CN116699957A - 全息图计算 - Google Patents

Abstract

一种使用一个多波长全息图投影第一图像和第二图像的方法。第一图像不同于第二图像。多波长全息图布置成由第一波长的光照射以投影第一图像。多波长全息图还布置成由第二更短波长的光照射以投影第二图像。

Description

全息图计算

技术领域

本公开涉及图像投影。更具体地，本公开涉及一种使用一个全息图投影至少第一和第二不同图像的方法。一些实施例涉及提供代表两个以上单独全息图的一个多波长全息图，例如代表多个单独有色全息图的一个多色全息图。一些实施例涉及一种计算多波长全息图的方法。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。这种投影仪已经在平视显示器“HUD”和头戴式显示器“HMD”中得到应用，例如包括近眼设备。

在使用相干光的设备(例如全息投影仪)中，可以使用移动漫射器来提高图像质量。

发明内容

概括而言，这里提供的方法和系统使得单个全息图能够同时(或“同步地”)表示多个全息图，并且因此使得通过照射该单个全息图能够投影多个图像，显示在一个显示设备上。例如，单个全息图可以是同时表示两个或更多个单波长全息图的多波长全息图。例如，它可以是同时表示三个单独全息图中的每个的多色全息图，例如目标图像的红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)分量全息图。

已知，传统上，单色全息图是彼此分开显示的，并用相应波长/颜色的光照射，相应的显示设备被分开校准以提供每种颜色的最大全息图分辨率。本文公开的方法和系统通过使用显示设备的通用校准来显示多波长(即多图像)全息图，从而打破常规，该全息图同时(或“同步地”)有效地表示两种或更多种不同波长/颜色的全息图。由于显示设备的驱动电压、单元间隙、双折射和波长之间众所周知的关系和相互作用，这需要使用不太理想的灰度级分辨率，对应于可用光调制/灰度级的数量，来表示至少一个全息图。为了清楚起见，在这种情况下，“低于理想灰度级分辨率”是由对于一个或多个波长(即对于一种或多种颜色的光)的显示系统的单元的非优化校准和/或对于一个或多个波长(即对于一种或多种颜色的光)的用于提供预定范围内的光调制/灰度级(例如相位延迟)的非优化电压工作范围的使用引起的。因此，如果显示系统对于特定波长/颜色具有低于理想灰度级分辨率，通常这意味着它将被校准以使用比常规使用的更少的离散灰度级来在所需的全调制范围内提供不同的相应光调制幅度(相位调制的最小到最大角度值，例如0到2π，或者振幅调制的最小到最大振幅值，例如0到1)—或者，如果该系统仅配置用于全息图和特定波长/颜色的照射光，则可能无法使用。然而，本发明人惊奇地发现，一些全息图的灰度级分辨率的这种损失不会显著影响图像的精度和分辨率，所述图像由如本文所述计算的多波长(即多图像)全息图的照射形成。

本发明人已经观察并利用了被称为“相位缠绕”的特征的效果，其中显示设备单元的多个不同驱动电压可以用于为特定波长的光提供相同的光调制值。这里公开了一种方法和设备，其使用相位缠绕现象，并且特别地，打破了独立校准每个单色通道的惯例。本文公开了一种方案，其中可以使用多个不同的电压来为一种或多种颜色提供所有可用的调制值(例如，在0到2π或0到1的全调制范围内)，在一些实施例中，这包括具有最长波长的颜色(例如红光)。这意味着显示设备相对于传统的工作范围是“过驱动”的，至少对于较短的波长，并且在某些情况下对于照射光的所有波长。根据这种方法，可以确定重建多个不同图像的单个全息图，即全色图像的多个单色分量。在一些实施例中，相同的全息图重建全色图像的红色、绿色和蓝色分量。值得注意的是，全色图像的红色、绿色和蓝色分量是不同的。为所有三种颜色确定一个全息图的方法在全息投影领域是突破性的，并且能够使用一个显示设备来代替多个显示设备，而没有与帧顺序彩色显示方案相关的任何传统缺点。这是因为全息图不需要在子帧之间改变或更新。在一些实施例中，相同的全息图可以同时被多种不同的颜色照射，并且可以形成相应的多种不同的单色图像。在一些实施例中，所描述的方法被快速连续地应用于多个单独全息图的多个不同组合，例如以视频图像速率非常快速地提供和照射多个相应的多波长全息图。

在所附的独立权利要求中定义了本公开的各个方面。

根据一方面，提供了一种使用一个多波长全息图来投影第一图像和第二图像的方法，其中第一图像不同于第二图像，并且其中多波长全息图布置成由第一波长的光照射以投影第一图像，并且其中多波长全息图进一步布置成由第二更短波长的光照射以投影第二图像。

根据一方面，提供了一种投影仪，该投影仪布置成使用一个多波长全息图来投影第一图像和第二图像，该投影仪包括用于显示多波长全息图的显示设备，其中第一图像不同于第二图像，并且其中多波长全息图布置成由第一波长的光照射以投影第一图像，并且其中多波长全息图还布置成由第二更短波长的光照射以投影第二图像。

显示设备可以在其显示区域上显示多波长全息图。例如，显示区域可以包括像素阵列。因此，相同的显示区域(例如像素阵列)用于显示代表第一和第二图像的单个全息图。

该方法和/或投影仪还可以布置成投影第三图像，也使用相同的多波长全息图，其中第三图像不同于第一和第二图像中的每个，其中多波长全息图布置成由第三最短波长的光照射以投影第三图像。例如，第一、第二和第三图像可以分别包括红色、绿色和蓝色图像。它们可以包括目标图像的相应的红色、绿色和蓝色分量。红色、绿色和蓝色图像中的每个的相应图像内容可以彼此至少部分不同。

第一和第二图像(以及可选的第三图像)可被投影到共同重放平面上。它们可以在重放平面上至少部分地在空间上相互重叠。

包含在投影仪内的显示设备可以包括多个像素，其中每个像素可配置为在电压驱动电平的相应第一操作范围内，在第一波长下提供0到2π范围内的相位调制值。显示设备可以配置为使用预定最大数量的离散相位调制电平为多波长全息图提供相位调制。例如，它可以在128个离散相位电平上提供相位调制。投影仪还可以包括显示驱动器，其配置成在等于或超过电压驱动电平的所述第一操作范围的电压范围上分布离散相位调制电平。

相位调制器的每个像素还可以配置成在电压驱动电平的相应第二操作范围内，在第二波长下提供0到2π范围内的相位调制值，并且投影仪可以配置成将一个或多个像素驱动到超过电压驱动电平的第二操作范围内的最大电压的电压。

因为第二波长比第一波长短，所以显示设备可以配置为在第二波长比第一更长波长更小的电压范围内传递0到2π范围内的相位调制值。投影仪可以配置为使用为第一全息图定义的离散相位电平以及它们各自的电压电平，来为第二全息图传递相位调制。因为第二波长更短，所以为第一全息图定义的离散电压电平之间的电压间隙将代表第二全息图比第一全息图更大的相位调制间隙。因此，当使用共同离散电压电平表示时，第二全息图的分辨率将低于第一全息图的分辨率。此外，为第一全息图定义的较高电压电平将代表第二全息图的大于2π的相位调制。

投影仪可以包括或可以结合任何合适的光源工作，该光源布置成用第一波长的光照射多波长全息图以形成第一图像，用第二波长的光照射多波长全息图以形成第二图像。例如，可以提供第一和第二激光二极管。例如，可以提供一种光源，该光源可配置成以多个不同的相应波长分别传递光。

投影仪或与投影仪协同工作的光源可以布置成用第一波长的光和第二波长的光基本同时照射多波长全息图。因此，第一图像和第二图像(以及可选的第三图像)可以基本同时形成。

多波长全息图可以包括第一全息图和第二全息图中的每个的表示，第一全息图包括对应于第一图像的第一组全息图像素值，第二全息图包括对应于第二图像的第二组全息图像素值。因此，单个多波长全息图同时(即“同时地”)代表第一和第二全息图。例如，多波长全息图可以包括第一和第二全息图的“组合”或“合成”表示。例如，它可以包括由第一和第二全息图形成的平均或集合全息图。

多波长全息图的每个像素可以包括分别由第一全息图和第二全息图的相应第一和第二全息图像素值确定的组合全息图像素值。每个组合全息图像素值可以包括分别由第一全息图和第二全息图的相应第一和第二全息图像素值确定的平均值。第一全息图像素值和第二全息图像素值中的至少一个可以具有应用于其上的相应权重，用于确定组合全息图像素值。因此，对于一个或多个像素，组合全息图像素值可能比第二全息图更接近地类似于来自第一全息图的对应像素值，反之亦然。可以采用任何合适的方法来确定是否应该应用加权及其值。

投影仪还可以包括处理器，其布置成对于显示设备的选定像素，获得第一全息图的至少第一像素驱动电平，并且获得第二全息图的至少第二像素驱动电平，并且基于第一和第二像素驱动电平确定显示设备的该像素的多波长像素驱动电平。多波长像素驱动电平可以比第二像素驱动电平更接近第一像素驱动电平，反之亦然，这取决于给定像素的相应全息图值的权重。

多波长像素驱动电平可以基于第一全息图的第一像素驱动电平和第二全息图的第二像素驱动电平之间的最佳拟合来确定。换句话说，它可以同时包括第一像素驱动电平和第二像素驱动电平的近似值。

处理器可以布置成对于显示设备的选定像素，获得第二全息图的多个第二像素驱动电平，其中所述多个第二像素驱动电平中的每个对应于第二全息图的相同光调制电平，并且基于第一像素驱动电平和多个第二像素驱动电平中的选定一个来确定多波长像素驱动电平。这是可能的，因为第一全息图的电压电平将对应于过驱动第二全息图，超过2π的相位调制值，并且因为相位缠绕，其已经被本发明人识别为相位调制以n(2π)的循环重复自身的现象。由于这些因素，对于第二全息图的至少一些像素，将存在对应于所需相位调制值“θ”的第一可用电压电平，并且将存在对应于相位调制“θ+2π”的第二可用电压电平，其具有与第一可用电压电平相同的调制效果。因此，可以选择使用这些电压电平中的哪一个来表示第二全息图，并为该像素(或那些像素)确定相应的多波长像素驱动电平。

处理器还可以布置成对于显示设备的选定像素(或者对于多波长全息图的选定像素)，获得第一全息图的多个第一像素驱动电平，其中所述多个第一像素驱动电平中的每个对应于第一全息图的相同光调制电平，并且基于多个第一像素驱动电平中的选定一个和多个第二像素驱动电平中的选定一个来确定多波长像素驱动电平。换句话说，投影仪可以配置成在例如大于0到2π的相位调制范围上分配第一全息图的可用电压电平，结果将有多个可能的电压电平用于传递第一全息图(以及第二全息图)的至少一些所需的相位调制值。

确定多波长像素驱动电平的步骤可以包括识别像素驱动电平的最佳匹配对，其中该对包括来自多个第一像素驱动电平的一个和来自多个第二像素驱动电平的一个。可以应用加权来影响两个像素驱动电平是否应该相等地匹配，或者一个像素驱动电平是否应该优于相应的另一个像素驱动电平。

根据一方面，提供了一种确定多波长全息图的方法，所述多波长全息图配置成当其被显示在像素化显示设备上时投影第一图像和第二图像，并且被第一波长的光照射以投影第一图像，被第二更短波长的光照射以投影第二图像，其中第一图像不同于第二图像。该方法包括获得包括对应于第一图像的第一组全息图像素值的第一全息图；获得包括对应于第二图像的第二组全息图像素值的第二全息图；确定电压驱动电平的第一操作范围，其中当在第一操作范围内被驱动时，显示设备的每个像素可配置成提供第一波长的光调制值的全范围中的光调制值；确定显示设备的离散光调制电平的最大数量，并将这些离散光调制电平分布在等于或超过电压驱动电平的所述第一操作范围的电压范围上；使用分布式离散光调制电平来分别表示第一全息图和第二全息图中的每个，并输出相应的第一全息图的第一组像素驱动电平和第二全息图的第二组像素驱动电平；对于多波长全息图的每个像素，从第一组像素驱动电平中选择第一驱动电平，以表示第一全息图的对应像素，并且从第二组像素驱动电平中选择第二驱动电平，以表示第二全息图的对应像素，并且基于所选择的第一和第二驱动电平输出该像素的多波长驱动电平；使用每个像素的多波长驱动电平输出来形成多波长全息图。

光调制值可以包括相位调制值、振幅调制值或其组合。如本领域技术人员将理解，第一波长下的相位调制值的全范围可被定义为从0到2π，而振幅调制值的全范围可被定义为从0到1。多个离散调制值可被称为灰度级。

多波长全息图还可以配置成当它被显示在像素化显示设备上并被第三最短波长的光照射时也投影第三图像，其中第一、第二和第三图像彼此都不同。该方法还可以包括获得第三全息图，其包括对应于第三图像的第三组全息图像素值，并且使用分布式离散光调制电平也单独表示第三全息图，并且输出第三全息图的对应的第三组像素驱动电平。该方法还可以包括，对于多波长全息图的每个像素，从第三组像素驱动电平中选择第三驱动电平，以表示第三全息图的对应像素，并且基于所选择的第一、第二和第三驱动电平，输出该像素的多波长驱动电平。该方法还可以包括使用每个像素多波长驱动级输出来形成多波长全息图。

所选的第一驱动电平和所选的第二驱动电平(以及可选的第三驱动电平)可以在幅度上彼此接近。它们在幅度上可以比包括来自第一组像素驱动电平的第一驱动电平和来自第二组像素驱动电平的第二驱动电平的任何其他可能的驱动电平对彼此更接近。在组合了三个驱动电平的实施例中，对于要输出的多波长全息图的给定像素，所选驱动电平在幅度上可以比任何其他可能组第一、第二和第三驱动电平更接近彼此。

该方法还可以包括从所述第一驱动电平和所述第二驱动电平(以及可选地，所述第三驱动电平)确定平均驱动电平，并且其中平均驱动电平作为该像素的多波长驱动电平输出。可以对所述第一驱动电平和所述第二驱动电平(以及可选地，所述第三驱动电平)中的至少一个进行加权，以获得平均驱动电平。

该方法还可以包括在显示设备上显示多波长全息图，并且可选地还可以包括用第一波长的光和第二波长的光照射显示设备以投影第一和第二图像(并且可选地还用第三波长的光照射它以投影第三图像)。

全息图引擎或投影仪或其他合适的光学系统可以布置成执行上述方面的方法。

根据一方面，提供了通过上述方面的方法形成的衍射结构。

根据一方面，一种显示系统布置成使用多波长全息图基本同时显示第一图像和第二图像，其中该显示系统包括:光调制器，包括布置成显示多波长全息图的多个像素，其中光调制器的每个像素是布置成提供光调制(例如相位调制、振幅调制或其组合)的液晶单元，并且每个液晶单元具有单元间隙；处理器，其布置成从第一图像的第一全息图和第二图像的第二全息图确定多波长全息图，其中光调制器配置成使得第二全息图的至少一些光调制值均可由相应像素的相应多个不同像素驱动电平提供；其中确定多波长全息图包括为第二全息图的所述至少一些相位值中的每个选择相应的多个不同像素驱动电平中的像素驱动电平。

光调制器可以布置用于照射，并且由像素提供的光调制量可以由像素驱动电平和照射光的波长来确定。与较短波长的照射光需要的相比，较长波长的照射光通常需要更大的像素驱动电平来实现特定的光调制值。

为第二全息图的每个像素选择像素驱动电平可以基于与第一全息图的对应像素的像素驱动电平的最佳拟合。对于第二全息图的至少一些像素，可能有不止一个可能的像素驱动电平可供选择。

第一全息图可配置成由第一波长的光照射，而第二全息图可配置成由第二更短波长的光照射。

第一全息图和第二全息图的像素值可以在全光调制范围内(例如相位调制为0至2π，振幅调制为0至1)。然而，由于相位缠绕现象，至少对于第二全息图，可能使用超过全范围的最大水平的光调制值(例如对于相位调制为2π，对于振幅调制为1)来驱动光调制器以传递所需的调制效果。

多波长全息图的每个像素值可以根据第一全息图的对应像素和第二全息图的对应像素值来确定，其中光调制器布置成使得对于第一全息图和第二全息图的任何一对像素值，对应像素驱动电平的多个组合是可能的。例如，多于一个像素驱动电平可能适合于为第一全息图或第二全息图中的至少一个的相应像素提供所需的光调制。处理器可以布置成识别像素驱动电平的最佳匹配组合，从中确定多波长全息图的该像素的相应像素驱动电平。

显示系统还可以布置成使用多波长全息图在与第一和第二图像基本相同的时间显示第三图像。多波长全息图可以包括红绿蓝(RGB)全息图。

根据一方面，一种衍射结构布置成投影第一图像和第二图像，其中第一图像不同于第二图像，并且其中衍射结构布置成由第一波长的光照射以投影第一图像，并且由第二较短波长的光照射以投影第二图像。

衍射结构还可以布置成也投影第三图像，其中第三图像不同于第一和第二图像中的每个，并且其中衍射结构布置成由第三最短波长的光照射以投影第三图像。

衍射结构可以布置用于在像素化显示设备上显示。衍射结构可以配置成使用像素化显示设备的一组公共电压电平来表示分别对应于三个单独图像的三个单波长衍射结构，其中每个电压电平对应于三个单波长衍射结构中的每个的不同的相应光调制电平(例如相位调制电平、振幅调制电平或其组合)。因此，衍射结构可以布置成同时以不同的相应分辨率表示每个单波长衍射结构。因此，衍射结构可以布置成代表每个单独单波长衍射结构的光调制值的不同的相应范围，其中，对于相位调制，对于第一(最长波长)衍射结构，该范围可以是至少0到2π，而对于其他单独单波长衍射结构(它们配置成分别由较短和最短波长的光照射)可以超过0到2π。然而，已经发现，尽管如此，当被照射时，衍射结构可以导致所有第一、第二和第三图像的高质量图像的投影(即全息重建)。

衍射结构可以包括多波长全息图。它可以包括相息图。

根据一方面，光学系统布置成使用一个多波长全息图来投影第一图像、第二图像和第三图像，其中所述第一、第二和第三图像中的每个是不同的，并且其中多波长全息图布置成由第一波长的光照射以投影第一图像，并且进一步布置成由第二较短波长的光照射以投影第二图像，并且进一步布置成由第三最短波长的光照射以投影第三图像。

第一、第二和第三波长的光可以分别包括红光、绿光和蓝光。第一、第二和第三图像可以在重放平面组合以提供多色图像。

根据一方面，一种电压选择单元被提供用于驱动像素化显示设备以显示多波长衍射结构，所述多波长衍射结构配置为代表第一衍射结构和不同的第二衍射结构，电压选择单元配置为:确定可以驱动显示设备的第一多个离散电压电平，其中所述第一多个离散电压电平的每个电平对应于第一衍射结构在其光调制值的全范围(例如对于相位调制为0至2π)内的相应离散光调制值；确定所述第一多个离散电压电平中的每个电平与第二衍射结构在超过其光调制值的全范围的范围内(例如对于相位调制超过0至2π)的相应离散相位调制值之间的对应关系；使用第一多个离散电压电平，确定用于在显示设备上表示第一衍射结构的第一组像素驱动值和用于在显示设备上表示第二衍射结构的第二组像素驱动值；对于显示设备的每个像素，选择代表第一衍射结构的像素驱动值和第二衍射结构的像素驱动值中的每个的优化像素驱动值。

多波长衍射结构还可以配置为还代表不同的第三衍射结构，其中电压选择单元可以配置为:还确定所述第一多个离散电压电平中的每个电平与第三衍射结构在超过其光调制值的整个范围的范围内(例如对于相位调制超过0至2π)的相应离散光调制值之间的对应关系；还使用第一多个离散电压电平来确定用于在显示设备上表示第三衍射结构的第三组像素驱动值；并且对于显示设备的每个像素，选择表示第一衍射结构的像素驱动值、第二衍射结构的像素驱动值和第三衍射结构的像素驱动值的优化像素驱动值。

对于至少一个衍射结构的至少一个像素，可能有多于一个可能电压电平对应于所需的光调制值。因此，电压选择单元可以配置为，对于显示设备的每个这样的像素，识别代表第一、第二和第三衍射结构中的每个的一个可能电压电平的最佳拟合电压电平。

对于存在用于表示第一、第二和第三衍射结构中的每个的电压电平的多于一个可能组合的每个像素，电压选择单元配置为:确定所有可能对电压电平，其中每对包括一个衍射结构的可能电压电平和相应其他衍射结构之一的相应可能电压电平；确定每个可能对中的两个电压电平的幅度差；以及识别该像素的三个可能对的优化组合，表示每个衍射结构和每个相应其他衍射结构之间的电压电平的幅度差，其中优化组合中的对的总幅度差被最小化。

第一、第二和第三衍射结构可以分别包括红色、绿色和蓝色全息图。因此，这些对可以包括红-绿(RG)对、绿-蓝(GB)对和蓝-红(BR)对。

可以对优化组合中的三对衍射结构中的至少一对的两个衍射结构之间的电压电平幅度差施加偏置。例如，可以确定，与GB和BR对的电压间隙相比，最小化RG对的电压间隙更重要，反之亦然。偏置大小和选择可以基于任何合适的因素来确定，例如图像类型、显示设备类型、单元间隙等。

电压选择单元还可以配置成输出代表每个像素的三个可能对的优化组合的电压电平，其中输出电压电平包括相应像素的优化像素驱动值。

上述方面使得单个多波长衍射结构能够“同时”或“同时地”表示至少两个单独(单波长)衍射结构，并且当被适当照射时，能够清晰和准确地投影两个(或更多个)相应的图像。可以说多波长衍射结构是至少两个单波长衍射结构的单个优化表示(例如近似)。这是以计算智能和有效的方式完成的，这在迄今为止的传统全息术中还没有考虑到。由于这里公开的方面和实施例，多波长全息术的财务节约、改进的紧凑性和增强的实际应用的潜力是非常重要的。

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，可接受质量的全息重建可以由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。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术。

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)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类型算法的第一迭代；

图2B示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第二及后续迭代；

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

图3是反射型LCOS SLM的示意图；

图4示出了三种光波长的相位延迟对电压的依赖关系；

图5示出了代表三个单色全息图的列，分成传统的最大分辨率灰度级；

图6示出了代表三个单色全息图的列，根据实施例被分成灰度级；

图7示出了根据实施例的图6的三个单色全息图中的每个的像素的可能相位值；

图8示出了目标图像的传统多色全息重建；以及

图9示出了根据实施例的图8的目标图像的多色全息重建；

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。

在本公开中，术语“基本”当应用于设备的结构单元时，可以解释为在用于制造该结构单元的方法的技术公差内生产的结构单元的技术特征。

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。

光源110例如激光或激光二极管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相距两度或三度)。然而，在其他实施例中，大致平面波前以法向入射提供，并且分束器布置用于分离输入和输出光学路径。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，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SLM140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)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，并且在光学上执行傅立叶变换。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“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，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算法通过遵循迭代过程求出该问题的解。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仅相位全息图。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。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)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将用于“显示”仅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。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功率。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。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。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电平。也就是说，每个液晶单元在任何时候配置为以从多个可能光调制电平中选择的一个光调制电平操作。每个液晶单元可动态地重新配置为与多个光调制电平不同的光调制电平。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，像素密集填充，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。LCOSSLM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，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。

多波长全息重建

在许多实际应用中，需要提供多波长(即多色)全息再现(“图像”)。这通常需要为每种颜色提供单独的全息图，这些全息图必须单独显示。每个单独的全息图必须由相应的各自颜色/波长的光单独照射。有两种众所周知的多色全息术的传统方法。第一种被称为空间分离色“SSC”，第二种被称为帧序制色“FSC”。

SSC方法使用三个空间分离的光调制像素阵列用于三个相应的单色(通常是红/绿/蓝(RGB))全息图。利用SSC，图像可以非常明亮，因为所有三个全息重建可以同时形成，并且在公共平面上组合(例如叠加)，以形成合成的多色图像(即多色全息重建)。例如，如果空间和/或财务限制规定不能提供多个SLM，则可以在公共空间光调制器(SLM)上提供三个空间分离的光调制像素阵列，在空间上彼此分离。然而，在这种布置中，每个单色图像的质量是次优的，因为SLM上的可用光调制像素的子集仅用于每种颜色。因此，提供了相对低分辨率的彩色图像。可替代地，三个独立的SLM可用于SSC—每种颜色一个。每个SLM将显示各自不同颜色的全息图，每个都将被单独照射以输出空间调制光的各自光学通道。在这种布置中，需要光束组合光学器件(例如X立方体和二向色镜)来组合三个光学通道，以使得能够形成多色图像。这具有提供高质量图像的优点，但是提供多个SLM和其他所需的光学器件是昂贵的，并且它还对所得光学系统的尺寸有显著影响。在许多情况下，例如但不限于车辆中的平视显示器(HUD),空间是有限的，并且不动产价值很高，因此紧凑性通常是非常理想的。此外，提供多个SLM在经济上非常昂贵。

FSC的方法可以使用单个公共空间光调制器的所有像素来顺序显示三个单色全息图(即一个接一个)。单色重建被足够快地循环(例如红、绿、蓝、红、绿、蓝等)，使得人类观察者从三个单色图像的合成中感知到多色图像。FSC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是最佳的，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方法低大约3倍，因为每个单色照射事件只能在三分之一的帧时间内发生。这个缺点可以通过过驱动激光器或者通过使用更大功率的激光器来解决，但是这需要更大的功率，这导致更高的成本和系统尺寸的增加。此外，FSC具有较少子帧可用于拼接移位和其他技术的缺点，这些技术通常用于提高图像质量。

本发明人已经设计了改进的方法和系统，用于以紧凑、高效和成本有效的方式提供高质量的多色(即多波长)全息照相术。这在以前是不可能的。

发明人设计的方法和系统用于提供衍射结构(可以称为“相息图”或“全息图”)，当在单个显示设备上显示和照射时，该衍射结构可以同时传递多个图像，该单个显示设备例如空间光调制器(SLM)，例如硅上液晶(LCoS)SLM。例如，当它被相应波长的光显示和照射时，它可以同时(或至少基本同时)传递两种或更多种不同颜色的图像。每种颜色的图像内容可以与相应其他颜色的图像内容至少部分地物理重叠，或者它们可以在重放平面上彼此物理分离。每种颜色的图像内容可以不同于相应其他颜色的图像内容，或者单独着色的图像可以包括共同的或重叠的图像内容，使得它们在重放平面上组合/叠加以形成该图像内容的单个多色图像。

众所周知，高质量全息投影通常需要显示设备，其包括可以提供高达2π相位延迟的像素。本公开涉及在高质量显示设备上显示衍射结构。例如，可以使用具有高分辨率(高像素密度)和快速切换像素的反射式液晶显示设备来显示，用于使用相位全息图以视频速率进行全息投影。然而，其他类型的全息图，例如复合全息图(包括相位分量和振幅分量)也在本公开的范围内。根据本公开的至少一些实施例，高分辨率显示器可被定义为其中像素间距小于或等于5μm，例如小于2μm的显示器。然而，该数值示例不应被视为对本公开的限制。

反射单元中的总延迟(即相位延迟)Φ满足下式:

Φ＝4πdΔn/λ (1)

其中，d是单元间隙(厚度),Δn是液晶的双折射，λ是光的波长。乘积dΔn被称为路径差。因此，液晶的类型和单元的厚度都会影响单元可配置用于入射光的延迟。根据一实施例，该方法和系统可以使用包括具有正介电各向异性的液晶的平面对准向列单元来实现，因为发现这种配置对于相位全息术是有效的。这种单元的响应时间与单元间隙的平方有关。然而，本公开不限于这样的单元。

众所周知，液晶显示的有效双折射Δn是电压相关的。因此，在任何给定时间，给定LC单元将施加的实际延迟不仅取决于照射光的波长，还取决于施加到该单元的电压。此外，LC单元传递全范围延迟(即从0到2π的相位延迟)所需的电压范围将取决于照射光的波长。波长越长，传递全范围延迟所需的电压范围就越大。因此，在任何给定时间，高质量显示设备的每个单元(或“像素”)可被控制来传递特定的相位延迟(即在可用延迟范围内的选定延迟)，这取决于施加在该单元上的电压，并且取决于照射光的波长。因此，在任何给定电压下，用各自不同波长的光照射单元通常会导致该单元对每个波长的光施加各自不同的相位延迟。传统上，当需要多色全息照相术时，这导致显示分离的衍射结构，每个衍射结构被定制用于由各自不同波长的光照射，其中合适的电压可被单独施加到显示每个单独衍射结构的单元，以满足各自彩色图像的相位延迟需求。然而，本发明人设计的方法避免需要为多色全息术显示多个不同的衍射结构，如下所述。

当计算诸如全息图或相息图的衍射结构时，它包括多个单独像素，每个像素可以显示在显示设备的相应像素上。在计算期间，每个全息图像素被量化成多个可允许的“灰度级”，其中灰度级是当显示和适当照射时，全息图像素将给予的相位延迟量的量化。可用灰度级的数量决定了灰度级分辨率—即它是每个全息图像素可以赋予的不同可能离散调制电平数量的度量，例如在0到2π的范围内。这通常会影响全息图的精度或灰度级分辨率，并因此影响相应图像重建的质量或精度(即忠实度)。

当全息图要在显示设备上显示时，对于特定波长，显示设备的单元可以传递相位延迟的全(2π)范围的电压范围决定了该波长的相邻全息图灰度级(“GL”)之间单元所需的电压增量。例如，如果每个单元需要0V到5V的电压范围，以实现高达2π的红光延迟，并且如果显示的方案包括128个均匀间隔的灰度级，则每个灰度级应该相隔约40mV。因此，例如，实现红光的第12个灰度级GL12将需要施加480mV的电压。可以相应地校准显示系统。

另一方面，对于不同波长的光，例如绿光，相同的单元(具有相同的厚度和双折射)可能只需要0V到2V的电压范围来实现0到2π的相位延迟范围。如果这些单元被校准用于相邻离散灰度级之间具有40mV间隙的“红色全息图”(即配置为由红光照射的全息图)，则当这些单元显示配置为由绿光照射的“绿色全息图”时，相位延迟的全范围将由前50个灰度级提供。结果，与红色全息图相比，绿色全息图的可用灰度级所带来的相位延迟差异将会减小。换句话说，对于相同的电池电压校准，绿色全息图的“灰度级分辨率”(或精确度)将小于红色全息图的灰度级分辨率。

因此，传统方法是使用不同的校准(即使用不同的相应单元(例如不同的单元间隙)，或者相同的单元但是在不同的相应时间被不同地校准)来显示将由不同的相应波长照射的全息图。因此，惯例是确保对于每种(即每个)相应颜色的全息图，灰度级分辨率被单独优化/最大化。因此，在上面的示例中，单元可被校准，以将绿色全息图的相邻灰度级分开15.6mV—从而全部128个灰度级(不仅仅是50个)将可用于显示绿色全息图。

本发明人已经打破常规，确定可以通过为一种或多种颜色的全息图提供不太理想的灰度级分辨率来获得精确的多色图像。此外，他们已经认识到，对于一种或多种颜色使用不完美的灰度级分辨率意味着显示在一个显示设备上的相同(单个)全息图可被不同的相应颜色的光照射，以便同时(或者至少非常快速地连续)形成多个不同的单色图像，所有这些图像都可以具有可接受的高质量。这在传统的全息照相术中是不可能的。此外，它违背了全息摄影领域的重大偏见和传统预期。

概括地说，发明人已经设计的方法和系统在使用单个显示设备显示和照射时可以提供形成多个图像的一个(即单个)全息图。全息图可以占据显示设备的所有像素。全息图的每个(即每一个)像素可以对多个图像中的每一个有贡献。例如，可以提供单个全息图，当适当照射时，该全息图可以使用单个显示设备(基本)同时形成红(R)、绿(G)和蓝(B)图像。即使R、G和B目标图像的各自图像内容彼此不同，这也是可能的。即使R、G和B目标图像的相应图像内容在物理上彼此重叠，或者如果它们在重放平面上在空间上彼此不同，这也是可能的。

概括地说，本公开的方法包括计算多个独立的单独全息图，并通过在单个显示设备的公共(即相同)像素上显示单个全息图来识别能够同时充分表示这些全息图中的每个的优化。例如，它可以包括为多个波长中的每个单独计算目标图像的单独全息图—例如计算单独的红(R)、绿(G)和蓝(B)全息图，这在传统的多色全息术中是常见的。然而，与常规实践不同，本公开的方法然后考虑显示设备的每个单元可以在哪个或哪些电压下被驱动，以实现多个单独全息图中的每个的对应全息图像素所需的相位延迟。然后，通过应用智能选择的偏置，并使用计算质量优化方法，将各个全息图组合成单个优化的全息图，并且可以相应地校准和驱动显示设备。这种方法成功的关键在于它包含了“相位缠绕”来提供足够的选择。

因此，实际上，这里公开的方法识别优化的全息图，其是同时多个单独全息图中的每个的足够好的表示。因此，本方法消除了单独显示每个单独全息图的任何要求，因为每个全息图可以替代地由优化的全息图充分地表示，并且由它各自的光源照射，使用单个显示设备并且使用显示设备的一个(公共)校准。此外，同时表示每个全息图的优化全息图(或公共校准)可以在整个显示设备上显示，从而使得每个图像具有良好的图像质量和低噪声。这是令人惊讶的，与传统的全息技术相比，提供了显著的空间和资金节约。它还显著降低了多色投影仪的复杂性。在一些实施例中，只需要一个显示设备(以及相关的光学器件和电子器件),而不是三个。

本公开的方法考虑并利用了所谓的“相位缠绕”(或“相位重复”)的优点。发明人已经观察到，对于任何给定的波长，当LC单元被驱动到大于其提供2π相位延迟所需的最小电压的电压时，发生相位缠绕。在传统全息术中，对于给定波长的照射光，显示设备的每个单元将仅被驱动到实现该单元的特定相位延迟所需的最小电压。然而，本发明人认识到，由于相位缠绕，对于任何给定的波长，将施加到LC单元的电压增加到超过提供2π相位延迟所需的最小电压，将导致该单元提供的相位延迟增加到超过该波长的2π。此外，他们已经认识到，在实践中，单元给予的延迟是重复的，重复周期为2π。这意味着单元在0和2π之间产生的延迟/相位延迟会在2π和4π之间重复。因此,“q”的相位延迟与“q+m2π”处给予的相位延迟相同，其中“m”是任何非零整数。例如，相位延迟π的效果与相位延迟3π的效果相同，依此类推。

因此，本发明人已经认识到，存在多个不同的相位延迟值(即一个值在0和2π之间，另一个值在2π和4π之间等)，它们对给定波长的光具有相同的延迟效果—即存在多个不同的相位延迟值，它们将以相同的方式对该波长的光进行空间调制。发明人已经认识到，这相应地意味着对于给定波长的光，存在可以驱动特定类型和厚度的LC单元的多个不同电压，以提供期望的相位延迟。考虑到这一点，本发明人已经脱离了常规，并且进一步认识到，至少在一些情况下，可以识别公共电压，该公共电压可被选择来同时为要被不同的各自波长的光照射的多个不同全息图中的每个提供各自期望的相位延迟的至少可接受的近似。因此，如果在逐个像素的基础上识别公共电压，则结果可以是一组电压像素驱动值，其对应于同时表示多个不同全息图中的每个的优化单个全息图。因此，可以使用单个优化全息图来代替多个单独单色全息图。迄今为止，这是不可能的。

本发明人已经认识到，通常，为了识别优化全息图的每个像素的这种公共电压，显示系统将需要配置为在提供多个电压选项的电压范围内被驱动，以实现至少一些、在一些情况下所有不同波长(对应于要被表现的不同全息图)所需的相位延迟。例如，如果显示系统配置成提供单个全息图来表示各自不同颜色的多个单色全息图，配置成由各自不同波长的光照射，则可以考虑当显示设备的单元被以相对高的电压驱动时，较短波长的光会发生什么，该电压是实现较长波长全息图的全范围相位延迟所必需的。例如，从下面的详细示例中可以进一步理解，如果单独的红(R)、绿(G)和蓝(B)全息图被单个优化全息图代替，则显示系统可能需要至少在为红光提供0到2π相位延迟范围的电压范围内被驱动，该红光具有三种颜色中的最长波长。例如，这样的范围可以为绿色全息图的每个相位延迟值提供两个电压电平选项，为蓝色全息图的每个相位延迟值提供两个或三个电压电平选项。至少在一些情况下，可能希望将显示系统驱动到更高的电压值，以便对于红色全息图的至少一些相位延迟值也能够有多个电压电平选项。

因此，本发明人已经认识到，可以使用显示设备的单元的单个公共编码(或“配置”)，用于通过单个优化全息图同时有效地显示和照射多个不同的全息图。编码包括向显示设备的每个单元施加“最佳拟合”或“优化”电压，以同时近似表示多个单独波长全息图中的每个。对于对应于至少一个全息图的光波长，施加到至少一些单元的电压可以高于实现全2π相位延迟所需的最小电压。因此，所施加的电压可能高于在显示设备上呈现一个或多个全息图的常规预期或所需的电压。

实际上，当显示优化全息图时，显示设备的单元将被校准，以便为优化的(多波长)全息图所代表的多个全息图中的每个提供相邻灰度级之间相同的预定电压间隙。尽管这可能需要使用低于理想分辨率的分辨率，但由于使用较少的灰度级来细分相应的2π相位延迟范围，对于至少一个全息图(例如由相对较短波长的光照射的全息图，例如蓝(B)光)，本发明人已经发现所得到的图像仍具有可接受的高质量。因此，总的来说，这里公开的方法和系统非常有益，因为它们使得单个显示设备能够用于同时显示多个全息图。例如，这使得一个显示设备能够同时显示一组红/绿/蓝(RGB)全息图，而没有与传统FSC技术相关的典型牺牲。这在光学系统的紧凑性和效率以及经济成本效益方面具有显著的优势。

结合附图可以进一步理解这里公开的方法和系统。

图4示出了当显示在LCOS上并被相应颜色的光照射时，对于红、绿和蓝(RGB)全息图中的每个，示例显示设备(在本例中为LCOS SLM)可提供的相位延迟(范围为0至2π)的电压依赖性。从图4中的顶线410可以看出，LCOS必须在0V和5.0V之间被驱动，以便为红光提供全范围的相位延迟。从图4中的中间线420可以看出，LCOS只需要在0V和2.0V之间被驱动，以便为绿光提供全范围的相位延迟。从图4中的底线430可以看出，LCOS只需要在0V和0.7V之间被驱动，以便为蓝光提供全范围的相位延迟。

图5示出了有128个可能的全息图灰度级，范围从GL0到GL127，沿x轴细分0到2π相位延迟范围。尽管本公开不限于使用128个灰度级，但这对于使用7位驱动方案的显示设备是常见的。图5还示出了具有3列的直方图，描绘了对于红510、绿520和蓝530光波长中的每个，将0至2π相位延迟范围平均细分为128个离散灰度级。如图4所示，对于每种颜色，需要不同的相应电压来实现全0至2π相位延迟范围中的最大2π相位延迟，从而传统上，如果要使用所有128个灰度级以相同的分辨率表示每种颜色，相邻灰度级之间的电压间隙是波长相关的。因此传统上，显示设备将布置用于对每个相应颜色的全息图进行单独校准(或者，将提供多个显示设备，每个显示设备针对单个相应颜色进行校准)，使得可以使用所有128个灰度级来显示每个颜色的全息图。因此，在该示例中，红光在相邻灰度级之间具有约40mV的间隙，而绿光在相邻灰度级之间具有约15.6mV的间隙，蓝光在相邻灰度级之间具有约5.5mV的间隙。

本发明人已经打破常规，并且已经发现可以提供LC装置的单元的单个公共校准，以有效地同时表示多个全息图，其中每个全息图配置为由各自不同波长的光照射。这在图6中示出，图6包括三列，分别表示对于将由根据本公开的单个优化全息图表示的三个全息图(RGB),单个显示设备在公共电压范围上可传递的相位延迟。在该示例中，显示设备类似于图4的示例显示设备，且所描绘的电压范围为0到5.0V。

从图6中可以看出，本发明人已经有效地扩展了全息图的相角范围，所述全息图分别配置用于由两个较短波长(绿620和蓝630)中的每个的光照射，从而为全0到2π相位延迟范围提供足够的(0到5.0V)电压范围，以可传递用于第三全息图，其配置用于由较长波长(红610)的光照射。对于三个全息图中的每个，0到5.0V的电压范围被细分为128个灰度级(GL0到GL127)。

对于绿光620，0到5.0V的电压范围允许大于3π的最大相位延迟，而对于蓝光630，0到5.0V的电压范围允许大于6π的最大相位延迟。然而，由于相位缠绕，在相位角“q”处的相位延迟与在“q+m2π”处施加的相位延迟相同(其中“m”是任何非零整数)。因此，相位角范围的这种扩展实际上不会增加由绿色和蓝色全息图产生的离散相位延迟的数量。相反，这意味着绿色和蓝色波长中的每个的全0到2π范围被压缩到更小的相应电压范围中，并且相应地被细分成少于128个离散灰度级。在该示例中，从图6可以看出，绿光的全0至2π范围被压缩为73个灰度级(GL0至GL72)，蓝光的全0至2π范围被压缩为约36个灰度级(GL0至GL35)。相反，红色全息图在0至5.0V的电压范围内具有0至2π的相位延迟范围，使得所有128个灰度级用于分布红色全息图可以赋予的可能相位延迟。结果，与红色全息图的分辨率相比，绿色和蓝色全息图的分辨率都降低了，并且与绿色全息图的分辨率相比，蓝色全息图的分辨率也降低了。当这些全息图在显示设备上显示和照射时，这通常会对相应的绿色和蓝色图像产生负面影响。然而，本发明人已经确定，对于这里公开的优化多波长全息图，这种影响并不显著。

图7示出了如何基于三个单独RGB全息图来确定多波长全息图的一个示例，使用图4至图6的示例显示设备，并使用上面关于图6描述的G和B全息图的公共RGB单元校准和扩展相位角(即相位缠绕)。该示例应被认为仅仅是说明性的—在这个示例中使用的颜色和相位延迟值不限制本公开。在图7中，三列中的每一列都与显示设备的同一个单元相关，并且示出了三个全息图中的每个的相应像素所需的相位延迟(以及相应的所需电压),如果单独显示每个彩色全息图，那么这三个全息图将显示在该单个单元上。红色全息图710所需的相位延迟由第一虚线711指示，并且示出为刚好低于π的相位延迟，这对应于红色全息图的近似灰度级GL62。绿色全息图720所需的相位延迟由第二虚线721指示，并且示出为也低于π的相位延迟，这对应于绿色全息图的近似灰度级GL33。蓝色全息图730所需的相位延迟由第三虚线731指示，并且示出为也低于π的相位延迟，这对应于蓝色全息图的近似灰度级GL14。因此，即使对于三个全息图的每一个中的该像素，所需的相位延迟在幅度上是相似的，但在该示例中，由于LC单元可传递的相位延迟的共同校准和波长依赖性，对应于相应相位延迟的灰度级对于每个波长是(显著)不同的。

因为在这个示例中相位缠绕用于绿色720和蓝色730全息图，所以绿色720和蓝色730列每个都示出了多于一个可能电压和多于一个相应灰度级，在该灰度级处可以赋予相应颜色的期望相位延迟。绿色720列因此在GL104处示出了第四虚线721’，在该处将赋予绿色全息图所需的相位延迟。蓝色730列示出了在近似GL53处的第五虚线731’，以及在近似GL124处的第六虚线731”，在每个虚线处，蓝色全息图的期望相位延迟将被赋予。因此，在这个示例中，对于所选择的显示设备，在0到5.0V的电压范围内，有一个可能的灰度级选项来表示所需的红色相位延迟，两个可能的灰度级选项来表示所需的绿色相位延迟，以及三个可能的选项来表示所需的蓝色相位延迟。对于相应的颜色，由图7中三列上的虚线指示的可能选项可被称为“理想”全息图值。然而，本发明人已经发现，可以使用不同于至少一种颜色的理想值的全息图值(通常，它不同于所有三种颜色的理想值),并且仍足够精确地表示每个全息图。

本发明人已经认识到，对于多种颜色中的一种或多种颜色的全息图(即配置为由一种或多种相应不同波长的光照射的全息图)，这种用于赋予期望的/所需的相位延迟的多种选项的提供为找到相位延迟提供了范围，该相位延迟至少是两个或更多个不同全息图同时所需的相位延迟的可接受近似值。换句话说，使用公共单元校准来显示各自不同颜色的多个全息图中的每个，并使用增加的电压范围来利用相位缠绕的效果，从而为这些全息图中的至少一个提供相应的扩展范围的相角，使得能够确定单个“优化的”或“最佳拟合的”全息图，其可以同时表示(并因此被用来代替)多个单独全息图。这是非凡的，迄今为止用传统的全息技术是不可能的。

尽管在图6的示例中未示出(本公开不限于此)，但本发明人已经认识到，在一些实施例中，对于最长波长全息图(即对于上述示例中的红色全息图)，将显示设备的驱动电压范围扩展到甚至超过实现0到2π的相位延迟所需的典型电压范围可能是合适的。这是为了提供一个以上的选项，用于为每个(即每一个)单独全息图提供至少一些所需的相位延迟，从而提高在它们之间找到可接受折衷的机会，以提供单个优化的全息图。此外，可以考虑和具体选择单元的类型(例如LC的双折射)和/或单元间隙/厚度，以便有助于实现要表示的选定图像或图像组的期望相位延迟的优化组合。

在图7的示例中，直线750在近似GL 46处穿过三列710、720、730中的每一列。该直线750表示“最佳拟合”或“优化”全息图值(即优化的相位延迟值)，其具有相应的“优化的”像素电压驱动电平，该驱动电平已经根据这里公开的方法确定，以在显示设备的单个像素上同时表示三个全息图710、720、730中的每个。下面详细描述用于确定优化全息值的方法的一个实施例。然而，从广义上讲，图7中的图解说明表明，优化的全息图值实际上是基于三个全息图值的平均值，这三个全息图值分别代表三个单色全息图中的每个所需的相位延迟，这三个全息图值彼此相对接近。在这个示例中，那些值是红色全息图值711(GL62)、第一绿色全息图值721(GL33)和第二蓝色全息图值731’(GL53)。在这个示例中，优化的全息图值不是三个单色全息图值的简单“平均”值，而是加权的。以下实施例的详细描述提供了关于这种加权的可能方法的更多信息。然而，至少在某些情况下，可以在不加权和/或使用与下面详述的不同的加权方案的情况下导出优化全息图值。

针对该像素导出的优化全息图值750可以显示在显示设备的单元上，以同时表示所有三个(RGB)全息图的对应像素。可以对三个全息图的每个像素执行确定优化全息图值的过程，使得三个全息图的整体可以由单个优化全息图来表示，该优化全息图可以由三种颜色中的每一种颜色的光来显示和照射。此外，可以对多个全息图重复该过程，例如快速连续地重复，以表示视频速率图像序列中的连续图像。

根据一实施例，这里公开的用于确定优化全息图的方法如下:

1.将目标图像分成单独的特定波长通道，例如R、G、B通道。这从传统的全息术中是已知的，并且可以任何合适的方式进行。

2.使用任何合适的全息图计算技术，计算通道的各个全息图，比如R、G、B全息图。这为每个单独彩色全息图的每个像素提供各自的相位延迟值。

3.至少为较短波长(即绿色和蓝色)扩展像素电压范围，使得至少为最长波长(红色)提供获得0到2π的相位延迟范围所必需的电压范围。可以扩展所有波长的像素电压范围。关于像素电压扩展程度的决定可以基于显示设备对于整个利用的波长区域(即跨越三种颜色的波长)的查找表(LUT),该查找表将电压值与衍射波的相移相关。对于每个像素，可以识别每种颜色所需的相位延迟(在0到2π的范围内),并且可以在高于2π的相应距离/相位差处识别该相位延迟的任何可用重复，并且再次高于下一个最接近的2π的整数倍等，从而可以识别每个像素的所有可能的“理想”R、G和B全息图值。

4.对于每个像素，通过计算所有可寻址电压的所有可能的R、G和B组合，单独执行复杂相位混合，以确定“理想的”R、G和B相位值之间距离最小的组合。这可以通过查看可能对电压来实现，每对电压的一个电压电平代表一种颜色，另一个电压电平代表相应另一种颜色，因此在该示例中有R-G、G-B和B-R对。这里，可以应用“选择偏差”(Sb)来增加或减少任何R-G、G-B和/或B-R距离的权重。换句话说，可以分别/独立地加权或偏置每对(R-G，G-B，B-R)中两个灰度级之间的差异。这种情况的示例在下式(2)中示出。不管如何执行复合相位混合的确切细节，该步骤识别相对接近的三个全息图值(每种相应颜色一个值)，并且应该组合这三个全息图值以为该相应像素提供优化全息图值。

5.对于每个像素，组合步骤4中确定的理想R、G和B像素值，以提供平均值。在这一阶段，可以应用“平均偏差”(Ab)来使对某些波长的偏好超过其他波长。这种情况的示例在下式(3)中示出。平均值用于指定公共的R、G和B像素值，包括可以用作单个优化全息图值的灰度级(例如GL0到GL127)，以同时表示所有三个全息图的相应像素。

6.当对每个像素执行了上述步骤时，输出优化多波长全息图。

上述步骤4和/或步骤5中使用的加权/偏置值可以基于例如图像的类型和/或LC单元的类型或厚度，和/或基于任何其他合适的因素而变化。加权/偏差值可以是预定的和/或可以基于一个或多个瞬时条件来计算。

在步骤4，一种选择方法的示例由下式(2)给出，对于每种颜色，应该使用哪个“理想”全息图值:

|(R-G)*RGb|+|(G-B)*GBb|+|(B-R)*BRb| (2)

其中，例如“R”＝对应颜色的“理想”全息图值(之一)的像素值(根据图7的示例，可以表示为灰度级GL0到Gl127)，并且其中，例如“RGb”＝红绿偏置(即表示红色和绿色值的接近程度的重要性/优先级/显著性的因子。)

一旦在步骤4选择了R/G/B值的组合，在步骤5计算平均全息图值的一种方法的示例由下式(3)给出:

其中，例如Rb＝红色偏置，表示相对于其他波长对某些波长的偏好—偏置值为1意味着对相应波长没有偏置。

在上述实施例中，LC单元配置成调制光的相位。因此，光调制值对应于基于相位的全息图的相位值。在其他实施例中，LC单元可以配置成调制光的振幅或者振幅和相位。特别地，本领域技术人员将理解，当光调制值对应于仅振幅全息图的振幅值或完全复合全息图的振幅和相位值时，可以应用相同的原理来确定组合(例如平均)光调制值(具有相应驱动电压的灰度级)。这是因为，类似于上述的“相位缠绕”现象，LC单元可以响应于不同的驱动电压来提供基本相同水平的光的振幅/振幅和相位调制。例如英国专利2576552描述了LC单元的复合调制行为。特别地，对于单一波长的光，作为电压函数的复合平面中的振幅和相位的特征曲线描绘出螺旋路径。因此，螺旋路径的相应相邻重叠/同心螺旋部分上的两个或更多个离散光调制等级(具有相应驱动电压的灰度等级)可用于传递彼此基本相同的振幅和相位调制。在LC单元的振幅调制行为方面可以观察到类似的效果。因此，如本文所述，通过利用这些效应，有可能计算代表不同波长/颜色的两个或更多个振幅、相位或复合全息图的单个多波长全息图。

本发明人已经发现，如本文所述计算的多波长全息图可以为多个单独的彩色全息图提供高质量的近似。这在本文的图8和9中示出。

图8示出了使用标准Gerchberg-Saxton(GS)算法获得的结果，该算法包括两种已知的“优化”技术的耦合，用于计算目标图像的单独R、G和B全息图，分别显示和照射每个全息图，相应的全息重建(即(重放)图像)在重放平面上组合以形成多色图像。左上图像801是来自优化GS全息图的RGB重建的多色图像。右上图像802是单独的红色重建。左下图像802是单独的绿色重建，右下图像804是单独的蓝色重建。

图9示出了使用本发明的多波长全息图获得的相应结果。按照上述步骤3至6，对图8的相同优化GS全息图进行额外处理，包括“选择偏置”(Sb)和“平均偏置”(Ab)，以形成根据本公开的优化多波长全息图(或“多波长相息图”(MWK))。左上图像901是来自优化多波长全息图的RGB重建的多色图像。右上图像902是使用在所公开方法的步骤4选择的红色值的单独红色重建。左下图像902是使用在所公开方法的步骤4选择的绿色值的单独绿色重建，且右下图像904是使用在所公开方法的步骤4选择的蓝色值的单独蓝色重建。

全息重建的“质量”可以用两种方法量化:对比度和均方误差“MSE”。通过在白色区域(255,255,255)和黑色区域(0,0,0)上指定一个25×25像素大小的方形，并在减去以计算对比度值之前测量每个区域的平均灰度值，来测量对比度。对比度越高，重放场/全息图像就越接近原始目标图像。均方误差(MSE)通过从原始图像获得重建图像的逐像素强度差来测量。MSE越低，原始图像就越真实，在这种情况下，原始/源图像被用作对照图像，与重建图像进行比较。

表1:

图	对比度	MSE
			8(现有技术)	145	0
9(本公开)	129	0.082

上面的表1示出了本文中图8和9的图像的对比度和MSE结果。MSE值几乎没有差别，对比度值也非常相似。因此，由本文公开的多波长全息图产生的图像质量与由常规全息术产生的图像质量相当，但是没有那些常规技术所涉及的在诸如系统体积、财务成本和控制复杂性等因素方面的牺牲、妥协和困难。因此，本文公开的方法和系统相对于常规全息术包括非常显著的改进，并且提供了更紧凑、更有效和成本有效地提供多色全息术的潜力，因此与目前使用常规全息术的情况相比，提供了更广泛的应用范围，并且更容易获得。

虽然图8和9中的示例图像具有在空间上彼此分离的红、绿和蓝分量，具有不同的相应图像内容，但是该示例纯粹是说明性的，不应被视为限制性的。这里公开的方法可以针对任何目标图像来实现，包括单独的颜色重建具有共同的或重叠的图像内容的目标图像，和/或单独的颜色重建在重放平面上部分或完全空间重叠的目标图像。此外，本文公开的方法可以应用于任何种类的单独波长全息图，包括那些配置成在适当显示和照射时在不同的相应重放平面上提供多个图像的全息图。因此，如本文所述计算的多波长全息图也可以是多图像。

尽管在上述示例中已经组合了三个全息图，但这不应被认为是限制性的。所公开的方法适用于组合任意多个全息图(即组合两个或更多个全息图)。此外，虽然上述示例涉及R、G、B全息图，但是所公开的方法可以应用于配置为由任何选定的单独波长的光照射的全息图。

附加特征

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，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，提供的交通工具包括安装在交通工具中的全息投影系统，以提供HUD。交通工具可以是机动车辆，例如汽车、卡车、厢式货车、运货卡车、摩托车、火车、飞机、小舟或轮船。

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。在示例中，指令可以由用于执行全息图计算的处理器(例如全息图引擎)执行，或者由用于驱动显示设备的处理器(例如电压选择单元或显示驱动器)执行。术语“处理器”可以包括微控制器、FPGA、ASIC或适合于这里描述的图像处理的任何其他类型的硬件部件。

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)

1.一种投影仪，其布置成使用一个多波长全息图来投影第一图像和第二图像，该投影仪包括用于显示多波长全息图的显示设备，其中第一图像不同于第二图像，并且其中多波长全息图布置成由第一波长的光照射以投影第一图像，并且其中多波长全息图还布置成由第二更短波长的光照射以投影第二图像。

2.根据权利要求1所述的投影仪，其中，所述第一和第二图像被投影到共同重放平面上。

3.根据权利要求1或2所述的投影仪，其中，所述显示设备包括多个像素，其中，每个像素可配置为在电压驱动电平的相应第一操作范围内，在所述第一波长下提供范围在0至2π内的相位调制值，并且其中显示设备配置为使用预定最大数量的离散相位调制电平为多波长全息图提供相位调制；所述投影仪还包括显示驱动器，其配置为在等于或超过电压驱动电平的所述第一操作范围的电压范围上分布离散相位调制电平，可选地，其中显示设备的每个像素还可配置为在电压驱动电平的相应第二操作范围内，在所述第二波长下提供0至2π范围内的相位调制值，并且其中投影仪配置为将一个或多个像素驱动到超过电压驱动电平的第二操作范围内的最大电压的电压。

4.根据权利要求1或2所述的投影仪，其中，所述投影仪布置成用所述第一波长的光照射所述多波长全息图以形成所述第一图像，用所述第二波长的光照射多波长全息图以形成所述第二图像，可选地，其中投影仪布置成基本同时用第一波长的光和第二波长的光照射多波长全息图。

5.根据权利要求1或2所述的投影仪，其中，所述多波长全息图包括第一全息图和第二全息图中的每个的表示，所述第一全息图包括对应于所述第一图像的第一组全息图像素值，所述第二全息图包括对应于所述第二图像的第二组全息图像素值。

6.根据权利要求5所述的投影仪，其中，所述多波长全息图的每个像素包括组合全息图像素值，所述组合全息图像素值分别由所述第一全息图和所述第二全息图的相应第一和第二全息图像素值确定，可选地，其中:

每个组合全息图像素值包括分别由第一全息图和第二全息图的相应第一和第二全息图像素值确定的平均值，或者

第一全息图像素值和第二全息图像素值中的至少一个具有应用于其上的相应权重，用于确定组合全息图像素值。

7.根据权利要求1或2所述的投影仪，还包括处理器，其布置成为所述显示设备的选定像素获得用于所述第一全息图的至少第一像素驱动电平和获得用于所述第二全息图的至少第二像素驱动电平，并基于第一和第二像素驱动电平确定用于显示设备的该像素的多波长像素驱动电平，可选地，其中，基于用于第一全息图的第一像素驱动电平和用于第二全息图的第二像素驱动电平之间的最佳拟合来确定多波长像素驱动电平。

8.根据权利要求7所述的投影仪，其中，所述处理器布置成为所述显示设备的选定像素获得用于所述第二全息图的多个第二像素驱动电平，其中所述多个第二像素驱动电平中的每个对应于所述第二全息图的相同光调制电平，并基于所述第一像素驱动电平和所述多个第二像素驱动电平中的选定一个来确定多波长像素驱动电平。

9.根据权利要求8所述的投影仪，其中，所述处理器还布置成为所述显示设备的选定像素获得用于所述第一全息图的多个第一像素驱动电平，其中所述多个第一像素驱动电平中的每个对应于用于第一全息图的相同光调制电平，并且基于多个第一像素驱动电平中的选定一个和多个第二像素驱动电平中的选定一个来确定多波长像素驱动电平，可选地，其中确定多波长像素驱动电平的步骤包括识别最佳匹配对像素驱动电平，其中该对包括来自多个第一像素驱动电平中的一个和来自多个第二像素驱动电平中的一个。

10.根据权利要求1或2所述的投影仪，其布置成使用一个多波长全息图来投影第一图像、第二图像和第三图像，其中所述第一、第二和第三图像中的每个是不同的，并且其中多波长全息图布置成由第一波长的光照射以投影第一图像，并且还布置成由第二更短波长的光照射以投影第二图像，并且还布置成由第三最短波长的光照射以投影第三图像，可选地，其中第一、第二和第三波长的光分别包括红光、绿光和蓝光。

11.一种确定多波长全息图的方法，所述多波长全息图配置成当其被显示在像素化显示设备上时投影第一图像和第二图像，并且被第一波长的光照射以投影第一图像，被第二更短波长的光照射以投影第二图像，其中第一图像不同于第二图像；该方法包括:

i)获得第一全息图，包括对应于第一图像的第一组全息图像素值；

ii)获得第二全息图，包括对应于第二图像的第二组全息图像素值；

iii)确定电压驱动电平的第一操作范围，其中当在第一操作范围内被驱动时，显示设备的每个像素可配置成提供第一波长下的全范围光调制值中的光调制值；

iv)确定显示设备的离散光调制电平的最大数量，并将这些离散光调制电平分布在等于或超过电压驱动电平的所述第一操作范围的电压范围上；

v)使用分布式离散光调制电平来分别表示第一全息图和第二全息图中的每个，并输出对应的第一全息图的第一组像素驱动电平和第二全息图的第二组像素驱动电平；

vi)对于多波长全息图的每个像素，从第一组像素驱动电平中选择第一驱动电平，以表示第一全息图的对应像素，并且从第二组像素驱动电平中选择第二驱动电平，以表示第二全息图的对应像素，并且基于所选择的第一和第二驱动电平输出该像素的多波长驱动电平；

vii)使用每个像素的多波长驱动电平输出来形成多波长全息图。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，在步骤vi)中，所选择的第一驱动电平和所选择的第二驱动电平在幅度上彼此接近，可选地，其中它们在幅度上比包括来自所述第一组像素驱动电平的第一驱动电平和来自所述第二组像素驱动电平的第二驱动电平的任何其他可能对驱动电平彼此更接近，可选地，其中步骤vi)还包括从所述第一驱动电平和所述第二驱动电平确定平均驱动电平，并且其中该平均驱动电平作为该像素的多波长驱动电平输出，进一步可选地，其中对所述第一驱动电平和所述第二驱动电平中的至少一个进行加权，以获得平均驱动电平。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述光调制值包括相位调制值，并且在所述第一波长下的相位调制值的全范围是从0到2π。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括在所述显示设备上显示所述多波长全息图，并且可选地，还包括用所述第一波长的光和所述第二波长的光照射显示设备，以投影所述第一和第二图像。

15.一种布置成执行权利要求11或12所述的方法的处理器，可选地包括以下之一:全息图引擎；显示设备驱动器和控制器，或包括指令的计算机可读介质，当由处理器执行时，所述指令执行权利要求11或12所述的方法，或由权利要求11或12所述的方法形成的衍射结构。

16.一种电压选择单元，用于驱动像素化显示设备以显示多波长衍射结构，所述多波长衍射结构配置为表示第一衍射结构和不同的第二衍射结构中的每个，该电压选择单元配置为:

a)确定可以驱动显示设备的第一多个离散电压电平，其中所述第一多个离散电压电平中的每个电平对应于第一衍射结构在其光调制值的全范围内的相应离散光调制值；

b)确定所述第一多个离散电压电平中的每个电平与第二衍射结构在超过其光调制值的全范围的范围内的相应离散光调制值之间的对应关系；

c)使用第一多个离散电压电平，确定用于在显示设备上表示第一衍射结构的第一组像素驱动值和用于在显示设备上表示第二衍射结构的第二组像素驱动值；

d)对于显示设备的每个像素，选择代表第一衍射结构的像素驱动值和第二衍射结构的像素驱动值中的每个的优化像素驱动值。

17.根据权利要求16所述的电压选择单元，其中，所述多波长衍射结构进一步配置为还代表不同的第三衍射结构，其中所述电压选择单元配置为:

在步骤b)，还确定所述第一多个离散电压电平中的每个电平与第三衍射结构在超过其光调制值的全范围的范围内的相应离散光调制值之间的对应关系；

在步骤c)，还使用第一多个离散电压电平确定用于在显示设备上表示第三衍射结构的第三组像素驱动值；以及

在步骤d)，对于显示设备的每个像素，选择表示第一衍射结构的像素驱动值、第二衍射结构的像素驱动值和第三衍射结构的像素驱动值中的每个的优化像素驱动值。

18.根据权利要求17所述的电压选择单元，其中，对于至少一个衍射结构的至少一个像素，存在对应于所述相位调制值的多于一个可能电压电平，并且其中，所述电压选择单元配置为对于所述显示设备的每个这样的像素，识别代表所述第一、第二和第三衍射结构中的每个的一个可能电压电平的最佳拟合电压电平。

19.根据权利要求18所述的电压选择单元，其中，对于存在用于表示所述第一、第二和第三衍射结构的电压电平的多于一种可能组合的每个像素，所述电压选择单元配置为:

确定所有可能对电压电平，其中每对包括一个衍射结构的可能电压电平和相应其他衍射结构之一的对应可能电压电平；

确定每个可能对中的两个电压电平的幅度差；以及

识别该像素的三个可能对的优化组合，表示每个衍射结构和每个相应其他衍射结构之间的电压电平的幅度差，其中优化组合中的对的总幅度差被最小化。

20.根据权利要求19所述的电压选择单元，其中，在所述优化组合中的三对中的至少一对上，向两个衍射结构之间的电压电平的幅度差施加偏置，可选地，其中，电压选择单元还配置为输出代表每个像素的三个可能对的优化组合的电压电平，其中，输出电压电平包括相应像素的优化像素驱动值。