TWI403815B - 可控式光調變器 - Google Patents

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Description

可控式光調變器
本發明係一種可控式光調變器，此調變器具有至少一個含向後反射元件之基底層及至少具有一個含規則像素結構的可控制透光層。其中，在像素結構中至少有兩個相鄰的像素組成一個巨集像素，而空間燈光調變由一個系統控制器所控制。
空間燈光調變器(SLM)的應用範圍多樣化，可從消費者市場的顯示投影系統、顯微鏡(光學鑷子、相位濾波器)、光束和波前整型、光學量測技術(數位全像術、光學感測器)一直到無光罩微影技術、超速雷射脈衝調變(色散補償)或正像望遠鏡(動態像差校正)的應用上。對上述的一些應用，像是對全像顯示器中的動態場景3D顯示來說，高品質的影像重現是極其重要的，但用來重建場景從一個3D場景的全像片計算出的數值或其他應用中寫入像素化光調變器的數值大都以複數矩陣式的排列呈現。且一方面，目前一個作為調變波前相位和振幅的複數值還不能直接顯示在傳統SLM的單一像素中；另一方面，僅對像素中的一個數值進行調變，亦即純相位或純振幅的調變所重現的一個動態3D場景在質量上仍顯不足。因此，只有透過複數調變使複數值儘可能在同一時間地點在一個SLM中完全再現。
而因應SLM的實施方式，已有許多不同方法是用欲表示數值的兩個複數部份同時進行調變。
在此情況下，可將兩個可分別控制的SLM局部緊密結合在一起，以對同調光同時進行振幅和相位上的調變。其中一個SLM對入射光進行振幅調變，另一個SLM則對入射光進行相位調變，也因為如此，其他調變特性的組合也是可行的。
調變時，光必須先通過第一個SLM中的一個像素，然後再通過第二個SLM中所屬的一個像素。對此，可透過一個大面積的光學元件，如透鏡，或用小型透鏡的陣列使第一個SLM成像到第二個SLM，或透過由兩個SLM所形成的一個三明治(sandwich)結構來實現。
用這樣兩個SLM的組合來進行複數調變的缺點在於兩個SLM的距離遠大於像素間距，亦即大於兩個像素間的距離。
全像應用上，SLM的典型像素間距介於10μm到50μm之間，相反地，一個三明治結構中兩個SLM的距離則有數百個μm，且在成像的情況下該距離還會更大。
通常許多不同類型的光調變器，例如液晶(LC)SLM，是由一個嵌在透明玻璃基板間的可控制液晶層組成；而在反射式顯示器中的可控制透光層則位於一個透明和一個反射式玻璃基板間。
一般典型的玻璃基板厚度在500到700μm之間。
另外，可將一個單一的相位SLM和一個單一的振幅SLM用其玻璃基板接續排列以產生一個用來複數調變的三明治結構。而從相位SLM中一個像素的可控制透光層產生的光束，則可能通過玻璃基板後，在碰到振幅SLM中一個像素的可控制透光層時，因對該像素孔徑產生繞射效應而擴展至使相鄰的像素間發生光束互擾(cross-talk)的情形。
使用成像元件時會出現一個缺點，就是通過SLM的整個平面時，第一個SLM中的一個像素須再次成像到第二個SLM中一個像素上。而這在很大程度上須無光學失真的誤差，但因實際上很難達成這樣的要求，所以成像時在相鄰的像素間仍有互擾的情形發生。
至於互擾現象還可能因沒對兩個SLM及成像光學或彼此相對的光源進行校準而變得更強。
此外，在緊密結合的SLM中，光束斜入射很容易發生誤差。光束可能從第一個SLM中的一個像素跑到第二個SLM中另一非相關的像素去。而這樣互擾的情形會使一個全像顯示器的重建品質變糟，因為在透過SLM進行複數表示時，該互擾情形剛好與振幅值和相位值的錯誤組合吻合。
除了上述複數表示的例子外，還有單一SLM或一個SLM中的單一像素無法提供高品質光調變的應用實例。
而這類應用實例主要在改善振幅SLM的對比，使一個無法有效振幅調變的SLM像素在像素應為“黑色”控制狀態下仍能讓一定數量的光通過。反之，若用一個理論上無互擾的三明治式SLM則還可改善光調變的品質。用該三明治式SLM和一個由兩個SLM像素組成的振幅像素使兩個SLM像素在“白色”控制狀態下幾乎達到全亮度，並在“黑色”控制狀態下透過作為振幅像素的SLM像素組合得到較好的解析度。因此，原則上透過三明治式SLM可使對比提高，但實際上像素間仍存在著互擾的問題。
另一個使用三明治式SLM的應用實例為提高相位調變的範圍：例如若單一SLM的相位調變範圍僅可從0到π，則可用一個由兩個同類相位SLM組成的三明治結構把調變範圍由0擴展到2 π。
此外，使用三明治式SLM的另一重要性在於可增加振幅和相位階數。例如一個僅可表示兩個相位階0和2 π的單一相位SLM，和一個同是二元，但相位階為0和π/2的第二個SLM，可透過這兩個SLM的三明治結構得到一共四個相位階：0,π/2,π和3π/2。
兩個以上的SLM組成的三明治結構對相位階數的增加也很有幫助。
使用上述複數SLM和三明治式SLM時像素間仍有互擾的問題發生。
本發明目的即在將一個含規則像素結構的可控式空間燈光調變器以此方式配置，使不同的調變方式得以實現，並避免一般已知調變設備上的缺點。該空間燈光調變器可用透射式或反射式的方式實現。
解決方法是以一個具有至少一個可控制透光層和至少一個基底層的可控式光調變器為基準。其中，可控制透光層含有規則排列在調變器行及/或調變器列中的像素，基底層含有向後反射元件，該等向後反射元件具有導引入射光束之光線的反射面，此外還具有一個系統控制裝置，該系統控制裝置具有一用來控制像素調變的調變控制器。
依發明在該光調變器中完成以下目的：-調變器控制器(MM)會產生若干數量的巨集像素，每個巨集像素 都是由至少兩個在一調變器行及/或調變器列中相鄰排列的像素(P)組成，系統控制裝置會賦予該等像素一挑選出的調變特性。-基底層(SR)中的向後反射元件(RE)在一平行於光調變器平面的平面上連續排列，使每一個向後反射元件(RE)都能夠將可控制透光層(ST)的一個調變器行或調變器列中的巨集像素的兩個相鄰像素覆蓋住，以便引導入射至巨集像素的一個像素(P)上的光束，使其在至少一個向後反射元件上被反射後會連續通過該巨集像素中的至少另外一個像素，以便對入射光束進行調變。
因此，本發明的基本構思是在一個SLM裡的一個唯一像素結構中，至少有兩個作為巨集像素的相鄰像素被控制，以及一個光束連續通過該巨集像素中的所有像素，其中在像素中對光束的空間調變是用調變控制裝置來控制的。
相反地，就現行技術已知的巨集像素而言，雖像素也是合成一個單位，但每一像素中通過的光束都是不同的光束。
可控式光調變器的設計原則乃是在可控制透光層的兩個面各配置一個含向後反射元件的基底層。該等向後反射元件的排列方式使得在至少一個基底層中，相鄰的向後反射元件之間會形成透明區域，而面對面的向後反射元件之反射面朝向可控制透光層的像素，並彼此橫向錯開。該橫向位移數最好是一個像素。
含有這些基本組件的光調變器還可另加其他光學組件來擴充，或用現有的組件以其他方式排列，進而創造出一個透射式或反射式光調變器。
一般來說，並未對巨集像素中的像素數有所限制，可依想要實現的調變特性要求為奇數或偶數。
本發明的一個實施例中，光調變器可設計成透射式，具有一光通行，該光通行穿過一具有奇數個像素的巨集像素，並經過至少兩個向後反射元件，其中一基底層的透明區域形成光束的入射面，另一個基底層的透明區域則形成出射面。
本發明的另一個實施方式中，光調變器可設計成反射式，具有一光通行，該光通行穿過一具有偶數個像素的巨集像素，光束通過像素的個數為偶數，並經過至少三個向後反射元件，其中一基底層的若干透明區域形成光束的入射面，而同一基底層的其他透明區域則形成光束的出射面。此外，在反射式光調變器的兩個面上各設有一個偏振器，該偏振器的結構化方式使光束在入射面和出射面的透明區域分別產生不同的偏振。
而在可控透射式光調變器的另一個實施方式中，則至少在調變器的一側設有一個偏振器。不過也可在該光調變器內的可控制透光層及基底層上設置一個偏振器。
另外，在光入射面的透明區域設有光學成像裝置，藉以將入射光束縮小成像在巨集像素的入射面上。
相反地，在光出射面的透明區域設有光學成像裝置，藉以使通過巨集像素的光束在巨集像素的出射面上擴展。
反射式光調變器的最簡易實施形式是用一個唯一的可控制透光層及一個在光線方向上位於該可控制透過層之後的唯一的基底層，其中，向後反射元件在一平行於光調變器平面的平面上已彼此無間距的方式垂直排列在基底層中。其調變特徵在於碰到一個向後反射元件的光束通過由兩個相鄰像素組成的巨集像素，再以往入射方向的側向移動離開該巨集像素。另外，透過該向後反射 元件可達到光束不受在像素中碰到像素的位置和角度的影響，亦即也包括光斜入射到SLM上，只通過巨集像素中的像素而不通過其他像素的目的，進而使相鄰的像素間無互擾的情形發生，並有利於在全像顯示器中對光源校正的要求降低。另一優點則是此款設計的SLM還可運用在一個具有光源追蹤的全像顯示器中。
此種簡易的光調變器還有另一設計是具有一個在光線方向上位於透射式基底層之前的列式結構化偏振器，該偏振器賦予巨集像素的兩個像素不同的偏振，並賦予調變器縱列中的相鄰像素相同的偏振來進行相位和振幅調變。而這裡光束通過一個調變器橫列中由兩個相鄰像素組成的巨集像素，會在碰到像素前和離開像素後做不同的偏振。
此外，此設計中，入射光束在巨集像素內通過的路徑長是在光調變器之像素間距的數量級，從而使繞射效應只在極小的數量級中產生而不會再被注意到。
一個依發明設計的光調變器可應用在每一個巨集像素內對光束進行振幅和相位上的複數的調變。
在對一含有三個像素的巨集像素內的光束進行共同振幅和相位調變時，相位調變可用兩個像素來控制，振幅調變可用一個像素來控制。對此，在巨集像素之相位調變像素之出射面設有一個偏振器，該偏振器具有可改變光束之偏振方向的結構化方式。因此，當光束通過巨集像素中具有不同調變特性的個別像素時，透過調變特性的組合也可得到一個獨立的振幅和相位調變。
若巨集像素中的幾個像素具有相同的調變特性，例如結合振幅和相位調變，則這些個別像素也可獨立被控制。透過個別像素所 選擇的控制方式，光束在通過巨集像素時同樣可得到一個獨立的振幅和相位調變。
在可控式光調變器中，最好是有一個空間場景的波前之繞射結構寫入其中，用此結構調變入射的光束以產生全像重建。這類光調變器可使用在全像顯示器中。
本發明的其他實施形式中，巨集像素還有利於使用在其他用途上。
例如在一個實施形式中，可表示的調變量化級數量會隨著巨集像素中像素數的增加而變多。
在另一實施形式中，透過巨集像素中的調變可使相位調變的可表示數值範圍變大。這種情況是針對所有像素的調變特性是相位調變，且巨集像素中的所有像素也是一樣的調變特性而言。
而不同的實施形式也可組合在一起。例如在一個巨集像素中，幾個像素用來進行振幅調變來提高對比；幾個像素則用來進行相位調變使相位調變的數值範圍變大，其中所有振幅像素和相位像素是被用來一起進行複數調變的。
本發明之可控式光調變器須具有至少一個可控制透光層，在該層中，像素規則排列在光調變器行及/或調變器列中，及至少具有一個含向後反射元件的基底層來作為基本組件。該光調變器用一個光源裝置中充足的同調光之光束照射。光源裝置可使用雷射或發光二極體(LED)，它的光會在空間及(或)光譜中被過濾掉。
像素的調變由調變控制裝置所控制，該控制器為系統控制器的 組件。
這些組件包含在第1圖至5的不同實施例和實施形式中並以斷面圖表示。入射與出射光束的走向用箭頭標示。
第1圖所示係第一個實施例中一個反射式光調變器的最簡易設計。上視圖中可見含向後反射元件RE的單一透射基底層和含有設計在調變器橫列中具規則像素結構之像素P的可控制透光層ST。
該光調變器可在其可控制透光層ST前另增第二個透明基底層SR。可控制透光層ST可是一個液晶層，基底層SR也同樣可是一個液晶層。不過也可用其他的調變類型，例如電濕式元件(Electrowetting cell)或磁光層。
兩個一維水平並排的相鄰像素P組成一個巨集像素。巨集像素由一個調變控制裝置MM產生出來，其中單一像素P的數量視應用實例而定。
第1圖中的入射光束將透過巨集像素中的兩個像素P分別進行相位和振幅A或振幅A和相位調變。入射光束的光在傳送到向後反射元件RE時會因反射而發生改變。這裡的光調變器縱列中僅含相位或振幅像素。
基底層SR中的向後反射元件RE由兩個垂直向彼此平行的反射面組成。兩個反射面彼此在一個設定的角度下無間距地排列著，使其與基底層SR形成一個稜鏡並將一個入射光束反射其中。這裡較佳的設定角度為90°。相鄰的向後反射元件RE在基底層SR中無間距地彼此排列著。像素P和向後反射元件RE的設計尺寸和相互排列須使向後反射元件RE的寬邊能覆蓋住巨集像素的一個同等寬縱列。
依可控制透光層的種類而定，特別是對光調變器的可控制透光層為液晶層來說，光調變器須另含偏振器PM。但若是電潤濕單元，則必要時不需此一偏振器。
SLM中朝向這裡未描述的光源裝置的一側含有一個偏振器PM。在不受單一像素的調變特性影響下，該裝置最簡易的情況下可是一個非結構化偏振器，不過還是以使用一個縱列結構化的偏振器較佳。因此，一個碰到巨集像素左邊像素的光束和一個碰到巨集像素右邊像素的光束會有不同之偏振方向。
此外，在基底層的內側也可另增一個含向後反射元件RE的結構化偏振器。藉此達到一個光束能先從巨集像素中的一個像素P，然後經過偏振器PM和向後反射元件RE，再通過巨集像素中的第二個像素來進行調變的目的。
在其他實施形式中，向後反射元件RE的配置也可在SLM中翻轉90°，以便覆蓋住在縱列中兩個上下並排的像素P。
反射式光調變器的一般實施形式中，一個一維的巨集像素是由偶數的像素數組成。第4圖中為一個四個平行並排的像素範例。這些像素也可以垂直並排。
對此，在一般情況下，向後反射元件RE也可是水平或垂直排列，但也可用如第5圖中斷面圖所呈現的一個混合式水平和垂直排列來進行調變。其中，兩個水平和兩個垂直相鄰的像素P，亦即四個像素，組成一個二維的巨集像素。若巨集像素整體看來有一個方形尺寸的話，則有利於和同調光一同使用，因繞射角度在水平和垂直的尺寸上是相同的。依SLM類型也可設置第二個基底層，例如在一個液晶SLM中將此基底層設計成透射式。
為了在基底層SR製造向後反射元件RE，可將一個平整的透射基底層做表面蝕刻處理，使得基底層形成一個特定角度的凹槽，接著將這些凹槽做金屬塗層來得到一個反射式表面，然後把這些凹槽用一個透明材料(如樹脂)填充，再將基底層表面弄平整。其他工序則依傳統SLM的製造方式進行，例如在基底層上安裝電極和配向結構，而以此製造方式所產生的像素結構都是一樣的。
以上是可能的製造方法，不過本發明不限於此方法。
第2a圖中所示為一個SLM第二個實施例之上視圖。將第1圖中已知的各個組件在這樣的組合與排列下使用，使一個透射式SLM得以實現。
對此，在含有像素P及像素結構的可控制透光層ST兩側各配置了一個內含整合式向後反射元件RE的透射式基底層SR。有別於第一個實施例，此基底層SR中的相鄰向後反射元件以一個像素P的寬度距離相隔排列，並構成透明區域。其中一個朝向光源裝置的基底層SR之透明區域形成光束的入射面；另一個基底層的透明區域則形成出射面。
另外，一個基底層SR的向後反射元件RE和另一基底層SR的向後反射元件RE之位置須使這兩個元件面對面錯開一個像素P地排列著，且以反射面彼此朝向著對方。
在透射式SLM中，將從調變控制裝置MM中製造出像素數是奇數但大於1的巨集像素。第2 a圖中係三個在調變器橫列中接續排列的像素P。對SLM，像是液晶SLM來說，不論在光入射側或光出射側都可配置偏振器PM。
依單一像素的調變特性而定，上述偏振器在最簡易情況下可是 在一個或兩個基底層外部所配置的未結構化偏振器PM，使一個光束在一次入射至SLM及由SLM出射時皆產生偏振。此外，還可在基底層內側及可控制透光層和向後反射元件之間配置結構化偏振器PM。藉此裝置，光束即會在通過巨集像素的一個像素後，及在到達該巨集像素的另一個像素前，發生偏振改變的情形。
入射及出射光束的走向用箭頭來標示。
第2 b圖及第2c圖的前視圖和後視圖所示為第2a圖一個調變器橫列之像素結構如何在與向後反射元件連結時產生作用的情形。其中，畫陰影線的區塊表示巨集像素中看不見的像素P，光束反射在這些區塊中，而未畫陰影的區塊則是含像素P的透明區域，光束入射在這些區域或從這些區域出射。
第3圖所示係依第2a圖的SLM為基礎的一個光調變設備及額外的組件。
在具有像素結構的可控制透光層中，一個光學成像裝置AM1置於每一個像素縱列前，光束入射在此縱列中或由此出射。另外的光學成像裝置AM2，例如透鏡，則置於光調變器的每一邊。
在光入射側的光學成像裝置AM1和AM2相互調整光學特性使入射的光束集中到各自的像素縱列中並被縮小成像。而在SLM中的光出射側，光學成像裝置AM1及AM2則相互調整其光學特性以擴展被調變的出射光束。
光學成像裝置AM1可直接整合到具有像素結構的基底層ST中。同樣在本發明的一個實施形式中，至少有部份光學成像裝置AM2可整合到基底層SR中。
像素可在一般情況下依第5圖這樣分散排列在幾個調變器橫列 及(或)縱列上，形成一個相鄰像素的關聯性結構。在此實施形式中，需有兩個設在可控制透光層兩側和含向後反射元件的基底層。這些向後反射元件以一個距離在兩個基底層中接續排列。而由於這些相鄰排列的向後反射元件之間的距離，在基底層中形成透明區域。其中，透明區域與光入射的巨集像素中的第一像素的位置一樣落在輸入側的基底層上，而透明區域與巨集像素的最後一個像素的位置則一樣落在輸出側的另一個基底層上。不過，由於向後反射元件較容易製造，還是傾向在單一調變器橫列或縱列裡的每一巨集像素中使用一定數目相鄰排列或上下排列的像素。
此外，在兩個透射式基底層中，向後反射元件之反射面朝向像素。通過此一較佳的反射面配置，使透射式可控式光調變器能以簡易的方式實現。入射在巨集像素中的光束用往入射方向的側向位移離開該巨集像素。
接下來將針對本發明之可控式空間燈光調變器的作用原理和可能的應用實例做進一步地說明。
反射鏡(retroreflector)一般被定義為一種光學元件，能將碰到的光透過許多反射面折射回原來的方向去。對此，反射鏡的結構中含有以一維或二維模式排列的極小構造單元。
本文件中，反射鏡係透過一個向後反射元件由兩個反射面組成，其中反射面作為一個稜鏡型元件彼此無間距地排列著。藉由本發明向後反射元件在可控式光調變器的配置方式達到光傳送的目的，使SLM可用反射式及透射式的實行方式。
第1圖的反射式SLM由同調光照射。這些光線組成光束同時碰到每個像素P，然後通過該像素，並在向後反射元件RE上轉向到 巨集像素中的另一相鄰像素P，再以一個往入射方向的側邊位移離開該像素。不管光束是否先碰到振幅調變像素或是相位調變像素P，都會穿過巨集像素中的這兩個像素P，同時用振幅值和相位值進行調變。此外，不受在各像素P中碰到像素的位置及角度的影響，向後反射元件RE中的路徑長是一樣的。因此，光束的同調性仍保持不變。
一般都知道在進行同調光調變時，穿過光調變器的單一像素並在像素中被調變的不同光束通常會互相干涉。在數學上，這相當於對單一像素P進行光調變的複數加法，也適用於像是在進行二相位編碼時，一般光調變器中一群像素自然組成為巨集像素的這類情況。
不過對反射式光調變器來說，由於向後反射元件的關係，巨集像素內的數個像束是由同一個光束連續穿過。這相當於數學上對巨集像素內的單一像素進行光調變的複數乘法。而由於光束連續通過數個像素，有利於將同一光束下的單一像素之調變特性結合起來。
各種不同的光束先通過不同的巨集像素，然後再互相干涉，這相當於對巨集像素進行光調變的複數加法。
在每個像素上給相應的振幅和相位值製造個別的電場，使調變控制裝置MM得以控制光束的調變。原則上，像素的結構可相同。例如就液晶SLM來說，可用一個配置在像素P前的結構化偏振器PM賦予調變器橫列中的相鄰像素P不同的偏振，並賦予調變器縱列中的相鄰像素一個相同固定的偏振，藉此方式來為每一像素界定是否要進行振幅還是相位調變。振幅調變用的像素與相位調變 用的像素之可控制透光層ST的厚度不同。不過對其他類型的SLM來說，大體上，相位和振幅像素的結構一般也不相同。
另外，可透過系統控制器的控制對可控制透光層ST的液晶進行同時調整，該系統控制器的組件為調變控制裝置。
液晶SLM中，為了進行振幅或相位調變，用空間結構化偏振器PM對像素做的結構配置也可與SLM中不同的配向層相結合。此外，像素P的結構配置也可只用不同的配向層，使液晶在振幅像素的位置有別於在相位像素的位置。
在其他反射式SLM的實施形式中，須注意光束通過巨集像素的兩個可能的方向。第1圖中光束可先通過巨集像素中標示為A的左邊像素，然後在向後反射元件RE上被反射，接著再通過巨集像素中右邊的像素φ，或是相反，亦即另一個光束先通過像素φ，然後在向後反射元件RE被反射，再通過像素A。這裡須注意的是在巨集像素中的整個調變是在不受光束通過方向的影響下被控制的。
以上所述可在液晶SLM中透過像是在可控制透光層ST和基底層SR間額外的偏振器來達成；或可透過一個結構化偏振器產生偏振使兩個方向的其中一個方向被阻擋，進而避免光入射到作為第一個像素的像素φ中的情形發生。不過這會關係到亮度的損耗。
若不在巨集像素的兩個像素P中進行所述的振幅和相位調變，也可使用數個像素各自進行振幅和相位調變，但作為個別像素時不得任意組合振幅和相位。而用一個由數個這樣的像素P組成和光束連續通過的巨集像素，則可讓所有振幅值和相位值的組合得以實現，並從單一像素調變之複數乘法得出。對單一像素調變之 各種組合是由調變控制裝置做調整。對此，最好能使用同類型的單一像素。這樣才能使製造SLM的可控制透光層更為簡單，因為所有的單一像素是以同樣的方式構成的。
這類型設計的SLM以簡單的方式調變同調光束，例如用一個全像顯示動態場景的複數來使光束朝向被偵測到的觀看者的眼睛方向去。此種實施形式的優點是基本上只要將一個傳統的像素化平面顯示器之基底層稍做修改即可，無須做大規模的變更。另一個優點則在於該SLM可容許光的些許斜入射，因為經過向後反射元件後，光束不受入射角度的影響連續通過巨集像素中的像素。
另外，在第4圖和第5圖中可見一個反射式光調變器及其含有位於像素結構兩側的兩個基底層之實施方式。該光調變器的光入射側同樣也是光的出射側。
第4圖和第5圖的不同點在於向後反射元件RE在基底層SR中的位置及巨集像素的形狀。這裡的巨集像素含有四個像素P。
第4圖中，光束的傳送係以一維模式通過巨集像素。光束在進入巨集像素的第一個像素P後在三個垂直向的向後反射元件RE上反射，藉此使光束連續通過其他接續的像素P，同時用這些像素的相應調變特性進行調變。到了第四個像素P時，光束再以一個往入射方向的側向位移出射。為了使此一光傳送的目的實現，光入射側的基底層SR在巨集像素中的每第二個和第三個像素P前含有一個向後反射元件RE，而透明區域則位於每第一個和第四個像素P前。
在可控制透光層ST後面的基底層SR中有向後反射元件RE彼此無間距連續地排列著。
第5圖中，光束的傳送係以二維模式通過巨集像素。其中每兩個水平的和每兩個垂直相鄰的像素P作為巨集像素被控制。光調變器中位於光入射側的向後反射元件在垂直向彼此無間距地連續排列著，而在水平向彼此間有一個像素P寬的距離。以此方式，在光調變器中的光入射側上，向後反射元件RE的垂直條紋部份和透明區域的垂直條紋部份相互交替。
而在像素P後面的基底層中，向後反射元件RE彼此無間距地在垂直向依SLM的橫列走向排列著，使入射的光束的整個反射式配置得以實現。
光入射在第一個像素P的方向與圖平面垂直，用一個圓點標示。巨集像素中的像素P以1至4的數字編號。光束在經過幾次反射後依序連續通過它們，這裡用部份畫虛線的光路徑來表示。這些光束離開該巨集像素，並和單一像素P所設定的不同或同類調變特性組合在一起以一個往入射方向的水平位移被調變。出射光用一個叉號表示。
當光束接續通過同一巨集像素中的數個像素P時，整個調變相當於數學上對這些像素P進行光調變之乘法。此光調變由調變控制裝置進行調整。
在上述實施形式中把第2圖和第3圖的基本組件組合在一起，可使一個透射式空間燈光調變器實現在一個相應的透射式光調變設備中。
而依第2圖中的光調變器，基底層SR中的向後反射元件RE置於像素結構的兩側。此外，個別的向後反射元件RE各隔著一個像素P的寬度排列在基底層SR中，並面對面錯開一個像素地排列 著，它們的反射面朝向像素P。
一個入射在巨集像素中第一個像素P的光束在經由反射到兩個向後反射元件上後，通過兩個接續的像素P並以同方向離開該巨集像素。在光傳送的同時，由調變控制裝置MM所控制的光束，和系統控制器所設定的單一像素P之調變特性一起被調變。
若是液晶SLM，則可在基底層SR外的兩側設置一個偏振器PM。與第一個實施形式類似，該裝置決定對像素P的調變方式是否是相位和/或振幅的調變方式。
另外，可在基底層內側和可控制透光層ST與向後反射元件RE之間，配置結構化偏振器PM。在光束通過巨集像素的一個像素P後及進入下一個像素前，用該裝置使光束的偏振被改變。
對此，除了可用較多的像素P來表示複數的優點外，有別於其他作為反射式SLM的實施形式，光束還可依固定順序通過一些像素(如這裡的三個像素P)。透過指定的光路徑能使像素的配置最佳化，以便進行振幅和/或相位調變。
也可用不同的方式使用巨集像素中的這三個像素P來表示複數。在一個含液晶層的光調變器中，例如在一個零扭轉式向列型或所謂ECB液晶模式情況下，進行一個相位到2*的純相位調變和一個純振幅調變時，液晶層只會在偏振方向和所需求的層厚上有所不同。
相反地，若要在設計為透射式的SLM中使用像素來進行組合式振幅和相位調變，則可由調變控制裝置所控制，對其中兩個像素P進行一個相位到1*的相位調變和對其中一個像素P進行一個振幅調變。最好所有三個像素的液晶層厚度皆相同。不過相較於液 晶的位置，相位像素和振幅像素之間需有一個45°的光偏振轉向。
可在基底層內側，可控制透光層和向後反射元件間裝上一個結構化偏振器達到上述要求。例如先進行相位調變時，光束會在通過第二個相位像素後及通過第三個像素前重新被偏振。
另一個方式是只用不同的配向層來進行像素P的結構配置，使振幅像素中的液晶呈45°的轉向。在這種情況下，光的偏振才能繼續保持下去。
一般來說，為了對入射光束進行複數調變，上述巨集像素中的三個像素還有其他調變組合方式。
而透射式的光調變器可依第3圖用額外的組件來擴充。
由於巨集像素整體看起來像是一個統一的像素，但因其填充係數很小，所以與光學成像裝置AM1與AM2的組合有助於改善光調變器的填充係數。
位於光調變器入射光側的光學成像裝置AM1和AM2相互調整成像性能，使入射在像素P的光束被縮小成像到巨集像素的透明區域上。
而在光出射側的光學成像裝置AM1和AM2則相互調整到使經調變光線的光束得以均勻地擴展。由於光束連續通過巨集像素中所有的像素P而已均質化，所以整個SLM也同時均一地受到照射。
在其他有關光調變器的使用中，所賦予的調變特性還可實現複數全調變。該調變有別於複數或結合式振幅相位調變，可是一個純相位或純振幅調變。
舉例來說，為了透過巨集像素中振幅調變用的像素組合來提高相對於單一像素的巨集像素之調變對比，可用一個巨集像素對光 進行振幅調變。不過，用一個巨集像素也只能進行一個相位調變，其中對單一像素來說只能控制兩個相位值0和π，對第二個像素只能控制兩個相位值0和π/2。但若是用一個光束連續通過兩個像素則可允許控制四個可能的相位值0,π/2,π和3 π/2，亦即在量化步階(quantization step)的數量上增加了一倍。
上述原則還可延伸到在巨集像素中使用更多數量的像素上，並以類似的方式來增加振幅調變時量化步階的數量。
量化步階數量的增加有利於將快速型SLM的特定類型，像是鐵電性液晶，使用在全像顯示器等運用上。否則在一般情況下，這類型調變器因只有兩個量化步階而不適合使用在全像顯示器上。
數個振幅像素和相位像素可接續排列成一個由同類像素組成的較大巨集像素。
對此，可依振幅像素和相位像素在巨集像素中的數量分別選擇振幅和相位的量化步階。
此外，上述其中的一個光調變器可使用在全像顯示器中，該調變器中有一個空間場景的波前繞射結構寫入其中，並以此結構對入射光束進行調變以產生全像重建。依本發明SLM的使用而定，全像顯示器的實施方式可是透射式或反射式。
本案所揭露之技術，得由熟習本技術人士據以實施，而其前所未有之作法亦具備專利性，爰依法提出專利之申請。惟上述之實施例尚不足以涵蓋本案所欲保護之專利範圍，因此，提出申請專利範圍如附。
SR‧‧‧基底層
RE‧‧‧向後反射元件
ST‧‧‧可控制透光層
PM‧‧‧偏振器
MM‧‧‧調變控制裝置
AM2‧‧‧光學成像裝置
P‧‧‧像素
1‧‧‧像素
2‧‧‧像素
3‧‧‧像素
4‧‧‧像素
第1圖係光調變器第一個實施例斷面之上視圖。
第2a圖係光調變器第二個實施例斷面之上視圖。
第2b圖係第2a圖一個光調變器橫列斷面之前視圖。
第2c圖係第2a圖一個光調變器橫列斷面之後視圖。
第3圖 係一個依發明設計之光調變裝置的另一實施例斷面之上視圖。
第4圖 係第一個實施例的另一個實施形式。
第5圖 係第一個實施例的另一個用兩維巨集像素的實施形式。
SR‧‧‧基底層
RE‧‧‧向後反射元件
ST‧‧‧可控制透光層
PM‧‧‧偏振器
MM‧‧‧調變控制裝置

Claims (23)

  1. 一種可控式光調變器，具有至少一個可控制透光層和至少一個基底層，其中，該可控制透光層含有規則排列在調變器行及/或調變器列中的的像素，該基底層含有複數個向後反射元件，該等向後反射元件具有導引入射光束之光線的反射面，此外還具有一個系統控制裝置，該系統控制裝置具有一用來控制像素調變的調變控制裝置，此種可控式光調變器之特徵為：該調變控制裝置(MM)控制至少兩個像素的若干數量的巨集像素，該等巨集像素在一調變器行及/或調變器列中彼此相鄰排列，且該系統控制裝置賦予該等巨集像素一挑選出的調變特性；以及基底層(SR)中的該等向後反射元件(RE)在一平行於該可控制透光層平面的平面中連續排列，使每一個向後反射元件(RE)都能夠將該可控制透光層(ST)的一個調變器行或調變器列中的巨集像素的兩個相鄰像素覆蓋住，以便引導落在巨集像素的一個像素(P)上的光束，使其從至少一個向後反射元件(RE)反射後連續通過該巨集像素的至少另外一個像素(P)，以便對入射光束進行調變。
  2. 如申請專利範圍第1項之可控式光調變器，其中在可控制透光層(ST)的兩個面各配置一個含向後反射元件(RE)的基底層(SR)，該等向後反射元件的排列方式使得在至少一個基底層(SR)中，相鄰的向後反射元件(RE)之間會形成透明區域，而面對面的向後反射元件(RE)之反射面則朝向可控制透光層(ST)的像素(P)，並彼此橫向錯開。
  3. 如申請專利範圍第2項之可控式光調變器，其係一種透射式光調變器，具有一光通行，該光通行穿過一具有奇數個像素(P)的巨集像素，並經過至少兩個向後反射元件(RE)，其中一基底層(SR)的透明區域形成光束的入射面，而另一基底層的透明區域則形成 出射面。
  4. 如申請專利範圍第2項之可控式光調變器，其係一種反射式光調變器，具有一光通行，該光通行穿過一具有偶數個像素(P)的巨集像素，光束通過像素(P)的個數為偶數，並經過至少三個向後反射元件(RE)，其中一基底層(SR)的若干透明區域形成光束的入射面，而同一基底層(SR)的其他透明區域則形成光束的出射面。
  5. 如申請專利範圍第2項之可控式光調變器，其中在該光調變控器的至少一個面上設有一個偏振器(PM)。
  6. 如申請專利範圍第4項之可控式光調變器，其中在該光調變器的兩個面上各設有一個偏振器(PM)，該偏振器的結構化方式使光束在入射面和出射面的透明區域分別產生不同的偏振。
  7. 如申請專利範圍第2項之可控式光調變器，其中在可控制透光層(ST)和基底層(SR)上皆設有偏振器(PM)。
  8. 如申請專利範圍第3項之可控式光調變器，其中在光入射面的透明區域設有光學成像裝置(AM1；AM2)，藉以將入射光束縮小成像在巨集像素的入射面上。
  9. 如申請專利範圍第2項之可控式光調變器，其中在光出射面的透明區域設有光學成像裝置(AM1；AM2)，藉以使通過巨集像素的光束在巨集像素的出射面上擴展。
  10. 如申請專利範圍第2項之可控式光調變器，其係一種反射式光調變器，具有一個唯一的可控制透光層(ST)及一個在光線方向上位於該可控制透過層之後的唯一的基底層(SR)，其中向後反射元 件(RE)在一平行於光調變器平面的平面上以彼此無間距的方式垂直排列在基底層(SR)中。
  11. 如申請專利範圍第10項之可控式光調變器，其中入射至巨集像素的一個像素上的光束在通過巨集像素時不會受在像素(P)中碰到之像素的位置和角度影響，而且是從與入射位置有一側向位移的位置離開該巨集像素。
  12. 如申請專利範圍第10項之可控式光調變器，具有一個在光線方向上位於透光式基底層(SR)之前的列式結構化偏振器(PM)，該振器賦予巨集像素的兩個像素(P)不同的偏振。
  13. 如申請專利範圍第10項之可控式光調變器，具有一個在光線方向上位於透光式基底層(SR)之前的偏振器(PM)，該偏振器的結構化方式賦予巨集像素的兩個像素(P)相同的偏振。
  14. 如申請專利範圍第10項之可控式光調變器，其中入射光束在巨集像素內通過的路徑長度是在光調變器之像素間距的數量級。
  15. 如申請專利範圍第8或9項之可控式光調變器，其中光學成像裝置(AM1；AM2)為陣列式排列的透鏡。
  16. 如申請專利範圍第8或9項之可控式光調變器，其中光學成像裝置(AM1；AM2)至少部份整合到可控制透光層(ST)中。
  17. 如申請專利範圍第2項之可控式光調變器，其中係在每一個巨集像素內對光束進行振幅和相位上的複數調變。
  18. 如申請專利範圍第17項之可控式光調變器，其中在對一含有 三個像素(P)的巨集像素內的光束進行共同振幅和相位調變時，相位調變可用兩個像素(P)來控制，振幅調變可用一個像素(P)來控制。
  19. 如申請專利範圍第18項之可控式光調變器，其中在巨集像素之相位調變像素(P)之出射面上設有一個偏振器(PM)，該偏振器具有可改變光束之偏振方向的結構化方式。
  20. 如申請專利範圍第17項之可控式光調變器，其中巨集像素的每一個像素(P)都具有不同的調變特性，並且個別被控制使光束在通過巨集像素時透過調變特性的組合得到一個獨立的振幅和相位調變。
  21. 如申請專利範圍第2或17項之可控式光調變器，其中巨集像素的所有像素(P)都具有相同的調變特性，並且被控制使光束在通過巨集像素時透過調變特性的組合得到一個獨立的振幅和相位調變。
  22. 如申請專利範圍第2項之可控式光調變器，其中隨著巨集像素中像素數的增加，能夠顯示的調變量化級的數量也隨之增大。
  23. 如申請專利範圍第2項之可控式光調變器，其中一個波前的衍射結構被寫入一空間場景，該衍射結構可對入射光束進行調變以產生全息重建。
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