专利名称：使用以非偏振光操作的液晶显示设备的全息显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及全息显示器，更特别地涉及使用液晶显示设备作为空间光调制器的电子全息显示设备。
背景技术：
全息术是一种记录和再现三维(3-D)图像的方法。与通常是一种对构成图像的光线强度(幅度)的点到点记录和再现的摄影术相比，在全息术中，光(通常为一个特定波长)的幅度和相位都^皮记录。当再现时，得到的光场与从原始物体或场景发出的光场相同，从而给出完美的
三维图像。
图1示出了记录物体25的3-D图像的系统100和方法。系统100包括光源110、分束器120、反射镜130以及图像记录设备140。有利的是，光源110为激光器或者其他相干光发生设备。图像记录设备140可
以是摄影底板。
操作时，光源IOO向分束器120提供相干光束。分束器120使第一部分相干光束通过，其作为照明光束照射到物体25上，并且，分束器120反射第二部分相干光束作为参考光束。反射镜130将参考光束导向图像记录设备140。根据照明光束，物体25产生物体光束，该物体光束在图像记录设备140处与参考光束相结合。参考光束和物体光束之间由于光波的叠加而引起的光学干涉产生一系列强度条紋。这些条紋形成一定类型的衍射光栅，并且记录在图像记录设备140上。
当再现记录的图像时，来自条紋图案的衍射在强度和相位两方面重构出原始的物体光束。由于再现出相位和强度两者，因而图像看起来是三维的；观察者可以移动其观察点并且看到图像完全像原始物体那样旋转。
近来开发了电子全息显示系统，以便产生图像的完全三维("3-D")重构。特别地，正在使用空间光调制器开发电子全息显示系统。
同时，已知的是使用液晶显示(LCD)设备作为2-D显示系统中的
空间光调制器。图2A-2B示出了反射式LCD设备的工作原理，其可以用作2-D显示系统中的空间光调制器。如图2A-2B所示，反射式LCD200包括设置在第一和第二基底220、 230之间的液晶(LC)材料层210。第一基底220是透明的。反射式材料240 (例如铝层)设置在(尽管不一定直接地设置在)第二基底230上。有利的是，反射式材料240形成反射式像素电极，其被施加了打开或关闭LCD设备200的关联像素的电压。在图2A-2B的实例中，LC材料层210的液晶通常在没有施加电压时是螺旋状扭曲的(图2A),并且在施加了电场时沿第一线性方向对准(图2B)。
图2A-2B中偏振分束器50被提供来将光引导至LCD设备200以及引导来自LCD设备200的光。特别地，偏振分束器50在将光引导至LCD设备200时充当偏振器，并且在将来自LCD设备50的光引导至显示屏75时充当冲全偏器(analyzer)。
图2A示出了其中在LC材料层210两端没有施加电压的情况。操作时，偏振分束器50用来向LCD设备200反射具有第一 (p)偏振的光。在这种情况下，照射到LCD设备200上的光穿过透明第一基底220以及LC材料层210到达反射式像素电极。在穿过LC材料层210时，光的偏振旋转45度，因为所施加的电压为零。接着，光由反射式像素电极往回反射穿过LC材料层210，从而从透明第一基底220处发出。在往回穿过LC材料层210时，光的偏振旋转另外的45度，得到总共卯度的偏振旋转。因此，从LCD设备200出来的光相对于进入LCD设备200的光旋转了 90度(垂直偏振)，并且具有第二 (s)偏振。偏振分束器50被配置成检偏器，从而具有第二 (s)偏振的光从中穿过，例如到达显示屏75。
同时，图2B示出了其中在LC材料层210两端施加了足以使液晶沿着与第一偏振(p)方向平行的第一方向对准的电压的情况。在这种情况下，光穿过LC材料层210,从反射式4象素电极往回反射，并且往回穿过LC材料层210,偏振基本上不发生任何变化。因此，从LCD设备200出来的光具有与进入LCD设备200的光相同的第一 (p)偏振。如上面所指出的，偏振分束器50被配置成检偏器，从而具有第一(p)偏振的光被反射离开显示屏75。
因此，LCD设备200可以充当空间光调制器，其依照选择性地施加到每个像素的电压选择性地调制光的相位和偏振以便再现希望的图像。
类似地，图3A-3B示出了透射式LCD设备的工作原理，其可以用作2-D显示系统中的空间光调制器。如图3A-3B所示，反射式LCD300包括设置在第一和第二透明基底320、 330之间的液晶(LC)材料层310。有利的是，在一个或两个基底320、 330上提供了透明像素电极，其被施加了打开或关闭LCD设备300的关联像素的电压。在图3A-3B的实例中，LC材料层310的液晶通常在没有施加电压时是螺旋状扭曲的(图3A),并且在施加了电场时沿第一线性方向对准(图3B)。
在图3A-3B中，偏振器55被提供来使得向LCD设备300提供的光偏振。同时，将从LCD设备300出来的光提供给检偏器57并且由此提供给显示屏75。
图3A示出了其中在LC材料层310两端没有施加电压的情况。操作时，偏振器55使得具有第一 (p)偏振的光朝向LCD设备300传输，并且丢弃具有与第一偏振垂直的第二 (s)偏振的光。在这种情况下，照射到LCD设备300上的光穿过透明第一基底320以及LC材料层310到达透明第二基底330。在穿过LC材料层310时，光的偏振旋转90度。因此，从LCD设备300出来的光相对于进入LCD设备300的光旋转了卯度(垂直偏振)，并且具有第二 (s)偏振。检偏器57被配置使得具有第二 (s)偏振的光从中穿过，例如到达显示屏75,并且丢弃具有第一 (p)偏振的光。
同时，图3B示出了其中在LC材料层310两端施加了足以使液晶沿着与第一偏振(p)方向平行的第一方向对准的电压的情况。在这种情况下，光穿过LC材料层310,偏振不发生任何变化。因此，从LCD设备300出来的光具有与进入LCD设备300的光相同的第一 (p)偏振。如上面所指出的，检偏器57被配置成丟弃具有笫一 (p)偏振的光。
因此，LCD设备300可以充当空间光调制器(SLM),其依照选择性地施加到每个像素的电压选择性地调制光以便再现希望的图像。
然而，对于3-D显示设备而言，使用图2A-2B以及3A-3B中配置的LCD作为空间光调制器存在缺点。上面指出的是，为了产生黑色像素，检偏器57阻挡了光。被阻挡光的能量浪费掉了。
图4示出了由准直的光束从后面照射的屏幕(照明未示出)。我们将屏幕上的各部分任意地划分为二——一个为渐变(shaded)灰色，而另一个为白色。由于这两个部分，所述场在任何点处都指向几乎相对的 方向。这导致场几乎完全地相消。剩余场包括"实际上"来自屏幕上仅仅
—个点的场。这相当于零阶衍射光束，其在3-D全息图中没有传送重要
的信息。
由于所述场几乎抵消掉，因而任何点处的光强相对较小。这种场的 相消效应称为巴比内(Babinet)原理。
图5示出了将屏幕划分成称为菲涅耳(Fresnd )波带片的暗和亮"条 紋"的一个实例。在图6中，图5的亮和暗区被倒置。如果允许所述场 从这两个彼此叠加的薄片穿过，那么由于上面简要描述的巴比内原理的 原因，所述场将几乎抵消掉。
如果图5的图案置于图3A-3B的LCD系统上，那么图5中的暗区 阻挡光场(其将相应于图6中的亮区)。通过这种方式，这两个区域之 一的场贡献被阻挡了。这在图7中通过缺少一个场矢量(箭头)而示出。
结果，这导致特定点处的光强高。该点的位置取决于使用的菲涅耳 波带片的参数。由于LCD面板的检偏器阻挡第二场矢量，因而如前所 述这导致能量的浪费。
发明内容
因此，希望提供可以给出更亮图像的电子全息显示设备。还希望提 供以更少的光浪费产生更亮的图像的电子全息显示方法。
在本发明的一个方面中，用于显示全息图像的电子全息显示系统包 括相干光源，其适于产生相干准直光束；空间光调制器(SLM),其 适于接收并且空间调制所述相干准直光束以便从中产生空间调制的光 束，所述空间调制的光束包括具有第 一偏振的第 一部分以及具有与第一 偏振垂直的第二偏振的第二部分；以及处理器和驱动器单元，其适于产 生代表全息图像的全息数据并且向SLM的像素施加适当的电压以便使 得该SLM利用全息数据调制所述相干准直光束，其中将所述空间调制 的光束投影到图像平面以便产生包括具有第 一 偏振的第 一 部分以及具 有与第 一偏振垂直的第二偏振的第二部分的全息图像。
在本发明的另一个方面中，显示全息图像的方法包括向包括多个 像素的空间光调制器(SLM)提供相干准直光束；向SLM的像素施加 适当的电压以使得该SLM利用全息数据调制所述相干准直光束，以便从中产生空间调制的光束，所述空间调制的光束包括具有第 一偏振的第
一部分以及具有与第一偏振垂直的第二偏振的第二部分；以及将所述空
间调制的光束投影到图像平面以便产生包括具有第 一偏振的第 一部分 以及具有与第一偏振垂直的第二偏振的第二部分的全息图像。
图1示出了记录物体的3-D图像的系统和方法； 图2A-2B示出了反射式LCD设备的工作原理； 图3A-3B示出了透射式LCD设备的工作原理； 图4示出了由准直的光束从后面照射的屏幕； 图5示出了将屏幕划分成称为菲涅耳波带片的暗和亮"条紋"的一个 实例；
图6示出了一个菲涅耳波带片，其中图5的亮和暗区经过倒置； 图7示出了当图5的图案置于LCD上时由准直的光束从后面照射 的屏幕；
图8示出了电子全息显示系统的笫一实施例；
图9示出了电子全息显示系统的第二实施例；以及
图10示出了由图8或图9的系统产生的准直光束从后面照射的屏
幕o
具体实施例方式
图8示出了电子全息显示系统800的一个实施例。电子全息显示系 统800包括处理器和驱动器单元810、空间光调制器(SLM) 820、相干 光源830以及分束器840。处理器和驱动器单元810可以包括处理器和 驱动器的单独的电路或部件，并且可以包括存储器，例如只读存储器 (ROM)、随机存取存储器(RAM)等等。有利的是，用于执行各种 算法的软件存储在处理器和驱动器单元810的存储器中。有利的是，SLM 820是反射式液晶显示器(LCD),例如反射式硅上液晶(LCOS)设备。 在一个实施例中，相干光源830包括激光发射二极管(LED) 832以及 准直光学器件834。可替换地，可以采用另一种激光发生设备或者其他 相干光发生器。在一些实施例中，分束器840可以省略，条件是另一种 装置或者光学结构被提供用于将来自相干光源830的光引导到SLM 820上并且将来自SLM 820的调制光导向希望的图像平面880。
操作时，LED 832向准直光学器件834提供光束，所述准直光学器 件834适当地准直光束并且调节光束的尺寸以用于SLM 820。换言之， 有利的是，调节光束的尺寸和形状以便其基本上完全地同时照射SLM 820的所有像素(与所谓的扫描彩色系统形成对比)。将来自光源830 的相干准直光束提供给分束器840,所述分束器840将该相干准直光束 引导到SLM 820上。同时，处理器和驱动器单元810产生全息数据并且 应用该数据以便驱动SLM 820的像素。响应于驱动SLM 820的每个像 素的数据，所述相干准直光束被空间调制以产生往回向分束器840反射 的空间调制的光束。分束器840让所述空间调制的光束从中穿过到达图 像平面880。在图像平面880处，来自SLM 820的每个像素的衍射光一 起相加，产生希望的全息图像。
有利的是，电子全息显示系统800在SLM 820的输出端和图像平面 880之间的光路中不包括任何检偏器。因此，如以下将参照图IO进一步 详细地解释的那样，由SLM 820输出到图像平面880的空间调制的光束 包括
同时，图9示出了电子全息显示系统900的第二实施例。 电子全息显示系统900包括处理器和驱动器单元910、空间光调制 器(SLM) 920以及相干光源930。处理器和驱动器单元910可以包括 处理器和驱动器的单独的电路或部件，并且可以包括存储器，例如只读 存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)等等。有利的是，用于执 行各种算法的软件存储在处理器和驱动器单元910的存储器中。有利的 是，SLM920是透射式液晶显示(LCD)设备。在一个实施例中，相干 光源930包括激光发射二极管(LED) 932以及准直光学器件934。可替 换地，可以采用另 一种激光发生设备或者其他相干光发生器。
操作时，LED 932向准直光学器件934提供光束，所述准直光学器 件934适当地准直光束并且调节光束的尺寸以用于SLM920。换言之， 有利的是，调节光束的尺寸和形状以便其基本上完全地同时照射SLM 920的所有像素(与所谓的扫描彩色系统形成对比)。将来自光源930 的相干准直光束提供给SLM920的后基底。同时，处理器和驱动器单元 910产生全息数据并且应用该数据以便驱动SLM920的像素。响应于驱 动SLM 920的每个像素的数据，所述相干准直光束被空间调制以产生空间调制的光束，所述空间调制的光束从SLM 920的前基底穿出到达图像 平面980。在图像平面980处，来自SLM920的每个像素的衍射光一起 相加，产生希望的全息图像。
有利的是，电子全息显示系统900在SLM920的输出端和图像平面 980之间的光路中不包括任何检偏器。同样有利的是，相干光源930向 SLM920提供非偏振光，其在其输入处不包括任何检偏器。
图10示出了当向像素施加适当的电压时图8和9的系统发生的情 况，所述电压可能与用于包括检偏器的系统使用的电压相同，或者可能 不同。阴影箭头示出了在包括检偏器的LCD系统不旋转入射光束的偏 振平面的情况下场矢量所处的方向。在去除检偏器并且旋转光的相位的 情况下，该箭头指向与阴影箭头成90度的角度，并且由指向"西南"的 箭头示出。由于这两个箭头不像图4中的情况那样指向相对的方向，而 是彼此垂直，因而这两个箭头不抵消而是相加，导致指向西北的箭头， 其显示了另外两个箭头的矢量和。
因此，在图8和9的系统中，第二个场的能量没有浪费，而是添加 到第一个场的能量，同时仍然不会导致感兴趣点处场强的相消。其结果 是，该系统中点的强度(亮度)高于对应图7的系统的强度。
尽管这里公开了优选的实施例，但是许多处于本发明的构思和范围 内的变型是可能的。本领域技术人员在阅读了这里的说明书、附图和权 利要求书之后，对于这样的变型将是清楚的。因此，本发明仅限制在所 附权利要求的精神和范围之内。
权利要求
1. 一种用于显示全息图像的电子全息显示系统(800，900)，包括相干光源(830，930)，其适于产生相干准直光束；空间光调制器(SLM)(820，920)，其适于接收并且空间调制所述相干准直光束以便从中产生空间调制的光束，所述空间调制的光束包括具有第一偏振的第一部分以及具有与第一偏振垂直的第二偏振的第二部分；以及处理器和驱动器单元(810，910)，其适于产生代表全息图像的全息数据并且向SLM(820，920)的像素施加适当的电压以便使得该SLM(820，920)利用所述全息数据调制所述相干准直光束，其中将所述空间调制的光束投影到图像平面(880，980)以便产生包括具有第一偏振的第一部分以及具有与第一偏振垂直的第二偏振的第二部分的全息图像。
2. 权利要求1的系统(800),其中SLM ( 820)为反射式液晶显示(LCD )设备。
3. 权利要求2的系统(800),还包括分束器(840),该分束器(840)适于将来自相干光源(810)的相干准直光束引导到反射式LCD设备(820 )并且将来自反射式LCD设备(820 )的调制的光束引导到图像平面(880)。
4. 权利要求1的系统(800 )，其中SLM ( 820)为反射式硅上液晶(LCOS)设备。
5. 权利要求4的系统(800 ),还包括分束器(840 ),该分束器(840 )适于将来自相干光源(830 )的相干准直光束引导到反射式LCOS设备(820 )并且将来自SLM ( 820 )的调制的光束引导到图像平面(880)。
6. 权利要求1的系统(900),其中SLM ( 920)为透射式液晶显示(LCD)设备。
7. 权利要求1的系统(800, 900),其中相干光源(830, 930)为激光器。
8. —种显示全息图像的方法，包括向包括多个像素的空间光调制器(SLM) ( 820, 920)提供相干准直光束；向SLM ( 820， 920)的像素施加适当的电压以使得该SLM ( 820，)利用全息数据调制所述相干准直光束，以便从中产生空间调制的光束，所述空间调制的光束包括具有第一偏振的第一部分以及具有与第一偏振垂直的第二偏振的第二部分；以及将所述空间调制的光束投影到图像平面(880, 980 )以便产生包括具有第一偏振的第一部分以及具有与第一偏振垂直的第二偏振的第二部分的全息图像。
9. 权利要求8的方法，其中SLM ( 820)为反射式液晶显示(LCD)设备。
10. 权利要求8的方法，其中SLM( 820)为反射式硅上液晶(LCOS)设备。
11. 权利要求8的方法，其中SLM( 920)为透射式液晶显示(LCD)设备。
12. 权利要求8的方法，其中相干光源(830, 930 )包括发光二极管和激光器中的至少一种。
全文摘要
一种用于显示全息图像的电子全息显示系统(800，900)包括相干光源(830，930)，其产生相干准直光束；空间光调制器(SLM)(820，920)，其适于接收并且空间调制所述相干准直光束以便从中产生空间调制的光束，所述空间调制的光束包括具有第一偏振的第一部分以及具有与第一偏振垂直的第二偏振的第二部分；以及处理器和驱动器单元(810，910)，其适于产生代表全息图像的全息数据并且向所述SLM的像素施加适当的电压以便使得该SLM利用所述全息数据调制所述相干准直光束。将所述空间调制的光束投影到图像平面以便产生包括具有第一偏振的第一部分以及具有与第一偏振垂直的第二偏振的第二部分的全息图像。
文档编号G03H1/22GK101467106SQ200780021439
公开日2009年6月24日 申请日期2007年5月29日 优先权日2006年6月9日
发明者A·戈维尔, L·R·阿尔巴 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司