CN112578657B - 使用液晶显示装置的全息图显示 - Google Patents

Abstract

一种驱动显示装置的方法。该显示装置包括液晶面板、显示引擎和全息图引擎。液晶显示面板包括多个像素。该显示装置包括布置成在由显示装置定义的多个显示间隔的每个显示间隔期间驱动多个像素中的每个像素的显示引擎。每个像素根据驱动信号被驱动。驱动信号可以包括用于每个像素的像素电压。显示引擎布置为在每个显示间隔反转驱动信号的极性。全息图引擎布置为将用于显示的多级相位全息图发送到显示引擎。该方法包括在没有场反转的情况下以紧邻连续的显示间隔显示多级相位全息图。

Description

使用液晶显示装置的全息图显示

技术领域

本公开涉及全息术和显示全息图。更具体地，本公开涉及用于全息术的显示装置和驱动显示装置的方法。一些实施例涉及包括向列液晶显示装置的液晶显示装置及其驱动器。其他实施例涉及液晶空间光调制器比如硅上液晶空间光调制器及其驱动方案。

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。这些类型的全息图可被称为菲涅耳/傅立叶变换全息图或简称为菲涅耳/傅立叶全息图。傅立叶全息图可被认为是物体的傅立叶域/平面表示或物体的频域/平面表示。例如，还可以通过相干射线追踪或点云技术来计算计算机生成的全息图。

计算机生成的全息图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上进行编码。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。

空间光调制器通常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，装置可以是连续的(即不包括像素)，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，这意味着调制光以反射输出。空间光调制器可以同样是透射性的，这意味着调制光以透射输出。

液晶是用于直接查看显示、投影显示和光子学装置的扩展。液晶稳定性是首要考虑的问题，并且要求液晶显示装置具有长的使用寿命。然而，液晶显示装置中不平衡场的存在容易使介质极化。一个方向上的净电场会导致离子堆积。离子电荷的这种堆积可能会干扰所施加的电场并降低显示装置的性能。在本领域中已知通过连续地反转电场来使液晶显示装置DC平衡。该过程可以称为场反转。然而，存在场反转的负面影响。本公开解决了这些问题中的一些。

发明内容

本公开的各方面在所附独立权利要求中定义。

本文公开了一种显示装置，其包括液晶显示面板、显示引擎和全息图引擎。液晶显示面板包括多个像素。显示引擎布置为在多个显示间隔的每个显示事件期间驱动多个像素中的每个像素。多个显示间隔由显示引擎定义。每个像素根据驱动信号被驱动。显示引擎布置为在每n个显示间隔反转驱动信号的极性(以实现DC平衡)。显示驱动器可以布置为在每个显示间隔反转驱动信号的极性。可替代地，显示引擎可以布置为在每第二或每第三显示间隔反转驱动信号的极性。全息图引擎布置为将用于显示的多级相位全息图发送到显示引擎。每个连续的多级相位全息图对应于不同的图像。可以说每个连续的多级相位全息图包括不同的图像内容。更具体地，可从每个连续的多级相位全息图形成的全息重建是不同的。换句话说，多级相位全息图序列对应于变化的(例如移动的)图像/全息重建。显示引擎布置为在各自的显示间隔期间显示序列的每个多级全息图，其中用于显示序列的多级相全息图的显示间隔是紧邻连续的(使得每个全息图在没有场反转的情况下被显示)。即，显示间隔的连续/不间断组用于显示序列的全息图。整数n可以是小于六的整数。整数n可以是小于每帧的子帧的数量的整数。在一些实施例中，每个多级相位全息图仅显示一次，即仅在一个显示间隔期间显示。因此，全息图按顺序显示，而与极性反转无关。

多级相位全息图分别以紧邻连续显示间隔显示。换句话说，全息图以紧邻的显示间隔依次一个接一个地显示。为了避免疑问，每个显示间隔仅显示一个全息图。例如，在第一显示间隔期间显示全息图序列中的第一全息图，在第二显示间隔期间显示该序列中的第二全息图，其中第二显示间隔紧随第一显示间隔，依此类推。即，在连续全息图的显示之间没有显示间隔。例如，在第一显示间隔和第二显示间隔之间没有显示间隔。用于驱动像素显示第一全息图的第一显示信号具有第一极性，用于驱动像素显示第二全息图的第二显示信号具有第二极性，其中第二极性与第一极性相反。第一全息图不同于第二全息图，即，由第一全息图形成的全息重建不同于由第二全息图形成的全息重建。换句话说，对应于第一全息图的图像内容不同于对应于第二全息图的图像内容。显示第一全息图而没有使用其自身的场反转来DC平衡，第二全息图也是如此。因此，可以理解，每个全息图都不是场反转的。然而，可以说第一全息图相对于第二全息图是场反转的。

众所周知，在液晶领域中，场反转是保持液晶单元的性能特性的关键。反复反转施加到液晶单元的电压的极性是很平常的。例如，公共电极和像素电极之间的电压在第一帧中可以为正而在第二帧中为负。两个帧中相等但相反的电场产生相同的灰度级，但确保分子处于DC平衡且不会“粘附(stick)”。在此示例中，同一图像显示两次：一次使用正电场，一次使用负电场。使用正场显示图像的次数必须等于使用负场显示图像的次数，以实现DC平衡。偏离该规则在本领域中存在很大的偏见。

发明人发现，在显示全息图序列期间，显示期间各个像素值的变化基本上是随机的。这是全息图计算过程的结果，其倾向于均匀地使用可用的灰度级。发明人通过仿真发现，在图像视频序列的动态全息投影过程中每个像素的灰度级基本上是白噪声。发明人通过测试确认了长时间遭受白噪声的液晶单元的性能没有劣化。具体地，未观察到与DC不平衡相关的不利影响。发明人认识到这些现象的结果是，当由计算机生成的全息图形成时，使用液晶装置显示的图像内容可以更频繁地更新，因为不需要对每个全息图进行场反转。因此，可以使用在常规显示器中认为不平衡的驱动方案来显示全息图序列。具体地，不需要使用正电场和负电场来显示多级相位全息图。总而言之，本文公开了一种在没有DC平衡的情况下在液晶显示面板上显示多级相位全息图的方法。

每个全息图可以通过仅一个正驱动信号或仅一个负驱动信号来显示。可以在相应的显示间隔序列中显示全息图序列，而不用多于一次地显示任何全息图。该配置是有利的，因为其充分利用了显示装置的最大刷新速率。这被实现是因为每个全息图仅显示一次并且在连续的显示间隔期间显示连续的全息图。

全息图引擎可以布置为计算每个全息图。全息图可以是从包含多个全息图的存储器中获得到的计算机生成的全息图，或者可以在诸如图像视频流的实时处理的操作期间从目标图像计算全息图。可以使用可基于Gerchberg-Saxton算法的迭代相位反演算法来计算机生成全息图。包括正向和反向傅立叶变换的迭代过程会导致基本均匀地使用可用/允许的灰度级。全息图计算过程可以包括至少一个正向傅立叶变换和至少一个反向傅立叶变换。该算法的迭代次数可以大于三。因此，全息图是相位全息图，这意味着每个灰度级包括相位延迟值。灰度级(例如相位)的数量可以是2n，其中n是整数，可选地大于3。

每个像素可以是包括向列液晶的Freedericks单元。换句话说，每个像素可以包括布置为响应于驱动信号而执行Freedericksz(弗雷德里克兹)转变的向列液晶。当在单元上施加电压时，液晶分子布置为从平面状态转变为垂直状态。电压可以为正或负。液晶分子以相同方式响应正电压或负电压。因此，可以通过简单地反转电压来实现场反转。使用公共电极电压VCOM已知多种实现此的方法。驱动信号包括每个像素的电压差，其中该电压差是相应的像素电极电压减去公共电极电压。如果驱动信号为正，则每个电压差为正。如果驱动电压为负，则每个电压差为负。

本文还公开了一种驱动显示装置的方法。显示装置包括液晶面板、显示引擎和全息图引擎。液晶显示面板包括多个像素。显示装置包括布置成在由显示装置定义的多个显示间隔的每个显示间隔期间驱动多个像素中的每个像素的显示引擎。每个像素根据驱动信号被驱动。驱动信号可以包括用于每个像素的像素电压。显示引擎布置为在每个显示间隔反转驱动信号的极性。全息图引擎布置为将用于显示的多级相位全息图发送到显示引擎。该方法包括以紧邻连续的显示间隔显示多级相位全息图，而没有每个全息图的单独场反转。

还公开了一种投影图像的重建的方法。该方法包括计算对应于图像的多级相位全息图的第一步骤。根据前述段落的驱动显示装置的方法以及在相应的显示间隔期间照射每个多级相位全息图，使得在与显示装置在空间上分离的回放平面上形成每个图像的全息重建。可以使用迭代相位反演算法来计算多级相位全息图。

本文公开了一种显示装置，其包括液晶显示面板、显示引擎和全息图引擎。液晶显示面板包括多个像素。显示引擎布置为在多个显示事件的每个显示事件期间驱动多个像素中的每个像素。多个显示事件由显示引擎定义。每个像素根据驱动信号被驱动。显示引擎布置为周期性地反转驱动信号的极性。全息图引擎布置为将用于显示的全息图发送到显示引擎。显示引擎配置为使得使用不相等数量的正负驱动信号来显示每个全息图。即，使用正驱动信号显示全息图的次数不等于使用负驱动信号显示全息图的次数。使用正驱动信号显示全息图的次数或使用负驱动信号显示全息图的次数可以为零，但全息图必须至少显示一次。每个全息图可能显示不均匀的次数。

在本文中，术语“显示间隔”用于指可以刷新显示装置的像素的最短时间窗口。液晶显示装置的刷新速率可以大于显示视频所需的帧速率。因此，在相同图像帧的显示期间，显示装置的每个液晶像素可被驱动多次。构成视频的图像帧序列中的每个图像帧因此可被分成多个子帧。因此，在视频速率显示的上下文中，术语“显示间隔”是指子帧的持续时间。

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。本文中公开的系统被描述为“全息投影仪”，因为全息重建是真实图像并且与全息图在空间上分离。术语“回放场”用于指代在其内形成全息重建并完全聚焦的2D区域。如果将全息图显示在包括像素的空间光调制器上，则回放场将以多个衍射级的形式重复，其中每个衍射级是零级回放场的副本。零级回放场通常对应于优选或主要回放场，因为它是最亮的回放场。除非另有明确说明，否则术语“回放场”应被认为是指零级回放场。术语“回放平面”用于指代包含所有回放场的空间中的平面。术语“图像”、“回放图像”和“图像区域”指的是通过全息重建的光照射的回放场的区域。在一些实施例中，“图像”可包括离散斑点，其可被称为“图像斑点”，或仅出于方便起见，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，并且全息图可被认为是光调制值或水平的阵列。

已经发现，可以从仅包含与原始物体的傅立叶变换有关的相位信息的“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的傅立叶变换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。

因此，全息图包括灰度级阵列，即光调制值阵列，比如相位延迟值或复数调制值阵列。全息图也被认为是衍射图案，因为它是当在空间光调制器上显示并且用波长与空间光调制器的像素间距相若(通常小于)的光照射时引起衍射的图案。本文中参考将全息图与其他衍射图案比如用作透镜或光栅的衍射图案组合。例如，可以将用作光栅的衍射图案与全息图组合以在回放平面上平移回放场，或者可以将用作透镜的衍射图案与全息图组合以将全息重建聚焦在近场中的回放平面上。

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的组合相结合。即，设想了本公开中所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类型算法的替代性第二及后续迭代；

图3是反射型LCOS SLM的示意图；

图4示出了场反转；

图5A、5B和5C示出了液晶单元和施加的电场；

图6是使用迭代相位反演算法从全息图计算得出的灰度级直方图；

图7示出了根据实施例的液晶的电容；

图8A、8B、8C和8D示出了根据实施例的驱动方案；以及

图9示出了根据实施例的另一驱动方案。

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/下部或者在其它结构之上/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，描述应被认为包括不连续的情况，除非使用诸如“仅”、“紧邻”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，并且可以彼此以不同方式地互操作。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“获得”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)域之间重复转换代表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算法获得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是仅相位全息图。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”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，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。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213A的分布。拒绝幅度值211A的分布，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。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；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，使用空间光调制器执行傅立叶变换。具体地，全息图数据与提供光焦度的第二数据组合。即，写入空间光调制的数据包括表示物体的全息图数据和表示透镜的透镜数据。当显示在空间光调制器上并用光照射时，透镜数据会模拟物理透镜，即，它以与相应物理光学元件相同的方式将光聚焦。因此，透镜数据提供了光学焦度或聚焦焦度。在这些实施例中，可以省略图1的物理傅立叶变换透镜120。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，仅相位透镜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。例如，在凸透镜的中心的光路长度大于在透镜的边缘的光路长度。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领域中，还已知如何将代表透镜的数据与全息图相结合，从而可以在不需要物理傅立叶透镜的情况下执行全息图的傅立叶变换。在一些实施例中，通过简单的加法比如简单的矢量加法将透镜化数据与全息图组合。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，全息图可以以相同的方式与光栅数据组合，即布置成执行光栅功能(比如图像转向)的数据。同样，在本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与仅振幅全息图叠加以提供全息重建的角度转向。提供透镜效应和/或转向的第二数据可被称为光处理功能或光处理图案，以与可被称为图像形成功能或图像形成图案的全息图数据区分开。

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类似方法计算的菲涅耳全息术和菲涅耳全息图。本公开还适用于通过其他技术比如基于点云方法的技术计算的全息图。

光调制

可以使用空间光调制器来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从多个光调制水平重新配置为一不同光调制水平。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无效区。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。

用于常规图像形成的液晶驱动方案

图4示出了用于驱动液晶显示装置的像素阵列以帮助解释DC平衡的过程的方案。x轴是时间，y轴是液晶上的电势差，即公共电极和像素电极之间的电势差。电势差可以是正的(此处由x轴上方的电压表示)或负的(此处由x轴下方的电压表示)。示出了四个帧，其中每个帧包括六个子帧。每个帧对应于用于投影的图像序列中的一个图像。图像序列可以是形成运动图像的图像视频速率序列。图4的每个阴影矩形代表显示事件。每个显示事件包括在显示装置上的像素上显示图像。因此，每个显示事件包括向显示装置的每个像素施加单独的像素电压。每个像素电压决定了液晶的局部行为，例如定向。由于液晶是双折射的，所以每个像素电压对应于光调制值比如相位调制值。帧之间的间隙比同一帧的子帧之间的间隙更大，在图4中仅作说明之用。实际上，子帧之间的时间间隔可以是均匀的。

在该示例中，每个帧包括六个显示事件，即六个子帧。帧的每个子帧对应于用于投影的同一图像。实际上，同一图像在帧间隔内显示六次。可以说，显示装置的像素每帧刷新五次，以形成每个图像(或每帧)总共六个显示事件。要注意，电势差的极性在每一帧内是交替的。在该示例中，每个帧包括使用正电势差的三个显示事件与使用负电势差的三个显示事件交错。下面参考图5进一步描述使用正电势差或负电势差来显示每个图像的概念。为避免疑问，在子帧期间施加在像素阵列的每个像素上的电势差的极性相同。即，在子帧期间，所有像素经受正电势差，或者所有像素经受负电势差。这里主要使用正和负两个词来反映电势差的方向反转。电势差的极性且因此电场不断地反转并不是必须的。例如，每个帧可以包括连续的三个正场显示事件，随后是连续的三个负场显示事件。技术领域接受的关键原理是，每帧中正场显示事件的数量必须等于每帧中负场显示事件的数量，不管帧中正场和负场显示事件的顺序如何。这样确保所谓的DC平衡并防止液晶粘附(sticking)。

可以使用正电场或负电场显示每个图像。根据校准将图像像素值(例如光调制值)转换为像素电压。可以通过将正电压或负电压施加到像素来实现每个光调制值。换句话说，可以使用正场(图5A)或负场(图5B)实现特别的液晶定向(即光调制值)。图5A和5B示出了公共电极电压V_COM和像素电极电压V_PIXEL。公共电极和像素电极之间的电势差的方向确定液晶上的电场的方向，如箭头E所示。液晶指向矢响应于电场，但它是电场的幅度确定液晶指向矢的定向，而不是极性。

图5C示出了6V的公共电极电压。如果使用6V和12V之间的像素电压表示图像，则在液晶中感应出正电场。如果使用0V和6V之间的像素电压表示图像，则在液晶中感应出负电场。图5示出了使用正电场或负电场可以如何实现相同的光调制水平。本领域中已知有多种技术用于操纵像素电压和/或公共电压，以便提供正负场显示事件，这些方法中的某些涉及使用固定的V_COM(如图5A和5B所示，其中V_COM为在正场情况和负场情况下为6V)，而其他方法涉及使用可变的V_COM。在本公开的上下文中，选择提供互补的正场和负场的方法并不重要。

本公开涉及一种用于全息投影的驱动方案，其偏离于基于DC平衡的基本过程的常规图像形成的公认原理。

用于全息投影的液晶驱动方案

在实施例中，全息图显示在液晶显示装置上而不是图像上。每个全息图对应于图像。可以使用上述方法从对应的图像计算每个全息图。在实施例中，每个全息图是多级全息图。每个全息图像素电压对应于光调制值。在一些实施例中，光调制值是0到2π之间的相位调制值，并且每个全息图包括相位延迟值的分布，其中阵列的每个相位延迟值表示在像素阵列的每个像素上。

发明人发现，在显示全息图序列期间，显示期间各个像素值变化基本上是随机的。这是全息图计算过程的结果，该过程倾向于均匀地使用可用的灰度级。

图6示出了使用迭代相位反演算法的全息图计算结果。可以通过对像素阵列上每个灰度级的出现次数进行计数来获得图6。已经发现，使用灰度级基本上是均匀的。换句话说，使用每个灰度级的像素的数量基本上是一致的。

发明人通过仿真发现，在图像视频序列的动态全息投影过程中每个单独像素的灰度级都类似于白噪声。发明人通过测试确认，长时间遭受白噪声的液晶单元的性能不会劣化，如下面进一步说明。具体而言，未观察到与DC不平衡相关的不利影响。

观察到向列液晶混合物遭受白噪声的稳定性。将液晶毛细填充到标准ITO玻璃测试单元(厚度为10μm，预倾斜为5o)中，并使用波形发生器连接到480Hz、5VRMS的白噪声信号3周(500小时)。使用示波器监测输出波形的均匀性，并使用数字电压表监测施加的电压。本文中的电压是均方根值。通过使用阻抗/增益相位分析仪测量电容来确定介电数据。使用电场感应的Freedericksz转变测量电容是标准方法。发现，在暴露于噪声信号期间，液晶的电容仅略有变化(小于3％)，如图7所示。由于电容保持稳定，因此可以得出，用白噪声驱动液晶单元不会导致液晶粘附。

发明人认识到这些现象的结果在于，当由计算机生成的全息图形成时，使用液晶装置显示的图像内容可以更频繁地更新，因为不需要对每个全息图进行场反转。因此，可以使用在常规显示器中认为不平衡的驱动方案来显示全息图序列。具体地，不需要使用正电场和负电场来显示多级相位全息图。

根据这些突破，图8表示用于显示全息图的实施例。在一些实施例中，每帧的正场显示事件的数量不等于每帧的负场显示事件的数量。图8A示出了第一实施例，其中所有全息图显示事件都使用正场。图8B示出了第二实施例，其中所有全息图显示事件都使用负场。图8C示出了第三实施例，其中第一、第二、第五和第六全息图显示事件使用正场，而第三和第四全息图显示事件使用负场。图8D示出了第四实施例，其中第一和第五全息图显示事件使用正场，而第二、第三、第四和第六全息图显示事件使用负场。本公开不限于图7中所示的不平衡液晶显示方案，而是延伸到正场显示事件和负场显示事件的任何组合，只要正场显示事件的数量(每个源图像)不等于负场显示事件的数量。

在某些实施例中，比如图8所示，每个帧都是不平衡的。即，液晶驱动方案在帧水平上是不平衡的。在其他实施例中，各个帧中的至少一些是平衡的，但整个方案是不平衡的。即，在n个帧的持续时间内，其中n是大于1的整数，与负场显示事件相比，正场显示事件更多。在这些实施例中，可以说液晶驱动方案在宏观水平上是不平衡的。

在一些实施例中，全息图的尺寸(每个方向上的像素数量)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，全息图小于空间光调制器。更具体地，全息图像素的数量小于空间光调制器上可用的光调制像素的数量。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“拼接”，其中空间光调制器的表面积被分成多个“图块”，其中每个至少代表全息图的一个子集。因此，每个图块的尺寸小于空间光调制器。实现“拼接”技术以提高图像质量。具体地，一些实施例实施拼接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)和图块的至少一部分(即全息图的像素的连续子集)。本文使用术语“拼接方案”来指代整个图块和部分图块的特定布置。

在一些实施例中，拼接方案可以在一帧期间或在帧之间改变。例如，帧的第一全息图显示事件可以使用第一拼接方案，而帧的第二全息图显示事件可以使用与第一拼接方案不同的第二拼接方案。在一些实施例中，第一帧的所有全息图显示事件使用第一拼接方案，而第二帧的所有全息图显示事件使用与第一拼接方案不同的第二拼接方案。

根据本公开的驱动方案允许更多不同的显示事件。具体地，因为每个显示事件不需要相等和相反的显示事件，所以图8的示例可以每帧使用例如相同基本全息图的六个不同的拼接方案。这样可以提高图像质量。同样，可以使用更多不同的子帧并入复杂的交错技术。本公开有效地使显示内容可以改变的速率加倍。

在一些实施例中，每个全息图(无论是否拼接)仅显示一次。即，仅一个子帧用于显示每个全息图。因此，下一个(不同的)全息图可以显示在下一个子帧中。因此，增加了显示系统的帧速率，因为没有多次显示每个全息图以确保DC平衡。

因此，本文公开了一种显示装置，其包括液晶显示面板、显示引擎和全息图引擎。液晶显示面板包括多个像素。显示引擎布置为在多个显示事件的每个显示事件期间驱动多个像素中的每个像素。多个显示事件由显示引擎定义。每个像素根据驱动信号被驱动。显示引擎布置为周期性地反转驱动信号的极性。全息图引擎布置为将用于显示的全息图发送到显示引擎。显示引擎配置为使得使用不相等数量的正负驱动信号来显示每个全息图。即，使用正驱动信号显示全息图的次数不等于使用负驱动信号显示全息图的次数。使用正驱动信号显示全息图的次数或使用负驱动信号显示全息图的次数可以为零，但全息图必须至少显示一次。每个全息图可能显示不均匀的次数。

本公开的教导与配置用于场反转的液晶显示装置(包括现有的液晶显示装置)兼容。例如，图4所示的液晶驱动方案与本公开兼容，即使它是为DC平衡而设计的。在一些实施例中，图4的驱动方案用于在每个子帧上显示不同的全息图(即对应于不同源图像的全息图)。在一些实施例中，因为每个源图像帧不需要至少两个子帧，所以液晶装置用于显示更频繁地更新/改变(例如频率的至少两倍)的图像(例如运动图像)。因此，源的帧速率可高于以前可能用于全息投影的帧速率。在某些实施例中，每个全息图都没有场反转，或者每个全息图都显示有不均匀的场反转，例如正场显示事件多于负场显示事件。图9示出了其中在顺序子帧中显示顺序全息图H1-H24的实施例。为避免疑问，每个全息图H1-H24对应于源图像序列中的不同源图像。值得注意的是，每个全息图仅显示一次，即没有场反转。从图9可以看出，装置的最大可允许显示速率得到了有效提高。例如，图4的显示装置提供了多个离散的显示间隔，并且在连续显示事件中显示了连续的全息图，即没有场反转。在一些实施例中，使用图4的驱动方案来实现本公开的教导，并且将理解，有效地忽略了帧和子帧之间的任何区别。

因此，本文公开了一种显示装置，其包括液晶显示面板、显示引擎和全息图引擎。液晶显示面板包括多个像素。显示引擎布置为在多个显示间隔的每个显示事件期间驱动多个像素中的每个像素。多个显示间隔由显示引擎定义。每个像素根据驱动信号被驱动。显示引擎布置为每n个显示间隔反转驱动信号的极性。显示驱动器可以布置为在每个显示间隔反转驱动信号的极性。可替代地，显示引擎可以布置为每第二或每第三显示间隔反转驱动信号的极性。全息图引擎布置为将用于显示的多级相位全息图发送到显示引擎。每个多级相位全息图对应于不同的图像。显示引擎布置为在相应的显示间隔期间显示序列的每个多级全息图，其中用于显示序列的多级相全息图的显示间隔是紧邻连续的。即，显示间隔的连续/不间断组用于显示序列的全息图。在一些实施例中，n是小于六的整数。在一些实施例中，n是小于每帧子帧的数量的整数。

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 (9)

1.一种显示装置，包括：

液晶显示面板，其包括多个像素；

显示引擎，其布置为在由显示引擎定义的多个显示间隔的每个显示间隔期间根据驱动信号来驱动所述多个像素中的每个像素；

全息图引擎，其布置为将用于显示的多级相位全息图的序列发送到所述显示引擎；并且

其中，所述显示引擎布置为以各自的显示间隔来显示所述序列中的每个多级相位全息图，其中用于显示所述序列中的多级相位全息图的显示间隔是紧邻连续的，

其中显示引擎布置为每n个显示间隔反转所述驱动信号的极性，其中n是整数，且每个连续的多级相位全息图包括不同的图像内容，且所述驱动信号的极性被反转，而无需对每个全息图进行场反转。

2.如权利要求1所述的显示装置，其中，每个全息图仅在一个显示间隔期间被显示。

3.如任一前述权利要求所述的显示装置，其中，所述全息图引擎布置为使用迭代相位反演算法来计算每个全息图。

4.如任一前述权利要求所述的显示装置，其中，每个像素是包括向列液晶的Freedericksz单元。

5.一种全息投影仪，包括：

如任一前述权利要求所述的显示装置；以及

光源，其布置为在相应的显示间隔期间照射每个全息图，从而在与显示装置在空间上分离的回放平面上形成与每个全息图相对应的全息重建。

6.一种平视显示器，其包括如权利要求5所述的全息投影仪。

7.一种驱动显示装置的方法，其中，所述显示装置包括：

液晶显示面板，其包括多个像素；

显示引擎，其布置为在由显示引擎定义的多个显示间隔的每个显示事件期间根据驱动信号来驱动所述多个像素中的每个像素；以及

全息图引擎，其布置为将用于显示的多级相位全息图发送到显示引擎，其中，该方法包括以紧邻连续的显示间隔显示所述多级相位全息图，

其中显示引擎布置为每n个显示间隔反转所述驱动信号的极性，其中n是整数，且每个连续的多级相位全息图包括不同的图像内容，且所述驱动信号的极性被反转，而无需对每个全息图进行场反转。

8.一种图像重建的投影方法，该方法包括：

计算对应于图像的多级相位全息图；

如权利要求7所述的方法；以及

在相应的显示间隔期间照射每个多级相位全息图，从而在与显示装置在空间上分离的回放平面上形成每个图像的全息重建。

9.如权利要求8所述的图像重建的投影方法，其中，计算多级相位全息图的步骤包括使用迭代相位反演算法。

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