CN107371380B - 光调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于显示装置(10)特别是全息显示装置的光调制装置(60)，其中显示装置(10)用于表示二维和/或三维重建场景。光调制装置(60)包括至少一个空间光调试器(70)和具有已知光学特性的光学元件(80)，该至少一个空间光调试器(70)包括用于调制入射光的调制元件。入射在至少一个空间光调制器(70)上的光是充分相干的。至少一个空间光调制器(70)和光学元件(80)以这种方式彼此组合，即，使得光学元件(80)使从空间光调制器(70)发出的未调制光在角度范围内散射。

Description

光调制装置

本发明涉及一种用于显示装置特别是全息显示装置的光调制装置，该显示装置用于表示二维和/或三维重建场景，通过该显示装置，在将光调制装置并入显示装置之后，避免了将观察显示装置的人暴露于从光源装置发射的光辐射所引起的风险。本发明还涉及包括这种光调制装置的显示装置。

光调制装置主要用于调制显示装置(也称为显示器)中的入射光。这种光调制装置包括调制元件(所谓的像素)，该调制元件根据其控制来调制入射光。这些调制元件由主要基于使用液晶(LC)的光调制装置中的可控层形成。在显示装置中，当然也可以使用不基于液晶，但是例如基于电润湿或者使用微机电系统(MEMS)的光调制装置。

特别是用于二维(2D)和/或三维(3D)重建场景的全息显示的光调制装置，主要是使用发射充分相干光的光源装置进行照明。这种可用的光源是例如激光器或者甚至LED(发光二极管)。然而，由于暴露于激光光束区域的人可能会有激光的严重危险，所以使用激光器需要增加安全措施。例如，可能发生人的身体上某些部位的灼伤或者眼睛的损伤，或者甚至如果激光进入人的眼睛，也不能排除视力的丧失。为此，当使用某些功率的激光器时，需要采取适当的保障措施，例如遵守各国设定的保障措施。

关于使用激光器作为光源的二维(2D)显示装置的安全性，例如投影仪或激光电视，这些显示装置通常包括散射箔，该散射箔提高了均匀性，以确保激光器的安全性。结果是，显示装置的表面或其上投影有图像的屏幕充当空间上不相干的照明表面，该不相干的照明表面不是在单个点上而是在人的眼睛的区域上成像的。

在DE 196 40 404 A1中公开了获得高激光安全性的另一选择。用于在投影屏幕上显示图像的装置包括图像产生装置和作为光源的激光器，其中图像产生装置可以以两种操作模式操作，其中第一种是正常操作模式，和第二种操作模式是激光辐射对人无害的模式。为了避免眼睛受损，当传感器检测到直接位于激光器的光束路径中的人时，图像生成装置切换到第二操作模式。

然而，当使用全息显示装置时，不能使用如上所述的这种散射箔，因为全息重建需要相干光。光的相干性被这种散射箔减少甚至被破坏。

通常，全息图被编码到光调制装置中，其中在光调制装置的操作期间，换句话说，在光调制装置的控制期间，全息图引起光的散射并且将光分配在空间内。然而，如果光调制装置或光调制装置的控制失败，导致整个光进入或被引入所使用的衍射级的焦点，例如零级衍射级，则它可能变得关键和危险。

这将通过以下示例简要说明：最先进的全息显示装置包括光源装置，通常是激光光源、空间光调制器、光束偏转装置和光束成形装置(例如透镜)。例如在DE 103 53 439 B4中描述了这种显示装置的设计和功能。

显示装置和DE 103 53 439 B4的附图应当说明最先进的全息显示装置和本发明，其中本发明的图1和图2应示出DE 103 53 439 B4的显示装置的部分，这仅在原则上对于本发明是重要的。图1示出了全息显示装置1的侧视图。为了清楚起见，这里未示出显示装置1的各个元件或部件。显示装置1包括例如光源装置、空间光调制器以及光束偏转装置和/或光束成形装置。在显示装置1中调制的光以一束光束2离开上述显示装置，并且照亮虚拟观察窗口3。当观察者的一只眼睛与虚拟观察窗口3的位置一致时，三维(3D)场景4通过该虚拟观察窗口3可视为全息重建。这里，虚拟观察窗口3位于空间光调制器的傅立叶平面中。场透镜对从空间光调制器发出的光进行聚焦，其中场透镜的焦点位于观察窗口3的平面内。图2示出了如果空间光调制器允许光在未调制状态下通过，则在光传播的方向上，这束光束2如何在全息显示装置1之后形成焦点F。这可能是例如在全息显示装置1发生故障的情况下的情形，其中用于控制空间光调制器和光束偏转装置的控制装置不能正常工作。

将这束光束2聚焦在焦点F上会影响显示装置1的激光安全性，并且可能损害观察者的眼睛的健康。一方面，这束光束2中的所有光聚焦在焦点F上，并且因此可以完全击中观察者的眼睛或眼睛瞳孔。根据图1，光通常分布在观察窗口3的区域上，因此仅部分地击中观察者的眼睛或眼睛瞳孔。另一方面，关于全息显示装置的激光安全性，应考虑使用的光源的角度扩展。根据事故预防规则BGV B2“激光辐射”(德国激光安全法规BGV B2兼容国际规定IEC 60825)，该角度扩展包括在事故预防规则BGV B2“激光辐射”所要求的校正因子C₆以及最大允许辐射的计算结果两者中。具有小角度扩展的光源被成像在眼睛的视网膜的小区域上，并且因此比具有相同功率的较大角度扩展的光源更危险。在激光的光束路径中不存在散射光学元件的情况下光源具有小角度扩展。在这种情况下，在眼睛的视网膜上存在光源的衍射极限点图像。另一方面，除了别的之外，存在当根据图1，具有空间扩展的三维场景4全息地重建并且在眼睛的视网膜上成像时，具有大角度扩展的光源。

因此，全息显示装置的故障特别导致由激光辐射引起的观察者的眼睛损伤。

因此，本发明的目的是提供一种用于表示二维和/或三维场景的显示装置，通过该显示装置，即使在显示装置或光调制装置的故障的情况下也能够避免由于强光源对观察者造成的危害，特别是对观察者的眼睛造成的危害。

根据本发明，根据权利要求1和9的教导实现该目的。

一种根据本发明的用于显示装置特别是全息显示装置的光调制装置(其中该显示装置用于表示二维和/或三维重建场景)包括至少一个空间光调制器和已知光学特性的光学元件，该空间光调制器包括用于调制入射光的调制元件。入射到至少一个空间光调制器上的光是充分相干的。至少一个空间光调制器和光学元件彼此组合，使得光学元件在角度范围内散射从空间光调制器发出的未调制的光。通过在光调制装置中设置光学元件，在空间光调制器和/或空间光调制器的控制发生故障的情况下，或者空间光调制器的控制或空间光调制器本身或显示装置发生故障，光将不会被聚焦而是散射，使得可以消除或避免对观察重建场景的人/观察者的危害，特别是对观察者的眼睛的损害。换句话说，除了现有的部件或元件之外，全息显示装置尤其包括光学元件，该光学元件在空间角度范围内散射入射光。这里，光学元件的特性是已知的。结果是，当显示装置或光调制装置正常工作时，优选地全息地重建三维场景，使得该三维场景可以被观察者观察。在光调制装置或显示装置发生故障的情况下，由于光学元件的散射特性，从光调制装置发出这束光束将不会聚焦到焦点，而是将分布在空间光调制器的平面(例如傅里叶平面)中的区域上。因此，避免了对重建场景的一个或几个观察者的眼睛的危害或损害。这确保了高水平的被动激光安全性。这里，术语“被动激光安全性”被理解为即使分别在用于控制光调制装置的控制装置和/或光束偏转/光束成形元件失效或故障的情况下，和/或在光调制装置本身或显示装置失效或故障的情况下避免对一个或几个观察者/人的危害或损坏。因此，不仅在光调制装置的操作期间，而且也在光调制装置的失效或故障期间都避免了对人的风险。此外，术语“激光安全性”不仅仅包括作为光源的激光器，而且还包括产生充分相干光的其他光源，例如可能由于其高功率而给人造成风险的发光二极管(LED)。

根据本发明的光调制装置可以用在根据权利要求9的用于表示二维和/或三维重建场景的显示装置中，特别是在全息显示装置中，此外，该显示装置包括用于发射充分相干光的照明装置和用于光束成形和/或光束偏转的至少一个光学系统，以便确保观察重建场景的一个或多个观察者的高水平的激光安全性。

在从属权利要求中限定了本发明的进一步有利的实施例和发展。

在本发明的优选实施例中，可以设置包括多个单元的光学元件，其中在光通过光学元件的单元期间，该光经历对于光学元件的每个单元已知的相位调制。相位调制取决于各个单元的厚度、光学元件和周围介质的折射率差异以及所使用的光的波长。因此，这里，相位调制用作光学元件的已知特性的示例。

在本发明的另一个有利的实施例中，可以设置光学元件的单元被分配给空间光调制器的每个调制元件。以这种方式，存在像素的固定分配，即，光学元件的单元数量等于空间光调制器的调制元件(像素)的数量。这些元件的这种1：1分配具有以下优点：可以在空间光调制器的相应调制元件中补偿光学元件的每个单元的相位调制。如果光学元件的更多单元可用，则这些单元不能单独补偿，导致补偿不足。尽管存在较少的光学元件的单元是可能的，但在这种情况下可能会降低保护效果。总而言之，光学元件的单元对空间光调制器的调制元件的1：1分配是理想的比例。然而，这两个元件彼此按其他比例分配也是可能的。

由于其可生产性，也可以使用光学元件的单元数量与调制元件的数量的其他比例。因此，也可以将多个或几个相邻的调制元件分配给光学元件的相同单元。这相应地具有如下优点：光学元件的单元可以更大，并且因此可以以更简单的方式制造光学元件。例如，光学元件的单元可以与5乘5调制元件一样大。

有利地，可以提供的是，在计算将要编码到空间光调制器中的全息图时考虑光学元件的已知特性。因此，分别在计算全息图时考虑光学元件的散射特性，或者光学元件的散射特性包含在全息图的计算中。光学元件的已知特性可以包括在单元处的光的相位调制，可以针对空间光调制器的每个调制元件(像素)中的光的相位调制来引起在单元处的光的相位调制，使得当光调制装置或显示装置各自正确地操作时补偿由光学元件散射的光；并且光学元件对场景的重建没有影响。

此外，在本发明的另一个有利的实施例中，可以提供的是，空间光调制器和光学元件彼此相邻布置或者将光学元件集成到空间光调制器中。这可以确保将光学元件的单元直接分配给空间光调制器的调制元件(像素)。这会有助于在光学元件到空间光调制器的距离更大的情况下，防止调制元件(像素)处的光衍射防止或削弱两个元件彼此直接分配。有利地，光学元件可以集成在空间光调制器的基板中，特别是在防护玻璃罩中。

在剩余的从属权利要求中公开了本发明的其它实施例。下面参考附图中更详细说明的示例性实施例原理地说明本发明。这里参考使用相干光的全息重建来说明本发明的原理。

附图所示：

图1是全息最新技术的显示装置的侧视示意图；

图2是在由空间光调制器对光不调制期间根据图1的全息显示装置；

图3是根据本发明的包括散射光学元件的全息显示装置的侧视图；

图4是在全息显示装置的正确功能期间根据图3的根据本发明的全息显示装置；

图5是根据本发明的包括散射光学元件的光调制装置。

本文所述的根据DE 103 53 439 B4和图1和图2的全息显示装置将用于说明根据本发明的光调制装置和根据本发明的显示装置。

图3示出了根据本发明的特定的全息显示装置10的侧视图，其中附图仅仅是示意性的。显示装置10包括具有已知光学特性的光学元件，该光学元件在图5中详细示出。显示装置10处于其中空间光调制器(SLM)允许由光源装置发射的并且射入到空间光调制器上的光以未调制状态通过的操作模式。例如，在特定的全息显示装置10故障的情况下，可以产生该操作模式，其中用于控制空间光调制器的控制系统和/或光束偏转/光束成形元件的控制系统各自不能正常或正确地运行。

在图3中未单独示出的光学元件的散射效应确保从特定的全息显示装置10发出的一束光束20分布在空间光调制器的平面50(这里为傅立叶平面)中的区域A上。为了能够观察使用显示装置10重建的场景，观察者需要处于或靠近该空间光调制器的这个平面50(这里为傅立叶平面)。由于观察者现在处于或靠近平面50的事实，所以光的强度低于图2中所示的情况。因此，对观看通过激光辐射重建的场景的观察者的眼睛的危害被减少。

当计算空间光调制器的全息图时，考虑光学元件的散射效应。这在图4中示出；也就是说，在特定的全息显示装置10的正确功能的情况下，在全息图的计算中包括并且补偿光学元件的散射效应。因此，以全息方式正确地重建二维和/或三维(3D)场景40，其中该重建的场景通过虚拟观察窗口30可见。

图5示出了包括空间光调制器70和具有已知光学特性的光学元件80的光调制装置60。空间光调制器70包括用于调制入射光的调制元件。调制元件被设计为调制器单元P1...Pn，其中空间光调制器70可以例如被设计为液晶光调制器。空间光调制器70的调制器单元P1...Pn调制入射到它们的光的相位和/或振幅。空间光调制器70通过发射充分相干光的照明装置90照亮；并且照明装置90被设计作为例如点光源，特别是作为激光阵列、发光二极管阵列或OLED(有机发光二极管)阵列。

在该实施例中，光学元件80被设计为表面凹凸，特别是被设计为相位掩模。如图5中可见，光学元件80的单元H1...Hn分别分配给每个调制元件或每个调制器单元P1...Pn。然而，例如，如果生产过程要求，也可以将多个相邻的调制元件分配给光学元件的相同单元。在入射在光学元件80上的光通过单元H1...Hn的期间，其经历相位调制，相位调制取决于单元H1...Hn的厚度、光学元件80和围绕光学元件80的介质(例如空气或气体)的折射率差异以及所使用的光的波长。因此，对于每个单元H1...Hn的相位调制是已知的。这意味着光学元件80的光学特性是已知的或预定的。

空间光调制器70和光学元件80被以这样的方式布置在光调制装置60中，即，使得在光传播的方向上，它们彼此直接相连或彼此相邻布置。以这种方式，可以确保空间光调制器70的调制器单元P1...Pn和光学元件80的单元H1...Hn的直接分配。在空间光调制器70到光学元件80较远距离的情况下，在空间光调制器70的调制器单元P1...Pn处的光衍射可以影响两个元件70和80彼此之间的直接分配。作为替代，当然可以将光学元件直接集成到空间光调制器70中；例如，集成到空间光调制器的防护玻璃罩中。然而，其中空间光调制器70和光学元件80的排列顺序可以被修改。

在统计学上来说，光学元件80的单元H1...Hn具有均匀或者至少近似均匀分布并且尺寸以这样的方式设置的厚度，即，使得对于照明光的最短波长来说，在单元H1...Hn中的相位调制均匀或者至少近似均匀分布在0至2π的范围内。因此，如果空间光调制器70的调制器单元P1...Pn允许入射光以未调制状态通过，则光学元件80使入射到光学元件80并且由光学元件80进行相位调制的光在角度范围内散射。例如，如果空间光调制器70的调制器单元P1...Pn不被控制，则在空间光调制器70的控制系统的故障期间(例如由于供电失败)可能发生这种情况。在这种情况下，如图3中所见，从显示装置10发出的这束光束20被散射到平面50中的广泛区域A。因此，由激光辐射引起的在观察者眼睛处的强度和对眼睛的危害与在使用根据图2的最先进的全息显示装置1的情况下相比显著降低。

在特定的全息显示装置10的正确工作或正确操作期间，当计算将要编码到空间光调制器70中的全息图时，并且当控制空间光调制器70时，考虑在光学元件80的单元H1...Hn处的相位调制。在这种情况下，每个调制器单元P1...Pn中的相位调制通过在光学元件80的相关单元H1...Hn中经历的光的相位调制而减少，或者针对光学元件80的相关单元H1...Hn中经历的光引起每个调制器单元P1...Pn中的相位调制。因此，光学元件80的散射效应在空间光调制器70中进行补偿，从而可以从虚拟观察窗口30可见三维(3D)场景40的全息重建。

以下，通过示例说明本文所描述的本发明的保护效果。

显示装置包括间距为20μm的空间光调制器，其中使用发射波长为532nm的光的照明装置，并且其中在显示装置和观察者的眼睛之间设置0.75μm的距离。根据图3和4的附图标记50所示这些参数导致在空间光调制器的平面(这里是傅里叶平面)中具有延伸20mm的周期性间隔。该周期性间隔用作虚拟观察窗口，观察者可以从该观察窗口观察重建场景。空间光调制器和光学元件两者的表面为400mm乘300mm，如上所示，这只是作为一个例子。

在特定的全息显示装置的故障的情况下，光学元件减少观察者的一只眼睛或两只眼睛的辐射暴露，这是由于两种机制：

(1)根据事故预防规则BGV B2“激光辐射”(德国激光安全法规BGVB2符合国际规定IEC 60825)，使用直径7mm的测量孔测量眼睛的辐射暴露。假设根据图3和图4的区域A和虚拟观察窗口具有至少大致相同的尺寸，并且假设在本文全息显示装置发生故障的情况下，在虚拟观察窗口中的由图3和图4中的附图标记LB所示的这束光束的强度至少近似恒定，则虚拟观察窗中的9.6％的光进入测量孔。如果反过来，使用最先进的全息显示装置并且如果该装置发生故障，则虚拟观察窗中的100％的光进入测量孔。因此，第一种机制将眼睛的辐射暴露减少10.4倍(100％除以9.6％)。

(2)光学元件的散射效应使得在全息显示装置发生故障的情况下，光学元件被感知为空间非相干的照明区域。以这种方式，根据事故预防规则BGV B2“激光辐射”的照明装置的光源具有α>100毫弧度的角度范围。这导致根据事故预防规则BGV B2“激光辐射”的校正因子C6＝66.7(由事故预防规则BGV B2“激光辐射”要求的校正因子C6)。因此，第二种机制将眼睛的辐射暴露减少66.7倍。

因此，在光调制装置或显示装置故障的情况下，眼睛的辐射暴露减少了694倍(66.7倍乘以10.4倍)。

作为替代，光学元件可以被设计为单元内延迟器(设置有集成的延迟层的元件)。通过组合不同折射力或者不同掺杂的材料，可以在空间光调制器的基板上或基板中产生具有均匀层厚度的结构化层，使得将保持空间光调制器的可寻址层的均匀层厚度。

单元内延迟器可以是基于例如液晶(LC)或光聚合物。换句话说，单元内延迟器可以已经被集成在调制元件(像素)中。

使用基于常黑模式的液晶的空间光调制器(具有黑色“关闭状态”的空间光调制器)进一步增加了激光器的安全性；然而，取决于所使用的空间光调制器的配置。这里，术语“常黑模式”应当理解为，当向空间光调制器施加U＝0V的电压时或者当不向空间光调制器施加电压时，每个单个像素不透明或者不是半透明的，或者在这种状态下可以被认为是黑色的。

关于激光安全性，只有当空间光调制器配置为振幅调制和相位调制的空间光调制器的夹层时，具有常黑模式的空间光调制器是有益的。具有散射效应的光学元件即使使用具有常黑模式的空间光调制器也能提供更高的安全性。然而，如果使用作为纯相位光调制器的空间光调制器，则在其故障的情况下，常黑模式不提供安全性，因为入射光可以继续通过像素。如果使用被设计为包括光束组合器的相位光调制器的空间光调制器，则仅当光束组合器中的光路被调整为在常黑模式中存在相消干涉时，常黑模式在很大程度上是有益的。然而，这将是目前非常难以实现的，因为干涉对路径差异非常敏感，例如空间光调制器的防护玻璃罩的厚度与子λ(波长)范围中的光束组合器的组合的变化。

因此，根据本发明，特定的全息显示器的激光安全性显著增加。在这方面特别重要的是被动安全性，即使在显示装置或者在光调制装置中的控制装置故障的情况下也是有保障的。

综上所述，应当明确地指出，上述示例性实施例仅用于描述所要求的教导，但不限于示例性实施例。特别地，如果可能，上述示例性实施例可以包括其他实施例。

Claims (9)

1.一种用于显示装置特别是全息显示装置的光调制装置，其中所述显示装置用于表示二维和/或三维重建场景，所述光调制装置包括：

-至少一个空间光调制器，所述至少一个空间光调制器包括用于调制入射光的调制元件，

-具有已知光学特性的光学元件，所述光学元件包括多个单元，

其中入射在所述至少一个空间光调制器上的光是充分相干的，并且

其中所述至少一个空间光调制器和所述光学元件彼此组合，以使所述光学元件的单元被分配给所述空间光调制器的至少一个调制元件并且在所述至少一个空间光调制器发生故障的情况下使得所述光学元件将由所述空间光调制器发射的未调制的光在角度范围内散射。

2.根据权利要求1所述的光调制装置，其特征在于，其中在所述光通过所述光学元件的单元期间，所述光经历对于所述光学元件的每个单元已知的相位调制。

3.根据权利要求2所述的光调制装置，其特征在于，所述光学元件的单元被分配给所述空间光调制器的每个调制元件。

4.根据权利要求2所述的光调制装置，其特征在于，将多个相邻调制元件分配给所述光学元件的相同单元。

5.根据权利要求1所述的光调制装置，其特征在于，当计算将要编码到所述空间光调制器中的全息图时，可以将所述光学元件的已知特性纳入考虑。

6.根据权利要求2所述的光调制装置，其特征在于，所述光学元件的所述单元各自具有从统计学上至少近似均匀分布并且尺寸以这样的方式设置的厚度，即，使得对于照明光的最短波长来说，各个所述单元中的所述相位调制均匀分布在0至2π的范围内。

7.根据权利要求1所述的光调制装置，其特征在于，所述空间光调制器和所述光学元件彼此相邻布置或者所述光学元件被集成到所述空间光调制器中。

8.根据权利要求1所述的光调制装置，其特征在于，所述光学元件被设计为表面凹凸，特别被设计为相位掩模，或被设计为单元内延迟器。

9.一种用于表示二维和/或三维重建场景的显示装置，特别是全息显示装置，所述显示装置包括用于发射充分相干光的照明设备、用于光束成形和/或光束偏转的至少一个光学系统和根据权利要求1至8中任一项所述的光调制装置。

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