CN101563659A - 计算机生成全息图 - Google Patents

Abstract

三维显示装置包括衍射面板(2)，其用于显示计算机生成全息图以及查询表。查询表包括与计算机生成全息图的三维图像重现空间(40)内的多个图像点对应的多个相位条目。装置还包括一个或多个处理器，被配置为将计算机生成全息图在概念上分成一个或多个全息元，并基于相位条目的选择计算至少一个全息元的衍射条纹信息。

Description

计算机生成全息图

技术领域

本发明涉及三维(3D)显示器以及计算机生成全息图(CGH)。

背景技术

多种已知技术用于为观察者提供3D图像的视觉感。但是，只有全息图能够产生具有所有人类视觉系统深度的真正的3D图像，暗示着自然物体被感知为如同已有的。

经典的干涉全息摄影术众所周知。从物体散射的光线与参考光束形成干涉，并且形成能够记录在胶卷上的干涉图案。为了重建图像，记录的干涉图案调制共轭参考光束从而原始波前的拷贝被复制。该波前(wavefront)进一步在空间传播并且给一个或多个观察者整体印象是物体真的存在于空间内。

各种基于计算机的全息摄影术也为众人所知，其中用于形成全息图的物体以数学描述的方式存在。光线的物理干涉被计算适当干涉图案的数学步骤替代。计算的图案通常称为计算机生成全息图(CGH)，并且可被写入任何能够调制光的设备。如果需要可更新的3D图像，那么CGH可被写入可重构衍射面板，如空间光调制器(SLM)。

相干光线追踪(CRT)是计算CGH的一种已知技术。CRT方法实质上实现了3D标量衍射积分，从而模拟光线在常规干涉全息图记录中的传播。计算的核心是从虚拟3D物体上的每个点到形成CGH的每个像素的电场(E-field)贡献的线性和。使用CRT技术以可接受的图像尺寸和视野生成CGH需要许多光线追踪计算，因此具有极高的相关计算量。因此CRT方法并不特别适用于生成快速可更新3D图像。

也可以使用由MLucente在其博士论文“Diffraction specificfringe computation for electo-holography”(M Lucente撰写，MIT电气工程与计算机科学学院，1994年9月)中描述的以及“Computationalholographic bandwidth compression”(M Lucente撰写，IBM系统期刊，1996年10月)中描述的以及“Holographic bandwidth compressionusing spatial sub sampling”(M Lucente撰写，光学工程，1996年6月)中描述的一类所谓特定衍射(DS)算法进行CGH计算。

Lucente描述的DS算法将CGH在空间域和谱域都进行量化。空间量化通过将CGH分成多个区域实现，所述区域被称为全息元(hogel，即holographic element)，其均包含多个像素。每个全息元的频谱也会进行量化，以使得每个全息元具有多个频率元，通称为全息元向量元。提供预先计算好的衍射查询表(LUT)，以将在视见体内将选定的位置或者节点映射到每个全息元以及那个全息元的不同全息元向量元。

使用时，生成待显示3D图像的几何表示，并且对于CGH的每个全息元，根据特定的3D图像从衍射LUT中选定适当的全息元向量元。然后每个选定的全息元向量元乘以针对特定全息元预先计算的基准条纹，将解码条纹的计算结果累加起来产生那个全息元的合成解码条纹。对于每个允许形成完整CGH的全息元重复这一过程。合成3D图像由来自形成CGH的整套全息元的光的衍射生成。

因此Lucente DS算法允许根据所要求的3D图像的分辨率选择存储于衍射查询表内的图像点位置或节点的数量。节点越多，图像分辨率越高，但是产生CGH需要的计算能力越大。以此方式控制节点数，使得能够用图像质量换取处理时间的减少。因此该DS算法能够对CGH的信息内容进行控制从而忽略合成3D图像中不必要的细节(例如，人眼无法察觉的细节)。

尽管与Lucente DS算法相关的计算量比CRT方法小，但仍然发现计算占据了相当大数量的处理能力。尤其，与Lucente DS算法相关的计算量仍然很高，以至于使用可接受水平的计算能力仍然无法生成具有足够分辨率的动态3D图像。

WO02/39194描述了通过为每一个全息元提供替代的衍射表，存储解码条纹信息而不是存储全息元向量元，以减少与DS算法相关的计算量的方法。在这种DS算法中使用这样的预先标定解码条纹信息就意味着用基准条纹解码全息元向量元的步骤并非必需；衍射表存储能够直接写入衍射面板的、完全解码的条纹。这使得CGH生成速度更快，因为与LucenteDS方法不同，解码运算能够离线执行。该技术的缺点是需要大的查询表以保存所有的解码条纹条目。

WO02/39192描述了DS算法的进一步变形，其中使用多点采样技术，这样每个全息元都能够生成曲面波前而不是平面波前。这使得发自单个全息元的波前生成3D图像空间内的至少一点并且/或者允许光学器件内的缺陷或像差被修正或减少。曲面波前的生成也能够增加系统生成图像的质量。

附图说明

现在仅通过举例的方式描述不同的实施例，参考如下附图，其中：

附图1以图表形式表示CGH重现光学器件的几何构成；

附图2以图表形式为全视差系统和水平视差系统表示被分为全息元的CGH；

附图3表示计算CGH的方法；

附图4表示深度量化原理；

附图5表示全息元计算内核方法；以及

附图6表示包括预先计算衍射查询表的CGH系统。

具体实施方式

参考附图1，表示计算机生成全息图(CGH)系统的重现光学器件15。衍射面板2通过傅立叶透镜8在给定衍射锥6内发射一组平面波。平面波通过傅立叶透镜8折射到三维图像空间10内。锥体6决定的平面波最大衍射角限定了图像空间10的尺寸。由于衍射波从衍射面板2对称的辐射，于是也形成了与图像空间10共轭的共轭图像空间12。实际中，共轭图像12通常为被遮光(masked out)的。

附图1仅表示从面板2的两个区域辐射(radiate)的平面波。然而，在实际中，面板2上每个全息元都会辐射这种波。适当的CGH写入到衍射面板2使得观察区域14内的观察者能够在图像空间10内看到真实的3D图像。

附图2以图表形式为被表示为两个不同的衍射面板的全视差系统和水平视差系统示出了被分为全息元的CGH。第一个衍射面板2a实现了全视差系统，第二衍射面板2b实现了水平视差系统。衍射面板2a包括空间量化，CGH被写入到一个全息元2D数组。所示的每个全息元(例如20)在二维空间内均具有多个像素22。全息元2D数组适于执行全视差(FP)系统运算。仅象征性的示出每个全息元内像素的数量(例如20)。实际上每个全息元维度内大约会有2000到4000个像素点。

衍射面板2b包括单水平视差(HPO)系统，其中每个全息元在垂直方向仅有一个像素，在水平方向具有大约2000到4000个像素。因此HPO系统可以设置为提供仅在水平方向衍射的条纹图案，而在垂直平面具有与常规，非衍射图像相似的图像信息，例如可以在标准非衍射显示器上进行显示。这样减少整体像素数目，因此计算更快。该方法受到本领域技术人员青睐，不同的实施例也可以在单垂直视差或者不同数量的水平垂直视差系统内实施。

附图3表示计算CGH的方法。在运算30，为每个全息元执行深度表计算(DTC)。DTC步骤将重现系统的3D图像空间分成多个深度平面。然后在每个深度平面内计算多个图像点的相位信息。运算30可以离线运算(即，为图像无关和非时间苛刻)并且信息存储在查询表内以备实时使用。

在运算32，使用标准计算机图像渲染技术实现全息元图像生成器(HIG)。待显示三维图像被分割为各个全息元显示的颜色和深度信息。

在运算34，全息元计算内核(HCC)为HIG运算32所生成的图像中每个非零颜色像素生成(对于每个全息元的每个深度平面)相位信息。然后在变换数据与预先计算的DTC相位信息逐点相乘之前，对给定深度平面的颜色图像执行傅立叶变换。可累加所得结果形成全息元并且在每个深度平面重复运算。

参考附图4，示出了深度量化原理。可使用深度量化产生或者计算查询表。系统的衍射面板2被分为多个全息元，以完成上述类型的单水平视差方案。为了清晰，附图4并没有表示任何用于从写入到衍射面板的2D CGH图案中重现3D图像的重现光学器件。

为了生成查询表，虚拟3D图像空间被分成多个深度平面40。DTC运算30确定了相位因子，相位因子和如下要详述的HCC中生成的FFT一起将复杂平面描述投射到图像空间内的规定深度。换句话说，LUT用于将信息存储在相位因子上，相位因子可用于将从CGH的全息元重现的图像点从傅立叶平面变换到经过计算的深度平面。

在不同的实施例中，3D图像点的深度平面相对于CGH渲染平面计算，CGH渲染平面位于观察者空间内的光学再现系统形成的CGH数据平面图像所在的平面。这里我们习惯使用f区分系统傅立叶平面和CGH渲染平面之间的距离，使用z指定从CGH渲染平面到制定图像点的距离。

运算30中使用的二次方相位因子具有两个分量；改变视深平面的二次方相位因子和调整执行离轴FFT(即，为置于远离系统光轴处的全息元)所形成偏斜的线性相位因子。因此相位角(θ)可以表示为：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\frac{1}{z}-\frac{1}{f}){\mathrm{\Δ}}_2-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\frac{1}{z}-\frac{1}{f})\mathrm{\Δ}\·\underset{\‾}{p}$

其中Δ为像素偏置，注意Δ＝dx+dy并且Δ₂＝dx²+dy²；λ为波长，dx为CGH渲染平面的全息元上的有效像素X尺寸(dimension)，dy是CGH渲染平面的全息元上的有效像素Y尺寸，而p表示全息元中心相对于光轴的位置。再次参考附图2b，示出了dx，dy和p。根据前面所示，f表示傅立叶平面与CGH渲染平面之间的距离，并且z表示从CGH渲染平面到制定图像点的距离。

因此DTC运算30生成的查询表对于图形内每个平面的每个像素都有一个相位条目。因此对于给定的图像点数目，查询表包含与DS算法相比明显少的条目，而在DS算法中LUT包括，例如，对于3D图像空间内每个点的全解码衍射条纹。如前所述，Lucente DS技术使用包含3D图像内需要后续解码的每个点全息元向量元列表的查询表。尽管在WO02/39194中描述的方法减少了计算CGH所需的计算量，它使用包括了一套3D图像内每个点的全解码衍射条纹(即，写入到全息元的每个像素内的信息是用于再现所需的衍射条纹)的查询表。

查询表容量相比DS算法的减小，可以通过如下示出：考虑侧面分辨率为2048个像点(给定深度平面的空间分辨率)，1024条全息线(图像列)，128个量化深度表面以及具有4096个侧面全息元像素点的单水平视差CGH。对于WO02/39194中描述类型的DS算法，查询表的容量由图像点数目，深度平面数目和每个图像点的条目数量的乘积决定。因此具有1×109个条目(即2048×128×4096)的LUT用于上面给出的CGH实例。在一个实施例中，这里公开的LUT仅包括512×10³(即，2048×128×2)。因此2048因子降低了LUT的容量。

可以离线计算查询表，查询表也可以存储用于HCC运算34中的后续应用，参考附图5如下更细节的描述查询表。

全息元图像(HIG)运算32可用于将3D图像数据(例如，来自计算机辅助设计包)转换成适用于HCC运算34的后续使用的形式。HIG运算32可能包括一计算颜色和深度信息的渲染运算，使用光线追踪器或光栅(rasteriser)实现。可以根据CGH上的每个全息元渲染图像，其中基于傅立叶CGH系统产生的可用图像空间为每个全息元定义截头锥体。换句话说，CGH的最大衍射角为每个全息元定义了一个截头锥体。

对于每个全息元，HIG的输出包括用于n个互相间隔δ_z的深度平面中每一个上的一套二维图像点。换句话说，由每个全息元显示的3D图像可被分成在不同深度平面上的若干个图像片段。应当注意深度平面之间的间隔不必一致；即，深度平面的间隔可依据特定的应用。3D图像分成的深度平面可与运算30的DTC中所用的深度平面相对应，从而生成查询表。

渲染图像的空间分辨率可以变动，对于HPO配置，不能超过全息元内侧面CGH像素数量的一半。FP系统的情况下，空间分辨率不能超过全息元内像素总数的一半。但是，在某些包含全视差的实施例中，空间分辨率不超过全息元内垂直CGH像素数量的一半或者不能超过侧面像素的数目。

对于简单图像，可使用初始渲染产生包含3D图像中每个像素的颜色和深度信息的图像缓冲器和深度缓冲器。可进一步量化深度，并且生成每个深度平面的颜色缓冲器。对于更复杂的图像(例如能够透过半透明表面聚焦)，可采用为每个深度平面生成颜色缓冲器的渐进的方式(例如，从前到后)对场景进行渲染。

参考附图5的流程图，表示了附图4中全息元的计算内核(HCC)运算34如何以深度分类图像缓冲器的形式从HIG运算32中取数据。然后，该数据参考附图4的DTC运算30中生成的查询表被转换为写入每个全息元的信息，从而建立能够衍射光线以产生所需3D图像的CGH。

在一实施例中，HCC运算34包括第一子运算50，为第一全息元的第一深度平面取由HIG运算32进行计算的图像点。然后将相位数值与每个非零图像点关联(子运算52)并且将结果进行傅立叶变换(子运算54)从而产生重现第一全息元深度平面内图像点的衍射信息。然后衍射信息与来自深度查询表的适当相位值逐点相乘(子运算56)，这样待显示的图像点将在指定的深度平面重现。将第一深度平面的衍射图案收集到第一全息元后(子运算58)，对全息元的深度平面内其他点重复上述运算。

用于生成全息元CGH的运算，可以不依赖其他全息元的计算而执行。换句话说，一个全息元的计算能够与其他全息元的计算同时进行。因此整个计算可基于全息元作并行流水。可替换地，如果计算速度不成问题，则该过程可以为每个全息元连续重复。

这里不同实施例中所述的LUT可能比用于WO02/39194中所述的具有2048个像点侧面分辨率(给定深度平面的空间分辨率)、1024条全息线(图像列)、128个量化深度表面以及4096个侧面全息元像素点的单水平视差CGH的LUT小2000多倍。

一实施例中，每个全息元的累加计算量对于不透明几何形状可被估计为大约13×10⁹。这是通过将FFT计算量与逐点相乘计算量(也即，(11×8192)+8192)的和，与深度平面数(128)和行数(1024)相乘而计算得的。WO02/39194公开了大约6×10⁹次计算；也即，可见图像点的数量(如果假设70％的填充比，则是1434)、每点的条目数(4096)和行数(1024)的积。在某些实施例中，可采用比WO02/39194多出两倍还多的累加计算量来为CGH全息元计算衍射数据。

在透明几何结构而不是不透明几何结构的情况下，计算量可以是不变的，为大约13×10⁹。如果假定保持70％的像素填充比，并且43％的像素具有透明成分，DS算法需要8×10⁹次计算为产生全息元的CGH。这种情况下，HCC运算34的计算量只比DS算法的计算量大约大1.4倍。

但是，全息立体照相模式(即，全空间分辨率的一深度平面)下运行的一实施例可以将每个全息元的累加计算量与DS算法相比减少为1/80。也可将计算量与DS技术相比减少到1/40，以产生重现体数据的CGH(13×10⁹计算量，与550×10⁹计算量相比)。

为每个全息元的累加量所作的上述估计假定为每一行执行全FFT。假设一半图像会是空白的(考虑到共轭)，可以仅使用一半数据平凡地(trivially)执行全FFT。并且由于给定平面内大多数颜色缓冲器是空白的，因此使用稀疏FFT将能够更加节约。

在非透明或透明几何结构中，使用平凡稀疏FFT能够将每个全息元累加量从13×10⁹减少到大约6×10⁹。对于非透明几何结构，累加量可与DS技术的累加量大约相同。对于透明几何结构，实际计算量比DS技术少大约1.3倍。

平凡稀疏FFT的使用也能够用于将在全息立体照相模式下描述透明几何结构所需的累加量从1×10⁸减少到大约5×10⁷，比DS算法的全息元累加量减少大约160倍。在全容积几何结构(full volumetric geometry)的情况下，使用稀疏FFT也能够减少累加量，从大约13×10⁹到6×10⁹；与DS算法相比计算量减少90倍。

在交互式CGH系统内实际应用的计算结构设计时，由三个主要的实现问题需要考虑，即：(a)任何LUT的大小，(b)基本计算量以及(c)实施实时最优化以在动态情况下减少所需计算量的能力。

关于问题(a)，对较小的LUT的需求意味着，即计算节点无需被锁定到单个全息元处理流水线之中。因此如像素点优先化技术能够更有效的用于计算架构，并且计算资源可以动态的从一个全息元处理流水线移动到另一个全息元处理流水线。在DS技术中，非常大的LUT限制这种方案的实际实施。此外，较小的LUT能够使用对存储器需求降低——例如使用FPGA或显卡的、较稀疏的计算节点执行计算。以前，这种硬件的使用由于需要大的LUT而不实用。

关于问题(b)，不同的实施例可能，在某些情况下，具有比DS方法更高的计算量。但是，作为一般规律并且对于透明表面几何结构，当提供大约80个深度平面时，不同的实施例具有与DS技术大致相同的计算量。在某些情况下，计算量大大减少。也可使用不同的技术(例如，稀疏FFT)来进一步减少计算量。

最后，关于问题(c)，在DS技术中，全息元点产生的图像点数目控制了计算量。但是，在此处公开的不同实施例里，深度平面的数目控制了计算量。

对于用DS技术实现的实时优化，通常减少图像点数目(如侧面空间分辨率)来实现足够快速的刷新。但是，根据这里公开的不同实施例，深度分辨率可以在维持侧面空间分辨率的情况减少。通常深度分辨率的减少与侧面空间分辨率的减少相比很不明显。因此，计算量可以在更广的数值范围进行调节，使得实时系统在更大的自由度下实施。

图6说明了一种CGH系统，包括一个预计算的衍射查询表60，再现光学器件例如图1中的再现光学器件15，以及一个或多个处理器例如处理器62和处理器64。

在一个实施例中，一种生成CGH的方法包括：将CGH分成一个或多个全息元，并计算其中至少一个全息元的衍射条纹信息。计算其中至少一个全息元的衍射条纹信息包括参考预先计算的查询表(LUT)。LUT包括多个与CGH的三维图像再现空间内的多个图像点相应的相位条目。

参考LUT生成的CGH包括相应CGH的3D图像再现空间中每个图像点的相位条目。LUT是独立于图像的，因而能够预先计算。待要在CGH的3D图像再现空间内再现的图像通过参考LUT选定适当的图像点构建。

不同实施例的LUT，对于给定图像点数目，比DS技术的LUT在大小上小得多。例如，WO02/39194方法中使用的LUT为3D图像空间内的每个潜在图像点存储衍射条纹信息。每个图像点存储的衍射条纹数据可包括几千个数据(即，用于再生全息元的计算衍射条纹图案的足够信息)。Lucente DS技术中LUT的全息元向量元条目与WO02/39194的解码条纹数据大小几乎相同，但是需要执行计算量较高的解码步骤以产生衍射条纹信息。与此相反，这里公开的示例LUT对每个图像点仅包含一个单独的相位值(即，具有实部和虚部的条目)。

可存储于较小LUT且可在CGH计算中被访问的数据量大大减少。这样能够减少CGH计算时间，并且也允许在“更稀疏”的运算节点执行计算从而减少存储器需求。例如，现场可编程逻辑门阵列(FPGA)或者显卡将具有足够的存储空间存储用于CGH计算的LUT。因此，实施这里公开的不同的实施例，能够比执行DS方法相关的成本和技术复杂度更低。

与位于一个或多个CGH的三维图像再现空间内的多个图像点与多个相位条目对应。换句话说，CGH的三维图像再现空间能够量化为深度平面。深度平面的数量用于确定图像的深度分辨率，而深度平面内图像点的数量用于确定侧面分辨率。

减少深度平面的数量，同时保持每个深度平面的图像点数量，能够减少与CGH再现相关的整体计算量，而无需减少侧面分辨率。在动态3D显示系统(即，要求更快计算时间的系统)中，相比侧面分辨率的减少，人眼对深度分辨率的减少具有较低的敏感度。

在不同的实施例中，可以很容易的进行修改柔性CGH再现方法以适应特定的应用系统需求。CGH可以分为两个或多个全息元。可为一个，或者仅数个形成CGH的全息元计算衍射条纹信息。

全息元的衍射条纹信息可以与CGH的其他全息元衍射条纹信息分开进行计算。所以，可并行地执行计算(例如，通过多计算机节点)来确定两个或多个全息元中每个的衍射条纹信息。此外，每个全息元较小的LUT需求意味着计算节点无需严格锁定在单个全息元处理流水线内，并且计算资源能够从一个全息元处理流水线移动到另一个。

两个或多个全息元被虚拟分为第一子集和一个或多个更多的子集。然后在计算一个或多个更多子集之前计算第一子集衍射条纹信息。相对CGH的三维图像重现体确定观察者位置，其中确定的观察者位置用于选择包含在第一子集和一个或多个更多子集内的全息元。

所谓的像素优先化技术用于在执行其他全息元的计算之前计算全息元第一子集的衍射条纹信息。采用这种方式，3D图像的某一方面可以在图像的其他方面之前进行计算。像素优先化允许，在动态系统内，在图像的某一视图或者多个视图显示的同时计算图像的其余视图(或者其他优选视图)。

小的LUT进一步使得像素优先化更加有效的用于计算架构。大的LUT限制了这种方案的实际实施。应当注意的是，对于非时间苛刻应用系统或者对于有限的可用处理资源，对每个全息元的计算可以串联执行。

至少一个全息元的衍射条纹信息计算包括渲染运算，将待显示的图像表示转换为一个或多个深度量化图像片段。因此，待显示图像，或者所谓的虚拟图像，在深度上进一步量化。例如，待显示3D图像在多个深度平面的每个内由2D图像进行数学描述。每个图像片段可由与CGH三维图像重现空间内的深度平面相关的渲染运算生成，相位条目存储于LUT内。

执行快速傅立叶变换(FFT)将每个深度量化图像片段转换为衍射条纹信息，其中所述衍射条纹信息随后与LUT的相位条目逐点相乘，因此每个图像片段在CGH的3D图像再现空间内所需深度平面上重现。

如上所述，待显示的图像可以分割成一个或多个深度量化图像片段。对一个图像片段进行FFT得到在光学再现系统内的傅立叶平面上重现特定2D图像片段的衍射条纹信息。但是，如果FFT步骤产生的衍射条纹信息与存储于LUT中的适当相位条目逐点相乘，二维图像片段将会在CGH再现空间内一个给定的深度平面上再现。LUT的条目可以用来将分散在傅立叶平面上的图像片段中的每个点变换到设备的3D图像再现空间内的计算深度平面。用这种方式，一个3D图像可以用再现大量2D图像片段的方法进行再现。

采用稀疏FFT对每个深度量化图像片段实施FFT。计算可以通过只对特定图像片段里的非零亮度图像点进行而得以简化。如果共轭图像不被渲染，与FFT相关的计算量会进一步减小。本领域技术人员也将识别可用的多种替代变换。

每个全息元可以包括多个像素。CGH可以分解成很多个全息元，经过布置允许再现图像在单个平面上有视差。仅有水平(或竖直)视差的CGH可以通过合理地选择定义全息元的像素来生成。此外，CGH也可以容易的分解成很多个全息元，使得全视差的3D图像可以再现。专业技术人员会意识到也可以选择全息元从而提供所需的不同数量的水平和垂直视差。

计算的CGH经过设置在一深度平面上再现2D图像。采用这种方式，CGH可用于显示2D图像。这种方式允许，在采用该方法的动态显示系统应用情况下，显示2D图像。2D图像计算比全3D图像的处理能力要求小得多，因此可以快速更新，可能实现实时更新。

不同的实施例中，包含在LUT内的相位信息首先使用偏斜因数(skewfactor)计算每个全息元素，从而补偿与CGH再现系统的光轴相对的全息元位置。

设置LUT使其包含多于一个波长的相位条目。例如，LUT可能包含单色信道，红色信道，绿色信道和蓝色信道的相位条目。这样能够按照要求显示来自CGH的单色图像或彩色图像。LUT尺寸的减小使得系统更容易实施；大的LUT使系统设置变得不实际。

可提供计算机程序载体来存储用于实施这里所述运算的计算机程序。例如，使用CD-ROM，软盘，磁带，硬盘或者可编程ROM。提供计算机系统来运行用于实施这里所述运算的计算机程序。计算机系统可以包括单个计算机或者通过网络联接的多个计算机节点。网络的不同节点可处于同一位置或者处于不同位置。如前所述，不同的全息元运算可以独立进行，使得能够执行多重并行运算。

计算机生成全息图(或者这一CGH的至少一个全息元)在物理介质上存储衍射信息，从该物理介质上图形能够直接光学再现。例如CGH，或者它的一部分，被写入照相底片或者使用电子束蚀刻等方法将其蚀刻到介质内。或者，CGH也可以存储为电子数据(例如，在硬盘，CD-ROM，软盘或者计算机存储器内等)，随后写入适当的衍射面板。形成至少部分CGH的电子数据也可以通过计算机网络中转或者暂时存储在服务器上。

三维显示设备可包括用于显示计算机生成全息图(CGH)的衍射面板和CGH运算装置。运算装置经设置将CGH在概念上分为一个或多个全息元，并且计算全息元中至少一个的衍射条纹信息。可进一步设置运算装置用于存储查询表(LUT)，查询表包括与CGH三维图像再现空间内多个图像点对应的多个相位条目。

3D显示可进一步包括显示计算的CGH的衍射面板。在不同实施例中，术语“衍射面板”用于描述能够被编程为在衍射信息写入其上之前或之后以受控方式衍射光线的面板(例如，空间光调制器)。一旦衍射信息写入到衍射面板上，衍射面板即可互换的称为CGH。

相干辐射源可设置为照亮衍射面板。例如，提供一激光器或多个激光器。彩色系统情况下，激光具有不同波长。

再现光学器件可设置在衍射面板和CGH的三维图像再现空间之间。例如，参考附图1所述的光学器件可以实施。专业技术人员也充分意识到能够使用的大量不同的可替代再现光学器件。

衍射面板包括至少一个可重构空间光调制器(SLM)。如果具有足够高的分辨率，可以使用单个SLM。或者，提供多个SLM。例如，在彩色图像显示系统内为每个彩色信道提供单独的SLM。

至少一个可重构空间光调制器可为电寻址空间光调制器。例如，提供液晶或微镜SLM。SLM可为反射型或者透射型。

至少一个可重构空间光调制器也可为光学寻址空间光调制器(OASLM)。使用前面US6437919以及WO00/40018中所述的Active

系统可以将CGH方便地写入到OASLM。这个配置尤其适用于提供高像素数的衍射面板——其允许高分辨率的3D图像再现。

Claims (36)

1.一种方法，包括：

将计算机生成全息图分成两个或多个全息元；

参照预先算好的包括了与CGH的三维图像再现空间内多个图像点对应的多个相位条目的查询表；以及

采用一个或多个相位条目计算全息元中至少一个的衍射条纹信息。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将CGH的显示图像表示转换成一个或多个深度量化图像片段。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：

将每个深度量化图像片段转化成衍射条纹信息；以及

逐点地将衍射条纹信息与查询表的相位条目相乘，以使得每个深度量化图像片段可以在相关的深度平面上再现。

4.根据权利要求3所述的方法，其中深度量化图像片段内只有非零图像亮度点转化成衍射条纹信息。

5.根据权利要求3所述的方法，进一步包括减少显示图像的多个深度平面来减少CGH的计算量。

6.根据权利要求2所述的方法，其中单个深度量化图像片段再现为一个深度平面上的二维(2D)图像。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将CGH分成多个全息元从而允许图像在单个平面内再现时有视差。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，使用偏斜因数对每个全息元进行相位条目计算，以便补偿其与CGH的光轴相关的全息元位置。

9.根据权利要求1所述的方法，其中LUT包括具有一个或多个波长的单独相位条目。

10.一种三维显示装置，包括：

衍射面板，用于显示计算机生成全息图(CGH)；

查询表(LUT)，包括多个与CGH的三维图像再现空间内多个图像点对应的相位条目；以及

一个或多个处理器，被配置为用来将CGH在概念上分成一个或多个全息元，并且基于相位条目的选择来计算其中至少一个全息元的衍射条纹信息。

11.根据权利要求10所述的装置，进一步包括一相干辐射源，被安排为照亮衍射面板。

12.根据权利要求10所述的装置，进一步包括位于衍射面板和CGH三维图像再现空间之间的再现光学器件。

13.根据权利要求10所述的装置，其中衍射面板包括至少一个可重构空间光调制器(SLM)。

14.根据权利要求13所述的装置，其中至少一个SLM为电寻址空间光调制器。

15.根据权利要求13所述的装置，其中至少一个SLM为光学寻址空间光调制器。

16.根据权利要求10所述的装置，其中CGH的显示图像的表示由一个或多个深度量化图像片段构成。

17.根据权利要求16所述的装置，其中深度量化图像片段中的一个动态地被再现为一个深度平面上的二维(2D)图像。

18.一种系统，包括：

用于显示计算机生成全息图(CGH)的装置；

用于存储多个与CGH的三维图像再现空间内多个图像点对应的相位条目的装置，其中CGH被分为一个或多个全息元；以及

用于基于相位条目的选择来计算一个或多个全息元衍射条纹信息的装置。

19.根据权利要求18所述的系统，其中相位条目包括实部和虚部。

20.根据权利要求19所述的系统，其中相位条目包括每个图像点的单个相位值。

21.根据权利要求18所述的系统，其中多个图像点分布在三维图像再现空间内的一个或多个深度平面上。

22.根据权利要求21所述的系统，其中CGH的显示图像的表示包括一个或多个深度量化图像片段。

23.根据权利要求22所述的系统，其中深度量化图像片段中的一个动态地被再现为一个深度平面上的二维(2D)图像。

24.一种计算机可读介质，其上存储指令，其中当指令由至少一个设备执行时，指令可被操作，以便：

将计算机生成全息图分成两个或多个全息元；

参照预先算好的包括了与CGH的三维图像再现空间内两个或多个图像点对应的两个或多个相位条目的查询表；以及

根据一个或多个相位条目的选择来计算全息元中至少一个的衍射条纹信息。

25.根据权利要求24所述的计算机可读介质，其中两个或多个图像点位于CGH的三维图像再现空间内一个或多个深度平面上。

26.根据权利要求24所述的计算机可读介质，其中指令进一步可操作，以便单独确定两个或多个全息元中每一个的衍射条纹信息。

27.根据权利要求24所述的计算机可读介质，其中指令进一步可操作，以便将两个或多个全息元分成第一子集和一个或多个其它子集，其中在计算所述一个或多个其它子集的衍射条纹信息之前计算第一子集的衍射条纹信息。

28.根据权利要求27所述的计算机可读介质，其中指令进一步可操作，以便根据相对CGH的三维图像再现空间的预定观察者位置选择第一子集。

29.根据权利要求24所述的计算机可读介质，其中LUT存储于现场可编程门阵列。

30.一种系统，包括：

衍射面板；

查询表(LUT)，包括计算机生成全息图(CGH)的图像再现空间的相位条目；

处理器，适用于将CGH的图像再现空间转换为一个或多个深度量化图像片段，其中单个深度量化图像片段再现为二维(2D)图像。

31.根据权利要求30所述的系统，其中处理器进一步适用于将单个深度图像片段转换为衍射条纹信息。

32.根据权利要求31所述的系统，其中处理器进一步适用于将衍射条纹信息逐点与LUT的相位条目相乘，这样深度量化图像片段在相关深度平面上再现。

33.根据权利要求30所述的系统，其中相位条目与CGH的图像再现空间内图像点对应。

34.根据权利要求33所述的系统，其中相位条目包括每个图像点的单个相位值，包含实部和虚部。

35.根据权利要求30所述的系统，其中处理器进一步适用于将CGH分为两个或多个全息元。

36.根据权利要求35所述的系统，其中处理器进一步适用于使用一个或多个相位条目计算全息元中至少一个的衍射条纹信息。

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