CN113009710B

CN113009710B - 用于在多个平面上形成图像的投影仪

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Publication number: CN113009710B
Application number: CN202011542614.4A
Authority: CN
Inventors: J.克里斯特马斯
Original assignee: Daqri Holographics Ltd
Current assignee: Dualitas Ltd
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2040-12-21
Also published as: TWI820365B; GB2590621B; CN113009710A; GB2590621A; TW202125128A; GB201918966D0; US11736667B2; EP3839639A1; US20210195146A1

Abstract

公开了布置为在设置在公共投影轴上的不同平面上形成多个图像重建的投影仪及相应的方法。全息图引擎布置为确定与用于图像重建的每个图像相对应的全息图，并且对于每个图像形成包括对应全息图的衍射图案。显示引擎布置为显示每个衍射图案并接收光，从而在多个不同平面中的平面上形成与每个全息图相对应的图像重建。每个图像重建包括以图案布置的图像点。在第一平面上形成的第一图像重建的图像点插入在第二平面上形成的第二图像重建的图像点之间。

Description

用于在多个平面上形成图像的投影仪

技术领域

本公开涉及一种投影仪。更具体地，本公开涉及一种全息投影仪、一种全息投影方法以及一种全息投影系统。一些实施例涉及平视显示器和头戴式显示器。一些实施例涉及布置为在设置在公共投影轴上的不同平面上形成多个图像重建的投影仪及相应的方法。

背景技术

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。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，还可以通过相干射线追踪或点云技术来计算计算机生成的全息图。

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。

空间光调制器通常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进制、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。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。

可以使用本文描述的系统来提供全息投影仪。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。

在诸如全息投影仪之类的使用相干光的装置中，可以使用移动漫射器来提高图像质量。

发明内容

本公开的各方面在所附的独立权利要求中定义。

提供了一种投影仪，其布置为在设置在公共投影轴上的不同平面上形成多个图像重建。观看者可以直接观看图像重建。例如，从眼睛盒在基本平行于公共投影轴的方向上观看图像重建。在实施例中，图像重建出现在距观看者相同的距离或深度处。在其他示例中，一些不同的图像重建出现在距观看者不同的距离或深度处。观看者可以将不同的图像重建感知为合成或组合图像。投影仪包括全息图引擎和显示引擎。全息图引擎布置为确定与用于图像重建的每个图像相对应的全息图。全息图引擎还布置为形成衍射图案，其包括用于图像重建的全息图或用于每个图像重建的全息图。显示引擎布置为显示衍射图案并接收光，使得在多个不同平面中的平面上形成与每个全息图相对应的至少一个图像重建。每个图像重建包括以图案布置的图像点(image spots)。在第一平面上形成的第一图像重建的图像点插入在第二平面上形成的第二图像重建的图像点之间。

因此，在第一平面上形成的第一图像重建的图像点在二维—第一和第二平面的(第一和第二)维度(例如x,y)上插入在第二平面上形成的第二图像重建的图像点之间。另外，第一图像重建的图像点在第三维度—公共投影轴(或与之平行)的维度(例如z)上与第二图像重建的图像点在空间上是分开的。可以说，第一图像重建的图像点在三维上在空间上介于第二重建的图像点之间。

可以使用“直接观看”配置来实现本公开的实施例，即观看者直接看着显示装置(例如空间光调制器)的光学配置。在这些实施例中，图像重建未形成在中间屏幕(例如漫射器)上，并且观看者直接从显示装置接收光。在这些情况下，当全息图是傅立叶或菲涅耳全息图时，有时会说观看者眼睛的透镜对显示的全息图执行傅立叶变换。在一些实施例中，在显示装置和观看者之间的自由空间中形成图像重建，并且观看者能够在显示期间将聚焦在这些平面上。

本公开的一些实施例还可以使用“间接视图”配置来实现，其中图像重建形成在一个或多个屏幕上。屏幕可以是可移动的，使得每个图像重建都聚焦在相应的屏幕上。可替代地，可以使用多个可切换屏幕，例如在WO/2015/173556中所述，其中使用液晶以透射或漫射模式分别操作一堆平行的可切换屏幕。仅当在漫射模式下操作相应的屏幕时，图像重建才可见。在一些实施例中，在漫射模式下一次仅操作一个屏幕。在其他实施例中，在漫射模式下同时操作一个以上的屏幕。本领域技术人员将理解，本文描述的一些实施例不适合这种方案。

不论观看配置如何，观看者都可以看到多个不同图像重建的叠加内容。尽管在不同的显示平面上形成了不同的图像重建，但显示平面之间的距离足够小，以至于观看者无法分辨出重建是在公共投影轴上的不同平面上。在实施例中，观看者感知到由同一目标图像的至少第一和第二分量(或部分)图像重建形成的单个合成图像。在一些实施例中，全息投影仪沿其投影轴在不同的回放平面上形成多个全息重建。因此，观看者将图像重建(实际上位于不同平面上)视为“整个”图像。不同的平面足够接近，以使观看者看到似乎已经形成在同一平面上的包括多个二维图像重建的合成图像。可以说，不同的图像重建看起来是共面的。在一些实施例中，该配置使得观看者不被提供改变共面感的任何视觉提示。在一些实施例中，在全息图计算之前处理部分图像中的至少一个，以确保没有不同的深度提示。例如，可以按比例缩放第一平面上的第一图像重建以确保其看起来与实际形成在第二平面上的第二图像重建共面。这种类型的图像处理在图像显示领域的技术人员的能力之内，因此在此不提供图像缩放的详细描述。

每个图像重建包括在相应平面上形成的多个图像点。然而，如果在不同平面上形成的两个或更多个图像重建在其各自的二维平面上的等效空间位置处包括图像点，则可能会出现观看困难。可以说等效空间位置具有与二维坐标系基本相同的坐标(例如x，y)，其中坐标系的原点由公共投影轴的位置(例如在每个平面的中心)限定。特别地，在相同的二维空间位置处但在不同平面上形成的图像点可能不完全可见，因为它们在合成图像中重合或完全重叠。这是平面沿着公共投影轴平行布置的结果。

发明人在此公开了一种方法，该方法涉及插入形成在不同平面上的不同图像重建的图像点。特别地，在第一平面上形成的第一图像重建的图像点插入在第二平面上形成的第二图像重建的图像点之间，并因此在空间上与之分离。因此，在等效的二维空间位置处不会形成不同图像重建的图像点，从而在观看者看到的合成图像中重合或重叠。可以说，不同图像重建的图像点在它们各自的平行图像平面的第一和第二维度(x，y)上是空间分离的，因此在合成二维图像的平面上是空间分离的。此外，不同图像重建的图像点在公共投影轴的第三维度(z)上是空间分离的。因此，观看者能够更清楚地看到合成图像(其看起来形成在单个平面上，但是包括在不同平面上形成的不同图像重建)，如下面进一步描述。本公开解决了图像像素串扰的技术问题，如下面进一步描述。

全息图引擎布置为形成包括与多个图像重建相对应的全息图的衍射图案，其中衍射图案确定图像重建的平面。在一些实施例中，全息图引擎形成包括具有焦距的透镜函数的衍射图案。透镜函数的焦距可能会影响图像重建平面在公共投影轴上的位置(例如沿着投影路径的轴线距空间光调制器的距离，在本文中称为“传播距离”)。

基本同时形成第一图像重建和第二图像重建。在一些实施例中，第一图像重建和第二图像重建同时形成。在其他示例中，第一图像重建和第二图像重建彼此快速连续地形成。

在实施例中，第一图像重建的图像点以第一图案布置，并且第二图像重建的图像点以第二图案布置，其中第一图案与第二图案相反。例如，第一图案可以是第一棋盘图案，第二图案可以是与第一棋盘图案相反的第二棋盘图案。因此，第一图像重建的图像点填充在第二图像重建的图像点之间的间隙中，反之亦然。

投影仪可以布置为通过在以第一图案布置的图像点和以第二图案布置的图像点之间交替来在第一平面上形成图像重建序列。投影仪还可以布置为与在第一平面上形成的图像重建序列同步地通过在以第二图案布置的图像点和以第一图案布置的图像点之间交替来在第二平面上形成图像重建序列。

在一些实施例中，投影仪可以布置为形成单色的图像重建以显示单色图像。在这种情况下，第一图像重建和第二图像重建是具有相同颜色的单色图像重建。

在其他实施例中，投影仪可以布置成形成不同颜色的图像重建，以便显示多色图像。在一些实施例中，在第一/第二平面上的每个图像重建是单色，但在第一/第二平面上形成的图像重建序列中的连续图像重建是不同的颜色。在其他示例中，在第一平面上形成的第一图像重建和在第二平面上基本同时形成的第二图像重建可具有不同的颜色。在这些示例中，在任何时间点，在第一平面上形成的图像点的颜色与在第二平面上形成的图像点的颜色不同。

在实施例中，第一图像重建是第一全息重建，第二图像重建是第二全息重建。因此，第一平面是第一回放平面，第二平面是第二回放平面。

在一些实施例中，投影仪还包括图像处理引擎。图像处理引擎布置为接收多个源图像。图像处理引擎还布置为根据选自多个不同采样方案的采样方案来处理每个源图像，以便减少在每个回放平面上形成的图像像素数量。由显示引擎形成的每个图像重建的图像点的图案由相应的采样方案确定。与第一图像重建相关的第一采样方案不同于与第二图像重建相关的第二采样方案，使得在第一平面上形成的第一图像的图像点插入在第二平面上形成的第二图像的图像点之间。

通过根据采样方案对每个源图像进行采样，可以计算全息图以形成图像重建，其包括以图案布置的图像的图像点的组或子集。因此，可以增加在每个回放平面上形成的图像点图案中图像点之间的间隔。

从下面可以理解根据本公开的技术进步。值得注意地，本公开的一些实施例涉及空间/深度上的隔行扫描，以便解决全息图像中的像素串扰的问题。已经发现，同时形成相邻的紧密间隔的图像点(即在图像点阵列中)会引起像素串扰或像素间干扰，从而降低图像质量。根据本公开的实施例，通过增加回放场上的图像点之间的间隔来减少或甚至消除像素串扰。然而，通过将图像点插入第二全息回放平面上来保持全息图像的感知分辨率。第一平面上的图像像素不干扰第二平面上的图像点。在第一平面上的第一全息重建包括以第一棋盘图案布置的图像点，在第二平面上的第二全息重建包括以第二棋盘图案布置的图像点。第一棋盘图案与第二棋盘图案互补。在第一全息重建的图像点之间感知到第二全息重建的图像点，使得没有明显的分辨率损失。然而，全息图像中的像素间串扰减少了。

形成用于投影的源图像的第一棋盘和第二棋盘。例如，可以根据包括第一棋盘图案和第二棋盘图案的采样方案对源图像的图像像素进行采样，以导出源图像的第一和第二棋盘。可以计算单个全息图，其同时形成第一棋盘和第二棋盘的图像重建。单个全息图可以是双平面全息图，例如菲涅耳全息图或使用双平面Gerchberg-Saxton算法计算出的双平面全息图。可替代地，第一全息图通道可以用于在第一平面上形成第一棋盘的第一图像重建，第二全息图通道可以用于在第二平面上形成第二棋盘的第二图像重建。第一全息投影通道和第二全息投影通道可以基本共线。第一图像重建和第二图像重建形成在相同的投影轴上。第一重建和第二重建的图像点可以是相同的颜色。每个重建可以由从第一红色、绿色和蓝色全息投影通道形成的红色、绿色和蓝色图像像素构成。

值得注意地，在一些实施例中，使用相同的全息图(例如菲涅耳全息图)或使用每种颜色的两个全息投影通道或通过同时显示在每个单色空间光调制器上的两个不同的全息图(例如与不同透镜函数结合的两个不同的傅立叶全息图)，同时形成多个全息回放场(在不同的回放平面上)。

图像处理引擎可以布置为在根据采样方案进行处理之前放大源图像。图像处理引擎可以布置为在形成第一和第二棋盘中的一个之前改变(可选地放大的)源图像的尺寸，使得第一和第二图像重建看起来形成在相同的平面上(即在与观看者相同的深度处)，即使它们形成在不同的平面上。

在一些实施例中，第一采样方案包括根据第一棋盘图案使替代像素值无效，并且第二采样方案包括根据第二棋盘图案使替代像素值无效，其中第一棋盘图案与第二棋盘图案相反。因此，根据第一和第二采样方案，对行/列的每隔一个像素值进行采样并且剩余像素值为零。

在一些实施例中，每个采样方案包括对多个采样窗口位置处的采样窗口内的像素值求平均。例如，平均可以是基于像素在采样窗口内的位置的加权平均。例如，赋予各个采样窗口中的每个像素值的加权随着距采样窗口的中心的距离而减小。在一些示例中，第一采样方案包括第一组采样窗口位置，第二采样方案包括第二组采样窗口位置，其中第一组采样窗口位置与第二组采样窗口位置对角地偏移。第一组采样窗口位置可以与第二组采样窗口位置部分重叠。

在其他实施例中，全息图引擎布置为形成具有相位斜坡函数的衍射图案。与第一图像重建相关的第一相位斜坡函数的斜坡梯度不同于与第二图像重建相关的第二相位斜坡函数的斜坡梯度，以便在第一图像重建的图像点相对于第二图像重建的图像点之间提供位移。因此，不同的第一和第二斜坡梯度使得第一图像重建的图像点相对于第二图像重建的图像点能够在空间上移位。在这样的实施例中，可能不需要源图像的子采样。在示例中，第一相位斜坡函数的斜坡梯度与第二相位斜坡函数的斜坡梯度之间的差使得在第一平面上形成的第一图像的图像点插入在第二平面上形成的第二图像的图像点之间。

还提供了包括本文公开的投影仪的平视显示器。

还提供了使用本文公开的投影仪进行全息投影的方法。

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“回放场”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，则回放场将以多个衍射级的形式重复，其中每个衍射级是零级回放场的副本。零级回放场通常对应于优选或主要回放场，因为它是最亮的回放场。除非另有明确说明，否则术语“回放场”应被认为是指零级回放场。术语“回放平面”用于指代包含所有回放场的空间中的平面。术语“图像”、“回放图像”和“图像区域”指的是通过全息重建的光照射的回放场的区域。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，被称为“图像像素”。图像点是在回放场中形成的光点。因此，术语“图像点”和“图像像素”指的是形成在回放平面上的回放场中的构成全息重建的离散点或光点。如本领域技术人员将理解的，每个图像点或图像像素代表形成在回放平面上的全息重建的最小可分辨元素。

术语“编码”、“写入”或“寻址”用于描述向SLM的多个像素提供分别确定每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。

已经发现，可以从仅包含与原始物体的傅立叶变换有关的相位信息的“全息图”形成可接受质量的全息重建。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图。

本公开也同样适用于使用与原始物体的傅立叶变换有关的振幅和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。

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，作为“相位延迟”的简写。即，所描述的任何相位值实际上是代表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。

因此，全息图包括灰度级阵列，即光调制值阵列，比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比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回放平面上平移回放场，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回放平面上。

在下面的描述中，术语“图像”在本文中用来指期望的图像(也称为“目标图像”，其可以从“源图像”导出)。术语“图像重建”是指在平面上重建期望图像或目标图像。因此，在全息显示装置的上下文中，术语“图像重建”是指“全息重建”。当涉及在平面上形成的图像时，术语“图像”在本文中还可以用作“图像重建”的简写。如前所述，“图像重建”可以包括称为“图像点”或“图像像素”的离散点或光点的图案。

术语“显示事件”通常是指在显示平面上形成单个图像重建的时间间隔。在本文所述的全息显示装置的上下文中，这对应于显示写入到空间光调制器的单个全息图的时间间隔。显示事件可以对应于视频图像的帧或子帧的显示。在下面的描述中，术语“显示事件”还用于指基本同时在多个平面上同步地形成多个图像重建的时间间隔。

尽管可以在随后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，设想了本公开中公开的特征的所有可能的组合和置换。

附图说明

仅参考以下附图以示例的方式描述特定实施例：

图1是示出在屏幕上产生全息重建的反射式SLM的示意图；

图2A示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第一次迭代；

图2B示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第二次迭代和后续迭代；

图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的替代性第二次和后续迭代。

图3是反射型LCOS SLM的示意图。

图4A示出了在相对于观看者布置的沿着公共投影轴设置的各个平面上形成的多个图像重建的示例，图4B示出了由观看者看到的包括图4A的多个图像重建的合成图像；

图5A示出了根据实施例的第一图像重建的图像点的第一图案，图5B示出了第二图像重建的图像点的第二图案；

图6示出了在第一平面上形成的图5A的第一图像重建和在第二平面上形成的图5B的第二图像重建；

图7示出了由观察者看到的包括图6的第一和第二图像重建的合成图像；

图8A至图8C示出了根据实施例的第一和第二图像重建的示例序列，包括在相应的第一和第二平面上形成的图像点的变化图案；以及

图9是示出根据实施例的全息投影系统的示意图。

在整个附图中将使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。

具体实施方式

本发明不限于以下描述的实施例，而是扩展到所附权利要求的全部范围。即，本发明可以以不同的形式实施，并且不应被解释为限于所描述的实施例，实施例出于说明的目的而阐述。

除非另有说明，否则单数形式的术语可以包括复数形式。

被描述为形成在另一结构的上部/下部或者在另一结构之上/之下的结构应被解释为包括结构彼此接触的情况以及在其之间设置有第三结构的情况。

在描述时间关系时，例如当事件的时间顺序描述为“之后”、“随后”、“下一个”、“之前”等时，本公开应被认为包括连续和非连续事件，除非另有规定。例如，描述应被认为除非使用诸如“仅”、“紧邻”或“直接”之类的措词否则包括不连续的情况。

尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分各个元件。例如，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，类似地，第二元件可被称为第一元件。

不同实施例的特征可以部分或整体地彼此耦合或组合，并且可以彼此不同地互操作。一些实施例可以彼此独立地执行，或者可以以相互依存的关系一起执行。

光学配置

图1示出了其中计算机生成的全息图被编码在单个空间光调制器上的布置。计算机生成的全息图是对用于重建的物体的傅立叶变换。因此可以说全息图是物体的傅立叶域或频域或光谱域表示。在该布置中，空间光调制器是反射型硅基液晶“LCOS”器件。全息图在空间光调制器上编码，并且在回放场(例如，比如屏幕或漫射器的光接收表面)处形成全息重建。在替代布置中，根据本公开，观看者直接看着显示全息图的空间光调制器，并且省略了光接收表面。相反，全息重建形成在自由空间中的位置处，或者全息重建形成在观看者眼睛的视网膜上。

设置光源110，例如激光或激光二极管，以经由准直透镜111照射SLM140。准直透镜使光的大致平面波前入射在SLM上。在图1中，波前的方向是偏离法线的(例如，与真正垂直于透明层的平面相距两或三度)。然而，在其他布置中，大致平面波前以法向入射提供，并且分束器布置用于分离输入和输出光路。在图1所示的布置中，来自光源的光从SLM的镜面后表面反射并与光调制层相互作用以形成出射波前112。出射波前112被施加到包括傅立叶变换透镜120的光学器件，其焦点位于屏幕125上。更具体地，傅立叶变换透镜120接收来自SLM140的调制光束，并执行频率-空间变换以在屏幕125上产生全息重建。

值得注意的是，在这种类型的全息图中，全息图的每个像素都有助于整个重建。回放场上的特定点(或图像像素)与特定的光调制元件(或全息图像素)之间没有一对一的相关性。换句话说，离开光调制层的调制光分布在整个回放场上。

在这些布置中，全息重建在空间中的位置由傅立叶变换透镜的屈光度(聚焦)确定。在图1所示的布置中，傅立叶变换透镜是物理透镜。即，傅立叶变换透镜是光学傅立叶变换透镜，并且傅立叶变换是光学进行的。任何透镜都可以充当傅立叶变换透镜，但透镜的性能将限制其执行的傅立叶变换的准确性。技术人员理解如何使用透镜来执行光学傅立叶变换。

全息图计算

在一些实施例中，计算机生成的全息图是傅立叶变换全息图，或者简单地是傅立叶全息图或基于傅立叶的全息图，其中通过利用正透镜的傅立叶变换特性在远场中重建图像。通过将回放平面中的所需光场傅立叶变换回透镜平面来计算傅立叶全息图。可以使用傅立叶变换来计算计算机生成的傅立叶全息图。在实施例中，全息图引擎用于使用任何合适的技术或算法来计算计算机生成的全息图。下面描述用于计算计算机生成的全息图的算法的示例。

可以使用算法(比如Gerchberg-Saxton算法)来计算傅立叶变换全息图。此外，Gerchberg-Saxton算法可用于根据空间域(比如照片)中的纯振幅信息来计算傅立叶域中的全息图(即傅立叶变换全息图)。从空间域中的纯振幅信息中有效地“检索”与物体有关的相位信息。在一些实施例中，使用Gerchberg-Saxton算法或其变型从纯振幅信息计算计算机生成的全息图。

Gerchberg-Saxton算法考虑了当已知分别在平面A和B中的光束的强度截面I_A(x,y)和I_B(x,y)并且I_A(x,y)和I_B(x,y)通过单个傅立叶变换关联时的情况。对于给定的强度横截面，求出了平面A和B中的相位分布的近似值，分别为Ψ_A(x,y)和Ψ_B(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程来找到该问题的解决方案。更具体地，Gerchberg-Saxton算法迭代地应用空间和频谱约束，同时在空间域和傅立叶(频谱或频率)域之间重复传输代表I_A(x,y)和I_B(x,y)的数据集(振幅和相位)。通过算法的至少一次迭代获得频谱域中的相应计算机生成的全息图。该算法是收敛的并且布置为产生表示输入图像的全息图。全息图可以是纯振幅全息图、纯相位全息图或全复数全息图。

在一些实施例中，仅基于相位的全息图是使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法来计算的，比如在英国专利2498170或2501112中描述的，其全部内容通过引用结合于此。然而，本文公开的实施例仅通过示例的方式描述计算纯相位全息图。在这些实施例中，Gerchberg-Saxton算法检索数据集的傅立叶变换的相位信息Ψ[u,v]，其产生已知的振幅信息T[x,y]，其中振幅信息T[x,y]代表目标图像(例如照片)。由于幅度和相位在傅立叶变换中是固有组合的，因此变换后的幅度和相位包含有关计算数据集的准确性的有用信息。因此，该算法可以与振幅和相位信息的反馈一起迭代地使用。然而，在这些实施例中，纯相位信息Ψ[u,v]用作全息图，以在图像平面上形成目标图像的全息表示。全息图是相位值的数据集(例如2D阵列)。

在其他实施例中，基于Gerchberg-Saxton算法的算法用于计算全复数全息图。全复数全息图是具有幅度分量和相位分量的全息图。全息图是包括复数数据值阵列的数据集(例如2D阵列)，其中每个复数数据值包括幅度分量和相位分量。

在一些实施例中，算法处理复数数据，并且傅立叶变换是复数傅立叶变换。可以将复数数据视为包括(i)实数分量和虚数分量，或(ii)幅度分量和相位分量。在一些实施例中，复数数据的两个分量在算法的各个阶段被不同地处理。

图2A示出了根据一些实施例的用于计算纯相位全息图的算法的第一次迭代。算法的输入是包括像素或数据值的2D阵列的输入图像210，其中每个像素或数据值是幅度或振幅值。即，输入图像210的每个像素或数据值不具有相位分量。因此，输入图像210可被视为纯幅度或纯振幅或仅强度分布。这样的输入图像210的示例是照片或包括帧时间序列的视频的一帧。算法的第一次迭代从数据形成步骤202A开始，该步骤包括使用随机相位分布(或随机相位种子(seed))230将随机相位值分配给输入图像的每个像素，以形成起始复数数据集，其中数据集的每个数据元素包括幅度和相位。可以说，起始复数数据集代表了空间域中的输入图像。

第一处理块250接收起始复数数据集并执行复数傅立叶变换以形成傅立叶变换的复数数据集。第二处理块253接收傅立叶变换的复数数据集并输出全息图280A。在一些实施例中，全息图280A是纯相位全息图。在这些实施例中，第二处理块253量化每个相位值并将每个振幅值设置为1，以便形成全息图280A。根据可以在空间光调制器的像素上表示的相位水平来量化每个相位值，该空间光调制器的像素将用于“显示”纯相位全息图。例如，如果空间光调制器的每个像素提供256个不同的相位水平，则将全息图的每个相位值量化为256个可能相位水平中的一个相位水平。全息图280A是代表输入图像的纯相位傅立叶全息图。在其他实施例中，全息图280A是全复数全息图，其包括从接收的傅立叶变换的复数数据集导出的复数数据值(每个包括振幅分量和相位分量)阵列。在一些实施例中，第二处理块253将每个复数数据值约束到多个可允许复数调制水平之一以形成全息图280A。约束步骤可以包括将每个复数数据值设置为复数平面中最接近的可允许复数调制水平。可以说全息图280A代表频谱域或傅立叶域或频域中的输入图像。在一些实施例中，算法在该点处停止。

然而，在其他实施例中，算法继续，如图2A中的虚线箭头所示。换句话说，遵循图2A中的虚线箭头的步骤是可选的(即并非对所有实施例都是必不可少的)。

第三处理块256从第二处理块253接收修改的复数数据集，并执行逆傅立叶变换以形成逆傅立叶变换的复数据集。可以说逆傅立叶变换的复数数据集代表空间域中的输入图像。

第四处理块259接收逆傅立叶逆变换的复数数据集，并提取幅度值211A的分布和相位值213A的分布。可选地，第四处理块259评估幅度值211A的分布。具体地，第四处理块259可以将逆傅立叶变换的复数数据集的幅度值211A的分布与输入图像510进行比较，输入图像510本身当然是幅度值的分布。如果幅度值211A的分布与输入图像210之间的差足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是可接受的。即，如果幅度值211A的分布与输入图像210之间的差足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是输入图像210的足够准确表示。在一些实施例中，为了比较的目的，忽略了逆傅立叶变换的复数数据集的相位值213A的分布。将理解的是，可以采用任何数量的不同方法来比较幅度值211A的分布和输入图像210，并且本公开不限于任何特定方法。在一些实施例中，计算均方差，并且如果均方差小于阈值，则认为全息图280A是可接受的。如果第四处理块259确定全息图280A是不可接受的，则可以执行算法的进一步迭代。然而，该比较步骤不是必需的，并且在其他实施例中，执行的算法的迭代次数是预定的或预设的或用户定义的。

图2B表示算法的第二次迭代以及算法的任何进一步迭代。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布，优先考虑输入图像210的幅度值的分布。在第一次迭代中，数据形成步骤202A通过将输入图像210的幅度值的分布与随机相位分布230相结合来形成第一复数数据集。然而，在第二次和后续迭代中，数据形成步骤202B包括通过将(i)来自算法的先前迭代的相位值213A的分布与(ii)输入图像210的幅度值的分布相结合来形成复数数据集。

然后，以参照图2A描述的相同方式处理由图2B的数据形成步骤202B形成的复数数据集，以形成第二次迭代全息图280B。因此，此处不再重复对该过程的说明。当已经计算了第二次迭代全息图280B时，算法可以停止。然而，可以执行该算法的任何数量的进一步迭代。将理解的是，仅在需要第四处理块259或需要进一步的迭代时才需要第三处理块256。输出全息图280B通常随着每次迭代而变得更好。然而，实际上，通常会达到一个无法观察到可测量的改进的点，或者执行进一步迭代的正面好处被额外的处理时间所带来的负面影响抵消。因此，该算法被描述为迭代和收敛的。

图2C表示第二次和后续迭代的替代实施例。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布优先考虑幅度值的替代分布。在该替代实施例中，幅度值的替代分布是从先前迭代的幅度值211的分布中得出的。具体地，处理块258从先前迭代的幅度值211的分布中减去输入图像210的幅度值的分布，通过增益因子α缩放该差，并从输入图像210中减去经缩放的差。这在数学上通过以下等式来表达，其中下标文本和数字表示迭代次数：

R_n+1[x,y]＝F'{exp(iψ_n[u,v])}

ψ_n[u,v]＝∠F{η·exp(i∠R_n[x,y])}

η＝T[x,y]-α(|R_n[x,y]|-T[x,y])

其中：

F'是逆傅立叶变换；

F是正向傅立叶变换；

R[x,y]是第三处理块256输出的复数数据集；

T[x,y]是输入或目标图像；

∠是相位分量；

Ψ是纯相位全息图280B；

η是幅度值211B的新分布；以及

α是增益因子。

增益因子α可以是固定的或可变的。在一些实施例中，基于输入目标图像数据的大小和速率来确定增益因子α。在一些实施例中，增益因子α取决于迭代次数。在一些实施例中，增益因子α仅是迭代次数的函数。

在所有其他方面，图2C的实施例与图2A和图2B的实施例相同。可以说，纯相位全息图Ψ(u,v)包括频域或傅立叶域中的相位分布。

在一些实施例中，使用空间光调制器执行傅立叶变换。具体地，全息图数据与提供光焦度的第二数据组合。即，写入空间光调制的数据包括表示物体的全息图数据和表示透镜的透镜数据。当显示在空间光调制器上并用光照射时，透镜数据会模拟物理透镜，即，它以与相应物理光学元件相同的方式将光聚焦。因此，透镜数据提供了光或聚焦度。在这些实施例中，可以省略图1的物理傅立叶变换透镜120。已知如何计算代表透镜的数据。代表透镜的数据可以称为软件透镜。例如，纯相位透镜可以通过计算由透镜的每个点由于其折射率和空间变化的光路长度而引起的相位延迟来形成。例如，在凸透镜的中心的光路长度大于在透镜的边缘的光路长度。纯振幅透镜可以由菲涅耳波带片形成。在计算机生成的全息术领域中，还已知如何将代表透镜的数据与全息图相结合，从而可以在不需要物理傅立叶透镜的情况下执行全息图的傅立叶变换。在一些实施例中，通过简单的加法(比如简单的矢量加法)将透镜化数据与全息图组合。在一些实施例中，物理透镜与软件透镜结合使用以执行傅立叶变换。可替代地，在其他实施例中，完全省略傅立叶变换透镜，使得全息重建在远场中发生。在进一步的实施例中，全息图可以以相同的方式与光栅数据组合，即布置成执行光栅函数(比如图像转向)的数据。同样，在本领域中已知如何计算这样的数据。例如，可以通过对由闪耀光栅的表面上的每个点引起的相位延迟进行建模来形成纯相位光栅。纯振幅光栅可以与纯振幅全息图简单地叠加以提供全息重建的角度转向。提供透镜化和/或转向的第二数据可被称为光处理函数或光处理图案，以与全息图数据区分开，全息数据可被称为图像形成函数或图像形成图案。

在一些实施例中，傅立叶变换由物理傅立叶变换透镜和软件透镜联合执行。即，由软件透镜提供有助于傅立叶变换的一些光焦度，而由一个或多个物理光学器件提供有助于傅立叶变换的其余光焦度。

在一些实施例中，提供了一种实时引擎，其布置为使用算法接收图像数据并实时计算全息图。例如，图像处理引擎可以接收和处理与期望或目标图像相对应的源图像，并且全息图引擎可以计算与由图像处理引擎输出的图像相对应的全息图。在一些实施例中，图像数据是包括图像帧序列的视频。在其他实施例中，全息图被预先计算，存储在计算机存储器中并且根据需要被调出以显示在SLM上。即，在一些实施例中，提供了预定全息图的储存库。

实施例仅通过示例的方式涉及傅立叶全息术和Gerchberg-Saxton类型算法。一些实施例涉及同时在多个平面上形成重建的全息图。这样的全息图可以是菲涅耳全息图或使用多平面Gerchberg-Saxton算法计算的全息图。本公开还适用于通过其他技术(例如基于点云方法的技术)计算的全息图。

光调制

可以使用空间光调制器来显示包括计算机生成的全息图的衍射图案。例如，衍射图案可以包括表示期望图像的全息图，以及可选地确定图像重建的位置的软件透镜等(例如光栅/相位斜坡函数)，如本文所述。如果全息图是纯相位全息图，则需要调制相位的空间光调制器。如果全息图是全复数全息图，则可以使用调制相位和振幅的空间光调制器，或者可以使用调制相位的第一空间光调制器和调制振幅的第二空间光调制器。

在一些实施例中，空间光调制器的光调制元件(即像素)是包含液晶的单元。即，在一些实施例中，空间光调制器是其中光学活性成分是液晶的液晶装置。每个液晶单元配置为选择性地提供多个光调制水平。即，每个液晶单元在任何时候配置为以从多个可能光调制水平中选择的一个光调制水平操作。每个液晶单元可动态地重新配置为与多个光调制水平不同的光调制水平。在一些实施例中，空间光调制器是反射型硅基液晶(LCOS)空间光调制器，但本公开不限于这种类型的空间光调制器。

LCOS装置在小孔径(aperture)(例如几厘米宽)内提供密集的光调制元件或像素阵列。像素通常约为10微米或更小，这导致几度的衍射角，意味着光学系统可以是紧凑的。充分照射LCOS SLM的小孔径比其他液晶装置的大孔径要容易得多。LCOS装置通常是反射型的，这意味着驱动LCOS SLM像素的电路可以埋在反射表面下。结果导致更高的孔径比。换句话说，像素紧密堆积，这意味着像素之间几乎没有死角。这是有利的，因为它减少了回放场中的光学噪声。LCOS SLM使用硅底板，其优点是像素在光学上是平坦的。这对于相位调制装置特别重要。

下面仅以举例的方式，参考图3来描述合适的LCOS SLM。使用单晶硅基板302形成LCOS器件。其具有方形的平面铝电极301的2D阵列，其布置在基板的上表面上间隔开间隙301a。可以通过掩埋在基板302中的电路302a来对每个电极301进行寻址。每个电极形成各自的平面镜。取向层303设置在电极阵列上，液晶层304设置在取向层303上。第二取向层305设置在例如由玻璃制成的平面透明层306上。例如由ITO制成的单个透明电极307设置在透明层306和第二取向层305之间。

每个方形电极301与透明电极307的覆盖区域和中间液晶材料一起限定可控的相位调制元件308，通常称为像素。考虑到像素301a之间的空间，有效像素面积或填充因子是光学上活性的总像素的百分比。通过控制相对于透明电极307施加到每个电极301的电压，可以改变各个相位调制元件的液晶材料的特性，从而为入射在其上的光提供可变延迟。效果是向波前提供纯相位调制，即不发生振幅效果。

所描述的LCOS SLM以反射方式输出空间调制的光。反射型LCOS SLM具有的优势在于，信号线、栅线和晶体管位于镜面之下，这导致了高填充因子(通常大于90％)和高分辨率。使用反射型LCOS空间光调制器的另一优势在于，液晶层的厚度可以是使用透射型装置时所需厚度的一半。这大大提高了液晶的切换速度(投影运动视频图像的关键优势)。然而，可以使用透射型LCOS SLM同样地实现本公开的教导。

在多个平面上形成多个图像重建

图4A示出了相对于观看者400布置的在不同平面处形成的多个四个目标图像(即图像重建)的示例。特别地，第一图像“A”形成在第一平面“P1”处，第二图像“B”形成在第二平面“P2”处，第三图像“C”形成在第三平面“P3”处，第四图像“D”形成在第四平面“P4”处。平面P1至P4沿着公共投影轴(未示出)设置在不同的位置。因此，平面P1至P4布置成彼此平行并且垂直于投影轴，其延伸穿过每个平面P1至P4的中心。第一平面P1沿着投影轴距空间光调制器(未示出)的距离最大，而第四平面P4沿着投影轴距空间光调制器的距离最小。图4B示出了观看者感知的合成图像，其包括图4A的第一图像A、第二图像B、第三图像C和第四图像D。可以调整第二图像B、第三图像C和第四图像D的尺寸，以避免引起任何深度感。为了便于说明，多个图像A至D形成在它们各自的二维平面中的空间分离位置(即x，y坐标位置)，使得图像在观看者看到的合成图像中不重合或重叠。在其他示例中，多个图像可以形成在它们各自平面中适当的位置，使得它们在观看者看到的合成图像中彼此相邻，但至少不重叠。

如上所述，当空间光调制器显示全息图时，在至少一个平面上形成全息图重建(即图像重建)，其中，每个图像重建包括图像点或图像像素。特别地，以阵列布置的一组图像点可以选择性地形成在至少一个回放平面上。

发明人已经发现，可以通过在不同平面上形成(即显示)其图像点的不同组或子集来改善图像重建的质量。特别地，可以通过空间复用图像点的不同组或子集的显示来改善图像质量。图像点阵列的不同子集形成在不同平面上。特别地，每个平面上的相邻图像点比完整可感知的图像点阵列中的相邻图像点间隔更宽。快速连续或基本同时地以在不同平面上具有较少且较宽间隔的图像点的图案显示图像点的不同子集可改善图像质量。例如，具有相反的棋盘图案的图像点阵列可以显示在不同平面上。该方法避免了在同一平面上形成相邻紧密间隔(即在图像重建的图像点阵列中)的图像点，并且结果发现减少了像素串扰或像素间干扰，从而提高了图像质量。由于目标图像的所有图像点都被人眼感知，因此显示图像点子集不会导致图像质量下降。因此，观看者可以看到全分辨率图像重建。

根据本公开的实施例，基本同时地在不同平面上同步地形成多个图像重建。图5至7示出了根据实施例的在不同平面上形成的相同目标图像的图像点子集的显示的示例，每个平面以棋盘图案布置。本公开不限于使用以棋盘图案布置的图像点的图案。相反，如本文所述，使得能够插入图像点的图像点的各种其他图案是可能的并且可以预期的。

图5A示出了第一图像重建的第一图像点，图5B示出了第二图像重建的第二图像点。第一图像点包括以第一图案布置的图像点的子集，第二图像点包括以第二图案布置的图像点的子集。在所示的示例中，可以由回放场中的空间光调制器形成的一组图像点是图像点的5×5阵列(即第一图像点和第二图像点的组合)。应当理解，实际上，空间光调制器形成包括更加大得多的图像点阵列的图像重建。另外，应理解，在图5A和图5B中未示出图像点的值，例如这意味着，所示出的一些图像点可能具有零值并且因此可能不会在图像重建中显示为光斑。

图5A的图像点的第一图案包括第一棋盘图案，图5B的图像点的第二图案包括第二棋盘图案，其中第一图案与第二棋盘图案相反(即相逆)。例如，第一图案包括以第一棋盘图案(例如对应于棋盘的黑色方块)布置的图像点的第一子集，第二图案包括以第二(相反)棋盘图案(例如对应于棋盘的白色方块)布置的图像点的第二子集。因此，第一和第二图案中的每个包括图像点阵列中的减少数量的图像点(即图像点的5×5阵列的子集)。

根据实施例，在各自的第一和第二平面处同步地形成同一目标图像的第一和第二图像重建，如图6和图7所示。特别地，基本同时形成第一和第二图像重建，使得它们被人眼感知为共面。可以基于第一和第二平面之间的距离，将用于计算第一和第二全息图之一的图像的大小调整一定量，以使第一和第二图像重建看起来是共面的。第一和第二图像重建同时形成或显示(例如通过在相同或不同空间光调制器的相应第一和第二阵列上基本同时同步地显示各自的第一和第二单平面全息图，或者在空间光调制器上显示双平面全息图)。

如图6所示，第一图像点601形成在第一平面P1上，第二图像点602形成在第二平面P2上，其中第一平面P1和第二平面P2沿公共投影轴(未示出)平行布置。由于第一和第二图像点中的每个都包括以棋盘图案布置的同一目标图像的图像点的子集，因此相应平面上的相邻图像点之间的间距增加了两倍(即与5x5阵列的相邻图像点之间的间距相比)。此外，由于第一图像点601和第二图像点602以相反的棋盘图案布置，所以当观看合成图像时，第二图像点602插入在第一图像点601之间。可以说第二图像点602填充在合成二维图像中的第一图像点601之间的间隙中。特别地，如图6所示，在第二平面P2上形成的第二图像点602的图像点621在位置623处插入在第一平面P1上形成的三个第一图像点601之间。因此，形成在第一平面P1上的第一图像重建的第一图像点601与形成在第二平面P2上的第二图像重建的第二图像点602在空间上分开并且介于第二图像点602之间。可以说，第一图像点601和第二图像点602的坐标位置(由它们各自平面的二维坐标系(x，y)定义)彼此错开或偏移，从而第一和第二图像点被插入并在空间上分开。图7示出了合成图像，包括图6的形成在平面P1上的第一图像重建的第一图像点601和形成在平面P2上的第二图像重建的第二图像点602，如观察者所见。

提供了一种图像投影方法，该方法用于在设置在公共投影轴上的不同平面上形成多个图像重建。该方法包括确定对应于用于图像重建的目标图像的至少一个全息图。该方法还包括形成包括相应全息图的衍射图案。该方法包括使用显示引擎显示每个衍射图案。该方法还包括用光照射显示引擎，并在多个不同平面中的平面上形成与每个全息图相对应的图像重建，其中每个图像重建包括以图案布置的图像点，并且其中在第一平面上形成的第一图像重建的图像点插入在第二平面上形成的第二图像重建的图像点之间。

因此，公开了在三维的不同平面上形成的二维图像重建的图像点的空间插入或交错—在投影轴的方向上延伸。三维中的图像点的空间插入原理可以应用于相同颜色的图像点(例如在形成单色图像的情况下)和不同颜色的图像点(例如在形成多色(全色)图像的情况下)。示例如下所述。

用于棋盘格的全息图计算

在以上参考图5至7描述的实施例中，每个图像重建包括以棋盘图案布置的单个期望或目标图像的图像点的子集。这在本文中被称为“棋盘格”。在空间光调制器上的单个时间点显示的单独全息图(例如在不同平面上具有相反的棋盘格图案的双平面全息图形成的图像点)重建完整的目标图像但跨越两个平面。可替代地，两个单独的全息图(例如形成在相应平面上具有相反的棋盘格图案的图像点的一对全息图)可以一起在两个平面上重建完整的目标图像。可以说，与目标图像的部分图像重建相对应的图像点的子集形成在每个平面上。用于计算形成目标图像的部分图像重建的全息图的各种技术是可能的。下面描述使用棋盘格方法的示例，其中每个单独的全息图代表以棋盘图案布置的目标图像的图像点的子集，如上所述。

棋盘格

特别地，包括源图像的图像数据可以由图像处理引擎接收和处理，该源图像表示期望或目标图像。在一些示例中，源图像可以是用于处理的图像。图像处理引擎可以处理(例如子采样)图像以生成一对副图像。子采样可以基于棋盘图案。可以通过选择第一棋盘图案中的图像的每隔一个图像像素并且使其余像素为零(即以“零”填充其余像素)来生成第一副图像。可以通过选择第二棋盘图案中的图像的每隔一个图像像素并且使其余像素为零(即用“零”填充其余像素)来生成第二副图像，其中第一棋盘图案与第二棋盘相反，反之亦然。因此，第一副图像包括图像像素的第一子集，第二副图像包括图像像素的第二子集，其中第一和第二子集不重叠并且一起形成图像像素集。

在本公开的一些实施例中，基于期望或目标图像的所有图像像素来计算单个全息图。单个全息图形成第一和第二图像重建，其包括具有棋盘图案的图像点的相应子集(每个平面上一个子集)，它们被感知为以阵列布置的目标图像的完整重建。在其他实施例中，计算一对全息图，其中每个全息图是基于目标图像的图像像素的子集来计算的。因此，第一和第二全息图形成相应的第一和第二图像重建，其包括在相应平面上具有棋盘图案的图像点的相应子集。像素的每个子集包括减少数量的像素。可以使用基于棋盘格图案的采样方案来确定像素的子集。特别地，用于棋盘格的采样方案选择(或子采样)图像的每隔一个图像像素，使得图像像素的数量减少两倍。每个平面上的每个图像重建都包括形成目标图像的部分图像重建的图像点的子集。借助于棋盘格方法，每个平面上的阵列中的图像点之间的间距增加了两倍。然而，感知的合成图像重建的空间分辨率(即图像点的密度)并未减小两倍。

在一些实施例中，每个全息图是包括在衍射图案中的傅立叶全息图，其中该傅立叶全息图与确定回放场的投影轴上的位置的透镜函数重叠。在这些实施例中，叠加有第一全息图的透镜函数不同于叠加有第二全息图的透镜函数。第一平面上的第一图像重建和第二平面上的第二图像重建可以是相同颜色或不同颜色。在这些实施例中，每种颜色可以提供两个全息投影通道。例如，第一红色全息投影通道可用于在第一平面上形成第一红色图像重建，并且第二红色全息投影通道可用于形成第二红色图像重建。在一些实施例中，在投影轴上的多个平面上形成红色、绿色和蓝色图像重建。

观看者看到对应于组合的第一和第二部分图像重建的每个目标图像的单个完整图像重建。因此，投影图像看起来是目标图像的忠实且完整的重建。

如本文所述，以上技术可以用于计算要显示在沿着公共投影轴设置的多个平面中的不同平面上的每个目标图像的全息图。

用于插入图像点的相位斜坡函数

在使用不同全息投影通道以在不同平面上形成多个全息重建的其他实施例中，通过添加相位斜坡或软件光栅函数以使(部分)图像重建相对彼此转换，目标图像的第一(部分)图像重建的图像点看起来介于目标图像的第二(部分)图像重建的图像点之间。在使用不同全息投影通道的其他实施例中，应用不同的相位斜坡函数，使得一个图像重建的图像点被插入(感知为)另一图像重建的图像点之间。这有助于防止形成在同一平面上的相邻图像点之间的任何重叠(即它减少或防止“像素串扰”或“像素间干扰”)。相邻图像点或图像像素在同一平面上的重叠可能会产生干扰，这对观看者而言会表现为颗粒/噪声。通过基本同时在不同的平行平面上形成第一(部分)图像重建和第二(部分)图像重建，可以管理这种干扰。可以基于目标图像从相应降低分辨率的图像计算第一和第二全息图，下面描述其示例。

采用内核进行子采样

一种示例采样方案是使用所谓的“内核”对源图像的图像像素进行采样。内核可被认为是捕获一小组图像像素(例如4×4像素阵列)并对其进行操作的移动采样窗口。内核逐渐移动到一系列采样窗口位置，这些位置覆盖或捕获图像的连续(即相邻和非重叠)像素组。可以说内核在源图像的连续像素组上操作。对于每个采样窗口位置，内核操作成确定副图像的单个子采样像素值，其代表在采样窗口中捕获的图像像素的值。例如，可以将用于副图像的单个子采样像素值计算为像素值的平均或加权像素值的平均，其中，通过内核操作来定义应用于像素值的加权。因此，副图像包括子采样或降低分辨率的图像(即图像像素数量减少)。可以使用不同的基于内核的采样方案(例如定义不同的采样窗口位置和/或不同的内核操作)来确定用于计算相应的一个或多个全息图的第一和第二副图像。

采用翘曲校正对中间图像进行子采样

另一示例采样方案是处理源图像的图像像素以确定中间图像，并且将该中间图像用作用于采样的主图像以确定用于全息图计算的副图像。例如，可以使用位移图来确定中间图像，该位移图包括源图像的每个像素(例如沿x和y方向)的位移值，其代表由布置成形成每个图像重建的光学中继系统(沿公共投影轴方向延伸)引起的图像失真。特别地，全息投影仪的光学中继系统可以包括具有光焦度的光学器件和/或图像组合器。由光学系统形成的图像重建可能会失真。可以通过考虑每个像素的单个位移(x和y)来对失真建模。在诸如平视显示器的实际应用中，这种失真可能是由从回放平面到眼睛盒的光路中的放大光学器件、自由形式光学器件、挡风玻璃等引起的。该效果称为“翘曲”，因此中间图像可以称为通过使用“翘曲图”确定的“翘曲图像”。

根据翘曲图或一对翘曲图(例如x和y)从源图像导出用于处理的中间图像或主图像。可以通过使源图像翘曲来形成中间图像。可以通过建立由翘曲引起的x和y方向的平移来确定中间图像中像素的位置。这可以通过计算光线追踪或使用相机测量实际位移并对结果进行插值来确定。对翘曲图像(即中间图像而不是源图像或目标图像)进行子采样以生成多个副图像。用于计算全息图的副图像有效地补偿翘曲效果，因为副图像是从中间图像(即翘曲图像)而不是源图像计算出的。因此，该技术具有同时补偿由投影仪的光学中继系统引起的翘曲的附加优点。

如上所述，可以使用内核或其他类型的固定或移动采样窗口对翘曲图像进行子采样。例如，基本覆盖整个翘曲图像的第一组对称布置的圆形采样窗口可以用于确定第一副图像的像素值。等效的第二组对称布置的圆形采样窗口位于与第一组对角偏移但部分重叠的位置，可用于确定第二副图像的像素值。每个采样窗口可以通过对采样窗口中捕获的像素值(即灰度值)施加加权并计算加权值的平均来确定相应副图像的单个子采样像素值。例如，加权可以假定为高斯分布，使得根据高斯分布，在采样窗口的中心的图像像素具有最高加权，而在采样窗口的边缘的像素值具有最低加权。

基于翘曲图的子采样

另一示例子采样方案是对高分辨率图像的像素进行子采样以导出多个副图像，其中，基于翘曲图来确定用于子采样图像的像素的子采样组的采样窗口位置。例如，可以通过放大源图像或目标图像来形成高分辨率图像。投影仪的位移图(或翘曲图)可用于确定由翘曲引起的像素位移。因此，由于已知由翘曲效果引起的像素在x和y方向上的位移，所以可以将位移位置用于子采样以补偿翘曲效果。因此，该技术通过对由在位移像素位置处的采样窗口(例如包括4×4像素阵列的块)捕获的图像像素组进行子采样来从高分辨率图像导出多个副图像，以补偿翘曲效果。

因此，在与位移位置相对应的一组采样窗口位置处使用采样窗口对源图像进行子采样，从而从在相应采样窗口内捕获的图像像素的像素值导出每个副图像的每个像素的单个子采样像素值。与通常预先定义采样窗口位置的其他子采样技术相反，基于光学中继系统的位移/翘曲图来计算采样窗口位置。

因此，可以生成第一和第二副图像。第一和第二副图像借助于采样方案(即采样窗口的位置)自动补偿翘曲效果。可以使用第一和第二副图像来计算第一和第二全息图。可替代地，可以计算一个全息图(例如双平面全息图，比如菲涅耳全息图)，其在第一平面上全息重建第一副图像并且在与第一平面不同的第二平面上全息重建第二副图像。因此，观看者能够在全息投影仪的投影轴上看到目标图像的真实重建，这补偿了光学中继系统的翘曲效果。

在多个平面上同步多个棋盘图像重建

在一些实施例中，可以在不同平面上形成单色目标图像的图像重建，其中每个图像重建包括相同颜色的图像点。在第一显示事件期间，在第一平面上形成的图像的第一部分图像重建是图像点的第一棋盘图案，在第二平面上形成的图像的第二部分图像重建是图像点的第二棋盘图案，如图6所示。在第二显示事件期间，在第一平面上形成的图像的互补第一部分图像重建是图像点的第二棋盘图案，在第二平面上形成的图像的互补第二部分图像重建是图像点的第一棋盘图案。在每个显示事件期间，第一和第二图像重建的形成是同步的。在一些实施例中，从相同的全息图同时形成第一和第二图像重建。在一些实施例中，第一和第二图像重建以空间分离的方法同时形成(例如通过使用两个分离的全息通道/空间光调制器来显示相应的全息图)。在其他实施例中，如下所述(例如通过在单个空间光调制器上以高速度顺序显示相应的全息图)，以帧顺序方法快速地依次形成第一和第二图像重建。

示例1—两个平面上的单色(红色)图像：

显示事件	第一平面	第二平面
			1	红色–第一棋子	红色–第二棋子
2	红色–第二棋子	红色–第一棋子
			3	红色–第一棋子	红色–第二棋子

示例1

在示例1的方案中，当在第二平面上形成的图像重建的图像点具有第二棋盘图案(“第二棋子”)时，在第一平面上形成的图像重建的图像点具有第一棋盘图案(“第一棋子”)，反之亦然。结果，当观看者观看时，在第一平面上形成的图像重建的图像点插入在第二平面上形成的图像重建的图像点之间。另外，在第一平面上一个接一个地(相继地/连续地)形成的图像重建的图像点在第一和第二棋盘图案之间交替，在第二平面上一个接一个地形成的图像重建的图像点在第二和第一棋盘图案之间交替。观看者看到的合成图像包括在不同平面上形成的图像重建在每个回放场中不会受到图像像素干扰的问题。

示例2和3—在两个平面上的两个彩色(红色和绿色)图像：

在其他实施例中，设想了更复杂的方案，例如使用不同的颜色以在每个平面上形成多色或“全色”图像重建。形成彩色图像重建的两种不同方法是已知的。称为空间分离颜色“SSC”的第一方法使用三个空间分离的光调制像素阵列来同时显示三个单色全息图(例如红色、蓝色和绿色全息图)。称为帧顺序颜色“FSC”的第二方法使用公共空间光调制器的所有像素以在人眼的积分时间内执行顺序显示三个单色全息图。

在以下示例方案中，目标图像包括与其红色、绿色(和蓝色)图像像素相对应的红色、绿色(和蓝色)图像的合成。如上所述，针对每种颜色或波长计算单独的全息图。根据本公开，在显示事件期间，在第一显示平面上形成的图像点插入在第二显示平面上形成的图像点之间。

示例2

在示例2的方案中，当在第二平面上形成的图像重建的红色图像点具有第二棋盘图案时，在第一平面上形成的图像重建的红色图像点具有第一棋盘图案，反之亦然。类似地，当在第二平面上形成的图像重建的绿色图像点具有第一棋盘图案时，在第一平面上形成的图像重建的绿色图像点具有第二棋盘图案，反之亦然。结果，在显示事件期间，红色图像的第一部分图像重建的红色图像点插入在红色图像的第二部分图像重建的红色图像点之间，并且在显示事件期间，绿色图像的第一部分图像重建的绿色图像点插入在绿色图像的第二部分图像重建的绿色图像点之间。如本领域技术人员将理解的，该方案可以扩展为包括第三颜色，即在相应的第一和第二平面上的第一和第二图像中的每个的蓝色图像点。

示例3

在示例3的方案中，当第一平面上的绿色图像点具有第二棋盘图案时，第一平面上的红色图像点具有第一棋盘图案，反之亦然。类似地，当第二平面上的绿色图像点具有第二棋盘图案时，第二平面上的红色图像点具有第一棋盘图案，反之亦然。结果，在显示事件的两个子帧期间，红色图像的第一部分图像重建的红色图像点插入在绿色图像的第二部分图像重建的绿色图像点之间。

示例4和5—在两个平面上的三色(红色、绿色和蓝色)图像：

示例4

在示例4的方案中，当第一平面上的蓝色图像点具有第二棋盘图案时，第一平面上的红色/绿色图像点具有第一棋盘图案，反之亦然。另外，当第二平面上的红色/绿色图像点具有第二棋盘图案时，第二平面上的蓝色图像点具有第一棋盘图案，反之亦然。结果，在每个显示事件期间，在第一平面上形成的红色、绿色和蓝色图像点插入在第二平面上形成的相应的红色、绿色和蓝色图像点之间。

显示事件	第一平面	第二平面
			1	RGB–所有第一棋子	RGB–所有第二棋子
2	RGB–所有第二棋子	RGB–所有第一棋子
			3	RGB–所有第一棋子	RGB–所有第二棋子

示例5

在示例5的方案中，显示多个目标图像，其中每个目标图像是与其红色、绿色和蓝色图像像素相对应的红色、绿色和蓝色图像的合成。每个显示事件可以显示多个目标图像中的不同一个。当在第二平面上形成的同一图像的图像重建的红色、绿色和蓝色图像点具有第二棋盘图案时，在第一平面上形成的相应图像的图像重建的红色、绿色和蓝色图像点具有第一棋盘图案，反之亦然。结果，在每个显示事件期间，在第一平面上形成的叠加的红色、绿色和蓝色图像点插入在第二平面上形成的叠加的红色、绿色和蓝色图像点之间。在该方案中，第一和第二图像重建/平面中的每个都需要三个单独的全息通道(红色、绿色和蓝色通道)，以能够在不同的平面上同时显示相同的颜色。

图8A至图8C示出了使用示例5的方案来显示相应的第一、第二和第三目标图像。因此，在图8A所示的第一显示事件期间，形成于第一平面P1中的第一图像的第一部分图像重建的RGB图像点具有第一棋盘图案，在第二平面P2上形成的第一图像的第二部分图像重建的RGB图像点具有第二棋盘图案。在图8B所示的第二显示事件期间，在第一平面P1中形成的第二图像的第一部分图像重建的RGB图像点具有第二棋盘图案，形成在第二平面P2上的第二图像的第二部分图像重建的RGB图像点具有第一棋盘图案。最后，在图8C所示的第三显示事件期间，在第一平面P1中形成的第三图像的第一部分图像重建的RGB图像点具有第一棋盘图案，在第二平面P2上形成的第三图像的第二部分图像重建的RGB图像点具有第二棋盘图案。结果，在每个显示事件期间，在第一平面上形成的RGB图像点插入在第二平面上形成的RGB图像点之间。

根据本公开原理的用于同步颜色和棋盘图案的其他方案对于本领域技术人员将是显而易见的。

如上所述，由本文公开的投影仪的空间光调制器显示的全息图可以是傅立叶或菲涅耳全息图。在包括傅立叶全息图的实施例中，单个傅立叶全息图仅在一个平面上形成图像重建。如上所述，平面的位置由包括全息图的衍射图案的可变软件透镜确定。在包括菲涅耳全息图的实施例中，单个菲涅耳全息图可以用于同时在多个平面的每个上形成图像重建。在其他实施例中，使用双平面全息图以同时在不同平面上同时形成两个全息回放场。

在一特定实施例中，傅立叶全息术与可变软件透镜一起应用，该可变软件透镜被施加到衍射图案上以在相应的第一和第二平面上形成全息图的图像重建。一个红色、一个绿色和一个蓝色全息通道用于在相应的第一和第二平面上选择性地形成红色、绿色和蓝色图像重建。

系统图

图9是示出根据实施例的全息系统的示意图。空间光调制器(SLM)940布置为显示从控制器930接收的全息图。在操作中，光源910照射显示在SLM940上的全息图，并且全息重建形成在回放平面925a上的回放场中。根据实施例，回放平面925a可以在自由空间中。另外或可替代地，根据相应的可变软件透镜的焦距，全息重建可以形成在回放平面925b上。控制器930从图像源920接收图像。例如，图像源920可以是图像捕获装置，例如布置为捕获单个静止图像的静止相机或布置为捕获运动图像的视频序列的摄像机。

控制器930包括图像处理引擎950、全息图引擎960、数据帧生成器980和显示引擎990。图像处理引擎950从图像源920接收多个源图像，源图像用于在合成图像中的各个平面上显示。图像处理引擎950可以如下所述处理接收到的图像，或者可以将接收到的图像直接传递到全息图引擎960，以计算相应的全息图。

图像处理引擎950包括副图像生成器955，其布置为根据定义的方案从每个接收的图像(例如表示期望或目标图像的源图像)生成多个副图像，如本文所述。图像处理引擎950可以接收控制信号或以其他方式确定用于生成副图像的方案。因此，每个副图像包括的像素少于所接收的图像。图像处理引擎950可以使用源图像作为主图像来生成多个副图像。源图像可以是目标图像的放大版本，或者图像处理引擎可以如本文所述执行放大。可替代地，图像处理引擎950可以处理源图像以确定中间图像，并且将中间图像用作主图像。例如，如本文所述，中间图像可以是“翘曲图像”。可以使用位移图来确定翘曲图像，该位移图包括源图像的每个像素(例如在x和y方向上)的位移值，其表示由布置至每个全息重建图像的光学中继系统引起的图像失真。如本文所述，图像处理引擎950可以通过对主图像进行子采样(或欠采样)来生成多个副图像。图像处理引擎950可以确定第一副图像和第二副图像，其中第一副图像的每个像素的像素值是根据主图像的第一组像素计算的，第二副图像的每个像素值是根据主图像的第二组像素计算的。在一些实施方式中，用于选择第二组像素的采样窗口与用于选择第一组像素的采样窗口偏移和/或部分重叠。在其他实施方式中，在每种情况下，采样窗口位置可以以棋盘图案布置，其中对于每个副图像使用不同的棋盘图案。在一些实施方式中，使用位移图来确定用于选择第一和第二组像素的采样窗口位置。图像处理引擎950将多个副图像传递给全息图引擎960。

全息图引擎960布置成确定与从图像处理引擎950接收的每个图像相对应的全息图，如本文所述。另外，全息图引擎布置为针对每个图像确定包括全息图的衍射图案，以及可选地，包括软件透镜和/或光栅/相位斜坡函数，如本文所述。全息图引擎960将衍射图案传递到数据帧生成器980。数据帧生成器980布置成产生包含多个衍射图案的数据帧(例如HDMI帧)，如本文中所述。特别地，数据帧生成器980产生包括针对多个全息图中的每个的全息图数据的数据帧。数据帧生成器980将数据帧传递给显示引擎990。显示引擎990布置为依次在SLM940上显示多个全息图中的每个。显示引擎990包括全息图提取器992、平铺引擎970和软件光学器件994。如本文所述，显示引擎990使用全息图提取器992从数据帧提取每个全息图，并根据由平铺引擎970生成的平铺方案来平铺全息图。特别地，平铺引擎970可以接收控制信号以确定平铺方案，或者可以另外基于全息图确定用于平铺的平铺方案。显示引擎990可以使用软件光学器件994可选地添加相位斜坡函数(软件光栅函数)，以在回放平面上平移回放场的位置，如本文所述。因此，对于每个全息图，显示引擎990布置为将驱动信号输出到SLM940，以根据对应的平铺方案以同步化方案在相应的平面上显示包括多个全息图中的全息图的每个衍射图案，如本文所述。

如本文所述，控制器930可以动态地控制副图像生成器955如何生成副图像。控制器930可以动态地控制全息图的刷新速率。如本文所述，刷新速率可被认为是全息图引擎从图像处理引擎950从图像源920接收的序列中的下一源图像重新计算全息图的频率。如本文所述，动态可控特征和参数可以基于由控制信号指示的外部因素而被确定。控制器930可以接收与这样的外部因素有关的控制信号，或者可以包括用于确定这样的外部因素并相应地产生这样的控制信号的模块。

如本领域技术人员将理解的，控制器930的上述特征可以以软件、固件或硬件及其任意组合来实现。

因此，提供了一种投影仪，其布置为形成从观看区域可观看的图像。投影仪包括至少一个空间光调制器和至少一个光源(每种颜色)。每个空间光调制器布置成显示计算机生成的衍射图案。每个相应的光源布置为在显示期间照射空间光调制器，使得在第一平面上形成第一图像，在第二平面上形成第二图像。第一平面与空间光调制器在空间上隔开第一传播距离，第二平面与空间光调制器在空间上隔开不同于第一传播距离的第二传播距离。第一图像包括以第一图案布置的第一图像点，第二图像包括以第二图案布置的第二图像点。第一图像点和第二图像点是交错的(即在图像的二维(x，y)和与投影轴平行的第三维度(z)中在空间上插入和偏移/分离)，使得从观看区域可以同时看到第一图像点和第二点。计算机生成的衍射图案可以是菲涅耳全息图，其布置为同时形成第一图像和第二图像。可替代地，计算机生成的衍射图案可以包括两个空间上分离的傅立叶全息图，每个与定义到相应(回放)平面的相应传播距离的相应透镜函数组合(即叠加/相加)。即，第一傅立叶全息图显示在空间光调制器的像素的第一子集(例如第一半)上，第二傅立叶全息图与第一傅立叶全息图基本同时地显示在空间光调制器的像素的第二子集(例如第二半)上。

在一些实施例中，图像处理引擎布置为根据第一采样方案对用于投影的第一主图像进行欠采样，以形成包括以第一棋盘图案布置的像素的第一副图像。图像处理引擎还布置为根据第二采样方案对用于投影的第一主图像进行欠采样，以形成包括以第二棋盘图案布置的像素的第二副图像。第二采样方案可以不同于第一采样方案，并且第二棋盘图案可以与第一棋盘图案相反。全息图引擎布置为从第一副图像确定第一全息图；从第二副图像确定第二全息图。可替代地，全息图引擎可以布置为确定(例如计算)对第一副图像和第二副图像进行编码的单个全息图(例如菲涅耳全息图)。布置光源以照射空间光调制器，使得与第一全息图相对应的第一图像重建形成在第一平面上，并且与第二全息图相对应的第二图像重建同时形成在第二平面上。第一平面与空间光调制器在空间上分开第一传播距离，第二平面与空间光调制器在空间上分开第二传播距离。第二传播距离不同于第一传播距离。第一图像重建包括以第一图案布置的第一图像点，第二图像重建包括以第二图案布置的第二图像点。第一图像点插入在第二图像点之间，使得第一图像点和第二图像点都可以从观看区域同时看到。

附加特征

实施例仅通过示例的方式涉及电激活的LCOS空间光调制器。本公开的教导可以等同地在能够显示根据本公开的计算机生成的全息图的任何空间光调制器上实现，例如任何电激活的SLM、光学激活的SLM、数字微镜设备或微机电设备。

在一些实施例中，光源是诸如激光二极管的激光器。在一些实施例中，光接收表面是漫射表面或屏幕，例如漫射器。本公开的全息投影系统可以用于提供改进的平视显示器(HUD)或头戴式显示器。在一些实施例中，提供了一种车辆，其包括安装在车辆中以提供HUD的全息投影系统。车辆可以是机动车辆，比如汽车、卡车、厢式货车、运货卡车、摩托车、火车、飞机、船或轮船。

在一些实施例中，全息图的尺寸(每个方向上的像素数)等于空间光调制器的尺寸，以使得全息图填充空间光调制器。即，全息图使用空间光调制器的所有像素。在其他实施例中，全息图小于空间光调制器。更具体地，全息图像素的数量小于空间光调制器上可用的光调制像素的数量。在这些其他实施例的一些中，在未使用的像素中重复全息图的一部分(即全息图的像素的连续子集)。该技术可被称为“平铺”，其中空间光调制器的表面区域被划分为多个“平铺块”，每个代表全息图的至少一个子集。因此，每个平铺的尺寸小于空间光调制器的尺寸。在一些实施例中，实施“平铺”技术以提高图像质量。具体地，一些实施例实施平铺技术以最小化图像像素的尺寸，同时最大化进入全息重建的信号内容的量。在一些实施例中，写入空间光调制器的全息图案包括至少一个完整平铺(即完整的全息图)和平铺的至少一小部分(即全息图的像素的连续子集)。

在实施例中，仅主要回放场用于在每个平面上形成图像重建，并且系统包括物理块，诸如挡板，其布置为限制更高阶回放场通过系统的传播。

如本文所述，在实施例中，全息重建是彩色的。在一些实施例中，称为空间分离颜色“SSC”的方法用于提供彩色全息重建。在其他实施例中，使用称为帧顺序颜色“FSC”的方法。

SSC方法对三个单色全息图使用三个空间分隔的光调制像素阵列。SSC方法的优点是图像可以非常明亮，因为可以同时形成所有三个全息重建。然而，如果由于空间限制，在公共SLM上提供三个空间分隔的光调制像素阵列，则每个单色图像的质量将不是最佳的，因为只有可用的光调制像素子集用于每种颜色。因此，提供了相对低分辨率的彩色图像。

FSC的方法可以使用公共空间光调制器的所有像素顺序地显示三个单色全息图。单色重建的循环(例如红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等)足够快，以使人类观看者从三个单色图像的整合中感知到多色图像。FSC的优点是，每种颜色都可以使用整个SLM。这意味着产生的三个彩色图像的质量最佳，因为SLM的所有像素都用于每个彩色图像。然而，FSC方法的缺点是合成彩色图像的亮度比SSC方法低—约3倍—因为每个单色照射事件只能发生帧时间的三分之一。可以通过过度驱动激光器或使用更强大的激光器来解决此缺陷，但这需要更多的功率，从而导致更高的成本和系统尺寸的增加。

本文描述的方法和过程可以体现在计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”包括布置为临时或永久地存储数据的介质，比如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、缓冲存储器、闪存和高速缓冲存储器。术语“计算机可读介质”也应被认为包括能够存储用于由机器执行的指令的任何介质或多种介质的组合，使得当指令被一个或多个处理器执行时使该机器整体地或部分地执行本文所述的任何一种或多种方法。

术语“计算机可读介质”还涵盖基于云的存储系统。术语“计算机可读介质”包括但不限于以固态存储芯片、光盘、磁盘或其任何合适的组合的示例形式的一个或多个有形和非暂时性数据存储库(例如数据卷)。在一些示例实施例中，用于执行的指令可以由载体介质传递。这样的载体介质的示例包括瞬态介质(例如传递指令的传播信号)。

对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以进行各种修改和变型。本公开涵盖所附权利要求及其等同物的范围内的所有修改和变型。

Claims

1.一种投影仪，布置为在设置在公共投影轴上的不同平面上形成多个图像重建，其中，所述投影仪包括：

全息图引擎，其布置为确定与用于图像重建的至少一个图像相对应的多个全息图，并且对于所述多个全息图中的每个全息图，形成包括对应全息图的衍射图案；

显示引擎，其布置为显示每个衍射图案并接收光，从而在多个不同平面中的平面上形成与每个全息图相对应的图像重建，其中，每个图像重建包括以图案布置的图像点；并且

其中，在第一平面上形成的第一图像重建的图像点插入在第二平面上形成的第二图像重建的图像点之间。

2.如权利要求1所述的投影仪，其中，所述第一图像重建和第二图像重建同时形成。

3.如权利要求1或2所述的投影仪，其中，所述第一图像重建是目标图像的部分重建，并且所述第二图像重建是目标图像的部分重建。

4.如权利要求1或2所述的投影仪，其中，所述第一图像重建的图像点以第一图案布置，并且所述第二图像重建的图像点以第二图案布置，其中所述第一图案与所述第二图案相反。

5.如权利要求4所述的投影仪，其中，所述第一图案是第一棋盘图案，并且所述第二图案是第二棋盘图案。

6.如权利要求4所述的投影仪，其布置为通过在以所述第一图案布置的图像点和以所述第二图案布置的图像点之间交替来在所述第一平面上形成图像重建序列，并且同步地，通过在以所述第二图案布置的图像点和以所述第一图案布置的图像点之间交替来在所述第二平面上形成图像重建序列。

7.如权利要求6所述的投影仪，其中，在所述第一平面上的图像重建序列中的连续图像重建是不同的颜色。

8.如权利要求1或2所述的投影仪，其中，在任何时间点，在所述第一平面上形成的图像点的颜色与在所述第二平面上形成的图像点的颜色不同。

9.如权利要求1或2所述的投影仪，其中，所述第一图像重建是第一全息重建，并且所述第二图像重建是第二全息重建。

10.如权利要求1所述的投影仪，还包括：

图像处理引擎，其布置为接收包括用于投影的图像像素的多个源图像，并且根据采样方案来处理每个源图像，以便在由所述全息图引擎处理源图像之前减少具有像素值的图像像素数量；

其中，由所述全息图引擎形成的每个衍射图案还包括具有焦距的透镜函数，其中，所述透镜函数的焦距确定图像重建的平面；

其中，由所述显示引擎形成的每个图像重建的图像点的图案由相应的采样方案确定，

其中，与第一图像重建相关的第一采样方案不同于与第二图像重建相关的第二采样方案，使得在第一平面上形成的第一图像的图像点插入在第二平面上形成的第二图像的图像点之间。

11.如权利要求10所述的投影仪，其中，所述图像处理引擎还布置为在根据采样方案进行处理之前放大每个源图像。

12.如权利要求10或11所述的投影仪，其中，所述第一采样方案包括根据第一棋盘图案使替代像素值无效，并且所述第二采样方案包括根据第二棋盘图案使替代像素值无效，其中第一棋盘图案与第二棋盘图案相反。

13.如权利要求10或11所述的投影仪，其中，每个采样方案包括在多个采样窗口位置处对采样窗口内的像素值求平均，其中平均是基于所述采样窗口内的像素位置的加权平均。

14.如权利要求13所述的投影仪，其中，赋予各个采样窗口中的每个像素值的加权随着距采样窗口的中心的距离而减小。

15.如权利要求13所述的投影仪，其中，所述第一采样方案包括第一组采样窗口位置，并且所述第二采样方案包括第二组采样窗口位置，其中，所述第一组采样窗口位置与所述第二组采样窗口位置对角地偏移。

16.如权利要求15所述的投影仪，其中，所述第一组采样窗口位置与所述第二组采样窗口位置部分重叠。

17.如权利要求1或2所述的投影仪，其中，由所述全息图引擎形成的每个衍射图案还包括相位斜坡函数，其中，与第一图像重建相关的第一相位斜坡函数的斜坡梯度不同于与第二图像重建相关的第二相位斜坡函数的斜坡梯度，以便在第一图像重建的图像点相对于第二图像重建的图像点之间提供位移。

18.如权利要求17所述的投影仪，其中，所述第一相位斜坡函数的斜坡梯度与所述第二相位斜坡函数的斜坡梯度之间的差使得在第一平面上形成的第一图像的图像点插入在第二平面上形成的第二图像的图像点之间。

19.一种包括权利要求1或2所述的投影仪的平视显示器，其中，所述第一平面包含近场图像内容，并且所述第二平面包含远场图像内容。

20.一种用于在设置在公共投影轴上的不同平面上形成多个图像重建的方法，该方法包括：

确定与用于图像重建的至少一个图像相对应的多个全息图；

对于多个全息图中的每个全息图，形成包括对应全息图的衍射图案；

使用显示引擎显示每个衍射图案；

用光照射所述显示引擎，并在多个不同平面中的平面上形成与每个全息图相对应的图像重建，

其中，每个图像重建包括以图案布置的图像点，并且其中，在第一平面上形成的第一图像重建的图像点插入在第二平面上形成的第二图像重建的图像点之间。

21.如权利要求20所述的方法，包括同时地形成所述第一图像重建和第二图像重建。