CN108055867B

CN108055867B - 显示系统

Info

Publication number: CN108055867B
Application number: CN201780002278.4A
Authority: CN
Inventors: 杰美森·克里斯马斯; 尼尔·科林斯
Original assignee: Dualitas Ltd
Current assignee: Dualitas Ltd
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2037-03-03
Also published as: US20180188532A1; KR20180012831A; EP3295259B1; WO2017149329A1; GB2547926B; JP6647321B2; KR102047544B1; EP3295259A1; US10859821B2; CN108055867A; EP3295259B8; GB201603697D0; GB2547926A; JP2018525660A

Abstract

提供了一种显示系统，其包括数据提供器、空间光调制器和第二柱面透镜。所述数据提供器布置为提供全息数据，所述全息数据包括第一数据，该第一数据对应于在第一方向上具有光功率的第一柱面透镜。所述空间光调制器布置为接收全息数据，其中空间光调制器布置为根据全息数据对接收到的光进行空间调制。所述第二柱面透镜布置为从空间光调制器接收空间调制的光，并在与第一方向正交的第二方向上对接收到的光执行一维傅里叶变换。

Description

显示系统

技术领域

本发明涉及显示装置。更具体地，本发明涉及显示系统，其布置为形成图像的全息重建。实施例涉及纯相位全息显示系统和有效管理零级光的方法。实施例涉及全息图像显示系统和方法，一些实施例涉及抬头显示系统。

背景技术

从物体散射的光同时包含幅度和相位信息。该幅度和相位信息可以通过众所周知的干涉技术被捕获在例如光敏板上，以形成包括干涉条纹的全息记录或“全息图”。“全息图”可以通过用合适的光照射来重建，以形成代表原始物体的全息重建或重放图像。

已经发现，可接受质量的全息重建可以从仅包含与原始物体有关的相位信息的“全息图”中形成。这些全息图可以称为纯相位全息图。计算机生成的全息图可以使用例如傅里叶技术来数值模拟干涉过程，从而产生计算机生成的纯相位全息图。计算机生成的纯相位全息图可以用于产生代表物体的全息重建。

因此，术语“全息图”涉及包含关于物体的信息的记录，并且该记录可以用于形成代表物体的重建。全息图可以包含关于物体在频域或傅里叶域的信息。

计算机生成的纯相位全息图可以是“像素化”的。也就是说，可以在离散相位元件上呈现纯相位全息图。每个离散元件可以被称为“像素”。每个像素可以作为光调制元件，例如相位调制元件。因此，可以在相位调制元件阵列(例如液晶空间光调制器(SLM))上呈现计算机生成的纯相位全息图。SLM可以是反射式的，意味着调制光以反射形式从SLM输出。

可以改变每个相位调制元件或像素的状态，从而为入射在相位调制元件上的光提供可控制的相位延迟。因此，相位调制元件阵列(例如硅基液晶(LCOS)SLM)可以表示(或“显示”)计算确定的相位延迟分布。如果入射在相位调制元件阵列上的光是相干的，那么将用全息信息或全息图对光进行调制。全息信息可以是在频域或傅里叶域中的。

可选地，相位延迟分布可以记录在相息图上。“相息图”一词通常可以用来指纯相位全息图记录或全息图。

相位延迟可以被量化。也就是说，每个像素可以设定处于离散数量的相位等级中的其中一个相位等级。

相位延迟分布可以应用于入射光波(例如通过照射LCOS SLM)并被重建。可以通过使用光学傅里叶变换透镜来控制重建在空间中的位置，以在空间域中形成全息重建或“图像”。可选地，如果重建发生在远场中，则不需要傅里叶变换透镜。

计算机生成的全息图可以通过多种方式计算，包括使用算法，例如，Gerchberg-Saxton。 Gerchberg-Saxton算法可以用于从空间域中的幅度信息中导出傅里叶域中的相位信息。也就是说，与物体相关的相位信息可以从空间域中的纯强度信息或纯幅度信息中“获取”。相应地，可以计算代表物体的纯相位全息图。

可以通过，例如使用傅里叶变换透镜，照射傅里叶域全息图和执行光学傅里叶变换形成全息重建，以在重放场(例如在屏幕上)形成图像(全息重建)。

图1展示了根据本发明的使用反射式SLM(例如LCOS-SLM)在重放场位置处产生全息重建的示例。

光源110，例如激光器或半导体激光器，设置为通过准直透镜111照射SLM 140。准直透镜使得光的基本平面的波前成为入射到SLM上。波前的方向略微离位(例如与真正垂直于透明层的平面相距两度或三度)。这种布置使得来自光源的光被SLM的镜像后表面反射，并且与相位调制层相互作用，以形成出射波前112。出射波前112施加到包括傅里叶变换透镜120的光学器件，该光学器件的焦点位于屏幕125。

傅里叶变换透镜120接收从SLM出射的相位调制光，并进行频率-空间变换，以在空间域中在屏幕125上产生全息重建。

在这个过程中，图像投影系统中的光，来自光源的可见光分布在SLM 140上，并分布在相位调制层(即相位调制元件阵列)上。离开相位调制层的光可以分布在重放场中。全息图的每个像素作为整体对重放图像作出贡献。也就是说，在重放图像上的特定点与特定的相位调制元件之间不存在一一对应的关系。

当在平面A和B中的光束I_A(x，y)和I_B(x，y)的强度横截面分别是已知的，并且I_A(x，y)和I_B(x，y)通过单次傅里叶变换相关时，Gerchberg Saxton算法考虑了相位恢复问题。对于给定的强度横截面，分别求出平面A和平面B中的相位分布Φ_A(x，y)和Φ_B(x，y)的近似值。Gerchberg-Saxton算法通过迭代过程找到解决这个问题的方法。

Gerchberg-Saxton算法迭代地应用空间和频谱约束，同时在空间域和傅里叶(频谱)域之间重复地传送表示I_A(x,y)和I_B(x,y)的数据集(振幅和相位)。空间和频谱约束分别是I_A(x, y)和I_B(x,y)。在空间域或频谱域中的约束被强加在数据集的幅度上。通过一系列迭代获取相应的相位信息。

可以使用这样的技术提供全息投影仪。这样的投影仪已经在例如，车辆的抬头显示器和近眼装置中被应用。

由于一些原因，使用穿过相息图、并穿过模拟动态相息图的空间光调制器的光的图像投影是令人关注的主题。这样的成像的优点之一是，由于用于照射相息图的大量的光找到它到投影的图像的方法，因此这种技术是非常高效的。

空间光调制器(SLM)可以配置为使得像素形成相位调制元件阵列，从而形成投影仪，相位调制元件阵列共同表示所期望的图像的纯相位傅里叶变换，该图像可以通过正确地照射 SLM来重建。纯相位分布可以称为全息图。投影图像可以描述为全息重建。SLM的单个调制元件可以称为像素。

然而，纯相位像素化的空间光调制器的困难在于它们表现出众所周知的零级或DC级光的问题。这样的零级光可以被认为是“噪声”，其包括例如镜面反射光，以及未被空间光调制器上的图案衍射的其他的光。

通常为了使全息重建在已知距离处形成，傅里叶透镜(其功能是在已知路径长度上执行光学傅里叶变换的透镜)被插入到空间光调制器后(如图2所示)。

傅里叶透镜不仅作用于相位调制的光，还作用于所有非衍射光，使这些光在图像的中心聚焦，这个亮点被称为零级或DC级。这个DC级是有问题的，因为所有未调制的光聚集到这样一个小区域，对观察者可能有潜在的危险，由于光后向散射到光路中，它也可能损坏图像的对比度。

图2描绘了硅基液晶“LCOS”空间光调制器201，其布置为“显示”全息图。傅里叶透镜203从LCOS SLM接收空间调制的光，以形成包括集中在傅里叶透镜203的焦距处的DC斑点207 的全息重建区域205。

在WO2007/131649中公开了一种从图像中过滤掉这种零级光，从而实现高质量的全息重建的方法。尽管之前公开的方法是有效的，但是过滤孔径需要非常小才能有效，这转而需要非常精确的机械对准，其增加了投影仪设计的成本和复杂性。

管理零级/DC级光的替代方法是，不使用物理傅里叶透镜，而是将纯相位透镜与空间光调制器上的全息数据分布相结合。照射光源的准直特性防止DC级形成为非常小的斑点。DC级中的能量总量不变，然而，这些能量分布在更广的区域，因此问题较少。DC级的尺寸通常与空间光调制器的尺寸相同，通过阻挡这种不想要的光，可以获得高质量的图像(参见图3)。

图3描绘了布置为“显示”全息图的LCOS SLM 301，该全息图包括布置为执行傅里叶变换的纯相位透镜数据。因此不需要物理傅里叶透镜。在这个示例中，DC斑点307是LCOSSLM 301在全息重建区域305上的反射。

可以理解的是，空间光调制器的面积可能相当大，这使全息重建区域的很大一部分不能使用。

全息重建(I)的尺寸由下式给出：

其中：

f代表由纯相位透镜定义的傅里叶路径长度；

λ代表光的波长；

p代表SLM上像素的尺寸；

例如在全息投影仪中：

f＝300mm

绿光波长(λg)＝532nm

p[x,y]＝8um

全息重建将是19.96mm×19.96mm。

如果空间光调制器具有1920×1080个像素，零级光的尺寸将是：

[零级]_x＝1920·p＝15.36mm

[零级]_y＝1080·p＝8.64mm

在这个例子中，全息重建的可用面积如图4所示。

图4展示了根据示例的全息重建区域400，其中可用的显示区域403被大的DC/零级401 限制。

显然，具有两个5.66mm的显示区域不是显示区域的有效使用。还可以理解，随着傅里叶路径长度的增加，零级所占据的全息重建区域的百分比将减小。

对于用绿光(532nm)照射的像素为1920×1080和8um的空间光调制器，图5展示了随路径长度变化的零级占有的面积百分比。

更具体地，图5展示了傅里叶透镜的焦距(x轴)对由零级所占全息重建区域的百分比(y 轴)的影响。

尽管可以构建利用这种零级过滤方法的全息投影仪，但其需要很长的傅里叶路径长度来提供可使用的足够大的全息重建，这对于许多投影系统来说是不切实际的。

本发明至少解决这些问题。

发明内容

本发明的各方面限定在所附的独立权利要求中。

提供了一种全息显示系统，其包括用于执行一维光学傅里叶变换的柱面透镜，和正交配置的纯相位柱面透镜，当该纯相位柱面透镜与全息图数据结合并应用于空间光调制器时，结合产生2D全息重建；

与物理柱面透镜在相同的轴上的纯相位柱面透镜数据可以和与物理透镜正交的纯柱面相位透镜数据相结合，从而在相对零级不同的距离处形成全息重建。

可以在柱面透镜的焦距处放置零级块。

空间光调制器可以是反射式LCOS空间光调制器。

空间光调制器可以补偿物理柱面透镜中的像差。

纯相位透镜的光功率可以由用户控制。

显示系统可以包括近眼显示器。

显示器可以是HUD的一部分。

回放场可以在空间上远离观看者。

显示系统还可以包括空间滤波器，该空间滤波器配置为选择性地阻挡2D全息重建的至少一个衍射级，并且可选地阻挡零级。

虚拟图像可以是2D视频的连续帧。

像素化阵列可以由直径小于15μ5的像素组成。

根据本发明的改进的装置具有一些显著的优点：

·DC(或零)级激光的面积已经在一个轴中最小化，从而能够使用全息重建的最大可能面积，而不导致高强度光斑的形成；

·仍然可以采用如WO2007/131649所描述的零级去除系统，然而由于使用了纯相位透镜，在一个轴上的机械对准公差已经得到放宽；

·可以使用不同的纯相位透镜焦度，使得在距DC级线一定距离处形成全息重建。具体地，与物理柱面透镜在相同轴上的负纯相位透镜焦度可以与在正交轴上的正纯相位透镜焦度相结合；

·光学设计领域的专家可以理解，柱面透镜的设计更简单，因此相比于传统的透镜，其像差性能更差。这些像差可以通过添加到全息图数据的纯相位透镜数据来补偿。

在概述中，本发明涉及一种改进的方法，其用于对空间光调制器上呈现的全息图执行2D 傅里叶变换，该空间光调制器更好地管理零级。在这里描述了一种装置，其布置为通过在空间光调制器上使用全息数据执行第一1D傅里叶变换和在正交方向上使用物理光学器件执行第二1D傅里叶变换，来执行2D傅里叶变换。在这一方面，描述了使用软件和物理光学器件的组合来执行全息投影所需的2D傅里叶变换的混合系统。

描述了公开的混合系统和使用两个物理光学器件(即柱面透镜)在二维中传播零级光之间的区别。值得注意的是，如果使用了两个物理柱面光学器件，来自空间光调制器的零级衍射光将在两个正交方向上传播。这种方法不适合图像投影，因为其在全息重放领域更具侵入性。然而，零级光不受实施例的第一1D傅里叶变换影响，因为该变换由空间光调制器的像素执行，并且零级光对应于不受像素调制的光。具体地，零级是由像素之间的结构反射的光造成的。因此，利用所公开的混合装置，只有物理柱面透镜影响零级，因此形成更容易管理的线。相应地，本发明提供一种用于执行全息重建所需的2D傅里叶变换的方法，其更好地管理零级光。

在一些实施例中，使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法计算全息图，如英国专利2498170 或2501112所述的，在此通过引用方式将其全部内容并入本文。然而，涉及傅里叶全息图和 Gerchberg-Saxton类型算法的一些实施例仅作为示例。本发明同样适用于菲涅耳全息图和由其他技术(例如基于点云方法)计算的全息图。

术语“全息图”用于指包含关于物体的振幅和/或相位信息的记录。术语“全息重建”用于指通过照射全息图形成的物体的光学重建。术语“重放场”用于指形成全息重建的空间中的平面。术语“图像”和“图像区域”指由形成全息重建的光照射的重放场的区域。在一些实施例中，“图像”可以包括被称为“图像像素”的离散的点。

术语“编码”、“写”、“寻址”用于描述向SLM的多个像素提供相应多个控制值的过程，这些控制值分别确定每个像素的调制水平。可以说，SLM的像素配置为响应于接收到的多个控制值而“显示”光调制分布。

在一些实施例中，空间光调制器是纯相位空间光调制器。这些实施例是有利的，因为通过调制幅度不会损失光能。相应地，提供了高效的全息投影系统。然而，本发明可以同等地在纯幅度空间光调制器或幅度和相位调制器上实现。可以理解的是，全息图可以相应地是纯相位的、纯幅度的或全复合的。

术语“光”在本文中最广义地使用。一些实施例同样适用于可见光、红外光和紫外光及其任何组合。

参考包括第一数据和第二数据的全息数据，以反映全息数据是通过向接收到的光共同提供透镜效应的第一全息数据和与图像相对应的第二全息数据的组合(例如矢量和)形成的。在本文的一些实施例中，每个数据均为数据值的2D阵列。可以说，第一数据为接收到的光共同提供透镜效应，因为其对接受到的光的效应与物理透镜相同。在详细描述中给出了如何实现这一点的示例。第一数据可以是计算确定的(或“软件定义的”)，以提供任何可想得到的透镜效果或功能，例如正光功率、负光功率或像差修正。在本发明的一些实施例中，第一数据用作1D傅里叶变换透镜。也就是说，它以与适当定位的1D傅里叶变换光学器件(例如物理柱面透镜)相同的方式操纵接收到的光。在一些这样的实施例中，第一数据执行第二数据的光学傅里叶变换。可以说，第二数据对应于图像，因为它包含足以形成(例如，重新创建或重新构建)图像的信息。在此描述的一些实施例中，第二数据可以说对应于图像，因为它是图像的频(或傅里叶)域的表示。在这方面，可以理解，全息数据包括负责提供第一光学功能(即傅里叶变换)的第一成分，以及负责提供第二光学功能(即用对应于图像的数据调制光)的第二成分。

术语“软件定义”或(“软件可控”)用于反映数据是可以变更或修改的计算数据或软件数据，包括使用运行在计算机上的软件实时变更或修改。在这方面，数据可以被认为是动态可变的或简单地“动态的”。

一些实施例仅以举例的方式描述1D和2D全息重建。在其他实施例中，全息重建是3D全息重建。也就是说，在一些实施例中，每个计算机生成的全息图形成3D全息重建。

附图说明

下面将举例说明基于上述技术的具体实施方式。可以理解的是，可以做出常规变化来改变在此提供的具体细节。将参照以下附图描述示例：

图1是展示了布置为在重放场处产生全息重建的反射式SLM，例如LCOS的示意图；

图2描绘了根据本发明的使用傅里叶变换透镜提供全息重建的系统；

图3描绘了其中的傅里叶变换透镜是由SLM提供的纯相位透镜的系统；

图4展示了图3所示的系统的问题；

图5展示了傅里叶透镜的焦距(x轴)对零级占所全息重建区域的百分比(y轴)的影响；

图6描绘了物理柱面傅里叶透镜的使用；

图7 展示了第一实施例；

图8展示了第二实施例。

在附图中，相似的附图标记表示相似的部件。

具体实施方式

本发明不受限于下述的实施例，而是延伸至权利要求的全部范围。也就是说，本发明可以以不同的形式来实施，并且不应该被解释为受限于所描述的实施例，这些实施例是出于说明的目的而阐释的。

除非另有说明，否则单数形式的术语可以包括复数形式。

一结构描述为形成在另一个结构的上部/下部或者在另一个结构之上/下，应当被解释为包括这些结构彼此接触的情况，并且还包括其间设置有第三结构的情况。

在描述时间关系时，除非另有规定，例如，当事件的时间顺序被描述为“之后”、“后续”、“下一个”、“之前”等时，本发明应被理解为包括连续事件和非连续事件。例如，除非使用例如“恰好”、“立即”或“直接”之类的词语，否则描述应当包括不连续的情况。

尽管术语“第一”、“第二”可以用于不同的元件(包括步骤)，这些元件并不由这些术语限制。这些术语仅用来将一个要素与另一要素区分开来。例如，第一要素可以称为第二要素，类似地，第二要素可以称为第一要素，而不脱离所附权利要求的范围。

不同实施例的特征可以部分或整体地连接到或组合在一起，并可以多方面地共同使用。一些实施例可以彼此独立地执行，或者可以以相互依赖的关系一起执行。

光入射SLM的调制层(即相位调制元件的阵列)。离开相位调制层的调制光分布在重放场中。值得注意的是，在所公开的全息图的类型中，全息图的每个像素均有助于整个重建。也就是说，在重放场上的特定点与特定的相位调制元件之间不存在一一对应的关系。

全息重建在空间中的位置由一个或多个傅里叶变换透镜的屈光(聚焦)度决定。在一些实施例中，1D傅里叶变换是由物理透镜实现的。也就是说，作为光学1D傅里叶变换透镜的透镜，布置为光学地执行1D傅里叶变换。任何透镜都可以作为傅里叶变换透镜，但透镜的性能将限制其执行的傅里叶变换的精度。本领域技术人员理解如何选择透镜，并使用该透镜以1D 或2D执行光学傅里叶变换。在一些实施例中，也通过将1D透镜数据包含在全息数据中从而在计算方面执行1D傅里叶变换。也就是说，全息图包括表示透镜的数据和表示物体的数据。在计算机生成的全息图领域中，已知如何计算代表透镜的全息数据。代表透镜的全息数据可以称为软件定义的透镜或软件透镜。例如，可以通过计算由于透镜的每个点的折射率和在空间上变化的光程长度所引起的相位延迟形成纯相位全息透镜。例如，凸透镜中心处的光程长度大于透镜边缘处的光程长度。纯幅度全息透镜可以由菲涅耳波带片形成。在计算机生成的全息图技术中也已经知道如何将代表透镜的全息数据与代表物体的全息数据相结合，使得可以在不需要物理傅里叶透镜的情况下执行傅里叶变换。在一些实施例中，透镜数据通过简单的矢量相加与全息数据结合。在一些实施例中，物理透镜与软件镜头一起使用，以执行傅里叶变换。在还有一些实施例中，全息图可以包括光栅数据，即，布置为执行光栅的功能，例如波束控制的数据。此外，在计算机生成的全息图领域中，已经知道如何计算这种全息数据并将其与代表物体的全息数据结合起来。例如，可以通过对由闪耀光栅表面上的每个点引起的相位延迟进行建模，形成纯相位全息光栅。纯幅度全息光栅可以简单地叠加在代表物体的纯幅度全息图上，从而提供纯幅度全息图的角度转向。

发明人已经认识到，利用混合物理柱面傅里叶透镜和纯相位透镜系统来管理DC级是有利的。具体地，通过利用物理柱面透镜，也就是仅在一个轴上具有光功率的透镜，可以使零级光聚焦成一条线。DC级线在一个轴上将具有非常小的尺寸，并且将与另一个轴上的空间光调制器的尺寸相同。由于光能以这种方式传播，减少了这些问题和潜在的对比度问题。本公开同样适用于相位调制、幅度调制和全复合调制。

存在物理光功率的轴将形成一维全息重建；然而这不足以形成如图6所示的整个图像。

图6展示了仅包括物理柱面傅里叶透镜的示例。如图所示，使用柱面傅里叶透镜650令已经被照射的LCOS SLM 601在全息重建区域605上形成仅在一个方向上传播的DC斑点607。DC 级607可以被认为是一维的。全息重建区域可以被认为仅在一维衍射。也就是说，没有形成完整的二维全息重建。DC斑点607是傅里叶透镜的宽度。

然而，发明人已经认识到，通过向全息数据添加相对于物理透镜正交的纯相位柱面透镜焦度，将使整个图像能够如图7所示正确地形成。在这方面，可以理解的是，发明人已经提供了用于改进零级去除的混合系统。

图7展示了包括物理柱面透镜和纯相位傅里叶透镜的实施例。如图所示，使用柱面傅里叶透镜750令已经被照射的LCOS SLM 701在全息重建区域705上形成仅在一个方向上传播的 DC斑点707。DC斑点707可以被认为是一维的。DC斑点707是傅里叶透镜的宽度。作用在方向760上的物理透镜750和作用在方向770上纯相位透镜的共同作用引起二维傅里叶变换。在一些实施例中，全息重建区域705形成在光接收表面上，例如在屏幕或扩散器上。

因此，提供了一种显示系统，其包括：数据提供器，布置为提供全息数据，该全息数据包括第一数据，该第一数据对应于在第一方向上具有光功率的第一柱面透镜；空间光调制器，布置为接收全息数据，该空间光调制器布置为根据全息数据对接收到的光进行空间调制；第二柱面透镜，布置为从空间光调制器接收空间调制的光，并在与第一方向正交的第二方向上对接收到的光执行一维傅里叶变换。

应当理解的是，第一一维透镜作为空间光调制器上的全息图在计算方面提供，第二一维透镜作为物理光学器件提供，其中这些透镜分别布置为执行正交傅里叶变换。本领域技术人员将理解如何确定两个柱面透镜的方向，以执行所述的两个正交1D变换。在一些实施例中，这两个柱面透镜是正交的。在一些实施例中，第一1D透镜仅在第一方向具有光功率。第二1D 透镜仅在第二方向具有光功率，其中第一方向和第二方向是正交的。这种显示系统可以用于形成在空间光调制器上提供的全息图的重建。与用于重建的图像相对应的全息信息与提供第一一维透镜的全息图相结合。因此，可以理解的是，在一些实施例中，全息数据进一步包括对应于用于全息重建的图像的第二数据。

可以说，全息数据包括两个成分：代表用于全息重建的图像的第一成分；布置为提供一维透镜的第二成分。这两个成分可以通过矢量加法(例如相加)结合。因此，已经由两个成分形成全息数据可能不是显而易见的，但是可以理解的是，透镜数据已经与图像-内容数据结合，以提供透镜效应。全息数据的第一数据可以被认为是提供第一柱面透镜。在一些实施例中，全息数据包括第一数据和第二数据的矢量和。

在一些实施例中，第二透镜布置为在重放平面处形成图像的二维全息重建。

在一些实施例中，SLM是硅基液晶空间光调制器，例如反射式LCOS SLM。在其他实施例中，SLM是透射式的，或是基于MEM的SLM。在一些实施例中，SLM是纯相位调制(即非调幅)的。在一些实施例中，空间光调制器包括多个像素。每个像素可以被单独寻址，以对入射在该像素上的光提供相位延迟。每个像素可以被描述为相位延迟元素。可以说，空间光调制器包括单独可寻址的相位延迟元件阵列。在一些实施例中，每个像素的直径小于15μ5。

在有利的实施例中，第二柱面透镜是物理光学器件。

数据提供器可以是布置为计算全息数据的计算装置，或者是布置为存储全息数据的存储器。

在一些实施例中，数据提供器还配置为接收确定第一柱面透镜的光功率的用户输入。也就是说，第一柱面透镜的光功率可以是用户控制的或是软件控制的。

在一些实施例中，全息数据还包括第三数据成分，该第三数据成分对应于在第二方向具有光功率的第三柱面透镜。因为这导致全息重建形成在与零级不同距离处，因此这是有利的。如图8所示。

图8展示了包括物理柱面透镜和纯相位傅里叶透镜的进一步有利的实施例。如图所示，使用柱面傅里叶透镜850令已经被照射的LCOS SLM 801在全息重建区域805上形成仅在一个方向上传播的DC斑点807。DC斑点807可以被认为是一维的。DC斑点807是傅里叶透镜的宽度。在第一方向860上的一维傅里叶变换是由物理透镜和纯相位透镜提供的。在垂直于第一方向的第二方向870上的一维傅里叶变换是由纯相位透镜提供的。可以看出到，DC斑点807在远离全息重建区域805处形成。DC斑点(或零级)可以更容易地从系统移除，因为它与重建平面在空间上是分离的。在一些实施例中，这是通过添加光功率到全息图的软件透镜来实现的，从而在不移动零级光的情况下，移动调制的光，由此导致来自重建平面的零级的空间位移。在一些实施例中，全息重建区域805形成在光接收表面(例如屏幕或扩散器)上。

数据提供器还配置为接收确定第三柱面透镜的光功率的用户输入。也就是说，第三柱面透镜的光功率可以是用户控制的或是软件控制的。

在一些实施例中，全息数据还包括第四成分，该第四成分配置为补偿第二柱面透镜中的像差。

因此，提供了改进的显示系统，其使得来自空间光调制器的零级光能够被轻易地去除。因此，一些实施例包括空间滤波器，该空间滤波器布置为阻挡来自空间光调制器的零级光。空间滤波器可以被描述为零级块。技术人员将理解，零级块可以采用各种不同的物理形式。例如，零级块可以是棱或反射孔或光场。

在一些实施例中，空间滤波器位于第二柱面透镜的焦距处，以方便地从系统中去除零级光。

一些实施例涉及纯相位全息术和纯相位空间光调制。在一些实施例中，全息数据包括纯相位信息。可以说，全息数据表示相位延迟分布或在频域中的全息数据。然而，本发明不仅限于纯相位全息术，在其他实施例中，空间光调制器可替代地或附加地执行幅度调制。

在一些实施例中，第一数据成分是图像的菲涅尔变换的纯相位表示。在一些实施例中，第一数据成分是图像在频域中的表示。然而，本发明不限于这方面。在实施例中，第一数据成分是图像的傅里叶变换的纯相位表示。

本发明可以用于形成静止图像或视频图像，例如实时视频图像。在一些实施例中，每个全息重建是2D视频帧序列中的一帧。

有利地，重放平面可以布置为在空间上远离全息重建的观看者。因此，可以提供近眼装置或抬头显示器，例如包括根据本发明的显示系统。本发明可以用于形成单色的或彩色的显示器。

在一些实施例中，显示系统还包括布置为照射空间光调制器的像素的光源。在一些实施例中，光源是(空间的)相干光源，例如激光。在一些实施例中，显示系统包括多个光源，其布置为提供复合的彩色全息重建。

在一些实施例中，本发明的全息投影系统用于提供改进的抬头显示器(HUD)或头盔显示器或近眼装置。在一些实施例中，提供了一种交通工具，其包括安装在交通工具上的全息投影系统，以提供HUD。交通工具可以是机动交通工具，例如轿车、卡车、货车、大卡车、摩托车、火车、飞机、船或轮船。

在此描述的方法和过程可以包含在计算机可读介质中。术语“计算机可读介质”包括布置为临时或永久地存储数据的介质，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、缓冲存储器、闪速存储器和高速缓冲存储器。术语“计算机可读介质”还将理解为包括能够存储由机器执行的指令的任何介质或多种介质的组合，当由一个或多个处理器执行时，使机器全部或部分执行本文所述的方法中的任何一个或多个。

术语“计算机可读介质”还包括基于云的存储系统。术语“计算机可读介质”包括但不限于一个或多个有形的和非暂时性数据储存库(例如数据体)，其以固态存储器芯片、光盘、磁盘或其任何合适的组合的示例形式。在一些实施例中，用于执行的指令可以由载体介质传送。这样的载体介质的示例包括瞬态介质(例如传送指令的传播信号)。

本发明不受限于所述实施例，而是延伸至权利要求的全部范围。

Claims

1.一种显示系统，包括：

数据提供器，布置为提供全息数据，所述全息数据包括第一数据和第二数据，所述第一数据对应于在第一方向上具有光功率的第一柱面透镜，并提供一维透镜效应，所述第二数据对应于用于全息重建的图像；

空间光调制器，布置为接收全息数据，其中，所述空间光调制器布置为根据所述全息数据对接收到的光进行空间调制；以及

第二柱面透镜，布置为从所述空间光调制器接收空间调制的光和未调制的零级光，并在与所述第一方向正交的第二方向上对接收到的光执行一维傅里叶变换，其中所述第二柱面透镜是物理光学器件，并且布置成将所述未调制的零级光聚焦成一条线。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述全息数据包括所述第一数据和所述第二数据的矢量和。

3.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，所述第一柱面透镜和所述第二柱面透镜布置为在重放平面上形成所述图像的二维全息重建。

4.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，所述空间光调制器包括多个像素。

5.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，所述数据提供器是布置为计算所述全息数据的计算装置。

6.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，所述数据提供器是布置为存储所述全息数据的存储器。

7.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，所述数据提供器还布置为接收用户输入，该用户输入确定第一柱面透镜的光功率。

8.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，所述全息数据还包括第三数据成分，所述第三数据成分对应于在第二方向具有光功率的第三柱面透镜。

9.根据权利要求8所述的显示系统，其特征在于，所述数据提供器还布置为接收用户输入，该用户输入确定所述第三柱面透镜的光功率。

10.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，所述全息数据还包括第四数据成分，所述第四数据成分布置为补偿所述第二柱面透镜中的像差。

11.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，还包括空间滤波器，所述空间滤波器布置为阻挡来自所述空间光调制器的零级光。

12.根据权利要求11所述的显示系统，其特征在于，所述空间滤波器被定位在所述第二柱面透镜的焦距处。

13.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，所述全息数据包括纯相位信息。

14.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，所述第一数据成分是所述图像的菲涅尔变换的纯相位表示。

15.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，所述第一数据成分是所述图像的傅里叶变换的纯相位表示。

16.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，所述空间光调制器是硅空间光调制器上的液晶。

17.根据权利要求1或2所述的显示系统，其特征在于，每个全息重建是2D视频帧序列中的一个帧。

18.根据权利要求4所述的显示系统，其特征在于，每个像素的直径小于15μm。

19.根据权利要求3所述的显示系统，其特征在于，所述重放平面布置为空间上远离全息重建的观看者。

20.一种近眼装置或抬头显示器，包括前述权利要求中任一项所述的显示系统。