全息图计算的方法技术

一种计算具有振幅和相位分量的全息图的方法。该方法包括(i)接收包括代表振幅的多个数据值的输入图像。该方法然后包括(ii)将随机相位值分配给多个数据值中的每个数据值以形成复数数据集。该方法然后包括(iii)对复数数据集进行逆傅立叶变换。该方法然后包括(iv)将变换的复数数据集中的每个复数数据值(X1,X2)约束为多个可允许复数数据值(GL1‑GL8)之一，以形成全息图，每个可允许复数数据值包括振幅调制值和相位调制值。如上所述，多个可允许复数数据值的相位调制值(GL1‑GL8)基本跨越至少3π/2，并且可允许复数数据值中的至少一个具有基本为零的振幅调制值(GL8)和基本为零的相位调制值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】全息图计算的方法
本公开涉及计算全息图的方法和布置为计算全息图的全息引擎。更具体地，本公开涉及一种全复数全息图的计算机生成方法和布置为计算全复数全息图的全息计算引擎。本公开还涉及一种用于计算包括振幅和相位值的2D阵列的全息图的算法以及布置成计算包括全复数全息图数据值的2D阵列的全息图的全息图引擎。一些实施例涉及布置为使用所生成的全息图来形成全息重建的全息投影仪。一些其他实施例涉及包括全息投影仪的平视显示器、头戴式显示器或近眼设备。
技术介绍
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。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“CGH”。这些类型的全息图可被称为菲涅耳或傅立叶变换全息图。傅立叶全息图可被认为是物体的傅立叶域表示或物体的频域表示。例如，还可以通过相干射线追踪或点云技术来计算CGH。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“SLM”上对CGH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。SLM可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元、多级或连续的。可替代地，设备可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制可以在整个设备上是连续的。SLM可以是反射性的，这意味着调制光以反射从SLM输出。SLM可以同样是透射性的，这意味着调制光以透射从SLM输出。可以使用本文描述的技术来提供用于成像的全息投影仪。例如，这种投影仪已经应用于平视显示器“HUD”和头戴式显示器“HMD”，其包括近眼设备。本文公开了用于光的复数调制的改进的显示设备和计算复数全息图的改进方法。
技术实现思路
提供了一种全息投影仪，其包括显示设备和显示驱动器。显示设备包括光调制像素阵列。每个光调制像素是可操作成调制振幅和相位的包含液晶的单元。显示驱动器布置为驱动显示设备以通过以从各自具有振幅调制值和相位调制值的多个复数调制水平中选择的相应复数调制水平独立地驱动每个光调制像素来显示全息图。多个复数调制水平包括基本跨越至少3π/2可选地为2π的相位调制值。复数调制水平中的至少一个具有基本为零的振幅调制值和基本为零的相位调制值。每个像素都是可单独寻址的，并且能够调制接收光的振幅和相位。具体地，每个像素可以选择性地衰减接收光的振幅并且选择性地时间延迟接收光以引入受控的相位延迟。每个像素配置为接收光，例如相干光的平面波的一部分，并输出对回放平面处的图像有贡献的调制光。因此，每个像素都可以控制其输出的调制光的振幅和相位。像素阵列包括以行和列布置的多个像素，它们共同提供相位和振幅分布。显示在像素阵列上的相位和振幅分布是全息图，可以通过照射对其进行重建，以在与像素阵列空间分离的回放平面处形成全息重建或图像。液晶提供每个单元施加的振幅和相位调制。注意，液晶可操作成调制振幅和相位。这里区别在于可操作成仅调制振幅的液晶和可操作成仅调制相位的液晶。液晶像素可操作成通过在单元上施加电压来调制振幅和相位。可以在复数平面上考虑每个单元的调制行为。具体地，单元在特定操作条件下(包括在特定电压下)提供的调制可以由复数平面上的数据点表示，其中距原点的直线距离代表振幅调制值，从正x轴逆时针旋转的角度表示相位延迟调制值。复数平面上的每个点可被认为是复数调制水平。根据本公开的每个液晶不能在任何复数调制水平下操作。即，并非复数平面上的所有点都可访问。每个单元只能在复数平面上的多个点处操作。因此，每个单元可在多个复数调制水平下操作，其中多个复数调制水平是复数平面上的值的子集。注意，根据本公开的液晶像素配置为提供多个复数调制水平，其在复数平面中基本跨越至少3π/2。多个可能的复数调制水平包括从最小相位值到最大相位值的相位值范围。本文使用术语“跨越”来指代多个复数调制水平中的可访问相位值范围。可访问相位值范围是多个复数调制水平中最大相位值和最小相位值之间的差。在复数平面中基本跨越至少3π/2的多个复数调制水平大部分分布在复数平面中的弧上，其中该弧的角度为至少3π/2。也就是说，如果从弧的每个端点到原点绘制一条直线，则两条直线之间的角度为至少3π/2。在一些实施例中，相位调制水平基本跨越至少2π。在这些实施例中，弧基本是围绕原点的完整圆形或椭圆形或环形。还要注意，除了该相位值范围之外，可访问复数调制水平中的至少一个具有基本为零的振幅调制值和基本为零的相位调制值。即，可用复数调制水平中的至少一个可以表示在复数平面的原点或非常接近原点处。专利技术人已经发现，如果(i)可用调制水平范围在相位上跨越至少3π/2(优选是完整的2π)，并且(ii)其中一个调制水平提供基本零振幅和零相位调制(即复数平面的原点)，则可以形成高质量全息图重建。特别地，专利技术人已经发现在复数平面的中心处提供零强度点是非常有利的。发现零点是有益的，因为可以将全息图的距特征曲线的圆周相对较远的复数数据值设置为零振幅-零相位，以防止这些点增加噪声。可以通过阈值半径(复数数据的绝对值)来控制设置为零振幅的点的数量。例如，这不能在仅相位调制方案中实现，该方案只能采用噪声边界来有效地抛弃光(例如参见已授权的英国专利2501112)。液晶可以是液晶分子的低共熔混合物。液晶可以是扭曲向列液晶。扭曲向列液晶可以具有30至60度的扭曲。发现使用具有30至60度的扭曲的扭曲向列液晶可以实现所需的多个复数调制水平。在一些实施例中，扭曲角是40至50度，例如45+/-2度。在一些实施例中，液晶是选自包括以下的组中的至少一种：异硫氰酸根合联苯分子；烷基磺酰基或烷基硒基联苯分子；以及异硫氰酸根合的三苯基。在一些实施例中，单元的单元间隙和液晶的双折射的乘积(所谓的路径差)大于2μm。专利技术人已经认识到，如果路径差至少为2μm，则可以从全复数全息图形成改进的全息重建。如果路径差小于2μm，则光调制器将无法充分显示全复数全息图。在这种情况下，可能仍会形成全息重建，但质量很差。在一些实施例中，路径差小于3μm。专利技术人发现该上限对速度提供了良好的折衷，因为大的路径差异导致设备变慢。在一些实施例中，单元间隙和双折射的乘积为2.5+/-0.2μm，例如2.35+/-0.15μm。单元的厚度(称为单元间隙)是重要的参数。如果确定液晶可以有多快地在调制水平之间切换。如果单元太厚，切换时间可能会变得无法接受的大。专利技术人发现，为了提供所描述的多个复数调制水平，同时保持可接受的切换速度，例如对于实时全息术所需的视频速率，液晶的双折射应至少为0.25。对于某些应用，双折射为至少0.30是有利的。如果液晶粘不同时增加度，则增加双折射可减小单元间隙并提高速度。光源可以是投影仪的组成部分，也可以是单独或可移除的部件，比如模块化部件。在一些实施例中，全息投影仪包括光源，其布置成用偏振光照射光调制像素阵列，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有振幅和相位分量的全息图的计算方法，该方法包括以下有序步骤：/n(i)接收包括代表振幅的多个数据值的输入图像；/n(ii)将随机相位值分配给所述多个数据值中的每个数据值以形成复数数据集；/n(iii)对所述复数数据集进行逆傅立叶变换；/n(iv)将所述复数数据集中的每个复数数据值约束为多个可允许复数数据值之一，以形成全息图，每个可允许复数数据值包括振幅调制值和相位调制值，/n其中，所述多个可允许复数数据值的相位调制值基本跨越至少3π/2，可选地为2π，并且其中，所述可允许复数数据值中的至少一个具有基本为零的振幅调制值和基本为零的相位调制值。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180823 GB 1813767.9;20180823 GB 1813773.71.一种具有振幅和相位分量的全息图的计算方法，该方法包括以下有序步骤：
(i)接收包括代表振幅的多个数据值的输入图像；
(ii)将随机相位值分配给所述多个数据值中的每个数据值以形成复数数据集；
(iii)对所述复数数据集进行逆傅立叶变换；
(iv)将所述复数数据集中的每个复数数据值约束为多个可允许复数数据值之一，以形成全息图，每个可允许复数数据值包括振幅调制值和相位调制值，
其中，所述多个可允许复数数据值的相位调制值基本跨越至少3π/2，可选地为2π，并且其中，所述可允许复数数据值中的至少一个具有基本为零的振幅调制值和基本为零的相位调制值。


2.如权利要求1所述的全息图的计算方法，还包括：
(v)对所述复数数据集执行正向傅立叶变换；以及
(vii)测量所述复数数据集的振幅分量和所述输入图像之间的差。


3.如权利要求2所述的全息图的计算方法，其中，如果所测量的差大于误差，则所述方法还包括：
(vii)将所述复数数据集的相位分量与代表所述输入图像的振幅的多个数据值或代表从所述输入图像导出的振幅的多个数据值组合；
(viii)逆傅立叶变换所述复数数据集；以及
(ix)将每个复数数据约束为所述可允许复数数据值之一以形成全息图。


4.如权利要求3所述的全息图的计算方法，还包括重复有序步骤(v)至(ix)，直到所测量的差小于误差。


5.如前述权利要求中任一项所述的全息图的计算方法，还包括：
在复数平面中限定线，其中该线是朝向原点的螺旋线，包括第一部分和第二部分，所述第一部分是围绕原点的基本闭合的环，所述第二部分从所述环的圆周朝向所述复数平面的原点向内延伸；以及
基本在所述线上限定所述多个可允许复数数据值。


6.如权利要求5所述的全息图的计算方法，其中，所述第一部分是基本圆形或椭圆形的。


7.如权利要求5或6所述的全息图的计算方法，其中，所述第二部分延伸至原点。

【专利技术属性】
技术研发人员：N科林斯，J克里斯马斯，
申请(专利权)人：杜尔利塔斯有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB