使用參數(shù)繼承的迭代相位恢復(fù)的制作方法
【專利摘要】一種恢復(fù)表示2D圖像幀序列的第n幀的傅立葉域中的相位信息的迭代方法。該方法包括使用與第n-1幀的傅立葉域中的相位信息的恢復(fù)相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)作為所述迭代方法的起始點(diǎn)。
【專利說明】使用參數(shù)繼承的迭代相位恢復(fù)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及圖像投影領(lǐng)域。本文公開的各實(shí)施例一般涉及一種恢復(fù)相位信息的迭代方法和用于形成2D視頻圖像的投影儀。更具體地，本文公開的各實(shí)施例一般涉及用于從2D強(qiáng)度分布序列(如2D視頻圖像序列)中的每一 2D強(qiáng)度分布中實(shí)時(shí)地恢復(fù)相位信息的經(jīng)修改的 Gerchberg-Saxton 算法。
【背景技術(shù)】
[0002]從物體散射的光包含了振幅和相位信息。這一振幅和相位信息可例如通過公知干涉技術(shù)在光敏平板上捕捉，以形成包括干涉條紋的全息記錄(即，“全息圖”)?！叭D”可通過用合適的光照亮它來被重構(gòu)，以形成表示原始物體的全息重構(gòu)(即，圖像)。
[0003]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具備可接受質(zhì)量的全息重構(gòu)可以從僅包含與原始物體有關(guān)的相位信息的“全息圖”中形成。這樣的全息記錄可被稱為純相位全息圖或相息圖(kinoform)。
[0004]術(shù)語“全息圖”因此涉及如下記錄:該記錄包含與該物體有關(guān)的信息并且可被用來形成表示該物體的重構(gòu)。全息圖可包含頻率(即，傅立葉)域中與該物體有關(guān)的信息。
[0005]計(jì)算機(jī)生成的全息術(shù)是一種用數(shù)字來模擬干涉過程的技術(shù)，它可以使用傅立葉技術(shù)例如來產(chǎn)生計(jì)算機(jī)生成的純相位全息圖。該計(jì)算機(jī)生成的純相位全息圖可被用來產(chǎn)生表示物體的全息重構(gòu)。
[0006]已經(jīng)提出了將全息技術(shù)用于二維圖像投影系統(tǒng)中。該系統(tǒng)可以接受2D圖像幀的時(shí)間序列作為輸入。該輸入可被轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)全息圖(例如，純相位全息圖)的實(shí)時(shí)序列，其中每一全息圖對(duì)應(yīng)于一個(gè)圖像巾貞。全息圖可被實(shí)時(shí)地重構(gòu)在屏幕上以產(chǎn)生表不該輸入的2D投影。因此，可提供一種使用計(jì)算機(jī)生成的全息圖的序列來對(duì)圖像幀的序列進(jìn)行投影的實(shí)時(shí)2D視頻投影儀。
[0007]經(jīng)由純相位全息圖對(duì)視頻圖像進(jìn)行投影的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)由計(jì)算方法來控制許多圖像屬性——例如，所投影圖像的高寬比、分辨率、對(duì)比度以及動(dòng)態(tài)范圍——的能力。純相位全息圖的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)是沒有光學(xué)能量會(huì)經(jīng)由振幅調(diào)制而失去。
[0008]計(jì)算機(jī)生成的純相位全息圖可以被“像素化”。即，純相位全息圖可被表示在分立相位元素的陣列上。每一分立元素可被稱為“像素”。每一像素可擔(dān)當(dāng)諸如調(diào)相元件等調(diào)光元件。計(jì)算機(jī)生成的純相位全息圖因此可被表示在調(diào)相元件的陣列上，如硅上液晶(LCOS)空間光調(diào)制器(SLM)。LCOS可以是反射性的，意味著經(jīng)調(diào)制的光從LCOS中以反射輸出。
[0009]每一調(diào)相元件(即，像素)可變化狀態(tài)以向入射在該調(diào)相元件上的光提供可控制的相位延遲。調(diào)相元件的陣列(如，LCOS SLM)因此可表示(即“顯示”)通過計(jì)算確定的相位延遲分布。如果入射在調(diào)相元件陣列上的光是相干的，則該光將用全息信息(即，全息圖)來調(diào)制。全息信息可以在頻率(即傅立葉)域中。
[0010]或者，相位延遲分布可被記錄在相息圖上。詞語“相息圖”可被一般地用來指純相位全息記錄(即，全息圖)。
[0011 ] 相位延遲分布可被應(yīng)用于入射光波(通過例如照射LCOS SLM)并被重構(gòu)。重構(gòu)在空間中的位置可通過使用光學(xué)傅立葉變換透鏡來控制，以形成空間域中的全息重構(gòu)(即，“圖像”)。
[0012]計(jì)算機(jī)生成的全息圖可以用多種方式來計(jì)算得到，包括使用諸如Gerchberg-Saxton等算法。Gerchberg-Saxton算法可被用來從空間域(如2D圖像)中的振幅信息導(dǎo)出傅立葉域中的相位信息。即，與該物體相關(guān)的相位信息可從空間域中的純強(qiáng)度(即，振幅)信息中“恢復(fù)”。因此，物體在傅立葉域中的純相位全息表示可被計(jì)算得到。
[0013]全息重構(gòu)可通過照亮傅立葉域全息圖并使用傅立葉變換透鏡執(zhí)行光學(xué)傅立葉變換來形成，例如以在回應(yīng)區(qū)處(如屏幕上)形成圖像(全息重構(gòu))。
[0014]圖1示出了根據(jù)本公開的使用反射SLM(如LC0S)來在重放區(qū)位置處產(chǎn)生全息重構(gòu)的示例。
[0015]光源(110)，例如激光或激光二極管，被部署以經(jīng)由準(zhǔn)直透鏡(111)照射SLM(HO)。準(zhǔn)直透鏡使得光的一般平面的波前變成入射在SLM上。波前的方向稍微偏離法線(即，與真正垂直于透明層的平面偏離2或3度)。這一安排使得來自光源的光反射離開SLM的鏡背面，并且與調(diào)相層交互以形成出射波前(112)。出射波前(112)被應(yīng)用于焦點(diǎn)處于屏幕(125)處的包括傅立葉變換透鏡(120)的光學(xué)器件。
[0016]傅立葉變換透鏡從SLM接收(經(jīng)調(diào)相的)光并執(zhí)行頻率-空間變換以在屏幕(125)處在空間域中產(chǎn)生全息重構(gòu)。
[0017]在這一過程中，來自光源的光一般均勻地分布在SLM(HO)上以及調(diào)相層(調(diào)相元件陣列)上。從調(diào)相層出射的光可被分布在屏幕上。屏幕的特定圖像區(qū)域與任一個(gè)調(diào)相元件之間沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0018]當(dāng)分別在平面A和B中光束的強(qiáng)度截面Ia(x，y)和IB(x，y)是已知的并且Ia(x，y)和IB(x，y)通過單個(gè)傅立葉變換相關(guān)時(shí)，Gerchberg Saxton算法考慮相位恢復(fù)問題。對(duì)于給定強(qiáng)度截面，找出分別在平面A和B中的相位分布的近似ΦΑ(χ，gamma)和ΦΒ(χ，gamma)。Gerchberg-Saxton算法通過遵循一迭代過程來找出這一問題的良好解。
[0019]Gerchberg-Saxton算法迭代地應(yīng)用空間和頻譜約束，同時(shí)重復(fù)地在空間域和傅立葉(頻譜)域之間轉(zhuǎn)換(表示Ia (X，y)和Ib (X，y)的)數(shù)據(jù)集(振幅和相位)?？臻g和頻譜約束分別是IaU，y)和IbU，y)?？臻g或頻譜域中任一個(gè)中的約束被施加到該數(shù)據(jù)集的振幅上。通過一系列迭代來恢復(fù)對(duì)應(yīng)的相位信息。
[0020]提供一種可按提供比現(xiàn)有技術(shù)更快的收斂的方式來實(shí)現(xiàn)相位恢復(fù)的方法是合乎需要的。
[0021]發(fā)明概沭
[0022]本發(fā)明的各方面在所附獨(dú)立權(quán)利要求中限定。
[0023]總而言之，本公開涉及使用與2D圖像幀序列中的一個(gè)幀的全息圖表示的計(jì)算相關(guān)聯(lián)的參數(shù)作為后續(xù)幀的全息圖表示的計(jì)算的起始點(diǎn)。這樣的技術(shù)一般可稱為“幀繼承”。
[0024]恢復(fù)可接受的相位值所需要的迭代的次數(shù)被顯著地降低，因?yàn)榕c先前幀的相位恢復(fù)相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)被繼承。根據(jù)本公開的相位恢復(fù)方法因此更快地——換言之，在本相位恢復(fù)方法的較少迭代中——收斂到可接受的相位延遲分布(全息圖)上。
[0025]例如，如果均方誤差值或峰值信噪比小于預(yù)定閾值，則相位延遲分布可被認(rèn)為是可接受的。[0026]在此公開的各實(shí)施例涉及包括與視頻序列的每一幀相關(guān)的相位分布(全息圖)的實(shí)時(shí)恢復(fù)的2D視頻圖像的投影。因此，只有有限量的時(shí)間可用來計(jì)算全息圖并且因此只可執(zhí)行該方法的有限次迭代。這一時(shí)間量可以例如與幀間時(shí)間相關(guān)。因?yàn)楦鶕?jù)本公開的經(jīng)改進(jìn)的方法更快地收斂在可接受的解上，所以在該可用時(shí)間中計(jì)算得到的全息圖的總體質(zhì)量得到改進(jìn)。
[0027]繼承與先前幀相關(guān)的參數(shù)的另一驚人效果是后續(xù)幀比先前幀的質(zhì)量甚至更高，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)需要甚至更少迭代就能達(dá)到可接受的質(zhì)量全息圖。即，該方法對(duì)每一通過的幀變得更好。這可以是因?yàn)楹罄m(xù)幀從先前幀中的每一個(gè)的改進(jìn)中累積地獲益。
[0028]附圖簡(jiǎn)沭
[0029]現(xiàn)在將參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，附圖中:
[0030]圖1是示出反射SLM(如LC0S)在重放區(qū)位置處產(chǎn)生全息重構(gòu)的示意圖；
[0031]圖2是示出經(jīng)修改的Gerchberg-Saxton算法的功能的流程圖；
[0032]圖3示出一示例AVI文件的一個(gè)幀與下一幀之間的均方誤差之差；
[0033]圖4示出根據(jù)一實(shí)施例來處理的幀序列的均方誤差；
[0034]圖5示出利用繼承的幅度和相位時(shí)快速變化對(duì)幀的均方誤差的影響；
[0035]圖6示出根據(jù)各實(shí)施例的迭代的質(zhì)量驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)分配；
[0036]圖7示出根據(jù)各實(shí)施例的圖像投影系統(tǒng)；以及
[0037]圖8是LCOS SLM的示意圖。
[0038]在這些附圖中，相同的標(biāo)號(hào)指示相同的部分。
[0039]附圖的詳細(xì)描述
[0040]全息地生成的2D視頻圖像已知擁有超過它們常規(guī)地投影的對(duì)應(yīng)物的大量?jī)?yōu)點(diǎn)，尤其是在分辨率和效率方面。然而，當(dāng)前全息圖生成算法的計(jì)算和硬件復(fù)雜性在以前排除了它們?cè)趯?shí)時(shí)應(yīng)用中的使用。最近，這些問題已被解決——參見例如已公布的PCT申請(qǐng)W02005/059881,它通過援弓I納入于此。
[0041]基于Gerchberg-Saxton的經(jīng)修改的算法已被開發(fā)-參見例如共同待審的已公
布PCT申請(qǐng)W02007/131650，它通過援引納入于此。
[0042]這些改進(jìn)技術(shù)能夠以實(shí)現(xiàn)2D視頻投影的足夠速度來計(jì)算全息圖。在此描述的各實(shí)施例涉及使用用這樣的經(jīng)修改的Gerchberg-Saxton算法計(jì)算得到的計(jì)算機(jī)生成的全息圖的2D視頻投影。
[0043]圖2示出了經(jīng)修改的算法，該算法恢復(fù)數(shù)據(jù)集的傅立葉變換的相位信息ψ[X，y]，這產(chǎn)生了已知振幅信息T[x，y]362。振幅信息T[x，y]362表示目標(biāo)圖像(例如，照片)。相位信息V[x，y]被用來產(chǎn)生目標(biāo)圖像在圖像平面處的全息表示。
[0044]因?yàn)榉群拖辔辉诟盗⑷~變換中被固有地組合在一起，所以經(jīng)變換的幅度(以及相位)包含與計(jì)算得到的數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確性有關(guān)的有用信息。因而，該算法可以提供與振幅和相位信息兩者有關(guān)的反饋。
[0045]圖2中示出的算法可被認(rèn)為具有復(fù)雜的波輸入(具有振幅信息301和相位信息303)和復(fù)雜的波輸出(同樣具有振幅信息311和相位信息313)。出于本描述的目的，振幅和相位信息被認(rèn)為是分開的，但它們固有地組合在一起以形成數(shù)據(jù)集。應(yīng)當(dāng)記住，振幅和相位信息兩者本身都是空間坐標(biāo)X和y的函數(shù)并且可被認(rèn)為是振幅和相位分布。[0046]參考圖2，處理框350根據(jù)具有幅度信息301和相位信息303的第一數(shù)據(jù)集產(chǎn)生傅立葉變換。結(jié)果是第二數(shù)據(jù)集，具有幅度信息和相位信息vn[x，y]305。來自處理框350的振幅信息被設(shè)為表不光源的分布,但相位信息vn[x, y]305被保留。相位信息305由處理框354量化并輸出作為相位信息Ψ [X，y]309。相位信息309被傳遞給處理框356并通過處理框352與新幅度組合在一起。第三數(shù)據(jù)集307、309被應(yīng)用于處理框356，處理框356執(zhí)行逆傅立葉變換。這產(chǎn)生空間域中的具有振幅信息|Rn[x，y] |311和相位信息Z Rn[x, y]313的第四數(shù)據(jù)集Rn[x，y]。
[0047]從第四數(shù)據(jù)集開始，它的相位信息313形成第五數(shù)據(jù)集的相位信息，用作下一迭代303’的第一數(shù)據(jù)集。通過從來自目標(biāo)圖像的振幅信息T[x，y]362減去來修改它的振幅信息Rn[x，y]311，以產(chǎn)生振幅信息315集合。經(jīng)伸縮的振幅信息315(按α伸縮)被從目標(biāo)振幅信息T[x，y]362減去以產(chǎn)生第五數(shù)據(jù)集的輸入振幅信息η [x, y]301，來用作下一迭代的第一數(shù)據(jù)集。這在數(shù)學(xué)上表達(dá)在以下方程中:
[0048]Rn+1[x, y] = {exp(i ￥n[u, v])}
[0049]￥n[u, v] = Z F{ n.exp (i Z Rn[x, y])}
[0050]n = T[x, y]-a (|Rn[x, y] |_T[x, y])
[0051]其中:
[0052]F’是逆傅立葉變換。
[0053]F是正傅立葉 變換。
[0054]R是重放區(qū)。
[0055]T是目標(biāo)圖像。
[0056]Z是角度信息。
[0057]Ψ是角度信息的經(jīng)量化的版本。
[0058]ε是新目標(biāo)幅度，ε≥O。
[0059]a是增益元素~I。
[0060]增益元素a可基于傳入目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)的大小和速率來預(yù)先確定。
[0061]在缺少來自在前迭代的相位信息的情況下，該算法的第一次迭代使用隨機(jī)相位生成器來提供相位信息作為起始點(diǎn)。
[0062]在一替換修改中，從處理框350所得的振幅信息不被丟棄。目標(biāo)振幅信息362被從振幅信息減去以產(chǎn)生新振幅信息。多個(gè)振幅信息被從振幅信息362減去以產(chǎn)生處理框356的輸入振幅信息。
[0063]作為又一替換方案，相位不被完全回饋，而是只有與它在最后兩次迭代上的變化成比例的一部分被回饋。
[0064]對(duì)Gerchberg-Saxton算法的這些修改涉及在特定幀的相位恢復(fù)計(jì)算內(nèi)回饋參數(shù)。這與繼承與在前幀的相位恢復(fù)計(jì)算相關(guān)的參數(shù)不同。
[0065]總而言之，提供了一種相位恢復(fù)的改進(jìn)方法。本方法可以結(jié)合現(xiàn)有相位恢復(fù)算法(如 Gerchberg-Saxton 或 Gerchberg-Saxton 的經(jīng)修改版本)來使用。
[0066]提供了一種恢復(fù)表示2D圖像幀序列的第n幀的傅立葉域中的相位信息的方法，該方法包括使用與第n-Ι幀的傅立葉域中的相位信息的恢復(fù)相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)作為該迭代方法的起始點(diǎn)。[0067]該至少一個(gè)參數(shù)可以是傅立葉域中的相位信息和/或傅立葉域中的振幅信息。在各實(shí)施例中，該至少一個(gè)參數(shù)可以是諸如用來控制增益或衰減的那些參數(shù)等控制參數(shù)。
[0068]還提供了一種用于形成2D視頻圖像的投影儀，所述投影儀包括:包括調(diào)相元件的2D陣列的空間調(diào)光器；處理裝置，它被安排成恢復(fù)表示空間域中的2D圖像幀序列中的第η幀的傅立葉域中的相位信息，包括使用與η-l幀的傅立葉域中的相位信息的恢復(fù)相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)作為起始點(diǎn)；以及驅(qū)動(dòng)裝置，它被安排成驅(qū)動(dòng)空間調(diào)光器的調(diào)相元件陣列來顯示表示2D圖像幀序列的第η幀的傅立葉變換的數(shù)據(jù)。
[0069]各實(shí)施例涉及可被用作通用顯示媒介并且因此能夠示出運(yùn)動(dòng)圖片的全息投影。這需要該系統(tǒng)能夠計(jì)算并顯示每秒最少25幀。一種方法將是簡(jiǎn)單地執(zhí)行相位計(jì)算算法每秒25次，然而在大多數(shù)運(yùn)動(dòng)圖片中，一幀到下一幀之差相對(duì)很小并且這可以提供一種降低計(jì)算時(shí)間或改進(jìn)圖像質(zhì)量的機(jī)制。
[0070]圖3示出包含地球旋轉(zhuǎn)的圖像的一示例AVI文件的一個(gè)幀與下一幀之間的均方誤差之差。波形中的尖鋒是關(guān)鍵幀。
[0071]上述基于Gerchberg-Saxton的算法需要多次迭代才能夠從純相位調(diào)制方案中解出目標(biāo)圖像。這是由于初始條件造成的，其中隨機(jī)相位種子沒有到目標(biāo)圖像的統(tǒng)計(jì)鏈接。在每一次迭代后，全息圖(傅立葉)域與遠(yuǎn)區(qū)(空間域)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系得到改進(jìn)。如果在解出第一幀后，相位和所得的圖像被保留，則下一幀可被當(dāng)作有待校正的誤差向量。這一思想形成了幀繼承的基礎(chǔ)。在各實(shí)施例中，傅立葉域中的計(jì)算得到的振幅信息和/或傅立葉域中的相位信息分別形成了下一幀的第一數(shù)據(jù)集的幅度信息301和/或相位信息303。在其他實(shí)施例中，該算法的不同參數(shù)被至少用作與下一幀相關(guān)的計(jì)算的起始點(diǎn)。
[0072]根據(jù)本發(fā)明的該改進(jìn)方法是對(duì)照地球旋轉(zhuǎn)的AVI文件的前10個(gè)幀來實(shí)現(xiàn)和測(cè)試的。在該迭代過程期間每一幀的均方誤差被監(jiān)視并且在圖4中示出。繼承所得的幅度和相位的優(yōu)點(diǎn)非常清楚；每一幀的均方誤差持續(xù)改進(jìn)，達(dá)到了 14.85的均方誤差。這可能最佳地表達(dá)為36.4dB的峰值信噪比(PSNR)，相比獨(dú)立算法實(shí)現(xiàn)有了 5.5dB改進(jìn)。
[0073]—個(gè)有趣的結(jié)果是在該算法處理了 5個(gè)幀后，在3或4次迭代之外圖像質(zhì)量只有非常少的改進(jìn)。這暗示了不僅改進(jìn)圖像的質(zhì)量是可能的，而且可以用較少的迭代來達(dá)到這一點(diǎn)。這可能部分地由于所選AVI文件中各幀的非常類似的性質(zhì)。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，對(duì)照包含大量快速變化的場(chǎng)景的第二 AVI文件來測(cè)試該算法。
[0074]圖5中示出的結(jié)果指示在顯著的場(chǎng)景變化后，該算法能夠改進(jìn)各連續(xù)幀中的圖像質(zhì)量，假定該場(chǎng)景沒有過快地變化(如區(qū)域A所示)。如果場(chǎng)景持續(xù)變化，則該算法盡力維持圖像質(zhì)量(如區(qū)域B所示)。
[0075]該算法的響應(yīng)指示在決定需要多少次迭代時(shí)最好使用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，例如在具有少量變化的場(chǎng)景中可應(yīng)用低數(shù)量的迭代，而快速變化的場(chǎng)景可利用更多迭代。一種實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)的方式將是以按均方誤差來指定的質(zhì)量水平為目標(biāo)。
[0076]本系統(tǒng)是使用第二 AVI視頻文件針對(duì)25的均方誤差目標(biāo)(PSNR = 34.1dB)來實(shí)現(xiàn)和測(cè)試的。圖6中的結(jié)果示出了該算法需要來滿足特定目標(biāo)的迭代次數(shù)與幀間變化的幅度之間存在清楚的相關(guān)性。使用本方法，計(jì)算這一影片中300個(gè)幀所需的迭代次數(shù)從2400降到1368，降低了 43%，即平均每幀4.56次迭代。
[0077]所重構(gòu)的全息圖的質(zhì)量可受所謂的零階問題的影響，這是該重構(gòu)的衍射性質(zhì)的結(jié)果。這樣的零階光可被認(rèn)為是“噪聲”并且包括例如鏡面反射光以及來自SLM的其他不想要的光。
[0078]這一“噪聲” 一般聚焦在傅立葉透鏡的焦點(diǎn)處，從而在所重構(gòu)的全息圖的中心處造成亮點(diǎn)。常規(guī)上，零階光被簡(jiǎn)單地遮蔽，然而這顯然意味著用暗點(diǎn)來替換該亮點(diǎn)。
[0079]然而，由于全息圖包含三維信息，所以將該重構(gòu)移位到空間中的不同平面是可能的——參見例如已公布的PCT申請(qǐng)W02007/131649，它通過援引納入于此。
[0080]盡管在此描述的各實(shí)施例涉及每幀顯示一個(gè)全息圖，但本公開決不限于在一方面，并且在任何一次可在SLM上顯示一個(gè)以上全息圖。
[0081]例如，各實(shí)施例實(shí)現(xiàn)“分塊(tiling) ”技術(shù)，其中SLM的表面區(qū)域被分成多個(gè)塊，這些塊中的每一個(gè)被設(shè)置成與原始?jí)K的相位分布相似或相同的相位分布。每一個(gè)塊因此具有比在SLM的整個(gè)所分配的區(qū)域被用作一個(gè)大型相位模式的情況下更小的表面區(qū)域。該塊中頻率分量的數(shù)量越小，在產(chǎn)生圖像時(shí)所重構(gòu)的像素分開得越遠(yuǎn)。該圖像在第零衍射階內(nèi)創(chuàng)建，并且第一和后續(xù)階移位得足夠遠(yuǎn)以便不與該圖像重疊并且可通過空間過濾器來阻塞是優(yōu)選的。
[0082]如上所示，通過本方法所產(chǎn)生的圖像(無論是否使用分塊)包括形成圖像像素的各點(diǎn)。所使用的塊的數(shù)量越高，這些點(diǎn)變得越小。如果采用無限正弦波的傅立葉變換的示例，則產(chǎn)生單個(gè)頻率。這是最優(yōu)輸出。在實(shí)踐中，如果只使用一個(gè)塊，則這對(duì)應(yīng)于單個(gè)正弦波相位的輸入，其中零值在自該正弦波的端節(jié)點(diǎn)的正和負(fù)方向上延伸到無窮大。替代從其傅立葉變換產(chǎn)生單個(gè)頻率，主頻率分量是用它任一側(cè)的一系列相鄰頻率分量來產(chǎn)生的。使用分塊降低了這些相鄰頻率分量的幅度并且作為這一點(diǎn)的直接結(jié)果，相鄰圖像像素之間發(fā)生較少干擾(建設(shè)性的或破壞性的)，從而改進(jìn)了圖像質(zhì)量。
[0083]優(yōu)選地，每一個(gè)塊是整個(gè)塊，但使用塊的小部分是可能的。
[0084]雖然各實(shí)施例涉及Gerchberg-Saxton算法的變型,但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解,其他相位恢復(fù)算法可以實(shí)現(xiàn)在此描述的改進(jìn)方法。
[0085]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在此公開的改進(jìn)方法同樣適用于計(jì)算被用來形成物體的三維重構(gòu)的全息圖。這些連續(xù)的圖像幀可以是1D、2D和/或3D圖像幀，或其任何序列。
[0086]同樣，本公開不限于單色圖像的投影。
[0087]彩色2D全息重構(gòu)可被產(chǎn)生并且有兩種主要方法來達(dá)到這一點(diǎn)。這些方法之一被稱為“幀順序制色”(FSC)。在FSC系統(tǒng)中，使用三個(gè)激光(紅、綠、以及藍(lán))，并且每一激光在SLM處接連發(fā)光以產(chǎn)生視頻的每一幀。這些色以足夠快的速率循環(huán)(紅、綠、藍(lán)、紅、綠、藍(lán)，等等)，使得人類觀看者從這三個(gè)激光的組合中看到多色圖像。每一全息圖因此是色彩各異的。例如，在每秒25幀的視頻中，第一幀將會(huì)通過在1/75秒內(nèi)發(fā)射紅色激光、隨后在1/75秒內(nèi)發(fā)射綠色激光、并最后在1/75秒內(nèi)發(fā)射藍(lán)色激光來被產(chǎn)生。下一巾貞隨后會(huì)被產(chǎn)生，以紅色激光開始，以此類推。
[0088]一種替換方法(將被稱為“空間上分開的制色”(SSC))涉及同時(shí)發(fā)射全部三個(gè)激光，但采取不同的光路，例如每一個(gè)激光使用不同的SLM并隨后組合以形成彩色圖像。
[0089]幀順序制色(FSC)方法的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)SLM被用于每一顏色。這意味著所產(chǎn)生的三個(gè)彩色的圖像的質(zhì)量將不會(huì)受損，因?yàn)镾LM上的所有像素被用于這些彩色圖像中的每一個(gè)。然而，F(xiàn)SC方法的缺點(diǎn)是所產(chǎn)生的總體圖像將不像SSC方法所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)圖像那樣明亮，因子大約是3，因?yàn)槊恳患す庵槐皇褂昧藭r(shí)間的三分之一。這一缺點(diǎn)可潛在地通過對(duì)這些激光進(jìn)行過驅(qū)動(dòng)或通過使用更強(qiáng)大的激光來解決，但這會(huì)需要使用更多功率、會(huì)涉及更高成本并且會(huì)使得系統(tǒng)較不緊湊。
[0090]SSC(空間上分開的制色)方法的優(yōu)點(diǎn)是圖像因所有三個(gè)激光同時(shí)發(fā)射而更亮。然而，如果由于空間限制它需要只使用一個(gè)SLM，則SLM的表面區(qū)域可被分成三個(gè)相等的部分，實(shí)際上擔(dān)當(dāng)了三個(gè)分開的SLM。這一點(diǎn)的缺陷是由于可用于每一單色圖像的SLM表面區(qū)域的減少，每一單顏色圖像的質(zhì)量降低。多色圖像的質(zhì)量因此降低?？捎肧LM表面區(qū)域的減少意味著SLM上的更少像素可被使用，從而降低了圖像的質(zhì)量。圖像質(zhì)量被降低，因?yàn)樗姆直媛式档汀?br> [0091]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，用戶可看到全息重構(gòu)的實(shí)像或虛像。具體而言，根據(jù)本公開的各實(shí)施例可以在平視顯示器中實(shí)現(xiàn)。
[0092]圖7示出了具有用于提供全息重構(gòu)(710)的實(shí)像的基于SLM的系統(tǒng)(705)的平視顯示器(700)。該全息重構(gòu)被形成在所謂的重放區(qū)。
[0093]該顯示器包括光學(xué)組合器(720)和部署在全息重構(gòu)(710)和組合器(720)之間的透鏡(730)。這一安排使得看向組合器(720)的觀看者(740)將在距觀看者距離d處且在組合器(720)之后看到全息重構(gòu)(710)的虛像(750)。這樣的系統(tǒng)可被用于例如平視顯示器或頭戴式顯示器。
[0094]在各實(shí)施例中，空間調(diào)光器是硅上液晶(LCOS)設(shè)備。LCOS設(shè)備是傳統(tǒng)透射液晶顯示設(shè)備的混合，其中前基板是涂有銦錫氧化物以擔(dān)當(dāng)常見導(dǎo)電體的玻璃。較低基板是使用硅半導(dǎo)體工藝來創(chuàng)建的，其中附加的最終鋁蒸發(fā)工藝被用來創(chuàng)建鏡面，這些鏡隨后擔(dān)當(dāng)像素計(jì)數(shù)電極。
[0095]與常規(guī)玻璃基板相比，這些設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn):信號(hào)線、柵極線、以及晶體管處于鏡面之下，這造成高得多的填充因子(通常大于90%)和更高的分辨率。
[0096]LCOS設(shè)備現(xiàn)在可具有4.5 μ m和12 μ m之間的像素，這一大小由操作模式來確定并且因此由在每一像素處需要的電路的量來確定。
[0097]LCOS設(shè)備的結(jié)構(gòu)在圖8中示出。
[0098]LCOS設(shè)備是使用單個(gè)晶體硅基板(802)來形成的。它具有由間隙(801a)隔開的、安排在基板的上表面上的方形平面鋁電極(801)的2D陣列。電極(801)中的每一個(gè)可經(jīng)由埋在基板(802)中的電路(802a)來尋址。電極中的每一個(gè)形成相應(yīng)的平面鏡。對(duì)準(zhǔn)層(803)部署在電極陣列上，并且液晶層(804)部署在對(duì)準(zhǔn)層(803)上。第二對(duì)準(zhǔn)層(805)部署在液晶層(804)上，并且例如玻璃的平面透明層(806)部署在第二對(duì)準(zhǔn)層(805)上。例如ITO的單個(gè)透明電極(807)部署在透明層(806)與第二對(duì)準(zhǔn)層(805)之間。
[0099]方形電極(801)中的每一個(gè)與透明電極(807)的覆蓋區(qū)和居間液晶材料一起限定了可控制的調(diào)相元件(808)，通常稱為像素。有效像素區(qū)域(即，填充因子)是在光學(xué)上活動(dòng)的總像素的百分比，計(jì)入了像素(801a)之間的空間。通過控制施加到每一電極(801)的相對(duì)于透明電極(807)的電壓，相應(yīng)調(diào)相元件的液晶材料的性質(zhì)可被改變，由此向入射在其上的光提供可變延遲。效果是向波前提供純相位調(diào)制，即，沒有振幅效果發(fā)生。
[0100]使用反射LCOS空間調(diào)光器的主要優(yōu)點(diǎn)是液晶層的厚度是在使用透射設(shè)備的情況下的厚度的一半。這極大地提高了液晶的切換速度(運(yùn)動(dòng)視頻圖像的投影的關(guān)鍵點(diǎn))。LCOS設(shè)備還唯一地能夠在小孔徑中顯示純相位元件的大型陣列。小元件(通常大約10微米)造成了使得該光學(xué)系統(tǒng)不需要非常長(zhǎng)的光路的實(shí)際衍射角(幾度)。
[0101]與較大液晶設(shè)備的孔徑相比，充分地照亮LC0SSLM的小孔徑(幾平方厘米)是更容易的。LCOS SLM還具有大孔徑比，像素之間存在極少死區(qū)(因?yàn)轵?qū)動(dòng)它們的電路被埋在鏡下)。這是降低重放區(qū)中的光學(xué)噪聲的重要問題。
[0102]以上設(shè)備通常在10°C到大約50°C的溫度范圍內(nèi)操作，其中最優(yōu)設(shè)備操作溫度是40°C左右到50°C。
[0103]因?yàn)長(zhǎng)COS設(shè)備將控制電子器件嵌入在硅背板中，所以像素的填充因子更高，從而造成較少的未散射光離開該設(shè)備。
[0104]使用硅背板具有各像素在光學(xué)上平坦的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于調(diào)相器件而言是重要的。
[0105]盡管各實(shí)施例涉及反射LCOS SLM，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以使用包括透射SLM在內(nèi)的任何SLM。
[0106]本發(fā)明不限于所描述的實(shí)施例，而是延及所附權(quán)利要求書的完全范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種恢復(fù)表示圖像幀序列的第η幀的傅立葉域中的相位信息的方法，所述方法包括:使用與第η-1幀的傅立葉域中的相位信息的恢復(fù)相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)作為所述方法的起始點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述圖像幀是1D、2D或3D圖像幀。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)參數(shù)是傅立葉域中的相位信息和/或傅立葉域中的振幅信息。
4.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟的m+1次迭代: 建立具有多個(gè)元素的第一數(shù)據(jù)集，每一元素具有相位信息和振幅信息； 對(duì)所述第一數(shù)據(jù)集執(zhí)行傅立葉變換以產(chǎn)生具有多個(gè)元素的第二數(shù)據(jù)集，每一元素具有振幅和相位信息； 將來自所述第二數(shù)據(jù)集的相位信息進(jìn)行量化； 形成具有多個(gè)元素的第三數(shù)據(jù)集，每一元素具有振幅和相位信息，所述相位信息是從所述第二數(shù)據(jù)集導(dǎo)出的，以及； 對(duì)所述第三數(shù)據(jù)集執(zhí)行逆傅立葉變換以產(chǎn)生具有多個(gè)元素的第四數(shù)據(jù)集，每一元素具有振幅和相位信息； 通過用第η幀的強(qiáng)度信息蓋寫所述振幅信息來修改所述第四數(shù)據(jù)集，以產(chǎn)生具有多個(gè)元素的第五數(shù)據(jù)集，每一元素具有振幅和相位信息；以及 使用所述第五數(shù)據(jù)集作為下一次迭代的第一數(shù)據(jù)集。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一數(shù)據(jù)集的振幅信息是從第η幀的強(qiáng)度信息導(dǎo)出的。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，與第η-1幀相關(guān)的最終迭代的第五數(shù)據(jù)集的振幅信息形成了與第η幀相關(guān)的第一迭代的第一數(shù)據(jù)集的誤差信息的一部分。
7.如權(quán)利要求4到6中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，與第η-1幀相關(guān)的最終迭代的第五數(shù)據(jù)集的相位信息形成了與第η幀相關(guān)的第一迭代的第一數(shù)據(jù)集的相位信息。
8.如權(quán)利要求4到7中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，第m次迭代的第一數(shù)據(jù)集的相位信息是與第η幀的第m-Ι和m-2次迭代的第四數(shù)據(jù)集的相位信息之差的經(jīng)伸縮的形式。
9.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括在所述第五數(shù)據(jù)集的振幅信息與所述幀的強(qiáng)度信息之間的均方誤差小于閾值時(shí)停止迭代。
10.一種用于形成2D視頻圖像的投影儀，所述投影儀包括: 包括調(diào)相元件的2D陣列的空間調(diào)光器； 處理裝置，所述處理裝置被安排成，恢復(fù)表示空間域中的2D圖像幀序列的第η幀的傅立葉域中的相位信息，包括使用與第η-1幀的傅立葉域中的相位信息的恢復(fù)相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)作為起始點(diǎn)；以及 驅(qū)動(dòng)裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置被安排成驅(qū)動(dòng)所述空間調(diào)光器的調(diào)相元件陣列來顯示表示2D圖像幀序列的第η幀的傅立葉變換的數(shù)據(jù)。
11.如權(quán)利要求10所述的投影儀，其特征在于，還包括光源。
12.基本上如上文參考附圖描述的一種恢復(fù)相位信息的方法或一種投影儀。
【文檔編號(hào)】G03H1/08GK104040438SQ201280052720
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月26日
【發(fā)明者】C·賈米森 申請(qǐng)人:兩樹光子學(xué)有限公司