全息投影仪的制作方法

本公开涉及投影仪和图片生成单元。更具体地，本公开涉及全息投影仪和图片生成单元。一些配置涉及平视显示器。

背景技术：

从对象散射的光包含幅度和相位信息。通过众所周知的干涉技术可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”。可以通过用合适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。

计算机生成的全息图可以数字模拟干涉过程。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，即“cgh”。这些类型的全息图可以被称为菲涅耳或傅立叶全息图。傅里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也可通过相干射线跟踪或点云技术来计算。

cgh可以编码在空间光调制器“slm”上，该空间光调制器被配置成调制入射光的幅度和/或相位。例如，可以使用电子可寻址液晶，光学可寻址的液晶或微反射镜来实现光调制。

slm可以包括多个单独可寻址的像素，其也可以称为单元或元件。光调制方案可以是二元的，多级的或连续的。可选地，该装置可以是连续的(即不包括像素)，且因此光调制可以在整个装置上连续。slm可以是反射性的，表示调制光在反射中从slm输出。slm同样可以是透射性的，表示从slm输出的调制光是透射性的。

可以使用所描述的技术提供用于成像的全息投影仪。这种投影仪已经应用于平视显示器，“hud”和头戴式显示器，“hmd”，包括例如近眼设备。

由于全息图需要相干光来照射slm，例如激光，因此不希望的副作用是图像(全息重建)中的激光散斑的出现，这降低了图像的质量。为了改善图像质量，期望减少全息重建中的散斑。

技术实现要素：

在所附独立权利要求中限定了本公开的各方面。

具体地，在一些方面，全息投影仪包括空间光调制器，光接收构件和驱动器。空间光调制器被布置成接收并表示计算机生成的全息图，以及空间调制入射在空间光调制器上的光，从而根据计算机生成的全息图形成全息重建。光接收构件被配置成从空间光调制器接收沿光轴的空间调制的光，并且全息重建形成在光接收构件上。驱动器耦接到光接收构件以使光接收构件在平面中移动。驱动器被配置为移动光接收构件，同时保持光接收构件相对于空间光调制器的取向基本恒定。换句话说，驱动器耦接到光接收构件以在一个平面内平移光接收构件，同时保持光接收构件相对于空间光调制器的基本恒定的取向。

在一些实施例中，驱动器耦接到光接收构件以在垂直于光轴的平面中移动光接收构件。驱动器被配置为移动光接收构件，同时保持光接收构件在平面中以及相对于空间光调制器的取向基本恒定。换句话说，驱动器耦接到光接收构件以在垂直于光轴的平面中平移光接收构件，同时保持光接收构件相对于空间光调制器的基本恒定的取向。

空间光调制器和光接收构件可以是平行的或不平行的，但是在所有情况下，空间光调制器和光接收构件之间的角度在光接收构件的移动期间是基本恒定的。在一些实施例中，空间光调制器上的光的入射角度大于零。也就是说，光在空间光调制器上的入射角度是非垂直的。下面详细描述的图1示出了这样的实施例。在这些实施例中，光接收构件在其中移动的平面可以垂直于从空间光调制器到光接收构件的光轴。可选地，在这些实施例中，光接收构件在其中移动的平面可以与光轴不垂直。光接收构件在其中移动的平面的法线与光轴之间的角度可以小于20度，例如5至15度。

有利地，通过移动光接收构件，例如用于反射或透射的漫射器或屏幕，用全息重建照射的光接收构件的区域随时间改变，从而改变从光接收构件发出(例如朝向投影系统的其他部件)的全息重建的光中的散斑的图案。这是因为光接收构件中的统计缺陷影响散斑的图案，使得由于随着光接收构件的移动连续改变的缺陷组被照射，从而图案改变。随着散斑图案随时间变化，其由人类观察者的光学系统平均，从而减少了全息重建中散斑的出现。此外，当光接收构件在基本上保持其相对于空间光调制器的取向的同时移动时，与允许取向改变的配置(例如，在光接收构件绕其轴线旋转的情况下)相比，减少了在拦截全息重建时容纳其移动所需的光接收构件的所需区域。另外，保持基本恒定的相对取向有利于以非各向同性方式漫射光的光接收构件的使用，使得对应于全息重建的光锥的形状能够被配置成适于布置成从光接收构件接收光的任何光学器件的形状。

驱动器可被配置成以各种方式移动光接收构件。例如，驱动器可被配置成使光接收构件往复运动(即前后移动)。另一方面，驱动器可以被配置为不停止地移动光接收构件。例如，驱动器可以被配置为在圆形或卵形轨迹或任何其他闭合路径轨迹上移动光接收构件。在一些特定的布置中，这可以例如通过将光接收构件安装在任一端偏心地固定到相应的旋转连杆构件(例如线性连杆或轮)的台架上来实现。应当理解，在一些情况下，驱动器可以替代地被配置为移动光接收构件而不用于如上所述地保持其与空间光调制器的相对取向。例如，更一般地，光接收构件可以在轨迹上移动，例如围绕非零区域和/或在几个方向上摆动，无论是否保持取向。此外，在一些情况下，移动可以包括或具有非平移的并且与相对取向的变化相关联的分量，例如通过将光接收构件围绕轴线旋转。在任何情况下，光接收构件的移动可以说是利用全息重建扫描光接收构件上的扫描区域，并且扫描区域可以小于或等于全息重建的区域的1.5倍，可选地1.2倍。当然可以理解，由于全息重建是在整个光接收构件上扫描的，因此扫描区域将总是大于全息重建在光接收构件上的面积。

如果光接收构件非连续地移动，即它在其停止的位置之间移动，例如在两个位置之间往复移动(即，来回移动)或在多个位置之间摆动，则当光接收构件改变方向和最大值时，光接收构件的速度分布在零或最小值之间变化。为了增加统计产生的散斑图案的数量，全息重建(包括诸如激光器的光源的切换和空间光调制器的刷新)的产生与光接收构件的移动同步，以避免光接收构件的速度为零或最低的时间，例如，当光接收构件的速度为非零/非最小时(例如在速度到达或接近光接收构件的最大速度时的时间)同步全息重建的生成来照射光接收构件。激光照射可以与光接收构件的运动同步地进行门控。例如，激光器可以被门控，使得当速度为零时没有照射。

光接收构件上的全息重建的周边形状可以是光接收构件的周边形状的按比例缩放版本，以便光接收构件的形状和全息重建的形状(以及在一些情况下从光接收构件接收光的另外的光学部件的形状)是相似或相应的。可选地或另外地，光接收构件可以被配置为将入射在其上的光漫射，具体地在一些情况下，以第一量漫射第一方向上的光，并且以第二量漫射沿垂直于第一方向的第二方向的光，该第二量大于第一量。光接收构件可以布置成照射被配置为接收来自漫射器的光的光学元件，并且该光学元件在第三方向上的尺寸小于光学元件在垂直于第三方向的第四方向上的尺寸。当第一方向大致平行于第三方向时，来自光接收构件的光锥的横截面形状与光学元件的横截面形状相匹配。通过匹配空间光调制器，全息重建，光接收构件以及一个或多个其他光学元件的像素阵列中的两个或更多个的形状，可以优化或减少所涉及的组件的尺寸，从而有利地节省空间安排。

全息投影仪可包括布置成照射空间光调制器的光源，其中光源发射空间相干光，并且可选地发射基本上单色的光，例如激光。空间光调制器可以被配置为在空间上调制入射在空间光调制器上的光的相位，并且可以是硅基液晶空间光调制器。计算机生成的全息图可以与对应于全息重建的图片的变换对应，例如傅里叶变换或菲涅耳变换。计算机生成的全息图可以是傅立叶或菲涅耳全息图，例如由点云方法生成。

全息投影仪可以包括耦接到空间光调制器的处理器，以将计算机生成的全息图提供给空间光调制器。处理器可以被配置为生成计算机生成的全息图。在一些情况下，处理器可以被配置为同步计算机生成的全息图的生成，如上所述。

光接收构件可以是沿光路间隔开的多个光接收构件中的一个。多个光接收构件中的每一个可以在基本上透明的状态和漫射状态之间切换，其中在基本上透明的状态基本上未改变地透射光，而在漫射状态则漫射光。多个光接收构件中的每一个可以耦接到相应的驱动器以在相应的平面中移动。计算机生成的全息图可以是多个计算机生成的全息图中的一个，各包括相应的全息透镜组件，以使得相应的全息重建形成在多个光接收构件中的相应一个上。

本公开的各方面扩展到包括如上所述的全息投影仪的车辆。在这些方面，全息投影仪被配置为将全息重建投影到车辆的挡风玻璃上。更一般地，本公开涉及一种平视显示器，其包括如上所述的全息投影仪。

本公开的各方面还扩展到图像生成单元，该图像生成单元包括空间光调制器，光接收构件(例如屏幕或漫射器)以及驱动器。空间光调制器被布置成对入射在空间光调制器上的光进行空间调制以形成图像，例如全息重建。光接收构件被布置成从空间光调制器接收沿着光路的空间调制的光。图像形成在光接收构件上。驱动器耦接到光接收构件以使光接收构件在一平面中移动。

例如，驱动器被配置为移动光接收构件，同时相对于空间光调制器保持光接收构件的平面中的取向基本恒定，例如通过使光接收构件往复移动(即光接收构件在两个位置之间往复运动)。可选地，驱动器可以被配置为不停止地移动光接收构件，例如在圆形或卵形轨迹或任何其他闭合路径轨迹上。在任何情况下，可以说光接收构件的移动用图像扫过光接收构件上的扫过区域。最小化扫过区域可能是有利的。超过一定尺寸的扫过区域，不会实现对图像质量的进一步改善。扫过区域与图像区域的比率可以取决于引起漫射的光接收构件的特征(即表面特征)的大小。扫过区域与图像区域的比率可以与光接收构件的特征的大小成比例。如果特征尺寸太大，则不会通过光接收构件的移动来改善图像。发明人已经发现，扫过区域可以进一步有利地小于或等于图像的面积的两倍，或者小于或等于图像的面积的1.5倍或1.2倍。

光接收构件上的全息重建的周边形状可以是光接收构件的周边形状的按比例缩放形式，从而充分利用光接收构件占据的空间。可选地，可以选择光接收构件的周边形状以匹配扫过区域的形状。

光接收构件可以配置成将入射在其上的光漫射。光接收构件被配置为以第一量漫射沿第一方向的光，并且以第二量漫射沿垂直于第一方向的第二方向的光，其中第二量大于第一量。

本公开的各方面进一步扩展到包括如上所述的图片生成单元的平视显示器，以及扩展到安装有这种平视显示器的车辆，例如汽车，例如将图像投影到挡风玻璃上。此外，本公开的各方面扩展到包括如上所述的图片生成单元的全息投影仪。

术语“全息图”用于表示包含关于对象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”用于指通过照射全息图形成的对象的光学重建。这里使用的术语“重放平面”是指完全形成全息重建的空间中的平面。术语“重放场”在本文中用于指代重放平面的子区域，其可以接收来自空间光调制器的空间调制的光。术语“图像”和“图像区域”是指由形成全息重建的光照射的重放场的区域。在实施例中，“图像”可以包括离散点，其可以被称为“图像像素”。

术语“编码”，“写入”或“寻址”用于描述以相应的多个控制值提供slm的多个像素的过程，其中该相应的多个控制值分别确定各像素的调制级。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。

已经发现，可以从仅包含与原始对象相关的相位信息的“全息图”形成可接受质量的全息重建。这种全息记录可以称为仅相位全息图。实施例涉及仅相位全息图，但是本公开同样适用于仅振幅全息图。

本公开还同样适用于使用与原始对象相关的幅度和相位信息来形成全息重建。在一些实施例中，这通过使用所谓的完全复合全息图(fullycomplexhologram)的复合调制来实现，该完全复合全息图包含与原始对象相关的幅度和相位信息。这样的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数。在一些实施例中，计算完全复合的计算机生成的全息图。

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，相位信息或仅相位作为“相位延迟”的简写。也就是说，所描述的任何相位值实际上是一个数字(例如，在0到2π的范围内)，其表示由该像素提供的相位延迟量。例如，被描述为具有相位值π/2的空间光调制器的像素将使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)中的一个中操作。术语“灰度级”可用于指代多个可用调制级。例如，为了方便起见，术语“灰度级”可用于方便地指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度深浅。术语“灰度级”也可以用于方便地指复合调制器中的多个可用复合调制级。

尽管在下面的详细描述中可以单独地公开不同的布置和布置组，但是任何布置或布置组的任何特征可以与任何布置或布置组的任何其他特征或特征的组合相结合。也就是说，设想了本公开中公开的特征的所有可能组合和置换。

附图说明

仅通过示例的方式参考以下附图描述具体布置：

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(盖师贝格撒克斯通)类型算法的第一次迭代；

图2b示出了示例gerchberg-saxton类型算法的第二次和后续迭代；

图2c示出了示例gerchberg-saxton类型算法的可选第二次和后续迭代；

图3是反射lcosslm的示意图；

图4示出了安装在车辆中的hud；

图5示出了用于移动光接收构件的布置；

图6a-c示出了用于移动光接收构件的另一布置；和

图7a-f示出了用于移动光接收构件的另一布置。

贯穿附图将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

具体实施方式

本发明不限于下面描述的布置，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限于所描述的布置，所述布置被设置用于说明的目的。

除非另有说明，否则单数形式的术语可包括复数形式。

被描述为形成在另一结构的上部/下部或其他结构之上/之下的结构应被解释为包括结构彼此接触的情况，以及此外，第三个结构设置在其间的情况。

除非另有说明，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”或类似之类时——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“仅”、“立即”或“直接”的措辞，否则应该将描述视为包括不连续的情况。

尽管这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，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，而不脱离所附权利要求的范围。

不同布置的特征可以部分地或整体地耦接到彼此或者彼此组合，并且可以彼此不同地互操作。一些布置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示出了一个实施方式，其中计算机生成的全息图在单个空间光调制器上编码。计算机生成的全息图是用于重建的对象的傅里叶变换。因此可以说全息图是对象的傅里叶域或频域或谱域表示。在该实施方式中，空间光调制器是硅基的反射液晶，“lcos”器件。全息图在空间光调制器上编码，并且全息重建在重放场形成，例如，光接收构件或诸如屏幕或漫射器的表面。

设置光源110，例如激光器或激光二极管，以通过准直透镜111照射slm140。准直透镜使得大致平面的光波前入射到slm上。在图1中，波前的方向是非正交的(例如，与真正垂直于透明层的平面相距两或三度)。然而，在其它实施方式中，以法向入射提供大致平面的波前，并且使用分束器布置来分离输入和输出的光路(opticalpath)。在图1所示的实施方式中，该布置使得来自光源的光从slm的镜像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应用于包括傅里叶变换透镜120的光学器件，其焦点位于屏幕125处。更具体地，傅里叶变换透镜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，全息图的每个像素有助于整个重建。重放场上的特定点(或图像像素)与特定光调制元件(或全息图像素)之间不存在一对一的相关性。换言之，离开光调制层的调制光分布在重放场上。

在这些实施方式中，全息重建在空间中的位置由傅里叶变换透镜的屈光(聚焦)能力确定。在图1所示的实施方式中，傅里叶变换透镜是物理透镜。也就是说，傅里叶变换透镜是光学傅里叶变换透镜，并且光学地执行傅里叶变换。任何透镜都可以作为傅里叶变换透镜，但透镜的性能将限制其执行的傅里叶变换的精度。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

在一些实施方式中，计算机生成的全息图是傅里叶变换全息图，或简称为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。通过将重放平面中的期望光场傅里叶变换回透镜平面来计算傅里叶全息图。可以使用傅里叶变换来计算计算机生成的傅里叶全息图。

可以使用诸如gerchberg-saxton算法的算法来计算傅里叶变换全息图。此外，gerchberg-saxton算法可用于从空间域(诸如照片)中的仅振幅信息计算傅里叶域中的全息图(即，傅里叶变换全息图)。从空间域中的仅振幅信息有效地“取回”与对象相关的相位信息。在一些实施方式中，使用gerchberg-saxton算法或其变体从仅振幅信息计算计算机生成的全息图。

gerchbergsaxton算法考虑了分别在平面a和b中的光束ia(x,y)和ib(x,y)的强度横截面是已知的，并且ia(x,y)和ib(x,y)通过单次傅里叶变换相关的情况。对于给定的强度横截面，分别求出平面a和b中的相位分布ψa(x,y)和ψb(x,y)的近似值。gerchberg-saxton算法通过遵循迭代过程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，同时在空间域和傅里叶(频谱或频率)域之间重复传送代表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谱域中的相应的计算机生成的全息图。该算法是收敛的并且被设置成产生表示输入图像的全息图。全息图可以是仅振幅全息图，仅相位全息图或完全复合全息图。

在一些实施方式中，使用基于gerchberg-saxton算法的算法计算仅相位全息图，该基于gerchberg-saxton算法的算法诸如英国专利2,498,170或2,501,112中所述，其全部内容通过引用并入本文。然而，本文公开的实施方式仅通过示例的方式描述了计算仅相位全息图。在这些实施方式中，gerchberg-saxton算法取回数据集的傅里叶变换的相位信息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里叶变换中固有地组合，因此变换的幅度和相位包含关于计算的数据集的准确度的有用信息。因此，对振幅和相位信息的反馈可以迭代地使用该算法。然而，在这些实施方式中，仅使用相位信息ψ[u,v]作为全息图以形成图像平面处的目标图像的全息代表。全息图是相位值的数据集(例如，2d阵列)。

在其它实施方式中，基于gerchberg-saxton算法的算法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。

在一些实施方式中，算法处理复数数据，并且傅里叶变换是复数傅里叶变换。复数数据可以被认为包括(i)实分量和虚分量或(ii)幅度分量和相位分量。在一些实施方式中，在算法的各个阶段不同地处理复数数据的两个分量。

图2a示出了根据一些实施方式的用于计算仅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。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可以被认为是仅幅度或仅振幅或仅强度分布。这种输入图像210的实例是照片或包括时间序列的帧的视频的一帧。算法的第一次迭代以数据形成步骤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，以形成起始复数数据集，其中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里叶变换以形成傅里叶变换的复数数据集。第二处理块253接收傅里叶变换的复数数据集并输出全息图280a。在一些实施方式中，全息图280a是仅相位全息图。在这些实施方式中，第二处理块253量化每个相位值并将每个幅度值设置为单位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级(phaselevel)量化每个相位值，该相位级将用于“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个不同的相位级，则全息图的每个相位值被量化为256个可能相位级的一个相位级。全息图280a是仅相位傅里叶全息图，其代表输入图像。在其它实施方式中，全息图280a是完全复合全息图，其包括从接收的傅里叶变换复数数据集导出的复数数据值(每个包括幅度分量和相位分量)阵列。在一些实施方式中，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平面中最接近的可允许复数调制级别。可以说全息图280a代表谱域或傅里叶域或频域中的输入图像。在一些实施方式中，算法在此时停止。

然而，在其它实施方式中，算法继续，如图2a中的虚线箭头所示。换言之，图2a中虚线箭头之后的步骤是可选的(即不是对所有实施方式必需的)。

第三处理块256从第二处理块253接收修改的复数数据集，并执行逆傅里叶变换以形成逆傅里叶变换的复数数据集。可以说逆傅里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接收逆傅里叶变换的复数数据集，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可以将逆傅里叶变换后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。如果幅度值分布211a和输入图像210之间的差异足够小，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可以确定全息图280a是输入图像210的足够准确的代表。在一些实施方式中，为了比较的目的，忽略逆傅里叶变换复数数据集的相位值213a的分布。应当理解，可以采用用于比较幅度值211a的分布和输入图像210的任何数量的不同方法，并且本公开不限于任何特定方法。在一些实施方式中，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，并且在其它实施方式中，所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表示算法的第二次迭代以及算法的任何进一步迭代。通过算法的处理块反馈前一次迭代的相位值213a的分布。拒绝幅度值211a的分布以有利于输入图像210的幅度值的分布。在第一次迭代中，数据形成步骤202a通过组合输入图像210的幅度值的分布和随机相位分布230来形成第一复数数据集。然而，在第二次和随后的迭代中，数据形成步骤202b包括通过组合(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的幅度值的分布来形成复数数据集。

然后，以参考图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解释。当已经计算出第二迭代全息图280b时，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，仅在需要第四处理块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通常在每次迭代时变得更好。然而，在实践中，通常在一个点处没有观察到可测量的改进时，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时达到该点。因此，该算法被描述为迭代和收敛的。

图2c表示第二次和随后迭代的替代实施方式。通过算法的处理块反馈前一次迭代的相位值213a的分布。拒绝幅度值211a的分布以有利于幅度值的替代分布。在该替代实施方式中，幅度值的替代分布是从先前迭代的幅度值211的分布导出的。具体地，处理块258从前一次迭代的幅度值211的分布中减去输入图像210的幅度值的分布，将该差值缩放增益因子α并从输入图像210中减去缩放的差值。这在数学上通过以下等式表示，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'是逆傅里叶变换；

f是正向傅里叶变换；

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；和

α是增益因子。

增益因子α可以是固定的或可变的。在一些实施方式中，基于输入目标图像数据的大小和速率(rate)确定增益因子α。在一些实施方式中，增益因子α取决于迭代次数。在一些实施方式中，增益因子α仅是迭代次数的函数。

图2c的实施方式与图2a和图2b的实施方式在所有其它方面相同。可以说仅相位全息图ψ(u,v)包括频域或傅里叶域中的相位分布。

在一些实施方式中，通过在全息数据中包括透镜数据来计算地执行傅里叶变换。也就是说，全息图包括代表透镜的数据以及代表对象的数据。在这些实施方式中，省略了图1的物理傅里叶变换透镜120。在计算机生成的全息图领域中已知如何计算代表透镜的全息数据。代表透镜的全息数据可以称为软件透镜。例如，可以通过计算由于其折射率和空间变化的光路长度而由透镜的每个点引起的相位延迟来形成仅相位全息透镜。例如，凸透镜中心处的光路长度大于透镜边缘处的光路长度。仅振幅全息透镜可以由菲涅耳波带片形成。在计算机生成的全息图领域中还已知如何将代表透镜的全息数据与表示对象的全息数据组合，使得可以在不需要物理傅里叶透镜的情况下执行傅里叶变换。在一些实施方式中，通过简单的加合(例如简单的矢量加合)将透镜数据与全息数据组合。在一些实施方式中，物理透镜与软件透镜结合使用以执行傅里叶变换。或者，在其它实施方式中，完全省略傅里叶变换透镜，使得全息重建发生在远场中。在进一步的实施方式中，全息图可以包括光栅数据——即，被布置为执行光栅功能的数据，诸如光束控制。同样，在计算机生成的全息术领域中已知如何计算这样的全息数据并将其与代表该对象的全息数据组合。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全息光栅。仅振幅全息光栅可以简单地叠加在代表对象的仅振幅全息图上，以提供仅振幅全息图的角度控制。

在一些实施方式中，傅里叶变换由物理傅里叶变换透镜和软件透镜共同执行。也就是说，有助于傅里叶变换的一些屈光能力由软件透镜提供，并且有助于傅里叶变换的其余屈光能力由一个或多个物理光学器件提供。

在一些实施方式中，提供了一种实时引擎，其被布置成使用该算法实时接收图像数据并计算全息图。在一些实施方式中，图像数据是包括图像帧序列的视频。在其它实施方式中，全息图被预先计算、存储在计算机存储器中并根据需要被调用以在slm上显示。也就是说，在一些实施方式中，提供了预定全息图的储存库。

实施方式仅作为示例涉及傅里叶全息术和gerchberg-saxton类型算法。本公开同样适用于通过诸如基于点云方法的其它技术计算的菲涅耳全息术和全息图。

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。如果全息图是完全复合全息图，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。

在一些实施方式中，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，在一些实施方式中，空间光调制器是液晶器件，其中光学活性部件是液晶。每个液晶单元被配置为选择性地提供多个光调制级。也就是说，每个液晶单元被配置为在任何一个时间在从多个可能的光调制级中选择的一个光调制级操作。每个液晶单元可动态地重新配置为与多个光调制级不同的光调制级。在一些实施方式中，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器件在小孔径(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，这意味着光学系统可以是紧凑的。与其它液晶设备的较大孔径相比，更容易充分照亮lcosslm的小孔径。lcos器件通常是反射性的，这意味着驱动lcosslm的像素的电路可以埋在反射表面下。结果是更高的孔径比。换言之，像素紧密堆积意味着像素之间存在非常小的死区。这是有利的，因为它减少了重放场中的光学噪声。lcosslm使用硅背板，其优点是像素是光学平坦的。这对于相位调制装置尤其重要。

下面仅通过举例的方式参考图3描述合适的lcosslm。使用单晶硅衬底302形成lcos器件。它具有由间隙301a隔开的方形平面铝电极301的2d阵列，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。每个电极形成相应的平面镜。配向层303布置在电极阵列上，以及液晶层304布置在配向层303上。第二配向层305布置在平面透明层306，例如玻璃上。单个透明电极307，例如ito，布置在透明层306和第二配向层305之间。

每个方形电极301与透明电极307的覆盖区域和介于中间的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之间的间隔，有效像素区域或填充因子是光学活性的总像素的百分比。通过控制施加到每个电极301的相对于透明电极307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的延迟。效果是向波前提供仅相位调制，即不发生振幅效应。

所描述的lcosslm输出反射的空间调制光。反射型lcosslm的优势在于信号线、栅极线和晶体管位于镜面下方，从而产生高填充因子(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个优点是液晶层的厚度可以是使用透射装置时所需厚度的一半。这极大地提高了液晶的切换速度(移动视频图像投影的关键优势)。然而，可以使用透射型lcosslm同样地实现本公开的教导。

平视显示器

图4示出了诸如汽车的车辆中的hud。图4中示出了车辆的挡风玻璃430和发动机盖(或发动机罩)435。hud包括图片生成单元“pgu”410和光学系统420。

pgu410包括光源(未示出)、光接收构件400和处理器(或计算机，未示出)，其布置成计算机控制图片的图像内容。pgu410被布置成在光接收构件400上产生图片或图片序列。光接收构件400可以是屏幕或漫射器。在一些实施方式中，光接收构件400是塑料的(即，由塑料制成)。

光学系统420包括输入端口、输出端口、第一镜421和第二镜422。第一镜421和第二镜422被布置成将来自光学系统的输入端口的光引导到光学系统的输出端口。更具体地，第二镜422被布置成从pgu410接收图片的光，以及第一镜421被布置成从第二镜422接收图片的光。第一镜421还布置成反射所接收的图片的光到输出端口。因此，从输入端口到输出端口的光路包括从输入到第二镜422的第一光路423(或第一光路分量)和从第二镜422到第一镜421的第二光路424(或第二光路分量)。当然，从第一镜到输出端口有第三光路(或光路分量)，但在图4中未给出附图标记。图4所示的光学配置由于光路的形状可以被称为“z折叠”配置。

hud被布置和定位在车辆内，使得来自光学系统420的输出端口的图片的光入射在挡风玻璃430上并且至少部分地被挡风玻璃430反射到hud的用户440。因此，在一些实施方式中，光学系统被布置成通过从挡风玻璃反射空间调制的光来在挡风玻璃上形成每个图片的虚像。hud的用户440(例如，汽车的驾驶员)在挡风玻璃430中看到图片的虚像450。因此，在实施方式中，光学系统被布置成在车辆的挡风玻璃上形成每个图片的虚像。虚像450形成在汽车的发动机盖435的一定距离处。例如，虚像可以距用户4401至2.5米。光学系统420的输出端口与汽车仪表板中的孔对准，使得图片的光由光学系统420和挡风玻璃430引导至用户440。在该布置中，挡风玻璃430用作光学组合器(opticalcombiner)。在一些实施方式中，光学系统被布置成在包括在系统中的附加光学组合器上形成每个图片的虚像。挡风玻璃430或附加的光学组合器(如果包括的话)将来自现实世界场景的光与图片的光组合。因此可以理解，hud可以提供包括图片的虚像的增强现实。例如，增强现实信息可以包括导航信息或与机动车辆的速度有关的信息。在一些实施方式中，形成图片的光通过以大致布鲁斯特角(也称为偏振角)入射在挡风玻璃上而输出。

在一些实施方式中，第一镜和第二镜被布置成折叠从输入到输出的光路，以便增加光路长度而不会过度增加hud的物理尺寸。

形成在pgu410的光接收构件上的图片的宽度和高度可以仅为几厘米。因此，第一镜421和第二镜422可以共同地或单独地提供放大率。也就是说，第一镜和/或第二镜可以具有屈光度(即，屈光或聚焦能力)。因此，用户440看到由pgu形成的图片的放大的虚像450。第一镜421和第二镜422还可以校正光学畸变，诸如由挡风玻璃430引起的那些，其通常具有复杂的弯曲形状。折叠的光路和镜的屈光度一起允许适当放大图片的虚像并确定虚像距离。

本公开的pgu410可以是全息投影仪的一部分。根据以上公开内容，全息投影仪包括光源、空间光调制器和全息图处理器。空间光调制器被布置成根据空间光调制器上表示的全息图空间调制光。全息图处理器被布置提供计算机生成的全息图。在一些实施方式中，全息图处理器选择计算机生成的全息图，用于从包括多个计算机生成的全息图的储存库(例如，存储器)输出。在其它实施方式中，全息图处理器实时计算并输出计算机生成的全息图。在一些实施方式中，由pgu410形成的每个图片是光接收构件400上的全息重建。即，在一些实施方式中，每个图片通过光接收构件400处的空间调制光的干涉形成。

车辆的仪表板包括孔，因为hud需要到挡风玻璃的光路(优选地，无障碍的光路)。

光接收构件

参考图5，示出了光接收构件400，在其上形成全息重建510。光接收构件400被布置成绕轴520旋转，例如由马达驱动。在特定实例中，全息重建510是矩形的并且具有几厘米的宽度，并且盘状形状的光接收构件400具有为全息重建510的宽度的2或3倍的半径。光接收构件400可以以100-8000rpm，任选200-4000rpm或更具体地300-2000rpm的速率绕轴520旋转。在一些布置中，光接收构件400可以在一定角度范围内成角度地往复运动，而不是连续旋转，以跨越光接收构件400扫描全息重建510。

参考图6a、6b和6c，光接收构件400具有矩形形状并通过臂660耦接到线性马达650。线性马达650和臂660提供驱动器以使光接收构件400前后往复运动，使光接收构件400沿着平面上的方向线性地前后移动。在一些实施方式中，该平面垂直于系统的光轴。在其它实施方式中，平面与系统的光轴成一角度——诸如小于20度。更具体地，在其它实施方式中，平面的法线与系统的光轴之间的角度小于20度。当光接收构件400前后往复运动时，跨越光接收构件400扫过全息重建610。

在一些特定布置中，线性马达650可以由线圈和电枢装置提供，例如在语音或扬声器线圈中，例如在往复运动的极限位置之间具有几毫米的偏移。同样可以设想其它类型的线性马达，以及包括通过合适的传动连杆(例如凸轮装置)耦接的旋转马达的装置。在特定实例中，全息重建是矩形的并且宽度为几厘米，并且光接收构件400仅比全息重建大一厘米左右。光接收构件400可以以例如2-200hz，任选地5-120hz或更具体地10-100hz的速率前后往复运动。

图6a、6b和6c分别示出了在往复运动的最左侧、中间和最右侧位置处或附近的光接收构件400。可以理解的是，光接收构件400在运动过程中的速度在最左和最右位置处的零和在这两个位置之间的点处(通常在移动的中间附近，如图6b所示)的最大速度之间变化。在一些布置中，全息投影仪，特别是处理器，被配置为使全息重建610的生成与光接收构件400的移动同步，使得当光接收构件400在或接近最大速度(例如当它通过图6b中所示的中间位置)移动时生成全息重建610。具体地，处理器可以与栅极信号中的一个或多个同步以对光源、刷新slm的再生信号或者与驱动线性马达650的信号相似的信号进行门控，反之亦然。

考虑到与图5中所示的光接收构件400相比图6中所示的光接收构件400的几何形状，应当理解，可以采用更节省空间的布置，其中减小了容纳光接收构件400所需的空间。此外，在移动过程中保持图6中的光接收构件400的取向。值得注意的是，在这些实施方式中，光接收构件400可以在一个方向上比另一个方向更漫射。例如，当全息重建具有第一纵横比(例如，不是正方形，诸如矩形)且具有不同于(例如，大于)第一纵横比的第二纵横比的镜(例如，图4的镜422)被布置成接收来自光接收构件的光时，这是有利的。也就是说，其中光接收构件上的全息重建的覆盖区限定具有第一纵横比的周边的形状且镜(例如，图4的镜422)的周边限定具有与第一纵横比不同(例如，大于)的第二纵横比的形状的实施方式。

现在参考图7a、7b、7c、7d、7e和7f描述将恒定取向的优点与连续运动的优点相结合的另一种布置。

在图7a所示的布置中，光接收构件400具有矩形形状，在其上形成全息重建710。当然，应当理解，光接收构件400的形状(或光接收构件400的轮廓)不需要是矩形的，而是可以具有任何合适的形状，例如卵形，特别是椭圆形。只要光接收构件400具有与全息重建710的形状的相似程度，就可以获得一定的节省空间的益处，特别是如果光接收构件400的纵横比或长/短轴和全息重建710基本上对齐。应当理解，相同的说明适用于上面参考图6a、6b和6c公开的布置。

光接收构件400安装在台架701上，例如刚性杆或其它刚性构件。台架701在任一端具有相应的枢轴接头702、704，将台架701在连杆构件705的一端处连接到相应的连杆构件705。连杆构件705耦接到相应的轴706和708，连杆构件可围绕轴706和708旋转。具有或不具有合适的传动装置的驱动装置(例如电动马达)耦接到每个轴706、708以驱动连杆构件705的旋转。在一些布置中，单个马达使用合适的传动装置驱动两个连杆构件705。连杆构件可以是如图7a所示的简单的线性连杆或杆，或者可以以车轮的形状设置，其中轴702、704与车轮偏心地连接。

参考图7b、7c、7d、7e和7f，当连杆构件705围绕它们各自的轴706、708旋转时，光接收构件400遵循对应于轴702、704的轨迹的轨迹，该轨迹在图7a的布置中是圆形轨迹。在其它布置中，轨迹可以是卵形的，特别是椭圆形，例如通过使用合适的连杆构件705，其包括伸缩齿轮机构，该伸缩齿轮机构与围绕轴706、708的旋转同步地改变连杆构件705的长度。在图7b、7c、7d、7e和7f中示出了这种卵形，特别是椭圆形的轨迹的实例。如图所示，全息重建710在光接收构件400上移动，但实际上，至少在一些布置中，全息重建710保持空间上固定，同时光接收构件400相对于全息重建710移动。

虽然以上描述涉及光接收构件400的规则移动模式，但是可以替代地使用任何类型的移动，特别是那些相对于slm不改变光接收构件400在平面中的取向的移动。这种其它运动的实例可以是随机摆动或颤动。光接收构件400可以是漫射器，其布置成漫射入射在其上的光并且可以以透射或反射操作。可以使用任何合适的市售材料，例如可广泛获得的聚碳酸酯片材。这种材料的合适漫射角(diffusingangle)可以是30°。

在一些实施方式中，光接收构件在第一方向上具有5-20°的漫射角，在第二方向上具有10-60°的漫射角，其中第二方向与第一方向基本正交。在一些实施方式中，第二方向上的漫射角是第一方向上的漫射角的1.2至5倍，任选地2至4倍，进一步任选地2.5至3.5倍。

可以注意到，所描述的布置在光接收构件上形成实像(全息重建)，从该光接收构件向前传输图像，例如使用合适的光学元件形成虚像。通过漫射器上的图像形成，所谓的“眼箱(eye-box)”可以放大，使得能够从更宽的视角范围观看虚像。这可以与所谓的“直视(directview)”布置形成对比，其中观看者直接观看slm并且全息重建由观看者的眼睛的晶状体形成。

在一些布置中，通过使用如上所述的透镜数据控制沿全息重建的光轴的深度位置来控制形成虚像的深度。为了与全息重建一致，在一些布置中，光接收构件400沿光轴移动以与全息重建一致，或者包括其它光学器件以改变光路长度，从而提供多个可能的重放平面。在其它布置中，光接收构件400是沿光轴间隔开的多个光接收构件中的一个，并且在其余的光接收构件被控制为透明时被控制为漫射，例如通过使用电活性材料用于光接收构件。可以通过共同的驱动装置或各自的驱动装置驱动光接收构件移动。在任一种情况下，驱动装置可以如上所述配置。

附加特征

实施方式仅作为示例涉及电激活的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的全息图的任何空间光调制器上实现，诸如任何电激活的slm、光激活的slm、数字微镜器件或微机电器件，用于示例。

在一些实施方式中，光源是激光器。在一些实施方式中，光接收构件是屏幕或漫射器。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。在一些实施方式中，提供了一种车辆，其包括安装在车辆中的全息投影系统以提供hud。车辆可以是机动车辆，诸如汽车、卡车、货车、卡车、摩托车、火车、飞机、船或舰。

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。这种零级光可以被视为“噪声”并且包括例如镜面反射光和来自slm的其它不需要的光。

在傅里叶全息术的实例中，这种“噪声”聚焦在傅里叶透镜的焦点上，导致全息重建中心的亮点。可以简单地阻挡零级光，但这意味着用暗点替换亮点。一些实施方式包括角度选择性滤波器，以仅去除零级的准直光线。实施方式还包括欧洲专利2,030,072中描述的管理零级的方法，该专利通过引用整体并入本文。

在一些实施方式中，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，使得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。在其它实施方式中，全息图的尺寸小于空间光调制器的尺寸。在这些其它实施方式的一些中，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)。该技术可以称为“铺瓦(tiling)”，其中空间光调制器的表面区域被划分为多个“瓦片”，每个“瓦片”代表全息图的至少一个子集。因此，每个瓦片的尺寸小于空间光调制器的尺寸。

全息重放场的大小(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)确定。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”。通常，空间光调制器的每个像素具有四边形形状。四边形孔径的傅里叶变换是sinc函数，因此每个图像像素是sinc函数。更具体地，重放场上的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级(peak-intensityprimarydiffractiveorder)和一系列递减强度的高级衍射级，其径向延伸远离初级。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)确定。具体地，由光调制像素阵列形成的孔径越大，图像像素越小。通常希望具有小图像像素。

在一些实施方式中，实施“铺瓦”技术以提高图像质量。具体地，一些实施方式实施铺瓦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量。

在一些实施方式中，写入空间光调制器的全息图案包括至少一个整个瓦片(即，完整的全息图)和瓦片的至少一部分(即，全息图的连续像素子集)。

在由空间光调制器限定的整个窗口的零级衍射级内创建全息重建。优选的是，第一和后续级被移位得足够远，以便不与图像重叠，并且可以使用空间滤波器来阻挡它们。

在实施方式中，全息重建是彩色的。在本文公开的实例中，使用三种不同颜色的光源和三种相应的slm来提供复合颜色。这些实例可以称为空间分离颜色“ssc”。在本公开所涵盖的变型中，每种颜色的不同全息图显示在相同slm的不同区域上，然后组合以形成合成彩色图像。然而，技术人员将理解，本公开的至少一些装置和方法同样适用于提供复合彩色全息图像的其它方法。

这些方法之一被称为帧序列颜色，“fsc”。在示例fsc系统中，使用三个激光器(红色、绿色和蓝色)，并且在单个slm处连续激发每个激光器以产生视频的每个帧。颜色以足够快的速率循环(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，每个全息图都是颜色特定的。例如，在每秒25帧的视频中，第一帧将通过激发红色激光器1/75秒产生，然后绿色激光器将被激发1/75秒，最后是蓝色激光器将被激发1/75秒。然后生成下一帧，从红色激光器开始，依此类推。

fsc方法的一个优点是整个slm用于每种颜色。这意味着所产生的三种彩色图像的质量不会受到影响，因为slm的所有像素都用于每个彩色图像。然而，fsc方法的缺点在于，所产生的整体图像不会像ssc方法产生的相应图像的约3倍那样亮，因为每个激光器仅用于三分之一的时间。这种缺点可能通过过度驱动激光器或使用更强的激光器来解决，但这需要使用更多的功率，这将涉及更高的成本并且会使系统的紧凑程度降低。

ssc方法的一个优点是由于所有三个激光器同时被激发，图像更亮。但是，如果由于空间限制，只需要使用一个slm，slm的表面区域可以分为三个部分，实际上作为三个单独的slm。这样做的缺点是，由于每个单色图像可用的slm表面面积减小，每个单色图像的质量降低。因此，多色图像的质量降低。可用的slm表面面积的减少意味着可以使用更少的slm上的像素，从而降低图像的质量。由于降低了分辨率，因此降低了图像质量。实施方式利用英国专利2,496,108中公开的改进的ssc技术，该专利通过引用整体并入本文。

实例描述了用可见光照射slm，但是技术人员将理解，光源和slm可以同样地用于引导红外或紫外光，例如，如本文所公开的。例如，技术人员将意识到用于将红外和紫外光转换成可见光的技术，以便向用户提供信息。例如，本公开扩展到为此目的使用磷光体和/或量子点技术。

本文描述的方法和过程可以实施在计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”包括被布置临时或永久地存储数据的介质，诸如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、缓冲存储器、闪速存储器和高速缓冲存储器。术语“计算机可读介质”还应被视为包括能够存储由机器执行的指令的任何介质或多个介质的组合，使得指令在由一个或多个处理器执行时导致机器完全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”包括但不限于以固态存储器芯片、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)。在一些示例实施方式中，用于执行的指令可以由载体介质传送。这种载体介质的实例包括瞬态介质(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。本公开涵盖所附权利要求及其等同物的范围内的所有修改和变化。