專利名稱：一種計算全息圖的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計算全息圖的方法。具體說，涉及一種應(yīng)用電子全息術(shù)來生成全息圖的方法。電子全息術(shù)的目的在于實時實現(xiàn)計算機生成的全息圖(也就是說，可以在短暫的時間內(nèi)從編碼的全息數(shù)據(jù)生成再現(xiàn)物體)。全息顯示器典型地包含可控像素陣列；像素通過電子影響照射光的振幅和/或相位來再現(xiàn)物點。這種陣列是空間光調(diào)制器(SLM)的一種形式。該顯示器可以不基于陣列，而是連續(xù)性的。例如，其可以是連續(xù)SLM，包括具有矩陣控制或AOM(聲光調(diào)制器)的連續(xù)SLM。
一種利用光圖樣的空間調(diào)幅來再現(xiàn)視頻全息圖的合適的顯示裝置例如是液晶顯示器(LCD)。但是，本發(fā)明也可以應(yīng)用于利用相干光調(diào)制光的波陣面的其它可控裝置。
2.術(shù)語說明及背景概念本文中，術(shù)語“像素”表示SLM中的可控全息圖像素；像素由全息圖點的離散值單獨尋址和控制。各個像素代表視頻全息圖的一個全息圖點。因而，對于LCD，我們使用術(shù)語“像素”相當(dāng)于單個可尋址屏幕像素。對于DLP，我們使用術(shù)語“像素”相當(dāng)于單個微鏡，或一小組微鏡。在連續(xù)SLM上，像素是SLM上的一暫態(tài)域，表示一個復(fù)合全息圖點。因此術(shù)語“像素”以其最常用的意思是指可以表示(如顯示)一個復(fù)合全息圖點的最小單元。為了完成色彩編碼，各個像素可以包含以各三原色來表示或顯示彩色全息圖點的子像素。
根據(jù)視頻全息圖編碼的種類，子像素還可以用于編碼或表示各彩色全息圖點的原色。例如，如果彩色全息圖使用伯克哈特(Burckhardt)編碼，則各像素需要九個子像素排列。為在本文中更清楚地闡述，各個像素僅由一個包含幅度分量和相位分量的離散全息圖點值進(jìn)行編碼；上述分量可以為零。專用的控制器或驅(qū)動器采用用于各個子像素的獨立控制信號控制子像素。然而該控制器或驅(qū)動器及控制信號的提供不是本發(fā)明的主題。
術(shù)語“間距”在本文中是指SLM的相鄰兩像素的中心間的距離。因此其表示顯示分辨率特征。
“觀察窗口”是有限的虛擬區(qū)域，觀察者可以通過該觀察窗口以足夠高的可見度看到完整的再現(xiàn)3D場景。該觀察窗口布置于觀察者眼睛上或眼睛附近。該觀察窗口可以在X，Y，和Z方向移動。在觀察窗口內(nèi)，波場以引起再現(xiàn)物體能被觀察者看到的方式進(jìn)行干涉。本發(fā)明的一實施例中，場景可以通過該觀察窗口來觀看，且在伸展于觀察窗口邊界和SLM之間的截錐體內(nèi)再現(xiàn)?？梢园▋蓚€觀察窗口，每只眼睛各一個。也可以安排更復(fù)雜的觀察窗口。也可以對包含觀察者能看到的SLM后面的物體或完整場景的視頻全息圖進(jìn)行編碼。
術(shù)語“編碼”表示一種向SLM提供控制信號、以使相干光穿過SLM或是被SLM反射而再現(xiàn)三維場景的方式。
根據(jù)本文的“光源”，如果光在允許干涉的范圍內(nèi)空間相干，則認(rèn)為完全相干，所以其至少在一維上允許具有足夠分辨率的全息再現(xiàn)?？臻g相干涉及光源的橫向擴展。如果傳統(tǒng)光源，例如LED或冷陰極熒光燈(ColdCathode Fluorescent Lamp)穿過足夠窄的光闌發(fā)射光，也可以滿足這些要求。激光光源發(fā)出的光可以視作由衍射極限內(nèi)的點光源所發(fā)射。其導(dǎo)致物體的清晰再現(xiàn)，也就是說在衍射極限內(nèi)各個物點作為一個點被再現(xiàn)。
來自空間非相干光源的光橫向擴展且引起再現(xiàn)物體的模糊或拖尾效應(yīng)。模糊或拖尾效應(yīng)的程度取決于在給定位置上再現(xiàn)物點的加寬尺寸。為了使用空間非相干光源來構(gòu)建全息圖，就必須通過調(diào)節(jié)光闌的寬度在再現(xiàn)質(zhì)量和亮度之間進(jìn)行折衷。越小的光闌導(dǎo)致空間相干的改善，且因而降低模糊或拖尾效應(yīng)的程度。但越小的光闌導(dǎo)致越低的亮度。術(shù)語“部分空間相干”用于說明這種光源。
時間相干性涉及光源的光譜線寬。為了確保時間相干性，光必須有足夠窄的波長范圍。高亮度LED的光譜帶寬足夠窄，以確保全息再現(xiàn)的時間相干性。SLM上的衍射角度與波長成比例，這表示只有單色光源能導(dǎo)致物點的清晰再現(xiàn)。加寬光譜將導(dǎo)致加寬的物點和模糊或拖尾效應(yīng)的物體再現(xiàn)。激光光源的光譜可以認(rèn)為是單色的。LED的光譜線寬極窄，以利于優(yōu)質(zhì)再現(xiàn)。
在多數(shù)全息系統(tǒng)中，編碼的全息圖是將要再現(xiàn)的3D場景的變換。術(shù)語“變換”可以廣義解釋為包括任何與變換相等或近似的數(shù)學(xué)的或計算的技術(shù)。數(shù)學(xué)意義上的變換只是更精確地用麥克斯韋(Maxwellian)波的傳播方程表示的物理過程的近似。諸如菲涅耳(Fresnel)變換(或者是公知的專業(yè)級變換傅立葉(Fourier)變換)的變換是二階近似，但有優(yōu)勢；因為它們是與微分相對立的基礎(chǔ)代數(shù)，其能以高計算效率的方式處理，而且，還能在光學(xué)系統(tǒng)中精確地實施。
3.現(xiàn)有技術(shù)的說明使用傳統(tǒng)光學(xué)的3D自動立體顯示的缺點是，視差信息和眼睛晶狀體調(diào)節(jié)之間的失諧。一方面，觀察者的眼睛看到3D場景的不同透視圖，該透視圖模擬任意距離的物體的深度映像。另一方面，各個透視圖本身位于顯示器的表面上。因而，眼睛聚焦于顯示器表面，且每只眼睛看到的是平面圖像。這引起由視差信息獲得的在任意深度上所見的物體和眼睛對固定的顯示器表面的調(diào)節(jié)之間的失諧。該失諧可能引起不舒服的感受和眼睛疲勞。
已知的電子全息顯示器，例如WO01/95016號專利文件所述，使用具有可控開口的像素圖樣的全息圖矩陣，該可控開口以正確的深度再現(xiàn)3D場景的物體。這樣可以避免傳統(tǒng)立體顯示器的不便。小開口衍射用以再現(xiàn)3D場景。從開口發(fā)出的波陣面在到達(dá)觀察者之前在場景的物點會聚。該全息矩陣的開口直徑越小，且因而間距越小，衍射角度就越大。這導(dǎo)致觀察者使用時有寬的視角。因此，增大視角需要提高分辨率。
N.Fukaya、K.Maeno、K.Sato和T.Honda所著的“應(yīng)用液晶裝置進(jìn)行眼睛位置跟蹤型的電子全息顯示器(Eye-position tracking typeelectro-holographic display using liquid crystal devices)”(S36-5，95年度亞洲顯示技術(shù)最新進(jìn)展的論文(Post-Deadline Paper Asia Display′95))描述了一種通過眼睛位置跟蹤在電子全息顯示器中擴大可視區(qū)的方法。該文指出不必要將全息陣列的光投射到觀察者可能位于的整個區(qū)域。而是，其足以限制進(jìn)入觀察者眼睛的照射面積。因此，大的全息圖陣列被分為小塊獨立的全息圖，各用一對小全息圖編碼，而不是單一的大全息圖。這使觀察者看到像是從一個大全息圖看到的一樣的3D物體；每個都再現(xiàn)該物體，而且其可視區(qū)對應(yīng)于各只眼睛的位置。如果觀察者移動到其它位置，則該觀察者從另一對小全息圖得到再現(xiàn)和觀察區(qū)域。該限制有助于使用像素數(shù)目顯著降低的SLM。
為了跟蹤觀察者的橫向(X，Y)移動，可控掃描鏡將SLM的光投射到觀察者的眼睛。通過改變小的LCD之間的相對間距來跟蹤觀察者的縱向(Z)移動。
文中提到50mm的再現(xiàn)寬度，其導(dǎo)致相對小的角度，而3D場景在該角度里呈現(xiàn)。
該方法的缺點是制造包含多個獨立的小LCD的全息陣列非常困難。另外，其必須避免看到3D場景的同一物點的多次再現(xiàn)。這限制了SLM的尺寸，從而限制物體的尺寸。
為了減少巨大的計算量，WO 01/95016 A1號專利說明書公開了一種只計算電子全息圖能被觀察者直接看到的部分或者變化的那部分的全息圖計算法。該電子全息圖陣列由可尋址的子區(qū)域組成。該計算法是建立在與具體位置的觀察者眼瞳一致的所謂有效出射光瞳的基礎(chǔ)上。如果觀察者的位置改變，跟蹤裝置重新計算為新的觀察位置生成圖像的全息圖部分。
但是，這種部分取消減少計算量和所述的方法未能避免需要較大的具有極小間距的可控SLM的缺陷。
WO 2003/021363(A1)號文獻(xiàn)中描述的一種用于再現(xiàn)計算機生成的全息圖的裝置，通過將再現(xiàn)限制到僅有水平視差(HPO)的全息圖來減少對SLM的要求。
照明裝置是線光源，其產(chǎn)生小于10nm帶寬的單色光，且在水平方向上相干但在垂直方向上不相干。該全息再現(xiàn)只發(fā)生在水平方向，而在垂直方向沒有全息再現(xiàn)。這導(dǎo)致具有水平運動視差的再現(xiàn)物體。透視圖在垂直運動上不改變。HPO全息圖需要的SLM與全視差全息圖相比在垂直方向上分辨率較低。只在再現(xiàn)方向、即水平方向上有周期性。減少了一維全息圖的計算工作量。
US 6 927 886(Plesniak)號文獻(xiàn)涉及具有可重配置圖像表面的計算的全息立體圖，該圖像表面與編碼有全息立體圖的全息圖表面空間不同。三維物體或場景作為一維全息景觀(HPO全息圖)的堆疊被捕獲或合成，該一維全息景觀由包含具有與已知像素結(jié)構(gòu)不同的稱為全息像素的陣列再現(xiàn)。硬件生成計算的衍射圖樣以產(chǎn)生可視化的圖像，生成模塊通過在與全息圖表面空間不同的一個或多個圖像表面上的干涉圖樣來再現(xiàn)全息立體圖。
該裝置通過一個或多個全息再現(xiàn)的成像平面投射一個或多個系列的三維場景視差圖。成像平面通過軟件可以在離開全息圖平面的任意位置具體指定，且由不定數(shù)目的投射器像素組裝。另外，在一具體實施中，全息圖表面和成像表面被一可調(diào)距離分開。成像表面可以有不同的深度和/或分辨率。
與上述的SLM像素相反，全息像素具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)且可以再現(xiàn)多個全息景觀。
由于將觀察窗口減少到僅比眼睛的瞳孔稍微大一點的范圍，申請人先前的專利申請WO 2004/044659明顯減小對SLM間距的要求和全息陣列的計算工作量。該裝置包含至少一個提供完全相干光的光源，一個傅立葉變換透鏡，及具有各包含一個或多個開口的像素矩陣的全息陣列。各開口的相位或幅度是可控的，且觀察平面位于光源的成像平面。在觀察平面里，至少一個觀察窗口作為視頻全息圖變換在一個周期間隔里形成，該觀察窗口可使觀察者觀察三維場景的再現(xiàn)。觀察窗口的最大范圍(即X，Y維度)可以對應(yīng)于傅立葉變換平面(其相當(dāng)于光源的成像平面)的周期間隔。再現(xiàn)截錐體在顯示區(qū)域和觀察窗口之間伸展，上述截錐體包含視頻全息圖的整個三維場景。如上文所知，觀察窗口受限于觀察者的眼睛且由其定位。附錄II列出WO 2004/044659的另一方面和增補；該增補在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
4.發(fā)明的技術(shù)背景普通的全息陣列通過光波的相干重疊來再現(xiàn)3D物體或3D場景的光波波陣面。為此目的，空間光調(diào)制器(SLM)顯示在SLM(其可以是全息陣列)上編碼的波圖樣。編碼的全息圖是3D場景的變換。該SLM衍射由背光提供的光波并再現(xiàn)該場景。
基本上，電子全息圖的顯示引起一個問題，其中全息圖以全息圖點被采樣。采樣的全息圖始終具有以周期間隔在觀察平面里周期性重復(fù)編碼的波圖樣的性質(zhì)。這些重復(fù)將引起同一物體或物點的多次再現(xiàn)。
如果全息圖再現(xiàn)的維度超出周期間隔，相鄰衍射級將交疊。隨著分辨率的逐漸降低，也就是隨著間距的增大，，再現(xiàn)的邊緣將通過交疊相鄰衍射級更加被扭曲。再現(xiàn)的可用范圍從而逐漸被限制，因為必須避免周期再現(xiàn)觀察窗口的交疊。
SLM的可視區(qū)域取決于它的最大衍射角。最大值由SLM的像素間距確定。
一般公知，傅立葉全息圖中，場景是以全息陣列像素的編碼的直接的或逆傅立葉變換被再現(xiàn)在再現(xiàn)平面上(即物體再現(xiàn)于陣列的傅立葉平面上)。該再現(xiàn)在一周期間隔里周期性持續(xù)，上述周期間隔的范圍與全息陣列里的像素間距成反比。
如果周期間隔更大，且因而獲得更大的可視角，則所需間距(全息陣列里各像素的子像素的范圍也是)更趨近于照射光的波長。陣列區(qū)域必需足夠大，以能夠再現(xiàn)大的場景。這兩個條件(小間距和大區(qū)域)需要具有大量像素的大全息陣列。
為實施電子全息圖的再現(xiàn)，必須提供足夠大的可視區(qū)。在傳統(tǒng)的全息陣列里，可視區(qū)至少必須覆蓋目距，其要求至多ca.10μm的像素間距。需要昂貴的硬件和高計算速度以實時計算電子全息圖。
實時生成全息圖的設(shè)備的計算工作量取決于全息圖的復(fù)雜度。全視差的全息圖通過水平和垂直方向上波的相干疊加全息地再現(xiàn)物體。假設(shè)有足夠大的觀察窗口或觀察區(qū)域，可以在水平和垂直方向看到具有運動視差的再現(xiàn)物體，就像真實的物體。但是，大的觀察區(qū)域需要在水平和垂直方向上都有高分辨率的SLM。
可以通過限制僅水平視差(HPO)全息圖或僅垂直視差(VPO)全息圖，減小對SLM和計算裝置(如，專用的ASIC，主裝置CPU，分離的單機裝置等)的要求。
如果使用僅水平視差全息圖，則只在水平方向上發(fā)生全息再現(xiàn)，而垂直方向上沒有全息再現(xiàn)。這導(dǎo)致具有水平運動視差的再現(xiàn)物體。透視圖在垂直方向上不發(fā)生改變。HPO全息圖所需的SLM在垂直方向上的分辨率比全視差全息圖低。只在再現(xiàn)方向、即水平方向上有周期。因此減少了一維全息圖的計算工作量。
也可以是只在垂直方向上發(fā)生再現(xiàn)的僅垂直視差全息圖，但不常見。這導(dǎo)致具有垂直運動視差的再現(xiàn)物體。水平方向上沒有運動視差。左眼和右眼的不同透視圖必須分別創(chuàng)建。這可通過觀察窗口的時間或空間復(fù)用來完成。
VPO全息圖和HPO全息圖都在物距上完成目光聚焦(即調(diào)節(jié)眼睛晶體的曲率)。
實際的傳統(tǒng)電子全息顯示器的觀察窗口通常比眼瞳大很多(即可以在大區(qū)域內(nèi)準(zhǔn)確地看到再現(xiàn)物體)。結(jié)果是需要更多的努力將光投射進(jìn)沒有觀察者的區(qū)域。因此，對全部的電子全息顯示器控制光波波陣面的性能要求非常高。
假設(shè)有足夠大的觀察窗口或觀察區(qū)域，再現(xiàn)物體就像真實的物體一樣便于在水平和垂直方向上運動視差。但是，大的觀察區(qū)域在全息陣列的水平和垂直方向上都要求高的分辨率。
一種公知的編碼全息圖的方法是應(yīng)用公知的基于迂回相位效應(yīng)的伯克哈特(Burckhardt)編碼通過使用傳統(tǒng)的液晶顯示器來調(diào)節(jié)幅度。該編碼需要每個像素三個相鄰的子像素和原色。該編碼提供三類衍射級，稱為1st，0st，1st，2nd，3rd，等衍射級。
第一類，0th，3rd等的衍射級包含非衍射的光。這些級不提供任何再現(xiàn)。第二類，1st，4th，等的衍射級包含編碼物體的再現(xiàn)。相反地，第三類，-1st，2nd，等的衍射級包含深度反轉(zhuǎn)物體的再現(xiàn)。這表示該再現(xiàn)是不正確的，正確的再現(xiàn)只包含1st，4th，等的衍射級。由于LCD開口的有限光闌，對于更高衍射級衍射圖樣的強度降低。因此，最好將觀察窗口置于1st衍射級。
伯克哈特編碼提供的周期間隔包含一組三個相鄰衍射級，如1st，0th和-1st衍射級。各個周期間隔的大小由Pdiffr＝λ*d/p給出，其中λ定義照射光的波長；d是全息圖和觀察平面之間的距離，p是子像素間距。
由于物體只在1st衍射級上正確再現(xiàn)，觀察窗口只能覆蓋周期間隔Pdiffr的1/3。因為周期間隔的大小也取決于照射光的波長，對于彩色全息圖，觀察窗口的尺寸由所用原色的最短波長限制。
如果相位調(diào)制SLM被用于傅立葉全息圖，則周期間隔不包含深度反轉(zhuǎn)的再現(xiàn)物體。但是，也有非衍射的光。因此，不是全部的周期間隔都可用作觀察窗口。非衍射光也必須從觀察窗口中排除。
如果使用復(fù)合調(diào)制的SLM，各個單一像素可被用于編碼一個復(fù)值。因此，觀察平面中的各周期間隔只包含一個衍射級。從而，全部的周期間隔可被用作觀察窗口。
一般地，觀察窗口必須位于一個周期間隔之內(nèi)；但是，根據(jù)SLM上復(fù)值全息圖的編碼方法，觀察窗口必須比周期間隔小。
電子全息圖引起的光的傳播可以用菲涅耳變換或傅立葉變換來表示。菲涅耳變換描述近場光分布，而傅立葉變換描述無窮遠(yuǎn)的遠(yuǎn)場光分布。通過聚焦透鏡該遠(yuǎn)場光分布可以轉(zhuǎn)換到有限的距離。
WO 2004/044659號專利申請公開的解決方法是基于限制該編碼區(qū)域的思想，這樣從再現(xiàn)場景點發(fā)出的光被限制到一個觀察窗口。因此，裝置在一個傅立葉變換的周期間隔里將視頻全息圖再現(xiàn)在觀察平面中?？梢酝ㄟ^置于各眼睛前的觀察窗口看到該再現(xiàn)三維場景。該再現(xiàn)場景在再現(xiàn)截錐體內(nèi)部可見；因此該場景可再現(xiàn)于陣列表面之上、之前或之后。這就允許使用具有將近3百萬像素分辨率、具有合理的硬件開銷和計算能力的傳統(tǒng)陣列。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一個目的是減少計算全息圖的計算要求。另一目的是應(yīng)用具有傳統(tǒng)分辨率的SLM實現(xiàn)用于再現(xiàn)視頻全息圖的電子全息顯示；該全息圖應(yīng)當(dāng)提供高質(zhì)量的再現(xiàn)圖像。
為了達(dá)到該目的，提供一種如特征1所定義的發(fā)明。本發(fā)明是一種通過在接近觀察者的眼睛位置確定波陣面來計算全息圖的方法，該波陣面由將被再現(xiàn)的真實物體生成。在普通計算機生成的全息圖里，確定再現(xiàn)物體的每個點所必需的波陣面。這可能會是非常大的計算強度。在本發(fā)明中不直接這么做。而是，應(yīng)用本發(fā)明，可以在觀察窗口確定波陣面，該波陣面由與再現(xiàn)物體位于相同位置的真實物體生成。然后，可以將這些波陣面逆變換為全息圖，以確定生成這些波陣面需要如何編碼該全息圖。
盡管明顯比直接算出需要如何編碼該全息圖以生成再現(xiàn)物體的各個點的傳統(tǒng)方法復(fù)雜，但是本發(fā)明的確能夠使該計算方法達(dá)到非常高的效率。例如，可以應(yīng)用菲涅耳變換將所有再現(xiàn)物點變換至觀察窗口；然后，可以將該觀察窗口上的波陣面加在一起，并接著應(yīng)用單一傅立葉變換變換回為全息平面本身，以定義全息圖上需要用以再現(xiàn)該物體的全息點。另外，如果使用低分辨率的SLM，則該方法導(dǎo)致小觀察窗口。然而，如果該小觀察窗口比眼瞳大且該眼瞳被適當(dāng)跟蹤時，則小觀察窗口沒有關(guān)系。
當(dāng)使用用戶的顯示裝置(如顯示裝置里的ASIC)或連接到該顯示裝置的計算單元處理全息數(shù)據(jù)時，則可以采用該計算方法。因而，該顯示裝置(或被連接的計算單元)接收全息數(shù)據(jù)(如用光學(xué)記錄介質(zhì)上的，或通過高速寬帶網(wǎng)絡(luò)得到的等)，其可以被顯示器或計算單元采用特征1所定義的方法在本地處理。其典型地需要某些實時跟蹤該觀察者眼睛(或多個觀察者的眼睛)的方式，這樣全息圖可以從該全息數(shù)據(jù)實時計算；然后，使用一光學(xué)系統(tǒng)以全息再現(xiàn)物體的方式照亮該實時計算的全息圖。在視頻全息圖情況下，全息數(shù)據(jù)將超時改變；其以觀察者眼睛的位置函數(shù)的方式每秒多次有規(guī)律地且快速地被處理。
然后，適當(dāng)編碼的全息圖可以生成三維場景的再現(xiàn)，該三維場景可以通過將人的眼睛置于觀察窗口平面，并通過該觀察窗口看到。
本發(fā)明最好使用申請人先前的WO 2004/044659號專利申請所述的裝置，其中由光學(xué)聚焦裝置成像的完全相干光穿過單一全息陣列的可控的像素(或其它形式的SLM)，至少進(jìn)入一個觀察窗口，各觀察窗口位于觀察者眼睛附近的觀察平面(也稱為參考圖層)的一個周期間隔內(nèi)。其再現(xiàn)已被可控像素全息編碼的場景，且因而使其可通過該觀察窗口被看到。截錐體在全息陣列和該觀察窗口之間伸展。與普通裝置相反，該截錐體包含編碼在全息陣列上的整個三維場景再現(xiàn)。
該觀察窗口的范圍(即在x和y方向上)不比包含用于再現(xiàn)的光源成像的圖層或平面里的周期間隔大。如果用于參考圖層和全息層的數(shù)據(jù)集具有相同數(shù)目的矩陣點值時，將導(dǎo)致根據(jù)本實施例的計算機生成的視頻全息圖，與其它方法相比所需的衍射角更小。由于為光調(diào)制器矩陣計算幅值，大大減少了對處理速度的要求。特別是與已知的用于跟蹤當(dāng)前觀察者位置的位置探測和跟蹤裝置結(jié)合，受益于該優(yōu)勢，該觀察窗口的尺寸可以極大地減小。附錄I包括本實施例的更多細(xì)節(jié)。
本發(fā)明中，來自光源的光聚焦在處于觀察者眼睛附近的觀察平面上。因此，該觀察平面里是全息圖的傅立葉變換因而該觀察窗口也是全息圖的傅立葉變換。因為再現(xiàn)物體不在透鏡的焦面上，所以該再現(xiàn)物體不是全息圖的傅立葉變換而是菲涅耳變換。該再現(xiàn)物體、即全息圖的菲涅耳變換，位于由全息圖和觀察窗口確定的截錐體內(nèi)。
可以通過在全息再現(xiàn)各采樣點的全息陣列上限制編碼場景信息的全息圖區(qū)域來避免多重物體再現(xiàn)的發(fā)生。通過在全息陣列的受限區(qū)域上編碼視頻全息圖，使觀察窗口的再現(xiàn)必須限制在安排在一個周期間隔之內(nèi)的衍射級的范圍和位置內(nèi)，該周期間隔可以顯示正確的和完全的編碼的全息場景再現(xiàn)。
該觀察窗口必須僅位于一個周期間隔之內(nèi)，但是取決于所使用的編碼方法，該觀察窗口必須比該周期間隔小。例如，如果使用伯克哈特編碼，其可以是所用原色的最短波長限定的周期間隔的三分之一。電子全息顯示器分辨率的選擇及其編碼限制了與觀察者眼睛大小相關(guān)的觀察窗口的尺寸，和通過公知的眼睛跟蹤器定位的該窗口相對眼睛的位置。
本發(fā)明不局限于編碼傅立葉全息圖。但是，傅立葉全息圖比菲涅耳全息圖有優(yōu)勢。因為沒有全息圖有100％的效率，所以總會有非衍射光。傅立葉全息圖中，非衍射光聚焦于觀察平面上的一點。如果該點在觀察窗口之外，則看不到非衍射光，且因而沒有干擾。菲涅耳全息圖中，非衍射光不聚焦，因此能被作為干擾背景看到。
本發(fā)明的一實施例提供一種計算機生成的全息圖，該全息圖包含編碼需要被用于再現(xiàn)全息圖像的數(shù)字化編碼信息的區(qū)域，該全息圖像能從確定的觀察者位置看到。再現(xiàn)場景中的各單一物點的編碼信息被單獨編碼于SLM的限定區(qū)域里。各編碼的限定區(qū)域可以攜帶來自其它相鄰物點的編碼信息，以使其它不同的相鄰物點的區(qū)域彼此交迭。對于各物點，具有編碼信息的區(qū)域的尺寸被限制，以形成完整視頻全息圖的小部分，這樣的尺寸致使在確定的觀察者位置不能看到由更高衍射級引起的該點的多重再現(xiàn)。
傳統(tǒng)的電子全息顯示器里，全息圖被作為物體的傅立葉菲涅耳變換計算。如果使用低分辨率SLM，則導(dǎo)致小物體尺寸。相反地，根據(jù)本發(fā)明的一實施例，該全息圖被作為觀察窗口的傅立葉變換計算。如果使用低分辨率SLM，則導(dǎo)致小物體尺寸，但再現(xiàn)的三維場景可以延伸到截錐體的整個空間。本發(fā)明的實施例也包括附錄III定義的概念和特性。
本發(fā)明可以被實施為
●當(dāng)與可以應(yīng)用特征1所述的方法用所述數(shù)據(jù)計算全息圖的裝置結(jié)合使用時時，作為一種應(yīng)用全息數(shù)據(jù)編程的數(shù)據(jù)載體。
●當(dāng)攜帶可以應(yīng)用特征1所述的方法被一裝置處理、用以計算全息圖的全息數(shù)據(jù)時，作為一種數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)。
●一種計算裝置，其適于應(yīng)用特征1所述的方法計算定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)。
●當(dāng)顯示應(yīng)用特征1所述的方法計算的全息圖時，作為一種顯示屏幕。
●一種應(yīng)用特征1所述的方法計算的全息圖的全息再現(xiàn)。
其它的實施特性包括被編碼于電視機顯示器、多媒體裝置、游戲裝置、醫(yī)學(xué)圖像顯示裝置、軍用信息顯示裝置里的全息圖。該顯示器可以是TFT平面屏幕的SLM。
附圖簡要說明

圖1是用于再現(xiàn)視頻全息圖的裝置的俯視概圖，表示應(yīng)用伯克哈特編碼時，衍射級的產(chǎn)生和排列；圖2是用于再現(xiàn)視頻全息圖的裝置的俯視概圖，表示能通過觀察窗口觀看的三維場景的單一物點的編碼。
圖3是用于再現(xiàn)視頻全息圖的裝置的概圖，表示編碼視頻全息圖中一部分三維場景的多個物點。
圖4表示與圖3相同的裝置，但有更高的分辨率。
關(guān)于視頻全息圖和用于再現(xiàn)視頻全息圖的裝置的另一方面，在附錄II中結(jié)合附圖進(jìn)行說明和闡釋，其中圖V1是視頻全息圖和用于再現(xiàn)視頻全息圖的裝置的概圖，表示衍射級的產(chǎn)生和觀察窗口的位置；圖V2是用于再現(xiàn)視頻全息圖的裝置的概圖，表示可以通過觀察窗口觀看的三維場景；圖V3是用于再現(xiàn)視頻全息圖的裝置的概圖，表示視頻全息圖中一部分的三維場景的編碼；圖V4是表示根據(jù)衍射級在觀察平面分布光強的圖表；及圖V5是用于再現(xiàn)視頻全息圖的裝置的概圖，表示為防止串?dāng)_用于觀察者雙眼的觀察窗口關(guān)于衍射級的位置。
發(fā)明的詳細(xì)說明一種用于再現(xiàn)視頻全息圖的裝置，包含SLM(本例中是全息陣列HA)，完全相干光源LS和光學(xué)聚焦系統(tǒng)F。該光源可用虛擬的照明裝置來實現(xiàn)，如LED陣列或線型背光源，其由可控光閘裝置局部控制并對準(zhǔn)，以形成點陣列或線光源。全息陣列本身由排列成規(guī)則圖樣的像素組成；每個像素包含許多被照射的和透射的開口(子像素)。各子像素的開口是獨立可尋址的，且相位和/或幅度可控，以通過表示視頻全息圖次序的全息復(fù)值數(shù)目來影響將被編碼的透過的照射光。
在觀察平面OP中，在一個周期間隔內(nèi)至少形成一個觀察窗口OW，作為視頻全息圖的直接或逆傅立葉變換。觀察窗口OW允許觀察者一只眼睛OE觀看三維場景的再現(xiàn)3D-S。觀察窗口OW的最大范圍對應(yīng)于傅立葉反變換的觀察平面OP里的周期間隔，該觀察平面OP與光源LS的成像平面完全一樣。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，在透射的SLM、HA中編碼關(guān)于三維場景的信息。被照射的像素排列包含多個開口(彩色顯示的子像素)。照射光幅度和相位的空間控制由編碼的像素圖樣完成。但是，本發(fā)明的基本思想不局限于所描述的SLM。半透射半反射型和反射型的陣列或直接調(diào)制光波相位的陣列，諸如弗雷德里克茲(Freedericksz)像素，都可以使用。
圖1圖1表示通過聚焦裝置F照射SLM的光源LS、陣列HA。本發(fā)明實施例的最佳模式中，線型光源形成光源LS，聚焦裝置F是垂直放置的圓柱透鏡，其將光源LS的相干光成像于觀察平面OP內(nèi)。
圖1表示使用公知的伯克哈特編碼的裝置。觀察平面OP對應(yīng)于具有衍射級的視頻全息圖逆變換的傅立葉平面。
光源LS通過表示傅立葉變換透鏡的聚焦裝置F在觀察平面OP里成像。以視頻全息圖編碼的SLM，HA在將觀察平面OP里的全息圖作為傅立葉反變換再現(xiàn)。SLM HA的周期開口在觀察平面OP里生成等距交錯的衍射級，其中發(fā)生例如通過所謂的迂回相位效應(yīng)的方式將全息圖編碼為更高衍射級。因為光強對于更高衍射級減弱，所以1st或一1st衍射級被用作觀察窗口OW，如圖2所示。在此選擇再現(xiàn)的尺寸，以對應(yīng)于觀察平面OP里的1st衍射級的周期間隔的大小。結(jié)果是，更高的衍射級被定位在一起，而不形成間距，也沒有交疊。
圖2如圖2所示，在觀察平面OP上選擇的1st衍射級是視頻全息圖的再現(xiàn)。其不是再現(xiàn)物體本身，而是觀察窗口OW上由與再現(xiàn)物體位于相同位置上的真實物體生成的的波陣面。因而，視頻全息圖再現(xiàn)(即，不是物體再現(xiàn))不表示真實的三維場景3D-S。其只作為通過其能夠觀察三維場景3D-S重現(xiàn)的觀察窗口OW。該場景位于在SLM和觀察窗口OW之間延伸的再現(xiàn)截錐體RF里邊。該場景3D-S被實施為視頻全息圖的菲涅耳變換，而觀察窗口OW是傅立葉變換的一部分。圖2表示3D場景的單一物點P的SLMHA全息編碼。在傳統(tǒng)的全息再現(xiàn)里，1st衍射級本身可以構(gòu)成物體再現(xiàn)。再現(xiàn)物體在傅立葉平面上。圖2實施例中，觀察平面與傅立葉平面一致。
圖2表示對應(yīng)的全息編碼。三維場景由離散的點組成，如點P1至P3(見圖3)。以觀察窗口OW為底邊、場景3D-S中選擇的點P為頂點的錐體PY，從該點延伸且投射到SLM HA。在視頻全息圖里建立投影區(qū)域A1，該點在該投影區(qū)域A1里被單獨全息編碼。點P到全息圖的像素之間的距離可被確定，以計算相位值。該再現(xiàn)3D-S比觀察窗口大。觀察窗口OW的尺寸由周期間隔限定。在傳統(tǒng)的全息再現(xiàn)里，周期間隔限制再現(xiàn)物體的尺寸；這點沒有應(yīng)用到本實施中。結(jié)果，與可能使用具有相同像素間距的傳統(tǒng)全息方法相比，該實施例允許生成大得多的再現(xiàn)物體。再現(xiàn)物體可以在再現(xiàn)截錐體RF里的任意位置出現(xiàn)。
如果點P在整個全息圖中被編碼，則該再現(xiàn)將超出周期間隔。來自相鄰衍射級的可視區(qū)域就會交疊，其將導(dǎo)致觀察者看到物點P的周期延拓。編碼表面的輪廓將因多重交疊而變得模糊。
圖3圖3表示具有物點P1至P3的三維場景3D-S的編碼。如圖所示，各物點P1至P3只在SLM HA對應(yīng)的限定編碼區(qū)域里被單獨編碼。這些區(qū)域由A1到A3的參考數(shù)字所定義。物點P1到P2的位置的深度信息不同。因此，在SLM上編碼區(qū)域A1和A2交疊。
圖4圖4更詳細(xì)表示圖3的情況。
光源LS在觀察平面OP上成像。透鏡F或透鏡陣列使光源LS成像。與菲涅耳全息圖相比，傅立葉全息圖具有將非衍射光聚焦于觀察平面OP上的小點的優(yōu)勢。如果這些點在觀察窗口外面，則非衍射光不會作為干擾背景而被看到。
在相干光源的情況下，成像光源的尺寸由透鏡的衍射和像差所限制，且相對于人眼分辨率來說通常非常小。如果使用諸如LED或LED陣列的空間相干光源，成像光源的尺寸還由光源的光闌和透鏡的放大率所確定。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，使用光源陣列和透鏡陣列，所有光源的成像必須一致。根據(jù)簡單的幾何構(gòu)造，這表示光源陣列的間距必須比透鏡陣列的間距稍大。如果光源和透鏡被適當(dāng)對準(zhǔn)，則在觀察平面OP上可看到衍射圖樣，其看起來就像是使用單一光源和單一透鏡所形成的衍射圖樣。
可以有附加的使光分布成形的光學(xué)元件，以使光分布均勻或增加觀察平面的強度。這些可以是擴散片或透鏡。
為了建立純?nèi)?，通過相對于透鏡(陣列)改變光源來完成對觀察者的跟蹤。這可以通過機械改變光源或透鏡(陣列)或者通過電子改變LCD面板光閘的光闌來完成。也可以通過可設(shè)置的衍射光學(xué)元件或掃描鏡來完成跟蹤。
如果將垂直方向上的全息物體再現(xiàn)和水平方向上的自動立體圖像分離結(jié)合起來，則水平方向上的跟蹤還可以通過水平改變SLM上的VPO全息圖來完成。
下面是附加附錄附錄I本發(fā)明另一實施例的詳細(xì)說明附錄II理論背景；優(yōu)選實施例的詳細(xì)情況和增補。
附錄IIIWO 2004/044659及增補的主要概念的摘要，其內(nèi)容引用于此作為參考。
附錄I有關(guān)用于計算計算機生成的視頻全息圖的方法和裝置的另一實施例附錄I實施例的背景本實施例涉及計算計算機生成的全息圖(CGH)，特別是實時或近實時全息圖，例如由各個可控全息圖單元組成、每個單元都顯示復(fù)值數(shù)據(jù)的視頻全息圖的方法和裝置。除靜態(tài)全息圖外，實時視頻全息圖特別引人注目。電子全息技術(shù)的目的是實現(xiàn)實時CGH。電子全息顯示器實際上是在空間中調(diào)制照明光的帶有可控像素再現(xiàn)物點的空間光調(diào)制器(SLM)。在本說明書中，我們將實時全息圖稱為視頻全息圖。對于所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，視頻全息圖還涵蓋光尋址SLM、聲光調(diào)制器(AOM)或其他不展示分開設(shè)置的單元的類似物。
與利用攝影術(shù)或以干涉圖的形式利用其他合適方法存儲的典型的全息圖相對比，視頻全息圖作為三維場景的序列中得到的離散全息圖數(shù)據(jù)計算結(jié)果存在。計算過程中，例如通過電子裝置，如計算機、圖像處理器、圖像適配器或其他硬件元件的電存儲介質(zhì)存儲中間數(shù)據(jù)。3D場景數(shù)據(jù)可以以任何方式產(chǎn)生，例如干涉圖或2D數(shù)據(jù)的3D轉(zhuǎn)換。
附錄I背景概念空間光調(diào)制器(SLM)是用于空間上控制復(fù)值數(shù)據(jù)的裝置，也就是光的每個色彩分量的振幅的大小和相位。通過空間或時間的多路復(fù)用對色彩編碼。SLM可以包括可控全息單元，每一個都由全息數(shù)據(jù)的離散值集單獨尋址并控制。SLM也可以是連續(xù)的，不包括離散單元。為了在以單元為基礎(chǔ)的SLM中通過空間復(fù)用得到色彩編碼，單元中的每個像素都可以包含色彩子像素，每個子像素顯示三個或更多原色中的一個。根據(jù)使用的視頻全息圖編碼的種類，子像素還可以用于編碼各原色。例如，迂回相位編碼，與公知的伯克哈特(Burckhardt)編碼類似，需要為每個色彩分量安排三個子像素?？紤]三個色彩分量，對于一個全息單元色彩(也就是三原色)來說，子像素的數(shù)目總計為九個；上述三原色的每一個都有三個子像素，總和為九個。相反，同樣公知的李(Lee)編碼需要四個子像素；對于全息單元中每種色彩來說，一個二相位編碼需要兩個子像素。
每個全息單元都由一個全息數(shù)據(jù)的離散集編碼，至少包括給定色彩分量的振幅和相位信息；上述數(shù)據(jù)可以是0，或者具有標(biāo)準(zhǔn)值，或者可以任意選擇。根據(jù)驅(qū)動SLM的配置，持續(xù)更新視頻全息圖的全息數(shù)據(jù)。由于整個全息圖由數(shù)千單元構(gòu)成，所以有數(shù)千全息數(shù)據(jù)的離散集。
全息數(shù)據(jù)集包括將單一視頻全息圖編碼為時間序列的一部分的所有必要信息，以便再現(xiàn)三維場景。
專用驅(qū)動器利用離散全息數(shù)據(jù)集提供用于控制SLM的對應(yīng)子像素的特定控制信號。驅(qū)動器和控制信號的提供對于所用的SLM的類型而言是特定的，不是本發(fā)明的目的。多種類似于透射式或反射式液晶顯示器的SLM、微型光學(xué)和微機電系統(tǒng)或持續(xù)光學(xué)尋址的SLM和聲光調(diào)制器可以結(jié)合本實施例使用。
調(diào)制光從全息圖中發(fā)射出來，振幅和相位經(jīng)適當(dāng)控制，通過自由空間以光波陣面的形式傳播至觀察者，以便再現(xiàn)三維場景。通過在視覺空間中產(chǎn)生干涉，利用全息數(shù)據(jù)集編碼SLM將顯示器發(fā)出的波場再現(xiàn)為所需的三維場景。
本發(fā)明通過計算給定波長的振幅和/或相位，為每個全息單元在需要的波調(diào)制下提供實時或近實時控制數(shù)據(jù)。
附錄I實施例的內(nèi)容下面的索引涉及圖V1 to V5。
本實施例的目的是提供一種加速計算機生成的視頻全息圖的計算的方法，上述視頻全息圖使得再現(xiàn)三維場景的同時保持空間分辨率和再現(xiàn)質(zhì)量。本實施例可以使給定的視頻全息圖和轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)交互式實時或近實時再現(xiàn)。另一目的是提供一種能生成計算機生成的大型全息再現(xiàn)的方法；其可以與全息圖本身一樣大或比全息圖大。
通過計算計算機生成視頻全息圖的方法達(dá)到上述目的，其中在三維場景中定義物體的物數(shù)據(jù)被安排在多個虛擬截面圖層中，每一圖層定義一個二維物數(shù)據(jù)集，這樣可以根據(jù)一些或所有上述二維物數(shù)據(jù)集計算視頻全息數(shù)據(jù)集；包含以下步驟(a)第一變換中，將每個虛擬截面圖層的二維物數(shù)據(jù)集變換為二維波場分布，為距離視頻全息圖層一有限距離的參考圖層中的虛擬觀察窗口計算波場分布，(b)將為虛擬觀察窗口、為截面圖層的所有二維物數(shù)據(jù)集計算的二維波場分布相加，確定集合觀察窗口數(shù)據(jù)集；(c)第二變換中，集合觀察窗口數(shù)據(jù)集從參考圖層變換到視頻全息圖層，為計算機生成的視頻全息圖生成視頻全息數(shù)據(jù)集。
定義三維場景的物數(shù)據(jù)可以是定義二維場景的數(shù)據(jù)，但包括額外的、用于將二維圖像或視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)的深度信息。術(shù)語“三維”包括其范圍內(nèi)的“二維”。深度信息可以對所有物數(shù)據(jù)集都相同。因此，根據(jù)輸入和用戶希望顯示什么，生成全息圖的裝置可以從三維模式轉(zhuǎn)換為二維模式。
●術(shù)語“圖層”應(yīng)當(dāng)廣義地解釋為覆蓋任何實質(zhì)上可定義的、可以說明構(gòu)成被再現(xiàn)的場景的點的結(jié)構(gòu)。因此其包括任意虛擬平行表面組和可以空間定義上述點的任意算法。但是，虛擬平面截面在計算上是處理起來最有效率的圖層的形式。
●術(shù)語“平面”應(yīng)當(dāng)廣義地解釋為包括非平面的表面。參考圖層可以與全息圖的傅立葉平面(與照明光源的圖像平面相同)重合；但是其具有公差度，與傅立葉平面足夠近的觀察者可以用眼睛看到合適的再現(xiàn)場景。像素數(shù)增加時公差度增加。
●一種實施方式中，第一變換為菲涅耳(Fresnel)變換，第二變換為傅立葉變換。術(shù)語“變換”應(yīng)當(dāng)廣義地解釋為包括與變換相同或近似的數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)。通常的數(shù)學(xué)意義上的變換只是近似于由麥克斯韋(Maxwellian)波傳播方程精確說明的物理過程；例如菲涅耳變換(或公知的作為菲涅耳變換的特殊形式的傅立葉變換)為二階近似，但優(yōu)點很多因為上述變換是與微分相對的代數(shù)形式，可以用計算上有效率的方式處理。
●為了彌補觀察窗口中再現(xiàn)的集合場的誤差，可以在觀察窗口的分布和全息圖層之間發(fā)生迭代過程。
為了減小斑點噪聲，提高場景中參考圖層的亮度或衍射效率以及亮度清晰度，物數(shù)據(jù)集可以顯示合適的相位分布，例如偽隨機相位分布。
與公知技術(shù)中的解決方法相反，通過執(zhí)行根據(jù)本實施例上述步驟中的前兩步，利用衍射公式計算單一集合波場的全息圖。由于所有獨立波場重疊，上述集合波場包括可達(dá)到的精確度內(nèi)的三維場景的全部光學(xué)信息。
本實施例的較佳實施例中，將截面圖層的所有物數(shù)據(jù)集都分配相同總數(shù)的離散矩陣點。如果矩陣點的數(shù)目與全息圖的掃描點的數(shù)目一致，則最好利用快速算法進(jìn)行整個計算過程，使分辨率適應(yīng)各個圖層的處理步驟例如插值或過采樣變得多余。用于所有圖層的矩陣點的數(shù)目從全息顯示器中SLM的編碼像素數(shù)得到。
本實施例結(jié)合公開號為WO2004/044659的申請中公開的視頻全息顯示器的主要優(yōu)點，是變換全息圖層的集合波場的參考數(shù)據(jù)集之前，可以限制參考圖層中觀察窗口的面積，使其與SLM光調(diào)制器矩陣的面積相比相當(dāng)小。再現(xiàn)參考圖層中的全息圖時，觀察窗口的范圍最大化地對應(yīng)包括用于再現(xiàn)的光源圖像的圖層中的周期性間隔。這就產(chǎn)生以下效果，即根據(jù)本實施例的計算機生成視頻全息圖與其他解決方法相比僅需要實現(xiàn)較低的衍射角度，如果用于參考圖層和全息圖層的數(shù)據(jù)集的矩陣點值數(shù)相同，更是如此。由于對光調(diào)制器矩陣的振幅數(shù)的計算，極大地減小了對處理速度的要求。具體地說，由于這個優(yōu)點，結(jié)合公知的追蹤當(dāng)前觀察者位置的位置探測和追蹤裝置，可以極大地縮小觀察窗口的尺寸。此外，如之前提到的公開號為WO 2004/044659的申請，需要在要再現(xiàn)的場景中的每一點上執(zhí)行計算密集型操作。利用本實施例，不再需要對每一物點執(zhí)行計算密集型操作，而是對整個截面圖層執(zhí)行第一變換(從每個截面圖層到觀察者眼睛所在的參考面的虛擬觀察窗口)，而不是圖層中的每一個獨立物點。由于這是單一操作，所以從虛擬觀察窗口逆變換到全息圖層的第二變換變得更加有效，不過要對所有物點編碼信息。
本實施例的另一實施例中，截面圖層的每個物數(shù)據(jù)集都以虛擬區(qū)域的大小為基礎(chǔ)，上述虛擬區(qū)域的大小取決于它到參考圖層的距離。從各個觀察窗口邊緣到視頻全息圖的SLM邊緣之間出現(xiàn)的假想表面產(chǎn)生了截面圖層范圍。由于每個數(shù)據(jù)集中的矩陣點值數(shù)相同，分配給各個矩陣點的區(qū)域與參考圖層成比例地發(fā)生改變。將原物數(shù)據(jù)分配給截面圖層的物數(shù)據(jù)集也稱為切分，其導(dǎo)致場景的離散物點值被分配給各個截面圖層中說明矩陣點的二維坐標(biāo)系統(tǒng)的各個矩陣點。根據(jù)與截面圖層相關(guān)的物點的局部位置，原物信息因此被分配給與其空間位置最接近的坐標(biāo)系統(tǒng)的矩陣點。因而截面圖層中由距離決定的區(qū)域產(chǎn)生以下效果，即說明場景截面圖層的由區(qū)域決定的物點分辨率越大，截面圖層離參考圖層就越近。這意味著場景的前景被詳細(xì)地再現(xiàn)時，背景中同樣的場景元素以更低的分辨率再現(xiàn)。但是更遠(yuǎn)的虛擬截面圖層可以為場景中的背景再現(xiàn)更大的觀察區(qū)域。一方面場景的這種再現(xiàn)更自然地表現(xiàn)了場景的前景和背景元素，另一方面幫助最小化所需的計算量。
在本實施例一較佳實施例中，轉(zhuǎn)換前可以選擇或改變虛擬截面圖層中各個物數(shù)據(jù)集的距離值，以使整個或部分再現(xiàn)在全息圖層前面或后面出現(xiàn)。這樣，可以僅通過軟件設(shè)置實現(xiàn)在觀察者眼前的空間深度中對原本位置的再現(xiàn)，和合成的全息視頻圖的深度效果有意識的增大或減小。
根據(jù)公開號為WO 2004/044659的申請中公開的現(xiàn)有技術(shù)編碼時，再現(xiàn)的三維場景以光調(diào)制器矩陣控制的波場的形式出現(xiàn)在觀察者眼前的自由空間中。用于計算的虛擬截面圖層還確定了觀察窗口前的空間中的再現(xiàn)的位置，并距參考圖層有一有限距離。根據(jù)光學(xué)近場中的主要情況，這使得每個光點、集合波場的全息再現(xiàn)場景都產(chǎn)生光，像球面波一樣傳播，而將光提供給參考圖層中觀察窗口的物波陣面。因此參考圖層中每個物數(shù)據(jù)集的變換可以通過足夠接近菲涅耳變換的近似值表示。鑒于此，將取決于各個截面圖層到參考圖層的距離的所有物數(shù)據(jù)集的所有物點的振幅值乘以菲涅耳相位因數(shù)。
菲涅耳相位因數(shù)的指數(shù)取決于每個原截面圖層和參考圖層之間的坐標(biāo)的差的平方以及其他因數(shù)。因而需要更多的處理時間和計算能力來執(zhí)行許多菲涅耳變換。根據(jù)本實施例一較佳實施例，通過將難度較大的菲涅耳變換分為單獨的步驟彌補上述缺點，故可以用球面波因數(shù)相乘的形式，借助快速傅立葉變換(FFT)結(jié)合進(jìn)一步處理步驟執(zhí)行上述步驟。上述方法的優(yōu)點還有可以使用例如球形和/或全息適配器的電子硬件計算視頻全息圖。上述硬件包括至少一個專用的圖形處理器，其帶有公知的用于切分和其他視頻處理步驟、例如圖像繪制的模塊，以及至少一個借助快速傅立葉變換程序執(zhí)行菲涅耳變換的特定處理器模塊。上述帶有必要的FFT程序的數(shù)字信號處理器(DSP)形式的處理器可以使用公知方法低成本制造。常用的圖像處理器的優(yōu)點是利用所謂陰影算法，使得截面圖層中的數(shù)據(jù)通過例如傅立葉變換的操作，變換到截面圖層。
為了簡化波場的計算，修改說明原截面圖層和參考圖層之間的光傳播的變換，使其包含快速傅立葉變換(FFT)和說明球面波的兩個相位因數(shù)的乘法。第一相位因數(shù)取決于原截面圖層的坐標(biāo)和原截面圖層與參考圖層間的距離。第二相位因數(shù)取決于參考圖層的坐標(biāo)和原截面圖層與參考圖層間的距離。根據(jù)光系統(tǒng)中的光準(zhǔn)直，可以將上述相位因數(shù)的一個或兩個設(shè)置為恒定值。
因而，將截面圖層分布變換到參考圖層的程序可以分為三步1.將每個物點的振幅與第一相位因數(shù)相乘。
2.為了將每個物點的復(fù)光振幅從原截面圖層變換到參考圖層物，將這樣生成的乘積用于第一快速傅立葉變換。
3.將這樣生成的變換乘以第二相位因數(shù)。
為了生成用于場景中的集合視頻全息圖的全息數(shù)據(jù)集，還可以通過由菲涅耳變換說明的光波傳播的變換表示參考數(shù)據(jù)集到全息圖層的變換。為了能夠執(zhí)行以上步驟，根據(jù)上述說明的步驟執(zhí)行變換，但在變換之前，通過復(fù)數(shù)的相加疊加參考圖層中用于所有截面圖層的參考數(shù)據(jù)。對于上述菲涅耳變換，還可以根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)中的光準(zhǔn)直將相位因數(shù)中的一個或兩個設(shè)置為恒定值。
本實施例一個特別的優(yōu)點在于用于集合波場的參考數(shù)據(jù)集通過將所有截面圖層的計算參考數(shù)據(jù)集相加生成。在全息圖層變換后，上述集合波場用作視頻全息圖的基礎(chǔ)，這是由于它包括全部三維場景的信息。這使得所有截面圖層的二維圖像同時再現(xiàn)，因而3D場景也如此。
當(dāng)希望減小視頻全息圖中因編碼過程或技術(shù)限制產(chǎn)生的普遍誤差時，另一優(yōu)點便顯現(xiàn)出來?？梢岳梅磸?fù)的過程減小視頻全息圖的再現(xiàn)誤差。在公知技術(shù)中，再現(xiàn)三維場景的物數(shù)據(jù)必須與原三維物場景相比較。發(fā)生包含許多在再現(xiàn)的三維物場景與全息圖層之間的變換的復(fù)雜迭代過程，直到達(dá)到需要的再現(xiàn)質(zhì)量。我們的方法的優(yōu)勢為可以得到更簡化的迭代過程。因為參考數(shù)據(jù)集包括全部物信息，迭代過程包含全息圖層與僅為二維的參考圖層之間的變換。
利用目前的圖像繪制技術(shù)，不用上述校正過程則不可能進(jìn)行高質(zhì)量的再現(xiàn)。
最好利用帶切分裝置的數(shù)字信號處理裝置計算視頻全息圖，其將物信息分配給平行的虛擬截面圖層的矩陣點，上述物信息包括用于實際或虛擬三維場景中光振幅的空間分布的離散物值，這樣對于每個截面圖層都定義一個帶有斷圖層場景截面圖層的離散矩陣點中的物點的獨立物數(shù)據(jù)集。從上述物數(shù)據(jù)集計算視頻全息圖的全息數(shù)據(jù)集。根據(jù)本實施例，信號處理裝置還包含第一變換裝置，其用于從每個物數(shù)據(jù)集中為位于有限距離處的參考圖層計算獨立的二維分布，以及逐層緩沖變換的物數(shù)據(jù)集的緩存裝置，加法裝置，其用于將變換物數(shù)據(jù)集相加，以生成參考數(shù)據(jù)集中的集合波場表達(dá)式，以及第二變換裝置，其用于變換距參考圖層有限距離并與參考圖層平行的全息圖層中的參考(集合)數(shù)據(jù)集，為場景的集合視頻全息圖生成全息數(shù)據(jù)集。
數(shù)字信號處理裝置包含至少一個用于執(zhí)行菲涅耳變換的獨立進(jìn)行變換的裝置，上述變換裝置包括●第一乘法裝置，其用于將原數(shù)據(jù)集的矩陣點值的振幅值與說明球面波的第一相位因數(shù)相乘，上述因數(shù)的指數(shù)取決于各個原圖層(Lm或RL)中的坐標(biāo)的平方和到目標(biāo)圖層(RL或HL)的距離(Dm)，●快速傅立葉變換裝置，其用于將第一乘法裝置得到的乘積從原截面圖層變換到物圖層，以及●第二乘法裝置，其用于將該變換與說明球面波的另一相位因數(shù)相乘，上述因數(shù)的指數(shù)取決于物圖層中的坐標(biāo)的平方和物圖層與原圖層間的距離。
如上所述，根據(jù)光系統(tǒng)中的光準(zhǔn)直，可以將上述相位因數(shù)的一個或兩個設(shè)為恒定值。
數(shù)字信號處理裝置可以是多路處理器，其具有多個獨立工作的、同步執(zhí)行的變換程序(TR1，TR2)的子處理器。為了能夠同時執(zhí)行至少一定數(shù)目的變換，需要依靠三維場景的內(nèi)容將計算所需的變換動態(tài)分配給可用的變換程序的資源管理器。參考圖層中變換的數(shù)據(jù)集在緩存裝置中緩沖。
這樣，根據(jù)場景內(nèi)容，數(shù)據(jù)集可以在不同的時間點激活，如果在某些截面圖層中場景移動中沒有發(fā)生改變甚至可以多次使用。
為了執(zhí)行快速傅立葉變換，向虛擬截面圖層的物數(shù)據(jù)集分配N個離散物點值，上述數(shù)字N是2的n次冪。
附錄I附圖的簡要說明圖V1表示(不按比例)用于再現(xiàn)三維場景的安排和計算視頻全息圖所需的參考圖層。
圖V2是表示根據(jù)本實施例的用于計算視頻全息圖的信號處理裝置的示意圖。
圖V3與圖V1類似，說明根據(jù)本實施例的計算的主要步驟。
圖V4說明變換裝置的功能性原理。
圖V5說明校正計算機生成的全息圖的矩陣點值的子步驟。
附錄I實施例的詳細(xì)說明下面的索引涉及圖V1到V5。
利用全息處理器計算視頻全息圖是以真實或虛擬三維場景中的原物信息為基礎(chǔ)，該信息包括RGB或RGB兼容格式中光振幅的空間分布值。上述值可以是公知文件格式并可由全息處理器從數(shù)據(jù)存儲器中調(diào)用。上述物信息例如在用于三維場景中各離散物點的物點文件格式為BMP的情況下，包括用于各個二維坐標(biāo)的一組復(fù)合彩色物點數(shù)據(jù)Ro、Go、Bo。數(shù)據(jù)存儲器MEM還提供三維場景的深度信息zo。每點的深度信息zo點與其是否在第一視頻圖像文件中給出或是否由處理器根據(jù)至少一個包含附加信息的第二文件計算不相關(guān)。
為了容易地理解復(fù)雜的過程，以下說明書忽略三個空間坐標(biāo)之一(在此為y坐標(biāo))。將場景中的物點分配到M個截面圖層L1...LM的矩陣點P11...PMN中，產(chǎn)生具有N個矩陣點值的物數(shù)據(jù)集OS1...OSM。所有的數(shù)據(jù)集都包括同樣數(shù)目N的矩陣點值。上述數(shù)值N由可以表示N1個復(fù)數(shù)值的光調(diào)制器矩陣的像素數(shù)N1決定。如果用快速傅立葉變換算法計算傅立葉變換，N簡化為2的冪，也就是N＝2n，其中n為整數(shù)且N≤N1。例如對于具有N1＝1280個像素的顯示器，每個數(shù)據(jù)集都包括N＝1024個矩陣點值。但是可以使用其他不需要2n輸入值的傅立葉變換算法，因此可以使用整個顯示器的分辨率N1。
結(jié)合圖V2所示，圖V1表示較佳實施例，說明如何通過圖V2所示的切分工具將場景分為計算用的M個虛擬截面圖層L1...LM。切分工具以公知的方式分析存儲在數(shù)據(jù)存儲器MEM中的原物體信息的深度信息z，為場景中的每個物點分配一個矩陣點Pmn，并根據(jù)矩陣點值輸入對應(yīng)于截面圖層Lm的物數(shù)據(jù)集OSm中。對于復(fù)數(shù)，0≤m≤M且1≤n≤N，其中N是每圖層的矩陣點P的數(shù)目和數(shù)據(jù)集中的矩陣點值的數(shù)目。一方面，不考慮該場景是否實際存在，隨意定義截面圖層L1...LM以確定場景中的離散物數(shù)據(jù)集。另一方面，同樣的截面圖層L1...LM目的在于定義關(guān)于視頻全息圖的再現(xiàn)場景3D-S的空間位置。因而圖V1和圖V2表示了關(guān)于視頻全息圖的本地定義的場景3D-S所需的再現(xiàn)。為了能夠進(jìn)行計算，必須進(jìn)一步地定義每個截面圖層Lm與參考圖層RL的距離都為Dm，參考圖層具有位于觀察者眼睛EL/ER附近的觀察窗口OW。視頻全息圖位于與參考圖層的距離為DH的全息圖層HL中。
如圖V2所示，通過執(zhí)行以下步驟繼續(xù)全息圖矩陣的計算●如果場景在那里存在，變換參考圖層RL中截面圖層L1...LM的物數(shù)據(jù)集OS1...OSM，將產(chǎn)生每個截面圖層Lm的物點復(fù)振幅A11...AMN的波場確定作為對參考圖層RL中集合波場的貢獻(xiàn)。
●再現(xiàn)場景時，將有 向量的變換物數(shù)據(jù)集DS1...DSM相加，以形成定義將出現(xiàn)在觀察窗口OW中的集合波場的參考數(shù)據(jù)集RS。
●參考數(shù)據(jù)集RS由參考圖層RL逆變換，以形成位于距離DH的全息圖層HL中的全息數(shù)據(jù)集HS，以便為編碼視頻全息圖取得矩陣點值H1...Hn...HN。
用于視頻全息圖的N個像素值源于全息數(shù)據(jù)集的典型復(fù)數(shù)值獲得。視頻全息圖中，上述值代表場景再現(xiàn)期間用于調(diào)制光的振幅值和波相位。
以上說明了如何為觀察窗口OW中的觀察者再現(xiàn)3D-S。為了能夠以真實的三維方式感受三維場景，使物看起來好像真的一樣，各個觀察窗口中都需要有對每只眼睛都不同的全息圖。
以相同的方式，但改變矩陣點值，計算用于第二觀察窗口的全息圖矩陣。改變由觀測者兩眼相對場景3D-S的不同位置產(chǎn)生。通過配置的同時進(jìn)行FFT程序的多通道數(shù)字信號處理器，可以同時而又互相完全獨立地計算兩個全息矩陣。為了減小所需的計算量，可以共同使用內(nèi)容上差別很小或沒有差別的物數(shù)據(jù)集的計算結(jié)果。這可以用于顯示圖畫背景的截面圖層。兩眼由偏移量很小的方向看到同一場景。
根據(jù)本實施例的一個具體特性，數(shù)字信號處理裝置包括物數(shù)據(jù)集管理器，該物數(shù)據(jù)集管理器比較相應(yīng)物數(shù)據(jù)集的內(nèi)容，可選擇地僅將兩個同樣的物數(shù)據(jù)集中的一個分配到兩個信號處理器通道中的一個做變換，從而避免多余的處理。
與公知解決方案相反，再現(xiàn)通過從觀察窗口OW延伸到光調(diào)制矩陣LM的虛構(gòu)連接面A1和A2確定的平截錐體形的空間中的虛擬觀察窗觀察。3D-S再現(xiàn)可以出現(xiàn)在視頻全息層HL的前面、之中或后面，或與該圖層交叉。
如果觀察窗口覆蓋眼睛的橫向尺寸，則其尺寸足夠，在特殊情況下，其甚至可以減小為瞳孔尺寸。假設(shè)一個1×1cm2的觀察窗口位于與全息圖層1m的距離上，與具有經(jīng)典編碼方法的光調(diào)制矩陣相比，計算機生成視頻全息圖所需的像素數(shù)減小2500到10000倍。
圖V3表示執(zhí)行計算所需的變換所選的圖層的位置。僅顯示第一虛擬截面圖層L1和另一圖層Lm。但是，始終需要所有波場的貢獻(xiàn)以計算參考圖層RL中的截面圖層L1...LM的波場。為了節(jié)約計算量，處理移動的三維場景時，可以緩存并為后來的視頻全息圖重新使用每個變換數(shù)據(jù)集DS1...DSM，直到內(nèi)容發(fā)生變換。
圖V4詳細(xì)表示如何變換與參考圖層RL的距離為Dm的截面圖層Lm的物數(shù)據(jù)集OSm的振幅值A(chǔ)m1...Amn...AmN。為了方便理解該復(fù)合的過程，圖中僅表示了一維變換。方程(1)表示菲涅耳(Fresnel)變換的核心。
(1)ejk2Dm(xm-xo)2=ejk2Dmxm2*e-jkDmxmx0*ejk2Dmx02]]>其中，項e-jkDmxmx0]]>表示從坐標(biāo)x0的圖層中的坐標(biāo)xm的圖層、也就是與參考圖層距離為Dm的圖層進(jìn)行傅立葉變換的核心。
如上所述，依靠光系統(tǒng)中的光準(zhǔn)直，上述二次相位因數(shù)中的一個或兩個可以為1。
方程(2)(2)Amn→Amn*F1mn=Amnejk2Dmxmn2]]>定義振幅Amn為矩陣點值乘以圖層Lm中對應(yīng)的相位因數(shù)F1mn。
最后，方程(3)表示(2)中傅立葉變換的結(jié)果和僅取決于參考圖層中觀察窗口OW坐標(biāo)x0和各個截面圖層到參考圖層的距離的相位因數(shù)相乘。其定義了參考圖層中觀察窗口的矩陣點的復(fù)振幅。
(3)A~mn=A~mn′ejk2Dmx02]]>上述解決方案可以加速計算過程，以使專用數(shù)字信號處理器電路以實時非閃爍再現(xiàn)的方式，計算用于兩眼觀看的移動場景的視頻全息圖序列。為了彌補觀察窗口OW中再現(xiàn)集合場的誤差，本實施例的較佳實施例中，可以利用圖V5所示的迭代過程在觀察窗口OW的分布與全息圖層HL之間進(jìn)行計算。
附錄I本實施例的特征下面的索引涉及圖V1到V5。
1.計算計算機生成視頻全息圖的方法，其中，將三維空間場景中定義物的物數(shù)據(jù)安排在多個虛擬截面圖層(L1...LM)，每圖層定義一個二維物數(shù)據(jù)集(OSm)，從而可以根據(jù)一些或所有上述二維物數(shù)據(jù)集(OS1...OSM)計算視頻全息數(shù)據(jù)集(HS)；包含以下步驟(a)第一變換(TR 1)中，將每個虛擬截面圖層的二維物數(shù)據(jù)集(OS n)變換為二維波場分布，為距離視頻全息圖層(HL)一有限距離(DM)的參考圖層(RL)中的虛擬觀察窗口(OW)計算波場分布，(b)將為虛擬觀察窗口(OW)、為截面圖層(L1...LM)的所有二維物數(shù)據(jù)集計算的二維波場分布(DS1...DSM)相加，確定集合觀察窗口數(shù)據(jù)集(RS)；(c)第二變換中(TR 2)，集合觀察窗口數(shù)據(jù)集(RS)從參考圖層變換到視頻全息圖層(HL)，為計算機生成的視頻全息圖生成視頻全息數(shù)據(jù)集(HS)。
2.根據(jù)特征1所述的方法，其中將視頻全息數(shù)據(jù)集(HS)的數(shù)據(jù)分配給視頻全息圖中等間距的點，上述這些點組成矩陣。
3.根據(jù)特征1所述的方法，其中截面圖層(L1...LM)、全息圖層(HL)、參考圖層(RL)和虛擬觀察窗口(OW)均為平面。
4.根據(jù)上述任一項特征所述的方法，其中全息圖層(HL)、截面圖層和虛擬觀察窗口互相平行。
5.根據(jù)上述任一項特征所述的方法，其中觀察者的至少一只眼睛位于虛擬觀察窗口附近，通過虛擬觀察窗口(OW)看到再現(xiàn)的場景。
6.根據(jù)上述任一項特征所述的方法，其中有兩個或更多個虛擬觀察窗口(OW)。
7.根據(jù)特征1所述的方法，其中將物數(shù)據(jù)(R1，G1，B1，z1...RP，BP，BP，zP)分配給物數(shù)據(jù)集(OS1...OSM)，其全部包含的值的數(shù)目(N)和矩陣結(jié)構(gòu)與集合觀察窗口數(shù)據(jù)集(RS)和全息數(shù)據(jù)集(HS)相同，其中所有用于數(shù)據(jù)集(OS1...OSM，RS，HS)的值的數(shù)目和結(jié)構(gòu)源于用作編碼視頻全息圖的像素數(shù)目。
8.根據(jù)特征2所述的方法，其中，上述二維物數(shù)據(jù)集(OS1...OSM)和集合觀察窗口數(shù)據(jù)集(RS)的矩陣結(jié)構(gòu)與視頻全息數(shù)據(jù)集(HS)相同。
9.根據(jù)上述任一項特征所述的方法，其中，參考圖層中的虛擬觀察窗口(OW)設(shè)置成小于或等于參考圖層中周期性間隔的大小，并完全位于一個周期性間隔中。
10.根據(jù)上述任一項特征所述的方法，其中，參考圖層與全息圖的傅立葉平面重合。
11.根據(jù)特征1所述的方法，其中，每個數(shù)據(jù)集(OSm)都以對應(yīng)的截面圖層(Lm)的面積為基礎(chǔ)，其取決于其到參考圖層(RL)的距離(Dm)。
12.根據(jù)特征11所述的方法，其中，通過與連接虛擬觀察窗口(OW)邊緣和視頻全息圖邊緣的假想表面(A1，A2)交叉確定上述每個截面圖層的面積。
13.根據(jù)特征1所述的方法，其中設(shè)置與虛擬參考圖層(RL)有距離(D1...Dm)的截面圖層(Lm)，使全部再現(xiàn)場景(3D-S)或其一部分出現(xiàn)在全息圖層(HL)的前面和/或后面。
14.根據(jù)特征1所述的方法，其中第一變換為菲涅耳變換，其包含以下子步驟(a)將原截面圖層(Lm)的每個物點的振幅值A(chǔ)mn與說明球面波的第一相位因數(shù)(F1mn)相乘，上述因數(shù)的指數(shù)取決于原截面圖層(Lm)的坐標(biāo)(xm，ym)的平方，和原截面圖層(Lm)與參考圖層(RL)之間的距離(Dm)，(b)借助第一快速傅立葉變換(FFT)，將原截面圖層(Lm)中每個物點(Am1...AmN)計算的乘積從原截面圖層(Lm)變換到參考圖層(RL)，
(c)將計算得到的變換 與說明球面波的第二相位因數(shù)(F2mn)相乘，上述因數(shù)的指數(shù)取決于參考圖層(RL)的坐標(biāo)(x，y)的平方，以及參考圖層到原截面圖層(Lm)的距離(Dm)。
15.根據(jù)特征1所述的方法，其中第二變換也是菲涅耳變換，其包含以下子步驟(a)將參考數(shù)據(jù)集(RS)的每個復(fù)振幅值 與說明球面波的第三相位因數(shù)(F3n)相乘，上述因數(shù)的指數(shù)取決于參考圖層(RL)的坐標(biāo)(x0，y0)的平方，和參考圖層(RL)與全息圖層(HL)之間的距離(Dm)，(b)借助第二快速傅立葉變換(FFT)，將復(fù)振幅值 計算的乘積從參考圖層(RL)變換到全息圖層(HL)，(c)將計算得到的變換(H’1...H’N)與說明球面波的第四相位因數(shù)(F4n)相乘，上述因數(shù)的指數(shù)取決于全息圖層(HL)的坐標(biāo)(x，y)的平方，以及全息圖層(HL)和參考圖層(RL)間的距離(DH)，為用于編碼的全息數(shù)據(jù)集(HS)取得需要的全息值(H1...HN)。
16.根據(jù)特征14或特征15所述的方法，其中，可以將說明球面波的相位因數(shù)(F1mn，F(xiàn)2mn)中的一個或兩個設(shè)置為恒定值。
17.根據(jù)特征1所述的方法，其中第一和/或第二變換為傅立葉變換。
18.根據(jù)特征1所述的方法，其中包含以下通過迭代的方式校正計算機生成的視頻全息圖的點值的子步驟(a)將來自原三維場景的觀察窗口數(shù)據(jù)集(RS)定義為用于第一變換的目標(biāo)函數(shù)，(b)將目標(biāo)函數(shù)的原復(fù)振幅值 逆變換到全息圖層(HL)，以得到全息數(shù)據(jù)集(HS)的矩陣點值(H1...HN)，(c)為光調(diào)制器矩陣(LM)推導(dǎo)出全息數(shù)據(jù)集(HS)參數(shù)(Paramn)，(d)將推導(dǎo)出的參數(shù)(Paramn)變換到參考圖層(RL)，以在虛擬觀察窗口(OW)中得到更新的復(fù)振幅值 的分布，(e)對更新的復(fù)振幅值 的分布和目標(biāo)函數(shù)原始值 形成差分(Δ)，(f)將上述差分(Δ)逆變換為全息圖層(HL)中的不同點值分布(ΔH1...ΔHN)，(g)從視頻全息數(shù)據(jù)集(HS)中減去上述分布(ΔH)并校正全息數(shù)據(jù)集，(h)重復(fù)步驟(c)到(g)，(i)到達(dá)逼近精度時，結(jié)束上述迭代過程。
19.根據(jù)上述任一項特征所述的方法，其中對所有物數(shù)據(jù)集而言，深度信息相同。
20.根據(jù)特征19所述的方法，其中生成全息圖的裝置可以根據(jù)輸入和/或用戶選擇的模式，從三維模式轉(zhuǎn)換為二維模式。
21.具有數(shù)字切分裝置的用于計算計算機生成視頻全息圖的數(shù)字信號處理裝置，其將三維場景中定義物體的物數(shù)據(jù)分配給多個虛擬截面圖層(L1...LM)，每個截面圖層定義一個獨立的物數(shù)據(jù)集(OSm)，從而可以從一些或所有上述物數(shù)據(jù)集計算視頻全息圖的視頻全息數(shù)據(jù)集(HS)，包含(a)第一變換裝置(TR1)，其用于從每個物數(shù)據(jù)集(OSm)中為位于一有限距離(DM)的參考圖層(RL)中的虛擬觀察窗口計算二維波場分布，以及緩沖變換的物數(shù)據(jù)集的緩存裝置，(b)加法裝置，其用于將所有截面圖層的變換物數(shù)據(jù)相加，以生成集合觀察窗口數(shù)據(jù)集(RS)的波場表達(dá)式，以及(c)第二變換裝置(TR2)，其用于將觀察窗口數(shù)據(jù)集(RS)變換到位于參考圖層有限距離并與參考圖層(RL)平行的全息圖層(HL)，為集合視頻全息圖生成全息數(shù)據(jù)集(HS)。
22.根據(jù)特征21所述的裝置，其中，包含至少一個執(zhí)行變換的獨立工作的變換裝置(TR1，TR2)，上述裝置包括(a)將原物數(shù)據(jù)集(OSm)的值的振幅值 與說明球面波的第一相位因數(shù)(F1mn/F3n)相乘的第一乘法裝置(M1)，上述因數(shù)的指數(shù)取決于各個原始圖層(Lm或RL)的坐標(biāo)(xm，ym)的平方，和到物圖層(RL或HL)之間的距離(Dm)，(b)快速傅立葉變換裝置(FFT)，其用于將第一乘法裝置(M1)得到的乘積從原始圖層(Lm/RL)變換到物圖層(RL/HL)，以及(c)將上述變換與說明球面波的另一相位因數(shù)(F2mn/F4n)相乘的第二乘法裝置(M2)，上述因數(shù)的指數(shù)取決于物圖層中的坐標(biāo)的平方，以及物圖層與原始圖層間的距離。
23.根據(jù)特征22所述的裝置，其中，對于快速傅立葉變換的執(zhí)行，所有數(shù)據(jù)集的離散矩陣點數(shù)都是數(shù)目(N)，上述數(shù)目(N)是2的n次冪。
24.根據(jù)特征21所述的裝置，其中，包括多通道數(shù)字信號處理器(DSP)，其用于獨立并同步地執(zhí)行頻繁重新出現(xiàn)的計算程序。
25.根據(jù)特征21所述的裝置，其中包括多個獨立工作的、包含同步執(zhí)行的變換程序(TR1，TR2)的子處理器，以及根據(jù)三維物體的內(nèi)容將計算所需的變換動態(tài)分配給可用的變換程序的資源管理器，以便能夠同時執(zhí)行至少一定數(shù)目的變換。
26.根據(jù)特征21所述的裝置，其中該裝置是同時為兩眼計算全息數(shù)據(jù)集(HSL，HSR)的多通道處理器。
27.根據(jù)特征21所述的裝置，其中包括物數(shù)據(jù)集控制裝置，其用于將全息計算中對應(yīng)物數(shù)據(jù)集(OSm)的內(nèi)容和不同的原始物數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以便在兩個信號處理器通道中的一個中僅執(zhí)行一次類似的變換，并共用其他通道中的變換。
28.根據(jù)特征21所述的裝置，其中可以將說明球狀波的一個或所有相位因數(shù)(F1mn/F3n，F(xiàn)2mn/F4n)設(shè)為恒定值。
29.根據(jù)特征21所述的裝置，其中其適于根據(jù)輸入和/或用戶選擇的模式，從三維模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎S模式。
附錄II理論背景優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明和增補本部分給出上述實施例的進(jìn)一步的理論背景。
1.衍射級和觀察窗口衍射圖樣周期重復(fù)的說明a)SLM上全息圖的像素紋理導(dǎo)致觀察平面里衍射圖樣的周期重復(fù)。觀察窗口必須在一個周期間隔之內(nèi)，即觀察窗口必須比周期間隔小。SLM的像素間距和SLM上復(fù)值全息圖的編碼方法確定周期間隔的大小和其有多少能被用作觀察窗口。
b)標(biāo)準(zhǔn)LCD面板主要調(diào)制幅度，且可被用作顯示全息圖的幅度調(diào)制SLM。一種在幅度調(diào)制SLM上編碼復(fù)值全息圖數(shù)據(jù)的方法是基于迂回相位效應(yīng)的伯克哈特編碼。編碼一個復(fù)值需要一組三個相鄰像素。
對于伯克哈特編碼，衍射級(-1st，0th，1st，2nd，3rd，等衍射級)可以被分為三類●0th、3rd等衍射級，其包含無物體再現(xiàn)的非衍射光●1st、4th等衍射級，其包含物體的再現(xiàn)●-1st、2nd等衍射級，其包含深度反轉(zhuǎn)物體的再現(xiàn)再現(xiàn)的物體能在1st、4th等衍射級里看到。由于LCD像素的限定光闌，衍射圖樣的強度對于更高的衍射級減弱。因此最好將觀察窗口布置在1st衍射級里。
單一的衍射級并不周期重復(fù)，而將1st、0th和-1st集的衍射級設(shè)置在一起時才周期重復(fù)。因此，該周期間隔包含1st、0th和-1st衍射級。其大小由P_diffr＝λ*d/p給出，d是全息圖和觀察平面之間的距離，p是像素間距，而λ是波長。
因為物體在1st衍射級再現(xiàn)而不在0th或-1st衍射級再現(xiàn)，所以觀察窗口不能覆蓋全部的周期間隔而只覆蓋1st衍射級。1st衍射級的大小是周期間隔Pdiffr的1/3。
c)應(yīng)用復(fù)調(diào)制SLM，各單一像素可用于編碼一個復(fù)數(shù)。因此，觀察平面里的各周期間隔只包含一個衍射級。所以，全部的周期間隔可被用作觀察窗口。
如果在傅立葉全息圖中使用相位調(diào)制SLM，則周期間隔不包含深度反轉(zhuǎn)的物體再現(xiàn)。但是，還有非衍射光。因此，不是全部的周期間隔都可以用作觀察窗口，但大部分可以。非衍射光必須從觀察窗口中排除。
d)通常，我們可以說觀察窗口必須在一個周期間隔之內(nèi)。各周期間隔不僅包含再現(xiàn)物體，也包含非衍射光、以及在某些情況下的深度反轉(zhuǎn)物體?？杀挥米饔^察窗口的部分周期間隔取決于SLM和編碼方案。衍射級內(nèi)觀察窗口的尺寸和位置必須被正確確定。必須注意的是在觀察窗口里只能看到再現(xiàn)物體，而看不到深度反轉(zhuǎn)的物體或非衍射光。
e)觀察窗口尺寸的一般量化說明在我們的名詞術(shù)語里，周期間隔不僅包含在其中能看到再現(xiàn)物體的衍射級，也包含(取決于編碼技術(shù))含有非衍射光和深度反轉(zhuǎn)物體的衍射級。周期間隔的范圍主要由像素間距確定，也就是說，對于給定的SLM來說像素間距是固定的。這意味著可以通過優(yōu)化編碼技術(shù)來擴大觀察窗口。
如果需要N個像素來編碼一個復(fù)數(shù)，則觀察窗口的最大尺寸是周期間隔的1/N，如●幅度調(diào)制SLM(主要地)上的伯克哈特編碼每個復(fù)數(shù)3個像素＝＞觀察窗口的最大尺寸＝周期間隔的1/3●相位調(diào)制SLM(主要地)上的雙相位編碼每個復(fù)數(shù)2個像素＝＞觀察窗口的最大尺寸＝周期間隔的1/2●相位調(diào)制SLM上(主要地)的基諾型(Kinoform)編碼每個復(fù)數(shù)1個像素＝＞觀察窗口的最大尺寸＝周期間隔
2.觀察窗口的尺寸a)在傳統(tǒng)的電子全息顯示器中，全息圖以物體的傅立葉菲涅耳變換計算。如果使用低分辨率的SLM，這就導(dǎo)致小的物體尺寸。與此相反，在我們的電子全息顯示器中，全息圖以觀察窗口的傅立葉變換計算。
如果使用低分辨率的SLM，這將導(dǎo)致小的觀察窗口。
觀察窗口僅作為一個觀察者通過其能觀看再現(xiàn)的3D場景的窗口。如果觀察窗口比眼瞳大且眼瞳被完全跟蹤，則小的觀察窗口沒有關(guān)系。
b)由SLM和觀察窗口確定的截錐體中的多重物體再現(xiàn)的發(fā)生可以避免，如果●要么適當(dāng)限制編碼區(qū)域。這可用幾何結(jié)構(gòu)來完成(比較圖2和附錄III，概念C)。物體以物點被采樣。僅在一個小的編碼區(qū)域中編碼各物點的全息圖信息，該編碼區(qū)域的全部尺寸和位置能在圖3中看到。編碼區(qū)域或所有物點的最初/投影全息圖在該全息圖上疊加。
●與投影全息圖的疊加等同的是將物體切分為物平面。該物體受截錐體的限制。各物平面與菲涅耳變換一起傳播至所有菲涅耳變換相加的觀察窗口上。然后相加的菲涅耳變換被傅立葉變換到全息圖平面上。這種方法固有地暗含從觀察窗口看不到多重再現(xiàn)。
c)基于該方法創(chuàng)建原型顯示器。使用具有69μm像素分辨率的商用20英寸單色LCD面板，可以創(chuàng)建2m遠(yuǎn)的6mm尺寸的觀察窗口。這就形成了對角線為20英寸的電子全息顯示器。
3.多個觀察窗口的復(fù)用通過將觀察窗口減少到比眼瞳稍大的大小，可以顯著減少分辨率(以及因而SLM像素的數(shù)目)。這意味著一個觀察者至少需要兩個觀察窗口。在各個觀察窗口中可以看到適當(dāng)透視的物體再現(xiàn)?？梢允褂糜^察窗口的時間或空間復(fù)用。
a)時間復(fù)用表示觀察窗口是依次生成的。這可通過光源的同步轉(zhuǎn)換和全息圖面板(SLM)來實現(xiàn)。因此觀察者的眼睛依次受光照。為了避免閃爍，轉(zhuǎn)換率必須足夠高，即最好至少25Hz。這要求快速LCD面板，作為大的單色面板這在當(dāng)前很難得到。
b)空間復(fù)用表示同時顯示所有的觀察窗口。必須注意的是觀察窗口在觀察平面中是空間分離的，這樣就不發(fā)生交迭或串?dāng)_?？梢酝ㄟ^例如交錯SLM上的兩個或更多的全息圖和諸如阻隔掩膜(barrier mask)的光束分光鏡來實現(xiàn)。也可以使用其它圖像分離/光束分光的光學(xué)元件或已知的自動立體顯示技術(shù)，如棱鏡掩膜或透鏡掩膜。
4.水平和/或垂直視差全視差全息圖通過在水平和垂直方向上波的相干疊加全息地再現(xiàn)物體。假設(shè)有足夠大的觀察窗口或觀察區(qū)域，再現(xiàn)的物體有助于像真實的物體一樣在水平和垂直方向運動視差。但是，大的觀察區(qū)域要求SLM在水平和垂直方向上都有高的分辨率。
通常，通過限制為僅水平視差(HPO)的全息圖來減少對SLM的要求。僅在水平方向發(fā)生全息再現(xiàn)而垂直方向沒有全息再現(xiàn)。這導(dǎo)致具有水平運動視差的再現(xiàn)物體。該透視圖在垂直方向上不發(fā)生變化。HPO全息圖比全視差全息圖在SLM垂直方向上所需的分辨率低。僅在再現(xiàn)方向、即水平方向上有周期變化。減少了對一維線形全息圖的計算工作量。
也可以是僅垂直視差(VPO)的全息圖，但不常見。全息再現(xiàn)只發(fā)生在垂直方向上。這導(dǎo)致具有垂直運動視差的再現(xiàn)物體。與HPO全息圖一樣，也通過VPO全息圖完成眼睛調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)眼睛晶狀體的曲率適應(yīng)物體距離)。在水平方向沒有運動視差。用于左眼和右眼的不同透視圖必須分別獨立創(chuàng)建。這可以通過上述觀察窗口的時間或空間復(fù)用來實現(xiàn)。
5.彩色全息圖彩色全息圖可以用時間或者空間復(fù)用來生成。對于時間復(fù)用，R、G和B光源與SLM上對應(yīng)的全息圖內(nèi)容被同步轉(zhuǎn)換。對于空間復(fù)用，三個R、G和B全息圖在交錯的R、G和B像素上顯示，且由空間相干的白光源或分離的R、G和B光源進(jìn)行照射。
6.連續(xù)的SLM
作為全息圖承載介質(zhì)的像素化的SLM(如LCD面板)導(dǎo)致再現(xiàn)物體和觀察窗口的周期重復(fù)。通過使用本說明書中所述的方法，可以避免觀察者看到物體的多重再現(xiàn)。因此，我們的方法最好應(yīng)用于像素化的SLM。
然而，我們的方法也可以應(yīng)用于連續(xù)的SLM，如光尋址空間光調(diào)制器(OASLM)。OASLM本身是連續(xù)的，且因而對本實施例中為觀察者消除多重再現(xiàn)的那些方面不作要求。但是，OASLM通常是應(yīng)用具有像素結(jié)構(gòu)的電尋址SLM來進(jìn)行光尋址。這可能會導(dǎo)致OASLM上殘余的像素結(jié)構(gòu)，且因此可能在觀察窗口里發(fā)生物體的周期重復(fù)。因而將我們的方法應(yīng)用于OASLM或其它連續(xù)的SLM可能有用。
7.HPO全息圖和空間復(fù)用的結(jié)合水平排列的觀察窗口的空間復(fù)用，最好與VPO僅垂直視差全息圖結(jié)合使用。水平排列的觀察窗口需要光束分離元件，其將來自SLM的光束進(jìn)行水平分光。VPO全息圖可以由在水平方向空間相干的水平線光源進(jìn)行照射。因此，在水平方向，觀察窗口僅受用于光束分離的光學(xué)元件的限制，該光束分離可以用與用于傳統(tǒng)自動立體顯示器的相同方式來處理。由于周期間隔和衍射級而造成對的觀察窗口的限制，僅加在垂直方向上，而水平線光源是空間相干的。在水平方向上，衍射和光束分離之間沒有互相干擾。
原則上，也可以結(jié)合HPO全息圖和水平排列的觀察窗口的空間復(fù)用。但是，必須注意是，因為光束分離和衍射，所以在水平方向都有作用。
8.光源的相干我們必須分清時間和空間相干a)空間相干涉及光源的橫向擴展。激光光源發(fā)出的光可視為從點光源(在衍射極限之內(nèi)并取決于模態(tài)純度)發(fā)出的且導(dǎo)致物體的清晰再現(xiàn)，即各物點被作為一個點再現(xiàn)(在衍射極限之內(nèi))。來自諸如LED或CCFL的空間非相干光源的光，是橫向擴展的且引起再現(xiàn)物體的拖尾效應(yīng)。拖尾效應(yīng)的量是由在給定位置的再現(xiàn)物點的加寬尺寸給出。為了使用空間非相干光源來構(gòu)建全息圖，必須通過調(diào)節(jié)光闌寬度在再現(xiàn)質(zhì)量和亮度之間進(jìn)行折衷。越小的光闌導(dǎo)致空間相干的提高并因而降低模糊或拖尾效應(yīng)的程度。但是越小的光闌導(dǎo)致更低的亮度。術(shù)語“部分空間相干”用于描述該光源。
b)時間相干涉及光源的光譜線寬。SLM上的衍射角與波長成比例，這表示只有單色光源才導(dǎo)致物點的清晰再現(xiàn)。加寬的光譜將導(dǎo)致加寬的物點和拖尾的物體再現(xiàn)。激光光源的光譜可視為單色的。LED的光譜線寬極窄(ca.20nm FWHM)，有利于優(yōu)質(zhì)的再現(xiàn)。
9.點光源和視差對于全視差的全息圖，必須使用一個或多個點光源與一個單獨旋轉(zhuǎn)對稱透鏡或旋轉(zhuǎn)對稱透鏡陣列的組合。優(yōu)選地，對于HPO或VPO的全息圖，使用一個或多個線光源與單獨柱面透鏡或柱面透鏡(雙凸透鏡)陣列的組合。該線光源和透鏡必須平行排列。
線光源具有更高亮度的優(yōu)勢，雙凸透鏡比旋轉(zhuǎn)對稱透鏡陣列更容易制造。
然而，其它組合也可以用于HPO或VPO●點光源和旋轉(zhuǎn)對稱透鏡/透鏡陣列●點光源和柱面透鏡/雙凸透鏡●線光源和旋轉(zhuǎn)對稱透鏡/透鏡陣列10.光源和透鏡的組合光源可以是空間相干光源(如激光)或空間部分完全相干(如具有極小光闌的LED)。
不同類型光源的安排-一個點光源-點光源的1D陣列-點光源的2D陣列-一個線光源-線光源陣列線光源和陣列的最佳定位將在下面討論。
不同類型的透鏡安排-一個大的旋轉(zhuǎn)對稱透鏡-旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的1D陣列-旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的2D陣列-一個大的柱面透鏡-柱面透鏡陣列(雙凸透鏡)柱面透鏡和透鏡陣列的最佳定位將在下面討論。為了簡化，術(shù)語“旋轉(zhuǎn)對稱透鏡”和“柱面透鏡”可以指透鏡的球面截面和非球面截面。非球面截面可被用于減少球面像差。光源和透鏡的最佳組合為a)一個點光源和一個旋轉(zhuǎn)對稱透鏡。
對于小的顯示器該組合是最容易的。其最好用于全視差全息圖。對于大的、即對角線大于數(shù)英寸的顯示器，其所需的高強度點光源和大體積的透鏡使得該組合不適合。
b)點光源的2D陣列和旋轉(zhuǎn)對稱透鏡的2D陣列。
該組合最適用于大的全視差全息圖。每個點光源對應(yīng)于一個透鏡。每個線光源必須僅照射透鏡陣列的一個單獨透鏡，便于為多個光源分出所需總強度的量。這減小了對每個光源的強度要求。與相同焦距的大的單一透鏡相比，透鏡陣列也更容易制作且體積更小。
c)垂直排列的線光源陣列和垂直排列的柱面透鏡(垂直排列的雙凸透鏡)陣列。該組合用于HPO全息圖。垂直排列的柱面透鏡將光聚焦于水平方向生成HPO全息圖。在垂直方向沒有運動視差。每個線光源對應(yīng)一個凸透鏡。與點光源的2D陣列和透鏡的2D陣列相比，雙凸透鏡的優(yōu)勢是比透鏡的2D陣列更容易制作。對線光源的強度要求也比點光源低光通量被分布為線的形式而不是聚焦于一個小光點。
d)水平排列的線光源陣列和水平排列的柱面透鏡(水平排列的雙凸透鏡)陣列。該組合用于VPO全息圖。水平排列的柱面透鏡將光聚焦于水平方向，生成VPO全息圖。沒有附加器件則在水平方向沒有運動視差。每個線光源對應(yīng)于一個凸透鏡。該光源和雙凸透鏡的組合還可以與用于傳統(tǒng)自動立體圖像分離的光學(xué)元件結(jié)合。具有垂直方向波相干疊加的VPO全息圖不受水平方向的自動立體圖像分離的影響，反之亦然。這導(dǎo)致全息的和自動立體的顯示的結(jié)合。垂直方向的全息再現(xiàn)滿足眼調(diào)節(jié)。自動立體圖像分離與空間復(fù)用一起為左眼和右眼生成不同的透視圖。
11.光源類型存在不同的生成光源的可能性，如a)單一點光源可以是激光二極管或其它類型的激光。如果二極管的光闌特別小，則可以使用LED，以確保完全空間相干。必須添加附加的光闌。
b)點光源陣列可以通過例如以下方式生成●單一點光源、如激光，LED陣列●耦接到光纖束中的單一激光或LED。適當(dāng)安排光纖束的輸出以形成所需的光源陣列。
●由多個激光、LED、CCFL等組成的大區(qū)域照射。然后，從這些光源發(fā)出的光被光闌陣列定形。該光闌陣列可以是靜態(tài)或者是可配置的，例如其可以是僅在需要點光源的位置透明的LCD面板(光閘面板)。LCD面板上可配置的光闌最好用于移動光源以跟蹤觀察者。
c)線光源陣列可以通過例如以下方式生成●排列成一條直線的點光源、如激光、LED陣列，●由1D擴散片、雙凸透鏡等在一個方向上擴展的點光源陣列。
●由多個激光、LED、CCFL等組成的大區(qū)域照射。然后，從這些光源發(fā)出的光被條狀光闌陣列定形。該光闌陣列可以是靜態(tài)或者是可配置的，例如其可以是僅在需要線光源的位置透明的LCD面板(光閘面板)。LCD面板上可配置的光闌最好用于移動光源以跟蹤觀察者。
d)可以使用OLED面板代替大區(qū)域照射和LCD面板上的光闌，以生成可配置的點或線光源陣列。OLED面板是具有100μm量級間距的小有機發(fā)光二極管的陣列。只有開啟合適的OLED像素才能生成所需的點或線光源陣列。
e)其它光源也可以用于生成單一點光源、點光源陣列和線光源陣列，如CCFL、金屬蒸氣燈(如Hg蒸氣燈)。必須應(yīng)用適當(dāng)?shù)墓怅@以確?？臻g完全相干。
f)由透鏡陣列或展示該特性的單一全息圖復(fù)制單一光源。該輸出可以是點或線/柱型的陣列或具有任意定形的波陣面的陣列/線/柱型的擴展光束。例如，可以形成線陣列直接作為全息圖的照明。
12.互不相干的光源和子全息圖光源陣列的光源通常互不相干。這表示它們之間沒有固定的相位關(guān)系。從不同光源發(fā)出的波不相干疊加。
對于由光源陣列照射的且通過透鏡陣列的全息圖，這表示在整個全息圖承載介質(zhì)/SLM上面沒有相干再現(xiàn)。而是，全息圖被切分為多個屬于各自的光源和透鏡的子全息圖。各個子全息圖被相干照射且再現(xiàn)在子全息圖上編碼的子物體。因為子全息圖之間互不相干，所以子物體不相干疊加且不相干。這導(dǎo)致強度而不是幅度的增加，且導(dǎo)致再現(xiàn)物體的強度較低。盡管如此，存在一個由多個子物體組成的再現(xiàn)物體。
互不相干光源的影響對于傳統(tǒng)的全息圖較小。物點的全息圖信息不在全部全息圖上而只在小的編碼區(qū)域內(nèi)編碼。編碼區(qū)域的典型尺寸是數(shù)毫米。這與典型的光源間距的尺寸、并因而與透鏡陣列的典型間距大體相同。因此編碼區(qū)域只由很少而不是很多個互不相干的光源照明。
由許多小編碼區(qū)域組成全息圖、且將光照切分為許多互不相干的光源也有利于使用諸如LED的低相干光源。只在數(shù)毫米范圍的區(qū)域內(nèi)需要相干，而不是全部的全息圖都需要。20英寸全息圖的相干照明需要像激光的高相干光源。
13.觀察平面中光源的聚焦傅立葉全息圖要求將光源成像到觀察平面上。該成像由透鏡或透鏡陣列完成。與菲涅耳全息圖相比，傅立葉全息圖具有非衍射光聚焦到觀察平面的小光點上的優(yōu)勢。如果這些光點在觀察窗口之外，則非衍射光作為干擾背景而不被看到。
在相干光源的情況下，成像光源的尺寸由衍射和透鏡的像差所限制，且通常非常小(與人眼的分辨率相比)。在空間非相干光源(如LED)的情況下，成像光源的尺寸還由光源的光闌和透鏡的倍率確定。
如果使用光源陣列和透鏡陣列，則所有光源的圖像必須一致。，這表示光源陣列的間距根據(jù)簡單的幾何結(jié)構(gòu)，必須比透鏡陣列的間距稍大。如果光源和透鏡適當(dāng)排列，則在觀察平面里看到的衍射圖樣，看起來就像使用單一光源和單一透鏡形成的衍射圖樣一樣。
可以有附加的光學(xué)元件，其定形光分布，用以使光分布均勻或在觀察平面中增加強度。其可以是擴散片或透鏡。
14.跟蹤對于純?nèi)⒌慕?，對觀察者的跟蹤通過相對透鏡(陣列)移動光源來完成。這可以通過機械移動光源或透鏡(陣列)、或通過電子移動LCD面板光閘上的光闌來完成。跟蹤也可以通過可配置的衍射光學(xué)元件或掃描鏡來完成。
如果將垂直方向的全息物體再現(xiàn)和水平方向的自動立體圖像分離相結(jié)合，則水平方向的跟蹤也可以通過水平移動SLM上的VPO全息圖來完成。
15.SLM的類型SLM可以是基于單元的/像素化的或連續(xù)的SLM。
基于單元的●液晶(透射型或反射型的)●幅度調(diào)制●相位調(diào)制●結(jié)合幅度和相位調(diào)制MOEMS(微型光電機械微系統(tǒng))
●活塞●其它類型的基于單元的SLM連續(xù)的●光尋址SLM(OASLM)●聲光調(diào)制器(AOM)●其它類型的連續(xù)SLM16.特性實施例的說明在一特性實施例里，具有20英寸對角線的單色LCD面板被用作全息圖承載介質(zhì)。像素間距在垂直方向上是69μm，在水平方向上是207μm。該LCD調(diào)制光的幅度。
該全息圖由水平線光源陣列和具有水平排列的凸透鏡的雙凸透鏡進(jìn)行照射。水平線光源陣列由受紅色高功率的LED照射的LCD光閘面板上的透光狹縫生成的。
該水平線光源是空間垂直相干的。與水平排列的凸透鏡一起，有利于VPO傅立葉全息圖的再現(xiàn)。因為全息圖承載的LCD是幅度調(diào)制的，所以使用伯克哈特編碼。這意味著編碼一個復(fù)數(shù)需要三個像素。因此相應(yīng)的間距為3*69μm＝207μm，其導(dǎo)致2m距離的觀察窗口的尺寸為6mm。觀察窗口集的周期間隔、非衍射光和深度反轉(zhuǎn)圖像(1st，0th和-1st級)由69μm的像素間距確定，在2m距離為18mm。觀察窗口只比眼瞳稍大，因此要求密切跟蹤眼瞳。這由探測眼睛位置的眼探測器來實現(xiàn)。這些數(shù)據(jù)用于控制LCD光閘面板上線光源的垂直位置和間距。
應(yīng)用現(xiàn)在為止所說明的技術(shù)，各只眼睛將看到相同透視圖的全息圖，因為該全息圖是VPO。因此增加自動立體圖像分離。在全息圖承載LCD和觀察者之間設(shè)置垂直排列的雙凸透鏡。兩個全息圖(一個用于左眼的且另一個用于右眼的透視圖)在全息圖承載LCD上交錯，如左眼的透視圖在偶數(shù)列上而右眼的透視圖在奇數(shù)列上。因此左眼只看到是含有左眼透視圖的再現(xiàn)，而右眼是含有右眼透視圖的再現(xiàn)。通過水平移動全息圖承載LCD上的全息圖內(nèi)容來水平跟蹤觀察者。
因此提供3D景觀所有需要的信息。VPO全息圖導(dǎo)致眼調(diào)節(jié)而自動立體圖像分離提供視差信息。也可以用時間復(fù)用替換空間復(fù)用。但是其要求足夠快的顯示器，而其至今在仍達(dá)不到期望的尺寸和分辨率。
附錄III下面的附錄III從WO 2004/044659及其增補里摘錄主要的概念，其內(nèi)容引用于此作為參考。
解釋要點術(shù)語“計算機”或“計算裝置”表示任何能夠計算的裝置或組件；其包括ASIC、主CPU、DSP等。
光源表示任何照明光源，因此包括分離光源陣列。
概念A(yù) 成像平面上的觀察窗口用于視頻全息術(shù)的顯示裝置，其中該裝置能夠使要觀看的物體全息再現(xiàn)；該裝置包括光源和光學(xué)系統(tǒng)以照明全息圖承載介質(zhì)；其中，該裝置可操作，以使觀察者眼睛位于接近光源的成像平面時，可以看到重現(xiàn)。
附加特性●該再現(xiàn)是全息圖的菲涅耳變換。
●該裝置可操作，以使在必須放置觀察者眼睛的觀察平面上生成全息圖的直接或逆傅立葉變換。
●全息再現(xiàn)可以出現(xiàn)在由全息圖和成像平面上形成的虛擬觀察窗口所確定的體積的任何位置上，通過該虛擬觀察窗口觀察者可以觀看該再現(xiàn)。
●具有分離的觀察窗口，每只眼睛一個。
●觀察窗口大約為1cm×1cm。
●跟蹤觀察者眼睛的位置，且該裝置可以改變虛擬觀察窗口的位置，這樣即使移動觀察者的頭部他或她仍然可以通過各個觀察窗口繼續(xù)觀看。
●該全息圖承載介質(zhì)是TFT平面屏幕。
●該裝置是電視機。
●該裝置是多媒體裝置。
●該裝置是游戲裝置。
●該裝置是醫(yī)學(xué)圖像顯示裝置。
●該裝置是軍用信息顯示裝置。
概念A(yù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用A.一種用顯示裝置和計算機生成物體全息再現(xiàn)的方法，該裝置包括用于照明全息圖承載介質(zhì)的光源和光學(xué)系統(tǒng)；包含以下步驟(a)用計算機在全息圖承載介質(zhì)上生成全息圖；(b)安排光源的成像平面以使其與觀察者的眼睛平面大致重合，以使觀察者能夠觀看該再現(xiàn)。
B.一種用定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)編程的數(shù)據(jù)載體，載體上的數(shù)據(jù)促使顯示裝置根據(jù)上述A的方法生成全息再現(xiàn)。
C.一種分布定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)的方法，該數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)分布且由顯示裝置接收；該數(shù)據(jù)促使顯示裝置根據(jù)上述A的方法生成全息再現(xiàn)。
D.一種計算裝置，其適于向顯示裝置提供定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)，根據(jù)上述A的方法，促使顯示裝置生成全息再現(xiàn)。
E.一種如上所述用于顯示裝置中的顯示屏幕。
F.一種如上所述由裝置生成的全息再現(xiàn)。
概念B 大的物體再現(xiàn)一種視頻全息術(shù)的顯示裝置，其中該裝置能夠生成物體的全息再現(xiàn)；該裝置包括照明全息圖承載介質(zhì)的光源和光學(xué)系統(tǒng)；其中再現(xiàn)物體的尺寸由該顯示器的尺寸確定，而不是由與全息圖承載介質(zhì)結(jié)合的周期間隔確定，該周期間隔而是用于確定觀察窗口的尺寸，通過該觀察窗口能夠看到再現(xiàn)圖像。
附加特性●觀察窗口位于光源的成像平面上。
●該裝置可操作，以使在必須放置觀察者眼睛的觀察平面上生成全息圖的直接或逆傅立葉變換。
●全息再現(xiàn)可以出現(xiàn)在由全息圖和觀察窗口所確定的體積的任何位置上。
●具有用于各只眼睛的觀察窗口●觀察窗口大約為1cm×1cm。
●跟蹤觀察者眼睛的位置，且該裝置可以改變虛擬觀察窗口的位置，這樣即使移動觀察者的頭部他或她仍然可以通過各個觀察窗口繼續(xù)觀看。
●該全息圖承載介質(zhì)是TFT平面屏幕。
●該裝置是電視機。
●該裝置是多媒體裝置。
●該裝置是游戲裝置。
●該裝置是醫(yī)學(xué)圖像顯示裝置。
●該裝置是軍用信息顯示裝置。
概念B在其它文章里的應(yīng)用A.一種應(yīng)用顯示裝置和計算機生成物體全息再現(xiàn)的方法，該裝置包括用于照明全息圖承載介質(zhì)的光源和光學(xué)系統(tǒng)；包含以下步驟(a)應(yīng)用計算機在全息圖承載介質(zhì)上生成全息圖；(b)安排光學(xué)系統(tǒng)和全息圖，這樣再現(xiàn)物體的尺寸由該顯示的尺寸確定，而不由與全息圖承載介質(zhì)結(jié)合的周期間隔確定，該周期間隔而是用于確定觀察窗口的尺寸，通過該觀察窗口能夠看到再現(xiàn)物體。
B.一種應(yīng)用定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)編程的數(shù)據(jù)載體，載體上的數(shù)據(jù)促使顯示裝置根據(jù)上述A的方法生成全息再現(xiàn)。
C.一種分布定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)的方法，該數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)分布且由顯示裝置接收；該數(shù)據(jù)促使顯示裝置根據(jù)上述A的方法生成全息再現(xiàn)。
D.一種計算裝置，其適于向顯示裝置提供定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)，促使顯示裝置根據(jù)上述A的方法生成全息再現(xiàn)。
E.一種如上所述用于顯示裝置中的顯示屏幕。
F.一種如上所述由裝置生成的全息再現(xiàn)。
概念C從觀察窗口計算全息圖1.編碼視頻全息圖的方法，包含步驟(a)在將被再現(xiàn)的物體上選擇一個點；(b)定義一個通過其觀看再現(xiàn)物體的觀察窗口；(c)通過上述點從觀察窗口的邊緣，直至僅形成部分全息圖承載介質(zhì)的區(qū)域，描繪出一表面；(d)將需要再現(xiàn)該點的全息信息單獨在該區(qū)域里編碼到全息圖承載介質(zhì)上。
附加特性●再現(xiàn)物體包含多個點。
●在再現(xiàn)上編碼，以使在必須放置觀察者眼睛的觀察平面上生成全息圖的直接或逆傅立葉變換。
●再現(xiàn)可以出現(xiàn)在由全息圖和虛擬觀察窗口形成的體積的任何位置，觀察者可以通過該虛擬觀察窗口觀看該再現(xiàn)。
●具有用于各只眼睛的觀察窗口。
●觀察窗口大約為1cm×1cm。
●該觀察窗口的尺寸作為該全息圖的周期間隔的函數(shù)計算。
●跟蹤觀察者眼睛的位置，且該裝置可以改變虛擬觀察窗口的位置，這樣即使移動觀察者的頭部他或她仍然可以通過各個觀察窗口繼續(xù)觀看。
●該全息圖承載介質(zhì)是TFT平面屏幕。
●該全息圖承載介質(zhì)是電視機的顯示器。
●該全息圖承載介質(zhì)是多媒體裝置的顯示器。
●該全息圖承載介質(zhì)是游戲裝置的顯示器。
●該全息圖承載介質(zhì)是醫(yī)學(xué)圖像顯示裝置的顯示器。
●該全息圖承載介質(zhì)是軍用信息顯示裝置的顯示器。
概念C在其它文章里的應(yīng)用A.一種應(yīng)用顯示裝置和計算機生成物體全息再現(xiàn)的方法，該裝置包括用于照明全息圖承載介質(zhì)的光源和光學(xué)系統(tǒng)；包含以下步驟(a)應(yīng)用計算機在全息圖承載介質(zhì)上生成全息圖；該全息圖已應(yīng)用特征1所述的方法編碼；(b)使用光源和光學(xué)系統(tǒng)照明全息圖，以使再現(xiàn)物體可以看到。
B.一種應(yīng)用定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)編程的數(shù)據(jù)載體，載體上的數(shù)據(jù)已使用上述方法編碼。
C.一種分布定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)的方法，該數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)分布且由顯示裝置接收；該數(shù)據(jù)已使用上述方法編碼。
D.一種適于向顯示裝置提供定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)的計算裝置，該數(shù)據(jù)已使用上述方法編碼。
E.一種顯示屏幕，當(dāng)用于顯示裝置中時，可操作顯示已使用上述方法編碼的數(shù)據(jù)。
F.一種由使用上述方法編碼的全息圖生成的全息再現(xiàn)。
概念D小區(qū)域編碼一種視頻全息圖，包含編碼再現(xiàn)物體單一點所必需的信息的區(qū)域，該物體可以在規(guī)定的觀察位置看到，特征在于區(qū)域(a)在再現(xiàn)圖像里為該單一點單獨編碼信息，而(b)是全息圖中為該點編碼信息的唯一區(qū)域，且其尺寸被限制以形成完整全息圖的一部分，這樣的尺寸使由更高衍射級引起的該點的多重再現(xiàn)在規(guī)定的觀察位置里不會看到。
附加特性
●在再現(xiàn)上編碼，以使在必須放置觀察者眼睛的觀察平面上生成全息圖的直接或逆傅立葉變換。
●再現(xiàn)可以出現(xiàn)在由全息圖和虛擬觀察窗口形成的體積的任何位置，觀察者可以通過該虛擬觀察窗口觀看該再現(xiàn)。
●觀察窗口大約為1cm×1cm。
●具有用于各只眼睛的觀察窗口。
●該觀察窗口的尺寸作為該全息圖的周期間隔的函數(shù)計算。
●跟蹤觀察者眼睛的位置，且該裝置可以改變虛擬觀察窗口的位置，這樣即使移動觀察者的頭部他或她仍然可以通過各個觀察窗口繼續(xù)觀看。
●再現(xiàn)的物體包含多個點。
●該全息圖編碼到為TFT平面屏幕的全息圖承載介質(zhì)上。
●該全息圖編碼到電視機的顯示器上。
●該全息圖編碼到多媒體裝置的顯示器上。
●該全息圖編碼到游戲裝置的顯示器上。
●該裝置是醫(yī)學(xué)圖像顯示裝置。
●該裝置是軍用信息顯示裝置。
概念D在其它文章里的應(yīng)用A.一種編碼可以再現(xiàn)物點的視頻全息圖的方法，包含步驟在一區(qū)域里單獨為該單一點編碼全息圖信息，該區(qū)域是全息圖中為該點編碼信息的唯一區(qū)域，且其尺寸被限制以形成完整全息圖的一小部分，這樣的尺寸使由更高衍射級引起的該點的多重再現(xiàn)在規(guī)定的觀察位置里不會看到。
B.一種應(yīng)用定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)編程的數(shù)據(jù)載體，載體上的數(shù)據(jù)促使顯示裝置如上述生成的全息圖。
C.一種分布定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)的方法，該數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)分布且由顯示裝置接收；該數(shù)據(jù)促使顯示裝置如上述生成全息圖。
D.一種計算裝置，適于向顯示裝置提供定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)，以促使顯示裝置如上述生成全息圖。
E.一種如上所述顯示全息圖的顯示屏幕。
F.一種如上所述由全息圖生成的全息再現(xiàn)。
G.一種適于生成全息再現(xiàn)的顯示裝置，該裝置包括用上述全息圖編碼的顯示器。
概念E時序編碼一種用于計算機生成全息術(shù)的顯示裝置，其中該裝置使物體的全息再現(xiàn)能夠被觀看；該裝置包括用于照明全息圖承載介質(zhì)的光源和光學(xué)系統(tǒng)；其中，該裝置可操作，在全息圖承載介質(zhì)上為觀察者的左眼然后右眼時序重編碼全息圖。
附加特性●該再現(xiàn)是全息圖的菲涅耳變換。
●該裝置可操作，以使在必須放置觀察者眼睛的觀察平面上生成全息圖的直接或逆傅立葉變換。
●該全息再現(xiàn)可以出現(xiàn)在由全息圖和成像平面上形成的虛擬觀察窗口所確定的體積的任何位置上，觀察者可以通過該虛擬觀察窗口觀看該再現(xiàn)。
●具有用于各只眼睛的觀察窗口。
●觀察窗口大約為1cm×1cm。
●跟蹤觀察者眼睛的位置，且該裝置可以改變虛擬觀察窗口的位置，這樣即使移動觀察者的頭部他或她仍然可以通過各個觀察窗口繼續(xù)觀看。
●該全息圖承載介質(zhì)是TFT平面屏幕。
●該裝置是電視機。
●該裝置是多媒體裝置。
●該裝置是游戲裝置。
●該裝置是醫(yī)學(xué)圖像顯示裝置。
●該裝置是軍用信息顯示裝置。
概念E在其它文章里的應(yīng)用A.一種應(yīng)用顯示裝置和計算機生成物體全息再現(xiàn)的方法，該裝置包括用于照明全息圖承載介質(zhì)的光源和光學(xué)系統(tǒng)；包含以下步驟(a)為觀察者的左眼然后右眼在全息圖承載介質(zhì)上時序重編碼全息圖。
B.一種應(yīng)用定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)編程的數(shù)據(jù)載體，載體上的數(shù)據(jù)促使顯示裝置根據(jù)上述A所定義的方法生成全息再現(xiàn)。
C.一種分布定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)的方法，該數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)分布且由顯示裝置接收；該數(shù)據(jù)促使顯示裝置根據(jù)上述A所定義的方法生成全息再現(xiàn)。
D.一種適于向顯示裝置提供定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)的計算裝置，促使顯示裝置根據(jù)上述A所定義的方法生成全息再現(xiàn)。
E.一種如上述D定義的用于顯示裝置中的顯示屏幕。
F.一種如上述D定義的由裝置生成的全息再現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種計算全息圖的方法，通過在近似觀察者眼睛位置確定波陣面，該波陣面由將被再現(xiàn)的物體的真實形式生成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，上述波陣面由全息圖再現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，上述波陣面為一個或多個觀察窗口計算。
4.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，上述方法用于再現(xiàn)物點，其特征在于，包含步驟在一區(qū)域里單獨為上述單一點編碼全息圖信息，所述區(qū)域是全息圖中為上述點編碼信息的唯一區(qū)域，且所述區(qū)域的尺寸被限制以形成完整全息圖的一小部分，這樣的尺寸使由更高衍射級引起的上述點的多重再現(xiàn)在上述觀察者的眼睛位置不會看到。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包含以下步驟(a)在上述將被再現(xiàn)的物體上選擇一個點；(b)定義一個通過其觀看再現(xiàn)物體的觀察窗口；(c)通過上述點從觀察窗口的邊緣，直至僅形成部分SLM的區(qū)域，描繪出一錐形；(d)將需要再現(xiàn)上述點的全息信息單獨在上述區(qū)域里編碼到SLM中。
6.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，還包含應(yīng)用顯示裝置和計算機生成物體的全息再現(xiàn)的步驟，所述裝置包括用于照明SLM的光源和光學(xué)系統(tǒng)；其特征在于，包含以下步驟(a)使用上述計算機在SLM上生成全息圖；(b)安排成像平面以使其與觀察者眼睛的平面大致重合，以使觀察者能夠觀看上述再現(xiàn)。
7.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，還包含應(yīng)用顯示裝置和計算機生成物體的全息再現(xiàn)的步驟，所述裝置包括用于照明SLM的光源和光學(xué)系統(tǒng)；其特征在于，所述生成的方法包含以下步驟(a)使用上述計算機在SLM上生成全息圖；(b)安排上述光學(xué)系統(tǒng)和上述全息圖，使上述再現(xiàn)物體的尺寸是上述顯示器尺寸的函數(shù)而不是與SLM結(jié)合的周期間隔的函數(shù)，上述周期間隔而是確定上述觀察窗口的尺寸，通過上述觀察窗口能夠看到再現(xiàn)物體。
8.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，還包含應(yīng)用顯示裝置和計算機生成物體的全息再現(xiàn)的步驟，所述裝置包括用于照明SLM的光源和光學(xué)系統(tǒng)；其特征在于，包含以下步驟(a)為觀察者的左眼然后右眼在SLM上時序重編碼全息圖。
9.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在再現(xiàn)上編碼，以使在必須放置觀察者眼睛的觀察平面上生成全息圖的直接或逆傅立葉變換。
10.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，上述再現(xiàn)可以出現(xiàn)在由上述全息圖和虛擬觀察窗口形成的體積的任何位置，觀察者可以通過所述虛擬觀察窗口觀看該再現(xiàn)。
11.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，上述全息圖編碼到為TFT平面屏幕的SLM上。
12.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，上述全息圖編碼到電視機的顯示器上。
13.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，上述全息圖編碼到多媒體裝置的顯示器上。
14.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，上述全息圖編碼到游戲裝置的顯示器上。
15.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，上述裝置是醫(yī)學(xué)圖像顯示裝置。
16.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，上述裝置是軍用信息顯示裝置。
17.一種用定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)編程的數(shù)據(jù)載體，該載體上這樣的數(shù)據(jù)致使一顯示裝置生成如權(quán)利要求6，7或8所限定的全息圖。
18.一種分布定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)的方法，該數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)分布且由一顯示裝置接收；這樣的數(shù)據(jù)致使一顯示裝置生成如權(quán)利要求6，7或8所限定的全息圖。
19.一種適于向顯示裝置提供定義視頻全息圖的數(shù)據(jù)的計算裝置，致使該顯示裝置生成如權(quán)利要求6，7或8所限定的全息圖。
20.一種顯示屏幕，顯示用權(quán)利要求6，7或8所限定的方法生成的全息圖。
21.一種用權(quán)利要求6，7或8所限定的方法生成全息圖的全息再現(xiàn)。
22.一種適于生成全息再現(xiàn)的顯示裝置，該裝置包括應(yīng)用權(quán)利要求1-5的方法編碼全息圖的顯示器。
全文摘要
一種計算全息圖的方法，通過在接近觀察者的眼睛位置確定波陣面，該波陣面由將被再現(xiàn)的真實物體生成。在普通計算機生成的全息圖里，確定再現(xiàn)物體所必需的波陣面；在本發(fā)明中不直接這么做。而是，可以在觀察窗口確定波陣面，該波陣面由與再現(xiàn)物體位于相同位置的真實物體生成。然后，可以將這些波陣面逆變換為全息圖，以確定生成這些波陣面需要如何編碼該全息圖。然后，恰當(dāng)編碼的全息圖可以生成三維場景的再現(xiàn)，可以通過將眼睛置于觀察窗口的平面上，并通過該觀察窗口來觀看該三維場景的再現(xiàn)。
文檔編號G03H1/08GK101088053SQ200580044711
公開日2007年12月12日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者阿明·史威特納, 拉爾夫·豪斯勒, 諾伯特·萊斯特 申請人:視瑞爾技術(shù)公司