專利名稱：：用于顯示全息視頻圖像序列的設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于例如使用全息技術(shù)來(lái)顯示視頻圖像的設(shè)備及方法。
背景技術(shù)：
：公知有多種用于使用全息術(shù)、例如使用計(jì)算機(jī)全息圖像生成技術(shù)(CGH)來(lái)顯示圖像的裝置。這些公知裝置中的一種裝置在US6437919中描述，其中對(duì)電尋址空間光調(diào)制器(SLM)尋址以提供圖像的3D全息再現(xiàn)(representation)。因此，當(dāng)由適當(dāng)?shù)恼彰鞴庠凑丈銼LM時(shí)，圖像在重放區(qū)(RPF)中重構(gòu)。諸如全息顯示器之類的現(xiàn)有投影顯示器的問(wèn)題在于光效率較低，并且3D顯示器需要大量像素。而且，全息生成的2D視頻圖像公知具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)投影視頻圖像的優(yōu)點(diǎn)，尤其在清晰度和效率方面。但是，當(dāng)前的全息生成算法的計(jì)算復(fù)雜性使它們不能用于實(shí)時(shí)應(yīng)用中。另外，即使現(xiàn)有的算法足夠快，但由它們產(chǎn)生的圖像的質(zhì)量不足以用于顯示應(yīng)用中。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明在權(quán)利要求書(shū)中陳述。由于使用了可編程到諸如為純相位調(diào)制構(gòu)造的LCOS(硅基液晶)裝置之類的可編程衍射元件上的相息圖(kinoform)，因此，與依靠照明光束的調(diào)幅的現(xiàn)有系統(tǒng)相比，顯示效率明顯提高。因此，可以獲得具有最小光損失的實(shí)時(shí)視頻。另外，本發(fā)明可以通過(guò)對(duì)優(yōu)化算法期間產(chǎn)生的相息圖的多個(gè)迭代進(jìn)行時(shí)分多路復(fù)用，來(lái)提供改進(jìn)的噪聲減輕技術(shù)。而且，與以視頻幀頻動(dòng)態(tài)地顯示相息圖的裝置以及用于實(shí)時(shí)計(jì)算必要的相位分布的硬件相結(jié)合，重構(gòu)的相息像具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)投影圖像的優(yōu)點(diǎn)，尤其在效率和像素?fù)p失的魯棒性方面。在相息圖電寫(xiě)入到LCOS裝置上的情況下，應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語(yǔ)“相息圖”包含代表相位全息圖的任何相位分布，其中僅計(jì)算對(duì)象波前的調(diào)相。為了便于說(shuō)明，在本說(shuō)明書(shū)中術(shù)語(yǔ)“相息圖”和“全息圖”可以交換使用。參考的視頻不限于表示任何特殊類型圖像內(nèi)容的數(shù)據(jù)，其包括代表一個(gè)或更多靜止圖像的數(shù)據(jù)，其中所述數(shù)據(jù)是周期性或定期刷新的?，F(xiàn)將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的顯示器構(gòu)造的方塊圖；圖2示意性地示出本發(fā)明第一實(shí)施例的部件；圖3示意性地示出本發(fā)明第二實(shí)施例的部件；圖4示意性地示出本發(fā)明第三實(shí)施例的部件；圖5示意性地示出本發(fā)明第四實(shí)施例的部件；圖6示意性地示出本發(fā)明第五實(shí)施例的部件；圖7示意性地示出本發(fā)明第六實(shí)施例的部件；圖8示出了通過(guò)SLM的部分橫截面圖；圖9a和圖9b是示出可選的二進(jìn)制(binary)調(diào)相方案的SLM各自的視圖；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的處理器部件的方塊示意圖；以及圖11是示出本發(fā)明第七實(shí)施例的部件的示意圖。具體實(shí)施例方式在以下的說(shuō)明中，在各附圖中使用相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件?？偟膩?lái)說(shuō)，本申請(qǐng)涉及一種用于由計(jì)算機(jī)生成的純相位全息圖(通常公知為相息圖)投影視頻圖像的設(shè)備。所述相息圖必須能夠快速地重建，以使它們能在像素化的硅基液晶(LCOS)空間光調(diào)制器上顯示，所述空間光調(diào)制器已構(gòu)造成作為純相位調(diào)制器有效地運(yùn)行。LCOS純相位SLM由來(lái)自部分相干光源(例如激光器或超輻射發(fā)光二極管、LED)的適當(dāng)擴(kuò)展的光束照射，并且純相位相息圖在遠(yuǎn)場(chǎng)(farfield)中轉(zhuǎn)化為實(shí)灰度圖像(realintensityimage)?？墒褂猛队巴哥R使該遠(yuǎn)場(chǎng)變得較近，以進(jìn)行傅立葉變換。通過(guò)使用基于硬件的快速處理器(例如FFT、FPGA以及DS處理器)，并通過(guò)(例如)使用與用于相位恢復(fù)的喬思貝格-薩克斯通(Gerchberg-Saxton)算法相關(guān)的方法(參考J.R.Fienup的“相位恢復(fù)算法比較法(Phaseretrievalalgorithmsacomparison)”，應(yīng)用光學(xué)(AppliedOptics)，第21(15)卷，第2758-2765頁(yè)(1982)；以及R.W.Gerchberg和W.O.Saxton的“用于從圖像和衍射平面圖確定相位的實(shí)用算法(Apracticalalgorithmforthedeterminationofphasefromimageanddiffractionplanefigures)”，Optik35，第237-246頁(yè)(1971)，其內(nèi)容通過(guò)援引合并在此)，以高速計(jì)算構(gòu)成視頻圖像的視頻幀或子幀的傅立葉變換，從而將它們轉(zhuǎn)化為相息圖。參考圖1，視頻顯示器包括總體上由附圖標(biāo)記10表示的全息視頻投影儀。處理器14接收并處理包括待投影的視頻圖像的對(duì)象12，以在諸如空間光調(diào)制器之類的可編程衍射元件16上形成相息圖。相息圖16由照明光源18照射以形成圖像20。在相息圖16與圖像20之間設(shè)有光學(xué)器件22，用于在屏幕上投影重放，并且例如用于消除零階效應(yīng)或減輕圖像中的噪聲。待在處理器14中產(chǎn)生并編程以通過(guò)SLM16再現(xiàn)的相息圖包括相位全息圖的再現(xiàn)，其類型例如為在L.B.Lesem、P.M.Hirsch、J.A.Jordan的“相息圖一種新的波前重構(gòu)裝置(Thekinoformanewwavefrontreconstructiondevice)”，IBMJ.Res.Devel.第150-5頁(yè)(1969年3月)中描述的類型。由于這種技術(shù)依靠純相位調(diào)制，因此沒(méi)有通過(guò)調(diào)幅形成的光損失。而且，SLM是衍射的而非成像的器件。處理步驟包括將在下面更詳細(xì)描述的產(chǎn)生相息圖、將相息圖編碼進(jìn)SLM中、以及減輕噪聲的步驟。因此，提供了復(fù)時(shí)變圖像或快速刷新圖像的高質(zhì)量、高空間和時(shí)間分辨率投影。圖2至圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第一至第四實(shí)施例的單級(jí)結(jié)構(gòu)。圖2更詳細(xì)地示出了圖1的方塊圖中的各種部件。例如，照明光學(xué)器件包括激光器200和擴(kuò)束器202?？删幊萄苌湓ㄔ谄聊?08上投影的SLM206。包括偏振光束分光器204的中間光學(xué)元件以反射/透射模式設(shè)置，將照明光束反射在SLM206上，接著該SLM206經(jīng)由其反射鏡將調(diào)制的光束反射在屏幕208上。應(yīng)當(dāng)理解，單獨(dú)的元件可以為任何合適的元件，例如，激光器、擴(kuò)束器以及偏振光束分光器可以根據(jù)系統(tǒng)的光學(xué)需求進(jìn)行選擇。傳統(tǒng)的LCOS裝置在被改動(dòng)用于純相位調(diào)制時(shí)適用于SLM，例如由Holoeye和CRLO顯示器公司提供的裝置。這種改動(dòng)可以包括使用用于調(diào)相的鐵電液晶LCoS裝置的二進(jìn)制相位，并且理想的開(kāi)關(guān)角(switchingangle)從45度增加至90度用于調(diào)相。在這種情況下，不需要起偏器或檢偏器?？蛇x地，利用液晶電光效應(yīng)(其中光軸在液晶層的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn))，例如向列液晶中的電診斷效應(yīng)(electrocliniceffect)、V形開(kāi)關(guān)或撓曲電效應(yīng)(flexoelectriceffect)，可以引入高速模擬LCoS裝置。在所有這些情況中，理想的開(kāi)關(guān)角均為45度，通過(guò)將四分之一波片(QWP)集成在LCoS裝置的反射鏡(未示出)上而接近該角度。反射鏡與QWP的結(jié)合使有效開(kāi)關(guān)角加倍，并使開(kāi)關(guān)角接近45度的電光效應(yīng)可以使用?？蛇x的設(shè)備有具有使用向列液晶響應(yīng)像素電壓的模擬裝置的LCoS裝置。這些與僅用于灰度投影的這種類型的傳統(tǒng)向列LCoS裝置不同。可以改變液晶的結(jié)構(gòu)以提供更好的模擬相位響應(yīng)，并改變與引入(incoming)裝置的偏振狀態(tài)相關(guān)的LCoS裝置的設(shè)置。在這種情況下，不需要檢偏器來(lái)進(jìn)行純相位投影。LCoS裝置的制造在以下文獻(xiàn)中進(jìn)一步描述，該文獻(xiàn)為H.C.Stauss的“LCOS顯示器的復(fù)興(TheresurgenceofLCOSdisplays)”，信息顯示(InformationDisplay)，2004年11月，第20(11)卷，第16-20頁(yè)。參考圖8，其示出了通過(guò)二進(jìn)制SLM(100)的一個(gè)實(shí)施例的一部分的橫截面圖。在該圖中，SLM(100)具有多個(gè)像素(120-123)，盡管應(yīng)理解的是，像素實(shí)際上排列在二維矩陣中。各像素(120-123)均能夠被電控，以提供0或π相移。SLM的各像素(120-123)均具有位于其上并與其相對(duì)應(yīng)設(shè)置的各自的相位掩膜像素(phase-maskpixel)(130-133)。如從圖中可以看出，第一、第三和第四相位掩膜像素(130，132，133)具有相對(duì)較薄的厚度，而第二相位掩膜像素(131)具有相對(duì)較厚的厚度。這種厚度差基于相位掩膜的材料、并基于所用光的波長(zhǎng)進(jìn)行選擇。這種選擇使得通過(guò)較厚像素(131)的光比通過(guò)較薄像素(130，132，133)的光多相移π。在SLM等裝置反射的位置，光將兩次通過(guò)相位掩膜，從而需要相應(yīng)的厚度改變。在本實(shí)施例中，相位掩膜作為包覆層形成在SLM(100)上。當(dāng)然也可以使用其它設(shè)置，例如使用兩個(gè)大致相同的SLM，其中一個(gè)提供數(shù)據(jù)顯示，另一個(gè)形成相位掩膜。圖2示出的設(shè)置的特別的優(yōu)點(diǎn)在于，由于使用了相息圖形式的相位分布，因此可將一些或所有的投影光學(xué)器件結(jié)合到LCOS裝置上的相息圖，作為用于低成本系統(tǒng)的二次相位項(xiàng)(quadraticphaseterm)，該低成本系統(tǒng)例如為提供菲涅耳同軸全息圖的顯微投影儀。參考圖3，其示出了使用夫瑯和費(fèi)(或傅立葉)全息圖的可選實(shí)施例，其中結(jié)合有額外的透鏡210以提供投影光學(xué)器件。為了消除全息圖中作為投影中的主要噪聲源的零階點(diǎn)，如果將線性相位項(xiàng)加入全息圖，那么分別如圖4和圖5所示采用菲涅耳或夫瑯和費(fèi)離軸設(shè)置(其中屏幕208及合適的投影光學(xué)器件210設(shè)置為離軸)，則可去掉零階點(diǎn)。參考圖6和圖7，其示出了第五和第六實(shí)施例中的兩級(jí)結(jié)構(gòu)。根據(jù)這些結(jié)構(gòu)，額外的中間光學(xué)器件包括光尋址空間光調(diào)制器(OASLM)以額外減輕噪聲。首先參考圖6，相息圖在SLM600上顯示，并通過(guò)復(fù)制光學(xué)器件602多路復(fù)用到OASLM604上。因此，多種樣式的相同或不同的相位全息圖在OASLM上空間多路復(fù)用，并且它們根據(jù)用于振幅全息圖的方案(如美國(guó)專利號(hào)6437919中所述，其內(nèi)容通過(guò)援引全部合并在此)，經(jīng)由變換投影光學(xué)器件投影在屏幕608上。投影圖像的光點(diǎn)大小與照明光束的口徑成反比，與傅立葉投影系統(tǒng)的有效焦距成正比。由諸如LCOS(對(duì)角線為12-32mm)之類的傳統(tǒng)SLM提供的小口徑通過(guò)在較大的OASLM上空間多路復(fù)用該圖像而變大。因此，由于高質(zhì)量調(diào)制的圖像對(duì)于實(shí)時(shí)光寫(xiě)入OASLM光傳感器是理想的，所以可以在不進(jìn)行改動(dòng)的情況下使用現(xiàn)有的SLM。來(lái)自SLM上大量像素的衍射損失通過(guò)在OASLM上的鄰接平鋪顯示(contiguoustile)上多路復(fù)用該圖像而減小，從而有效放大由SLM衍射的第一階(firstorder)。投影圖像的光點(diǎn)大小通過(guò)所得到的系統(tǒng)的較大光學(xué)口徑而變小，另外，由于不存在精細(xì)像素化(finepixellation)(否則將產(chǎn)生更高階的衍射損失)，并且由于OASLM的結(jié)構(gòu)適于驅(qū)動(dòng)如以下文獻(xiàn)所述的提供強(qiáng)調(diào)相(robustphasemodulation)的鐵電液晶，因此該OASLM的結(jié)構(gòu)可以很好地適用于這種設(shè)備，所述文獻(xiàn)為S.Mias、I.G.Manolis、N.Collings、T.D.Wilkinson以及W.A.Crossland的“使用寬開(kāi)關(guān)角鐵電液晶層的調(diào)相雙穩(wěn)態(tài)光尋址空間光調(diào)制器(Phase-modulatingbistableopticallyaddressedspatiallightmodulatorsusingwide-switching-angleferroelectricliquidcrystallayer)”，光學(xué)工程(OpticalEngineering)，第44(1)卷(2005)，其內(nèi)容通過(guò)援引合并在此。因此，可以提供高對(duì)比度圖像。圖7示出了可選的兩級(jí)結(jié)構(gòu)，其中SLM610的多位幀提供用于OASLM上的空間多路復(fù)用的多級(jí)全息圖，例如在下面更詳細(xì)描述的通過(guò)色彩、灰度等對(duì)相息圖進(jìn)行的各個(gè)分解，然后它們結(jié)合以提供最終圖像。對(duì)相息圖進(jìn)行編碼二進(jìn)制和多級(jí)相息圖應(yīng)當(dāng)理解，復(fù)制和變換投影光學(xué)器件可以為任何合適的類型，例如變換投影光學(xué)器件可以為傅立葉變換透鏡。類似地，OASLM可以為任何合適的類型，例如在S.Mias等在光學(xué)工程(2005年1月)中所描述的類型，其內(nèi)容通過(guò)援引合并在此。應(yīng)當(dāng)理解，可以采用任何合適的編碼方案，例如二進(jìn)制或多級(jí)量化。根據(jù)圖9a所示的二進(jìn)制方案，SLM900包括多個(gè)像素或全開(kāi)關(guān)角θ＝90°的開(kāi)關(guān)元件902。由于LCOS裝置的厚度為四分之一波長(zhǎng)，因此遠(yuǎn)場(chǎng)906中沒(méi)有形成零階點(diǎn)。圖9b中示出了包括LCOS裝置的可選SLM，其中SLM900包括全轉(zhuǎn)換角小于90°的開(kāi)關(guān)元件902。從而，如從示出Eout904的對(duì)稱分布的圖中可以看出，遠(yuǎn)場(chǎng)906中形成零階點(diǎn)，由此例如可以執(zhí)行參考圖4和圖5所述的離軸技術(shù)。在可選的編碼/量化方案中，可以比二進(jìn)制相位裝置獲得更多的優(yōu)點(diǎn)(見(jiàn)下)。根據(jù)該可選實(shí)施例，采用了多級(jí)量化，在這種情況下，可將更多的光引向期望的圖像。提供多級(jí)量化的裝置包括具有正介電各向異性的零扭曲向列LCOS裝置(EHallstig、TMartin、LSjoqvist、MLindgren的“用于調(diào)相的向列液晶空間光調(diào)制器的偏振特性”(Polarisationpropertiesofnematicliquidcrystalspatiallightmodulatorsforphasemodulation)，Jnl.Opt.Soc.Am.A.，2004年8月)。由于可以使向列液晶裝置和雙頻向列裝置(K.Bauchert、S.Serati、A.Furman的“用于調(diào)相的雙頻向列SLM”(DualfrequencynematicSLMsforphasemodulation)，ProcSPIE473435-43(2002))垂直對(duì)齊，因此也可以使用聚亞酰胺單元(Pi-cell)向列液晶裝置?？梢允褂玫目删哂懈扉_(kāi)關(guān)速度的近晶型液晶裝置包括電診斷LCOS、變形螺旋(deformedhelix)LCOS、串聯(lián)二進(jìn)制(tandembinary)LCOS以及V形開(kāi)關(guān)LCOS，見(jiàn)M.O’Callaghan的“無(wú)閾值V形開(kāi)關(guān)鐵電液晶中的開(kāi)關(guān)動(dòng)力學(xué)和表面力”(SwitchingdynamicsandsurfaceforcesinthresholdlessV-shapedswitchingferroelectricliquidcrystals)，PhysRev.E67，011710(2003)。使用多級(jí)相位的主要優(yōu)點(diǎn)在于，與二進(jìn)制相息圖的情況中灰度均等分布在正和負(fù)對(duì)稱級(jí)中相反，多級(jí)相位的相息圖能夠?qū)⑺械墓庖龑?dǎo)至一個(gè)衍射級(jí)。而且，相息圖可以以減少的量化誤差再現(xiàn)，從而使重放場(chǎng)(replayfield)中的噪聲降低。相息圖中的信息容量更高，使得重構(gòu)保真度更高。相息圖的實(shí)時(shí)計(jì)算現(xiàn)將描述上述設(shè)備可被用于產(chǎn)生實(shí)時(shí)視頻全息投影的方式。參考圖10，在第一方法實(shí)施例中，直接由視頻信號(hào)產(chǎn)生的、表示m×m像素輸入灰度場(chǎng)(intensityfield)Txy的信號(hào)(802)輸入具有第一處理塊(801)的處理器(820)。本實(shí)施例中的處理裝置(20)包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)，該現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列運(yùn)行代碼以能夠執(zhí)行所需的函數(shù)。在其它實(shí)施例中使用ASIC，在另外的實(shí)施例中使用編程通用計(jì)算機(jī)。用于所述多個(gè)像素化全息圖中的每一個(gè)全息圖的第一處理塊(801)在輸出(803)處通過(guò)公式Txy(n)=Txyexp(jΦxy(n))]]>形成第一數(shù)據(jù)集Txv(n)，以使第一數(shù)據(jù)集Txv(n)的幅度與期望像素的幅度相等，并具有同分布(i.i.d.)的均勻隨機(jī)相位。第一數(shù)據(jù)集(803)施加至第二處理塊(804)，該第二處理塊(804)形成第二數(shù)據(jù)集Gxy(n)，以使輸出(5)處Gxy(n)=F-1[Txy(n)],]]>其中F-1表示2D反傅立葉變換。然后，第二數(shù)據(jù)集由第三處理塊(806)在復(fù)平面內(nèi)沿實(shí)軸方向(realdirection)充分移動(dòng)，以形成第三數(shù)據(jù)集(807)，該第三數(shù)據(jù)集(807)中各數(shù)據(jù)點(diǎn)的相位較小。第三處理塊(806)形成R作為最小正實(shí)數(shù)，以使|Gxy(n)|≤R∀x,y,n,]]>并將實(shí)數(shù)α加入第二數(shù)據(jù)集的各數(shù)據(jù)項(xiàng)，以在輸出(807)處形成第三數(shù)據(jù)集α+Gxy(n)，其中α＞＞R。輸出(807)處的第三數(shù)據(jù)集施加至形成量值(magnitude-forming)的第五處理塊(808)，該第五處理塊(808)執(zhí)行函數(shù)Mxy(n)=|α+Gxy(n)|,]]>以使Mxy(n)輸出為第四數(shù)據(jù)集(809)。然后，第四數(shù)據(jù)提供至二進(jìn)制化級(jí)(binarisationstage)(810)，該二進(jìn)制化級(jí)(810)執(zhí)行函數(shù)以形成用于作為所述全息圖顯示的第五數(shù)據(jù)集(811)，其中Q(n)=median(Mxy(n)).]]>第五數(shù)據(jù)集(11)提供至鐵電液晶SLM(12)以用于顯示和觀看。盡管在本實(shí)施例中使用鐵電液晶空間光調(diào)制器，但可以替換為除了諸如MEMS裝置(例如DMD)之類的非液晶技術(shù)以外的其它裝置，例如包括向列SLM、OASLM(光尋址空間光調(diào)制器)，以及更多特異(exotic)類型的液晶顯示器，例如電診斷、聚亞酰胺單元、撓曲電、反鐵電、亞鐵電、V形開(kāi)關(guān)單元以及客主染料單元(guest-hostdyecell)。該裝置可以是透射的或反射的。僅有一個(gè)計(jì)算灰度的步驟、即反傅立葉變換的存在允許目前的硬件為每個(gè)視頻幀實(shí)時(shí)產(chǎn)生多個(gè)(例如40個(gè))全息圖。在第二方法實(shí)施例中，改進(jìn)的處理產(chǎn)生2N組不同的m×m二進(jìn)制相位全息圖Hxy(n)，各全息圖Hxy(n)均產(chǎn)生接近同一目標(biāo)圖像的重放場(chǎng)。該處理的關(guān)鍵特征在于，由各全息圖產(chǎn)生的噪聲場(chǎng)為i.i.d.，滿足了上述條件。該處理以目標(biāo)灰度圖像Txy的規(guī)范開(kāi)始，并進(jìn)行如下1.使Txy(n)=Txyexp(jΦxy(n)),]]>其中Φxy(n)在0與2π之間均勻分布，且1≤n≤N，1≤x，y≤m2.使Gxy(n)=F-1[Txy(n)],]]>其中F-1表示2D反傅立葉變換算子，且1≤n≤N3.使其中1≤n≤N4.使其中1≤n≤N5.使其中Q(n)=median(Mxy(n)),]]>且1≤n≤2N本處理的步驟3和5與第一實(shí)施例的步驟3、4和5完全等同，但加入了額外的步驟(本處理中的第4步驟)。從而，在此產(chǎn)生的全息圖Mxy(n)與由原算法產(chǎn)生的全息圖Mxy(n)完全一樣，只是此處還“免費(fèi)”(即不需要另外的傅立葉變換步驟)提供了全息圖Mxy(n+N)。步驟1形成N個(gè)目標(biāo)Txy(n)，其幅度與提供的灰度目標(biāo)Txy的幅度相等，但具有i.i.d.均勻隨機(jī)相位。步驟2計(jì)算N個(gè)相應(yīng)的全復(fù)數(shù)傅立葉變換全息圖Gxy(n)。步驟3和4分別計(jì)算全息圖的實(shí)部和虛部。然后，全息圖的實(shí)部和虛部中的每一個(gè)的二進(jìn)制化在步驟5中執(zhí)行如下將閾值設(shè)定在Mxy(n)的中值附近以確保全息圖中出現(xiàn)的-1和1點(diǎn)的數(shù)量相等，從而(通過(guò)清晰度)獲得DC平衡以及最小重構(gòu)誤差。因此，與使用第一實(shí)施例的處理獲得一個(gè)全息圖不同，Txy上執(zhí)行的一個(gè)傅立葉變換操作提供了兩個(gè)二進(jìn)制相位全息圖Hxy。任何純實(shí)數(shù)全息圖(例如二進(jìn)制相位全息圖)在重放場(chǎng)中產(chǎn)生共軛圖像，這減少了可用區(qū)，從而只有一半的效率。共軛圖像可以通過(guò)產(chǎn)生四相位全息圖(其中各像素均取[1，j，-1，-j]中的一個(gè)值)而去除，盡管這種全息圖不能在諸如鐵電SLM之類的固有二進(jìn)制裝置上顯示。如由上述算法所提供的，在向列液晶裝置上能顯示兩個(gè)以上相位級(jí)(phaselevel)，但這些相位級(jí)目前的數(shù)量級(jí)太低而不能用于高幀頻的應(yīng)用。但是，通過(guò)在二進(jìn)制相位SLM的上表面上蝕刻像素值為1和j的像素化相位掩膜(從而分別強(qiáng)制相移0和π/2)，可以去除共軛圖像。這是通過(guò)隨機(jī)設(shè)定掩膜的像素值、以使通過(guò)結(jié)合SLM和相位掩膜而強(qiáng)加的凈調(diào)制(netmodulation)位于集合[1，j，-1，-j]中而獲得的，其不管SLM自身是二進(jìn)制的事實(shí)，提供去除共軛圖像所需的額外自由度(以額外的RPF噪聲為代價(jià))。這種技術(shù)已用于相關(guān)器的設(shè)計(jì)，并且在此應(yīng)用于顯示應(yīng)用。盡管掩膜的像素值是隨機(jī)的，并從而具有“dc平衡”(其中各相移值的數(shù)量統(tǒng)計(jì)上相等)，但掩膜自身固定，并且各相移值的像素位置已知。在其它實(shí)施例中，使用不完全隨機(jī)的相移分布。為了改進(jìn)上述算法以使用相位掩膜，對(duì)第二塊(4)進(jìn)行改動(dòng)以提供Gxy(n)，從而使Gxy(n)=F-1[Txy(n)]Pxy]]>其中Pxy定義相位掩膜，其已隨機(jī)地產(chǎn)生為使得各像素均具有取1或j值的相等概率。為了在仿真中評(píng)估這種技術(shù)的功效，產(chǎn)生用于兩種測(cè)試模式的全息圖，并且各全息圖均復(fù)制兩次，復(fù)制步驟在算法中的步驟2與步驟3之間執(zhí)行。形成的重放場(chǎng)證實(shí)了共軛圖像被有效地去除，并且仿真還顯示出相位掩膜的使用沒(méi)有明顯降低RPF產(chǎn)生的信噪比。上述討論涉及使用傅立葉全息圖在遠(yuǎn)場(chǎng)中產(chǎn)生期望的2D結(jié)構(gòu)。可將這種方法擴(kuò)展以在近場(chǎng)中產(chǎn)生用于結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的菲涅耳全息圖，這對(duì)于無(wú)透鏡光學(xué)構(gòu)造特別有用。如上所述，菲涅耳全息術(shù)提供了能夠無(wú)透鏡投影的額外優(yōu)點(diǎn)，這是由于全息圖自身對(duì)調(diào)焦元件進(jìn)行編碼，因此與傳統(tǒng)投影顯示系統(tǒng)相比可以明顯地節(jié)約重量、成本和尺寸。離散菲涅耳變換與傅立葉變換緊密相關(guān)，并描述了在以波長(zhǎng)為λ的相干光照射時(shí)，由全息圖Gxy(尺寸為X×Y，相應(yīng)的像素大小為Δx和Δy)在距離f處產(chǎn)生的近場(chǎng)Txy。當(dāng)成像不是太靠近全息圖時(shí)，該變換表示為T(mén)xy=jλfexp(-jπλf[x2X2Δ2x+y2Y2Δ2y])×F[Gxyexp(-jπλf(x2Δ2x+y2Δ2y))]]]>相應(yīng)的反變換為Gxy=exp(jπλf[x2Δ2x+y2Δ2y])×F-1[Txyλfjexp(jπλf[x2X2Δ2x+y2Y2Δ2y])]]]>因而，如果處理塊(4)提供Gxy(n)以使Gxy=exp(jπλf[x2Δ2x+y2Δ2y])×F-1[Txyλfjexp(jπλf[x2X2Δ2x+y2Y2Δ2y])]]]>則產(chǎn)生菲涅耳全息圖，其在與全息圖相隔指定距離f處形成目標(biāo)圖像。可以改動(dòng)上述技術(shù)以產(chǎn)生用于3D全息視頻顯示的3D全息圖。對(duì)象的3D全息圖僅是在對(duì)象前面的平面處的復(fù)合電磁場(chǎng)(由通過(guò)對(duì)象散射的光產(chǎn)生)的記錄。依據(jù)惠更斯原理，如果已知平面P上的EM場(chǎng)分布，則惠更斯小波可以經(jīng)由空間傳播以估算3D空間中任意點(diǎn)處的場(chǎng)。這樣，平面全息圖對(duì)在平面的前方以任意位置和角度觀看對(duì)象所需的所有信息進(jìn)行編碼，從而在理論上，不能光學(xué)地辨別對(duì)象。實(shí)際上，記錄介質(zhì)的像素分辨率的局限限制了視角θ，該視角θ在2D的情況下與像素大小Δ相反地變化。假定一個(gè)平面，其垂直于z軸，與原點(diǎn)相交，并且在該平面后面的位置(X，Y，Z)處具有波長(zhǎng)為λ、振幅為A的一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)射器。該平面上的位置(x，y)處出現(xiàn)的場(chǎng)F、即全息圖表示為F(x,y)=ZAjλr2exp(2πjλr),]]>其中r=(x-X)2+(y-Y)2+Z2]]>如果將3D場(chǎng)景當(dāng)作(Xi，Yi，Zi)處幅度為Ai的M個(gè)光源，則EM傳播的線性特性使全場(chǎng)全息圖F為F(x,y)=Σi=1MZiAihλri2exp(2πjλri),]]>其中ri=(x-Xi)2+(y-Yi)2+Zi2]]>如果F(x，y)在區(qū)域xmin≤x≤xman，ymin≤y≤ymax上取樣以形成m×m全息圖Fxy，則可得到Fxy=Σi=1MZiAijλri2exp(2πjλri),]]>其中ri=(xmin+xxmax-xminm-Xi)2+(ymin+yymax-yminm-Yi)2+Zi2]]>從而，在此出現(xiàn)如上所述的算法(具有SLM相位掩膜)，其產(chǎn)生用于點(diǎn)光源的給定陣列的N個(gè)全視差(full-parallax)3D全息圖Hxy(n)。使Fxy(n)=Σi=1MZiAijλri2exp(Φi(n)j+2πjλri),]]>其中ri如上述，Φi(n)在0與2π之間均勻分布，且1≤n≤N，1≤i≤M。使Gxy(n)=Fxy(n)Pxy,]]>其中Pxy是在前面部分中描述的預(yù)先計(jì)算的[1，j]相位掩膜。使R為最小正實(shí)數(shù)，以使|Gxy(n)|≤R∀x,y,n.]]>由于由Gxy(n)取的各值均為有窮，因此R存在，從而Gxy(n)具有緊湊支撐(compactsupport)。使Mxy(n)=|α+Gxy(n)|,]]>其中α是實(shí)數(shù)且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R。使其中Q(n)=median(Mxy(n)).]]>為了驗(yàn)證該算法，假定計(jì)算以平面P的原點(diǎn)為中心、分辨率為512×512、大小為2mm×2mm的N＝8的全息圖，給出像素大小為Δ＝4μm，從而在相干紅光照射(λ＝632nm)的情況下，視角為大約9度。使用的3D場(chǎng)景是一組944個(gè)點(diǎn)光源，其形成尺寸為12cm×12cm×18cm的金屬框立方體(wireframecuboid)，并位于距離平面1.91m的位置處。通過(guò)經(jīng)由孔隙(pinholeaperture)K依次從N個(gè)全息圖傳播惠更斯小波至虛擬屏幕(virtualscreen)(垂直于從立方體的中心至該孔的直線的平面)上、并在屏幕上記錄時(shí)均灰度分布來(lái)計(jì)算產(chǎn)生的模擬RPF。遺憾的是，與所述用于2D的算法相比，上述3D算法中的步驟一的計(jì)算對(duì)于不具有極小數(shù)量點(diǎn)光源的場(chǎng)景，利用當(dāng)前的硬件消費(fèi)品可能不能實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)。但是，可以計(jì)算并存儲(chǔ)由該算法產(chǎn)生的所需全息圖，以實(shí)時(shí)調(diào)用。盡管已發(fā)現(xiàn)可以以表明不需要這種計(jì)算的方式優(yōu)化計(jì)算，但可能需要更有效的計(jì)算以產(chǎn)生實(shí)時(shí)三維全息圖。上面詳細(xì)描述的全息投影方法可實(shí)現(xiàn)在硬件中。在寫(xiě)入時(shí)，可使用商業(yè)上可得到的代碼對(duì)商業(yè)上可得到的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)進(jìn)行編程，以足夠用于全彩色視頻(25幀/秒，3色平面，N＝32)的至少2400幀/秒的速度計(jì)算512×512傅立葉變換。對(duì)于顯示裝置，商業(yè)上可得到的SLM可以以至少512×512的分辨率顯示足夠的幀頻?？梢允褂梅至⒌亩鄠€(gè)照明裝置，其中需要多種色彩，例如用于全色顯示?？蛇x地，也可以代替地使用能夠輸出多種色彩的單個(gè)裝置。已確定兩個(gè)重要的設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先，由于相位全息元件中的光學(xué)損失很小并且保存了全部能量，因此幾乎所有入射的光學(xué)能量均進(jìn)入RPF。從而，假定全部能量在RPF中的各“點(diǎn)亮(on)”像素之間近似均勻分布，則具有較少“點(diǎn)亮”點(diǎn)的目標(biāo)RPF看起來(lái)比具有較多“點(diǎn)亮”點(diǎn)的目標(biāo)RPF更亮。因此，控制器根據(jù)各幀中“點(diǎn)亮”點(diǎn)的數(shù)量相應(yīng)地調(diào)制光源的強(qiáng)度，以在多個(gè)幀之間獲得均勻的總亮度。激光的直接調(diào)幅由于非線性特性而不理想，因而在實(shí)施例中，這種調(diào)幅由脈寬調(diào)制代替，該脈寬調(diào)制在每400μs脈沖間隔內(nèi)的占空比與理想亮度成正比，以獲得所需的平均灰度。其次，一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題由RPF的大小與照明波長(zhǎng)之間的關(guān)系產(chǎn)生。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)透鏡系統(tǒng)來(lái)校正光源的三個(gè)波長(zhǎng)的色差來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題；在另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)使用菲涅耳全息術(shù)將對(duì)這種效應(yīng)的補(bǔ)償直接建入全息圖中來(lái)克服。本發(fā)明的方法的結(jié)果顯示出，在仿真中RPF顯示出的噪聲能量比DBS的噪聲能量低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且計(jì)算時(shí)間比DBS的計(jì)算時(shí)間快六個(gè)數(shù)量級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果與理論一致，并且即使利用非常古老的鐵電SLM設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置，對(duì)于全息產(chǎn)生的圖像也能顯示出以前未證實(shí)的對(duì)比度和精確度的水平。使用硬接線快速傅立葉變換處理器的算法的可選種類是諸如喬思貝格-薩克斯通算法之類的直接迭代優(yōu)化算法。這些算法將在下面更詳細(xì)地討論，并全部屬于公知的乒乓算法(ping-pongalgorithm)種類，乒乓算法還包括本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的例如IFTA、輸入/輸出算法類型。在這些算法中，起點(diǎn)是隨機(jī)相位分布或其它確定的相位分布，例如某種二進(jìn)制化的預(yù)定相位分布及其上進(jìn)行的快速傅立葉變換(FFT)，以提供改進(jìn)的相位分布來(lái)代替最初的相位分布。循環(huán)迭代直到FFT二進(jìn)制化的相位分布接近期望的目標(biāo)分布?？蛇x地，通常假定處于GS算法開(kāi)始時(shí)的隨機(jī)相位分布可由從前一個(gè)幀繼承的相位分布代替。當(dāng)嘗試最小化獲得良好相息圖所需的迭代次數(shù)時(shí)，這一點(diǎn)特別有益。當(dāng)視頻幀包括連續(xù)的一系列子幀時(shí)，對(duì)于這些子幀也具有同樣的效果?？蛇x地，可以使用諸如單向迭代優(yōu)化算法(單像素改變和成本函數(shù)測(cè)試)之類的算法，例如直接二進(jìn)制查找和模擬退火，這些技術(shù)對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員也是公知的，在此不詳加描述。相息圖能以一系列方式以及可選的改進(jìn)方式(將在下面描述)實(shí)時(shí)產(chǎn)生。如上所述，期望以M×實(shí)時(shí)來(lái)產(chǎn)生全息圖，其中M表示用于噪聲減小、并用于將在下面更詳細(xì)描述的灰度(grey-scale)/色彩再現(xiàn)的時(shí)間多路復(fù)用因子。算法的執(zhí)行可以以一系列方式加速。在包括全息圖分割的第一方法中，初始的未優(yōu)化全息圖被細(xì)分為相等的多個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域根據(jù)在此描述的算法獨(dú)立地并行優(yōu)化。由于在很多例子中，處理時(shí)間與像素?cái)?shù)量的平方成正比，因此這樣可以相應(yīng)地減少并行處理器中分配的處理時(shí)間。除了空間分割以外，全息圖能夠以任意適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行分解。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還公知的是，可以在已定義了復(fù)全息圖之后，應(yīng)用諸如誤差擴(kuò)散和約束集上投影(POCS)之類的量化過(guò)程。在所有情況下，應(yīng)當(dāng)理解，在對(duì)全息圖進(jìn)行分割或其它分解以優(yōu)化并行處理之后，將分解的部分加起來(lái)以提供完全的重構(gòu)圖像。可以通過(guò)在處理器中使用用于進(jìn)行優(yōu)化的專用硬件來(lái)執(zhí)行并加速所有這些算法，所述專用硬件例如為任意適當(dāng)?shù)墓愋偷腇FT處理器、FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)板、DCT(離散余弦變換)處理器或DSP(數(shù)字信號(hào)處理)板。調(diào)制方案和相息圖的產(chǎn)生還應(yīng)理解，可以執(zhí)行各種可能的調(diào)制方案，以使用如上所述的二進(jìn)制或多級(jí)量化在SLM上再現(xiàn)相息圖。特別地，可以采用調(diào)制方案以在連續(xù)紅、綠、藍(lán)照射的情況下使重構(gòu)的全息圖給出彩色的灰度圖像。根據(jù)直接調(diào)制方案，直接調(diào)制SLM以提供色彩和/或灰度。特別地，使用快速SLM裝置以提供二進(jìn)制或多級(jí)全息圖的幀連續(xù)多路復(fù)用，從而提供增強(qiáng)的灰度和幀連續(xù)色彩以及如將在下面詳細(xì)描述的減小噪聲的能力?？蛇x地，可以調(diào)制照明光源，并且SLM可以使用全息圖，該全息圖在二進(jìn)制位平面上重放，以使光調(diào)制停留時(shí)間或光強(qiáng)度根據(jù)位平面的重要性、例如按照幀連續(xù)灰度級(jí)(FSGS)方案而變化。另外可選地，根據(jù)幀連續(xù)色彩(FSC)方案，顯示可以采用應(yīng)用紅、綠、藍(lán)(RGB)連續(xù)照射或發(fā)光二極管(LED)而不是白色光源的其它色彩方案的調(diào)制方案，在這種情況下，它們與專用于一給定色彩的全息圖同步。諸如這些方案對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是公知的，并且在此不加以詳述。另外，期望減小投影或顯示圖像中的噪聲。噪聲源可以分類為系統(tǒng)的和非系統(tǒng)的。系統(tǒng)源包括SLM中的相位再現(xiàn)誤差和不均勻性。非系統(tǒng)源包括由執(zhí)行優(yōu)化算法產(chǎn)生的噪聲以及二進(jìn)制化誤差。如上所述，在SLM上使用多級(jí)量化明顯減小了二進(jìn)制化噪聲，并且，由于對(duì)算法的約束減少?gòu)亩峁┖艽蟮牟檎铱臻g，因此還減小了由優(yōu)化算法引入的噪聲。進(jìn)一步的多級(jí)量化減小了來(lái)自相位再現(xiàn)誤差的噪聲。另外，應(yīng)用了噪聲平均或噪聲消除技術(shù)，其中噪聲平均以降低對(duì)比度為代價(jià)傳播噪聲效果，而噪聲消除在不降低對(duì)比度、但增加處理負(fù)擔(dān)的情況下減小噪聲。第一噪聲平均方法包括上面詳細(xì)描述的算法，在該算法中具有獨(dú)立噪聲場(chǎng)的一連串子幀可減小噪聲?？蛇x的方法是執(zhí)行諸如上述喬思貝格-薩克斯通算法之類的、將一些或所有迭代作為子幀的迭代優(yōu)化算法。各子幀均顯示統(tǒng)計(jì)噪聲獨(dú)立，以使連續(xù)顯示子幀可減小噪聲。本領(lǐng)域的技術(shù)人員更熟悉喬思貝格-薩克斯通算法的執(zhí)行。特別地，可以看出各子幀是單次迭代的結(jié)果或基于由先前通過(guò)(pass)而產(chǎn)生的相位分布的算法的“通過(guò)”?？梢钥闯?，可以使用算法產(chǎn)生具有在子幀之間顯示的各迭代的子幀，以提供子幀級(jí)噪聲減小，或者可以使用迭代產(chǎn)生幀，并以類似方式在幀之間顯示。可以將連續(xù)位平面和色彩子幀用于繼承相位分布的目的，以提供比假設(shè)用于各子幀的隨機(jī)相位分布更好的結(jié)果。如果將子幀用于其它目的(例如由于它們有利于全息圖的計(jì)算)，從而也可以將該原理應(yīng)用于這種情況。另外可選地，可以通過(guò)對(duì)整個(gè)重放圖像的連續(xù)分解進(jìn)行平均來(lái)獲得噪聲平均。例如，如上所述，可以通過(guò)色彩分解圖像，并且多路復(fù)用或相加以提供完整的圖像，在這種情況下，噪聲將減小?？梢詧?zhí)行可選的子幀連續(xù)位平面，或者實(shí)際上可以使用像素的整個(gè)集合的任意一組子集以提供整個(gè)圖像，但連續(xù)再現(xiàn)以提供噪聲平均。通常，當(dāng)投影這種連續(xù)幀以產(chǎn)生視頻圖像時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲平均。這減小了對(duì)單個(gè)幀中存在的任何噪聲的可見(jiàn)影響。不管幀是否由相息圖產(chǎn)生，上述情況均成立，但當(dāng)幀是由相息圖產(chǎn)生時(shí)尤其有效(由于在這種情況下噪聲級(jí)通常存在于各幀內(nèi))。如果幀由連續(xù)存在的子幀構(gòu)成，則上述情況也成立，因?yàn)楝F(xiàn)在噪聲在幀與子幀上都被平均并被優(yōu)化，從而通過(guò)在投影時(shí)最小化圖像幀或子幀中的噪聲量并最大化它們的效率，獲得最佳質(zhì)量的計(jì)算機(jī)生成相息圖，其中產(chǎn)生了多級(jí)量化幀或子幀?？梢詫?duì)第一幀或子幀執(zhí)行該方法的實(shí)例包括以下步驟1)假定實(shí)像中所有實(shí)像素上均為隨機(jī)相位分布。2)進(jìn)行全離散快速傅立葉變換(FFT)。3)去除實(shí)部，并對(duì)虛部進(jìn)行FFT。4)這給出了實(shí)像的第一次迭代(將被去除)，以及與其相關(guān)的稱為P1的改進(jìn)相位分布。5)對(duì)加上新虛部的實(shí)像進(jìn)行FFT。6)去除實(shí)部?，F(xiàn)在虛部被當(dāng)作用于幀1的相位全息圖。對(duì)于下一個(gè)幀或子幀，很可能與第一個(gè)幀或子幀非常類似。因此，現(xiàn)在相位分布P1與下一個(gè)幀相關(guān)，并使用實(shí)數(shù)的下一個(gè)幀和P1進(jìn)行FFT。假設(shè)幀與幀很可能都類似，則可以對(duì)大量幀繼續(xù)上述處理。間或地，整個(gè)處理通過(guò)返回步驟1(但由于任意繼承的相位分布可能較好，因此通常在重新起動(dòng)序列時(shí)可能不必須使用隨機(jī)相位分布)連續(xù)地重復(fù)。用于重復(fù)該序列的一個(gè)原因可能是因?yàn)樽罱K所述場(chǎng)景將改變，并且繼承的相位分布不再適用，因此其需要在步驟2和3中重新產(chǎn)生。可選地，該處理可以比上述更頻繁地重復(fù)返回步驟1，以在即使沒(méi)有實(shí)質(zhì)上改變場(chǎng)景的情況下，也能持續(xù)改進(jìn)繼承的相位分布。因而，通常使處理盡可能多次地重復(fù)返回步驟1，限定特征(limitingfeature)是執(zhí)行快速傅立葉變換所需的時(shí)間。當(dāng)嘗試最小化獲得較好相息圖所需的迭代次數(shù)時(shí)，這一點(diǎn)尤其有益?？梢詫⑾嗤脑響?yīng)用于某些類型的子幀，所述子幀可以依次被投影以構(gòu)成各完整的視頻幀。在幀連續(xù)色彩投影系統(tǒng)中，這些子幀的實(shí)例可以包括紅、綠、藍(lán)子幀(其與眼睛配合以提供完整的色彩圖像)。它們還可以包括(二進(jìn)制)位平面，所述位平面可以依次被投影以獲得灰度級(jí)圖像(例如對(duì)每個(gè)色彩)。在這種情況下，通過(guò)改變投影光源的強(qiáng)度，對(duì)進(jìn)行投影的各位平面提供適當(dāng)?shù)亩M(jìn)制加權(quán)。如果全息圖的多周期復(fù)制品而不是僅僅一個(gè)復(fù)制品由投影儀激光光源照射，則以上述或其它方式計(jì)算的相息圖將被改進(jìn)。在噪聲消除的情況下，產(chǎn)生的全息圖的分辨率可以比目標(biāo)圖像的分辨率更高。這導(dǎo)致因?yàn)橄嘞D優(yōu)化算法而引入了準(zhǔn)周期模式，各模式與其鄰近模式均具有微小的區(qū)別特征，從而可以進(jìn)一步減小噪聲。另一個(gè)可選的噪聲消除技術(shù)包括將全息圖或一組全息圖在SLM上空間多路復(fù)用，或?qū)蝹€(gè)全息圖在OASLM上空間多路復(fù)用。這進(jìn)一步使全息圖中的像素增多，從而提高了重放質(zhì)量。一種這樣的方法在以下文獻(xiàn)中描述，該文獻(xiàn)為L(zhǎng).B.Lesem、P.M.Hirsch、J.A.Jordan的“用于3-D顯示的全息圖的計(jì)算機(jī)合成(Computersynthesisofhologramsfor3-Ddisplay)”，Commun.ACM，11，661-674(1968)。例如，可以理解，如上所述產(chǎn)生的子幀可以空間多路復(fù)用，即各子幀可以并置在OASLM上，然后重新組合為單個(gè)幀，從而進(jìn)一步減小噪聲并提高圖像質(zhì)量。特別適用于系統(tǒng)噪聲源的另一個(gè)方法包括適當(dāng)形成來(lái)自照明光源的光束波前，以補(bǔ)償公知的系統(tǒng)誤差?？蓪⑦@些誤差識(shí)別為校準(zhǔn)級(jí)(calibrationstage)，從而執(zhí)行適當(dāng)?shù)牟ㄐ涡纬晒鈱W(xué)器件。應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例的各個(gè)元件可以為任意合適的光學(xué)元件或其它元件。例如，處理裝置包括運(yùn)行代碼以能夠執(zhí)行所需函數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)。在其它實(shí)施例中使用ASIC，在另外的實(shí)施例中使用編程通用計(jì)算機(jī)。LCOS可以包括由單獨(dú)的處理器驅(qū)動(dòng)的可調(diào)制像素陣列。在可選的結(jié)構(gòu)中，處理硬件可以結(jié)合在LCOS的底面(backplane)，以提供完全一體化的裝置，其僅需要視頻輸入。通過(guò)上述實(shí)施例，可以提供具有增強(qiáng)亮度功效和圖像質(zhì)量的快速、噪聲減小的實(shí)時(shí)視頻全息投影儀。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，可以使用如圖11所示的純相位圖像獲得無(wú)損光投影。準(zhǔn)直光束1102照射純相位SLM1104，該純相位SLM1104顯示調(diào)相的、直接(非全息)再現(xiàn)的圖像。調(diào)相的輸出光束通過(guò)光學(xué)器件1106聚焦在位于傅立葉平面的相襯濾波器(phasecontrastfilter)1108上，接著經(jīng)由另一個(gè)光學(xué)器件1110將光束聚焦在成像平面1112上。因此，如果對(duì)象的相位圖像在SLM上出現(xiàn)，那么經(jīng)由示出的4f成像系統(tǒng)投影，則可以提供具有高通過(guò)效率的調(diào)幅圖像?？梢蕴峁┤我夂线m的、光譜陡峭的窄帶照射，并且由于不需要相干性，因此可以使用可選的激光光源，其能減小由光斑產(chǎn)生的噪聲。在優(yōu)選實(shí)施例中，執(zhí)行多級(jí)調(diào)制以提供灰度圖像。應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例可以使用于任意顯示器或包括背面和正面投影的投影儀應(yīng)用，并且涉及任意定期刷新的圖像，特別是期望實(shí)時(shí)處理相息圖的相應(yīng)序列的圖像。應(yīng)當(dāng)理解，在上述說(shuō)明中，術(shù)語(yǔ)“像素”的使用涵蓋了任意形狀或分布的任意適當(dāng)?shù)目烧{(diào)制和可尋址元件。在此，當(dāng)使用術(shù)語(yǔ)“像素”時(shí)，并不是任意直接可以觀看到的圖片內(nèi)容均能夠在相關(guān)的元件上可見(jiàn)。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以擴(kuò)展到執(zhí)行處理步驟的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，執(zhí)行這些步驟的任意計(jì)算機(jī)或處理器，以及存儲(chǔ)或能夠提供計(jì)算機(jī)程序的任意計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，例如諸如CD-ROM之類的介質(zhì)存儲(chǔ)裝置，或者從遠(yuǎn)端服務(wù)器計(jì)算機(jī)可有線或無(wú)線下載的形式。權(quán)利要求1.一種顯示視頻圖像的方法，該方法包括以下步驟接收連續(xù)圖像幀至處理器，處理各圖像幀以獲得一個(gè)或更多各自的相息圖，以及對(duì)可編程衍射元件進(jìn)行編程以順序再現(xiàn)各所述相息圖。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該視頻圖像是時(shí)變圖像或靜止圖像中的一種圖像。3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，該圖像是投影的圖像或直接觀看的圖像中的至少一種圖像。4.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述圖像幀被實(shí)時(shí)處理。5.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，該方法還包括以下步驟并行處理原始相息圖的各子集以獲得優(yōu)化的子集，以及重新組合所述優(yōu)化的子集。6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，該原始相息圖的子集包括原始相息圖分割。7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，該原始相息圖是隨機(jī)產(chǎn)生的或預(yù)先確定的，或是原始FFT的結(jié)果、或是循環(huán)的相位分布。8.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，使用雙向迭代優(yōu)化算法、單向迭代優(yōu)化算法、或雙向迭代量化過(guò)程、或單向非迭代過(guò)程中的任意一種，來(lái)處理圖像幀以獲得各自的相息圖。9.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，該方法還包括以下步驟控制操作的參數(shù)以提供灰度和色彩中的至少一種。10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，直接調(diào)制該可編程衍射元件以提供色彩和/或灰度。11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，該可編程衍射元件提供二進(jìn)制量化配置，并被幀連續(xù)地多路復(fù)用以提供色彩和/或灰度。12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，該可編程衍射元件提供多級(jí)量化配置以提供色彩和/或灰度。13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，在時(shí)域內(nèi)調(diào)制相息圖照明光源以提供色彩和/或灰度。14.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，在色域內(nèi)調(diào)制相息圖照明光源以提供色彩和/或灰度。15.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，得到的相息圖包括分別重構(gòu)該圖像幀的空間或灰度分解的多個(gè)相息圖中的一個(gè)相息圖。16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述多個(gè)相息圖加起來(lái)以給出實(shí)像。17.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，該方法還包括噪聲減小步驟。18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，通過(guò)根據(jù)多級(jí)量化配置對(duì)該可編程衍射元件編程以再現(xiàn)該相息圖來(lái)減小噪聲。19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，通過(guò)對(duì)多個(gè)圖像幀進(jìn)行噪聲平均來(lái)減小噪聲。20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，通過(guò)對(duì)各圖像幀的多個(gè)子幀進(jìn)行噪聲平均來(lái)減小噪聲。21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，在優(yōu)化算法中產(chǎn)生各子幀。22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，該優(yōu)化算法為喬思貝格—薩克斯通算法。23.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，將該圖像幀和該相息圖進(jìn)行像素化，并且其中該相息圖包含與該圖像幀相關(guān)的多余像素。24.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，通過(guò)空間多路復(fù)用各相位全息圖來(lái)減小噪聲。25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述相位全息圖在該可編程衍射元件上空間多路復(fù)用。26.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述相位全息圖在光尋址空間光調(diào)制器上空間多路復(fù)用。27.如權(quán)利要求20至23中任一項(xiàng)所述的方法，其中，各圖像幀均包括多個(gè)連續(xù)圖像子幀，并且所述空間多路復(fù)用步驟包括并置連續(xù)子幀的步驟。28.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，通過(guò)形成照明光源波前以減輕系統(tǒng)噪聲來(lái)減小噪聲。29.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，該方法還包括步驟在所述可編程衍射元件或光尋址空間光調(diào)制器中的一個(gè)上，空間多路復(fù)用該相息圖。30.一種視頻顯示組件，包括圖像處理器以及可編程衍射元件，其中該圖像處理器設(shè)置為接收并處理連續(xù)圖像幀以獲得各自的相息圖，并對(duì)該可編程衍射元件編程以連續(xù)重現(xiàn)所述相息圖。31.如權(quán)利要求30所述的顯示組件，其中，該視頻圖像包括時(shí)變圖像和靜止圖像中的至少一種圖像。32.如權(quán)利要求30或31所述的顯示組件，其中，該可編程衍射元件包括空間光調(diào)制器。33.如權(quán)利要求30至32中任一項(xiàng)所述的顯示組件，其中，該可編程衍射元件提供二進(jìn)制量化。34.如權(quán)利要求33所述的顯示組件，其中，該可編程衍射元件包括一個(gè)或更多調(diào)制元件。35.如權(quán)利要求30至32中任一項(xiàng)所述的顯示組件，其中，該可編程衍射元件提供多級(jí)量化。36.如權(quán)利要求30至35中任一項(xiàng)所述的顯示組件，其中，該可編程衍射元件包括向列硅基液晶(LCOS)、電診斷LCOS、變形螺旋LCOS和V形開(kāi)關(guān)LCOS中的任意一種作為可編程部件。37.如權(quán)利要求30至36中任一項(xiàng)所述的顯示組件，其中，該顯示組件還包括與該可編程衍射元件相關(guān)的成像光學(xué)器件。38.如權(quán)利要求30至36中任一項(xiàng)所述的顯示組件，其中，所述成像光學(xué)器件編程至該相息圖中。39.如權(quán)利要求30至38中任一項(xiàng)所述的顯示組件，其中，該處理器包括FFT處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列處理器或數(shù)字信號(hào)處理器中的至少一種。40.一種視頻顯示器，包括如權(quán)利要求30至39中任一項(xiàng)所述的顯示組件以及部分相干照明光源。41.如權(quán)利要求40所述的顯示器，其中，該照明光源設(shè)置為被調(diào)制以提供色彩和/或灰度。42.如權(quán)利要求40或41所述的顯示器，其中，該顯示器還包括照明光源波前形成光學(xué)器件，所述照明光源波前形成光學(xué)器件設(shè)置為形成照明光束以減輕該顯示器中的系統(tǒng)噪聲。43.如權(quán)利要求40至42中任一項(xiàng)所述的顯示器，其中，該顯示器還包括光尋址空間光調(diào)制器(OASLM)。44.如權(quán)利要求43所述的顯示器，其中，該顯示器還包括空間多路復(fù)用光學(xué)器件，所述空間多路復(fù)用光學(xué)器件設(shè)置為將該相息圖空間多路復(fù)用到該OASLM上。45.如權(quán)利要求43所述的顯示器，其中，所述空間調(diào)制光學(xué)器件還設(shè)置為空間多路復(fù)用暫變相息圖。46.如權(quán)利要求40至45中任一項(xiàng)所述的顯示器，其中，該顯示器還包括顯示屏。47.如權(quán)利要求46所述的顯示器，其中，該顯示屏設(shè)置為光學(xué)離軸。48.一種用于如權(quán)利要求30至47中任一項(xiàng)所述的、用以顯示的視頻顯示組件的處理器，其設(shè)置為根據(jù)如權(quán)利要求1至30中任一項(xiàng)所述的方法接收并處理連續(xù)圖像幀。49.一種計(jì)算機(jī)程序，包括設(shè)置為執(zhí)行如權(quán)利要求48所述的處理器的操作的一系列步驟。50.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其構(gòu)造為存儲(chǔ)如權(quán)利要求49所述的計(jì)算機(jī)程序。51.一種顯示視頻圖像的方法，該方法包括以下步驟接收連續(xù)圖像幀至處理器，處理各圖像幀以獲得各自的相位再現(xiàn)，以及將所述相位再現(xiàn)施加至空間光調(diào)制器。52.如權(quán)利要求51所述的方法，其中，該相位再現(xiàn)包括相息圖。53.如權(quán)利要求51所述的方法，其中，該相位再現(xiàn)包括圖像再現(xiàn)，該方法還包括使再現(xiàn)的圖像通過(guò)相襯濾波器的步驟。54.一種視頻顯示組件，包括圖像處理器以及可編程衍射元件，其中，該圖像處理器設(shè)置為接收并處理連續(xù)圖像幀以獲得各自的相位再現(xiàn)，并對(duì)該可編程衍射元件編程以連續(xù)再現(xiàn)所述相位再現(xiàn)。55.如權(quán)利要求54所述的顯示組件，其中，該顯示組件還包括相襯濾波器。56.一種顯示圖像的方法，該方法包括以下步驟接收?qǐng)D像幀至處理器，根據(jù)迭代算法產(chǎn)生相息圖，以及顯示該相息圖的各迭代。57.如權(quán)利要求56所述的方法，其中，該算法為喬思貝格-薩克斯通算法。58.如權(quán)利要求56或57所述的方法，其中，該圖像為視頻圖像。59.一種根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的處理圖像幀以獲得一個(gè)或更多用于顯示或顯示方法的相息圖的方法。60.一種在此參考附圖大體上描述的方法、顯示組件或顯示器。全文摘要一種顯示視頻圖像的方法，該方法包括接收連續(xù)圖像幀至處理器的步驟。處理各圖像幀以獲得相息圖。諸如SLM(206)之類的可編程衍射元件再現(xiàn)相息圖序列，以允許使用合適的照明光束(200，202)進(jìn)行圖像再現(xiàn)(208)。文檔編號(hào)G03H1/22GK1918519SQ200480041744公開(kāi)日2007年2月21日申請(qǐng)日期2004年12月15日優(yōu)先權(quán)日2003年12月15日發(fā)明者威廉·克羅斯蘭,尼爾·科林斯,愛(ài)德華·巴克利,阿德里安·凱布爾,尼古拉斯·勞倫斯,彼得·馬什,蒂莫西·威爾金森申請(qǐng)人:劍橋大學(xué)技術(shù)服務(wù)有限公司