[0001] 本公开涉及图像处理和再现领域，例如使用计算机生成的全息图。本文公开的各实施例一般涉及一种恢复来自图像的相位信息(如2D强度分布)的迭代方法。更具体地，本文公开的各实施例一般涉及用于实时地恢复相位信息的经修改的Gerchberg-Saxton算法。

[0002] 从物体散射的光包含了振幅和相位信息。这一振幅和相位信息可例如通过公知干涉技术在光敏平板上捕捉，以形成包括干涉条纹的全息记录(即，“全息图”)。“全息图”可通过用合适的光照亮它来被重构，以形成表示原始物体的全息重构(即，重放图像)。

[0003] 已经发现，具备可接受质量的全息重构可以从仅包含与原始物体有关的相位信息的“全息图”中形成。这样的全息记录可被称为纯相位全息图。计算机生成的全息术可以用数字来模拟干涉过程，使用傅立叶技术例如来产生计算机生成的纯相位全息图。该计算机生成的纯相位全息图可被用来产生表示物体的全息重构。

[0004] 术语“全息图”因此涉及如下记录：该记录包含与该物体有关的信息并且可被用来形成表示该物体的重构。全息图可包含频率(即，傅立叶)域中与该物体有关的信息。

[0005] 已经提出了将全息技术用于二维图像投影系统中。该系统可以接受2D图像帧的时间序列作为输入。该输入可被转换成对应全息图(例如，纯相位全息图)的实时序列，其中每一全息图对应于一个图像帧。每一全息图可使用可见光光源来照亮，以在屏幕上提供图像来产生表示该输入的2D投影。特定设备允许以足够快的速率将全息数据写入它们，使得图像序列可被实时地形成以准许观看这些帧。因此，可提供一种使用计算机生成的全息图的序列来对图像帧的序列进行投影的实时2D视频投影仪。

[0006] 使用纯相位全息图对视频图像进行投影的优点是经由计算方法来控制许多图像属性——例如，所投影图像的高宽比、分辨率、对比度以及动态范围——的能力。纯相位全息图的进一步优点是没有光学能量会经由振幅调制而失去。

[0007] 计算机生成的纯相位全息图可以被“像素化”。即，纯相位全息图可被表示在分立相位元素的阵列上。每一分立元素可被称为“像素”。每一像素可担当诸如调相元件等调光元件。计算机生成的纯相位全息图因此可被表示在调相元件的阵列上，如硅上液晶(LCOS)空间光调制器(SLM)。LCOS可以是反射性的，意味着经调制的光从LCOS中以反射输出。

[0008] 每一调相元件(即，像素)可变化状态以向入射在该调相元件上的光提供可控制的相位延迟。调相元件的阵列(如，LCOS SLM)因此可表示(即“显示”)通过计算确定的相位延迟分布。如果入射在调相元件阵列上的光是相干的，则该光将用全息信息(即，全息图)来调制。全息信息可以在频率(即傅立叶)域中。

[0009] 或者，相位延迟分布可被记录在相息图上。词语“相息图”可被一般地用来指纯相位全息记录(即，全息图)。

[0010] 相位延迟可被量化。即，每一像素可设置为离散数量的相位水平之一。

[0011] 相位延迟分布可被应用于入射光波(通过例如照射LCOS SLM)并被重构。重构在空间中的位置可通过使用光学傅立叶变换透镜来控制，以形成空间域中的全息重构(即，“图像”)。或者，如果重构发生在远场，则可不需要傅立叶变换透镜。

[0012] 计算机生成的全息图可以用多种方式来计算得到，包括使用诸如Gerchberg-Saxton等算法。Gerchberg-Saxton算法可被用来从空间域(如2D图像)中的振幅信息导出傅立叶域中的相位信息。即，与该物体相关的相位信息可从空间域中的纯强度(即，振幅)信息中“恢复”。因此，物体在傅立叶域中的纯相位全息表示可被计算得到。

[0013] 全息重构可通过照亮傅立叶域全息图并使用傅立叶变换透镜执行光学傅立叶变换来形成，例如以在回应区处(如屏幕上)形成图像(全息重构)。

[0014] 图1示出了根据本公开的使用反射SLM(如LCOSSLM)来在重放区位置处产生全息重构的示例。

[0015] 光源(110)，例如激光或激光二极管，被部署以经由准直透镜(111)照射SLM(140)。准直透镜使得光的一般平面的波前变成入射在SLM上。波前的方向稍微偏离法线(例如，与真正垂直于透明层的平面偏离2或3度)。这一安排使得来自光源的光反射离开SLM的镜背面，并且与调相层交互以形成出射波前(112)。出射波前(112)被应用于焦点处于屏幕(125)处的包括傅立叶变换透镜(120)的光学器件。

[0016] 傅立叶变换透镜(120)接收从SLM出射的经调相的光束并执行频率-空间变换以在屏幕(125)处在空间域中产生全息重构。

[0017] 在该过程中，来自光源的光——在图像投影系统的情况下是可见光——分布在SLM(140)上以及调相层(即，调相元件阵列)上。从调相层出射的光可被分布在重放区。全息图的每一像素作为整体对重放图像作出贡献。即，重放图像上的各特定点与各特定调相元件之间没有一对一关系。

[0018] 当分别在平面A和B中光束的强度截面IA(x,y)和IB(x,y)是已知的并且IA(x,y)和IB(x,y)通过单个傅立叶变换相关时，Gerchberg Saxton算法考虑相位恢复问题。对于给定强度截面，找出分别在平面A和B中的相位分布的近似ΦA(x,y)和ΦB(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循一迭代过程来找出这一问题的解。

[0019] Gerchberg-Saxton算法迭代地应用空间和频谱约束，同时重复地在空间域和傅立叶(频谱)域之间转换(表示IA(x,y)和IB(x,y)的)数据集(振幅和相位)。空间和频谱约束分别是IA(x,y)和IB(x,y)。空间或频谱域中任一个中的约束被施加到该数据集的振幅上。通过一系列迭代来恢复对应的相位信息。

[0020] 提供一种更快速地收敛到可接受质量的全息图和/或在给定次数的迭代之后提供经改进的重构质量的相位恢复方法是合乎需要的。

[0021] 发明概述

[0022] 本发明的各方面在所附独立权利要求中限定。

[0023] 概括而言，本公开的各方面涉及一种处理像素化图像来恢复在傅立叶(即，频率)域中表示该图像的相位分布的方法。

[0024] 发明人认识到表示图像的相位分布可通过经由添加填充(即，非图像)像素以增加全息图平面中像素的数量来改进。发明人还标识了用于处理填充(即，非图像)像素来抑制该填充中包含的噪声的若干有利方法。

[0025] 在各实施例中，发现收敛到合适地表示输入图像的全息图的所需要的迭代算法(如，经修改的Gerchberg-Saxton算法)的迭代次数被降低。即，在被重构时，全息图产生可接受质量的经重构的图像。还发现对于相同次数的迭代，经重构的图像的质量被改进。

[0026] 如果均方误差值小于预定阈值或峰值信噪比大于预定阈值，则全息图可被认为是可接受的。

[0027] 在此公开的各实施例涉及包括与视频序列的每一帧相关的相位分布(全息图)的实时恢复的2D视频图像的投影。因此，只有有限量的时间可用来计算全息图，并且因此在必须投影下一帧之前只可执行该方法的有限次迭代。这一时间量可以例如与帧间时间相关。