漫射器组件
技术领域
本公开涉及一种用于漫射器(diffuser)的组件。更具体地，本公开涉及漫射器组件以及移动漫射器的方法。一些实施例涉及用于平视显示器的全息投影仪和图片生成单元。
背景技术
从对象散射的光包含幅度和相位信息。可以通过众所周知的干涉技术在例如光敏板上捕获该幅度和相位信息，以形成包括干涉条纹的全息记录或“全息图”。可以通过用适当的光照射来重建全息图，以形成代表原始对象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。可以通过基于诸如菲涅耳或傅立叶变换的数学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对象的傅立叶域/平面表示或对象的频域/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。
可以在布置为调制入射光的幅度和/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，可以使用可电寻址液晶、可光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可单独寻址像素，这些像素也可被称为单元或元件。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)，因此光调制可以在整个设备上是连续的。空间光调制器可以是反射的，这意味着调制的光以反射输出。空间光调制器同样可以是透射的，这意味着调制的光以透射输出。
可以使用本文描述的系统来提供全息投影仪。例如，这种投影仪已经应用于平视显示器“HUD”和头戴式显示器“HMD”，包括近眼设备。
移动漫射器可用于改善设备(比如HUD的图片生成单元)中的图像质量，这些设备使用相干光(比如全息投影仪)来形成图像。本公开描述了一种改进的漫射器组件，其有助于漫射器的运动。
发明内容
本公开的多个方面在所附的独立权利要求中定义。
这里所指的平面内是指在漫射器的平面中—更具体地说是在包含漫射器的平面中。这里所指的平面外是指在漫射器的平面之外—更具体地说是在包含漫射器的平面之外。漫射器是平面的，在x方向上具有长轴(或宽度)，在y方向上具有短轴(或高度)。因此，漫射器的平面是x-y平面。漫射器的表面法线在z方向上。z方向可以是光轴或入射光的方向。
本文涉及相对于漫射器在特定方向上的运动阻力的刚度。本文所述的片簧组件是弹性的—也就是说，当所有力(比如由至少一个致动器提供的力)被移除时，该组件使漫射器返回到中间状态或静置位置。根据本文所述的实施例，平面外刚度相对较高以对沿该方向的运动提供相对高的阻力，因为平面内运动尤其对于使用高相干光比如激光的成像应用比如全息投影是优选的。
本文涉及机械连接。这些机械连接可以是直接连接或间接连接。直接连接是没有中间元件的连接。第一部件和第二部件之间的间接连接是经由第三部件的连接，其中第一部件直接连接至第三部件并且第三部件直接连接至第二部件。在一些实施例中，漫射器容纳在框架中—其可被称为内框架—漫射器和片簧之间的机械连接是经由内框架的间接连接。在这些实施例中，内壳体是漫射器(第一部件)和片簧(第二部件)之间的间接连接的第三部件。
本文描述了一种漫射器组件，其包括漫射器和至少一个致动器。漫射器由至少一个片簧支撑。也可以说漫射器被片簧悬置。也可以说漫射器是浮动的。该组件布置成提供平面内刚度和平面外刚度。平面外刚度大于平面内刚度。至少一个致动器布置成提供漫射器的平面内平移。平面外刚度可被认为很高—尤其是与平面内刚度相比。
片簧在漫射器的平面中提供第一刚度和垂直于漫射器的平面的第二刚度。第二刚度大于第一刚度。提供漫射器的平面内平移，而不改变漫射器的定向—例如漫射器不自旋或绕z轴旋转。片簧是细长的，比如长薄条带。片簧弯曲四次以形成具有四个角部的矩形框架。矩形的完整不是必须的—也就是说，片簧条带的两端连接不是必须的。因此，矩形框架可以在条带的两端之间包括间隙，或者在条带的两端重叠。矩形框架可沿其长度包括多个间隙或缺口。在一些实施例中，矩形框架的每一侧包括间隙或缺口，使得矩形框架是四个单独的角部件，每个具有L形。
本文描述了一种漫射器组件，其包括片簧、漫射器以及至少一个致动器。片簧布置成具有宽度和高度的矩形框架。漫射器由框架悬置，比如在框架内。至少一个致动器布置成移动比如平移漫射器。该组件布置成使得片簧提供的平面内(x-y平面)刚度kx和ky小于平面外(z方向)刚度kz。
在z方向上的高刚度阻止在z方向上的运动，使得在漫射器的运动期间形成在漫射器表面上的任何图像(例如全息重建)保持聚焦。漫射器的x-y平面中相对较低的刚度允许漫射器在x-y平面中移动，以减少在漫射器表面上使用激光形成的任何图像中的激光斑点。漫射器组件的动力学使得电动机基本自同步，从而无需复杂的控制方法即可对它们的振动进行有益地干涉。该系统以基本上安静的方式布置。该组件在激光系统中是理想的，以减轻斑点，但在其他HUD技术中也可以应用，以减轻所谓的颗粒伪影。
框架的每一侧可具有至少一个枢转点，框架可围绕该枢转点在一个方向上弯曲。枢转点是片簧保持刚性(即无法移动)的点或区域。枢转点允许片簧在x方向和y方向上弯曲，同时提供机械固定，从而在运动过程中保持漫射器的定向。
片簧在宽度方向上可弯曲或变弯(绕枢转点)的总长度等于片簧在高度方向上可弯曲或变弯(绕枢转点)的总长度。可以说，在x方向上的悬臂的总长度等于在y方向上的悬臂的总长度(当片簧处于静置/未偏转状态时)。因此，片簧结构的刚度在x和y方向上相等，这意味着漫射器的运动是对称的—例如圆形而不是椭圆形。圆形运动是优选的，因为这意味着运动的速度是恒定的—即没有减速的加速度。
为了获得相等的x和y位移(以便划出圆形路径)，在x方向上的刚度与在y方向上的刚度相同。在实施例中，这通过具有均匀的弹簧部分和距枢转点在x方向和y方向上相等的长度来实现。在其他实施例中，使用不同的x和y长度以及相应的刚度差，以提供相同的x和y位移。
漫射器组件还可以包括布置成支撑片簧的支撑结构。因此，组件的平均位置随时间不变化。支撑结构和片簧之间的机械连接可以形成两个枢转点。
每个枢转点可以通过片簧与漫射器之间或者片簧与支撑结构之间的机械连接形成。片簧和漫射器之间的相等且相反的机械连接可以设置在片簧的一对相反侧(例如顶侧和底侧)上。片簧和支撑结构之间的相等和相反的机械连接可以设置在片簧的另一对相对侧(例如左侧和右侧)上。均匀安装改善漫射器运动的对称性。
机械连接使得漫射器的定向是基本固定的。在实施例中，漫射器在x和y方向上具有不同的漫射角(angle of diffusion)。通过在运动过程中保持漫射器的定向，保持在两个正交方向上具有不同漫射角的好处。
枢转点可以是相等的并且相反。每个枢转点可在片簧的相反侧上具有对应的枢转点。枢转点或多个枢转点可将片簧的每一侧分成相等长度的部分。因此，在x和y方向上提供了相等的刚度。
片簧可以是具有最小尺寸的材料薄条带。平面外方向可以垂直于片簧的最小尺寸。更具体地，平面外方向垂直于沿着片簧的整个长度或在矩形框架周围的所有点处的最小尺寸。这在z方向上提供了高刚度。
安装漫射器的弹簧设计成使其在平行于漫射器平面的两个正交方向(x和y)上具有相对较低的刚度。在垂直于漫射器的其余正交方向(z)上具有很高的刚度。在一些实施例中，这通过所描述的薄与厚尺寸来实现。然而，可以通过其他方式实现所需的功能。例如，“I”形梁是大致方形截面—然而，它在一个方向上比在另一个方向上要硬得多。
片簧可以由弹簧钢制成，并且片簧的最短尺寸可以小于0.5mm，比如小于0.25mm或小于0.1mm。可替代地，片簧可以由塑料制成，并且片簧的最短尺寸可以小于3mm，比如小于2mm或小于1mm。
漫射器和片簧可以是基本上平面的。因此，实现了运动和紧凑性的改善的对称性。
组件可以使得漫射器的运动是基本平面内的。因此，不会浪费能量，并且避免在漫射器上形成的任何图像的散焦。
漫射器的平面内运动优选地是基本圆形运动，从而运动的速度是恒定的。这是由于枢转点和至少一个致动器的布置之间的对称性。漫射器在不旋转的情况下沿基本圆形轨道平移。
至少一个致动器可以是附接到漫射器中间的单个致动器。可替代地，至少一个致动器可以是附接到漫射器的一侧的第一致动器和附接到漫射器的另一例如相对侧的第二致动器。
至少一个致动可以是附接到漫射器的第一侧的第一致动器和附接到漫射器的另一侧(比如漫射器的相邻侧)的第二致动器。例如，这可以在致动器是电磁致动时实现。
至少一个致动器可以是电动机，其具有附接到漫射器的定子和附接到旋转偏心负载的转子。可替代地，至少一个致动器可以是比电动机安静的磁性致动器。值得注意的是，偏心旋转负载提供了相等的x方向和y方向激励力。
漫射器可以安装在内框架内，并且片簧、内框架和支撑结构是一体的，比如模制塑料。片簧、内框架和支撑结构可以通过注射成型一步形成。内框架、漫射器、弹簧和支撑结构各自具有特定的机械或光学功能，但这并不将它们限制为单独的离散物理零件。
本文还描述了一种漫射器组件，包括：安装在内框架内的漫射器；布置成接纳内框架的外框架；以及布置成将内框架悬置在外框架内的片簧，其中片簧围绕外框架的内表面延伸。片簧可以是挠性材料的薄条带，比如弹簧钢或塑料。片簧可以至少部分地夹在内框架和外框架之间。
漫射器组件可具有小于32g的低质量，比如小于16g或小于8g或小于4g。
可以提供包括漫射器组件的全息投影仪和/或包括全息投影仪的平视显示器。
术语“全息图”用于指代包含关于对象的幅度信息或相位信息或其某种组合的记录。术语“全息重建”用于指代对象的通过照射全息图而形成的光学重建。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要重放场，因为它是最亮的重放场。除非另有明确说明，否则术语“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”指的是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级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级的阵列。
已经发现，可以由仅包含与原始对象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图重建。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幅度全息图。
本公开也同样适用于使用与原始对象的傅立叶变换有关的幅度和相位信息来形成全息重建。在一些实施例中，这是通过使用所谓的全复合全息图的复合调制来实现的，该全息图包含与原始对象有关的幅度和相位信息。这种全息图可被称为全复合全息图，因为分配给全息图的每个像素的值(灰度级)具有幅度和相位分量。分配给每个像素的值(灰度级)可以表示为具有幅度和相位分量的复合。在一些实施例中，计算全复合计算机生成的全息图。
可以参考相位值、相位分量、相位信息，或者简单地参考计算机生成的全息图或空间光调制器的像素的相位，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的范围内)。例如，空间光调制器的描述为具有相位值π/2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级。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级，即使不同的相位级不提供不同的灰色阴影。术语“灰度级”也可以为了方便起见而用于指代复合调制器中的多个可用的复合调制级。
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合调制值阵列。全息图也被认为是衍射图案，因为它是当显示在空间光调制器上并被波长等于或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)组合进行参考。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图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组合相结合。也就是说，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
仅参考以下附图通过示例描述特定实施例：
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类型算法的第二和后续迭代；
图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的替代第二和后续迭代；
图3是反射LCOS SLM的示意图；
图4示出了根据实施例的漫射器组件；以及
图5是根据实施例的漫射器组件的不同视图。
在整个附图中将使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。
具体实施方式
本发明不限于以下描述的实施例，而是扩展到所附权利要求的全部范围。即，本发明可以不同的形式体现，并且不应解释为限于所描述的实施例，其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合形式。
描述为形成在另一结构的上部/下部或在另一结构之上/之下的结构应解释为包括结构彼此接触的情况以及此外在其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—本公开应当被认为包括连续和非连续事件，除非另有说明。例如，应使描述包括不连续的情况，除非使用诸如“仅”、“立即”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。这些术语仅用于将各元件区分开。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象的傅立叶变换用于重建。因此可以说，全息图是对象的傅立叶域或频域或光谱域表示。在该实施例中，空间光调制器是硅上的反射液晶“LCOS”设备。全息图被编码在空间光调制器上，并且在重放场例如诸如屏幕或漫射器的光接收表面处形成全息重建。
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。准直透镜使大体上平面的光波前入射到SLM上。在图1中，波前的方向是偏离法线的(例如与实际正交于透明层的平面相距两或三度)。然而，在其他实施例中，大体上平面的波前以法向入射提供，并且分束器装置用于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，其聚焦在屏幕125上。更具体地，傅立叶变换透镜120从SLM140接收一束调制光，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，在该类型的全息图中，全息图的每个像素有助于整个重建。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(聚焦)功率确定。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地进行的。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。通过将重放平面中的期望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)中的仅幅度信息来计算傅立叶域中的全息图(即傅立叶变换全息图)。从空间域中的仅幅度信息有效地“恢复”与对象有关的相位信息。在一些实施例中，使用Gerchberg-Saxton算法或其变型从仅幅度信息计算计算机生成的全息图。
Gerchberg-Saxton算法考虑了已知分别在平面A和B中的光束的强度横截面IA(x,y)和IB(x,y)且IA(x,y)和IB(x,y)通过单个傅立叶变换关联时的情况。对于给定的强度横截面，分别求出了在平面A和B中的相位分布的近似ΨA(x,y)和ΨB(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程来找到该问题的解决方案。更具体地，Gerchberg-Saxton算法迭代地应用空间和光谱约束，同时在空间域和傅立叶(光谱或频率)域之间重复传输代表IA(x,y)和IB(x,y)的数据集(幅度和相位)。通过算法的至少一次迭代获得光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。全息图可以是仅幅度全息图、仅相位全息图或全复合全息图。
在一些实施例中，使用基于比如在英国专利2498170或2501112中描述的Gerchberg-Saxton算法的算法来计算仅相位全息图，其全部内容通过引用合并于此。然而，本文公开的实施例仅通过示例描述计算仅相位全息图。在这些实施例中，Gerchberg-Saxton算法获取数据集的傅立叶变换的相位信息Ψ[u,v]，其产生已知的幅度信息T[x,y]，其中幅度信息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的数据集的准确性的有用信息。因此，该算法可以与对幅度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合全息图。全复合全息图是具有幅度分量和相位分量的全息图。全息图是包括复合数据值阵列的数据集(例如2D阵列)，其中每个复合数据值包括幅度分量和相位分量。
在一些实施例中，算法处理复合数据，并且傅立叶变换是复合傅立叶变换。可以将复合数据视为包括(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，复合数据的两个分量在算法的多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。该算法的输入是包括像素或数据值2D阵列的输入图像210，其中每个像素或数据值是幅度或大小值。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可被视为仅幅度分布或仅大小分布或仅强度分布。这样的输入图像210的示例是包括帧的时间序列的照片或视频的一帧。该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，以形成起始复合数据集，其中该数据集中的每个数据元素包括幅度和相位。可以说，起始复合数据集代表了空间域中的输入图像。
第一处理块250接收起始复合数据集并执行复合傅立叶变换以形成傅立叶变换的复合数据集。第二处理块253接收傅立叶变换的复合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量化每个相位值并且将每个幅度值设置为1以便形成全息图280A。根据可以在将用于“显示”仅相位全息图的空间光调制器的像素上表示的相位级来量化每个相位值。例如，如果空间光调制器的每个像素提供256个不同的相位级，则将全息图的每个相位值量化为256个可能的相位级中的一个相位级。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是全复合全息图，其包括从接收的傅立叶变换的复合数据集导出的复合数据值(每个包括幅度分量和相位分量)阵列。在一些实施例中，第二处理块253将每个复合数据值约束到多个可允许的复合调制级之一以形成全息图280A。约束步骤可以包括将每个复合数据值设置为复合平面中最接近的可允许复合调制级。可以说，全息图280A在光谱或傅立叶或频域中代表输入图像。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，跟随图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须的)。
第三处理块256从第二处理块253接收修改的复合数据集，并且执行逆傅立叶变换以形成逆傅立叶变换的复合数据集。可以说，逆傅立叶变换的复合数据集代表了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合数据集，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合数据集的幅度值211A的分布与输入图像510进行比较，该输入图像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的足够准确的表示。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合数据集的相位值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。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合数据集。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合数据集。
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形成的复合数据集，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，仅当需要第四处理块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，在实践中，通常会达到没有观察到可测量的改进或者执行进一步迭代的积极好处被额外处理时间的负面影响所抵消的点。因此，该算法被描述为迭代和收敛的。
图2C表示第二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。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，将该差异缩放增益因子α，并从输入图像210中减去缩放的差异。通过以下等式在数学上表示，其中下标文本和数字表示迭代次数：
Rn+1[x,y]＝F'{exp(iψn[u,v])}
ψn[u,v]＝∠F{η·exp(i∠Rn[x,y])}
η＝T[x,y]-α(Rn[x,y]|-T[x,y])
其中：
F'是逆傅立叶变换；
F是正向傅立叶变换；
R[x,y]是由第三处理块256输出的复合数据集；
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尺寸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。
图2C的实施例在所有其他方面与图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对象的全息图数据和表示透镜的透镜数据。当在空间光调制器上显示并用光照射时，透镜数据模拟物理透镜—也就是说，它以与相应的物理光学器件相同的方式使光聚焦。因此，透镜数据提供了光学或聚焦焦度。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，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仅相位透镜。例如，在凸透镜的中心处的光学路径长度大于在透镜的边缘处的光学路径长度。仅幅度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。在进一步实施例中，全息图可以相同的方式与光栅数据组合—即布置为执行光栅功能(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建模来形成仅相位光栅。仅幅度光栅可以简单地与仅幅度全息图叠加以提供全息重建的角度转向。提供透镜和/或转向的第二数据可被称为光处理功能或光处理图案，以与全息图数据区分开，全息图数据可被称为图像形成功能或图像形成图案。
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，通过软件透镜提供有助于傅立叶变换的一些光学焦度(optical power)，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学焦度。
在一些实施例中，提供了实时引擎，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存储库。
实施例仅通过示例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。
仅通过受益于本发明的漫射器组件的一类型图像生成单元的示例来描述全息投影仪。为了避免疑问，本公开的漫射器组件可以与使用相干光在漫射屏幕上形成图像的任何显示设备一起使用。
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。如果全息图是全复合全息图，则可以使用调制相位和幅度的空间光调制器，或者可以使用调制相位的第一空间光调制器和调制幅度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，空间光调制器是液晶设备，其中光学活性成分是液晶。每个液晶单元配置为选择性地提供多个光调制级。即，每个液晶单元在任何时候配置为以从多个可能的光调制级中选择的一个光调制级进行操作。每个液晶单元可动态地从多个光调制级重新配置为不同的光调制级。在一些实施例中，空间光调制器是硅上反射液晶(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设备在小孔径(例如几厘米的宽度)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LCOSSLM的小孔径比其他液晶设备的大孔径要容易得多。LCOS设备通常是反射的，这意味着驱动LCOS SLM的像素的电路可以埋在反射表面下。结果导致更高的开口率。换句话说，像素紧密堆积，意味着像素之间几乎没有死角。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，其优点是像素在光学上是平坦的。这对于相位调制设备特别重要。
下面参考图3仅以示例描述合适的LCOS SLM。使用单晶硅衬底302形成LCOS设备。其具有方形平面铝电极301的2D阵列，电极由间隙301a间隔开，其布置在衬底的上表面上。可以通过掩埋在衬底302中的电路302a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设置在例如玻璃的平面透明层306上。例如ITO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有效的总像素的百分比。通过控制相对于透明电极307施加到每个电极301的电压，可以改变各个相位调制元件的液晶材料的特性，从而为入射在其上的光提供可变延迟。效果是向波前提供纯相位调制，即不发生幅度效果。
所描述的LCOS SLM以反射输出空间调制的光。反射型LCOS SLM具有的优点是信号线、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点是，液晶层的厚度可以是使用透射型设备时所需厚度的一半。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，使用透射型LCOS SLM可以同样地实现本公开的教导。
片簧组件
基于激光的图像形成系统可以使用漫射器，但可能遭受斑点的不利影响。这可以通过移动漫射器以使得斑点不再可见而减轻。移动漫射器以减轻斑点而不引入其他副作用是具有挑战性的。在某些应用中，这是通过旋转漫射器来实现的，具有的优点是以非常简单的方式减轻斑点而不产生明显噪声。然而，旋转漫射器可能需要很大，因为图像通常是矩形的并且旋转中心不能用于图像(由于运动不足或驱动系统的存在)。旋转漫射器还因为以下原因是不利的：它阻止使用具有不同的x方向和y方向扩散角(由于闪烁)的漫射器，因此包括光学效率。
总之，本文公开了一种附接至矩形“片簧”的漫射器，其提供了简单但非常有效且坚固的装置，以椭圆形—或优选为圆形—运动(X，Y)移动漫射器，同时保持高度的平面外稳定性。
图4示出了本公开的实施例。关键部件是漫射器400、内框架410、片簧420(以阴影线突出显示)和外框架430。可以省略内框架。外框架430是片簧420的支撑结构的示例。可以使用支撑结构的其他构造。片簧420成形为形成矩形框架。片簧具有顶侧、底侧、右侧和左侧。漫射器400被片簧420有效地悬挂。顶侧和底侧连接到内框架410。右侧和左侧连接到外框架430。片簧420固定地连接到内框架410或外框架430以形成多个固定点，其在此称为枢转点，因为片簧420可围绕每个枢转点悬置或弯曲。图4示出了六个枢转点P1-P6，但是可以使用任何数量的枢转点，只要片簧420可以在漫射器400的平面中沿两个正交方向同等地悬置即可。有技术的读者将理解，虽然枢转点P3和P6示出为单个枢转点，但它们每个都更好地表征为两个枢转点—每个末端一个。
图5示出了漫射器组件的简化图。枢转点的位置(即与片簧的刚性连接)使得漫射器周围的悬臂距离a和b相等。这种对称性提供了相等的位移，从而提供了漫射器的圆形运动。圆形运动是有利的，因为它维持运动的速度—即在振荡过程中没有减速或加速。图5示出了对称地安装在漫射器侧面的两个致动器。在该实施例中，每个致动器是电动机，其具有连接至内框架410的定子440和偏心地附接至负载的转子。偏心负载的旋转在定子上施加使内框架410且因此漫射器400移动的力。由于组件的对称性，漫射器上的x和y力相等，并且漫射器在圆轨迹上振荡。该组件在z方向上提供了高刚度，这防止漫射器移出其平面。图5示出了由偏心安装的负载的旋转引起的片簧的x偏转500和y偏转510。图5示出了由悬臂距离a和b提供的对称性。在一些实施例中，a＝b。
在其他实施例中，致动器可以使用电磁来在漫射器上施加x和y力。在其他实施例中，仅使用一个致动器。单个致动器可以例如安装在漫射器的中间。值得注意的是，在其他实施例中，省略了内框架，并且漫射器如上所述直接连接至其他部件。值得注意的是，在其他实施例中，矩形框架包括四个单独的L形元件，每个形成总体框架类型构造的一个角部。片簧可以由具有刚度的任何材料形成，比如弹簧钢或塑料。在一示例中，电动机频率为25Hz，弹簧钢片簧的厚度为0.2mm，a＝b＝30mm，测量的x位移为3.7mm。在此示例中，观察到最小的z位移并提供了出色的斑点减轻。发现该示例组件比有利于漫射器运动的其他构造要安静得多。
根据本公开，漫射器尺寸可以与图像尺寸相似(即基本相等)，从而可以改进封装。在多图像系统中，针对每个图像优化的不同漫射器材料可用于同一移动框架，从而在不增加封装的情况下提高光学效率。另外，它允许漫射器位于不同的平面中，例如，这在HUD中具有其他好处。当漫射器框架“悬浮”时，可以最小的噪声水平实现运动(与其机械或磁性致动方式无关)。通过二维连续运动(这优于其他非旋转解决方案)，提供了沿光轴(z)的刚度，同时允许在图像平面(x-y)上运动。
附加特征
在一些实施例中，光源是激光，比如激光二极管。漫射器可以更一般地称为屏幕或光实现表面。
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促使该机器全部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(例如数据量)。在一些示例实施例中，用于执行的指令可以由载体介质传达。这样的载体介质的示例包括瞬态介质(例如传达指令的传播信号)。
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。
