CN105223796A - 基于近眼显示设备的全息图计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于近眼显示设备的全息图计算方法及装置。所述方法的一具体实施方式包括：确定人眼活动区域；根据所述人眼活动区域，确定每一个物点在显示器上的有效衍射区域；记录所述每一个物点发出的物光波在其有效衍射区域内的物光波信息；基于所有的物点在其有效衍射区域的物光波信息，计算物体在所述显示器上生成的全息图。本实施例能够提高全息图的计算速度，实现低冗余度的全息图制作。

Description

基于近眼显示设备的全息图计算方法及装置

技术领域

本发明涉及全息显示技术领域，特别是涉及一种基于近眼显示设备的全息图计算方法及装置。

背景技术

近几年来，近眼显示设备作为下一代智能显示终端，得到了越来越多的关注。其中光学近眼显示技术是近眼显示设备的主要核心。目前，应用最多的近眼显示技术为虚像放大投影技术，即利用透镜将位于焦距之内显示器上的图像投影到人眼合适的聚焦范围内。但这种显示方式只在空间成一个平面的像，然后利用双目视差让观看者感受到立体效果，无法解决人眼辐辏与调节之间的矛盾，长时间观看会造成眩晕、疲劳、恶心等不适的反应。而全息显示技术是能够真正还原物理光场的真三维显示技术，是未来三维显示技术的发展方向。

全息显示技术，利用光的干涉衍射原理，将物体发出的物光波记录在一张全息图上。当采用相应的参考光对全息图照射时，可以重建被记录的物光波，则人眼可以观看到实际上并不存在的三维物体。

传统全息图的生成是采用光学的方法将物光的复振幅信息以干涉条纹的形式记录下来。而计算全息则是采用数值计算的方式进行编码制作全息图。计算全息图不仅可以记录物光的复振幅信息，而且能够构建出复杂的，或者世间不存在的物体的全息图，因而具有独特的优点和极大的灵活性。

然而，现有的全息图的生成过程需要经过大量的计算，因此其生成速度较低。并且，对于传统计算全息图而言，每个物点发出的波前信息在整个全息面上都被记录下来。然而，在近眼显示设备当中，显示器件位于人眼前距离很近的位置，并且相对于显示器件，人眼的移动范围有限。这样造成了传统方法制作的全息图衍射的物光场有相当一部分无法被人眼观察到，因此存在较高的冗余度。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于近眼显示设备的全息图计算方法及装置，以提高全息图的计算速度，实现低冗余度的全息图制作。具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种基于近眼显示设备的全息图计算方法，所述方法包括：

确定人眼活动区域；

根据所述人眼活动区域，确定每一个物点在显示器上的有效衍射区域；

记录所述每一个物点发出的物光波在其有效衍射区域内的物光波信息；

基于所有的物点在其有效衍射区域的物光波信息，计算物体在所述显示器上生成的全息图。

进一步地，所述根据所述人眼活动区域，确定每一个物点在显示器上的有效衍射区域包括：

将每一个物点与所述人眼活动区域的边界做连线，各物点与所述人眼活动区域的边界的连线与显示器相交后在所述显示器上形成该物点的有效衍射区域。

进一步地，所述方法还包括：

将所述人眼活动区域离散成为相距预定间隔的多个分区；以及

所述根据所述人眼活动区域，确定每一个物点在显示器上的有效衍射区域包括：

将每一个物点与每个所述分区的边界做连线，各物点与每个所述分区的边界的连线与显示器相交后在所述显示器上形成该物点的有效衍射区域。

进一步地，所述多个分区中任意相邻两个分区的中心距离均小于人眼瞳孔大小。

第二方面，本发明提供了一种基于近眼显示设备的全息图计算装置，所述装置包括：

第一确定模块，用于确定人眼活动区域；

第二确定模块，用于根据所述人眼活动区域，确定每一个物点在显示器上的有效衍射区域；

记录模块，用于记录所述每一个物点发出的物光波在其有效衍射区域内的物光波信息；

计算模块，用于基于所有的物点在其有效衍射区域的物光波信息，计算物体在所述显示器上生成的全息图。

进一步地，所述第二确定模块具体用于：

将每一个物点与所述人眼活动区域的边界做连线，各物点与所述人眼活动区域的边界的连线与显示器相交后在所述显示器上形成该物点的有效衍射区域。

进一步地，所述装置还包括：

离散模块，用于将所述人眼活动区域离散成为相距预定间隔的多个分区；以及

所述第二确定模块还用于：

将每一个物点与每个所述分区的边界做连线，各物点与每个所述分区的边界的连线与显示器相交后在所述显示器上形成该物点的有效衍射区域。

进一步地，所述多个分区中任意相邻两个分区的中心距离均小于人眼瞳孔大小。

本发明实施例提供的基于近眼显示设备的全息图计算方法及装置，可以根据物点、全息图加载器件和人眼移动区域之间三者之间的投影位置关系，确定人眼能够观察到的每个物点的波前大小及波前位置，之后只对这个区域的波前进行记录计算，由于减小了每个物点在全息面上采样波前的大小，从而提高了全息图的计算速度。在这基础之上，本发明还可以对记录波前进行降采样处理，将人眼移动的连续区域变成几个具有一定间隔的离散区域，再进行有效波前的记录计算，从而进一步降低全息图制作的计算量。并且，采用本发明提供的方法制作的全息图，人眼观察到的波前大小等于瞳孔的大小，降低了计算全息图的冗余度。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了传统全息图制作原理示意图；

图2示出了根据本发明提供的基于近眼显示设备的全息图计算方法的一个实施例的示意性流程图；

图3示出了根据本发明一个实施例的全息图制作原理示意图；

图4示出了根据本发明提供的基于近眼显示设备的全息图计算方法的另一个实施例的示意性流程图；

图5示出了根据本发明另一个实施例的全息图制作原理示意图；

图6示出了根据本发明提供的基于近眼显示设备的全息图计算装置的一个实施例的功能模块架构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

请参考图1，其示出了传统全息图制作原理示意图。

如图1所示，在计算物体的全息图时，可以将一个三维物体看成空间分布的多个物点1。每个物点1当成一个点波源，发出球面波。通过采集每个物点发出的球面波在显示器4上的物光波信息，即可计算得到物体在显示器4上的全息图5。这种记录方法加载的全息图5是对空间物光波前的一个采样平面，全息图5上每个像素点都记录了每个物点的波前信息。

然而，在近眼显示方面，显示器位于人眼距离很近的位置，并且相对于显示器，人眼的移动范围有限。如图1所示，由于人眼3移动的区域2的大小固定，且其相对于显示器4的位置也是固定的，人眼3移动的区域2比显示器4的面积小，因此，全息图5上有些区域衍射的物光场不能落在人眼3移动的区域2内，即一些落在区域2之外的物光场不能被人眼3观察到。这就造成了传统全息记录方式在近眼显示中存在比较大的冗余性。

本实施例提供了一种基于近眼显示设备的全息图计算方法，能够根据物点、全息图加载器件和人眼移动区域三者之间的投影位置关系，确定人眼能够观察到的每个物点的波前大小及波前位置，之后只对这个区域的波前进行记录计算，从而提高了全息图的计算速度，降低了计算全息图的冗余度。并且，本发明还可以对记录波前进行降采样处理，将人眼移动的连续区域变成几个具有一定间隔的离散区域，再进行有效波前的记录计算，从而进一步降低全息图制作的计算量。

请参考图2，其示出了根据本发明提供的基于近眼显示设备的全息图计算方法的一个实施例的示意性流程200。

如图2所示，本发明实施例提供的基于近眼显示设备的全息图计算方法，可以包括如下步骤：

步骤201，确定人眼活动区域。

在近眼显示中，显示器可以位于人眼距离很近的位置，并且相对于显示器，人眼的移动范围有限。因此，在计算物体在显示器上的全息图时，可以首先确定人眼活动区域。在一种实现中，可以根据人眼的可视角度确定人眼的可视范围，即人眼活动区域。如，正常情况下，人眼的水平可视角度为120度，垂直可视角度为60度。

步骤202，根据人眼活动区域，计算每一个物点在显示器上的有效衍射区域。

当确定人眼活动区域后，可以进一步根据人眼活动区域计算每一个物点在显示器上的有效衍射区域。通常情况下，显示器的面积比较大。但是在近眼显示中，由于人眼活动区域有限，并不能看到每一个物点在整个显示器的所有衍射区域。因此，可以根据人眼活动区域，计算每一个物点在显示器上的衍射区域中人眼能够看到的部分，即每一个物点在显示器上的有效衍射区域。

在本实施例的一个可选实现方式中，可以按照以下步骤计算每一个物点在显示器上的有效衍射区域：将每一个物点与人眼活动区域的边界做连线，各物点与人眼活动区域的边界的连线与显示器相交后在显示器上形成的区域范围即为该物点的有效衍射区域。

请参考图3，其示出了根据本发明一个实施例的全息图制作原理示意图。

如图3所示，当确定人眼的活动区域后，将每一个物点1与人眼活动区域的边界做连线，连线与显示器4相交在显示器4上形成的区域即为有效衍射区域，如图3中显示衍射条纹的正方形区域。每一个物点都可以按照相同的方法确定其有效衍射区域的位置及大小。

如图3所示，每一个物点的有效衍射区域只占显示器4的一部分，因此，采用本实施例提供的方法，可以提高全息图的计算速度，降低计算全息图的冗余度。可选地，根据物点、显示器以及人眼活动区域之间的几何关系，可以确定任一物点在显示器上形成的有效衍射区域的边长为：

$w=\frac{d_0}{d_0+d_i}*L$

其中，w为有效衍射区域的边长，d₀为任一物点与显示器之间的距离，d_i为人眼与显示器之间的距离，L为人眼活动区域的边长。

步骤203，记录每一个物点发出的物光波在其有效衍射区域内的物光波信息。

将每一个物点当作一个点光源，可以发出球面波。每一个物点发出的物光波可以到达显示器，因此，在显示器上可以记录每一个物点发出的物光波信息。在本实施例中，为了提高全息图的计算速度，可以仅记录每一个物点发出的物光波在其有效衍射区域内的物光波信息。例如，记录每一个物点在其有效衍射区域内的振幅、相位等信息，从而完成物光场的采样。

步骤204，基于所有的物点在其有效衍射区域的物光波信息，计算物体在显示器上生成的全息图。

得到每一个物点发出的物光波在其有效衍射区域内的物光波信息后，可以基于所有的物点在其有效衍射区域的物光波信息，计算物体在显示器上生成的全息图，得到适用于近眼观看的低冗余度全息图。

计算物体的全息图的过程，是运用物理定律求出全息平面上的复振幅分布的过程，运用计算机来模拟物光的传播、衍射、干涉，得到全息平面上的复振幅分布。具体计算时，常会用到傅立叶变换、菲涅尔衍射公式等等。计算机全息中运用的是经典的标量波衍射理论。

本实施例提供的基于近眼显示设备的全息图计算方法，可以根据物点、全息图加载器件和人眼移动区域之间三者之间的投影位置关系，确定人眼能够观察到的每个物点的波前大小及波前位置，之后只对这个区域的波前进行记录计算，由于减小了每个物点在全息面上采样波前的大小，从而提高了全息图的计算速度。并且，采用本实施例提供的方法制作的全息图，人眼观察到的波前大小等于瞳孔的大小，降低了计算全息图的冗余度。

请参考图4，示出了根据本发明提供的基于近眼显示设备的全息图计算方法的另一个实施例的示意性流程400。

如图4所示，本发明实施例提供的基于近眼显示设备的全息图计算方法，可以包括如下步骤：

步骤401，确定人眼活动区域。

在近眼显示中，显示器可以位于人眼距离很近的位置，并且相对于显示器，人眼的移动范围有限。因此，在计算物体在显示器上的全息图时，可以首先确定人眼活动区域。

步骤402，将人眼活动区域离散成为相距预定间隔的多个分区。

在本实施例中，为了进一步提高全息图计算速度，可以将人眼活动区域离散成为相距预定间隔的多个分区，然后只采集相对于所有分区各物点的有效衍射区域内的物光波信息。在一种实现中，上述多个分区可以为相同的形状，例如可以包括但不限于：正方形、长方形、圆形、椭圆形等；在另一种实现中，多个分区可以为不同的形状，例如，可以根据分区的位置设置不同的形状，本发明对此不做限制。当多个分区为相同的形状时，多个分区的大小可以相同，也可以不同。

在本实施例的一个可选实现方式中，多个分区中任意相邻两个分区的中心距离均小于人眼瞳孔大小。这样才能保证人眼在移动过程中一直都能接受到物点发出的物光场。

请参考图5，其示出了根据本发明另一个实施例的全息图制作原理示意图。如图5所示，可以将人眼活动区域离散成为相隔预定间隔的几个正方形分区8。

步骤403，将每一个物点与每个分区的边界做连线，各物点与每个分区的边界的连线与显示器相交后在显示器上形成该物点的有效衍射区域。

将人眼活动区域离散成为多个分区后，可以根据各个分区的形状、大小等确定每个物点的有效衍射区域。具体地，可以将每一个物点与每个分区的边界做连线，各物点与每个分区的边界的连线与显示器相交后在显示器上形成该物点的有效衍射区域。

如图5所示，可以根据多个分区确定各物点的有效衍射区域7。由图5所示，有效衍射区域7的面积较小。因此，采用这种方法，可以进一步减少全息图制作的计算量。

步骤,404，记录每一个物点发出的物光波在其有效衍射区域内的物光波信息。

将每一个物点当作一个点光源，可以发出球面波。每一个物点发出的物光波可以到达显示器，因此，在显示器上可以记录每一个物点发出的物光波信息。在本实施例中，为了提高全息图的计算速度，可以仅记录每一个物点发出的物光波在其有效衍射区域内的物光波信息。例如，记录每一个物点在其有效衍射区域内的振幅、相位等信息，从而完成物光场的采样。

步骤405，基于所有的物点在其有效衍射区域的物光波信息，计算物体在显示器上生成的全息图。

得到每一个物点发出的物光波在其有效衍射区域内的物光波信息后，可以基于所有的物点在其有效衍射区域的物光波信息，计算物体在显示器上生成的全息图，得到适用于近眼观看的低冗余度全息图。

本实施例提供的基于近眼显示设备的全息图计算方法，可以对记录波前进行降采样处理，将人眼移动的连续区域变成几个具有一定间隔的离散区域，再进行有效波前的记录计算，从而降低了全息图制作的计算量。

请参考图6，其示出了根据本发明提供的基于近眼显示设备的全息图计算装置600的一个实施例的功能模块架构示意图。

如图6所示，本实施例提供的基于近眼显示设备的全息图计算装置600可以包括：第一确定模块610、第二确定模块620、记录模块630以及计算模块640。

第一确定模块610用于确定人眼活动区域；

第二确定模块620用于根据人眼活动区域，确定每一个物点在显示器上的有效衍射区域；

记录模块630用于记录每一个物点发出的物光波在其有效衍射区域内的物光波信息；

计算模块640用于基于所有的物点在其有效衍射区域的物光波信息，计算物体在显示器上生成的全息图。

在本实施例的一个可选实现方式中，第二确定模块620具体用于：

将每一个物点与人眼活动区域的边界做连线，各物点与人眼活动区域的边界的连线与显示器相交后在显示器上形成该物点的有效衍射区域。

在本实施例的另一个可选实现方式中，基于近眼显示设备的全息图计算装置600还包括：

离散模块，用于将人眼活动区域离散成为相距预定间隔的多个分区；以及

第二确定模块620还用于：

将每一个物点与每个分区的边界做连线，各物点与每个分区的边界的连线与显示器相交后在显示器上形成该物点的有效衍射区域。

在本实施例的另一个可选实现方式中，多个分区中任意相邻两个分区的中心距离均小于人眼瞳孔大小。

本实施例提供的基于近眼显示设备的全息图计算装置，可以根据物点、全息图加载器件和人眼移动区域之间三者之间的投影位置关系，确定人眼能够观察到的每个物点的波前大小及波前位置，之后只对这个区域的波前进行记录计算，由于减小了每个物点在全息面上采样波前的大小，从而提高了全息图的计算速度。在这基础之上，本发明还可以对记录波前进行降采样处理，将人眼移动的连续区域变成几个具有一定间隔的离散区域，再进行有效波前的记录计算，从而进一步降低全息图制作的计算量。并且，采用本发明提供的方法制作的全息图，人眼观察到的波前大小等于瞳孔的大小，降低了计算全息图的冗余度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于近眼显示设备的全息图计算方法，其特征在于，所述方法包括：

确定人眼活动区域；

根据所述人眼活动区域，确定每一个物点在显示器上的有效衍射区域；

记录所述每一个物点发出的物光波在其有效衍射区域内的物光波信息；

基于所有的物点在其有效衍射区域的物光波信息，计算物体在所述显示器上生成的全息图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述人眼活动区域，确定每一个物点在显示器上的有效衍射区域包括：

将每一个物点与所述人眼活动区域的边界做连线，各物点与所述人眼活动区域的边界的连线与显示器相交后在所述显示器上形成该物点的有效衍射区域。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述人眼活动区域离散成为相距预定间隔的多个分区；以及

所述根据所述人眼活动区域，确定每一个物点在显示器上的有效衍射区域包括：

将每一个物点与每个所述分区的边界做连线，各物点与每个所述分区的边界的连线与显示器相交后在所述显示器上形成该物点的有效衍射区域。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多个分区中任意相邻两个分区的中心距离均小于人眼瞳孔大小。

5.一种基于近眼显示设备的全息图计算装置，其特征在于，所述装置包括：

第一确定模块，用于确定人眼活动区域；

第二确定模块，用于根据所述人眼活动区域，确定每一个物点在显示器上的有效衍射区域；

记录模块，用于记录所述每一个物点发出的物光波在其有效衍射区域内的物光波信息；

计算模块，用于基于所有的物点在其有效衍射区域的物光波信息，计算物体在所述显示器上生成的全息图。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块具体用于：

将每一个物点与所述人眼活动区域的边界做连线，各物点与所述人眼活动区域的边界的连线与显示器相交后在所述显示器上形成该物点的有效衍射区域。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

离散模块，用于将所述人眼活动区域离散成为相距预定间隔的多个分区；以及

所述第二确定模块还用于：

将每一个物点与每个所述分区的边界做连线，各物点与每个所述分区的边界的连线与显示器相交后在所述显示器上形成该物点的有效衍射区域。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述多个分区中任意相邻两个分区的中心距离均小于人眼瞳孔大小。