CN115113509A - 图像投影 - Google Patents

Abstract

一种显示引擎，其布置为生成用于由显示设备显示的图案。显示引擎布置为生成包括第一图案区域的图案，该第一图案区域包括用于投影到第一图像平面上的第一图像的第一全息图和具有第一光焦度的第一透镜函数的第一透镜区域。该图案还包括第二图案区域，该第二图案区域包括用于投影到第二图像平面上的第二图像的第二全息图和具有第二光焦度的第二透镜函数的第二透镜区域。第一光焦度和第二光焦度是不同的，使得当图案被照射时，距图案不同的距离投影第一图像和第二图像。

Description

图像投影

技术领域

本公开涉及图像投影。更具体地，本公开涉及一种显示引擎，其布置为生成用于由显示设备显示的图案，其中所生成的图案包括用于投影到图像平面上的图像的全息图。一些实施例涉及到两个或更多个不同图像平面上的图像投影。一些实施例涉及平视显示器。

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重放图像。

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，还可以通过相干光线跟踪或点云技术来计算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对计算机生成的全息图进行编码。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，其也可被称为单元或元素。光调制方案可以是二进制、多级或连续的。可替代地，该设备可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制可以在设备上是连续的。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。

使用这里描述的系统可以提供全息投影仪。例如，这种投影仪已经在平视显示器“HUD”以及光检测和测距“LiDAR”中得到应用。

发明内容

在所附的独立权利要求中定义了本公开的各个方面。

本公开涉及图像投影。它涉及图像投影的方法和包括显示设备的图像投影仪。本公开还涉及包括图像投影仪和观看系统的投影系统。本公开还涉及一种显示引擎，其布置为生成用于由显示设备显示的图案，其中所生成的图案包括用于投影到图像平面上的图像的全息图。

本发明人已经认识到，显示设备可配置为显示第一和第二图案区域，第一和第二图案区域分别包括与第一透镜结合的第一图像的第一输入全息图，以及与第二透镜结合的第二图像的第二输入全息图。第一和第二图案区域可以基本同时显示，或者它们可以连续显示。例如，可以驱动显示设备以比人眼的通常的积分时间更快的速率在显示第一和第二图案区域之间交替，使得观看者将第一和第二图像视为彼此同时显示。

第一和第二透镜可以具有相应的第一和第二光焦度，它们可以彼此不同，以便在远离显示设备的相应不同距离处形成对应的第一和第二图像。例如，第一图像可以形成为近场图像，第二图像可以形成为远场图像，反之亦然。

第一全息图和/或第二全息图可以“拼接”成用于显示在显示设备上。换句话说，显示设备可以比全息图具有的全息图像素更多的显示像素。因此，一个或多个全息图像素可以在显示设备上不止一次地呈现，作为对应的图案区域的一部分。表示完整全息图的全拼接块和/或表示部分全息图的部分拼接块的任何合适的组合可以包含在对应的图案区域内。全息图的每个全息图像素应该在显示设备上呈现至少一次，以便当显示设备被照射时对应的图像被投影。

图案区域可以包括在显示设备的一个或多个像素上的相应全息图及其相关的透镜函数的总和表示。因此，图案区域可以包括多个像素化的“显示值”，每个包括全息图值和透镜值的组合，例如总和。这些在这里可被称为“全息图透镜”值。

本发明人已经认识到，当两个不同的图案区域被同时显示时，且因此第一全息图没有占据显示设备的整个像素空间，相关的第一透镜函数应仅在表示第一全息图的显示设备的像素空间的一个或多个部分上表示(即应仅与对应的第一全息图相加)。此外，本发明人已经认识到，如果透镜函数覆盖显示设备的整个像素空间，则在表示第一全息图的显示设备的像素空间的一个或多个部分中，透镜函数的图案应该与该部分(或这些部分)中的透镜图案相同。换句话说，对于第一图案区域将出现在其上的像素空间的那些部分，使用整个透镜图案的一个或多个空间部分，并与对应的全息图值相加。

根据一方面，提供了一种显示引擎，其中该显示引擎布置成生成用于由显示设备显示的图案。显示引擎布置成生成图案，该图案包括第一图案区域以及第二图案区域，第一图案区域包括用于投影到第一图像平面上的第一图像的第一全息图和具有第一光焦度的第一透镜函数的第一透镜区域；第二图案区域包括用于投影到第二图像平面上的第二图像的第二全息图和具有第二光焦度的第二透镜函数的第二透镜区域。第一光焦度和第二光焦度是不同的，使得当图案被照射时，距图案不同的距离投影第一图像和第二图像。

第一图案区域和第二图案区域中的每个可以布置为占据少于显示设备的所有显示像素。

第一透镜的第一透镜区域可以是(整个)第一透镜函数的子部分。第二透镜的第二透镜区域可以是(整个)第二透镜函数的子部分。

如果第一透镜函数覆盖显示设备的所有显示像素，则第一图案区域的像素的透镜值可以与本来那些像素的透镜值相同；并且如果第二透镜函数覆盖显示设备的所有显示像素，则第二图案区域的像素的透镜值可以与本来那些像素的透镜值相同。

第一图案区域可以包括第一全息图的至少一个完整拼接块，并且可以可选地包括第一全息图的一个或多个附加完整拼接块和/或一个或多个子拼接。即使当对应的第一全息图被拼接时，第一透镜函数也不被拼接。

第二图案区域可以包括第二全息图的至少一个完整拼接块，并且可以可选地包括第二全息图的一个或多个附加完整拼接块和/或一个或多个子拼接块。即使当对应的第二全息图被拼接时，第二透镜函数也不被拼接。

当显示在显示设备上时，第一和第二图案区域可以彼此不重叠。

该图案可以还包括第三图案区域，其包括第一全息图的至少部分复制品和第一透镜函数的第三透镜区域。要明确；在这样的实施例中，显示设备总共包括三个透镜区域，其中两个是第一透镜函数的一部分，其中另一个是第二透镜函数的一部分。该图案可以还包括第四图案区域，其包括第二全息图的至少部分复制品和第二透镜函数的第四透镜区域。要明确；在这样的实施例中，显示设备总共包括四个透镜区域，其中两个是第一透镜函数的一部分，其中另外两个是第二透镜函数的一部分。因此，第一全息图和/或第二全息图中的至少一个可以用其对应的透镜函数以“拼接”方式显示在显示设备上。每个透镜函数本身并不拼接，即透镜函数的每个透镜值(或像素)不在显示设备上显示超过一次。而是，如果透镜函数(单独)分布在整个显示设备上，则根据透镜函数在那些空间部分中将具有的透镜值来表示整个透镜函数的空间部分(即子部分)。在显示设备上，由相应透镜区域表示的每个透镜的那些空间部分的位置与对应的全息图的图案区域或“拼接块”的位置之间存在空间相关性。因此，第一透镜函数的“第三透镜区域”对应于第一透镜函数的与第一透镜函数的“第一透镜区域”对应的在空间上不同的部分，并且第二透镜函数的“第二透镜区域”对应于第二透镜函数的与第二透镜函数的“第四透镜区域”对应的在空间上不同的部分。

第一图案区域还可以包括具有第一光栅周期的第一光栅函数，其在第一图像平面上平移第一图像。第二图案区域还可以包括具有第二光栅周期的第二光栅函数，其在第二图像平面上平移第二图像。第一和/或第二光栅函数可以布置成平移对应的图像，使得当沿着特定方向观看时和/或当从特定位置或区域观看时，第一和第二图像不会彼此重叠。

显示引擎可以布置成基本同时地显示第一图案区域和第二图案区域。

第一图案区域和第二图案区域中的每个可以布置为占据少于显示设备的所有显示像素。第一图案区域和第二图案区域可以布置成使得它们组合起来占据显示设备的所有显示像素。

显示设备可以包括空间光调制器(SLM)，例如硅基液晶(LCOS)SLM或任何其他合适的像素化显示设备。

每个透镜函数可以包括软件透镜，例如菲涅耳透镜或傅立叶型透镜或提供透镜效应的任何其他合适的软件透镜。

显示引擎可以布置为在第一时间(T1)显示第一图案区域，并且在不同于第一时间的第二时间(T2)显示第二图案区域。第一时间(T1)和第二时间(T2)之间的时间间隔可以小于人眼的积分时间。例如，时间间隔可以小于100毫秒(ms)，例如小于20ms，例如小于5ms。显示引擎可以布置成在显示第一图案和显示第二图案之间交替。

当提供第一图案区域和第三图案区域时，每个对应于第一全息图，并且其中提供第二图案区域和第四图案区域，每个对应于第二全息图，可以显示这些图案区域的任何合适的布置。例如，显示设备可基本上是四边形的，并且第一图案区域和第三图案区域可以沿着显示设备的第一对角线布置，第二图案区域和第四图案区域可以沿着显示设备的另一第二对角线布置。可替代地，第一全息图的图案区域可以布置在显示设备的第一侧上，而第二全息图的图案区域可以布置在显示设备的相对的第二侧上。

显示设备可以不是四边形的。可以同时地和/或快速连续地在显示设备上呈现两个以上全息图，以便被观看者感知为同时的。可以提供两个以上图案区域(或拼接块)来在显示设备上用其透镜函数表示每个全息图。

第一图像可以包括至少第一亮区域和至少第一暗区域，第二图像可以包括至少第二亮区域和至少第二暗区域。显示引擎可以布置成使得当沿着公共轴线或者从诸如投影系统的眼动范围的预定位置或区域观看第一和第二图像时，第一亮区域至少部分地与第二暗区域重叠，并且第二亮区域至少部分地与第一暗区域重叠。第一亮区域可以完全位于第二暗区域内，和/或第二亮区域可以完全位于第一暗区域内，使得两个图像的亮部分不会彼此重叠或干涉。换句话说，当沿着投影轴线或观看轴线观看两个图像时，图像可以布置成在第一亮区域和第二亮区域之间没有可见的重叠。例如，如果每个图像都形成在相应的“x-y”平面上，则它们都可以沿“z”轴完全可见，至少从某个角度或从某个观看点或从某个眼动范围内是可见的，而没有任何一个图像与相应的另一个图像重叠、改变或模糊后者。

第一图案区域显示在显示设备上时，可以具有第一尺寸，而第二图案区域显示在显示设备上时可以具有另一第二尺寸。第一全息图可包括第一数量的全息图像素，第二全息图可包括不同的第二数量的全息图像素。可以由第一全息图的全息图像素构成到第一图案区域的第一映射，并且可以由第二全息图的全息图像素构成到第二图案区域的第二映射。第一和第二映射可以彼此不同。

第一图案区域和第二图案区域中的至少一个可以包括多个子区域，其中子区域表示对应全息图的全息图像素的邻接子集。换句话说，第一图案区域和第二图案区域中的至少一个可以在空间上对应于相应全息图的部分拼接。

显示引擎可以布置成在相应图案区域正被显示在显示设备上的时间期间改变第一图案区域和第二图案区域中的至少一个的特性。一个或多个特性的改变可能发生在观看者眼睛的积分时间内。因此例如，全息图的至少两个不同的拼接图案可以在眼睛的积分时间内显示，该积分时间可以例如小于100ms，例如小于20ms，例如小于5ms。

改变图案区域的特征的步骤可以包括以下中的一个或多个：改变图案区域在显示设备像素数量上的大小；在图案区域内改变对应全息图的一个或多个全息图像素与表示该全息图像素的显示设备像素数量之间的关系；在图案区域内改变表示对应全息图的一个或多个全息图像素的顺序或序列；改变图案区域的形状；在显示设备上改变图案区域被划分成的子区域数量。

第一全息图和第二全息图中的每个可以包括空间频率的空间分布。第一全息图和第二全息图中的每个都可以是傅立叶或菲涅耳全息图。

显示引擎可以布置成：接收输入全息图的视频速率序列；并且对于每个输入全息图，显示对应的图案区域，其包括输入全息图和具有光焦度的透镜函数的对应透镜区域。显示引擎可以布置成在输入全息图的视频速率序列内对每个全息图连续这样做；和/或在输入全息图的视频速率序列内对第一和第二输入全息图交替这样做；和/或在输入全息图的视频速率序列内对第一和第二输入全息图基本同时地这样做。

显示引擎还可以布置成在显示包括在输入全息图的视频速率序列内下一个全息图的图案区域之前，使用多个不同的图案布置在显示设备的像素上显示输入全息图及其对应的透镜区域。换句话说，在显示设备上，结合其透镜函数的空间对应部分，每个全息图可以由许多不同的拼接方案来表示。

根据一方面，提供了一种图像投影仪，其包括任一前述方面的显示引擎、布置成显示图案的显示设备以及布置成照射由显示设备显示的图案的光源。图像投影仪可以包括平视显示器(HUD)，其可以位于车辆中。

根据一方面，提供了一种基本同时地将第一图像投影到第一图像平面上和将第二图像投影到第二图像平面上的方法。该方法包括确定第一图像的第一全息图，并确定具有第一光焦度的第一透镜函数的第一透镜区域，其中，所述第一透镜函数使得能够在第一图像平面上形成第一图像。该方法还包括确定第二图像的第二全息图，并确定具有第二光焦度的第二透镜函数的第二透镜区域，其中，所述第二透镜函数使得能够在第二图像平面上形成第二图像。第一光焦度和第二光焦度是不同的，使得当图案被照射时，距图案不同的距离投影第一图像和第二图像。该方法还包括在显示设备上显示包括第一全息图和第一透镜区域的第一图案区域，在显示设备上显示包括第二全息图和第二透镜区域的第二图案区域，以及照射显示设备。

该方法可以包括彼此基本同时地显示两个图案区域。该方法可以包括连续显示第一和第二图案区域。

该方法可以包括确定第一透镜函数的多个透镜区域，其中第一透镜区域包含在所述多个透镜区域内。包含在所述多个透镜区域内的每个透镜区域可以包括弧，其中每个所述弧具有第一公共中心，如在显示设备上定义的。

第一公共中心可以位于显示设备的投影轴线上。第一图像可以形成在在第一图像平面上的第一全息重放场内，其中在第一公共中心和第一图像平面中心之间定义的轴线与第一全息重放场的中心相交。

该方法可以包括确定第二透镜函数的多个透镜区域，其中第二透镜区域包含在所述多个透镜区域内。包含在所述多个透镜区域内的每个透镜区域可以包括弧，其中每个所述弧具有第二公共中心，如在显示设备上定义的。

第二公共中心可以位于显示设备的投影轴线上。第二图像形成在在第二图像平面上的第二全息重放场内，其中在第二公共中心和第二图像平面中心之间定义的轴线与第二全息重放场的中心相交。

第一透镜函数的第一公共中心和第二透镜函数的第二公共中心可以占据显示设备上的同一(即公共)位置。换句话说，第一透镜函数和第二透镜函数可以在显示设备上定义基本彼此同心的透镜图案。可替代地，第一透镜函数的第一公共中心和第二透镜函数的第二公共中心可以在显示设备上彼此在空间上分离。

任一前述方面的方法或显示引擎，其中显示设备是包括[m×n]个像素的像素化显示设备，并且其中第一全息图和第二全息图中的每个包括[x×y]个像素，其中m≥x且n≥y。

根据一方面，提供了一种显示引擎，其布置为生成用于由具有显示像素的显示设备显示的图案，其中该显示引擎布置为生成图案，该图案包括第一图案区域以及第二图案区域，第一图案区域包括用于投影到第一图像平面上的第一图像的第一全息图和具有第一光焦度的第一透镜函数的第一透镜区域；第二图案区域包括用于投影到第二图像平面上的第二图像的第二全息图和具有第二光焦度的第二透镜函数的第二透镜区域，其中第一光焦度和第二光焦度不同，使得当图案被照射时，距图案不同的距离投影第一图像和第二图像，其中显示引擎布置成基本同时地显示第一图案区域和第二图案区域。第一图案区域和第二图案区域中的每个布置为占据少于显示设备的所有显示像素。第一图案区域中的透镜值与如果第一透镜函数覆盖显示设备的所有显示像素时第一图案区域中的透镜值相同；并且第二图案区域中的透镜值与如果第二透镜函数覆盖显示设备的所有显示像素时第二图案区域中的透镜值相同。

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“重放场”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，则重放场将以多个衍射级的形式重复，其中每个衍射级是零级重放场的副本。零级重放场通常对应于优选或主重放场，因为它是最亮重放场。除非另有明确说明，术语“重放场”应被认为是指零级重放场。术语“重放平面”用于指代包含所有重放场的空间中的平面。术语“图像”、“重放图像”和“图像区域”指通过全息重建的光照射的重放场的区域。在一些实施例中，“图像”可包括离散点，其可被称为“图像点”，或仅出于方便起见而被称为“图像像素”。

术语“编码”、“写入”和“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相关的相位信息的“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的傅立叶变换相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)中的一个操作。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。

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相对于(通常小于)空间光调制器的像素间距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重放平面上平移重放场，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重放平面上。

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类型算法的替代的第二次及后续迭代；

图3是反射型LCOS SLM的示意图；

图4示出了根据实施例的用于在第一图像平面形成第一图像的第一全息图和第一透镜；

图5示出了根据实施例的用于在第二图像平面形成第二图像的第二全息图和第二透镜；

图6示出了根据实施例的第一和第二拼接全息图以及第一和第二透镜区域，用于在相应的第一和第二图像平面形成第一和第二图像。

在所有附图中，相同的附图标记将用于指代相同或相似的部分。

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，本发明可以不同的形式实施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，单数形式的术语可以包括复数形式。

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，此外，还包括在它们之间设置第三结构的情况。

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，除非另有说明。例如，除非使用诸如“刚好”、“紧邻”或“直接”等措辞，否则描述应被视为包括不连续的情况。

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地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在单个空间光调制器上被编码的实施例。计算机生成的全息图是对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，并且在重放场(例如光接收表面，比如屏幕或漫射器)处形成全息重建。

例如激光或激光二极管的光源110设置成经由准直透镜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(例如与真正正交于透明层的平面偏离两度或三度)。然而，在其他实施例中，大致平面波前以法向入射提供，并且用分束器布置来分离输入和输出光学路径。在图1所示的实施例中，该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，傅立叶变换透镜120的焦点位于屏幕125处。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处产生全息重建。

值得注意的是，在这种类型的全息图中，全息图的每个像素都有助于整个重建。重放场上的特定点(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重放场上。

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(聚焦度)确定。在图1所示的实施例中，傅立叶变换透镜是物理透镜。即，傅立叶变换透镜是光学傅立叶变换透镜，并且以光学方式执行傅立叶变换。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。通过将重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，分别求出了平面A和B中的相位分布近似Ψ_A(x,y)和Ψ_B(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代处理求出该问题的解。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相应的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，纯相位全息图是使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法来计算的，比如在第2,498,170号或第2,501,112号英国专利中描述的算法，所述专利的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本质上是结合的，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，算法可以与振幅和相位信息二者的反馈一起迭代使用。然而，在这些实施例中，仅相位信息Ψ[u,v]用作全息图，以在图像平面处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值或振幅值。也就是说，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)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后的复数数据集。第二处理块253接收傅立叶变换后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将用于“显示”纯相位全息图的像素上表示的相位水平来量化每个相位值。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这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后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。约束的步骤可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代表在频谱域或傅立叶域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后的复数数据集。可以说逆傅立叶变换后的复数数据集代表空间域中的输入图像。

第四处理块259接收逆傅立叶变换后的复数数据集，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后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。也就是说，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后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的方法来比较幅度值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的迭代。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的分布而代之以输入图像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，在第二次和后续迭代中，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或需要进一步迭代时才需要第三处理块256。输出全息图280B通常随着每一次的迭代而变得更好。然而，实际上，通常会达到一个点，在该点处无法观察到可测量的改进，或者执行进一步迭代的正面好处被额外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的分布而代之以幅度值的替代分布。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的分布中导出的。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。这在数学上通过以下等式来表述，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，基于新进的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)包括频率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。也就是说，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，透镜数据提供了光焦度或聚焦度。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，纯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学路径长度而引起的相位延迟来形成。例如，在凸透镜的中心的光学路径长度大于透镜边缘处的光学路径长度。纯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结合。在一些实施例中，物理透镜与软件透镜结合使用以执行傅立叶变换。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，全息图可以相同的方式与光栅数据—即布置成执行光栅函数(比如图像转向)的数据结合。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纯相位光栅。纯振幅光栅可以简单地与纯振幅全息图叠加以提供全息重建的角度转向。提供透镜化和/或转向的第二数据可被称为光处理函数或光处理图案，以与可被称为图像形成函数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。也就是说，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在SLM上显示。也就是说，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。本公开还可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。也就是说，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。也就是说，每个液晶单元在任意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另一个光调制水平。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，但本公开不限于这种类型的空间光调制器。

LCOS器件在小孔径(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器件通常是反射性的，这意味着驱动LCOS SLM像素的电路可以埋在反射表面下。这导致更高的孔径比。换句话说，像素密集地填塞，意味着像素之间几乎没有死区。这是有利的，因为它减少了重放场中的光学噪声。LCOS SLM使用硅底板，其优点是像素是光学平坦的。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。它具有方形平面铝电极301的2D阵列，间隔开间隙301a，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出可控的相位调制元件308，通常称为像素。考虑到像素之间的空间301a，有效像素面积或填充因子是光学上活性的总像素百分比。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，即不出现振幅效应。

所描述的LCOS SLM以反射方式输出空间调制光。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器件时所需厚度的一半。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，本公开的教导同样可以使用透射型LCOS SLM来实现。

到多个平面的图像投影

这里将描述涉及或包括诸如全息投影仪的图像投影仪的实施例。例如，一些实施例包括显示引擎，该显示引擎布置为生成用于由显示设备显示的图案，其中所生成的图案包括用于投影的图像的全息图。如下所述，生成的图案还可以包括透镜函数的一个或多个透镜区域。

全息投影仪的基本操作是众所周知的，因此在此仅作简要描述。通常，全息投影仪包括显示设备，比如空间光调制器(SLM)，例如LCOS SLM。SLM配置成用于显示对应于要被投影的相应图像的一个或多个全息图。如上面关于图1详细描述，提供合适的光源来照射显示在SLM上的全息图。例如，它可以是激光光源。被照射的SLM发射的空间调制光在图像平面上形成对应于全息图的图像(即全息重建)。图像可以是实像或虚像。可以提供合适的光学器件，用于在期望的图像平面引导空间调制光和/或从空间调制光形成图像。这些光学器件可以包括任何合适的光学元件，包括但不限于一个或多个镜子和/或一个或多个透镜。例如，已知使用选定的透镜结合全息图在特定的图像平面上显示图像。透镜可以是硬件透镜或软件透镜，或者两者的组合。

传统上，当由投影仪形成两个或更多个图像时，它们形成在公共(即相同)重放平面上。然而，在一些情况下，可能需要在多个各自的位置(例如在多个各自的平面上)基本同时形成多个图像。传统上，这只能通过使用多个投影仪或者通过将图像从单个投影仪引导到单个平面并且使用附加光学器件将那些图像(或部分图像)中的某些引导到一个或多个不同的平面来实现。这是一种部件密集的方法，并且通常涉及相对较大的光学部件。因此，在许多情况下实施是不实际的，例如在“不动产”(即空间)受到限制并被许多不同系统竞争的布置中。这种的一个示例是在车辆的平视显示器中，其中光学器件通常设置在车辆的仪表板下面，这里空间有限并且需求量大。

本发明人已经实现了一种方法和系统，用于提供两个或更多个透镜，结合两个或更多个相应的全息图，用于在两个或更多个相应的图像平面处形成两个或更多个相应的图像。这可以针对单个显示设备来实现，从而针对单个投影仪或投影系统来实现。两个图像可以同时或基本同时形成(或者可被观看者感知为正在形成)。本发明人已经实现了一种方法和系统，其中两个图像平面的光不会显著地相互干扰(例如由于诸如串扰的现象)。因此，对于两个图像，都实现了良好的图像质量。根据实施例，全息图是计算机生成的全息图(CGH)。根据实施例，透镜是软件透镜。每个透镜可以由显示在诸如SLM(例如LCOS SLM)的显示设备上的一个或多个透镜区域或子区域形成。根据实施例，显示引擎配置为用于提供包括一个或多个图案区域的显示图案，每个图案区域包括全息图和透镜区域。

为了简单和易于理解，这里对示例和实施例的描述涉及“两个”图像的显示，但这里描述的原理可以应用于两个或更多个图像的显示。

本发明人已经认识到，当提供两个不同的全息图用于在相应的两个不同的图像平面处投影相应的图像时，为第一全息图提供的第一透镜可以不同于(即可以具有不同的光焦度)为第二全息图提供的第二透镜。使用相同(即使用公共的)显示设备，比如相同SLM，可以显示两个全息图中的每个，并与其各自的透镜组合。每个全息图可以与其各自的软件透镜相结合—例如相加，并且显示设备可以相应地用相加的全息图透镜值进行“调谐”或编码，例如按逐个像素的原则。

将第一图像投影到相应的第一图像平面所需的相加的全息图透镜值可以与将第二图像投影到相应的第二图像平面所需的相加的全息图透镜值同时(即同时地)显示在SLM或其他显示设备上。例如，SLM的一个或多个第一部分可以显示对应于第一图像的全息图透镜值，并且一个或多个第二部分可以基本同时显示对应于第二图像的全息图透镜值。可替代地或另外，对应于第一图像的全息图透镜值可以由SLM在第一时间(T1)显示，对应于第二图像的全息图透镜值可以由SLM在第一时间之后不久出现的不同的第二时间(T2)显示。例如，第一时间T1和不同的第二时间T2之间的时间差可能小于典型的人眼积分时间。因此，观看者可以看到同时显示的第一和第二图像。对应于第一和第二图像的相应全息图透镜值可按交替原则显示，在观看者感觉彼此同时看到两个图像的时间段内，交替发生得比典型的人眼积分时间更快。

对应于图像的全息图透镜值可以结合另一个函数(例如光栅函数或相位斜坡函数)在显示设备上提供。光栅函数或其他函数的值可以与该图像的全息图透镜值相加或组合，并且显示设备可以相应地被编码。如具备相关技术的读者所知，光栅函数可以用于在相应的图像平面上平移相应的图像。这可被称为在其全息重放平面上平移全息重放场。可以使用一个或多个光栅函数来相对于平面上(例如在“x-y”平面上)的第二图像平移第一图像(反之亦然)，使得当基本沿着垂直于该平面的轴线(例如沿着“z”轴)观看时，第一和第二图像的相应图像内容不会彼此重叠。根据实施例，从观看者的角度来看，第一图像的光可以形成在第二图像的黑色或背景部分中，反之亦然。如果合适，可以使用一个或多个光栅函数来帮助实现这一点。

可以在显示设备上以拼接配置提供对应于图像的全息图。例如，全息图内的像素数量可以低于显示设备上的像素数量，并且全息图的一个或多个像素可以与显示设备的像素具有一对多的相关性。可以使用任何合适的拼接方案，以便将全息图的像素与显示设备的像素相关。这描述在欧洲专利EP3650949GB中，该专利在此全文引入作为参考。本发明人已经认识到，可以匹配或适配相应全息图的拼接的方式提供软件透镜，该软件透镜将与全息图结合，以将相应的图像投影到期望的图像平面上。两个或更多个拼接的全息图及其对应的透镜可以彼此同时或彼此相继地提供在显示设备上。

图4示出了用于显示对应于将要投影的第一图像的第一全息图H1的示例。第一全息图对应于(即已经被计算来表示)第一目标图像或物体，并且这里提到的“第一图像”是第一全息图的全息重建，因此是第一目标图像或物体的全息表示。可以使用任何合适的方法来计算第一全息图H1。例如，可将显示驱动器配置成向显示设备提供全息图。全息引擎可配置成确定提供给显示驱动器的全息图。全息引擎可以选择性地从存储器中检索全息图，或者在一些示例中，计算全息图(例如实时地)。

第一全息图H1显示在显示设备400上，显示设备400可以是SLM。第一全息图H1的各个像素和显示设备400的各个像素没有在图4中单独示出。而是，在显示设备400上显示了四个拼接块，每个由包括术语“H1”的矩形表示。这是示意图以便于理解。事实上，第一个全息图H1包含多个像素—例如[x×y]个像素。显示设备400包括[m×n]个像素，其中m>x，n>y。换句话说，显示设备400比第一全息图H1具有更多的像素。在一些其他实施例中，显示设备可以具有与要显示的全息图相同数量的像素，即m≥x和n≥y

在显示设备具有比全息图更多的像素的实施例中，可以使用拼接来填充显示设备。也就是说，拼接可以使用显示设备的所有像素来显示全息图。在一些实施例中，所有拼接块都是四边形的。在一些实施例中，所有拼接块都是矩形的。根据需要，每个拼接块可以具有任何尺寸或纵横比。

回到图4的示例，采用了拼接方案，该方案使用显示设备400的额外像素来显示第一全息图H1的重复。因此，在显示设备400上提供了拼接图案410，其中拼接图案410包括多个拼接块。“拼接块”是相应全息图的连续邻接像素组。“全拼接块”是完整全息图。也就是说，全拼接块是全息图的完整连续[x×y]像素组。“部分拼接块”是全息图的子集。也就是说，部分拼接块是全息图的[x×y]像素的连续邻接子集。

在图4的示例拼接图案410中，有以2×2形式布置的四个第一全息图H1的全拼接块。这种形成仅仅是一个示例，不应被认为是对本公开的限制。可以为第一全息图和/或第二或后续或附加全息图提供一个或多个全拼接块和/或一个或多个部分拼接块的任何合适的组合和布置。在任何这样的拼接方案中，全息图的每个像素应该与显示设备的像素具有至少一对一的相关性，并且全息图的一个或多个像素可以与显示设备的像素具有一对多的相关性。以这种方式拼接全息图可以提高所得全息重建的图像质量。具体地，它可以平滑或平均光学效应，这些光学效应通常表现为全息重建中的噪声或赝像。

图4中的显示设备400配置为被照射，以便在位于离显示设备400距离“f1”处的图像平面450显示对应于第一全息图H1的第一图像。为了实现这一点，提供了软件透镜420。具备相关技术的读者将熟悉软件透镜和它们在像素化显示设备(例如SLM)上的显示。例如，软件透镜420可以包括具有相应菲涅耳透镜图案的菲涅耳透镜。像素化显示设备—例如SLM比如LCOS SLM—可以布置成根据相应的菲涅耳透镜值流显示包括菲涅耳透镜图案的光调制图案。在图4的示例中，软件透镜420的透镜值可以与拼接的第一全息图H1的全息图值求和(即相加)，显示设备400可配置为在其像素上显示所得的全息图透镜值。

根据本公开，可以采用任何合适的方法，并且可以使用任何合适的处理器或控制器来计算合适软件透镜的值，用于与特定全息图一起使用，用于在离显示设备期望的距离处显示相应的图像。例如，软件透镜值可以由包括合适逻辑电路的逻辑设备(例如现场可编程门阵列“FPGA”)来计算。合适的逻辑电路也可以在另一种类型的可编程逻辑器件“PLD”中实现，或者在专用集成电路“ASIC”或类似的定制布局逻辑器件中实现。诸如FPGA之类的逻辑设备还可以布置成将其计算的软件透镜值添加到透镜值流中。逻辑设备还可以布置为将那些透镜值加到全息图像素值流的全息图像素值上，以形成“显示”值(这里也称为“全息图透镜”值)的数据流。可以根据显示值流在显示设备400上形成光调制图案，然后该光调制图案可被照射以在离显示设备400的期望距离f1处形成第一图像。

在图4中，软件透镜的图案420被示出为包括中心圆，该中心圆在其中心是黑色的，并且径向向外逐渐变淡，从灰色到白色。中心圆被多个同心圆包围，每个同心圆包括从灰色到白色径向向外渐变的黑色，其中每个圆的厚度以及连续圆之间的间距从中心径向向外减小。如具备相关技术的读者将理解，该图示不一定表示在显示设备上将会看到什么，但如果显示在诸如空间光调制器(SLM)的显示设备上，则是由软件透镜提供的“灰度级”调制图案的视觉表示。实际上，当显示设备显示软件透镜(即用其编码)时，显示设备的每个像素布置成提供特定的调制级别或“透镜值”。例如，对于相位调制，每个像素的灰度级在0和2π(2pi)之间。因此，由图案420提供的灰度级图案在图4中由从黑色、经过灰色到白色的不同阴影可视地表示。实际上，如上所述，图4的显示设备400的像素可配置为显示代表软件透镜420和拼接的第一全息图H1的组合(例如相加)的值。应该注意的是，软件透镜没有被拼接，即使在这个示例中全息图H1被拼接。此外，应当理解，本公开不限于图4所示的软件透镜图案420的特定示例。

图5示出了第二全息图H2的第二拼接图案510，其不同于第一全息图H1。第二拼接模式510包括4个全拼接块的2×2布置，每个对应于整个第二全息图H2。然而，将再次理解的是，该拼接图案510仅作为示例示出，并且其他拼接图案也是可以预期的。图5中还示出了第二软件透镜图案520。它与图4的第一软件透镜图案类型相似，但具有不同的各个圆半径、厚度和间距。同样，图5中所示的仅仅是由第二软件透镜图案提供的调制级别的视觉图示。同样，应该注意，软件透镜没有被拼接，即使在这个示例中相应的全息图H2被拼接。此外，图5的软件图案510的细节仅通过示例的方式示出，并且不应被解释为对本公开的限制。

第二全息图H2对应于要投影的第二图像。第二全息图对应于(即已经被计算来表示)第二目标图像或物体，并且这里提到的“第二图像”是第二全息图的全息重建，因此是第二目标图像或物体的全息表示。可以使用任何合适的方法来计算第二全息图H2。

图4的显示设备400还可以布置成与第二软件透镜520结合显示第二全息图H2的第二拼接图案510，以便在位于离显示设备400第二距离“f2”处的第二图像平面452形成相应的第二图像。图5将第一图像平面450显示为虚线，因为根据实施例，显示设备400配置为交替显示第一全息图透镜组合410、420和第二全息图透镜组合510、520。换句话说，根据实施例，显示设备400布置成在第一时间T1由表示第一全息图(在其第一拼接图案410中)和第一软件透镜420之和的显示值添满。然后，显示设备还布置成在不同于第一时间T1的第二时间T2由表示第二全息图H2(在其第二拼接图案510中)和第二软件透镜520之和的显示值添满。第一时间T1和第二时间T2之间的时间差(或间隔或间隙)应非常短。例如，它可能小于人眼的典型积分时间。显示给定全息图及其透镜的时间段可以称为“帧”或“子帧”。显示设备400可配置成在第一和第二全息图透镜组合之间交替任意合适的次数或任意合适的时间段或任意合适数量的帧或子帧。结果，观看由显示设备形成的图像的观看者将感觉到他们正在同时观看第一图像和第二图像，其中那些第一和第二图像被观看者视为分别位于彼此不同的第一和第二图像平面。换句话说，观看者会感觉到其中一个图像比相应的另一个图像更远。

如上所述，从观看者的角度来看，通常希望以不重叠的方式提供第一图像和第二图像，从而避免图像失真，并且使得观看者可以从两幅图像中辨别出所有可用的信息。在某些布置中，对于所有可能的观看者来说，这也许是不可能的。然而，根据实施例，一个或多个区域或位置可被识别为包含在眼动范围内，从该视角来看，第一和第二图像不应相互重叠或干扰。因此，沿着观看者和图像之间的视线，第一图像的亮部分不应与第二图像的亮部分重叠。

根据实施例，通过向第一全息图添加光栅或相位斜坡函数，第一图像的全息重放场可以在其图像平面(也可以称为“重放平面”)上线性移位/平移，和/或通过向第二全息图添加光栅或相位斜坡函数，第二图像的全息重放场可以在其图像平面(或重放平面)上线性移位/平移，以便更好地将两个图像彼此对准。将光栅或相位斜坡函数加到全息图上，相当于将全息图和光栅函数叠加起来。因此，光栅转换重放平面上相应全息图的全息重建的像点(即光部分)。可以将合适的光栅函数或相位斜坡函数添加到显示设备上的相应全息图及其软件透镜上(即与之求和)。

在一些实施例中，x方向光栅和y方向光栅都与全息图重叠(例如添加)，以便在x-y显示平面上提供对准。光栅提供的平移量取决于光栅的光栅角度，这可以由软件控制。根据实施例，可以执行对准过程，由此可以将多个不同的光栅函数(每个对应于不同的光栅角度)一次一个地添加到全息图透镜组合中，以便在给定情况下识别用于实现期望位移的正确光栅函数。这可以非常高的速度来完成，从而不会被观看者在视觉上察觉。在这样的对准过程中，全息图不需要重新计算。而是，光栅函数被改变，并且全息图和光栅函数(以及透镜)的叠加(例如总和)被重新计算。这个过程可以实时进行。多个不同的光栅函数可以存储在存储器中，并在自动化过程中根据需要调用。光栅函数可以通过诸如显示驱动器(例如现场可编程门阵列或专用集成电路)的任何合适的设备叠加/添加到全息图和透镜上。在一些实施例中，实时计算光栅函数。

图6示出了根据实施例的另一个示例，其中第一全息图H1和第二全息图H2都同时显示在显示设备600的各个不同部分上。实现了拼接图案610，其中在2×2矩形配置中，第一全息图H1的两个全拼接块与第二全息图H2的两个全拼接块一起显示。如同图4和图5中的示例一样，图6中所示的特定拼接图案仅作为示例提供，并且可以考虑其他拼接图案。例如，在图6的拼接图案610中，每个全息图的拼接块是线性提供的(即一个在相应的另一个之上)，但它们可以替代地以对角线布置提供—例如以2×2图案，第一全息图H1可以占据左上和右下拼接块，而第二全息图H2可以占据右上和左下拼接块。也考虑了许多其他可能的变化，这将在下面进一步描述。

回到图6；示出了软件透镜图案620，除了第一全息图H1和第二全息图H2的拼接布置之外，其配置为显示在显示设备600上，以便当显示设备600被适当地照射时，同时在第一图像平面450产生第一图像和在第二图像平面452产生第二图像。因此，显示设备配置成使得每个像素可在给定时间显示“显示值”或“全息图透镜值”，其包括相关全息图值和相关软件透镜值的相加。

可以看出，图6中的软件透镜图案620被分成多个象限，其在尺寸和形状上对应于全息图的拼接图案610的拼接块。对于每个象限位置，软件透镜的形式(即图案)与分别在图4或图5中示出的软件透镜的相应象限的形式(即图案)相匹配，如可应用于占据拼接图案610中相应位置的全息图。换句话说，拼接图案的左上拼接块包括第一全息图H1。因此，软件透镜图案620的左上象限匹配第一软件透镜图案420的左上象限。另一方面，拼接图案610的右上拼接块包括第二全息图H2。因此，软件透镜图案620的右上象限匹配第二软件透镜图案520的右上象限。由此可见，软件透镜图案620的右下象限与第二软件透镜图案520的右下象限匹配，并且软件透镜图案620的左下象限与第一软件透镜图案420的左下象限匹配。

本发明人已经认识到，可以将软件透镜图案620添加到第一全息图H1和第二全息图H2的拼接组合，以便在它们离显示设备的相应距离f1和f2处同时产生第一图像450和第二图像452。他们已经意识到，提供相应透镜的一个(或多个)部分就足够了，用于添加到显示设备的像素上的全息拼接块(可以是全拼接块或部分拼接块)，以便透镜部分具有将所得图像定位在离显示设备的期望距离处的效果。在图6的示例中，仅提供了第一软件透镜图案410和第二软件透镜图案510中的每个的一半，其位置在空间上对应于它们各自全息图的拼接块的位置。但这仅仅是一个示例，并且同样的原理适用的各种变化是可设想到的。

因此，本发明人已经认识到，可以在显示设备的一个或多个位置提供软件透镜的一个或多个部分—其可被称为“透镜区域”或“透镜子区域”—该显示设备的一个或多个位置在空间上对应于相应全息图的一个或多个相应的拼接块或部分拼接块或像素的位置。根据本发明人的实现，术语“相应的全息图”在本文中指的是这样的全息图：软件透镜旨在与全息图一起使用以在离显示设备的期望距离处(即在期望的图像平面或重放平面上)形成相应的全息重建图像。因此，两个或更多个透镜的相应部分可以设置在显示设备上与两个或更多个相应的拼接的全息图的拼接块相对应的位置。

本发明人已经认识到，当全息图被拼接时—即当全息图的一个或多个像素在显示设备上被多次呈现时—不需要为每个拼接块提供完整的软件透镜。换句话说，软件透镜不需要也“拼接”。而是，当全息图被拼接时，透镜的一部分被提供在显示设备上每个拼接块的位置处，即在每个拼接块占据的像素处。如果在整个显示设备上显示透镜，则在每个这样的位置处软件透镜的形式(即图案)与在该位置处显示在显示设备的像素上的形式(即其图案)相同。此外，当软件透镜图案将与不占据整个显示设备的拼接的全息图一起使用时，软件透镜图案的中心不改变。而是，位于相应全息图的拼接块之外的透镜部分被省略或“裁剪掉”。

对于特定的全息图和特定的期望图像平面，软件透镜保持不变，而不管全息图拼接方案如何。因此，如果全息图的拼接方案动态改变，但期望的图像平面保持相同，则软件透镜的选择不会改变，但可以提供该软件透镜的不同部分，以与全息图的不同拼接方案保持一致。换句话说，在透镜和显示设备上相应全息图的拼接块之间应该总是“空间匹配”。

如同图4和图5的示例一样，图6中的一个或两个全息图透镜组合可以设置有合适的功能，比如光栅函数或相位斜坡函数，用于在其图像平面上平移相应的图像。光栅函数可以作为对准过程的一部分来添加，例如迭代对准过程。光栅函数可以包括x方向光栅和/或y方向光栅。为了避免或减少两个图像之间的干扰或重叠，可以进行图像相对于各自的另一个和/或相对于观看者的眼动范围或视线的平移。

全息图和软件透镜可以通过任何合适的方法，使用任何合适的相应处理器、控制器、逻辑设备或逻辑电路来计算。全息图和/或软件透镜图案可以存储在存储器中，并且可以从存储器中检索。在一些实施例中，可以实时计算全息图和/或软件透镜。

可以提供显示设备，其配置为执行上面关于图4和图5描述的方法，和/或上面关于图6描述的方法。也就是说，显示设备可配置成按时间交替原则提供两个或更多个全息图及其对应的透镜，其中在任何给定时间，只有一个全息图(例如拼接的全息图)及其透镜被显示在显示设备上。另外或可替代地，显示设备可配置为按空间变化原则提供两个或更多个全息图和它们相应透镜的部分，其中显示设备的一个或多个部分显示具有其相应透镜的一部分的第一全息图，并且显示设备的一个或多个其他部分显示具有其相应透镜的一部分的另一第二全息图。通常，由显示设备投影的第一图像是“近场”图像，而由该设备投影的第二图像是“远场”图像，反之亦然。

显示设备可以作为系统(比如全息投影系统)的一部分来提供。在一些实施例中，全息投影系统是例如在车辆中的平视显示器或平视显示器的一部分。这里描述的方法可以在装有平视显示器的车辆中就地执行。

显示设备可以布置成对一系列不同的图像对执行这里描述的方法。换句话说，显示设备可以布置成在一个或多个时间段内连续地或间歇地在第一图像平面和另一第二图像平面上显示图像，其中图像的图像内容随时间而改变。

因此，提供了改进的方法和系统，用于使用单个显示设备在两个不同的图像平面上基本同时地显示两个图像。本发明人的实现减少了光学部件的数量(和总体积/尺寸)，以便使用相同的显示设备在彼此基本同时地在不同的位置形成两个图像。这在空间非常有限的布置中尤其有利，比如在车辆中，例如在车辆的仪表板下。至少在一些实施例中，相同(即公共)的光学中继系统可以用于将两个图像中继到它们各自的图像平面。此外，为由同一显示设备投影的图像提供两个不同的图像平面—例如利用同一投影仪系统—能够增强远场和近场光学设计的灵活性。例如，它使得能够分别为远场和近场图像提供具有各自不同的漫射属性(例如漫射角或倾角)的相应不同的漫射器和/或光学器件。因此，可以提高亮度、图像质量并应对系统的太阳反射，太阳反射可能随景深而变化。

参考在此描述的随时间变化和随空间变化的实施例中的拼接图案，根据本公开，设想了许多不同的可能性。例如，两个以上全息图及它们的对应透镜可以基本同时呈现在显示设备上。例如，对于第一全息图和/或第二全息图(或附加或后续全息图)，可以设想使用部分拼接块来代替或补充一个或多个全拼接块。例如，第一全息图的一个或多个全拼接块可以与第二全息图的一个或多个全拼接块具有不同的尺寸。例如，这可能是因为第一和第二全息图彼此大小不同(就像素数量而言)，和/或可能是因为第一映射方案用于将第一全息图映射到其拼接块，而另一第二映射方案用于将第二全息图映射到其拼接块。也就是说，第一全息图的一个或多个像素可以与显示设备的像素具有第一一对多相关性，而另一第二全息图的一个或多个像素可以与显示设备的像素具有不同的第二一对多相关性。

例如，单个全息图内的每个像素不需要像该全息图的相应其他像素那样与显示设备的像素具有相同的一对一或一对多相关性。此外，在显示同一全息图的两个或更多个全拼接块的实施例中，这些全拼接块不需要彼此具有相同的尺寸。换句话说，可以使用不同的映射方案来将全息图映射到其各自的全拼接块中的每个。

尽管在所描述的示例中，我们提到第一全息图和另一第二全息图，但可能存在将同一全息图显示在两个不同图像平面的每一个上的情况。在这种情况下，对于每个相应的图像，将需要另外的软件透镜与该同一全息图相结合。因此，显示设备将配置成按随时间变化或随空间变化原则显示两个不同的全息图透镜值。这里描述的方法可以应用于这种情况。

例如，拼接方案不需要均等地表示两个全息图(或每个全息图，如果显示两个以上)。例如，第一全息图的每个像素可以仅在显示设备上显示一次，而另一第二全息图的至少一个像素可以在显示设备上显示不止一次。

显示设备上两个或更多个拼接的全息图(及其透镜)的对准不一定是矩形的，它可以有不同的形状，例如，拼接图案可以根据相应全息图中存在的频率和/或根据拼接寻址的特定视觉缺陷而变化。

例如，第一全息图和/或第二全息图的拼接图案可以动态改变或重新配置。例如，用于将第一全息图映射到其拼接块的第一映射方案和/或用于将第二全息图映射到其拼接块的第二映射方案可被动态地重新配置或更新。例如，映射方案可以随时间、随机地和/或根据预先配置的方案，和/或响应于一个或多个接收到的信号而改变，所述信号表示相对于当显示设备被照射时产生的图像或相对于其他事物进行的测量。

要拼接的全息图可以输入到显示驱动器或其他合适的处理器中。它可被称为“输入全息图”。该全息图的拼接布置可被称为“输出全息图”。所接收的输入全息图可以是全息图序列中的一个全息图，并且可以为每个输入全息图生成多个输出全息图。例如，在处理下一个输入全息图之前，可以显示对应于同一输入全息图的多个输出全息图。当然，每个输出全息图的图像内容是相同的，但在该实施例中，可以使用不同的拼接方案来形成输出全息图。每个输入全息图的输出全息图的数量可以由例如硬件的速度、显示设备的刷新率或新进图像或对应于图像的计算机生成的全息图的帧率来确定。在示例中，每个输入全息图用于形成3或6个不同拼接的输出全息图。不同的拼接方案可以与单个输入全息图一起使用，这使得能够对同一图像进行多次全息重建。为了避免疑问，使用一种拼接方案来从输入全息图形成输出全息图，并且在适当照射后输出全息图产生全息重建。发现使用具有同一输入全息图的不同拼接方案来显示相应输出全息图的序列提高了图像质量。可选地，每个输入全息图的拼接方案可以改变2到6次，尽管如此每个输入全息图的拼接方案可以改变2到12次。也就是说，对于每个输入全息图，可以连续显示2至6个或者甚至2至12个不同的输出全息图，其中每个输出全息图是该同一输入全息图的不同拼接版本。拼接方案的任何其它变化率都是可能的。例如，拼接方案的变化率可以等于或大于例如120赫兹(Hz)、180Hz、240Hz、300Hz、360Hz、420Hz或480Hz，以实现这种效果。例如，可以每隔一个输出全息图改变拼接方案，或者根据任何可设想到的方案改变拼接方案。

显示驱动器可以布置成接收输入全息图序列，例如输入全息图的视频速率序列。对于每个输入全息图，驱动器可以布置成在接收下一个输入全息图之前通过使用多个不同的拼接方案将输入全息图拼接到空间光调制器的像素上来连续显示多个相应的输出全息图。

同样，驱动诸如空间光调制器的显示设备的方法还可以包括接收输入全息图的视频速率序列，并且对于每个输入全息图，在接收下一个输入全息图之前通过使用多个不同的拼接方案将输入全息图拼接到空间光调制器的像素上来连续显示多个相应的输出全息图。

根据目前描述的实施例形成的一个或多个图像可以是虚拟图像。也就是说，贯穿本公开描述的“图像平面”可以是虚拟图像平面。例如，它可以是平视显示器(HUD)的虚拟图像平面，该HUD使用车辆的挡风玻璃或者甚至仪表板弹出组合器来形成虚拟图像。

这里描述的方法可以分别应用于对应于全息投影系统的独立颜色通道的多个图像中的每个。这里描述的方法可以应用于由全息投影系统顺序显示的图像的分离的彩色帧。

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，光源是激光器，比如激光二极管。在一些实施例中，可以提供检测器，其中检测器是光电检测器，比如光电二极管。在一些实施例中，可以提供光接收表面，其中光接收表面是漫射器表面或屏幕，例如漫射器。本公开的全息投影系统可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，例如在一些情况下，当两个全息图以快速交替显示时，使得观看者看到如同时显示的两个对应图像，每个全息图的尺寸(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。也就是说，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，全息图像素的数量少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，全息图的一部分(即全息图像素的连续子集)在未使用的像素中重复。如上所述，这种技术可被称为“拼接”，其中空间光调制器的表面区域被分成多个“拼接块”，其中的每个代表全息图的至少一个子集。因此，每个拼接块的尺寸小于空间光调制器的尺寸。在一些实施例中，实施“拼接”技术来提高图像质量。具体地，一些实施例实施拼接技术以最小化图像像素的大小，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拼接块(即完整全息图)和拼接块的至少一部分(即全息图像素的相邻子集)。

在实施例中，仅利用主回放场，并且系统包括物理块，比如挡板，其布置为限制更高级回放场通过系统的传播。

在实施例中，全息重建是彩色的。在一些实施例中，被称为空间分离的颜色“SSC”的方法用于提供彩色全息重建。在其他实施例中，使用被称为帧顺序颜色“FSC”的方法。

SSC方法对三个单色全息图使用三个空间分隔的光调制像素阵列。SSC方法的优点是图像可以非常明亮，因为所有三个全息重建都可以同时形成。然而，如果由于空间限制，在公共SLM上提供了三个空间分隔的光调制像素阵列，则每个单色图像的质量将是次佳的，因为每种颜色仅使用可用光调制像素的子集。因此，提供了相对低分辨率的彩色图像。

FSC的方法可以使用公共空间光调制器的所有像素来依次显示三个单色全息图。单色重建循环(例如红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等)得足够快，使得人类观看者从三个单色图像的积分中感知到多色图像。FSC的优点是，每种颜色都可以使用整个SLM。这意味着产生的三个彩色图像的质量最佳，因为SLM的所有像素都用于每个彩色图像。然而，FSC方法的缺点是合成彩色图像的亮度比SSC方法低—约3倍—因为每个单色照射事件只能发生帧时间的三分之一。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，但这需要更多的功率，从而导致更高的成本和系统尺寸的增加。

示例描述了用可见光照射SLM，但本领域技术人员将理解，光源和SLM同样可以用于引导红外光或紫外光，例如如本文所公开。例如，本领域技术人员将会知道为了向用户提供信息而将红外光和紫外光转换成可见光的技术。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。也就是说，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 (20)

1.一种显示引擎，其布置为生成用于由显示设备显示的图案，其中，所述显示引擎布置为生成包括以下部分的图案：

第一图案区域，其包括用于投影到第一图像平面上的第一图像的第一全息图和具有第一光焦度的第一透镜函数的第一透镜区域；第二图案区域，其包括用于投影到第二图像平面上的第二图像的第二全息图和具有第二光焦度的第二透镜函数的第二透镜区域，

其中，第一光焦度和第二光焦度是不同的，使得当图案被照射时，距图案不同的距离投影第一图像和第二图像。

2.如权利要求1所述的显示引擎，其中，所述图案还包括第三图案区域，其包括所述第一全息图的至少部分复制品和所述第一透镜函数的第三透镜区域。

3.如权利要求2所述的显示引擎，其中，所述图案还包括第四图案区域，其包括所述第二全息图的至少部分复制品和所述第二透镜函数的第四透镜区域。

4.如权利要求1所述的显示引擎，其中，所述第一图案区域还包括具有第一光栅周期的第一光栅函数，第一光栅函数在所述第一图像平面上平移所述第一图像。

5.如权利要求1所述的显示引擎，其中，所述第二图案区域还包括具有第二光栅周期的第二光栅函数，第二光栅函数在所述第二图像平面上平移所述第二图像。

6.如权利要求1所述的显示引擎，其中，所述显示引擎布置成基本同时地显示所述第一图案区域和所述第二图案区域。

7.如权利要求1所述的显示引擎，其中，所述第一图像包括第一亮区域和第一暗区域，并且其中，所述第二图像包括第二亮区域和第二暗区域，其中，所述显示引擎布置成使得当沿着公共轴线观看所述第一和第二图像时，所述第一亮区域至少部分地与所述第二暗区域重叠，并且所述第二亮区域至少部分地与所述第一暗区域重叠。

8.如权利要求1所述的显示引擎，其中，所述第一图案区域和所述第二图案区域中的至少一个包括多个子区域，其中子区域代表相应全息图的全息图像素的连续子集。

9.如权利要求1所述的显示引擎，其中，所述显示引擎布置成在相应图案区域正被显示在所述显示设备上的时间期间改变所述第一图案区域和所述第二图案区域中的至少一个的特性。

10.如权利要求9所述的显示引擎，其中，改变图案区域的特性的步骤包括以下中的一个或多个：

改变图案区域在显示设备像素数量上的大小；

在图案区域内改变相应全息图的一个或多个全息图像素与表示该全息图像素的显示设备像素数量之间的关系；

在图案区域内改变表示相应全息图的一个或多个全息图像素的顺序或序列；

改变图案区域的形状；以及

在显示设备上改变图案区域被划分成的子区域数量。

11.如权利要求1所述的显示引擎，其中，所述显示引擎布置成：

(i)接收输入全息图的视频速率序列；

(ii)对于每个输入全息图，显示相应图案区域，其包括输入全息图和具有光焦度的透镜函数的对应透镜区域。

12.如权利要求11所述的显示引擎，其中，所述显示引擎布置成：

在输入全息图的视频速率序列内，对每个全息图连续执行步骤(ii)；和/或

在输入全息图的视频速率序列内，对第一和第二输入全息图交替执行步骤(ii)；和/或

在输入全息图的视频速率序列内，对第一和第二输入全息图基本同时执行步骤(ii)。

13.如权利要求11所述的显示引擎，其中，所述显示引擎还布置成在显示包括输入全息图的视频速率序列内的下一个全息图的图案区域之前，使用多个不同的图案布置在显示设备的像素上显示输入全息图及其对应的透镜区域。

14.一种图像投影仪，包括如权利要求1所述的显示引擎、布置为显示图案的显示设备以及布置为照射由显示设备显示的图案的光源。

15.一种基本同时将第一图像投影到第一图像平面上和将第二图像投影到第二图像平面上的方法，该方法包括：

a.确定第一图像的第一全息图；

b.确定具有第一光焦度的第一透镜函数的第一透镜区域，其中，所述第一透镜函数使得能够在第一图像平面上形成第一图像；

c.确定第二图像的第二全息图；

d.确定具有第二光焦度的第二透镜函数的第二透镜区域，其中，所述第二透镜函数使得能够在第二图像平面上形成第二图像；

其中，第一光焦度和第二光焦度不同，使得当图案被照射时，距图案不同的距离投影第一图像和第二图像；

该方法还包括：

e.在显示设备上显示包括第一全息图和第一透镜区域的第一图案区域；

f.在显示设备上显示包括第二全息图和第二透镜区域的第二图案区域；以及

g.照射显示设备。

16.如权利要求15所述的方法，其中，步骤e和f彼此基本同时进行。

17.如权利要求15所述的方法，还包括确定所述第一透镜函数的多个透镜区域，其中：

所述第一透镜区域包含在所述多个透镜区域内；

包含在所述多个透镜区域内的每个透镜区域包括弧；并且

其中，每个所述弧具有第一公共中心。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述第一公共中心位于所述显示设备的投影轴线上，和/或其中，所述第一图像在所述第一图像平面上形成在第一全息重放场内，其中在第一公共中心和第一图像平面中心之间定义的轴线与第一全息重放场的中心相交。

19.如权利要求15所述的方法，还包括确定所述第二透镜函数的多个透镜区域，其中：

所述第二透镜区域包含在所述多个透镜区域内；

包含在所述多个透镜区域内的每个透镜区域包括弧；并且

其中，每个所述弧具有第二公共中心。

20.如权利要求19所述的方法，其中，所述第二公共中心位于所述显示设备的投影轴线上，和/或其中，所述第二图像在所述第二图像平面上形成在第二全息重放场内，其中在第二公共中心和第二图像平面中心之间定义的轴线与第二全息重放场的中心相交。

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