TWI575341B - Light modulation device - Google Patents

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Norbert Leister
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Description

光調變裝置
本發明係一種光調變裝置，其具有一個空間光調變器、一個結構化偏振器、一個可控制偏振器、以及一個光波多工傳輸器。空間光調變器具有分離的可編碼調變單元。每兩個調變單元可以組合成一個調變元件。傳播光波場的具有干涉能力的光波可以被調變單元調變，使其受全像資訊空間結構化，以便全像重建三維場景的可預先給定的空間物件光點分佈。每一個調變元件的調變單元在傳播光波場的傳播方向上都是相併及/或相鄰設置。透過結構化偏振器可以賦予相併設置之調變單元要調變的光線不同的偏振狀態。一種有利的方式是將結構化偏振器的一部分配屬於一個或每一個調變單元。例如，可以將結構化偏振器設計成具有複數個偏振特性不同的區域，而且每一個的區域的尺寸都大致相當於其配屬之調變單元或調變單元的行或列的斷面尺寸。光波多工傳輸器的設置及構造方式使被調變單元調變過、且偏振狀態不同的光波成分能夠在輸出端組合成一個調變過的光波多工傳輸，同時這個調變過的光波多工傳輸基本上是在一個共同的地點及以基本上相同的傳播方向離開。
例如，國際專利登記WO 2010/149588 A1就已輕有描述過以上提及的光調變裝置。這個國際專利登記描述的光調變裝置具有光波多工傳輸器，該等光波多工傳輸器的設置及構造方式使被相鄰之調變單元調變過、且偏振狀態不同的光波成分在輸出端組合成一個調變過的光波多工傳 輸，同時這個調變過的光波多工傳輸基本上是在一個共同的地點及以基本上相同的傳播方向離開。因此一種有利的方式是使用空間光調變器，例如這樣做可以預先給定及改變穿過一個調變單元到達的光線相對於穿過相鄰的另外一個調變單元到達的光線的相位。如果穿過相鄰之調變單元的光線可以在空間中重疊，並能夠組合成一個基本上在相同的傳播方向傳播的光波多工傳輸，則這個透過相鄰之調變單元組合成的光波多工傳輸可以作為一個複數的全像圖值，並可利用這個全像圖值全像重建一個三維場景。根據WO 2010/149588A1揭示的光調級裝置，為了以單一視差(一維)編碼實現全像顯示，光調變器之相鄰的行或列的調變單元會組合在一起，因而形成相應的調變元件行或調變元件列。在編碼方向可以自由選擇顯示器能夠達到的三維場景解析度。但是在垂直方向(也就是最有效點方向)，場景解析度受到空間光調變器(SLM)在這個方向上的調變單元數量的限制。其後果是，在垂直於調變元件行或調變元件列的方向上，要顯示之三維場景的解析度會變小。在不受共通性的限制下，以下將假設存在一個垂直視差編碼。這樣就可以在垂直方向選擇場景解析度，但是在水平方向則受到像素列數量的限制。由於此處描述的本發明的光調變裝置能夠進一步改良WO 2010/149588 A1描述的光調變裝置，同時以下的說明也將提及WO 2010/149588 A1描述的光調變裝置，因此WO 2010/149588 A1公佈的內容全部被納入本說明書。
如果全像顯示器具有一個空間光調變器及一個光波多工傳輸器，其中該空間光調變器的調變單元能夠改變與調變單元交互作用之光線的相位，同時該光波多工傳輸器具有將通過兩個調變單元的光線組合成一個複數值光波多工傳輸的功能，則與調變元件列的數量相比，場景解析度會減半。
因此本發明的目的是提出一種本文開頭提及的光調變裝置，並加以改良，以克服以上提及的問題。本發明之光調變裝置尤其要能夠避免因相鄰調變單元之光線的組合導致重建的三維場景解析度變小。
採用申請專利範圍第1項的理論即可達到本發明的目的。申請專利範圍中的附屬申請項目均為本發明的各種有利的實施方式及改良方式。
本發明之光調變裝置的特徵是，在可控制偏振器的第一運轉狀態下的兩個相鄰調變單元的光波成分及在可控制偏振器的第二運轉狀態下的另外兩個相鄰調變單元的光波成分都可以被光波多工傳輸器組合在一起。
根據本發明，如果在一個方向(尤其是不相干方向)透過使用一個能夠以偏振選擇的方式工作的光波多工傳輸器，以及透過按時序顯示兩個全像圖及/或兩個三維場景，即可避免場景解析度減半。這可以透過可控制偏振器的切換獲得實現，也就是改變在光波螱工傳輸器之前改變光線的偏振，這樣在在可控制偏振器的第一運轉狀態下的兩個相鄰調變單元的光波成分及在可控制偏振器的第二運轉狀態下的另外兩個相鄰調變單元的光波成分都會被光波多工傳輸器組合在一起。這另外兩個相鄰調變單元可以相對於兩個相鄰調變單元位移一個調變單元。透過這個措施，第一及第二重建三維場景在光波多光傳輸器的輸出端通常會以彼此相向推移一個調變單元列或調變單元行的方式被重建。例如，為最先顯示的三維場景，第1及第2列的調變單元及第3及第4列的調變單元(等等)分別組合成一個複數值。為之後顯示的三維場景，則是第2及第3列的調變單元及第4及第5列的調變單元(等等)分別組合成一個複數的光波多工傳輸。
因此本發明之光調變裝置的一個優點是，所產生的場景解析度原則上可以達到WO 2010/149588 A1之光調變裝置產生之場景解析度的兩倍。
根據本發明之光調變裝置的一個有利的實施方式，照亮光調變裝置的光波場被偏振。結構化偏振器的構造方式使其至少為要被相併設置之光調變單元調變之光線的第一部分實現延遲板(尤其是λ/2板或λ/4板)的光學功能。如果空間光調變器及光波多工傳輸器被設計為相同的偏振方式，例如線性或圓周形偏振，則結構化偏振器具有λ/2板的光學功能。如果空間光調變器及光波多工傳輸器被設計為不同的偏振方式，例如線性及圓周形偏振，則結構化偏振器具有λ/4板的光學功能。
在這方面可以透過結構化偏振器改變要被相鄰設置之調變單元調變之光線的偏振。接著透過與可控制偏振器的合作，可以將被不同的相鄰調變單元調變的光線組合在一起。在本發明中，所謂結構化偏振器是指結構化偏振器具有第一空間範圍及第二空間範圍，這些空間範圍會賦予與結構化偏振器交互作用的光線一個可預先給定及/或不同的偏振，其中第一空間範圍可配屬於一種類別(例如行或列)的調變單元，第二空間範圍可配屬於另外一種類別的調變單元。
最好是可以透過結構化偏振器賦予通過第一調變單元的光線一個可預先給定的第一偏振，以及賦予通過第二調變單元的光線一個可預先給定的第二偏振。可預先給定的第一偏振是線性的，且垂直於一可預先給定的第二線性偏振，或是第一偏振是圓周形的，且其旋轉方向與一可預先給定的第二圓周形偏振相反。
照亮光調變裝置的光波場可以被線性偏振或圓周形偏振。
可控制偏振器可以具有一個以液晶為基的光學元件，其作用 是賦予與可控制偏振器交互作用的光線一個可預先給定的偏振。這最好是以平面方式進行，因為選擇性改變光線在調變單元平面上的偏振並非必要。
以下將描述光波多工傳輸器的不同的實施方式，這些實施方式均可配合本發明的光調變裝置使用。
根第一種實施方式，光波多工傳輸器可以含有一個雙折射介質，其構造及設置方式會使通過第一調變單元的光線基本上不會被偏轉，通過第二調變單元的光線則會被橫向移出雙折射介質，以便在輸出端組成的光波多工傳輸是一個基本上在一個共同的地點及以基本上相同的傳播方向離開的調變過的光波多工傳輸。這個雙折射介質最好是一片平面平行的雙折射板或塗層。可以在該雙折射介質之後另外設置一種具有色彩修正之色散作用的雙折射介質。
根據第二種實施方式，在光線傳播方向上，可以在雙折射介質之後另外設置一個雙折射介質。雙折射介質的構造及設置方式會使通過第一調變單元的光線基本上不會被偏轉，通過第二調變單元的光線則會被橫向移出雙折射介質。另外一個雙折射介質的構造及設置方式會使通過第二調變單元的光線基本上不會被偏轉，通過第一調變單元的光線則會被橫向移出另外一個雙折射介質，以便在另外一個雙折射介質的輸出端組成的光波多工傳輸(LMX)是一個基本上在一個共同的地點及以基本上相同的傳播方向離開的調變過的光波多工傳輸。另外一個雙折射介質對穿過兩個雙折射介質的光線可以具有色彩修正之色散作用。
這至少兩個雙折射介質可以具有基本上是平面平行的交界面。一種替代或補助方式是，可以在兩個雙折射介質之間設置一個延遲板，而且最好是一個λ/2板。
在以上描述的第一及第二種實施方式中，所選擇的光波場的 偏振特性、結構化偏振器的偏振特性、可控制偏振器的偏振特性、以及雙折射的光學特性都要能夠達到所需要的效果，那就是使兩個相鄰調變單元調變過的光線的調變過的光波多工傳輸基本上是在一個共同的地點及以基本上相同的傳播方向離開。
根據第三種實施方式，光波多工傳輸器具有一個第一偏轉層。在光線傳播方向上，在第一偏轉層的後面有設置一個第二偏轉層，且其與第一偏轉層的距離是可以預先給定的。第一偏轉層的光學特性會使通過第一調變單元的光線基本上不會被偏轉，通過第二調變單元的光線則會被偏轉第一個可預先給定的角度。第二偏轉層的光學特性會使通過第一調變單元的光線基本上不會被偏轉，通過第二調變單元的光線則會被偏轉第二個可預先給定的角度。第二個可預先給定的角度的大小可以大致等於第一個可預先給定的角度的大小。具有兩個偏轉層的第三種實施方式基本上與具有一個雙折射介質的第一種實施方式相同。
根據第四種實施方式，第一偏轉層的光學特性會使通過第一調變單元的光線在第一方向被偏轉第一個可預先給定的角度，通過第二調變單元的光線在第二方向被偏轉第二個可預先給定的角度。第二偏轉層的光學特性會使通過第一調變單元的光線被偏轉第二個角度，通過第二調變單元的光線則會被偏轉第一個角度。第一個角度的大小可以大致等於第二個角度的大小。
根據第五種實施方式，光波多工傳輸器具有一個第一雙折射稜鏡場或稜鏡陣列，以及一個第二雙折射稜鏡場或稜鏡陣列。第一雙折射稜鏡場的構造及設置方式使通過第一調變單元的光線可以被偏轉到第一方向，通過第二調變單元的光線不能被偏轉。在光線傳播方向上，第一雙折射稜鏡場的後面設有一個第二雙折射稜鏡場，且其與第一雙折射稜鏡場的 距離是可以預先給定的。第二雙折射稜鏡場的構造及設置方式使第二雙折射稜鏡場能夠將被第一雙折射稜鏡場偏轉的光線偏轉到一個可預先給定的方向，但是第二雙折射稜鏡場不會將未被偏轉的光線偏轉。也可以將第一雙折射稜鏡場及第二雙折射稜鏡場製作成可開關的方式，例如製作成埋在稜鏡場狀的介質內的液晶，透過電子方式可以影響液晶，使穿過雙折射稜鏡場的光線在可開關雙折射稜鏡場的一種運轉狀態下會改變偏振狀態，但是在另外一種運轉狀態下保持偏振狀態不變。
在第三種至第五種實施方式中，偏轉層可以具有一個含有全像圖及/或體光柵及/或布拉格光柵的層，或是具有一個偏振光柵。
根據一種特別有利的實施方式，每兩個相鄰且在水平方向相併設置的調變單元被組合成一個調變元件，也就是構成一個調變元件列。根據一種替代的實施方式，每兩個相鄰且在垂直方向上下設置的調變單元被組合成一個調變元件，也就是構成一個調變元件行。
光調變裝置之光學元件的配置有以下的可能方式：在光線傳播方向上，可以將可控制偏振器設置在光波多工傳輸器之前。一種替代或補助方式是，在光線傳播方向上，將結構化偏振器設置在光波多工傳輸器之前。在光線傳播方向上，可以將可控制偏振器設置在結構化偏振器之前或之後。
根據一種特別有利的實施方式，可控制偏振器可以在一個畫面時間或一個畫面時間的期間進入第一運轉狀態。可控制偏振器可以在下一個畫面時間或下一個畫面時間的期間進入第二運轉狀態。可以根據可控制偏振器的運轉狀態透過資訊內容描述及/或編碼空間光調變器。
根據一種有利的實施方式，結構化偏振器是可控制的，因此負起可控制偏振器的功能。在這種情況下，光調變裝置不具有結構化偏振 器及可控制偏振器，而是僅具有一個光學元件，也就是一個可控制結構化偏振器。
一種有利的方式是，在光線傳播方向上，在光波多工傳輸器之後設置一個光學特性可預先給定的偏振器作為檢偏振器。這樣離開光調變裝置的光線會具有特定的偏振狀態，這個偏振動態對位於光調變裝置之後的光偏轉裝置可能是必要的。
空間光調變器及結構化偏振器之間最好是僅相隔很短的距離。這樣一種有利的方式是，在空間光調變器之前就已經透過可控制偏振器執行照亮空間光調變器的光波場的偏振的平面切換，例如在光調變裝置之照明裝置內執行。
一種有利的方式是將能夠為不同的輸入偏振實現相位調變的液晶模式應用於空間光調變器。例如，具有圓周形偏振的平面調變液晶模式。這種液晶模式對左旋圓周形偏振光線及右旋圓周形偏振光線均可進行相位調變。雖然固定液晶定向的相位值會隨圓周形偏振的旋轉方向而有所不同。但是在將全像圖寫入空間光調變器時可以將這個區別考慮進去。
也可以是在結構化偏振器之後或光線進入光波多工傳輸器之前，進行光波場之偏振的切換。
本發明的光調變裝置特別適於用來實現全像顯示器，例如WO 2006/066919 A1或WO 2006/027228 A1揭示的全像顯示器。
1、2‧‧‧調變單元
100‧‧‧雙折射材料
110‧‧‧非雙折射材料
BC‧‧‧光波多工傳輸器
d‧‧‧距離
DL‧‧‧墊片
FL‧‧‧照明裝置
LMX‧‧‧光波多工傳輸
LQ‧‧‧光源
LW‧‧‧傳播光波場
ME1、ME2‧‧‧調變元件
P1‧‧‧第一偏振
P2‧‧‧線性偏振
PA1‧‧‧第一雙折射稜鏡場
PA2‧‧‧第二雙折射稜鏡場
Pg1、Pg2、Vg1、Vg2、Vg3、Vg4‧‧‧偏轉層
Pol、WPG‧‧‧偏振器
S‧‧‧可控制偏振器
SLM‧‧‧空間光調變器
SP、SP1、SP2、SP3‧‧‧雙折射介質
SQWP、SWP‧‧‧結構化偏振器
TE‧‧‧線性
α‧‧‧角度
λ/2、λ/4‧‧‧板
有不同的可能性可以實現及進一步改良本發明的理論。這些可能性記載於根據申請專利範圍第1項而來的附屬申請專利項目，及以下配合圖式對本發明之有利的實施例所作的說明。以下除了配合圖式說明本發明之有利的實施例外，也將說明共通的有利的實施方式及本發明之理論的 進一步改良。以下的圖式都是以示意方式顯示：第1圖：本發明的第一個實施例，圖的上方顯示光調變裝置的第一種運轉狀態，圖的下方顯示相同的光調變裝置的第二種運轉狀態。
第2圖：本發明的第二個實施例，圖的上方顯示光調變裝置的第一種運轉狀態，圖的下方顯示相同的光調變裝置的第二種運轉狀態。
第3至第10圖：各顯示光波多工傳輸器的一個實施例。
在這些圖式中，相似或相同的元件均以相同的元件符號標示。
第1圖顯示光調變裝置之第一個實施例的俯視圖，其中光調變裝置的空間光制器SLM是透射式的。第1圖左邊的倒圓箭頭代表來自未在第1圖中繪出之光源並從左邊進入第1圖的準直光波場具有一圓周形偏振。在光線傳播方向上首先出現的是可控制偏振器S，接著依序是空間光調變器SLM及結構化偏振器SQWP，最後是光波多工傳輸器BC。圖式中的倒圓箭頭代表光線的圓周形偏振，而且可以從倒圓箭頭的旋轉方向看出是左旋圓周偏振或右旋圓周偏振。
空間光調變器SLM是以液晶分子的平面調變工作，例如WO 2011/039286 A1描述的工作方式。結構化偏振器SQWP的構造方式使其實現一結構化λ/4板的光學功能。因此可以透過結構化偏振器SQWP為相鄰調變單元1，2交互產生穿過結構化偏振器SQWP的光線的水平或垂直偏振。在第1圖中，一方面是以雙箭頭，另一方面是以圓圈及點代表這種情況。
光波多工傳輸器BC選擇性的使線性偏振P2的光線產生一個橫向位移，但是並不會使另外一個偏振P1產生橫向位移。因此光波多工傳輸器BC使偏振方向位於圖面上的光線(見雙箭頭P2)產生一個橫向位移。光波多工傳輸器BC不會使偏振方向垂直於圖面的光線產生任何橫向位移，也 就是說這些光線在穿過光波多工傳輸器BC時不會被偏轉。例如可以用第3圖至第10圖中的一種光波多工傳輸器作為本實施例使用的光波多工傳輸器。
第1圖以示意方式顯示空間光調變器SLM的6個調變單元1，2，其中第1圖顯示的僅是空間光調變器的一個片段。空間光調變器SLM及第1圖顯示的其他元件都是向上、向下及突出於圖面的放大顯示。在第1圖上方顯示的光調變裝置的運轉狀態中，調變單元1，2的光線會被光波多工傳輸器BC組合到一個調變元件ME1。
透過一個控制裝置(未在圖式中繪出)對可控制偏振器S進行控制，可以改變光波場的輸入偏振。在第1圖上方顯示的光調變裝置的運轉狀態下，可控制偏振器S被切斷，因此光波場的輸入偏振的在空間光調變器SLM的方向的傳播不會改變。在第1圖下方顯示的光調變裝置的運轉狀態下，可控制偏振器S被接通，因此光波場的輸入偏振在空間光調變器SLM的方向的傳播會改變。因此相對於另外一種運轉狀態，在通過結構化偏振SQWP後，光線的偏振會位移一個調變單元。因此調變單元2，1的光線會被光波多工傳輸器BC組合到一個調變元件ME2。
空間光調變器SLM的編碼會與可控制偏振器SQWA及/或光調變裝置的運轉狀態配合，以使各全像圖的相位值也會被寫入互相配屬之組合調變元件ME1，ME2及/或調變元件列。離開光波多工傳輸器的光線，也就是光波多工傳輸LMX，被位移一個調變元件列。
因此使用本發明的光調變裝置的一個好處是原則上可以實現雙倍的場景解析度，而且是透過切換光線的偏振及寫入相應的全像圖數據獲得實現。
例如，可以將可控制偏振器S製作成可透過平面電極控制的 液晶層。第1圖顯示具有一個透射式空間光調變器SLM的結構。如第2圖所示，這個方案亦可應用於反射式空間光調變器SLM。
第2圖顯示使用反射式空間光調變器SLM之實施例的俯視圖，這個實施例是在結構化偏振器SWP之後才切換光線的偏振。
在這個實施例中，光源LQ的光線被輸入到一個照明裝置FL。照明裝置FL最好是如WO 2010/149583 A1所描述，以使輸入的光線在反射式空間光調變器SLM的方向以平面光波場LW的形式輸出。光波場LW在該處被空間光調變器SLM的調變單元1，2調變，並朝照明裝置FL的方向被反射回去，而且被調變單元1，2調變的光線是以幾乎沒有偏轉的方式通過照明裝置FL。結構化偏振器SWP會相應的改變光線的偏振，而且是以和第1圖相同的方式改變。也就是在光線通過結構化偏振器SWP後，出現的是在圖面方向上的線性偏振(雙箭頭，P2)，或是垂直於圖面的線性偏振(圓圈及點，P1)。如第2圖上方顯示的光調變裝置的運轉狀態，被調變單元1，2調變的光線再度被光波多工傳輸器BC組合到一個調變元件ME1，或是如第2圖下方顯示的光調變裝置的運轉狀態，被調變單元2，1調變的光線被光波多工傳輸器BC組合到一個調變元件ME2。
本發明的範圍並不受限於以上的實施方式。尤其是反射式及/或透射式裝置及可控制偏振器、空間光調變器及結構化偏振器之排列順序的其他的組合方式，均屬於本發明的範圍。
第3圖至第10圖顯示可應用於本發明之光調變裝置的光波多工傳輸器的實施例。這些光谺多至傳輸器在國際專利登記WO 2010/149588 A1中均有描述，而且原則上在該專利登記中都是以光波多工傳輸器的方式工作。WO 2010/149588 A1也有關於這方面的描述。
第3圖顯示光波多工傳輸器BC的一個片段、具有調變單元 1，2的空間光調變器SLM的一部分、以及結構化偏振器SWP的一個片段的俯視圖。
如第3圖所示，在調變單元2及體光柵Vg1之間有一個λ/2板。如果照射在調變單元1，2上的光線僅具有一個可預先給定的偏振，例如一個線性TE偏振，則設置一個λ/2板是有必要的。在這種情況下，通過調變單元2的光線的偏振會被λ/2板旋轉90度，使穿過調變單元1的光線垂直於穿過調變單元2的光線。如果照射在調變單元1，2上的光線已經是相互垂直，則無需在調變單元2及體光柵Vg1之間設置λ/2板。換句話說，如果穿過調變單元1的光線與穿過調變單元2的光線有不同(例如垂直)的偏振，則穿過其中一個調變單元的光線會被體光柵Vg1偏轉，而穿過另外一個調變單元的光線則不會被體光柵Vg1偏轉。在這方面第6圖至第10圖的實施例也和本實例相同。
在第3圖至第5圖中，所選擇的偏轉層Vg1，Vg2，Vg3，Vg4、P1g及Pg2的光學特性、延遲板的光學特性、及/或雙折射介質SP1、SP2及SP3的光學特性會使光束偏轉在一個基本上位於各圖面上的方向上進行。但除此之外，參與偏轉過程的元件的光學特性還有其他可能的配置方式，其會使光束偏轉在一個離開各圖面的方向上進行。在這種情況下，調變元件的被調變的光波多工傳輸LMX不僅是以在一個方向橫向位移(例如沿著調變單元的一個列)的方式離開光波多工傳輸器BC，而是以在第一及第二方向橫向位移的方式離開。
第3圖至第5圖的光波多工傳輸器BC均具有一個第一偏轉層Vg1，Pg1。在光線傳播方向上，第一偏轉層Vg1，Pg1係位於第一偏轉層Vg2，Pg2之後，且二者間隔一個可預先給定的距離d。
根據第3圖，第一偏轉層Vg1的光學特性會使通過調變單元2 的光線基本上不會被偏轉，而通過調變單元1的光線則會被偏轉第一個可預先給定的角度α 1。第二偏轉層Vg2的光學特性會使通過調變單元2的光線基本上不會被偏轉，而通過調變單元1的光線則會被偏轉第二個可預先給定的角度α 2，其中第二個可預先給定的角度α 2的大小大致等於第一個可預先給定的角度α 1的大小。與此相應的，根據第3圖，光波多工傳輸器BC使被調變單元1調變的光線產生一個橫向位移，以使這個光線與被調變單元2調變的光線重疊，而且會使這兩個光線基本上在同一個方向上傳播。
根據第4圖，第一偏轉層Pg1的光學特性會使通過調變單元1的光線在第一方向被偏轉第一個可預先給定的角度α 1，通過第二調變單元2的光線在第二方向被偏轉第二個可預先給定的角度α 2，其中第一個角度α 1的大小大致等於第二個角度α 2的大小。另外一種替代方式是，第二偏轉層Pg2的光學特性會使通過第一調變單元1的光線被偏轉第一個角度α 1(在相反方向)，通過第二調變單元2的光線則會被偏轉第二個角度α 2(在相反方向)，其中第一個角度α 1的大小大致等於第二個角度α 2的大小。這是第4圖上方顯示的光調變裝置的第一種運轉狀態。第4圖下方顯示的光調變裝置的第二種運轉狀態是入射光波場LW的偏振會被改變，因此基本上從調變單元1，2出發穿過光波多工傳輸器BC到達的光線的偏振情況和第一種運轉狀態相同。但是從第4圖下方可以看出，在第二種運轉狀態下，光波多工傳輸LMX是由另外一個調變單元組構成。
第5圖是以三度空間的方式顯示第4圖的實施例。在發出線性偏振光(垂直箭頭)的兩個像素(可編碼的調變單元)1，2之後是一個結構化/4層(結構化偏振器SQWP)，為了簡化圖面，在第5圖中是以單一矩形代表結構化偏振器SQWP，但實際上結構化偏振器SQWP是一個連續的光學元件。在像素1，光學軸相對於從空間光調變器SLM發出的光線的偏振方向被旋轉 45度，在像素2，光學軸被旋轉-45度(在SQWP的灰色箭頭)。透過λ/4層會產生圓周形偏振光(圖面中以倒圓箭頭代表)。
根據第5圖的實施例，光波多工傳輸器BC的第一偏振光柵Pg1按照其偏振將光線偏轉。在光線穿過一個厚度適當的墊片DL(薄玻璃片或聚合物膜)並在空間中重疊後，被光波多工傳輸器BC的第二偏振光柵Pg2朝反方向偏轉，因此兩個像素1，2的光線會平行射出。在這之後有一個可選擇小於0度或90度偏振方向的線性偏振器Pol。偏振光柵本身具有改變圓周形偏振之旋轉方向的特性，也就是從右旋圓周形改變為左旋圓周形，或是從左旋圓周形改變為右旋圓周形(如圖面所示)。這個事實對於作為光束組合器是很有利的，因為這個特性允許在裝置中使用兩個相同的光柵(在分子在光柵中具有相同的定向)。圓周形偏振光線被第一光柵Pg1偏轉，因而改變其偏振的旋轉方向，因此被相同的第二光柵Pg2偏轉到相反的方向。在光程上先後設置兩個相同的光柵Pg1，Pg2產生所要的平行位移及光束組合。為了簡化圖面，在第5圖中將第一偏振光柵Pg1繪成兩個正方形元件。但實際上第一偏振光柵Pg1是一個連續的光學元件。
第6圖及第7圖顯示光調變裝置的另外一個實施例。光波多工傳輸器BC具有一個由平面平行的雙折射板或雙折射層構成的雙折射介質SP，雙折射介質SP的構造方式及其液晶之光學軸的設置方式使通過第一調變單元1的光線基本上不會偏轉，通過第二調變單元2的光線在離開雙折射介質SP時會產生一個橫向位移，以便在輸出端組合成一個調變過的光波多工傳輸LMX，同時這個調變過的光波多工傳輸基本上是在一個共同的地點及以基本上相同的傳播方向離開。在第7圖顯示的光波多工傳輸器BC中，不同波長的光線被輸入，由於色散作用的關係，這些光線會被偏轉到略微不同的方向。這可能導致不利的色差出現。為了避免出現色差，根據第8圖的 光波多工傳輸器BC的實施例，在光線傳播方向上，在具有正常或反常色散作用的雙折射介質SP1之後有設置另外一個具有反常或正常色散作用的雙折射介質SP2，也就是另外一個具有相反色散作用的雙折射介質。兩個雙折射介質SP1，SP2的厚度的比例是可以預先給定的，且最好是由兩個雙折射介質SP1，SP2對一個可預先給定之光線(例如綠光)波長及至少另外一個可脜先給定之光線(例如紅光及藍光)波長的折射率差的比例決定。
第9圖顯示光波多工傳輸器的另外一個實施例，其中在光線傳播方向上，在雙折射介質SP1的後面有設置另外一個雙折射介質SP3。雙折射介質SP1的構造及設置方式使通過第一調變單元1的光線基本上不會被偏轉，通過第二調變單元2的光線則會被橫向移出雙折射介質SP1。另外一個雙折射介質SP3的構造及設置方式使通過第二調變單元2的光線基本上不會被偏轉，通過第一調變單元1的光線則會被橫向移出另外一個雙折射介質SP3，以便在另外一個雙折射介質SP3的輸出端組成的光波多工傳輸LMX是一個基本上在一個共同的地點及以基本上相同的傳播方向離開的調變過的光波多工傳輸LMX。為了對穿過兩個雙折射介質SP1，SP3的光線進行色彩修正，另外一個雙折射介質SP3可以具有適當的散射作用。
在第6圖至第9圖中的雙折射介質SP，SP1，SP2，SP3具有基本上是平面平行的交界面。在第9圖中，在兩個雙折射介質SP1，SP3及光波多工傳輸器BC之間有設置一個由λ/2板構成的延遲板，其作用是將穿過此λ/2板之光線的偏振方向旋轉90度。兩個雙折射介質SP1，SP3的光學軸(如雙箭頭所示)彼此垂直。
在光線傳播方向上，在第6圖至第9圖顯示之光波多工傳輸器BC的雙折射介質SP1；SP3；SP3之後設置一個光學特性可預先給定的偏振器WPG(線柵偏振器)作為檢偏振器。
根據第3圖，在調變單元2及體光柵Vg1之間有一個λ/2板。如果照射在調變單元1，2上的光線僅具有一個可預先給定的偏振，例如一個線性TE偏振，則設置一個λ/2板是有必要的。在這種情況下，通過調變單元2的光線的偏振會被λ/2板旋轉90度，使穿過調變單元1的光線垂直於穿過調變單元2的光線。如果照射在調變單元1，2上的光線已經是相互垂直，則無需在調變單元2及體光柵Vg1之間設置λ/2板。換句話說，如果穿過調變單元1的光線與穿過調變單元2的光線有不同(例如垂直)的偏振，則穿過其中一個調變單元的光線會被體光柵Vg1偏轉，而穿過另外一個調變單元的光線則不會被體光柵Vg1偏轉。在這方面第6圖至第9圖的實施例也和本實例相同。
第10圖顯示光波多工傳輸器BC的另外一個實施例，其中光波多工傳輸器BC具有一個第一雙折射稜鏡場PA1及一個第二雙折射稜鏡場PA2。第一雙折射稜鏡場PA1的構造及設置方式使通過第一調變單元(1)的光線LW1可以被偏轉到第一方向。通過第二調變單元2的光線LW2不能被偏轉。在光線傳播方向上，第一雙折射稜鏡場PA1的後面設有一個第二雙折射稜鏡場PA2，且其與第一雙折射稜鏡場PA1的距離d是可以預先給定的。第二雙折射稜鏡場PA2的構造及設置方式使第二雙折射稜鏡場PA2能夠將被第一雙折射稜鏡場PA1偏轉的光線偏轉到一個可預先給定的方向。第二雙折射稜鏡場PA2不會將未被偏轉的光線偏轉。
根據第10圖，雙折射稜鏡場PA1，PA2的構造如下：一種以稜鏡形設置的雙折射材料100及一種非雙折射材料110(例如玻璃)前後設置在光程上，因而形成一個平面平行層，也就是形鏡場PA1及/或PA2。
雙折射材料100的折射率(例如正規折射率)和非雙折射材料110的折射率大致相等。在這種情況下，兩種材料100，110之間的交界面不 會產生光學作用。被偏振成穿過兩種材料100，110之光程的有效折射率相當於這個折射率的光線不會被偏轉。但是雙折射材料100的其他的折射率(例如非正規折射率)則與第二種材料110的折射率有所區別，因此會在兩種材料100，110之間產生有光學作用的交界面。被偏振成穿過兩種材料100，110之光程的有效折射率相當於這個折射率的光線會被偏轉。
例如，所有調變單元(未在第10圖中繪出)的第一雙折射稜鏡場PA1可以具有相同的稜鏡。可控制偏振器及結構化偏振器(同樣未在第10圖中繪出)會將偏振調整成光線在稜鏡場(或稜鏡陣列)PA1，PA2內可以為特定的調變單元偏轉，但不能為其他的調變單元偏轉。
最後要特別指出的是，以上提出的實施例僅是用來說明本發明主張之專利的理論，但本發明主張之專利的理論並不受限於這些實施例。
1、2‧‧‧調變單元
BC‧‧‧光波多工傳輸器
LMX‧‧‧光波多工傳輸
ME1、ME2‧‧‧調變元件
P1‧‧‧第一偏振
P2‧‧‧線性偏振
S‧‧‧可控制偏振器
SLM‧‧‧空間光調變器
SQWP‧‧‧結構化偏振器

Claims (23)

  1. 一種光調變裝置，具有一個空間光調變器、一個結構化偏振器、一個可控制偏振器、以及一個光波多工傳輸器，其中空間光調變器具有調變單元，所述調變單元是可分離編碼的，其中每兩個調變單元可以組合成一個調變元件，其中傳播光波場的具有干涉能力的光波可以被調變單元調變，使其受全像資訊空間結構化，以便全像重建三維場景的可預先給定的空間物件光點分佈，其中每一個調變元件的調變單元在傳播光波場的傳播方向上都是相併設置，其中透過結構化偏振器可以賦予相併設置之調變單元要調變的光線不同的偏振狀態，其中光波多工傳輸器的設置及構造方式使被調變單元調變過、且偏振狀態不同的光波成分能夠在輸出端組合成一個調變過的光波多工傳輸，同時這個調變過的光波多工傳輸基本上是在一個共同的地點及以基本上相同的傳播方向離開，其特徵為：在可控制偏振器的第一運轉狀態下的兩個相鄰調變單元的光波成分及在可控制偏振器的第二運轉狀態下的另外兩個相鄰調變單元的光波成分都可以被光波多工傳輸器組合在一起。
  2. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：照亮光調變裝置的光波場被偏振，同時結構化偏振器的構造方式使其至少為要被相併設置之光調變單元調變之光線的第一部分實現延遲板的光學功能，尤其是λ/2板或λ/4板的光學功能。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項的光調變裝置，其中：可以透過結構化偏振器賦予通過第一調變單元的光線一個可預先給定的第一偏振，以及賦予通過第二調變單元的光線一個可預先給定的第二偏振，其中可預先給定的第一偏振是線性的，且垂直於一可預先給定的第二線性偏振，或是第一偏振是圓周形的，且其旋轉方向與一可預先給定的第二圓周形偏振相反。
  4. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：照亮光調變裝置的光波場被線性偏振或圓周形偏振。
  5. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：可控制偏振器具有一個以液晶為基的光學元件，此光學元件可賦予與可控制偏振器交互作用的光線一個可預先給定的偏振。
  6. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：光波多工傳輸器含有一個雙折射介質，其構造及設置方式使通過第一調變單元的光線基本上不會被偏轉，通過第二調變單元的光線則會被橫向移出雙折射介質，以便在輸出端組成的光波多工傳輸是一個基本上在一個共同的地點及以基本上相同的傳播方向離開的調變過的光波多工傳輸。
  7. 如申請專利範圍第6項的光調變裝置，其中：在光線傳播方向上，在雙折射介質之後另外設置一個雙折射介質，其中雙折射介質的構造及設置方式使通過第一調變單元的光線基本上不會被偏轉，通過第二調變單元的光線則會被橫向移出雙折射介質，同時另外一個雙折射介質的構造及設置方式使通過第二調變單元的光線基本上不會被偏轉，通過第一調變單元的光線則會被橫向移出另外一個雙折射介質，以便在另外一個雙折射介質的輸出端組成的光波多工傳輸是一個基本上在一個共同的地點及以基本上相同的傳播方向離開的調變過的光波多工傳輸。
  8. 如申請專利範圍第6項的光調變裝置，其中：在雙折射介質之後另外設置一個具有色彩修正之色散作用雙折射介質。
  9. 如申請專利範圍第7項的光調變裝置，其中：另外一個雙折射介質對穿過兩個雙折射介質的光線具有色彩修正之色散作用。
  10. 如申請專利範圍第7項至第9項中任一項的光調變裝置，其中：該至少兩個雙折射介質具有基本上是平面平行的交界面，及/或在兩個雙折射介質之間設有延遲板。
  11. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：光波多工傳輸器(BC)具有一個第一偏轉層，且在光線傳播方向上，在第一偏轉層的後面設有一個第二偏轉層，且其與第一偏轉層的距離是可以預先給定的。
  12. 如申請專利範圍第11項的光調變裝置，其中：第一偏轉層的光學特性會使通過第一調變單元的光線基本上不會被偏轉，通過第二調變單元的光線則會被偏轉第一個可預先給定的角度，第二偏轉層的光學特性會使通過第一調變單元的光線基本上不會被偏轉，通過第二調變單元的光線則會被偏轉第二個可預先給定的角度，其中第二個可預先給定的角度的大小可以大致等於第一個可預先給定的角度的大小。
  13. 如申請專利範圍第11項的光調變裝置，其中：第一偏轉層的光學特性會使通過第一調變單元的光線在第一方向被偏轉第一個可預先給定的角度，通過第二調變單元的光線在第二方向被偏轉第二個可預先給定的角度，第二偏轉層的光學特性會使通過第一調變單元的光線被偏轉第二個角度，通過第二調變單元的光線則會被偏轉第一個角度，其中第一個角度的大小可以大致等於第二個角度的大小。
  14. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：光波多工傳輸器具有一個第一雙折射稜鏡場及一個第二雙折射稜鏡場，其中第一雙折射稜鏡場的構造及設置方式使通過第一調變單元的光線可以被偏轉到第一方向，通過第二調變單元的光線不能被偏轉，在光線傳播方向上，第一雙折射稜鏡場的後面設有一個第二雙折射稜鏡場，且其與第一雙折射稜鏡場的距離是可以預先給定的，第二雙折射稜鏡場的構造及設置方式使第二雙折射稜鏡場能夠將被第一雙折射稜鏡場偏轉的光線偏轉到一個可預先給定的方向，但是第二雙折射稜鏡場不會將未被偏轉的光線偏轉。
  15. 如申請專利範圍第11的光調變裝置，其中：偏轉層具有一個含有全像圖及/或體光柵及/或布拉格光柵的層，或是具有一個偏振光柵。
  16. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：每兩個相鄰且在垂直方向上下設置的調變單元組合成一個調變元件，也就是構成一個調變元件行。
  17. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：每兩個相鄰且在水平方向相併設置的調變單元組合成一個調變元件，也就是構成一個調變元件列。
  18. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：在光線傳播方向上，將可控制偏振器設置在光波多工傳輸器之前，及/或在光線傳播方向上，將結構化偏振器設置在光波多工傳輸器之前。
  19. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：在光線傳播方向上，將可控制偏振器設置在結構化偏振器之前或之後。
  20. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：可控制偏振器可以在一個畫面時間或一個畫面時間的期間進入第一運轉狀態，以及可控制偏振器可以在下一個畫面時間或下一個畫面時間的期間進入第二運轉狀態。
  21. 如申請專利範圍第20項的光調變裝置，其中：可以根據可控制偏振器的運轉狀態透過資訊內容描述空間光調變器。
  22. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：結構化偏振器是可控制的，因此負起可控制偏振器的功能。
  23. 如申請專利範圍第1項的光調變裝置，其中：在光線傳播方向上，在光波多工傳輸器之後設置一個光學特性可預先給定的偏振器作為檢偏振器。
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