CN102171619A - 全息图像显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全息图像显示系统(200)，并且涉及相关的方法及处理器控制代码。我们描述了一种全息地显示图像的方法，该方法包括：输入限定所述用于显示的图像的显示图像数据；处理所述图像数据以确定再现第一空间频率部分的第一图像数据以及再现第二空间频率部分的第二图像数据(206)，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；在空间光调制器(SLM1)上显示所述第一图像数据的全息图(204)以形成全息生成的中间实像；使用所述第二图像数据(206)在调制所述中间实像的强度的第二空间光调制器(SLM2)上显示所述图像。

Description

全息图像显示系统

技术领域

本发明涉及全息图像显示系统，并且涉及方法及处理器控制代码。

背景技术

先前我们已经描述了用于全息地显示图像的技术-例如参见WO2005/059660(使用一步相位恢复的噪声抑制)、WO2006/134398(用于OSPR的硬件)、WO2007/031797(自适应噪声消除技术)、WO2007/110668(透镜编码)，以及WO2007/141567(彩色图像显示)。所有的这些在此全文引入作为参考。可在US3779492、EP1697801及EP1332475中找到现有的背景技术。

全息图像显示技术的优势包括紧凑的光学系统及相比于常规显示系统的高的光效率。然而我们先前描述的技术在显示高分辨率图像时计算消耗较大，并且在硬件(ASIC)中执行该分辨率非常依赖于所述硬件构造。在OSPR型方法中，其中对于每个图像帧显示多个空间同步临时全息子帧，可通过应用多相位而非二进制相位调制以减少能量功耗，但需要进一步节约能量。根据该技术的实施，可应用比看作为图像像素更多的SLM(空间光调制器)像素，其增加了成本并且使得难以进行小型化。也难以获得高对比的图像显示。

因此需要能够提高全息图像显示系统的效率及图像质量，并且进一步减少它们的尺寸。

发明内容

根据本发明的第一方面，其提供一种全息显示图像的方法，该方法包括：输入限定所述用于显示的图像的显示图像数据；处理所述图像数据以确定再现所述图像数据的第一空间频率部分或成分的第一图像数据以及再现所述图像数据的第二空间频率部分或成分的第二图像数据，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；在空间光调制器(SLM)上显示所述第一图像数据的全息图以形成全息生成的中间实像；使用所述第二图像数据调制所述中间实像以显示所述图像。

在所述方法的实施方式中，显示全息图的SLM的分辨率可较低(低于强度调制所述中间实像的SLM的分辨率)，并且因此所述全息图的计算变得明确，尤其是当使用诸如ADOSPR(自适应性OSPR)的OSPR型方法时。在硬件实施中，可应用一种小型、便宜并且功率非常低的ASIC(特定用途集成电路(Application Specific Integrated Circuit))。仿真已显示出64×64或更低的SLM分辨率可足够用于所述全息图。

在所述方法的实施方式中，显示全息图的SLM的分辨率可基本独立于图像所需的分辨率而进行选择。因而可简单地根据包含在其低频率成分的镜像能的常规比例选择SLM的分辨率。提高视频图像的分辨率增加了高频率成分的能量但基本没有改变低频率含量。因而可改变实现所述方法的图像投影系统的分辨率，例如提高但不更改全息图SLM或相关的全息图数据处理。因此在实施方式中，其中通过诸如ASIC的专用硬件执行全息图数据处理，可提高投影仪分辨率，而不更改或者基本不更改ASIC。

所述方法的实施方式能够提供高对比度的显示，因为成像SLM使用第二图像数据调制中间实像使能量低但感知上显著的残余背景噪音被基本阻止了。在所述方法的实施方式中，没有使用误差扩散(例如我们已在先前的专利申请中所描述的)以减少背景噪音，从而进一步减少了计算成本。

实现所述方法的全息图像投影仪可以是容易小型化的。这是由于显示所述全息图的SLM因其低分辨率(小于图像分辨率)而具有较小的有效面积并且因而可应用实体上小型的发光器件。另外不特别需要显示全息图的SLM的像素具有非常小的横向尺寸以缩小发光器件。因而，例如，所述发光器件即使具有当代的SLM也可非常小，所述SLM例如为5.62μm像素特征。

由于中间实像是强度调制的，在通过较高分辨率的强度调制SLM的实施方式中相位调制SLM显示全息图，在实施方式中中间实像的一成分光被成像(强度调制)SLM阻止，以形成图像。然而，这比在常规成像系统中所阻止的光少得多，并且尽管所述系统可能光效率比“纯”全息投影仪略小，但由于大大降低了计算要求而明显较高了总系统效率。

在实现所述方法(如以下进一步所述)的全息图像投影仪的实施方式中，显示全息图的SLM与调制由所述全息图产生的中间实像的SLM之间的对准很重要。非常广泛地说，全息图形成低分辨率的中间实像，其使用较高分辨率SLM强度调制以增加不存在于由全息图形成的图像中的高频率空间成分。因此理想地强度调制SLM与显示全息图的SLM之间的对准应当位于强度调制SLM的一至两个像素内-即增加高频成分的强度调制SLM应当具有像素，该像素在一至两个像素内与由显示全息图形成的中间实像的像素边界一字排开。然而，实际上，在全息图SLM的全息图上外加散焦及/或相位梯度可放松对机械对准的要求，以轴向并横向地将由全息图SLM形成的中间实像移动到强度调制SLM表面的正确位置。(WO2007/110668中公开了将透镜光学能编码进入全息图的技术，特别是在对用于OSPR型全息图像投影系统的光学器件的一个或多个透镜进行编码的情况下；该公开在此引入作为参考。)

在所述方法的实施方式中，提取图像数据的低及高空间频率成分以提供第一(低分辨率)及第二(高分辨率)图像数据。由低分辨率图像数据产生全息图使得当全息图显示于全息图SLM上时，所述SLM重构一类包括图像的低空间频率的低分辨率图像数据。本领域技术人员将理解在实施方式中全息图的显示包括显示多个临时子帧，其平均噪音以一类图像数据的低空间频率成分，因此提供中间实像。一般中间实像不会是低空间频率部分或成分的准确无误的重构，因为它具有相应的噪音。因此所述方法的优选实施方式计算预期的中间实像(包括噪音)并且随后确定图像数据的高空间频率成分，其将在强度调制SLM上显示为由中间实像残留的图像数据的该(高空间频率)部分或成分。实际上，强度调制包括，中间实像乘以强度调制SLM(第二图像数据)的模式(pattern)。因而为了确定由低空间频率成分的全息显示残留的高空间频率成分，在实施方式中，中间实像将图像数据分开，计算所述中间实像以由显示的全息图形成。

在一些优选实施方式中，由于强度调制SLM仅从中间实像移动光(通过阻止光)，产生显示于全息图SLM上的全息图的第一图像数据包括减少的图像数据的分辨率，其中每个减少的分辨率像素具有一个取决于其所源自于的图像像素的值，优选地(当并非必须的)为其所源自于的图像像素值的峰值。使用峰值使得所需用于显示的图像的像素值被阻止的光精确呈现，但在其他实施中，可另外或备选地应用其他统计学。例如，在所述方法的实施方式中，改变用于第一图像数据的像素峰值可能是有用的，由所述第一图像数据全息地产生中间实像以补偿边缘效应。因而并非每个图像像素需要具有所述的替换像素值。

如之前所提到的，中间实像一般具有一定量的噪音。可能为了精确地呈现第二(高空间频率)图像数据，必须确定中间实像中的像素的最低瞬时水平，并且随后相应地衡量显示于强度调制SLM上的高空间频率信息(由于中间实像的该阻止像素将有效地限制用于所需图像相应部分的最大光输出以显示)。然而，根据噪音的统计特性，例如，如果所述噪音产生一个具有特别低亮度的中间图像像素，这会产生的效率相对不高的系统。由于这个原因，最好平衡图像的准确再现与光效率，并且因此并非必须减弱用于图像区域的最大光输出使得其低于对图像的该区域实际可获得的亮度。相反，如果通过这种方式可提高整体光效率，其可能容忍允许显示图像的一些像素具有低于理想值的值。获得其的一种方式为使用计算的一类(噪音)中间实像确定用于第二(高频率)图像数据的衡量因子，并且随后通过整体阻止较少的光衡量该衡量因子以提高光效率，以引进少量的“剪裁(clipping)”为代价。然而，本领域技术人员将理解可应用其他技术以获得类似的结果。

在所述方法的一些优选实施方式中，应用OSPR型技术以显示全息图-即通过显示多个全息子帧显示全息图，每个子帧在重放时具有基本相同的空间覆盖范围，一连串地进行平均以得到所需结果。这在计算上比其他技术便宜很多。然而，特别优选地应用一种自适应性OSPR型技术，其中每个连续的临时子帧中(特意引进)的噪音计划至少部分补偿由于显示一个或多个前面的临时子帧引起的重放图像中的噪音。该方法是有用的，因为其有助于减少噪音中的“尖峰(spikes)”的危险，其具有下压显示图像中光的基线水平的效果，如上所述。低水平“涟漪”型噪音允许基线水平，其较接近中间实像中央的可获得光水平，然而尖峰将趋向于压低所述基线水平，并且增强系统的光效率并/或引进噪音(如果，实际上，其被忽略)。

在一些优选的实施中，通过向一屏幕投影来自强度调制SLM的光而显示图像。优选地，为了降低散斑效应，投影的光学器件包括位于较远中间实像平面上的扩散器，尤其是包括来自全息图SLM由强度调制SLM调制的实像的平面。在散斑降低和最终投影图像的景深之间存在一种权衡，取决于扩散器的扩散角度：较大的角度降低了散斑，但也降低了景深(0度的扩散角度，实际上如果不具有扩散器，产生在远离投影仪的基本所有距离基本上是清晰的投影图像)。在一些特别优选的实施方式中，扩散器为机械驱动，特别使用压电传动装置，例如连同二相扩散器。优选地，扩散器的最小特征尺寸或像素间距小于较远的中间实像(扩散器)的像素间距。同其他方式相比，以这样的方式可在增加的空间频率降低散斑(具有较大像素间距，扩散器可具有增加更多OSPR型子帧的效应)。在使用散斑降低扩散器的OSPR型全息图像显示系统的视觉噪音降低中已观察到协同作用，所述扩散器所具有的像素小于所述扩散器所位于的中间图像的那些像素。在实施方式中，压电传动装置可具有至少5μm的，更优选地至少10μm(及/或扩散器优选地被2、5或10个扩散器像素在包括一个或多个临时子帧的图像帧的持续时间内移动)。将扩散器应用于基于OSPR的以及其他类型的全息图像显示系统的进一步细节可在我们早期的UK专利申请2008年1月7号的GB0800167.9中找到，在此引入作为参考。

在优选的实施方式中，提供一种多色的，优选全色图像显示器。其可通过结合来自红、绿及蓝激光器(一般地说，例如波长为大于600nm、500-600nm及小于500nm)的光而获得。这些可被组合并作为单一、彩色时间多工光线提供给全息图SLM。由于在实施方式中，全息图SLM可具有较小数量的像素，例如等于或少于512、256、128、64或32像素(在x及/或y方向)，全息图SLM的有效面积可较小，例如具有小于1mm的最大横向尺寸。这有利于收缩照亮全息图SLM的光学器件，以及因此全息图像显示的实施方式。

在相关的方面，本发明提供一种全息地显示图像的方法，该方法包括将所述图像分成该图像的低及高分辨率再现，在空间光调制器上，优选地在相位调制器上，显示所述图像的所述低分辨率再现的全息图，以生成所述图像的低分辨率再现，更特别地生成所述图像的所述低分辨率再现的中间实像，并且使用所述图像的所述高分辨率再现调制所述中间实像(所述图像的所述低分辨率再现)的强度以显示所述图像。

如上所述，在一些优选实施中，确定图像的高分辨率再现使得全息地生成的图像的低分辨率再现和图像的高分辨率再现一起接近于所需的用于显示的图像。该近似不需要准确无误，因为其可能需要故意地引进少量噪音以通过“剪裁”显示图像中的一些像素而增加系统的总体光效率，否则其中全息地生成的图像中的噪音将指定总体减少的显示图像亮度。

在另一个相关的方面，提供一种全息图像显示系统，其包括实施上述方法的各方面及实施方式的工具。

因此在一个方面，这种系统包括用于输入显示图像数据的工具，处理其以确定用于显示低空间频率图像的全息数据以及用于使用所需用于显示的图像的高空间频率成分调制所述低空间频率图像的强度调制数据。

在另一个相关方面，本发明提供一种全息图像显示系统，其包括将图像分成图像的低及高分辨率再现的工具，以及用于在低分辨率再现显示全息图，并用于调制由所述显示的全息图重放的图像强度(或者多个全息子帧)以显示该图像的工具。

在又一个相关方面，本发明提供一种用于全息地显示图像的系统，该系统包括：输入设备，用于接收限定所述用于显示的图像的显示图像数据；处理器，用于处理所述图像数据以确定再现所述图像数据的第一空间频率部分或成分的第一图像数据和再现所述图像数据的第二空间频率部分或成分的第二图像数据，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；输出设备，用于输出用于在空间光调制器(SLM)上显示所述第一图像数据的全息图的数据以形成全息生成的中间实像；以及输出设备，用于输出用于使用所述第二图像数据调制所述中间实像的数据，从而显示所述图像。

上述系统的实施方式可以硬件或软件或两者的组合执行。可应用共用的或单独的输出设备用于驱动各自的相位并强度调制空间光调制器以显示全息图并调制所述中间实像。

在又一个相关方面，本发明提供一种处理用于全息地显示图像的数据的方法，该方法包括：输入限定所述用于显示的图像的显示图像数据；处理所述图像数据以确定再现所述图像数据的第一空间频率部分或成分的第一图像数据和再现所述图像数据的第二空间频率部分或成分的第二图像数据，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；生成用于在空间光调制器(SLM)上显示所述第一图像数据的全息图的数据以形成全息生成的中间实像；以及生成用于使用所述第二图像数据调制所述中间实像的数据，从而显示所述图像。

在实施方式中，第二(高空间频率)图像数据的确定包括计算显示的全息图的重建以及随后使用其处理图像数据，例如通过该计算数据划分以确定第二(更高的空间频率)图像数据，即图像数据的剩余空间频率成分将加入全息生成的中间实像以重构所需的图像。

在一个相关的发面，本发明提供一种装载用于执行如上所述方法的处理器控制代码的载体。

该载体例如可以是一种磁盘、CD-或DVD-ROM，或注入只读存储器的编程存储器(固件)。所述代码(及/或数据)可包括以注入C或汇编码的传统编程语言(解释或编译)的源、目标或可执行代码，例如用于通用系统或数字信号处理器(DSP)，或所述代码可包括用于设置或控制ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)的代码，或用于诸如Verilog(商标)或VHDL(甚高速集成电路硬件描述语言)的硬件描述语言的编码。如本领域技术人员将理解的，可在多个彼此通讯的耦合组件之间分配这种代码及/或数据。

在又一个方面，本发明提供一种全息图像投影系统，其包括：至少一个激光光源；第一空间光调制器(SLM)用于调制，优选地相位调制，来自所述至少一个激光光源的光；中间光学器件用于提供一种中间实像平面，在其上形成由所述第一SLM上的全息图产生的实像；位于所述中间实像平面的第二SLM用于强度调制所述实像；以及输出光学器件用于投影所述强度调制的实像的一个图像；并且其中所述第二SLM的分辨率大于所述第一SLM的分辨率。

在操作中，由所述第一SLM上的全息图产生的实像具有比投影图像低的分辨率。在优选的实施方式中，输出光学器件构造为提供用于如上所述的扩散器的第二中间实像平面。在实施方式中，第一(相位调制)SLM具有小于，例如小于第二(强度调制)SLM一半尺寸的有效面积。在一些优选的实施方式中，第一SLM的有效面积具有小于1mm的最大横向尺寸，优选地小于0.5mm。在一些优选的实施方式中，为了得到更好的效果，第一SLM为多相位SLM(具有至少三个量子化的相位水平)而不是二进制相位SLM(其允许抑制结合全息生成的中间实像)。

在优选的实施方式中，该系统包括组合光学器件以将来自于时间多工光源的红、绿及蓝色激光组合从而提供全色显示。该系统可结合一种控制器以提供如上所述的全息图像投影仪。在实施方式中，该控制器提供如上所述的功能，并且进一步配置为控制来自一个或多个激光源的光功率，尤其根据来自全息图SLM的计算的中间实像及根据任何用于增加系统的光(衍射)效率的缩放比率。

一般地说，在上述本发明的各方面及实施方式的范例中，图像数据被分成两(或多个)部分，其中一个包括再现图像的低频空间数据，另一个包括再现图像的高频空间数据。更特别地，第一部分/成分具有有限的空间频率；第二部分/成分可具有任何空间频率。因此第一部分/成分具有第一范围的空间频率并且第二部分/成分具有延伸至较高空间频率的范围。所述数据是图像中空间频率的函数而并非必须准确地等于输入图像中的空间频率，因为可能具有附加处理，例如图像灰度校正等待。并非必须使用相位调制器-振幅调制器将起作用-尽管为了更好的效率相位调制器是优选的。

附图说明

现在将仅通过举例的方式、参考附图进一步描述本发明的这些及其他方面，其中：

图1示出一个示意性图像(左)及对应的功率谱(右)；

图2示出根据本发明的全息图像投影系统的一个实施方式；

图3a-3d分别示出下列方块图：全息图数据计算系统、在全息图数据计算系统的硬件块中执行的操作、与随机相位矩阵相乘之前及之后的采样图像的能量谱，及具有用于从复数全息子帧数据的实和虚分量中同时产生两个子帧的并行量化器的全息图数据系统的实施例；

图4a及4b分别示出了自适应性OSPR型系统的概括框图及该系统的示意性操作的细节；

图5a-5c分别示出彩色全息图像投影系统，以及该系统的图像、全息图(SLM)及说明操作的显示屏平面；

图6a及6b分别示出用于生成用于显示分辨率增强图像的N个子帧全息图的程序及系统；

图7a-7c分别示出了衍射效率加强参数的影响的示意图、根据本发明一个实施方式的二进制空间频率相位的一个实施方式的软件实现、强度全息投影系统控制器，以及根据本发明一个实施方式的二进制空间频率相位的一个实施方式的硬件实现、强度全息投影系统控制器；

图8示出(左)由显示在相位SLM上的16个全息图子帧形成的重放区域I及(右)相应的高频图像以显示在强度调制SLM2上用于调制区域I以重构图1的野马(Mustang)图像；以及

图9a至9f分别对D＝1.0、1.3、1.5、2.0、4.0及8.0的衍射效率加强参数值D，显示了野马图像的范例。

具体实施方式

发明的优选实施方式使用OSPR型全息生成过程，并且因此下面我们描述这种过程的范例。然而发明的实施方式并不限定于这种全息生成过程并且可应用其他类型的全息生成过程，包括，但不限于：Gerchberg-Saxton方法(R.W.Gerchberg和W.O.Saxton的“用于从图像和衍射平面图确定相位的实用算法(A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures)”，Optik 35，第237-246页(1972)或其变体，Direct Binary Search(M.A.Seldowitz、J.P.Allebach和D.W.Sweeney的“通过直接二进位检索的数字全息图合成(Synthesis of digital holograms by direct binary search)”，Appl.Opt.26，第2788-2798(1987))，模拟退火法(simulated annealing)(例如参见M.P.Dames、R.J.Dowling、P.McKee，和D.Wood的“生成强度加权点阵列的有效光学元件：设计及制造(Efficient optical elements to generate intensity weighted spot arrays：design and fabrication)”，Appl.Opt.30，第2685-2691页(1991))，或POCS(在约束集上的投影(Projection Onto Constrained Sets))方法(例如参见C.-H.Wu、C.-L.Chen及M.A.Fiddy的“用于改善的计算机生成全息图重建的迭代过程(Iterative procedure for improved computer-generated-hologram reconstruction)，Appl.Opt.32，第5135-页(1993))。

OSPR

广泛地说，在我们优选的方法中，使用接近被显示图像的全息图的全息数据调制SLM。然而，以特殊方式选择该全息数据，显示的图像由多个临时子帧组成，每一个子帧通过使用各子帧全息图调制SLM而生成，每一个子帧全息图空间上交叠在重放区域(在实施方式中每个具有所显示图像的空间范围)。

因为例如通过使用图像数据的全息转换进行相位量化而增加了噪音，每个子帧在独立浏览时将显得较杂乱无章。然而，当一连串地浏览时，重放区域图像的一起在浏览者眼中进行平均以给出低噪音图像的显示。在连续的临时子帧中的噪音可以是虚随机的(基本独立的)或者子帧中的噪音可以至少部分将其抵消为目标而取决于在一个或多个较早子帧中的噪音，或可应用组合。这种系统可提供视觉上的高品质显示，即使每个子帧被独立浏览时将显得较杂乱无章。

所述程序是一种针对每一个静态图片或视频帧I＝I_xy，产生N个二进制相位全息图h⁽¹⁾…h^(N)的集合的方法。在实施方式中，这样的全息图集合可形成呈现出相互独立的加性噪声的重放区域。下面示出一个范例：

1.使

其中对于1≤n≤N/2且1≤x，y≤m，

在0与2π之间均匀分布

2.使

其中对于1≤n≤N/2，F^-1表示二维逆傅立叶变换运算符

3.使

其中1≤n≤N/2

4.使

其中1≤n≤N/2

5.使

其中

且1≤n≤N

步骤1形成了等于所提供的强度目标I_xy的振幅、但具有独立的恒等分布的(i.i.t)且均匀随机的相位的N个目标

步骤2计算N个相应的全复数傅立叶变换全息图

步骤3和步骤4分别计算全息图的实部和虚部。然后，在步骤5中对全息图的实部和虚部中的每一个执行二进制化：围绕中值

的阈值化保证全息图中存在相同数目的-1和1点，从而实现DC平衡(根据定义)以及最小的重构误差。可假设

的中值为0，对于感知的图像质量的影响为最小。

来自我们的WO2006/134398的图3a，示出了构造用于执行该程序的全息图数据计算系统的框图。对系统的输入优选地是来自诸如计算机之类的源的图像数据，尽管其他源同样适用。利用从系统内的一个或多个控制器单元提供的针对该过程的控制信号，将该输入数据暂时存储在一个或多个输入缓冲器中。输入(输出)缓冲器优选地包括双端口存储器，以便同时将数据写入缓冲器中，并将数据从缓冲器中读出。控制信号包括定时、初始化及流控制信息，并且优选地保证每一视频帧周期产生一个或多个全息子帧。

来自输入的输出包括图像帧，标记为I，并且这变成硬件块的输入(尽管在其他实施方式中一些或全部处理可在软件中执行)。硬件块对每一个前述图像帧执行一系列操作，并且针对每一个图像帧产生一个或多个全息子帧h，这些全息子帧被发送至一个或多个输出缓冲器。子帧从输出缓冲器输出，并可选地经由驱动器芯片被提供给诸如SLM之类的显示设备。

图3b示出了图3a的硬件块的细节；其包括被设计为针对提供给该块的每一个图像帧产生一个或多个全息子帧的一组元件。优选地在每一视频帧周期，一次或多次提供一个图像帧I_xy作为输入。然后，通过一组操作，使用每一个图像帧I_xy来产生一个或多个全息子帧，该组操作包括以下中的一个或多个：相位调制级、空间-频率变换级，以及量化级。在实施方式中，通过使用前述操作的一个循序集合或并行地作用于不同子帧的若干个这样的操作集合、或者这两种方法的混合，对于每一帧周期，产生N个子帧的集合，其中N大于或等于1。

相位调制块的目的是重新分布空间-频域中的输入帧的能量，以使得在执行随后的操作之后获得最终图像质量的改进。图3c示出在使用伪随机相位分布的相位调制级之前和之后采样图像的能量是如何分布的示例。可以看出，通过这样的相位分布来调制图像具有把能量在整个空间-频域中更均匀地重新分布的作用。本领域技术人员将理解具有许多可生成伪随机二进制相位调制数据的方式(例如具有反馈的移位寄存器)。

量化块获得复数全息图数据、并将其映射到与目标SLM上可以实现的实际调制等级相对应的有限数值集合，该复数全息图数据是作为前面的空间-频率变换块的输出而产生的(不同的量化相位延迟等级可能不需要具有有规律的分布)。例如对于SLM在每一个像素处产生0或π的相位延迟，量化等级的数目可设置为2。

在实施方案中，量化器被配置为对全息子帧数据的实和虚分量进行量化，以产生针对输出缓冲器的一对子帧，其中每一个子帧都具有两个(或多个)相位延迟等级。图3d示出这种系统的一个范例。可以示出，对于离散像素化场，复数全息子帧数据的实分量和虚分量是不相关的，这就是为什么可以将实和虚分量视为独立、并产生两个不相关的全息子帧。

合适的二进制相位SLM的范例为由CRL Opto(英国苏格兰的四维显示有限公司)制造的SXGA(1280×1024)反射二进制相位调制铁电液晶SLM。铁电液晶SLM因其快速开关时间而具有优势。二进制相位设备是便利的，但该方法的一些优选实施方式使用有别于二进制相位空间光调制器的所谓多相位空间光调制器(即SLMs，其与其中一个相位仅具有两个相位延迟值中的一个的二进制相位设备相反，对于一个像素具有多于两个不同的可选相位延迟值)。多相位SLMs(具有三个或多个量化相位的设备)包括连续的相位SLMs，尽管当通过数字电路驱动时这些设备必须量化到一些离散的相位延迟值。其中使用多于二进制相位的共轭像中的双量化值抑制该共轭像(参见WO2005/059660)。

自适应OSPR

在OSPR方法中，我们已经描述了上述子帧全息图是独立产生的，并因此呈现出独立噪声。以控制术语来讲，这是开环系统。然而，如果针对每一个子帧的产生过程，考虑先前子帧产生的噪声以将其抵消，向算法的n+1级有效地“反馈”比如n个OSPR帧之后所形成的感知图像，将获得更好的结果。以控制术语来讲，这是闭环系统。

该方法的一个范例包括自适应OSPR算法，该算法如下使用反馈：算法中的每一级n计算从先前产生的全息图H₁至H_n-1中得到的噪声，并将该噪声因数分解(factor)为全息图H_n的生成(generation)，以抵消该噪声。因此，可以表明该噪声方差下降为1/N²。一个示意性过程以目标图像T或以及指定所要产生的全息图子帧的期望数目的参数N作为输入，并输出N个全息图H₁至H_N的集合，当以适合的速率顺序显示时，该全息图集合形成远场图像，即被感知为高质量的T的可视表示：

可选的预处理步骤通过计算T(x，y)^1.3执行图像灰度校正以匹配CRT显示。然后，在每一个级n(在总共N个级之中)，数组F(在程序开始时为零)跟踪先前的全息图H₁至H_n-1所形成的图像能量的“累积总计(running total)”(由期望图像加上噪声组成)，因此可以估计出噪声，并在后续级中考虑该噪声：F(x，y)：＝F(x，y)+|F[H_n-1(x，y)]|²。在每一个级处，向目标图像的每个像素添加随机相位因子φ，并且调制目标图像以考虑来自于先前级中的噪音，计算比例因子α以将噪音“累积总计”能量F的强度与目标图像能量(T′)²匹配。根据关系

通过αF-(n-1)(T’)²给出来自先前n-1级的总噪音能量，并且因此，该级处的目标能量由本迭代中的期望目标能量与所存在的先前噪声之间的差给出，以抵消该噪声，即(T’)²-[αF-(n-1)(T’)²]＝n(T’)²+αF。这给出目标振幅|T″|等于该能量值的平方根，即

在每一级n，H表示根据目标T″形成的中间全复数全息图，并使用逆傅立叶变换运算来计算H。将H量化为二进制相位，以形成输出全息图H_n，即：

图4a概述了该方法并且图4b示出一个示意性实现的细节，如上所述。

因此，一般地说，生成用于显示图像的数据的ADOSPR型方法(由显示图像数据所定义，使用多个全息产生的时间子帧，在时间上顺序地显示所述时间子帧以使得所述时间子帧被感知为单个噪声降低图像)，包括从所述显示图像数据中产生针对每一个子帧的全息数据，以使得由这些重放给出所述图像的外观，以及，当产生针对所述子帧的所述全息数据时，对所述显示图像中由所述全息产生的子帧序列中的一个或多个先前子帧引起的噪声进行补偿。在实施方式中，所述补偿包括针对一个子帧确定噪声补偿帧；以及在针对子帧的全息数据产生之前，使用所述噪声补偿帧确定显示图像数据的调整版本。在实施方式中，所述调整包括把所述先前子帧数据从频域变换至空间域，并从所述显示图像数据导出的数据减去所述变换后的数据。

可在WO2007/141567中找到更详细的内容，包括硬件实现，其在此引入作为参考。

彩色全息图像投影

图像的总区域尺寸随着用于照亮SLM的光波长而缩放，红光比蓝光被SLM的像素衍射得更多并且因而产生更大的总区域尺寸。单纯地，彩色全息投影系统可由简单叠加的三个光通道构造，红、蓝及绿，但该构造是困难的，因为不同颜色的图像必须对齐。更好的方法是产生包括红、绿及蓝光的组合光束并将其提供至通用SLM，缩放所述图像的尺寸以彼此匹配。

图5a示出了彩色全息图像投影系统1000的一个范例，此处包括缩小光学部件1014，其将全息生成的图像投影到屏幕1016上。由于该图像是全息生成的，其在离光学器件1014的基本所有距离上是清晰的。该系统包括红1002、绿1006及蓝1004准直激光二极管光源，例如波长为638nm、532nm及445nm，以时间多工的方式驱动。每个光源包括激光二极管1002，以及如果必须的话，准直透镜及/或光束扩展器。可选地，如后面所述，将各光束的尺寸缩放至各全息图的尺寸。红、绿及蓝光光束在两个双色束分离器1010a、b中组合，并且将组合的光束提供(在该范例中)给反射的空间光调制器1012；该图示出红区域的范围将大于蓝区域的范围。显示图像的总区域尺寸取决于SLM的像素尺寸但不取决于显示在SLM上的全息图的像素数量。

图5b示出了用零填补初始输入图像以生成针对蓝、绿及红色图像平面的不同空间范围的三色平面。然后在这些填补的图像平面上执行全息转换以对每个子平面生成全息图；在像素全集合上分配全息图中的信息。可选地通过相应调整尺寸的光束示出了全息图平面以将不同尺寸的各自区域投影到显示屏幕上。图5c示出了对输入图像进行尺寸扩大，蓝图像平面与红对蓝波长的比率(638/445)相称，并且绿图像平面与红对绿波长的比率(638/532)相称(红图像平面没有改变)。可选地尺寸扩大的图像随后可用零填补至SLM中像素的数量(优选地保留围绕边缘的少量空间以降低边缘效应)。红、绿及蓝区域具有不同的尺寸但每一个由基本相同数量的像素组成，但因为蓝及绿图像在生成全息图之前被扩大了尺寸，输入图像中给定数量的像素针对红、绿及蓝彩色平面占据了相同的空间范围。在此具有对全息转换程序选择图像尺寸的可能性，其是便利的，例如在每个方向为8或16倍数的像素。

超分辨率ADOSPR

在二维全息视频投影系统中，输出分辨率通常至多为微型显示器的分辨率，因为在重放区域中的输出图像是微型显示器上的全息图的傅立叶变换(来自X^M×M至X^M×M的双射映射)。另外，当使用二进制相位调制器作为微型显示器时，具有所述M×M像素，共轭像的存在将可寻址输出分辨率限制至M×M/2个点。然而，发明人已认识到开发像素之间的干扰以产生增加的分辨率：输出中的每个点是全息图孔的傅立叶变换的复制(如果认为所述孔位正方形的并且将其均匀的照亮对应于输出中的正弦形像素)。这种正弦函数的主瓣比输出中像素之间的距离宽，并且因此邻近的像素将彼此干扰。通常这是不利的，但有可能开发有利的效果。

眼睛感知的不是区域振幅F而是其强度|F²|并且因而相位的操作允许采样网格之间的像素值被影响以产生处于增加的空间频率的结构。可使用ADOSPR型程序以生成分辨率M×M的OSPR全息图集合而实现超分辨率，所述OSPR全息图集合在全息图的两倍分辨率(在每个维)即2M×2M(对二进制相位调制器为2M×M)，形成图像重构。

我们延伸ADOSPR程序以便，除了前馈存在于M×M采样点的每一个处(x，y)的重构误差，也前馈存在于在级N-1之后的采样点，即(x^1/2，y)、(x，y^1/2)及(x^1/2，y^1/2)之间的误差并在计算级N中的全息图H_N时对该误差进行补偿。在实施方式中，这使用改进的像素之间傅立叶变换操作以评价每半个样本的频率分量，而不是每个样本。作为半个样本评价的备选，可例如通过将其嵌入零矩阵而将每个M×M全息图填补成2M×2M以实现这种变换；在任一种情况下并且我们将其用符号表示为F^2M×2M[H(x，y)]。跟踪该填补全息图的傅立叶变换然后产生一个2M×2M的区域，其可如上所述针在进行逆傅立叶变换之前对误差进行调整以获得2M×2M的全息图，然后对所述全息图进行镶边以形成输出OSPR集合中的下一个M×M全息图。

由于全息图为图像的频率谱，相位全息图(其每个地方具有一致的振幅)形成具有一致的、平坦频率谱的图像。对于固定振幅的目标图像，这意味着图像像素中对有效的随机相位的要求，这将变得与使用像素之间的干扰不相容。然而，具有反馈的OSPR方法允许在一组子帧全息图之上获得相位控制，每个子帧全息图分别具有基本平坦的、伪随机的相位谱。在一个范例中，超分辨率的具有反馈的OSPR程序，变量如下所示：

●N为将生成的OSPR子帧的数量。

●T为分辨率为2M×2M的输入视频帧。

●在每个级结束时产生的M×M像素的全息图H₁…H_N形成输出OSPR全息图集合。

●在算法的每个级，将φ(x，y)重新初始化均匀分配的随机相位的2M×2M阵列。应用相干优化子算法的Q迭代以调整这些相位以将误差最小化。

●F(x，y)保持已计算的全息图子帧的动态更新2M×2M像素的再现。

●γ为所需的显示输出灰度系数(2.2大约对应于标准CRT)。

下面我们进行以下定义：

改进的(像素之间)傅立叶变换在中间的图像点有效地评价了傅立叶(或逆傅立叶)变换，即：

$f_{0,0}\→\begin{array}{cc}{F}_{\mathrm{0,0}}& F_{\mathrm{0.5,0}}\\ F_{\mathrm{0,0.5}}& F_{\mathrm{0.5,0.5}}\end{array},f_{\mathrm{1,0}}\→\begin{array}{cc}{F}_{\mathrm{1,0}}& F_{\mathrm{1.5,0}}\\ F_{\mathrm{1,0.5}}& F_{\mathrm{1.5,0.5}}\end{array},....$

图6a示出了下面详细描述的程序步骤的略图。

用于生成用于显示分辨率增强图像的N个子帧全息图的程序及系统处理

$T^{\′}(x,y):=T{(x,y)}^{\frac{\mathrm{\γ}}{2}}$ (可选的)

级1

F(x，y)：＝0

T″(x，y)＝T″(x，y)-cxp(jφ(x，y))

迭代Q次

级2

F(x，y)：＝F(x，y)+|F^2M×2M[H₁(x，y)]|²

$a:=\frac{\underset{x,y}{\mathrm{\Σ}}{T}^{\′}{(x,y)}^4}{\underset{x,y}{\mathrm{\Σ}}F(x,y)T^{\′}{(x,y)}^2}$

迭代Q次

注意上面的F(x，y)不同于变换或逆变换F(其具有上标)。

级N

F(x，y)：＝F(x，y)+|F^2M×2M[H_N-1(x，y)]|²更新动态输出估计值

计算2M×2M噪声补偿目标

迭代Q次

参考图6b，其示出用于根据上述程序生成多个(N)子帧全息图的系统的详细框图，所述子帧全息图用于显示分辨率增强的图像。在该图中，上述操作与箭头及块旁边的最终数据(通常为二维矩阵)相关，其中□指示、□复数值数据，并且{-1，1}量化的(在此二进制的)数据。与二维矩阵相关的变量显示在块的旁边，并且用箭头指示矩阵的尺寸。在所述图中，块(矩阵)为正方形的但也可使用矩形的图像矩阵。

进一步细节可参考WO2007/085874，在此引入作为参考。

亚段OSPR

大体来说，这包括将重放区域细分成多个空间上交错的区域，并且对所述交错区域的每一个显示全息图使得重放区域的邻近像素之间的干扰被减少。因而每个交错区域可包括一组重放区域的像素，其中每个像素周围围绕着基本为零光强度的像素，例如之间具有空间的规则网格。交错区域的全息图可显示具有计算的相移以在(0，0)、(0，1)、(1，0)及(1，1)的所述重返区域提供横向位移(像素中)。

一个M×M像素图像T(或用于全色系统的单色平面)被分成多个交错区域，例如通过选择具有偶数-偶数、偶数-奇数及奇数-奇数坐标的(x，y)坐标像素。所述子域图像定义为如下的T⁰⁰、T⁰¹、T¹⁰及T¹¹：

$T_{\mathrm{yx}}^{00}=T_{2y,2x}$ $T_{\mathrm{yx}}^{01}=T_{2y,2x+1}$

$T_{\mathrm{yx}}^{10}=T_{2y+\mathrm{1,2}x}$ $T_{\mathrm{yx}}^{11}=T_{2y+\mathrm{1,2}x+1}$

●T⁰⁰包含具有偶数x及偶数y坐标的图像像素

●T⁰¹包含具有奇数x及偶数y坐标的图像像素

●T¹⁰包含具有偶数x及奇数y坐标的图像像素

●T¹¹包含具有奇数x及奇数y坐标的图像像素

对于这些分段的每一个，随后计算相应的个像素子域全息图H₀₀、H₀₁、H₁₀及H₁₁。我们称之为SSOSPR(分段OSPR)的我们ADOSPR算法的一个变体可用于计算子域全息图的N个子帧(如下面所详细描述的)。

通过同时在所述SLM上显示所述子域全息图的多个大致的复制物形成每个交错区域的整个(伪重现)全息图H’₀₀、H’₀₁、H’₁₀及H’₁₁。H’₀₀、H’₀₁、H’₁₀及H’₁₁定义如下：

$H_{00}^{\′}=\left(\begin{array}{cc}{H}_{00}& H_{00}\\ H_{00}& H_{00}\end{array}\right)$ $H_{01}^{\′}=\left(\begin{array}{cc}{H}_{10}& {-H}_{10}\\ H_{10}& -H_{10}\end{array}\right)$

$H_{10}^{\′}=\left(\begin{array}{cc}{H}_{01}& H_{01}\\ {-H}_{01}& {-H}_{01}\end{array}\right)$ $H_{11}^{\′}=\left(\begin{array}{cc}{H}_{11}& -H_{11}\\ {-H}_{11}& H_{11}\end{array}\right)$

H’₀₀包括子域全息图H₀₀的四个复制物，全息图的一个象限(或tile)中一个。在显示器上显示H’₀₀将仅仅补偿位于正确位置的具有偶数x及偶数y坐标的图像像素，复制物的其他地方使用零。相似地，H’₀₁包括子域全息图H₀₁的四个复制物，全息图的一个象限中一个，并且对于右侧象限数据倒置。H’₀₁将仅仅补偿具有奇数x及偶数y坐标的图像像素，其他地方使用零，等等。结果，如果我们按时序进行全息图H’₀₀、H’₀₁、H’₁₀及H’₁₁，通过四个交错区域的非相关的累计(在眼中)形成整个图像。

在对每个子域图像进行处理之前，我们计算四个复数相位转移矩阵，连同它们的复共轭。这些提供了重放区域中的(0，0)、(0，1)、(1，0)及(1，1)像素的横向位移。所述矩阵是固定的并且原则上可预存储，或者它们的元素是当数据通过FFT引擎时而即时生成的。

这些相移矩阵的大小为

并且具有如下给出的元素：

$P_{\mathrm{vu}}^{00}=1$ $P_{\mathrm{vu}}^{01}=e^{\frac{2\mathrm{\πju}}{M}}$ ${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{vu}}^{00}=1$ ${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{vu}}^{01}=e^{\frac{-2\mathrm{\πju}}{M}}$

$P_{\mathrm{vu}}^{10}=e^{\frac{2\mathrm{\πjv}}{M}}$ $P_{\mathrm{vu}}^{11}=e^{\frac{2\mathrm{\πj}(u+v)}{M}}$ ${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{vu}}^{10}=e^{\frac{22\mathrm{\πjv}}{M}}$ ${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{vu}}^{11}=e^{\frac{-2\mathrm{\πj}(u+v)}{M}}$

其中0≤v，并且v表示全息图空间中的纵坐标，并且u表示横坐标。

可独立、并行或(可能优选地)循序地处理每一个目标段T^qp。我们如下定义术语：

●循环变量i表示当前的子帧数

●

表示输入图像对于子段qp，在坐标(x，y)的振幅

●

表示子帧i、子段qp的目标图像能量

●

表示重建区域强度误差的不断更新的估计值

●

表示针对呈现的强度误差E调整的所需的目标图像区域

●

和分别表示通过算法生成的非量化的及量化的全息图

●P^qp表示上述的相移矩阵，其中表示他们的复共轭

●循环变量q表示相干优化循环的迭代次数(Liu-Taghizadeh)

●

表示全复数重建区域

●

表示对重建区域

的减少误差的修改

●表示由眼睛所感知的重建区域的即时强度

●α和κ表示傅立叶变换度量常数

●γ₁和γ₂表示固定的算法常数，其中将确定最终值(目前γ₁＝2并且γ₂＝1))

接下来的算法对于每个段qp整体执行，其中qp是00、01、10或11：初始化算法变量集合的第一步骤：

i：＝1

$T_{\mathrm{yx}}^{(1,\mathrm{qp})}:={\left[T_{\mathrm{yx}}^{\mathrm{qp}}\right]}^2$ 0≤y， $x<\frac{M}{2}$

$E_{\mathrm{yx}}^{\mathrm{qp}}:=0$

区域误差估计值E初始设为零并且在后面的迭代中得以改善。

针对区域误差E调整的目标区域，如下进行计算：

通过对目标区域进行相位调制生成全息图的第一近似值，所述调制即乘以e^jθ，随后变换，即通过应用逆傅立叶变换并逐点乘以近似相移矩阵P。相位调制及调制的各步骤如上述OSPR程序中所使用的。不同之处在于通过相移矩阵P采用乘法。

$H_{\mathrm{vu}}^{(i,\mathrm{qp})}:=P_{\mathrm{vu}}^{\mathrm{qp}}\&CenterDot;F^{-1}[{\hat{T}}_{\mathrm{yx}}^{(i,\mathrm{qp})}\&CenterDot;e^{{\mathrm{j\&phi;}}_{\mathrm{yx}}^{\left(i\right)}}]$

如上述OSPR步骤中所描述的，然后可将复数全息图可选地量子化为二进制相位，如下：

${\hat{H}}_{\mathrm{vu}}^{(i,\mathrm{qp})}:=\left\{\begin{array}{cc}-1& \mathrm{Re}\left(H_{\mathrm{vu}}^{(i,\mathrm{qp})}\right)\&le;0\\ 1& \mathrm{Re}\left(H_{\mathrm{vu}}^{(i,\mathrm{qp})}\right)>0\end{array}\right.$

尽管描述了二进制相位量子化，多相位量子化是备选的方法。可改善第一近似值，例如，通过应用Liu-Taghizadeh算法的四个步骤或其他类似的次算法。

使用Liu-Taghizadeh算法的步骤1计算第i个全息图的FFT，例如，通过对二进制算法使用以下方程：

q：＝0

${\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{yx}}^{(i,\mathrm{qp})}:=F[{\stackrel{\&OverBar;}{P}}_{\mathrm{vu}}^{\mathrm{qp}}\&CenterDot;{\hat{H}}_{\mathrm{vu}}^{(i,\mathrm{qp})}]$

步骤2用于更新所获得的在特定信号窗口W中带有相干噪声补偿的区域。常数为γ₁＝2，γ₂＝1(可被改变)

$\mathrm{\&kappa;}:=\frac{\underset{x,y\&Subset;W}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{yx}}^{(i,\mathrm{qp})}\right|}{\underset{x,y\&Subset;W}{\mathrm{\&Sigma;}}\sqrt{{\hat{T}}_{\mathrm{yx}}^{(i,\mathrm{qp})}}}$

步骤3用于计算改善的全息图的第一次迭代，随后所述改善的全息图可被可选地二进制化：

$H_{\mathrm{vu}}^{(i,\mathrm{qp})}:=P_{\mathrm{vu}}^{\mathrm{qp}}\&CenterDot;F^{-1}\left[{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{yx}}^{\&prime;(i,\mathrm{qp})}\right]$

${\hat{H}}_{\mathrm{vu}}^{(i,\mathrm{qp})}:=\left\{\begin{array}{cc}-1& \mathrm{Re}\left(H_{\mathrm{vu}}^{(i,\mathrm{qp})}\right)\&le;0\\ 1& \mathrm{Re}\left(H_{\mathrm{vu}}^{(i,\mathrm{qp})}\right)>0\end{array}\right.$

步骤4用于完成Liu-Taghizadeh次算法的下一个循环，将改善的全息图的每个迭代馈通，直至完成Q次迭代得以完成，即

q＝q+1

如果q＜Q，转到Liu-Taghizadeh算法的步骤1

接着将由Liu-Taghizadeh次算法的最终迭代产生的全息图送至显示器。Liu-Taghizadeh次算法为标准的次算法，其可由等价的次算法所替代；不一定要使用这样的次算法。当省略二进制化步骤时，可改变Liu-Taghizadeh次算法以产生改善的全息图。

一旦完成了Liu-Taghizadeh次算法，全息图的强度与相移矩阵的复共轭相乘并且计算它的快速傅立叶变换。也就是说，倒置上述详细描述的变换和相移步骤。

$I_{\mathrm{yx}}^{(i,\mathrm{qp})}:={\left|F\right[{\stackrel{\&OverBar;}{P}}_{\mathrm{vu}}^{\mathrm{qp}}\&CenterDot;{\hat{H}}_{\mathrm{vu}}^{(i,\mathrm{qp})}\left]\right|}^2$

上述的方程显示了二进制化的全息图，但可修改该方程以对未被二进制化全息图计算强度。

计算强度误差估计值以补偿由眼睛在此点感知到的噪声，如下所述：

$\mathrm{\&alpha;}:=\sqrt{\frac{\underset{x,y}{\mathrm{\&Sigma;}}{T}_{\mathrm{yx}}^{(i,\mathrm{qp})}{I}_{\mathrm{yx}}^{(i,\mathrm{qp})}}{\underset{x,y}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left[I_{\mathrm{yx}}^{(i,\mathrm{qp})}\right]}^2}}$

$E_{\mathrm{yx}}^{\mathrm{qp}}:=E_{\mathrm{yx}}^{\mathrm{qp}}+\mathrm{\&alpha;}{I}_{\mathrm{yx}}^{(i,\mathrm{qp})}-T_{\mathrm{yx}}^{(i,\mathrm{qp})}$

将计算强度误差输入第二步骤，也就是计算目标领域并且重新计算算法的所有后续步骤。算法循环直至产生所有N个全息图。

对4个分段的每一个运行该算法，生成总共4N个全息图子帧，由

给出。接着运行这些全息图(优选地在显示器内)以形成假-复制的由上所定义的全息图

其随后得以显示。

因为子域全息图为独立的，它们可循序地得到计算。因为每个子域全息图要求尺寸仅为

的傅立叶变换，而不是M×M，变换步骤要求的内存大小减少为四分之一。上述程序计算性相对复杂，但因为我们后面所描述的技术仅使用相对低分辨率的全息图SLM，这不需要成为一个问题。但是对于视频而言，可使用i-帧和s-帧的概念(初始帧表示新引入的视频帧，为了所述视频帧而从头开始产生全息图；后续帧使用为了先前视频帧产生的全息图作为初始估计)。

对于进一步的细节，可参考于2007年12月11日提交的GB0724161.5，其在此引入作为参考。

双调制结构

现在我们描述一种改善的结构，其应用双SLM调制-低分辨率相位调制及较高分辨率振幅(强度)调制。其可提供优于我们先前描述的方法的实质性改善，尤其对以下的一个或多个的改善：图像质量、分辨率、对比度、亮度、能量功耗及物理尺寸。

通常视频图像的大部分能量集中在低空间频率。其在图1中示出，图1显示了一个示意性图像(左)及对应的功率谱(右)。

因为全息图投影超过成像的主要获益在于一种能源功效，可推论出仅仅是图像的低空间频率需要被全息地补偿以维持高功效。因为全息图的分辨率决定了最大的空间频率，其可在相应图像中得到再现，于是出现了只有非常低分辨率的全息图要求准确地描绘视频图像低空间频率的结果，这再现了它的大部分能量。随后高频率的成分可使用强度调制成像面板描绘，其放置于一个与全息图SLM相结合的平面内。有效地，来自全息图SLM设备(SLM1)的折射光用于照明图像SLM设备(SLM2)。因为高频率成分包含相对小的能量，由图像SLM阻止的光不会显著地降低系统的效率，不像在传统成像系统中那样。

为了高折射效率，全息图SLM应当优选地为快速的多相位设备。已在使用图像SLM作为快速二进制设备(FLC)或缓慢模拟设备(液晶的)的模拟中获得了理想结果。这种方法具有一些如我们先前已经提过的吸引人的特征。这些特征包含由于减少的计算而显著较低的能量消耗；分辨率可扩展的系统；当希望增加投影仪分辨率时不要求新的ASIC或全息图SLM；能够使用现有高分辨率FLC(铁电液晶)/液晶面板或甚至DLP(数字光处理器)用于图像SLM；增加的ANSI对比度(可能大于1000∶1、1500∶1或2000∶1-比单独使用图像SLM可获得的高一个数量级)；以及尺寸的显著降低，因为激光束此时照明显著较小的全息图SLM，充分地缩小照明光学系统。系统的实施方式也具有相对慢的PWM(脉冲宽度调制)激光调制(例如，1-2Hz)。与众不同地，在对扩散器非常小移动的实施方式中，没有移动的部分用于形成图像，因此此系统能对冲击和振动稳定；8比特强度分辨率是可能的。

图2显示了用于全息图像投影系统200的参考光学分布，本发明的一个实施方式。在图2的全色全息图像投影仪中，有红色R、绿色G及蓝色B激光。该系统也包含以下的附带元件：

●SLM1为全息图SLM(空间光调制器)，像素间距Δ的可能尺寸32×32或64×64像素。

●L1、L2和L3为分别用于R，G和B激光的视轴。对于一个具有5.62μm像素的64×64的像素全息图SLM，SLM活跃区域为大约0.36mm×0.36mm，因此应当可能使用一个非常慢的照明器设计。

●M1、M2和M3为相应的分色镜。再一次，这些需要仅仅稍微大于激光束腰(0.36mm)。

●PBS1(偏振光分束器)将入射光传送至SLM1。由SLM1产生的折射光-以90度分化自然旋转(具有液晶SLM)-接着由PBS1朝L4反射。PBS1需要具有至少与SLM1的活动区域同样大的清楚的光圈。

●SLM2为图像SLM，其尺寸等于目标图像分辨率(例如，854×480)。

●镜头L4在SLM2的平面上形成一个中间图像平面。其焦距f设置为使得fλ/Δ与图像SLM的活动区域的尺寸相同。也就是说来自SLM1上的全息图的中间实像安装/覆盖调制该图像的SLM2的活动区域。在实施方式中L4可编码在SLM1上的全息图中，例如使用我们已经在WO2007/110668中描述的技术。

●PBS2(偏振光分束器2)将入射光传送至SLM2，并将出射光反射进入输出光学器件的路径。PBS2应当具有一个至少与SLM2的活动区域一样大的清楚的光圈。

●镜头L5和L6形成一个输出望远镜(缩小镜头)，正如我们先前描述的全息投影仪一样。输出投影角度与L5的焦距对L6的焦距的比率相称。

●D1为用以减少斑点的压电驱动扩散器，如我们例如在GB0800167.9中所描述的。

系统控制器202以专用硬件或软件，或二者的组合执行信号处理，如以下进一步所述。因此控制器202输入图像数据并向SLM1提供低空间频率全息数据204，且向SLM2提供更高的空间频率强度调制数据206。控制器也向三个激光的每一个提供激光强度数据208。

在实施方式中，SLM1可以是来自DisplayTech(RTM)反射充电-驱动的90°铁电液晶SLM，其具有位于像素镜层与液晶材料之间的四分之一波片。备选地，可使用来自Qualcomm公司的Mirasol(RTM)SLM。

示意性程序

我们现在描述示意性程序以执行此发明的实施方式。这个示意性程序基于超-分辨率ADOSPR但也可使用基于，例如，ADOSPR和基于子帧ADOSPR的方法。通常，该技术不限于与OSPR型全息图生成程序一起使用，尽管这在计算上是有效率的。此程序假设一个快速相位-调制(二进制或多相位)全息图SLM，并且(较慢的)液晶图像SLM，尽管本领域技术人员将理解也可相同地使用其他成像技术。

在所有的情况中，在SLM上入射的照明可假设为高斯，其中在SLM边缘具有有1/e²强度。

变量

1.全息图SLM尺寸为M×M像素。

2.输入图像目标振幅，T，为P×P像素尺寸。用于输入的振幅范围在0(黑)和1(白)之间。

3.将产生N个ADOSPR子帧。

4.D为衍射效率加强参数，控制重建误差与衍射效率之间的交换。1.0的A值理论上提供完美的重建；更大值的D以提高噪声为代价提高了光学效率。基于模拟图像的显示，对于D的实际最大值可能少于2，例如近似1.5(见下)。

程序流程

1.对于包含图像块的峰值的全息图，形成2M×2M个目标图像，R。将输入(P×P)图像T细分为2M×2M个块，每个尺寸为P/2M×P/2M。将目标的每个像素R设置为在图像的相应P/2M×P/2M个块内的图像数据的高峰振幅。

2.由R产生一个含N个尺寸为M×M的全息图的全息图组H。在这个范例中，使用上述超-分辨率ADOSPR算法，可选地例如使用Gerchberg-Saxton程序迭代优化全息图。

3.计算全息图组的重构强度I，过采样至P×P像素。合计N个全息图的每一个的重构强度并将最终强度除以N。(上面描述了由全息图数据图像的重构的一个范例，作为ADOSPR步骤的一部分)。

4.计算强度图像F以在图像SLM上显示。将F的每个像素设置为目标图像强度T²的相应像素。将F中的每个像素除以I中相应的像素强度。使m为新区域F中最大的值。接着将F中的每个像素乘以D/m。最后，将F中每个大于1的像素值设置为1。

5.用于显示这个帧的相对激光能量K由m/D给出。

现在可通过在图像SLM上显示F而对图像进行投影，同时循序地在全息图SLM上显示N个全息图子帧。对一个30Hz全色视频对每个颜色平面输入N＝16的全息投影，在全息图和图像SLM上分别要求1.44kHz以及90Hz的比率。为了避免颜色分散，优选地是得到提高，例如加倍这些比率(2.88kHz/180Hz)，同时如所需复制帧。图7a示意性地显示了衍射效率加强参数D的效果。

图7b显示了全息投影系统控制器202的第一个范例应用，其包含一个在处理器控制编码控制下运行的数字信号处理器210(其可提供存储介质上，例如闪存)以如上述执行程序。图7c显示了全息投影系统控制器202在专用硬件中的实施方式的备选应用。在图7c中，将图像数据提供给输入缓冲器212中并因此给硬件处理模块214，该模块214包含将执行的硬件：全息图目标发生器、超-分辨率ADOSPR模块(如上所述)、全息图像重构模块，用于确定图像SLM上显示的数据的强度图像确定模块，以及优选地相对激光能量确定模块。硬件处理模块与工作内存216耦合并提供输出数据至输出缓冲器218，其提供数据输出以驱动SLMs并控制激光能量。输入和输出缓冲器、硬件处理模块和工作内存在调速和控制块220的控制之下运行。

模拟结果

上述程序用于对一辆野马图像形成全息投影/图像对，尺寸640×640像素(见图1，左侧)并且计算模拟重构。测量一级衍射效率、RMS重构误差，以及高峰重构误差。给出了关于在图5a中所示类型的理论上相位连续的全息投影结构的衍射效率。

示意性SLM1重放领域(入射在SLM2表面上)和SLM2数据

●8相位水平

●M＝32×32-像素SLM

●N＝16子帧

●D＝1

图8在左侧显示了一个由16个全息图子帧形成的重放领域I，其中所述子帧显示在相位SLM上-一个32×32像素SLM；所述重放领域为SLM1的傅立叶变换。图8右侧显示了相应的高频率图像以在强度调制SLM2上显示。I和F强度的产生给出了具有0重构误差的原始野马图像强度(图1)，以及0.333衍射效率。

SLM相位水平对性能的影响

●M＝32×32-像素SLM

●N＝16子帧

●D＝1

SLM相位水平	衍射效率	RMS重构误差	波峰重构误差
				2	0.161	0	0
3	0.263	0	0
				4	0.268	0	0
8	0.333	0	0
				16	0.294	0	0
32	0.290	0	0
				连续的	0.289	0	0

SLM分辨率对性能的影响

●8相位水平

●N＝16子帧

●D＝1

SLM尺寸M	衍射效率	RMS重构误差	波峰重构误差
				16×16	0.259	0	0
32×32	0.333	0	0
				40×40	0.342	0	0
64×64	0.290	0	0
				80×80	0.310	0	0
160×160	0.280	0	0

D对性能的影响

●8相位水平

●N＝16子帧

●M＝32×32-像素SLM

DE加强因子D	衍射效率	RMS重构误差	波峰重构误差
				1.0	0.333	0	0
1.2	0.400	0.0009	0.087
				1.4	0.465	0.0048	0.155
1.6	0.526	0.0105	0.209
				1.8	0.558	0.0224	0.255
2.0	0.569	0.0391	0.293
				3.0	0.599	0.1054	0.423
5.0	0.633	0.1759	0.553

子帧计算N对性能的影响(D＝1)

●8相位水平

●M＝32×32-像素SLM

●D＝1

子帧计算N	衍射效率	RMS重构误差	波峰重构误差
				2	0.029	0	0
4	0.214	0	0
				8	0.269	0	0
16	0.333	0	0
				32	0.335	0	0

子帧计算N对性能的影响(D＝1.6)

●8phase levels

●M＝32×32-pixel SLM

●D＝1.6

子帧计算N	衍射效率	RMS重构误差	波峰重构误差
				2	0.046	0.0001	0.033
4	0.342	0.0032	0.166
				8	0.429	0.0053	0.209
16	0.526	0.0105	0.209
				32	0.528	0.0091	0.159

对不同D的图像质量的视觉影响

●8相位水平

●N＝16子帧

●M＝32×32-像素SLM

在图9a至9f中显示了视觉影响，分别对于D＝1.0、1.3、1.5、2.0、4.0及8.0。可以看出图像质量在D＝2时降低，然而D＝1.5产生具有良好衍射效率的高质量图片。以上图表显示，取决于应用，衍射效率缩放参数值D位于D＝1.4至1.8范围内，例如D＝1.5至1.6，可代表再现良好的图像质量-衍射效率平衡。

用于上述系统的应用包括，但不局限于以下：控制房间显示；数据投影；移动手机；PDA；笔记本；数码相位机；数码摄像机；游戏控制台；车内影院；导航系统(车内或例如手表GPS的个人的)；用于汽车和航空的平视显示器和头盔显示器；手表；个人媒体播放器(例如MP3播放器或个人视频播放器)；仪表盘固定显示器；激光陈列柜；个人视频投影仪(“视频iPod(RTM)”概念)；广告和标识系统；计算机(包括台式机)；遥控设备；合成全息图像显示系统的建筑固定装置；以及，更普遍地，其内需要分享图片和/或不止一人立刻浏览图像的任何设备。

不需质疑本领域技术人员将想到许多其他有效的备选方式。可以理解的是本发明不局限于所述的实施方式并且包含对于那些本领域技术人员来说显而易见的修改，其位于在此随附的权利要求的精神和范围内。

Claims (25)

1.一种全息地显示图像的方法，该方法包括：

输入限定所述用于显示的图像的显示图像数据；

处理所述图像数据以确定再现第一空间频率成分的第一图像数据以及再现第二空间频率成分的第二图像数据，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；

在空间光调制器上显示所述第一图像数据的全息图以形成全息生成的中间实像；

使用所述第二图像数据调制所述中间实像以显示所述图像。

2.如权利要求1所述的全息地显示图像的方法，其中所述显示所述全息图包括由所述第一图像数据生成再现所述图像数据的所述第一空间频率成分的全息图数据，并且其中所述确定所述第二图像数据包括由所述全息图数据确定中间图像数据，通过所述全息图形成再现所述中间实像的所述中间图像数据，并且处理所述中间图像数据及所述显示图像数据以确定所述第二图像数据。

3.如权利要求2所述的全息地显示图像的方法，其中由所述第一图像数据生成再现所述图像数据的所述第一空间频率成分的全息图数据包括形成所述图像数据的分辨率减少版本，对所述图像数据的所述分辨率减少版本的像素识别针对每个像素的重置值，并且由所述重置像素值生成所述全息图数据。

4.如权利要求3所述的全息地显示图像的方法，其中一个所述的重置像素值包括像素峰值。

5.如前述权利要求中任一条所述的全息地显示图像的方法，其中所述显示所述全息图包括使用所述空间光调制器对来自激光光源的光进行相位调制，并且其中所述调制所述中间实像包括使用第二空间光调制器对所述中间实像进行强度调制。

6.如权利要求5所述的全息地显示图像的方法，其中所述调制包括从所述第二图像数据确定用于所述第二空间光调制器的调制数据，并且其中所述确定所述调制数据包括调整所述调制数据以增加强度调制的光效率。

7.如权利要求6所述的全息地显示图像的方法，其中所示调整包括缩放所述第二图像数据以增加所述第二图像数据的像素值。

8.如权利要求7所述的全息地显示图像的方法，进一步包括控制来自所述激光光源的所述光的强度以补偿所述缩放。

9.如前述权利要求中任一条所述的全息地显示图像的方法，进一步包括投影来自所述调制的中间实像的光以显示所述图像，所述投影包括在扩散器上形成第二中间实像。

10.如前述权利要求中任一条所述的全息地显示图像的方法，其中所述显示所述第一图像数据的所述全息图包括生成并显示多个临时全息子帧，其中在第一个所述子帧之后的每一个子帧包括对一个或多个先前所述子帧内的噪声至少部分进行补偿的噪声。

11.如前述权利要求中任一条所述的全息地显示图像的方法，其中图像包括全色图像。

12.一种全息地显示图像的方法，该方法包括：将所述图像分成所述图像的低及高分辨率再现，在空间光调制器上显示所述图像的所述低分辨率再现的全息图，照明所述全息图以生成所述图像的所述低分辨率再现的中间实像，并且使用所述图像的所述高分辨率再现调制所述中间实像的强度以显示所述图像。

13.如权利要求12所述的全息地显示图像的方法，其中所述确定所述图像的所述高分辨率再现使得所述全息地生成的所述图像的低分辨率再现和所述图像的高分辨率再现一起接近于所述图像。

14.一种用于全息地显示图像的系统，该系统包括：

输入设备，用于接收限定所述用于显示的图像的显示图像数据；

处理器，用于处理所述图像数据以确定再现所述图像数据的第一空间频率成分的第一图像数据和再现所述图像数据的第二空间频率成分的第二图像数据，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；

输出设备，用于输出用于在空间光调制器上显示所述第一图像数据的全息图的数据以形成全息生成的中间实像；以及

输出设备，用于输出用于使用所述第二图像数据调制所述中间实像的数据，从而显示所述图像。

15.一种用于全息地显示图像的方法，该方法包括：

输入限定所述用于显示的图像的显示图像数据；

处理所述图像数据以确定再现所述图像数据的第一空间频率成分的第一图像数据和再现所述图像数据的第二空间频率成分的第二图像数据，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；

生成用于在空间光调制器上显示所述第一图像数据的全息图的数据以形成全息生成的中间实像；以及

生成用于使用所述第二图像数据调制所述中间实像的数据，从而显示所述图像。

16.一种载体，其用于装载处理器控制代码以当运行时执行权利要求15的方法。

17.一种全息图像投影系统，包括：

至少一个激光光源；

第一空间光调制器，用于调制来自所述至少一个激光光源的光；

中间光学器件用于提供一种中间实像平面，在其上形成由所述第一空间光调制器上的全息图产生的实像；

位于所述中间实像平面的第二空间光调制器，用于强度调制所述实像；以及

输出光学器件，用于投影所述强度调制的实像的一个图像；并且

其中所述第二空间光调制器的分辨率大于所述第一空间光调制器的分辨率。

18.如权利要求17所述的全息图像投影系统，其中所述第一及第二空间光调制器的一个或两者包括反射空间光调制器，其中所述第一及第二空间光调制器的一个或两者具有相关的分束器，并且其中从所述激光光源至所述输出光学器件的光路包括折叠的光学路径。

19.如权利要求17或18所述的全息图像投影系统，其中所述输出光学器件构造为提供第二中间实像平面，并且其中所述输出光学器件包括位于第二中间实像平面中的扩散器。

20.如权利要求19所述的全息图像投影系统，其中所述扩散器为压电驱动扩散器。

21.如权利要求17、18、19或20所述的全息图像投影系统，其中所述第一空间光调制器的活动区域比所述第二空间光调制器的活动区域小。

22.如权利要求21所述的全息图像投影系统，其中所述第一空间光调制器的活动区域具有小于1mm或小于0.5mm的最大横向尺寸。

23.如权利要求17至22中任一项所述的全息图像投影系统，其中所述第一空间光调制器包括具有至少三个量化相位水平的多相位空间光调制器。

24.如权利要求17至23中任一项所述的全息图像投影系统，包括三个不同波长的所述激光光源，并且包括光学器件使得沿着一个共用光路将所述三个波长的每一个提供至所述第一空间光调制器，藉此所述全息图像投影系统能提供全色显示。

25.如权利要求17至24中任一项所述的全息图像投影系统，进一步包括控制器以输入限定用于显示的图像的图像数据，控制所述第一空间光调制器以显示全息图以在具有第一空间分辨率的所述中间图像平面形成所述实像，并且用于控制所述第二空间光调制器在第二更高的空间分辨率上强度调制所述实像以重现所述用于显示的图像。

Images