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用于全息波前打印的系统和方法与流程

1.本公开总体上涉及全息光学元件。更具体地，本文公开了用于记录可以再现复杂的、自由形式的波前(wave-front)的大型全息光学元件的技术。
2.背景
3.全息记录通常使用信号波(例如，来自或表示要记录或编码的物体)和参考波在记录材料中生成干涉图案，以记录全息光学元件(hoe)(例如全息图)。因此，全息图可以对来自物体或场景的光场的振幅和相位信息进行编码，而照片通常只可以记录光场的二维(2d)振幅。当使用参考波说明hoe时，hoe可以衍射参考波以再现信号波，从而重建物体或场景的光场。全息技术可以用于许多领域，例如三维(3d)显示、光学计量、医学、商业等。
4.概述
5.本公开总体上涉及全息光学元件。更具体地，本文公开了用于记录可以再现复杂的、自由形式的波前的大型全息光学元件的技术。本文描述了各种发明实施例，其包括系统、子系统、模块、设备、部件、材料、方法、组合物、工艺等。
6.根据某些实施例，全息记录系统可以包括：被配置为定位全息材料层的线性平移台；被配置为发射激光束的光源；被配置为将激光束分成第一光束和第二光束，并将第二光束朝向全息材料层引导的分束子系统；被配置为实现调制第一光束以生成物体光束的条纹图案的空间光调制器；被配置为缩小物体光束的缩小光学子系统；以及可切换光栅堆叠，该可切换光栅堆叠可配置为将物体光束引导到朝向全息材料层的一组方向，以与第二光束进行干涉。
7.在全息记录系统的一些实施例中，物体光束可以通过自由形式的波前来表征。条纹图案可以包括计算机生成的全息图。条纹图案可以被配置为调制第一光束的相位或振幅中的至少一个。在一些实施例中，全息记录系统还可以包括透镜和低通滤波器，该透镜相对于空间光调制器定位，使得空间光调制器位于透镜的焦平面处，该低通滤波器定位在透镜的另一个焦平面处并被配置为对物体光束进行滤波。在一些实施例中，缩小光学子系统可以是远心子系统，该远心子系统包括通过不同的相应焦距来表征的两个透镜。在一些实施例中，该组方向可以至少包括通过相对于可切换光栅堆叠的表面法线方向大于30
°
的角度来表征的方向。
8.在全息记录系统的一些实施例中，可切换光栅堆叠可以包括布置在堆叠中的多个偏振光栅。多个偏振光栅中的每个偏振光栅可以可配置为将右旋(right-handed)圆偏振光束引导到第一方向，和将左旋(left-handed)圆偏振光束引导到第二方向。多个偏振光栅可以包括右旋圆偏振光栅或左旋圆偏振光栅中的至少一个。多个偏振光栅可以包括偏振体光栅、无源pancharatnam-berry相位(pbp)光栅或有源pbp光栅中的至少一个。在一些实施例中，多个偏振光栅中的每个偏振光栅可以可配置为将右旋圆偏振光束衍射到
±
1衍射级中的一个，并将左旋圆偏振光束衍射到
±
1衍射级中的另一个。在一些实施例中，多个偏振光栅中的每个偏振光栅被配置为将右旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束中的一个衍射到
±
1衍射级中的一个，并保持右旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束中的另一个的传播方向。在一些
实施例中，全息记录系统还可以包括与多个偏振光栅交错的多个可切换半波片，其中多个可切换半波片中的每一个可以被配置为在接通时将右旋圆偏振输入光束转换为左旋圆偏振输出光束和将左旋圆偏振输入光束转换为右旋圆偏振光束，以及在由电压信号关断时保持输入光束的偏振状态。多个偏振光栅中的每个偏振光栅可以通过不同的相应光栅周期来表征。
9.在一些实施例中，多个偏振光栅可以包括多个有源光栅；并且多个有源光栅中的每个有源光栅被配置为：当接通时，衍射圆偏振光束并改变圆偏振光束的偏振状态；而当被电压信号关断时，保持入射光束的传播方向和偏振状态。在一些实施例中，全息记录系统还可以包括：透镜和低通滤波器，该透镜相对于空间光调制器定位，使得空间光调制器位于透镜的焦平面处，该低通滤波器定位在透镜的另一个焦平面处，并被配置为对物体光束进行滤波。在一些实施例中，缩小光学子系统可以包括远心子系统，该远心子系统包括通过不同的相应焦距来表征的两个透镜。在一些实施例中，该组方向可以至少包括通过相对于可切换光栅堆叠的表面法线方向大于30
°
的角度来表征的方向。在一些实施例中，全息记录系统还可以包括第二空间光调制器和第二缩小光学子系统，该第二空间光调制器被配置为实现调制第二光束的第二条纹图案，该第二缩小光学子系统被配置为缩小第二光束并将第二光束朝向全息材料层引导。在一些实施例中，全息记录系统还可以包括透镜和低通滤波器，该透镜相对于第二空间光调制器定位，使得第二空间光调制器位于透镜的焦平面处，该低通滤波器定位在透镜的另一个焦平面处并被配置为对第二光束进行滤波。
10.根据某些实施例，记录全息图的多个全息图元件中的全息图元件的方法可以包括：控制线性平移台以将线性平移台上的全息材料层定位到第一位置；向空间光调制器提供用于实现条纹图案的数据，其中当被准直光束照射时，条纹图案可以生成物体光束；对物体光束进行滤波；缩小物体光束；配置可切换光栅堆叠以将物体光束引导到一组离散方向中的方向；以及将全息材料层的区域暴露于物体光束和参考光束以形成全息图元件。
11.在一些实施例中，该方法还可以包括向第二空间光调制器提供用于实现第二条纹图案的数据，其中当被第二准直光束照射时，第二条纹图案可以生成参考光束；对参考光束进行滤波；并缩小参考光束。在一些实施例中，可切换光栅堆叠可以包括布置在堆叠中的多个偏振光栅和多个可切换半波片。多个偏振光栅中的每个偏振光栅可以可配置为将右旋圆偏振光束引导到第一方向，和将左旋圆偏振光束引导到第二方向。
12.本概述既不意图标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不意图孤立地用于确定所要求保护的主题的范围。应当参照本公开内容的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解主题。下面将在以下说明书、权利要求书和附图中更详细地描述前述内容以及其他特征和示例。
13.附图简述
14.下面参照以下附图详细地描述说明性的实施例。
15.图1a示出了根据某些实施例的全息记录系统的示例。图1b示出了使用物体波(object wave)和参考波在全息材料层中记录全息光学元件的示例。
16.图2示出了包括两阶段光聚合物(two-stage photopolymers)的全息记录材料的示例。
17.图3a-图3b示出了在光聚合物材料层中记录全息光学元件的示例。图3a示出了未
曝光的光聚合物材料层的示例。图3b示出了在光聚合物材料层中全息记录期间单体扩散和聚合的示例。
18.图4示出了根据某些实施例的用于记录大型全息光学元件的全息打印机的示例。
19.图5示出了根据某些实施例的全息打印机的光学子系统的示例，该光学子系统包括用于生成自由形式的物体波以记录大型全息光学元件的空间光调制器。
20.图6包括根据某些实施例的全息波前打印机的示例的简化框图，该全息波前打印机包括用于生成自由形式的物体波以记录大型全息光学元件的空间光调制器。
21.图7a示出了用于在全息材料层中记录全息光学元件的物体波的期望波前的示例。图7b示出了由全息打印机的光学子系统生成的用于记录图7a的全息光学元件的物体波的示例。
22.图8a示出了用于生成用于记录全息光学元件的期望物体波的方法的示例。图8b示出了用于生成用于记录全息光学元件的期望物体波的计算机生成的全息图的示例。
23.图9a示出了使用空间光调制器实现的条纹图案以及条纹图案在傅里叶平面上的傅里叶光谱的示例，该空间光调制器用于生成期望的物体波以记录全息光学元件。图9b示出了使用空间光调制器实现的条纹图案以及条纹图案在傅里叶平面上的傅里叶光谱的示例，该空间光调制器用于生成期望的物体波以记录全息光学元件。图9c示出了使用空间光调制器实现的条纹图案以及条纹图案在傅里叶平面上的傅里叶光谱的示例，该空间光调制器用于生成期望的物体波以记录全息光学元件。
24.图10a示出了根据某些实施例的包括空间光调制器和可切换光栅堆叠的全息波前记录系统的示例。图10b示出了根据某些实施例的使用空间光调制器实现的条纹图案以及条纹图案在傅里叶平面上的傅里叶光谱的示例，该空间光调制器用于生成期望的物体波以记录全息光学元件。
25.图11示出了根据某些实施例的包括用于将物体光束引导到大角度范围的可切换光栅堆叠的光束引导设备的示例。
26.图12包括示出了根据某些实施例的由图11中所示的可切换光栅堆叠引导物体光束的示例的示意图。
27.图13a-图13d示出了根据某些实施例的偏振体光栅的示例的操作。图13a示出了右旋偏振体光栅对具有右旋圆偏振的入射光的操作。图13b示出了右旋偏振体光栅对具有左旋圆偏振的入射光的操作。图13c示出了左旋偏振体光栅对具有右旋圆偏振的入射光的操作。图13d示出了左旋偏振体光栅对具有左旋圆偏振的入射光的操作。
28.图14a是根据某些实施例的可切换pancharatnam-berry相位(pbp)光栅的示例的顶视图。图14b是根据某些实施例的图14a中所示的可切换pbp光栅的示例的侧视图。图14c是根据某些实施例的被关断的可切换pbp光栅的示例的顶视图。
29.图15a-图15c示出了根据某些实施例的可切换pbp光栅的示例的操作。图15a示出了由处于“接通(on)”状态的可切换pbp光栅衍射右旋圆偏振入射光束的示例。图15b示出了由处于“接通”状态的可切换pbp光栅衍射左旋圆偏振入射光束的示例。图15c示出了由处于“关断(off)”状态的可切换pbp光栅透射入射光束的示例。
30.图16a-图16c示出了根据某些实施例的可切换pbp光栅的示例的操作。图16a示出了由处于“接通”状态的可切换pbp光栅衍射右旋圆偏振入射光束的示例。图16b示出了由处
于“接通”状态的可切换pbp光栅衍射左旋圆偏振入射光束的示例。图16c示出了由处于“关断”状态的可切换pbp光栅透射入射光束的示例。
31.图17a示出了根据某些实施例的可切换光栅堆叠的操作的示例。图17b示出了根据某些实施例的图17a的可切换光栅堆叠的操作的示例。
32.图18a示出了根据某些实施例的可切换光栅堆叠的操作的示例。图18b示出了根据某些实施例的图18a的可切换光栅堆叠的操作的示例。
33.图19包括根据某些实施例的全息打印机的示例的简化框图。
34.图20是示出了根据某些实施例的打印全息光学元件的方法的示例的简化流程图。
35.图21是根据某些实施例的包括近眼显示器的显示器系统环境的示例的简化框图。
36.图22示出了用于实现本文公开的一些实施例的计算机系统的示例。
37.附图仅出于说明的目的描绘了本公开的实施例。本领域的技术人员将从以下描述中容易地认识到，在不脱离本公开的原理或所推崇的益处的情况下，可以采用所示结构和方法的替代实施例。
38.在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后用短划线和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。
39.详细描述
40.本文公开的技术总体上涉及全息光学元件。更具体地且不受限制地，本文公开了使用全息波前记录工艺制造具有高空间频率的全息光学元件的技术。本文描述了各种发明实施例，其包括系统、子系统、模块、设备、部件、方法、工艺、组合物、材料等。
41.许多现有的三维(3d)显示器通过分别向观看者的两只眼睛显示3d物体或场景的不同透视图像而不是再现来自要显示的3d物体或场景的原始光波来模拟3d物体或场景。另一方面，全息图可以再现来自3d物体或场景的原始光波。通常使用信号波(例如来自物体的光波，也称为物体波或物体光束)和参考波在记录材料中生成干涉图案来记录全息图或其他全息光学元件(hoe)。在许多应用中，可能需要自由形式的波前记录来记录全息光学元件，该全息光学元件可以利用任意复杂的波前来重建光场。可能难以使用常规光学器件(例如球面透镜、圆柱透镜和棱镜)来生成具有期望的自由形式的波前的信号波。在一些全息打印系统中，空间光调制器(slm)可以用于生成具有期望的波前的至少一部分的信号波。信号波可以被滤波(例如使用dc滤波器以去除第零级衍射(dc)分量，以及使用低通滤波器以去除高级衍射分量)，然后通过例如4-f系统进行中继和缩小(例如为了提高横向分辨率)，以在全息记录材料层中形成全息图元件(通常称为全息像素(hogel))。全息记录材料层或记录系统可以移动到不同的位置，以利用修改的信号波记录下一个全息图元件。这样，可以通过扫描全息记录材料层或记录系统来记录用于大显示尺寸和大视角范围的包括许多全息图元件的大全息图。
42.在一些应用(例如一些3d显示器系统)中，可以使用具有高空间频率(并因此在显示的图像中具有高分辨率)、在重建的光场中具有大可视角度范围(并因此具有大视场)和具有高衍射效率(并因此在显示的图像中具有高亮度)的hoe。由于例如slm的有限分辨率或空间频率带宽(和全能力(full-color capability))，使用现有的全息打印技术可能难
以记录如此大的hoe。
43.根据某些实施例，光束引导设备(beam steering device)可以用于全息打印系统中以记录大hoe，该光束引导设备能够高效率地以大衍射角衍射光。slm可以用于生成具有基本空间频率的物体光束，而光束引导设备可以用于将由slm生成的物体光束倾斜不同的倾斜角。光束引导设备可以具有可变载波空间频率，用于将由slm生成的基本空间频率移到更高的频率(例如slm的空间频率与光束引导设备的空间频率之和)。换句话说，可以通过光束引导设备和具有较低空间频率的slm的组合来实现具有高空间频率的期望的slm。这样，可以使用具有较低分辨率或空间频率带宽的slm来记录具有大衍射角和高衍射效率的大hoe。在一些实施例中，参考光束还可以由slm调制和/或由光束引导设备倾斜。在一些实施例中，物体光束和参考光束可以被缩小以记录小全息图元件。
44.可以使用例如可切换布拉格(bragg)光栅、pancharatnam-berry相位(pbp)光栅、偏振体光栅、液晶光栅、slm、光学相控阵等来实现光束引导设备。在一个示例中，光束引导设备可以包括pbp光栅的堆叠，其中每个pbp光栅可以被配置为使入射光倾斜不同的相应角度，并且因此可以通过堆叠中单独的pbp光栅的不同配置来实现不同的总倾斜角度。在一些实施例中，pbp光栅可以是有源光栅，该有源光栅可以被接通或关断。在一些实施例中，光束引导设备可以包括与pbp光栅交错的一个或更多个可切换偏振转换器，其中可切换偏振转换器可以用于设置入射到pbp光栅上的输入光束的偏振状态。
45.在以下的描述中，为了解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本公开内容的示例的透彻理解。然而，将明显的是，在没有这些具体细节的情况下可以实施各种示例。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其他部件可以以框图形式被示出为部件，以避免在不必要的细节上模糊示例。在其他情况下，熟知的设备、过程、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下被示出，以便避免模糊示例。附图和描述不意图是限制性的。在本公开中使用的术语和表述被用作描述性术语而非限制性的术语，并且在使用这样的术语和表述时不意图排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物。词语“示例”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为比其他实施例或设计更优选或更有利。
46.全息图可以编码光场的振幅和相位信息两者，而照片通常只可以记录光场的二维(2d)振幅。为了生成用于记录hoe的期望的光干涉图案，通常可以使用至少两个相干光束，其中一个光束可以是参考光束，而另一个光束可以是物体光束，该物体光束可以具有要记录的物体或场景的期望的波前。当由参考光束照射被记录的hoe时，可以重建具有期望的波前的物体光束。全息技术可以用于许多领域。例如，全息打印技术可以用于在全息图中记录3d物体和场景，其中当全息图被例如白光照射时，来自3d物体和场景的光场可以被重建，使得观看者可以从不同的视角观看3d物体和场景。
47.图1a示出了用于记录全息光学元件的全息记录系统100的示例。全息记录系统100包括分束器110(例如，偏振分束器立方体)，该分束器110可以将入射准直激光束102分成两个光束112和114，这两个光束112和114是相干的并且具有相似的强度。光束112可以被第一反射镜120朝向板130反射，如反射光束122所示。在另一路径上，光束114可以被第二反射镜140反射。反射的光束可以被引导到物体144(例如要记录的物体或slm)以照射物体144。来自物体144的光束142可以被引导朝向板130，并且可以在板130处与光束122干涉，以生成可
以包括亮条纹和暗条纹的干涉图案。全息记录材料层150可以形成在板130上或形成在安装在板130上的基底上。干涉图案可以导致全息光学元件被记录在如上文描述的全息记录材料层150中。
48.在一些实施例中，掩模160可以用于在全息记录材料层150的不同区域处记录不同的hoe。例如，掩模160可以包括用于全息记录的孔162，并且可以被移动以将孔162放置在全息记录材料层150上的不同区域处，从而在不同的记录条件(例如，具有不同角度或不同波前的记录光束)下在不同区域处记录不同的hoe。
49.图1b示出了使用物体光束182(例如光束142)和参考光束184(例如光束122)在全息材料层180中记录全息光学元件的示例。物体光束182和参考光束184可以是相干的，例如来自同一激光源。物体光束182可以具有表示要记录的物体或场景的任意波前。例如，为了记录透镜，物体光束182的波前可以是球面的。为了记录虚拟物体，物体光束182可以是由计算机生成的全息图(cgh)衍射的光束。参考光束184可以是例如平面波，或者可以具有不平坦的波前。因为物体光束182和参考光束184是相干的，所以它们可以相互干涉以在全息材料层180处生成所期望的光学条纹图案(例如亮条纹和暗条纹)。光学条纹图案可以在光敏全息材料层180处生成唯一的折射率调制图案，其中折射率调制图案可以对应于光学条纹图案。
50.光敏材料层可以包括例如卤化银乳剂、重铬酸盐明胶、包含悬浮在聚合物基质中的可光聚合的单体的光聚合物、光折变晶体及类似物。光敏全息材料层(例如，全息记录材料层150或全息材料层180)中的全息记录材料可以基于全息记录材料的一些参数(例如全息记录材料的空间频率响应、动态范围、光敏性、物理尺寸、机械特性、波长灵敏度、以及显影(development)或漂白(bleaching)方法)来针对具体应用进行选择。
51.动态范围指示可以在全息记录材料中实现的折射率变化。动态范围可以影响例如实现高效率设备的厚度和可以在全息材料层中多路复用的全息图的数量。动态范围可以通过折射率调制来表示，它可以是折射率的总变化的一半。通常，全息光学元件中大的折射率调制是期望的，以便提高衍射效率并在同一全息材料层中记录多个全息光学元件。然而，对于全息光聚合物材料，由于全息光聚合物材料中单体的溶解度限制，最大可实现的折射率调制或动态范围可能受到限制。
52.空间频率响应是全息材料可以记录的特征尺寸的量度，并且可以指示可以实现的布拉格条件的类型。空间频率响应可以通过调制转移函数来表征，所述调制转移函数可以是描绘变化频率的正弦波的曲线。通常，单个空间频率值可以用于表示频率响应，其可以指示这样的空间频率值，在该空间频率值处折射率调制开始下降或在该空间频率值处折射率调制降低3db。空间频率响应也可以用线/mm、线对/mm或正弦曲线的周期来表示。
53.全息记录材料的光敏性可以指示用于实现特定效率诸如100％(或对于光折变晶体为1％)的光剂量。在特定全息材料中可以实现的物理尺寸可以影响孔尺寸以及hoe设备的光谱选择性。全息记录材料的物理参数可以包括例如损伤阈值和环境稳定性。波长灵敏度可以用于选择用于记录设置的光源，并且还可以影响最小可实现周期。一些材料可能对宽波长范围内的光敏感。许多全息材料可能需要曝光后显影或漂白。显影考虑因素可以包括全息材料在记录之后被如何显影或如何以其他方式处理。
54.为了记录用于人工现实系统的全息光学元件，可能期望全息材料对可见光敏感，
能够产生大的折射率调制δn(例如，高动态范围)，并且具有单体和/或聚合物的时间和空间可控的反应和/或扩散从而能够抑制链转移(chain transfer)和终止反应。用于全息记录的全息材料层的一个示例是两阶段光聚合物。
55.图2示出了包括两阶段光聚合物的全息记录材料的示例。两阶段光聚合物的原材料210可以是包括基质前体212和成像组分214的树脂。原材料210中的基质前体212可以包括单体，该单体可以在第一阶段被热固化或以其他方式固化，以聚合并形成包括由聚合物粘合剂222形成的交联基质的光聚合物膜220。成像组分214可以包括书写单体和聚合引发媒介(initiating agent)，该聚合引发媒介诸如光敏染料、引发剂(initiator)和/或链转移剂。因此，光聚合物膜220可以包括聚合物粘合剂222、书写单体(例如，丙烯酸酯单体(acrylate monomer))和引发媒介，该引发媒介诸如光敏染料、引发剂和/或链转移剂。聚合物粘合剂222可以充当书写单体和引发媒介的骨架或支撑基质。例如，在一些实施例中，聚合物粘合剂222可以包括低折射率(例如，《1.5)橡胶状聚合物(例如，聚氨酯(polyurethane))，其可以在全息曝光期间提供机械支撑，并确保由光图案进行的折射率调制被永久保持。
56.包括书写单体和聚合引发媒介的成像组分214可以分散在支撑基质中。书写单体可以用作折射率调制剂(refractive index modulator)。例如，书写单体可以包括能够与引发剂反应并聚合的高折射率丙烯酸酯单体。光敏染料可以用于吸收光并与引发剂相互作用以产生活性物质，诸如自由基(radicals)、阳离子(例如酸)或阴离子(例如碱)。活性物质(例如自由基)可以通过轰击(attack)单体来引发聚合。例如，在一些单体中，一个电子对可以牢固地保持在σ键中的两个碳之间，而另一个电子对可以更松散地保持在π键中，并且自由基可以使用来自π键的一个电子与两个碳原子中的第一个碳原子形成更稳定的键。来自π键的另一个电子可能会返回到两个碳原子中的第二个碳原子，并将整个分子变成另一个自由基。因此，单体链(例如，聚合物)可以通过向单体链的末端添加附加的单体并将自由基转移到单体链的末端以轰击更多的单体和向链添加更多的单体来形成。
57.在记录过程(例如，第二阶段)期间，由两个相干光束240和242之间的干涉生成的干涉图案可以导致亮条纹中的光敏染料和引发剂从引发剂生成活性物质，诸如自由基、阳离子(例如，酸)或阴离子(例如，碱)，其中活性物质(例如，自由基)可以从引发剂转移到单体，并且导致亮条纹中单体的聚合，如上文描述的。当提取聚合物基质上的氢原子时，引发剂或自由基可以结合到聚合物基质。自由基可以转移到单体链的末端，以向链添加更多的单体。当亮条纹中的单体附着到单体链上时，未曝光的黑暗区域中的单体可以扩散到亮条纹以增强聚合。结果，聚合浓度和密度梯度可以在光聚合物膜220中形成，由于书写单体的较高折射率，导致光聚合物膜220中的折射率调制。例如，单体和聚合浓度较高的区域可能具有较高的折射率。因此，全息图或全息光学元件230可以在光聚合物膜220中形成。
58.在曝光过程中，一个单体链末端处的自由基可以与另一个单体链末端处的自由基结合以形成更长的链并终止聚合。除了由于自由基结合而终止之外，聚合也可以通过聚合物的歧化反应(disproportionation)而终止，其中来自一个链的氢原子可以被提取到另一个链，以生成具有末端不饱和基团的聚合物和具有末端饱和基团的聚合物。聚合也可能由于与杂质或抑制剂(例如氧气)的相互作用而终止。此外，随着曝光和聚合的进行，较少的单体可用于扩散和聚合，并且因此扩散和聚合可被抑制。直到不再有单体或直到用于曝光的
单体链终止，聚合才可以停止。在所有或基本上所有的单体已经聚合之后，在光聚合物膜220中可以不再有新的全息光学元件(例如光栅)被记录。
59.在一些实施例中，光敏材料层中记录的全息光学元件可以被uv固化或热固化或增强，例如用于染料漂白、完成聚合、永久固定所记录的图案以及增强折射率调制。在该过程结束时，可以形成全息光学元件，诸如全息光栅。全息光栅可以是具有例如几微米、几十微米或几百微米的厚度的体布拉格光栅。
60.图3a-图3b示出了在光聚合物材料层300中记录全息光学元件的示例。图3a示出了未曝光的光聚合物材料层300，其可以包括悬浮在树脂中的单体310，该树脂可以包括支撑聚合物基质305(例如，由聚合物粘合剂222形成的交联基质)。单体310可以基本上均匀地分布在光聚合物材料层300中。
61.图3b示出了在全息记录期间单体扩散和聚合的示例。当光聚合物材料层300暴露于光图案320时，单体310可以扩散到光聚合物材料层300中的亮条纹，并且如上文描述的在亮条纹中聚合以形成聚合物330和340。一些聚合物，诸如聚合物330，可以与聚合物基质305结合。一些聚合物，诸如聚合物340，可以不与聚合物基质305结合。结果，聚合浓度和密度梯度可以在光聚合物材料层300中形成，由于书写单体的较高折射率，导致光聚合物材料层300中的折射率调制。因此，单体和聚合浓度较高的区域可能具有较高的折射率。这样，可以在光聚合物材料层300中记录光图案320。
62.可以使用全息打印机(例如全息立体图打印机、全息条纹打印机和全息波前打印机)在全息材料中制造能够编码来自3d物体或场景的方向、颜和深度信息的全息光学元件或全息图。在全息打印机中，可能需要生成物体波以便干涉参考光束以形成光条纹图案。使用经典的物理光学部件(例如球面透镜、圆柱透镜、棱镜等)可能难以生成任意自由形式的波前。因此，在全息打印机中，要记录的信息通常可以由slm显示，以生成数字合成的物体波的波前。全息打印机然后可以以如上所述记录模拟全息图的方式将由slm提供的信息记录到光敏全息材料上。
63.空间光调制器可以调制入射光波的强度、相位、偏振状态和/或方向。调制可以由控制电路控制，该控制电路可以将控制信号施加到slm的单独的可寻址像素。slm的示例可以包括硅上液晶(lcos)slm和数字微镜器件(dmd)。lcos slm通常可以具有比dmd slm更小的像素间距。在包括lcos slm的相位slm中，硅基底上的液晶层可以由电压信号控制以执行所期望的光调制。可以在硅基底上形成寻址电路，并且可以在液晶层的两侧形成用于像素的单独的电极。当电压信号被施加到像素的电极时，液晶层中的电场可能导致液晶分子倾斜可能与电场相关的角度，这可能导致像素的折射率(并因此光路长度)的改变。光路长度的改变可以改变通过slm的光束的相位。由于像素的折射率可能取决于液晶分子的取向，液晶分子的取向转而可能取决于电场的强度和方向，因此可以通过改变施加到像素的电压信号来改变像素的相位延迟。例如，slm中的像素可以被控制为具有多级相位延迟，例如两级、4级、8级、16级或更多级。入射光束的偏振状态、强度和传播方向还可以通过液晶分子的取向的改变而改变，液晶分子的取向的改变可以由施加到像素的电压信号来控制。
64.slm可以具有布置在2d阵列中的特定数量的单独可控像素(还称为单元(cell))，该2d阵列的面积可能高达几平方英寸。像素可以各自具有特定的尺寸。2d阵列的间距范围可以从小于一微米到几微米、几十微米或更大。因此，slm的总像素数、分辨率(例如，单位面
积中的像素数)和最大可实现空间频率(例如，在单位长度中的周期数或循环数，例如，1/周期)可能受到限制。
65.在具有纳米级光敏粒子的全息材料中记录的模拟全息图可以实现比slm高得多的分辨率和空间频率。因此，由于用于全息打印的slm的有限尺寸、分辨率和空间频率带宽，所打印的全息图通常可以包括通过多次曝光记录的全息图元件的2d阵列。整个全息图的记录可以通过使用由slm生成的物体波的相应部分和机动2d线性平移台连续曝光全息图元件来完成，该机动2d线性平移台可以将全息材料层定位在不同位置的2d阵列中。
66.全息立体图打印机可以用于打印从2d透视图像阵列合成的全息立体图。为了制作全息立体图，从多个视角非相干地获取物体或场景的一系列2d图像。由透视图像携带的方向信息被处理以形成与视差相关的图像，这些图像调制物体的信号波的强度，并且在投影屏幕上显示之后，通过相干源以上述双光束记录方案被记录到全息光敏材料上。整个全息图可以被划分为许多全息图元件(称为全息像素)，这些全息图元件(称为全息像素)顺序地曝光于与视差相关的图像。对记录在全息图中的条纹图案的照射可以通过透视图的空间多路复用来重建3d物体或场景。因此，观看者的左眼和右眼可以观察物体或场景的不同视角，使得观看者可以由于双目视差而感知立体视觉。白光可视的全息立体图在空间上多路复用2d图像，并且因此可能无法重建真正的3d图像。
67.全息立体图打印机可以用于通过多个全息图元件的空间移位(space shifting)进行准3d可视化，以提高显示器系统的空间带宽(sbp)和深度性能。全息立体图打印可以从由相机捕获的或使用计算机图形建模的真实或虚拟物体的图像提供高分辨率全视差重建。仅渲染方向信息的计算和使用脉冲激光源的实现可以允许打印大尺寸全息图。因此，全息立体图打印可以允许大物体的高质量全息准3d成像。由于全息立体图技术基于密集光线的记录，所以衍射效应和来自有限离散视点集的光线的空间/角度采样可能导致重建的准3d图像的退化。全息立体图打印机通常采用由slm衍射的光的第零衍射阶。
68.全息条纹打印机可以在光敏材料上直接打印计算机生成的3d物体或场景的条纹图案(例如cgh)。cgh的条纹图案可以基于充分的衍射分析来计算，这可能是耗时的。所计算的条纹图案的一部分可以显示在slm上，并且条纹图案的一部分的缩小版本可以作为薄全息图元件记录在全息材料层中，该薄全息图元件可能需要激光照射以用于重建。在曝光之后，全息材料层可以利用由步进电机控制的高度准确的2d线性平移台来移动，以记录另一个全息图元件。所打印的条纹图案的分辨率可能取决于slm和光学器件的质量，该光学器件用于将图像从slm转移到全息材料层上。用于全息条纹打印机的slm可能需要具有高的空间分辨率，以便确保大的视角。
69.全息波前打印机记录来自3d物体或场景的物体波或来自(例如由slm显示的)cgh的物体波作为模拟体全息图。记录物体的方向和深度信息二者。由于目标3d物体或场景的数字设计的波前由cgh光学再现并记录在全息图记录材料上，因此可以记录完全控制振幅和相位分布两者的任意波前。由于slm设备可能无法显示整个全息图，因此全息图的数据可以被划分为用于一组全息图元件的一组数据，并且每个全息图元件的波前被使用slm顺序地生成，并且被记录在由机动线性平移台定位的全息图记录材料层的区域上。全息波前打印机通常使用由slm衍射的光的第一衍射级。
70.图4示出了根据某些实施例的用于记录大型全息光学元件的全息打印机400的示
例。全息打印机400可以是上述的全息立体图打印机、全息条纹打印机或全息波前打印机。例如，全息打印机400可以是全息立体图打印机，其中物体或场景的透视图像可以显示在slm 420(该slm 420由扩展激光束410照射)上并且可以由光学子系统430(例如，透镜)会聚为全息材料层460的预定义区域上的物体光束432。预定义区域可以确定全息图元件470(通常称为全息像素)的尺寸。参考光束440从相对侧入射到同一区域上以生成全息图元件470。因此，关于在slm上显示的透视图像的信息在全息图元件470中被记录为由物体光束432和参考光束440形成的干涉图案。在记录一个全息图元件470之后，机动的两轴线性台450可以在x方向和/或y方向上将全息材料层460平移到下一个记录位置，并且可以在slm上显示用于下一个全息图元件的透视图像以用于下一个全息图元件记录。机动的两轴线性台450沿着每个轴平移的步长可以等于或大于全息图元件的尺寸。
71.在一些实施例中，全息打印机400可以是全息波前打印机，其中slm420可以显示cgh以生成具有用于记录全息图元件的期望的波前的物体光束432。由slm 420生成的物体光束432可以被光学子系统430缩小并中继到全息材料层460上。
72.图5示出了根据某些实施例的全息打印机的光学子系统500的示例，该光学子系统500包括用于生成自由形式的物体波以记录大型全息光学元件的空间光调制器510。光学子系统500可以是图4的slm 420和光学子系统430的组合的示例。在所示的示例中，光学子系统500可以包括slm510、具有焦距f1的第一透镜520、掩模530、具有焦距f2的第二透镜540以及具有焦距f3的第三透镜550。slm 510可以定位在第一透镜520一侧的距离f1处。掩模530可以定位在第一透镜520另一侧的距离f1处并且可以位于与第二透镜540相距距离f2处。全息材料层560可以放置在与第三透镜550相距距离f3处。第二透镜540的焦距f2可以等于或短于第一透镜520的焦距f1。
73.在全息立体图打印机中，当由准直光束502照射时，由slm 510生成的透视图像可以由第一透镜520傅里叶变换到掩模530所位于的傅里叶平面。在通过掩模530之后，信号光束可以被缩小并通过第二透镜540和第三透镜550(例如形成4-f光学器件)中继到全息材料层560，该全息材料层560可以包括例如上述光聚合物。在全息材料层560的平面上，中继的信号光束可以与来自相对侧的参考光束570干涉以形成干涉图案。因此，slm上的信息可以记录在具有对应于干涉图案的折射率调制的全息材料层560上。
74.掩模530可以包括被设计成设置全息图元件的尺寸和形状的孔。例如，当掩模530中的孔的尺寸较小时，全息图元件的尺寸可以较小。掩模530还可以执行来自slm 510的信号光束的傅里叶光谱的空间滤波，因为掩模530位于傅里叶平面。掩模530可以用作低通空间滤波器，该低通空间滤波器阻挡由slm 510显示的图像的高衍射级分量。如上所述，通常，在全息立体图打印机中，掩模530可以仅允许从slm 510衍射的光的第零衍射级通过。结果，如果掩模530中的孔非常小以便实现小的全息像素，则slm510显示的透视图像可能无法完全转移到全息材料层，并且因此可能记录模糊的图像。因此，记录小尺寸的全息像素以实现全息立体图的高横向分辨率可能导致透视图像的高频分量的损失，并且因此可能降低记录的图像的质量。
75.图6包括根据某些实施例的全息波前打印机600的示例的简化框图，该全息波前打印机600包括用于生成自由形式的物体波以记录大型全息光学元件的空间光调制器610。在所示的示例中，全息波前打印机600可以包括slm 610、控制slm 610以实现所期望的cgh(例
如数字设计的hoe)的控制器605、偏振分束器(pbs)620、具有第一焦距f1的第一透镜630、滤波器640、具有第二焦距f2的第二透镜650以及可选地，第三透镜660和第四透镜670。全息波前打印机600还可以包括可以由一个或更多个步进电机驱动的机动2d平移台685，以定位在其上形成全息材料层680的板684。全息波前打印机600还可以包括控制器605(例如计算机、微控制器或其他控制电路)，该控制器605控制slm 610以实现所期望的cgh。在一些实施例中，控制器605还可以控制机动2d平移台685的操作或使slm 610和机动2d平移台685的操作同步。如上所述，slm 610可能不具有再现目标物体或场景的整个波前所期望的分辨率、空间频率带宽和像素数量。因此，整个全息图的数据可以被划分为用于一组全息图元件的一组数据，并且可以使用机动2d平移台685将从用于每个全息图元件的数据生成的波前顺序地记录在全息材料层680的不同区域上。
76.在全息波前打印机600的操作期间，(例如，大约532nm的)准直物体光束602可以被pbs 620引导到slm 610。slm 610可以从控制器605接收数据以实现对应于全息图元件的全息条纹图案(例如，cgh)。物体光束可由slm 610调制，使得经调制的物体光束可以具有目标3d物体或场景的光场的一部分的波前。经调制的物体光束可以由第一透镜630进行傅里叶变换。不期望的光(例如较高级衍射波和未经调制的第0级波)可以由滤波器640在傅里叶平面处滤波，其中可以只允许slm 610的第一(
±
1)级衍射通过。例如，滤波器640可以包括dc滤波器(例如，铬斑(chrome spot))(其可以滤除未经调制的第0级波)以及低通滤波器(例如，孔)(其可以滤除高衍射级)。包括第一级衍射的物体光束可以由包括第一透镜630和第二透镜650的远心系统缩小，其中第一透镜630的焦距f1可以长于第二透镜650的焦距f2，使得物体光束可以被缩小。在一些实施例中，板684和全息材料层680可以位于第二透镜650的焦点处。在一些实施例中，包括第三透镜660和第四透镜670的第二远心系统可以用于可替代地或附加地缩小物体光束，其中板684和全息材料层680可以位于第四透镜670的焦点处。物体光束的缩小的、调制的波前可以在全息材料层680处干涉从物体光束的相对侧入射的参考光束690(例如，平面波)，以形成反射型体全息图元件682。
77.为了记录下一个全息图元件，可以将用于下一个全息图元件的数据发送到slm 610，并且可以通过机动2d平移台685将板684和全息材料层680移动到下一个位置。在所有全息图元件被记录之后，全息材料层680可以被处理(例如固化或漂白)，以形成编码目标物体或场景的光场的波前所期望的全息图。该全息图可以在白光照射下重建。
78.尽管未在图6中示出，但在一些实施例中，参考光束690也可以在到达全息材料层680之前由空间光调制器调制，由dc滤波器和/或低通滤波器滤波，并由一个或更多个远心系统缩小。使用经调制的参考光束而不是平面波可以有助于例如记录可以重建任意且复杂的波前的全息图和/或减少对用于调制物体光束的slm的要求。在一些实施例中，参考光束还可以由光束引导设备来引导。
79.在一些应用(例如一些三维显示器系统)中，可能使用具有高空间频率、在重建的光场中的大视角范围和高衍射效率的hoe。由于例如slm的有限分辨率和空间频率带宽，使用上述全息打印技术可能难以记录如此大的hoe，即使hoe在一系列曝光中被记录，其中如上所述在每次曝光中包括全息图元件的2d阵列的hoe中的一个全息图元件被记录。
80.图7a示出了用于在全息材料层750中记录全息光学元件的物体波的期望的波前的示例。在所示的示例中，所期望的hoe 712、722和732可以是全息透镜。例如，hoe 712可以是
中心偏离全息透镜的光轴的全息透镜，并且可以使用物体波710来记录。hoe 722可以是中心位于全息透镜的光轴处的全息透镜，并且可以使用物体波720来记录。hoe 732可以是中心偏离全息透镜的光轴的全息透镜，并且可以使用物体波730来记录。物体波710、物体波720和物体波730可以是球面波，其中波前可以各自是球体表面的一部分。
81.图7b示出了由全息打印机的光学子系统740生成的物体波的示例，该物体波用于在全息材料层750中记录图7a的全息光学元件。光学子系统740可以包括能够实现cgh或其他条纹图案的slm。当被准直光束照射时，由slm实现的全息条纹图案可以(例如通过衍射)调制准直光束以生成物体波，该物体波具有用于在全息材料层750中记录全息光学元件的期望的波前。例如，为了记录hoe 712，光学子系统740可以生成物体波710；为了记录hoe 722，光学子系统740可以生成物体波720；为了记录hoe 732，光学子系统740可以生成物体波730。由光学子系统740生成的物体波可以与参考光束(例如平面波)进行干涉以在全息材料层750中形成条纹图案。
82.图8a示出了用于生成用于记录全息光学元件的期望的物体波的方法的示例。为了生成用于记录全息透镜的球面波，准直激光束(平面波)可以通过透镜810的一部分，其中透镜可以将激光束的波前从平面波修改为球面波。根据准直激光束入射到透镜810上的位置，透镜810可以不同地改变激光束的波前的传播方向。例如，当准直光束820在第一区域812处入射到透镜810上时，可以生成具有中心805和传播方向822的球面波。当准直光束830在第二区域814(例如中心区域)处入射到透镜810上时，可以生成具有中心805和传播方向832的球面波。当准直光束840在第三区域816处入射到透镜810上时，可以生成具有中心805和传播方向842的球面波。透镜810或透镜810的每个区域的波前修改功能可以通过cgh来实现，该cgh可以使用slm来实现。
83.图8b示出了用于生成用于记录全息光学元件所期望的物体波的计算机生成的全息图的示例。例如，cgh 850可以执行透镜810的波前修改功能。cgh 850的部分852可以执行透镜810的第一区域812的波前修改功能。cgh 850的部分854可以执行透镜810的第二区域814的波前修改功能。cgh 850的部分856可以执行透镜810的第三区域816的波前修改功能。如图8b所示，cgh 850的部分852和856中的条纹图案可以具有比cgh 850的部分854中的条纹图案高得多的空间频率。
84.图9a示出了使用空间光调制器实现的条纹图案910和条纹图案910在傅里叶平面上的傅里叶光谱912的示例，该空间光调制器用于生成期望的物体波以记录全息光学元件。条纹图案910可以执行偏心透镜(例如透镜810的第一区域812)的波前调制功能。条纹图案910的傅里叶光谱912包括不在傅里叶光谱912的中心区域中的分量，其指示条纹图案910可能具有高空间频率。
85.图9b示出了使用空间光调制器实现的条纹图案920和条纹图案920在傅里叶平面上的傅里叶光谱922的示例，该空间光调制器用于生成期望的物体波以记录全息光学元件。条纹图案920可以执行居中透镜(例如透镜810的第二区域814)的波前调制功能。条纹图案920的傅里叶光谱922包括在傅里叶光谱922的中心区域中的分量，其指示条纹图案920可能具有低空间频率。
86.图9c示出了使用空间光调制器实现的条纹图案930和条纹图案930在傅里叶平面上的傅里叶光谱932的示例，该空间光调制器用于生成期望的物体波以记录全息光学元件。
条纹图案930可以执行偏心透镜(例如透镜810的第三区域816)的波前调制功能。条纹图案930的傅里叶光谱932包括不在傅里叶光谱932的中心区域中的分量，其指示条纹图案930可能具有高空间频率。
87.如图8b和图9a-图9c所示，一些条纹图案的空间频率可能非常高，并且因此可能无法使用可能具有有限分辨率和空间频率的slm来生成条纹图案，即使该slm具有足够大的像素数量。
88.根据某些实施例，光束引导设备可以与全息打印系统中的空间光调制器结合使用，以记录能够以高衍射效率以大衍射角衍射光的大hoe。slm可以生成具有基本空间频率的物体光束。光束引导设备然后可以将由slm生成的物体光束引导到期望方向，这将物体光束的基本空间频率移到高空间频率。因此，slm和光束引导设备结合起来可以生成具有高空间频率的物体光束。
89.在一些实施例中，光束引导设备可以包括具有可变间距的有源光栅。具有可变间距的有源光栅可以具有可变的空间频率，并且因此可以将由slm生成的物体光束的基本空间频率移到更高的空间频率。在一些实施例中，光束引导设备可以包括扫描镜，例如振镜(galvo mirror)或微机电系统(mems)镜。
90.根据某些实施例，光束引导设备可以包括可切换光栅堆叠，该可切换光栅堆叠包括具有相同或不同间距的多个光栅。可切换光栅堆叠可被切换以将由slm生成的物体光束引导到期望的方向，这将物体光束的基本空间频率移到高空间频率。因此，可以通过slm和光束引导设备的组合来生成具有期望的高空间频率的物体光束。这样，可以使用具有较低分辨率或较低最大可实现空间频率的slm来记录具有大衍射角的大hoe。在一些实施例中，可切换光栅堆叠中的光栅可以是可切换的。在一些实施例中，可切换光栅堆叠可以包括可切换偏振转换器(例如，可切换半波片)。在一些实施例中，可切换光栅堆叠可以包括可切换光栅或可切换偏振转换器中的至少一个。
91.图10a示出了根据某些实施例的全息波前记录系统1000的示例，该全息波前记录系统1000包括空间光调制器1010和可切换光栅堆叠1020。如上所述，slm 1010可以包括由控制电路控制的2d像素阵列。控制电路可以接收用于条纹图案(例如cgh)的数据并且基于接收的数据在slm1010的像素上施加不同的电压信号，使得slm 1010可以实现条纹图案。当被准直光束照射时，实现条纹图案的slm 1010的像素可以通过衍射调制准直光束的相位和/或振幅以生成物体光束1012。由于可以由slm 1010实现的条纹图案的有限分辨率和空间频率，物体光束1012可能具有相对较小的衍射角，并且因此可能从小的角度范围是可视的。
92.可切换光栅堆叠1020可以包括多个光栅，这些光栅可以被配置为衍射或不衍射入射光，或者以不同的衍射角衍射不同偏振状态的入射光。在一些实施例中，可切换光栅堆叠1020中的光栅可以包括可切换光栅，当在可切换光栅上没有施加电压信号时，该可切换光栅可以处于“接通”状态以衍射入射光，而当在可切换光栅上施加高于阈值电压的电压信号时，该可切换光栅可以切换到“关断”状态以不衍射(例如透射)入射光。在一些实施例中，可切换光栅堆叠1020中的一个或更多个光栅可以是偏振相关的，并且可以将不同偏振状态的入射光衍射到不同方向。在一些实施例中，可切换光栅堆叠1020可以包括一个或更多个可切换偏振转换器(例如，可切换半波片和/或可切换偏振器)，其可以被配置为改变入射光的
偏振状态或保持入射光的偏振状态。
93.可切换光栅堆叠1020中的多个光栅可以具有不同的光栅周期或相同的光栅周期。在一个示例中，多个光栅中的每一个可以具有不同的相应光栅周期，并且因此可以以不同的衍射角衍射入射光束。因此，当可切换光栅堆叠1020中的多个光栅被不同地配置(例如，接通或关断，或接收不同偏振状态的光)时，可切换光栅堆叠1020可以将入射物体光束1012衍射到如由在不同方向上传播的物体光束1022、1024、1026所示出的不同方向。因此，可切换光栅堆叠1020可以是能够将入射光引导到一组方向的光束引导设备。此外，可切换光栅堆叠1020中的光栅之间的距离以及全息材料层1030与可切换光栅堆叠1020之间的距离可以被配置为使得入射光可以被引导到全息材料层1030上的一组期望区域。因此，可以控制可切换光栅堆叠1020，使得入射光束可以由可切换光栅堆叠1020引导，以从期望方向到达全息材料层1030上的期望区域。
94.图10b示出了根据某些实施例的使用空间光调制器(例如，slm 1010)实现的条纹图案以及条纹图案在傅里叶平面上的傅里叶光谱的示例，该空间光调制器(例如，slm 1010)用于生成期望的物体波以记录全息光学元件。例如，为了生成物体光束1022，可以控制slm以实现条纹图案1040，该条纹图案1040可以执行居中透镜(例如透镜810的第二区域814)的波前调制功能。条纹图案1040的傅里叶光谱1042包括在傅里叶光谱1042的中心区域中的分量，其指示条纹图案1040可以具有低空间频率。通过由条纹图案1040衍射准直激光束所生成的物体光束(例如，物体光束1012)然后可以由可切换光栅堆叠1020来引导，该可切换光栅堆叠1020被配置为将物体光束1012引导到图10a所示的物体光束1022的方向。
95.为了生成物体光束1024，可以控制slm以实现条纹图案1050，该条纹图案1050可以执行居中透镜(例如透镜810的第二区域814)的波前调制功能。因此，条纹图案1050可以与条纹图案1040相同或相似。条纹图案1050的傅里叶光谱1052包括在傅里叶光谱1052的中心区域中的分量，其指示条纹图案1050可以具有低空间频率。通过由条纹图案1050衍射准直激光束所生成的物体光束(例如，物体光束1012)然后可以被可切换光栅堆叠1020引导到图10a所示的物体光束1024的方向。例如，可以通过在光栅上施加电压信号来关断可切换光栅堆叠1020中的光栅，或者可以(例如，通过可切换偏振转换器)设置入射到每个光栅上的光的偏振状态，使得物体光束1012可以在通过可切换光栅堆叠1020之后不改变传播方向。
96.为了生成物体光束1026，可以控制slm以实现条纹图案1060，该条纹图案1060可以执行居中透镜(例如透镜810的第二区域814)的波前调制功能。因此，条纹图案1060可以与条纹图案1040和条纹图案1050相同或相似。条纹图案1060的傅里叶光谱1062包括在傅里叶光谱1062的中心区域中的分量，其指示条纹图案1060可以具有低空间频率。通过由条纹图案1060衍射准直激光束所生成的物体光束(例如，物体光束1012)然后可以被可切换光栅堆叠1020引导，该可切换光栅堆叠1020被配置为将物体光束1012引导到如上面关于图10a描述的物体光束1026的方向。
97.因此，与上面关于图7a-图9c描述的全息打印系统中的slm相比，全息波前记录系统1000中使用的slm 1010可以不需要具有高分辨率和可实现的高空间频率以便记录hoe 712、722和732。
98.图11示出了根据某些实施例的包括用于将物体光束引导到大角度范围的可切换光栅堆叠的光束引导设备1100的示例。光束引导设备1100可以是可切换光栅堆叠1020的示
例。在所示的示例中，可切换光栅堆叠可以包括第一偏振光栅1110、第二偏振光栅1120和第三偏振光栅1130。第一偏振光栅1110、第二偏振光栅1120和第三偏振光栅1130可以不同地衍射不同偏振状态的入射光。例如，在一些实施例中，偏振光栅可以衍射左旋圆偏振光并透射右旋圆偏振光，或者可以衍射右旋圆偏振光并透射左旋圆偏振光。在一些实施例中，偏振光栅可以将左旋圆偏振光衍射到第一方向并将右旋圆偏振光衍射到第二方向，或者可以将右旋圆偏振光衍射到第一方向并将左旋圆偏振光衍射到第二方向。
99.第一偏振光栅1110、第二偏振光栅1120和第三偏振光栅1130可以由间隔物1112和1122(例如薄基底或薄膜)隔开。在一些实施例中，图11所示的可切换光栅堆叠可以在堆叠中的一个或更多个光栅之前包括一个或更多个无源或有源偏振器或其他偏振转换器。例如，间隔物1112和1122可以包括一个或更多个偏振器。一个或更多个偏振转换器可以改变光束的偏振状态，例如将光束的偏振状态从左旋圆偏振(lhcp)转换为右旋圆偏振(rhcp)，或者将光束的偏振状态从右旋圆偏振(rhcp)转换为左旋圆偏振(lhcp)。在一些实施例中，一个或更多个偏振转换器可以是能够被接通或断开的有源偏振转换器。例如，一个或更多个偏振转换器可以包括可切换半波片，其可以被接通以将入射光的偏振状态改变到相反的偏振状态(例如，从lhcp改变到rhcp，或从rhcp改变到lhcp)，并且可以被关断以保持入射光的偏振状态。
100.在一些实施例中，第一偏振光栅1110、第二偏振光栅1120或第三偏振光栅1130中的至少一个可以是有源光栅，其可以被接通以衍射入射光，并且可以被关断以透射入射光。例如，当没有电压信号被施加在偏振光栅上时，偏振光栅可以处于“接通”状态以衍射入射光，而当高于阈值电平的电压信号被施加在偏振光栅上时，偏振光栅可以被切换到“关断”状态以不衍射入射光(例如，透射入射光)。
101.偏振光栅可以具有不同的相应光栅周期，并且因此可以以不同的衍射角衍射入射光束。例如，第一偏振光栅1110可以在第一衍射级中将不同的圆偏振入射光束衍射大约
±
5.3
°
，第二偏振光栅1120可以在第一衍射级中将不同的圆偏振入射光束衍射大约
±
10.8
°
，而第三偏振光栅1130可以在第一衍射级中将不同的圆偏振入射光束衍射大约
±
22
°
。因此，当堆叠中的偏振光栅和/或偏振转换器被不同地配置(例如，接通或关断)时，可切换光栅堆叠可以将入射物体光束1150衍射到如图11所示的不同的方向。
102.此外，第一偏振光栅1110、第二偏振光栅1120和第三偏振光栅1130可以通过间隔物彼此隔开一定距离。在图11所示的示例中，间隔物1112可以具有大约0.3mm的厚度，并且间隔物1122也可以具有大约0.3mm的厚度。第三偏振光栅1130可以通过间隔物1132与基底1142上的全息材料层1140隔开。在图11所示的示例中，间隔物1132可以具有大约0.4mm的厚度。第一偏振光栅1110、第二偏振光栅1120、第三偏振光栅1130和全息材料层1140可以被布置成使得入射物体光束1150可以从如图11所示的不同相应方向被引导到全息材料层1140上的至少八个不同区域。
103.图12包括示意图1200，该示意图1200示出了根据某些实施例的由图11中所示的可切换光栅堆叠引导物体光束的示例。每个圆1210表示由可切换光栅堆叠引导的物体光束的中心。图12中以圆1210为中心的框1220指示由slm实现的条纹图案的空间频率范围，该slm用于生成如由可切换光栅堆叠移动的基本物体光束。可切换光栅堆叠可以将物体光束的中心引导到x-y平面中每个方向上的八个位置之一，使得物体光束可以在x-y平面中的每个方
向上覆盖大约
±
60
°
的视场。
104.上面描述的可切换光栅堆叠可以使用例如以下项来实现：偏振体光栅(pvg)、可切换布拉格光栅(sbg)、pancharatnam-berry相位(pbp)光栅、光学相控阵(opa)、液晶光栅、slm、无源或有源线性偏振器、无源或有源圆偏振器、无源或有源波片或其任何组合。
105.图13a-图13d示出了根据某些实施例的偏振体光栅的示例的操作。pvg可以包括例如具有光对准(photo-alignment)材料的液晶分子，或其他图案化双折射纳米结构。pvg可以在反射模式或透射模式下操作，并且可以是偏振选择性的。在一个示例中，pvg可以包括以螺旋结构布置的液晶分子。当液晶分子在光传播方向上被观看时以逆时针旋转图案布置时，这样的pvg可以被称为左旋(lh)pvg，或者当液晶分子在光传播方向上被观看时以顺时针旋转图案布置时，这样的pvg可以被称为右旋(rh)pvg。对于给定的光传播方向，可以翻转(flip)lh pvg以用作rh pvg，并且可以翻转rh pvg以用作lh pvg。因此，lh pvg和rh pvg的名称描述了pvg和输入光之间的相互作用，而不是不同类型的pvg。当向pvg施加电场以沿着电场方向重新排列液晶分子时，可以关断pvg(例如液晶(lc)pvg)。
106.图13a示出了rh pvg 1300对具有右旋圆偏振的入射光的操作。rh pvg 1300可以将具有右旋圆偏振的入射光衍射到特定角度(例如-1衍射级的方向)。rh pvg 1300还可以将具有右旋圆偏振的入射光的偏振改变为具有左旋圆偏振的光。
107.图13b示出了rh pvg 1300对具有左旋圆偏振的入射光的操作。如所示的，rh pvg 1300可以使具有左旋圆偏振的大部分或全部入射光透射而没有衍射。rh pvg 1300还可以保持具有左旋圆偏振的入射光的偏振状态。
108.图13c示出了lh pvg 1350对具有右旋圆偏振的入射光的操作。如所示的，lh pvg 1350可以使具有右旋圆偏振的大部分或全部入射光透射而没有衍射。lh pvg 1350还可以保持具有右旋圆偏振的入射光的偏振状态。
109.图13d示出了lh pvg 1300对具有左旋圆偏振的入射光的操作。lh pvg 1350可以将具有左旋圆偏振的入射光衍射到特定角度(例如+1衍射级的方向)。lh pvg 1350还可以将具有左旋圆偏振的入射光的偏振改变为具有右旋圆偏振的光。
110.图14a是根据某些实施例的可切换pbp光栅1400的示例的顶视图。pbp光栅1400可以是可切换光栅堆叠1020中的光栅、第一偏振光栅1110、第二偏振光栅1120或第三偏振光栅1130的示例。pbp光栅1400可以包括一对基底1410、一对电极1420、一个或两个表面对准层1430和液晶层1440。基底1410对可见光可以是透明的。电极1420对可见光也可以是透明的，并且可以使用例如氧化铟锡(ito)来实现。表面对准层1430可以具有预定义的表面图案，使得液晶层1440中的液晶分子可以在没有电压施加到pbp光栅1400时以相同的图案自对准(self-align)。
111.图14b是根据某些实施例的可切换pbp光栅1400的示例的侧视图。如所示的，pbp光栅1400中的液晶层1440可以包括当在光传播方向(例如z方向)上被观看时以在x-y平面中的重复旋转图案取向的液晶分子。重复旋转图案可以通过例如记录两个正交圆偏振激光束在偏振敏感光对准材料中的干涉来创建。由于液晶结构在x-y平面中的重复旋转图案，pbp光栅1400可以具有随位置变化的平面内单轴双折射。具有重复旋转图案的液晶结构可以由于光传播通过液晶结构时的偏振演化而引起入射光的几何相移。
112.pbp光栅1400在法线入射时的衍射效率可以由以下公式近似确定：
113.以及
[0114][0115]
其中ηm是m衍射级的衍射效率，δn是液晶层1440的双折射，d是液晶层1440的厚度，λ是入射光的波长，并且s
′3＝s3/s0是对应于入射光偏振的椭圆度的归一化斯托克斯(stokes)参数。因此，如果厚度d＝λ/2δn(lc层1440的半波延迟)，则第零级透射η0可以为零，并且所有入射光都可以衍射到
±
1级。
±
1衍射级可能对s
′3敏感，而第零级可能是偏振无关的。例如，当入射光具有右旋圆偏振时，s
′3＝-1，并且因此η
+1
＝1和η-1
＝0，这指示通过pbp光栅1400的所有入射光可以衍射到+1级。当入射光具有左旋圆偏振时，s
′3＝+1，η
+1
＝0，并且η-1
＝1，其指示所有入射光衍射到负一级。虽然m＝+1在本文被认为是基本级(primary order)，而m＝-1级被认为是共轭级，但这些级的名称可以颠倒或以其他方式改变。一般而言，不管光栅周期λ和厚度d如何，只有第零衍射级和两个第一衍射级是可能的。
[0116]
此外，在通过pbp光栅1400之后，圆偏振光的旋向性可以改变到相反的圆偏振状态，因为光可以在lc层1440中经历相对相移。例如，在右旋圆偏振光通过pbp光栅1400之后，光的偏振状态可以改变为左旋圆偏振。在左旋圆偏振光通过pbp光栅1400之后，光的偏振状态可以改变为右旋圆偏振。
[0117]
pbp光栅1400中液晶分子的重复旋转图案的间距或周期λ可以部分地确定pbp光栅的某些光学特性。例如，间距可以根据光栅方程确定不同衍射级的衍射角。通常，对于给定波长的光和给定衍射级，间距越小，衍射角越大。
[0118]
图14c是根据某些实施例的被关断的可切换pbp光栅1400的示例的顶视图。可以通过向电极1420施加电压信号来关断pbp光栅1400。当电压信号的电平大于阈值电平时，液晶层1440内的电场可以使液晶分子对准，并且有效双折射δn可以减小到大约零。因此，电压信号可以有效地擦除或关断pbp光栅1400，使得入射光可以通过pbp光栅1400而不改变传播方向和偏振状态。
[0119]
图15a-图15c示出了根据某些实施例的可切换pbp光栅1500的示例的操作。pbp光栅1500可以是pbp光栅1400的示例。在所示的示例中，pbp光栅1500可以包括一对基底1510、一对电极1520、一个或两个表面对准层1530和液晶层1540。基底1510对可见光可以是透明的。电极1520对可见光也可以是透明的，并且可以使用例如氧化铟锡(ito)来实现。表面对准层1530可以具有预定义的表面图案，使得液晶层1540中的液晶分子可以在没有电压施加到pbp光栅1500时以相同的图案自对准。在所示的示例中，pbp光栅1500可以用作右旋光栅，其中液晶层1540中的液晶分子可以在光传播方向(例如z方向)上被观看时以在x-y平面中的顺时针旋转图案布置。
[0120]
图15a示出了由处于“接通”状态的pbp光栅1500衍射右旋圆偏振入射光束的示例。当没有电压信号(或低于阈值电压的电压信号)被施加到pbp光栅1500的电极1520时，pbp光栅1500可以处于“接通”状态，因为内置光栅没有被擦除或关断。pbp光栅1500可以将具有右旋圆偏振的入射光衍射到第一方向(例如，-1衍射级的方向)，其中从pbp光栅1500输出的光在通过pbp光栅1500之后可以变成左旋圆偏振的。
[0121]
图15b示出了由处于“接通”状态的pbp光栅1500衍射左旋圆偏振入射光束的示例。当没有电压信号(或低于阈值电压的电压信号)被施加到pbp光栅1500的电极1520时，pbp光栅1500可以处于“接通”状态，因为内置光栅没有被擦除或关断。pbp光栅1500可以将具有左旋圆偏振的入射光衍射到第二方向(例如，+1衍射级的方向)，其中从pbp光栅1500输出的光在通过pbp光栅1500之后可以变成右旋圆偏振的。
[0122]
图15c示出了由处于“关断”状态的pbp光栅1500透射入射光束的示例。当高于阈值电压的电压信号被施加到pbp光栅1500的电极1520时，pbp光栅1500可以处于“关断”状态，因为内置光栅可以被擦除或关断，如上文关于图14c所述。在“关断”状态下，pbp光栅1500可以不衍射入射光束，而不管入射光束的偏振状态如何，其中从pbp光栅1500输出(例如透射)的光束可以具有与入射光束相同的偏振状态。
[0123]
如果pbp光栅1500相对于入射光束翻转，则pbp光栅1500可以变成左旋的，其中液晶层1540中的液晶分子可以在光传播方向(例如z方向)上被观看时以在x-y平面中的逆时针旋转图案布置。翻转的pbp光栅在“接通”状态下可能具有不同的衍射特性。
[0124]
图16a-图16c示出了根据某些实施例的可切换pbp光栅1600的示例的操作。pbp光栅1600可以是pbp光栅1400的示例，并且可以类似于光从相反的方向入射的pbp光栅1500。在所示的示例中，pbp光栅1600可以包括一对基底1610、一对电极1620、一个或两个表面对准层1630和液晶层1640。基底1610对可见光可以是透明的。电极1620对可见光也可以是透明的，并且可以使用例如氧化铟锡(ito)来实现。表面对准层1630可以具有预定义的表面图案，使得液晶层1640中的液晶分子可以在没有电压施加到pbp光栅1600时以相同的图案自对准。在示出的示例中，pbp光栅1600可以是左旋光栅，其中液晶层1640中的液晶分子可以在光传播方向(例如z方向)上被观看时以在x-y平面中的逆时针旋转图案布置。
[0125]
图16a示出了由处于“接通”状态的pbp光栅1600衍射右旋圆偏振入射光束的示例。当没有电压信号(或低于阈值电压的电压信号)被施加到pbp光栅1600的电极1620时，pbp光栅1600可以处于“接通”状态，因为内置光栅没有被擦除或关断。pbp光栅1600可以将具有右旋圆偏振的入射光衍射到第一方向(例如，+1衍射级的方向)，其中从pbp光栅1600输出的光在通过pbp光栅1600之后可以变成左旋圆偏振的。
[0126]
图16b示出了由处于“接通”状态的pbp光栅1600衍射左旋圆偏振入射光束的示例。当没有电压信号(或低于阈值电压的电压信号)被施加到pbp光栅1600的电极1620时，pbp光栅1600可以处于“接通”状态，因为内置光栅没有被擦除或关断。pbp光栅1600可以将具有左旋圆偏振的入射光衍射到第二方向(例如，-1衍射级的方向)，其中从pbp光栅1600输出的光在通过pbp光栅1600之后可以变成右旋圆偏振的。
[0127]
图16c示出了由处于“关断”状态的pbp光栅1600透射入射光束的示例。当高于阈值电压的电压信号被施加到pbp光栅1600的电极1620时，pbp光栅1600可以处于“关断”状态，因为内置光栅可以被擦除或关断，如上文关于图14c所述。在“关断”状态下，pbp光栅1600可以不衍射入射光束，而不管入射光束的偏振状态如何，其中从pbp光栅1600输出(例如透射)的光束可以具有与入射光束相同的偏振状态。
[0128]
图17a示出了根据某些实施例的光束引导设备1700的操作的示例。在所示的示例中，光束引导设备1700可以包括在堆叠中布置的第一可切换偏振转换器1710、第一偏振光栅1720、第二可切换偏振转换器1712、第二偏振光栅1722、第三可切换偏振转换器1714和第
三偏振光栅1724。如上所述，可切换偏振转换器1710、1712和1714可以将入射的圆偏振光束转换成具有相反圆偏振状态的光束(例如，从lhcp转换到rhcp，或从rhcp转换到lhcp)。例如，可切换偏振转换器1710、1712和1714中的每一个可以包括可切换半波片，该可切换半波片可以被接通(例如在不施加电压信号的情况下)来将入射光的偏振状态改变为相反的偏振状态，并且可以被关断(例如在施加电压信号的情况下)来保持入射光的偏振状态。
[0129]
第一偏振光栅1720、第二偏振光栅1722和第三偏振光栅1724可以是上述无源偏振相关光栅或有源偏振相关光栅，例如上述pvg或者无源或有源pbp光栅。第一偏振光栅1720、第二偏振光栅1722和第三偏振光栅1724中的每一个可以是右旋偏振光栅或左旋偏振光栅。第一偏振光栅1720、第二偏振光栅1722和第三偏振光栅1724可以具有不同的光栅周期，并且因此对于相同的衍射级可以具有不同的衍射角。例如，第一偏振光栅1720可以具有第一光栅周期，使得其可以以衍射角θ将表面法线入射光衍射到+1衍射级；第二偏振光栅1722可以具有第二光栅周期，使得其可以以衍射角2θ将表面法线入射光衍射到+1衍射级；而第三偏振光栅1724可以具有第三光栅周期，使得其可以以衍射角4θ将表面法线入射光衍射到+1衍射级。
[0130]
在图17a所示的示例中，第一偏振光栅1720、第二偏振光栅1722和第三偏振光栅1724可以是无源右旋圆偏振光栅，或者可以是保持在“接通”状态以衍射入射光的有源右旋圆偏振光栅。第一可切换偏振转换器1710可以通过所施加的电压信号而被关断，并且因此可以使右旋圆偏振光束透射而不改变其偏振状态。第一偏振光栅1720可以以-1衍射级衍射右旋圆偏振光束，并将输出光束改变为左旋圆偏振光束。第二可切换偏振转换器1712可以通过将其与电压信号断开而被接通，并且因此可以将左旋圆偏振光束转换为右旋圆偏振光束。第二偏振光栅1722可以以-1衍射级衍射右旋圆偏振光束，并将输出光束改变为左旋圆偏振光束。第三可切换偏振转换器1714可以通过将其与电压信号断开而被接通，并且因此可以将左旋圆偏振光束转换为右旋圆偏振光束。第三偏振光栅1724可以以-1衍射级衍射右旋圆偏振光束，并且将输出光束改变为左旋圆偏振光束。
[0131]
图17b示出了根据某些实施例的光束引导设备1700的操作的另一个示例。在图17b所示的示例中，第一可切换偏振转换器1710可以通过将其与电压信号断开而被接通，并且因此可以将右旋圆偏振入射光束转换为左旋圆偏振光束。第一偏振光栅1720可以以+1衍射级衍射左旋圆偏振光束，并且将输出光束改变为右旋圆偏振光束。第二可切换偏振转换器1712可以通过所施加的电压信号而被关断，并且因此可以使右旋圆偏振光束透射而不改变其偏振状态。第二偏振光栅1722可以以-1衍射级衍射右旋圆偏振光束，并将输出光束改变为左旋圆偏振光束。第三可切换偏振转换器1714可以通过将其与电压信号断开而被接通，并且因此可以将左旋圆偏振光束转换为右旋圆偏振光束。第三偏振光栅1724可以以-1衍射级衍射右旋圆偏振光束，并且将输出光束改变为左旋圆偏振光束。
[0132]
因此，通过选择性地接通或关断可切换偏振转换器1710、1712和1714以设置第一偏振光栅1720、第二偏振光栅1722和第三偏振光栅1724的入射光束的偏振状态，入射光束可以被引导到一组离散方向中的方向。例如，当第一偏振光栅1720、第二偏振光栅1722和第三偏振光栅1724具有不同的相应光栅周期时，光束引导设备1700可以将入射光束引导到八(23)个不同的方向之一。
[0133]
图18a示出了根据某些实施例的光束引导设备1800的操作的示例。在所示的示例
中，光束引导设备1800可以包括在堆叠中布置的第一可切换偏振转换器1810、第一偏振光栅1820、第二可切换偏振转换器1812、第二偏振光栅1822、第三可切换偏振转换器1814和第三偏振光栅1824。如上所述，可切换偏振转换器1810、1812和1814可以将入射的圆偏振光束转换成具有相反圆偏振状态的光束(例如，从lhcp转换到rhcp，或从rhcp转换到lhcp)。例如，可切换偏振转换器1810、1812和1814中的每一个可以包括可切换半波片，该可切换半波片可以被接通(例如在不施加电压信号的情况下)来将入射光的偏振状态改变为相反的偏振状态，并且可以被关断(例如在施加电压信号的情况下)来保持入射光的偏振状态。
[0134]
第一偏振光栅1820、第二偏振光栅1822和第三偏振光栅1824可以是有源偏振相关光栅，例如上述有源pbp光栅。第一偏振光栅1820、第二偏振光栅1822和第三偏振光栅1824中的每一个可以是右旋偏振光栅或左旋偏振光栅。第一偏振光栅1820、第二偏振光栅1822和第三偏振光栅1824可以具有不同的光栅周期，并且因此对于相同的衍射级可以具有不同的衍射角。例如，第一偏振光栅1820可以具有第一光栅周期，使得其可以以衍射角4θ将表面法线入射光衍射到+1衍射级；第二偏振光栅1822可以具有第二光栅周期，使得其可以以衍射角2θ将表面法线入射光衍射到+1衍射级；而第三偏振光栅1824可以具有第三光栅周期，使得其可以以衍射角θ将表面法线入射光衍射到+1衍射级。
[0135]
在图18a所示的示例中，第一可切换偏振转换器1810可以通过所施加的电压信号而被关断，并且因此可以使右旋圆偏振光束透射而不改变其偏振状态。第一偏振光栅1820可以通过将其与电压信号断开而被接通，并且因此可以以-1衍射级衍射右旋圆偏振光束，并且将输出光束改变为左旋圆偏振光束。第二可切换偏振转换器1812可以通过将其与电压信号断开而被接通，并且因此可以将左旋圆偏振光束转换为右旋圆偏振光束。第二偏振光栅1822可以通过所施加的电压信号而被关断，并且因此可以使右旋圆偏振光束(以第0衍射级)透射而不改变其偏振状态和传播方向。第三可切换偏振转换器1814可以通过将其与电压信号断开而被接通，并且因此可以将右旋圆偏振光束转换为左旋圆偏振光束。第三偏振光栅1824可以通过将其与电压信号断开而被接通，并且因此可以以+1衍射级衍射左旋圆偏振光束，并且将输出光束改变为右旋圆偏振光束。
[0136]
图18b示出了根据某些实施例的光束引导设备1800的操作的示例。在图18b所示的示例中，第一可切换偏振转换器1810可以通过将其与电压信号断开而被接通，并且因此可以将右旋圆偏振光束转换为左旋圆偏振光束。第一偏振光栅1820可以通过所施加的电压信号而被关断，并且因此可以使左旋圆偏振光束透射而不改变其偏振状态和传播方向。第二可切换偏振转换器1812可以通过所施加的电压信号而被关断，并且因此可以使左旋圆偏振光束透射而不改变其偏振状态。第二偏振光栅1822可以通过所施加的电压信号而被关断，并且因此可以使左旋圆偏振光束透射而不改变其偏振状态和传播方向。第三可切换偏振转换器1814可以通过所施加的电压信号而被关断，并且因此可以使左旋圆偏振光束透射而不改变其偏振状态。第三偏振光栅1824可以通过将其与电压信号断开而被接通，并且因此可以以+1衍射级衍射左旋圆偏振光束，并且将输出光束改变为右旋圆偏振光束。
[0137]
因此，通过选择性地接通或关断可切换偏振转换器1810、1812和1814以设置第一偏振光栅1820、第二偏振光栅1822和第三偏振光栅1824的入射光束的偏振状态，和/或通过选择性地接通或关断第一偏振光栅1820、第二偏振光栅1822和第三偏振光栅1824，入射光束可以被引导到一组离散方向中的任何方向。例如，当第一偏振光栅1820、第二偏振光栅
1822和第三偏振光栅1824具有不同的相应光栅周期时，光束引导设备1800可以将入射光束引导到27(33)个不同的方向之一。
[0138]
图19包括根据某些示例的全息打印机1900的示例的简化框图。全息打印机1900可以包括分束器1904(例如，偏振分束器立方体或任何其他分束器)，该分束器1904可以将输入光束1902分为两个光束。全息打印机1900还可以包括两组光学调制、滤波和缩小设备。每组光学调制、滤波和缩小设备可以用于调节来自分束器1904的两个光束之一，以生成用于全息记录的物体光束或参考光束。
[0139]
在所示的示例中，第一组光学调制、滤波和缩小设备可以包括分束器1906、slm 1908、透镜1910、滤波器1912、透镜1914、滤波器1916、反射器1918(例如，反射镜)、透镜1920、透镜1922、透镜1924和光束引导设备1930(例如上面描述的任何可切换光栅堆叠)。上面描述的透镜中的任何一个可以包括单个透镜或透镜组件，该透镜组件包括一组透镜。透镜1922和透镜1924可以形成包括多个透镜的物镜(objective lens)。在一些实施例中，这些设备中的一些可以是可选的。例如，如上面关于图6所述，在一些实施例中，透镜1914和滤波器1916可以是可选的；透镜1922和透镜1924可以是可选的；并且光束引导设备1930可以是可选的。在一些实施例中，透镜1920可以在反射器1918之前或之后。
[0140]
分束器1906可以将第一光束反射到slm 1908。slm 1908可以从控制器(例如控制器605)接收数据以实现对应于全息图元件的全息条纹图案(例如cgh)。第一光束可以由slm 1908调制，使得经调制的第一光束可以具有期望的波前。由slm 1908反射的经调制的第一光束可以由透镜1910傅里叶变换到傅里叶平面上。不期望的光(例如高衍射级和/或未经调制的第0衍射级)可以由滤波器1912在傅里叶平面处进行空间滤波，其中可以仅允许第一(
±
1)衍射级通过。例如，滤波器1912可以包括可以滤除第0衍射级的dc滤波器(例如，铬斑)，和/或可以滤除高衍射级的低通滤波器(例如，孔)。在一些实施例中，透镜1914和滤波器1916可以与透镜1910和滤波器1912组合使用，以对由slm 1908调制的第一光束进行滤波。如上文关于图6所述，由滤波器1912和/或滤波器1916滤波的第一光束可以由一个或更多个远心系统缩小，该远心系统例如为包括透镜1910和透镜1914或透镜1920的远心系统和/或包括透镜1922和透镜1924的远心系统，其中可以选择透镜的焦距以使得第一光束可以被缩小。例如，透镜1924可以具有比透镜1922更短的焦距，和/或透镜1920或1914可以具有比透镜1910更短的焦距。第一光束的经缩小、滤波和调制的波前可以可选地由光束引导设备1930引导到全息材料层1990上的区域。
[0141]
类似地，第二组光学调制、滤波和缩小设备可以包括分束器1932、slm 1934、透镜1936、滤波器1938、透镜1940、滤波器1942、反射器1944(例如，反射镜或棱镜)、反射器1946(例如，反射镜或棱镜)、透镜1948、透镜1950、透镜1952和光束引导设备1960(例如上面描述的任何切换光栅堆叠)。上面描述的透镜中的任何一个可以包括单个透镜或透镜组件，该透镜组件包括一组透镜。透镜1950和透镜1952可以形成包括多个透镜的物镜。在一些实施例中，这些设备中的一些可以是可选的。例如，如上面关于图6所述，在一些实施例中，透镜1940和滤波器1942可以是可选的；透镜1950和透镜1952可以是可选的；并且光束引导设备1960可以是可选的。在一些实施例中，透镜1948可以在反射器1944之前，在反射器1944和反射器1946之间，或者在反射器1946之后。
[0142]
分束器1932可以使第二光束透射到达slm 1934。slm 1934可以从控制器(例如控
制器605)接收数据以实现对应于全息图元件的全息条纹图案(例如cgh)。第二光束可以由slm 1934调制，使得经调制的第二光束可以具有期望的波前。经调制的第二光束可以由slm 1908和分束器1932反射，并且可以由透镜1936傅里叶变换到傅里叶平面上。不期望的光(例如高衍射级和/或未经调制的第0衍射级)可以由滤波器1938在傅里叶平面处进行空间滤波，其中可以仅允许第一(
±
1)衍射级通过。例如，滤波器1938可以包括可以滤除第0衍射级的dc滤波器(例如，铬斑)，和/或可以滤除高衍射级的低通滤波器(例如，孔)。在一些实施例中，透镜1940和滤波器1942可以与透镜1936和滤波器1938组合使用，以对由slm 1934调制的第二光束进行滤波。如上文关于图6所述，由滤波器1912和/或滤波器1916滤波的第二光束可以由一个或更多个远心系统缩小，该远心系统例如为包括透镜1936和透镜1940或透镜1948的远心系统和/或包括透镜1950和透镜1952的远心系统，其中可以选择透镜的焦距以使得第二光束可以被缩小。例如，透镜1952可以具有比透镜1950更短的焦距，和/或透镜1948或1940可以具有比透镜1936更短的焦距。第二光束的经缩小、滤波和调制的波前可以可选地由光束引导设备1960引导到全息材料层1990上的区域，其中第二光束可以与第一光束进行干涉以形成光条纹图案并因此形成全息图元件。
[0143]
为了记录下一个全息图元件，可以将用于下一个全息图元件的数据发送到slm 1908和/或slm 1934，并且全息材料层1990可以通过机动台(例如2d平移台685)移动到下一个位置。在所有全息图元件被记录之后，全息材料层1990可以被处理(例如固化或漂白)以形成所期望的全息图。
[0144]
图20是示出了根据某些实施例的打印全息光学元件的方法的示例的简化流程图2000。流程图2000中描述的操作仅仅是为了说明的目的，而不意图是限制性的。在各种实现中，可以对流程图2000进行修改以增加附加的操作、省略一些操作、组合一些操作、拆分一些操作或将一些操作重新排序。一个或更多个计算机系统可以执行存储在非暂时性存储介质上的指令以控制全息打印系统(例如全息波前打印机)来执行该方法。
[0145]
在框2010，计算机系统可以控制支撑全息材料层(例如光聚合物层)的线性平移台以将全息层移动到期望的位置。在框2020，计算机系统可以将用于实现条纹图案(例如计算机生成的全息图)的数据提供给第一空间光调制器。当由第一光束照射时，由第一slm实现的条纹图案可以调制第一光束以生成期望的波前。可选地，在框2030，第一光束可以例如被dc滤波器和/或低通滤波器在傅里叶平面处进行滤波，以阻挡未经调制的第零衍射级和高衍射级，并允许
±
1衍射级通过。可选地，在框2032，可以使用例如一个或更多个远心系统来缩小第一光束。在框2040，计算机系统可以配置如上文所述的第一可切换光栅堆叠以将第一光束引导到期望的方向。第一可切换光栅堆叠可以可配置为将第一光束引导到多个方向之一。
[0146]
可选地，在框2042，计算机系统可以将用于实现条纹图案(例如计算机生成的全息图)的数据提供给第二空间光调制器。当由第二光束照射时，由第二slm实现的条纹图案可以调制第二光束以生成所期望的波前。可选地，在框2044，第二光束可以例如被dc滤波器和/或低通滤波器在傅里叶平面处进行滤波，以阻挡未经调制的第零衍射级和高衍射级，并允许
±
1衍射级通过。可选地，在框2046，可以使用例如一个或更多个远心系统来缩小第二光束。在框2048，计算机系统可以配置如上文所述的第二可切换光栅堆叠以将第二光束引导到期望的方向。第二可切换光栅堆叠可以可配置为将第二光束引导到多个方向之一。
[0147]
在框2050，计算机系统可以控制曝光系统以将全息材料层的区域曝光给第一光束和第二光束，以记录全息图的元件(例如全息像素)。第一光束和第二光束可以干涉以生成光条纹图案，这可以导致写入单体的聚合和扩散以形成与如上文所述的光条纹图案相对应的全息光学元件。
[0148]
在曝光之后，计算机系统可以控制2d线性平移台以将全息材料层移动到下一个位置，并且可以再次执行框2020-2050处的操作以在全息材料层的不同区域处记录全息图的另一个元件。可以迭代地执行框2010-2050处的操作，以记录全息图的2d元件阵列。在全息图的所有元件被记录之后，可以对全息材料层进行后处理，例如用于染料漂白、完成聚合、永久固定所记录的图案以及增强折射率调制。
[0149]
本发明的实施例可以用于制造人工现实系统的部件，或者可以结合人工现实系统来实现。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(vr)、增强现实(vr)、混合现实(mr)、混杂现实或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，真实世界)内容组合地生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。另外地，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或它们的某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(hmd)、独立的hmd、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
[0150]
图21是根据某些实施例的包括近眼显示器系统2120的人工现实系统环境2100的示例的简化框图，该近眼显示器系统2120可以使用采用本文公开的技术制造的一个或更多个全息光学元件。图21中所示的人工现实系统环境2100可以包括近眼显示器系统2120、可选的成像设备2150和可选的输入/输出接口2140，它们中的每个可以被耦合至可选的控制台2110。虽然图21示出了包括一个近眼显示器系统2120、一个成像设备2150和一个输入/输出接口2140的示例人工现实系统环境2100，但人工现实系统环境2100中可以包括任意数量的这些部件，或者可以省略这些部件中的任何部件。例如，可以存在多个近眼显示器系统2120，这些近眼显示器系统2120由与控制台2110通信的一个或更多个外部成像设备2150监控。在一些配置中，人工现实系统环境2100可以不包括成像设备2150、可选的输入/输出接口2140和可选的控制台2110。在替代配置中，人工现实系统环境2100中可以包括不同或附加的部件。在一些配置中，近眼显示器系统2120可以包括成像设备2150，该成像设备2150可以用于跟踪一个或更多个输入/输出设备(例如，输入/输出接口2140)，诸如手持式控制器。
[0151]
近眼显示器系统2120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。由近眼显示器系统2120呈现的内容示例包括图像、视频、音频或它们的某种组合中的一种或更多种。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器系统2120、控制台2110或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器系统2120可以包括一个或更多个刚性主体，该刚性主体可以刚性地或非刚性地彼此联接。刚性主体之间的刚性联接可以使所联接的刚性主体充当单个刚性实体。刚性主体之间的非刚性联接可以允许刚性主体相对于彼此移动。在各种实施例中，近眼显示器系统
2120可以以任何合适的形状因子(包括一副眼镜)来被实现。下面进一步描述近眼显示器系统2120的一些实施例。附加地，在各种实施例中，本文描述的功能可以用在头戴式装置(headset)中，该头戴式装置组合近眼显示器系统2120外部的环境的图像和人工现实内容(例如，计算机生成的图像)。因此，近眼显示器系统2120可以用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)来增强近眼显示器系统2120外部的物理、真实世界环境的图像，以向用户呈现增强的现实。
[0152]
在各种实施例中，近眼显示器系统2120可以包括显示电子器件2122、显示光学器件2124和眼睛跟踪系统2130中的一个或更多个。在一些实施方案中，近眼显示器系统2120还可以包括一个或更多个定位器2126、一个或更多个位置传感器2128和惯性测量单元(imu)2132。在各种实施例中，近眼显示器系统2120可以省略这些元件中的任何一个，或者可以包括附加的元件。附加地，在一些实施例中，近眼显示器系统2120可以包括组合了结合图21描述的各种元件的功能的元件。
[0153]
显示器2122可以根据从例如控制台2110接收的数据向用户显示图像或促进图像的显示。在各种实施例中，显示器2122可以包括一个或更多个显示面板，例如全息显示器、液晶显示器(lcd)、有机发光二极管(oled)显示器、无机发光二极管(iled)显示器、微发光二极管(μled)显示器、有源矩阵oled显示器(amoled)、透明oled显示器(toled)或某种其他显示器。例如，在近眼显示器系统2120的一个实现中，显示器2122可以包括前toled面板、后显示面板以及在前显示面板和后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器或者衍射膜或光谱膜)。显示器2122可以包括发射例如红、绿、蓝、白或黄的主要颜(predominant color)的光的像素。在一些实现中，显示器2122可以通过由二维面板产生的立体效果来显示三维(3d)图像，以创建图像深度的主观感知。例如，显示器2122可以包括分别位于用户的左眼和右眼前方的左显示器和右显示器。左显示器和右显示器可以呈现相对于彼此水平偏移的图像的副本，以产生立体效果(即，观看图像的用户对图像深度的感知)。
[0154]
在某些实施例中，显示光学器件2124可以(例如，使用光波导和耦合器)光学地显示图像内容，放大从显示电子器件2122接收的图像光，校正与图像光相关联的光学误差，并将校正的图像光呈现给近眼显示器系统2120的用户。在各种实施例中，显示光学器件2124可以包括一个或更多个光学元件，例如基底、光波导、光圈(aperture)、菲涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、输入/输出耦合器或者可以影响从显示电子器件2122发射的图像光的任何其他合适的光学元件。显示光学器件2124可以包括不同光学元件以及机械联接件的组合，以保持组合中的光学元件的相对间距和定向。显示光学器件2124中的一个或更多个光学元件可以具有光学涂层，例如抗反射涂层、反射涂层、滤光涂层或不同光学涂层的组合。
[0155]
显示光学器件2124对图像光的放大可以允许显示器2122比更大的显示器物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。附加地，放大可以增加显示内容的视场。显示光学器件2124对图像光的放大倍数可以通过调整光学元件、增加光学元件或从显示光学器件2124移除光学元件来改变。在一些实施例中，显示光学器件2124可以将显示的图像投射到一个或更多个图像平面，该图像平面可以比近眼显示器系统2120更远离用户的眼睛。
[0156]
显示光学器件2124还可以被设计成校正一种或更多种类型的光学误差，例如二维光学误差、三维光学误差或其组合。二维误差可以包括二维中出现的光学像差(optical aberration)。二维误差的示例类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向差和横向差。三
维误差可以包括三维中出现的光学误差。三维误差的示例类型可以包括球面像差(spherical aberration)、彗形像差(comatic aberration)、像场弯曲(field curvature)和像散(astigmatism)。
[0157]
定位器2126可以是相对于彼此并相对于近眼显示器系统2120上的参考点位于近眼显示器系统2120上特定位置的对象。在一些实施方式中，控制台2110可以识别由成像设备2150捕获的图像中的定位器2126，以确定人工现实头戴式装置的位置、定向或两者。定位器2126可以是发光二极管(led)、锥体棱镜(corner cube reflector)、反射标记、与近眼显示器系统2120在其中操作的环境形成对比的一种类型的光源或者它们的一些组合。在定位器2126是有源部件(例如，led或其他类型的发光设备)的实施例中，定位器2126可以发射可见波段(例如，大约380nm至750nm)中的光、红外(ir)波段(例如，大约750nm至21mm)中的光、紫外波段(例如，大约210nm至大约380nm)中的光、电磁波谱的另一部分中的光或电磁波谱中各部分的任意组合中的光。
[0158]
成像设备2150可以是近眼显示器系统2120的一部分，或者可以在近眼显示器系统2120的外部。成像设备2150可以基于从控制台2110接收的校准参数生成慢速校准数据。慢速校准数据可以包括显示定位器2126的观察位置的一个或更多个图像，这些定位器2126能够被成像设备2150检测到。成像设备2150可以包括一个或更多个相机、一个或更多个视频相机、能够捕获包括一个或更多个定位器2126的图像的任何其他设备或者它们的一些组合。附加地，成像设备2150可以包括一个或更多个滤波器(例如，用于提高信噪比)。成像设备2150可被配置成在成像设备2150的视场中检测从定位器2126发射或反射的光。在定位器2126包括无源元件(例如，回射器(retroreflector))的实施例中，成像设备2150可以包括照射一些或所有定位器2126的光源，该定位器2126可以将光回射到成像设备2150中的光源。可以将慢速校准数据从成像设备2150传送到控制台2110，并且成像设备2150可以从控制台2110接收一个或更多个校准参数，以调整一个或更多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、传感器温度、快门速度、光圈等)。
[0159]
位置传感器2128可以响应于近眼显示器系统2120的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器2128的示例可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、其他运动检测或误差校正传感器或者它们的一些组合。例如，在一些实施例中，位置传感器2128可以包括测量平移运动(例如，向前/向后、向上/向下、或向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏航或横滚)的多个陀螺仪。在一些实施例中，各种位置传感器可以彼此正交地取向。
[0160]
imu 2132可以是基于从一个或更多个位置传感器2128接收的测量信号生成快速校准数据的电子设备。位置传感器2128可以位于imu 2132的外部、imu 2132的内部或它们的某种组合。基于来自一个或更多个位置传感器2128的一个或更多个测量信号，imu 2132可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器系统2120的初始位置的近眼显示器系统2120的估计位置。例如，imu 2132可以对从加速度计接收的测量信号在时间上进行积分，以估计速度矢量，并且对速度矢量在时间上进行积分，以确定近眼显示器系统2120上参考点的估计位置。替代地，imu 2132可以向控制台2110提供采样的测量信号，控制台2110可以确定快速校准数据。虽然参考点通常可以被定义为空间中的点，但是在各种实施例中，参考点也可以被定义为近眼显示器系统2120内的点(例如，imu 2132的中心)。
[0161]
眼睛跟踪系统2130可以包括一个或更多个眼睛跟踪系统。眼睛跟踪可以指确定眼睛相对于近眼显示器系统2120的位置，包括眼睛的定向和定位。眼睛跟踪系统可以包括对一只或更多只眼睛进行成像的成像系统，并且通常可以包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统捕获。例如，眼睛跟踪系统2130可以包括发射可见光谱或红外光谱中的光的非相干光源或相干光源(例如，激光二极管)，以及捕获由用户的眼睛反射的光的相机。作为另一个示例，眼睛跟踪系统2130可以捕获由微型雷达单元发射的反射无线电波。眼睛跟踪系统2130可以使用低功率光发射器，该低功率光发射器以不会伤害眼睛或不会引起身体不适的频率和强度发射光。眼睛跟踪系统2130可以被布置成提高由眼睛跟踪系统2130捕获的眼睛图像中的对比度，同时降低由眼睛跟踪系统2130消耗的总功率(例如，降低由眼睛跟踪系统2130中包括的光发射器和成像系统消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛跟踪系统2130可以消耗小于2100毫瓦的功率。
[0162]
眼睛跟踪系统2130可以被配置成估计用户眼睛的定向。眼睛的定向可以对应于用户在近眼显示器系统2120内的凝视方向。用户眼睛的定向可以被定义为视网膜中央凹轴(foveal axis)的方向，视网膜中央凹轴是视网膜中央凹(fovea)(眼睛视网膜上感光细胞最集中的区域)与眼睛瞳孔中心之间的轴。通常，当用户的眼睛固定在一点上时，用户眼睛的视网膜中央凹轴与该点相交。眼睛的瞳孔轴可以被定义为穿过瞳孔中心并垂直于角膜表面(corneal surface)的轴。通常，即使瞳孔轴和视网膜中央凹轴在瞳孔中心相交，瞳孔轴也可能不直接与视网膜中央凹轴对准。例如，视网膜中央凹轴的定向可能横向偏离瞳孔轴约-1
°
至8
°
，并且竖直偏离约
±4°
(这可称为kappa角，其可能因人而异)。因为视网膜中央凹轴是根据位于眼睛后部的视网膜中央凹来定义的，所以在一些眼睛跟踪实施例中，视网膜中央凹轴可能难以或不可能直接测量。相应地，在一些实施例中，可以检测瞳孔轴的定向，并且可以基于检测到的瞳孔轴来估计视网膜中央凹轴。
[0163]
输入/输出接口2140可以是允许用户向控制台2110发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。输入/输出接口2140可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台2110的任何其他合适的设备。由输入/输出接口2140接收的动作请求可以被传送到控制台2110，控制台2110可以执行对应于所请求动作的动作。在一些实施例中，输入/输出接口2140可以根据从控制台2110接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，或者当控制台2110已经执行了所请求的动作并将指令传送给输入/输出接口2140时，输入/输出接口2140可以提供触觉反馈。在一些实施例中，成像设备2150可以用于跟踪输入/输出接口2140，诸如跟踪控制器(其可以包括例如ir光源)或用户的手的位置或定位以确定用户的运动。在一些实施例中，近眼显示器2120可以包括一个或更多个成像设备(例如，成像设备2150)以跟踪输入/输出接口2140，诸如跟踪控制器或用户的手的位置或定位以确定用户的运动。
[0164]
控制台2110可以根据从成像设备2150、近眼显示器系统2120和输入/输出接口2140中的一个或更多个接收的信息向近眼显示器系统2120提供内容以呈现给用户。在图21所示的示例中，控制台2110可以包括应用储存器2112、头戴式装置跟踪模块2114、人工现实引擎2116和眼睛跟踪模块2118。控制台2110的一些实施例可以包括与结合图21描述的模块
不同的模块或附加的模块。下面进一步描述的功能可以以不同于这里描述的方式在控制台2110的部件之间分配。
[0165]
在一些实施例中，控制台2110可以包括处理器和存储可由处理器执行的指令的非暂时性计算机可读存储介质。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。计算机可读存储介质可以是任何存储器，诸如硬盘驱动器、可移动存储器、或固态驱动器(例如，闪存或动态随机存取存储器(dram))。在各种实施例中，结合图21描述的控制台2110的模块可以被编码为非暂时性计算机可读存储介质中的指令，这些指令当由处理器执行时使处理器执行下面进一步描述的功能。
[0166]
应用储存器2112可以存储用于由控制台2110执行的一个或更多个应用。应用可以包括一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以对经由用户眼睛的移动从用户接收的输入或者从输入/输出接口2140接收的输入进行响应。应用的示例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
[0167]
头戴式装置跟踪模块2114可以使用来自成像设备2150的慢速校准信息来跟踪近眼显示器系统2120的移动。例如，头戴式装置跟踪模块2114可以使用从慢速校准信息观察到的定位器和近眼显示器系统2120的模型来确定近眼显示器系统2120的参考点的位置。头戴式装置跟踪模块2114还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器系统2120的参考点的位置。附加地，在一些实施例中，头戴式装置跟踪模块2114可以使用快速校准信息、慢速校准信息中的部分或其某种组合来预测近眼显示器系统2120的未来位置。头戴式装置跟踪模块2114可以向人工现实引擎2116提供近眼显示器系统2120的估计或预测的未来位置。
[0168]
头戴式装置跟踪模块2114可以使用一个或更多个校准参数来校准人工现实系统环境2100，并且可以调整一个或更多个校准参数以降低确定近眼显示器系统2120的位置时的误差。例如，头戴式装置跟踪模块2114可以调整成像设备2150的焦点，以获得在近眼显示器系统2120上观察到的定位器的更准确的位置。此外，头戴式装置跟踪模块2114执行的校准也可以考虑从imu 2132接收的信息。附加地，如果对近眼显示器系统2120的跟踪丢失(例如，成像设备2150丢失至少阈值数量的定位器2126的视线)，则头戴式装置跟踪模块2114可以重新校准一些或所有的校准参数。
[0169]
人工现实引擎2116可以在人工现实系统环境2100内执行应用，并且从头戴式装置跟踪模块2114接收近眼显示器系统2120的位置信息、近眼显示器系统2120的加速度信息、近眼显示器系统2120的速度信息、近眼显示器系统2120的预测未来位置或者它们的某种组合。人工现实引擎2116还可以从眼睛跟踪模块2118接收估计的眼睛位置和定向信息。基于接收到的信息，人工现实引擎2116可以确定要提供给近眼显示器系统2120用于呈现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则人工现实引擎2116可以为近眼显示器系统2120生成反映(mirror)用户眼睛在虚拟环境中的移动的内容。附加地，人工现实引擎2116可以响应于从输入/输出接口2140接收的动作请求来执行在控制台2110上执行的应用内的动作，并且向用户提供指示动作已经被执行的反馈。反馈可以是经由近眼显示器系统2120的视觉或听觉反馈，或者经由输入/输出接口2140的触觉反馈。
[0170]
眼睛跟踪模块2118可以从眼睛跟踪系统2130接收眼睛跟踪数据，并基于眼睛跟踪数据确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括相对于近眼显示器系统2120或其任何元件
的眼睛的定向、位置或两者。因为眼睛的旋转轴根据眼睛在眼窝(socket)中的位置而改变，所以确定眼睛在眼窝中的位置可以允许眼睛跟踪模块2118更精确地确定眼睛的定向。
[0171]
在一些实施例中，眼睛跟踪模块2118可以存储由眼睛跟踪系统2130捕获的图像与眼睛位置之间的映射，以从由眼睛跟踪系统2130捕获的图像确定参考眼睛位置。替代地或附加地，眼睛跟踪模块2118可以通过比较从中确定参考眼睛位置的图像和从中确定更新的眼睛位置的图像来确定相对于参考眼睛位置的更新的眼睛位置。眼睛跟踪模块2118可以使用来自不同成像设备或其他传感器的测量结果来确定眼睛位置。例如，眼睛跟踪模块2118可以使用来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定参考眼睛位置，然后从快速眼睛跟踪系统确定相对于参考眼睛位置的更新的位置，直到基于来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定下一个参考眼睛位置为止。
[0172]
眼睛跟踪模块2118还可以确定眼睛校准参数，以提高眼睛跟踪的精度和准确度。眼睛校准参数可以包括每当用户佩戴或调整近眼显示器系统2120时都会改变的参数。示例眼睛校准参数可以包括眼睛跟踪系统2130的部件与眼睛的一个或更多个部分(诸如眼睛的中心、瞳孔、角膜边界或眼睛表面上的点)之间的估计距离。其他示例眼睛校准参数可以特定于特定用户，并且可以包括估计的平均眼睛半径、平均角膜半径、平均巩膜半径、眼睛表面上的特征图以及估计的眼睛表面轮廓。在来自近眼显示器系统2120外部的光可以到达眼睛的实施例中(如在一些增强现实应用中)，校准参数可以包括由于来自近眼显示器系统2120外部的光的变化而导致的强度和彩平衡的校正因子。眼睛跟踪模块2118可以使用眼睛校准参数来确定由眼睛跟踪系统2130捕获的测量结果是否允许眼睛跟踪模块2118确定准确的眼睛位置(在本文也称为“有效测量结果”)。眼睛跟踪模块2118可能无法从中确定准确眼睛位置的无效测量结果可能是由用户眨眼、调整头戴式装置或移除头戴式装置引起的，和/或可能是由近眼显示器系统2120由于外部光而经历大于阈值的照明变化引起的。在一些实施例中，眼睛跟踪模块2118的至少一些功能可以由眼睛跟踪系统2130来执行。
[0173]
图22示出了用于实现本文公开的一些实施例的计算机系统2200的示例。计算机系统2200可以用于实现上述控制器或计算机系统中的任何一个。例如，计算机系统2200可以用于实现本文描述的控制器605、线性平移台或一些空间光调制器。计算机系统2200可以包括一个或更多个处理器2202，该处理器2202可以经由内部总线子系统2204与多个外围设备(例如输入设备)通信。这些外围设备可以包括存储子系统2206(包括存储器子系统2208和文件存储子系统2210)、用户接口输入设备2214、用户接口输出设备2216和网络接口子系统2212。
[0174]
在一些示例中，内部总线子系统2204可以提供用于让计算机系统2200的各种部件和子系统按照预期彼此通信的机制。尽管内部总线子系统2204示意性地示出为单个总线，但总线子系统的替代实施例可以利用多个总线。附加地，网络接口子系统2212可以用作接口，该接口用于在计算机系统2200和其他计算机系统或网络之间传送数据。网络接口子系统2212的实施例可以包括有线接口(例如，以太网、rs-232、rs-485等)或无线接口(例如，zigbee、wi-fi、蜂窝等)。
[0175]
在一些情况下，用户接口输入设备2214可以包括键盘、定点设备(例如鼠标、轨迹球、触摸板等)、条形码扫描仪、并入显示器的触摸屏、音频输入设备(例如语音识别系统、麦克风等)、人机接口(hmi)和其他类型的输入设备。一般而言，术语“输入设备”的使用旨在包
括用于将信息输入到计算机系统2200中的所有可能类型的设备和机制。附加地，用户接口输出设备2216可以包括显示器子系统、打印机或非视觉显示器(诸如音频输出设备等)。显示器子系统可以是任何已知类型的显示器设备。一般而言，术语“输出设备”的使用旨在包括用于从计算机系统2200输出信息的所有可能类型的设备和机制。
[0176]
存储子系统2206可以包括存储器子系统2208和文件存储子系统2210。子系统2208和2210表示可以存储程序代码和/或数据的非暂时性计算机可读存储介质，该程序代码和/或数据提供本文所公开的功能。在一些实施例中，存储器子系统2208可以包括多个存储器，这些存储器包括用于在程序执行期间存储指令和数据的主随机存取存储器(ram)2218和可以在其中存储固定指令的只读存储器(rom)2220。文件存储子系统2210可以为程序和数据文件提供持久性(即非易失性)存储，并且可以包括磁性或固态硬盘驱动器、光驱以及相关联的可移动介质(例如cd-rom、dvd、蓝光盘等)、基于可移动闪存的驱动器或卡、和/或本领域已知的其他类型的存储介质。
[0177]
上文讨论的方法、系统和设备是示例。各种实施例可以酌情省略、替换或添加各种过程或部件。例如，在替代配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来执行，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其他实施例中被组合。实施例的不同方面和要素可以以相似的方式被组合。此外，技术不断发展，并且因此许多要素是示例，其不将本公开的范围限制于那些具体示例。
[0178]
在描述中给出了具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施例。例如，为了避免模糊实施例，熟知的电路、过程、系统、结构和技术已经被示出而没有不必要的细节。此描述仅提供示例实施例，并且不意图限制本发明的范围、适用性或配置。更确切地说，实施例的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述(enabling description)。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在要素的功能和布置方面进行各种改变。
[0179]
此外，一些实施例被描述为过程，过程被描绘为流程图或框图。尽管每一个都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或并发地被执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的另外的步骤。此外，可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合来实现方法的实施例。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行相关联的任务的程序代码或代码段可以被存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。
[0180]
对于本领域技术人员来说，将明显的是，可以根据特定的要求进行实质性的变化。例如，还可以使用定制的硬件或专用的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，诸如小程序(applet)等)或者两者来实现特定的要素。此外，可以采用到其他计算设备诸如网络输入/输出设备的连接。
[0181]
参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施例中，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其他设备提供指令/代码以用于执行。另外地或可选择地，机器可读介质可以用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理存储介质和/或有形存储介质。这样的介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读
介质的常见形式包括例如磁介质和/或光学介质(诸如光盘(cd)或数字多功能盘(dvd))、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、ram、可编程只读存储器(prom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、闪存-eprom、任何其他存储器芯片或盒、如下文描述的载波、或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、应用(app)、子例程、模块、软件包、类、或指令、数据结构或程序语句的任何组合。
[0182]
本领域技术人员将理解，用于传送本文描述的消息的信息和信号可以使用多种不同的技术和技艺中的任何一种来表示。例如，在整个上文的描述中可以引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片(chip)可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或其任何组合来表示。
[0183]
如本文使用的术语“和”以及“或”可以包括多种含义，这些含义还被预期至少部分地取决于使用这样的术语的上下文。通常，“或”如果用于关联列表，诸如a、b或c，则意图表示a、b和c(此处以包含的意义使用)以及a、b或c(此处以排他的意义使用)。此外，如本文使用的术语“一个或更多个”可以用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅仅是说明性的示例，并且所要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“......中的至少一个(at least one of)”如果用于关联列表，诸如a、b或c，则可以被解释为表示a、b和/或c的任何组合，诸如a、ab、ac、bc、aa、abc、aab、aabbccc等。
[0184]
此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施例，但是应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施例可以仅以硬件实现，或者仅以软件实现，或者使用它们的组合来实现。在一个示例中，可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现软件，所述计算机程序代码或指令可由一个或更多个处理器执行，用于执行在本公开内容中描述的任何或所有步骤、操作或过程，其中计算机程序可以被存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在相同的处理器上或者以任何组合在不同的处理器上实现。
[0185]
在设备、系统、部件或模块被描述为被配置成执行某些操作或功能的情况下，可以例如通过设计执行操作的电子电路、通过对可编程电子电路(诸如微处理器)进行编程以(诸如通过执行计算机指令或代码)执行操作、或者被编程为执行存储在非暂时性存储器介质上的代码或指令的处理器或核、或者它们的任何组合来完成这样的配置。过程可以使用各种技术(包括但不限于用于过程间通信的传统技术)进行通信，并且不同的过程对可以使用不同的技术，或者同一对过程可以在不同的时间使用不同的技术。
[0186]
因此，说明书和附图应被视为说明性的而不是限制性的。然而，将明显的是，在不脱离如在权利要求中阐述的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行添加、删减、删除以及其他修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施例，但是这些实施例并不意图是限制性的。各种修改和等同物都在所附权利要求的范围内。

技术特征：

1.一种全息记录系统，包括：线性平移台，其被配置为定位全息材料层；光源，其被配置为发射激光束；分束子系统，其被配置为：将所述激光束分为第一光束和第二光束；和将所述第二光束朝向所述全息材料层引导；空间光调制器，其被配置为实现条纹图案，所述条纹图案调制所述第一光束以生成物体光束；缩小光学子系统，其被配置为缩小所述物体光束；和可切换光栅堆叠，其能够配置为将所述物体光束引导到朝向所述全息材料层的一组方向，以与所述第二光束进行干涉。2.根据权利要求1所述的全息记录系统，其中，所述物体光束通过自由形式的波前来表征。3.根据权利要求1或权利要求2所述的全息记录系统，其中，所述条纹图案包括计算机生成的全息图。4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的全息记录系统，其中，所述条纹图案被配置为调制所述第一光束的相位或振幅中的至少一个。5.根据权利要求1至4中任一项所述的全息记录系统，其中：所述可切换光栅堆叠包括布置在堆叠中的多个偏振光栅；和所述多个偏振光栅中的每个偏振光栅能够配置为将右旋圆偏振光束引导到第一方向，并且将左旋圆偏振光束引导到第二方向。6.根据权利要求5所述的全息记录系统，其中，所述多个偏振光栅包括右旋圆偏振光栅或左旋圆偏振光栅中的至少一个；和/或优选地，其中，所述多个偏振光栅包括偏振体光栅、无源pancharatnam-berry相位(pbp)光栅或有源pbp光栅中的至少一个；和/或优选地，其中，所述多个偏振光栅中的每个偏振光栅能够配置为：将所述右旋圆偏振光束衍射到
±
1衍射级中的一个；和将所述左旋圆偏振光束衍射到所述
±
1衍射级中的另一个。7.根据权利要求5或权利要求6所述的全息记录系统，其中，所述多个偏振光栅中的每个偏振光栅被配置为：将所述右旋圆偏振光束和所述右旋圆偏振光束中的一个衍射到
±
1衍射级中的一个；和保持所述右旋圆偏振光束和所述右旋圆偏振光束中的另一个的传播方向。8.根据权利要求5、权利要求6或权利要求7所述的全息记录系统，还包括与所述多个偏振光栅交错的多个可切换半波片，其中，所述多个可切换半波片中的每一个被配置为：在接通时，将右旋圆偏振输入光束转换为左旋圆偏振输出光束，和将左旋圆偏振输入光束转换为右旋圆偏振光束；和当被电压信号关断时，保持输入光束的偏振状态；和/或优选地，其中，所述多个偏振光栅中的每个偏振光栅通过不同的相应光栅周期来表征。9.根据权利要求5至8中任一项所述的全息记录系统，其中：
所述多个偏振光栅包括多个有源光栅；和所述多个有源光栅中的每个有源光栅被配置为：当接通时，衍射圆偏振光束并改变所述圆偏振光束的偏振状态；和当被电压信号关断时，保持入射光束的传播方向和偏振状态。10.根据前述权利要求中任一项所述的全息记录系统，还包括：透镜，所述透镜相对于所述空间光调制器定位，使得所述空间光调制器位于所述透镜的焦平面处；和低通滤波器，所述低通滤波器定位在所述透镜的另一个焦平面处，并被配置为对所述物体光束进行滤波。11.根据前述权利要求中任一项所述的全息记录系统，其中，所述缩小光学子系统包括远心子系统，所述远心子系统包括通过不同的相应焦距来表征的两个透镜。12.根据前述权利要求中任一项所述的全息记录系统，其中，所述一组方向至少包括通过相对于所述可切换光栅堆叠的表面法线方向大于30
°
的角度来表征的方向。13.根据前述权利要求中任一项所述的全息记录系统，还包括：第二空间光调制器，其被配置为实现调制所述第二光束的第二条纹图案；和第二缩小光学子系统，其被配置为缩小所述第二光束并将所述第二光束朝向所述全息材料层引导；并且优选地还包括：透镜，其相对于所述第二空间光调制器定位，使得所述第二空间光调制器位于所述透镜的焦平面处；和低通滤波器，其定位在所述透镜的另一个焦平面处，并被配置为对所述第二光束进行滤波。14.一种记录全息图的多个全息图元件中的全息图元件的方法，所述方法包括：控制线性平移台，以将所述线性平移台上的全息材料层定位到第一位置；向空间光调制器提供用于实现条纹图案的数据，当被准直光束照射时，所述条纹图案生成物体光束；对所述物体光束进行滤波；缩小所述物体光束；配置可切换光栅堆叠以将所述物体光束引导到一组离散方向中的方向；和将所述全息材料层的区域曝光于所述物体光束和参考光束以形成所述全息图元件。15.根据权利要求14所述的方法，还包括：向第二空间光调制器提供用于实现第二条纹图案的数据，当被第二准直光束照射时，所述第二条纹图案生成所述参考光束；对所述参考光束进行滤波；和缩小所述参考光束；和/或优选地，其中：所述可切换光栅堆叠包括布置在堆叠中的多个偏振光栅和多个可切换半波片；和所述多个偏振光栅中的每个偏振光栅能够配置为将右旋圆偏振光束引导到第一方向，和将左旋圆偏振光束引导到第二方向。

技术总结

一种全息记录系统，包括：被配置为定位全息材料层的线性平移台；被配置为发射激光束的光源；被配置为将激光束分为第一光束和第二光束并将第二光束朝向全息材料层引导的分束子系统；被配置为实现对第一光束进行调制以生成物体光束的条纹图案的空间光调制器；被配置为对物体光束进行滤波的滤波器；被配置为缩小物体光束的缩小光学子系统；以及可切换光栅堆叠，该可切换光栅堆叠可配置为将物体光束引导到朝向全息材料层的一组方向以与第二光束进行干涉。在一些实施例中，可切换光栅堆叠包括布置在堆叠中的多个偏振光栅和/或多个可切换波片。波片。波片。