全息显示技术是一种将图像转换为其在某一特定距离的衍射图案，并使用一种或多种单色光源照射衍射图案的技术。在经过特定距离的传播后，由于光的衍射及干涉效应，该衍射图案可被还原成原目标图像。相比与普通投影以及液晶显示技术，全息投影具有以下优点：
1.节能：与液晶显示遮挡不需要的光不同，全息显示调制并引导光，理论上所有入射的光能都将被有效利用。据统计液晶显示的光能利用率在10-20％之间，而采用二元相位调制技术(binary-phase modulation)的全息显示光能利用率在40％以上，而多元相位调制技术(multi-phase modulation)能将光能利用率提高到90％以上。另外，相比传统投影技术所使用的白光灯泡，全息投影所使用的激光光源或光电二极管光源具有非常高的能量转换效率。
2.体积小，结构简单：相比于传统投影仪，显示图像的象差可由计算全息图本身纠正，由此省去了为矫正相差的而设置的庞大复杂且昂贵的透镜系统。此外，对于彩色图像，全息投影仪使用红绿篮三种单色光源，其色差矫正也远比使用包含所有光谱的白光的普通投影简便。
3.稳定性高：传统显示技术显示图像与投影芯片或显示器屏幕与显示影像为点对点的对应关系，若芯片或屏幕上有一个坏点，则显示影像便产生一个坏点。而全息投影在空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)上显示的是经过特殊计算的全息图，其基本原理保证了屏幕上将永远不会产生坏点。全息图像一个象素点对应屏幕图像上的某频谱信息而非特定象素点，假设空间光调制器分辨为1000x1000，共计100万个象素点，则其上1个坏点对显示图像造成的变化为100万分之1而无对应坏点，肉眼根本无法察觉，即使空间光调制器上有数百个坏点，其对显示图像的影响也仅为几千分之一，肉眼不易察觉。
在专利CN1217539C中报道了应用常规投影仪的一种锥形波导显示器，其优点在于可以省去常规投影所需的光路，其厚度要比传统背投显示器来的薄，而可与液晶等离子等平板显示器相媲美。由于波导可由便宜的光学玻璃或透明塑料板制造，相比与液晶，等离子等传统平板显示技术，在制作大尺寸屏幕时，其成本将会非常低廉。此外由于波导本身不含任何电子元器件，相比液晶，等离子，光电二极管等显示器，波导显示器更为坚固，经久耐用。但现有的这种波导显示器使用常规投影，为纠正相差色差，波导的结构较为复杂而不易制造。此外常规投影仪庞大的体积以及复杂的透镜系统也限制了其在波导显示上的应用。

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可显示全息图像，同时可采用波导作为显示载体、可制造成超大屏幕、成本低廉、节能环保、坚固耐用的全息波导显示器及与该全息波导显示器相适应的全息图像的生成方法。
本发明的全息波导显示器包括一个作为显示屏的波导和用来向波导输入全息图像的全息投影系统；所述波导具有光输入面及光输出平面，入射光线可在波导中传播直至其从光输出平面离开波导，光线在光输出平面上的出射位置由其在入射面上的入射点位置及入射角度共同决定。
所述波导的侧面初始形状为三角型，前端顶角为α，为节约材料可将前端无用部分切除，使之成为楔形，其后端为一个与正面的光输出平面成β角的光输入面。
所述波导的前半段为显示区域，后半段为影像扩散区域，影像扩散区域可折叠至显示区域背面以节省空间占用。
所述全息投影系统包括有光源、用来对光源进行相位或强度调制并输出所需图像的光源调制模块。
所述全息投影系统还包括有位于光源与光源调制模块输入部分之间的光源扩束校正模块。
所述全息投影系统还可包括有位于光源调制模块输出部分的图像放大校正模块。
所述全息投影系统还包括有一个控制模块，控制模块控制光源的开关及输出强弱，当光源调制模块为可变换其上显示影像的器件时，则控制模块可接受输入影像，并相应的输出全息图像至光源调制模块，且使其与光源输出相同步。
所述控制模块还可包括有用来将普通影像同步转换为全息图像的全息图像生成模块。当控制模块包含全息图像生成模块时，其可接收普通影像，再转换为全息图像；当控制模块不包含全息图像生成模块时，其可直接接收由外部系统生成的全息图像。
本发明的适应于上述楔形波导的全息图像生成方法运行在上述的全息图像生成模块或外部系统中，所述全息图像生成模块或外部系统可以是单片机、数字芯片(DSP)、场可编程门阵列(FPGA)等电子芯片或电脑。
本发明的适应于上述楔形波导的全息图像生成方法包括一个波导逆变换，波导逆变换包括以下步骤：
(1)对所需显示的影像加入相位因子；
(2)按照不同角度的光在不同区域出射的原则将全屏幕分为一个或多个区域；
(3)将对应区域的影像做傅立叶变换或傅立叶逆变换，取结果的对应波段，得到其角频谱；
(4)逆传播(3)的结果An(fx，fy)，传播后的角频谱其中k＝λ/2π，λ为入射光的波长；
(5)将An′(fx，fx)逆向旋转π/2-2nα；(由于全息图像对旋转角度并不敏感，在大多情况下不用旋转也可获得较满意的图像质量，因此该步骤也可省略)
(6)计算并补偿由于空气波导界面及透镜系统造成的影响；
(7)将所有角频谱叠加，再做傅立叶逆变换或傅立叶变换，得到空间的幅度与相位分布。
上述波导逆变换的步骤中，可以将步骤(1)和步骤(2)的次序相交换。
上述波导逆变换的步骤中，还可以将步骤(6)～(7)由下列步骤替换：
a.计算并补偿不同界面造成的影响；
b.将所有角频谱叠加，再做傅立叶逆变换或傅立叶变换，得到空间的幅度与相位分布；
c.计算并补偿透镜系统造成的影响。
为了提高图像的显示质量，本发明的全息图像生成方法还可以是：首先将输入图像通过波导逆变换计算得出全息图，将其量化，再通过波导变换计算量化后全息图在光输出平面的幅度与相位，取其相位，并加入到原输入图像；再重新计算全息图；重复以上步骤，直至满足设定的次数后，再将得到的全息图输出至光源调制模块；所述波导变换包括以下步骤：
(1)对全息图像做傅立叶逆变换或傅立叶变换得到其角频谱，并划分成一个或多个波段，得到各波段角频谱；
(2)计算并补偿透镜及不同界面造成的影响；
(3)将(2)中得到的结果旋转π/2-2nα；(由于全息图像对旋转角度并不敏感，在大多情况下不用旋转也可获得较满意的图像质量，因此该步骤也可省略)
(4)传播(3)的结果An(fx，fy)，传播后的角频谱其中k＝λ/2π，λ为入射光的波长；
(5)对各波段分别做傅立叶变换或傅立叶变换，并只取其对应区域的幅度及相位分布；
(6)将各区域幅度及相位分布叠加得到总幅度及相位分布。
上述波导变换的步骤中，步骤(1)～(2)可由下列步骤替换：
a.计算并补偿透镜系统造成的影响；
b.对全息图像做傅立叶逆变换或傅立叶变换得到其角频谱，并划分成一个或多个波段，得到各波段角频谱；
c.计算并补偿不同界面造成的影响。
上述波导变换的步骤中，可将步骤(3)和(4)的顺序互换。
为了进一步提高图像的显示质量，本发明的全息图像生成方法还可以对上述输出至光源调制模块的全息图像通过在短时间内快速显示多帧细微差别图像，利用人眼视觉残留效应，使其在视网膜上相叠加来减小误差，其具体步骤如下：
(1)确定每帧显示图像由多少帧子图像组成，计为M；
(2)对输入图像加入相位因子，初始相位因子可取随即相位。确定每一子帧图像需迭代的次数N；
(3)进行波导逆变换，得到所需全息图；
(4)根据所使用空间光调制器件对全息图进行量化，得到可在其上显示的量化全息图；
(5)判断是否达到迭代次数，若是则运行步骤(6)，若否则运行波导变换，得到量化全息图对应的显示图像的幅度与相位分布，取其相位，加到原输入图像，并跳回步骤(3)；
(6)将量化全息图作为一个子帧显示在光源调制模块上；
(7)判断是否完成此图像所有子帧的显示，若是则输入下一帧图像，跳回步骤(1)；若否则运行波导变换，将所得图像的幅度与原输入图像的幅度进行比较，根据所得误差对原输入图像的强度进行修改，再跳回步骤(2)。
本发明的全息波导显示器相比与普通投影仪，具有体积小，成本低，节能环保，稳定不易损坏等优点。相比普通全息投影技术，本发明与波导显示相结合，使产品具有了屏幕，省去了投影仪所需的光路空间，而在外形及使用上与普通平板显示器无异。此外与波导相结合可以使产品具有被改造成触摸屏，透明显示器，三维显示器等等未来应用的空间。
附图说明
图1是显示了波导侧面结构的本发明的全息波导显示器实施例的结构示意图；
图2是图1的俯视结构示意图；
图3是显示了波导侧面结构的本发明的全息波导显示器另一实施例的结构示意图；
图4是图3的俯视结构示意图；
图5是本发明一个实施例的全息投影系统原理图；
图6是本发明另一实施例的全息投影系统原理图；
图7是图6所示原理图的一种可实施的光路图；
图8是楔形波导的全息图像生成原理图；
图9是波导逆变换的流程图；
图10是波导变换的流程图；
图11是一种减小全息图像误差的方法的原理图。

如图1、2所示，本发明实施例的全息波导显示器包括一个作为显示屏的波导11和用来向波导输入全息图像的全息投影系统12。波导的形状可如图1所示，侧面初始形状为三角型，其前端顶角为α，为节约材料可将前端无用部分切除，使之成为楔形，为便于光入射，波导后端经计算后可设计成一与出射面成β角的平面。其俯视图可为长方形，三角形，或其它便于显示的形状。其后半部作为影像扩散区域111(光传播区域)，前半部作为显示区域112用来显示影像。其中后半部也可折叠到前半部背面从而节省空间(如图3、图4))，使波导显示器形状与普通平板显示器无异，其中影像扩散区域与屏幕之间有一层界面，可为空气或特殊介质，以确保光在此界面上只反射而不出射。在屏幕表面可镀上一层增透膜(抗反射薄膜)，以确保光达到出射角度后能全部出射，消除因二次反射对影像造成的影响。
如图5、图6所示，全息投影系统包括下列部分：
光源：光源采用单色光源，例如激光或光电二极管。通过使用红，绿，篮三种单色光源，即可得到彩色图像。
光源扩束校正模块及图像放大校正模块：它们用于将激光扩束和校正以及对光源调制模块的输出影像进行放大和校正。例如可将扩束后的光源校正为平行光用来照射光调制模块，并使用透镜系统来放大输出的全息图。
光源调制模块：此模块用来对光源进行相位或强度调制并输出所需图像。其可采用硅上液晶系统芯片(LCOS)，数字微镜元件(DMD)，或全息照片，光栅阵列等。若采用硅上液晶系统芯片(LCOS)，数字微镜元件(DMD)等器件，则其上显示的全息图可通过控制模块进行高速切换，从而实现动态视频流的输出。
控制模块：控制模块用于控制光源的开关及输出强弱，其可由单片机，数字芯片(DSP)，场可编程门阵列(FPGA)等电子芯片及电路构成。若空间光调制模块采用硅上液晶系统芯片(LCOS)，数字微镜元件(DMD)等可实现变换其上显示影像的器件，则控制模块将接受输入影像，并相应的输出全息图至空间光调制模块，且使其与光源输出相同步。此外，若输入为普通影像，则控制模块将包含全息图生成模块，实现普通视频至全息图的实时同步转换后，再将生成的全息图输出至空间光调制模块，并保持光源与其同步(如图5)。若控制模块的输入为全息影像，则此模块可不含有全息图转换模块。控制模块直接将输入全息影像输出到空间光调制模块，并使光源强弱与相应影像保持同步(如图6)，而普通视频流至全息图视频流的转换过程可由外部的计算机完成。
图7所示为图5所示原理图的一种可行的具体实现光路。其中光源使用红、绿、篮三种单色激光，光源扩束校正及图像放大校正模块由透镜1～透镜5构成。透镜1、2、3为光源校正透镜，使相应光源由非平面波转换为平面波。透镜4，5构成反向望远镜结构，用于放大光源调制模块输出的全息影像。空间光调制模块使用硅上液晶系统芯片(LCOS)加入偏振片后可实现对光的相位调制。控制模块使用数字芯片(DSP)或场可编程门阵列(FPGA)，实现将输入的普通影像实时同步转换为全息图像的功能，并同步光源与全息图像的输出。
可有多种光路实现图5或6的原理，图7仅为其中一种方案。图5或6的原理也可通过每种颜色的激光各配置一个光源调制器件而实现，例如整个系统中含有3块硅上液晶系统芯片(LCOS)分别调制红、绿、篮三种光源从而提高图像质量。
光在波导中的传播不同于自由空间中的传播方式。因此波导中的全息图生成也将区别与自由空间中的生成方法。本发明的楔形结构的波导，不同角度的入射光可被等效成投影在旋转不同角度的出射平面上。图8为楔形波导的侧视图，其表面有镀膜，波导顶角为α，高为H，长为L。光进入波导后入射角为θ，经计算，角度属于(θin，θin+2α]的光的投影可等效于投影在旋转2mα后的波导表面上，而角度属于(θin-2α，θin]的光等效于投影在旋转2(m+1)α后的波导表面上。
图9为一种生成波导全息图像的方法，本发明中称为波导逆变换。其步骤如下：
1.对所需显示的影像T(x，y)加入相位因子T(x，y)×ejΦ(x，y)，初始相位因子Φ(x，y)可为随机相位；
2.按照不同角度的光在不同区域出射的原则将全屏幕分为N个区域(区域间可部分重叠，即不同角度的入射光因入射点不同而在屏幕上同一点出射)，分别对应角频谱上N  个波段Tn(x，y)＝T(x，y)×ejΦ(x，y)×Pn(x，y)，其中起空间滤波器作用，Rn为对应的屏幕区域；
3.将区域n的影像做傅立叶变换或傅立叶逆变换，并只取结果的n波段，得到其角频谱，An(fx，fy)＝F{Tn(x，y)}×Qn(fx，fy)，其中F{}其中为傅立叶或傅立叶逆变换，起角谱滤波器的作用，Sn为对应的波段；
4.逆传播An(fx，fy)。传播后的角频谱其中k＝λ/2π，λ为入射光的波长；
5.计算An′(fx，fx)逆向旋转π/2-2nα后的结果(若旋转角度不大，此步骤也可省略)；
6.计算并补偿空由于空气波导界面及透镜系统造成的影响；
7.将所有角频谱叠加，再做傅立叶逆变换或傅立叶变换，得到空间的幅度与相位分布。
此方法中步骤的顺序可做出调整，以适应不同系统。最后选择幅度或相位之一并根据所使用的空间光调制器量化生成全息图，例如，对于二元相位调制的空间光调制器，一种量化方法是采取令所有相位大于0的点取π/2，小于0的点取-π/2，从而得到一张二元全息图。
步骤3，4，6在数学上可表示为
$F^{-1}\left\{F\right\{T(x,y)\times e^{\mathrm{j\Phi }(x,y)}\times P_n(x,y)\}\times S_n\times e^{\mathrm{jkL}\sin 2\mathrm{n\alpha }\sqrt{1-{\left(\lambda f_x\right)}^2-{\left(\lambda f_y\right)}^2}}\}$
$=[T(x,y)\times e^{\mathrm{j\Phi }(x,y)}\times P_n(x,y)]*F^{-1}\{S_n\times e^{\mathrm{jkL}\sin 2\mathrm{n\alpha }\sqrt{1-{\left(\lambda f_x\right)}^2-{\left(\lambda f_y\right)}^2}}\}$
其中*为卷积运算，因为与具体图像无关，所以可事先计算并存储，所以可使用一次卷积计算代替两次傅立叶变换，从而提高运算速度。
另外上述方法可逆，只需进行些微修改，便可得计算全息图在屏幕显示的波导变换(图10)：
(1)对全息图做傅立叶逆变换或傅立叶变换得到其角频谱，并划分成一个或多个波段，得到各波段角频谱；
(2)计算并补偿透镜及不同界面造成的影响；
(3)将(2)中得到的结果旋转π/2-2nα(若旋转角度不大，此步骤也可省略)；
(4)传播(3)的结果An(fx，fy)，得角频谱其中k＝λ/2π，λ为入射光的波长；
(5)对各波段分别做傅立叶变换或傅立叶变换，并只取其对应区域的幅度及相位分布；
(6)将各区域幅度及相位分布叠加得到总幅度及相位分布。
上述步骤的顺序可根据情况调整。
量化过程将产生误差，为提高图像质量，可利用人眼的视觉残留效应以及电子空间光调制器的高刷新率来实现图像的快速显示来减小由于全息图在电子空间光调制器上量化而造成的误差。例如，一块刷新率为每秒1024赫兹的硅上液晶系统芯片(LCOS)，每秒可显示1024帧图像，按普通视频一秒24帧图像记，则每帧图像可由42帧子图像组成，子图像间存在细微差别以弥补彼此间的误差，由于人眼的视觉残留效应，最后观测到的图像将具有很高的质量。(专利申请CN101310225A中介绍了一种在自由空间中二维全息投影的象差校正方法。本发明中所使用的相差校正基于波导变换而非简单的傅立叶变换，与其存在明显不同)，本发明的波导全息图校正方法如图11：
1.输入一帧新图像，确定其由多少帧子图像组成，计为M
2.对输入图像加入相位因子，初始相位因子可取随即相位。确定计算每一子帧图像需迭代的次数N。
3.进行波导逆变换，得到所需全息图
4.根据空间光调制器件进行全息图量化，得到可在其上显示的量化全息图
5.判断是否达到迭代次数，若是则运行步骤6，若否则运行波导变换，得到量化全息图所对应显示图像的幅度与相位分布，取相位分布，加到2中输入图像，并跳回步骤3
6.将量化全息图作为一个子帧显示在空间光调制器上
7.判断是否完成此图像所有子帧的显示，若是则输入下一帧图像，跳回步骤1。若否则运行波导变换，将所得图像的幅度与原输入图像的幅度进行比较，根据所得误差通过特殊方法对原输入图像的强度进行细微修改，再跳回步骤2。
步骤2至5类似计算普通全息图时可采用的盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton)或刘-泰(Liu-Taghizadeh)方法，利用相位自由度，通过迭代来优化相位，从而得到质量更高的全息图。步骤7实现将量化产生的误差反馈给输入图像，并通过特殊方法来修改下一子帧所显示的图像，以期弥补当前子帧图像的误差。