CN101171553A - 三维场景的全息再现装置 - Google Patents

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Abstract

一种三维场景全息再现装置，该装置具有光聚焦装置，其通过用全息图信息编码的空间光调制器将充分相干光从发光装置引导到至少一个观察者的眼睛。该装置具有多个照明单元以照明空间光调制器(SLM)的表面；每个单元包括一个聚焦元件(21/22/23或24)，发出充分相干光使每个上述照明单元照亮表面的一个独立照明区(R1/R2/R3或R4)的发光装置(LS1/LS2/LS3或LS4)，使得聚焦元件和发光装置的排列使发光装置(LS1－LS4)发出的光在观察者眼睛附近或在观察者眼睛处重合。

Description

三维场景的全息再现装置
技术领域
本发明涉及一种用在包括电控单元的空间光调制器中编码的大面积计算机生成视频全息图(CGH)再现三维(3D-)场景的显示装置。上述单元通过用对应视频全息图的全息图的值编码每个单元，调制光的幅度和/或相位。和自动立体显示器一样，再现视频全息图的目的还在于利用视频显示器表示移动的二维或三维场景。
在本文件中，CGH表示由场景计算的全息图。CGH包含表示需再现的场景的光波幅度和相位的复值数据。CGH可以通过例如相干波追踪、模拟场景反射的光和参考波之间的干涉，或傅立叶或菲涅耳变换计算。
空间光调制器(SLM)调制输入光的波阵面。理想的SLM可以表示任意复值数据，也就是分别控制光波的幅度和相位。但是，典型的SLM仅控制幅度或相位特性中的一个，还带有影响其他特性的不希望有的副作用。
调制光的幅度或相位有不同的方法，例如电寻址液晶SLM，光寻址液晶SLM，微镜装置或声光调制器。光的调制可以是空间连续的或由一维或二维排列、二级、多级或连续的可单独寻址单元构成。
用于3D场景的全息再现的合适的空间光调制器例如是液晶显示器(LCD)。但是，本发明还可以用于调节光波阵面的其它可控空间光调节器。本发明还可以用于连续的空间光调节器，例如光寻址空间光调节器。
背景技术
在本文件中，术语“编码”表示这样的方法，即向空间光调节器的单元提供视频全息图的单元的控制值，以据此再现3D场景。
与自动立体显示器相比，视频全息图让观察者看到三维场景的光波阵面的光学再现。
根据本发明，在观察者的眼睛和空间光调节器之间的空间范围内再现3D场景。可以利用视频全息图编码SLM，使得观察者看到在SLM前面的再现的三维场景目标和在SLM或其后面的其他目标。
空间光调节器的单元最好是透光的透射单元，上述光线至少能够在确定位置和几毫米的相干长度内产生干涉。这使得全息再现至少在一维上具有足够的分辨率。这种光称为“足够的相干光”。
为了确定足够的时间相关性，光源发出的光的光谱必须限于极窄的波长范围，也就是必须是接近单色的。高亮度LED的光谱带宽要足够窄以确保全息再现的时间相干。SLM的衍射角与波长成比例，这就是说仅单色源会使目标点的清晰再现。加宽的光谱将使目标点变宽并使目标再现拖光。LED的光谱线宽充分窄以使再现良好。
空间相关涉及光源的横向范围。如果传统的光源例如LED或冷阴极荧光灯通过十分窄的孔发出光，则它们也可以达到上述要求。激光源发出的光可以被看作衍射极限内的点光源发出的光，能根据模型纯度清晰地再现目标，也就是每个目标点被再现为衍射极限内的点。
空间不相关光源发出的光横向延伸，使再现的目标拖光。拖光总量由在给定位置再现的目标点变宽的大小决定。为了使用空间不相关源进行全息再现，需要权衡用孔限制的光源的亮度和横向范围。光源越小，其空间相关越好。
如果从与线光源的纵向延长线成直角的方向看去，可以将线光源看作一个点光源。因而光波可以在该方向相干传播，而在所有其他方向不相干传播。
一般来说，利用水平和垂直方向上波的相干重合，全息图再现全息场景。这种视频全息图被称为全视差全息图。假设观测窗或观察者区域足够大，则再现的目标在水平和垂直方向上有助于移动视差，与实际目标相似。但是，大的观察者区域要求SLM在水平和垂直方向上具有高的分辨率。
通常，对SLM的要求通过全息图仅限制在水平视差上而得以减少。全息再现仅在水平方向上发生，而在垂直方向上没有全息再现。这导致具有水平移动视差的再现目标。透视图没有因垂直动作而变化。仅有水平视差的全息图在垂直方向上需要的SLM的分辨率比全视差全息图小。仅有垂直视差的全息图也是可能的，但很少。全息再现仅在垂直方向上发生，导致再现目标仅具有垂直动作视差。其在水平方向上没有动作视差。需要分别产生左眼和右眼的不同透视图。
相关技术说明
在传统LCD技术中具有空间光调制器的显示器可以例如用于解码和再现。公知的高分辨率的透射平板显示器可以用于大面积再现。
最好使用具有直接调制光相位的单元的光调制器，例如基于夫瑞德利克兹(Freedericksz)单元的光调制器。但是，本发明还可采用其他空间光调制器。
忽略再现中出现的垂直视差的计算机生成全息图的照明系统公开于公开号为WO 03/021363的专利文件中。照明系统采用由传统的点光源组成的线光源。上述线光源发出准直光。线光源置于与其成直角的柱面镜的焦平面并产生多个平面波，其在多个入射角以透射模式照亮SLM。与点光源相比，图像可以被均匀照亮而不需要散射器。
公开号为WO 00/75699的专利文件公开了一种全息显示器，其借助部分全息图再现视频全息图。在普通的电子寻址空间光调制器(EASLM)编码的部分全息图持续投射到中间平面。该过程执行得足够快，使得观察者将所有的部分全息图的再现看作整个3D目标的单独再现。
部分全息图由专门设计的照明和投射系统设置在中间平面的常规结构中，该系统例如包括遮光器，其与受控与EASLM同步，仅允许对应的部分全息图透过，特别是使未使用的部分衍射级无用。实现利用需要的相干并在正确的再现角度下照明每个部分全息图的照明系统时，会发生困难。为了避免将大的透镜作为再现用光学元件，已提出使用透镜组。
申请人申请的公开号为WO 2004/044659(US2006/0055994)的专利文件也说明了通过充分的相干光延伸再现三维场景的装置，该装置包括点光源或线光源、聚焦光线的透镜和空间光调制器。与传统的全息显示器相比，传输模式的SLM在至少一个虚拟观测窗再现3D场景。每个观测窗都位于观察者的眼镜附近并且尺寸受限，使得每个观测窗都位于一个衍射级内，以便每只眼睛都能在SLM表面到观测窗之间延伸的锥形再现空间内看到三维场景的完全再现。为了无干扰地全息再现，观测窗的大小不能超过再现的一个衍射级的周期间隔。但是，它至少要大到能够通过窗看到3D场景的完全再现。其他眼睛可以通过同一观测窗观看或给其指定根据第二光源产生的第二观测窗。如果观察者眼睛的位置改变，追踪系统移动光源并追踪观测窗。此处，典型的较大可见区仅限于位于局部位置的观测窗。公知的解决方案在小范围再现了传统的SLM面的高分辨率导致的大面积，将其减小到观测窗的大小。这种方法的效果是利用合理的消费水平的计算装置，因几何原因而很小的衍射角和目前的SLM的分辨率足以完成高质量的实时全息再现。
但是，公知的解决方案表现出由于SLM表面积很大，而需要将厚度大、体积大、沉重且昂贵的透镜用于聚焦的缺点。因此装置的厚度大，重量重。另一缺点是，采用上述大透镜时由于边缘像差会显著减小再现的质量。
公知的实施例的另一缺点在于SLM的照明亮度不足。当前的解决方案是1cd/m2级的照明亮度，因此远低于传统显示器的亮度(约100cd/m2)。亮度低的原因之一是SLM上相干光源的亮度低。
发明内容
考虑到现有技术中解决方案的上述缺点，本发明的目的在于提供一装置，其利用带有相对大的单元间距的传统空间光调制器编码大面积视频全息图，以合理的计算负载，获得高质量的实时全息再现，同时避免前述的缺点。
本发明的另一目的在于增加全息再现的照明亮度。
为达上述目的，本发明采用一装置通过光学聚焦装置进行三维场景的全息再现，该光学聚焦装置将通过空间光调制器调制后、利用视频全息信息编码的、充分相干光导向至少一个观察者的眼睛。因此，三维场景通过光调制器单元的光衍射在分配的观察者的眼睛和空间光调制器表面之间延伸的空间内全息再现，使得场景对于追踪的观察者的双眼可见。
空间光调制器用视频全息图的信息进行编码。至少一个大面积视频全息图或视频全息图序列在上述空间光调制器中编码，该视频全息图具有垂直和水平方向上的视差信息或该视频全息图仅具有单一方向上视差信息和显示缺省的视差信息的时间多路模式。如果空间多路模式显示缺省的视差信息，视频全息图信息中包含两个空间多路视频全息图，同时为每个观察者的眼睛提供缺省的视差信息。
根据本发明，聚焦装置是具有多个聚焦元件的设备。与发出充分相干光的分配的发光装置结合，每个聚焦元件都形成单独的照明单元，该照明单元与远的照明单元同时照亮空间光调制器表面的一个离散区域。聚焦元件和发光装置设置在每个照明单元中，使得照明单元发出的光束在至少一个观看者的眼睛附近的虚拟观测窗处重合。每个独立的照明单元照亮根据至少一个延伸的视频全息图编码的空间光调制器表面的局部区域。所有的照明区域在观察者眼睛前方的锥形空间内一起同时再现整个三维场景。
本发明减小了装置的体积和重量，还显著地减小了干扰的透镜像差；增加了照明亮度。
本发明的另一主要优点在于发光装置发出的光不需要在单个激活照明单元中显示相干。允许为空间光调制器照明的多个传统光源可以同时使用以增加照明亮度。此外，由于相邻照明单元的光不能产生干涉，所以防止了多个相干光源位置产生的多个干涉。
通过将空间光调制器表面分为多个由不同照明单元照亮的小区域，相邻照明单元的发光装置的不相干有利地增加了衍射效率。
根据本文件，发出充分相干光的每个发光装置可以包含点光源或线光源形式的单一相干光元件。或者，具有多个发光元件的光源设备也可以形成一个完整的发光装置。上述设备可以包含形成线光源的多个点光源，或为彩色全息图照明的基本色光源。
在本发明的较佳实施例中，聚焦元件为形成透镜组的排列为阵列的透镜。
在实施本发明的最佳方式中，聚焦元件为柱面镜，也称为透镜体。在这种情况下，将分配的发光装置设置为平行于柱面镜设备的线光源的形式。这样，发光装置发出的光仅在垂直于线的最佳方向充分相干，使再现结合对应编码视差仅发生在上述方向。照明装置的该实施例使得视频全息图限于仅水平视差或仅垂直视差。全息再现仅在与线光源的线状方向垂直的方向产生，而在沿线光源的方向上没有全息再现。所需的缺省视差可以通过例如多个独立的一维全息图的空间交错实现。
根据另一实施例，聚焦装置中的聚焦元件范围的选择方法为，将发光装置的通过相邻聚焦元件的所有图像引导到大大超出观察者眼睛的视野。这将减小因再现重叠产生的可能的干扰。
视频全息图和再现的空间交错的解决方案已在申请人以前的公开号为WO2006/027228(US2006/050340)专利申请中说明，本发明申请之日尚未公开。所需的水平视差通过再现两个独立的一维全息图实现，以对应眼睛距离的视差，而不是再现另一个二维视频全息图。在另一个实施例中，可以在不同的观测窗中顺序再现两个视频全息图。
照明单元最好是发出近似准直光束，在限制为单衍射级和观察者平面的虚拟观测窗中重合。虚拟观测窗位于观察者的眼睛附近，在该处可以看到无干扰的再现。
狭缝光栅可以置于照明单元的发光装置和聚焦装置之间，以产生充分相干的线光源。
每个照明单元中，发光装置的位置相对于聚焦装置的位置限定观察者平面中所有照明单元发出的光束重合的位置。因此，可通过激活例如以线状方式排列的被照明的遮光器的对应的照明线，用例如透射的空间光遮光器和对应的背光装置根据观察者眼睛的位置定位观测窗。
在一具体实施例中，空间光遮光器和对应的背光装置可以由可控LED或有机LED设备替代。上述设备的点光源具有小的横截面积，可以被分别激活或类似线光源地激活。这极大地节省的照明能量。同缝隙光栅一样，每个包含LED设备的线光源满足自身的充分相干的条件。产生高能效紧密型照明单元。
在另一个实施例中，发光装置可以通过偏转的激光束扫描散射层实现。激光束由例如扫描镜的光束偏转器偏转，在散射层聚焦。激光束入射到上述散射层的点起光源的作用。通过控制光束偏转器和脉冲调制激光束，可以产生任何所需的光源阵列以照亮聚焦装置。激光束要在散射层上聚焦以生成小横向尺寸的光源。散射层的散射角确定发光的立体角，必须选择立体角以充分照亮聚焦装置。扫描的激光束的优点在于所有的光都用于照亮聚焦装置和SLM表面。传输遮光器没有吸收光，效率增加。
由于聚焦装置和空间光调制器彼此小距离地设置，其位置甚至可以交换。
根据本发明的装置可以采用短焦距的聚焦装置；可以实现照明亮度得以增加的重量和厚度较小的全息显示器。此外，小尺寸的光聚焦装置使像差最小。
由于聚焦元件的短焦距，本发明特别适合采用设置为分别激活的点光源的光源设备的发光装置。每个照明单元的聚焦元件可以被分配到单一线状阵列以进行线状照明，或装置的全部照明单元都被分配给一个单一发光区。
此外，位置探测系统以公知方式探测观察者眼睛的空间位置变换。如果观察者眼睛的位置改变，通过照明装置的激活照明线的移动追踪观测窗。如果观察者眼睛的轴向位置也就是到显示器的距离变化，发光装置和光学聚焦元件之间的距离或光聚焦装置的焦距改变。也可以采取两者的结合。
可用不同的方法改变聚焦装置的焦距。公知的液态透镜采用可变形薄膜下的电子湿润或变化液体体积，调整曲率半径，从而调整透镜焦距。上述原理可以用于透镜阵列和透镜组。还可以通过调整透镜媒介或周围主媒介的折射率改变焦距。可应用电场控制折射率的液晶材料可以达到上述要求。
后面的具有发光阵列的实施例可将多个可分别激活的点光源或线光源分配给照明单元的各个聚焦元件。上述阵列可以如背光装置照亮的遮光器矩阵一样用于追踪观察者的眼睛。前述位置探测系统为每个聚焦元件激活一个对应当前眼睛的位置的点光源或线光源，从而根据眼睛位置的改变追踪观测窗。
现在，借助实施例更详细地说明根据本发明的方法和装置。
本发明的原理将基于单色光全息再现进行解释。但是对于所属技术领域的技术人员而言，本发明也可以用于彩色全息再现。在后面的情况下，每个例如包括排列在像素列中的RGB子像素的单元将分别再现原色部分，这是三维场景的色彩重现所必须的，上述原色部分的重叠使得观看者看到色彩重现。
附图说明
图1表示利用侧视图中照明单元的光束进行3D场景的全息再现的装置。
图2表示利用侧视图中三个照明单元的衍射级光束进行3D场景的全息再现的装置。
图3表示利用侧视图中相邻照明单元的一个衍射级的光束进行3D场景的全息再现的装置。
图4表示利用再现的不同目标点及其受限制的编码面积的装置的细节。
具体实施方式
上述附图示意性地表示全息显示器的细节。
在所述实施例中，视频全息图在透射空间光调制器SLM中编码。但也可以使用例如夫瑞德利克兹(Freedericksz)单元的透射和反射光调制器SLM，其最好直接调制光波相位。
此外，为了更好地理解，所述实施例说明了单视差编码的全息图在结合全息和自动立体显示器再现3D场景中的应用。已在申请人的公开号为WO2006/027228(US2006/050340)的专利申请中提出使用空间多路再现的具体实施例。这使得线光源、透镜和进行传统的自动立体图像分离的其他光学元件相结合。分离两个空间多路视差全息图的图像所需的分离装置不是本发明的目的。图中没有表示图像分离装置，因为可以换用多种不同方法，例如用时间多路产生多路视差全息图。已在申请人的公开号为WO2004/044659(US2006/055994)的专利申请中提出利用时间多路再现的实施例。
在垂直方向上波相干叠加的视频全息图不受水平方向上的自动立体图像分离的影响，反之亦然。垂直方向上的全息再现满足人眼的要求。自动立体图像分离与空间多路一起为左眼与右眼生成不同的透视图。
但是本发明还可以用于再现全视差视频全息图的装置。该装置采用包含在光源矩阵中排列的多个点状光源的照明单元，以及分配的轴对称透镜阵列。
本发明的优点在于所有的照明单元都不需要每个点、线光源与分配的透镜体之间的分别封装。相邻照明单元的光可以在透镜阵列处小部分交叠。
图1为侧视图，表示水平排列在阵列中的柱面镜形式的垂直聚焦装置2的三个聚焦元件21、22、23。以水平线光源LS2的近似准直光束经过照明单元的聚焦元件22照向观看者平面OP为例。
根据本发明，将多个线光源LS1、LS2、LS3排列为一个在另一个的上面。每个光源发出的光都在垂直方向充分相干，而在水平方向不相干。上述光穿过光调制器SLM的透射单元。利用全息图编码的光调制器SLM的单元仅衍射垂直方向的光。聚焦元件22使光源LS2在观察者平面OP的多个衍射级成像，其中仅一个有用。例如光源LS2发出的光束仅穿透聚焦装置2的聚焦元件22。在图1中，三个光束表示衍射1级4，衍射0级5和衍射负1级6。
与单个点光源相比，线光源产生的照明亮度更大。利用具有提高了的效率、为再现的3D场景的每个部分都分配一个线光源的多个全息区，可增加有效照明亮度。另一个优点在于不用激光，而用多种传统光源产生充分相干光，上述光源位于例如也可以作为遮光器一部分的缝隙光栅的后面。
图2是侧视图，表示同样的具有水平排列的线光源LS1-LS3和包括柱面镜21-23的聚焦装置2的装置产生近似准直光束，在此为衍射1级4。每个近似准直光束照亮光调制器SLM表面上分配的光照区R1、R2或R3。白色箭头表示出每个光照区R1-R3的范围。所有近似准直光束在观察者平面OP重合，为观察者的双眼形成至少一个虚拟观测窗OWL或OWR。图2所示的侧视图中处于相互前后位置的观测窗OWL，OWR位于例如衍射1级4，并延伸过周期间隔的一部分。
光源LS1-LS3位于柱面镜21-23的后焦距附近。除了本实例中表示的第一衍射级，也可以由使用的光调制器SLM的编码模式决定用其他衍射级再现。例如采用相位调制光调制器SLM时，可以采用0衍射级。这会提高亮度。
如上所述，本实施例采用以单视差全息图编码的光调制器。这意味着为利用视差信息再现3D场景，光调制器需要以两个全息图编码，显示器需要提供两个虚拟观测窗OWL和OWR，由附加的自动立体分开装置分开。上述装置不是本发明的目的。
线光源LS1-LS3和柱面镜21-23彼此对应排列，使得透镜将光源LS1-LS3的光投射到观测窗OWL，OWR，而分离装置为左右眼区分所有的左右重现，图中未示。光调制器SLM衍射的照明单元的所有光束在一个衍射级，例如衍射1级重合。在其他实施例中，一个装置的不同照明单元发出的光的不同衍射级可以在观察窗重合。
图3是侧视图，表示具有各自包括线光源LS1-LS4的照明单元的装置。透镜21-24与图中未示的其他照明单元的柱面镜一起形成透镜组。每个水平对准的柱面镜21-24垂直方向上聚焦对应的线光源LS1-LS4发出的光，使得全息图中仅含有垂直方向上的视差信息。在该图中，提供三维模式的视差信息时，可以通过两个观测窗OWL、OWR看到一个场景的再现12。
照明单元产生光束，光调制器SLM中编码的每个光束都照亮视频全息图的自身照明区域。因此，上述所有光束将编码的视频全息图分为照明区R1-R4。
参照图3，照明区R4再现了再现12的对应部分。在光束的重合区，可以应用很多方法产生再现12。由照明区R2、R3或R4中的一个或两个中的一部分共同再现3D场景。但是，观察者感觉不到变化。如上所述，装置的所有照明单元的结构和尺寸均相同，因此具有兼容性，仅根据观察者眼睛的位置个别调整光源LS1-LS4的位置。上述装置容易制造。
图4更详细地表示本发明的功能。与传统的全息显示器相比，根据本发明，三维场景的第一目标点P1仅由排列在光调制器SLM限制区A1内的单元编码。此外，图4表示目标点P2和P3相对于追踪的虚拟观测窗OWL或OWR位于不同的距离和位置。每个目标点P1-P3的位置确定光调制器表面的位置，其距离确定光调制器SLM上的对应的限制区A1、A2或A3的范围。这表示每个目标点P1、P2和P3都具有对应的限制区A1-A3的不同范围和位置。根据本发明，根据照明区R1-Rm的数目m再现所有目标点P1-Pn的限制区A1-An。在多种情况下，照明区的数目m比目标点的数目n小很多。
A1区很小并经由第一照明单元再现目标点P1，上述第一照明单元由光源LS3和透镜23组成并提供照明区R3。与其相比，A2区范围很大并位于两个照明区R2和R3中，两个照明区R2和R3分别用于再现目标点P2。A3区也很小并经由光源LS2和透镜22组成的第二照明单元再现目标点P3。
本发明的一实施例中，各个照明单元的照明亮度可以根据每个对应照明区R1-R4的编码值的特定性质而各不相同。
根据本发明的装置允许光源和透镜的多个较佳结合。
点光源的二维照明阵列和旋转对称透镜的二维聚焦阵列优选地用于全视差全息图。每个点光源对应一个透镜。每个光源仅照亮透镜阵列中的一个透镜，上述透镜阵列将所需的总光通量分到多个光源。这减少了对每个光源的亮度的需求。透镜组也比焦距相同的单个大透镜更容易制作且体积更小。
垂直对准的光源的照明阵列和垂直对准的柱面镜的聚焦阵列用于仅水平视差的全息图。垂直对准的柱面镜聚焦水平方向的光。在垂直方向上没有动作视差。每个线光源对应一个透镜体。
与点光源的二维照明阵列和透镜的二维聚焦阵列相比较，优点在于透镜组比球面镜的2D阵列更容易制造。同时，线光源的亮度要求比点光源低：光通量分布在一条线上而非集中在一个小点。
水平对准的线光源排列和水平对准的柱面镜阵列用于说明仅垂直视差的全息图。
如上所述，上述光源和透镜组的结合还可以进一步结合光学元件产生传统的自动立体图像分离。垂直方向上波的相干叠加形成的垂直视差全息图的不受水平方向上的自动立体图像分离的影响，反之亦然。这导致全息和自动立体显示器结合。垂直方向上的全息再现满足眼睛的要求。自动立体图像分离与空间多路一起为观察者眼睛产生不同透视图。
还可以通过时间或空间多路合成彩色全息图。为时间多路传输，同步转换R、G和B光源与SLM中的对应全息图的内容。为空间多路传输，在交错的R、G和B像素中显示三个R、G和B全息图，由空间相干白光源或各个R、G和B光源照亮。
在彩色编码的实施例中，交错的三原色的RGB子像素从三个对应的部分全息图再现3D场景三个独立的原色部分。3D场景的原色部分重合为观察者进行色彩再现。
根据本发明的较佳实施例，照亮透镜阵列的光源阵列由光投影装置产生。上述光投影装置最好通过再现光源阵列的空间光调制器中编码的计算机生成全息图来实现。
附录1
技术资料
下面的部分为实施本发明的一些系统中应用的若干关键技术。
在传统的全息技术中，观察者可以看到目标的全息再现(其可以是变化的场景)；但是他与全息图的距离是无关的。在一典型的光学设备中，再现发生在照亮全息图的光源的像平面上或其旁边，因而发生在全息图的傅立叶平面。因此，再现具有与再现的实际目标相同的远场光分布。
申请人在WO 2004/044659和US 2006/0055994的专利申请中说明得较早的一个系统确定了非常不同的设备，其中再现的目标不在完全照亮全息图的光源的傅立叶平面或其附近。虚拟观测窗区位于全息图的傅立叶平面；观察者只能将其眼睛置于该位置，才能看到正确的再现。全息图在LCD或其他类型的空间光调制器上编码并被照亮，观测窗成为全息图的傅立叶变换(因而其为直接在双眼成像的傅立叶变换)；再现的目标不在透镜的聚焦表面，所以它是全息图的菲涅耳变换。其为由近场光分布确定的再现(采用球面波阵面的形式，与远场分布的平面波阵面不同)。上述再现可以在全息图的傅立叶平面的观测窗和LCD之间的任意位置出现，甚至在作为虚拟目标在LCD后面出现。
上述方法有多个结果。首先，全息视频系统设计人面临的基本限制是光调制器(LCD)的像素点间距。目标在于利用成本合理和商业上可行的LCD像素点间距进行大的全息再现。过去由于以下原因而不可能。傅立叶平面中相邻衍射级的周期间隔为λD/p，其中λ是照明光的波长，D是从全息图到傅立叶平面的距离，p是LCD的像素点间距。但是传统的区全息显示器中，目标再现于傅立叶平面。因此，再现的目标要一直比周期间隔小，如果较大，其边缘将在相邻衍射级的再现中变模糊。这导致再现的目标很小，典型地仅几厘米，甚至要采用昂贵的专门的小间距显示器。利用现有方法，观测窗(如以上所指出的，位于照明光源的傅立叶平面)只要与眼睛瞳孔一样大就可以。因此，LCD可以使用合适的间距尺寸。由于再现的目标可以完全充满观测窗与全息图之间的锥状范围，事实上其可以很大，也就是比周期间隔大很多。
在一个改形系统中还有另一个优点。计算全息图时，从再现目标的一些知识入手，例如你可能有跑车的3D图像文件。上述文件将说明怎样从多个不同的观察位置看到目标。在传统的全息技术中，在计算加强处理中从3D图像文件中直接得到需要再现的跑车的全息图。但是观测窗法带来不同的更有计算效率的技术。从再现的目标的一个平面入手，由于观测窗是目标的菲涅耳变换，我们可以计算观测窗。而后我们为所有的目标平面执行上述过程，结果相加产生累加菲涅耳变换；其确定了观测窗的波场。而后我们计算作为观测窗的傅立叶变换的全息图。由于观测窗包含目标的所有信息，仅单平面观测窗而非多平面目标变换为全息图。如果没有从观测窗到全息图的单变换步骤而用像迭代傅立叶变换算法的迭代变换，则特别有优势。每个迭代步骤仅包括观测窗的一个单傅立叶变换而不用对每个目标平面变化，使计算量减小许多。
观测窗方法的另一有趣的结果是再现给定目标点所需的所有信息都包含在全息图的相对小的部分，与在整个全息图内指定给定目标点信息的传统全息图形成对比。由于我们需要将信息编码为全息图的很小一部分，所以意味着我们需要处理和编码的信息量比传统的全息图少很多。这反过来表示甚至传统的计算装置(例如成本和性能适合于大多数市场上销售的装置的传统DSP)都可用于实时视频全息图。
但是有一些需要的结果还是达不到。首先，全息图的观看距离很重要-以该方法编码和照明全息图，只有眼睛位于傅立叶平面时看到的是全息图的正确再现；但是通常的全息图中，观看距离不重要。然而有多种技术用于减小上述Z灵敏度或对其进行设计。
也因为以该方法编码和照明全息图，仅在精确的小型观看位置(也就是如上纪录的精确限定Z，还限定X和Y坐标)可以看到正确的全息再现，所以需要眼动跟踪。同Z灵敏度一样，但是有多种技术减小上述X，Y灵敏度或进行设计。例如像素点间距减小时(随LCD制造的发展而发生)，观测窗大小将增加。此外，更多有效的编码技术(如相息图编码)推动了将更大的周期间隔用作观测窗，因而增大了观测窗。
上述说明假设我们处理的是傅立叶全息图。观测窗位于全息图的傅立叶平面，也就是光源的像平面。其优势在于未衍射的光在所谓DC点聚焦。该技术也可用于菲涅耳全息图，其中观测窗不在光源的像平面。但是，必须注意的是未衍射的光作为干扰背景是不可见的。另一点需要的注意的是应当构造的项变换以包括任意数学或计算方法，使其相当于或近似于描述光传播的变换。变换仅近似于由麦克斯韦波传播方程更精确地限定的物理过程；菲涅耳和傅立叶变换是二阶近似，但其优势在于由于它们是代数而非微分，所以可以用计算效率较高的方式处理，并可以在光学系统中精确地实现。
附录II
用于说明书的术语表
计算机生成全息图
根据本发明的计算机生成全息图CGH是根据场景计算的全息图。CGH可以包括复值数据，表示用于再现场景的光波的幅度和相位。可以利用例如相干光追踪、模拟场景与参考波之间的干涉或傅立叶或菲涅耳变换计算CGH。
编码
编码是一过程，其中提供有空间光调制器(例如其构成单元)和视频全息图的控制值。一般来说，全息图包括表示幅度和相位的复值数据。通常，SLM不能单独控制光波的幅度和相位。SLM进行幅度或相位调制，带有影响其他性能的不希望有的副作用。因此，编码由调制器的种类决定。例如对于纯幅度调制SLM可以采用相位编码，其中采用三个相邻的SLM单元和迂回相位由三个正的实数值表示一个复值数据。对于纯相位调制SLM，可以用两个相邻单元表示一个复值数据。
编码区
编码区典型地为视频全息图的空间有限区，在其中编码单一场景的全息图信息。可以通过观测窗到视频全息图的傅立叶变换取得突然截断或平缓过渡实现空间有限性。
傅立叶变换
傅立叶变换用于计算空间光调制器的远场光传播。波阵面由平面波表不。
傅立叶平面
傅立叶平面含有空间光调制器的光分布的傅立叶变换。没有任何聚焦透镜时傅立叶平面在无穷远处。如果聚焦透镜在邻近空间光调制器的光路上，傅立叶平面等于含有光源的像的平面。
菲涅耳变换
菲涅耳变换用于计算空间光调制器的近场光传播。波阵面由球面波表示。光波的相位因子包括横坐标的平方确定的项。
锥状范围
虚拟的锥状范围在观测窗和SLM之间构建，并在SLM后延伸。在上述锥状范围内再现场景。再现的场景的大小由上述锥状范围，而不是SLM的周期间隔限制。
发光装置
发光装置可以包括如激光的相干光源或如LED的部分相干光源。部分相干光源的时间和空间相干足以产生好的场景再现，也就是发光面的光谱线宽和横向范围足够小。
观测窗(OW)
观测窗是观察平面的虚拟窗，通过观察平面看到再现的3D目标。观测窗是全息图的傅立叶变换，位于一个周期间隔内以防止可见目标的多个再现。OW的大小至少是眼睛瞳孔的大小。如果至少一个OW位于带观察者追踪系统的观察者眼睛处，则OW可以比观察者移动的横向距离小很多。这促进具有中分辨率的SLM和小的周期间隔的应用。OW可以被想象为通过它观看再现的3D目标的锁眼，其为单眼OW或双眼OW。
周期间隔
如果CGH在由可个别寻址的单元组成的SLM中显示，则对其采样。上述采样导致衍射图样的周期性重复。周期间隔为λD/p，其中λ是波长，D是从全息图到傅立叶平面的距离，p是SLM单元的间距。
再现
全息图编码的被照明的空间光调制器再现最初的光分布。上述光分布用于计算全息图。理想的是观察者不能区分再现的光分布与最初的光分布。在大多数全息显示器中再现场景的光分布。在我们的显示器中更愿意再现观测窗的光分布。
场景
待再现的场景是实际的或计算产生的三维光分布。作为特殊的情况，其也可以是二维光分布。场景可以组成在空间中的固定或移动的不同目标。
空间光调制器(SLM)
SLM用于调制输入光的波阵面。理想的SLM可以表示任意复值数据，也就是单独控制光波的幅度和相位。但是，典型的SLM仅控制幅度或相位特性中的一个，还具有影响其他特性的不希望有的副作用。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1. 利用视频全息图再现三维场景的装置，该装置具有光聚焦装置，其通过用全息图信息编码的空间光调制器将充分相干光从发光装置有效地引导到至少一个观察者的眼睛，其特征在于：该装置具有多个照明单元以照明空间光调制器(SLM)的表面，每个单元包括一个聚焦元件(21/22/23或24)，发出充分相干光使每个上述照明单元照亮表面的一个独立照明区(R1/R2/R3或R4)的发光装置(LS1/LS2/LS3或LS4)，因此聚焦元件和发光装置的排列使发光装置(LS1-LS4)发出的光在观察者眼睛附近或在观察者眼睛处重合。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于多个互不相干的发光装置(LS1-LS4)同时照亮空间光调制器表面，以便增加光通量。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于计算装置对空间光调制器(SLM)的编码与照明区(R1-R4)之间的边界无关，使得所有照明区(R1-R4)利用同样的视频全息图同时再现三维场景。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于以不同的亮度照亮照明区(R1-R4)。
5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于空间光调节器(SLM)包括利用对应于视频全息图的全息图的值编码的电子可控单元，以及发出光束的照明单元，光束在聚焦元件的至少一个焦平面中在空间光调节器(SLM)的傅立叶变换的周期间隔内重合。
6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于聚焦元件(21-24)在焦平面使发光装置(LS1-LS4)成像，因而所有图像重合。
7. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于聚焦元件(21-24)是透镜。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于聚焦元件(21-24)是排列为透镜组的柱面镜，发光装置(LS1-LS4)是线状光源。
9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于由缝隙光栅形成线状光源。
10. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于利用可以离散寻址和激活的可控制可寻址的光源将发光装置设置在阵列中，该装置包含位置探测和控制系统，其根据计算的位置数据计算和激活寻址的光源，以便根据观察者眼睛的位置追踪定向光。
11. 根据权利要求10所述的装置，其特征在于位置探测系统根据观察者眼睛的位置的横向变化移动阵列的激活源。
12. 根据权利要求10所述的装置，其特征在于位置探测和控制系统根据观察者和装置之间的距离改变调整阵列的激活源之间的距离。
13. 根据权利要求12所述的装置，其特征在于发光装置和光学聚焦装置之间的距离是可改变的。
14. 根据权利要求12所述的装置，其特征在于光学聚焦装置的焦距是可改变的。
15. 根据权利要求10所述的装置，其特征在于电子可控光投射装置实现光布置，其中光投射装置最好是根据计算机生成全息图编码的附加空间光调制器。
16. 根据权利要求10所述的装置，其特征在于每个照明单元中的发光装置是分别激活的点光源阵列。
17. 根据权利要求10所述的装置，其特征在于每个照明单元中的发光装置是分别激活的点光源的线状阵列。
18. 根据权利要求10所述的装置，其特征在于单光布置产生为装置所有照明单元发出足够的相干光的发光装置(LS1-LS4)，因而将每个照明单元中的聚焦元件指定给离散激活的多个点光源或线状光源，其中位置探测和控制系统为每个聚焦元件激活一个对应观察者眼睛的正确位置的点光源或线状光源。
19. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于聚焦装置中的聚焦元件的范围以这样的方式选择：发光装置通过相邻聚焦元件的所有光将被引导到大大超出空间光调节器(SLM)的傅立叶变换的周期间隔。

Claims (19)

1.利用视频全息图再现三维场景的装置，该装置具有光聚焦装置，其通过用全息图信息编码的空间光调制器将充分相干光从发光装置有效地引导到至少一个观察者的眼睛，其特征在于：该装置具有多个照明单元以照明空间光调制器(SLM)的表面，每个单元包括一个聚焦元件(21/22/23或24)，发出充分相干光使每个上述照明单元照亮表面的一个独立照明区(R1/R2/R3或R4)的发光装置(LS1/LS2/LS3或LS4)，因此聚焦元件和发光装置的排列使发光装置(LS1-LS4)发出的光在观察者眼睛附近或在观察者眼睛处重合。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于有多个互不相干的发光装置(LS1-LS4)，用于同时照亮空间光调制器表面，以增加光通量。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于空间光调制器(SLM)的编码与照明区(R1-R4)之间的边界无关，使得所有照明区(R1-R4)利用同样的视频全息图同时再现三维场景。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于照明区(R1-R4)以不同的亮度照亮。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于照明单元发出在至少一个观测窗(OWL，OWR)重合的光束。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于聚焦元件(21-24)在观察者平面(OP)使发光装置(LS1-LS4)成像，因而所有图像重合。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于聚焦元件(21-24)是透镜。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于聚焦元件(21-24)是排列为透镜组的柱面镜，发光装置(LS1-LS4)是线光源。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于线光源由缝隙光栅形成。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于发光装置与可以离散寻址和激活的可控制可寻址的光源设置在阵列中，该装置包含位置探测和控制系统，其根据计算的位置数据计算和激活寻址的光源，以根据观察者眼睛的位置追踪定向光。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于位置探测系统根据观察者眼睛的位置的横向变化移动阵列的激活源。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于位置探测和控制系统根据观察者和装置之间的距离改变调整阵列的激活源之间的距离。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于发光装置和光学聚焦装置之间的距离是可改变的。
14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于光学聚焦装置的焦距是可改变的。
15.根据权利要求10所述的装置，其特征在于电控光投射装置实现光布置，其中光投射装置最好是用计算机生成全息图编码的附加空间光调制器。
16.根据权利要求10所述的装置，其特征在于每个照明单元中的发光装置是分别激活的点光源阵列。
17.根据权利要求10所述的装置，其特征在于每个照明单元中的发光装置是分别激活的点光源的线状阵列。
18.根据权利要求10所述的装置，其特征在于单一的光布置提供为装置的所有照明单元发出充分相干光的发光装置(LS1-LS4)，使得照明单元中的每个聚焦元件被分配给分别激活的多个点光源或线光源，其中位置探测和控制系统为每个聚焦元件激活一个对应观察者眼睛的正确位置的点光源或线光源。
19.根据权利要求1所述的装置，其特征在于聚焦装置中的聚焦元件的范围以这样的方式选择：发光装置通过相邻聚焦元件的所有光将被引导到大大超出观察者眼睛的视野。
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