CN112334842B - 照明系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种照明系统布置成输出光束以照明场景。该系统包括空间光调制器，其布置为接收入射光，并输出包括第一分量和第二分量的光。第一分量包括未经空间光调制器的调制而输出的入射光。第二分量包括根据全息图进行空间调制并且由空间光调制器输出的入射光。控制装置可操作成控制由空间光调制器输出的与第二分量相对应的光的比例。

Description

照明系统和方法
技术领域
本公开涉及一种照明系统。更具体地，本公开涉及一种包括全息系统的照明系统。一些实施例涉及包括用于提供受控光照明的照明系统的车辆前灯、聚光灯或其他照明装置。
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素。光调制方案可以是二进制、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。
可以使用上述技术来提供用于照明装置的全息投影系统。例如，已授权的英国专利GB2499579B涉及一种以车辆前照灯形式的照明装置，其布置成提供可控光束以照明场景。车辆前照灯包括基于SLM的全息系统，该系统使用在SLM上显示的全息图在回放场处形成全息重建。投影透镜将全息重建投影到场景上，例如车辆前照灯前的道路上。投影全息重建提供了可以控制的光分布(或“光束”)，例如通过动态更改全息图来移动或重塑。
在GB2499579B中描述的照明装置中，产生的光分布是在从SLM衍射的零阶回放场中形成的全息重建。特别地，零阶回放场用作前照灯的主照明部件，也就是说，它提供了打开前照灯时连续提供的车辆前照灯的“近光”。在基于SLM的系统中使用零阶回放场来形成全息重建可能是最佳的，因为与较低强度的高阶回放场相比，它具有较高的强度。另外，在GB2499579B中描述的照明装置中，可以补充包括投影全息重建的光分布以提供“远光”(或“全光”)，例如通过使用高阶回放场作为副照明部件，以例如增加强度或创建道路的广角照明。此外，可以通过动态改变全息图来控制照明装置的光束，例如以选择性地照明街道景物或标志。
使用像素化显示装置的全息系统遭受零阶未调制光或“光学噪声”的问题。零阶未调制光由来自SLM的镜面反射光(即未衍射光)形成，且通常会聚焦在用于产生全息重建的基于SLM的系统的傅立叶变换透镜的焦点处。因此，零阶未衍射光在每个回放场的中心形成亮点作为未调制点，通常称为“DC点”。常规上，DC点被遮挡，例如通过将其替换为暗点，因为它不形成全息重建的一部分。然而在GB2499579B的照明装置中，零阶回放场的DC点可用于以光束中心增加的照明形式提供副照明。
由GB2499579B的照明装置产生的光分布几乎完全由全息图形成。因此，全息图提供了照明的主要成分。这可能对全息系统有要求。特别地，为了提供宽且均匀的照明，例如以车辆前照灯的光束的形式，回放场中的大多数点将接收光。发现这是计算上的需求并且导致降低的图像质量。特别地，全息重建会变得嘈杂，并且可能难以形成轮廓分明的形状，由于定义不清(例如模糊)的前照灯图案，可能导致其他道路使用者眩光。
本公开解决了这些问题中的至少一些。
本文公开了一种包括全息系统的改进的照明系统。还公开了一种操作照明系统的方法。
发明内容
本公开的方面在所附权利要求中定义。
提供了一种照明系统，其布置为输出用于照明场景的光束。该照明系统包括空间光调制器，其布置为接收入射光并输出包括第一分量和第二分量的光。第一分量包括未经空间光调制器的调制而输出的入射光。第二分量包括根据全息图进行空间调制并由空间光调制器输出的入射光。照明系统包括控制装置，其可操作成控制由空间光调制器输出的与第二分量相对应的光的比例。
在实施例中，照明系统还包括投影光学器件，其布置成投影由空间光调制器输出的光作为用于照明场景的光束。
在实施例中，照明系统可在第一和第二照明模式下操作。在第一照明模式下，控制装置操作成使得空间光调制器输出的基本0％的光对应于第二分量。这样，空间光调制器仅输出与未调制光(也称为“零阶未衍射光”或“DC点”)相对应的第一分量，从而对光束有贡献。在第二照明模式下，控制装置操作成使得空间光调制器输出的选定比例的光对应于第二分量，而输出光的其余比例对应于第一分量。以此方式，对应于空间调制光的第二分量被空间光调制器输出为全息重建，并且全息重建对光束的至少一部分有贡献。
因此，在实施例中，控制装置可操作成调节第一和第二分量的比率，使得在第二照明模式下，由空间光调制器输出的光的一定比例对应于第二分量。由空间光调制器输出的光的其余比例对应于第一分量。因此，第二照明模式将全息内容(即通过全息重建形成的图像)引入到在第一照明模式下产生的光束，并且因此照明系统可以产生具有选定形状、大小和/或形式的光束。在第二照明模式下产生的光束可被称为“全息束”或“全息内容”。
提供了一种用于提供光照明的方法。该方法包括将入射光提供给照明系统的空间光调制器。空间光调制器布置成输出包括第一分量和第二分量的光。第一分量对应于未经空间光调制器的调制而输出的入射光，而第二分量对应于根据全息图进行空间调制并由空间光调制器输出的入射光。该方法还包括由空间光调制器产生用于提供照明的输出光。该方法还包括控制照明系统，使得由空间光调制器输出的光的比例对应于第二分量。
在整个本公开中，参考回放场中的光的“DC点”或“未调制”点。术语“DC点”是指每个回放场中心的光斑，其通过聚焦到点光而形成，该点光对回放场中的图像内容无贡献，也就是说，对由空间调制光的干涉形成的光场无贡献。DC点包括例如由空间光调制器的像素间区域反射的光。所公开的空间光调制器包括像素的2D阵列，其本身具有衍射效应。具体地，形成较高阶回放场，其中每个较高阶回放场是主要或零阶回放场的副本。每个回放场在中心具有DC点。每个回放场也可以包括共轭图像。通常，仅使用零阶回放场，而较高阶回放场则通过屏蔽或隔离而从系统中移除。本公开描述了在零阶回放场中利用DC点的装置和方法，该DC点可被称为“零阶DC点”。
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纯相位全息图。实施例涉及纯相位全息图，但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延迟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)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纯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。
这里参考具有特定偏振的光的比例，更具体地，改变具有特定偏振的光的比例。这样的参考是用于参考特定方向上的线性偏振光的分量并改变特定方向上的线性偏振光的分量的简写。这种简写的含义在本领域中是很容易理解的，读者将非常熟悉波片(例如可旋转的半波片)如何使用双折射材料在光波的两个垂直分量之间移动相位，从而有效地更改在每个垂直方向上偏振的光的比例。
本文中对光的相干的提及涉及光的相干长度。特别地，当SLM上的入射光具有足够长的相干长度以致可以形成全息重建时，它被认为是相干的。相反，当SLM上的入射光的相干长度不足以形成全息重建时(即使该光可能已被SLM调制)，则将其视为不相干(或“非相干”)。
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类型算法的第一次迭代；
图2B示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第二次及后续迭代；
图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的替代第二次及后续迭代；
图3是反射型LCOS SLM的示意图；
图4示出了根据实施例的照明系统；
图5是图4的照明系统的控制系统的示意图；
图6是根据图4的实施例的用于操作照明系统的方法的流程图；
图7示出了根据其他实施例的照明系统；
图8A示出了在复平面中在0至2π的范围上绘制的一组均匀分布的可允许相位/调制水平；
图8B示出了平衡全息图的可允许相位/调制水平；
图9示出了一组可允许相位调制水平中所有可用调制水平的和矢量；
图10A示出了具有平衡截断的类似于图8A的一组可允许相位调制水平的截断范围；
图10B示出了具有不平衡截断的类似于图10A的一组可允许相位调制水平的截断范围；
图10C示出了具有使用乘法器的不平衡截断的类似于图10B的一组可允许相位调制水平的截断范围；以及
图11是根据图7的实施例的操作照明系统的方法的流程图。
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基液晶“LCOS”器件。全息图在空间光调制器上编码，并且在例如光接收表面(比如屏幕或漫射器)的回放场处形成全息重建。
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SLM 140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。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)。从空间域中的纯振幅信息中有效地“检索”与物体有关的相位信息。在一些实施例中，使用Gerchberg-Saxton算法或其变型从纯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IA(x,y)和IB(x,y)并且IA(x,y)和IB(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ΨA(x,y)和ΨB(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IA(x,y)和IB(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，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]，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，纯相位信息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纯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。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可被视为纯幅度或纯振幅或纯强度分布。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。算法的第一次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。
第一处理块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。第二处理块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是纯相位全息图。在这些实施例中，第二处理块253量化每个相位值并将每个振幅值设置为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”纯相位全息图。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是代表输入图像的纯相位傅立叶全息图。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，第二处理块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)。
第三处理块256从第二处理块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。
第四处理块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，则第四处理块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，则第四处理块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。如果第四处理块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表示算法的第二次迭代以及算法的任何进一步迭代。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布，而优先考虑输入图像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，以形成第二次迭代全息图280B。因此，此处不再重复对该过程的说明。当已经计算了第二次迭代全息图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。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的点。因此，该算法被描述为迭代和收敛的。
图2C表示第二次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213A的分布。拒绝幅度值211A的分布，而优先考虑幅度值的替代分布。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，处理块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。这通过以下等式在数学上来表达，其中下标文本和数字表示迭代次数：
Rn+1[x,y]＝F'{exp(iψn[u,v])}
ψn[u,v]＝∠F{η·exp(i∠Rn[x,y])}
η＝T[x,y]-α(|Rn[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是纯相位全息图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，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纯相位全息透镜。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。纯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纯相位全息光栅。纯振幅全息光栅可以简单地叠加在代表物体的纯振幅全息图上，以提供纯振幅全息图的角度转向。
在一些实施例中，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，每个液晶单元在任一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与多个光调制水平不同的光调制水平。在一些实施例中，空间光调制器是反射型硅基液晶(LCOS)空间光调制器(SLM)，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是紧凑的。充分照射LCOSSLM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，其布置在基板的上表面上间隔开间隙301a。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。
照明系统I
图4示出了根据实施例的照明系统。照明系统包括基于SLM的系统，如下所述，该系统可被控制为输出光。输出光由投影光学器件投影为用于照明场景的光束。
特别地，照明系统包括布置为照明SLM 407的光源401，例如蓝色激光二极管。准直透镜403布置成使得大致为平面波前作为入射光形成在SLM407上。在所示的布置中，SLM407是反射SLM，并且入射光的波前方向是离轴的(例如与正交于SLM相距两度或三度)。因此，入射光被SLM 407的后反射表面反射以在朝向投影光学器件407的同样是离轴的方向上形成出射波前。在其他实施例中，SLM 407可以是透射SLM，其透射入射光而不是反射入射光。包括透射SLM 407的实施例也可以布置为同轴系统。具有反射SLM的同轴系统布置也是可能的，例如通过在准直透镜403和反射SLM407之间包括分束器。因此，本文中对SLM的“输出光”的引用旨在涵盖通过透射或反射(视情况而定)输出的光。投影光学器件包括成形的反射器409，可选地具有磷光体涂层411，用于形成成形光束413、415，如下文进一步所述。磷光体涂层411与蓝色光源401(例如蓝色激光二极管)结合使用，以将从SLM 407输出的蓝色光转换为白色光以形成光束，这在本领域中是众所周知的。用于形成成形光束423、425的其他布置是可能的，例如使用透射或反射平面磷光体元件以及成形反射器和/或结构化透镜。
SLM 407的行为取决于入射在其上的光的至少一种属性。可以说SLM407对入射在其上的光的至少一种属性敏感。特别地，SLM 407布置为在空间上调制具有特定属性状态(例如具有该属性的值或值范围)的入射光的分量，同时输出没有调制的具有其他属性状态(例如具有该属性的其他值)的入射光的分量。例如，LCOS SLM可能是偏振敏感的。特别地，这种LCOS SLM的像素的液晶材料仅能够调制在特定(或“必要”)方向(例如水平或竖直方向)上线性偏振的光或光分量。因此，在这样的基于LCOS的全息系统中(例如如图1所示)，入射到LCOS SLM上的光会在必要的方向上偏振，从而根据SLM上编码的全息图对入射光进行空间调制，并输出以形成全息重建。
因此，在以上示例中，光的属性是偏振。在此示例中，SLM 407布置为在没有对其空间调制的情况下输出(即反射)在第一方向(对应于第一属性状态)偏振的入射光，并对在垂直于第一方向的第二方向(对应于第二属性状态)偏振的入射光进行空间调制。在另一示例中，光的属性是相干。在此示例中，SLM 407布置为在不对其进行空间调制的情况下输出(即反射)非相干(对应于第一属性状态)的入射光，并且对相干(对应于第二属性状态)的入射光进行空间调制。在又一示例中，光的属性是波长(或频率)。在该示例中，SLM 407布置为在不对其进行空间调制的情况下输出(即反射)在一个或多个波长(对应于第一属性状态)的特定波长带之外的波长的入射光，并且在波长带内(对应于第二属性状态)对入射光进行空间调制。这些示例的更多细节在下面提供。
在图4的布置中，光调谐装置405布置在光源401/准直透镜403和SLM407之间的入射光的路径中。光调谐装置405布置为改变来自光源401/准直透镜403的光的属性(或特性)，以改变具有第二属性状态的光的比例。因此，当光调谐装置405从光源401/准直透镜403接收光时，可以调节或调谐调谐装置405以改变具有第二属性状态的入射在SLM 407上的光的比例。例如，光调谐装置405可以由控制器(图4中未示出)控制，以改变入射在SLM407上的光的比例，其在第二方向上偏振且因此由SLM 407进行空间调制。因此，光调谐装置405能够选择性地改变具有第二属性状态(例如在必要方向上偏振)的入射光的比例，以通过SLM 407进行空间调制，从而产生全息重建。具有第一属性状态的入射光的剩余比例在没有调制的情况下被SLM 407反射(如上所述，也称为“零阶未衍射光”)，并且对全息重建没有贡献。因此，光调谐装置405调节具有第一属性状态的入射光与具有第二属性状态的光的比例(例如光的垂直偏振分量的比率)。更具体地，光调谐装置405调节具有第一属性状态的光的量(例如强度、光能、亮度等)与具有第二属性状态的光的量(例如强度、光能、亮度等)之间的比率。
照明系统具有第一照明模式，也称为固定照明模式，其是照明系统的“默认”或“近光”模式。在第一照明模式下，SLM 407上的基本所有入射光都具有第一属性状态，并且基本没有入射光具有第二属性状态。因此，在没有空间调制的情况下的基本100％的入射光是由SLM 407输出(例如反射)的，而在空间调制之后，基本0％的入射光是由SLM 407输出的，且具有第一属性状态的光与第二属性状态的光的比率为1:0。未调制/零阶未衍射光在本文中被称为来自SLM 407的输出光的“第一分量”。如图4中的虚线所示，来自SLM 407的输出光的第一分量沿着狭窄(基本准直)的路径朝向反射器409的中心。反射器409将输出光的第一分量(示出为相对狭窄区域的光束413)引导到场景(例如道路)417上。可替代地，反射器409当随后将光束413中继到场景上时可以将第一分量引导到另外的光学器件上。在第一照明模式下形成的该默认光束或近光包括固定的照明图案(例如形状、尺寸等)，并且可以采取任何合适的形式。因此，在第一照明模式下，SLM 407不会在回放场上形成全息重建，因此对全息系统提供默认照明的要求较低。
另外，照明系统具有第二照明模式，也称为可变照明模式，其提供一种或多种全息重建，其例如通过补充(诸如成形或修改)由第一照明模式的默认光束413形成的图案来有助于场景的照明。在第二照明模式下，调节光调谐装置405以选择性地提供具有第二属性状态的入射光的比例，该入射光根据选定的全息图由SLM 407进行空间调制。该空间调制光称为来自SLM 407的输出光的“第二分量”。因此，在第二照明模式下，SLM 407上选定比例的入射光具有第二属性状态，并根据全息图进行空间调制而被输出作为第二分量，而在SLM 407上剩余比例的入射光具有第一属性状态，并且在没有空间调制的情况下由SLM 407输出作为第一分量。因此，光调谐装置405提供具有第一属性状态的光和具有第二属性状态的光之间的选定比率。如图4所示，如在虚线所示的第一照明模式下，来自SLM 407的输出光的第一分量沿着第一路径被引导到场景417上。另外，在由图4中的实线示出的第二照明模式下，包括全息重建的来自SLM 407的输出光的第二分量沿着第二路径被引导，第二路径例如是沿着在反射器409的表面上蔓延的(可选为发散的)宽路径。反射器409以期望的方式将输出光的光束成形为例如相对广域的全息光束415，从而将相应的全息重建投影到回放场/场景417上，如图4所示。
因此，在第二照明模式下，SLM 407基于选定比例的入射光在回放场上形成全息重建。在第二照明模式下形成的该全息光束包括基于全息图的选定照明图案(例如形状、大小等)、选定的光比例等，这会修改默认的照明图案，并且可以随时间动态变化(例如提供更宽的“远光”，如图4所示)。与在第一照明模式下提供的默认照明相比，对全息系统的要求增加了。然而，仅一定比例的来自光源401/准直透镜403的光被空间调制。此外，全息重建可以限于回放场417上的选定点(例如在默认光束413的区域之外)。因此，可以以更高的计算效率和更少的要求方式形成更清晰的图像和光束。
基于前述，可以说光调谐装置405有效地操作以控制根据全息图进行空间调制并由SLM 407输出(即对应于第二分量)的光的比例，其在第一照明模式下基本为0％且在第二照明模式下为选定的百分比。这在图4的照明系统中，可以将光调谐装置405视为控制装置，其可操作成控制由SLM 407输出的与第二分量相对应的光的比例。
控制系统
图5示出了用于控制图4的照明系统的控制系统。控制系统包括控制器500，其布置为控制图4的照明系统的各种元件或部件，特别是光源401、光调谐装置405和SLM 407。控制器500可以包括任何适当的处理装置，其布置为传送用于控制照明系统的元件的信号。控制器500可以提供信号以打开和关闭光源405，并控制由此产生的光的强度、光能或亮度。控制器500可以提供信号以控制光调谐装置405以提供具有第二属性状态的入射光的选定比例，如上所述。控制器500可以提供信号以改变或调整在SLM 407上编码或由其显示的全息图。在一些示例中，SLM控制装置(未示出)可以与SLM 407相关联，例如与之集成。在这种情况下，SLM控制装置从控制器500接收信号并直接控制SLM 407。在其他示例中，控制器500直接控制SLM 407。控制器500可以布置为接收控制输入，以选择照明属性，比如照明类型、强度水平等，并且在第二照明模式下，用于选择全息图和可选的其他照明属性，比如第二属性状态的入射光的比例等。例如，控制器500可以接收来自手动操作的控件的控制输入，比如开关、拨盘等。另外或可替代地，控制器500可以接收来自传感器、相机、高级驾驶员辅助系统等(其响应于对预定条件的检测或感测而提供自动控制信号)的控制输入。因此，控制器500基于用于选择照明或光束的一个或多个控制输入来控制照明系统的元件。控制器500可以随时间控制照明系统的一个或多个元件，以提供所选择的照明或光束。
因此，在第二照明模式下，可以根据选择的全息图和/或光束改变在第一照明模式下产生的默认光束以引入全息内容。全息内容可被设计为修改默认光束。例如，当将照明系统实现在车辆前照灯中时，全息内容可以修改低级光束以照明检测到的道路标志、危险、路口等，或切换到高级光束(例如较宽和/或增加强度的光束)。全息内容可以提供车辆前照灯的可切换“远光”。“远光”光图案的形状可根据控制输入(例如检测进来的车辆的位置)进行动态更改或调整。全息内容可以提供可以设想的任何种类的自适应/自动远光修改。
光调谐装置
如上所述，光调谐装置405对来自光源401/准直透镜403的光进行操作，并且特别地，布置为提供可变比例的第二属性状态的入射光。可以说，光调谐装置405将选择比例的入射光从第一属性状态改变为第二属性状态。
在优选示例中，光的属性是线性偏振(在本文中简称为“偏振”)，并且光调谐装置405是半波片。在该示例中，来自光源的光在第一方向(例如水平或竖直方向)上偏振。在第一照明模式下，半波片使来自光源的光基本不变地透射。在第二照明模式下，可以旋转半波片以改变光波的两个分量的相对相位，从而引入在垂直于第一方向的第二方向上偏振的光的分量。在该示例中，SLM 407仅能够利用其像素的液晶材料对在第二方向上偏振的光进行空间调制，如上所述。因此，可以调节或“调谐”半波片405以改变入射在SLM 407上的在第二方向上偏振的光的比例。如上所述，在第二方向上偏振的所得分量的光被SLM 407空间调制并产生全息重建，其由投影光学器件409作为全息光束417投影。包括半波片的光调谐装置405可以等同地与提供在第二方向上偏振的光的光源一起使用。在这种布置中，在第一照明模式下，调谐装置405可以用于改变100％的光，使得入射在SLM 407上的基本所有的光都在第一方向上偏振。可以在第二照明模式下从该位置调节调谐装置405，以减小在第一方向上偏振的光的比例，从而引入在第二方向上偏振的光的分量，如上所述。
当前优选使用半波片作为光调谐装置405的示例，因为它们提供了简单的解决方案，其利用某些LCOS SLM的固有灵敏度和对在一个特定方向上偏振的光的响应，从而可以使用半波片进行调谐。然而其他示例也是可能的并且可以考虑。
在另一示例中，光的属性是相干，并且光调谐装置405将入射光从相干光改变为非相干光(反之亦然)。该示例有效地利用了全息系统对相干光与非相干光相反的固有灵敏度。特别地，如果用相干光照明SLM，则可以由在SLM上显示或编码的全息图形成全息重建，而如果用非相干光照明SLM则不形成全息重建。因此，全息术需要足以产生相干光(即具有最小相干长度的光，如上所述)的光源，例如激光或激光二极管。当SLM用非相干光照明时，它会有效地输出未调制(即镜面反射)的光。光调谐装置405可以以许多已知的方式将相干光转换为非相干光。因此，在第一照明模式下，可以将基本100％的相干光转换为非相干光，并且在第二照明模式下，可以将选定比例的相干光引入入射在SLM 407上的光中。为了在第二照明模式下改变相干光和非相干光的相对比例以及由此它们之间的比率，一种方法可以使用时分来实现SLM407的照明。因此，在该示例中，可以随时间控制调谐装置405以在相干光和非相干光之间切换，并因此在由非相干光照明SLM 407时产生的默认近光413与在由相干光照明SLM 407时由空间调制光产生的全息光束417的全息内容之间切换。
表1示出了SLM 407的时分照明的一个示例，包括一个时间段的四个连续时间间隔(对应于一帧的子帧)：
图像子帧 模式 光类型
1 第一(低/默认光束) 不相干
2 第一(低/默认光束) 不相干
3 第二(仅全息) 相干
4 第一(低/默认光束) 不相干
表1
因此，在表1的子帧1、2和4中，SLM的输出光对应于第一分量，而在子帧3中，SLM407的输出光仅是对应于第二分量的全息内容。当使用时分照明时，与调谐装置在相干光和非相干光之间切换的速率相对应的子帧速率优选地比眼睛的积分时间快。例如，子帧速率可以是约500Hz。表1举例说明了在第二照明模式下实施时分照明以提供特定比例的相干光，在这种情况下，四个子帧的时间分段为25％。在第二照明模式下，可以根据需要改变每个时间段的子帧的数量以及在每个子帧中被提供用于照明SLM 407的光的类型，以提供任何其他选定比例的相干光。
在又一示例中，光的属性是波长(或者相反地是频率)。在该示例中，SLM布置为响应于特定波长(或在波长带内的多个波长)的光，并且因此仅调制特定波长λSLM的光。可以例如使用SLM上的二向色涂层来实现波长选择SLM，该二向色涂层对除了特定波长λSLM之外的所有波长都具有反射性。以这种方式，仅特定波长λSLM的入射光被SLM空间调制，并且所有其他波长的光被反射而没有调制。
在该示例中，光调谐装置405可以改变由光源提供的光的波长。例如，光源可以产生具有高斯分布的光谱的光，该高斯分布以与波长λSLM不同的波长λC为中心。因此，在第一照明模式下，光调谐装置405可以基本不改变地透射来自光源的光，以由SLM 405输出(例如反射)而没有调制。在第二照明模式下，光调谐装置405可以布置为例如通过移动高斯剖面的中心来调谐来自光源的光，以引入选定比例的特定波长λSLM的光。因此，在该示例的第二照明模式下，特定波长λSLM的光的选定比例由SLM407进行空间调制，并产生全息重建，其由投影光学器件409投影为全息光束415，而剩余比例的光未经调制即被输出(例如反射)，并由投影光学器件409作为默认近光413投影，如上所述。
照明方法
图6是根据实施例的用于提供光照明的方法600的流程图。特别地，方法600可以由图5的控制器500实施，控制图4的照明系统的光源401、光调谐装置405和SLM 407。
方法600在步骤605开始。在步骤610，控制器打开光源，使得照明系统的光调谐装置从光源接收具有属性的光。例如，在根据图4的照明系统中，调谐装置位于光源和SLM之间的路径上，并且来自光源的光具有偏振属性。
在步骤620，控制器调节调谐装置。特别地，调谐装置被调节成控制所接收的光以将具有第一属性状态的100％的光提供给SLM，且相反具有第二属性状态的光为0％。例如，调谐装置可以包括半波片，其控制所接收的光的偏振并且将在第一方向上偏振的100％的光透射到SLM。
在步骤630，SLM输出未调制的(即作为零阶未衍射光)从调谐装置接收的光作为输出光的第一分量。特别是，SLM不对处于第一属性状态的光进行空间调制。因此，在上述示例中，SLM接收在第一方向上偏振的光并且输出未调制的接收光，如上所述。来自SLM的输出光然后由照明系统投影或以其他方式进行光学处理，以形成期望的照明，例如以光束的形式。
因此，在方法600的步骤620和630中，在上述第一照明模式下操作照明系统以形成没有全息内容的默认或近光。
在步骤640，控制器确定是否已经收到改变照明模式的指示，例如补充现有照明的指示。如上所述，控制器可以接收控制输入，该控制输入可以针对检测到的状况或用户需求等选择非默认照明或照明类型。例如，通过引入预定义的全息内容来修改默认光束的许多预定类型的照明可以通过相应的控制输入进行预编程以用于选择(或实时计算)。因此，如果步骤640确定已接收改变照明模式的指示，则步骤650为所选照明选择照明属性和全息图(例如对应的预编程照明属性和全息图)。例如，控制器可以根据控制输入为SLM选择(或计算)相应的全息图，并且可以为调谐装置选择调节的水平。然后该方法进行到步骤660。
然而，如果步骤640确定没有接收到改变照明模式的指示，则步骤645确定是否要关闭照明。例如，控制器可以接收控制输入以关闭照明系统。如果步骤645确定要关闭照明，则控制器关闭光源，并且该方法在步骤695结束。否则，该方法返回到步骤630，并且照明系统继续在第一照明模式下操作，并且提供默认光束。
在步骤660，调节光调谐装置。特别地，调谐装置被调节成控制所接收的光以将具有第二属性状态的选定比例的光提供给SLM。例如，调谐装置可以包括半波片，其控制接收到的光的偏振并且根据所选照明将在垂直于第一方向的第二方向上偏振的限定比例(例如百分比或分量)的光透射到SLM。剩余比例(例如百分比或分量)的光在第一方向上被半波片偏振。
在步骤670，SLM输出在第一方向上偏振的未调制(即作为零阶未衍射/未调制的光)的一定比例的接收光作为输出光的第一分量，并根据在其上所选定全息图(例如由控制器在其上编码)调制的在第二方向上偏振的一定比例的接收光作为输出光的第二分量。特别地，SLM对处于第二属性状态的光进行空间调制，但是不对处于第一属性状态的光进行空间调制，如上所述。因此，在以上示例中，SLM输出在第一方向上偏振的该比例的光没有调制，但进行空间调制并输出在第二方向上偏振的比例的光以形成相应的全息重建。然后，通过照明系统将来自SLM的输出光进行投影或以其他方式光学处理，以形成具有全息内容的所需照明，如上所述。
因此，在方法600的步骤660和670中，以上述第二照明模式操作照明系统以形成全息束，其使用对于所选照明的全息内容来修改默认或近光。
在步骤680，控制器确定是否已经接收到改变照明的指示。例如，控制器可以接收改变照明类型、照明模式或完全关闭照明的控制输入。如果步骤680确定未接收到改变照明的指示，则该方法返回到步骤670，并且照明系统继续在第二照明模式下操作并提供当前选择的全息束。
然而，如果步骤680确定接收到改变照明的指示，则步骤685确定是否要关闭照明。例如，控制器可以接收控制输入以完全关闭照明系统。如果步骤685确定要关闭照明，则控制器关闭光源，并且该方法在步骤695结束。否则，该方法进行到步骤690。
在步骤690，控制器确定是否在第二照明模式下选择了另一非默认照明。例如，控制器可以接收控制输入以改变选择的照明，并因此从当前照明属性和全息图中选择不同的照明属性和/或全息图。如果步骤690确定选择了不同的非默认照明，则该方法返回到步骤650，其为新选择的照明选择照明属性和全息图(例如相应的预编程照明属性和全息图)。然后该方法在第二照明模式下继续(步骤660和670)以提供新选择的全息束。
然而，如果步骤690确定未选择另一非默认照明，则在步骤680接收的改变照明的指示将改变为第一照明模式或指示故障或错误。因此，该方法返回到步骤620，并且返回到第一照明模式(步骤620和630)以提供默认或近光。在错误或故障的情况下，返回到第一照明模式可确保照明安全运行，如下文进一步解释。
因此，图6的方法600提供了对图4的照明系统的部件的简单而有效的控制。对图6所示的实施例的各种修改都是可能的并且可以预期的。例如，可以以任何合适的顺序执行步骤680、685和690。然而，根据实施例，该方法从第一照明模式开始并且默认为第一照明模式，其中默认的或近光被提供而没有全息内容，因此具有如下所述的相应优点。
可以使用软件、硬件、固件或其组合来实现图6的方法600。例如，计算机可读介质可以配置有程序指令，以使控制器执行图6的方法。
照明系统II
图7示出了根据替代实施例的照明系统。照明系统包括基于SLM的系统，其可被控制为输出光。输出光由投影光学器件投影为照明场景的光束。
特别地，照明系统包括布置为照明SLM 707的光源701，例如蓝色激光二极管。准直透镜707布置成使得大致为平面波前作为入射光形成在SLM 707上。在所示的布置中，SLM707是反射SLM，并且入射光的波前方向是离轴的(例如与正交于SLM相距两度或三度)。因此，入射光被SLM 707的后反射表面反射以在朝向投影光学器件707的同样是离轴的方向上形成出射波前。在其他实施例中，SLM 707可以是透射SLM，其透射入射光而不是反射入射光。投影光学器件包括成形反射器707，其可选地具有磷光体涂层711，用于形成成形光束713、717，如以上参考图4所述。磷光体涂层711与蓝色光源701(例如蓝色激光二极管)结合使用，以将从SLM 707输出的蓝色光转换为白色光以形成光束，这在本领域中是众所周知的。如上文参考图4的照明系统所述，包括同轴布置和/或用于形成成形光束的其他布置的其他实施例是可能的并且是预期的。
SLM 707的行为由SLM控制装置705控制。因此，在图7所示的替代实施例中，省略了图4所示实施例的光调谐装置。相反，SLM控制装置705用于通过SLM 707控制输出光的上述第一和第二分量的比例，如下文进一步解释。
在一些实施例中，SLM控制装置705通过改变在其上编码的全息图来控制SLM 707，以便改变由SLM 707空间调制并且作为零和高阶衍射光输出以形成全息重建的光的入射光的比例，以及相反由SLM 707输出为零阶未衍射光(即回放场中的未调制光或DC点)的入射光的比例。因此，如上所述，通过动态地改变在SLM 707上编码的全息图，可以通过SLM 707控制与输出光的第一和第二分量相对应的光的比例。特别地，零阶未衍射光对应于SLM 707的输出光的第一分量，并且根据全息图进行空间调制并由SLM 707输出的用于形成全息重建的光对应于第二分量。
可以使用多种可能的技术来改变在SLM上编码的全息图，以改变由SLM 707根据全息图进行空间调制的入射光的比例。
适用于纯相位的LCOS SLM的一种技术是更改可允许相位值。特别地，如以上参考图2A至2C所述，使用傅立叶变换计算的全息图包括复数的2D阵列，并且在纯相位全息的情况下，通过将振幅分量设置为1并根据灰度级之一量化相位值，将每个复数转换为可允许调制水平(称为灰度级)，这可以在空间光调制器的像素上表示(如图2A的处理块253所示)。
可以将可允许调制水平表示为矢量，作为复平面上的图。“量化”步骤也可以称为“约束”，因为计算值被有效地约束为可允许值。在纯相位全息的情况下，多个可允许调制水平是复平面中一圆上的多个可允许相位值(具有单位振幅)。图8A示出了具有16个可允许调制水平803(标记为0至15)的示例，其表示为复平面中的单位振幅相位圆801上的矢量，图8B示出了在“平衡”全息图中具有8个可允许调制水平(即灰度级)的示例，如下文进一步描述。尽管原则上量化点可以围绕在图8A的单位振幅相位圆随机地分布，但发现当量化点均匀分布时可以获得最佳质量的全息图像。
因此，在图8A的示例中，在量化步骤中，将计算的全息图的复数阵列中的每个计算的复数分配给可允许调制水平0到15之一。例如，任何数学方法(例如使用一组比较器)可用于识别最接近复平面中计算出的复数值的可允许调制水平。
常规上，对于纯相位全息中的高质量全息图像，将全部2π可允许相位值用作可允许相位值的范围。即，可允许相位值(例如图8A中的0至15)应在复平面中跨越2π。如上所述，该方法使零阶未衍射/未调制的光最小化，该零阶未衍射/未调制的光在全息图像中表示不期望的“光学噪声”。相反，图7所示的照明系统的实施例可以以“不平衡”的方式减小或“截断”可允许相位值的范围，如下文进一步描述，以便增加零阶未衍射/未调制的光，其用于主动贡献照明系统提供的照明。
特别地，SLM控制装置705可以动态地计算在SLM 707上编码的全息图(或改变预先计算的全息图)，以便改变可允许相位值的分布和/或范围。这可以通过各种方式来实现。例如，在实时全息图计算期间，SLM控制装置705可以动态地改变可允许调制水平的范围，以便动态地改变(减小或增加)对应于零阶未衍射/未调制的光(第一分量)的来自SLM707的输出光的比例以及因此形成全息重建(第二分量)的来自SLM 707的输出光的比例。在另一示例中，SLM控制装置705在计算全息图之后使用加权或缩放因子对全息图值加权。特别地，SLM控制装置705可以将每个量化的相位值乘以比例因子以减小可允许相位值的范围(例如将每个量化的相位值乘以1/2将范围从0到2π减小到0到π)。在另一示例中，SLM控制装置更改SLM 707的像素的可允许调制水平(即灰度级)到电压的映射。特别地，查找表(LUT)可以用于将每个灰度级与模拟电压(如果装置具有模拟背板)或所谓的位平面序列(如果SLM具有数字背板)相关联。可以操纵LUT中的值以提供减小的相位范围。在另一示例中，SLM控制装置705改变在0至2π的范围内(或更有限的范围内)的相位值的分布，以提供不均匀分布。例如，可允许调制水平(例如相位值)之间的间隔可以取决于调制水平(例如相位)。在另一示例中，每个可允许调制水平可以由仓(bin)大小限制，仓大小可以取决于调制水平。这些和其他示例在下面更详细地描述。
图8A所示的可允许调制水平803在相位圆的原点周围均匀分布。当加在一起时，图8A中表示的所有矢量都没有净效应。在这种布置中，可以说调制方案是“平衡的”。因此，本文中对“平衡全息图”、“平衡调制方案”和“平衡系统”的引用是指代表全息图、调制方案或全息系统的可允许调制水平的矢量和为零。相反，对“不平衡全息图”、“不平衡调制方案”和“不平衡系统”的引用是指相应的矢量和不为零。
已经发现，Gerchberg-Saxton算法固有地平衡全息图的调制水平的使用。即，如图8B所示，均等地使用灰度级。当调制方案和全息图平衡时，该系统被称为平衡。即，如果每个全息图像素的复数值由复平面中的矢量表示，则所有矢量的和将为零。因此，在实现如图8A所示的平衡调制方案和如图8B所示的用于全息图计算的Gerchberg-Saxton算法的平衡系统中，零阶未调制光(即DC点)的强度被最小化。
因此，通过动态地更改在纯相位LCOS SLM上编码的全息图以具有可允许相位值的不同分布，可以“不平衡”系统，以便更改(增加/减少)零阶未调制光(即上述第一分量或DC点)的强度。特别地，可以通过将其中全息图像素的矢量和为零的平衡系统改变为其中全息图像素值的矢量和为非零的不平衡系统来增加未调制光的强度且因此代表DC点，如图9所示。
可以以多种方式来实现系统的不平衡，例如通过使调制方案不平衡和/或通过使全息图不平衡。
相位圆的不平衡截断
在实现纯相位的LCOS SLM的一些实施例中，可以使用对可允许调制水平的相位圆进行不平衡“截断”。如上所述，常规上在纯相位全息术中，需要可允许相位值为完整2π来实现高质量全息图像，即，可允许相位值(例如图8A中的0至15的灰度级)在复平面中应跨越2π。如果可允许相位值的范围从2π减小，则相位圆被称为“截断”。如果全息图像素值在复平面中仍和为零，则可以说具有“平衡截断”。平衡截断的示例在图10A中示出。在图10A中由实线表示的相位圆的弧表示用于可允许相位值的区域，由虚线表示的弧是不允许相位值的截断的区域。当截断被平衡时，相位圆上的每个可允许调制水平在相位圆的直径相对侧上具有相等且相对的点，例如如图10A中标记为“X”的一对点所示。特别地，在图10A中标记为X的该对点具有相等且相反的实部和虚部。然而，当截断平衡时，如图10A所示，零阶未衍射/未调制光以与常规2π范围的可允许相位值相同的方式最小化，因为和矢量仍为零。
因此，需要“不平衡”截断以生成非零和矢量。不平衡截断的示例在图10B中示出。可以看出，相位圆上的某些调制水平(例如在实弧上标记为“X”的点)在相位圆的另一侧没有相等且相反的调制水平(因为相位圆上与点X直径相对的点落在虚线圆弧内)。因此，在如图10B所示的可允许相位值的不平衡分布的情况下，和矢量为非零，并且零阶未衍射/未调制光(即DC点)的强度增加。
通过动态地改变不平衡的截断，可以动态地改变零阶未衍射/未调制光的强度。特别地，返回到图7，SLM控制装置705可以实时动态地计算在SLM707上编码的全息图(或改变预先计算的全息图)，以便实时地提供可允许相位值(即灰度级)的不平衡的分布或范围。灰度级不平衡的程度又决定了零阶未衍射/未调制光(即DC点)的比例。
如下所述，可以以各种方式来实现不平衡的截断，其可以通过电压转换或其他方式在全息图数据的计算之后或期间操纵全息图数据，或者使调制方案不平衡(改变可允许相位值的分布)。这些示例的组合也是可能的，并且被本公开考虑在内。
(i)操纵全息图数据1—计算后重新分配一些全息图值
在此示例中，重新分配了全息图值以使系统不平衡。具体而言，通过不平衡截断所排除的相位圆上的全息图值应重新分配(例如至最接近的可允许调制水平)，以便提供不平衡。
(ii)操纵全息图数据2—计算后缩放全息图值
在该示例中，每个量化的调制水平(例如相位值)都乘以比例因子以减小范围。因此，例如，如果P是相位值且s是比例因子，则可以使用方程：P.s来计算量化的调制水平。因此，例如，将每个量化的相位值乘以1/2将范围从0→2π减小到0→π，而乘以5/6则将范围从0→360°减小到0→300°。乘数的值便捷地改变了截断量，因此提供了用于计算上增加或减少零阶未衍射/未调制光的手段。排除的区域从正x轴开始，并围绕相位圆逆时针旋转。排除区域的长度由乘数的值确定。如图10C所示，此方法的变型可能会引入非零偏移d，其定义了从0°(以度为单位)的相位偏移。在这种情况下，上述方程变为更通用的方程：(P.s)+d。
这是一种数学上简单的方法，其易于实现，因此目前是首选。
(iii)操纵全息图数据3—在全息图计算期间
在该示例中，在全息图计算期间(可以是实时的)，如上所述，在算法的约束步骤中使用的可允许调制水平的分布被用于使系统不平衡。例如，调制值(例如相位值)的范围可被动态地截断或扩展，以便动态地减小或增大零阶未衍射/未调制光且因此改变DC点的强度。可替代地，在约束步骤中可以使用可允许调制水平的不均匀分布。例如，相邻的可允许调制水平之间的间隔可以随着调制值的增加而增加，这对应于随着增加的调制值而针对每个可允许调制水平来增加仓大小。为了避免任何疑问，仓是指调制值在可允许调制水平附近的范围。在特定仓中的调制值被分配了该仓的唯一可允许调制水平。因此，在该示例中，可允许调制水平的分隔(即仓的大小)随着调制值的增加而增加，使得与较高值相比在较低值(例如相位)处是更多可允许调制水平。结果，对于特定的全息图计算，与较高值相比，更多调制值(例如灰度级)将被分配给较低值(例如相位)，从而使系统不平衡并改变DC点的强度。
(iv)电压转换1—更改灰度级到电压的映射
在此示例中，使用查找表(LUT)将每个调制值(即“灰度级”)与模拟电压(如果装置具有模拟背板)或所谓的位平面序列(如果SLM有数字背板)相关联。因此，在纯相位方案中，操纵LUT中的值以提供减小范围的可允许相位值。该方法是有利的，因为它不涉及对全息图引擎的任何改变或对计算机存储器中的大的数据阵列的操作。下表2示出了示例LUT，其用于以平衡布置将计算出的灰度级转换为电池电压。通过更改灰度级到电压的映射可以使系统不平衡。表3示出了用于使系统不平衡的经修改的LUT。因此，在表1的平衡系统中，灰度级1为6V，而在表2的非平衡系统中，灰度级1代替地使用5V。此方法等效于围绕相位圆移动灰度级，以使它们不再均匀分布(即不再均匀间隔)。因此，与图8A所示和上述的均匀分布相反，每个灰度级没有等效的相对点。
Figure BDA0002844448550000271
Figure BDA0002844448550000281
表2
灰度级 电压 相位/弧度
0 7 0
1 5 1.6
2 3 3.2
3 1 4.8
4 0.75 5.0
5 0.5 5.2
6 0.25 5.4
7 0 5.6
表3
(v)电压转换2—截断灰度级到电压的映射
在此示例中，如先前示例中一样使用LUT。然而在此示例中，需要的电压被缩放以使系统不平衡。表4示出了如何使用此方法缩放表2的LUT的值。
Figure BDA0002844448550000282
Figure BDA0002844448550000291
表4
照明方法II
图11是根据上述替代实施例的用于提供光照明的方法1100的流程图。特别地，方法1100可以由图5的控制器500来实现，其控制图7的照明系统的光源701和SLM 707的SLM控制装置705。
方法1100在步骤1105开始。在步骤1110，控制器打开光源，并且SLM从光源接收入射光。
在步骤1120，SLM输出未调制(即作为零阶未衍射光)的接收的入射光作为输出光的第一分量。特别地，SLM用全息图编码，从而最大化系统的“不平衡”，从而最大化如上所述由SLM输出的零阶未衍射/未调制的光。来自SLM的输出光然后由照明系统投影或以其他方式光学处理，以形成期望的照明，例如以光束的形式。
因此，在方法1100的步骤1120中，照明系统在上述第一照明模式下操作，其中默认全息图用于形成默认或近光，而没有(大量)全息内容。
在步骤1130，控制器确定是否已经收到改变照明模式的指示，例如补充现有照明的指示。如上所述，控制器可以接收控制输入，其可以为检测到的状况或用户需求等选择非默认照明或照明类型。例如，通过引入预定义的全息图内容来修改默认光束的许多预定类型的照明可被预编程以通过相应的控制输入进行选择。因此，如果步骤1130确定已接收到改变照明模式的指示，则步骤1150为所选照明选择照明属性和全息图(例如对应的预编程的照明属性和全息图或实时计算)。例如，控制器可以根据控制输入为系统的选定平衡度选择相应的全息图。然后该方法进行到步骤1160。
然而，如果步骤1130确定没有收到改变照明模式的指示，则步骤1140确定是否要关闭照明。例如，控制器可以接收控制输入以关闭照明系统。如果步骤1140确定要关闭照明，则控制器关闭光源，并且该方法在步骤1195结束。否则，该方法返回到步骤1120，并且照明系统继续在第一照明模式下操作，并且提供默认光束。
在步骤1160，SLM控制装置动态地改变在SLM上编码的全息图以改变系统的平衡。特别地，SLM控制装置改变全息图以减少系统的不平衡(或者相反，增加其平衡)，并因此引入更多的形成全息内容的第二分量的输出光。例如，控制装置通过如上所述动态地改变全息图(例如改变全息数据和/或调制方案)，根据选择的照明属性，通过SLM改变输出光的第一和第二分量的比例。
在步骤1170，SLM输出一定比例的未调制或零阶未衍射光作为输出光的第一分量，并且根据在其上的所选全息图(例如由控制器对其进行编码)调制的剩余比例作为输出光的第二分量。然后，通过照明系统将来自SLM的输出光进行投影或以其他方式光学处理，以形成具有全息内容的所需照明，如上所述。
因此，在方法1110的步骤1160和1170中，以上述第二照明模式操作照明系统以形成全息束，其使用用于所选照明的全息内容来修改默认或近光。
在步骤1180，控制器确定是否已经接收到改变照明的指示。例如，控制器可以接收改变照明类型、照明模式或完全关闭照明的控制输入。如果步骤1180确定未收到改变照明的指示，则该方法返回到步骤1170，并且照明系统继续在第二照明模式下操作并提供当前选择的全息束。
然而，如果步骤1180确定接收到改变照明的指示，则步骤1185确定是否要关闭照明。例如，控制器可以接收控制输入以完全关闭照明系统。如果步骤1185确定要关闭照明，则控制器关闭光源，并且该方法在步骤1195结束。否则，该方法进入步骤1190。
在步骤1190，控制器确定是否在第二照明模式下选择了另一非默认照明。例如，控制器可以接收控制输入以改变选择的照明，并因此从当前照明属性和全息图中选择不同的照明属性和/或全息图。如果步骤1190确定选择不同的非默认照明，则该方法返回到步骤1150，该步骤为新选择的照明选择照明属性和全息图。然后该方法在第二照明模式下继续(步骤1160和1170)以提供新选择的全息束。
然而，如果步骤1190确定未选择另一非默认照明，则在步骤1180接收的改变照明的指示将改变为第一照明模式或指示故障或错误。因此，该方法返回到步骤1120，并返回到第一照明模式以提供默认或近光。在错误或故障的情况下，返回到第一照明模式可确保照明安全运行，如下文进一步解释。
优点
可以将上述实施例视为实现了一种混合系统，其包括仅在第一照明模式下用于提供默认光束的常规近光照明系统和在第二照明模式下用于根据需要控制(例如更改)光束的可切换全息功能。与已知的照明系统和方法相比，这带来了许多优点。
例如，如上所述，由空间光调制器在第二照明模式下输出的光的空间调制的第二分量所提供的全息重建被限制在回放场的有限区域中。因此，全息图在计算上更加可行并且提供了良好的图像质量，从而能够形成轮廓分明的形状。此外，当提供“近光”照明时，混合系统可节省处理和动力资源。
如上所述，在全息领域中的常规知识中，来自SLM的零阶未调制光斑(即DC点)被认为是一个问题，所公开的照明系统有利地利用并且确实可以增强未调制光斑作为默认或近光。
此外，与仅全息照明布置相反，如果本公开的混合系统的全息引擎发生故障，则仍提供近光，并且照明系统为固有故障形成以确保安全。尤其是在全息引擎发生错误或完全失效的情况下，照明系统会简单地恢复到第一照明模式，并将所有光引导到安全的“近光”中。相反，如果GB2499579的现有前照灯的全息引擎发生故障，则驾驶员将没有前照灯，或者更糟的是，出现危险情况，全息图可能会以不希望的方式对光束进行引导，例如进入即将到来的司机眼中。然而，本混合照明系统使全息内容的使用能够随着条件的变化而动态地改变(例如转向)全息光束的光分布。还可以手动或自动地动态改变光束的其他方面，例如颜色和形状。
此外，可以例如使用图5中所示的控制器来控制照明系统，以允许全息内容被完全关闭(例如通过手动选择第一照明模式)。在某些地理区域或司法管辖区中满足本地需求可能是理想的。
附加特征
可以对本文描述的实施例的照明系统和方法进行各种修改和改变。例如，可以通过使用附加光源来增强第一照明模式下的“近光”的强度。因此，在利用SLM对偏振光的响应的示例中，可以使用附加偏振光源在第一方向上提供偏振光(其未被SLM空间调制)。这样的附加光源在第二照明模式下特别有益于补充提供全息图功率的失谐光源，从而维持默认“近光”的强度。
在控制器的控制下，回放场的区域可用于不同的照明功能。例如，可以选择照明功能，其中使用光学器件重定向小比例的回放场，以提供路口光，即直角的光，当车辆转弯时照明路口。例如，该照明功能可以通过第二照明模式下的全息光束的全息内容的至少一部分来提供。
在照明系统的所描述实施例中，SLM包括反射SLM，其可以代替用于特定应用的照明系统的常规光学器件(例如车辆前照灯)中的常规反射镜。在其他实施方式中，可以将透射SLM与适当的光学部件一起使用以形成(例如投影)光束。因此，尽管实施例仅通过示例的方式涉及电激活的LCOS空间光调制器，但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、光激活的SLM、数字微镜设备或微机电设备。
在一些实施例中，提供了包括所公开的照明系统的车辆前照灯以及其中安装一个或多个这种前照灯的车辆。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。该照明系统可以用在可受益于动态可变且可控制的光束的任何其他合适的照明应用中，包括例如聚光灯和街道照明。
在实施例中，在第二照明模式下，根据常规全息技术，在由空间光调制器限定的整个窗口的第零衍射级内创建全息重建。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。
示例描述了用可见光照明SLM，但本领域技术人员将理解，例如，如本文所公开，光源和SLM可以等同地用于提供红外或紫外照明。例如，红外聚光灯可以在其中可见光照明是不实际的夜间搜索应用中找到应用。本领域技术人员将了解用于将红外和紫外光转换为可见光以将信息提供给用户(例如热成像相机或观察仪器)的技术。例如，本公开扩展到为此使用磷光体和/或量子点技术。
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。
披露了以下各项：
项目1.一种照明系统，其布置为输出用于照明场景的光束，包括：空间光调制器，其布置为接收入射光，并输出包括第一分量和第二分量的光，其中第一分量包括未经空间光调制器的调制而输出的入射光，第二分量包括根据全息图进行空间调制并由空间光调制器输出的入射光；以及控制装置，其可操作成控制由空间光调制器输出的与第二分量相对应的光的比例。
项目2.根据项目1所述的系统，其中，所述控制装置包括在所述入射光的路径中的光调谐装置，并且布置为调节所述入射光的特性。
项目3.根据项目2所述的系统，其中：所述空间光调制器布置为输出没有调制的具有第一属性状态的入射光作为第一分量，并根据全息图对具有第二属性状态的入射光进行空间调制，并且输出空间调制的光作为第二分量，其中，所述第二属性状态不同于所述第一属性状态；并且所述光调谐装置可操作成控制具有第二属性状态的入射光的比例。
项目4.根据项目3所述的系统，其中，所述光调谐装置布置为调节具有第一属性状态和第二属性状态的入射光的比率。
项目5.根据项目3或4所述的系统，其中，所述照明系统布置为在第一和第二照明模式下操作，其中，在第一照明模式下，所述光调谐装置被调节为将基本0％的具有第二属性状态的入射光提供给空间光调制器，使得只有由空间光调制器输出的第一分量才对光束有贡献，并且在第二照明模式下，所述光调谐装置可调节为提供选定比例的具有第二属性状态的入射光，使得由空间光调制器输出的第二分量对光束有贡献。
项目6.根据项目5所述的系统，还包括：控制器，其布置为在第二照明模式下调节所述光调谐装置。
项目7.根据项目5或6所述的系统，其中，在第二照明模式下，通过傅立叶变换透镜在所述空间光调制器的输出光的路径中形成所述全息图的全息图重建。
项目8.根据项目3至7中任一项所述的系统，其中，所述属性是偏振，并且其中，所述第一属性状态对应于在第一方向上的偏振，并且所述第二属性状态对应于在第二方向上的偏振，其中，所述第二方向垂直于所述第一方向。
项目9.根据项目8所述的系统，还包括：光源，其布置为将在第二方向上偏振的光作为入射光提供给空间光调制器。
项目10.根据项目9所述的系统，其中，所述光调谐装置改变入射光的偏振角，使得入射光包括在所述第一方向上偏振的分量，并且优选地，由所述空间光调制器输出的第一和第二分量都对光束有贡献。
项目11.根据项目8、9或10所述的系统，其中，所述光调谐装置包括半波片，其中，所述半波片可旋转以改变光的偏振角。
项目12.根据项目3至7中任一项所述的系统，其中，所述属性是相干，并且其中，所述第一属性状态对应于非相干光，并且所述第二属性状态对应于相干光。
项目13.根据项目12所述的系统，还包括：光源，其布置成将相干光作为入射光提供给空间光调制器。
项目14.根据项目13所述的系统，其中，在第一照明模式下，所述光调谐装置将来自所述光源的基本100％的相干光改变为不相干光。
项目15.根据项目13或14所述的系统，其中，所述光调谐装置将选定比例的相干光从所述光源提供给所述空间光调制器。
项目16.根据项目11至15中任一项所述的系统，其中，所述光调谐装置布置为随时间在提供相干光和非相干光之间切换。
项目17.根据项目3至7中任一项所述的系统，其中，所述属性是波长，并且其中，所述第一属性状态对应于第一波长带的光，并且所述第二属性状态对应于与所述第一波长带不同的第二波长带的光。
项目18.根据项目17所述的系统，还包括：光源，其布置成将第一波长带的光作为入射光提供给空间光调制器。
项目19.根据项目18所述的系统，其中，所述光调谐装置布置为将所述第一波长带的光的一部分改变为所述第二波长带，以便将选定比例的所述第二波长带的光提供给所述空间光调制器。
项目20.根据项目1所述的系统，其中，所述控制装置包括空间光调制器(SLM)控制装置，其布置为调节在所述空间光调制器上编码的全息图的可允许调制水平，并且优选地，布置为改变用于所述全息图的可允许调制水平的调制方案的平衡。
项目21.根据项目20所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为改变在所述空间光调制器上编码的全息图的可允许调制水平的分布。
项目22.根据项目20或21所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为减小在所述空间光调制器上编码的全息图的可允许调制水平的范围，从而使得所述调制方案不平衡。
项目23.根据项目20、21或22所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为基于其调制值中的一个或多个来改变相邻可允许调制水平之间的间隔。
项目24.根据项目23所述的系统，其中，相邻可允许调制水平之间的间隔是其调制值中的一个或多个的函数，并且所述SLM控制装置布置为调节所述函数，以便改变与所述第二分量相对应的光的比例。
项目25.根据项目24所述的系统，其中，相邻可允许调制水平之间的间隔随着调制值的增大而增加，使得在较低调制值处比在较高调制值处存在更多可允许调制水平。
项目26.根据项目23至25中任一项所述的系统，其中，通过与所述调制值成比例地增加可允许调制水平之间的间隔来减小与由所述空间光调制器输出的第二分量相对应的光的比例，从而使所述调制方案不平衡。
项目27.根据项目20至26中任一项所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为在将全息图编码到所述空间光调制器上之前改变针对全息图的计算出的一组调制水平。
项目28.根据项目27所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为将计算出的一组调制水平中的一个或多个重新分配给一个或多个其他可允许调制水平。
项目29.根据项目27或28所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为基于缩放因子并且可选地基于偏移来缩放计算出的一组调制水平。
项目30.根据项目20至29中任一项所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为改变与每个可允许调制水平相对应的电压电平。
项目31.根据项目30所述的系统，其中，所述电压电平是模拟背板电压或时间平均位平面电压中的一个，并且其中，通过使与可允许调制水平相对应的电压电平的分布不平衡来减小与由所述空间光调制器输出的第二分量相对应的光的比例。
项目32.根据项目20至31中任一项所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为动态地改变全息图以提供与所述第二分量相对应的输出光的比例。
项目33.根据任一前述项目所述的系统，进一步包括：投影光学器件，其布置成将由所述空间光调制器输出的光投影为用于照明场景的光束。
项目34.根据项目33所述的系统，其中，所述投影光学器件包括光学元件。
项目35.根据项目33或34所述的系统，其中，所述投影光学器件包括光学元件，其布置成接收一种波长的光并输出至少另一种波长的光，所述另一个波长不同于所接收的光的波长。
项目36.根据项目35所述的系统，其中，所述光学元件包括磷光体材料，并且所述入射光包括磷光体材料的激发波长的光，其中，当用激发波长的光照明时，所述磷光体材料发射多种波长的光。
项目37.根据项目36所述的系统，其中，所述激发波长对应于蓝色或紫外光，并且所述磷光体材料发射对应于蓝色、绿色和红色光的多个波长。
项目38.根据项目34至37中任一项所述的系统，其中，所述光学元件是包括磷光体涂层的反射器。
项目39.根据任一前述项目所述的系统，其中，在第二照明模式下，所述光束包括与在所述空间光调制器中编码的全息图相对应的全息图像。
项目40.根据项目39所述的系统，其中，所述全息图是计算机生成的全息图。
项目41.根据项目39或40所述的系统，其中，所述全息图被选择或产生以提供对应的照明图案。
项目42.根据任一前述项目所述的系统，其中，所述空间光调制器是以下中的一个或多个：反射空间光调制器；纯相位空间光调制器和可寻址硅基液晶(LCOS)空间光调制器。
项目43.一种用于提供光照明的方法，包括：将入射光提供给照明系统的空间光调制器，其中，所述空间光调制器布置成输出包括第一分量和第二分量的光，其中第一分量对应于未经空间光调制器的调制而输出的入射光，第二分量对应于根据全息图进行空间调制并由空间光调制器输出的入射光，并且
通过空间光调制器输出光以提供照明，该方法还包括：控制照明系统，使得空间光调制器输出的光的比例对应于第二分量。
项目44.根据项目43所述的方法，其中，所述照明系统在入射光到空间光调制器的路径中包括光调谐装置，所述方法包括：所述光调谐装置接收具有属性的光；以及通过所述光调谐装置在第一照明模式下将具有第一属性状态的光作为入射光提供给空间光调制器，其中基本0％的光具有不同于所述第一属性状态的第二属性状态；通过空间光调制器产生处于第一照明模式的输出光，其仅包括具有第一属性状态的未调制光作为用于提供照明的输出光的第一分量。
项目45.根据项目44所述的方法，其进一步包括：在第二照明模式下调节所述光调谐装置；响应于光调谐装置的调节，将具有第二属性状态的光的比例作为入射光提供给空间光调制器，并且由空间光调制器在第二照明模式下产生根据全息图调制的具有第二属性状态的光作为提供照明的输出光的第二分量，其中输出光包括第一分量和第二分量。
项目46.根据项目44或45所述的方法，所述属性是偏振，并且其中，所述第一属性状态对应于在第一方向上的偏振，并且所述第二属性状态对应于在第二方向上的偏振，其中，所述第二方向垂直于所述第一方向，该方法包括：通过半波片接收来自光源的光；通过半波片将在第一方向上偏振的光作为入射光提供给空间光调制器，并且通过空间光调制器将未调制的在第一方向上偏振的入射光输出为输出光的第一分量。
项目47.根据项目46所述的方法，其中，来自光源的光在第一方向上被偏振。
项目48.根据项目46或47所述的方法，其进一步包括：调节所述半波片；另外通过半波片将在第二方向上偏振的光的比例作为入射光提供给空间光调制器，其中第二方向垂直于第一方向；由空间光调制器输出根据全息图空间调制的在第二方向上偏振的入射光作为输出光的第二分量。
项目49.根据项目48所述的方法，还包括：通过傅立叶变换透镜在空间光调制器的输出光的路径中形成与全息图相对应的全息重建。
项目50.根据项目48或49所述的方法，其中，调节所述半波片是响应于改变光照明的指示。
项目51.根据项目43至50中任一项所述的方法，还包括：将输出光投影为光束。
项目52.根据项目51所述的方法，其中，将输出光投影为用于照明场景的光束包括：通过光学元件接收来自空间光调制器的输出光，以及通过光学元件投影所接收的光，其被放大以形成用于照明场景的光束。
项目53.根据项目52所述的方法，其进一步包括：由光学元件接收来自空间光调制器的包括第一波长的光的输出光，以及由光学元件至少投影与第一波长不同的第二波长的光。
项目54.根据项目52或53所述的方法，其中，所述光学元件包括具有激发波长的磷光体材料，所述方法包括：通过光学元件从空间光调制器接收包括激发波长的光的输出光；用激发波长的光照明磷光体材料；通过磷光体材料发射多个波长的可见光，并且通过光学元件投影多个波长的光。
项目55.根据项目54所述的方法，其中，所述激发波长对应于蓝色或紫外光，并且所述磷光体材料发射对应于蓝色、绿色和红色光的多个波长。
项目56.根据项目43至55中任一项所述的方法，其进一步包括：响应于改变光照明的指示，动态地改变在空间光调制器上编码的全息图。
项目57.根据项目43至56中任一项所述的方法，其中，所述照明系统包括空间光调制器(SLM)控制装置，其中，控制所述照明系统，使得由空间光调制器输出的光的比例对应于第二分量包括：通过SLM控制装置，为在空间光调制器上编码的全息图的可允许调制水平调节调制方案的平衡。
项目58.根据项目43至57中任一项所述的方法，其中，所述照明系统包括空间光调制器(SLM)控制装置，其中，控制所述照明系统，使得由所述空间光调制器输出的光的比例对应于所述第二分量包括：通过SLM控制装置动态更改在空间光调制器上编码的全息图，以控制与第二分量相对应的输出光的比例。
项目59.一种计算机程序产品，包括具有程序指令的计算机可读介质，所述程序指令在由处理器执行时执行项目43至58中任一项的方法。

Claims (38)

1.一种照明系统，其布置为输出用于照明场景的光束，包括：
空间光调制器，其布置为接收入射光，并输出包括第一分量和第二分量的光束，
其中第一分量包括未经空间光调制器的调制而输出的入射光以提供用于对场景进行照明的光束，第二分量包括根据全息图进行空间调制并由空间光调制器输出的入射光以对所述光束有贡献，并从而对所述场景进行照明有贡献；
其中所述全息图是可动态变化的；
所述照明系统还包括：
控制装置，其可操作成调节所述光束中第一分量和第二分量的比率，并从而控制由空间光调制器输出的与第二分量相对应的所述光束的比例。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制装置包括在所述入射光的路径中的光调谐装置，其中，所述光调谐装置布置为调节所述入射光的属性。
3.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述空间光调制器布置为输出没有调制的具有第一属性状态的入射光作为第一分量，并根据全息图对具有第二属性状态的入射光进行空间调制，并且输出空间调制的光作为第二分量，其中，所述第二属性状态不同于所述第一属性状态；并且
所述光调谐装置可操作成控制具有第二属性状态的入射光的比例。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述光调谐装置布置为调节具有第一属性状态和第二属性状态的入射光的比率。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述照明系统布置为在第一和第二照明模式下操作，其中，在第一照明模式下，所述光调谐装置被调节为将基本0％的具有第二属性状态的入射光提供给空间光调制器，使得只有由空间光调制器输出的第一分量才对光束有贡献，并且在第二照明模式下，所述光调谐装置可调节为提供选定比例的具有第二属性状态的入射光，使得由空间光调制器输出的第二分量对光束有贡献。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括：
控制器，其布置为在第二照明模式下调节所述光调谐装置。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，在第二照明模式下，通过傅立叶变换透镜在所述空间光调制器的输出光的路径中形成所述全息图的全息图重建。
8.根据权利要求3所述的系统，其中，所述属性是偏振，并且其中，所述第一属性状态对应于在第一方向上的偏振，并且所述第二属性状态对应于在第二方向上的偏振，其中，所述第二方向垂直于所述第一方向。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括：
光源，其布置为将在第二方向上偏振的光作为入射光提供给空间光调制器。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述光调谐装置改变入射光的偏振角，使得入射光包括在所述第一方向上偏振的分量，并且优选地，由所述空间光调制器输出的第一和第二分量都对光束有贡献。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述光调谐装置包括半波片，其中，所述半波片可旋转以改变光的偏振角。
12.根据权利要求3所述的系统，其中，所述属性是相干，并且其中，所述第一属性状态对应于非相干光，并且所述第二属性状态对应于相干光。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括：
光源，其布置成将相干光作为入射光提供给空间光调制器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，在第一照明模式下，所述光调谐装置将来自所述光源的基本100％的相干光改变为非相干光。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述光调谐装置将选定比例的相干光从所述光源提供给所述空间光调制器。
16.根据权利要求11所述的系统，其中，所述光调谐装置布置为随时间在提供相干光和非相干光之间切换。
17.根据权利要求3所述的系统，其中，所述属性是波长，并且其中，所述第一属性状态对应于第一波长带的光，并且所述第二属性状态对应于与所述第一波长带不同的第二波长带的光。
18.根据权利要求17所述的系统，还包括：
光源，其布置成将第一波长带的光作为入射光提供给空间光调制器。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述光调谐装置布置为将所述第一波长带的光的一部分改变为所述第二波长带，以便将选定比例的所述第二波长带的光提供给所述空间光调制器。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制装置包括空间光调制器(SLM)控制装置，其布置为调节在所述空间光调制器上编码的全息图的可允许调制水平，并且可选地，布置为改变用于所述全息图的可允许调制水平的调制方案的平衡。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为改变在所述空间光调制器上编码的全息图的可允许调制水平的分布。
22.根据权利要求20所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为减小在所述空间光调制器上编码的全息图的可允许调制水平的范围，从而使得所述调制方案不平衡。
23.根据权利要求20所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为基于其调制值中的一个或多个来改变相邻可允许调制水平之间的间隔。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，相邻可允许调制水平之间的间隔是其调制值中的一个或多个的函数，并且所述SLM控制装置布置为调节所述函数，以便改变与所述第二分量相对应的光的比例。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，相邻可允许调制水平之间的间隔随着调制值的增大而增加，使得在较低调制值处比在较高调制值处存在更多可允许调制水平。
26.根据权利要求23所述的系统，其中，通过与所述调制值成比例地增加可允许调制水平之间的间隔来减小与由所述空间光调制器输出的第二分量相对应的光的比例，从而使所述调制方案不平衡。
27.根据权利要求20所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为在将全息图编码到所述空间光调制器上之前改变针对全息图的计算出的一组调制水平。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为将计算出的一组调制水平中的一个或多个重新分配给一个或多个其他可允许调制水平。
29.根据权利要求27所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为基于缩放因子并且可选地基于偏移来缩放计算出的一组调制水平。
30.根据权利要求20所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为改变与每个可允许调制水平相对应的电压电平。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述电压电平是模拟背板电压或时间平均位平面电压中的一个，并且其中，通过使与可允许调制水平相对应的电压电平的分布不平衡来减小与由所述空间光调制器输出的第二分量相对应的光的比例。
32.根据权利要求20所述的系统，其中，所述SLM控制装置布置为动态地改变全息图以提供与所述第二分量相对应的输出光的比例。
33.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
投影光学器件，其布置成将由所述空间光调制器输出的光投影为用于照明场景的光束。
34.根据权利要求33所述的系统，其中，所述投影光学器件包括光学元件。
35.根据权利要求33所述的系统，其中，所述投影光学器件包括光学元件，其布置成接收一种波长的光并输出至少另一种波长的光，所述另一种波长不同于所接收的光的波长。
36.根据权利要求35所述的系统，其中，所述光学元件包括磷光体材料，并且所述入射光包括磷光体材料的激发波长的光，其中，当用激发波长的光照明时，所述磷光体材料发射多种波长的光。
37.根据权利要求36所述的系统，其中，所述激发波长对应于蓝色或紫外光，并且所述磷光体材料发射对应于蓝色、绿色和红色光的多个波长。
38.根据权利要求1所述的系统，其中，在第二照明模式下，所述光束包括与在所述空间光调制器中编码的全息图相对应的全息图像。
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