CN101611355A - 具有光波追踪装置的全息重建系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有调整调制波前的传播方向的光波追踪系统的全息投影系统。本发明的目标是提供一种可调整的光波追踪系统，该系统将调制光波与一个或多个观察者的所需要的眼睛位置对齐并且跟随观察者的移动。重现系统包含为了全息重建用全息信息调制光波的空间光调制装置。在重建系统中，光波追踪向调制光波的光路径提供所需的传播方向，引导调制光波通过显示屏幕的光离开位置离开重建系统。根据本发明，位置控制装置(CU)根据可调整的循迹反光镜装置(M1)相对于用于反射调制光波(LWmod)的反射方向(DA)和偏转装置(M2)设置可调整的循迹反光镜装置的倾斜，偏转装置(M2)放置在设置反射方向(DA)中，反射光波通过显示屏幕(S)进入所需要的传播方向(DB)。

Description

具有光波追踪装置的全息重建系统
技术领域
本发明涉及具有光波追踪装置(optical wave tracking means)的全息重建系统，如果观察者在观看全息重建时改变他们的位置，该全息重建系统借助于位置控制器和眼睛探测器(eye finder)，将全息重建所在的光轴导向观察者的至少一只眼睛上。本发明不依赖于提供全息信息的方式，其还可以用于允许多个观察者同时观看全息重建视频场景的系统。
背景技术
根据本发明的全息重建系统更适宜利用视频装置、通过全息重建实时显示移动三维场景。该系统包含连续可控的空间光调制装置，该空间光调制装置由全息图处理器用视频全息图序列编码，以便空间地调制能够产生具有全息信息的干涉的光波。由于光衍射效应，调制光波在观察者眼睛前方的外部重建空间、通过局部干涉重建物体光点，在该位置，所述的物体光点光学重建需要的三维场景。表现所有物体光点的整体的光波以直接的方式朝着观察者的眼睛传播，以便一个或多个观察者可以观看到那些场景形式的物体光点。与立体表现(stereoscopic representation)相比，全息表现实现了物体的代换(substitution)。
为了获得令人满意的重建质量，观察者还应当能够在足够大的视野中观看到重建。因此，重建空间必须尽可能大，并且重建的场景的尺寸应当至少是对角线为50cm，与TV和视频表现相似。
然而，利用大尺寸光调制装置的全息重建存在这样的缺点：需要大的衍射角、远高于二维图像表现所必需的分辨率的光调制装置分辨率，正如公知的采样定理(sampling theorem)所描述的那样。这使得对全息重建系统的硬件和软件资源的要求格外地重要——涉及用于编码的全息信息的实时提供的元件，以及用于场景的光学重建的元件。
重建时另一个公知的问题是所需光波在发生干涉之前不受干扰的传播。为了在空间中的原始位置重建物体光点，并且具有正确的光点值，至少部分的干涉光波必须同时到达物体光点通过干涉所要重建的所有位置。这意味着在每一个需要的物体光点的尽可能多的干涉光波中需要空间相干性。
此外，有助于物体光点的光波的波长必须不能显示出由光学装置引起的彼此有差异的任何不可控的路径长度(path length)。
在以下的描述中，术语‘光轴(optical axis)’表示与反射或者折射光学元件的对称轴重合的直线。由全息图处理器以三维场景的全息信息编码的空间光调制装置(Spatial light modulator means)表示‘视频全息图(videohologram)’。用相干光照明的视频全息图与投影装置(projection means)的相互作用导致‘调制光波(modulated wave)’的产生。投影装置确定调制光波的“传播方向”。该传播方向可以通过‘光波追踪装置(optical wavetracking means)’修正。如果光学元件设置在朝向视频全息图的方向上或者如果它们的有效方向朝向视频全息图，它们将被称为‘全息图侧(hologram-side)’，如果它们设置在朝向观察者眼睛的眼睛位置的方向上或者如果它们的有效方向朝向观察者眼睛的眼睛位置，它们将被称为‘观察者侧(observer-side)’。‘可见区(visibility region)’描述了一种空间，该空间设置在观察者侧的眼睛位置，并且表示系统的出射光瞳(exitpupil)，且在该空间中，至少一个观察者的眼睛必须处在观察全息重建的场景的位置。如果如本申请中的情况那样，光波追踪装置追踪调制光波到当前的眼睛位置，‘追踪范围(tracking range)’限定包含可能追踪到的所有眼睛位置的空间。在该主题的技术文献(technical literature)中，这样的投影系统也被称为是具有眼睛追踪的投影系统。
本发明的申请人已经公布了多个用于减小空间光调制装置所需分辨率的解决方案，例如，国际公布号为WO 2004/044659，名称为“视频全息图和用于重建视频全息图的装置(Video hologram and device forreconstructing video holograms)”的申请。
那些解决方案实质上建立在一个一般原理的基础上。用全息信息空间调制的光波在系统外的重建空间重建三维场景，所述的重建空间设置在一个或多个观察者的一只或者两只眼睛前方。重建空间的几何形状一方面通过显示屏幕的离开表面区域确定，调制光波通过显示屏幕的离开表面区域离开重建系统，另一方面，重建空间的几何形状通过光源图像的图像区域确定，该光源图像的图像区域形成可见区，也被称为观察者窗口(observerwindow)，用于一个观察者的至少一只眼睛。表面区域确定锥形重建空间的几何形状，同时还可以编码视频全息图使得物体光点不仅仅出现在显示屏幕的前方还出现在显示屏幕中以及显示屏幕后方。
尽管显示屏幕的离开表面区域应当尽可能的大从而实现大的视野，可见区的区域可以减小到眼睛瞳孔的尺寸从而有效地利用调制装置的分辨率。后者有助于保持调制装置的分辨率为低，并且减少要为全息编码而提供的信息的数量。
根据几何学的描述可以知道：重建空间应当最好是具有尽可能大的顶角的锥形，从而能够在观察者与重建之间的距离增大时显示三维场景的大物体的全部。然而，如果观察者眼睛仅仅是部分地处在可见区内，小的可见区会导致三维重建的能见度的问题。观察者的轻微移动会导致像能见度消失、空间频谱的渐晕(vignetting)或者失真(distortion)这样的效应。此外，对于眼睛处在可见区以外位置的观察者来说，难以找到重建空间的边界。这就是为什么如果观察者移动时，重建空间的位置最好与可见区以及重建本身的位置一起适应到新的眼睛位置的原因。根据公知的解决方案，全息重建系统对眼睛位置的适应通过改变照明光调制装置的照明装置的位置来实现。
因为在小的可见区内观察者可以仅用一只眼睛看到全息重建，所以导向另一只眼睛的第二光波必须提供不同视差的第二重建。因为两个重建空间必须在显示屏幕上具有相同的基准(base)从而确保对两个重建空间的认知(perception)没有偏差，所以它们各自的光波借助于公知的自动立体显示装置(autostereoscopic means)在空间上或时间上交错。空间频率滤波器(Spatial frequency filters)和聚焦装置阻止了调制光波之间的光学串扰(cross-talking)。这样的解决方案已经由申请人在前面提到的国际专利申请和公布号为WO 2006/027228、名称为“编码和重建计算机生成视频全息图的方法和装置(Method and device for encoding and reconstructingcomputer-generated video holograms)”的国际申请中公开。如果重建系统还要允许多个观察者同时观看到不同的重建，将需要附加的调制光波，典型地，每个观察者两个调制光波。这些附加的调制光波可以在空间或时间复用模式中产生。然而，附加的调制光波的提供将不在本申请中涉及。
为了清楚起见，以下的描述主要涉及全息系统的单个光波的对齐。如有需要，重建系统可以以与第一个光波类似的方法调制并引导另外的光波。本发明的思想可以根据实际波数按照需要为此多次应用，这对本技术领域的技术人员来说是显而易见的。当这样操作时，本发明的功能元件最好可以共用于多个调制光波。
在传统的视频和TV投影机中所使用的具有几厘米和更小的屏幕对角线的光调制器尤其适合高分辨率、快速的光调制。与前面提到的重建空间的几何形状以及小的可见区相结合，它们的小尺寸还减少了必须为每一个视频全息图提供、寻址并且编码的全息单元的数量。这样大大减轻了用于每一个单独的全息图的计算负载，以便可以使用传统的、更少花费的计算设备。此外，如果光调制装置具有较小的尺寸的话，可以更容易地实现用能够产生干涉的光对光调制装置进行照明。为了实现前面提到的重建空间的几何形状，重建系统最好设计为在重建前光学放大调制光波的投影系统。
国际公布号为WO2006/119760，名称为“用于场景全息重建的投影装置和方法(Projection device and method for holographic reconstruction ofscenes)”的专利申请公开了一种全息投影系统。现在将参照图1详细描述该系统。
具有能够产生干涉的光的平面波LW照明空间光调制器SLM的整个表面区域，该空间光调制器例如具有不超过几厘米的对角线。在本实施例中，光波穿过透射光调制器SLM。如果相应地修正光排列，也可以使用反射光调制器代替。在任何情况下，调制器都包含由全息图处理器HP用需要的三维场景的全息信息动态编码的调制器单元。该编码的调制器单元因此表现动态的视频全息图。
光学投影系统L以放大的方式将视频全息图投影到聚焦显示屏幕S上的像平面(image plane)IL0中。视频全息图的空间频谱因而在光学投影系统L的图像侧焦平面(focal plane)中形成，该图像侧焦平面还被称为傅立叶平面FTL。
由于它们的矩阵排列，调制器单元空间且等距地调制光波。结果，多个衍射级同时在傅立叶平面FTL中的周期序列中产生，上述多个衍射级以周期性间隔位于不同位置。聚焦显示屏幕S将把所有周期序列投影进入观察者平面OL，并且观察者将用处在可见区外的眼睛看到被称为光学串扰的它们。为了避免这种情况，将孔眼掩模(aperture mask)形式的空间频率滤波器AP放置在傅立叶平面FTL中。所述的掩模通过选择一个衍射级防止串扰，并且聚焦显示屏幕S仅仅将已经通过空间频率滤波器AP的调制光波的空间光谱范围投影进入眼睛位置PEO上的观察者平面OL。观看重建的三维场景3DS的可见区因此在眼睛位置PEO产生。空间频率滤波器AP的图像确定了可见区的几何形状。
在显示屏幕S上成像的全息编码的调制器单元的直径确定了重建空间的另一端。
在图1所示的例子中，显示屏幕S是透镜(lens)。然而，正如上面所阐述的，显示屏幕S的直径与光学投影系统L的尺寸相比应当非常大，因此显示屏幕最好还可以是凹镜(concave mirror)。
与其它公知的系统相反，该全息投影系统需要用全息信息对调制器单元的专门编码。用视频全息图编码调制器单元使得三维场景3DS的重建通过干涉仅出现在光波路径的一部分，在该部分放大且聚焦的光波已经通过显示屏幕S离开重建系统。这使得可能在光波传播过程中较晚出现的光程差，其例如由于不同的路径长度而产生，在编码调制器单元的时候已经纳入考虑。
所描述的投影系统还在固定重建空间中重建三维场景3DS，并且如果观察者的一只眼睛处在非物理性可见的可见区，该场景才是可见的。仅依靠该投影系统，在重建系统前对全息重建的可见度没有损失或限制地无限移动也将是不可能的。
如果观察者移动，位置控制装置必须追踪重建空间以及调制光波到各个观察者眼睛的眼睛位置，使得重建空间末端的可见区总是在眼睛位置的后面开始并且重建的场景总是保持可见而没有任何限制。为此，图1所示的投影系统包含公知的眼睛探测器，其检测准确的眼睛位置并且借助于位置控制器将可见区控制到新的眼睛位置。这样的解决方案通过EP 0 946066号专利文件为公众所知。
对于逼真的全息重建来说，当追踪调制光波时，提供到调制装置的全息代码(code)也可以适应当前的眼睛位置，因为如果观察者位置改变，实际上朝向三维场景的物体的空间排列的视角以及它们的可见度也发生变化。根据眼睛位置，处在不同深度的场景的各个物体细节由于细节的重叠的改变以及/或者观察者距离的改变而可以可见或者不可见。
然而，在简化的全息表现中，物体细节的可见度对当前眼睛位置的适应性可以忽略。
由于显示屏幕的尺寸和重量，通过改变整个重建系统的位置从而追踪几乎不可行。因此发明人已经在申请号为DE 10 2006 024 092.8的德国专利申请文件中提出借助于邻近聚焦显示屏幕设置的电控制偏转单元(electronically controllable deflection unit)在对应于观察者眼睛的位置引导调制光波。然而，在材料来源和费用方面，这需要很大的努力，因为偏转单元必须与显示屏幕差不多一样大，因为其设置在邻近显示屏幕的位置。如果情况相反，偏转单元DFU设置在邻近投影透镜L的位置，如图2所示，其尺寸将与投影透镜L的尺寸差不多相同，并且偏转单元DFU可以制作得更小因此更加便宜。然而，这需要较大的显示屏幕S，如图2所示，因为由于调制光波朝向眼睛位置PE1倾斜(inclination)，放大的光波总是仅仅通过显示屏幕S的有限部分离开重建系统。然后显示屏幕S的大的部分A0总是保持未使用，因为调制光波的离开位置随着眼睛位置的改变而改变。
然而，如果系统具有小的可见区，以便每一只眼睛需要单独的调制光波，将难于保证这样两个重建空间在显示屏幕上具有相同的基准的解决方案。
图2还表示偏转单元DFU阻止了视频全息图的图像不是直接在显示屏幕S上产生的结果。取而代之的是，其处在倾斜的像平面IL1中邻近显示屏幕S的位置。
因此偏转单元令人满意的功能通常使得对重建系统的光学元件有很高的要求。具体地，光学元件需要具有非常大的直径，这意味着除了明显的材料消耗以外，还将出现难以矫正的像差。
国际申请公布号为WO 2005/062106，名称为“用于在空间中显示漂浮的图像的投影仪器(Projection apparatus for display of images floating inspace)”的申请公开了一种用于在空间中显示漂浮的二维图像的投影装置。该投影装置包含图像显示装置、转动平面镜(pivoted planar mirror)以及固定凹镜。该文件教导：如果凹镜具有椭圆形的形状，则漂浮的图像将在离投影装置较远距离的位置显示。平面镜可以在与投影轴成直角的位置转动，以便当图像离开系统时改变主光轴的角度。漂浮图像的距离、尺寸和视角依赖于椭圆镜的尺寸、其焦距的位置以及通过反射面的相互作用产生的图像显示的位置。由于用二维图像信息调制的光波的光路径的不同布局，前面提到的要求在全息重建的情况下不能得到满足。
申请号为US 2005/0234348，名称为“用于通过将消除了干涉光的反作用的图像投影到观察者视网膜上来显示图像的装置(Apparatus fordisplaying images by projection on retina of viewer with eliminated adverseeffect of intervening optics)”的美国专利文件中，公开了一种“视网膜扫描显示器”，具有二维转动扫描镜和椭圆投影镜的光学扫描系统将每一个原色RGB的强度调制和相位调制的激光光束连续地投影到观察者的视网膜上。图像通过连续像素合成在视网膜上重建。光学扫描系统直接设置在观察者眼睛的前面，并且扫描镜及其两个转动轴设置在椭圆投影镜的一个焦点处，且观察者眼睛的视网膜位于椭圆投影镜的另一个焦点处。因为图像由连续序列的激光光束组成，即由逐像素且逐行的扫描视频图像组成，所以公知技术领域的解决方案不适合通过干涉的全息重建，因为将会干涉的多个光波不会同时得到。那样的解决方案不使用本发明意义上的空间光调制器。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于全息重建系统的可控光波追踪，该全息重建系统通过光衍射以及产生调制光波干涉在至少一个重建空间内全息重建三维场景。在调制光波通过显示屏幕离开重建系统之前，光波追踪将在所需要的一个或多个观察者的眼睛位置引导调制光波并且跟随观察者的移动。重建的场景从任何眼睛位置来看都是可见而没有误差的，并且保持始终如一的质量。
为了保持重建系统的尺寸为最小，光学元件的光学有效表面区域应当尽可能完全的利用，而不考虑眼睛的位置。这意味着调制光波将在显示屏幕上通过不依赖于眼睛位置的、固定位置上的光离开区域离开重建系统。
光波追踪必须引导光波的所有部分通过其光路径，从通过空间光调制装置的调制到重建，使得所有干涉光在与原始场景位置一致的重建空间中的位置达到相干，从而重建所需要的物点而没有几何偏差。
为了实现光调制装置的分辨率的有效利用，重建空间最好显示出明显小于显示屏幕上光离开区域的可见区。因为在这样的系统中，为每一个观察者眼睛调制单独光波，至少提供给一个观察者的重建空间必须总是具有相同的光离开区域，即显示屏幕上对于观察者的两只眼睛的基准一致。此外，为了正确感受重建，两个调制光波必须出现在显示屏幕上的相同区域的几何形状中，且对于观察者的两只眼睛的重建必须尺寸相同。否则如果观察者移动，重建将相对于显示屏幕移动。
这就是为什么对于小可见区和大显示屏幕来说，每一个可见区设置在比可见区本身大数百倍的追踪范围内必须是可能的原因。调制光波的光轴的角度因此可以明显不同于显示屏幕的光轴。这导致各个调制光波部分传播过程中光程长度的偏差和差异以及光波的变形，其必须在重建前得到补偿。
本发明的重建系统借助于空间光调制装置调制包含全息信息的光波，其另外还包含位置控制装置，位置控制装置引导调制光波使其朝向眼睛位置传播。在每一个眼睛位置后面存在提供给至少一个观察者眼睛的可见区。调制光波在全息重建之前在确定位置的光离开区域通过显示屏幕离开重建系统，该确定位置由离开的调制光波的中心平面确定。每一个重建出现在指定的重建空间中。
根据本发明，全息重建系统包含转动的循迹反光镜和倾斜镜装置。循迹反光镜装置具有至少一个转动轴并且设置在调制光波的光路径中。根据描述眼睛位置的位置信息以及由眼睛探测器提供的位置信息，位置控制器控制循迹反光镜装置的倾斜从而与眼睛位置间接地一致。由于所设置的倾斜，循迹反光镜装置将调制光波反射进入眼睛位置具体方向，在该方向设置至少部分的倾斜镜反射面。这意味着倾斜镜装置将从循迹反光镜装置反射来的光波在该光波通过显示屏幕离开系统之前重新定向到朝向由眼睛探测器找到的眼睛位置的传播方向。
循迹反光镜装置最好设置在光学装置实现在空间光调制装置上编码的滤过视频全息图的中间图像的位置。
倾斜镜装置设置在显示屏幕和循迹反光镜装置之间使得视频全息图的另一个图像靠近显示屏幕产生，理想情况下在显示屏幕上产生，以便所有调制光波部分在它们从循迹反光镜装置到显示屏幕的路径中覆盖几乎相同的路径长度。视频全息图的图像与显示屏幕的贴近(closeness)依赖于重建空间中调制光波传播方向与显示屏幕的正交光轴之间的视场角。
这样的反光镜排列具有这样的结果：偏转光波的几乎所有干涉光波的相干状况将保持在重建的位置。同时，视频全息图的图像总是位于显示屏幕上相同的确定的光离开位置。
调制光波的空间频谱最好已经由投影装置上的傅立叶变换产生，并且，由于空间调制而产生的干扰衍射级已经在循迹反光镜装置的位置利用光空间频率滤过装置将其除去。
与投影图像系统中通过转动单独的光束扫描视屏图像从而获得行序列(line sequence)的扫描镜相反，循迹反光镜装置反射整个调制光或者反射其中总是包含显示出相干且包含全息信息的多个光波部分的至少部分片段。
根据本发明简单的实施例，循迹反光镜装置和倾斜镜装置以转动的方式固定，并且除此之外，至少倾斜镜装置以可改变位置的方式固定。然后位置控制器根据调制光波将两个反光镜装置以及光离开位置移动到这样的反光镜位置，即对于所有光波来说从循迹反光镜装置到显示屏幕的光路径长度相同。
为了实现重建系统的紧凑设计，尤其是倾斜镜装置的紧凑设计，倾斜镜装置可以装有凹反射面，使它们与显示屏幕相比，以放大的方式成像视频全息图的中间图像。
位置控制器最好还在凹形轨迹上移动倾斜镜装置，从而模拟具有两个焦点的椭圆的片段。
可以根据倾斜控制的循迹反光镜装置的轴转动点或转动中心必须位于椭圆的焦点处。然后显示屏幕上光离开区域的中心位于椭圆的另一个焦点处。
根据本发明的优选实施例，倾斜镜装置设置在系统中的固定位置，并且它们的表面区域具有这样的尺寸：使得在每一个需要的调整位置，它们的部分反射面总是处在由循迹反光镜装置反射的光的光路径中。为此，倾斜镜装置作为椭圆的片段形成，并且设置转动的循迹反光镜使其中心位于椭圆的一个焦点处。具有光离开位置的显示屏幕在椭圆的另一焦点处。
因此，仅通过改变具有中间图像的循迹反光镜的倾斜，就可以实现通过移动包含具有照明装置的空间光调制装置和光投影装置的整个全息单元所引起的相同的结果。
附图说明
现在借助于若干实施例和附图详细描述本发明的解决方案，其中：
图1：是表示全息投影系统的俯视图(top view)，观察者面部在眼睛位置上。申请人已经在前述介绍部分对该系统进行了描述，并且已经在国际申请号为PCT/DE 2006/000896的专利文件中公开。
图2：是表示具有电控制偏转单元的全息投影系统的俯视图，该偏转单元将调制光的传播方向导向眼睛位置。同样，该系统已经在前述的介绍部分中进行了描述，并且已经在专利申请号为DE 10 2006 024 092.8的德国专利文件中公开。
图3：表示全息投影的原理的透视图，用来说明本发明所解决的技术问题。
图4：表示全息投影系统的侧视图，用来说明根据本发明的普通实施例的可控光波追踪。
图5：表示根据本发明的全息投影系统的优选实施例，位置控制装置仅移动遁迹反光镜装置(tracking mirror means)从而补偿观察者位置的改变。
图6：是根据本发明用于全息投影系统的可控光波追踪装置的另一个实施例的俯视图。
图7：是图6所示本发明的实施例的侧视图。
本发明所解决的技术问题现在将参照图3进行说明。图3所示的系统利用两个前面提到的单独的全息单元用于全息重建。每一个全息单元HUR、HUL包含具有可编码的调制器单元的空间光调制装置，如图1所示，照明装置，其产生能够产生干涉的光，用来照明调制器单元，以及将视频全息图以放大的方式成像到显示屏幕S上的光学投影装置。视频全息图的成像区与显示屏幕S上的光离开区域一致。
全息单元HUR、HUL最好设置在观察者头部上方的观察者平面OL中并且分别沿传播方向DR和DL发射包含全息信息的调制光波。全息处理器(图中未示出)用全息信息编码两个全息单元HUR和HUL的空间光调制装置。两个视频全息图主要在它们的水平视差的信息上有所不同。全息单元HUR、HUL相对于显示屏幕S对齐，使得它们各自的传播方向DR和DL在显示屏幕S上确定光离开位置C的点上交叉。
因为系统实现了在国际公布号为WO/2006/119760的专利文件中公开的一般原理，所以显示器屏幕S作为聚焦反射器出现。反射器将每一个全息单元HUR和HUL的照明装置分别在眼睛位置PER和PEL上的观察者平面OL中成像。这就是为什么在眼睛位置PER和PEL的各自的可见区由两个虚构的矩形区描述的原因。如果使用这个一般原则，就只能通过与各自的观察者眼睛相对应的可见区观看重建。
更加精确地，通过空间频率滤波器AP的每一个调制光波的空间频谱的各个部分的图像如图1所示在那里产生。每一个全息单元HUR和HUL为一个观察者眼睛实现单独的锥形重建空间，锥形重建空间的可见区面向眼睛位置PER或者PEL。每一个重建空间在显示屏幕上开始并且直接在眼睛位置PER或者PEL的前面终止。如果观察者在显示屏幕S前面移动，控制单元CU必须将两个全息单元HUR、HUL的位置改变到相应的位置。因此具有相反方向的两个箭头1和2表示水平运动。因为每一个观察者眼睛将全息表现感知成视差不同的单独重建，所以必须始终将两个全息单元HUR、HUL的光轴设置成使得每个观察者眼睛在相对于显示屏幕S相同的位置感知到“它的”重建。因为光离开区的几何形状取决于眼睛位置PER或者PEL从显示屏幕S的光轴的偏离，所以如果两个传播方向DR和DL在显示屏幕S上、最好是中心光离开位置C中交叉，就满足该条件。
为了保持图示一定的清晰度，图3表示三维调制光波的简化表示。每个光波仅示出一个水平面，表示在两个全息单元HUR和HUL的各自的光轴上的三维波的中心平面。此外，断线和点划线表示光波的垂直中心平面。所有中心平面共有的交叉点确定了显示屏幕S上的光离开位置C。
因为全息单元HUR、HUL以放大的方式将它们的视频全息图在显示屏幕S的几乎整个反射面上成像，所以当观看重建时，所使用的反射面区域确定了最大的可视范围。
如图3所示的实施例，在为多个观察者同时提供全息重建而设计的系统中，在另一个位置需要另一个全息单元。控制单元CU不得不将所有全息单元移动到它们各自由眼睛探测器EP所提供的位置信息形式的工作位置。全息单元在显示屏幕S前方的物理位置改变将会非常困难且成本很高。
现在，本发明所要解决的目标是使用用于追踪的光学装置从而不需要移动全息单元。此外，应当可以找到这样的解决方案，利用该方案少量的全息单元就足以为多个观察者产生并且追踪重建空间。
对于以下描述来说，全息投影系统具有透镜形式的聚焦透射显示屏幕还是聚焦凹透镜形式的聚焦反射显示屏幕，并不重要。就本发明的总体思路而言，两种实施例都可以选择地用于显示屏幕。
现在，记住上面所讨论的问题，图4表示第一实施例，借此对本发明的一般功能原理进行说明。该图示仅表示一个单独的全息单元HU，如下面的说明。该全息单元HU又包含前面已经描述过的元件，用以将用全息信息调制的光波LWmod成像到初始传播方向D0作为视频全息图。然而，与图3所示的实施例相反，全息单元HU设置在根据本发明实施例的全息投影系统中的固定位置。此外，图4是根据本发明实施例的侧视图。这是为了说明追踪过程，以补偿眼睛位置的高度变化为例子。这样的追踪是必要的，例如为了让可见区适应观察者的高度。
根据本发明，在所说明的实施例中，转动的循迹反光镜M1设置在调制光波LWmod中。为了在任何方向追踪调制光波，循迹反光镜M1最好是托住的，使其可以绕着两个彼此垂直的轴转动，并且使其位于具有传播方向D0的调制光波的中心。与扫描装置(scanning device)相反，循迹反光镜M1同时反射有助于干涉进入可控的反射方向DA的调制光波LWmod的任何光，图4仅表示示例性的部分DA0和DA1。
为了防止在光波LWmod传播过程中过渡时间(transit time)的差异，循迹反光镜M1最好设置在无焦透镜系统(afocal lens system)AF发送视频全息图的中间图像的位置。
在本申请中，无焦透镜系统是焦距无穷大的透镜系统，以便其接收准直光波并且再将它们以准直的方式发射。
在本实施例中，循迹反光镜M1与位置控制装置以控制单元CU的形式连接，位置控制装置根据由眼睛探测器(图中未示出)提供的位置信息控制循迹反光镜M1的倾斜。控制单元CU控制循迹反光镜M1的倾斜以及设置在循迹反光镜M1对面的倾斜镜(tilted mirror)M2的位置和倾斜，使得循迹反光镜M1反射调制光波LWmod进入反射方向DA到达倾斜镜M2上，并且倾斜镜M2使调制光波LWmod偏转通过显示屏幕S上的固定共有光离开位置C朝向需要的眼睛位置PEL。因此循迹反光镜M1和倾斜镜M2连同控制单元CU形成根据本发明的偏转系统(deflection system)。
在本实施例中，倾斜镜M2必须设置成使其可转动且位置可变，因此其显示出良好的活动性。
控制单元CU相对于显示屏幕S上的固定共有的光离开位置C移动镜M1和M2，使得满足以下两个条件。
第一，调制光波LWmod从倾斜镜M2反射后朝向眼睛位置PE传播的光轴必须始终通过光离开位置C。
第二，至少通过共有的光离开位置C的调制光波平面的光路径长度保持不变，而不考虑眼睛位置PE。
因为在追踪光波LWmod通过光离开位置C离开显示屏幕S的过程中，不考虑需要的眼睛位置PE，所以当观察者移动时，阻止显示屏幕S的背景前面的全息重建或各个重建物体横向移动。只有这样，全息系统才能对任何眼睛位置利用显示屏幕的整个光学有效的表面区域，而不损耗有效区域。
再者，前一条件对于对每个观察者眼睛都需要单独重建的系统是重要的前提，因为提供给一个观察者的重建总是一致的且具有相同的尺寸。
此外，后一条件减少了需要补偿光学像差(optical aberrations)以及调制光波的光波部分之间的过渡时间差的努力，例如，通过时间改变编码(temporally changed encoding)。
根据本发明，上述条件导致循迹反光镜M1和倾斜镜M2设置在相对于每个眼睛位置PE的共有光离开位置C的位置，该位置由椭圆及其焦点几何确定。
正如普遍公知的，椭圆具有两个焦距并且显示出这样的性质：从一个焦点朝向椭圆的曲线轮廓的光波将从椭圆的任何切线方向反射使得其反射穿过另一个焦点。
借助于图4所示的例子，上述两个条件可以最佳地满足，如果
-控制单元CU根据循迹反光镜M1的倾斜，像椭圆轨迹的切线那样移动倾斜镜M2，
-转动的循迹反光镜M1的中心设置在椭圆的焦点处，以及
-显示屏幕S上的共有光离开位置C设置在椭圆轨迹的另一个焦点处。
为了将调制光波LWmod导向眼睛位置PEL1，例如，控制单元CU改变倾斜镜M2的位置并且转动倾斜镜M2沿着椭圆的轮廓进入反光镜位置(mirror position)PM2。同时，循迹反光镜M1向左转动几度。所有的移动由箭头3、4、5表示。
倾斜镜M2在本实施例中具有球面(spherical surface)。其有这样的优点：其将滤过的视频全息图的中间图像在显示屏幕的附近成像或者进入显示屏幕的附近成像。同时，倾斜镜M2将无焦系统中过滤的空间频谱以中间瞳孔的形式成像到显示屏幕S前面的空间中，中间瞳孔在图4中用词“瞳孔(pupil)”表示。中间瞳孔的位置取决于由光波追踪控制的眼睛位置。聚焦显示屏幕S将中间瞳孔作为出射光瞳成像到与眼睛位置PE1一致的可见区。全息重建出现在在显示屏幕S和眼睛位置PE1之间延伸的锥体中。
然而，根据图4的实施例具有这样的缺点：移动倾斜镜M2需要很大的机械作用力，并且由于机械系统的转动惯量，重建系统的追踪速度受到限制。
基于该缺点，图5表示本发明的改进及优选实施例。大的倾斜镜M21设置在固定位置，使得控制单元CU仅需要移动相对小且重量轻的循迹反光镜M1。倾斜镜M21具有反射面(reflecting surface)RA，该反射面具有足够大的总尺寸，使得在无论循迹反光镜M1如何倾斜、不需要移动倾斜镜M21的情况下，使部分反射面始终位于从循迹反光镜M1中反射出的整个光波的光路径中。
在本实施例中，仅通过改变循迹反光镜M1的倾斜，控制单元CU就能实现移动整个全息单元HU所引起的同样的结果。
为了满足前面提到的第二个条件，倾斜镜M21的反射面RA根据本实施例设计成椭圆的一部分。这意味着该反射面RA也形成将视频全息图的中间图像以放大的方式成像到显示屏幕S的附近的凹镜，该凹镜已经位于循迹反光镜M1上。
由于根据图5的改进的实施例，其中大的倾斜镜M21设置在固定位置，用于不同眼睛位置的独立的重建空间可以在使用单个全息单元HU的时间复用过程中产生。为了实现这种情况，全息处理器用全息序列编码全息单元HU的空间光调制装置的调制器单元，该全息序列交替地包含对应于当前所提供的眼睛位置的全息信息。为了仅引导包含各自全息信息的调制光波到某一眼睛位置，控制单元CU必须仅移动循迹反光镜M1使其在两个角位置之间摆动处于与全息序列同步的状态。由于使用相对小并且重量轻类型的循迹反光镜M1，该改摆动可以以足够的速度进行，使得单个全息单元HU可以在时间复用过程中对于不同的眼睛位置提供全息重建而不闪烁(flickering)。
图6是表示本发明另一个实施例的俯视图。为了清楚起见，以下附图仅表示朝向观察者的眼睛位置PEL和PER的光路径的光轴，而不是全部调制光波。
在本实施例中，倾斜镜M22在所示的X维度具有圆弧形的反射面，所述反射面形成圆的一部分。倾斜镜M22也设置在系统中的固定位置。在该视图中，显示屏幕上的光离开位置C在圆形的反射面的圆心位置。能多方向转动的循迹反光镜M1，例如，可以设置在显示屏幕S上的光离开位置之上或者之下，以便其阴影不扰乱重定向的调制光波的光路径。根据循迹反光镜M1的位置，一个或两个全息单元HUR、HUL(如图6所示)最好还设置在倾斜镜M22之上或者之下，并且指向循迹反光镜M1。
图7是本发明的相同实施例的侧视图，表示全息单元HUL对于循迹反光镜M1、倾斜镜M22以及显示屏幕S的位置的例子。所有光学元件在光路径中以不同的高度排列，使得调制光波总体上以与光轴成一定角度的方式传播。
本发明的该实施例还必须使视频全息图成像到图像平面中，显示屏幕S的光离开位置C处于该图像平面中心。因为对于偏离来说需要固定不变的光路径长度，所以倾斜镜M22必须还具有图7表示的椭圆几何形状。在例子中，光离开位置C也设置在倾斜镜M22较低的焦点F1处，并且循迹反光镜M1的转动轴设置在较高的焦点F2处，倾斜镜M22显示出椭圆的垂直部分的形状。
图6和图7还表示循迹反光镜M2、倾斜镜M22和显示屏幕S之间的调制光波和重定向波的光路径仅沿着用于几个眼睛位置的光学元件的光轴行进。光路径通过光元件的倾斜路线(oblique course)会实质上扰乱调制光波的结构并且必须在系统的光学设计中加以考虑，且在编码过程中，相应地得到补偿。
尽管该重建系统还能够在时间复用过程中提供多个全息重建，但是图6说明了用空间复用方法实现多个全息重建的实施例。为此，该系统包含用于每个观察者眼睛的独立全息单元HUR和HUL。两个单元可以放置在系统中使每一个都根据各自的眼睛位置对应传播方向DL或DR通过反射从共用的循迹反光镜M1和倾斜镜M21中本质地产生独立的重建空间。
根据本发明的又一实施例，光波追踪装置还可以包括另一个倾斜镜或者多个循迹反光镜从而实现紧凑设计。一个或多个附加镜的弯曲形状最好可以在全息重建系统中支持对不同光学路径长度的补偿。

Claims (14)

1、用于重建场景的全息重建系统，包含用全息信息调制光波的空间光调制装置，以及在重建系统中提供调制光波的光路径所需传播方向的光波追踪装置，其特征在于
-位置控制装置(CU)，所述位置控制装置(CU)控制倾斜可控的循迹反光镜装置(M1)，设置在显示屏幕(S)前面的重建系统中，从而控制反射调制光波(LWmod)的反射反向(DA)，以及
-倾斜镜装置(M2)，所述倾斜镜装置(M2)设置在调制光波的控制的反射方向(DA)中，引导反射光波通过显示屏幕(S)进入所需要的传播方向(DB)，并且引导调制光波通过显示屏幕(S)的光离开位置离开重建系统。
2、根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于
-倾斜镜装置(M2)具有拥有两个焦点的椭圆形的凹面，
-循迹反光镜装置的中心(M1)设置在椭圆的焦点处，以及
-显示屏幕(S)具有位于椭圆的另一个焦点处的固定的光离开位置(C)。
3、根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，位置控制装置(CU)控制循迹反光镜装置(M1)和倾斜镜装置(M2)，使得从循迹反光镜装置(M1)到光离开位置(C)的光路径长度保持恒定，而不考虑循迹反光镜装置(M1)对于所有部分的调制光波的设置倾斜。
4、根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，所述全息重建系统具有用于将光源成像到观察者眼睛上的聚焦显示屏幕(S)。
5、根据前述任一权利要求所述的全息重建系统，其特征在于，
-可控循迹反光镜装置(M1)设置在视频全息图的中间图像出现的位置，所述视频全息图的中间图像用全息信息编码，在空间光调制装置上产生，以及
-倾斜镜装置(M2)设置在循迹反光镜装置(M1)和光离开位置(C)之间，使得视频全息图成像到显示屏幕(S)上。
6、根据权利要求4所述的全息重建系统，其特征在于，倾斜镜装置(M2)具有凹反射面以便以放大的方式将视频全息图的中间图像成像到图像平面(IL1)中。
7、根据权利要求4和权利要求6所述的全息重建系统，其特征在于，所述全息重建系统具有产生视频全息图的空间频谱的无焦透镜系统(AF)，设计光波追踪使得空间频谱在显示屏幕(S)前面的全息侧上成像从而形成中间瞳孔，聚焦显示屏幕(S)将中间瞳孔作为系统的出射光瞳成像到观察者眼睛位置。
8、根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，倾斜镜装置(M21)具有反射面(RA)，其尺寸和几何构型使得部分反射面(RA)无论循迹反光镜(M1)如何设置倾斜，始终位于从循迹反光镜装置(M1)反射出的整个光波的光路径中。
9、根据权利要求8所述的全息重建系统，其特征在于，倾斜镜装置(M21)设置在系统中的固定位置，并且具有拥有椭圆部分形状的椭圆反射面(MA)，使得倾斜镜装置(M21)以放大的方式将视频全息图的图像投影进入图像平面(IL1)。
10、根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，
-全息单元(HUR和HUL)中的光调制装置为每一个观察者眼睛产生独立的调制光波，以及
-全息单元(HUR和HUL)相对于循迹反光镜装置(M1)和倾斜镜装置(M22)局部设置，使得无论循迹反光镜装置(M1)如何倾斜，至少指向一个且相同观察者的所有光波的光轴(DL，DR)贯穿显示屏幕(S)上的同一个光离开位置(C)。
11、根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，全息单元(HUR和HUL)中的光调制装置为每一个观察者眼睛产生独立的调制光波，并且每一个全息单元(HUR和HUL)分配有独立的反光镜，位置控制装置(CU)依照相应的观察者眼睛的当前位置控制每一个反光镜的倾斜。
12、根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，所述全息重建系统具有用于用循迹反光镜(M1)以时间复用模式为多个眼睛位置产生独立重建空间的单个全息单元(HU)，所述循迹反光镜(M1)在两个角位置之间摆动处于与全息序列同步的状态。
13、根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，透镜功能在空间光调制装置上编码。
14、根据权利要求1所述的全息重建系统，其特征在于，所述全息重建系统具有用于折叠光波以便减小系统厚度的附加倾斜镜。
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