CN112204461A - 图像投影仪 - Google Patents

Abstract

提供了一种车辆中的平视显示器，所述平视显示器布置成显示图片，该平视显示器包括设置在挡风玻璃的上部区域中的第一光学子系统和设置在车辆的仪表板下方邻近挡风玻璃的下部区域的第二光学子系统。第一光学子系统布置成输出光场。第一光学子系统包括光源和空间光调制器。光源布置成发射光。空间光调制器布置成接收来自光源的光并根据在空间光调制器上显示的计算机生成的全息图对光进行空间调制。第二光学子系统布置成接收来自第一光学子系统的光场并将光场投影到车辆的挡风玻璃上，以在挡风玻璃上形成虚像。

Description

图像投影仪

技术领域

本公开涉及投影仪和平视显示器。更具体地，本公开涉及用于车辆比如机动车辆的全息投影仪和平视显示器。本公开还涉及全息投影的方法和在平视显示器中投影虚像的方法。

背景技术

从物体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感光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”。可以通过用合适的光照射来重建全息图，以形成代表原始物体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。可以通过基于数学变换比如菲涅耳或傅立叶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被称为菲涅耳或傅立叶变换全息图。傅立叶全息图可被认为是物体的傅立叶域表示或物体的频域表示。例如，还可以通过相干射线追踪或点云技术来计算CGH。

可以在布置为调制入射光的振幅和/或相位的空间光调制器“SLM”上对CGH进行编码。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可包括多个单独可寻址像素，其也可以称为单元或元件。光调制方案可以是二态的、多级或连续的。可替代地，设备可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制可以在整个设备上是连续的。SLM可以是反射性的，这意味着调制光以反射从SLM输出。SLM可以同样是透射性的，这意味着调制光以透射从SLM输出。

可以使用本文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”和头戴式显示器“HMD”，其包括近眼设备。

车厢空间在车辆比如机动车辆中非常宝贵，特别是随着包括的高级驾驶员辅助系统越来越多。平视显示器通常会占用仪表板下方空间的较大体积，比如15升。公开了一种平视显示器，其中仪表板下方的较少空间用于容纳平视显示器的部件。

发明内容

本公开的多个方面在所附的独立权利要求中定义。

图片生成单元可以包括全息投影仪，其中图片是计算机生成的全息图的全息重建。图片可以形成在用作显示表面的光接收表面上。由于全息过程的效率及其与激光光源一起使用的固有适用性，因此基于以下完整描述的全息投影仪的HUD能够提供比当前可用竞争技术大得多的对比度。

平视显示器可以包括全息处理器。图片可以是全息重建。全息处理器可以布置成将计算机生成的全息图输出到空间光调制器。计算机生成的全息图可以布置成至少部分地补偿车辆的挡风玻璃的形状。

该系统可以布置成通过将空间调制光反射离开挡风玻璃而使用挡风玻璃来形成图片的虚像。光源可以是激光器和/或图片的光可以是激光器光。空间光调制器可以是硅上液晶空间光调制器。图片可以通过在光接收表面处的空间调制光的干涉过程来形成。计算机生成的全息图可以对应于相应图片的数学变换，可选的是傅立叶或菲涅耳变换。计算机生成的全息图可以是傅立叶或菲涅耳全息图。计算机生成的全息图可以是通过点云方法计算机生成的全息图。空间光调制器可以布置成对来自光源的光的相位进行空间调制。空间光调制器可以布置成对来自光源的光的振幅进行空间调制。

然而，一些实施例仅通过示例描述基于全息投影的图片生成单元。本公开同样适用于任何类型的图片生成单元，包括背光液晶显示器、激光扫描显示器、数字微镜装置“DMD”、荧光显示器和等离子显示器。

提供了一种布置成显示图片的用于车辆的平视显示器，该平视显示器包括设置成邻近挡风玻璃的上部区域的第一光学子系统和设置成邻近挡风玻璃的下部区域比如在车辆的仪表板下方的第二光学子系统。第一光学子系统布置成输出光场。第一光学子系统包括光源和空间光调制器。光源布置成发射光。空间光调制器布置成接收来自光源的光并根据在空间光调制器上显示的计算机生成的全息图对光进行空间调制。第二光学子系统布置成接收来自第一光学子系统的光场并将光场投影到车辆的挡风玻璃上，以使用挡风玻璃形成虚像。

光场对应于空间调制光。即，光场和空间调制光是相关的，并且一个可以从另一个导出。在这方面，也可以说光场代表空间调制光。光场可以是空间调制光。也就是说，光场的波前和空间调制光的波前可能具有相同的振幅和相位分布，尽管它们的尺寸可能不同(例如空间调制光可能会被放大以形成光场)。然而，光场的波前也可以是由空间光调制器形成的空间调制光的波前的更复杂的变换，例如傅立叶或菲涅耳变换。在示例中，空间调制光代表频率(或傅立叶)域中的光场。例如，可以对空间调制光进行处理，例如傅立叶或菲涅耳变换，以形成光场。如下所述，可以通过集成到全息图中的软件透镜来执行傅立叶或菲涅耳变换。可替代地或另外，傅立叶或菲涅耳变换可以由物理光学部件比如正确定位的透镜执行。

常规地，平视显示器的部件被集成到单个单元中，该单个单元设计为装配在仪表板下方的分配体积中。然而，平视显示单元较大(与车辆中的其他电子系统相比)，因为在小型显示设备(通常只有几厘米)上放大图像以在挡风玻璃上形成足够大小的图像需要大的光程。在此描述的平视显示器包括设置在挡风玻璃的上部区域中(即邻近挡风玻璃的上部的区域)的关键部件和设置在仪表板下方的关键部件。特别地，平视显示器被分成在空间上分离(或移位)的两个光学子系统。有利地，仪表板下方消耗的体积更少。这是有利的，因为特别是在仪表盘下方的空间非常宝贵，尤其是当车辆变得更加先进并且对具有更高视野的HUD的需求增加时。

从第一光学子系统到第二光学子系统的光路可以基本平行于挡风玻璃的大体平面。从第一光学子系统到第二光学子系统的光路也可以邻近挡风玻璃的表面，例如在挡风玻璃的总平面的30厘米之内(例如20或10厘米)。

第一光学子系统可以是输出图片的图片生成单元。在这些情况下，光场是图片，虚像是图片的虚像。在这种配置中，第一光学子系统负责图片生成方面，而第二光学子系统负责投影方面。因此，该系统是方便模块化的且子系统可以根据需要进行单独调整或更改，例如针对不同的车辆或者提供不同的规格。

空间调制光可以在第一光学子系统的光接收表面上形成图片。光接收表面可用于提供附加功能，例如减少斑点或扩大眼盒。

空间调制光可以在空间光调制器和第二光学子系统之间的自由空间中形成图片。没有光接收表面会减少部件数量并且可减少光学损耗。

第一光学子系统可以投影用全息图数据编码的空间调制光。在这些情况下，第一光学子系统的输出是与图片相对应/相关的光场，而不是图片本身。光场可以是图片的傅立叶变换。在这些情况下，光场是空间调制光。

观看者的眼透镜可以对空间调制光执行光学傅立叶变换。有利地，因为人眼的焦距是适应性的，所以可以使全息图像出现在距观看者的不同距离处。即，可以动态地改变回放平面的位置。因此，提供了诸如双平面平视显示器的多平面。可替代地，第二光学子系统可以布置成执行空间调制光的光学傅立叶变换。

第一光学子系统可以设置成：在车顶上；在内部车顶衬里内；在后视镜壳体上；在车顶线电子面板上；或者在遮阳板上。因此，关键部件设置在车辆的具有比仪表板下方更低不动产价值的区域中。

第二光学子系统可以包括至少一个反射元件，例如镜子。这使得能够形成空间有效的光学系统，例如使用折叠的光路，并且提供可用于光学处理图像的光学表面。第二光学子系统的至少一个反射元件可以具有光焦度。此特征提供必要的图像放大。第二光学子系统的至少一个反射元件可以是自由形式光学器件，或者可以包括自由形式光学表面，其布置成至少部分地补偿在接收图片的光的挡风玻璃的区域中的挡风玻璃的形状。这提供改善的图像质量。至少一个反射元件可以包括激光谱线选择性滤光器，其布置成允许图片的光通过平视显示器传播并且抑制具有不同波长的光通过平视显示器传播。这显著减少了通过系统返回的阳光量，并减轻了与之相关的问题，例如图像的光学冲洗(optical wash out)或热损伤光学部件(例如空间光调制器)。可替代地或另外，第二光学子系统的至少一个反射元件可以进一步包括偏振器，例如其上的偏振膜或涂层，其布置成允许图片的光通过平视显示器传播并且抑制(例如衰减或阻挡)具有正交偏振的光通过平视显示器传播。此外，这导致减少了通过系统返回的阳光。

第一光学子系统可以是大致平面的，并且包括大致平面的波导，其布置成沿着连续光路将来自光源的光引导至空间光调制器并且将来自空间光调制器的空间调制光引导至波导的输出。因此，提供了基本平面配置，其是可适应的并且具有合适的形状因数，以附接到车顶或装配在内部车顶衬里结构内，从而最小化对车厢空间的任何影响。波导内的连续光路可通过波导表面处的全内反射而穿过波导的纵向轴线多次。

第一光学子系统可以包括至少一个反射元件，例如镜子。因此，提供了可用于维持光学对准的可调节(例如扭曲/倾斜)部件。此外，提供了额外的设计灵活性。第一光学子系统的至少一个反射元件可以具有光焦度。因此，可以减轻对第二光学子系统的需求，例如提供光焦度的需求。第一光学子系统的至少一个反射元件可以是自由形式光学器件，或者可以包括自由形式光学表面，其布置成至少部分地补偿在接收图片的光的挡风玻璃的区域中的挡风玻璃的形状。至少一个反射元件可以包括激光谱线选择性滤光器，其布置成允许图片的光通过平视显示器传播并且抑制具有不同波长的光通过平视显示器传播。可替代地或另外，第一光学子系统的至少一个反射元件可以进一步包括偏振器，例如其上的偏振膜或涂层，其布置成允许图片的光通过平视显示器传播并且抑制(例如衰减或阻挡)具有正交偏振的光通过平视显示器传播。

提供了一种车辆中的平视显示系统，该系统包括：第一光学子系统，其包括布置成输出光场的图片生成单元；以及第二光学子系统，其布置成接收来自第一光学子系统的光场并将光场投影到车辆的挡风玻璃上，以在挡风玻璃上形成虚像，其中第一光学子系统设置在挡风玻璃的上部区域中，而第二光学子系统设置在车辆的邻近挡风玻璃的下部区域的仪表板内。

提供了一种布置成显示图片的车辆中的平视显示器，该平视显示器包括：第一光学子系统，其布置成输出光场，其中第一光学子系统包括：光源，其布置成发射光；空间光调制器，其布置成接收来自光源的光并根据在空间光调制器上表示的计算机生成的全息图对光进行空间调制，以形成全息光场，其中全息光场是图片的频域表示；以及全息处理器，其布置成将计算机生成的全息图输出到空间光调制器；以及第二光学子系统，其布置成接收来自第一光学子系统的全息光场并将全息光场投影到车辆的挡风玻璃上，以在挡风玻璃上形成虚像，其中第一光学子系统设置在挡风玻璃的上部区域中，而第二光学子系统设置在车辆的仪表板内，邻近挡风玻璃的下部区域。全息光场是根据在空间光调制器上显示的全息图而对波前进行空间调制的光场。

提供了一种车辆中的平视显示器，其布置成显示图片，该平视显示器包括：第一光学子系统，其布置成输出图片，其中第一光学子系统包括：光源，其布置成发射光；空间光调制器，其布置成接收来自光源的光并根据在空间光调制器上表示的计算机生成的全息图输出形成图片的空间调制光；以及全息处理器，其布置成将计算机生成的全息图输出到空间光调制器；以及第二光学子系统，其布置成接收来自第一光学子系统的图片的光并将图片的光投影到车辆的挡风玻璃上，以在挡风玻璃上形成图片的虚像，其中第一光学子系统设置在挡风玻璃的上部区域中，而第二光学子系统设置在车辆的仪表板内，邻近挡风玻璃的下部区域。

本文中使用术语“图片的光”来指代形成图片的光。“图片的光”可以是单色的或多色的。“图片的光”可以是复合色。例如，“图片的光”可以包括红色、绿色和蓝色的光。“图片的光”可以是偏振光。

在正常使用期间，读者将熟悉仪表板在车辆中的位置。根据本公开的第二光学子系统被描述为设置在车辆的仪表板“下方”。此术语用于反映第二光学子系统在仪表板的表面下方。更具体地，第二光学子系统(包括其最上部)的整个体积在正常使用时位于车辆仪表板的表面下方。例如，第二光学子系统可以设置在仪表板内或仪表板内部。组合仪表后面和挡风玻璃前面的最外顶部表面有时称为A表面或“拔顶部(topper)”。因此，可以说第二光学子系统在拔顶部的A表面下方。

根据本公开，“激光谱线选择性滤光器”允许激光谱线光在所描述的光路上传播，但不允许非激光谱线光在光路上任何进一步传播。换句话说，“激光谱线选择性滤光器”从光学系统去除非激光谱线光。例如，“激光线选择性滤光器”可以吸收非激光谱线光。例如，“激光谱线选择性滤光器”可以吸收除具有激光谱线波长的光以外的所有光学波长。可替代地，滤光器可以通过例如优先透射或优先反射激光线光来实现该选择性功能。同样，根据本公开的“偏振选择性滤光器”是指从光学系统去除具有非优选偏振的光的滤光器。术语“激光谱线”用于指具有中心波长且全波半最大值小于30nm，可选地小于15nm，进一步可选地小于5nm的窄带宽。

术语“全息图”用于指代包含关于物体的振幅信息或相位信息或其某种组合的记录。术语“全息重建”用于指代通过照射全息图而形成的物体的光学重建。术语“回放平面”在本文中用于指代完全形成全息重建的空间中的平面。本文使用术语“回放场”来指代回放平面的子区域，其可以接收来自空间光调制器的空间调制光。术语“图像”、“回放图像”和“图像区域”指的是由形成全息重建的光照射的回放场的区域。在实施例中，“图像”可以包括离散斑点，其可被称为“图像像素”。

术语“编码”、“写入”或“寻址”用于描述向SLM的多个像素提供分别确定每个像素的调制水平的相应多个控制值的过程。可以说，SLM的像素配置为响应于接收到多个控制值而“显示”光调制分布。因此，可以说SLM“显示”全息图。

已经发现，可以从仅包含与原始物体有关的相位信息的“全息图”形成可接受质量的全息重建。这样的全息记录可被称为仅相位全息图。实施例涉及仅相位全息图，但本公开同样适用于仅振幅全息图。

本公开也同样适用于使用与原始物体有关的振幅和相位信息来形成全息重建。在一些实施例中，这是通过使用包含与原始物体有关的振幅和相位信息的所谓全复数全息图的复数调制来实现的。因为分配给全息图的每个像素的值(灰度级)具有振幅和相位分量，所以这种全息图可被称为全复数全息图。分配给每个像素的值(灰度级)可以表示为具有振幅和相位分量的复数。在一些实施例中，计算全复数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、相位信息或者简单地说是相位，作为“相位延迟”的简写。即，所描述的任何相位值实际上是代表该像素提供的相位延迟量的数字(例如在0至2π范围内)。例如，空间光调制器的描述为具有π/2相位值的像素将使接收光的相位改变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)之一中操作。术语“灰度级”可以用来指多个可用的调制水平。例如，术语“灰度级”可以为了方便而用于指代仅相位调制器中的多个可用相位水平，即使不同的相位水平没有提供不同的灰色阴影。为了方便起见，术语“灰度级”也可以用来指复数调制器中的多个可用复数调制水平。

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

仅参考以下附图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型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类型算法的第二及后续迭代；

图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的替代第二及后续迭代；

图3是反射型LCOS SLM的示意图；

图4示出了车辆中的示例HUD；

图5代表第一组实施例；

图6代表第二组实施例；

图7代表第三组实施例；

图8代表第四组实施例；以及

图9代表第五组实施例。

在整个附图中将使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。

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实施，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/下部或者在另一结构之上/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描述为“之后”、“随后”、“下一个”、“之前”等时，本公开应被认为包括连续和非连续事件，除非另有规定。例如，描述应被认为包括除非使用诸如“仅”、“紧邻”或“直接”之类的措词否则不连续的情况。

尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分各个元件。例如，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，类似地，第二元件可被称为第一元件。

不同实施例的特征可以部分或整体地彼此耦合或组合，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物体的傅立叶变换。因此可以说全息图是物体的傅立叶域或频域或光谱域表示。在该实施例中，空间光调制器是反射型硅上液晶“LCOS”器件。全息图在空间光调制器上编码，并且在回放场例如光接收表面比如屏幕或漫射器处形成全息重建。

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。准直透镜使光的大致平面波前入射在SLM上。在图1中，波前的方向是偏离法线的(例如，与真正垂直于透明层的平面相距两或三度)。然而，在其他实施例中，大致平面波前以法向入射提供，并且分束器布置用于分离输入和输出光路。在图1所示的实施例中，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被施加到包括傅立叶变换透镜120的光学器件，其焦点位于屏幕125上。更具体地，傅立叶变换透镜120接收来自SLM140的调制光束，并执行频率-空间变换以在屏幕125上产生全息重建。

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)与特定的光调制元件(或全息图像素)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度(聚焦)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进行的。任何透镜都可以充当傅立叶变换透镜，但透镜的性能将限制其执行的傅立叶变换的准确性。技术人员理解如何使用透镜来执行光学傅立叶变换。

全息计算

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。通过将回放平面中的所需光场傅立叶变换回透镜平面来计算傅立叶全息图。可以使用傅立叶变换来计算计算机生成的傅立叶全息图。

可以使用算法比如Gerchberg-Saxton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(比如照片)中的仅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)。从空间域中的仅振幅信息中有效地“获取”与物体有关的相位信息。在一些实施例中，使用Gerchberg-Saxton算法或其变型从仅振幅信息计算计算机生成的全息图。

Gerchberg-Saxton算法考虑了当已知分别在平面A和B中的光束的强度截面I_A(x,y)和I_B(x,y)并且I_A(x,y)和I_B(x,y)通过单个傅立叶变换关联时的情况。对于给定的强度横截面，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，同时在空间域和傅立叶(频谱或频率)域之间重复传输代表I_A(x,y)和I_B(x,y)的数据集(振幅和相位)。通过算法的至少一次迭代获得频谱域中的相应计算机生成的全息图。该算法是收敛的并且布置为产生表示输入图像的全息图。全息图可以是仅振幅全息图、仅相位全息图或全复数全息图。

在一些实施例中，仅基于相位的全息图是使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法来计算的，比如在英国专利2498170或2501112中描述的，其全部内容通过引用结合于此。然而，本文公开的实施例仅通过示例的方式描述计算仅相位全息图。在这些实施例中，Gerchberg-Saxton算法获取数据集的傅立叶变换的相位信息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立叶变换中是固有组合的，因此变换后的幅度和相位包含有关计算数据集的准确性的有用信息。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，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)幅度分量和相位分量。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仅相位全息图的算法的第一迭代。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。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可被视为仅幅度或仅振幅或仅强度分布。这样的输入图像210的示例是照片或包括帧时间序列的视频的一帧。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(seed))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了空间域中的输入图像。

第一处理框250接收起始复数数据集并执行复数傅立叶变换以形成傅立叶变换的复数数据集。第二处理框253接收傅立叶变换的复数数据集并输出全息图280A。在一些实施例中，全息图280A是仅相位全息图。在这些实施例中，第二处理框253量化每个相位值并将每个振幅值设置为单位值，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水平来量化每个相位值，该空间光调制器的像素将用于“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个不同的相位水平，则将全息图的每个相位值量化为256个可能相位水平中的一个相位水平。全息图280A是代表输入图像的仅相位傅立叶全息图。在其他实施例中，全息图280A是全复数全息图，其包括从接收的傅立叶变换的复数数据集导出的复数数据值(每个包括振幅分量和相位分量)阵列。在一些实施例中，第二处理框253将每个复数数据值约束到多个可允许复数调制水平之一以形成全息图280A。约束步骤可以包括将每个复数数据值设置为复数平面中最接近的可允许复数调制水平。可以说全息图280A代表频谱或傅立叶或频域中的输入图像。在一些实施例中，算法在该点处停止。

然而，在其他实施例中，算法继续，如图2A中的虚线箭头所示。换句话说，遵循图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)。

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

第四处理框259接收逆傅立叶逆变换的复数数据集，并提取幅度值211A的分布和相位值213A的分布。可选地，第四处理框259评估幅度值211A的分布。具体地，第四处理框259可以将逆傅立叶变换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211A的分布与输入图像210之间的差足够小，则第四处理框259可以确定全息图280A是可接受的。即，如果幅度值211A的分布与输入图像210之间的差足够小，则第四处理框259可以确定全息图280A是输入图像210的足够准确表示。在一些实施例中，为了比较的目的，忽略了逆傅立叶变换的复数数据集的相位值213A的分布。将理解的是，可以采用任何数量的不同方法来比较幅度值211A的分布和输入图像210，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。如果第四处理框259确定全息图280A是不可接受的，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，并且在其他实施例中，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表示算法的第二迭代以及算法的任何进一步迭代。通过算法的处理框来反馈先前迭代的相位值213A的分布。幅度值211A的分布被丢弃，有利于输入图像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相结合来形成第一复数数据集。然而，在第二和后续迭代中，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213A的分布与(ii)输入图像210的幅度值的分布相结合来形成复数数据集。

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，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。然而，可以执行该算法的任何数量的进一步迭代。将理解的是，仅在需要第四处理框259或需要进一步的迭代时才需要第三处理框256。输出全息图280B通常随着每次迭代而变得更好。然而，实际上，通常会达到一个无法观察到可测量的改进的点，或者执行进一步迭代的正面好处被额外的处理时间所带来的负面影响抵消。因此，该算法被描述为迭代和收敛的。

图2C表示第二和后续迭代的替代实施例。通过算法的处理框来反馈先前迭代的相位值213A的分布。幅度值211A的分布被丢弃，有利于幅度值的替代分布。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211的分布中得出的。具体地，处理框258从先前迭代的幅度值211的分布中减去输入图像210的幅度值的分布，通过增益因子α缩放该差，并从输入图像210中减去经缩放的差。通过以下等式在数学上来表达此，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'是逆傅立叶变换；

F是正向傅立叶变换；

R[x,y]是第三处理框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；以及

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大小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。

在所有其他方面，图2C的实施例与图2A和图2B的实施例相同。可以说，仅相位全息图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物体的数据。在这些实施例中，省略了图1的物理傅立叶变换透镜120。已知在计算机生成的全息图领域中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透镜。例如，可以通过计算由透镜的每个点由于其折射率和空间变化的光路长度而引起的相位延迟来形成仅相位全息透镜。例如，在凸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。仅振幅的全息透镜可以由菲涅耳波带片形成。还已知在计算机生成的全息图的领域中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，从而可以进行傅立叶变换而无需物理傅立叶透镜。在一些实施例中，通过简单加法比如简单矢量加法，将透镜数据与全息数据组合。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。可替代地，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。此外，已知在计算机生成的全息领域中如何计算这样的全息数据并将其与代表物体的全息数据组合。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全息光栅。仅振幅全息光栅可以简单地叠加在代表物体的仅振幅全息图上，以提供仅振幅全息图的角度转向。

在一些实施例中，傅立叶变换由物理傅立叶变换透镜和软件透镜联合执行。即，由软件透镜提供有助于傅立叶变换的一些光焦度，而由一个或多个物理光学器件提供有助于傅立叶变换的其余光焦度。

在一些实施例中，提供了一种实时引擎，其布置为使用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，提供了预定全息图的储存库。

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。本公开同样适用于可通过其他技术比如基于点云方法的技术计算的菲涅耳全息术和全息图。

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件(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。每个液晶单元配置为选择性地提供多个光调制水平。即，每个液晶单元在任何时候配置为以从多个可能光调制水平中选择的一个光调制水平操作。每个液晶单元可动态地重新配置为多个光调制水平中的一不同光调制水平。在一些实施例中，空间光调制器是反射型硅上液晶(LCOS)空间光调制器，但本公开不限于这种类型的空间光调制器。

LCOS装置在小孔径(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，意味着光学系统可以紧凑。充分照射LCOS SLM的小孔径比其他液晶装置的大孔径要容易得多。LCOS装置通常是反射型的，这意味着驱动LCOS SLM像素的电路可以埋在反射表面下。结果导致更高的孔径比。换句话说，像素紧密堆积，这意味着像素之间几乎没有死角。这是有利的，因为它减少了回放场中的光学噪声。LCOS SLM使用硅底板，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。

下面仅以举例的方式，参考图3来描述合适的LCOS SLM。使用单晶硅基板302形成LCOS器件。其具有方形的平面铝电极301的2D阵列，其由间隙301a间隔开，布置在基板的上表面上。可以通过掩埋在基板302中的电路302a来对每个电极301进行寻址。每个电极形成各自的平面镜。取向层303设置在电极阵列上，液晶层304设置在取向层303上。第二取向层305设置在例如由玻璃制成的平面透明层306上。例如由ITO制成的单个透明电极307设置在透明层306和第二取向层305之间。

每个方形电极301与透明电极307的覆盖区域和中间液晶材料一起限定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活性的总像素的百分比。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延迟。效果是向波前提供仅相位调制，即不发生振幅效果。

所描述的LCOS SLM以反射方式输出空间调制的光。反射型LCOS SLM具有的优势在于，信号线、光栅线和晶体管位于镜面之下，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优势在于，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(投影运动视频图像的关键优势)。然而，可以使用透射型LCOS SLM同样地实现本公开的教导。

平视显示器

图4示出了车辆比如汽车中的HUD。在图4中示出了车辆的挡风玻璃430和发动机罩(或引擎盖)435。HUD包括图片生成单元“PGU”410和光学系统420。

在该示例中，PGU410包括光源、光接收表面和布置成计算机控制图片的图像内容的处理器(或计算机)。PGU410布置成在光接收表面上生成图片或图片序列。光接收表面可以是屏幕或漫射器。在一些实施例中，光接收表面是塑料(即由塑料制成)。

光学系统420包括输入端口、输出端口、第一镜子421和第二镜子422。第一镜子421和第二镜子422布置成将光从光学系统的输入端口引导至光学系统的输出端口。更具体地，第二镜子422布置成从PGU410接收图片的光，第一镜子421布置成从第二镜子422接收图片的光。第一镜子421进一步布置为将所接收的图片的光反射到输出端口。因此，从输入端口到输出端口的光路包括从输入到第二镜子422的第一光路423(或第一光路分量)和从第二镜子422到第一镜子421的第二光路424(或第二光路分量)。当然，存在从第一镜子到输出端口的第三光路(或光路分量)，但在图4中未分配附图标记。图4中所示的光学配置由于光路的形状而可被称为“z折叠”配置。

HUD配置和定位在车辆内，使得来自光学系统420的输出端口的图片的光入射到挡风玻璃430上，并且至少部分地被挡风玻璃430反射到HUD的用户440。因此，在一些实施例中，光学系统布置成通过从挡风玻璃反射空间调制光来在挡风玻璃中形成每个图片的虚像。HUD的用户440(例如汽车的驾驶员)看到挡风玻璃430中的图片的虚像450。因此，在实施例中，光学系统布置成在车辆的挡风玻璃上形成每个图片的虚像。虚像450形成在汽车的发动机罩435的下方一定距离处。例如，虚像可以与用户440相距1至2.5米。光学系统420的输出端口与汽车仪表板中的孔对准，从而图片的光由光学系统420和挡风玻璃430引导至用户440。在该配置中，挡风玻璃430用作光学组合器。在一些实施例中，光学系统布置成在系统中包括的附加光学组合器上形成每个图片的虚像。挡风玻璃430或附加光学组合器(如果包括的话)将来自真实世界场景的光与图片的光组合。因此，可以理解，HUD可以提供包括图片的虚像的增强现实。例如，增强现实信息可以包括导航信息或与机动车辆的速度有关的信息。在一些实施例中，通过以布鲁斯特角(也称为偏振角)或在布鲁斯特角的5度以内(例如布鲁斯特角的2度以内)入射到挡风玻璃上来输出形成图片的光。

在一些实施例中，第一镜子和第二镜子布置成折叠从输入到输出的光路，以便在不过度增加HUD的物理尺寸的情况下增加光路长度。

在PGU 410的光接收表面上形成的图片的宽度和高度可能只有几厘米。因此，第一镜子421和第二镜子422共同地或单独地提供放大。即，第一镜和子/或第二镜子可以具有光焦度(即屈光度或聚焦力)。因此，用户440看到由PGU形成的图片的放大的虚像450。第一镜子421和第二镜子422还可校正通常具有复杂弯曲形状的光学畸变，诸如是由挡风玻璃430引起的。镜子中的折叠光路和光焦度一起可以适当放大图片的虚像。

在实施例中，PGU 410包括全息投影仪和光接收表面，例如屏幕或漫射器。根据以上公开，全息投影仪包括光源、空间光调制器和全息图处理器。空间光调制器布置成根据空间光调制器上表示的全息图对光进行空间调制。全息图处理器布置成提供计算机生成的全息图。在一些实施例中，全息图处理器选择计算机生成的全息图以从包括多个计算机生成的全息图的存储库(例如存储器)输出。在其他实施例中，全息图处理器实时计算并输出计算机生成的全息图。在一些实施例中，由PGU 410形成的每个图片是在光接收表面上的全息重建。即，在一些实施例中，通过在光接收表面处的空间调制光的干涉来形成每个图片。

下面参照图5至9描述实施例。这些图仅示出了车辆的挡风玻璃、引擎盖和车顶的内/内壁。为了避免任何疑问，第一光学子系统和第二光学子系统设置在车辆内部，即车辆的外壁内。

图5表示第一组实施例。示出了从第一光学子系统到观察者的光路560。具体地，图5示出了具有挡风玻璃530、发动机罩550和车顶540的车辆。图5还示出了直接或间接地固定或安装至车辆的车顶(例如在车厢的车顶衬里内)的第一光学子系统510以及安装在仪表板下方的第二光学子系统520。第一光学子系统510和第二光学子系统520协作以形成用于观看者比如车辆驾驶员的HUD。

在操作中，第一光学子系统510布置成显示图片，并且第二光学子系统520布置成从第一光学子系统510接收图片的光并将所接收的图片的光投影到挡风玻璃530上。例如，将所接收的图片的光投影到挡风玻璃上的步骤可以包括重定向图片的光或反射图片的光。投影所接收的图片的光的步骤还可以包括放大图片和/或操纵接收的光场以例如通过校正像差或挡风玻璃的复杂形状来改善虚像的质量。光学布置使得图片的光被反射到观看者。图片的光以基本布鲁斯特角入射到挡风玻璃上。图片的虚像向观察者显示在距汽车引擎盖一定距离处，如图5中的虚线所示。

图6表示第二组实施例。具体地，图6示出了直接或间接地固定或安装到车顶(例如在车厢的车顶衬里内)的PGU 615以及安装在仪表板下方的自由形式镜子625。在该实施例中，第一光学子系统包括PGU 615，第二光学子系统包括自由形式镜子625。此外，为了避免任何疑问，PGU 615不在车辆外部。PGU 615和自由形式镜子625共同形成用于观看者比如车辆驾驶员的HUD。将理解的是，例如，在车顶衬里和仪表板中的每个中可能需要孔，以提供从第一光学子系统经由第二光学子系统到观察者的清晰/无阻碍的光路。在所示的实施例中，PGU 615是布置成在光接收表面上形成图片的全息投影仪，图片是在空间光调制器上显示的全息图的全息重建。然而，如先前所述，PGU可以是任何类型的PGU。

在操作中，PGU 615布置成生成图片，自由形式镜子625布置成从PGU615接收图片的光并将所接收的图片的光投影到挡风玻璃530上。投影所接收的图片的光的步骤包括反射图片的光并放大图片。在一些实施例中，投影所接收的图片的光的步骤还包括校正像差和/或挡风玻璃的复杂形状，这两者均使虚像失真。

自由形式镜子625布置成接收来自PGU615的图片的光作为输入，并且将所接收的图片的光反射地输出到挡风玻璃530。挡风玻璃530布置成接收来自自由形式镜子625的所反射的图片的光并且将图片的光反射给观看者，以使观看者看到在他们前面比如距引擎盖一定距离的图片的虚像。

可选地，第一光学子系统可以进一步包括在PGU和自由形式镜子之间的光路上的镜子。镜子可以布置成从PGU接收图片的光并且将所接收的图片的光反射到自由形式镜子。PGU和附加镜子共同形成邻近挡风玻璃的上部区域(例如在车厢的车顶衬里内)的第一光学子系统。自由形式镜子从第一光学子系统的镜子接收图片的光并将所接收的图片的光反射到挡风玻璃530，如前所述。

图7表示第三组实施例。第一光学子系统包括PGU。PGU包括激光二极管716、准直表面718、光波导717、LCOS SLM719和光接收表面721比如屏幕或漫射器。LCOS SLM719布置成显示根据本公开的全息图。全息图包括布置成执行傅立叶变换的软件透镜。将光接收表面721定位在软件透镜的焦距处，使得在其上形成与显示的全息图相对应的全息重建。因此，PGU的图片形成在光接收表面721上。图7中所示的部件未按比例绘制，并且第一光学子系统具有薄物理形式，可将其合并到例如车顶衬里中而不会增加显著体积，例如不减少车厢体积。光波导717配置为以本领域技术人员将熟悉的方式使用全内反射将光从输入引导至输出。光波导717的输入接收来自激光二极管716的准直光。如果激光二极管716发射准直光或者替代准直元件定位在激光二极管716和LCOS SLM719之间，则可以省略准直表面718。即，准直表面718是可选特征。光波导717将来自激光二极管716的光引导至LCOS SLM719，其根据显示的全息图对光进行空间调制。图片形成在光接收表面721上，自由形式镜子625布置成从光接收表面721接收图片的光。自由形式镜子625按照第二组实施例将图片的光反射到挡风玻璃上。

可选地，可以在LCOS SLM719和光接收表面721之间包括提供光焦度的附加光学元件(例如透镜或成形表面)。该光学元件可以配置为执行傅立叶变换，而不是软件透镜。可替代地，可以保留软件透镜，并且光学元件可以配置为与软件透镜一起执行傅立叶变换。即，可以在软件透镜和附加光学元件之间划分执行傅立叶变换所需的光焦度。

图8表示第四组实施例，其中省略了图7的光接收表面721。在图8中，全息重建形成在回放平面822处的自由空间中。也就是说，在回放平面822处不存在物理部件。然而，第一光学子系统以与先前所述相同的方式形成全息重建。不需要改变第二光学子系统以补偿省略光接收表面。然而，技术人员将理解，如果光接收表面是漫射的，则光接收表面的省略可能减小HUD系统的所谓的眼盒的尺寸，但这可以以其他方式(不在本公开范围内)解决。

可替代地，可以在第二光学子系统之后形成(全息)回放平面。在该替代方案中，自由形式光学器件625的光功率可以有助于傅立叶变换，或者甚至提供傅立叶变换所需的所有必需的光焦度。可选地，回放平面可以与观看平面重合，即包含观看者眼睛的平面。

图9表示第五组实施例，其中投影到观看者的光图案是全息光场(即直接对应于全息记录)而不是全息重建。因此，图9与图8的不同之处在于，所需的傅立叶变换是由观看者的眼睛的晶状体执行的。因此在观看者之前的自由空间中不形成全息重建。为了避免任何疑问，系统的光学部件(包括LCOS SLM919)不会单独或共同执行傅立叶变换。有效地，投影全息图且观察者眼睛中的晶状体的光焦度可以执行必要的傅立叶变换。第二光学子系统包括自由形式镜子925，其将全息图的图像投影到车辆的发动机罩下方。在这种情况下，自由形式镜子925可以放大全息图的图像，并且可以可选地校正系统中的光学像差或挡风玻璃的复杂形状。

在任何描述的实施例或实施例组中，仪表板内的第二光学子系统可包括多个光学元件，比如多个镜子。例如，自由形式镜子625/925可以由多个光学元件(例如两个或三个镜子)代替，该多个光学元件共同执行与自由形式镜子625/925相同的功能。在此示例中，由自由形式镜子625/925执行的光学处理(例如放大、像差校正等)可以在多个光学元件例如镜子之间划分。技术人员将理解第二光学子系统中可以如何包括任何其他常规光学器件，比如透镜和滤光器，以提供所描述的HUD。

在任何所描述的实施例或实施例组中，图片的光可以是窄带(在波长上)，因为激光器比如激光二极管用作光源。因此，第一或第二光学子系统中的光学部件中的至少一个可以包括波长选择性滤光器，例如激光线滤光器，其布置成允许图片的光通过所描述的光学系统传播，但是衰减或消除光学系统中其他波长的光。例如，自由形式镜子625/925可以包括反射激光线滤光器，其布置成反射图片的光但吸收或透射其他波长的光，比如包括不想要的红外和/或紫外线的来自太阳的光。

同样，在任何所描述的实施例或实施例组中，图片的光可以是线性偏振的，因为偏振敏感器件比如LCOS器件用作空间光调制器。因此，第一或第二光学子系统中的至少一个光学部件可包括偏振器或偏振膜，例如偏振涂层，以衰减或消除正交偏振的杂散光，例如正交偏振的阳光。

附加特征

实施例仅通过示例的方式涉及电激活的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，例如任何电激活的SLM、光学激活的SLM、数字微镜设备或微机电设备。

在一些实施例中，光源是诸如激光二极管的激光器。在一些实施例中，光接收表面是漫射器表面或屏幕，例如漫射器。

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。车辆可以是机动车辆，比如汽车、卡车、厢式货车、运货卡车、摩托车、火车、飞机、船或轮船。

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。这种零级光可被认为是“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上，从而导致全息重建中心处出现亮光斑。零级光可以简单地被遮挡掉，然而这意味着用暗光斑代替亮光斑。一些实施例包括角度选择性滤光器以仅去除零级的准直光线。实施例还包括在欧洲专利2030072中描述的管理零级的方法，该专利通过引用整体结合于此。

在一些实施例中，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，使得全息图填充空间光调制器。即，全息图使用空间光调制器的所有像素。在其他实施例中，全息图的尺寸小于空间光调制器的尺寸。在这些其他实施例的一些中，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)。该技术可被称为“平铺”，其中空间光调制器的表面积被划分为多个“平铺块”，其中每个代表全息图的至少一个子集。因此，每个图块的尺寸小于空间光调制器的尺寸。

全息回放场的大小(即全息重建的物理或空间范围)由空间光调制器的像素间距(即空间光调制器的相邻光调制元件或像素之间的距离)确定。可以在回放场中形成的最小特征可被称为“分辨率元素”、“图像光斑”或“图像像素”。通常，空间光调制器的每个像素具有四边形形状。四边形孔的傅立叶变换是正弦函数，因此每个图像像素都是正弦函数。更具体地，回放场上的每个图像像素的空间强度分布是正弦函数。每个正弦函数都可被认为包括峰值强度初级衍射级和径向远离该初级级延伸的一系列强度较小的较高衍射级。每个正弦函数的大小(即每个正弦函数的物理或空间范围)由空间光调制器的大小(即由光调制元件或空间光调制器像素的阵列形成的孔的物理或空间范围)确定。具体地，由光调制像素的阵列形成的孔越大，图像像素就越小。通常希望具有小的图像像素。

在一些实施例中，实施“平铺”技术以提高图像质量。具体地，一些实施例实现了平铺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完整图块(即完整的全息图)和图块的至少一小部分(即全息图的像素的连续子集)。

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光器来阻挡它们。

在实施例中，全息重建是彩色的。在本文公开的示例中，三个不同颜色光源和三个对应SLM用于提供复合颜色。这些示例可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显示在相同SLM的不同区域上，然后组合以形成合成颜色图像。然而，技术人员将理解，本公开的装置和方法中的至少一些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顺序颜色“FSC”。在示例性FSC系统中，使用了三个激光(红色、绿色和蓝色)，并且每个激光都以单个SLM连续发射，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形成的图像组合中看到多色图像。因此，每个全息图都是特定于颜色的。例如，在每秒25帧的视频中，第一帧将通过发射红色激光1/75秒来产生，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，从红色激光开始等等。

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，由于每个激光仅使用三分之一的时间，因此所产生的总体图像将不比通过SSC方法所产生的相应图像明亮约3倍。可以通过过度驱动激光器或使用更强大的激光器来解决此缺陷，但这将需要使用更多的功率，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，由于同时发射所有三个激光，因此图像更亮。然而，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，实际上用作三个独立的SLM。这样的缺点是，由于可用于每个单色图像的SLM表面积的减少，每个单色图像的质量会降低。因此，多色图像的质量相应降低。SLM可用表面积的减少意味着SLM上可以使用的像素更少，从而降低了图像质量。由于降低了其分辨率，因此降低了图像质量。实施例利用在英国专利2496108中公开的改进的SSC技术，该专利通过引用整体并入本文。

实例描述了用可见光照射SLM，但技术人员将理解，例如，如本文所公开，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而使用磷光体和/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。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”包括布置为临时或永久地存储数据的介质，比如随机存取存储器(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，使得当指令被一个或多个处理器执行时使该机器整体地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”包括但不限于以固态存储芯片、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递。这样的载体介质的示例包括瞬态介质(例如传递指令的传播信号)。

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 (18)

1.一种车辆中的平视显示器，所述平视显示器布置成显示图片，所述平视显示器包括：

第一光学子系统，其布置成输出光场，其中，所述第一光学子系统包括：

光源，其布置成发射光；

空间光调制器，其布置成接收来自光源的光并根据在空间光调制器上显示的计算机生成的全息图对光进行空间调制；以及

第二光学子系统，其布置成接收来自第一光学子系统的光场并将光场投影到车辆的挡风玻璃上，以在挡风玻璃上形成虚像，

其中，所述第一光学子系统设置在挡风玻璃的上部区域中，而所述第二光学子系统设置在车辆的仪表板下方，邻近挡风玻璃的下部区域。

2.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述光场是图片。

3.如权利要求2所述的平视显示器，其中，所述空间调制光在所述第一光学子系统的光接收表面上形成图片，光接收表面例如是漫射表面。

4.如权利要求2所述的平视显示器，其中，所述空间调制光在所述空间光调制器与第二光学子系统之间的自由空间中形成图片。

5.如权利要求2至4中任一项所述的平视显示器，其中，所述虚像是所述图片的虚像。

6.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述光场是空间调制光。

7.如权利要求6所述的平视显示器，其中，观察者的透镜对空间调制光执行光学傅立叶变换。

8.如权利要求6所述的平视显示器，其中，所述第二光学子系统布置成执行空间调制光的光学傅立叶变换。

9.如前述权利要求中任一项所述的平视显示器，其中，所述第一光学子系统设置成：在车顶上；在内部车顶衬里内；在后视镜壳体上；在车顶线电子面板上；或者在遮阳板上。

10.如前述权利要求中任一项所述的平视显示器，其中，所述第二光学子系统包括至少一个反射元件，例如镜子。

11.如权利要求10所述的平视显示器，其中，所述第二光学子系统的至少一个反射元件具有光焦度。

12.如权利要求10或11所述的平视显示器，其中，所述第二光学子系统的至少一个反射元件是自由形式光学器件，或者包括自由形式光学表面，其布置成至少部分地补偿在接收图片的光的挡风玻璃的区域中的挡风玻璃的形状。

13.如权利要求10至12中任一项所述的平视显示器，其中，所述至少一个反射元件包括激光谱线选择性滤光器，其布置成允许图片的光通过平视显示器传播并且抑制具有不同波长的光通过平视显示器传播。

14.如前述权利要求中任一项所述的平视显示器，其中，所述第一光学子系统是大致平面的，并且包括大致平面的波导，其布置成沿着连续光路将来自光源的光引导至空间光调制器并且将来自空间光调制器的空间调制光引导至波导的输出。

15.如前述权利要求中任一项所述的平视显示器，其中，所述第一光学子系统包括至少一个反射元件，例如镜子。

16.如权利要求15所述的平视显示器，其中，所述第一光学子系统的至少一个反射元件具有光焦度。

17.如权利要求15或16所述的平视显示器，其中，所述第一光学子系统的至少一个反射元件是自由形式光学器件或者包括自由形式光学表面，其布置成至少部分地补偿在接收图片的光的挡风玻璃的区域中的挡风玻璃的形状。

18.如权利要求15至17中任一项所述的平视显示器，其中，所述至少一个反射元件包括激光谱线选择性滤光器，其布置成允许图片的光通过平视显示器传播并且抑制具有不同波长的光通过平视显示器传播。

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