校准全息投影仪的方法与流程

本公开涉及一种校准全息投影仪的方法。更具体地，本公开涉及一种校准全息投影仪以补偿全息投影仪的旋转失准的方法。该方法的一些实施例涉及测量由全息投影仪在重放平面上形成的全息重建上的特征。该方法的一些实施例涉及使用相位斜坡函数来平移全息重建，以将全息重建的图片区域和非图片区域之间的边界带入视野。一些示例涉及全息投影系统和包括全息投影仪的平视显示器。

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”中得到应用。

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、概括地说，提供了全息投影仪和校准全息投影仪的方法。特别地，提供了一种补偿全息投影仪的零件或部件的旋转失准的校准方法。

3、全息投影仪可以布置成在重放平面上形成目标图像的全息重建。全息投影仪的零件或部件的旋转失准可能导致全息重建被旋转。例如，全息投影仪可以包括诸如空间光调制器的显示设备。全息投影仪可以另外包括光源，例如激光器，其布置成照射空间光调制器。全息投影仪可以另外包括一个或多个光学部件，例如一个或多个透镜或镜子。全息重建可以通过使用光源和使用一个或多个光学部件照射显示在显示设备上的衍射结构来形成。全息投影仪的任何或每个零件或部件(例如显示设备、光源和/或一个或多个光学部件)的失准可能导致全息重建相对于其预期位置的失准/旋转。例如，由于全息投影仪组装中的制造公差，可能会出现这些失准。

4、通常不希望全息重建被无意地旋转(即失准)，因此需要校准全息投影仪以补偿上述(旋转)失准。全息重建可以包括图片区域。全息投影仪可以布置成使得用户可以看到图片区域。不希望图片区域旋转失准。在一些示例中，可观察图片区域可以由掩模比如软件掩模定义。(软件)掩模可以包括有效区域。在有效区域中，用户可以看到图片内容。在有效区域之外,(软件)掩模可以放置不打算被用户看到的内容。(软件)掩模在这里可被称为“布局”掩模。在一些示例中，全息投影仪还包括物理掩模。布局掩模可能旨在与物理掩模的孔径或开口对准。然而，全息投影仪的旋转失准可能导致物理掩模和布局掩模之间的不匹配。

5、此外，全息重建可以包括在控制过程中使用的特征或区域。例如，全息重建可以包括一个或多个非图片区域。非图片区域可以包括一个或多个控制区域，这些控制区域可被检测器/传感器检测到，并且在全息投影仪的使用过程中不可以被用户看到。例如，在一个控制过程中，可以测量一个或多个控制区域的亮度。该亮度测量可用于反馈过程中，以控制全息重建的亮度(特别是全息投影的图片区域的亮度)。如果全息重建失准，那么全息重建的特征或区域(例如非图片区域)可能没有与检测器/传感器正确对准，因此所述特征或区域的测量(例如亮度测量)可能不准确。

6、上述全息重建包括光源，该光源布置成照射显示设备，例如空间光调制器。光源可以包括基本单一(第一)波长的光，因此与该(第一)光源相关的全息重建可以是对应于第一波长的单一颜色。换句话说，光源可以是单色光源。全色全息投影仪可以通过组合多个单一颜色/单色全息投影仪通道来形成。每个投影通道可以包括布置成显示全息图的显示设备和单色光源。在一些实施例中，被称为空间分离颜色“ssc”的方法被用于提供彩色全息重建。ssc方法将三个空间分离的光调制像素阵列用于三个单色全息图。在一些实施例中，可以提供三个空间分离的显示设备，一个与每个单色全息图相关。在其他实施例中，可以使用单个显示设备(空间光调制器)上的三个空间分离的区域来提供三个光调制像素阵列。在其他实施例中，一种被称为帧顺序彩色“fsc”的方法被用于提供彩色全息重建。fsc的方法可以使用普通显示设备(空间光调制器)的所有像素来依次显示三个单色全息图。循环单色重建(例如红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等)足够快，使得人类观察者从三个单色图像的合成中感知到多色图像。在ssc或fsc中，彩色全息重建被创建为三个单色全息重建的叠加(fsc的叠加在时间上是分开的)。值得注意的是，每个单色全息重建由独立的光通道形成，该光通道至少包括独立的(单色)光源，并且可选地包括一个或多个其他部件，例如光学部件，甚至是独特的显示设备。这提出了复杂的对准问题。如前面段落中所述，一个对准问题是全息投影仪的零件/部件的旋转失准可能导致一个或多个(单色)全息重建相对于一个或多个其他(单色)全息重建的旋转失准。例如，一个全息通道的光源可能旋转失准，而其他两个全息通道的光源可能正确对准。因此，全息重建中的一个可能与另外两个全息重建旋转不重合。

7、单个全息通道的旋转失准可能会对全色全息重建的质量产生不利影响。每个单色全息重建可以包括多个像素。理想地，每个单色全息重建的对应像素基本对准，以给出全色全息重建的效果。全息通道的旋转失准会导致一种颜色的像素与另一种颜色的像素失准，这会显著降低感知的全息重建质量。这对于图片区域(用户感知的图像可能会显著退化)和非图片区域(与非图片区域相关的控制过程可能会受到像素失准的不利影响)都是一个问题。

8、在英国专利gb2587245中已经提出并描述了一种用于对准不同全息图通道的像素的方法。这种方法在这里被称为多色像素对准(mpa)。在一示例中，mpa方法包括：

9、·使用第一全息投影通道在显示平面上形成多个像素的第一全息重建，其中第一全息投影通道包括布置成显示全息图的第一空间光调制器；

10、·使用第二全息投影通道在显示平面上形成多个像素的第二全息重建，其中第二全息投影通道包括第二空间光调制器，其布置成显示与至少一个光栅函数组合的全息图，其中每个光栅函数具有各自的位移方向；

11、·捕获显示平面的图像；以及

12、·对于每个像素，确定在相应的位移方向上将第一全息重建的像素与第二全息重建的对应像素对准所需的每个光栅函数的光栅角，以便对于每个位移方向，在显示平面上相应的多个不同位置获得多个光栅角。

13、mpa在补偿/校正全息重建本身(特别是全息重建本身的图片区域)内的各个像素的平移失准方面是有效的，并且使用光栅函数来移动/对准图片区域内的像素来实现这一点。然而，mpa在整体上补偿全息重建的旋转失准方面并不那么有效。例如，全息重建可以包括图片区域和一个或多个非图片区域，非图片区域可以不与图片区域重叠，并且如上所述，可以用于控制过程。mpa可用于使用衍射光栅或相位斜坡函数来对准图片区域中不同颜色的相应像素，以通过对图片区域成像并应用相应的光栅函数来平移图片区域中的各个像素。但是全息重建本身的旋转可能保持旋转失准。这对于全息重建的非图片区域可能是一个特别的问题，其中非图片区域的控制区域相对于相关检测器的位置对于检测器精确测量非图片区域的属性以便正确执行控制过程(例如亮度控制过程)可能是至关重要的。mpa对于校正这种旋转失准不太有效。

14、目前，全息投影仪中全息重建的旋转失准是通过依次物理移动全息投影仪的每个部件/零件来校正的，以确保全息重建是旋转对准的。换句话说，通过手动对准全息投影仪的硬件来校正失准。如果全息投影仪包括多个通道，每个通道必须正确对准。这种当前的方法很耗时，并且需要昂贵的设备来进行对准。此外，全息投影仪的各种部件/零件之间通常存在复杂的相互依赖性，使得移动一个部件对全息重建的旋转的影响可能难以预测。此外，这种方法通常需要在制造全息投影仪时进行，因此增加了制造时间。

15、需要一种快速且廉价的方法来校准/校正全息投影仪的部件/零件的旋转失准，其会导致全息重建的旋转失准。需要这种在整体上校正全息重建的旋转失准的方法，以及不会对全息项目的制造过程/制造时间产生不利影响的方法。

16、根据本公开的第一方面，提供了一种校准全息投影仪的方法。该方法包括在显示设备上显示初级衍射图案。初级衍射图案包括第一目标图像的第一全息图和相位斜坡函数。该方法还包括照射初级衍射图案以在重放平面上形成第一目标图像的全息重建。第一目标图像包括图片区域和非图片区域。因此，(第一目标图像的)第一全息重建也包括图片区域和非图片区域。相位斜坡函数布置成平移第一全息重建。该方法还包括使用掩模阻挡第一全息重建的至少一部分。掩模可以是物理掩模。该方法还包括测量图片区域和非图片区域之间的边界的属性。特别地，该方法可以进一步包括测量边界(图片区域和非图片区域之间)和边界的预期位置(当全息投影仪正确对准时，预期位置对应于边界的位置)之间的角度。如上所述，图片区域和非图片区域之间的边界可以由软件或布局掩模来定义。

17、在全息投影仪的正常操作期间(例如不是在校准方法期间)，显示设备上的衍射图案可以不包括相位斜坡函数。布置掩模，使得在没有相位斜坡函数的情况下(即在正常操作期间)，全息重建的非图片区域的至少一部分(可选地，全部)被掩模阻挡。因此，在全息投影仪的正常使用过程中，掩模允许图片区域的光向前中继(例如至观察系统)，但是可能阻挡(第一)全息重建的非图片区域的一些光，优选地是全部光。非图片区域可以包括噪声区域。因此，图片区域和非图片区域之间的边界可以是图片区域和噪声之间的边界。该边界可被称为噪声边界。全息重建的非图片区域可以另外包括一个或多个控制区域，例如一个或多个功率点。在全息投影仪的正常使用过程中，不希望观察系统(例如人眼)接收来自非图片区域的光。这可以防止用户接收噪声，并且可选地控制光。在全息投影仪的正常使用期间，掩模(如上所述，可以是物理掩模)有利地防止观察系统接收来自噪声区域或控制区域的光。

18、如上所述，在重放平面处形成的第一全息重建中，在图片区域和非图片区域之间存在(噪声)边界。发明人已经认识到，利用这个(噪声)边界来校准全息投影仪的旋转失准是很方便的(并且因此校准全息重建的旋转失准)。特别地，发明人已经认识到图片区域的(噪声)边界具有明确定义的预期位置属性。例如，如果全息投影仪被正确对准，可以预期图片区域和非图片区域之间的边界的下边缘和/或上边缘可以是直线，并且可以平行于真正的水平线。可替代地或另外，可以预期图片区域和非图片区域之间的边界的左边缘和/或右边缘可以是直线，并且可以平行于真正的竖直方向。发明人已经认识到，图片区域的边界/边缘是可以方便和可靠地测量的特征，特别地，可以测量相应边界/边缘相对于其预期位置的角度(当投影仪正确对准时),以量化全息重建的旋转失准。

19、在全息投影仪的正常使用中，图片区域和非图片区域之间的(噪声)边界对于最终用户是不可见的。特别地，如果(噪声)边界是可见的，那么这可能意味着非图片区域的一部分也是可见的，这是不期望的，因为非图片区域可能包括噪声(如上)。通常，由观察系统观察到的区域的实际边界可以由掩模(例如物理掩模)来定义，而不是由全息重建本身中的图片/非图片区域边界来定义。发明人已经认识到，可以简单地通过在衍射图案中包括相位斜坡函数来将全息重建从其通常位置(在该位置，它可能被掩模遮挡)平移到平移位置，在该平移位置，图片区域和非图片区域之间的边界在掩模之外变得可见，从而使得全息重建中的(噪声)边界可见。由于对全息重建中边界可见的偏见，发明人设计了一种新的全息投影仪操作模式，其中使用相位斜坡函数将边界带入视野(暂时用于校准目的)，这是非常不寻常和违反直觉的。换句话说，可以显示(简单的)相位斜坡函数(除了图片的全息图之外),以暴露直边(噪声)边界。直边(噪声)边界是具有明确定义的属性的特征，可在具有最低处理要求的旋转对准操作中使用。此外，该方法可以应用于(任何目标图像的)任何全息图。与一些已知的对准方法不同，根据本发明的方法不需要计算特定的对准全息图。

20、如前所述，校准旋转失准的当前方法通常需要手动(物理)干预，其中全息投影仪的各个零件或部件被单独调整。这是缓慢的过程，通常必须在生产线上进行。发明人在本公开中提出的校准方法的优点在于，该方法有利地可以完全在软件中执行(不同于先前的物理调整方法)。具体地说，每个步骤包括：显示相位斜坡函数，以将图片区域的边界移动/转换到视野中；形成任何目标图像的全息重建；以及测量边界的属性可以由计算机实现。不需要对全息投影仪的部件或零件进行物理调整来校正任何失准(例如对准显示设备或光源或其他光学部件)。相反，基于图片区域和非图片区域之间的边界的测量属性，该方法可以进一步包括推断/确定/测量第一目标图像的第一全息重建的旋转失准。发明人发现使用相位掩模将边界转换成可见的(例如从掩模区域后面曝光)以确定目标图像的全息重建的旋转失准是很方便的。有利地，目标图像的全息图可被改变(基于确定的旋转失准)以补偿旋转失准，使得目标图像的全息重建看起来如预期的那样(没有旋转失准)。如本领域技术人员将理解，调整可以在软件中实现(例如作为全息图计算方法的一部分)。不需要手动调节全息投影仪的部件/零件(例如镜子或透镜)的物理干预。因此，该校准方法比当前传统的旋转对准方法(如上所述)快得多，并且不需要专门的(昂贵的)设备。此外，校准可以远离生产线进行，因此校准步骤不会减慢制造过程。此外，可以在任何时间点执行校准。例如，随着时间的推移，全息投影仪的部件的对准可能会改变。这可能是由于全息投影仪的振动或撞击，或者是由于环境因素，例如温度变化。根据本公开的校准方法可以在任何时候执行，以补偿变化的旋转对准。例如，校准方法可以定期执行，或者在每次使用全息投影仪之前执行。校准方法可以用全息投影仪在原位执行。例如，全息投影仪可以是车辆中平视显示器的一部分。当全息投影仪位于(例如)车辆的仪表板内时，可以执行校准方法。该方法可以是生产线末端校准过程的一部分。

21、该边界可以是直线边界。边界可以包括一条或多条边，例如一条或多条直边。测量边界属性的步骤可以包括测量边界直线的属性或特征，例如测量边界直边相对于水平面的角度。掩模可以是物理掩模，例如减少杂散光的挡板。掩模通常基本位于全息重放平面上。该掩模可以包括一个或多个区域/开口，这些区域/开口布置成允许光例如hud的图像形成光通过，和/或阻挡不期望的光例如杂散光。

22、全息重建是目标图像的全息重建。根据实施例，目标图像包括图片区域和(至少一个)非图片区域，因此其全息重建包括相应的图片和非图片区域。全息重建在重放场形成。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复本。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。每个衍射级包括全息重建的复本(因此包括图片区域和非图片区域的复本)。

23、如上所述，全息重建包括图片区域和非图片区域，非图片区域包括噪声。噪声边界可以分隔图片区域和非图片区域。第一全息图可以是计算机生成的全息图。第一全息图可能已被计算，使得第一全息重建包括图片区域和非图片区域，如所描述。第一全息图可能是使用迭代法计算的。例如，第一全息图可能已经使用gerchberg-saxton型方法计算。可能已经使用迭代方法计算了第一全息图，该迭代方法有意地导致包括图片和非图片区域(噪声区域)的全息重建，如所描述的。

24、在整个公开中，参考了全息重建的平移和旋转。描述这一点的替代方式可以是描述全息重放场的平移和/或旋转，例如零级或初级全息重放场或由衍射形成的多个重放场。作为相位斜坡函数与全息图相结合(例如添加到全息图上)的结果，可以实现重放场的平移。由于全息投影仪的光学部件(如上所述)，重放场可被称为旋转失准。可以通过修改第一全息图来校正重放场的旋转失准。可替代地，可以通过在显示设备上显示旋转函数来校正重放场的旋转失准。例如，可以显示包括目标图像的全息图和旋转函数的衍射图案。然后，衍射图案的全息重建可以通过(全息图的)目标图像的重建，但是根据旋转函数进行旋转。在一些实施例中，旋转函数可以是矩阵函数。因此，在整个公开中对全息重建的引用通常可以用对(全息)重放场的引用来代替。

25、如本文所用，“重放平面”是指包含所有重放场的空间平面。术语“图像”、“重放图像”和“图像区域”是指由全息重建的光照射的重放场的区域。在一些实施例中，“图像”可以包括离散的点，这些点可以被称为“图像点”，或者为了方便起见，称为“图像像素”。全息重建的旋转和/或平移可以优选地是在重放平面的平面上的旋转或平移。

26、本领域技术人员将理解，相位斜坡(或光栅)函数是可以在显示设备上显示的函数，用于在重放平面上的第一方向上以预定量移动空间调制光。可以计算相位斜坡(或光栅)函数，以提供高精度的位移范围，甚至是亚像素精度。该位移可以是第一方向上的线性位移。第一方向可以是竖直或水平方向。在整个公开内容中，仅通过在重放平面上提供全息重建的线性平移的函数(例如相位或相位延迟值的阵列)的示例来引用“相位斜坡”(或“光栅函数”)。也就是说，光调制值的阵列，当被添加到全息图上时，以限定的幅度和方向线性地移动重放场。位移可以用像素、毫米或度来测量。相位斜坡也可被称为相位楔。相位斜坡的相位值可被包装(例如模2π)。缠绕相位斜坡可被认为是相位光栅。然而，本公开不限于纯相位调制，术语“光栅函数”、“软件光栅”和“闪耀光栅”可以用作光束控制功能的示例，例如缠绕调制斜坡。相位斜坡可以通过其相位梯度来表征。术语“光栅函数”在本公开中是优选的，因为相关的光栅角度是所公开的方法的关键构成。

27、相位斜坡函数可以布置成将全息重建(或重放场)从第一位置平移到第二位置。平移可以沿着线性轴线。第一位置可以是没有相位斜坡函数时全息重建(或重放场)的位置。换句话说，当包括第一全息图但不包括相位斜坡函数的衍射图案显示在显示设备上时，第一位置可以对应于全息重建的位置。第二位置可以是当第一衍射图案(包括第一全息图和相位斜坡函数)显示在显示设备上时全息重建的位置。因此，照射第一衍射图案(包括第一全息图和相位斜坡)的步骤可以包括在第二位置形成目标图像的全息重建。

28、掩模布置成在没有相位斜坡函数的情况下，特别是在没有上述特定相位斜坡函数的情况下，阻挡非图片区域，该特定相位斜坡函数布置成将全息重建从第一位置平移到第二位置。这可能不排除初级衍射图案显示器包括其他相位斜坡函数(例如用于mpa方案中，如上所述)。换句话说，当全息重建(或重放场)处于第一位置时，掩模布置成阻挡非图像。然而，使用掩模阻挡至少一部分全息重建的步骤实际上是在全息重建(或重放场)处于第二位置时执行的(因为被照射以形成第一全息重建的第一衍射结构包括相位斜坡函数)。在全息投影仪的正常使用过程中，当全息重建处于第一位置时，图片区域和非图片区域的边界可能在掩模之外不可见。然而，在校准方法期间，并且当包括相位斜坡函数的初级衍射结构被照射时，第一全息重建从第一位置平移到第二位置。在第二位置，图片区域和非图片区域之间的边界在掩模之外是可见的(即没有被掩模阻挡或隐藏或模糊)。

29、在一些实施例中，该方法还包括基于(直线)边界的测量属性来确定或测量或推断目标图像的第一全息重建的旋转失准。在一些实施例中，确定或测量或推断第一目标图像的第一全息重建的旋转失准的步骤可以包括捕获或检测第一全息重建/重放场/重放平面的图像。在一些实施例中，该方法可以进一步包括识别捕获图像中第一全息重建的图片区域和非图片区域之间的边界。具体地，该方法可以进一步包括识别捕获图像中的图片区域和非图片区域之间的直线边界。在一些实施例中，该方法可以进一步包括测量所识别的(直线)边界的至少一部分的角度。在一些实施例中，该方法可以包括测量所识别的(直线)边界的部分和预定目标/(预定)图像元素之间的角度。预定目标/图像元素可以是水平线或竖直线。该方法可以包括将预定目标/图像元素添加或叠加到捕获图像上，特别是添加或叠加到识别的(直线)边界上的步骤。该方法还可以包括测量所识别的边界和预定目标/图像元素之间的角度。特别地，该方法可以包括将预定目标叠加在捕获图像上。该方法可以假设相机或检测器被正确对准。

30、在一些实施例中，该方法还包括在显示设备上显示修改的初级衍射图案。修改的初级衍射图案可以布置成使得当修改的初级衍射图案被照射时，形成修改的第一全息重建。修改的第一全息重建的至少一部分可以相对于(未修改的)第一全息重建旋转。该旋转可以使得修改的第一全息重建的至少一部分(对应于修改的第一全息图)的旋转失准相对于(未修改的)第一全息重建的相应至少一部分减小。在一些实施例中，该方法还包括显示修改的第一全息重建。

31、在一些实施例中，修改的初级衍射图案包括修改的第一全息图。在这样的实施例中，该方法可以包括计算修改的第一全息图的步骤，该步骤可以基于所识别的(直线)边界的测量的/确定的角度/失准。可以计算修改的第一全息图，使得根据修改的第一全息图进行空间调制的光在重放平面上形成修改的全息重建。可以计算修改的第一全息图，使得修改的第一全息重建相对于未修改的第一全息重建旋转。该旋转可以使得修改的第一全息重建(对应于修改的第一全息图)的旋转失准相对于(未修改的)第一全息重建减小。

32、在一些实施例中，重新计算修改的第一全息图，使得整个修改的第一全息重建被旋转(相对于未修改的第一全息重建)。在一些实施例中，修改的初级衍射图案包括旋转矩阵。在这样的实施例中，该方法可以包括确定或计算旋转矩阵的步骤。确定或计算旋转矩阵的步骤可以基于所识别的(直线)边界的测量/确定的角度/失准。可以计算或确定旋转矩阵，使得修改的第一全息重建相对于未修改的第一全息重建旋转。

33、在其他实施例中，旋转修改的第一全息重建的一个或多个部分(但不是作为整体的重建)。例如，第一修改全息图可以使得修改的第一全息重建的图片区域相对于未修改的第一全息重建的图片区域旋转。这可能意味着图片区域相对于非图片区域旋转。旋转图片区域可以等同于旋转图片区域和非图片区域之间的边界。如果非图片区域包括一个或多个控制区域，则可以修改第一修改全息图，使得第一修改全息重建的一个或多个控制区域相对于第一未修改全息重建的相应一个或多个控制区域旋转。

34、如本文所用，“修改的第一全息图”涉及与第一全息图具有基本相同的目标图像的全息图，但是其中目标图像(作为整体)已被旋转。“修改的第一全息图”的“修改”性质意味着相对于未修改的“第一全息图”，全息图被修改/改变/重新计算以改变当全息图被照射时形成的全息重建的旋转(以补偿全息投影仪的旋转失准)。类似地，“修改的第一全息重建”指的是与(未修改的)第一全息重建具有基本相同的目标图像的全息重建。然而，修改的第一全息重建相对于未修改的第一全息重建被旋转。

35、在一些实施例中，该方法包括掩蔽全息重建以阻挡非图片区域。

36、在一些实施例中，全息重建在空间上与全息图/显示设备分离。空间分离的全息重建和全息图/显示设备之间的距离可以称为投影距离。空间调制光可以穿过投影距离从显示设备(空间光调制器)传播到重放平面。

37、在一些实施例中，该方法还包括显示包括修改的第一全息图的第二衍射图案的步骤。该方法还可以包括照射第二衍射图案，以在重放平面上形成目标图像的修改的第一全息重建。

38、在一些实施例中，第二衍射图案还包括该(或一)相位斜坡函数。因此，修改的第一全息重建可以在第二(线性)位置的重放平面上形成。

39、然后，该方法可以进一步包括重复测量图片区域和非图片区域之间的(直线)边界(由于相位斜坡函数，其在掩模之外可见)的属性的步骤，以及可选地，基于(直线)边界(如果有的话)的测量属性确定目标图像的全息重建的旋转失准的步骤，以及可选地，计算修改的第一全息图的步骤。重复这些步骤可以允许在将重放场移回第一位置之前确认全息投影仪的校准。可替代地或另外，校准方法可以是迭代过程，旋转失准对于每次迭代递增地改善，直到边界的失准角达到足够低的阈值。在这样的实施例中，方法可以包括在没有相位斜坡函数的情况下显示包括最终修改的第一全息图的衍射图案。

40、可替代地，在一些实施例(例如非迭代实施例)中，第二衍射图案不包括相位斜坡函数(使得修改的全息重建在第一线性位置形成)。

41、在一些实施例中，该方法可以包括在显示第一衍射图案(包括第一全息图和相位斜坡函数)之前，在没有相位斜坡函数的情况下显示包括第一全息图的衍射图案。该方法还可以包括照射所述衍射图案以形成全息重建。换句话说，该方法可以包括在第二位置形成第一全息重建的步骤之前在第一位置形成第一全息重建。

42、在一些实施例中，照射第一衍射图案的步骤可以包括用第一波长的光照射衍射图案。第一波长可以对应于红、绿或蓝光。

43、在一些实施例中，全息投影仪可以是彩色全息投影仪。全息投影仪可以布置成形成包括多个单色光源的全息投影，每个单色光源具有不同的波长。例如，全息投影仪可以包括第一光源，并且可以包括用第一波长的光照射显示设备。全息投影仪可以包括第二光源，并且可以包括用第二波长(不同于第一波长)的光照射显示设备。全息投影仪可以包括第三光源，并且可以包括用第三波长(不同于第一或第二波长)的光照射显示设备。第一波长可以是红、绿或蓝光组中的一种。第二波长可以是来自所述组的两个剩余选项之一。第三波长可以是所述组中剩余的选项。对于所显示的每一帧内容，全息投影仪可以布置成形成多种(通常为三种)颜色中每一种颜色的全息重建。该方法可以包括对具有每一种其他颜色的全息重建(或多个重建)执行校准过程(上面关于具有第一颜色的第一全息重建进行了讨论)。

44、在一些实施例中，该方法可以进一步包括在显示设备上显示次级衍射图案。次级衍射图案可以包括第二目标图像的第二全息图。次级衍射图案可以包括相位斜坡函数。这可以是与前述相同的相位斜坡函数，使得与次级衍射图案相关的全息重建可以具有与次级衍射图案的全息重建相对应的第一和第二位置。

45、在一些实施例中，该方法可以进一步包括照射次级衍射图案以在重放平面上形成第二目标图像的第二全息重建。第二目标图像可以包括图片区域和非图片区域。在一些实施例中，该方法可以进一步包括使用掩模阻挡第二全息重建的至少一部分(在重放平面处)。掩模可以布置成在没有相位斜坡函数的情况下(即当第二全息重建处于第一位置时)阻挡非图片区域。在一些实施例中，该方法还包括测量第二重建的图片区域和非图片区域之间的(直线)边界的属性。在一些实施例中，该方法可以进一步包括基于(直线)边界的测量属性来确定(测量)第二全息重建的旋转失准。在一些实施例中，该方法可以包括计算修改的第二全息图，修改的第二全息图被计算成使得根据修改的第二全息图进行空间调制的光在重放平面上形成修改的全息重建，修改的第二全息重建相对于(未修改的)第二全息重建旋转。

46、在一些实施例中，该方法可以进一步包括在显示设备上显示三级衍射图案。三级衍射图案可以包括第三目标图像的第三全息图。三级衍射图案可以包括相位斜坡函数。这可以是与前述相同的相位斜坡函数，使得与三级衍射图案相关的全息重建可以具有与三级衍射图案的全息重建相对应的第一和第二位置。

47、在一些实施例中，该方法可以进一步包括照射三级衍射图案以在重放平面上形成第三目标图像的第三全息重建。第三目标图像可以包括图片区域和非图片区域。在一些实施例中，该方法可以进一步包括使用掩模阻挡第三全息重建的至少一部分(在重放平面处)。掩模可以布置成在没有相位斜坡函数的情况下(即当第三全息重建处于第一位置时)阻挡非图片区域。在一些实施例中，该方法还包括测量第二重建的图片区域和非图片区域之间的(直线)边界的属性。在一些实施例中，该方法可以进一步包括基于(直线)边界的测量属性来确定(测量)第三全息重建的旋转失准。在一些实施例中，该方法可以包括计算修改的第三全息图，修改的第三全息图被计算成使得根据修改的第三全息图进行空间调制的光在重放平面上形成修改的全息重建，修改的第三全息重建相对于(未修改的)第二全息重建旋转。

48、在第二方面，提供了一种全息投影系统。全息投影系统包括布置成输出光的光源。全息投影系统还包括显示设备。显示设备布置成显示衍射图案。衍射图案包括目标的全息图。显示设备布置成接收来自光源的光，并根据衍射图案输出空间调制光，以在重放平面处形成目标图像的全息重建。全息投影系统还包括布置成阻挡全息重建的至少一部分的掩模。全息投影系统还包括布置成捕获全息重建图像的相机。全息投影系统还包括处理器(或控制器)。处理器或控制器布置成在显示设备上显示初级衍射图案。初级衍射图案包括第一目标图像的第一全息图。第一目标图像包括图片区域和非图片区域。初级衍射图案还包括布置成平移全息重建的相位斜坡函数。处理器或控制器还布置成捕获全息重建的图像，以测量图片区域和非图片区域之间的边界的属性。特别地，处理器或控制器布置成当全息重建被相位斜坡函数平移时捕获全息重建的图像。掩模布置成在没有相位斜坡函数的情况下阻挡非图片区域。

49、关于第一方面的方法描述的特征和优点可以适用于第二方面的投影系统，反之亦然。

50、相位斜坡函数可以布置成将全息重建(或重放场)从第一位置平移到第二位置(如关于第一方面所述)。当全息重建(或重放场)处于第一位置时，掩模可以布置成阻挡非图片。在第二位置(即当相位斜坡函数显示在显示设备上时)，图片区域和非图片区域之间的边界在掩模之外是可见的。

51、在一些实施例中，处理器或控制器布置成基于(直线)边界的测量属性来确定或测量或推断目标图像的第一全息重建的旋转失准。在一些实施例中，处理器或控制器可以进一步布置成识别第一全息重建的图片区域和非图片区域之间的边界。在一些实施例中，处理器或控制器还可以布置成测量所识别的(直线)边界的至少一部分的角度。在一些实施例中，处理器或控制器还可以布置成测量所识别的(直线)边界的部分和预定目标/(预定)图像元素之间的角度。预定目标/(预定)图像元素可以是直线，例如水平线或竖直线。处理器或控制器可以布置成将预定目标添加或叠加到捕获图像中的识别出的(直线)边界上，然后测量两者之间的角度。

52、在一些实施例中，处理器或控制器可以进一步布置成计算修改的第一全息图。可以计算修改的第一全息图，使得根据修改的第一全息图进行空间调制的光在重放平面上形成修改的全息重建。可以计算修改的第一全息图，使得修改的全息重建相对于未修改的全息重建旋转。这种旋转可以使得修改的全息重建(对应于修改的第一全息图)的旋转失准相对于(未修改的)全息重建减小。

53、在一些实施例中，全息投影仪包括多个全息通道。在一些实施例中，全息投影仪布置成投影彩色全息重建。在一些实施例中，多个全息通道中的每个可以导致不同颜色的全息重建的形成。在一些实施例中，全息投影仪可以包括多个单色光源。多个单色光源中的每个可以布置成发射不同波长的光。例如，全息投影仪可以包括布置成发射第一波长的光的第一光源。全息投影仪可以包括布置成发射第二波长(不同于第一波长)的光的第二光源。全息投影仪可以包括第三光源，该第三光源布置成发射第三波长(不同于第一和第二波长)的光。第一波长可以是红、绿或蓝光组中的一种。第二波长可以是来自所述组的两个剩余选项之一。第三波长可以是所述组中剩余的选项。

54、在一些实施例中，控制器或处理器还可以布置成在显示设备上显示次级衍射图案。次级衍射图案可以包括第二目标图像的第二全息图。次级衍射图案可以包括相位斜坡函数。这可以是与前述相同的相位斜坡函数，使得与次级衍射图案相关的全息重建可以具有与次级衍射图案的全息重建相对应的第一和第二位置。

55、在一些实施例中，控制器或处理器还可以布置成照射次级衍射图案，以在重放平面上形成第二目标图像的第二全息重建。第二目标图像可以包括图片区域和非图片区域。在一些实施例中，掩模可以布置成阻挡第二全息重建的至少一部分。掩模可以布置成在没有相位斜坡函数的情况下(即当第二全息重建处于第一位置时)阻挡非图片区域。在一些实施例中，处理器或控制器还包括测量第二重建的图片区域和非图片区域之间的(直线)边界的属性。在一些实施例中，处理器或控制器可以进一步包括基于(直线)边界的测量属性来确定(测量)第二全息重建的旋转失准。在一些实施例中，处理器或控制器可以包括计算修改的第二全息图，修改的第二全息图被计算成使得根据修改的第二全息图进行空间调制的光在重放平面上形成修改的全息重建，修改的第二全息重建相对于(未修改的)第二全息重建旋转。

56、在一些实施例中，控制器或处理器还可以布置成在显示设备上显示三级衍射图案。三级衍射图案可以包括第三目标图像的第三全息图。三级衍射图案可以包括相位斜坡函数。这可以是与前述相同的相位斜坡函数，使得与三级衍射图案相关的全息重建可以具有与三级衍射图案的全息重建相对应的第一和第二位置。

57、在一些实施例中，控制器或处理器还可以布置成照射三级衍射图案，以在重放平面上形成第三目标图像的第三全息重建。第三目标图像可以包括图片区域和非图片区域。在一些实施例中，掩模可以布置成阻挡第三全息重建的至少一部分。掩模可以布置成在没有相位斜坡函数的情况下(即当第三全息重建处于第一位置时)阻挡非图片区域。在一些实施例中，处理器或控制器还包括测量第三重建的图片区域和非图片区域之间的(直线)边界的属性。在一些实施例中，处理器或控制器可以进一步包括基于(直线)边界的测量属性来确定(测量)第三全息重建的旋转失准。在一些实施例中，处理器或控制器可以包括计算修改的第三全息图，修改的第三全息图被计算成使得根据修改的第三全息图进行空间调制的光在重放平面上形成修改的全息重建，修改的第三全息重建相对于(未修改的)第三全息重建旋转。

58、根据第三方面，提供了一种校准全息投影仪的方法。该方法包括在显示设备上显示初级衍射图案，其中初级衍射图案包括目标图像的第一全息图。该方法还包括照射初级衍射图案以在重放平面上形成目标图像的第一全息重建，其中目标图像包括图片区域和非图片区域。该方法还包括捕获第一显示区域的至少一部分的图像。该方法还包括确定捕获图像中第一显示区域的第一校准特征。该方法还包括基于所确定的第一校准特征和目标之间的比较来确定第一显示区域的旋转失准。

59、在一些实施例中，确定旋转失准的步骤包括测量第一校准特征和目标之间的角度。

60、在一些实施例中，第一校准特征是捕获图像中的直线。在一些实施例中，第一校准特征旨在基本是全息重建中的水平或竖直直线(换句话说，当全息重建被正确对准时是水平的或竖直的)。在一些实施例中，直线是全息重建的图片区域中的像素线。

61、在一些实施例中，目标基本是线性的(是直线)。在一些实施例中，目标是水平或竖直线。

62、在一些实施例中，确定第一校准特征和目标之间的(非零)角度的步骤包括将目标叠加在捕获图像上，并测量目标和第一校准特征之间的角度。

63、在一些实施例中，该方法还包括计算修改的第一全息图。可以计算修改的第一全息图，使得根据修改的第一全息图进行空间调制的光在重放平面上形成修改的全息重建，修改的全息重建相对于(未修改的)第一重放平面旋转。

64、类似于第一方面的方法，第三方面的方法提供了校准/补偿全息投影仪的零件/部件的旋转失准的手段(在软件中)。然而，第三方面的方法不需要在校准过程中测量图像和非图片区域之间的边界。相反，第一校准特征可以包括在全息重建本身中。

65、在本公开中，术语“复本”仅用于反映空间调制光被分割，使得复合光场沿着多个不同的光路被引导。“复本”一词用于指复制事件后复合光场的每一次出现或实例，例如光瞳扩展器的部分反射-透射。每个复本沿着不同的光路传播。本公开的一些实施例涉及用全息图而不是图像编码的光的传播，即用图像的全息图而不是图像本身进行空间调制的光。因此，可以说形成了全息图的多个复本。全息术领域的技术人员将理解，与用全息图编码的光的传播相关的复合光场将随着传播距离而变化。这里使用的术语“复本”与传播距离无关，因此与复制事件相关的两个光分支或路径仍被称为彼此的“复本”，即使分支具有不同的长度，使得复合光场沿着每条路径不同地演化。也就是说，根据本公开，即使两个复合光场与不同的传播距离相关，它们仍被认为是“复本”—假设它们源自相同的复制事件或一系列复制事件。

66、根据本公开的“衍射光场”或“衍射性光场”是由衍射形成的光场。可以通过照射相应的衍射图案来形成衍射光场。根据本公开，衍射图案的示例是全息图，衍射光场的示例是全息光场或形成图像的全息重建的光场。全息光场在重放平面上形成图像的(全息)重建。从全息图传播到重放平面的全息光场可以说包括用全息图编码的光或全息域中的光。衍射光场的特征在于由衍射结构的最小特征尺寸和(衍射光场的)光波长确定的衍射角。根据本公开，也可以说“衍射光场”是在与相应衍射结构空间分离的平面上形成重建的光场。本文公开了一种用于将衍射光场从衍射结构传播到观察者的光学系统。衍射光场可以形成图像。

67、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。

68、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。

69、已经发现，可以从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。

70、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。

71、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。

72、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。

73、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。