CN104272198B - 一种在光调制装置中编码全息图的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在光调制装置(4、20、30)中编码至少一个全息图的方法，其编码是逐像素的执行。全息图由单个的子全息图构成，该子全息图被分配给光调制装置(4、20、30)中相应的编码区域，并被分别分配给由全息图重建的对象的物点。此外，通过虚拟观察窗(10、32)，提供定义的观察区域，通过其，观察者观察重建空间(40)中的重建场景。针对每个单独的物点的波前的复值在虚拟观察窗(10、32)中计算。虚拟观察窗(10、32)中的波前的复值的每个单独的振幅随后乘以校正值，通过其，执行至少一个体光栅(8、9、23、24、31)的角度选择性的校正，该体光栅设置在光调制装置(4、20、30)的光路的下游。针对所有物点的以这种方式确定的校正的复值被加和并且被转换至光调制装置(4、20、30)的全息图平面。

Description

一种在光调制装置中编码全息图的方法
本发明涉及一种在光调制装置中编码至少一个全息图的方法，其编码是逐像素的执行，其中，全息图由单个的子全息图构成，该子全息图被分配给光调制装置中相应的编码区域，并被分别分配给由全息图重建的对象的物点，其中，通过虚拟观察窗，提供定义的观察区域，通过其，观察者观察重建空间中的重建场景，其中，针对每个单独的物点的波前的复值在虚拟观察窗中计算，并且该复值中的至少一个值由校正值校正，并且其中，针对所有物点以这种方式确定的校正的复值被加和并且被转换为光调制装置的全息图平面，以便编码全息图。
本发明还涉及一种在光调制装置中编码至少一个全息图的方法，其编码是逐像素的执行，其中，全息图由各个的子全息图构成，该子全息图被分配给光调制装置中相应的编码区域，并被分别分配给由全息图重建的对象的物点，其中，通过虚拟观察窗，规定了定义的观察区域，观察者通过其观察重建空间中的重建场景，其中，重建的对象的每个物点被全息编码在子全息图中，其中，子全息图的振幅由校正值校正，并且以这种方式校正的子全息图被加和在全息图平面中，以便编码全息图。
从之前的申请文件已知，将要呈现的三维场景的三维对象数据被编写为将在光调制装置的编码区域重建的场景的衍射图样。在这种情况下，波前的计算仅针对小的虚拟观察窗执行，其针对观察重建空间中的重建场景的观察者，在观察者平面中建立观察区。虚拟观察窗在这种情况下等于或仅最低限度地大于观察者的眼睛的眼瞳的直径。然而，这意味着虚拟观察窗也可以，例如，是眼瞳的直径的两倍或三倍大。因此，将要重建的场景的物点能够仅在光调制装置的小区域中编码，该小区域由各自的物点定义，作为所谓的子全息图。为了编码子全息图中的物点，计算包含虚拟观察窗的观察者平面中的物点或对象剖面的复合光分布。
所使用的光调制装置可在这种情况下被透射地或反射地形成，其具有作为调制元件的像素配置，其通过中间的空间彼此分开。为了在光调制装置中编码像素的振幅和/或相位，提供一电极排列，其在光调制装置中以这样一种方式形成和配置，即，分别在电极之间形成近乎矩形的自由空间，其作为所谓具有有限范围和恒定的振幅透明度和/或相位透明度的像素。该像素因此具有彼此间的限定的的像素间隔。
然而，像素近乎矩形的配置不利于预定义的虚拟观察窗中的复合波前的范围，因此，虚拟观察窗和光调制装置的全息图平面之间的重建空间中的三维对象的重建，被光调制装置中有限的像素范围的影响而损坏。这意味着，例如，不希望的强度变化可能发生在虚拟观察窗中。如果虚拟观察窗大于眼瞳，那么这种效果是越来越大的。例如，相比于处在虚拟观察窗的中间的观察者的眼瞳的位置，针对在虚拟观察窗的边缘区域中或边缘上的观察者的眼瞳的位置的重建的三维场景可能会显得更暗。换言之，这样的矩形像素孔径和像素透明度具有这样的效果，即，由观察者通过虚拟观察窗感知到的重建三维场景的强度，可能会不期望地从虚拟观察窗的中间向其边缘减少。
解决该问题的技术方案，例如，从本申请的申请人所申请的专利文献DE 10 2006042 467 A1和DE 10 2008 000 589 A1可知。在其中描述了，校正光调制装置的像素透明度对全息装置的虚拟观察窗中的强度分布的影响的方式。
在专利文献DE 10 2006 042 467 A1中执行了校正，针对当实施傅里叶变换时的全息图计算，在将校正的复值加和并转换成光调制装置的全息图平面之前，通过将它们乘以像素形状和像素透明度的变换式的倒数来修改虚拟观察窗中的物点或对象剖面的复值。
为了从物点直接计算子全息图，专利文献DE 10 2008 000 589 A1描述了以这样一种方式执行像素形状和像素透明度的校正，即，子全息图的振幅乘以像素形状和像素透明度的变换式的适当比例的倒数。校正后的子全息图在之后被加和以形成全息图。
为了理解子全息图的计算或全息图在光调制装置中的编码，可参考例如专利文献WO2004/044659 A2，其中，描述了用于视频全息图的重建的装置。本发明的图1示意性地示出了这样的编码，三维对象1由多个物点构建，为了解释编码，仅在此示出了其中的四个物点1a、1b、1c和1d。还示出了虚拟观察窗2，通过其，观察者(在此由眼睛表示)可观察重建的场景。通过作为定义的观察区域的虚拟观察窗2和四个选择的物点1a、1b、1c和1d，金字塔形的主体通过这些物点1a、1b、1c和1d被分别投影，并延续到光调制装置的调制表面3上(未显示更多的细节)。在调制表面3中，其形成了光调制装置中的编码区域，该区域被分配给对象的各自的物点1a、1b、1c和1d，其中，物点1a、1b、1c和1d被全息编码在子全息图3a、3b、3c和3d中。每个子全息图3a、3b、3c和3d因此仅被写入、或编码在光调制装置的调制表面3的仅一个区域中。从图1可看出，根据物点1a、1b、1c和1d的位置，各个子全息图3a、3b、3c和3d可在调制表面3上全部或仅局部地(即，仅在某些区域)重叠。为了编码、或写入，对象1的全息图以如下方式重建在调制表面3中，即上述过程必须通过对象1的全部物点执行。全息图因此由各个子全息图3a,3b,3c,3d,...3n中的多个构成。在光调制装置中由计算机以此方式生成的全息图被与光学系统结合的照明装置(未在此示出)照明以进行重建。
针对这种用于全息图重建的装置的全息图可以，例如，由专利文献DE 10 2004063 838 A1中所述的方法计算。专利文献DE 10 2004 063 838 A1旨在被全部引入于此。然而，根据专利文献DE 10 2004 063 838 A1，也可能在全息图的计算中，针对复值分布的计算，不是将对象剖面转换成虚拟观察窗，而是针对虚拟观察窗中的对象的每个单独的物点，分别计算波前的复值。
用于全息图的计算的另一种方法，其同样由本申请的申请人所公开，是基于透镜功能形式的光调制装置的调制表面中的子全息图的分析计算。
参照图1，在由编码区域定义的全息图的区段中的各个子全息图1a、1b、1c和1d具有基本上恒定的振幅和对应于透镜功能的相位，该振幅的值随物点的亮度和距离而变化，透镜的焦距和编码区域的尺寸随物点的深度坐标变化。在由编码区域定义的区段之外，单个子全息图的振幅的值为0。全息图由所有子全息图1a、1b、1c、1d…1n的复值加和获得。
然而，根据该另一种方法进行全息图的计算时，虚拟观察窗中的波前的复值未被明确地计算确定。该方法因此没有使用傅里叶或菲涅耳变换。该计算因此相比于专利文献DE 10 2004 063 838 A1中所述的方法具有大幅减少计算时间的优点。
在全息装置中，除了光调制装置的上述像素孔径之外，也有可能存在例如其它的光学组件，其可导致对于重建空间中的三维场景的观察者是可见的强度变化。这种组件可以是，例如，体光栅(也被称为体积全息图)。
体光栅是具有吸收系数或任意厚度的折射率在空间周期上的变化的衍射光栅。这意味着体光栅传统地表示三维的栅格构造，其被记录在相比于照明光的波长更厚的介质中。例如玻璃可被用作介质，虽然也可使用其它的材料。体光栅提供这样的优点，即，多个光栅可在连续的介质中分层产生。
此外，体光栅通常由角度选择性判别，这意味着体光栅的衍射效率随入射光的入射角变化。照惯例，该角度选择性通常作为一个有利条件。然而，在某些情况下，体光栅的角度选择性过窄也可对用于三维场景的重建的全息装置产生扰动影响。当体光栅被设置在光调制装置的全息装置下游的光路中时，过窄的角度选择性可以，例如，导致通过体光栅从光调制装置的像素传播至观察者平面中的虚拟观察窗的边缘位置的光比传播至观察者平面中的虚拟观察窗的中间或中心位置的光的透射效率更低。
因此，本发明的目的在于以这样一种方式完善一种在引言部分所述类型的方法，即，使上述问题得以避免和，尤其是，提供一种方法，其中，提供在优选为全息装置的光路中的至少一个体光栅的角度选择性被考虑在全息图的计算中。
根据本发明，本发明的目标通过权利要求1和2的技术特征实现。基于使用上述已详细描述的全息图的计算方法中的哪一种，该目标的技术方案可以以两种可选择的方式实现。
提出的第一个方式涉及一种在光调制装置中编码至少一个全息图的方法，其特征是在将要重建在全息图平面中的对象的所有物点的加和的复值的变换之前，将虚拟观察窗中的波前的复值的每个振幅乘以校正值，通过其，执行至少一个体光栅的角度选择性的校正，该体光栅设置在光调制装置的光路的下游，其中，校正值通过至少一个体光栅的相关的角度依赖的衍射效率的倒数值的方根来计算。
对于通过观察者平面中的虚拟观察窗进行的全息图的计算，虚拟观察窗中的复值全息图值的振幅分别乘以校正值，其由至少一个体光栅的衍射效率的倒数值的方根表示，而复值全息图值的相位值保持不变。这样，可能由设置在光调制装置的光路的下游的体光栅的角度选择性导致的错误，可以因它们被校正或近乎被校正而被共同地考虑在全息图的计算中。这样，虚拟观察窗中的光的效率在所有点或位置至少大致相等。这意味着从光调制装置的像素传播来的、被用于虚拟观察窗的边缘位置的光，是通过至少一个体光栅透射，其具有与传播至虚拟观察窗的中间或中心的光近乎相同的效率。
如果全息图或全息图的子全息图，在光调制装置的平面中直接被计算，如上所述，那么全息图的计算根据本发明被可选择地表征为，其中，每个子全息图的每个单独的振幅由校正值校正，通过该校正值，执行对设置在光调制装置的光路的下游的至少一个体光栅的角度选择性的校正，其中，校正值由体光栅的相对角度依赖的衍射效率的倒数值的方根来计算。
因此，在光调制装置上进行子全息图的逐点计算的情况下，校正值通过观察者平面中的虚拟观察窗的范围被重新调节至子全息图的范围。在这种情况下，关于从观察者平面至光调制装置的平面的校正值的重新调节或转换，使用的是几何光学近似法，也就是说，实质上，来自子全息图的边缘的光线延伸通过将被重建的对象的物点至虚拟观察窗的边缘，并且来自子全息图的中间的光线延伸通过相同的物点至虚拟观察窗的中间。
可通过光调制装置的平面或其图像的计算来近似替换数学上的精确校正，该数学上的精确校正对应于虚拟观察窗中的物点的波前的振幅与一个或多个体光栅的相对衍射效率的倒数值的方根的乘积，在光调制装置的平面或其图像的计算中，将执行子全息图和相应地调节到子全息图的宽度的校正值的乘积。
术语“调节到子全息图的宽度”在这种情况下可被理解为：体光栅的相对衍射效率的倒数值的方根可以，例如，在虚拟观察窗的中心具有振幅“1”和在在虚拟观察窗的边缘具有振幅“1.3”，体光栅的角度选择性的校正以这样一种方式执行，即，然后在子全息图的编码区域的中间将子全息图的振幅乘以校正值“1.0”和在子全息图的编码区域的边缘将子全息图的振幅乘以校正值“1.3”。在位于编码区域的边缘和中间之间的编码区域中，将各自的振幅乘以1.0-1.3之间的相应分配的校正值。
在光调制装置的平面或全息图的平面中的子全息图的直接计算，具有超过通过虚拟观察窗的子全息图的计算的重要优势，子全息图可被更简单和因此更快速的计算。相应地，一个或多个体光栅的角度选择性的校正值的根据本发明的结合至全息图的计算中也可提供更快的结果。
关于上述两种全息图的计算方法，用于全息装置中的体光栅的相对衍射效率，将被有利地一次性以计算方式确定，其中，在虚拟观察窗中的波前的复值的校正之前或子全息图的振幅的校正之前，从光调制装置的像素经过至少一个体光栅至虚拟观察窗内部的不同位置的射线束被按几何学原理计算，于是，射线束在至少一个体光栅上的光线的入射角被分别计算，于是，针对各自入射角的体光栅的衍射效率被确定。
例如，体光栅的衍射效率可以通过衍射光强的测量被实验地确定，该衍射光强的测量针对的是随入射角变化的定义的输入强度，或，在最简单的情况下，也可根据科格尔尼克理论(Kogelnik theory)以计算的方式确定。
每个体光栅因此具有其自身的衍射效率，例如，其被存储在处理器中并且被用于全息图或子全息图的计算。
如果提供了设置在光调制装置的光路的下游的多个体光栅，那么，有利地，从光调制装置的像素的经过体光栅到达虚拟观察窗内部的各个位置的射线束可被按几何学原理计算，于是，来自于像素的射线束的光线在各个体光栅上的入射角被分别计算，于是，针对各自的入射角，体光栅的衍射效率被确定，并且，于是，针对光线分别入射到虚拟观察窗中的体光栅上的各自位置，将各个体光栅的该各自位置的衍射效率相乘，以便在经过针对虚拟观察窗中的各自位置和该光线的各个的体光栅之后，获得相对衍射效率。该相对衍射效率可在之后被用于确定校正值。
在本发明的另一个有利的配置中，在虚拟观察窗(10、32)的中心的、在虚拟观察窗(10、32)的边缘的、和在虚拟观察窗(10、32)的边缘和中心之间位置的校正值，可具有在约1.0至±2.0的值的范围内的数值，单个的校正数值彼此不同。
这意味着，例如，校正值在虚拟观察窗的中心或中间具有约1.02的数值，在虚拟观察窗的边缘具有约1.06的数值，在虚拟观察窗的边缘和中心或中间之间的位置的校正值具有约1.02和±1.06之间的数值。
体光栅的角度选择性的校正可在之后以这样一种方式执行，即，在虚拟观察窗的中心或中间的、虚拟观察窗中确定的波前的复值的振幅，分别乘以约1.02的数值，在虚拟观察窗的边缘的、虚拟观察窗中确定的波前的复值的振幅，分别乘以约1.06的数值，以及分别位于这些波前的复值之间的确定的振幅，乘以约1.02和1.06之间的指定的数值。
作为对此的替代，体光栅的角度选择性的校正也可以以这样一种方式执行，即，子全息图的中心或中间的子全息图的振幅乘以约1.02的数值，虚拟观察窗的边缘的子全息图的振幅乘以约1.06的数值，以及分别位于这些子全息图之间的振幅，乘以约1.02和1.06之间的指定的数值。
此外，在本发明的另一种配置中，当在不同区域具有不同的衍射效率的光路中的至少一个体光栅(31)用于体光栅的角度选择性的校正时，跨越在光调制装置(30)和虚拟观察窗(32)之间的截头锥体(frustum)(40)可被细分成至少两个子截头锥体(40a、40b)，于是，针对每个单独的子截头锥体(40a、40b)，为各自的子截头锥体中的3D场景的所有物点分别计算虚拟观察窗(32)中的波前的复值，并且，于是，每个单独的子截头锥体的校正值被分别计算，并据此，各个子截头锥体的观察窗中的波前的校正复值被加和和转换至光调制装置的全息图平面中，以便编码全息图。
大面积的体光栅例如可以在一个区域中而不是例如相邻区域中具有轻微不同的衍射效率，这是由于其生产中的公差。例如，体光栅针对光的特定的入射角，体光栅能够在左上角表面部分具有95％的衍射效率，但针对光的相同的入射角，在右下角另一个表面部分只有90％的衍射效率。这意味着，由于生产缺陷，体光栅可具有多个衍射效率，以至于不能实现使单一的衍射效率存在于整个体光栅中。由于这个原因，当然有利的是将体光栅的不同的衍射效率考虑到角度选择性的校正中。子截头锥体被因此用于此，即，根据体光栅的面积中衍射效率的变化范围，截头锥体被分为相应数量的子截头锥体。例如，体光栅的衍射效率可在这种情况下在位置或所有位置的网格中被测量，其在预先确定的时间间隔内的衍射效率匹配被用于形成子截头锥体。以上述关于大面积的体光栅中针对预先确定的入射角由左上角95％到右下角90％的衍射效率的变化为例，例如，衍射效率在95％和94％之间变化的所有位置可以被结合以形成一个子截头锥体，在94％和93％之间变化的所有位置应被结合以形成另一个子截头锥体，以此类推。
本发明的其它的有利配置和细化可在其它的从属权利要求中找到。
针对有利地配置和完善本发明的教导和/或将上述实施例彼此结合，只要是可能的，存在各种各样的可能性。就这一点而言，一方面参考权利要求1和权利要求2的从属权利要求，另一方面参考结合附图的本发明的优选实施例的以下解释。结合借助附图进行的对本发明的优选示例性实施例的解释，也大体上解释了本教导的优选配置和细化。
附图中：
图1表示根据现有技术的一种通过由计算机生成的全息图进行三维对象的重建的方法的示意图；
图2表示当在光调制装置的光路下游使用两个体光栅时根据本发明的方法的轮廓示意图；
图3表示体光栅的衍射效率的曲线的示意图；
图4表示具有光调制装置和两个体光栅的全息装置的可能的结构的轮廓示意图；
图5a示意性地示出了虚拟观察窗的衍射效率的曲线；
图5b示意性地示出了根据图5a的衍射效率的曲线计算出的校正值；
图6a示意性地示出了将要在光调制装置的平面中被直接计算和校正的小的子全息图的校正值；
图6b示意性地示出了比图6a中更大的将要在光调制装置的平面中被直接计算和校正的子全息图的校正值；
图7表示全息装置和为此在重建的三维场景的表示中的虚拟观察窗的设置的轮廓示意图。
图2表示一种配置，其提供在全息装置中(未在此示出)，通过其在原理上解释校正方法。该配置在这种情况下包含光调制装置4(仅示意性地示出)，在其调制表面中，提供了以像素4a…4n形式的调制元件。然而，在此，出于清楚的原因，仅有三个这样的像素4g、4h、4i被表示出来，光束5仅由一个像素发射，即，像素4g。为了简化，光束5进而仅具有三个单独的光线51、52和53，虽然已知这种光束5包含很多光线。光调制装置4通过照明装置(未示出)被照明，照明装置在优选配置中可包含至少一个激光，并且在其它可能的配置中包含作为光源一些LED(发光二级管)或OLED(有机发光二级管)，并且当然也包括其它的光学元件，例如，准直光学系统。
在这种情况下，应该注意的是，通常，体光栅的衍射效率也随使用的光的波长而变化。如果，例如，使用具有几纳米谱宽的LED光源，那么校正应该针对LED的光谱的中心波长被执行或利用多个波长平均的校正值执行。
彼此处于一定距离的平行设置的体光栅被设置在光调制装置4的光照方向的下游中，即，在光束5的光路中，在此有两个，即，体光栅8和体光栅9。体光栅通常由材料或介质构成，该材料或介质具有吸收系数或折射率的空间周期调制。具有透射和非透射区域的前述体光栅例如可以由介质的薄层产生，该介质的吸收系数具有位于零和非常大的值之间的值。具有折射率的空间调制的后述体光栅例如可以由光聚合物的曝光产生。折射率的空间调制由曝光过程中的周期性光输入执行。相比于光栅周期，体光栅的层厚度更大。光聚合物中的体光栅的标准厚度例如在10-20微米的范围内。
需要明确指出的是，根据本发明的校正方法在此情况下不限于特定类型的体光栅，而是普遍适用的。
此外，体光栅可配置针对很窄的进入角，其彼此之间只有很小的不同。它们也可针对较窄的波长范围被优化。在这种情况下，可实现约98％至100％的高的衍射效率。体光栅在之后被作为角滤波器，这意味着，只有窄的或小角度范围的光被衍射到预定的方向中。此外，体光栅也可作为波长滤波器，以至于只有选择的波长范围的光被衍射到为此目的的方向中。其它波长或具有其它入射角的光可在之后非衍射的通过一个或多个体光栅。
当光通过一个或多个体光栅时，为了避免更高的衍射级，应该遵守布拉格条件，也就是说，应该尽可能只透射一个衍射级，例如，第一衍射级或，根据不同的应用，相应所需的衍射级。形成的体光栅越厚，其选择性效应越大。
体光栅中的衍射过程已经大体上由科格尔尼克(Kogelnik)通过耦合波理论描述，参见H.科格尔尼克，“厚全息光栅的耦合波理论”(Coupled Wave Theory for ThickHologram Gratings)，贝尔系统技术杂志(Bell Syst.Techn.J.)48(1969)2909-2947。厚全息图应根据下述等式具有超过10的Q因子：
Q＝2πdλ/(n0Λ2)
d是体光栅的厚度，λ是真空中的工作波长，Λ是体光栅的光栅常数，以及n0是平均折光力。
存在针对多个进入角和/或多个波长被优化的体光栅。另一方面，也可能在装置中连续设置多个具有较少功能的体光栅，而不是使用这种体光栅，各个体光栅每个都单独地在预定的方向偏移入射光。
体光栅也可在它们的生产过程中以这样一种方式被影响，即，其在其生产之后可作为场透镜使用。这意味着在其生产过程中场透镜的功能被引入到体光栅中，以便获得具有某些焦距的场透镜。
此外，还应指出的是，例如，全息装置在光路中可通常包含多个体光栅，通常是四个体光栅。然而，为了示例性的实施例的解释，在此将采取最多两个体光栅，虽然这并不旨在限制。
为了本发明的方法的解释，在此将采取简单偏移的体光栅，即，两个体光栅8和9，其被设置在光调制装置4和观察者平面11中的虚拟观察窗10之间，观察者平面11包含观察优选为三维重建场景的观察者的眼睛。一起跨越截头圆锥形重建空间40的虚拟观察窗10和光调制装置4，尤其是虚拟观察窗10的边缘和光调制装置4的边缘，也被称为截头锥体(参见图7)，其中，通过观察者可观察到重建场景。
现在为了能够连带地影响或连带地考虑到在全息计算过程中被设置在配置的光路中的体光栅8和9的角度选择性，当前的体光栅8和9的衍射效率被首先确定。这例如可以通过体光栅上的合适的测量执行或者在利用参数——例如，根据科格尔尼克理论(Kogelnik theory)的光栅周期和厚度——的角度的衍射效率的计算的辅助下执行。衍射效率可以，例如，被存储在值的表中。之后，从光调制装置4的像素4g经过在虚拟观察窗10的不同位置的两个体光栅8和9的射线束5的光路被以几何学原理计算。这意味着，射线束5几何可见地打到虚拟观察窗10，通过其，可以推断射线束5的每个光束打到虚拟观察窗10中的不同位置。这意味着，针对每个体光栅8和9，射线束5的光束在体光栅8和9上的入射角，在此是光束51、52和53的入射角，体光栅被分别地单独计算，通过其，这些入射角的衍射效率可被确定。在图2中，这通过三个光束51、52和53被更详细的表示出来，光束51以角α1打到体光栅8，并被偏移，并且以角β1打到体光栅9。光束52垂直地(α2)打到第一个体光栅8，并被偏移，并且以角β2打到第二个体光栅9。此外，光束53从光调制装置4的像素4g以和光束51相同的角度射出(仅符号不同)以角α3打到体光栅8，并被偏移，并且之后以角β3打到体光栅9的下游。关于以这种方式确定的针对每个光束-——在此为光束51、52和53——的各个入射角，，相应的衍射效率被因此确定，于是，针对在虚拟观察窗中分别打到体光栅8和9的光束的各自位置的各个的体光栅8和9的衍射效率被相乘。换言之，针对光束51的体光栅8的衍射效率乘以针对相同的光束51的体光栅9的衍射效率，以便针对光束51和该光束51在虚拟观察窗中的相关入射位置获得两个体光栅8和9的相对衍射效率。如上所述用于确定相对衍射效率的方法也可针对射线束5的光束52和53执行，也就是说，针对从光调制装置4的像素发出的光束的所有光线。此外，上述方法也可用于存在于光调制装置4中的其它的像素4h、4i、…4n，以便针对来自于光调制装置4的全息图或子全息图的每个像素的每个射线束和设置在光路中的每个体光栅，确定相对的衍射效率。
衍射效率的值是强度。在全息图计算本身中，通常使用振幅和相位。振幅在这种情况下与强度的方根成比例。为了因此相应地校正振幅，因此也需要使用确定的相对透过率或衍射效率的倒数值的方根。在全息图计算过程中设置在光路中的一个或多个体光栅的角度选择性的校正在第一种可能性——即，通过虚拟观察窗进行的全息图计算——中以这种方式进行，即，在虚拟观察窗10中计算出的波前的复值的单个振幅乘以相应的相对衍射效率的倒数值的方根。然而，在虚拟观察窗10中的复值的相位保持不变。
在第二个可能性中，即，在全息图平面中进行的子全息图的直接计算，子全息图的振幅被以这样一种方式校正，即，校正值从虚拟观察窗10的范围被重新调节至相应的子全息图的范围。在此，子全息图的相位保持不变。
角度选择性的校正可以，例如，当针对光调制装置4的所有像素有相同的相对衍射效率时使用。同样地，也可以当在虚拟观察窗10中有类似的相对衍射效率时使用，至少是针对子全息图的最大范围内的光调制装置4的这种像素。针对具有虚拟观察窗的全息装置，其适用于随场景点的深度位置变化的子全息图尺寸。然而，针对装置的深度范围，其可在显示器后面延伸到任意远并在装置前面延伸观察者距离的一半，子全息图各自至多和虚拟观察窗自身一样大。针对具有约10mm范围和上述三维场景的深度范围的虚拟观察窗，因此，例如，当几乎相同的衍射效率存在于约10mm的区域中时，校正将是可用的。
在所有像素或针对子全息图的所有像素的相对衍射效率相等或大致相等的情况下，针对校正虚拟观察窗10中复值的振幅或子全息图的振幅，乘以相对衍射效率的倒数值的方根。
在相对衍射效率在光调制装置的不同区域不同但对于子全息图的范围内的像素至少相似的情况下，在光调制装置中直接计算子全息图并利用计算出的校正值执行校正是更有利的。在这种情况下，也可使用各个子全息图的像素的平均效率。
例如，简单偏移的体光栅(simple deviating volume grating)或复用体光栅(multiplex volume grating)将在大多数情况下，针对光调制装置的所有像素，满足相同的衍射效率的条件。
如果体光栅形成为场透镜，对于其有时也可能局部地具有不同偏移角，以便角度选择性可能在作为场透镜的体光栅内变化。然而，这通常非常慢地发生，以至于与这些区域相邻的光调制装置的像素事实上仅略受影响。为此，直接计算子全息图并针对角度选择性连带地考虑相应的校正值是更有利的。
在通过一个或多个体光栅的光调制装置的时分多路复用的情况下，针对不同的复用配置中相同像素，可能有不同的相对衍射效率。因此，将执行针对所有配置的计算，并且将使用分配给各自配置的相对衍射效率。这意味着，只执行一次相应的校正值的计算，在这种情况下，针对每个单独的复用配置，分配给该配置的校正值必须被连带考虑到。
通常，校正值或校正的量将实际位于1.0至±2.0的范围内，该范围不旨在限制。这意味着，校正值也可具有大于2.0的值。
校正方法将在以下借助于图3-6b关于示例性实施例进行详细描述。在这种情况下，使用具有图3中示意性示出的衍射效率曲线的体光栅。图示示出了体光栅的衍射效率的测量曲线，其可能例如被用在全息装置中。在图中，根据体光栅的科格尔尼克理论(Kogelnik theory)，体光栅衍射效率在第一衍射级(黑色曲线)中对偏向角作图，并且在零衍射级(浅灰色曲线)中对偏向角作图。第一衍射级在这种情况下代表偏转光，以及零衍射级代表未偏转光。
在图4中，全息装置——例如直视显示器——的配置被示意性地示出，仅示出了对于本发明较重要的元件，也就是说，全息装置当然可包含另外的光学元件。与图2中相同的元件在图4中具有相同的附图标记。通常，例如，全息装置包含照明装置，例如背光装置，或聚焦光调制装置20的所有像素的光至虚拟观察窗10的方向上的透镜或透镜配置，或可选的可驱动偏移元件。这种附加的元件可以以各种方式构造。
图4中示出的光调制装置20包含设置在基质21和22之间的光调制层，例如玻璃，例如在基于液晶的光调制装置中即是如此。光调制装置20在此具有约30μm的像素间距。虚拟观察窗10——通过其，观察者可观察重建空间(未在此示出)中的重建的三维场景——在距光调制装置约70cm的距离产生。针对照明装置(未示出)发出的绿光(λ＝532nm)，虚拟观察窗10应具有约12mm的尺寸。
在射束方向上的光调制装置20的下游配备有彼此后面平行设置的体光栅23和24，其在该示例性的实施例中由聚合物片材构成，该聚合物片材被层压在介质或基质上作为载体材料。载体材料在这种情况下是玻璃，虽然当然也可使用其它的载体材料。在该实施例中，如这里所示的，以及为了本发明的简单说明，两个体光栅23和24具有相同的属性，也就是说相同的衍射效率。
在当前的情况下，体光栅23或24分别具有将光调制装置20的像素发出并且体光栅通过约40度的角度打到体光栅23的载体材料中的光偏移的作用，在此，载体材料具有约1.5的折射率。根据图3，由于生产公差，针对约40.1度的偏向角而不是所需的40.0度的偏向角，体光栅23或24分别具有约98％的最大衍射效率，并且，例如，针对约39.7度的偏向角和约40.5度的偏向角，体光栅23或24分别具有约90％的衍射效率。
如果光调制装置20和虚拟观察窗10具有上述属性，那么针对从像素到虚拟观察窗10的光路的几何计算，如图2所示，从光调制装置20的像素至虚拟观察窗10的边缘的衍射角在空气中约为±0.5度，或在具有1.5的折射率的载体材料(例如，玻璃)中约±0.33度。
根据图4，由光调制装置20的像素直线发出——即以0度的角——的光线通过第一体光栅23偏移角α并且通过第二体光栅24偏移角-α。基质22——在此例如还为玻璃——中的光以角γ从像素发出，在经过体光栅23、24和另一个基质26之后以角γL在空气中向虚拟观察窗10的方向传播。更确切地说，这意味着，由光调制装置20调制的、像素的光打到第一体光栅23，被其偏移约40度，并且之后，通过设置在体光栅23和体光栅24之间的隔片25，该光经历横向偏移并因此打到体光栅设置在体光栅23的下游的第二体光栅24上，并且被后者再次引导为直线。垫片25应在此同样由具有1.5的折射率的介质构成，例如，玻璃，虽然当然也可使用其它的透明材料。对于图4中示出的示例性的实施例，由于两个相同设计的体光栅23和24的生产公差，这意味着：由像素以0度的角γ发出的光线被体光栅23以α＝40.1的角度和被随后的体光栅24以-α＝40.1的角度偏移，并且之后以0度角离开体光栅24。该光线之后打到虚拟观察窗10的中间或中心。在第一个并同时在第二个体光栅23、24确定的衍射效率分别为98％。在两个体光栅23和24之后，针对该光线的总体相对衍射效率因此为96％(0.98％×0.98％)。
对于从像素到虚拟观察窗10的边缘的光线，举例来说执行以下述关于图4的计算。从像素以角γ＝0.33度(玻璃中)发出的光线根据以下光栅方程被偏移：
其中，γ是入射角，λ是使用的波长，δ是光栅周期，以及α是出射角，通过第一体光栅23为40.4度的角，在打到第二体光栅24之后，以-40.4度被后者偏移，并且之后在作为载体材料的玻璃中以-0.33度的角从第二体光栅24发出。作为示意性地表示，在全息装置的正面27上有玻璃/空气转换，因此光线在空气中以0.5度角从全息照相装置发出，并且被引导到虚拟观察窗10的边缘上。在40.4度的角，衍射效率因此是94％。经过两个具有相同衍射效率的体光栅23和24之后的总体相对衍射效率在这种情况下相应地为88％(0.94％×0.94％)。这同样适用于在作为基质22的玻璃中以-0.33度的角或在作为基质22的空气中以-0.5度的角从像素发出的光线。
这意味着，针对以0和0.33之间的其它角度从像素发出的光线，有96％和88％之间的相对衍射效率。
总之，对于约12mm宽的虚拟观察窗10，因此在中间或中心确立96％的相对透过率曲线，分别在虚拟观察窗10的左边缘和右边缘连续降低至88％，参见距离中间的±6mm处，如图5a的虚拟观察窗10的衍射效率的示意性曲线所示。
图5b示出了根据图5a的相对透射率曲线计算出的校正值。针对虚拟观察窗10中全息图计算来计算出的复值全息图值的振幅乘以图5b中示出的相应的校正值，以便校正体光栅23和24的角度选择性。在这种情况下，复值全息图值的相位保持不变。这意味着，根据图4、5a和5b示出的示例性实施例，针对虚拟观察窗10的中间或中心的振幅的校正，虚拟观察窗10中的振幅乘以针对中间，其给出了约1.02的校正值，如图5b所示。此外，针对虚拟观察窗10的左或右边缘的振幅的校正，虚拟观察窗10中的振幅乘以针对左和右边缘，其给出了约1.06的校正值。针对虚拟观察窗10的边缘和中间之间的位置，计算出的复值全息图值的振幅乘以相应的计算出的校正值，根据图5b，在此为从约1.02至1.06的范围。
在另一种全息图的计算中，也就是说在光调制装置20的平面中的子全息图的直接计算，针对相应的振幅确定的校正值被从虚拟观察窗10的范围重新调节至相关联的子全息图的范围。根据图5b的示例性的实施例，其遵循在子全息图的中间或中心的子全息图的振幅乘以虚拟观察窗10的中间的校正值，在此约为1.02，并且在子全息图的边缘的振幅分别乘以虚拟观察窗10的边缘的校正值，在此约为1.06。
图6a和6b示意性地示出了这种子全息图的振幅的校正，针对两个范围的尺寸不同的子全息图，计算出的校正值在此被表示出来。图6a示出了针对范围很小的子全息图的校正值曲线，图6b表示针对范围很大的子全息图的校正值曲线。正如所知的，在光调制装置的调制表面中的子全息图的尺寸或范围是通过从将要被重建的对象的物点到光调制装置和到虚拟观察窗的距离来给出，如图1所示。这意味着，物点离光调制装置越近，相应的子全息图越小，并且物点离光调制装置越远，相应的子全息图越大。根据子全息图的尺寸或范围，校正值被不同地缩小或扩大，如图6a和6b所示。
以下将描述示例性的实施例，其中，在整个全息装置中的校正值不同，如上述示例性的实施例所述。图7概括示出了全息装置，只示出了光调制装置30、体光栅31以及虚拟观察窗32、三维场景33和截头锥体40的配置。当然，该全息装置也包含其它的元件，例如，照明装置、透镜等。此外，在此仅示意性地示出了针对全息图计算将三维场景33分解为单个物点，其分别形成用于虚拟观察窗32中复杂的全息图的值的计算或光调制装置30的平面中子全息图的直接计算的基础。截头锥体40或更一般地说是存在于观察者平面34中的观察者的视野——即重建的三维场景通过虚拟观察窗32对于观察者的眼睛是可视的空间——在该示例性的实施例中从虚拟观察窗32至光调制装置30的边缘呈圆锥形地延伸，并穿过后者，尤其是在物点在光调制装置30的后面的情况下。
体光栅31包含，例如，具有已知衍射效率的区域31a和具有与区域31a不同的衍射效率的区域31b。用在全息装置中的体光栅应通常大面积地形成，虽然可因此在其生产中产生缺陷。以这种方式，例如，在体光栅的一个区域和相同的体光栅的其它区域中可能有略微不同的衍射效率。为了能够同时将其考虑在全息图计算的过程中，截头锥体40被细分成子截头锥体40a和子截头锥体40b。这意味着，在给定的体光栅中衍射效率的变化范围确定子截头锥体的数量。通常，体光栅中的衍射效率不会突然改变，虽然，例如，区域31a可被确定为体光栅31的衍射效率在其中仅在足够小的容许区间——例如，在围绕所需的95％的值的94.5％和95.5％之间——内改变。区域31b之后被确定为在其中衍射效率与31a中的平均值的不同大于容许区间。然而，在31b的区域中，衍射效率的变化同样小于预先确定的容许区间。例如，其可在93.5％和94.5％之间变化。在该示例性的实施例中，体光栅31具有两个不同的衍射效率，如上所述，因此截头锥体40因此被分为两个子截头锥体40a和40b。在虚拟观察窗中的全息图值的计算因此针对每个子截头锥体或部分被单独执行。这意味着，全息图的计算在第一分步骤中通过位于子截头锥体40a中的三维场景33的所有物点来执行，通过根据体光栅区域31a的衍射效率的校正值执行校正。除此之外，在随后的分步骤中，全息图进一步通过位于子截头锥体40b中的三维场景33中的所有物点被计算，并且，通过根据体光栅区域31b的衍射效率的校正值执行校正。当然，也可以通过相应的校正值首先校正子截头锥体40b的值并在之后校正子截头锥体40a的值。
当使用具有多个衍射效率的体光栅时，为了在光调制装置的平面进行子全息图的直接计算，在此也需要从虚拟观察窗32的范围到子全息图的范围内重新调节校正值。
如果多个体光栅被用在全息装置中，其每个分别具有不同的衍射效率，之后，全息图计算应该根据图4和7的示例性实施例的结合被有利地执行。
根据图3至6b的示例性实施例的校正值仍然比较小。然而，全息装置可以，例如，也包含多于两个的体光栅，因此通常需要更大的校正。即使光调制装置具有相对小的像素，例如，当使用硅基液晶(LCoS，liquid crystal on silicon)时，其具有相对高的衍射角，当使用具有相同属性的体光栅时，需要执行更大的校正。
在全息图计算中，除了使用的体光栅的角度选择性的校正之外，必须、应该或可以需要进一步的校正，例如，使用光调制装置的像素透明度的校正。
最后，应该特别指出的是，上述示例性的实施例仅旨在描述所要求保护的教导，但该教导并不受示例性实施例的限制。尤其是，上述示例性的实施例可以——只要是可能的——彼此结合。

Claims (15)

1.一种在光调制装置中编码至少一个全息图的方法，其编码是逐像素的执行，其中，全息图由单个的子全息图构成，该子全息图被分配给光调制装置中相应的编码区域，并被分别分配给由全息图重建的对象的物点，其中，通过虚拟观察窗提供定义的观察区域，通过该观察区域，观察者观察重建空间中的重建场景，其中，针对每个单独的物点的波前的复值在虚拟观察窗中进行计算，并且该复值的至少一个值部分是由校正值校正，并且其中，针对所有物点以这种方式确定的校正的复值被加和并且被转换至光调制装置的全息图平面，以便编码全息图，其特征在于，在将要重建在全息图平面中的对象的所有物点的加和的复值的转换之前，虚拟观察窗(10、32)中的波前的复值的每个单独的振幅乘以校正值，通过该校正值，执行至少一个体光栅(8、9、23、24、31)的角度选择性的校正，该体光栅设置在光调制装置(4、20、30)的光路的下游，其中，校正值通过至少一个体光栅(8、9、23、24、31)的相对角度依赖的衍射效率的倒数值的方根来计算，当提供设置在光调制装置(4、20、30)的光路的下游的多个体光栅(8、9、23、24、31)时，在虚拟观察窗(10、32)中的波前的复值的校正之前，从光调制装置(4、20、30)的像素(4g、4h、4i)经过体光栅(8、9、23、24、31)至虚拟观察窗(10、32)内部的不同位置的射线束(5)被按几何学原理计算，于是，从像素(4g、4h、4i)到各个体光栅(8、9、23、24、31)上的射线束(5)的光线(51、52、53)的入射角被分别计算，于是，针对各自入射角的体光栅(8、9、23、24、31)的衍射效率被确定，并且，于是，针对光线(51、52、53)分别入射到虚拟观察窗(10、32)中的体光栅(8、9、23、24、31)上的各自位置，将各个体光栅(8、9、23、24、31)的该各自位置的衍射效率相乘。
2.一种用于在光调制装置中编码至少一个全息图的方法，其编码是逐像素的执行，其中，全息图由单个的子全息图构成，该子全息图被分配给光调制装置中相应的编码区域，并被分别分配给由全息图重建的对象的物点，其中，通过虚拟观察窗提供定义的观察区域，通过该观察区域，重建空间中的重建场景由观察者观察到，其中，重建的对象的每个物点被全息编码在子全息图中，其中，子全息图的振幅由校正值校正，并且以这种方式校正的子全息图被加和在光调制装置的全息图平面中，以便编码全息图，其特征在于，每个子全息图的每个单独的振幅由校正值校正，通过该校正值，执行对设置在光调制装置(4、20)的光路的下游的至少一个体光栅(8、9、23、24)的角度选择性的校正，其中，校正值由至少一个体光栅(8、9、23、24)的相对角度依赖的衍射效率的倒数值的方根来计算，当提供设置在光调制装置(4、20、30)的光路的下游的多个体光栅(8、9、23、24、31)时，在子全息图的振幅的校正之前，从光调制装置(4、20、30)的像素(4g、4h、4i)经过体光栅(8、9、23、24、31)至虚拟观察窗(10、32)内部的不同位置的射线束(5)被按几何学原理计算，于是，从像素(4g、4h、4i)到各个体光栅(8、9、23、24、31)上的射线束(5)的光线(51、52、53)的入射角被分别计算，于是，针对各自入射角的体光栅(8、9、23、24、31)的衍射效率被确定，并且，于是，针对光线(51、52、53)分别入射到虚拟观察窗(10、32)中的体光栅(8、9、23、24、31)上的各自位置，将各个体光栅(8、9、23、24、31)的该各自位置的衍射效率相乘。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在虚拟观察窗(10、32)中的波前的复值的校正之前，从光调制装置(4、20、30)的像素(4g、4h、4i)经过至少一个体光栅(8、9、23、24、31)至虚拟观察窗(10、32)内部的不同位置的射线束(5)被按几何学原理计算，于是，在至少一个体光栅(8、9、23、24、31)上的射线束(5)的光线(51、52、53)的入射角被分别计算，于是，针对各自入射角的至少一个体光栅(8、9、23、24、31)的衍射效率被确定。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在子全息图的振幅的校正之前，从光调制装置(4、20、30)的像素(4g、4h、4i)经过至少一个体光栅(8、9、23、24、31)至虚拟观察窗(10、32)内部的不同位置的射线束(5)被按几何学原理计算，于是，在至少一个体光栅(8、9、23、24、31)上的射线束(5)的光线(51、52、53)的入射角被分别计算，于是，针对各自入射角的至少一个体光栅(8、9、23、24、31)的衍射效率被确定。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，相对衍射效率通过在光线(51、52、53)的光路中的一个体光栅(8、9、23、24、31)的个别衍射效率获得或通过光线(51、52、53)的光路中的各个体光栅(8、9、23、24、31)的衍射效率相乘获得，使用该相对衍射效率以确定校正值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，相对衍射效率通过在光线(51、52、53)的光路中的一个体光栅(8、9、23、24、31)的个别衍射效率获得或通过光线(51、52、53)的光路中的各个体光栅(8、9、23、24、31)的衍射效率相乘获得，使用该相对衍射效率以确定校正值。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，校正值由相对衍射效率的倒数值的方根计算。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，校正值由相对衍射效率的倒数值的方根计算。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在虚拟观察窗(10、32)的中心、虚拟观察窗(10、32)的边缘和虚拟观察窗(10、32)的边缘和中心之间的位置的校正值具有在约1.0至±2.0的值范围内的量值，其中，各个校正量值彼此不同。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在虚拟观察窗(10、32)的中心、虚拟观察窗(10、32)的边缘和虚拟观察窗(10、32)的边缘和中心之间的位置的校正值具有在约1.0至±2.0的值范围内的量值，其中，各个校正量值彼此不同。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，至少一个体光栅(8、9、23、24、31)的角度选择性的校正被以这样一种方式执行，即，在虚拟观察窗(10、32)的中心的、虚拟观察窗(10、32)中确定的波前的复值的振幅，被分别乘以赋予的确定值，优选为约1.02，在虚拟观察窗(10、32)的边缘的、虚拟观察窗(10、32)中确定的波前的复值的振幅，被分别乘以赋予的确定值，优选为约1.06，以及分别位于其之间的振幅，被乘以赋予的确定值，优选为约1.02和约1.06之间。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，至少一个体光栅(8、9、23、24)的角度选择性的校正被以这样一种方式执行，即，在子全息图的中心的、子全息图的振幅，被乘以赋予的确定值，优选为约1.02，在子全息图的边缘的、子全息图的振幅，被乘以赋予的确定值，优选为约1.06，以及分别位于其之间的振幅，被乘以赋予的确定值，优选为约1.02和约1.06之间。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当在不同区域具有不同的衍射效率的光路中的至少一个体光栅(31)被用于体光栅(31)的角度选择性的校正时，跨越在光调制装置(30)和虚拟观察窗(32)之间的截头锥体(40)可被细分成至少两个子截头锥体(40a、40b)，于是，针对每个单独的子截头锥体(40a、40b)，为位于各自的子截头锥体中的3D场景的所有物点的单独计算虚拟观察窗(32)中的波前的复值，并且，于是，每个单独的子截头锥体的校正值被分别确定，并据此，在各个子截头锥体的观察窗中的校正的波前的复值被加和和转换至光调制装置的全息图平面，以便编码全息图。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对光调制装置(4、20)的所有像素(4g、4h、4i)，获得至少一个体光栅(8、9、23、24)的相同的相对衍射效率。
15.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，针对光调制装置(4、20)的所有像素(4g、4h、4i)，获得至少一个体光栅(8、9、23、24)的相同的相对衍射效率。
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