CN106716227B - 通过漫射介质的图像及波场投影 - Google Patents

Abstract

用于投影波场的方法及系统使用漫射介质、波前塑形器、照明源及控制系统。一种用于将物体波场投影到投影体积中的系统包含波散射器、经配置以将波场投影到所述波散射器上的波场投影仪及耦合到所述波场投影仪的控制器。所述控制器经配置以致使所述波场投影仪投影波场，所述波场在与所述波散射器交互作用后即刻被重新引导以形成物体波场，所述物体波场在所述投影体积中形成预定图案。

Description

通过漫射介质的图像及波场投影

相关申请案

本申请案主张2014年7月31日提出申请的第62/031,702号美国临时专利申请案的权益，所述临时专利申请案以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明技术针对于通过漫射介质的波场投影，且更特定来说针对于用于通过非常规散射元件投影图像的方法及系统。

背景技术

在科学文献及专利文献中已描述用于通过漫射介质成像的许多方法。然而，仍需要实现恰恰相反的方面：将图像或其它波场投影到因漫射介质而从投影仪不可见的空间中。

显微术方面的最近工作已展示，可能按以下方式使光学波前预失真，使得漫射器重建所述波前以形成聚焦为一点的会聚球面波前。举例来说，I.M.威莱库普(I.M.Vallekoop)等人在特此以全文引用的方式并入的“利用失序进行完美聚焦(Exploiting disorder for perfect focusing)”(ArXiv:0910.0873v1[物理光学(Physics.optics)]，2009年10月5日)中描述使用空间光调制器来使波前预失真且经由学习算法将波前穿过非常强漫射器发射到经精细聚焦光点。

已进行了相当大量的工作来采用投影仪阵列形成所谓的“光场显示器”，其基本上反转透镜摄影过程。举例来说，费尔纳(Fellner)与汉森(Hansen)在EUROGRAPHICS 2006中发表了论文“面向光场显示器：经由投影仪群集进行自动立体再现(Toward the LightField Display:Autostereoscopic Rendering via a Cluster of Projectors)”，所述论文特此以全文引用的方式并入。在本论文中，作者描述从投影仪阵列将图像投影到屏幕的漫射表面上，所述屏幕包括小透镜阵列及按小透镜的焦距分离的漫射表面。漫射屏幕充当小透镜的后焦平面的图像中继，所述后焦平面接着投影呈针孔投影阵列的形式的光场。

在美国专利申请案US 2014/0063077(韦滋斯泰因(Wetzstein)等人的“张量显示器(Tensor Displays)”，其特此以全文引用的方式并入)，描述了涉及空间可寻址光衰减层的堆叠的3D显示器。韦滋斯泰因等人还描述了采用高度结构化透镜屏幕及空间光调制器的“压缩光场投影仪”。本发明技术采用如本文中所描述的一或多个空间相位调制器及一或多个非常规光学元件。

附图说明

图1说明预失真波场进入漫射器、接着由漫射器重新塑形以会聚成焦点。

图2说明波场投影仪发射预失真波场，所述预失真波场进入漫射器且接着在由漫射器重新塑形之后形成一列图像点。

图3说明在通过发射波前穿过漫射器而形成的光场中可通过眼睛框看到的图像。

图4说明包括共同在投影体积中形成图像的波场发射器及两个漫射器的投影系统。

图5是说明使用本发明技术的实施例中的步骤的流程图。

图6A说明包括点光源阵列、第一体积全息漫射器、第二漫射器及投影体积中的点阵列的投影系统。

图6B说明用于形成6A中的全息漫射器的一个组件的方法。

图7A说明用于校准光场投影仪以在投影体积中形成一系列焦点的方法。

图7B说明使用光场投影仪时所涉及的信息流中的一些。

图8说明用于使用一或多个逆反射珠子校准用于光场投影仪中的漫射器的方法。

图9A说明其中使用凸球面反射器的用以校准光场投影仪中的漫射器的替代方式。

图9B说明其中使用凹面反射器的用以校准光场投影仪中的漫射器的另一替代方式。

图9C说明其中使用平面镜的用以校准光场投影仪中的漫射器的另一替代方式。

图10说明其中使用逆反射珠子的用以校准光场投影仪中的漫射器的另一替代方式。

图11A说明漫射器中的一点处的存储器效应。

图11B说明对由传播穿过漫射器或穿过全息器件的光场形成的图像的存储器效应。

图12A说明用于在增强现实眼镜中或在其它近眼显示器中使用全息元件的方法。

图12B说明用于制作图12A的全息元件的一个组件的方法。

图13说明利用图12A的全息元件的一对增强现实眼镜。

图14说明在由光场发射器照明时仅将光引导到眼睛框的大型反射引导式漫射器。

图15说明用于光场投影显示器中的侧光引导式漫射器。

图16说明用于光场投影显示器中的大型背光引导式漫射器。

图17说明数个人通过眼睛框观看三维光场显示器。

图18A说明显示于采用光场投影仪的膝上型计算机上的三维图像。

图18B说明来自光场发射器的射线照射膝上型计算机上的漫射屏幕。

图18C是说明于18B中的系统的侧视图，其进一步展示通过漫射屏幕形成的下游光场。

图19说明其中光场发射器位于头顶且漫射器是反射的房间大小的3D显示器。

图20说明显示背景的3D图像的经伪装车辆。

图21说明超声波场投影仪及超声波经由漫射介质的聚焦。

图22说明光场的一部分的射线表示，所述光场形成立方体物体及点物体的真实图像，使得立方体物体显现为阻挡点物体。

图23说明显示真实图像及虚拟图像两者的光场投影仪。

图24说明可用于来自漫射器的经投影图像点的观看角度范围。

图25是举例来说适用于近眼显示器中的光场投影仪元件的替代表示。

图26说明用户通过近眼显示器中的一个光场投影仪元件凝视。

图27说明使用光场投影仪以在非平面表面上形成对焦图像。

本文中所提供的标题仅为了方便起见且未必影响所主张的发明的范围或意义。各种所描绘元件的大小未必按比例绘制且这些各种元件可任意地放大以改进易读性。

具体实施方式

介绍

光传播的线性本质允许用于从由物体发射且接着在发射穿过漫射介质中被漫射的光恢复图像的直接方法。本质上，由单个物体点发射的光所形成的经漫射或经散射图案可解释为来自那一物体点的光的经编码版本。由多个物体点发射的光所形成的经漫射或经散射图案在非相干照明中简单地为所有个别物体点的经编码版本的线性叠加。

虽然可使用众所周知的矩阵代数方法来在个别分量图案已知的情况下解码复合经漫射或经散射图案，但在实践中使用逐次逼近来进行解码要高效得多。然而，重要的并非是用于解码复合图案的数学技术。而是，重要的是双重的：第一，解码是可能的；及第二，问题的线性度暗示过程是可反转的。

基于解码过程可被反转的认识的当前技术的实施例形成经编码光场，所述经编码光场在发射穿过漫射介质后即刻被解码以形成所要光场，所述所要光场形成复杂图像。在一些实施例中，复杂图像可聚焦于任意形状的二维或三维表面上。类似地，复杂图像可包括自由空间中的真实三维图像。

如本文中所使用，“常规散射元件”(CSE)是其功能是将实际上线性或实际上二次相位函数(或其非常近似物)添加到入射波场的相位的元件。添加线性相位函数跨越光学元件均匀地改变波场中的射线的方向，因此(举例来说)镜包括单个线性相位函数CSE，而棱镜包括一对线性相位函数CSE(一个在入库表面处且一个在出口表面处)。添加二次相位函数以跨越光学元件变化的方式改变波场中的射线的方向。抛物面镜是径向对称二次CSE，且普通透镜是一对径向对称二次CSE(即，透镜的前表面及后表面)。类似地，单个衍射栅格适合作为线性CSE，且菲涅耳(Fresnel)波带板适合作为二次CSE。

如本文中所使用，“非常规散射元件”(NCSE)是以比CSE所进行基本上更复杂的方式变换入射波场的任何光学元件。静态NCSE的一些实例包含：复杂全息器件、随机磨砂玻璃漫射器、卫浴玻璃、漫射反射器、小透镜阵列、逆反射珠子阵列及由散射介质制成的透射元件。可编程NCSE的一些实例包含：微镜阵列、液晶空间光调制器及可变形镜。

可并入于本发明技术的一些实施例中的实例性非常规散射元件是复杂全息元件。复杂全息元件是经由衍射将比CSE所应用基本上更复杂的变换应用于光场的任何光学元件。在一些实施例中，漫射器可用作NCSE以将第一类入射波场变换为第二类波场。举例来说，大致与特定漫射器匹配的波场由所述漫射器变换为聚焦到一点的波场。

现在将描述本发明的其它实例。以下描述提供某些特定细节以实现对这些实例的透彻理解及实现对这些实例的描述。然而，相关技术领域的技术人员将理解，本发明可在不具有这些细节中的许多细节的情况下实践。同样地，相关技术领域的技术人员还将理解，本发明可包含本文中未详细描述的许多其它明显特征。另外，下文可能未详细展示或描述一些众所周知的结构或功能以避免不必要地使对各种实例的相关描述模糊。

本文中所使用的术语应以其最宽广合理方式加以解释，即使其是联合对本发明的某些特定实例的详细描述而使用。事实上，下文甚至可能强调某些术语；然而，打算以任何局限方式解释的任何术语将公开且明确地如此定义于本具体实施方式章节中。一般来说，本文中所使用的数个术语的简要定义以封围于双引号内的术语优先。此类定义虽然检验但将帮助相关技术领域的技术人员基于本文中所提供的详细描述更全面地了解本发明的各方面。此类定义进一步由本发明的描述作为整体(包含权利要求书)且不必仅由此类定义来定义。

通过漫射介质的波场投影

图1说明预失真波场101进入漫射器103、接着由漫射器103重新塑形成第二波场105且第二波场105会聚成一点107。此说明在投影体积中对单个点的投影。此方法可经推广以产生较复杂图像。可同时提供经配置以在投影体积中照明其它点的其它波场的线性叠加以在投影体积中产生包括许多点(体素)的复杂图像。

通过漫射器形成于光场中的经聚焦点的对比度与N/M成比例，其中N是光场中的自由度的数目且M是被聚焦到光场的点的数目。此意味着图像将随图像中的点的数目增加而降级；且获得高内涵图像的唯一方式将为具有极大自由度数目。然而，作为光栅扫描或线扫描或一般来说作为图像的不同部分的快速继承显示的图像将不遭受与作为整体显示的完整图像相同的对比度损失。而是，此图像将具有与N/R成比例的对比度，其中R是在扫描的每一时刻显示的图像部分中的点的数目。

存在利用所述原理以便在通过漫射器投影时获得高内涵物体的较高对比度图像的数种可能方式。一种此类方式“子帧投影”是顺序地快速投影许多子帧光场，所述子帧光场中的每一者包括待被投影的图像的一部分。举例来说，子帧光场可包括图像中的若干列或行像素。替代地，子帧光场可包括图像分段，其中图像被分段到其中对比度或分辨率具有不同视觉重要性等级的区域中，例如人脸对背景或重要字母数字更新对进行中图像内容。在另一实例中，可根据观看者注意力的区域来将图像分段。

图2说明波场投影仪201发射预失真波场203，预失真波场203进入漫射器205、接着在由漫射器205重新塑形之后形成图像207。波场203大致沿着光学轴方向209传播。穿过漫射器205的光照明投影体积中的多个体素以产生图像207中的一列211体素，此处具有字母“F”的形状。我参考此投影方法，其中图像中的总数目个体素的仅一相对小部分在任一时刻作为“子帧投影”被投影。整个图像207是通过顺序地产生构成图像207的若干列体素中的每一列而产生。

优化根据本发明技术投影的图像的视觉质量的一种方式是以下各项的组合：a)在光场投影仪中提供大量自由度(例如使用多个空间光调制器或OLED阵列)，b)将漫射器设计并构造为将光优先地引导到将被显示的像素阵列，c)将漫射器进一步设计并构造为将光仅引导到观看者的眼镜将存在于其中的眼睛框，及d)使光场投影仪控制器的自由度与漫射器匹配，使得一组控制状态对应于一组光场配置，所述组光场配置又对应于所显示图像中的预定列或行像素。

当使用子帧投影时，可使用可比标准视频投影帧速率快得多地切换配置的光场投影仪。大多数液晶装置不能足够快地进行此切换。然而，例如微镜投影仪的MEMS装置可按微秒时间尺度进行切换。优选光场投影仪具有非常短切换时间，使得其可快速地投影子帧图像分量。

图3说明在通过发射波前203穿过漫射器205而形成的光场中可通过眼睛框313看到的图像。所述组件类似于图2的组件，惟添加了眼睛框313以表示观看者将从其看到图像207的既定观看区除外。

图4说明包含耦合到控制器403的波场产生器401的系统400。第一波场405从波场产生器401被发射朝向为透射漫射器的第一漫射器407。经由第一波场405与第一漫射器407之间的交互作用，第二波场409从第一漫射器407被发射朝向为反射漫射器的第二漫射器411。从第二漫射器411反射的光聚焦到投影体积413中以产生观察者415可见的图像。

波场产生器401可具有数种不同形式中的任一者，例如常规投影仪阵列或由相干或非相干波照明的多个波前塑形转换器。术语“波场产生器”及“波前塑形器”是可互换的，这是因为波前塑形器可通过由例如经准直单色激光束的初始波场照明且视需要重新塑形所述初始波场而形成任意波场。第一漫射器407及第二漫射器411可具有数种不同形式中的任一者，例如磨砂玻璃漫射器、“卫浴玻璃”漫射器、凹凸不平的反射表面、波纹玻璃或具有非均匀折射率或传播速度的介质。在一些实施例中，漫射器的漫射性质可为随机的。漫射器可为透射的、反射的或具有所述两种性质。每一漫射器内的散射可为单一的或多重的。漫射器可具有任何形状，例如扁平或弯曲。

为了产生所要图像，波场产生器401可经校准以适应第一漫射器407及第二漫射器411的特性。虽然使复杂光学系统的输入端处的光场与所述光学系统的输出端处的光场相关联的一些方法(即，用于校准光学系统的方法)是已知的，但所述关联仅在现有方法中用于看穿光学系统，如在显微术、通过浑浊介质的摄影、天文学及远距离摄影中。相比来说，当前技术的实施例可实现相反结果：通过漫射或散射光学系统投影图像。此可通过计算在穿过给定复杂散射或漫射光学系统之后形成所要输出光场所需的输入光场而实现。举例来说，可将所要物体光场表示为平面波的线性和，且必须被投影到漫射介质中以形成所要物体光场的光场将为对应分量光场的线性和。

图5说明用于通过漫射介质投影图像且将其投影到投影体积中的实例性过程500。所述过程在框501中以校准光投影仪以确定对应于投影体积中的若干个点的光场而开始。如上文所提及，此校准可使用若干种不同方法来实现。所述过程在框503中以提供待在投影体积中显示的图像作为待在投影体积中照明的点的和而继续。所述过程在框505中以确定对应于待在投影体积中照明的点中的每一者的光场而继续。举例来说，如果待在投影体积中显示的静态图像由待被照明的1000个点组成，那么可针对那些1000个点中的每一者计算对应光场。接下来，在框507中，计算所确定光场的线性叠加。使用以上实例，所述过程将涉及计算对应于投影体积中的1000个所识别点的照明的1000个光场的线性叠加。接下来，在框509中，投影对应于经计算线性叠加的光场。因此，投影体积中的所指示点中的每一者将被照明，从而在投影体积中产生所要图像。所述图像可为三维或三维的，且可为静态或动态的(例如，视频)。

图6A及6B说明其中全息漫射器经构造以提供用于图像投影的所要光学特性的投影系统。图6A说明根据本发明技术的投影系统，其包括点光源601阵列、第一体积全息漫射器603、第二漫射器605及投影体积中的点阵列607。如所说明，来自点光源601的光604被全息漫射器603反射且作为光610重新引导朝向第二漫射器605，第二漫射器605将光608聚焦到特定点607上。图6B说明用于形成图6A中的全息漫射器603的一个组件的方法。如图6B中所展示，来自相干激光源的光609被引导朝向特定点611，特定点611对应于将定位于图6A的系统中的光源601的位置。同时，光613从对应于图6A的投影体积中的点607的位置的点615发射且相对于光609是相干的。从点615发射的光经由透射漫射器605散射为光614且朝向全息漫射器603传播。来自点615的光613与参考射束609之间的干涉使得能够构造全息漫射器603的特定组件；所述组件将如图6A中导致来自点源601的光聚焦到投影空间点607。为构造完整全息漫射器603，可针对每一对点位置611与615进行单独曝光。注意，对于图6A的系统来说校准是不必要的。这是因为全息元件603自动塑形波前610以形成必需图像分量607。

在使用图4中所说明的系统时，将通常首先执行校准步骤。各种校准技术是可能的，且下文将详细地描述数种校准技术。用于光波场投影仪的一种此类校准技术是将多个逆反射颗粒放置于将在其中形成图像的区域中，如图8中所说明。通过漫射介质投影随机光场。一些光落在逆反射颗粒上且返回到光场投影仪。在优化算法的控制下使光场变化，直到找到将最大量的光引导到单个逆反射颗粒上的光场为止。

各种优化方法是可能的，如所属领域的技术人员将理解。使用波前塑形器的方法可通常通过简单地一次使波前塑形器的一个元件变化从而寻求返回信号(例如，来自逆反射颗粒)的最大亮度而实现最优。算法多次循环通过波前塑形器的所有元件，从而针对每一元件寻求最大返回，直到找不到进一步改进为止。

纯数学的方法通常以猜测散射图案的相位分量开始，且将摄像头处的光场表示为“sqrt(散射图案的亮度)x exp(i xθ)”，其中θ是相位(摄像头传感器阵列处的x与y的函数)。从散射图案的摄像头图像已知的振幅(sqrt(散射图案的亮度))是第一约束。进行数学变换以将表示移动到傅里叶域，其中应用其它约束，例如要求散射图案与Δ函数自相关。散射图案光场的进一步受约束估计被变换回到空间域，其中再次应用振幅约束等，在空间域与傅里叶域之间循环且每一次循环重新应用约束，直到解决方案的质量足够好为止。解决方案的质量对应于两组约束被满足的程度。

所述最优光场是对应于所述单个逆反射颗粒的位置的图像点的经编码版本。重复所述过程直到针对逆反射颗粒中的每一者找到经编码版本为止。注意，此校准过程非常类似于参考1物理评论快报193905(2011年5月)“散射透镜以可见光分辨100nm以下结构(Scattering lens resolves sub-100nm structures with visible light)”中所概述的校准过程。其还相似于参考2光学快报第32卷第16号(2007年8月15日)“通过不透明强散射介质聚焦相干光(Focusing coherent light through opaque strongly scatteringmedia)”中所使用的方法。这些文件中的每一者特此以全文引用的方式并入。

为了将图像投影到超出漫射介质的区域中，光场投影仪投影对应于图像中的点中的每一者的光场的线性叠加。在实践中，将逆反射颗粒放置于图像将在其中形成的区域中的每一处可为不实际的；因此基于第一考虑，看起来无法形成详细图像。然而，所谓的“存储器效应”确保如果对应于一点的经投影光场稍微倾斜，那么所得经聚焦点仍被聚焦但与倾斜角度的正弦大致成比例地位移。存储器效应说明于图11A及11B中。在图11A中，由入射于漫射器(或全息器件)介质1103上的射线1107形成光图案1109。使射线1107的入射角度倾斜(以形成射线1101)但使入射位置保持不变会将光图案1109移动到新位置1105。

图11B说明通过对来自源1113(其可为点源或更复杂波场)的光起作用的漫射器1103形成的图像1115。按照存储器效应，将源1113稍微移动到新位置1117会导致图像1115移动到新位置1111。

通过修改光场的曲率而非仅应用简单均匀倾斜，焦点可沿着z轴(即，沿朝向或远离漫射介质的方向)移动。此可理解为如下。会聚为投影区域中的给定点的光场必要地包括球面波。为使场会聚为距离漫射介质更远的新点，可将球面波重新塑形以形成以新点为中心的球面波。因此，计算将逆反射颗粒周围的3D区域中的任意点编码的光场是直截了当的。因此，不必在图像投影体积中的每一可能点处使用逆反射颗粒进行校准。如果在校准中使用逆反射颗粒，仅以下操作是必要的：使用足够密集地定位的逆反射颗粒以确保存储器效应允许计算投影体积内对应于所述颗粒之间的所有点的光场。

虽然逆反射颗粒提供一种用于本文中所描述的校准的方法，但还可能以其它方式进行校准，例如在投影体积的位置的阵列处使用点光源。在此情形中，实际上可较简单地发现对应于投影体积中的点的输入光场，这是因为由从投影体积中的点沿相反方向发射穿过漫射介质的光在光场产生器处形成的光场为将在沿前向方向穿过漫射介质之后聚焦于那一点处的光场的共轭光。替代校准方法已称作“发射矩阵测量”(很好地描述于柴恩(Chaigne)等人的“在散射介质中非侵入性地使用光声发射矩阵控制光(Controllinglight in scattering media non-invasively using the photoacoustic transmissionmatrix)”(自然光学8,58–64(2014)，其特此以全文引用的方式并入)中)且根本上等效于上文所描述的较简单情形。如果复杂漫射光学系统的发射矩阵是已知的，那么可能提取其光已穿过光学系统且已记录于光学系统的其它端处的源物体。为了测量发射矩阵，可将平面波从投影体积投影到漫射介质中，且所得光场(或其部分)记录于漫射介质的投影仪侧上。以许多不同角度将平面波投影到漫射介质中，且以每一角度记录光场(或其部分)。由于可将任意物体分析为分量平面波的线性叠加且由于发射矩阵包括线性变换，因此来自物体的所记录光场在穿过光学系统之后包括各自对应于物体的不同平面波分量的分量光场的线性叠加。

另一替代校准方法涉及照明投影体积中的表面上的校准图案(其中图案经选择以总计为基组)，使得适合任意图案可经组成为校准图案的线性和。适合图案集合包含各种间距及角度的栅格、伽柏(Gabor)小波及图像及信号处理领域中众所周知的其它此类图案集合。下文更详细地描述数种校准方法。

第一校准方法

第一校准方法使用已知图像(例如，经反射光的点源)，所述已知图像向后传播穿过漫射器到达光电传感器阵列且在光电传感器阵列处与参考射束组合以获得强度分布，可从所述强度分布计算光场将被从其朝向投影的位置处的相位及/或振幅。

图7A说明用于根据第一校准方法校准用于光场投影仪中的漫射器的方法。激光器701照明散射屏幕703上的点。来自屏幕的经散射光705穿过漫射器707到达摄像头709。来自相同激光器701的光711经由分束器713进入摄像头。摄像头709检测光705与光711之间的干涉，从所述干涉推断光705的相位。通过将激光器701扫描到散射屏幕703上的不同点且通过使屏幕703沿轴715移动到不同位置，可针对整个投影体积执行校准。

将共轭光场投影为经计算光场的与摄像头709精确地定位于相同位置中的包括仅相位空间光调制器、振幅空间光调制器或组合式相位与振幅空间光调制器的光场投影仪将产生在入射于漫射器上时将出射以在屏幕703上的光点的位置处形成焦点的光场。类似地，如果图像是使用相干激光投影到屏幕703上，那么可从摄像头709处的强度分布计算经散射光705的相位及/或振幅分布。共轭光场接着可由光场投影仪投影以在漫射器707下游的表面703上形成经聚焦图像。

图7B说明使用光场投影仪时所涉及的信息流中的一些。如所说明，用于特定系统的预定图像717及校准图案719被采取作为输入以针对构成预定图像717的个别点组成校准图案719的线性和721。此线性和接着被提供到光场投影仪723。

第二校准方法

在说明于图8中的第二校准方法中，光场投影仪801将第一光场803引导到漫射器805上。在一些实施例中，举例来说，光场投影仪801可为由从一点传出的激光照明的空间光调制器。第一光场803由漫射器805散射，从而形成所述漫射器下游的第二光场807。

第二光场807的某一部分照射逆反射珠子809，逆反射珠子809仅逆反射照射所述珠子的光。所述光穿过漫射器返回以在光电检测器阵列813上形成光场，可从此推断所述光场的相位及振幅。当最大化返回到检测器813上的光时，经发射光场803为将聚焦到逆反射珠子809的中心的光场。

光场投影仪801可为反射或透射型，且更改反向路径光的相位以使首先照明光场投影仪801的光形成共轭光。分束器811将反向路径光引导到光电检测器813。

对此方法的变化形式展示于图9A到9C中。在图9A中，使用球面凸面镜917来逆反射朝向对应于球面表面的曲率中心的焦点919会聚的光；且在图9B中，使用球面凸面镜921来逆反射朝向对应于镜的曲率的中心的焦点923会聚的光。使用光电检测器阵列913来检测返回光场，所述返回光场在被优化时将为由光场投影仪801发射的光场的共轭光场。对此方法的另一变化形式展示于图9C中且使用平面镜925(从数学角度，所述平面镜简单地为其曲率半径无限大的球面镜)并产生对应于在无限远处的点的校准图案。

第三校准方法

第三校准方法说明于图10中。此方法类似于上文所描述的第二校准方法，惟以下内容除外，替代将返回光引导到单个光电传感器813(图8)，返回光被引导到光电传感器阵列1027，光电传感器阵列1027的位置及定位等效于对为光场投影仪1001的有源组件的空间光调制器的反映。如果由光场投影仪1001投影的光场1013经由漫射器1005作为光场1016完美地聚焦到逆反射珠子1009上、接着作为光场1018被往回逆反射且作为光场1015穿过漫射器1005，那么基本上所有光将返回到分束器1011且传播到光电传感器阵列1027并将具有与投影仪1001处的光场相同的相位分布。然而，光电传感器阵列1027将检测返回光的强度分布，且不检测返回光的相位分布。为了检测相位，可提供参考射束，例如711(图7A)。

虽然如图7A中所展示的干涉布置可相当直接地用于推断相位分布，但使用干涉仪是不必要的。替代地，利用投影仪801处的光场的已知相位分布与光电传感器阵列1027处的光场的强度分布之间的紧密数学关系是可能的。由于投影仪801处的光场是已知的，因此可使用光学领域中的众所周知的技术来计算所述光场内的任一平面处的所述光场的强度分布。当精确调整光场以使其到达逆反射珠子809处的焦点时，接近于投影仪801处的强度分布与接近于光电传感器813处的强度分布将为几乎相同的。称作G-S算法的方法可适于相对迅速地且以高度可并行形式进行所述优化，如下：

·投影任意光场

·从光电传感器阵列处的所接收强度分布减去空间光调制器处的经计算强度分布以获得强度误差分布。

·投影通过从空间光调制器处的振幅/相位分布减去强度误差分布的平方根乘以阻尼常数而计算的新光场。

·循环通过步骤2及3，直到光电传感器阵列处的所接收强度分布极其类似于空间光调制器处的经计算强度分布。

第四校准方法

在上文所描述的图像构造的过程中，将个别物体点的量值乘以对应校准图案且将针对所有物体点的结果求和以获得光场图案，所述光场图案在通过漫射器投影时形成物体的图像。此将需要针对非零物体点重新调用所有校准图案以便形成每一投影帧；且此类校准图案的数目可容易地在一百万到一千万的范围内。因此，不需要重新调用如此多的校准图案的方法是合意的。第四校准方法说明于图11A及11B中。

可利用存储器效应来减少使用当前技术构造及投影图像所需的数据传送量。参考图11A，存储器效应是指以下原理：当光射线1101由漫射器1103散射以形成图案1105时，在漫射器1103中入射于相同点上但以不同角度入射的不同光射线1107经散射以形成根据入射角度的改变偏移的基本上相同图案1109。只要入射角度的改变是相对小的，此原理便成立。“相对小”意指与光的波长除以(pi x L)(其中L是漫射器的厚度)相比，所述角度改变是小的。举例来说，磨砂玻璃漫射器具有实际上零厚度。图11B说明对由传播穿过漫射器或全息器件的光场形成的图像的存储器效应。举例来说，光场投影仪1111将光场朝向漫射器1103投影，漫射器1103散射光场且形成图像1113。将光场投影仪1115定位于不同位置处可产生基本上相同但取决于漫射器1103的性质而在经平移位置中的图像1117。

此意味着为了得到相当好的近似，如果光场在穿过漫射器之后聚焦为一点使得焦点位于光学轴上在超出漫射器的距离D(x＝0，y＝0)处，那么可通过简单地使漫射器处的光场倾斜角度θ(其中θ＝sin^-1(sqrt(Δx²Δy²)/D²))而将焦点移动到新的点(x＝Δx，y＝Δy)。此外，可通过施加相对于与轴的距离线性地变化的倾斜而将焦点移动到距漫射器的新距离D+ΔD。因此，如果漫射器足够薄使得θ小于光的波长除以(pi x L)，那么不必重新调用或甚至记录对物体空间中的每一点的单独校准图案。而是，可将几个校准图案保持于局部存储器中且进行数学变换或内插以产生在物体空间中形成任何所要图像必需的校准图案。

增强现实眼镜的选定实施例

图12A及12B说明供在小型强现实眼镜中使用的元件1200。所述眼镜可包括全息引导式漫射器、二维波导空间光调制器、激光源及用于所述调制器的控制器。特定来说，图12A说明用于在增强现实眼镜中使用全息元件的方法。激光器1201沿着光学轴1205照明耦合器1203。光经由全内反射(TIR)传播穿过调制器1207、进入全息元件1200且由全息元件1200的组件1209转换成经准直射束1211，经准直射束1211在展示为沿着轴1215定向的1213处进入用户的眼睛的瞳孔。还展示全息元件1200的第二组件1217，其将从不同方向1215将光引导到用户的眼睛的瞳孔。图12B说明用于使用物体射束1219及来自相干光源1223的参考射束1221制作图12A的全息元件的一个组件的方法。

在多模式波导内部，传播模式被叠覆但沿不同方向以不同全内反射角度行进。因此，对波导的一小部分起作用的光调制器元件将对每一模式具有不同影响，即使经调制元件仅以一个自由度起作用。在波导中的不同点处起作用的许多此类调制器元件的阵列将影响全部模式，每一元件提供独立自由度。虽然将难以使用单个此类元件控制任一模式，但光传播的线性度确保在此类元件的数目充分大于待受控制的模式的数目的情况下，应用于各种控制元件的控制参数的某种组合将有效地控制任何选定模式同时消除对其它模式的影响。

任何显示器或投影仪可以其自由度数目表征。具有N个像素的典型平板显示器具有N个自由度。具有其中的每一者投影M个可独立控制的光射线的N个投影元件的光场投影仪具有N x M个自由度。

当具有N个自由度的光场照明漫射器时，从漫射器出射的光场具有N个自由度。如果漫射器将照明光场的每一分量散射成M个不同方向，那么所得出射光场仍具有仅N个自由度。如果M大于N，那么可以其构造出射光场的质量被减小，其具有成大约(M-N)/M的比率的噪声。因此，如此技术中的使用漫射器投影的光场的质量可通过使用如下漫射器而显著改进：所述漫射器仅将光散射成可与由照明所述漫射器的光场投影仪拥有的自由度数目相当的数目个方向。

此漫射器称作“引导式漫射器”。引导式漫射器的一个实例是全息光学元件。用于产生全息引导式漫射器的方法说明于图12B中。选定波长的经准直激光照明具有眼镜透镜的形状的全息记录介质，且来自光场投影仪的光同时照明相同记录介质。准直光及经投影光场在时间上互相干。进行一系列N个曝光，每一曝光利用具有不同入射角度的经准直且利用具有不同配置的经投影光场。在一些实施例中，光场配置中的每一者在任一配置与任一其它配置的交叉相关是零的意义上正交于其它配置。幸运的是，具有随机相位分布的任两个光场非常接近互正交。

图12A及12B分别说明适用于以相对少的自由度投影光场但仍能够传达宽视差三维图像的特定类型的引导式漫射器的使用及构造。所得全息漫射器在以光场配置中的任一者被照明时将仅将光衍射成在记录全息漫射器时与所述配置一起使用的经准直光的方向。当使用两个或多于两个此类照明配置时，漫射器发射对应射束(例如射束1211)的线性叠加。光“泄漏”到非所要方向中的程度主要地取决于不同光场配置的正交程度。

在图12B的设置中，经准直光在每一曝光步骤中填充眼睛框或与全息元件1209相关联的孔隙。填充整个记录介质是不必要的。如果整个记录介质被填充，那么所得全息漫射器将把光衍射到眼睛瞳孔外部的区域。在一些实施例中，经准直光仅填充“眼睛框”，且因此从记录介质的仅相对小部分被发射出。

在一些实施例中，用于构造全息漫射器的经准直光的入射方向经选择以形成n个角度高且m个角度宽的总共n x m＝N的不同角度的矩形角度阵列。由于至少如当前技术中所使用的光散射是线性过程，因此以用于构造全息漫射器的光场配置的任何子集的线性叠加照明全息漫射器将产生出射光场，所述出射光场构成对应于照明配置的出射光场的线性叠加。因此，为了在无限远处构造二维图像的虚拟图像，由对应于图像中的点中的每一者的光场配置的叠加照明全息漫射器。当然，在无限远处的点对应于朝向所述点行进的经准直射束。

此实施例中的光场投影仪是具有最小N＝n x m个元件的波导调制器阵列。为了达到最佳结果，N可比n x m大得多(大约大100倍)。较大N实现经投影图像中的较高分比率及较高对比度。

图13说明增强现实眼镜系统1300，其具有作为眼镜透镜的全息器件1207、波导调制器阵列1301及集成到眼镜1300的镜腿臂1305中的控制器1303。各自充当一对眼镜的一个透镜的一起操作的两个此类系统可将一对立体图像中的一者投影到每一眼睛，借此提供三维图像。利用充分快速的控制器，可以30帧/秒或多于30帧/秒更新图像以提供三维视频显示。摄像头1307嵌入到眼镜系统1300的镜腿臂1305中，且可经定向以沿佩戴者面向的方向捕获图像(静止或视频)。在一些实施例中，在例如增强现实等应用中，来自摄像头1307的数据可经包含以将关于环境以及眼镜1300相对于环境的位置及定向的信息提供到控制器1303。应注意，如果源1223是可独立寻址源的阵列(例如OLED阵列)，那么可省略调制器1207。

在一些实施例中，全息元件可形成于体积全息记录介质(例如重铬酸盐明胶、全息聚合物分散液晶或光聚合物)中。如全息光学元件的技术领域中众所周知，体积全息器件可在恰当记录的情况下对周围光是透明的，但以高角度及光谱选择性衍射特定波长的光。如果全息漫射器是此体积全息器件，那么眼镜可对周围光是透明的，且提供环境的清晰视图，但同时提供三维计算机产生的视图或叠覆于环境上的远程记录的视图。

眼镜透镜1207可为使用在红色、绿色及蓝色的范围内的激光的至少三个波长(总共至少3xN个曝光)构造的全息元件。基本上相同波长接着用于波导光场投影仪中以提供全色彩三维显示。由于全息漫射器的高角度及光谱选择性，在红色、绿色及蓝色图像分量之间存在可忽略串扰。

在所述技术的此实施例及其它实施例中使用全息元件的明显优点是不必校准漫射器(例如，如上文所描述)，这是因为其从最开始便以使得在一组光场投影仪控制器状态与所要经投影图像像素之间存在一对一对应的方式而构造。使用全息漫射器的另一明显优点是所述漫射器容易经设计及构造以最大化图像对比度及分辨率以及最大化光效率。

此处所描述的实施例出于告知性目的而经提供作为所述技术的实例。其并不定义对所述技术的范围的限制。在不背离所述技术的范围的情况下对所描述的结构及方法的许多变化形式是可能的。举例来说，漫射器不必为全息的。其可为随机或非随机的。其可如在体积全息漫射器的情形中为透明的，或如在密集悬浮的光散射颗粒的情形中为不透明的。其可为宽角度漫射器或窄角度漫射器；且其可为透射漫射器(例如卫浴玻璃)或反射漫射器(例如电影投影屏幕)。举例来说，照明漫射器的光场投影仪可为波导光场投影仪、各自由发射阵列(例如LED阵列或VCSEL阵列)支持的透镜阵列、各自由透射阵列(例如LCD)支持的透镜阵列或反射阵列(例如LCOS显示器)的阵列。举例来说，光源可为外部激光器、激光器阵列或LED阵列。

在增强现实眼镜中，关于环境的视觉信息可(举例来说)经由安装于眼镜框上的视频摄像头或由通过透明漫射器眼镜透镜的直视提供。

在图13的所说明实施例中，光场投影仪及眼镜透镜共同构成投影由佩戴者感知为在远处的图像的光场的投影系统。注意，图像不必在无限远处或在任何特定固定距离处，且图像可为3D图像。在此情形中，系统将虚拟图像投影到佩戴者的眼睛。眼镜透镜可为漫射材料或体积全息器件。使用体积全息器件是有利的，这是因为其仅漫射预定波长及传播角度(或数个预定波长及角度)的光。因此，绝大部分周围光在不被更改的情况下透射穿过眼镜透镜，而来自光场投影仪的光被重新引导到用户的瞳孔。因此，佩戴者可看穿眼镜透镜(如同其为简单透明透镜)，但由眼镜投影的虚拟图像被感知为覆在周围场景上。因此，眼镜透镜可独立地执行视觉校正的功能。

如果将佩戴者的眼睛视为光学系统的一部分且如果光场分量对应于眼睛的视网膜上的特定图案(例如栅格或点)，那么虚拟现实或增强现实眼镜可补偿眼睛中的像差且甚至补偿白内障及其它此类复杂光学缺陷。

如上文所描述的实施例不限于用作增强现实显示器。举例来说，其可用于观看视频或用作头戴式仪器显示器或者用作通信装置。并且，举例来说，其可用于虚拟现实系统中或用于远程呈现(telepresence)系统(例如用于操作无人机或机器人的系统)中。

三维显示面板的选定实施例

本发明技术还提供三维显示面板。参考图14，例如全息漫射器的大的引导式漫射器1401可由光场投影仪1403照明以提供穿过眼睛框1405的宽角度、全视差三维显示，观看者1407可通过眼睛框1405观看图像。照明可如图14中经由反射、如图15中所说明经由全内反射及输入耦合器1509或如图16中所说明通过透射实现。漫射器仅将光漫射到观看者的眼睛将存在于其中的眼睛框孔隙中(如图17中所说明)是有利的，从而既最大化功率效率又减少必须控制的自由度的数目。由于构造足够大以用作三维显示面板的全息漫射器可为麻烦且昂贵的，因此针对此实施例制造呈表面浮雕结构的形式的漫射器可为合意的，表面浮雕结构可通过众所周知的方法(例如UV铸造、注射成型或压力成型)而大批量生产。

当前技术在提供三维显示方面的优点是每一图像点可通过从广泛角度范围的射线会聚或发散而形成。因此，可从广泛角度范围观看任何图像点。此与如下三维显示器形成对比：所述三维显示器将立体视图投影到窄角度或位置范围，使得当观看者从一侧移动到另一侧时，图像显现为跳跃。

当光场投影仪具有大量自由度时，可能使用来自选定方向的射线束来构造图像点。借此，图像点可被赋予不透明或透明的外观。此说明于图22中，其中可从经投影物体2208后面的点出现的光在从区域2205观看时变得不存在，而在从区域2207观看时变得存在，借此使物体2208显现为不透明。

图22说明形成实际图像的光场的一部分的射线表示。光从漫射器2200朝向焦点2201传播且到达观看平面2203。光场的第一部分2205形成可从观看平面2203观看的真实图像，而光场的第二部分2207不形成从观看平面2203可见的真实图像。

应注意，经投影光场的任何子集将形成投影体积中的所要光场的对应子集，且分辨率在通过使用较大取样密度或通过使用较广泛取样角度范围而使所述经投影子集变大时得到改进。当前技术不限于投影光波场。其适用于投影任何种类的波场，包含光波场、超声波场、地震波场、水表面波场、表面等离子体波场、微波场、太赫兹波场、x射线波场、可听声波场及甚至原子及亚原子颗粒的量子波场。在每一情形中，需要能够在经投影波场中将所述类型的波塑形的波前塑形器。

反射波前塑形器针对存在对其的反射界面的所有类型的波是可能的。举例来说，可变形镜常用于自适应光学器件中。举例来说，可变形镜或由压电装置个别驱动的小型镜阵列可对光、微波、x射线或声波执行波前塑形。相位调制器阵列可对光、微波、声波、表面等离子体波、电子量子波或电子波执行波前塑形。

常见类型的波前塑形器包括各自电寻址的液晶填充元件阵列。通过使跨越元件的电压变化，可使液晶层相对于特定偏振方向的迟滞变化，从而导致穿过所述元件且具有所述特定偏振的光的可控制相移。液晶波前塑形器存在反射及透射两种类型。

波前塑形器不限于相移。虽然比仅相位波前塑形器效率低，但仅振幅波前塑形器可良好地工作。漫射介质用于漫射被投影的类型的波。举例来说，悬浮于凝胶、玻璃或聚合物板条中的二氧化钛颗粒可用于漫射光。悬浮于凝胶中的微珠子可漫射光或声波。例如磨砂玻璃、浴室玻璃或凹凸不平的反射表面等介质可用于漫射光。类似地，其中传播速度不同于周围材料的任何材料的凹凸不平的板条可充当波的漫射器。举例来说，微波在石蜡中与在空气中具有不同传播速度。局部地影响表面等离子体波的传播速度的表面形貌、掺杂图案及其它此类特征可漫射表面等离子体波。

“投影体积”可指三维区域、二维区域或甚至一维区域。举例来说，表面等离子体波沿着表面行进，如同水上的表面波及表面声波也沿表面行进。在当前技术的实施例中，波场投影仪可投影表面波，所述表面波通过漫射介质重新引导以形成物体波场，所述物体波场在投影体积内形成预定图案，所述投影体积是表面波在其上传播的表面上的区域。

额外应用

通过使适当光场传播穿过漫射介质(或从漫射介质反射适当光场)而形成预定经聚焦图像的能力迄今为止实现不可能图像投影应用。一些实例包含：将图像投影到任意形状的表面上，投影宽角度现实及虚拟3D图像，虚拟现实眼镜，增强现实眼镜，沉浸式虚拟现实环境，伪装，声外科及射束操控。这些实际应用中的一些应用值得进一步解释。

在光刻中为了形成与表面(例如导弹鼻锥、机翼或透镜)一致的图案而将图像投影到任意形状上是有利的。举例来说，球面折射球的弯曲后表面上的光传感器阵列可制成非常宽角度摄像头。

图18A到18C说明通过当前技术实现的膝上型计算机3D显示器。如所说明，膝上型计算机1800包含安置于键盘1803上面的光场投影仪1801。光场投影仪1801将光朝向漫射屏幕1805投影，漫射屏幕1805接着散射所述光，所述光聚焦以在屏幕1805前面的空间中形成图像1807。

可根据当前技术构造沉浸式虚拟现实环境，如图19中所说明。漫射面板1901位于所有墙壁上且光场投影仪1903位于头顶上的面板中。系统可经由投影仪及漫射面板在房间中的任一处投影任何3D场景，且用户1905可自由地在场景内移动。

如果使用本发明技术来相对接近于大型漫射面板投影3D图像，那么3D图像的观看角度取决于面板相对于3D图像的宽度及位置而非光场投影仪相对于3D图像的宽度及位置。因此，即使漫射面板是反射的且光场投影仪位于观看者后面，观看者最多是在面板上投射非常分散的影子。

车辆伪装系统2000说明于图20中，其包含漫射面板2001及经配置以将光引导到漫射面板2001上的头顶光场投影仪2003。可能使用当前技术来使用车辆2005的侧面作为漫射面板2001而投影任意3D图像且借此伪装车辆。如果经投影图像对应于在车辆2005后面的3D场景，那么车辆将实际上不可见。在图20的图式中，出于简化而展示扁平漫射面板2003，然而，在一些实施例中，所述漫射面板可由复杂弯曲表面(举例来说，沿循车辆2005的轮廓的表面)取代。

注意当前技术不限于静态投影是要重要的。通过频繁地更新经投影图像，可能投影3D视频。在较大尺度上，可能在影院投影3D图像。通过当前系统投影的3D图像的优点是所述图像可从观看体积内的所有位置以全视角及视差可见，如同其为实际3D物体。

当前技术还可有利地用于超声外科中，这是因为其使得能够精确选择超声将在其中聚焦的组织的特定区域。图21说明超声外科系统2100，其中超声波场投影仪2101产生超声波2103，超声波2103在通过漫射介质2105漫射且穿过组织2107时在聚焦区域2109中(举例来说，在外科位点处)聚焦。

当前技术可用于投影水下声图像，所述水下声图像对非友好型声传感器显现为真实船只、潜水艇或障碍物。类似地，其可用于经由从静态地面特征的反射而投影微波波场，使得对非友好型雷达传感器，所述微波波场显现为真飞机、车辆或其它物体。

当前技术可用于经由漫射表面(例如建筑物的墙壁)投影可见3D图像以在人或物体事实上不存在时给出人或物体存在的印象。

图23说明光场投影仪2301，其光2303入射于第一漫射器2305上，第一漫射器2305散射第二光波2307且使第二光波2307朝向第二漫射器2309传播。当第二光波2307与第二漫射器2309交互作用时，显示真实图像2311及虚拟图像2313两者。光场2303是场2311与2313的组合。

图24说明从漫射器2401投影于点2403及2405处的图像可用的观看角度范围。如所说明，点2403处的图像将具有比与点2405处的图像相关联的观看角度2409大得多的观看角度2407，这是因为点2403较接近于漫射器2401。

图25是呈板条状外形尺寸的光场投影仪元件2500的替代表示。在使用时，光2501照射于耦合器2503上、经由全内反射穿过调制器阵列2505且由全息元件2507衍射以形成图像2509。此对于眼镜应用为优选外形尺寸。

图26表示用户2601通过近眼显示器中的一个光场投影仪元件2603凝视。图像2605及2607对用户2601显现为在远场中。来自光源阵列2620的光经发射穿过全内反射波导2615且由调制器2610塑形、接着进入全息眼镜透镜元件2603，在全息眼镜透镜元件2603处所述光接着被衍射以形成图像2605及2607。

图27说明使用光场投影仪2701来在非平面表面2705上形成对焦图像2703。如所说明，来自投影仪2701的光穿过漫射器2707且接着聚焦到表面2705以产生图像2703。

在各种实施例中，在将光束、超声束或微波束同时引导到多个目标是合意时，使用当前技术进行射束操控可为有利的。在所述情形中，由物体波场形成的“图像”可为多个焦点，每一目标上有一个焦点。

应注意，虽然当前技术的以上描述仅处理不迅速改变的光场，但利用今天的技术可能按微米及飞秒尺度控制光场的空间及时间相位。几十飞秒长的光脉冲仅具有大约一微米的纵向范围。如果此脉冲跨越基本上大于一微米的漫射器广泛地扩展，那么所得光场将不作为单个脉冲而是作为其强度及入射方向广泛且迅速地变化的照明到达下游的任何给定点。如果光场是相干的，那么同时入射于任一点处的所有光将干涉，但干涉图案将迅速地变化。如果光场含有多个光频率，那么所述点处的光谱将迅速地变化。

在当前技术的校准过程中，可能控制光脉冲的空间及时间形状两者以最大化光场在穿过漫射反射器(或由漫射反射器反射开)之后到投影体积中的反射颗粒上或到预定图案(例如任意表面上的栅格)上的空间及时间会聚两者。光脉冲的空间/时间形状因此包括用于在投影体积中形成任意时空脉冲式光场或图像的分量图案。

类似地，当前技术使控制光场的偏振以及空间及时间形状成为可能(如麦格鲁(McGrew)的标题为“量子共振分析仪器(Quantum Resonance Analytical Instrument)”的第7,352,469号美国专利中所描述，所述美国专利特此以全文引用的方式并入)。因此，当前技术使得能够投影具有受控空间及时间形状以及偏振的预定脉冲式光场。

硬件及软件考虑

波场或光场投影仪、光电检测器及/或光电传感器阵列可耦合到处理单元，所述处理单元用于控制投影仪及/或用于分析光电检测器或光电传感器阵列的输出。处理单元可为计算装置，其包含根据存储于系统存储器上的计算机可读指令而处理数据的适合处理器或中央处理单元(CPU)。举例来说，CPU可控制本文中所描述的各种例程的执行且可提供输入以控制波场或光场投影仪。CPU可为任何逻辑处理单元，例如一或多个CPU、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)等。CPU可为一装置中或跨越多个装置散布的单个处理单元或多个处理单元。CPU连接到存储器且可耦合到其它硬件装置(举例来说，通过使用总线(例如，PCI Express或串行ATA总线))。通过实例的方式，CPU可包含标准个人计算机(“PC”)或运行任何适合操作系统(例如Linux、Windows、Android、iOS、MAC OS或嵌入式实时操作系统)的其它类型的嵌入式计算机。在一些实施例中，CPU可为具有集成硬盘驱动器(“HDD”)或固态驱动器(“SSD”)及通用串行总线(“USB”)或其它端口以与其它组件通信的小外形尺寸PC。在其它实施例中，CPU可包含具有与单独HDD介接的独立母板的微处理器。存储器可包含只读存储器(ROM)及随机存取存储器(RAM)或存储可执行应用程序、测试软件、数据库及(举例来说)实施本文中所描述的各种例程所需的其它软件的其它存储装置，例如磁盘驱动器或SSD。在一些实施例中，处理单元可经由硬线式连接而连接到波场或光场投影仪，而在其它实施例中，处理单元可远离投影仪。

在最坏情形中，在漫射介质为多个且分开很远的情况下，编码每一图像点的光场图案是不相关的。换句话说，存储器效应如此小以至其为无用的。因此，在所述情形中，投影体积中的每一点将被个别地校准到漫射介质。

本文中提及光场投影仪的陈述可解释为指一般波场投影仪，条件是所述投影仪投影某一类型的波场，漫射或散射介质重新引导所述类型的波，且物体波场是所述类型。无论在何处使用词语“漫射”或其衍生词，词语“散射”或其对应衍生词均具有相同意义且反之亦然。在全息元件的情形中，经投影图像或图像点是通过衍射而非普通漫射形成，但为了方便起见，我在一些情形中提及光由全息元件“漫射”而非由所述元件“衍射”。在那些情形中，意义实际上相同。

光场投影仪可容易地容纳数百万独立元件，因此对应于投影体积中的一个点的光场通常由数百万个值表示。为了投影构成N个点的给定3D图像，叠覆N个分量光场集合可为必要的。此可需要操纵数百亿到数千亿必需分量光场以及存储及检索所有必需分量光场。为了以全分辨率投影3D视频图像，将需要每秒计算大约30个复合光场。例如多CPU/多GPU计算机等可用计算机硬件每秒可处理成千上万个视频帧。

存在找出在用于照明漫射器时导致在漫射器下游形成所要图像的光场图案的许多方式。寻找那些光场图案的过程在本文中称为漫射器的“校准”，但应理解事实上其是漫射器、光场投影仪与控制器的组合的校准。

总结

“光场”是指在空间体积中的光射线集合。等效地，“光场”是指在空间体积中或穿过表面且从表面传播的光波前集合。在显示器的情形中，“光场”可由被观察者感知为如同其共同为单个光场(如在子帧投影中)的一系列光场组成。

“波场”是指波长集合及在空间体积中或穿过表面且从表面传播的任何选定类型的波的传播向量。

波场投影仪是投影可由控制器控制或规定的预定类型的波场的任何装置。

“光场投影仪”是投影可由控制器控制或规定的光场的任何装置。举例来说，光场投影仪可为一或多个相干或非相干光源、投影光学器件及用于每一光源的空间调制器。空间调制器可调制相位、振幅及/或偏振中的任一者。

虽然一透镜或多个透镜可并入到光场投影系统中，但光场产生器不必需要任何透镜。举例来说，光场投影仪可为激光二极管的大型相位阵列，所述激光二极管中的每一者发射球面波。替代地，其可为由平面光波照明的液晶元件或可变形镜元件阵列。许多其它类型的光场产生器是可用及可能的。本发明技术不取决于所使用的光场产生器的类型。

术语“散射器”是指波散射器。通常但非总是，术语“散射器”意指其散射功能按非常短长度尺度变化的波散射器。举例来说，光漫射器或散射器可为乳白玻璃、磨砂玻璃、悬浮散射颗粒、小型小透镜阵列、小棱镜阵列或一般来说在介质上的每一点处随机或准随机地重新引导光的任何介质。散射器的另一实例是全息元件。将任意点源光场集合中的每一者转换为对应特定光场分量的全息元件在本文中还称为“全息漫射器”，但其并非“漫射器”的传统意义。

术语“波导”是指其功能是将光局限于窄路径范围的任何结构、装置或组件。举例来说，波导可为光纤(其将光局限于光纤内部的多个全反射模式)、平面波导(例如玻璃板，其通过玻璃/空气界面处的全内反射而将光局限于板内部)。

术语“输入耦合器”意指将光从波导外部的光场重新引导到波导中的任何结构或组件。举例来说，玻璃板的一个边缘处的棱镜或斜面可将光从空气中的特定入射角度范围重新引导到玻璃板内的全内反射模式中且因此可为输入耦合器。输入耦合器的另一实例是将外部入射光衍射到板内部的全内反射模式中的栅格或全息光学元件。

术语“输出耦合器”意指将从波导中的全内反射模式入射的光重新引导到在波导外部传播的光场中的任何结构或组件。输出耦合器通常在结构上与输入耦合器相同，惟光相对于输入耦合器与输出耦合器沿相反方向传播除外。

术语“三维图像”可指三维体积中的非平面图像、点云或平面图像。

在本发明的上下文中，术语“调制器”意指任何装置、组件、结构或元件，其在被激活时以可控制方式影响穿过所述装置、结构或元件的作用区域的光的相位、振幅、方向或偏振。举例来说，以下项目可被视为“调制器”：透射液晶显示器、反射液晶显示器、可变形镜、电或光学控制式吸收器、声光调制器、电致变色显示器及微镜阵列。

术语“近眼显示器”意指其功能是产生构成虚拟图像的可控制光场的任何装置，使得当所述装置放置于与眼睛相距小距离(通常小于约3英寸)处时，眼睛将虚拟图像感知为在远得多的距离处(通常在从2英尺到无限远的范围内)。

除非上下文另外明确要求，否则在描述及权利要求书通篇中的词语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”等应解释为在与排他性或穷尽性意义相反的包含性意义上；即，在“包含但不限于”的意义上。如本文中所使用，术语“连接”、“耦合”或其任何变体意指两个或多于两个元件之间的直接或间接的任何连接或耦合；元件之间的耦合或连接可为物理的、逻辑的或其组合。另外，当在本申请案中使用时，词语“本文中”、“上文”、“下文”及类似意思的词语应将本申请案视为一整体而非本申请案的任何特定部分。在上下文准许的情况下，在上文具体实施方式中使用单数或复数的词语还可分别包含复数或单数。参考含两个或多于两个项目的列表的词语“或”涵盖所述词语的以下解释的全部：所述列表中的项目中的任一者、所述列表中的项目的全部及所述列表中的项目的任何组合。

上文对本发明的实例的具体实施方式并非打算为穷尽性或将本发明限于上文所揭示的精确形式。尽管上文出于说明性目的描述本发明的特定实例，但如相关技术领域的技术人员将辨识，可在本发明的范围内做出各种等效修改。举例来说，尽管按给定次序来呈现过程或块，但替代实施方案还可按不同次序来执行具有步骤的例程或采用具有块的系统，且可删除、移动、添加、再分、组合及/或修改一些过程或块以提供替代方案或子组合。可以各种不同方式来实施这些过程或块中的每一者。并且，尽管过程或块有时展示为连续执行，但这些过程或块可替代地被并行执行或实施，或可在不同时间执行。此外，本文中所提及的任何特定数字仅为实例：替代实施方案可采用不同值或范围。

本文中提供的教示可应用于其它系统，未必是上文所描述的系统。可组合上文所描述的各种实例的元件及动作以提供本发明的其它实施例。本发明的一些替代实施方案可不仅包含对上文所提及的那些实施方案的额外元件，而且可包含较少元件。

上文所提及的任何专利及申请案以及其它参考(包含可列示于所附提出申请的论文中的任何参考)均以引用方式并入本文中。可在必要的情况下修改本发明的各方面以采用上文所描述的各种参考的系统、功能及概念以提供本发明的有一些实施方案。当以引用方式并入的申请案中的陈述或标的物与本申请案的陈述或标的物冲突时，彼时本申请案应处于控制地位。

可根据上文具体实施方式对本发明做出这些及其它改变。尽管上文描述对本发明的某些实例进行了描述且描述了所预期的最佳模式，但无论上文在文本中如何详细地呈现，本发明可以许多方式实践。系统的细节可在其特定实施方案中大幅度地变化但仍由本文中所揭示的本发明涵盖。如上文所提及，所使用的特定术语在描述本发明的某些特征或方面时不应被视为暗示所述术语在本文中被重新定义以局限于所述术语与其相关联的本发明的任何特定特性、特征或方面。一般来说，所附权利要求书中所使用的术语不应视为将本发明限于说明书中所揭示的特定实例，除非上文具体实施方式章节明确定义此些术语。因此，本发明的实际范围不仅涵盖所揭示实例，而且涵盖依据权利要求书实践或实施本发明的所有等效方式。

为了减少技术方案的数目，下文以特定技术方案形式呈现本发明的某些方面，但本申请案涵盖任何数目个技术方案形式中的本发明的各个方面。举例来说，尽管依据35U.S.C sec.112(第六段112(f)(AIA))将本发明的仅一个方面叙述为构件加功能技术方案，但其它方面可同样地体现为构件加功能技术方案或呈其它形式(例如体现于计算机可读媒体中)。(打算依据35U.S.C.§112,

6(f)处理的任何技术方案将以词语“用于…的构件”开始，但在任何其它上下文中术语“用于”的使用不打算调用依据35U.S.C.§112,

6(f)的处理)。因此，申请人保留在对本申请案提出申请之后继续额外技术方案以在本申请案中或在接续申请案中继续此类额外技术方案形式的权利。

实例

1.一种用于将物体波场投影到投影体积中的系统，其包括：

波漫射器；

波场投影仪，其经配置以将波场投影到所述波漫射器上；及

控制器，其耦合到所述波场投影仪，其中所述控制器经配置以致使所述波场投影仪投影波场，所述波场在与所述波漫射器交互作用后即刻被重新引导以形成物体波场，所述物体波场在所述投影体积中形成预定图案。

2.根据实例1所述的系统，其中：

所述波场投影仪包括光场投影仪，

波漫射介质包括光漫射器，且

所述物体波场包括物体光场。

3.一种包括根据实例2所述的系统的三维图像投影仪，其中所述物体光场形成三维图像。

4.一种包括根据实例2所述的系统的伪装系统。

5.一种包括根据实例2所述的系统的抬头显示器。

6.根据实例5所述的抬头显示器，其中所述光漫射器包括经配置以漫射多个预定波长的光的体积全息器件，且

其中所述光场投影仪经配置以投影包括所述预定波长的光场。

7.一种包括根据实例1所述的系统的声外科系统，其中：

所述波场投影仪包括声场投影仪；

所述波漫射器包括声漫射器；且

所述物体波场包括物体声场。

8.一种近眼显示器，其包括：

全息元件，其经配置以定位于佩戴者的眼睛前面；

光场投影仪，其经配置以经由光学耦合器将第一光场投影到所述全息元件中；及

控制器，其耦合到所述光场投影仪，其中所述控制器经配置以确定所述第一光场且致使所述光场投影仪投影所述第一光场，

使得所述全息元件重新引导所述第一光场以形成被引导到所述佩戴者的眼睛中的第二光场，且

使得所述第二光场可被所述佩戴者感知为在与所述眼睛及所述全息元件相距一距离处的虚拟图像。

9.根据实例8所述的近眼显示器，其中所述全息元件容纳于半透明材料的扁平或弯曲板条内。

10.根据实例8所述的近眼显示器，其中所述全息元件经配置以重新引导预定色彩的光且在无实质重新引导的情况下透射其它色彩的光。

11.根据实例8所述的近眼显示器，其中所述第二光场进一步形成三维图像。

12.一种包括根据实例8所述的近眼显示器的眼镜组合件，所述眼镜组合件包括：

框架，其经配置以佩戴于所述佩戴者的头部上，所述框架包含其中固定有透镜的第一及第二边沿以及延伸远离所述第一及第二边沿的第一及第二镜腿臂。

13.根据实例12所述的眼镜组合件，其中所述全息元件集成到所述第一及第二透镜中的至少一者中。

14.根据实例12所述的眼镜组合件，其中所述光场投影仪及所述控制器集成到所述第一及第二镜腿臂中的一者中。

15.根据实例12所述的眼镜组合件，其进一步包括第二近眼显示器。

16.一种制造近眼显示器的方法，其包括：

制造经配置以定位于佩戴者的眼睛前面的全息元件；

相对于所述全息光学元件安置光学耦合器；

相对于所述光学耦合器安置光场投影仪，使得所述光场投影仪经配置以经由所述光学耦合器将第一光场投影到所述全息元件上；及

提供耦合到所述光场投影仪的控制器。

17.根据实例16所述的方法，其中制造所述全息元件包括：

提供全息记录介质；

用参考射束从第一入射角度照明所述全息记录介质，同时用来自在第一配置中的所述光场投影仪的光照明所述全息记录介质，其中来自所述光场投影仪的光与经准直参考射束在时间上相干。

18.根据实例17所述的方法，其进一步包括：

用所述参考射束从第二入射角度照明所述全息记录介质，其中所述第二角度不同于所述第一角度，同时用来自在第二配置中的所述光场投影仪的光照明所述全息记录介质，其中所述第二配置不同于所述第一配置。

19.根据实例18所述的方法，其中所述第一配置正交于所述第二配置。

20.根据实例17所述的方法，其中所述全息记录介质嵌入于半透明材料的板条中。

21.一种三维图像投影系统，其包括：

光散射器；

光场投影仪，其经配置以将光投影到所述光散射器上；及

控制器，其耦合到所述光场投影仪，其中所述控制器经配置以：

确定第一光场；及

致使所述光场投影仪将所述第一光场投影到所述光散射器上，

其中当所述第一光场被所述光散射器散射时，所述第一光场形成第二光场，且

其中所述第二光场形成预定三维图像。

22.根据实例21所述的三维图像投影系统，其中所述预定三维图像包括实际图像。

23.根据实例21所述的三维图像投影系统，其中所述预定三维图像是虚拟图像。

24.根据实例21所述的三维图像投影系统，其中所述预定三维图像共形地聚焦到非平面表面上。

25.根据实例21所述的三维图像投影系统，其中所述光场投影仪包括：

光源；

波导；

输入耦合器，其经配置以从所述光源接收光且将所述光耦合到所述波导中，使得所述经耦合光经由全内反射在所述波导内传播；

调制器阵列，其位于所述波导内，所述调制器经配置以更改在所述波导内传播的所述光的相位、振幅或偏振；及

输出耦合器，其经配置以重新引导所述经调制光离开所述波导。

26.根据实例25所述的三维图像投影系统，其中所述调制器阵列包括空间光调制器。

27.根据实例21所述的三维图像投影系统，其中所述光散射器是非常规光学元件。

28.根据实例27所述的三维图像投影系统，其中所述非常规光学元件包括体积全息器件。

29.一种用于将物体波场投影到投影体积中的系统，其包括：

波漫射器；

波场投影仪，其经配置以将波场投影到所述波漫射器上；及

控制器，其耦合到所述波场投影仪，其中所述控制器经配置以致使所述波场投影仪投影波场，所述波场在与所述波漫射器交互作用后即刻被重新引导以形成物体波场，所述物体波场在所述投影体积中形成预定复杂功能图案。

30.根据实例29所述的系统，其中：

所述波场投影仪包括光场投影仪，

波漫射介质包括光漫射器，且

所述物体波场包括物体光场。

31.根据实例30所述的系统，其中所述预定复杂功能图案包括所述投影体积中的图像。

32.一种包括根据实例30所述的系统的计算机监视器。

33.一种包括根据实例30所述的系统的三维图像投影仪，其中所述物体光场形成三维图像。

34.一种包括根据实例30所述的系统的光刻系统，其中所述物体光场经配置以在与所述投影体积中的表面一致的光敏介质中形成预定图像。

35.一种包括根据实例30所述的系统的伪装系统。

36.一种包括根据实例30所述的系统的抬头显示器。

37.根据实例36所述的抬头显示器，其中所述光漫射器包括经配置以漫射多个预定波长的光的体积全息器件，且

其中所述光场投影仪经配置以投影包括所述预定波长的光场。

38.根据实例29所述的系统，其中：

所述波场投影仪包括声场投影仪；

所述波漫射器包括声漫射器；且

所述物体波场包括物体声场。

39.一种包括根据实例38所述的系统的声外科系统。

40.一种近眼显示器，其包括：

全息元件，其经配置以定位于佩戴者的眼睛前面；

光场投影仪，其经配置以经由光学耦合器将第一光场投影到所述全息元件上；及

控制器，其耦合到所述光场投影仪，其中所述控制器经配置以确定所述第一光场且致使所述光场投影仪投影所述第一光场，

使得所述全息元件重新引导所述第一光场以形成被引导到所述佩戴者的眼睛中的第二光场，且

使得所述第二光场可被所述佩戴者感知为在与所述眼睛及所述全息元件相距一距离处的虚拟图像。

41.根据实例40所述的近眼显示器，其中所述全息元件嵌入于半透明材料的扁平或弯曲板条内。

42.根据实例40所述的近眼显示器，其中所述全息元件经配置以漫射预定色彩的光且在无实质散射的情况下透射其它色彩的光。

43.根据实例40所述的近眼显示器，其中所述第二光场进一步形成三维图像。

44.一种包括根据实例40所述的近眼显示器的眼镜组合件，所述眼镜组合件包括：

框架，其经配置以佩戴于所述佩戴者的头部上，所述框架包含其中固定有透镜的第一及第二边沿以及延伸远离所述第一及第二边沿的第一及第二镜腿臂。

45.根据实例44所述的眼镜组合件，其中所述全息元件可定位于所述第一及第二透镜中的一者上方。

46.根据实例44所述的眼镜组合件，其中所述全息元件集成到所述第一及第二透镜中的一者中。

47.根据实例44所述的眼镜组合件，其中所述光场投影仪及所述控制器耦合到所述框架。

48.根据实例47所述的眼镜组合件，其中所述光场投影仪及所述控制器集成到所述第一及第二镜腿臂中的一者中。

49.根据实例44所述的眼镜组合件，其进一步包括第二近眼显示器。

50.一种利用光场投影仪通过漫射器投影图像且将所述图像投影到投影体积中的方法，所述方法包括：

确定对应于所述投影体积中的多个点的光场；

提供待在所述投影体积中显示的所述图像作为待在所述投影体积中照明的点的和；

确定对应于待在所述投影体积中照明的所述点中的每一者的所述光场；

计算所述所确定光场中的每一者的线性叠加；及

将对应于所述经计算线性叠加的光场投影到所述漫射器上，借此在所述投影体积中形成所述图像。

51.根据实例50所述的方法，其中确定对应于所述投影体积中的所述多个点的所述光场包括校准所述光场投影仪。

52.根据实例51所述的方法，其中校准所述光场投影仪包括：

将点光源安置于所述投影体积中；

将光电传感器安置于一位置中以从所述点光源接收首先穿过所述漫射器的光；

用在时间上与所述点光源相干的参考射束照明所述光电传感器。

53.根据实例52所述的方法，其中分束器在来自所述点光源的所述光的至少一部分穿过所述漫射器之后将其重新引导朝向所述光电传感器。

54.根据实例51所述的方法，其中所述光电传感器包括光电传感器阵列。

55.根据实例51所述的方法，其中校准所述光场投影仪包括：

将逆反射器安置于所述投影体积中；

将光电传感器安置于一位置中以接收穿过所述漫射器的从所述逆反射器逆反射的光；及

用来自所述光场投影仪的光照明所述逆反射器。

56.根据实例55所述的方法，其中分束器在所述经逆反射光的至少一部分穿过所述漫射器之后将其重新引导朝向所述光电传感器。

57.一种用于利用波场投影仪及漫射器将物体波场投影于投影体积中的系统，所述系统包括：

用于确定多个输入波场的构件，所述多个输入波场在被所述波场投影仪投影到所述漫射器上时经重新引导以在所述投影体积中形成对应分量波场，

其中所述分量波场包括所述投影体积中的所述物体波场可通过其形成为线性叠加的波场集合；

用于规定投影到所述投影体积中的物体波场的构件；

用于确定所述物体波场到分量场的线性分解系数的构件；

用于计算对应于所述分量场的所述输入波场的线性叠加的构件；及

用于将对应于所述输入波场的所述线性叠加的波场投影到所述漫射器上的构件。

58.根据实例57所述的系统，其中所述波场投影仪包括光场投影仪且所述波场包括光场。

59.根据实例57所述的系统，其中所述所规定物体波场的所述线性叠加的所述系数与所述线性分解的所述系数成比例。

Claims (13)

1.一种用于将物体波场投影到投影体积中的系统，其包括：

波漫射器，其至少准随机地重新引导入射波前的局部部分；

波场投影仪，其经配置以将预失真波场的范围投影到所述波漫射器上，其中所述波场投影仪具有N个投影元件，其中所述N个投影元件中的每一者投影M个可独立控制的波场；及

控制器，其耦合到所述波场投影仪，其中所述控制器经配置以致使所述波场投影仪投影所述预失真波场，使得所述预失真波场在与所述波漫射器交互作用后，所述预失真波场中的每一者即刻被重新塑形以形成产生多个体素的物体波场，所述多个体素通过聚焦到所述投影体积中的光形成预定图案。

2.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述波场投影仪包括光场投影仪，

所述波漫射器包括光漫射器，且

所述物体波场包括物体光场。

3.一种包括根据权利要求2所述的系统的三维图像投影仪，其中所述物体光场形成三维图像。

4.一种包括根据权利要求2所述的系统的抬头显示器。

5.根据权利要求4所述的抬头显示器，其中光漫射器包括经配置以散射多个预定波长的光的体积全息器件，且

其中所述光场投影仪经配置以投影包括所述预定波长的光场。

6.一种近眼显示器，其包括：

波导；

全息元件，其包含位于沿着所述波导的不同位置中的多个全息组件；

光场投影仪，其经配置以经由光学耦合器将第一光场投影到所述波导中，以传播到所述全息组件，其中所述光场投影仪具有N个投影元件，所述N个投影元件中的每一者投影M个可独立控制的光射线，且其中所述全息元件将光散射成可与由所述光场投影仪拥有的自由度数目相当的数目个方向；及

控制器，其耦合到所述光场投影仪，其中所述控制器经配置以确定所述第一光场且致使所述光场投影仪以多个传播模式投影所述第一光场到所述波导中，

其中所述全息组件中的每一者从沿着所述波导的不同位置重新引导所述第一光场的所述传播模式中的不同一者，以形成被引导到观看者的眼睛中的第二光场，且

其中所述第二光场在眼睛框内可被观看者的眼睛感知为在与所述眼睛及所述全息元件相距一距离处的虚拟图像。

7.根据权利要求6所述的近眼显示器，其中所述波导为半透明材料的扁平或弯曲板条。

8.根据权利要求6所述的近眼显示器，其中所述全息元件经配置以重新引导预定色彩的光且在无大量重新引导的情况下透射其它色彩的光。

9.根据权利要求6所述的近眼显示器，其中所述第二光场进一步形成三维图像。

10.一种包括根据权利要求6所述的近眼显示器的眼镜组合件，所述眼镜组合件包括：

框架，其经配置以佩戴于所述观看者的头部上，所述框架包含其中固定有透镜的第一及第二边沿以及延伸远离所述第一及第二边沿的第一及第二镜腿臂。

11.根据权利要求10所述的眼镜组合件，其中所述波导和所述全息元件集成到所述第一及第二透镜中的至少一者中。

12.根据权利要求10所述的眼镜组合件，其中所述光场投影仪及所述控制器集成到所述第一及第二镜腿臂中的一者中。

13.根据权利要求10所述的眼镜组合件，其进一步包括第二近眼显示器。

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