CN113448144A - 投影仪 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种图像投影仪，其布置为将图像投影到显示平面上。图像投影仪包括处理引擎、显示装置、光学元件和光源。处理引擎布置为输出计算机生成的衍射图案，该衍射图案包括用于投影的图像的全息图和与具有第一光焦度的透镜相对应的透镜功能。显示装置配置为显示计算机生成的衍射图案。光学元件设置在显示装置与显示平面之间。光学元件具有第二光焦度。光源布置为提供显示装置的离轴照明，以便根据全息图和透镜功能对光进行空间调制。计算机生成的衍射图案的透镜功能和光学元件共同执行全息图的全息图变换，以便在显示平面上形成图像的重建。显示装置相对于光学元件倾斜大于零的第一角度。显示平面相对于光学元件倾斜大于零的第二角度。第二角度小于第一角度。

Description

投影仪

技术领域

本公开涉及一种投影仪。更具体地，本公开涉及一种图像投影仪，比如全息投影仪和全息投影系统。一些实施例涉及减小全息回放场中的图像光斑的尺寸的方法，一些实施例涉及增大全息回放场中的分辨率的方法。一些实施例涉及一种平视显示器。

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/傅立叶全息图。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，还可以通过相干光线跟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可以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元、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。SLM可以是反射性的，这意味着调制光从SLM以反射输出。SLM可以同样是透射性的，这意味着调制光从SLM以透射输出。

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”、车辆前照灯以及光检测和测距“LiDAR”。

本文公开了一种改进的全息投影系统。

发明内容

本公开的各方面在所附独立权利要求中定义。

本文公开了一种图像投影仪，其布置为将图像投影到显示平面上。图像投影仪包括处理引擎、显示装置、光学元件和光源。处理引擎布置为输出计算机生成的衍射图案。计算机生成的衍射图案包括用于投影的图像的全息图和与具有第一光焦度的透镜相对应的透镜功能。显示装置配置为显示计算机生成的衍射图案。光学元件在从显示装置到显示平面的投影轴上设置在显示装置和显示平面之间。在一些实施例中，光学元件垂直于投影轴布置。光学元件具有第二光焦度。光源布置为提供显示装置的离轴照明，以便根据全息图和透镜功能对光进行空间调制。计算机生成的衍射图案的透镜功能和光学元件共同执行全息图的(全息图)变换，以便在显示平面上形成图像的重建。显示装置相对于光学元件倾斜大于零的第一角度。显示平面相对于光学元件倾斜大于零的第二角度。第二角度小于第一角度。为了避免疑问，第一光焦度和第二光焦度均大于零。

在实施例中，显示装置和显示平面围绕包含投影轴的同一平面倾斜。例如，显示装置和显示平面可以围绕包含投影轴的水平面倾斜。在实施例中，显示装置和显示平面相对于光学元件在相同的方向或尺寸上倾斜。在一些实施例中，光学元件的光轴与从显示装置到显示平面的投影轴共线。在实施例中，显示装置与光学元件之间的相对倾斜(即第一角度)等于光在显示装置上的入射角。在实施例中，显示平面与光学元件之间的相对倾斜(即第二角度)小于光在显示装置上的入射角。

在投影中，通常将投影屏幕(即显示平面)定向成使得其垂直于来自显示装置的光的传播轴线。这通常形成最佳图像，尤其是当图像是由图像光斑或像素形成时。然而，发明人实际上发现，通过全息投影，这种几何形状会导致次优的全息重建，因为这会对全息工艺形成的图像光斑的尺寸产生不利影响，特别是对在全息回放场的边缘处的图像光斑。发明人在此公开了，在使用显示装置的离轴照明和有助于全息图变换(例如傅立叶或菲涅耳变换)的光学元件的全息投影中，通过将显示平面相对于显示设备倾斜小于光在显示装置上的入射角(但大于零)的角度，可以减小回放场中的全息图像光斑的大小。较小的图像光斑(参照图像像素)在显示装置中是有利的。

第一角度和第二角度之间的差(即显示装置和显示平面之间的相对倾斜)可以取决于第一光焦度与第二光焦度之间的比率(例如成反比)。第一角度和第二角度之间的差可以是第一光焦度与第二光焦度之间的比率的函数。第一角度与第二角度之间的比率可以是第一光焦度与第二光焦度之间的比率的函数(例如成反比)。例如，第一光焦度可以等于第二光焦度，第二角度可以是第一角度的一半。

发明人先前已经发现，在显示装置的离轴照明下并且在显示装置和显示平面之间不存在具有光焦度的光学元件的情况下，当显示装置与显示平面之间的相对倾斜为零(即显示装置与显示平面基本平行)时，图像光斑的尺寸最小化。如本文所公开，发明人已经发现，在显示装置的离轴照明下并且在显示装置和显示平面之间存在具有光焦度的光学元件的情况下，当显示装置与显示平面之间存在相对倾斜时，图像光斑的尺寸被最小化。发明人发现，当第一光焦度基本等于第二光焦度时，图像光斑的尺寸在第二角度是第一角度的一半时最小化。发明人还发现，当第二光焦度相对于第一光焦度增加时，第二角度可以减小，以使图像光斑尺寸最小化。可以说，光学元件的第二光焦度似乎在显示平面上施加拉力，以增加显示装置与显示平面之间的相对倾斜，或者相反地，减小显示平面相对于光学元件的倾斜(即减小第二角度)。因此，当第二光焦度被第一光焦度主导时(即透镜功能的光焦度远大于光学元件的光焦度，或软件透镜占“主导”)，相对倾斜可能最小(大于零)，并且当第一光焦度被第二光焦度主导时(即光学元件的光焦度远大于透镜功能的光焦度，或硬件透镜占“主导”)，相对倾斜可能最大。为了避免疑问，当第一光焦度和第二光焦度不为零时，此发现是正确的。

显示装置被准直光照明。光学领域的技术人员将熟悉“法向入射”的概念。然而，本公开涉及所谓的“离轴照明”。具体地，本公开涉及显示包括全息图的衍射图案的显示装置的离轴照明。术语“离轴照明”在本文中用于指其中光在显示装置上的入射角为非零或大于零的情况。更具体地，在入射点处，入射光线与显示装置平面的法线之间的方位角为非零或大于零。因此可以说，本公开涉及显示装置的“非法向入射”。

显示平面从显示装置接收空间调制光。特别地，空间调制光遵循来自空间光调制器的“输出路径”或“传播路径”。传播路径的轴在此被定义为“输出光轴”或“传播轴线”。传播轴线是显示装置和显示平面之间的一条直线，其限定来自显示装置的光的大致传播方向。当计算机生成的衍射图不包括光栅功能(如本领域中众所周知的那样可能会改变输出光束的方向)时，空间调制光的传播轴线与显示装置的角度与光在显示装置上的入射角相同。光在显示装置上的入射角在本文中也称为“照明角”。如本领域技术人员将理解，未被显示装置衍射的光以与光在显示装置上的入射角相同的角度输出。因此，在没有光栅功能的情况下，该非衍射光遵循空间调制光的传播路径的传播轴线，并且在零级回放场中形成所谓的“DC光斑”。沿着该传播轴线测量从空间光调制器到显示平面的光的传播距离。

在一些实施例中，计算机生成的衍射图案是与软件透镜功能组合的傅立叶全息图。在其他实施例中，计算机生成的衍射图案是(i)结合软件透镜功能的傅立叶全息图或(ii)菲涅耳全息图。从显示装置到显示平面的传播路径中包括物理透镜(或具有光焦度(即透镜效应)的任何光学元件)。

值得注意的是，从显示装置(即光调制平面)到显示平面(即包含图像的平面)的距离由透镜功能的光焦度与全息图的组合以及物理光学元件(例如透镜)的光焦度(即焦距)共同确定。更具体地，显示装置与显示平面之间的垂直距离或最短直线距离由衍射图案和光学元件确定。可以考虑将软件透镜部件(或对接收的光提供透镜效果的部件)嵌入或包含在计算机生成的衍射图案中(作为此处描述的透镜/透镜功能)，并且透镜部件仅部分有助于从显示装置到显示平面的距离，即有助于全息图变换。

代表计算机生成的衍射图案的光调制数据被提供给显示装置。光调制数据包括数据值的阵列，比如数据值的2D阵列。显示装置(例如空间光调制器)可以包括多个像素，并且每个光调制数据值可以分配给相应的像素。换句话说，空间光调制器的每个像素可以在与光调制数据值的阵列中的相应光调制数据值对应的光调制水平下操作。数据值可以是相位延迟值或幅度衰减水平或两者。

在傅立叶情况下，在使用添加到傅立叶全息图数据的透镜数据的软件中部分地提供了全息图变换(例如傅立叶变换)所需的透镜功能。从显示装置(例如空间光调制器)到显示平面(例如光接收表面)的所谓传播距离是由透镜数据模拟的软件透镜的聚焦能力部分确定的，而不是完全确定的。传播距离可以等于软件透镜的焦距加上光学元件的焦距。传播距离是所谓的傅立叶路径长度。该方法可以进一步包括软件和硬件透镜执行傅立叶变换全息图的频率-空间变换。在这种情况下，从显示装置到显示平面的距离可以等于两个透镜的焦距。

在菲涅耳情况下，传播距离部分地由菲涅耳变换中用于计算全息图的项定义。该项有助于从全息图平面到显示平面的距离。即，从显示装置(例如空间光调制器)到光接收表面应该定位的焦平面的距离。因此，可以说从空间光调制器到显示平面(例如光接收表面)的距离部分地取决于在菲涅耳变换中编码的传播距离z且部分地取决于光学元件的焦距。

来自光源的光在显示装置上的入射角(即照明角)可以小于60度，例如小于45度或小于30度。在仅作为示例描述的实施例中，该角度等于或小于20或15度。在这些情况下，提供了更紧凑的系统。实际上，该角度可以作为较大系统设计的一部分进行优化。

在一些实施例中，计算机生成的衍射图案是包括相位延迟数据值的阵列的光调制数据。在傅立叶情况下，可以容易地计算出与透镜相对应的相位延迟数据，并通过不需要运算的包装加法将其与全息图的全息图数据组合。因此，相位调制方案可能是优选的。

在实施例中，显示平面包括光接收屏幕，并且光接收表面可以是漫射的。例如，光接收表面可以是漫射器。光接收表面可以是移动的，例如旋转或振荡。因此，在回放场中未观察到梯形失真效果或图像拉伸。

空间光调制器可以是硅上液晶液晶空间光调制器，并且空间光调制器被相干光照射。光源可以是诸如激光二极管的激光器。

在实施例中，由于第一角度和第二角度之间的差与第一光焦度和第二光焦度之间的比率成反比(或者与第二光焦度和第一光焦度之间的比率成正比)而提供优化的图像光斑。在一示例中，第一光焦度等于第二光焦度，第二角度是第一角度的一半。

光学元件可以基本垂直于从显示装置到显示平面的空间调制光的传播轴线。换句话说，光学元件的光轴通常与图像投影仪的轴平行(例如与之共线)。在实施例中，图像投影仪是全息投影仪。

本文还公开了一种全息投影仪，包括：空间光调制器，其布置为显示全息图(例如傅立叶或菲涅耳全息图)，其中全息图包括图像分量和具有第一光焦度的透镜分量；光接收表面；物理透镜，在从空间光调制器到光接收表面的光/投影轴上具有第二光焦度；光源，其布置为提供根据全息图的空间光调制器和空间调制光的离轴照明，其中全息图的透镜分量和物理透镜共同执行图像分量的全息图变换(例如傅立叶或菲涅耳变换)，使得在光接收表面上形成与全息图相对应的全息重建，其中物理透镜相对于空间光调制器倾斜大于零的主角，并且光接收表面相对于空间光调制器倾斜大于零的副角，其中副角小于主角。

在比较示例中，存在一种全息投影仪，其包括处理引擎、空间光调制器、光源和光接收表面。处理引擎输出计算机生成的衍射图案，其限定(或合并)到图像平面的传播距离。空间光调制器显示计算机生成的衍射图案。光源以大于零的入射角照射空间光调制器。光接收表面接收来自空间光调制器的空间调制光。光接收表面基本平行于空间光调制器。光接收表面与空间光调制器之间间隔开由计算机生成的衍射图案限定的传播距离。由于全息重建可以在任何表面上形成，因此在本文中广泛地参考了光接收表面。

本文中使用术语“倾斜”或“相对倾斜”来反映一个物体的总平面与另一物体的总平面不平行。简单来说，这两个物体不是平行的。光学领域的技术人员将理解，诸如透镜、液晶显示面板和屏幕之类的光学部件基本是平面的。本领域技术人员还将理解，诸如透镜、显示装置或投影平面的光学元件的光轴基本垂直于光学元件本身的总平面。因此，可以说，如果在第一元件和第二元件之间存在相对倾斜，则第一元件的光轴与第二元件的光轴基本平行。在常规的光学系统中，每个光学元件可以布置成其平面垂直于穿过光学系统的光的光轴，使得每个光学元件的光轴与系统的光轴共线。然而，由于显示装置的离轴照明，本公开涉及一种光学系统，其中一个或多个光学元件的平面相对于常规平面倾斜，布置成垂直于穿过光学系统的光的光轴，使得一个或多个光学元件中的每个的光轴相对于系统的光轴倾斜。可以说，一个或多个光学元件的平面以相对于系统的光轴(例如投影轴)小于90度的角度布置，或者一个或多个光学元件的光轴以相对于系统的光轴小于90度的角度布置。

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。术语“回放场”在本文中用于指代回放平面的可以接收来自空间光调制器的空间调制光的子区域。术语“图像”、“回放图像”和“图像区域”指的是通过形成全息重建的光照射的回放场的区域。在实施例中，“图像”可包括离散光斑，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。

本公开涉及“与具有焦距的透镜相对应的透镜数据”。该措词用于反映透镜数据在光路上模拟或提供诸如物理透镜之类的透镜的功能(即聚焦能力)。透镜数据也称为软件透镜。根据本公开，软件透镜与具有光焦度的光学元件比如物理透镜结合使用。

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类型算法的替代第二及后续迭代；

图3是反射型LCOS SLM的示意图；

图4A示出了根据本公开的基本光学装置；

图4B是对应于图4A的示意图；

图5是包括多个场点的回放场的示意图；

图6A、6B和6C示出了回放场上的示例图像光斑；以及

图7A、7B和7C示意性地示出了沿着系统的光轴布置的光学部件的倾斜的示例，以实现针对软件和硬件透镜的不同相对光焦度的优化的图像光斑。

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。

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。

在下面的描述中，为了每次理解，与取向有关的术语比如“水平”和“竖直”用于描述附图中所示的光学装置的特征的取向。技术人员将理解，在实际布置中，这些特征的取向可以根据应用要求而变化。

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示例。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差两或三度)。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所示的示例中，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。

全息重建在空间中的位置由傅立叶变换透镜的屈光度(聚焦度)确定。在图1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。根据本公开，傅立叶变换部分地由图1所示的物理透镜执行，并且部分地由与全息图结合或嵌入在全息图中的所谓的软件透镜来执行。

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。丢弃幅度值211A的分布，而采用输入图像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。丢弃幅度值211A的分布，而采用幅度值的替代分布。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]-a(|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。

根据本公开，包括用于在空间光调制器上编码的全息图的衍射图案包括代表透镜(即透镜分量)的数据以及代表物体(即全息图分量)的数据。不存在图1所示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。代表透镜的全息数据可被称为软件透镜。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物体的全息数据组合，从而可以在不需要物理傅立叶透镜的情况下执行傅立叶变换。在一些实施例中，通过简单的加法比如简单的矢量加法，将透镜数据与全息数据组合。在进一步的实施例中，包括用于在空间光调制器上编码的全息图的衍射图案可以包括光栅数据，即布置成执行光栅函数(比如光束转向)的数据。再次，在计算机生成的全息领域中，已知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控制。为了简单起见，本文描述的示例涉及用不包括光栅函数的衍射图案编码的空间光调制器，使得输出空间调制光的传播轴线对应于未被空间光调制器衍射的输出光的轴。

在一些实施例中，提供了一种实时引擎，其布置为接收图像数据并使用算法实时计算全息图。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。本公开同样适用于菲涅耳全息术。

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，平面铝电极301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、栅极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。

空间光调制器与光接收表面的相对倾斜

图4A示出了三个光通道。每个光通道包括光源、空间光调制器和光接收表面。每个光通道提供一种颜色的全息重建。因此，可以通过使用多个单色通道比如红色、绿色和蓝色通道并且在回放平面上重叠单色回放场来提供复合颜色全息重建。每个通道的全息图都适合该通道的颜色内容。图4A仅以示例的方式示出了三个光通道。这三个通道基本平行，并且可以共享公共空间光调制器，例如，可以将公共空间光调制器的像素子集分配给每个相应的颜色通道，或者每个通道可以具有其自己的空间光调制器。三个对应的回放场在回放平面上可以是重合的。本公开的教导同样适用于包括一个光通道或任何数量的光通道的全息投影仪。为了简单起见，下面仅参考其中一个光通道的部件。

图4A示出了照射硅空间光调制器403A上的对应液晶的光源401A。空间光调制器403A显示包括计算机生成的全息图的衍射/光调制图案。光以相对于空间光调制器403A的法线大于零的角度入射到空间光调制器403A上。空间光调制器403A是平面的且反射性的，因此以与空间光调制器403A的法线相同的角度输出空间调制光。空间调制光被光接收表面405A接收。

图4B示出了根据本公开的图像投影仪的示意图。特别地，图4B是示意性光线图，示出了沿着图像投影仪的传播轴线的光的方向。光源401B以与空间光调制器403B的法线成θ的角度照明空间光调制器403B。空间光调制器403A显示包括计算机生成的全息图的衍射/光调制图案。在所示的布置中，空间光调制器403B是反射性的，并且衍射/光调制图案不包括光栅功能。因此，空间调制器403B沿着传播路径反射空间调制光，该传播路径的轴与其法线具有与照明角度相同的角度θ。应当理解，在透射空间光调制器的情况下，传播轴线的角度是相同的。光接收表面405B从空间光调制器403B以与光接收表面405B的法线成α的角度接收来自空间光调制器403B的空间调制光。值得注意的是，透镜450设置在空间光调制器403B和光接收表面405B之间的光传播路径上。在一些实施例中，透镜450基本垂直于传播轴线，如图4B所示。透镜的光轴可以与传播轴线基本共线。在不具有透镜450的比较示例中(例如图4A所示)，空间光调制器403B和光接收表面405B是平行的，即当由空间光调制器403B显示的衍射/光调制图案不包括光栅函数时，θ等于α。在一些实施例中，θ是20度，但θ可以具有任何非零值。

空间光调制器403A/403B的每个像素显示共同形成衍射/光调制图案的光调制数据的相应光调制水平。光调制数据包括与用于投影的图像(即全息图分量)相对应的全息图数据。光调制数据还包括与具有光焦度的透镜(即透镜分量)相对应的透镜数据。透镜具有焦距。由于透镜数据和透镜450的聚焦能力，全息重建形成在光接收表面405A/405B的平面上。如上所述，与全息图结合的透镜可以称为“软件透镜”，并且是代表物理透镜的数学函数。软件透镜提供与具有相同光焦度的物理光学透镜相同的功能，即聚焦能力。软件透镜可以是与相应光学部件的形状相对应的相位延迟值阵列。透镜450在本文中被称为“硬件透镜”，以与软件透镜区分开。图像的全息重建形成在光接收表面405A/405B上。软件和硬件透镜共同执行全息图的数学变换(例如傅立叶变换)。将理解的是，傅立叶变换是频率空间变换。在使用傅立叶变换全息图的实施例中，可以说，全息图是用于投影的图像的频域表示，全息投影是图像的空间域表示，并且透镜执行全息图的频域变换。

再次，本公开涉及其中θ为非零(换言之，大于零)的特定情况，并且发明人已经观察到，在该特定情况下，通过将光接收表面相对于空间光调制器倾斜(平铺)小于空间光调制器上照明的入射角的角度，可以减小在空间光调制器上显示的全息图的全息重建中的图像光斑的大小。即，光接收表面与空间光调制器之间的相对倾斜或相对角度为非零且小于θ。换句话说，与比较例相反，θ和α之间的差不为零，使得光接收表面和空间光调制器不平行并且因此具有相对倾斜。光线跟踪软件已用于验证此发现。

图5是全息回放场501的示意图，并且出于更好地理解图6的目的而提供。图5中的回放场501示出了标记为FP1至FP9的九个所谓的场点，它们是回放场中的点。光线跟踪已用于确定每个场点FP1至FP9处图像光斑的大小和形状。

图6示出了与图5的九个场点FP1至FP9相对应的九个示例图像光斑。与场点相对应的图像光斑以从左到右的数字升序示出。即，FP1处的图像光斑示出在最左端，而FP9处的图像光斑示出在最右端。

图6示出了通过光线跟踪获得的三个相应行中的三组示例图像光斑。顶部图像光斑组(图6A)是使用波长为450nm的蓝光形成的，中间图像光斑组(图6B)是使用波长为520nm的绿光形成的，而底部图像光斑组(图6C)是使用波长为650nm的红光形成的。每个图像光斑示出的实心圆或点是相应的衍射极限。

为了避免任何疑问，全息回放场中的所有图像光斑都是由相同的计算机生成的衍射图案同时形成的。例如，同时形成在九个场点FP1至FP9处的九个图像光斑。这与光束扫描系统不同，在光束扫描系统中，每个图像都是一点一点地形成的。

通过光线跟踪和如图6所示的图像光斑分析发现，例如，对于离轴照明，如果空间光调制器和光接收表面相对于彼此倾斜小于显示装置上的照明的入射角θ的非零角度，则形成较小的图像光斑。当在离轴照明方案中将硬件透镜和软件透镜都用于全息图转换时，此发现是正确的。当仅使用软件透镜时的最佳配置已经在WO2019/243096中公开，其通过引用并入本文。下文对此发现进行更详细的讨论。

在一些实施例中，光接收表面与空间光调制器之间的相对角度由硬件透镜的光焦度和软件透镜的光焦度的相对值确定。特别地，相对角度可以与硬件透镜的光焦度与软件透镜的光焦度的比率成正比，或者相反，与软件透镜的光焦度与硬件透镜的光焦度的比率成反比。即，如果软件透镜的光焦度保持恒定，则当硬件透镜的光焦度增大时，光接收表面与空间光调制器之间的相对角度增大，并且当硬件透镜的光焦度减小时，光接收表面与空间光调制器之间的相对角度减小。在比较示例中，硬件透镜的光焦度为零，因此相对倾斜应为零。在另一比较示例中，软件透镜的光焦度为零，并且相对倾斜应基本等于空间光调制器上的入射角，以使光接收表面基本垂直于传播轴线。然而，在实施例中，软件透镜的光焦度为非零，并且硬件透镜的光焦度为非零。在一些实施例中，相对角度等于入射角的一半乘以软件透镜和硬件透镜的光焦度之比。在实施例中，相对倾斜/角度是光接收表面和空间光调制器的相应平面相对于包含投影仪的投影轴的平面或方向的倾斜/角度之差。

物理/投影透镜对相对倾斜的影响

不受任何特定理论的束缚，使用光线跟踪软件的结果表明，设置在空间光调制器和光接收表面之间的光传播路径上的物理透镜的光焦度相对于由计算机生成的衍射图案提供的透镜功能的光焦度会影响光接收表面的最佳倾斜，从而优化图像光斑的大小。特别地，发明人已经发现，随着物理透镜的光焦度增加，光接收表面的最佳倾斜(即以获得最佳尺寸的图像光斑)被拉离平行于空间光调制器(SLM)的最大倾斜θ。

图7A-C示意性地示出了发明人观察到的物理透镜的光焦度对光接收表面(例如漫射器或屏幕)的最佳倾斜的影响的示例。在每个示例中，示出了光学系统的每个光学部件相对于光轴700的角度或倾斜，为了便于说明，该光轴从图4B的布置“展开”。在每个示例中，系统的光轴700由光源701A-C和光接收表面705A-C之间的水平线示出。光源701A-C和物理透镜750A-C布置成与光轴共线，使得它们的相应平面垂直于光轴。SLM 703A-C的平面布置成与光轴700成角度θ，其与本文所述的照明角度相对应。在图7A-C的每个示例中，照明角度θ是相同的。如本文所述，光接收表面705A-C的平面布置成与光轴700成角度α，其对应于最佳倾斜以最小化在其上形成的图像光斑的尺寸。光接收表面705A-C的平面的倾斜/角度和SLM703 A-C的平面的倾斜/角度围绕包含光轴700的同一平面。在所示的示例中，该平面(光学部件围绕其倾斜)是横向/水平地将每个光学部件一分为二(即延伸到图7A-C中的纸的平面中)的水平面。光接收表面705A-C的平面的倾斜方向与SLM703A-C的平面的倾斜方向相同。因此，角度α和θ具有相同的符号。特别地，SLM703A-C和光接收表面705A-C示出为相对于水平光轴700沿顺时针方向倾斜。由于物理透镜750A-C相对于显示在SLM703A-C上的衍射图案的软件透镜的光焦度的差异，在图7A-C的每个示例中，光接收表面705A-C的最佳倾斜或角度α是不同的。在所有示例中，软件透镜的光焦度和硬件透镜的光焦度都不为零。

图7A示出了第一示例，当在SLM703A上显示的衍射图案的软件透镜的光焦度与物理透镜750A的光焦度相当时。在本上下文中，术语“与…相当”是指基本相同或相同数量级。在该示例中，光接收表面705A的平面的最佳角度α在SLM703的平面的角度θ(即最大倾斜角α)与物理透镜750A的垂直/平面之间(即零倾斜角)之间。发现，当光焦度(软件光焦度与硬件光焦度)之比为1:1或1时，光接收表面705A的角度α为照明角度θ的一半(即α＝θ/2)，因此角度θ和α之间的差(SLM703A的平面与光接收表面705A的相对角度)也是照明角度θ的一半(即θ-α＝θ/2)。

图7B示出了第二示例，当在SLM703B上显示的衍射图案的软件透镜的光焦度显著大于物理透镜750B的光焦度时，使得软件透镜占“主导”。例如，在本上下文中，术语“显著大于”可以意味着大一个数量级。例如，光焦度(软件光焦度与硬件光焦度)之比可以是10:1或10。在该示例中，光接收表面705B的平面的最佳角度α仅略小于SLM703Bd平面的角度θ，使得相对倾斜很小(即趋向于平行SLM和漫射器/屏幕)。这是因为相对倾斜(即θ-α)与光焦度(软件光焦度与硬件光焦度)之比成反比，因此随着软件透镜变得占主导，相对倾斜减小。

图7C示出了第三示例，当物理透镜750C的光焦度显著大于在SLM703C上显示的衍射图案的软件透镜的光焦度时，使得硬件透镜占“主导”。例如再次，术语“显著大于”可以意味着大一个数量级。例如，光焦度(软件光焦度与硬件光焦度)之比可以是1:10或0.1。在该示例中，光接收表面705C的平面的最佳角度α仅略小于物理透镜750A的垂直/平面，使得相对倾斜较大(即趋于但小于θ)。这是因为相对倾斜(即θ-α)与光焦度(软件光焦度与硬件光焦度)之比成反比，因此随着硬件透镜变得更占主导，相对倾斜增大。

示例

表2至7中列出的结果在表1所示的情况下实现。空间光调制器显示的衍射图案包括全息图和软件透镜，而没有光栅函数。物理/投影透镜的光轴与空间光调制器和光接收表面之间的投影轴共线。因此，物理透镜的平面垂直于投影轴。因此，空间光调制器的平面相对于投影透镜的平面倾斜θ，并且光接收表面的平面相对于投影透镜的平面倾斜α。表1中所示的角度θ和α分别是相对于空间光调制器和光接收表面的平面的法线的角度，以度为单位。相对角度是空间光调制器的平面的角度相对于光接收表面的平面的角度的差(以度为单位)且等于θ和α之间的差(即θ-α)。在该示例中，光接收表面是漫射器。

表1

使用具有比软件透镜的光焦度大一个数量级以上的光焦度的物理透镜和波长为650nm的红光，可获得以下结果。因此，在该示例中，如以上关于图7C所述的第三示例中，物理透镜占主导(即物理透镜的光焦度显著大于软件透镜的光焦度)。因此，SLM和漫射器平面之间的相对倾斜以实现优化的图像光斑应相对较大，或者换句话说，漫射器平面的角度α应相对较小。

注意，在场点FP3、FP5、FP7和FP9(参见图5)处形成的图像光斑形成在全息回放场的边缘处，并且最容易尺寸不利地增加，如上所述。因此，这些场点的结果在表2至表7中的每个的末尾提供。

漫射器平面角α	场点	光斑尺寸(以μm为单位)
			-1.57	FP1	62.5
-1.57	FP4	39.5
			-1.57	FP6	26
-1.57	FP8	39.5
			-1.57	FP2	25.5
-1.57	FP5	80.1
			-1.57	FP7	80.1
-1.57	FP9	78.9
			-1.57	FP3	78.9

表2

表3

漫射器平面角α	场点	光斑尺寸(以μm为单位)
			-5	FP1	63.1
-5	FP4	40.1
			-5	FP6	40.7
-5	FP8	40.3
			-5	FP2	45.4
-5	FP5	101.1
			-5	FP7	101.1
-5	FP9	58.3
			-5	FP3	58.3

表4

漫射器平面角α	场点	光斑尺寸(以μm为单位)
			-15	FP1	67.3
-15	FP4	44.4
			-15	FP6	105.3
-15	FP8	44.43
			-15	FP2	111.4
-15	FP5	166.8
			-15	FP7	166.8
-15	FP9	97
			-15	FP3	97

表5

漫射器平面角α	场点	光斑尺寸(以μm为单位)
			5	FP1	63.1
5	FP4	39.4
			5	FP6	65.3
5	FP8	39.4
			5	FP2	58.4
5	FP5	49.8
			5	FP7	49.8
5	FP9	119.8
			5	FP3	119.8

表6

漫射器平面角α	场点	光斑尺寸(以μm为单位)
			15	FP1	66.5
15	FP4	41.5
			15	FP6	132
15	FP8	41.5
			15	FP2	123.4
15	FP5	114.1
			15	FP7	114.1
15	FP9	189.5
			15	FP3	189.5

表7

表2至7中的结果表明，对于离轴照明，如果空间光调制器和光接收表面不平行并且相对于彼此倾斜小于照明角度θ的角度(即相对角度大于零但小于θ)，则形成较小的图像光斑。在该示例中，忽略倾斜方向或符号，对于θ＝15度，漫射器平面的最佳角度α＝1.57度。如表2所示，这使在所有场点FP1至FP7处形成的图像光斑的尺寸最小化。如本文所述，较小的图像光斑是优选的，因为它们在全息回放场中提供更高的分辨率。导致最大图像光斑的最糟糕结果是在漫射器板与SLM平行时，即α＝-15度，如表5所示。随着漫射器平面的正倾斜(即漫射器在与SLM相反的方向上的倾斜)增加，也会出现较大的图像光斑，如表6和7所示。

注意，以上示例表示软件透镜的光焦度与硬件透镜的光焦度之比的一个极端。特别地，在以上示例中，硬件透镜的光焦度占主导(即显著大于软件透镜的光焦度)，并且漫射器平面的最佳倾斜角α最小，但小于显示装置的倾斜角θ。因此，SLM平面和漫射器平面的相对倾斜是最大的，但小于显示装置的倾斜角θ(即相对倾斜小于15度的SLM倾斜)。这与图7C所示的第三示例一致。另一个极端类似于WO2019/243096的示例，其中没有物理透镜(即硬件透镜的光焦度为零)。在这种情况下，当硬件透镜的光焦度大于零但软件透镜的光焦度占主导时，漫射器板α的最佳倾斜角最大但小于显示装置的倾斜角θ。因此，SLM平面和漫射器平面的相对倾斜是最小的但大于零(即SLM和漫射器平面几乎平行)。这与图7B所示的第二示例一致。已经发现，当物理透镜(即硬件透镜)和软件透镜的光焦度相同时，为了获得最佳图像光斑尺寸的漫射器的相对倾斜在这些极端之间。例如，如果LCOS倾斜15度(即θ＝15度)，则漫射器平面的最佳倾斜为α＝7.5度的角度，这意味着相对倾斜也为7.5度。

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，光接收表面是漫射表面或屏幕，例如漫射器。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。这样的零级光可被认为是“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，从而导致全息重建的中心处的亮光斑。零级光可被简单地遮挡掉，但是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，以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区域被划分为多个“平铺”，每个代表全息图的至少一个子集。因此，每个平铺的尺寸小于空间光调制器的尺寸。

在一些实施例中，实施“平铺”技术以提高图像质量。具体地，一些实施例实施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平铺(即完整的全息图)和平铺的至少一小部分(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，三个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)，并且每个激光器朝向单个SLM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，最后是发射蓝色激光1/75秒。然后产生下一帧，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，因此所产生的总体图像将不比通过SSC方法所产生的对应图像亮约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部分，实际上用作三个独立的SLM。这样做的缺点是，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上可以使用的像素更少，从而降低了图像的质量。由于降低了分辨率，因此降低了图像质量。各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。

示例描述了用可见光照射SLM，但本领域技术人员将理解，例如，如本文所公开，光源和SLM可以等同地用于引导红外或紫外光。例如，技术人员将意识到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 (13)

1.一种图像投影仪，所述图像投影仪布置为将图像投影到显示平面上，其中，所述图像投影仪包括：

处理引擎，其布置为输出计算机生成的衍射图案，该衍射图案包括用于投影的图像的全息图和与具有第一光焦度的透镜相对应的透镜功能；

显示装置，其配置为显示计算机生成的衍射图案；

在显示装置和显示平面之间的光学元件，其中该光学元件具有第二光焦度；

光源，其布置为提供显示装置的离轴照明，以便根据全息图和透镜功能对光进行空间调制，其中计算机生成的衍射图案的透镜功能和光学元件共同执行全息图的变换，以便在显示平面上形成图像的重建，

其中，所述显示装置相对于所述光学元件倾斜大于零的第一角度，并且所述显示平面相对于所述光学元件倾斜大于零的第二角度，其中第二角度小于第一角度。

2.如权利要求1所述的图像投影仪，其中，来自所述光源的光在所述显示装置上的入射角小于30度，比如小于20度或小于15度。

3.如权利要求1或2所述的图像投影仪，其中，所述显示装置和显示平面相对于所述光学元件在相同方向上倾斜。

4.如权利要求1或2所述的图像投影仪，其中，所述第一角度和第二角度之间的差小于来自所述光源的光在所述显示装置上的入射角。

5.如权利要求1或2所述的图像投影仪，其中，所述第一角度和第二角度之差是所述第一光焦度与第二光焦度的比率的函数。

6.如权利要求5所述的图像投影仪，其中，所述第一角度和第二角度之间的差与所述第一光焦度与第二光焦度的比率成反比。

7.如权利要求1或2所述的图像投影仪，其中，所述光学元件基本垂直于从所述显示装置到所述显示平面的空间调制光的传播轴线。

8.如权利要求1或2所述的图像投影仪，其中，所述处理引擎布置为根据输入实时计算所述光调制图案。

9.如权利要求8所述的图像投影仪，其中，所述输入是用于重建的接收图像。

10.如权利要求1或2所述的图像投影仪，其中，所述显示平面包括光接收表面，比如屏幕或漫射器。

11.一种平视显示器，包括如权利要求1或2所述的图像投影仪。

12.一种图像投影的方法，所述方法包括：

提供限定到图像平面的传播距离的光调制图案，其中该光调制图案是(i)图像的傅立叶全息图和与具有第一光焦度的透镜相对应的透镜功能的组合，或者(ii)菲涅耳全息图；

在显示装置上显示光调制图案；

以大于零的入射角照明显示装置；以及

经由具有第二光焦度的光学元件，在显示平面上接收来自显示装置的空间调制光，其中，所述显示装置相对于所述光学元件倾斜大于零的第一角度，所述显示平面相对于所述光学元件倾斜大于零的第二角度，其中第二角度小于第一角度。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述光学元件布置在所述显示装置和显示平面之间，其中，所述光调制图案和光学元件共同执行全息图的变换，以便在显示平面上形成图像的重建。

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