[发明专利]反射光学系统、跟踪系统和全息投射系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有用于反射再现光波的反射元件、再现光波撞击反射元件时从中出来的入侧焦点和被反射元件反射的再现光波传播去往的出侧焦点的反射光学系统。本发明进一步涉及具有这种反射光学系统的跟踪系统和全息投射系统以及相应的全息投射方法。

背景技术

全息投射装置通过空间光调制装置调制充分相干光。由于光的干涉，在光调制器表面的前面、之上和后面的空间内产生再现场景的光学外观的物体光点。所有的物体光点的光全部以光波阵面的形式传播，使得一个或多个观察者观察这些三维场景形式的像光点。这意味着与立体视觉表现相反，全息再现实现了物体替代，不会发生公知的例如疲劳或眼疼、头疼等与立体视觉联系在一起的问题，这是因为，观察实际场景原则上与观察全息再现场景没有差别。

从申请人已申请的第DE 10 2005 023 743号专利申请中可以得知一种全息投射系统，其中瞳孔位于空间光调制器(spatial light modulator，简称SLM)的傅立叶平面内并用作空间滤波器，用于SLM提供的全息图的傅立叶变换的衍射级。该瞳孔由偏转元件或自适应镜投射到观察者平面的可见区；观察者可以从该可见区观察实际存在的物体或场景的放大的全息再现。换言之，可见区是例如使用观察者平面内的全息图的傅立叶变换(也可以是菲涅耳变换等)的衍射级像，观察者平面也就是观察者的眼睛位置所在的平面。自适应镜的大小决定再现的大小。例如，自适应反射镜的大小为约20英寸(对角线)。

同时，必须注意可见区越大，使用的SLM的分辨率必须越高。为了取得较大的可见区，SLM必须具有带来大衍射角的小像素孔，也就是像素间距必须很小，因此像素数目必须很多。

为了减小SLM的必要分辨率，可以将可见区的大小减小到例如眼睛的瞳孔的大小。因而如果观察者移动，则可见区必须被跟踪到观察者的眼睛。自适应镜必须将瞳孔投射到可见区。

从现有技术中可知所谓的自适应MEMS(微电动机械系统)镜。上述镜包括微镜阵列，该微镜能够进行倾斜或升高移动。这能够产生具有给定的调整范围内的任意曲率的表面。但是到目前为止，可用的该微镜阵列大小仅为1英寸左右(对角线)。难以制造全息投射系统中所需的大小例如为约20英寸(对角线)的自适应镜，这将需要大量可移动的面镜。

由于尺寸很大并且需要的衍射角很大，所以作为可控衍射光学元件(DOE)的电可寻址空间光调制器(EASLM)具有大量的小像素，因此技术上无法实现上述元件。假设像素间距例如为5μm，对角线为20英寸的SLM包含5×10⁹(50亿)像素。这大概比目前的商用EASLM多十的三次方倍(一千倍)像素。

发明内容

因而，本发明的目的在于提供一种全息投射系统中的反射光学系统，其可以实现比使用现有装置实现的再现更大的再现，并可进一步地校正像差和追踪可见区。

利用具有光学可控偏转特性的偏转元件和用于光学控制偏转元件的偏转特性以控制反射光学系统的至少出侧焦点的位置的偏转控制装置，达到上述目的。

此外，利用根据权利要求20的追踪系统、根据权利要求22的全息投射系统和根据权利要求23的全息投射方法达到上述目的。

本发明基于这样一个构想，即若反射光学系统为椭圆形，也就是反射表面被伸展得超出椭圆的圆周的一部分(如图2所示)，则在波阵面投射到可见区时可以避免像差。椭圆具有两个焦点F1和F2，此处也分别称为入侧焦点和出侧焦点，其特征在于来自F1并被椭圆反射的所有光线都穿过F2，反之亦然。这意味着，即使反射光学系统具有很大的孔，F1仍被几乎无任何像差地投射到F2上。如果瞳孔位于F1上，瞳孔将被投射到位于F2的可见区。如果瞳孔的尺寸和可见区的尺寸与椭圆的半轴相比较小，则该像几乎没有像差。由于瞳孔和可见区与观察者和反射光学系统之间的距离相比都较小，所以它们可以被看作点。可以基于瞳孔、可见区和反射光学系统的位置，也就是基于F1、F2和反射光学系统确定椭圆的半轴的长度和方向。如果瞳孔和可见区被设置在固定位置，则瞳孔可以几乎无像差地投射到可见区。但如果观察者移动，则必须改变椭圆的半轴的长度和方向。这对静态的面镜来说是不可能的。