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TWI749073B - 用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置 - Google Patents

用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置 Download PDF

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TWI749073B
TWI749073B TW106133744A TW106133744A TWI749073B TW I749073 B TWI749073 B TW I749073B TW 106133744 A TW106133744 A TW 106133744A TW 106133744 A TW106133744 A TW 106133744A TW I749073 B TWI749073 B TW I749073B
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諾伯特 萊斯特
斯蒂芬 賴克爾特
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盧森堡商喜瑞爾工業公司
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Abstract

本發明涉及一種用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置。本發明還涉及一種光束組合裝置及一種用於複值調制的空間光調制器。本發明還涉及一種光束組合裝置及一種偏振敏感元件的光學裝置，其中偏振敏感元件能夠透過相位調制光調制器及光束組合器產生光場的複值調制，此複值調制對光源之入射方向的變化不敏感。此外，本文件還涉及反射工作光調制器的不同的配置方式。

Description

用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置
本發明涉及一種用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置。本發明還涉及一種光束組合裝置及一種用於複值調制光線的空間光調制器。本發明還涉及一種光束組合裝置及一種偏振敏感元件的光學裝置，其中偏振敏感元件能夠透過相位調制光調制器及光束組合器產生光線的複值調制，此複值調制對光源之入射方向的變化不敏感。
如前面所述的裝置特別適用於三維重建物體及/或場景用的全像顯示器，例如WO 2006/066919 A1或申請人提出的其他文獻有關於這種顯示器的描述。
DE 10 2009 044 910 A1及WO 2010/149583 A1有關於將空間光調制器的兩個相位像素組合成一個複值像素的光束組合裝置的不同構造方式的描述，以下將這種光束組合裝置稱為光束組合器。這兩個像素是彼此相鄰的。在本文件中，所謂光調制器的相鄰像素特別是指在空間上彼此直接相鄰的像素，其中像素可以是在水平、垂直、或其他方向(例如對角線)上彼此相鄰。一個像素組的兩個像素的光線在通過SLM後會產生不同的偏振。這種現象是結構化延遲波片造成的。不同偏振的光線會以不同的路徑通過光束組合器，因此在光束組合器的出口會產生光束的疊加或組合。在本文件中，所謂光束組合是指在組合後，組合的光束在一空間疊加區具有一基本上相同的擴散方向。
WO 2010/149583 A1的第1圖(以及類似的第8圖)顯示先前技術的一種結構化孔徑光圈AP及一個與極性相關的光線擴散之偏振選擇層PS，例如一個方解石層。為了簡化起見，這張圖僅以示意方式繪出光線擴散的幾何形狀，而且沒有將繞射考慮進去。
入射光被分解成第一偏振光及第二偏振光，例如第一偏振光是一穿過層射向空間光調制器像素(SLMPIX)之第一像素的線性光，第二偏振光是一射向SLM PIX之第二像素的線性光，例如第二偏振光與第一偏振光垂直，而且也是線性的。為了易於辨識，圖式中以虛線代表一種偏振光，以點線代表另一種偏振光。對於以液晶為基礎的相位調制SLM而言，例如僅調制一特定輸入偏振光的相位的SLM可以在偏振敏感層的出口另外設置一個結構化延遲波片WP。這樣做產生的作用是，光線(例如射向第二像素的光線)在射入SLM PIX之前，光線的偏振會被轉向，使得只有一種偏振光會通過SLM。如果是一種反射式SLM，光線會沿相同路徑被反射回來，同時一個像素組的兩個像素的光線會在孔徑開口的位上再度被疊加。
第2圖顯示沒有孔徑光圈的情況。為了易於辨識，入射到孔徑光圈之前所在的位置的光線是以另一種灰色色調繪出。兩個偏振方向的光線都會到達每一個像素。通過SLM PIX後，光線會從每一個像素沿兩個方向反射回去。在返程中，像素1及像素2的光線會以所希望的方式疊加。但是像素2的光線也會與像素3的光線疊加，這是不希望發生的現象。在這種情況下，這種光束組合裝置(光束組合器)的實用性不高。
本發明的目的是提出一種光束組合裝置，並將其進一步改良，以避免上述問題。
本發明的裝置是用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用的光束。光調制器具有複數個像素，並使每兩個相鄰像素構成一個巨像素。針對一個巨像素，光束分束器的構造及設計方式使其將入射光束分束成第一部分光束及第二部分光束，其中第一部分光束朝巨像素的第一像素的方向傳播，第二部分光束朝巨像素的第二像素的方向傳播。較佳是將光束分束成基本上強度相同的第一部分光束及第二部分光束。在光束分束器及光調制器之間設有一第一結構化光束影響元件，其作用是使第一部分光束能夠以不同於第二部分光束的方式被影響。在與巨像素的像素相互作用後，第一部分光束及第二部分光束通過第二結構化光束影響元件，其作用是使第一部分光束以不同於第二部分光束的方式(較佳是相反方式)被影響。設有一光束組合器，其作用是將第一部分光束及第二部分光束組合在一起。在光調制器及第一或第二結構化光束影響元件之間設有一個光束選擇器，其作用是選出(例如吸收或反射)不屬於巨像素的第一部分光束及/或第二部分光束。這種裝置的光調制器較佳是能夠讓入射光/兩個部分光束透過，或是入射光僅通過光調制器一次。以下將這種裝置稱為透射工作裝置。
本發明的裝置是用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用的光束。光調制器具有複數個像素，並使每兩個相鄰像素構成一個巨像素。針對一個巨像素，光束分束器的構造及設計方式使其將入射光束分束成第一部分光束及第二部分光束，其中第一部分光束朝巨像素的第一像素的方向傳播，第二部分光束朝巨像素的第二像素的方向傳播。較佳是將光束分束成基本上強度相同的第一部分光束及第二部分光束。在光束分束器及光調制器之間設有一結構化 光束影響元件，其作用是使第一部分光束能夠以不同於第二部分光束的方式被影響。在與巨像素的像素相互作用後，第一部分光束及第二部分光束通過第二結構化光束影響元件，其作用是使第一部分光束以不同於第二部分光束的方式(較佳是相反方式)被影響。設有一反射媒質，其作用是反射部分光束。在與光調制器的像素相互作用後，第一部分光束及/或第二部分光束通過結構化光束影響元件，並再度通過光束分束器，以便將第一部分光束及第二部分光束再度組合在一起。在光調制器及結構化光束影響元件之間設有一個光束選擇器，其作用是選出不屬於巨像素的第一部分光束及/或第二部分光束。入射光/兩個部分光束較佳是以反射方式與本裝置的光調制器相互作用。第一種方式是使兩個部分光束通過光調制器兩次，例如第一次入射光通過一個光調制器的液晶層，然後在反射媒質上被反射，再第二次通過液晶層。液晶覆矽(LCoS)是這種光調制器的一個例子。另一種方式是，光調制器的像素本身可以含有反射媒質，這樣兩個部分光束會分別與一具有反射作用的像素相互作用。微機電系統(MEMS)是這種光調制器的一個例子。以下將這種裝置稱為反射工作裝置。
本發明首先認知的是，為了避免可能造成干擾的繞射效應出現在結構化孔徑上，本發明的裝置可以不必使用這樣的結構化孔徑，而且仍然可以讓被分束的光束不會以不適當的方式在無意中受到相鄰的巨像素的影響。因此光束選擇器與一結構化光束影響元件的共同作用就相當於該不再必要的結構化孔徑的作用，也就是說，可以選出不屬於巨像素的第一部分光束及/或第二部分光束。但是其作用方式並不是如先前技術使結構化孔徑在其透光處不讓任何光束進入光束組合裝置。本發明的裝置讓所有入射光束進入本發明的裝置，以使光束組合在一起，然後(在一定程度上可以說是先在裝置內部)透過光束選擇器及 結構化光束影響元件的組合選出不屬於巨像素的第一部分光束及/或第二部分光束。由於本發明的裝置不必使用結構化孔徑，另一個優點是無需使結構化孔徑對準光調制器的像素位置。
以下先以一般性的方式呈現本發明的各種有利的實施方式及改良方式，然後在圖式的說明部分將以具體的例子對本發明的有利的實施方式及改良方式做進一步的說明。
在透射工作裝置中，光束分束器及光束組合器可以是完全相同的雙折射單軸光學構件。在這種情況下，光束分束器及光束組合器可以是以相同的材料製成，及/或具有相同的光學軸。特別是光束分束器的光學軸的配向與光束組合器的光學軸的配向是一樣的。可以設定這兩個雙折射單軸光學構件的光學軸的配向，以使兩個構件與交界面的角度(θ)與普通及非普通部分光束之間的角度是相同的角度。使用雙折射單軸光學構件的目的是使偏振光束及/或部分光束彼此組合在一起。特別是使入射光束被線性或循環偏振，其中入射光束的偏振方向被配向在一規定的方向，例如光束分束器將入射光束分束成第一部分光束及第二部分光束(基本上二者具有相同的強度)，其中第一部分光束向巨像素的第一像素的方向傳播，第二部分光束向巨像素的第二像素的方向傳播。
在反射工作裝置中，被兩個部分光束通過兩次的光束分束器可以一個雙折射單軸光學構件。在這種情況下，光束分束器具有雙重功能，第一個功能是將入射光束分束成第一部分光束及第二部分光束，第二個功能是將第一部分光束及第二部分光束再度組合在一起。
另一種可能性是，光束分束器及/或光束組合器不是雙折射單軸光學構件，而是至少有一個是體積光柵或至少有一個是偏振光柵。但是在這種情 況下，如果要將本發明的裝置應用於不同波長的光線，則必須修正所使用的體積光柵或偏振光柵的發散特性。在這種情況下，也可以為不同波長的光線設置至少一個相應的光柵。因此如果要使用的是不同波長的光線，則較佳的作法將雙折射光學構件製成的光束分束器及/或光束組合器應用於本發明的裝置。
一種非常有利的方式是，結構化光束影響元件具有一空間結構化，其能夠區域性的實現延遲器的功能，其中該延遲器具有一個λ/2波片及/或λ/4波片。結構化光束影響元件可以另外具有一個不會對部分光束的光學特性造成區域性改變的空間結構化。
結構化光束影響元件的空間結構化較佳是與光調制器的像素的空間結構配合，例如想像將結構化光束影響元件的結構垂直投影在光調制器的像素的結構上，這樣的投影基本上會產生完全相等的區域。此處要說明的是，以上的考量均涉及本發明之光束組合裝置之元件的光學特性，而不是涉及光調制器的控制電路，雖然電路的構件也會與光線相互作用。
如果是反射工作裝置，光調制器的像素本身就可以反射，例如MEMs就是這樣。另一種可能性是在光調制器的透光像素後方設置一個反射鏡。
一種特別有利的方式是，光束分束器、光束組合器、第一及/或第二結構化光束影響元件的設計及配置方式使第一部分光束的光程及第二部分光束的光程基本上以巨像素的第一像素及第二像素之間的中點為準點對稱。正確的說，以巨像素的第一像素及第二像素之間的中點為準的點對稱是位於一個平面上，這個平面就是第一部分光束的光程及屬於第分光束之第二部分光束的光程所在的平面。從整個巨像素來看，以兩個相鄰像素的中間段為準存在一個對稱性。特別是透射工作裝置，光束分束器及/或結構化光束影響元件的設計及配 置方式使第一部分光束的光程及第二部分光束的光程基本上以光束分束點及/或光束組合點為準點對稱。本發明的光束組合裝置的這些改良方式的一種特別有利的優點是，即使入射光束的入射方向不同於一規定的尋常狀態的入射方向，但仍然正確的分束及組合部分光束。換句話說，本發明之光束組合裝置的這些改良方式對於入射方向不敏感。在文其他地方還會提及本發明的其他有利的實施方式。
一種特別有利的方式是，光束選擇器具有一個偏振器，或光束選擇器是由偏振器構成。偏振器較佳是一種非空間結構化元件。偏振器的計及配置方式使其能夠形成不屬於巨像素的第一部分光束及/或第二部分光束。
一種特別有利的方式是設置一個光束疊加元件，其作用是使第一部分光束及第二部分光束能夠被干擾。這個光束疊加元件也可以是一個偏振器，其作用是使兩個要疊加的部分光束在組合後的最大振幅基本上具有一相同的振幅值，以實現巨像素的有效相位調制。
如果光調制器含有液晶LC，由於可以透過電控調制改變液晶的配向方向，在電控調制時為了避免發生電解，原理上可以實現一循環的電壓反轉。通常可以利用圖框反轉方式、列反轉方式、或像素反轉方式具體實現一電壓反轉。圖框反轉方式首先是以符號相同的電壓控制所有的像素，然後以符號反轉的電壓控制所有的像素。列反轉方式通常是以帶有不同符號的電壓控制光調制器的相鄰行或相鄰列的像素，例如首先以符號為正的電壓控制偶數行，以符號為負的電壓控制奇數行。然後以符號反轉的電壓控制所有的像素。像素反轉方式通常是使用棋盤式排列的正電壓及負電壓。
一種特別有利的方式是以符號相同的電壓控制巨像素的像素。為了這樣做，如果是使用列反轉方式，可以將巨像素的每兩個相鄰像素都配置在同一個要反轉的行或欄。另一種可行的方式是以雙重列反轉方式取代列反轉方式，其操作方式是利用符號相同的電壓控制兩個相鄰的行或欄，然後以符號反轉的電壓控制下兩個相鄰的行或欄。巨像素的第一像素可以位於第一行或第一欄，巨像素的第二像素可以位於第二行或第二欄。另一種可能性是使用像素反轉方式，這涉及一種電反轉，其作用是以同樣的方式將巨像素的兩個像素反轉。如果是圖框式反轉方式，則是以號相同的電壓控制光調制器的所有巨像素的像素。
光束分束器，必要時有設置的光束組合器、至少一個結構化光束影響元件，及/或光束選擇器基本上是彼此平行設置，且在其一邊或另一邊有一間隔。一種特別有利的方式是使光束分束器、必要時有設置的光束組合器、至少一個結構化光束影響元件、及/或光束選擇器彼此緊靠在一起，或是彼此固定在一起(三明治結構)。這樣做可以產生一緊密且堅固的三明治結構，例如這種結構可以針對溫度變化達到優化，而無需大幅改變光學特性。例如可以利用黏著劑將各個元件固定在一起，特別是為實現之前提及的本發明的裝置的元件對稱化，較佳是利用相同的黏著劑將不同的層黏著在一起。
具體而言，入射光束可能具有一線性偏振或循環偏振，經過配向或調整後，光束能夠被分束成第一部分光束及第二部分光束，然後再組合在一起。
如果是反射工作裝置，則可以在光調制器及光束分束器之間、或是在光束分束器及光束疊加元件之間設置一個扁平的照明裝置(類似於WO 2010/149583 A1)。這種扁平的照明裝置可以是一種類似於WO 2010/149583 A1描述的照明裝置。照明裝置可以具有一個扁平的光導體及一個出輸單元，其中光導體發出的光線經由輸出單元輸出，並能夠被偏轉到光調制器的方向。在反光媒質上被反射的光線能夠以基本上不受偏轉的方式通過照明裝置，然後通過光束組合器向外傳播，但前提是要適當調整相應光束的偏振裝置。
如果光調制器含有液晶，而且其液晶能夠進行平面外旋轉，例如電控雙折射(ECB)模式的液晶，則入射光束可以被線性偏振，其中結構化光束影響元件可以區域性的具有λ/2波片的功能。
光調制器可以含有液晶，而且其液晶進行平面內旋轉。這種設計方式經常出現在混合配向液晶(HAN-LC)模式、連續平面內旋轉(CIPR)模式、或近晶液晶模式，在這些模式中，液晶分子在電場中的平面內旋轉居於主導地位，相較之下平面外旋轉極不顯著。此外，光調制器也可以含有具有膽固醇相位的液晶，且液晶的光學軸在電場中具有平面內旋轉(橫向螺旋結構模式)。在前面提及的各種情況中，入射光束可以是被線性偏振，其中結構化光束影響元件具有區域性λ/4波片的功能。結構化光束影響元件能夠改變偏振，因而使循環偏振光進入光調制器。例如，可以透過結構化光束影響元件產生區域性右循環偏振光及區域性左循環偏振光。
換句話說，也可以透過具有結構化延遲波片的光束組合器達到本發明的目的。結構化延遲波片具有SLM側，也就是從結構化延遲波片向SLM看過去，至少還設有一個偏振器。
1000:光束組合器SLM(BC-SLM)
1001:純相位SLM
1002:結構化半波層(sHWP)
1003:偏振選擇元件
1004:線性偏振器
AP:結構化孔徑光圈
BM:黑色掩膜
BP:背板
DE:介電反射鏡
DG:玻璃基板
E:電極
FL:前燈照明裝置
FWP:全波片
HAN:混合交換
HWP:半波層
I:絕緣層
IPS:平面內交換
Iso:各向同性層
ITO:氧化銦錫
LC:液晶
LE:線性電極
nsQWP:非結構化1/4波層
P:偏振器
PI:聚酰亞胺
PIX:像素
Pol:偏振器
PS:偏振選擇層
PSC:偏振選擇元件
Px:像素間隙
QWP:1/4波層
rP:反射偏振器
sHWP:結構化半波層
SLM:空間光調制器
sHWP1:第一結構化半波層
sHWP2:第二結構化半波層
sP:結構化偏振器
sQWP:結構化1/4波層
srP:結構化反射偏振器
tE:平面電極
tP:透射偏振器
WGP:線柵偏振器
WP:延遲波片
從以上的說明可知，有不同的可能性能夠以有利的方式實現本發明的理論，以及發展出不同的改良方式。以下一方面將本發明的參閱獨立申請專利範圍的附屬申請專利範圍做為參考做進一步的說明，另一方面將配合圖式說明本發明的有利的實施方式。除了配合圖式說明本發明的有利的實施方式外，也將說明普遍有利的配置方式及改良方式。以下的圖式都是以示意方式繪製，其中：第1圖及第2圖：一種屬於先前技術的光束組合器。
第3a及3b圖：本發明之用於組合與反射工作光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置的第一個實施例。
第4圖：本發明之用於組合與透射工作光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置的第二個實施例。
第5圖：上圖顯示兩個相位值之間的相差函數產生的相，下圖顯示相差函數的振幅及強度。
第6圖：上圖顯示相差函數的調節對比，下圖顯示相差函數的強度差。
第7圖：一種屬於先前技術的光束組合器，其中在左邊的第7a圖中，相鄰像素之待組合的光束基本上是垂直入射到光調制器，在右邊的第7b圖中，相鄰像素之待組合的光束是以與表面之鉛垂線夾一角度的方向入射到光調制器。
第8a及8b圖：本發明的一種光束組合器，其中在上面的第8a圖中，相鄰像素之待組合的光束基本上是垂直入射到光調制器，在下面的第8b圖中，相鄰像素之待組合的光束是以與表面之鉛垂線夾一角度的方向入射到光調制器。
第9圖：本發明的一種與第8a及8b圖類似的光束組合器，其中第9圖中的光調制器是以平面內液晶模式為基礎。
被平面內電場控制的平面內液晶模式下如何應用電極及反射鏡。
第10圖：以示意方式顯示屬於先前技術的具有光束組合器的裝置，圖中右上方是一側視圖，右下方是一立體視圖。
第11圖：顯示第10圖的裝置在光調制器上達到的一個2D圖像的強度結果。
第12圖：右下方以示意方式顯示光調制器的兩個相鄰像素的配置，相位值Φ1及Φ2被寫入這兩個像素。
第13圖：以圖示方式顯示相位誤差對2D圖像之強度調制的影響。
第14圖：顯示尋常光束及非尋常光束在一單軸雙折射媒質(折射率為no及ne)內的傳播，其中該雙折射媒質的兩邊被相同的各向同性媒質環繞住，該各向同性媒質的折射率為n。
第15圖：顯示尋常光束及非尋常光束在雙折射媒質內光程的變化情況的計算結果，其中光線不是垂直射入雙折射媒質，而是傾斜一很小的角度α(在0至0.5°之間)射入雙折射媒質。
第16圖：顯示另一種考量，也就是將在單軸雙折射媒質及周圍各向同性媒質內的總光程差考慮進去。
第17圖：顯示絕對相位差△Φ隨入射角α及角度δ變化的計算，其中方解石波片的厚度約756微米。
第18圖：顯示相對相位差及△Φ的改變(圓的弧度為2π)。
第19圖：顯示以“黑盒子模式”分析與角度改變有關的△Φ改變造成的影響。
第20圖：顯示可容忍的角度改變△Φ與光調制器之像素間隙Px的關係。
第21圖：顯示一種屬於先前技術的用於組合光束的設備。
第22圖：顯示先前技術的一種配置方式，其具有一以“平面外”液晶模式運作之液晶LC進行相位調制為基礎的光調制器。
第23圖：以示意方式顯示這種屬於先前技術LCoS的裝置的配置方式。
第24圖及第25圖：顯示如何改良LCoS的電極E，以便能夠利用平面內電場執行主動斷路。
第26圖及第27圖：顯示在被平面內電場控制的平面內液晶模式下如何應用電極及反射鏡。
第28圖：以示意方式顯示一個採用先前技術之液晶模式進行平面內調制的相位調制裝置。
第29圖：顯示一種以平面內液晶模式為基礎實現相位調制的方式，其中該平面內液晶模式如同在一具有如第27圖之電極及介電反射鏡DE的LCoS的第28圖的裝置。
第30圖：以示意方式顯示一個採用先前技術之液晶模式進行平面內調制的進一步相位調制裝置。
第31圖：顯示一種以平面內液晶模式為基礎實現相位調制的方式，其中該平面內液晶模式如同在一具有如第27圖之電極及介電反射鏡DE的LCoS的第30圖的裝置。
第32圖：以示意方式顯示的裝置是為平面內調制液晶模式產生一個用於相鄰像素的不同的偏振。
第33圖及第34圖：每個顯示具有結構化偏振器sP的裝置。
第35圖：顯示以平面外調制LC及相鄰像素從光調制器發出的光線的不同偏振進行相位調制的另一種可能性。
第36圖：顯示第35圖的配置之細部視圖。
第37圖：顯示一個類似於第36圖顯示的裝置。
第38圖：顯示用於在LC層內進行平面外調制的另一種裝置。
第39圖：顯示相同配置的一個較細部的視圖。
第40圖：顯示另一種可能的配置，在配置背面，光調制器的LC層及反射鏡之間設有一個非結構化1/4波層。
第41圖：顯示的裝置具有兩個1/4波層。
第42圖：顯示一個將光調制器照亮的前燈照明裝置。
第43圖：顯示第42圖的配置之細部構造。
第44圖：顯示一種比第42圖及第43圖更有利的裝置。
第45圖：顯示第44圖的配置之細部視圖。
第46圖：顯示將背側偏振器應用於平面外調制的LC模式。
第47圖：顯示第46圖的配置之細部構造。
第48圖：顯示的裝置具有一個將光線耦合的前燈照明裝置及一個玻璃基板。
第49圖：顯示的裝置具有由複數個光學雙折射單軸構件組成的光束組合器。
將偏振器與本身就需要偏振光的SLM搭配使用是很有利的，例如以液晶(LC)為基礎的SLM。當然並非限於只能使用這種SLM，而是也可以使用其他類型的SLM。
一種非常有利的方式是將偏振器搭配具有小像素的反射式SLM使用，例如液晶覆矽(LCoS)，但並非限於只能使用這種SLM。
以下將說明偏振器的作用方式及其與孔徑光圈的等效性。
第3a及3b圖顯示本發明之光束組合裝置，其具有一用於反射式SLMPIX的偏振器Pol。
第3a圖顯示光線的去程：以偏振選擇光線傳播的偏振選擇層PS使兩個偏振方向的光線首先到達兩個像素。接著光線通過結構化延遲波片WP。在去程上，兩個偏振方向中的一個偏振方向被偏振器Pol過濾。
假設是幾何式的光線傳播，這個過濾的作用會等效於如第1圖顯示之先前技術的結構化延遲波片的作用。因為偏振器只讓來自孔徑內的位置的光線通過。但是在將孔徑上的干擾性繞射考慮進去的實際情況中，使用配備偏振器的裝置是較有利的。這對於小像素更是如此。
第3b圖顯示光線在通過反射式SLM之後的返程。只有吾人希望的像素組(也就是像素1及像素2)在產生疊加，像素2及像素3不會產生疊加。使用反射式SLM時，偏振器可以選擇性的自行反射，並將偏振器設置於SLM的背面。
第4圖顯示容許翻轉的透射式SLM的一個實施例，這種SLM沒有孔徑光圈，而是具有一個設置在SLM PIX之入口端的偏振器Pol，其中偏振器Pol位於兩個偏振選擇層PS之間。此外還具有兩個延遲波片WP。
當然還有其他可能的配置方式，例如SLM調制循環光線的相位，為此需要在裝置中設置額外的延遲波片。因此本發明的範圍不限於第3圖及第4圖顯示的配置方式。
以下將從另一個觀點描述用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置，這種裝置一方面與前面描述的方案結合，但是另一方面也可以脫離前面描述的方案。這另一個觀點涉及光線在光束組合裝置上的入射角改變的敏感性。
以非對稱方式配置的光線影響元件(使兩個相位像素疊加)會使兩個相鄰像素以雙光束干涉為基礎的疊加對於因光調制器-三明治結構導致光程的極 小變化非常敏感。總強度IR=AR 2=(UR．UR *)，這是由兩個波UR=U1+U2的相干疊加產生的：
Figure 106133744-A0305-02-0016-1
其中A1及A2代表部分波的振幅，△Φ代表兩個部分波(部分光束)的相對相位差。如果兩個振幅等值，也就是A1=A2=0,5，則根據第5圖，總強度取決於相對相位差△Φ的餘弦，也就是說，當△Φ=0為結構化干涉(也就是最大強度)，當△Φ=π為去結構化干涉(也就是最小強度)。現假設將空間光調制器(SLM)-三明治結構校準，使兩個會影響相對相位差△Φ=φ2-φ1的部分波φ1,φ2正確顯示在SLM輸出端希達達到的強度值0
Figure 106133744-A0305-02-0016-70
IR
Figure 106133744-A0305-02-0016-72
1。以下將這個狀態稱為標準狀態。如果兩個部分波中的一個部分波經歷一個額外的相位移π，這會導致所顯示的灰值圖反轉，也就是說產生一對比反轉。根據第6圖，調節對比(Michelson contrast)介於原本的明亮像素及黑暗像素之間，也就是CM=-1。在校準的標準狀態下，調節對比=1。實際情況與這個理想狀態僅容許有一很小的偏差，以確保對比損失不造成干擾。作為可以接受但並非確實定義的邊界，在接下來的說明中，假定CM的最小容許值為CM=0,924，這在相對相位誤差為π/8=0.3927弧度(rad)時就已經發生。
但是對全息顯示器而言很重要的一件事是要能夠正確顯示振幅及相位，否則場景的重建品質會明顯降低。未正確顯示的全息振幅值會導致重建出現過低或無法顯示的灰值。從第6圖可以明顯看出，灰值相當於強度的0.5倍，對於相位差的很小的改變會有最敏感的反應，因為在這個範圍，強度對相位差(相位2-相位1)的偏微分是最大的。
以下將以WO 2010/149588 A1為例說明，這個專利揭示一種光束組合裝置。此部分亦請參見本申請案的第7圖。此種裝置是利用偏振敏感元件(單軸晶體)將SLM調制過的兩個部分光束組合成合成光束。這是假設兩個部分光束之間因偏振敏感元件(單軸晶體)內不同的光波長造成的相對相位差已經被校準到標準狀態，因此兩個波「同相」，也就是說沒有相對相位差。因此相位值是已知的，這個相位值必須被寫入待疊加之相位子像素，以顯示所希望之巨像素振幅值。
例如，標準狀態在垂直入射的情況下被校準(第7(a)圖)。熱顯示器或顯示器之照明裝置的熱膨脹或機械負荷可能導致入射波及SLM-三明治結構之間形成一很小的相對翻轉。這會導致在兩個待組合的部分光束中的一個部分光束內額外多走了一段光程(光程差)，也就是說加上一個額外的相位△Φ=OPD*2π/λ。這個額外的相位是由光線的入射角α、待疊加之像素px的距離(間距)、以及光波長決定：
Figure 106133744-A0305-02-0017-2
為便於理解，需要認清的一點是，光程差或光波長的重大變化並不是因為偏振敏感元件造成的(參見第15圖)，而是因為幾何翻轉造成的。如第7(b)圖所示，周圍媒質的路徑對此具有決定性的影響力。根據定義，所有入射光束及出射光束都是彼此平行(平面平行波片的特性，被相同的媒質圍繞)，而且都位於一個平面上(光學軸位於入射平面上的單軸晶體的特性)。因此可以將偏振敏感元件視為「黑箱」(參見第19圖)，偏振敏感元件被校準過一次，使兩個部分光束「同相」。因此校準過的標準狀態完全 可能是一種入射角並非正好是0的狀態。重要的是，只有這種狀態才會發生相位正確的疊加。所有與標準狀態的相對偏移都會造成以上描述的問題，因而造成按照先前技術提出之解決方案的缺點。
以下將以一個數字例把這問題說得更清楚一些。根據前面導出的標準，最小調節對比CM=0,924，容許最大相對相位誤差△Φ=π/8=0.3927弧度(rad)，光線的入射角的最大容許偏差為α，根據以上的公式α=arcsin{λ/(16px)}。當波長λ=532nm，像素間距50μm，入射角的容許變化為0.038°；像素間距100μm，入射角的容許變化為0.019°(參見第20圖)。受機械負荷及熱負荷作用的顯示系統要將誤差控制在這麼小的容許誤差內是一件技術上是一件很困難或甚至是無法實現的事。此處所謂的像素間距是指平均像素尺寸或平均像素距離，特別是指在兩個像素組合成一個巨像素的方向上的距離，例如水平像素間距/像素距離，也就是兩個水平相鄰像素組合成一個巨像素。
此外，WO 2010/149583 A1描述一種由反射式光調制器(SLM)、光束組合器以及前燈組成的裝置。在這種裝置中，光線通過光束組合器兩次，也就是從前燈通過光束組合器到達SLM，然後在SLM的背面被反射後在返程中再度通過光束組合器。在這個過程中，結構化孔徑已在去程中按照入射光的極性將入射光分成兩個部分光束，其中第一部分光束被偏轉到像素組的第一像素，第二部分光束被偏轉到像素組的第二像素。經過兩個SLM像素的調制後，兩個部分光束在返程中再度在光束組合器的輸出端疊加在一起。這種裝置對光束相對於標準狀態的幾何翻轉容許誤差很小。
因此本發明的目的是提出一種光束組合裝置，以及一種對光線進行複值調制的空間光調制器，而且這兩種裝置對於光線的入射角的變化及/或與標準狀態的偏差非常不敏感。
為達到上述目的，本發明的作法是使在空間光調制器(SLM)-三明治結構內的整個光程都是對稱的，也就是使可能發生的翻轉均勻的作用在兩個待疊加的部分光束上，因而彼此相互抵消。根據本發明普遍的設計原理描述如下。對稱規則形成具有對稱干涉儀分支的對稱干涉儀類型(反射：邁克生(Michelson)，透射：馬赫-岑德(Mach-Zehnder))。其主要功能包含光束分束、獨立的光束調制及光束重新組合。為此應(主要是基本上相位調制的)SLM埋設在偏振敏感元件之間，同時被兩個部分光束在空間中分開通過的光學媒質是以對稱方式配置在光線傳播方向，因此對不同的入射角而言，兩個部分光束的光程長度OPL1及OPL2的光波長的和是固定不變的。以純相位調制LC-SLM為基礎的全複值SLM的元件部分為例，LC-SLM(其可為平面外或平面內LC旋轉)埋設在偏振供應器(其可為HWP或QWP)之間，LC-SLM和偏振供應器埋設在偏振選擇元件(PSC)(分別為PSC1和PSC2)之間。干涉產生器(其可為線性偏振器)設於PSC2旁。
本發明之用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置包括一個具有複數個像素的光調制器、一個光束分束構件，其中該光束分束構件較佳是一種單軸雙折射構件、一個光束組合構件，其中該光束組合構件較佳是一種單軸雙折射構件、以及一個光束疊合構件。光束分束構件的作用是將入射光束分束成第一部分光束及第二部分光束，其中第一部分光束傳播到光調制器的第一像素，第二部分光束傳播到光調制器的第 二像素，而且第一部分光束及第二部分光束較佳是具有相同的光強度；光束組合構件的作用是在第一部分光束及第二部分光束與相應之像素產生相互作用後，將第一部分光束及第二部分光束組合在一起。光束分束構件及光束組合構件的構造及配置方式使第一部分光束的光程(例如以偏振特性為準的光程)及第二部分光束的光程(例如以偏振特性為準的光程)基本上以第一像素及第二像素之間的中點為準點對稱。
以下將配合一個實施例對上述解決方案做進一步的說明，這個實施例是以一種雙折射材料作為偏振敏感元件。上述解決方案的基本原理(也就是使分開行進的光程具有對稱性)亦可應用於其他種類的偏振敏感光學元件，例如體光柵(體布拉格光柵)或偏振光柵。但是必要時必須根據偏振敏感光學元件的種類及SLM(特別是調制相位的SLM)所需的入口偏振，使用其他種類的延遲器(結構化或未結構化的延遲器)，例如λ/4波片(偏振光柵用的1/4波層(QWP))或與各個層的順序適配。
第8a及8b圖顯示空間光調制器與光束組合器結合的一個實施例，其中光束組合器至少含有一種作為偏振敏感元件的雙折射媒質(單軸晶體)，其作用是將光調制器SLM的兩個相位調制子像素組合在一起。由兩個相位調制子像素組成的子像素組構成一個巨像素。為了使圖面易於觀察，第8a及8b圖僅顯示空間光調制裝置的一個段落(第8a及8b圖的空間光調制器的實際範圍是向左及向右延伸)及兩個相鄰像素的部分光束，這兩個相鄰像素應按雙光束干涉的原理疊加。
相位調制光調制器SLM(以ECB模式運作)是設置在兩個結構化半波層sHWP1及sHWP2及兩個光學軸定向相同的單軸平面平行晶體波 片之間(參見第8a及8b圖)。首先第一單軸晶體(單軸晶體1)光束分束器將光束分束成兩個彼此垂直的偏振部分光束，其穿透結構化HWP以便為SLM產生所需的輸入偏振，然後這兩個部分光束再各自被SLM調制，接著兩光束再被第二單軸晶體(單軸晶體2)組合在一起。接著兩個部分光束受到線性偏振器干涉(其具有相位差改變的自動補償功能)，其中一個以約45°角設置的線偏振器位於裝置的出口端。由單軸晶體1及2、SLM及半波層構成的裝置在兩個部分光束彼此分開的光程上完全對稱。只有孔徑光圈(黑色掩模)及位於裝置出口端的線偏振器不是對SLM的中心形成點鏡像對稱。雙折射單軸媒質的光學軸使兩個單軸媒質的交界面的角度θ實現一不變的離散角(尋常光束及非尋常光束之間的角度)。在這種情況下有一些特性。首先，堅固，因固有的自動補償。其次，無須主動補償。最後，設計原理可以轉用於其他類型的SLM(液晶及非液晶)。
第8a圖顯示處於校準標準狀態的三明治結構顯示器。線性入射光被偏振45°，並抵達第一平面平行單軸晶體波片(單軸晶體1)。在晶體波片上有一個吸收掩膜或孔徑光圈，其作用是將SLM的每一個第二像素遮蓋住，以防止串擾。被偏振45°的光線在晶體波片上被分束，其中以圓圈內有一小點標示的垂直偏振光是作為尋常光束按照斯涅爾折射定律及單軸晶體的尋常折射率被折射。這個垂直入射在與單軸晶體之交界面的例子表示尋常光束也會垂直穿過單軸晶體。以雙箭號標示的水平偏振光是以非尋常光束的方式傳播。非尋常光束的方向是由單軸晶體的非尋常折射率及晶體軸的方向產生的。從第一平面平行晶體波片射出後，兩個光束再度以平行於輸入光束的方向前進，但是帶有彼此垂直的偏振(s極及p極)。由於相 位調制SLM要求一垂直入偏振，因此以一個結構化半波層sHWP1將水平偏振的部分光束的偏振偏轉90°，但是垂直偏振的部分光束的偏振則不會被結構化半波層改變。因此結構化半波層是作為結構化光束影響元件，這個結構化光束影響元件具有一空間結構化，而且有部分區域不會改變部分光束的光學特性。SLM完全是被垂直偏振穿過，其中兩個部分光束可具有一不同或可預先規定(希望)的相位延遲，這個相位延遲相當於應該以各個巨像素表示的值(參見第12圖)。接著第一晶體波片的尋常光束被另一個結構化半波層sHWP2對水平偏振偏轉90°，因此這個光束會在下一個第二晶體波片(單軸晶體2)內作為非尋常光束傳播。第一晶體波片(單軸晶體1)的非尋常光束並穿過先前已被第一結構化半波層sHWP1偏轉，並以偏振方向不會改變的方式穿過第二結構化半波層sHWP2。因此這個光束會在第二晶體波片(單軸晶體2)內作為尋常光束傳播。兩個部分光束在第二晶體波片的出口端再度組合在一起，並再度以平行於輸入光束的方式前進。為了產生干涉，這兩個光束接著會穿過設於後方的45°線性偏振器。透過兩個相位調制子像素的雙光束干涉可以調整一個巨像素的振幅。巨像素的相位值是透過SLM的單一巨像素之間的相對相位差獲得實現。這個原理被稱為「雙相位全息顯示」，參見第12圖。
接下來配合第8b圖說明本發明提出的解決方案的作用方式，其中輸入光束偏轉一個角度α，因而以不同於校準標準狀態的角度照射在SLM上。部分光束以尋常及非常光束的方式穿過第一晶體波片，然後以平行於入射光束的方式從晶體波片射出。尋常光束的方向是按照斯涅爾折射定律及單軸晶體的尋常折射率而產生，非尋常光束的方向是單軸晶體的非 尋常折射率及晶體軸的方向而產生。透過幾何形狀的翻轉，部分光束1會在第一晶體波片(k=|k|=2π/λ-波數；OPD：光程差，其中光程差是由OPD=δ．sin(α)計算出來的，其中δ代表兩個部分光束之間的距離)的出口端產生一額外的相對相位延遲△φ1=k．OPD1。在進入晶體波片2的入口端則會產生相反的情況。部分光束2在此處會產生一額外的相對相位延遲△φ2=k．OPD2。在分開的光程上的所有元件都是對稱配置的情況下，兩個光程差OPD1及OPD2較佳是相互抵消，因此△φ2-△φ1=0。
為了突顯問題點，第8a及8b圖是繪製在元件之間好像存在一空氣層，而且所有的元件都好像沒有玻璃基板。但是按照本發明之解決方案設計的複值調制器也可以在沒有空氣層的情況下將所有的元件疊在一起，例如黏在一起並設置在玻璃基板上。調整光程OPD1=OPD2建議的原理在這種情況下也是有效的，但前提是存在一對稱光程。此處必須注意的是要使用相同的連接材料(例如黏著劑)或相同的玻璃材料作為基板。一般而言，周圍的光學媒質應對稱排列，以使兩個部分光束的光程長度OPL1及OPL2的總合對不同的入射角是固定不變的。
其他有利的實施方式及/或特徵：
●本發明建議的解決方案亦可應用於以平面內液晶調制為基礎的SLM，參見第9圖。例如，HAN-LC模式是具平面內調制的LC模式的一個例子。另一個例子是CIPR模式。液晶分子在電場中的平面內旋轉遠多於平面外旋轉的近晶液晶模式亦可被視為平面內模式。膽固醇液晶模式(均勻橫向螺旋模式，簡寫為ULH)亦可被視為平面內模式。此處所謂的平面內涉及液晶之光學軸在電場中的旋轉方向，例如在ULH的情況下，電場本 身也可以是垂直緊鄰液晶層。但是對平面內調制而言，由於平面內模式要求循環輸入偏振，因此應按照以下方式選擇偏振選擇分配(PSC1-單軸晶體1)及組合(PSC2-單軸晶體2)之間的光學元件順序：未結構化1/4波片，以45°角設置(QWP1)；SLM(平面內液晶模式)；未結構化1/4波片，以-45°角設置(QWP2)。這種配置方式要注意的是，在以上提及的平面內液晶模式(HAN，CIPR，近晶，ULH)中，右循環及左循環偏振光的相位偏移的正負號是彼此相反的。但是這可以在計算或顯示全息值時考慮進去，因此不會對SLM的控制造成任何影響。這樣做的優點是，所使用的1/4波層(QWP)是未結構化的。
●單軸光學媒質的尋常光束及非尋常光束之間的最大角度(離散角)是由媒質之光學軸的位置、尋常光的k向量的方向、以及折射率no,ne等因素決定。例如，以方解石作為光學媒質，在垂直入射光及使用波長532nm的指數的情況下，產生的值為θ=48.2°。由於另一個對稱化的關係(製造，使用)，一種有利的方式是將光學軸定在45°左右，這可以透過研磨及拋光晶體波片獲得實現。雖然這樣會而要一較厚的波片，以確保會有相同的光束偏移，但是可以降低安裝及製造時發生配向錯誤的風險。
●也可以利用其他的偏振敏感光學元件進行偏振分束及組合。例如，除了具有偏振敏感性外，還有很高的繞射率(最好是100%)的體光柵或偏振光柵。要注意的是，每一個分束元件(晶體波片1)及組合元件(晶體波片2)的每一個波長都必須有兩個光柵。
●另一個優點是，不像一般簡單的方法是使波前的兩個相鄰部分發生雙光束干涉，而是先將波前的相同部分分開，然後加以調制，最後再組合 在一起。因此輸入波前即使有很小的橫向波前誤差，也不會像一般簡單的方法一樣會造成輸出波前內的振幅誤差。即使不考慮以SLM在兩個波前部分內分別進行調制，一般簡單的方法是按照橫向謝爾干涉原理工作(波前與橫向偏移的相同波前疊加)，而本發明建議的方法則是按照馬赫-曾德爾干涉原理工作(先將波前分束，然後再組合)，以調整波前的雙臂(也就是使兩個部分臂內有相同的光程)。
第10圖以示意方式顯示一屬於先前技術的具有光束組合器的裝置，圖中右上方是一側視圖，右下方是一立體視圖。
第10圖說明光束組合器SLM(BC-SLM)1000的光學構造，其中具有複值光束組合器SLM的堆疊配置及元件以順序排列。相同線性偏振的光束穿過一相位調制光調制器(純相位SLM 1001)的兩個像素，接著一個結構化半波層(sHWP)1002改變來自兩個像素中的一個像素的光線的偏振，但不改變來自兩個像素中的另一個像素的光線的偏振。來自像素1的光線以直線(未偏轉)的方式穿過偏振選擇元件1003(例如雙折射層)，來自像素2的光線則以一個角度穿過偏振敏感元件。來自兩個像素的光線在偏振敏感元件的出口端照射在相同位置且彼此平行，因而組合在一起。在第10圖中，純相位SLM 1001可以是ECB模式的LC-SLM。此外，偏振選擇元件1003可以是一組合的方解石波片，其具有不同的厚度。
一個設置在相對於兩個像素的兩個偏振方向+45°或-45°之位置(例如偏振器為45°，兩個像素的光線的偏振方向為0°及90°)的線性偏振器1004發射光線，其中發射強度是由兩個像素的相對相位決定，因此可以透過SLM的相位調制調整發射強度。如果從像素發出並到達偏振器的光線 具有相同的相位，則產生最大發射。如果光線的相位差為π，則產生最小發射。
搭配兩個像素的平均相位調制，這種裝置可用於對光線進行複值調制。具有多個像素組的光調制器為每一個像素組各產生一個振幅及一個相位值。
這可以用於全息3D場景的編碼。但是為說明起見，以下也會描述在光調制上顯示2D圖像的例子。
第11圖顯示第10圖的裝置在光調制器上達到的一個2D圖像的強度結果。所顯示圖像的每一個像點的強度都經過光調制器的兩個像素的調制相位差的調整，同時如第10圖的描述，兩個像素的光線在光束組合器的出口端組合在一起。偏振器顯示的強度圖的對比漸弱且灰值曲線逐漸平緩。此圖像可觀察到相對弱的灰值，其不易優化。
進一步的試驗結果顯示，如第10圖的先前技術的裝置對於機構應力也很敏感。例如，透過與第10圖之光束組合器裝置所在之框架的機械連接，可以進一步減少對比損失，或甚至造成所顯示之2D場景反轉。
第12圖右下方以示意方式顯示光調制器的兩個相鄰像素的配置，相位值Φ1及Φ2被寫入這兩個像素。利用下式可以計算出巨像素的振幅(A)，也就是兩個像素的經過光束組合器組合的光線的振幅：
Figure 106133744-A0305-02-0026-3
穿過偏振器的強度(I)與這個振幅(A)的平方成正比：
Figure 106133744-A0305-02-0027-4
根據兩個像素的相位差調制作為全息函數(H)之振幅及強度基本上相當於雙光束干涉。
因此如果兩個像素的相位差存在誤差△Φ，則調制過的強度(I)與期望值會有差異。複值全息函數(H)的雙重相位如以下所示：
Figure 106133744-A0305-02-0027-5
 A(x,y)代表振幅及Φ(x,y)代表相位。在巨像素內的一組相位值如以下所示：
Figure 106133744-A0305-02-0027-8
 這些方程式摘自公開文獻Hsueh,C.K.& Sawchuk,A.A.；Appl.Opt.,1978，第3874-3883頁。
以下是雙光束干涉的一個已知的方程式：
Figure 106133744-A0305-02-0027-7
其中假設A1=A2=0.5(標準化)。
第5圖顯示振幅與強度與△Φ的關係圖。
第6圖右邊顯示調節對比，其包含調節對比(CM)及強度誤差(△l)。
Figure 106133744-A0305-02-0027-6
△I=I nominal -I actual
如果能夠調整到期望的相位值，則Imax=1及Imin=0。但如果相位調制存在誤差，則Imax會變小，Imin會變大，因而使對比變小。
第13圖以圖示方式顯示相位誤差對2D圖像之強度調制的影響。
左上方顯示的是無誤差的圖像，其中像點的像素組調制期望的相位Φ1及Φ2。
其結果是要在相位差Φ1-Φ2增加一個誤差△Φ，並顯示對強度圖的影響。
誤差△Φ=π/8使調節對比CM從1降低到0.924。
增加的誤差△Φ首先會導致對比變小，如果誤差繼續變大，則會導致顯示的圖像反轉。
因此可以確定，調節對比CM大於0.924且最大可容忍相位誤差△Φ<=π/8(0.3927弳度(rad))。在這個誤差時，所顯示的圖像已有可看得到的改變。但是這些改變在主觀上仍屬於可容忍的改變。如前面所述，這個可容忍的相位誤差是一個主觀的判斷標準。當然也可以另外定一個可容忍的誤差。
第14圖顯示尋常光束(o波)及非尋常光束(e波)在一單軸雙折射媒質(折射率為no及ne)內的傳播，其中該雙折射媒質的兩邊被相同的各向同性媒質環繞住，同時這種各向同性媒質的折射率為n。
如果入射光是以傾斜角度照射在雙折射媒質的交界面，則要將各向同性媒質及單軸雙折射媒質之間的光傳播考慮進去。
從雙折射媒質射出的光束(尋常光束及非尋常光束)是以彼此平行但是彼此錯開的方式傳播。
光程長度(OPL)僅穿過波片。利用以下的方程式可以計算出在點O(進入雙折射媒質的點)及點P’及P”(兩個光束離開雙折射媒質的點)之間尋常光束的光程OPL0及非尋常光束的光程OPLe：
Figure 106133744-A0305-02-0029-11
及
Figure 106133744-A0305-02-0029-10
這些方程式摘自公開文獻Veirae et al.,Appl.Opt.2010，第2769-2777頁。如第14圖所示，輸入光束及輸出光束彼此平行(光學軸位於入射面)。
其中α代表入射光束的相對於法線的入射角，也就是入射光束在各向同性媒質內照射在雙折射媒質上的角度。L代表雙折射媒質的厚度。θ代表雙折射媒質的光學軸相對於其表面的角度。δ代表入射面及光學軸在交界面上的投影之間的角度。
第15圖顯示尋常光束及非尋常光束在雙折射媒質內光程的變化情況的計算結果，其中光線不是垂直射入雙折射媒質，而是傾斜一很小的角度α(在0至0.5°之間)射入雙折射媒質。
這個計算是針對作為如申請專利範圍第3項或第4項之光束組合器或光束分束器的方解石波片進行的。
在這個例子中，當光學軸位於入射面(δ=0)，周圍媒質是空氣(n=1)。方解石波片的no=1.663145，ne=1.488541。方解石波片的厚度大約是756微米。光學軸及交界面之間的角度大約是48.2°。光線的波長為532。垂直入射角α等於0°。
如計算結果所示，尋常光束的光程OPLo會隨α變大而變大，非尋常光束的光程OPLe會隨α變大而變小。
當角度α從0°變成0.5°，尋常光束及非尋常光束的光程差OPD=OPL0-OPLe的改變量為48nm。這相對於532nm大約是0.09λ。這相當於相位差0.18π。
由於0.5°的角度變化已經大於π/8，因此光程在雙折射層內的改變已經會對強度圖造成影響，但另一方面而言，這個角度變化仍算相當的小，也就是說這個角度變化無法用來解釋試驗結果顯示裝置對很小的調整變化出現的很大的敏感性，因此該影響可忽略。
第16圖顯示另一種考量，也就是將總相位偏移，即在單軸雙折射媒質及周圍各向同性媒質內的總光程差考慮進去。對比反轉發生於相位偏移為π或OPD為λ/2。
第14圖並不是計算O及P’或P”之間的光程，而是計算O及Q’或Q”之間的光程。
計算尋常光束及非尋常光束之間的總相位差隨入射角α變化的公式如下：
Figure 106133744-A0305-02-0031-13
其中α代表入射光束相對於法線的入射角，也就是入射光束在各向同性媒質內照射在雙折射媒質上的角度。L代表雙折射媒質的厚度。θ代表雙折射媒質的光學軸相對於其表面的角度。δ代表入射面及光學軸在交界面上的投影之間的角度。no及ne代表雙折射材料的折射率，n代表周圍各向同性材料的折射率。λv代表光線的波長。其中光學參數包含折射率no=1.663和ne=1.489，以及標稱厚度L=755.8μm。
第17圖顯示絕對相位差(o光束及e光束之間)△Φ隨入射角α及角度δ變化的計算，其中方解石波片的厚度約756微米。在這個例子中，周圍媒質是空氣(n=1)。方解石波片具有折射率no=1.663145及ne=1.488541。光學軸及交界面之間的角度大約是48.2°。計算是對於光的波長為532nm而進行。
在標準狀態下，也就是α=0°(垂直入射)及δ=0°，尋常光束及非尋常光束之間的相位差△Φ=757.7弧度(rad)，如第17圖黑色圓圈所示。
例如，當α從0°變為0.5°，δ仍保持為0°，相位差△Φ變大為766弧度(rad)。
如果δ也改變，這也會對△Φ造成影響，而且是α愈大，δ改變造成的影響愈大。
第18圖顯示△Φ的改變(圓的弧度為2π)。α=0°(垂直入射)及δ=0°。在α改變但δ保持0°的情況下，比較α=0.181°及α=0°的情況發現， △Φ的改變量為π。△Φ的改變具有很大的影響。其具關鍵性且不能忽視。單軸波片之外的光程具有關鍵性。
第19圖顯示相對相位差的分析，特別是以“黑盒子模式”分析與角度改變有關的△Φ改變造成的影響。
將光束組合器(或在這種情況下是以反方向穿過，因此是光束分束器)視為“黑盒子”，而且只考慮在周圍媒質內的相位偏移。
在標準狀態下(也就是垂直入射)校準光束組合器，其中為兩個相位像素中的一個相位像素加上一個相位調制彌補，使兩個像素都是「平面內」像素(其中以振幅A=1校準)。經過這樣校準的光束組合器將可提供期望的振幅調制。入射角α、OPD和像素間隙Px的關係如以下方程式所示：
Figure 106133744-A0305-02-0032-15
相位偏移為π或OPD為λ/2時發生相位反轉。因此，入射角α可以下方式計算；
Figure 106133744-A0305-02-0032-16
相位差△Φ改變π，以使入射角α改變0.181°就會發生對比反轉。這些計算是在光的波長為532nm和光調制器的像素間隙(Px)為84微米的情況下進行的，此時方解石波片所需的厚度為756微米。
具有光調制器及光束組合器的裝置經過一次校準後，光源相對於雙折射層發生一次翻轉，就會造成對比反轉。也就是說這個裝置對入射光翻轉的容許誤差很小。
第20圖顯示可容忍的角度改變△Φ與光調制器之像素間隙的關係。
出發點是可容忍的最大角度改變△Φmax為π/8(0.3927rad)。由此可得出可容忍的光程差
Figure 106133744-A0305-02-0033-18
以波長=532計算的結果：
Figure 106133744-A0305-02-0033-17
像素間隙=84微米，可容忍的△α大約是0.02°。如果像素間隙變小，可容忍的△α會變大，例如像素間隙=20微米，可容忍的△α大約是0.1°。
在這個角度範圍，照明波前必須相對於雙折射層保持穩定，以避免發生振幅調制發生不期望的改變。
第21圖顯示一種屬於先前技術的用於組合光束的設備。此為一種試驗用演示器之BC-SLM內的情況。在這個情況中，入射光束的可容忍角度|△α|
Figure 106133744-A0305-02-0033-73
0.022°，其等於1.36弧分(arc min)。
以下描述了避免或克服這些問題的方法。第一個方法，須考慮整個顯示器三明治結構的熱穩定及力學穩定，並監控及主動控制會造成錯誤的狀態，也就是說，對於照明波前的微調始可解決該問題。然而，該解決方法的實施很難且費用很高。第二個方法，透過自動補償原理達到堅固且可容忍錯誤的光學設計。以此解決方案成功的希望很大。
最後要指出的是，以上說明的實施例只是用於描述主張專利權的學理，但是這些實施例並未對本發明的範圍構成任何限制。熟習該項技術者可以根據本文件揭示的學理將以上所有實施例及/或各項特徵彼此組合在一起。
以下將從另一個觀點描述光調制器，這個光調制器是配置在一個反射裝置內。這個觀點一方面可以脫離前面描述的觀點加以施行，另一方面也可以與前面描述的觀點結合，特別是與光束組合器結合，及/或與對光線在第10-20圖之光束組合器上的入射角改變的敏感性結合。
以下的圖式首先描述在一反射式空間光調制器(SLM)內的液晶調制配置，例如一種LCoS。這些圖式將描述反射式空間光調制器(SLM)的3個配置方式：
(a)：對一具有液晶模式之“平面內”調制的光調制器進行相位調制的裝置。
(b)：對一具有液晶模式之最大旋轉角為180°的“平面內”調制的光調制器進行相位調制的裝置。
(c)：對一具有液晶模式之“平面外”調制的光調制器進行相位調制的裝置。
第22圖顯示先前技術的一種基本配置方式(c)，其具有一以“平面外”液晶模式(在本例中是ECB模式)運作之液晶進行相位調制為基礎的光調制器SLM。該基本配置無光束組合器。線性偏振的光線穿過一個液晶層，然後在一個反射鏡上被反射，接著再從反方向穿過光調制器SLM的液晶層。輸入偏振必須平行於LC的摩擦方向。偏振方向與摩擦方向垂 直，且相位調制為0。換句話說，輸出偏振始終平行於輸入偏振。在關閉狀態下，液晶層的厚度為d，雙折射為△n，二者乘積相當於一個半波層(λ/2層)。這相當於d*△n=λ/2，同時雙重穿過的結果是2*d*△n=λ。
如果液晶分子的方向與入射偏振方向平行，則光線的偏振在兩次穿過液晶層時不會被轉動。但是液晶層通電後，光程會改變，其中反射△n會變小。光程的改變被用於光線的相位調制。
第23圖以示意方式顯示這種屬於先前技術LCoS的裝置的配置方式。LCoS具有一個背板BP及一個像素矩陣。像素電極本身通常是反射式的，因此反射鏡及電極是組合在同一個層進行控制。此外，LCoS還具有一個包括氧化銦錫ITO透明電極E的玻璃基板DG。LCoS還具有為液晶分子定向的定向層，例如由聚酰亞胺PI構成的定向層，或是由無機材料(例如二氧化矽)構成的定向層。在此配置方式中，兩個PI層的PI摩擦方向均等於0°。
將相位調制LCoS應用於全息顯示的缺點是特定液晶模式的開關時間太長，例如ECB模式，尤其是被動斷路時間。
一種改善開關的可能方法是主動進行兩個開關操作過程，也就是以平面外電場接通，以及以平面內電場斷路。
第24圖及第25圖顯示如何改良LCoS的電極，以便能夠利用平面內電場執行主動斷路。
第24圖顯示如以結構化電極LE取代玻璃基板DG上的平面ITO電場E。具有結構化ITO電極的ECB模式LCoS使用於快速斷路(toff)應答時間平面內電場。然而，此非為較佳的設置。
第25圖顯示隨了玻璃基板DG外，另外設置一個平面電極tE，以及在該平面電極設置一個絕緣層I，以及在該絕緣層上設置一個線性電極LE。以相同的電壓控制線性電極及平面ITO電極E(其為連續電極)，以接通平面外電場，但是這個電壓不同於接通到像素電極的電壓。為了執行主動斷路，以不同的電壓控制線性電極及平面ITO電極(其為條帶狀電極)，因而形成包含平面內部分的電場分佈。此設置相較第24圖中的方式更佳。
第26圖及第27圖顯示在平面內液晶模式下如何應用電極及反射鏡，例如被平面內電場控制的平面內交換(IPS)或HAN。這些液晶模式通常僅用於透射式顯示器，不用於反射式LCoS。在IPS或HAN中，電極面積小於像素面積，且電極不等於反射鏡。該等液晶模式需要額外的反射層，例如：介電反射鏡或WGP。
由於液晶在平面內電場的調制是在兩個電極之間進行，因此不能應用在LCoS內常見的在單一層內電極與反射鏡的組合。在電極之間設置金屬反射鏡層會導致不希望發生的短路。
因此第26圖提出的建議是在電極E上方設置介電反射鏡DE。為了在全息顯示器內以雷射操作，可以將介電反射鏡DE優化成在所使用的雷射波長會產生很大的反射。
但是相較於不含介電反射鏡DE之配置方式，在接通和電極E相同的電壓的情況下，位於電極E及液晶層之間的層堆會導致光調制器SLM之液晶層內的電場強度變小。推測是電極E及LC之間的介電反射鏡DE會影響邊緣場(平滑化)。因此，較佳的是將介電反射鏡DE設置在電極下方。
因此第27圖顯示的裝置具有比較厚的電極E及一個位於電極E之間的介電反射鏡DE，但是在電極E上方則沒有設置介電反射鏡DE。這樣可以在介電反射鏡DE上產生所期望的反射及在液晶層內達到所期望的平面內電場。
第28圖以示意方式顯示一個採用先前技術之液晶模式，其為一種基本配置方式(a)，進行平面內調制的相位調制裝置。該配置中無光束組合器。該配置中具有第一和第二sQWP，該sQWP在反射鏡上是必須的。否則，第一和第二通路的整個相位調制是0。每一個QWP都可以是+45或-45°。不管0°或90°光輸入，當輸出偏振為任一情況下(即使QWP是結構化的)，輸出偏振都會跟輸入偏振一樣。具有線性偏振的入射光先穿過一個非結構化的1/4波層nsQWP，其中該非結構化的1/4波層nsQWP的光學軸相對於入射偏振方向的角度為45°。接著光線穿過液晶層，其中該液晶層的光學厚度相當於一個半波層的厚度，然後再穿過另一個非結構化的1/4波層nsQWP，其中這個非結構化的1/4波層nsQWP的光學軸平行於第一個nsQWP。例如，這兩個非結構化的1/4波層nsQWPs可以是消色差1/4波層QWP。接著光線在一個反射鏡上被反射，並在返程以相反順序穿過各個層。穿過各個層射出的線性偏振光與入射光具有相同的偏振方向。透過對液晶層的控制，使液晶的光學軸產生平面內旋轉。這個旋轉導致一個在去程及返程都相當於這個旋轉角度兩倍的相位調制。在這個配置方式中，相位調制總計相當於這個旋轉角度的4倍。因此平面內一個+/-45°(+/-π/4)的旋轉即足以達到+/-π的相位調制。
第29圖顯示一種以平面內液晶模式(a)為基礎實現相位調制的方式，其中該平面內液晶模式如同在一具有如第27圖之電極E及介電反射鏡DE的LCoS的第28圖的裝置。QWP位於電極之上且會再次影響邊緣場(平滑化)。QWP僅設置於電極之間。
第30圖以示意方式顯示一個採用先前技術之液晶模式，其為一種基本配置方式(b)(僅HAN，而非IPS)，進行平面內調制的相位調制裝置，此種裝置不同於第28圖的裝置。該配置中無光束組合器。具有線性偏振的入射光先穿過一個1/4波層QWP，其中該1/4波層QWP的光學軸相對於入射偏振方向的角度為45°。輸出偏振始終平行於輸入偏振。接著光線穿過液晶層，其中該液晶層的光學厚度相當於一個1/4波層QWP的厚度。接著光線在一個反射鏡上被反射，並從反方向穿過兩個層。透過對液晶層的控制，使液晶的光學軸產生平面內旋轉。這個旋轉導致一個相位調制。在這個情況下，相位調制總計(去程及返程合計)相當於這個旋轉角度的兩倍。
因此液晶的光學軸需要旋轉+/-90°(+/-π/2)，才能達到+/-π的相位調制。此配置的優點在於在後方不需要QWP，而此配置的缺點在於驅動電壓範圍可能會比較高。
第31圖顯示一種以平面內液晶模式(b)為基礎實現相位調制的方式，其中該平面內液晶模式如同在一具有如第27圖之電極E及介電反射鏡DE的LCoS的第30圖的裝置。這種配置在LCoS中的優點是，在液晶層及LCoS的背面之間不需要設置額外1/4波片。對旋轉角度的要求可以控制在+/-90°的範圍。光學上，僅平面內相位配置為較佳的。
到目前為止描述的平面內及平面外模式相位調制LCoS的配置都具有的一個特性是不會改變入射偏振，而是具有相同線性偏振的光線從LCoS回到原處，好像LCoS也具有入射光一樣。
組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置，特別是如申請專利範圍第1項或第2項具有光束分束或光束組合之雙折射層或其他偏振敏感元件的裝置，都需要將兩個相鄰像素的具有不同偏振的光線組合在一起。另一方面液晶層本身經常也需要一個特定的入射偏振，以便按照希望的方式調制相位。
下方描述相位調制光調制器與申請專利範圍第1項或第2項之用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置結合的問題。關於基本配置(a)、(b)及(c)，輸出偏振始終平行於輸入偏振。然而，光束組合器需要像素組，其中像素2具有垂直於像素1的輸出偏振。
以下的圖式顯示不同的配置方式，採用這些配置方式的目的是要在相鄰像素內達到所期望的不同的反射光的偏振。這些配置方式適於被整合到如申請專利範圍第1項至第17項中任一項的用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置，及/或適於被整合到具有如申請專利範圍第1項至第17項中至少任一項的用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置的2D及/或3D圖像及/或動態場景的設備。
第32圖以示意方式顯示的裝置是為平面內調制液晶模式產生一個用於相鄰像素的不同的偏振，其為選項(1)。這種裝置的出口端具有一個結構化偏振器sP，因此不同像素的入射光只能以水平或垂直偏振射入調制器。例如，可以用45°線性偏振光照亮調制器，也就是說這個偏振光含 有垂直分量及水平分量。結構化偏振器sP讓入射光的適當的偏振部分通過。接著一個具有45°之快速軸的非結構化的1/4波層nsQWP將入射光轉換成循環偏振光，但是循環偏振的方向對相鄰像素是不一樣的。因此會為相鄰像素形成交替出現的右循環及左循環偏振光。
然後光線穿過光調制器SLM的一個液晶層(其光學厚度相當於一個1/4波片的厚度)，接著在反光鏡上被反射並返回穿過前面提及的元件。液晶分子發生平面內旋轉，產生一個與雙倍旋轉角度成比例的相位調制，但是左循環光線跟右循環光線之相位調制的符號是不同的。根據本發明，在相位值被寫入光調制器時就已經將這一點考慮進去，例如，透過接通一適當的電壓，為要寫入的相同相位值在偶數像素欄產生液晶分子的一個正的旋轉角，以及在奇數像素欄產生液晶分子的一個負旋轉角。選項(1)的優點是，在背板(BP)側沒有結構化元件，而選項(1)的缺點是，QWP和sP是在設置內。它類似於選項(1d)的平面內，在該處厚層必須被結構化。
特別是對小尺寸像素而言，應盡量減低在結構化偏振器及液晶層之間的光線傳播的繞射效應的影響。因此一種有利的作法是縮小結構化偏振器及液晶層之間的距離。
因此一種非常有利的方式是將1/4波片及結構化偏振器“嵌入”，也就是將1/4波片及結構化偏振器設置在玻璃基板(未在第32圖中繪出)的內側靠近液晶層的位置。
這種在外側具有一個結構化偏振器的裝置適用於平面內調制液晶，因為右循環偏振光及左循環偏振光都會進行相位調制。
相較之下，平面外調制液晶對於線性偏振的相位調制僅在一特定的偏振方向，例如在ECB模式下，平行於斷路狀態的液晶分子定向(也就是說，例如透過PI層的機械摩擦，平行於液晶定向的摩擦方向)。
因此具有結構化偏振器的平面外調制液晶的裝置可能導致僅對每一組像素中的第二像素進行相位調制，至於其他像素則不受對像素的控制，相位始終保持不變。以下描述的就是這個關係。輸入端的結構化偏振器的最簡單形式僅適用於基本配置(a)及(b)，但不適用於基本配置(c)。對於配置(c)，僅具有偏振0度的像素有相位調制，而具有偏振90度的像素沒有相位調制。然而，仍有其他選項用於配置(c)，其中包含選項(1b)。
第33圖顯示這個問題的一個解決方案。圖中顯示的裝置為具有如所示的結構化表面配向以及結構化偏震器的平面外調制LC選項(1b)，以及如第32圖所示的結構化偏振器sP。不同的線性偏振光穿過光調制器SLM之液晶層的像素，其中液晶層的光學厚度較佳是相當於一個λ/2層的厚度。此外，液晶層還具有液晶分子的像素式結構化配向。液晶分子的配向平行於結構化偏振器Sp在每一個像素前的穿過方向。例如，在製造光調制器時，可以使用適當的掩模透過光配向實現這樣的配向。由於液晶分子適當的配向，在進行平面外液晶分子調制時，每一個像素內都會進行相位調制。但是這種需要液晶的結構化配向的裝置是很昂貴的。此外，選項(1b)的缺點是該配置需要光配向(對LCoS而言不是標準技術)且邊緣場可能會因為結構化配向而變大。對比地，選項(1b)的優點是BP上不需要特殊材料。
因此根據第34圖提出另一種解決方案，也就是使用具有結構化偏振器sP的平面外調制液晶選項(1c)。在結構化偏振器sP及光調制器SLM的液晶層之間設有一個結構化半波層sHWP。結構化半波層sHWP為每一個第二像素將偏振旋轉90°。這樣做的作用是，對所有像素而言，在穿過結構化偏振器sP及到達結構化半波層sHWP之前先被不同偏振的光線在穿過結構化半波層sHWP後並射入液晶層時被相同的偏振。在斷路狀態下，所選擇之液晶分子的方向(例如摩擦方向)平行於射入之偏振方向。因此對所有像素的液晶層平面外調制都可以調整相位調制。穿過液晶層後，在從結構化半波層sHWP出發的返程上，偏振再度變成被結構化偏振器sP。這樣就能夠以相鄰像素從光調制器SLM發出的光線的期望的不同偏振進行相位調制。該配置具有標準反射式晶胞間隙。選項(1c)的優點是在BP上沒有額外的元件，而缺點是有至少兩個結構化層的三明治。
第35圖的另一種配置(d)，其為選項(1d)顯示以平面外調制液晶及相鄰像素從光調制器SLM發出的光線的不同偏振進行相位調制的另一種可能性。
這種配置既不需要結構化液晶層，也不需要結構化偏振器。該配置類似選項(1c)，但是沒有結構化偏振器。線性偏振光以45°角照射在結構化半波層sHWP上，該結構化半波層sHWP具有交替出現的各向同性(非雙折射材料)層及(雙折射)λ/2層，及45°角度配向的光學軸。在去程上，光線以45°角(沒有旋轉)穿過結構化半波層sHWP，因為光學軸在45°時平行於入射光的偏振方向，以及因為各向同性材料不會改變光學軸。接著光線射到一個穿過方向為0°的偏振器P。大約50%的光線被偏振器P吸收，另 外50%的光線以一致的偏振到達光調制器SLM的液晶層，其中在液晶層內可以調整相位偏振。在返程上，光線以未受改變的偏振再度穿過偏振器P。結構化半波層sHWP只有在光學軸的方向為45的段落將偏振旋轉90°。在含有各向同性材料的結構化半波層sHWP之間的段落，偏振不會被旋轉。這樣就可以如希望的使裝置發出的光線具有對相鄰像素不同的偏振。最好是在光線穿過裝置的最後一層才產生這個不同的偏振。和前面提及的實施方式相反的是，這種實施方式只需要一個結構化層，也就是結構化半波層sHWP。
這種配置的缺點是偏振器P位於光調制器SLM的液晶層及結構化半波層sHWP之間。因此為了降低光線在液晶層及結構化半波層sHWP之間傳播時出現不利的繞射效應，偏振器P的厚度必須很小。一般厚度大於100微米的薄膜偏振器可能無法應用於小尺寸的像素。因此需考慮使用厚度範圍在5至10微米的特殊薄層偏振器。
第36圖顯示第35圖之配置的細部視圖。有些地方(例如像素間距)及光調制器SLM的液晶層、ITO、PI、結構化半波層sHWP及偏振器P的相對厚度是以大致的比例繪製，並非完全精確。DG比其他層厚很多。
反射式光調制器(由左向右)具有一個控制用的背板BP，(左邊)上方設有反射電極E，必要時在像素之間的空間設有一個“黑色掩模”BN，再上面是一個使光調制器SLM的液晶定向的PI層(例如聚酰亞胺)，接著是一個光學厚度至少相當於一個λ/2層的液晶層(其光學厚度亦可大於λ/2層)，接著是一個第二定向層PI，該第二定向層PI的後面是一個透明的電 極配置LE，例如IOT。在這個例子中，電極配置LE是一種如同第25圖描述的FFS型電極LE，也就是線性電極，其後連接一個絕緣層I及一個平面電極tE。電極tE接在一個厚度至少數微米的偏振層P(薄層偏振器)及一個結構化半波層sHWP之後，其中該結構化半波層sHWP對準像素(雙折射，光學軸以45°的角度相對於偏振器的穿過方向，與非雙折射絕緣段落交替出現，如第35圖的描述)。第二定向層PI、電極LE及tE、偏振器P，以及結構化半波層sHWP均位於玻璃基板DG(在圖式中不是按比例尺繪製)的內側。
製造時通常是先形成玻璃基板DG上的各個層，然後將玻璃基板DG朝背板面BP定向，最後再裝入液晶層。在此配置中，僅在玻璃側具有額外的層，BP處理過程未改變，以及需要調整DG與像素位置。值得注意的是，HAN在玻璃側上也具有類似的配置，如第37圖中所示。
根據一種特殊的實施方式，玻璃基板DG可用於讓兩個像素的光線疊加，以及作為雙折射薩瓦特波片。例如，玻璃基板可以是由光學軸具有適當配向的石英玻璃製成。根據另一種實施方式，玻璃基板DG是一種市面上常見的顯示玻璃，同時在光程上，光調制器之後設有一個外接薩瓦特波片。
第37圖顯示一個類似於第36圖的裝置，不同的地方是第V36圖的裝置是具有一個液晶層的平面內調制光調制器SLM。此為HAN型式，其為平面內基本配置(b)。由右至左依序是玻璃基板DG、結構化半波層sHWP及偏振器P。但是偏振器P的左邊還有一個1/4波層QWP，因為SLM的平面內相位調制需要循環偏振光。在這個例子中，液晶層右邊無需為液 晶在平面內電場進行平面內調制的液晶模式設置電極。第V36圖顯示兩面都具有定向層PI的液晶層。在這種情況下，液晶層的光學厚度相當於一個1/4波層的厚度。
如第27圖及其內文所述，可以將設置在電場E之間的具有介電反射鏡DE的線性電極LE應用於具有平面內電場的液晶模式。這些電極顯示於圖式的左邊。
但是也有些液晶模式在一鄰近平面外電場具有液晶分子的平面內旋轉。例如具有近晶液晶分子液晶模式，或具有膽固醇液晶的均勻橫向螺旋模式(ULH)。由波片及偏振器構成的相同裝置(如第37圖所示)亦可應用於這些液晶模式，但是在背板側及玻璃基板上應設置平面電極。例如電極配置與第36圖的情況相同。
第38圖顯示用於在液晶層內進行平面外調制的另一種裝置，其為選項(2)。在這種裝置的背面，光調制器SLM的液晶層及反射鏡之間設有一個結構化1/4波層sQWP，其在光學軸排列的另一個光學厚度相當於之前各圖式中的半波片的光學厚度(具有45°光學軸的(雙折射)1/4波層與(非雙折射)各向同性層Iso交換)。
線性偏振光(0°)照射在光調制器SLM上，並在去程上以這個偏振穿過液晶層。然後透過結構化1/4波層sQWP為每一個第二像素將偏振旋轉90°。由於ECB模式的平面外調制液晶僅用於一個線性偏振方向的相位調制，因此只有在第一次穿過液晶層時，才會為每一個第二像素(在結構化1/4波層sQWP的45°結構化1/4波層sQWP的位置)產生一個光線的 相位調制。因此液晶層具有一較大的光學厚度，此光學厚度至少相當於一個全波片FWP的厚度，以便為所有像素達到一相當於2π的相位調制。
第39圖顯示相同配置的一個較細部的視圖。從圖式中可看出，從左到右依序是背板BP、反射像素電極E、位於像素之間的黑色掩模BM、結構化1/4波層sQWP、一個定向層PI(例如聚酰亞胺)、光調制器SLM的液晶層、第二定向層PI、一個ITO平面電極tE、以及玻璃基板DG。在這種情況下，由於結構化1/4波層sQWP的背面與像素電極E位於相同的基板上，而且玻璃基板DG沒有結構化元件，因此在放上玻璃基板DG時，無需調整相對於背板BP的位置。僅在背板BP側有額外的層。這個裝置的缺點是厚度較大的液晶層的反應速度通常比較慢。有機材料在晶圓處理過程可能是一個問題。值得注意的是，此配置僅在平面外模式工作。
第40圖顯示另一種可能的裝置，此為選項(2b)：在裝置背面，光調制器SLM的液晶層及反射鏡之間設有一個非結構化1/4波層nsQWP。LC層仍是全波片FWP。此時從光調制器SLM的液晶層看過去，結構化1/4波層sQWP位於另外一側。但是這種裝置的造價比第39圖描述的裝置更高。
以下的圖式顯示另一種裝置，其背面在液晶層及反射鏡之間設有一個偏振器。
以下首先要描述的是平面內液晶模式。
第41圖顯示的裝置，其為選項(3)，具有兩個1/4波層nsQWP及sQWP，其中一個是非結構化波片，另一個是結構化波片。線性偏振光被第一個非結構化1/4波層nsQWP轉換為循環偏振光。這個循環偏振光被 +45°及-45°光學軸交替的第二個結構化1/4波層sQWP再度轉換為0°及90°偏振方向交替的線性偏振光。例如，在透射式裝置中，可以在兩個結構化1/4波層nsQWP及sQWP之間設置一個相位調制用的液晶層。
因此時僅需一次穿過兩個1/4波層就可以達到使每一個第二像素獲得不同線性偏振的目標。
但是對反射式裝置(基本配置(a))而言，第二次穿過兩個1/4波層nsQWPs，偏振旋轉會回復原狀，因而為所有像素形成相同的偏振。
以下描述的裝置的考量是，在第一次穿過及第二次穿過1/4波層之間，也就是接近反射鏡側，設置一個偏振器，其作用是降低1/4波片在一次穿過的效應，但是保持1/4波片在另一次穿過的效應。
第42圖顯示一個這樣的裝置，此為選項(3a)。第V41圖也顯示一個將光調制器SLM照亮的前燈照明裝置FL(相當於WO 2010/149583 A1的照明裝置)。但是前燈照明裝置FL並非這種實施方式不可或缺的組成部分。例如，也可以經由偏振光束分束立方體進行照明，並在光束分束立方體及裝置之間可以選擇性的設置另一個將偏振旋轉45°的半波片。
具有45°線性偏振的光線照射在光學軸+45°及-45°交替配向的結構化1/4波層sQWP上。由於可以選擇使結構化1/4波層sQWP的定向與入射光的偏振方向垂直或水平，因此其偏振狀態保持在線性及45°。
線性偏振光穿過光調制器SLM的液晶層，然後照射在一個1/4波層QWP(光學軸的定向同樣是45°)，接著傳播到一個反射偏振器rP(或傳播到一個由透射偏振器tP及反射鏡構成的組件)。此偏振器設置於背面僅用於平面內基本配置(a)，而非平面內基本配置(b)。
僅線性偏振光在0度從偏振器rP返回並以相反的順序通過前述各層，即通過1/4波層QWP被循環偏振，而、通過LC層、，接著通過結構化的1/4波層sQWP而對於相鄰像素在0度或90度交替被線性偏振。
另一種可能的方式是交換裝置中的結構化及非結構化1/4波層sQWP、nsQWP，也就是將結構化1/4波層sQWP設置在液晶層及反射偏振器rP之間。
但是這種背面設有反射偏振器rP的實施方式的缺點是偏振器會造成入射光損失50%。
第43圖顯示同一個裝置的細部構造。從圖中可以看出，從右邊到左邊依序是一個玻璃基板DG、一個位於玻璃基板DG內側的ITO電極、結構化1/4波層sQWP、一個使液晶定向的PI層(聚酰亞胺)、光調制器SLM的一個液晶層、另一個使液晶定向的PI層(聚酰亞胺，其光學厚度相當於一個半波片)，以及另一個1/4波層QWP。
用於產生平面內電場的像素電極E設置在背板側的像素之間，且其間設有反射偏振器(在本例中是一個線柵偏振器WGP)。由於線柵偏振器含有金屬(具有導電性)，因此在線柵偏振器上方及線柵偏振器WGP及電極E之間均設有絕緣層。(額外toff電極在玻璃基板前面未在圖中顯示。)
由於線柵偏振器WGP反射線性偏振方向，但是會讓與其垂直的偏振方向穿過，在這個例子中，在背板側線柵偏振器WGP的後方設有一個黑色掩模BM，其作用是吸收穿過的光線。
第44圖顯示一種比第42圖及第43圖更有利的裝置。在種裝置中，兩個1/4波層QWP都是未結構化的。但是設置在背板上的反射偏振 器是像素狀結構化，其稱為結構化反射偏振器srP。該設置亦可以配備一個結構化偏振器sP及一個非結構化1/4波層nsQWP。
也可以用半導體製程製造出位於背板上的結構化金屬線柵偏振器WGP。由於只有在背板上的結構化元件，因此在製造SLM時無使玻璃基板的位置對準背板。
入射光在射向結構化反射偏振器srP的去程上僅穿過非結構化層。接著在偏振器srP上，線性偏振光在相鄰像素內交替以0°及90°被反射。光線穿過一個1/4波層QWP，因而被循環偏振，然後穿過光調制器SLM的液晶層及另一個1/4波層QWP，因此在相鄰像素內再度交替以0°及90°被線性偏振從裝置射出。
第45圖顯示同一個裝置的細部構造。從圖中可以看出，從右邊到左邊依序是一個玻璃基板DG、一個位於玻璃基板內側的ITO電極E、第一1/4波層QWP、一個使液晶定向的PI層(聚酰亞胺)、光調制器SLM的一個液晶層(其光學厚度相當於一個半波片)、另一個使液晶定向的PI層(聚酰亞胺)以及另一個1/4波層QWP。用於產生平面內電場的像素電極E設置在背板側的像素之間，且其間設有反射偏振器(在本例中是一個線柵偏振器WGP)。線柵偏振器WGP是結構化的，例如透過「線」的不同定向達到結構化，也就是透過金屬線的配向達到結構化，例如圖面下方的像素平行於圖面，圖面上方的像素垂直於圖面。透過線柵偏振器WGP的結構化，對每一個第二像素(第45圖上方的像素)，光線以0°線性偏振的方式被反射，對其他的像素(第45圖下方的像素)，光線以90°線性偏振的方式被反射。如已在前面的裝置中所述，在線柵偏振器WGP上方及線柵偏振 器WGP及電極E之間設有絕緣層I。同樣的，背板側線柵偏振器WGP後方設有一個黑色掩模BM。
第46圖顯示將背面偏振器rP應用於平面外調制的液晶模式，其為選項(3b)。此基本設置(c)具有背面偏振器。這實施方式也是使用前燈照明裝置FL。前燈照明裝置FL發出的0°線性偏振光照射到一個結構化1/4波層sQWP，使相鄰像素的光線交替被右循環偏振及左循環偏振，然後光線傳播到光調制器SLM的液晶層及偏振器rP。只有入射循環偏振光的線性偏振部分被偏振器rP反射，因此有50%的光線損失。接著線性偏振光穿過液晶層，然後再度穿過結構化1/4波層sQWP，使相鄰像素的光線交替被右循環偏振及左循環偏振，接著再穿過前燈照明裝置FL，然後穿過另一個非結構化1/4波層nsQWP，之後使相鄰像素的光線交替被0°及90°線性偏振。此設置的缺點可能為偏振器不易製造。該偏振器受到液晶驅動電壓及邊緣場的影響。
第47圖顯示該裝置選項(3b)的細部構造。從圖中可以看出，從右邊到左邊依序是一個玻璃基板DG及位於玻璃基板內側的電極tE，LE。類似於第36圖，電極tE是由一個平面ITO層tE、一個絕緣層I、以及一個線性電極結LE所構成。平面電極tE的作用是產生平面外電場，可以利用線性電極LE透過平面內電場將光調制器SLM的液晶快速斷路。
電極tE及LE連接一個結構化1/4波層sQWP、一個使液晶定向的PI層(聚酰亞胺)、一個光學厚度相當於一個半波片的液晶層、以及另一個使液晶定向的PI層(聚酰亞胺)，背板側有一個反射偏振器rP。如果金 屬線柵偏振器，則對平面外液晶模式而言，偏振器及像素電極是一樣的。在像素內與“線“接觸是需要。
在反射偏振器rP下方有一個吸收光線用的黑色掩模BM。電極穿過黑色掩模BM與背板BP導電連接。
這種實施方式的光調制器SLM是應用於反射式光束組合器，其中光調制器SLM是以平面內調制或平面外調制為基礎，其缺點是液晶本身通常僅為一特定的偏振狀態(穿過液晶層)產生所需的相位調制。
要在兩次穿過液晶層及其他的光學層後獲得所期望的相位調制，同時又要獲得對相鄰像素彼此垂直射出的線性偏振，就如同要將用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置的兩個像素的光線組合在一起(例如使用薩瓦特波片的目的)，通常只能在損失光強度的條件下達到這個目的。
以上提出的許多實施方式具有一個吸收50%入射光的偏振器。這個損失不但會削弱光調制器的效能，也會提高光調制器的能源損耗。
第48圖顯示的是一種比較有利的裝置，其具有一個微機電系統(MEMS)光調制器，這種光調制器是以位移(也就是微反射鏡HS的機械調節)為基礎進行相位調制。利用位移反射鏡HS進行相位調制與入射偏振無關。如果在微機電系統(MEMS)反射鏡HS之前使用一個具有交替出現之45°1/4波層及各向同性層的結構化1/4波層sQWP，則在入射線性偏振光為0°的情況下，結構化1/4波層sQWP為相鄰MEMS反射鏡HS交替產生線性偏振光或循環偏振光。不同於一般使用的液晶模式，MEMS反射鏡HS可以能夠為循環及線性偏振入射光產生相同的相位調制。
被MEMS反射鏡HS反射的光線第二次穿過結構化1/4波層sQWP，因而使循環偏振光再度轉換成線性偏振光，但是其方向是入射方向旋轉90°。光線仍然是以0°線性偏振的方式穿過相鄰像素，也就是結構化1/4波層sQWP的各向同性層所屬的像素。本實施例不需要另外在SLM上設置偏振器，因此不會有光強度的損失。
第48圖的裝置具有一個將光線耦合的前燈照明裝置FL及一個玻璃基板DG，其中玻璃基板DG本身是雙折射的，其作用如同薩瓦特波片(光束分束器及/或光束組合器)。例如，可以將結構化1/4波層sQWP設置在玻璃基板DG內側。來自前燈FL的入射光以沒有偏移的方式穿過玻璃基板DG，然後穿過由1/4波層sQWP及MEMS反射鏡HS構成的裝置。在返程上，光線穿過玻璃基板DG(薩瓦特波片)，同時上方具有90°旋轉偏振的像素產生一個偏移，因而與下方像素疊加。
接著兩個像素的組合光線穿過前燈照明裝置FL，並以45°角照射在一個偏振器P上。這個偏振器P的作用是根據兩個像素的相對相位進行振幅調制，如同具有薩瓦特波片之光束組合器的作用。
具有微機電系統(MEMS)的實施方式並不限於應用玻璃基板DG(同時亦作為薩瓦特波片)，亦不限於應用前燈照明裝置FL。
相較於以液晶模式為基礎的SLM，具有MEMS的裝置的重要特徵是具有結構化1/4波層sQWP(交替的45°光學軸，各向同性)的SLM的構造較為簡單。
第48圖的裝置的應用範圍並不限於MEMS光調制器，而是也可以應用於所有其他類型的光調制器，當然前提是其可相位調制與入射光 的偏振無關。這包括特殊的液晶模式，例如具有平面外鄰接電場的藍相位模式。
DE 10 2009 044 910 A1的第21圖顯示光束組合裝置的一個例子，此種光束組合裝置不是由單一的光學雙折射單軸構件構成，而是由兩個光學雙折射單軸構件及位於這兩個構件之間的半波片所組成。
此處描述的反射式裝置也可以選擇性的配備一個這樣的光束組合裝置，也就是由複數個光學雙折射構件組成的光束組合裝置。
第49圖顯示的也是如第48圖具有一個MEMS光調制器及一個前燈照明裝置FL的裝置。這個光束組合器是由兩個雙折射單軸構件Sp1，Sp2及位於兩個單軸構件之間的一個半波層HWP45所組成，其中兩個單軸構件的光學軸(晶體軸)彼此旋轉180°，半波層HWP45的光學軸相對於入射光的偏振夾45°角。
半波片HWP45將入射光及出射光的偏振各旋轉90°，因此入射光及出射光是作為尋常光束穿過一個雙折射單軸構件Sp1，以及作為非尋常光束穿過另一個雙折射單軸構件Sp2。
反射式光調制器通常具有較小的像素，且像素間距小於10微米，因此即使使用的是非對稱的光束組合器，其翻轉容許誤差大於具有較大像素的透射式光調制器。如第49圖配備由複數個光學雙折射單軸構件Sp1，Sp2組成的光束組合器的裝置的一個優點是可以擴大翻轉容許誤差。
由複數個光學雙折射單軸構件Sp1，Sp2組成的光束組合器的應用並不限於具有MEMS光調制器的實施方式，而是也可應用於第V30圖至第V46圖的光調制裝置的實施方式。
以下將提出若干種光調制裝置的實施方式，這些實施方式都適於在空間中對反射光束導引的光線進行調制，而且相較於先前技術的光調制裝置，這些光調制裝置的開關時間更短，及/或這些光調制裝置具有如申請專利範圍第1項至第17項中任一項之用於組合與光調制裝置之相鄰像素相互作用之光束的裝置，特別是其對於光線照射在如第10-20圖之光束組合裝置上的入射角度的改變的敏感性變小。一種特別有利的作法是將這種光調制裝置整合到2D及/或3D圖像及/或動態場景的裝置中，特別是整合到如申請專利範圍第1項至第17項中至少任一項的裝置中。
1.用於反射光束導引的光調制裝置，具有一個空間光調制器，此空間光調制器具有複數個像素及一個用於對像素進行電控的背板，以及具有至少一個光束影響元件，其作用是對與光調制器之像素相互作用的光線產生像素式的影響，及/或具有至少一個電極裝置，其作用是在接通過程及/或斷路過程加快液晶的配向。
2.如第1種實施方式的光調制裝置，其中光調制器的像素含有液晶，由於控制定向變化的關係，這些液晶會改變與像素相互作用的光線的相位(光程)。
3.如第2種實施方式的光調制裝置，其中液晶的配置使其能夠透過控制定向變化實現「平面內」調制，特別是IPS模式、HAN模式、CIPR模式、或液晶在電場內的平面內旋轉遠多於平面外旋轉的近晶液晶模式、或是膽固醇相位模式，此種光學軸在電場中具有一平面內旋轉模式(均勻橫向螺旋模式，簡寫為ULH)。
4.如第2種實施方式的光調制裝置，其中液晶的配置使其能夠透過控制定向變化實現「平面外」調制，特別是ECB模式。
5.如第3種或第4種實施方式的光調制裝置，其中在背板及光調制器之間設有一個結構化電極裝置，其中電極於相鄰像素之間的區域，及/或每一個像素-特別是扁平的像素-都具有一個電極。
6.如第5種實施方式的光調制裝置，其中至少設有一個絕緣層，其作用是使結構化電極裝置與光調制裝置的其他導電元件絕緣。
7.如第2種至第6種實施方式中的任一種光調制裝置，其中在背板背對光調制器的那一個面上設有一個電極裝置及/或結構化電極裝置。
8.如第4種實施方式的光調制裝置，其中光束影響元件具有至少一個設置在背板及光調制器之間的結構化偏振影響裝置，且其構造及配置方式使其能夠對相鄰像素的光線造成不同的偏振影響。
9.如第4種或第8種實施方式的光調制裝置，其中光束影響元件具有至少一個結構化偏振影響裝置，其中該至少一個結構化偏振影響裝置是設置在背板背對光調制器的那一個面上，且其構造及配置方式使其能夠對相鄰像素的光線造成不同的偏振影響，並能夠構成一個結構化1/4波片、結構化半波片、或結構化線柵偏振器。
9.如第4種、第8種，或第9種實施方式的光調制裝置，其中光束影響元件具有至少一個結構化偏振影響裝置或偏振器，其中該至少一個結構化偏振影響裝置或偏振器是設置在背板及光調制器之間，及/或設 置在背板背對光調制器的那一個面上，並能夠構成一個結構化1/4波片、結構化半波片、或結構化線柵偏振器。
10.如第1種至第9種中任一種實施方式的光調制裝置，其中光調制器或一個反射元件的構造及控制方式使其能夠對與相鄰像素相互作用的光線造成不同的偏振影響。
11.如第1種至第10種中任一種實施方式的光調制裝置，其中光調制器的光學厚度基本上相當於一個半波片或1/4波片的光學厚度。
12.如第1種至第11種中任一種實施方式的光調制裝置，其中光調制的像素具有不同的像素性結構化或線性結構化特性。
13.如第1種至第12種中任一種實施方式的光調制裝置，其中光調制裝置被光線照亮，且該光線被前燈照明裝置或中性光束分束器偏轉或導引朝向光調制裝置的方向。
PS:偏振選擇層
WP:延遲波片
Pol:偏振器

Claims (20)

  1. 一種用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置，其中光調制器具有複數個像素，並使每兩個相鄰像素構成一個巨像素，其中針對一個巨像素，光束分束器的構造及設計方式使其將入射光束分束成第一部分光束及第二部分光束，其中第一部分光束朝巨像素的第一像素的方向傳播，第二部分光束朝巨像素的第二像素的方向傳播，其中在光束分束器及光調制器之間設有一第一結構化光束影響元件，其作用是使第一部分光束能夠以不同於第二部分光束的方式被影響，其中在與巨像素的像素相互作用後，第一部分光束及第二部分光束通過第二結構化光束影響元件，其作用是使第一部分光束以不同於第二部分光束的方式被影響，其中設有一光束組合器，其作用是將第一部分光束及第二部分光束組合在一起，其中在光調制器及第一或第二結構化光束影響元件之間設有一個光束選擇器，其作用是選出不屬於巨像素的第一部分光束及/或第二部分光束。
  2. 一種用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置，其中光調制器具有複數個像素，並使每兩個相鄰像素構成一個巨像素，其中針對一個巨像素，光束分束器的構造及設計方式使其將入射光束分束成第一部分光束及第二部分光束，其中第一部分光束朝巨像素的第一像素的方向傳播，第二部分光束朝巨像素的第二像素的方向傳播，其中在光束分束器及光調制器之間設有一結構化光束影響元件，其作用是使第一部分光束能夠以不同於第二部分光束的方式被影響，其中設有一反射媒質，其作用是反射部分光束，其中在與光調制器的像素相互作用後，第一部分光束及/或第二部分光束通過結構化光束影響元件，並再度通過光束分束器， 以便將第一部分光束及第二部分光束再度組合在一起，其中在光調制器及結構化光束影響元件之間設有一個光束選擇器，其作用是選出不屬於巨像素的第一部分光束及/或第二部分光束。
  3. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中光束分束器及光束組合器是完全相同的雙折射單軸光學構件，及/或以相同的材料製成、及/或具有相同的光學軸，其中設定這兩個雙折射單軸光學構件的光學軸的配向，使兩個構件與交界面的角度(θ)與普通及非普通部分光束之間的角度是相同的角度。
  4. 如申請專利範圍第2項的裝置，其中光束分束器是一個雙折射單軸光學構件。
  5. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中光束分束器及/或光束組合器至少有一個是體積光柵，或至少有一個是偏振光柵。
  6. 如申請專利範圍第2項的裝置，其中光束分束器及/或光束組合器至少有一個是體積光柵，或至少有一個是偏振光柵。
  7. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中結構化光束影響元件具有一空間結構化，其能夠區域性的實現延遲器的功能，其中延遲器具有一個λ/2波片及/或λ/4波片，及/或結構化光束影響元件具有一個不會對部分光束的光學特性造成區域性改變的空間結構化，及/或結構化光束影響元件的空間結構化與光調制器的像素的空間結構配合。
  8. 如申請專利範圍第2項的裝置，其中結構化光束影響元件具有一空間結構化，其能夠區域性的實現延遲器的功能，其中延遲器具有一個λ/2波片及/或λ/4波片，及/或結構化光束影響元件具有一個不會對部分 光束的光學特性造成區域性改變的空間結構化，及/或結構化光束影響元件的空間結構化與光調制器的像素的空間結構配合。
  9. 如申請專利範圍第2項的裝置，其中光調制器的像素本身就可以反射，或是在光調制器的透光像素後方設置一個反射鏡。
  10. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中光束分束器、光束組合器，及/或第一及/或第二結構化光束影響元件的設計及配置方式使第一部分光束的光程及第二部分光束的光程基本上以巨像素的第一像素及第二像素之間的中點為準點對稱。
  11. 如申請專利範圍第2項的裝置，其中光束分束器及/或結構化光束影響元件的設計及配置方式使第一部分光束的光程及第二部分光束的光程基本上以光束分束點及/或光束組合點為準點對稱。
  12. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項的裝置，其中光束選擇器具有一個偏振器。
  13. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項的裝置，其中設置一個光束疊加元件，以干擾其第一部分光束及第二部分光束。
  14. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項的裝置，其中以符號相同的電壓控制巨像素的像素。
  15. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項的裝置，其中光束分束器、必要時有設置的光束組合器、至少一個結構化光束影響元件、及/或光束選擇器彼此緊靠在一起，或是彼此固定在一起，例如用黏著劑固定。
  16. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項的裝置，其中入射光束具有一線性偏振或循環偏振，經過配向或調整後，光束能夠被分束成第一部分光束及第二部分光束，然後再組合在一起。
  17. 如申請專利範圍第2項或第13項的裝置，其中在光調制器及光束分束器之間、或是在光束分束器及光束疊加元件之間設有一個扁平的照明裝置，其中照明裝置具有一個扁平的光導體及一個出輸單元，其中光導體發出的光線經由輸出單元輸出，並能夠被偏轉到光調制器的方向，其中在反光媒質上被反射的光線以基本上不受偏轉的方式通過照明裝置，然後通過光束組合器向外傳播。
  18. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項的裝置，其中光調制器含有液晶，而且其液晶進行平面外旋轉，其中入射光束被線性偏振，其中結構化光束影響元件區域性的具有λ/2波片的功能。
  19. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項的裝置，其中光調制器含有液晶，而且其液晶進行平面內旋轉，其中入射光束被線性偏振，其中結構化光束影響元件區域性的具有λ/4波片的功能。
  20. 一種顯示圖像內容的裝置，具有至少一個如申請專利範圍第1項至第11項中任一項的裝置。
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