CN113950643A

CN113950643A - 空间光调制

Info

Publication number: CN113950643A
Application number: CN202080040493.5A
Authority: CN
Inventors: N.科林斯; W.克罗斯兰德; J.克里斯马斯
Original assignee: Daqri Holographics Ltd
Current assignee: Dualitas Ltd
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2022-01-18
Also published as: GB2585211A; WO2021001494A1; GB2585211B; EP3963399A1; US20220221823A1; GB201909513D0

Abstract

公开了一种布置成投射光图案的投影仪。投影仪包括空间光调制器和光源。空间光调制器具有布置成显示相位图案的像素阵列。像素阵列可以是基本平面的像素阵列。每个像素包括具有可在第一方向和第二方向之间的旋转平面内旋转的指向矢的液晶。光源布置成用偏振光照射像素阵列，使得光根据相位图案被空间调制以形成光图案。可以说，光图案对应于相位图案。光在像素阵列上的入射角大于零，并且光是s偏振的。第一方向平行于光的偏振方向。第二个方向在入射平面内。

Description

空间光调制

技术领域

本公开涉及投影仪。更具体地，本公开涉及全息投影仪、全息投影方法和全息投影系统。

背景技术

从物体散射的光包含振幅和相位信息。可以通过众所周知的干涉技术在例如感光板上捕获该振幅和相位信息，以形成包括干涉条纹的全息记录或“全息图”。可以通过用合适的光照射来重建全息图，以形成代表原始物体的二维或三维全息重建或回放图像。

计算机生成的全息术可以在数值上模拟干涉过程。可以通过基于数学变换比如菲涅耳或傅立叶变换的技术来计算计算机生成的全息图。这些类型的全息图可被称为菲涅耳/傅立叶变换全息图或简称为菲涅耳/傅立叶全息图。傅立叶全息图可被认为是物体的傅立叶域/平面表示或物体的频域/平面表示。例如，还可以通过相干射线追踪或点云技术来计算计算机生成的全息图。

可以在布置为调制入射光的振幅和/或相位的空间光调制器上对计算机生成的全息图进行编码。例如，可以使用电可寻址液晶、光学可寻址液晶或微镜来实现光调制。

空间光调制器通常包括多个可单独寻址的像素，这些像素也可以称为单元或元件。硅上液晶“LCoS”空间光调制器利用液晶的双折射来提供可控的相位调制。理想的相位调制器能够提供零和2π之间的可变相位延迟。液晶的双折射决定提供完全2π相位延迟所需的光程长度。具体来说，反射调制器的光程长度范围应该等于2π。光程长度随着液晶层的厚度(d)、液晶的双折射(Δn)和入射角(θ)而增加。然而，液晶可以在第一状态和第二状态之间切换的速度随着d的增加而降低。出于增加切换速度的期望，工业上一直要求更高双折射的液晶。

出于提高分辨率的愿望，工业界也一直要求小像素。然而，随着每个像素的线性尺寸接近液晶厚度，像素边缘的边缘电场扭曲了像素的均匀相位调制。每个像素的有效相位延迟随后变得不同于预期值。

发明人已经解决了这些问题。可以使用本文描述的概念来提供全息投影仪。这种投影仪已经应用于平视显示器“HUD”和头戴式显示器“HMD”，包括例如近眼设备。

发明内容

本公开的各方面在所附独立权利要求中定义。

公开了一种布置成投射光图案的投影仪。投影仪包括空间光调制器和光源。空间光调制器具有布置成显示相位图案的像素阵列。像素阵列可以是基本平面的像素阵列。每个像素包括具有可在第一方向和第二方向之间的旋转平面内旋转的指向矢的液晶。光源布置成用偏振光照射像素阵列，使得光根据相位图案被空间调制以形成光图案。可以说，光图案对应于相位图案。光在像素阵列上的入射角大于零，并且光是s偏振的。第一方向平行于光的偏振方向。第二方向在入射平面内。

第一方向对应于液晶的最大折射率，第二方向对应于液晶的最小折射率，反之亦然。液晶可在第一方向和第二方向之间的旋转平面内旋转，以提供可变的有效折射率，从而提供可变的相位延迟。

一个技术优势是，至少大部分相位调制是通过获得液晶的全双折射来实现的。获得全双折射使得液晶光调制层的厚度能够最小化。另一个技术优势是，对于任何入射角，基本可以获得液晶的全双折射。不管入射角如何，提供该获得意味着可以使用斜入射，并且可以进一步减小液晶层的厚度。液晶切换速度随着液晶层厚度的平方而降低。根据本公开可以实现的厚度减小提供了切换速度的显著提高。此外，与传统的垂直入射照射相比，可以用更薄的膜和/或更传统的液晶混合物实现全2π相位调制。

第一方向可以对应于液晶的平面状态，第二方向可以对应于液晶的垂直状态。技术优势在于，根据本公开的电光配置可以使用传统的硅上液晶器件来实现。更具体地说，可以说第一状态对应于液晶以平面状态取向。术语“平面”在这里用来表示包含像素阵列的平面。术语“均匀”描述了当液晶的指向矢在包含像素阵列的平面中时液晶的状态。术语“垂直”描述了当液晶的指向矢垂直于包含像素阵列的平面时的液晶状态。

第一方向可以对应于第一平面状态，第二方向可以对应于第二平面状态。第一方向不同于第二方向。旋转平面上的第一方向和第二方向之间的角度可以大致为90度。技术优势在于，根据本公开的电光配置可以使用平面内切换来实现。

第一方向和第二方向之间的旋转可以包括平面内旋转和平面外旋转。术语“平面内”在此用于表示包含像素阵列的平面内的旋转。术语“平面外”在此用于表示包含像素阵列的平面外。

第二方向可以与入射到空间光调制器上的光的k矢量平行或共线。当液晶的光轴向入射方向倾斜时，会出现重要的特殊情况。在这种情况下，在中间位置没有偏振交叉，并且相位调制是完全的(即所用液晶的完全双折射)和调制是纯相位的(即没有偏振交叉)。在这种情况下，旋转平面对应于入射光的偏振面和波矢。换句话说；在这种情况下，照射偏振光具有与指向矢的旋转平面一致的振动平面。

第一方向和第二方向之间的旋转可以包括平面内旋转和平面外旋转。

液晶的指向矢可以通过电场保持在第一方向上，并且在没有电场的情况下，通过液晶配向层保持在第二方向上。

旋转平面中的第一方向和第二方向之间的角度可以大致为90度。

相位图案可以包括从包括以下的组中选择的至少一个：全息图；透镜函数，例如菲涅耳透镜；以及波束调向函数，例如相位斜坡函数。

空间光调制器可以是硅上液晶空间光调制器。

光在像素阵列上的入射角可以近似等于硅的布鲁斯特角。因此，液晶可以直接沉积在硅上。这消除了对反射层的需要。如果平面内切换需要侧向电极，这一点尤其重要。

硅上液晶空间光调制器的硅表面可以涂有SiO₂，例如50-500nm的SiO₂。因此，对于斜入射，衬底的反射率增加。

入射到像素阵列上的光可以是包括多个光斑点的结构光，其中每个光斑点布置成照射像素阵列的相应像素。更具体地，结构光是包括多个单独光斑点的光图案，其中像素阵列的每个像素被多个单独光斑点中的相应光斑点照射。结构化照射包括小于像素的光斑点。每个光斑点的直径可以小于像素的最小尺寸(例如像素宽度)。例如，每个光斑点的直径可以小于像素尺寸或最小像素尺寸的90％，例如小于85％或小于80％。这是有利的，因为它允许边缘场的影响被减少或甚至消除，并且它减少或甚至防止光交叉进入相邻像素。结构照射在计算机生成全息术中更有优势，因为它更好地反映了全息图计算期间的数学假设或条件。具体来说，它更符合假设每个像素充当点光源的全息图计算算法。

投影仪还可以包括布置成形成结构光的斑点生成全息图或微透镜阵列。

每个像素的长度与宽度比可以是2:1至5:1，其中长度平行于偏振光的入射平面，宽度垂直于长度。因此，可以避免光线穿过长轴上相邻像素上方的液晶体积。这将减少像素间串扰。

还公开了一种投射光图案的方法，该方法包括在空间光调制器的像素阵列上显示相位图案，其中每个像素包括具有可在第一方向和第二方向之间的旋转平面内旋转的指向矢的液晶；以及用偏振光照射相位图案，使得根据相位图案对光进行空间调制，以形成光图案。根据该方法：

(i)光在像素阵列上的入射角大于零，并且光是s偏振的；

(ii)第一方向平行于光的偏振方向；并且

(iii)第二方向在入射平面内。

偏振光可以是包括多个光斑点的结构光，其中每个光斑点布置成照射像素阵列的相应像素。

还公开了一种布置成投射光图案的投影仪。投影仪包括空间光调制器和光源。空间光调制器具有布置成显示相位图案的像素阵列。像素阵列可以是基本平面的像素阵列。每个像素包括具有可在第一方向和第二方向之间的旋转平面内旋转的指向矢的液晶。光源布置成用偏振光照射像素阵列，使得光根据相位图案被空间调制以形成光图案。可以说，光图案对应于相位图案。偏振光是包括多个光斑点的结构光。每个光斑点照射像素阵列的相应像素。

更具体地，结构光是包括多个单独光斑点的光图案，其中像素阵列的每个像素被多个单独光斑点中的相应光斑点照射。更具体地，偏振光的空间轮廓包括多个单独或离散光斑点。光斑点和像素之间存在一对一关系。每个光斑点只照射像素阵列的一个像素。光斑点数量可以等于或大于像素数量。

结构照射是有利的，因为它允许边缘场的影响被减少或甚至消除，并且它减少或甚至防止像素串扰，例如光交叉进入相邻像素。

光源可以包括布置成形成结构光的斑点生成全息图(或衍射光学元件)或微透镜阵列。

结构照射包括小于像素的光斑点。每个光斑点的直径可以小于像素的最小尺寸(例如像素宽度)。例如，每个光斑点的直径可以小于像素尺寸或最小像素尺寸的90％，例如小于85％或小于80％或小于75％。每个微透镜可以具有0.05至0.25的数值孔径，例如0.1至0.2。

投影仪还可以包括全息图生成引擎，其布置成使用迭代相位检索算法来生成相位图案。结构照射在计算机生成全息术中更有优势，因为它更好地反映全息图计算期间的数学假设或条件。具体来说，它更符合假设每个像素充当点光源的计算算法。计算机实现的算法基于惠更斯-菲涅耳原理，即波前上的每个点都充当球面小波的源。

结构照射可以斜角入射到像素阵列上。也就是说，结构照射可以与斜入射相结合。像素阵列上的结构光的入射角可以大于零。斜入射允许液晶层的厚度减小，因此切换速度增加。结构照射在斜入射时特别有利，因为它可以减少甚至消除边缘场的影响。

像素可以是矩形的。每个像素的长宽比可以使得每个像素接收的光不会由于入射角而交叉进入另一个像素。根据本公开，像素的长度平行于偏振光的入射平面。像素的宽度垂直于长度。结构照射的光斑点的尺寸有下限。使用具有结构照射的矩形像素可以优化像素尺寸大小。

每个像素的长宽比可以在2:1至5:1的范围内。可以避免光线穿过长轴上相邻像素上方的液晶体积。这将减少像素间串扰。

相位图案可以包括从包括以下的组中选择的至少一个：全息图；透镜函数，例如菲涅耳透镜；以及波束控制函数，例如相位斜坡函数。

空间光调制器可以是硅上液晶空间光调制器。

光图案可以是全息重建。

本文还公开了一种投射光图案的方法。该方法包括在空间光调制器的像素阵列上显示相位图案的第一步骤。每个像素包括具有指向矢的液晶。指向矢可在第一方向和第二方向之间的旋转平面内旋转。该方法包括用偏振光照射相位图案的第二步骤。因此，偏振光根据相位图案被空间调制以形成光图案。偏振光是结构光。结构光(或照射)包括多个光斑点。每个光斑点布置成照射像素阵列的相应像素。

该方法还可以包括使用迭代相位检索算法来计算相位图案。该方法还可以包括接收偏振光。该方法还可以包括使用斑点生成全息图或微透镜阵列来构造光，以形成结构光。

光图案可被投影到投影平面上。光图案可以是投影到投影体积上的3D光图案。投影平面或投影体积在空间上与空间光调制器分离。

为了避免任何疑问，根据本公开的液晶是向列型和双折射型的。如本领域技术人员将理解，本文对单个液晶的任何引用都是针对液晶层或液晶单元或液晶混合物中的代表性液晶。

术语“全息图”用于指代包含关于物体的振幅信息或相位信息或其某种组合的记录。术语“全息重建”用于指代通过照射全息图而形成的物体的光学重建。本文中公开的系统被描述为“全息投影仪”，因为全息重建是真实图像并且与全息图在空间上分离。术语“回放场”用于指代在其内形成全息重建并完全聚焦的2D区域。如果将全息图显示在包括像素的空间光调制器上，则回放场将以多个衍射级的形式重复，其中每个衍射级是零级回放场的副本。零级回放场通常对应于优选或主要回放场，因为它是最亮的回放场。除非另有明确说明，否则术语“回放场”应被认为是指零级回放场。术语“回放平面”用于指代包含所有回放场的空间中的平面。术语“图像”、“回放图像”和“图像区域”指的是通过全息重建的光照射的回放场的区域。在一些实施例中，“图像”可包括离散光斑，其可被称为“图像光斑”，或仅出于方便起见，被称为“图像像素”。

术语“编码”、“写入”和“寻址”用于描述向SLM的多个像素提供分别确定每个像素的调制水平的相应多个控制值的过程。可以说，SLM的像素配置为响应于接收到多个控制值而“显示”光调制分布。因此，可以说SLM“显示”全息图，并且全息图可被认为是光调制值或水平的阵列。

已经发现，可以从仅包含与原始物体的傅立叶变换有关的相位信息的“全息图”形成可接受质量的全息重建。这样的全息记录可被称为仅相位全息图。实施例涉及仅相位全息图，但本公开同样适用于仅振幅全息图。

可以参考计算机生成的全息图或空间光调制器的像素的相位值、相位分量、相位信息或者简单地说是相位，作为“相位延迟”的简写。即，所描述的任何相位值实际上是代表该像素提供的相位延迟量的数字(例如在0至2π范围内)。例如，空间光调制器的描述为具有π/2相位值的像素将使接收光的相位延迟π/2弧度。在一些实施例中，空间光调制器的每个像素可在多个可能的调制值(例如相位延迟值)之一中操作。术语“灰度级”可以用来指多个可用的调制水平。例如，术语“灰度级”可以为了方便而用于指代仅相位调制器中的多个可用相位水平，即使不同的相位水平没有提供不同的灰色阴影。为了方便起见，术语“灰度级”也可以用来指复数调制器中的多个可用复数调制水平。

因此，全息图包括灰度级阵列，即光调制值阵列，比如相位延迟值阵列。全息图也被认为是衍射图案，因为它是当在空间光调制器上显示并且用波长相对于(通常小于)空间光调制器的像素间距的光照射时引起衍射的图案。本文中参考将全息图与其他衍射图案比如用作透镜或光栅的衍射图案组合。例如，可以将用作光栅的衍射图案与全息图组合以在回放平面上平移回放场，或者可以将用作透镜的衍射图案与全息图组合以将全息重建聚焦在近场中的回放平面上。

尽管可以在下面的详细描述中分别公开不同的实施例和实施例组，但任何实施例或实施例组的任何特征可以与任何实施例或实施例组的任何其他特征或特征的组合相结合。即，设想了本公开中所公开的特征的所有可能的组合和置换。

附图说明

仅参考以下附图以示例的方式描述特定实施例：

图1是示出在屏幕上产生全息重建的反射型SLM的示意图；

图2A示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第一迭代；

图2B示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第二及后续迭代；

图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的替代第二及后续迭代；

图3示出了向列液晶的指示线；

图4示出了入射到指示线在入射平面内倾斜的向列液晶上的光；

图5a示出了根据现有技术的使用倾斜向列液晶的第一示例相位调制器；

图5b示出了根据现有技术的使用倾斜向列液晶的第二示例相位调制器；

图6a示出了根据斜入射的液晶的第一状态；

图6b示出了根据斜入射的第二状态的第一示例；

图6c示出了根据斜入射的第二状态的第二示例；

图6d示出了根据斜入射的第二状态的第三示例；

图7a和8a示出了根据所谓的下桶(down-the-barrel)配置的第一状态；

图7b和8b表示第一中间旋转状态；

图7c和8c表示第二中间旋转状态；

图7d和8d示出了根据下桶的第二状态；

图9示出了用于提供结构照射的微透镜阵列；

图10示出了用于提供结构照射的DOE；

图11示出了访问棱镜；

图12示出了斜入射的示例像素结构；

图13代表液晶-硅界面的反射率；

图14示出了用于平面内切换的平面内电极结构；

图15示出了用于斜入射的平面内切换LCOS器件的金属电极的横截面；

图16a示出了1D不连续金属镜；以及

图16b示出了2D不连续金属镜。

在整个附图中将使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。

具体实施方式

本发明不限于以下描述的实施例，而是扩展到所附权利要求的全部范围。即，本发明可以以不同的形式实施，并且不应被解释为限于所描述的实施例，实施例出于说明的目的而阐述。

除非另有说明，否则单数形式的术语可以包括复数形式。

被描述为形成在另一结构的上部/下部或者在另一结构之上/之下的结构应被解释为包括结构彼此接触的情况以及在其之间设置有第三结构的情况。

在描述时间关系时，例如当事件的时间顺序描述为“之后”、“随后”、“下一个”、“之前”等时，本公开应被认为包括连续和非连续事件，除非另有规定。例如，描述应被认为包括除非使用诸如“仅”、“紧邻”或“直接”之类的措词否则不连续的情况。

尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分各个元件。例如，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，类似地，第二元件可被称为第一元件。

不同实施例的特征可以部分或整体地彼此耦合或组合，并且可以彼此不同地互操作。一些实施例可以彼此独立地执行，或者可以以相互依存的关系一起执行。

光学配置

图1示出了其中计算机生成的全息图被编码在单个空间光调制器上的实施例。计算机生成的全息图是用于重建的物体的傅立叶变换。因此可以说全息图是物体的傅立叶域或频域或光谱域表示。在该实施例中，空间光调制器是反射型硅上液晶“LCOS”器件。全息图在空间光调制器上编码，并且在回放场例如光接收表面比如屏幕或漫射器处形成全息重建。

设置光源110，例如激光或激光二极管，以经由准直透镜111照射SLM140。准直透镜使光的大致平面波前入射在SLM上。在图1中，波前的方向是偏离法线的(例如，与真正垂直于透明层的平面相距两或三度)。然而，在其他实施例中，大致平面波前以法向入射提供，并且分束器布置用于分离输入和输出光路。在图1所示的实施例中，布置使得来自光源的光从SLM的镜面后表面反射并与光调制层相互作用以形成出射波前112。出射波前112被施加到包括傅立叶变换透镜120的光学器件，其焦点位于屏幕125上。更具体地，傅立叶变换透镜120接收来自SLM140的调制光束，并执行频率-空间变换以在屏幕125上产生全息重建。

值得注意的是，在这种类型的全息图中，全息图的每个像素都有助于整个重建。回放场上的特定点(或图像像素)与特定的光调制元件(或全息图像素)之间没有一对一的相关性。换句话说，离开光调制层的调制光分布在整个回放场上。

在这些实施例中，全息重建在空间中的位置由傅立叶变换透镜的屈光度(聚焦)确定。在图1所示的实施例中，傅立叶变换透镜是物理透镜。即，傅立叶变换透镜是光学傅立叶变换透镜，并且傅立叶变换是光学进行的。任何透镜都可以充当傅立叶变换透镜，但透镜的性能将限制其执行的傅立叶变换的准确性。技术人员理解如何使用透镜来执行光学傅立叶变换。

全息图计算

在一些实施例中，计算机生成的全息图是傅立叶变换全息图，或者简单地是傅立叶全息图或基于傅立叶的全息图，其中通过利用正透镜的傅立叶变换特性在远场中重建图像。通过将回放平面中的所需光场傅立叶变换回透镜平面来计算傅立叶全息图。可以使用傅立叶变换来计算计算机生成的傅立叶全息图。

可以使用算法比如Gerchberg-Saxton算法来计算傅立叶变换全息图。此外，Gerchberg-Saxton算法可用于根据空间域(比如照片)中的仅振幅信息来计算傅立叶域中的全息图(即傅立叶变换全息图)。从空间域中的仅振幅信息中有效地“检索”与物体有关的相位信息。在一些实施例中，使用Gerchberg-Saxton算法或其变型从仅振幅信息计算计算机生成的全息图。

Gerchberg-Saxton算法考虑了当已知分别在平面A和B中的光束的强度截面I_A(x,y)和I_B(x,y)并且I_A(x,y)和I_B(x,y)通过单个傅立叶变换关联时的情况。对于给定的强度横截面，求出了平面A和B中的相位分布的近似值，分别为Ψ_A(x,y)和Ψ_B(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程来找到该问题的解决方案。更具体地，Gerchberg-Saxton算法迭代地应用空间和频谱约束，同时在空间域和傅立叶(频谱或频率)域之间重复传输代表I_A(x,y)和I_B(x,y)的数据集(振幅和相位)。通过算法的至少一次迭代获得频谱域中的相应计算机生成的全息图。该算法是收敛的并且布置为产生表示输入图像的全息图。全息图可以是仅振幅全息图、仅相位全息图或全复数全息图。

在一些实施例中，仅相位的全息图是使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法来计算的，比如在英国专利2498170或2501112中描述的，其全部内容通过引用结合于此。然而，本文公开的实施例仅通过示例的方式描述计算仅相位全息图。在这些实施例中，Gerchberg-Saxton算法获取数据集的傅立叶变换的相位信息Ψ[u,v]，其产生已知的振幅信息T[x,y]，其中振幅信息T[x,y]代表目标图像(例如照片)。由于幅度和相位在傅立叶变换中是固有组合的，因此变换后的幅度和相位包含有关计算数据集的准确性的有用信息。因此，该算法可以与振幅和相位信息的反馈一起迭代地使用。然而，在这些实施例中，仅相位信息Ψ[u,v]用作全息图，以在图像平面上形成目标图像的全息表示。全息图是相位值的数据集(例如2D阵列)。

在其他实施例中，基于Gerchberg-Saxton算法的算法用于计算全复数全息图。全复数全息图是具有幅度分量和相位分量的全息图。全息图是包括复数数据值阵列的数据集(例如2D阵列)，其中每个复数数据值包括幅度分量和相位分量。

在一些实施例中，算法处理复数数据，并且傅立叶变换是复数傅立叶变换。可以将复数数据视为包括(i)实数分量和虚数分量，或(ii)幅度分量和相位分量。在一些实施例中，复数数据的两个分量在算法的各个阶段被不同地处理。

图2A示出了根据一些实施例的用于计算仅相位全息图的算法的第一迭代。算法的输入是包括像素或数据值的2D阵列的输入图像210，其中每个像素或数据值是幅度或振幅值。即，输入图像210的每个像素或数据值不具有相位分量。因此，输入图像210可被视为仅幅度或仅振幅或仅强度分布。这样的输入图像210的示例是照片或包括帧时间序列的视频的一帧。算法的第一迭代从数据形成步骤202A开始，该步骤包括使用随机相位分布(或随机相位种子(seed))230将随机相位值分配给输入图像的每个像素，以形成起始复数数据集，其中数据集的每个数据元素包括幅度和相位。可以说，起始复数数据集代表了空间域中的输入图像。

第一处理块250接收起始复数数据集并执行复数傅立叶变换以形成傅立叶变换的复数数据集。第二处理块253接收傅立叶变换的复数数据集并输出全息图280A。在一些实施例中，全息图280A是仅相位全息图。在这些实施例中，第二处理块253量化每个相位值并将每个振幅值设置为1，以便形成全息图280A。根据可以在空间光调制器的像素上表示的相位水平来量化每个相位值，该空间光调制器的像素将用于“显示”仅相位全息图。例如，如果空间光调制器的每个像素提供256个不同的相位水平，则将全息图的每个相位值量化为256个可能相位水平中的一个相位水平。全息图280A是代表输入图像的仅相位傅立叶全息图。在其他实施例中，全息图280A是全复数全息图，其包括从接收的傅立叶变换的复数数据集导出的复数数据值(每个包括振幅分量和相位分量)阵列。在一些实施例中，第二处理块253将每个复数数据值约束到多个可允许复数调制水平之一以形成全息图280A。约束步骤可以包括将每个复数数据值设置为复数平面中最接近的可允许复数调制水平。可以说全息图280A代表频谱或傅立叶或频域中的输入图像。在一些实施例中，算法在该点处停止。

然而，在其他实施例中，算法继续，如图2A中的虚线箭头所示。换句话说，遵循图2A中的虚线箭头的步骤是可选的(即并非对所有实施例都是必不可少的)。

第三处理块256从第二处理块253接收修改的复数数据集，并执行逆傅立叶变换以形成逆傅立叶变换的复数据集。可以说逆傅立叶变换的复数数据集代表空间域中的输入图像。

第四处理块259接收逆傅立叶逆变换的复数数据集，并提取幅度值211A的分布和相位值213A的分布。可选地，第四处理块259评估幅度值211A的分布。具体地，第四处理块259可以将逆傅立叶变换的复数数据集的幅度值211A的分布与输入图像510进行比较，输入图像510本身当然是幅度值的分布。如果幅度值211A的分布与输入图像210之间的差足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是可接受的。即，如果幅度值211A的分布与输入图像210之间的差足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是输入图像210的足够准确表示。在一些实施例中，为了比较的目的，忽略了逆傅立叶变换的复数数据集的相位值213A的分布。将理解的是，可以采用任何数量的不同方法来比较幅度值211A的分布和输入图像210，并且本公开不限于任何特定方法。在一些实施例中，计算均方差，并且如果均方差小于阈值，则认为全息图280A是可接受的。如果第四处理块259确定全息图280A是不可接受的，则可以执行算法的进一步迭代。然而，该比较步骤不是必需的，并且在其他实施例中，执行的算法的迭代次数是预定的或预设的或用户定义的。

图2B表示算法的第二迭代以及算法的任何进一步迭代。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布，有利于输入图像210的幅度值的分布。在第一迭代中，数据形成步骤202A通过将输入图像210的幅度值的分布与随机相位分布230相结合来形成第一复数数据集。然而，在第二和后续迭代中，数据形成步骤202B包括通过将(i)来自算法的先前迭代的相位值213A的分布与(ii)输入图像210的幅度值的分布相结合来形成复数数据集。

然后，以参照图2A描述的相同方式处理由图2B的数据形成步骤202B形成的复数数据集，以形成第二迭代全息图280B。因此，此处不再重复对该过程的说明。当已经计算了第二迭代全息图280B时，算法可以停止。然而，可以执行该算法的任何数量的进一步迭代。将理解的是，仅在需要第四处理块259或需要进一步的迭代时才需要第三处理块256。输出全息图280B通常随着每次迭代而变得更好。然而，实际上，通常会达到一个无法观察到可测量的改进的点，或者执行进一步迭代的正面好处被额外的处理时间所带来的负面影响抵消。因此，该算法被描述为迭代和收敛的。

图2C表示第二和后续迭代的替代实施例。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布，有利于幅度值的替代分布。在该替代实施例中，幅度值的替代分布是从先前迭代的幅度值211的分布中得出的。具体地，处理块258从先前迭代的幅度值211的分布中减去输入图像210的幅度值的分布，通过增益因子α缩放该差，并从输入图像210中减去经缩放的差。通过以下等式在数学上来表达此，其中下标文本和数字表示迭代次数：

R_n+1[x,y]＝F'{exp(iψ_n[u,v])}

ψ_n[u,v]＝∠F{η·exp(i∠R_n[x,y])}

η＝T[x,y]-α(|R_n[x,y]|-T[x,y])

其中：

F'是逆傅立叶变换；

F是正向傅立叶变换；

R[x,y]是第三处理块256输出的复数数据集；

T[x,y]是输入或目标图像；

∠是相位分量；

Ψ是仅相位全息图280B；

h是幅度值211B的新分布；以及

α是增益因子。

增益因子α可以是固定的或可变的。在一些实施例中，基于输入目标图像数据的大小和速率来确定增益因子α。在一些实施例中，增益因子α取决于迭代次数。在一些实施例中，增益因子α仅是迭代次数的函数。

在所有其他方面，图2C的实施例与图2A和图2B的实施例相同。可以说，仅相位全息图Ψ(u,v)包括频域或傅立叶域中的相位分布。

在一些实施例中，使用空间光调制器执行傅立叶变换。具体地，全息图数据与提供光焦度的第二数据组合。即，写入空间光调制的数据包括表示物体的全息图数据和表示透镜的透镜数据。当显示在空间光调制器上并用光照射时，透镜数据会模拟物理透镜，即，它以与相应物理光学元件相同的方式将光聚焦。因此，透镜数据提供了光或聚焦焦度率。在这些实施例中，可以省略图1的物理傅立叶变换透镜120。已知如何计算代表透镜的数据。代表透镜的数据可以称为软件透镜。例如，仅相位透镜可以通过计算由透镜的每个点由于其折射率和空间变化的光路长度而引起的相位延迟来形成。例如，在凸透镜的中心的光路长度大于在透镜的边缘的光路长度。仅振幅透镜可以由菲涅耳波带片形成。在计算机生成的全息术领域中，还已知如何将代表透镜的数据与全息图相结合，从而可以在不需要物理傅立叶透镜的情况下执行全息图的傅立叶变换。在一些实施例中，通过简单的加法比如简单的矢量加法将透镜化数据与全息图组合。在一些实施例中，物理透镜与软件透镜结合使用以执行傅立叶变换。可替代地，在其他实施例中，完全省略傅立叶变换透镜，使得全息重建在远场中发生。在进一步的实施例中，全息图可以以相同的方式与光栅数据组合，即布置成执行光栅函数(比如图像转向)的数据。同样，在本领域中已知如何计算这样的数据。例如，可以通过对由闪耀光栅的表面上的每个点引起的相位延迟进行建模来形成仅相位光栅。仅振幅光栅可以简单地与仅振幅全息图叠加以提供全息重建的角度转向。提供透镜化和/或转向的第二数据可被称为光处理函数或光处理图案，以与可被称为图像形成函数或图像形成图案的全息图数据区分开。

在一些实施例中，傅立叶变换由物理傅立叶变换透镜和软件透镜联合执行。即，由软件透镜提供有助于傅立叶变换的一些光焦度，而由一个或多个物理光学器件提供有助于傅立叶变换的其余光焦度。

在一些实施例中，提供了一种实时引擎，其布置为使用算法接收图像数据并实时计算全息图。在一些实施例中，图像数据是包括图像帧序列的视频。在其他实施例中，全息图被预先计算，存储在计算机存储器中并且根据需要被调出以显示在SLM上。即，在一些实施例中，提供了预定全息图的储存库。

实施例仅通过示例的方式涉及傅立叶全息术和Gerchberg-Saxton类型算法。本公开同样适用于可通过类似方法计算的菲涅耳全息术和菲涅耳全息图。本公开还适用于通过其他技术比如基于点云方法的技术计算的全息图。

使用可旋转液晶的相位调制

图3示出了向列液晶的指示线或折射率椭球300。它是旋转椭球，描绘了折射率的取向和大小。指示线具有与液晶介质中长分子轴的平均方向一致的第一轴302和与短分子轴相关的第二轴304。指向矢306指示感兴趣点附近液晶的一般取向。更具体地，指向矢表示区域中长分子轴的空间和时间平均。指向矢还指示液晶的光轴的方向。

指示线表示两个折射率的空间变化和大小：非常折射率n_e和普通折射率n_o。沿着第一轴302线性偏振的光经历非常折射率n_e。在沿着第二轴304的方向上线性偏振的光经历普通折射率n_o。对于垂直于长分子轴传播的光，液晶的双折射Δn被定义为材料表现出的折射率之间的最大差异，并且由下式给出：

Δn＝n_e-n_o (1)

对于沿分子长轴传播的光，双折射为零。

指示线允许计算光线在任何角度经历的双折射。图4示出了入射到指示线在入射平面内倾斜的向列型液晶上的光。光的偏振方向406示出在振动平面中。还示出了指示长分子轴的平均取向的液晶指向矢402。在这种配置中，入射光的有效折射率n_eff由下式给出：

其中，θ是分子长轴和光传播方向之间的角度。

因此，液晶相对于θ的取向决定了所经历的有效折射率，并因此决定了倾斜的液晶能够赋予光波的相位延迟。因此，可以通过使用电压控制液晶的取向或倾斜来形成相位调制器。

图5a示出了根据现有技术的使用倾斜向列液晶的第一示例相位调制器。通过改变液晶经历的电场502来形成电光相位调制器。在第一状态504，电场被关闭(V＝0)，并且液晶相对于下面的反射表面508的倾斜由表面配向层确定。表面配向层提供所谓的预倾斜，该预倾斜可以是几度，例如两度。在第二状态506，电场最大(V＝V)，液晶相对于反射表面的倾斜最大。因此，液晶的有效折射率是电压的函数。图5a示出了入射光550的振动平面510和偏振方向512。入射光550是p偏振的。相位调制器是反射的，并且使用分束器514，使得入射光垂直于反射表面508。

图5b示出了根据现有技术的使用倾斜向列液晶的第二示例相位调制器。在该示例中，省略了分束器，并且入射光560相对于反射表面508的法线离轴，以避免入射光560和反射光570之间的重叠。在这个示例中，振动平面520也是入射平面，其中入射平面是包含入射光560的表面法线和传播矢量(称为k矢量)的平面。

相位调制器使用p偏振光已经成为常规。当光以垂直入射方式进入液晶，并且液晶的光轴在电场的影响下从基本平行于基板(平行均匀配向)移动到垂直于基板(垂直配向)，则基本获得液晶的全双折射。这是因为通过液晶的光的光路因改变了d.Δn，其中d是液晶层的厚度。实际上，由于液晶相对于下面的反射表面的预倾斜，光以垂直入射时经历的Δn可能略小于折射率的最大可能差异(即n_e–n_o)。然而，在实践中，如果预倾斜非常小，大约几度，这可能对以垂直光入射时获得的双折射影响很小。

斜入射

用斜入射角的光来操作硅上液晶器件会导致通过液体层的几何路径(l)大于其厚度(d)。因此，它能够减小液体层的厚度，并因此提高其切换速度。电压引起的切换速度增加，因为LC上的电场增加，并且(更重要的是)对于更薄的液晶层，当电压被去除时，弛豫速度更高。

虽然通过液晶的光的几何路径总是以斜入射时增加，但光路通常由于在斜角时液晶的有效双折射的改变而减少。换句话说；穿过液晶的光的有效光路取决于其几何路径(l)的长度和它穿过液晶时所经历的有效双折射。传统上，当硅上液晶器件用以斜入射角的光操作时，不再获得液晶的全双折射，并且通过使用电场倾斜液晶可以实现的折射率的最大变化被减小到低于Δn(其中，当以垂直入射照射时，Δn是液晶的最大可能双折射。)因此，尽管通过液晶的光的几何路径(l)由于倾斜入射而从d增加到d/sinθ,但由于有效双折射减小，光路小于d/sinθ×Δn。如果有效双折射的减小超过了几何路径长度(l)的增加，那么斜入射可以因此减小光通过液晶的光路长度。

发明人设计了一种新的用于相位调制的电光配置，其开启了离轴(即倾斜)照射的优点。特别地，发明人已经发现了一种方案，当离轴照射时，该方案允许接近液晶的全双折射。因此，可以提高切换速度。

图6概括地示出了该方案。在此参考在操作期间可实现的关于液晶的两个极端取向的第一状态和第二状态。在第一状态，液晶的指向矢在旋转平面上具有第一方向。在第二状态，液晶的指向矢在旋转平面上具有第二方向。第一状态可以对应于入射光经历最小折射率的状态，第二状态可以对应于经历最大折射率的状态。

图6a示出了根据实施例的第一状态。液晶600是液晶层的代表性液晶。液晶600具有第一轴602和第二轴604。第一轴602平行于液晶的指向矢。沿着第一轴602线性偏振的光经历非常折射率n_e。在沿着第二轴604的方向上线性偏振的光经历普通折射率n_o。在这个示例中，液晶具有正的光学各向异性(即n_e>n_o)。

图6a中的液晶600被示出处于没有电压时的位置(即，当包含液晶600的空间光调制器处于V＝0状态时。)

由液晶600表示的液晶层设置在反射表面616上。因此，据说液晶以平面状态布置。以类似于图5a的晶体的方式，已经进行了配向，以相对于下面的反射表面616向液晶600提供预定的“预倾斜”角度。这个预定的倾斜角可以由表面配向层通过任何合适的技术来确定，例如摩擦，这对于熟练的读者来说是已知的。

液晶层被倾斜照射。根据本发明人设计的用于相位调制的新电光配置来选择和控制倾斜照射的方式。图6a示出了振动平面610、偏振方向612、入射光的k矢量614和入射平面618。选择和控制光，使得其偏振方向612平行于液晶600的第一轴602(和指向矢)。因此，图6a中的光经历的折射率为n_e。我们注意到，只要液晶在垂直于入射平面的方向上是平面配向的，这对于入射平面中任何角度的光都是正确的。因此，图6a中入射光的确切位置只是一个示例，在所示的入射平面618中，可以为入射光选择其他斜入射角。

为了正确地确定入射光的角度，应该知道液晶600的配向(因此知道其第一轴602和第二轴604的方向)。如上所述，配向可以任何合适的方式预先确定，并且可以任何合适的方式检查或测量。例如，可以使用具有指定配向层和液晶600的玻璃单元来测量晶体倾斜。一旦建立配向，光束可以配置成以适当角度提供入射光。如果需要，一旦液晶600被照射，配向可被微调。

图6b至6d中的每个示出了处于第二状态的液晶600的相应示例。在图6b至6d中的每个中，由于向包括液晶600的空间光调制器的电极施加电压(V)，液晶的配向已经改变。熟练的读者会认识到，“V”的值将会变化，这取决于许多因素，例如单元厚度等。根据一示例，V可以在0伏和5伏之间。如熟练的读者将知道，当在电极上施加电压时(即当V>0时)，液晶600将开始与场线配向，因此逐渐被拉成新配向。图6b至6d示出了根据本文描述的新电光配置的三种可能的这种配向。

图6b示出了根据实施例的第二状态的第一示例。第二状态的第一示例可以使用任何合适的硅上液晶(LCOS)器件来实现。液晶600已经从平面(或均匀)状态因在LCOS器件上施加电压(V)引起的电场的存在而旋转到垂直状态。液晶的指向矢已经围绕由入射平面618和反射表面616的相交形成的轴线旋转了90度。可以说旋转超出了平面。更具体地，旋转超出了反射表面的平面。当旋转已经发生并且液晶处于第二状态的第一示例中时，其指向矢因此平行于反射表面的表面法线。偏振方向612平行于第二轴，因此光经历n_o。再次，我们注意到，这对于入射平面中任何角度的光也是真实的，假设液晶在垂直于入射平面的方向上是平面配向的。因此，在从其第一状态旋转到其第二状态时，液晶经历了折射入射的最大可用变化，Δn＝n_e-n_o，尽管已经被离轴照射(即倾斜)。

通过施加垂直于反射表面616的电场，液晶可在第一状态和第二状态的第一示例之间旋转。在图6a至6d所示的实施例中，液晶具有正介电各向异性。因此，在这些实施例中，第一状态对应于电场关闭(V＝0)，第二状态对应于电场开启(V＝V)。在其它实施例中，对于具有负介电各向异性的液晶，情况正好相反。在任一情况下，第一状态(V＝0)可以由至少一个表面配向层保持。

根据第一示例，在第一状态和第二状态之间驱动液晶所需的电场可以使用横向电极来实现。术语横向电极本文用来指这样的配置，其中第一电极是反射表面(例如铝)，第二电极是平行于第一电极的透明电极(即电场横向于液晶层的平面)。第一电极和第二电极限定包含液晶的单元。具有横向电极的硅上液晶“LCoS”空间光调制器在本领域中是已知的，因此不需要进一步描述。

图6c示出了根据实施例的第二状态的第二示例。第二状态的该第二示例可以使用任何合适的硅上液晶(LCOS)器件来实现。液晶已经从第一平面状态旋转到第二平面状态。液晶的指向矢在表面平面内旋转了90度。可以说旋转在平面内。更具体地，旋转在反射表面616的平面内。偏振方向612平行于第一轴，因此光经历n_o。因此同样，在从其第一状态旋转到其第二状态时，液晶经历了折射入射的最大可用变化，Δn＝n_e-n_o，尽管已经被离轴照射(即倾斜)。

液晶可通过平行于反射表面的电场在第一状态和第二状态之间旋转。在一些实施例中，第一状态对应于电场关闭(V＝0)，第二状态对应于电场开启(V＝V)。

根据第二示例，在第一状态和第二状态之间驱动液晶所需的电场可以使用侧向电极来实现。术语侧向电极本文用来指第一电极和第二电极都位于平行于反射表面616的平面中的配置。第一电极和第二电极限定了包含液晶的单元。液晶在平面内的旋转或“切换”称为平面内切换。提供平面内切换的液晶器件在本领域中是已知的，因此不需要进一步描述。

图6d示出了根据实施例的第二状态的第三示例。液晶经历了平面内和平面外旋转，以从第一状态到达第二状态。第二状态的该第二示例可以使用任何合适的硅上液晶(LCOS)器件来实现。液晶的指向矢已经在旋转平面中旋转了90度，该旋转平面定向在第一示例的旋转平面和第二示例的旋转平面之间的中间位置。偏振方向612平行于第一轴，因此光经历n_o。因此同样，在从其第一状态旋转到其第二状态时，液晶经历了折射入射的最大可用变化，Δn＝n_e-n_o，尽管已经被离轴照射(即倾斜)。

液晶可通过具有旋转平面方向的电场在第一状态和第二状态之间旋转。在一些实施例中，第一状态对应于电场开启(V＝V)，第二状态对应于电场关闭(V＝0)。

根据第三示例，在第一状态和第二状态之间驱动液晶所需的电场可以使用例如侧向电极来实现，以提供平面内切换。提供平面内切换的液晶器件在本领域中是已知的，因此不需要进一步描述。

在一些实施例中，第二状态的第三示例对应于电场关闭的状态。第二状态下液晶的取向可以使用至少一个表面配向层来实现。现有技术中已知如何提供相对高的表面配向角度。在该第三示例中，第一状态可以对应于最大电压状态。在这种布置中，电场用于将液晶下拉至平面状态。技术人员将理解如何使用电场来克服表面预倾斜，并在指向矢中配向，如图6a所示。

如本领域技术人员将理解，液晶同样可以具有负介电各向异性，这可以在所有示例中反转电压开启和电压关闭状态。

参考图6描述的实施例提供了两个显著的优点。首先，获得液晶的全双折射，其次，可以使用任何入射角。值得注意的是，斜入射是可允许的，而不会引入通常与之相关的缺点。在一些实施例中，入射角大于20度，例如大于40度或大于60度。

在不同的LCOS器件和环境之间，优选的或优化的斜入射角可能不同。例如，可以根据反射表面616的反射率来选择入射角。选择液晶配置的另一个因素将决定入射光的入射平面，可能是产生稳定的晶体倾斜配向。因此，选择入射角可能是获得良好反射率和找到液晶的实际配向之间的折衷。

下桶

除了上述优点之外，发明人还提供了另一种改进，其在此称为下桶。发明人已经意识到，在参考图6描述的方案中，在第一状态和第二状态之间的中间状态中会出现一些偏振交叉。因此，除了相位调制之外，还可以发生一些部分强度调制。在大多数实际情况下，一些强度调制是可以容忍的，或者可以在全息图计算期间适应。然而，纯相位是理想的。

偏振交叉是用于描述当入射的线性偏振以不同的偏振态(例如椭圆、旋转线性或非偏振)反射时光调制层的行为的术语。偏振交叉导致偏离纯相位调制。发明人已经确定了一种特殊情况，其中中间状态中的偏振交叉被最小化或消除。这如图7和8所示。

图7a再次示出了根据实施例的第一状态。图7d示出了根据下桶实施例的第二状态。图7b和7c表示第一状态和第二状态之间的两个中间旋转状态。在图7d所示的第二状态，指向矢702仍在入射平面中，但是另外，它也与入射光的k矢量714共线。因此，在该特定示例中，选择电光配置，使得当液晶700处于其第二状态时，k矢量714将与液晶700的第一轴702和指向矢配向。

发明人已经认识到，在图7a至7d的配置中，光束的偏振基本没有旋转。其原因是，当入射光沿着光轴被引导时，入射光束的p偏振分量和s偏振分量都经历普通折射率n_o。

从图7a至7d可以理解，在第一和第二状态之间的转变期间，液晶指向矢702围绕两个正交轴旋转。换言之，液晶700经历了平面内和平面外旋转。液晶指向矢702的旋转平面平行于入射光的振动平面710。换句话说，在图7所示的整个转变期间，液晶指向矢702在入射光的振动平面710中旋转。这如图8所示。图8a至8d分别对应于图7a至7d。在一些实施例中，第一状态(图7a)对应于电场开启(V＝V)，第二状态(图7d)对应于电场关闭(V＝0)。

处于第二状态(图7d)的液晶700的取向可以使用至少一个表面配向层来实现。现有技术中已知如何提供相对高的表面配向角度。例如，LCoS SLM器件还可以包括至少一个液晶配向层。液晶配向层可以布置成在液晶的指向矢和硅背板之间提供液晶预倾角，其大于20度比如大于40度或大于60度。

在该下桶实施例中，第一状态(图7a)可以对应于最大电压状态。在这种布置中，电场用于将液晶下拉至平面状态。技术人员将理解如何使用电场来克服表面预倾斜，并在指向矢中配向，如图7a所示。

在该下桶实施例中，第一状态(图7a)可以对应于最大电压状态。在这种布置中，电场用于将液晶下拉至平面状态。技术人员将理解如何使用电场来克服表面预倾斜，并在指向矢中对准，如图7a所示。

总之，第二方向可以与入射到空间光调制器上的光的k矢量平行或共线。当液晶的光轴向入射方向倾斜时，会出现重要的特殊情况。在这种情况下，在中间位置没有偏振交叉，并且相位调制是完全的(即所用液晶的全双折射)和调制是纯相位的(即没有偏振交叉)。在这种情况下，旋转平面对应于入射光的偏振面和波矢。

空间光调制器可以是硅上液晶空间光调制器。

结构照射

斜入射具有一些缺点：

(1)像素边缘的边缘场(fringing field)减小了以正确相位延迟精确地调制光束的像素的面积。虽然这也是常规均匀正入射照射的问题，但斜入射的问题更严重。

(2)由特定像素镜反射的一些斜入射光将被也与入射平面相交的相邻像素部分调制。如果光调制器用于全息投影，这也会破坏全息回放场的完整性。

随着像素尺寸减小并接近液晶厚度，这些问题只会变得更糟。然而，发明人已经解决了这些进一步的问题。

在一些实施例中，照射策略是结构照射，这意味着入射到相位调制器上的光不是准直波前，而是以单个像素为目标的小光束阵列。相位调制器的每个像素接收来自相应小光束的光。相位调制器的每个像素只接收来自一个小光束的光。每个小光束只照射相位调制器的一个像素。小光束和像素之间存在一对一关系。结构照射的每个小光束对应于相位调制器的一个像素。可以有相同数量的小光束和像素。由小光束阵列形成的光图案在空间上对应于相位调制器的像素阵列。

发明人已经意识到，使用在像素上产生斑点的结构照射可以有利地用于全息应用以接近点源，这允许光学装置与用于计算全息图的算法紧密匹配。

结构照射的第一实施例使用微透镜或微透镜阵列来形成光图案。图9示出了微透镜阵列901，其包括包含微透镜901a的微透镜阵列。图9中还示出了包括包含像素903a的像素阵列903的空间光调制器。用准直光907照射微透镜阵列901，以形成包括小光束905a的小光束阵列905。微透镜阵列901的每个微透镜接收一部分准直光907。在所示的实施例中，微透镜901a接收准直光907的第一部分，以形成聚焦到像素903a上的小光束905a。每个微透镜形成照射相应像素的相应小光束。因此，微透镜、小光束和像素之间存在一对一关系。在一些实施例中，每个小光束被聚焦到相应像素的中心。如果空间光调制器包括[m×n]个像素，则微透镜阵列将包括[m×n]个微透镜。在一些实施例中，m＝2n，并且可选地n＝128,256,512,1024 or 2048。

在一些实施例中，每个微透镜的数值孔径为0.05至0.25，例如0.1。每个光斑点的直径可以是波长λ的2到20倍，例如5λ。在一些实施例中，微透镜具有大于15μm且F数>0.65的孔径。填充系数可能高达100％。在一些实施例中，微透镜由熔融石英制成，但如本领域技术人员将理解的，材料可能同样适用。在一些实施例中，相位调制器是反射的，并且准直波在聚焦光束从相位调制器的每个像素的中心反射之后被重构。

结构照射的第二实施例使用斑点生成全息图(不要与相位调制器上显示的全息图混淆)来形成光图案。斑点生成全息图可以是衍射光学元件“DOE”。图10示出了布置成接收准直光1007的DOE 1001。在该实施例中，DOE 1001用于傅立叶布置以形成光斑点阵列。图10示出了傅立叶透镜1002，其布置成接收来自DOE 1001的衍射光1005，并在包含相位调制器的平面上形成斑点阵列。相位调制器包括包含像素1003a的像素阵列1003。相位调制器的每个像素由各自的光斑点照射。光斑点阵列对应于像素阵列。在一些实施例中，DOE是固定结构。DOE可以通过光刻或光学记录在高分辨率全息介质上制成。在本领域中已知如何制作用于垂直入射的合适的斑点生成DOE。

当根据本公开实现斜入射时，计算DOE和构造光学配置更加复杂。然而，美国5982954公开了计算DOE的方法。本段中引用的方程和图形是美国5982954的方程和图形。例如，从以像素为中心的斑点阵列开始，使用方程5计算空间频谱。这被传播到DOE的平面，其中心距像素阵列的中心距离为z。然后，根据方程7，对传播的空间频谱进行傅立叶逆变换，注意根据图4转换空间频率。空间频率的转换意味着DOE将由高空间频率组成，以在背板上获得大入射角，这对于固定的DOE来说不是问题。

为避免疑问，结合斜入射使用结构照射是可选的。也就是说，可以在没有结构照射的情况下使用斜入射，并且可以在没有斜入射的情况下使用结构照射。可以使用均匀强度的准直光束倾斜照射整个像素阵列。结构照射可用于垂直入射。然而，对于大于10度的入射角，结构照射的优点开始超过使用结构照射引入的复杂性。因此，在实施例中，入射角大于20度，例如大于40度或大于60度，并且使用结构照射来减少光损失。

总之，投影仪可以布置成投射光图案。投影仪包括空间光调制器和光源。空间光调制器具有布置成显示相位图案的像素阵列。像素阵列可以是基本平面的像素阵列。每个像素包括具有可在第一方向和第二方向之间的旋转平面内旋转的指向矢的液晶。光源布置成用偏振光照射像素阵列，使得光根据相位图案被空间调制以形成光图案。可以说，光图案对应于相位图案。偏振光是包括多个光斑点的结构光。每个光斑点照射像素阵列的相应像素。

更具体地，结构光是包括多个单独光斑点的光图案，其中像素阵列的每个像素被多个单独光斑点中的相应光斑点照射。更具体地，偏振光的空间轮廓包括多个单独或离散光斑点。光斑点和像素之间存在一对一关系。每个光斑点只照射像素阵列中的一个像素。光斑点数量可以等于或大于像素数量。

投影仪还可以包括全息图生成引擎，其布置成使用迭代相位检索算法来生成相位图案。结构照射在计算机生成全息术中更有优势，因为它更好地反映了全息图计算期间的数学假设或条件。具体来说，它更符合假设每个像素充当点光源的计算算法。计算机实现的算法基于惠更斯-菲涅耳原理，即波前上的每个点都充当球面小波的源。

像素可以是矩形的。每个像素的长宽比可以使得每个像素接收的光不会由于入射角而交叉进入另一个像素。根据本公开，像素的长度平行于偏振光的入射平面。像素的宽度垂直于长度。结构照射的光斑点尺寸有下限。使用具有结构照射的矩形像素可以优化像素尺寸。

这里还公开了一种投射光图案的方法。该方法包括在空间光调制器的像素阵列上显示相位图案的第一步骤。每个像素包括具有指向矢的液晶。指向矢可在第一方向和第二方向之间的旋转平面内旋转。该方法包括用偏振光照射相位图案的第二步骤。因此，偏振光根据相位图案被空间调制以形成光图案。偏振光是结构光。结构光(或照射)包括多个光斑点。每个光斑点布置成照射像素阵列的相应像素。

该方法还可以包括使用迭代相位检索算法来计算相位模式。该方法可以进一步包括接收偏振光。该方法可以进一步包括使用斑点生成全息图或微透镜阵列来构造光，以形成结构光。

访问棱镜

在一些实施例中，所谓的访问棱镜(access prism)用作光学配置的一部分，其有助于斜入射和可选的结构照射。图11示出了安装在相位调制器的液晶层1103上的访问棱镜1101。访问棱镜是梯形的，其最长边形成安装到相位调制器的液晶层1103的基底1108。访问棱镜还具有平行于液晶层1103的顶表面1109。侧表面1106、1107相对于液晶层1103的表面法线倾斜。第一侧表面1106接收偏振光1105。接收的偏振光1105照射像素阵列。相位调制光1110反射输出。相位调制光1110通过第二侧表面1107离开访问棱镜1101。在这个示例中，液晶层上的入射角是70度。

光垂直入射到访问棱镜1101的第一侧表面1106上。第一侧表面1106和基底1108之间的角度等于光在液晶层上的期望入射角。因此，光不会朝着液晶层1103的表面法线折射。因此，入射角不会因为进入棱镜而减小，棱镜可以由例如折射率为1.5的玻璃制成。因此，访问棱镜用作保持入射角的液晶层的覆盖玻璃。

像素结构

斜入射的结果是光在不同的点进入和离开液晶层。更具体地，示例光线的入射点和出射点分开的距离取决于入射角。在斜入射的一些实施例中，相位调制器是反射的，并且每个像素在平行于入射平面的方向上被拉长。在斜入射的一些实施例中，像素因此具有纵横比。每个像素的长宽比可以是2:1至5:1，其中长度平行于入射平面，宽度垂直于长度。

斜入射的像素结构示例如图12所示。像素结构包括长度l的两个金属条形电极1201、1202，相隔距离w。在该示例中，l＝12μm，w＝4μm，入射光1210的入射角为70度。图12示出了入射平面1212。在该示例中，电极是侧向的，并且该配置提供平面内切换，但该示例中描述的原理扩展到提供平面外切换的配置。可以使用薄液晶层(高速)，但相位调制器的分辨率会降低。通过改变入射角，在速度和分辨率之间折衷。入射角越小，分辨率越高，但速度下降。作为VLSI(超大规模集成电路)过程的一部分，液体层的薄度有利地允许通过光刻法生产精确的间隔件。第一示例可以与结构照射一起使用。在这种情况下，结构照射的每个斑点的直径将不超过最小像素尺寸，即小于或等于4μm.

读者应该清楚，穿过液晶层的电极对(例如提供平面到垂直的液晶转变)可以相同的方式拉伸，以适应斜入射。

用于平面内切换的反射LCoS器件

在一些实施例中，平面内切换可用于提供所述的液晶旋转。参考图7a至7d描述的下桶方案可以使用平面内切换来实现。图6a的第一状态和图6c的第二状态的第二示例或图6d的第二状态的第三示例之间的液晶切换也可以使用平面内切换来实现。平面内切换通常用于透射式器件。为了改善视角，在传统的平面内切换液晶显示器中使用了平面内电极的之字形结构。然而，这在相位调制设备中是不必要的。

图14示出了根据本公开的反射LCoS器件的平面内切换的示例电极结构。图14示出了硅背板VLSI芯片的硅表面1401上的平面内铝电极结构1403。仅通过示例示出了三个像素。像素由电极结构1403形成。电极结构1403包括公共电极总线1405、第一像素电极1407、第二像素电极1409和第三像素电极1411。电极结构1403在硅表面1401的平面内并平行于公共电极总线1405切换液晶指向矢。像素在入射平面1417的方向上被拉长。图14示出了入射平面1417中的示例入射光线1413和相应的反射光线1415。反射光线1415的光的相位当然由液晶指向矢的取向控制。液晶指向矢的取向由被照射像素的像素电极和公共电极之间的电压控制。

举例来说，对于与表面法线成70度和与硅表面成20度的重度斜入射，像素宽度可以是4微米，像素长度12微米。较小的长宽比将用于不太倾斜入射的光。铝电极的尺寸和厚度取决于用于制造硅背板的VLSI过程所允许的特征尺寸。例如，公共电极宽度可以是200nm，像素电压电极可以明显更窄。因此，对于宽度为4微米的像素的该示例，像素电压施加在2微米的间隙上。

总之，这里公开了一种布置成用于平面内切换的硅上液晶空间光调制器“LCoSSLM”器件。LCoS SLM器件包括：硅背板；透明基板；液晶层；电极结构和反射部件。液晶层介于硅背板和透明基板之间。电极结构形成在硅背板上，用于在液晶层中产生电场。电场基本平行于硅背板。反射部件与透明基板相对。

相对的反射部件和透明基板限定可以用液晶填充的单元间隙。LCoSSLM器件可以是相位调制器。电极结构可以包括公共电极和多个像素电极。公共电极和多个像素电极可以基本是平面的。公共电极和多个像素电极可以包含在平行于硅背板的平面内。该配置中的电极可被描述为侧向电极。

本文公开了释放硅上液晶光调制器(例如相位调制器)的性能改进的概念，否则是无法实现的。发明人采用了完全不同的方法来解决液晶显示器的一些基本限制，例如切换速度。通过使用受益于新型LCoS器件的特定光学和电光方案来实现所达到的改进。发明人在此公开了一种LCoS器件，其中电极产生的电场平行于硅背板。

虽然平面内切换先前已经被公开用于传统显示器，但熟练的技术人员理解平面内切换的优点在LCoS中传统上不可实现。重要的是，这里公开的示例使用平面内电极。这与LCoS没有传统的良好协同作用。例如，如熟练的读者所知，平面内切换IPS起源于解决扭曲向列场效应的一些限制的方式，例如强视角依赖性和低质量色彩再现。这些问题与LCOS的关系比与LCD的关系更大，因此，平面内切换最初并未考虑与LCOS一起使用。此外，使用侧向电极进行平面内切换会占用显示平面中的空间。因此，它降低了像素阵列的“填充因子”。对于在例如TV直视显示器中使用的像素大小来说，这通常不是大问题。然而，根据常规实践，对于LCOS器件的相对小的像素，这可能非常严重。在本公开中，我们通过至少在一些实施例中使用主要照射每个像素中心的结构照射来解决这个问题。此外，在使用斜照射的实施例中，解决了由衬底的反射率引起的任何潜在问题，这将从下面的详细示例中进一步理解。

因此，显而易见的是，当理解这里公开的特殊情况时，平面内电极的优点实际上可以超过缺点。

LCoS SLM器件还可以包括至少一个液晶配向层。液晶配向层可以布置成提供大于20度的液晶预倾角，例如大于40度或大于60度。预倾角是液晶指向矢和硅背板之间的角度。至少一个配向层用于提供相对较高的预倾角，以便能够实现所谓的下桶结构。

由电极结构提供的电场使液晶在旋转平面内旋转大致90度。因此，可以实现相位调制的全2π。

传统的连续金属反射镜不能用于平面内切换，因为它会短路侧向电场。在进一步的进展中，发明人已经解决了这个问题，并且设计了三种器件结构来促进LCoS器件中的平面内切换。

(i)布鲁斯特角

在第一示例中，背板芯片的裸露硅表面用作反射器。硅在垂直入射时的反射率只有15％左右，这是不太可能接受的。然而，当入射角为布鲁斯特角时，硅的反射率增加到约60％。在该特殊角度，反射光完全偏振垂直于入射平面。因此，反射光在图6和7所示的方向上偏振，这意味着不需要额外的偏振来实现这里公开的斜入射方案。液晶的折射率约为1.5，硅的折射率约为4。图13示出了折射率为1.5的材料和折射率为4的材料之间界面的反射率。这个界面的布鲁斯特角是69度。因此，图13代表液晶-硅界面。这种方法的优点是它不涉及LCOS背板的额外处理。

总之，反射部件可以由液晶层的液晶和硅背板之间的界面形成。在一些示例中，该器件被倾斜照射，在这种情况下，液晶和硅之间的界面处的反射率足以制造可行的器件。

(ii)介电层或多个介电层

在第一示例的改进中，通过在硅背板的顶部使用单个二氧化硅薄层来进一步增强反射率。在一些示例中，二氧化硅层的厚度为200至400nm。例如，通过在硅衬底顶部的300nm二氧化硅层，反射率(S波)从59％增加到74％。

斜入射降低了对二氧化硅的要求，因为在斜入射时，尤其是以布鲁斯特角，下面的硅具有相对较高的反射率。在一些实施例中，作为VLSI过程的一部分，平面内电极沉积在第一介电层(即沉积或生长在原始硅表面上的二氧化硅层)的顶部。这使电介质引起的所施加电场的任何变形最小化。

可以通过添加至少第二薄介电层来进一步增强反射率。第二介电层的厚度可以小于400nm，例如小于300nm。第二介电层可以具有比二氧化硅更高的折射率。在硅上不太可能需要两层以上，但理论上，更多的介电层可以将反射率提高到接近100％，但代价是额外的处理和增加反射器的厚度。在一些实施例中，电介质叠层用作包含液晶的单元的反射表面。理论上，电介质叠层反射器可被设计用于任何选择的入射角，并且可以具有任意高的反射率。根据入射角和第二电介质的选择，仅用两个介电层就可以获得明显大于70％的反射率，其中第一个是承载电极的二氧化硅层。

在实施例中，第一介电层是200-400nm的二氧化硅层，第二介电层是50-400nm的五氧化二钽或二氧化钛层。例如，在350nm二氧化硅层上的50nm二氧化钛层在450nm处给出93％的反射率(s波)。

图15示出了为斜入射设计的平面内切换LCOS器件的金属电极的横截面。反射器由放置在硅背板表面上的两个透明介电层提供。更详细地，图15示出了包括硅1501、硅1501上的二氧化硅层1551和二氧化硅1551上的高折射率介电层1561的叠层。如上所述，高折射率电介质1561可以是五氧化二钽或二氧化钛。图15进一步示出了公共电极1505和示例像素电压电极1507。最后，图15示出了液晶层1571和前盖玻璃1581。

电介质叠层可以使电极施加的电场变形。然而，发明人已经发现，斜入射减少了由电介质叠层反射器引起的电场变形，因为由于角度引起的路径长度增加，叠层的厚度可以减小。此外，通过在电极下面形成第一二氧化硅层，可以进一步减小变形。因此，在使用斜入射和包括至少一个介电层的电介质反射器之间存在良好的协同作用。每个介电层可以具有小于400nm的厚度。

有利地，这个示例很简单，可以很容易地适用于任何入射角。然而，由于介电层需要更厚，所以它在接近垂直入射时会变得不那么有吸引力。

总之，反射部件可以另外或可替代地包括硅背板上的至少一个介电层。介电层配置(厚度和折射率)以增加反射率。

至少一个介电层可以包括二氧化硅的第一介电层。硅上相对较薄的二氧化硅层可以显著提高反射率。作为VLSI硅制造过程的一部分，可选地，在电极结构形成在硅背板上之前，二氧化硅的第一介电层可以形成在硅背板上。因此，第一介电层可以在硅铸造厂中形成。这对成本有重大影响。鼓励在硅上形成二氧化硅层是相对直接的。第一介电层可以具有200至400nm的厚度。需要至少200nm来显著影响反射率，并且小于400nm是优选的以防止衍射。第一介电层的至少一些二氧化硅可以设置在硅背板和电极结构之间。

至少一个电介质可以包括包含五氧化二钽或二氧化钛的第二介电层。第二介电层的厚度为50至400nm。第二介电层进一步增加反射率。第二介电层的厚度可以小于第一介电层的厚度。发明人已经发现，由于第二介电层对厚度的任何负面影响都被反射率的提高所抵消。

(iii)不连续金属镜

用于制造背板的VLSI过程可以具有小于100nm的最小特征尺寸。因此，在尺寸为亚波长的铝金属反射器中会留下间隙。在一些实施例中，铝中的亚波长间隙设置在反射区域之间，使得总反射率相对较高。发现该结构的衍射很小。在这些情况下，提供了不会短路侧向电场的适当反射器。

在一些示例中，传统LCOS器件的铝镜通过在其中蚀刻窄间隙而变得不连续。如果间隙的宽度显著小于要被反射的光的波长，那么与连续镜和来自间隙布置中的任何周期性的最小衍射相比，反射率几乎没有变化，例如间隙可以是200nm或更小，这是用于制造背板芯片的VLSI过程所允许的最小间隙尺寸(例如20nm)所允许的。在一些示例中，间隙在公共电极和像素电压电极之间沿垂直于所施加电场的方向将反射镜分成五个或更多个单独元件。

值得注意的是，如果不连续结构中的间隙是亚可见光波长且与镜元件本身相比很小，则发现来自该结构的入射光的衍射不是严重问题。

术语标记间距比在这里用来描述每个金属条的宽度和相邻金属条之间的间隙宽度之间的比率。不连续结构的标记间距比可以是均匀的。也就是说，金属条的宽度与相邻金属条之间的间隙相同。然而，发明人已经发现，如果标记间距比等于或大于2:1，则可以获得更好的性能。图16A示出了根据本公开的示例，其中标记间距比是2:1。在该示例中，金属条1602为200nm宽，间隙1604为100nm。图16A的结构可被描述为1D不连续金属镜，以指示不连续部分(即间隙)是1D。标记间距比可以是2:1至10:1，例如2:1至5:1。图16B示出了对应于2D不连续金属镜的另一示例。金属部分可以是矩形的，并且具有3:2的纵横比。在所示的示例中，金属部分1606每个都是300×200nm，并且间隙在两个方向上都是100nm。在一些示例中，金属部分的尺寸不大于300nm。同样，在一些示例中，间隙的尺寸不大于300nm。这些尺寸是优选的，以便衍射不会变得显著。

如果这种电极阵列被均匀照射，那么由于其尺寸接近照射光的波长，可能会有不希望的衍射。然而由于使用了这里公开的结构照射，可以大大减少。因此，在本公开中具有平面内电极的LCoS器件的所有示例中，结构照射和伸长像素可能是优选的。在入射平面(如前所述)的方向上伸长的伸长像素例如4μm的像素宽度允许结构照射光学器件将光聚集远离像素边缘，并且12微米的像素长度允许入射光束的伸长。

总之，反射部件可以另外或可替代地包括不连续金属层，其包括亚波长金属部分之间的亚波长间隙。这里使用的术语亚波长是指至少一个维度小于用于调制的光的波长。在一些示例中，部件的所有物理尺寸都小于波长。不连续金属层是周期部件，包括金属和间隙的重复图案，如光栅，其中周期性是一维的。不连续金属层是1D不连续金属层，其标记间距比等于或大于2:1，以优化反射率并最小化任何偏振效应。亚波长间隙和亚波长金属部分可以具有不超过300nm的尺寸，以防止衍射。不连续金属层可以是2D不连续金属层，并且亚波长金属部分是矩形的。

可以形成包括LCoS SLM器件和光源的系统。光源可以布置成照射该器件以形成大于零的入射角。也就是说，提供了斜入射。入射角可以是50至80度，例如60至70度。入射角可以近似等于布鲁斯特角。入射光可以是包括多个光斑点的结构光，其中每个光斑点布置成照射器件的像素阵列的相应像素。

本文描述的方法和过程可以体现在计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”包括布置为临时或永久地存储数据的介质，比如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、缓冲存储器、闪存和高速缓冲存储器。术语“计算机可读介质”也应被认为包括能够存储用于由机器执行的指令的任何介质或多种介质的组合，使得当指令被一个或多个处理器执行时使该机器整体地或部分地执行本文所述的任何一种或多种方法。

术语“计算机可读介质”还涵盖基于云的存储系统。术语“计算机可读介质”包括但不限于以固态存储芯片、光盘、磁盘或其任何合适的组合的示例形式的一个或多个有形和非暂时性数据存储库(例如数据卷)。在一些示例实施例中，用于执行的指令可以由载体介质传递。这样的载体介质的示例包括瞬态介质(例如传递指令的传播信号)。

对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以进行各种修改和变型。本公开涵盖所附权利要求及其等同物的范围内的所有修改和变型。

Claims

1.一种布置成投射光图案的投影仪，其中该投影仪包括：

空间光调制器，其具有布置成显示相位图案的像素阵列，其中每个像素包括具有可在第一方向和第二方向之间的旋转平面内旋转的指向矢的液晶；以及

光源，其布置成用偏振光照射像素阵列，使得光根据相位图案被空间调制以形成光图案，其中：

(i)光在像素阵列上的入射角大于零，并且光是s偏振的；

(ii)第一方向平行于光的偏振方向；并且

(iii)第二方向在入射平面内。

2.如权利要求1所述的投影仪，其中，所述第一方向对应于平面状态，所述第二方向对应于垂直状态。

3.如权利要求1所述的投影仪，其中，所述第一方向对应于第一平面状态，所述第二方向对应于第二平面状态。

4.如权利要求1所述的投影仪，其中，在所述第一方向和第二方向之间的旋转包括平面内旋转和平面外旋转。

5.如权利要求1所述的投影仪，其中，所述第二方向平行于入射到所述空间光调制器上的光的k矢量。

6.如权利要求5所述的投影仪，其中，在所述第一方向和第二方向之间的旋转包括平面内旋转和平面外旋转。

7.如权利要求5或6所述的投影仪，其中，所述液晶的指向矢可通过电场保持在所述第一方向上，并且在没有电场的情况下，通过液晶配向层保持在所述第二方向上。

8.如前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，所述旋转平面上的第一方向和第二方向之间的角度基本为90度。

9.如前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，照射偏振光具有与所述指向矢的旋转平面一致的振动平面。

10.如前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，所述相位图案包括从包括以下的组中选择的至少一个：全息图；透镜函数，比如菲涅耳透镜；以及波束调向函数，比如相位斜坡函数。

11.如前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，所述空间光调制器是硅上液晶空间光调制器。

12.如权利要求11所述的投影仪，其中，在所述像素阵列上的光的入射角大约等于硅的布鲁斯特角。

13.如权利要求11所述的投影仪，其中，所述硅上液晶空间光调制器的硅表面涂覆有SiO2，例如50-500nm的SiO2。

14.如前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，入射到所述像素阵列上的光是包括多个光斑点的结构光，其中每个光斑点布置成照射像素阵列的相应像素。

15.如权利要求12所述的投影仪，还包括布置成形成结构光的斑点生成全息图或微透镜阵列。

16.如前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，每个像素的长度与宽度比为2:1至5:1，其中长度平行于偏振光的入射平面，宽度垂直于长度。

17.如前述权利要求中任一项所述的投影仪，其中，所述光图案是全息重建。

18.一种投射光图案的方法，该方法包括：

在空间光调制器的像素阵列上显示相位图案，其中每个像素包括具有可在第一方向和第二方向之间的旋转平面内旋转的指向矢的液晶；以及

用偏振光照射相位图案，使得根据相位图案对光进行空间调制，以形成光图案，其中：

(i)光在像素阵列上的入射角大于零，并且光是s偏振的；

(ii)第一方向平行于光的偏振方向；并且

(iii)第二方向在入射平面内。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述偏振光是包括多个光斑点的结构光，其中每个光斑点布置成照射像素阵列的相应像素。