CN111771168A - 用于形成三维光场分布的光学器件、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成三维光场分布的光学器件(100)，包括：单位晶格(104)的阵列(102)，单位晶格(104)可单独寻址以用于在第一状况和第二状况之间切换单位晶格(104)的光学特性；其中单位晶格(104)被配置为选择性地活跃或不活跃，并且其中，阵列(102)至少包括第一和第二不相交子集(110；112；114；116)，并且其中，子集(110；112；114；116)中的单位晶格(104)被配置成从不活跃联合切换到活跃，其中活跃单位晶格(104)被配置成与入射光束(106)相互作用以形成三维光场分布；并且其中，该光学器件(100)被配置成寻址不活跃单位晶格(104)以用于切换单位晶格(104)的光学特性。

Description

用于形成三维光场分布的光学器件、系统和方法
技术领域
本发明概念涉及一种用于形成三维光场分布的光学器件。具体而言，本发明概念涉及可形成三维光场以显示全息图像的光学器件。
背景
全息图像通过对光场的三维控制来形成。具体而言，如果期望呈现变化的全息图像(诸如呈现全息视频)，则用于形成三维光场的光学器件可能需要被控制以改变特性。
用于形成三维光场分布的光学器件可包括单位晶格的阵列。单位晶格的阵列可与入射光束相互作用以一起形成期望的三维光场。由此可能需要控制单位晶格以控制每个单位晶格与光的相互作用，以使得形成期望的三维光场。因此，当要呈现新的全息图像时，大量的单位晶格需要被重新配置为期望状态以改变正被呈现的全息图像。
由此，全息视频投影仪需要将大量数据写入单位晶格的阵列中。对于典型的全息视频投影仪，为了使观看全息视频的观看者的体验不受阻碍，需要在10ms数量级的时间帧中以100nm的间距(毗邻单位晶格之间的距离)写入数十Gb的数据。
写入这样的数据量是非常困难的任务。
概述
本发明概念的目标是提供一种改进的光学器件，该光学器件可用于对三维光场分布的改进的控制。本发明概念的特定目标是提供一种光学器件，该光学器件至少缓解向单位晶格的阵列写入非常大的数据量来显示全息视频的问题。
本发明的这些和其他目标至少部分地由独立权利要求中限定的本发明来满足。优选实施例在从属权利要求中陈述。
根据第一方面，提供了一种用于形成三维光场的分布的光学器件，所述光学器件包括：单位晶格的阵列，其中单位晶格的该阵列中的单位晶格可单独寻址以用于控制单位晶格的光学特性，其中对单位晶格的寻址被配置成：将单位晶格的光学特性在光学特性的第一状况和光学特性的第二状况之间切换；其中单位晶格的该阵列中的单位晶格被配置为选择性地活跃或不活跃，并且其中，单位晶格的该阵列至少包括单位晶格的第一子集和单位晶格的第二子集，其中该第一子集和该第二子集不相交，并且其中，单位晶格的子集中的单位晶格被配置成从不活跃联合切换到活跃，其中，活跃单位晶格被配置成：与入射光束相互作用并协作以形成三维光场的分布；并且其中，该光学器件被配置成：当单位晶格不活跃时寻址不活跃单位晶格以切换单位晶格的光学特性。
归因于根据第一方面的光学器件，单位晶格的阵列包括第一子集和第二子集。单位晶格由此可以选择性地不活跃或活跃，其中仅活跃单位晶格对在给定时间点形成三维光场的分布有贡献。这意味着不活跃单位晶格在不活跃时可被寻址，以将表示要显示的下一全息图像的信息写入不活跃单位晶格中。信息的写入通过控制相应单位晶格的光学特性的状况来执行。由此，对于将关于下一全息图像的信息提供给不活跃单位晶格的写入时间存在相对宽松的要求，这是因为该信息可在正在显示先前图像时被写入。
对单位晶格的至少第一子集和第二子集的使用意味着在形成三维光场分布时不同时使用所有单位晶格。因此，可以对全息图像的分辨率、亮度和质量作出折衷，以使得能够将大量信息写入单位晶格的阵列以显示全息视频。
可能需要单独寻址单位晶格以切换单位晶格的光学特性的状况以用于形成三维光场的期望分布。每个单位晶格可以具有光学特性的单独设置的状况，以使得形成期望的分布。这意味着可能需要单独寻址单位晶格以控制每个单位晶格的光学特性的状况，这是耗时的操作或需要非常大量的并行控制线来寻址单位晶格。然而，通过在基于活跃单位晶格来显示全息图像的同时对不活跃单位晶格执行单位晶格的单独寻址，可用于寻址单位晶格的时间大幅增加(因为25帧每秒的典型帧率对应于单幅图像被显示达约40ms的时段)。
可以按非常快速的方式来执行单位晶格的子集从不活跃到活跃的切换(反之亦然)。由于子集中的单位晶格的光学特性的状况在对单位晶格的单独寻址中已被设置，因此可以对子集中的所有单位晶格执行共同操作，以确保该子集中的单位晶格从不活跃切换到活跃。由此，可以使用适用于子集中的所有单位晶格的单个控制信号来将该子集中的单位晶格从不活跃联合切换到活跃。
可使用单个控制信号来执行单位晶格从不活跃到活跃的联合切换，以使得子集中的所有单位晶格可被同时切换。然而，应当认识到，子集可与多条控制线相关联，其中每条控制线可以控制该子集中的多个单位晶格。由此，可以在该多条(但数量较少)的控制线上使用控制信号的序列来执行联合切换，以将单位晶格从不活跃切换到活跃。联合切换仍然可以在如此短的时间中执行以免影响观看全息视频的观看者的体验。
单位晶格的联合切换由此应当被解释为同时切换单位晶格，或者如果切换不是完全同时执行的，则应当足够快速地执行以免妨碍观看者体验。这可以通过可按预定义方式来控制的共同操作来实现。例如，该共同操作可由形成在多条控制线上提供的控制信号序列的控制信号数据包来触发。
如将在下面的各个实施例中例示的，单位晶格从不活跃到活跃的切换可例如使用与单位晶格相关联的遮光器结构来执行。
应当认识到，单位晶格的阵列可包括两个以上相互不相交的单位晶格子集。这可以提供甚至更多的时间来单独寻址子集中的单位晶格以将信息写入这些单位晶格。子集中的单位晶格在使用三个子集的情况下仅在1/3的时间内是活跃的，在使用四个子集的情况下仅在1/4的时间内是活跃的，依此类推。然而，在一些实现中，如果使用单位晶格的更多子集，则全息图像的分辨率可能受到甚至更大的影响。
应当认识到，三维光场分布的形成可被用于若干不同的应用中，诸如用于如上面讨论的全息视频的显示中，例如用于针对可控照明的任何类型的应用中。
还应当认识到，基于活跃子集的三维光场分布可仅对观看者所感知的全息图像部分有贡献。基于视觉暂留，用快速序列形成的全息图像可被感知为一起显示完整的全息图像。由此，基于第一活跃子集形成的三维光场分布可连同在形成该第一活跃子集的分布之后不久基于第二活跃子集形成的三维光场分布一起被观看者感知为完整的全息图像。
根据一实施例，第一子集中的单位晶格在单位晶格阵列中与第二子集中的单位晶格交错布置。
这意味着第一子集中的单位晶格可以散布在单位晶格的整个阵列上。同样地，第一子集中的单位晶格可以散布在单位晶格的整个阵列上。
在一个实施例中，每隔一个单位晶格是第一子集的一部分，并且每隔一个单位晶格是第二子集的一部分。这意味着第一子集中的每个单位晶格被布置在第二子集中的两个单位晶格之间，并且第二子集中的每个单位晶格被布置在第一子集中的两个单位晶格之间。在此类实施例中，子集中的单位晶格均匀地散布在单位晶格的整个阵列上，这可以促进在一系列顺序投影的全息图像中形成高质量的全息图像。
在另一实施例中，每个子集中的单位晶格可以散布在n×m个单位晶格的群集中。第一子集中的单位晶格的每个群集可以被布置在第二子集中的单位晶格的两个群集之间，反之亦然。
应当认识到，交错子集的其他配置是可能的。具体而言，单位晶格的阵列可包括两个以上子集，其中所有子集中的单位晶格可以交错。子集中的单位晶格可例如在单位晶格的阵列中形成规则的图案，以使得属于该子集的单个单位晶格或单位晶格的群集可以均匀地分布在单位晶格的阵列中。
根据一实施例，单位晶格的第一子集形成单位晶格的第一子阵列，并且单位晶格的第二子集形成单位晶格的第二子阵列，并且其中，该第一子阵列和该第二子阵列在共同基板上彼此毗邻布置。
这意味着单位晶格的每个子集可与单位晶格的阵列中的单独区域相关联。因此，作为同一子集的一部分的两个毗邻单位晶格之间的距离等于单位晶格阵列中的两个毗邻单位晶格之间的距离。因此，使用子集的这种布置，全息图像的分辨率不需要受到将单位晶格的阵列划分为两个或更多个子集的影响。
然而，多个子集仍然意味着在给定时间点显示全息图像时不同时使用所有单位晶格。因此，单位晶格的整个阵列可能仍然需要大于不会被划分成多个子集的单位晶格阵列。
根据一实施例，单位晶格的每个子集包括被配置成与第一波长的光相互作用的第一单位晶格以及被配置成与不同于该第一波长的光的第二波长的光相互作用的第二单位晶格。
这意味着该光学器件可以被配置成针对多个波长形成三维光场分布，以使得可以形成多色全息图像。每个子集由此可包括专用于与第一波长相互作用的第一单位晶格和专用于与第二波长相互作用的第二单位晶格，以使得在仅单个子集中的单位晶格可能是活跃的任何给定时间能够显示多色全息图像。
活跃子集可接收不同波长的入射光束序列。归因于视觉暂留，观看全息图像的观看者可将通过用不同颜色的入射光束序列照射活跃子集而形成的全息图像的快速序列感知为单个多色全息图像。
应当认识到，该光学器件可被配置成使用两个以上波长来形成多色图像，以使得单位晶格的每个子集则还可包括被配置成与第三波长相互作用的第三单位晶格，等等。
在一个实施例中，单位晶格可与滤色器相关联以用于控制该单位晶格将与之相互作用的光的波长。
根据一实施例，该光学器件进一步包括相对于单位晶格的阵列布置的遮光器结构，其中该遮光器结构是可控的以用于选择该遮光器结构上的入射光是否到达该遮光器结构与其相关联的单位晶格，以选择该单位晶格是不活跃的还是活跃的。
遮光器结构可与在其上形成单位晶格的阵列的基板集成。然而，遮光器结构替换地可与基板分开布置，并且例如可与光源相关联或被布置在光源与单位晶格的阵列之间。
遮光器结构可被布置成使得子集中的单位晶格以如下方式与该遮光器结构相关联：当遮光器结构被控制时，该子集中的单位晶格将从不活跃联合切换到活跃(反之亦然)。
根据一实施例，遮光器结构包括由单位晶格的第一子集共享的第一遮光器以及由单位晶格的第二子集共享的第二遮光器。
由此，第一遮光器可与第一子集中的所有单位晶格相关联，并且第二遮光器可与第二子集中的所有单位晶格相关联。这意味着对第一遮光器的控制可将第一子集中的单位晶格从不活跃联合切换到活跃，反之亦然。类似地，对第二遮光器的控制可将第二子集中的单位晶格从不活跃联合切换到活跃，反之亦然。
因此，第一遮光器可被形成为可由单个控制信号控制的单个结构，并且第二遮光器可被形成为也可由单个控制信号(与控制第一遮光器的控制信号不同)控制的另一单个结构。例如，第一遮光器和/或第二遮光器可包括被布置在与遮光器相关联的子集中的单位晶格上方的多条线。该多条线可例如在端部互接，以使得单个控制信号可将子集中的单位晶格从不活跃切换到活跃，反之亦然。
根据一实施例，遮光器结构包括遮光器单元的阵列，其中每个遮光器单元与单个单位晶格相关联，并且其中，与第一子集相关联的遮光器单元被配置成被联合地控制以用于将该第一子集中的单位晶格从不活跃切换到活跃。
由此，遮光器结构可包括单独的遮光器单元，从而在遮光器单元和阵列中的单位晶格之间形成一对一的关系。由于当子集中的单位晶格要从活跃切换到不活跃时要对与该子集相关联的遮光器单元执行共同操作，因此不需要单独寻址遮光器单元以提供用于切换遮光器单元的状态的控制信号。相反，与第一子集相关联的遮光器单元可被配置成被联合地控制，例如以使得控制信号被同时或联合提供给与该第一子集相关联的遮光器单元。
根据一实施例，该光学器件包括向遮光器结构提供控制信号的控制单元，其中控制信号被配置成基于以下各项来控制遮光器结构上的入射光是否到达该遮光器结构与其相关联的单位晶格：改变相变材料的状态，改变液晶的状态以用于控制经过偏振滤光器的光，诱发电光效应，诱发磁光效应，改变正被偏振滤光器透射的光的偏振，激活微机电或纳米机电系统中的致动器的移动，或激活宏观机械遮光器。
由此，可按各种方式来实现控制入射光是否要被子集中的单位晶格接收的功能。例如可以相对于阻止光到达单位晶格的有效性、控制结构的大小、遮光器单元的间距和/或控制结构的复杂度来选择控制是否允许遮光器结构上的入射光通往单位晶格的方式。
根据一实施例，遮光器结构包括控制线，该控制线用于发送控制信号以选择遮光器结构上的入射光是否到达该遮光器结构与其相关联的单位晶格。控制信号可被配置成触发单位晶格中的局部功能，以切换该单位晶格的光学特性的状况。
在另一实施例中，该光学器件包括向遮光器结构提供控制信号的控制单元，其中遮光器结构被布置成接收正被单位晶格阵列透射的光，并且其中，控制信号被配置成控制是否允许遮光器结构上的入射光对形成三维光场分布有贡献。对遮光器结构的控制可以基于改变相变材料的状态，改变液晶的状态以用于控制经过偏振滤光器的光，诱发电光效应，诱发磁光效应，改变正被偏振滤光器透射的光的偏振，激活微机电系统中的致动器的移动，或激活宏观机械遮光器。
根据一实施例，该光学器件包括相对于单位晶格阵列布置的一组无源偏振滤光器，其中单位晶格的第一子集与被配置成透射第一偏振的光的第一偏振滤光器相关联，并且其中，单位晶格的第二子集与被配置成透射不同于第一偏振的第二偏振的光的第二偏振滤光器相关联。
该组无源偏振滤光器可与在其上形成单位晶格的阵列的基板集成。然而，该组无源偏振滤光器可以替换地与基板分开布置，并且可例如与光源相关联或被布置在光源与单位晶格的阵列之间。
每个子集由此可与光的特定偏振相关联。因此，通过切换入射光束的光的偏振，子集中的单位晶格可从不活跃切换到活跃。
第一偏振滤光器和第二偏振滤光器可被配置成分别透射入射光的正交线性偏振状态或左旋圆偏振状态和右旋圆偏振状态。
根据一实施例，单位晶格包括相变材料，其可在第一状态和第二状态之间切换，其中相变材料在第一状态和第二状态之间的切换被配置成：将单位晶格的光学特性在光学特性的第一状况和光学特性的第二状况之间切换。
相变材料可有利地用于控制单位晶格的光学特性的状况。例如，单位晶格的反射率或透射率可高度取决于相变材料的状态。因此，通过切换单位晶格的相变材料的状态，可以控制该单位晶格对形成三维光场分布的贡献。由此，通过设置子集中的每个单位晶格的状态，可以定义三维光场的期望分布。
相变材料可与其他材料组合(例如，在材料层的堆叠中组合)，其中相变材料的状态可以控制材料层的堆叠的光学特性的状况。由此，应当认识到，单位晶格可按包括相变材料的各种配置来形成。
相变材料的状态切换可按许多不同的方式来诱发，例如，通过热激活或将相变材料施加到电场或磁场。应当认识到，对相变材料的状态的控制可通过单独寻址单位晶格来提供，例如，通过向与单位晶格相关联的电极发送控制信号以诱发在该单位晶格中局部地切换该相变材料的状态。
根据一实施例，活跃单位晶格被配置成进行协作来反射入射光束以用于形成三维光场分布。
根据另一实施例，活跃单位晶格被配置成进行协作来透射入射光束以用于形成三维光场分布。
由此，应当认识到，该光学器件可被配置用于三维光场分布的反射式或透射式形成。该光学器件应当被配置为反射式还是透射式的选择可以取决于期望应用来作出。此外，用于实现遮光器结构的一些技术可能更适合于例如使用透射式光学器件，诸如在针对不活跃单位晶格使用被配置成反射入射光束的遮光器结构的情况下。
根据第二方面，提供了一种用于形成三维光场的分布的系统，所述系统包括：根据第一方面所述的光学器件；以及光源，其被配置成发射光束以入射在单位晶格的阵列上。
该第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上文结合第一方面所描述的那些效果和特征。关于第一方面所提及的各实施例在很大程度上与第二方面相兼容。
由此，该系统可包括用于控制三维光场的分布的光学器件以及用于在与该光学器件相互作用时提供用于形成三维光场的光束的光源两者。
该系统可包括其中安装有光学器件和光源的壳体，以使得可以在光源和光学器件之间提供良好受控和预定义的关系。
根据一实施例，该系统进一步包括用于控制由光源发射的光的偏振的控制器。
例如在使用一组无源偏振滤光器的情况下，光的偏振可被用于对哪些单位晶格是活跃的进行切换。控制器由此可以控制在恰适的时间点切换由光源发射的光的偏振以形成三维光场的期望分布。
控制器可被配置成还控制对单位晶格的单独寻址，以针对要显示的下一全息图像将信息写入不活跃单位晶格。然而，该系统可以替换地包括单独的控制器以用于控制对单位晶格的光学特性的状况的切换。在这种情形中，多个控制器可被同步以确保对由光源发射的光的偏振的改变是在恰适的时间点执行的。
根据第三方面，提供了一种用于形成三维光场的分布的方法，所述方法包括：接收入射在单位晶格的阵列上的光束；将单位晶格的第一子集选择为活跃并将单位晶格的第二子集选择为不活跃，其中单位晶格的第一子集与单位晶格的第二子集不相交；在单位晶格的第二子集中的单位晶格不活跃时单独寻址该第二子集中的单位晶格以将单位晶格的光学特性控制为至少以下各项之一：光学特性的第一状况和光学特性的第二状况，其中单位晶格的第二子集通过对单位晶格的单独寻址被编程以用于形成三维光场的分布；将单位晶格的第一子集联合切换到不活跃；以及将单位晶格的第二子集联合切换到活跃以用于将三维光场的分布变为被编程在单位晶格的第二子集中的分布。
该第三方面的效果和特征在很大程度上类似于上文结合第一和第二方面所描述的那些效果和特征。所提及的与第一和第二方面相关的各实施例在很大程度上与第三方面相兼容。
该方法使得能够将信息写入不活跃单位晶格，以使得即使要基于形成三维光场的分布来呈现全息视频，也提供对写入时间的相对宽松的要求。此外，子集中的单位晶格可从不活跃联合切换到活跃(反之亦然)，以例如在全息视频中从当前帧切换到下一帧时在三维光场的当前分布和三维光场的下一分布之间非常快速地切换。
附图简述
通过以下参考附图的说明性和非限制性的详细描述，将更好地理解本发明构思的以上以及其他目的，特征和优点。在附图中，除非另有说明，否则相似的附图标记将用于相似的元件。
图1是根据一实施例的光学器件的示意图。
图2a-2b是解说了反射式和透射式几何结构的光学器件的示意图。
图3a-3b和4a-4d是解说了定义光学器件的单位晶格阵列中的单位晶格子集的实施例的示意图。
图5a-5b是解说了与光学器件联用的滤色器的示意图。
图6是解说了法拉第旋转器的原理的示意图。
图7-8是解说了光学器件的遮光器结构的示意图，其中遮光器结构是使用基于MEMS的微镜系统来实现的。
图9是根据一实施例的系统的示意图。
图10是解说根据一实施例的方法的流程图。
详细描述
现在参照图1，光学器件100将被一般性地描述。光学器件100可包括单位晶格104的阵列102。单位晶格104的阵列102中的单位晶格可单独寻址以用于控制单位晶格104的光学特性并由此控制单位晶格104的阵列102的光学响应。
每个单位晶格104可单独寻址。然而，应当认识到，不一定每一个单位晶格104都是可单独寻址的。
通过控制单位晶格104的光学特性，可控制对入射在阵列102上的光束106的影响。由此，单位晶格104可以相组合地形成对入射光束106的可控影响。由此，阵列102可被用于基于入射光束106来形成并控制三维光场分布。
三维光场例如可用于显示全息图像。归因于单位晶格104是可控的，可提供所形成的全息图像的变化。这意味着光学器件100可被用于显示全息图像的视频。
然而，应当认识到，对三维光场的控制在其他应用中也可以是有用的。用于形成三维光场的光学器件100可投射入射光束的三维受控分布，这可以用于针对受控照明的任何类型的应用中，而不一定需要与基于三维光场来形成所显示的图像相结合。
光学器件100可被设置成用于反射入射光束106或者入射光束106的透射。光束106可由相干光源(诸如作为激光束的光束106)来形成，该光源提供了单位晶格104的阵列102上的入射光场的明确定义的关系，并因此适合用作使用单位晶格104的阵列102来形成三维光场的期望分布的基础。
每个单位晶格104可包括相变材料(PCM)，该PCM可在第一状态和第二状态之间切换，其中PCM在第一状态和第二状态之间的切换被配置成：将单位晶格104的光学特性在光学特性的第一状况和光学特性的第二状况之间切换。
PCM可被配置成在晶态和非晶态之间切换。然而，应当认识到，第一和第二状态可以是PCM的状态的其他配置。例如，PCM可被配置成在两种不同的晶态之间切换。
单位晶格104可包括PCM层，其可与其他材料组合(例如，在材料层的堆叠中组合)，以使得材料的组合可定义单位晶格的光学特性。PCM状态的切换随后可以影响例如单位晶格104中的各层堆叠的光学特性，以使得单位晶格104的光学特性的状况可由PCM的状态来控制。
例如，PCM的状态切换可影响该PCM的折射率和/或介电常数，以使得例如PCM层或包括PCM层的堆叠针对给定波长的入射光可从高反射状态切换到低反射状态。
单位晶格104由此可包括PCM层以用于控制单位晶格104的光学特性的状况。例如，单位晶格针对给定波长的反射率或透射率可被配置成高度取决于PCM的状态。
根据一实施例，PCM是锗、锑和碲的化合物。例如，PCM可由Ge2Sb2Te5(GST)形成。这是可以在非晶态和晶态之间变化并且可以合适地用于提供单位晶格104的阵列102的期望光学特性的材料。
然而，应当认识到，PCM可以是基于两个状态之间的切换来提供光学特性变化的任何材料。PCM可以是例如可相对于暴露于温度(热致变色材料)或者相对于暴露于光(光致变色材料)而经历相变的任何材料或者此类材料的组合。例如，可使用数种不同形式的钒氧化物，诸如VO2和V2O3。PCM可以包括由以下各项形成的热致变色材料：金属氧化物材料(诸如上述氧化钒)、聚合物(诸如包含偶氮苯的聚二乙炔)、或纳米结构的聚合物(诸如二嵌段(聚[苯乙烯-b-异戊二烯])共聚物)。PCM替换地可以是基于所施加的电场来改变光学特性的状况的电光材料(诸如双折射材料)，或基于所施加的磁场来改变光学特性的状况的磁光材料(诸如石榴石和铁磁金属)。
在将GST用作PCM的特定情形中，切换材料将该结构从等离子(晶态)变为介电(非晶态)天线，这将展示出非常类似但在不同波长下的共振，从而允许对于给定波长将单位晶格104中的结构从高反射状态变为低反射状态。
在切换GST的状态之际，光学特性被显著改变，从而导致折射率和介电常数的实部和虚部两者的较大变化。应注意到，在其晶态中，GST具有介电常数的负实部，这意味着它表现出金属行为，并因此支持等离子共振。在其非晶态中，GST具有介电常数的正实部，伴有较大虚部，这意味着它充当高损耗电介质。
单位晶格104中的PCM可以热切换(如对于GST)，但不限于此。应当认识到，在不同实施例中，电光材料和磁光材料可用作替换实现。
应当认识到，对PCM状态的控制可通过单独寻址单位晶格104来提供，例如通过向与单位晶格104相关联的电极发送控制信号以诱发在单位晶格中局部地切换相变材料的状态，例如通过对PCM进行局部加热，或者通过将PCM施加到局部电场或磁场。
光学器件100可以合适地与可见波长联用，因为这意味着三维光场可被人看见。在诸如用于全息图像的创建的许多应用中，可见波长的使用是合乎期望的。然而，光学器件100可替换地与其他波长联用，诸如近红外线、红外线或紫外线波长。单位晶格104因此可被配置成使得对单位晶格104的光学特性状况的切换提供单位晶格104对期望工作波长的较强影响。
单位晶格104的阵列102可包括单位晶格104的多个子集110、112，子集110、112在图1中由单位晶格104的不同阴影来指示。子集110、112可以不相交，以使得阵列102中的每个单位晶格104是单个子集的一部分。
子集110、112中的单位晶格104可以在活跃或不活跃之间被联合地控制。当单位晶格104活跃时，该单位晶格104是一起定义三维光场分布的一组单位晶格104的一部分。当单位晶格104不活跃时，该单位晶格104不是用于定义当前正由光学器件100形成的三维光场分布的该组单位晶格104的一部分。
由此，子集110、112可在活跃或不活跃之间切换。对于活跃子集110、112，子集110、112中的所有单位晶格104都活跃并且对定义由光学器件100形成的三维光场分布有贡献。对于不活跃子集110、112，子集110、112中的所有单位晶格104都不活跃，并且对定义由光学器件100形成的三维光场分布没有贡献。
光学器件100在形成三维光场分布时可具有至少一个活跃子集110、112。由此，一次可以有一个或多个子集110、112是活跃的。为简单起见，在确定每个单位晶格104应当被设置为处于光学特性的哪种状况时，一次可仅有单个子集110、112是活跃的。
当单位晶格104不活跃时，该单位晶格104对形成三维光场分布没有贡献。由此，单位晶格104可以在不活跃时被切换以用于控制该单位晶格104可被设置为光学特性的第一状况还是光学特性的第二状况。这意味着不活跃子集110、112在不活跃时可以在每个单位晶格104被设置为光学特性的期望状况的情况下做好准备，以使得当子集110、112从不活跃切换到活跃时，子集110、112中的活跃单位晶格104可以立即确保由光学器件100形成三维光场的期望分布。
以此方式，对不活跃子集110、112的使用使得下一帧(三维光场分布)的信息写入能够被写入不活跃子集110、112中的单位晶格104。由此，用于执行写入操作的时间可以相对较长，而不会例如影响观看全息视频的观看者的体验。
随后，当光学器件100要从形成三维光场的当前分布更新到形成三维光场的下一分布时，可通过将活跃子集110、112切换到不活跃并将不活跃子集110、112切换到活跃来执行非常快速的操作。
活跃单位晶格104的周期性可以低于工作波长以确保获得对所形成的三维光场分布的精确控制。该周期性优选地可以甚至低于工作波长的一半以获得甚至更精确的控制。在一实施例中，活跃单位晶格104的周期性由此可处于100nm的数量级。
光学器件100可包括遮光器结构120，该遮光器结构120可具有与每个子集110、112相关联的个体遮光器122以联合地控制子集110、122是活跃的还是不活跃的。
遮光器结构120可包括多个遮光器122，其中每个遮光器122可与单个子集110、112内的多个单位晶格104相关联。在一些实施例中，单个遮光器122可与子集110、112中的所有单位晶格104相关联。
遮光器结构120可按许多不同的方式来实现，如下文将详细解释的，并且可以是有源的或无源的。具体而言，对于无源遮光器结构120，还可以控制入射光束106的特性以用于控制光束106与遮光器结构120之间的相互作用并且由此定义子集110、112是活跃的还是不活跃的。例如，可以控制光束106的偏振。
取决于光学器件100的投影几何结构，可能需要单位晶格104的阵列102和遮光器图案120的不同布置，如图2a-2b中所解说的。图2a解说了被配置成反射入射光束106以形成三维光场分布的光学器件100，而图2b解说了被配置成透射入射光束106以形成三维光场分布的光学器件100。
在图2a-2b的所解说实施例中，指示了个体单位晶格104的50nm的像素间距。利用这种像素间距，2×2个单位晶格104将容适在具有100nm边长的正方形内。这意味着单位晶格104的四个子集110、112、114、116可被定义在单位晶格104的阵列102中，其中每个子集110、112、114、116具有100nm的有效间距。属于每个子集110、112、114、116的单位晶格104在图2a-2b中由单位晶格104的不同阴影来解说。
一个子集110可以是活跃的以用于形成三维光场分布。这在图2a-2b中通过遮光器结构120包括与活跃子集110相关联的白色区域来解说，即，遮光器结构120允许入射光束106到达活跃子集110中的单位晶格104。此外，遮光器结构120包括与不活跃子集112、114、116相关联的黑色区域，即，遮光器结构120阻止入射光束106到达不活跃子集112、114、116中的单位晶格104。
在图2a-2b的实施例中，四分之一的像素被同时激活，并且在子集110活跃时的给定时间点解说了光学器件100。不活跃子集112、114、116中的单位晶格104在该时间被写入以对接下去的(诸)帧的三维光场分布进行编码。
应当认识到，虽然图2a-2b解说了光学器件100包括四个子集110、112、114、116，但在阵列102中可使用其他数目的子集，诸如两个或三个子集。
在用于形成三维光场分布的反射式几何结构(如图2a中所解说的)和透射式几何结构(如图2b中所解说的)的情形中，遮光器结构120的功能性应当具有不同的性质。对于这两种几何结构，打开的遮光器结构120应当透射(一部分)入射光束106，而关闭的遮光器结构120应当至少部分地阻止光的透射。
在图2a的反射式几何结构中，期望关闭的遮光器不反射任何入射光，这意味着吸收式遮光器结构120将表现最佳。在图2b的透射式几何结构中，遮光器结构120在关闭状态中可以是反射式和/或吸收式，这是因为对于反射和吸收两者，遮光器结构120都不会对要由光学器件100形成的三维光场分布产生任何干扰。
还应当注意，在图2b的透射式几何结构中，单位晶格104的阵列102和遮光器结构120的位置也可以交换而不会改变该器件的任何功能性。即，光束106可以入射在单位晶格104的阵列102上。从单位晶格104的阵列102透射的光随后可以入射在遮光器结构120上，藉此遮光器结构120可选择是否进一步透射光以选择是否允许单位晶格104对形成三维光场分布有贡献。
由此，在一个实施例中，遮光器结构120相对于单位晶格104的阵列102来布置，并且遮光器结构120是可控的以用于选择遮光器结构120上的入射光是否到达该遮光器结构120与其相关联的单位晶格104，以选择该单位晶格104是不活跃还是活跃。
在另一实施例中，遮光器结构120相对于单位晶格104的阵列102来布置，并且遮光器结构120是可控的以用于选择遮光器结构120上的入射光是否允许由单位晶格104透射的光对形成三维光场分布有贡献，以选择该单位晶格104是不活跃的还是活跃的。
在本公开的其余部分中，针对反射式几何结构解说了不同的实现，但应当认识到，在对透射式几何结构的恰适调整的情况下，这些实现也可能用于透射式几何结构中。
可在不同架构中实现对光的遮蔽，这在下面将相对于各种实施例来讨论。图3a-3b中解说了两个实施例。
在其最简单实现中(图3a中所解说)，单位晶格104的阵列102和遮光器结构120的图案具有相同的密度和寻址。在一些实施例中，这种实现可以使用相同的组件来提供单位晶格104中的光学特性的可切换状况，并提供对遮光器结构120的切换以控制单位晶格104是活跃的还是不活跃的。
在这种实现中，对遮光器结构120的寻址将更简单，这是因为对与子集110、112、114、116相关联的所有遮光器将执行相同操作。
图3b中示出了图3a中的遮光器结构120的实现的变型，其中两个子集110、112被定义成使得二分之一的单位晶格104是同时活跃的。子集110、112以棋盘图案来布置，其中子集110、112的有效间距相对于阵列102中的单位晶格104的间距仅增加
Figure BDA0002647194110000151
倍。在该几何结构中，遮光器122可以通过简单的线电极来寻址，这与图3a中的实施例(其中将需要交叉点寻址)相比简化了对遮光器结构120的寻址。
图4a-4d中解说了遮光器结构120的其他实现，其中子集110、112、114、116的有效间距取决于实现而至少在一个维度(行/列)上增加。
在图4a中所解说的实施例中，阵列102中的每一列单位晶格104共享细长遮光器122。这种图案允许借助于简单的线电极来控制遮光器122。其中遮光器122覆盖多列的变型将受益于同样简单的寻址以及对接触电极不太严格的限制。
在图4b和4c中所解说的实施例中，提供了覆盖2×2个单位晶格104的群集的遮光器122。图4b中的实施例定义了阵列102的两个子集110、112，其中单位晶格104的群集中二分之一的群集是同时活跃的。图4c中的实施例定义了四个子集110、112、114、116，其中单位晶格104的4个群集之一是同时活跃的。
图4b中的实施例再次允许借助于线电极对遮光器结构120的非常简单的接触。在图4c中的实施例中，主要优点是控制遮光器结构120所需要的电极密度减小(相比于图3a中的实施例)。
应当认识到，图4a-4c中所解说的各实施例的变型(其中遮光器122覆盖N×M行和列)将允许降低遮光器结构120的控制电极的复杂度，同时仍然维持形成三维光场分布的活跃子集110中的单位晶格104的小间距。
活跃子集110中的单位晶格104的分割或布置将影响为了形成三维光场的期望分布而要为相应单位晶格104设置的光学特性状况的计算。此外，活跃子集110中的单位晶格104的分割或布置会影响可以得到的图像质量。因此，在图像质量和子集110、112、114、116中的单位晶格104的分割程度之间可能要作出折衷，以找到用于控制遮光器结构120的电极的最实际实现并同时找到对三维光场的期望分布的最高效计算。
在图4d中，解说了子集110、112、114、116的分割是逐边完成的实施例。每个子集110、112、114、116可在分开的芯片中形成，其中各芯片可相对于彼此紧密布置。由此，每个子集110、112、114、116可形成单位晶格104的子阵列。在图4d中的实施例中，包括2×2个子阵列的阵列被用于顺序地形成三维光场的不同分布。
上面的实施例一般描述了可被应用于单个工作波长的遮光器结构120，即，单个波长的单个光束106入射在光学器件100上。然而，在许多应用中，诸如对于全息视频的实际显示，可能需要使用多种颜色。
如此，上面解说的分割方案可以被扩展用于多色操作。多色操作可能要求向光学器件100添加滤色器。滤色器130可例如被集成在其上形成单位晶格104的阵列102的基板上。滤色器130可被布置成与单个单位晶格104相关联，以使得每个单位晶格104可与相应的滤色器相关联以用于控制将由单位晶格104接收到的工作波长。
附加地或替换地，可以掩蔽照明以使用特定颜色选择性地照射单位晶格104的阵列102中的特定区域。
再次，对子集110、112、114、116的分割作出的选择与滤色器130相组合对用于计算为了针对不同颜色形成三维光场的期望分布而要为相应单位晶格104设置的光学特性状况的算法可能具有额外影响。在这种程度上，有可能个体遮光器122覆盖的较大分割区域会对计算具有较小影响，并且再次可以围绕在相对于算法复杂度和所要求的图像质量两者的实现方面最实际的分割来寻求最优值。
图5a-5b中解说了与单位晶格104的阵列102相关联的滤色器130的可能布局的两个实施例。图5a-5b中使用线状阴影图案来解说滤色器130以解说允许蓝光被透射的滤色器130，使用点状阴影图案来解说允许绿光被透射的滤色器130，并使用交叉线阴影图案来解说允许红光被透射的滤色器130。
图5a中的实施例针对三种目标颜色红、绿和蓝定义了相同数目的单位晶格104，而图5b中的实施例使用通常用于显示器和相机应用中的YUV颜色编码系统。在图5b中的实施例中，相比于红光和蓝光，有两倍的单位晶格104用于绿光，而滤色器130的布置仍然以周期性阵列呈现。红光和蓝光单位晶格104的周期性是阵列102中的单位晶格104的个体间距的两倍，而绿光单位晶格104的周期性是阵列102中的单位晶格104的个体间距的
Figure BDA0002647194110000171
倍。对于显示全息图像的应用，这种拼接可以用于补偿以不同颜色为目标的可切换单位晶格104的不同衍射效率。
对于不同的拼接方案，将需要不同的遮光器结构120以获得三维光场的期望分布，并且在计算为了形成三维光场的期望分布而要为相应单位晶格104设置的光学特性状况时计算算法将需要计及该分割。
容易认识到在图5a和图5b的实现中，覆盖2×2和3×3(的倍数)的阵列的遮光器122(图5a-5b中由虚线所指示的示例)得到每个遮光器122下方与相应颜色相关联的单位晶格104的相同几何结构。
在实际的实现中，如图5b中所解说的拼接与图5a中所解说的拼接相比会得到用于计算要为相应单位晶格104设置的光学特性状况的简化计算，这是因为在图5b的情形中，与特定颜色相关联的单位晶格104的周期性是固定的并且个体单位晶格104在正方形晶格上。在图5b中所解说的实施例中，红光和蓝光单位晶格104被布置在周期是个体单位晶格104的2倍的正方形网格上，而绿光单位晶格在周期是个体单位晶格104的
Figure BDA0002647194110000181
倍的旋转45度的正方形网格上。
在其他实施例中，将以相同颜色为目标的N×M个单位晶格104的群集进行编群并以与图5a-5b中所示的类似图案来布置可能是有用的，但其中每个“像素”将是由以特定波长为目标的“微像素”(个体单位晶格104)的阵列组成的“宏像素”。这种宏像素随后可配备有单个滤色器130，而遮光器122可以再次与对不同颜色进行操作的多个宏像素相关联。
滤色器130可以是简单的介电多层带通滤光器，其可以被集成到其上形成单位晶格104的阵列102的基板中。替换地，具有期望图案化的滤色器130可被置于光源前面或者光源与光学器件100之间的光路中的任何地方。在该情形中，具有良好的对准控制以确保滤色器130与预期的单位晶格104相关联将是重要的。
取决于所使用的特定架构，可以使用许多不同类型的遮光器结构120。
在简单的情形中，所使用的遮光器结构120是在单位晶格级别实现的，并且在单位晶格层和遮光器层两者中都使用相同类型的可切换组件，而不管工作机制如何。在这种实现中，可能需要来自遮光器122的反射/透射强度方面的良好开/关比。
将相同类型的可切换组件用于遮光器结构120和单位晶格104在透射式几何结构(图2b)中会表现良好，其中打开的遮光器122将与处于“开”状态的单位晶格104在相同状态中(即，将光学特性的状况设置为提供高的光透射度)，而关闭的遮光器122将与处于“关”状态的单位晶格104在相同状态中(即，将光学特性的状况设置为基本上阻止光的透射)。对于这种实现，开/打开状态下的透射强度可能需要非常大以在光经过单位晶格104和遮光器122之后在光学器件100之外具有足够光强。
在反射式几何结构中(图2a)，光经过遮光器122两次，一次从光源入射在遮光器122上并经过单位晶格104，并且一次被单位晶格104反射并经过遮光器122，以在遮光器122上方形成三维光场分布。由此，遮光器122在打开状态下将再次非常透光，而在关闭状态下是高度吸收的。
在打开状态下，光强的主要调制应来自遮光器122与其相关联的单位晶格104。在关闭状态下，光应被吸收以免生成会干扰正由相邻活跃单位晶格104形成的三维光场的反射。另一方面对于单位晶格104，在“开”状态下期望大的反射，而在“关”状态下光可以被吸收或透射前往其上形成单位晶格104的基板。
假定子集110、112、114、116中的单位晶格104的周期性可有利地远低于工作波长，遮光器122可被布置成与多个单位晶格104相关联以避免需要使个体遮光器122具有非常小的尺寸。遮光器122的这种布置可至少被用于可见光或NIR光谱区域中的工作波长(对于更长的波长，单位晶格104的尺寸可以更大，并且对于相应单位晶格104可以更容易地单独形成遮光器122)。因此，遮光器122可以大于单位晶格104并且与多个单位晶格104相关联。
确定遮光器122的恰适尺寸可涉及考虑遮光器122对用于生成三维光场的期望分布的计算算法的影响并考虑用于基于所选择的遮光器类型来实现遮光器122的实际考量因素。
以下将描述实现遮光器结构的多种不同方式。
如上所述，PCM可以用于控制单位晶格104的光学特性的状况。对于透射式几何结构，至少在透射强度足够高的情况下，类似的设计可以用作遮光器122。
由此，遮光器122可包括PCM层，其可在第一状态和第二状态之间切换，其中PCM在第一状态和第二状态之间的切换被配置成：将遮光器122在打开状态和关闭状态之间切换。
PCM可被配置成在晶态和非晶态之间切换。然而，应当认识到，第一和第二状态可以是PCM的状态的其他配置。例如，PCM可被配置成在两种不同的晶态之间切换。
遮光器122可包括PCM层，其可与其他材料组合(例如，在材料层的堆叠中组合)，以使得材料的组合可定义遮光器122的打开或关闭状态。PCM状态的切换则可以影响例如遮光器122中的各层堆叠的光学特性，以使得遮光器122的状态可由PCM的状态来控制。
如上面概述的，对于基于反射的几何结构，遮光器122和单位晶格104的功能性将是不同的。由此，如果遮光器122在基于反射的几何结构中将使用PCM来实现，则使用PCM的遮光器122的设计(例如，包括PCM层的各层堆叠)将必须与使用PCM的单位晶格104的设计不同。
根据另一实施例，遮光器结构120可使用液晶。
液晶的操作依赖于对经过液晶的光的线性偏振进行旋转，其中液晶被置于相对于彼此旋转90°的两个线性偏振器之间。在使用液晶的遮光器122的打开状态中，光的偏振在液晶中旋转90°，并且因此允许光透射通过遮光器122的线性偏振器。在遮光器122的关闭状态中，光在液晶中传播时维持初始偏振，并且因此不允许透射通过遮光器122的线性偏振器。
虽然使用液晶的技术非常成熟，但目前使用液晶可以实现的最小像素大小受限于几微米的大小。对偏振的旋转是通过细长分子来实现的，这些细长分子形成螺旋布置，并且需要在物理上旋转并具有与光的充分相互作用以表现良好。这意味着对于具有亚波长像素间距的单位晶格104的阵列102，使用液晶的遮光器122将仅被应用于较大块的像素或“宏”像素。
根据另一实施例，遮光器结构120可使用电光效应。
电光效应是材料的光学特性响应于磁场的变化，其中该磁场与光的频率相比变化缓慢。最常见的变化是材料吸收率或材料的折射率或介电常数因变于外部电场的变化。两种机制都可以用于创建遮光器122，这依赖于多种底层效应。
例如，遮光器122可以使用在用普克尔斯效应(线性电光系数)或克尔效应(二次电光系数)来改变折射率时呈现强电光效应的材料来实现。普克尔斯效应可以在缺乏反演对称性且通常比克尔效应强得多的晶体材料中观察到。对于可以用于改变电磁波的相位和幅度两者的电光调制器，已对普克尔斯效应进行了广泛研究。
遮光器122由此可基于向遮光器122施加局部电场而在打开状态和关闭状态之间切换。
根据另一实施例，遮光器结构120可使用磁光效应。
磁光效应是材料的光学特性响应于其磁化的变化。当材料被磁化时，时间反演对称性被破坏，这导致材料的介电常数张量偏离对角项。当光与此类材料相互作用时，在光从材料透射或反射之际，光的偏振态被改变，从而导致对光的强度和相位的调制。在透射几何结构中，该效应称为法拉第效应，而在反射中，该效应被称为磁光克尔效应(MOKE)。这些效应的最常见用途是在光学隔离器中，其中所谓的法拉第旋转器与两个线性偏振器结合使用。在通过法拉第旋转器传播线性偏振光之际，以取决于材料磁化的角度来旋转光的偏振，如图6中所解说的。
在典型的光学隔离器中，长度d被选择成使得旋转角β达到45°，以使得被输入侧的第一偏振器允许通过的具有垂直偏振的光将通过输出侧的第二偏振器，其中第二偏振器相对于第一偏振器旋转45°。如果光以相反方向从输出侧传播到输入侧，则法拉第旋转器将在输入侧向光给予水平偏振，并且因此没有光会透射通过第一偏振器。在切换法拉第旋转器的磁化之际，旋转方向将反转，这意味着该器件可以用作光学快门(optical shutter)。
然而，基于石榴石的最先进的法拉第旋转器的典型旋转值具有0.1°/μm的数量级，这意味着传播长度应该相当长。由此，基于法拉第旋转器的遮光器122可能相对较大。然而，可能不需要在法拉第旋转器中使用完整的45°旋转，因此通过以不同的偏振器角度进行工作，仍然有可能实现更紧凑的遮光器122，但在发射功率强度方面有惩罚。
使用磁光效应的遮光器122由此可以基于向遮光器122施加局部磁场而在打开状态和关闭状态之间切换。
根据另一实施例，遮光器结构120可以使用基于微机电系统(MEMS)或基于纳米微机电系统(NEMS)的组件。
基于MEMS的组件已被用于不同类型的显示设备。大多数工作基于微镜阵列，该微镜阵列主要(但并非排他性地)用于反射式投影显示器，但也用于已实现LED背光的具有尺寸小至10μm的快门的透射式显示器。对于基于MEMS的组件的透射式几何结构，使用MEMS快门可能非常复杂，但是微镜可以用作照射单位晶格104的阵列102的所选部分的有效方式，如图7中所解说的。
图7中所示的配置将同时适用于光学器件100的反射式几何结构和透射式几何结构。基于MEMS的遮光器结构120包括微镜122的阵列，其中每个微镜可与阵列102中的一个或多个单位晶格104相关联。
此类基于MEMS的镜系统可被制造成具有降至几微米(μm)的尺寸，因此由基于MEMS的结构控制的微镜可以执行遮光，其允许在阵列102中定义子集110、112、114、116。基于MEMS的镜系统可能不能选择单个单位晶格104来接收光。相反，图7中所指示的像素各自表示单位晶格104的群集而不是个体单位晶格104。例如，对于5μm的镜尺寸和50nm的个体单位晶格104的间距，使用基于MEMS的镜系统的遮光器结构120会将光分割成包含100×100个个体单位晶格104的宏像素。
基于MEMS的镜系统还可以通过为每个镜122配备带通滤光器来针对多种颜色进行复用，其中该带通滤光器仅透射正在照射的宏像素的目标波长，如图8中所解说的。
使用基于MEMS的镜系统的遮光器122可基于以下操作来在打开状态和关闭状态之间切换：控制与微镜122相关联的微机电激活器以将微镜设置在将光朝向单位晶格104的阵列102反射或者将光引导到另一方向以使得光不会到达阵列102的位置中。
根据另一实施例，遮光器结构120可使用无源光偏振器。
定义单位晶格104的两个子集110、112(对于单个工作波长)的简单实现将是为每个子集110、112配备无源(线栅)线性偏振器，其中相应子集110、112中的偏振器被定向成相对于彼此正交。
随后可以通过改变入射光束106的线性偏振状态来执行对子集110、112是否将是活跃的控制。这可以按许多不同的方式来实现，例如通过旋转可与光源或与光学器件100相关联的线性偏振器、光弹性调制器(PEM)、液晶或法拉第旋转器。
根据另一个实施例，遮光器结构120可以使用有源光偏振器。
具有可切换的、基于PCM的(线栅)偏振器的架构可被用于选择子集110、112是活跃的还是不活跃的。在这种实现中，线栅偏振器的周期性和占空比应当被选择成在PCM的一种状态下透射大量光并且在PCM的另一种状态下吸收或反射大量光。在这种配置中，以第一颜色为目标的单位晶格104的子集可能已经使用用于照明的单个线性偏振态被打开或关闭。以另一波长为目标的单位晶格104的第二子集则可以配备有相对于第一子集的偏振器旋转90°的可切换偏振器。此外，第二颜色的入射光束也可以具有相对于第一颜色旋转90°的线性偏振。
根据另一实施例，在个体遮光器122与单位晶格104的相当大的群集相关联或者与单位晶格104的子阵列相关联的实现中，遮光器结构120可使用宏观机械遮光器，同时将该机械遮光器设计成足够快速地切换以维持期望的帧率。
当使阵列102中的单位晶格104偏振相关以提供单位晶格104的光学特性时(例如，以使用以正交线性偏振状态照射阵列102的两个不同波长来发挥作用)，可以使用所有上面提到的基于偏振的遮光器结构120以获得附加功能性。
现在参照图9，将讨论用于形成三维光场分布的系统200。
系统200可包括根据任何上述实施例的光学器件100。系统200可进一步包括一个或多个光源202以用于提供(诸)工作波长的照明光。
此外，系统200可包括(诸)光学组件，这些光学组件可被布置在光源202和光学器件100之间的路径中以确保对单位晶格104的阵列102的期望照明。
如上面针对各个实施例所提及的，遮光器结构120可与其上形成单位晶格104的阵列102的基板集成。替换地，遮光器结构120可例如被分开地布置，例如，被布置在光源202和光学器件100之间的光路中或相对于光源202安装。
系统200可在壳体204中实现以提供光源202、遮光器结构120和光学器件100相对于彼此的良好受控安装。
系统200可进一步包括控制器210，其可以控制系统200的一个或多个功能。控制器210可被集成在其上形成单位晶格104的阵列102的基板上，并且可以提供对何时向单位晶格104提供控制信号以切换单位晶格104的光学特性状况的控制。此外，控制器210可以控制遮光器结构120以在打开状态和关闭状态之间切换遮光器122。
控制器210可接收要显示的期望全息图像的信息，并且可执行用于计算为了形成三维光场的期望分布而要为相应单位晶格104设置的光学特性状况的算法。替换地，控制器210可从可以执行该算法的外部单元接收要为单位晶格104设置的光学特性状况的信息。
控制器210还可以控制光源202以设置光源202的偏振并使光学器件100上的入射光束106的偏振与单位晶格104的要处于活跃的那个子集110、112的定时同步。
应当认识到，控制器210可被实现为一个或多个处理单元，诸如中央处理单元(CPU)，其可以执行一个或多个计算机程序的指令以实现系统200的功能性。
控制器210可替换地被实现为被布置在例如嵌入式系统的固件，或者被实现为专门设计的处理单元，诸如专用集成电路(ASIC)或场可编程门阵列(FPGA)。
现在参照图10，将讨论用于形成三维光场的分布的方法。
该方法可包括：接收(302)入射在单位晶格的阵列上的光束。该方法进一步包括：将单位晶格的第一子集选择(304)为活跃并将单位晶格的第二子集选择为不活跃。
活跃子集中的单位晶格由此可一起定义由接收入射光束的单位晶格形成的三维光场分布。
该方法进一步包括：在单位晶格的第二子集中的单位晶格不活跃时单独地寻址(306)该第二子集中的单位晶格以将单位晶格的光学特性控制为至少以下各项之一：光学特性的第一状况和光学特性的第二状况。借助于对第二子集中的单位晶格的寻址，单位晶格的第二子集被编程以用于形成三维光场的分布，该三维光场的分布将在该子集被切换到活跃时形成。
该方法进一步包括：将单位晶格的第一子集联合地切换(308)到不活跃，以使得第一子集中的单位晶格不再对由光学器件形成的三维光场分布有贡献。
该方法进一步包括：将单位晶格的第二子集联合切换(310)到活跃。由此，在将第二子集切换到活跃之后，光学器件将形成在单位晶格的第二子集不活跃时已经被编程在该子集中的三维光场分布。
在上文中，主要参考有限数量的示例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，在由所附权利要求书限定的本发明构思的范围内，除了上面公开的示例以外的其他示例同样是可能的。

Claims (15)

1.一种用于形成三维光场的分布的光学器件(100)，所述光学器件(100)包括：
单位晶格(104)的阵列(102)，其中，单位晶格(104)的所述阵列(102)中的单位晶格(140)能单独寻址以用于控制所述单位晶格(104)的光学特性，其中对所述单位晶格(104)的寻址被配置成：将所述单位晶格(104)的光学特性在光学特性的第一状况与光学特性的第二状况之间切换；
其中，单位晶格(104)的所述阵列(102)中的单位晶格(104)被配置为选择性地活跃或不活跃，并且其中，单位晶格(104)的所述阵列(102)至少包括单位晶格(104)的第一子集(110；112；114；116)和单位晶格(104)的第二子集(110；112；114；116)，其中所述第一子集(110；112；114；116)和所述第二子集(110；112；114；116)不相交，并且其中，单位晶格(104)的子集(110；112；114；116)中的单位晶格(104)被配置成从不活跃联合切换到活跃，
其中，活跃单位晶格(104)被配置成：与入射光束(106)相互作用并协作以形成三维光场的所述分布；并且
其中，所述光学器件(100)被配置成：寻址不活跃单位晶格(104)以用于在单位晶格(104)不活跃时切换单位晶格(104)的光学特性。
2.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述第一子集(110；112；114；116)中的单位晶格(104)在单位晶格(104)的所述阵列中与所述第二子集(110；112；114；116)中的单位晶格(104)交错布置。
3.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，单位晶格(104)的所述第一子集(110；112；114；116)形成单位晶格(104)的第一子阵列，并且单位晶格(104)的所述第二子集(110；112；114；116)形成单位晶格(104)的第二子阵列，并且其中，所述第一子阵列和所述第二子阵列在共同基板上彼此毗邻地布置。
4.如前述权利要求中任一项所述的光学器件，其特征在于，单位晶格(104)的每个子集(110；112；114；116)包括被配置成与第一波长的光相互作用的第一单位晶格以及被配置成与不同于所述第一波长的光的第二波长的光相互作用的第二单位晶格。
5.如前述权利要求中任一项所述的光学器件，其特征在于，进一步包括相对于单位晶格(104)的所述阵列(102)布置的遮光器结构(120)，其中所述遮光器结构(120)能被控制以用于选择所述遮光器结构(120)上的入射光是否到达所述遮光器结构(120)与其相关联的单位晶格(104)，以选择所述单位晶格(104)是不活跃的还是活跃的。
6.如权利要求5所述的光学器件，其特征在于，所述遮光器结构(120)包括由单位晶格(104)的所述第一子集(110；112；114；116)共享的第一遮光器以及由单位晶格(104)的所述第二子集(110；112；114；116)共享的第二遮光器。
7.如权利要求5所述的光学器件，其特征在于，所述遮光器结构(120)包括遮光器单元的阵列，其中每个遮光器单元与单个单位晶格(104)相关联，并且其中，与所述第一子集(110；112；114；116)相关联的遮光器单元被配置成被联合地控制以用于将所述第一子集(110；112；114；116)中的单位晶格(104)从不活跃切换到活跃。
8.如权利要求5-7中任一项所述的光学器件，其特征在于，所述光学器件(100)包括向所述遮光器结构(120)提供控制信号的控制单元(210)，其中控制信号被配置成基于以下各项来控制所述遮光器结构(120)上的入射光是否到达所述遮光器结构(120)与其相关联的单位晶格(104)：改变相变材料的状态，改变液晶的状态以用于控制经过偏振滤光器的光，诱发电光效应，诱发磁光效应，改变正被偏振滤光器透射的光的偏振，激活微机电系统中的致动器的移动，或激活宏观机械遮光器。
9.如权利要求1-4中任一项所述的光学器件，其特征在于，所述光学器件(100)包括相对于单位晶格(104)的所述阵列(102)布置的一组无源偏振滤光器，其中单位晶格(104)的所述第一子集(110；112；114；116)与被配置成透射第一偏振的光的第一偏振滤光器相关联，并且其中，单位晶格(104)的所述第二子集(110；112；114；116)与被配置成透射不同于所述第一偏振的第二偏振的光的第二偏振滤光器相关联。
10.如前述权利要求中任一项所述的光学器件，其特征在于，单位晶格(104)包括相变材料，所述相变材料能在第一状态和第二状态之间切换，其中，所述相变材料在所述第一状态和所述第二状态之间的切换被配置成：将单位晶格(104)的光学特性在光学特性的第一状况和光学特性的第二状况之间切换。
11.如前述权利要求中任一项所述的光学器件，其特征在于，活跃单位晶格(104)被配置成进行协作来反射入射光束(106)以用于形成三维光场的所述分布。
12.如权利要求1-10中任一项所述的光学器件，其特征在于，活跃单位晶格(104)被配置成进行协作来透射入射光束(106)以用于形成三维光场的所述分布。
13.一种用于形成三维光场的分布的系统(200)，所述系统(200)包括：
如前述权利要求中任一项所述的光学器件(100)；以及
光源(202)，其被配置成：发射光束(106)以入射在单位晶格(104)的所述阵列(102)上。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，进一步包括：用于控制由所述光源(202)发射的光的偏振的控制器(210)。
15.一种用于形成三维光场的分布的方法，所述方法包括：
接收(302)入射在单位晶格的阵列上的光束；
将单位晶格的第一子集选择(304)为活跃并将单位晶格的第二子集选择为不活跃，其中单位晶格的所述第一子集与单位晶格的所述第二子集不相交；
当单位晶格的所述第二子集中的单位晶格不活跃时单独寻址(306)所述第二子集中的单位晶格以将单位晶格的光学特性控制为至少光学特性的第一状况和光学特性的第二状况之一，其中单位晶格的所述第二子集通过对单位晶格的单独寻址被编程以用于形成三维光场的分布；
将单位晶格的所述第一子集联合切换(308)到不活跃；以及
将单位晶格的所述第二子集联合切换(310)到活跃以用于将所述三维光场的分布改变为被编程在单位晶格的所述第二子集中的分布。
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