CN1160593C - 用于产生动态显示图象的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种产生用于全息技术中的动态图象的系统，包括：光源(16)；该光源通过位于光源(16)的光路中的液晶调制器(18)传播。LC调制器(18)的输出端通过透镜阵列(22)传播调制光，透镜阵列(22)本身把光传播到光学寻址的空间光调制器(24)。从光学寻址的空间光调制器(24)产生的实象可以用于全息技术中。液晶调制器(18)的寻址帧速率实质上大于光学寻址空间光调制器(24)的帧速率。

Description

用于产生动态显示图象的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于产生动态显示图象的系统，而且虽然不排除其他内容，本发明特别涉及利用液晶显示装置的用于全息成象的系统。
背景技术
早已经公知，利用全息技术产生物体的真实三维图象，该图象具有人脑在图象处理过程中所使用的所有深度信息。传统上通过公知技术利用真实的三维物体产生全息图象。
还公知利用全息立体技术，该技术在产生全息图象时不是凭借真实的三维物体，而是凭借多个平面二维物，这些物表面上具有编码为光强度和相位差的不同透视景象，利用这些景象可以产生全息图象。
由干涉方法得出，所谓的显示全息图象需要高性能的材料，诸如卤化银，来记录和再现全息图象。为了实现非常宽的视场，希望分辨率小至大约10nm。该分辨率也允许记录高逼真度和色彩和精确再现。
已经证实可能更希望利用这种二维显示全息技术产生动态物体，而不是静态物体。这只要简单地用某种形式的电子寻址空间光调制器代替全息记录材料就可以。这些调制器可能包括电子寻址空间光调制元件的二维阵列，称为象素。
然而，上述希望结果遇到问题，因为虽然传统的空间光调制器利用许多方法制造，但是它们都有许多问题。没有一种传统的空间光调制器具有实现小象素尺寸的能力，该小象素对于实现希望的视场是必须的。此外，没有一种提供通常在潜象全息技术中所看到的象素数目。因为象素数目少导致的低分辨率仅仅是由于目前技术的局限性产生的。即使在新型系统中，利用声光调制器和被动寻址的铁电体液晶调制器，最大象素数目由于各种原因受到限制。声光系统由于声光调制器的调制带宽而受到限制，该带宽通常为几百MHz。在铁电体液晶系统中由于非常复杂的显示器的制造能力而受到限制。目前已经实现3000×2000个象素。
发明内容
因此希望能够利用电子寻址的调制器提供动态显示图象，而且能够用于全息技术。因此本发明的目的是至少减少上述缺点。
根据本发明，提供了一种用于产生动态显示图象的系统，包括：光源；具有相关更新帧速率的第一空间光调制器装置，位于光源的路径上；中继光学装置，位于来自第一空间光调制器装置的光的光路中，用于传播来自那里的调制光；以及，具有相关更新帧速率的第二空间光调制器装置，位于从中继光学装置传播的光的光路中，而且设置成据此产生实象以便显示，其中第一空间光调制器装置的更新帧速率大于第二空间光调制器装置的读出帧速率。
这样使得在第二空间光调制器装置产生的图象能够有效地被第一空间光调制器装置的操作所控制，所述第二空间光调制器装置以比第一空间光调制器装置低得多的寻址速率工作。这样允许在高帧速率空间光调制器中可获得的瞬时信息之间折中，从而获得工作在较低帧频率的高复杂性系统。对本领域的普通技术人员来说，显然这里使用的术语复杂性是指形成空间光调制器的网格的象素的数目。
最好第二空间光调制器装置包括光学寻址的空间光调制器。使用光学寻址的空间光调制器使得由其中的网格象素形成的工作屏幕被分段。
附加地或替代地，第一空间光调制器装置可以设置成产生多个由光源至中继光学装置的调制光源。以这种方式，第一空间光调制器可以用于提供多个图象，以便系统在后面使用。
附加地或替换地，第一空间光调制器装置可以包括多个空间光调制器。这样能够以替代方式产生多个图象。
第一空间光调制器装置可以是电子寻址的。这样能够产生高速率的动态图象。
最好中继光学装置以预定模式把调制光从第一空间光调制器装置传播到第二空间光调制器装置。或者中继光学装置可以调制所传播的光的相位或偏振。这样允许由中继光学装置对光进行预定传播/调制。中继光学装置可以包括一个透镜装置或各个透镜的阵列或分光镜或遮光掩膜，或者全息光学元件。或者中继光学装置可以包括衍射阵列发生器，诸如衍射阵列元件或者全息阵列元件。
第一空间光调制器装置的复杂性可以大于第二空间光调制器装置的复杂性。这样允许例如重复图象形成在第二空间光调制器装置上。在最佳实施例中，来自第一空间光调制器装置的调制光可以由中继光学装置复制在第二空间光调制器装置上。此外，调制光的复制可以包括多个图象。有利的是中继光学装置按照时间顺序把复制的调制光传播到第二空间光调制器的预定部分上。以这种方式，中继光学装置可以把由第一空间光调制器提供的图象再现在第二空间光调制器上。
最好第二空间光调制器装置包括铁电体液晶光调制器。此外，光源可以是非相干光源。有利地是光源可以是点光源。虽然在某些情况下，光源可以是多个单个光源，甚至是彩色或者彩色连续光源。液晶光调制器本身也能够作为光源。
根据本发明的另一个方面，提供了一种产生用于显示器中的动态图象的方法，包括：
提供一个光源，使得光源的光通过第一空间光调制器装置，该调制器装置具有相关的寻址帧速率；通过中继光学装置把调制光传播到第二空间光调制器装置，中继光学装置位于调制光的光路中，其中第二空间光调制器装置具有相关寻址帧速率，它小于第一空间光调制器的更新帧速率的相关寻址帧速率，和从第二空间光调制器装置提供实象或图案。
根据本发明的再一个方面，提供了一种产生用于显示的动态图象的方法，包括：
提供一个光源，并利用第一空间光调制器装置调制该光源，该调制器装置具有相关的更新帧速率；该方法的特征在于：
通过中继光学装置把调制光传播到第二空间光调制器装置，中继光学装置位于调制光的光路中，其中第二空间光调制器装置具有的相关读出帧速率小于第一空间光调制器的相关更新帧速率，和从第二空间光调制器装置提供实象或图案。
附图说明
现在将仅以举例方式并参考附图描述本发明，其中：
图1描述用于光学合成来自多个空间光调制器的数据的公知装置；
图2示意性描述本发明的第一实施例；
图3示意性描述本发明的第二实施例；
图4示意性描述本发明的第三实施例；
图5示意性描述本发明的第四实施例；
图6示意性描述本发明的第五实施例；
图7示意性描述本发明的第六实施例；
图8示意性描述本发明的第七实施例；
图9示出描述本发明的第八实施例的透射图；
图10示意性描述本发明的最佳工作实施例；以及
图11描述图10的最佳实施例的主要部件的功能表示。
具体实施方式
参考图1，示出一种用于光学合成来自许多空间光调制器的光的公知装置。激光光源2通过透镜4提供准直光束，通过多个分光镜6和反射镜8到达空间光调制器10，然后它允许光通过最后的聚焦透镜12，以公知的方式产生全息图象14。为了使得这样的系统能够再现高复杂性和高分辨率产生的全息图象，来自空间光调制器(这里称为SLM)10的光必须光学合成。本领域的普通技术人员应该理解这里使用的术语“复杂性”是指SLM栅格中的象素数目。图1中所示的例子利用光学系统的固有平行特性。而且产生的全息图象可以获得的复杂性随着所使用的SLM的数目成正比增加。
现在参考图2，可以看到通过利用光源这里是非相干光源16提供光以便被一系列第一空间光调制器装置调制，在该例子中是电子寻址液晶(LC)调制器18，可以使用简单而且占用空间少的结构。通过液晶调制器18的调制光20然后通过中继光学装置传播，在该例子中是透镜阵列22。可以看到透镜阵列22是凸透镜，作用是把调制光20聚焦在第二空间光调制器装置上，在该例子中是光学寻址的SLM24。在图2右边光学寻址的SLM24的右侧表面形成一个图样，该图样可以用于以公知方式提供全息图象。在该图中标注为“相干再现”，而且本领域的普通技术人员将理解这是指相干激光光源照射在光学寻址的SLM24的实象表面上，以便以传统方式产生全息图象。
在该例子中通过使用缩微光学装置以便减小SLM中每个象素的有效间距，因为数据从几个源即LC调制器18以平行方式投射到光学寻址的SLM24上，那么对调制器18、24本身没有额外的帧速率要求。因此以这种方式LC调制器18可以在光学寻址的SLM24上提供适合于全息目的的实象，所述LC调制器18工作的寻址帧速率实质上高于光学寻址的SLM24的寻址帧速率。在该例子中LC调制器18在硅装置上包括有源底面液晶，它的复杂性为320×240象素，帧速率超过1kHz。光学寻址的SLM24是调制反射液晶层上的电压的两性硅光敏层，在该例子中寻址帧速率为50Hz。
在该例子中光源由产生二维相位或振幅图案的计算机提供，或者实际上它可以是电寻址的SLM本身。实际上光源甚至可以是LC调制器18。
现在再参考图3，可以看到保留非相干光源16和LC调制器18，而透镜阵列22被另一具有单个聚焦透镜26的中继光学装置代替。再一次，与图2中的例子一样，这样的系统的优点是在从LC调制器18把图象再现在光学寻址的SLM24上时利用非相干光。这意味着对于本领域通用的SLM的光学平滑度容限要求、SLM定位在平面上必须满足的精度要求以及系统投影部分中的所有光学元件的位置容限要求比图1中系统例子的情况下低得多。
现在参考图4、5和6，可以看到给出的例子利用单个LC调制器18，但是使用替代形式的中继光学装置。在图4的例子中中继光学装置在调制光20到达透镜阵列22之前的光路中包括光阀阵列28。在这些例子中光学寻址的SLM24是铁电体类型，这样允许高速应用。在这些例子中这是通过在连续时间帧中从非相干光源16通过LC调制器18、光阀阵列28和透镜阵列22把数据投射到光学寻址的SLM24的不同部分利用的。这样整个数据图案被分成象素数目等于光学寻址的SLM24的复杂性的帧。本领域的普通技术人员应该理解如果LC调制器18具有n个象素，而且将要显示的整个图案具有m个象素，那么构成m个象素的图案的n个象素的帧的数目为m/n。这些帧被按时间顺序显示在光学寻址的SLM24上，每帧投影在光学寻址的SLM24的不同部分上并存储，以便全时建立整个图象图案。这一技术对于本领域的普通技术人员是公知的，而且与例如传统电视显示屏幕中使用的光栅扫描没有什么不同。使用光阀阵列28通过电路控制，以便允许以公知方式发生上述情况。事实上透镜阵列22的每个透镜将把照射在上面的调制光20成象在光学寻址的SLM24的不同部分上。当通过LC调制器18改变图案时，光阀阵列28的打开光阀位置也将改变。循环通过LC调制器18上的不同图案序列，这些图案序列本身与阵列28上的不同光阀位置打开在时间上同步，在光学寻址的SLM24上建立大图案。光阀可以被适当的相位片或可切换的偏振片等效代换。如果非相干光源16设置成具有线偏振光，而且在透镜阵列22与光学寻址的SLM24之间具有适当定向的偏振片，那么对于相位片阵列中的元件光将被遮挡，所述元件被切换以便作为半波片。可切换的偏振片阵列也可以用于类似的结构，而不需要第二偏振片。
在图5所示的例子中，图4中的光阀阵列28可以用可切换的光束方向控制器30阵列代替。在所示例子中的光束方向控制器是可切换的普通结构的衍射光栅，例如向列液晶单元，光栅形成在感光胶或表面间隙上，而且它与液晶在未切换方向上折射率匹配，但是当通过电场切换时不匹配。本领域的普通技术人员对这一技术很熟悉，所以这里不进一步描述。或者光束控制器30可以是包括组合小透镜阵列类型，而且用可切换或可再构造的菲涅耳透镜阵列代替。
图6使用可切换透镜阵列32提供可选择的焦点，以便调制光20从针孔阵列34通过。在该例子中来自可切换透镜阵列32的光可以在它的焦点通过针孔34，然后经过透镜阵列22再成象在光学寻址的SLM24上。对于阵列32中没切换的透镜情况，该透镜允许调制光20不聚焦通过，则将只有小部分光通过针孔阵列34。这里只对一种偏振光起作用的透镜阵列32与线性偏振片组合也是可以的。
现在参考图7，可以看到在该实施例中，光学寻址的SLM24包括光学前表面，用于通过一系列象素化电极36接收来自透镜阵列22的光。在该例子中光学寻址的SLM24上的光调制层设置成双稳态，诸如铁电体液晶显示器，使得当电压加在光学寻址的SLM24的特定区域上时，图案写在该层上，当去掉电压时该图案仍然存在。当图案按时间顺序显示在LC调制器18上时，那么与此同步地把电压加在光学寻址的SLM24的不同有源区域上。
现在参考图8所示的例子，这里的光源是相干光源38。该例子不需要任何可切换的光学元件。例如，来自相干光源38的按照时间顺序显示在LC调制器18上的图案本身就是全息图象。计算这些图案以便当投影在光学寻址的SLM24上时给出所需要的图案。原则上，光学寻址的SLM24不必有象素化电极36，然而，实际上可能需要以便能够去掉dc元件和不希望的衍射点。
图9示出图7中系统的例子，是透射图，而不是示意图。这里可以看到来自光源16的光传播首先通过LC调制器18，然后通过透镜阵列22(光阀阵列28在图中看不到)，最后到达光学寻址的SLM24上。再一次，与这里的所有其他实施例相同，LC调制器18上的图象可以相对快的速率更新。中继光学装置(这里是透镜阵列22和光阀阵列28)把形成在LC调制器18上的图象复制在阵列中光学寻址的SLM24的输入光敏面上，该光敏面的大小由中继光学系统决定。这是因为阵列22中的每个透镜把LC调制器18的唯一图象形成在光学寻址的SLM24上。在中继光学系统中也可以发生图象放大。
在这些例子中，因为光学寻址的SLM24是双稳态的(诸如铁电体液晶)。那么图9中光学寻址的SLM24的标记为A至I的每个部分，通过把电压加在覆盖该部分的电极上顺序加载图象。在一个系统时钟周期内可以加载一个或几个部分。在这时没有加电压的部分不更新显示图象。当LC调制器18更新它的图象时，那么这也可以选择加载在光学寻址的SLM24上。这样就形成了复杂图象。当已经在光学寻址的SLM24上形成图象时，该图象可以通过相干再现输出，如图中所示。本领域的普通技术人员应该理解，因为LC调制器18的寻址帧速率比光学寻址的SLM24的大得多，那么对LC调制器18可以获得的高帧速率、介质复杂性信息有效地转换为光学寻址的SLM24的高复杂性、介质帧速率。
现在参考图10，描述了本发明的最佳工作实施例。氩激光器42作光源，而且来自光源的光被反射镜44反射经过旋转漫射体46。漫射体46的目的是发散来自光源42的光束，使得它不再具有点光源特性。来自漫射体46的发散光48被另一个反射镜50反射，然后经过小孔漫射体52，以便照射在第一空间光调制器上，这里是计算机控制的液晶母板54。母板54的寻址控制没有示出，因为这对于本领域的普通技术人员是很显然的。然而寻址线表示为56。
通过母板54并被它调制的光然后通过凸透镜60并被准直。从此光通过光阀62并到达中继光学装置上，在该例子中是微透镜阵列64。在该例子中，微透镜阵列64设置成二维网格，使得阵列中的每个微透镜与第二空间光调制器上光通过的部分相关。在该例子中，第二空间光调制器装置是光学寻址空间光调制器68，它以公知方式在脉冲发生器70控制下工作。
在72处再现来自母板54的缩微复制图象。如同前面的例子一样，因为母板54的寻址帧速率是1kHz，调制器68的是50Hz，那么寻址速率差异达到20倍。相信本发明可以用于差异在4倍直至100倍之间，甚至超过该范围。
然后以传统方式利用调制器68的光学输出，以便利用氦氖激光器74和分光镜76进行全息显示，来提供物体(即母板54)的全息图象。该图象可以通过摄像机78观看。
应该理解在上面的所有例子中，全息图象以外的光学成象也可以。任何相干光源和非相干光源都足以。而且，可以使用彩色光源，甚至是彩色连续光源。另外，中继光学装置本身可以包括衍射阵列发生器，诸如衍射阵列元件或全息阵列元件。事实上中继光学装置甚至可以是非光学装置。例如，可以使用电子束传输系统。当然，中继光学装置的输入和输出本身可以是光学的。
图11示出图10中实施例的功能图。控制PC或其他计算机80具有数字输入/输出接口，作用是控制整个系统的操作。成象同步信号82被发送到具有数据存储器的接口84。接口84与PC80通信以便把操作信号发送到母体54。
控制PC80也控制氩激光器42(用于产生物)和氦氖激光器74(用于产生全息图象)的操作。还可以看到控制PC80通过各自的并行数据总线86和88操作，以便分别控制光阀62和光学寻址空间光调制器68的操作。光阀驱动模块62和光学寻址空间光调制器驱动模块68二者分别具有自己的并行数据输出90、92，以便可以分别寻址光阀阵列的选择段和光学寻址空间光调制器。
对本领域的普通技术人员来说很显然，虽然在上面已经说明中继光学装置是传播光的，但是它同样可以调制入射在上面的光的相位。此外，显然虽然在上面的一些例子中使用了分光镜，但是同样可以使用光束方向控制器。

Claims (25)

1.一种用于产生动态显示图案的系统，包括：
光源(16)；
具有相关更新帧速率的第一空间光调制器装置(18)，位于光源的路径上；该系统的特征在于：
中继光学装置(22)，位于来自第一空间光调制器装置(18)的光的光路中，用于传播来自那里的调制光；以及
具有相关读出帧速率的第二空间光调制器装置(24)，位于从中继光学装置(22)传播的光的光路中，而且设置成据此产生实象用于显示，
其中第一空间光调制器装置(18)的更新帧速率大于第二空间光调制器装置(24)的读出帧速率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中第二空间光调制器装置(24)包括光学寻址的空间光调制器。
3.根据前面权利要求中任何一项所述的系统，其中第一空间光调制器装置(18)产生多个由光源至中继光学装置(22)的调制光源。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中第一空间光调制器装置(18)包括多个空间光调制器。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中第一空间光调制器装置(18)是电可寻址的。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其中中继光学装置(22)以预定图案把调制光从第一空间光调制器装置(18)传播到第二空间光调制器装置(24)。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其中中继光学装置(22)包括透镜装置。
8.根据权利要求7所述的系统，其中透镜装置包括各个透镜的阵列。
9.根据权利要求1或2所述的系统，其中中继光学装置(22)包括波束控制器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中来自第一空间光调制器装置(18)的调制光由中继光学装置(22)复制在第二空间光调制器装置(24)上。
11.根据权利要求12所述的系统，其中调制光的复制包括多个图象。
12.根据权利要求10或11所述的系统，其中中继光学装置(22)按照时间顺序把复制的调制光传播到第二空间光调制器(24)的预定部分上。
13.根据权利要求1或2所述的系统，其中能够在第一空间光调制器装置(18)上显示的象素的数目小于能够在第二空间光调制器装置(24)上显示的象素的数目。
14.根据权利要求1或2所述的系统，其中第二空间光调制器装置是铁电体液晶光调制器。
15.根据权利要求1或2所述的系统，其中光源是非相干光源或多个光源。
16.一种产生用于显示的动态图象的方法，包括：
提供一个光源(16)，使得该光源通过第一空间光调制器装置(18)，该调制器装置具有相关的更新帧速率；该方法的特征在于：
通过中继光学装置(22)把调制光传播到第二空间光调制器装置(24)，中继光学装置(22)位于调制光的光路中，其中第二空间光调制器装置(24)具有的相关读出帧速率小于第一空间光调制器的相关更新帧速率，和从第二空间光调制器装置(24)提供实象或图案。
17.一种产生用于显示的动态图象的方法，包括：
提供一个光源(16)，并利用第一空间光调制器装置(18)调制该光源，该调制器装置具有相关的更新帧速率；该方法的特征在于：
通过中继光学装置(22)把调制光传播到第二空间光调制器装置(24)，中继光学装置(22)位于调制光的光路中，其中第二空间光调制器装置(24)具有的相关读出帧速率小于第一空间光调制器的相关更新帧速率，和从第二空间光调制器装置(24)提供实象或图案。
18.根据权利要求18或19所述的方法，其中第二空间光调制器装置(24)包括光学寻址的空间光调制器。
19.根据前面权利要求16或17所述的方法，其中第一空间光调制器装置(18)设置成产生多个由光源至中继光学装置(22)的调制光源。
20.根据权利要求16或17所述的方法，其中第一空间光调制器装置(18)是可以电气方式寻址的。
21.根据权利要求16或17所述的方法，其中中继光学装置(22)以预定图案把调制光从第一空间光调制器装置(18)传播到第二空间光调制器装置(24)。
22.根据权利要求16或17所述的方法，其中中继光学装置(22)包括透镜装置。
23.根据权利要求16或17所述的方法，其中中继光学装置(22)按照时间顺序把复制的调制光从第一空间光调制器(18)传播到第二空间光调制器(24)的预定部分上。
24.根据权利要求16或17所述的方法，其中能够在第一空间光调制器装置(18)上显示的象素的数目小于能够在第二空间光调制器装置(24)上显示的象素的数目。
25.根据权利要求16或17所述的方法，其中中继光学装置在第二SLM装置上产生如第一SLM装置上所示图案的多个复制品并且第二SLM装置的电极构图对应于所述复制品，而且在第二SLM装置上的一或多个电极段以和第一SLM装置上所示的图象同步的方式被激励。
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