CN107735734A - 显示*** - Google Patents

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Abstract

一种显示***包括第一多个像素、第二多个像素、第一傅里叶变换透镜、以及第二傅里叶变换透镜。第一多个像素被布置成显示与第一全息重构相对应的第一全息数据并接收第一波长的光。第二多个像素被布置成显示与第二全息重构相对应的第二全息数据并接收第二波长的光。第一傅里叶变换透镜被布置成从第一多个像素接收具有第一波长的经空间调制光并对收到光执行光学傅里叶变换以在重放平面处形成第一全息重构，其中第一全息重构由第一波长的光形成。第二傅里叶变换透镜被布置成从第二多个像素接收具有第二波长的经空间调制光并对收到光执行光学傅里叶变换以在重放平面处形成第二全息重构，其中第二全息重构由第二波长的光形成。从第一傅里叶变换透镜到重放平面的光路长度不等于从第二傅里叶变换透镜到该重放平面的光路长度。

Description

显示***
领域
本公开涉及显示***。更具体地，本公开涉及彩色显示***。再更具体地，本公开涉及彩色全息投影仪。各实施例涉及平视显示器和近眼式(near-eye)设备。
引言和背景
从物体散射的光包含了振幅和相位信息两者。这一振幅和相位信息可例如通过公知干涉技术在光敏板上捕捉，以形成包括干涉条纹的全息记录或“全息图”。该“全息图”可通过使用合适的光照明该全息图而被重构，以形成表示原始物体的全息重构或重放图像。
已经发现，具备可接受质量的全息重构可从仅包含与原始物体相关的相位信息的“全息图”中形成。这样的全息记录可被称为纯相位全息图。计算机生成的全息术可例如使用傅里叶技术来数字化地模拟干涉过程以产生计算机生成的纯相位全息图。计算机生成的纯相位全息图可被用来产生表示物体的全息重构。
术语“全息图”因此涉及如下记录：该记录包含与该物体有关的信息并且可被用来形成表示该物体的重构。全息图可包含在频域或傅里叶域中与该物体有关的信息。
计算机生成的纯相位全息图可以被“像素化”。也就是说，纯相位全息图可被表示在离散相位元件阵列上。每一离散元件都可被称为“像素”。每一像素都可充当光调制元件(诸如调相元件)。计算机生成的纯相位全息图因此可被表示在调相元件阵列(诸如液晶空间光调制器(SLM))上。SLM可以是反射性的，意味着经调制光以反射方式从SLM输出。
每一调相元件(即，像素)可变化状态以向入射在该调相元件上的光提供可控制的相位延迟。调相元件阵列(诸如硅上液晶(LCOS)SLM)可因此表示(或“显示”)通过计算确定的相位延迟分布。如果入射在调相元件阵列上的光是相干的，则该光将用全息信息或全息图来调制。全息信息可以在频域或傅里叶域中。
或者，相位延迟分布可被记录在相息图上。词语“相息图”可被一般地用来指纯相位全息记录或全息图。
相位延迟可被量化。也就是说，每一像素可设置为离散数量的相位水平之一。
相位延迟分布可被应用于入射光波(通过例如照射LCOS SLM)并被重构。重构在空间中的位置可通过使用光学傅里叶变换透镜来控制，以形成空间域中的全息重构或“图像”。
或者，如果重构发生在远场，则可能不需要傅里叶变换透镜。
计算机生成的全息图可以用多种方式来计算得到，包括使用诸如Gerchberg-Saxton等算法。Gerchberg-Saxton算法可被用来从空间域(诸如2D图像)中的振幅信息导出傅里叶域中的相位信息。也就是说，与该物体相关的相位信息可从空间域中的纯强度(即，振幅)信息中“恢复”。因此，物体的纯相位全息表示可被计算。
全息重构可通过照亮傅里叶域全息图并例如使用傅里叶变换透镜执行光学傅里叶变换来形成，以在重放场处(诸如在屏幕上)形成图像(全息重构)。
图1示出了根据本公开的使用反射性SLM(诸如LCOS-SLM)来在重放区位置处产生全息重构的示例。
光源(110)(例如激光器或激光二极管)被部署以经由准直透镜(111)照射SLM(140)。准直透镜使得光的一般平面波前变为入射在SLM上。波前的方向稍微偏离法线(例如，与真正垂直于透明层的平面偏离2或3度)。该布置为使得来自光源的光被从SLM的反射后表面反射出，并与调相层相交以形成出射波前(112)。出射波前(112)被应用于包括傅里叶变换透镜(120)在内的光学器件，从而使其焦点处于屏幕(125)处。
傅里叶变换透镜(120)接收从SLM出射的经调相光的光束并执行频率-空间变换以在屏幕(125)处在空间域中产生全息重构。
在该过程中，来自光源的光(在图像投影***的情形中是可见光)跨SLM(140)并跨调相层(即，调相元件阵列)分布。从调相层出射的光可跨重放区分布。全息图的每一像素作为整体对重放图像作出贡献。也就是说，在重放图像上的特定点和特定调相元件之间不存在一对一的关联。
当光束分别在平面A和B中的强度截面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时，Gerchberg Saxton算法考虑相位恢复问题。对于该给定强度截面，分别在平面A和B中的相位分布A(x,y)和B(x,y)的近似被发现。Gerchberg-Saxton算法根据迭代过程找到该问题的解决方案。
Gerchberg-Saxton算法迭代地应用空间和频谱约束，同时重复地在空间域和傅里叶(频谱)域之间转换(表示IA(x,y)和IB(x,y)的)数据集(振幅和相位)。空间和频谱约束分别是IA(x,y)和IB(x,y)。空间或频谱域中任一个中的约束被施加到该数据集的振幅上。相应的相位信息是通过一系列迭代来恢复的。
全息投影仪可使用这样的技术来提供。例如，这样的投影仪已在用于交通工具的平视显示器和近眼式设备中得到应用。
彩色2D全息重构可被产生并且有两种主要方法来达到这一点。这些方法之一被称为“帧顺序制色”(FSC)。在FSC***中，使用三个激光(红色、绿色、以及蓝色)，并且每一激光器在SLM处接连发光以产生视频的每一帧。这些色彩以足够快的速率被循环(红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等)，使得人类查看者从此三个激光的组合中看见多色图像。因此，每一全息图都是特定色彩的。例如，在每秒钟25个帧的视频中，第一帧将通过在1/75秒内发射红色激光、随后在1/75秒内发射绿色激光、并最后在1/75秒内发射蓝色激光来产生。下一帧随后将被产生，以红色激光开始，以此类推。
另一种替换方法(将被称为“空间上分开的制色”(SSC))涉及同时发射所有三个激光，但采取不同的光路，例如每一个激光使用不同的SLM或相同SLM的不同空间区域并随后组合以形成彩色图像。
SSC(空间上分开的制色)方法的优点是图像因所有三个激光同时发射而更亮。然而，如果由于空间限制它需要只使用一个SLM，则SLM的表面区域可被分成三个相等的部分，实际上担当了三个分开的SLM。这一点的缺陷是由于可用于每一单色图像的SLM表面区域的减少，每一单色图像的质量降低。因此，多色图像的质量被相应地降低了。可用的SLM表面区域的减少意味着SLM上更少的像素可被使用，由此降低了图像的质量。
全息彩色显示***遭受两个重大问题。第一，不同色彩的全息重构的物理尺寸之间的失配。第二，复合色彩图像由于不同色彩的全息重构之间的分辨率失配而具有低质量。
本公开至少解决这些问题。
概述
本发明的各方面在所附的独立权利要求中被限定。
提供了一种包括光学***和处理***的全色彩显示***，该光学***包括：一个或多个空间光调制器，其被布置成在傅里叶域中显示全息数据；多个光源，其被布置成照亮(诸)空间光调制器；观察***，其被布置成产生2D全息重构的虚拟图像；并且其中该处理***被布置成：将表示2D图像的傅里叶域数据与表示每种色彩的纯相位透镜的傅里叶域数据组合以产生第一全息数据；以及将第一全息数据提供给光学***以产生虚拟图像。
表示每个2D色彩图像的傅里叶域数据可与表示纯相位透镜的傅里叶域数据组合；其中该纯相位透镜的焦距与色彩的波长成反比。
零阶阻挡可被形成在分色镜上。
空间光调制器可以是反射性LCOS空间光调制器。
纯相位透镜的光功率可以是用户控制的。
显示***可包括近眼式显示器。
显示器可以是HUD的一部分。
重放场可在空间上远离观察者。
显示***可进一步包括空间滤波器，其被配置成选择性地阻挡2D全息重构的至少一个衍射阶，并且可任选地阻挡零阶。
显示***可包括傅里叶变换透镜和零阶阻挡，这两者被布置成在空间域中产生与全息数据相对应的2D全息重构。
虚拟图像可以是2D视频的顺序帧。
经像素化的阵列可由具有小于15μm的直径的像素构成。
还提供了一种显示图像的方法，其包括：将全息图像数据与透镜数据组合成数个空间光调制器；照亮这些空间光调制器，每个空间光调制器用不同的准直激光束来照亮；将所得到的光应用于光学***以形成虚拟图像；以及通过傅里叶变换来在相同平面处重构单个色彩图像以形成彩色重放场，其中每个单色图像具有相同的尺寸。
该方法可进一步包括对从SLM所得到的光进行空间滤波以选择性地阻挡2D全息重构的至少一个衍射阶。
在一些实施例中，全息图是使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法来计算的，诸如英国专利2,498,170或2,501,112中所描述，这两者的全部内容通过援引纳入于此。然而，仅作为示例，一些实施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、以及通过其他技术(诸如那些基于点云方法的技术)来计算的全息图。
术语“全息图”被用来指包含关于物体的振幅和/或相位信息的记录。术语“全息重构”被用来指物体的光学重构，其是通过照亮全息图来形成的。术语“重放场”被用来指空间中的形成全息重构处的平面。术语“图像”和“图像区域”是指由形成全息重构的光照亮的重放场的区域。在各实施例中，“图像”可包括离散点，所述离散点可被称为“图像像素”。
术语“编码”、“写入”、或“寻址”被用来描述使用相应的多个控制值来提供SLM的多个像素的过程，该多个控制值分别确定每个像素的调制水平。可以说，SLM的像素被配置成响应于接收到多个控制值而“显示”光调制分布。
在一些实施例中，空间光调制器是纯相位空间光调制器。这些实施例是有利的，因为通过调制振幅没有损失光能。因此，提供了一种高效的全息投影***。然而，本公开可同样在纯振幅空间光调制器或振幅和相位调制器上实现。将理解，全息图将相应地为纯相位、纯振幅、或完全复合的。
在本文中，术语“光”在其最广泛的意义中使用。一些实施例同样适用于可见光、红外光、和紫外光、以及其任何组合。
作出对包括图像分量和透镜分量的全息数据的参照，以反映该全息数据是由与图像相对应的第一全息数据和共同向收到光提供透镜效应的第二全息数据的组合(诸如向量加法)来形成的。在本文中所描述的一些实施例中，每个全息数据是数据值的2D阵列。可以说，第一全息数据对应于图像，因为它包含足以形成(诸如重建或重构)图像的信息。在本文中所描述的一些实施例中，可以说，第一全息数据对应于图像，因为它是图像的频域(或傅里叶域)表示。可以说，第二全息数据共同向收到光提供透镜效应，因为其对收到光的效应与物理透镜的效应相同。在详细描述中给出了可如何实现这一点的示例。第二全息数据可以是计算确定的(或“软件定义的”)，以提供任何构想的透镜效应或功能(诸如举例而言正光功率、负光功率、或象差校正)。在本文中所公开的一些实施例中，第二全息数据功能为傅里叶变换透镜。也就是说，其以与恰适定位的傅里叶变换光学器件(诸如傅里叶变换透镜)相同的方式来操纵收到光。在一些这样的实施例中，第二全息数据执行第一全息数据的光学傅里叶变换。在这一方面，可理解，全息数据包括负责提供第一光学功能(即，使用与图像相对应的数据来调制光)的第一分量、以及负责提供第二光学功能(即，傅里叶变换)的第二分量。
术语“软件定义的”(或“软件可控的”)被用来反映数据是计算数据或软件数据，这些数据可使用计算机上运行的软件来改变或更改(包括实时地改变或更改)。在这一方面，该数据可被视为动态可变的或简称为“动态的”。
仅作为示例，一些实施例描述了1D和2D全息重构。在其他实施例中，全息重构是3D全息重构。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全息重构。
附图简述
仅作为示例，随后是基于以上所描述的技术的具体实施例。将领会，可以作出例行变化以改变本文中所提供的具体细节。参照附图来描述各示例，其中：
图1是示出被布置成在重放区位置处产生全息重构的反射性SLM(诸如LCOS)的示意图；
图2描绘了根据现有技术的复合色彩的全息重构；
图3描绘了第一实施例；以及
图4描绘了第二实施例。
在这些附图中，相似的标号指代相似的部分。
附图的详细描述
本发明并不限于以下所描述的实施例，而是延及所附权利要求书的整个范围。也就是说，本发明可按不同的形式来具体化，并且不应当被解释为限于所描述的实施例，这些实施例是出于解说目的来阐述的。
单数形式的术语可包括复数形式，除非另有指明。
描述为形成在另一结构的上部/下部处或在其他结构之下/之下的结构应当被解释为包括其中这些结构彼此接触的情形，还包括其中第三结构被设置在两个结构之间的情形。
在描述时间关系时——例如，当事件的时间排序被描述为“之后”、“后续”、“下一”、“之前”或诸如此类时，本公开应当被认为包括连续和非连续事件，除非另有指明。例如，本说明书应当被认为包括不连续的情形，除非使用诸如“恰好”、“立即”、或“直接”之类的措辞。
尽管术语“第一”、“第二”等可在本文中使用以描述各种元件，但是这些元件并不受这些术语限制。这些术语仅被使用来将一个元件与另一元件区别开来。例如，第一元件可被称为第二元件，并且类似地，第二元件可被称为第一元件，而不背离所附权利要求的范围。
不同实施例的特征可部分地或整体地彼此耦合或组合，并且可彼此进行各种各样的互操作。一些实施例可彼此独立地执行，或者可以相互依赖的关系一起执行。
概括而言，空间光调制器(SLM)形成调相元件阵列，这些调相元件共同形成期望图像的纯相位表示，该期望图像可通过正确地照亮SLM来重构，以形成投影仪。纯相位分布可被称为全息图。傅里叶变换透镜被用来将表示用于重构的物体的全息记录变换成“图像”。该图像可被描述为全息重构。SLM的各个调制元件可被称为像素。在各实施例中，通过将多个单色全息重构组合来提供复合色彩的全息重构。
光是跨SLM的调相层(即，调相元件阵列)入射的。从调相层出射的经调制光跨重放场分布。值得注意的是，在所公开的全息术类型中，全息图的每个像素对整个重构作出贡献。也就是说，在重放场上的特定点与特定调相元件之间不存在一对一的相关。
全息重构在空间中的位置由傅里叶变换透镜的屈光(聚焦)度来决定。在一些实施例中，傅里叶变换透镜是如根据图1中所示的示例的物理透镜。也就是说，傅里叶变换透镜是光学傅里叶变换透镜，并且傅里叶变换被光学地执行。任何透镜都可充当傅里叶变换透镜，但是该透镜的性能将限制其执行的傅里叶变换的精度。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。然而，在其他实施例中，傅里叶变换是通过在全息数据中包括透镜数据来计算地执行的。也就是说，全息图包括表示透镜的数据以及表示物体的数据。
在计算机生成的全息图的领域中已知如何计算表示透镜的全息数据。表示透镜的全息数据可被称为软件定义的透镜或软件透镜。例如，纯相位全息透镜可通过计算由透镜的每个点由于其折射率和空间上变化的光路长度而导致的相位延迟来形成。例如，凸透镜的中心处的光路长度大于该透镜的边缘处的光路长度。纯振幅全息透镜可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表示透镜的全息数据与表示物体的全息数据组合，以使得傅里叶变换能够在不需要物理傅里叶透镜的情况下执行。在一些实施例中，通过简单的向量加法来将透镜数据与全息数据组合。在一些实施例中，将物理透镜与软件透镜结合使用以执行傅里叶变换。或者，在其他实施例中，傅里叶变换透镜完全被省略，以使得全息重构在远场中发生。在进一步实施例中，全息图可包括光栅数据——即，被布置成执行光栅的功能(诸如波束控制)的数据。再次，在计算机生成的全息图的领域中已知如何计算这样的全息数据并将其与表示物体的全息数据组合。例如，纯相位全息光栅可通过对由闪耀光栅的表面上的每个点导致的相位延迟建模来形成。纯振幅全息光栅可简单地叠加在表示物体的纯振幅全息图上以提供纯振幅全息图的角度控制。
所谓的“傅里叶路径长度”是从傅里叶变换透镜到对应的全息重构的光路长度。该全息重构的尺寸I与傅里叶路径长度相关，具体如下：
其中f是傅里叶路径长度，λ是光的波长，而p是SLM上像素的尺寸。
因此可以理解，对于任何给定的傅里叶路径长度和空间光调制器像素尺寸，不同的全息图重构尺寸将导致不同的色彩。例如：
f＝300mm
红色(λτ)＝640nm
绿色(kg)＝532nm
蓝色(b)＝450nm
p[x,y]＝8um
这导致了三个不同尺寸的全息图重构：
红色＝24.02mm，
绿色＝19.96mm，以及
蓝色＝16.88mm。
在现有***中，由于傅里叶路径长度对于所有的色彩通道而言都是相同的，因此将导致如图2中所示的全息图重构。
图2描绘了在重放平面处同轴地对准的红色全息重构201、绿色全息重构203和蓝色全息重构205。
最大的全色彩图像(其中红色、绿色和蓝色交叠的区域)受蓝色全息图重构的尺寸限制。这提出了进一步问题：期望使用单个计算引擎来计算全息图重构。理想地，对于每幅图像将计算出相同的分辨率，但如果是这种情形的话，全色彩图像的每种色彩的分辨率将是不同的。例如：
全息图分辨率[X,Y]＝1024x 1024。
全色彩区域：蓝色分辨率[X,Y]＝1024。
Full Colour Area:
全色彩区域：绿色分辨率
全色彩区域：红色分辨率
单个波长(色彩)在全色彩图像区域内具有不同的分辨率是不期望的，因为这导致了图像质量的降级。
解决方案是改变计算出的全息图的分辨率以确保所有色彩都具有与全色彩区域相同的分辨率。
如下确定分辨率：
全色彩区域：蓝色分辨率[X,Y]＝1024。
全色彩区域：绿色分辨率
全色彩区域：红色分辨率
然而，在计算上，这是不期望的，因为蓝色通道是2的幂数(即，2^10＝1024)并且使用FFT来高效地计算出。红色和绿色通道不再是2的幂数，并且更重要地，它们是显著更高的分辨率。假设FFT的计算要求是对数的，任何分辨率的增加都是不期望的。
发明人已经认识到，对于每个色彩通道使用不同的傅里叶路径长度是有利的。不同的傅里叶路径长度是通过使用傅里叶透镜来确定的。
因此，提供了一种显示***，其包括：第一多个像素，其被布置成显示与第一全息重构相对应的第一全息数据并接收第一波长的光；第二多个像素，其被布置成显示与第二全息重构相对应的第二全息数据并接收第二波长的光；第一傅里叶变换透镜，其被布置成从第一多个像素接收具有第一波长的经空间调制光并对收到光执行光学傅里叶变换以在重放平面处形成第一全息重构，其中第一全息重构由第一波长的光形成；第二傅里叶变换透镜，其被布置成从第二多个像素接收具有第二波长的经空间调制光并对收到光执行光学傅里叶变换以在该重放平面处形成第二全息重构，其中第二全息重构由第二波长的光形成，其中从第一傅里叶变换透镜到该重放平面的光路长度不等于从第二傅里叶变换透镜到该重放平面的光路长度。
图3中示出了其中各个傅里叶路径长度是不同的实施例。
仅作为示例，图3示出了三个色彩通道。本公开同样适用于任意的多个光通道。第一色彩通道包括被布置成经由第一分束器305接收蓝色光303的第一SLM 301。该蓝色光由SLM 301进行空间调制。由SLM 301提供的调相包括图像分量和傅里叶透镜分量。SLM 301被反射并且空间调制光通过镜子307被定向到重放平面350。可任选地，镜子307包括孔，以从SLM 310去除零阶衍射光。同样地，提供了绿色通道，其包括被布置成经由第二分束器315接收绿色光313的第二SLM 311。该绿色光由第二SLM 311进行空间调制。由第二SLM 311提供的调相包括图像分量和傅里叶透镜分量。第二SLM 311被反射并且空间调制光通过第二镜子317被定向到重放平面350。可任选地，第二镜子317包括孔，以从第二SLM 311去除零阶衍射光。进一步同样地，提供了红色通道，其包括被布置成经由第三分束器325接收红色光323的第三SLM 321。该红色光由第三SLM 321进行空间调制。由第三SLM 321提供的调相包括图像分量和傅里叶透镜分量。第三SLM 321被反射并且空间调制光通过第三镜子327被定向到重放平面350。可任选地，第三镜子327包括孔，以从第三SLM 321去除零阶衍射光。在一些实施例中，光接收表面(诸如屏幕或漫射器)被定位在重放场350处。
在图3中，从SLM 301到重放平面的第一光路长度309大于从第二SLM 311到重放场的第二光路长度319，第二光路长度319进而大于从第三SLM 321到重放场的第三光路长度329。每条光路长度可被称为那个通道的“傅里叶路径长度”，因为傅里叶透镜实际上在SLM上。因此可以理解，傅里叶路径长度是波长相关的，可任选地，与波长成反比。每条傅里叶路径包括相应的镜子，其中所述相应的镜子中的至少一个是分色镜。在一些实施例中，所述多个镜子和重放平面被设置在共用光路上。在一些实施例中，所述多个镜子和重放平面是共线的。
第二镜子317是基本上反射绿光但基本上透射蓝光的第一分色镜。。第三镜子327是基本上反射红光但基本上透射绿光和蓝光的第二分色镜。本领域技术人员熟悉在镜子上使用分色涂层来提供所描述的功能性。仅作为示例，图3描述了蓝色、绿色和红色通道，并且本公开适用于任意多个不同波长的通道。将是显而易见的是，第一镜子307不需要是分色镜。
在一些实施例中，该设备包括两条光通道和一个分色镜(或具有分色涂层的镜子)。在其他实施例中，该设备包括三条光通道和两个不同的分色镜(或具有分色涂层的镜子)。在一些实施例中，该设备包括n条光通道和(n-1)个不同的分色镜(或具有分色涂层的镜子)。再次，本领域技术人员将知晓如何提供必要的(诸)分色镜或者在(诸)镜子上提供不同的分色涂层来实现所描述的透光率/反光率。
使用(n-1)个分色镜(其中n是光通道的数目)允许不同的色彩通道被定向到共用光学轴上以至重放平面。具体而言，色彩通道在从最后一个镜子到重放平面的区域中是共线的。因此，所描述的对至少一个分色镜的使用提供了基本上共线的光路。参照回图3，作为示例，第二镜子317将绿光定向到与蓝光共用的光路上，并且第三镜子327将红光定向到所述与蓝光和绿光共用的光路上。
因此，显示设备包括多个色彩通道的共线的光路，其中这些色彩通道具有不同的傅里叶路径长度。
这样的共线光路有助于光学对准、杂散光管理，并且有助于保持设备紧凑。值得注意的是，图3的第一镜子307可被独立地对准，即不影响绿光或红光路径。当使用第一镜子307来使蓝光在重放场处对准时，第二镜子317可被对准，而不影响蓝光(例如，使蓝光不对准或将蓝光移离对准)。最后，红光可随后被对准，而不影响蓝光或绿光(例如，使蓝光或绿光不对准或将蓝光或绿光移离对准)。因此，提供了一种更易于对准的设备。还提供了一种使具有多个色彩通道的显示设备对准的改进的方法。
图4中示出了另一实施例。
图4与图3基本上相同，但是为了简明起见，省略了分束器。可以构想任何数目种用于照亮空间光调制器的不同光学配置。图4附加地示出了每个色彩通道上的物理透镜，其将从空间光调制器接收到的零阶(即，未调制)光聚焦通过对应的镜子408/418/428中的孔并射出***。例如，来自每个空间光调制器的经调制光可通过将光功率添加到相应的全息数据来聚焦到空间中不同的平面。因此，提供了一种从每个色彩通道去除零阶光而不会不利地影响全息重构的方法。图4中的光线上的箭头仅仅解说了每个空间光调制器的照明方向和重构方向。为了避免疑惑，零阶光从左边传播到右边，如图3中所示。
更详细地，图4中示出了包括蓝色通道403、绿色通道413和红色通道423的进一步实施例。蓝色通道403包括SLM 401、以及被布置成将来自SLM 401的经空间调制光定向到重放场450的镜子408绿色通道413包括第二SLM 411、以及被布置成将来自第二SLM 411的经空间调制光定向到重放场450的第二镜子418。红色通道423包括第三SLM 421、以及被布置成将来自第三SLM 421的经空间调制光定向到重放场450的第三镜子428。在一些实施例中，光接收表面(诸如屏幕或漫射器)被定位在重放场450处。再次，每个镜子401、418和428包括被布置成从***去除零阶衍射光的中心孔。在图4中，距离409大于距离419，距离419进而大于距离429。
具体而言，发明人已经认识到，通过以这样的方式形成全色彩图像，图像中每种色彩的像素数目是恒定的，由此使得通用计算引擎能够被用于所有三个色彩通道。方便地，图3中所示的光学配置从封装的角度而言是有利的，因为混合色彩通道的需求要求分色镜在空间上移位，并且这样的空间移位可被用作可变傅里叶路径长度的一部分。
在各实施例中，可如下确定波长相关的路径长度：
其中f＝傅里叶路径长度，I＝全息重构的尺寸，λ＝每个色彩通道的波长，而p＝SLM上像素的尺寸。
例如，可为每个波长确定傅里叶路径长度(傅里叶透镜焦距[FL])如下：
I＝30mm
红色(λτ)＝640nm
绿色(kg)＝532nm
蓝色(b)＝450nm
p[x,y]＝8um
这导致了三个不同尺寸的全息图重构：
红色FL＝374.7mm
绿色FL＝450.9mm
蓝色FL＝533.1mm
因此，在各实施例中，提供了其中每个单个色彩图像的尺寸是相同的全色彩虚拟图像。也就是说，因此可以理解，在各实施例中，第一光路长度和第二光路长度使得第一全息重构和第二全息重构是相同的尺寸。发明人已经认识到，有利地，第一光路长度和第二光路长度可使得第一全息重构和第二全息重构具有相同的分辨率。在各实施例中，同时解决了物理尺寸失配和分辨率失配的问题。
根据本公开的***并非是显而易见的，因为历史上傅里叶透镜是物理透镜并且产生具有精确的正确焦距的三个物理透镜以使得三个不同的波长衍射成完全相同的尺寸一般被视为是不可行的，尤其在考虑到普通透镜的焦距公差为5％时。然而，发明人已经认识到，这些可接受的实际缺点不如可根据本主题实现的图像质量的增益重要。在进一步有利的实施例中，傅里叶透镜作为纯相位透镜集成到全息图中，以使得***进一步可行，因为实际缺点的重要性又进一步降低。具体而言，发明人已经认识到，在像素足够小的情况下，可以制造具有足够强度的纯相位傅里叶透镜(大像素和短焦距纯相位透镜导致混叠和图像失真)。
将是显而易见的是，在各实施例中，第一全息重构和第二全息重构是重合的。因此，可以提供多色物体的复合色彩的全息重构。第一全息重构表示物体的第一波长分量，而第二全息重构表示物体的第二波长分量。本公开并不限于傅里叶全息术，而是在一些实施例中，第一全息数据表示物体在频域中的第一波长分量，而第二全息数据表示物体在频域中的第二波长分量。
傅里叶透镜可以是形成相应的全息数据(即，全息图)的一部分的纯相位透镜。该傅里叶透镜可以是物理光学器件。
在各实施例中，第一傅里叶变换透镜是第一物理光学器件。在这些实施例中，具体而言，所描述的零阶去除孔可任选地包括在镜子上并将光学功率添加到全息数据，以使得对应的全息重构和零阶光被带到光路上的不同平面处的焦点。在其他实施例中，第一傅里叶变换透镜是第一全息数据的第一透镜数据。也就是说，第一全息数据包括图像分量和透镜分量，其中该透镜分量是第一傅里叶变换透镜。在其中在SLM上计算地提供傅里叶变换透镜的实施例中，可以理解，第一透镜数据是软件定义的。
同样，在各实施例中，第二傅里叶变换透镜是第二物理光学器件。在其他实施例中，第二傅里叶变换透镜是第二全息数据的第二透镜数据。也就是说，第二全息数据包括图像分量和透镜分量，其中该透镜分量是第二傅里叶变换透镜。在其中在SLM上计算地提供傅里叶变换透镜的实施例中，可以理解，第二透镜数据是软件定义的。
在进一步有利的实施例中，第一傅里叶变换透镜是物理光学器件，并且第二傅里叶变换透镜是第二全息数据的透镜数据，或反之亦然。
本领域技术人员将容易地理解，根据本公开，式2可同样适用于不同的色彩/波长以确定不同的傅里叶路径长度。在各实施例中，第一波长是红光，而第二波长是绿光。也就是说，第一波长是与红光相对应的电磁光谱的区域(或带)中的波长或波长范围。同样地，第二和第三波长分别是与绿光和蓝光相对应的电磁光谱的区域(或带)中相应的波长或波长范围。
因此可以理解，在各实施例中，第一波长大于第二波长，并且从第一傅里叶变换透镜到重放平面的光路长度小于从第二傅里叶变换透镜到该重放平面的光路长度。在各实施例中，傅里叶变换透镜的焦距与对应光的波长成反比。
在各实施例中，SLM是反射性LCOS SLM。在其他实施例中，SLM是透射的或基于MEM的SLM。在各实施例中，SLM仅是调相的(即，不是调幅的)。在各实施例中，第一全息数据对应于第一相位延迟分布，而第二全息数据对应于第二相位延迟分布。在其他实施例中，SLM是调相的、或者是调幅并调相的。也就是说，在各实施例中，第一多个像素由第一空间光调制器、可任选地由第一反射性LCOS空间光调制器提供，而第二多个像素由第二空间光调制器、可任选地由第二反射性LCOS空间光调制器提供。在各实施例中，每个像素具有小于15μm的直径。
在各实施例中，为一个或多个色彩通道提供零阶去除元件。零阶去除元件可被视为空间滤波器。有利地，零阶光的去除增加了全息重构的信噪比。因此，在各实施例中，***进一步包括：从第一傅里叶变换透镜到重放平面的光学路径上的第一空间滤波器、和/或从第二傅里叶变换透镜到该重放平面的光学路径上的第二空间滤波器，第一空间滤波器被布置成防止第一波长的零阶衍射光到达该重放平面，第二空间滤波器被布置成防止第二波长的零阶衍射光到达该重放平面。
在各实施例中，第一空间滤波器和/或第二空间滤波器被纳入到相应的分色镜上，并且包括被布置成在第一光路上提供零阶衍射光(或者将零阶衍射光定向在第一光路上)的第一部分、以及被布置成在第二光路上提供更高阶衍射光(或者将更高阶衍射光定向在第二光路上)的第二部分。在各实施例中，第一部分是孔，并且第二部分是反射(或反射性)部分。
在各实施例中，显示***进一步包括被布置成使用第一波长的光来照亮第一多个像素的第一光源、以及被布置成使用第二波长的光来照亮第二多个像素的第二光源。在各实施例中，光源基本上是单色。在各实施例中，各光源是(空间)相干光源(诸如激光器)。
可以理解，本教导可被扩展到多于两个色彩通道。在各实施例中，提供红色、绿色和蓝色色彩通道以产生彩色全息重构，可进一步添加色彩通道，例如，红色、绿色、黄色和蓝色。
因此，在各实施例中，显示***进一步包括：第三多个像素，其被布置成显示与第三全息重构相对应的第三全息数据并接收第三波长的光；第三傅里叶变换透镜，其被布置成从第三多个像素接收具有第三波长的经空间调制光并对收到光执行光学傅里叶变换以在重放平面处形成第三全息重构，其中第三全息重构由第三波长的光形成，其中从第三傅里叶变换透镜到该重放平面的光路长度不等于从第二傅里叶变换透镜到该重放平面的光路长度或第一傅里叶变换透镜到该重放平面的光路长度。
在各实施例中，第一全息重构、第二全息重构和第三全息重构是重合的。因此，实现高质量的彩色全息重构。
因此可以理解，在包括三个色彩通道的实施例中，第一光路长度、第二光路长度和第三光路长度使得第一全息重构、第二全息重构和第三全席重构是相同的尺寸并且具有相同的分辨率。在各实施例中，第三波长是蓝光。
在各实施例中，每个全息重构是2D视频帧序列中的一个帧。在各实施例中，重放平面在空间上远离观看者。也就是说，该重放场被呈现为虚拟图像。
本公开的显示***可被用来形成平视显示器和头戴式显示器，尤其是全息投影显示器。该显示***允许具有每种色彩的重放场的全分辨率的全色彩全息图。
在一些实施例中，本公开的全息投影***被用来提供改进的平视显示器(HUD)或头戴式显示器或近眼式设备。在一些实施例中，提供了一种交通工具，其包括安装在该交通工具中的全息投影***以提供HUD。该交通工具可以是机动车(诸如汽车、卡车、厢型车、货车、摩托车、火车、飞机、船舶、或船)。
本文中所描述的方法和过程可在计算机可读介质上具体化。术语“计算机可读介质”包括被布置成临时地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)、缓冲器存储器、闪存、以及高速缓存存储器。术语“计算机可读介质”还应该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个介质的组合，使得这些指令在由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中所描述的一个或多个方法。
术语“计算机可读介质”还涵盖基于云的存储***。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的示例形式的一种或多种有形且非瞬态数据存储库(例如，数据卷)。在一些示例实施例中，用于执行的指令可由载体介质来传达。这样的载体介质的示例包括瞬态介质(例如，传达指令的传播信号)。
本发明并不限于所描述的实施例，而是延及所附权利要求书的整个范围。

Claims (27)

1.一种显示***，包括：
第一多个像素，其被布置成显示与第一全息重构相对应的第一全息数据并接收第一波长的光；
第二多个像素，其被布置成显示与第二全息重构相对应的第二全息数据并接收第二波长的光；
第一傅里叶变换透镜，其被布置成从所述第一多个像素接收具有第一波长的经空间调制光并对收到光执行光学傅里叶变换以在重放平面处形成所述第一全息重构，其中所述第一全息重构由所述第一波长的光形成；
第二傅里叶变换透镜，其被布置成从所述第二多个像素接收具有第二波长的经空间调制光并对收到光执行光学傅里叶变换以在所述重放平面处形成所述第二全息重构，其中所述第二全息重构由所述第二波长的光形成；
其中从所述第一傅里叶变换透镜到所述重放平面的光路长度不等于从所述第二傅里叶变换透镜到所述重放平面的光路长度。
2.如权利要求1所述的显示***，其特征在于，所述第一波长大于所述第二波长，并且从所述第一傅里叶变换透镜到所述重放平面的光路长度小于从所述第二傅里叶变换透镜到所述重放平面的光路长度。
3.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，所述傅里叶变换透镜的焦距与对应的光的波长成反比。
4.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，第一光路长度和第二光路长度使得所述第一全息重构和所述第二全息重构是相同的尺寸。
5.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，第一光路长度和第二光路长度使得所述第一全息重构和所述第二全息重构具有相同的分辨率。
6.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，所述第一全息重构和所述第二全息重构是重合的。
7.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，所述第一傅里叶变换透镜是第一物理光学器件。
8.如权利要求1到6中任一项所述的显示***，其特征在于，所述第一全息数据包括图像分量和透镜分量，其中所述透镜分量是所述第一傅里叶变换透镜。
9.如权利要求8所述的显示***，其特征在于，所述第一透镜数据是软件定义的。
10.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，所述第二傅里叶变换透镜是第二物理光学器件。
11.如权利要求1到9中任一项所述的显示***，其特征在于，所述第二全息数据包括图像分量和透镜分量，其中所述透镜分量是所述第二傅里叶变换透镜。
12.如权利要求11所述的显示***，其特征在于，所述第二透镜数据是软件定义的。
13.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，所述第一全息重构表示物体的第一波长分量，而所述第二全息重构表示所述物体的第二波长分量。
14.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，所述第一全息数据对应于第一相位延迟分布，而所述第二全息数据对应于第二相位延迟分布。
15.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，进一步包括：
第一光源，其被布置成使用所述第一波长的光来照亮所述第一多个像素；以及
第二光源，其被布置成使用所述第二波长的光来照亮所述第二多个像素。
16.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，所述第一多个像素由第一空间光调制器、可任选地由第一反射性LCOS空间光调制器提供，而所述第二多个像素由第二空间光调制器、可任选地由第二反射性LCOS空间光调制器提供。
17.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，所述第一波长是红光，而所述第二波长是绿光。
18.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，进一步包括：从所述第一傅里叶变换透镜到所述重放平面的光学路径上的第一空间滤波器、和/或从所述第二傅里叶变换透镜到所述重放平面的光学路径上的第二空间滤波器，所述第一空间滤波器被布置成防止所述第一波长的零阶衍射光到达所述重放平面，所述第二空间滤波器被布置成防止所述第二波长的零阶衍射光到达所述重放平面。
19.如权利要求18所述的显示***，其特征在于，所述第一空间滤波器和/或所述第二空间滤波器被提供在分色镜上，所述分色镜包括被布置成在第一光路上提供所述零阶衍射光的第一部分、以及被布置成在第二光路上提供更高阶衍射光的第二部分。
20.如权利要求19所述的显示***，其特征在于，所述第一部分是孔，并且所述第二部分是反射部分。
21.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，进一步包括：
第三多个像素，其被布置成显示与第三全息重构相对应的第三全息数据并接收第三波长的光；
第三傅里叶变换透镜，其被布置成从所述第三多个像素接收具有第三波长的经空间调制光并对收到光执行光学傅里叶变换以在重放平面处形成所述第三全息重构，其中所述第三全息重构由所述第三波长的光形成；
其中从所述第三傅里叶变换透镜到所述重放平面的光路长度不等于从所述第二傅里叶变换透镜到所述重放平面的光路长度或所述第一傅里叶变换透镜到所述重放平面的光路长度。
22.如权利要求21所述的显示***，其特征在于，所述第一全息重构、所述第二全息重构和所述第三全息重构是重合的。
23.如权利要求21或22所述的显示***，其特征在于，所述第一光路长度、所述第二光路长度和所述第三光路长度使得所述第一全息重构、所述第二全息重构和所述第三全席重构是相同的尺寸并且具有相同的分辨率。
24.如权利要求21到23所述的显示***，其特征在于，所述第三波长是蓝光。
25.如任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，每个全息重构是2D视频帧序列中的一个帧。
26.根据任一前述权利要求所述的显示***，其特征在于，每个像素具有小于15μm的直径。
27.一种包括如任一前述权利要求中所述的显示***的近眼式设备或平视显示器。
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