激光调制
阅读说明：本技术 激光调制 (Laser modulation ) 是由 J.克里斯特马斯 于 2019-12-02 设计创作，主要内容包括：提供了一种全息图像生成系统,其包括：空间光调制器；光源；时间调制器；光传感器和解调器。空间光调制器具有像素。光源被配置成照射空间光调制器。时间光调制器被布置成随着时间调制光源的输出强度,以编码表示全息图的全息数据。光传感器与空间光调制器相关联。光传感器被配置成接收来自光源的光,并生成代表光源输出强度的信号。解调器连接到光传感器以接收信号。解调器被布置成解码信号以获得全息数据。解调器还连接到空间光调制器,以根据全息数据设置空间光调制器的像素,从而显示准备好被光源照射的全息图,以形成全息重建。(There is provided a holographic image generation system comprising: a spatial light modulator; a light source; a time modulator; a light sensor and a demodulator. The spatial light modulator has pixels. The light source is configured to illuminate the spatial light modulator. The temporal light modulator is arranged to modulate the output intensity of the light source over time to encode holographic data representing the hologram. The light sensor is associated with a spatial light modulator. The light sensor is configured to receive light from the light source and generate a signal representative of the intensity of the light source output. The demodulator is connected to the light sensor to receive the signal. The demodulator is arranged to decode the signal to obtain holographic data. The demodulator is also connected to the spatial light modulator to set the pixels of the spatial light modulator in accordance with the holographic data to display a hologram ready to be illuminated by the light source to form a holographic reconstruction.)
技术领域
本公开涉及一种用于激光调制的系统。更具体地，本公开涉及一种用于通过激光调制传递全息数据的图像生成系统。一些方面涉及包括图像生成系统的全息投影仪或全息投影系统。一些方面涉及平视显示器和头戴式显示器。一些方面涉及通过激光调制传递全息数据的方法。
背景技术
从物体散射的光包含振幅和相位信息。该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，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。
计算机生成全息术可以数值模拟干涉过程。计算机生成全息图“CGH”可以通过基于数学变换(如菲涅耳变换或傅里叶变换)的技术来计算。这些类型的全息图可以称为菲涅耳全息图或傅里叶全息图。傅里叶全息图可以被认为是物体的傅里叶域表示或者物体的频域表示。例如，也可以通过相干光线跟踪或点云技术来计算CGH。
可以在空间光调制器“SLM”上显示、表示或编码全息图，空间光调制器被设置成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光调制。
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件。光调制方案可以是二元的、多级的或连续的。替代地，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。SLM可以是反射性的，这意味着调制光从SLM反射输出。SLM同样可以是透射的，这意味着从SLM输出的调制光是透射的。
可以使用所述技术提供用于成像的全息投影仪。这种投影仪已经在平视显示器“HUD”和头戴显示器“HMD”中得到应用，例如包括近眼设备。
散斑是使用高相干光源形成图像的结果。特别是，散斑是许多具有相同频率但不同相位(并且在某些情况下振幅不同)的波干涉的结果。不同的相位使波发生干涉，因此产生的波的振幅和强度随机变化。希望减少这种散斑，因为散斑会降低图像质量。
发明内容
本公开的各方面在所附独立权利要求中定义。
提供了一种全息图像生成系统，其包括：空间光调制器；光源；时间调制器；光传感器和解调器。空间光调制器具有像素(或光调制元件)。光源被配置成照射空间光调制器(更具体地，照射空间光调制器的像素)。时间光调制器被设置成随着时间调制光源的输出强度，以编码表示全息图的全息数据。光传感器与空间光调制器相关联。光传感器被配置成接收来自光源的光并生成代表光源输出强度的信号。解调器连接到光传感器以接收信号。解调器被设置成解码信号以获得全息数据。解调器还连接到空间光调制器，以根据全息数据设置空间光调制器的像素，从而显示做好准备被光源照射的全息图，以形成全息重建。
代表全息图的全息数据可以包括代表全息图的第一数据和代表透镜函数和/或光栅函数的第二数据。第一数据和第二数据可以通过相加来组合。第一和第二数据可以各自包括多个相位延迟值。全息图可以是傅里叶全息图或菲涅耳全息图。第一数据可以是频域数据——也就是说，全息图可以说是频域全息图。频域全息图包括空间频率的空间分布。全息图可以是相位全息图。透镜函数可以包括对应于透镜的多个相位延迟值。光栅函数可以包括相位斜坡函数，例如缠绕(例如模2π)相位斜坡函数。在其他实施例中，只有第一数据(即代表全息图的数据)被调制到光源输出的光上，并且第二数据(即代表透镜和/或光栅的数据)在SLM端(即解调之后)被添加到第一数据。
全息图像生成系统可以集成在另一个设备中，例如，该系统可以与全息投影仪或用于车辆的平视显示器集成在一起。
全息图像生成系统可以便于向空间光调制器或SLM提供全息数据，而不需要直接电连接。相反，全息数据可以通过用于形成由全息数据表示的全息图的全息重建的相同光源光学地传送到SLM。尤其是，可以在由光源照射SLM的同时用全息数据调制光源。这样，全息数据可以被提供给SLM，而不需要物理的/有线的/缆线的电连接或物理的/有线的/缆线的光连接(例如光纤)。这有助于提供更简单、更高效的系统，因为可以减少损失。
在一些实施例中，全息数据代表视频的后续帧，时间调制器被配置成调制输出强度以编码代表后续帧的全息数据，同时光源照射用视频的当前帧的全息数据设置的空间光调制器以重建视频的当前帧，其中后续帧在当前帧之后。换句话说，系统操作来编码帧序列中一帧的数据，同时重建序列中的前一帧。例如，全息数据可以代表视频(或帧序列)的第(n+1)帧，并且时间调制器可以被设置成编码第(n+1)帧的全息数据，同时光源照射SLM以形成视频的第n帧的全息重建，SLM用代表第n帧的全息数据设置。以这种方式，帧序列的当前或第n帧可以被全息重建，同时帧序列中随后的第(n+1)帧的全息数据被编码并提供给SLM。在一些实施例中，代表当前和后续帧的全息数据是相同的，并且代表相同的图像。
在一些实施例中，该系统还包括被配置成存储解码的全息数据的存储器。例如，存储器可以被配置成存储后续帧的解码全息数据，同时SLM的像素根据当前帧的全息数据而被设置。存储器可以被配置成存储代表一帧或多于一帧的解码全息数据。
在任一上述实施例中，时间调制器被设置成在光源被设置成照射空间光调制器的整个持续时间内调制光源的输出强度。替代地，时间调制器被设置成在光源被设置成照射空间光调制器的一部分持续时间内调制光源的输出强度。换句话说，SLM被照射一段设定的时间(例如，相当于被全息重建的帧的帧长度的一段时间)，但是光源可以仅在该时间的一小部分或一部分被时间调制器调制。
在一些实施例中，与SLM相关联的光传感器设置在SLM上。可选地，在一些实施例中，SLM具有像素所在的像素位置的规则排列，并且光传感器设置在这些像素位置之一。这种排列可以提高系统的光学效率和紧凑性，因为用光源照射SLM的像素区域之外的任何区域都会导致效率损失。
可选地，时间调制器形成光源的一部分。在一些实施例中，光源是包括激光二极管的激光源，时间调制器包括用于激光二极管的控制电路。通过这种方式，激光被直接调制，这可以提高系统的光学效率。在其他实施例中，时间调制器包括外部光调制器，其布置在被布置成照射SLM的光源的路径内，例如，布置在光源和SLM之间的光调制器。时间调制器可以包括用于激光二极管和/或外部光调制器的控制电路，以及用于调制光源输出强度的任何其他合适的部件。
可选地，连接到光传感器的解调器形成光传感器的一部分。例如，解调器和光传感器形成单个集成部件。替代地，解调器可以集成到空间光调制器的驱动器中。
可选地，光传感器被布置成检测光源何时关闭(并且因此不照射SLM)，光传感器还被布置成生成指示光源关闭的信号，该信号充当用于解调器根据全息数据设置空间光调制器的像素的触发器。
可选地，全息图像生成系统还包括全息图计算引擎。全息图计算引擎被布置成计算或生成全息图和全息数据。
可选地，控制器耦合到光源，并向光源提供控制信号。替代地或附加地，控制器耦合到时间调制器，并向时间调制器提供控制信号。例如，当光源是激光器时，控制器可以向激光器的激光二极管控制电路提供控制信号。控制信号指示光源应该被驱动以正确重建由全息数据表示的全息图的时间段。例如，控制信号可以为视频的每一帧指示不同的时间段。控制信号可以逐帧控制光源和/或时间调制器。
可选地，控制器可以耦合到光源、空间光调制器和全息图计算引擎。控制器可以包括产生定时信号的时钟。控制器可以被配置成向光源、空间光调制器和全息图计算引擎提供定时信号，以便同步这些部件。
可选地，控制器还可以耦合到存储器，该存储器被配置成选择、存储或接收表示要被全息重建的图像的信息。这样，提供给全息图计算引擎的信息与全息图计算引擎计算或生成全息图同步，以确保正确的全息数据被提供给空间光调制器用于全息重建。
在不同的配置中，时间调制器被布置成用源图像数据调制来自光源的光。在这种不同的配置中，全息图在SLM端被确定(例如，从存储器中计算或检索)。
可选地，全息图计算引擎可以向时间调制器和/或光源提供控制信号，以同步这些部件，而不是控制器。控制信号可以逐帧控制光源和/或时间调制器。
可选地，空间光调制器是硅基液晶空间光调制器。可选地，空间光调制器是光学寻址的SLM。优选地，SLM被布置成对输入光束的光的相位和/或振幅进行空间调制。可选地，全息重建通过空间调制光的干涉形成。
在一些实施例中，提供给SLM以在SLM上显示或表示的全息图是计算机生成全息图。换句话说，全息图是由全息图计算引擎计算的，而不仅仅是存储在存储器中或者显示或表示在SLM上。可选地，当全息图是计算机生成全息图时，计算机生成全息图是全息重建的数学变换。可选地，当全息图是计算机生成全息图时，可以提供存储器来存储代表全息图的全息数据。可选地，计算机生成全息图是全息重建的傅里叶变换或菲涅耳变换。可选地，计算机生成全息图是傅里叶全息图或菲涅耳全息图。可选地，计算机生成全息图通过点云方法生成。
还提供了一种设置空间光调制器SLM的像素以表示全息图的方法，该方法包括：用光照射具有像素的空间光调制器；调制光的强度，同时照射空间光调制器以编码代表全息图的全息数据；感测光的调制强度并解码调制强度以获得全息数据；根据获得的全息数据设置空间光调制器的像素；并且在设置空间光调制器之后，进一步用光照射空间光调制器以形成全息图的全息重建。
可选地，感测步骤包括在空间光调制器或SLM处感测。在一些实施例中，SLM具有像素所在的像素位置的规则排列，并且感测步骤包括用设置在像素位置之一的光传感器进行感测。
可选地，光由激光器发射，并且调制包括调制激光器的输出强度。这种调制可以是直接的，也可以是间接的。在直接调制中，例如通过控制激光器的激光二极管的控制电路，可以直接调制激光器的输出强度。替代地，调制可以是间接的，例如利用外部调制器，如光调制器。
可选地，照射步骤和进一步照射步骤用相同的光源执行。在一些实施例中，可重复照射SLM以获得代表在光源内编码的全息图的全息数据，然后进一步照射以形成所述全息图的全息重建。这使得全息重建序列得以形成。可选地，全息重建序列等于定义全息重建视频的帧序列。
在一些实施例中，照射的步骤形成帧序列的第n帧，而进一步照射的步骤形成帧序列的第(n+1)帧。尤其是，全息数据代表视频的后续帧，并且照射和调制的步骤包括照射空间光调制器并调制光的强度，以编码代表后续第(n+1)帧的全息数据，同时根据代表视频的当前第n帧的全息数据来设置空间光调制器，其中后续帧在当前帧之后。
该方法还可以包括进一步调制光的强度，同时进一步照射空间光调制器，以编码代表后续帧之后的另一后续帧的全息数据。可选地，当前、后续和进一步的后续帧直接彼此跟随。通过在全息重建当前帧的同时为后续帧提供全息数据，并且类似地，通过在全息重建后续帧的同时为进一步的后续帧提供全息数据，全息数据可以被高效和有效地提供给SLM，而不影响视频的重建。换句话说，在照射步骤期间，当前帧被重建，下一帧的全息数据被传输，在进一步照射步骤期间下一帧被重建。
可选地，该方法还包括在照射和进一步照射的步骤之间关闭光源，该方法包括在关闭光源的同时根据获得的全息数据设置空间光调制器的像素。以这种方式，空间光调制器被照射第一时间段(其中传输全息数据)，然后被照射第二时间段(其中重建由传输的数据表示的全息重建)，其中第一时间段在第二时间段之后。在第一和第二时间段之间的第三时间段期间，光源被关闭，并且用在第一时间段期间传输的全息数据设置像素，以使得能够在第三时间段期间进行全息重建。
该方法还可以包括实现全息图像生成系统的任何上述特征的方法，以及这里描述的替代实施例。
任何上述可选实施例可以以任何合适的组合进行组合。此外，尽管不同的实施例和实施例组可以在随后的详细描述中单独公开，但是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，设想了本公开中公开的特征的所有可能的组合和置换。
术语“设置”、“编码”、“写入”或“寻址”用于描述向SLM的多个像素提供分别确定每个像素的调制水平的多个控制值的过程。可以说，响应于接收到多个控制值，SLM的像素被配置成“显示”或“表示”光调制分布。
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。本公开同样适用于使用与原始物体相关的振幅和相位信息形成全息重建。在一些实施例中，这是通过使用所谓的完全复合全息图的复合调制来实现的，该完全复合全息图包含与原始物体相关的振幅和相位信息。这种全息图可以被称为完全复合全息图，因为分配给全息图的每个像素的值(灰度级)具有振幅和相位分量。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，完全复合计算机生成全息图被计算。
可以参考相位值、相位分量、相位信息，或者简单地说，计算机生成全息图或空间光调制器的像素相位，作为“相位延迟”的简写。也就是说，所描述的任何相位值实际上都是代表该像素提供的相位延迟量的数字(例如，在0到2π的范围内)。例如，被描述为相位值为π/2的空间光调制器的像素将使接收光的相位改变π/2弧度。在一些实施例中，空间光调制器的每个像素可在多个可能的调制值(例如相位延迟值)之一中操作。术语“灰度级”可以用来指多个可用的调制级别。例如，为了方便起见，术语“灰度级”可以用来指纯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度。为了方便起见，术语“灰度级”也可以用来指复合调制器中多个可用的复合调制级别。
附图说明
参考以下附图仅通过示例的方式描述具体实施例：
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Gerchberg-Saxton型算法的第一次迭代；
图2B示出了Gerchberg-Saxton型算法的第二次和后续迭代；
图2C示出了示例Gerchberg-Saxton型算法的替代的第二次和后续迭代；
图3是反射式LCOSSLM的示意图；
图4示出了传统全息投影仪的示意图；
图5示出了图4的传统全息投影仪的定时示例；
图6示出了包括根据实施例的全息图像生成系统的全息投影仪；
图7示出了包括根据实施例的全息图像生成系统的全息投影仪的示意图；和
图8示出了根据实施例的设置SLM的像素的方法。
具体实施方式
本发明不限于下面描述的实施例，而是延伸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限于所描述的实施例，这些实施例是为了说明的目的而阐述的。
除非另有说明，单数形式的术语可以包括复数形式。
被描述为形成在另一结构的上部/下部或者在另一结构之上/之下的结构应当被解释为包括结构彼此接触的情况，并且此外，包括第三结构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”、“后续”、“下一个”、“之前”等时，除非另有说明，否则本公开应当被认为包括连续和非连续事件。例如，除非使用“就在”、“立即”或“直接”等措辞，否则描述应理解为包括不连续的情况。
虽然术语“第一”、“第二”等可以在此用于描述各种元素，这些元素不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一种元素和另一种元素。例如，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。
不同实施例的特征可以部分或全部彼此耦合或组合，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执行，或者可以以相互依赖的关系一起执行。
光学配置
图1示出了一个实施例，其中计算机生成全息图被编码在单个空间光调制器上。计算机生成全息图是用于重建的物体的傅里叶变换。因此，可以说全息图是物体的傅里叶域或频域或谱域表示。在该实施例中，空间光调制器是硅基反射液晶“LCOS”设备。全息图被编码在空间光调制器上，并且全息重建形成在重放场上，例如形成在如屏幕或漫射体的光接收表面上。
光源110，例如激光器或激光二极管，被设置成通过准直透镜111照射SLM 140。准直透镜使得光的大致平面波前入射到SLM上。在图1中，波前的方向是偏离法线的(例如，偏离与透明层平面真正正交两到三度)。然而，在其他实施例中，以垂直入射提供总体上平面的波前，并且分束器布置被用于分离输入和输出光路。在图1所示的实施例中，该布置使得来自光源的光从SLM的镜射后表面反射，并与光调制层相互作用以形成出射波前112。出射波前112被应用于包括傅里叶变换透镜120的光学器件，其焦点在屏幕125上。更具体地，傅里叶变换透镜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上产生全息重建。
值得注意的是，在这种全息术中，全息图的每个像素都有助于整个重建。重放场中的特定点(或图像像素)和特定光调制元件(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中。
在这些实施例中，全息重建在空间中的位置由傅里叶变换透镜的屈光(聚焦)度决定。在图1所示的实施例中，傅里叶变换透镜是物理透镜。即，傅里叶变换透镜是光学傅里叶变换透镜，并且傅里叶变换是光学执行的。任何透镜都可以充当傅里叶变换透镜，但是透镜的性能会限制其执行傅里叶变换的精度。本领域技术人员理解如何使用透镜来执行光学傅里叶变换。
全息图计算
在一些实施例中，计算机生成全息图是傅里叶变换全息图，或者简单地是傅里叶全息图或基于傅里叶的全息图，其中通过利用正透镜的傅里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的所需光场傅里叶变换回透镜平面来计算的。计算机生成的傅里叶全息图可以使用傅里叶变换来计算。
傅里叶变换全息图可以使用诸如Gerchberg-Saxton算法的算法来计算。此外，Gerchberg-Saxton算法可用于从空间域中的纯振幅信息(例如照片)计算傅里叶域中的全息图(即傅里叶变换全息图)。从空间域中的纯振幅信息中有效地“检索”与物体相关的相位信息。在一些实施例中，使用Gerchberg-Saxton算法或其变体从纯振幅信息计算计算机生成全息图。
Gerchberg Saxton算法考虑了分别在平面A和平面B中的光束的强度截面IA(x,y)和IB(x,y)是已知的并且IA(x,y)和IB(x,y)通过单个傅里叶变换相关的情况。对于给定的强度截面，找到了分别在平面A和平面B中的相位分布ΨA(x,y)和ΨB(x,y)的近似值。Gerchberg-Saxton算法通过一个迭代过程找到这个问题的解决方案。更具体地说，Gerchberg-Saxton算法迭代地应用空间和频谱约束，同时在空间域和傅里叶(频谱或频率)域之间重复传输代表IA(x,y)和IB(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全息图。该算法是收敛的，并且被布置成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合的全息图。
在一些实施例中，使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法来计算纯相位全息图，例如在英国专利2,498,170或2,501,112中描述的算法，在此通过引用将其全部并入。然而，这里公开的实施例仅通过示例的方式描述了计算纯相位全息图。在这些实施例中，Gerchberg-Saxton算法检索数据集的傅里叶变换的相位信息Ψ[u,v]，该相位信息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里叶变换中本质上是结合在一起的，所以变换后的幅度和相位包含关于计算数据集的精度的有用信息。因此，可以迭代地使用该算法，同时反馈幅度和相位信息。然而，在这些实施例中，只有相位信息Ψ[u,v]被用作全息图，以在图像平面上形成代表目标图像的全息图。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算法的算法被用于计算完全复合全息图。完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，该算法处理复合数据，并且傅里叶变换是复合傅里叶变换。复合数据可以被认为包括(i)实数分量和虚数分量，或者(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或振幅值。即，输入图像210的每个像素或数据值不具有相位分量。因此，输入图像210可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的一个示例是照片或包括帧的时间序列的视频的一个帧。该算法的第一次迭代从数据形成步骤202A开始，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，其中该集合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，并执行复合傅里叶变换以形成傅里叶变换的复合数据集。第二处理块253接收傅里叶变换的复合数据集并提取相位值集合。第二处理块253量化每个相位值，以便形成全息图280A。每个相位值根据可以在将用于“显示”全息图的空间光调制器的像素上表示的相位级来量化。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，全息图的每个相位值被量化成256个可能相位级中的一个相位级。全息图280A是代表输入图像的纯相位傅里叶全息图。可以说全息图280A代表频谱或傅里叶或频率域中的输入图像。在一些实施例中，算法在这一点上停止。
然而，在其他实施例中，该算法继续，如图2A中的虚线箭头所示。换句话说，图2A中虚线箭头后面的步骤是可选的(即，不是所有实施例都必须的)。如果算法继续，第二处理块253另外用新的幅度值替换傅里叶变换的复合数据集的幅度值。新的幅度值是代表将用于照射空间光调制器的光图案的幅度分布的值的分布。在一些实施例中，每个新的幅度值是1。在其他实施例中，第二处理块253处理第二复合数据集的幅度值，例如，对每个幅度值执行数学运算或一系列数学运算，以形成新的幅度值。第二处理块253输出包括量化相位值和新幅度值的复合数据集。
第三处理块256接收第二处理块253输出的复合数据集，并执行傅里叶逆变换以形成傅里叶逆变换的复合数据集。可以说，傅里叶逆变换的复合数据集代表空间域中的输入图像。
第四处理块259接收傅里叶逆变换的复合数据集，并评估幅度值211A的分布。具体而言，第四处理块259将傅里叶逆变换的复合数据集的幅度值211A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的分布和输入图像210之间的差异足够小，则第四处理块259确定全息图280A是可接受的。也就是说，如果幅度值211A和输入图像210之间的差异足够小，则第四处理块259确定全息图280A足够精确地代表输入图像210。在一些实施例中，为了比较的目的，忽略傅里叶逆变换的复合数据集的相位值分布213A。
应当理解，可以采用任何数量的不同方法来比较幅度值分布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，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，则执行算法的进一步迭代。
图2B代表算法的第二次迭代和算法的任何进一步迭代。前一次迭代的相位值分布213A通过算法的处理块被反馈。幅度值分布211A被拒绝，优先考虑输入图像210的幅度值分布。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，在第二次和随后的迭代中，数据形成步骤202B包括通过将(i)来自算法的前一次迭代的相位值分布213A与(ii)输入图像210的幅度值分布相结合来形成复合数据集。
由图2B的数据形成步骤202B形成的复合数据集然后以参考图2A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。当已经计算出第二迭代全息图280B时，该算法可以停止。然而，可以执行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或者需要进一步迭代时，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，在实践中，通常达到一个点，在该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益处被额外处理时间的负面影响抵消。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。前一次迭代的相位值分布213A通过算法的处理块被反馈。幅度值分布211A被拒绝，优先考虑幅度值的替代分布。在该替代实施例中，从前一次迭代的幅度值211的分布中导出幅度值的替代分布。具体地，处理块258从前一次迭代的幅度值分布211中减去输入图像210的幅度值分布，将该差值缩放增益因子α，并从输入图像210中减去缩放后的差值。这由以下等式数学表示，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’是傅里叶逆变换；
F是正向傅里叶变换；
R[x,y]是由第三处理块256输出的复合数据集；
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是新的幅度值分布211B；和
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，增益因子α是基于传入目标图像数据的大小和速率来确定的。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)包括频率或傅里叶域中的相位分布。
在一些实施例中，通过在全息数据中包括透镜数据来计算执行傅里叶变换。也就是说，全息图包括代表透镜的数据以及代表物体的数据。在这些实施例中，省略了图1的物理傅里叶变换透镜120。在计算机生成全息图领域中，如何计算代表透镜的全息数据是众所周知的。代表透镜的全息数据可以被称为软件透镜。例如，纯相位全息透镜可以通过计算由于其折射率和空间变化的光程长度而由透镜的每个点引起的相位延迟来形成。例如，凸透镜中心的光程长度大于透镜边缘的光程长度。纯振幅全息透镜可以由菲涅耳波带片形成。在计算机生成全息图的领域中，还已知如何将代表透镜的全息数据与代表物体的全息数据相结合，从而无需物理傅里叶透镜就可以执行傅里叶变换。在一些实施例中，透镜数据通过简单的矢量相加与全息数据相结合。在一些实施例中，物理透镜与软件透镜结合使用来执行傅里叶变换。替代地，在其他实施例中，傅里叶变换透镜被完全省略，使得全息重建发生在远场中。在进一步的实施例中，全息图可以包括光栅数据，即，被布置来执行光栅函数(如光束控制)的数据。同样，在计算机生成全息图的领域中，已知如何计算这种全息数据并将其与代表物体的全息数据相结合。例如，可以通过模拟闪耀光栅表面上每个点引起的相位延迟来形成纯相位全息光栅。纯振幅全息光栅可以简单地叠加在代表物体的纯振幅全息图上，以提供纯振幅全息图的角度控制。
在一些实施例中，提供了实时引擎，该实时引擎被布置成接收图像数据并使用该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，全息图是预先计算的，存储在计算机存储器中，并且根据需要被调用以显示在SLM上。也就是说，在一些实施例中，提供了预定全息图的储存库。
实施例仅作为示例涉及傅里叶全息术和Gerchberg-Saxton型算法。本公开同样适用于菲涅耳全息术和通过其他技术计算的全息图，例如基于点云方法的技术。
光调制
空间光调制器可用于显示计算机生成全息图。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合的全息图，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，空间光调制器是液晶设备，其中光学活性部件是液晶。每个液晶单元被配置成选择性地提供多个光调制级别。也就是说，每个液晶单元在任一时间被配置成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。每个液晶单元可动态地重新配置成与多个光调制级别不同的光调制级别。在一些实施例中，空间光调制器是硅基反射液晶(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，这样会得到几度的衍射角，这意味着光学系统可以是紧凑的。与其他液晶设备的大孔径相比，更容易充分照射LCOS SLM的小孔径。LCOS设备通常是反射性的，这意味着驱动LCOS SLM的像素的电路可以埋在反射表面之下。这样得到较高的孔径比。换句话说，像素密集排列，意味着像素之间几乎没有死空间。这是有利的，因为它减少了重放场中的光学噪声。LCOS SLM使用硅背板，其优点是像素是光学平坦的。这对相位调制设备尤其重要。
下面参考图3，仅通过示例的方式描述合适的LCOS SLM。使用单晶硅衬底302形成LCOS设备。它具有方形平面铝电极301的2D阵列，电极301由间隙301a隔开，布置在衬底的上表面上。每个电极301可以通过埋在衬底302中的电路302a寻址。每个电极形成各自的平面镜。配向层303设置在电极阵列上，液晶层304设置在配向层303上。第二配向层305设置在液晶层304上，并且例如玻璃的平面透明层306设置在第二配向层305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。
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活性的总像素的百分比。通过相对于透明电极30 7控制施加到每个电极301的电压，可以改变各个相位调制元件的液晶材料的特性，从而为入射到其上的光提供可变延迟。其效果是为波前提供纯相位调制，即没有振幅效应发生。
所描述的LCOS SLM输出反射的空间调制光。反射式LCOS SLM的一个优点在于信号线、栅极线和晶体管位于镜面之下，这样得到高填充因子(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个优点是，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(这是投影运动视频图像的关键优点)。然而，本公开的教导同样可以使用透射式LCOS SLM来实现。
全息图像生成系统
参照图4描述了根据现有技术的传统全息投影仪。计算机系统400被布置成包括用于存储或接收包括帧的视频401的存储器或输入。视频401可替代地包括例如来自图形处理单元(GPU)的渲染图形。GPU可以包含在计算机系统400中。视频401被传送到全息图计算引擎403，全息图计算引擎403生成或计算代表视频401的各个帧的一系列计算机生成全息图(CGH)。然后，计算机生成全息图或代表计算机生成全息图的全息数据被发送到计算机系统400内的视频驱动器405，该视频驱动器405将全息数据转换成符合视频协议或标准的格式，以便随后传输到投影系统450。例如，全息数据可以转换成高清晰度多媒体接口(HDMI)格式进行传输。替代地，全息数据可以被转换成任何其他合适的格式以传输到投影系统450。代表全息数据的信号，例如HDMI信号，然后被传输到投影系统450。
代表全息图的信号被投影系统450的视频输入409接收，并被发送到空间光调制器或SLM 413的驱动器411。驱动器411将HDMI信号转换成正确的信号格式，以便驱动器411根据接收到的全息数据设置SLM 413的像素，用于原始视频的后续全息重建。在这种布置中，驱动器411从视频输入409接收全息数据作为电信号。全息图计算引擎403、视频驱动器405、视频输入409和SLM驱动器411都可以在现场可编程门阵列(FPGA)上实现。
如上所述，在这个示例中，全息数据代表要全息重建的视频401的一系列帧。对于原始视频的给定帧，驱动器411根据(从视频输入409电接收)该帧的全息数据设置SLM 413的像素，使得由全息数据表示的全息图显示在SLM的像素上。然后用激光照射SLM，产生该帧的全息重建。全息重建一旦形成，则可以由光学系统407投影。通过重复这个过程，可以形成视频的全息重建。
为了正确地产生全息重建，从激光器发射的光必须与用于SLM的驱动信号同步，以确保只有当全息图被正确地显示在SLM 413上时(即，像素被正确地设置)，SLM才被激光照射。为了实现这种同步，投影系统450的激光驱动器415接收来自FPGA(或者当部件不是在FPGA上实现时，来自视频输入409)的信号。激光驱动器415根据信号控制激光器的激光二极管417，以使从激光器发射的光与显示在SLM上的全息数据同步。换句话说，激光二极管417和SLM 413都是基于从视频输入409或FPGA接收的同步信号来控制的。
在参考图4描述的传统全息投影仪中，激光驱动器415根据来自FPGA的信号“选通”激光器。换句话说，当信号存在时，激光器发光，当选通信号被去除时，激光器停止发光。例如，激光驱动器415控制激光器的激光二极管417在第一时间段不发光，然后在第二时间段发光。以这种方式防止激光器发光允许SLM 413的像素被正确设置，以在激光器的任何照射之前显示从视频输入409接收的全息数据。例如，当由液晶形成像素时，在SLM 413的像素被照射以形成帧的全息重建之前，选通激光器为液晶提供足够的时间来配向它们自己以正确显示代表当前帧的全息数据。
在上述传统全息投影仪和本全息图像生成系统(如下所述)的实施例中，每个要重建的帧可以被分成子帧——例如，对于第一子帧，激光器被控制为关闭，而对于该帧的剩余子帧，激光器被控制为打开。参考图5进一步描述这些定时，其中HDMI帧510代表要全息重建的原始视频的帧。例如，帧510的帧0对应于原始视频的单个帧。代表该单个视频帧的全息数据将在帧0的持续时间内被表示在SLM 413上，并且SLM 413在该时间段内被激光照射以形成全息重建。在该示例中，帧510的帧0被分成六个子帧520。激光选通信号被示为信号530，并且可以看出激光选通信号530被布置成使得激光器在帧0的前两个子帧(子帧0和子帧1)期间不发射任何光。正是在帧0的这段时间内，SLM的像素被正确设置。激光选通信号530控制激光驱动器415然后为帧0的接下来的四个子帧(子帧2至5)发光，以便照射SLM 413并形成原始视频帧的全息重建。如果帧速率足够高，人眼不能察觉到激光器在帧0的三分之一时间段内不发光。
参考图6，描述了集成在全息投影仪650内的全息图像生成系统的实施例。与参考图4描述的传统投影仪不同，没有电连接来将全息数据从视频输入409传输到SLM 413。相反，全息数据被光学地传输到SLM，并且在视频输入和SLM之间没有任何有线连接(即，没有光纤或类似的连接)。相反，在视频驱动器405将全息数据转换成符合视频标准的格式以随后传输到投影系统450之后，代表全息数据的电信号仅从视频输入409传输到激光驱动器415，然后通过及时调制激光，全息数据被光学传输到SLM，如下所述。
在该实施例中，激光驱动器415不仅控制激光二极管417使激光照射空间光调制器，还控制激光二极管417调制激光的输出强度，以便在激光照射SLM 413的同时编码从视频输入409接收的全息数据。激光二极管的控制电路或驱动器415因此充当时间调制器的一部分。这种时间调制对激光内的全息数据进行编码，并将全息信息光学地提供给SLM 413，消除了SLM系统和全息投影仪650其余部分之间有线连接的需要。由于不需要有线的、直接的电连接，这种布置可以减少对SLM相对于系统650的一些其他部件的定位的限制。
在该实施例中，激光的调制仅是激光二极管417的驱动信号的直接仅振幅调制，以便控制激光输出的强度。然而，激光的强度可以用其他方式进行时间调制。强度的调制可以通过操纵振幅、相位或相位和振幅来实现。例如，正交振幅调制可以用来编码全息数据。在其他实施例中，调制可以通过例如放置在激光器光路中的电光或其他光调制器来执行，并且被控制以在时间上调制光的强度或偏振。在一些实施例中，时间调制可以包括直接和间接元素；例如，可以直接控制激光器的强度，然后可以在激光器和SLM之间放置外部光调制器，以提供额外的光调制。
参考图6描述的全息图像生成系统包括光传感器和解调器。光传感器619与SLM413相关联，并且被配置成接收来自激光器的调制光，并且生成表示激光强度的信号。解调器619接收该生成的信号，解调器619解码该信号以获得最初由时间调制器415在激光内编码的全息数据。光传感器和解调器可以是一个集成部件619，或者可以是彼此连接的独立部件。
包含在解码信号中的全息数据由解调器传递给SLM驱动器411。以这种方式，解调器连接到SLM，以根据解码的全息数据设置SLM的像素。具体而言，光学传递的全息数据在光传感器619处作为渐进(逐行)扫描被接收，并由SLM驱动器411缓冲，直到下一帧开始。在下一帧开始时，全息数据被发送到SLM 413，并且在激光器关闭时，用全息数据设置SLM413的像素。例如，与SLM相关联的光传感器可以被布置成基于检测到激光器已经关闭来触发全息数据写入SLM(或者根据全息数据设置SLM像素)。
SLM驱动器411被布置成确保在激光器关闭的时间段内用正确的全息数据设置SLM413的像素，从而在激光器重新打开以照射SLM 413和编码下一帧的全息数据之前正确显示全息数据。该过程是以固定的时钟速度进行的持续流过程，即在驱动激光器发光的窗口之间有固定的时间间隔。可通过打开和关闭或选通由光传感器检测到的激光来提供SLM和激光器之间的同步。尤其是，由光传感器619生成的代表激光强度的信号将指示光是开还是关。解调器619接收该生成的信号，解调器619解码该信号以确定激光器是否关闭。解调器被布置成基于该信号触发全息数据写入SLM413。
存在激光器必须关闭的最小时间段，即将全息数据写入SLM的像素所需的时间。然而，激光器可以关闭更长时间。在这种布置中，如果激光器被布置为开启比重建当前帧所需的时间更长的时间段，则来自激光器的任何不想要的光能可以从全息重建转移到重放场的其他部分(例如，图像噪声边界)。
在其他布置中，控制器可以直接或间接连接到激光驱动器415。控制器可以是计算机系统400的一部分。控制器可以向激光驱动器415提供控制信号，该控制信号向激光驱动器415提供关于激光驱动器415应该驱动激光二极管417的时间段的信息以便实现期望的全息重建。如上所述，控制器还可以连接到SLM驱动器411，并且被布置为向驱动器411提供控制信号，以便驱动SLM 413在激光器关闭的窗口期间用全息数据设置像素。
控制器可选地包括产生定时信号的时钟。控制器可以耦合到激光驱动器415和SLM驱动器411，并且被配置成向激光驱动器415和SLM驱动器411提供定时信号，以将这些不同的部件与控制器的中央时钟同步。在一些实施例中，控制器还耦合到全息图计算引擎403，并且向全息图计算引擎403提供控制信号，以确保从全息图计算引擎403向SLM驱动器411提供正确的全息数据。
激光器在每帧期间发光的时间长度可以基于所需的图像亮度逐帧确定。因此，同步信息可以由来自控制器的定时信号或其他控制信号连续提供，或者基于代表由光传感器619生成的光强度的信号来提供，光传感器619充当SLM驱动器411将全息数据写入SLM的触发器。当驱动激光器发光的窗口之间有固定的时间间隔时，每个部件也可以基于固定的时间间隔(一旦同步)独立于其他部件工作。如前所述，可以通过打开和关闭或选通由光传感器检测的激光并触发全息数据写入SLM 413来提供同步。在这种布置中，如果激光器被布置成开启比重建当前帧所需的时间更长的时间段，则来自激光器的任何不想要的光能可以从全息重建转移到重放场的其他部分(例如，图像噪声边界)。
在一些实施例中，解调器和驱动器411是分离的部件。在其他实施例中，解调器和驱动器411是集成部件。如上参考图4所述，驱动器411被布置成根据全息数据设置SLM的像素，以便显示由全息数据表示的全息图。当激光照射SLM 413时，显示在SLM 413上的全息图引起光的干涉，并且全息图的全息重建形成在空间上与SLM分离的重放场。
为了以高效的方式并且无需物理连接将全息数据光学地传输到SLM413，在该实施例中，给定帧的全息数据在帧序列的前一帧的全息重建期间被编码和传输。为了实现这一点，时间调制器被布置成随时间调制光源的输出强度，以编码代表全息图的全息数据，其中全息数据代表视频的后续帧或帧序列。同时，光源照射空间光调制器，空间光调制器的像素用视频的当前帧的全息数据设置。以这种方式，视频的当前帧被全息重建，同时代表视频的后续帧的全息数据被传输到SLM，该后续帧在当前帧之后。
时间调制器调制光源(在本例中为激光器)的输出强度，以编码代表视频(或帧序列)的后续或第(n+1)帧的全息数据。这种调制随着时间而发生，使得在调制发生的同时由激光照射SLM。光传感器接收用全息数据编码的激光，并生成代表激光强度的信号。解调器接收来自光传感器的信号，并解码该信号以获得全息数据。该信号被提供给SLM驱动器411，SLM驱动器411被布置为根据全息数据设置SLM 413的像素。当激光器关闭时，发生像素设置。激光器照射SLM以重建一帧，同时下一帧的全息数据被编码在激光中并从激光器传输到光传感器。然后关闭激光器，并且在激光器重新打开之前，空间光调制器的像素用全息数据设置，为下一帧用激光器进一步照射SLM做好准备。
例如，当全息图代表视频或帧序列，并且时间调制器被布置来编码第(n+1)帧的全息数据时，SLM的像素被用代表帧序列的第n帧的全息数据来设置。在时间调制器对激光内的全息数据进行编码的该SLM照射步骤中，由第n帧形成全息重建。换句话说，系统操作来编码帧序列中一帧的数据，同时重建序列中的前一帧。以这种方式，全息数据被高效地提供给SLM。
替代地，在一些实施例中，仅重建一个图像(而不是视频帧序列)，并且在全息图显示在SLM上之前，通过激光器将全息数据提供给SLM。虽然此时没有形成用于向用户显示的全息重建，但是在重放场中仍然可以存在光，例如以图像噪声边界的形式。这意味着存在这样的光信号，即使没有在形成主图像，该光信号也可以用全息数据调制，使得编码的全息数据能够传输到SLM。然后，可以根据准备好由光源照射SLM的全息数据来设置SLM的像素，以形成由全息数据表示的原始图像的全息重建。在这种情况下，显示在SLM上的全息重建可能不会改变——激光器可能仍然关闭，或者被选通，但是SLM像素在该选通时间段期间被简单地刷新以显示相同的全息数据，而不是被重新设置以显示不同的解码全息数据。
显然，全息数据只能在激光器开启并发光时编码和传输；这在每个帧期间留下了一个定义的时间窗口，在该时间窗口下一帧的全息数据可以被编码。例如，需要以千兆比特/秒的速率调制激光器，以便在两个子帧内光学传递所需的全息数据。例如，对于512×512像素的全息图，其中每个像素是7比特，帧速率是每秒60帧，数据传输速率是每秒110兆比特。对于更大的全息图，需要更高的数据传输速率。这种调制速率可以通过传统的高速激光驱动器硬件来实现，例如为激光扫描投影仪设计的硬件，但是调制太快，人眼无法感知强度的变化，因此不会以可感知的方式影响所得到的全息重建。光传感器以这样一种方式与SLM相关联，即它接收被布置成照射SLM的激光，并且在一些实施例中可以位于SLM上，该光传感器具有足够高的感测速率，以检测这种快速的调制速率，从而能够在传输之后获得在激光内编码的全息数据。这种感测速率可以通过传统硬件来实现。
参考图7进一步描述全息图像生成系统。驱动信号713被提供给激光器的激光二极管701，以便驱动激光器输出光。驱动信号713被调制，以便用代表全息图的全息数据编码激光；当调制的驱动信号713被提供给激光二极管701时，驱动信号713根据驱动信号713的振幅驱动激光二极管增加或减少输出强度激光。图7所示的驱动信号713通过激光输出振幅的二进制调制对全息数据进行编码。仅为了简单起见，示出了二进制调制，并且可以使用调制激光器的振幅和/或相位的任何其他合适形式的调制(例如，可以使用正交振幅调制)。驱动信号713可以是与选通激光器的选通信号分开的信号，或者驱动信号713可以包括选通信号，使得驱动信号713既选通激光器(例如，对于两个子帧)，又以预定的输出强度(例如，对于另外两个子帧)驱动激光器，然后调制激光器的输出强度(例如，对于最后两个子帧)。
包含全息数据的调制激光由包含像素705的SLM 703接收。光传感器707设置在SLM703上。在一些实施例中，SLM具有像素705所在的像素位置的特定布置，例如规则布置，并且光传感器707设置在像素位置之一处。光传感器707接收激光(已经根据驱动信号713进行了振幅调制以改变输出强度)，并生成代表激光器输出强度的信号。解调器709连接到光传感器，以接收代表激光器输出强度的信号，并解码该信号，以获得在激光内编码的全息数据。解调器709然后将全息数据提供给SLM驱动器711，以根据全息数据设置SLM 703的像素。如上所述，有利地当激光器关闭或选通时，设置SLM 703的像素，以准备好一旦由激光二极管701向激光器施加照射信号，则由激光器随后照射SLM 703和进行随后由像素显示的全息图的全息重建。
除了提供更简单和更高效的全息图像生成之外，上面参照图6和图7描述的系统可以有利地减少全息重建中散斑的出现。
首先，众所周知，激光器发射的光的中心波长是激光器温度的函数，因为温度变化使得激光器腔体发生物理变化(即腔体长度的变化)。例如，中心波长可以随温度线性增加；对于100毫瓦激光器，100摄氏度的温度变化会使得中心波长变化5.5纳米。如果激光器被脉冲打开和关闭，则温度波动，因此中心波长波动。中心波长的这种波动减少了不同波之间的干涉，因为这些波具有不同的波长，因此减少了所得全息重建中的散斑。这种温度波动可以通过调节激光器开启的时间长度以及帧内的激光器开启或关闭的精确点而在一定程度上得到控制。因为可以从图像中去除多余的光能，所以可以增加激光器开启的时间段，而不增加全息重建的亮度。以这种方式，上述布置可以用于帮助控制影响散斑的因素，因此可以促进散斑减少方面的改进。
其次，如下所述，使用脉冲激光模糊了散斑的感知效果。对于给定的电压，发现液晶像素的“指向矢”(无量纲单位矢量，表示像素内液晶长轴的时间和空间平均值，或者液晶优选取向的平均方向)随时间变化，换句话说，指向矢是不稳定的。发现这种情况尤其适用于具有数字背板的设备(例如硅基液晶、LCOS、SLM)，因为液晶响应于所施加电场的均方根，并且在这种设备中没有电容器来维持稳定的电场。
因此，用脉冲激光照射SLM可以有效地对指向矢的稍微不同的角度
参考图8描述了一种设置SLM的像素来表示全息图的方法。在步骤S800，激光器关闭，并且用代表视频帧序列的第(n)帧的全息图来设置SLM的像素，其中n＝1。
在步骤S810，激光器被打开以照射SLM，并且用代表第(n+1)帧的全息数据对激光器进行编码(照射步骤)。当激光照射SLM时，形成了第(n)帧的全息重建。如上参考图6和图7所述，用于照射SLM的光的强度同时被调制以编码代表全息图的全息数据。与SLM相关联的光传感器接收调制的激光，并且光的调制强度被感测和解码，以获得代表第(n+1)帧的全息数据。该解码步骤可以在步骤S810内的任何合适的时间发生。例如，通过调制激光对全息数据进行编码可以在步骤S810的整个持续时间内进行，并且随后的解码可以同时进行。替代地，全息数据的编码可以仅在步骤S810的第一部分发生，并且解码可以在第一部分之后的步骤S810的第二部分期间发生。在整个步骤S810期间，激光器开启并照射SLM，以形成第(n)帧的全息重建。
在步骤S820，关闭激光器。在一些实施例中，SLM驱动器411被布置成检测来自光传感器的信号是否指示激光器关闭(即，SLM 413没有被激光照射)。SLM驱动器411的这种检测触发SLM驱动器向SLM提供全息数据，从而根据在步骤S810期间接收的代表视频的一系列帧中的第(n+1)帧的全息图来设置SLM的像素。S830在功能上是步骤S810的重复，除了当激光器被打开以照射SLM(进一步照射的步骤)时，激光器用代表第(n+2)帧的全息数据编码。当激光器照射SLM时，形成了第(n+1)帧的全息重建，因为在步骤S820期间用代表第(n+1)帧的全息数据来设置像素。在步骤S830结束时，n被设置为n＝n+1。重复步骤S810至S830，同时n小于帧序列中的帧数，此时过程结束。
如上所述，通过在全息重建当前帧的同时为下一帧提供全息数据，全息数据可以被高效和有效地提供给SLM，而不影响视频的整体重建。
附加功能
实施例仅作为示例提及光激活LCOS空间光调制器。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全息图的任何空间光调制器上实现，例如任何电激活SLM、光激活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。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，提供了一种包括安装在交通工具中以提供HUD的全息投影系统的交通工具。交通工具可以是机动交通工具，例如汽车、卡车、货车、重型卡车、摩托车、火车、飞机、船或轮船等。
在一些实施例中，要重建的全息图的尺寸(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，要重建的全息图的尺寸小于空间光调制器的尺寸。因此，为了填充全息图的SLM部分，在未使用的像素中重复全息图。这种技术可以被称为平铺，其中空间光调制器的表面区域被分成多个平铺块，每个平铺块代表全息图的至少一个子集。因此，每个平铺块的尺寸小于空间光调制器。
全息重放场的尺寸(即全息重建的物理或空间范围)由空间光调制器的像素间距(即空间光调制器的相邻光调制元件或像素之间的距离)决定。可以在重放场中形成的最小特征可以被称为“分辨率元素”、“图像点”或“图像像素”。典型地，空间光调制器的每个像素具有四边形形状，可选地，矩形或正方形形状。四边形孔径的傅里叶变换是正弦函数，因此每个图像像素是sinc函数。更具体地，重放场中每个图像像素的空间强度分布是sinc函数。每个sinc函数可以被认为包括峰值强度初级衍射阶和一系列从初级衍射阶径向延伸的强度降低的较高衍射阶。每个sinc函数的尺寸(即每个sinc函数的物理或空间范围)由空间光调制器的尺寸(即由光调制元件或空间光调制器像素阵列形成的孔径的物理或空间范围)决定。具体而言，由光调制像素阵列形成的孔径越大，图像像素越小。
通常希望图像像素较小。在显示技术中，希望最大数量的图像像素也是常见的。然而，如果重放场中图像像素的密度太高，图像质量可能会退化。这种退化是由于相邻sinc函数的不同阶之间的干扰，并导致例如全息重建的信噪比降低。因此，要与图像像素的数量保持平衡。换句话说，存在图像像素的最佳数量或图像像素数量的最佳范围。已经发现，将输入全息图平铺到输出全息图上可以减少这种图像退化并提高图像质量。具体地，一些实施例实现平铺技术，以最小化图像像素的尺寸，同时最大化进入全息重建的信号内容的量。
然而，如果使用相干光源，例如激光器，所产生的全息重建仍然会受到“散斑”的影响。散斑是众所周知的，是从光学粗糙表面散射的光干涉的结果。
全息重建的质量也可能受到所谓的零阶问题的影响，该问题是使用像素化空间光调制器的衍射性质的结果。这种零阶光可以被视为“噪声”，并且包括例如镜面反射光和来自SLM的其他不想要的光。
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，在全息重建的中心产生亮点。零阶光可能会被简单地遮挡，但是这意味着用暗点代替亮点。一些实施例包括角度选择滤波器，以仅去除零阶准直光线。实施例还包括欧洲专利2,030,072中描述的管理零阶的方法，该专利在此全文引入作为参考。
全息重建是在由空间光调制器定义的整个窗口的零衍射阶内产生的。优选的是，第一阶和随后的阶被移位足够远，以便不与图像重叠，并且可以使用空间滤波器来阻挡这些阶。
在实施例中，全息重建是彩色的。在这里公开的示例中，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分离颜色，“SSC”。在本公开所包含的变型中，每种颜色的不同全息图显示在同一SLM的不同区域上，然后组合形成复合颜色图像。然而，本领域技术人员将理解，本公开的至少一些设备和方法同样适用于提供合成颜色全息图像的其他方法。
其中一种方法被称为帧序列颜色，“FSC”。在一个示例FSC系统中，使用三个激光器(红色、绿色和蓝色)，并且每个激光器在单个SLM上连续发射，以产生视频的每个帧。颜色以足够快的速度循环(红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等)，使得人类观察者从由三个激光器形成的图像的组合中看到多色图像。因此，每个全息图都是特定颜色的。例如，在每秒25帧的视频中，将通过发射红色激光器1/75秒产生第一帧，然后绿色激光器将发射1/75秒，最后蓝色激光器将发射1/75秒。然后产生下一帧，从红色激光器开始，依此类推。
FSC方法的优点是每种颜色都使用整个SLM。这意味着所产生的三个彩色图像的质量不会受到影响，因为SLM上的所有像素都用于每个彩色图像。然而，FSC方法的缺点是产生的整体图像的亮度是SSC方法产生的相应图像的约三分之一，因为每个激光器仅使用三分之一的时间。这个缺点可以通过过度驱动激光器或者使用更强的激光器来解决，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不那么紧凑。
SSC方法的优点是图像更亮，因为所有三个激光器同时发射。然而，如果由于空间限制只需要使用一个SLM，则SLM的表面积可分为三个部分，实际上作为三个独立的SLM。这样做的缺点是，由于每个单色图像可用的SLM表面积减少，每个单色图像的质量都降低了。多色图像的质量因此相应降低。可用SLM表面积的减小意味着SLM上可以使用的像素更少，从而降低图像质量。图像的质量会因为分辨率降低而降低。实施例利用了英国专利2,496,108中公开的改进的SSC技术，该专利在此全文引入作为参考。
实施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，如本文所公开的。例如，本领域技术人员将意识到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，本公开延伸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。
这里描述的方法和过程可以在计算机可读介质上实现。术语“计算机可读介质”包括被布置成临时或永久存储数据的介质，例如随机存取存储器(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”还应被理解为包括能够存储供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，使机器整体或部分地执行这里描述的任何一种或多种方法。
术语“计算机可读介质”也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)。
对于本领域技术人员来说，很明显，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。本公开涵盖所附权利要求及其等同物范围内的所有修改和变化。
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