CN101449214A - 再现场景的全息投射装置 - Google Patents

Abstract

一种用于再现场景的全息投射装置，包含至少一个发出充分相干光以产生波阵面的光源(2)。此外，投射装置包含至少一个含有调制元件(4)的光调制装置(3)，上述投射装置是二维设计的。光调制装置(3)和扫描元件(5、60)相组合使得扫描元件(5、60)发出的光一次仅扫描二维光调制装置(3)的调制元件(4)的一维排列。

Description

再现场景的全息投射装置

技术领域

本发明涉及一种用于再现场景的全息投射装置，上述装置包含至少一个发出用于产生波阵面的充分相干光的光源，以及至少一个由单独的调制元件组成的二维光调制器装置。本发明进一步涉及场景全息再现的方法。

背景技术

使用全息技术重现目标的实际三维场景已众所周知，上述场景含有人脑在图像处理过程中使用的所有深度信息。全息术是用于记录并随后重现波阵面的振幅和相位分布的技术。更确切的说，反射到目标的相干光与从光源直接发出的光的干涉图样记录到记录介质，例如照相底板。如果用相干光照射被称为全息图的干涉图样，将会在一个空间内产生三维场景。典型地，使用公知的方法和技术，利用实际的三维目标产生全息图；因而产生的全息图被认为是真实全息图。但是，也可以使用计算机产生的全息图(CGH)。

通常是直接观看再现场景，也就是观察者观看计算机生成的全息图，例如由常规排列的根据全息值编码的像素组成的全息图。由于记录不连续和偏转的影响，CGH仅有可能在偏转谱的一个周期间隔内再现，这是由CGH载体介质的分辨率限定的。在相邻的周期间隔内，再现典型地重复，表现出不规则性。

可逆的CGH记录介质包括空间光调制器，例如LCD(液晶显示器)、LCoS(硅基液晶)，OASLM(光寻址空间光调制器)等等，它们调制入射光的相位和振幅。此外，公知基于MEMS的光调制器可以用于调制光的相位和/或振幅。将CGH转换到所需平面中的光学元件通常也被用于再现二维和三维场景。

例如，第5,172,251号美国专利公开了一种具有一维光调制器的投射装置，用于再现三维场景。光调制器是受数据处理系统的调制信号控制、因而编码一维全息图的声光调制器。借助于多个光学元件，再现减少，从而增加了水平方向的视角。水平扫描器不断组合场景的部分全息图，并平衡部分全息图沿调制器的移动。水平扫描器与声波的速度同步，以使从调制器发出的原始像的扫描区域固定地显示在再现场景中。此外，提供垂直扫描器以便在垂直方向上安置一维全息图。

但是，由于投射装置使用声光调制器(acousto-optic modulator AOM)，其显示出了还需要额外的元件的缺点，例如用于平衡信号移动的水平扫描器。这令设计变得更加困难和复杂。此外，调制器必须高速工作。另一缺陷是AOM的小孔，其需要子全息图连贯起来。

EP 1 467 263 A1号欧洲专利也公开了一种用于再现三维场景的全息显示装置。该显示装置由反射光调制器、用于投射全息图的分光器、光源、遮光器、场透镜和准直透镜组成。利用三维目标信息在计算机上产生全息图，而后在光调制器上显示全息图。用光源发出的光照射光调制器，光调制器通过分光器投射使得三维场景再现。因此，在场透镜周围产生再现的场景。该专利还提到场景的彩色再现，其中彩色光源彼此接近地设置。上述光源同时发出不同波长的光。

上述全息显示装置表示出以下缺点。再现的场景的尺寸受场透镜的尺寸的限制。此外，再现场景的观察者仅有有限的移动自由度；没有提出用于观察者眼睛的观察窗的追踪设施。此外，傅立叶平面内衍射级周期性地再现。

发明目的

现在，本发明的目的在于提供一种用于场景全息再现的装置和方法，可以克服前述现有技术的缺点，上述装置和方法可以在与常规的全息显示装置相比较短的计算时间内和较大的观察者范围内，提供二维和三维场景的再现，即使一个或多个观察者有移动。

根据本发明，该目的通过提供至少一个扫描系统和一个投射系统解决，其中扫描系统包含至少一个扫描元件，其中光调制装置和扫描元件组合使得扫描元件发出的光一个接着一个地扫描二维光调制装置的调制元件的一维排列，其中扫描系统被设计为随后产生含有再现波阵面所需的信息的波阵面，其中投射系统被设计为随后再现场景。

发明内容

本发明的全息投射装置包含至少一个发出相干光的光源和至少一个光调制装置。光调制装置包含称为像素的调制元件，其编码要被再现的场景。此外，光调制装置是二维设计的。全息投射装置进一步包含至少一个扫描系统和一个投射系统。通过将本发明的全息投射装置分为两个独立的系统，即扫描系统和投射系统，可以将目前使用的投射系统或扫描系统容易、迅速且简单地替换成不同的所需要或所要求的系统。全息投射装置，特别是扫描系统中含有的扫描元件与光调制装置相结合，使得扫描元件利用相干光一个接着一个地扫描调制元件的一维排列，也就是一次仅扫描二维光调制装置的一行或一列。

这意味着整个二维光调制装置不能被一次扫描，而是始终一次仅扫描调制元件的一维排列。一个接着一个地扫描单独的一维排列，如上所述。其中的扫描系统用于连续产生含有再现场景所需的信息的波阵面。投射系统的目的是用于随后再现场景。使用的扫描元件可以是共振扫描器、MEMS(micro electro mechanical system，微电子机械系统)、压电镜、检流计扫描器或类似元件。

这样，提供一种用于在大的再现空间内简单、迅速重现二维和三维场景的全息投射装置。极大地缩短了全息计算所需的时间，因为仅执行一维快速傅立叶变换，而不用更复杂的二维快速傅立叶变换。常规的二维光调制装置最好可以用于本发明的投射装置。因而现在不一定使用十分快的二维光调制装置。二维光调制装置的所有调制元件都根据目标波阵面控制，使得每个一维排列，也就是行或列都由扫描元件发出的充分相干光扫描。这样的话，光调制装置可以被更迅速地扫描而不需要增加控制光调制装置本身的速度。在本发明的投射装置中，可以记录一维排列，也就是行或列，同时扫描二维光调制装置的不同一维排列，然而在一维光调制装置中，必须在每次扫描后记录调制元件。

还可以使用少量的常规二维光调制装置，例如基于微镜元件的光调制装置，其中微镜元件例如可以被轴向移位并绕轴线倾斜。在上述光调制装置中，优点在于观察窗在一个方向上的放大是以光调制装置的设计为基础的，在另一方向上的放大是以本发明的投射装置的特殊结构为基础的。上述光调制装置可以例如是MEMS、薄膜式面镜系统、OASLM或AOM(声光调制器)。

此外，使用的光调制装置最好是扩充的空间光调制装置和无限制的调制器，例如声光调制器，其使得投射装置中具有多余的附加元件，例如US 5,172,251号美国专利说明的水平扫描器，以及它们在投射装置内的排列。

如果全息投射装置是失真的，也就是如果其在相互垂直且与光传播的方向相垂直的两个方向上显示出不同的放大倍数，则其具有优点。如果光调制装置被逐行扫描，则对于被调制元件调制的波阵面来说，重要的是要传播到-也就是被投射到观察者平面的相同位置，例如观察者的至少一个眼睛所处的虚拟观察窗。这有助于防止光产生虚映。因而如果光调制装置为逐列扫描也是一样。另一缺点是，即使在下面也称作相干方向的方向上，上述主要放大倍数受到扫描原理的限制，在下面被称为非相干方向的扫描方向上，观察窗的放大仍是有可能的。

根据本发明另一较佳实施例，可以选择重现比率和屏幕尺寸，使得傅立叶变换的衍射级的周期性延续展开到屏幕外。这显示出衍射级的周期性延续被置于屏幕外，在屏幕内仅有一个周期可见的优点。这意味着再现场景的观察者不会察觉再现在多个衍射级的周期性延续。因而与现有技术的装置相比，像质量显著提高。

为了使用于较大的观察者范围内一个或多个观察者的虚拟观察窗可用，可以在观察再现场景时，使用位置探测系统探测观察者平面内至少一个观察者的眼睛位置。

位置探测系统探测并追踪观看再现场景的一个或多个观察者的眼睛位置的变换，在其上编码再现场景以便根据观察者眼睛在水平方向、垂直方向和/或轴向上的位置变化，使其变得可见。为了能够根据变化的眼睛位置更新再现场景的位置和/或内容，这特别有好处。而后，可以根据新的眼睛位置追踪虚拟观察窗。

最好使用至少一个偏转元件，根据观察者的眼睛位置的变化在观察者平面中追踪虚拟观察者视窗。上述偏转元件可以是机械元件、电元件、磁性元件或光学元件，例如检流计镜、MEMS或声光元件。

本发明的目的还通过场景全息再现方法达到，其中至少一个光源用充分相干光照射至少一个含有调制元件的二维光调制装置，其中扫描元件仅一个接着一个地扫描二维光调制装置的调制元件的一维排列，以产生多个一维波阵面，其中借助一维波阵面连续产生含有再现场景所需的信息的波阵面，并且在其上再现场景。

根据该新方法，从照明装置中发出的充分相干光被直接导向扫描元件上，用于二维和/或三维场景的全息再现。扫描元件利用相干光一个接着一个地扫描二维光调制装置的调制元件的各个一维排列。用这种方式一个接着一个地产生多个一维波阵面。每个一维波阵面仅表示要被再现的场景，特别是三维场景的一部分。借助一维波阵面连续产生含有再现场景所需的信息的波阵面，以便随后再现场景，特别是三维场景。一次仅扫描二维光调制装置的一行或一列可以避免很大的计算量并减小计算所需时间，这是因为仅须计算和编码一维傅立叶变换。

根据本发明的较佳实施例，由光源发出并由调制元件的每个一维排列的光调制装置调制的光的一个傅立叶变换可以被投射到用作屏幕的光学元件，其中至少该光学元件将借助光调制器调制的波阵面投射到虚拟观察窗中。但是，也有可能将单个的傅立叶变换投射到虚拟观察窗中而非屏幕上。因而，调制的波阵面被投射到屏幕上。

本发明的其他实施例由其他从属权利要求限定。下面将结合附图，详细解释并说明本发明的实施例。基于单色光的全息再现解释本发明的原理。但是，对于所属技术领域的技术人员来说，如个别实施例中的说明所指出的，本发明也可以用于彩色全息再现。

附图说明

图1示意性地表示与本发明的扫描系统组合的二维光调制装置。

图2a示意性地表示本发明的扫描系统并说明了一维波阵面的传播方向和光的传播方向(相干方向)。

图2b示意性地表示本发明的扫描系统并说明了扫描方向和光的传播方向(非相干方向)。

图3详细表示本发明的扫描系统，说明利用多个光源照射二维光调制装置。

图4a到4c详细表示本发明的扫描系统，说明旋转扫描元件如何扫描光调制装置。

图5示意性地表示具有根据图2a和2b的扫描系统的本发明的全息投射装置和投射系统。

图6详细表示投射系统并说明具有至少一个投射构件的两个光通道的重叠。

图7表示具有用于追踪虚拟观察窗的偏转元件的本发明的全息投射装置。

图8表示本发明的全息投射装置的立体图并说明分为扫描系统和投射系统。

图9a到9b示意性表示相干和非相干方向上，根据本发明的简化扫描系统。

图10表示图9a到9b所示的简化的全息投射装置的立体图。

图11a到11b示意性地表示相干和非相干方向上，本发明的十分紧凑的全息投射装置。

图12是图11a到11b表示的全息投射装置的立体图。

图13示意性地表示用于多个观察者的另一本发明的全息投射装置。

图14a到14b示意性地表示本发明的全息投射装置的功能原理的第二种可能性，其中相干和非相干方向上仅表示了扫描系统。

图15是图14a到14b表示的全息投射装置的立体图。

具体实施方式

现说明本发明的全息投射装置的设计和场景、特别是三维场景的再现。

图1说明具有用于照射光调制装置3的光源2的照明装置1。照明装置1和光调制装置3置于全息投射装置的特定位置。但是，仅在图5中解释该排列。光源2发出充分相干光。在本文中，术语“充分相干光”表示能够为三维场景的全息再现产生干涉的光。照明装置1的光源2可以由激光二极管、DPSS激光器(二极管泵浦固体激光器)或其他激光器制成。也可以使用其他光源，例如LED(发光二极管)，只要其发出充分相干光即可。但是，这种光源需被滤光以达到足够的相干度。

该图中详细表示了光调制装置3如何被扫描元件(未表示)扫描。扫描元件在图2a和2b中详细表示。光调制装置3可以是常规光调制装置，例如LCD、LCoS、OASLM、MEMS板或其他任意调制装置。此外，光调制装置3可以是反射型或透射型的。如图所示，要被扫描的光调制装置3是包含调制元件4的二维板。调制元件4可以是像素或与像素作用类似的面镜元件。但是，该板不被二维扫描，而是一维扫描，也就是扫描元件一次仅扫描一行(如图所示)或一列。调制元件4的每个一维排列调制入射波阵面W，而调制波阵面仅表示要再现的场景的一部分，或者，换言之，仅再现二维波阵面的一部分。扫描光调制装置3的过程可以如下解释。光源2在充分窄的间隙发出光，也就是例如使用线光源，上述光被直接导向扫描元件。

可以是共振扫描器、压电扫描器、检流计扫描器或类似元件的扫描元件移动使得其发出的波阵面W，最好是平面波阵面被导向要被扫描的调制元件4的所需一维排列，如图中的位置A所示。通过进一步移动扫描元件，用光源的光在箭头所示的方向上一个接着一个地扫描调制元件4的一维排列，直到到达位置n。当然还可以在另一方向上扫描板，也就是从位置n开始并在位置A结束。此外，可以扫描调制元件4的任意一维排列和/或以任意次序扫描其他排列。因此可以看到扫描元件与光调制装置3组合，以使调制元件4的所需排列可以被光扫描。如图所示的行排列可以被例如从上到下和从下到上地扫描，或者是从上到下和再从上到下的扫描，或是以任意次序扫描。

光调制装置3第一次被扫描元件扫描之前，调制元件4被置于并带到所需的调制位置。而后可以如上所述地扫描调制元件4的各个一维排列。调制元件4可以在完全扫描过光调制装置3中所有一维排列后再被重新放置。随后，调制元件4必须仅在扫描过所有一维排列后再放置，借此调制元件4的转换时间减少。作为替换，还可以在扫描过每个一维排列后立即将其重新放置。这种选择也有节约时间的益处。如果使用例如基于微镜的光调制装置3会特别好，其中所有调制元件4都是仅能轴向移动的或能轴向移动和绕轴线倾斜的面镜元件。

图2a和2b仅表示全息投射装置的子系统，其中光学路径是非折叠的光学路径。下面说明的实施例也说明非折叠的光学路径。该子系统被称为扫描系统AS，并含有具有光源2的照明装置1、扫描元件5、光调制装置3和投射元件6、7、8、9、9’和10。投射元件含有透镜元件7a和7b，投射元件8含有透镜元件8a和8b，投射元件10含有透镜元件10a、10b和10c。投射元件6、7、8、9、9’和10可以是透镜，特别是柱面镜、球面镜、矫正柱面或球面镜、衍射光学元件(diffractive optical elements，DOE)、菲涅尔透镜，也可以是面镜或多个上述元件的排列。此外，投射元件6、7、8、9、9’和10还可以被设置为离轴的，便于减小像差，例如场弯曲。

全息投射装置是失真的，也就是投射系统与投射装置在互相垂直的两个方向上的放大程度不同。这就是为什么必须注意图2a表示在一维波阵面的传播方向和光传播方向的扫描系统AS。该方向下面将被称为相干方向。图2b表示在扫描方向和光传播方向的扫描系统AS。该方向下面将被称为非相干方向。在相应的图中省略在上述方向中的一个上没有光学效果的投射元件，例如使用柱面投射构件的情况。

现在，参照图2a说明相干方向上的扫描系统AS的功能原理。如果衍射光学元件用作投射元件，是有好处的，因为其设计和功能原理更适合于实现像差矫正。照明装置1的光源2发出平面波W形式的充分相干光，其被导向投射元件6用以扩展。波W穿过投射元件7的透镜元件7a，例如是柱面透镜，并聚焦到扫描元件5上。扫描元件而后被投射元件8的透镜元件8a投射到平面11，使得聚焦到扫描元件5上的波W也聚焦到该平面11中。因而可以在平面11设置偏转元件，例如面镜。如果使用反射光调制装置3，偏转元件有利于防止朝光调制装置3的路径上的光与返回路径上的光重叠。并且如果使用透射光调制装置3，可以为紧凑性的原因使用这种偏转元件。波穿过平面11后，被投射元件9作为校准波或平面波投射到光调制装置3上。在本实施例和以下多个实施例中的光调制装置3是反射光调制装置，使得具有较好的平面波阵面的波W被作为具有波阵面WF的调制波反射。投射元件9’和透镜元件10a将光调制装置3调制的波阵面WF投射到平面12中。在反射光调制装置3的情况下，投射元件9用作投射元件9’。两个投射元件9和9’在这种情况下中组合形成一个投射元件。投射元件10由三个柱面透镜元件组成。但是，三个透镜元件中仅有一个在相干方向上有效，其他透镜元件在那个方向没有任何光学效果。

投射波阵面WF时，同时在平面11’产生傅立叶变换FT。如果使用反射光调制装置3，平面11和11’成一致以形成同一个平面。可以将偏转元件例如面镜置于平面11’，以防止朝光调制装置3的路径上的光与返回的路径上的光重叠。并且如果使用透射光调制装置3，还可以为紧凑性的原因使用这种偏转元件。透镜元件10a将傅立叶变换FT作为校准光束投射到平面12。结合反射光调制装置3，最好将波阵面WF投射到平面11’中以减小像差。但是如果使用透射光调制装置3，则不一定需要在此投射。由于本实施例和下述任意其他实施例仅示意性表示，所以必须注意投射元件9和9’仅由一个投射元件表示，因为光调制装置3是反射型的，所以调制波阵面WF被反射回到平面11’(＝11)。平面11和11’是一个同样的平面。

在非相干方向，如图2b，菲涅尔透镜或衍射光学元件最好用作投射构件6、7、8、和10。下面解释非相干方向中的扫描系统AS的功能原理。此处，一个接着一个地扫描光调制装置3上的调制元件4的两个空间偏移排列，但这两个扫描不在图中同时表示。光源2的光束由投射元件6放大，由透镜元件7b聚焦到从光传播方向看位于扫描元件前面的平面13，并且在非相干方向上投射到扫描元件5的限定范围上。扫描元件5根据要扫描的光调制装置3的调制元件4的排列使光线偏转。扫描元件5和透镜元件8b将光线从平面13投射到平面11中和光调制装置3上，如图1所示。这意味着由扫描元件5偏转的光，或者准确地说为偏转光线以平行于扫描系统AS的光学轴线OA地或与之成角度地照射到光调制装置3上，其中光线与光学轴线OA的距离依扫描光调制装置3的调制元件4的哪个一维排列在被扫描而有所不同。投射元件9(＝9’)对投射没有帮助，因为它在非相干方向没有光学效果。这就是为什么图2b中没有表示投射元件9(＝9’)。由光调制装置3调制的光线被透镜元件10b和10c改变为平行于光束的形状，其始终根据选择的行或列，在相同的位置以不同角度穿过平面12。光调制装置3被置于投射构件10的物侧的焦平面，平面12与投射构件10的像侧的焦平面一致。随后，将扫描元件5投射到平面12。当然光源2发出的光也通过平面11被导向光调制装置3，而后在非相干方向通过平面11’被导向平面12。这意味着如果至少一个偏转元件置于平面11(＝11’)中，到达光调制装置3或从光调制装置发出的光线被偏转。利用透射光调制装置3，还可以在平面11和/或平面11’提供至少一个偏转元件。此外，可以设置投射元件7，在平面12中虚拟产生非相干方向的光的第一次投射。这意味着从光传播方向看，平面12置于投射元件7的透镜元件7b前面，最好是使光线被投射到扫描元件5上，作为校准光线。此外，如果光源2被设计为使发出的光线符合所需的特性，例如关于孔的宽度，则可以省略置于光源2和扫描元件5之间的投射元件6和/或7。

图3详细表示说明照射光调制装置3的方法的图2a和2b所示的扫描系统AS。照明装置1也可以由多个光源2组成。在本实施例中，结合两个投射元件6表示两个光源2，其中光源2和投射元件6的位置与光学轴线有一段横向距离。光源2发出的光线由两个投射元件6扩宽，并被投射构件7的透镜元件7b投射到平面13中。光源的上述投射是虚拟的。投射到扫描元件5上的光被其偏转并投射到光调制装置3.如果照明装置1含有两个光源，并且如果光调制装置3被逐行扫描，借助于相同的扫描元件5，一个光源2照射例如光调制器3的上部，同时另一个光源2照射其下部。这意味着每个光源2仅扫描光调制装置3的一部分。根据限定的扫描元件5的偏转振幅AMP，光源2的扫描可以作为补充。随后，每个光源2仅扫描光调制装置3的未被另一光源2扫描的部分。如果逐列扫描光调制装置3，则光源2必须垂直设置。如果使用多个光源2，则重要的是确保光源2不相互干涉，以避免产生不希望的干涉。这种照射可以例如用于补偿慢速扫描元件或增加亮度。

扫描元件5当然可以是扫描棱镜。图4a、4b和4c表示这种作为替换的扫描元件60的侧视图，该扫描元件用于扫描调制元件4的逐行排列。附图标记3还是表示光调制装置，从光传播的方向看，扫描元件60置于光调制装置3前面。扫描元件60最好是正方形或矩形，并具有旋转轴R。扫描元件60绕旋转轴旋转，使得此处由光线50、51和52表示的入射光在通过扫描元件60之后与扫描系统AS的光学轴线OA等距平行。如果光束50、51和52以直角照射到扫描元件60的表面O1上，则光束可以没有任何衍射地通过。在扫描光调制装置3的调制元件4的一维排列时，重要的是确保扫描元件60的两个平行表面，例如O1和O2，与光线通路成一角度。当然，扫描过程中扫描元件60并不一定总要倾斜。图4a、4b和4c表示不同旋转状态下的扫描元件60。扫描过光调制装置3的最后一行之后(参见图4a)，由于扫描元件60的旋转，光线52例如扫描光调制装置3的第一行(也就是调制元件4的排列)(参见图4b)。而后，因扫描元件60的旋转而扫描第二行(图4c)和所有之后的行。从第US 5,532,763号美国专利中可以知道上述元件，但是其中元件仅用于彩色重现。

置于照明装置1和扫描元件60之间的投射元件6、7，也许还有8，改变光线50、51和52的形状，使其聚焦到光调制装置3。扫描元件60必须置于平面11前面。如果使用透射光调制装置3，扫描元件60可以置于平面11的前面或后面，甚至是平面11中。

图5表示作为整体的全息投射装置。如上所述，全息投射装置含有此处仅示意性表示的扫描系统AS和投射系统PS。从光传播的方向看，该扫描系统AS置于投射系统PS的前面。其包含照明装置1、至少一个光调制装置3、扫描元件5或60和投射元件，例如根据图2a和2b的投射元件6、7、8、9(＝9’)和10。投射系统PS含有用作屏幕的光学元件14和至少一个投射构件15。光学元件14可以例如是面镜、透镜或衍射光学元件。下面将其称作屏幕。屏幕14置于投射构件15的像侧焦平面中。投射构件15可以是透镜、DOE、透镜排列或类似的光学元件，特别是球面镜和柱面镜的排列，以便在相干方向和非相干方向达到较好的不同的放大倍数。

在相干方向上，投射到平面12中的已调制的波阵面WF随后在投射系统PS中被投射构件15投射到平面16，根据本实施例，在其中产生波阵面WF的虚像。该波阵面WF的像而后通过屏幕14被投射到位于观察者平面18的、实际上不存在的虚拟观察窗17。同时，扫描系统AS中的平面11’中产生的已调制的波阵面WF的傅立叶变换FT被投射元件10和投射构件15投射到屏幕14上。在非相干方向，以校准方式投射到平面12的光线被投射构件15投射到屏幕14上。此外，被投射到平面12的扫描元件5被投射构件15和屏幕14投射到虚拟观察窗17中。这意味着观察窗17置于由非相干方向上的投射元件10、投射构件15和屏幕14组成的系统的像平面中。

如果屏幕14置于投射构件15的像侧焦平面是有好处的，因为衍射级的周期性持续因而被移动到屏幕14外，使屏幕中仅能见到衍射光谱的一个周期。这意味着观察者不会察觉多个衍射级中的再现的周期性持续。此外，如果光源2发出的光照射到平面12是有好处的，观察窗17和再现空间19可以借此在非相干方向上放大。这意味着在非相干方向上入射到平面12的波阵面越宽，观察窗17越大。因而如果投射元件10的透镜元件10b的焦距大于投射元件8的透镜元件8b的焦距是有好处的，可以扩大观察窗17。

调制的波阵面WF在观察窗17一个接着一个地重叠，调制元件4的连续扫描的一维排列的傅立叶变换FT被投射到屏幕14的不同位置。波阵面WF被连续投射到观察窗17。位于观察者平面18并通过虚拟观察窗17观看的观察者可以看到在观察窗17和屏幕14之间如截头锥体一样延伸的再现空间19中，在屏幕14前面、之上或后面再现的较好的再现三维场景。

在本实施例中，观察窗17至少与观察者的两眼间隔一样大。因而不需要用于观察者的第二个眼睛的同类型的第二光调制装置3，也不需要相应改变整个投射装置。作为替换，观察窗17可以更小，但是必须提供至少一个第二扫描系统AS用于观察者的第二个眼睛。如果是这种情况，扫描系统AS可以被设置为并排平行，或者彼此成角度。如果扫描系统AS平行设置，则对于两个扫描系统AS仅需一个投射构件15。如果扫描系统AS被设置为成一角度，则对于两个光通道的两个光学路径需要两个投射构件15。

漫射元件，例如漫射膜或类似元件可以另外置于投射到屏幕14的平面内，以便在非相干方向扩大观察窗17。

为了能够再现彩色场景，可以例如将分光器置于平面12和投射构件15之间。

图6a是俯视图，表示投射系统PS的放大细节，并说明如何同时投射两个光通路用以给观察者的双眼。两个光通路被设置为并排平行，借助于用于两个光通路的一个投射构件61，两个光通路的已调制的波阵面在作为投射构件61的焦平面的平面62中重叠。这意味着从光传播的方向看，在投射构件61的前面，调制的波阵面被投射到无限空间。屏幕14可以例如置于平面62中，否则该平面62必须被投射到屏幕14上。

如果该装置用于结合图5所示的投射装置，设置提供的两个扫描系统AS使其相应的光通路被并排平行地设置。在这种情况下，投射构件61代替投射构件15，屏幕14置于投射构件61的焦平面62中。

图6b还详细表示投射系统PS，并且说明如何同时投射两个光通路。与之前的附图对比，光通路不是平行排列，而是成一角度。这就是为什么有两个投射构件61，每个光通路一个，将波阵面投射到平面62中。

图6c表示投射系统PS的另一细节。用于一双眼睛的两条光通路平行设置，如图6a所示。但是根据本实施例，两个投射构件61各由两个光学元件组成，即透镜和棱镜。当然还可以是上述两个光学元件的组合。

图6d和6e表示通过投射系统PS的光通路的其他可能性，与图6b和6c所示的选择类似。图6d表示用于一双眼睛的两条光通路，其中第一条光通路的波阵面由投射构件61直接调制，第二条光通路的波阵面又由如面镜的偏转元件63偏转。如果并排设置的两个投射构件61的机械支承支架太大或太难以构造，那么这种可能性是特别有好处的。此外，如图6e所示，用分光器元件取代面镜作为偏转元件63是有好处的。这使上述偏转元件的集成变得容易。从光传播的方向看，再提供置于分光器元件63前面的两个投射构件61。利用分光器元件63，可以在屏幕14上实现两条光通路的充分重叠。

图7示意性表示全息投射装置的功能原理。投射系统PS包括位置探测系统20，用于在观察者观看再现场景时探测观察者平面18内至少一个观察者的眼睛位置，以及用于据此追踪观察窗17。扫描系统AS在此图中仅示意性表示。位置探测系统20可以例如是结合有偏转元件21的照相机，用于根据观察者眼睛位置的变化追踪观察者平面18中的虚拟观察窗17。偏转元件21因而置于两个投射构件22和23之间。投射构件22和23表示远焦系统，其中偏转元件21置于投射构件22的像侧焦点中，该焦点同时也是投射构件23的物侧焦点。偏转元件21可以被分立控制并且其最好是面镜元件。需要非常精确地工作的偏转元件以正确地追踪观察窗17。这就是为什么偏转元件21可以是例如检流计扫描器。当然，还可以使用其他偏转元件，例如MEMS阵列、多边形扫描器或声光排列。此外，偏转元件21可以在至少一个方向上、也就是水平和/或垂直方向上偏转。这意味着在光调制装置3一维扫描的情况下，偏转元件21仅在水平方向或垂直方向追踪观察窗17。扫描系统AS中产生含有再现三维场景所需信息的波阵面，如对图2a和2b的说明。这就是为什么本实施例中仅说明投射系统PS中的再现。由投射构件22和23表示的远焦系统将平面12通过偏转元件21投射到平面24。该平面24随后被投射到平面16以便被投射到观察者平面18中的观察窗17中。同时，投射构件23和15将偏转元件21投射到屏幕14上。偏转元件21位于投射构件22的焦平面内。在相干方向，调制的波阵面WF被投射到扫描系统AS的平面12中，而后被投射到虚拟观察窗17内的至少一个观察者眼睛上。调制的波阵面的傅立叶变换FT同时从平面12被投射到无限空间。傅立叶变换FT而后被投射构件22投射到偏转元件21上。在非相干方向，扫描元件5被投射到扫描系统AS的平面12中，一旦光线通过投射元件10，该光线便被投射或校准到无限空间。扫描元件5而后被投射到观察窗17。同时，光线聚焦到偏转元件21并被投射构件23和15投射到屏幕14上。

投射构件23和15也可以相结合形成一个透镜或透镜阵列。以上全息投射装置仅说明了用于观察者的一只眼睛；但如果观察窗17足够大的话，其还可以被设计为用于观察者的一双眼睛。作为替换，还可以将用于第二只眼睛的第二光调制装置3用于观察者的一双眼睛，这就必须对投射装置进行大量改动。如果根据图6a到6e的系统用于图7所示的投射装置，则投射构件61对应于投射构件22，平面62对应于偏转元件21所在的平面。根据全息投射装置的本实施例的第一个变形，两个扫描系统AS被设置为相互成一角度。这就是为什么在那种情况下，每个扫描系统AS一个的两个投射构件22被置于投射系统PS的偏转元件21前面。一般使用投射构件23和15以及屏幕14。根据本实施例的第二个变形，两个扫描系统AS平行设置，以便一般使用投射构件22、23、15以及屏幕14。当然，这并不一定是必要条件。投射装置的后一个变形表现出缺点，即与前一个相比更容易产生像差。如果观察者位于观察者平面18中并通过观察窗17观看，他将看到再现空间19内再现的三维场景，其中从光传播的方向看，场景在屏幕14前面、之中或后面再现。

借助于全息投射装置，三维场景的彩色再现也是可能的，如上面提到的。为此，从光传播方向看，最好是棱镜体的至少一个分光元件25被置于偏转构件21前面。作为替换，分光元件25可以被置于投射装置的任意合适位置。同时处理三原色RGB完成场景的彩色再现。如果提供完全分开的两个光通路，两个分光元件25，也就是每条光通路的一个分光元件25可以被置于投射系统PS中，分光元件25，最好是具有二向色层的X棱镜将红、绿、蓝三种光分成三个分开的波阵面，或将其重新组合形成共用的、调制的波阵面。场景的彩色再现可以利用每个光通路的三个扫描系统AS实现，其中每个扫描系统含有单色光源2。扫描系统AS的光学元件可以是最好的，以适于对应的单色光的颜色。

当然也可以使用不同的光学元件用以彩色再现，例如上述扫描元件，在该实例中为扫描棱镜。此处，最好将其设计为正方形或长方形。用于彩色再现的该扫描棱镜的设计和功能如上所述。为了彩色再现，光线50、51和52由照明装置1的三个独立光源2发出或者由每个原色都充分相干的单个光源2发出。借助二向色分光系统将单个单色波分离。投射元件6和7可以共同用于三原色或者使用三次，使得每条通路都具有用于每个原色的分开的投射装置6和7。

作为替换，场景的连续彩色再现也是可能的。为了实现这种再现，需要具有充分相干的较好的彩色光源2和变换系统，以便连续控制单色的原色RBG。这使得彩色再现一个接着一个地产生。当然，仅使用一个扫描棱镜和光线50、51和52中的一个进行场景的单色或连续的彩色再现也是可能的。

图8是图7所示的全息投射装置的整体的立体图。如上所述，投射装置含有扫描系统As和投射系统PS。投射装置被分为四个部分A、B、C和D，这有助于根据图的左上角指出的坐标系解释相干和非相干方向。A部分中，相干方向对应于x坐标，非相干方向对应于y坐标。Z坐标表示光传播的方向。B部分中，相干方向仍对应x坐标，而非相干方向对应于z坐标。光传播方向由z坐标表示。C部分中，相干方向对应于y坐标，非相干方向对应于z坐标。光沿x坐标传播。最后，D部分中，相干方向对应于x坐标，非相干方向对应于z坐标。y坐标表示光传播的方向。在该投射装置的立体图中可以清楚地看出，投射装置是失真的。投射元件7、8、9(＝9’)和10含有至少一个失真的、最好是柱面的元件，根据该实施例，每个投射元件7、8和10含有两个透镜元件，或者在相干和非相干方向显示出不同的主平面和焦距的单个透镜元件。此外，投射元件9(＝9’)在相干方向仅显示出光学投射效果。虚拟观察窗17可以例如置于屏幕14后面，或者如果屏幕14是反射型的，则可以置于其旁边或前面。因而此图中未显示出观察窗17。图9a和9b以简化的方式表示扫描系统AS。图9a表示相干方向的光学路径，图9b表示非相干方向的光学路径。在该实施例中，扫描系统AS还含有带光源2的照明装置1、扫描元件5、光调制装置3和投射元件6、7、8、9(＝9’)和10。该实施例中省略投射元件7和10的透镜元件7b和10c。全息投射装置的该实施例中，投射元件6也仅在一个方向具有投射效果。投射元件6、7、8、9(＝9’)和10可以与对图2a和2b说明的类型相同。相干方向的扫描系统AS的功能原理与图2a的说明几乎相同。调制的波阵面WF通过投射元件9’(＝9)和10被投射到平面12，平面11’中产生其傅立叶变换FT。

在非相干方向，投射元件6和7不显示任何光学效果，使光源2发出的光直接投射到扫描元件5。将本实施例中的光源2设计为使其发出的光在非相干方向足够窄，这样投射元件6和7不一定在那个方向具有光学投射效果。下面解释扫描系统AS的功能原理。此处，一个接着一个地扫描光调制装置3的调制元件4的三个线性排列，上述三个扫描由图中不同的行表示。光源2发出的光线被导向扫描元件5。而后光线通过透镜元件8b和平面11投射到光调制装置3的具有平行的光学轴线的不同位置，因为扫描元件5置于投射构件8的透镜元件8b的焦平面中。投射元件9(＝9’)不对投射起作用，因为其在非相干方向上没有光学效果。这就是为什么投射元件9(＝10)没有在图9b中表示。光调制装置3调制的光线通过透镜元件10b并以不同角度投射到平面12的同一点。平面12与透镜元件10b的焦平面重合。扫描元件5由透镜元件8b和10b投射到平面12中。

图10是整个全息投射装置的简化立体图。扫描系统AS和投射系统PS由大括号表示。再次使用坐标系统表示相干和非相干方向，如对图8的说明。扫描系统AS中产生含有再现三维场景所需信息的波阵面，如对图9a和9b的说明。这就是为什么在此仅说明相干和非相干方向的投射系统PS。在相干方向，调制的波阵面WF通过扫描系统AS被投射到平面12。而后波阵面WF被投射构件22和23投射到位于投射构件15前面的平面24。将波阵面从该平面24通过投射构件15和屏幕14投射到虚拟观察窗17中和至少一个观察者眼睛上。同时，傅立叶变换FT由投射构件22投射到偏转元件21并再由投射构件23和15投射到屏幕14上。在非相干方向，扫描元件5通过扫描系统AS被投射到平面12中，其中一旦投射通过投射元件10，则扫描元件5被投射到无限空间。而后投射构件22和23将扫描元件5投射到位于投射构件15前面的平面24中。投射构件15将扫描元件5从平面24通过屏幕14投射到观察窗17中。同时，非相干方向的光线被投射到偏转元件21而后由投射构件23和15投射到屏幕14上。

仅为一只观察者眼睛说明上述全息投射装置。但是，还可以提供对于观察者双眼而言足够大的观察窗。作为替换，可以提供用于观察者的一双眼睛的第二光调制装置3。具有两个扫描系统AS的上述排列的构造如上所述。如果观察者位于观察者平面18(未表示)并通过观察窗17观看，他可以在再现空间19中看到再现的三维场景，其中从光传播方向看，场景在屏幕14前面、之中或后面再现。还提供位置探测系统20以探测观察者眼睛的位置并据此追踪观察窗17。此外，因为省略了平面12中的透镜元件10c并将投射构件6和7设计得更简单，现在还可以清楚地看到非相干方向的简化的全息投射装置。该构造还有利于光学元件的调准。

图11a和11b再次以简化的、非常紧凑的形式表示全息投射装置的功能原理。图11a是表示相干方向的投射装置的俯视图，图11b是表示非相干方向的投射装置的侧视图。本实施例中扫描系统AS非常简单。投射构件15含有三个透镜元件15a、15b和15c。透镜元件15a仅在相干方向有光学效果，而透镜元件15b和15c仅在非相干方向有光学效果。根据本实施例，扫描系统AS含有带光源2的照明装置1、扫描元件5、光调制装置3和投射元件6、7和8。投射系统PS仅含有偏转元件21、投射构件15和屏幕14。如果光调制装置3是透射型的，则投射元件9是投射元件8(8a、8b)和9的组合，投射元件是9’投射元件9’和10以及投射构件22的组合。在使用反射型光调制装置3的情况下，如图所示，投射元件9对应于投射元件9’。投射构件15是投射构件23和15的组合。该新的投射元件9(＝9’)和投射构件15的光学特性是必须在相干和非相干方向都有光学效果。单个光学元件还可以与图2a和2b所说明的有相同的类型和设计。相干方向的全息投射装置的功能原理与对图2a的说明几乎相同。照明装置1的光源2以波W的形式发出充分相干光，最好具有平面波阵面，波被导向投射元件6以扩宽。而后波W通过投射元件7并被投射到扫描元件5上。扫描元件5根据要扫描光调制装置3的调制元件4的哪个排列而偏转波W。其最好也用于同时折叠光路径。扫描元件5置于投射元件9的物侧焦平面。波W而后被校准并由投射元件9投射到光调制装置3。光调制装置3调制的波阵面WF而后被投射元件9’、透镜元件15a和屏幕14投射到观察者平面18内的观察窗17中。调制波W之后，投射元件9’在投射元件9’的像侧焦平面、也就是偏转元件21上产生傅立叶变换FT，其最好也用于折叠光路径。该傅立叶变换FT而后由透镜元件15a投射到屏幕14。透镜元件15b和15c在该方向不显示出光学效果，这就是为什么本图中省略它们。参照本图，观察者在观察者平面18中用双眼通过观察窗17观看。表示波阵面WF的传播的虚线表示在观察者改变其在观察者平面18中的位置时产生的波。观察者在观察者平面18中的新位置在图中也用虚线表示。偏转元件21根据观察者眼睛的位置的改变追踪观察窗17。

参照图11b，下面说明非相干方向的功能原理。此处，表示对光调制装置3上的调制元件4的两个线性排列的扫描。这两次扫描一个接着一个地进行。光源2发出的光被投射元件6扩宽并被投射元件7以平行光束的形式投射到扫描元件5。从扫描元件出来的光线被投射元件9聚焦到置于投射元件9的像侧焦平面的光调制装置3，此处它们扫描调制元件4的一维排列，从而调制光线。因而由光调制装置3调制的光线随后被投射元件9’以校准方式投射到偏转元件21上，因为光调制装置3是反射型的。校准光线而后聚焦到位于透镜元件15b的像侧焦点的平面M。透镜元件15a最好位于平面M中，其中光线区域在非相干方向很小。上述光线而后被透镜元件15c投射到屏幕14上。同时，扫描元件5被投射元件9(＝9’)通过光调制装置3投射到偏转元件21上，从此处再被投射构件15和屏幕14投射到观察窗17内。在本图中显示的投射装置的特别变形中，在偏转元件21上成像的扫描元件5可以被透镜元件15b投射到该透镜元件的焦平面，此处设置有透镜元件15c，而后通过屏幕14被投射到观察窗17。因而透镜元件15c不一定会置于扫描元件5的投射点。但是这是比较好的，因为光线区域在该平面内是有限的。

此外，如果光源2被设计为使发出的光线符合所需特性，例如关于孔的宽度，则可以省略置于光源2和投射元件7之间的投射元件6或投射元件6和7。为了再现彩色场景，分光元件可以置于反射光调制装置3和投射元件9(＝9’)之间，并提供三个光调制装置3用以同时彩色再现。为了连续彩色再现，仅必须提供一个扫描系统AS，因为光源2一个接着一个地发出所需三原色的单色波阵面。

图12是图11a和图11b所示的全息投射装置的立体图。投射装置再被分为三个部分A、B和C，这有助于根据图的左上角指出的坐标系解释相干和非相干方向。A部分中，相干方向对应于x坐标，非相干方向对应于y坐标。光传播的方向由z坐标表示。B部分中，相干方向仍对应于x坐标，而非相干方向对应于z坐标。光传播方向由y坐标表示。C部分中，相干方向对应于y坐标，非相干方向对应于z坐标。光传播方向由x坐标表示。此处投射构件15由三个透镜元件15a、15b和15c组成。由于投射元件和投射构件的数目远小于图8中的数目，因而像差源十分少，这就是为什么减少或消除像差更容易。在本实施例中，还可以将分光元件25置于投射装置中以便能够再现彩色场景。分光元件25可以置于例如投射元件9(＝9’)和用于追踪观察窗17的偏转元件21之间，或者置于光调制装置3和投射元件9(＝9’)之间。当然，投射装置中的其他位置也是可以的。该非常紧凑形式的投射装置特别适合于尺寸必须很小或最小的显示装置。

图13是表示全息投射装置的另一实施例的俯视图，其中如果光调制装置3被逐行扫描，则俯视图表示相干方向，而如果光调制装置3为逐列扫描，则俯视图表示非相干方向。根据本实施例的投射装置用于观察者平面18中的多个观察者。投射装置含有两个光调制装置3和两个扫描系统AS。

全息投射装置还含有分光元件26，除了将光分为其光谱分量或在平面27将光由上述分量重组的分光元件25之外，其还用于倍增由光调制装置3发出的多个波阵面WFR和WFL。平面27是平面12通过由投射构件29和30组成的远焦系统的投射。平面12最好与投射构件29的物侧焦平面重合，平面27最好与投射构件29的像侧焦平面重合。同时，平面27与投射构件22的物侧焦平面重合。分光元件26与投射构件22的物侧焦平面重合。分光元件26因此置于平面27中，其可以是网栅、棱镜或衍射光学元件(DOE)，具体为可设置的DOE。此外，可以根据观察者平面18中观察者的数目，为每个光调制装置3提供多个光源2代替分光元件26。这种情况下，必须设置投射元件6和7使得光源2发出的光以不同的入射角投射到光调制装置3。

图13是俯视图。根据本实施例的全息投射装置用于多个观察者，其中观察者的数目一般不受限制。对于用于三个观察者的场景再现，如图所示，投射装置含有两个扫描系统AS，每个都具有一个光调制装置3，其中一个光调制装置3总是用于观察者的右眼，而另一个光调制装置3用于观察者的左眼。各个照明装置1的光源2照射两个光调制装置3，如对图1的说明。上述光源发出的光因而被调制，使得波W被编码以便在光调制装置3的等距的位置形成所需的波阵面WFR和WFL。扫描系统AS的功能原理例如对图2a和2b的说明。投射构件29和30将波阵面WFR和WFL投射到位于平面27中的分光元件26上。同时，投射构件29的焦平面28被投射构件30和投射构件22投射到三个偏转元件21上。因而每个观察者都分配有一个偏转元件21。平面27被投射构件22、23和15同时三次投射(或者被投射构件23一次投射)到投射构件23和15的公用焦平面16中，上述焦平面随后通过屏幕14被投射，三次投射到观察者平面18中，也就是观察窗17R、17L、31R、31L、32R和32L中的三个观察者的眼睛上。同时，偏转元件21上平面28的像由投射构件23和15以重叠的方式投射到屏幕14上。

在相干方向，两个调制波阵面WFR和WFL的傅立叶变换FT被投射元件10和投射构件29投射到平面28上。而后平面27中的分光元件26将傅立叶变换FT倍增并且由偏转元件21将其偏转到平面28的另一像平面中之后，倍增的傅立叶变换FT在屏幕14上重叠。同时，投射到平面12中的调制的波阵面WFR和WFL被投射到平面27中。倍增之后，波阵面WFR先被投射构件22、三个投射构件23和投射构件15同时投射到平面16，而后以虚拟观察窗17R、31R和32R的形式投射到观察者平面18的三个观察者的右眼。因而投射波阵面WFL以便为三个观察者的左眼形成虚拟观察窗17L、31L和32L。

在非相干方向，每个扫描系统AS的扫描元件5被投射到平面12中。而后由分光元件26倍增的扫描元件5被投射到观察窗17R、17L、31R、31L、32R和32L，用于三个观察者的眼睛。同时，光线被聚焦到平面28。平面28进而被投射到屏幕14上。

每个观察者仅分配有一个偏转元件21。偏转元件21的数目因而对应于观察者的数目。这意味着每个观察者仅有一个偏转元件21用于双眼，此处例如是观察窗17R和17L。如果观察者在观察者平面18内移动，则再由位置探测系统20探测改变的眼睛位置，并且控制偏转构件21以便根据观察者的新的眼睛位置追踪观察窗17R、17L、31R、31L、32R和32L。如上所述，使用分光元件25，三维场景可以被彩色再现。

图14a和14b表示相干和非相干方向的扫描系统AS的第二实施例，上述实施例与图2a和2b相反。图14a表示相干方向的扫描系统AS，而图14b表示非相干方向的扫描系统。根据本实施例的投射装置运行使得调制的波阵面WF不像上面的其他实施例所说明的投射到观察窗17，而是投射到屏幕14。随后，傅立叶变化FT不被投射到屏幕14上，而是投射到观察窗17中，扫描系统AS还是含有带光源2的照明装置1、扫描元件5、光调制装置3和投射元件6、7(7a、7b)、8和9(＝9’)。投射元件6、7、8和9(＝9’)可以是透镜，特别是衍射光学元件(DOE)和菲涅尔透镜，但也可以是透镜阵列或面镜。上述投射元件6、7、8和9(＝9’)可以是球面的或柱面的或被设置为离轴的，目的在于最小化像差，并有助于使全息投射装置更加紧凑。图14a和14b中的光调制装置3是反射型的(光学路径还是表示为非折叠的)。但是其也可以是透射型的。

如果衍射光学元件在相干方向上用作投射元件是有好处的，因为它们的设计和功能原理更适合于达到色差矫正。现在说明相干方向的扫描系统AS的功能原理。照明装置1的光源2以波W的方式发出充分相干光，其被导向投射构件6以扩宽。而后波W通过投射构件7并聚焦到扫描元件5。该波W而后被投射元件8聚焦到位于投射元件8的像侧焦平面中的平面11中。可以是面镜且位于平面11中的偏转元件将波W较好地偏转之后，该波最好以平面波阵面的形式被投射元件9投射到光调制装置3。光调制装置3调制的波阵面WF而后被投射元件9’(＝9)投射到位于投射元件9’(＝9)的像侧焦点的平面11’。因为本实施例中光调制装置3是反射型的，所以平面11和11’重合。同时，平面11’中产生傅立叶变换FT。

此处还必须注意到投射元件9和9’由一个投射元件表示，这是因为光调制装置3是反射型的，使调制的波阵面WF被反射回平面11(＝11’)。此外，平面11(＝11’)中的较佳偏转元件不是必须的，这样可以以一个投射元件代替投射元件8和9。如果是这种情况，扫描元件5就置于投射元件8和9的物侧焦平面中。

在图14b所示的非相干方向，如果将菲涅尔透镜或衍射光学元件用作投射元件6、7、8和9(＝9’)更好。下面解释非相干方向的扫描系统AS的功能原理。此处，光调制装置3上的调制元件4的两个排列被一个接着一个地扫描，尽管这两个扫描在图中同时表示。光源2发出的光线被投射元件6扩宽，并且被投射元件7聚焦到从光传播方向看位于扫描元件5后面的平面P。扫描元件5根据要被扫描的光调制装置3的调制元件4的排列偏转光线。投射元件8和9从该平面P通过平面11将光线聚焦到光调制装置3上，如对图1的说明。这意味着扫描元件5偏转的光，或者更确切地是偏转的光线以平行于扫描系统AS的光轴OA或与该光轴成确定角度的形式照射到光调制装置3，其中光线和光轴线OA间的距离根据扫描光调制装置3上的调制元件4的哪个一维排列而不同。投射元件8和9之间的光学路径平行。投射元件9(＝9’)有助于聚焦。因而被光调制装置3调制的光线被投射构件9’(＝9)投射到无限空间，并照射平面11’。同时，扫描元件5被投射构件8投射到平面11，而后再被投射构件9’(＝9)投射到平面11’。

进一步地，投射元件7可以设置为可以虚拟产生非相干方向的第一次投射。此外，如果光源2被设计为使发出的光线已经符合所需特性，例如关于孔的宽度，则可以省略置于光源2和扫描元件5之间的投射元件6和/或7。该扫描元件5当然可以是扫描棱镜，如对图4a到4c的说明。

在根据图14a和14b的扫描系统AS的更紧凑的形式中，图中未示，可以省略投射元件9(＝9’)，使得扫描元件5可以用作偏转元件以便防止通往光调制装置3和从该光调制装置出来的光路上的光重叠。

图15是图14a和14b所示的全息投射装置的立体图。投射装置含有扫描系统AS和投射系统PS，如图8所示。相干和非相干方向可以借助于图的左上角的坐标系统加以辨识，参见对图8的详细说明。与图8相比，投射元件8仅为一个透镜元件。再现场景不需要投射元件10。该投射装置是变形的，从图14a和14b中也可以看出。投射元件7含有两个透镜元件，但仅有一个上述透镜元件是在各个方向，也就是相干和非相干方向光学有效，而另一透镜元件没有光学效果。虚拟观察窗17可以还例如是置于屏幕14后面，或者如果屏幕14是反射型的，则位于其旁边或前面。因此该图中未示出观察窗17。

全息投射装置，具体地说，投射系统PS还包括位置探测系统20用于在观看再现场景时探测观察者平面18内至少一个观察者的眼睛位置，以及用于据此追踪观察窗17。位置探测系统20可以例如是结合有偏转元件21的照相机，用于根据观察者眼睛位置的变化追踪观察者平面18中的虚拟观察窗17。偏转元件21在这种情况下置于两个投射构件22和23之间。投射构件22和23表示远焦系统，其中偏转元件21置于投射构件22的像侧焦点中，该焦点同时也是投射构件23的物侧焦点。偏转元件21可以被分立控制并且其最好是面镜元件，如对图7的说明。此外，偏转元件21在至少一个方向、也就是水平和/或垂直方向偏转光线。这意味着在一维扫描光调制装置3的情况下，偏转元件21仅在水平方向或垂直方向追踪观察窗17。扫描系统AS中产生含有较好地再现三维场景所需信息的波阵面，如对图14a和14b的说明。这就是为什么仅说明相干方向和非相干方向上的投射系统PS。在相干方向上，调制的波阵面WF被投射到无限空间，而后被投射元件9’和投射元件22投射到偏转元件21。随后，波阵面WF被投射构件23和15投射到屏幕14上。同时，在平面11’中产生傅立叶变换FT。

该傅立叶变换FT被投射到位于投射构件15前面的平面24。傅立叶变换FT从该平面24被投射构件15投射并通过屏幕14被投射到虚拟观察窗17(图中未示)中。在非相干方向，扫描元件5被投射到扫描系统AS中的平面11’中，光线以平行光束的形式被投射。而后投射构件22和23将扫描元件5投射到位于投射构件15前面的平面24中。扫描元件5从平面24被投射元件15通过屏幕14投射到虚拟观察窗17中。同时，光束被投射到偏转元件21，而后被投射构件23和15投射到屏幕14上。

因而可以在观察窗17和投射构件15之间延伸的截头锥体形的再现空间19(未表示)内观察再现场景。虚拟观察窗17可以与观察者的双眼间隔一样大，但也可以更小或更大。如果观察窗17小于一个眼睛的间隔，则需要两个光调制装置3，以便用双眼观察屏幕。

本实施例中还可以将投射装置中的分光元件25例如置于平面11’和偏转元件21前面的投射构件22之间的合适位置，以便能够再现彩色场景。当然，投射装置中的其他位置也是可以的，如用于本实施例的图中指出的。此处，分光元件25被置于用于三原色的三个光调制装置3和投射元件9(＝9’)之间。本实施例因而可以同时彩色再现三维场景。当然还可以例如仅使用一个光调制装置3连续全息再现彩色三维场景。

当然可以背离以上所示实施例而不脱离本发明的范围。

全息投射装置的可能的应用包括在私人或工作环境中用于二维和/或三维显示的显示器，例如计算机显示器、手机显示器、TV屏幕、电子游戏、用于显示信息的汽车行业、娱乐业、用于表现表面特征的医学工程和军事工程。对于所属技术领域的技术人员，很明显本投射装置也可以用于其他未提到的领域。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1、用于再现场景的全息投射装置，具有至少一个发出充分相干光以产生波阵面的光源，并且具有至少一个含有调制元件并且是二维设计的光调制装置，其特征在于还具有至少一个扫描系统(AS)和一个投射系统(PS)，其中扫描系统(AS)包含至少一个光源、至少一个光调制装置和至少一个扫描元件(5、60)，其中光调制装置(3)和扫描元件(5、60)相结合使得扫描元件(5、60)发出的光一个接着一个地扫描二维光调制装置(3)的调制元件(4)的一维排列，其中扫描系统(AS)被设计为连续产生含有再现波阵面所需信息的波阵面，其中投射系统(PS)被设计为随后再现场景。

2、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于该全息投射装置是变形设计，也就是在两个相互垂直的方向显示出不同的放大倍数。

3、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于扫描系统(AS)包含至少一个光源(2)、至少一个光调制装置(3)、扫描元件(5、60)和投射元件(6、7、8、9、9’、10、61)，从光传播方向看，扫描系统(AS)置于投射系统(PS)前面。

4、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于投射系统(PS)包含屏幕(14)和投射构件(15、22、23、29、30)。

5、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于扫描元件(5、60)偏转的光与扫描系统(AS)的光轴线(OA)成角度地照射到光调制装置(3)，其中光线和光轴线(OA)之间的距离根据调制元件(4)的哪一个一维排列在被扫描而不同。

6、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于扫描元件(60)具有旋转轴线(R)并可以旋转，使得入射光在通过扫描元件(60)后与扫描系统(AS)的光轴线(OA)等距平行。

7、根据权利要求6所述的全息投射装置，其特征在于用于扫描光调制装置(3)的调制元件(4)的一维排列的扫描元件(60)的两个平行表面(O1、O2)被设置为与光线路径成可控制的角度。

8、根据权利要求4所述的全息投射装置，其特征在于选择重现的比率和屏幕(14)的尺寸使得衍射级的周期持续出现在屏幕(14)外。

9、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于其包含位置探测系统(20)，用于探测位于观察者平面(18)的至少一个观察者在观看再现场景时眼睛位置的变化。

10、根据权利要求9所述的全息投射装置，其特征在于其包含至少一个偏转元件(21)，用于根据观察者眼睛位置的变化追踪观察者平面(18)内的至少一个虚拟观察窗(17、17R、17L、31R、31L、32R、32L)。

11、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于包含至少一个用于场景的彩色再现的分光元件(25)。

12、一种用于场景的全息再现的方法，其中至少一个光源用充分相干光照射至少一个含有调制元件的二维光调制装置，其特征在于扫描元件(5、60)仅一个接着一个地扫描二维光调制装置(3)的调制元件(4)的一维排列，以便产生多个一维波阵面，其中借助一维波阵面连续产生含有再现场景所需信息的波阵面，然后再现场景。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于由光源(2)发出并被光调制装置(3)每调制元件(4)的一维排列调制的光的傅立叶变换(FT)始终被投射到用作屏幕的光学元件(14)。

14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于被连续扫描的调制元件(4)的一维排列的傅立叶变换(FT)被投射到光学元件(14)的不同位置。

15、根据权利要求13所述的方法，其特征在于至少一个光学元件(14)将经光调制装置(3)调制的波阵面(WF)投射到虚拟观察窗(17、17R、17L、31R、31L、32R、32L)中。

16、根据权利要求12所述的方法，其特征在于扫描元件(60)绕旋转轴线(R)旋转，借此用于扫描的光与扫描系统(AS)的光轴线(OA)等距平行。

17、根据权利要求12所述的方法，其特征在于位置探测系统(20)探测观看再现场景的至少一个观察者的至少一只眼睛的位置。

18、根据权利要求17所述的方法，其特征在于至少一个偏转元件(21)根据观察者平面(18)内观察者眼睛的位置变化，追踪用于至少一个观察者眼睛的虚拟观察窗(17、17R、17L、31R、31L、32R、32L)。

19、根据权利要求12所述的方法，其特征在于为三原色同时进行场景的彩色再现。

20、根据权利要求12所述的方法，其特征在于为三原色连续进行场景的彩色再现。

Claims (20)

1、用于再现场景的全息投射装置，具有至少一个发出充分相干光以产生波阵面的光源，并且具有至少一个含有调制元件并且是二维设计的光调制装置，其特征在于还具有至少一个扫描系统(AS)和一个投射系统(PS)，其中扫描系统(AS)包含至少一个扫描元件(5、60)，其中光调制装置(3)和扫描元件(5、60)相结合使得扫描元件(5、60)发出的光一个接着一个地扫描二维光调制装置(3)的调制元件(4)的一维排列，其中扫描系统(AS)被设计为连续产生含有再现波阵面所需信息的波阵面，其中投射系统(PS)被设计为随后再现场景。

2、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于该全息投射装置是变形设计，也就是在两个相互垂直的方向显示出不同的放大倍数。

3、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于扫描系统(AS)包含至少一个光源(2)、至少一个光调制装置(3)、扫描元件(5、60)和投射元件(6、7、8、9、9’、10、61)，从光传播方向看，扫描系统(AS)置于投射系统(PS)前面。

4、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于投射系统(PS)包含屏幕(14)和投射构件(15、22、23、29、30)。

5、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于扫描元件(5、60)偏转的光与光轴线(OA)成角度地照射到光调制装置(3)，其中光线和光轴线(OA)之间的距离根据调制元件(4)的哪一个一维排列在被扫描而不同。

6、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于扫描元件(60)具有旋转轴线(R)并可以旋转，使得入射光在通过扫描元件(60)后与光轴线(OA)等距平行。

7、根据权利要求6所述的全息投射装置，其特征在于用于扫描光调制装置(3)的调制元件(4)的一维排列的扫描元件(60)的两个平行表面(O1、O2)被设置为与光线路径成可控制的角度。

8、根据权利要求4所述的全息投射装置，其特征在于选择重现的比率和屏幕(14)的尺寸使得衍射级的周期持续出现在屏幕(14)外。

9、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于其包含位置探测系统(20)，用于探测位于观察者平面(18)的至少一个观察者在观看再现场景时眼睛位置的变化。

10、根据权利要求9所述的全息投射装置，其特征在于其包含至少一个偏转元件(21)，用于根据观察者眼睛位置的变化追踪观察者平面(18)内的至少一个虚拟观察窗(17、17R、17L、31R、31L、32R、32L)。

11、根据权利要求1所述的全息投射装置，其特征在于包含至少一个用于场景的彩色再现的分光元件(25)。

12、一种用于场景的全息再现的方法，其中至少一个光源用充分相干光照射至少一个含有调制元件的二维光调制装置，其特征在于扫描元件(5、60)仅一个接着一个地扫描二维光调制装置(3)的调制元件(4)的一维排列，以便产生多个一维波阵面，其中借助一维波阵面连续产生含有再现场景所需信息的波阵面，然后再现场景。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于由光源(2)发出并被光调制装置(3)每调制元件(4)的一维排列调制的光的傅立叶变换(FT)始终被投射到用作屏幕的光学元件(14)。

14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于被连续扫描的调制元件(4)的一维排列的傅立叶变换(FT)被投射到光学元件(14)的不同位置。

15、根据权利要求13所述的方法，其特征在于至少一个光学元件(14)将经光调制装置(3)调制的波阵面(WF)投射到虚拟观察窗(17、17R、17L、31R、31L、32R、32L)中。

16、根据权利要求12所述的方法，其特征在于扫描元件(60)绕旋转轴线(R)旋转，借此用于扫描的光与光轴线(OA)等距平行。

17、根据权利要求12所述的方法，其特征在于位置探测系统(20)探测观看再现场景的至少一个观察者的至少一只眼睛的位置。

18、根据权利要求17所述的方法，其特征在于至少一个偏转元件(21)根据观察者平面(18)内观察者眼睛的位置变化，追踪用于至少一个观察者眼睛的虚拟观察窗(17、17R、17L、31R、31L、32R、32L)。

19、根据权利要求12所述的方法，其特征在于为三原色同时进行场景的彩色再现。

20、根据权利要求12所述的方法，其特征在于为三原色连续进行场景的彩色再现。

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