空间光调制器的制作方法

1.本公开涉及显示设备。具体而言，本公开涉及空间光调制器和相位调制器。更具体地，本公开涉及硅上液晶空间光调制器。本公开还涉及操作、驱动或控制空间光调制器的方法以及显示全息图的方法。本公开还涉及将光调制像素分配给全息图像素的方法以及在多个光调制像素比如硅上液晶空间光调制器的像素上显示全息图的方法。本公开还涉及根据波长来改变全息重建的尺寸并改变全息重建的分辨率的方法。本公开还涉及将第一颜色全息重建的尺寸与第二颜色全息重建的尺寸相匹配的方法。


背景技术：

2.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回放图像。
3.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，还可以通过相干射线追踪或点云技术来计算计算机生成的全息图。
4.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。可以使用电可寻址液晶或光学可寻址液晶来实现光调制。
5.空间光调制器通常包括多个单独可寻址像素，其也可以称为单元或元素。光调制方案可以是二进制、多级或连续的。可替代地，装置可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制可以在整个装置上是连续的。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。
6.已知两种提供多色全息重建的方法：空间分离的颜色“ssc”和帧顺序的颜色“fsc”。这两种方法都与本公开兼容。
7.ssc的方法使用多个空间分离的光调制像素阵列—或者甚至多个不同的空间光调制器—来显示各自的多个全息图，每个与不同的单一颜色相关。多种单一颜色可以包括红色、绿色和蓝色。每个全息图产生相应的单色图像/全息再现。多个单色图像可以基本重合—例如，为了给出全色图像的外观。ssc方法的优点是图像可以非常明亮，因为所有三个全息重建可以同时形成。
8.fsc方法可以使用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。单色重建足够快得循环进行(例如红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等)，使得人类观察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使用整个slm。这意味着所产生的三个颜色图像的质量是最佳的，因为slm的所有像素都用于每个颜色图像。
9.彩色全息投影仪的一个问题是衍射是全息过程的基础且衍射取决于波长。具体地，全息重建的大小取决于波长。在复合颜色方案中，这导致感知的复合颜色重建的质量降
低，因为存在两种失配：(1)单色全息重建的整体尺寸失配，以及(2)全息重建中图像像素位置之间的失配。发明人先前公开了一种解决这些失配的技术，包括对每个颜色通道使用不同长度的傅立叶路径—例如参见英国专利gb2547929。发明人先前还公开了另一种技术，用于使用显示设备的像素(本文称为“子像素”)组来表示每个全息图像素从而解决这些失配，其中每组的像素数量基于波长来选择—例如参见英国专利gb2569206。本公开基于后一种技术。


技术实现要素：

10.本公开的各方面在所附独立权利要求中定义。
11.本文公开了一种硅上液晶空间光调制器，其包括光调制像素阵列和控制器。该阵列的每个光调制像素包括用于光调制的液晶。每个光调制像素与相应的触发器(flip-flop)相关。控制器布置为接收图像的全息图。全息图包括多个全息图像素。每个全息图像素包括各自的n位全息图像素值。全息图像素值确定施加到光调制像素的液晶单元的电压。全息图像素值代表灰度级。灰度级是光调制值，比如在实施例中是作用于接收光的相位延迟或相位调制值，例如π/2。多个相位延迟值形成相位延迟分布或阵列。为了避免疑问，相位延迟分布代表全息图。简而言之，可以说相位延迟分布就是全息图。控制器进一步布置为根据全息图的相应全息图像素值驱动n光调制像素的相邻组的每个光调制像素。因此，在全息图和光调制像素之间存在一对n像素相关性。n光调制像素的每个相邻组的触发器串联连接以形成移位寄存器。在移位寄存器的操作期间，在至少n时钟周期的过程中，与n光调制像素的每个相邻组相关的n位全息图像素值被一次一位地提供给相邻组的每个光调制像素。例如，在2n时钟周期的过程中，或者在n时钟周期的另一整数倍上，n位全息图像素值可以被一次一位地提供给相邻组的光调制像素。
12.硅上液晶空间光调制器具有数字背板。控制器布置成接收全息图像素值的数字表示，并使用数字脉冲驱动液晶。每个数字脉冲可以与例如4或5v的电压相关。通过数字驱动每个像素，如本文公开，像素驱动器可以收缩，从而实现更小的像素。液晶驱动信号是使用移位寄存器分布在像素组中的位模式。每组像素(其中每个像素在本文被称为“子像素”)与用于显示的全息图的相应像素值相关。术语“子像素”用于反映每组子像素对应于用于显示的全息图的一个像素。实际上，液晶电压存储在子像素组之下—例如在对应于子像素组的硅背板的子区域中。
13.本文公开的方法减轻了与硅上液晶空间光调制器相关的波长相关衍射角。硅背板不是由单个可寻址像素构成，而是由小得多的子像素构成。子像素组可以通过编程进行分组，以创建“常规”像素，然后用于显示每个全息图像素值。子像素的分组可以由波长和期望的衍射角来确定。
14.每个光调制像素还可以与相应的一位内存相关。控制器可以布置为在移位寄存器操作之前为相邻组中的每个光调制像素提供相应n位全息图像素值的不同位。
15.在第一步骤，代表全息图像素值的n位数被提供给子像素组。每个子像素接收n位中的一个相应位。移位寄存器然后在所有子像素周围循环n位数中的位。在第一步骤，每组子像素可以同时接收它们的全息图像素值。值得注意的是，每个像素仅使用一位内存会显著影响尺寸，并有助于允许每个全息图像素的子像素的概念。在操作移位寄存器之前，可以
使用任何数量的不同电子配置以在适当的时间选择性地将位模式下载到每组子像素。
16.可以操作移位寄存器，使得每个光调制像素的液晶响应对应于相应n位全息图像素值的rms电压。子像素由高速时钟足够快地驱动，使得液晶以本领域技术人员熟悉的方式响应rms电压。在一些实施例中，移位寄存器的时钟以大于25khz操作，比如大于50khz。移位寄存器可以在序列中循环，直到根据任何预定的显示方案提供下一位模式。在一些实施例中，位模式可以提供零和至少3伏之间的任何电压，例如零和5伏之间。
17.n值可以取决于波长，并且控制器可以布置成基于与全息图相关的波长来选择n。n值可能随着波长而增加。n值可以近似与波长成比例。
18.全息回放场的大小是波长的函数，因为全息过程基于衍射。因此，如果在回放平面上需要多个单色全息重建，则它们可能具有不同的尺寸，这导致图像质量差。根据实施例，子像素布置(例如每组子像素的数量)是波长的函数。在一些实施例中，设备是可重新配置的，以便利用与不同波长相关的全息图进行操作。可以说，子像素分组可以是可编程的—例如基于指示波长的输入。移位寄存器模式可以自动配置—例如基于波长或为了优化性能。
19.因此，对于要显示的任何单个全息图，每个全息图像素值中的位数“n”可以根据每个组内包含的子像素数量来选择，其中每个组被分配不同的相应全息图像素值，并且其中该组的大小即该组内的子像素数量可以与波长相关。因此，根据实施例，将使用第一波长的光照射的第一全息图的全息图像素值可以具有第一位数，并且将使用第二不同波长的光照射的第二全息图的全息图像素值可以具有第二不同位数。根据实施例，第一和第二全息图可以对应于公共“目标图像”，其将被全息重建。第一和第二全息图可以布置成一旦被照射就在公共全息回放平面上形成各自的全息重建。因此，如果目标图像将由第一和第二不同全息图表示，例如它们将由第一和第二不同颜色的光照射，则全息图像素值中的位数在第一和第二不同全息图之间可能不同。
20.在进一步改进中，d型触发器的q和q-bar输出用于为dc平衡提供必要的帧反转。在该进一步改进中，每个触发器包括第一输出“q”和第二输出“q-bar”。第一输出是第二输出的逻辑反相(例如1和0是彼此的逻辑反相)，其方式为本领域技术人员所熟知。控制器可以布置为使用触发器的第一输出驱动每个相邻组的每个子像素至少n时钟周期，然后使用触发器的第二输出驱动每个相邻组的每个子像素至少n时钟周期，以便实现帧反相。例如，控制器或像素驱动器可以布置成根据接收的信号从q或q-bar中进行选择，以便实现dc平衡。可替代地，数据可以在组内循环时反转。
21.每个相邻像素组形成基本正方形阵列或基本矩形阵列。在一些配置中，子像素的矩形阵列可能是有利的。例如，空间光调制器可以包括至少10000
×
10000个光调制像素。每个像素的大小可以小于2
×
2μm，例如不超过1
×
1μm。
22.本文还公开了一种全息投影仪，其包括硅上液晶空间光调制器。全息投影仪还可以包括布置成照射显示的全息图的光源，例如激光二极管。对应于全息图的图像的全息重建形成在与空间光调制器空间分离的回放平面上。
23.可以在回放平面上形成包括第一波长光的第一全息重建和包括第二波长光的第二全息重建。与第一全息重建相关的n值可以不同于与第二全息重建相关的n值。第一波长可以大于第二波长。与第一全息重建相关的n值可以大于与第二全息重建相关的n值。
24.本公开与空间分离颜色和帧顺序颜色显示方案都兼容。可以使用使用n＝n1值操
作的第一硅上液晶空间光调制器来形成第一全息重建，并且可以使用使用n＝n2值操作的第二硅上液晶空间光调制器来形成第二全息重建，其中n1不等于n2。可替代地，第一全息重建和第二全息重建可以使用相同硅上液晶空间光调制器来形成。在这种情况下，控制器可以布置为重新配置光调制像素，使得使用n＝n1值来形成第一全息重建，并且使用n＝n2值来形成第二全息重建，其中n1不等于n2。
25.本文还公开了一种操作包括液晶的硅上液晶空间光调制器的方法。每个光调制像素与相应的触发器相关。该方法包括接收图像全息图的第一步骤。全息图包括多个全息图像素。每个全息图像素包括各自的n位全息图像素值。该方法包括根据全息图的相应全息图像素值驱动n光调制像素的相邻组的每个光调制像素的第二步骤。因此，在全息图和光调制像素之间存在一对n像素相关性。n光调制像素的每个相邻组的触发器串联连接以形成移位寄存器。该方法包括操作移位寄存器的第三步骤，使得在至少n时钟周期的过程中，与n光调制像素的每个相邻组相关的n位全息图像素值被一次一位地提供给相邻组的每个光调制像素。该方法可以包括向该组的每个相应子像素提供n位全息图像素值中的一位的第零步骤。该方法还可以包括在第零步骤之前或第一步骤之前确定将被包括在全息图的每个全息图像素值中的位数n的步骤。该方法还可以包括确定或获得n位全息图像素值。
26.更一般地，本文公开了一种显示全息图的方法。该方法包括接收全息图并在多个光调制像素上显示全息图。全息图包括多个全息图像素，每个具有各自的全息图像素值。显示全息图包括在多个光调制像素的相邻光调制像素组上显示每个全息图像素值，使得全息图和多个光调制像素之间存在一对多像素相关性。每个相邻光调制像素组包括多个单独的光调制像素，它们有效地用作较大的光调制像素。换句话说，通过使用相邻组中的一个以上光调制像素来显示每个全息图像素，增加了每个光调制区域的大小。使用一对多像素映射方案来保存每个全息图像素相对于每个其他全息图像素的位置。因此，全息重建可以使用更大的像素完全形成。有效像素的大小确定衍射角，从而确定全息回放场的大小。因此，提供了一种系统，其中使用可由软件控制的可重新配置的像素映射方案来改变全息回放场的大小。随着可用空间光调制器的像素尺寸持续减小，本文公开的方法特别有效。多个光调制像素中的每个光调制像素可以具有小于2000nm的像素尺寸(例如宽度)，可选地，小于1000nm，例如小于500nm或小于250nm。该方法还可以包括使用第一数量的光调制像素来显示第一全息图的每个全息图像素值。该方法还可以包括使用第二数量的光调制像素来显示第二全息图的每个全息图像素值。全息回放场的大小可以在软件中通过改变每个相邻组中的像素数来动态改变。因此，可以动态改变全息回放场的大小。特别地，在包括至少两帧的显示事件期间，不需要硬件改变来改变全息回放场的大小。例如，所描述的一对多像素映射方案可以在fsc方案中的第一和第二帧或第一和第二子帧之间改变。
27.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“回放场”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，则回放场将以多个衍射级的形式重复，其中每个衍射级是零阶回放场的副本。零阶回放场通常对应于优选或主要回放场，因为它是最亮的回放场。除非另有明确说明，否则术语“回放场”应被认为是指零阶回放场。术语“回放平面”用于指代包含所有回
放场的空间中的平面。术语“图像”、“回放图像”和“图像区域”指的是通过全息重建的光照射的回放场的区域。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，被称为“图像像素”。
28.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。
29.已经发现，可以从仅包含与原始物体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振幅全息图。
30.本公开也同样适用于使用与原始物体的傅立叶变换有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。
31.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。
32.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中的回放平面上。
33.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
34.仅参考以下附图以示例的方式描述特定实施例：
35.图1是示出在屏幕上产生全息重建的反射型slm的示意图；
36.图2a示出了示例gerchberg-saxton类型算法的第一迭代；
37.图2b示出了示例gerchberg-saxton类型算法的第二及后续迭代；
38.图2c示出了示例gerchberg-saxton类型算法的替代第二及后续迭代；
39.图3是反射型lcos slm的示意图；
40.图4a示出了包括以[4
×
4]阵列布置的16个全息图像素的示例全息图；
[0041]
图4b示出了包括以[4
×
4]阵列布置的16个光调制像素的示例性空间光调制器，其中相邻的光调制像素由像素间间隙在空间上分开；
[0042]
图5示出了根据一些实施例的第一全息图映射方案；
[0043]
图6示出了根据一些实施例的第二全息图映射方案；
[0044]
图7示出了根据一些实施例的第三全息图映射方案；
[0045]
图8示出了根据一些实施例的第四全息图映射方案；
[0046]
图9a和9b示出了当红色、绿色和蓝色光从以帧顺序颜色方案依次显示在空间光调制器上的相应全息图衍射时对应于蓝色回放场900b的颜色重叠区域；
[0047]
图10a、10b和10c分别示出了用于照射蓝色、绿色和红色全息图的蓝色、绿色和红色光引擎，全息图使用每个全息图像素四个、五个和六个光调制像素形成；
[0048]
图11示出了根据本公开的包括液晶单元和一位内存的像素配置；
[0049]
图12a示出了对于单位数据具有子像素组的数据路径；
[0050]
图12b示出了根据本公开的具有子像素组的移位寄存器；
[0051]
图13a示出了示例9位全息图像素值；
[0052]
图13b示出了9位全息图像素值的位值如何一次一位地在子像素组中循环；以及
[0053]
图14示出了dc平衡的帧反转概念。
[0054]
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
[0055]
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。
[0056]
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。
[0057]
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。
[0058]
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。
[0059]
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。
[0060]
光学配置
[0061]
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。
[0062]
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。
[0063]
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。
[0064]
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。
[0065]
全息图计算
[0066]
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。
[0067]
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。
[0068]
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ia(x,y)和ib(x,y)并且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，求出了平面a和b中的相位分布的近似值，分别为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。
[0069]
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)。
[0070]
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。
[0071]
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。
[0072]
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。
[0073]
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。
[0074]
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)。
[0075]
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。
[0076]
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。
[0077]
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。
[0078]
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。
[0079]
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：
[0080]rn 1
[x,y]＝f'{exp(iψn[u,v])}
[0081]
ψn[u,v]＝∠f{η
×
exp(i∠rn[x,y])}
[0082]
η＝t[x,y]-α(|rn[x,y]|-t[x,y])
[0083]
其中：
[0084]
f'是逆傅立叶变换；
[0085]
f是正向傅立叶变换；
[0086]
r[x,y]是第三处理块256输出的复数数据集；
[0087]
t[x,y]是输入或目标图像；
[0088]
∠是相位分量；
[0089]
ψ是仅相位全息图280b；
[0090]
η是幅度值211b的新分布；以及
[0091]
α是增益因子。
[0092]
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。
[0093]
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。
[0094]
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。在计算机生成全息术领域中，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，全息图可以相同的方式与光栅数据组合，即布置成执行光栅函数(比如光束转向)的数据。同样，在计算机生成全息术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。
[0095]
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。
[0096]
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。
[0097]
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。本公开同样适用于菲涅耳全息术和通过其他技术比如基于点云方法的技术计算的全息图。
[0098]
光调制
[0099]
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。
[0100]
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与多个光调制水平不同的光调制水平。空间光调制器是硅上反射液晶(lcos)空间光调制器，但本公开的各方面更广泛地适用于其他类型的显示设备。
[0101]
lcos装置在小孔(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的小孔比其他液晶装置的大孔要容易得多。lcos装置是反射性的，这意味着驱动lcos slm像素的电路可以埋在反射表面下。结果导致更高的孔比。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。
[0102]
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。
[0103]
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。
[0104]
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。
[0105]
全息图映射方案
[0106]
仅通过简单的示例，图4a表示包括以包含四行四列的规则[4
×
4]阵列布置的16个全息图像素的全息图。此后用于每个像素的两个数字编号方案包括一个行号，后跟一个列号。第一个数字代表行号，第二个数字代表列号。例如，“23”代表第2行第3列的全息图像素值。读者将理解，实际上每个全息图可以包含任意数量的像素，例如1024行和512列像素。
[0107]
从上文可以理解，每个全息图像素具有全息图像素值，其可以是振幅值、相位值或具有振幅值和相位值的复数。例如，每个全息图像素值可以表示0到2π弧度范围内的相位延迟值。例如，全息图像素“23”可以具有π/2的全息图像素值。入射到全息图像素“23”上的光将被延迟π/2。每个全息图像素被单独控制以“显示”相应的全息图像素值。总的来说，全息图对入射光波前应用相位延迟分布。
[0108]
根据本公开，提供给显示设备的每个全息图像素值由包括多位的数字表示。换句话说，显示设备的硅背板是数字化的。
[0109]
全息图可以显示在空间光调制器上。在常规配置中，空间光调制器的全息图像素和光调制像素之间存在一对一相关性(或映射)。因此，图4a同样代表可用于显示[4
×
4]全
息图的空间光调制器的[4
×
4]光调制像素阵列。例如，全息图像素“23”的全息图像素值(即前面示例中的π/2)可被写入包括[4
×
4]光调制像素的空间光调制器的光调制像素“23”。更具体地，光调制像素“23”被寻址以驱动局部液晶，使得入射到空间光调制器的像素“23”的区域上的光被延迟π/2弧度。驱动液晶单元包括在液晶单元上施加电压，该电压引起局部液晶的倾斜和/或扭曲，并利用液晶的双折射来有效地提供电压控制的折射率，该折射率将光通过该液晶单元的传播延迟软件控制的量。
[0110]
图4b示出了包括光调制像素的规则阵列的空间光调制器中的光调制像素的布置，例如光调制像素400。每个光调制像素具有像素大小410。相邻的光调制像素由规则的像素间间隙420分开。由于阵列的周期性，阵列的周期430和用于照射光调制像素阵列的光的波长确定衍射角，且因此确定距离空间光调制器一定距离的全息回放场的大小。
[0111]
全息回放场的大小i由以下确定：
[0112]
i＝2ltanθ(1)
[0113]
其中，l是从空间光调制器到全息回放平面的距离，θ是衍射角，由以下定义：
[0114][0115]
其中，δ是像素周期(见图4b的参考数字430)，并且λ是用于形成全息重建的光的波长。
[0116]
可以在回放场中形成的最小特征可被称为“分辨率元素”、“图像点”或“图像像素”。四边形孔径的傅立叶变换是sinc函数，因此空间光调制器孔径将每个图像像素定义为sinc函数。更具体地，回放场上每个图像像素的空间强度分布是sinc函数。每个sinc函数可被认为包括峰值强度初级衍射级和从初级径向向外延伸的一系列强度递减的较高衍射级。每个sinc函数的大小(即每个sinc函数的物理或空间范围)由空间光调制器的大小(即由光调制元素或空间光调制器像素阵列形成的孔径的物理或空间范围)确定。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。
[0117]
不同颜色全息重建的尺寸之间的任何差异显著降低感知的颜色重建的质量，这是由于(1)不同全息重建的总尺寸的总体失配，以及(2)每个全息重建中图像点的位置之间的失配。
[0118]
图5至8分别示出了根据本公开一些实施例的第一、第二、第三和第四全息图映射方案。应当理解，根据可用光调制像素的数量和分配给每个全息图像素的光调制像素的最大数量，所描述的方法可以扩展到任何数量的全息图映射方案。全息图映射方案可以用作失配问题的替代解决方案的一部分，或者更广泛地，用作动态地、可切换地或选择性地改变全息回放场的大小的方法的一部分。在每个方法和每个实施例中描述的各个光调制像素具有相同/恒定的尺寸。在一些实施例中，光调制像素的像素尺寸(例如宽度)小于2000nm，可选地小于1000nm，例如小于500nm或小于250nm。
[0119]
图5示出了第一全息图映射方案的示例，其中使用[16
×
16]光调制像素阵列来显示图4a所示的[4
×
4]全息图。每个全息图像素值显示在形成[4
×
4]组或集合的16个光调制像素上。例如，全息图像素“11”的全息图像素值显示在最上边和最左边的[4
×
4]光调制像素组中。例如，全息图像素“44”的全息图像素值由最下边和最右边的[4
×
4]光调制像素组的所有16个光调制像素显示。充分使用光调制像素阵列。也就是说，所有可用的光调制像素
都用于显示全息图。
[0120]
图6示出了第二全息图映射方案的示例，该方案替代地使用[16
×
16]光调制像素来显示[4
×
4]全息图。第二全息图映射方案使用比第一全息图映射方案更少的光调制像素来显示每个全息图像素值。每个全息图像素值显示在形成[3
×
3]组或集合的九个光调制像素上。例如，全息图像素“11”的全息图像素值由最上边和最左边的[3
×
3]光调制像素组的所有九个光调制像素显示。
[0121]
图7示出了第三全息图映射方案的示例，该方案替代地使用[16
×
16]光调制像素来显示[4
×
4]全息图。第三全息图映射方案使用比第二和第一全息图映射方案更少的光调制像素来显示每个全息图像素值。每个全息图像素值显示在形成[2
×
2]组或集合的四个光调制像素上。例如，全息图像素“11”的全息图像素值由最上边和最左边的[2
×
2]光调制像素组的所有四个光调制像素显示。
[0122]
图8示出了第四全息图映射方案的示例，该方案替代地使用[16
×
16]光调制像素来显示[4
×
4]全息图。第四全息图映射方案使用比第三、第二和第一全息图映射方案更少的光调制像素来显示每个全息图像素值。每个全息图像素值显示在一个光调制像素上。例如，全息图像素“11”的全息图像素值由最上边和最左边的光调制像素显示。第四全息图映射方案是常规一对一映射方案。
[0123]
在第一、第二和第三全息映射方案中，每个全息图像素的全息图像素值显示在或写入相应的多个光调制像素。因此，在第一、第二和第三全息映射方案的每个中，光调制像素的数量大于全息图像素的数量。然而，在各个映射方案之间，显示每个全息图像素值的光调制像素的数量不同，如图5至7所示。显示每个全息图像素值的多个光调制像素在阵列上形成连续区域。换句话说，显示每个全息图像素值的多个光调制像素形成相邻组(contiguous group)。在任何单独的映射方案中，每个全息图像素值显示在与各个其他全息图像素值中的每个相同数量的光调制像素上。每个相邻的光调制像素组有效地用作较大的单个光调制像素。也就是说，更大的光调制区域被分配给每个全息图像素。第一、第二和第三全息图映射方案类似于在较大的像素上显示全息图。相邻组光调制像素中的每个光调制像素可被称为“子像素”。在一些实施例中，相邻组光调制像素的纵横比与单个光调制像素的纵横比相同，但在其他实施例中，纵横比不同。有利地，可以使用不同的纵横比来提供更优选的回放场形状。在一些实施例中，相邻组光调制像素形成矩形。也就是说，它们形成了矩形的光调制区域。例如，相邻组可以包括[x
×
y]光调制像素，其中x≠y，以便提供纵横比为[y
×
x]的矩形回放场。
[0124]
在第一、第二、第三和第四全息图映射方案中，应当理解，全息图像素没有被重新布置或混洗。每个光调制像素或光调制像素组的相对位置在空间上对应于全息图像素阵列中的相应全息图像素的相对位置。换句话说，在显示期间保持每个全息图像素值的相对行和列定位。可以说，每个全息图像素的空间布置或相对位置信息由全息图映射方案保存。因此，映射方案具有产生全息图的“缩放”版本的效果，其中比例可以是根据第四映射方案的1:1，或者根据第三映射方案的1:2，或者根据第二映射方案的1:3，或者根据第一映射方案的1:4等。
[0125]
在所示的示例第二、第三和第四全息图映射方案中，并非空间光调制器的所有像素都用于显示全息图。可以说，可用的光调制像素阵列没有被充分利用。然而，在附图中未
示出的其他实施例中，未使用的光调制像素可以在下面描述的平铺方案中使用，其中全息图的至少一部分被重复。平铺不同于映射，因为平铺不产生整个全息图的缩放版本，而是包括在空间光调制器上重复(即复制)全息图的选定部分(或者在实施例中是全部)。
[0126]
第一、第二和第三全息图映射方案提供了通过在多个光调制像素的相邻光调制像素组上显示每个全息图像素值使得在全息图像素和多个光调制像素之间存在一对多像素相关性来在多个光调制像素上显示全息图的示例。
[0127]
考虑到下面的示例，可以进一步理解包括具有一对多像素相关性的至少一个全息映射方案的不同全息映射方案的使用，其中，已经使用方程1和2计算了示例红色、绿色和蓝色全息重建(或图像)的大小。
[0128]
空间光调制器包括光调制元素或像素的2d阵列。全息投影到回放平面上的图像是2d图像。在下面的示例中，子像素的单个数量和距离是相对于两个维度之一中的子像素的数量或距离而言的。应当理解，所描述的参数在两个维度上延伸(例如宽度和高度)。例如，参考使用n子像素的映射方案用作包括[n
×
n]子像素的子像素区域的简写。同样，本文提到的y mm的图像尺寸用作具有[y
×
y]mm尺寸的2d图像的简写。
[0129]
示例1
[0130]
下面的表1示出了红色(630nm)、绿色(532nm)和蓝色(450nm)全息重建的大小如何取决于用于显示每个相应全息图像素的子像素的数量。
[0131][0132]
表1
[0133]
表1的列1表示每组光调制像素(或子像素)的数量。在该示例中，每个光调制像素具有750nm的像素尺寸，并且从空间光调制器到回放平面的距离l为100mm。因此，组的总尺寸是每组子像素数量和像素尺寸的倍数。总尺寸表示分配给每个全息图像素值的每个光调制区域的尺寸并确定衍射角。表1的第四、第五和第六列分别示出了当用红光、绿光和蓝光照射显示的全息图时计算的图像尺寸。
[0134]
如果将四个子像素(更具体地，[4
×
4]个子像素)用于红色、绿色和蓝色全息重建(即图像)，则最大图像(红色)和最小图像(蓝色)之间的尺寸失配为6.074mm(宽度和高度)。然而，如果蓝色图像仅使用三个子像素(即[3
×
3])，则尺寸失配减小到3.313mm，因为蓝色图像的尺寸增加了1.947mm到19.033mm(在每个方向上)，并且绿色图像现在是最小图像。由于图像点数量不受全息图映射方案的影响，因此也将实现图像点位置之间失配的相应改善。例如，图像尺寸的增加提供相邻图像点之间的间距的增加(即图像点密度的降低)。因此，由于减少了颜色图像之间的失配，实现了改进的合成颜色图像。该方法可用于将失配降低到可接受水平，或者用于降低对结合使用的其他方法的要求，以将失配降低到可接受水平。因此，提供了一种方法，其包括使用第一数量的光调制像素来显示第一全息图的每个全
息图像素值，以及使用第二数量的光调制像素来显示第二全息图的每个全息图像素值。
[0135]
在表1的示例中，一对多像素相关性用于红色、绿色和蓝色图像。然而，应当理解，在其他示例中，第一全息图可以使用一对多像素相关性(例如图5、6或7)映射到光调制像素，第二全息图可以使用一对一像素相关性(例如图8)映射到光调制像素，以便减少相应的第一和第二图像之间的失配。因此，该方法可以包括(i)通过在多个光调制像素的相邻光调制像素组上显示每个全息图像素值使得全息图和多个光调制像素之间存在一对多像素相关性来在多个光调制像素上显示第一全息图，以及(ii)通过在相应的光调制像素上显示每个第二全息图像素值使得第二全息图和多个光调制像素之间存在一对一相关性来在多个光调制像素上显示第二全息图。
[0136]
示例2
[0137]
在第二示例中，每个光调制像素具有1000nm的像素尺寸，像素间间隙为100nm，并且从空间光调制器到回放平面的距离l为300mm。
[0138][0139]
表2
[0140]
从表2可以看出，如果四个子像素用于红色、绿色和蓝色全息图中的每个，则尺寸失配(回放平面上最大图像和最小图像之间的尺寸差)为13.423mm。然而，如果不同数量的光调制像素用于每种颜色，则尺寸失配可以减小。在该示例中，如果六个子像素用于红色，五个子像素用于绿色，四个子像素用于蓝色，则尺寸不匹配(蓝色图像和红色图像之间的尺寸差)被减少到33.385
–
31.282mm＝2.103，这超过了六倍的改善。
[0141]
在实施例中，用于显示每个全息图像素的子像素的数量随波长增加，以便减少全息回放平面处的尺寸失配。在实施例中，用于显示红色全息图的每个全息图像素值的子像素的数量大于用于显示绿色全息图的每个全息图像素值的子像素的数量，可选地，用于显示绿色全息图的每个全息图像素值的子像素的数量大于用于显示蓝色全息图的每个全息图像素值的子像素的数量。
[0142]
参考图9a和9b可以理解，根据本公开的子像素组的使用还更好地利用多波长投影仪中全息形成的图像像素的数量。具体地，图9a示出了布置成以fsc方案显示全息图的空间光调制器920。使用由空间光调制器920上显示的相应全息图衍射的红光930r，在回放平面940处形成红色回放场900r。使用绿光930g以相同的方式在回放平面940形成绿色回放场900g。使用蓝光930b在回放平面940处形成蓝色回放场900b。根据方程1和2，红色回放场900r大于绿色回放场900g，而绿色回放场900g又大于蓝色回放场900b。这在图9b中进一步说明。
[0143]
从上文可以理解，红色图像在红色回放场900r内全息重建，绿色图像在绿色回放场900g内全息重建，蓝色图像在蓝色回放场900b内全息重建。
[0144]
其中每个像素可以包括红色、绿色和蓝色光的合成颜色图像可以仅使用回放平面
上的重叠区域来显示。即，可以显示红色、绿色和蓝色图像内容的区域。重叠区域当然是最小回放场的区域，即蓝色回放场900b。如果重叠区域用于在fsc方案中显示全色图像，则红色和绿色图像将比蓝色图像包含更少的像素，因为一些红色和绿色像素将在重叠区域之外。
[0145]
下面的表3示出了蓝色图像包括1024
×
1024个图像像素的示例。具体地，表3示出了可以如何使用第一数量的光调制像素来显示第一全息图的每个全息图像素值以及使用第二数量的光调制像素来显示第二全息图的每个全息图像素值的概念以更好地优化图像像素的数量，从而优化图像的质量。可以看出，对于红色、绿色和蓝色使用不同数量的子像素意味着在重叠区域中形成更多的红色和绿色像素。
[0146]
使用的子像素数量(每个维度)红色重叠/像素绿色重叠/像素蓝色重叠/像素红色＝4,绿色＝4和蓝色＝4730x730865x8651024x1024红色＝6,绿色＝5和蓝色＝4959x959970x9701024x1024
[0147]
表3
[0148]
从表3可以看出，通过使用增加数量的子像素来显示红色和绿色的每个全息图像素，重叠区域中的红色和绿色图像像素的数量分别增加。具体地，重叠区域中的红色像素数量增加959
–
730像素＝292像素，而重叠区域中的绿色像素数量增加970
–
865像素＝105像素。这相当于重叠区域中红色图像像素的数量增加40％，而重叠区域中绿色图像像素的数量增加12％。
[0149]
用于显示每个全息图像素值的子像素的数量确定显示全息图所需的光调制像素的总数。显示全息图所需的光调制像素的总数定义空间光调制器上的光调制区域。每个计算机生成的全息图(红色、绿色或蓝色)可以包括例如1024
×
1024个全息图像素值。如果使用像素间距(像素尺寸加上像素间间隙)为1μm的六个光调制像素来显示每个红色全息图像素值(即每个红色全息图像素使用六乘六的子像素)，则显示红色全息图所需的光调制区域的宽度和高度将为6
×
1000
×
1024＝6.1mm。如果使用大小为1μm的四个光调制像素来显示每个蓝色全息图像素值，则显示蓝色全息图所需的光调制区域将是4.1
×
4.1mm。因此，在一些实施例中，例如示例2，红色光调制区域(即用于显示红色全息图的光调制区域)的大小(例如宽度和/或面积)大于绿色光调制区域，而绿色光调制区域又大于蓝色光调制区域。
[0150]
在一些实施例中，照射空间光调制器的光点直径是基于用于显示相应全息图的光调制区域的物理尺寸(例如以毫米为单位的宽度和/或以平方毫米为单位的面积)来确定的。在一些实施例中，光点的一个维度与相应全息图的一个维度基本匹配。例如，光点的直径可以与用于显示相应全息图的光调制区域的宽度相匹配。在一些实施例中，光调制区域的形状基本与来自光系统的光点的形状相同，在这些实施例中，光点的尺寸可以基本等于光调制区域的尺寸。在其他实施例中，光调制区域和光点可以具有不同的形状，但它们仍可以匹配。匹配包括确保光调制区域内的每个光调制像素接收足够的光用于高质量的全息重建，而不会由于在光调制区域外照射而浪费太多的光能。在一些实施例中，光调制区域是四边形的(例如正方形或矩形)，并且由每个光系统输出的光点是椭圆形或圆形的。光点的大小可以使得光调制区域稍微过满。即，被照射的面积略大于光调制区域的面积。光点的大小可以使得光调制区域之外接收光的区域最小化。光点的大小可以使得浪费的光能量最小化。光点的强度在横截面上可能是不均匀的。例如，光点的空间强度可以是高斯的。可以选
择光点的大小，使得照射光调制区域的光点强度至少是光调制区域内所有点的最大强度的1/e2。可替代地，可以选择光点的大小，使得光点的强度是光调制区域上选定点处最大值的1/e2，例如在光调制区域的四个角或界定光调制区域的四个相应边的四个中点处。在一些实施例中，光点的直径随着光调制区域的大小而增加。
[0151]
图10a、10b和10c示出了一实施例，其中照射空间光调制器的光点直径取决于照射光的波长或是其函数。图10a示出了第一照射系统，其布置成输出适于照射蓝色全息图的蓝光，该蓝色全息图包括每个全息图像素的四个子像素(更具体地，[4
×
4])。更详细地，图10a示出了发射具有半角θ的发散蓝光的蓝色激光二极管1010b。透镜1020b位于蓝色激光二极管1010b的焦距f1处，从而在透镜1020b的下游形成具有光束直径d1的准直蓝光。图10b示出了第二照射系统，其布置成输出适于照射绿色全息图的绿光，该绿色全息图包括每个全息图像素的五个子像素。更具体地，图10b示出了发射具有半角θ的发散绿光的绿色激光二极管1010g。透镜1020g位于绿色激光二极管1010g的焦距f2处，从而在透镜1020g的下游形成具有光束直径d2的准直绿光。图10c示出了第三照射系统，其布置成输出适于照射红色全息图的红光，该红色全息图包括每个全息图像素的六个子像素。更具体地，图10c示出了发射具有半角θ的发散红光的红色激光二极管1010r。透镜1020r位于红色激光二极管1010r的焦距f3处，从而在透镜1020r的下游形成具有光束直径d3的准直红光。由蓝色激光二极管1010b发射的蓝光的发散角与由绿色激光二极管1010g发射的绿光的发散角相同，而绿色激光二极管1010g发射的绿光的发散角又与由红色激光二极管1010r发射的红光的发散角相同。换句话说，蓝光系统(图10a)的半角θ与绿光系统(图10b)相同，而绿光系统又与红光系统(图10c)相同。可以说，在该实施例中，蓝色照明系统的数值孔径基本等于绿色照明系统的数值孔径，而绿色照明系统的数值孔径又基本等于红色照明系统的数值孔径。尽管图10示出了被完全照射的准直透镜(即在其整个直径上被照射)，但本公开同样适用于准直透镜的底部填充，在这种情况下，可以说三个照明系统的操作数值孔径是相同的。在一些实施例中，用于照射红色全息图的红色光点的直径d3大于用于照射绿色全息图的绿色光点的直径d2，其又大于用于照射蓝色全息图的蓝色光点的直径d1。
[0152]
如果光调制区域的尺寸减小，则来自相应照明系统的所需光束直径d减小。进而，相应照明系统的准直透镜的所需焦距f减小。因此，如果用于显示绿色和蓝色全息图的子像素比用于显示红色全息图的子像素少，则绿色照明系统的尺寸和蓝色照明系统的尺寸可能小于红色照明系统的尺寸。因此，可以减少绿光和蓝光系统所需的物理空间体积(与红光系统相比)，并且可以提供更紧凑的投影仪。
[0153]
在图5至8的实施例中，使用四种不同的全息图寻址方案在同一空间光调制器上显示[4
×
4]全息图。在一些实施例中，这在fsc方案中实现。在第一帧中，可以使用第一全息图寻址方案将第一全息图映射到空间光调制器上，并且在第二帧中，可以使用第二全息图寻址方案将第二全息图映射到同一空间光调制器上。第一帧和第二帧可以在不同的时间显示。第一和第二帧可以是帧序列的顺序帧，例如视频速率帧序列。
[0154]
在上面参考表1的示例中，图5的全息图寻址方案用于显示红色和绿色全息图，而图6的全息图寻址方案用于显示蓝色全息图。同样，在一些实施例中，这在fsc方案中实现。在这种情况下，至少一个光调制像素用于在第一时间显示第一全息图的全息图像素值，并在不同于第一时间的第二时间显示第二全息图的全息图像素值。
[0155]
可替代地，不同的第一和第二寻址方案可以用在ssc方案中。在这样的实施例中，第一全息图显示在第一空间光调制器上，第二全息图显示在第二空间光调制器上。当使用三个独立的颜色通道时，这可能是优选的，例如在英国专利gb2547929中公开的，该专利在此引入作为参考。换句话说，本文公开的方法可以与gb2547929的方法结合使用，以减少失配。
[0156]
在一些实施例中，该方法还包括用具有一定波长的光照射显示的全息图以投射具有一定区域的全息回放场，并用具有第二波长的光照射第二显示的全息图以投射具有第二区域的第二全息回放场。可以理解，用于显示全息图和第二全息图的光调制像素的不同数量可以使得该区域和第二区域的尺寸基本相同。该区域和第二区域可以重叠以形成不同颜色分量之间具有减少失配的合成颜色回放场。
[0157]
在其他实施例中，该方法还包括用具有一定波长的光照射显示的全息图以投射具有一定区域的全息回放场，并用具有一定波长的光照射第二显示的全息图以投射具有第二区域的第二全息回放场。可以理解，用于显示全息图和第二全息图的光调制像素的不同数量可以使得全息重建的大小动态改变。因此，提供了一种改变图像尺寸的方法，包括改变子像素的数量。
[0158]
在图5的实施例中，全息图填充空间光调制器。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(例如图6、7和8)，全息图的尺寸小于空间光调制器的尺寸。在这些其他实施例的一些中，全息图的一部分(即全息图像素的相邻子集)在未使用的像素中重复。这种技术可被称为“平铺”，其中空间光调制器的表面区域被分成多个“平铺”，其中的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”技术来提高图像质量。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，写入空间光调制器的全息图案包括至少一个完整平铺(即完整全息图)和平铺的至少一部分(即全息图像素的相邻子集)。
[0159]
数字驱动方案
[0160]
发明人在此公开了上述概念的高速数字实施方式，其中空间光调制器的每个光调制像素1100包括液晶单元1110和仅1位的内存1120，如图11所示。每个像素的1位内存可以嵌入显示设备的硅背板中。
[0161]
图12a和12b示出了每个连续子像素组的每个子像素的1位内存如何菊花链连接(daisy-chained)在一起(即串联连接)以形成移位寄存器。
[0162]
更具体地，图12a示出了根据本公开的布置成接收全息图的相同数字全息图像素值的相邻组子像素p
11
至p
33
。每个子像素p
11
至p
33
包括液晶单元。每个子像素还包括仅1位内存和触发器。内存和触发器可以嵌入显示设备的硅背板中。图12b示出了该组的触发器如何在公共时钟“clk”上串联连接。触发器可以是d型触发器。每个触发器的q输出连接到链中下一触发器的d输入。因此，对于时钟的每个周期，一位数据以本领域技术人员熟悉的方式从一个子像素传递到下一个子像素。触发器链形成一个全息图像素数据的移位寄存器。二进制值(例如9位)通过每个子像素高速计时。每个触发器的所谓的q输出直接连接到液晶的焊盘，并以液晶显示器领域的技术人员熟悉的方式驱动液晶。提供给每个子像素的位模式确定施加给液晶的电压，该电压又引起例如液晶的倾斜或扭曲。每个子像素将及时经历全部9
位值。时钟足够快，使得液晶响应与接收到的位模式相关的均方根“rms”电压。图12a中的箭头指示位模式的位围绕像素组传递的方向。子像素可以任何线性链连接。每一位数据都对液晶所经历的电压做出相同的贡献。每个子像素接收一个位模式，其产生驱动液晶的rms电压。该位模式的最小尺寸等于用于表示每个全息图像素值的位数。
[0163]
因此可以理解，提供了一种硅上液晶空间光调制器，其包括光调制像素阵列和控制器。该阵列的每个光调制像素包括用于光调制的液晶。每个光调制像素与相应的触发器相关。控制器布置为接收图像的全息图。全息图包括多个全息图像素。每个全息图像素包括各自的n位全息图像素值。控制器进一步布置为根据全息图的相应全息图像素值驱动n光调制像素的相邻组的每个光调制像素。因此，在全息图和光调制像素之间存在一对n像素相关性。n光调制像素的每个相邻组的触发器串联连接以形成移位寄存器。在移位寄存器的操作期间，在至少n时钟周期比如2n时钟周期的过程中，与n光调制像素的每个相邻组相关的n位全息图像素值被一次一位地提供给相邻组的每个光调制像素。
[0164]
图13a示出了图12a所示的3
×
3组子像素的示例9位全息图像素值。在实施例中，用于表示每个像素值的位数等于每个相邻组中的子像素的数量。图13b示出了在该示例中，在18个时钟周期的过程上，如何将9位中的每一位一次一位地提供给每个子像素。每一位被提供给每个子像素至少一次。在该示例中，9位像素值被完整地提供给每个子像素两次。在每个时间点(图13b的每个时钟周期/位列)，子像素分别由9位数的不同位驱动(图13a)。该链的相邻子像素实际上异相(out of phase)一位。例如，在时钟周期1，子像素p11接收9位像素值的第一位，子像素p22接收第五位，子像素p33接收第九位。例如，在时钟周期12，子像素p11接收第三位，子像素p22接收第六位，子像素p33接收第二位。
[0165]
本领域技术人员将理解，在使用移位寄存器分配像素值的单个位之前，必须将n位像素值下载到每个组。在操作移位寄存器之前，可以使用任何数量的不同配置来将像素值的一位下载到每个子像素(在基本相同的时间或时间顺序上)，因此不需要进一步描述。同样，本领域技术人员将理解光源可以如何与移位寄存器同步，以确保全息图的照射直到液晶充分对准才发生。实现的定时和驱动方案可以基于设备要求来选择，并且对于本文公开的核心原理来说不是必需的。
[0166]
一般而言，该方案可以包括配置阶段、数据下载阶段、预照射驱动阶段、照射阶段和复位阶段。如上所述，配置阶段可以包括控制器接收信号，该信号确定每组子像素的数量，从而确定显示器的子像素之间的互连性。数据下载阶段可以包括根据上述方案接收全息图像素值并将一位写入每个子像素的内存。预照射阶段可以与移位寄存器的操作同时进行，并且可以持续预定的时间(例如以实现液晶的粗略对准)。照射阶段可以包括通过光源开始照射来持续操作移位寄存器。光源可以是门控的。在照射阶段期间，根据预定的多个子帧，可以发生场反转，例如通过在触发器的q和q-bar输出之间交替。复位阶段可以代表帧的结束。
[0167]
在实施例中，如将从先前描述中理解，该设备可重新配置以补偿波长。例如，对于将被红光照射的全息图，该设备可以配置为每组6
×
6子像素，对于将被绿光照射的全息图，该设备可以配置为每组5
×
5像素，对于将被蓝光照射的全息图，该设备可以配置为每组4
×
4子像素。本领域技术人员将理解，可以实现各种电子配置，包括例如开关，以实现这种可重新配置性。响应于反映波长的控制信号，子像素分组是可编程的。例如，本领域技术人员将
理解，控制器可被提供有代表所需波长(例如红色、绿色或蓝色)的输入，并且作为响应，控制器可操作成改变每组的子像素的数量和/或改变子像素之间的互连性和/或移位寄存器的接通或断开单位单元。这些实现选择是常规设计的问题，并且本公开不限于任何一种设计。在一些实施例中，光调制像素阵列的不同子区域被用于不同的分组。
[0168]
在一实施例中，像素尺寸为400 /-100nm，并且每组16
×
16个子像素用于红光，每组13
×
13子像素用于绿光，每组11
×
11子像素用于蓝光。
[0169]
在进一步的改进中，每个触发器的所谓的q-bar输出(图12b中未示出)被方便地用来简化设备并结合关键功能，如下所述。
[0170]
液晶广泛用于直视显示器、投影显示器和光子器件。液晶稳定性是首要关注的问题，并且液晶显示设备需要具有长的工作寿命。然而，液晶显示设备上不平衡场的存在会使介质极化。一个方向的净电场导致离子堆积。这种离子电荷的堆积倾向于干扰施加的电场并降低显示设备的性能。在本领域中已知通过连续反转电场来dc平衡液晶显示设备。这个过程可以称为场反转。
[0171]
图14示出了用于驱动液晶显示设备的像素阵列的方案，以帮助解释dc平衡的过程。x轴是时间，y轴是液晶上的电势差，即公共电极和像素电极之间的电势差。电势差可以是正的(本文用高于x轴的电压表示)或负的(本文用低于x轴的电压)表示。示出了四个帧，其中每个帧包括六个子帧。每一帧对应于投影图像序列中的一幅图像。图像序列可以是形成运动图像的视频速率图像序列。图14的每个阴影矩形代表显示事件。每个显示事件包括在显示设备上的像素上显示图像。因此，每个显示事件包括向显示设备的每个像素施加单独的像素电压。每个像素电压确定液晶的局部行为，例如定向。因为液晶是双折射的，所以每个像素电压对应于光调制值，例如相位调制值。图14中示出的帧之间的间隙大于同一帧的子帧之间的间隙，仅供说明。实际上，子帧之间的时间间隔可能是均匀的。
[0172]
在本例中，每一帧包括六个显示事件，即六个子帧。一帧的每个子帧对应于用于投影的相同图像。实际上，同一图像在一帧间隔内显示六次。可以说，显示设备的像素每帧被刷新五次，以形成每幅图像(或每帧)总共六个显示事件。应当注意，电势差的极性在每一帧内是交替的。在该示例中，每一帧包括使用正电位差的三个显示事件，该正电位差与使用负电位差的三个显示事件交错。为了避免疑问，在子帧期间施加在像素阵列的每个像素上的电势差的极性是相同的。也就是说，在子帧期间，所有像素或者受到正电势差，或者所有像素受到负电势差。本文主要使用“正”和“负”这两个词来反映电势差的方向是相反的。电位差的极性且因此电场的极性不断反转，这一点并不重要。例如，每一帧可以包括三个连续的正场显示事件，随后是三个连续的负场显示事件。技术领域接受的关键原则是，每一帧中的正场显示事件的数量必须等于每一帧中的负场显示事件的数量，而不管帧中正场和负场显示事件的顺序如何。这确保了所谓的dc平衡，并防止液晶粘附。
[0173]
在一些实施例中，每组触发器的q-bar输出也成链连接，以便根据所选驱动方案的要求提供全息图的帧反转。因此，应该理解，本文公开的触发器配置和dc平衡之间存在协同作用。
[0174]
更具体地，每个触发器包括第一输出“q”和第二输出“q-bar”。第一输出与第二输出相反。控制器布置成使用触发器的第一输出驱动每个相邻组的每个光调制像素至少n时钟周期，然后使用触发器的第二输出驱动每个相邻组的每个光调制像素至少n时钟周期。控
制器可以布置成在每个子帧sf在触发器的q输出和q-bar输出之间切换。
[0175]
附加特征
[0176]
示例描述了用可见光照射slm，但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。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成可见光的技术。例如，本公开扩展到为此目的使用磷光体和/或量子点技术。
[0177]
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。
[0178]
根据本公开的全息投影仪可以用作平视显示器或诸如近眼设备的头戴式显示器的图像生成单元。也就是说，提供了包括根据本公开的全息投影仪的平视显示器、头戴式显示器和近眼设备。在一些实施例中，提供了一种包括平视显示器的车辆，该平视显示器具有包括全息投影仪的图像生成单元。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。
[0179]
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，比如随机存取内存(ram)、只读内存(rom)、缓冲内存、闪存和高速缓冲内存。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。
[0180]
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)。
[0181]
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。