专利名称：具有切趾装置的全息直视显示器的制作方法
具有切趾装置的全息直视显示器本发明涉及一种全息直视显示器，该显示器包含至少一个具有用于衍射光的调制 器单元矩阵以及切趾掩模阵列的可控空间光调制器。此外，本发明涉及一种求得切趾掩模 的切趾函数的迭代过程。本发明的应用领域包括会具有大的显示区域和/或小的结构深 度的光电显示装置，例如用于PC、TV、移动电话或其它具有显示信息功能的电器的直视显示
O可控空间光调制器(SLM)的调制器单元矩阵包含起可主动切换的调制器区域和 在中间(划分条、单元边界)的非主动区域。这两个区域的面积比被称为填充因子。非主 动区域形成固定的光栅结构，在该位置，光发生衍射。如果用相干或者部分相干光照明空间 光调制器，则衍射光将显示出特有的多束干涉效应。空间光调制器的衍射远场与空间光调 制器的复振幅透射或复振幅反射的傅里叶变换一致。非主动区域是预先确定的并且对每一 类SLM具有特有的特点。在这些区域，衍射导致较高衍射级的发生，其会导致光学系统的功 能性和质量的损害。如果它们在全息重建的实际图像上重叠，那么较高衍射级可以以噪声增加、孪生 像的形式或者例如通过在产生于远场的SLM的图像点周围的亮点例如对光学系统的功能 性产生不利的影响。现有技术领域公知的用于消除由SLM矩阵的调制器单元产生的较高衍 射级的有效装置是空间过滤器，其放置在接着SLM的光学系统的中间焦点位置。空间过滤 器仅透射需要的衍射级，而所有其它的衍射级由设计为孔眼掩模的空间过滤器阻隔。这样 的过滤器布置的缺点是中间图像或者中间焦点必须在光路上接着SLM而产生。首先，这样 大大增加了光学系统的结构深度。其次，随后的光学系统(透镜或者反射镜)的孔径(有 效开度)必须和SLM的孔径差不多一样大。这限制了这样的空间过滤器对相对小的SLM的 适用性并且因此限制了其对投射式显示器的适用性。切趾是一种用于在爱里圆斑(Airy disc)的外环的重叠处进行光学过滤方法，其 中爱里圆斑的外环表示较高衍射级。采用该方法的优点例如是成像系统中在损失成像系 统的分辨率的情况下改进图像对比度，因为例如在光路的出口孔径处放置特殊的梯度过滤
ο借助于切趾函数(x,y)可以实现调制器单元的切趾。切趾函数总体上是根 据它们的实际使用而计算的，并且例如在掩模或者过滤器中实现。此外，可以分析地说明的 多个公知的切趾函数在文献中进行了讨论。除了余弦或者三角函数以外，还存在例如名为 布莱克曼(Blackman)、海明(Hamming)或者韦尔奇(Welch)函数的公知切趾函数。这些切 趾函数为一般的切趾任务提供了解决方案。由本申请人递交的DE 10 2006 030 535 Al号专利文件描述了在投射显示器中在 具有像素矩阵的空间光调制器中对切趾函数的使用。像素矩阵的切趾在这里只能通过照明 空间光调制器的光的各自调制实现。为此，用适当的函数调制平面相干照明波，该函数的周 期与调制器的像素结构相匹配。在用于生成全息重建的全息直视显示器中，用充分相干光照明可控光调制器并且 可控光调制器在远场中为每一只眼睛生成单独的可见区(也称为观察者窗口)。较高衍射级的强度可以发散到邻近的可见区并且因此在观看重建时妨碍观察者。迄今为止，还没有 用于在这些可见区中降低较高衍射级串扰的基于切趾的公知解决方案。众所周知，要想变得有效，切趾必须满足由实际所使用的调制器装置所给出的边 界条件。综上所述，现有技术存在以下不足对于真实的全息重建的生成，也就是亮度值描述的尽可能真实的话，就需要较高 衍射级在至少一个特定的区域内明确地降低。这些区域位于观察者平面内的确定的位置。 具体说，应该有可能尤其大大地降低落入其它眼睛中的那些衍射级。传统的切趾函数没有实现的另一个应用是，在除了零级衍射以外的至少一个衍射 级中相对发光强度相对于所有其它衍射级增加。本发明的目的是通过切趾降低由包含可控调制器单元矩阵的全息直视显示器的 可控空间光调制器的远场中的调制器单元引起的较高衍射级，其中光调制器是不允许空间 过滤器过滤的光学系统的组件。这些问题将借助于切趾掩模阵列消除。光调制器还将允许在衍射的相干光的不同 衍射级中单独规定强度分布。同时，还将尽可能消除由调制器单元的设计引起的其它干扰效应，从而改进光学 系统的成像质量。此外，在切趾掩模中，在整个调制器单元中为连续的轮廓提供切趾函数或者是用 各个步骤的离散值实现切趾函数将是可能的。此外，总体上将修改公知的切趾函数使得这些修改对不同的应用都是有效的并且 是技术上可行的。由此仅将全息直视显示器的透射率降低到很小的程度。通过根据本发明的全息直视显示器解决该目的，其中，该全息直视显示器包含-至少一个具有调制器单元矩阵的用于衍射光的可控空间光调制器，所述空间光 调制器在光调制器的远场中实现单独地预先确定的强度轮廓，-切趾掩模阵列，其中将用于调制充分相干光的相位和/或振幅的每一个调制器 单元分配到切趾掩模，-至少一组确定的调制器单元，其被分配到具有相同的切趾函数的切趾掩模，以及-将要为至少一组调制器单元设定的复振幅透明度(complexamplitude transparency)，并且该复振幅透明度根据将要实现的预先确定的强度轮廓为该组调制器 单元设定切趾函数，其中预先确定的强度轮廓包括在至少一个较高衍射级中发光强度的降 低和/或由光调制器发出的杂散光的降低。在本发明中将复振幅透明度理解为复值过滤函数T，该函数具有以 T (x,y)= A (x,y) · exp [icp (x,y)]为形式的振幅A和相位φ。其描述了穿过切趾掩模的电
磁波的振幅和相位的改变。在本发明一实施例中，切趾掩模的切趾函数至少在一维中显示出绝对值的非恒定 轮廓和/或复振幅透明度的相位。例如，切趾函数可以至少在一维中具有在调制器单元的 中心处的最大值，以及朝向调制器单元边缘逐渐下降的复振幅透明度。为了能够计算切趾函数，必须知晓将要被切趾的调制器单元的特定的形状、尺寸和几何结构，以及调制器单元已经固有的复振幅透明度。具体说，知晓像素孔径的像素间 距、填充因子以及形状和位置这些参数是必要的。如果单个调制器单元的填充因子FF是例 如FF > 0. 5，并且如果调制器单元的面积不是太小，那么单个调制器单元的透射率轮廓的 具体选择用于实现观察者窗口的较高衍射级的强度不以干扰的方式对邻近的眼睛的观察 者窗口产生串扰。在离散扫描点处通过描述那些扫描点处复振幅透明度的数值确定切趾函数，其中 扫描点显示出可以通过切趾掩模部分地解决的相互距离。在全息直视显示器的一个实施例中，至少两个可控光调制器是叠在一起的，其中 要么每一个光调制器具有专用的切趾掩模，要么至少两个光调制器具有共同的切趾掩模。此外，将全息直视显示器的至少两个可控光调制器中的一个光调制器设计为形成 包含电润湿单元的棱镜阵列。规定切趾掩模分配到电润湿单元的棱镜阵列或者与后者结 合。切趾掩模阵列在全息直视显示器中的位置不是固定地确定的。特定的调制器单元组的切趾掩模最好可以在衍射光的远场的特定部分中用预先 确定的强度值设定强度轮廓。远场的特定部分可以至少在一维中仅包括负的或仅包括正的 衍射级。对于一个应用，所有调制器单元具有相同的切趾函数也是可能的。在本发明的另一实施例中，设计用于3D呈现的全息直视显示器使得在特定组中 调制器单元总是分配到用于生成可见区的左边观察者眼睛和右边观察者眼睛，可见区在观 察者距光调制器的距离范围内分别分配到观察者眼睛。在一组切趾掩模中，设定强度轮廓 使其在其它组的观察者眼睛处最小，并且反之亦然。此外，切趾掩模可以显示为一种切趾函数，该切趾函数的复振幅透明度形成为具 有恒定绝对值的可变相位函数。根据另一实施例，切趾掩模显示为一种切趾函数，该切趾函 数的复振幅透明度是二进制类型的，因此优选地降低了杂散光。与电润湿单元相结合，二进 制切趾掩模对于使在该单元的边缘产生的相位瑕疵最小化来说是一种适宜的元件。此外，如果优选地使用某一切趾函数，而此时填充因子是合理的，那么二进制掩模 阵列可以人为地降低电润湿单元阵列的填充因子。为了准确地确定切趾函数，可以利用迭代过程，该迭代过程在计算单元中以计算 程序的方式运行，并且在存储器中提供结果以便被寻回。迭代过程基于例如傅里叶变换方法，其中在远场中，在光调制器的平面和它的傅 里叶平面之间执行变换。在调制器单元处衍射的光可以近似到远场的特定部分的特定强度值。全息直视显示器可以包含纯振幅掩模的阵列或者纯相位掩模的阵列作为切趾掩 模。振幅掩模可以例如通过投影光刻、干涉光刻或者灰度光刻方法制造。为此，将光敏材料， 例如全息薄膜，暴露于该函数点式或二维暴露的位置。作为选择地，在高能束敏感(HEBS) 玻璃中通过电子束实现直接的暴露或者在激光直接写入(LDW)玻璃中通过激光束实现直 接的暴露是可能的。又一种制造选择是数码印刷。可以通过在聚合物或玻璃中生成表面轮廓或者通过折射率调整来制成相位掩模。 光敏材料(例如光刻胶)也为此而暴露。将信息二维地写入材料中，以便切趾掩模阵列可 以通过邻接多个表面区域而实现。可替代的制造选择包括表面接触或接近暴露以及投影光刻，其中另一方面，多个区域可以邻接起来从而形成切趾掩模阵列。制造的再一可能性是通 过在玻璃基板中植入锂离子而产生局部例子交换。上述方法还允许振幅掩模变换为相位掩模。掩模还可以借助于上述未提到的方法制造，但那些用法对于本领域技术人员而言 是容易想到的。在另一实施例中，全息直视显示器可以是全息彩色显示器，在该全系彩色显示器 中，要分配到某一原色的调制器单元形成特定组。为了使强度值最小化，在这样的显示器 中，远场的特定部分包括对于所有原色来说衍射角都相同的区域。本发明还涉及一种为切趾掩模找到切趾函数的方法，该切趾掩模排列成阵列并且 被分配到可控空间光调制器的调制器单元的矩阵，其中在迭代过程步骤中执行该方法。该过程步骤具体是-确定特定组的调制器单元的衍射级的位置，-定义在远场的优选衍射级或衍射级的部分中单独地预先确定的强度轮廓，-定义用于特定组的单个调制器单元的初始切趾函数，以及-逐步优化切趾函数的复振幅透明度从而在远场的衍射级部分的优选衍射级中接 近预先确定的强度轮廓。为了确定调制器单元的复振幅透明度，确定调制器单元的孔径的内部和外部的多 个扫描点。此外，远场中的强度轮廓由相同数量的扫描点处的复振幅透明度的傅里叶变换 的绝对值的平方来确定。之后，进行切趾函数的复振幅透明度的逐步优化，其中，在进一步 的过程步骤中-将调制器单元的孔径外部的扫描点设定为零，-对远场中的傅里叶平面执行复振幅透明度的傅里叶变换，-将远场中优选衍射级或衍射级的部分中的扫描点的振幅设定为与该扫描点处预 先确定的强度值的平方根一致的数值，以及-对光调制器的平面执行远场的复值的傅里叶逆变换。以下将借助实施例并结合附图对本发明进行详细说明，其中图Ia是根据现有技术的不具有切趾掩模的全息直视显示器的示意图，图Ib是根据本发明的具有切趾掩模的全息直视显示器的示意图，图2是用于起始于士第2级的衍射级的均勻降低的调制器单元的切趾函数的振 幅轮廓的图形表示，图3是用迭代步骤计算和没有用迭代步骤计算的傅里叶平面内单个衍射级中强 度的图形表示，图4是迭代计算的傅里叶平面内用于余弦形切趾函数和仅用于负衍射级的降低 的强度的图形表示，图5是余弦形切趾函数的振幅轮廓的图形表示以及根据图3在整个调制器单元中 迭代计算的复值切趾函数的振幅轮廓的图形表示，图6是根据图3在整个调制器单元中的复值的切趾函数的相位轮廓的图形表示，图7是傅里叶平面内用于负的和正的衍射级的区域降低的强度的图形表示，图8是根据图6在整个调制器单元中的切趾函数的振幅轮廓的图形表示，
图9是所有调制器单元具有相同的切趾函数的切趾掩模的实施例的示意图，
图10是给出两组调制器单元并且具有不同的切趾函数的切趾掩模的实施例的示 意图，以及图11是说明二维衍射图样中优选衍射级降低的示意图。本发明涉及一种具有至少一个可控空间光调制器的全息直视显示器，该显示器包 含在排列成矩阵的调制器单元，并且其中将每一个调制器单元分配到具有切趾函数的切趾 掩模。光调制器调制充分相干光的相位和/或振幅。在光调制器上编码的相位和/或振幅 值可以例如表示用来在全息直视显示器中重建三维物体的全息图。光调制器和切趾掩模的 的各种结合都是可能的。例如，仅调制相位的光调制器可以与仅切趾振幅的切趾掩模结合， 反之亦然。光调制器和切趾掩模总体上都可以用于复值调制。根据本发明确定调制器单元的切趾掩模的切趾函数，除了固定的初始值以外，还 基于为将要设定的参数确定目标值的方法。在这里，应当在与SLM的傅里叶平面一致的SLM 的远场中具体地设定复振幅。复振幅通过从SLM到远场的傅里叶变换来实现。具体地，给出傅里叶平面内发光强度的参数。发光强度会在优选的衍射级中大范 围地降低，或者仅在优选的衍射级的选择范围内大大降低。调制器单元的主动区域的形状 表示远场中衍射级的位置，并且因此表示傅里叶平面内衍射级的位置。由于例如在全息直 视显示器中，观察者眼睛也处在那个位置，所以在SLM上编码并且以左眼为目标的全息图 的衍射级可以到达右眼并且干扰以右眼为目标的全息图，反之亦然。由于光调制器的调制器单元和切趾掩模的结合，用各自的参数计算的切趾掩模中 的切趾函数使入射光得到调制，使得傅里叶平面内的强度值非常接近在那一点上所给出的 强度轮廓或者非常接近与后者相同的强度轮廓。用于切趾函数的另一个参数可以是具有恒定振幅的相位函数。在这里没有具体提 及的与光调制配合的其它参数还可以用根据本发明的用于确定切趾掩模的切趾函数的方 法来优化。借助于根据本发明的实施例的迭代过程可以接近目标值，因而优化强度轮廓。将切趾掩模设计为阵列，并且将其理想地放置使之与至少一个SLM的光调制光层 尽可能的接近。阵列要么是直接放置在至少一个SLM上作为附加的前或后层，或者整合到 至少一个SLM的保护玻璃罩中。此外，可以先行设计调制器单元的主动区域之间的划分条， 使得它们具有切趾阵列的效果。切趾掩模与调制器单元的特定的布置对齐。根据实施例，除了例如3D场景的全息值在其上编码的SLM以外，全息直视显示器 还可以包含棱镜阵列，棱镜阵列包含作为优选地调制波阵面的传播方向、而且还可以调制 该波阵面的相位和/或振幅的另一种SLM的电润湿单元。图Ia示意性表示根据现有技术的全息直视显示器，即不具有切趾掩模的全息直 视显示器的俯视图。数字1指全息显示装置，21和2r指三维场景的物点5的重建光束，31 和3r指可见区，也就是观察者窗口，用于显示装置1的远场中的各自的左边和右边观察者 眼睛，4指右边观察者眼睛的可见区3r中的强度分布。重建光束2r的强度分布4还表示产 生的较高衍射级，该较高衍射级引起串扰，因此对左边观察者眼睛产生不利影响。图Ib示意性表示根据本发明的在显示装置1上具有切趾掩模的全息直视显示器 的俯视图。物点5的重建光束2r在可见区3r中为右边观察者眼睛生产强度分布4’。在左边观察者眼睛的位置，该强度分布4’的较高衍射级降低，使得它们不干扰另一只观察者眼 睛。图2是表示可以在用于调制器单元的切趾掩模中实现的切趾函数的图形表示。根 据目标，该切趾函数统一地降低起始于士第2级的衍射光的衍射级。本图中仅对一维执行 示例性计算。调制器单元的二维表面范围总体上必须考虑在计算中。在本例子中，假设调 制器单元具有矩形形状并且因此显示出矩形的透射率曲线。为了计算切趾函数，知晓光调制器的两个邻近调制器单元之间的距离是很重要 的。这允许衍射级的位置在调制器单元矩阵中被准确地找到，尤其在只要降低单个较高衍 射级的情况下。如果要在邻近的衍射级的邻接范围内降低强度，则知晓距离就不那么重要 了。在离光调制器距离D的确定位置，衍射级具有一维的范围D · λ/p，其中λ是光的 波长，P是该维度中同一特定组的两个邻近的调制器单元的中心之间的距离(间距)。图3表示在光调制器的傅里叶平面内具有和不具有切趾掩模的单个调制器单元 的衍射图样，其中振幅表示为对数标度。曲线Kl表示作为在整个调制器单元的孔径中都恒定的矩形透射率的正弦函数的 衍射图样，该衍射图样没有用切趾计算。在调制器单元的孔径内的所有扫描点处振幅设定 为数值1的这样的透射率轮廓还用作用于计算曲线k2的迭代过程的初始值。在具有与单 元距离相等的孔径的调制器单元中，正弦函数的两个最小值之间的距离将与衍射级的范围 一致。如果孔径小于单元距离，那么衍射级以孔径与单元距离之比相同的比率变小。曲线K2表示借助于迭代过程计算的傅里叶平面内的振幅轮廓，其产生于图2的切 趾函数。迭代过程在五个迭代步骤之后结束，并且将结果用在切趾函数的计算中。K2的较高衍射级的相对强度-图表中中心凸起的左边和右边-相对于Kl明显地 降低。由于在这里规定正和负衍射级对称降低，所以计算的结果是切趾函数中的实际振幅 或强度值的分布。该切趾函数可以在用于较高衍射级的统一降低的切趾掩模的第一实施例中实现。 计算的结果与用传统分析的切趾函数得到的曲线在量上相似。该例子显示迭代过程还可以 应用于一般情况。利用迭代过程调整切趾函数的优点将在第二实施例中变得更加清楚。图4到6中的图表说明仅降低负衍射级的切趾掩模的第二实施例，在该实施例中， 在切趾掩模中实现切趾函数。这样的实施例的应用可以是具有光调制器的全息直视显示器，其中，一组调制器 单元用于左眼的可见区的生成并且另一组调制器单元用于右眼的可见区的生成。在用于生成重建的全息显示器的光调制器中，傅里叶平面同时是可见区所位于的 平面，在该平面内重建可见。左边可见区对右眼的串扰于是仅受例如各组调制器单元的优 选正衍射级中的强度的影响。右边可见区对左眼的串扰仅受其它组调制器单元的负衍射级 的影响，所以仅须降低该其它组的负衍射级。图4表示比例缩放到1的傅里叶平面内的衍射图样的振幅轮廓，用于表示具有切 趾函数的余弦形曲线的衍射级的降低(K3)以及仅负衍射级降低的迭代计算的结果(K4)。用迭代步骤计算曲线K4的强度轮廓。这降低了大约也具有余弦形切趾函数的负 的较高衍射级。正的较高衍射级大约与不具有切趾的矩形透射轮廓，即图3中的正弦函数Kl的矩形透射率的衍射图样一样高。至于较高衍射级中的剩余强度，仅利用负的衍射级不能表示本实施例中的任何优 点。当考虑引起负级的各自的降低的调制器单元中的切趾轮廓时，优点将变得清楚。图5和6是根据图4在整个调制器单元中复值的切趾函数的振幅轮廓和相位轮廓 的图形表示。图5除了复值的振幅轮廓的曲线M4以外还表示如曲线M3所示的余弦形切趾的振 幅轮廓。在该余弦形切趾中，在整个调制器单元中的相位是恒定的。余弦形切趾函数的振 幅轮廓导致光在调制器单元的边缘区域中被吸收。总之，提供有该切趾函数的切趾掩模明 显地降低了调制器单元的总透射率。如果仅在一维执行切趾，总透射率为50%，在二维余弦 切趾的情况下为25%。50%与在-π/2和π/2之间的余弦的平方(强度=振幅的平方) 的平均值一致。这降低了较高衍射级相对于零衍射级的发光强度，但是同样会不利地降低 所有衍射级(包括零衍射级)中的绝对强度。这从图4中看不出来。在那里，振幅轮廓标 准化到1从而便于较高级的降低的对照。相比之下，具有用迭代步骤找到的切趾函数的透射率更高。参照图5，曲线Μ4的振 幅和强度在调制器单元的中心区域接近1，并且朝着边缘稍微下降。对负的较高衍射级的降低的限制在这些衍射级中表示出大约相同的好结果，但是 不具有上述的在其它所使用的衍射级中强度实质损失的缺点。最终的切趾函数是复值的，因为较高级的降低不与零级对称。由于衍射级的对称行为，用于所有正的较高衍射级的降低的切趾函数可以在不具 有新的迭代过程的情况下得到，因为切趾函数的振幅轮廓选择为相同，但是相位轮廓是镜 像的。在一组调制器单元用于左眼的可见区的生成并且另一组用于右眼的可见区的生 成的具有光调制器的全息直视显示器中，切趾掩模将具有如图5中曲线Μ4所示的用于所有 调制器单元的振幅轮廓。然而，对于相位轮廓，一组调制器单元将具有如图6所示的轮廓， 并且另一组将具有与该相位轮廓镜像的相位轮廓。通过上面的说明而变得显而易见的是，切趾函数的调整的轮廓不能简单地通过一 个等式进行说明。第二实施例说明本方法总体上可以用在不知晓分析切趾函数的应用中。如果不是所有正的或者所有负的较高衍射级都降低，而是仅对优选的衍射级降低 的话，切趾函数的进一步的优化也是可能的。在这里所讨论的全息直视显示器中，优选到达 邻近的眼睛的那些衍射级。该定义包含哪些级依赖于诸如调制器单元的单元距离(间距)以及优选的观察者 距显示器的距离这样的参数。受影响的级可以例如是+第3和+第4或者-第3和-第4 衍射级。在调制器单元不是固定地分配到左眼或右眼的全息直视显示器中，计算切趾函数 使得对于所有调制器单元来说优选的级例如+第3和+第4或者-第3和-第4衍射级以 同样的方式降低可以是有意义的。这例如适用于相继地对左眼和右眼显示的全息图。作为 选择地，其适用于将某一调制器单元分配到一个观察者位置的左眼和另一个观察者位置的 右眼的显示器中的观察者追踪特征。对各自的另一只眼睛的串扰于是可以用同一调制器单 元在任一侧降低。
这样的切趾函数具有优于所有较高衍射级统一降低的优点。图7表示傅里叶平面内的衍射图样标准化到1的振幅轮廓K5，用于优选衍射级 (图表中由箭头所指)的区域的降低。在这里，该降低比用图4的曲线K3所示的余弦形切 趾要更好。图8表示根据图7的遍及整个调制器单元的振幅轮廓的曲线M5。由于对称轮廓， 在这里切趾函数也是实际值。相位也恒等于零。相对于不具有切趾掩模的调制器单元具有约62%的透射率，该透射率比余弦形切 趾情况下要高，余弦形切趾情况下透射率仅为约50%。在其它应用中，迭代计算-具有目标值的相应的定义-还可以在优选的衍射级的
强度值中产生增量。图9示意性表示具有规则排列的调制器单元的光调制器的细节图，每一个调制器 单元都分配有具有一维计算的切趾函数的切趾掩模。在这里一维的意思是对于调制器单 元中的不同位置，切趾函数的振幅值和相位值仅在一个方向上改变，在这里在水平方向上， 并且在正交方向，在这里在垂直方向上，是相同的。此外，在该例子中，仅存在一组调制器单 元，这意味着所有调制器单元具有相同的切趾函数。图10中的图表示意性表示具有规则排列的调制器单元的细节图，其中形成两组 调制器单元。对于这两组调制器单元来说，切趾掩模包含又总是二维计算的不同的切趾函数。这些调制器单元组可以用于不同的目的，并且为每一组独立地计算切趾函数。在这里二维的意思是在调制器单元中，切趾函数的振幅值和相位值在两个方向上 改变，即水平方向上和垂直方向上。图11示意性表示如二维中的灰度轮廓所示的正方形调制器单元的衍射图样，其 由二维切趾函数实现。相对亮度以非线性的方式表示。该图表用作优选的衍射级的范围的 降低的例子。与图10类似，如果其它眼睛位于全息直视显示器中的零衍射级，则只有那些将落 入右边或左边邻近的眼睛的衍射级降低。降低的衍射级的范围还垂直地受限制，其在图表 中以两个黑色的矩形的形式表示。这样的结果是利用具有约77%的透射率的切趾函数实现 的。具有不同的切趾函数的调制器单元组的应用的另一例子是彩色3D物体的呈现。在许多类型的光调制器中，彩色呈现通过不同原色的调制器单元的空间交错来实 现，其中不同原色的调制器单元例如借助于红、绿或蓝彩色过滤器而得到。由于这样的彩色 的空间交错，每一个原色的调制器单元形成特定的组，其中为那些组中的每一组找到不同 的切趾函数。如果使用相干照明，则在找切趾函数时必须注意衍射级的宽度与波长成比例的改变。在具有用于左/右眼的可见区的全息直视显示器中，其中，借助于切趾掩模阻止 这两个可见区之间的干扰串扰，用于红、绿和蓝光的较高衍射级具有相对于邻近的眼睛不 同的位置。为了实现衍射级的实质降低，因此对于每一个单独色彩的调制器单元组，必须用 傅里叶平面内的不同设定点数值独立地计算切趾函数。
彩色组中光调制器的调制器单元的划分可以与其它组系统划分结合。在3D显示 器中，如果调制器单元还固定地分配到左眼或右眼，那么那些用于红光和左眼的调制器单 元可以形成例如为其找到切趾函数的一组。本发明的另一优点是为了在全息直视显示器中为一组调制器单元或者为至少一 个光调制器找到切趾函数，仅在计算单元中脱机执行迭代过程一次。与迭代算法的其它应 用相比，计算负载和所需要的计算时间于是不发挥作用。现在，将说明用于确定切趾掩模的优化切趾函数的方法，其中将切趾掩模分配到 空间光调制器的规则排列的调制器单元，所述方法包括迭代过程。首先，确定强度值从而为光路中的确定位置用作优选衍射级或者优选衍射级的部 分中的设定点数值，以执行迭代过程。在将确定的切趾函数作为初始切趾函数之后，借助于特定的调制器单元组的调制 器单元的已知形状和尺寸，调制器单元的透射率轮廓由调制器单元的内部和外部的光栅中 的多个扫描点表示。透射率轮廓总体上理解为振幅轮廓或者复值形式的振幅和相位轮廓。这些扫描点的格栅可以与分辨率相匹配，由于该分辨率，如果制造过程的点分辨 率受到限制，那么在整个调制器单元中透射率轮廓将是技术上可以得到的。理想地，模拟透 射率轮廓总体上是需要的。例如，将用1 μ m的分辨率实现的透射率轮廓的具有60x60 μ m的尺寸的调制器单 元可以在每一维度中由60个扫描点来表示。如果制造连续的透射率轮廓是技术上可行的，那么后者依然可以通过扫描点在计 算中近似。表示调制器单元中透射率轮廓的扫描点被给予初始相位值和振幅值。在最简单的 情况下，其可以是调制器单元的孔径中透射率为1的矩形函数，或者任何其它公知的分析 切趾函数。在调制器单元的孔径的外部没有透射率，这就是将位于那些位置上的扫描点设定 为零的原因。初始切趾函数具有给定的初始值，并且借助于迭代过程优化该函数。其具体 是在优化的光调制器的傅里叶平面内的强度值的分布。相位值和振幅值从光调制器的平面变换到其傅里叶平面，藉此给予傅里叶平面遍 及多个衍射级的振幅值的分布或复值的分布。由于借助于傅里叶变换而完成计算，所以经计算的傅里叶平面内的衍射级的数量 与调制器单元(孔径和单元边缘)中的扫描点的数量一致，并且傅里叶平面内衍射级中的 复值的数量与扫描点的总数和调制器单元中扫描点的比率一致。在傅里叶平面内，在特定的衍射级或特定的衍射级的部分中用设定点数值替换振 幅值或复值，并且在剩余的衍射级中，将上述数值从变换中取走并且逆变换到光调制器的 平面。在光调制器的平面内，通过逆变换计算的调制器单元的孔径中的振幅值或复值转 到下一个迭代步骤，并且将位于调制器单元的孔径外部的振幅值或复值设定为零。现在，可以开始特定值到傅里叶平面变换的另一迭代步骤。迭代过程要么在预先确定数量的迭代步骤之后结束，要么在满足另外的预先确定 的结束标准时结束。
例如，在作为结束标准的替换之前将较高衍射级中的设定点数值与傅里叶平面内 的实际值进行比较是可能的。如果实际值与设定点数值的偏离降到某一阈值以下，则将结 束迭代。在这里，将复值称为实际值，该复值是光调制器的平面和其傅里叶平面之间的傅里 叶变换在这两个平面之一中的一个迭代步骤中的计算结果。为迭代过程的循环引入另外的条件是可能的。例如，指定振幅值和相位值在调制 器单元中量化、并且指定将那些量化的数值用于切趾函数都是可能的，其中该切趾函数在 调制器单元中用于扫描点的每一个迭代步骤中具有与各自的实际值最小差值，而不是延续 实际值。为此，实际值的振幅最好标准化，使得它们的数值范围与量化的数值范围相匹配。 标准化到0和1之间的范围可以借助于通过最大振幅的划分来实现。如果在切趾掩模的某一制造过程的情况下计算切趾函数，并且如果用该方法仅能 实现少数不同的灰度值或相位值，那么这样的量化切趾函数的计算是尤其有意义的。其特 殊情况是仅包含黑色和完全透明部分的二进制切趾掩模，即，两个量化步骤。在本方法的另一改变中，可以指定切趾函数是纯相位函数。相位函数具有光调制 器的透射率不会被切趾掩模降低的优点。对于相位函数，复值实际值的相位部分在每一个 迭代步骤中在调制器单元的孔径中的扫描点处被接替并且它的绝对值被设定为1。为了仅降低负的衍射级或者仅降低正的衍射级，例如利用纯相位函数是可能的。 尽管其传送了与图4中的曲线K4相比在这些衍射级中稍微较高的剩余的强度值，但该结果 是在光调制器的透射率没有任何降低的情况下完整地实现的。结束标准的另一选择是将振幅设定为最小值。根据制造切趾掩模的某一方法，依赖于调制器单元的尺寸为计算选择扫描点从而 使得它们的距离要么相当于掩模的空间分辨率，要么稍微大一些，以便切趾掩模可以通过 扫描点之间的添写来制得，是有意义的。用于确定切趾函数的迭代过程的优点是优化为具体应用的切趾函数可以在切趾 掩模中计算和实现。相比之下，标准的切趾函数仅允许在所有较高衍射级中光强度统一地 总体降低，其中强度的降低典型地在重要性方面超过为某一较高衍射级优化的强度。此外，当利用为某一应用优化的切趾函数时的光调制器的透射率的降低小于当利 用标准切趾函数时的透射率的降低。具有确定的切趾函数的切趾掩模在可控光调制器中实现需要的振幅透明度并且 因此实现较高衍射级的降低。该光调制器可以用在在傅里叶平面内具有独立地分配到左眼 /右眼的可见区的全息直视显示器中，或者用在用于对观察者眼睛呈现空间物体的立体显 示器中。在后者这样的类型的显示器中，用相干光照明是必要的。借助于切趾函数实现左 眼和右眼之间的立体景象的可见区之间的串扰的最小化。如果在前述的显示器中实现在距观察者确定距离的位置产生的可见区的空间交 错，并且如果调制器单元固定地分配到左边或右边观察者眼睛，那么可以指定调制器单元 组使得每一组的衍射光在傅里叶平面内产生分配到各自观察者眼睛的可见区。一组设定的 发光强度在其它组的观察者眼睛处的特定观察者距离位置最小，并且反之亦然。在该情况 下，用于左边观察者眼睛的调制器单元显示出不同于用于右边观察者眼睛的调制器单元的 切趾函数。
对于可控光调制器的调制器单元，设计切趾掩模，由于该切趾掩模，光调制器可以 在衍射相干光的衍射级中优选地实现单独地指定的强度分布。为此，确定切趾掩模的切趾 函数，其中在特定的较高衍射级中的发光强度的目标值必须在计算中以简化的方式进行考 虑。在切趾掩模中实现因此而调整的切趾函数是技术上可行的。此外，为切趾函数提供连 续的轮廓或者在切趾掩模中在整个调制器单元中用单一步骤中的离散值实现切趾函数是 可能的。本发明还允许将调制器单元中的这样的振幅和/或相位轮廓用作不能通过分析 函数描述的切趾函数。在这里，最好用简单的函数(余弦等等)使切趾成为可能，或者，在最简单的情况 下，用二进制步骤使切趾成为可能。此外，调制器单元中的干扰边缘效应可以通过切趾的强 度或相位轮廓来弱化，其中，例如使调制器单元的边缘变暗或者将其切断。其还允许重建质 量本身在可见区得到改进。本发明可以应用于具有液晶单元的调制器和具有电润湿单元或者其它类型的单 元的调制器中。SLM和全息或自动立体显示器可以是反射式的或者是投射式的。在本发明 中描述的显示器是直视显示器。在基于EMES的反射式活塞微镜阵列(MEMS-based reflective piston micro-mirror arrays)用作SLM的情况中，切趾掩模的阵列可以在调制器单元给定反射率 梯度的情况下实现。
权利要求
1.一种全息直视显示器，包含-至少一个具有调制器单元矩阵的用于衍射光的可控空间光调制器，所述空间光调制 器在光调制器的远场中实现单独地预先确定的强度轮廓，-切趾掩模阵列，其中将用于调制充分相干光的相位和/或振幅的每一个调制器单元 分配到切趾掩模，-至少一组确定的调制器单元，其被分配到具有相同的切趾函数的切趾掩模，以及-将要为至少一组调制器单元设定的复振幅透明度，并且该复振幅透明度根据将要实 现的预先确定的强度轮廓为该组调制器单元设定切趾函数，其中预先确定的强度轮廓包括 在至少一个较高衍射级中发光强度的降低和/或由光调制器发出的杂散光的降低。
2.根据权利要求1所述的全息直视显示器，其特征在于，切趾函数至少在一维中显示 出绝对值的非恒定轮廓和/或复振幅透明度的相位。
3.根据权利要求2所述的全息直视显示器，其特征在于，切趾函数具有在调制器单元 的中心处的最大值，以及朝向调制器单元边缘逐渐下降的复振幅透明度。
4.根据权利要求2所述的全息直视显示器，其特征在于，根据调制器单元给定的形状、 尺寸和几何结构，以及调制器单元已经固有的复振幅透明度来计算切趾函数。
5.根据权利要求1所述的全息直视显示器，其特征在于，在离散扫描点处通过描述那 些扫描点处复振幅透明度的数值确定切趾函数，其中扫描点显示出通过切趾掩模部分地解 决的相互距离。
6.根据权利要求1所述的全息直视显示器，其特征在于，至少两个可控光调制器是叠 在一起的，其中要么每一个光调制器具有专用的切趾掩模，要么至少两个光调制器具有共 同的切趾掩模。
7.根据权利要求6所述的全息直视显示器，其特征在于，将至少两个光调制器中的一 个设计为形成包含电润湿单元的棱镜阵列。
8.根据权利要求7所述的全息直视显示器，其特征在于，电润湿单元的棱镜阵列包含 切趾掩模。
9.根据权利要求1所述的全息直视显示器，其特征在于，特定的调制器单元组的切趾 掩模在衍射光的远场的特定部分中用预先确定的强度值设定强度轮廓。
10.根据权利要求9所述的全息直视显示器，其特征在于，远场的特定部分至少在一维 中仅包括负的或仅包括正的衍射级。
11.根据权利要求1所述的全息直视显示器，其特征在于，所有调制器单元具有相同的 切趾函数。
12.根据权利要求1所述的全息直视显示器，其特征在于，将调制器单元分配到左边观 察者眼睛和右边观察者眼睛，并且其中调制器单元形成用于生成可见区的调制器单元的特 定组，可见区在观察者距光调制器的距离范围内分别分配到观察者眼睛，其中借助于切趾 掩模设定的一组的强度轮廓在其它组的观察者眼睛的位置最小，并且反之亦然。
13.根据权利要求1所述的全息直视显示器，其特征在于，切趾掩模显示为一种切趾函 数，该切趾函数的复振幅透明度形成为具有恒定绝对值的可变相位函数。
14.根据权利要求1所述的全息直视显示器，其特征在于，切趾掩模显示为一种切趾函 数，该切趾函数的复振幅透明度是二进制类型的，因此优选地降低了杂散光。
15.根据权利要求1所述的全息直视显示器，其特征在于，为了确定切趾函数，使用迭 代过程，该迭代过程在计算单元中以计算程序的方式运行，并且在存储器中提供结果以便 被寻回。
16.根据权利要求9和15所述的全息直视显示器，其特征在于，迭代过程包括傅里叶变 换，其中在远场中，在光调制器的平面和它的傅里叶平面之间执行该变换，其中在调制器单 元处衍射的光能够近似到远场的特定部分的特定强度值。
17.根据权利要求1所述的全息直视显示器，其特征在于，切趾掩模是能够通过投影光 刻、干涉光刻或者灰度光刻方法制造的振幅掩模。
18.根据权利要求1所述的全息直视显示器，其特征在于，切趾掩模是能够通过在聚合 物或玻璃基板中生成表面轮廓或折射率调整的相位掩模。
19.根据前述至少一个权利要求所述的全息直视显示器，其特征在于，被分别分配到一 个原色的那些调制器单元形成调制器单元的特定组。
20.根据权利要求19所述的全息直视显示器，其特征在于，为了使强度值最小化，远场 的特定部分包括对于所有原色来说衍射角都相同的范围。
21.一种为切趾掩模确定切趾函数的方法，其中切趾掩模排列成阵列，并且被分配到权 利要求1所述的可控空间光调制器的调制器单元的矩阵，其特征在于，在迭代过程步骤中 执行该方法。
22.根据权利要求21所述的方法，包含以下过程步骤-确定特定组的调制器单元的衍射级的位置，-定义在远场的优选衍射级或衍射级的部分中单独地预先确定的强度轮廓，-定义用于特定组的单个调制器单元的初始切趾函数，以及-逐步优化切趾函数的复振幅透明度从而在远场的衍射级部分的优选衍射级中接近预 先确定的强度轮廓。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，调制器单元的复振幅透明度由确定调 制器单元的孔径的内部和外部的多个扫描点来确定，其中远场中的强度轮廓由相同数量的扫描点处的复振幅透明度的傅里叶变换的绝对 值的平方来确定，其中发生切趾函数的复振幅透明度的逐步优化，其中，在进一步的过程步骤中-将调制器单元的孔径外部的扫描点设定为零，-对远场中的傅里叶平面执行复振幅透明度的傅里叶变换，-将远场中优选衍射级或衍射级的部分中的扫描点的振幅设定为与该扫描点处预先确 定的强度值的平方根一致的数值，以及-对光调制器的平面执行远场的复值的傅里叶逆变换。
全文摘要
本发明通过在全息直视显示器中的切趾避免邻近眼睛中强度的串扰。为切趾掩模利用或调整公知的切趾函数，使得所述函数降低选择的较高量值的衍射的强度。出于该目的，全息直视显示器包含具有调制器单元并且将碰撞相干光调制为相位和/或振幅的可控光调制器，和切趾掩模阵列。对于预先确定的调制器单元组来说，切趾掩模具有相同的切趾函数，凭借该切趾函数可以为调制器单元设定复振幅透明度。该透明度对应于调制器单元的远场中的单独地预先确定的强度轮廓，其中预先确定的强度轮廓包括较高量值的衍射的光强度，和/或由光调制器发出的干涉光的光强度。为了检测切趾函数，提供迭代方法，该迭代方法在计算单元中以计算程序的方式运行。应用领域包括用于在全息直视显示器中实现不同类型调制的光调制器单元。
文档编号G03H1/22GK102077145SQ200980124718
公开日2011年5月25日 申请日期2009年1月16日 优先权日2008年6月26日
发明者斯蒂芬·瑞切特, 诺伯特·莱斯特 申请人:视瑞尔技术公司