CN101842752A

CN101842752A - 全息图像显示系统

Info

Publication number: CN101842752A
Application number: CN200880114369A
Authority: CN
Inventors: 阿德里安·詹姆斯·卡贝尔; 保罗·劳特利
Original assignee: Light Blue Optics Ltd
Current assignee: Light Blue Optics Ltd
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2010-09-22
Also published as: ATE516522T1; EP2215530A2; GB2454246B; WO2009056876A2; WO2009056876A3; GB0721571D0; EP2215530B1; JP2011503650A; GB2454246A; US20100277566A1

Abstract

本发明涉及以全息方式显示图像的方法和设备。一种使用空间光调制器(SLM)来以全息方式显示图像的方法，所述SLM具有多个SLM像素，所述方法包括：在所述SLM的所述像素上显示衍射图案；以及照射所述SLM的所述像素，使得所述SLM像素上由所述衍射图案衍射的光包括所述显示图像的内容，通过各个所述像素的衍射图案所确定的强度包络对所述显示图像上所述显示图像的亮度变化进行调制；其中，所述方法还包括：通过在所述SLM像素上施加相位延迟图案，以远离零阶斑并移向所述显示图像的中心的方式来移动强度包络的峰或重心，所述相位延迟图案按照与所述SLM的像素间隔相对应的空间间隔进行重复。

Description

全息图像显示系统

技术领域

本发明涉及用于以全息方式显示图像的方法和设备。

背景技术

先前已经描述了用于以全息方式显示图像的技术(见，例如，WO2005/059660、WO2006/134398、WO2006/134404、WO2007/031797、WO2007/085874、WO2007/110688，其全部内容通过引用合并于此)。这些技术具有广泛应用，包括例如，在诸如数字摄像机、移动电话、便携式媒体播放器、膝上型计算机等手持电池供电设备中。然而，在这些和其他应用中，通常需要增加操作效率。

可以在EP1702243A；EP1498766；以及Palima D.和Daria V.R.的“Holographic projection of arbitrary light patterns with a suppressedzero-order beam”，2007，Vol46，No20，Applied Optics中找到现有技术。

本发明将描述能够实现效率实质增加的技术，具体地，利用与二相空间光调制器不同的所谓多相空间光调制器(即，与其中像素仅具有两个相位延迟值之一的二元器件相对，该SLM对于像素具有多于两个的不同可选相位延迟值)。尽管在被数字电路驱动时需要将这些器件量化为多个离散的相位延迟值，但多相位SLM包括连续相位SLM。

先前已经描述了高效地计算全息图以在SLM上显示以便再现期望图像(同上)的技术，广义地被称作OSPR(单步相位获取)型过程。后续给出示例过程的细节。下文中给出了示例过程，但是本领域技术人员将理解，本文后续描述的用于增加效率的方案不限于用于计算全息图以在SLM上显示从而再现图像(这里包括视频的帧)的任何具体方法，尽管采用OSPR型过程是有利的。

图1示出了并入全息图像投影模块12以投影显示图像14的消费电子设备10的示例。显示图像14包括多个以全息方式产生的子图像，其中的每一个子图像具有与显示图像14相同的空间范围，并且被连续地快速显示以便给出显示图像的外观。

可以使用OSPR型过程来产生每个全息子帧，其中，广义而言，通过显示多个全息图(其中的每一个在重放场中空间交叠)来显示图像。在被单独观看时，由于例如图像数据的全息变换的相位量化添加了噪声，多个全息图中的每一个将出现相对噪声。然而，当被快速连续查看时，在观察者眼中，重放场图像被平均以给出噪声图像的印象。为了至少部分消除该噪声，连续时间子帧中的噪声可以是伪随机的(实质上独立的)，或者子帧中的噪声依赖于一个或多个先前子帧中的噪声，或者可以采用组合。

图2示出了用于图1的全息投影模块的示例光学系统。参照图2，激光二极管20(例如，以532nm)经由反射镜23向空间光调制器(SLM)24(例如，像素化液晶调制器)提供实质上准直的光22。(如图所示，SLM是反射SLM，也可以采用透射SLM)。SLM 24利用全息图对光22进行相位调制，并且优选地将相位调制后的光提供给缩倍(demagnifying)光学系统26。在所示实施例中，光学系统26包括：一对透镜(L3、L4)28、30，相应焦距为f₃、f₄，其中，f₄＜f₃，空间间隔为距离f₃+f₄。光学系统26通过发散形成显示图像的光来增加投影全息图像(重放场R)的大小；有效地减小调制器的像素大小，因此增加了衍射角。透镜L₁和L₂形成扩束对，对来自光源的光束进行扩展使得覆盖调制器的整个表面；根据光束22和SLM 24的相对大小，可以省略该扩束对。可以包括空间滤波器以衰减显示图像的不期望部分，例如，零阶非衍射斑或重复的一阶衍射斑(共轭)图像，根据用于显示图像的全息图是如何产生的，可能看起来像显示图像的倒置版本。然而，对于要实践的空间滤波，期望在显示图像和要衰减的重放场的一部分之间的重放场中存在一定空间分离。

适合的二相SLM的示例是由CRL Opto(Forth Dimension DisplaysLimited，英国，苏格兰)制造的SXGA(1280×1024)反射二相调制铁电液晶SLM。由于其快速切换时间，铁电液晶SLM是有利的；二相器件是适宜的，但是也可以采用具有三个或更多量化相位的器件(在本领域中，被称作多相SLM)。二元量化产生共轭图像，而多于二相的使用则抑制共轭图像(见，WO 2005/059660)。

通过采用如上所述的系统可以构造彩色全息投影系统来创建叠加以产生彩色图像的三个光学通道，红、蓝和绿。实际上，由于必须在屏幕上对准不同颜色的图像，因此上述过程是困难的，更好的方法是创建红、绿和蓝光束的时间序列，并将这些序列提供给公共SLM和缩倍光学系统。然而，在这种情况下，不同颜色的图像具有不同大小；在于2006年6月2日提交的本发明共同未决英国专利申请no.GB06107841.1中描述了解决上述问题的技术，其通过引用合并于此。

再次参照图2，数字信号处理器100具有输入102，以从消费电子设备接收定义要显示的图像的图像数据。DSP 100实现OSPR型过程以产生用于多个全息子帧的相位全息图数据，可选地，经由驱动器集成电路(如果需要)从DSP 10的输出104向SLM 24提供该相位全息图数据。DSP 100驱动SLM 24以对组合在重放场(RPF)中给出显示图像14的印象的多个相位全息子帧进行投影。DSP 100可以包括专用硬件和/或闪存或其他只读存储器，存储处理器控制代码以实现全息产生过程。

OSPR型技术实质上降低了高质量全息图像显示所需的计算量，并且时间平均降低了感知噪声的等级。然而，通常需要增加全息图像显示技术的光效率。

发明内容

因此，根据本发明的第一方面，提供了一种使用空间光调制器(SLM)来以全息方式显示图像的方法，所述SLM具有多个SLM像素，所述方法包括：在所述SLM的所述像素上显示衍射图案；以及照射所述SLM的所述像素，使得所述SLM像素上由所述衍射图案衍射的光包括所述显示图像的内容，通过各个所述像素的衍射图案所确定的强度包络(例如sinc包络)对所述显示图像上所述显示图像的亮度变化进行调制；其中，所述方法还包括：通过在所述SLM像素上施加相位延迟图案，以远离零阶斑并移向所述显示图像的中心的方式移动所述强度包络(峰或重心)，所述相位延迟图案以与所述SLM的像素间隔相对应的空间间隔重复。

根据本方法的实施例，像素是方形或矩形，并且像素衍射图案包括sinc函数(包络)，尽管理论上可以采用具有不同衍射图案形状的不同形状(例如，圆形)的像素(例如，如果是圆形可以是贝塞耳函数)。在本方法的一些实施例中，例如，那些采用二相SLM的实施例，由于共轭图像的存在，显示图像与零阶非衍射斑相偏移。然而，在采用多相SLM的情况下，不存在共轭图像，但取而代之，期望将显示图像远离零阶非衍射斑放置，这是由于如果不这样做，会干扰显示图像的视觉外观。在任一情况下，可以通过远离零阶斑并移向显示图像的中心的方式移动强度包络(由各个像素的衍射图案所确定，例如，sinc包络)的峰或重心，具体地，在每个像素上施加矩形、重复的相位延迟图案。

在本方法的实施例中，在执行全息变换之前，将用于通过傅立叶变换(或傅立叶逆变换)来确定衍射图案的图像与像素衍射图案的逆(例如，逆sinc函数)相乘。这具有部分补偿像素衍射图案的两侧中的光损失的效果。例如，将sinc函数转换成近似top hat函数。然而，无论在将图像数据变换成用于在SLM上显示的全息图数据之前是否应用对像素衍射图案的部分补偿，均存在要通过以远离零阶非衍射斑方式移动整体强度包络的峰或重心来实现的效率增益。在二元SLM的情况下，有效地向共轭图像对(即，具有期望方向的图像对)的显示图像移动强度包络的峰或重心。在技术的多相SLM实施例能够使得显示图像远离非衍射斑移动的情况下，避免图像的视觉损坏应当是另外动因，相应地移动强度包络的峰或重心。当在多相SLM(即，具有多于二相值的像素的SLM)的上下文中采用时，本技术的实施例特别有利，这是由于在这种情况下，可以远离非衍射斑移动强度包络的峰或重心，实现了损失共轭图像的效率利益(使效率加倍)，而同时避免基于亮度中心斑的显示图像的叠印的问题(否则在技术上不可实现)。之前还没有认识到以下困难：由于实际不可能完全抑制零阶亮斑，导致难以利用多相SLM在输出场的中心处获得高效率图像。(与在图像的像素上分布的光相比，该亮斑能够有效聚焦，从而对于该亮斑仅需要非常少量的光，以在亮度上匹敌显示图像的像素)。

在优选实施例中，在每个SLM像素上的相位延迟图案包括：在像素上增加然后以闪耀光栅的方式重复的相位延迟。对于二维阵列像素，仅沿着阵列中的两个正交方向之一应用该“闪耀”。在像素上，相位延迟沿着与移动强度包络的峰相反的方向增加相位延迟。

在一些优选实施例中，除了包括相位的线性增加的相位延迟以外，在像素上采用台阶图案，有效地将像素上的相位延迟量化成两个或多个(例如，4、8等)台阶。这具有便于制造的优点，并与像素上的线性增加具有基于相同的效率。在实施例中，相位延迟图案被配置为，在所述显示图像处，将强度包络的峰或重心移动一定距离，该距离与像素上实质上π/2的相移变化相对应。因此优选地，选择相位图案的变化以实质上给出强度包络的峰或重心的位移，该位移与像素上的线性零至π/2斜坡相位延迟图案所提供的相同。在实施例中，目的在于，sinc函数的峰或top hat的重心实质上在显示图像的中间，因此，与π/2的相位延迟相对应的位移是优选的(已知2π的相位变化应当将包络偏移一阶)。

在实施例中，如果沿着一个正交方向(即，全息图平面中的y方向)给相位延迟(或折射率)分等级，则沿着相同方向(即，显示图像的v方向)移动强度包络。因此在本方法的实施例中，在执行全息变换(例如，傅立叶或傅立叶逆变换)之前，定义要显示的图像的图像数据位于沿着与强度包络移动的方向垂直的方向平分的图像数据平面的一半中(例如，通过填充图像)，以便根据图像数据平面的两个一半部分中的数据确定衍射图案。因此，在实施例中，在执行全息变换之前，有效地将要显示的图像嵌入到图像数据平面的上半部分中，并且SLM上的相位延迟图案被布置(在该示例中，沿垂直方向分等级)为：使得重构或重放的图像在重放场的上半部分中，并且强度包络向重放场的上半部分移动，从而优选地显示图像和强度包络实质上一致。

在一些优选实施例中，采用台阶式相位延迟图案，而非以零和π/2值进行量化，在这两个值之间选择台阶相位延迟。更具体地，在每个像素内具有单个台阶的情况下(两个不同相位延迟值)，优选地，相位延迟值相隔π/4；对于四个台阶，相位延迟优选地相隔π/8，并且一般地，相位延迟值之间的差值优选为π÷(2x像素上不同相位延迟的数目)。这比线性斜坡的量化(即，选择零和π/2值的两个等级情况)更精确，基于观察，相位延迟回绕，并且有效地，可以选择任意零点。

在一些优选实施例中，SLM包括反射SLM，并且将台阶相位延迟实现为一系列条纹，例如，每一个像素一个条纹，每个条纹具有接近像素宽度一半的宽度(根据这种布置，有效地将每个像素从中间划分成两个，从而考虑在每个像素中存在两个条纹的情况)。在其他布置中，每个像素可以有更多条纹，例如，在每个像素4个不同相位延迟值的情况下，每个像素可以有3个条纹(或者根据是否将“零延迟”条纹计算在内，每个像素4个条纹)。

因此，在相关方面，提供了一种具体用于如上所述的方法或设备的空间光调制器(SLM)，该SLM具有多个像素，其中，所述SLM在所述像素上具有相位延迟图案，所述图案包括在所述像素上增加并针对每个像素重复的相位延迟。

在一些优选实施例中，SLM包括反射液晶SLM，更具体地，包括多相SLM。然而，备选地，可以采用其他多相技术。

在反射SLM的情况下，可以通过刻蚀反射层(例如，SLM的铝层)限定条纹，从而方便制造SLM。这以较小的附加成本直接实现了一个(或多个)附加刻蚀台阶。

本发明还提供了一种用于使用空间光调制器(SLM)来以全息方式显示图像的设备，所述SLM具有多个SLM像素，所述设备包括：系统，在所述SLM的所述像素上显示衍射图案；激光器，照射所述SLM的所述像素，使得由所述SLM像素上的所述衍射图案衍射的光包括所述显示图像的内容，通过单个所述像素的衍射图案所确定的强度包络(例如sinc包络)对所述显示图像上所述显示图像的亮度变化进行调制；其中，所述设备还被配置为：通过在所述SLM像素上施加相位延迟图案，以远离零阶斑并移向所述显示图像的中心的方式移动所述强度包络的(峰或重心)，所述相位延迟图案以与所述SLM的像素间隔相对应的空间间隔重复。

设备的优选实施例包括结合根据本发明的方面和实施例的上述方法的优选特征的那些上述特征相对应的设备特征。在实施例中，设备还包括用于对输入图像数据执行全息变换以将其转换成在SLM上显示的全息数据的系统。在设备和上述方法的一些优选实施例中，使用OSPR型方法来确定用于在SLM上显示的衍射图案(因此，可以在SLM上显示多个衍射图案以便为单个显示图像或视频帧提供内容)。

在相关方面中，本发明提供了一种使用多相像素化空间光调制器(SLM)以全息方式显示图像的方法，所述方法包括：使用针对所述SLM的像素的多于两个的不同相位值在所述SLM上显示一个或多个全息图，使得当照射所述SLM时，在实质上不具有共轭图像的所述全息图的重放场中显示所述图像；以及将调制相位图案应用于所述显示全息图，以实质上远离来自所述照射SLM的零阶非衍射斑的方式移动在所述重放场中显示的所述图像。

本发明还提供一种用于使用多相像素化空间光调制器(SLM)、使用针对所述SLM的像素的多于两个不同相位值以全息方式显示图像的设备，所述设备包括：用于在所述SLM上显示一个或多个全息图的系统，使得当照射所述SLM时，在实质上不具有共轭图像的所述全息图的重放场中显示所述图像；其中，将相位调制应用于所述SLM的所述像素，使得在操作中，实质上以远离来自所述照射SLM的零阶非衍射斑的方式移动在所述重放场中显示的所述图像。

在上述方法和设备的一些优选实施例中，SLM包括反射SLM，例如反射液晶SLM，并且SLM包括以下机制：应用相位调制(例如，SLM内的台阶式表面)以提供规则、重复的相位延迟图案，从而沿着SLM上的一个方向提供“闪耀”。

附图说明

参照附图，仅作为示例进一步描述本发明的这些和其他方面，在附图中：

图1示出了包括全息投影模块在内的消费电子设备的示例；

图2示出了用于图1的全息投影模块的光学系统；

图3a至3f分别示出了，使用SLM的全息图像格式的模型；由于向SLM像素应用相位斜坡导致的sinc衰减峰的移动；sinc像素衍射包络至针对二相和多相SLM的显示图像的映射；以及根据本发明实施例，sinc像素衍射包络至针对二相和多相SLM的显示图像的映射；

图4a至4d分别示出了，反射液晶SLM的上截面图和垂直截面图的简单视图；像素衍射包络的峰强度的位移的示意说明；以及针对两个相邻示例像素的相移，其中示出了平滑相移斜坡(左)、4台阶斜坡近似(中间；Q＝4个条纹)以及2台阶斜坡近似(右；Q＝2个条纹)；

图5a和5b分别示出了，不具有应用于SLM的峰移相位图案以及具有应用于SLM的Q＝4条纹峰移相位图案的情况下，具有sinc衰减的仿真重构场；以及

图6a和6b分别示出了，OSPR全息图数据计算系统的框图、以及图6a的系统内执行的操作。

具体实施方式

本发明描述了一种用于通过偏移SLM像素衍射(sinc衰减)包络来提高全息投影的衍射效率的技术。

以全息方式形成的图像受到由SLM上的方形像素引起的、被称作“sinc衰减”的效应的影响，其中SLM在整个重构场上施加集中于零阶的sinc形强度调制，导致向场的边缘方向不期望的强度降低。这导致两个问题。

1.图像强度在场上不再统一。这可以通过将输入图像前乘(pre-multiplying)调制sinc包络的逆来补偿。

2.点沿着远离sinc包络的中心方向逐渐衰减，导致衍射效率显著降低。精确地说，光从第一衍射阶的边缘(第一sinc波瓣)移动到不期望的较高衍射阶(sinc尾部)。因此为了最小化该效应，理想地，图像应当以sinc包络的峰为中心，其中，峰的幅度应当最接近一(to unity)。不幸地，由于这是在零阶(非衍射光的焦点)的位置，因此是不实际的。

本发明描述了在每个SLM像素上施加实质上理想的相位斜坡，以偏移sinc衰减包络，从而其中心位于图像的中心，最小化效率的降低。

如图3a所示，通过全息重放获得的重构场依赖于SLM的形状、在器件上显示的全息图、SLM的像素采样网格、以及SLM像素本身的形状。图示仅是示意性的并未按比例示出，并且为了简单起见省略照射面的效果。

参照图3b，图像上sinc衰减曲线的叠印(现在具有正确比例)(图3b，左侧)示出了沿着x方向sinc包络如何最优集中于图像，而沿着y方向并非如此。

由于傅立叶空间中相位斜坡与图像空间中位置偏移相对应，将相位斜坡(具有选择将y方向偏移场高度的四分之一的坡度)并入到SLM像素单元中应当具有根据需要将sinc衰减包络偏移到图像的中心上的效果(图3b，右侧)。该效果将显著降低沿着y方向的sinc衰减，因此，根据由图像区域上相应sinc曲线的能量积分的比值给出的增加(计算为23％)，提高了衍射效率。

图3b示出了二相SLM情况下问题的简化表示，其中，可以看出沿着垂直方向sinc包络的中心与重放场300的中心对准，而显示图像302被移到这之上，并因此位于sinc分布的尾部。sinc包络上的虚线与近似top hat函数相对应，在应用全息变换(例如，傅立叶或菲涅耳变换)之前通过将输入图像与像素sinc函数的逆相乘获得该近似top hat函数。图3b中所示的显示图像还包括中心的零阶非衍射斑304。图3c的方案的最大效率为41％。图3d示出了采用多相SLM的情况下可获得的、没有共轭图像的显示。已经将显示图像移至重放场的中心，并且该布置理论上具有近似98％的最大效率。然而，如图所见，显示图像与非衍射斑304交叠，并且实际中，很难将该斑的亮度降低至其不会干扰图像的等级，部分地，这是由于所有非衍射光均到达该斑，从而该斑本质上比图像的像素亮的多。

现在参照图3e，图3e在构思上示出了移动垂直sinc包络使得其峰与显示图像302相符的方案的实施例。这为二相SLM提供了可能20％的显著效率增加。然而，优选布置是图3f所示的布置，图3f所示的布置采用多相SLM来显示远离非衍射斑304移动的图像302，因此，在显示图像内不存在视觉分散非衍射斑的情况下提供使用多相SLM的有效优点。如图3f所见，显示图像移动了与SLM像素上的π/2相位变化相对应的距离(这可以通过认识到π相位变化与重放场的边缘相对应来理解)。

如图3b、3e和3f所示，本发明现在描述像素衍射包络如何移动。广义而言，这通过将相位光栅应用于SLM像素来实现，更具体地，是沿着SLM像素阵列内的一个方向每个像素上的线性相位斜坡。该线性斜坡导致沿着重放场内与SLM中相位变化的方向相对应的方向的衍射图案的位置变化。实际上，并非将线性斜坡应用于每个像素，而是例如以两个台阶(提供18％效率增益)或4个台阶(提供22％效率增益，几乎与由线性斜坡实现的效率增益相同)量化应用于像素的相位变化。如以下更详细说明，当制造SLM时可以通过使用附加刻蚀台阶来容易实现对每个像素重复的台阶相位变化。

现在参照图4，图4示出了反射液晶空间光调制器(SLM)400的上述的简单示意图。然而，本领域技术人员将理解，本发明描述的技术和原理不限于该具体SLM设计。参照图4a，每个像素402包括铝反射层404，在该铝反射层404周围是非导电区域406以防止相邻像素短路。图4b示意性示出了通过像素402的垂直截面，其中，可以看出，SLM包括基板408，典型是印刷电路板，在该基板上安装具有电连接的硅电路410，该电路连接至反射铝层404以向液晶单元412提供一个电触点。第二电触点由例如氧化铟锡(ITO)涂层玻璃的顶层414提供，并提供地连接。例如嵌入在包围SLM的边缘的胶中的小珠416保持液晶单元412的两个导电面之间的分离(通常，该分离较小，并且垂度很小)。

再次参照图4a，通过在像素的列上刻蚀条纹418，每个条纹是像素的宽度的一部分，能够缩减铝404的厚度，从而增加像素的液晶区域内的相位延迟。将认识到，根据像素宽度内期望的相位台阶数，可以刻蚀一个或多个(交叠)条纹。

现在参照图4c，图4c在构思上示出了全息图平面H和图像平面I，示意了像素上的“闪耀”相位延迟如何移动SLM像素衍射包络。如图所示，在执行全息变换之前，通过将用于输入图像的数据嵌入到较大阵列中来相应地移动显示图像以与衍射包络符合。(将理解，该嵌入是设想的，并在实际中可以通过填充零来实现，在这样的情况下，实际上不需要存储用于“填充”区域的数据的存储器)。

接着描述(设想)像素相位斜坡的量化的效果。

以上分析参照将线性相位斜坡应用于每个SLM像素。实际中，为了便于制造，优选地，将每个像素划分成有限数目的Q个条纹，这些条纹一起形成量化光栅，以按照期望方式偏移sinc包络。Q越大，像素越类似于平滑相位斜坡，从而理论上越可能实现接近于23％实际增益。由于相位是相对的，可以将第一条纹的相移固定为零，并相对于第一条纹定义其他条纹的相移，因此意味着，当制造显示器时需要Q-1个掩模台阶。因此，实际中Q的选择依赖于附加的制造步骤和增大的效率增益之间的折衷。已经发现Q＝2(即，一个附加掩模台阶)提供大约18％的提高，Q＝4(三个附加掩模台阶)给出22％提高。因此，几乎没有超过Q＝4的点。事实上，由于制造相对容易，Q＝2可以代表成本/复杂性与性能之间的最优折衷。

量化的相移

在表征线性相位斜坡(即，Q较大或者理论上为无限)的像素上，像素上的相位变化应当为

(图4d，左侧)。对于具有Q个条纹的实际系统，所需相移P由以下给出

0, \frac{1}{2 Q} π, \frac{2}{2 Q} π, . . ., \frac{Q - 1}{2 Q} π

作为示例，对于Q＝2，相移为0和(图4d，右侧)。对于Q＝4，相移为0、

和

如图4的所示(中间)。

如果通过进一步在器件上刻蚀铝像素层来创建该SLM子像素结构，给定相移P与所需刻蚀深度d的关联程度根据以下关系通过液晶材料的折射率n来确定：

d = \frac{Pλ}{2 πn}

其中，选择λ等于显示器的中心设计波长，通常为绿(532nm)。因此，如果选择Q＝2，以及具有n＝1.4的LC材料，应当采用附加工艺步骤，涉及将每个像素的铝层的一半刻蚀47.5nm附加深度。同样，代替刻蚀，应当将该厚度的附加铝成沉积到现有层之上。

图5所示的图像示出了使用该技术的可能衍射效率的提高，为了简单起见，仿真针对单个二元全息图获得的重构场。出于示例的目的，不应用sinc包络补偿。图5a的仿真显示没有像素相位斜坡；对于每个像素上Q＝4个条纹来仿真图5b的显示。在使用条纹像素显示获得的重构场中存在显著增加的光量。在该示例中同样值得注意的是，由于调整sinc包络对准图像的中心，可以显著缩减采用sinc包络补偿的量，这有益于计算时间、或者有益于图像预处理阶段中精度的降低。

上述技术的一些优选实现方式与OSPR型过程一起使用，尽管技术的应用不限于这种过程。因此本发明简要描述这种过程。在我们的先前应用(同上)中找到其他细节。

OSPR

广义而言，在优选方法中，利用近似要显示的图像的全息图的全息数据对SLM进行调制。然而，以特定方式来选择该全息数据，显示图像由多个时间子帧组成，通过利用相应子帧全息图对SLM进行调制来产生每个时间子帧。在(操作员)观察者眼中连续并足够快速显示这些子帧，将子帧(其中的每一个具有显示图像的空间范围)集成到一起以创建用于显示的期望图像。即使要分离查看的每个子帧看起来相对有噪声，但对子帧的时间平均降低了噪声的感知等级。

OSPR过程是一种对于每个图像I＝I_xy产生N个二相全息图的集合h⁽¹⁾...h^(N)的方法。在实施例中，这样的全息图集合形成了相互呈现独立加性噪声的重放场。以下示出示例：

1.对于1≤n≤N/2，并且1≤x，y≤m，设

其中，均匀分布在0和2π之间

2.对于1≤n≤N/2，设

其中，F^-1表示二维傅立叶逆变换运算符

3.对于1≤n≤N/2，设

4.对于1≤n≤N/2，设

5.设

其中，

1≤n≤N

步骤1形成N个目标G_xy ⁽ⁿ⁾，等于所提供的强度目标I_xy的幅度同时具有独立同分布(i.i.t)以及均匀随机相位。步骤2计算N个相应复傅立叶变换全息图g_uv ⁽ⁿ⁾。步骤3和4分别计算全息图的实部和虚部。在该示例中，在步骤5中执行全息图的实部和虚部中的每一个的常规二值化。(围绕中值m_uv ⁽ⁿ⁾或零设定阈值，以确保在全息图中出现实质上相同数目的-1和1点，用于DC平衡)。

图6a示出了实现上述过程的全息图数据计算系统的框图。将输入图像数据以及从控制器提供的控制信号临时存储在一个或多个输入缓冲器中。优选地，输入(和输出)缓冲器包括双端口存储器，使得将将数据写入缓冲器中并同时从缓冲器中读出该数据。控制信号包括定时、初始化以及流程控制信息，使得产生一个或多个全息子帧并在每个视频帧周期内发送给SLM。来自输入缓冲器的输出包括图像帧I，并且该图像帧I成为至硬件框的输入(尽管在其他实施例中，可以以软件来执行一些或全部处理)，该硬件框对每个图像帧I执行一系列操作，并且针对每个图像帧I产生一个或多个全息子帧h，可选地，经由驱动器芯片将这些全息子帧h发送给输出缓冲器，并从该输出缓冲器提供给显示器件(例如，SLM)。

图6b示出了图6a的系统的细节，包括被设计用于为每个图像帧产生一个或多个全息子帧的一组元件。优选地，在每个视频帧周期一次或多次提供一个图像帧I_xy作为输入。然后每个图像帧I_xy用于通过包括以下中的一个或多个在内的操作集合来产生一个或多个全息子帧：相位调制阶段、空间频率变换阶段以及可选量化阶段。在实施例中，通过使用一个上述操作顺序集合或并行作用于不同子帧的若干这种操作集合中任一个，或者这两种方法的混合，在每个帧周期产生N个子帧的集合，其中，N大于或等于1。相位调制阶段在整个空间频率域中更均匀地重新分布输入帧的能量，使得在执行后续操作之后，获得最终图像质量的提高。可选量化阶段采用来自先前空间频率变换的复全息数据，并将其映射到与可以对目标(例如二元相位SLM)实现的实际调制等级相对应的约束值集合(实分量和虚分量用于产生一对全息子帧，而无需ADOSPR(见下文))。然而，在本技术的一些优选实施例中，采用多相SLM，在这种情况下，不需要分离的量化步骤。在这样的情况下，不会形成共轭图像。

在以上已经描述的OSPR方法中，独立产生子帧全息图，并从而呈现独立噪声。然而，针对每个子帧的产生过程应当考虑由先前子帧产生的噪声以便消除该噪声，在形成闭环系统之后有效地“反馈”形成的感知图像，即，将n个OSPR帧“反馈”至过程的阶段n+1。这样的自适应(AD)OSPR过程使用如下反馈：算法的每个阶段n计算从先前产生的全息图H_l至H_n-1中产生的噪声，并将该噪声作为因素包括到全息图H_n的产生中以消除该噪声。因此，噪声方差降低为1/N²(其中，目标图像T输出N个全息图的集合)。能够从WO2007/031797和WO2007/085874中得到更多细节。

详细技术和调制器的应用包括但不限于以下：移动电话；PDA；膝上型计算机；数字摄像机；数字视频摄像机；游戏控制台；车载影院；导航系统(车载或个人，例如手表GPS)；用于汽车和航空的头盔显示器；手表；个人媒体播放器(例如，MP3播放器、个人视频播放器)；仪表显示器；激光展示箱；个人视频投影仪(“视频iPod(RTM)”概念)；广告和电子看板系统；计算机(包括台式机)；远程控制单元；并入全息图像显示系统的体系结构固定装置；更一般地，可以期望共享画面、和/或用于多于一个人一次查看图像的任何设备。

毫无疑问，技术人员将想到许多有效备选，并且将理解，本发明不限于描述的实施例，并包括对于本领域技术人员而言显而易见落在所附权利要求的精神和范围内的修改。

Claims

1.一种使用空间光调制器SLM来以全息方式显示图像的方法，所述SLM具有多个SLM像素，所述方法包括：

在所述SLM的所述像素上显示衍射图案；以及

照射所述SLM的所述像素，使得所述SLM像素上由所述衍射图案衍射的光包括所述显示图像的内容，通过各个所述像素的衍射图案所确定的强度包络对所述显示图像上所述显示图像的亮度变化进行调制；以及

其中，所述方法还包括：通过在所述SLM像素上施加相位延迟图案，以远离零阶斑并移向所述显示图像的中心的方式移动强度包络，所述相位延迟图案按照与所述SLM的像素间隔相对应的空间间隔进行重复。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述SLM包括多相SLM，在所述多相SLM中，所述SLM像素具有多于两个可选相位延迟，所述衍射图案包括具有多于两个不同相位值的图案，所述方法还包括：确定用于显示的所述衍射图案，使得抑制所述显示图像的共轭图像。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述SLM像素上所述相位延迟图案包括：在所述像素上增加并针对每个像素重复的相位延迟。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述相位延迟沿着与所述强度包络移动相反的方向增加。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：输入定义了所述要以全息方式显示的图像的图像数据；将由所述图像数据定义的所述图像定位在沿着与强度包络移动相反的方向垂直的方向平分的图像数据平面的一半中；以及然后根据所述图像数据平面的两个半部分中的数据确定所述衍射图案。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述SLM像素上的所述相位延迟图案包括：被配置为在所述显示图像处将所述强度包络移动一定距离的相位延迟图案，所述距离实质上与所述像素上π/2的相移变化相对应。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述相位延迟图案包括：在每个所述SLM像素上具有台阶相移的台阶图案，所述台阶相移具有两个或多个不同相位延迟。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：根据以下方程确定所述SLM像素上所述不同相位延迟的相位延迟之间的差值：

step＝π÷(2×levels)

其中，step是相位延迟之间的差值，levels是不同相位延迟的数目。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述SLM包括反射SLM，所述台阶图案包括所述SLM的反射部分上沿着与所述强度包络移动的方向实质上垂直的方向的条纹图案。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：使用OSPR型方法确定用于显示的所述衍射图案。

11.一种用于使用空间光调制器SLM来以全息方式显示图像的设备，所述SLM具有多个SLM像素，所述设备包括：

系统，在所述SLM的所述像素上显示衍射图案；

激光器，照射所述SLM的所述像素，使得由所述SLM像素上的所述衍射图案衍射的光包括所述显示图像的内容，通过各个所述像素的衍射图案所确定的强度包络对所述显示图像上所述显示图像的亮度变化进行调制；以及

其中，所述设备还被配置为：通过在所述SLM像素上施加相位延迟图案，以远离零阶斑并移向所述显示图像的中心的方式移动强度包络，所述相位延迟图案按照与所述SLM的像素间隔相对应的空间间隔进行重复。

12.一种空间光调制器SLM，具体供权利要求1至11中任一项所述的方法或权利要求12所述的设备使用，该SLM具有多个像素，其中，所述SLM在所述像素上具有相位延迟图案，所述图案包括在所述像素上增加并针对每个像素重复的相位延迟。

13.根据权利要求12所述的SLM，其中，所述像素在所述SLM平面中定义两个实质上正交的方向，所述相位延迟沿着所述正交方向之一在所述像素上增加并针对每个像素重复，所述相位延迟沿着所述正交方向中的另一个实质上恒定。

14.根据权利要求12或13所述的SLM，其中，所述相位延迟图案包括：在每一个所述SLM像素上具有台阶相移的台阶图案，所述台阶相移具有两个或多个不同相位延迟。

15.根据权利要求14所述的SLM，还包括：根据以下方程确定所述SLM像素上所述不同相位延迟的相位延迟之间的差值：

step＝π÷(2×levels)

16.根据权利要求12至15中任一项所述的SLM，其中，所述SLM包括反射液晶SLM，所述图案包括实质上平行的条纹，在每个像素行上至少实质上有一个所述条纹，每个所述条纹包括SLM的像素行的相应像素内的区域，所述像素内的所述区域具有与同一像素内的另一所述区域不同的相位延迟。

17.一种制造根据权利要求16所述的SLM的方法，所述方法包括：刻蚀所述SLM的反射层或将材料沉积在所述SLM的反射层上，以限定所述条纹。

18.一种使用多相像素化空间光调制器SLM以全息方式显示图像的方法，所述方法包括：

使用针对所述SLM的像素的多于两个不同相位值来在所述SLM上显示一个或多个全息图，使得当照射所述SLM时，在实质上不具有共轭图像的所述全息图的重放场中显示所述图像；以及

将调制相位图案应用于所述显示的全息图，以远离来自被照射的SLM的实质上零阶非衍射斑的方式移动在所述重放场中显示的所述图像。

19.一种用于使用多相像素化空间光调制器SLM以全息方式显示图像的设备，其中针对所述SLM的像素使用多于两个不同相位值，所述设备包括：

系统，用于在所述SLM上显示一个或多个全息图，使得当照射所述SLM时，在实质上不具有共轭图像的所述全息图的重放场中显示所述图像；其中，将相位调制应用于所述SLM的所述像素，使得在操作中，所述重放场中显示的所述图像远离来自所述被照射的SLM的实质上零阶非衍射斑。

20.根据权利要求19或20所述的方法或设备，其中，所述SLM包括包括在应用所述相位调制的机制在内的反射SLM。