CN111722511B

CN111722511B - 全息投影仪

Info

Publication number: CN111722511B
Application number: CN202010210188.8A
Authority: CN
Inventors: J.克里斯马斯; A.科尔
Original assignee: Daqri Holographics Ltd
Current assignee: Dualitas Ltd
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: GB201903934D0; GB2582370A; CN111722511A; EP3712710A1; US20200301143A1; GB2582370B; US11740456B2

Abstract

提供了一种全息投影仪，其包括空间光调制器、光源和组件。空间光调制器设置为显示全息图。光源设置为用输入光束照射所述空间光调制器的至少一个区域，使得所述输入光束被所述空间光调制器根据所述全息图空间地调制，以形成全息重建。组件布置成使输入光束和空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动。

Description

全息投影仪

技术领域

本公开涉及一种投影仪。更具体地，本公开涉及一种全息投影仪或全息投影系统。一些方面涉及平视显示器和头戴式显示器。一些方面涉及改善由全息投影仪形成的全息图像的质量的方法。

背景技术

从对象散射的光包含振幅和相位信息。可以通过众所周知的干涉技术在例如光敏板上捕获该振幅和相位信息，以形成包括干涉条纹的全息记录或“全息图(hologram)”。可以通过用适当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回放图像。

计算机生成的全息术可以在数值上模拟干涉过程。可以通过基于诸如菲涅耳变换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“CGH”。这些类型的全息图可以被称为菲涅耳或傅立叶全息图。傅立叶全息图可以被认为是对象的傅立叶域表示或对象的频域表示。例如，也可以通过相干射线追踪或点云技术来计算CGH。

CGH可以在被布置为调制入射光的振幅和/或相位的空间光调制器“SLM”上显示、表示或以其他方式编码。例如，可以使用电可寻址液晶、光学可寻址液晶或微镜来实现光调制。

SLM可以包括多个可单独寻址的像素，像素也可以称为单元或元素。光调制方案可以是二进制，多级或连续的。可选地，该装置可以是连续的(即，不由像素组成)，因此光调制可以在整个装置上是连续的。SLM可以是反射性的，这意味着调制光从SLM以反射形式输出。SLM同样可以是透射的，这意味着从SLM输出的调制光是透射光。

可以使用所描述的技术来提供用于成像的全息投影仪。例如，这种投影仪已经应用于平视显示器“HUD”和头戴显示器“HMD”，包括近眼装置。

投影仪在回放平面上形成图像。更具体地，在显示装置下游的回放平面上全息地重建图像。全息形成的图像由多个光斑点组成。这些光斑点具有一些不规则性和不均匀性，这些不规则性和不均匀性会影响观看者感知的图像的整体质量。

散斑是使用高度相干的光源形成图像的结果。尤其是，散斑是具有相同频率但不同相位(某些情况下不同振幅)的许多波干涉的结果。不同的相位会引起波干涉，从而产生合成波，其振幅和强度因此会随机变化。期望减少这种散斑，因为散斑降低了图像的质量。

本公开内容描述了一种方法，该方法增加了在回放平面上全息形成的光斑点的锐度并减少了激光散斑。

发明内容

本公开的方面在所附的独立权利要求中定义。

提供了一种全息投影仪，包括：空间光调制器，被布置为显示全息图；光源，布置为用第一光照射空间光调制器的至少一个区域，使得第一光由空间光调制器根据全息图在空间上被调制以形成第二光，其中，第二光在与空间光调制器在空间上分离的光接收表面上形成全息重建；和控制器驱动组件，布置成使第一光和空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动，可选地，同时全息重建保持形成在光接收表面上。

提供一种改善全息图像的方法，包括：在空间光调制器上显示全息图；用第一光照射空间光调制器的至少一个区域；根据全息图在空间上调制第一光以形成第二光，其中第二光在与空间光调制器在空间上分离的光接收表面上形成全息重建；和使第一光和空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动，可选地，同时全息重建保持形成在光接收表面上。

提供了一种全息投影仪，包括：空间光调制器，被布置为显示全息图；光源，布置成用输入光束照射空间光调制器的至少一个区域，使得输入光束由空间光调制器根据全息图在空间上被调制以形成全息重建；组件，被设置为使输入光束和空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动。

根据全息投影仪和方法，全息重建在回放平面上形成并且被投影以形成全息图像。相对于SLM移动输入光束(反之亦然)具有平均照射束的相位和亮度的效果。这改善了在回放平面上全息形成的光斑点。更具体地，每个光斑点的形状变得更规则，并且每个光斑点的亮度分布变得更均匀。可以说，光斑点较不模糊。这意味着它们较小。较小的光斑点代表显示系统分辨率的提高。总之，根据实施例，构成全息图像的光斑点更小且更尖锐。这实现了更好的显示装置。

全息投影仪还通过减少散斑来改善全息重建的图像质量。使输入光束和空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动可以利用光源和/或SLM中的任何固有不均匀性，从而在所得全息重建中引入随机性。这种随机性本身表现为不同的散斑图案。因此，多次移动输入光束或SLM可以使散斑图案平均化，并提高全息重建的质量。特别地，由于人眼使散斑图案平均化，所以在形成全息重建的同时移动要在空间光调制器上的多个不同位置处入射的输入光束可以改善全息图图像的外观。已经建议，在人眼的整合时间内(15-300毫秒或ms，更通常为30-100ms)呈现大约20个统计独立的散斑图案，可以由人眼将任何散斑图案良好地平滑化。

在一些实施例中，组件包括光学元件，该光学元件布置成在第一光路上接收输入光束并在第二光路上输出所述输入光束。可选地，第二光路基本平行于第一光路但在空间上偏离第一光路。替代地，第二光路可以相对于第一光路成角度。第一光路是输入光束在通过组件移动或移位之前所跟随的光路。诸如透镜或反射镜的光学元件可用于平移或移位输入光束的光路。在其他实施例中，光学元件是具有平行面的板(也称为平行面窗口或平行面光学窗口)。具有平行面的板是形成有平行面以确保最小角度偏差的透明光学板。优选地，具有平行面的板相对于平行于输入光束的第一光轴的轴线倾斜——该倾斜用于产生束位置的平移或其他偏差。

在一些实施例中，组件可以被布置为旋转光学元件(具有平行面的板或其他光学元件，诸如透镜或反射镜)，以使第二光路绕平行于第一光轴的轴线旋转。可选地，平行于第一光轴的轴线与第一光轴共线。由于输入光束具有空间光轮廓，因此以这种方式进行的平移或旋转光束用作平移或旋转照射SLM的光束的轮廓，从而每次移动时不同的空间轮廓照射SLM的区域。

组件可以被布置为在垂直于输入光束的第一光路的方向上移动输入光束和/或空间光调制器。例如，光束可以相对于第一光路以圆周运动或沿着与第一光路相交的轴线沿线性方向移动。组件可以被布置为沿着垂直于输入光束的第一光路的轴线移动输入光束和空间光调制器中的至少一个。输入光束和/或空间光调制器移动所沿的线性方向相对于第一光路可以是水平和/或竖直的。这种相对移动将输入光束从第一光路移位到第二光路，该第二光路相对于第一光路在空间上移位，但可选地保持平行于第一光路。在其他实施例中，组件布置成使输入光束和/或空间光调制器相对于输入光束的第一光路的法线倾斜。

在其他实施例中，组件可以布置成通过电信号而不是机械地(例如通过旋转)相对于空间光调制器移动输入光束。例如，该组件可以包括声光偏转器(AOD)，该声光偏转器被布置为在第一光路上接收输入光束并且在第二光路上输出所述输入光束。这是通过在输入光束穿过载有声波的光传播介质行进(通常沿输入光束的路径传播)时的衍射来实现的。第二输出路径的方向可以通过改变施加到光传播介质以产生声波的电控声驱动信号来改变。第二输出路径的方向的改变使输入光束相对于SLM移动(例如，移动到SLM上的不同位置)。例如，可以响应于施加到附接到光传播介质的压电换能器的振荡射频(RF)驱动信号的频率的变化来移动输入光束。RF驱动信号的改变导致光束的衍射角改变。因此，RF驱动信号的施加频率的改变可以改变离开AOD的光束的输出角度，从而相对于空间光调制器移位输入光束。

在其他实施例中，可以通过任何其他合适的手段来移动输入光束。而且，该组件可以连续地或以离散的方式移动输入光束。可替代地，组件可以包括光学元件，该光学元件连续地或以离散的方式移动以移动输入光束。这种向上和向下移动，或者这种倾斜或旋转可以通过组件的光学元件的移动、或者通过发射输入光束的光源的移动来实现。SLM可以附加地或替代地相对于输入光束移动。改变输入光束的照射SLM的部分可以改善全息投影图像的质量。

可选地，由SLM显示的全息图包括两个或多个图块，每个图块代表输入全息图的至少一部分。本文中使用术语“图块”来指代全息图的像素的连续集合(整个图块)或全息图的像素的子集(部分图块)。输入全息图是表示将要通过经空间调制的输入光束而重建的图像(即，将由全息投影仪投影的全息图像)的全息图。因此，显示在SLM上的全息图由输入全息图的像素的完整集(整个图块)或子集(部分图块)的不同组合形成。

可选地，至少一个图块是代表整个输入全息图的整个图块。可选地，显示在SLM上的整个图块保持被输入光束照射。这种布置赋予了下文所述的图块化的益处，其改善了图像质量，同时通过输入光束和空间光调制器的相对移动进一步改善了图像质量。可选地，全息投影仪是包括处理器的系统的一部分，该处理器布置成接收或生成输入全息图并通过图块化从输入全息图形成将由SLM显示的全息图。处理器可以进一步布置成将全息图传输到空间光调制器以进行显示。

在一些实施例中，当对在SLM上显示的全息图进行图块化时，即，包括全部和/或部分图块(表示要通过经空间调制的光在光接收表面上重建的输入全息图的全部或一部分)，只有SLM的一部分可以被输入光束照射。换句话说，被照射的SLM的至少一个区域的尺寸小于SLM的显示区域的整体尺寸，即，输入光束的横截面面积小于SLM的显示区域，并且SLM“欠量填充”。优选但非必要地，要照射的SLM的区域或部分是包括整个图块的区域。因此，在一些实施例中，将输入光束移动到多个不同的位置，从而在不同的位置中照射在SLM上显示的整个图块。

在其他实施例中，光源被布置为照射整个SLM和围绕SLM的区域。换句话说，光源被布置为使得不仅整个SLM都被照射，而且SLM周围的区域也被照射。这样，SLM被入射在其上的光“过量填充”。这种过量填充可确保所有SLM像素始终被照射。可以以任何期望的方式将输入光束移动到其中SLM保持被过量填充的多个不同位置，从而使入射在SLM上的输入光束的部分发生变化，并且输入光束中的任何不均匀性或变化都被利用，而不会存在SLM的区域将不会由输入光束照射的风险。这样，由于输入光束和SLM的相对移动具有更大的自由度，因此这种过量填充可以消除对输入光束或SLM的移动的约束。在SLM以及周围的某些空间被完全照射的情况中，显示在SLM上的全息图可以是图块化全息图，也可以是表示待重建图像的非图块化全息图。

可选地，在输入光束和空间光调制器的相对移动期间全息重建保持被形成。换句话说，相对移动使得输入光束入射在SLM上的多个不同位置，并且整个SLM或至少一个整个图块始终被照射。当SLM过量填充时，全息重建在输入光束和空间光调制器的相对移动期间不会移动(如果保留入射角)。可选地，全息重建可以形成在回放平面中的回放场处。在该实施例中，不存在物理的光接收表面(例如，不存在屏幕或漫射器)，而仅仅是空间中的包括形成全息重建的区域的平面。这种布置可以提供关于全息重建的投影的灵活性。回放平面可以在空间上远离空间光调制器或投影仪。可选地，全息重建可以形成在光接收表面处。可选地，光接收表面在回放平面处，使得全息重建聚焦在光接收表面上。可选地，光接收表面在空间上与空间光调制器或投影仪分开。可选地，在输入光束和空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动的同时，全息重建保持形成在光接收表面上。

可选地，光接收表面是漫射器或屏幕。当全息投影仪在用于车辆的平视显示器(HUD)中实施时，光接收表面可以是风挡或挡风玻璃，或者可以是单独的漫射器，全息重建在该单独的漫射器上形成，例如在投影到挡风玻璃上之前。

可选地，光源发射空间相干光和/或发射单色光。可选地，光源是激光器。

可选地，空间光调制器是硅上液晶空间光调制器。可选地，空间光调制器是光学寻址的SLM。在实施例中，空间光调制器包括多个可独立寻址的像素。优选地，SLM被布置为在空间上调制输入光束的光的相位和/或振幅。可选地，通过经空间调制的光的干涉来形成全息重建；可选地，在光接收表面处通过经空间调制的光的干涉来形成全息重建。

在一些实施例中，在SLM上显示或表示的全息图是计算机生成的全息图。换句话说，已经计算了全息图，而不仅仅是在SLM上显示或表示了全息图。可选地，当全息图是计算机生成的全息图时，计算机生成的全息图是全息重建的数学变换。可选地，计算机生成的全息图是全息重建的傅立叶变换或菲涅耳变换。可选地，计算机生成的全息图是傅立叶全息图或菲涅耳全息图。可选地，计算机生成的全息图是通过点云方法生成的。

在一些实施例中，全息投影仪还包括布置成驱动组件的控制器。可替代地，全息投影仪是系统的一部分，该系统包括布置成驱动组件的控制器。控制器可以布置成驱动组件以使输入光束和空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动。例如，控制器可以被布置成驱动组件以驱动光学元件的移动，从而相对于SLM移动输入光束的位置。可替代地，控制器可以被布置成在不移动其光学元件的情况下驱动该组件。例如，控制器可将驱动信号提供给被设置为偏转输入光束的声光偏转器或类似物的压电换能器，输入光束根据驱动信号的特性而沿不同的方向穿过压电换能器的光学元件行进。因此，通过改变驱动信号，输入光束的位置可以相对于SLM移动。可选地，控制器可以布置成驱动组件以通过合适的方式致动光源和/或空间光调制器，以使输入光束和空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动。

已经认识到，在光束投影仪或光学系统中尽早引入附加部件是有利的，因为光束尺寸仍然很小，因此必要的机构可以是紧凑的。例如，使SLM或输入光束(通过调整光路，移动光源或SLM或其他方式)相对于彼此移动可能比移动下游部件更好，因为移动下游部件会更加困难。

提供了一种改善全系重建的方法，包括：全息投影仪，包括：在空间光调制器上显示全息图；用输入光束照射空间光调制器的至少一个区域；根据全息图在空间上调制输入光束以形成全息重建；使输入光束和空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动。

可选地，在输入光束和空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动的同时，全息重建保持被形成。可以说，在全息重建保持被形成的同时，通常在人眼的整合时间之内的一段时间内，可以将输入光束移至相对于SLM的多个不同位置。在一些实施例中，全息重建在与空间光调制器在空间上分离的光接收表面上形成，并且可选地，在输入光束和SLM的相对移动期间保持在光接收表面上形成。

该方法可以包括将光学元件插入到输入光束的第一光路中，以在第二光路上输出输入光束。第二光路可以基本上平行于第一光路，但是在空间上偏离第一光路，并且可选地，该方法还包括旋转光学元件，以便使第二光路绕平行于第一光轴的轴线旋转。

可选地，通过组件促进输入光束和空间光调制器中的至少一个相对于另一个的移动。该组件可以由控制器驱动。该移动可以是平移、旋转或倾斜，并且可以通过机械或非机械方式来实现。可选地，组件包括光学元件。光学元件可以是上述具有平行面的板(在本领域中也称为平行面窗口)，或者可以是另一光学元件，例如反射镜或透镜。在一些实施例中，组件布置成旋转光学元件，以便使第二光路绕平行于第一光轴的轴线旋转。可选地，平行于第一光轴的轴线与第一光轴共线。在其他实施例中，组件被布置成平移或以其他方式移位光学元件，以便将输入光束从第一光路移到第二光路。第二光路不必平行于第一光路。在其他实施例中，该组件被布置为使用电信号而不是机械地、例如通过如下所述的声光偏转器(AOD)来使通过光学元件行进的输入光束偏转。在实施例中，改变穿过光学元件行进的输入光束的偏转会改变第二光路的角度，以使输入光束跨SLM的平面移动(移位或平移)。

该方法可以进一步包括图块化要重建的输入全息图以形成显示在空间光调制器(SLM)上的全息图。图块化包括形成由SLM显示的、具有两个或多个图块的全息图，每个图块表示要重建的输入全息图的至少一部分。可选地，至少一个图块是表示要重建的整个输入全息图的整个图块。可以例如由处理器执行图块化，并且可以将要显示的全息图提供给SLM以进行显示。

可选地，当使用至少一个整个图块(和一个或多个其他整个图块和/或部分图块)对全息图进行图块化时，该方法还包括照射SLM的至少一个区域，使得在输入光束和/或空间光调制器的相对移动期间，所述至少一个整个图块保持被输入光束照射。可选地，SLM的至少一个区域的尺寸小于SLM的尺寸。替代地，照射SLM的至少一个区域包括照射SLM的所有区域和围绕SLM的区域。

该方法可以进一步包括实现全息投影仪的任何上述特征以及本文描述的替代实施例的方法。可以以任何适当的组合来组合任何上述可选实施例。

术语“全息图”用于表示包含有关对象的振幅和/或相位信息的记录。术语“全息重建”用于指代通过照射全息图而形成的对象的光学重建。术语“回放平面”在本文中用于指代空间中的平面，在该平面处全息重建完全形成。本文使用术语“回放场”来指代回放平面的子区域，该子区域可以接收来自空间光调制器的经空间调制的光。术语“图像”和“图像区域”是指由形成全息重建的光照射的回放场的区域。同样，“图像”包括离散斑点，其可以被称为“图像斑点”或“图像像素”。

术语“编码”，“写入”或“寻址”用于描述为SLM的多个像素提供用来分别确定每个像素的调制级别的相应的多个控制值的过程。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”或“表示”光调制分布。

已经发现，可以由仅包含与原始对象有关的相位信息的“全息图”来形成具有可接受质量的全息重建。这样的全息记录可以被称为纯相位全息图。实施例涉及纯相位全息图，但是本公开同样适用于纯振幅全息图。

本公开也同样适用于使用与原始对象有关的振幅和相位信息来形成全息重建。在一些实施例中，这是通过使用所谓的全复数全息图(fully complex hologram)的复数调制来实现的，全复数全息图包含与原始对象有关的振幅和相位信息。这样的全息图可以被称为全复数全息图，因为分配给全息图的每个像素的值(调制级别)具有振幅和相位分量。分配给每个像素的值(调制级别)可以表示为具有振幅和相位分量的复数。在一些实施例中，计算全复计算机生成全息图。

可以参考相位值，相位分量，相位信息，或者简单地参考计算机生成的全息图或空间光调制器的像素的相位，作为“相位延迟”的简写。即，所描述的任何相位值实际上是表示由该像素提供的相位延迟量的数字(例如，在0至2π的范围内)。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改变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“灰度级别”可以用来指多个可用的调制级别。例如，术语“灰度级别”可以为了方便而用于指代纯相位调制器中的多个可用相位级别，即使不同的相位级别不提供不同的灰度阴影。为了方便起见，术语“灰度级别”也可以用于指代复数调制器中的多个可用的复数调制级别。

在整个本公开中，仅通过示例的方式参考作为光学元件的具有平行面的板(或平行面窗口)。本公开不限于这样的光学元件，而是扩展到其他光学元件，例如反射镜或透镜，或为了实现使输入光束和SLM中的至少一个相对于另一个移动的上述优点而将输入光束从第一光路转移到不同于第一光路的第二光路的任何其他器件。

尽管可以在下面的详细描述中分别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相结合。即，设想了本公开中公开的特征的所有可能的组合和置换。

附图说明

参考以下附图仅以示例的方式描述特定实施例：

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类型算法的第一迭代；

图2B示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第二和后续迭代；

图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第二和后续迭代；

图3是反射LCOS SLM的示意图；

图4示出了根据实施例的全息投影仪的示意图；

图5A-5E示出了根据实施例的移动的输入光束和过量填充的SLM；

图6A-6E示出了根据实施例的移动的输入光束和欠量填充的SLM；

图7示出了移动的输入光束和欠量填充SLM的另一个示例；

图8示出了根据实施例的组件；

图9A-9C示出了根据实施例的光学元件；

图10示出了根据其他实施例的替代组件；

图11示出了图10的组件的声光偏转器的布置；

图12是示出用于实现图10和11的组件的布置的示意图；和

图13示出了根据实施例的移动的输入光束。

具体实施方式

本发明不限于以下描述的实施例，而是扩展到所附权利要求的全部范围。即，本发明可以以不同的形式体现，并且不应被解释为限于所描述的实施例，实施例出于说明的目的而阐述。

除非另有说明，否则单数形式的术语可以包括复数形式。

被描述为形成在另一结构的上部部分/下部部分处或在另一结构之上/之下的结构应被解释为包括结构彼此接触的情况，以及在其之间设置有第三结构的情况。

在描述时间关系时，例如，当事件的时间顺序被描述为“之后”，“随后”，“下一个”，“之前”等时，除非另有说明，否则本公开应被认为包括连续和非连续事件。例如，该描述应被认为包括不连续的情况，除非使用诸如“仅”，“立即”或“直接”之类的措词。

尽管本文可以使用术语“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和另一个元件。例如，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，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。

不同实施例的特征可以部分地或整体地彼此联接或组合，并且可以彼此进行各种互操作。一些实施例可以彼此独立地执行，或者可以以相互依存的关系一起执行。

光学配置

图1示出了其中计算机生成的全息图被编码在单个空间光调制器上的实施例。计算机生成的全息图是用于重建的对象的傅立叶变换。因此可以说全息图是对象的傅立叶域或频域或光谱域表示。在该实施例中，空间光调制器是硅上的反射液晶“LCOS”装置。全息图在空间光调制器上编码，并且在回放场处形成全息重建，例如，在诸如屏幕或漫射器的光接收表面处形成全息重建。

设置光源110，例如激光器或激光二极管，以经由准直透镜111照射SLM140。准直透镜使大体上平面的光波前入射在SLM上。在图1中，波前的方向是偏离法线的(例如，与真正正交于透明层的平面相距两或三度)。然而，在其他实施例中，大体上平面的波前以法向入射提供，并且分束器布置用于分离输入光路和输出光路。在图1所示的实施例中，这种布置使得来自光源的光从SLM的镜面后表面反射，并与光调制层相互作用以形成出射波前112。出射波前112应用于包含傅立叶变换透镜120的光学器件，其焦点在屏幕125上。更具体地，傅立叶变换透镜120从SLM 140接收经调制的光的束，并且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，在这种类型的全息图中，全息图的每个像素都有助于整个重建。回放场上的特定点(或图像像素)与特定的光调制元素(或全息像素)之间没有一对一的相关性。换句话说，离开光调制层的调制光分布在整个回放场上。

在这些实施例中，全息重建在空间中的位置由傅立叶变换透镜的屈光(聚焦)度确定。在图1所示的实施例中，傅立叶变换透镜是物理透镜。即，傅立叶变换透镜是光学傅立叶变换透镜，并且傅立叶变换是光学地进行的。任何透镜都可以用作傅立叶变换透镜，但是透镜的性能将限制其执行的傅立叶变换的精度。技术人员理解如何使用透镜来执行光学傅立叶变换。

全息图计算

在一些实施例中，计算机生成的全息图是傅立叶变换全息图，或者简单地是傅立叶全息图或基于傅立叶的全息图，其中通过利用正透镜的傅立叶变换特性在远场中重建图像。傅立叶全息图是通过将回放平面中的所需光场变换回镜头平面来计算的。可以使用傅立叶变换来计算计算机生成的傅立叶全息图。

可以使用诸如Gerchberg-Saxton算法之类的算法来计算傅立叶变换全息图。此外，Gerchberg-Saxton算法可用于根据空间域(例如照片)中的纯振幅信息来计算傅立叶域中的全息图(即，傅立叶变换全息图)。与对象有关的相位信息从空间域中的纯振幅信息被有效地“检索”。在一些实施例中，使用Gerchberg-Saxton算法或其变型从纯振幅信息计算计算机生成的全息图。

Gerchberg Saxton算法考虑了这样的情况，即其中，已知分别在平面A和B中的光束I_A(x，y)和I_B(x，y)的强度截面，且I_A(x，y)和I_B(x，y)通过单个傅立叶变换关联。对于给定的强度截面，求出了平面A和B中的相位分布的近似值，分别为Ψ_A(x，y)和Ψ_B(x，y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程来求出该问题的解决方案。更具体地，Gerchberg-Saxton算法在空间域和傅立叶(光谱或频率)域之间重复变换表示I_A(x，y)和I_B(x，y)的数据集(振幅和相位)的同时，迭代地应用空间和光谱约束。通过算法的至少一次迭代获得光谱域中对应的计算机生成的全息图。该算法是收敛的并且被设置为产生表示输入图像的全息图。全息图可以是纯振幅全息图、纯相位全息图或全复数全息图。

在一些实施例中，纯相位全息图是使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法来计算的，例如在英国专利2,498,170或2,501,112中描述的，其全部内容通过引用并入文本。然而，本文公开的实施例仅通过示例的方式描述了计算纯相位全息图。在这些实施例中，Gerchberg-Saxton算法检索数据集的傅立叶变换的相位信息Ψ[u，v]，该相位信息产生已知的振幅信息T[x，y]，其中振幅信息T[x，y]表示目标图像(例如照片)。由于幅度和相位在傅里叶变换中是固有地组合的，因此变换后的幅度和相位包含有关计算数据集的精度的有用信息。因此，该算法可以与振幅和相位信息的反馈一起迭代地使用。然而，在这些实施例中，仅相位信息Ψ[u，v]用作全息图，以在图像平面上形成目标图像的全息表示。全息图是相位值的数据集(例如2D阵列)。

在其他实施例中，基于Gerchberg-Saxton算法的算法被用于计算全复数全息图。全复数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的阵列的数据集(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。

在一些实施例中，该算法处理复数数据，并且傅立叶变换是复数傅立叶变换。可以将复数数据视为包括(i)实数分量和虚数分量，或(ii)振幅分量和相位分量。在一些实施例中，复数数据的两个分量在算法的各个阶段被不同地处理。

图2A示出了根据一些实施例的用于计算纯相位全息图的算法的第一迭代。该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值或振幅值。即，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可以被视为纯幅度分布或纯振幅分布或纯强度分布。这样的输入图像210的示例是包括帧的时间序列的照片或视频的一帧。该算法的第一迭代从数据形成步骤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，其中集合中的每个数据元素包括幅度和相位。可以说，起始复数数据集合表示空间域中的输入图像。

第一处理块250接收起始复数数据集合并执行复数傅里叶变换以形成傅里叶变换的复数数据集合。第二处理块253接收傅立叶变换的复数数据集合并提取相位值的集合。第二处理块253量化每个相位值以形成全息图280A。每个相位值根据可以在空间光调制器的像素上表示的相位级别进行量化，该空间光调制器将用于“显示”全息图。例如，如果空间光调制器的每个像素提供256个不同的相位级别，则将全息图的每个相位值量化为256个可能的相位级别中的一个相位级别。全息图280A是表示输入图像的纯相位傅立叶全息图。可以说全息图280A在光谱或傅立叶或频域中表示输入图像。在一些实施例中，算法在这一点处停止。

但是，在其他实施例中，算法继续进行，如图2A中的虚线箭头所示。换句话说，跟随图2A中的虚线箭头的步骤是可选的(即，并非对所有实施例都是必不可少的)。如果算法继续，则第二处理块253另外用新的幅度值替换经傅立叶变换的复数数据集合的幅度值。新的幅度值是表示将用于照射空间光调制器的光图案的幅度分布的值的分布。在一些实施例中，每个新幅度值是单位元素(unity)。在其他实施例中，第二处理块253处理第二复数数据集合的幅度值，例如，对每个幅度值执行数学运算或一系列数学运算，以形成新的幅度值。第二处理块253输出包括量化的相位值和新的幅度值的复数数据集合。

第三处理块256接收第二处理块253输出的复数数据集合，并执行傅立叶反变换以形成经逆傅立叶变换的复数数据集合。可以说经逆傅立叶变换的复数数据集合代表了空间域中的输入图像。

第四处理块259接收经逆傅立叶变换的复数数据集合并评估幅度值的分布211A。具体地，第四处理块259将经逆傅立叶变换的复数数据集合的幅度值的分布211A与输入图像510进行比较，该输入图像本身当然是幅度值的分布。如果幅度值的分布211A与输入图像210之间的差异足够小，则第四处理块259确定全息图280A是可接受的。即，如果幅度值的分布211A与输入图像210之间的差异足够小，则第四处理块259确定全息图280A是输入图像210的足够精确的代表。在一些实施例中，为了比较的目的，经逆傅立叶变换的复数数据集合的相位值的分布213A被忽略。

应当理解，可以采用任何数量的不同方法来对度幅值211A的分布和输入图像210进行比较，并且本公开不限于任何特定方法。在一些实施例中，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是不可接受的，则执行算法的进一步迭代。

图2B表示该算法的第二迭代以及该算法的任何进一步的迭代。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值的分布213A。幅度值的分布211A被拒绝，以支持输入图像210的幅度值的分布。在第一迭代中，数据形成步骤202A通过将输入图像210的幅度值的分布与随机相位分布230组合来形成第一复数数据集合。然而，在第二和随后的迭代中，数据形成步骤202B包括通过将(i)来自算法的先前迭代的相位值的分布213A与(ii)输入图像210的幅度值的分布进行组合来形成复数数据集合。

然后，以参照图2A描述的相同方式处理由图2B的数据形成步骤202B形成的复数数据集合，以形成第二迭代全息图280B。因此，此处不再重复对该过程的说明。当已经计算了第二迭代全息图280B时，算法可以停止。但是，可以执行该算法的任何数量的进一步迭代。将理解的是，仅当需要第四处理块259或需要进一步的迭代时才需要第三处理块256。输出全息图280B通常随着每次迭代而变得更好。但是，在实践中，通常会达到这样的点，这时无法观察到可测量的改进，或者由于额外处理时间的负面影响超过执行进一步迭代的积极益处。因此，该算法被描述为迭代和收敛的。

图2C表示第二和后续迭代的替代实施例。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值的分布213A。幅度值的分布211A被拒绝，以支持幅度值的替代性分布。在该替代实施例中，幅度值的替代分布是从先前迭代的幅度值的分布211中得出的。具体地，处理块258从先前迭代的幅度值的分布211中减去输入图像210的幅度值的分布，通过增益因子α缩放该差异，并从输入图像210中减去缩放后的差异。这由以下方程式数学表示，其中下标文字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是正傅立叶变换；

R[x，y]是第三处理块256输出的复数数据集合；

T[x，y]是输入图像或目标图像；

∠是相位分量；

Ψ是纯相位全息图280B；

η是幅度值的新分布211B；和

α是增益因子。

增益因子α可以是固定的或可变的。在一些实施例中，基于输入目标图像数据的尺寸和速率来确定增益因子α。在一些实施例中，增益因子α取决于迭代次数。在一些实施例中，增益因子α仅是迭代次数的函数。图2C的实施例在所有其他方面与图2A和图2B的实施例相同。可以说，纯相位全息图Ψ(u，v)包括频域或傅立叶域中的相位分布。

在一些实施例中，通过将透镜数据包括在全息数据中来计算地执行傅立叶变换。即，全息图包括代表透镜的数据以及代表对象的数据。在这些实施例中，省略了图1的物理傅立叶变换透镜120。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。代表镜片的全息数据可以被称为软件透镜。例如，可以通过计算由透镜的每个点由于透镜的折射率和空间变化的光路长度而引起的相位延迟来形成纯相位全息透镜。例如，在透镜的中心处的光路长度大于在透镜的边缘处的光路长度。纯振幅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的领域中，还已知如何将代表透镜的全息数据与代表对象的全息数据相结合，从而可以执行傅立叶变换而无需物理傅立叶透镜。在一些实施例中，通过简单的矢量加法将透镜数据与全息数据结合。在一些实施例中，物理透镜与软件透镜结合使用以执行傅立叶变换。替代地，在其他实施例中，完全省略傅立叶变换透镜，使得全息重建在远场中发生。在进一步的实施例中，全息图可以包括光栅数据，即，布置成执行光栅功能(例如光束转向)的数据。再次，在计算机生成的全息图的领域中，如何计算这样的全息数据并将其与代表对象的全息数据组合在一起是已知的。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纯相位全息光栅。纯振幅全息光栅可以简单地叠加在代表对象的纯振幅全息图上，以提供纯振幅全息图的角度转向。

在一些实施例中，提供了一种实时引擎，该实时引擎被设置为使用该算法接收图像数据并实时计算全息图。在一些实施例中，图像数据是包括图像帧序列的视频。在其他实施例中，全息图被预先计算，存储在计算机存储器中并且根据需要被调出以显示在SLM上。即，在一些实施例中，提供了预确定的全息图的存储库。

实施例仅通过示例的方式涉及傅立叶全息术和Gerchberg-Saxton类型算法。本公开同样适用于菲涅耳全息术和通过其他技术(例如基于点云方法的那些技术)计算的全息图。

光调制

可以使用空间光调制器来显示计算机生成的全息图。如果全息图是纯相位全息图，则需要调制相位的空间光调制器。如果全息图是全复数全息图，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。

在一些实施例中，空间光调制器的光调制元素(即，像素)是包含液晶的单元。即，在一些实施例中，空间光调制器是其中光学活性成分是液晶的液晶装置。每个液晶单元被配置为选择性地提供多个光调制级别。即，每个液晶单元被配置为在任何时候以从多个可能的光调制级别中选择的一个光调制级别进行操作。每个液晶单元可动态地重新配置到与所述多个光调制级别不同的光调制级别。在一些实施例中，空间光调制器是硅上反射液晶(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装置提供的密集的在小孔径(例如，几厘米的宽度)内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紧凑。相比于其他液晶装置的大孔径，充分照射LCOS SLM的小孔径要容易得多。LCOS装置通常是反射型的，这意味着驱动LCOS SLM的像素的电路可以埋在反射表面之下。结果导致更高的孔径率。换句话说，像素紧密堆积，这意味着像素之间几乎没有死空间。这是有利的，因为它减少了回放场中的光学噪声。LCOS SLM使用硅背板，其优点是像素在光学上是平坦的。这对于相位调制装置特别重要。

下面仅以示例的方式，参考图3描述合适的LCOS SLM。使用单晶硅基底302形成LCOS装置。它具有布置在基底的上表面上的由间隙301a隔开的正方形平面铝电极301的2D阵列。可以通过埋在基底302中的电路302a来对每个电极301进行寻址。每个电极形成相应的平面反射镜。取向层303设置在电极阵列上，并且液晶层304设置在取向层303上。第二取向层305设置在液晶层304上，平面透明层306上，例如玻璃平面透明层，设置在第二取向层305上。在透明层306和第二取向层305之间设置有例如ITO的单个透明电极307。

每个方形电极301与透明电极307的覆盖区域和中间的液晶材料一起限定了可控的相位调制元件308，通常称为像素。考虑到像素301a之间的空间，有效像素面积或填充因子是光学上有效的总像素的百分比。通过控制相对于透明电极307施加到每个电极301的电压，可以改变相应的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。效果是对波前提供纯相位调制，即不发生振幅效果。

所描述的LCOS SLM以反射方式输出经空间调制的光。反射型LCOS SLM具有的优势在于，信号线、栅极线和晶体管位于反射镜表面以下，这导致了高填充因子(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型装置时所需厚度的一半。这大大提高了液晶的切换速度(投影移动的视频图像的关键优势)。但是，可以使用透射型LCOS SLM同样地实现本公开的教导。

全息投影仪

参照图4描述本全息投影仪的一个实施例。空间光调制器或SLM 410设置为用来自光源420的输入光束照射。组件430被布置为使输入光束和空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动。控制器440被布置为驱动所述组件。在一些实施例中，控制器440电连接450到组件430以驱动组件。在一些实施例中，组件430电连接到SLM 410和光源420中的一者或两者以产生相对移动。附加地或可替代地，组件430被布置为产生输入光束和SLM的相对移动而无需移动SLM 410或光源420；在该实施例中，组件不需要电连接到SLM 410或光源420。

参照图5描述本全息投影仪的实施例。用来自光源的输入光束500照射空间光调制器或SLM 510。该组件布置成使输入光束和空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动。特别地，该组件布置成移动输入光束500和SLM 510中的至少一个，以使光在多个不同位置入射在空间光调制器510上。在所示的布置中，由输入光束500在SLM 510的平面中形成的光斑点基本上是圆形的。因此，由输入光束500照射的区域基本上是圆形的。如本领域技术人员将理解的，被照射的区域的形状和尺寸对应于在SLM 510平面中穿过输入光束500的横截面的形状和尺寸。因此，当输入光束的入射角不法向(即倾斜)时，光斑点可以是椭圆形的。尽管未在图5中示出，但是输入光束500的光斑点的强度(和相位)分布通常是不均匀的。通常，空间强度分布使得在中心处的强度(亮度)高于光束的外围。例如，激光束的理想空间强度分布在与其轴线正交的平面上具有高斯分布。光线的相位分布也可能在整个光束中变化。

如图5A至5E所示，在该实施例中，SLM 510保持静止，并且输入光束500的位置通过组件使用任何合适的方式相对于SLM 510移动。光源被设置为使得照射SLM的输入光束500照射SLM的整个表面以及围绕SLM的区域。这称为过量填充。这种过量填充确保了在组件移动期间，无论输入光束500的确切位置如何，SLM始终被照射。由于施加到SLM 510的输入光束的较大横截面可以促进每个连续图像之间的照射光图案的较大变化，因此这种过量填充也可以是有利的。由于相对移动的结果，照射SLM的入射光束的部分或横截面会发生变化，因此光束中的不均匀现象会得到有效平滑化，从而改善了全息重建。

图5A至图5E中的每一个表示输入光束500在特定时间点的位置。特别地，图5A至图5E中的每一个示出了在不同的时间点处由输入光束500形成的光斑点相对于SLM 510的位置(在SLM 510的平面中)。图5A示出在第一时间点入射在SLM 510上的输入光束500的第一位置，图5B示出在第二时间点入射在SLM 510上的输入光束500的第二位置，图5C示出在第三时间点入射在SLM 500上的输入光束500的第三位置，图5D示出了在第四时间点入射在SLM 510上的输入光束500的第四位置，图5E示出了在第五时间点入射在SLM 510上的输入光束500的第五位置。在一些实施例中，输入光束500在不同位置之间，即在图5A中的输入光束500的第一位置和图5B中的输入光束500的第二位置及其它之间连续移动。在其他实施例中，输入光束500在不同位置之间周期性地移动，即，图5A中所示的输入光束500的第一位置被保持预定的时间段，然后组件作用以切换或移动输入光束500至图5B中所示的第二位置，依此类推。可选地，在人眼的整合时间之内的时间段内，提供相对于SLM 510的输入光束的15至25个位置。可选地，在人眼的整合时间之内提供输入光束500的20个位置。人眼的整合时间通常为15-300ms，更通常为30-100ms。当SLM显示代表视频的帧的全息图时，在单个帧的时间内(即，对于每秒24帧的视频，在1/24秒内)，优选采用输入光束的15至25个不同位置，更优选20个位置。在一些实施例中，所需的不同位置的数量随着连续位置之间的距离而减小。

在一些实施例中，例如以上参考图5描述的那些实施例，要重建的全息图的尺寸(每个方向上的像素数)等于空间光调制器的尺寸，从而全息图填充了空间光调制器。即，全息图使用空间光调制器的所有像素。在其他实施例中，例如下面参考图6和7描述的实施例，要重建的全息图或输入全息图的尺寸小于空间光调制器的尺寸。因此，为了填充SLM，在未使用的像素中重复所述输入全息图的部分(即，全息图的像素的连续子集)。该技术可以被称为图块化，其中空间光调制器的表面面积被划分为多个图块，每个图块代表全息图的至少一个子集。因此，每个图块具有比空间光调制器更小的尺寸。因此，在其中SLM包括多个光调制元件或像素的实施例中，当要重建的全息图的或输入全息图的像素数量小于SLM的像素数量时，可以使用图块化。如前所述，每个图块包括输入全息图的像素的连续集合或子集。

通常希望具有小的图像像素。在显示技术中，通常还希望可行的最大数量的图像像素。然而，如果全息回放场中的图像像素的密度太高，则可能发生图像质量的劣化。对于给定尺寸的全息回放场，存在图像像素的最佳数量或图像像素数量的最佳范围。已经发现，通过使图像斑点的尺寸和数量最佳化，将输入全息图图块化成输出全息图可以减少这种图像劣化并提高图像质量。具体地，一些实施例实现了图块化技术，以优化图像像素的尺寸，同时最大化进入全息重建的信号内容的量。由于平均化输入光束的相位和照射分布，在图块化图案上移动输入光束可改善回放场中全息光斑点的均匀性。

在参照图6描述的实施例中，提供了与参照图5描述的布置不同的布置；即，示出了其中SLM欠量填充而不是过量填充的布置。在图6A至6E中，将输入光束600的光斑点施加到SLM以照射SLM。输入光束600照射的区域的尺寸小于SLM 610的总尺寸。这样，并非所有的SLM 610都被照射。在这些实施例中，使用包括比空间光调制器少的像素的输入全息图。在SLM上显示的全息图包括输入全息图的一系列完整图块605；换句话说，每个图块605完整代表输入全息图。该实施例还有助于减轻SLM装置中任何不均匀的后果。

特别地，组件被布置成使输入光束600和SLM 610中的至少一个相对于另一个移动。图6A至6E表示输入光束600在特定时间点的位置。具体地，图6A至图6E中的每一个示出了在不同的时间点处由输入光束600形成的光斑点相对于SLM 610的位置(在SLM 610的平面中)。图6A示出了在第一时间点入射在SLM 600上的输入光束600的第一位置，图6B示出了在第二时间点入射在SLM 610上的输入光束600的第二位置，图6C示出了在第三时间点入射在SLM 610上的输入光束600的第三位置，图6D示出了在第四时间点入射在SLM 610上的输入光束500的第四位置，图6E示出了在第五时间点入射在SLM 610上的输入光束600的第五位置。在一些实施例中，输入光束600在不同位置之间，即在图6A中的输入光束600的第一位置和图6B中的输入光束600的第二位置及其它之间连续移动。在其他实施例中，输入光束600在不同位置之间周期性地移动，即，输入光束600在每个位置(例如图6A中所示的第一位置)保持预定的时间段，然后移动到输入光束600的下一位置，例如图6B所示的第二位置等等。在该实施例中，输入光束600的位置通过组件使用任何合适的方式相对于SLM 610移动。在替代实施例中，通过任何合适的方式使SLM 610相对于输入光束移动，或者使输入光束和SLM两者相对移动。

图6示出了横截面小于SLM 610的面积的输入光束600。输入光束600相对于SLM的面积可以具有比图示更大的横截面面积，或者相对于SLM的面积可以具有比图示更小的横截面面积。图6被提供为仅出于说明目的。类似地，仅出于说明的目的，在图6中示出了SLM上的16整个或完整图块605；在SLM上可能存在或多或少完整图块605。可以理解的是，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图块(即代表输入全息图的整个图块605)和至少一个图块部分(即，输入全息图的像素的连续子集，或整个图块605的子集)。

光源被布置为使得照射SLM的输入光束600仅照射SLM 610的表面的区域，而不照射SLM 610周围的区域。这称为欠量填充。在一些实施例中，例如所示的实施例，该欠量填充与图块化相结合，以使得由经空间调制的输入光束形成的所得全息表示代表输入全息图。光源还优选地被布置为使得在组件移动期间，无论输入光束600在SLM上的位置如何，在SLM610上显示的完整图块605始终被照射。在所示的实施例中，输入光束600的横截面面积(在SLM 610的平面中)等于或大于4个完整图块605的面积(假定所有图块605具有相等的尺寸)。这种欠量填充与图块化相结合，可以有利地提高图像质量。

参照图7描述与以上参照图6描述的布置类似的布置。在该实施例中，SLM被布置为显示完整的或整个图块705a和至少一部分图块705b。至少一个部分图块705b是由整个图块705a表示的全息图的像素的连续子集。在SLM上显示的全息图可以是至少一个整个图块705a和至少一个部分图块705b的任何合适的组合。优选地，一个整个或完整图块705a总是被输入光束700照射。这确保了由经空间调制的输入光束形成的全息表示代表整个图块705a的全息图。在该实施例中，输入光束700的位移或移动相对于SLM的尺寸必须很小，以便维持整个图块705a的照射。例如，移动可以是SLM的几个像素的数量级，也可以是整个图块705a宽度的5％至25％(取决于输入光束700的尺寸相对于整个瓦片705a的尺寸)。这些值仅是示例，并且可以通过常规实验和测量/观察来确定对光700的移动的限制。

上述实施例将图块化与欠量填充SLM的移动光束结合在一起。如本领域技术人员将理解的，可以在提供过量填充SLM的移动光束的实施例中使用图块化。在这样的实施例中，由于整个SLM始终被移动的光束照射，因此要被重建的输入全息图的任何合适的图块化方案都可以用于形成用于在SLM上显示的输出全息图。

在上述投影仪的实施例中，组件被布置成通过任何合适的方式相对于SLM移动输入光束。例如，输入光束(激光束或其他输入光)可以通过移动反射镜、反射镜支架、反射镜组件、激光器、激光器支架、准直透镜、其他光学器件、空间光调制器或空间光调制器固定件而相对于空间光调制器移动，反之亦然。移动包括旋转、平移或倾斜。这种移动可以例如通过致动器、振动元件或振荡元件来实现。组件由控制器驱动。在一些实施例中，输入光束不通过反射镜或其他光学元件移动，而是光源本身被物理移动。附加地或替代地，SLM被物理地移动。例如，光源或SLM可以通过致动器或振荡元件旋转、倾斜或平移。

参照图8和9描述了该组件的一个示例。图8示出了由控制器驱动的示例组件800，该控制器被布置成使一个或多个具有平行面的板(通常称为平行面窗口或平行面光学窗口)绕旋转轴线旋转。组件800包括用于保持一个或多个具有平行面的板的多个槽850，所述一个或多个槽850沿着壳体830布置。该组件可以包括具有任何适当厚度的仅一个狭槽850，以保持期望的具有平行面的板厚度；多个插槽仅作为示例示出。当壳体830包括多个槽850时，可以将多个具有平行面的板插入壳体830中以改变光学元件的有效厚度。

来自光源的输入光束810沿光路或光轴行进，如图8中示出光束810、820的方向的箭头之间的线所示(在组件800的内部示出点划线)。组件800被定位在光轴的中心，使得插入到一个或多个槽850中的具有平行面的板被放置在输入光束810中。输入光束810优选是准直光。从图8可以看出，一个或多个槽850中的每个相对于光轴倾斜。这样，插入槽850的具有平行面的板将相对于输入光束810的准直光束倾斜。

组件800包括基部和从该基部延伸到支撑壳体830的两个臂。每个臂包括包含衬套的孔——外壳830支撑在组件800的臂的孔中。衬套有助于壳体沿旋转方向840旋转。轴承可替代地用于促进旋转。控制器驱动组件800。组件800可以由通过皮带或其他齿轮机构连接到壳体830的马达(可以是任何可商购的DC无刷马达，或任何其他形式的合适马达)驱动，其中马达由控制器控制。壳体830的旋转使插入壳体830的槽850中的一个(或可能更多)倾斜的具有平行面的板旋转。具有平行面的板的旋转轴线与光轴平行。可选地，具有平行面的板的旋转轴线与光轴共线。优选地，在该实施例中，具有平行面的板的旋转轴线是光轴。

具有平行面的板用作偏心元件。即，由于穿过具有平行面的板的光的折射，它使光偏离轴线移动。当具有平行面的板与壳体830一起沿方向840旋转时，光围绕旋转轴线旋转。当SLM被欠量填充时，输入光束入射在SLM上的位置也会旋转。因此，照射SLM的输入光束的位置连续变化，并且将随机性引入到全息重建中，如上所述，这减少了散斑。当SLM过量填充时，输入光束的照射SLM的部分会不断变化，并且输入光束中的不均匀性会在全息重建中引入随机性。在图8中，不存在具有平行面的板，并且输入光束810具有与从组件800输出的光束820相同的光路。

具有平行面的板的两个面必须平行，以便输入光束810和从组件输出的光束820平行(但在空间上偏移)。这种效果在图9A至9C中示出。然而，在替代实施例中，可以采用不同的光学元件布置，其中板的面不平行，以便使输出光束820相对于输入光束810倾斜。可替代地，除了光学板之外的光学元件可以与组件800或不同的组件布置一起使用。

图9A至图9C显示了输入光束910的位移930的横截面，该位移是通过图8所示的控制器驱动的组件800和具有平行面的板900实现的。从图9A至9C中的三个不同图示中可以看出，随着具有平行面的板900的角度改变，输出光束920相对于输入光束910的位移930改变。当板900不倾斜时(图9B)，输出光束920相对于输入光束910的位置没有变化。然而，可以看出，板900相对于输入光束910的倾斜度(具有平行面的板900的角度α，β)改变了输出光束920的位移930A、930C的程度和方向。

当α＝β时，图9A和9C示出了随着组件被驱动以使具有平行面的板绕旋转轴线旋转180度，输出光束920的位置变化。在该实施例中，旋转轴线是图8中的光轴，但是可替代地，旋转轴线可以是与光轴平行的轴线。可以看出，随着组件830旋转，输出光束920绕输入光束910的光轴旋转。

有许多相互关联的变量，包括图像的性质，观看者的瞳孔尺寸，环境光条件等，这些变量决定了图8的装置在消除散斑方面的效果如何。实际上，最佳参数可以通过实验和测量/观察来确定。但是，已经发现，将以下参数应用于图8的组件可改善散斑的外观：

·具有平行面的板相对于光轴的绝对角(α，β)＝30-60度，可选地40-55度，进一步可选地45+/-2度；

·板的厚度＝0.5-40mm，可选地2-20mm，进一步可选地4-10mm；

·板的直径＝5-40mm，可选10-35mm，进一步可选25+/-5mm；

·旋转速度＝100-10,000rpm，可选200-5,000rpm。

尽管图8和图9的组件布置成通过机械方式、特别是通过旋转一个或多个具有平行面的板，使输入光束相对于SLM移动，但是也可以通过电气方式使输入光束相对于SLM移动。下面参照图10至图13描述包括电控光束偏转器的组件的一个示例，该电控光束偏转器被布置为相对于SLM移动输入光束。

图10示意性地示出了示例组件1000，其包括声光偏转器(AOD)1100和RF信号驱动器1060，并且图11更详细地示出了AOD 1100的布置。AOD 1100定位在来自光源的输入光束1010的光路或光轴中，并设置为从RF信号驱动器1060接收射频(RF)驱动信号。图10通过实线示出光束的光路。输入光束1010以相对于容纳在AOD 1100内的光学元件1050的正面的法线的输入角度(对应于光束的第一光路)入射在光学元件1050上。输出光束1020以相对于光学元件1050的背面的法线的一个或一范围内的输出角度(对应于光束的第二光路)以第一衍射级从光学元件1050透射出。如下面进一步描述的，当输入光束1010的输入角度对应于布拉格角度时，输出光束1020可以主要以第一衍射级以取决于施加到AOD 1100的RF驱动信号的频率的输出角度被衍射。图10还示出了从AOD 1100透射的(未使用的)第零衍射级的光路，其方向与输入光束1010的第一光路相同。处于第一衍射级的输出光束1020在不同的方向上偏转，从而以不同的角度偏转到输入光束1010。因此，通过采用图示的布拉格角度配置并改变RF驱动信号的频率，可以改变输出光束1020的输出角度，从而改变输出光束1120的第二光路的方向。输出光束1020形成入射在SLM上的输入光束。因此，根据本公开，组件1000可用于通过改变从RF信号驱动器1060到AOD 1100的RF驱动信号的频率而相对于SLM移动输出光束1020，使其入射到SLM上的多个不同位置。图10示出了AOD 1100如何使光束移动一范围内的角度(如双箭头所示)以在一个维度上跨SLM移动或扫描输出光束1020。如本领域技术人员将理解的，AOD 1100可以额外提供光束在第二维度上以一范围内的角度的位移，以便提供跨SLM的输出光束1020的二维扫描，如上面参考图5、6和7所述的。图11更详细地显示了AOD 1100。

参照图11，AOD 1100包括光学元件1150，该光学元件1150包括透明光学介质，该透明光学介质形成用于光束1010、1020的光传播介质。特别地，光学元件1150可以包括光学透明材料，包括诸如石英或晶体的晶体材料(例如二氧化碲)或诸如玻璃的非晶体材料。光学元件1150包括第一侧面1152，与第一侧面1152相对的第二侧面1154，与第一侧面1152正交的第三侧面1156和与第三侧面1156相对的第四侧面1158。输入光束1010入射在第一侧面1152上，而输出光束1020从第二侧面1154透射。为了便于说明，分别在第一侧面1152和第二侧1154面处的、在光学元件1150与周围环境之间的界面处的光束偏转未在图11中示出。AOD1100进一步包括(机械地)附接到光学元件1150的第三侧面1156的压电换能器1170。压电换能器1170由具有可变振荡频率f的RF信号(来自图10所示的RF信号驱动器1060)驱动。当施加RF信号时，换能器1170根据频率f产生声(振动)波1175，如图11中的虚线所示。声波1175通过光学元件1050的光传播介质从第三侧面1156传播到第四侧面1158，并因此穿过光束1010、1020的光路。

如本领域中已知的，AOD借助于由于由压电换能器产生的声波的光弹性效应产生的、光学材料的折射率的变化而操作。可以说，光束根据RF驱动信号的频率f与由压电换能器产生的声波前“相互作用”或被“衍射”。通常，选择光束的入射角θ和RF频率f，以使声波的声波长对某些衍射级引入优先权重，而抑制其他衍射级。特别地，如图11所示，可以使用布拉格制度，其中输入光束以布拉格角度θ B入射并且RF频率f在数百MHz至GHz的范围内。在布拉格制度下，主要的衍射级为零和单个第一衍射级。取决于RF功率，多达90％的入射光束可以被引导到单个第一级，以提供与入射输入光束相对应的独特衍射输出光束。在实施例中，选择RF驱动信号的特性，使得至少50％、可选地至少75％的入射光被衍射到输出光束。因此，调制RF驱动频率改变了衍射束的输出角度，从而改变了输出光束的偏转。这样，输出光束可以在RF驱动信号的控制下在单个维度上移动一范围内的角度，如图10所示。

参照图12，在一些实施例中，输入光束1010是相干光的准直光束。特别地，来自相干光源(例如激光器)的输入光束1010被第一准直透镜1080聚焦，以便以第一角度(例如布拉格角度)入射在AOD 1100的光学元件1050上。可以说，输入光束1010的准直光聚焦到包括光学元件1050的AOD 1110的适当点直径。对应于由光学元件1050以第一衍射级衍射的光的输出光束1020以与第一角度不同的第二角度从AOD 1100透射。相对于光学元件1050的相应表面的法线测量第一角度和第二角度。输出光束1020具有角度偏差，因此被第二准直透镜1082准直以提供相干光的准直光束以照射SLM。图13示出了将输出光束1020从AOD 1100移动到SLM上的多个不同位置的示例。特别地，通过改变到AOD1100的RF驱动信号的频率而改变衍射束(例如，以第一衍射级)的角度，沿着线(即，在一个维度)移动或扫描输出光束1020，如本文所述。如本文所述，在每个光束位置处入射在SLM上的光将导致在回放场中产生独立的散斑图案。因此，如图13所示，通过以一范围内的角度扫描输出光束1020，可以由人眼对回放场中形成的不同散斑图案进行平均。尽管图13示出了在SLM上的由光束照射的区域的多个重叠位置，但是可以使用多个空间上分离的位置和/或重叠和非重叠位置的组合。另外，如上所述，使用一个或多个AOD进行二维光束移位的二维扫描是可能的。

一些实施例可以包括图10和11的替代组件1100，以相对于空间光调制器移动输入光束，特别是使得输入光束在不同的时间点入射在空间光调制器上的多个不同位置。通过相对于SLM连续地(即连续地或周期性地)移动输入光束，获得了上述平均化照射光束的相位和亮度的效果，从而改善了全息重建的光斑点的形状、尺寸、均匀性和亮度分布，如上所述的。另外，跨SLM连续移动输入光束会在照射中引入随机性，从而可以如上所述平均化散斑图案。因此，可以提高全息重建的质量。另外，替代组件1100不需要机械移动的部件，并且可以使用本领域中众所周知的电信号和适当的AOD校准技术来精确地控制替代组件1100。

附加特征

实施例仅通过示例的方式参考光学激活的LCOS空间光调制器。本公开的教导可以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等同地实现，例如任何电激活的SLM，光激活的SLM，数字微镜装置或微机电装置。

在一些实施例中，光源是激光器。在一些实施例中，光接收表面是屏幕或漫射器。本公开的全息投影系统可以用于提供改进的平视显示器(HUD)或头戴式显示器。在一些实施例中，提供了一种车辆，其包括安装在车辆中以提供HUD的全息投影系统。车辆可以是诸如汽车，卡车，货车，运料车，摩托车，火车，飞机，船或轮船的机动车辆。

全息重建的质量可能受到所谓的零级问题的影响，这是使用像素化空间光调制器的衍射性质的结果。这样的零级光可以被认为是“噪声”，并且包括例如镜面反射光以及来自SLM的其他不需要的光。

在傅立叶全息术的示例中，这种“噪声”集中在傅立叶透镜的焦点处，从而导致全息重建中心处出现亮斑点。零级光可以简单地被遮挡掉，但是这意味着用暗斑点代替亮斑点。一些实施例包括角度选择性滤光器，以仅去除零级的准直射线。实施例还包括在欧洲专利2,030,072中描述的管理零级的方法，该专利通过引用以其整体并入本文。

全息重建是在由空间光调制器定义的整个窗口的第零衍射级内创建的。优选的是，第一级和后续级被移位得足够远，从而不与图像重叠，并且因此可以使用空间滤波器来阻挡它们。

在实施例中，全息重建是彩色的。在本文公开的示例中，三种不同颜色的光源和三个对应的SLM用于提供复合颜色。这些示例可以被称为空间分离的颜色“SSC”。在本公开包含的变型中，每种颜色的不同全息图被显示在同一SLM的不同区域上，然后组合以形成合成彩色图像。然而，技术人员将理解，本公开的至少一些装置和方法同样可应用于提供合成彩色全息图像的其他方法。

这些方法之一被称为帧序列颜色，“FSC”。在示例性FSC系统中，使用了三个激光器(红色，绿色和蓝色)，并且每个激光器在单个SLMS处接连发射，以产生视频的每一帧。颜色以足够快的速率循环(红色，绿色，蓝色，红色，绿色，蓝色等)，以使人类观看者可以从由三个激光器形成的图像组合中看到多色图像。因此，每个全息图都是颜色特定的。例如，在每秒25帧的视频中，将通过以下方式产生第一帧：发射红色激光1/75秒来，然后发射绿色激光1/75秒，最后发射蓝色激光1/75秒。然后产生下一个帧，从红色激光开始，依此类推。

FSC方法的优点是，整个SLM用于每种颜色。这意味着所产生的三个彩色图像的质量不会受到影响，因为SLM上的所有像素都用于每个彩色图像。然而，FSC方法的缺点在于，由于每个激光器仅使用三分之一的时间，因此所产生的整体图像将不如通过SSC方法所产生的对应图像亮，相差约3倍。可以通过过量驱动激光器或使用功能更强的激光器来解决此缺陷，但这将需要使用更大的功率，会带来更高的成本，并使系统的紧凑性降低。

SSC方法的优点是，由于所有三个激光器同时发射，因此图像更亮。但是，如果由于空间限制而只需要使用一个SLM，则SLM的表面积可以分为三个部分，实际上作为三个独立的SLM起作用。这样做的缺点是，由于对每个单色图像可用的SLM表面积的减少，每个单颜色图像的质量都会降低。因此，多色图像的质量相应降低。可用的SLM表面积的减少意味着SLM上更少的像素可被使用，从而降低了图像质量。由于降低了分辨率，因此降低了图像质量。实施例利用在英国专利2,496,108中公开的改进的SSC技术，该专利通过引用以其整体并入本文。

实例描述了用可见光照射SLM，但是本领域技术人员将理解，例如，如本文所公开的，光源和SLM可以等同地用于引导红外或紫外光。例如，技术人员将知道用于将红外和紫外光转换为可见光以向用户提供信息的技术。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二维全息重建。在其他实施例中，全息重建是3D全息重建。即，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。

本文描述的方法和过程可以体现在计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”包括被布置为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，闪存和高速缓冲存储器。术语“计算机可读介质”也应被认为包括能够存储用于由机器执行的指令的任何介质或多种介质的组合，以使得当指令被一个或多个处理器执行时，导致机器全部或部分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”还涵盖基于云的存储系统。术语“计算机可读介质”包括但不限于呈固态存储芯片、光盘、磁盘、或其任何合适的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)。在一些示例实施例中，用于执行的指令可以由载体介质传达。这样的载体介质的示例包括瞬态介质(例如，传达指令的传播信号)。

对于本领域技术人员将显而易见的是，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型。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型。

Claims

1.一种全息投影仪，包括：

空间光调制器，设置为显示全息图，所述全息图包括两个或多个图块，每个图块代表待重建的输入全息图的至少一部分；

光源，设置为用输入光束照射整个空间光调制器和围绕空间光调制器的区域，使得所述输入光束被所述空间光调制器根据所述全息图空间地调制，以形成用于由所述全息投影仪投影的全息重建；

组件，设置为移动所述输入光束，使得所述输入光束相对所述空间光调制器移动，使得所述输入光束照射到所述空间光调制器上的部分发生改变。

2.根据权利要求1所述的全息投影仪，其中，所述组件包括光学元件，所述光学元件布置成在第一光路上接收所述输入光束，并在第二光路上输出所述输入光束。

3.根据权利要求2所述的全息投影仪，其中，所述第一光路具有相对于所述光学元件的法线的第一角度，所述第二光路具有相对于所述光学元件的法线的第二角度，其中所述第一角度与所述第二角度不同。

4.根据权利要求3所述的全息投影仪，其中，所述组件布置成通过所述输入光束的衍射或偏转来改变所述第二光路的第二角度。

5.根据权利要求3所述的全息投影仪，其中，所述组件包括声光偏转器和RF驱动信号发生器，并且其中所述组件布置成通过改变RF驱动信号的频率来改变所述第二光路的第二角度。

6.根据权利要求5所述的全息投影仪，其中，所述声光偏转器包括光学元件，并且其中，所述输入光束以第一角度入射在所述光学元件上，并且以对应于第一衍射级的第二角度从所述光学元件透射。

7.根据权利要求6所述的全息投影仪，其中，

所述第一角度实质上是布拉格角度；

确定所述RF驱动信号的频率以对至少一个衍射级优先加权，和

确定所述RF驱动信号的功率，以使所述输入光束的至少50％的光被衍射到单个衍射级。

8.根据权利要求2所述的全息投影仪，其中，所述第二光路基本平行于所述第一光路但在空间上偏离所述第一光路。

9.根据权利要求8所述的全息投影仪，其中，所述光学元件是相对于第一光轴倾斜的具有平行面的板，并且其中所述组件被布置成旋转所述光学元件以便旋转所述第二光路。

10.根据权利要求9所述的全息投影仪，其中，所述组件布置成使所述光学元件绕平行于所述第一光轴的轴线旋转。

11.根据权利要求10所述的全息投影仪，其中，平行于所述第一光轴的所述轴线与所述第一光轴共线。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的全息投影仪，其中，至少一个图块是代表待重建的整个输入全息图的整个图块，并且其中所述光源被布置为使得，在所述输入光束和所述空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动的同时，所述整个图块保持被所述输入光束照射。

13.根据权利要求1至11任一项所述的全息投影仪，其中，所述空间光调制器的至少一个区域的尺寸小于所述空间光调制器的尺寸。

14.根据权利要求1至11中任一项所述的全息投影仪，其中，所述全息重建在所述输入光束和所述空间光调制器的相对移动期间不移动。

15.根据权利要求1至11中任一项所述的全息投影仪，其中，在所述输入光束和所述空间光调制器的相对移动期间，所述全息重建保持被形成。

16.根据权利要求1至11中任一项所述的全息投影仪，其中，所述全息重建形成在光接收表面处，所述光接收表面与所述空间光调制器在空间上分开。

17.根据权利要求16所述的全息投影仪，其中，所述光接收表面是漫射器。

18.根据权利要求1至11中任一项所述的全息投影仪，其中，所述光源发射至少部分空间相干的光和/或发射单色光。

19.根据权利要求18所述的全息投影仪，其中，所述光源是激光器。

20.根据权利要求1至11中任一项所述的全息投影仪，其中，所述空间光调制器被布置为在空间上调制所述输入光束的相位和/或振幅。

21.根据权利要求1至11中任一项所述的全息投影仪，其中，所述空间光调制器上显示的所述全息图是计算机生成的全息图。

22.根据权利要求21所述的全息投影仪，其中，所述全息图是傅立叶全息图或菲涅耳全息图。

23.一种平视显示器“HUD”，包括根据前述权利要求中任一项所述的全息投影仪。

24.一种车辆，包括根据权利要求23所述的HUD。

25.一种改善全息重建图像的方法，该方法包括：

在空间光调制器上显示全息图，其中，所述全息图包括两个或多个图块，每个图块代表待重建的输入全息图的至少一部分；

用输入光束照射整个空间光调制器和围绕空间光调制器的区域；

根据全息图在空间上调制所述输入光束以形成全息重建；和

使所述输入光束相对于所述空间光调制器移动。

26.根据权利要求25所述的方法，进一步包括图块化待重建的输入全息图以形成显示在所述空间光调制器上的全息图。

27.根据权利要求25或26所述的方法，包括使所述输入光束和所述空间光调制器中的至少一个相对于另一个移动，使得所述输入光束照射到所述空间光调制器上的部分发生改变。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述输入光束在人眼的整合时间内入射到多个不同位置。