CN110531601B - 在包括像素的显示装置上显示全息图的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全息投影仪，所述全息投影仪包括全息图引擎和控制器。全息图引擎被布置成提供包括多个全息图像素的全息图。每个全息图像素具有相应的全息图像素值。控制器被布置成选择性地驱动多个光调制像素以致于显示全息图。显示全息图包括将每个全息图像素显示在多个光调制像素的连续的一组光调制像素上使得在全息图和多个光调制像素之间具有一对多的像素相关性。

Description

在包括像素的显示装置上显示全息图的方法

技术领域

本公开涉及操作、驱动或控制空间光调制器的方法和显示全息图的方法。更具体地，本公开涉及将光调制像素分配给全息图像素的方法和在诸如空间光调制器的像素的多个光调制像素上显示全息图的方法。本公开还涉及一种改变全息重建的尺寸并改变全息重建的分辨率的方法。本公开还涉及一种将第一颜色全息重建的尺寸与第二颜色全息重建的尺寸相匹配的方法。

背景技术

从对象散射的光包含幅度和相位信息。通过众所周知的干涉技术可在例如光敏板上捕获该幅度和相位信息，以形成包括干涉条纹的全息记录或“全息图”。可以通过用合适的光照射来重建全息图，以形成代表原始对象的二维或三维全息重建或重放图像。

计算机生成的全息术可以数字地模拟干涉过程。可以通过基于诸如菲涅耳或傅立叶变换的数学变换的技术来计算计算机生成的全息图。这些类型的全息图可以被称为菲涅耳/傅立叶变换全息图，或简称为菲涅耳/傅立叶全息图。傅里叶全息图可以被认为是对象的傅立叶域/平面表示或对象的频域/平面表示。例如，计算机生成的全息图也可通过相干射线跟踪或点云技术来计算。

计算机生成的全息图可以在空间光调制器(SLM)上编码，该空间光调制器被配置成调制入射光的幅度和/或相位。例如，可以使用电子可寻址液晶、光学可寻址的液晶或微镜来实现光调制。

空间光调制器一般可包括多个单独可寻址的像素，其也可以称为单元或元件。光调制方案可以是二元的、多级的或连续的。替代地，该装置可以是连续的(即不包括像素)，且因此光调制可以在整个装置上是连续的。空间光调制器可以是反射性的，这表示经调制的光被反射输出。空间光调制器可以等同于是透射性的，这表示经调制的光被透射输出。

用于提供颜色全息重建的两种方法是已知的：空间分离颜色“SSC”和帧顺序颜色“FSC”，这两种方法都可与本公开兼容。

SSC方法将三个空间分离的光调制像素阵列用于三个单色全息图。SSC方法的优点在于图像可以非常明亮，这是因为所有三个全息重建可同时形成。然而，如果由于空间限制，三个空间分离的光调制像素阵列在同一个SLM上提供，则每个单色图像的质量是次优的，这是因为对于每种颜色仅使用了可用光调制像素的子集。因此提供了相对较低分辨率的彩色图像。

FSC方法可以使用同一个空间光调制器的所有像素来依次显示三个单色全息图。单色重建足够快地循环(例如，红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等)，使得人类观察者通过对这三个单色图像的整合来感知多色图像。FSC的优点在于每种颜色都使用了整个SLM。这意味着所产生的三种颜色图像的质量都是最佳的，这是因为每个颜色图像都使用了SLM的所有像素。然而，FSC法的缺点在于复合颜色图像的亮度要低于采用SSC方法的亮度--约为3倍因子--因为每个单色照射事件只能在该帧时间的三分之一内发生。这种缺点可能通过过激(overdriving)激光或通过使用更强的激光来解决，但这需要更多的功率，从而导致更高的成本和系统尺寸的增加。

颜色全息投影仪的一个问题在于衍射是全息过程的基础，而衍射取决于波长。具体地，全息重建的尺寸取决于波长。在复合颜色的方案中，这导致所感知的复合颜色重建的质量降低，这是因为存在两个不匹配：(1)单色全息重建的整体尺寸的不匹配，以及(2)全息重建中的图像点位置之间的不匹配。发明人先前公开了一种解决这些不匹配的技术，包括针对每个颜色信道使用不同长度的傅里叶路径—参见例如英国专利GB 2,547,929。

本文在此公开了一种改进的全息投影仪，其被布置为改变全息重放场(holographic replay field)的尺寸，该全息重放场可以在复合颜色系统中实现，以至少部分地补偿由取决于衍射的波长而导致的不匹配。

发明内容

在所附独立权利要求中限定了本公开的各方面。

本发明提供了一种显示全息图的方法。该方法包括接收全息图并在多个光调制像素上显示全息图。全息图包括多个全息图像素，每个全息图像素具有相应的全息图像素值。显示全息图包括在多个光调制像素的连续的一组光调制像素上显示每个全息图像素值，使得在全息图和多个光调制像素之间具有一对多的像素相关性。

同样地，本发明提供了一种全息投影仪，该全系投影仪包括全息图引擎和控制器。全息图引擎被布置为提供包括多个全息图像素的全息图。每个全息图像素具有相应的全息图像素值。控制器被布置成选择性地驱动多个光调制像素以使得显示全息图。显示全息图包括在多个光调制像素的连续的一组光调制像素上显示每个全息图像素值，使得在全息图和多个光调制像素之间具有一对多的像素相关性。

每个连续的一组光调制像素包括多个独立的光调制像素，其有效地起到较大的光调制像素的作用。换句话说，通过在连续的一组中使用多于一个光调制像素来显示每个全息图像素来增加每个光调制区域的尺寸。使用一对多像素映射方案来保存每个全息图像素相对于其他全息图像素中每一个像素的位置。因此，可以完全使用更大的像素形成全息重建。有效的像素的尺寸确定了衍射角，因此确定了全息重放场的尺寸。本发明因此提供了一种系统，该系统中使用可由软件控制的可重新配置的像素映射方案来改变全息重放场的尺寸。由于可用的空间光调制器的像素尺寸持续减小，因此本文所公开的方法尤其有效。多个光调制像素中的每个光调制像素的像素尺寸(例如，宽度)可以小于2000nm，可选地小于1000nm(诸如小于500nm或小于250nm)。

本方法还可包括使用第一数量的光调制像素来显示第一全息图的每个全息图像素值。本方法还可包括使用第二数量的光调制像素来显示第二全息图的每个全息图像素值。

同样地，控制器可以进一步被布置成选择性地驱动多个光调制像素，使得第一数量的光调制像素被用于显示第一全息图的每个全息图像素值。控制器还可以进一步被布置成选择性地驱动多个光调制像素，使得第二数量的光调制像素被用于显示第二全息图的每个全息图像素值。

通过改变每个连续的组中的像素的数量,可在软件中动态地改变全息重放场的尺寸。因此可在运行中改变全息重放场的尺寸。特别是，在包括至少两个帧的显示事件期间，不需要硬件改变来改变全息重放场的尺寸。例如，在FSC方案中所描述的一对多的像素映射方案可在第一帧和第二帧或第一和第二子帧之间改变。

本方法还可包括接收第二全息图并显示该第二全息图。第二全息图包括多个全息图像素，每个全息图像素具有相应的全息图像素值。通过将每个全息图像素值显示在对应的光调制像素上，第二全息图被显示在多个光调制像素上，使得在第二全息图和多个光调制像素之间具有一对一的相关性。

同样地，控制器还可以被布置为提供第二全息图并选择性地驱动多个光调制像素以使得显示该第二全息图。第二全息图包括多个全息图像素，每个全息图像素具有相应的全息图像素值。通过将每个全息图像素值显示在对应的光调制像素上，第二全息图被显示在多个光调制像素上，使得在第二全息图和多个光调制像素之间具有一对一的相关性。

每个全息重建都使用一对多的像素映射方案来形成并不是必须的。本方法可包括使用一对多的像素映射方案来显示至少一个全息图以及使用传统的一对一的像素映射方案来显示至少一个全息图。

第一全息图和第二全息图可被显示在同一空间光调制器上。

有利地，本文描述了一种驱动空间光调制器的改进方法，该方法可以在任何空间光调制器上实现。因此，可以使用同一空间光调制器形成多个不同尺寸的全息重放场。也就是说，对于每个不同尺寸的全息重放场，不需要不同的空间光调制器。

该方法还可包括使用至少一个光调制像素在第一时间显示第一全息图的全息图像素值，在第二时间显示第二全息图的全息图像素值，其中第二时间与第一时间不同。

本文所公开的方法特别适合于显示在显示事件期间可能需要改变图像尺寸的变化图像。例如，本文所公开的方法特别适用于FSC，其中可能希望减少两个不同颜色图像之间的任意的不匹配。

第一全息图可被显示在第一空间光调制器上，第二全息图可被显示在第二空间光调制器上。

本文所公开的方法是完全灵活的，并因此可等同地在包括多个空间光调制器的全息投影仪中实现，其中至少第一全息图被显示在具有第一有效像素尺寸的第一空间光调制器上，而至少第二全息图被显示在具有第二有效像素尺寸的第二空间光调制器上，其中第二有效像素尺寸与第一有效像素尺寸不同。这样的使用多个空间光调制器的方法在投影布置中可能是有利的，其中为不同的全息重建提供了不同的光学信道。

本方法还可包括用具有一波长的光照射所显示的全息图以投影出具有一(第一)区域的全息重放场，并用具有第二波长的光照射第二显示的全息图以投影出具有第二区域的第二全息重放场。

同样地，全息投影仪还可包括(第一)光照系统(或光引擎)和第二光照系统(或第二光引擎)。(第一)光照系统可被布置成用具有(第一)波长的(第一)光照射(第一)显示的全息图，以使得投影出具有(第一)区域的(第一)全息重放场。第二光照系统可被布置成用具有第二波长的第二光照射第二显示的全息图，以使得投影出具有第二区域的第二全息重放场。

第一光可以是准直的并且可具有第一光束直径。第二光可以是准直的并且可具有第二光束直径。第一光束直径可以与第二光束直径不同。如果第一波长大于第二波长，则第一光束直径可大于第二光束直径，使得第二光照系统比第一光系统更小(即，占据更小的体积)。如果用于显示第一全息图的每个全息图像素的设备像素的数量大于用于显示第二全息图的每个全息图像素的设备像素的数量，则用于照射第一全息图的第一光束直径可大于用于照射第二全息图的第二光束直径，使得第二光照系统比第一光系统更小(即，占据更少的体积)。

更一般地，本方法可还包括基于准直光的波长或用于显示每个全息图像素的设备像素的数量来选择用于照射全息图的准直光的光束直径。

本文所公开的方法可用于减少由两个相应的全息图形成的两个不同颜色图像之间的任何不匹配。

不同数量的光调制像素用于显示该全息图和第二全息图可使得该区域和第二区域具有基本相同的尺寸。

本方法可用于补偿由于使用不同波长的光重建全息图而导致的整体图像尺寸的任意差异。

本方法还可以包括使该区域和第二区域重叠以形成复合颜色重放场。

本方法在产生改进的复合颜色图像方面特别有效，其中减少了在单色图像之间的任意不匹配。

本发明还提供了一种操作包括多个光调制元件的空间光调制器的方法，该方法包括：接收包括多个全息图像素的全息图，其中所述多个全息图像素少于所述多个光调制像素；以及将多个光调制元件分配给每个全息图像素。

本发明还提供了一种操作包括多个设备像素的空间光调制器的方法，该方法包括：接收包括多个全息图像素的全息图，其中所述多个全息图像素少于多个设备像素；将全息图显示在空间光调制器上；以及用光照射空间光调制器以投影出全息重建，其中该方法的特征在于还包括基于光的波长或期望的图像尺寸确定用于显示每个全息图像素的设备像素的数量。

术语“全息图”用于指代包含关于对象的振幅信息或相位信息或其某些组合的记录。术语“全息重建”用于指代通过照射全息图形成的对象的光学重建。本文所公开的系统被描述为“全息投影仪”，这是因为全息重建是真实图像并且与全息图空间分离。术语“重放场”用于指代2D区域，全息重建在该2D区域中形成并完全聚焦。如果全息图被显示在具有多个像素的空间光调制器上，则重放场将以多个衍射阶的形式重复，其中每个衍射阶是第零阶重放场的复制品。第零阶重放场一般对应于优选的或主要重放场，这是因为它是最亮的重放场。除非另外明确说明，术语“重放场”应被视为第零阶重放场。术语“重放平面”用于指代包含所有重放场的空间中的平面。术语“图像”、“重放图像”以及“图像范围”是指由全息重建的光照射的重放场的区域。在一些实施例中，“图像”可以包括离散斑点，其可以被称为“图像斑点”，或者仅为了方便起见称为“图像像素”。

术语“编码”、“写入”或“寻址”用于描述以相应的多个控制值提供SLM的多个像素的过程，其中该相应的多个控制值分别确定各像素的调制级别。可以说SLM的像素被配置为响应于接收到多个控制值而“显示”光调制分布。所以，SLM可以说成“显示”全息图，并且该全息图可被认为是光调制值或级别的阵列。

已经发现，可以从仅包含与原始对象的傅里叶变换相关的相位信息的“全息图”形成可接受质量的全息重建。这种全息记录可以称为仅相位全息图。实施例涉及仅相位全息图，但是本公开可等同地适用于仅振幅全息图。

本公开还等同地适用于使用与原始对象的傅里叶变换相关的幅度和相位信息来形成全息重建。在一些实施例中，这通过使用所谓的完全复合全息图(fully complexhologram)的复合调制来实现，该完全复合全息图包含与原始对象相关的幅度和相位信息。这样的全息图可以被称为完全复合全息图，因为分配给全息图的每个像素的值(灰度级)具有幅度和相位分量。分配给每个像素的值(灰度级)可以表示为具有幅度和相位分量的复数。在一些实施例中，计算完全复合的计算机生成的全息图。

可以参考计算机生成的全息图或空间光调制器的像素的相位值，相位分量，相位信息或仅相位作为“相位延迟”的简写。也就是说，所描述的任何相位值实际上是一个数字(例如，在0到2π的范围内)，其表示由该像素提供的相位延迟量。例如，被描述为具有相位值π/2的空间光调制器的像素将使接收到的光的相位推迟π/2弧度。在一些实施例中，空间光调制器的每个像素可在多个可能的调制值(例如，相位延迟值)中的一个中操作。术语“灰度级”可用于指代多个可用调制级。例如，为了方便起见，术语“灰度级”可用于方便地指仅相位调制器中的多个可用相位级，即使不同的相位级不能提供不同的灰度深浅。术语“灰度级”也可以用于方便地指复合调制器中的多个可用复合调制级。

因此，全息图包括灰度级阵列-即，光调制值的阵列，例如相位延迟值阵列或复数调制值。全息图也被认为是衍射图案，这是因为它是当被显示在空间光调制器上并用具有相当于(或通常小于)空间光调制器的像素节距的波长的光照射时引起衍射的图案。这里将全息图与其他衍射图案(例如起到透镜或光栅的作用的衍射图案)进行组合作为参考。例如，在近场中，起到光栅的作用的衍射图案可与全息图组合以在重放平面上平移(translate)重放场，或者起到透镜的作用的衍射图案可与全息图组合以将全息重建聚焦在重放平面上。

尽管可以在随后的详细描述中单独地公开不同的实施例和实施例组，但是任何实施例或实施例组的任何特征都可以与任何实施例或实施例组的任何其他特征或特征的组合进行组合。也就是说，本公开中所公开的特征的所有可能的组合和置换都是可想到的。

附图说明

特定实施例参考以下附图通过仅作为示例的方式进行描述：

图1是示出在屏幕上产生全息重建的反射SLM的示意图；

图2A示出了示例Gerchberg-Saxton(盖师贝格撒克斯通)类型算法的第一次迭代；

图2B示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第二次和后续迭代；

图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的可选第二次和后续迭代；

图3是反射LCOS SLM的示意图；

图4A示出了包括以[4×4]阵列排列的16个全息图像素的示例全息图；

图4B示出了包括以[4×4]阵列排列的16个光调制像素的示例空间光调制器，其中相邻的光调制像素在空间上被像素间间隔分开；

图5示出了根据一些实施例的第一全息图映射方案；

图6示出了根据一些实施例的第二全息图映射方案；

图7示出了根据一些实施例的第三全息图映射方案；

图8示出了根据一些实施例的第四全息图映射方案；

图9A、9B示出了当红色、绿色和蓝色光从帧顺序颜色方案中依次在空间光调制器上显示的各个全息图衍射时，对应于蓝色重放场900B的颜色重叠区域；和

图10A、10B和10C示出了用于照射分别使用每个全息图像素四个、五个和六个光调制像素形成的蓝色、绿色和红色全息图的蓝色，绿色和红色光引擎。

贯穿附图将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

具体实施方式

本发明不限于下面描述的实施例，而是扩展到所附权利要求的全部范围。也就是说，本发明可以以不同的形式实施，并且不应该被解释为限于所描述的实施例，所述实施例被设置用于说明的目的。

被描述为形成在另一结构的上部/下部或其他结构之上/之下的结构应被解释为包括结构彼此接触的情况，以及此外，第三个结构设置在其间的情况。

除非另有说明，在描述时间关系时——例如，当事件的时间顺序被描述为“之后”、“后续”、“下一个”、“之前”或类似之类时——本公开应被视为包括连续和非连续事件。例如，除非使用诸如“仅”、“立即”或“直接”的措辞，否则应该将描述视为包括不连续的情况。

尽管这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，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地或整体地关联到彼此或者彼此组合，并且可以彼此不同地互操作。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。

光学配置

图1示出了一个实施方式，其中计算机生成的全息图在单个空间光调制器上被编码。计算机生成的全息图是用于重建的对象的傅里叶变换。因此可以说全息图是对象的傅里叶域或频域或谱域表示。在该实施方式中，空间光调制器是硅基的反射液晶，“LCOS”器件。全息图在空间光调制器上被编码，并且全息重建在重放场形成，例如，诸如屏幕或漫射器的光接收表面。

设置光源110，例如激光器或激光二极管，以通过准直透镜111照射SLM140。准直透镜使得大致平面的光波前入射到SLM上。在图1中，波前的方向是非正交的(例如，与真正垂直于透明层的平面相距两或三度)。而在其它实施方式中，以法向入射提供大致平面的波前，并且使用分束器布置来分离输入和输出的光路(optical path)。在图1所示的实施方式中，该布置使得来自光源的光从SLM的镜像后表面反射并与光调制层相互作用以形成出射波前(exit wavefront)112。出射波前112应用于包括傅里叶变换透镜120的光学器件，使其焦点位于屏幕125处。更具体地，傅里叶变换透镜120接收来自SLM 140的调制光束并执行频率—空间变换以在屏幕125处产生全息重建。

值得注意的是，在这种类型的全息术中，全息图的每个像素都有助于整个重建。在重放场上的特定点(或图像像素)与特定光调制元件(或全息图像素)之间不存在一对一的相关性。换言之，离开光调制层的经调制的光分布在整个重放场上。

在这些实施方式中，全息重建在空间中的位置由傅里叶变换透镜的屈光(聚焦)能力确定。在图1所示的实施方式中，傅里叶变换透镜是物理透镜。也就是说，傅里叶变换透镜是光学傅里叶变换透镜，并且光学地执行傅里叶变换。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。技术人员理解如何使用透镜来执行光学傅里叶变换。

全息图计算

在一些实施方式中，计算机生成的全息图是傅里叶变换全息图，或简称为傅里叶全息图或基于傅里叶的全息图，在其中图像通过利用正透镜的傅里叶变换特性在远场中来重建。通过将重放平面中的期望的光场傅里叶变换回透镜平面而计算出傅里叶全息图。可以使用傅里叶变换来计算出计算机生成的傅里叶全息图。

傅里叶变换全息图可以使用诸如Gerchberg-Saxton算法的算法来计算。此外，Gerchberg-Saxton算法可用于从空间域(诸如照片)中的仅振幅信息计算出傅里叶域中的全息图(即，傅里叶变换全息图)。从空间域中的仅振幅信息有效地“取回”与对象相关的相位信息。在一些实施方式中，使用Gerchberg-Saxton算法或其变体从仅振幅信息计算出计算机生成的全息图。

Gerchberg Saxton算法考虑到分别在平面A和B中的光束I_A(x,y)和I_B(x,y)的强度横截面是已知的并且I_A(x,y)和I_B(x,y)通过单次傅里叶变换而相关的情况。对于给定的强度横截面，分别求出平面A和B中的相位分布Ψ_A(x,y)和Ψ_B(x,y)的近似值。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程找到该问题的解决方案。更具体地，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(频谱或频率)域之间重复传送代表I_A(x,y)和I_B(x,y)的数据集(幅度和相位)。通过算法的至少一次迭代获得谱域中的相应的计算机生成的全息图。该算法是收敛的并且被设置成产生表示输入图像的全息图。全息图可以是仅振幅全息图，仅相位全息图或完全复合全息图。

在一些实施方式中，使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法计算仅相位全息图，该基于Gerchberg-Saxton算法的算法诸如英国专利2,498,170或2,501,112中所述，其全部内容通过引用并入本文。然而，本文公开的实施方式仅通过示例的方式描述了计算仅相位全息图。在这些实施方式中，Gerchberg-Saxton算法取回数据集的傅里叶变换的相位信息Ψ[u,v]，其产生已知的振幅信息T[x,y]，其中振幅信息T[x,y]代表目标图像(例如照片)。由于幅度和相位在傅里叶变换中固有地组合，因此变换的幅度和相位包含关于计算的数据集的准确度的有用信息。因此，对振幅和相位信息的反馈可以迭代地使用该算法。然而，在这些实施方式中，仅使用相位信息Ψ[u,v]作为全息图以形成图像平面处的目标图像的全息代表。全息图是相位值的数据集(例如，2D阵列)。

在其它实施方式中，基于Gerchberg-Saxton算法的算法用于计算完全复合全息图。完全复合全息图是具有幅度分量和相位分量的全息图。全息图是包括复数数据值阵列的数据集(例如2D阵列)，其中每个复数数据值包括幅度分量和相位分量。

在一些实施方式中，算法处理复数数据，并且傅里叶变换是复数傅里叶变换。复数数据可以被认为包括(i)实分量和虚分量或(ii)幅度分量和相位分量。在一些实施方式中，在算法的各个阶段不同地处理复数数据的两个分量。

图2A示出了根据一些实施方式的用于计算仅相位全息图的算法的第一次迭代。算法的输入是包括像素或数据值的2D阵列的输入图像210，其中每个像素或数据值是幅度或振幅值。也就是说，输入图像210的每个像素或数据值不具有相位分量。因此，输入图像210可以被认为是仅幅度或仅振幅或仅强度分布。这种输入图像210的实例是照片或包括时间序列帧的一帧视频。算法的第一次迭代以数据形成步骤202A开始，该步骤包括使用随机相位分布(或随机相位种子)230将随机相位值分配给输入图像的每个像素，以形成起始复数数据集，其中数据集的每个数据元素包括幅度和相位。可以说起始复数数据集代表空间域中的输入图像。

第一处理块250接收起始复数数据集并执行复数傅里叶变换以形成傅里叶变换的复数数据集。第二处理块253接收傅里叶变换的复数数据集并输出全息图280A。在一些实施方式中，全息图280A是仅相位全息图。在这些实施方式中，第二处理块253量化每个相位值并将每个幅度值设置为单位1，以便形成全息图280A。根据可以在空间光调制器的像素上表示的相位级(phase level)量化每个相位值，该相位级将用于“显示”仅相位全息图。例如，如果空间光调制器的每个像素提供256个不同的相位级，则全息图的每个相位值被量化为256个可能相位级的一个相位级。全息图280A是仅相位傅里叶全息图，其代表输入图像。在其它实施方式中，全息图280A是完全复合全息图，其包括从接收的傅里叶变换复数数据集导出的复数数据值(每个包括幅度分量和相位分量)阵列。在一些实施方式中，第二处理块253将每个复数数据值约束到多个可允许的复数调制级之一以形成全息图280A。约束步骤可以包括将每个复数数据值设置为复平面中最接近的可允许复数调制级。可以说全息图280A代表谱域或傅里叶域或频域中的输入图像。在一些实施方式中，算法在此时停止。

然而，在其它实施方式中，算法继续，如图2A中的虚线箭头所示。换言之，图2A中虚线箭头之后的步骤是可选的(即不是对所有实施方式必需的)。

第三处理块256从第二处理块253接收修改的复数数据集，并执行逆傅里叶变换以形成逆傅里叶变换的复数数据集。可以说逆傅里叶变换的复数数据集代表空间域中的输入图像。

第四处理块259接收逆傅里叶变换的复数数据集，并提取幅度值211A的分布和相位值213A的分布。可选地，第四处理块259评估幅度值211A的分布。具体地，第四处理块259可以将逆傅里叶变换后的复数数据集的幅度值211A的分布与输入图像510进行比较，输入图像510本身当然是幅度值的分布。如果幅度值分布211A和输入图像210之间的差异足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是可接受的。也就是说，如果幅度值211A的分布和输入图像210之间的差异足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是输入图像210的足够准确的代表。在一些实施方式中，为了比较的目的，忽略逆傅里叶变换复数数据集的相位值213A的分布。应当理解，可以采用用于比较幅度值211A的分布和输入图像210的任何数量的不同方法，并且本公开不限于任何特定方法。在一些实施方式中，计算均方差，并且如果均方差小于阈值，则认为全息图280A是可接受的。如果第四处理块259确定全息图280A不可接受，则可以执行算法的进一步迭代。然而，该比较步骤不是必需的，并且在其它实施方式中，所执行的算法的迭代次数是预定的或预设的或用户定义的。

图2B表示算法的第二次迭代以及算法的任何进一步迭代。通过算法的处理块反馈前一次迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布以有利于输入图像210的幅度值的分布。在第一次迭代中，数据形成步骤202A通过组合输入图像210的幅度值的分布和随机相位分布230来形成第一复数数据集。然而，在第二次和随后的迭代中，数据形成步骤202B包括通过组合(i)来自算法的先前迭代的相位值213A的分布与(ii)输入图像210的幅度值的分布来形成复数数据集。

然后，以参考图2A描述的相同方式处理由图2B的数据形成步骤202B形成的复数数据集，以形成第二迭代全息图280B。因此，此处不再重复对该过程的解释。当已经计算出第二迭代全息图280B时，算法可以停止。然而，可以执行算法的任何数量的进一步迭代。应当理解，仅在需要第四处理块259或需要进一步迭代时才需要第三处理块256。输出全息图280B通常在每次迭代时变得更好。然而，在实践中，通常达到一个点，在该点处没有观察到可测量的改进，或者执行进一步迭代的积极益处被额外处理时间的负面影响抵消。因此，该算法被描述为迭代和收敛的。

图2C表示第二次和随后迭代的替代实施方式。通过算法的处理块反馈前一次迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布以有利于幅度值的替代分布。在该替代实施方式中，幅度值的替代分布是从先前迭代的幅度值211的分布中导出的。具体地，处理块258从前一次迭代的幅度值211的分布中减去输入图像210的幅度值的分布，将该差值缩放增益因子α并从输入图像210中减去缩放的差值。这在数学上通过以下等式表示，其中下标文本和数字表示迭代次数：

R_n+1[x,y]＝F'{exp(iψ_n[u,v])}

ψ_n[u,v]＝∠F{η·exp(i∠R_n[x,y])}

η＝T[x,y]-α(|R_n[x,y]|-T[x,y])

其中：

F'是逆傅里叶变换；

F是正向傅里叶变换；

R[x,y]是第三处理块256输出的复数数据集；

T[x,y]是输入或目标图像；

∠是相位分量；

Ψ是仅相位全息图280B；

η是幅度值211B的新分布；和

α是增益因子。

增益因子α可以是固定的或可变的。在一些实施方式中，基于输入目标图像数据的尺寸和速率(rate)确定增益因子α。在一些实施方式中，增益因子α取决于迭代次数。在一些实施方式中，增益因子α仅是迭代次数的函数。

图2C的实施方式与图2A和图2B的实施方式在所有其它方面相同。可以说仅相位全息图Ψ(u,v)包括频域或傅里叶域中的相位分布。

在一些实施方式中，使用空间光调制器执行傅里叶变换，具体地，全息数据与提供光功率的第二数据合并。也就是说，写到空间光调制的数据包括代表目标的全息图数据和代表透镜的透镜数据。当在空间光调制器上显示并用光照射时，透镜数据模拟物理透镜—也就是说，它以与相应物理光学器件相同的方式将光带至焦点。因此透镜数据提供光学或聚焦功率。在这些实施方式中，图1的物理傅里叶变换透镜120可被省略。在计算机生成全息术的领域中已知如何计算代表透镜的数据。代表透镜的数据可以称为软件透镜。例如，可以通过计算由于其折射率和空间变化的光路长度而由透镜的每个点引起的相位延迟来形成仅相位透镜(phase-only lens)。例如，凸透镜中心处的光路长度大于透镜边缘处的光路长度。仅振幅透镜可以由菲涅耳波带片形成。在计算机生成的全息术的领域中还已知如何将代表透镜的数据与全息图组合，使得可以在不需要物理傅里叶透镜的情况下执行对全息图的傅里叶变换。在一些实施方式中，通过简单的加合(例如简单的矢量加合)将透镜数据与全息图组合。在一些实施方式中，物理透镜与软件透镜结合使用以执行傅里叶变换。或者，在其它实施方式中，完全省略傅里叶变换透镜，使得全息重建发生在远场中。在进一步的实施方式中，全息图可以相同的方式与光栅数据组合—光栅数据，即，被布置为执行光栅功能的数据，诸如光束控制。同样，在计算机生成的全息照相的领域中已知如何计算这样的数据。例如，可以通过对由闪耀光栅的表面上的每个点引起的相位延迟进行建模来形成仅相位光栅。仅振幅光栅可以简单地叠加在仅振幅全息图上，以提供对振幅全息重建的角度控制。

在一些实施方式中，傅里叶变换由物理傅里叶变换透镜和软件透镜共同执行。也就是说，有助于傅里叶变换的一些光学能力由软件透镜提供，并且有助于傅里叶变换的其余光学能力由一个或多个物理光学器件提供。

在一些实施方式中，提供了一种实时引擎，其被布置成使用该算法实时接收图像数据并计算全息图。在一些实施方式中，图像数据是包括图像帧序列的视频。在其它实施方式中，全息图被预先计算、存储在计算机存储器中并根据需要被调用以在SLM上显示。也就是说，在一些实施方式中，提供了预定全息图的储存库。

实施方式仅作为示例涉及傅里叶全息术和Gerchberg-Saxton类型算法。本公开可等同地适用于通过诸如基于点云方法的其它技术计算的菲涅耳全息术和全息图。

光调制

空间光调制器可用于显示包括计算机生成的全息图的衍射图案。如果全息图是仅相位全息图，则需要调制相位的空间光调制器。如果全息图是完全复合全息图，则可以使用调制相位和振幅的空间光调制器，或者可以使用调制相位的第一空间光调制器和调制振幅的第二空间光调制器。

在一些实施方式中，空间光调制器的光调制元件(即，像素)是包含液晶的单元。也就是说，在一些实施方式中，空间光调制器是液晶器件，其中光学活性部件是液晶。每个液晶单元被配置为选择性地提供多个光调制级。也就是说，每个液晶单元被配置为在任何一个时间在从多个可能的光调制级中选择的一个光调制级操作。每个液晶单元可动态地重新配置为与多个光调制级不同的光调制级。在一些实施方式中，空间光调制器是硅基反射液晶(LCOS)空间光调制器，但是本公开不限于这种类型的空间光调制器。

LCOS器件在小孔径(例如几厘米宽)内提供密集的光调制元件或像素阵列。像素通常约为10微米或更小，这导致几度的衍射角，这意味着光学系统可以是紧凑的。与其它液晶设备的较大孔径相比，更容易充分照亮LCOS SLM的小孔径。LCOS器件通常是反射性的，这意味着驱动LCOS SLM的像素的电路可以埋在反射表面下。这产生更高的孔径比。换言之，像素紧密堆积意味着像素之间存在非常小的死区。这是有利的，因为它减少了重放场中的光学噪声。LCOS SLM使用硅背板，其优点是像素是光学平坦的。这对于相位调制装置尤其重要。

下面仅通过举例的方式参考图3描述合适的LCOS SLM。使用单晶硅衬底302形成LCOS器件。它具有由间隙301a隔开的方形平面铝电极301的2D阵列，布置在衬底的上表面上。可以通过埋在衬底302中的电路302a寻址每个电极301。每个电极形成相应的平面镜。配向层303布置在电极阵列上，以及液晶层304布置在配向层303上。第二配向层305布置在平面透明层306上，例如玻璃上。单个透明电极307，例如ITO，布置在透明层306和第二配向层305之间。

每个方形电极301与透明电极307的覆盖区域和介于中间的液晶材料一起限定可控相位调制元件308，通常称为像素。考虑到像素301a之间的间隔，有效像素区域或填充因子是光学活性的总像素的百分比。通过控制施加到每个电极301的相对于透明电极307的电压，可以改变各个相位调制元件的液晶材料的特性，从而为入射在其上的光提供可变的延迟。效果是向波前提供仅相位调制，即不发生振幅效应。

所描述的LCOS SLM输出反射的空间调制光。反射型LCOS SLM的优势在于信号线、栅极线和晶体管位于镜面下方，从而产生高填充因子(通常大于90％)和高分辨率。使用反射型LCOS空间光调制器的另一个优点是液晶层的厚度可以是使用透射装置时所需厚度的一半。这极大地提高了液晶的切换速度(移动视频图像投影的关键优势)。然而，可以使用透射型LCOS SLM等同地实现本公开的教导。

全息图映射方案

仅通过简单示例，图4A代表包括16个全息图像素的全息图，所述16个全息像素以包括四行和四列的规则的[4×4]阵列排列。此后用于每个像素的两位数字编号方案包括行号随后跟列号，第一个数字代表行号，第二个数字代表列号。例如，“23”表示第2行第3列的全息图像素值。读者将理解的是，实际上每个全息图可包含任意数量的像素，例如，1024行和512列像素。

从前述内容可以理解，每个全息图像素具有全息图像素值，该全息图像素值可以是幅度值、相位值或具有幅度值和相位值的复数。本文对包括仅相位值的全息图像素的所有引用仅作为示例。例如，每个全息图像素值可表示范围在0到2π弧度内的相位延迟值。例如，全息图像素“23”可以具有全息图像素值为π/2。入射在全息图像素“23”上的光将被延迟π/2。每个全息图像素被独立控制来“显示”对应的全息图像素值。总的来说，全息图将相位延迟分布应用到入射光波前。

全息图可以显示在空间光调制器上。在传统配置中，在全息图像素和空间光调制器的光调制像素之间具有一对一的相关性(或映射)。因此，图4A等同地代表可用于显示[4×4]全息图的空间光调制器的[4×4]光调制像素的阵列。例如，全息图像素“23”的全息图像素值(即前一示例中的π/2)可以写入包括[4×4]光调制像素的空间光调制器的光调制像素“23”。更具体地，光调制像素“23”被寻址来驱动局部液晶，使得入射在空间光调制器的像素“23”的区域上的光被推迟π/2弧度。驱动液晶单元包括在液晶单元上施加电压，该电压引起局部液晶的倾斜和/或扭曲，并利用液晶的双折射的优点来有效地提供电压控制的折射率，其通过软件控制的量使通过该液晶单元的光的传播延迟。

图4B示出了包括规则阵列的光调制像素的空间光调制器中的光调制像素(例如光调制像素400)的布置。每个光调制像素的像素尺寸为410。相邻的光调制像素被分离开规则的像素间间隙420。阵列的周期430和用于照射光调制像素的阵列的光的波长确定衍射角，由于阵列的周期性，因此确定了在距空间光调制器一定距离处的全息重放场的尺寸。

全息重放场的尺寸I由以下因素决定：

I＝2Ltanθ (1)

其中L是从空间光调制器到全息重放平面的距离，θ是衍射角，由下式定义：

其中δ在本文中称为“周期”(参见图4B的附图标记430)，并且λ是用于形成全息重建的光的波长。周期δ代表可以在空间光调制器上显示的最大空间频率。

可以在重放场中形成的最小特征可被称为“分辨率元素”、“图像斑点”或“图像像素”。四边形孔径的傅立叶变换是sinc函数，因此空间光调制器孔径将每个图像像素定义为sinc函数。更具体地，重放场上的每个图像像素的空间强度分布是sinc函数。每个sinc函数可以被认为是包括峰值强度初阶衍射阶和一系列递减强度的高阶衍射阶，其远离初阶顺序径向延伸。每个sinc函数的尺寸(即每个sinc函数的物理或空间范围)由空间光调制器的尺寸(即由光调制元件的阵列或空间光调制器像素形成的孔径的物理或空间范围)确定。具体地，由光调制像素的阵列形成的孔径越大，图像像素越小。

由于(1)不同全息重建的总体尺寸的总体不匹配以及(2)每次全息重建中图像斑点的位置之间的不匹配，不同颜色全息重建的尺寸之间的任何差异都显着降低了所感知的颜色重建的质量。如上述背景技术中所述，发明人先前公开了一种针对每种颜色信道使用不同长度傅里叶路径来解决这些不匹配的技术—参见例如英国专利GB 2,547,929。

图5至图8分别示出了根据本公开的一些实施例的第一、第二、第三和第四全息图映射方案。应当理解，所描述的方法可以扩展到任意数量的全息图映射方案，这取决于可用的光调制像素的数量和分配给每个全息图像素的光调制像素的最大数量。全息图映射方案可以用作不匹配问题的替代解决方案的一部分，或者更广泛地，用作动态、可切换或选择性地改变全息重放场的尺寸的方法的一部分。每种方法和每个实施例中描述的各个光调制像素具有相同/恒定的尺寸。在一些实施例中，光调制像素的像素尺寸(例如，宽度)小于2000nm，可选地小于1000nm(诸如小于500nm或小于250nm)。

图5示出了第一全息图映射方案的示例，其中[16×16]光调制像素的阵列用于显示图4A中所示的[4×4]全息图。每个全息图像素值显示在16个光调制像素上，形成[4×4]的组或集。例如，全息图像素“11”的全息图像素值显示在最上和最左侧的一组[4×4]个光调制像素中。例如，全息图像素“44”的全息图像素值由最低和最右组的一组[4×4]光调制像素的所有16个光调制像素显示。造成光调制像素阵列全部被使用。也就是说，所有可用的光调制像素都被用于显示全息图。

图6示出了第二全息图映射方案的示例，其替代使用[16×16]光调制像素来显示[4×4]全息图。第二全息图映射方案使用比第一全息图映射方案更少的光调制像素来显示每个全息图像素值。每个全息图像素值显示在形成[3×3]组或集的九个光调制像素上。例如，全息图像素“11”的全息图像素值由最上面和最左边的一组[3×3]个光调制像素的所有九个光调制像素显示。

图7示出了第三全息图映射方案的示例，其替代使用[16×16]光调制像素来显示[4×4]全息图。第三全息图映射方案使用比第二和第一全息图映射方案更少的光调制像素来显示每个全息图像素值。每个全息图像素值显示在形成[2×2]组或集的四个光调制像素上。例如，全息图像素“11”的全息图像素值由最上面和最左边的一组[2×2]个光调制像素的所有四个光调制像素显示。

图8示出了示例性第四全息图映射方案，其替代使用[16×16]光调制像素来显示[4×4]全息图。第四全息图映射方案使用比第三、第二和第一全息图映射方案更少的光调制像素来显示每个全息图像素值。每个全息图像素值显示在一个光调制像素上。例如，全息图像素“11”的全息图像素值由最上面和最左边的光调制像素显示。第四全息图映射方案是传统的一对一映射方案。

在第一、第二和第三全息图映射方案中，每个全息图像素的全息图像素值显示在多个光调制像素上或写入多个光调制像素。因此，光调制像素的数量大于全息图像素的数量。显示每个全息图像素值的多个光调制像素在阵列上形成连续区域。换句话说，显示每个全息图像素值的多个光调制像素形成连续的组。每个全息图像素值显示在相同数量的光调制像素上。每个连续的光调制像素组有效地起到较大的单个光调制像素的作用。也就是说，较大的光调制区域被分配给每个全息图像素。第一、第二和第三全息图映射方案类似于在较大像素上显示全息图。连续的一组光调制像素中的每个光调制像素可以称为“子像素”。在一些实施例中，连续光调制像素组的宽高比与单个光调制像素的宽高比相同，但在其他实施例中，宽高比不同。有利地，可以使用不同的宽高比来提供更优选的重放场形状。在一些实施例中，连续的一组光调制像素形成矩形。也就是说，它们形成矩形的光调制区域。例如，连续的组可以包括[x×y]个光调制像素，其中x≠y以便提供宽高比为[y×x]的矩形重放场。

在第一、第二、第三和第四全息图映射方案中，应当理解，全息图像素尚未重新排列或改组。每个光调制像素或一组光调制像素的相应位置在空间上对应于全息图像素的阵列中对应的全息图像素的相应位置。换句话说，在显示期间每个全息图像素值的相应的行和列定位保持不变。可以说，通过全息图映射方案保留了每个全息图像素的空间布置或相应的位置信息。

在所示的示例性第二、第三和第四全息图映射方案中，并非空间光调制器的所有像素都用于显示全息图。可以说可用的光调制像素阵列没有被全部利用。然而，在附图中未示出的其他实施例中，未使用的光调制像素可以用于下面描述的铺瓦(tiling)方案中，其中全息图的至少一部分是重复的。

第一、第二和第三全息图映射方案提供了通过在多个光调制像素的连续的一组光调制像素上显示每个全息图像素值，以在多个光调制像素上显示全息图的示例，使得在全息图像素和多个光调制像素之间具有一对多的像素相关性。

对包括至少一个包括一对多的像素相关性的全息图映射方案的不同全息图映射方案的使用可以参考以下示例进一步理解，其中示例的红色、绿色和蓝色全息重建(或图像)的尺寸使用等式1和2计算。

空间光调制器包括光调制元素或像素的2D阵列。全息地投影到重放平面上的图像是2D图像。在以下示例中对单个数量的子像素和距离的参考是相对于子像素的数量或两个维度之一中的距离做出的。应该理解，所描述的参数在两个维度上延伸(例如宽度和高度)。例如，参考使用n个子像素的映射方案被用作是包括[n×n]个子像素的子像素的区域的简写。同样地，本文参考图像尺寸为ymm则用作为尺寸为[y×y]mm的2D图像的简写。

例1

下面的表1示出了红色(630nm)、绿色(532nm)和蓝色(450nm)全息重建的尺寸如何取决于用于显示每个相应的全息图像素的子像素的数量。

表1

表1的列1代表每组的光调制像素(或子像素)的数量。在该示例中，每个光调制像素的像素尺寸为750nm，并且从空间光调制器到重放平面L的距离是100mm。因此，一组的总尺寸是每组子像素数量和像素尺寸的倍数。总尺寸表示分配给每个全息图像素值的每个光调制区域的尺寸并确定了衍射角。表1的第四、第五和第六列分别示出了当用红色、绿色和蓝色光照射所显示的全息图时所计算的图像尺寸。

如果四个子像素(更具体地，[4×4]个子像素)用于红色、绿色和蓝色全息重建(即图像)，则最大图像(红色)和最小图像(蓝色)之间的尺寸不匹配是6.074mm(在宽度和高度上)。但是，如果只有三个子像素(即[3×3])用于蓝色图像，则尺寸不匹配减小到3.313mm，这是因为蓝色图像的尺寸增加了1.947mm达到19.033mm(每个方向上)，且目前绿色图像是最小图像。因为图像斑点的数量不受全息图映射方案的影响，所以在图像斑点的位置之间的不匹配也将得到相应的改善。例如，图像尺寸的增加提供了相邻的图像斑点之间间距的增加(也就是说图像点密度的减小)。据此，因为颜色图像之间的不匹配减少了，所以实现了改进的复合颜色图像。这种方法可用于将不匹配减少到可接受的级别，或用于减少对结合使用的其他方法的要求，以将不匹配减小到可接受的级别。因此提供了一种包括使用第一数量的光调制像素来显示第一全息图的每一个全息图像素值和使用第二数量的光调制像素来显示第二全息图的每个全息图像素值的方法。

在表1的示例中，对于红色，绿色和蓝色图像使用一对多像素相关性。然而，应当理解的是在其他示例中，可以使用一对多的像素相关性将第一全息图映射到光调制像素(例如，图5、图6或图7)，且可使用一对一的像素相关性将第二全息图映射到光调制像素(例如，图8)，以便减少对应的第一和第二图像之间的不匹配。据此，该方法可包括：(i)通过在多个光调制像素的连续的一组光调制像素上显示每个全息图像素值以在该多个光调制像素上显示第一全息图，使得在全息图和多个光调制像素之间具有一对多的像素相关性，以及(ii)通过在相应的光调制像素上显示每个第二全息图像素值以在该多个光调制像素上显示第二全息图，使得在第二全息图和多个光调制像素之间具有一对一的相关性。

例2

在第二示例中，每个光调制像素的像素尺寸为1000nm，像素间间隙为50nm，并且从空间光调制器到重放平面L的距离为300mm。

表2

从表2可以看出，如果对于红色、绿色和蓝色全息图中的每一个使用四个子像素，则尺寸不匹配(在重放平面处的最大图像与最小图像之间的尺寸差异)是13.423mm。然而，如果对于每种颜色使用不同数量的光调制像素，则可减小尺寸不匹配。在该示例中，如果红色使用六个子像素，绿色使用五个子像素，蓝色使用四个子像素，则尺寸不匹配(在蓝色图像和红色图像之间的尺寸差异)减小到33.385-31.282mm＝2.103，这样获得高于六倍因子的改进。

在实施例中，用于显示每个全息图像素的子像素的数量随着波长而增加，以便减小全息重放平面处的尺寸不匹配。在实施例中，用于显示红色全息图的每个全息图像素值的子像素的数量大于用于显示绿色全息图的每个全息图像素值的子像素的数量，并且可选地，用于显示绿色全息图的每个全息图像素值的子像素的数量大于用于显示蓝色全息图的每个全息图像素值的子像素的数量。

如参考图9A和图9B可以理解的，使用根据本公开的子像素组还可以更好地利用多波长投影仪中的全息地形成的图像像素的数量。具体地，图9A示出了空间光调制器920，其被布置为以FSC方案显示全息图。使用由在空间光调制器920上显示的相应的全息图所衍射的红光930R以在重放平面940处形成红色重放场900R。使用绿光930G以相同方式在重放平面940处形成绿色重放场900G。使用蓝光930B在重放平面940处形成蓝色重放场900B。根据等式1和2，红色重放场900R大于绿色重放场900G，绿色重放场900G又大于蓝色重放场900B，这在图9B中进一步说明。

正如从前述内容可以理解，红色图像在红色重放场900R内全息地重建，绿色图像在绿色重放场900G内全息地重建，蓝色图像在蓝色重放场900B内全息地重建。

在其中每个像素可以包括红色、绿色和蓝色光的复合颜色图像可仅使用在重放平面处的重叠区域来显示。也就是可以显示红色、绿色和蓝色图像内容的区域。当然，重叠的区域是最小重放场的区域，即蓝色重放场900B。如果重叠区域用于以FSC方案显示全色图像，则红色和绿色图像将包括比蓝色图像更少的像素，这是因为一些红色和绿色像素将在重叠区域之外。

下面的表3示出了在其中蓝色图像包括1024×1024个图像像素的示例。具体地，表3示出了如何将第一数量的光调制像素来显示第一全息图的每个全息图像素值和将第二数量的光调制像素以显示第二全息图的每个全息图像素值的概念用于更好地优化图像像素的数量，并从而优化图像的质量。可以看出，如何将不同数量的子像素用于红色、绿色和蓝色意味着在重叠区域中形成更多红色和绿色像素。

每种维度中所使用的子像素的数量	红色重叠/像素	绿色重叠/像素	蓝色重叠/像素
				红色＝4，绿色＝4，蓝色＝4	730x 730	865x 865	1024x 1024
红色＝6，绿色＝5，蓝色＝4	959x 959	970x 970	1024x 1024

表3

从表3可以看出，通过使用数量增加的子像素来显示红色和绿色的每个全息图像素，在重叠区域中的红色和绿色图像像素的数量分别增加。具体地，重叠区域中的红色像素的数量增加了959-730个像素＝292个像素，且重叠区域中的绿色像素的数量增加了970-865个像素＝105个像素。这相当于重叠区域中红色图像像素的数量增加了40％，而重叠区域中绿色图像像素的数量增加了12％。

用于显示每个全息图像素值的子像素的数量确定了显示全息图所需的光调制像素的总数量。显示全息图所需的光调制像素的总数量限定出空间光调制器上的光调制区域。每个计算机生成的全息图(红色、绿色或蓝色)可以包括例如1024×1024个全息图像素值。如果使用像素节距(像素尺寸加像素间间隙)为1μm的六个光调制像素来显示每个红色全息图像素值(即，每个红色全息图像素使用六乘六个子像素)，显示红色全息图所需的光调制区域宽度和高度均为6×1000×1024＝6.1mm。如果使用尺寸为1μm的四个光调制像素来显示每个蓝色全息图像素值，则显示蓝色全息图所需的光调制区域将是4.1×4.1mm。因此，在诸如示例2的一些实施例中，红色光调制区域(即，用于显示红色全息图的光调制区域)的尺寸(例如，宽度和/或面积)大于绿色光调制区域，绿色光调制区域的尺寸又大于蓝色光调制区域。

在一些实施例中，照射空间光调制器的光斑点的直径是基于用于显示相应的全息图的光调制区域的物理尺寸(例如，以毫米为单位的宽度和/或以平方毫米为单位的面积)来确定的。在一些实施例中，光斑点的一个维度基本上与相应的全息图的一个维度匹配。例如，光斑点的直径可以与用于显示对应的全息图的光调制区域的宽度匹配。在一些实施例中，光调制区域的形状与来自光系统的光斑点的形状基本相同，在该实施例中，光斑点的尺寸可以基本上等于光调制区域的尺寸。在其他实施例中，光调制区域和光斑点可具有不同的形状，但是它们仍然可以匹配。匹配包括确保光调制区域内的每个光调制像素都能够接收足够的光以用于高质量的全息重建，而不会由于照射在光调制区域外而浪费太多的光能量。在一些实施例中，光调制区域是四边形(例如正方形或矩形)，并且由每个光系统输出的光斑点是椭圆形或圆形。光斑点的尺寸可以使得光调制区域略微过满。也就是说，所照射的区域略大于光调制区域的面积。光斑点的尺寸可以使得光调制区域外接收光的区域最小化。光斑点的尺寸可以使得被浪费的光能量最小化。光斑点的强度在横截面上可以是不均匀的。例如，光斑点的空间强度可以是高斯分布。可将光斑点的尺寸选为使得照射光调制区域的光斑点的强度是光调制区域内所有点处的最大强度的至少1/e²。可替换地，可将光斑点的尺寸选为使得光斑点的强度是光调制区域上的选定点处的最大值的1/e²，例如在光调制区域的四个角处，或限定出光调制区域的四条相应的边的四个中点处。在一些实施例中，光斑的直径随着光调制区域的尺寸而增加。

图10A、图10B和图10C示出了一个实施例，其中照射空间光调制器的光斑点的直径取决于照射光的波长，或者是照射光的波长的函数。图10A示出了第一光系统，其被布置成输出适合于照射包括每个全息像素四个子像素(更具体地[4×4]个)的蓝色全息图的蓝光。更详细地，图10A示出了发射具有半角θ的发散蓝光的蓝色激光二极管1010B。透镜1020B定位在距蓝色激光二极管1010B其焦距F1处，使得具有光束直径D1的准直蓝光形成于下游透镜1020B处。图10B示出了第二光系统，其被布置成输出适合于照射包括每个全息图像素五个子像素的绿色全息图的绿光。更具体地，图10B示出了发射具有半角θ的发散绿光的绿色激光二极管1010G。透镜1020G被定位在其距绿色激光二极管1010G的焦距F2处，使得具有光束直径D2的准直绿光形成于下游透镜1020G处。图10C示出了第三光系统，其被布置成输出适合于照射包括每个全息图像素六个子像素的红色全息图的红光。更具体地，图10C示出了发射具有半角θ的发散红光的红色激光二极管1010R。透镜1020R被定位在其距红色激光二极管1010R的焦距F3处，使得具有光束直径D3的准直红光形成于下游透镜1020R处。蓝色激光二极管1010B发射的蓝光的发散角与绿色激光二极管1010G发射的绿光的发散角相同，绿色激光二极管1010G发射的绿光的发散角与红色激光二极管1010R发射的红光的发散角相同。换句话说，蓝光系统(图10A)中的半角θ与绿光系统(图10B)中的半角θ相同，而绿光系统中的半角θ又与红光系统中的半角θ相同(图10C)。可以说，在该实施例中，蓝色光照系统的数值孔径基本上等于绿色光照系统的数值孔径，绿色光照系统的数值孔径基本上等于红色光照系统的数值孔径。尽管图10示出准直透镜被完全照射(即，照射覆盖在其全直径上)，但是本公开可等同地适用于底部填充(underfilling)准直透镜，在这种情况下可以说三个光照系统的操作数值孔径是相同的。在一些实施例中，用于照射红色全息图的红色光斑点的直径D3大于用于照射绿色全息图的绿色光斑点的直径D2，用于照射绿色全息图的绿色光斑点的直径D2又大于用于照射蓝色全息图的蓝色光斑点的直径D1。

如果减小光调制区域的尺寸，则减小了来自相应的光照系统的所需光束直径D。转而减小了相应的光照系统的准直透镜的所需焦距F。因此，如果使用比用于显示红色全息图更少的子像素来显示绿色和蓝色全息图，则绿色光照系统的尺寸和蓝色光照系统的尺寸可能比红色光照系统的尺寸更小。据此，可以减少绿色和蓝色光系统所需的物理空间体积(与红色光照系统相比)，并且可以提供更紧凑的投影仪。

附加特征

在图5至图8的实施例中，在同一空间光调制器上使用四种不同的全息图寻址方案显示[4×4]全息图。在一些实施例中，这是以FSC方案实现的。在第一帧中，可以使用第一全息图寻址方案将第一全息图映射在空间光调制器上，并且在第二帧中，可以使用第二全息图寻址方案将第二全息图映射到同一空间光调制器上。第一帧和第二帧可以在不同时间显示。该第一帧和第二帧可以是帧序列的连续帧，例如帧的视频速率序列。

在上面参考表1的示例中，图5的全息图寻址方案用于显示红色和绿色全息图，且图6的全息图寻址方案用于显示蓝色全息图。同样，在一些实施例中，这是以FSC方案实现的。在这种情况下，至少一个光调制像素被用于在第一时间显示第一全息图的全息图像素值，并且在与第一时间不同的第二时间显示第二全息图的全息图像素值。

可替换地，可以在SSC方案中使用不同的第一和第二寻址方案。在这样的实施例中，第一全息图显示在第一空间光调制器上，且第二全息图显示在第二空间光调制器上。当使用三个单独的颜色信道时这可能是优选的，例如英国专利GB 2,547,929中所公开的，在此引入该专利作为参考。换句话说，本文公开的方法可以与GB 2,547,929的方法结合使用以减少不匹配。

在一些实施例中，该方法还包括用具有一波长的光来照射所显示的全息图以投影出具有一区域的全息重放场，并用具有第二波长的光来照射第二显示的全息图以投影出具有第二区域的第二全息重放场。可以理解的是，用于显示该全息图和第二全息图的不同数量的光调制像素可以使得该区域和第二区域的尺寸基本相同。该区域和第二区域可以重叠以形成复合颜色重放场，其不同颜色分量之间的不匹配减少了。

在其他实施例中，该方法还包括用具有一波长的光来照射所显示的全息图以投影出具有一区域的全息重放场，并用具有该波长的光来照射第二显示的全息图以投影出具有第二区域的第二全息重放场。可以理解的是，用于显示该全息图和第二全息图的不同数量的光调制像素可以使得全息重建的尺寸动态地改变。因此，提供了一种改变图像尺寸的方法，该方法包括改变子像素的数量。

各实施例仅作为示例涉及电激活的LCOS空间光调制器。本公开的教导可以等同地在能够显示根据本公开的计算机生成的全息图的任何空间光调制器上实现，诸如任何电激活的SLM、光激活的SLM、数字微镜器件或微机电器件，用于示例。

在一些实施例中，每个照射是由诸如激光器(例如激光二极管)的光源提供的。在一些实施例中，全息重建或图像形成在光接收表面上，例如漫射器表面或屏幕(例如漫射器)。

全息重建的质量可能受到所谓的零阶问题的影响，这是使用像素化空间光调制器的衍射性质的结果。这种零阶光可以被视为“噪声”并且包括例如镜面反射光和来自SLM的其它不想要的光。在傅里叶全息术的实例中，这种“噪声”聚焦在傅里叶透镜的焦点上，导致全息重建中心的亮斑点。可以简单地阻挡零阶光，但这意味着用暗斑点替换亮斑点。一些实施例包括角度选择性滤波器，以仅去除零阶的准直光线。实施方式还包括欧洲专利2,030,072中描述的管理零阶的方法，该专利通过引用整体并入本文。

在图5的实施例中，全息图填充空间光调制器。也就是说，全息图使用空间光调制器的所有像素。在其它实施方式中(例如图6、7和8)，全息图的尺寸小于空间光调制器的尺寸。在这些其它实施方式的一些中，在未使用的像素中重复全息图的一部分(即，全息图的像素的连续子集)。该技术可以称为“铺瓦(tiling)”，其中空间光调制器的表面区域被划分为多个“瓦片”，每个“瓦片”代表全息图的至少一个子集。因此，每个瓦片的尺寸小于空间光调制器的尺寸。在一些实施例中，实现“铺瓦”技术以提高图像质量。具体地，一些实施例实现铺瓦技术以最小化图像像素的尺寸，同时最大化进入全息重建的信号内容的量。在一些实施例中，写入空间光调制器的全息图案包括至少一个整个瓦片(即，完整全息图)和瓦片的至少一部分(即，全息图的连续像素子集)。

在一些实施例中，仅允许主重放场传播到重放平面，并且系统包括物理块(例如阻挡块(baffles))，其被布置成限制高阶重放场通过系统的传播。

实例描述了用可见光照射SLM，但是技术人员将理解，光源和SLM可以等同地用于引导红外或紫外光，例如，如本文所公开的。例如，技术人员将意识到用于将红外和紫外光转换成可见光的技术，以便向用户提供信息。例如，本公开扩展到为此目的使用磷光体和/或量子点技术。

一些实施例仅通过示例的方式描述了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。

依据本公开的全息投影仪可以用作平视显示器(head-up display)或头戴式显示器(诸如近眼设备)的图片生成单元。也就是说，提供了一种包括根据本公开的全息投影仪的平视显示器、头戴式显示器和近眼装置。在一些实施例中，提供了一种包括平视显示器的车辆，该平视显示器具有包括全息投影仪的图片生成单元。该车辆可以是机动车辆，诸如汽车、卡车、客车、货车、摩托车、火车、飞机、船或舰。

本文描述的方法和过程可以实施在计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”包括被布置临时或永久地存储数据的介质，诸如随机存取存储器(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”还应被视为包括能够存储由机器执行的指令的任何介质或多个介质的组合，使得指令在由一个或多个处理器执行时导致机器完全或部分地执行本文所述的任何一种或多种方法。

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”包括但不限于以固态存储器芯片、光盘、磁盘或其任何合适组合的示例形式的一个或多个有形和非暂时性数据存储库(例如，数据卷)。在一些示例实施方式中，用于执行的指令可以由载体介质传送。这种载体介质的实例包括瞬态介质(例如，传送指令的传播信号)。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以进行各种修改和变化。本公开涵盖所附权利要求及其等同物的范围内的所有修改和变化。

Claims (12)

1.一种使用包括光调制像素的一个或多个空间光调制器来显示全息图的方法，该方法包括：

在空间光调制器处接收包括多个第一全息图像素的第一全息图，每个第一全息图像素具有相应的全息图像素值；和

通过将每个全息图像素值显示在所述多个光调制像素的连续的一组光调制像素上，以在所述空间光调制器的所述多个光调制像素上显示所述第一全息图，使得在每个全息图像素和显示所述像素值的连续的一组光调制像素内的多个光调制像素之间存在一对多的像素相关性；

其中，所述第一全息图中的每个全息图像素值与各个其他全息图像素值被显示在相同数量的光调制像素上；所述方法还包括：

在空间光调制器处接收包括多个第二全息图像素的第二全息图，每个第二全息图像素具有相应的全息图像素值；

通过将每个第二全息图像素值显示在所述多个光调制像素的连续的一组光调制像素上，以在所述空间光调制器的所述多个光调制像素上显示所述第二全息图，使得在每个第二全息图像素和显示所述像素值的连续的一组光调制像素内的多个光调制像素之间存在一对多的像素相关性；或者通过将每个第二全息图像素值显示在一个相应的光调制像素上，以在多个光调制像素上显示所述第二全息图，使得在每个第二全息图像素和显示所述像素值的单个光调制像素之间存在一对一的相关性；

其中所述第二全息图中的每个第二全息图像素值与各个其他第二全息图像素值被显示在相同数量的光调制像素上；以及

其中，使用第一数量的光调制像素来显示第一全息图的每个全息图像素值，和使用第二数量的光调制像素来显示第二全息图的每个第二全息图像素值，所述第一数量与第二数量不同。

2.如权利要求1所述的显示全息图的方法，其中所述第一全息图和第二全息图被显示在同一空间光调制器上。

3.如权利要求1或2所述的显示全息图的方法，其中至少一个光调制像素被用于在第一时间显示所述第一全息图的全息图像素值，并且在第二时间显示所述第二全息图的第二全息图像素值，所述第二时间与所述第一时间不同。

4.如权利要求1所述的显示全息图的方法，其中所述第一全息图被显示在第一空间光调制器上，并且所述第二全息图被显示在第二空间光调制器上。

5.如权利要求1所述的显示全息图的方法，还包括用具有波长的光照射所显示的全息图以投影出具有一个区域的全息重放场，并且用具有第二波长的光照射第二所显示的全息图以投影出具有第二区域的第二全息重放场。

6.如权利要求5所述的显示全息图的方法，其中用于显示所述全息图和所述第二全息图的不同数量的光调制像素使得所述区域和第二区域的尺寸基本相同。

7.如权利要求6所述的显示全息图的方法，还包括使所述区域和第二区域重叠以形成复合颜色重放场。

8.一种全息投影仪，包括：

全息引擎，其被布置为提供包括多个第一全息图像素的第一全息图，每个第一全息图像素具有相应的全息图像素值；

一个或多个空间光调制器；以及

控制器，其被布置为选择性地驱动所述空间光调制器中的一个空间光调制器的多个光调制像素，以使得通过将每个全息图像素值显示在所述多个光调制像素的连续的一组光调制像素上来显示所述第一全息图，使得在每个全息图像素与显示像素值的所述多个光调制像素之间具有一对多的像素相关性；

其中，所述第一全息图中的每个全息图像素值与各个其他全息图像素值被显示在相同数量的光调制像素上；

其中，所述全息引擎进一步被布置为提供包括多个第二全息图像素的第二全息图，每个第二全息图像素具有相应的全息图像素值；并且

其中，所述控制器进一步被布置为选择性地驱动多个空间光调制器中的一个空间光调制器的多个光调制像素，以通过将每个第二全息图像素值显示在所述多个光调制像素的连续的一组光调制像素上来显示所述第二全息图，使得在每个第二全息图像素和显示所述像素值的多个光调制像素之间存在一对多的像素相关性；或者通过将每个第二全息图像素值显示在一个相应的光调制像素上来显示所述第二全息图，使得在每个第二全息图像素和显示所述像素值的单个光调制像素之间存在一对一的相关性；

其中所述第二全息图中的每个第二全息图像素值与各个其他第二全息图像素值被显示在相同数量的光调制像素上；以及

其中，使用第一数量的光调制像素来显示第一全息图的每个全息图像素值，和使用第二数量的光调制像素来显示第二全息图的每个第二全息图像素值，所述第一数量与第二数量不同。

9.如权利要求8所述的全息投影仪，还包括：

光系统，其被布置成用具有波长的光照射第一所显示的全息图，以投影出具有第一区域的第一全息重放场；和

第二光系统，其被布置成用具有第二波长的光照射第二所显示的全息图，以投影出具有第二区域的第二全息重放场。

10.如权利要求9所述的全息投影仪，其中用于显示所述第一全息图和所述第二全息图的不同数量的光调制像素使得所述第一区域和第二区域的尺寸基本相同。

11.如权利要求8-10中任一项所述的全息投影仪，其中相同的空间光调制器被布置为显示所述第一全息图和第二全息图。

12.如权利要求8-10中任一项所述的全息投影仪，其中，第一空间光调制器被布置为显示第一全息图，第二空间光调制器被布置为显示第二全息图，所述第一空间光调制器与所述第二空间光调制器不同。

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