CN107850790A - 体显示器 - Google Patents

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Abstract

讨论了一种体显示装置，包括：成像系统，具有物平面和像平面；源图像生成装置，用于根据接收的图像数据在物平面内形成源图像；以及控制装置，用于将图像数据供应至源图像生成装置，图像数据对应于一系列的二维图像。源图像生成装置包括光源并且成像系统包括衍射光学元件。控制装置被布置成生成至少一个控制信号，以改变通过光源发射的光的波长和与衍射光学元件相关联的焦距中的至少一个，从而与在物平面中形成该系列的二维图像同步地改变像平面在真实空间的体积内的位置，从而根据接收的图像数据构造体三维图像。

Description

体显示器
技术领域
本发明涉及一种用于在需要三维(3D)可视化的宽范围应用中使用的体显示的方法及装置。
背景技术
3D可视化对于许多工业、科技、以及商业应用是重要的。例如，3D可视化被用于医学成像、军事及安全应用、3D电视等。鉴于其直接生成3D信息，已经证明更加难以呈现用于观看的该3D信息。具有眼镜或双面凸透镜系统的常规立体解决方案是图像瞄准任一眼睛的真正“双2D”光幻视并且提供不良的3D体验。具体地，这些技术基本上缺乏人类视觉响应系统所需的正确3D视觉深度暗示(聚散度、运动视差、以及适应性)，从而导致眼睛劳累和疲惫。
体显示属于产生体积填充图像的三维显示技术类别。通常将体积划分成相同的体积元素、或定位在3D网格上的体元(以与图片元素相似的方式，或者以二维显示方式定位在二维(2D)网格内的像素)。通过激活所选择的体元构造3D图像。通常，通过计算机控制显示，以生成彩色的移动图像。体显示是自动立体的，因此，观看者不需要类似眼镜或耳机的任何额外装备来观看三维图像。进一步地，任意数目的观看者可看得见图像。
存在产生体显示的许多技术方案，例如，光束反弹且无烟雾或细水雾、提供体积内悬置的互连LED库、使用交织激光束照亮气体内的等离子体点而模拟等离子体放电、或经由两个光子吸收激活体积内的颗粒。
常见类型的体显示器包括使用扫频体积投影的原理的封闭式体显示器。这样的体显示器能够基于诸如围绕轴非常快速地旋转并且以全色进行调制的LED阵列等机械方法，由此向眼睛呈现体显示的幻觉。类似的方案包括移动发射屏幕、利用与投影仪同步的平移或旋转运动。非机械变形使用堆叠在彼此顶部上的一系列平面型液晶快门。每个液晶层从透明快速地改变成光散射状态，从而以不同的深度形成一系列的邻近像平面。
A.C.Traub,Appl.Opt.6(6),1085-1087(1967)中题为“Stereoscopic DisplayUsing Rapid Varifocal Mirror Oscillations”的文章与美国专利号4,130,832两者皆讨论了利用变焦距的球形镜扫描对CRT显示成像的像平面以产生体积的显示器。像平面在虚拟空间内，即，观看者不得不透过反射镜(mirror)去看体积。反射镜的几毫米(mm)的小运动导致扫过大的体积。这样的扫频体显示器已经证明实际上很难实现。光学部件较笨重并且体显示不可缩放。进一步地，由于图像不在真实空间内(即，空气中)，所以限制了与显示器的交互操作性。
美国Reveo有限责任公司的Zhan He在WO 01/44858中提出了三维体显示器。该显示器有具有通过在不同位置处聚焦图像而建立体元的可变焦距显微透镜阵列的平板。使用有源矩阵半导体制造技术能够在平板上制造显微透镜阵列。
全息技术能够产生三维图像。全息技术存储使入射光建设性地并且破坏性地进行干涉而产生光学波阵面的衍射图案。全息技术能够存储频率、振幅、以及相位信息，以重构三维图像。相应地，已经关注使用全息技术实现3D可视化。
计算机生成的全息(CGH)显示器使用空间光调制(SLM)技术提供高分辨率的3D成像。SLM是能够对相干光的相位和/或振幅进行调制的数字可编程衍射全息元件。计算机计算与3D图像对应的衍射图案，然后，将计算的衍射图案传输至SLM。在美国A.Travis ofCambridge University,的题为“Autostereoscopic Display”的EP 0992163中、美国Qinetiq Malvern的Chris Slinger等的题为“Computer Generated Holography as aGeneric Display Technology”的IEEE Computer Magazine 2005中的文章、以及以色列Real View Imaging Ltd的Rotschild等的美国8,500,284中讨论了CGH显示器的实施例。
在CGH显示器中，SLM表现得像可编程全息膜。因此，SLM的像素特征尺寸需要与全息膜感光乳剂内的晶粒的尺寸相似。这就需要比在微显示器中发现的当前微米级特征尺寸远远先进的纳米级半导体技术。此外，CGH需要相当大的计算能力来计算所需的衍射图案。因此，目前，由于抑制成本及技术的挑战性，对于许多应用而言，CGH显示器是不可行的。
WO 2009/109785讨论了利用空间多路复用方案来建立各个体元的全息体显示器。WO 2009/109785中讨论的系统对能够产生的体元的数目上具有限制，这取决于能够对全息干涉图案进行取样和多路复用的程度。因此，WO 2009/109785的全息体显示器难以朝着高分辨率的显示器发展。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种具有包括衍射光学元件的成像装置的体显示器。成像装置被布置成提供真实空间的体积内的一系列像平面以生成三维图像，每个像平面对应于衍射光学元件的相应的不同焦距。衍射光学元件的使用具有若干潜在的优点，包括：
●产生真实空间图像的能力；
●用于非机械体积扫频的能力；
●减少与传统折射或反射光学器件相关联的大体积的潜在要求，由此形成更为紧凑并且成本更低的系统；
●利用f值或更低值趋近一致实现更短焦点距离的能力。
从仅通过参考所附附图的实施例给出的发明的实施方式的下列描述中，发明的进一步特征与优点将变得显而易见。
附图说明
图1示意性地示出了例证形成本发明的第一实施方式的体显示器的主要部件的框图；
图2示出了由图1中的体显示器产生的一系列重构像平面；
图3示意性地示出了例证形成本发明的第二实施方式的体显示器的主要部件的框图；
图4示意性地示出了例证形成本发明的第三实施方式的体显示器的主要部件的框图；
图5示意性地示出了例证形成本发明的第四实施方式的体显示器的主要部件的框图；
图6示意性地示出了例证根据本发明的第五实施方式的体显示器的主要部件的框图；
图7示意性地示出了根据本发明的实施方式的用于体显示器的可替代的成像系统的主要部件；以及
图8是示出根据本发明的实施方式的体显示器的操作的方法的流程图。
具体实施方式
第一实施方式
图1中的体显示器1处理3D图像文件3中的3D图像数据，以生成体三维图像5。在该实施方式中，3D图像文件中的3D图像数据指定了与3D对象对应的亮度值、而非色值。体显示器1包括连接至光源9与投影仪11的控制器7。体显示器1还包括漫射屏13与衍射光学元件15。
光源9是其频率由来自控制器7的控制信号控制的窄带可调谐光源。合适的可调谐光源的实施例可以基于通过窄带声光可调谐滤波器(AOTF)进行过滤以改变输出光的波长的宽带白色光源。其他光源可以包括每个阵列元素均位于不同波长中心的激光或窄带发光二极管(LED)阵列。
投影仪11是常规的投影仪布置，在光源9的照射下，将二维图像投射在与从控制器7接收的二维图像数据对应的衍射屏13上。在该实施方式中，投影仪11包括基于微显示器技术的空间光调制器，诸如硅上液晶(LcoS)或数字微镜设备(DMD)等。
在该实施方式中，衍射光学元件15是具有衍射图案的无源全息光学元件，所述衍射图案利用衍射与干涉的光学效应提供具有相关联的焦距f的聚焦效应。具体地，在该实施方式中，衍射光学元件是菲涅耳相位板，其是执行会聚透镜功能的透射式衍射光学元件。换言之，衍射光学元件15用作具有焦距f的衍射会聚透镜。
衍射光学元件15表现出色散，从而使得与衍射光学元件15相关联的焦距f对于光的不同波长而变化。在该实施方式中，衍射光学元件15相对于投影仪11定位在位于漫射屏13后面的距离2fg处，其中，在近似为光源9的可调谐范围(在光谱的绿色区域中)的中间值的波长λg下，fg是衍射光学元件15的焦距。
漫射屏13用作包括衍射光学元件15的成像系统内的物平面，并且根据薄透镜公式，对于波长为λg的光，对应的像平面形成在超过衍射光学元件15的距离2fg处。光源9、投影仪11、以及漫射屏13根据接收的图像数据在包括衍射光学元件15的成像系统的物平面中生成源图像。
如图1中指示的，在像平面内形成的图像相对于在物平面内形成的源图像以放大因数1(即，与目标图像中的图像的尺寸相同)被反相。对于其他波长，像平面超过衍射光学元件15的距离将由于衍射光学元件15的焦距随着波长的变化而变化。此外，形成的图像的放大倍率将随着波长而变化。对于大于λg的波长，放大因数大于1，并且对于小于λg的波长，放大因数小于1。因此，图1中示出了位于位置z1、z2、z3、z4、z5的五个不同像平面，这五个位置分别对应于相应的不同邻近波长λ1、λ2…λ5，距衍射光学元件15的距离可变。如果波长充分接近并且是窄带，布置则产生紧密放置在一起、以接近体显示的一系列像平面。图2中以参考标号21、23、25、27、以及29更为详细地示出了这五个像平面。应当认识到，可以存在多于或少于五个的像平面。
在该实施方式中，3D图像数据3可以是任何三维数据格式或包括点云数据、多边形网格、体积数据、计算机辅助设计(CAD)格式等的坐标系。控制器9具有处理器(未示出)，处理器首先将与示出的x轴、y轴以及z轴对应的三维笛卡尔坐标系中的三维图像5的三维数据转换成体积对象表示，作为一系列的单位体积，本文中称为体元。然后，处理器将体积对象数据分割成(split)与图1和图2中的x-y平面(为相对于投影仪11的光轴的正交平面，投影仪的光轴平行于图1的z方向)对应的一系列二维图像片段(slice)。控制器9将x-y像平面的强度进行适当地缩放、反相或归一化，以用于沿着z方向的x-y平面内的统一表示。
控制器7与将控制由光源9输出的光的波长的控制信号发送至光源9同步地将用于x-y平面内的二维图像的二维图像数据顺序发送至投影仪11。通过投影仪11将二维图像的各个序列投射到漫射屏13上，以在包括衍射光学元件15的成像系统中生成源图像。对于该系列的二维图像的每一个，根据三维图像数据3，依赖于在z方向上与各个二维图像对应的x-y平面的位置，通过改变由光源9输出的光的波长，在真实空间的相应不同平面内顺序形成与被投射到漫射屏13上的该系列二维图像对应的源图像，以构造与3D图像文件中的3D图像数据对应的三维图像。换言之，由控制器7发送至光源9的控制信号改变由光源9发射的光的波长，以改变像平面在真实空间的体积内的位置。因此，第一实施方式利用了与衍射光学元件15相关联的固有色散性质的优点，以产生一系列的像平面，每个像平面与由光源9发射的光的不同波长对应。
通过与在物平面内形成该系列的二维图像同步地发送控制信号，构造三维图像。在该实施方式中，控制器7通过该系列的二维图像进行循环，且每个循环具有20ms以下的持续时间。以这种方式，人类眼睛中的视力的持久性使得与3D图像文件3中的3D图像数据对应的三维图像连续出现。
第二实施方式
在第一实施方式中，利用衍射光学元件15的色散改变x-y像平面的位置，以构造3D图像。因此，x-y像平面具有相关联的颜色，所述相关联的颜色从用于靠近衍射光学元件15的x-y像平面的可调谐光源9的发射光谱的一端改变至用于远离衍射光学元件15的x-y像平面的可调谐光源9的发射光谱的另一端。对于某些应用，色彩的这样的变化是不可接受的。
现参考图3对第二实施方式进行描述，其中，通过改变与衍射光学元件相关联的焦距而改变x-y像平面的位置。在图3中，与第一实施方式中的对应部件相同的部件以相同的标号表示并且不再对此进行详细描述。
第二实施方式的体显示器31包括有源衍射光学元件33，对于该有源衍射光学元件33，相关联的焦距响应于来自控制器35的控制信号而改变。在该实施方式中，在OpticsLetters,35(3),第336-338页(2010)，P.Valley等的题为“Tunable-focus flat liquid-crystal diffractive lens”的文章中描述了有源衍射光学元件33。如该文章讨论的，有源衍射光学元件33包括具有菲涅耳区结构电极的液晶衍射透镜。液晶的折射率响应于所施加的电压而改变，由此改变与有源衍射光学元件33相关联的焦距。
在该实施方式中，光源37是具有恒定波长的窄带光源。控制器35接收3D图像文件3并且将其中包含的三维图像数据3处理成用于一系列2D图像片段的数据，然后，以与第一实施方式相同的方式将用于该系列2D图像片段的2D图像数据顺序发送至投影仪11。与将用于2D图像片段的2D图像数据发送至投影仪11同步，控制器35将控制信号发送至有源衍射光学元件33，以将与有源衍射光学元件33相关联的焦距改变成用于该2D图像片段的值。根据3D图像数据，通过依赖于z方向上与各个图像对应的x-y平面的位置将用于一系列五个2D图像片段中的每个的焦距‘f’改变成值f1、f2、f3、f4、f5，在真实空间中沿着投影仪11的光轴在相应的不同平面z1、z2、z3、z4、z5内形成一系列五个2D图像，从而构造与3D图像文件中的3D图像数据对应的三维图像。换言之，由控制器35被发送至有源衍射光学元件33的控制信号改变了有源衍射光学元件33的焦距，以在真实空间的体积内提供一系列的像平面，从而构造三维图像。应当认识到，可以存在多于或少于五个的2D图像片段，且像平面的数目发生对应的变化。
如第一实施方式，控制器35将x-y像平面的强度进行适当地缩放、反相或归一化，以用于沿着z方向的x-y平面内的统一表示。控制器35还通过该系列的2D图像片段进行循环，每个循环均具有20ms以下的持续时间，从而使得该系列的2D图像片段表现为与3D图像文件中的3D图像数据对应的3D图像。在第二实施方式中，由于由光源输出的波长并不改变，所以3D图像是单色的。
第三实施方式
如上讨论的，第二实施方式中的体显示器31产生与不具有颜色信息的3D图像数据对应的单色3D图像。现将参考图4描述第三实施方式，其中，体显示器41产生与3D图像文件43中的彩色3D图像数据对应的彩色3D图像。第三实施方式中的体显示器既包括第一实施方式中的窄带可调谐光源9并且又包括第二实施方式中的有源衍射光学元件33。第三实施方式中的体显示器产生在空间上重叠以产生彩色体积的单色红色体积、单色绿色体积以及单色蓝色体积。在图4中，与第二实施方式中的对应部件相同的部件以相同的标号表示并且不再对此进行详细描述。
在该实施方式中，3D图像文件43以彩色格式存储3D图像数据。控制器45处理3D图像文件43中存储的3D图像数据，以根据3D图像文件43中的3D图像数据的颜色信息生成用于红色、绿色以及蓝色的各种颜色的体积对象表示。然后，控制器45将红色体积对象表示法分割成用于一系列的红色2D图像片段的数据、将绿色体积对象表示分割成用于与该系列的红色2D图像的相同像平面对应的一系列绿色2D图像片段的数据、并且将蓝色体积对象表示分割成用于与该系列的红色2D图像片段及该系列的蓝色2D图像片段的相同像平面对应的一系列蓝色2D图像片段的数据。
然后，控制器45将用于2D图像片段的数据顺序发送至投影仪11。对于各个2D图像片段，与将用于2D图像片段的数据发送至投影仪11同步，控制器将第一控制信号发送至光源9，以根据与2D图像片段相关联的颜色(即，红色、绿色或蓝色)设置光源9的波长，并且将第二控制信号发送至有源衍射光学元件33，以根据2D图像片段在z方向上的位置设置衍射光学元件33的焦距。衍射光学元件33的焦距的设置需要考虑用于2D图像片段的光源的波长(即，红色、绿色或蓝色)。换言之，由控制器45发送至光源9与有源衍射光学元件33的控制信号改变由光源9发射的光的波长及有源衍射光学元件33的焦距，从而在真实空间的体积内提供一系列的像平面，从而构造三维图像。
如第一实施方式和第二实施方式，控制器35将x-y像平面的强度进行适当地缩放、反相或归一化，以用于沿着z方向的x-y平面内的统一表示。此外，控制器35根据CIE色度空间或其他颜色空间确保红色、绿色以及蓝色x-y平面的正确色彩混合。控制器45通过2D图像片段进行循环，且每个循环均具有20ms以下的持续时间，从而使得该系列的2D图像片段表现为与3D图像文件3中的3D图像数据对应的3D图像。在该实施方式中，2D图像片段进行循环的顺序为红色2D图像片段，随后，绿色2D图像片段，并且再后，蓝色2D图像片段。以这种方式，光源9的波长的变化被最小化。可以使用可替代的布置(ordering)，例如，使得衍射光学元件33的焦距的变化最小化。
第四实施方式
尽管在第二与第三实施方式中，能够通过发送适当的控制信号而连续调整焦距，然而，第一至第三实施方式中的衍射光学元件各自用作具有根据波长而变化的单一焦距的透镜。第二与第三实施方式中的有源衍射光学元件是复杂的并且昂贵的光学部件。现将参考图5描述第四实施方式，其中，基于具有三个离散焦距的可切换衍射透镜以及可调谐的光源一起产生三个重叠的红色、绿色以及蓝色体积而实现彩色体显示器。在图5中，与之前的实施方式中的对应部件相同的部件以相同的标号表示并且不再对此进行详细描述。
使用WO 2009/109785中描述的方法制造具有第一焦距、第二焦距以及第三焦距的复合衍射光学元件，其中，位于红色光谱子频带内(例如，中心位于630nm)的第一焦距与位于绿色光谱子频带内(例如，中心位于530nm)的第二焦距以及位于蓝色光谱子频带内(例如，中心位于440nm)的第三焦距重叠。具体地，复合衍射光学元件包括被称为子元件的三个不同的无源衍射光学元件，它们在空间上被采样并且交织，被布置成片(tile)，且每个片均包括含衍射图案的一部分的三个样本。通过由液晶快门提供的空间掩模选择各个存储的子元件。
与彩色液晶显示器中的RGB子像素相似，在该实施方式中，衍射光学元件55具有片阵列，每个片具有衍射图案的三个样本的阵列，第一焦距、第二焦距以及第三焦距各有一个样本。快门掩模阵列57被定位成邻近于复合衍射光学元件55，以允许光穿过与一个衍射子元件对应的片的一个样本并且对另两个进行掩盖。以这种方式，快门掩模阵列57使得能够在三个衍射光学子元件之间进行选择性切换。图5中示出的配置示出了对应于以绿色为中心的衍射子元件的绿色样本，选取每片中的中间样本。
参考图5，第四实施方式中的体显示器51具有光源37，其与第一实施方式中的光源相似，为具有可变波长的窄带光源。控制器53接收彩色的3D图像文件43并且将其中包含的三维图像数据3处理成用于位于红色光谱子频带内、绿色光谱子频带内以及蓝色光谱子频带内的一系列2D图像片段的数据，然后，以与第一实施方式相似的方式，与指定颜色同步地将用于该系列的2D图像片段的2D图像数据顺序发送至投影仪11。
控制器53首先通过将控制信号发送至快门掩模阵列57选择红色为中心的衍射光学子元件来选择红色焦平面，并且与投影仪11将位于红色光谱子频带内的该系列2D图像投射到漫射屏13(其形成结合了衍射光学元件55与快门阵列57的成像系统的物平面)上同步，对该中心波长周围的光源进行扫频，从而建立x-y平面的红色体积。针对绿色平面和蓝色平面重复类似的操作，从而建立红色、绿色以及蓝色中心焦点在空间上重叠的给定彩色体积空间。
因此，成像系统具有由上述漫射屏13形成的单个物平面以及一系列的像平面。
如第三实施方式，控制器53将x-y像平面的强度进行适当地缩放、反相、或归一化，以用于沿着z方向x-y平面内的统一表示。此外，控制器53根据CIE色度空间或其他颜色空间确保红色、绿色以及蓝色x-y平面的正确颜色混合。控制器53通过2D图像片段进行循环，且每个循环均具有20ms以下的持续时间，从而使得该系列的2D图像片段重构与3D图像文件43中的3D图像数据对应的3D图像。
这种布置将影响所传输的光的亮度并且快门掩模图案将影响所重构的x-y像平面的视觉质量，这取决于片及其组成元件的尺寸。通常，这些与LCD中的像素及子像素的尺寸相似，例如，对于片，为300微米，并且对于各个样本，为100毫米。
第五实施方式
之前的实施方式基于用作色散部件或复合衍射部件的单个主要衍射光学元件，以对真实空间的体积进行扫频。如图6所示，第五实施方式利用以经典的4f、望远镜式或相似的配置布置的两个或多个该衍射光学元件(11,16)，从而使得对来自放置于第一衍射光学元件11的中心焦点周围的目标像平面的光进行校准，然后，通过第二元件16重新调焦，以在其真实空间的中心焦点周围形成像平面。与第一实施方式类似，随着波长上的对应改变，该配置还在所观察的像平面5的位置与放大倍率上发生变化。
如之前的实施方式，由于所观察的像平面位置的移动能够比使用单个衍射光学元件时更显著，所以第五实施方式潜在地需要更少的波长。这是因为其结合了两个衍射光学元件的效果，每个元件都对色散有贡献。
第五实施方式的配置的另一优点在于，图像重构更接近于第二衍射部件16，这意味着更宽的视角。此外，通过将滤波器或其他光学部件放置在两个元件(11,16)之间的傅里叶平面内可以执行图像处理。
修改及另外的实施方式
上述实施方式应被理解为发明的示出性实施例。设想了发明的另外的实施方式。
在第四实施方式中，应当认识到，复合衍射光学元件能够存储三组以上衍射部件。例如，可以存储以8x8阵列布置的64个不同子元件。这样的配置能够再产生64个截然不同的焦平面。
尽管上述讨论的彩色显示器使用了红色、绿色、以及蓝色颜色空间，然而，应当认识到的是，其他颜色空间是可能的。
在第三实施方式中，使用单个窄带可调谐光源选择性地输出三个不同波长的光，具体地，红色波长、绿色波长以及蓝色波长。应当认识到的是，在可替代的实施方式中，通过控制器选择适合于2D图像的光源，可以采用单独的窄带红色、绿色以及蓝色光源。
第五实施方式的变形可以包括作为任意部件的折射元件、或可切换的衍射元件或这些元件的任意组合。
现将参考图8总结上述所述全部实施方式的操作。在S1，接收三维图像数据，并且在S3，处理三维图像数据，以生成用于对应2D图像系列的2D图像数据。然后，在S5，顺序形成这些2D图像，并且在S7，与形成图像系列同步地改变像平面的位置，以构造体三维图像。如上讨论的，图像序列的形成包括：通过衍射光学元件传输光；并且改变像平面的位置包括：调整下列项中的至少一项i)通过衍射光学元件传输的光的波长与ii)与衍射光学元件相关联的焦距。
应当认识到，由体显示器接收的数据预处理为用于一系列的2D图像的2D图像数据，在这种情况下，可以使用接收的2D图像数据直接进行体显示器。
在上述所述实施方式中，通过将图像投射到漫射屏上而在结合了衍射光学元件的成像系统的物平面内形成源图像。可以使用可替代的源图像生成装置在成像系统的物平面内形成源图像。例如，如图7所示，可以通过邻近可调谐的背光85设置的液晶快门83的阵列形成成像屏81。控制器87将控制信号发送至液晶快门83的阵列，以根据图像数据在散射与透射模式之间选择性地切换各个快门元件。以这种方式，源图像通过液晶快门的阵列形成。然后，使用上述讨论的技术，通过衍射光学元件89将源图像成像到多个像平面的一个上。应当认识到，取决于所使用的技术，控制器87可以将控制信号发送至背光83与衍射光学元件89中的一个或两个。可替代地，源图像生成装置可以通过光发射器阵列形成。
发明的实施方式描述了执行包括反相、缩放、颜色混合/平衡、和/或归一化的基本图像处理功能的控制器。由于诸如投影光学器件等衍射光学元件或其他等，这些功能可扩展为包括用于沿着光路产生的光学失真或像差的校正。这样的校正可以覆盖桶形、针垫或触须(moustache)失真、以及其他的倾斜、球形像差、场弯曲。这样的光学伪缺陷(artefact)的校正需要现有的测量值及适当校正图案的计算。
实施方式描述了由诸如菲涅耳相位板等发散的衍射光学元件执行的会聚透镜功能。衍射光学元件可以包括含多个元件、微透镜阵列、圆柱形透镜等的多个交错或扩展的光学功能。
上述实施方式包括投影仪和以2f距离成像、以获得统一的放大倍率的漫射屏。这种布置能够产生长的光路长度，等于4f。应当认识到，其他光学几何形状是可能的。减少光路长度的一种方法是采用具有放置在衍射透镜的焦平面处的校准光学器件的投影仪。这将使得在f处形成实际图像，由此将整个光路减少至2f。在该实施方式中，并不需要漫射器。在这样的实施方式中，包括衍射光学元件的成像系统的物平面是投影仪内的空间光调制器。
上述实施方式参考使用了衍射光学元件。使用诸如涉及掩模和蚀刻的照相平板印刷术等微米或纳米级制造技术以及包括电子束写或直写激光或光学平板印刷术的无掩模技术制造衍射光学元件。纳米级衍射光学元件通常被称为光子晶体。可替代地，可以使用经典的干涉全息技术制造衍射光学元件，使得参考与目标光束位于包括光敏聚合物、卤化银、重铬酸盐明胶、或相似无的合适光敏介质内。使用全息技术制造的衍射光学元件通常被称为全息光学元件。
应当理解的是，可以单独使用或结合所描述的其他特征使用、并且还可以结合任何其他实施方式中的一个或多个特征使用、或以任何其他实施方式的任何组合使用所描述的与任意一种实施方式有关的任何特征。进一步地，在不背离发明的范围的情况下，还可以采用上面未描述的等同物及修改，所附权利要求中限定了发明的范围。

Claims (21)

1.一种用于体显示的装置，所述装置包括：
成像系统，具有物平面和像平面；
源图像生成装置，用于根据接收的图像数据在所述物平面内形成源图像，所述源图像生成装置包括光源；以及
控制装置，用于将图像数据供应至所述源图像生成装置，所述图像数据对应于一系列的二维图像；
其中，所述成像系统包括衍射光学元件，并且所述控制装置被布置成生成至少一个控制信号，以改变由所述光源发射的光的波长和与所述衍射光学元件相关联的焦距中的至少一个，从而与在所述物平面内形成所述一系列的二维图像同步地改变所述像平面在真实空间的体积内的位置，从而根据接收的图像数据构造体三维图像。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述衍射光学元件具有随着光学频率变化的焦距，并且其中，所述控制装置被布置成生成改变所述光源的所述光学频率的控制信号，以提供一系列的像平面。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述衍射光学元件是具有在空间上分离的子元件的阵列的复合衍射光学元件，每个子元件均具有相应的焦距；
其中，所述复合衍射光学元件进一步包括快门元件阵列，每个快门元件控制所述衍射光学元件中的一个或多个子元件的照明；并且
其中，所述控制装置被布置成生成选择性地寻址所述快门元件阵列的第一控制信号，以选择所述焦距，并且生成改变所述光源的所述光学频率的第二控制信号，以提供一系列的像平面。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，复合型衍射元件包括具有第一焦距的第一子元件、具有第二焦距的第二子元件以及具有第三焦距的第三子元件，其中，位于第一光谱子频带内的所述第一焦距与位于第二光谱子频带内的所述第二焦距及位于第三光谱子频带内的所述第三焦距重叠。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一光谱子频带对应于光谱的红色区域，所述第二光谱子频带对应于所述光谱的绿色区域，并且所述第三光谱子频带对应于所述光谱的蓝色区域。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述衍射光学元件是具有可变焦距的有源衍射光学元件；并且
其中，所述控制装置被布置成向所述衍射光学元件生成控制信号，以控制所述有源衍射光学元件的焦距，从而提供一系列的像平面。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述衍射光学元件是全息光学元件。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述光源包括可调谐的窄带光源。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述源图像生成装置包括投影系统，所述投影系统具有被布置成根据来自所述控制装置的所述图像数据对来自所述光源的光进行调制的空间光调制器。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，所述源图像生成装置包括液晶快门阵列，且所述光源被布置成可操作为响应于接收的图像数据而形成源图像的背光。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，所述光源包括光发射器阵列，所述光发射器阵列依赖于来自所述控制装置的所述图像数据是选择性可寻址的，以形成所述源图像。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述光源可操作为输出红光、绿光以及蓝光，并且其中，所述控制装置被布置成控制成像装置与所述衍射光学元件以提供在空间上重叠的红色、绿色以及蓝色像平面。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述控制装置被布置成以重复序列提供一系列的像平面。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述控制装置包括处理器，所述处理器可操作为处理包括三维数据的图像文件，以与所述至少一个控制信号同步地生成用于成像单元的图像数据，从而显示与所述三维数据对应的体三维图像。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述三维数据为包括体积体元、网格、花键、点云的任意格式，特征包括颜色、强度、或不透明性。
16.根据权利要求14或15所述的装置，其中，所述处理器被布置成处理图像文件序列，以生成体三维图像的对应序列。
17.根据权利要求14、15或16所述的装置，其中，所述处理器执行诸如缩放、反相、以及归一化的图像处理功能、或者对像差或失真的校正。
18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述成像系统包括至少两个衍射光学元件。
19.一种根据三维图像数据构造体图像的方法，所述方法包括：
根据接收的图像数据顺序形成一系列的二维图像；并且
与形成一系列的图像同步，改变像平面的位置，以使得在相应的像平面内形成所述一系列的图像中的每个，从而构造体三维图像；
其中，形成图像序列包括通过衍射光学元件传输光；并且
其中，改变所述像平面的所述位置包括：调整下列项中的至少一项i)通过所述衍射光学元件传输的光的波长；和ii)与所述衍射光学元件相关联的焦距。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述衍射光学元件具有相关联的色散，并且通过改变经由所述衍射光学元件传输的光的波长来改变所述像平面的位置。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述衍射光学元件是具有在空间上分离的子元件的阵列的复合衍射光学元件，每个子元件具有相应的焦距，并且通过选择性地寻址空间上分离子的元件的阵列而改变所述像平面的位置。
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