用于直视的颜色优化的制作方法

本公开涉及一种显示设备。更具体地，本公开涉及全息投影仪、全息投影方法和全息投影系统。一些实施例涉及平视显示器。一些实施例涉及彩色图像全息图的生成和显示，用于形成对观察者眼睛安全的全色全息重建，特别是，尽管不是唯一地，当使用一个或多个激光光源实现时。

背景技术：

1、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重放图像。

2、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诸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，还可以通过相干光线跟踪或点云技术来计算计算机生成的全息图。

3、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。例如，可以使用电可寻址液晶、光学可寻址液晶或微镜来实现光调制。

4、空间光调制器通常包括多个单独可寻址像素，其也可被称为单元或元素。光调制方案可以是二进制、多级或连续的。可替代地，该设备可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制可以在设备上是连续的。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。

5、使用这里描述的系统可以提供全息投影仪。这种投影仪已经在平视显示器“hud”和头戴式显示器“hmd”中得到应用，例如包括近眼设备。

6、全息投影仪可以形成全色全息重建。这可以通过显示三个单色全息图，并使用相应的单色光源照射每一个全息图以基本同时形成三个单色全息重建来实现。一种被称为空间分离彩色“ssc”的方法涉及同时形成三个单色全息重建，而另一种被称为帧顺序彩色“fsc”的方法涉及连续快速以便在人眼的积分时间内形成三个单色全息重建。因此，使用任一种方法，人类观察者都能感知到全色(即多色)图像。

技术实现思路

1、在所附的独立权利要求中定义了本公开的各方面。

2、这里公开了一种显示彩色图像的方法。该方法包括接收用于投影的图像的步骤。该图像是彩色图像。彩色图像包括第一颜色分量和第二颜色分量。每一个颜色分量可以包括像素值的阵列。每一个像素值可以是强度值或所谓的灰度级。该方法还包括计算第一颜色分量的第一全息图和计算第二颜色分量的第二全息图的步骤。第一全息图配置成当用第一颜色的光照射时形成第一颜色分量的第一全息重建。第二全息图配置成当用第二颜色的光照射时形成第二颜色分量的第二全息重建。该方法还包括在计算第一全息图之前将第二颜色分量的内容(例如图像/像素内容)添加到第一颜色分量的步骤。可以说来自第二颜色分量的至少一部分内容被添加到第一颜色分量。因此，第一全息图包括第一颜色分量的信息和第二颜色分量的至少一部分的信息。该方法还包括基本同时形成第一全息重建和第二全息重建的步骤。因此，第一全息重建改变了第二颜色分量的至少一部分的色度。在实施例中，改变色度意味着改变色度空间中光的颜色的色度坐标。

3、在实施例中，该方法还包括在计算第二全息图之前，基于添加到第一颜色分量的第二颜色分量的内容，减少第二颜色分量的内容。可以说，对应于添加到第一颜色分量的第二颜色分量的内容，来自第二颜色分量的至少一部分的内容被减少或移除。在一些示例中，第二颜色分量的一部分内容被移动到第一颜色分量。

4、这里使用的“颜色”一词是指反射光的波长，例如光谱中可见光部分的波长。根据本公开，每种单一“颜色”的波长是窄带波长，例如+/-15nm或+/-5nm(例如全波半峰值)。

5、术语“颜色空间”在本领域中众所周知的是作为参考彩色图像的颜色的系统。可以说，颜色空间使用包括多种原色的颜色模型来提供颜色的表示。与色度空间相反，如下所述，它代表每种原色的量—在强度、辐照度、亮度等方面。例如，三维颜色模型可以具有三原色，例如红色、绿色和蓝色，颜色空间可以使用红色、绿色和蓝色颜色模型。因此，在颜色空间中表示的颜色具有对应于原色红、绿和蓝的三种颜色分量。因此，三种颜色分量的值(或量)一起识别颜色空间内的特定“颜色”(例如二次色)。下面的描述涉及基于原色红、绿和蓝的“3d颜色空间”，即“rgb颜色模型”。这是因为rgb颜色空间通常用于表示图像数据中的彩色图像，以对应于人眼对红色、绿色和蓝色的检测。可以说，rgb颜色空间基于混合在一起的红色、绿色和蓝色的相对量(通常是相对强度)来定义颜色。然而，本领域技术人员将会理解，所描述的技术适用于其他类型的颜色空间，包括基于诸如青色、品红色、黄色和黑色(cmyk)颜色模型的四维颜色模型。

6、彩色图像的术语“颜色分量”指的是用于表示图像区域内图像颜色的相应颜色的量，通常是强度值。例如，在rgb图像数据中，彩色图像有三种颜色分量，即红色分量、绿色分量和蓝色分量。彩色图像的每一个颜色分量通常包括相应颜色的值的阵列，其中每个值表示用于表示图像区域内相应空间位置的特定颜色的相应颜色的光的量，通常是强度。因此，例如，颜色分量的值的阵列内的每一个位置可以对应于图像内的图像像素的位置。

7、彩色图像的“内容”一词指的是表示图像的信息。在实施例中，彩色图像的内容(或“颜色内容”)指的是彩色图像的颜色分量的值。因此，彩色图像的特定颜色分量的内容指的是该颜色分量的相应颜色的信息(例如诸如强度/亮度值的数量)。例如，在rgb图像数据中，特定颜色分量的内容包括由用于表示图像区域内相应空间位置处特定颜色的相应颜色的数据值阵列(通常是强度值)表示的信息(例如图像像素值阵列)。

8、这里对彩色图像的颜色分量的“一部分内容”的引用是指颜色的量或数量，其代表颜色分量的整个或部分图像区域内的颜色总量的一部分。在所描述的实施例中，颜色的量或数量是彩色图像或其颜色分量内颜色的光功率、强度或辐照度测量或值。如本领域技术人员将理解，用于量化彩色图像内的颜色量的其他类型的测量和值是可能的和预期的。

9、提及“添加/添加内容”是指增加彩色图像的信息，提及“移除/移除内容”(或“减少/减少内容”)是指减少彩色图像的信息。例如，向彩色图像的第二颜色分量添加内容可以包括增加第二颜色分量的值(例如强度或像素/灰度值)。类似地，移除/减少彩色图像的第一颜色分量的内容可以包括减少第一颜色分量的值(例如强度或像素/灰度值)。在示例中，内容或信息对应于彩色图像内的颜色量或数量或其颜色分量，例如光功率、强度或辐照度测量。

10、本公开涉及将彩色图像的第二颜色分量的内容添加到彩色图像的第一颜色分量。这通常包括基于/根据彩色图像的第二颜色分量的相应值(例如图像内相同空间位置处的强度值)，增加彩色图像的第一颜色分量的值(例如图像内特定空间位置处的强度值)。本公开还涉及基于/对应于添加到第一颜色分量的第二颜色分量的内容，从第二颜色分量中移除内容。这通常包括基于/对应于添加到彩色图像的第二颜色分量的值(例如在图像内的相同空间位置处)，减小彩色图像的第二颜色分量的值(例如图像内特定空间位置处的强度值)。

11、术语“色度空间”对于颜色科学或显示技术领域的技术人员来说是众所周知的，并且可被视为用于表示颜色色度的系统。特别地，色度空间能够独立于亮度来表示颜色(的质量)。通常，色度空间中颜色的色度由两个独立的参数构成，即色调(h)和饱和度(s)。因此，色度空间是2d颜色空间，标准色度空间是所谓的cie 1931 xy色度空间。因此，特定颜色的色度是代表该颜色的色度空间中的色度值(例如根据色调(h)和饱和度(s))，与强度/亮度无关(或具有归一化的强度/亮度)。

12、这里提到的“色度”是指色度空间中颜色的客观量度。色度可以包括色度空间中的一个点或一组坐标。坐标可以是极坐标，例如色调和饱和度。坐标也可以是xy色度空间中的线性坐标。根据本公开，处理在rgb颜色空间中定义的彩色图像。在一些实施例中，彩色图像在颜色空间和色度空间之间转换。本领域技术人员将熟悉将色度转换到rgb颜色空间的各种方法，反之亦然。虽然一些实施例描述了两种单色分量，例如绿色和蓝色，但读者将会理解，这些实施例扩展到三种单色分量，即rgb。同样，尽管全色图像形成通常需要rgb颜色空间中的所有三种颜色分量，但这里的陈述仅涉及两种单色分量，因为第三种单色分量对于体现这里公开的概念来说并不重要。

13、每一个颜色分量实际上是彩色图像的单色图像分量。例如，彩色图像可以包括红色图像分量、绿色图像分量和蓝色图像分量，其方式为彩色图像形成领域的技术人员所熟悉。

14、在示例中，接收用于投影的图像包括多个图像像素。因此，图像包括图像的每一个像素的第一颜色值和第二颜色值，其中第一像素值对应于第一颜色分量，第二像素值对应于第二颜色分量。在实施例中，rgb彩色图像的每一个像素实际上包括红色像素值、绿色像素值和蓝色像素值。例如，彩色图像的每一个像素可以根据相应的红色、绿色和蓝色像素值显示在包括红色、绿色和蓝色子像素的传统显示设备的像素上。在一些实施例中，第一颜色分量是多色图像的绿色分量，第二颜色分量是多色图像的蓝色分量。在一些实施例中，在计算绿光的全息图之前，将蓝色(图像)分量的图像内容添加到绿色(图像)分量，以便将蓝色分量的色度向绿色调整—至少相对于所选择的图像内容。

15、根据本公开的方法，第二颜色分量(例如蓝色)的图像内容的至少一部分的色度可以至少部分地向第一颜色分量(例如绿色)移位。因此，例如，图像内容的至少一部分的色度可以从中蓝色“移位”或“调整”到蓝绿色。例如，一个或多个图像像素的绿色值可以增加，并且一个或多个图像像素的蓝色值可以相应地减少。因此，所接收的彩色图像的相应图像内容(例如一个或多个图像像素)的颜色值在rgb颜色空间中被调整或移位。因此，绿色分量的图像信息(例如一个或多个绿色像素值)通过添加内容(增加绿色量—通常增加绿色强度值)而改变，蓝色分量的图像信息(例如一个或多个蓝色像素值)通过移除/减少内容(减少蓝色量—通常减少蓝色强度值)而改变。

16、这里公开了一种投影系统。投影系统布置成接收用于投影的图像。该图像是彩色图像。彩色图像包括第一颜色分量和第二颜色分量。该系统布置成计算第一颜色分量的第一全息图和第二颜色分量的第二全息图。该系统还布置成在计算第一全息图之前将第二颜色分量的内容添加到第一颜色分量。第一全息图包含第一颜色分量的信息和第二颜色分量的至少一部分的信息。该系统还布置成通过用第一颜色光照射第一全息图来形成第一全息重建。该系统布置成通过用第二颜色光照射第二全息图来形成第二全息重建。第一全息重建和第二全息重建基本同时形成。第一全息重建改变第二颜色分量的至少一部分的色度。

17、本公开的方法和系统具有显著的优点，特别是在基于激光的投影系统中。对于包含由蓝色激光器提供的光的蓝色内容，添加少量包含由绿色激光器提供的光的绿色内容只能稍微调整或移位色度(例如向蓝绿色移动)，但实质上降低了实现所需强度/亮度所需的蓝色激光器的功率。对于较短波长的蓝光(例如430nm或451nm)，这种减少更为显著，使得当出于眼睛安全的原因而通常排除较短波长的蓝光激光器时，可以考虑使用它们。

18、本公开的实施例基于这样的原理，对于色度(或颜色)空间中的任意点，存在人眼无法辨别颜色的区域。这些区域有时被称为色度空间中的麦克亚当椭圆(或颜色空间中的等效“鉴别椭球”)。因此，彩色图像的蓝色内容的色度可以在相应的麦克亚当椭圆内调整或移位。可以基于一个或多个预定义的规则从麦克亚当椭圆内选择新的色度值。在一些实施例中，在请求显示特定“颜色”(例如由红色、绿色和蓝色值唯一定义)时，该方法可以包括基于彩色图像的两个目标或规则中的一个或多个来确定“颜色”在相应麦克亚当椭圆中的点：(1)相对于在每一个波长上求和的最大允许暴露(mpe)阈值的最低激光(光学)功率；和/或(2)最小电功率使用。用于选择新色度值的其他规则是可能的并且已预期的，如下面进一步描述。

19、第二颜色分量的图像内容可以从整个第二颜色分量或第二颜色分量的子区域或子区(例如第二颜色分量的一个图像元素(即像素))添加到第一颜色分量。图像内容可以包括第二颜色分量的多个像素或像素子集。图像内容可以是图像特征，诸如形状、物体、图标或例如标记。例如，图像内容可以包括具有相同“颜色”(例如由红色、绿色和蓝色值唯一定义的二级颜色)的像素子集，以在图像区域内形成特征，例如形状、物体或图标。在这些实施例中，该子集中所有像素的单色分量值可以根据这里公开的目标或规则来改变。

20、在实施例中，添加内容是指基于/使用彩色图像的第二颜色分量(例如蓝色)的相应像素值来改变彩色图像的第一颜色分量(例如绿色)的图像像素值(例如强度/辐照度值)的过程。改变图像像素值通常包括增加或减少像素强度值(有时称为灰度值)。在一些实施例中，由第二颜色分量的像素值表示的图像内容的部分(即由像素值表示的颜色量的部分)被添加到第一颜色分量的对应像素值。在一些实施例中，将第二颜色分量的图像内容的部分添加到第一颜色分量使得第二颜色分量的对应像素值能够被减少。另外或可替代地，用于照射第二图像分量的全息图的光强度和/或光源功率可以减小。在其他实施例中，该方法使得第二颜色(例如470nm的蓝色)的波长能够被改变为通常被认为对于图像形成不期望的波长(例如430nm)或者具有更高的最大允许暴露阈值的波长。

21、可以说，第一全息图包括第一颜色分量的信息和第二颜色分量的至少一部分的信息。可以说每一个全息图编码相应的(单色)图像。因此可以说第一全息图编码第一颜色分量和第二颜色分量(的至少一部分)的信息。在使用第一颜色光的同一重建过程中，第一全息图整体形成第一颜色分量和第二颜色分量(的至少一部分)。基本同时(例如在空间分离颜色(ssc)方案或帧顺序颜色(fcs)方案中)，第二颜色分量的至少一部分也使用第二颜色光从第二全息图形成。由第一颜色光形成的第二颜色分量的至少一部分与由第二颜色光形成的第二颜色分量的至少一部分基本重叠。第一颜色光和第二颜色光(例如第一和第二原色波长的光)组合、融合或混合以形成不同的颜色(例如第二颜色)。第一颜色光和第二颜色光的量(通常是强度)的比率可以决定颜色。通过混合形成的不同颜色可以对应于色度光谱上与单独的第二颜色不同的点。这样，可以说混合过程将第二图像分量的至少一部分的色度朝着第一颜色改变、调整或移位。

22、根据以下详细描述和所附从属权利要求，本公开的实施例的其他方面、特征和优点将变得显而易见。

23、还提供了一种投影系统，其布置成接收用于投影的图像。该图像是包括第一颜色分量和第二颜色分量的彩色图像。该系统布置成计算第一颜色分量的第一全息图和第二颜色分量的第二全息图。该系统还布置成通过用第一颜色光照射第一全息图来形成第一全息重建，并且通过用第二颜色光照射第二全息图来形成第二全息重建。第一全息重建和第二全息重建基本同时形成。用来自激光光源的第一颜色光照射第一全息图，用来自led或减少/短波长(例如小于440nm)光源的第二颜色光照射第二全息图，以便减少包括第一全息重建和第二全息重建的复合彩色全息重建中第二颜色的量。可选地，投影系统还布置成在计算第一全息图之前将第二颜色分量的内容添加到第一颜色分量，使得第一全息图包含第一颜色分量的信息和第二颜色分量的至少一部分的信息，使得第一全息重建改变第二颜色分量的至少一部分的色度。第一颜色分量可以是绿色，第二颜色分量可以是蓝色。

24、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“重放场”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，则重放场将以多个衍射级的形式重复，其中每个衍射级是零级重放场的副本。零级重放场通常对应于优选或主重放场，因为它是最亮重放场。除非另有明确说明，术语“重放场”应被认为是指零级重放场。术语“重放平面”用于指代包含所有重放场的空间中的平面。术语“图像”、“重放图像”和“图像区域”指通过全息重建的光照射的重放场的区域。在一些实施例中，“图像”可包括离散点，其可被称为“图像点”，或仅出于方便起见而被称为“图像像素”。

25、术语“编码”、“写入”和“寻址”用于描述向slm的多个像素提供分别确定每一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。

26、已经发现，可接受质量的全息重建可以由仅包含与原始物体的傅立叶变换相关的相位信息的“全息图”形成。这样的全息记录可被称为纯相位全息图。实施例涉及纯相位全息图，但本公开同样适用于纯振幅全息术。

27、本公开也同样适用于使用与原始物体的傅立叶变换相关的振幅以及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一个像素的值(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。分配给每一个像素的值(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。

28、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，简写为“相位延迟”。即，所描述的任何相位值实际上是代表由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纯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。

29、因此，全息图包括灰度级阵列，即光调制值阵列，诸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(诸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重放平面上平移重放场，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重放平面上。

30、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。