全息图像显示系统的制作方法

专利名称：全息图像显示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及全息图像显示系统，并且涉及方法及处理器控制代码。
背景技术：
先前我们已经描述了用于全息地显示图像的技术-例如参见W02005/059660(使用一步相位恢复的噪声抑制)、W02006/134398(用于OSI3R的硬件)、W02007/031797 (自适应噪声消除技术)、W02007/110668 (透镜编码)，以及W02007/141567 (彩色图像显示)。所有的这些在此全文引入作为参考。可在US3779492、EP1697801及EP1332475中找到现有的背景技术。全息图像显示技术的优势包括紧凑的光学系统及相比于常规显示系统的高的光效率。然而我们先前描述的技术在显示高分辨率图像时计算消耗较大，并且在硬件(ASIC) 中执行该分辨率非常依赖于所述硬件构造。在OSI^R型方法中，其中对于每个图像帧显示多个空间同步临时全息子帧，可通过应用多相位而非二进制相位调制以减少能量功耗，但需要进一步节约能量。根据该技术的实施，可应用比看作为图像像素更多的SLM(空间光调制器)像素，其增加了成本并且使得难以进行小型化。也难以获得高对比的图像显示。因此需要能够提高全息图像显示系统的效率及图像质量，并且进一步减少它们的尺寸。

发明内容
根据本发明的第一方面，其提供一种全息显示图像的方法，该方法包括输入限定所述用于显示的图像的显示图像数据；处理所述图像数据以确定再现所述图像数据的第一空间频率部分或成分的第一图像数据以及再现所述图像数据的第二空间频率部分或成分的第二图像数据，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；在空间光调制器(SLM) 上显示所述第一图像数据的全息图以形成全息生成的中间实像；使用所述第二图像数据调制所述中间实像以显示所述图像。在所述方法的实施方式中，显示全息图的SLM的分辨率可较低(低于强度调制所述中间实像的SLM的分辨率)，并且因此所述全息图的计算变得明确，尤其是当使用诸如 ADOSPR(自适应性0SPR)的OSI3R型方法时。在硬件实施中，可应用一种小型、便宜并且功率非常低的ASIC(特定用途集成电路(Application Specific Integrated Circuit))。仿真已显示出64X64或更低的SLM分辨率可足够用于所述全息图。在所述方法的实施方式中，显示全息图的SLM的分辨率可基本独立于图像所需的分辨率而进行选择。因而可简单地根据包含在其低频率成分的镜像能的常规比例选择SLM 的分辨率。提高视频图像的分辨率增加了高频率成分的能量但基本没有改变低频率含量。 因而可改变实现所述方法的图像投影系统的分辨率，例如提高但不更改全息图SLM或相关的全息图数据处理。因此在实施方式中，其中通过诸如ASIC的专用硬件执行全息图数据处理，可提高投影仪分辨率，而不更改或者基本不更改ASIC。
所述方法的实施方式能够提供高对比度的显示，因为成像SLM使用第二图像数据调制中间实像使能量低但感知上显著的残余背景噪音被基本阻止了。在所述方法的实施方式中，没有使用误差扩散(例如我们已在先前的专利申请中所描述的)以减少背景噪音，从而进一步减少了计算成本。实现所述方法的全息图像投影仪可以是容易小型化的。这是由于显示所述全息图的SLM因其低分辨率(小于图像分辨率)而具有较小的有效面积并且因而可应用实体上小型的发光器件。另外不特别需要显示全息图的SLM的像素具有非常小的横向尺寸以缩小发光器件。因而，例如，所述发光器件即使具有当代的SLM也可非常小，所述SLM例如为 5. 62 μ m像素特征。由于中间实像是强度调制的，在通过较高分辨率的强度调制SLM的实施方式中相位调制SLM显示全息图，在实施方式中中间实像的一成分光被成像(强度调制)SLM阻止， 以形成图像。然而，这比在常规成像系统中所阻止的光少得多，并且尽管所述系统可能光效率比“纯”全息投影仪略小，但由于大大降低了计算要求而明显较高了总系统效率。在实现所述方法(如以下进一步所述)的全息图像投影仪的实施方式中，显示全息图的SLM与调制由所述全息图产生的中间实像的SLM之间的对准很重要。非常广泛地说，全息图形成低分辨率的中间实像，其使用较高分辨率SLM强度调制以增加不存在于由全息图形成的图像中的高频率空间成分。因此理想地强度调制SLM与显示全息图的SLM之间的对准应当位于强度调制SLM的一至两个像素内-即增加高频成分的强度调制SLM应当具有像素，该像素在一至两个像素内与由显示全息图形成的中间实像的像素边界一字排开。然而，实际上，在全息图SLM的全息图上外加散焦及/或相位梯度可放松对机械对准的要求，以轴向并横向地将由全息图SLM形成的中间实像移动到强度调制SLM表面的正确位置。(W02007/110668中公开了将透镜光学能编码进入全息图的技术，特别是在对用于OSPR 型全息图像投影系统的光学器件的一个或多个透镜进行编码的情况下；该公开在此引入作为参考。)在所述方法的实施方式中，提取图像数据的低及高空间频率成分以提供第一(低分辨率)及第二(高分辨率)图像数据。由低分辨率图像数据产生全息图使得当全息图显示于全息图SLM上时，所述SLM重构一类包括图像的低空间频率的低分辨率图像数据。本领域技术人员将理解在实施方式中全息图的显示包括显示多个临时子帧，其平均噪音以一类图像数据的低空间频率成分，因此提供中间实像。一般中间实像不会是低空间频率部分或成分的准确无误的重构，因为它具有相应的噪音。因此所述方法的优选实施方式计算预期的中间实像(包括噪音)并且随后确定图像数据的高空间频率成分，其将在强度调制SLM 上显示为由中间实像残留的图像数据的该(高空间频率)部分或成分。实际上，强度调制包括，中间实像乘以强度调制SLM(第二图像数据)的模式(pattern)。因而为了确定由低空间频率成分的全息显示残留的高空间频率成分，在实施方式中，中间实像将图像数据分开， 计算所述中间实像以由显示的全息图形成。在一些优选实施方式中，由于强度调制SLM仅从中间实像移动光(通过阻止光)， 产生显示于全息图SLM上的全息图的第一图像数据包括减少的图像数据的分辨率，其中每个减少的分辨率像素具有一个取决于其所源自于的图像像素的值，优选地(当并非必须的)为其所源自于的图像像素值的峰值。使用峰值使得所需用于显示的图像的像素值被阻止的光精确呈现，但在其他实施中，可另外或备选地应用其他统计学。例如，在所述方法的实施方式中，改变用于第一图像数据的像素峰值可能是有用的，由所述第一图像数据全息地产生中间实像以补偿边缘效应。因而并非每个图像像素需要具有所述的替换像素值。如之前所提到的，中间实像一般具有一定量的噪音。可能为了精确地呈现第二 (高空间频率)图像数据，必须确定中间实像中的像素的最低瞬时水平，并且随后相应地衡量显示于强度调制SLM上的高空间频率信息(由于中间实像的该阻止像素将有效地限制用于所需图像相应部分的最大光输出以显示)。然而，根据噪音的统计特性，例如，如果所述噪音产生一个具有特别低亮度的中间图像像素，这会产生的效率相对不高的系统。由于这个原因，最好平衡图像的准确再现与光效率，并且因此并非必须减弱用于图像区域的最大光输出使得其低于对图像的该区域实际可获得的亮度。相反，如果通过这种方式可提高整体光效率，其可能容忍允许显示图像的一些像素具有低于理想值的值。获得其的一种方式为使用计算的一类(噪音)中间实像确定用于第二(高频率)图像数据的衡量因子，并且随后通过整体阻止较少的光衡量该衡量因子以提高光效率，以引进少量的“剪裁(clipping)，， 为代价。然而，本领域技术人员将理解可应用其他技术以获得类似的结果。在所述方法的一些优选实施方式中，应用OSI^R型技术以显示全息图-即通过显示多个全息子帧显示全息图，每个子帧在重放时具有基本相同的空间覆盖范围，一连串地进行平均以得到所需结果。这在计算上比其他技术便宜很多。然而，特别优选地应用一种自适应性OSI^R型技术，其中每个连续的临时子帧中(特意引进)的噪音计划至少部分补偿由于显示一个或多个前面的临时子帧引起的重放图像中的噪音。该方法是有用的，因为其有助于减少噪音中的“尖峰(spikes)，，的危险，其具有下压显示图像中光的基线水平的效果， 如上所述。低水平“涟漪”型噪音允许基线水平，其较接近中间实像中央的可获得光水平， 然而尖峰将趋向于压低所述基线水平，并且增强系统的光效率并/或引进噪音(如果，实际上，其被忽略)。在一些优选的实施中，通过向一屏幕投影来自强度调制SLM的光而显示图像。优选地，为了降低散斑效应，投影的光学器件包括位于较远中间实像平面上的扩散器，尤其是包括来自全息图SLM由强度调制SLM调制的实像的平面。在散斑降低和最终投影图像的景深之间存在一种权衡，取决于扩散器的扩散角度较大的角度降低了散斑，但也降低了景深 (0度的扩散角度，实际上如果不具有扩散器，产生在远离投影仪的基本所有距离基本上是清晰的投影图像)。在一些特别优选的实施方式中，扩散器为机械驱动，特别使用压电传动装置，例如连同二相扩散器。优选地，扩散器的最小特征尺寸或像素间距小于较远的中间实像(扩散器)的像素间距。同其他方式相比，以这样的方式可在增加的空间频率降低散斑 (具有较大像素间距，扩散器可具有增加更多osra型子帧的效应)。在使用散斑降低扩散器的osra型全息图像显示系统的视觉噪音降低中已观察到协同作用，所述扩散器所具有的像素小于所述扩散器所位于的中间图像的那些像素。在实施方式中，压电传动装置可具有至少5 μ m的，更优选地至少10 μ m(及/或扩散器优选地被2、5或10个扩散器像素在包括一个或多个临时子帧的图像帧的持续时间内移动)。将扩散器应用于基于osra的以及其他类型的全息图像显示系统的进一步细节可在我们早期的UK专利申请2008年1月7号的 GB0800167. 9中找到，在此引入作为参考。在优选的实施方式中，提供一种多色的，优选全色图像显示器。其可通过结合来自
7红、绿及蓝激光器(一般地说，例如波长为大于600nm、500-600nm及小于500歷)的光而获得。这些可被组合并作为单一、彩色时间多工光线提供给全息图SLM。由于在实施方式中， 全息图SLM可具有较小数量的像素，例如等于或少于512、256、128、64或32像素(在χ及 /或y方向)，全息图SLM的有效面积可较小，例如具有小于Imm的最大横向尺寸。这有利于收缩照亮全息图SLM的光学器件，以及因此全息图像显示的实施方式。在相关的方面，本发明提供一种全息地显示图像的方法，该方法包括将所述图像分成该图像的低及高分辨率再现，在空间光调制器上，优选地在相位调制器上，显示所述图像的所述低分辨率再现的全息图，以生成所述图像的低分辨率再现，更特别地生成所述图像的所述低分辨率再现的中间实像，并且使用所述图像的所述高分辨率再现调制所述中间实像(所述图像的所述低分辨率再现)的强度以显示所述图像。如上所述，在一些优选实施中，确定图像的高分辨率再现使得全息地生成的图像的低分辨率再现和图像的高分辨率再现一起接近于所需的用于显示的图像。该近似不需要准确无误，因为其可能需要故意地引进少量噪音以通过“剪裁”显示图像中的一些像素而增加系统的总体光效率，否则其中全息地生成的图像中的噪音将指定总体减少的显示图像亮 度。在另一个相关的方面，提供一种全息图像显示系统，其包括实施上述方法的各方面及实施方式的工具。因此在一个方面，这种系统包括用于输入显示图像数据的工具，处理其以确定用于显示低空间频率图像的全息数据以及用于使用所需用于显示的图像的高空间频率成分调制所述低空间频率图像的强度调制数据。在另一个相关方面，本发明提供一种全息图像显示系统，其包括将图像分成图像的低及高分辨率再现的工具，以及用于在低分辨率再现显示全息图，并用于调制由所述显示的全息图重放的图像强度(或者多个全息子帧)以显示该图像的工具。在又一个相关方面，本发明提供一种用于全息地显示图像的系统，该系统包括输入设备，用于接收限定所述用于显示的图像的显示图像数据；处理器，用于处理所述图像数据以确定再现所述图像数据的第一空间频率部分或成分的第一图像数据和再现所述图像数据的第二空间频率部分或成分的第二图像数据，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；输出设备，用于输出用于在空间光调制器(SLM)上显示所述第一图像数据的全息图的数据以形成全息生成的中间实像；以及输出设备，用于输出用于使用所述第二图像数据调制所述中间实像的数据，从而显示所述图像。上述系统的实施方式可以硬件或软件或两者的组合执行。可应用共用的或单独的输出设备用于驱动各自的相位并强度调制空间光调制器以显示全息图并调制所述中间实像。在又一个相关方面，本发明提供一种处理用于全息地显示图像的数据的方法，该方法包括输入限定所述用于显示的图像的显示图像数据；处理所述图像数据以确定再现所述图像数据的第一空间频率部分或成分的第一图像数据和再现所述图像数据的第二空间频率部分或成分的第二图像数据，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；生成用于在空间光调制器(SLM)上显示所述第一图像数据的全息图的数据以形成全息生成的中间实像；以及生成用于使用所述第二图像数据调制所述中间实像的数据，从而显示所述图像。在实施方式中，第二(高空间频率)图像数据的确定包括计算显示的全息图的重建以及随后使用其处理图像数据，例如通过该计算数据划分以确定第二(更高的空间频率)图像数据，即图像数据的剩余空间频率成分将加入全息生成的中间实像以重构所需的图像。在一个相关的发面，本发明提供一种装载用于执行如上所述方法的处理器控制代码的载体。该载体例如可以是一种磁盘、⑶-或DVD-R0M，或注入只读存储器的编程存储器 (固件)。所述代码(及/或数据)可包括以注入C或汇编码的传统编程语言(解释或编译)的源、目标或可执行代码，例如用于通用系统或数字信号处理器(DSP)，或所述代码可包括用于设置或控制ASIC(专用集成电路)或FPGA (现场可编程门阵列)的代码，或用于诸如Verilog (商标)或VHDL (甚高速集成电路硬件描述语言)的硬件描述语言的编码。如本领域技术人员将理解的，可在多个彼此通讯的耦合组件之间分配这种代码及/或数据。在又一个方面，本发明提供一种全息图像投影系统，其包括至少一个激光光源； 第一空间光调制器(SLM)用于调制，优选地相位调制，来自所述至少一个激光光源的光；中间光学器件用于提供一种中间实像平面，在其上形成由所述第一 SLM上的全息图产生的实像；位于所述中间实像平面的第二 SLM用于强度调制所述实像；以及输出光学器件用于投影所述强度调制的实像的一个图像；并且其中所述第二 SLM的分辨率大于所述第一 SLM的分辨率。在操作中，由所述第一 SLM上的全息图产生的实像具有比投影图像低的分辨率。 在优选的实施方式中，输出光学器件构造为提供用于如上所述的扩散器的第二中间实像平面。在实施方式中，第一(相位调制)SLM具有小于，例如小于第二(强度调制)SLM—半尺寸的有效面积。在一些优选的实施方式中，第一 SLM的有效面积具有小于Imm的最大横向尺寸，优选地小于0. 5mm。在一些优选的实施方式中，为了得到更好的效果，第一 SLM为多相位SLM (具有至少三个量子化的相位水平)而不是二进制相位SLM (其允许抑制结合全息生成的中间实像)。在优选的实施方式中，该系统包括组合光学器件以将来自于时间多工光源的红、 绿及蓝色激光组合从而提供全色显示。该系统可结合一种控制器以提供如上所述的全息图像投影仪。在实施方式中，该控制器提供如上所述的功能，并且进一步配置为控制来自一个或多个激光源的光功率，尤其根据来自全息图SLM的计算的中间实像及根据任何用于增加系统的光(衍射)效率的缩放比率。一般地说，在上述本发明的各方面及实施方式的范例中，图像数据被分成两(或多个)部分，其中一个包括再现图像的低频空间数据，另一个包括再现图像的高频空间数据。更特别地，第一部分/成分具有有限的空间频率；第二部分/成分可具有任何空间频率。因此第一部分/成分具有第一范围的空间频率并且第二部分/成分具有延伸至较高空间频率的范围。所述数据是图像中空间频率的函数而并非必须准确地等于输入图像中的空间频率，因为可能具有附加处理，例如图像灰度校正等待。并非必须使用相位调制器-振幅调制器将起作用-尽管为了更好的效率相位调制器是优选的。



现在将仅通过举例的方式、参考附图进一步描述本发明的这些及其他方面，其中图1示出一个示意性图像(左)及对应的功率谱(右)；图2示出根据本发明的全息图像投影系统的一个实施方式；图3a_3d分别示出下列方块图全息图数据计算系统、在全息图数据计算系统的硬件块中执行的操作、与随机相位矩阵相乘之前及之后的采样图像的能量谱，及具有用于从复数全息子帧数据的实和虚分量中同时产生两个子帧的并行量化器的全息图数据系统的实施例；图4a及4b分别示出了自适应性OSI5R型系统的概括框图及该系统的示意性操作的细节；图5a_5c分别示出彩色全息图像投影系统，以及该系统的图像、全息图(SLM)及说明操作的显示屏平面；图6a及6b分别示出用于生成用于显示分辨率增强图像的N个子帧全息图的程序及系统；图7a_7c分别示出了衍射效率加强参数的影响的示意图、根据本发明一个实施方式的二进制空间频率相位的一个实施方式的软件实现、强度全息投影系统控制器，以及根据本发明一个实施方式的二进制空间频率相位的一个实施方式的硬件实现、强度全息投影系统控制器；图8示出(左)由显示在相位SLM上的16个全息图子帧形成的重放区域I及(右) 相应的高频图像以显示在强度调制SLM2上用于调制区域I以重构图1的野马(Mustang) 图像；以及图9a至9f分别对D = 1. OU. 3,1. 5,2. 0、4. 0及8. 0的衍射效率加强参数值D，显
示了野马图像的范例。
具体实施例方式发明的优选实施方式使用osra型全息生成过程，并且因此下面我们描述这种过程的范例。然而发明的实施方式并不限定于这种全息生成过程并且可应用其他类型的全息生成过程，包括，但不限于Gerchberg-Saxton方法(R. W. Gerchberg和W. 0. Saxton 的“用于从图像和衍射平面图确定相位的实用算法(A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures)”， Optik 35, 第 237-246 页(1972)或其变体，Direct Binary Search (Μ· A. Seldowitz、J. P. Allebach 和D. W. Sweeney的“通过直接二进位检索的数字全息图合成(Synthesis of digital holograms by direct binary search) ”，Appl. Opt. 26，第 2788-2798 (1987))，模拟退火法(simulated annealing)(例如参见 Μ· P. Dames、R. J. Dowling、P. McKee,禾口 D. Wood 的 “生成强度加权点阵列的有效光学元件设计及制造(Efficient optical elements to generate intensity weighted spot arrays :design and fabrication)，，，Appl. Opt. 30, 第 2685-2691 页(1991))，或 POCS(在约束集上的投影(Projection Onto Constrained Sets))方法(例如参见C. -H. Wu、C. -L. Chen及Μ. A. Fiddy的“用于改善的计算机生成全息图重建白勺迭代过禾呈(Iterative procedure for improved computer—generated—hologram reconstruction)，App 1. Opt. 32，第 5135-页(1993))。OSPR广泛地说，在我们优选的方法中，使用接近被显示图像的全息图的全息数据调制 SLM0然而，以特殊方式选择该全息数据，显示的图像由多个临时子帧组成，每一个子帧通过使用各子帧全息图调制SLM而生成，每一个子帧全息图空间上交叠在重放区域(在实施方式中每个具有所显示图像的空间范围)。因为例如通过使用图像数据的全息转换进行相位量化而增加了噪音，每个子帧在独立浏览时将显得较杂乱无章。然而，当一连串地浏览时，重放区域图像的一起在浏览者眼中进行平均以给出低噪音图像的显示。在连续的临时子帧中的噪音可以是虚随机的(基本独立的)或者子帧中的噪音可以至少部分将其抵消为目标而取决于在一个或多个较早子帧中的噪音，或可应用组合。这种系统可提供视觉上的高品质显示，即使每个子帧被独立浏览时将显得较杂乱无章。所述程序是一种针对每一个静态图片或视频帧I = Ixy,产生N个二进制相位全息图h(1)···!! 的集合的方法。在实施方式中，这样的全息图集合可形成呈现出相互独立的加性噪声的重放区域。下面示出一个范例1.使喊)=/ exp )，其中对于1彡η彡N/2且1彡x，y彡m，在0与2 π 之间均勻分布2.使识=F-1 ，其中对于1彡η彡N/2，F—1表示二维逆傅立叶变换运算符3.使⑶ 二，其中 1 彡 η 彡 Ν/24.使mtlM/2、= 3{戯，其中 1 ^ η ^ N/2
_] 5.使‘ =I^ ^妒，其中β⑷=—⑷且l^n^N步骤1形成了等于所提供的强度目标Ixy的振幅、但具有独立的恒等分布的 (i. i. t)且均勻随机的相位的N个目标G了。步骤2计算N个相应的全复数傅立叶变换全息图gj。步骤3和步骤4分别计算全息图的实部和虚部。然后，在步骤5中对全息图的实部和虚部中的每一个执行二进制化围绕中值C的阈值化保证全息图中存在相同数目的-1 和1点，从而实现DC平衡(根据定义)以及最小的重构误差。可假设"Γ的中值为0，对于感知的图像质量的影响为最小。来自我们的W02006/134398的图3a，示出了构造用于执行该程序的全息图数据计算系统的框图。对系统的输入优选地是来自诸如计算机之类的源的图像数据，尽管其他源同样适用。利用从系统内的一个或多个控制器单元提供的针对该过程的控制信号，将该输入数据暂时存储在一个或多个输入缓冲器中。输入(输出)缓冲器优选地包括双端口存储器，以便同时将数据写入缓冲器中，并将数据从缓冲器中读出。控制信号包括定时、初始化及流控制信息，并且优选地保证每一视频帧周期产生一个或多个全息子帧。来自输入的输出包括图像帧，标记为I，并且这变成硬件块的输入(尽管在其他实施方式中一些或全部处理可在软件中执行)。硬件块对每一个前述图像帧执行一系列操作，并且针对每一个图像帧产生一个或多个全息子帧h，这些全息子帧被发送至一个或多个输出缓冲器。子帧从输出缓冲器输出，并可选地经由驱动器芯片被提供给诸如SLM之类的显示设备。图3b示出了图3a的硬件块的细节；其包括被设计为针对提供给该块的每一个图像帧产生一个或多个全息子帧的一组元件。优选地在每一视频帧周期，一次或多次提供一个图像帧Ixy作为输入。然后，通过一组操作，使用每一个图像帧Ixy来产生一个或多个全息子帧，该组操作包括以下中的一个或多个相位调制级、空间_频率变换级，以及量化级。在实施方式中，通过使用前述操作的一个循序集合或并行地作用于不同子帧的若干个这样的操作集合、或者这两种方法的混合，对于每一帧周期，产生N个子帧的集合，其中N大于或等于1。相位调制块的目的是重新分布空间_频域中的输入帧的能量，以使得在执行随后的操作之后获得最终图像质量的改进。图3c示出在使用伪随机相位分布的相位调制级之前和之后采样图像的能量是如何分布的示例。可以看出，通过这样的相位分布来调制图像具有把能量在整个空间-频域中更均勻地重新分布的作用。本领域技术人员将理解具有许多可生成伪随机二进制相位调制数据的方式(例如具有反馈的移位寄存器)。量化块获得复数全息图数据、并将其映射到与目标SLM上可以实现的实际调制等级相对应的有限数值集合，该复数全息图数据是作为前面的空间_频率变换块的输出而产生的(不同的量化相位延迟等级可能不需要具有有规律的分布)。例如对于SLM在每一个像素处产生0或π的相位延迟，量化等级的数目可设置为2。在实施方案中，量化器被配置为对全息子帧数据的实和虚分量进行量化，以产生针对输出缓冲器的一对子帧，其中每一个子帧都具有两个(或多个)相位延迟等级。图3d 示出这种系统的一个范例。可以示出，对于离散像素化场，复数全息子帧数据的实分量和虚分量是不相关的，这就是为什么可以将实和虚分量视为独立、并产生两个不相关的全息子帧。合适的二进制相位SLM的范例为由CRL Opto (英国苏格兰的四维显示有限公司) 制造的SXGA (1280 X 1024)反射二进制相位调制铁电液晶SLM。铁电液晶SLM因其快速开关时间而具有优势。二进制相位设备是便利的，但该方法的一些优选实施方式使用有别于二进制相位空间光调制器的所谓多相位空间光调制器(即SLMs，其与其中一个相位仅具有两个相位延迟值中的一个的二进制相位设备相反，对于一个像素具有多于两个不同的可选相位延迟值)。多相位SLMs (具有三个或多个量化相位的设备)包括连续的相位SLMs，尽管当通过数字电路驱动时这些设备必须量化到一些离散的相位延迟值。其中使用多于二进制相位的共轭像中的双量化值抑制该共轭像(参见W02005/059660)。自适应 OSPR在osra方法中，我们已经描述了上述子帧全息图是独立产生的，并因此呈现出独立噪声。以控制术语来讲，这是开环系统。然而，如果针对每一个子帧的产生过程，考虑先前子帧产生的噪声以将其抵消，向算法的Π+1级有效地“反馈”比如η个OSra帧之后所形成的感知图像，将获得更好的结果。以控制术语来讲，这是闭环系统。该方法的一个范例包括自适应OSI^R算法，该算法如下使用反馈算法中的每一级 η计算从先前产生的全息图H1至Hlri中得到的噪声，并将该噪声因数分解(factor)为全息图Hn的生成(generation)，以抵消该噪声。因此，可以表明该噪声方差下降为1/N2。一个示意性过程以目标图像T或以及指定所要产生的全息图子帧的期望数目的参数N作为输入， 并输出N个全息图H1至％的集合，当以适合的速率顺序显示时，该全息图集合形成远场图像，即被感知为高质量的T的可视表示可选的预处理步骤通过计算T(x，y)13执行图像灰度校正以匹配CRT显示。然后， 在每一个级η (在总共N个级之中)，数组F (在程序开始时为零)跟踪先前的全息图H1至 Hlri所形成的图像能量的“累积总计(running total)，，(由期望图像加上噪声组成)，因此可以估计出噪声，并在后续级中考虑该噪声:F(x，y) : = F(x,y) + |F[Hn_1(x,y)] |2。在每一个级处，向目标图像的每个像素添加随机相位因子Φ，并且调制目标图像以考虑来自于先前级中的噪音，计算比例因子α以将噪音“累积总计”能量F的强度与目标图像能量(T' )2
Zr^yy
匹配。根据关系、們,~P，通过aF-(n-l) (Τ’)2给出来自先前n-1级的总噪
音能量，并且因此，该级处的目标能量由本迭代中的期望目标能量与所存在的先前噪声之间的差给出，以抵消该噪声，S卩(T’)2-[aF-(n-l)(T’)2] =n(T’)2+aF。这给出目标振幅 T" I等于该能量值的平方根，即
rw):=
pT'(x,y)2 -aF.expO^^)}如果 2Γ(χ,:ν》2>αΡ O否则在每一级η，H表示根据目标Τ"形成的中间全复数全息图，并使用逆傅立叶变换运算来计算H。将H量化为二进制相位，以形成输出全息图Ηη，即
H(x9y):= ^[Tn(Xfy)]
如果Ref丑&，力]>0
杏则图如概述了该方法并且图4b示出一个示意性实现的细节，如上所述。因此，一般地说，生成用于显示图像的数据的ADosra型方法(由显示图像数据所定义，使用多个全息产生的时间子帧，在时间上顺序地显示所述时间子帧以使得所述时间子帧被感知为单个噪声降低图像)，包括从所述显示图像数据中产生针对每一个子帧的全息数据，以使得由这些重放给出所述图像的外观，以及，当产生针对所述子帧的所述全息数据时，对所述显示图像中由所述全息产生的子帧序列中的一个或多个先前子帧引起的噪声进行补偿。在实施方式中，所述补偿包括针对一个子帧确定噪声补偿帧；以及在针对子帧的全息数据产生之前，使用所述噪声补偿帧确定显示图像数据的调整版本。在实施方式中，所述调整包括把所述先前子帧数据从频域变换至空间域，并从所述显示图像数据导出的数据减去所述变换后的数据。可在W02007/141567中找到更详细的内容，包括硬件实现，其在此引入作为参考。彩饩全息图像投影图像的总区域尺寸随着用于照亮SLM的光波长而缩放，红光比蓝光被SLM的像素衍射得更多并且因而产生更大的总区域尺寸。单纯地，彩色全息投影系统可由简单叠加的三个光通道构造，红、蓝及绿，但该构造是困难的，因为不同颜色的图像必须对齐。更好的方法是产生包括红、绿及蓝光的组合光束并将其提供至通用SLM，缩放所述图像的尺寸以彼此匹配。图如示出了彩色全息图像投影系统1000的一个范例，此处包括缩小光学部件 1014，其将全息生成的图像投影到屏幕1016上。由于该图像是全息生成的，其在离光学器件1014的基本所有距离上是清晰的。该系统包括红1002、绿1006及蓝1004准直激光二极管光源，例如波长为638nm、532nm及445nm，以时间多工的方式驱动。每个光源包括激光二极管1002，以及如果必须的话，准直透镜及/或光束扩展器。可选地，如后面所述，将各光束的尺寸缩放至各全息图的尺寸。红、绿及蓝光光束在两个双色束分离器1010a、b中组合， 并且将组合的光束提供(在该范例中)给反射的空间光调制器1012 ；该图示出红区域的范围将大于蓝区域的范围。显示图像的总区域尺寸取决于SLM的像素尺寸但不取决于显示在 SLM上的全息图的像素数量。图恥示出了用零填补初始输入图像以生成针对蓝、绿及红色图像平面的不同空间范围的三色平面。然后在这些填补的图像平面上执行全息转换以对每个子平面生成全息图；在像素全集合上分配全息图中的信息。可选地通过相应调整尺寸的光束示出了全息图平面以将不同尺寸的各自区域投影到显示屏幕上。图5c示出了对输入图像进行尺寸扩大，蓝图像平面与红对蓝波长的比率(638/44 相称，并且绿图像平面与红对绿波长的比率(638/53 相称(红图像平面没有改变)。可选地尺寸扩大的图像随后可用零填补至SLM 中像素的数量(优选地保留围绕边缘的少量空间以降低边缘效应)。红、绿及蓝区域具有不同的尺寸但每一个由基本相同数量的像素组成，但因为蓝及绿图像在生成全息图之前被扩大了尺寸，输入图像中给定数量的像素针对红、绿及蓝彩色平面占据了相同的空间范围。在此具有对全息转换程序选择图像尺寸的可能性，其是便利的，例如在每个方向为8或16倍数的像素。超分辨率ADOSPR在二维全息视频投影系统中，输出分辨率通常至多为微型显示器的分辨率，因为在重放区域中的输出图像是微型显示器上的全息图的傅立叶变换(来自Xmxm至Xmxm的双射映射)。另外，当使用二进制相位调制器作为微型显示器时，具有所述MXM像素，共轭像的存在将可寻址输出分辨率限制至MXM/2个点。然而，发明人已认识到开发像素之间的干扰以产生增加的分辨率输出中的每个点是全息图孔的傅立叶变换的复制(如果认为所述孔位正方形的并且将其均勻的照亮对应于输出中的正弦形像素)。这种正弦函数的主瓣比输出中像素之间的距离宽，并且因此邻近的像素将彼此干扰。通常这是不利的，但有可能开发有利的效果。眼睛感知的不是区域振幅F而是其强度|F2|并且因而相位的操作允许采样网格之间的像素值被影响以产生处于增加的空间频率的结构。可使用ADosra型程序以生成分辨率MXM的osra全息图集合而实现超分辨率，所述osra全息图集合在全息图的两倍分辨率(在每个维)即2MX2M (对二进制相位调制器为2MXM)，形成图像重构。我们延伸ADOSra程序以便，除了前馈存在于MXM采样点的每一个处(x，y)的重构误差，也前馈存在于在级N-I之后的采样点，即(x1/2, y)、(χ, y1/2)及(x1/2, y1/2)之间的误
14差并在计算级N中的全息图Hn时对该误差进行补偿。在实施方式中，这使用改进的像素之间傅立叶变换操作以评价每半个样本的频率分量，而不是每个样本。作为半个样本评价的备选，可例如通过将其嵌入零矩阵而将每个MXM全息图填补成2MX2M以实现这种变换；在任一种情况下并且我们将其用符号表示为F2Mxai[H(x，y)]。跟踪该填补全息图的傅立叶变换然后产生一个2MX2M的区域，其可如上所述针在进行逆傅立叶变换之前对误差进行调整以获得2MX2M的全息图，然后对所述全息图进行镶边以形成输出OSra集合中的下一个 MXM全息图。由于全息图为图像的频率谱，相位全息图(其每个地方具有一致的振幅)形成具有一致的、平坦频率谱的图像。对于固定振幅的目标图像，这意味着图像像素中对有效的随机相位的要求，这将变得与使用像素之间的干扰不相容。然而，具有反馈的osra方法允许在一组子帧全息图之上获得相位控制，每个子帧全息图分别具有基本平坦的、伪随机的相位谱。在一个范例中，超分辨率的具有反馈的osra程序，变量如下所示·Ν为将生成的osra子帧的数量。· T为分辨率为2MX 2M的输入视频帧。 在每个级结束时产生的MXM像素的全息图ΗΓ··Ην形成输出OSra全息图集合。 在算法的每个级，将Φ (χ, y)重新初始化均勻分配的随机相位的2MX2M阵列。 应用相干优化子算法的Q迭代以调整这些相位以将误差最小化。· F(x, y)保持已计算的全息图子帧的动态更新2MX2M像素的再现。· γ为所需的显示输出灰度系数(2. 2大约对应于标准CRT)。下面我们进行以下定义
运算符描述输入χ 尺寸输出Ir 尺寸定义F傅立叶变换2Μχ2ΜIMx 2Μγ(u,ν)= |> JCas—Α/ + 1 产— M + lF'1逆傅立叶变换2Μχ2Μ2Μχ2ΜY (U,V)= Xρ2Μχ2Μ像素之间傅立叶变换MxM2Μχ 2ΜM M X X -2>，ν)= Σ Le 2Μ M Λ M Λ χ=--+1 ν=--+1 2 2改进的(像素之间)傅立叶变换在中间的图像点有效地评价了傅立叶(或逆傅立叶)变换，即
Γ π r^0,0 ^0.5,0 r-^1,0 ^1.5,0Λ’0">Jh0 F F , …
"rO,0.5 r 0.5,0.5M,0.5 Γ\ .5,0.5图6a示出了下面详细描述的程序步骤的略图。用于生成用于显示分辨率增强图像的N个子帧全息图的程序及系统处理
权利要求
1.一种全息地显示图像的方法，该方法包括输入限定所述用于显示的图像的显示图像数据；处理所述图像数据以确定再现第一空间频率成分的第一图像数据以及再现第二空间频率成分的第二图像数据，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；在空间光调制器上显示所述第一图像数据的全息图以形成全息生成的中间实像；使用所述第二图像数据调制所述中间实像以显示所述图像。
2.如权利要求1所述的全息地显示图像的方法，其中所述显示所述全息图包括由所述第一图像数据生成再现所述图像数据的所述第一空间频率成分的全息图数据，并且其中所述确定所述第二图像数据包括由所述全息图数据确定中间图像数据，通过所述全息图形成再现所述中间实像的所述中间图像数据，并且处理所述中间图像数据及所述显示图像数据以确定所述第二图像数据。
3.如权利要求2所述的全息地显示图像的方法，其中由所述第一图像数据生成再现所述图像数据的所述第一空间频率成分的全息图数据包括形成所述图像数据的分辨率减少版本，对所述图像数据的所述分辨率减少版本的像素识别针对每个像素的重置值，并且由所述重置像素值生成所述全息图数据。
4.如权利要求3所述的全息地显示图像的方法，其中一个所述的重置像素值包括像素峰值。
5.如前述权利要求中任一条所述的全息地显示图像的方法，其中所述显示所述全息图包括使用所述空间光调制器对来自激光光源的光进行相位调制，并且其中所述调制所述中间实像包括使用第二空间光调制器对所述中间实像进行强度调制。
6.如权利要求5所述的全息地显示图像的方法，其中所述调制包括从所述第二图像数据确定用于所述第二空间光调制器的调制数据，并且其中所述确定所述调制数据包括调整所述调制数据以增加强度调制的光效率。
7.如权利要求6所述的全息地显示图像的方法，其中所示调整包括缩放所述第二图像数据以增加所述第二图像数据的像素值。
8.如权利要求7所述的全息地显示图像的方法，进一步包括控制来自所述激光光源的所述光的强度以补偿所述缩放。
9.如前述权利要求中任一条所述的全息地显示图像的方法，进一步包括投影来自所述调制的中间实像的光以显示所述图像，所述投影包括在扩散器上形成第二中间实像。
10.如前述权利要求中任一条所述的全息地显示图像的方法，其中所述显示所述第一图像数据的所述全息图包括生成并显示多个临时全息子帧，其中在第一个所述子帧之后的每一个子帧包括对一个或多个先前所述子帧内的噪声至少部分进行补偿的噪声。
11.如前述权利要求中任一条所述的全息地显示图像的方法，其中图像包括全色图像。
12.一种全息地显示图像的方法，该方法包括将所述图像分成所述图像的低及高分辨率再现，在空间光调制器上显示所述图像的所述低分辨率再现的全息图，照明所述全息图以生成所述图像的所述低分辨率再现的中间实像，并且使用所述图像的所述高分辨率再现调制所述中间实像的强度以显示所述图像。
13.如权利要求12所述的全息地显示图像的方法，其中所述确定所述图像的所述高分辨率再现使得所述全息地生成的所述图像的低分辨率再现和所述图像的高分辨率再现一起接近于所述图像。
14.一种用于全息地显示图像的系统，该系统包括输入设备，用于接收限定所述用于显示的图像的显示图像数据； 处理器，用于处理所述图像数据以确定再现所述图像数据的第一空间频率成分的第一图像数据和再现所述图像数据的第二空间频率成分的第二图像数据，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；输出设备，用于输出用于在空间光调制器上显示所述第一图像数据的全息图的数据以形成全息生成的中间实像；以及输出设备，用于输出用于使用所述第二图像数据调制所述中间实像的数据，从而显示所述图像。
15.一种用于全息地显示图像的方法，该方法包括 输入限定所述用于显示的图像的显示图像数据；处理所述图像数据以确定再现所述图像数据的第一空间频率成分的第一图像数据和再现所述图像数据的第二空间频率成分的第二图像数据，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；生成用于在空间光调制器上显示所述第一图像数据的全息图的数据以形成全息生成的中间实像；以及生成用于使用所述第二图像数据调制所述中间实像的数据，从而显示所述图像。
16.一种载体，其用于装载处理器控制代码以当运行时执行权利要求15的方法。
17.一种全息图像投影系统，包括 至少一个激光光源；第一空间光调制器，用于调制来自所述至少一个激光光源的光； 中间光学器件用于提供一种中间实像平面，在其上形成由所述第一空间光调制器上的全息图产生的实像；位于所述中间实像平面的第二空间光调制器，用于强度调制所述实像；以及输出光学器件，用于投影所述强度调制的实像的一个图像；并且其中所述第二空间光调制器的分辨率大于所述第一空间光调制器的分辨率。
18.如权利要求17所述的全息图像投影系统，其中所述第一及第二空间光调制器的一个或两者包括反射空间光调制器，其中所述第一及第二空间光调制器的一个或两者具有相关的分束器，并且其中从所述激光光源至所述输出光学器件的光路包括折叠的光学路径。
19.如权利要求17或18所述的全息图像投影系统，其中所述输出光学器件构造为提供第二中间实像平面，并且其中所述输出光学器件包括位于第二中间实像平面中的扩散器。
20.如权利要求19所述的全息图像投影系统，其中所述扩散器为压电驱动扩散器。
21.如权利要求17、18、19或20所述的全息图像投影系统，其中所述第一空间光调制器的活动区域比所述第二空间光调制器的活动区域小。
22.如权利要求21所述的全息图像投影系统，其中所述第一空间光调制器的活动区域具有小于Imm或小于0. 5mm的最大横向尺寸。
23.如权利要求17至22中任一项所述的全息图像投影系统，其中所述第一空间光调制器包括具有至少三个量化相位水平的多相位空间光调制器。
24.如权利要求17至23中任一项所述的全息图像投影系统，包括三个不同波长的所述激光光源，并且包括光学器件使得沿着一个共用光路将所述三个波长的每一个提供至所述第一空间光调制器，藉此所述全息图像投影系统能提供全色显示。
25.如权利要求17至24中任一项所述的全息图像投影系统，进一步包括控制器以输入限定用于显示的图像的图像数据，控制所述第一空间光调制器以显示全息图以在具有第一空间分辨率的所述中间图像平面形成所述实像，并且用于控制所述第二空间光调制器在第二更高的空间分辨率上强度调制所述实像以重现所述用于显示的图像。
全文摘要
本发明涉及一种全息图像显示系统(200)，并且涉及相关的方法及处理器控制代码。我们描述了一种全息地显示图像的方法，该方法包括输入限定所述用于显示的图像的显示图像数据；处理所述图像数据以确定再现第一空间频率部分的第一图像数据以及再现第二空间频率部分的第二图像数据(206)，其中所述第二空间频率高于所述第一空间频率；在空间光调制器(SLM1)上显示所述第一图像数据的全息图(204)以形成全息生成的中间实像；使用所述第二图像数据(206)在调制所述中间实像的强度的第二空间光调制器(SLM2)上显示所述图像。
文档编号G03H1/22GK102171619SQ200980136409
公开日2011年8月31日 申请日期2009年7月8日 优先权日2008年7月16日
发明者德拉德里安·詹姆斯·卡贝尔 申请人:蓝光光学有限公司