CN101802895A - 全息显示器 - Google Patents

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Abstract

提供一种全息显示器，该全息显示器中，至少一个空间光调制器具有列驱动器分级结构，列驱动器的功能分布到以n级(L1，L2)级联连接的n个单元，其中，n为2或更大，每个相继级比前一级有更慢速的电路。

Description

全息显示器
发明背景
1.技术领域
本发明涉及包括显示器的设备，在该显示器上编码计算机生成视频全息图(computer-generated video holograms，CGHs)。该显示器生成三维全息重建。
2.背景技术
计算机生成视频全息图(CGHs)在一个或多个空间光调制器(SpatialLight Modulators，SLMs)中编码；该SLMs包括可控单元。该单元通过编码对应于视频全息图的全息值来调制光的振幅和/或相位。可以这样计算CGH，例如：通过相干光追踪，通过模拟由场景反射的光和参考光波之间的干涉，或者通过傅立叶变换或菲涅尔变换。理想的SLM将能够表示任意复值数(complex-valued numbers)，即分别控制入射光波的振幅和相位的复值数。然而，典型的SLM仅控制一个特性，要么是振幅，要么是相位，并且有还影响另一个特性的不期望的副作用。已知调制光振幅或相位的不同的方法，例如，电寻址液晶SLM(electrically addressed liquid crystalSLM)、光寻址液晶SLM(optically addressed liquid crystal SLM，OASLM)、微镜装置(micro mirror device)或声光调制器(acousto-optic modulator)。在先技术法拉第效应(Faraday-effect)磁光SLMs(magneto-optic SLMs，MOSLMs)是公知的，然而这些技术仅调制透射光的振幅，并且还没有应用于生成全息图。这种SLMs已经由洛克菲勒中心的全景实验室(美国纽约美洲大街1230号第7层NY 10020)进行了报道，然而其它的如MOSLMs也是公知的。
光的调制可以是空间连续的或者是由单独可寻址单元组成的，是一维或二维地排列的、二进制的、多级的或连续的。
在本发明中，术语“编码”表示将控制值提供给空间光调制器的区域以编码全息图，以便可以从SLM重建3D场景的方式。
与纯粹的自动立体显示器(auto-stereoscopic displays)不同，对于视频全息图，观察者看到三维场景的光波前的光学重建。3D场景在观察者眼睛和空间光调制器(SLM)之间延伸的空间中重建，或者甚至可能在观察者眼睛和SLM相对观察者的一侧上的空间之间延伸的空间中重建。还可以用视频全息图编码SLM，使得观察者在SLM前面看到重建的三维场景的物体以及在SLM上面或后面看到其它物体。
空间光调制器的小单元(cells)优选为光穿过的透射小单元(transmissive cells)，该透射小单元的光线能够至少在规定位置及超过相干长度数毫米处产生干涉。这就允许全息重建在至少一维具有足够的分辨率。这种光将被称为“充分相干光”。
为了确保充分的时间相干性(temporal coherence)，由光源发出的光的光谱必须限制在足够窄的波长范围内，即必须是近单色光。高亮度发光二极管(LEDs)的光谱带宽足够窄，能保证全息重建的时间相干性。SLM处的衍射角与波长成比例，这意味着只有单色光源能引起物点的清晰重建。加宽的光谱将导致物点变宽和物体重建模糊。激光光源的光谱可以认为是单色的。单色LED的谱线宽度足够窄有助于良好的重建。
空间相干性(Spatial coherence)与光源的横向延伸有关。传统光源，如LEDs或冷阴极荧光灯(Cold Cathode Fluorescent Lamps，CCFLs)，如果它们通过足够窄的孔径发光，则也可以满足这样的要求。来自激光光源的光可以认为是在衍射极限(diffraction limits)内从点光源发出的，且依赖于模型的纯度而引起物体的清晰重建，即每个物点都在衍射极限内重建为一个点。
来自空间非相干光源的光横向延伸，并且引起重建物体模糊。模糊的总量由在给定位置重建的物点的变宽尺寸给出。为了使用空间非相干光源用于全息图重建，必须在亮度和对有孔光源的横向延伸进行限制之间找到平衡。光源越小，其空间相干性越好。
如果从与线光源的纵向延伸成直角的位置观察，则可将线光源看作是点光源。因此光波可以在该方向上相干地传播，但在所有其它方向上不相干。
一般而言，全息图通过在水平和垂直方向上光波的相干重叠全息地重建场景。这样的视频全息图称为全视差全息图(full-parallax hologram)。在水平和垂直方向上可以观看到具有运动视差的重建物体，就像实物一样。然而，大视角需要在SLM的水平和垂直方向上都具有高分辨率。
往往通过限制到仅水平视差(horizontal-parallax-only，HPO)的全息图来降低对SLM的要求。全息重建仅发生在水平方向上，而在垂直方向上没有全息重建。这导致重建物体具有水平运动视差。当垂直运动时，透视图不改变。HPO全息图在垂直方向上需要的SLM的分辨率小于全视差全息图需要的SLM的分辨率。还可能有仅垂直视差全息图(vertical-parallax-only，VPO)，但不常见。全息重建仅发生在垂直方向上，并且导致重建物体具有垂直运动视差。在水平方向没有运动视差。用于左眼和右眼的不同透视图必须分别产生。
对于能够显示CGH的全息显示器，需要用于提供平面区域照明的照明装置，其中照明具有足够的相干性以能够引起三维图像的生成。US2006/250671号专利文件公开了用于大面积视频全息图情况的例子，这里通过参考引用该文件，其中的一个例子示于图4中。图4是现有技术侧视图，它表示了垂直聚焦系统1104的三个水平排列成阵列的圆柱形透镜形式的聚焦元件1101、1102、1103。例示了水平线光源LS2的近准直光束穿过照明单元的聚焦元件1102并射入观察者平面OP。根据图4，多个线光源LS1、LS2、LS3相叠排列。每个光源发出垂直方向上足够相干、水平方向上不相干的光。该光穿过光调制器SLM的透射小单元(transmissivecells)。光通过光调制器SLM的小单元(cells)仅在垂直方向上衍射，其用全息图编码。聚焦元件1102在观察者平面OP中以多个衍射级成像光源LS2，其中仅有一个是有用的。光源LS2射出的光束示例仅穿过聚焦系统1104的聚焦元件1102。在图4中，三个光束表示第一衍射级1105、第零级1106和负第一级1107。与单个点光源不同，线光源允许生成明显更高的发光强度。使用多个已经提高效率并为将要重建的3D场景的每个部分分配了一个线光源的全息区域，改善有效发光强度。另一个优点是：例如设置在狭缝光阑(slot diaphragm，该光阑还可能是光阀(shutter)的一部分)后面的多个传统光源，而不是激光，生成足够相干的光。本领域技术人员应该理解，根据本申请，全息显示器可以采用一系列尺寸。
在公知的全息显示面板中，列驱动器主要具有以下功能。列驱动器解复用(de-multiplex)所接收到的图像数据，并将它们分发给单个列导线(参见图1)。列驱动器执行图像数据的数模(digital-to-analogue，D/A)转换并且它包含集成的控制列导线的驱动晶体管。每个集成电路(integratedcircuit，IC)芯片一次可控制的列数是受到限制的，例如受到功率损耗的限制；在公知的全息显示器中，其最大数目约为500列。列驱动器通常使用离散的由单晶硅或薄膜晶体管(thin film transistors，TFTs)制成的ICs来实现。如果需要公知全息显示器中列驱动器的更详细的特性，参见附录III。
可以比较TFT和单晶硅(c-Si)技术的相对优点和缺点。TFT技术的优点包括：
·不会增加驱动器的成本，因为它们与像素TFTs一起应用。
·功率损耗的大部分发生在众多、相对大的TFTs，在这里热量可以容易地散发。
·列驱动器和列导线之间没有连接线，因为驱动晶体管直接设置靠近于列导线。
TFT技术的缺点包括：
·低转换频率(switching frequency)，使得在高列频率下仅能够复用很少的列。
·宽度小的结构是不可行的。
单晶硅制成的ICs的优点包括：
·非常高的转换频率
·宽度小的结构
单晶硅制成的ICs的缺点包括：
·成本依赖于硅表面面积，并且由于更高的功率损耗还需要更大的用于散热的表面面积，所以成本随着功率损耗的增加而升高。
·驱动器和列导线之间附加的连接线增加了总线长。
·接触是困难的，例如高管脚数目可能导致高废品率(scrap rate)
3.相关技术说明
由申请人提交的WO 2004/044659(US2006/0055994)号专利文件，描述了一种通过充分相干光的衍射的方式重建三维场景的装置，这里通过参考引用该文件；所述装置包括点光源或线光源、用于聚光的透镜和空间光调制器。与传统的全息显示器不同，处于透射模式(transmission mode)的SLM在至少一个“虚拟观察者窗口”中重建3D场景(参见附录I和II对该术语和相关技术的讨论)。每个虚拟观察者窗口位于靠近观察者的眼睛处，并且其大小受到限制，以使虚拟观察者窗口位于单个衍射级中，从而使每只眼在延伸于SLM表面和虚拟观察者窗口之间的平截头形重建空间中看到三维场景的完整的重建。为使全息重建不受干扰，虚拟观察者窗口的大小必须不超出重建的一个衍射级的周期间隔。然而，它必须至少足够大以使观察者能够通过窗口(s)看到3D场景的完整重建。另一只眼可以通过同一虚拟观察者窗口观看，或者为其分配第二虚拟观察者窗口，该第二虚拟观察者窗口相应地由第二光源创建。这里，典型的相当大的可视区被限制在本地设置的虚拟观察者窗口中。公知的解决方法以小型方式重建由传统SLM表面的高分辨率引起的大面积，将其减小到虚拟观察者窗口的大小。这导致这样的结果：由于几何学原因而较小的衍射角以及目前SLMs的分辨率，在使用合理的、大众水平计算设备的情况下，足够获得实时全息重建。
然而，这会遇到可以由全息显示器生成的帧速率困难，尤其是当考虑到多于一个的显示器观察者时。在WO 2004/044659(US2006/0055994)号专利文件中描述的全息图生成方法中，生成了虚拟观察者窗口(VOW)。如果VOW位于观察者眼睛处，则可以看见重建的物体。每个观察者的每只眼睛需要一个VOW。如果VOWs和红(R)绿(G)蓝(B)色是依次生成的，则需要高帧速率。“依次”意味着用于R、G、B色的光按顺序打开和关闭，因此依次使用同一SLM小单元来编码用于SLM上那个像素的R、G、B光。为了避免察觉到闪烁，每只眼睛需要至少30Hz的帧速率。作为例子，对于3个观察者，需要帧速率30Hz*2只眼睛*3个观察者*3种颜色＝540Hz。这比基于液晶(liquid crystal，LC)的SLMs的帧速率快许多。即使对于单个观察者，默示的180Hz的帧速率将是使用现有液晶SLM技术可获得的极限一对于快速变化的图像将产生一些显示假象(artefacts)。公知的快速微机电系统(micro-electromechanical systems，MEMS)-SLM不提供高分辨率相位调制。对于这些技术，特征转换时间为：LC约为10ms，MEMS约为10μs。因此，公知的装置在用全复值全息编码将全息图像显示给多个观察者时有严重的困难，尤其是当图像是彩色图像的时候。对于单个观察者的情况，比使用LC技术可获得的那些帧速率更快的帧速率是有好处的，例如在有快速移动动作的应用中(如在视频游戏中)、在观看体育运动或动作电影中，或在军事应用中。由洛克菲勒中心的全景实验室(Panorama Labs of Rockefeller Center)(美国纽约美洲大街1230号第7层NY 10020)报道的MOSLMs(www.panoramalabs.com)展示了在纳秒条件下的转换时间。
允许振幅和相位独立调制的SLM(包括串联的一对SLM的情况)应用在全息显示器中是有优势的。复值全息图比纯振幅或纯相位全息图有更好的重建质量和更高的亮度。
因此，需要全息显示装置，并且需要用于全息显示装置的SLM，其能适应高帧速率并最好能独立编码相位和振幅信息。
当前具有高至3,840x2,400像素分辨率的显示面板，可以根据上述基本原理(如相对于图1)由行驱动器和列驱动器来控制。然而，这种电路布置对于具有2,400x1,600像素和更多像素(高至1亿像素或更多)的非常高分辨率并具有至少100Hz刷新率(refresh rates)的面板来说，变得日益不合适了。如果增加TFT面板的行数或刷新率，则行导线和列导线上的控制频率也会增加。这由下面的公式给出：
控制频率＝刷新率*行数
尽管在当前的面板中，该频率约为72kHz(假设1,200行，刷新率60Hz)，而在未来它可以容易地升至例如至少1MHz(例如，假设6,000行，刷新率180Hz)：附录III中给出了一个例子。增加频率意味着列导线和像素TFTs的容量必须反转为小得多的间隔。这就是为什么功率损耗将以相同程度增加的原因。由于当频率增加时，散热不能稳定地以相同的倍数改善，所以在离散的驱动ICs中，必须以与频率增加的倍数接近相同的倍数降低所控制的列数。给定与上相同的假设，则这意味着每个IC仅可控制36列而非500列。
由于当分辨率增加时，行数也增加，所以将需要大量的驱动IC。例如，在具有16,000列的显示器中，将需要多于400个驱动IC。这将需要约20,000mm2的硅面积，而非如当今显示器中约500mm2的硅面积。这对应于20英寸直径的硅晶片的有用面积。可以轻易地察觉到这种40倍的硅面积的增加将导致成本的显著提高。由于当装备400个IC时，很有可能也将会存在可靠性问题，所以对于高分辨率结合高控制频率来说，这不是实用的选择。
如果使用TFT技术将驱动器直接加到玻璃基板上，则可以无困难地实现大量的驱动器。然而，由于所使用的TFT材料中有限的电子移动性，TFTs的转换频率显著地低于单晶硅制成的晶体管的转换频率。当从面板的电子单元向用TFT技术制成的驱动器传送复用图像数据时，数据率受到最大转换频率的限制。当前对于p-Si，该限度约为25MHz。
由列导线上的控制频率分开的TFTs的最大转换频率是图像数据可以复用的最大倍数。对于高分辨率和高刷新率，该倍数变得相当小，使得将需要大量导线来连接面板的电子单元和列驱动器。这将导致面板非常复杂的电子模块，并导致接触面板的问题。实施上述列驱动器的两个选择有多种缺点，其导致高分辨率显示器将以高刷新率控制的严重问题。因此，使用当今商业上可利用的列驱动器实现具有16,000x12,000像素和180Hz刷新率的显示器(即约1MHz的列控制频率)是不可行的。
发明内容
在一个例子中，提供一种全息显示器，该全息显示器中至少一个空间光调制器具有列驱动器分级结构，列驱动器的功能分布到以n级级联连接的的n个单元，其中n为2或更大，每个相继级具有比前一级更慢速的电路。具体地，相继级的电路的相对速度由半导体材料决定，例如由与多晶硅完全不同的单晶硅决定，使得具有更慢速电路的每个相继级由与前一级中半导体材料不同的半导体材料制成。
在进一步的例子中，提供一种全息显示器，该全息显示器中至少一个空间光调制器具有列驱动器分级结构，列驱动器的功能分散到以两级级联连接的两个单元，每个相继级具有比前一级更慢速的电路。
在进一步的例子中，提供一种全息显示器，该全息显示器中至少一个空间光调制器具有列驱动器分级结构，列驱动器的功能分散到以三级级联连接的三个单元，每个相继级具有比前一级更慢速的电路。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器具有两个SLM，其允许相位和振幅的独立调制。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器具有一个SLM。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是电可寻址SLM。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是液晶SLM。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是MOSLM。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是OASLM。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是微镜装置。
全息显示器可以显示计算机生成全息图。
全息显示器可以生成至少一个虚拟观察者窗口。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，更高速或最高速的电路使用InP技术制造。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，更高速或最高速的电路使用InSb技术制造。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，更高速或最高速的电路使用GaAs技术制造。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，更高速或最高速的电路使用SiGe技术制造。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，更高速的电路使用c-Si技术制造。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，更慢速的电路使用c-Si技术制造。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，更慢速或最慢速的电路使用p-Si技术制造。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，至少一个SLM具有2,400x1,600像素的最小像素分辨率。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，至少一个SLM具有100Hz的最小帧速率。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，至少一个SLM具有高于0.5亿的像素和低于100Hz的帧速率。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器空间复用，其具有低于100Hz的帧速率，并具有40kHz或更高的列频率。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，至少一个SLM的行导线和列导线上的控制频率至少为1MHz。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器具有显示面板玻璃基板。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，全息显示面板玻璃基板连接到面板电子PCB。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，全息显示面板玻璃基板用中间柔性PCB级(stage)连接到面板电子PCB。
全息显示器可以是这样的显示器：该全息显示器中，更高速或最高速的电路使用玻上芯片(Chip on Glass，COG)技术直接施加到玻璃显示面板基板上。
提供一种对提供给全息显示器的高速数据解复用的方法；该全息显示器可以是上述中的一个。
附图说明
图1是根据现有技术的硅上液晶空间光调制器电路的框图。
图2是根据本发明的全息显示器列驱动器的示意图。
图3是根据本发明的全息显示面板连接的示意图。
图4是根据现有技术的全息显示器的示意图。
具体实施方式
提供一种具有空间光调制器列驱动器分级结构的全息显示器。使用分级结构的目的是结合两种列驱动器的不同特征以确保每种列驱动器的有利方面并消除每种列驱动器的不利方面。因此，该方法为控制具有高分辨率并处于高刷新率的全息显示面板提供了先决条件。
在分级结构中，空间光调制器上列驱动器的功能分布到以两级级联连接的两个单元。第一级(如图2和图3中的L1)包含更高速的电路，例如由单晶硅制成的ICs(c-Si)，或者在单晶硅基板上具有单晶硅锗层的ICs。第二级(如图2和图3中的L2)包含更低速的电路，例如在面板的玻璃基板上的TFT结构。
在第一级中，一组离散IC中的每个从面板的电子单元以非常高的数据率接收图像数据；每个离散IC执行第一解复用步骤，并将数据进一步分发给第二级驱动器。在该第二次传输中数据率受到随后级的最大转换频率的限制。
最好将D/A转换器加入到第一级中，因为它们包含相对大量的晶体管，并且晶体管的面积典型地在更高速的电路(如在单晶硅单元中)中比在更低速的电路(如在TFT电路中)中小很多。由于面板典型地每个像素有8位，所以D/A转换单独表示因子为8的解复用。在本发明优选的例子中，如图3所示，使用玻上芯片(COG)技术，将IC直接施加到显示器的玻璃面板基板上。
第二级与由如当今通常所使用的TFTs制成的列驱动器相类似。由于列导线上的频率必须更高，而TFTs中多晶硅(p-Si)的最大转换频率保持不变，所以模拟输出线仅允许用于相应较少列的数据以复用的形式传送。例如，如果列驱动器仅将模拟信号分发到16列，则每个显示器需要大量的那些驱动器。由于那些驱动器是使用TFT技术和像素TFTs直接施加到基板上的，所以将不需要显著额外的付出来实现上述大量的驱动器。
除了模拟输入以外，第二级的列驱动器还必须具有用于控制解复用器的数字输入。用于列控制所使用的功率晶体管也是TFTs，它们可以直接设置在靠近列导线处。在图2中，这些通过在L2中的编号为0到15的矩形来表示。尽管它们的宽度受到像素间距的限制，但是晶体管的长度可以任意地增加，使得它们有大的表面面积，并且因此热量可以容易地散发，考虑到所需要的重要的功耗，也需要这样。
本发明图2的例子中，全息数据显示输入信号以14Gbit/s在14低压差分信号传输(low-voltage differential signalling，LVDS)对上传输。IC列驱动器级L1具有1∶100的解复用(DMUX)比率，其向100个编号为0到99的D/A IC提供信号。显示面板上有20个级L1列驱动器：10个在显示器的上部，10个在显示器的下部。每个D/A芯片以16MHz向L2级IC列驱动器提供输出信号。L2级提供1∶16的DMUX比率，因此其提供1MHz模拟列驱动器信号。L2级由p-Si材料制成。图2中显示了51微米的像素间距。
图3表示作为本发明例子的全息显示面板连接。在显示面板(该显示面板在每一半上具有16000*6000像素(其有上一半和下一半)，并且该显示面板以180Hz刷新)的上部和下部上发向总L1级的总输入数据率是2x8bits x16000x6000x180，即277Gbits/s。输入信号还用来驱动显示器行驱动器。总面板具有16000*12000像素。在显示面板上有20个级L1列驱动器：10个在显示器的上部，10个在显示器的下部，它们是使用玻上芯片技术安装的。L2级提供1∶16的DMUX比率。L2级由p-Si材料制成。面板玻璃基板可选连接到中间柔性印刷电路板(PCB)。面板玻璃基板用可选的中间柔性PCB级连接到面板电子PCB。
提供有列驱动器分级结构的全息显示器的优点包括：
·功率损耗的大部分发生在许多、相对大的驱动器TFTs中，这里热量能够容易地散发掉。
·不会增加TFT驱动器的成本，因为它们与像素TFTs一起应用。
·显示面板和电子单元之间仅需要很少的连接线，这有利于接触，但是数据是以非常高的比率传输的。
·仅需要非常少的离散驱动ICs。
·由于第一和第二级驱动器之间的线相对较短，所以第一级的输出晶体管仅需要具有低驱动功率。
这降低了所需要的硅表面面积，并因此降低了成本。
在本发明进一步的例子中，分级结构以三级实现，每个相继级具有比前一级更慢速的电路。例如，在第零级，可以使用非常高速的电路。这个非常高速的电路可以使用如由镓砷化合物、铟锑化合物或铟磷化物制成的IC来获得，这些化合物具有比单晶硅高的最大频率，因此可以以更高的数据率接收信号。光纤电缆或高速低压差分信号传输(LVDS)对然后可以用作输入侧的信号传输媒介。然后，连接有第一和第二级，例如上述的第一和第二级。
在本发明进一步的例子中，分级结构以n级实现，其中n大于3。第一级具有最高速的电路，每个相继级具有比前一级更慢速的电路。这些级中的两个可以对应于上述的第一和第二级。例如，第一级包含铟磷化物电路。第二级在c-Si电路中包含硅锗有源层。第三级包含c-Si电路。第四级包含p-Si电路。
允许振幅和相位独立调制的SLM(包括串联的一对SLM的情况)应用在全息显示器中是有优势的。
复值全息图比纯振幅或纯相位全息图有更好的重建质量和更高的亮度。上述全息显示器中列驱动器分级结构可以用在一对SLM中，以在具有高分辨率的全息显示器中允许振幅和相位的独立调制。SLMs可以是LCSLMs，但是它们还可以是具有更快响应时间的SLMs，如MOSLMs或微镜装置SLMs。
本领域技术人员应该理解，尽管本发明的全息显示器需要非常高的分辨率，但列频率和帧速率也可以采用宽范围的值，这取决于所使用的全息显示器的类型。即使使用具有高分辨率的慢显示器，如具有多于0.5亿像素的显示器，本发明的全息显示器也将提供一些好处。一些类型的全息显示器不使用时间复用来显示不同的视图，而是使用空间复用。这些显示器可以以非常低的帧速率(如低于100Hz，或者低于20Hz)工作，因此即具有4000(2x2000)行，也可以使用仅40kHz的列频率。
这里描述的具有列驱动器分级结构的全息显示器可以采用大范围的屏幕对角线尺寸，如从1cm或更少(用于小移动电话副显示屏的情况)大至1米或更大的屏幕对角线(用于多个观看者观看的大型室内显示器的情况)。
尽管申请人通过使用虚拟观察者窗口进行全息编码的优选方法在由申请人递交的文件如WO 2004/044659(US2006/0055994)中进行了描述，该文件描述了用于通过充分相干光的衍射的方式重建三维场景的装置，但应该理解，本发明的全息显示器并不受限于该方法，而应包括对本领域技术人员显而易见的所有公知的全息显示器类型。
在这里的附图中，所示的相对尺寸并不是按尺寸绘制的。
对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明范围的前提下，本发明的各种修改和变化将变得显而易见，并且应该理解，本发明不应过度限制到这里所阐述的示例性实施例。
附录I
技术简介
以下章节作为用于实施本发明的一些系统中的几个关键技术的说明。
在传统全息术中，观察者可以看到物体(可以是变化的场景)的全息重建；然而他距全息图的距离并不相关。在一个典型的光学排列中，重建发生在照明全息图的光源的图像平面上或者图像平面附近，因此重建发生在全息图的傅立叶平面上。因此，重建具有与重建的真实世界物体相同的远场光分布。
一个早期的系统(在WO 2004/044659和US 2006/0055994号专利文件中描述)界定了非常不同的排列，其中重建物体根本不在全息图的傅立叶平面上或者傅立叶平面附近。相反，虚拟观察者窗口区在全息图的傅立叶平面上；观察者使眼睛位于这个位置，只有这样才可以看到正确的重建。在LCD(或者其它类型空间光调制器)上编码全息图，并照明全息图，使得虚拟观察者窗口成为全息图的傅立叶变换(因此它是直接成像到眼睛上的傅立叶变换)；然后重建物体是全息图的菲涅尔变换，由于它不在透镜的聚焦面中。反而通过近场光分布(用球形波前建模，与远场分布的平面波前相反)来确定。该重建可以出现在虚拟观察者窗口(如上所述，在全息图的傅立叶平面中)和LCD之间的任何地方，或者甚至作为虚拟物体出现在LCD的后面。
该方法存在几种结果。首先，全息视频系统的设计师们面对的基本限制是LCD(或其它类型光调制器)的像素间距。目标是能够用以合理的花费购买的具有像素间距的LCDs实现大的全息重建。但在过去这是不可能的，原因如下。在傅立叶平面中邻近衍射级之间的周期性间隔由λD/p给出，其中λ是照明光的波长，D是全息图到傅立叶平面的距离，p是LCD的像素间距。但在传统的全息显示器中，重建物体在傅立叶平面中。因此，重建物体必须保持比周期性间隔小；如果其较大，则其边缘将从邻近衍射级开始模糊重建。这导致非常小的重建物体-典型地仅几厘米宽，即使使用昂贵的、专业的小间距显示器也是如此。但是使用本方法，虚拟观察者窗口(如上所述，其位于全息图的傅立叶平面中)仅需要与眼睛瞳孔一样大。结果，即使具有中等间距尺寸的LCDs也可以使用。并且由于重建物体能够完全填满虚拟观察者窗口和全息图之间的平截头，其实际上可以非常大，即，比周期性间隔大很多。
还有另一个优点，其在一个变型中展开。当计算全息图时，以人们对重建物体的知识开始-如，您可能具有赛车的3D图像文件。该文件将描述从许多不同观看位置中看到的物体是什么样子的。在传统的全息术中，生成赛车的重建所需要的全息图是在计算密集过程中从3D图像文件直接得到的。然而虚拟观察者窗口方法能提供不同的且计算更加有效的技术。以重建物体的一个平面开始，我们可以计算虚拟观察者窗口，因为其是物体的菲涅尔变换。然后我们对所有物体平面执行该方法，加和结果以产生累积的菲涅尔变换；这界定了跨越虚拟观察者窗口的波场。然后我们计算全息图作为该虚拟观察者窗口的傅立叶变换。由于虚拟观察者窗口包含物体的所有信息，所以仅单平面虚拟观察者窗口必须变换成全息图且不是多平面物体。如果从虚拟观察者窗口到全息图没有单变换步骤，但有像迭代傅立叶变换运算法则这样的迭代变换，则这是非常有利的。每个迭代步骤仅包含虚拟观察者窗口的单傅立叶变换而不是用于每个物体平面的一个，结果是计算强度明显减少。
虚拟观察者窗口方法的另一个有趣的结果是所有重建给定物点所需要的所有信息包含在全息图的相对小的部分中；这与传统全息图截然不同，传统全息图中重建给定物点的信息横跨整个全息图分布。由于我们需要将信息编码到全息图的充分小的部分中，这意味着我们需要处理和编码的信息总量远低于传统全息图。这进而意味着可以使用传统计算装置(例如价格和性能适于批量上市销售的传统数字信号处理器(DSP))，甚至用于实时视频全息术。
然而，存在一些不需要的结果。首先，距全息图的观看距离很重要-全息图以这样的方式编码和照明：仅当眼睛处在全息图的傅立叶平面上时才能看到正确的重建；而在正常的全息图中，观看距离并不重要。但是，有多种用于减小Z灵敏度或者围绕减小Z灵敏度设计的技术。
并且，由于全息图以这样的方式编码和照明，使得仅在精确且小的观看位置(即，如上所述，精确界定了Z，以及X和Y坐标)才可以看到正确的全息重建，所有可能需要眼睛追踪。由于具有Z灵敏度，因此存在多种用于减小X、Y灵敏度或者围绕减小X、Y灵敏度设计的技术。例如，由于像素间距(将随着LCD制造业的进步)减小，虚拟观察者窗口尺寸将增大。此外，更加有效的编码技术(像开诺式编码(Kinoform encoding))有助于将周期性间隔的较大部分作为虚拟观察者窗口使用，并且因此增加了虚拟观察者窗口。
上文所述假设我们正在处理傅立叶全息图。虚拟观察者窗口在全息图的傅立叶平面内，即，在光源的图像平面内。作为优势，未衍射光在所谓的DC点(DC-spot)聚焦。该技术还可以用于虚拟观察者窗口不在光源的图像平面内的菲涅尔全息图。然而，应当注意的是，未衍射光作为干扰背景是不可见的。需要注意的另一点是术语“变换”应当解释为包括与描述光传播的变换相等同或相近似的任何数学或计算技术。变换仅仅只是物理过程的逼近，通过麦克斯韦波传播方程更加精确地定义；菲涅尔和傅立叶变换是二阶逼近，但具有优点：(a)由于它们是与微分相对的代数，因此可以以计算有效方法的方式来处理它们；(b)它们可以在光学系统中精确地实施。
进一步的详细介绍在美国专利申请US 2006-0138711和US2006-0139710以及US 2006-0250671中给出，这些文件的内容以参考引用的方式结合于此。
附录II
本发明所使用的术语汇编
计算机生成全息图(CGH)
根据本发明的计算机生成视频全息图CGH是从场景计算的全息图。CGH可以包含表示重建场景所需要的光波的振幅和相位的复值数。例如CGH可以通过相干光追踪来计算、通过模拟场景和参考波之间的干涉来计算，或者通过傅立叶变换或菲涅尔变换来计算。
编码
编码是向空间光调制器(例如，其构成单元)提供视频全息图的控制值的过程。一般而言，全息图包含表示振幅和相位的复值数。
编码区
编码区是视频全息图的典型的空间限制区，在该区编码单个场景点的全息图信息。空间限制可以由突然的截断或者由通过虚拟观察者窗口到视频全息图的傅立叶变换获得的平滑变换(smooth transition)来实现。
傅立叶变换
傅立叶变换用于计算在光调制器的远场中的光传播。波前由平面波描述。
傅立叶平面
傅立叶平面包含空间光调制器上的光分布的傅立叶变换。没有任何聚焦透镜，傅立叶平面无限大。如果聚焦透镜在光程中接近空间光调制器，则傅立叶平面等于包含光源图像的平面。
菲涅尔变换
菲涅尔变换用于计算空间光调制器的近场中的光传播。波前由球形波描述。光波的相位因子包含二次依赖于横向坐标的项。
平截头
虚拟平截头在虚拟观察者窗口和SLM之间构建，且在SLM后面延伸。场景在该平截头中重建。重建场景的尺寸被该平截头限制，而不是被SLM的周期性间隔限制。
光系统
光系统可以包括像激光这样的相干光源或者像LED这样的部分相干光源。部分相干光源的时间和空间相干性必须足以有助于良好的场景重建，即，光谱线宽和发射表面的横向伸展必须足够小。
低压差分信号传输(LVDS)
LVDS是能够在便宜的、双铜线上以非常高的速度运行的电信号传输系统。它是在1994年引入的，从那时起，它在计算机中变得非常流行，在计算机中它形成部分甚高速网络和计算机总线。LVDS是差分信号传输系统，这意味着它传输在接收器中进行比较的两个不同电压。LVDS使用两条导线之间的压差来编码信息。发射器注入小的电流(标称3.5mA)到一条导线或另一条导线中，这依赖于将要发送的逻辑电平。在接收端，电流经过约100到120Ω的电阻(与电缆的特性阻抗相匹配)，然后沿着另一条导线以相反的方向返回。根据欧姆定律，跨越电阻的压差因此约为350mV。接收器感应该电压的极性来确定逻辑电平。这种信号传输称为电流回路(current loop)。
信号和耦合在两条导线之间的紧密的电、磁场的小振幅降低了辐射电磁噪音的量。
约1.25V的低共模电压(两条导线上的平均电压)允许LVDS用供电电压低至2.5V或更低的宽范围的集成电路来使用。与其它系统相比，低差分电压(如上述的约350mV)导致LVDS消耗非常小的功率。例如，与用于RS-422信号的负载电阻损耗90mW相比，LVDS负载电阻中的静态功率损耗是1.2mW。没有负载电阻，整个导线必须为数据的每位加负载或去负载。使用高频率和负载电阻，以使单个位仅覆盖导线的一部分(而以近光速行进)，这是更有功率效益的。
周期性间隔
如果CGH在由分别可寻址的小单元构成的SLM上显示，则采样CGH。该采样导致衍射图案的周期性重复。周期性间隔为λD/p，其中λ是波长，D是全息图到傅立叶平面的距离，p是SLM小单元的间距。
重建
用全息图编码的照明的空间光调制器重建原始光分布。该光分布用于计算全息图。理想地，观察者将不能从原始光分布中分辨出重建的光分布。在大多数全息显示器中重建场景的光分布。但是在我们的显示器中，是在虚拟观察者窗口中重建光分布。
场景
要重建的场景是真实的或是计算机生成的三维光分布。作为特殊的例子，其还可以是二维光分布。场景可以构成在空间中排列的不同的固定的或移动的物体。
空间光调制器(SLM)
SLM用来调制入射光的波前。理想的SLM将能够表示任意复值数，即分别控制光波的振幅和相位的复值数。然而，典型的传统SLM仅控制一个特性，要么是振幅、要么是相位，而且具有还影响另一个特性的不期望的副作用。
虚拟观察者窗口(VOW)
虚拟观察者窗口是在观察者平面中的虚拟窗口，通过其能看到重建的3D物体。VOW是全息图的傅立叶变换并且位于一个周期性间隔中以避免可见物体的多重重建。VOW的尺寸必须至少是眼睛瞳孔的尺寸。如果使用观察者追踪系统至少一个VOW位于观察者眼睛处，则VOW可以远小于观察者移动的横向范围。这有助于使用具有适中分辨率、因此周期性间隔小的SLM。可以将VOW设想成锁眼，通过其可以看到重建的3D物体，要么每只眼睛一个VOW，要么两只眼睛一个VOW。
附录III
目前所使用的列驱动器的采样特性
采用p-Si技术的列驱动器直接连接到像素矩阵作为TFTs。
·与像素矩阵的TFTs一起制造
·输入：例如以5MHz，24位(每个颜色8位)
·输出：例如240列并行，以例如62kHz(1,024行)的速率模拟列驱动器作为离散ICs(单晶硅)
·每个面板约10个驱动器
·输入：例如以12MHz，24位(每个颜色8位)
·输出：例如每个IC 480列并行，以例如75kHz(1,200行)模拟采样控制频率
相对于60Hz的采样值
行数     控制频率
1,024    61.4kHz
1,200    72kHz
1,400    84kHz
2,000    120kHz
6,000    360kHz
用于具有1,200行的显示面板的采样值
刷新率控制频率
60Hz     72kHz
120Hz    144kHz
180Hz    216kHz
用于具有8,000x6,000像素和180Hz刷新率的显示面板的采样计算
控制频率：6,000*180Hz＝1.08MHz
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种具有至少一个空间光调制器的全息显示器，该空间光调制器包含行驱动器和集成有解复用器的列驱动器，其特征在于，列驱动器以分级结构排列，其中列驱动器的电路分布到以至少两级级联连接的至少两个单元，每个相继级逐级具有不同的半导体材料、递减的数据率以及递增的输出信号和功率损耗。
2.根据权利要求1所述的全息显示器，其特征在于，解复用器的电路分布在不同层级上。
3.根据权利要求2所述的全息显示器，其特征在于，更高速的电路使用c-Si技术制造，更低速的电路使用p-Si技术制造。
4.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，至少一个空间光调制器允许相位和振幅的独立调制。
5.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是液晶SLM。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是微镜装置。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是MOSLM。
8.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是OASLM。
9.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，该全息显示器显示计算机生成全息图。
10.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，该全息显示器生成至少一个虚拟观察者窗口。
11.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，至少一个SLM具有2,400×1,600像素的最小像素分辨率。
12.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，至少一个SLM具有100Hz的最小帧速率。
13.根据权利要求1至10中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，至少一个SLM具有大于0.5亿的像素和小于100Hz的帧速率。
14.根据权利要求1至10中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，该全息显示器空间复用，其具有小于100Hz的帧速率，并具有40kHz或更大的列频率。
15.根据权利要求1至12中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，至少一个SLM的驱动器的行导线和列导线上的控制频率至少是1MHz。

Claims (30)

1.一种全息显示器，该全息显示器中至少一个空间光调制器具有列驱动器分级结构，列驱动器的功能分布到以n级级联连接的n个单元，其中，n为2或更大，每个相继级具有比前一级更慢速的电路。
2.根据权利要求1所述的全息显示器，其特征在于，具有更慢速的电路的每个相继级由与前一级中半导体材料不同的半导体材料制成。
3.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，n为2。
4.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，n为3。
5.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，全息显示器具有两个SLM，其允许相位和振幅的独立调制。
6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，该全息显示器具有一个SLM。
7.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是液晶SLM。
8.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是微镜装置。
9.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是电可寻址SLM。
10.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是MOSLM。
11.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，具有列驱动器分级结构的至少一个空间光调制器是OASLM。
12.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，该全息显示器显示计算机生成全息图。
13.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，该全息显示器生成至少一个虚拟观察者窗口。
14.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，更高速或最高速的电路使用InP技术制造。
15.根据权利要求1至13中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，更高速或最高速的电路使用InSb技术制造。
16.根据权利要求1至13中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，更高速或最高速的电路使用GaAs技术制造。
17.根据权利要求1至13中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，更高速或最高速的电路使用SiGe技术制造。
18.根据权利要求1至17中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，更高速的电路使用c-Si技术制造。
19.根据权利要求1至17中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，更低速的电路使用c-Si技术制造。
20.根据权利要求1至18中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，更低速或最低速的电路使用p-Si技术制造。
21.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，至少一个SLM具有2,400×1,600像素的最小像素分辨率。
22.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，至少一个SLM具有100Hz的最小帧速率。
23.根据权利要求1至20中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，至少一个SLM具有大于0.5亿的像素和小于100Hz的帧速率。
24.根据权利要求1至20中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，该全息显示器空间复用，其具有小于100Hz的帧速率，并具有40kHz或更大的列频率。
25.根据权利要求1至22中任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，至少一个SLM的行导线和列导线上的控制频率至少是1MHz。
26.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，该全息显示器具有显示面板玻璃基板。
27.根据权利要求26所述的全息显示器，其特征在于，全息显示面板玻璃基板连接到面板电子PCB。
28.根据权利要求26所述的全息显示器，其特征在于，全息显示面板玻璃基板用中间柔性PCB级连接到面板电子PCB。
29.根据前述任一权利要求所述的全息显示器，其特征在于，更高速或最高速的电路使用玻上芯片(COG)技术直接施加到玻璃显示面板基板上。
30.一种对提供给全息显示器的高速数据解复用的方法，该全息显示器是根据前述任一权利要求所述的全息显示器。
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