所述多套光学装置协同工作。
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