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，本发明可以以不同的形式实施，并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，否则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/之下的结构应被解释为包括结构彼此接触的情况以及在其之间设置有第三结构的情况。

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，除非另有规定。例如，描述应被认为包括除非使用诸如“仅”、“紧邻”或“直接”之类的措词否则不连续的情况。

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，并且在回放场例如光接收表面比如屏幕或漫射器处形成全息重建。

设置光源110，例如激光器或激光二极管，以经由准直透镜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，与真正垂直于透明层的平面相距两或三度)。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路。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，其焦点位于屏幕125上。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上产生全息重建。

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。回放场上的特定点(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回放场上。

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)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，并且傅立叶变换是光学进行的。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。通过将回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“获取”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，求出了平面A和B中的相位分布的近似值，分别为Ψ_A(x,y)和Ψ_B(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程来找到该问题的解。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，仅基于相位的全息图是使用基于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，其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是固有组合的，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，该算法可以与振幅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。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(seed))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单位值(1)，以便形成全息图280A。根据可以在空间光调制器的像素上表示的相位水平来量化每个相位值，该空间光调制器的像素将用于“显示”仅相位全息图。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接收逆傅立叶逆变换的复数数据集，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。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。丢弃幅度值211A的分布，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，仅在需要第四处理块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，实际上，通常会达到一个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的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。丢弃幅度值211A的分布，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，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。通过以下等式在数学上来表达此，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学焦度的第二数据组合。即，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，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路长度而引起的相位延迟来形成。例如，在凸透镜的中心的光路长度大于在透镜的边缘的光路长度。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。在进一步的实施例中，全息图可以以相同的方式与光栅数据组合，即布置成执行光栅函数(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。即，由软件透镜提供有助于傅立叶变换的一些光学焦度，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学焦度。

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显示在SLM上。即，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。即，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。即，每个液晶单元在任何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不同光调制水平。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装置在小孔径(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装置通常是反射型的，这意味着驱动LCOS SLM像素的电路可以埋在反射表面下。结果导致更高的孔径比。换句话说，像素紧密堆积，这意味着像素之间几乎没有死角。这是有利的，因为它减少了回放场中的光学噪声。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。其具有方形的平面铝电极301的2D阵列，其由间隙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，即不发生振幅效果。

所描述的LCOS SLM以反射方式输出空间调制的光。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势在于，液晶层的厚度可以是使用透射型装置时所需厚度的一半。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，可以使用透射型LCOS SLM同样地实现本公开的教导。

提供像素位置值

如上所述，全息图可以与一个或多个其他衍射图案(比如用作软件透镜或软件光栅的衍射图案)组合，以提供组合数据用于在空间光调制器(SLM)上显示，例如LCOS SLM。这种衍射图案也可以(或替代地)称为“光处理函数”或“光处理图案”。

例如，可以将用作光栅的衍射图案与全息图组合以在回放平面上平移回放场，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的回放平面上。诸如光栅和透镜的衍射图案可以由各自的软件函数表示，其中空间光调制器的每个像素可以具有软件函数的对应值。本领域技术人员将熟悉软件函数值F(x)的使用，以表示空间光调制器的像素上的衍射图案。

对于诸如软件透镜或光栅函数的衍射图案，SLM(或其他合适的像素化显示装置)上的每个值是软件值将被写入的相应像素的“x”坐标和“y”坐标的函数。如本领域技术人员所知，通常每当要向其写入软件函数时，处理块(比如处理器或逻辑装置或逻辑电路)就为SLM的像素计算软件函数值，而不是例如从内存中读取它们。这种计算将需要每个像素的位置坐标值。此外，经常需要动态地将像素位置值提供给合适的处理块，以用于计算对应的软件函数值。

如本领域技术人员所熟悉，SLM中的像素位置可以由(x，y)坐标表示。如果将SLM沿x轴的大小(就像素数而言)简称为“x”，则像素位置值的“x”部分(或x分量)将对于每一行是顺序流，从0开始，一直到“x-1”。根据x值流计算的软件函数值的x分量可以用F(x)表示。

同样，如果将SLM沿y轴的大小(就像素数而言)简称为“y”，则像素位置值的“y”部分将对于每一列是顺序流，从0开始，一直到“y-1”。根据y值流计算的软件函数值的y分量可以用F(y)表示。

正如本领域技术人员还将意识到，SLM的大小也可以(或替代地)是指使用矩阵表示法，其中[m×n]SLM具有“m”行和“n”列。使用此表示法，每行中将有“n”个像素。因此，对于每行的像素位置值的“行”部分将是顺序流，从0开始，一直到“n-1”。同样，使用此表示法，每列中将有“m”个像素。因此，对于每列的像素位置值的“列”部分将是顺序流，从0开始，一直到“m-1”。

SLM通常具有操作速度或速率，以该速度或速率要求(或需要)要在其上显示的数据的值。换句话说，SLM通常会要求(SLM的)每个时钟周期的预定数量数据值。例如，SLM可以配置为显示全息图的动态序列(或动态多个)，其中一些或全部可能必须与一个或多个软件函数结合提供。在一些情况下，全息图本身和/或应随其而来的软件函数是动态计算的，例如以便基本实时地显示与捕获的图像相对应的全息图。为了实现此目的，应该以合适的速率(或速度)动态地为SLM提供其所需的数据流。

对于软件函数计算，应该为SLM或布置成执行用于SLM的软件函数计算的处理块提供动态的像素位置值数据流，以使计算能够以满足SLM需要的速率执行。像素位置值数据流可以被进给到数据流水线，其实际上是“等待”被进给到SLM(或合适处理块)并动态更新的数据队列，以保持的数据排队全新，供SLM或链中的下一个处理块使用。

如果无法足够快地向SLM提供数据，则将迫使包含其的系统未充分使用SLM和/或减慢系统的整体运行速度。这是低效且通常不希望的。例如，SLM可以是实时全息系统的一部分，其布置为产生基于实时捕获的图像的全息重建。例如，这可以形成平视显示器(HUD)的一部分，例如作为车辆导航系统的一部分。在这样的布置中，对于SLM以特定速度工作可能是至关重要的。因此，必须将合适的数据流动态地进给到SLM，以使其能够以该速度工作。

返回到数据流的创建；对于每行具有“x”个像素的SLM的每一行，像素位置值的“x”部分包括从零开始一直到(x–1)的完整整数的顺序流。常规地，需要连续值流的处理块比如逻辑装置或逻辑电路(例如包括FPGA或ASIC的集成电路)将从加法器单元(或“单位加法模块”)中获取它们。如本领域技术人员所知，加法器单元通常包括多个逻辑门，例如OR、XOR和AND逻辑门的组合，它们可被布置且控制为周期性地提供数字，对于每个操作周期(或“时钟周期”)将一(1)添加至其紧跟先前提供的数字，以提供顺序数字流。这通常提供可靠的连续数字流，其可以表示像素位置值的“x”部分(或者实际上是像素位置值的“y”部分)。然而，可以提供这些像素位置值的速率取决于单位加法器的操作循环速率(或“时钟速度”)。如本领域技术人员将理解，加法器单元通常将包括在诸如FPGA或ASIC的集成电路内，并且加法器单元的时钟速度将取决于集成电路的时钟速度。

像素化装置比如SLM和将值提供给像素化显示装置的单位加法器可以具有共同时钟周期。然而，在许多实施例中，SLM或其他像素化显示装置将能够并且可能被要求需要以比单位加法器的典型循环速率(或时钟速度)更快的速率在其上显示的数据。因此，SLM可能需要典型单位加法器的每个操作周期(或每个“时钟周期”)多个像素值。这导致两个主要选项：应提高向SLM提供数据的速度，或者必须放慢SLM的操作(或SLM使用不足)。在许多实际场景中，选择慢速或未充分利用SLM将是不切实际、低效、昂贵且因此不期望的。因此，期望增加可以将数据提供给SLM的速率。

本发明人已经确定了一种解决方案，其提高了可以将数据提供给像素化显示装置比如SLM(例如LCOS)的速率。

本发明人确定的解决方案包括使用具有多个流水线(pipeline)(或“流水线模块”)的单个单位加法器，其中将单位加法器提供数字的速率有效地“按比例放大”(即乘以)等于与单位加法器一起工作的流水线数量的数字。结果，可以以更快的速率将数据提供给诸如SLM的像素化显示装置，或者提供给针对像素化显示装置进行数据计算的另一装置或电路。这是通过利用二进制数的特征并采用流水线模块的并行操作来实现的，如下所述。

图4示出了逻辑电路100的示例，其可以用于增加可以将数据提供给像素化显示装置比如SLM(本身未示出)的速率。逻辑电路100可以包括在逻辑装置内，该逻辑装置可以包括一个或多个附加处理块，比如逻辑电路。逻辑电路100可以包括在诸如FPGA或ASIC的集成电路内。逻辑电路100可以将数据进给到SLM或其他像素化显示装置或者另一逻辑电路或逻辑装置或处理器。例如，它可以将数据进给到诸如FPGA的通用集成电路内的第二逻辑电路，其中第二逻辑电路布置为使用由图4的逻辑电路100提供给它的一系列像素位置值来计算软件函数值。

逻辑电路100布置为提供包括二进制形式的批(或组)顺序数字的输出。在该示例中，逻辑电路布置为一次输出四个数字的批(或组)中的顺序数字，其中每个批中的第一个数字(即最低的数字)从相应的先前批中输出的第四个数字(即最高的数字)接着依次排列。

逻辑电路100包括单位加法模块(或“单位加法器”)102和包括四个的多个(p)流水线模块104，在此分别标记并称为pipe₀、pipe₁、pipe₂和pipe₃。流水线模块104在图4中被示为并行实体。这不一定代表物理结构，而是代表它们基本上彼此并行地工作，如下面进一步详述。每个流水线模块104包括独立的电导管，其布置用于编号(和/或其他数据)处理。

单位加法器102布置为由合适的控制器(未示出)控制，其中，在适当数量的时钟周期之后，控制器将布置为向单位加法器102提供“重置”信号。如本领域技术人员将意识到，单位加法器102应被重置的频率将取决于多种因素，例如其向之提供值的像素化显示装置的尺寸。

单位加法器102布置为以多位二进制形式输出数字i，并将其传输到多个(p)(或“组”)流水线模块104，其中，多个(p)流水线模块中的每个流水线模块104布置为在与相应其他基本相同的时间从单位加法器102接收相同的数字i。在本文图4和5所示的特定示例中，多个(p)包括4个流水线模块，但也可以采用其他数量的流水线模块。单位加法器102布置为周期性地工作，其中它在每个周期(即每个“时钟周期”)重复其操作，将输出数i每个周期增加一(1)，并将其传输到彼此并联的流水线模块104。

在图4的逻辑电路100中，由单位加法器102输出的数字不直接用作像素位置值。代替地，为每个流水线104分配二进制形式的各个流水线标识值v(或“有效数字”)，并且将每个流水线104布置为对于每个操作周期将其各个流水线标识值v附加到从单位加法器102接收的数字i。从流水线模块104输出所得的多位数o_v，以用作SLM的像素位置值。

为实现此，每个流水线的各个流水线标识值v表示其在多个(p)流水线内的唯一位置或“有效性”，并且与在第一操作周期中其为之输出像素位置数字的像素位置有关。这相对于图5可以看到并更好地理解。在这种情况下，pipe₀是流水线模块，其为一行中第一像素输出像素位置值，即它输出“x＝0”。因此，其各个流水线标识值v等于零(0)。因此，为它分配了表示零即“00”的两位二进制标识。进而，pipe₁是流水线模块，其为一行中第二像素输出像素位置值，即它输出“x＝1”。因此，其各个流水线标识值v等于一(1)。因此，为它分配了表示1即“01”的两位二进制标识。继续，pipe₂是流水线模块，其为一行中第三像素输出像素位置值，即它输出“x＝2”。因此，其各个流水线标识值v等于二(2)。因此，为它分配了表示二即“10”的两位二进制标识。最后，pipe₃是流水线模块，其为一行中第四像素输出像素位置值，即它输出“x＝3”。因此，其各个流水线标识值v等于三(3)。因此，为它分配了表示三即“11”的两位二进制标识。

对于每个操作周期，将来自单位加法器102的多位数字i的并行输入实例与每个流水线模块104的各个有效性(或标识)数字连接在一起，其中，流水线有效性表示为所得多位二进制数的最低有效位。即，代表每个流水线模块各自标识或有效性的二进制数v从单位加法器102添加到输入数字i的末尾。然后，每个流水线模块104可以输出其唯一所得数字o_v。优选地，这应该由所有流水线模块104基本同时完成。

在图5所示的示例中，在流水线模块104处从单位加法器102接收的数字i包括7位。这仅是示例，不应视为限制。由单位加法器102输出的数字i中可以包括任何合适的位数。由单位加法器102输出的每个多位数字i中所需的位数可以由SLM的一行所需的像素位置值数量(或像素位置值的“x”分量的数量)确定。即，如果SLM包含具有‘m’行和‘n’列的像素阵列，则每行将有‘n’个像素。每行的像素位置值的“x”部分将从0开始，并从一个像素到相应的下一个像素依次(以整数)递增，直到值(n–1)。因此，将要求单位加法器102输出具有足够位数的二进制数，以在与流水线模块的各个流水线标识值v连接在一起时，导致二进制形式的由流水线模块输出的值o_v的范围为从0到‘n–1’，以用作SLM的像素位置值。

在图4和5所示的特定示例中，来自单位加法器102的多位数字为7位长，并且每个流水线模块104的各个流水线标识值v由2位二进制数表示。因此，所得数字为9位长。这仅是示例，不应视为限制。用于表示各个流水线标识值v的位数可以不同，例如，基于多个(p)流水线模块中的流水线模块104的数量。然而，如上所述，来自单位加法器102的输入数字中的位数应足够大，以确保在将流水线有效性数字附加到其上时，所得数字o_v具有足够的位数来表示一行所需的所有像素位置值。

例如，回到图5，SLM阵列中列“n”的数量可能是五百一十二(512)。因此，像素位置值的“x”部分必须从零(0)到五百一十一(511)。数字“511”以九个“1”表示二进制形式，即111111111。因此，在此示例中，在有4个流水线且具有2位有效数字的情况下，来自单位加法器102的输入数字必须具有7位，以适应创建一行所需的所有像素位置值(0到511)。

如果存在不同数量的流水线104，单位加法器102向其提供其数字，则单位加法器102所提供的数字中的位数可以与图4和5所示的特定示例不同。类似地，如果SLM阵列大于或小于图4和5所示特定示例中的阵列，则这可能会改变由单位加法器102提供的数字中所需的位数。

例如，如果有8个流水线模块，则这些流水线模块的各个流水线标识值v(或“有效数字”)的值范围从“v＝0”到“v＝7”，因此它们的二进制表示每个将需要具有3位，因为7＝二进制形式的111。在这样的示例中，二进制流水线有效值如下：000、001、010、011、100、101、110和111。因此，如果这8个流水线为具有512列的SLM提供像素位置值，并且因此，在511的每一行中具有最高“x”位置值，则允许从单位加法器102输入的数字具有6位，因为当流水线的有效数字v被附加至其时所得数字o_v将有9位。

作为另一示例，图6包括一表格，其示出了在要为较小的SLM阵列提供像素位置值流时的输入(来自单位加法器)和来自逻辑电路100的4个流水线模块104的输出。该示例中的过程包括单位加法器的8个操作周期。如本领域技术人员理解，为SLM或处理块提供必要数量的像素位置值所需的操作周期数将取决于SLM阵列的大小和流水线模块的数量—更多的流水线模块每个操作周期将相应地产生更多的像素位置值。在此示例中，SLM每行具有32个像素。也就是说，每行像素位置值的最高“x”分量为31，即二进制形式的“11111”。这意味着从流水线模块104输出的数字必须是5位长。在该示例中，每个流水线模块104具有2位各个流水线标识值v(或“有效数字”)，因此由单位加法器提供的数字必须为3位长。

无论其中包含多少位，从流水线模块104输出的所得多位数字都包括数字序列。而且，每个输出数字序列都直接紧随先前的输出序列之后。这可以从图6中看到和理解。例如，对于第一操作周期，图6中流水线模块的输出数字序列包括零、一、二和三的二进制表示，这是SLM行中的前四个像素的“x”分量的所需像素位置值。对于第二周期，其中单位加法器提供的数字增加1，当流水线模块的有效值已附加到单位加法器的数字后，所得数字恰好继续第一组所完成的序列。即，在第二操作周期中从流水线模块输出的第二批数字中最低的二进制数比在第一操作周期从流水线模块输出的先前在第一批数字中输出的最高数字高(1)。因此，在该示例中如下，第二批输出数字可以用作该行中第五至八个像素的像素位置值。从图6可以看出，在该示例中，每批数字直接紧跟随相应的先前一批数字，一直到达到最大像素位置值，在最后的操作周期中具有最高的数字。

本发明人已经认识到，由于二进制数的特性，以上关于图4至6描述的方法可用于任何尺寸的阵列，对于其将提供像素位置值或顺序数字流以实现任何其他目的。此外，可以提供任何适当数量的流水线模块，例如可以使用4、8或16个流水线模块。因此，可以将多个(例如4、8或16个)像素位置值传送到SLM或彼此同时传送到另一用于SLM计算的处理块(例如计算软件函数值)。因此，对于逻辑电路100的每个操作周期，逻辑电路100可以输出多个像素位置值，从而满足SLM对高速操作的需要，同时仍使用单个常规的单位加法器。如本领域技术人员将理解，与具有多个单位加法器相比，优选地具有多个流水线模块和仅一个单位加法器，因为这减少了逻辑电路100内的逻辑门的数量。因此，逻辑电路在结构和计算上都更加简化和高效。

逻辑电路100可以使得能够快速产生由SLM或另一处理块使用的顺序值流，但逻辑电路100内的任何实体都不必非现实地快速工作，逻辑电路100中的任何实体都没有负担过多计算任务。即，对于其每个操作周期，单位加法器102仅需要输出一个数字，并且不必以加速的速度工作。此外，在流水线模块104的系统内，每个流水线模块104仅需要通过在每个操作周期将其各个流水线标识值v(或“有效数”)附加到来自单位加法器102的输入数字来计算一个值。然而，由于多个流水线模块可以彼此并行地工作，因此逻辑电路100整体上能够针对单位加法器102的每个操作周期产生多个输出数字，以用作SLM的像素位置值流。

本文描述的逻辑电路提供了增强的效率，并且使得能够使用少量的实体来高速产生顺序数字数据流。例如，逻辑电路中仅需要一个单位加法器。这在许多实施例中是有利的，其中物理和计算效率以及节省成本很重要。例如，在具有多个波长通道(例如红色、绿色和蓝色通道)的全息装置中，每个通道具有对应的SLM，一个SLM所需的每个电路通常必须复制给相应的另外两个。因此，在这样的布置中，单个SLM的效率或成本节省的任何改进都会对整个系统的效率和成本节省产生三倍的影响。此外，利用本文描述的逻辑电路，还可以挽救加法中使用的位数。

本文所描述的逻辑电路可以用于向SLM或任何合适的处理模块(例如处理器、另一逻辑电路或逻辑装置)提供顺序数字流。它可以将像素位置值流提供给处理块，处理块布置为动态地为SLM的相应像素处理软件函数值。例如，SLM可被包括在诸如实时全息投影仪之类的全息系统内。

可以重复上述过程以为SLM的多行提供像素位置值。

逻辑电路为其提供像素位置值的SLM可以布置为执行光栅扫描(rasterscanning)，这是本领域技术人员将熟悉的扫描技术。因此，在这种布置中，逻辑电路可以布置为以从左到右、顶行到底行的方式提供像素的像素位置值。然而，也可以考虑其他布置。

尽管以上给出的示例集中于像素位置值的“x”个分量的创建，但对于像素化显示装置比如SLM的一列或多列，所描述的过程同样可以应用于像素位置值的“y”分量的创建。例如，SLM可能逐列而不是逐行地需要像素值。

在某些布置中，将软件函数值提供给像素化显示装置比如SLM的集成电路将包括“x”逻辑电路和“y”逻辑电路，可以将它们加在一起。本领域技术人员将熟悉用于将逻辑电路加在一起的技术。

对于计算“x”个像素位置值的布置，每个特定行的每个像素位置的y值都相同。在这种示例中的y值仅在每行的末尾递增。因此，在这种布置中，不必为了满足SLM的需要而在每个时钟周期内生成多个y值。

可以提供包括逻辑电路的逻辑装置(例如现场可编程门阵列“FPGA”)。根据本公开的逻辑电路特别适合于在FPGA中实现。根据本公开的逻辑电路还可以在另一类型的可编程逻辑器件“PLD”中或者在专用集成电路“ASIC”或类似的定制布局逻辑装置中实现。

还可以提供全息投影仪，其包括逻辑装置(例如FPGA)、像素化显示装置和光源。像素化显示装置例如空间光调制器(比如硅上液晶的空间光调制器)布置为显示包括软件函数的光调制图案，该软件函数已经使用由本文所述的逻辑电路生成的像素位置值来计算。光源布置为以具有波长l的光照射软件函数，其可以与一个或多个全息图结合提供。

逻辑装置(例如FPGA)可以进一步布置为将计算出的软件函数值添加到全息像素值流的全息像素值以形成显示值数据流。根据由现场可编程门阵列提供给像素化显示装置的显示值流来形成光调制图案。

可以提供包括全息投影仪的平视显示器。

如上所述，本文中还提供一种使像素位置值成流的方法，以计算对应的软件函数值，以在像素化显示装置的[m×n]个像素上显示，如以上详细描述。

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，光源是诸如激光二极管的激光器。在一些实施例中，检测器是光电检测器，比如光电二极管。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以用于提供改进的平视显示器(HUD)。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。这样的零级光可被认为是“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，从而导致全息重建的中心处的亮光斑。零级光可被简单地遮挡掉，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，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，以使得全息图填充空间光调制器。即，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，全息图像素的数量小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，在未使用的像素中重复全息图的一部分(即全息图的像素的连续子集)。该技术可被称为“平铺”，其中空间光调制器的表面区域被划分为多个“平铺”，每个代表全息图的至少一个子集。因此，每个平铺的尺寸小于空间光调制器的尺寸。在一些实施例中，实施“平铺”技术以提高图像质量。具体地，一些实施例实施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。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平铺(即完整的全息图)和平铺的至少一小部分(即全息图的像素的连续子集)。

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，其布置为限制更高阶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，被称为空间分离颜色的方法“SSC”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，因为可以同时形成所有三个全息重建。然而，如果由于空间限制，在共同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不是最佳的，因为只有可用光调制像素的子集用于每种颜色。因此，提供了相对低分辨率的彩色图像。

FSC方法可以使用共同空间光调制器的所有像素来依次显示三个单色全息图。单色重建的循环(例如红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等)足够快，以使人类观看者从三个单色图像的整合中感知多色图像。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，因为每个单色照明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，例如，如本文所公开，光源和SLM可以等同地用于引导红外或紫外光。例如，技术人员将意识到用于将红外和紫外光转换为可见光以向用户提供信息的技术。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。即，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。