CN101371203B - 计算机生成全息图的编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于通过借助于相位编码的迭代法来改善光调制器上的三维物体的CGH编码品质，并因此改善重建品质。根据给定的物体数据集，计算出位于转换区域(1)内的虚拟观察者视窗(2)中的波场的N个复数值的二维分布。所述分布形成了复数设定点值的分布，用来作为编码的迭代计算的比较基础。并执行下列步骤：将所述分布转换为借助于相位编码而呈现的光调制器(5)平面，其中k相位值代表转换的每个复数值，作为迭代计算的基础，在两个平面、也即观察者位置平面(7)和光调制器(5)平面之间的迭代计算在迭代步骤中重复进行直到达到确定的中断标准为止。该方法可以应用于全息显示装置中。

Description

计算机生成全息图的编码方法

技术领域

本发明涉及一种对空间光调制器(SLM)上的三维物体的计算机生成全息图(CGH)进行编码的方法，其中该物体的重建影像可以透过一个位于观察者位置平面中的观察者视窗看见。CGH通过相位编码表示，因此利用一个转换运算法来进行CGH控制值的迭代计算。三维物体的重建通过让充分相干的光在光调制器、例如相位调制式SLM的可控制像素上衍射产生。本发明进一步涉及一种包含有执行编码方法的机构的全息显示装置。

在本申请中，所谓的“SLM”表示一种用于通过调制由一个或多个独立光源所发出的光束来控制波场的强度(振幅)、色彩和/或相位的电子媒介。该SLM包含有多个电子可控制像素，这些像素以规则的形态排列，并对CGH进行编码。在本申请中，k个相邻像素合并构成一个有k个相位分子的相位编码元件。在此，将说明二相编码以作为有k个分子的相位编码的范例。然而，本发明的说明同样也适用于有大量分子的相位编码。在申请中，所谓的“转换”应包括任何适合用以产生光波传播效果的转换。这包括例如菲涅尔转换和傅里叶转换。

背景技术

三维物体在全息显示装置中的重建会受到重建误差的负面影响，该误差例如根据所使用的显示部件、例如振幅或相位调制式SLM由其它衍射级的干涉光或CGH编码方法所引起。修正或消除这样的影响可以改善全息显示装置中的重建品质。

由本申请人申请的DE10 2004 063 838号尚未公开的专利申请中说明了一种用来计算CGH的方法和用来在振幅调制式SLM上进行相同编码的相应装置。利用合适的方法对CGH在振幅调制式SLM上进行计算和编码。有可能利用这样的设计达到良好的CGH重建品质。和传统的全息影像相反的是，经过编码的CGH是根据二维物体层、也就是三维物体的平行断面的物体数据集所进行的全息影像数据集的计算以及利用例如电脑的电子储存媒介中的电子装置储存的结果。物体数据集包含个别物体层中的多个物体点的复相和振幅值，因此也就是该三维物体的整个物体信息。基于物体数据集所计算的复数全息影像数据用于对SLM进行编码，它以电子形式影响可以产生干涉的光的振幅和/或相位。因此三维物体可以根据这些数据完全重建，并且可以从位于靠近观察者眼睛的观察者视窗中的适当透视看到全息呈现。该三维物体可以是固定的物体或是真实或虚拟场景的一连串活动影像。至于本发明切近该项专利申请时，将在以下对实施例的详细说明中行解释说明。

另一个CGH的编码方法是采用结合相位调制式SLM的相位编码方法，其中优选为二相编码方法。在此只在SLM中直接调制光的相位。二相编码的原理是以复数值可以由两个具有固定振幅的相位值来表示为依据。每个具有相位ψ且振幅介于0与1之间的复数值因此以两个具有绝对值1和相位值ψ±acos a的复数的总和来表示。不过，还存在以每个复数值的两个或更多个相位值来表示一组复数值的其他可能。所谓的“二相编码”和“有k个分子的相位编码”在此以一般的意义来解释。

二相编码方法用于结合相位编码SLM表示相位值。如果可以将两个一致且在SLM上的位置相同的相位值编码，则经过编码的CGH将可以达到无错误的三维物体重建。然而实际上，相位值只能被写到SLM的一个横排(或纵排)中的两个相邻的可控制像素上，使它们在位置上有所偏差。如果使用两个以上的相位值来进行编码，则情况将类似于相位值数。这个偏差会造成CGH重建时的误差。

不过，相位编码比起在振幅调制式SLM上进行振幅全息影像编码具有许多优点。利用二相编码，可以达到更高的重建亮度，因为相位编码SLM的像素具有最大的透光度。由于事实上物体在所使用的零阶衍射中重建，二相编码方法的另一个优点是，它会显示出更有利的波长依存，而这有利于彩色全息影像的呈现。然而，这种编码方法也有缺点，即全息重建品质与例如振幅调制式SLM的巴克哈特(Burckhardt)编码方法比起来较差。

因此，必须采取改善重建品质的措施才能充分利用二相编码方法的正面优点。重建品质可以通过例如在进行CGH编码时利用迭代算法来改善。从文献中可以得知多种普通迭代法。

最常见的一种是由GERCHBERG和SAXTON开发的反复傅里叶转换运算，该算法在许多出版物中均有详细描述。它被用作许多迭代法的一般基础。这种运算法在给定的函数和它的傅里叶转换之间反复地来回转换。来自这两个函数中的设定点值的误差通过利用其自由度逐步减小。转换在例如光调制器的平面和二维物体的重建平面之间进行。物体平面中的强度分布经常表示具有特定值，而复数值的相位可以自由地选择并进行调制来使误差最小化。然而，在多数情况下并不能完全消除重建误差。

另一种将CGH表示为相位全息影像的方法称为kinoform。HIROSHIAKAHORI在其文件“通过以虚拟区域进行kinoform合成的反复运算的光谱平衡”(“Spectrum leveling by an iterative algorithm with a dummy area forsynthesizing the kinoform”)中，描述了一种用来计算kinoform的迭代法。如果采用相位调制式SLM，则kinoform元件只包含一个可控制的像素，其只能填入一个复数值的相位值。该复数的绝对值不论其实际值是多少都被设定为1。由于这样的编码程序，物体的重建将会是错误的。为了修正这个错误，根据以计算方式导入物体平面中的视窗来执行反复迭代。该视窗包括信号区和所谓的虚拟区。在信号区中，应利用迭代法针对该区恢复原始物体的强度信号。在个别迭代步骤中，设定点值的绝对值被取代并从先前的计算中取得相位值。这个程序只适用于一维和二维物体。

迭代法最常用在要使单一平面中的光强度达到最优化的应用中。这与二维物体的重建一致。关于此方法延伸至多个重建平面的应用范围在GAVIN SINCLAIR等人所著的“用于三维光塑形的多平面GERCHBERG-SAXTON运算的全息光钳中的迭代应用”(“Interactiveapplication in holographic optical tweezers of a multi-planeGERCHBERG-SAXTON algorithm for three-dimensional light shaping”)文件中得以说明。这份文件描述了用于三维物体的全息影像迭代法。其中将物体切片成多个物体层。具有复数实际值的编码全息影像被逐个转换为各个个别的物体层。在每个“切片”平面中，将复数实际值与复数设定点值进行比较，实际值的绝对部分由设定点值的绝对部分取代。在转换回全息影像平面后，加上个别的值来进行编码。由于大量的物体平面以及在个别物体平面和全息影像平面之间的许多转换，这种迭代法需要非常非常强大的运算能力。

虽然采用二相编码方法SLM只会直接调制光的相位，但根据SLM所进行的调制，最终复数波场的振幅也会由于干扰而受到影响。为此以及前述原因，在用来进行CGH编码的迭代法中绝对不能忽略振幅，如现有技术中可看到的。

上述方法还有进一步的缺点，那就是必须满足很多条件才能结合全息显示器采用他们。操作中并不一定总能具有所需的精确度。因此非常难以完全消除前述的可能导致重建误差的所有及任何影响。永远都会有显著的错误，使得若不应用修正方法，全息显示器的高品质重建将无法达成。此外，已知的与三维物体有关的迭代修正方法也都需要极强大的运算能力。

发明内容

因此，本发明的目的在于，借助于迭代运算基于相位编码来改善光调制器上的三维物体的CGH编码品质，以提高全息显示装置的重建品质并达到更大的亮度以及改善重建的色彩表现。

这个目的可通过一种方法达到，在此方法中，用于编码CGH的光调制器的像素控制值根据三维物体的既有物体数据集来确定。首先，根据物体数据集计算出复数波场的二维分布。根据本发明，相位值会通过转换以及进行k个分子的相位编码被转变成用于相位调制式SLM的控制值的迭代计算的初始值。

编码的控制值借助于全息显示装置中的电脑计算出来，这个计算包含下列步骤：

-根据观察者视窗中的波场的N个复数值的分布构成复数设定点值的分布，作为将用在编码的迭代计算中的比较基础，观察者视窗被设定在一个确定的转换区域内；

-将复数设定点值的分布转换为光调制器平面并借助于相位编码呈现出来，以便对于转换的每个复数值找到一些k相位值作为编码的迭代计算的初始值，其中k是大于1的数字因数；以及

-进行包含转换区域的观察者位置平面与光调制器平面之间的重复迭代步骤的计算，并在确定的中断标准出现时中断，以便以最新计算的相位值来进行CGH编码。

观察者视窗中的N个复数设定点值的分布同时包含振幅值和相位值，因为在进行三维物体的无错误重建时同时需要具有这两个值。在以观察者视窗中的复数设定点值取代复数实际值时，相位值和振幅值都必须在每个迭代步骤中被取代。

观察者位置平面中确定的以及光学上可见的转换区域包含观察者视窗，该视窗可能落在转换区域内的任何位置。对于二相编码，该视窗优选地落在转换区域的中央并涵盖一半的转换区域。在第一个步骤中，所有物体数据集被转换为观察者视窗，并在这里加上所有的N个复数值。和复数设定点值一样，他们代表单一二维、复数值的波场中的三维物体的全部光学信息的设定点值分布的扫描，并形成在迭代处理的每个步骤中的值的比较基础。在后续步骤中，设定点值进行傅里叶转换，转换为光调制器的平面，藉此以具有可变绝对部分的复数值的形式提供此信息用于计算相位编码。根据相位编码计算得的K·N个相位值最好转换为具有常数绝对部分的复数值。它们被用作编码控制值迭代计算的初始值，并重新转换回观察者位置平面。在这里，它们代表用于进行比较的复数实际值并且与观察者视窗中的复数设定点值进行比较。

根据本发明的后续步骤，初始值可以通过附加的算术运算来进行改善。这些算术运算在相位编码之后但在迭代计算之前执行。

加上观察者视窗中的个别转换的复数值具有这样的优点，即编码控制值迭代计算的后续转换仅必须在两个平面，即观察者位置平面与同时也是全息影像平面的光调制器平面之间执行。与现有解决方案相比，并不需要在多个物体平面与全息影响平面之间执行转换。与公知迭代法相比，这样处理会使得三维物体的全息呈现的计算负荷明显降低。

根据此新方法，以下例程会在每个迭代步骤中执行：

-将从光调制器平面转换回来的N个复数实际值与观察者视窗内的汇集波场的N个复数设定点值相对于确定的中断标准进行比较

-将转换为转换区域的观察者视窗中的K·N个复数实际值以N个复数设定点值取代并照旧采用在转换区域内但在观察者视窗外的(K-1)·N个复数实际值来进行迭代计算

-只利用K·N个相位部分执行光调制器平面内的K·N个复数实际与设定点值的新的傅里叶转换然后并重新转换回转换区域，而绝对部分则固定为常数值。

根据迭代计算的另一个实施例，各计算相位值的相应于光调制器特性的绝对值可以用来取代K·N个相位值的常数绝对值用来在每个迭代步骤中转换回转换区域。

振幅和相位值对于三维物体的波场重建都是非常重要的。因此在每个迭代步骤中，复数实际值的振幅和相位都被观察者视窗中的复数设定点值取代。采用转换区域以内观察者视窗以外的计算复数实际值来进行进一步的转换而不作任何改变。与确定的中断标准进行值的比较可以在每个迭代步骤之后或在确定的迭代步骤数之后执行。

利用转换区域来进行计算转换的优点在于，其必须执行明显更少量的算术运算、例如更少量的傅里叶转换，以使必须一直执行至确定的中断标准为止的迭代步骤可以更快完成。在三维物体的全息重建中，以通过新方法可以相当趋近完美的复数设定点值来代表转换的物体数据，并据此构成编码的比较基础。

根据本发明的一个进一步的实施例，观察者视窗内完成转换的N个复数实际值在每个迭代步骤中也可以由N个复数设定点值来取代使得可以使用经过常数c加权的设定点值和实际值的组合。然后根据下列方程式计算出一个新的设定点值

新的设定点值＝c·设定点值+(1-c)·实际值，其中0＜c≤2。

因数c影响迭代速度。如果c＝2，通常只需更少量的迭代步骤即足以达到与原来使用的迭代法(其中c＝1)相同的效果，从而可以更快地获得结果。这个例子说明了过补偿和太大的实际值被较小的值取代的方法。太小的实际值将会被较大的值取代。

这种取代由V.V.KOTLYAR在“用于计算kinoforms的以反复加权为基础的方法”(“An iterative weight-based method for calculating kinoforms”)中所说明的，其中作者说明了用于kinoform的所谓的自适应迭代方法，其区别之处在于仅复数值的绝对部分被取代。

根据本发明的方法用于全息显示装置上，该装置除了包含至少一个具有充分相干光的光源的光学系统之外，还包含转换镜片和用于编码CGH的光调制器、用于提供控制信号的处理器以及用于重建三维物体的机构和用来执行该方法的其他机构。这些机构具体为：

-选择机构，用来提供三维物体的物体数据集，用于确定迭代计算的转换区域，及用以将物体数据集转换的复数值加入到转换区域中

-转换机构，用来执行物体平面与观察者位置平面之间、以及光调制器平面与观察者位置平面之间的转换，并用于CGH编码的计算

-比较机构，用来确定观察者视窗中的复数设定点值与实际值之间的误差，并用以在达到确定的中断标准时传送迭代的中断信号，及

-重建机构，用于重建经过编码的CGH。

光调制器优选为与要编码的CGH全息平面一致的相位调制式SLM。与三维物体有关的编码信息通过充分相干的光在光调制器的可控制像素上的衍射以全息方式重建。重建可以在观察者位置平面与光调制器之间的空间中实现或从观察者位置平面看在光调制器后方实现。重建甚至可以同时部分在光调制器前方、部分在光调制器后方可见。

如果要进行彩色CGH的编码，则会针对三原色分别执行迭代计算。

该新方法使得轻易地将全息显示器中干扰光(噪音)和信号进行空间上的分离变成可能。上述迭代计算改善了进行CGH编码的控制值的品质并使反复使用的相位编码达到最优。根据本发明计算和编码的CGH显示出更佳的全息影像品质并因此使三维物体的重建达到更高的品质。

如果CGH是彩色全息影像，它可能由代表各个原色(红、绿、蓝)的次全息影像组成。在光调制器中，这可以通过每个原色的次像素或通过依序显示分别各代表一个原色的多个次全息影像来实现。次全息影像是三维物体的单色CGH。用来作为SLM的像素控制值的相位值的最优迭代在这种情况下分别针对每个原色进行。前提是SLM的每个像素包含代表三原色的三个次像素。

附图说明

现在，发明的方法和用于实现该方法的全息显示装置将在下文中结合附图被详细描述，其中

图1表示在观察者位置平面中的转换区域，在该区域内设置有观察者视窗；

图2是在全息显示中(俯视)，在光调制器和观察者位置平面之间的空间中的三维物体重建的示意图；

图3是在观察者和全息影像平面之间的傅里叶转换运算的示意图，用来表示重复的迭代步骤；

图4表示理想相位调制式SLM的特性；及

图5表示真实光调制器的特性。

元件标记说明

1-转换区域

2-观察者视窗

3-光源

4-转换镜片

5-光调制器

6-物体

7-观察者位置平面

8-全息影像平面

9-光调制器5的特性

K-相位值的数字因数

FT-傅里叶转换

FFT-快速傅里叶转换

具体实施方式

本发明的方法的依据是提供的切片成多个平行的、二维物体层(未示)的三维物体6、观察者位置平面7中的观察者视窗2和光调制器5中的用于进行CGH编码的相位编码的数据集，所述相位编码利用转换运算进行最优迭代。此外，在全息显示装置中执行此新方法的技术手段将被明确说明。如何将物体6切片以得到二维物体层和如何产生将被用于转换中的物体数据集和全息数据集的细节未包括在本发明的范围内。这些内容仅在对理解迭代计算是必须时才会被描述。

参考图1，可控制的选择机构(未示)定义光学上可见的转换区域1用于执行初始确定的转换。在此所采用的傅里叶转换的特殊形式是快速傅里叶转换(FFT)。虚拟观察者视窗2在转换区域1内产生。采用从WO2004/044659号专利文件中所知的观察者视窗2结合本方法具有可以将用于转换的区域保持到非常小的优点。转换区域1的大小由所用的显示器的特性，也即它的像素大小来定义。在傅里叶全息影像中，重建会以大小与光调制器的像素间距成反比例的间隔持续周期性进行，其中所谓的间距就是从一个像素的中心点到相邻像素的中心点的距离。转换区域1即落在这个间隔中，它的大小为2N。二维转换可以在这个转换区域中的M横排中计算。在二相编码中，观察者视窗2涵盖一半的转换区域1.

参考图2，在全息显示装置中，发射出相干光的光源3设置在转换镜片4和光调制器5的前方。这些元件形成了全息显示装置的光学系统，它是照明和通过傅里叶转换进行重建所必须的。转换区域1落在观察者位置平面7，用于观察三维物体6的重建影像的观察者视窗2即位于转换区域1中。图中的箭头表示菲湼尔转换(Fresnel transformation)和快速傅里叶转换(FFT)的方向。

图3以简图表示目的在于改善光调制器5上进行CGH编码的控制值的迭代计算过程。具有个别迭代步骤的傅里叶转换运算在具有全息影像平面8的光调制器5与具有观察者视窗2的转换区域1之间执行。在第一步骤中，确定观察者视窗2中的复数设定点值的分布，图中用虚线表示。

图4表示相位调制式SLM的理想特性。图5表示其真实特性。特性9表示相位调制式SLM的传输或反射的相位与振幅之间的关系。如果用于显示装置中，所述SLM会产生不理想的相位调制-振幅也是，因此光线的复数值的波场的绝对部分受到影响。为了将这个影响考虑在内，迭代计算在根据相应于计算得的相位值的光调制器5的理想特性9利用绝对值在相位编码之后进行。根据本发明的另一实施例，在相位编码后所进行的迭代计算利用常数绝对值进行。

以下对相位编码的说明主要关于CGH的二相编码。

利用仅允许相位值呈现出来的相位调制式SLM作为光调制器。从物体数据集计算得到的经傅里叶转换的复数值通过相位编码被转换为相位值。复数值的振幅首先进行标准化以配合介于0和1之间的范围。每个具有相位ψ且振幅范围在0和1之间的复数可以由两个绝对值为1和相位值为ψ±acos a的复数的总和表示。这意味着尤其是在相位编码的前后关系中，复数可以用具有常数振幅的两个相位值来表示。

如果可以将调制式SLM上的一个和相同位置处的两个相位值进行编码，则经此编码的CGH使可达成无错误的重建三维物体6。然而实际上，这两个相位值只能被写到两个相邻的可控制像素上，他们结合起来形成相位调制式SLM的一个元件，使他们在位置上会有所偏差。该偏差会导致CGH重建的误差。本发明编码方法提供了用于减少或修正该错误的解决方法。由于这种新方法，用来进行CGH编码的控制值可以被改善从而使要重建的波场以尽可能小的误差接近于物体6的理想波场。

为了能够将迭代计算应用于两个以上的相位值，导入了大于1的因数k作为描述相位值与由相位值表示的复数之比的因数。对于二相编码，k＝2。通常k也可以是非整数值。例如，如果k＝2.5，则意味着2个复数值由5个相位值表示。如果一个复数值具有一个较大的k相位值数、例如4，则该相位值也可以是两个相邻纵排和横排的一个像素中的二维编码。

因数值k也影响观察者视窗2的尺寸。K越大观察者视窗2越小。因此观察者视窗的面积将是一个衍射级的1/k。

这个方法的起始点是上述的三维物体6，它会被切片成多个二维平行物体层。可以采用任何数量的物体层。物体层数目越多，重建越精确。被切片的物体6通过选择机构提供到具有N个复数值的横排物体数据集中。有多少物体层就会有多少物体数据集。物体数据集的对应横排的N个复数值通过菲湼尔转换成为观察者位置平面7中先前确定的转换区域1的观察者视窗2并加入到其中。这意味着在观察者位置平面7中，波场会针对每一个物体层进行计算，而所有个别波场的值加起来构成包含有物体6的所有转换过的物体层信息的汇集波场。通过这个加法运算，每一横排的N个复数设定点值的分布通过计算的方式来提供，并构成CGH的迭代计算的比较基础。

迭代计算可以应用于全视差的CGH上也可以应用于只有水平或只有垂直视差的CGH上。在代表最一般情况的第一种情况下，物体层中会有M个横排和N个纵排要进行转换，也就是有M·N个复数值要用来计算二维傅里叶转换。在进行二相编码后，在相位调制式SLM中会有M个各具有2·N个相位值的横排，也就是有2·M·N个值。不过，整个CGH连同其所有横排可以同时进行最优迭代。所有M个横排的复数值和纵排的N个复数值(参考图1)用来在观察者视窗2中进行转换。

在只有水平视差的情况下，这个过程会针对横排进行，也就是要在转换机构中来回转换的复数值(实际值、设定点值和相位值)通常会与特定横排有关。在只有垂直视差的情况下，必须针对一个纵排中上下排列的像素进行编码，也就是必须利用迭代计算方法针对纵排进行2·M个复数值的最优化。观察者视窗2的垂直范围大小则为转换区域1的一半大小。

转换区域1位于一个周期性的间隔内。这表示转换区域1在CGH重建中会周期性连续。

请参考图3中的示意图，现在将说明迭代计算的过程。将包含在M个横排中的观察者视窗2中的N个复数设定点值进行快速傅里叶转换，使它们被转换为光调制器5平面。这些经过转换的复数值则用来计算二相编码并用来在相位调制式SLM上进行物体6的CGH的编码。由于如前所述，每个复数值都由两个相位值表示，此编码会产生2·N个具有常数绝对值、例如1的相位值。具有绝对值为1的2·N个复数值会据此作为迭代初始值被提供。

迭代计算以这个所确定的初始值开始。首先，2·N个复数值被转换回转换区域1。这个反向转换会产生要重建的物体6的波场所需的实际值。在转换区域1的观察者视窗2中，将这N个复数实际值设定点值与N个复数设定点值进行比较。在进行这个比较之后，被转换为转换区域1中的观察者视窗2的N个复数实际值被N个复数设定点值取代。观察者视窗2会在下次转换中采用这N个复数实际值而不作任何改变。这些复数实际值和设定点值被转换为光调制器5平面。这个转换产生2·N个具有可变绝对部分的复数值。在随后的反向转换(FFT)为转换区域1的过程中，仅使用2·N个相位值，振幅值则被设定为常数值。下一迭代步骤以新值开始。所述的过程会一直重复直到达到确定的中断标准为止。每个迭代步骤都会减少观察者视窗2中复数实际值和复数设定点值之间的偏差，以及光调制器平面中复数值和常数值之间的偏差。用来进行CGH编码的控制值因此得以不断改善。它们在处理器中被转换为控制信号，并根据对应于全息影像数据集的最新计算相位值来进行CGH编码。

利用在相位调制式SLM上编码的全息影像数据集，可以用包含因而受控的光波的重建机构来产生三维物体6的精确的全息重建。眼睛位置可通过位置监测系统监测到的观察者可通过观察者视窗2看到三维物体6的全息重建(参看图2)。

中断标准在比较机构中定义，使得接近程度达到设定点值分布的确定的精确度，同时使计算负荷保持在合理的范围内。各种参数都可作为中断标准：

-在观察者视窗2中所有扫描点上的设定点值与实际值的偏差的平方和；或

-因a)产生的信号/噪音比，其等于设定点值的平方和/偏差的平方和；或

-观察者视窗2中的扫描点处的最大偏差；或

-实际值与设定点值的平均和最大偏差的加权组合。

在迭代计算开始时，或在第一转换之前，每个物体数据集与观察者位置平面7的距离最好进行变化，使得三维物体6的全部或部分重建可以在全息影像平面8的前方及后方均可看见。采用这种方法，可以通过软件设定来同时实现观察者眼睛前方空间中的重建的自然深度位置和CGH的深度效果的刻意放大或缩小。

以上只针对一只眼睛说明观察者视窗2中的三维物体6的重建。为了能够以真正三维的方式、就好像在现实中观看物体一样来感知全息重建，就要求在两个独立的虚拟观察者视窗2中重建两个CGH，也就是观察者的眼睛每个各一个。两个重建采用相同的方法、但以不同的物体数据集(由于观察者的左右眼睛对三维物体6的相对位置不同)来计算。由于配备多路数字处理器以同步执行转换例程运算，这两个CGH可以同时计算且彼此绝对独立。

一般来说，上述方法还可应用于转换区域1包含尺寸涵盖观察者双眼的两个观察者视窗2的全息显示装置中。这使得可以同时向两只眼睛呈现无错误的全息重建。

根据迭代计算方法的进一步的实施例，该N个转换的复数实际值可由观察者视窗2中的具有常数c的N个复数设定点值与实际值的加权组合来取代，如下所示：

新的设定点值＝c·设定点值+(1-c)·实际值，其中0＜c≤2。

c＝1的情况相当于上述迭代过程。c＝2的情况则说明了过补偿。在光调制器5平面中最新的迭代步骤产生大于设定点值的实际值的扫描点上，这些值被较小的值取代，反之亦然。常数c影响达到中断标准所需的迭代步骤数。通常，如果c＝2则需要较少的迭代步骤数，剩余误差可以更快地减少。

根据本发明的另一实施例，迭代计算的初始值可以通过执行额外的算术运算来进一步改善。该实施例具有在后续迭代计算中可以更快达到中断标准的优点。这意味着将二相编码所得的值用作初始值。

由处理器监测到的控制信号被提供给选择机构、转换机构、比较机构及控制机构供全息显示装置使用。转换和CGH编码由专门的转换机构来进行，例如在光学系统中、也就是由转换镜片4来进行转换。

整合到全息显示装置中的新迭代计算方法具有结合相位编码将傅里叶转换的误差项一致减少的优点。因此，在观察者眼睛所在的显示器前方的区域中，可以无误差地呈现重建影像。

通过将转换区域1的大小定义至扩大到超过观察者视窗2所带来的另一个优点是，可以获得改善转换区域1中的编码控制值质量的自由度。观察者位置平面7的波场的一部分，也就是超出观察者视窗2的部分，可以据此自由选择，而在观察者视窗2内的另一部分则保持固定。

和现有解决方案相反，将所得到的实际值用观察者视窗2中的物体6所确定的设定点值进行有目的的取代，使得可以通过个别的迭代步骤得到高品质的重建，而不必考虑每个个别的物体层。

在每个迭代步骤中的转换只在观察者位置平面与全息影像平面之间进行。

另一个优点是可以从CGH的原始复数值中获得光调制器5的元件像素的可控制值。

Claims (16)

1.一种对计算机生成全息图(CGH)进行编码的方法，该方法用于全息显示器的光调制器上的三维物体，该光调制器包含以电子方式可控制的像素，这些像素以规则形态排列，并且由处理器向计算机生成全息图编码提供控制信号，其中通过将三维物体的给定物体数据集转换为观察者位置平面中的虚拟观察者视窗来计算波场的N个复数值的二维分布，其特征在于：

该方法包括以下步骤：

-通过选择机构确定转换区域(1)，在转换区域(1)中，观察者视窗(2)中的波场的N个复数值的分布构成复数设定点值的分布，该复数设定点值将作为编码控制值迭代计算的比较的基础，该比较通过比较机构执行，该观察者视窗(2)位于该转换区域(1)中；

-复数设定点值的分布通过转换机构被转换为光调制器(5)的全息平面并借助于相位编码呈现，以便找到转换的每个复数值的K个相位值作为编码控制值迭代计算的初始值，其中k是大于1的数字因数；及

-迭代计算通过转换机构在包含转换区域(1)的观察者位置平面(7)与光调制器(5)的平面之间的重复迭代步骤中进行，并且由比较机构传送的确定的中断标准出现时中断，以便采用最新计算的相位值作为控制值进行计算机生成全息图编码。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于为计算复数设定点值的分布，把将要转换的物体数据集的所有复数值加至观察者视窗(2)中以便形成N个复数设定点值的分布，然后借助于傅里叶转换转换为光调制器(5)的平面，作为可变绝对值的复数值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用于相位编码的编码以光调制器(5)的平面中经过转换的复数值为基础来计算，且其中由计算得到的K·N个相位值根据相应的计算相位值处的光调制器(5)的特性以绝对值转换回观察者位置平面(7)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于每个迭代步骤包含下列例程：

-将从光调制器(5)平面转换回来的N个复数实际值与观察者视窗(2)内的汇集波场的N个复数设定点值相对于确定的中断标准进行比较

-将观察者视窗(2)中的被转换为转换区域(1)的K·N个复数实际值以N个复数设定点值取代并照旧采用在转换区域(1)内但在观察者视窗(2)外的(K-1)·N个复数实际值来进行迭代计算

-只利用K·N个相位部分执行光调制器(5)平面中的K·N个复数实际值和设定点值的新的傅里叶转换，然后并转换回转换区域(1)，而绝对部分则固定为常数值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于该K·N个相位值的绝对值是在各计算相位值处相应于光调制器(5)的特性的值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该相位编码是二相编码。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在每个迭代步骤中，该复数实际值由观察者视窗(2)内的该复数设定点值取代。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在观察者视窗(2)内的相对于确定的中断标准所进行的值的比较在每个迭代步骤后、或在确定的迭代步骤数之后进行。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于三维物体(6)在观察者视窗(2)与光调制器(5)之间和/或在光调制器(5)后方的空间中进行全息重建。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于如果使用的是只有水平视差的计算机生成全息图，则该相位值在光调制器(5)的横排方向上进行编码。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于如果使用的是只有垂直视差的计算机生成全息图，则该相位值在光调制器(5)的纵排方向上进行编码。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于每个迭代步骤包含下列例程：

-将从光调制器(5)平面转换回来的N个复数实际值与观察者视窗(2)内的汇集波场的N个复数设定点值相对于确定的中断标准进行比较

-将观察者视窗(2)中被转换为转换区域(1)的N个复数实际值根据下列方程式以常数c加权的设定点值和实际值的组合取代：

新的设定点值＝c·设定点值+(1-c)·实际值，其中0＜c≤2

并且照旧采用转换区域(1)内但在观察者视窗(2)以外的所计算出来的N个复数实际值来进行计算

-针对转换区域(1)中的K·N个复数实际和设定点值执行新的傅里叶转换，转换为光调制器(5)平面然后并进行后续转换转换回观察者位置平面(7)，或者只利用K·N个相位部分而绝对部分则固定作为常数值，或者只利用K·N个相位部分而绝对部分则固定作为对应于各计算相位值处的相位调制器(5)的特性的值。

13.用于实现根据权利要求1或12的方法的具有光学系统的全息显示装置，该光学系统包含至少一个发出充分相干光的光源、转换镜片和用于编码计算机生成全息图的光调制器、用于提供计算机生成全息图编码控制信号的处理器以及用于重建三维物体的机构，所述重建可以通过观察者位置平面中的虚拟观察者视窗看到，其特征在于：

-选择机构，用来提供三维物体(6)的物体数据集，用于确定迭代计算的转换区域(1)，及用以将物体数据集转换的复数值加入到转换区域(1)中

-转换机构，用来执行物体平面与观察者位置平面(7)之间、以及光调制器(5)平面与观察者位置平面(7)之间的转换，并用于计算机生成全息图编码的计算

-比较机构，用来确定观察者视窗(2)中的复数设定点值与实际值之间的偏差，并用以在达到确定的中断标准时传送迭代的中断信号，借此，由迭代计算步骤得到控制信号，及

-重建机构，用于使用所述控制信号全息重建经过编码的计算机生成全息图。

14.根据权利要求13所述的全息显示装置，其特征在于该光调制器(5)是相位调制式空间光调制器，并包含经过编码的计算机生成全息图。

15.根据权利要求13所述的全息显示装置，其特征在于三维物体(6)的重建是通过将光源(3)所发出的充分相干光衍射到光调制器(5)的可控制像素上来达成的。

16.根据权利要求13所述的全息显示装置，其特征在于在进行彩色计算机生成全息图编码时，会分别针对每个原色执行相位值的迭代计算。

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