全息投影仪
技术领域
本公开涉及投影仪。更具体地，本公开涉及全息投影仪和全息投影系统。一些实施例涉及平视显示器和头戴式显示器。一些实施例涉及减小全息重放(replay)场中图像光斑(spot)的大小的方法，并且一些实施例涉及增加全息重放场中分辨率的方法。
背景技术
从对象(object)散射出的光包含振幅和相位信息两者。该振幅和相位信息可以通过公知的干涉技术在例如感光板上捕获，以形成包括干涉条纹的全息记录或“全息图”。全息图可以通过用合适的光照射来重建，以形成表示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(holography)可以数值上模拟干涉过程。计算机生成的全息图(computer-generated hologram，CGH)可以通过基于数学变换(诸如菲涅耳(Fresnel)变换或傅立叶(Fourier)变换)的技术来计算。这些类型的全息图可以被称为菲涅耳全息图或傅立叶全息图。傅立叶全息图可以被认为是对象的傅立叶域表示或对象的频域表示。例如，CGH也可以通过相干射线跟踪或点云技术来计算。
CGH可以在空间光调制器(spatial light modulator，SLM)上被编码，该空间光调制器被布置为调制入射光的振幅和/或相位。例如，光调制可以使用电可寻址液晶、光可寻址液晶或微镜来实现。
SLM可以包括多个可单独寻址的像素，这些像素也可以被称为单元或元素。光调制方案可以是二进制、多级或连续的。可替代地，设备可以是连续的(即，不由像素构成的)，并且因此光调制在整个设备上可以是连续的。该SLM可以是反射式的意味着调制后的光在反射中从SLM输出。SLM可以同样是透射式的意味着调制后的光在透射中从SLM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。这种投影仪已经被应用于平视显示器(head-up display，HUD)和头戴式显示器(head-mounted display，HMD)，包括例如近眼设备。
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的独立权利要求中被定义。
提供了一种全息投影仪，包括处理引擎、空间光调制器、光源和光接收表面。处理引擎输出定义(或结合)到图像平面的传播距离的计算机生成的衍射图案。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经空间调制后的光。光接收表面基本上平行于空间光调制器。光接收表面与空间光调制器相距由计算机生成的衍射图案所定义的传播距离。本文广泛提及光接收表面，因为全息重建可以在任何表面上形成。
空间光调制器用准直(collimated)光照射。光学领域的技术人员将熟悉“垂直入射”(normal incidence)的概念。然而，本公开涉及所谓的“离轴照射”(off-axisillumination)。具体地，本公开涉及显示包括全息图的衍射图案的空间光调制器的离轴照射。本文所使用的术语“离轴照射”是指光在空间光调制器上的入射角为非零或大于零的情况。更具体地，入射光与入射点处空间光调制器平面的法线之间的方位角为非零或大于零。因此，可以说本公开涉及空间光调制器的“非垂直入射”。
光接收表面接收来自空间光调制器的经空间调制后的光。没有被空间光调制器所衍射的光(例如，零阶(zero-order)重放场中所谓的DC光斑)沿着空间光调制器的输出路径行进，该输出路径在本文被定义为空间光调制器的“输出光轴”。输出光轴是空间光调制器和光接收表面之间的直线，该输出光轴定义了来自空间光调制器的光的一般传播方向。
在投影中，通常将光接收表面定向为使得光接收表面的法线平行于输出光轴。这通常形成最佳图像—特别是如果图像由图像光斑或像素形成。然而，发明人实际上已经发现，对于全息投影，这种几何形状会导致次优的全息重建，因为对由全息过程形成的图像光斑的大小有不利影响—特别是在全息重放场边缘的图像光斑。发明人在此公开了，在使用空间光调制器的离轴照射的全息投影中，通过趋向于空间光调制器和光接收表面之间的平行，可以减小重放场中全息图像光斑的大小。较小的图像光斑(即，图像像素)在显示设备中是有利的。
计算机生成的衍射图案可以是(i)与软件透镜功能相组合的傅立叶全息图，或者(ii)菲涅耳全息图。在这两种情况下，从空间光调制器到光接收表面的传播路径中不包括物理透镜(或任何具有透镜效应的组件)。可以说，光从空间光调制器到光接收表面的传播是仅通过自由空间的传播。在这两种情况下，可以说从空间光调制器到包含光接收表面的平面的距离完全由所显示的光调制图案确定。更具体地，空间光调制器和光接收表面之间的垂直距离或最短直线距离完全由衍射图案确定。可以认为透镜组件(或对所接收的光提供透镜效应的组件)嵌入或包含在计算机生成的衍射图案中，并且该透镜组件仅确定从空间光调制器到光接收表面的距离。
表示计算机生成的衍射图案的光调制数据被提供给空间光调制器。光调制数据包括数据值的阵列，诸如数据值的2D阵列。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被分配给相应的像素。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的相应光调制数据值相对应的光调制级别(level)下操作。数据值可以是相位延迟值或振幅衰减级别或者两者。
在傅立叶情况下，必要的透镜功能完全由软件使用被添加到傅立叶全息图数据的透镜数据来提供。从空间光调制器到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来确定的，更具体地说，是由该聚焦能力单独确定或完全确定的。传播距离等于软件透镜的焦距。传播距离等于傅里叶路径长度，进而该傅里叶路径长度等于软件透镜的焦距。该方法还可以包括透镜执行傅里叶变换全息图的频率空间变换。在这种情况下，从空间光调制器到光接收表面的距离等于透镜的焦距。
在菲涅耳情况下，传播距离是用于计算全息图的菲涅耳变换中的项。该项确定了从全息图平面到图像平面的距离。即从空间光调制器到光接收表面应该被定位的焦平面的距离。因此，可以说从空间光调制器到光接收表面的距离等于在菲涅耳变换中被编码的传播距离z。
角度可以小于60度，诸如小于45度或小于30度。在仅作为示例描述的实施例中，角度等于或小于20度。在这些情况下，提供了更紧凑的系统。实际上，角度可以作为更大的系统设计的部分被优化。
空间光调制器可以是相位调制器，并且光调制数据可以包括相位延迟数据值的阵列。在傅立叶情况下，与透镜相对应的相位延迟数据可以被容易地计算，并通过无计算要求的缠绕的加法(wrapped addition)与全息图的全息图数据相组合。因此，相位调制方案可能是优选的。
光接收表面可以是漫射式的。例如，光接收表面可以是漫射体(diffuser)。光接收表面可以是移动(诸如旋转或振荡)的。因此，在重放场中没有观察到梯形(keystone)效应或图像拉伸。
空间光调制器可以是硅上液晶空间光调制器，并且空间光调制器用相干光照射。光源可以是激光器，诸如激光二极管。
术语“全息图”用于指包含关于对象的振幅信息或相位信息或者其组合的记录。术语“全息重建”用于指通过照射全息图所形成的对象的光学重建。术语“重放平面”在本文用于指空间中全息重建完全形成的平面。本文所使用的术语“重放场”是指重放平面的子区域，该子区域能够接收来自空间光调制器的经空间调制后的光。术语“图像”、“重放图像”和“图像区域”是指由形成全息重建的光所照射的重放场的区域。在实施例中，“图像”可以包括被称为“图像像素”的离散光斑。
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别的多个控制值的过程。可以说，SLM的像素被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”了全息图。
已经发现，可接受的质量的全息重建可以由仅包含与原始对象相关的相位信息的“全息图”形成。这种全息记录可以被称为纯相位全息图。实施例涉及纯相位全息图，但是本公开同样适用于纯振幅全息图。
本公开还同样适用于使用与原始对象相关的振幅和相位信息来形成全息重建。在一些实施例中，这是通过使用所谓的完全复数(complex)全息图的复数调制(complexmodulation)来实现的，该全息图包含与原始对象相关的振幅和相位信息。这种全息图可以被称为完全复数(fully-complex)全息图，因为被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。被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，计算完全复数计算机生成的全息图。
作为“相位延迟”的缩写，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参考相位。也就是说，所描述的任何相位值实际上都是表示由该像素提供的相位延迟(retardation)量的数字(例如，在0到2π的范围内)。例如，被描述为具有为π/2的相位值的空间光调制器的像素将接收到的光的相位改变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级别。例如，为了方便起见，术语“灰度级”可以用于指纯相位调制器中的多个可用的相位级别，即使不同的相位级别不提供不同的灰度阴影。为了方便起见，术语“灰度级”也可以用于指复数调制器中的多个可用的复数调制级别。
本公开涉及“与具有焦距的透镜相对应的透镜数据”。该措辞用于反映透镜数据模拟或提供透镜(诸如光路中的物理透镜)的功能(即聚焦能力)。透镜数据也被称为软件透镜。优先使用软件透镜而不是任何物理透镜。
尽管不同的实施例和实施例的组可以在下面的详细描述中单独被公开，但是任何实施例或实施例的组的任何特征可以与任何实施例或实施例的组的任何其他特征或特征组合相组合。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
具体实施例仅通过参考以下附图的示例来描述：
图1是示出在屏幕上产生全息重建的反射式SLM的示意图；
图2A示出了示例格赫伯格-萨克斯顿(Gerchberg-Saxton)类型算法的第一迭代；
图2B示出了示例格赫伯格-萨克斯顿类型算法的第二和后续迭代；
图2C示出了示例格赫伯格-萨克斯顿类型算法的可选第二和后续迭代；
图3是反射式LCOS SLM的示意图；
图4A示出了根据本公开的基本光学设置；
图4B是与图4A相对应的示意图；
图5是包括多个场点的重放场的示意图；
图6A、图6B和图6C示出了根据实施例的在重放场处的图像光斑；
图7A、图7B和图7C示出了替代示例中在重放场处的图像光斑；
图8A、图8B和图8C示出了另一替代示例中在重放场处的图像光斑；以及
图9A、图9B和图9C示出了另一替代示例中在重放场处的图像光斑。
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
本发明不限于下面所描述的实施例，而是扩展到所附权利要求的全部范围。也就是说，本发明可以以不同的形式实施，并且不应该被解释为局限于所描述的实施例，所描述的实施例是为了说明的目的而提出的。
被描述为形成在另一个结构的上部/下部或在其他结构之上/之下的结构应该被解释为包括这些结构彼此接触的情况，此外，还包括第三结构被设置在它们之间的情况。
在描述时间关系时—例如，当事件的时间顺序被描述为“之后”、“随后”、“下一个”、“之前”等时—除非另有说明，否则本公开应被视为包括连续和非连续事件。例如，除非使用诸如“刚刚”、“立即”或“直接”等措辞，否则描述应被视为包括不连续的情况。
尽管术语“第一”、“第二”等可以用于描述各种元素，但是这些元素不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元素与另一个元素。例如，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，第一元素可以被称为第二元素，并且类似地，第二元素可以被称为第一元素。
不同实施例的特征可以部分或全部地彼此耦合或组合，并且可以彼此不同地相互操作。一些实施例可以彼此独立地被执行，或者可以以相互依赖的关系被一起执行。
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示例。计算机生成的全息图是用于重建的对象的傅立叶变换。因此，可以说全息图是对象的傅立叶域表示或频域表示或者谱域表示。在该实施例中，空间光调制器是反射式硅上液晶(liquidcrystal on silicon，LCOS)设备。全息图在空间光调制器上被编码，并且全息重建在重放场(例如，诸如屏幕或漫射体的光接收表面)形成。
光源110(例如激光器或激光二极管)被设置为经由准直透镜111照射SLM 140。该准直透镜使得光的一般平面波前(wave-front)被入射到空间光调制器上。在图1中，波前的方向是偏离法线的(例如，偏离与透明层(transparent layer)的平面实际正交的法线两到三度)。然而，在其他实施例中，一般平面波前以垂直入射提供，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，该布置使得来自光源的光被反射离开SLM的镜面后表面，并与光调制层相互作用以形成出射(exit)波前112。出射波前112被应用于包括傅立叶变换透镜120的光学器件，其焦点在屏幕125上。更具体地，傅立叶变换透镜120接收来自SLM140的调制后的光束，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，在这种类型的全息术中，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)以及特定光调制元素(或全息图像素)之间不存在一一对应关系。换句话说，出射光调制层的调制后的光分布在重放场中。
全息重建在空间中的位置由傅里叶变换透镜的屈光度(聚焦能力)确定。在图1中，傅里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执行的。任何透镜都可以充当傅立叶变换透镜，但是透镜的性能将限制其执行的傅立叶变换的准确度。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(positive lens)的傅立叶变换特性在远场中重建图像。傅里叶全息图是通过将重放平面中期望的光场傅里叶变换回透镜平面来计算的。计算机生成的傅立叶全息图可以使用傅立叶变换来计算。
傅立叶变换全息图可以使用诸如格赫伯格-萨克斯顿算法的算法来计算。此外，格赫伯格-萨克斯顿算法可用于从空域中的纯振幅信息(诸如照片)计算傅立叶域中的全息图(即傅立叶变换全息图)。与对象相关的相位信息被有效地从空域中的纯振幅信息中“检索”。在一些实施例中，使用格赫伯格-萨克斯顿算法或其变体、从纯振幅信息计算计算机生成的全息图。
格赫伯格-萨克斯顿算法考虑了当平面A和平面B中的光束的强度截面IA(x,y)和IB(x,y)分别是已知的，并且IA(x,y)和IB(x,y)通过单个傅立叶变换相关时的情况。在给定强度截面的情况下，分别找到平面A和B中的相位分布的近似，ΨA(x,y)和ΨB(x,y)。格赫伯格-萨克斯顿算法通过遵循迭代过程来找到这个问题的解决方案。更具体地，格赫伯格-萨克斯顿算法迭代地应用空间和频谱约束，同时在空域和傅立叶(谱或频)域之间重复传输表示IA(x,y)和IB(x,y)的数据集(振幅和相位)。通过该算法的至少一次迭代，获得谱域中相应的计算机生成全息图。该算法是收敛的，并且被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、纯相位全息图或完全复数全息图。
在一些实施例中，使用基于诸如英国专利2,498,170或2,501,112中所述的格赫伯格-萨克斯顿算法的算法来计算纯相位全息图，这些专利通过引用整体结合与此。然而，本文所公开的实施例仅通过示例描述了计算纯相位全息图。在这些实施例中，格赫伯格-萨克斯顿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]表示目标图像(诸如照片)。由于幅度和相位在傅里叶变换中是本质上组合的，所以变换后的幅度和相位包含关于所计算的数据集的准确度的有用信息。因此，该算法可以与对振幅和相位信息两者的反馈被一起迭代地使用。然而，在这些实施例中，只有相位信息Ψ[u,v]被用作全息图，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，基于格赫伯格-萨克斯顿算法的算法被用于计算完全复数全息图。完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的阵列的数据集(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，该算法处理复数数据，并且傅立叶变换是复数傅立叶变换。复数数据可以被认为包括(i)实部和虚部，或者(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不同阶段被不同地处理。
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迭代。该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可以被认为是纯幅度或纯振幅或纯强度分布。这种输入图像210的示例是照片或包括帧的时间序列的视频的一个帧。该算法的第一迭代以形成步骤202A的数据开始，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，其中该集的每个数据元素包括幅度和相位。可以说，起始复数数据集表示空域中的输入图像。
第一处理块250接收起始复数数据集，并执行复数傅里叶变换以形成傅里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单位值(unity)，以便形成全息图280A。每个相位值根据相位级别而被量化，该相位级别可以表示在空间光调制器的像素上，该空间光调制器将用于“显示”纯相位全息图。例如，如果空间光调制器的每个像素提供256个不同的相位级别，则全息图的每个相位值被量化为256个可能相位级别中的一个相位级别。全息图280A是表示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是完全复数全息图，其包括从接收到的傅立叶变换后的复数数据集导出的复数数据值的阵列(每个包括振幅分量和相位分量)。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的复数调制级别中的一个，以形成全息图280A。进行约束的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的复调制级别。可以说全息图280A表示谱域或傅立叶或频域中的输入图像。在一些实施例中，算法在这一点停止。
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，图2A中虚线箭头之后的步骤是可选的(即，不是对于所有实施例都是必须的)。
第三处理块256从第二处理块253接收修改后的复数数据集，并执行傅里叶逆变换以形成傅里叶逆变换后的复数数据集。可以说，傅里叶逆变换后的复数数据集表示了空域中的输入图像。
第四处理块259接收傅里叶逆变换后的复数数据集，并提取幅度值的分布211A和相位值的分布213A。可选地，第四处理块259评估幅度值的分布211A。具体地，第四处理块259可以将傅立叶逆变换后的复数数据集的幅度值的分布211A与输入图像510(当然，其本身就是幅度值的分布)进行比较。如果幅度值的分布211A和输入图像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，如果幅度值的分布211A和输入图像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，傅立叶逆变换后的复数数据集的相位值的分布213A被忽略。应当理解，可以采用任何数量的不同方法来比较幅度值的分布211A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，则全息图280A被认为是可接受的。如果第四处理块259确定全息图280A不可接受，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，所执行的算法的迭代次数是预定的或预设的或者用户定义的。
图2B表示算法的第二迭代和算法的任何进一步迭代。通过算法的处理块反馈之前迭代的相位值的分布213A。幅度值的分布211A被拒绝，取而代之的是输入图像210的幅度值的分布。在第一迭代中，形成步骤202A的数据通过组合输入图像210的幅度值的分布与随机相位分布230来形成第一复数数据集。然而，在第二和后续迭代中，形成步骤202B的数据包括通过组合(i)来自算法的先前迭代的相位值的分布213A和(ii)输入图像210的幅度值的分布来形成复数数据集。
由形成图2B的步骤202B的数据所形成复数数据集然后以参考图2A所描述的相同方式被处理，以形成第二迭代全息图280B。因此，这里不再重复对该过程的解释。当已经计算了第二迭代全息图280B时，该算法可以停止。然而，可以执行该算法的任何数量的进一步迭代。应当理解，只有当需要第四处理块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一般随着每次迭代而变得更好。然而，在实践中，通常会达到一个点，在这个点上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抵消了。因此，该算法被描述为迭代和收敛的。
图2C表示了第二和后续迭代的替代实施例。通过算法的处理块反馈之前的迭代的相位值的分布213A。幅度值的分布211A被拒绝，取而代之的是幅度值的替代分布。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的分布211导出的。具体地，处理块258从先前迭代的幅度值的分布211中减去输入图像210的幅度值的分布，用增益因子α缩放该差，并从输入图像210中减去缩放后的差。这在数学上由以下等式表示，其中下标文本和数字指示迭代次数：
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'是逆向傅里叶变换；
F是正向傅里叶变换；
R[x,y]是由第三处理块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是幅度值的新分布211B；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，基于传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。
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，纯相位全息图Ψ(u,v)包括频域或傅立叶域中的相位分布。
根据本公开，全息图包括表示透镜的数据以及表示对象的数据。图1所示的物理傅立叶变换透镜120不存在。在计算机生成的全息图的领域中，如何计算表示透镜的全息数据是已知的。表示透镜的全息数据可以被称为软件透镜。例如，由于透镜的折射率和空间变化的光路长度，可以通过计算由透镜的每个点所引起的相位延迟来形成纯相位全息透镜。例如，凸透镜的中心的光路长度大于透镜的边缘的光路长度。纯振幅全息透镜可以由菲涅耳波带片(zone plate)形成。在计算机生成的全息图的领域中，如何组合表示透镜的全息数据与表示对象的全息数据也是已知的，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，透镜数据通过简单加法(诸如简单矢量加法)与全息数据相组合。在进一步的实施例中，全息图可以包括光栅数据—即，被布置为执行光栅的功能(诸如光束操纵)的数据。同样，在计算机生成的全息术的领域中，如何计算这种全息数据并组合其与表示对象的全息数据是已知的。例如，纯相位全息光栅可以通过对由闪耀光栅(blazedgrating)的表面上的每个点所引起的相位延迟进行建模来形成。纯振幅全息光栅可以简单地叠加在表示对象的纯振幅全息图上，以提供纯振幅全息图的角度操纵。
在一些实施例中，提供了一种实时引擎，其被设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的序列的视频。在其他实施例中，全息图是预计算的，存储在计算机存储器中，并根据需要被调出而显示在SLM上的。也就是说，在一些实施例中，提供了预定的全息图的储存库(repository)。
仅作为示例，实施例涉及傅立叶全息术和格赫伯格-萨克斯顿算法。本公开同样地适用于菲涅耳全息术。
光调制
空间光调制器可用于显示计算机生成的全息图。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。如果全息图是完全复数全息图，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素(即像素)是包含液晶的单元。也就是说，在一些实施例中，空间光调制器是液晶设备，其中光学活性(optically-active)分量是液晶。每个液晶单元被配置为选择性地提供多个光调制级别。也就是说，每个液晶单元在任何时候被配置为在从多个可能的光调制级别中选择的一个光调制级别下操作。每个液晶单元可从多个光调制级别中被动态地重新配置到不同的光调制级别。在一些实施例中，空间光调制器是反射式硅上液晶(LCOS)空间光调制器，但是本公开不限于这种类型的空间光调制器。
LCOS设备在小光圈(例如几厘米宽)内提供光调制元素或像素的密集阵列。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。与其他液晶设备的大光圈相比，LCOS SLM的小光圈更容易被充分照射。LCOS设备通常是反射式的，这意味着驱动LCOS SLM的像素的电路可以埋在反射表面之下。这导致更高的光圈比。换句话说，像素紧密堆积意味着像素之间几乎没有死区(dead space)。这是有利的，因为这减少了重放场中的光学噪声。LCOS SLM使用硅背板(backplane)，其具有像素是光学平坦的优点。这对于相位调制设备尤其重要。
下面参考图3，仅通过示例描述合适的LCOS SLM。使用单晶硅基底302形成LCOS设备。其具有由正方形平面铝电极301的2D阵列，这些阵列由间隙301a隔开，被布置在基底的上表面上。电极301中的每一个可以经由埋在基底302中的电路302a来寻址。电极中的每一个形成相应的平面镜。配向(alignment)层303设置在电极的阵列上，并且液晶层304设置在配向层303上。第二配向层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和第二配向层305之间。
正方形电极301中的每一个与透明电极307的包覆(overlying)区域和插入的液晶材料一起定义了可控相位调制元素308(通常被称为像素)。考虑到像素301a之间的空间，有效像素区域或填充因子是光学活性的总像素的百分比。通过相对于透明电极307控制施加到每个电极301的电压，可以改变相应相位调制元素的液晶材料的属性，从而为入射到其上的光提供可变延迟。该效应是为波前提供纯相位调制，即不出现振幅效应。
所描述的LCOS SLM在反射中输出经空间调制后的光。反射式LCOS SLM具有信号线、栅极线和晶体管位于镜面下方的优点，这导致高填充因子(通常大于90％)和高分辨率。使用反射式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式设备时所需厚度的一半。这大大提高了液晶的切换速度(运动视频图像投影的关键优势)。然而，本公开的教导同样可以使用透射式LCOS SLM来实现。
空间光调制器和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(诸如红色、绿色和蓝色通道)并在重放平面重叠单色重放场来提供合成彩色全息重建。每个通道的全息图都是根据该通道的颜色内容定制的。图4A仅通过示例示出了三个光通道。这三个通道基本上是平行的，并且可以共享公共空间光调制器—例如，公共空间光调制器的像素的子集可以被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。三个相应的重放场可以在重放平面重合。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。为简单起见，以下仅参考其中一个光通道的组件。
图4A示出了照射相应的硅上液晶空间光调制器403A的光源401A。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是平面的并且是反射式的，因此经空间调制后的光以与空间光调制器403A的法线相同的角度输出。光接收表面405A接收经空间调制后的光。
图4B示意性地示出了相同的情况。光源401B以与空间光调制器403B的法线成θ的角度照射空间光调制器403B。光接收表面405B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的经空间调制后的光。在实施例中，空间光调制器403B和光接收表面405B平行。也就是说，θ等于α。在所示示例中，θ为20度，但θ可以具有任何非零值。
空间光调制器403A/403B的每个像素显示光调制数据的相应光调制级别。光调制数据包括与用于投影的图像相对应的全息数据。光调制数据还包括与具有光焦度(opticalpower)的透镜相对应的透镜数据。透镜具有焦距。由于透镜数据的聚焦能力，全息重建形成在光接收表面405A/405B的平面上。如上所述，透镜数据可以被称为“软件透镜”，并且是表示物理透镜的数学函数。软件透镜提供与相同屈光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的光学部件形状相对应的相位延迟值的阵列。图像的全息重建形成在光接收表面405A/405B上。透镜可以执行全息图的数学变换—诸如傅立叶变换。应当理解，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域表示，并且软件透镜执行全息图的频率空间变换。
此外，本公开涉及其中θ非零(换句话说，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，通过趋向于空间光调制器和光接收表面之间的平行，可以减小显示在空间光调制器上的全息图的全息重建中的图像光斑的大小。射线跟踪软件已经被用于验证这一发现。发明人发现，在离轴方案中，当空间光调制器和光接收表面平行时，图像光斑的大小是衍射受限的。本文通过示例提供了结果的样本，但是在权利要求的整个范围上已经观察到了所实现的技术效果。特别地，在空间光调制器上所有大于零的可能的入射角(即空间光调制器上的离轴入射角可以是大于零且小于90度的任何角度)上都发现了所观察到的技术效果。
图5是全息重放场501的示意图，并且是为了更好地理解图6至图9而提供的。图5中的重放场501示出了被标记为FP1至FP9的九个所谓的场点，这些场点是重放场中的点。射线跟踪已经被用于确定在倾斜角的范围内的场点FP1到FP9中的每一个处的图像光斑的大小和形状。
图6至图9示出了与图5的九个场点FP1至FP9相对应的九个图像光斑。与场点相对应的图像光斑以从左到右的升序显示。也就是说，在最左边示出FP1处的图像光斑，并且在最右边示出FP9处的图像光斑。
图6至图9中的每一个示出了三个相应行中的三组图像光斑。使用具有450nm的波长的蓝光形成顶组图像光斑(图6A、图7A、图8A和图9A)，使用具有520nm的波长的绿光形成中间组图像光斑(图6B、图7B、图8B和图9B)，并且使用具有650nm的波长的红光形成底组图像光斑(图6C、图7C、图8C和图9C)。对于每个图像光斑所示出的实心圆或点是相应的衍射极限。
在表1所示的情况下，实现了图6至图9所示的结果。表1所示的角度是相对于法线、单位为度的角度。相对角度是SLM相对于光接收表面的角度，并且等于θ和α之间的差。
表1：用于实现图6至图9以及表2至表5的结果的角度
已经测量了每个场点处的图像光斑的大小，并且这些测量值以微米为单位如下示出。表2至表5中的“相对角度”是光接收表面相对于空间光调制器、以度为单位的角度。
为了避免任何疑问，全息重放场中的所有图像光斑都是从相同的计算机生成的衍射图案同时形成的。例如，在九个场点FP1至FP9处的九个图像光斑同时形成。这与光束扫描系统形成对比，在光束扫描系统中，每个图像是逐位形成的。
表2：与图6相对应的图像光斑大小测量(衍射极限为4.287μm)
表3：与图7相对应的图像光斑大小测量(衍射极限为4.141μm)
表4：与图8相对应的图像光斑大小测量(衍射极限为4.027μm)
表5：与图9相对应的图像光斑大小测量(衍射极限为4.284μm)
表2至表5中的结果示出，对于离轴照射，如果空间光调制器和光接收表面平行(即相对角度为零)，则形成较小的图像光斑。较小的图像光斑是优选的，因为它们在全息重放场中提供了更高的分辨率。
附加功能
仅作为示例，实施例涉及电激活的LCOS空间光调制器。例如，本公开的教导同样可以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(诸如任何电激活的SLM、光激活的SLM、数字微镜设备或微机电设备)上实现。
在一些实施例中，光源是激光器，诸如激光二极管。在一些实施例中，光接收表面是漫射体表面或屏幕，诸如漫射体。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，提供了包括安装在车辆中、以提供HUD的全息投影系统的车辆。车辆可以是机动车辆，诸如汽车、卡车、货车、大蓬货车(lorry)、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阶问题的影响，该零阶问题使用像素化空间光调制器的衍射性质的结果。这种零阶光可被视为“噪声”并且包括例如镜面反射光和来自SLM的其他不需要的光。
在傅里叶全息术的示例中，这种“噪声”聚焦在傅里叶透镜的焦点上，导致全息重建的中心处的亮光斑。零阶光可能会被简单地阻挡，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，以仅去除零阶的准直射线。实施例还包括欧洲专利2,030,072中所描述的管理零阶的方法，该专利通过引用整体结合于此。
在一些实施例中，全息图的大小(每个方向上的像素的数量)等于空间光调制器的大小，使得全息图填满空间光调制器。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，全息图的大小小于空间光调制器的大小。在这些其他实施例的一些中，全息图的部分(即，全息图的像素的连续子集)以未使用的像素重复。这种技术可以被称为“拼接(tiling)”，其中空间光调制器的表面区域(surface area)被分为多个“拼片(tile)”，拼片中的每一个表示全息图的至少一个子集。因此，每个拼片的大小小于空间光调制器的大小。
在一些实施例中，实现“拼接”的技术来提高图像质量。具体地，一些实施例实现拼接的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，被写入空间光调制器的全息图案包括至少一个完整的拼片(即，完整的全息图)和拼片的至少一部分(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所定义的整个窗口的第零衍射阶内创建的。优选地，第一阶和随后的阶被移位足够远，以便不与图像重叠，并且使得它们可以使用空间滤光器被阻挡。
在实施例中，全息重建是彩色的。在本文所公开的示例中，使用三个不同颜色的光源和三个相应的SLM来提供复合颜色。这些示例可以被称为空间上分离的颜色(spatially-separated colour，SSC)。在本公开所包含的变体中，每种颜色的不同全息图显示在同一SLM的不同区域上，然后组合以形成合成彩色图像。然而，本领域技术人员将理解，本公开的设备和方法中的至少一些同样适用于提供合成彩色全息图像的其他方法。
这些方法中的一种被称为帧序列彩色(Frame Sequential Colour，FSC)。在示例FSC系统中，使用三种激光(红、绿和蓝)，并且每种激光在单个SLM上被连续发射(fire)，以产生视频的每个帧。颜色是以足够快的速度进行循环的(红、绿、蓝、红、绿、蓝等)，使得人类观察者从由三种激光所形成的图像的组合中看到多色图像。因此每个全息图都是颜色特定的。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、然后发射绿色激光1/75秒、并且最后发射蓝色激光1/75秒来产生。然后产生下一帧，从红色激光开始，依此类推。
FSC方法的优点是对于每种颜色都使用整个SLM。这意味着所产生的三种彩色图像的质量不会受到损害，因为SLM的所有像素都被用于彩色图像中的每一种。然而，FSC方法的缺点是，所产生的整体图像将不会像由SSC方法产生的相应图像那样明亮大约3倍，因为每种激光仅在三分之一的时间内被使用。这个缺点可能通过过驱动(overdrive)激光器或使用更强的激光来解决，但是这将需要使用更多的功率，将涉及更高的成本，并且将使系统更不紧凑。
SSC方法的优点是，由于三种激光器被同时发射，所以图像更亮。然而，如果由于空间限制，只需要使用一个SLM，那么SLM的表面区域可以被分为三个部分，实际上作为三个单独的SLM。这样做的缺点是，由于每个单色图像的可用的SLM表面区域的减少，每个单色图像的质量都降低了。多色图像的质量因此降低。可用的SLM表面区域的减少意味着SLM上可以使用的像素更少，从而降低图像的质量。由于分辨率降低，图像的质量降低。实施例利用了英国专利2,496,108中所公开的改进的SSC技术，该专利通过引用整体结合于此。
例如，如本文所公开的，示例描述了用可见光照射SLM，但是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，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为可见光的技术。例如，本公开扩展到用于此目的使用磷光体(phosphor)和/或量子点技术。
一些实施例仅通过示例描述了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。
本文所描述的方法和过程可以具体体现在计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”包括被布置为临时或永久存储数据的介质，诸如随机访问存储器(random-accessmemory，RAM)、只读存储器(read-only memory，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”还应被理解为包括能够存储由机器执行的指令的任何介质或多种介质的组合，使得当指令由一个或多个处理器执行时，使得机器整体或部分地执行本文所描述的任何一种或多种方法。
术语“计算机可读介质”还包括基于云的存储系统。术语“计算机可读介质”包括但不限于固态存储器芯片、光盘、磁盘或其任何合适的组合形式的一个或多个有形的和非暂时性的数据储存库(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送。这种载体介质的示例包括瞬态介质(例如，传送指令的传播信号)。
对于本领域的技术人员来说显而易见的是，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化。本公开覆盖了所附权利要求及其等同物范围内的所有修改和变化。
